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公開番号2021050522
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210401
出願番号2019173863
出願日20190925
発明の名称作業機械
出願人日立建機株式会社
代理人特許業務法人開知国際特許事務所
主分類E02F 9/26 20060101AFI20210305BHJP(水工;基礎;土砂の移送)
要約【課題】車体座標系を基準とする位置計測システムを搭載した作業機械でもアタッチメントの消耗部の摩耗量を容易に測定できる作業機械を提供すること。
【解決手段】コントローラ60が,バケット背面39を地面に接触させた状態で演算されるフロント作業装置30の姿勢データ及びバケット爪先の位置データに基づいて,車体座標系におけるバケット背面の位置に測定面を設定し,地面においてバケット背面が接触した接触面に対してバケット35を所定の角度θ1で保持しながらバケット爪先を接触させる測定姿勢にフロント作業装置の姿勢が保持されているか否かを判定し,車体座標系におけるバケット爪先の位置と測定面の位置とに基づいて,測定面とバケット爪先の距離を演算し,フロント作業装置が測定姿勢に保持されていると判定されたときに演算された距離に基づいて爪37の摩耗量を演算する。
【選択図】 図3
特許請求の範囲【請求項1】
消耗部が設けられたアタッチメントを先端に有する多関節型の作業装置と,
前記作業装置の姿勢を検出する姿勢センサと,
前記姿勢センサから出力される信号に基づいて前記作業装置の姿勢データを演算し,演算した姿勢データと前記作業装置の寸法データとに基づいて,前記消耗部に設定した制御点の車体座標系における位置データを演算するコントローラとを備えた作業機械において,
前記コントローラは,
前記アタッチメント上の基準面を測定面設定物体に接触させた状態で演算される前記作業装置の姿勢データ及び前記制御点の位置データに基づいて,前記車体座標系における前記基準面の位置に測定面を設定する第1処理と,
前記測定面設定物体において前記基準面が接触した接触面に対して前記アタッチメントを所定の角度で保持しながら前記アタッチメントの前記消耗部を接触させる測定姿勢に前記作業装置の姿勢が保持されているか否かを判定する第2処理と,
前記車体座標系における前記制御点の位置と,前記車体座標系に設定した前記測定面の位置とに基づいて,前記測定面と前記制御点の距離を演算する第3処理と,
演算された前記距離のうち前記作業装置が前記測定姿勢に保持されていると判定されたときに演算された距離に基づいて前記消耗部の摩耗量を演算する第4処理とを実行する
ことを特徴とする作業機械。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
請求項1の作業機械において,
前記コントローラによって前記第1処理が実行される前に,前記基準面を前記測定面設定物体に接触させることをオペレータに対して指示する第1表示と,
前記コントローラによって前記第2処理が実行される前に,前記作業装置の姿勢を前記測定姿勢に保持することをオペレータに対して指示する第2表示とを表示するモニタをさらに備える
ことを特徴とする作業機械。
【請求項3】
請求項2の作業機械において,
前記モニタに前記第1表示が表示された後に,前記基準面が前記測定面設定物体に接触されたことを前記コントローラに入力する第1入力と,
前記モニタに前記第2表示が表示された後に,前記作業装置の姿勢が前記測定姿勢に保持されたことを前記コントローラに入力する第2入力とを入力するための入力装置をさらに備える
ことを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項2の作業機械において,
前記作業装置を駆動するアクチュエータに作用する圧力を検出する圧力センサをさらに備え,
前記コントローラは,
前記モニタに前記第1表示が表示された後に,前記基準面が前記測定面設定物体に接触したことを前記圧力センサによる検出圧力によって検出したときに前記第1処理を実行し,
前記モニタに前記第2表示が表示された後に,前記作業装置が前記測定姿勢をとったことを前記圧力センサによる検出圧力によって検出したときに前記第2処理を実行する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項1の作業機械において,
前記アタッチメントはバケットであり,前記消耗部は前記バケットの爪であり,前記制御点は前記バケットの爪先に設定した点であり,
前記測定姿勢は,前記バケットの背面を前記接触面に対して垂直に保持し,かつ,前記バケットの爪先を前記接触面に接触させた姿勢である
ことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項2の作業機械において,
前記コントローラは,前記姿勢センサから出力される信号に基づいて演算される前記作業装置の姿勢データと,前記車体座標系における前記測定面の位置とに基づいて,前記バケットの背面と前記接触面のなす角度を演算し,演算した前記角度を前記モニタに表示する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項7】
請求項1の作業機械において,
前記コントローラは,演算した前記摩耗量に基づいて前記作業装置の寸法データを更新する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項8】
請求項1の作業機械において,
前記コントローラは,演算した前記制御点の前記車体座標系における位置に基づいて前記作業装置を制御する
ことを特徴とする作業機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は継続使用により消耗し得るアタッチメントを作業装置に有する作業機械に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
例えば油圧ショベルのような作業機械では,オペレータが操作レバーを操作することで,バケットなどのアタッチメントを含む作業装置(フロント作業装置)が駆動される。このとき,所定深さの溝または所定勾配の法面を掘削する場合には,作業装置の動作を目視するだけで目標とする形状通りに正確に掘削されているか否かをオペレータが判断することは困難である。また,オペレータが,そのような所定勾配の法面を目標形状通りに効率よく正確に掘削できるようになるには熟練を要する。このため,例えば特許文献1のように,作業装置の先端に位置するバケットの先端(爪先)の位置情報を表示装置に表示して,オペレータを補助する技術がある。
【0003】
バケットの位置情報を正確に表示するためには,作業装置の各部位の寸法と当該各部位の姿勢を検出する各センサの位置関係を正確に測定および設定する必要がある。その一方で,バケット先端には消耗部品である複数の爪が取り付けられている。バケットの継続使用により爪の先端が摩耗して,その長さが事前に測定及び設定した値から短くなると,バケットの位置情報を正確に表示することができなくなる。そのため,爪が摩耗する度に爪の長さを再度正確に測定して設定する必要がある。爪の正確な長さを測定する方法として,手作業で測定してその測定値を入力するものがあるが,この方法は手間がかかる。この手間を軽減するために,爪を所定の場所に接触させた時の座標と,異なる条件で取得した座標の少なくとも2つの座標に基づいて爪の摩耗量を算出する方法がある(特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2012−172431号公報
国際公開2016/098741号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら特許文献2のショベルは,座標の演算のためにGPS受信機を含む測位センサを搭載している。つまり,全地球航法衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)を利用して地球座標系における座標を演算することを前提としている。すなわち,アンテナや受信機を含むGNSS用の機器の搭載が必須であり,これらの機器を搭載しない作業機械(例えば,地球座標系ではなく車体座標系を基準とした位置計測システムを搭載した油圧ショベル)には適用することができない。また,事前に爪の摩耗量を測定するための位置を決め,その位置を検出しておく必要があるため,測定の度に所定の位置にショベルを移動するか,測定のための位置を再設定する必要がある。
【0006】
本発明は,上述の事柄に基づいてなされたもので,その目的は,車体座標系を基準とする位置計測システムを搭載した作業機械にも適用でき,アタッチメントに取り付けられた消耗部の摩耗量を容易に測定できる作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが,その一例を挙げるならば,消耗部が設けられたアタッチメントを先端に有する多関節型の作業装置と,前記作業装置の姿勢を検出する姿勢センサと,前記姿勢センサから出力される信号に基づいて前記作業装置の姿勢データを演算し,演算した姿勢データと前記作業装置の寸法データとに基づいて,前記消耗部に設定した制御点の車体座標系における位置データを演算するコントローラとを備えた作業機械において,前記コントローラは,前記アタッチメント上の基準面を測定面設定物体に接触させた状態で演算される前記作業装置の姿勢データ及び前記制御点の位置データに基づいて,前記車体座標系における前記基準面の位置に測定面を設定する第1処理と,前記測定面設定物体において前記基準面が接触した接触面に対して前記アタッチメントを所定の角度で保持しながら前記アタッチメントの前記消耗部を接触させる測定姿勢に前記作業装置の姿勢が保持されているか否かを判定する第2処理と,前記車体座標系における前記制御点の位置と,前記車体座標系に設定した前記測定面の位置とに基づいて,前記測定面と前記制御点の距離を演算する第3処理と,演算された前記距離のうち前記作業装置が前記測定姿勢に保持されていると判定されたときに演算された距離に基づいて前記消耗部の摩耗量を演算する第4処理とを実行するものとする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば,車体座標系を基準とする位置計測システムを搭載した作業機械においても,アタッチメントに取り付けられた消耗部の摩耗量を容易に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本発明の実施形態による油圧ショベルの側面図。
本発明の第1の実施形態によるコントロールシステム構成図。
本発明の第1の実施形態によるコントロールシステムのフローチャート。
本発明の第1の実施形態による測定面設定指示情報の例。
本発明の第1の実施形態による測定姿勢指示情報の例。
本発明の第1の実施形態によるアタッチメント先端の接地指示情報の例。
本発明の第1の実施形態による摩耗の有無による測定面と爪の先端との距離。
本発明の第2の実施形態によるコントロールシステム構成図。
本発明の第2の実施形態によるコントロールシステムのフローチャート。
本発明の第2の実施形態による測定面設定指示情報の例。
本発明の第2の実施形態によるアタッチメント先端の接地指示情報の例。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下,本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【0011】
なお,以下では作業機械として油圧ショベルを例に挙げて説明するが,継続使用により摩耗するアタッチメントを先端に有する多関節型の作業装置を備えた作業機械であれば,油圧ショベル以外の作業機械にも適用可能である。また,油圧ショベルのアタッチメントとしてはバケットを例示するが,継続使用による摩耗する消耗部が設けられたアタッチメントであれば,バケット以外のものにも適用可能である。
【0012】
<第1の実施形態>
図1は第1の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。この図に示した油圧ショベルは,下部走行体10と,下部走行体10の上部に旋回可能に取り付けられた上部旋回体20と,消耗部(爪37)が設けられたアタッチメント(バケット35)を先端に有し,上部旋回体20に取り付けられた多関節型のフロント作業装置30とを備えている。
【0013】
下部走行体10は,一対のクローラ11及びクローラフレーム12(図では片側のみを示す)と,各クローラ11を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ13(図では片側のみを示す)と,その減速機構などで構成されている。
【0014】
上部旋回体20は,旋回フレーム21と,旋回フレーム21上に設けられた,原動機としてのエンジン22と,旋回用油圧モータ24の駆動力により下部走行体10に対して上部旋回体20(旋回フレーム21)を旋回駆動させるための旋回機構23と,オペレータが搭乗して操作を行うキャブ(運転室)24などを搭載している。
【0015】
フロント作業装置30は,ブーム31と,ブーム31を駆動するためのブームシリンダ32と,ブーム31の先端部分に回転自在に軸支されたアーム33と,アーム33を駆動するためのアームシリンダ34と,アーム33の先端部分に回転可能に軸支されたバケット(アタッチメント)35と,バケット35を駆動するためのバケットシリンダ36などを備えている。
【0016】
バケット35は先端に交換可能な消耗部である爪37が取り付けられており,バケット35の背面39は爪37の先端に向かって略平坦な面になるように形成されている。本実施形態ではバケット35の背面39を基準面と称することがある。
【0017】
さらに,上部旋回体20の旋回フレーム21上には,走行用油圧モータ13,旋回用油圧モータ24,ブームシリンダ32,アームシリンダ34,及びバケットシリンダ36などの油圧アクチュエータを駆動するための油圧(作動油)を発生する油圧ポンプ41と,各アクチュエータを駆動制御するための,図示されないコントロールバルブを含む油圧システム40と,油圧ショベルに設定した任意の点(制御点)の車体座標系における位置を演算して表示装置67(後述の図2参照)に表示する油圧ショベルの画像(後述の図4等参照)を生成するコントローラ60が搭載されている。油圧源となる油圧ポンプ41はエンジン22によって駆動される。
【0018】
フロント作業装置30および上部旋回体20には,フロント作業装置30を構成する各フロント部材31,33,35及び上部旋回体20の姿勢を検出するための姿勢センサとして,ブーム31,アーム33,バケット35,上部旋回体20にそれぞれIMU50(Inertial Measurement Unit,慣性計測装置)が搭載されている。コントローラ60は,これらのIMU50で検出及び出力される加速度信号および角速度信号に基づいて,フロント作業装置30を構成する各フロント部材(ブーム31,アーム33,バケット35)及び上部旋回体20の傾斜角度が演算でき,その演算した各傾斜角度のデータをここでは「姿勢データ」と称することがある。コントローラ60は,この演算した姿勢データと,各フロント部材(ブーム31,アーム33,バケット35)の寸法データとに基づいて,車体座標系(油圧ショベルに設定した3次元座標系)における油圧ショベル上の任意の点の位置(例えばバケット35の爪37の先端(バケット爪先)の位置)が演算できる。なお,図1においては,アーム33とバケット35を接続するリンク機構の構成部材(バケットリンク部材)にバケット35の姿勢データを取得するためのIMU50を配置した場合を例示しているが,油圧ショベルの設計データ等に基づいてバケット35の姿勢データを間接的に取得しているため,当該IMU50がバケット35に搭載されていると取り扱うこと,すなわち当該IMU50の出力でバケット35の傾斜角度を演算することができる。
【0019】
コントローラ60は,演算した油圧ショベルの姿勢データ及び位置データに基づいてキャブ24内に設置されるモニタなどの表示装置67(図2参照)に現在の油圧ショベルの姿勢を反映した画像を設計面や施工目標面とともに表示できる。設計面は地形(作業対象物)の完成形状を規定するもので,本実施形態では3次元データで提供されている。施工目標面はフロント作業装置30の動作平面によって設計面の3次元データを切断したときに現れる断面図であり,設計面のうち油圧ショベル近傍のものを2次元平面で表したものであり,本実施形態では車体座標系に設定されている。施工目標面は設計面データと独立してオペレータが簡易的に設定することもできる。油圧ショベルの姿勢データには油圧ショベルの側面図や正面図,各関節部の角度情報,油圧ショベルの前後左右の傾きなどの情報が含まれる。表示装置67には予め作成して取り込んだ設計面や施工目標面,バケット35の爪37の先端と設計面や施工目標面との距離などの情報も数値やインジケータ,図形などで表示することができる。油圧ショベルのオペレータはこれらの情報を基に施工することで,従前から施工時の目印として使用されてきた丁張や水糸などを設置することなく施工を進めることができる。
【0020】
(システム構成)
次に本実施形態によるマシンガイダンスシステムについて説明する。図2は本発明の第1の実施形態に係るマシンガイダンスシステムの構成図である。図2のマシンガイダンスシステムは,コントローラ60と,これと通信可能に接続される複数のIMU50,入力装置66及び表示装置67とを備えている。
【0021】
入力装置66は,キャブ(運転室)24内に搭載されオペレータの入力操作を受け付けるボタンなどの装置である。入力装置66としては,独立したハードウェアを採用しても良いが,表示装置67をタッチパネル式に構成して,その画面上にボタンなどの入力装置を示す画像を表示させ,当該画像に対するオペレータの操作を検出することでオペレータの入力を検出しても良い。
【0022】
(コントローラ60)
コントローラ60は,例えば図示しないCPU(Central Processing Unit)と,CPUによる処理を実行するための各種プログラムを格納するROM(Read Only Memory)やHDD(Hard Disc Drive)などの記憶装置と,CPUがプログラムを実行する際の作業領域となるRAM(Random Access Memory)とを含むハードウェアを用いて構成されている。このように記憶装置に格納されたプログラムを実行することで,図2のコントローラ60内に記載した各部,すなわち,姿勢演算部61,測定面設定部62,測定姿勢判定部63,距離演算部64,摩耗量設定部65として機能する。
【0023】
(姿勢演算部61)
姿勢演算部61は,各IMU50から出力される各検出信号と予めコントローラ60に入力したフロント作業装置30の各部位の寸法に基づき,各フロント部材31,33,35及び上部旋回体20の姿勢(姿勢データ)と,バケット35の爪37(消耗部)の先端に設定した制御点(バケット爪先)の位置(位置データ)とを演算する。姿勢データにはバケット35の背面39の角度(背面角度)も含まれる。演算された姿勢データと位置データは,測定姿勢判定部63,測定面設定部62,距離演算部64,表示装置67等に出力される。
【0024】
(測定面設定部62)
測定面設定部62は,姿勢演算部61で演算されたバケット35の爪先の位置および背面39の角度と,油圧ショベルのオペレータによって操作される入力装置66の信号とに基づき,バケット35の爪37の摩耗量を測定するための測定面を設定する(第1処理)。
【0025】
測定面設定部62は,バケット35の背面39を測定面設定物体(後述)に接触させた状態において,姿勢演算部61で演算されるフロント作業装置30の姿勢データ及びバケット爪先の位置データと,入力装置66から入力される信号とに基づいて,車体座標系におけるバケット背面39の位置を演算し,その演算した車体座標系におけるバケット背面39の位置に測定面(後述)を設定する。測定面はバケット35の爪37の摩耗量を測定するために車体座標系に設定される仮想的な面であり,測定面設定物体は,設定面の設定時に利用され,バケット35の背面39を面接触できる平坦な部分を有する物体であり,例えば地面,地表,金属板,平坦な部分を有するコンクリートやアスファルト等である。測定面設定物体にバケット背面39を接触させて測定面を設定すると,結果的に測定面設定物体においてバケット背面39が接触した面(接触面)に測定面が設定されることになる。
【0026】
(測定姿勢判定部63)
測定姿勢判定部63は,姿勢演算部61で演算された姿勢データと入力装置66から入力される信号に基づいて,フロント作業装置30の姿勢がバケット35の爪37の摩耗量を測定するために予め設定された姿勢(測定姿勢)に保持されているか否かを判定する(第2処理)。測定姿勢とは,測定面設定物体に設定した測定面(測定面設定物体においてバケット背面39が接触した接触面)に対してバケット35を所定の角度θ1で保持しながらバケット35の爪37の先端を接触させた姿勢である。爪37の摩耗量を正確に計測する観点からは,測定面に対してバケット35を保持する所定の角度θ1として,測定面に対してバケット背面39が垂直に保持される角度を選択することが好ましい。すなわち,測定面(接触面)に対してバケット背面39が垂直になるようにバケット35の爪37の先端を接触させる姿勢を測定姿勢とすることが好ましい。
【0027】
バケット爪先が測定面(接触面)に接触したか否かは,バケット爪先を測定面に接触させたことをオペレータが入力装置66に入力したことをトリガーとして入力装置66から入力される信号に基づいて判定でき,バケット35が測定面(接触面)に対して所定の角度θ1か否かは姿勢演算部61から入力される姿勢データに基づいて判定できる。測定姿勢判定部63の判定結果は摩耗量設定部65と表示装置67に出力される。
【0028】
(距離演算部64)
距離演算部64は,姿勢演算部61で演算された車体座標系におけるバケット爪先(制御点)の位置データと,測定面設定部62で車体座標系に設定された測定面の位置データとに基づいて,測定面とバケット爪先との距離(測定面距離)を演算する(第3処理)。演算された距離は摩耗量設定部65と表示装置67に出力される。
【0029】
(摩耗量設定部65)
摩耗量設定部65は,距離演算部64から逐次入力される複数の測定面距離のうち,測定姿勢判定部63においてフロント作業装置30の姿勢が測定姿勢に保持されていると判定されたときに距離演算部64で演算された測定面距離に基づいて爪(消耗部)37の摩耗量を演算する(第4処理)。本実施形態では,フロント作業装置30の姿勢が測定姿勢に保持されていると判定されたときに距離演算部64で演算された測定面距離をそのままバケット35の爪37の摩耗量として算出している。
【0030】
摩耗量の演算後は,演算された摩耗量を姿勢演算部61に出力し,当該摩耗量が反映された値になるようにフロント作業装置30の寸法データを自動的に更新しても良い。また,演算された摩耗量を表示装置67に表示してオペレータに摩耗量の反映に必要な作業(例えば,摩耗量のコントローラ60への入力作業)をさせても良い。
(【0031】以降は省略されています)

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