JP5841300B1 - 作業機械の較正装置、及び作業機械の作業機パラメータの較正方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このため、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで正確に把握することが重要であり、特許文献1に記載の技術では、例えば、作業機のバケットの刃先の5つの姿勢をトータルステーション等の外部計測装置により計測し、計測したバケットの刃先の計測値に基づいて油圧ショベルのコントローラでの刃先位置の計算に必要な作業機パラメータを較正している。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第1油圧シリンダにより駆動される第1駆動部、及び、前記第1駆動部に回動自在に接続され、前記第1駆動部に設けられた第2油圧シリンダにより駆動される第2駆動部を備えた作業機と、
前記第1駆動部の回動角情報を検出する第1の回動角検出部と、
前記第2駆動部の回動角情報を検出する第2の回動角検出部と、
検出された第1駆動部及び第2駆動部の回動角情報に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢とに基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体、前記第1駆動部、及び前記第2駆動部の基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で計測された前記作業機械本体の基準点の計測値、及び前記第1駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第1較正部と、
前記第1較正部で較正された前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、前記第1駆動部の基準点の計測値、及び前記第2駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第2較正部とを備えていることを特徴とする。
前記第1の回動角検出部及び前記第2の回動角検出部は、前記第1油圧シリンダ及び前記第2油圧シリンダに設けられ、それぞれのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする。
前記作業機械は、前記作業機械本体に対する前記第1駆動部の回動角を検出するエンコーダを備え、
前記姿勢演算部は、前記エンコーダで検出された前記第1駆動部の回動角の基準位置に基づいて、前記ストローク量検出部の基準位置の較正を行うことを特徴とする。
前記第1較正部及び前記第2較正部は、前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の基準点の計測値とを含む数値解析式が、所定の誤差範囲に収束するまで収束演算を行うことにより較正し、
前記第2較正部の許容誤差範囲が、前記第1較正部の許容誤差範囲よりも大きいことを特徴とする。
前記第1駆動部は、前記作業機械本体にピンを介して回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブームと、前記ブームの先端にピンを介して回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアームとを備え、
前記第2駆動部は、前記アームの先端にピンを介して接続される作業具であり、
前記第1駆動部の基準点は、前記アームの先端のピンであり、
前記第2駆動部の基準点は、前記作業具の作業方向先端であることを特徴とする。
前記第1較正部は、前記作業機械の3姿勢に基づいて、前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正し、
前記第2較正部は、前記作業機械の2姿勢に基づいて、前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブーム、前記ブームに回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアーム、及び前記アームに回動自在に接続され、前記アームに設けられたバケットシリンダにより駆動されるバケットを備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記ブームの回動角情報を検出するブーム回動角検出部と、
前記ブームに対する前記アームの回動角情報を検出するアーム回動角検出部と、
前記アームに対する前記バケットの回動角情報を検出するバケット回動角検出部と、
前記ブーム回動角検出部、前記アーム回動角検出部、及び前記バケット回動角検出部で検出されたそれぞれの回動角情報に基づいて、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記ブーム、前記アーム、前記バケットに設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢とに基づいて、前記バケットの刃先の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体の基準点の計測値、前記ブームの基準点の計測値、前記アームの基準点の計測値、及び前記バケットの基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体、前記ブーム、及び前記アームの基準点の計測値に基づいて、前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータを較正する第1較正部と、
前記第1較正部で較正された前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された、前記作業機械本体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの基準点の計測値とに基づいて、前記バケットの作業機パラメータを較正する第2較正部とを備えていることを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第1油圧シリンダにより駆動される第1駆動部、及び、前記第1駆動部に回動自在に接続され、前記第1駆動部に設けられた第2油圧シリンダにより駆動される第2駆動部を備えた作業機と、
前記第1駆動部の作業機械に対する回動角情報を検出する第1回動角検出部と、
前記第2駆動部の第1駆動部に対する回動角情報を検出する第2回動角検出部と、
検出された第1駆動部及び第2駆動部の回動角情報に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢とに基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械で実施され、前記作業機パラメータを較正する作業機械の作業機パラメータの較正方法であって、
前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータを取得する手順と、
外部計測装置を用いて計測された、前記作業機械本体、前記第1駆動部、及び前記第2駆動部の基準点の計測値を取得する手順と、
前記作業機械本体及び前記第1駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順と、
較正された前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記作業機械本体、前記第1駆動部、及び前記第2駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順とを実施することを特徴とする。
[1]油圧ショベル1の全体構成
図1は、本実施形態に係る較正装置による較正が実施される油圧ショベル1の斜視図である。油圧ショベル1は、作業機械本体2と作業機3とを備える。
作業機械本体2は、下部走行体4と、上部旋回体5とを備え、上部旋回体5は、下部走行体4に旋回自在に設けられている。
上部旋回体5は、後述する油圧ポンプ54や、エンジンなど54Aの装置を収容している。
上部旋回体5には、前部にキャブ6が設けられており、キャブ6内には、オペレータが着座するシートや、後述する表示入力装置71及び操作装置51が設けられる。
下部走行体4には、一対の走行装置4Aが設けられ、走行装置4Aは履帯4Bを有し、履帯4Bが回転することにより、油圧ショベル1が走行する。なお、本実施形態においては、シートに着座したときのオペレータの視線を基準として前後左右を規定する。
ブーム31の基端部は、ブームピン37を介して作業機械本体2の前部に回動自在に取り付けられる。ブームピン37は、ブーム31の上部旋回体5に対する回動中心に相当する。
アーム32の基端部は、アームピン38を介してブーム31の先端部に回動可能に取り付けられる。アームピン38は、アーム32のブーム31に対する回動中心に相当する。
アーム32の先端部には、バケットピン39を介してバケット33が回動可能に取り付けられる。バケットピン39は、アーム32の先端に設けられ、本発明の第1駆動部の基準点であり、バケット33のアーム32に対する回動中心に相当する。第1駆動部の基準点は、ブーム31若しくはアーム32の任意位置に設けてよい。
ブームシリンダ34の基端部は、ブームシリンダフートピン34Aを介して上部旋回体5に回動可能に取り付けられている。
また、ブームシリンダ34の先端部は、ブームシリンダトップピン34Bを介してブーム31に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ34は、油圧によって伸縮することによって、ブーム31を駆動する。
また、アームシリンダ35の先端部は、アームシリンダトップピン35Bを介してアーム32に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ35は、油圧によって伸縮することによって、アーム32を駆動する。
バケットシリンダ36の基端部は、バケットシリンダフートピン36Aを介してアーム32に回動可能に取り付けられている。
また、バケットシリンダ36の先端部は、バケットシリンダトップピン36Bを介して、第1リンク部材40の一端及び第2リンク部材41の一端に回動可能に取り付けられている。
第1リンク部材40の他端は、第1リンクピン40Aを介してアーム32の先端部に回動自在に取り付けられている。
第2リンク部材41の他端は、第2リンクピン41Aを介してバケット33に回動自在に取り付けられている。バケットシリンダ36は、油圧によって伸縮することによって、バケット33を駆動する。
各シリンダストロークセンサ42〜44は、油圧シリンダ34〜36の側方に設置されるシリンダのストロークを検出するストロークセンサであり、回動角情報である各油圧シリンダ34〜36のストローク長さを検出することにより、後述する表示コントローラ72の姿勢演算部72Cにて、作業機械本体2に対するブーム31の回動角と、ブーム31に対するアーム32の回動角と、アーム32に対するバケット33の回動角とを演算可能とする。なお、回動角検出部は各作業機の回動部に取り付ける角度センサによる回動角情報の検出を代用してもよい。
表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、アームシリンダストロークセンサ43が検出したアームシリンダ35のストローク長さから、ブーム31に対するアーム32の回動角βを演算する。
表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、バケットシリンダストロークセンサ44が検出したバケットシリンダ36のストローク長さから、アーム32に対するバケット33の回動角γを演算する。回動角α、β、γの演算方法については後に詳細に説明する。
第1エンコーダ42Aは、ブーム31の回動域内の所定の角度位置を基準位置として、パルス信号を表示コントローラ72の姿勢演算部72Cに出力する。
第2エンコーダ43Aは、アーム32の回動域内の所定の角度位置を基準位置として、パルス信号を表示コントローラ72の姿勢演算部72Cに出力する。
姿勢演算部72Cでは、第1エンコーダ42Aから出力されたパルス信号に基づいて、ブームシリンダストロークセンサ42の基準位置の較正を行い、第2エンコーダ43Aから出力されたパルス信号に基づいて、アームシリンダストロークセンサ43の較正を行う。
つまり、第1エンコーダ42A及び第2エンコーダ43Aは、ブームシリンダストロークセンサ42及びアームシリンダストロークセンサ43のリセットセンサとして機能する。
これにより、シリンダストロークセンサ42、43の検出結果から得られるストローク位置を、基準位置にリセットして誤差を低減し、アーム32の先端のバケットピン39の位置を高精度に推定することができる。
発光部42A1は、受光部42A3に対して光線を照射する発光素子を備えている。
円盤部42A2は、回転可能に保持され、この円盤部42A2には、円周方向に沿って所定ピッチで複数の透孔42A4が形成され、その内側には、透孔42A5が一箇所形成されている。透孔42A5は、ブーム31の回動域内の基準位置に応じた位置に形成され、例えば、ブーム31の回動域の略中央である。
受光部42A3は、発光部42A1に応じた位置に複数の受光素子42A6を備え、受光素子42A6が光を受光するとパルス信号を出力するようになっている。
姿勢演算部72Cは、パルス信号が入力した際、ブームシリンダストロークセンサ42の信号値を読み取り、基準位置の較正を行う。
磁力センサ44Aは、図6に示されるように、バケットシリンダ36のシリンダチューブ361の外部に取り付けられている。磁力センサ44Aは、ピストン362の直動方向に沿って、所定距離離間されて配置された2個のセンサ44B、44Cを有している。
センサ44B、44Cは、既知の基準位置に設けられており、ピストン362には、磁力線を生成する磁石44Dが設けられている。センサ44B、44Cは、磁石44Dで生成された磁力線を透過して、磁力(磁束密度)を検出し、磁力(磁束密度)に応じた電気信号(電圧)を出力する。
磁力センサ44Aは、磁力により基準位置を検出しているため、バケット33のストローク精度にバラつきを生じ易く、エンコーダ42A、43Aをリセットセンサとしたブーム31やアーム32の場合よりも、検出ストローク値の誤差が大きくなる。
アンテナ46、47は、後述する車体座標系x−y−zの原点Oを基準とし、x軸、y軸、及びz軸(図2A〜図2C参照)に沿って一定距離(それぞれLbdx、Lbdy、Lbdz)だけ離間して配置されている。
アンテナ46、47で受信されたGNSS電波に応じた信号は、位置演算器48に入力される。位置演算器48は、アンテナ46、47のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系はX−Y−Zで表記し、水平面をXY、鉛直方向をZとする。また、グローバル座標系は、GNSSによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。
アンテナ46(以下、「基準アンテナ46」と呼んでもよい)は、作業機械本体2の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ47(以下、「方向アンテナ47」と呼んでもよい)は、作業機械本体2(具体的には上部旋回体5)の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部45は、基準アンテナ46と方向アンテナ47との位置によって、後述する車体座標系のx軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ46、47は、GPS用のアンテナであってもよい。
図2に示すように、作業機械本体2は、車体の傾斜角を計測するIMU49(Inertial Measurement Unit)を備え、このIMU49により、Y方向のロール角(θ1:図2B参照)及びX方向のピッチ角(θ2:図2C参照)の角速度と加速度を出力する。
油圧ショベル1は、操作装置51と、作業機コントローラ52と、油圧制御回路53と、油圧ポンプ54と、油圧モータ61と、エンジン54Aと、表示システム70とを備える。
操作装置51は、作業機操作レバー55と、作業機操作検出部56とを備える。
作業機操作レバー55は、左右の操作レバー55L、55Rを備える。左操作レバー55Lの左右の操作で上部旋回体5の左右の旋回指令を行い、左操作レバー55Lの前後の操作でアーム32のダンプ・掘削を指令する。右操作レバー55Rの左右の操作でバケット33の掘削・ダンプを指令し、右操作レバー55Rの前後の操作でブーム31の下げ・上げを指令する。
作業機操作検出部56L、56Rは、作業機操作レバー55の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ52へ出力する。作業機操作レバー55からの油圧制御回路53への操作指令は、パイロット油圧方式でも電気レバー方式でもどちらでもよい。電気レバー方式の場合は、操作指令をポテンショメータ等で電気信号に変換し、作業機コントローラ52に入力する。パイロット油圧方式の場合は、レバー操作によって生成されるパイロット油圧で比例弁を駆動し、作動油の流量を調整する。また、パイロット圧力を圧力センサで検出し、電気信号に変換して作業機コントローラ52に入力する。
走行操作レバー59は、オペレータが油圧ショベル1の走行を操作するための部材である。走行操作検出部60、走行操作レバー59の操作内容に基づき下部走行体4の油圧モータ61へ油圧の供給を行う。
油圧制御回路53は、比例制御弁、EPC弁などの油圧制御機器を備え、作業機コントローラ52からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ54から油圧シリンダ34〜36に供給される作動油の流量を制御する。
油圧シリンダ34〜36は、油圧制御回路53から供給された作動油に応じて駆動され、これにより、作業機3が動作する。
また、旋回操作レバーの操作に基づき比例制御弁が駆動され、これにより、油圧モータ61が駆動され、上部旋回体5が旋回する。なお、上部旋回体5を駆動する旋回モータは油圧駆動でなく、電動式を使用してもよい。
入力部71Aは、オペレータが計測値等の種々の情報を入力する部分であり、キーボード、タッチパネル等で構成される。
位置演算部72Bは、記憶部72Aに記憶されている各種のデータと、位置検出部45の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するための各種の演算を実行する。
姿勢演算部72Cは、シリンダストロークセンサ42〜44の検出値に基づき、ブーム31、アーム32、バケット33に設けられるそれぞれのシリンダストロークセンサ42〜44によって検出されるシリンダストロークより姿勢角であるブーム31の回動角α、アーム32の回動角β、バケット33の回動角γを演算する。また、姿勢演算部72Cは、エンコーダ42A、43A、磁力センサ44Aにおいて、各油圧シリンダ34〜36のシリンダストロークセンサ42〜44で取得したストローク値のリセットを行う。そして、姿勢演算部72Cは、IMU49の角速度、加速度より、油圧ショベル1のロール角θ1、ピッチ角θ2を演算する。
また、記憶部72Aは、作業機パラメータを記憶する。
次に、上述したバケット33の刃先Pの位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ72の姿勢演算部72Cは、位置検出部45の検出結果、及び、記憶部72Aに記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット33の刃先Pの推定位置を演算する。
パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム31とアーム32とバケット33との寸法と回動角とを示す複数のパラメータを含む。アンテナパラメータは、アンテナ46、47とブーム31との位置関係を示す複数のパラメータを含む。
第2推定位置演算部72Eは、アンテナパラメータと、位置検出部45が検出したアンテナ46、47のグローバル座標系における推定位置と、第1推定位置演算部72Dが演算したバケット33の刃先Pの車体座標系における推定位置とから、バケット33の刃先Pのグローバル座標系における推定位置を演算する。具体的には、バケット33の刃先Pの推定位置は、次のように求められる。
また、以下の説明においてブームピン37を油圧ショベル1の基準位置とする。ブームピン37の位置は、ブームピン37の車幅方向における中点の位置を意味するものとするが、実際は車体座標系に対するブームピン37の位置の座標を与えている。油圧ショベル1の基準位置は、上部旋回体5上に任意に設定されてよい。
各シリンダストロークセンサ42、43、44の検出結果から、上述したブーム31、アーム32、バケット33の現在の回動角α、β、γが演算される。
車体座標系でのバケット33の刃先Pの座標(x,y,z)は、ブーム31、アーム32、バケット33の回動角α、β、γと、作業パラメータであるブーム31、アーム32、バケット33の長さL1、L2、L3とを用いて、以下の式(1)により演算される。
前述したアンテナパラメータは、アンテナ46、47と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ46、47とブームピン37の車幅方向における中点との位置関係を示す。
具体的には、図2B及び図2Cに示すように、アンテナパラメータは、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のx軸方向の距離Lbbxと、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のy軸方向の距離Lbbyと、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のx軸方向の距離Lbdxと、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のy軸方向の距離Lbdyと、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbdzとを含む。
(A,B,C)は、アンテナ46、47が検出したグローバル座標系におけるアンテナ46、47の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
図7は、ブーム31の側面図である。ブーム31の回動角αは、図7に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式(4)によって表される、
尚、側面視においてアームシリンダトップピン35Bとバケットピン39とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。アーム32の作業機パラメータであるLarm1_xは、アームピン38とバケットピン39との間のxarm2軸方向の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm1_zは、アームピン38とバケットピン39との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン38とバケットピン39とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム32の回動角βは、xboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
図10に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLtmpは、バケットシリンダトップピン36Bとバケットピン39との間の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm4は、第1リンクピン40Aとバケットピン39との間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket1は、バケットシリンダトップピン36Bと第1リンクピン40Aとの間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket3は、バケットピン39と第2リンクピン41Aとの間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket2は、バケットシリンダトップピン36Bと第2リンクピン41Aとの間の距離である。
なお、側面視においてバケットピン39とバケット33の刃先Pとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット33の回動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の式(7)によって表される。
図3に示される較正部80は、油圧ショベル1おいて、上述した回動角α、β、γの演算、及び、バケット33の刃先Pの位置を演算するために必要な作業機パラメータを較正するための部分である。
較正部80は、較正演算部83を備え、油圧ショベル1及び外部計測装置84と共に、上述した作業機パラメータを較正するための較正装置を構成する。外部計測装置84は、バケット33の刃先Pの位置を計測する装置であり、例えば、トータルステーションを用いることができる。また、較正部80は、車内通信によって表示コントローラ72とデータ通信を行うことができる。
較正演算部83は、CPU等で構成され、外部計測装置84によって計測された計測値に基づいて作業機パラメータの較正を行う。作業機パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル1の出荷時やメンテナンス後の初期設定において実行される。
作業パラメータの較正結果は、表示入力装置71の表示部71Bに表示され、オペレータは、この較正結果を確認することにより、較正がうまくいったか、再度較正しなければならないかを確認することができる。
座標系変換部85は、外部計測装置84で計測された計測値を車体座標系に変換する部分である。具体的な車体座標系への変換は後述するが、車体座標系に変換された計測値は、パラメータ較正部87に出力される。
作業機パラメータ取得部86は、表示コントローラ72の記憶部72Aに格納されたデフォルトの作業機パラメータを読み出す部分であり、読み出された作業機パラメータはパラメータ較正部87に出力される。なお、デフォルトの作業機パラメータは図面値、寸法測定等で得られた値、前回の較正値を必要に応じ使用する。
第1較正部88は、作業機パラメータ取得部86で取得されたブーム31及びアーム32の作業機パラメータを較正する部分である。
第2較正部89は、第1較正部88で較正されたブーム31及びアーム32の作業機パラメータを用い、これに基づいて、バケット33の作業機パラメータの較正する部分である。
パラメータ較正部87の各較正部88、89は、較正されたブーム31、アーム32、及びバケット33の作業機パラメータを表示部71Bに出力する。
[5-1]外部計測装置84による計測
図13は、計測者が較正時に行う作業手順を示すフローチャートである。
まず、計測者は、外部計測装置84を、ブームピン37の真横に所定の距離隔てて設置する(手順S1)。
次に、計測者は、バケット33の外形輪郭点とバケット接続位置(バケットピン39)との位置関係を示す角度等の作業機パラメータの計測を行う(手順S2)。バケット33の作業機寸法測定は、外部計測装置84を用いて計測してもよいが、外部計測装置84を用いなくとも、メジャー等で直接計測し、計測者が表示入力装置71の入力部71Aから手動で入力してもよい。
計測者は、外部計測装置84により、図14に示すブームピン37の側面中心位置P1を計測する(手順S4)。
最後に計測者は、GPS位置の測定を行う(手順S7)。
なお、以上で説明した手順S2〜手順S7で計測された各計測値は、計測される毎に、較正部80の計測値取得部83Aに出力され、外部計測装置84から入力された各計測値は、順次座標系変換部85によってグローバル座標系から車体座標系への座標変換が行われる。
次に、較正部80におけるパラメータの較正処理を図17に示されるフローチャートに基づいて説明する。
作業機パラメータ取得部86は、表示コントローラ72の記憶部72Aから作業機パラメータの読み込みを行い、パラメータ較正部87に出力する(手順S8)。
外部計測装置84から出力された計測値は、計測値取得部83Aに入力される(手順S9)。座標系変換部85は、計測値取得部83Aに入力された計測値を車体座標系に変換する(手順S10)。
ここで、計測値を車体座標系に変換する方法は、図15に示されるバケットピン39の計測位置P2〜P4から作業機3の作業平面を求め、作業平面の法線単位ベクトルと重心座標を求め、図14に示されるブームピン37の計測位置P1を作業平面上に投影する。
次に、旋回面を求め、その法線単位ベクトルを求める。旋回面及び作業平面の2つの法線ベクトルの外積をとって、油圧ショベル1の前後方向のベクトルを求める。
これら前後、左右、上下方向に基づいて、計測値の座標系から車体座標系に変換する回転行列を求め、ブームピン37を原点とした車体座標系の位置情報に変換する。
第1較正部88は、誤差が所定の許容範囲内に入っていない場合、収束演算が所定回数以内であるかを判定する(手順S13)。収束演算が所定回数(N)未満である場合、手順S11に戻る。
収束演算が所定回数(N)に達した場合、較正作業が失敗した旨を表示部71B上に表示させ、計測者は及びオペレータに認識させ、先の手順に進めないようにする(手順S14)。
計測者及びオペレータは、手順S8に戻り、手順S8〜手順S11を繰り返す。
第1較正部88は、誤差が所定の許容範囲内に入っていると判定されたら、誤差が許容範囲内に収まったという情報を表示部71B上に表示させ(手順S14)、計測者及びオペレータに認識させ作業機パラメータの修正を行い(手順S15)、第1較正部88は、先の手順にすすむことを許可する。
第1較正部88は、較正されたブーム31及びアーム32の作業機パラメータを、第2較正部89に出力する。
第2較正部89は、誤差が所定の許容範囲内に入っていない場合、収束演算が所定回数以内であるかを判定する(手順S18)。収束演算が所定回数(N)未満である場合、手順S16に戻る。
収束演算が所定回数(N)に達した場合、較正作業が失敗した旨を表示部71B上に表示させ、計測者は及びオペレータに認識させ、先の手順に進めないようにする(手順S19)。
パラメータ較正部87は、較正された作業機パラメータを表示コントローラ72に出力し、表示コントローラ72の記憶部72Aに、新たな作業機ファイルのパラメータとして書き込む(手順S20)。
なお、本実施形態では、第1較正部88により設定する許容誤差は、第2較正部89で設定する許容誤差より小さい誤差を設定している。許容誤差をこのように設定すると、バケット33に対して作業機寸法の大きい第1駆動部(ブーム31及びアーム32)の誤差は、バケット33の刃先Pの誤差の要因として、第2駆動部(バケット33)の誤差より寄与が大きい。第1駆動部の作業機パラメータの誤差を小さくすることで刃先Pの誤差を小さくすることができる。
図18に示されるように、油圧ショベル1の作業機3の稼働範囲内でバケット33の刃先Pの位置を変化させ、外部計測装置84による刃先Pの位置の計測値と、作業機パラメータに基づいて演算した刃先Pの位置の推定値との誤差を確認した。
従来の手法による刃先Pの位置を5姿勢で較正した場合、バケット33の下方位置や、作業方向先端側で推定位置と計測位置の誤差が大きくでてしまった。
これに対して、本実施形態によれば、第1較正部88で誤差の小さい第1駆動部を構成する部材のシリンダストロークを用いて、第1駆動部を較正する部材の作業機パラメータの較正を行うことにより、第1駆動部を構成する部材のパラメータが高精度に較正できるようになる。高精度に較正した第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを用いて、第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することにより、第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータの較正も従来より高精度に行うことができる。その結果、刃先Pの位置の計測位置と演算した刃先Pの位置の推定値の誤差も少なくなった。
これにより、作業機3の全動作領域において誤差が小さくなる。特に、作業機3の寸法が長くなる場合、誤差の改善は顕著である。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、油圧ショベル1を較正の対象としていたが、本発明はこれに限らず、ホイールローダーや他の作業機械に適用してもよい。
また、前記実施形態で行った外部計測装置84による計測の手順は、これに限られず、他の順番でもよい。
Claims (8)
- 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第1油圧シリンダにより駆動される第1駆動部、及び、前記第1駆動部に回動自在に接続され、前記第1駆動部に設けられた第2油圧シリンダにより駆動される第2駆動部を備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第1駆動部の回動角情報を検出する第1回動角検出部と、
前記第1駆動部に対する前記第2駆動部の回動角情報を検出する第2回動角検出部と、
検出された第1駆動部及び第2駆動部の回動角情報に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢とに基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体、前記第1駆動部、及び前記第2駆動部の基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、及び前記第1駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第1較正部と、
前記第1較正部で較正された前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、前記第1駆動部の基準点の計測値、及び前記第2駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第2較正部とを備えていることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項1に記載の作業機械の較正装置において、
前記第1回動角検出部及び前記第2回動角検出部は、前記第1油圧シリンダ及び前記第2油圧シリンダに設けられ、それぞれのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項2に記載の作業機械の較正装置において、
前記作業機械は、前記作業機械本体に対する前記第1駆動部の回動角を検出するエンコーダを備え、
前記姿勢演算部は、前記エンコーダで検出された前記第1駆動部の回動角の基準位置に基づいて、前記ストローク量検出部の基準位置の較正を行うことを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の作業機械の較正装置において、
前記第1較正部及び前記第2較正部は、前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の基準点の計測値とを含む数値解析式が、所定の誤差範囲に収束するまで収束演算を行うことにより較正し、
前記第2較正部の許容誤差範囲が、前記第1較正部の許容誤差範囲よりも大きいことを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の作業機械の較正装置において、
前記第1駆動部は、前記作業機械本体にピンを介して回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブームと、前記ブームの先端にピンを介して回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアームとを備え、
前記第2駆動部は、前記アームの先端にピンを介して接続されるバケットであり、
前記第1駆動部の基準点は、前記アームの先端のピンであり、
前記第2駆動部の基準点は、前記バケットの作業方向先端であることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項5に記載の作業機械の較正装置において、
前記第1較正部は、前記作業機械を異なる3姿勢としたときの前記第1駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正し、
前記第2較正部は、前記作業機械を異なる2姿勢としたときの前記第2駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することを特徴とする作業機械の較正装置。 - 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブーム、前記ブームに回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアーム、及び前記アームに回動自在に接続され、前記アームに設けられたバケットシリンダにより駆動されるバケットを備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記ブームの回動角情報を検出するブーム回動角検出部と、
前記ブームに対する前記アームの回動角情報を検出するアーム回動角検出部と、
前記アームに対する前記バケットの回動角情報を検出するバケット回動角検出部と、
前記ブーム回動角検出部、前記アーム回動角検出部、及び前記バケット回動角検出部で検出されたそれぞれの回動角情報に基づいて、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記ブーム、前記アーム、前記バケットに設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢とに基づいて、前記バケットの刃先の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体の基準点の計測値、前記ブームの基準点の計測値、前記アームの基準点の計測値、及び前記バケットの基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体、前記ブーム、及び前記アームの基準点の計測値に基づいて、前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータを較正する第1較正部と、
前記第1較正部で較正された前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された、前記作業機械本体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの基準点の計測値とに基づいて、前記バケットの作業機パラメータを較正する第2較正部とを備えていることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第1油圧シリンダにより駆動される第1駆動部、及び、前記第1駆動部に回動自在に接続され、前記第1駆動部に設けられた第2油圧シリンダにより駆動される第2駆動部を備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第1駆動部の回動角情報を検出する第1回動角検出部と、
前記第1駆動部に対する前記第2駆動部の回動角情報を検出する第2回動角検出部と、
検出された第1駆動部及び第2駆動部の回動角情報に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第1駆動部及び前記第2駆動部の姿勢とに基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械で実施され、前記作業機パラメータを較正する作業機械の作業機パラメータの較正方法であって、
前記第1駆動部及び前記第2駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータを取得する手順と、
外部計測装置を用いて計測された、前記作業機械本体、前記第1駆動部、及び前記第2駆動部の基準点の計測値を取得する手順と、
前記作業機械本体及び前記第1駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順と、
較正された前記第1駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記作業機械本体、前記第1駆動部、及び前記第2駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第2駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順とを実施することを特徴とする作業機械の作業機パラメータの較正方法。
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