JP7263287B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明はバケットの姿勢に関する情報を表示可能なモニタを備える作業機械に関する。

油圧ショベルに代表される多関節型の作業装置（フロント作業装置）を備えた作業機械では、オペレータによる操作レバー操作に基づいて作業装置が駆動され、施工対象となる地形が所望の形状に整形される。このような作業の支援を目的とした技術として、マシンガイダンス（Ｍａｃｈｉｎｅ Ｇｕｉｄａｎｃｅ：ＭＧ）がある。ＭＧは、最終的に実現したい施工対象面の所望の形状（目標面）を示す目標面データと、作業装置の先端に位置するフロント部材であるバケットの姿勢情報とを運転室内のモニタに表示することで、オペレータの操作支援を実現する技術である。ＭＧにおいて、モニタに表示されるバケットの姿勢情報としては、例えば、バケットの形状を模式化したアイコンや、バケット底面と目標面の傾斜角の差分（すなわちバケットと目標面の角度差）等がある。

特許文献１には、目標施工面（目標面）の画像を画面に表示し、バケットを側面から見たときの底面に対応する部分を抽出して生成した直線画像を、目標施工面の画像とともに表示する掘削機械の表示システムが開示されている。

国際公開第２０１５／０３０２６６号

特許文献１に記載された技術は、バケットの底面を直線画像で強調して表示することにより、オペレータにバケットの底面と施工目標面の位置関係や角度を分かり易く伝えている。

しかしながら、実際のバケットを側面から見たときの底面の形状は直線ではなく複雑な形状をしていることが少なくない。例えば、爪付近の底面と、爪より後ろ側の底面とでは、傾斜角が異なっていることが多い。また、オペレータが掘削作業を進める際にバケット底面上で基準としたい面はオペレータごとに異なる。そのため、例えば、モニタ上でバケット底面を示す面としてメーカが予め決めた面がオペレータの意図する面と異なると、オペレータによるバケットと目標面の位置関係の正確な把握が困難になる可能性がある。

なお、バケットの姿勢に関する情報（姿勢情報）をモニタに表示する場合、上記特許文献１のように直線画像を表示するもののほか、バケット底面を実際と異なる形状（例えば直線状）に簡略して表現したバケットの画像（アイコン）を表示するものや、バケット底面における或る基準面と目標面との傾斜角の差分値を表示するもの等があるが、これらの表示方法においても上記と同様の課題が生じ得る。

本発明は、上記事項を鑑みてなされたものであり、バケット底面においてオペレータが意図する面の姿勢情報をモニタに表示できる作業機械を提供することを目的とする。

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、バケットを含む複数のフロント部材を連結した作業装置と、前記複数のフロント部材の姿勢を検出する複数の姿勢センサと、前記作業装置を利用した作業に関する地形表面の形状を規定する地形データが記憶された記憶装置と、前記バケットを側面から見たときの前記バケットの底面として表示される線である基準ラインと、前記地形表面の２次元形状とが表示されるモニタと、前記複数の姿勢センサにより検出された前記複数のフロント部材の姿勢データと、前記姿勢データから演算される前記バケットの回動中心と爪先の位置データと、前記地形データとに基づいて、前記モニタ上における前記基準ラインと前記地形表面との位置関係を演算し、演算した前記位置関係を前記モニタに表示させるコントローラとを備えた作業機械において、前記基準ラインは、前記モニタ上において、前記バケットを側面から見たときの前記バケットの爪先位置に一端が位置する直線であり、さらに、前記バケットの回動中心と前記バケットの爪先とを接続する第１直線と角度φを成す直線として前記コントローラに記憶されており、前記角度φを設定する際に操作されるスイッチを備え、前記コントローラは、前記スイッチが操作されたときに、前記姿勢データと前記地形データとに基づいて前記バケットの爪先と前記地形表面との距離を演算し、前記モニタ上で、前記地形データにおいて前記距離の演算に利用した部分と同じ傾斜角を有する第２直線が前記第１直線と成す角度を、前記角度φに代わる新たな角度φとして記憶し、前記モニタ上において、前記バケットを側面から見たときの前記バケットの爪先位置に一端が位置し、前記第１直線と前記新たな角度φを成す直線を、前記基準ラインに代わる新たな基準ラインとして前記モニタに表示させる。

本発明によれば、バケット底面においてオペレータが意図する面の姿勢情報をモニタに表示できるので、オペレータが目標面とバケットの位置関係を正確に把握できる。

第１実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図。 第１実施形態に係る表示システムの機能ブロック図。 油圧ショベル１００の側面図。 実際のバケット３５の姿勢と、バケット３５に設定された基準ライン７２とを利用して、モニタ６９の表示画面８１にバケット３５の画像８５を表示するプロセスの説明図。 現況地形付近にフロント作業装置３０がある場合の形状計測センサ６８による形状計測結果を示す図。 現況地形付近にフロント作業装置３０が無い場合の形状計測センサ６８による形状計測結果を示す図。 第１実施形態に係る基準ライン設定部６３の処理の詳細を示すフローチャート。 図７のステップＳ４０での具体的事例を示す図。 図７のステップＳ５０での具体的事例を示す図。 図７のステップＳ６０での具体的事例を示す図。 第２実施形態に係る表示システムの機能ブロック図。 第２実施形態に係る基準ライン設定部６３の処理の詳細を示すフローチャート。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。なお、以下ではフロント作業装置の先端に位置するアタッチメントとしてバケットを備える油圧ショベルについて説明するが、バケットの他にグラップル、ブレーカ、リフティングマグネットなど種々のアタッチメントに付け替え可能である。

図１において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム３１、アーム３３、バケット３５）を直列的に連結した多関節型のフロント作業装置（作業装置）３０と、車両本体を構成する上部旋回体２０及び下部走行体１０とを備えている。上部旋回体２０は下部走行体１０に対して旋回可能に設けられている。上部旋回体２０は、旋回フレーム２１上に各部材を配置して構成されており、上部旋回体２０を構成する旋回フレーム２１が下部走行体１０に対して旋回可能となっている。また、フロント作業装置３０の基端部であるブーム３１の基端は車両本体を構成する上部旋回体２０の前部に垂直方向に回動可能に取り付けられており、アーム３３の基端はブーム３１の先端に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム３３の先端にはバケット３５が垂直方向に回動可能に支持されている。

下部走行体１０は、左右一対のクローラフレーム１２ａ（１２ｂ）にそれぞれ掛け回された一対のクローラ１１ａ（１１ｂ）と、クローラ１１ａ（１１ｂ）をそれぞれ駆動する走行油圧モータ１３ａ（１３ｂ）（図示しない減速機構を含む）とを備えている。なお、下部走行体１０の各構成については、左右一対の構成のうちの一方のみを図示して符号を付し、他方の構成については図中に括弧書きの符号のみを示して図示を省略する。

ブーム３１、アーム３３、バケット３５、及び下部走行体１０は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、及び左右の走行油圧モータ１３ａ（１３ｂ）によりそれぞれ駆動される。また、上部旋回体２０は油圧アクチュエータである旋回油圧モータ２３により減速機構２４を介して同様に駆動され、下部走行体１０に対して左右方向のいずれかに旋回動作を行う。

上部旋回体２０を構成する旋回フレーム２１上には、フロント作業装置３０（複数のフロント部材３１、３２、３５）、上部旋回体２０および下部走行体１０を含む操作対象を操作するための操作レバー（操作装置）が搭載されたキャブ（運転室）２５が配置されているほか、原動機であるエンジン２２とともに、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、旋回油圧モータ２３及び左右の走行油圧モータ１３ａ（１３ｂ）などの複数の油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプを含む油圧回路システム４１が搭載されている。

（ＩＭＵ５０（姿勢センサ））
上部旋回体２０を構成する旋回フレーム２１（車両本体）と、フロント作業装置３０を構成する複数のフロント部材（ブーム３１、アーム３３、及びバケット３５）には、それらの姿勢に関するデータ（以降、姿勢データと称する）を検出する姿勢センサとしてのＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）５０ａ～５０ｄが取り付けられている。なお、本実施形態では旋回フレーム２１にＩＭＵ５０ｄを取り付けたが、上部旋回体２０（車両本体）上であればどこに取り付けてもかまわない。また、姿勢センサはＩＭＵに限られるものではなく、例えば、傾斜角センサを姿勢センサとして用いることで各部材（車両本体およびフロント部材）の姿勢データを検出しても良い。以下の説明では、４つのＩＭＵ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄをまとめてＩＭＵ５０と表記することがある。ＩＭＵ５０ａ～５０ｄには、それぞれ固有の識別情報が割り当てられており、各ＩＭＵ５０が姿勢データの検出結果に当該識別情報を付加して車載ネットワークに出力することにより、車載ネットワーク上を伝達される複数の姿勢データがそれぞれどのＩＭＵ５０による検出結果であるかを識別することができる。

ＩＭＵ５０は、角速度及び加速度の計測が可能である。例えば、ＩＭＵ５０が配置されたフロント部材３１、３３、３５や上部旋回体２０などの被搭載部材が静止している場合を考えると、各ＩＭＵ５０に設定されたＩＭＵ座標系における重力加速度の方向（つまり、鉛直下向き方向）と、ＩＭＵ５０の取り付け状態（つまり、ＩＭＵ５０と被搭載部材との相対的な位置関係）とに基づき、姿勢データとしての各被搭載部材の向き（姿勢）を検出することができる。なお、図１においては、アーム３３の先端にバケット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ＩＭＵ５０ｃ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、ＩＭＵ５０ｃがバケット３５に搭載されていると取り扱うことができる。

（形状計測センサ６８）
形状計測センサ６８は、油圧ショベル１００の前方又は周囲の掘削対象となる物体の形状を計測可能なセンサである。形状計測センサ６８としては、例えば、図１に示すようにキャブ２５上部に搭載され、油圧ショベル１００の前方の物体の形状を計測できるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging または Laser Imaging Detection and Ranging）を利用できる。ＬｉＤＡＲは、レーザ光を走査しながら物体に照射し、その散乱光や反射光を観測することで当該物体までの距離を計測でき、それにより当該物体の形状を計測できる。本実施形態のＬｉＤＡＲは上下方向にレーザ光を走査することで現況地形の２次元形状（図３，４参照）を計測する。

なお、形状計測センサ６８は、ＬｉＤＡＲの他にも、油圧ショベル１００の前方１０ｍ程度の形状を２次元または３次元的に計測できるセンサ（例えば、ステレオカメラや超音波距離センサ）であれば種類や方法は問わない。

キャブ２５内には、バケット３５と地形表面（現況地形や目標面）との位置関係情報（例えば、両者の相対位置や両者の角度差）が表示されるモニタ６９と、当該位置関係情報を演算し、演算した位置関係情報をモニタ６９に表示させる処理などを行うコントローラ６０とが搭載されている。

図２は油圧ショベル１００のコントロールシステムのうち、本実施形態に係る表示システムの構成を抜き出して模式的に示した機能ブロック図である。

図２に示す表示システムは、コントローラ６０と、ＩＭＵ５０ａ～５０ｄと、スイッチ６７と、形状計測センサ６８と、モニタ６９とを備えており、ＩＭＵ５０ａ～５０ｄと、スイッチ６７と、形状計測センサ６８と、モニタ６９とはコントローラ６０に接続されている。

ＩＭＵ５０ａ～５０ｄは、その検出結果（姿勢データ）をＣＡＮ通信などの車載ネットワークに介してコントローラ６０に出力している。

（スイッチ６７）
スイッチ６７は、油圧ショベル１００に搭乗したオペレータ（ユーザ）がバケット３５の底面側に設定される基準ライン７２（図４等参照）を設定する際にオペレータによって操作されるスイッチであり、キャブ２５内に設置されている。スイッチ６７のＯＮ・ＯＦＦ状態を示すＯＮ・ＯＦＦ信号（電気信号）はコントローラ６０（基準ライン設定部６３）に出力されており、コントローラ６０は当該信号によりスイッチ６７のＯＮ・ＯＦＦ状態を把握する。なお、スイッチ６７は、押しボタン式の物理的なスイッチでも、例えばモニタ６９に表示されタッチパネル操作で操作できる仮想的なスイッチであってもよい。

（コントローラ６０）
コントローラ６０は、コントローラ６０内の記憶装置（例えばハードディスクドライブやフラッシュメモリ）に記憶されたプログラムを処理装置（例えばＣＰＵ）が実行することで、寸法・角度情報記憶部６１、姿勢演算部６２、基準ライン設定部６３、形状計測部６４、表示画面生成部６５及び目標面生成部６６として機能する。

（寸法・角度情報記憶部６１）
寸法・角度情報記憶部６１は、油圧ショベル１００の寸法・角度情報（車体情報）を記憶するために、コントローラ６０内の記憶装置に割り当てられた記憶領域である。

図３は油圧ショベル１００の側面図である。図３に示すように、ブーム３１の長さ、つまり、ブームピンＰ１からアームピンＰ２までの長さをＬ１とする。また、アーム３３の長さ、つまり、アームピンＰ２からバケットピンＰ３までの長さをＬ２とする。また、バケット３５の長さ、つまり、バケットピンＰ３からバケット先端（バケット３５の爪先）Ｐ４までの長さをＬ３とする。寸法・角度情報記憶部６１には、これらの長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３の数値が予め記憶されている。

また、図３における点Ｐ０は、上部旋回体２０（油圧ショベル１００）に設定した車体座標系（ローカル座標系）の原点であり、上部旋回体２０の旋回中心軸と下部走行体１０の底面（接地面）の交点である。寸法・角度情報記憶部６１には、車体座標系におけるブームピンＰ１の座標が予め記憶されている。

（姿勢演算部６２）
姿勢演算部６２は、ＩＭＵ５０で検出された姿勢データと、寸法・角度情報記憶部６１に格納された寸法データ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の長さ）とに基づいて、油圧ショベル１００の姿勢（例えば、車体本体の傾きや、油圧ショベル１００に予め設定された座標系（車体座標系）における各フロント部材３１、３３、３５の位置や傾きなど）を演算する。

ここで、４つのＩＭＵ５０を利用して演算されるブーム角θ１，アーム角θ２，バケット角θ３，車体傾斜角θ４について図３を用いて説明する。図３において、地面に設定された座標系（例えばグローバル座標系）に対する上部旋回体２０の傾斜、つまり、水平面鉛直方向（水平面に垂直な方向）と車体鉛直方向（旋回体２０の旋回中心軸方向）のなす角度（ピッチ角）をθ４とし、これを車体傾斜角θ４とする。車体傾斜角θ４はＩＭＵ５０ｄの検出データから演算可能である。なお、上部旋回体２０の傾斜角としてはピッチ角の他にロール角もあるが、ここでは説明を簡単にするためにロール角はゼロとする。

また、ブームピンＰ１とアームピンＰ２を結んだ線分と車体鉛直方向のなす角度をθ１とし、これをブーム角θ１とする。ブーム角θ１は、例えばＩＭＵ５０ｄ及びＩＭＵ５０ａの検出データから演算可能である。アームピンＰ２とバケットピンＰ３を結んだ線分と、ブームピンＰ１とアームピンＰ２からなる直線とのなす角度をθ２とし、これをアーム角θ２とする。アーム角θ２は、例えばＩＭＵ５０ｄ、ＩＭＵ５０ａ及びＩＭＵ５０ｂの検出データから演算可能である。バケットピンＰ３とバケット先端Ｐ４を結んだ線分と、アームピンＰ２とバケットピンＰ３からなる直線とのなす角度をθ３とし、これをバケット角θ３とする。バケット角度θ３は、例えばＩＭＵ５０ｄ、ＩＭＵ５０ａ、ＩＭＵ５０ｂ及びＩＭＵ５０ｃの検出データから演算可能である。

上記により、姿勢演算部６２は、車体座標系におけるバケット爪先Ｐ４（図３参照）の座標及びバケット３５の姿勢を、ＩＭＵ５０の検出データから演算されるブーム角θ１，アーム角θ２及びバケット角θ３と、予め記憶しておいた長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３とから演算できる。

（目標面生成部６６）
目標面生成部６６は、施工対象の目標形状を３次元で規定した設計データから目標面７０を生成する。設計データはコントローラ６０内の記憶装置内に予め記憶されている。目標面生成部６６は、フロント作業装置３０を構成する３つのフロント部材３１，３３，３５の中心を通過する面（フロント作業装置３０の動作平面）と設計データとの交線を目標面７０として演算し、本実施形態では当該目標面７０を車体座標系に配置して目標面データとする。

（表示画面生成部６５）
表示画面生成部６５は、ＩＭＵ５０（姿勢センサ）の姿勢データと、バケット３５に設定された基準ライン７２の位置を示すデータ（例えば、点Ｐ３，Ｐ４の位置及び後述のバケット底面角φ）と、フロント作業装置３０を利用した作業に関する地形表面（例えば、目標面７０や現況地形）の形状を規定する地形データ（例えば、目標面データや現況地形データ）とに基づいて、基準ライン７２と目標面７０との位置関係情報を演算し、演算した位置関係情報をモニタ６９に表示する。

図４を用いて基準ライン７２と位置関係情報について説明する。図４は、実際のバケット３５の姿勢（図４（ａ）参照）と、バケット３５に設定された基準ライン７２とを利用して、モニタ６９の表示画面８１にバケット３５の画像（バケットアイコン）８５を表示するプロセスの説明図である。

（基準ライン）
図４（ａ）は図３からバケット３５を抜き出した図であり（但し、バケット３５の姿勢は図３と異なる）、バケット３５を側面から見たときのバケット３５の底面側に仮想的な直線である基準ライン７２が設定されている。

基準ライン７２は、バケット３５に設定された座標系（バケット座標系）上に設定され、バケットシリンダ３６の伸縮によるバケット３５の回動とともに回動する。図４（ａ）に示した本実施形態のバケット座標系は、バケットピンＰ３を原点とし、Ｐ３からＰ４に向かう直線をｘ軸とし、これに直交する直線をｚ軸とする２次元の座標系である。

基準ライン７２は、バケットピンＰ３とバケット先端（バケット爪先）Ｐ４とを接続する長さＬ３の直線Ｐ３Ｐ４をバケット先端Ｐ４を中心にして図４中の左回り（半時計回り）にφ度回転させた直線である。また、基準ライン７２は、バケット先端Ｐ４を通過し、直線Ｐ３Ｐ４と角度φを成す直線とも換言できる。角度φの数値はコントローラ６０内の記憶装置に記憶されており、本稿ではφをバケット底面角と称することがある。

基準ライン７２は、オペレータによるスイッチ６７の操作によって設定可能（変更可能）であるが、その手順は後で説明する。

（位置関係情報）
モニタ６９に表示される位置関係情報としては、例えば、フロント作業装置３０を利用した作業に関する地形表面（例えば、目標面７０や現況地形９０）と基準ライン７２の位置関係や、地形表面と基準ライン７２の角度差（両者の傾斜角の差分）ψがある。図４（ｂ）の例では、目標面７０と基準ライン７２の位置関係がアイコン８５で表示されており、目標面７０と基準ライン７２の角度差ψが数値で表示されている。

（位置関係情報１（バケットアイコン表示））
図４（ｂ）では目標面７０と基準ライン７２の位置関係を表示するために、バケット３５を模式的に示したバケットアイコン（バケット画像）８５が用いられている。バケットアイコン８５ではバケット底面がバケット爪先８７を通過する直線８６によって簡略して表現されている。

表示画面生成部６５は、モニタ画面８１上にバケットアイコン８５を表示するに際して、姿勢演算部６２で演算される車体座標系におけるバケットピンＰ３とバケット先端Ｐ４の位置を取得し、さらにバケット底面角φを取得する。コントローラ６０に予め記憶したバケットアイコン８５をモニタ画面８１の縮尺に合わせて適宜拡大縮小し、バケットアイコン８５の爪先８７が点Ｐ４に位置するようにバケットアイコン８５を表示し、さらに、そのバケットアイコン８５の底面８６が直線Ｐ３Ｐ４とバケット底面角φを成すようにバケットアイコン８５を点Ｐ４を中心にして回転させる。なお、実際のバケット３５が回動された際、画面８１上のバケットアイコン８５もバケットピンＰ３の座標を中心に回動される。

また、表示画面生成部６５は、目標面生成部６６で生成された目標面７０もモニタ画面８１の縮尺に合わせて適宜拡大縮小し、車体座標系において当該目標面７０が位置する場所に表示する。

上記により、図４（ａ）に示した姿勢のバケット３５が、図４（ｂ）に示すようにモニタ６９の画面８１上にバケットアイコン８５で表示される。このとき、バケット３５に設定された基準ライン７２がバケットアイコン８５のバケット底面８６に一致するようにバケットアイコン８５が画面８１上に表示される。

なお、モニタ画面８１の縮尺はバケット３５とこれに最も近い目標面７０の距離に応じて変更させることで、画面８１上に常にバケットアイコン８５と目標面７０が表示されるようにしても良い。

（位置関係情報２（角度差））
表示画面生成部６５は、姿勢演算部６２で演算される車体座標系におけるバケットピンＰ３とバケット先端Ｐ４の位置と、バケット底面角φとに基づいて、車体座標系における基準ライン７２の位置を演算する。次に、表示画面生成部６５は、演算した基準ライン７２の位置と、目標面生成部６６で車体座標系上に生成された目標面７０の位置とに基づいて角度差ψを演算し、画面８１上の角度差表示部８２に表示する。図４（ｂ）の例では角度差ψとして２２度が演算されて角度差表示部８２に表示されている。

次に形状計測部６４と基準ライン設定部６３に関する説明をしつつ、基準ライン７２の設定手順について触れる。

（形状計測部６４）
形状計測部６４は、形状計測センサ６８によって計測された物体の形状のデータを現況地形データ（地形データ）としてコントローラ６０内の記憶装置に記憶する。ただし、形状計測部６４は、形状計測センサ６８の計測範囲内にフロント作業装置３０が含まれるか否かを判定し、フロント作業装置３０が含まれると判定した場合には、形状計測センサ６８によって計測された物体の形状からフロント作業装置３０の形状を除外した形状のデータを現況地形データ（地形データ）としてコントローラ６０内の記憶装置に記憶することができる。形状計測センサ６８の計測範囲内にフロント作業装置３０が含まれるか否かの判定は、例えば、複数のＩＭＵ５０の姿勢データから演算されるフロント作業装置３０の姿勢（後述の例ではバケット３５の姿勢）と、形状計測センサ６８のレーザ光走査範囲（計測範囲）とに基づいて、レーザ光走査範囲（計測範囲）にフロント作業装置３０が位置するか否かを判定することで可能である。

図５及び図６を用いて形状計測部６４による処理の詳細について説明する。図５は現況地形付近にフロント作業装置３０がある場合を示し、図６は現況地形付近にフロント作業装置３０が無い場合を示す。

図５での現況地形９０は、油圧ショベル１００が接地する平坦な地面９１と、ショベル前方の傾斜のある面（傾斜面）９２で形成されている。形状計測センサ６８は、例えば図５（ａ）に示した複数の一点鎖線のうち最も上に位置する線と最も下に位置する線の２つの一点鎖線に挟まれた範囲がレーザ光の走査範囲であり、この範囲内で物体の形状を計測できる。本稿ではこの範囲を計測範囲と称することがある。

フロント作業装置３０が図５（ａ）の姿勢の場合、形状計測センサ６８では、図５（ａ）中の太実線９１ａ，９２ａ，９２ｃ，９３の形状を認識する。この場合、形状計測センサ６８の前方にはバケット３５が位置するため、バケット３５の形状の一部９３も認識してしまうことになる。なお、形状計測センサ６８の前方にはバケット３５は位置するもののブーム３１及びアーム３３は位置しない（ブーム３１及びアーム３３は形状計測センサ６８の前方よりも右側に位置する）。そのため、ブーム３１及びアーム３３の形状は認識されない。

形状計測部６４は、姿勢演算部６２で演算されるバケット３５の姿勢に基づいて、形状計測センサ６８の計測範囲内にバケット３５が位置するか否かを判定する。計測範囲内にバケット３５が位置する判定した場合には、バケット３５の計測結果９３（図５（ｂ）中の点線部参照）を全体の計測結果から除外する。

形状計測センサ６８によって計測された全体の形状からバケット３５の形状９３を除外し、その除外後の形状を現況地形データとしてコントローラ６０内の記憶装置に記憶しても良い。ただし、形状計測センサ６８の計測結果が当該除外によって１欠落した部分の形状については当該計測結果が得られた部分の形状に基づいて補完することが好ましい。そこで図５（ｃ）の例では、形状計測部６４は、欠落部分の両端（すなわち、太実線９２ａの端と太実線９２ｃの端）を結ぶ直線部９４によって形状計測センサ６８の計測結果の補完を行っている。本実施形態のように基準ライン７２の再設定を行う場面は、現況地形９０を目標面７０の形状に概ね近づけ終わった後の仕上作業の開始直前であることが予測され、バケット３５は図５（ａ）に示すように現況地形９０の近くに位置することが多いと推測される。また、仕上作業の直前では現況地形９０は平坦な目標面７０に近づいているため上記のように直線で補完しても支障が少ない。そのため、バケット３５により現況地形９０の計測が不可能だった部分を上記のように補完でき、形状計測センサ６８の計測範囲外にバケット３５を移動させるためだけのフロント作業装置３０の操作が不要になり、仕上作業を速やかに開始できる。

ところで、図６に示すように、バケット３５が形状計測センサ６８の計測範囲外にある場合、つまり、姿勢演算部６２で演算されたバケット３５の位置姿勢情報によりバケット３５が形状計測センサ６８の計測範囲外にあると判定された場合には、形状計測部６４は形状計測センサ６８で計測した形状（図６の太実線部）が現況地形９０であると認識し、そのまま記憶装置に現況地形データとして記憶する。

（基準ライン設定部６３）
基準ライン設定部６３は、スイッチ６７が押下されたとき（ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わったとき）のバケット３５の姿勢でバケット３５の爪先位置Ｐ４を通過する直線であって、形状計測センサ６８によって計測されコントローラ６０内に記憶された現況地形９０の地形表面と同じ傾斜角を有する直線を基準ライン７２として設定する。

ただし、このように現況地形９０の地形表面に基づいて基準ライン７２を設定するのは、バケット３５の爪先Ｐ４と現況地形９０との距離Ｄが所定の距離閾値ｄ０以下の場合であって、スイッチ６７が押下されたときの基準ライン７２と現況地形９０との角度差Δαが所定の角度閾値δ０以下の場合に限っても良い。バケット３５の爪先Ｐ４と現況地形９０との距離は、複数のＩＭＵ５０の姿勢データと、形状計測部６４が記憶した現況地形データとに基づいて演算できる。また、スイッチ６７が押下されたときの基準ライン７２と現況地形９０との角度差Δαは、複数のＩＭＵ５０の姿勢データと、基準ライン７２の位置データと、形状計測部６４が記憶した現況地形データとに基づいて演算できる。

基準ライン設定部６３の処理の詳細についてフローチャートを用いて説明する。図７は基準ライン設定部６３の処理の詳細を示すフローチャートである。基準ライン設定部６３は図７のフローチャートを所定の制御周期（例えば１０ミリ秒）で実行する。

まず、ステップＳ１０では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、形状計測部６４が記憶した現況地形９０の形状（地形表面の形状）を取り込む。

つづいてステップＳ２０に進み、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、スイッチ６７から入力されるＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいてスイッチ６７が押されたか否かを判定する。スイッチ６７が押されていないと判定された場合には処理を終了する。一方、ステップＳ２０でスイッチが押されたと判定された場合は、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、姿勢演算部６２で計算されたバケット先端（バケット爪先）Ｐ４の位置と、ステップＳ１０で取り込んだ現況地形９０との距離Ｄが所定の距離閾値ｄ０以下であるかを判定する。すなわち、スイッチ６７が押されたときの距離Ｄが距離閾値ｄ０以下か否かを判定する。

距離Ｄは、例えば図８に示すように、バケット先端Ｐ４から現況地形９０に向かって垂線を下ろしたときの当該垂線の長さとして演算できる。バケット先端Ｐ４から鉛直下方に直線を延ばし、当該直線と現況地形９０の交点を求め、当該交点とバケット先端Ｐ４の距離を距離Ｄとすることもできる。

距離閾値ｄ０としては、例えば５ｃｍが選択可能であるが、ある一定の範囲内の値であればユーザが距離閾値ｄ０を変更可能にしてもよい。

ステップＳ４０で、バケット先端Ｐ４と現況地形９０の距離Ｄが距離閾値ｄ０を超える（距離閾値ｄ０以下でない）と判定された場合は、処理を終了する。一方、バケット先端Ｐ４と現況地形９０の距離Ｄが距離閾値ｄ０以下であると判定された場合は、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、スイッチ６７が押されたときに姿勢演算部６２で演算されたバケット姿勢における基準ライン７２の対地角（水平面に対する傾斜角）α１と、形状計測部６４により記憶された現況地形９０の水平面に対する傾斜角α２との差（角度差）が所定の角度閾値δ０以下か否かを判定する。現況地形９０の傾斜角α２としては、例えば、現況地形においてバケット先端Ｐ４から最も近い点における傾斜角を利用できる。角度閾値δ０は、バケット３５の形状や大きさに応じて変化し得るが、例えば１０度前後の角度が選択可能である。なお、ある一定の範囲内の値であればユーザが角度閾値δ０を変更可能にしてもよい。

図９はステップＳ５０での具体的事例を示す図である。基準ライン７２はバケット先端Ｐ４を通過する直線として設定されている。ステップＳ５０では、基準ライン７２が水平面と成す角度、つまり基準ライン７２の対地角α１と、形状計測部６４で記憶された現況地形９０が水平面と成す角度α２とを比較し、両角度α１，α２の差分が角度閾値δ０以下か否かを判定する。

ステップＳ５０で角度差が角度閾値δ０を超えると判断された場合には、処理を終了する。一方、ステップＳ５０で角度差が角度閾値δ０以下であると判定された場合は、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、スイッチ６７が押下されたときのバケット３５の姿勢でバケット先端Ｐ４を通過する直線であって、現況地形と同じ傾斜角を有する直線を新たな基準ライン７２として設定する。

図１０はステップＳ６０での具体的事例を示す図である。図中の現況地形９０ａと現況地形９０ｂは、異なる時刻に形状計測部６４で計測された傾斜角（勾配）が異なる現況地形を示す（傾斜角の異なる２つの現況地形が同時に計測されたことを示しているのではない）。例えば、ステップＳ１０で現況地形９０ａが取得された後にステップＳ６０まで処理が進んだ場合には、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、現況地形９０ａと同じ傾斜角の基準ライン７２ａを設定する。一方、ステップＳ１０で現況地形９０ｂが取得された場合には、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、現況地形９０ｂと同じ傾斜角の基準ライン７２ｂを設定する。

コントローラ６０への基準ライン７２の位置の記憶はバケット底面角φによって行うことができる。図１０で基準ライン７２ａが設定された場合のバケット底面角はφａであり、基準ライン７２ｂが設定された場合のバケット底面角はφｂである。

以上の処理により、スイッチ６７が押されたタイミングのバケット３５の姿勢でバケット先端Ｐ４を通過する直線であって、現況地形と同じ傾斜角を有する直線が新たな基準ライン７２として設定される。これによりモニタ６９には新たな基準ライン７２をバケット底面８６に一致させたバケットアイコン８５が表示される。

なお、ステップＳ２０でスイッチ６７が押されているにもかかわらず、ステップＳ４０の判定又はステップＳ５０の判定が否定され、基準ライン７２の変更がなされなかった場合には、その旨をモニタ６９に表示してもよい。また、ステップＳ５０で判定が肯定されて基準ライン７２が変更された場合も、その旨をモニタ６９に表示しても良い。

（基準ラインを再設定する場面及び効果）
本実施形態において基準ライン７２を再設定する場面として想定している典型的な場面は、現況地形９０の形状を目標面７０の形状に概ね近づけた後のタイミングであって仕上作業の開始前のタイミングである。仕上作業の直前での現況地形９０は、目標面７０と多少のズレはあるが概ね平坦であり、その傾斜角は一様になっている。オペレータは、仕上作業の開始前に基準ライン７２の再設定作業を行うにあたって、自分が基準としているバケット底面が現況地形と略平行になるようにキャブ２５内の操作レバー（図示せず）を利用してフロント作業装置３０を操作する。このとき、バケット底面と現況地形が実際に平行である必要はなく、あくまでオペレータが自分の感覚でバケット底面が現況地形と平行になっていると考える姿勢をバケット３５にとらせれば足りる。なお、このとき、オペレータが自分でバケット底面と思う部分を現況地形に接触させても良い。

オペレータがバケット底面と現況地形が平行になったと認識できた状態でスイッチ６７を押下すると、コントローラ６０は、形状計測センサ６８が計測した現況地形９０の形状を取得し、バケット爪先と現況地形の距離Ｄが閾値ｄ０以下かつ基準ライン７２と現況地形の角度差が閾値δ０以下の場合には、そのときのバケット３５の姿勢でバケット爪先Ｐ４を通過する直線であって、現況地形９０と同じ傾斜角を有する直線を新たな基準ライン７２として設定する。これによりオペレータが意図するバケット底面を底面としたバケットアイコン８５がモニタ６９の画面８１上に表示される。すなわち、オペレータが意図するバケット底面を基準とした位置関係情報（バケット３５と目標面７０の位置関係や角度差ψ）がモニタ６９に表示されることになるので、オペレータが目標面７０とバケット３５の位置関係を正確に把握できる。

ただし、上記の実施形態では、基準ライン設定部６３の処理にステップＳ４０及びステップＳ５０、すなわちバケット爪先と現況地形の距離が近く（閾値ｄ０以下）、かつ、基準ライン７２と現況地形の角度差が小さいこと（閾値δ０以下）が、基準ライン７２の再設定される条件とした。このような条件を付加すると、基準ライン７２が誤って再設定されることを防止でき、また、実際の現況地形と大きく乖離した基準ライン７２が設定されることを防止できる。なお、これらの条件は省略することもできる。

また、上記の実施形態では、形状計測センサ６８の計測範囲内にバケット３５が含まれるか否かを判定し、含まれていると判定された場合には、バケット３５によって計測されなかった現況地形の形状を補完することとした。これによりバケット３５を形状計測センサ６８の計測範囲外に移動するためだけの操作が不要になるため、基準ライン７２の再設定作業を速やかに開始でき、当該再設定作業の完了後は仕上作業を速やかに開始することができるようになる。なお、先述のとおり、基準ライン７２が再設定される状態では現況地形９０は平坦であることが多いため、補完により現況地形９０を特定しても実際の現況地形との乖離は少なく基準ライン７２の設定精度への影響は少ない。

なお、本実施形態が利用可能な場面は上記で触れた仕上作業の開始直前に限られない。例えば、現況地形の上に鉄板等の板部材を置いておき、その板部材を基準にして基準ライン７２の再設定を行ってもよい。このようにすると、現況地形を平らにする必要がないので、オペレータの技量が高くない場合や仕上作業の開始直前以外の場合にも基準ライン７２を再設定することができるようになる。

上記では形状計測センサ６８を油圧ショベル１００に搭載して現況地形データを取得したが、現況地形データは油圧ショベル１００の外部から取得しても良い。具体的には、現況地形を記憶しているサーバや、形状計測センサ６８を搭載したトータルステーションやドローンから通信により現況地形データを取得しても良い。その他の取得方法としては、複数のＩＭＵ５０の検出データに基づいてバケット３５の爪先Ｐ４の移動軌跡を演算し、演算した移動軌跡を現況地形データとしてコントローラ６０内の記憶装置に記憶するものがある。この方法によれば油圧ショベル以外に特別なハードウェアを用意する必要が無く、油圧ショベル１００単独で現況地形データを取得できる。

現況地形データの取得が難しい場合には、目標面７０の傾斜角を基準にして基準ライン７２の再設定を行うこともできる。次にこの方法について説明する。

＜第２実施形態＞
本発明の第２の実施の形態について図１１を用いて説明する。図１１は油圧ショベル１００のコントロールシステムのうち、第２実施形態に係る表示システムの構成を抜き出して模式的に示した機能ブロック図である。本実施形態では主に第１実施形態との相違点について説明するものとし、本実施形態で用いる図面において第１実施形態と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。なお、図１１に示した部分を以外は第１実施形態と同じである。

本実施形態では、第１実施形態の構成から形状計測センサ６８とコントローラ６０内の形状計測部６４を省略しており、基準ライン７２の再設定に現況地形９０ではなく目標面生成部６６で生成される目標面７０を利用している点に特徴がある。

第２実施形態における基準ライン設定部６３の処理の詳細についてフローチャートを用いて説明する。図１２は第２実施形態における基準ライン設定部６３の処理の詳細を示すフローチャートである。基準ライン設定部６３は図１２のフローチャートを所定の制御周期（例えば１０ミリ秒）で実行する。

まず、ステップＳ１１では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、目標面生成部６６が記憶した目標面７０の形状（地形表面の形状）を取り込む。

つづいてステップＳ２０に進み、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、スイッチ６７から入力されるＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいてスイッチ６７が押されたか否かを判定する。スイッチ６７が押されていないと判定された場合には処理を終了する。一方、ステップＳ２０でスイッチが押されたと判定された場合は、ステップＳ４１に進む。

ステップＳ４１では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、姿勢演算部６２で計算されたバケット先端（バケット爪先）Ｐ４の位置と、ステップＳ１１で取り込んだ目標面７０との距離Ｄｔが所定の距離閾値ｄｔ０以下であるかを判定する。すなわち、スイッチ６７が押されたときの距離Ｄが距離閾値ｄｔ０以下か否かを判定する。なお、距離Ｄｔは、第１実施形態の距離Ｄと同様に演算できる。距離閾値ｄｔ０も第１実施形態のｄ０と同様に設定できる。

ステップＳ４１で、バケット先端Ｐ４と目標面７０の距離Ｄｔが距離閾値ｄｔ０を超える（距離閾値ｄｔ０以下でない）と判定された場合は、処理を終了する。一方、バケット先端Ｐ４と目標面７０の距離Ｄｔが距離閾値ｄｔ０以下であると判定された場合は、ステップＳ５１に進む。

ステップＳ５１では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、スイッチ６７が押されたときに姿勢演算部６２で演算されたバケット姿勢における基準ライン７２の対地角（水平面に対する傾斜角）α１と、目標面生成部６６により生成された目標面７０の水平面に対する傾斜角α３との差（角度差）が所定の角度閾値δｔ０以下か否かを判定する。目標面７０の傾斜角α３としては、例えば、目標面においてバケット先端Ｐ４から最も近い点における傾斜角を利用できる。角度閾値δｔ０は、第１実施形態のδ０と同様に設定できる。

ステップＳ５１で角度差が角度閾値δｔ０を超えると判断された場合には、処理を終了する。一方、ステップＳ５１で角度差が角度閾値δｔ０以下であると判定された場合は、ステップＳ６１に進む。

ステップＳ６１では、基準ライン設定部６３（コントローラ６０）は、スイッチ６７が押下されたときのバケット３５の姿勢でバケット先端Ｐ４を通過する直線であって、目標面７０と同じ傾斜角を有する直線を新たな基準ライン７２として設定する。

以上の処理により、スイッチ６７が押されたタイミングのバケット３５の姿勢でバケット先端Ｐ４を通過する直線であって、目標面７０と同じ傾斜角を有する直線が新たな基準ライン７２として設定される。これによりモニタ６９には新たな基準ライン７２をバケット底面８６に一致させたバケットアイコン８５が表示される。

本実施形態において基準ライン７２を再設定する場面として想定しているのは、第１実施形態と同様に仕上作業の開始前のタイミングである。仕上作業の直前での現況地形９０は、多少のズレはあるが概ね目標面７０と一致している。そこで本実施形態では、オペレータの操作は第１実施形態と同様に自分が基準としているバケット底面を現況地形９０と略平行にする操作とするが、コントローラ６０での処理は現況地形９０の代わりに目標面７０を利用し、スイッチ６７を押したときのバケット３５の姿勢でバケット爪先Ｐ４を通過する直線であって、目標面７０と同じ傾斜角を有する直線を新たな基準ライン７２として設定する。これにより形状計測センサ６８を利用しなくても、オペレータが意図するバケット底面を基準とした位置関係情報（バケット３５と目標面７０の位置関係や角度差ψ）がモニタ６９に表示され、それによりオペレータが目標面７０とバケット３５の位置関係を正確に把握できるので、第１実施形態よりもコストを抑えることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

上記では、説明を簡単にするために車体座標系上に目標面７０や現況地形９０を設定する場合を例示して説明したが、作業現場に座標を設定した現場座標系や、地球に座標を設定したグローバル座標系（地理座標系）などの任意の座標系に目標面７０や現況地形９０を設定しても良い。但し、この場合には、油圧ショベル１００（上部旋回体２０）のグローバル座標を取得する必要があるため、ＧＮＳＳアンテナと受信機を油圧ショベル１００に搭載する必要がある。

上記では、図４に示したようにモニタ画面８１に目標面７０を表示したが、現況地形９０を表示しても良い。

また、上記のコントローラ６０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記のコントローラ６０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該コントローラ６０の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

また、上記の各実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

１０…下部走行体，２０…上部旋回体，２１…旋回フレーム，２５…キャブ（運転室），３０…フロント作業装置（作業装置），３１…ブーム，３２…ブームシリンダ，３３…アーム，３４…アームシリンダ，３５…バケット，３６…バケットシリンダ，４１…油圧回路システム，６０…コントローラ，６１…寸法・角度情報記憶部，６２…姿勢演算部，６３…基準ライン設定部，６４…形状計測部，６５…表示画面生成部，６６…目標面生成部，６７…スイッチ，６８…形状計測センサ，６９…モニタ，７０…目標面，７２…基準ライン，８１…モニタ画面，８２…角度差表示部，８５…バケット画像（バケットアイコン），８６…アイコンにおけるバケット底面，８７…アイコンにおけるバケット爪先，９０…現況地形，１００…油圧ショベル

Claims (8)

1. バケットを含む複数のフロント部材を連結した作業装置と、
   前記複数のフロント部材の姿勢を検出する複数の姿勢センサと、
   前記作業装置を利用した作業に関する地形表面の形状を規定する地形データが記憶された記憶装置と、
   前記バケットを側面から見たときの前記バケットの底面として表示される線である基準ラインと、前記地形表面の２次元形状とが表示されるモニタと、
   前記複数の姿勢センサにより検出された前記複数のフロント部材の姿勢データと、前記姿勢データから演算される前記バケットの回動中心と爪先の位置データと、前記地形データとに基づいて、前記モニタ上における前記基準ラインと前記地形表面との位置関係を演算し、演算した前記位置関係を前記モニタに表示させるコントローラとを備えた作業機械において、
   前記基準ラインは、前記モニタ上において、前記バケットを側面から見たときの前記バケットの爪先位置に一端が位置する直線であり、さらに、前記バケットの回動中心と前記バケットの爪先とを接続する第１直線と角度φを成す直線として前記コントローラに記憶されており、
   前記角度φを設定する際に操作されるスイッチを備え、
   前記コントローラは、
   前記スイッチが操作されたときに、前記姿勢データと前記地形データとに基づいて前記バケットの爪先と前記地形表面との距離を演算し、
   前記モニタ上で、前記地形データにおいて前記距離の演算に利用した部分と同じ傾斜角を有する第２直線が前記第１直線と成す角度を、前記角度φに代わる新たな角度φとして記憶し、
   前記モニタ上において、前記バケットを側面から見たときの前記バケットの爪先位置に一端が位置し、前記第１直線と前記新たな角度φを成す直線を、前記基準ラインに代わる新たな基準ラインとして前記モニタに表示させる
   ことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１の作業機械において、
   前記地形データによって規定される前記地形表面の形状は、現況地形の形状であり、
   前記作業機械の周囲の物体の形状を計測可能な形状計測センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記形状計測センサによって計測された前記物体の形状のデータを前記地形データとして前記記憶装置に記憶する
   ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項２の作業機械において、
   前記コントローラは、
   前記形状計測センサの計測範囲内に前記作業装置が含まれるか否かを判定し、
   前記計測範囲内に前記作業装置が含まれると判定された場合には、前記形状計測センサによって計測された前記物体の形状から前記作業装置の形状を除外した形状のデータを前記地形データとして前記記憶装置に記憶する
   ことを特徴とする作業機械。
4. 請求項３の作業機械において、
   前記コントローラは、前記姿勢データから演算される前記作業装置の姿勢と前記計測範囲とに基づいて、前記計測範囲内に前記作業装置が含まれるか否かを判定する
   ことを特徴とする作業機械。
5. 請求項４の作業機械において、
   前記コントローラは、前記計測範囲内に前記作業装置が含まれると判定された場合には、前記作業装置の形状の除外によって前記形状計測センサの計測結果が欠落した部分の形状のデータを前記形状計測センサの計測結果が得られた部分の形状に基づいて補完する
   ことを特徴とする作業機械。
6. 請求項１の作業機械において、
   前記地形データによって規定される前記地形表面の形状は現況地形の形状であり、
   前記コントローラは、前記姿勢データに基づいて前記バケットの爪先の移動軌跡を演算し、演算した前記移動軌跡を前記地形データとして前記記憶装置に記憶する
   ことを特徴とする作業機械。
7. 請求項１の作業機械において、
   前記地形データによって規定される前記地形表面の形状は、施工対象の目標形状を示す目標面の形状である
   ことを特徴とする作業機械。
8. 請求項１の作業機械において、
   前記コントローラは、さらに、
   前記姿勢データと、前記基準ラインの位置データと、前記地形データとに基づいて、前記スイッチが操作されたときに前記基準ラインと前記地形表面との角度差を演算し、
   前記距離が所定の距離閾値以下の場合であって、前記角度差が所定の角度閾値以下の場合に、前記角度φに代えて前記新たな角度φを記憶し、
   記憶した前記新たな角度φに基づいて前記新たな基準ラインを前記モニタに表示させる
   ことを特徴とする作業機械。

Images