WO2019181189A1 - 旋回作業車の表示システム - Google Patents

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WO2019181189A1
WO2019181189A1 PCT/JP2019/002229 JP2019002229W WO2019181189A1 WO 2019181189 A1 WO2019181189 A1 WO 2019181189A1 JP 2019002229 W JP2019002229 W JP 2019002229W WO 2019181189 A1 WO2019181189 A1 WO 2019181189A1
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turning
bucket
work vehicle
offset
planned excavation
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PCT/JP2019/002229
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Inventor
耕平 岡崎
Original Assignee
ヤンマー株式会社
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Priority to US16/979,256 priority patent/US11982071B2/en
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    • E02F9/261Surveying the work-site to be treated
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/08Superstructures; Supports for superstructures
    • E02F9/10Supports for movable superstructures mounted on travelling or walking gears or on other superstructures
    • E02F9/12Slewing or traversing gears
    • E02F9/121Turntables, i.e. structure rotatable about 360°
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    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
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    • E02F3/38Cantilever beams, i.e. booms;, e.g. manufacturing processes, forms, geometry or materials used for booms; Dipper-arms, e.g. manufacturing processes, forms, geometry or materials used for dipper-arms; Bucket-arms
    • E02F3/382Connections to the frame; Supports for booms or arms
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
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    • G05D1/0055Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots with safety arrangements
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
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    • G05D1/617Safety or protection, e.g. defining protection zones around obstacles or avoiding hazards
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    • E02F3/00Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/96Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with arrangements for alternate or simultaneous use of different digging elements
    • E02F3/963Arrangements on backhoes for alternate use of different tools
    • E02F3/964Arrangements on backhoes for alternate use of different tools of several tools mounted on one machine

Definitions

  • the present invention relates to a turning work vehicle display system, a turning work vehicle, and a turning work vehicle display method.
  • Patent Documents 1 to 3 describe a hydraulic excavator as a turning work vehicle provided with means for detecting the position of a construction end (that is, the blade edge of a bucket) of a working machine having a bucket.
  • a mini excavator may be equipped with a function that allows the work implement to be offset in the horizontal direction with respect to the upper swing body in order to improve workability in a narrow place.
  • the offset of the work machine is realized by swinging the work machine from side to side with respect to the upper swing body, and in another aspect, the work machine is translated from side to side with respect to the upper swing body. Realized.
  • Patent Document 1 discloses a technique for detecting the position of a construction end based on outputs from a plurality of position sensors installed on a work machine and position information from two GPS antennas installed on a construction machine main body. Is described. However, when applied to a turning work vehicle in which the work implement can be offset in the horizontal direction as described above, the relative relationship between the output from the position sensor and the position information from the antenna changes according to the offset of the work implement. The position of the construction end cannot be detected.
  • the position of the turning center of the arm is detected based on the position information from the GPS antenna installed at the construction end of the arm and the position information from the GPS antenna installed in the construction machine main body.
  • a technique for detecting the position of the construction end based on outputs from a plurality of position sensors is described.
  • it is necessary to install an antenna at the construction end where large vibrations and impacts are applied during work it is not convenient to detect the position of the construction end with high accuracy.
  • Patent Document 3 describes a technique for displaying on a screen target turning information obtained so that a blade edge of a bucket faces a target surface.
  • the position information of the bucket changed by the offset cannot be reflected.
  • this technique does not take into account the offset of the work machine or the side of the bucket, Advanced skills are required.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the purpose of the present invention is to provide a display system for a turning work vehicle that is useful for assisting operation of construction work such as side digging in a turning work vehicle in which a work machine can be offset in the horizontal direction.
  • a display system for a turning work vehicle that is useful for assisting operation of construction work such as side digging in a turning work vehicle in which a work machine can be offset in the horizontal direction.
  • a display system for a turning work vehicle is used in a turning work vehicle capable of offsetting a work implement having a bucket in a horizontal direction with respect to an upper turning body, and a detection result by a position detection device installed in the turning work vehicle. And calculating the required amount of turning of the upper turning body and the required offset amount of the work implement necessary for aligning the side portion of the bucket with the side edge of the planned excavation area.
  • An arithmetic device and a display device for displaying the positional relationship between the bucket and the planned excavation area are provided. According to such a configuration, in a turning work vehicle in which the work machine can be offset in the horizontal direction, it contributes to operation support for construction such as side ditching.
  • the display device displays information for teaching an operation amount of the upper revolving body corresponding to the required turning amount and an operation amount of the work implement corresponding to the required offset amount. Thereby, operation guidance can be given to the operator regarding the turning of the upper turning body and the offset of the work implement for aligning the side part of the bucket with the side edge of the planned excavation area.
  • the offset of the work implement may be performed by swinging the work implement left and right with respect to the upper swing body.
  • the display device displays at least the bucket and the planned excavation area in a plan view. Accordingly, the positional relationship between the bucket and the excavation planned area, which are useful for aligning the side portion of the bucket with the side edge of the excavation planned area, can be accurately transmitted to the operator.
  • the display device displays a side edge of the planned excavation area by a virtual line extending in the extending direction of the planned excavation area.
  • a turning work vehicle is directed to the above-described turning work vehicle display system, a lower traveling body, the upper turning body provided to be able to turn above the lower traveling body, and the upper turning body.
  • the working machine capable of being offset in the horizontal direction. According to such a turning work vehicle, providing the above-described display system contributes to operation support for construction such as side ditching.
  • the display method of the turning work vehicle according to the present invention is used in a turning work vehicle that can horizontally offset a working machine having a bucket with respect to the upper turning body, and a detection result by a position detection device installed in the turning work vehicle. And calculating the required amount of turning of the upper turning body and the required offset amount of the work implement necessary for aligning the side portion of the bucket with the side edge of the planned excavation area.
  • the positional relationship between the bucket and the planned excavation area is displayed on the screen of a display device. According to such a method, in a turning work vehicle in which the work machine can be offset in the horizontal direction, it contributes to operation support for construction such as side digging.
  • FIG. Block diagram showing the control system of the turning work vehicle Left side view conceptually showing the coordinate system and turning work vehicle Plan view conceptually showing the coordinate system and turning work vehicle Plan view conceptually showing the coordinate system and turning work vehicle Flow chart showing an example of operation guidance during construction
  • the turning work vehicle 1 includes a lower traveling body 2, an upper revolving body 3 provided so as to be able to turn above the lower traveling body 2, and a horizontal direction with respect to the upper revolving body 3. And a work machine 5 that can be offset.
  • the turning work vehicle 1 is configured as a shovel (backhoe) with a boom swing function, and the offset of the work machine 5 is performed by swinging the work machine 5 left and right with respect to the upper turning body 3. .
  • the boom swing function is installed in a mini excavator that requires workability in a small place.
  • the lower traveling unit 2 is driven by receiving power from the engine 30 to cause the turning work vehicle 1 to travel or turn.
  • the lower traveling body 2 includes a pair of left and right crawlers 21 and 21 and a pair of left and right traveling motors 22 and 22 for driving them. Between the pair of crawlers 21 and 21, a base 23 is provided that supports the upper swing body 3 so as to be rotatable. Further, the lower traveling body 2 includes a pair of blade arms 24, 24, a blade 25 as a soil discharge plate extending in the left-right direction between the tip portions thereof, and a blade cylinder for rotating the blade 25 up and down. 26.
  • the upper swing body 3 is configured to be capable of swinging around an axis extending in the vertical direction at the center thereof. In FIGS. 1 and 2, a Z-axis corresponding to the axis is drawn.
  • the upper swing body 3 is formed in a substantially disc shape in plan view that can be swung within the lateral width of the lower traveling body 2 (the distance between the outer edge of the left crawler 21 and the outer edge of the right crawler 21). .
  • the upper revolving unit 3 is provided with an engine 30, a counterweight 31, a cabin 32, and the like. In the driving section surrounded by the cabin 32, a driver's seat (not shown) for the operator to sit, an operating device 33 (see FIG. 3) for the operator to operate, and a display device 37 for displaying various information ( Etc.).
  • the turning work vehicle 1 includes a boom bracket 4 that is a swinging body supported by the upper turning body 3 so as to be horizontally rotatable.
  • the boom bracket 4 is attached to the front end portion of the upper swing body 3 via a stay 33.
  • the stay 33 is provided with a pivot pin 40 having an axis a (see FIG. 4) directed in the vertical direction.
  • the boom bracket 4 is supported so as to be horizontally rotatable (that is, swingable to the left and right) around the pivot pin 40.
  • the boom bracket 4 rotates on a horizontal plane (for example, an XY plane shown in FIG. 5) orthogonal to the axis a.
  • a swing cylinder 41 is provided between the upper swing body 3 and the boom bracket 4 so as to extend and contract in the front-rear direction. The horizontal rotation of the boom bracket 4 operates according to the expansion and contraction of the swing cylinder 41.
  • the work machine 5 is driven by receiving power from the engine 30 and performs excavation work of earth and sand according to the operation in the operation unit.
  • the work machine 5 is supported by the boom bracket 4 so as to be rotatable up and down.
  • the boom bracket 4 is provided with a pivot pin 60 whose axis is oriented in the horizontal direction.
  • a base end portion (a base end portion of a boom 6 described later) of the work machine 5 is supported so as to be rotatable up and down around the pivot pin 60.
  • the work machine 5 rotates on a vertical plane (for example, the XZ plane shown in FIG. 4) orthogonal to the axis of the pivot pin 60.
  • the work implement 5 moves horizontally relative to the upper swing body 3 by performing a swing operation in conjunction with the horizontal rotation of the boom bracket 4 (offset in the horizontal direction).
  • the work machine 5 includes a boom 6, an arm 7, and a bucket 8 that is an attachment for excavation.
  • the boom 6 is attached to the boom bracket 4 so as to be rotatable up and down.
  • the boom 6 extends in a vertical direction from a base end portion supported by the boom bracket 4 and is bent in a boomerang shape in a side view.
  • a boom cylinder 6 a that is movable in a telescopic manner is provided.
  • the up-and-down rotation of the boom 6 with respect to the boom bracket 4 operates according to the expansion and contraction of the boom cylinder 6a.
  • the arm 7 is attached to the boom 6 so as to be rotatable up and down.
  • a pivot pin 70 having an axis line in the horizontal direction is provided at the tip of the boom 6.
  • the base end portion of the arm 7 is supported so as to be rotatable up and down (forward and backward) around the pivot pin 70.
  • an arm cylinder 7a that is movable in a telescopic manner is provided. The vertical rotation of the arm 7 with respect to the boom 6 operates in accordance with the expansion and contraction of the arm cylinder 7a.
  • the bucket 8 is attached to the arm 7 so as to be rotatable up and down.
  • a pivot pin 80 having an axis line in the horizontal direction is provided at the tip of the arm 7.
  • the base end portion of the bucket 8 is supported so as to be rotatable up and down (back and forth) around the pivot pin 80.
  • a bucket link 81 is interposed between the tip of the arm 7 and the bucket 8.
  • the bucket link 81 is configured as a link that transmits driving force to the bucket 8.
  • a bucket cylinder 8 a that is movable in a telescopic manner is provided.
  • the vertical rotation of the bucket 8 relative to the arm 7 operates according to the expansion and contraction of the bucket cylinder 8a.
  • the bucket 8 includes a cutting edge 8E serving as a construction end and a side portion 8S formed by a side plate.
  • the turning work vehicle 1 includes an operating device 33, a main machine controller 34 that is a vehicle control device, a work machine control device 35, a display controller 36 that is a display control device, and a display device 37.
  • the operation device 33 includes a lever, a switch, a pedal, an operation panel, and the like.
  • the operation panel may also serve as the display device 37.
  • the machine controller 34 controls the traveling operation of the lower traveling body 2 and the turning operation of the upper revolving body 3 based on the control signal from the operating device 33.
  • the machine controller 34 controls the work machine control device 35 and the display controller 36 based on a control signal from the operation device 33.
  • the work machine control device 35 controls the operation of the work machine 5. This operation includes not only the vertical rotation of each of the boom 6, the arm 7, and the bucket 8, but also the swing operation (offset) of the work machine 5 by the horizontal rotation of the boom bracket 4.
  • the display controller 36 includes a storage device 36a, an arithmetic device 36b, and a safety device 36c.
  • the storage device 36a is constituted by a RAM, a ROM, or the like, and stores various data to be described later.
  • the arithmetic device 36b performs predetermined arithmetic processing based on data stored in the storage device 36a, detection signals from the position detection devices 11 and 12, and the like.
  • the display controller 36 can display the result of the arithmetic processing on the screen of the display device 37.
  • the display system 50 is used in the turning work vehicle 1 that can offset the working machine 5 having the bucket 8 in the horizontal direction with respect to the upper turning body 1, and provides useful information for construction operation support in excavation work such as side digging. To provide.
  • the display system 50 includes the arithmetic device 36b and the display device 37 described above.
  • the calculation device 36b calculates the position of the bucket 8 based on the detection results of the position detection devices 11 and 12 installed in the turning work vehicle 1, and also sets the bucket 8 on the side edge of the planned excavation area 90 (see FIG. 8).
  • the necessary turning amount of the upper turning body 3 and the necessary offset amount of the work machine 5 necessary for aligning the side portions 8S are calculated.
  • the display device 37 displays the positional relationship between the bucket 8 and the excavation planned area 90.
  • the turning work vehicle 1 includes a position detection device 11 (first position detection device) and a position detection device 12 (second position detection device).
  • the position detection device 11 detects the horizontal position of the boom bracket 4 with respect to the upper swing body 3.
  • the position detection device 12 detects the vertical position of the work machine 5 with respect to the upper swing body 3. Based on the detection results of the position detection devices 11 and 12, the calculation device 36b calculates the position of the blade edge 8E.
  • the position detection device 11 is constituted by a position sensor installed on the boom bracket 4 as shown in FIG.
  • the position sensor detects movement of the boom bracket 4 on the movable surface, more specifically, movement of the pivot pin 40 on a horizontal plane perpendicular to the axis a.
  • the horizontal position of the boom bracket 4 with respect to the upper swing body 3 can be detected relatively easily.
  • an acceleration sensor is used as a position sensor constituting the position detection device 11 and the swing angle ⁇ 2 of the boom bracket 4 with respect to the upper swing body 3 is detected.
  • the position sensor constituting the position detection device 11 can be installed in the swing cylinder 41.
  • an inertial sensor such as an acceleration sensor can be used as described above, but the present invention is not limited to this.
  • a gyro sensor, an angle sensor (tilt sensor), or a cylinder sensor (stroke sensor) is used. Is also possible.
  • the cylinder sensor is used, the swing angle ⁇ 2 can be detected based on the expansion / contraction amount (stroke amount) of the swing cylinder 41, and the horizontal position of the boom bracket 4 with respect to the upper swing body 3 can be detected.
  • the position detection device 12 includes a position sensor 12a installed on the boom 6, a position sensor 12b installed on the arm 7, and a position sensor 12c installed on the bucket link 81 as shown in FIG. Have.
  • Each of the position sensors 12a to 12c detects movement on the movable surface of the work machine 5, more specifically, movement on a vertical plane including the axis a of the pivot pin 40.
  • an example is shown in which acceleration sensors are used as the position sensors 12a to 12c and angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ described later are detected.
  • the position sensor constituting the position detection device 12 is not limited to an inertial sensor such as an acceleration sensor.
  • FIG. 4 is a left side view conceptually showing the coordinate system and the turning work vehicle 1.
  • This coordinate system includes a horizontal X-axis extending left and right in FIG. 4, a horizontal Y-axis perpendicular to the paper surface of FIG. 4 (see FIG. 5), and a vertical Z-axis extending vertically in FIG. Is an orthogonal coordinate system determined by
  • the X axis extends in the front-rear direction of the lower traveling body 2, and the Y axis extends in the left-right direction (width direction) of the lower traveling body 2.
  • the Z axis coincides with the axis that is the turning center of the upper swing body 3.
  • the XY plane including the origin O is located at the height of the axis of the pivot pin 60, and the axis a of the pivot pin 40 is orthogonal to the XY plane.
  • FIG. 5 is a plan view conceptually showing the coordinate system and the turning work vehicle 1.
  • the position of the work machine 5 shown in FIG. 4 is indicated by a chain line in FIG. 4 and 5, the axis a of the pivot pin 40 is arranged on the X axis.
  • the turning angle ⁇ 1 (see FIG. 6) of the upper turning body 3 with respect to the lower traveling body 2 is based on this state, and the turning angle ⁇ 1 is zero in FIGS.
  • the work implement 5 is arranged on a vertical plane (XZ plane) including the axis a of the pivot pin 40 and the Z axis.
  • the swing angle ⁇ 2 of the boom bracket 4 with respect to the upper swing body 3 is based on this state, and the swing angle ⁇ 2 is zero in FIG.
  • the work machine 5 is in a movable state on the XZ plane, that is, the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 are each capable of rotating up and down (forward and backward rotation) on the XZ plane.
  • the angle ⁇ is an inclination angle (rotation angle) of the boom 6 with respect to the axis a of the pivot pin 40.
  • the angle ⁇ is an inclination angle (rotation angle) of the arm 7 with respect to the extending direction of the boom 6 (the direction of the length L1).
  • the angle ⁇ is an inclination angle (rotation angle) of the bucket 8 with respect to the extending direction of the arm 7 (the direction of the length L2).
  • these angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ can be detected by the position sensors 12a to 12c constituting the position detection device 12.
  • the length L1 is a length from the base end portion to the tip end portion of the boom 6, and more specifically, corresponds to a linear distance from the axis line of the pivot pin 60 to the axis line of the pivot pin 70.
  • the length L ⁇ b> 2 is a length from the base end portion to the tip end portion of the arm 7, and more specifically, corresponds to a linear distance from the axis of the pivot pin 70 to the axis of the pivot pin 80.
  • the length L3 is a length from the proximal end portion to the distal end portion of the bucket 8, and more specifically, corresponds to a linear distance from the axis of the pivot pin 80 to the blade edge 8E. Data of lengths L1 to L3 is stored in advance in the storage device 36a.
  • the turning work vehicle 1 of this embodiment includes two GPS antennas 9 and 9.
  • the three-dimensional position information of the antennas 9 and 9 is received by the receiving device 19 (see FIG. 3).
  • the antennas 9 and 9 are fixed at predetermined positions of the turning work vehicle 1.
  • the antennas 9 and 9 are arrange
  • the relative position of the axis (that is, the Z axis) serving as the turning center of the upper swing body 3 with respect to the antennas 9 and 9, and the relative position (global coordinates) of the origin O is based on the specifications of the turning work vehicle 1. Alternatively, it is obtained in advance based on prior measurements, and the data is stored in the storage device 36a.
  • FIG. 6 is a plan view conceptually showing the coordinate system and the turning work vehicle 1 as in FIG. 5, but is different from FIG. 5 in that the upper turning body 3 is turning.
  • the position of the work machine 5 when the swing angle ⁇ 2 is zero is represented by a chain line. Since the turning radius r of the axis a can be obtained in advance, the data is stored in the storage device 36a.
  • the turning angle ⁇ 1 of the upper swing body 3 relative to the lower traveling body 2 can be calculated based on the three-dimensional position information of the antennas 9 and 9 and the data stored in the storage device 36a, and the processing is performed by the arithmetic device 36b. Done.
  • the installation location of the antennas 9 and 9 in the turning work vehicle 1 is not particularly limited.
  • the coordinates (Xa1, Ya1, Za1) can be obtained by the following equation.
  • the global coordinates (Xg2, Xg2, Xo2, Yo2, Zo2) of the cutting edge 8E are converted by converting the three-dimensional coordinates (Xo2, Yo2, Zo2) of the cutting edge 8E by the following formula. Yg2, Zg2) can be obtained.
  • the position of the boom bracket 4 in the horizontal direction (and hence the swing angle ⁇ 2) with respect to the upper swing body 3 is detected by the position detection device 11, and the vertical direction of the work machine 5 with respect to the upper swing body 3.
  • the position (and thus the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ ) is detected by the position detection device 12, and the position of the cutting edge 8E is calculated based on the detection results.
  • Such a calculation process is executed by the calculation device 36b while appropriately referring to the data stored in the storage device 36a and the information transmitted from the reception device 19.
  • the result of the calculation can be notified to the operator by displaying it on the display device 37, for example.
  • the position of the cutting edge 8E that is the construction end of the work machine 5 can be detected with high accuracy. Based on the detected position of the cutting edge 8E and the mutual positional relationship between the cutting edge 8E and the side part 8S, the position of the side part 8S can be calculated by the calculation device 36b.
  • the mutual positional relationship between the cutting edge 8E and the side portion 8S is obtained in advance based on the specifications of the work machine 5 or based on prior measurements, and the data is stored in the storage device 36a.
  • FIG. 7 is a flowchart showing operation guidance during construction.
  • 8 to 10 show screens of the display device 37 during construction.
  • the upper swing body 3, the work implement 5, and the bucket 8 are indicated by icons 93, 95, and 98, respectively.
  • the left side of the screen is configured as a display column C1 indicating a turning work vehicle in plan view.
  • the turning work vehicle is schematically represented by the upper turning body 3 and the work machine 5 including the bucket 8.
  • the right side of the screen is configured as a display field C2 that shows the upper revolving unit 3 and the work implement 5 in a plan view.
  • step S1 information about the current position and posture of the turning work vehicle 1 is acquired (step S1).
  • This information can be acquired from, for example, the three-dimensional position information of the antennas 9 and 9 and the relative positional relationship between the antennas 9 and 9 and the axis that is the turning center of the upper swing body 3.
  • step S2 the position information of the bucket 8, specifically, the position information of the blade edge 8E of the bucket 8 is obtained (step S2).
  • this information can be calculated by the calculation device 36b based on the detection results of the position detection devices 11 and 12 installed in the turning work vehicle 1.
  • channel is excavated is set (step S3). This setting is performed on the screen using the operation panel of the operation device 33, for example.
  • Fig. 8 shows the state before the guidance is displayed.
  • the display column C1 the current position and posture of the turning work vehicle 1 obtained in step S1 and the position of the bucket 8 obtained in step S2 are reflected.
  • the wall surface W is displayed as shown in FIG.
  • Information on the position and shape of the wall surface W is acquired or created in advance, and the data is stored in the storage device 36a.
  • the wall surface W may be set on the screen using the operation panel.
  • the upper swing body 3 and the work implement 5 in the initial state in which the scheduled excavation area 90 is set are displayed in a state in which they face each other on the upper side of the screen.
  • the planned excavation area 90 set in step S3 is displayed.
  • the side edge of the planned excavation area 90 is indicated by a virtual line VL extending in the extending direction of the planned excavation area 90 (vertical direction in FIG. 8).
  • This side edge refers to a side edge located on the outer side in the width direction of the turning work vehicle 1 among the pair of side edges that define the planned excavation area 90.
  • the display device 37 displays the positional relationship between the bucket 8 and the planned excavation area 90, and in this embodiment, the positional relationship is observed by an icon 98 and a virtual line VL.
  • the side portion 8S of the bucket 8 is aligned with the virtual line VL that is the side edge of the planned excavation area 90 (hereinafter referred to as “set state”).
  • the work machine 5 needs to be excavated.
  • the posture of the turning work vehicle In order to shift from the initial state of FIG. 8 to the set state, the posture of the turning work vehicle must be changed by making full use of the turning operation of the upper turning body 3 and the swinging operation of the work implement 5, Operation skills are required.
  • the amount and the required offset amount of the work machine 5 are calculated (step S4).
  • the necessary turning amount is paraphrased as the turning angle of the upper turning body 3 necessary for the transition to the set state.
  • the necessary offset amount is paraphrased as the swing angle of the work machine 5 necessary for shifting to the set state in the present embodiment.
  • the arithmetic device 36b obtains the turning angle of the upper turning body 3 and the swing angle of the work implement 5 that are suitable for performing the side grooving by calculation.
  • the display device 37 displays information for teaching the operation amount of the upper swing body 3 according to the required turning amount and the operation amount of the work machine 5 according to the required offset amount (step S5).
  • FIG. 9 is an example of a guidance screen displaying such information.
  • icons 93s and 95s indicating the upper swing body 3 and the work implement 5 in the set state are displayed.
  • an icon 93g of the upper swing body 3 that teaches the turn necessary for the transition to the set state and an icon 95g of the work machine 5 are displayed.
  • the operator is instructed that the upper swing body 3 needs to be turned to the right and the work implement 5 to be swung to the left.
  • the icon 93g in the display column C2 shown in FIG. 9 reflects the turning angle ⁇ 3 that is the operation amount of the upper turning body 3 in accordance with the calculated required turning amount, and the icon 95g is also added to the calculated required offset amount.
  • the swing angle ⁇ 4 that is the amount of operation of the corresponding work machine 5 is reflected.
  • the operator can visually recognize how much the upper swing body 3 is to be turned to the right by the positional relationship between the icon 93 and the icon 93g.
  • the operator can visually recognize how much the work machine 5 should be swung to the left by the positional relationship between the icon 95 and the icon 95g.
  • the numerical values of the turning angle ⁇ 3 and the swing angle ⁇ 4 and the arrows A3 and A4 may be omitted as appropriate.
  • visual effects may be enhanced using light, or acoustic effects may be added using sound.
  • step S6 When the operator swings the upper swing body 3 and / or swings the work implement 5, position information of the bucket 8 (the cutting edge 8E) corresponding to the operation is obtained (step S6), and the bucket 8 is the virtual line VL. It is determined whether or not a contact has been made (step S7). If the bucket 8 is not in contact with the virtual line VL, the positions of the upper swing body 3 and the work implement 5 are displayed on the screen (the display column C1) (step S8), and the position information of the bucket 8 is continuously obtained. When the bucket 8 contacts the virtual line VL, further turning operation of the upper swing body 3 is prohibited (step S9).
  • FIG. 10 is an example of a screen when the bucket 8 contacts the virtual line VL.
  • the display system 50 includes a safety device 36c that regulates the turning of the upper swing body 3 and the offset of the work implement 5 (swing in the present embodiment) so that the bucket 8 does not exceed the side edge of the planned excavation area 90 (FIG. 3). reference).
  • the safety device 36c sends a signal to the machine controller 34 when the bucket 8 comes into contact with the virtual line VL so as to execute the turning and offset regulation as described above.
  • the operator may be notified that the bucket 8 is in contact with the virtual line VL by blinking the screen or sounding a sound effect.
  • the display device 37 When the bucket 8 comes into contact with the virtual line VL, the display device 37, as shown in FIG. 10, indicates that the turning of the upper swing body 3 is restricted and the swing angle of the work machine 5 required for the transition to the set state. Is displayed (step S10).
  • the side portion 8S of the bucket 8 By operating the upper swing body 3 and the work implement 5 in accordance with the instructions on the screen, the side portion 8S of the bucket 8 is set in a set state aligned with the virtual line VL without causing the bucket 8 to collide with the wall surface W. be able to.
  • the display system 50 provides the operator with useful information for the construction of the side ditch such as how much the upper swing body 3 is swung in which direction and how much the work machine 5 should be swung in which direction. To do.
  • the display device 37 displays the upper swing body 3 and the work machine 5 extending from the front end portion of the upper swing body 3, but is not limited thereto, and adopts another screen configuration. It is also possible to do.
  • the display device 37 preferably displays at least the bucket 8 and the planned excavation area 90 in a plan view. This plan view may be viewed from above along the axial direction of the turning center axis of the upper turning body 3. Further, the display of the planned excavation area 90 may be indicated only by the side edge.
  • an example in which the offset of the work machine is performed by swinging the work machine to the left and right with respect to the upper swing body is not limited to this, but the work machine (the arm of the work machine) is not limited thereto. Alternatively, it may be performed by translating the boom) to the left and right.
  • Such turning work vehicles are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-3226086 and 2011-184965 by the present applicant.
  • the position of the bucket is changed based on the operation amount of the actuator that translates the work implement left and right (for example, the amount of expansion and contraction of the cylinder). What is necessary is just to calculate the required offset amount of a working machine while calculating.
  • the present invention is not limited to this, and the two-dimensional position may be obtained by calculation.
  • the position of the blade edge of the bucket when the planned excavation area is set as a work start point, and the necessary turning amount and the necessary offset amount as described above based on the mutual positional relationship between the position of the blade edge and the planned excavation area May be calculated.
  • the GPS antenna can be omitted.

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Abstract

バケット8を有する作業機5を上部旋回体3に対して水平方向にオフセットできる旋回作業車に用いられ、その旋回作業車に設置された位置検知装置による検知結果に基づいてバケット8の位置を演算するとともに、掘削予定領域90の側縁にバケット8の側方部8Sを揃えるために必要な上部旋回体3の必要旋回量及び作業機5の必要オフセット量を演算する演算装置と、バケット8と掘削予定領域90との位置関係を表示する表示装置とを備える。

Description

旋回作業車の表示システム
 本発明は、旋回作業車の表示システム、旋回作業車、及び、旋回作業車の表示方法に関する。
 バックホーなどの旋回作業車では、作業機の施工端部の位置を検知することで、高精度な制御が可能となり、作業の自動化や周辺の安全確保に役立てることができる。特許文献1~3には、バケットを有する作業機の施工端部(つまりは、バケットの刃先)の位置を検知する手段を備えた旋回作業車としての油圧ショベルが記載されている。
 また、特にミニショベルでは、狭い場所での作業性を高めるために、上部旋回体に対して作業機を水平方向にオフセットできる機能が装備されている場合がある。作業機のオフセットは、一つの態様では、上部旋回体に対して作業機を左右にスイングさせることによって実現され、別の態様では、上部旋回体に対して作業機を左右に平行移動させることによって実現される。
 特許文献1には、作業機に設置された複数のポジションセンサからの出力と、建設機械本体に設置された2つのGPS用アンテナからの位置情報とに基づいて施工端部の位置を検知する技術が記載されている。しかし、上記のように作業機を水平方向にオフセットできる旋回作業車に適用した場合には、ポジションセンサからの出力とアンテナからの位置情報との相対関係が作業機のオフセットに応じて変化するため、施工端部の位置を検知することができない。
 特許文献2には、アームの施工端部に設置されたGPS用アンテナからの位置情報と、建設機械本体に設置されたGPS用アンテナからの位置情報とに基づいてアームの旋回中心位置を検知し、更に複数のポジションセンサからの出力に基づいて施工端部の位置を検知する技術が記載されている。しかし、作業中に大きな振動と衝撃が加えられる施工端部にアンテナを設置する必要があるため、施工端部の位置検知を高精度に行うには都合が悪い。
 特許文献3には、バケットの刃先が目標面と正対するために求めた目標旋回情報を画面に表示する技術が記載されている。しかし、上記のように作業機を水平方向にオフセットできる旋回作業車に適用した場合には、オフセットによって変化したバケットの位置情報を反映できない。また、側溝掘りなどの施工では、掘削予定領域の側縁にバケットの側方部を揃える必要があるものの、この技術は、作業機のオフセットやバケットの側方部を考慮したものではなく、オペレータに高度な技能が求められる。
特開2002-181538号公報 特開2002-181539号公報 国際公開2015/173936号公報
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、作業機を水平方向にオフセットできる旋回作業車において、側溝掘りなどの施工の操作支援に有用な旋回作業車の表示システム、旋回作業車、及び、旋回作業車の表示方法を提供することにある。
 本発明に係る旋回作業車の表示システムは、バケットを有する作業機を上部旋回体に対して水平方向にオフセットできる旋回作業車に用いられ、前記旋回作業車に設置された位置検知装置による検知結果に基づいて前記バケットの位置を演算するとともに、掘削予定領域の側縁に前記バケットの側方部を揃えるために必要な前記上部旋回体の必要旋回量及び前記作業機の必要オフセット量を演算する演算装置と、前記バケットと前記掘削予定領域との位置関係を表示する表示装置 とを備える。かかる構成によれば、作業機を水平方向にオフセットできる旋回作業車において、側溝掘りなどの施工の操作支援に資する。
 前記表示装置は、前記必要旋回量に応じた前記上部旋回体の操作量と、前記必要オフセット量に応じた前記作業機の操作量とを教示するための情報を表示することが好ましい。これにより、掘削予定領域の側縁にバケットの側方部を揃えるための上部旋回体の旋回及び作業機のオフセットに関して、オペレータに操作ガイダンスを行うことができる。
 前記バケットが前記掘削予定領域の側縁を超えないように前記上部旋回体の旋回及び前記作業機のオフセットを規制する安全装置を備えることが好ましい。これにより、壁際掘削を行う場合において壁面に対するバケットの衝突を防止できる。
 前記作業機のオフセットが、前記上部旋回体に対して前記作業機を左右にスイングさせることにより行われるものでもよい。
 前記表示装置が、少なくとも前記バケットと前記掘削予定領域とを平面視で表示することが好ましい。これにより、掘削予定領域の側縁にバケットの側方部を揃えるうえで有用となるバケットと掘削予定領域との位置関係を、オペレータに的確に伝えることができる。
 前記表示装置が、前記掘削予定領域の延在方向に延びた仮想線によって前記掘削予定領域の側縁を表示することが好ましい。掘削予定領域の側縁の位置を表示させることによって、オペレータの操作を効果的に支援できる。
 本発明に係る旋回作業車は、上述した旋回作業車の表示システムと、下部走行体と、前記下部走行体の上方で旋回可能に設けられた前記上部旋回体と、前記上部旋回体に対して水平方向にオフセットできる前記作業機とを備える。かかる旋回作業車によれば、上述した表示システムを備えることにより、側溝掘りなどの施工の操作支援に資する。
 本発明に係る旋回作業車の表示方法は、バケットを有する作業機を上部旋回体に対して水平方向にオフセットできる旋回作業車に用いられ、前記旋回作業車に設置された位置検知装置による検知結果に基づいて前記バケットの位置を演算するとともに、掘削予定領域の側縁に前記バケットの側方部を揃えるために必要な前記上部旋回体の必要旋回量及び前記作業機の必要オフセット量を演算し、前記バケットと前記掘削予定領域との位置関係を表示装置の画面に表示するものである。かかる方法によれば、作業機を水平方向にオフセットできる旋回作業車において、側溝掘りなどの施工の操作支援に資する。
本発明に係る旋回作業車の一例を示す斜視図 図1の旋回作業車の右側面図 旋回作業車が備える制御系を示すブロック図 座標系と旋回作業車を概念的に示す左側面図 座標系と旋回作業車を概念的に示す平面図 座標系と旋回作業車を概念的に示す平面図 施工時の操作ガイダンスの一例を示すフローチャート 側溝掘りの施工時における表示装置の画面の一例を示す図 側溝掘りの施工時における表示装置の画面の一例を示す図 側溝掘りの施工時における表示装置の画面の一例を示す図
 本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
 [旋回作業車の概要]
 図1,2に示すように、旋回作業車1は、下部走行体2と、下部走行体2の上方で旋回可能に設けられた上部旋回体3と、上部旋回体3に対して水平方向にオフセットできる作業機5とを備える。本実施形態では、旋回作業車1がブームスイング機能付きショベル(バックホー)として構成されており、作業機5のオフセットは、上部旋回体3に対して作業機5を左右にスイングさせることにより行われる。一般に、ブームスイング機能は、狭い場所での作業性が求められるミニショベルに装備される。
 下部走行体2は、エンジン30からの動力を受けて駆動し、旋回作業車1を走行させたり旋回させたりする。下部走行体2は、左右一対のクローラ21,21と、それらを駆動させる左右一対の走行モータ22,22とを備える。一対のクローラ21,21の間には、上部旋回体3を旋回自在に支持する基台23が設けられている。また、下部走行体2には、一対のブレードアーム24,24と、それらの先端部の間で左右方向に延びた排土板としてのブレード25と、ブレード25を上下回動させるためのブレードシリンダ26とが設けられている。
 上部旋回体3は、その中央部で上下方向に延びる軸線回りに旋回動作可能に構成されている。図1,2には、その軸線に一致するZ軸を描いている。上部旋回体3は、下部走行体2の横幅(左側のクローラ21の外側端縁と右側のクローラ21の外側端縁との間隔)内で旋回可能な平面視略円板状に形成されている。上部旋回体3には、エンジン30、カウンターウェイト31、キャビン32などが配設されている。キャビン32で囲まれた運転部には、オペレータが着座するための運転席(図示せず)や、オペレータが操作するための操作装置33(図3参照)、各種情報を表示する表示装置37(図3参照)などが装備されている。
 旋回作業車1は、上部旋回体3に水平回動可能に支持された揺動体であるブームブラケット4を備える。ブームブラケット4は、上部旋回体3の前端部にステー33を介して取り付けられている。ステー33には、軸線a(図4参照)を上下方向に向けた枢軸ピン40が設けられている。ブームブラケット4は、その枢軸ピン40を中心にして水平回動自在に(即ち、左右へ揺動自在に)支持されている。ブームブラケット4は、軸線aと直交する水平面(例えば、図5に示すXY平面)上で回動する。上部旋回体3とブームブラケット4との間には、前後方向に伸縮作動するスイングシリンダ41が設けられている。ブームブラケット4の水平回動は、スイングシリンダ41の伸縮に応じて作動する。
 作業機5は、エンジン30からの動力を受けて駆動し、運転部での操作に応じて土砂の掘削作業などを行う。作業機5は、ブームブラケット4に上下回動可能に支持されている。ブームブラケット4には、軸線を水平方向に向けた枢軸ピン60が設けられている。作業機5の基端部(後述するブーム6の基端部)は、その枢軸ピン60を中心にして上下回動自在に支持されている。作業機5は、その枢軸ピン60の軸線と直交する鉛直面(例えば、図4に示すXZ平面)上で回動する。作業機5は、ブームブラケット4の水平回動に連動してスイング動作を行うことにより、上部旋回体3に対して相対的に水平移動する(水平方向にオフセットする)。
 作業機5は、ブーム6と、アーム7と、掘削用のアタッチメントであるバケット8とを有する。ブーム6は、ブームブラケット4に上下回動可能に取り付けられている。ブーム6は、ブームブラケット4に支持された基端部から上下方向に延在し、側面視ブーメラン形状をなして屈曲している。ブームブラケット4とブーム6の中途部との間には、伸縮自在に可動するブームシリンダ6aが設けられている。ブームブラケット4に対するブーム6の上下回動は、ブームシリンダ6aの伸縮に応じて作動する。
 アーム7は、ブーム6に上下回動可能に取り付けられている。ブーム6の先端部には、軸線を水平方向に向けた枢軸ピン70が設けられている。アーム7の基端部は、その枢軸ピン70を中心にして上下回動(前後回動)自在に支持されている。ブーム6の中途部とアーム7の基端部との間には、伸縮自在に可動するアームシリンダ7aが設けられている。ブーム6に対するアーム7の上下回動は、アームシリンダ7aの伸縮に応じて作動する。
 バケット8は、アーム7に上下回動可能に取り付けられている。アーム7の先端部には、軸線を水平方向に向けた枢軸ピン80が設けられている。バケット8の基端部は、その枢軸ピン80を中心にして上下回動(前後回動)自在に支持されている。アーム7の先端部とバケット8との間には、バケットリンク81が介在している。バケットリンク81は、バケット8に駆動力を伝達するリンクとして構成されている。バケットリンク81とアーム7の基端部との間には、伸縮自在に可動するバケットシリンダ8aが設けられている。アーム7に対するバケット8の上下回動は、バケットシリンダ8aの伸縮に応じて作動する。バケット8は、施工端部となる刃先8Eと、側板により形成された側方部8Sとを含む。
 [旋回作業車の制御系]
 旋回作業車1が備える制御系の一例について簡単に説明する。この旋回作業車1は、図3に示すように、操作装置33と、車両制御装置である本機コントローラ34と、作業機制御装置35と、表示制御装置である表示コントローラ36と、表示装置37とを備える。操作装置33には、レバーやスイッチ、ペダル、操作パネルなどが含まれる。操作パネルが表示装置37を兼ねてもよい。本機コントローラ34は、操作装置33からの制御信号に基づいて、下部走行体2の走行動作や上部旋回体3の旋回動作を制御する。また、本機コントローラ34は、操作装置33からの制御信号に基づいて、作業機制御装置35及び表示コントローラ36を制御する。
 作業機制御装置35は、作業機5の動作を制御する。この動作には、ブーム6、アーム7及びバケット8の各々の上下回動だけでなく、ブームブラケット4の水平回動による作業機5のスイング動作(オフセット)も含まれる。表示コントローラ36は、記憶装置36aと、演算装置36bと、安全装置36cとを備える。記憶装置36aは、RAMやROMなどで構成され、後述する種々のデータを記憶している。演算装置36bは、記憶装置36aに記憶されたデータや、位置検知装置11,12からの検知信号などに基づいて、所定の演算処理を実行する。表示コントローラ36は、その演算処理の結果などを表示装置37の画面に表示させることができる。
 表示システム50は、バケット8を有する作業機5を上部旋回体1に対して水平方向にオフセットできる旋回作業車1に用いられ、側溝掘りなどの掘削工事において施工の操作支援に有用な情報をオペレータに提供する。表示システム50は、上述した演算装置36bと表示装置37とを備える。演算装置36bは、旋回作業車1に設置された位置検知装置11,12による検知結果に基づいてバケット8の位置を演算するとともに、掘削予定領域90(図8参照)の側縁にバケット8の側方部8Sを揃えるために必要な上部旋回体3の必要旋回量及び作業機5の必要オフセット量を演算する。表示装置37は、バケット8と掘削予定領域90との位置関係を表示する。
 [バケットの位置検知]
 次に、バケット8の位置を検知する手法について説明する。厳密にはバケット8の刃先8Eの位置を検知し、それに基づいて側方部8Sの位置を演算する。図3に示すように、旋回作業車1は、位置検知装置11(第1の位置検知装置)と、位置検知装置12(第2の位置検知装置)とを備える。位置検知装置11は、上部旋回体3に対するブームブラケット4の水平方向位置を検知する。位置検知装置12は、上部旋回体3に対する作業機5の上下方向位置を検知する。この位置検知装置11,12による検知結果に基づいて、演算装置36bが刃先8Eの位置を演算する。
 本実施形態において、位置検知装置11は、図2のようにブームブラケット4に設置された位置センサにより構成されている。位置センサは、ブームブラケット4の可動な面上での動き、より具体的には、枢軸ピン40の軸線aに垂直な水平面上での動きを検知する。かかる位置センサをブームブラケット4に設置することにより、上部旋回体3に対するブームブラケット4の水平方向位置を比較的簡易に検知できる。本実施形態では、位置検知装置11を構成する位置センサとして加速度センサを使用し、上部旋回体3に対するブームブラケット4のスイング角θ2を検知する例を示す。
 位置検知装置11を構成する位置センサは、スイングシリンダ41に設置することも可能である。また、位置センサとしては、上記のように加速度センサなどの慣性センサを用いることができるが、これに限定されず、例えばジャイロセンサや角度センサ(傾斜センサ)、シリンダセンサ(ストロークセンサ)を用いることも可能である。シリンダセンサを利用した場合は、スイングシリンダ41の伸縮量(ストローク量)に基づいてスイング角θ2を検知し、上部旋回体3に対するブームブラケット4の水平方向位置を検知することができる。
 本実施形態において、位置検知装置12は、図1のようにブーム6に設置された位置センサ12aと、アーム7に設置された位置センサ12bと、バケットリンク81に設置された位置センサ12cとを有する。位置センサ12a~12cは、それぞれ作業機5の可動な面上での動き、より具体的には、枢軸ピン40の軸線aを含む鉛直面上での動きを検知する。本実施形態では、位置センサ12a~12cとして加速度センサを使用し、後述の角度α、β及びγを検知する例を示す。位置検知装置11と同様に、位置検知装置12を構成する位置センサは、加速度センサなどの慣性センサに限られない。
 図4は、座標系と旋回作業車1を概念的に示す左側面図である。この座標系は、図4で左右に延びる水平方向のX軸と、図4の紙面に垂直となる水平方向のY軸(図5参照)と、図4で上下に延びる鉛直方向のZ軸とにより定まる直交座標系である。X軸は、下部走行体2の前後方向に延びており、Y軸は、下部走行体2の左右方向(幅方向)に延びている。Z軸は、上部旋回体3の旋回中心となる軸線に一致する。原点Oを含むXY平面は、枢軸ピン60の軸線の高さに位置し、そのXY平面に枢軸ピン40の軸線aが直交している。
 図5は、座標系と旋回作業車1を概念的に示す平面図である。図4に示した作業機5の位置は、図5において鎖線で表している。図4,5では、枢軸ピン40の軸線aがX軸上に配置されている。下部走行体2に対する上部旋回体3の旋回角θ1(図6参照)は、この状態を基準とし、図4,5において旋回角θ1はゼロである。また、図4では、枢軸ピン40の軸線aとZ軸とを含む鉛直面(XZ平面)上に作業機5が配置されている。上部旋回体3に対するブームブラケット4のスイング角θ2は、この状態を基準とし、図4においてスイング角θ2はゼロである。
 図4では、作業機5がXZ平面上で可動な状態にあり、つまりはブーム6、アーム7及びバケット8の各々がXZ平面上で上下回動(前後回動)しうる状態にある。角度αは、枢軸ピン40の軸線aを基準としたブーム6の傾斜角度(回動角度)である。角度βは、ブーム6の延在方向(長さL1の方向)を基準としたアーム7の傾斜角度(回動角度)である。角度γは、アーム7の延在方向(長さL2の方向)を基準としたバケット8の傾斜角度(回動角度)である。既述のように、これらの角度α、β及びγは、位置検知装置12を構成する位置センサ12a~12cによって検知できる。
 長さL1は、ブーム6の基端部から先端部までの長さであり、より具体的には、枢軸ピン60の軸線から枢軸ピン70の軸線までの直線距離に相当する。長さL2は、アーム7の基端部から先端部までの長さであり、より具体的には、枢軸ピン70の軸線から枢軸ピン80の軸線までの直線距離に相当する。長さL3は、バケット8の基端部から先端部までの長さであり、より具体的には、枢軸ピン80の軸線から刃先8Eまでの直線距離に相当する。長さL1~L3のデータは、予め記憶装置36aに記憶されている。
 本実施形態の旋回作業車1は、2つのGPS用のアンテナ9,9を備えている。アンテナ9,9の三次元位置情報は、受信装置19(図3参照)によって受信される。アンテナ9,9は、旋回作業車1の所定位置に固定されている。本実施形態では、XY平面に平行な水平面上にアンテナ9,9が配置されている。アンテナ9,9に対する、上部旋回体3の旋回中心となる軸線(即ち、Z軸)の相対位置、延いては原点Oの相対位置(グローバル座標)は、旋回作業車1のスペックに基づいて、または事前の計測に基づいて予め知得され、そのデータが記憶装置36aに記憶されている。
 図6は、図5と同じく座標系と旋回作業車1を概念的に示す平面図であるが、上部旋回体3が旋回している点で図5と異なる。図6では、スイング角θ2がゼロのときの作業機5の位置を鎖線で表している。軸線aの旋回半径rは予め知得できるため、そのデータが記憶装置36aに記憶されている。下部走行体2に対する上部旋回体3の旋回角θ1は、アンテナ9,9の三次元位置情報、及び、記憶装置36aに記憶されたデータに基づいて計算可能であり、その処理は演算装置36bによって行われる。旋回角θ1の計算に必要な情報が得られる限り、旋回作業車1におけるアンテナ9,9の設置箇所は特に限定されない。
 まず、図4及び図5に鎖線で示したように上部旋回体3を旋回させず且つ作業機5をスイングさせていない状態(即ち、θ1=0、θ2=0)において、XY平面上の軸線aの位置を基点とした刃先8Eの三次元座標を(Xa,Ya,Za)とするとき、その座標(Xa,Ya,Za)は下記の式によって求めることができる。
 Xa=L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)
 Ya=0
 Za=L1cosα+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)
 次に、図5に実線で示したように上部旋回体3を旋回させずに作業機5をスイングさせた状態(θ1=0、θ2≠0)において、XY平面上の軸線aの位置を基点とした刃先8Eの三次元座標を(Xa1,Ya1,Za1)とするとき、その座標(Xa1,Ya1,Za1)は下記の式によって求めることができる。
 Xa1=Xa・cosθ2
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}cosθ2
 Ya1=Xa・sinθ2
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}sinθ2
 Za1=Za
    =L1cosα+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)
 また、図6に示すように上部旋回体3を旋回させた状態(θ1≠0)において、XY平面上の原点Oを起点とした軸線aの三次元座標を(Xo0,Yo0,Zo0)とし、その軸線aの旋回半径をrとするとき、その座標(Xo0,Yo0,Zo0)は下記の式によって求めることができる。
 Xo0=r・cosθ1
 Yo0=r・sinθ1
 Zo0=0
 そして、図6に鎖線で示したように上部旋回体3を旋回させて作業機5をスイングさせていない状態(θ1≠0、θ2=0)において、XY平面上の原点Oを起点とした刃先8Eの三次元座標を(Xo1,Yo1,Zo1)とするとき、その座標(Xo1,Yo1,Zo1)は下記の式によって求めることができる。
 Xo1=Xa・cosθ1+Xo0
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}cosθ1+r・cosθ1
 Yo1=Xa・sinθ1+Yo0
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}sinθ1+r・sinθ1
 Zo1=Za+Zo0
    =L1cosα+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)
 更に、図6に実線で示したように上部旋回体3を旋回させて作業機5をスイングさせた状態(θ1≠0、θ2≠0)において、XY平面上の原点Oを起点とした刃先8Eの三次元座標を(Xo2,Yo2,Zo2)とするとき、その座標(Xo2,Yo2,Zo2)は下記の式によって求めることができる。
 Xo2=Xa・cos(θ1+θ2)+Xo0
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}cos(θ1+θ2)+r・cosθ1
 Yo2=Xa・sin(θ1+θ2)+Yo0
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}sin(θ1+θ2)+r・sinθ1
 Zo2=Za+Zo0
    =L1cosα+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)
 したがって、原点Oのグローバル座標を(A,B,C)とするとき、下記の式によって刃先8Eの三次元座標(Xo2,Yo2,Zo2)を変換することにより、刃先8Eのグローバル座標(Xg2,Yg2,Zg2)を求めることができる。
 Xg2=Xo2+A
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}cos(θ1+θ2)+r・cosθ1+A
 Yg2=Yo2+B
    ={L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)}sin(θ1+θ2)+r・sinθ1+B
 Zo2=Zo2+C
    =L1cosα+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)+C
 このように、本実施形態では、上部旋回体3に対するブームブラケット4の水平方向位置(延いては、スイング角θ2)を位置検知装置11により検知し、上部旋回体3に対する作業機5の上下方向位置(延いては、角度α、β及びγ)を位置検知装置12により検知し、それらの検知結果に基づいて刃先8Eの位置を演算する。かかる演算処理は、記憶装置36aに記憶されたデータや、受信装置19から送信された情報を適宜に参照しながら演算装置36bによって実行される。演算の結果は、例えば表示装置37に表示させることによりオペレータに通知できる。
 以上の通り、本実施形態によれば、ブームスイング機能を有する旋回作業車1において、作業機5の施工端部である刃先8Eの位置を高精度に検知することができる。そして、その検知した刃先8Eの位置、及び、刃先8Eと側方部8Sとの相互の位置関係に基づき、演算装置36bによって側方部8Sの位置を演算できる。刃先8Eと側方部8Sとの相互の位置関係は、作業機5のスペックに基づいて、または事前の計測に基づいて予め知得され、そのデータは記憶装置36aに記憶されている。
 [施工時の操作ガイダンス]
 次に、側溝掘りにおける施工時の操作ガイダンスについて説明する。図7は、施工時の操作ガイダンスを示すフローチャートである。図8~10は、それぞれ施工時の表示装置37の画面を示す。この画面では、上部旋回体3、作業機5及びバケット8が、それぞれアイコン93,95,98で示されている。本実施形態では、画面左側が、平面視の旋回作業車を示す表示欄C1として構成されている。旋回作業車は、上部旋回体3とバケット8を含む作業機5とにより模式的に表現されている。画面右側は、平面視の上部旋回体3と作業機5とを切り離して示す表示欄C2として構成されている。
 まずは、旋回作業車1の現在位置及び姿勢に関する情報を取得する(ステップS1)。この情報は、例えば、アンテナ9,9の三次元位置情報、及び、そのアンテナ9,9と上部旋回体3の旋回中心となる軸線との相対位置関係などから取得できる。続いて、バケット8の位置情報、具体的にはバケット8の刃先8Eの位置情報を求める(ステップS2)。この情報は、既述のように、旋回作業車1に設置された位置検知装置11,12による検知結果に基づき、演算装置36bによって演算できる。そして、溝が掘削される掘削予定領域90を設定する(ステップS3)。この設定は、例えば操作装置33の操作パネルを用いて画面上で行われる。
 図8は、ガイダンス表示前の状態を示す。表示欄C1には、ステップS1で求めた旋回作業車1の現在位置及び姿勢、並びに、ステップS2で求めたバケット8の位置が反映されている。壁際掘削を行う場合は、図8のように壁面Wを表示することが好ましい。壁面Wの位置と形状に関する情報は予め取得または作成され、そのデータが記憶装置36aに記憶されている。あるいは、操作パネルを用いて壁面Wを画面上で設定してもよい。表示欄C2には、掘削予定領域90を設定した初期状態における上部旋回体3と作業機5が、それぞれ画面上方を向いた状態で表示されている。
 表示欄C1には、ステップS3で設定した掘削予定領域90が表示される。本実施形態では、掘削予定領域90の延在方向(図8の上下方向)に延びた仮想線VLによって掘削予定領域90の側縁を表示している。この側縁は、掘削予定領域90を規定する一対の側縁のうち、旋回作業車1の幅方向外側に位置する側縁を指す。このように掘削予定領域90の側縁を表示することにより、オペレータの操作を効果的に支援できる。但し、これに限らず、掘削予定領域90の中心線を表示したり、所定幅を有した帯状の領域として掘削予定領域90を表示したりしてもよい。
 表示装置37は、図8のように、バケット8と掘削予定領域90との位置関係を表示しており、本実施形態では、その位置関係がアイコン98と仮想線VLとにより看取される。掘削予定領域90において溝を掘削するには、掘削予定領域90の側縁である仮想線VLにバケット8の側方部8Sを揃えた状態(以下、「セット状態」と呼ぶ)にしたうえで、作業機5を掘削動作させる必要がある。図8の初期状態からセット状態へ移行するには、上部旋回体3の旋回動作と作業機5のスイング動作とを駆使して旋回作業車の姿勢を変えなければならず、オペレータには高度な操作技能が求められる。
 そこで、この表示システム50では、施工の操作支援に役立つように、演算装置36bが、掘削予定領域90の側縁にバケット8の側方部8Sを揃えるために必要な上部旋回体3の必要旋回量と作業機5の必要オフセット量を演算する(ステップS4)。必要旋回量は、セット状態への移行に必要な上部旋回体3の旋回角と言い換えられる。また、必要オフセット量は、本実施形態ではセット状態への移行に必要な作業機5のスイング角と言い換えられる。このように、演算装置36bは、側溝掘りを行うのに適した上部旋回体3の旋回角と作業機5のスイング角とを計算で求める。
 表示装置37は、必要旋回量に応じた上部旋回体3の操作量と、必要オフセット量に応じた作業機5の操作量とを教示するための情報を表示する(ステップS5)。図9は、かかる情報を表示したガイダンス画面の一例である。表示欄C1には、セット状態にある上部旋回体3及び作業機5を示すアイコン93s、95sが表示されている。表示欄C2には、セット状態への移行に必要な旋回を教示する上部旋回体3のアイコン93gと、同じく作業機5のアイコン95gとが表示されている。この例では、上部旋回体3を右側へ旋回し、作業機5を左側へスイングする必要があることをオペレータに教示している。
 図9に記載の表示欄C2のアイコン93gは、演算した必要旋回量に応じた上部旋回体3の操作量となる旋回角θ3を反映させており、同じくアイコン95gは、演算した必要オフセット量に応じた作業機5の操作量となるスイング角θ4を反映させている。オペレータは、アイコン93とアイコン93gとの位置関係により、上部旋回体3を右側へどれくらい旋回すればよいか視覚的に認知できる。また、オペレータは、アイコン95とアイコン95gとの位置関係により、作業機5を左側へどれくらいスイングすればよいか視覚的に認知できる。旋回角θ3及びスイング角θ4の数値や矢印A3,A4の表示は、適宜に省略して構わない。また、光を使って視覚効果を高めたり、音を使って音響効果を加えたりしてもよい。
 オペレータが上部旋回体3を旋回させ、及び/または、作業機5をスイングさせると、その動作に応じたバケット8(の刃先8E)の位置情報を求め(ステップS6)、バケット8が仮想線VLに接触したかどうかを判定する(ステップS7)。バケット8が仮想線VLに接触していなければ、その上部旋回体3と作業機5の位置を画面(の表示欄C1)に表示し(ステップS8)、引き続きバケット8の位置情報を求める。バケット8が仮想線VLに接触した場合は、上部旋回体3のそれ以上の旋回動作を禁止する(ステップS9)。
 図10は、バケット8が仮想線VLに接触したときの画面の一例である。この状態から上部旋回体3が右側へ旋回すると、バケット8が壁面Wに衝突してしまうため、そうならないように上部旋回体3の右旋回が規制されている。同じ理由により、作業機5の右方向へのスイング動作を規制することもできる。表示システム50は、バケット8が掘削予定領域90の側縁を超えないように上部旋回体3の旋回及び作業機5のオフセット(本実施形態ではスイング)を規制する安全装置36cを備える(図3参照)。安全装置36cは、バケット8が仮想線VLに接触したときに本機コントローラ34に信号を送り、上記の如き旋回及びオフセットの規制を実行させる。旋回動作の禁止に加えて、画面を点滅させたり効果音を鳴らしたりすることで、バケット8が仮想線VLに接触していることをオペレータに通知してもよい。
 バケット8が仮想線VLに接触すると、表示装置37は、図10のように、上部旋回体3の旋回が規制されていること、及び、セット状態への移行に必要な作業機5のスイング角を教示するための情報を表示する(ステップS10)。このような画面の指示に従って上部旋回体3と作業機5を操作することで、バケット8を壁面Wに衝突させることなく、バケット8の側方部8Sを仮想線VLに揃えたセット状態にすることができる。以上のように、表示システム50は、上部旋回体3をどの方向にどれくらい旋回させ、作業機5をどの方向にどれくらいスイングさせればよいか、という側溝掘りの施工に有用な情報をオペレータに提供する。
 本実施形態において、表示装置37は、上部旋回体3と、その上部旋回体3の前端部から延びた作業機5とを表示しているが、これに限定されず、他の画面構成を採用することも可能である。但し、表示装置37は、少なくともバケット8と掘削予定領域90とを平面視で表示することが好ましい。この平面視は、上部旋回体3の旋回中心軸の軸方向に沿って上方から見たものでよい。また、掘削予定領域90の表示は、その側縁だけで示すものでもよい。
 本実施形態では、作業機のオフセットが、上部旋回体に対して作業機を左右にスイングさせることにより行われる例を示したが、これに限られず、上部旋回体に対して作業機(のアームまたはブーム)を左右に平行移動させることにより行われるものでもよい。そのような旋回作業車は、例えば本出願人による特開平8-326086号公報、特開2011-184965号公報などに開示されている。かかる場合は、上述した作業機のスイング角(ブームブラケットのスイング角)に代えて、作業機を左右に平行移動させるアクチュエータの作動量(例えば、シリンダの伸縮量)に基づいて、バケットの位置を演算するとともに、作業機の必要オフセット量を演算すればよい。
 本実施形態では、バケットの刃先の三次元位置を演算する例を示したが、これに限られず、二次元位置を演算で求めてもよい。例えば、掘削予定領域を設定したときのバケットの刃先の位置を作業開始点とし、その刃先の位置と掘削予定領域との相互の位置関係を踏まえて、上述したような必要旋回量と必要オフセット量を演算してもよい。その場合、グローバル座標を使用しなくてもよいため、GPS用のアンテナを省略できる。かかる場合、下部走行体に対する上部旋回体の旋回角は、上部旋回体に設置した位置センサ(例えば、角度センサ)により検知するように構成してもよい。
 本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。
1   旋回作業車
2   下部走行体
3   上部旋回体
4   ブームブラケット
5   作業機
6   ブーム
7   アーム
8   バケット
8a  バケットシリンダ
8E  刃先
8S  側方部
11  位置検知装置
12  位置検知装置
36  表示コントローラ
36a 記憶装置
36b 演算装置
36c 安全装置
37  表示装置
50  表示システム
90  掘削予定領域

 

Claims (8)

  1.  バケットを有する作業機を上部旋回体に対して水平方向にオフセットできる旋回作業車に用いられ、
     前記旋回作業車に設置された位置検知装置による検知結果に基づいて前記バケットの位置を演算するとともに、掘削予定領域の側縁に前記バケットの側方部を揃えるために必要な前記上部旋回体の必要旋回量及び前記作業機の必要オフセット量を演算する演算装置と、
     前記バケットと前記掘削予定領域との位置関係を表示する表示装置とを備える、旋回作業車の表示システム。
  2.  前記表示装置が、前記必要旋回量に応じた前記上部旋回体の操作量と、前記必要オフセット量に応じた前記作業機の操作量とを教示するための情報を表示する請求項1に記載の旋回作業車の表示システム。
  3.  前記バケットが前記掘削予定領域の側縁を超えないように前記上部旋回体の旋回及び前記作業機のオフセットを規制する安全装置を備える請求項1または2に記載の旋回作業車の表示システム。
  4.  前記作業機のオフセットが、前記上部旋回体に対して前記作業機を左右にスイングさせることにより行われる請求項1~3いずれか1項に記載の旋回作業車の表示システム。
  5.  前記表示装置が、少なくとも前記バケットと前記掘削予定領域とを平面視で表示する請求項1~4いずれか1項に記載の旋回作業車の表示システム。
  6.  前記表示装置が、前記掘削予定領域の延在方向に延びた仮想線によって前記掘削予定領域の側縁を表示する請求項1~5いずれか1項に記載の旋回作業車の表示システム。
  7.  請求項1~6いずれか1項に記載の旋回作業車の表示システムと、下部走行体と、前記下部走行体の上方で旋回可能に設けられた前記上部旋回体と、前記上部旋回体に対して水平方向にオフセットできる前記作業機とを備えた旋回作業車。
  8.  バケットを有する作業機を上部旋回体に対して水平方向にオフセットできる旋回作業車に用いられ、前記旋回作業車に設置された位置検知装置による検知結果に基づいて前記バケットの位置を演算するとともに、掘削予定領域の側縁に前記バケットの側方部を揃えるために必要な前記上部旋回体の必要旋回量及び前記作業機の必要オフセット量を演算し、前記バケットと前記掘削予定領域との位置関係を表示装置の画面に表示する、旋回作業車の表示方法。

     
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