特許 6546558 建設機械及び建設機械の較正方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6546558

(24)【登録日】2019年6月28日

(45)【発行日】2019年7月17日

(54)【発明の名称】建設機械及び建設機械の較正方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20190705BHJP

   E02F 9/26 20060101ALI20190705BHJP

   G01B 21/22 20060101ALI20190705BHJP

【ＦＩ】

   G01C15/00 104Z

   E02F9/26 B

   G01B21/22

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-70141(P2016-70141)

(22)【出願日】2016年3月31日

(65)【公開番号】特開2017-181340(P2017-181340A)

(43)【公開日】2017年10月5日

【審査請求日】2018年8月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田 弘幸

(72)【発明者】

【氏名】森木 秀一

(72)【発明者】

【氏名】枝村 学

(72)【発明者】

【氏名】坂本 博史

(72)【発明者】

【氏名】釣賀 靖貴

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０３６２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３２２７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１３７５２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−１９４８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２４８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０２０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０４０７２６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １５／００

Ｅ０２Ｆ ９／２６

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車体と、
前記車体に回転可能に支持された第１稼動部と、
前記第１稼動部に回転可能に支持された第２稼動部と、
前記第２稼動部に回転可能に支持された第３稼動部と、
前記第１稼動部に第１取付角度で取付けられ、前記第１稼動部の傾斜角度を検出する第１角度検出部と、
前記第２稼動部に第２取付角度で取付けられ、前記第２稼動部の傾斜角度を検出する第２角度検出部と、
前記第３稼動部に第３取付角度で取付けられ、前記第３稼動部の傾斜角度を検出する第３角度検出部と、
前記第１乃至第３取付角度、前記第１乃至第３角度検出部で各々検出された前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度、及び前記第１乃至第３稼動部の寸法情報を基に、前記第３稼動部上の予め設定された位置を演算するように構成された演算装置とを有する建設機械の前記第１乃至第３取付角度を較正する、建設機械の較正方法において、
前記車体に対する前記第１稼動部の回転軸上にある第１計測点、前記第１稼動部に対する前記第２稼動部の回転軸上にある第２計測点、前記第２稼動部に対する前記第３稼動部の回転軸上にある第３計測点、及び前記第３稼動部上にある第４計測点を外部計測装置で計測する第１ステップと、
少なくとも前記第１ステップで計測された前記第１乃至第４計測点を基に、前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度を前記演算装置によって演算する第２ステップと、
前記第２ステップで演算された前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度、及び前記第１乃至第３角度検出部で検出された傾斜角度を基に、前記第１乃至第３取付角度を演算する第３ステップと
を備えたことを特徴とする建設機械の較正方法。

【請求項2】

請求項１に記載の建設機械の較正方法において、
前記第３稼動部は、
前記第２稼動部に回転可能に支持された本体部と、
前記第２稼動部に一端が回転可能に支持された第１連結部と、
前記第１連結部の他端に一端が回転可能に支持され、前記本体部に他端が回転可能に支持された第２連結部とを有し、
前記第３角度検出部は、前記本体部に取付けられ、
前記第３計測点は、前記第２稼動部に対する前記第１連結部の回転軸上にあり、
前記第４計測点は、前記第１連結部に対する前記第２連結部の回転軸上にあることを特徴とする建設機械の較正方法。

【請求項3】

請求項２に記載の建設機械の較正方法において、
前記第１乃至第４計測点は、前記第１稼動部の回動平面と平行な同一平面上に配置されたことを特徴とする建設機械の較正方法。

【請求項4】

車体と、
前記車体に回転可能に支持された第１稼動部と、
前記第１稼動部に回転可能に支持された第２稼動部と、
前記第２稼動部に回転可能に支持された第３稼動部と、
前記第１稼動部に第１取付角度で取付けられ、前記第１稼動部の傾斜角度を検出する第１角度検出部と、
前記第２稼動部に第２取付角度で取付けられ、前記第２稼動部の傾斜角度を検出する第２角度検出部と、
前記第３稼動部に第３取付角度で取付けられ、前記第３稼動部の傾斜角度を検出する第３角度検出部と、
前記第１乃至第３取付角度、前記第１乃至第３角度検出部で各々検出された前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度、及び前記第１乃至第３稼動部の寸法情報を基に、前記第３稼動部上の予め設定された位置を演算するように構成された演算装置とを有する建設機械において、
前記車体に対する前記第１稼動部の回転軸上にある第１計測点、前記第１稼動部に対する前記第２稼動部の回転軸上にある第２計測点、前記第２稼動部に対する前記第３稼動部の回転軸上にある第３計測点、及び前記第３稼動部上にある第４計測点のそれぞれに外部計測装置で計測可能な第１乃至第４マーカを備え、
前記演算装置は、少なくとも前記外部計測装置で計測された前記第１乃至第４計測点の三次元位置を基に、前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度を演算し、前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度、及び前記第１乃至第３角度検出部で検出された傾斜角度を基に、前記第１乃至第３取付角度を演算するように構成されたことを特徴とする建設機械。

【請求項5】

請求項４に記載の建設機械において、
前記第３稼動部は、
前記第２稼動部に回転可能に支持された本体部と、
前記第２稼動部に一端が回転可能に支持された第１連結部と、
前記第１連結部の他端に一端が回転可能に支持され、前記本体部に他端が回転可能に支持された第２連結部とを有し、
前記第３角度検出部は、前記本体部に取付けられ、
前記第３計測点は、前記第２稼動部に対する前記第１連結部の回転軸上にあり、
前記第４計測点は、前記第１連結部に対する前記第２連結部の回転軸上にあることを特徴とする建設機械。

【請求項6】

請求項５に記載の建設機械において、
前記第１乃至第４マーカは、前記第１稼動部の回動平面と平行な同一平面上に設置されたことを特徴とする建設機械。

【請求項7】

請求項５に記載の建設機械において、
前記車体と前記第１稼動部との第１回転対偶部、前記第１稼動部と前記第２稼動部との第２回転対偶部、前記第２稼動部と前記第１連結部の第３回転対偶部、及び前記第１連結部と前記第２連結部との第４回転対偶部は、それぞれの回転軸を中心とするテーパ穴を有し、
前記第１乃至第４マーカは、前記第１乃至第４回転対偶部の各テーパ穴に嵌合するように形成された円すい部を有する治具を介して、前記第１乃至第４回転対偶部にそれぞれ取付けられることを特徴とする建設機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の関節が連結された作業機構を有する建設機械のうち、特に作業機構の位置姿勢を計測するセンサを設けた建設機械に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、情報化施工への対応に伴い、建設機械においてブーム、アーム、バケットなどの作業機構の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや、目標施工面に沿って動くよう制御するマシンコントロールの機能を有するものがある。代表的なものとしては、油圧ショベルのバケット先端位置とバケット角度をモニタへ表示したり、バケット先端が目標施工面に近づくと、それ以上進まないように動作に制限をかけたりするものがある。このような機能を実現するためには、作業機構の位置姿勢を計測することが必要であり、計測精度が高いほど質の高い施工が実現できる。

【0003】

作業機構の位置姿勢を計測する技術の一例として、特許文献１には以下のように記載されている。特許文献１の発明では、被計測体（例えばブーム）に複数の傾斜センサを任意の位置に取付けるだけで、被計測体の重力方向に対する角度（傾斜角）を求めることができる。被計測体の傾斜角が求められれば、被計測体の長さは、設計上既知であるから、その先端（モニタポイント）の高さ等を演算によって容易に求めることもできる。

【0004】

特許文献１に記載の内容のように、ブーム、アーム、バケットなどの作業機構の各稼動体に傾斜センサを取付けることで、各稼動体の重力方向に対する角度、つまり絶対角度がわかり、各稼動体のリンク長（回転対偶部間距離）が既知であれば、絶対角度とリンク長から作業機構先端の位置を求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−２８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ただし、傾斜センサの出力から作業機構の各稼動部の絶対角度を求めるためには、各稼動部に傾斜センサがどのように取付けられているかという情報が必要である。例えば、傾斜センサが稼動部に対して相対的に30度ずれて取付けられていれば、稼動部の絶対角度が0であったときに傾斜センサの出力は30度となる。つまり、傾斜センサの取付角度を予め較正しておき、傾斜センサの出力から取付角度を減じなければ、稼動部の絶対角度は得られない。また、作業機先端の位置計測を高精度（例えば±20mm以内）に行うためには、取付角度の較正も高い精度（例えば±0.1°以内）で行うある必要がある。

【0007】

特許文献１では、この較正方法として、互いの位置関係が既知である複数の傾斜センサを用いて行う方法が書かれているが、一つの稼動部に複数の傾斜センサを取付けることはコストが高くなり望ましくない。

【0008】

また、一般的には稼動部を基準姿勢（水平、あるいは垂直など）に調整して、絶対角度を既知の状態とし、その時の傾斜センサの出力を取付角度として較正する方法が行われることがある。しかし、上述のように高い精度で較正を行う必要があるため、稼動部を±0.1°以内など精度良く基準姿勢に合わせなければならず、微操作の難しい建設機械などではこの基準姿勢合わせに多くの時間を要してしまう。

【0009】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、作業機構の各稼動部に設置した傾斜センサの取付角度を高精度且つ容易に較正することが可能な建設機械及び建設機械の較正方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明は、車体と、前記車体に回転可能に支持された第１稼動部と、前記第１稼動部に回転可能に支持された第２稼動部と、前記第２稼動部に回転可能に支持された第３稼動部と、前記第１稼動部に第１取付角度で取付けられ、前記第１稼動部の傾斜角度を検出する第１角度検出部と、前記第２稼動部に第２取付角度で取付けられ、前記第２稼動部の傾斜角度を検出する第２角度検出部と、前記第３稼動部に第３取付角度で取付けられ、前記第３稼動部の傾斜角度を検出する第３角度検出部と、前記第１乃至第３取付角度、前記第１乃至第３角度検出部で各々検出された前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度、及び前記第１乃至第３稼動部の寸法情報を基に、前記第３稼動部上の予め設定された位置を演算するように構成された演算装置とを有する建設機械の前記第１乃至第３取付角度を較正する、建設機械の較正方法において、前記車体に対する前記第１稼動部の回転軸上にある第１計測点、前記第１稼動部に対する前記第２稼動部の回転軸上にある第２計測点、前記第２稼動部に対する前記第３稼動部の回転軸上にある第３計測点、及び前記第３稼動部上にある第４計測点を外部計測装置で計測する第１ステップと、少なくとも前記第１ステップで計測された前記第１乃至第４計測点を基に、前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度を前記演算装置によって演算する第２ステップと、前記第２ステップで演算された前記第１乃至第３稼動部の傾斜角度、及び前記第１乃至第３角度検出部で検出された傾斜角度を基に、前記第１乃至第３取付角度を演算する第３ステップとを備えたものとする。

【発明の効果】

【0011】

本発明により、作業機構の各稼動部を基準姿勢に位置合わせせずとも、各稼動部の回転対偶部位置を計測することで各稼動部の絶対角度を知ることができるため、各稼動部は任意の姿勢でよく、較正に要する時間を大幅に短縮することができる。また、本較正方法では作業機構を動かす必要がないため、例えば工場内など狭い場所での較正が可能であり、作業機構を動かすための作業員も省くことが可能となる。上記以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルのブーム付近の側面図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルのアーム付近の側面図である。

【図4】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルのバケット付近の側面図である。

【図5】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの較正方法を示す斜視図である。

【図6】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの三面図である。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの模式的構成図である。

【図8】本本発明の第１又は第２の実施形態に係る油圧ショベルのバケット付近の側面図である。

【図9】本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの作業機構に取付けるマーカ及び治具の断面図である。

【図10】本発明の第３の実施形態に係る油圧ショベルの三面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

【実施例1】

【0014】

本実施の形態では、建設機械として油圧ショベルを例に説明するが、本発明における建設機械は油圧ショベルに限定するものではない。以下、図１から図６を用いて第１の実施形態に係る油圧ショベル及び油圧ショベルの較正方法について説明する。

【0015】

図１は第１の実施の形態である油圧ショベルを示している。油圧ショベル１は、一般的な油圧ショベルと同様に、上部旋回体１１、クローラを含む下部走行体１２、掘削などの作業を行う作業機構を構成するブーム１３、アーム１４、バケット１５、アーム１４及びバケット１５と共にリンク機構を構成する第１バケットリンク１６ａ及び第２バケットリンク１６ｂ、ブーム１３を駆動するブームシリンダ１７、アーム１４を駆動するアームシリンダ１８、バケット１５をバケットリンク１６ａ，１６ｂを含むリンク機構を介して駆動するバケットシリンダ１９などから構成されている。

【0016】

上部旋回体１１は、下部走行体１２に回転可能に支持されており、旋回モータ（図示せず）によって下部走行体１２に対して相対的に回転駆動される。ブーム１３は、一端が上部旋回体１１に回転可能に支持されており、ブームシリンダ１７の伸縮に応じて上部旋回体１１に対して相対的に回転駆動される。アーム１４は、一端がブーム１３の他端に回転可能に支持されており、アームシリンダ１８の伸縮に応じてブーム１３に対して相対的に回転駆動される。

【0017】

バケット１５は、アーム１４の他端に回転可能に支持されており、第１バケットリンク１６ａは、一端がアーム１４に回転可能に支持されており、第２バケットリンク１６ｂは、一端がバケット１５に回動可能に支持され、他端が第１バケットリンク１６ａの他端に回動可能に支持されている。第１バケットリンク１６ａは、バケットシリンダ１９の伸縮に応じてアーム１４に対して相対的に回転駆動される。バケット１５は、第１バケットリンク１６ａと連動して駆動される第２バケットリンク１６ｂにより、アーム１４に対して相対的に回転駆動される。このような構成である油圧ショベル１はブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、バケットシリンダ１９を適切な位置に駆動することにより、バケット１５を任意の位置、姿勢に駆動し、所望の作業を行うことができる。

【0018】

油圧ショベル１は、ブーム１３、アーム１４、バケットリンク１６ａにそれぞれブーム傾斜センサ２１、アーム傾斜センサ２２、バケット傾斜センサ２３が設置されている。本実施形態では、傾斜センサ２１〜２３は２軸又は３軸の加速度を測定し、重力方向に対する傾斜角度を検出するものとして説明する。油圧ショベル１は上部旋回体１１に設置された車体傾斜センサ２４を持ち、車体の左右方向の傾斜角度θ_ｒ（ロール角度）と前後方向の傾斜角度θ_ｐ（ピッチ角度）を検出可能な構成となっている。

【0019】

各傾斜センサ２１〜２４の信号は、上部旋回体１１に設置された演算装置２５に送られ、演算装置２５内でバケット先端位置Ｐ_６やバケット角度θ_ｂｋを演算する。演算されたバケット先端位置Ｐ_６やバケット角度θ_ｂｋは、運転席内のモニタ２６に表示することでガイダンス機能として運転者へ提供したり、作業機構の動作を制御するためのフィードバック情報として用いられる。

【0020】

以下、各傾斜センサ信号からバケット先端位置Ｐ_６とバケット角度θ_ｂｋを演算する方法について図１を用いて説明する。まず、演算に必要な各点Ｐ_０〜Ｐ_５を定義する。

【0021】

点Ｐ_０は、上部旋回体１１とブーム１３との回転対偶部の回転軸上にあり、上部旋回体１１、ブーム１３又は両者の回転対偶部に挿入されたピン（図示せず）のいずれかの構造物の右端とする。点Ｐ_１は、ブーム１３とアーム１４との回転対偶部の回転軸上にあり、ブーム１３、アーム１４又は両者の回転対偶部に挿入されたピン（図示せず）のいずれかの構造物の右端とする。

【0022】

点Ｐ_２は、アーム１４とバケットリンク１６ａとの回転対偶部の回転軸上にあり、アーム１４、バケットリンク１６ａ又は両者の回転対偶部に挿入されたピン（図示せず）のいずれかの構造物の右端とする。

【0023】

点Ｐ_３は、バケットリンク１６ａとバケットシリンダ１９との回転対偶部の回転軸上にあり、バケットリンク１６ａ、バケットシリンダ１９又は両者の回転対偶部に挿入されたピン（図示せず）のいずれかの構造物の右端とする。

【0024】

点Ｐ_４は、アーム１４とバケット１５との回転対偶部の回転軸上にあり、アーム１４、バケット１５又は両者の回転対偶部に挿入されたピン（図示せず）のいずれかの構造物の右端とする。

【0025】

点Ｐ_５は、バケット１５とバケットリンク１６ａとの間に挿入されるバケットリンク１６ｂと、バケット１５との回転対偶部の回転軸上にあり、バケット１５、バケットリンク１６ｂ又は両者の回転対偶部に挿入されたピン（図示せず）のいずれかの構造物の右端とする。

【0026】

点Ｐ_６は、バケット１５の先端且つバケット１５の右端とする。本実施形態では、バケット先端位置Ｐ_６は、点Ｐ_０に原点をもち、上部旋回体１１の前方向にＸ軸（Ｘ_Ｂ）、左方向にＹ軸（Ｙ_Ｂ）、上方向にＺ軸（Ｚ_Ｂ）を持つ車体座標系ΣＢで表すものとする。

【0027】

点Ｐ_１〜Ｐ_６をＸ_ＢＺ_Ｂ平面に投影した点をＰ_１’〜Ｐ_６’とし、線分Ｐ_０Ｐ_１’の長さをＬ_ｂｍ、線分Ｐ_１’Ｐ_４’の長さをＬ_ａｍ、線分Ｐ_４’Ｐ_６’の長さをＬ_ｂｋ、線分Ｐ_１’Ｐ_２’の長さをＬ_ｐ２、線分Ｐ_２’Ｐ_３’の長さをＬ_ｂｋｌとし、線分Ｐ_１’Ｐ_４’に対して線分Ｐ_１’Ｐ_２’の成す角度をリンクオフセット角度θ_ｐ２とする。また、水平面と上部旋回体１１とのＹ_Ｂ軸回りの角度を車体ピッチ角度θ_ｐ（図示せず）、水平面と線分Ｐ_０Ｐ_１’の成す角度をブーム角度θ_ｂｍ、水平面と線分Ｐ_１’Ｐ_４’の成す角度をアーム角度θ_ａｍ、水平面と線分Ｐ_２’Ｐ_３’の成す角度をバケットリンク角度θ_ｂｋｌ、水平面と線分Ｐ_４’Ｐ_６’の成す角度をバケット角度θ_ｂｋとすると、Ｘ_ＢＺ_Ｂ平面に投影したバケット先端位置Ｐ_６’は下記の式で表される。

【0028】

【数1】

【0029】

ここで、Ｐ_６’ｘ^Ｂ、Ｐ_６’ｚ^Ｂはそれぞれ座標系ΣＢにおけるバケット先端位置Ｐ_６のＸ_Ｂ軸方向距離（Ｘ_Ｂ座標）、Ｚ_Ｂ軸方向距離（Ｚ_Ｂ座標）を示す。車体ピッチ角度θ_ｐは車体傾斜センサ２４によって検出される。ブーム角度θ_ｂｍはブーム傾斜センサ２１、アーム角度θ_ａｍはアーム傾斜センサ２２、バケット角度θ_ｂｋはバケット傾斜センサ２３によって得られるバケットリンク角度θ_ｂｋｌとアーム角度θ_ａｍから求めることができる。

【0030】

各傾斜センサ２１〜２３からの各角度の求め方を図２〜図４を用いて説明する。

【0031】

図２はブーム傾斜センサ２１の出力からブーム角度θ_ｂｍを求める方法を模式的に示した図である。ブーム傾斜センサ２１は内部に少なくとも２軸の方向の加速度を検出する加速度センサを持っており、ブーム傾斜センサ２１に固定され座標系ΣＢのＹ軸と平行なＹ軸を持つ座標系をΣＳ１とすると、ΣＳ１のＸ軸（Ｘ_Ｓ１）とＺ軸（Ｚ_Ｓ１）の２軸方向の加速度を検出できる。ブーム傾斜センサ２１のＸ_Ｓ１軸方向の加速度検出値をａ_ｘ１、Ｚ_Ｓ１軸方向の加速度検出値をａ_ｚ１とすると、ブーム傾斜センサ２１の水平方向に対する傾斜角度θ_ｓ１は、

【数2】

で求めることができる。ここで、Ｘ_Ｓ１軸と線分Ｐ_０Ｐ_１’との成す角、つまりブーム１３に対するブーム傾斜センサ２１の取付角度をθ_ｍ１とすると、ブーム角度θ_ｂｍは、

【数3】

で求めることができる。なお、本実施の形態では右側面から見て時計回りの回転を正方向としている。

【0032】

図３はアーム傾斜センサ２２の出力からアーム角度θ_ａｍを求める方法を模式的に示した図である。アーム傾斜センサ２２もブーム傾斜センサ２１と同様に内部に少なくとも２軸の方向の加速度を検出する加速度センサを持っており、アーム傾斜センサ２２に固定され座標系ΣＢのＹ軸と平行なＹ軸を持つ座標系をΣＳ２とすると、ΣＳ２のＸ軸（Ｘ_Ｓ２）とＺ軸（Ｚ_Ｓ２）の２軸方向の加速度を検出できる。アーム傾斜センサ２２のＸ_Ｓ２軸方向の加速度検出値をａ_ｘ２、Ｚ_Ｓ２軸方向の加速度検出値をａ_ｚ２とすると、アーム傾斜センサ２２の水平方向に対する傾斜角度θ_ｓ２は、

【数4】

で求めることができる。ここで、Ｘ_Ｓ２軸と線分Ｐ_１’Ｐ_４’との成す角、つまりアーム１４に対するアーム傾斜センサ２２の取付角度をθ_ｍ２とすると、アーム角度θ_ａｍは、

【数5】

で求めることができる。

【0033】

図４はバケット傾斜センサ２３の出力とアーム角度θ_ａｍからバケット角度θ_ｂｋを求める方法を模式的に示した図である。バケット傾斜センサ２３もブーム傾斜センサ２１やアーム傾斜センサ２２と同様に内部に少なくとも２軸の方向の加速度を検出する加速度センサを持っており、バケット傾斜センサ２３に固定され座標系ΣＢのＹ軸と平行なＹ軸を持つ座標系をΣＳ３とすると、座標系ΣＳ３のＸ軸（Ｘ_Ｓ３）とＺ軸（Ｚ_Ｓ３）の２軸方向の加速度を検出できる。バケット傾斜センサ２３のＸ_Ｓ３軸方向の加速度検出値をａ_ｘ３、Ｚ_Ｓ３軸方向の加速度検出値をａ_ｚ３とすると、バケット傾斜センサ２３の水平方向に対する傾斜角度θ_ｓ３は、

【数6】

で求めることができる。ここで、Ｘ_Ｓ３軸と線分Ｐ_２’Ｐ_３’との成す角、つまりバケットリンク１６ａに対するバケット傾斜センサ２３の取付角度をθ_ｍ３とすると、バケットリンク角度θ_ｂｋｌは、

【数7】

で求めることができる。バケット角度θ_ｂｋは、上述の通り求めたアーム角度θ_ａｍとバケットリンク角度θ_ｂｋｌから求めることができ、その関数をｆとすると、

【数8】

で求めることができる。なお、関数ｆは、バケット１５を駆動するリンク機構の各寸法（線分Ｐ_２’Ｐ_３’、線分Ｐ_２’Ｐ_４’、線分Ｐ_３’Ｐ_５’、線分Ｐ_４’Ｐ_５’の各長さ及びリンクオフセット角度θ_ｐ２）に基づいて決定される。

【0034】

これまでの説明の通り、各傾斜センサの検出値からバケット先端位置Ｐ_６やバケット角度を演算することができ、これらの演算は、演算装置２５内で行われる。ただし、ブーム傾斜センサ２１、アーム傾斜センサ２２、バケット傾斜センサ２３の取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３と、作業機構の各部寸法Ｌ_ｂｍ，Ｌ_ａｍ，Ｌ_ｂｋは事前に把握しておかなければならない。各部寸法は設計情報から参照することができるが、取付角度は実際の車体毎に高精度に較正しなければならない。本発明は、この取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を高精度且つ容易に較正する方法を提供するものである。

【0035】

なお、本実施形態では、車体傾斜センサ２４は上部旋回体１１に対して取付角度がゼロとなるように取付けられているとし、車体ピッチ角度θ_ｐ及び車体ロール角度θ_ｒは車体傾斜センサ２４の検出値から直接得られるものとするが、車体傾斜センサに関しては、取付角度がバケット先端位置Ｐ_６の演算に影響するほどの大きさであれば、１８０°旋回した時のセンサの検出値から取付角度を較正するなどの広く世の中で用いられている方法を活用すればよい。

【0036】

図５〜図７を用いて、本実施形態における本発明の内容である油圧ショベルの傾斜センサ較正方法を説明する。

【0037】

図５は較正方法を示す油圧ショベル１と外部計測装置３の斜視図である。外部計測装置３は例えばトータルステーションのような三次元空間上の任意の点の位置を計測可能なものである。外部計測装置３に固定の座標系をΣＡとし、座標系ΣＡのＺ軸（Ｚ_Ａ）が重力方向に対して平行となるように外部計測装置３は設置される。つまり、座標系ΣＡのＸ軸（Ｘ_Ａ）とＹ軸（Ｙ_Ａ）を含む平面は水平面と等しくなる。本発明の較正方法は、油圧ショベル１の４つの点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の三次元位置を外部計測装置３により計測し、得られた三次元位置から各傾斜センサ２１〜２３の取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を求めるものである。

【0038】

図６は油圧ショベル１の右側面、上面、正面を示す三面図であり、図７は図６の油圧ショベル１のリンク構造のみを模式的に示した三面図である。油圧ショベル１は、これらの図に示す通りＸ_Ｂ軸回りにロール角度θ_ｒ傾いているとする。この場合、Ｘ_ＡＹ_Ａ平面とＹ_Ｂ軸との成す角がθ_ｒとなる。また、点Ｐ_０と点Ｐ_１のＹ_Ｂ軸方向距離をＬ_ｂｍｙ、点Ｐ_１と点Ｐ_２のＹ_Ｂ軸方向距離をＬ_ｐ２ｙ’、点Ｐ_２と点Ｐ_３のＹ_Ｂ軸方向距離をＬ_ｂｋlｙとする。外部計測装置３によって計測される三次元位置は、座標系ΣＡでの三次元座標となる。つまり、外部計測装置３によって計測される点Ｐ_０の位置は、Ｘ_Ａ軸方向にＰ_０ｘ^Ａ、Ｙ_Ａ軸方向にＰ_０ｙ^Ａ、Ｚ_Ａ軸方向にＰ_０ｚ^Ａとなる。点Ｐ_１〜Ｐ_６も同様である。

【0039】

各傾斜センサの取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３は、ブーム角度θ_ｂｍ、アーム角度θ_ａｍ、バケットリンク角度θ_ｂｋｌ、及びその時の各傾斜センサ２１〜２３の出力から得られる傾斜角度θ_ｓ１，θ_ｓ２，θ_ｓ３を基に、算出することができる。ブーム角度θ_ｂｍ、アーム角度θ_ａｍ及びバケットリンク角度θ_ｂｋｌは、外部計測装置３で計測された各点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の三次元位置を基に、以下の式を用いて求めることができる。

【0040】

【数9】

【0041】

この時の各傾斜センサ２１〜２３の傾斜角度θ_ｓ１，θ_ｓ２，θ_ｓ３を各傾斜センサ２１〜２３の検出値から求めることにより、以下の式で各センサの取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を求めることができる。

【0042】

【数10】

【0043】

上記によって各傾斜センサ２１〜２３の取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を得ることができ、このパラメータと傾斜センサ２１〜２３の検出値θ_ｓ１，θ_ｓ２，θ_ｓ３からこれまでの説明の通りバケット先端位置Ｐ_６’ｘ^Ｂ ，Ｐ_６’ｚ^Ｂを求めることができる。

【0044】

以上の説明からわかる通り、本実施形態の油圧ショベルの傾斜センサ較正方法は、作業機構の３つの稼動部（ブーム１３、アーム１４、バケットリンク１６ａ）の回転対偶部の三次元位置を、外部計測装置３により計測する第１ステップと、第１ステップで得られた回転対偶部の三次元位置、及び作業機構の各部の寸法情報を基に、各稼動部の傾斜角度を演算する第２ステップと、各傾斜センサ２１〜２３から得られた検出値θ_ｓ１，θ_ｓ２，θ_ｓ３、及び第２ステップで得られた各稼動部の傾斜角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋｌを基に、各傾斜センサ２１〜２３の較正パラメータである取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を演算する第３ステップとから成る。

【0045】

具体的には、油圧ショベル１を任意の姿勢に静止させ、外部計測装置３によって４つの点Ｐ_１，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の三次元位置を計測する。その後、モニタ２６を介して演算装置２５へ較正パラメータ演算ステップの開始を指示し、計測によって得られた複数の三次元位置をモニタ２６を介して演算装置２５へ入力する。或いは、外部計測装置３とモニタ２６もしくは演算装置２５が、図示しない有線または無線通信装置により接続されており、外部計測装置３の計測によって得られた複数の三次元位置が通信により演算装置２５へ送られる。演算装置２５では、各傾斜センサ２０〜２３の検出値から車体ロール角度θ_ｒと各傾斜センサ２１〜２３の傾斜角度θ_ｓ１，θ_ｓ２，θ_ｓ３を取得し、入力された複数の三次元位置と車体ロール角度θ_ｒから作業機構の各稼動部の傾斜角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋｌを演算し、これらの演算結果と各傾斜センサ２１〜２３の傾斜角度θ_ｓ１，θ_ｓ２，θ_ｓ３から各傾斜センサ２１〜２３の取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を演算し、較正パラメータとして保存する。以降のバケット先端位置Ｐ_６の演算には、保存された較正パラメータを用いる。

【0046】

較正パラメータとしての取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３の演算精度を確保するためには、外部計測装置３により、油圧ショベル１の作業機構の各回転対偶部の中心をできるだけ正確に計測する必要がある。一方、多くの油圧ショベル１では、外観からわかる回転対偶部は正確に中心を示す何らかの目印等があるわけではない。そのため、本実施形態では、図８に示す通り回転対偶部の中心を示す目印として、マーカ４を設けている。なお、図８ではバケット１５付近のみ図示しているが、ブーム１３やアーム１４の回転対偶部に設けるマーカに関しても同様である。

【0047】

トータルステーション等の外部計測装置３はレーザ光を目標位置に照射し、距離や角度を計測する。このため、マーカ等の目印があれば、何もない場合に比べて精度良くレーザ光を目的の場所に照射することができ、得られる三次元位置の計測結果の精度が向上する。また、マーカ４の代わりにレーザ光を入射方向に反射するプリズム５（コーナーキューブ）等を用いれば、レーザ光による計測の精度が向上する。このため、図９に示す通りプリズム５を治具６を用いて回転対偶部に取付けてもよい。図９では、作業機構の回転対偶部に挿入されたピン２７と、そのピン２７に取付けるプリズム５と治具６を示している。この場合、作業機構の各回転対偶部にテーパ穴２８を設け、治具はそのテーパ穴２８に嵌合する円すい部６１とマグネット６２を備えることで、各回転対偶部の回転軸上に容易かつ精度良くプリズム５を取付けることができる。なお、マーカ４やプリズム取付治具６の構成は本実施形態に示すものに限るものではなく、同等の機能を有していればよいことは言うまでもない。

【0048】

本実施形態の油圧ショベルの較正方法は、次のような特徴を持つ。まず、油圧ショベル１の作業機構を動かす必要が無いため、狭い空間での較正作業が可能である。また、基準姿勢に位置合わせする必要もなく、最低４回の外部計測装置３による計測を行うのみでよいため、これまでの方法に比べて大幅に較正作業の時間を短縮することができる。加えて、車体や作業機構を動かすオペレータを必要としないため、外部計測装置３を用いる作業者１名のみで容易に較正作業を実施できる。

【実施例2】

【0049】

本発明の第２の実施形態における較正方法について、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

【0050】

本実施形態における油圧ショベル１では、第１バケットリンク１６ａに代えてバケット１５にバケット傾斜センサ２３を設置し（図８中点線で示す）、点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３に代えて点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_４，Ｐ_６の三次元位置を計測する。

【0051】

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、各傾斜センサ２１〜２３の取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を較正することができる。但し、本実施形態で各傾斜センサ２１〜２３の取付角度θ_ｍ１，θ_ｍ２，θ_ｍ３を演算する際に使用する式は、以下のようになる。ただし、Ｌ_ｂｋｙは点Ｐ_４と点Ｐ_６のＹ_Ｂ軸方向距離である。

【0052】

【数11】

【0053】

【数12】

【0054】

本実施形態によれば、傾斜センサ２３をバケット１５に直接設置し、点Ｐ_３に代えてバケット先端位置Ｐ_６の三次元位置を計測することにより、バケット１５を駆動するリンク機構の寸法情報（第１の実施形態における関数ｆ）を用いずに傾斜センサ２３の取付角度θ_ｍ３が求められるため、バケット傾斜センサ２３の較正精度を向上させることが可能となる。

【0055】

また、第１バケットリンク１６ａの基端側の回転軸上にある点Ｐ_２に代えてアーム１４の先端側の回転軸上にある点Ｐ_４の三次元位置を計測することにより、リンクオフセット角度θ_ｐ２を用いずにアーム傾斜角度θ_ａｍを求めることができるため、アーム傾斜センサ２２の較正精度を向上させることが可能となる。

【実施例3】

【0056】

図１０を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、４つのマーカ又はプリズムを取付治具を介して設置した点のみであり、それ以外の構成は同様であるため、重複する部分は説明を省略する。

【0057】

本実施形態の特徴は、４つのマーカ又はプリズム（４つの点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３）がＸ_ＢＺ_Ｂ平面（又はブーム１３の回動平面）と平行な同一平面上に配置されるように構成した点にある。このように構成するために、本実施形態では上部旋回体１１とブーム１３との回転対偶部の回転軸上、ブーム１３とアーム１４との回転対偶部の回転軸上、アーム１４とバケットリンク１６ａとの回転対偶部の回転軸上、バケットリンク１６ａとバケットシリンダ１９との回転対偶部の回転軸上のそれぞれに、取付治具６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを介してマーカ又はプリズムを設置している。

【0058】

取付治具６ａのＹ_Ｂ軸上の長さをＬ_ｘとすると、取付治具６ｂのＹ_Ｂ軸上の長さはＬ_ｘ＋Ｌ_ｂｍｙ、取付治具６ｃのＹ_Ｂ軸上の長さはＬ_ｘ＋Ｌ_ｐ２ｙ、取付治具６ｄのＹ_Ｂ軸上の長さはＬ_ｘ＋Ｌ_ｂｋｌｙとなる。このように構成することにより、作業機構の点Ｐ_０に対する点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３のＹ_Ｂ軸方向のオフセットＬ_ｂｍｙ，Ｌ_ｐ２ｙ，Ｌ_ｂｋｌｙが全て０となるため、計算が容易になるだけでなく、外部計測装置３での計測値である各部の三次元位置から寸法値Ｌ_ｂｍ，Ｌ_ｐ２，Ｌ_ｂｋｌも下記の式にて得られる。

【0059】

【数13】

【0060】

ブーム角度θ_ｂｍ、アーム角度θ_ａｍ、バケットリンク角度θ_ｂｌｋは次式によって得られる。

【0061】

【数14】

【0062】

上記の演算結果を基に、第１の実施形態で説明した方法により各傾斜センサ２１〜２３の較正が可能となる。

【0063】

本実施形態によれば、４つの点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の三次元位置から実機の作業機構の各部寸法Ｌ_ｂｍ，Ｌ_ｐ２，Ｌ_ｂｋｌが得られるため、製造誤差等の影響が考慮されたより精度の高い較正が可能となる。また、較正の際に得られた実機の作業機構の各部寸法Ｌ_ｂｍ，Ｌ_ｂｋｌの値を保持しておき、以降のバケット先端位置Ｐ_６の演算にも使用することにより、バケット先端位置Ｐ_６の演算精度を向上させることも可能となる。

【0064】

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施形態の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施形態の一部と置き換えることも可能である。

【符号の説明】

【0065】

１…油圧ショベル（建設機械）、１１…上部旋回体（車体）、１２…下部走行体、１３…ブーム（第１稼動部）、１４…アーム（第２稼動部）、１５…バケット（第３稼動部（本体部））、１６ａ…第１バケットリンク（第３稼動部（第１連結部））、１６ｂ…第２バケットリンク（第３稼動部（第２連結部））、１７…ブームシリンダ、１８…アームシリンダ、１９…バケットシリンダ、２１…ブーム傾斜センサ（第１角度検出部）、２２…アーム傾斜センサ（第２角度検出部）、２３…バケット傾斜センサ（第３角度検出部）、２４…車体傾斜センサ、２５…演算装置、２６…モニタ、２７…ピン、２８…テーパ穴、３…外部計測装置、４…マーカ、５…プリズム、６…治具、６１…円すい部、６２…マグネット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】