特許 6707047 建設機械

(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】6707047

(24)【登録日】2020年5月21日

(45)【発行日】2020年6月10日

(54)【発明の名称】建設機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20200601BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20200601BHJP

【ＦＩ】

   E02F3/43 C

   E02F9/20 M

【請求項の数】6

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2017-52973(P2017-52973)

(22)【出願日】2017年3月17日

(65)【公開番号】特開2018-155027(P2018-155027A)

(43)【公開日】2018年10月4日

【審査請求日】2019年8月7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】石原 新士

(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

(72)【発明者】

【氏名】守田 雄一朗

【審査官】 松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１７／０７２８７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１１５５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−１５０５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−７０００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２１４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１７３９２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２２８１６９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０２Ｆ ３／４３

Ｅ０２Ｆ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

作業具を含む複数の被駆動部材が連結されて構成され、建設機械の車体に垂直方向に回動可能に支持された多関節型のフロント作業機と、
前記複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記多関節型のフロント作業機の姿勢を演算するフロント姿勢演算装置とを備え、
前記フロント姿勢演算装置によって演算された前記多関節型のフロント作業機の姿勢に基づいて前記多関節型のフロント作業機の動作を制御する建設機械において、
前記フロント姿勢演算装置は、
前記車体に対して相対的に定められる基準位置を設定する基準位置設定部と、
前記姿勢情報検出装置の検出情報の較正に用いる較正パラメータを演算する較正値演算部と、
前記姿勢情報検出装置の検出情報と前記較正値演算部の演算結果とに基づいて前記作業具の前記車体に対する相対位置を演算する作業位置演算部とを備え、
前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記基準位置設定部により設定された基準位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータの演算を行うことを特徴とする建設機械。

【請求項2】

請求項１記載の建設機械において、
前記基準位置設定部は、前記基準位置として水平面と平行な基準面を設定し、
前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記基準面上の何れかの位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報とに基づいて前記較正パラメータの演算を行うことを特徴とする建設機械。

【請求項3】

請求項２記載の建設機械において、
前記車体の水平面に対する傾斜角度を検出する車体傾斜検出部と、
前記車体傾斜検出部で検出された車体の傾斜角度に基づいて、前記基準面を傾斜させた傾斜基準面を演算する傾斜基準面演算部とを備え、
前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記傾斜基準面上の何れかの位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報とに基づいて前記較正パラメータの演算を行うことを特徴とする建設機械。

【請求項4】

請求項２記載の建設機械において、
前記基準面の位置を可視的に示す基準面指標に前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点を一致させることによって、前記基準点を前記基準面上の位置と一致させることを特徴とする建設機械。

【請求項5】

請求項１記載の建設機械において、
前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点から鉛直下向き方向に予め定めた距離だけ離れた位置を示す基準点相対指標が前記基準位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータの演算を行うことを特徴とする建設機械。

【請求項6】

請求項１記載の建設機械において、
前記較正値演算部は、前記姿勢情報検出装置の検出情報を入力とし、前記較正値演算部の演算結果である前記較正パラメータを出力とする較正パラメータテーブルを作成し、
前記作業位置演算部は、前記姿勢情報検出装置の検出情報と、前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータテーブルから出力された前記較正パラメータとに基づいて前記複数の被駆動部材の前記車体に対する相対位置を演算す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、フロント装置を有する建設機械に関する。

【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、バケットなどの被駆動部材を有する作業機の姿勢やバケット等の作業具の位置をオペレータに対して表示するマシンガイダンスの機能や、バケット等の作業具が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などを有するものが実用化されている。このような機能の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一定以上近づかないように動作に制限をかけたりするものがある。

【0003】

このような機能を実現には、作業機の姿勢演算が必要であり、この姿勢演算の精度が高いほど質の高い施工を実現することができる。作業機の姿勢を演算するためには、例えば、ポテンショメータや慣性計測装置（ＩＭＵ）などのセンサを用いてブーム、アーム、バケットのそれぞれの回転角度を検出する必要がある。また、高精度な姿勢演算には、センサの取り付け位置や角度などを正確に把握する必要である。しかしながら、実際の運用においては、センサを建設機械に取り付ける際に取り付け誤差が生じるため、建設機械の作業機の姿勢を正確に演算するためには、そのような誤差を補正するための何らかの較正手段を備える必要がある。

【0004】

作業機に取り付けたセンサの取り付け位置の較正方法としては、例えば、トータルステーションなどの外部計測装置を用いるものがある。しかしながら、この方法では、外部計測装置が使えない環境（例えば、トータルステーションであれば雨天時のようにレーザ光が上手く反射しない場合）や外部計測装置を使える人員が居ない作業現場では較正作業を実施することができない。また、外部計測装置を用いた測定にはその分の工数が必要となるため、外部計測装置を用いない較正方法が望まれる。

【0005】

外部計測装置を利用しない較正方法としては、例えば、特許文献１に記載の技術がある。この技術では、作業機の各リンクにポテンショメータを備えた建設機械において、作業具位置（例えば、バケット爪先）を前後方向に延びる特定の基準面に合わせ、このときの作業具前後方向における複数の位置に対応する作業具上下方向位置を補正している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平７−１０２５９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記従来技術においては、地面などを基準面としてバケット爪先の高さ補正を行うことで、接地時のバケット高さを正しく演算しようとしている。しかしながら、作業機等に設置される複数のセンサはそれぞれ異なる特有の誤差特性を有する。このため、作業機の姿勢（ブーム、アーム、及びバケットの角度）が補正時と異なる場合、すなわち、例えば、補正の実施時に用いた基準面（平面）と異なる形状の作業面での作業を行う場合は、各センサの誤差が変化して補正値の精度が低下してしまい、作業機の姿勢を正確に演算することができない。

【0008】

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、より平易な構成で作業機の高精度の姿勢演算を行うことができる建設機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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、作業具を含む複数の被駆動部材が連結されて構成され、建設機械の車体に垂直方向に回動可能に支持された多関節型のフロント作業機と、前記複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記多関節型のフロント作業機の姿勢を演算するフロント姿勢演算装置とを備え、前記フロント姿勢演算装置によって演算された前記多関節型のフロント作業機の姿勢に基づいて前記多関節型のフロント作業機の動作を制御する建設機械において、前記フロント姿勢演算装置は、前記車体に対して相対的に定められる基準位置を設定する基準位置設定部と、前記姿勢情報検出装置の検出情報の較正に用いる較正パラメータを演算する較正値演算部と、前記姿勢情報検出装置の検出情報と前記較正値演算部の演算結果とに基づいて前記作業具の前記車体に対する相対位置を演算する作業位置演算部とを備え、前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記基準位置設定部により設定された基準位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータの演算を行うものとする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、各油圧アクチュエータに対する配分流量を適切に制御することができ、オペレータによる操作性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施の形態に係る建設機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。

【図2】油圧ショベルに搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。

【図3】コントローラの姿勢演算装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。

【図4】第１の実施の形態で定義するフロント座標系と油圧ショベルとの関係を模式的に示す側面図である。

【図5】姿勢角度を取り込む場合のフロント装置の姿勢を例示する図である。

【図6】姿勢角度を取り込む場合のフロント装置の姿勢を例示する図である。

【図7】姿勢角度を取り込む場合のフロント装置の姿勢を例示する図である。

【図8】第１の実施の形態に係る姿勢演算処理を示すフローチャートである。

【図9】第１の実施の形態の変形例におけるコントローラの姿勢演算装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。

【図10】姿勢角度を取り込む場合の基準面とフロント装置の姿勢との関係を例示する図である。

【図11】姿勢角度を取り込む場合の基準面とフロント装置の姿勢との関係を例示する図である。

【図12】姿勢角度を取り込む場合の基準面とフロント装置の姿勢との関係を例示する図である。

【図13】姿勢角度を取り込む場合の基準面とフロント装置の姿勢との関係を例示する図である。

【図14】第２の実施の形態のフロント座標系と油圧ショベルとの関係を模式的に示す側面図である。

【図15】第３の実施の形態における姿勢演算処理を示すフローチャートである。

【図16】基準面に対するバケットの姿勢の例を示す図である。

【図17】基準面に対するバケットの姿勢の例を示す図である。

【図18】基準面に対するバケットの姿勢の例を示す図である。

【図19】基準面に対するバケットの姿勢の例を示す図である。

【図20】第４の実施の形態における姿勢演算処理を示すフローチャートである。

【図21】ブーム先端を基準面に合わせた姿勢を示す図である。

【図22】アーム先端を基準面に合わせた姿勢を示す図である。

【図23】バケット先端を基準面に合わせた姿勢を示す図である。

【図24】較正パラメータを区間ごとに線形補間した較正テーブルを示す図である。

【図25】取り得る角度区間全域でスムージングを行った較正テーブルを示す図である。

【図26】従来技術における油圧ショベルのブーム、アーム、バケットを３リンク機構で示し、フロント座標系の原点からバケットの爪先位置の座標を模式的に示した図であり、平地成形作業を示す図である。

【図27】従来技術における油圧ショベルのブーム、アーム、バケットを３リンク機構で示し、フロント座標系の原点からバケットの爪先位置の座標を模式的に示した図であり、法面などの斜面成形作業を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、建設機械の一例として、フロント装置（フロント作業機）の先端に作業具としてバケットを備える油圧ショベルを例示して説明するが、ブレーカやマグネットなどのバケット以外のアタッチメントを備える油圧ショベルに本発明を適用することも可能である。

【0013】

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図８を参照しつつ説明する。

【0014】

図１は、本実施の形態に係る建設機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。

【0015】

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被駆動部材（ブーム４、アーム５、バケット（作業具）６）を連結して構成された多関節型のフロント装置（フロント作業機）１と、車体を構成する上部旋回体２及び下部走行体３とを備え、上部旋回体２は下部走行体３に対して旋回可能に設けられている。また、フロント装置１のブーム４の基端は上部旋回体２の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の一端はブーム４の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の他端にはバケット６が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム４、アーム５、バケット６、上部旋回体２、及び下部走行体３は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａ、及び左右の走行モータ３ａ（ただし、一方の走行モータのみ図示）によりそれぞれ駆動される。

【0016】

ブーム４、アーム５及びバケット６は、フロント装置１を含む平面上で動作し、以下ではこの平面を動作平面と称することがある。つまり動作平面とは、ブーム４、アーム５及びバケット６の回動軸に直交する平面であり、ブーム４、アーム５及びバケット６の幅方向の中心に設定することができる。

【0017】

オペレータが搭乗する運転室９には、油圧アクチュエータ２ａ〜６ａを操作するための操作信号を出力する操作レバー（操作装置）９ａ，９ｂが設けられている。図示はしないが操作レバー９ａ，９ｂはそれぞれ前後左右に傾倒可能であり、操作信号であるレバーの傾倒量、すなわちレバー操作量を電気的に検知する図示しない検出装置を含み、検出装置が検出したレバー操作量を制御装置であるコントローラ１９（図２参照）に電気配線を介して出力する。つまり、操作レバー９ａ，９ｂの前後方向または左右方向に、油圧アクチュエータ２ａ〜６ａの操作がそれぞれ割り当てられている。

【0018】

ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａ及び左右の走行モータ３ａの動作制御は、図示しないエンジンや電動モータなどの原動機によって駆動される油圧ポンプ装置７から各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａに供給される作動油の方向及び流量をコントロールバルブ８で制御することにより行う。コントロールバルブ８は、図示しないパイロットポンプから電磁比例弁を介して出力される駆動信号（パイロット圧）により行われる。操作レバー９ａ，９ｂからの操作信号に基づいてコントローラ１９で電磁比例弁を制御することにより、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａの動作が制御される。

【0019】

なお、操作レバー９ａ，９ｂは油圧パイロット方式であってもよく、それぞれオペレータにより操作される操作レバー９ａ，９ｂの操作方向及び操作量に応じたパイロット圧をコントロールバルブ８に駆動信号として供給し、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａを駆動するように構成しても良い。

【0020】

上部旋回体２、ブーム４、アーム５、及びバケット６には、それぞれ、姿勢センサとして慣性計測装置（IMU: Inertial Measurement Unit）１２，１４〜１６が配置されている。以降、これらの慣性計測装置を区別する必要が有る場合は、それぞれ、車体慣性計測装置１２、ブーム慣性計測装置１４、アーム慣性計測装置１５、及びバケット慣性計測装置１６と称する。

【0021】

慣性計測装置１２，１４〜１６は、角速度及び加速度を計測するものである。慣性計測装置１２，１４〜１６が配置された上部旋回体２や各被駆動部材４〜６が静止している場合を考えると、各慣性計測装置１２，１４〜１６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、各慣性計測装置１２，１４〜１６の取り付け状態（つまり、各慣性計測装置１２，１４〜１６と上部旋回体２や各被駆動部材４〜６との相対的な位置関係）とに基づいて、上部旋回体２や各被駆動部材４〜６の向き（姿勢：後述の姿勢角度θ）を検出することができる。ここで、慣性計測装置１４〜１６は、複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢に関する情報（以降、姿勢情報と称する）を検出する姿勢情報検出装置を構成している。

【0022】

なお、姿勢情報検出装置は慣性計測装置に限られるものではなく、例えば、傾斜角センサを用いても良い。また、各被駆動部材４〜６の連結部分にポテンショメータを配置し、上部旋回体２や各被駆動部材４〜６の相対的な向き（姿勢情報）を検出し、検出結果から各被駆動部材４〜６の姿勢を求めても良い。また、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、及びバケットシリンダ６ａにそれぞれストロークセンサを配置し、ストローク変化量から上部旋回体２や各被駆動部材４〜６の各接続部分における相対的な向き（姿勢情報）を算出し、その結果から各被駆動部材４〜６の姿勢（姿勢角度θ）を求めるように構成しても良い。

【0023】

図２は、油圧ショベルに搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。

【0024】

図２において、コントローラ１９は、油圧ショベル１００の動作を制御するための種々の機能を有するものであり、その一部として姿勢演算装置１５ａ、モニタ表示制御装置１５ｂ、油圧システム制御装置１５ｃ、及び施工目標面演算装置１５ｄの各機能部を有している。

【0025】

姿勢演算装置１５ａは、慣性計測装置１２，１４〜１６からの検出結果、及び、運転室９に配置された演算姿勢設定部１８（後述）からの入力に基づいて、フロント装置１の姿勢を演算する姿勢演算処理（後述）を行う。

【0026】

施工目標面演算装置１５ｄは、図示しない記憶装置などに施工管理者によって予め記憶されている３次元施工図面などの施工情報１７と、施工目標面演算装置１５ｄで演算された施工目標面とに基づいて、施工対象の目標形状を定義する施工目標面を演算する。

【0027】

モニタ表示制御装置１５ｂは、運転室９に設けられた図示しないモニタの表示を制御するものであり、施工目標面演算装置１５ｄで演算された施工目標面と、姿勢演算装置１５ａで演算されたフロント装置１の姿勢とに基づいて、オペレータに対する操作支援の指示内容を演算し、運転室９のモニタに表示する。すなわち、モニタ表示制御装置１５ｂは、例えば、ブーム４、アーム５、バケット６などの被駆動部材を有するフロント装置１の姿勢や、バケット６の先端位置と角度をモニタに表示してオペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能の一部を担っている。

【0028】

油圧システム制御装置１５ｃは、油圧ポンプ装置７やコントロールバルブ８、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａ等からなる油圧ショベル１００の油圧システムを制御するものであり、施工目標面演算装置１５ｄで演算された施工目標面と、姿勢演算装置１５ａで演算されたフロント装置１の姿勢とに基づいて、フロント装置１の動作を演算し、その動作を実現するように油圧ショベル１００の油圧システムを制御する。すなわち、油圧システム制御装置１５ｃは、例えば、バケット６などの作業具の先端が目標施工面に一定以上近づかないように動作に制限をかけたり、作業具（例えば、バケット６の爪先）が目標施工面に沿って動くよう制御したりするマシンコントロールシステムとしての機能の一部を担っている。

【0029】

図３は、コントローラの姿勢演算装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。また、図４は、本実施の形態で定義するフロント座標系と油圧ショベルとの関係を模式的に示す側面図である。

【0030】

図３において、姿勢演算装置１５ａは、慣性計測装置１２，１４〜１６からの検出結果、及び、運転室９に配置された演算姿勢設定部１８からの入力に基づいて、フロント装置１の姿勢を演算する姿勢演算処理を行うものであり、設計情報記憶部１５１、基準面設定部１５２、較正値演算部１５３、及び作業位置演算部１５４の各機能部を有している。

【0031】

設計情報記憶部１５１は、建設機械の車体寸法の情報を書き込んだＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置である。設計情報記憶部１５１に記憶される車体寸法としては、例えば、上部旋回体２の幅（車体幅）や長さ、上部旋回体２の旋回中心位置、上部旋回体２に対するフロント装置１の取り付け位置（すなわち、ブームフートピンの位置）、ブーム４、アーム５、バケット６の長さなどがある。

【0032】

基準面設定部１５２は、設計情報記憶部１５１から得られる車体寸法に基づいて、較正値演算部１５３でのパラメータ較正処理（後述）に用いる基準面を設定する。

【0033】

較正値演算部１５３は、基準面設定部１５２で設定される基準面、ブーム慣性計測装置１４、アーム慣性計測装置１５、バケット慣性計測装置１６の各検出結果、及び作業位置演算部１５４の演算結果を入力として、各慣性計測装置１４〜１６の検出結果を較正するための較正パラメータを演算する。

【0034】

作業位置演算部１５４は、各慣性計測装置１２，１４〜１６の検出結果、及び較正値演算部１５３の演算結果に基づいて、フロント装置１の先端に設けられた作業具の車体に対する相対位置（本実施の形態では、バケット６の爪先位置）を演算する。

【0035】

ここで、姿勢演算処理の原理について説明する。

【0036】

図４に示すように、本実施の形態では、ブームフートピンの位置（つまり、ブーム４の上部旋回体２に対する回動中心）を原点Ｏ（０，０）とし、上部旋回体２の前後方向にｘ軸（前方向に正の値）、上下方向にｚ軸（上方向に正の値）を定義した直行座標系であるフロント座標系を用いる。つまり、フロント座標系はフロント装置１の動作平面上に設定される。

【0037】

ブーム４の回動支点（ブームフートピンの位置）とアーム５の回動支点（ブーム４とアーム５の連結部）との距離をブーム長さＬ_ｂｍ、アーム５の回動支点とバケット６の回動支点（アーム５とバケット６の連結部）の距離をアーム長さＬ_ａｍ、バケット６の回動支点とバケット６の基準点Ｂ（ここでは、予めバケット６の先端（爪先）を基準点Ｂとした場合を示す）との距離をバケット長さＬｂｋとすれば、基準点Ｂのフロント座標系における座標値（ｘ，ｚ）は、ブーム４、アーム５、バケット６（正確には、ブーム長さＬ_ｂｍ、アーム長さＬ_ａｍ、及びバケット長さＬ_ｂｋの向き）の水平方向との成す角（姿勢角度）をそれぞれθ_ｂｍ、θ_ａｍ、θ_ｂｋとして下記の式（１）及び式（２）から求めることができる。

【0038】

【数1】

【0039】

【数2】

【0040】

なお、姿勢角度θ_ｂｍ、θ_ａｍ、θ_ｂｋは、水平方向より上方では正の値、下方では負の値を示す。

【0041】

ここで、θ^ｓは、較正パラメータであり、姿勢情報検出装置（本実施の形態では慣性計測装置１４〜１６）で検出された姿勢角度θ（θ_ｂｍ、θ_ａｍ、θ_ｂｋ）、又は、姿勢情報から演算された姿勢角度θがオフセット誤差を有しているという仮定に基づくと、姿勢角度の真値をθ^ｔをとして下記の式（３）から求めることができる。

【0042】

【数3】

【0043】

なお、上記の式（１）及び式（２）においては、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋにそれぞれ対応して、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋと定義する。

【0044】

較正値演算部１５３は、上記式(２)に基づいて、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算する。具体的には、既知のｚの値を与える基準面（基準面設定部１５２で設定）にフロント装置１の作業具の基準点（ここでは、バケット６の爪先に設定した基準点Ｂ）を配置することによって式（２）の左辺を既知の値に設定するとともに、式（２）の右辺に慣性計測装置１４〜１６（姿勢情報検出装置）からの検出結果（姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋ）を設定することにより、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算する。なお、ブーム長さＬ_ｂｍ、アーム長さＬ_ａｍ、及びバケット長さＬ_ｂｋの長さは、短時間の作業中に大きな変化が起こるものではないため、設計情報記憶部１５１より与えられた値を定数として扱う。

【0045】

上記の式（２）は、基準点Ｂの位置（高さ）を既知の値ｚ_ｓｅｔに設定した場合、下記の式（４）のように表すことができる。

【0046】

【数4】

【0047】

上記の式（４）における未知変数は、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの３つであり、複数の被駆動部材４〜６に配置された慣性計測装置１４〜１６の数でと同じである。したがって、上記の式（４）の姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋのうち少なくとも１つが異なる少なくとも３本の連立方程式を立てることができれば、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを決定することができる。

【0048】

なお、被駆動部材の数が４以上の場合（言い換えると、較正パラメータの数が４以上の場合）であっても、フロント装置１を構成する被駆動部材の個数の連立方程式を立てることが出来れば、それらの較正パラメータを決定することができる。

【0049】

（基準面の設定：基準面設定部１５２）
本実施の形態では、図４に示したように、ほぼ水平にならされた地面上に油圧ショベル１００が配置された場合の地面を基準面とする場合を例示する。この基準面にバケット６の基準点Ｂを配置して一致させたとき、基準点Ｂの高さは原点Ｏよりブームフートピンの高さだけ低い位置となるため、下記の式（５）が成り立つ。

【0050】

【数5】

【0051】

このように基準面を設定することにより、特別な道具を使わずに基準面を作ることができる。なお、地面に凹凸がある場合には上記の式（５）の精度の低下が見込まれるが、コンクリートや鉄板などで舗装された地面を基準面とすることにより上記の式（５）の精度を担保し、より効果的な較正パラメータの演算を実現できる。

【0052】

（姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取り込み：較正値演算部１５３）
図５〜図７は、姿勢角度を取り込む場合のフロント装置の姿勢を例示する図である。図５は、アーム５のクラウド及びダンプ方向の稼動範囲に余裕のある状態でバケット６の基準点Ｂを基準面（地面）に配置した状態、図６は図５に示した場合よりもアーム５をクラウドさせた状態でバケット６の基準点Ｂを基準面（地面）に配置した状態、図７は図５に示した場合よりもアーム５をダンプさせた状態でバケット６の基準点Ｂを基準面（地面）に配置した状態をそれぞれ示している。

【0053】

較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算する姿勢の設定（すなわち、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取り込み）は、運転室９に設けられた演算姿勢設定部１８をオペレータが操作することにより行う。なお、演算姿勢設定部１８は、運転室９に設けられたスイッチ、或いは、モニタ等の表示装置と一体的に機能するＧＵＩ（Graphical User Interface）の一機能などによって実現される。また、較正値演算部１５３の動作と連動したレバー操作（たとえば、トリガー付きのレバー装置ならばトリガーを引く）を取り込みの契機としても良いし、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取り込み用の姿勢を取った後に一定時間レバー操作が無い場合に自動的に取り込みを行っても良い。

【0054】

図５〜図７に示したように、複数の被駆動部材４〜６の少なくとも１つの姿勢が異なるフロント装置１の複数の姿勢において、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込むことにより、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋのうち少なくとも１つが異なる３本の連立方程式を立てることができる。なお、フロント装置１の姿勢を変えずに旋回のみを行って姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取り込みを行っても１つの姿勢として扱われることは言うまでもない。

【0055】

なお、図５〜図７に示したようにフロント装置１の各姿勢においては、慣性計測装置１４〜１６のセンサ特性の誤差や、地面状態の誤差の影響を受けることが考えられるため、フロント装置１におけるさらに他の姿勢をとり、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの数よりも多くの連立方程式を立てて演算を行ったうえで、たとえば最小二乗法によって各較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算するように構成してもよい。

【0056】

図８は、姿勢演算処理を示すフローチャートである。

【0057】

図８において、まず、フロント装置１の姿勢を決めた状態（例えば、図５〜図７のいずれかの状態）で作業具（バケット６）の基準点Ｂを基準面に合わせる（ステップＳ１００）。この状態で、演算姿勢設定部１８を操作することにより、この姿勢での姿勢データとして姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んで、較正値演算部１５３内の図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ１１０）。続いて、フロント装置１の３種類以上の姿勢において姿勢データを取得したかどうかを判定し（ステップＳ１２０）、判定結果がＮＯの場合には、フロント装置１の姿勢を、姿勢データを取得していない他の姿勢に変更し（ステップＳ１４０）、ステップＳ１００，Ｓ１１０の処理を繰り返す。また、ステップＳ１２０での判定結果がＹＥＳの場合には、姿勢データの取得を終了するかどうかを判定する（ステップＳ１３０）。この判定は、運転室９のモニタ等の表示装置に姿勢データの取得を続けるかどうかの判断を求める画面を表示し、演算姿勢設定部１８をオペレータが操作することによりその都度判定する場合のほか、４回以上の回数（つまり、未知変数としての較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの個数よりも多い回数）を予め定め設定しておき、その回数を満たすかどうか判定するように構成しても良い。ステップＳ１３０での判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１４０及びステップＳ１００，Ｓ１１０の処理を繰り返す。また、ステップＳ１３０での判定結果がＹＥＳの場合には、得られた姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを用いて式（４）に係る連立方程式を立て、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算し、較正値演算部１５３内に記憶するとともに、作業位置演算部１５４に演算結果を出力し（ステップＳ１５０）、処理を終了する。

【0058】

以上のように構成した本実施の形態の効果を従来技術と比較しつつ説明する。

【0059】

図２６及び図２７は、従来技術における油圧ショベルのブーム、アーム、バケットを３リンク機構で示し、フロント座標系の原点(ブームフートピン位置で定義)からバケットの爪先位置の座標を模式的に示した図であり、図２６は平地成形作業を、図２７は法面などの斜面成形作業をそれぞれ示している。

【0060】

図２６及び図２７から分かるように、それぞれの作業で旋回前後方向に対する作業具の位置は同じｘ＝Ｌであるが、上下方向に対する作業具の位置は、ｙ＝−Ｈおよびｙ＝−ｈとなり、異なった値となる。従来技術においては、地面などを基準面としてバケット爪先の高さ補正を行うことで、接地時のバケット高さを正しく演算しようとしている。作業機等に設置される複数のセンサはそれぞれ異なる特有の誤差特性を有する。したがって、図２７のように補正を行った面と異なる傾斜を持つ面で作業を行う場合、フロントの姿勢（ブーム、アーム、バケットの角度）が較正時と異なるため、上下方向への補正量は当然異なるべきである。しかしながら、従来技術においては、作業機の姿勢（ブーム、アーム、及びバケットの角度）が補正時と異なる場合には対応できない。すなわち、例えば、補正の実施時に用いた基準面（平面）と異なる形状の作業面での作業を行う場合は、各センサの誤差が変化して補正値の精度が低下してしまい、作業機の姿勢を正確に演算することができない。

【0061】

これに対して本実施の形態においては、バケット６を含む複数の被駆動部材（ブーム４、アーム５、バケット６）が連結されて構成され、油圧ショベル１００の上部旋回体２に垂直方向に回動可能に支持された多関節型のフロント装置１と、複数の被駆動部材４〜６のそれぞれの姿勢情報を検出する慣性計測装置１４〜１６と、慣性計測装置１４〜１６の検出結果に基づいて多関節型のフロント装置１の姿勢を演算する姿勢演算装置１５ａとを備え、姿勢演算装置１５ａによって演算された多関節型のフロント装置１の姿勢に基づいて多関節型のフロント装置１の動作を制御する油圧ショベル１００において、姿勢演算装置１５ａは、上部旋回体２に対して相対的に定められる基準面を設定する基準面設定部１５２と、慣性計測装置１４〜１６の検出結果の較正に用いる較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算する較正値演算部１５３と、慣性計測装置１４〜１６の検出結果と較正値演算部１５３の演算結果とに基づいてバケット６の上部旋回体２に対する相対位置を演算する作業位置演算部１５４とを備え、較正値演算部１５３は、複数の被駆動部材４〜６上に予め設定した基準点が基準面と一致し、かつ複数の被駆動部材４〜６の少なくとも１つの姿勢が異なる、被駆動部材４〜６の個数に対応したフロント装置１の複数の姿勢における慣性計測装置１４〜１６の検出結果に基づいて較正パラメータの演算を行うように較正したので、より平易な構成で作業機の高精度の姿勢演算を行うことができる。

【0062】

なお、本実施の形態においては、ｚ軸方向の値が既知となるような基準面を設定し、ｚ軸方向についての式（２）を用いて較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算するように構成したが、これに限られず、例えば、ｘ軸方向の値が既知となるような基準面を設定し、ｚ軸方向についての式（１）を用いて較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算するように構成してもよい。また、ｚ軸方向及びｙ軸方向の値が既知となる基準位置を設定し、式（１）や式（２）を用いて較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算するように構成してもよい。

【0063】

＜第１の実施の形態の変形例＞
第１の実施の形態の変形例を図９を参照しつつ説明する。

【0064】

図９は、本変形例におけるコントローラの姿勢演算装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

【0065】

本変形例は、設計情報記憶部を姿勢演算装置の外部に配置する場合を示したものである。本変形例では、図９に示すように、姿勢演算装置１５Ａの外部に設計情報記憶部１５１ａを配し、基準面設定部１５２、較正値演算部１５３、及び作業位置演算部１５４は、姿勢演算装置１５Ａから設計情報を取得する。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【0066】

以上のように構成した本変形例においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0067】

また、本変形例においては、下部走行体３の履帯交換でブームフートピン高さが変化した場合や、特殊仕様のアームに交換したことでアーム長さが変化下場合に、設計情報記憶部１５１ａを交換することによって設計情報を変更するのに好適である。

【0068】

＜第１の実施の形態の他の変形例＞
第１の実施の形態の他の変形例を図１０〜図１３を参照しつつ説明する。

【0069】

本変形例は、第１の実施の形態に対してｚ_ｓｅｔの設定方法を変更するものである。

【0070】

図１０〜図１３は、姿勢角度を取り込む場合の基準面とフロント装置の姿勢との関係を例示する図である。

【0071】

例えば、図１０に示すように、バケット６の爪先（すなわち、基準点Ｂ）に長さＨ１の重り付き糸２０（いわゆる、下げ振り）を取り付け、下げ振り２０が垂直に伸びきり、かつ、その先端（下端）が地面と接している、つまり、基準面と一致している状態で姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んでもよい。重り付き糸２０は、基準点Ｂから鉛直下向き方向に予め定めた距離Ｈ１だけ離れた位置を示す基準点相対指標である。

【0072】

このとき、爪先位置（基準点Ｂ）は地面（基準面）よりＨ１だけ高い位置にあるため、下記の式（６）が成り立つ。

【0073】

【数6】

【0074】

本変形例は、重り付き糸２０の長さを変更することによってフロント装置１が取り得る姿勢が多くなるため、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの演算がよりに効果的になる。なお、この場合も地面の凹凸の影響を受け得るため、コンクリートや鉄板などで舗装された地面を基準面として姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取り込みを行うことが望ましい。

【0075】

また、図１１に示すように、ブームフートピン高さの位置にレーザ発光器２１を備え、ブームフートピン高さに対して水平方向に伸びるレーザ光２１ａを基準面とし、爪先位置（基準点Ｂ）が基準面と一致している状態で姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んでも良い。レーザ発光器２１は、基準面の位置をレーザ光２１ａで可視的に示す基準面指標である。

【0076】

このとき、爪先位置（基準点Ｂ）はブームフートピン高さ（すなわち、フロント座標系の原点Ｏの高さ）と等しいため、下記の式（７）が成り立つ。

【0077】

【数7】

【0078】

本変形例は、地面を基準面とした場合と違い、基準面に凹凸が生じないという利点がある。

【0079】

なお、図１２のように、バケット６の爪先（すなわち、基準点Ｂ）に長さＨ２の下げ振り２２を取り付け、下げ振り２２が垂直に伸びきり、かつ、その先端（下端）が基準面（レーザ光２１ａ）と一致している状態で姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んでも良い。

【0080】

このとき、爪先位置（基準点Ｂ）はブームフートピンの高さ（すなわち、フロント座標系の原点Ｏの高さ）よりＨ２だけ高い位置にあるため、下記の式（８）が成り立つ。

【0081】

【数8】

【0082】

なお、レーザ発光器２１の取り付け位置はブームフートピンの高さから任意の高さに設定することができるが、この場合には、上記の式（７）及び式（８）の右辺に、ブームフートピン（フロント座標系の原点Ｏ）からのレーザ発光器２１の取り付け高さを加算すれば良い。

【0083】

また、図１３に示すように、ブームフートピンの高さの位置から予め定めた高さだけ下方の位置に、基準部材２３ａ，２３ｂ間に水平に張った水糸２３を配置し、この水糸２３を基準面として、爪先位置（基準点Ｂ）が基準面と一致している状態で姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んでも良い。

【0084】

このとき、基準面（水糸２３）及び爪先位置（基準点Ｂ）は、フロント座標系の原点ＯよりＨ３だけ低い位置にあるため、下記の式（９）が成り立つ。

【0085】

【数9】

【0086】

本変形例においても、地面を基準面とした場合と違い、基準面に凹凸が生じないという利点がある。

【0087】

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態を図１４を参照しつつ説明する。

【0088】

本実施の形態は、第１の実施の形態における油圧ショベル１００が傾斜面に配置され、この傾斜面を基準面とする場合を示すものである。

【0089】

図１４は、本実施の形態のフロント座標系と油圧ショベルとの関係を模式的に示す側面図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

【0090】

図１４に示すように、油圧ショベル１００が上部旋回体２の前方（すなわち、フロント装置１側）に向かって高くなるようにθ_{ｓｌｏｐｅ}だけ傾斜する傾斜面に配置され、基準面設定部１５２（傾斜基準面演算部）によりこの傾斜面を基準面とする場合、ほぼ水平な地面を基準面とした場合と比較して、フロント座標系は原点Ｏを中心にθ_{ｓｌｏｐｅ}だけ回転する。このとき、慣性計測装置１４〜１６により検知される重力加速度の方向（つまり、鉛直下向き方向）もフロント座標系において（−θ_{ｓｌｏｐｅ}）だけ回転するため、車体慣性計測装置１２で計測される上部旋回体２（車体）の傾きθ_{ｓｌｏｐｅ}を用い、フロント座標系における基準点Ｂを与える式（２）及び式（３）について、以下の式（１０）により調整を行う。

【0091】

【数10】

【0092】

ここで、上記の式（１０）において、調整前のフロント座標系の座標を（ｘ，ｚ）、調整後のフロント座標系の座標を（ｘ１，ｚ１）とする。

【0093】

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【0094】

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0095】

また、油圧ショベル１００が傾斜面に配置されて作業を行う場合にも、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算することができ、フロント座標系におけるバケット６の爪先位置（基準点Ｂ）を適正に算出して作業を行うことができる。

【0096】

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態を図１５〜図１９を参照しつつ説明する。

【0097】

本実施の形態は、複数の較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋのうちの１つが対応する被駆動部材を、対応する較正パラメータθ^ｓが０に近いと推定できる姿勢（つまり、誤差が生じにくいと考えられる姿勢）にした状態で、他の被駆動部材の較正パラメータθ^ｓを演算し、その後、演算していない１つの被駆動部材の較正パラメータθ^ｓを演算することにより、較正パラメータθ^ｓの精度を高めたものである。

【0098】

図１５は、本実施の形態における姿勢演算処理を示すフローチャートである。また、図１６〜図１９は、基準面に対するバケットの姿勢の例をそれぞれ示す図である。

【0099】

図１５において、まず、バケットシリンダ６ａを延ばしきった、又は縮めきったバケットエンド姿勢をとる（ステップＳ２００）。なお、このときのバケット６の姿勢は、較正パラメータθ^ｓ_ｂｋが０に近いと推定できる姿勢（つまり、誤差が生じにくいと考えられる姿勢）にした状態であれば良い。

【0100】

この状態で、作業具（バケット６）の基準点Ｂを基準面に合わせ、演算姿勢設定部１８を操作することにより、この姿勢での姿勢データとして姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍを取り込んで、較正値演算部１５３内の図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ２１０）。バケットエンド姿勢でのバケット６の姿勢角度をθ^ｅｎｄ_ｂｋとすると、基準点Ｂのフロント座標系における高さは、下記の式（１１）により与えられる。

【0101】

【数11】

【0102】

続いて、フロント装置１の２姿勢以上において姿勢データを取得したかどうかを判定し（ステップＳ２２０）、判定結果がＮＯの場合には、バケットエンド姿勢を保ちながらフロント装置１のブーム４とアーム５の姿勢を、姿勢データを取得していない他の姿勢に変更し（ステップＳ２１１）、ステップＳ２１０，Ｓ２２０の処理を繰り返す。また、ステップＳ２２０での判定結果がＹＥＳの場合には、姿勢データの取得を終了するかどうかを判定する（ステップＳ２３０）。ステップＳ２３０での判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ２１１及びステップＳ２１０の処理を繰り返す。また、ステップＳ２３０での判定結果がＹＥＳの場合には、得られた姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ、及び姿勢角度θ^ｅｎｄ_ｂｋを用いて式（１０）に係る連立方程式を立て、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍを演算し、較正値演算部１５３内に記憶するとともに、作業位置演算部１５４に演算結果を出力する（ステップＳ２４０）。

【0103】

続いて、バケット６を含めてフロント装置１の姿勢を変更し（ステップＳ２５０）、作業具（バケット６）の基準点Ｂを基準面に合わせ、演算姿勢設定部１８を操作することにより、この姿勢での姿勢データとして姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んで、較正値演算部１５３内の図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ２６０）。

【0104】

ここで、ステップＳ２４０で演算されたブーム４及びアーム５の較正パラメータをθ^ｓｅｔ_ｂｍ，θ^ｓｅｔ_ａｍとすると、基準点Ｂのフロント座標系における高さは、下記の式（１２）により与えられる。

【0105】

【数12】

【0106】

続いて、姿勢データの取得を終了するかどうかを判定する（ステップＳ２７０）。ステップＳ２７０での判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ２５０，Ｓ２６０の処理を繰り返す。また、ステップＳ２７０での判定結果がＹＥＳの場合には、得られた姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを用いて式（１２）に係る連立方程式を立て、較正パラメータθ^ｓ_ｂｋを演算し、較正値演算部１５３内に記憶するとともに、作業位置演算部１５４に演算結果を出力し（ステップＳ２８０）、処理を終了する。

【0107】

なお、ステップＳ２５０，Ｓ２６０の処理は、１回以上行えば較正パラメータθ^ｓ_ｂｋの演算が可能であるが、例えば、図１６〜図１９に示すように、バケット６の姿勢を変化させて複数の姿勢角度θ_ｂｋを取得することにより、較正パラメータθ^ｓ_ｂｋの精度を高めることができる。なお、図１６〜図１９においては、基準面に爪先（基準点Ｂ）を合わせた姿勢のバケット６のみを図示しており、アーム５等の他の構成については図示を省略している。

【0108】

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【0109】

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0110】

また、第１の実施の形態においては、ブーム４、アーム５、及びバケット６の較正パラメータを同時に計算したが、各慣性計測装置１４〜１６のセンサオフセット（較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋ）を厳密に合わせることはできない。たとえば、バケット６のセンサのオフセット（較正パラメータθ^ｓ_ｂｋ）によって、爪先位置（基準点Ｂ）の高さがＬ_ｂｋｓｉｎθ^ｓ_ｂｋだけ変化した分がブーム４及びアーム５のセンサオフセット（較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ）による爪先位置（基準点Ｂ）の高さの変化量Ｌ_ｂｍｓｉｎθ^ｓ_ｂｍ＋Ｌ_ａｍｓｉｎθ^ｓ_ａｍで打ち消されることも考えられる。このような現象は、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取得時に採用しなかったフロント装置１の姿勢における作業具の基準点の位置の推定精度の低下を招き得る。

【0111】

本実施の形態は、第１の実施の形態における上記現象を考慮してなされたものである。すなわち、上記の式（１１）は、ブーム４及びアーム５の較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍのみを未知変数として含んでおり、かつ、バケット６の姿勢角度はθ^ｅｎｄ_ｂｋで一定とすることができるので、第１の実施の形態のようにバケット６のセンサオフセット（較正パラメータθ^ｓ_ｂｋ）の影響をブーム４のセンサオフセット（較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ）及びアーム５のセンサオフセット（較正パラメータθ^ｓ_ａｍ）に含みにくく、姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋの取得時に採用しなかったフロント装置１の姿勢における作業具の基準点の位置の推定精度の低下を抑制することができる。

【0112】

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態を図２０〜図２５を参照しつつ説明する。

【0113】

本実施の形態は、フロント装置１を構成する複数の被駆動部材４〜６の各連結部及び基準点（又は、連結部又は基準点に設けた基準点相対指標である下げ振り）を基準面に一致させた姿勢でそれぞれ姿勢角度を取得して較正パラメータを演算することにより、他のセンサオフセットの影響を受けにくくし、較正パラメータの精度を高めたものである。

【0114】

図２０は、本実施の形態における姿勢演算処理を示すフローチャートである。また、図２１〜図２３は、被駆動部材の各連結部及び基準点を基準面に一致させた姿勢を示す図であり、図２１はブーム先端を基準面に合わせた姿勢を、図２２はアーム先端を基準面に合わせた姿勢を、図２３はバケット先端を基準面に合わせた姿勢をそれぞれ示す図である。

【0115】

本実施の形態では、ブームフートピン高さの位置にレーザ発光器２１を備え、ブームフートピン高さに対して水平方向に伸びるレーザ光２１ａを基準面としている。

【0116】

図２０において、まず、ブーム４の先端（ブーム４とアーム５の連結部）を基準面に合わせ（図２１参照）、演算姿勢設定部１８を操作することにより、この姿勢での姿勢データとして姿勢角度θ_ｂｍを取り込んで、較正値演算部１５３内の図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ３１０）。このとき、ブーム４の先端のフロント座標系における高さｚ_ａは、下記の式（１３）により与えられる。

【0117】

【数13】

【0118】

なお、基準面の高さはフロント座標系の原点Ｏの高さと同じであるので、ｚ_ａ＝０（ゼロ）である。

【0119】

続いて、姿勢データの取得を終了するかどうかを判定する（ステップＳ３２０）。ステップＳ３２０での判定結果がＮＯの場合には、ブーム４の姿勢を、姿勢データを取得していない他の姿勢に変更し（ステップＳ３１１）、ステップＳ３１０の処理を繰り返す。なお、ブーム４の先端を基準面に合わせる場合は１姿勢しか取れないため、ブーム４の先端に既知の長さの下げ振りを設け、この下げ振りを基準面に合わせることにより、姿勢データの取得を行う。なお、当然ながら、この場合には、ｚ_ａの値を下げ振りの長さに合わせて調整する。

【0120】

また、ステップＳ３２０での判定結果がＹＥＳの場合には、得られた姿勢角度θ_ｂｍを用いて式（１３）から較正パラメータθ^ｓ_ｂｍを演算し、較正値演算部１５３内に記憶するとともに、作業位置演算部１５４に演算結果を出力する（ステップＳ３３０）。

【0121】

続いて、アーム５の先端（アーム５とバケット６の連結部）を基準面に合わせ（図２２参照）、演算姿勢設定部１８を操作することにより、この姿勢での姿勢データとして姿勢角度θ_ａｍを取り込んで、較正値演算部１５３内の図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ３４０）。このとき、アーム５の先端のフロント座標系における高さｚ_ａは、ステップＳ３３０で得られたブーム４の較正パラメータをθ^ｓｅｔ_ｂｍとすると、下記の式（１４）により与えられる。

【0122】

【数14】

【0123】

続いて、姿勢データの取得を終了するかどうかを判定する（ステップＳ３５０）。ステップＳ３５０での判定結果がＮＯの場合には、ブーム４及びアーム５の姿勢を、姿勢データを取得していない他の姿勢に変更し（ステップＳ３４１）、ステップＳ３４０の処理を繰り返す。また、ステップＳ３２０での判定結果がＹＥＳの場合には、得られた姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍを用いて式（１３）から較正パラメータθ^ｓ_ａｍを演算し、較正値演算部１５３内に記憶するとともに、作業位置演算部１５４に演算結果を出力する（ステップＳ３６０）。

【0124】

続いて、バケット６の先端（基準点Ｂ）を基準面に合わせ（図２３参照）、演算姿勢設定部１８を操作することにより、この姿勢での姿勢データとして姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取り込んで、較正値演算部１５３内の図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ３７０）。このとき、バケット６の先端（基準点Ｂ）のフロント座標系における高さｚ_ｓｅｔは、ステップＳ３３０，Ｓ３６０で得られたブーム４及びアーム５の較正パラメータをそれぞれθ^ｓｅｔ_ｂｍ及びθ^ｓｅｔ_ａｍとすると、前述の式（１２）により与えられる。

【0125】

続いて、姿勢データの取得を終了するかどうかを判定する（ステップＳ３８０）。ステップＳ３８０での判定結果がＮＯの場合には、フロント装置１の姿勢を、姿勢データを取得していない他の姿勢に変更し（ステップＳ３７１）、ステップＳ３７０の処理を繰り返す。また、ステップＳ３８０での判定結果がＹＥＳの場合には、得られた姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを用いて式（１１）から較正パラメータθ^ｓ_ｋｍを演算し、較正値演算部１５３内に記憶するとともに、作業位置演算部１５４に演算結果を出力する（ステップＳ３９０）。

【0126】

なお、ステップＳ３１０，Ｓ３４０，Ｓ３７０の処理は、それぞれ１回以上行えば較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの演算が可能であるが、被駆動部材４〜６の姿勢を変化させて複数の姿勢角度θ_ｂｍ，θ_ａｍ，θ_ｂｋを取得することにより、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの精度を高めることができる。

【0127】

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【0128】

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0129】

また、第２の実施の形態においては、ブーム４及びアーム５とバケット６との相互作用の影響を緩和しきれない場合が考えられるが、本実施の形態においては、ブーム４、アーム５、及びバケット６の較正パラメータをそれぞれ個別に演算するので、広範囲における姿勢推定精度の向上が期待できる。

【0130】

なお、本実施の形態においては、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを一定値で与えることを前提とした場合を説明をしたが、例えば、図２４及び図２５に示すように、各慣性計測装置１４〜１６の検出値と較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの関係を示す較正テーブルを作成し、各慣性計測装置１４〜１６の検出値に応じて較正パラメータを決定するように構成しても良い。すなわち、本実施の形態のように、ブーム４、アーム５、及びバケット６それぞれの較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを個別に演算できる場合には、図２４及び図２５に示した較正テーブルを作成することができる。そして、そのように構成することにより、より高精度な姿勢推定の実現を期待できる。なお、図２４及び図２５におけるプロット点は、各姿勢で得られた較正パラメータを示しており、図２４ではこの較正パラメータを区間ごとに線形補間した場合を、図２５では取り得る角度区間全域でスムージングを行った場合を示している。

【0131】

次に上記の各実施の形態の特徴について説明する。

【0132】

（１）上記の実施の形態では、作業具（例えば、バケット６）を含む複数の被駆動部材（例えば、ブーム４、アーム５、バケット６）が連結されて構成され、建設機械（例えば、油圧ショベル１００）の車体（例えば、上部旋回体２）に垂直方向に回動可能に支持された多関節型のフロント作業機１と、前記複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置（例えば、慣性計測装置１４〜１６）と、前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記多関節型のフロント作業機の姿勢を演算するフロント姿勢演算装置（例えば、姿勢演算装置１５４）とを備え、前記フロント姿勢演算装置によって演算された前記多関節型のフロント作業機の姿勢に基づいて前記多関節型のフロント作業機の動作を制御する建設機械において、前記フロント姿勢演算装置は、前記車体に対して相対的に定められる基準位置（例えば、基準面）を設定する基準位置設定部（例えば、基準面設定部１５２）と、前記姿勢情報検出装置の検出情報の較正に用いる較正パラメータを演算する較正値演算部１５３と、前記姿勢情報検出装置の検出情報と前記較正値演算部の演算結果とに基づいて前記作業具の前記車体に対する相対位置を演算する作業位置演算部１５４とを備え、前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記基準位置設定部により設定された基準位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータの演算を行うものとした。

【0133】

このように構成することにより、より平易な構成で作業機の高精度の姿勢演算を行うことができる。

【0134】

（２）また、上記の実施の形態では、（１）の建設機械において、前記基準位置設定部は、前記基準位置として水平面と平行な基準面を設定し、前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記基準面上の何れかの位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報とに基づいて前記較正パラメータの演算を行うものとした。

【0135】

このように、基準位置を水平面と平行な基準面を設定することにより、被駆動部材の基準点を基準位置（基準面）に容易に合わせることができ、姿勢演算を容易に行うことができる。

【0136】

（３）また、上記の実施の形態では、（２）の建設機械において、前記車体の水平面に対する傾斜角度を検出する車体傾斜検出部と、前記車体傾斜検出部で検出された車体の傾斜角度に基づいて、前記基準面を傾斜させた傾斜基準面を演算する傾斜基準面演算部とを備え、前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点が前記傾斜基準面上の何れかの位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報とに基づいて前記較正パラメータの演算を行うものとした。

【0137】

これにより、油圧ショベル１００が傾斜面に配置されて作業を行う場合にも、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋを演算することができ、フロント座標系におけるバケット６の爪先位置（基準点Ｂ）を適正に算出して作業を行うことができる。

【0138】

（４）また、上記の実施の形態では、（２）の建設機械において、前記基準面の位置を可視的に示す基準面指標（例えば、レーザ光２１ａ）に前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点を一致させることによって、前記基準点を前記基準面上の位置と一致させるものとした。

【0139】

これにより、レーザ光２１ａを照射するレーザ発光器２１の取り付け位置を任意の高さに設定することができるので、基準面（レーザ光２１ａ）を任意の高さに設定することができる。また、レーザ光２１ａは直進性が高いため、基準面に凹凸が生じない。

【0140】

（５）また、上記の実施の形態では、（１）の建設機械において、前記較正値演算部は、前記複数の被駆動部材上に予め設定した基準点から鉛直下向き方向に予め定めた距離だけ離れた位置を示す基準点相対指標が前記基準位置と一致し、かつ前記複数の被駆動部材の少なくとも１つの姿勢が異なる、前記被駆動部材の個数に対応した前記フロント作業機の複数の姿勢における前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータの演算を行うものとした。

【0141】

これにより、下げ振り２０の長さを変更することによってフロント装置１が取り得る姿勢が多くなるため、較正パラメータθ^ｓ_ｂｍ，θ^ｓ_ａｍ，θ^ｓ_ｂｋの演算がよりに効果的になる。

【0142】

（６）また、上記の実施の形態では、（１）の建設機械において、前記較正値演算部は、前記姿勢情報検出装置の検出情報を入力とし、前記較正値演算部の演算結果である前記較正パラメータを出力とする較正パラメータテーブルを作成し、前記作業位置演算部は、前記姿勢情報検出装置の検出情報と、前記姿勢情報検出装置の検出情報に基づいて前記較正パラメータテーブルから出力された前記較正パラメータとに基づいて前記複数の被駆動部材の前記車体に対する相対位置を演算するものとした。

【0143】

＜付記＞
なお、上記の実施の形態においては、エンジン等の原動機で油圧ポンプを駆動する一般的な油圧ショベルを例に挙げて説明したが、油圧ポンプをエンジン及びモータで駆動するハイブリッド式の油圧ショベルや、油圧ポンプをモータのみで駆動する電動式の油圧ショベル等にも本発明が適用可能であることは言うまでもない。

【0144】

また、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や組み合わせが含まれる。また、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、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

【符号の説明】

【0145】

１…フロント装置（フロント作業機）、２…上部旋回体、２ａ…旋回モータ、３…下部走行体、３ａ…走行モータ、４…ブーム、４ａ…ブームシリンダ、５…アーム、５ａ…アームシリンダ、６…バケット、６ａ…バケットシリンダ、７…油圧ポンプ装置、８…コントロールバルブ、９…運転室、９ａ，９ｂ…操作レバー（操作装置）、１２…車体慣性計測装置、１４…ブーム慣性計測装置、１５…アーム慣性計測装置、１５ａ，１５Ａ…姿勢演算装置、１５ｂ…モニタ表示制御装置、１５ｃ…油圧システム制御装置、１５ｄ…施工目標面演算装置、１６…バケット慣性計測装置、１７…施工情報、１８…演算姿勢設定部、１９…コントローラ、２０，２２…下げ振り、２１…レーザ発光器、２１ａ…レーザ光、２３…水糸、２３ａ，２３ｂ…基準部材、１００…油圧ショベル、１５１，１５１ａ…設計情報記憶部、１５２…基準面設定部、１５３…較正値演算部、１５４…作業位置演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】