特開 2023-128874 情報較正方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023128874

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】情報較正方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20230907BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

E02F3/43 A

G01C15/00 104D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022033522

(22)【出願日】2022-03-04

(71)【出願人】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(71)【出願人】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】片岡 隆之

(72)【発明者】

【氏名】篠田 崇幸

(72)【発明者】

【氏名】内田 光

(72)【発明者】

【氏名】茨木 創一

【テーマコード（参考）】

2D003

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB04

2D003BA02

2D003BB04

2D003DB04

2D003DB05

(57)【要約】

【課題】作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に較正する。
【解決手段】情報較正方法は、平面上の少なくとも３点の相異なる測定点に、測定ターゲットを順次停止させることと、測定ターゲットを各々の測定点に停止させた状態で、車体に対する作業機の姿勢を計測することと、各々の測定点間の距離を計測することと、平面上に規定される座標系における、距離に基づく測定点の計測座標と、姿勢と情報とを用いて計算される測定点の計算座標と、の差を最小化する情報を導出して、情報を更新することと、を備えている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車体と、前記車体に対して相対移動可能な作業機とを有し、前記作業機に測定ターゲットが設定される、作業機械に関する情報を較正する情報較正方法であって、
平面上の少なくとも３点の相異なる測定点に、前記測定ターゲットを順次停止させることと、
前記測定ターゲットを各々の前記測定点に停止させた状態で、前記車体に対する前記作業機の姿勢を計測することと、
各々の前記測定点間の距離を計測することと、
前記平面上に規定される座標系における、前記距離に基づく前記測定点の計測座標と、前記姿勢と前記情報とを用いて計算される前記測定点の計算座標と、の差を最小化する前記情報を導出して、前記情報を更新することと、を備える、情報較正方法。

【請求項2】

前記作業機は、複数のリンク部材が関節を介して接続されたリンク機構を有し、
前記情報は、複数の前記関節間の距離を含む、請求項１に記載の情報較正方法。

【請求項3】

前記測定ターゲットは、先端の前記リンク部材に設定され、
前記情報は、前記測定ターゲットの位置と前記関節との距離を含む、請求項２に記載の情報較正方法。

【請求項4】

前記作業機械は、前記姿勢を計測する角度センサをさらに有し、
前記情報は、前記角度センサのオフセット値を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の情報較正方法。

【請求項5】

前記車体に、前記車体に対する前記作業機の相対移動の基準となる基準点が設けられ、
前記情報は、前記座標系における前記基準点の座標を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の情報較正方法。

【請求項6】

前記平面上に、前記座標系を設定することをさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の情報較正方法。

【請求項7】

前記測定点は、第１の測定点と、第２の測定点とを含み、
前記座標系を設定することは、前記第１の測定点を原点に設定することと、前記第１の測定点と前記第２の測定点とを結ぶ方向を座標軸として設定することと、を含む、請求項６に記載の情報較正方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、作業機械に関する情報を較正するための情報較正方法に関する。

【背景技術】

【0002】

情報化施工とは、建設土木事業における施工において、情報通信技術（ＩＣＴ）の活用により、高効率かつ高精度な施工を実現するものである。情報化施工技術の一例として、トータルステーションまたはＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems：全地球航法衛星システム）などの位置計測装置を用いて作業機械の位置を取得し、施工箇所の設計データと現況地形データとの差分に関する情報を作業機械の運転席モニタへ提供する、マシンガイダンス技術が提案されている。

【0003】

作業機械の一つに油圧ショベルがある。油圧ショベルは、ブーム、アーム、及びバケットから構成される作業機を備えてよい。ブーム、アーム、及びバケットは、順にピンにより回動可能に支持されてよい。マシンガイダンス技術を用いた施工に関し、非特許文献１には、ＩＣＴ油圧ショベルのアーム寸法など各可動部のピン間の寸法およびバケット寸法を測定することが記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】国土交通省近畿地方整備局近畿技術事務所「マシンガイダンス技術（バックホウ編）の手引書」、２０１４年３月、ｐ．２９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

情報化施工の精度を担保するには、作業機械の位置データを正確に取得することが求められる。油圧ショベルの場合、この位置データとは、バケットの先端の位置データを指す。バケットの先端の位置データは、油圧ショベルの本体に備わるＧＮＳＳアンテナの位置情報、作業機の幾何形状、および作業機の姿勢の情報から算出される。幾何形状には、作業機を較正するリンクの各ピン間の距離がある。各ピン間の距離は、機械内コントローラに情報として記憶されており、施工の前に較正される。

【0006】

作業機の各ピン間の距離を較正するには、各ピンの位置に測量ターゲットを取り付けて、トータルステーション、レーザトラッカなどの測量機器を用いて、各ピンの位置をそれぞれ測定することが行われていた。これらの測量機器は高価なため、較正にコストがかかっていた。工事現場に高価な測量機器を用意せずとも簡便に較正ができる方法の提供が望まれている。

【0007】

本開示では、情報化施工のための作業機械に関する情報を安価で容易に較正できる、情報較正方法が提案される。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示に従うと、作業機械に関する情報を較正する情報較正方法が提案される。作業機械は、車体と、車体に対して相対移動可能な作業機とを有している。作業機械の作業機に、測定ターゲットが設定される。情報較正方法は、以下の処理を備えている。第１の処理は、平面上の少なくとも３点の相異なる測定点に、測定ターゲットを順次停止させることである。第２の処理は、測定ターゲットを各々の測定点に停止させた状態で、車体に対する作業機の姿勢を計測することである。第３の処理は、各々の測定点間の距離を計測することである。第４の処理は、平面上に規定される座標系における、測定点間の距離に基づく測定点の計測座標と、作業機の姿勢と作業機械に関する情報とを用いて計算される測定点の計算座標と、の差を最小化する情報を導出して、情報を更新することとである。

【発明の効果】

【0009】

本開示に係る情報較正方法によれば、作業機械に関する情報を安価で容易に較正することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】油圧ショベルの外観図である。

【図2】油圧ショベルの側面図である。

【図3】油圧ショベルに関する情報を較正する処理の流れを示すフロー図である。

【図4】バケット刃先を第１の測定点に合わせる動作を示す側面模式図である。

【図5】バケット刃先を第２の測定点に合わせる動作を示す側面模式図である。

【図6】バケット刃先を第３の測定点に合わせる動作を示す側面模式図である。

【図7】ブームピンの座標を示す側面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

【0012】

図１は、実施形態に基づく情報較正方法によって情報が較正される作業機械の一例としての、油圧ショベル１００の外観図である。実施形態においては、作業機械として、油圧ショベル１００を例に挙げて説明する。

【0013】

図１に示されるように、油圧ショベル１００は、本体１と、油圧により作動する作業機２とを有している。本体１は、旋回体３と、走行体５とを有している。走行体５は、一対の履帯５Ｃｒと、走行モータ５Ｍとを有している。走行モータ５Ｍは、走行体５の駆動源として設けられている。走行モータ５Ｍは、油圧により作動する油圧モータである。

【0014】

油圧ショベル１００の動作時には、走行体５、より具体的には履帯５Ｃｒが、地面に接触している。走行体５は、履帯５Ｃｒの回転により地面を走行可能である。なお、走行体５が履帯５Ｃｒの代わりに車輪（タイヤ）を有していてもよい。

【0015】

旋回体３は、走行体５の上に配置され、かつ走行体５により支持されている。旋回体３は、走行体５に対して相対移動可能である。旋回体３は、旋回軸ＲＸを中心として走行体５に対して旋回可能に、走行体５に搭載されている。旋回体３は、走行体５上に、旋回サークル部を介して取り付けられている。旋回サークル部は、平面視した本体１の略中央部に配置されている。旋回サークル部は、円環状の概略形状を有しており、内周面に旋回用の内歯を有している。この内歯と噛み合うピニオンが、図示しない旋回モータに装着されている。旋回モータから駆動力が伝達されて旋回サークル部が回転することにより、旋回体３が走行体５に対して相対回転可能とされている。

【0016】

旋回体３は、キャブ４を有している。油圧ショベル１００の乗員（オペレータ）は、このキャブ４に搭乗して、油圧ショベル１００を操縦する。キャブ４には、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられている。オペレータは、キャブ４内において油圧ショベル１００を操作可能である。オペレータは、キャブ４内において、作業機２の操作が可能であり、走行体５に対する旋回体３の旋回操作が可能であり、また走行体５による油圧ショベル１００の走行操作が可能である。油圧ショベル１００は、油圧ショベル１００から離れた場所から無線により遠隔操作されてもよい。

【0017】

実施形態においては、キャブ４内の運転席４Ｓに着座したオペレータを基準として、油圧ショベル１００の旋回体３における各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの前後方向をいう。運転席４Ｓに着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席４Ｓに着座したオペレータの背後方向が後方向である。左右方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの左右方向をいう。運転席４Ｓに着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの上下方向をいう。運転席４Ｓに着座したオペレータの足元側が下側、頭上側が上側である。

【0018】

前後方向において、旋回体３から作業機２が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。

【0019】

旋回体３は、エンジンが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有している。エンジンルーム９には、駆動力を発生するエンジン、エンジンの発生する駆動力を受けて油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプなどが配置されている。エンジンの代わりに蓄電池を搭載し、蓄電池に蓄えられた電力によって電動モータを駆動させ、電動モータの駆動力を用いて油圧ポンプを作動させる電動ショベルであってもよい。

【0020】

旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられている。手すり１９には、アンテナ２１が設けられている。アンテナ２１は、たとえばＧＮＳＳ用のアンテナである。アンテナ２１は、左右方向に互いに離れるように旋回体３に設けられた第１アンテナ２１Ａおよび第２アンテナ２１Ｂを有している。

【0021】

作業機２は、旋回体３に搭載されており、旋回体３によって支持されている。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８とを有している。ブーム６は、旋回体３に回転可能に連結されている。アーム７は、ブーム６に回転可能に連結されている。バケット８は、アーム７に回転可能に連結されている。バケット８は、複数の刃を有している。バケット８の先端部を、刃先８ａと称する。

【0022】

なお、バケット８は、刃を有していなくてもよい。バケット８の先端部は、ストレート形状の鋼板で形成されていてもよい。

【0023】

ブーム６の基端部は、ブームフートピン１３（以下、ブームピンという）を介して旋回体３に連結されている。アーム７の基端部は、アーム連結ピン１４（以下、アームピンという）を介してブーム６の先端部に連結されている。バケット８は、バケット連結ピン１５（以下、バケットピンという）を介してアーム７の先端部に連結されている。

【0024】

ブーム６は、旋回体３に対して相対移動可能である。ブーム６は、ブームピン１３を中心に、旋回体３に対して相対回転可能である。ブームピン１３は、旋回体３に設けられている。ブームピン１３は、旋回体３に対する作業機２の相対移動の基準となる、基準点をなす。アーム７は、ブーム６に対して相対移動可能である。アーム７は、アームピン１４を中心に、ブーム６に対して相対回転可能である。バケット８は、アーム７に対して相対移動可能である。バケット８は、バケットピン１５を中心に、アーム７に対して相対回転可能である。

【0025】

アーム７およびバケット８は、バケット８がアーム７に対して相対回転しない状態で、一体的にブーム６に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。ブーム６、アーム７およびバケット８は、バケット８がアーム７に対して相対回転せず、かつアーム７がブーム６に対して相対回転しない状態で、一体的に旋回体３に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。

【0026】

作業機２のブーム６は、旋回体３に対して、ブーム６の基端部に設けられたブームピン１３を中心に回動する。旋回体３に対して回動するブーム６の特定の部分、たとえばブーム６の先端部が移動する軌跡は円弧状である。その円弧を含む平面が、図１に示す動作平面Ｐとして特定される。動作平面Ｐは、上下方向に延びるとともに前後方向に延びる平面である。動作平面Ｐは、作業機２の左右方向の中心にあって旋回体３の中心軸を含み、上下方向および前後方向に広がる平面である。ブームピン１３、アームピン１４およびバケットピン１５は、動作平面Ｐと直交する方向、すなわち左右方向に延びている。動作平面Ｐは、ブーム６、アーム７およびバケット８の各々の回動中心となる軸線の、少なくとも一つ（実施形態の場合、三つ全て）と直交している。

【0027】

ブーム６は動作平面Ｐ上で旋回体３に対して回動動作する。同様に、アーム７は動作平面Ｐ上でブーム６に対して回動動作し、バケット８は動作平面Ｐ上でアーム７に対して回動動作する。実施形態の作業機２は、その長手方向における全体が動作平面Ｐ上で動作する。バケット８の刃先８ａは、動作平面Ｐ上を移動する。動作平面Ｐは、作業機２の可動範囲を含む平面である。動作平面Ｐは、ブーム６、アーム７およびバケット８の各々と交差している。動作平面Ｐは、ブーム６、アーム７およびバケット８の左右方向の中心に設定することができる。

【0028】

図１に示すように、動作平面Ｐ上における一方向がＸ軸として設定され、動作平面Ｐ状における上記一方向に直交する方向がＺ軸として設定される。Ｘ軸とＺ軸とは、互いに直交している。動作平面Ｐにおける座標軸の設定については後述する。

【0029】

作業機２は、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２とを有している。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、およびバケットシリンダ１２のそれぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。

【0030】

作業機２は、複数のリンク部材が関節を介して接続されたリンク機構を構成している。ブーム６、アーム７およびバケット８は、それぞれリンク部材を構成している。ブームピン１３は、旋回体３とブーム６とを接続する関節に相当する。アームピン１４は、ブーム６とアーム７とを接続する関節に相当する。バケットピン１５は、アーム７とバケット８とを接続する関節に相当する。

【0031】

バケットシリンダ１２は、アーム７に取り付けられている。バケットシリンダ１２が伸縮することにより、アーム７に対してバケット８が回転する。作業機２は、バケットリンクを有している。バケットリンクは、バケットシリンダ１２とバケット８とを連結している。

【0032】

油圧ショベル１００には、コントローラ２６が搭載されている。コントローラ２６は、油圧ショベル１００の動作を制御する。コントローラ２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、不揮発性メモリ、タイマなどを含んで構成されるコンピュータである。

【0033】

図２は、図１に示される油圧ショベル１００の側面図である。図２に示されるように、油圧ショベル１００は、ブームＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）３２、アームＩＭＵ３３、およびバケットＩＭＵ３４をさらに備えている。ブームＩＭＵ３２、アームＩＭＵ３３、およびバケットＩＭＵ３４は、慣性計測装置である。

【0034】

ブームＩＭＵ３２は、ブーム６に取り付けられている。アームＩＭＵ３３は、アーム７に取り付けられている。バケットＩＭＵ３４は、バケット８に取り付けられている。ブームＩＭＵ３２、アームＩＭＵ３３、バケットＩＭＵ３４のそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム６、アーム７、バケット８の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム６、アーム７、バケット８の角速度とを計測する。

【0035】

ブームＩＭＵ３２の検出結果から、ブーム６の角度が算出される。アームＩＭＵ３３の検出結果から、アーム７の角度が検出される。バケットＩＭＵ３４の検出結果から、バケット８の角度が算出される。ブームＩＭＵ３２、アームＩＭＵ３３およびバケットＩＭＵ３４は、旋回体３（油圧ショベル１００の車体）に対する作業機２の姿勢を計測する角度センサを構成している。

【0036】

ブームＩＭＵ３２は、重力方向に対するブーム６の姿勢（角度）を検出する。アームＩＭＵ３３は、重力方向に対するアーム７の姿勢（角度）を検出する。バケットＩＭＵ３４は、重力方向に対するバケット８の姿勢（角度）を検出する。

【0037】

角度センサは、上述した各ＩＭＵのほか、他の任意のセンサを含んでもよい。角度センサは、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１またはバケットシリンダ１２に取り付けられた、シリンダに対するシリンダロッドの変位量を検出するシリンダストロークセンサを用い、得られた変位量のデータに基づいてブーム６、アーム７、バケット８の姿勢（角度）を求める形態でもよい。角度センサは、ブームピン１３、アームピン１４またはバケットピン１５に取り付けられたポテンショメータまたはロータリーエンコーダであってもよい。角度センサの検出結果は、コントローラ２６（図１）に入力される。

【0038】

図２に示される距離ｂｍは、ブームピン１３とアームピン１４との間の距離である。距離ｂｍを、ブーム６のリンク長とも称する。距離ａｍは、アームピン１４とバケットピン１５との間の距離である。距離ａｍを、アーム７のリンク長とも称する。距離ｃｍは、バケットピン１５とバケット８の刃先８ａとの間の距離である。距離ｃｍを、バケット８のリンク長とも称する。

【0039】

図３は、油圧ショベル１００に関する情報を較正する処理の流れを示すフロー図である。図３および以降の図を適宜参照して、油圧ショベル１００に関する情報を較正する処理の詳細について、以下に説明する。油圧ショベル１００に関する情報を較正する処理は、油圧ショベル１００に搭載されているコントローラ２６で実行されてもよく、外部に設けられたコントローラまたは情報処理装置で実行されてもよい。外部に設けられたコントローラが油圧ショベル１００に関する情報を較正する処理を実行する場合、油圧ショベル１００に搭載されているコントローラ２６から、外部のコントローラに、角度センサの検出結果が送信される。

【0040】

以下の処理によって較正される油圧ショベル１００に関する情報は、情報化施工を実施するに当たり、バケット８の刃先８ａの位置を正確に導出して、作業機２の位置の演算の精度を向上するために必要な情報である。較正される油圧ショベル１００に関する情報は、たとえば、油圧ショベル１００の作業機２の寸法を含む。距離ｂｍ、距離ａｍ、距離ｃｍは、作業機械に関する情報に含まれる。油圧ショベル１００に関する情報は、三次元空間における油圧ショベル１００の所定部位の位置座標情報、２つの所定部位間の距離情報などであってよい。三次元空間の座標系は、ＩＴＲＦ（International Terrestrial Reference Frame）座標系であってよい。

【0041】

まずステップＳ０において、測定ターゲットを設定する。油圧ショベル１００の作業機２の一箇所に、測定ターゲットが設定される。作業機２の複数のリンク部材のうち、バケット８が、旋回体３から最も離れている先端のリンク部材である。先端のリンク部材であるバケット８の一箇所に、測定ターゲットが設定される。実施形態では、バケット８の刃先８ａを、測定ターゲットとして設定する。

【0042】

ステップＳ１において、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ１に合わせる。図４は、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ１に合わせる動作を示す側面模式図である。作業機２を動かすことで、バケット８の刃先８ａを地面などに接触させる。その姿勢で、作業機２を停止させる。そのときの刃先８ａの位置を、測定点Ａ１とする。ステップＳ１で、測定ターゲットである刃先８ａを、測定点Ａ１に移動させる。

【0043】

ステップＳ２において、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ１に停止させた状態で、各角度センサで検出される作業機２の各リンク部材の角度を取得する。バケット８の刃先８ａが測定点Ａ１の位置にあるときの、ブーム６の角度がブームＩＭＵ３２により検出され、アーム７の角度がアームＩＭＵ３３により検出され、バケット８の角度がバケットＩＭＵ３４により検出される。これにより、刃先８ａを測定点Ａ１に停止させた状態での、旋回体３に対する作業機２の姿勢が計測される。

【0044】

ステップＳ３において、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ２に合わせる。図５は、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ２に合わせる動作を示す側面模式図である。作業機２を動かすことで、バケット８の刃先８ａを、測定点Ａ１とは異なる位置で地面などに接触させる。図５に示される例では、刃先８ａを前方（車体から離れる方向）へ移動させて、測定点Ａ１よりも前方の位置で刃先８ａを地面に接触させている。その姿勢で、作業機２を停止させる。そのときの刃先８ａの位置を、測定点Ａ２とする。ステップＳ３で、測定ターゲットである刃先８ａを、測定点Ａ１から、測定点Ａ１とは異なる測定点Ａ２へと移動させる。図５に示される例では、ブーム６を下げるとともにアーム７とバケット８とを前方向に移動させている。

【0045】

ステップＳ４において、Ｘ方向を設定する。図５に示されるように、測定点Ａ１と測定点Ａ２とを結ぶ方向を、動作平面Ｐ上のＸ軸として設定する。測定点Ａ１と測定点Ａ２との上下方向における位置が同じであってもよく、この場合Ｘ方向は水平方向となる。

【0046】

ステップＳ５において、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ２に停止させた状態で、各角度センサで検出される作業機２の各リンク部材の角度を取得する。バケット８の刃先８ａが測定点Ａ２の位置にあるときの、ブーム６の角度がブームＩＭＵ３２により検出され、アーム７の角度がアームＩＭＵ３３により検出され、バケット８の角度がバケットＩＭＵ３４により検出される。これにより、刃先８ａを測定点Ａ２に停止させた状態での、旋回体３に対する作業機２の姿勢が計測される。

【0047】

ステップＳ６において、測定点Ａ１と測定点Ａ２との間の距離を計測する。この距離の計測は、レーザ測長器などの安価な測長機器を使用して行なわれてもよい。測長機器の計測結果が、油圧ショベル１００に関する情報を較正する処理を実行するコントローラに入力されてもよい。測長機器が用いられる場合、測定ターゲットであるバケット８の刃先８ａに、レーザ光を反射する反射器が取り付けられてもよく、位置の認識を容易にするためのマーカが設けられてもよい。測定ターゲットとしてレーザ光を反射する反射器を用いる場合、反射器は、レーザ光が照射された方向と同じ方向に光を反射する。また、作業者がワイヤ式測長器または巻き尺などを使用して、手作業で距離を計測してもよい。作業者が、計測結果をコントローラに手入力してもよい。

【0048】

ステップＳ１～Ｓ５の処理では、バケット８の刃先８ａを地面に接触させたが、水糸をバケット８の刃先８ａに取り付けて垂らすことにより、刃先８ａを地面に接触させずにＸ方向を設定することも可能である。

【0049】

ステップＳ７において、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ３に合わせる。図６は、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ３に合わせる動作を示す側面模式図である。作業機２を動かすことで、バケット８の刃先８ａを、測定点Ａ１，Ａ２よりも上方へ移動させる。その姿勢で、作業機２を停止させる。そのときの刃先８ａの位置を、測定点Ａ３とする。ステップＳ７で、測定ターゲットである刃先８ａを、測定点Ａ１，Ａ２を含む平面における測定点Ａ１，Ａ２とは異なる測定点Ａ３へと移動させる。図６に示される例では、ブーム６を上げるとともにアーム７とバケット８とを後方向に移動させている。

【0050】

図１に示される動作平面Ｐ上に、少なくとも３点の相異なる測定点が設定される。平面である動作平面Ｐ上に、測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３が設定される。測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３は、各点を頂点とする三角形を形成する。図６では、前後方向（図中の左右方向）において測定点Ａ３が測定点Ａ１と測定点Ａ２との間にある例が示されるが、測定点Ａ３は、測定点Ａ１よりも車体に近くてもよく、測定点Ａ２よりも車体から離れていてもよい。

【0051】

ステップＳ８において、Ｚ方向を設定する。図６に示されるように、測定点Ａ３から、測定点Ａ１と測定点Ａ２とを結ぶ直線におろした垂線の方向を、動作平面Ｐ上のＺ軸として設定する。Ｘ方向が水平方向である場合、Ｚ方向は上下方向である。測定点Ａ１を原点に設定し、測定点Ａ１と測定点Ａ２とを結ぶ方向をＸ軸として設定し、Ｘ軸に直交する方向をＺ軸として設定する。これにより、動作平面Ｐ上に計測座標系が規定される。

【0052】

ステップＳ９において、バケット８の刃先８ａを測定点Ａ３に停止させた状態で、各角度センサで検出される作業機２の各リンク部材の角度を取得する。バケット８の刃先８ａが測定点Ａ３の位置にあるときの、ブーム６の角度がブームＩＭＵ３２により検出され、アーム７の角度がアームＩＭＵ３３により検出され、バケット８の角度がバケットＩＭＵ３４により検出される。これにより、刃先８ａを測定点Ａ３に停止させた状態での、旋回体３に対する作業機２の姿勢が計測される。

【0053】

ステップＳ１０において、測定点Ａ１と測定点Ａ３との間の距離を計測し、測定点Ａ２と測定点Ａ３との間の距離を計測する。この距離の計測は、ステップＳ６と同様に、安価な測長機器を使用して行なわれてもよく、手作業で行なわれてもよい。

【0054】

ステップＳ１１において、測定点Ａ３の計測座標を設定する。測定点Ａ３からＸ軸におろした垂線とＸ軸とが交わる点から測定点Ａ１（原点）までの距離を、測定点Ａ３のＸ座標とする。測定点Ａ３を始点として、Ｘ軸におろした垂線がＸ軸と交わる点を終点とした２点間の長さを、測定点Ａ３のＺ座標とする。ステップＳ６で計測した測定点Ａ１と測定点Ａ２との間の距離と、ステップＳ１０で計測した測定点Ａ１と測定点Ａ３との間の距離および測定点Ａ２と測定点Ａ３との間の距離とを用いて、測定点Ａ１，Ａ３を結ぶ直線とＸ軸とのなす角度の余弦を余弦定理により演算し、この余弦と、測定点Ａ１と測定点Ａ３との間の距離とから、測定点Ａ３のＸ座標を求めてもよい。測定点Ａ１，Ａ３を結ぶ直線とＸ軸とのなす角度の正弦を、三角比の公式により演算し、この正弦と、測定点Ａ１と測定点Ａ３との間の距離とから、測定点Ａ３のＺ座標を求めてもよい。なお、求めたい座標（パラメータ）の数に応じて、作業機２を操作して測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３以外の位置に刃先８ａを移動させ、本実施形態に示す情報較正方法により各座標の算出を行えばよい。

【0055】

ステップＳ１２において、測定点の計算座標の算出に用いる情報の初期値を入力する。測定点の計算座標の算出に用いる情報は、ブームピン１３のＸ座標Ｘｂｆ、ブームピン１３のＺ座標Ｚｂｆ、ブーム６のリンク長ｂｍ、アーム７のリンク長ａｍ、バケット８のリンク長ｃｍ、アーム７の角度を検出するアームＩＭＵ３３の出力値αに対するオフセット値αｏｆ、ブーム６の角度を検出するブームＩＭＵ３２の出力値βに対するオフセット値βｏｆ、および、バケット８の角度を検出するバケットＩＭＵ３４の出力値Ｃに対するオフセット値Ｃｏｆである。

【0056】

図７は、ブームピン１３の座標を示す側面模式図である。上述した手法で、測定点Ａ１を原点として、Ｘ軸およびＺ軸が設定される。ブームピン１３のＸ座標Ｘｂｆは、ブームピン１３と測定点Ａ１との間のＸ方向（たとえば、水平方向）の距離であり、たとえば巻き尺などで計測した値を初期値とすることができる。ブームピン１３のＺ座標Ｚｂｆは、ブームピン１３とＸ軸（たとえば、地面）との間のＺ方向（たとえば、上下方向）の距離であり、たとえば巻き尺などで計測した値を初期値としてもよく、ブームピン１３から履帯５Ｃｒの下面までの寸法の設計値を初期値とすることもできる。設計値とは、油圧ショベル１００を製造するために定めた各部位の寸法である。

【0057】

ブーム６のリンク長ｂｍ、アーム７のリンク長ａｍおよびバケット８のリンク長ｃｍの初期値は、設計値を用いることができる。角度センサのオフセット値αｏｆ，βｏｆ，Ｃｏｆの初期値をゼロとしてもよい。油圧ショベル１００に関する情報を較正する処理を実行するコントローラに、これらの初期値を入力する。測長機器からコントローラへの自動入力がなされてもよく、コントローラへの手入力が行なわれてもよい。コントローラが情報を記憶する情報記憶部を有していてもよく、一部または全部の情報、たとえばリンク長の設計値、が予め情報記憶部に記憶されていてもよい。

【0058】

アームＩＭＵ３３の出力値αと、ブームＩＭＵ３２の出力値βと、測定点の計算座標の算出に用いられる各情報の初期値とを用いて、アームピン１４のＸ座標Ｘａｔを、以下の式（１）で計算する。

【0059】

【数1】

【0060】

アームピン１４のＺ座標Ｚａｔを、以下の式（２）で計算する。

【0061】

【数2】

【0062】

式（１）で計算されたＸａｔと、バケットＩＭＵ３４の出力値Ｃと、各情報の初期値とを用いて、測定ターゲットであるバケット８の刃先８ａのＸ座標Ｘｔｔを、以下の式（３）で計算する。

【0063】

【数3】

【0064】

式（２）で計算されたＺａｔと、バケットＩＭＵ３４の出力値Ｃと、各情報の初期値とを用いて、バケット８の刃先８ａのＺ座標Ｚｔｔを、以下の式（４）で計算する。

【0065】

【数4】

【0066】

本実施形態の説明では測定点が３点ある場合について説明するが、後述するように測定点は３点以上あってもよい。したがって、測定点をｎ点として以下数式を用いて説明する。ｎ点の測定点について計測座標を求め、それらの測定点に対応する測定ターゲットの計算座標を計算する。ｎ個の計算座標を、式（５）のように、行列を用いて表すことができる。

【0067】

【数5】

【0068】

また、ｎ点の測定点についての計測座標を、式（６）のように行列を用いて表すことができる。

【0069】

【数6】

【0070】

ステップＳ１３において、最小二乗法により、作業機２に関する各情報を導出する。導出される情報は、上述した通り、ブームピン１３のＸ座標Ｘｂｆ、ブームピン１３のＺ座標Ｚｂｆ、ブーム６のリンク長ｂｍ、アーム７のリンク長ａｍ、バケット８のリンク長ｃｍ、アーム７の角度を検出するアームＩＭＵ３３の出力値αに対するオフセット値αｏｆ、ブーム６の角度を検出するブームＩＭＵ３２の出力値βに対するオフセット値βｏｆ、および、バケット８の角度を検出するバケットＩＭＵ３４の出力値Ｃに対するオフセット値Ｃｏｆである。

【0071】

式（６）で示される測定点の計測座標Ｐｔｔと、式（５）で示される測定点の計算座標Ｐ^＊ｔｔと、の差を最小化するような、作業機２に関する情報を導出する。たとえば参考文献（茨木創一著、「工作機械の空間精度 ３次元運動誤差の幾何学モデル・補正・測定」、森北出版、２０１７年４月）に記載されているように、Ｎｅｗｔｏｎ法を用いた非線形最小二乗法を適用することにより、作業機２のリンク部材の長さ、角度センサのオフセット値を含む各情報を、同時に導出することができる。

【0072】

最後に、ステップＳ１４において、情報を更新する。コントローラの情報記憶部に記憶されていた作業機２に関する情報の初期値を、ステップＳ１３で導出された値で上書きして、作業機２に関する情報を更新する。このようにして、油圧ショベル１００に関する情報を較正する一連の処理を終了する（図３の「エンド」）。なお、本実施形態においては、ステップＳ４やステップＳ８において計測座標系を規定したが、計測座標系を規定せずとも、各測定点の距離に基づく計測点の計測座標を求めてもよい。

【0073】

上述した説明と一部重複する記載もあるが、本実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて記載すると、以下の通りである。

【0074】

実施形態における情報較正方法では、図３に示されるステップＳ１，Ｓ３，Ｓ７において、測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３に、測定ターゲットである刃先８ａを順次停止させる。ステップＳ２，Ｓ５，Ｓ９において、刃先８ａを各々の測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３に停止させた状態で、車体に対する作業機２の姿勢を計測する。ステップＳ６，Ｓ１０において、各々の測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３間の距離を計測する。ステップＳ１３において、測定点間の距離に基づく測定点の計測座標と、作業機２の姿勢と作業機械に関する情報とを用いて計算される測定点の計算座標と、の差を最小化する情報を導出する。ステップＳ１４において、情報を更新する。

【0075】

測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３間の距離を計測するために、高価な自動追尾型の測長機器を用いる必要がない。手作業で距離を計測してもよく、長さを計測する任意の道具さえあれば安価でどこでも計測ができる。この測定点間の距離を用いて、作業機械に関する情報を較正することができる。したがって、実施形態の情報較正方法によれば、作業機械に関する情報を安価で容易に較正することができる。工事現場において較正をやり直すことも可能になる。この較正された情報に基づいて、バケット８の刃先８ａの位置を正確に導出することができるので、情報化施工における作業機２の位置の演算の精度を向上することができる。

【0076】

図１，２に示されるように、作業機２は、旋回体３とブーム６とがブームピン１３を介して接続され、ブーム６とアーム７とがアームピン１４を介して接続され、アーム７とバケット８とがバケットピン１５を介して接続された、リンク機構を有している。実施形態の情報較正方法によって較正される情報は、ブームピン１３とアームピン１４との間の距離と、アームピン１４とバケットピン１５との間の距離とを含む。この距離の情報から、図２に示されるブーム６のリンク長ｂｍおよびアーム７のリンク長ａｍを適切に較正することができる。作業機２の寸法を算出するために各ピンの位置に測量ターゲットを取り付けて各ピンの位置を直接計測しなくてもよいため、短時間の簡便な作業で、油圧ショベル１００の作業機２の寸法の情報を正確に得ることができる。

【0077】

図４に示されるように、測定ターゲットは、複数のリンク部材のうちの先端のリンク部材である、バケット８に設定される。実施形態の情報較正方法によって較正される情報は、測定ターゲットである刃先８ａの位置とバケットピン１５との間の距離とを含む。この距離の情報から、図２に示されるバケット８のリンク長ｃｍを適切に較正することができる。

【0078】

図２に示されるように、油圧ショベル１００は、ブームＩＭＵ３２、アームＩＭＵ３３、およびバケットＩＭＵ３４をさらに有している。ブームＩＭＵ３２、アームＩＭＵ３３、およびバケットＩＭＵ３４は、作業機２の姿勢を計測する角度センサとしての機能を有している。実施形態の情報較正方法によって較正される情報は、ブームＩＭＵ３２、アームＩＭＵ３３、およびバケットＩＭＵ３４の出力値に対するオフセット値を含んでいる。これにより、角度センサを適切に較正することができる。

【0079】

図１，２に示されるように、油圧ショベル１００の旋回体３に、旋回体３に対する作業機２の相対移動の基準点となるブームピン１３が設けられる。実施形態の情報較正方法によって較正される情報は、動作平面Ｐ上に規定される座標系におけるブームピン１３のＸ座標Ｘｂｆおよびブームピン１３のＺ座標Ｚｂｆを含んでいる。これにより、ブームピン１３の位置を適切に較正することができる。

【0080】

図３に示されるように、実施形態の情報較正方法は、平面である動作平面Ｐ上にＸ軸を設定するステップＳ４と、動作平面Ｐ上にＺ軸を設定するステップＳ８とをさらに備えている。図５，６に示されるように、測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３に基づいて座標系を設定し、その座標系における測定点の計測座標と計算座標とに対して最小二乗法を適用することによって、作業機械に関する情報を較正することができる。

【0081】

図４，５に示されるように、測定点Ａ１を動作平面Ｐ上の原点に設定し、測定点Ａ１と測定点Ａ２とを結ぶ方向を動作平面Ｐ上のＸ軸として設定する。これにより、Ｘ軸を簡便に設定することができる。図６に示されるように、Ｘ軸に直交する方向をＺ軸として設定することができ、これにより、ＸＺ直交座標系を簡便に設定することができる。

【0082】

上記の実施形態の説明では、平面である動作平面Ｐ上に３点の測定点Ａ１，Ａ２，Ａ３を設定する例について説明した。同一の平面上に、より多数の測定点を設定してもよい。たとえば、バケット８の刃先８ａを、測定点Ａ１と測定点Ａ２との間の１つ以上の位置において地面などに接触させて、そのときの刃先８ａの位置を測定点としてもよい。バケット８の刃先８ａを、測定点Ａ１，Ａ２よりも上方の位置であって測定点Ａ３とは異なる１つ以上の位置に移動させて、そのときの刃先８ａの位置を測定点としてもよい。測定点の数を増加させることで、測定点の計測座標と計算座標との差を最小化するような油圧ショベル１００に関する情報の導出を、より精度よく実行することができる。

【0083】

バケット８の刃先８ａを各測定点に停止させた状態で、角度センサの値を複数回取得してもよい。作業機２の各リンク部材のガタによるずれ、油圧装置に特有の微小なリークなどにより、作業機２の先端の刃先８ａが自然落下している場合がある。たとえば、ステップＳ６で距離を計測する前にステップＳ５で角度センサの値を取得し、距離を計測した後に、角度センサの値を再度取得して、角度センサの値に差がないことを確認する機能を備えてもよい。

【0084】

上記の実施形態の説明では、作業機械の一例として油圧ショベル１００を挙げているが、油圧ショベル１００に限らず、ローディングショベル、機械式のロープショベル、電動ショベル、バケットクレーンなどの他の種類の作業機械にも適用可能である。

【0085】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0086】

１ 本体、２ 作業機、３ 旋回体、５ 走行体、６ ブーム、７ アーム、８ バケット、８ａ 刃先、１０ ブームシリンダ、１１ アームシリンダ、１２ バケットシリンダ、１３ ブームフートピン、１４ アーム連結ピン、１５ バケット連結ピン、２６ コントローラ、３２ ブームＩＭＵ、３３ アームＩＭＵ、３４ バケットＩＭＵ、１００ 油圧ショベル、Ａ１，Ａ２，Ａ３ 位置、Ｐ 動作平面、ＲＸ 旋回軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】