特開 2023-164067 取付位置決定方法、作業機、作業機械および姿勢検出センサ

(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】P2023164067

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】取付位置決定方法、作業機、作業機械および姿勢検出センサ

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/26 20060101AFI20231102BHJP

【ＦＩ】

E02F9/26 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075379

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】酒井 峻

(72)【発明者】

【氏名】久 隼人

【テーマコード（参考）】

2D015

【Ｆターム（参考）】

2D015HA03

2D015HB04

(57)【要約】

【課題】撓みを考慮していないことに起因する姿勢検出の検出誤差を低減することが可能な作業機を提供すること。
【解決手段】取付位置決定方法は、ブーム１０を有する作業機３の、ブーム１０の姿勢を検出するブーム角度センサ４１の取付位置決定方法であって、設計上におけるブーム１０のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを結ぶ直線Ｌ１を取得し、直線Ｌ１に基づいて求められるブーム１０が撓んだ状態の撓み曲線Ｃを取得し、撓み曲線Ｃにおけるブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを結ぶ直線Ｌ２を取得し、直線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度αを取得し、直線Ｌ１と、撓み曲線Ｃの接線とのなす角度βを取得し、角度βが角度αと等しくなる撓み曲線Ｃ上の位置を基準位置Ｐ６´として決定し、基準位置Ｐ６´の位置情報のうち、ブーム１０の長手方向における位置情報に基づいて、ブーム１０におけるブーム角センサ４１の取付位置Ｐ１０を決定する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リンク部材を有する作業機の、前記リンク部材の姿勢を検出する姿勢検出センサの取付位置決定方法であって、
設計上における前記リンク部材の基端部と先端部を結ぶ第１直線を取得し、
前記第１直線に基づいて求められる前記リンク部材が撓んだ状態の撓み曲線を取得し、
前記撓み曲線における前記基端部と前記先端部を結ぶ第２直線を取得し、
前記第１直線と前記第２直線とのなす第1角度を取得し、
前記第１直線と、前記撓み曲線の接線とのなす第２角度を取得し、
前記第２角度が前記第１角度と等しくなる撓み曲線上の位置を基準位置として決定し、
前記基準位置の位置情報のうち、前記リンク部材の長手方向における位置情報に基づいて、前記リンク部材における前記姿勢検出センサの取付位置を決定する、
取付位置決定方法。

【請求項2】

前記基準位置の位置情報のうち、前記リンク部材の長手方向における位置情報に基づいて、前記リンク部材における前記姿勢検出センサの取付位置を決定する、とは、
前記基準位置を通り、前記第１直線に対して直交する第３直線または平面を取得し、
前記第３直線または前記平面と、前記リンク部材とが交差する範囲に基づいて、前記リンク部材における前記姿勢検出センサの取付位置を決定する、である
請求項１に記載の取付位置決定方法。

【請求項3】

前記リンク部材はブームである、請求項１に記載の取付位置決定方法。

【請求項4】

前記リンク部材はアームである、請求項１に記載の取付位置決定方法。

【請求項5】

前記第１直線は、撓みが最大となる前記作業機の姿勢に基づいて取得される、
請求項１に記載の取付位置決定方法。

【請求項6】

前記第１直線は、前記基端部と前記先端部とが水平である前記作業機の姿勢に基づいて取得される、
請求項１に記載の取付位置決定方法。

【請求項7】

前記作業機は、前記リンク部材の前記先端部に回転可能に取り付けられた第２リンク部材をさらに有し、
前記第１直線は、前記第２リンク部材が上下方向に延びる前記作業機の姿勢に基づいて取得される、
請求項１に記載の取付位置決定方法。

【請求項8】

基端部と先端部を有するリンク部材と、
請求項１に記載の取付位置決定方法によって決定された位置に、取付位置を有する、
作業機。

【請求項9】

基端部と先端部を有するリンク部材と、
前記リンク部材における取付位置に取り付けられた前記リンク部材の姿勢を検出する姿勢検出センサと、を備え、
前記取付位置は、請求項１に記載の取付位置決定方法によって決定された位置である、
作業機。

【請求項10】

下部構造体と、
前記下部構造体の上側に旋回可能に配置された旋回体と、
請求項８または請求項９に記載の作業機と、を備え、
前記作業機は、前記リンク部材の前記基端部において前記旋回体に回転可能に取り付けられ、
前記作業機は、
前記リンク部材の前記先端部に回転可能に取り付けられた第２リンク部材と、
前記第２リンク部材に取り付けられたアタッチメントと、を更に有する、
作業機械。

【請求項11】

リンク部材の姿勢を検出するために前記リンク部材における取付位置に取付可能な姿勢検出センサであって、
前記取付位置は、請求項１に記載の取付位置決定方法によって決定された位置である、
姿勢検出センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、取付位置決定方法、作業機、作業機械および姿勢検出センサに関する。

【背景技術】

【0002】

作業機を有する作業機械において、アタッチメントであるバケットの刃先の位置を算出する技術が、知られている。例えば、特許文献１の作業機械は、車両本体と作業機とを備えている。車両本体には、車体の位置を検出するために、例えばGNSS（Global Navigation Satellite System）のアンテナが設けられている。また、車両本体には、例えばIMU（Inertial Measurement Unit）が配置されている。IMUは、車両本体のロール角、及び、ピッチ角などを検出する。作業機は、ブームと、アームと、バケットと、それらを駆動する油圧シリンダとを有している。作業機械のコントローラは、車両本体の位置と姿勢、作業機の各部分の寸法、及び、作業機の各部分が回転する角度などから、バケットの刃先位置を算出する。

【0003】

また、特許文献２では、アタッチメントの姿勢を精度よく検出するために、ブーム、アームおよびバケットの姿勢を検出するIMU（Inertial Measurement Unit）を、それぞれの回動軸の近傍に取り付けた構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】再表２０１６／０５６６７６号公報

【特許文献2】特開２０１９－１３２０３８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、IMUによる検出値を用いてバケットの刃先位置を算出する際、作業機を剛体とみなして導出しているため、撓みが発生する実際の作業機における刃先位置に対して誤差が生じる。このような誤差は、長尺の作業機ほど顕在化しやすい。

【0006】

本開示は、撓みを考慮していないことに起因する姿勢検出の検出誤差を低減することが可能な取付位置決定方法、作業機、作業機械および姿勢検出センサ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】

【0007】

本開示の第１の態様に係る取付位置決定方法は、リンク部材を有する作業機の、リンク部材の姿勢を検出する姿勢検出センサの取付位置決定方法であって、設計上におけるリンク部材の基端部と先端部を結ぶ第１直線を取得し、第１直線に基づいて求められるリンク部材が撓んだ状態の撓み曲線を取得し、撓み曲線における基端部と先端部を結ぶ第２直線を取得し、第１直線と第２直線とのなす第1角度を取得し、第１直線と、撓み曲線の接線とのなす第２角度を取得し、第２角度が第１角度と等しくなる撓み曲線上の位置を基準位置として決定し、基準位置の位置情報のうち、リンク部材の長手方向における位置情報に基づいて、リンク部材における姿勢検出センサの取付位置を決定する。

【0008】

本開示の第２の態様に係る作業機は、リンク部材と、取付位置と、を有する。リンク部材は、基端部と先端部とを有する。取付位置は、第１の態様に係る取付位置決定方法によって決定された位置である。

【0009】

本開示の第３の態様に係る作業機は、リンク部材と、姿勢検出センサと、を有する。リンク部材は、基端部と先端部とを有する。姿勢検出センサは、リンク部材における姿勢検出センサの取付位置に取り付けられ、リンク部材の姿勢を検出する。取付位置は、第１の態様に係る取付位置決定方法によって決定された位置である。

【0010】

本開示の第４の態様に係る作業機械は、下部構造体と、旋回体と、第２の態様または第３の態様の作業機と、を備える。旋回体は、下部構造体の上側に旋回可能に配置されている。作業機は、リンク部材の基端部において旋回体に回転可能に取り付けられている。作業機は、リンク部材の先端部に回転可能に取り付けられた第２リンク部材と、第２リンク部材に取り付けられたアタッチメントと、を更に有する。

【0011】

本開示の第５の態様に係る姿勢検出センサは、リンク部材の姿勢を検出するためにリンク部材における姿勢検出センサの取付位置に取付可能な姿勢検出センサであって、取付位置は、第１の態様に係る取付位置決定方法によって決定された位置である。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、撓みを考慮していないことに起因する姿勢検出の検出誤差を低減することが可能な取付位置決定方法、作業機、作業機械および姿勢検出センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示にかかる実施形態における作業機械の斜視図。

【図2】本開示にかかる実施形態における作業機械の駆動系と制御システムの構成を示すブロック図。

【図3】本開示にかかる実施形態における作業機械の構成を模式的に示す図。

【図4】本開示にかかる実施形態においてバケットとブームの基端部との水平方向における距離が最も長くなるような作業機の姿勢を示す側面図。

【図5】図４の姿勢においてブームの長手方向の座標に対するブームの長手方向に対して垂直な方向における撓み量の変化を示す図。

【図6】本開示にかかる実施形態においてアームが上下方向に沿うような作業機の姿勢を示す側面図。

【図7】図６の姿勢においてブームの長手方向の座標に対するブームの長手方向に対して垂直な方向における撓み量の変化を示す図。

【図8】ブーム角センサのブームへの取付方法を説明するためのフロー図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係る作業機、作業機械、ブーム、姿勢検出センサおよび姿勢検出センサの取付方法について説明する。

【0015】

（作業機械１の概要）
図１は、実施形態に係る作業機械１の斜視図である。

【0016】

作業機械１は、車両本体２（作業機械本体の一例）と、作業機３と、を主に有する。車両本体２は、旋回体４と下部構造体５とを有する。旋回体４は、下部構造体５の上側に配置されている。旋回体４は、下部構造体５に対して旋回可能に支持されている。旋回体４には、運転室６が配置されている。下部構造体５は履帯５ａ，５ｂを含む。履帯５ａ，５ｂが回転することにより作業機械１が走行する。

【0017】

（作業機３）
作業機３は、車両本体２に取り付けられている。作業機３は、ブーム１０と、アーム１１と、バケット１２とを含む。ブーム１０は、リンク部材の一例である。アーム１１は、リンク部材または第２リンク部材の一例である。

【0018】

ブーム１０は、ブームピン１３を介して旋回体４に回転可能に取り付けられている。アーム１１は、アームピン１４を介してブーム１０のブームトップ１０ｂに回転可能に取り付けられている。バケット１２は、バケットピン１５を介して、アーム１１に回転可能に取り付けられている。なお、ブーム１０のブームピン１３が取り付けられる部分をブームフート１０ａとする。ブーム１０のアームピン１４が取り付けられる部分をブームトップ１０ｂとする。ブームフート１０ａは、ブームの基端部の一例に対応し、ブームトップ１０ｂは、ブームの先端部の一例に対応する。アーム１１のアームピン１４が取り付けられる部分１１ｂ（１０ｂの横に括弧内に符号を示す）は、アームの基端部の一例に対応し、アーム１１のバケットピン１５が取り付けられる部分１１ａは、アームの先端部の一例に対応する。

【0019】

作業機３は、一対のブームシリンダ１６と、アームシリンダ１７と、バケットシリンダ１８とを含む。ブームシリンダ１６と、アームシリンダ１７と、バケットシリンダ１８とは、それぞれ油圧シリンダである。

【0020】

一対のブームシリンダ１６は、ブーム１０を挟んで配置されている。各々のブームシリンダ１６のボトム側の端は、旋回体４に回転可能に取り付けられている。各々のブームシリンダ１６のロッド側の端は、ブーム１０に回転可能に取り付けられている。

【0021】

アームシリンダ１７のボトム側の端は、ブーム１０に回転可能に取り付けられている。アームシリンダ１７のロッド側の端は、アーム１１に回転可能に取り付けられている。

【0022】

バケットシリンダ１８のボトム側の端は、アーム１１に回転可能に取り付けられている。バケットシリンダ１８のロッド側の端は、バケット１２にリンク１９を介して回転可能に取り付けられている。

【0023】

ブームシリンダ１６が伸縮することで、ブーム１０が上下方向に回転する。アームシリンダ１７が伸縮することで、ブーム１０に対してアーム１１が回転する。バケットシリンダ１８が伸縮することで、アーム１１に対してバケット１２が回転する。

【0024】

作業機械１は、駆動系７と、制御システム８と、を更に備える。図２は、作業機械１の駆動系７と制御システム８の構成を示すブロック図である。図２に示すように、駆動系７は、駆動源２１と、油圧ポンプ２２とを備えている。駆動源２１は、例えば内燃エンジンである。ただし、駆動源は、電動モータ、或いはエンジンと電動モータとのハイブリッド機構であってもよい。油圧ポンプ２２は、駆動源２１によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ２２から吐出された作動油は、ブームシリンダ１６とアームシリンダ１７とバケットシリンダ１８とに供給される。

【0025】

作業機械１は、第１走行モータ２３ａと、第２走行モータ２３ｂと、旋回モータ２４とを備えている。第１走行モータ２３ａは、履帯５ａを駆動する。第２走行モータ２３ｂは、履帯５ｂを駆動する。旋回モータ２４は、旋回体４を旋回させる。油圧ポンプ２２から吐出された作動油は、第１走行モータ２３ａと、第２走行モータ２３ｂと、旋回モータ２４とに供給される。なお、図２では、１つの油圧ポンプ２２が図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。

【0026】

（制御システム８）
図２は、制御システム８の構成を示すブロック図である。

【0027】

制御システム８は、図２に示すように、操作装置２５と、入力装置２６と、ディスプレイ２７と、を備える。操作装置２５と、入力装置２６と、ディスプレイ２７とは、運転室６に配置されている。操作装置２５は、作業機３、旋回体４、及び下部構造体５を操作するための装置である。操作装置２５は、作業機３、旋回体４、及び下部構造体５を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。操作装置２５は、例えば、レバー、ペダル、スイッチ等を含む。

【0028】

入力装置２６は、作業機械１の制御の設定を行うためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。入力装置２６は、例えばタッチスクリーンである。或いは、入力装置２６は、レバー、或いはスイッチを含んでもよい。ディスプレイ２７は、ディスプレイ２７に入力される指令信号に応じた画像を表示する。ディスプレイ２７は、作業機械１の制御の設定を行うための画面を表示する。また、ディスプレイ２７は、作業機械１による作業を補助するためのガイド画面を表示する。

【0029】

制御システム８は、コントローラ３１と、記憶装置３２と、制御弁３３とを含む。コントローラ３１は、取得したデータに基づいて作業機械１を制御するようにプログラムされている。コントローラ３１は、CPU（Central Processing Unit）などのプロセッサと、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）などのメモリとを含む。記憶装置３２は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどを含む。記憶装置３２は、非一時的な（non-transitory）コントローラ３１で読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置３２は、プロセッサによって実行可能であり作業機械１を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

【0030】

コントローラ３１は、操作装置２５及び入力装置２６から操作信号を取得する。コントローラ３１は、操作信号に基づいて、制御弁３３を制御する。制御弁３３は、コントローラ３１からの指令信号によって制御される。なお、制御弁３３は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁３３は、電磁比例制御弁であってもよい。制御弁３３は、油圧ポンプ２２から第１走行モータ２３ａと第２走行モータ２３ｂとに供給される作動油の流量を制御する。それにより、操作装置２５の操作に応じて、作業機械１が走行する。制御弁３３は、油圧ポンプ２２から、ブームシリンダ１６、アームシリンダ１７、及びバケットシリンダ１８に供給される作動油の流量を制御する。コントローラ３１は、操作装置２５の操作に応じて、ブーム１０、アーム１１、及びバケット１２が動作するように、制御弁３３への指令信号を生成する。制御弁３３は、油圧ポンプ２２から、旋回モータ２４へ供給される作動油の流量を制御する。コントローラ３１は、操作装置２５の操作に応じて、旋回体４が旋回するように、制御弁３３への指令信号を生成する。

【0031】

制御システム８は、位置センサ３４を備えている。位置センサ３４は、作業機械１の位置を測定する。位置センサ３４は、車両本体２に配置されている。位置センサ３４は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ３５と、アンテナ３６と、車体傾斜角センサ３７とを備える。GNSSレシーバ３５は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機である。GNSSレシーバ３５は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナ３６の位置を演算して車体位置データを生成する。コントローラ３１は、GNSSレシーバ３５から車体位置データを取得する。車体傾斜角センサ３７は、慣性計測装置（（IMU）Inertial Measurement Unit）である。車体傾斜角センサ３７は、傾斜角データを取得する。傾斜角データは、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。

【0032】

制御システム８は、作業機３の姿勢センサ３８を含む。姿勢センサ３８は、作業機３の姿勢を示す姿勢データを検出する。姿勢センサ３８は、ブーム角センサ４１（姿勢検出センサの一例）と、アーム角センサ４２と、バケット角センサ４３とを含む。姿勢データは、ブーム角と、アーム角と、バケット角とを含む。ブーム角センサ４１は、ブーム角θ１を検出する。図３は、作業機械１の構成を模式的に示す図である。図３に示すように、ブーム角θ１は、車両本体２におけるブーム１０の傾斜角を示す。

【0033】

アーム角センサ４２は、アーム角θ２を検出する。アーム角θ２は、ブーム１０に対するアーム１１の傾斜角を示す。バケット角センサ４３は、バケット角θ３を検出する。バケット角θ３は、アーム１１に対するバケット１２の傾斜角を示す。

【0034】

ブーム角センサ４１は、例えばIMUであり、ブーム１０に取り付けられる。ブーム角センサ４１のブーム１０への取付位置については、後段にて詳述する。ブーム角センサ４１は、傾斜角センサであってもよい。アーム角センサ４２は、例えばIMUであり、アーム１１に取り付けられる。アーム角センサ４２は、傾斜角センサ或いはアームシリンダ１７のストローク量を検出する検出信号を出力してもよい。バケット角センサ４３は、例えば、バケットシリンダ１８のストローク量を示す検出信号を出力する。なお、バケット角センサ４３は、傾斜角センサ或いはIMUであってもよい。コントローラ３１は、それらの検出信号に基づいて、ブーム角θ１、アーム角θ２、及びバケット角θ３を算出する。

【0035】

記憶装置３２は、車両本体２と作業機３との形状データとを記憶している。車両本体２の形状データは、車両本体２の形状を示す。車両本体２の形状データは、アンテナ３６と車両本体２における基準位置との位置関係を示す。車両本体２の形状データは、車両本体２における基準位置と、ブームピン１３（ブームフート１０ａ）との位置関係を示す。

【0036】

作業機３の形状データは、作業機３の形状を示す。形状データは、ブーム長Ｄ１と、アーム長Ｄ２と、バケット長Ｄ３とを含む。ブーム長Ｄ１は、ブームピン１３からアームピン１４までの長さである。ブーム長Ｄ１は、ブームフート１０ａからブームトップ１０ｂまでの長さともいえる。アーム長Ｄ２は、アームピン１４からバケットピン１５までの長さである。バケット長Ｄ３は、バケットピン１５からバケット１２の刃先Ｐ１２までの長さである。コントローラ３１は、車体傾斜角データと、姿勢データと、形状データとに基づいて、位置センサ３４が検出した車体位置データから、バケット位置データを算出する。バケット位置データは、バケット１２の刃先Ｐ１２の位置を示す。

【0037】

記憶装置３２は、現況地形データと設計地形データとを記憶している。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。設計地形データは、作業現場の目標形状を示す。コントローラ３１は、現況地形データと、設計地形データと、形状データとに基づいて、ディスプレイ２７に現況地形、設計地形、および作業機械１の位置（バケット１２の刃先Ｐ１２の位置）を表示させる。

【0038】

（ブーム角センサ４１のブーム１０への取付位置）
次に、ブーム１０におけるブーム角センサ４１の取付位置について説明する。本実施の形態では、ブーム角センサ４１のブーム１０への取付位置は、ブーム１０の撓みを考慮して設定されている。

【0039】

図４は、ブームがたわみ影響を大きく受ける状態、すなわち、ブーム１０の長手方向の姿勢を水平状態に近づけた状態の作業機３の姿勢を示す側面図である。図４では、ブームシリンダ１６を所定の長さに伸縮させることによって、ブーム１０のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂとを通る直線Ｌ１が水平方向に沿うように配置されている。図４では、設計上の作業機３が実線で示され、撓んだ状態の作業機３が二点鎖線で示されている。図４では、アームシリンダ１７が最も縮んだ状態となっている。設計上の作業機３におけるバケット１２の刃先の位置がＰ１２で示され、撓んだ状態の作業機３におけるバケット１２の刃先の位置がＰ１２´で示されている。

【0040】

直線Ｌ１（第１直線に一例）は、記憶装置３２に記憶されている設計時の寸法データによって求めることができる。直線Ｌ１は、設計上の直線であり、図４の作業機３の姿勢においてブーム１０を剛体とした場合のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを通る直線である。直線Ｌ１のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂの間を４等分する位置を、ブームフート１０ａの位置から順にＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４およびＰ５とする。図４では、直線Ｌ１は水平になるように配置されている。ブームフート１０ａが位置Ｐ１となり、ブームトップ１０ｂが位置Ｐ５となる。なお、本実施形態では、直線Ｌ１のブームフート１０ａからブームトップ１０ｂの間を４等分したが、これに限らなくてもよく、ブームの長さおよび形状に合わせて任意の位置や点数で分割してもよい。

【0041】

ブーム１０のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂの間における撓み曲線Ｃが一点鎖線で示されている。撓み曲線Ｃは、設計上の直線Ｌ１に基づいて、ＦＥＭ解析で取得することができる。ＦＥＭ解析には、例えばブームフート１０ａとブームトップ１０ｂの間の設計上の形状、寸法、およびブーム１０の剛性やブーム１０を構成する材料物性等が用いられる。また、撓み曲線Ｃは、ブーム１０にリフレクターを貼り付けレーザトラッカーを用いて求めてもよい。図４に示すように、撓み曲線Ｃは、ブームフート１０ａの位置Ｐ１を中心に、ブームトップ１０ｂの位置Ｐ５が下方に移動し、上に膨らむように湾曲している。撓み曲線Ｃにおけるブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを結ぶ直線をＬ２（第２直線の一例）とする。直線Ｌ２は破線で示されている。

【0042】

撓んだ状態の作業機３におけるバケット１２の爪の位置Ｐ１２´を算出するためには、ブームトップ１０ｂの位置Ｐ５´を決定する必要がある。本実施の形態では、撓みによるブームトップ１０ｂの位置の移動を回転に近似することによって、ブームトップ１０ｂの位置Ｐ５´を決定する。

【0043】

図５は、ブーム１０の長手方向の座標に対するブーム１０の長手方向に対して垂直な方向における撓み量の変化を示す図である。図５では、横軸（Ｘ軸）が、ブーム１０の長手方向の座標に設定され、縦軸（Ｙ軸）が、ブーム１０の長手方向に対して垂直な方向における撓み量に設定されている。長手方向は、ブームフート１０ａからブームトップ１０ｂに向かう方向であり、直線Ｌ１に沿った方向である。

【0044】

図５では、直線Ｌ１が横軸と一致している。撓み曲線Ｃのブームフート１０ａの位置Ｐ１は、撓んでいない状態におけるブームフート１０ａの位置と一致している。図５の撓み曲線上における位置Ｐ５´は、直線Ｌ１上の位置Ｐ５が移動した位置に設定することができる。図５の撓み曲線上における位置Ｐ２´は、直線Ｌ１上の位置Ｐ２が移動した位置に設定できる。例えば、位置Ｐ２´は、直線Ｌ１に対して直交し、位置Ｐ２を通る直線と撓み曲線Ｃの交わる位置に設定できる。図５の撓み曲線上における位置Ｐ３´は、直線Ｌ１上の位置Ｐ３が移動した位置に設定できる。例えば、位置Ｐ３´は、直線Ｌ１に対して直交し、位置Ｐ３を通る直線と撓み曲線Ｃの交わる位置に設定できる。図５の撓み曲線上における位置Ｐ４´は、直線Ｌ１上の位置Ｐ４が移動した位置に設定できる。例えば、位置Ｐ４´は、直線Ｌ１に対して直交し、位置Ｐ４を通る直線と撓み曲線Ｃの交わる位置に設定できる。なお、図４に示すように、ブーム１０が撓むことにより、位置Ｐ１´～Ｐ５´の長手方向における位置は、位置Ｐ１～Ｐ５とは若干ずれが生じる。

【0045】

次に、直線Ｌ２と直線Ｌ１（横軸）とのなす角度α（第１角度の一例）が取得され、撓み曲線Ｃの接線ＴＬと直線Ｌ１（横軸）とのなす角度β（第２角度の一例）が角度αと一致する撓み曲線Ｃ上の位置が決定される。なお、角度αは、直線Ｌ２と直線Ｌ１とのなす鋭角であり、角度βは撓み曲線Ｃの接線ＴＬと直線Ｌ１とのなす鋭角である。

【0046】

ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄを定数とすると、撓み曲線Ｃを以下の式（１）で近似することができる。

【0047】

ｙ＝ａｘ^４＋ｂｘ^３＋ｃｘ^２＋ｄｘ・・・式（１）
式（１）を微分した以下の式（２）によって、撓み曲線Ｃの接線ＴＬを表すことができる。

【0048】

ｙ´＝４ａｘ^３＋３ｂｘ^２＋２ｃｘ＋ｄ・・・式（２）
接線ＴＬと直線Ｌ１（横軸）とのなす角度βが、角度αと一致するｘの値は、以下の式（３）より求めることができる。

【0049】

α＝ｙ´＝４ａｘ^３＋３ｂｘ^２＋２ｃｘ＋ｄ・・・式（３）
図５には、角度βが角度αと一致する接線ＴＬが実線で示されている。式（３）によって算出されるｘの値をｘ１とする。これにより、撓み曲線Ｃ上の座標（ｘ１、ａｘ１^４＋ｂｘ１^３＋ｃｘ１^２＋ｄｘ１）が求められ、この座標の位置を基準位置Ｐ６´と決定する。

【0050】

基準位置Ｐ６´のｘ座標は、ブーム１０の長手方向における位置情報を示す。ブーム１０の長手方向における位置情報に基づいてブーム１０にブーム角センサ４１を取り付ける位置を決定すればよい。例えば、設計上のブーム１０におけるブーム角センサ４１の取付位置を決定する場合、図４に示すように、この基準位置Ｐ６´を通り且つ直線Ｌ１に対して直交する直線Ｌ３（第３直線の一例）が実線のブーム１０と交わる長手方向における位置を、ブーム角センサ４１の取付位置Ｐ１０と決定することができる。

【0051】

実線のブーム１０は剛体とみなした場合を示すため、例えば、アーム１１およびバケット１２がブーム１０に取り付けられておらず、ブーム１０の撓みが小さい実際の状態の姿勢のときに、図４の取付位置Ｐ１０にブーム角センサ４１を取り付ければよい。図４に示すように、ブーム角センサ４１は、ブーム１０の側面１０ｃに取り付けられている。

【0052】

なお、長手方向の位置が同じであれば、取付位置Ｐ１０は、ブーム１０の側面１０ｃに限られるものではなく、ブーム１０の腹面１０ｄまたは背面１０ｅであってもよい。腹面１０ｄは、図４におけるブーム１０の下側の面であり、背面１０ｅは、図４におけるブーム１０の上側の面である。取付位置Ｐ１０は、ブーム１０が屈曲する屈曲部１０ｆの近傍であってブームトップ１０ｂ側に配置されている。なお、上記では、ブーム角センサ４１の取付位置Ｐ１０を決定するために、直線Ｌ１に対して直交する直線Ｌ３を用いたが、直線Ｌ３に限らず、直線Ｌ１に対して直交する平面であってもよい。この平面と、実線または二点鎖線で示されたブーム１０とが交差する範囲内の位置を取付位置Ｐ１０として決定してもよい。

【0053】

なお、設計上のブーム１０におけるブーム角センサ４１の取付位置を示したが、例えば、図４に示す作業機３の姿勢が実際の状態であり、二点鎖線で示すブーム１０のように撓んだ状態であるときには、直線Ｌ３が二点鎖線で示すブーム１０と交わる位置をブーム角センサ４１の取付位置としてもよい。ブーム１０への取付位置は、基準位置Ｐ６´のｘ座標で示されるブーム１０の長手方向における位置に基づいて、ブーム１０の実際の状態に応じて適宜設定すればよい。

【0054】

これにより、ブームトップ１０ｂが位置Ｐ５から撓みによって移動した位置Ｐ５´の位置Ｐ５からの回転角αを含めたブームの角度を算出することができる。取付位置Ｐ１０に取り付けられたブーム角センサ４１は、ブームシリンダ１６の駆動による角度だけでなく、撓みによる変化量も含んだブーム角θ１を検出することができる。

【0055】

なお、取付位置Ｐ１０を求めるために、撓み曲線Ｃの接線ＴＬと直線Ｌ１とのなす角度βが、直線Ｌ２と直線Ｌ１とのなす角度αに一致するような撓み曲線Ｃ上の位置を求めているが、これに限らなくてもよい。検出されるブーム角度が許容可能な誤差範囲内であれば、角度βが、角度αを含む所定角度範囲内に含まれる撓み曲線Ｃ上の位置を求めてもよい。例えば、所定角度範囲＝α±許容誤差範囲と設定してもよい。この場合、取付位置は、ブーム１０の長手方向において所定領域を有することになる。許容誤差範囲は、要求精度である施工面の仕上げ精度（許容誤差）や、ブーム角センサ４１の測定精度（公差）に基づいて決定してもよい。例えば、施工面の仕上げ精度（許容誤差）とブーム角センサ４１の測定精度（公差）との差に基づいて、許容誤差範囲を決定してもよい。角度αと、許容誤差範囲とに基づいて角度βの許容角度範囲である所定角度範囲を決定してもよい。

【0056】

図６は、作業精度を要求する作業機３の姿勢の一例である。図６は、アーム１１が上下方向に沿うような作業機３の姿勢を示す側面図である。図６の作業機３の姿勢では、バケット１２の刃先Ｐ１２が接地している。図７は、図６の姿勢における作業機３のブーム１０の撓み曲線Ｃを示す図である。図７のグラフは、図５と同様に、横軸が、ブーム１０の長手方向の座標に設定され、縦軸が、ブーム１０の長手方向に対して垂直な方向における撓み量に設定されている。また、図７では、直線Ｌ１が横軸と一致している。図７においても図５と同様に、図６の作業機３の姿勢での設計上におけるブームフート１０ａとブームトップ１０ｂとを結ぶ直線Ｌ１に基づいて、撓み曲線Ｃが求められ、撓み曲線Ｃにおけるブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを通る直線Ｌ２が求められる。そして、直線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度αが取得され、撓み曲線Ｃの接線ＴＬと直線Ｌ１とのなす角度βが角度αと一致する撓み曲線Ｃ上の位置が求められる。これによって求められる、設計上におけるブーム１０への取付位置Ｐ１０が図６に示されている。図６に示す取付位置Ｐ１０は、図４に示す取付位置Ｐ１０と概ね同じ位置であり、屈曲部１０ｆのブームトップ１０ｂ側に配置されている。ブーム角センサ４１を取り付ける取付位置としては、図４の取付位置Ｐ１０または図６の取付位置Ｐ１０であってもよいし、図４の取付位置Ｐ１０または図６の取付位置Ｐ１０の間であってもよい。

【0057】

以上のように求められた取付位置にブーム角センサ４１を取り付けることによって、撓み量を含めたブーム角度を検出することができるので、ブーム１０の撓みによる位置の誤差を低減することができる。これにより、バケット１２の刃先の位置Ｐ１２も精度よく検出することができる。なお、アーム１１についても、上述したブーム１０と同様に取付位置を設定して、アーム角センサ４２をアーム１１に取り付けてもよい。しかしながら、ブーム１０は水平方向に沿う姿勢になることが多く撓みが発生しやすいが、アーム１１は上下方向に延びる姿勢になることが多く撓みが発生しにくいため、アーム１１ではブーム１０のような取付位置を設定しなくてもよい。

【0058】

（ブーム角センサ４１のブーム１０への取付方法）
次に、ブーム角センサ４１のブーム１０への取付方法について記載するとともに、取付位置決定方法の一例についても述べる。図８は、ブーム角センサ４１のブーム１０への取付方法を説明するためのフロー図である。

【0059】

はじめに、ステップＳ１において、設計上におけるブーム１０のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを結ぶ直線Ｌ１に基づいて、ブーム１０のブームフート１０ａとブームトップ１０ｂの間の撓み曲線Ｃが取得される。設計上における直線Ｌ１は、記憶装置３２に記憶されている。撓み曲線Ｃは、例えば、上述したようにＦＥＭ解析等によって取得することができる。

【0060】

次に、ステップＳ２において、撓み曲線Ｃにおけるブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを結ぶ直線Ｌ２と、設計上におけるブームフート１０ａとブームトップ１０ｂを結ぶ直線Ｌ１とのなす角度αが取得される。

【0061】

次に、ステップＳ３において、撓み曲線Ｃの接線ＴＬと直線Ｌ１とのなす角度βが、角度αと一致する撓み曲線Ｃ上の基準位置Ｐ６´が決定される。

【0062】

次に、ステップＳ４において、撓み曲線Ｃ上の基準位置Ｐ６´に対応するブーム１０の長手方向における取付位置Ｐ１０が決定される。ブーム１０の撓みが少ない場合には、例えば、直線Ｌ１と垂直であり基準位置Ｐ６´を通る直線Ｌ３と交わるブーム１０上の位置を、取付位置Ｐ１０に決定することができる。

【0063】

次に、ステップＳ５において、取付位置Ｐ１０に、ブーム角センサ４１が取り付けられる。

【0064】

以上の工程によって、ブーム１０の撓みを考慮した取付位置Ｐ１０を設定し、取付位置Ｐ１０にブーム角センサ４１を取り付けることができる。

【0065】

（特徴等）
以上のように、直線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度αと、撓み曲線Ｃの接線ＴＬと直線Ｌ１とのなす角度βが等しくなる撓み曲線Ｃ上の位置を基準位置Ｐ６´として決定し、基準位置Ｐ６´の位置情報のうち、ブーム１０の長手方向における位置情報に基づいて、ブーム１０におけるブーム角センサ４１の取付位置Ｐ１０を決定する。このため、ブーム角センサ４１によって検出されるブーム角θ１は撓みも含んだ値となり、撓みを考慮してないことに起因するブーム角センサ４１の検出誤差を低減することが可能となる。

【0066】

また、基準位置Ｐ６´を通り、直線Ｌ１に対して直交する直線Ｌ３または平面を取得し、直線Ｌ３または平面と、ブーム１０とが交差する範囲に基づいて、ブーム１０におけるブーム角センサ４１の取付位置Ｐ１０が決定される。このように、ブーム１０における取付位置Ｐ１０を決定することができる。

【0067】

また、ブーム１０に対して、本開示の取付位置決定方法でブーム角センサ４１の取付位置を決定し、後付けでブーム角センサ４１を取り付けることができる。

【0068】

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0069】

（Ａ）
上記実施形態では、ブームピン１３が挿入されるブームフート１０ａと、アームピン１４が挿入されるブームトップ１０ｂを基準として撓み曲線を取得しているが、厳密にブームフート１０ａとブームトップ１０ｂに限られるものではなく、ブーム１０に先端部と基端部であればよい。

【0070】

（Ｂ）
上記実施形態では、バケット１２の刃先１２ｐの位置を求めているが、刃先１２ｐの位置に限らなくてもよい。バケット１２の刃先１２ｐ以外の他の位置を求めてもよい。この位置とバケット１２の形状データから、ディスプレイにバケット１２の姿勢を表示することができる。

【0071】

（Ｃ）
上記実施形態では、図４に示す作業機３の姿勢と図６に示す作業機３の姿勢において撓み曲線Ｃを求めて、ブーム角センサ４１の取付位置を求めたが、センサの取付位置を決定するための作業機３の姿勢は、図４や図６に示す姿勢に限られるものではない。法面を形成する作業などの、高い作業精度を要求する作業時の作業機の姿勢に対応して、センサの取付位置を決定してもよい。作業機が水平方向に延びる姿勢などの、たわみ影響を大きく受ける作業機の姿勢に対応してセンサの取付位置を決定してもよい。作業内容や、作業機械の形状、作業現場の地形を考慮した作業機の姿勢に対応して、センサの取付位置を決定しても良い。

【0072】

（Ｄ）
作業機械１は、上述した油圧ショベルに限らず、機械式ショベル、ロープショベル等の他の機械であってもよい。上記の実施形態に係る作業機械１は、いわゆるバックフォー型のショベルであるが、フェースショベルであってもよい。また、下部構造体は、履帯に限らず、ホイールであってもよい。また、下部構造体は、台船等の船体であってもよい。すなわち、作業機械１は、ブームを含む作業機を備える浚渫船であってもよい。

【0073】

（Ｅ）
上記実施形態では、アタッチメントの一例としてバケット１２がアーム１１に先端に取り付けられているが、これに限らなくてもよく、例えばブレイカー等が取り付けられてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本開示によれば、撓みを考慮していないことに起因する姿勢検出の検出誤差を低減することが可能な取付位置決定方法、作業機、作業機械および姿勢検出センサを提供することができる。

【符号の説明】

【0075】

３ ：作業機
１０ ：ブーム
１０ａ ：ブームフート
１０ｂ ：ブームトップ
Ｃ ：撓み曲線
Ｌ１ ：直線
Ｌ２ ：直線
Ｌ３ ：直線
Ｐ１０ ：取付位置
ＴＬ ：接線
α ：角度
β ：角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】