(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軸を中心として回動し、かつ前記第１軸と直交する第２軸を中心として回動することにより前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸に対して刃先が傾斜するバケットを有する作業機と、前記作業機が取り付けられる本体部とを含む掘削機械に用いられるものであり、
前記掘削機械の現在位置及び姿勢に関する情報を検出する車両状態検出部と、
前記第３軸に対する前記バケットの傾斜角度を前記バケットの傾斜角度として検出するバケット傾斜検出部と、
作業対象の目標形状を示す目標面の位置情報を少なくとも記憶する記憶部と、
前記バケットの傾斜角度並びに前記掘削機械の現在位置及び姿勢に関する情報に基づいて求めた前記バケットの刃先の位置から、前記刃先と前記目標面とのなす角度を刃先傾斜角度として求め、得られた前記刃先傾斜角度に基づいて前記バケットの姿勢に関する情報を示す姿勢情報を表示装置の画面に表示する処理部と、
を含む掘削機械の表示システム。
【請求項２】
前記処理部は、
前記第２軸に直交しかつ前記バケットの刃先を通る平面が前記目標面と交差する交線と、前記刃先とのなす角度を前記刃先傾斜角度として求める、請求項１に記載の掘削機械の表示システム。
【請求項３】
前記処理部は、
前記バケットの前記刃先が前記目標面に正対する前と、正対した後とで、前記表示装置の画面に表示する前記姿勢情報の態様を異ならせる、請求項１又は２に記載の掘削機械の表示システム。
【請求項４】
前記処理部は、
前記姿勢情報を、前記表示装置の画面の端部に表示する、請求項１から３のいずれか１項に記載の掘削機械の表示システム。
【請求項５】
前記処理部は、
前記掘削機械が法面を施工する際に、前記姿勢情報を前記表示装置の画面に表示する、請求項１から４のいずれか１項に記載の掘削機械の表示システム。
【請求項６】
第１軸を中心として回動し、かつ前記第１軸と直交する第２軸を中心として回動することにより前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸に対して刃先が傾斜するバケットを有する作業機と、
前記作業機が取り付けられる本体部と、
前記本体部に備えられた走行装置と、
請求項１から５のいずれか１項に記載の掘削機械の表示システムと、
を含む掘削機械。
【請求項７】
第１軸を中心として回動し、かつ前記第１軸と直交する第２軸を中心として回動することにより前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸に対して刃先が傾斜するバケットを有する作業機と、
前記作業機が取り付けられる本体部とを含む掘削機械に用いられるものであり、
前記第３軸に対する前記バケットの傾斜角度並びに前記掘削機械の現在位置及び姿勢に関する情報に基づいて、前記バケットの刃先の位置を求める手順と、
前記刃先の位置から、前記第２軸に直交しかつ前記バケットの刃先を通る平面が前記目標面と交差する交線と、前記刃先とのなす角度を刃先傾斜角度として求める手順と、
得られた前記刃先傾斜角度に基づいて前記バケットの姿勢に関する情報を示す姿勢情報を表示装置の画面に表示する手順と、
を含む掘削機械の表示用コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削機械の表示システム及びこれを備えた掘削機械並びに及び掘削機械の表示システムに用いる掘削機械の表示用コンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧ショベルは、オペレータが操作レバーを操作することで、バケットを含む作業機が駆動される。このとき、所定勾配の法面又は所定深さの溝等を掘削する場合には、オペレータが作業機の動作を目視するだけで目標とする形状通りに正確に掘削されているか否かを判断することは困難である。また、オペレータが、そのような所定勾配の法面を、目標とする形状通りに効率よく正確に掘削できるようになるには熟練を要する。このため、例えば、作業機の先端に位置するバケットの位置情報を表示装置に表示して、オペレータを補助する技術がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００２／０４０７８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、油圧ショベルの作業機に取り付けられるバケットとしては、バケットが油圧ショベルの前後方向又は上下方向（図１に示す矢印ＳＷ参照）に揺動可能なバケットが知られている。このようなバケットは、作業機のアーム及びブームが回動する軸と平行な位置関係にあるバケット軸（アームとバケットとが連結している箇所にある軸）を中心として回動するものであるが、さらに、バケットが回動する前記バケット軸と直交する軸を中心として回動する、いわゆるチルトバケットと呼ばれているものがある。つまり、チルトバケットとは、油圧ショベルの左右の方向（図１に示す矢印ＴＩＬ参照）にバケットを揺動させ、バケットを左右のいずれかに傾けた状態で掘削作業等が可能なものである。特許文献１の技術は、制御ユニットで計算された、水平面に対するバケット背面の角度に応じて回転するバケットのシンボルを表示するものである。しかし、特許文献１の技術は、上記のような作業機のアーム及びブームが回動する軸と平行な位置関係にあるバケット軸を中心とする回動のみを可能とするバケットを対象としており、チルトバケットについては記載も示唆もない。
【０００５】
本発明は、チルトバケットを備えた掘削機械の操作者に対して、操作を補助するための情報を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る油圧ショベルの表示システムは、第１軸を中心として回動し、かつ前記第１軸と直交する第２軸を中心として回動することにより前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸に対して刃先が傾斜するバケットを有する作業機と、前記作業機が取り付けられる本体部とを含む掘削機械に用いられるものであり、前記掘削機械の現在位置及び姿勢に関する情報を検出する車両状態検出部と、前記バケットの傾斜角度を検出するバケット傾斜検出部と、作業対象の目標形状を示す目標面の位置情報を少なくとも記憶する記憶部と、前記バケットの傾斜角度並びに前記掘削機械の現在位置及び姿勢に関する情報に基づいて求めた前記バケットの刃先の位置から、前記刃先と前記目標面とのなす角度を刃先傾斜角度として求め、得られた前記刃先傾斜角度に基づいて前記バケットの姿勢に関する情報を示す姿勢情報を表示装置の画面に表示する処理部と、を含む。
【０００７】
本発明において、前記処理部は、前記第２軸に直交しかつ前記バケットの刃先を通る平面が前記目標面と交差する交線と、前記刃先とのなす角度を前記刃先傾斜角度として求めることが好ましい。
【０００８】
本発明において、前記処理部は、前記バケットの前記刃先が前記目標面に正対する前と、正対した後とで、前記表示装置の画面に表示する前記姿勢情報の態様を異ならせることが好ましい。
【０００９】
本発明において、前記処理部は、前記姿勢情報を、前記表示装置の画面の端部に表示することが好ましい。
【００１０】
本発明において、前記処理部は、前記掘削機械が法面を施工する際に、前記姿勢情報を前記表示装置の画面に表示することが好ましい。
【００１１】
本発明に係る掘削機械は、第１軸を中心として回動し、かつ前記第１軸と直交する第２軸を中心として回動することにより前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸に対して刃先が傾斜するバケットを有する作業機と、前記作業機が取り付けられる本体部と、前記本体部に備えられた走行装置と、上述した掘削機械の表示システムと、を含む。
【００１２】
本発明に係る掘削機械の表示用コンピュータプログラムは、第１軸を中心として回動し、かつ前記第１軸と直交する第２軸を中心として回動することにより前記第１軸及び前記第２軸と直交する第３軸に対して刃先が傾斜するバケットを有する作業機と、前記作業機が取り付けられる本体部とを含む掘削機械に用いられるものであり、前記バケットの傾斜角度並びに前記掘削機械の現在位置及び姿勢に関する情報に基づいて、前記バケットの刃先の位置を求める手順と、前記刃先の位置から、前記第２軸に直交しかつ前記バケットの刃先を通る平面が前記目標面と交差する交線と、前記刃先とのなす角度を刃先傾斜角度として求める手順と、得られた前記刃先傾斜角度に基づいて前記バケットの姿勢に関する情報を示す姿勢情報を表示装置の画面に表示する手順と、を含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、チルトバケットを備えた掘削機械の操作者に対して、操作を補助するための情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１００が備えるバケット９の正面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１００が備える他の例に係るバケット９ａの斜視図である。
【図４】図４は、油圧ショベル１００の側面図である。
【図５】図５は、油圧ショベル１００の背面図である。
【図６】図６は、油圧ショベル１００が備える制御系を示すブロック図である。
【図７】図７は、設計地形データによって示される設計地形を示す図である。
【図８】図８は、案内画面の一例を示す図である。
【図９】図９は、案内画面の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、姿勢情報表示制御の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、現在刃先位置を求める方法の一例を説明するための図である。
【図１２】図１２は、現在刃先位置を求める方法の一例を説明するための図である。
【図１３】図１３は、現在刃先位置を求める方法の一例を説明するための図である。
【図１４】図１４は、現在刃先位置を求める方法の一例を説明するための図である。
【図１５】図１５は、刃先傾斜角度を求める手法の説明図である。
【図１６】図１６は、刃先傾斜角度を求める手法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態は、掘削機械の一例として油圧ショベルを説明するが、掘削機械は対象を掘削又は埋め戻す機能を有していれば油圧ショベルに限定されるものではない。
【００１６】
＜掘削機械の全体構成＞
図１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１００が備えるバケット９の正面図である。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１００が備える他の例に係るバケット９ａの斜視図である。図４は、油圧ショベル１００の側面図である。図５は、油圧ショベル１００の背面図である。図６は、油圧ショベル１００が備える制御系を示すブロック図である。図７は、設計地形データによって示される設計地形を示す図である。
【００１７】
本実施形態において、掘削機械としての油圧ショベル１００は、本体部としての車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、上部旋回体３と走行装置５とを有する。上部旋回体３は、機関室３ＥＧの内部に、図示しない動力発生装置及び油圧ポンプ等の装置を収容している。機関室３ＥＧは、上部旋回体３の一端側に配置されている。
【００１８】
本実施形態において、油圧ショベル１００は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関を動力発生装置としているが、油圧ショベル１００はこのようなものに限定されない。油圧ショベル１００は、例えば、内燃機関と発電電動機と蓄電装置とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド方式の動力発生装置を備えるもの等であってもよい。
【００１９】
上部旋回体３は、運転室４を有する。運転室４は、上部旋回体３の他端側に載置されている。すなわち、運転室４は、機関室３ＥＧが配置されている側とは反対側に配置されている。運転室４内には、図６に示す、表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される。これらについては後述する。走行装置５は、上部旋回体３を搭載している。走行装置５は、履帯５ａ、５ｂを有している。走行装置５は、図示しない油圧モータが駆動し、履帯５ａ、５ｂが回転することにより走行して、油圧ショベル１００を走行させる。作業機２は、上部旋回体３の運転室４の側方側に取り付けられている。
【００２０】
なお、油圧ショベル１００は、履帯５ａ、５ｂの代わりにタイヤを備え、図示しないディーゼルエンジンの駆動力を、トランスミッションを介してタイヤへ伝達して走行可能な走行装置を備えたものであってもよい。例えばこのような形態の油圧ショベル１００としてホイール式油圧ショベルであってもよい。また、油圧ショベル１００は、このようなタイヤを有した走行装置を備え、さらに車両本体（本体部）に作業機が取り付けられ、図１のような上部旋回体及びその旋回機構を備えていない構造を有する、例えばバックホウローダであってもよい。すなわち、バックホウローダは、車両本体に作業機が取り付けられ、車両本体の一部を構成する走行装置を備えたものである。このようなバックホウローダの作業機のバケットにチルトバケットを取り付けることで、法面を掘削するといった作業が可能である。
【００２１】
上部旋回体３は、作業機２及び運転室４が配置されている側が前であり、機関室３ＥＧが配置されている側が後である。前に向かって左側が上部旋回体３の左であり、前に向かって右側が上部旋回体３の右である。また、油圧ショベル１００又は車両本体１は、上部旋回体３を基準として走行装置５側が下であり、走行装置５を基準として上部旋回体３側が上である。油圧ショベル１００が水平面に設置されている場合、下は鉛直方向、すなわち重力の作用方向側であり、上は鉛直方向とは反対側である。
【００２２】
作業機２は、ブーム６とアーム７とバケット９とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とチルトシリンダ１３とを有する。なお、図１又は図２に示す矢印ＳＷと矢印ＴＩＬとは、バケット９が回動可能な方向を示している。ブーム６の基端部は、ブームピン１４を介して車両本体１の前部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１５を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１６を介して連結部材８が取り付けられている。連結部材８は、チルトピン１７を介してバケット９に取り付けられている。連結部材８は、図示しないピンを介してバケットシリンダ１２と連結されており、バケットシリンダ１２が伸縮することで、バケット９が揺動（図１に示すＳＷ参照）する。つまり、バケット９がアーム７の延在方向と直交する軸を中心として回動できるように取り付けられている。ブームピン１４とアームピン１５とバケットピン１６とは、いずれも平行な位置関係に配置されている。すなわち、それぞれのピンの中心軸は、互いに平行な位置関係になっている。
【００２３】
なお、以下に示す「直交」とは、空間上で、２つの線（又は軸）同士、線（軸）と面又は面と面、といった２つの対象が直交する位置関係のことを意味する。例えば、一つの線（又は軸）が含まれる平面と、他の線（又は軸）が含まれる平面とが平行であって、それらの面のどちらかの面に対し垂直方向から見た場合、一つの線と他の線とが直交している状態を、一つの線と他の線とは直交していると表現する。線（軸）と面、面と面の場合も同様である。
【００２４】
（バケット９）
本実施形態において、バケット９は、チルトバケットと呼ばれるものである。バケット９は、連結部材８を介し、さらにバケットピン１６を介してアーム７に連結されている。さらに、連結部材８において、連結部材８のバケットピン１６が取り付けられる側とは反対のバケット９側には、チルトピン１７を介してバケット９が取り付けられている。チルトピン１７は、バケットピン１６と直交している。すなわち、チルトピン１７の中心軸を含む平面は、バケットピン１６の中心軸と直交する。このように、バケット９は、チルトピン１７を介して、チルトピン１７の中心軸を中心として回動（図１、図２に示す矢印ＴＩＬ参照）できるように連結部材８に取り付けられている。このような構造により、バケット９は、バケットピン１６の中心軸（第１軸）を中心として回動でき、かつチルトピン１７の中心軸（第２軸）を中心として回動できるようになっている。バケットピン１６の軸方向に延びる中心軸は第１軸ＡＸ１であり、バケットピン１６と直交するチルトピン１７の延在方向における中心軸は、第１軸ＡＸ１と直交する第２軸ＡＸ２である。このため、バケット９は、第１軸ＡＸ１を中心として回動し、かつ第２軸ＡＸ２を中心として回動することができる。つまり、バケット９は、第１軸ＡＸ１及び第２軸ＡＸ２の両者と直交する位置関係にある第３軸ＡＸ３を基準とした場合、その基準に対して左右（図２に示す矢印ＴＩＬ）に回動することが可能である。そして、バケット９を左右のいずれかに回動させることで、刃先９Ｔ（より具体的には刃先列９ＴＧ）を地面に対して傾斜させることができる。
【００２５】
バケット９は、複数の刃９Ｂを備えている。バケット９において複数の刃９Ｂは、バケット９のチルトピン１７が取り付けられる側とは反対側の端部に取り付けられている。複数の刃９Ｂは、チルトピン１７と直交する方向、すなわち、第１軸ＡＸ１と平行な位置関係で１列に配列されている。刃先９Ｔは、刃９Ｂの先端部である。本実施形態において、刃先列９ＴＧとは、１列に配列されて並んでいる複数の刃先９Ｔをいう。刃先列９ＴＧは、刃先９Ｔの集合体である。刃先列９ＴＧを表現するにあたって、本実施形態では、複数の刃先９Ｔを結んだ直線（以下、適宜刃先列ラインという）ＬＢＴを用いる。
【００２６】
チルトシリンダ１３は、バケット９と、連結部材８とを連結している。すなわち、チルトシリンダ１３のシリンダロッドの先端がバケット９の本体側に連結され、チルトシリンダ１３のシリンダチューブ側が連結部材８に連結されている。本実施形態においては、２本のチルトシリンダ１３、１３がバケット９及び連結部材８の左右両側で両者を連結しているが、少なくとも１本のチルトシリンダ１３が両者を連結していればよい。一方のチルトシリンダ１３が伸びると他方のチルトシリンダ１３が縮むことにより、バケット９は、チルトピン１７の周りを回動する。その結果、チルトシリンダ１３、１３は、刃先９Ｔ、より具体的には、刃先列ラインＬＢＴで表される刃先９Ｔの集合体である刃先列９ＴＧを、第３軸ＡＸ３に対して傾斜させることができる。
【００２７】
チルトシリンダ１３、１３の伸縮は、運転室４内の図示しないスライド式スイッチ又は足踏み式ペダルといった操作装置によって行うことができる。その操作装置がスライド式スイッチである場合、油圧ショベル１００のオペレータがスライド式スイッチを操作することで、作動油がチルトシリンダ１３、１３に供給又はチルトシリンダ１３、１３から排出され、チルトシリンダ１３、１３が伸縮する。その結果、チルトバケット（バケット９）は、第３軸ＡＸ３を基準として、その操作の量に応じた量だけ左右（図２に示す矢印ＴＩＬ）に回動（刃先９Ｔが傾斜）する。
【００２８】
図３に示すバケット９ａは、チルトバケットの一種であって、主として法面を施工するために用いられる。バケット９ａは、チルトピン１７の中心軸を中心として回動する。バケット９ａは、チルトピン１７が取り付けられる側とは反対側の端部に、一枚の板状の刃９Ｂａを備えている。刃９Ｂａの先端部である刃先９Ｔａは、チルトピン１７の中心軸と直交する方向、すなわち、図２に示す第１軸ＡＸ１と平行な位置関係にあり、バケット９ａの幅方向に向かって延在した直線状の部分である。バケット９ａが一枚の刃９Ｂａを備える場合、刃先９Ｔａと刃先列９ＴＧａとは同じ場所を示す。刃先９Ｔａ又は刃先列９ＴＧａを表現するにあたって、本実施形態では、刃先列ラインＬＢＴを用いる。刃先列ラインＬＢＴは、刃先９Ｔａが延在する方向の直線である。
【００２９】
図４に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１４からアームピン１５までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１５の中心からバケットピン１６の中心までの長さはＬ２である。連結部材８の長さ、すなわち、バケットピン１６の中心からチルトピン１７の中心までの長さはＬ３である。連結部材８の長さＬ３は、バケット９がバケットピン１６の中心軸を中心として回動する半径である。バケット９の長さ、すなわち、チルトピン１７の中心からバケット９の刃先９Ｔまでの長さはＬ４である。
【００３０】
図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とチルトシリンダ１３とは、それぞれ作動油の圧力（以下、適宜油圧という）又は流量に応じて伸縮と速度が調整されて駆動する油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動させるものであり、これを上下に揺動させる。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動させるものであり、アームピン１５の中心軸を中心としてアーム７を回動させる。バケットシリンダ１２は、バケット９を駆動させるものであり、バケットピン１６の中心軸を中心としてバケット９を回動させる。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ１３等の油圧シリンダと図示しない油圧ポンプとの間には、図６に示す比例制御弁３７が配置されている。後述する作業機用電子制御装置２６が比例制御弁３７を制御することにより、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ１３に供給される作動油の流量が制御される。その結果、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ１３の動作が制御される。
【００３１】
図４に示すように、ブーム６とアーム７とバケット９とには、それぞれ第１ストロークセンサ１８Ａと第２ストロークセンサ１８Ｂと第３ストロークセンサ１８Ｃとバケット傾斜検出部としてのバケット傾斜センサ１８Ｄとが設けられている。これらの第１ストロークセンサ１８Ａ、第２ストロークセンサ１８Ｂ及び第３ストロークセンサ１８Ｃは、作業機２の姿勢を検出する姿勢検出部である。第１ストロークセンサ１８Ａは、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する表示制御装置３９（図６参照）は、第１ストロークセンサ１８Ａが検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、後述する車両本体座標系のＺａ軸に対するブーム６の傾斜角度θ１を算出する。第２ストロークセンサ１８Ｂは、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。表示制御装置３９は、第２ストロークセンサ１８Ｂが検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の傾斜角度θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８Ｃは、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。表示制御装置３９は、第３ストロークセンサ１８Ｃが検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット９の傾斜角度θ３を算出する。バケット傾斜センサ１８Ｄは、バケット９の傾斜角度θ４、すなわち、第３軸ＡＸ３に対するバケット９の刃先９Ｔ又は刃先列９ＴＧの傾斜角度θ４を検出する。本実施形態において、上述のように刃先列９ＴＧは、刃先列ラインＬＢＴで表されるので、バケット９の傾斜角度θ４は、第３軸ＡＸ３を基準として、その基準に対する刃先列ラインＬＢＴの傾斜角度である。
【００３２】
図４に示すように、車両本体１は、位置検出部１９を備える。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部１９は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう）用の２個のアンテナ２１、２２（以下、適宜ＧＮＳＳアンテナ２１、２２という）と、３次元位置センサ２３と、傾斜角度センサ２４とを有する。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、車両本体１、より具体的には上部旋回体３の上に設置される。本実施形態において、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、後述する車両本体座標系Ｘａ−Ｙａ−ＺａのＹａ軸に沿って一定距離だけ離して設置されている。
【００３３】
なお、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、上部旋回体３の上であって、油圧ショベル１００の前後方向（車両本体座標系Ｘａ−Ｙａ−ＺａのＹａ軸の方向）又は左右方向（車両本体座標系Ｘａ−Ｙａ−ＺａのＸａ軸の方向）に離れた両端位置に設置されればよい。また、上部旋回体３の上であって、図示しないカウンタウエイト（上部旋回体３の後端）又は運転室４の後方に設置されてもよい。いずれにしてもＧＮＳＳアンテナ２１、２２は可能な限り離れた位置に設置される方が、油圧ショベル１００の現在位置の検出精度は向上する。また、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、オペレータの視界を極力妨げない位置に設置されることが好ましい。また、これらが車両状態検出部としての位置検出部１９及び姿勢検出部により、掘削機械（本実施形態では油圧ショベル１００）の現在位置及び姿勢といった車両状態を検出することができる。
【００３４】
ＧＮＳＳアンテナ２１、２２が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２の設置位置Ｐ１、Ｐ２の位置を検出する。図５に示すように、傾斜角度センサ２４は、重力の作用する方向、すなわち鉛直方向Ｎｇに対する車両本体１の幅方向の傾斜角度θ５（以下、適宜ロール角度θ５という）を検出する。なお、本実施形態において、幅方向とは、バケット９の幅方向を意味しており、上部旋回体３の幅方向、すなわち左右方向と一致している。ただし、作業機２が後述するチルトバケットを備える場合には、バケット９の幅方向と上部旋回体３の幅方向とが一致しないこともあり得る。
【００３５】
図６に示すように、油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機用電子制御装置２６と、作業機制御装置２７と、掘削機械の表示システム（以下、適宜表示システムという）１０１を備える。操作装置２５は、作業機操作装置３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作装置３３と、走行操作検出部３４とを有する。作業機操作装置３１は、オペレータが作業機２を操作するための装置であり、例えば、ジョイスティック又は操作レバーである。また、作業機操作部材３１及び作業機操作検出部３２は、２組（図６では１組のみ図示）ある。運転室４内の図示しないオペシートの左右各々に作業機操作部材３１が設置されている。例えば右に設置された作業機操作部材３１を操作することで、バケット９及びブーム６を動作させることができ、左に設置された作業機操作部材３１を操作することで、アーム７及び上部旋回体３を動作させることができる。作業機操作検出部３２は、作業機操作装置３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機用電子制御装置２６へ送る。
【００３６】
走行操作装置３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための装置であり、例えば、ジョイスティック又は操作レバーである。また、走行操作部材３３及び走行操作検出部３４は、２組（図６では１組のみ図示）ある。運転室４内の図示しないオペシートの前方に左右に並んで走行操作部材３３が設置されている。右側に設置された走行操作部材３３を操作することで、右側の履帯５ａを動作させることができ、左側に設置された走行操作部材３３を操作することで、左側の履帯５ｂを動作させることができる。走行操作検出部３４は、走行操作装置３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機用電子制御装置２６へ送る。
【００３７】
図６に示すように、作業機用電子制御装置２６は、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）の少なくとも一方を含む作業機側記憶部３５及びＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算部３６を有している。作業機用電子制御装置２６は、主として作業機２を制御する。作業機用電子制御装置２６は、作業機操作装置３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は比例制御弁３７を有しており、作業機用電子制御装置２６からの制御信号に基づいて比例制御弁３７が制御される。作業機用電子制御装置２６からの制御信号に応じた流量の作動油が比例制御弁３７から流出し、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２の少なくとも１つに供給される。図１に示すブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ１３は、比例制御弁３７から供給された作動油に応じて駆動される。その結果、作業機２が動作する。
【００３８】
＜表示システム１０１＞
表示システム１０１は、作業エリア内の地面を掘削して後述する設計面のような形状に施工するための情報をオペレータに提供するためのシステムである。表示システム１０１は、上述した３次元位置センサ２３及び傾斜角度センサ２４、バケット傾斜センサ１８Ｄの他に、第１ストロークセンサ１８Ａ、第２ストロークセンサ１８Ｂ、第３ストロークセンサ１８Ｃといった各ストロークセンサと、表示装置としての表示入力装置３８と、表示制御装置３９と、警報音を報知させるためのスピーカ等を含む音発生装置４６とを有している。また、表示システム１０１は、図４に示す位置検出部１９を備えている。便宜上、図６には、位置検出部１９のうち３次元位置センサ２３及び傾斜角度センサ２４を示してあり、２個のアンテナ２１、２２は省略している。
【００３９】
表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示部４２とを有する表示装置である。表示入力装置３８は、掘削を行うための情報を提供するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。操作者としてのオペレータ（油圧ショベル１００を点検又は修理する際はサービスマン）は、案内画面上の各種のキーに触れることにより、表示システム１０１の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後述する。
【００４０】
表示制御装置３９は、表示システム１０１の各種の機能を実行する。表示制御装置３９は、ＲＡＭ及びＲＯＭの少なくとも一方を含む記憶部４３、ＣＰＵ等の処理部４４を有する電子制御装置である。記憶部４３は、作業機データを記憶している。作業機データは、上述したブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、連結部材８の長さＬ３及びバケット９の長さＬ４を含む。バケット９が交換された場合、作業機データとしての連結部材８の長さＬ３、バケット９の長さＬ４は、交換されたバケット９の寸法に応じた値が入力部４１から入力され記憶部４３に記憶される。また、作業機データは、ブーム６の傾斜角度θ１と、アーム７の傾斜角度θ２と、バケット９の傾斜角度θ３とのそれぞれの最小値及び最大値を含む。処理部４４は、記憶部４３に記憶された本実施形態に係る掘削機械の表示用コンピュータプログラムを読み出して実行することにより、案内画面を表示したり、油圧ショベル１００のオペレータにバケット９の操作を案内するための姿勢情報を表示部４２に表示させたりする。
【００４１】
表示制御装置３９と作業機用電子制御装置２６とは、無線又は有線の通信手段を介して互いに通信可能となっている。表示制御装置３９の記憶部４３は、予め作成された設計地形データを記憶している。設計地形データは、３次元の設計地形の形状及び位置に関する情報であり、設計面４５の情報となる。設計地形は、作業対象となる地面の目標形状を示す。表示制御装置３９は、設計地形データ及び上述した各種のセンサからの検出結果等の情報に基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。具体的には、図７に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図７では、複数の設計面のうち１つのみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。目標作業対象は、これらの設計面４５のうち１つ又は複数の設計面である。オペレータは、これらの設計面４５のうち１つ又は複数の設計面４５を目標面７０として選択する。目標面７０は、複数の設計面４５のうち、これから掘削される面である。表示制御装置３９は、目標面７０の位置をオペレータに知らせるための案内画面を表示入力装置３８に表示させる。
【００４２】
＜案内画面＞
図８、図９は、案内画面の一例を示す図である。案内画面は、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの位置関係を示し、作業対象である地面が目標面７０と同じ形状になるように油圧ショベル１００のオペレータに対して作業機２を案内させるための画面である。図８及び図９に示すように、案内画面は、粗掘削モードの案内画面（以下、適宜粗掘削画面５３という）と、繊細掘削モードの案内画面（以下、適宜繊細掘削画面５４という）とを含む。
【００４３】
（粗掘削画面５３の一例）
図８に示す粗掘削画面５３は、表示部４２の画面４２Ｐに表示される。粗掘削画面５３は、作業エリアの設計地形（目標面７０を含む設計面４５）と油圧ショベル１００の現在位置とを示す正面図５３ａと、目標面７０と油圧ショベル１００との位置関係を示す側面図５３ｂとを含む。粗掘削画面５３の正面図５３ａは、複数の三角形ポリゴンによって正面視による設計地形を表現している。図８は、設計地形が法面である場合に、油圧ショベル１００が法面に向かい合った状態を示している。したがって、正面図５３ａは、油圧ショベル１００が傾いたときには設計地形を表す設計面も傾くことになる。
【００４４】
また、複数の設計面４５（図８では１つのみに符号を付している）から目標作業対象として選択された目標面７０は、他の設計面４５と異なる色で表示される。なお、図８の正面図５３ａでは、油圧ショベル１００の現在位置が、油圧ショベル１００を背面から見たアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。また、正面図５３ａは、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報を含んでいる。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、正対コンパス７３として表示される。正対コンパス７３は、例えば、矢印形状の指針７３Ｉが矢印Ｒ方向に回転して、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向又はバケット９を第３軸ＡＸ３に対して傾斜させる方向を案内するための絵柄又はアイコンといった姿勢情報である。姿勢情報とは、バケット９の姿勢に関する情報であり、絵柄、数値又は数字等を含む。なお、油圧ショベル１００を目標面７０に正対させるために、走行装置５を動作させて油圧ショベル１００を移動し目標面７０に正対させてもよい。油圧ショベル１００のオペレータは、正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。正対コンパス７３は、目標面７０への正対度に応じて回転し、油圧ショベル１００又はバケット９が目標面７０と正対すると、例えば、オペレータから見て指針７３Ｉの指示方向が画面４２Ｐの上方に向くようになっている。例えば、図８に示すように指針７３Ｉが三角形形状の場合、三角形の頂点が指している方向が、より上方を示すほど、油圧ショベル１００又はバケット９が目標面７０に、より正対していることを示す。このため、オペレータは、指針７３Ｉの回転角度に基づいて油圧ショベル１００を操作することにより、容易に油圧ショベル１００又はバケット９を目標面７０に対して正対させることができる。
【００４５】
粗掘削画面５３の側面図５３ｂは、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの位置関係を示す画像と、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの間の距離を示す距離情報とを含む。具体的には、側面図５３ｂは、目標面線７９と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５とを含む。目標面線７９は目標面７０の断面を示す。目標面線７９は、図７に示すように、バケット９の刃先９Ｔの現在位置を通る平面７７と設計面４５との交線８０を算出することにより求められる。交線８０は、表示制御装置３９の処理部４４が求める。バケット９の刃先９Ｔの現在位置を求める方法については後に説明する。
【００４６】
側面図５３ｂにおいて、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの間の距離を示す距離情報は、グラフィック情報８４を含む。目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの間の距離は、刃先９Ｔから鉛直方向（重力方向）に目標面７０に向かって下ろした線が目標面７０と交わる点と刃先９Ｔとの距離である。また、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの間の距離を、刃先９Ｔから目標面７０に垂線（その垂線と目標面７０とは直交する）を下ろしたときの交点と刃先９Ｔとの距離であってもよい。グラフィック情報８４は、バケット９の刃先９Ｔと目標面７０との距離をグラフィックで示した情報である。グラフィック情報８４は、バケット９の刃先９Ｔの位置を示すための案内用の指標である。具体的には、グラフィック情報８４は、インデックスバー８４ａと、インデックスバー８４ａのうちバケット９の刃先と目標面７０との間の距離がゼロに相当する位置を示すインデックスマーク８４ｂとを含む。インデックスバー８４ａは、バケット９の先端と目標面７０との最短距離に応じて、各インデックスバー８４ａが点灯するようになっている。なお、グラフィック情報８４の表示のオン／オフが油圧ショベル１００のオペレータによる入力部４１の操作により変更可能とされてもよい。
【００４７】
粗掘削画面５３に、上述したような目標面線７９と油圧ショベル１００との位置関係を示すために図示しない距離（数値）を表示してもよい。油圧ショベル１００のオペレータは、目標面線７９に沿ってバケット９の刃先９Ｔを移動させることによって、現在の地形が設計地形になるように、容易に掘削することができる。なお、粗掘削画面５３には案内画面を切り換えるための画面切換キー６５が表示される。オペレータは、画面切換キー６５を操作することにより、粗掘削画面５３から繊細掘削画面５４へ切り換えることができる。
【００４８】
（繊細掘削画面５４の一例）
図９に示す繊細掘削画面５４は、表示部４２の画面４２Ｐに表示される。繊細掘削画面５４は、粗掘削画面５３よりも目標面７０と油圧ショベル１００との位置関係を詳細に示している。すなわち、繊細掘削画面５４は、粗掘削画面５３よりも目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの位置関係を詳細に示している。繊細掘削画面５４は、目標面７０とバケット９とを示す正面図５４ａと、目標面７０とバケット９とを示す側面図５４ｂとを含む。繊細掘削画面５４の正面図５４ａには、正面視によるバケット９を示すアイコン８９と、正面視による目標面７０の断面を示す線７８（以下、適宜目標面線７８という）とが含まれる。正面視とは、図１、図２に示すバケットピン１６の中心軸の延在方向（バケット９の回動中心軸方向）と直交する方向であって、油圧ショベル１００の後方からバケット９を見ることである。
【００４９】
目標面線７８は、以下のようにして求められる。バケット９の刃先９Ｔから、鉛直方向（重力方向）に垂線を下ろした際、その垂線を含む平面が目標面７０と交わった際に生じる交線が目標面線７８である。すなわち、グローバル座標系における目標面線７８となる。一方、車両本体１の上下方向の線と平行な位置関係であることを条件として、さらにバケット９の刃先９Ｔから目標面７０に向かって線を下ろした際に、その線を含む平面が目標面７０と交わった際にできる交線を目標面線７８としてもよい。すなわち、車両本体座標系における目標面線７８となる。どちらの座標系で目標面線７８を表示させるかは、オペレータが入力部４１の図示しない切替キーを操作することで選択することができる。
【００５０】
繊細掘削画面５４の側面図５４ｂには、側面視によるバケット９のアイコン９０と、目標面線７９とが含まれる。また、繊細掘削画面５４の正面図５４ａ及び側面図５４ｂには、それぞれ、以下に説明するような目標面７０とバケット９との位置関係を示す情報が表示される。側面視とは、図１、図２に示すバケットピン１６の中心軸の延在方向（バケット９の回動中心軸方向）であって、油圧ショベル１００の左側から見ることである。
【００５１】
正面図５４ａにおいて、目標面７０とバケット９との位置関係を示す情報は、バケット９の傾斜情報８６ｃを含む。傾斜情報８６ｃは、目標面７０に対するバケット９の刃先９Ｔの傾きを示したものである。具体的には、傾斜情報８６ｃは、バケット９の刃先９Ｔを通る刃先列ラインＬＢＴと目標面線７８との間の角度（図９に示すθｅ）の大きさを示すものである。正面図５４ａは、目標面７０とバケット９との位置関係を示す情報として、刃先９Ｔと目標面７０との間の車両本体座標系Ｚａ（又はグローバル座標系のＺ）方向における距離を示す距離情報を含んでいてもよい。この距離は、バケット９の刃先９Ｔの幅方向における位置のうち目標面７０に対する最近接位置と、目標面７０との間の距離である。すなわち、上述のように、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの間の距離は、刃先９Ｔから鉛直方向に目標面７０に向かって下ろした線が目標面７０と交わる点と、刃先９Ｔとの距離でもよい。また、目標面７０とバケット９の刃先９Ｔとの間の距離を、刃先９Ｔから目標面７０に垂線（その垂線と目標面７０とは直交）を下ろしたときの交点と、刃先９Ｔとの距離であってもよい。
【００５２】
繊細掘削画面５４は、上述したバケット９の刃先９Ｔと目標面７０との距離をグラフィックで示すグラフィック情報８４を含む。グラフィック情報８４は、粗掘削画面５３のグラフィック情報８４と同様に、インデックスバー８４ａとインデックスマーク８４ｂとを有する。上述したように、繊細掘削画面５４では、目標面線７８、７９とバケット９の刃先９Ｔとの相対位置関係が詳細に表示される。油圧ショベル１００のオペレータは、目標面線７８、７９に沿ってバケット９の刃先９Ｔを移動させることによって、現在の地形が３次元の設計地形と同じ形状になるように、さらに容易に精度よく掘削することができる。なお、繊細掘削画面５４には、上述した粗掘削画面５３と同様に画面切換キー６５が表示される。オペレータは、画面切換キー６５を操作することにより、繊細掘削画面５４から粗掘削画面５３へ切り換えることができる。次に、チルトバケットを備えた油圧ショベル１００において、表示部４２の画面４２Ｐに油圧ショベル１００のオペレータに対して操作の指標を与えるための姿勢情報（例えば絵柄、数値又は数字等）を表示する制御（以下、適宜姿勢情報表示制御という）について説明する。
【００５３】
＜姿勢情報表示制御の一例＞
図１０は、姿勢情報表示制御の一例を示すフローチャートである。本実施形態において、姿勢情報表示制御は、図６に示す表示システム１０１が有する表示制御装置３９が実現する。姿勢情報表示制御を実行するにあたり、ステップＳ１０１において、表示制御装置３９、より具体的には処理部４４は、バケット９の傾斜角度（以下、適宜バケット傾斜角度という）θ４及び油圧ショベル１００の現在位置を取得する。バケット傾斜角度θ４は、図４、図６に示すバケット傾斜センサ１８Ｄが検出する。また、油圧ショベル１００の現在位置は、図６に示すＧＮＳＳアンテナ２１、２２及び３次元位置センサ２３が検出する。処理部４４は、バケット傾斜センサ１８Ｄからバケット傾斜角度θ４を示す情報を取得し、３次元位置センサ２３から油圧ショベル１００の現在位置を示す情報を取得する。
【００５４】
次に、ステップＳ１０２に進み、処理部４４は、バケット９の刃先９Ｔの現在位置（以下、適宜現在刃先位置という）を求める。現在刃先位置は、図２又は図４に示す第３軸ＡＸ３に対するバケット９の傾斜角度であるバケット傾斜角度θ４並びに油圧ショベル１００の現在位置及び姿勢に関する情報に基づいて求められる。次に、現在刃先位置を求める手法の一例を説明する。
【００５５】
（現在刃先位置を求める手法の一例）
図１１から図１４は、現在刃先位置を求める方法の一例を説明するための図である。図１１は油圧ショベル１００の側面図であり、図１２は油圧ショベル１００の背面図であり、図１３は傾斜したバケット９を示す図であり、図１４は車両本体座標系のＹａ−Ｚａ平面内における現在刃先位置を示す図である。本手法において、現在刃先位置は、バケット９の幅方向中心における刃先９Ｔの位置である。現在刃先位置を求めるにあたって、表示制御装置３９は、図１１に示すように、上述したＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１を原点とする車両本体座標系［Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ］を求める。本例では、油圧ショベル１００の前後方向、すなわち車両本体１の座標系（車両本体座標系）ＣＯＭのＹａ軸方向が、グローバル座標系ＣＯＧのＹ軸方向に対して傾斜しているものとする。また、車両本体座標系ＣＯＭでのブームピン１４の座標は（０、Ｌｂ１、−Ｌｂ２）であり、予め表示制御装置３９の記憶部４３に記憶されている。
【００５６】
図４、図６に示す３次元位置センサ２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２の設置位置Ｐ１、Ｐ２を検出（演算）する。処理部４４は、検出された設置位置Ｐ１、Ｐ２の座標を取得し、式（１）を用いてＹａ軸方向の単位ベクトルを算出する。式（１）において、Ｐ１、Ｐ２は、それぞれの設置位置Ｐ１、Ｐ２の座標を表している。
【００５７】
【数１】
0005624101.tif 000002
【００５８】
図１１に示すように、ＹａとＺとの２つのベクトルで表される平面を通り、Ｙａと垂直なベクトルＺ’を導入すると、式（２）及び式（３）の関係が成り立つ。式（３）のｃは定数である。式（２）及び式（３）から、Ｚ’は式（４）式のように表される。さらに、Ｙａ及びＺ’と垂直なベクトルをＸ’とすると、Ｘ’は式（５）式で示すようになる。
【００５９】
【数２】
0005624101.tif 000003
【００６０】
【数３】
0005624101.tif 000004
【００６１】
【数４】
0005624101.tif 000005
【００６２】
【数５】
0005624101.tif 000006
【００６３】
図１２に示すように、車両本体座標系ＣＯＭは、座標系［Ｘ’、Ｙａ、Ｚ’］をＹａ軸周りに、上述したロール角度θ５だけ回転させたものであるから、式（６）のように表される。
【００６４】
【数６】
0005624101.tif 000007
【００６５】
また、処理部４４は、第１ストロークセンサ１８Ａ、第２ストロークセンサ１８Ｂ、第３ストロークセンサ１８Ｃの検出結果を取得し、取得した検出結果を用いて、上述したブーム６、アーム７、バケット９の現在の傾斜角度θ１、θ２、θ３を求める。車両本体座標系ＣＯＭ内におけるチルトピン１７の幅方向中心における第２軸ＡＸ２の座標Ｐ３（ｘａ３、ｙａ３、ｚａ３）は、傾斜角度θ１、θ２、θ３及びブーム６、アーム７、連結部材８の各々の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、式（７）、式（８）及び式（９）で求めることができる。
【００６６】
【数７】
0005624101.tif 000008
【００６７】
【数８】
0005624101.tif 000009
【００６８】
【数９】
0005624101.tif 000010
【００６９】
車両本体座標系ＣＯＭ内における、座標Ｐ３（ｘａ３、ｙａ３、ｚａ３）を基準とした現在刃先位置の座標Ｐ４’（ｘａ４、ｙａ４、ｚａ４）は、バケット傾斜センサ１８Ｄが検出したバケット傾斜角度θ４と、バケット９の長さＬ４とを用いて、式（１０）、式（１１）及び式（１２）で求めることができる。式（１０）は、図１３に示すｘａ４の距離を求める式である。また、式（１１）は、図１４に示す、座標ｙａ３とｙａ４´との距離（ｙａ４）を求める式である。さらに、式（１２）は、図１４に示す、座標ｚａ３とｚａ４´との距離（ｚａ４）を求める式である。この座標Ｐ４’（ｘａ４、ｙａ４、ｚａ４）は、図１３に示すように、バケット９の幅方向中心軸ＣＬｂ、すなわち、バケット９の両側からバケット９の幅Ｗの半分（Ｗ×（１／２）＝Ｗ／２）の位置における刃先９Ｔの座標である。
【００７０】
【数１０】
0005624101.tif 000011
【００７１】
【数１１】
0005624101.tif 000012
【００７２】
【数１２】
0005624101.tif 000013
【００７３】
座標Ｐ４’（ｘａ４、ｙａ４、ｚａ４）は、図１３に示すように、バケット９が第３軸ＡＸ３に対して傾斜角度θ４だけ傾斜したときの、バケット９の幅方向中心における刃先９Ｔの位置である。バケット傾斜角度θ４は、第３軸ＡＸ３を基準とした、複数の刃９Ｂの刃先９Ｔを結んだ直線である刃先列ラインＬＢＴの角度である。バケット傾斜角度θ４は、油圧ショベル１００の上部旋回体３側から見た場合に時計回りを正とする。図１３から分かるように、ｘａ４は、バケット傾斜角度θ４及びバケット９の長さＬ４を用いて式（１０）のように求めることができる。また、図１４から分かるように、ｙａ４、ｚａ４は、傾斜角度θ１、θ２、θ３、θ４及びバケット９の長さＬ４を用いて式（１１）、式（１２）のように求めることができる。図１３に示すように、Ｌ４×ｓｉｎ（π−θ４）を演算することにより求まる距離Ｌ４ａは、図１４に示す距離Ｌ４ａとなる。
【００７４】
上述した通り、座標Ｐ４’（ｘａ４、ｙａ４、ｚａ４）は、第２軸ＡＸ２の座標Ｐ３（ｘａ３、ｙａ３、ｚａ３）を基準としたものである。したがって、車両本体座標系ＣＯＭにおけるバケット９の刃先９Ｔの座標（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、図１４から分かるように、座標Ｐ３（ｘａ３、ｙａ３、ｚａ３）と座標Ｐ４’（ｘａ４、ｙａ４、ｚａ４）とを用いて、式（１３）、式（１４）及び式（１５）を用いて求めることができる。車両本体座標系ＣＯＭにおける現在刃先位置の座標Ｐ４（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、座標Ｐ４’（ｘａ４、ｙａ４、ｚａ４）と同様に、バケット９の幅方向中心における刃先９Ｔの座標である。バケット９の刃先９Ｔは、車両本体座標系ＣＯＭのＹａ−Ｚａ平面内を移動するものとする。グローバル座標系ＣＯＧにおける現在刃先位置の座標Ｐ４Ｇは、式（１６）で求めることができる。
【００７５】
【数１３】
0005624101.tif 000014
【００７６】
【数１４】
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【００７７】
【数１５】
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【００７８】
【数１６】
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【００７９】
処理部４４は、ステップＳ１０２において、グローバル座標系ＣＯＧにおける現在刃先位置を求めたら、処理をステップＳ１０３に進める。ステップＳ１０３において、処理部４４は、ステップＳ１０２で求めた現在刃先位置から、刃先９Ｔと目標面７０とのなす角度を刃先傾斜角度として求める。
【００８０】
なお、例えば、図８、図９に示す目標面線７９等を求める場合、処理部４４は、上述したように算出した現在刃先位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、図７に示すように、３次元設計地形とバケット９の刃先９Ｔを通るＹａ−Ｚａ平面７７（車両本体座標系での平面７７）との交線８０を算出する。そして、処理部４４は、この交線８０のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面線７９として案内画面に表示する。なお、交線８０は、グローバル座標系でのＹ−Ｚ平面７７によって算出してもよく、いずれの座標系で算出するかは、入力部４１の図示しない切替キーをオペレータが操作することより変更することができる。次に、刃先傾斜角度を求める手法について説明する。
【００８１】
（刃先傾斜角度）
図１５、図１６は、刃先傾斜角度を求める手法の説明図である。図１６に示す刃先傾斜角度θｄは、図１５に示すチルト回転面ＰＲＴと目標面７０との交線ＣＰＬと、刃先９Ｔ、より具体的には刃先列ラインＬＢＴとのなす角度θｄである。交線ＣＰＬと刃先列ラインＬＢＴとのなす角度は、図１６に示すような角度θｄ´もあるが、角度θｄと角度θｄ´とのうち小さい角度を選択する。チルト回転面ＰＲＴは、チルトピン１７の中心軸である第２軸ＡＸ２に直交し、かつ少なくともバケット９の一部を通る平面である。本実施形態では、チルト回転面ＰＲＴはバケット９が有する刃９Ｂの刃先９Ｔを通っている。より詳細には、チルト回転面ＰＲＴは、複数の刃先９Ｔを通っている。このため、複数の刃９Ｂの刃先９Ｔを結んだ直線である刃先列ラインＬＢＴは、チルト回転面ＰＲＴと平行な位置関係であり、かつ、チルト回転面ＰＲＴに含まれる。
【００８２】
チルト回転面ＰＲＴは、目標面７０と直交（交差）する。両者の交線ＣＰＬと刃先列ラインＬＢＴとのなす角度が、目標面７０に対するバケット９、より具体的には刃先９Ｔの傾きの度合いを表す。このため、両者の交線ＣＰＬと刃先列ラインＬＢＴとのなす角度を刃先傾斜角度θｄとする。
【００８３】
チルト回転面ＰＲＴを求める場合、例えば、処理部４４は、バケット９の位置から第２軸ＡＸ２を求め、第２軸ＡＸ２に直交し、かつ第２軸ＡＸ２の軸方向に位置し、さらにバケット９の一部を通る平面を計算し、得られた平面をチルト回転面ＰＲＴとする。本実施形態では、チルト回転面ＰＲＴはバケット９の複数の刃先９Ｔを通るので、処理部４４は、第２軸ＡＸ２に直交し、かつ複数の刃先９Ｔ、より具体的には刃先列ラインＬＢＴを通る平面をチルト回転面ＰＲＴとする。バケット９（刃先９Ｔ）の位置は、上述のように３次元位置センサ２３及び傾斜角度センサ２４が検出した情報並びに第１、第２、第３ストロークセンサ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃが検出した傾斜角度θ１、θ２、θ３及びバケット傾斜センサ１８Ｄが検出した傾斜角度θ４等の情報から求めることができる。刃先列ラインＬＢＴは、ステップＳ１０２で求めた現在刃先位置を用いて求めることができる。例えば、処理部４４は、現在刃先位置を通り、かつ第２軸ＡＸ２に直交し、さらに第３軸ＡＸ３に対して傾斜角度θ４だけ傾いている直線（図１６に２点鎖線で示すＬＢＴ）を、刃先列ラインＬＢＴとして求めることができる。刃先列ラインＬＢＴは、グローバル座標系ＣＯＧにおいて求められる。
【００８４】
次に、処理部４４は、チルト回転面ＰＲＴと目標面７０との交線ＣＰＬを計算する。このとき、処理部４４は、図６に示す表示制御装置３９の記憶部４３に保存されている予め作成された設計地形データから取得した目標面７０の位置情報と、チルト回転面ＰＲＴの位置情報とに基づいて交線ＣＰＬを求める。交線ＣＰＬは、例えば、グローバル座標系ＣＯＧにおいて求められる。
【００８５】
次に、処理部４４は、グローバル座標系ＣＯＧにおける基準位置（軸又は面）ＨＬと刃先列ラインＬＢＴとのなす角度θｔｇと、基準位置ＨＬと交線ＣＰＬとのなす角度θｐｔとを求める。そして、処理部４４は、θｔｇとθｐｔとの差分を求め、これを刃先傾斜角度θｄとする。上述のような手法により、処理部４４は、刃先傾斜角度θｄを求めることができる。
【００８６】
上記例では、説明の便宜上、刃先列ラインＬＢＴと交線ＣＰＬとをグローバル座標系ＣＯＧで求めたが、刃先傾斜角度θｄが求められる際に両方の座標系が同一であればよい。したがって、処理部４４は、例えば、刃先列ラインＬＢＴ及びチルト回転面ＰＲＴを車両本体座標系ＣＯＭで求め、目標面７０を車両本体座標系ＣＯＭに変換することにより、車両本体座標系ＣＯＭにおいて交線ＣＰＬを求め、刃先傾斜角度θｄを求めてもよい。
【００８７】
ステップＳ１０３で刃先傾斜角度θｄが求められたら、ステップＳ１０４において、処理部４４は、得られた刃先傾斜角度θｄに基づいてバケット９の姿勢に関する情報を示す姿勢情報を表示部４２の画面４２Ｐに表示する。バケット９の姿勢に関する情報を示す姿勢情報は、例えば、絵柄で表現された正対コンパス７３である。図１６に示す例では、便宜上正対コンパス７３も示している。実際は、正対コンパス７３は、例えば、図８に示す表示部４２の画面４２Ｐに表示された粗掘削画面５３の正面図５３ａ中に示されたり、図９に示す表示部４２の画面４２Ｐに表示された繊細掘削画面５４の正面図５４ａ中に示されたりする。次の説明において、正対コンパス７３は、表示部４２の画面４２Ｐ中に表示されているものとする。
【００８８】
本実施形態において、処理部４４は、正対コンパス７３の指針７３Ｉの角度を、刃先傾斜角度θｄの大きさに応じた角度を示す態様で表示する。つまり、表示部４２の画面４２Ｐの上下方向を基準（角度０度）とした場合、刃先傾斜角度θｄに対応する角度（図１６の左側に示した正対コンパス７３の図内に示すθｄ）で、指針７３Ｉをその基準に対して左右いずれかに傾斜させて指針７３Ｉを表示する。このようにすることで、油圧ショベル１００のオペレータは、バケット９の刃先９Ｔ又は刃先列９ＴＧが目標面７０に対してどの程度傾斜しているかを直感的に把握することができる。その結果、オペレータは、バケット９を第２軸ＡＸ２の周りにどの程度回動させればバケット９を目標面７０に対して正対させることができるかを直感的に把握することができるので、作業効率が向上する。
【００８９】
このように、処理部４４は、油圧ショベル１００のオペレータに対し、オペレータ（操作者）を補助するための情報として、正対コンパス７３という操作のための指標を報知する。本実施形態では、正対コンパス７３によって、目標面７０に対するバケット９の傾きの程度を操作の指標として表示させることにより、オペレータの操作を補助する。このように、表示システムは、チルトバケットを備えた掘削機械の操作者に対して、操作を補助するための情報を提供することができる。この情報は、特に、チルトバケットであるバケット９を目標面７０に対して正対させる場合において、オペレータの操作を補助することに有効である。
【００９０】
処理部４４は、例えば、上記及び図１６で示したように、正対コンパス７３の指針７３Ｉの傾きを刃先傾斜角度θｄとする。また、処理部４４は、指針７３Ｉの傾きの向きを、油圧ショベル１００の運転室４側からバケット９を見た場合において、交線ＣＰＬ及び目標面７０と直交する軸ＡＸＮ（図１６参照）に対してバケット９の幅方向中心軸ＣＬｂが傾斜している方向とは反対方向に傾けて表示させる。図１６に示す例では、軸ＡＸＮに対して幅方向中心軸ＣＬｂは右側（図１６に示すＲ方向）に向かって傾斜しているので、指針７３Ｉは、画面上方（図１６中の符号Ｕで示す方向）に対して左（図１６に示すＬ方向）に傾けて表示している。
【００９１】
このようにすることで、油圧ショベル１００のオペレータは、指針７３Ｉを目視しながら指針７３Ｉが画面上方に向くようにバケット９又は上部旋回体３等を操作すればよいので、バケット９を目標面７０に対して容易に正対させることができる。また、バケット９の傾きの向き（軸ＡＸＮに対するバケット９の幅方向中心軸ＣＬｂの傾き）と指針７３Ｉが傾く向きとの関係を上述したようにして表示することにより、バケット９が目標面７０と正対するように第２軸ＡＸ２の中心軸を中心として回動する方向（図１６の場合、ＴＩＬＲ方向）と、指針７３Ｉの回転方向（図１６の場合、Ｒ方向）とが一致する。なお、図１６の場合、指針７３Ｉの回転方向がＬ方向になると、バケット９が目標面７０と正対するように第２軸ＡＸ２の中心軸を中心として回動する方向は、ＴＩＬＬで示す方向になり、両者は一致する。このため、オペレータは、指針７３Ｉの動作を確認すれば、バケット９を目標面７０に正対させる際の操作方向を直感的に把握することができるので、作業効率及び作業の正確度が向上する。なお、バケット９が目標面７０に対して正対するとは、バケット９の刃先列９１ＴＧが、目標面７０と平行になることをいう。より具体的には、刃先列ラインＬＢＴと上述した交線ＣＰＬとが平行になることをいう。
【００９２】
処理部４４は、正対コンパス７３の指針７３Ｉを回転させることの代わりに、あるいは指針７３Ｉを回転させることに加えて、例えば、図９に示す傾斜情報８６ｃと目標面線７８とのうち少なくとも一方を、刃先傾斜角度θｄ（図９ではθｅ）の大きさに応じて移動させてもよい。すなわち、処理部４４は、刃先傾斜角度θｄの大きさに応じて、刃先列ラインＬＢＴに対応する傾斜情報８６ｃと目標面線７８とのなす角度の大きさを変更してもよい。このようにしても、油圧ショベル１００のオペレータに、操作を補助するための情報、特にバケット９を目標面７０に正対させる際の操作を補助するための情報を提供することができる。
【００９３】
本実施形態において、処理部４４は、バケット９の刃先９Ｔが目標面７０に正対する前と、正対した後とで、表示部４２の画面４２Ｐに表示する正対コンパス７３の表示態様を異ならせる。処理部４４は、例えば、刃先９Ｔが目標面７０に正対した場合には、正対コンパス７３の色を正対前と異ならせたり、正対コンパス７３の濃淡を変えたり、正対コンパス７３を点滅させたりする。このようにすることで、油圧ショベル１００のオペレータは、バケット９の刃先９Ｔと目標面７０とが正対したことを確実に認識できるので、作業の効率が向上する。また、バケット９の刃先９Ｔが目標面７０に正対した場合、正対コンパス７３のデザインの態様を正対前と変えて表示してもよい。例えばバケット９の刃先９Ｔが目標面７０に正対した場合、姿勢情報としての正対コンパス７３を、「正対完了」を意味するような文字に変えて表示したり、正対完了を直観できる所定のマークを姿勢情報として表示させたりしてもよい。また、姿勢情報として、正対コンパス７３の代わりに又は正対コンパス７３とともに、刃先傾斜角度θｄに相当する数字を表示部４２の画面４２Ｐに表示させてもよい。オペレータは、表示された刃先傾斜角度θｄの大きさがゼロに近くなるように、油圧ショベル１００を操作してバケット９を目標面７０に対して正対させることができる。
【００９４】
本実施形態において、処理部４４は、表示部４２の画面４２Ｐに表示する正対コンパス７３の態様を変更させる際に、例えば、音による報知を併用してもよい。この場合、例えば、処理部４４は、バケット９の刃先９Ｔが目標面７０に正対する前は、図６に示す音発生装置４６から所定の間隔で音を報知し、刃先列ラインＬＢＴと上述した交線ＣＰＬとが平行に近くなるにしたがって音の間隔を短くする。そして、バケット９の刃先９Ｔが目標面７０に正対したら、処理部４４は、音を連続して所定時間報知した後、音の報知を停止する。このようにすれば、油圧ショベル１００のオペレータは、正対コンパス７３による視覚のみならず、音による聴覚の両方でバケット９の刃先９Ｔと目標面７０との正対を認識できるので、作業の効率がさらに向上する。
【００９５】
処理部４４は、図８、図９に示すように、正対コンパス７３を表示部４２の画面４２Ｐの端部（図８、図９に示す例では、油圧ショベル１００のオペレータから見て右上端部）に表示することが好ましい。このようにすれば、画面４２Ｐに表示された案内画面の邪魔にならない位置に正対コンパス７３が表示されるので、オペレータは案内画面を確実に視認することができる。また、本実形態に係る姿勢情報表示制御は、チルトバケットであるバケット９を備えた油圧ショベル１００が法面を施工するときに実行され、正対コンパス７３が表示されることが好ましい。チルトバケットは、法面の施工に使用されることが多く、法面の施工時において、本実形態に係る姿勢情報表示制御に基づいて正対コンパス７３が表示されることにより、法面施工時の作業効率が向上する。
【００９６】
上記説明において、チルト回転面ＰＲＴは、バケット９が有する複数の刃９Ｂの刃先９Ｔを通っている。このようなチルト回転面ＰＲＴを用いた姿勢情報表示制御を行うことで、刃９Ｂの刃先９Ｔが目標面７０を掘削する位置で刃先傾斜角度θｄを求めることができる。その結果、油圧ショベル１００のオペレータに対して行われる正対コンパス７３を用いた操作の案内の精度が向上する。なお、チルト回転面ＰＲＴは、チルトピン１７の中心軸である第２軸ＡＸ２に直交し、かつ少なくともバケット９の一部を通る平面であればよい。刃９Ｂの刃先９Ｔが目標面７０を掘削する位置に近い範囲で刃先傾斜角度θｄを求めることが好ましいが、刃９Ｂの刃先９Ｔの摩耗を考慮して、チルト回転面ＰＲＴはバケット９の刃先９Ｔ以外の部分を通るものであってもよい。したがって、チルト回転面ＰＲＴは、このような平面であればよい。
【００９７】
以上、本実施形態を説明したが、上述した内容により本実施形態が限定されるものではない。また、上述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、上述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【００９８】
例えば、各案内画面の内容は上記のものに限られず、適宜、変更されてもよい。また、表示制御装置３９の機能の一部又はすべてが、油圧ショベル１００の外部に配置されたコンピュータによって実行されてもよい。また、目標作業対象は、上述したような法面のような平面に限らず、点、線又は３次元の形状であってもよい。表示入力装置３８の入力部４１は、タッチパネル式のものに限られず、ハードキー又はスイッチ等の操作部材によって構成されてもよい。すなわち、表示入力装置３８は、表示部４２と入力部４１が分離した構造であってもよい。
【００９９】
上述した実施形態では、作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット９を有しているが、作業機２はこれに限られず、少なくともチルトバケットであるバケット９を有するものであればよい。また、上述した実施形態では、第１ストロークセンサ１８Ａ、第２ストロークセンサ１８Ｂ及び第３ストロークセンサ１８Ｃによって、ブーム６、アーム７、バケット９の傾斜角度を検出しているが、傾斜角度の検出手段はこれらに限られない。例えば、ブーム６、アーム７、バケット９の傾斜角度を検出する角度センサが備えられてもよい。
【０１００】
また、本実施形態では、図４、図６に示すバケット傾斜センサ１８Ｄを用いてバケット傾斜角度θ４を検出したが、これに限定されるものではない。バケット傾斜センサ１８Ｄの代わりに、例えば、チルトシリンダ１３のストローク長さを検出するストロークセンサを用いてバケット傾斜角度θ４を検出してもよい。この場合、表示制御装置３９、より具体的には処理部４４は、このストロークセンサが検出したチルトシリンダ１３、１３のストローク長さから、バケット傾斜角度θ４として、第３軸ＡＸ３に対するバケット９の刃先９Ｔ又は刃先列９ＴＧの傾斜角度を求める。
【符号の説明】
【０１０１】
１  車両本体
２  作業機
３  上部旋回体
５  走行装置
６  ブーム
７  アーム
８  連結部材
９、９ａ  バケット
９Ｂ、９Ｂａ  刃
９Ｔ、９Ｔａ  刃先
９ＴＧ、９ＴＧａ  刃先列
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  チルトシリンダ
１５  アームピン
１６  バケットピン
１７  チルトピン
１８Ｄ  バケット傾斜センサ
１９  位置検出部
２５  操作装置
３８  表示入力装置
３９  表示制御装置
４２  表示部
４２Ｐ  画面
４３  記憶部
４４  処理部
７０  目標面
７３  正対コンパス
７３Ｉ  指針
１００  油圧ショベル
１０１  掘削機械の表示システム（表示システム）
ＡＸ１  第１軸
ＡＸ２  第２軸
ＡＸ３  第３軸
ＣＰＬ  交線
ＬＢＴ  刃先列ライン
ＰＲＴ  チルト回転面
θ４  バケット傾斜角度（傾斜角度）
θｄ  刃先傾斜角度
【図１】
0005624101.tif 000018
【図２】
0005624101.tif 000019
【図３】
0005624101.tif 000020
【図４】
0005624101.tif 000021
【図５】
0005624101.tif 000022
【図６】
0005624101.tif 000023
【図７】
0005624101.tif 000024
【図８】
0005624101.tif 000025
【図９】
0005624101.tif 000026
【図１０】
0005624101.tif 000027
【図１１】
0005624101.tif 000028
【図１２】
0005624101.tif 000029
【図１３】
0005624101.tif 000030
【図１４】
0005624101.tif 000031
【図１５】
0005624101.tif 000032
【図１６】
0005624101.tif 000033