(57)【要約】【課題】多点測定を容易に実施可能かつ外部設備や基準面を必要としない姿勢検出装置の補正が出来る建設機械の提供。【解決手段】本発明は、旋回体３からなる本体と、旋回体３に回動可能に取り付けられた、油圧シリンダ７ａ、７ｂの駆動によって上下方向に回動する複数のフロント部材４と、該フロント部材４の回動角を求める為のブーム角度センサ２１ｂおよびアーム角度センサ２１ａと、角度センサの検出値を補正するコントローラ１０とを備えた建設機械において、フロント部材４、および旋回体３は車体傾斜角度センサ４１ｓ、ブーム傾斜角度センサ４１ｂ、およびアーム傾斜角度センサ４１ａを備え、コントローラ１０は、角度センサからの検出値と傾斜センサからの検出値との対応関係を演算する演算部の、当該演算部からの対応関係を基に角度センサの検出値を補正するようにした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行体、および上部旋回体からなる本体と、前記上部旋回体に回動可能に取り付けられた、油圧シリンダの駆動によって上下方向に回動するブーム、アーム及びバケットを含む複数のフロント部材と、該フロント部材の回動角を求める為の第１姿勢検出装置と、前記第１姿勢検出装置の検出値を補正する補正部とを備えた建設機械において、
前記フロント部材、および前記上部旋回体の姿勢を検出する第２姿勢検出装置を備え、
前記補正部は、前記第１姿勢検出装置からの検出値と前記第２姿勢検出装置からの検出値との対応関係を演算する演算部と、前記演算部からの対応関係を基に前記第１姿勢検出装置の検出値を補正することを特徴とする建設機械。
【請求項２】
請求項１に記載の建設機械において、
補正実施の選択を行う補正選択部をさらに備え、
前記補正部は前記補正選択部の出力に応じて、補正を行うことを特徴とする建設機械。
【請求項３】
請求項１または２に記載の建設機械において、
前記第２姿勢検出装置は、静的な状態において姿勢を検出できるセンサを姿勢検出に用い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、ブーム、 アーム等の回動部材の姿勢を検出する姿勢検出装置の補正手段を備えた建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の建設機械は、ブーム、アーム、バケット等の複数の腕より成るフロント機構を有し、オペレータが当該フロント機構の各腕を操作することにより所望の作業を行なう。近年、建設機械による作業を、より容易、正確、かつ、迅速に行なうため、マイクロコンピュータを用いた制御手段が採用されるようになっている。この制御の多くはフロント機構の姿勢制御であるので、フロント機構の姿勢を検出する角度センサやストロークセンサといった姿勢検出装置が用いられる。姿勢検出装置の出力は、姿勢検出装置の取付位置や姿勢検出装置のばらつき等に起因した誤差を含むので、一般に取付位置の調整や補正が必要となる。
【０００３】
近年では姿勢制御の他にも、マシンガイダンスと呼ばれる掘削目標面や姿勢情報をオペレータに提示するシステムが普及している。これに使われる姿勢検出装置の一例として、フロント機構の回動部の回転中心に取り付けて回動角を検出するポテンショメータがある。ポテンショメータは回転角をレバーと呼ばれる部材で機械的に検出し、レバーの回動に連動して変化する可変抵抗素子によりレバーの回転角を電気信号に変換し、外部へ出力する。応答性が高く安価に入手できるが、建設機械のフロント機構は頻繁に回動するために、回転角を検出するレバーにガタが生じたり、可変抵抗素子の磨耗による劣化が生じる可能性がある。また、フロントの取り外しを伴う点検整備時において、ポテンショメータの再取り付けが必要で、その際に取り付け位置がずれる可能性がある。この様な場合に、回転角に相当する電気信号に誤差が生じ、出力特性が正しく得られず、その結果、正しく姿勢を検出出来なくなり、補正が必要となる。
【０００４】
姿勢検出装置の補正を行う装置の従来技術として、特許文献１に示される技術が開示されている。この特許文献１には、建設機械を基準面に移動し、ブーム、アームに任意の姿勢を採らせ、それらの任意位置と基準面との垂直距離を測定し、この測定値を基にブーム角検出装置とアーム角検出装置の理論上の各角度を演算し、演算した各角度と姿勢検出装置の実際の検出値との差を補正値として補正する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０-１１５５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した特許文献１に開示された技術では、補正値を得る為にフロント部材の任意位置から基準面への垂直距離の測定作業が必要となる。この垂直距離の測定は、人手では時間が掛かって多点測定に対応することが難しく、レーザや超音波などの外部設備を利用している。このような設備を使う場合、多点測定には対応出来るものの、外部設備のある場所でなければ補正ができない。また、不整地など基準面を確保できない場所でも補正ができない。
【０００７】
本発明は、前述した従来技術における実情からなされたもので、その目的は、多点測定を容易に実施可能かつ外部設備や基準面を必要としない姿勢検出装置の補正が出来る建設機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するための本発明は、走行体、および上部旋回体からなる本体と、前記上部旋回体に回動可能に取り付けられた、油圧シリンダの駆動によって上下方向に回動するブーム、アーム及びバケットを含む複数のフロント部材と、該フロント部材の回動角を求める為の第１姿勢検出装置と、前記第１姿勢検出装置の検出値を補正する補正部とを備えた建設機械において、前記フロント部材、および前記上部旋回体の姿勢を検出する第２姿勢検出装置を備え、前記補正部は、前記第１姿勢検出装置からの検出値と前記第２姿勢検出装置からの検出値との対応関係を演算する演算部と、前記演算部からの対応関係を基に前記第１姿勢検出装置の検出値を補正することを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明は、前記第１姿勢検出装置からの検出値と前記第２姿勢検出装置からの検出値との対応関係を演算できるので、前記第２姿勢検出装置の検出値を基準値として前記第１姿勢検出装置の検出値を補正することができる。
【００１０】
本発明は前記発明において、補正実施の選択を行う補正選択部をさらに備え、前記補正部は前記補正選択部の出力に応じて、補正を行うことを特徴としている。
【００１１】
本発明は前記発明において、前記第２姿勢検出装置は、静的な状態において姿勢を検出できるセンサを姿勢検出に用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、従来困難であった、多点測定を容易に実施可能かつ外部設備や基準面を必要としない姿勢検出装置の補正が出来る。その結果、校正作業効率の向上が図れる。また、車体単独でいつでも姿勢検出装置の補正を行うことが出来、作業員を必要としないので、作業コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る建設機械の実施形態を含む油圧ショベルを示す側面図である。
【図２】図１に示す油圧ショベルに備えられた補正装置のブロック図である。
【図３】図１に示す油圧ショベルに備えられた、第１姿勢検出装置の検出角度と第２姿勢検出装置の検出角度との補正関係を示した図である。
【図４】図１に示す油圧ショベルの補正作業におけるブームの回動動作と第１姿勢検出装置の検出角度との関係を示す図である。
【図５】図１に示す油圧ショベルの補正作業におけるアームの回動動作と第１姿勢検出装置の検出角度との関係を示す図である。
【図６】図３に示す補正関係の作成処理の一例を示すフローチャートで、図１に示す油圧ショベルのブームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度と第２姿勢検出装置の検出角度との補正関係の作成処理を例示したフロチャートである。
【図７】図３に示す補正関係の作成処理の一例を示すフローチャートで、図１に示す油圧ショベルのアームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度と第２姿勢検出装置の検出角度との補正関係の作成処理を例示したフロチャートである。
【図８】図１に示す油圧ショベルのブームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度に対する補正処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】図１に示す油圧ショベルのブームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度に対する補正選択処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る作業機械の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る建設機械の実施形態を含む油圧ショベルを示す側面図である。
【００１６】
油圧ショベル１は、走行体２と、走行体２上に旋回可能に設けられた旋回体３と、旋回体３に回動可能に設けられたフロントアタッチメント４とを有する。フロントアタッチメント４は、ブーム下端の回動軸５ｂを支点にブームシリンダ７ｂによって旋回体３に回動可能に支持されたブーム４ｂと、ブーム先端の回動軸５ａを支点にアームシリンダ７ａによって回動可能に支持されたアーム４ａと、アーム先端の回動軸５ｃを支点にバケットシリンダ７ｃを介して回動可能に支持されたバケット４ｃとを有する。
【００１７】
回動軸５ｂには、旋回体３に対するブーム４ｂの回動角を検出するブーム角度センサ２１ｂが装着され、回動軸５ａには、ブーム４ｂに対するアーム４ａの回動角を検出するアーム角度センサ２１ａが装着されている。第１姿勢検出装置であるブーム角度センサ２１ｂ、およびアーム角度センサ２１ａは、ポテンショメータにより構成され、ブーム４ｂおよびアーム４ａの回動量に比例した電気信号を出力する。第１姿勢検出装置にはシリンダストロークを検出するストロークセンサや、カメラ画像から変位を検出する測距装置、油圧ショベル１の各部寸法と合わせて幾何学的に回動量を演算できる装置などを用いてもよい。
【００１８】
旋回体３、ブーム４ｂおよびアーム４ａには第２姿勢検出装置である車体傾斜角度センサ４１ｓ、ブーム傾斜角度センサ４１ｂ、およびアーム傾斜角度センサ４１ａが装着され、旋回体３、ブーム４ｂおよびアーム４ａの対地角に比例した電気信号を出力する。これら傾斜角度センサの測定原理は、内部に電解液を含み、装着部の回動もしくは変位に応じて液面水位を変化させ、それに伴う静電容量の変化を測定するものが一例として挙げられる。液面水位の変化で測定するという原理上、耐衝撃性や応答性の面ではポテンショメータと比べて劣るが、車体が停止した状態もしくは低速度で駆動した状態においては高精度で測定できる。また、ポテンショメータの様に可動部品のレバーや、磨耗する可変抵抗素子が無い為、劣化・破損する可能性がポテンショメータと比べて小さい。
【００１９】
このように、これら傾斜角度センサを用いることで、車体が停止した状態、もしくは傾斜角度検出に影響しない低速度で駆動した状態、すなわち静的な状態において、高精度に角度が検出できるため、補正の際の基準角度にできる。
【００２０】
図２は、図１に示す油圧ショベルに備えられた補正装置のブロック図である。
【００２１】
油圧ショベル１には車体を制御するコントローラ１０が備わっている。コントローラ１０にはブーム角度センサ２１ｂおよびアーム角度センサ２１ａと、車体傾斜角度センサ４１ｓ、ブーム傾斜角度センサ４１ｂ、およびアーム傾斜角度センサ４１ａが接続されている。コントローラ１０は、コントローラ１０内の所定の演算に用いるプログラムおよび演算に使用する各種定数（油圧ショベル１の各部寸法やブーム角度センサ２１ｂ、およびアーム角度２１ａの出力特性など）を記憶する記憶装置１２と、補正テーブル作成部１１ａ、補正演算部１１ｂ、および補正選択部１１ｃを含む補正部１１を有し、また、コントローラ１０の外部には、補正作業開始を指令する補正作業開始スイッチ１３を備える。
【００２２】
コントローラ１０では、ブーム角度センサ２１ｂ、アーム角度センサ２１ａ、車体傾斜角度センサ４１ｓ、ブーム傾斜角度センサ４１ｂ、およびアーム傾斜角度センサ４１ａ、さらには記憶装置１２、補正作業開始スイッチ１３からの信号に基づき後述する処理を行い、ブーム角度センサ２１ｂ、およびアーム角度センサ２１ａで得られた検出角度に対する車体傾斜角度センサ４１ｓ、ブーム傾斜角度センサ４１ｂ、およびアーム傾斜角度センサ４１ａ検出角度との補正関係、すなわち補正テーブルを作成して記憶装置１２に記憶する。
【００２３】
図３は、図１に示す油圧ショベルに備えられた、第１姿勢検出装置の検出角度と第２姿勢検出装置の検出角度との補正関係を示した図である。
【００２４】
図３に示す横軸は、ブーム角度センサ２１ｂ、およびアーム角度センサ２１ａによる検出角度（＝θ１（ｉ））を示し、縦軸は基準角度である車体傾斜角度センサ４１ｓ、ブーム傾斜角度センサ４１ｂ、およびアーム傾斜角度センサ４１ａより求められる検出角度（＝θ２（ｉ））を示す。補正テーブルはθ１（ｉ）とθ２（ｉ）とを同時測定し、これらの対応関係をデータ化している。前述したようにθ２（ｉ）は基準角度であり、θ１（ｉ）に対応するθ２（ｉ）を出力することで補正を行う。補正テーブルのデータ数を増やすことで分解能が向上し、より正確に補正を行えるが、補正部１１の演算能力や記憶装置１２の記憶容量などを考慮し、データ数を適切に定める。補正にあたっては、各データの間を線形補間して補正を行う。
【００２５】
図４は、図１に示す油圧ショベルの補正作業におけるブームの回動動作と第１姿勢検出装置の検出角度との関係を示す図、図５は、図１に示す油圧ショベルの補正作業におけるアームの回動動作と第１姿勢検出装置の検出角度との関係を示す図である。
【００２６】
図４に示すように、ブーム角度センサ２１ｂの補正テーブルを作成する際には、ブームを回動範囲において回動する様にフロントを操作する。また、図５に示すようにアーム角度センサ２１ａの補正テーブルを作成する際には、アームをアームの回動範囲において回動する様にフロントを操作する。回動動作中、一定の時間間隔でθ１（ｉ）とθ２（ｉ）とを同時測定し続けて、補正テーブルのデータを連続して得る。なお、車体を静止させてトリガーとなるスイッチなどを押す事によって、補正テーブルのデータを記録するという方法で実施してもよい。
【００２７】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２８】
図６は、図３に示す補正関係の作成処理の一例を示すフローチャートで、図１に示す油圧ショベルのブームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度と第２姿勢検出装置の検出角度との補正関係の作成処理を例示したフローチャート、図７は、図３に示す補正関係の作成処理の一例を示すフローチャートで、図１に示す油圧ショベルのアームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度と第２姿勢検出装置の検出角度との補正関係の作成処理を例示したフローチャートである。
【００２９】
図６の補正テーブルの作成処理について説明する。補正テーブル演算部１１ａにおいて、はじめに、ステップＳ１０で、補正作業開始スイッチ１３がオンされたか否かを判定する。ステップＳ１０が肯定されるとステップＳ１１に進み、否定されると処理を終了する。
【００３０】
ステップＳ１１では、運転室のモニタにブーム４ｂの回動操作を指示し、作業員はこの指示に従って、図示しない操作レバーを操作し、ブーム４ｂを回動可能範囲において、低速で回動させる。ブーム４ｂが回動するとステップ１２に進み、ブーム角度センサ２１ｂの検出角度θ１Ｂ（ｉ）とブーム傾斜角度センサ４１ｂの検出角度Ｂｒ（ｉ）、車体傾斜角度センサ４１ｓの検出角度Ｓｒ（ｉ）とを同時測定により検出し、ステップ１３に進む。ステップＳ１３では、ブーム傾斜角度センサ４１ｂの検出角度Ｂｒ（ｉ）と車体傾斜角度センサ４１ｓの検出角度Ｓｒ（ｉ）との差を、ブーム回動角に変換した値θ２Ｂ（ｉ）として算出し、ステップ１４に進む。
【００３１】
ステップＳ１４では、θ１Ｂ（ｉ）とθ２Ｂ（ｉ）が補正テーブルＴｂに未登録であるか否かを判定する。ステップＳ１４が肯定の場合はステップＳ１５に進み、否定の場合はステップ１２に戻る。ステップ１５では、θ１Ｂ（ｉ）とθ２Ｂ（ｉ）を補正テーブルＴｂに登録してステップ１６に進む。
【００３２】
ステップ１６では、補正テーブルＴｂに格納したデータの数が所定値以上であるか否かを判断する。ステップ１６が肯定の場合はステップ１７に進み、否定の場合はステップ１２に戻る。ステップ１７では、現在の補正テーブルＴｂを記憶装置１２に保存し、処理を終了する。
【００３３】
図７の補正テーブルの作成処理について説明する。上述と同様、補正テーブル演算部１１ａにおいて、はじめに、ステップＳ２０で、補正作業開始スイッチ１３がオンされたか否かを判定する。ステップＳ２０で肯定の場合はステップＳ２１に進み、否定の場合は処理を終了する。
【００３４】
ステップＳ２１では、運転室のモニタにアーム４ａの回動操作を指示し、作業員はこの指示に従って、上述した操作レバーを操作し、アーム４ａを回動可能範囲において回動させる。アーム４ａが回動するとステップ２２に進み、補正部１１はアーム角度センサ２１ａの出力値θ１Ａ（ｉ）とブーム角度センサ２１ｂの出力値θ１Ｂ（ｉ）、センサ４１ａの検出角度Ａｒ（ｉ）、センサ４１ｓの検出角度Ｓｒ（ｉ）を取得し、ステップ２３に進む。ステップ２３では、θ１Ｂ（ｉ）を補正演算部で補正した値θ２Ｂ（ｉ）を取得し、ステップ２４に進む。ステップＳ２４では、センサ４１ａの出力値Ａｒ（ｉ）をアーム回動角に変換した値θ２Ａ（ｉ）を演算し、ステップ２５に進む。
【００３５】
ステップＳ２５では、θ１Ａ（ｉ）とθ２Ａ（ｉ）が未登録であるか否かを判定する。ステップＳ２５が肯定の場合はステップＳ２６に進み、否定の場合はステップ２２に戻る。ステップ２６では、θ１Ａ（ｉ）とθ２Ａ（ｉ）を補正テーブルＴａに登録してステップ２７に進む。
【００３６】
ステップ２７では、補正テーブルＴａに格納したデータの数が所定値以上であるか否かを判断する。ステップ２７で肯定の場合はステップ２８に進み、否定の場合はステップ２２に戻る。ステップ２８では、現在の補正テーブルＴａを記憶装置１２に保存し、処理を終了する。以上でブーム角度センサ２１ｂの補正テーブルＴｂと、アーム角度センサ２１ａの補正テーブルＴａの作成が完了する。なお、補正テーブルＴａ、Ｔｂの作成は、並行処理や、補正テーブルＴｂ、Ｔａ（Ｔａ、Ｔｂでも可）の順に作成を行う連続処理、等が挙げられる。
【００３７】
図８は、図１に示す油圧ショベルのブームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度に対する補正処理の一例を示すフローチャート、図９は、図１に示す油圧ショベルのブームに備えられた第１姿勢検出装置の検出角度に対する補正選択処理の一例を示すフローチャートを示す。
【００３８】
補正処理および補正選択処理については、ブーム角度センサ２１ｂの補正を例に説明する。アーム角度センサ２１ａについては、補正される値と参照する補正テーブルが異なることを除いて手順は同じなので省略する。
【００３９】
図８の補正処理について説明する。補正演算部１１ｂにおいて、ステップ３０では、ブーム角度センサ２１ｂの検出角度の入力が有るか否かを判別する。ステップＳ３０では肯定の場合はステップＳ３１に進み、否定の場合は処理を終了する。ステップＳ３１では、補正部１１はブーム角度センサ２１ｂの出力値θ１Ｂを取得し、ステップ３２へ進む。ステップＳ３２では補正テーブル演算部１１ａで得られた補正テーブルＴｂを参照して、θ１Ｂ(ｉ)≦θ１Ｂ＜θ１Ｂ(ｉ＋１)となるｉを得て、ステップＳ３３へ進む。
【００４０】
ステップＳ３３では補正の間を補間する作業を行い、区間θ１Ｂ(ｉ)≦θ１Ｂ＜θ１Ｂ(ｉ＋１)におけるθ１Ｂとθ２Ｂの関係を示す下記の式（１）を作成し、ステップＳ３４へ進む。  
θ２Ｂ＝｛θ２Ｂ（ｉ＋１）−θ２Ｂ （ｉ）｝／{θ１Ｂ(ｉ＋１)−θ１Ｂ(ｉ)}  
×{θ１Ｂ−θ１Ｂ(ｉ)}＋θ２Ｂ(ｉ)・・・（１）
ステップＳ３４では、式（１）を用いてθ１Ｂに対応するθ２Ｂを算出し、ステップＳ３５へ進む。ステップＳ３５は補正選択部１１ｃで行う処理で、θ１Ｂの補正を行うか否かを判別するものである。すなわち、θ１Ｂとθ２Ｂとの差と予め設定した所定値とを比較し、θ１Ｂとθ２Ｂとの差が所定値より大きい場合に、補正要と判断するもので、θ１Ｂとθ２Ｂとの間で生じる影響のない範囲の誤差等を無視し、計算上の効率を上げるものである。
【００４１】
ここで、図９を用いて補正選択部１１ｃでの補正選択処理のフローを説明する。ステップＳ４０では、補正演算部１１ｂからθ１Ｂおよびθ２Ｂの入力が有るか無いかを判別する。ステップＳ４０では肯定の場合はステップＳ４１に進み、否定の場合は処理を終了する。ステップＳ４１では、θ１Ｂとθ２Ｂとの差が所定値以上であるか否かを判別する。ステップＳ４１では肯定の場合はステップＳ４２に進み、否定の場合はステップＳ４３に進む。ステップＳ４２では、補正要との指示を補正演算部１１ｂに出力し、処理を終了する。ステップＳ４３では、補正不要の指示を補正演算部１１ｂに出力し、処理を終了する。
【００４２】
図８の補正処理に戻る。ステップＳ３５で肯定の場合ステップＳ３６に進み、否定の場合はステップＳ３７へ進む。ステップＳ３６では、補正選択部１１ｃにて補正要と判断されたため、θ２Ｂを出力し、処理を終了する。ステップＳ３７では、補正選択部１１ｃにて補正不要と判断されたため、θ１Ｂを出力し、処理を終了する。以上、図８に示した補正処理は、ブーム角度センサ２１ｂの補正テーブル作成時を除き、コントローラ１０が図示しないフロント機構の姿勢制御部により姿勢制御などを行おうとした場合には、常に実施する。
【００４３】
なお、本実施例ではθ２Ｂの算出にあたって、図３に示される様に補正テーブルの各点を繋いで近似式を定義したが、補正テーブルの全点から求められる近似式を作成して適用する等の方法で実施してもよい。
【００４４】
このように構成された実施形態により、多点測定を容易に実施可能かつ外部設備や基準面を必要としない姿勢検出装置の補正が出来る。その結果、校正作業効率の向上が図れる。また、車体単独でオペレータがいつでも姿勢検出装置の補正を行うことが出来、作業員を必要としないので、作業コストの低減が図れる。
【符号の説明】
【００４５】
１  油圧ショベル（建設機械・本体）
２  走行体（本体）
３  旋回体（本体）
４  フロントアタッチメント（フロント部材）
４ｂ  ブーム
４ａ  アーム
４ｃ  バケット
５ａ  ブーム先端の回動軸
５ｂ  ブーム下端の回動軸
５ｃ  アーム先端の回動軸
６ａ  アーム先端位置
６ｂ  ブーム先端位置
７ａ  アームシリンダ
７ｂ  ブームシリンダ
１０  コントローラ
１１  補正部
１１ａ  補正テーブル演算部
１１ｂ  補正演算部
１１ｃ  補正選択部
１２  記憶装置
１３  補正作業開始スイッチ
２１ａ  アーム角度センサ（第１姿勢検出装置）
２１ｂ  ブーム角度センサ（第１姿勢検出装置）
４１ａ  アーム傾斜角度センサ（第２姿勢検出装置）
４１ｂ  ブーム傾斜角度センサ（第２姿勢検出装置）
４１ｓ  車体傾斜角度センサ（第２姿勢検出装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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