(57)【要約】【課題】作業具と目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することで、視認性を向上することができる掘削機械の表示システム及びそれに用いられるプログラムを提供する。【解決手段】目標掘削面とバケット１ｃの位置関係をモニタ１０に画像で表示する掘削機械の表示システムにおいて、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する角度検出器９ａ，９ｂ，９ｃと、これら位置と姿勢の検出値に基づきバケット１ｃの位置と姿勢を演算するバケット位置・姿勢演算部１８ａと、この位置と姿勢の演算値に基づき、バケット１ｃと目標掘削面との位置関係からバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離Ｌｔｉｐを演算するバケット爪先と目標掘削面の距離演算部１８ｃと、この垂直距離情報を、その距離に応じた視覚的表現でモニタ１０の画面内に表示するバケット描画色の演算部１９ｃとを備える。【選択図】　図４
2004068433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定した目標掘削面を作業機により掘削するに際して、前記目標掘削面と前記作業機の先端に位置する作業具の位置関係を表示画面に画像で表示する掘削機械の表示システムにおいて、
前記作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、
前記検出手段からの信号に基づき前記作業具の位置と姿勢を演算する位置・姿勢演算手段と、
前記作業具の位置と姿勢の演算値に基づき、前記作業具と前記目標掘削面との位置関係から前記作業具と前記目標掘削面との距離を演算する距離演算手段と、
前記作業具と前記目標掘削面との距離情報を、その距離に応じた視覚的表現で前記表示画面内に表示する画像表示手段とを備えたことを特徴とする掘削機械の表示システム。
【請求項２】
請求項１記載の掘削機械の表示システムにおいて、前記画像表示手段は、前記作業具と前記目標掘削面との距離情報を、その距離に応じた前記表示画面内の少なくとも一部の描画色の切換により表現することを特徴とする掘削機械の表示システム。
【請求項３】
請求項１記載の掘削機械の表示システムにおいて、前記画像表示手段は、前記作業具と前記目標掘削面との距離情報をその距離に応じた伸縮表現又は位置ずれ表現にて表す表示器を前記表示画面内に表示することを特徴とする掘削機械の表示システム。
【請求項４】
予め設定した目標掘削面を作業機により掘削するに際して、前記目標掘削面と前記作業機の先端に位置する作業具の位置関係を表示画面に画像で表示するプログラムであって、
コンピュータに、
前記作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段からの信号に基づき前記作業具の位置と姿勢を演算させ、
前記作業具の位置と姿勢の演算値に基づき、前記作業具と前記目標掘削面との位置関係から前記作業具と前記目標掘削面との距離を演算させ、
前記作業具と前記目標掘削面との距離情報を、その距離に応じた視覚的表現で前記表示画面内に表示させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掘削機械の表示システム及びそれに用いられるプログラムに係わり、特に油圧ショベル等の掘削機械の掘削作業状態を表示するのに適した掘削機械の表示システム及びそれに用いられるプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、油圧ショベル等の掘削機械は、オペレータが手動操作レバーを操作することで、ブーム、アーム、及びバケット等の作業具からなる作業機が駆動する。このとき、所定深さの溝又は所定勾配の法面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。
【０００３】
そこで、従来より、例えば特開昭６２−１８５９３２号公報、又は特開平１０−１０３９２５号公報、若しくは特開２００１−１２３４７６号公報に記載のように、目標掘削面と作業機の先端に位置する作業具との相互の位置関係を表示することで、オペレータが所定の目標掘削面を適正に掘削できるようにしたものがある。
【０００４】
上記特開昭６２−１８５９３２号公報に記載された表示システム（作業状態監視装置）においては、作業具（作業機の刃先）の運動軌跡と目標掘削面（目標掘削ライン）とを運転室内に画像表示しており、オペレータがこの表示画面を見ることで溝や法面の掘削作業を適正に行えるようになっている。
【０００５】
また、上記特開平１０−１０３９２５号公報に記載された表示システムにおいては、作業具（バケット）と目標掘削面（所望の外郭）との位置関係を側面から見た二次元画像として表示し、且つそれらの距離を数値で表示している。これにより、オペレータは溝や法面の掘削作業を正確に行えるようになっている。
【０００６】
また、上記特開２００１−１２３４７６号公報に記載された表示システムにおいては、上記特開平１０−１０３９２５号公報のものと同様に作業具と目標掘削面との位置関係を画像表示しつつそれらの距離を数値で表示し、さらにその画像表示スケールを作業具と目標掘削面との距離に応じて変更することで、その距離が大きい場合においても確実に作業具と目標掘削面との位置関係を画像表示することができるようになっている。これにより、オペレータは溝や法面の掘削作業を正確且つ確実に行えるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記特開昭６２−１８５９３２号公報に記載の従来技術においては、作業具の運動軌跡と目標掘削面との位置関係を画像表示するのみであるため、オペレータはこの画像により作業具と目標掘削面との位置関係を概略的には把握できるものの、その正確な距離を把握することができない。
【０００８】
また、上記特開平１０−１０３９２５号公報及び特開２００１−１２３４７６号公報に記載の従来技術においては、作業具と目標掘削面との位置関係を画像表示し且つそれらの距離を数値で表示するので、オペレータは作業具と目標掘削面との距離を正確に把握することができるが、その際には作業具及び目標掘削面の画像と数字との両方を見なければならない。
【０００９】
ここで、油圧ショベル等を用いて目標掘削面に沿って掘削作業を行う際には、例えば既存の埋設物等を避けて掘削する場合が多く、これらの埋設物の近傍を掘削する際には、オペレータの瞬時の判断による操作が要求されることとなる。このような場面においては、上記従来技術では作業具及び目標掘削面の画像と数字との両方を見なければならず、オペレータの次の操作の判断が遅れる可能性がある。
【００１０】
さらに、一般に油圧ショベル等の建設機械は、場所及び時季を問わず様々な環境下で用いられるものであり、例えば夏季の炎天下に掘削作業を行うこともあれば、冬季の寒冷地において掘削作業を行うこともある。このような過酷な環境の下で作業を行う掘削機械においては、オペレータの搭乗する運転室内も過酷な環境であり、そのような環境下で作業を行うオペレータは、上記従来技術のように作業具及び目標掘削面の画像と数字との両方を確実に見て作業具と目標掘削面との位置関係を把握する余裕がない場合もある。
【００１１】
以上説明したように、上記の３つの従来技術においては、その正確性、及び瞬時に認識することが可能な視認性について更なる向上の余地がある。
【００１２】
本発明の目的は、作業具と目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することで、視認性を向上することができる掘削機械の表示システム及びそれに用いられるプログラムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、予め設定した目標掘削面を作業機により掘削するに際して、前記目標掘削面と前記作業機の先端に位置する作業具の位置関係を表示画面に画像で表示する掘削機械の表示システムにおいて、前記作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、前記検出手段からの信号に基づき前記作業具の位置と姿勢を演算する位置・姿勢演算手段と、前記作業具の位置と姿勢の演算値に基づき、前記作業具と前記目標掘削面との位置関係から前記作業具と前記目標掘削面との距離を演算する距離演算手段と、前記作業具と前記目標掘削面との距離情報を、その距離に応じた視覚的表現で前記表示画面内に表示する画像表示手段とを備える。
【００１４】
本発明においては、作業機の位置及び姿勢に関する状態量を検出手段で検出し、その状態量に基づいて作業機の先端の作業具の位置及び姿勢を位置・姿勢演算手段で演算し、その演算値に基づいて作業具と目標掘削面との距離を距離演算手段で演算する。このとき、画像表示手段は、上記距離演算手段で演算された作業具と目標掘削面との距離情報を、例えば数値で表示すると共に、表示画面内の少なくとも一部をその距離に応じた描画色に切り換えて表示したり、距離に応じた伸縮表現、位置ずれ表現を行う表示器を表示画面内に表示したりすることで、視覚的表現により表示する。これにより、作業具と目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することでき、表示画面のオペレータによる視認性を向上することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記画像表示手段は、前記作業具と前記目標掘削面との距離情報を、その距離に応じた前記表示画面内の少なくとも一部の描画色の切換により表現する。
【００１６】
これにより、作業具の描画色を、例えば作業具先端が目標掘削面近傍の場合は黄、作業具先端が目標掘削面より所定の距離以上上の場合は青、作業具先端が目標掘削面より所定の距離以上下の場合は赤というように色分けした場合、オペレータは作業具の描画色が黄色になるように作業具を操作することで、容易に目標掘削面に対応した適性な掘削作業を行うことができる。
【００１７】
（３）上記（１）において、また好ましくは、前記画像表示手段は、前記作業具と前記目標掘削面との距離情報をその距離に応じた伸縮表現又は位置ずれ表現にて表す表示器を前記表示画面内に表示する。
【００１８】
本発明においては、画像表示手段は、作業具と目標掘削面との距離情報を、例えば数値で表示すると共に、中央に０を取り、作業具が目標掘削面から離れる方向を＋に、作業具が目標掘削面より下にくる方向を−とし、作業具と目標掘削面との距離に応じて指針が上下する表示器を表示画面内に表示する。これにより、作業具と目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することでき、視認性を向上することができる。
【００１９】
（４）上記目的を達成するために、本発明は、予め設定した目標掘削面を作業機により掘削するに際して、前記目標掘削面と前記作業機の先端に位置する作業具の位置関係を表示画面に画像で表示するプログラムであって、コンピュータに、前記作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段からの信号に基づき前記作業具の位置と姿勢を演算させ、前記作業具の位置と姿勢の演算値に基づき、前記作業具と前記目標掘削面との位置関係から前記作業具と前記目標掘削面との距離を演算させ、前記作業具と前記目標掘削面との距離情報を、その距離に応じた視覚的表現で前記表示画面内に表示させることを特徴とするプログラム。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の掘削機械の表示システム及びそのプログラムの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の掘削機械の表示システム及びそのプログラムの第１の実施の形態を図１乃至図１０を参照しつつ以下に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を備える油圧ショベルの全体構造を表す斜め後から見た斜視図である。この図１に示すように、油圧ショベル１は、垂直方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。これらのブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅは、油圧ショベル１の被駆動部材を構成し、油圧駆動装置により駆動される。
【００２２】
図２は、本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を備える油圧ショベルの油圧駆動装置の全体構成を表す油圧回路図である。
この図２において、油圧駆動装置は、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、これら操作レバー装置４ａ〜４ｆによって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２の吐出圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６と、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し流量制御弁５ａ〜５ｆを制御する制御ユニット７とを有している。
【００２３】
本実施形態では、操作レバー装置４ａ〜４ｆは、操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置であり、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット圧に変換する電気油圧変換手段、例えば比例電磁弁を両端に備えた電気・油圧操作方式の弁である。これらの操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力した制御ユニット７は、その入力信号に応じた流量制御弁駆動信号を生成して流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動・制御する。
【００２４】
このようにして、ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅは、ブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆによりそれぞれ駆動され、それらの動作は操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示されるようになっている。
【００２５】
以上のような構成の油圧ショベル１に、本実施の形態に係わる領域制限掘削制御装置と作業状態表示装置が設けられている。これらの装置は、直線上に仕上げたい目標掘削面の設定に用いられる設定器８と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器９ａ，９ｂ，９ｃと、運転室内に設置された２次元表示モニタ１０と、上記の制御ユニット７に含まれる後述する処理機能とで構成されている。
【００２６】
図３は、制御ユニット７のハード構成を示す図である。制御ユニット７は、入力部１１と、マイクロコンピュータで構成される中央処理装置（ＣＰＵ）１２と、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）１３と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１４と、出力部１５とを有している。入力部１１は、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号、設定器８からの指示信号（設定信号及びメインスイッチ信号）、角度検出器９ａ，９ｂ，９ｃからの角度信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ１３は、制御プログラム（後述）が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ１２は、ＲＯＭ１３に記憶された制御プログラムに従って入力部１１から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。ＲＡＭ１４は、演算途中の数値を一時的に記憶する。出力部１５は、ＣＰＵ１２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、流量制御弁５ａ〜５ｆにその信号を出力し、また、モニタ１０に車体や外部基準面や目標掘削面を表示させる。
【００２７】
図４は、制御ユニット７のＲＯＭ１３に記憶された制御プログラムの概要を示す機能ブロック図である。制御ユニット７は、領域制限掘削制御を行う掘削制御部１６と、目標掘削面を設定すると共にモニタ１０への表示処理を行う設定・表示処理部１７とを有している。掘削制御部１６は、設定・表示処理部１７で設定された目標掘削面に基づき、公知の領域制限掘削制御を行うよう流量制御弁５ａ〜５ｆに対する指令信号を生成する処理を行う。設定・表示処理部１７は、角度検出器９ａ，９ｂ，９ｃの検出信号、設定器８からの信号を入力し、ショベル本体の持つ座標系に対して目標掘削面を演算し、目標掘削面を設定すると共に、油圧ショベル側面から眺めた場合のバケット１ｃと目標掘削面の模式図を合成処理し、モニタ１０に表示する。
【００２８】
設定・表示処理部１７は、距離演算部１８と合成処理部１９とから構成されている。距離演算部１８は、角度検出器９ａ，９ｂ，９ｃの検出信号及び設定器８からの信号を入力し、バケット１ｃの姿勢を演算して、その姿勢と設定された目標掘削面との位置関係からバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離を演算する。合成処理部１９は、バケット１ｃの姿勢と目標掘削面との垂直距離と目標掘削面の位置及び勾配からバケット１ｃと目標掘削面との相対的な位置関係を演算し、油圧ショベル側面から眺めた場合のバケット１ｃと目標掘削面の模式図を合成処理し、さらにバケット１ｃと目標掘削面間の垂直距離，目標掘削面の勾配，バケット１ｃの対地角度等の数値をモニタ１０上に表示する。
【００２９】
図５は、設定器８の構成を表す構成図である。この図５において、設定器８は、操作パネルあるいはグリップ上に設けられたスイッチ等の操作手段から構成され、ダイレクトティーチボタン８ａと、勾配を設定するアップ・ダウンキー８ｂ，８ｃと、表示部８ｄとから構成される。ダイレクトティーチ方式によって目標掘削面を設定する際には、ダイレクトティーチボタン８ａが操作されると、そのときのレーザ基準面に対するバケットの位置がレーザ基準面からの深さとして設定される。また、アップ・ダウンキー８ｂ，８ｃを操作することにより、勾配を設定することができ、設定結果は表示部８ｄに表示される。設定器８は、オペレータによって入力された掘削面のダイレクトティーチ信号や勾配信号を距離演算部１８及び合成処理部１９に出力する。なお、操作パネル上には、設定値の表示装置等、他の補助手段があってもよい。
【００３０】
次に、図６を用いて、距離演算部１８の処理機能について説明する。図６は、距離演算部１８の処理機能をブロック線図で表したものであり、距離演算部１８は、バケットの位置・姿勢演算部１８ａと、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１８ｂと、バケット爪先と目標掘削面の距離演算部１８ｃの各機能を有している。
【００３１】
バケットの位置・姿勢演算部１８ａは、図７に示す油圧ショベルの座標系及び各部寸法に基づいてバケット爪先のＸ−Ｚ座標（Ｐｖｘ，Ｐｖｚ）を、以下の式（１），（２）より演算する。
Ｐｖｘ＝ＬＶ×ｃｏｓ（αＢ＋αＡ＋αＶ）＋ＬＡ×ｃｏｓ（αＢ＋αＡ）＋ＬＢ×ｃｏｓαＢ＋ＬＦ１　…（１）
Ｐｖｚ＝−ＬＶ×ｓｉｎ（αＢ＋αＡ＋αＶ）−ＬＡ×ｓｉｎ（αＢ＋αＡ）−ＬＢ×ｓｉｎαＢ＋ＬＦ２　…（２）
また、バケットの位置・姿勢演算部１８ａは、バケット背面の地面に対する角度αＧを、以下の式（３）より演算する。
αＧ＝−αＢ−αＡ−αＶ−αｔｉｐ＋１８０°　…（３）
車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１８ｂは、設定器８からダイレクトティーチ信号が入力された場合、勾配信号βとバケットの位置・姿勢演算部１８ａにおいて演算されたバケット爪先座標（Ｐｃｘ，Ｐｃｚ）からショベルのｘ−ｚ座標における目標掘削面の一次式を、以下の式（４）により演算・記憶し、目標掘削面を設定する。
ｚ＝ｔａｎβ・ｘ＋（Ｐｃｚ−ｔａｎβ・Ｐｃｘ）　…（４）
なお、掘削制御部１６は、設定・表示処理部１７の車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１８ｂによって設定された目標掘削面に基づき、公知の領域制限掘削制御を行う。
【００３２】
バケット爪先と目標掘削面の距離演算部１８ｃは、バケットの位置・姿勢演算部１８ａにおいて演算された現在のバケット爪先座標（Ｐｖｘ，Ｐｖｚ）と、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１８ｂにおいて演算された目標掘削面の一次式より、バケット爪先と目標掘削面の垂直距離Ｌｔｉｐを、以下の式（５）に従って演算する。
Ｌｔｉｐ＝ｓｉｎβ・Ｐｖｘ＋ｃｏｓβ・Ｐｖｚ−（Ｐｃｚ−ｔａｎβ・Ｐｃｘ）ｃｏｓβ　　…（５）
次に、図８を用いて、合成処理部１９の処理機能について説明する。図８は、合成処理部１９の処理機能をブロック線図で表したものであり、合成処理部１９は、バケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａと、バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂと、バケット描画色の演算部１９ｃと、バケット側面図の画像生成演算部１９ｄと、目標掘削面の画像生成演算部１９ｅと、各種モニタ数値の表示演算部１９ｆの各機能を有している。
【００３３】
バケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａは、図９に示すように、モニタ画面の中央から（９０°−β）の勾配の方向にＬｔｉｐ×Ｋ／２（Ｋ：予め設定しておいたモニタ表示のスケール係数）の距離離れたバケット爪先位置のモニタ座標（Ｍｖｘ，Ｍｖｙ）を、距離演算部１８によって演算されたバケット爪先と目標掘削面間の垂直距離Ｌｔｉｐと、設定器８によって設定された勾配βに応じて、以下の式（６），（７）に従って演算する。
【００３４】
Ｍｖｘ＝（（Ｌｔｉｐ×Ｋ）／２）×ｃｏｓ（９０°−β）　　…（６）
Ｍｖｙ＝（（Ｌｔｉｐ×Ｋ）／２）×ｓｉｎ（９０°−β）　　…（７）
バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂは、図９に示すように、バケット爪先位置のモニタ画面の中央に対して対称の位置にある点、すなわちバケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標（Ｍｃｘ，Ｍｃｙ）を、距離演算部１８によって演算されたバケット爪先と目標掘削面間の垂直距離Ｌｔｉｐと、設定器８によって設定された勾配βに応じて、以下の式（８），（９）に従って演算する。
【００３５】
Ｍｃｘ＝−Ｍｖｘ　　…（８）
Ｍｃｙ＝−Ｍｖｙ　　…（９）
バケット描画色の演算部１９ｃは、バケット爪先と目標掘削面間の垂直距離Ｌｔｉｐに応じてバケット１ｃを描画する色を決定するための演算を行う。このとき、バケット描画色の演算部１９ｃは、図１０に示すようにバケット爪先が目標掘削面に対し上方向（図１０中＋方向）にしきい値Ｌより離れていれば青色、バケット爪先が目標掘削面に対し下方向（図１０中−方向）にしきい値Ｌより離れていれば赤色、バケット爪先が目標掘削面に対し上・下方向にしきい値Ｌ以内にあれば黄色でバケット１ｃを描画するようになっている。なお、このしきい値Ｌは、例えば制御ユニット７のＲＡＭ１４に予め記録（又は適宜の外部端末により設定入力してもよい）されているものである。
【００３６】
バケット側面図の画像生成演算部１９ｄは、バケット爪先がバケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａによって演算されたモニタ座標（Ｍｖｘ，Ｍｖｙ）であり、かつ実寸法にスケール係数Ｋを掛けて縮小し、バケット背面を、バケットの位置・姿勢演算部１８ａによって演算されたバケット背面の地面に対する角度αＧだけ傾けたバケット側面図の画像をバケット描画色の演算部１９ｃで演算された描画色で表示する処理を行い、図９に示すように、モニタ１０上に表示させる。
【００３７】
目標掘削面の画像生成演算部１９ｅは、バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂによって演算されたモニタ座標（Ｍｃｘ，Ｍｃｙ）を通過する勾配βの直線の画像を表示する処理を行い、図９に示すように、モニタ１０上に表示させる。
【００３８】
各種モニタ数値の表示演算部１９ｆは、設定器８によって設定された目標掘削面の勾配βと、バケットの位置・姿勢演算部１８ａによって演算されたバケット爪先と目標掘削面の垂直距離Ｌｔｉｐと、バケットの位置・姿勢演算部１８ａによって演算されたバケット背面の地面に対する角度αＧを数値表示する画像を表示する処理を行い、図９に示すように、モニタ１０上に表示させる。
【００３９】
以上のようにして処理された結果、バケット側面図及び目標掘削面図とこれらの位置関係に付属する数値とが、モニタ１０上に、図９に示すように表示される。なお、目標掘削面の設定が終了すると、油圧ショベル１は領域制限掘削制御により目標掘削面を掘削する。
【００４０】
以上において、フロント装置１Ａは特許請求の範囲各項記載の予め設定した目標掘削面を掘削する作業機を構成し、バケット１ｃは作業機の先端に位置する作業具を構成し、モニタ１０は目標掘削面と作業具との位置関係を画像で表示する表示画面を構成する。
【００４１】
また、角度検出器９ａ，９ｂ，９ｃは作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段を構成し、バケット位置・姿勢演算部１８ａは検出手段からの信号も基づき作業具の位置と姿勢を演算する位置・姿勢演算手段を構成し、バケット爪先と目標掘削面の距離演算部１８ｃは作業具と目標掘削面との距離を演算する距離演算手段を構成し、バケット描画色の演算部１９ｃは距離に応じた視覚的表現で表示画面内に表示する画像表示手段を構成する。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態においては、距離演算部１８及び合成処理部１９を用いることにより、運転室内に設置されたモニタ１０上にバケット側面図と目標掘削面図を表示する際に、距離演算部１８によって求められたバケット爪先と目標掘削面との垂直距離Ｌｔｉｐを数値で表示すると共に、その垂直距離Ｌｔｉｐに応じ、バケット爪先が目標掘削面に対し上方向にしきい値Ｌより離れていれば青色、バケット爪先が目標掘削面に対し下方向にしきい値Ｌより離れていれば赤色、バケット爪先が目標掘削面に対し上・下方向にしきい値Ｌ以内にあれば黄色でバケット１ｃを描画する。これにより、バケット１ｃと目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することができるので、オペレータによる視認性を向上することができる。この結果、例えば埋設物の近傍を掘削する場合や過酷な環境下で掘削作業を行う場合において、オペレータはモニタ１０を見ることで、前述した従来構造の表示システムの場合と比べてバケット１ｃと目標掘削面との位置関係を余裕をもって把握し次の操作を瞬時に判断することができる。さらに、オペレータはバケット１ｃの描画色が黄色になるように操作することで、容易に目標掘削面に対応した適正な掘削作業を行うことができる。
【００４３】
なお、上記本発明の第１の実施の形態においては、バケット１ｃの描画色を変更するようにしたが、これに限らず、バケット１ｃ、目標掘削面、背景のそれぞれ又はこれらの任意の組み合わせについて描画色を変更するようにしてもよい。すなわち、描画色を変更するものは、モニタ１０内においてオペレータに視覚的に分かり易いものであればよい。
【００４４】
次に、本発明の掘削機械の表示システム及びそのプログラムの第２の実施の形態を図１１乃至図１５を参照しつつ以下に説明する。本実施の形態は、モニタ１０内にバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離を示すインジケータを表示するものである。
図１１は、本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成する制御ユニット７ＡのＲＯＭ１３に記憶された制御プログラムの概要を示す機能ブロック図であり、前述の第１の実施の形態における図４に相当する図である。この図１１において、図４と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００４５】
この図１１において、制御ユニット７Ａは、前述の第１の実施の形態の図４における合成処理部１９に代えて、合成処理Ａ部１９Ａ、合成処理Ｂ部１９Ｂ及び合成処理Ｃ部１９Ｃを備えている。
【００４６】
合成処理Ａ部１９Ａは、バケット１ｃの姿勢と、バケット１ｃと目標掘削面との垂直距離と、目標掘削面の位置及び勾配から、バケット１ｃと目標掘削面との相対的な位置関係を演算し、油圧ショベル１の側面から眺めた場合の目標掘削面とバケット１ｃとの模式図を合成処理し、さらにバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離、目標掘削面の勾配、バケット１ｃの対地角度等の数値を表示する画像を生成する。
【００４７】
合成処理Ｂ部１９Ｂは、バケット１ｃと目標掘削面との垂直距離によって図１２に示すようなインジケータ２０の画像を生成する。このインジケータ２０は、中央に０を取り、バケット１ｃが目標掘削面から離れる方向を＋に、バケット１ｃが目標掘削面より下にくる方向を−とし、目標掘削面とバケット１ｃとの垂直距離Ｌｔｉｐに応じて指針２０ａが上下するようになっている。すなわち、指針２０ａが０を指示しているときは、目標掘削面とバケット１ｃの爪先との垂直距離が０の状態である。
【００４８】
合成処理Ｃ部１９Ｃは、合成処理Ａ部１９Ａと合成処理Ｂ部１９Ｂで生成された画像の合成処理を行い、モニタ１０に表示する。
【００４９】
図１３は、本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成する合成処理Ａ部１９Ａの処理機能をブロック線図で表したものであり、前述の第１の実施の形態における図８に相当する図である。この図１３において、図８と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００５０】
この図１３において、合成処理Ａ部１９Ａは、バケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａと、バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂと、バケット側面図の画像生成演算部１９ｄと、目標掘削面の画像生成演算部１９ｅと、各種モニタ数値の表示演算部１９ｆの各機能を有している。各演算部１９ａ，１９ｂ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆの機能は、前述の第１の実施の形態の図８と同様である。
【００５１】
バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂは、図９に示すように、バケット爪先位置のモニタ画面の中央に対して対称の位置にある点、すなわちバケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標（Ｍｃｘ，Ｍｃｙ）を、距離演算部１８によって演算されたバケット爪先と目標掘削面間の垂直距離Ｌｔｉｐと、設定器８によって設定された勾配βに応じて、前述の式（８），（９）に従って演算する。
【００５２】
バケット側面図の画像生成演算部１９ｄは、バケット側面図の画像を生成する処理を行い、目標掘削面の画像生成演算部１９ｅは、勾配βの直線の画像を生成する処理を行う。
【００５３】
合成処理Ａ部１９Ａによって合成された目標掘削面図とバケット側面図とモニタ数値の画像データは、合成処理Ｃ部１９Ｃに入力される。
【００５４】
図１４は、合成処理Ｂ部１９Ｂの処理機能をブロック線図で表したものである。
この図１４において、合成処理Ｂ部１９Ｂはインジゲータの画像生成演算部１９ｇを備えており、このインジゲータの画像生成演算部１９ｇは、バケット１ｃと目標掘削面との垂直距離Ｌｔｉｐに応じたインジケータ２０の画像を生成する処理を行い、その画像データを合成処理Ｃ部１９Ｃに入力する。
【００５５】
図１５は、合成処理Ｃ部１９Ｃの処理機能をブロック線図で表したものである。
この図１５において、合成処理Ｃ部１９Ｃは画像合成処理部１９ｈを備えており、この画像合成処理部１９ｈは、合成処理Ｂ部１９Ｂの画像を合成処理Ａ部１９Ａの画像に合成してモニタ１０に表示する。
【００５６】
以上において、インジケータ２０は、特許請求の範囲各項記載の作業具と目標掘削面との距離情報をその距離に応じた伸縮表現又は位置ずれ表現にて表す表示器を構成し、インジケータの画像生成演算部１９ｇは、表示器を表示画面内に表示する画像表示手段を構成する。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態においては、距離演算部１８及び合成処理部１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃを用いることにより、運転室内に設置されたモニタ１０上にバケット側面図と目標掘削面図を表示する際に、距離演算部１８によって求められたバケット爪先と目標掘削面との垂直距離Ｌｔｉｐを数値で表示すると共に、その垂直距離Ｌｔｉｐに応じて指針２０ａが中央部の０位置から上下するインジケータ２０を表示する。これにより、バケット１ｃと目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することができるので、オペレータによる視認性を向上することができる。
【００５８】
なお、上記本実施の形態におけるインジケータ２０に例えば目盛り等を付すことで、より正確にバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離が分かるようにしてもよい。
【００５９】
また、上記本発明の第２の実施の形態においては、インジケータ２０は、指針２０ａが中央部の０位置から上下に動くことでバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離を指示するようにしたが、これに限らず、例えばその距離に応じて長さを可変させる棒グラフにより指示するようにしてもよい。またこのとき、前述の第１の実施の形態における技術思想を用いて、例えば棒グラフが目標掘削面から所定の範囲内である場合に、棒グラフの描画色を切り換えるようにしてもよい。
【００６０】
次に、本発明の掘削機械の表示システム及びそのプログラムの第３の実施の形態を図１６乃至図１８を参照しつつ以下に説明する。本実施の形態は、前述の第１の実施の形態と同様にバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離に応じてバケット１ｃの描画色を切り換えつつ、バケット１ｃと目標掘削面との垂直距離に応じてモニタ１０の表示スケールを切り換えるものである。
【００６１】
図１６は、本発明の掘削機械の表示システムの第３の実施の形態を構成する合成処理部１９′の処理機能をブロック線図で表したものであり、前述の第１の実施の形態における図８、第２の実施の形態における図１３乃至図１５に相当する図である。この図１６において、上記図８及び図１３乃至図１５と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００６２】
この図１６において、合成処理部１９′は、縮尺の演算部１９ｉと、バケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａ′と、バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂ′と、バケット描画色の演算部１９ｃと、バケット側面図の画像生成演算部１９ｄ′と、目標掘削面の画像生成演算部１９ｅと、各種モニタ数値の表示演算部１９ｆの各機能を有している。上記各演算部のうち、前述の第１の実施の形態と同様の符号を付した１９ｃ，１９ｅ，１９ｆの機能は、第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
縮尺の演算部１９ｉは、距離演算部１８によって演算されたバケット爪先と目標掘削面との垂直距離Ｌｔｉｐに応じて、モニタ表示のスケール係数Ｋ′を演算する。ここで、スケール係数Ｋ′は、前述の第１の実施の形態では予め設定した固定値であったのに対し、本実施の形態では図１７に示すように垂直距離Ｌｔｉｐが小さい場合は大きく、Ｌｔｉｐが大きい場合は小さい値となるように、縮尺の演算部１９ｉによって自動的に演算されるようになっている。
【００６４】
バケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａ′は、モニタ画面の中央から（９０°−β）の勾配の方向にＬｔｉｐ×Ｋ′／２の距離離れたバケット爪先位置のモニタ座標（Ｍｖｘ，Ｍｖｙ）を、距離演算部１８によって演算されたバケット爪先と目標掘削面間の垂直距離Ｌｔｉｐと、縮尺の演算部１９ｉによって演算されるモニタ表示のスケール係数Ｋ′と、設定器８によって設定された勾配βに応じて、以下の式（１０），（１１）に従って演算する。
【００６５】
Ｍｖｘ＝（（Ｌｔｉｐ×Ｋ′）／２）×ｃｏｓ（９０°−β）　　…（１０）
Ｍｖｙ＝（（Ｌｔｉｐ×Ｋ′）／２）×ｓｉｎ（９０°−β）　　…（１１）
バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標演算部１９ｂ′は、バケット爪先から目標掘削面に下ろした交点のモニタ座標（Ｍｃｘ，Ｍｃｙ）を、上記バケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａ′によって演算されたバケット爪先位置のモニタ座標（Ｍｖｘ，Ｍｖｙ）を用いて前述の式（８），（９）に従って演算する。
【００６６】
バケット側面図の画像生成演算部１９ｄ′は、バケット爪先がバケット爪先位置のモニタ座標演算部１９ａ′によって演算されたモニタ座標（Ｍｖｘ，Ｍｖｙ）であり、かつ実寸法にスケール係数Ｋ′を掛けて縮小し、バケット背面を、バケットの位置・姿勢演算部１８ａによって演算されたバケット背面の地面に対する角度αＧだけ傾けたバケット側面図の画像をバケット描画色の演算部１９ｃで演算された描画色で表示する処理を行い、モニタ１０上に表示させる。
【００６７】
図１８はこのときのモニタ１０の表示画面を表す図である。この図１８において、バケット１ｃと目標掘削面との垂直距離が小さい場合には、図１８中二点鎖線で示すようにバケット１ｃと目標掘削面とが比較的大きく表示されてその位置関係を詳細に表示することができ、またバケット１ｃと目標掘削面との垂直距離が大きい場合には、図１８中実線で示すようにモニタ１０からはみ出さないようにバケット１ｃと目標掘削面とが比較的小さく表示されてその位置関係を正確に表示することができるようになっている。
【００６８】
以上説明したように、本実施の形態においては、前述の第１の実施の形態と同様にバケット爪先と目標掘削面との垂直距離Ｌｔｉｐに応じてバケット１ｃの描画色を切り換えて表示することで、バケット１ｃと目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することができる上に、バケット１ｃと目標掘削面の全体をモニタ画面からはみ出すことなく正確に表示することができる。
【００６９】
なお、上記本発明の第３の実施の形態においては、前述した第１の実施の形態の技術思想である描画色を切り換える構造にモニタスケールを変更する機能を付け加えた構成としたが、前述した第２の実施の形態のようにモニタにインジケータを表示する構造にモニタスケールを変更する機能を付け加えた構成としてもよい。この場合も、上記第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、画像表示手段により、作業具と目標掘削面との距離情報をその距離に応じた視覚的表現で表示画面内に表示する。これにより、作業具と目標掘削面との位置関係を正確且つ直感的に分かり易く表示することでき、表示画面のオペレータによる視認性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を備える油圧ショベルの全体構造を表す斜め後から見た斜視図である。
【図２】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を備える油圧ショベルの油圧駆動装置の全体構成を表す油圧回路図である。
【図３】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を構成する制御ユニットのハード構成を示す図である。
【図４】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を構成する制御ユニットのＲＯＭに記憶された制御プログラムの概要を示す機能ブロック図である。
【図５】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を備える油圧ショベルを構成する設定器の構成を表す構成図である。
【図６】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を構成する距離演算部の処理機能を表すブロック線図である。
【図７】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を備える油圧ショベルの座標系及び各部寸法を示す図である。
【図８】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を構成する合成処理部の処理機能を表すブロック線図である。
【図９】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を構成するモニタの表示画面を表す図である。
【図１０】本発明の掘削機械の表示システムの第１の実施の形態を構成するバケット描画色の演算部により演算されるバケットの描画色と、バケット爪先及び目標掘削面間の垂直距離との関係を示す図である。
【図１１】本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成する制御ユニットのＲＯＭに記憶された制御プログラムの概要を示す機能ブロック図である。
【図１２】本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成するモニタの表示画面を表す図である。
【図１３】本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成する合成処理部の処理機能を表すブロック線図である。
【図１４】本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成する合成処理部の処理機能を表すブロック線図である。
【図１５】本発明の掘削機械の表示システムの第２の実施の形態を構成する合成処理部の処理機能を表すブロック線図である。
【図１６】本発明の掘削機械の表示システムの第３の実施の形態を構成する合成処理部の処理機能を表すブロック線図である。
【図１７】本発明の掘削機械の表示システムの第３の実施の形態におけるモニタ表示のスケール係数とバケット爪先及び目標掘削面間の垂直距離との関係を示す図である。
【図１８】本発明の掘削機械の表示システムの第３の実施の形態において、モニタスケールの切換り状態を示すモニタの表示画面を表す図である。
【符号の説明】
１Ａ　　　　　　フロント装置（作業機）
１Ｃ　　　　　　バケット（作業具）
９ａ　　　　　　角度検出器（検出手段）
９ｂ　　　　　　角度検出器（検出手段）
９ｃ　　　　　　角度検出器（検出手段）
１０　　　　　　モニタ（表示画面）
１８ａ　　　　　バケット位置・姿勢演算部（位置・姿勢演算手段）
１８ｃ　　　　　バケット爪先と目標掘削面の距離演算部（距離演算手段）
１９ｃ　　　　　バケット描画色の演算部（画像表示手段）
１９ｇ　　　　　インジケータの画像生成演算部（画像表示手段）
２０　　　　　　インジケータ（表示器）
【図１】
2004068433.tif 000003
【図２】
2004068433.tif 000004
【図３】
2004068433.tif 000005
【図４】
2004068433.tif 000006
【図５】
2004068433.tif 000007
【図６】
2004068433.tif 000008
【図７】
2004068433.tif 000009
【図８】
2004068433.tif 000010
【図９】
2004068433.tif 000011
【図１０】
2004068433.tif 000012
【図１１】
2004068433.tif 000013
【図１２】
2004068433.tif 000014
【図１３】
2004068433.tif 000015
【図１４】
2004068433.tif 000016
【図１５】
2004068433.tif 000017
【図１６】
2004068433.tif 000018
【図１７】
2004068433.tif 000019
【図１８】
2004068433.tif 000020