JP2020133223A - 安全装置及び建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】建設機械が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に建設機械の安全を確保することができる安全装置及び建設機械を提供する。【解決手段】安全装置は、油圧ショベル１の周囲の地形の形状を示す形状データを取得する形状センサ１０１と、形状データに基づいて、油圧ショベル１が周囲の特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かを判断する判断部１１２と、判断部１１２によって作動条件を満たすと判断された場合、作業装置の先端部を斜面に向けて降下させる降下制御部１１３とを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、建設機械の安全を確保する安全装置及び建設機械に関するものである。

従来、油圧ショベルなどの建設機械には、領域制限制御装置が設けられている。領域制限制御装置は、予め作業者が任意の制限領域を設定し、フロント作業装置の位置と設定した制限領域とを比較してフロント作業装置が制限領域に侵入しようとした場合に、フロント作業装置を停止、もしくは制限領域の境界に沿って動作させ、制限領域には侵入しないようフロント作業装置を動作させる装置である。オペレータは、領域制限制御を行うことにより作業性を損なう可能性があると判断したときは、自分の意志で領域制限機能を解除することができる。

しかしながら、領域制限機能を解除するには、領域制限機能を解除するための操作をオペレータが行う必要があり、作業上速やかに領域制限機能を解除することは困難であった。

そこで、例えば、特許文献１は、車体の状態量に基づいて車体が浮上する可能性があるかどうかを判断し、車体が浮上する可能性があると判断したときは領域制限制御を解除して手動による脱出を可能にする領域制限制御装置を開示している。

特開平８−２６９９９８号公報

上記従来の技術では、車体が浮上する可能性があると判断された場合にフロント作業装置の領域制限制御が解除されるのみであり、解除後の操作はオペレータにゆだねられる。

例えば、作業時において、建設機械の足場が崩落して車体が浮上する可能性があると判断された場合、フロント作業装置の領域制限制御が解除されるが、解除後の操作はオペレータにゆだねられる。この場合、オペレータは、転倒防止のための操作を迅速に行い、安全を確保する必要がある。

しかしながら、オペレータが咄嗟に転倒を防止するための操作を行うことは困難であるため、転倒を防止するための安全対策を施すことが望ましい。

本開示は、上記の問題を解決するためになされたもので、建設機械が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に建設機械の安全を確保することができる安全装置及び建設機械を提供することを目的とするものである。

本開示の一態様に係る安全装置は、機体と、前記機体に取り付けられる作業装置とを備える建設機械の安全を確保する安全装置であって、前記建設機械の周囲の地形の形状を示す形状データを取得する取得部と、前記形状データに基づいて、前記建設機械が前記周囲の特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かを判断する判断部と、前記判断部によって前記作動条件を満たすと判断された場合、前記作業装置の先端部を前記斜面に向けて降下させる降下制御部と、を備える。

この構成によれば、建設機械が特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かが判断され、当該作動条件を満たすと判断された場合、作業装置の先端部が斜面に向けて降下するので、作業装置の先端部が斜面に押し付けられ、作業装置の先端部により建設機械を支えることにより、建設機械が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に建設機械の安全を確保することができる。

また、上記の安全装置において、前記判断部は、前記形状データに基づいて前記建設機械の接地面に対する前記斜面の傾斜角度を算出し、前記傾斜角度が閾値よりも大きい場合、前記作動条件を満たすと判断してもよい。

この構成によれば、建設機械の特定方向の斜面の傾斜角度が閾値よりも大きい場合、作動条件を満たすと判断され、作業装置の先端部が斜面に向けて降下するので、建設機械が転倒する可能性が高い場合に、未然に建設機械が転倒するのを防止することができる。

また、上記の安全装置において、前記判断部は、前記形状データに基づいて前記建設機械の接地面に対する斜面の傾斜角度を算出し、前記建設機械が不安定状態であるかを判定し、前記傾斜角度が閾値よりも大きく、かつ前記建設機械が不安定状態であると判定した場合、前記作動条件を満たすと判断してもよい。

この構成によれば、建設機械の接地面に対する斜面の傾斜角度が閾値よりも大きく、かつ建設機械が不安定状態となった場合に、建設機械が転倒するのを自動的に防止することができる。

また、上記の安全装置において、前記判断部は、前記建設機械の加速度を取得し、取得した前記加速度が閾値より大きい場合、前記建設機械が不安定状態であると判定してもよい。

この構成によれば、例えば、建設機械の足場が斜面に向かって崩落し、建設機械が特定方向に傾いた場合に、建設機械の加速度が閾値より大きくなるので、確実に建設機械が不安定状態であると判定することができる。

また、上記の安全装置において、前記降下制御部は、前記作業装置の先端部と前記斜面との間の距離が最短となる経路に沿って前記作業装置の先端部を前記斜面に向けて降下させてもよい。

この構成によれば、作業装置の先端部と斜面との間の距離が最短となる経路に沿って作業装置の先端部が斜面に向けて降下するので、作業装置の先端部を最短距離で斜面に向けて降下させることができ、より迅速に建設機械が転倒するのを自動的に防止することができる。

また、上記の安全装置において、前記降下制御部は、前記作業装置の先端部の位置と前記斜面の位置との距離が所定の範囲内になる到達位置まで前記作業装置の先端部を降下させてもよい。

この構成によれば、作業装置の先端部の位置と斜面の位置との距離が所定の範囲内になる到達位置まで作業装置の先端部が降下するので、例えば、建設機械を作業装置で支えることが可能な位置まで作業装置の先端部を降下させることにより、確実に建設機械が転倒するのを防止することができる。

また、上記の安全装置において、前記到達位置は、前記作業装置の先端部が前記斜面を超える位置であってもよい。

この構成によれば、作業装置の先端部が斜面を超える位置まで作業装置の先端部を降下させることにより、作業装置の先端部が斜面に突き刺さり、より確実に建設機械を安定させることができる。

また、上記の安全装置において、前記降下制御部は、前記判断部によって前記作動条件を満たすと判断された場合、オペレータによる操作を受け付けずに前記作業装置の先端部を前記斜面に向けて降下させ、前記作業装置の先端部を前記到達位置まで降下させた後、前記オペレータによる操作を受け付けてもよい。

この構成によれば、作動条件を満たすと判断された場合、オペレータによる操作を受け付けずに作業装置の先端部が斜面に向けて降下し、作業装置の先端部が到達位置まで降下した後、オペレータによる操作が受け付けられるので、建設機械を安定させた後、例えば、作業装置の先端部を斜面に押し付けた状態で、建設機械を後方に移動させる等のオペレータによる転倒回避操作を行うことができる。

本開示の他の態様に係る建設機械は、上記のいずれかに記載の安全装置と、機体と、前記機体に取り付けられた作業装置と、を備える。

この構成によれば、建設機械が特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かが判断され、当該作動条件を満たすと判断された場合、作業装置の先端部が斜面に向けて降下するので、作業装置の先端部が斜面に押し付けられ、作業装置の先端部により建設機械を支えることにより、建設機械が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に建設機械の安全を確保することができる。

本開示によれば、建設機械が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に建設機械の安全を確保することができる。

本開示の実施の形態に係る安全装置が搭載される建設機械の例である油圧ショベルを示す図である。 図１に示す油圧ショベルの構成を示すブロック図である。 本実施の形態において、油圧ショベルが斜面の路肩近傍で作業している場面の一例を示す図である。 本実施の形態において、油圧ショベルの足場部分が崩落した場面の一例を示す図である。 本実施の形態において、油圧ショベルの作業装置の先端部を斜面に向けて降下させた場面の一例を示す図である。 図２に示す油圧ショベルの動作を示すフローチャートである。

以下添付図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本開示を具体化した一例であって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、本開示の実施の形態に係る安全装置が搭載される建設機械の例である油圧ショベルを示す図である。この油圧ショベル１は、地面Ｇの上を走行可能な下部走行体１０と、下部走行体１０に搭載される上部旋回体１２と、上部旋回体１２に搭載される作業装置１４とを備える。ここでは、安全装置が油圧ショベル１に適用される構成を例示するが、本開示はこれに限定されない。例えば、安全装置は、油圧クレーン等の下部走行体、上部旋回体及び作業装置を備える建設機械であれば、どのような建設機械に適用されてもよい。

また、本実施の形態において、地面Ｇに直行する上側の方向を上方、下側の方向を下方と呼び、上方及び下方を総称して上下方向と呼ぶ。また、下部走行体１０が前進する方向を前方、下部走行体１０が後進する方向を後方と呼び、前方及び後方を総称して前後方向と呼ぶ。また、上下方向及び前後方向のそれぞれに直行する方向を左右方向と呼ぶ。また、後方から前方に見て左右方向の左側を左方、右側を右方と呼ぶ。なお、下部走行体１０は、前後方向の長さが左右方向の長さよりも長い。そのため、下部走行体１０の長手方向は前後方向を向く。

下部走行体１０及び上部旋回体１２は、作業装置１４を支持する機体を構成する。上部旋回体１２は、旋回フレーム１６と、その上に搭載される複数の要素とを有する。当該複数の要素は、エンジンを収容するエンジンルーム１７及び運転室であるキャブ１８を含む。下部走行体１０は、一対のクローラで構成されている。上部旋回体１２は下部走行体１０に対して旋回可能に取り付けられている。

作業装置１４は、掘削作業及びその他の必要な作業のための動作を行うことが可能であり、ブーム２１、アーム２２及びバケット２３を含む。ブーム２１は、旋回フレーム１６の前端に起伏可能すなわち水平軸回りに回動可能に支持される基端部と、その反対側の先端部とを有する。アーム２２は、ブーム２１の先端部に水平軸回りに回動可能に取付けられる基端部と、その反対側の先端部とを有する。バケット２３は、アーム２２の先端部に回動可能に取付けられる。

ブーム２１、アーム２２、及びバケット２３のそれぞれには、複数の伸縮可能な油圧シリンダであるブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２及びバケットシリンダＣ３が取り付けられている。

ブームシリンダＣ１は、上部旋回体１２とブーム２１との間に介在し、ブーム２１に起伏動作を行わせるように伸縮する。アームシリンダＣ２は、ブーム２１とアーム２２との間に介在し、アーム２２に回動動作を行わせるように伸縮する。バケットシリンダＣ３は、アーム２２とバケット２３との間に介在し、バケット２３に回動動作を行わせるように伸縮する。

図２は、図１に示す油圧ショベルの構成を示すブロック図である。油圧ショベル１は、コントローラ１００、形状センサ１０１、傾斜センサ１０２、姿勢センサ１０３、旋回センサ１０４、ブーム操作装置１０５、アーム操作装置１０６、バケット操作装置１０７、旋回操作装置１０８、走行操作装置１０９及び油圧回路２００を備える。

油圧回路２００は、図１に示すブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２及びバケットシリンダＣ３に加え、旋回モータＭ１、左右一対の走行モータＭ２Ｌ，Ｍ２Ｒ、一対のブーム電磁弁Ｖ１、一対のアーム電磁弁Ｖ２、一対のバケット電磁弁Ｖ３、一対の旋回電磁弁Ｖ４、左の一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ、右の一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒ、ブーム制御弁Ｖ６、アーム制御弁Ｖ７、バケット制御弁Ｖ８、旋回制御弁Ｖ９及び左右一対の走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒを含む。さらに、油圧回路２００は、図示しないエンジンの動力により駆動され、各アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプ及び各切換弁のパイロットポートに対してパイロットラインを介してパイロット圧を送るパイロットポンプを含む。

ブームシリンダＣ１は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより伸縮し、これによりブーム上げ動作とブーム下げ動作とを行わせる。

アームシリンダＣ２は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより伸縮し、これによりアーム引き動作とアーム押し動作とを行わせる。

バケットシリンダＣ３は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより伸縮し、これによりバケット掬い動作とバケット開き動作とを行わせる。

旋回モータＭ１は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより双方向に回転動作するモータ出力軸を有し、当該モータ出力軸に連結された上部旋回体１２に左旋回動作又は右旋回動作を行わせる。

走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒは、それぞれ、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより双方向に回転動作するモータ出力軸を有し、当該モータ出力軸に連結された下部走行体１０に前進走行動作又は後進走行動作を行わせる。走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒは、同一速度で回転することで、下部走行体１０は前進又は後進する。一方、走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒが異なる速度で回転することで、下部走行体１０は旋回する。

ブーム制御弁Ｖ６は、一対のブームパイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対のブームパイロットポートのいずれかにブームパイロット圧が入力されることにより、そのブームパイロットポートに対応した方向にそのブームパイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、ブームシリンダＣ１に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

アーム制御弁Ｖ７は、一対のアームパイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対のアームパイロットポートのいずれかにアームパイロット圧が入力されることにより、そのアームパイロットポートに対応した方向にそのアームパイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、アームシリンダＣ２に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

バケット制御弁Ｖ８は、一対のバケットパイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対のバケットパイロットポートのいずれかにバケットパイロット圧が入力されることにより、そのバケットパイロットポートに対応した方向にそのバケットパイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、バケットシリンダＣ３に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

旋回制御弁Ｖ９は、一対の旋回パイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対の旋回パイロットポートのいずれかに旋回パイロット圧が入力されることにより、その旋回パイロットポートに対応した方向にその旋回パイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、旋回モータＭ１に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒは、それぞれ、一対の走行パイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対の走行パイロットポートのいずれかに走行パイロット圧が入力されることにより、その走行パイロットポートに対応した方向にその走行パイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、走行モータＭ２Ｌ，Ｍ２Ｒに対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

一対のブーム電磁弁Ｖ１は、パイロットポンプとブーム制御弁Ｖ６の一対のブームパイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号であるブーム指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対のブーム電磁弁Ｖ１は、ブーム指令信号の入力を受けるとそのブーム指令信号に応じた度合いにブームパイロット圧を調節する。

一対のアーム電磁弁Ｖ２は、パイロットポンプとアーム制御弁Ｖ７の一対のアームパイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号であるアーム指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対のアーム電磁弁Ｖ２は、アーム指令信号の入力を受けるとそのアーム指令信号に応じた度合いにアームパイロット圧を調節する。

一対のバケット電磁弁Ｖ３は、パイロットポンプとバケット制御弁Ｖ８の一対のアームパイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号であるバケット指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対のバケット電磁弁Ｖ３は、バケット指令信号の入力を受けるとそのバケット指令信号に応じた度合いにバケットパイロット圧を調節する。

一対の旋回電磁弁Ｖ４は、パイロットポンプと旋回制御弁Ｖ９の一対の旋回パイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号である旋回指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。旋回電磁弁Ｖ４は、旋回指令信号の入力を受けるとその旋回指令信号に応じた度合いに旋回パイロット圧を調節する。

一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌは、パイロットポンプと走行制御弁Ｖ１０Ｌの一対の走行パイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号である旋回指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌは、走行指令信号の入力を受けるとその走行指令信号に応じた度合いに走行パイロット圧を調節する。

一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒは、パイロットポンプと走行制御弁Ｖ１０Ｒの一対の走行パイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号である旋回指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。走行電磁弁Ｖ５Ｒは、走行指令信号の入力を受けるとその走行指令信号に応じた度合いに走行パイロット圧を調節する。

形状センサ１０１は、油圧ショベル１の周囲の地形の形状を示す形状データを取得する。形状センサ１０１は、油圧ショベル１の周囲の地形の距離分布を示す形状データを検出する。形状センサ１０１は、例えば、ＬＩＤＡＲ（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）などの３次元の測距センサを含む。形状センサ１０１はＬＩＤＡＲの他、赤外線を用いた測距センサ及び超音波を用いた測距センサなど、距離分布を計測できるセンサであれば、どのようなセンサを含んでいてもよい。本実施の形態では、形状センサ１０１は、例えば上部旋回体１２、作業装置１４又は下部走行体１０において、画角の中心線が下斜め前方を向くように取り付けられている。以下の説明では、形状センサ１０１は、上部旋回体１２の上部に取り付けられているものとして説明する。形状データは、例えば形状センサ１０１からの地形までの深度を示す深度データがマトリックス状に配列された距離画像データである。形状センサ１０１は、検出した形状データをコントローラ１００に入力する。

傾斜センサ１０２は、接地面（水平面）に対する下部走行体１０の下面の傾斜角度である接地面角度を検出する。傾斜センサ１０２は、例えば加速度センサ及び角速度センサの機能を有する慣性センサを含む。傾斜センサ１０２は、慣性センサの検出信号に基づいてストラップダウン方式などにより接地面角度を検出する。傾斜センサ１０２は、検出した接地面角度をこれらに対応する電気信号である検出信号に変換してコントローラ１００に入力する。

姿勢センサ１０３は、作業装置１４の姿勢を検出する。姿勢センサ１０３は、図１に示すブーム角度センサ６１、アーム角度センサ６２及びバケット角度センサ６３を含む。ブーム角度センサ６１は、上部旋回体１２に対するブーム２１の回転角度であるブーム角度を検出する。アーム角度センサ６２は、ブーム２１に対するアーム２２の回転角度であるアーム角度を検出する。バケット角度センサ６３は、アーム２２に対するバケット２３の回転角度であるバケット角度を検出する。ブーム角度センサ６１、アーム角度センサ６２及びバケット角度センサ６３は、それぞれ、レゾルバ又はロータリーエンコーダなどで構成される。姿勢センサ１０３は、検出したブーム角度、アーム角度及びバケット角度をこれらに対応する電気信号である検出信号に変換してコントローラ１００に入力する。

旋回センサ１０４は、下部走行体１０に対する上部旋回体１２の旋回角度を検出する。旋回センサ１０４は、例えば、レゾルバ又はロータリーエンコーダなどで構成される。旋回センサ１０４は、検出した旋回角度をこれに対応する電気信号である検出信号に変換してコントローラ１００に入力する。

ブーム操作装置１０５は、ブーム上げ動作又はブーム下げ動作のためのオペレータからの操作を受け付けるブーム操作レバーと、ブーム操作レバーの操作量に応じたブーム操作信号をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む電気レバー装置で構成されている。

アーム操作装置１０６は、アーム引き動作又はアーム押し動作のためのオペレータからの操作を受け付けるアーム操作レバーと、アーム操作レバーの操作量に応じたアーム操作信号をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む電気レバー装置で構成されている。

バケット操作装置１０７は、バケット掬い動作又はバケット開き動作のためのオペレータからの操作を受け付けるバケット操作レバーと、バケット操作レバーの操作量に応じたバケット操作信号をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む電気レバー装置で構成されている。

旋回操作装置１０８は、上部旋回体１２を右旋回又は左旋回させるためのオペレータからの操作を受け付ける旋回操作レバーと、旋回操作レバーの操作量に応じた旋回操作信号をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む電気レバー装置で構成されている。

走行操作装置１０９は、下部走行体１０を前進又は後進させるためのオペレータからの操作を受け付ける走行操作レバーと、走行操作レバーの操作量に応じた走行操作信号をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む電気レバー装置で構成されている。

コントローラ１００は、例えばマイクロコンピュータからなり、演算部１１０及び指令部１２０を備える。演算部１１０は、油圧ショベル１が周囲の特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たす場合に、作業装置１４の先端部を斜面に向けて降下させる転倒防止制御を行う。指令部１２０は、油圧回路２００に含まれる各要素の作動を制御する機能を担う。

指令部１２０は、ブーム指令部１２１、アーム指令部１２２、バケット指令部１２３、旋回指令部１２４及び走行指令部１２５を備える。

ブーム指令部１２１は、ブーム操作装置１０５の操作量に応じた値のブーム指令信号を一対のブーム電磁弁Ｖ１に入力することで該ブーム操作装置１０５の操作量に応じた開度にブーム電磁弁Ｖ１の開度を設定するが増大するほどブームシリンダＣ１へ供給される作動油の流量が増大する。

アーム指令部１２２は、アーム操作装置１０６の操作量に応じた値のアーム指令信号を一対のアーム電磁弁Ｖ２に入力することで該アーム操作装置１０６の操作量に応じた開度にアーム電磁弁Ｖ２の開度を設定する。

バケット指令部１２３は、バケット操作装置１０７の操作量に応じた値のバケット指令信号を一対のバケット電磁弁Ｖ３に入力することで該バケット操作装置１０７の操作量に応じた開度にバケット電磁弁Ｖ３の開度を設定する。

旋回指令部１２４は、旋回操作装置１０８の操作量に応じた値の旋回指令信号を旋回電磁弁Ｖ４に入力することで該旋回操作装置１０８の操作量に応じた開度に旋回電磁弁Ｖ４の開度を設定する。

走行指令部１２５は、走行操作装置１０９の操作量に応じた値の走行指令信号を一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒに入力することで該走行操作装置１０９の操作量に応じた開度に一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒそれぞれの開度を設定する。

演算部１１０は、座標系変換部１１１、判断部１１２及び降下制御部１１３を備える。

座標系変換部１１１は、形状センサ１０１で検出された形状データを、油圧ショベル１を基準とする機械座標系のデータに変換する。機械座標系は、例えば、長手方向（前後方向）をＸ軸、左右方向をＹ軸、上下方向をＺ軸、上部旋回体１２の旋回軸上における上部旋回体１２と下部走行体１０との接合部分を原点とする３次元の直交座標系である。なお、機械座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及び原点は上記に限定されない。機械座標系の原点は、例えば、作業装置１４の基端部（ブーム２１の基端部）であってもよい。

形状センサ１０１は上部旋回体１２に取り付けられているため、機械座標系における形状センサ１０１の位置は上部旋回体１２の旋回角度に応じて変化する。そこで、座標系変換部１１１は、旋回センサ１０４が検出した旋回角度を用いて、機械座標系における形状センサ１０１の位置を算出し、この位置から形状センサ１０１の座標系と機械座標系との相対的な位置関係を特定し、特定した相対的な位置関係に基づいて形状データを機械座標系のデータに変換する。形状センサ１０１は、マトリックス状の複数の検出地点の深度データにより地形を表す。そのため、座標系変換部１１１は、複数の検出地点までの深度（距離）から、機械座標系における各検出地点の座標を算出する。

なお、形状センサ１０１が作業装置１４に配置されている場合は、形状データを機械座標系のデータに変換するに際して、姿勢センサ１０３の検出信号と旋回角度とが必要となる。また、形状センサ１０１が下部走行体１０に配置されている場合は、形状センサ１０１の機械座標系における位置は一定であるため、形状データを機械座標系に変換するに際して姿勢センサ１０３の検出信号と旋回角度とは不要である。

判断部１１２は、形状データに基づいて、油圧ショベル１が周囲の特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かを判断する。本実施の形態における転倒防止制御は、作業装置１４の先端部を斜面に向けて降下させる制御である。判断部１１２は、傾斜角度算出部１１４、作動条件判断部１１５及び状態判定部１１６を備える。

傾斜角度算出部１１４は、形状データに基づいて油圧ショベル１の接地面に対する斜面の傾斜角度を算出する。

図３は、本実施の形態において、油圧ショベルが斜面の路肩近傍で作業している場面の一例を示す図である。以下、図３を用いて傾斜角度算出部１１４の処理について説明する。油圧ショベル１は、斜面３０１の路肩３０２で作業をしている。なお、斜面３０１は、例えば法面であり、法面は、切土又は盛土により作られる人工的な斜面である。路肩３０２は、斜面３０１の上端に連なる面である。路肩３０２は水平である。傾斜角度θ１は、油圧ショベル１の接地面ＳＡに対する斜面３０１の傾斜角度である。ここでは、油圧ショベル１は路肩３０２に位置するため、接地面ＳＡは路肩３０２となる。斜面３０１は、油圧ショベル１が作業装置１４により切土又は盛土等の作業を行う面である。

傾斜角度算出部１１４は、機械座標系に変換した形状データから傾斜角度θ１を算出する。この場合、傾斜角度算出部１１４は、下部走行体１０の接地面ＳＡと斜面３０１との境界線を形状データから検出し、境界線を挟んで接地面ＳＡの反対側の所定範囲の領域を斜面候補領域として抽出する。次に、傾斜角度算出部１１４は、境界線に対して直交する方向を斜面３０１の傾斜方向として設定し、斜面候補領域から傾斜方向と平行な１ラインの座標データ群を抽出し、抽出したデータ群の回帰直線を求める。次に、傾斜角度算出部１１４は、この回帰直線のＸＹ平面に対する角度、すなわち、接地面ＳＡに対する角度を傾斜角度として算出する。このとき、傾斜角度算出部１１４は、回帰直線の決定係数が所定の値以下であれば、形状データには、斜面３０１は含まれていないと判定し、決定係数が所定の値より大きければ、斜面３０１が含まれていると判定してもよい。

あるいは、傾斜角度算出部１１４は、斜面候補領域から傾斜方向に平行な複数ラインの座標データ群を抽出し、複数ラインのそれぞれについて回帰直線を求め、複数の回帰直線のそれぞれについて接地面ＳＡに対する角度を算出し、各角度が一定の角度範囲にあり、且つ、複数の回帰直線のそれぞれの決定係数が所定の閾値より大きければ、形状データには斜面３０１が含まれていると判定してもよい。そして、この場合、傾斜角度算出部１１４は、接地面ＳＡに対する各回帰直線の角度の平均値を傾斜角度θ１として算出してもよい。

状態判定部１１６は、油圧ショベル１が安定状態と不安定状態とのいずれであるかを判定する。下部走行体１０の下面全体が接地面ＳＡに接している場合、油圧ショベル１は安定状態となる。しかしながら、図３において、油圧ショベル１の足場部分３０３が斜面３０１に向かって崩落し、下部走行体１０の下面の一部のみが接地面ＳＡに接する場合、油圧ショベル１は前方に傾き、不安定状態となる。

図４は、本実施の形態において、油圧ショベルの足場部分が崩落した場面の一例を示す図である。

図４に示すように、油圧ショベル１の足場部分３０３が斜面３０１に向かって崩落した場合、油圧ショベル１は前方に傾く。このとき、傾斜センサ１０２は、下部走行体１０の接地面（水平面）ＳＡに対する傾斜角度である接地面角度θ２を検出する。油圧ショベル１が前方に傾くことにより、油圧ショベル１の鉛直方向の加速度が増加する。そこで、状態判定部１１６は、油圧ショベル１の加速度を取得し、取得した加速度が閾値より大きい場合、油圧ショベル１が不安定状態であると判定する。状態判定部１１６は、傾斜センサ１０２によって検出された接地面角度θ２を微分することにより、油圧ショベル１の加速度を算出する。状態判定部１１６は、算出した加速度が閾値より大きいか否かを判断する。そして、状態判定部１１６は、算出した加速度が閾値より大きいと判断した場合、油圧ショベル１が不安定状態であると判定する。

なお、本実施の形態では、傾斜センサ１０２によって検出された接地面角度θ２から加速度を算出しているが、本開示は特にこれに限定されず、油圧ショベル１に加速度センサを設け、加速度センサが油圧ショベル１の加速度を検出してもよい。

作動条件判断部１１５は、傾斜角度算出部１１４によって算出された傾斜角度が閾値よりも大きく、かつ状態判定部１１６によって油圧ショベル１が不安定状態であると判定された場合、油圧ショベル１が前方の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすと判断する。

降下制御部１１３は、判断部１１２によって作動条件を満たすと判断された場合、作業装置１４の先端部を斜面に向けて降下させる転倒防止制御を作動させる。降下制御部１１３は、作業装置１４の先端部と斜面との間の距離が最短となる経路に沿って作業装置１４の先端部を斜面に向けて降下させる。

すなわち、降下制御部１１３は、姿勢センサ１０３によって検出されたブーム角度、アーム角度及びバケット角度と、ブーム２１、アーム２２及びバケット２３それぞれの基端部から先端部までの長さとに基づいて、機械座標系における作業装置１４の先端部の座標を算出する。作業装置１４の先端部は、バケット２３の先端部２３１である。ブーム２１、アーム２２及びバケット２３それぞれの基端部から先端部までの長さは、不図示のメモリに予め記憶されている。降下制御部１１３は、斜面候補領域内の座標データ群の中から、バケット２３の先端部２３１の座標からの距離が最短となる斜面上の地点３０４の座標を特定する。そして、降下制御部１１３は、バケット２３の先端部２３１の座標と、バケット２３の先端部２３１の座標からの距離が最短となる斜面上の地点３０４の座標とを結ぶ直線を、バケット２３の先端部２３１が移動する経路４０１として算出する。降下制御部１１３は、算出した経路４０１に沿ってバケット２３の先端部２３１を移動させるためのブーム制御信号、アーム制御信号及びバケット制御信号を生成し、生成したブーム制御信号、アーム制御信号及びバケット制御信号を指令部１２０へ出力する。

なお、ブーム指令部１２１は、降下制御部１１３の制御量に応じた値のブーム指令信号を一対のブーム電磁弁Ｖ１に入力する。また、アーム指令部１２２は、降下制御部１１３の制御量に応じた値のアーム指令信号を一対のアーム電磁弁Ｖ２に入力する。また、バケット指令部１２３は、降下制御部１１３の制御量に応じた値のバケット指令信号を一対のバケット電磁弁Ｖ３に入力する。

図５は、本実施の形態において、油圧ショベルの作業装置の先端部を斜面に向けて降下させた場面の一例を示す図である。

降下制御部１１３は、作業装置１４の先端部２３１の位置と斜面の位置との距離が所定の範囲内になる到達位置まで作業装置１４の先端部を降下させる。到達位置は、作業装置１４の先端部２３１が斜面３０１を超える位置である。降下制御部１１３は、作業装置１４の先端部２３１が斜面３０１を超える位置まで、作業装置１４の先端部２３１を降下させる。これにより、作業装置１４の先端部２３１が斜面３０１に突き刺さり、より確実に油圧ショベル１を安定させることができる。

なお、到達位置は、斜面３０１よりも手前の位置であってもよい。降下制御部１１３は、斜面３０１よりも手前の位置まで、作業装置１４の先端部２３１を降下させてもよい。これにより、作業装置１４の先端部２３１が到達位置に到達するまでの時間がより短くなり、より早く油圧ショベル１を安定させることができる。

また、油圧ショベル１は、ブームシリンダＣ１の圧力値を検出するブームシリンダ圧センサと、アームシリンダＣ２の圧力値を検出するアームシリンダ圧センサとをさらに備えてもよい。そして、降下制御部１１３は、ブームシリンダ圧センサ又はアームシリンダ圧センサによって所定値以上の圧力値が検出されるまで、作業装置１４の先端部を降下させてもよい。作業装置１４の先端部が地面に押し付けられることにより、ブームシリンダＣ１又はアームシリンダＣ２の圧力値が上昇する。そのため、ブームシリンダ圧センサ又はアームシリンダ圧センサによって検出される圧力値が所定値以上になるまで、作業装置１４の先端部を降下させることにより、作業装置１４の先端部を地面に充分に押し付けることができ、確実に油圧ショベル１を安定させることができる。

また、降下制御部１１３は、判断部１１２によって作動条件を満たすと判断された場合、オペレータによる操作を受け付けずに作業装置１４の先端部を斜面に向けて自動的に降下させ、作業装置１４の先端部を到達位置まで降下させた後、オペレータによる操作を受け付ける。すなわち、降下制御部１１３は、判断部１１２によって作動条件を満たすと判断された場合、ブーム操作装置１０５、アーム操作装置１０６、バケット操作装置１０７、旋回操作装置１０８及び走行操作装置１０９からの各操作信号を受け付けない。そして、降下制御部１１３は、作業装置１４の先端部を到達位置まで降下させた後、ブーム操作装置１０５、アーム操作装置１０６、バケット操作装置１０７、旋回操作装置１０８及び走行操作装置１０９からの各操作信号を受け付ける。これにより、作業装置１４の先端部が斜面に到達した後、オペレータによる操作が受け付けられるので、油圧ショベル１を安定させた後、例えば、バケット２３の先端部を斜面に押し付けた状態で、油圧ショベル１を後方に移動させる等のオペレータによる転倒回避操作を行うことができる。

図６は、図２に示す油圧ショベルの動作を示すフローチャートである。なお、図６に示す処理は、油圧ショベル１の稼働中、所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１において、形状センサ１０１は、油圧ショベル１の周囲の地形の距離分布を示す形状データを取得する。

次に、ステップＳ２において、旋回センサ１０４は、下部走行体１０に対する上部旋回体１２の旋回角度を取得する。

次に、ステップＳ３において、座標系変換部１１１は、取得された旋回角度を用いて、取得された形状センサ１０１を基準とする座標系で表される形状データを、油圧ショベル１を基準とする機械座標系で表される形状データに変換する。

次に、ステップＳ４において、傾斜角度算出部１１４は、座標系変換部１１１によって変換された機械座標系の形状データに基づいて、油圧ショベル１の接地面に対する前方の斜面の傾斜角度を算出する。

次に、ステップＳ５において、傾斜センサ１０２は、接地面（水平面）に対する下部走行体１０の下面の傾斜角度である接地面角度を取得する。

次に、ステップＳ６において、状態判定部１１６は、傾斜センサ１０２によって取得された接地面角度から加速度を算出する。

次に、ステップＳ７において、状態判定部１１６は、算出した加速度に基づいて、油圧ショベル１が安定状態と不安定状態とのいずれであるかを判定する。ここで、状態判定部１１６は、算出した加速度が閾値より大きいか否かを判断する。そして、状態判定部１１６は、算出した加速度が閾値以下であると判断した場合、油圧ショベル１が安定状態であると判定する。また、状態判定部１１６は、算出した加速度が閾値より大きいと判断した場合、油圧ショベル１が不安定状態であると判定する。

次に、ステップＳ８において、作動条件判断部１１５は、傾斜角度算出部１１４によって算出された傾斜角度が閾値よりも大きく、かつ状態判定部１１６によって判定された油圧ショベル１の状態が不安定状態であるか否かを判断する。

ここで、傾斜角度が閾値以下である、又は油圧ショベル１の状態が安定状態であると判断された場合（ステップＳ８でＮＯ）、処理が終了する。

一方、傾斜角度が閾値よりも大きく、かつ油圧ショベル１の状態が不安定状態であると判断された場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、ステップＳ９において、降下制御部１１３は、オペレータによる操作を禁止する。すなわち、降下制御部１１３は、ブーム操作装置１０５、アーム操作装置１０６、バケット操作装置１０７、旋回操作装置１０８及び走行操作装置１０９からの各操作信号を受け付けずに破棄する。

次に、ステップＳ１０において、姿勢センサ１０３は、作業装置１４の姿勢を検出する。姿勢センサ１０３は、ブーム角度、アーム角度及びバケット角度を作業装置１４の姿勢として検出する。

次に、ステップＳ１１において、降下制御部１１３は、姿勢センサ１０３によって検出されたブーム角度、アーム角度及びバケット角度と、ブーム２１、アーム２２及びバケット２３それぞれの基端部から先端部までの長さとに基づいて、機械座標系における作業装置１４の先端部の座標を算出する。

次に、ステップＳ１２において、降下制御部１１３は、斜面候補領域内の座標データ群の中から、作業装置１４の先端部の座標からの距離が最短となる斜面上の地点の座標を特定する。

次に、ステップＳ１３において、降下制御部１１３は、作業装置１４の先端部の移動経路を算出する。すなわち、降下制御部１１３は、作業装置１４の先端部の座標と、作業装置１４の先端部の座標からの距離が最短となる斜面上の地点の座標とを結ぶ直線を、作業装置１４の先端部の移動経路として算出する。

次に、ステップＳ１４において、降下制御部１１３は、算出した移動経路に沿って作業装置１４の先端部を斜面に向けて降下させるように、指令部１２０に各指令信号を出力させる。ここで、降下制御部１１３は、算出した移動経路に沿って作業装置１４の先端部を斜面に向けて降下させるためのブーム制御信号、アーム制御信号及びバケット制御信号を生成し、生成したブーム制御信号、アーム制御信号及びバケット制御信号を指令部１２０へ出力する。ブーム指令部１２１は、降下制御部１１３から入力されたブーム制御信号に応じた値のブーム指令信号を一対のブーム電磁弁Ｖ１に入力する。アーム指令部１２２は、降下制御部１１３から入力されたアーム制御信号に応じた値のアーム指令信号を一対のアーム電磁弁Ｖ２に入力する。バケット指令部１２３は、降下制御部１１３から入力されたバケット制御信号に応じた値のバケット指令信号を一対のバケット電磁弁Ｖ３に入力する。これにより、ブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２及びバケットシリンダＣ３が駆動され、作業装置１４の先端部が斜面に向けて降下する。

次に、ステップＳ１５において、降下制御部１１３は、オペレータによる操作を受け付ける。すなわち、降下制御部１１３は、ブーム操作装置１０５、アーム操作装置１０６、バケット操作装置１０７、旋回操作装置１０８及び走行操作装置１０９からの各操作信号を受け付ける。

このように、油圧ショベル１が前方の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かが判断され、当該作動条件を満たすと判断された場合、作業装置１４の先端部が斜面に向けて降下するので、作業装置１４の先端部が斜面に押し付けられ、作業装置１４の先端部により油圧ショベル１を支えることにより、油圧ショベル１が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に油圧ショベル１の安全を確保することができる。

なお、本実施の形態は、下部走行体１０の前方が斜面３０１に向けられた状態での転倒防止制御を行うものを開示したが、本開示はこれに限定されず、下部走行体１０の前方が斜面３０１に向けられていない状態での転倒防止制御を行うものであってもよい。この場合、図３のように油圧ショベル１が作業装置１４により切土又は盛土等の作業を行う斜面３０１に対する油圧ショベル１の相対方向を特定方向として記憶すればよい。このようにすれば、下部走行体１０が斜面３０１に向けられていない状態であり、上部旋回体１２が下部走行体１０に対して旋回しており、作業装置１４により斜面３０１で作業を行うことで、油圧ショベル１が斜面３０１に向かって転倒するおそれがあるときに、転倒防止制御を作用させるこができる。

なお、本実施の形態では、形状センサ１０１が検出した形状データを用いて斜面３０１が検出されていたが、本開示はこれに限定されず、予め計測された形状データをメモリから取得する、或いは、外部サーバから通信により形状データを取得することで斜面３０１を検出してもよい。この場合、傾斜角度算出部１１４は、不図示のＧＰＳセンサから油圧ショベル１の現在位置を取得し、取得した形状データに油圧ショベル１の現在位置をプロットすることで、形状データから油圧ショベル１の周囲の斜面３０１を検出すればよい。

また、油圧ショベル１は、油圧ショベル１が転倒するのを防止するために作業装置１４の先端部を自動的に降下させたことをオペレータに通知するための情報を提示する情報提示装置をさらに備えてもよい。情報提示装置は、例えば、表示装置又はスピーカである。

また、本実施の形態では、判断部１１２は、傾斜角度算出部１１４、作動条件判断部１１５及び状態判定部１１６を備えているが、本開示は特にこれに限定されず、判断部１１２は、状態判定部１１６を備えず、傾斜角度算出部１１４及び作動条件判断部１１５を備えてもよい。この場合、作動条件判断部１１５は、傾斜角度算出部１１４によって算出された傾斜角度が閾値よりも大きいか否かを判断してもよい。作動条件判断部１１５は、傾斜角度が閾値よりも大きい場合、作動条件を満たすと判断してもよい。

本開示に係る安全装置及び建設機械は、建設機械が転倒するのを自動的に防止することができるとともに、確実に建設機械の安全を確保することができるので、建設機械の安全を確保する安全装置及び建設機械として有用である。

１ 油圧ショベル
１０ 下部走行体
１２ 上部旋回体
１４ 作業装置
１６ 旋回フレーム
１７ エンジンルーム
１８ キャブ
２１ ブーム
２２ アーム
２３ バケット
６１ ブーム角度センサ
６２ アーム角度センサ
６３ バケット角度センサ
１００ コントローラ
１０１ 形状センサ
１０２ 傾斜センサ
１０３ 姿勢センサ
１０４ 旋回センサ
１０５ ブーム操作装置
１０６ アーム操作装置
１０７ バケット操作装置
１０８ 旋回操作装置
１０９ 走行操作装置
１１０ 演算部
１１１ 座標系変換部
１１２ 判断部
１１３ 降下制御部
１１４ 傾斜角度算出部
１１５ 作動条件判断部
１１６ 状態判定部
１２０ 指令部
１２１ ブーム指令部
１２２ アーム指令部
１２３ バケット指令部
１２４ 旋回指令部
１２５ 走行指令部
２００ 油圧回路

Claims (9)

1. 機体と、前記機体に取り付けられる作業装置とを備える建設機械の安全を確保する安全装置であって、
   前記建設機械の周囲の地形の形状を示す形状データを取得する取得部と、
   前記形状データに基づいて、前記建設機械が前記周囲の特定方向の斜面に向かって転倒するのを防止するための転倒防止制御を作動させる作動条件を満たすか否かを判断する判断部と、
   前記判断部によって前記作動条件を満たすと判断された場合、前記作業装置の先端部を前記斜面に向けて降下させる降下制御部と、
   を備える安全装置。
2. 前記判断部は、前記形状データに基づいて前記建設機械の接地面に対する前記斜面の傾斜角度を算出し、前記傾斜角度が閾値よりも大きい場合、前記作動条件を満たすと判断する、
   請求項１記載の安全装置。
3. 前記判断部は、前記形状データに基づいて前記建設機械の接地面に対する斜面の傾斜角度を算出し、前記建設機械が不安定状態であるかを判定し、前記傾斜角度が閾値よりも大きく、かつ前記建設機械が不安定状態であると判定した場合、前記作動条件を満たすと判断する、
   請求項１記載の安全装置。
4. 前記判断部は、前記建設機械の加速度を取得し、取得した前記加速度が閾値より大きい場合、前記建設機械が不安定状態であると判定する、
   請求項３記載の安全装置。
5. 前記降下制御部は、前記作業装置の先端部と前記斜面との間の距離が最短となる経路に沿って前記作業装置の先端部を前記斜面に向けて降下させる、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の安全装置。
6. 前記降下制御部は、前記作業装置の先端部の位置と前記斜面の位置との距離が所定の範囲内になる到達位置まで前記作業装置の先端部を降下させる、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の安全装置。
7. 前記到達位置は、前記作業装置の先端部が前記斜面を超える位置である、
   請求項６記載の安全装置。
8. 前記降下制御部は、前記判断部によって前記作動条件を満たすと判断された場合、オペレータによる操作を受け付けずに前記作業装置の先端部を前記斜面に向けて降下させ、前記作業装置の先端部を前記到達位置まで降下させた後、前記オペレータによる操作を受け付ける、
   請求項６又は７記載の安全装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の安全装置と、
   機体と、
   前記機体に取り付けられた作業装置と、
   を備える建設機械。

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