WO2020166241A1

WO2020166241A1 - 監視装置及び建設機械

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Publication number: WO2020166241A1
Application number: PCT/JP2020/000570
Authority: WO
Inventors: 土井　隆行; 山▲崎▼　洋一郎
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2021-08-14
Also published as: JP2020133143A; CN113439144A; EP3907336A1; EP3907336A4; US20220112693A1

Abstract

監視装置は、形状データに基づいて建設機械の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度を算出し、水平面に対する接地面の傾斜角度である接地面角度を検出し、接地面角度に第１法面角度を加算し、水平面に対する法面の傾斜角度である第２法面角度を算出し、法面の傾斜方向に対する下部走行体の長手方向の相対角度を算出し、第２法面角度が第１閾値よりも大きく、且つ、相対角度が第２閾値より大きい場合、建設機械が不安定状態であると判定する。

Description

監視装置及び建設機械

　本発明は、建設機械の状態を監視する監視装置及び建設機械に関するものである。

　近年、油圧ショベルなどの建設機械では周囲の地面の形状を検出し、検出した形状から建設機械の安定度を判定し、転倒を未然に防ぐ機能を備えるものが知られている。

　例えば、特許文献１には、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、作業者の操作内容とに基づいて所定時間後のショベル姿勢を予測して、ショベル安定度を算出するショベルが開示されている。

　法面は不安定であるため、建設機械が法面の路肩上で作業している場合、建設機械が走行ターンなどの動作を行うと法面が崩れて建設機械が転倒する可能性がある。特に、急峻な法面において路肩が傾斜している場合、路肩が崩れる可能性が高まり、建設機械が転倒する可能性も高まる。そこで、路肩上で建設機械が作業する場合、建設機械の安定状態を監視し、転倒を未然に防止する必要がある。

　特許文献１では、法面の傾斜した路肩で建設機械が作業することが何ら想定されていないため、上述の課題は生じない。

特開２０１６－１７２９６３号公報

　本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、法面の傾斜した路肩上で作業する建設機械が不安定状態にあるか否かを正確に判定できる監視装置及び建設機械を提供することを目的とする。

　本発明者らは、法面で作業する建設機械の安定性について検討しており、以下の知見を得た。法面の路肩が傾斜している場合、路肩上で作業する建設機械は、法面の傾斜方向と下部走行体の長手方向とのなす角度が９０度に近づくにつれて不安定状態になる。これは、下部走行体を構成するクローラのエッジが支点となって地面に加わる荷重が過大になり、法面が崩壊する可能性が高まるからである。

　路肩が傾斜している場合、路肩に対する傾斜角度は比較的緩慢な法面であっても、その路肩の水平面に対する傾斜角度が急峻であれば、その法面の水平面に対する傾斜角度は急峻になるため、法面は崩れる可能性が高い。

　このような法面の路肩上で建設機械が作業を行う場合、建設機械に取り付けられた形状センサが検出する形状データは水平面基準ではなく建設機械の接地面を基準にして計測されたデータである。そのため、形状センサが検出した形状データが示す法面の傾斜角度は緩やかな傾斜角度を示す。しかし、これでは、建設機械の不安定状態を正しく判定できない。本発明者らは、これらの知見に着目し、本発明を想到するに至った。

　本発明の一態様に係る監視装置は、長手方向を有し、前記長手方向に沿って前進走行する下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、前記上部旋回体に設置された作業装置とを備える建設機械の状態を監視する監視装置であって、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の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度を算出する第１法面角度算出部と、水平面に対する前記接地面の傾斜角度である接地面角度を検出する傾斜センサと、前記接地面角度に前記第１法面角度を加算し、前記水平面に対する前記法面の傾斜角度である第２法面角度を算出する第２法面角度算出部と、前記法面の傾斜方向に対する前記下部走行体の長手方向の相対角度を算出する相対角度算出部と、前記第２法面角度が第１閾値よりも大きく、且つ、前記相対角度が第２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、判定結果を示す判定信号を出力する状態判定部とを備える。

本発明の実施の形態に係る監視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、油圧ショベルが不安定状態にあるか否かの判定が適用される場面の一例を示す図である。本実施の形態において、油圧ショベルが不安定状態にあるか否かの判定が適用される場面の他の一例を示す図である。路肩に位置する油圧ショベルを上方から下方に見た図である。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。

　本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

　図１は、本発明の実施の形態に係る監視装置が搭載される建設機械の例である油圧ショベル１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、監視装置が油圧ショベル１に適用される構成を例示するが、本発明はこれに限定されない。例えば、監視装置は、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。

　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。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。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。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。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、長手方向を有し、長手方向に対して走行する。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を行うための動作を行うことが可能である。作業装置１４は、ブーム２１、アーム２２、及びバケット２３を含む。ブーム２１は、基端部と、その反対側の先端部とを有する。ブーム２１の基端部は、旋回フレーム１６の前端に対して起伏可能に支持されている。すなわち、ブーム２１の基端部は、旋回フレーム１６の前端に対して水平軸回りに回動可能に支持されている。アーム２２は、基端部と、その反対側の先端部とを有する。アーム２２の基端部は、ブーム２１の先端部に対して水平軸回りに回動可能に取り付けられている。バケット２３は、アーム２２の先端部に対して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、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、アームシリンダＣ２、及びバケットシリンダＣ３のそれぞれは、複数の伸縮可能な油圧シリンダで構成されている。

　ブームシリンダＣ１は、上部旋回体１２とブーム２１との間に介在する。ブームシリンダＣ１は、伸縮することによってブーム２１に起伏動作を行わせる。アームシリンダＣ２は、ブーム２１とアーム２２との間に介在する。アームシリンダＣ２は、伸縮することによってアーム２２に回動動作を行わせる。バケットシリンダＣ３は、アーム２２とバケット２３との間に介在する。バケットシリンダＣ３は、伸縮することによってバケット２３に回動動作を行わせる。

　図２は、図１に示す油圧ショベル１のブロック図である。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、警報装置１３０、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、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、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およ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２１に対して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２２に対して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２３に対して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する。旋回モータＭ１は、当該モータ出力軸に連結された上部旋回体１２に左旋回動作また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する。走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒは、それぞれ当該モータ出力軸に連結された下部走行体１０に前進走行動作また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が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で構成されている。ブーム制御弁Ｖ６は、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。ブーム制御弁Ｖ６は、ブームパイロット圧が入力されたブームパイロットポートに対応した方向に入力された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する。これにより、ブーム制御弁Ｖ６は、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で構成されている。アーム制御弁Ｖ７は、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。アーム制御弁Ｖ７は、アームパイロット圧が入力されたアームパイロットポートに対応した方向に入力された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する。これにより、アーム制御弁Ｖ７は、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で構成されている。バケット制御弁Ｖ８は、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。バケット制御弁Ｖ８は、バケットパイロット圧が入力されたバケットパイロットポートに対応した方向に入力された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する。これにより、バケット制御弁Ｖ８は、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で構成されている。旋回制御弁Ｖ９は、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。旋回制御弁Ｖ９は、旋回パイロット圧が入力された旋回パイロットポートに対応した方向に入力された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する。これにより、旋回制御弁Ｖ９は、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で構成されている。走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒのそれぞれは、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。走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒのそれぞれは、走行パイロット圧が入力された走行パイロットポートに対応した方向に入力された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する。これにより、走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒのそれぞれは、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構成されている。一対のブーム電磁弁Ｖ１は、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。ブーム指令信号の入力を受けた一対のブーム電磁弁Ｖ１は、そのブーム指令信号に応じた度合いに前記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構成されている。一対のアーム電磁弁Ｖ２は、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。アーム指令信号の入力を受けた一対のアーム電磁弁Ｖ２は、そのアーム指令信号に応じた度合いに前記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構成されている。一対のバケット電磁弁Ｖ３は、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。バケット指令信号の入力を受けた一対のバケット電磁弁Ｖ３は、そのバケット指令信号に応じた度合いに前記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構成されている。一対の旋回電磁弁Ｖ４は、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。旋回指令信号の入力を受けた旋回電磁弁Ｖ４は、その旋回指令信号に応じた度合いに前記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構成されている。一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌは、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。走行指令信号の入力を受けた一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌは、その走行指令信号に応じた度合いに前記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構成されている。一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒは、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。走行指令信号の入力を受けた一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒは、その走行指令信号に応じた度合いに前記走行パイロット圧を調節する。

　形状センサ１０１（取得部の一例）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、図３に示すように作業装置１４の下面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。

　傾斜センサ１０２は、下部走行体１０の接地面の水平面に対する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。

　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。

　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。

　ブーム操作装置１０５は、電気レバー装置で構成されている。この電気レバー装置は、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をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

　アーム操作装置１０６は、電気レバー装置で構成されている。この電気レバー装置は、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をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

　バケット操作装置１０７は、電気レバー装置で構成されている。この電気レバー装置は、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をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

　旋回操作装置１０８は、電気レバー装置で構成されている。この電気レバー装置は、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をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

　走行操作装置１０９は、電気レバー装置で構成されている。この電気レバー装置は、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をコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

　コントローラ１００は、例えばマイクロコンピュータから構成されている。コントローラ１００は、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が不安定状態にあるか否かの判定を行う機能を担う。指令部１２０は、油圧回路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。これにより、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の開度が設定される。

　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。これにより、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の開度が設定される。

　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。これにより、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の開度が設定される。

　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。これにより、旋回操作装置１０８の操作量に応じた開度に旋回電磁弁Ｖ４の開度が設定される。

　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。これにより、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それぞれの開度が設定される。

　演算部１１０は、第１法面角度算出部１１１、第２法面角度算出部１１２、状態判定部１１３、相対角度算出部１１４、及び制限部１１５を含む。第１法面角度算出部１１１は、形状センサ１０１が検出した形状データに基づいて第１法面角度を算出する。

　図３は、本実施の形態において、油圧ショベル１が不安定状態にあるか否かの判定が適用される場面の一例を示す図である。以下、図３を用いて第１法面角度算出部１１１の処理について説明する。油圧ショベル１は、法面３０１の路肩３０２で作業をしている。法面３０１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は法面３０１の上端に連なる面である。路肩３０２は水平面３０３に対して法面３０１側に傾斜している。第１法面角度θ１は、油圧ショベル１の接地面ＳＡに対する法面３０１の傾斜角度である。ここでは、油圧ショベルは路肩３０２に位置するため、接地面ＳＡは路肩３０２となる。

　図５は、路肩３０２に位置する油圧ショベル１を上方から下方に見た図である。図５において、Ｌ０は下部走行体１０の長手方向を示す。Ｌ１は法面３０１の傾斜方向を示す。Ｌ２は作業装置１４の長手方向、すなわち、上部旋回体１２の長手方向を示す。αは法面３０１の傾斜方向Ｌ１に対する下部走行体１０の長手方向Ｌ０の相対角度を示す。βは下部走行体１０の長手方向Ｌ０に対する上部旋回体１２の旋回角度を示す。ここでは、相対角度αは法面３０１の傾斜方向Ｌ１を基準に時計回りが正とされ、旋回角度βは下部走行体１０の長手方向Ｌ０を基準に時計回りが正とされている。

　まず、第１法面角度算出部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の座標系５００に変換する。座標系５００は、例えば、長手方向Ｌ０（前後方向）をＸ軸、左右方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とする３次元の直交座標系である。形状センサ１０１は作業装置１４に取り付けられているため、座標系５００における形状センサ１０１の位置は作業装置１４の姿勢及び旋回角度βに応じて変化する。

　そこで、第１法面角度算出部１１１は、姿勢センサ１０３の検出信号と、旋回センサ１０４が検出した旋回角度βとを用いて、座標系５００における形状センサ１０１の位置を算出する。第１法面角度算出部１１１は、算出した形状センサ１０１の位置から形状センサ１０１の座標系と座標系５００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センサ１０１が検出した形状データを座標系５００の形状データに変換する。

　なお、形状センサ１０１が上部旋回体１２に配置されている場合は、形状センサ１０１が検出した形状データを座標系５００の形状データに変換するに際して、旋回角度βが必要となり、姿勢センサ１０３の検出信号は不要である。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の座標系５００における位置は一定である。そのため、形状データを座標系５００の形状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βとは不要である。

　次に、第１法面角度算出部１１１は、座標系５００に変換した形状データから第１法面角度θ１を算出する。この場合、第１法面角度算出部１１１は、下部走行体１０の接地面ＳＡの境界線Ｌ３を形状データから検出し、境界線Ｌ３を挟んで接地面ＳＡの反対側の所定範囲の領域を法面候補領域として抽出する。次に、第１法面角度算出部１１１は、境界線Ｌ３に対して直交する方向を法面３０１の傾斜方向Ｌ１として設定し、法面候補領域から傾斜方向Ｌ１と平行な１ラインのデータ群を抽出し、抽出したデータ群の回帰直線を求める。次に、第１法面角度算出部１１１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に対する角度を第１法面角度θ１として算出する。このとき、第１法面角度算出部１１１は回帰直線の決定係数が所定の値以下であれば、形状データには法面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、法面３０１が含まれていると判定してもよい。

　或いは、第１法面角度算出部１１１は、法面候補領域から傾斜方向Ｌ１に平行な複数ラインのデータ群を抽出し、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に対する複数の角度を算出する。そして、第１法面角度算出部１１１は、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、形状データには法面３０１が含まれていると判定してもよい。そして、この場合、第１法面角度算出部１１１は、接地面ＳＡに対する各回帰直線の角度の平均値を第１法面角度θ１として算出してもよい。

　図２に参照を戻す。第２法面角度算出部１１２は、第１法面角度算出部１１１で算出された第１法面角度θ１に傾斜センサ１０２で検出された接地面角度θ０を加算して第２法面角度θ２を算出する。図３を参照する。第２法面角度θ２は、水平面３０３に対する法面３０１の傾斜角度である。接地面角度θ０は、水平面３０３に対する接地面ＳＡ（路肩３０２）の傾斜角度である。一方、第１法面角度θ１は接地面ＳＡに対する法面角度である。したがって、第１法面角度θ１に接地面角度θ０を加算することで水平面３０３に対する法面３０１の傾斜角度である第２法面角度θ２が算出できる。

　相対角度算出部１１４は、図５を参照し、形状センサ１０１が検出した形状データに基づいて、法面３０１の傾斜方向Ｌ１に対する下部走行体１０の長手方向Ｌ０の相対角度αを算出する。ここで、相対角度算出部１１４は、第１法面角度算出部１１１と同様にして、形状データを油圧ショベル１の座標系５００の形状データに変換し、変換した形状データから法面３０１の傾斜方向Ｌ１を算出する。そして、相対角度算出部１１４は、法面３０１の傾斜方向Ｌ１をＸ－Ｙ平面へ投影した傾斜方向Ｌ１’と下部走行体１０の長手方向Ｌ０とのなす角度を算出することで、相対角度αを算出すればよい。なお、相対角度算出部１１４は、第１法面角度算出部１１１が変換した形状データを用いて相対角度αを算出してもよい。

　状態判定部１１３は、第２法面角度θ２が第１閾値より大きく、且つ、相対角度算出部１１４が算出した相対角度αが第２閾値より大きいか否かを判定する。そして、状態判定部１１３は、第２法面角度θ２が第１閾値より大きく、且つ、相対角度αが第２閾値よりも大きい場合、油圧ショベル１は不安定状態にあると判定し、判定結果を示す判定信号を出力する。一方、状態判定部１１３は、第２法面角度θ２が第１閾値以下、又は、相対角度αが第２閾値以下の場合、油圧ショベル１は安定状態にあると判定し、判定結果を示す判定信号を出力する。

　図５を参照し、下部走行体１０は前後方向に長いため、相対角度αが９０度に近づくほど油圧ショベル１は不安定になる。そのため、第２閾値としては、９０度より小さな例えば８０度、７５度、６０度といった角度が採用される。また、第２法面角度θ２は、９０度に近づくほど油圧ショベル１は不安定になる。そのため、第１閾値としては、例えば、９０度より小さな、８０度、７５度、６０度といった角度が採用される。

　図４は、本実施の形態において、油圧ショベル１が不安定状態にあるか否かの判定が適用される場面の他の一例を示す図である。図３では、下部走行体１０は相対角度αが０度であり、上部旋回体１２は旋回角度βが０度である。これに対して、図４では、下部走行体１０は相対角度αが９０度であり、上部旋回体は旋回角度βが９０度である。そのため、油圧ショベル１を転倒させようとする反時計回りのモーメントは図４の場面の方が、図３の場面に比べて大きくなる。このことから、法面３０１の傾斜方向Ｌ１に対する上部旋回体１２の長手方向Ｌ２の旋回角度が０度に近いほど油圧ショベル１は転倒する可能性が高くなる。

　そこで、本実施の形態では、状態判定部１１３は、図５を参照し、旋回角度β（第１旋回角度の一例）と相対角度αとに基づいて、法面３０１の傾斜方向Ｌ１に対する上部旋回体１２の長手方向Ｌ２に対する旋回角度γ（第２旋回角度の一例）を算出する。そして、状態判定部１１３は、旋回角度γが０度に近いほど油圧ショベル１は転倒する可能性が高いため、第１閾値及び第２閾値の少なくとも一方を小さく設定する。

　さらに、油圧ショベル１を転倒させようとするモーメントは、作業装置１４の先端位置が上部旋回体１２から離れるにつれて大きくなる。

　そこで、状態判定部１１３は、作業装置１４の先端位置が上部旋回体１２から離れるにつれて、第１閾値及び第２閾値の少なくとも一方を小さく設定してもよい。

　また、第２法面角度θ２が９０度に近づくほど油圧ショベル１は不安定に近づき、さらに相対角度αを大きくすると油圧ショベル１はより不安定になる。そのため、第１閾値と第２閾値の一方を相対的に高く設定する場合には他方を相対的に小さくするように設定してもよい。

　なお、図３を参照し、油圧ショベル１から法面３０１までの距離が所定距離以上であれば、法面３０１は崩れる可能性は低い。そこで、状態判定部１１３は、油圧ショベル１から法面３０１までの距離を形状データから算出し、その距離が所定距離以下になった場合においてのみ、不安定状態にあるか否かを判定する処理を実施してもよい。

　制限部１１５は、状態判定部１１３により油圧ショベル１が不安定状態であることを示す判定信号が出力された場合、下部走行体１０の走行動作を制限する。この場合、制限部１１５は、不安定状態の度合いが増大する方向に下部走行体１０が走行する動作を禁止し、不安定状態の度合いが減少する方向に下部走行体１０が走行する動作を許容する。

　図３を参照し、法面３０１は路肩３０２との境界付近が崩れやすいため、境界付近の加重が増大すると法面３０１は崩れる可能性が高まる。したがって、図３の場面において、下部走行体１０が前進したり、前進右旋回したり、前進左旋回したりした場合、下部走行体１０のクローラのエッジが支点となって地面に加わる荷重が過大になり、法面が崩壊する可能性が高まり不安定状態の度合いが増大する。一方、図３の場面において、下部走行体１０が後進したり、後進右旋回したり、後進左旋回したりした場合、境界付近の加重は減少するため、法面３０１は不安定状態の度合いは減少する。

　また、図４の場面では、下部走行体１０が前進しながら左右に旋回した場合及び後進しながら左右に旋回した場合、境界付近の加重が増大するため、不安定状態の度合いが増大する。一方、図４の場面では、前進及び後進しても境界付近の加重は増大しないため、不安定状態の度合いは増大しない。

　いずれにせよ、下部走行体１０が法面３０１側に近づくように移動した場合、不安定状態の度合いが増大すると考えられる。

　そこで、制限部１１５は、下部走行体１０が法面３０１側に移動する方向を不安定状態の度合いが高まる方向として特定し、走行操作装置１０９に対してその方向へ下部走行体１０を移動させる操作が入力された場合、下部走行体１０の動作を禁止する。一方、制限部１１５は、走行操作装置１０９に対して不安定状態の度合いが減少する方向へ下部走行体１０を移動させる操作が入力された場合、下部走行体１０の動作を減速させればよい。また、走行操作装置１０９に対して不安定状態の度合いが変化しない方向へ下部走行体１０を移動させる操作が入力された場合、制限部１１５は、下部走行体１０の動作を減速させればよい。ここで、制限部１１５は、不安定状態の度合いが高まる方向に下部走行体１０が移動する相対角度αに応じた操作を予め定め記憶したテーブルを用いて、下部走行体１０の動作を禁止させるか否かを判定すればよい。

　制限部１１５が下部走行体１０の動作を禁止又は制限させる処理は例えば以下の通りである。制限部１１５は、走行操作装置１０９に不安定状態の度合いを高める操作が入力された場合、走行指令部１２５に禁止要求を入力する。これにより、走行指令部１２５は、走行操作装置１０９の操作量に拘わらず、走行指令部１２５に一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒを閉弁させる走行指令を入力する。これにより、走行動作が禁止される。一方、制限部１１５は、走行操作装置１０９に不安定状態の度合いを高めない操作が入力された場合、走行指令部１２５に減速要求を入力する。これにより、走行指令部１２５は、走行操作装置１０９の操作量に応じた値を持つ走行指令を所定の減衰比で減衰させて一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒに入力する。これにより、一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒの開度が操作量に応じた開度に比べて減少し、走行動作が減速される。

　警報装置１３０は、キャブ１８に設けられた、ブザー音を出力するスピーカ、光を点灯させて警報を発報する警報ランプ、及び警報メッセージを表示する表示装置の少なくとも１つを含む。そして、警報装置１３０は、状態判定部１１３により、油圧ショベル１が不安定状態であることを示す判定信号が出力された場合、スピーカからブザー音を出力させる態様、警報ランプを点灯させる態様、及び表示装置に警報メッセージ表示させる態様の少なくとも１つを実行することで、オペレータに油圧ショベル１が不安定状態にあることを発報する。

　図６は、図２に示す油圧ショベル１の動作を示すフローチャートである。この処理は、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ものとする。まず、傾斜センサ１０２は、接地面ＳＡの水平面３０３に対する傾斜角度である接地面角度θ０を検出する（Ｓ１）。次に、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（Ｓ２）。次に、第１法面角度算出部１１１は、取得された形状データを形状センサ１０１の座標系から油圧ショベル１の座標系５００に変換する（Ｓ３）。

　次に、第１法面角度算出部１１１は、下部走行体１０から法面３０１までの距離、すなわち、下部走行体１０から境界線Ｌ３までの距離が所定距離以下であるか否かを判定する（Ｓ４）。下部走行体１０から法面３０１までの距離が所定距離以下であれば（Ｓ４でＹＥＳ）、第１法面角度算出部１１１は、第１法面角度θ１を算出する（Ｓ５）。一方、下部走行体１０から法面３０１までの距離が所定距離より大きければ（Ｓ４でＮＯ）、処理を終了する。

　次に、第２法面角度算出部１１２は、Ｓ１で検出された接地面角度θ０にＳ６で算出された第１法面角度θ１を加算し、第２法面角度θ２を算出する（Ｓ６）。次に、相対角度算出部１１４は、法面３０１の傾斜方向Ｌ１に対する下部走行体１０の長手方向Ｌ０の相対角度αを算出する（Ｓ７）。

　次に、状態判定部１１３は、第２法面角度θ２が第１閾値より大きく、且つ、相対角度αが第２閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ８）。第２法面角度θ２が第１閾値より大きく、且つ、相対角度αが第２閾値より大きい場合（Ｓ８でＹＥＳ）、状態判定部１１３は、油圧ショベル１は不安定状態にあると判定する（Ｓ９）。一方、第２法面角度θ２が第１閾値以下、又は、相対角度αが第２閾値以下の場合（Ｓ８でＮＯ）、状態判定部１１３は、油圧ショベル１は安定状態にあるため、処理を終了する。Ｓ１０では、制限部１１５は、下部走行体１０の走行動作を制限する。この場合、制限部１１５は、不安定状態の度合いが増大する方向に下部走行体１０が走行する動作を禁止し、それ以外の方向への下部走行体１０の動作は減速させればよい。

　次に、警報装置１３０は、油圧ショベル１が不安定状態であることをオペレータに知らせるための警報を発報する（Ｓ１１）。

　このように、本実施の形態では、接地面ＳＡを基準とした場合ではなく水平面３０３を基準とした場合の法面３０１の傾斜角度である第２法面角度θ２を算出すると共に、法面３０１の傾斜方向に対する下部走行体１０の相対角度αを算出する。そして、本実施の形態は、第２法面角度θ２と相対角度αとに基づいて油圧ショベル１の状態を評価する。そのため、本実施の形態は、傾斜した路肩３０２において作業をしている油圧ショベル１の状態が不安定状態にあるか否かを正確に判定でき、油圧ショベル１の転倒を未然に防止できる。

　（変形例）
　（１）上記実施の形態では、形状センサ１０１が検出した形状データを用いて法面３０１が検出されていたが、本発明はこれに限定されない。油圧ショベル１は、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法面３０１を検出してもよい。この場合、第１法面角度算出部１１１は、図略の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の周囲の法面３０１を検出すればよい。

　（２）上記実施の形態では、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として電気レバー装置が用いられているが本発明はこれに限定されず、操作量に応じたパイロット圧を出力する油圧レバー装置が用いられてもよい。以下、走行制御弁Ｖ１０Ｌ及び走行制御弁Ｖ１０Ｒを走行制御弁と総称し、一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒを走行電磁弁と総称して説明する。

　この場合、走行制御弁のパイロットポートに電磁切替弁を設ける。電磁切替弁は、通常動作時は、油圧レバー装置からのパイロット圧を走行制御弁のパイロットポートに入力する。一方、電磁切換弁は、制限部１１５から禁止信号が入力されると、パイロットポートへのパイロット圧の入力を遮断する。これにより、下部走行体１０の走行動作が禁止される。

　また、電磁切替弁は、制限部１１５から制限信号が入力されると、走行電磁弁からのパイロット圧をパイロットポートへ入力する。このとき、油圧レバー装置から出力された操作量に応じたパイロット圧は電磁切替弁によって減圧されてパイロットポートへ入力される。これにより、下部走行体１０の走行動作が制限される。

　（実施の形態のまとめ）
　本発明の技術的特徴は下記のようにまとめられる。
　本発明の一態様に係る監視装置は、長手方向を有し、前記長手方向に沿って前進走行する下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、前記上部旋回体に設置された作業装置とを備える建設機械の状態を監視する監視装置であって、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の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度を算出する第１法面角度算出部と、水平面に対する前記接地面の傾斜角度である接地面角度を検出する傾斜センサと、前記接地面角度に前記第１法面角度を加算し、前記水平面に対する前記法面の傾斜角度である第２法面角度を算出する第２法面角度算出部と、前記法面の傾斜方向に対する前記下部走行体の長手方向の相対角度を算出する相対角度算出部と、前記第２法面角度が第１閾値よりも大きく、且つ、前記相対角度が第２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、判定結果を示す判定信号を出力する状態判定部とを備える。

　本構成によれば、建設機械の周囲の地形の形状を示す形状データが取得され、この形状データから建設機械の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度が算出され、この第１法面角度に建設機械の水平面に対する傾斜角度である接地面角度が加算されて水平面に対する法面の傾斜角度である第２法面角度が算出される。そして、第２法面角度が第１閾値よりも大きく、且つ、法面の傾斜方向に対する下部走行体の長手方向の相対角度が第２閾値より大きい場合、建設機械は不安定状態にあると判定される。

　このように、本構成は、接地面を基準とした場合ではなく水平面を基準とした場合の法面の傾斜角度である第２法面角度を算出すると共に、法面の傾斜方向に対する下部走行体の相対角度を算出する。そして、本構成は、第２法面角度と相対角度とに基づいて建設機械の不安定状態の有無を判定する。そのため、本構成は、路肩が傾斜した法面において作業をしている建設機械の状態が不安定状態にあるか否かを正確に判定できる。

　上記態様において、前記状態判定部から出力された前記判定信号が前記不安定状態を示す場合、警報を発報する警報装置をさらに備えることが好ましい。

　本構成によれば、不安定状態であると判定された場合、警報を報知することで建設機械の転倒を未然に防ぐことができる。

　上記態様において、前記状態判定部から出力された前記判定信号が前記不安定状態を示す場合、前記下部走行体の走行動作を制限する制限部をさらに備えることが好ましい。

　本構成によれば、不安定状態と判定された場合、下部走行体の走行が制限されるため、建設機械の転倒を未然に防ぐことができる。

　上記態様において、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度である第１旋回角度を検出する旋回センサをさらに備え、前記状態判定部は、前記相対角度及び前記第１旋回角度に基づいて前記法面の傾斜方向に対する前記上部旋回体の長手方向の旋回角度である第２旋回角度を算出し、前記第２旋回角度が減少するにつれて前記第１閾値及び前記第２閾値の少なくとも一方を減少させることが好ましい。

　法面の傾斜方向に対する上部旋回体部の長手方向の旋回角度である第２旋回角度が小さくなるにつれて、建設機械を法面側に転倒させようとするモーメントが増大する。本構成は第２旋回角度が小さくなるにつれて第１閾値及び第２閾値の少なくとも一方が減少されるため、第２旋回角度を考慮に入れて建設機械が不安定状態にあるか否かをより正確に判定できる。

　上記構成において、前記制限部は、前記状態判定部により前記不安定状態と判定された場合、前記不安定状態の度合いが増大する方向に前記下部走行体が走行する動作を禁止し、前記不安定状態の度合いが減少する方向に前記下部走行体が走行する動作を許容することが好ましい。

　本構成によれば、状態判定部により不安定状態と判定された場合、不安定さが増大する方向に下部走行体が走行する動作が禁止され、不安定さが減少する方向に下部走行体が走行する動作が許容される。そのため、建設機械の転倒を未然に防ぐと同時に、安定さが高まる場所に建設機械を移動させる回避動作を行わせることができる。

Claims

　長手方向を有し、前記長手方向に沿って走行する下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、前記上部旋回体に設置された作業装置とを備える建設機械の状態を監視する監視装置であって、
　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の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度を算出する第１法面角度算出部と、
　水平面に対する前記接地面の傾斜角度である接地面角度を検出する傾斜センサと、
　前記接地面角度に前記第１法面角度を加算し、前記水平面に対する前記法面の傾斜角度である第２法面角度を算出する第２法面角度算出部と、
　前記法面の傾斜方向に対する前記下部走行体の長手方向の相対角度を算出する相対角度算出部と、
　前記第２法面角度が第１閾値よりも大きく、且つ、前記相対角度が第２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、判定結果を示す判定信号を出力する状態判定部とを備える監視装置。
　請求項１記載の監視装置において、
　前記状態判定部から出力された前記判定信号が前記不安定状態を示す場合、警報を発報する警報装置をさらに備える監視装置。
　請求項１又は２記載の監視装置において、
　前記状態判定部から出力された前記判定信号が前記不安定状態を示す場合、前記下部走行体の走行動作を制限する制限部をさらに備える監視装置。
　請求項１～３のいずれかに記載の監視装置において、
　前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度である第１旋回角度を検出する旋回センサをさらに備え、
　前記状態判定部は、前記相対角度及び前記第１旋回角度に基づいて前記法面の傾斜方向に対する前記上部旋回体の長手方向の旋回角度である第２旋回角度を算出し、前記第２旋回角度が減少するにつれて前記第１閾値及び前記第２閾値の少なくとも一方を減少させる監視装置。
　請求項３記載の監視装置において、
　前記制限部は、前記状態判定部により前記不安定状態と判定された場合、前記不安定状態の度合いが増大する方向に前記下部走行体が走行する動作を禁止し、前記不安定状態の度合いが減少する方向に前記下部走行体が走行する動作を許容する監視装置。
　請求項１～５のいずれかに記載の監視装置と、
　前記下部走行体と、
　前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、
　前記上部旋回体に設置された作業装置とを備える建設機械。