CN103890273A - 建筑机械的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

限制速度确定部根据工作装置整体的限制速度、小臂目标速度、铲斗目标速度确定大臂的限制速度。将铲斗的刀尖位于设计面的外侧时的距离设为正值，将从设计面的内侧朝向外侧方向的速度设为正值，第一限制条件包括大臂的限制速度比大臂目标速度大。在满足第一限制条件时，工作装置控制部以大臂的限制速度控制大臂，并且以小臂目标速度控制小臂。

Description

建筑机械的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及建筑机械的控制系统及控制方法。

背景技术

如今，公知的是在包括工作装置的建筑机械中，通过使铲斗沿着设计面移动来对区域进行挖掘的方法。设计面是表示挖掘对象的目标形状的面，在建筑机械所包括的控制器中识别出设计面的位置和铲斗的位置。

例如，在专利文献1的控制系统中，操作人员设定工作装置的不可侵入的区域。控制系统根据从铲斗到侵入负荷区域的边界线的距离来降低工作装置的操纵杆信号的指令值。由此，即便操作人员误将刀尖移动到不可侵入的区域，也能够自动地在边界线上停止。另外，通过减小工作装置的速度，操作人员能够判断出刀尖正接近不可侵入的区域。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：（日本）特开平4-136324号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

但是，在专利文献1的控制系统中，对工作装置的所有的轴或者向接近边界的方向操作的轴进行限制。另外，在铲斗到达边界线时，工作装置停止。因此，操作人员较大程度地感到对操作的不适感。

另一方面，为了减轻操作人员的不适感，对于操作人员的操作而言，对工作装置施加的限制少为好。特别是在进行挖掘的情况下，操作人员的操作意图强烈地表现在小臂的操作上。因此，如专利文献1所公开的那样，在控制系统对小臂进行限制时，操作人员特别容易感受到不适感。

本发明的目的在于，在建筑机械中，既能够减轻操作人员的不适感，又能够防止铲斗侵入设计面。

用于解决技术课题的技术方案

本发明第一方式的控制系统是控制建筑机械的装置。建筑机械包括工作装置和操作装置。工作装置包括大臂、小臂和铲斗。操作装置是用于操作工作装置的装置。

控制系统包括设计面设定部、目标速度确定部、距离取得部、限制速度确定部、第一限制判定部和工作装置控制部。设计面设定部设定表示挖掘对象的目标形状的设计面。目标速度确定部确定用于操作大臂的操作装置的操作量所对应的大臂目标速度、用于操作小臂的操作装置的操作量所对应的小臂目标速度、用于操作铲斗的操作装置的操作量所对应的铲斗目标速度。距离取得部取得铲斗的刀尖与设计面之间的距离。限制速度确定部基于距离确定工作装置整体的限制速度。第一限制判定部判定是否满足第一限制条件。工作装置控制部控制工作装置。

限制速度确定部根据工作装置整体的限制速度、小臂目标速度和铲斗目标速度确定大臂的限制速度。将铲斗的刀尖位于设计面的外侧时的距离设为正值，将从设计面的内侧朝向外侧方向的速度设为正值，第一限制条件包括大臂的限制速度比大臂目标速度大。在满足第一限制条件时，工作装置控制部以大臂的限制速度控制大臂，并且以小臂目标速度控制小臂。

在本方式的建筑机械的控制系统中，在满足第一限制条件时，大臂以限制速度被控制，并且小臂以小臂目标速度被控制。即，只进行大臂的限制，不进行小臂的限制。因此，小臂目标速度根据操作人员的操作直接发生变化。因此，能够减轻操作人员的不适感并能够防止铲斗侵入设计面。

优选的是，第一限制条件还包括所述距离比第一规定值小。在这种情况下，在铲斗的刀尖比自设计面离开第一规定值的位置更接近设计面时，进行大臂的限制。

优选的是，控制系统还包括第二限制判定部。第二限制判定部判定是否满足第二限制条件。第二限制条件包括所述距离比第二规定值小。第二规定值比第一规定值小。在满足第二限制条件时，工作装置控制部以大臂的限制速度控制大臂，并且以小臂限制速度控制小臂。小臂限制速度的绝对值比小臂目标速度的绝对值小。

在这种情况下，在满足第二限制条件时，大臂以大臂的限制速度被控制，并且小臂以小臂限制速度被控制。因此，在铲斗的刀尖与设计面之间的距离比第二规定值小时，进行大臂的限制与小臂的限制双方。由此，即便铲斗侵入设计面，也能够迅速抑制侵入的扩大。

优选的是，第二规定值为0。在这种情况下，在大臂的刀尖直到到达设计面，只进行大臂的限制，不进行小臂的限制。然后，在大臂的刀尖超越设计面时，进行大臂的限制与小臂的限制双方。

优选的是，第二规定值比0大。在这种情况下，在大臂的刀尖到达设计面之前，进行大臂的限制与小臂的限制双方。因此，即便在大臂的刀尖到达设计面之前，当大臂的刀尖要超越设计面时，也能够进行大臂的限制和小臂的限制双方。

优选的是，距离取得部取得每隔规定时间的铲斗刀尖的偏差量。偏差量是在设计面的内侧的铲斗刀尖与设计面之间的距离的绝对值。第二限制条件还包括当前的偏差量比上次的偏差量大。在这种情况下，当铲斗侵入设计面的程度要扩大时，能够进行大臂的限制与小臂的限制双方。

优选的是，限制速度确定部基于铲斗刀尖的上次位置与当前位置的位移量、当前的偏差量确定小臂减速系数。小臂减速系数是比0大且比1小的值。限制速度确定部通过在小臂目标速度上乘以小臂减速系数来确定小臂限制速度。在这种情况下，当铲斗侵入设计面的程度要扩大时，能够使小臂大幅度减速。

优选的是，在满足第一限制条件或者第二限制条件，并且工作装置整体的限制速度比小臂目标速度与铲斗目标速度之和小时，工作装置控制部使大臂减速为比大臂目标速度小。在这种情况下，通过使大臂减速，能够将工作装置整体的速度抑制在限制速度。因此，能够减轻操作人员的不适感并能够防止铲斗侵入设计面。

优选的是，在满足第一限制条件或者第二限制条件，并且工作装置整体的限制速度比小臂目标速度与铲斗目标速度之和大时，工作装置控制部使大臂从设计面的内侧朝向外侧方向移动。在这种情况下，通过使大臂从设计面的内侧朝向外侧方向移动，能够将工作装置整体的速度抑制在限制速度。由此，能够防止铲斗侵入设计面。

优选的是，控制系统还包括第三限制判定部。第三限制判定部判定是否满足第三限制条件。第三限制条件包括所述距离比第二规定值小。在满足第三限制条件时，工作装置控制部以大臂的限制速度控制大臂，并且以铲斗限制速度控制铲斗。铲斗限制速度的绝对值比铲斗目标速度的绝对值小。

本发明第二方式的建筑机械包括上述控制系统。

本发明第三方式的控制方法是控制建筑机械的方法。建筑机械包括工作装置和操作装置。工作装置包括大臂、小臂和铲斗。操作装置是用于操作工作装置的装置。本方式的控制包括以下步骤。

在第一步骤中，设定表示挖掘对象的目标形状的设计面。在第二步骤中，确定用于操作大臂的操作装置的操作量所对应的大臂目标速度、用于操作小臂的操作装置的操作量所对应的小臂目标速度、用于操作铲斗的操作装置的操作量所对应的铲斗目标速度。在第三的步骤中，取得铲斗的刀尖与设计面之间的距离。在第四的步骤中，基于距离确定工作装置整体的限制速度。在第五的步骤中，判定是否满足第一限制条件。在第六的步骤中，控制工作装置。在确定限制速度的步骤中，根据工作装置整体的限制速度、小臂目标速度和铲斗目标速度确定大臂的限制速度。将铲斗的刀尖位于设计面的外侧时的距离设为正值，将从设计面的内侧朝向外侧方向的速度设为正值。第一限制条件包括大臂的限制速度比大臂目标速度大。在满足第一限制条件时，在控制工作装置的步骤中，以大臂的限制速度控制大臂，并且以小臂目标速度控制小臂。

在本方式的建筑机械的控制方法中，在满足第一限制条件时，大臂以限制速度被控制，并且小臂以小臂目标速度被控制。即，只进行大臂的限制，不进行小臂的限制。因此，能够减轻操作人员的不适感并能够防止铲斗侵入设计面。

发明效果

根据本发明，在建筑机械中，能够减轻操作人员的不适感并能够防止铲斗侵入设计面。

附图说明

图1是液压挖掘机的立体图。

图2是表示液压挖掘机的控制系统的结构的框图。

图3是示意地表示液压挖掘机的结构的侧视图。

图4是表示设计地形的一例的示意图。

图5是表示控制器的结构的框图。

图6是表示设计面的一例的图。

图7是表示目标速度、垂直速度分量及水平速度分量的关系的示意图。

图8是表示垂直速度分量与水平速度分量的计算方法的图。

图9是表示垂直速度分量与水平速度分量的计算方法的图。

图10是表示刀尖与设计面之间的距离的示意图。

图11是表示限制速度信息的一例的曲线图。

图12是表示大臂的限制速度的垂直速度分量的计算方法的示意图。

图13是表示大臂的限制速度的垂直速度分量与大臂的限制速度的关系的示意图。

图14是表示刀尖的偏差量和位移量的示意图。

图15是表示因刀尖的移动而导致的大臂的限制速度的变化一例的图。

图16是表示使用控制系统来进行控制的流程图。

图17是表示其他实施方式的控制器结构的框图。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行说明。图1是实施方式的液压挖掘机100的立体图。液压挖掘机100包括车辆主体1和工作装置2。

车辆主体1包括旋转体3、驾驶室4、行驶装置5。旋转体3收容后述发动机、液压泵等。驾驶室4搭载在旋转体3的前部。在驾驶室4内配置有后述操作装置。行驶装置5包括履带5a,5b，通过履带5a,5b的旋转，液压挖掘机100行驶。

工作装置2安装在车辆主体1的前部，包括大臂6、小臂7、铲斗8、大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12。大臂6的基端部经由大臂销13能够摆动地安装在车辆主体1的前部。小臂7的基端部经由小臂销14能够摆动地安装在大臂6的前端部。铲斗8经由铲斗销15能够摆动地安装在小臂7的前端部。

大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12分别是使用工作油来驱动的液压缸。大臂缸10驱动大臂6。小臂缸11驱动小臂7。铲斗缸12驱动铲斗8。

图2是表示液压挖掘机100的驱动系统200和控制系统300的结构的框图。如图2所示，液压挖掘机100的驱动系统200包括发动机21和液压泵22,23。液压泵22,23由发动机21驱动，并排出工作油。从液压泵22,23排出的工作油向大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12供给。另外，液压挖掘机100包括旋转马达24。旋转马达24是液压马达，并由从液压泵22,23排出的工作油驱动。旋转马达24使旋转体3旋转。

需要说明的是，在图2中，虽然图示了两个液压泵22,23，也可以仅设置一个液压泵。旋转马达24不限于液压马达，也可以是电动马达。

控制系统300包括操作装置25、控制器26、控制阀27。操作装置25是用于操作工作装置2的装置。操作装置25接收用于驱动工作装置2的来自操作人员的操作，并输出与操作量对应的操作信号。操作装置25包括第一操作部件28和第二操作部件29。

第一操作部件28例如为操纵杆。第一操作部件28设置为能够向前后左右四个方向操作。第一操作部件28的四个操作方向中的两个操作方向分配为大臂6的上升操作和下降操作。大臂6的上升操作相当于挖掘操作。大臂6的下降操作相当于倾卸操作。第一操作部件28的剩下的两个操作方向分配为铲斗8的上升操作和下降操作。

第二操作部件29例如为操纵杆。第二操作部件29设置为能够向前后左右四个方向操作。第二操作部件29的四个操作方向中的两个操作方向分配为小臂7的上升操作和下降操作。小臂7的上升操作相当于挖掘操作。小臂7的下降操作相当于倾卸操作。第二操作部件29的剩下的两个操作方向分配为旋转体3的右旋转操作和左旋转操作。

操作装置25包括大臂操作部31和铲斗操作部32。大臂操作部31输出大臂操作信号。大臂操作信号具有与用于操作大臂6的第一操作部件28的操作量（以下，称为“大臂操作量”）所对应的电压值。铲斗操作部32输出铲斗操作信号。铲斗操作信号具有与用于操作铲斗8的第一操作部件28的操作量（以下，称为“铲斗操作量”）对应的电压值。

操作装置25包括小臂操作部33和旋转操作部34。小臂操作部33输出小臂操作信号。小臂操作信号具有与用于操作小臂7的第二操作部件29的操作量（以下，称为“小臂操作量”）对应的电压值。旋转操作部34输出旋转操作信号。旋转操作信号具有与用于操作旋转体3的旋转的第二操作部件29的操作量对应的电压值。

控制器26包括RAM和ROM等存储部34、CPU等运算部35。控制器26取得来自操作装置25的大臂操作信号、小臂操作信号、铲斗操作信号及旋转操作信号。控制器26基于这些操作信号控制控制阀27。

控制阀27是电磁比例控制阀，通过来自控制器26的指令信号被控制。控制阀27配置在大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12及旋转马达24等液压执行机构与液压泵22,23之间。控制阀27控制从液压泵22,23向大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12及旋转马达24供给的工作油的流量。

控制系统300包括第一行程传感器16、第二行程传感器17、第三行程传感器18。第一行程传感器16检测大臂缸10的行程长度（以下，称为“大臂缸长度”）。第二行程传感器17检测小臂缸11的行程长度（以下，称为“小臂缸长度”）。第三行程传感器18检测铲斗缸12的行程长度（以下，称为“铲斗缸长度”）。也可以使用角度传感器等来进行行程的检测。另外，控制系统300包括倾斜角度传感器19。倾斜角度传感器19配置在旋转体3上。倾斜角度传感器19检测旋转体3相对于水平方向的倾斜角度和旋转体3相对于车辆前方的旋转角度。这些传感器向控制器26传送检测信号。需要说明的是，旋转角度也可以通过后述GNSS天线37,38的位置信息取得。

控制系统300包括位置检测部36。位置检测部36检测液压挖掘机100的当前位置。位置检测部36包括GNSS天线37,38和三维位置传感器39。多个GNSS天线37,38设置在旋转体3上。GNSS天线37,38是RTK-GNSS（RealTime Kinematic-Global Navigation Satellite Systems，GNSS是全球卫星导航系统）用的天线。使用GNSS天线37,38接收到的GNSS电波所对应的信号输入三维位置传感器39。

图3是示意地表示液压挖掘机100的结构的侧视图。三维位置传感器39检测整体坐标系的GNSS天线37,38的设置位置P1。整体坐标系是以设置在作业区的基准位置P2为原点的三维坐标系。如图3所示，基准位置P2例如位于设定在作业区的基准桩的前端。

控制器26基于位置检测部36的检测结果计算出在整体坐标系看到的局部坐标的位置。在此，局部坐标系是以液压挖掘机100为基准的三维坐标系。局部坐标系的基准位置P3例如位于旋转体3的旋转中心。具体地说，控制器26按照如下方式计算出在整体坐标系看到的局部坐标的位置。

控制器26根据第一行程传感器16所检测到的大臂缸长度计算出大臂6相对于局部坐标系的垂直方向的倾斜角θ1。控制器26根据第二行程传感器17所检测到的小臂缸长度计算出小臂7相对于大臂6的倾斜角θ2。控制器26根据第三行程传感器18所检测到的铲斗缸长度计算出铲斗8相对于小臂7的倾斜角θ3。

控制器26的存储部34存储工作装置数据。工作装置数据包括大臂6的长度L1、小臂7的长度L2、铲斗8的长度L3。如图3所示，大臂6的长度L1相当于从大臂销13到小臂销14的长度。小臂7的长度L2相当于从小臂销14到铲斗销15的长度。铲斗8的长度L3相当于从铲斗销15到铲斗8的斗齿的前端（以下，称为“刀尖P4”）的长度。另外，工作装置数据还包括大臂销13相对于局部坐标系的基准位置P3的位置信息。

控制器26根据大臂6的倾斜角θ1、小臂7的倾斜角θ2、铲斗8的倾斜角θ3、大臂6的长度L1、小臂7的长度L2、铲斗8的长度L3及大臂销13的位置信息，计算出局部坐标系中的刀尖P4的位置。另外，工作装置数据还包括GNSS天线37,38相对于局部坐标系的基准位置P3的设置位置P1的位置信息。控制器26根据位置检测部36的检测结果和GNSS天线37,38的位置信息，将局部坐标系中的刀尖P4的位置转换为整体坐标系中的刀尖P4的位置。由此，控制器26取得在整体坐标系看到的刀尖P4的位置信息。

另外，控制器26的存储部34存储表示作业区内的三维设计地形的形状和位置的设计地形数据。控制器26基于设计地形、来自上述各种传感器的检测结果等，将设计地形显示在显示部40上。显示部40例如为显示器，显示液压挖掘机100的各种信息。

图4是表示设计地形的一例的示意图。如图4所示，设计地形由多个设计面41构成，该多个设计面41分别由三角多边形表现。多个设计面41分别表示工作装置2的挖掘对象的目标形状。需要说明的是，在图4中，只在多个设计面41中的一个设计面上标注符号41，而省略了其他设计面41的符号。

为了防止铲斗8侵入设计面41，控制器26进行限制工作装置2的动作的控制。以下，具体说明由控制器26进行的控制。图5是表示控制器26结构的框图。控制器26包括设计面设定部51、目标速度确定部52、距离取得部53、限制速度确定部54、第一限制判定部55、第二限制判定部56和工作装置控制部57。

设计面设定部51设定表示挖掘对象的目标形状的设计面41。具体地说，设计面设定部51选择上述多个设计面41中的一部分设计面41作为目标设计面。例如，设计面设定部51将整体坐标系中的通过刀尖P4的当前位置的垂线与设计面41的交点作为挖掘对象位置设定。设计面设定部51选择包括挖掘对象位置的设计面41及分别位于其前方和后方的设计面41作为挖掘对象面。设计面设定部51将通过铲斗8的刀尖P4的当前位置的平面42与挖掘对象面的交线43作为目标设计面。

在以下说明中，设计面41表示像上述那样设定的目标设计面。图6表示所设定的设计面41的一例。控制器26使表示所设定的设计面41与刀尖P4的位置关系的图像显示在显示部40上。

目标速度确定部52确定大臂目标速度Vc_bm、小臂目标速度Vc_am和铲斗目标速度Vc_bkt。大臂目标速度Vc_bm是只驱动大臂缸10时的刀尖P4的速度。小臂目标速度Vc_am是只驱动小臂缸11时的刀尖P4的速度。铲斗目标速度Vc_bkt是只驱动铲斗缸12时的刀尖P4的速度。根据大臂操作量计算出大臂目标速度Vc_bm。根据小臂操作量计算出小臂目标速度Vc_am。根据铲斗操作量计算出铲斗目标速度Vc_bkt。

存储部34存储规定大臂操作量与大臂目标速度Vc_bm关系的目标速度信息。目标速度确定部52通过参照目标速度信息来确定与大臂操作量对应的大臂目标速度Vc_bm。目标速度信息例如为曲线图。目标速度信息也可以是表各、数式等形式。目标速度信息包括规定小臂操作量与小臂目标速度Vc_am关系的信息。目标速度信息还包括规定铲斗操作量与铲斗目标速度Vc_bkt关系的信息。目标速度确定部52通过参照目标速度信息来确定与小臂操作量对应的小臂目标速度Vc_am。目标速度确定部52通过参照目标速度信息来确定与铲斗操作量对应的铲斗目标速度Vc_bkt。

另外，如图7所示，目标速度确定部52将大臂目标速度Vc_bm转换为垂直于设计面41的方向的速度分量（以下，称为“垂直速度分量”）Vcy_bm和平行于设计面41的方向的速度分量（以下，称为“水平速度分量”）Vcx_bm。

具体地说，首先，目标速度确定部52根据GNSS天线37,38的位置信息及设计地形数据等，求得局部坐标的垂直轴相对于整体坐标的垂直轴的倾斜角、设计面41的垂直方向相对于整体坐标的垂直轴的倾斜角，并根据这些倾斜角求得局部坐标的垂直轴与设计面41的垂直方向的倾斜角θ1（参照图6）。

然后，如图8所示，目标速度确定部52根据局部坐标的垂直轴与大臂目标速度Vc_bm的方向所形成的角θ2，通过三角函数将大臂目标速度Vc_bm转换为局部坐标的垂直轴方向的速度分量VL1_bm和水平轴方向的速度分量VL2_bm。然后，如图9所示，目标速度确定部52根据上述局部坐标的垂直轴与设计面41的垂直方向的倾斜角θ1，通过三角函数，将垂直轴方向的速度分量VL1_bm与水平轴方向的速度分量VL2_bm转换为相对于上述设计面41的垂直速度分量Vcy_bm和水平速度分量Vcx_bm。同样，目标速度确定部52将小臂目标速度Vc_am转换为垂直速度分量Vcy_am和水平速度分量Vcx_am。目标速度确定部52将铲斗目标速度Vc_bkt转换为垂直速度分量Vcy_bkt和水平速度分量Vcx_bkt。

如图10所示，距离取得部53取得铲斗8的刀尖P4与设计面41之间的距离d。具体地说，距离取得部53根据如上所述那样取得的刀尖P4的位置信息、表示设计面41的位置的设计地形数据等，计算出铲斗8的刀尖P4与设计面41之间的最短距离d。

限制速度确定部54基于铲斗8的刀尖P4与设计面41之间的距离d计算出工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt。工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt是铲斗8的刀尖P4在靠近设计面41的方向上所允许的刀尖P4的移动速度。存储部34存储规定距离d与限制速度Vcy_lmt的关系的限制速度信息。

图11是表示限制速度信息的一例。在图11中，刀尖P4位于设计面41的外侧时的距离d为正值，刀尖P4位于设计面41的内侧时的距离d为负值。换言之，例如如图10所示，刀尖P4位于设计面41的上方时的距离d为正值，刀尖P4位于设计面41的下方时的距离d为负值。再换言之，刀尖P4位于未侵入设计面41的位置时的距离d为正值，刀尖P4位于侵入设计面41的位置时的距离d为负值。刀尖P4位于设计面41上时的距离d是0。

另外，刀尖P4从设计面41的内侧朝向外侧时的速度为正值，刀尖P4从设计面41的外侧朝向内侧时的速度为负值。换言之，刀尖P4朝向设计面41的上方时的速度为正值，刀尖P4朝向下方时的速度为负值。

在限制速度信息中，距离d在d1与d2之间时的限制速度Vcy_lmt的倾斜度比距离d在d1以上或者d2以下时的倾斜度小。d1比0大。d2比0小。在设计面41附近的操作中，为了更具体地设定限制速度，使距离d在d1与d2之间时的倾斜度比距离d在d1以上或者d2以下时的倾斜度小。距离d在d1以上时，限制速度Vcy_lmt是负值，距离d越大，限制速度Vcy_lmt越小。换言之，距离d在d1以上时，在比设计面41靠近上方的位置，刀尖P4越远离设计面41，朝向设计面41的下方的速度越大，限制速度Vcy_lmt的绝对值越大。距离d在0以下时，限制速度Vcy_lmt是正值，距离d越小，限制速度Vcy_lmt越大。换言之，铲斗8的刀尖4P的远离设计面41的距离d在0以下时，在比设计面41靠近下方的位置，刀尖P4越远离设计面41，朝向设计面41的上方的速度越大，限制速度Vcy_lmt的绝对值越大。

需要说明的是，距离d在第一规定值dth1以上时，限制速度Vcy_lmt成为Vmin。第一规定值dth1是正值，比d1大。Vmin比目标速度的最小值小。换言之，距离d在第一规定值dth1以上时，不进行工作装置2的动作的限制。因此，刀尖P4在设计面41的上方大幅度地远离设计面41时，不进行工作装置2的动作的限制。换言之，在距离d比第一规定值dth1小时，进行工作装置2的动作的限制。具体地说，如后文所述，在距离d比第一规定值dth1小时，进行大臂6的动作的限制。

限制速度确定部54根据工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt、小臂目标速度Vc_am和铲斗目标速度Vc_bkt计算出大臂6的限制速度的垂直速度分量（以下，称为“大臂6的限制垂直速度分量”）Vcy_bm_lmt。如图12所示，限制速度确定部54通过从工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt减去小臂目标速度的垂直速度分量Vcy_am和铲斗目标速度的垂直速度分量Vcy_bkt，计算出大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt。

另外，如图13所示，限制速度确定部54将大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt转换为大臂6的限制速度Vc_bm_lmt。限制速度确定部54根据上述大臂6的倾斜角θ1、小臂7的倾斜角θ2、铲斗8的倾斜角θ3、GNSS天线37,38的位置信息及设计地形数据等，求得与设计面41垂直的方向与大臂6的限制速度Vc_bm_lmt的方向之间的关系，并将大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt转换为大臂6的限制速度Vc_bm_lmt。该情况下的运算按照与前述的根据大臂的目标速度Vc_bm求得与设计面41垂直的方向的速度Vcy_bm的运算顺序相反的顺序进行。

第一限制判定部55是用于限制大臂6的条件判定部，判定是否满足第一限制条件。第一限制条件包括距离d比上述第一规定值dth1小的情况、距离d在后述第二规定值dth2以上的情况，以及大臂6的限制速度Vc_bm_lmt比大臂目标速度Vc_bm大的情况。例如，在使大臂6下降的情况下，大臂6向下方的限制速度Vc_bm_lmt的大小比向下方的大臂目标速度Vc_bm大小小时，第一限制判定部55判定为满足第一限制条件。另外，在使大臂6上升的情况下，大臂6向上方的限制速度Vc_bm_lmt的大小比向上方的大臂目标速度Vc_bm的大小大时，第一限制判定部55判定为满足第一限制条件。

第二限制判定部56是用于限制小臂7的条件判定部，判定是否满足第二限制条件。第二限制条件包括刀尖P4与设计面41之间的距离d比第二规定值小的情况，以及大臂6的限制速度Vc_bm_lmt比大臂目标速度Vc_bm大的情况。第二规定值为0。因此，在刀尖P4位于设计面41的外侧时，第二限制判定部56判定为不满足第二限制条件。即，在刀尖P4位于设计面41的上方时，第二限制判定部56判定为不满足第二限制条件。在刀尖P4位于设计面41内侧时，第二限制判定部56判定为满足第二限制条件。即，在刀尖P4位于设计面41的下方时，第二限制判定部56判定为满足第二限制条件。

另外，第二限制条件还包括当前的偏差量比上次的偏差量大的情况。如图14所示，距离取得部53每隔规定时间间隔取得铲斗8的刀尖P4相对于设计面41的偏差量。当前的偏差量dn是设计面41内侧的铲斗8的刀尖P4与设计面41之间距离d的绝对值。在图14中，铲斗8’表示对上次的偏差量dn-1取样时的铲斗8的位置。“当前的偏差量dn比上次的偏差量dn-1大”意味着刀尖P4对设计面41的侵入正在扩大。在刀尖P4与设计面41之间的距离d比0小的侵入中，并且当前的偏差量dn比上次的偏差量dn-1大时，第二限制判定部56判定为满足第二限制条件。

当前的偏差量dn在上次的偏差量dn-1以下时，第二限制判定部56判定为不满足第二限制条件。因此，即便刀尖P4比设计面41位置靠近下方，刀尖P4对设计面41的侵入未扩大时，第二限制判定部56也判定为不满足第二限制条件。

工作装置控制部57控制工作装置2。工作装置控制部57通过将小臂指令信号、大臂指令信号、铲斗指令信号传送到控制阀27，来控制大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12。小臂指令信号、大臂指令信号、铲斗指令信号分别具有与大臂指令速度、小臂指令速度、铲斗指令速度对应的电流值。

在不满足第一限制条件和第二限制条件中的任一限制条件的通常的驾驶时，工作装置控制部57选择大臂目标速度Vc_bm、小臂目标速度Vc_am、铲斗目标速度Vc_bkt分别作为大臂指令速度、小臂指令速度、铲斗指令速度。即，在通常驾驶时，工作装置控制部57根据大臂操作量、小臂操作量、铲斗操作量，使大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12工作。因此，大臂缸10以大臂目标速度Vc_bm工作，小臂缸11以小臂目标速度Vc_am工作，铲斗缸12以铲斗目标速度Vc_bkt工作。

在满足第一限制条件时，工作装置控制部57使大臂6以大臂6的限制速度Vc_bm_lmt工作，并且使小臂7以小臂目标速度Vc_am工作。另外，使铲斗8以铲斗目标速度Vc_bkt工作。

如上所述，通过从工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt减去小臂目标速度的垂直速度分量Vcy_am和铲斗目标速度的垂直速度分量Vcy_bkt而计算出大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt。因此，在工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt比小臂目标速度的垂直速度分量Vcy_am和铲斗目标速度的垂直速度分量Vcy_bkt之和小时，大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt成为大臂上升的负值。

因此，大臂6的限制速度Vc_bm_lmt成为负值。这种情况下，工作装置控制部57使大臂6下降，但减速到比大臂目标速度Vc_bm小。因此，既能够减轻操作人员的不适感又能够防止铲斗8侵入设计面41。

在工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt比小臂目标速度的垂直速度分量Vcy_am与铲斗目标速度的垂直速度分量Vcy_bkt之和大时，大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt是正值。因此，大臂6的限制速度Vc_bm_lmt是正值。这种情况下，即便操作装置25向使大臂6下降的方向操作，工作装置控制部57也使大臂6上升。因此，能够迅速抑制向设计面41的侵入扩大。

需要说明的是，刀尖P4在比设计面41位置靠近上方时，刀尖P4越向设计面41接近，大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt的绝对值越小，并且，与设计面41平行的方向的大臂6的限制速度的速度分量（以下，称为“限制水平速度分量”）Vcx_bm_lmt的绝对值也越小。因此，在刀尖P4比设计面41位置靠近上方时，刀尖P4越向设计面41接近，大臂6在与设计面41垂直方向上的速度和大臂6在与设计面41平行方向上的速度一起减速。

通过操作人员同时操作第一操作部28和第二操作部29，使大臂6、小臂7、铲斗8同时工作。此时，假设输入了大臂6、小臂7、铲斗8的各目标速度Vc_bm,Vc_am,Vc_bkt，如下说明上述控制。图15表示设计面41与铲斗刀尖P4之间的距离d比第一规定值dth1小，铲斗8的刀尖从位置Pn1向位置Pn2移动时的大臂6的限制速度变化的一例。在位置Pn2的刀尖P4与设计面41之间的距离比在位置Pn1的刀尖P4与设计面41之间的距离小。因此，在位置Pn2的大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt2比在位置Pn1的大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt1小。因此，在位置Pn2的大臂6的限制速度Vc_bm_lmt2比在位置Pn1的大臂6的限制速度Vc_bm_lmt1小。另外，在位置Pn2的大臂6的限制水平速度分量Vcx_bm_lmt2比在位置Pn1的大臂6的限制水平速度分量Vcx_bm_lmt1小。需要说明的是，此时，对小臂目标速度Vc_am和铲斗目标速度Vc_bkt不进行限制。因此，对小臂目标速度的垂直速度分量Vcy_am和水平速度分量Vcx_am、铲斗目标速度的垂直速度分量Vcy_bkt和水平速度分量Vcx_bkt不进行限制。

如上所述，通过对小臂7不进行限制，与操作人员的挖掘意图对应的小臂操作量的变化反映为铲斗8的刀尖P4的速度变化。由此，既能够防止向设计面41的侵入扩大又能够抑制操作人员在进行挖掘操作时的不适感。

在满足第二限制条件时，工作装置控制部57以大臂6的限制速度Vc_bm_lmt控制大臂6，并且，以小臂限制速度Vc_am_lmt控制小臂7。限制速度确定部54通过在小臂目标速度Vc_am上乘以小臂减速系数而计算出小臂限制速度Vc_am_lmt。限制速度确定部54通过以下公式（1）计算出小臂减速系数a。

a=1+0.001×（Dn+（Dn-Dn-1）×b）  （公式1）

其中，b是规定的常数，Dn是当前的挖掘量，Dn-1是上次取得的挖掘量。挖掘量Dn的绝对值相当于上述偏差量dn，挖掘量Dn在设计面41的内侧是负值。公式1中的“Dn-Dn-1”相当于铲斗8的刀尖P4的上次位置与当前位置的位移量Δd。因此，限制速度确定部54基于铲斗8的刀尖P4的上次位置与当前位置的位移量Δd和当前的偏差量dn计算出小臂减速系数。

小臂减速系数是比0大且比1小的值。因此，小臂限制速度Vc_am_lmt的绝对值比小臂目标速度Vc_am的绝对值小。即，在满足第二限制条件时，工作装置控制部57使小臂7减速为比小臂目标速度Vc_am小。因此，在满足第二限制条件时，工作装置控制部57使大臂6减速到比大臂目标速度Vc_bm小或者使大臂6上升，并且使小臂7减速为比小臂目标速度Vc_am小。

图16是表示控制系统300的控制流程图。需要说明的是，流程图的各处理的顺序不限于以下说明的顺序，也可以进行变更。

在步骤S1中，设定设计面41。在步骤S2中，根据大臂操作量、小臂操作量和铲斗操作量，分别确定大臂目标速度Vc_bm、小臂目标速度Vc_am和铲斗目标速度Vc_bkt。在步骤S3中，使大臂目标速度Vc_bm、小臂目标速度Vc_am和铲斗目标速度Vc_bkt分别转换为垂直速度分量。

在步骤S4中，取得铲斗8的刀尖P4与设计面41之间的距离d。在步骤S5中，基于距离d计算出工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt。在步骤S6中，根据工作装置2整体的限制速度Vcy_lmt、小臂目标速度Vc_am和铲斗目标速度Vc_bkt，确定大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt。在步骤S7中，将大臂6的限制垂直速度分量Vcy_bm_lmt转换为大臂6的限制速度Vc_bm_lmt。

在步骤S8中，判定大臂6的限制速度Vc_bm_lmt是否比大臂目标速度Vc_bm大。在步骤S8中的判定结果为“是”的情况下，大臂6的限制速度Vc_bm_lmt比大臂目标速度Vc_bm大时进入步骤S9。在步骤S9中，选择大臂6的限制速度Vc_bm_lmt作为大臂指令速度。

在步骤S10中，判定距离d是否比第二规定值dth2小。第二规定值dth2比上述第一规定值dth1小。在距离d比第二规定值dth2小时进入步骤S11。在步骤S11中，判定当前的偏差量dn是否比上次偏差量dn-1大。在当前的偏差量dn比上次的偏差量dn-1大时进入步骤S12。

在步骤S12中，选择小臂7的限制速度Vc_am_lmt作为小臂指令速度。需要说明的是，在步骤S10中，距离d在第二规定值dth2以上时进入步骤S13。在步骤S11中，当前的偏差量dn在上次的偏差量dn-1以下时进入步骤S13。在步骤S13中，选择小臂目标速度Vc_am作为小臂指令速度。

在步骤S14中，向控制阀27输出与大臂指令速度、小臂指令速度和铲斗指令速度对应的指令信号。这种情况下，大臂指令速度是大臂6的限制速度Vc_bm_lmt。铲斗指令速度是铲斗目标速度Vc_bkt。在步骤S10和步骤S11中至少一个步骤的判定结果为“否”时，小臂指令速度是小臂目标速度Vc_am。另一方面，在步骤S10和步骤S11双方的判定结果为“是”时，小臂指令速度是小臂7的限制速度Vc_am_lmt。

因此，在满足第一限制条件时，大臂6被限制为大臂6的限制速度Vc_bm_lmt，但不限制小臂7，根据小臂操作量工作。另一方面，在满足第二限制条件时，大臂6被限制为大臂6的限制速度Vc_bm_lmt，小臂7被限制为小臂7的限制速度Vc_am_lmt。

在步骤S8的判定结果为“否”的情况下，即大臂6的限制速度Vc_bm_lmt在大臂目标速度Vc_bm以下时进入步骤S15。在步骤S15中，选择大臂目标速度Vc_bm作为大臂指令速度。在步骤S16中，向控制阀27输出与大臂指令速度、小臂指令速度和铲斗指令速度对应的指令信号。这种情况下，大臂指令速度是大臂目标速度Vc_bm。铲斗指令速度是铲斗目标速度Vc_bkt。小臂指令速度是小臂目标速度Vc_am。因此，在不满足第一限制条件及第二限制条件双方时，不限制大臂6和小臂7中的任一个，分别与大臂操作量和小臂操作量对应地工作。

本实施方式的控制系统300的特征如下。在满足第一限制条件时，大臂6被控制为限制速度Vc_bm_lmt，并且，小臂7被控制为小臂目标速度Vc_am。因此，在铲斗8的刀尖P4位于设计面41的上方时，只进行大臂6的限制，不进行小臂7的限制。因此，能够减轻操作人员的不适感并能够防止铲斗8侵入设计面41。

另外，在满足第二限制条件时，大臂6被控制为限制速度Vc_bm_lmt，并且，小臂7被控制为限制速度Vc_am_lmt。因此，在铲斗8的刀尖P4侵入设计面41时，进行大臂6的限制与小臂7的限制双方。由此，能够迅速抑制向设计面41的侵入的扩大。

第二限制条件包括当前的偏差量dn比上次的偏差量dn-1大的情况。因此，铲斗8对设计面41的侵入要扩大时，能够进行大臂6的限制和小臂7的限制双方。换言之，即便铲斗8的刀尖P4位于设计面41的下方，在向设计面41的侵入不扩大时，只进行大臂6的限制，不进行小臂7的限制。由此，能够抑制操作人员的不适感。

小臂减速系数基于铲斗8的刀尖P4的上次位置与当前位置的位移量Δd和当前的偏差量dn来确定。因此，在铲斗8对设计面41的侵入要扩大时，能够使小臂7大幅度减速。

以上说明了本发明的一实施方式，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离发明要旨的范围内可以进行各种变更。

在上述实施方式中，例举了液压挖掘机作为建筑机械的一例，但不限于液压挖掘机，本发明也可以适用于其他种类的建筑机械。

刀尖P4位置的取得不限于GNSS，也可以通过其他的定位装置进行。因此，刀尖P4与设计面41的距离d的取得不限于GNSS，也可以通过其他的定位装置进行。

大臂操作量、小臂操作量和铲斗操作量不限于通过表示操作部件位置的电信号取得，也可以通过根据操作装置25的操作所输出的先导压力取得。

第二限制条件也可以仅包括距离d比第二规定值dth2小的情况。或者第二限制条件还可以包括其他条件。在上述实施方式中，“小臂限制速度Vc_am_lmt的绝对值比小臂目标速度Vc_am的绝对值小”包括在第二限制条件内，也可以包括在第一限制条件内。或者也可以不进行第二限制条件的判定，只判定第一限制条件。第一限制条件还可以包括其他条件。例如，第一限制条件还可以包括小臂操作量为0。或者第一限制条件也可以不包括距离d比第一规定值dth1小。例如，第一限制条件也可以只是大臂6的限制速度比大臂目标速度大。

若第二规定值dth2比第一规定距离dth1小，也可以比0大。在这种情况下，大臂6的刀尖P4在到达设计面41之前，进行大臂6的限制和小臂7的限制双方。因此，即便在大臂6的刀尖P4到达设计面41之前，大臂6的刀尖P4即将超越设计面41时，也能够进行大臂6的限制和小臂7的限制双方。

小臂减速系数不限于通过上述方法确定，也可以通过其他方法确定。例如，小臂减速系数也可以根据刀尖P4与设计面41之间的距离d确定。或者小臂减速系数也可以是定值。

也可以代替上述小臂7的限制而进行铲斗8的限制。在这种情况下，如图17所示，控制器26包括代替第二限制判定部56的第三限制判定部58。第三限制判定部58是用于限制铲斗8的限制判定部，判定是否满足第三限制条件。在满足第三限制条件时，工作装置控制部57以大臂限制速度控制大臂6，并且，以铲斗限制速度控制铲斗8。铲斗限制速度的绝对值比铲斗目标速度的绝对值小。铲斗限制速度例如也可以通过与上述小臂限制速度相同的方法来计算。第三限制条件也可以是与上述第二限制条件相同的条件。需要说明的是，也可以同时进行小臂7的限制和铲斗8的限制。即，控制器26也可以包括第二限制判定部56和第三限制判定部58双方。

工业实用性

根据本发明，在建筑机械中，既能够减轻操作人员的不适感，又能够防止铲斗侵入设计面。

Claims (12)

1.一种建筑机械的控制系统，是控制建筑机械的控制系统，该建筑机械包括：具有大臂、小臂和铲斗的工作装置及用于操作所述工作装置的操作装置，所述建筑机械的控制系统的特征在于，包括：

设计面设定部，其设定表示挖掘对象的目标形状的设计面；

目标速度确定部，其确定与用于操作所述大臂的所述操作装置的操作量对应的大臂目标速度、与用于操作所述小臂的所述操作装置的操作量对应的小臂目标速度、与用于操作所述铲斗的所述操作装置的操作量对应的铲斗目标速度；

距离取得部，其取得所述铲斗的刀尖与所述设计面之间的距离；

限制速度确定部，其基于所述距离确定所述工作装置整体的限制速度；

第一限制判定部，其判定是否满足第一限制条件；

工作装置控制部，其控制所述工作装置；

所述限制速度确定部根据所述工作装置整体的限制速度、所述小臂目标速度和所述铲斗目标速度确定所述大臂的限制速度；

将所述铲斗的刀尖位于所述设计面的外侧时的所述距离设为正值，将从所述设计面的内侧朝向外侧方向的速度设为正值；

所述第一限制条件包括所述大臂的限制速度比所述大臂目标速度大；

在满足所述第一限制条件时，所述工作装置控制部以所述大臂的限制速度控制所述大臂，并且以所述小臂目标速度控制所述小臂。

2.如权利要求1所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

所述第一限制条件还包括所述距离比第一规定值小。

3.如权利要求2所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

还包括判定是否满足第二限制条件的第二限制判定部；

所述第二限制条件包括所述距离比第二规定值小；

所述第二规定值比所述第一规定值小；

在满足所述第二限制条件时，所述工作装置控制部以所述大臂的限制速度控制所述大臂，并且以小臂限制速度控制所述小臂；

所述小臂限制速度的绝对值比所述小臂目标速度的绝对值小。

4.如权利要求3所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

所述第二规定值为0。

5.如权利要求3所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

所述第二规定值比0大。

6.如权利要求3至5中任一项所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

所述距离取得部每隔规定时间取得所述铲斗的刀尖的偏差量；

所述偏差量是所述设计面的内侧的所述铲斗的刀尖与所述设计面之间的距离的绝对值；

所述第二限制条件还包括当前的所述偏差量比上次的偏差量大。

7.如权利要求6所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

所述限制速度确定部基于所述铲斗的刀尖的上次位置与当前位置的位移量和当前的所述偏差量确定小臂减速系数；

所述小臂减速系数是比0大且比1小的值；

所述限制速度确定部通过在所述小臂目标速度上乘以所述小臂减速系数来确定所述小臂限制速度。

8.如权利要求1至7中任一项所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

在满足所述第一限制条件或者所述第二限制条件，并且所述工作装置整体的限制速度比所述小臂目标速度与所述铲斗目标速度之和小时，所述工作装置控制部使所述大臂减速为比大臂目标速度小。

9.如权利要求1至8中任一项所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

在满足所述第一限制条件或者所述第二限制条件，并且所述工作装置整体的限制速度比所述小臂目标速度与所述铲斗目标速度之和大时，所述工作装置控制部使所述大臂从所述设计面的内侧朝向外侧方向移动。

10.如权利要求2至7中任一项所述的建筑机械的控制系统，其特征在于，

还包括判定是否满足第三限制条件的第三限制判定部；

所述第三限制条件包括所述距离比第二规定值小；

所述第二规定值比所述第一规定值小；

在满足所述第三限制条件时，所述工作装置控制部以所述大臂的限制速度控制所述大臂，并且以铲斗限制速度控制所述铲斗；

所述铲斗限制速度的绝对值比所述铲斗目标速度的绝对值小。

11.一种建筑机械，其特征在于，

包括权利要求1至10中任一项所述的控制系统。

12.一种建筑机械的控制方法，是用于控制建筑机械的控制方法，该建筑机械包括：具有大臂、小臂和铲斗的工作装置及用于操作所述工作装置的操作装置，该建筑机械的控制方法的特征在于，包括：

设定表示挖掘对象的目标形状的设计面的步骤；

确定与用于操作所述大臂的所述操作装置的操作量对应的大臂目标速度、与用于操作所述小臂的所述操作装置的操作量对应的小臂目标速度、与用于操作所述铲斗的所述操作装置的操作量对应的铲斗目标速度的步骤；

取得所述铲斗的刀尖与所述设计面之间的距离的步骤；

基于所述距离确定所述工作装置整体的限制速度的步骤；

判定是否满足第一限制条件的步骤；

控制所述工作装置的步骤；

在确定所述限制速度的步骤中，根据所述工作装置整体的限制速度、所述小臂目标速度和所述铲斗目标速度确定所述大臂的限制速度；

将所述铲斗的刀尖位于所述设计面的外侧时的所述距离设为正值，将从所述设计面的内侧朝向外侧方向的速度设为正值；

所述第一限制条件包括所述大臂的限制速度比所述大臂目标速度大；

在满足所述第一限制条件时，在控制所述工作装置的步骤中，以所述大臂的限制速度控制所述大臂，并且以所述小臂目标速度控制所述小臂。

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