CN105518220B - 液压挖掘机 - Google Patents

Abstract

一种液压挖掘机，包括前作业机、多个液压执行机构、该多个液压执行机构的速度运算部、多个操作装置、由多个角度检测器和多个倾斜角检测器构成的检测器、和区域限制挖掘控制装置，该区域限制挖掘控制装置在由速度运算部求出的速度为规定值以上的情况下，使用来自角度检测器的检测信号来控制前作业装置的驱动方向以及驱动速度，并在由速度运算部求出的速度不足规定值的情况下，使用来自倾斜角检测器的检测信号来控制前作业装置的驱动方向以及驱动速度。

Description

液压挖掘机

技术领域

本发明涉及在挖掘作业中对工程机械的作业装置能够移动的区域进行限制的控制装置。

背景技术

工程机械的代表性例子有液压挖掘机。液压挖掘机包括：作业装置(前作业装置)，其是将分别能够以大致水平的旋转轴为中心旋转的动臂、斗杆及铲斗(多个被驱动部件)连结而构成的；旋转体，该作业装置的动臂后端安装于该旋转体；和行驶体，设于该旋转体的下方。在液压挖掘机中，动臂等被驱动部件通过控制各自的驱动方向、驱动速度的操作杆(操作装置)而被操作，当操作该操作杆时，被驱动部件就以旋转轴为中心进行旋转运动。由此，例如通过该操作杆操作1个被驱动部件时，铲斗前端的轨迹基本上是画圆弧，因此，例如要水平拖曳铲斗等而通过液压挖掘机形成平面的挖掘面时，操作杆的操作十分复杂，需要相当的熟练度。

因此，在日本专利第3056254号中公开了用于使这种作业变得容易的装置(区域限制挖掘控制装置)。在该文献中公开了如下内容：在液压挖掘机的区域限制挖掘控制装置中，预先设定前作业装置能够移动的区域，并通过控制单元基于来自角度检测器的信号运算前作业装置的位置与姿势，基于来自操作装置的信号运算作业装置的目标速度矢量，在前作业装置在设定区域内没有位于其边界附近的时候，维持目标速度矢量，在前作业装置在设定区域内位于其边界附近时，修正目标速度矢量以使得接近设定区域边界的方向上的矢量成分减小，在前作业装置超出了设定区域的边界而位于外边的时候，修正目标速度矢量以使得前作业装置返回到设定区域。由此，能够高效顺畅地进行限制了区域的挖掘。由此，由于预先设定的区域为铲斗的基本可动范围，所以能够不依赖于操作者的技术水平地容易地进行沿着该区域的边界的挖掘。

现有技术文献

专利文献1：日本专利第3056254号公报

但是，上述文献利用于铲斗前端的位置、前作业装置的姿势的运算中的检测器为：埋置于动臂等被驱动部件的旋转轴(销轴)中以检测该被驱动部件围绕该旋转轴的旋转角度(相对角度)的角度检测器(即旋转电位器)、对驱动该被驱动部件的液压缸的行程(位移)进行检测的位移检测器(即线性电位器)。

的确，这些电位器的响应性卓越，因此是非常适合用于前作业装置迅速动作情况下的位置及姿势的运算、以及前作业装置的动作速度的运算的传感器。但是，电位器输出的是动臂、斗杆以及铲斗这些各构成要素的相对角度，所以，若基于该输出来计算铲斗前端位置、前作业装置的姿势，则容易蓄积误差等，作为电位器长处的高响应性难以成为优势，在细微操作时等情况下，难以称为最适于位置、姿势计算的检测器。也就是说，在上述文献的技术中，还有在电位器的响应性的重要度相对低的情况下改善挖掘精度的余地。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液压挖掘机，其进行能够在前作业装置的动作速度相对慢的情况下提高挖掘精度的区域限制挖掘控制。

为了实现上述目的，本发明提供一种液压挖掘机，包括：前作业装置，是将分别能够以旋转轴为中心旋转的动臂、斗杆以及铲斗连结而构成的；多个液压执行机构，分别驱动所述动臂、所述斗杆以及所述铲斗；所述多个液压执行机构的速度运算部；多个操作装置，用于分别指示该多个液压执行机构的动作；检测器，检测所述前作业装置的姿势、位置；和区域限制挖掘控制装置，其基于所述多个操作装置的操作量及由所述检测器检测到的姿势、位置来进行所述前作业装置的区域限制控制，该液压挖掘机的特征在于，所述检测器由多个角度检测器和多个倾斜角检测器构成，其中，所述多个角度检测器检测所述动臂、所述斗杆以及所述铲斗相对于设在各自之上的旋转轴的旋转角，所述多个倾斜角检测器设在所述动臂、所述斗杆以及所述铲斗的各自之上且检测相对于基准面的各自的倾斜角，所述区域限制挖掘控制装置在由所述速度运算部求出的速度为规定值以上的情况下，使用来自所述角度检测器的检测信号来控制所述前作业装置的驱动方向以及驱动速度，并在由所述速度运算部求出的速度不足规定值的情况下，使用来自所述倾斜角检测器的检测信号来控制所述前作业装置的驱动方向以及驱动速度。

发明效果

根据本发明，能够一边在作业装置的动作速度比较高的情况下确保高响应性，一边在该作业装置的动作速度比较低的情况下精度良好地检测出该作业装置的位置、姿势，从而提高区域限制挖掘控制的精度。

附图说明

图1是将本发明实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置和其液压驱动装置一并示出的图。

图2是示出应用本发明的液压挖掘机的外观及其周围的设定区域的形状的图。

图3是示出液压先导方式的操作装置的详细情况的图。

图4是示出控制单元的控制功能的一部分的功能框图。

图5是示出控制单元的控制功能的一部分的功能框图。

图6是通过本发明第一实施方式的检测信号选择部及角度转换器执行的处理的流程图

图7是示出在区域限制挖掘控制中使用的坐标系和区域的设定方法的图。

图8是示出方向转换控制部的处理内容的流程图。

图9是示出铲斗的前端如运算那样被方向转换控制时的轨迹的一个例子的图。

图10是示出复原控制部的处理内容的流程图。

图11是示出铲斗的前端如运算那样被复原控制时的轨迹的一个例子的图。

图12是通过本发明第二实施方式的检测信号选择部及角度转换器执行的处理的流程图。

图13是在液压挖掘机中进行区域限制控制时的动作说明图。

图14是示出本发明第三实施方式的控制单元的控制功能的一部分的功能框图。

图15是通过本发明第三实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置执行的处理的流程图。

图16是示出本发明第四实施方式的控制单元的控制功能的一部分的功能框图。

图17是将图16所示的内容作为一连串的处理归纳到流程图中的图。

具体实施方式

首先，对以下说明的本发明实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置所包含的主要特征进行说明。

(1)本发明实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置包括：多关节型的作业装置，是将分别能够以设于关节的旋转轴为中心旋转的多个被驱动部件连结而构成的；多个液压执行机构，分别驱动上述多个被驱动部件使其以上述旋转轴为中心旋转；多个操作装置，用于根据操作量分别指示该多个液压执行机构的动作；多个流量控制阀，响应于根据上述多个操作装置的操作量所输出的操作信号而被驱动，并对向上述多个液压执行机构供给的液压的流量及方向进行控制；和控制装置，其执行区域限制控制，该区域限制控制为：基于上述多个操作装置各自的操作量及上述多个被驱动部件各自的姿势、位置，对上述多个液压执行机构中至少一个的驱动方向及驱动速度中的至少一个进行控制，以使得从上述作业装置的前端部能够移动的设定区域的边界到该前端部的距离越是接近于零、上述前端部的速度矢量中的相对于该边界的铅垂成分就越接近于零，其特征在于，上述工程机械的区域限制挖掘控制装置还包括：第一检测器组，其检测上述多个被驱动部件相对于旋转轴的各自的旋转角；和第二检测器组，其检测上述多个被驱动部件相对于基准面的各自的倾斜角，在上述区域限制控制中，上述控制装置根据上述多个被驱动部件中的至少一个的速度的大小，从上述第一检测器组和上述第二检测器组中选择用于上述多个被驱动部件各自的姿势、位置的运算的检测器。

在上述技术方案中，作为上述第一检测器组所包含的检测器的具体例子，例如有旋转电位器、直滑式电位器符合条件。这种检测器具有下述优点：响应性卓越，即使上述作业装置比较高速地动作也能够追随于该动作检测出各被驱动部件的姿势及位置。但是，另一方面，由于该种检测器检测的是上述被驱动部件的相对角度、相对位移，所以若基于其检测信号来计算上述作业装置的姿势、上述前端部的位置，则很有可能会蓄积误差。

此外，作为上述第二检测器组所包含的检测器的具体例子，对所安装的被驱动部件相对于某基准面的倾斜角(作为倾斜角，大多采用将基准面设定为水平面(地面)的“对地角”)进行检测的倾斜角检测器(例如充液型静电容式的倾斜角传感器)符合条件。这种检测器具有下述优点：与上述的电位器相比精度高，能够高精度地计算出上述作业装置的姿势及上述前端部的位置。但是，另一方面，这种检测器存在下述缺点：响应性差，在上述作业装置比较高速地动作的情况下无法追随于该动作，可利用的动作速度存在上限值。

因此，在本发明实施方式的区域限制挖掘控制装置中，在上述区域限制控制中，根据上述多个被驱动部件中的至少一个被驱动部件的速度的大小，从上述第一检测器组和上述第二检测器组中选择用于上述多个被驱动部件各自的姿势、位置的运算的检测器。由此，由于能够根据被驱动部件的速度来选择要利用的检测器，所以，例如，将上述第一检测器组能够响应的速度的最小值作为设定值，当上述多个被驱动部件中至少一个被驱动部件的速度的大小为上述设定值以上时，在该至少一个被驱动部件的姿势、位置的运算中利用上述第一检测器组，当该至少一个被驱动部件的速度的大小不足上述设定值时，在该至少一个被驱动部件的姿势、位置的运算中利用上述第二检测器组，由此，能够一边在上述作业装置的动作速度为比较高速的情况下确保高响应性，一边在该作业装置的动作速度为比较低速的情况下高精度地检测该作业装置的位置、姿势，从而提高区域限制挖掘控制的精度。

(2)上述(1)优选特征在于，在上述区域限制控制中，上述控制装置在上述作业装置的前端部的速度的大小为设定值以上时，基于上述第一检测器组的检测信号来计算上述多个被驱动部件各自的姿势、位置，在上述作业装置的前端部的速度的大小不足上述设定值时，基于上述第二检测器组的检测信号来计算上述多个被驱动部件各自的姿势、位置。

这样计算姿势和位置的话，当上述作业装置的前端部高速动作而要求响应性时(上述设定值以上时)，利用上述第一检测器组的检测信号，当上述作业装置的前端部低速动作而要求精度时(不足上述设定值时)，利用上述第二检测器组的检测信号，因此，能够利用与动作速度相应的检测器组的检测信号来计算上述作业装置的姿势和上述前端部的位置。由此，能够一边在上述作业装置的动作速度为比较高速的情况下确保高响应性，一边在该作业装置的动作速度为比较低速的情况下高精度地检测该作业装置的位置、姿势，从而提高区域限制挖掘控制的精度。例如，在进行挖掘面的精细挖掘时，使作业装置慢慢地动作，由此能够与操作者的技术水平程度无关地、容易地将该挖掘面在短时间内精细挖掘成平坦面。

另外，上述设定值优选设定成上述第一检测器组和上述第二检测器组双方都能够响应的速度，更优选的是，设定成上述第一检测器组能够响应的速度的最小值或其附近的值、且设定成上述第二检测器组能够响应的速度的最大值或其附近的值。若搭载能够满足这样条件的上述第一检测器组和上述第二检测器组，并这样设定上述设定值，则能够防止出现上述第一检测器组和上述第二检测器组双方都无法覆盖的动作速度。

(3)此外，在上述(1)或(2)中，优选特征在于，在上述区域限制控制中，上述控制装置针对上述多个被驱动部件中速度的大小为上述设定值以上的被驱动部件的姿势、位置的计算，利用上述第一检测器组的检测信号，针对上述多个被驱动部件中速度的大小不足上述设定值的被驱动部件的姿势、位置的计算，利用上述第二检测器组的检测信号。

在上述(2)中，是根据上述作业装置的前端的目标速度来选择所利用的检测器的，但是当如上述(3)那样根据上述各被驱动部件的速度来选择所利用的检测器时，能够根据上述各被驱动部件的实际动作速度来选择所利用的检测器。因此，与(2)的情况相比，能够基于与上述各被驱动部件的动作速度相适应的检测器的检测信号来计算上述作业装置的姿势及上述作业装置的前端部的位置，从而增加了进一步提高区域限制挖掘控制的精度的可能性。

(4)此外，在上述(1)至(3)的任一项中，优选特征在于，上述多个被驱动部件以上述工程机械的主体为基点串联连结，在上述区域限制控制中，上述控制装置针对上述多个被驱动部件中速度的大小为上述设定值以上的高速部件、和上述多个被驱动部件中在与该高速部件相比以连杆方式远离上述工程机械主体的位置处连结的所有被驱动部件的姿势、位置的计算，利用上述第一检测器组的检测信号，针对上述多个被驱动部件中其余的被驱动部件的姿势、位置的计算，利用上述第二检测器组的检测信号。

这样，上述多个被驱动部件以上述工程机械主体侧为一端向着另一端串联连结，若在其连结途中存在目标速度为上述设定值以上的被驱动部件(此处称为“高速部件”)，则以该高速部件为基准而位于以连杆方式远离上述工程机械主体一侧的其他被驱动部件的动作速度也变快。因此，即使在该其他被驱动部件相对于该高速部件的相对速度不足上述设定值，且若基于上述(3)的思路则利用上述第二检测器组的检测器的情况下，以地面为基准的该其他被驱动部件的速度也会超过上述设定值，因此也担心若利用响应性差的上述第二检测器组的检测器会因误检测而导致精度恶化。但是，如上述(4)那样构成的话，当在串联连杆上存在上述高速部件的情况下，对于该连杆中位于远离该高速部件一侧的所有被驱动部件的姿势、位置计算，利用上述第一检测器组的检测器，因此能够避免误检测，从而能够防止精度恶化。

另外，当在典型的液压挖掘机中应用上述(4)时，在动臂的速度超过上述设定值的情况下，不管斗杆及铲斗(附属装置)的速度是怎样，针对动臂、斗杆及铲斗都是基于上述第一检测器组的检测信号来计算角度。同样，在动臂的速度不足上述设定值、而斗杆的速度为上述设定值以上的情况下，针对斗杆和铲斗，利用上述第一检测器组来计算，针对动臂，利用上述第二检测器组来计算。

(5)此外，本发明实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置的特征在于，包括：多关节型的作业装置，是将分别能够以设于关节的旋转轴为中心旋转的多个被驱动部件连结而构成的；多个液压执行机构，分别驱动上述多个被驱动部件使其以上述旋转轴为中心旋转；多个操作装置，用于根据操作量分别指示该多个液压执行机构的动作；多个流量控制阀，响应于根据上述多个操作装置的操作量所输出的操作信号而被驱动，并对向上述多个液压执行机构供给的液压的流量及方向进行控制；第一检测器组，其检测上述多个被驱动部件相对于旋转轴的各自的旋转角；第二检测器组，其检测上述多个被驱动部件相对于基准面的各自的倾斜角；高通滤波器部，其从上述第一检测器组的检测信号中提取出比设定频率高的频率；低通滤波器部，其从上述第二检测器组的检测信号中提取出比上述设定频率低的频率；和控制装置，其执行区域限制控制，该区域限制控制为：基于根据从上述高通滤波器部和上述低通滤波器部通过的信号的合成信号而算出的上述多个被驱动部件各自的姿势、位置、以及上述多个操作装置各自的操作量，对上述多个液压执行机构中至少一个的驱动方向及驱动速度中的至少一个进行控制，以使得从上述作业装置的前端部能够移动的设定区域的边界到该前端部的距离越是接近于零、上述前端部的速度矢量中的相对于该边界的铅垂成分就越接近于零。

在如上述(5)那样构成的区域限制挖掘控制装置中，从上述高通滤波器部通过的信号(高频成分多的信号)为上述被驱动部件进行比较高速地动作时由上述第一检测器组检测出的信号，此外，从上述低通滤波器部通过的信号(低频成分多的信号)为上述被驱动部件进行比较低速地动作或是停止时由上述第二检测器组检测出的信号。因此，若如上述那样将从上述高通滤波器部及上述低通滤波器部通过的信号的合成信号用于姿势、位置的计算，则能够在上述被驱动部件的高速动作中利用响应性卓越的上述第一检测器组的检测信号，并且能够在上述被驱动部件的低速动作中、恒定速度动作中、以及停止中的任一个中利用精度好的上述第二检测器组的检测信号。由此，与通过(1)～(4)的结构实现的效果一样，能够一边在上述作业装置的动作速度为比较高速的情况下确保高响应性，一边在上述作业装置的动作速度为比较低速的情况下提高区域限制挖掘控制的精度。

以下，利用附图说明本发明应用于液压挖掘机的情况下的实施方式。另外，在以下说明中，作为作业装置的前端的附属装置，例示出了具有铲斗(1c)的液压挖掘机，但是在具有铲斗以外的附属装置的液压挖掘机中也可以应用本发明。此外，在以下的说明中，在相同的构成要素存在多个的情况下，具有在附图标记(数字)的末尾附加字母的情况，但是也有省略该字母而将该多个构成要素统一表述的情况。例如，当有相同的3个泵1000a、1000b、1000c存在时，有时将它们统一表述为泵1000。

图1是将本发明实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置和其液压驱动装置一并示出的图。该图所示的液压挖掘机具有：液压泵2；多个液压执行机构，其通过来自该液压泵2的压力油而被驱动，包括动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b、铲斗液压缸3c、旋转马达3d及左右的行驶马达3e、3f；多个操作装置4a～4f，其与这些液压执行机构3a～3f的每一个对应着设置；多个流量控制阀5a～5f，其连接在液压泵2与多个液压执行机构3a～3f之间，被操作装置4a～4f的操作信号控制以对要供给至液压执行机构3a～3f的压力油的流量进行控制；以及溢流阀6，其当液压泵2与流量控制阀5a～5f之间的压力变为设定值以上时导通，这些部件构成驱动液压挖掘机的被驱动部件的液压驱动装置。

图2是示出应用本发明的液压挖掘机的外观及其周围的设定区域的形状的图。如该图所示，液压挖掘机由多关节型的作业装置(前作业装置)1A和工程机械主体1B构成，该多关节型的作业装置(前作业装置)1A由分别以大致水平的旋转轴为中心在上下方向(垂直方向)上转动的动臂1a、斗杆1b及铲斗1c构成，工程机械主体1B由上部旋转体1d及下部行驶体1e构成，作业装置1A的动臂1a的后端被支承于上部旋转体1d的前部。动臂1a、斗杆1b、铲斗1c、上部旋转体1d及下部行驶体1e构成分别由动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b、铲斗液压缸3c、旋转马达3d及左右的行驶马达3e、3f驱动的被驱动部件，这些动作由上述操作装置4a～4f指示。

图3是示出液压先导方式的操作装置4a～4f的详细情况的图。操作装置4a～4f是通过先导压来驱动所对应的流量控制阀5a～5f的液压先导方式，如图3所示，分别由供操作者操作的操作杆40、以及产生与操作杆40的操作量和操作方向相应的先导压的1对减压阀41、42构成，减压阀41、42的一次端口侧连接于先导泵43，二次端口侧经由先导管路44a、44b、45a、45b、46a、46b、47a、47b、48a、48b、49a、49b而连接于所对应的流量控制阀的液压控制部50a、50b、51a、51b、52a、52b、53a、53b、54a、54b、55a、55b。

在以上那样的液压挖掘机中设有本实施方式的区域限制挖掘控制装置。该控制装置包括：设定器7(参照图1)，其预先根据作业来设定作业装置的规定部位、例如铲斗1c的前端能够移动的设定区域的边界；角度检测器(旋转电位器)8a、8b、8c，其设于作为动臂1a、斗杆1b及铲斗1c各自的转动支点及连结部件的销轴上，用于将各自的相对旋转角作为与作业装置1A的位置和姿势相关的状态量检测出来；倾斜角检测器8d，其安装于上部旋转体1d，用于检测出工程机械主体1B相对于基准面(例如水平面)的倾斜角θ；倾斜角检测器(例如充液型静电容式的倾斜角传感器)81a、81b、81c，其分别安装于动臂1a、斗杆1b及铲斗1c，用于检测出相对于水平面的倾斜角(对地角)；压力检测器60a、60b、61a、61b、62a、62b，其设于动臂1a、斗杆1b及铲斗1c用的操作装置4a、4b、4c的先导管路44a、44b、45a、45b、46a、46b中，用于将各自的先导压作为操作装置4a、4b、4a的操作量检测出来；控制单元(控制装置)9，其输入设定器7的设定信号、角度检测器8a、8b、8c或倾斜角检测器8d的检测信号及压力检测器60a、60b、61a、61b、62a、62b、70a、70b、71a、71b、72a、72b的检测信号来设定铲斗1c的前端能够移动的设定区域，并且输出用于进行限制了区域的挖掘控制的电信号；比例电磁阀10a、10b、11a、11b、13a、13b，其由上述电信号驱动；压力检测器70a、70b、71a、71b、72a、72b，其对从比例电磁阀10a、10b、11a、11b、13a、13b通过并最终作用于流量控制阀5a～5上的先导压进行检测；以及梭阀12。

在上述说明中，压力检测器60a、60b、61a、61b、62a、62b构成用于将先导压作为与用于驱动动臂1a、斗杆1b及铲斗1c的多个操作装置4a、4b、4c的操作量(操作杆操作量)相关的状态量检测出来的检测器组。另外，先导压不过是一个例子，例如也可以通过检测各操作装置4a、4b、4c的操作杆旋转位移的位置传感器(例如旋转编码器)来检测该操作杆的操作量。

此外，角度检测器8a、8b、8c构成检测与动臂1a、斗杆1b及铲斗1c相对于旋转轴(销轴)各自的旋转角相关的状态量的检测器组(第一检测器组)。另外，也可以取代通过角度检测器8直接检测旋转角的方式，而是通过位移检测器(例如线性电位器)来检测动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b及铲斗液压缸3c的位移，并将该位移转换为上述动臂1a、斗杆1b及铲斗1c的旋转角来利用。

而且，倾斜角检测器81a、81b、81c构成检测与动臂1a、斗杆1b及铲斗1c相对于水平面各自的倾斜角(对地角)相关的状态量的检测器组(第二检测器组)。另外，虽然此处是对通过倾斜角检测器81a、81b、81c检测相对于水平面的倾斜角的例子进行说明，但是即使不是以水平面为基准，只要是以某一面(基准面)为基准的倾斜角即可。

返回图1，比例电磁阀10a的一次端口侧连接于先导泵43，二次端口侧连接于梭阀12。梭阀12设置于先导管路44a中，用于选择先导管路44a内的先导压与从比例电磁阀10a输出的控制压中的高压侧，并将其引导至流量控制阀5a的液压控制部50a。比例电磁阀10b、11a、11b、13a、13b分别设置于先导管路44b、45a、45b、46a、46b中，并根据各自的电信号使先导管路内的先导压减压并输出。

另外，为了在纸面上方便表示，虽然图1成为比例电磁阀13a、13b、压力检测器62a、62b以及压力检测器70a、70b、71a、71b、72a、72b与控制单元9没有以能够收发信号的方式由通信线连接的图示，但是，其是与其他比例电磁阀10、11一样以能够输入电信号的方式构成。

设定器7通过设于上部旋转体1d的驾驶室内的操作面板或操作装置4的手柄上的开关等操作装置来向控制单元9输出设定信号而指示设定区域的边界的设定，在操作面板上也可以有显示装置等其他辅助装置。此外，也可以采用基于IC卡的方法、基于条形码的方法、基于激光的方法、基于无线通信的方法等其他方法。

本发明第一实施方式的控制单元9的控制功能为如图4及图5所示。如这些图所示，控制单元9具有液压缸速度运算部9m、检测信号选择部91a、角度转换器92a、前部姿势运算部9b、区域设定运算部9a、液压缸目标速度运算部9c、前端目标速度矢量运算部9d、方向转换控制部9e、修正后液压缸目标速度运算部9f、复原控制部9g、修正后液压缸目标速度运算部9h、液压缸目标速度选择部9i、目标先导压运算部9j、阀指令运算部9k的各功能。

另外，虽然未进行图示说明，但是控制单元9包括：作为用于执行各种程序的运算单元的运算处理装置(例如CPU)，上述各种程序用于发挥图4、5等所示的各种功能；作为用于存储以该程序为代表的各种数据的存储单元的存储装置(例如ROM、RAM以及闪存等半导体存储器、硬盘驱动器等磁存储装置)；以及输入输出运算处理装置，其用于进行相对于这些运算处理装置及存储装置的数据及指示等的输入输出控制。

在图4中，在液压缸速度运算部9m中，输入由压力检测器70a、70b、71a、71b、72a、72b检测出的先导压的值，求出流量控制阀5a、5b、5c的排出流量，然后进一步由该排出流量计算动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b及铲斗液压缸3c当前的速度。在该控制单元9的存储装置中，存储有由压力检测器70a、70b、71a、71b、72a、72b检测出的先导压与流量控制阀5a、5b、5c的排出流量之间的关系，液压缸速度运算部9m利用该关系求出流量控制阀5a、5b、5c的排出流量。另外，也可以在控制单元9的存储装置中存储事先计算出的先导压与液压缸速度之间的关系，由先导压直接求出液压缸速度。

检测信号选择部91a是根据在液压缸速度运算部9m中计算出的各液压缸速度来选择用于输入到前部姿势运算部9b中的检测信号的部分。在由检测信号选择部91a选择了倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号中的至少一个的情况下，角度转换器92a将其转换为旋转角α、β、γ中的至少一个并与角度检测器8a、8b、8c的信息统一。另一方面，在由检测信号选择部91a选择了角度检测器8a、8b、8c的检测信号中的至少一个的情况下，将旋转角α、β、γ中的至少一个直接输入到前部姿势运算部9b中。下面，利用图6的流程图对由检测信号选择部91a及角度转换器92a执行的处理的详细情况进行说明。

图6是通过本发明第一实施方式的检测信号选择部91a及角度转换器92a执行的处理的流程图。图6的处理开始后，首先，检测信号选择部91a从液压缸速度运算部9m向检测信号选择部91a输入动臂液压缸速度，并判定该动臂液压缸速度是否为设定值(设定速度)V1以上(步骤402b-1)。设定值V1是基于角度检测器8a、8b、8c和倾斜角检测器81a、81b、81c的能够响应的速度而确定的。一般，与倾斜角检测器81a、81b、81c相比，角度检测器(电位器)8a、8b、8c的响应性好，能够响应的速度高。因此，设定值V1优选设定为角度检测器8a、8b、8c和倾斜角检测器81a、81b、81c双方都能够响应的速度，更优选的是，设定为角度检测器8a、8b、8c能够响应的速度的最小值或其附近的值、且设定为倾斜角检测器81a、81b、81c能够响应的速度的最大值或其附近的值。若这样对设定值V1进行设定，则能够防止出现角度检测器8a、8b、8c和倾斜角检测器81a、81b、81c双方都无法覆盖的动作速度。

若在步骤402b-1中，动臂液压缸速度为设定值V1以上，则检测信号选择部91a将由角度检测器8a检测出的旋转角作为动臂角α而输出到前部姿势运算部9b(步骤402b-2)。另一方面，若在步骤402b-1中，动臂液压缸速度不足设定值V1，则检测信号选择部91a选择由倾斜角检测器81a检测出的对地角，并将其输出给角度转换器92a(步骤402b-3)。接受了对地角输入的角度转换器92a将其转换为旋转角并作为动臂角α输出给前部姿势运算部9b(步骤402b-4)。

接着，检测信号选择部91a从液压缸速度运算部9m向检测信号选择部91a输入斗杆液压缸速度，并判定该斗杆液压缸速度是否为设定值V1以上(步骤402b-5)。若此处斗杆液压缸速度为设定值V1以上，则检测信号选择部91a将由角度检测器8b检测出的旋转角作为斗杆角β而输出给前部姿势运算部9b(步骤402b-6)。另一方面，若在步骤402b-5中，斗杆液压缸速度不足设定值V1，则检测信号选择部91a选择由倾斜角检测器81b检测出的对地角，并将其输出给角度转换器92a(步骤402b-7)。接受了对地角输入的角度转换器92a将其转换为旋转角并作为斗杆角β输出给前部姿势运算部9b(步骤402b-8)。

然后，检测信号选择部91a从液压缸速度运算部9m向检测信号选择部91a输入铲斗液压缸速度，并判定该铲斗液压缸速度是否为设定值V1以上(步骤402b-9)。若此处铲斗液压缸速度为设定值V1以上，则检测信号选择部91a将由角度检测器8b检测出的旋转角作为铲斗角γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤402b-10)。另一方面，若在步骤402b-9中，铲斗液压缸速度不足设定值V1，则检测信号选择部91a选择由倾斜角检测器81c检测出的对地角，并将其输出给角度转换器92a(步骤402b-11)。接受了对地角输入的角度转换器92a将其转换为旋转角并作为铲斗角γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤402b-12)。另外，在图6的例子中是以动臂角α、斗杆角β、铲斗角γ这一顺序求得旋转角的，但是也可以按其他顺序求得旋转角。

在前部姿势运算部9b中，利用存储在控制单元9的存储装置中的作业装置1A及工程机械主体1B的各部分尺寸、以及由角度检测器8a、8b、8c或倾斜角检测器81a、81b、81c检测出的旋转角α、β、γ的值，来将作业装置1A的姿势和规定部位的位置作为例如以动臂1a的转动支点为原点的XY坐标系的值计算出来。

返回到图5，在区域设定运算部9a中，根据来自设定器7的指示进行铲斗1c的前端能够移动的设定区域的边界的设定计算。利用图7来说明其一个例子。另外，本实施方式是在垂直面内用线来设定设定区域的边界的，但是也可以用面来设定边界。此外，在本实施方式中，以由前部姿势运算部9b运算的铲斗1c的前端位置为基准来设定边界，并采用操作者每次设定边界的方式，但是，也可以将表示设定区域的边界的线数据、面数据或3D数据作为外部参照数据输入并加以利用。

在图7中，当通过操作者的操作而使铲斗1c的前端移动到点P1的位置后，通过来自设定器7的指示而计算此时的铲斗1c的前端位置，接下来，操作设定器7而输入从该位置起的深度h1，从而通过深度来指定应该设定的设定区域的边界上的点P1＊。然后，当使铲斗1c的前端移动到与点P1相比位于工程机械主体1B侧的点P2的位置上之后，通过来自设定器7的指示而计算此时的铲斗1c的前端位置，并同样地操作设定器7而输入从该位置起的深度h2，从而通过深度来指定应该设定的边界上的点P2＊。然后，计算将P1＊、P2＊这两点连结的线段的直线方程式，并将其作为设定区域的边界(边界线)。

此处，两点P1、P2的位置由前部姿势运算部9b计算，区域设定运算部9a利用其位置信息来计算上述直线方程式。

在控制单元9中存储有作业装置1A及工程机械主体1B的各部分尺寸，前部姿势运算部9b利用这些数据、以及从角度检测器8a、8b、8c或倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号获得的旋转角α、β、γ的值来计算两点P1、P2的位置。此时，将两点P1、P2的位置作为例如以动臂1a的转动支点为原点的XY坐标系的坐标值(X1，Y1)(X2，Y2)而求出。XY坐标系是固定于主体1B的直角坐标系，位于垂直面内。若动臂1a的转动支点与斗杆1b的转动支点之间的距离为L1，斗杆1b的转动支点与铲斗1c的转动支点之间的距离为L2，铲斗1c的转动支点与铲斗1c的前端之间的距离为L3，则利用下述式子根据旋转角α、β、γ求出XY坐标系的坐标值(X1，Y1)(X2，Y2)。

X＝L1sinα+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)

Y＝L1cosα+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)

在区域设定运算部9a中，设定区域的边界上的两点P1＊、P2＊的坐标值分别通过进行Y坐标的下述计算Y1＊＝Y1－h1Y2＊＝Y2－h2而求出。此外，将P1＊、P2＊这两点连结的线段的直线方程式通过下述式子计算。

Y＝(Y2＊－Y1＊)X/(X2－X1)+(X2Y1＊－X1Y2＊)/(X2－X1)

然后，设定在上述直线上具有原点且以该直线为一个轴的直角坐标系、例如以点P2＊为原点的XaYa坐标系，并求出从XY坐标系向XaYa坐标系的坐标转换数据。

此外，当在倾斜地面上的作业等中，工程机械主体1B相对于水平面倾斜的时候，铲斗、前端以及地面之间的相对位置关系会变化，因此无法正确地进行设定区域的设定。因此，在本实施方式中，由倾斜角检测器8d检测出工程机械主体1B的倾斜角θ，由前部姿势运算部9b输入该倾斜角θ的值，并在使XY坐标系旋转了角度θ而成的XbYb坐标系中计算铲斗前端的位置。由此，即使工程机械主体1B倾斜，也能够进行正确的区域设定。另外，若在车身倾斜时修正车身的倾斜后再作业，或是在车身不会倾斜的作业现场使用，则倾斜角检测器并不是必需的。

另外，在上述的例子中，利用从离主体1B的距离不同的两点P1、P2起的深度来对设定区域的边界进行设定，因此，该边界由从两点P1＊、P2＊通过的一条直线来定义，但是，若利用从离主体1B的距离不同的3点以上的点起的深度来设定边界，则能够在垂直面内设定任意形状的边界。例如，在通过3点来设定边界的情况下，可以设定大致V字形的边界，在通过4点来设定边界的情况下，可以设定大致U字形的边界。此外，本实施方式是在垂直面内用线来设定边界的方式，但是也可以用面来设定边界。再者，在本实施方式中，以由前部姿势运算部9b运算的铲斗1c的前端位置为基准来设定边界，并采用操作者每次设定边界的方式，但是，也可以将表示边界的线数据、面数据或3D数据作为外部参照数据输入并加以利用。

返回到图5，在液压缸目标速度运算部9c中输入由压力检测器60a、60b、61a、61b、62a、62b检测出的先导压的值，并求出流量控制阀5a、5b、5c的排出流量，并进一步根据该排出流量计算动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b以及铲斗液压缸3c的目标速度。在控制单元9的存储装置中，存储有由压力检测器60a、60b、61a、61b、62a、62b检测的先导压、与流量控制阀5a、5b、5c的排出流量之间的关系，液压缸目标速度运算部9c利用该关系求出流量控制阀5a、5b、5c的排出流量。另外，也可以在控制单元9的存储装置中存储事先计算出的先导压与液压缸目标速度之间的关系，由先导压直接求出液压缸目标速度。

在前端目标速度矢量运算部9d中，根据由前部姿势运算部9b求出的铲斗的前端位置及由液压缸目标速度运算部9c求出的液压缸目标速度、以及存储在控制单元9的存储装置中的之前的L1、L2、L3等各部分尺寸而求出铲斗1c的前端的目标速度矢量Vc。此时，目标速度矢量Vc首先被作为图7所示的XY坐标系的值而求出，然后利用该值，并利用由区域设定运算部9a先前求出的从XY坐标系向XaYa坐标系的转换数据而转换成XaYa坐标系，由此目标速度矢量Vc被作为XaYa坐标系的值而求出。此处，XaYa坐标系中的目标速度矢量Vc的Xa坐标值Vcx为目标速度矢量Vc的与设定区域的边界平行方向上的矢量成分，Ya坐标值Vcy为目标速度矢量Vc的与设定区域的边界垂直方向上的矢量成分。

在铲斗1c的前端在设定区域内位于其边界附近、且目标速度矢量Vc具有向设定区域边界接近的方向上的成分的情况下，由方向转换控制部9e以越是接近设定区域的边界、垂直的矢量成分就越减小的方式修正。换言之，对垂直方向的矢量成分Vcy加入比其小的、从设定区域远离的方向上的矢量(反方向矢量)。

图8通过流程图示出方向转换控制部9e中的控制内容。首先，在步骤100中，判定目标速度矢量Vc的相对于设定区域边界垂直的成分、即XaYa坐标系中的Ya坐标值Vcy的正负，若判定为正，则为铲斗前端从设定区域的边界远离方向上的速度矢量，前进到步骤101，将目标速度矢量Vc的Xa坐标值Vcx及Ya坐标值Vcy直接作为修正后的矢量成分Vcxa、Vcya。如判定为负，则为铲斗前端向设定区域的边界接近方向上的速度矢量，因此前进到步骤102，为了进行方向转换控制，目标速度矢量Vc的Xa坐标值Vcx直接作为修正后的矢量成分Vcxa、而Ya坐标值Vcy则以对其乘上了系数h(0≤h≤1)所得的值作为修正后的矢量成分Vcya。

此处，系数h是根据铲斗1c的前端与设定区域的边界之间的距离Ya而在0至1之间变化的变量。具体地说，系数h是下述这样的值，即：在铲斗1c的前端与设定区域的边界之间的距离Ya比设定值Ya1大的时候为1，在距离Ya比设定值Ya1小的时候，随着距离Ya的变小而变得比1小，当距离Ya为0时、即铲斗前端到达至设定区域的边界上时为0，在控制单元9的存储装置中存储有这样的h与Ya的关系。

在方向转换控制部9e中，利用由区域设定运算部9a先前通过运算而求出的从XY坐标系向XaYa坐标系的转换数据，将由前部姿势运算部9b求出的铲斗c的前端位置转换为XaYa坐标系，并根据其Ya坐标值而求出铲斗1c的前端与设定区域的边界之间的距离Ya、并利用该距离Ya与上述的Ya1之间的关系求出系数。

如以上所述，由于对目标速度矢量Vc的垂直方向的矢量成分Vcy进行修正，所以矢量成分Vcy能够以随着距离Ya的减小而使垂直方向上的矢量成分Vcy的减少量变大的方式减小，从而目标速度矢量Vc被修正成目标速度矢量Vca。有时将从设定区域的边界起距离Ya1的范围称为方向转换区域或减速区域(参照图9)。

图9示出了铲斗1c的前端如上述修正后的目标速度矢量Vca那样被方向转换控制时的轨迹的一个例子。若目标速度矢量Vc沿着斜下方为恒定，则其平行成分Vcx为恒定，垂直成分Vcy随着铲斗1c的前端接近设定区域的边界(随着距离Ya变小)而变小。由于修正后的目标速度矢量Vca为上述成分的合成，所以轨迹如图9所示那样成为随着接近设定区域的边界而变为平行的曲线状。此外，若Ya＝0且h＝0，则在设定区域的边界上的修正后的目标速度矢量Vca与平行成分Vcx一致。

另外，即使如上述那样使铲斗前端的目标速度矢量的垂直成分减小，也会因基于流量控制阀及其他液压设备的制造公差引起的偏差等，而非常难于通过垂直方向距离Ya＝0而使垂直矢量成分为0，因此还是存在铲斗前端侵入到设定区域外的情况。但是，在本实施方式中，由于并用后述的复原控制，所以铲斗前端能够基本上在设定区域的边界上动作。此外，在上述的控制中，目标速度矢量的水平成分(Xa坐标值)维持了原样，但是也可以不必维持原样，可以使水平成分增加而增速，也可以使水平成分减少而减速。

在修正后液压缸目标速度运算部9f中，根据由方向转换控制部9e求出的修正后的前端目标速度矢量来运算动臂液压缸3a及斗杆液压缸3b的修正后的液压缸目标速度。这是前端目标速度矢量运算部9d中的运算的逆运算。

此处，在按图8的流程图进行步骤102的方向转换控制(减速控制)的情况下，选择该方向转换控制所必需的动臂液压缸及斗杆液压缸的动作方向，并运算该动作方向上的液压缸目标速度。作为一个例子，说明要向近前方向挖掘而进行斗杆挖掘(crowd)的情况(斗杆挖掘操作)、和通过动臂下降及斗杆卸载(dump)的复合操作来将铲斗前端向下压方向操作的情况(斗杆卸载复合操作)。

在斗杆挖掘操作的情况下，使目标速度矢量Vc的垂直成分Vcy减小的方法有下述3种：(1)通过抬升动臂1a来减小的方法、(2)通过使斗杆1b的挖掘动作减速来减小的方法、(3)通过两者组合来减小的方法，在采用(3)的情况下，其组合的比例根据当时的作业装置的姿势、水平方向的矢量成分等而不同。不论哪种方法，这些都通过控制软件来确定。在本实施方式中，由于并用复原控制，所以优选包括通过抬升动臂1a而使目标速度矢量Vc的垂直成分Vcy减小的方法的(1)或(3)，从动作的顺畅性方面来看，(3)为最优选。

在斗杆卸载复合操作中，在使斗杆从车身侧的位置(近前的位置)进行卸载操作的情况下，会施加向设定区域之外出去的方向上的目标矢量。因此，为了减小目标速度矢量Vc的垂直成分Vcy，需要将动臂下降切换成动臂抬升，并使斗杆卸载减速。该组合也由控制软件确定。

在复原控制部9g中，当铲斗1c的前端已经伸出到设定区域以外时，与离设定区域边界的距离相关地修正目标速度矢量，以使得铲斗前端返回到设定区域。换言之，给垂直方向的矢量成分Vcy加上比其大的向设定区域接近的方向上的矢量(反方向矢量)。

图10通过流程图示出了复原控制部9g中的控制内容。首先，在步骤110中，判定铲斗1c的前端与设定区域的边界之间的距离Ya的正负。此处，距离Ya如前所述，是利用从XY坐标系向XaYa坐标系的转换数据，将由前部姿势运算部9b求出的前部前端的位置转换成XaYa坐标系，并从该Ya坐标值求出的。在距离Ya为正的情况下，铲斗前端尚在设定区域内，因此前进到步骤111，为了优先进行先前说明了的方向转换控制，使目标速度矢量Vc的Xa坐标值Vcx及Ya坐标值Vcy分别为0。在判断为负的情况下，铲斗前端已经伸出到设定区域的边界以外(边界的下方)，因此前进到步骤112，为了进行复原控制，目标速度矢量Vc的Xa坐标值Vcx直接作为修正后的矢量成分Vcxa、Ya坐标值Vcy则以对离设定区域边界的距离Ya乘上了系数－K所得的值作为修正后的矢量成分Vcya。此处，系数K是根据控制上的特性而确定的任意值，－KYa为随着距离Ya变小而减小的、反方向上的速度矢量。另外，K也可以是随着距离Ya变小而变小的函数，在该情况下，－KVcy随着距离Ya变小而变小的程度增大。

由于如以上那样修正目标速度矢量Vc的垂直方向上的矢量成分Vcy，所以，能够以随着目标Ya变小而使垂直方向上的矢量成分Vcy变小的方式，将目标速度矢量Vc修正为目标速度矢量Vca。

图11示出了铲斗1c的前端如上述的修正后的目标速度矢量Vca那样被复原控制时的轨迹的一个例子。若目标速度矢量Vc沿着斜下方为恒定，则其平行成分Vcx为恒定，而且，由于复原矢量Vcya(＝－KYa)与距离Ya成正比，所以垂直成分随着铲斗1c的前端接近设定区域的边界(随着距离Ya变小)而变小。由于修正后的目标速度矢量Vca为上述成分的合成，所以轨迹如图11所示那样成为随着接近设定区域的边界而变为平行的曲线状。

这样，由于在复原控制部9g中，以使得铲斗1c的前端返回到设定区域内的方式进行控制，所以能够在设定区域外获得复原区域。此外，在该复原控制中，由于铲斗1c的前端在向设定区域的边界接近的方向上的移动被减速，所以其结果是，铲斗1c的前端的移动方向被转换为沿着设定区域的边界的方向，从该意义上讲，该复原控制也可称为方向转换控制。

在修正后液压缸目标速度运算部9h中，根据通过复原控制部9g求出的修正后的前端目标速度矢量来运算动臂液压缸3a及斗杆液压缸3b的修正后的液压缸目标速度。这是前端目标速度矢量运算部9d中的运算的逆运算。

此处，在按照图10的流程图进行步骤112的复原控制的情况下，选择该复原控制所必需的动臂液压缸及斗杆液压缸的动作方向，并运算该动作方向上的液压缸目标速度。其中，在复原控制中，由于通过抬升动臂1a而使铲斗前端返回到设定区域，所以必然包含动臂1的抬升方向。其组合也由控制软件来确定。

在液压缸目标速度选择部9i中，选择由液压缸目标速度运算部9f得到的基于方向转换控制的液压缸目标速度、和由液压缸目标速度运算部9h得到的基于复原控制的液压缸目标速度的值中的大的一方(最大值)，并作为输出用的液压缸目标速度。

此处，在铲斗前端与设定区域的边界之间的距离Ya为正的情况下，在图10的步骤111中使目标速度矢量成分都为0，图8的步骤101或102中的速度矢量成分的值始终是大的一方，因此选择了由液压缸目标速度运算部9f得到的基于方向转换控制的液压缸目标速度；在距离Ya为负且目标速度矢量的垂直成分Vcy为负的情况下，在图8的步骤102中h＝0，从而修正后的垂直成分Vcya为0，图10的步骤112中的垂直成分的值始终是大的一方，因此选择了由液压缸目标速度运算部9h得到的基于复原控制的液压缸目标速度；在距离Ya为负且目标速度矢量的垂直成分Vcy为正的情况下，根据图8的步骤101中的目标速度矢量Vc的垂直成分Vcy与图10的步骤112中的垂直成分KYa的值的大小，来选择由液压缸目标速度运算部9f或9h得到的液压缸目标速度。另外，也可以在选择部9i中，取代选择最大值，而取两者的和等其他方法。

在目标先导压运算部9j中，根据由液压缸目标速度选择部9i获得的输出用液压缸目标速度来运算先导管路44a、44b、45a、45b、46a、46b的目标先导压。这是液压缸目标速度运算部9c中的运算的逆运算。

在阀指令运算部9k中，根据由目标先导压运算部9j计算出的目标先导压来运算用于获得该先导压的比例电磁阀10a、10b、11a、11b、13a、13b的指令值。该指令值由放大器放大，并作为电信号输出给比例电磁阀10a、10b、11a、11b、13a、13b。由此来执行图9所示的方向转换控制或图11所示的复原控制，从而来执行用于形成沿着设定区域的边界的挖掘面的区域限制控制。

在上述那样构成的工程机械中，当由前部姿势运算部9b来运算作业装置1A的姿势、规定部位(例如铲斗前端位置)的位置时，利用了动臂1a、斗杆1b及铲斗1c的旋转角α、β、γ，根据动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b、铲斗液压缸3c的速度来选择作为该旋转角α、β、γ的输出源的检测器。具体地说，若液压缸速度为设定值V1以上，则利用响应性好的角度检测器8的检测信号，若液压缸速度不足设定值V1，则利用精度高的倾斜角检测器81的检测信号。若这样地根据液压缸速度来选择在旋转角α、β、γ的计算中所利用的检测器，则在液压缸速度包括不足设定值V1的速度的情况下，能够提高作业装置1A的姿势及规定部位的位置的计算精度。从图5可知，在本实施方式的区域限制挖掘控制中，前部姿势运算部9b的输出被利用在区域设定运算部9a、前端目标速度矢量运算部9d、方向转换控制部9e、复原控制部9g以及修正后液压缸目标速度运算部9f、9h这些多个部分中，因此根据本实施方式能够显著地提高区域限制挖掘控制的精度。由此能够获得如下优点：通过例如在进行挖掘面的精细挖掘时使作业装置慢慢地动作，能够与操作者的技术水平程度无关地、容易地将该挖掘面在短时间内精细挖掘成平坦面。

在上述的实施方式中，根据动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b及铲斗液压缸3c各自的速度来选择所利用的检测器，但是当经由销轴而直线地连结于主体1B上的动臂1a、斗杆1b、铲斗1c(被驱动部件)中存在液压缸速度为设定值V1以上的部件(高速部件)的情况下，也可以针对该高速部件、以及在与该高速部件相比远离主体1B的位置处连结的所有被驱动部件(连动高速部件)的旋转角，利用角度检测器8的检测信号，针对其余的被驱动部件的旋转角，利用倾斜角检测器81的检测信号。下面，将该情况作为第二实施方式进行说明。另外，第二实施方式只是由检测信号选择部91a及角度转换器92a所执行的处理与第一实施方式不同，由于各部分的构成与第一实施方式相同，所以省略说明。

图12是通过本发明第二实施方式的检测信号选择部91a及角度转换器92a执行的处理的流程图。当图12的处理开始后，首先，从液压缸速度运算部9m向检测信号选择部91a输入动臂液压缸速度，检测信号选择部91a判定该动臂液压缸速度是否为设定值V1以上(步骤402c-1)。此处，若动臂液压缸速度为设定值V1以上，则检测信号选择部91a不仅仅是针对动臂1a、还针对在以动臂1a为基点以连杆机构方式远离主体1B的位置处连结的斗杆1b及铲斗1c，将通过角度检测器8a、8b、8c检测出的旋转角作为各被驱动部件的角度α、β、γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤402c-2)，并结束处理。

若在步骤402c-1中，动臂液压缸速度不足设定值V1，则检测信号选择部91a作为动臂角而选择由倾斜角检测器81a检测出的对地角(步骤402c-4)，通过角度转换器92a将其转换为旋转角，并作为动臂角α而输出给前部姿势运算部9b(步骤402c-5)。然后，从液压缸速度运算部9m向检测信号选择部91a输入斗杆液压缸速度，检测信号选择部91a判定该斗杆液压缸速度是否为设定值V1以上(步骤402c-6)。此处，若斗杆液压缸速度为设定值V1以上，则检测信号选择部91a不仅仅是针对斗杆1b、还针对在以斗杆1b为基点以连杆机构的方式远离主体1B的位置处连结的铲斗1c，将通过角度检测器8b、8c检测出的旋转角作为各被驱动部件的角度β、γ输出给前部姿势运算部9b(步骤402c-7)，并结束处理。

如在步骤402c-6中，斗杆液压缸速度不足设定值V1，则检测信号选择部91a作为斗杆角而选择由倾斜角检测器81b检测出的对地角(步骤402c-9)，通过角度转换器92a将其转换为旋转角，并作为斗杆角β而输出给前部姿势运算部9b(步骤402c-10)。然后，从液压缸速度运算部9m向检测信号选择部91a输入铲斗液压缸速度，检测信号选择部91a判定该铲斗液压缸速度是否为设定值V1以上(步骤402c-11)。此处，若铲斗液压缸速度为设定值V1以上，则检测信号选择部91a将由角度检测器8c检测出的旋转角作为铲斗角γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤402c-12)，并结束处理。

另一方面，若在步骤402c-11中，铲斗液压缸速度不足设定值V1，则检测信号选择部91a作为铲斗角而选择由倾斜角检测器81c检测出的对地角(步骤402c-13)，通过角度转换器92a将其转换成旋转角，并作为铲斗角γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤402c-14)，并结束处理。

在像液压挖掘机这样是以主体1B为基端将动臂1a、斗杆1b及铲斗1c(被驱动部件)在连杆机构上直线性地连结的工程机械的情况下，若在该直线的中途存在速度为设定值V1以上的被驱动部件(高速部件)，则以该高速部件为基准，在该直线上位于以连杆机构方式远离主体1B一侧的其他被驱动部件的动作速度也变快。因此，即使在该其他被驱动部件相对于该高速部件的相对速度不足设定值V1，且若基于第一实施方式的图6的流程图则利用倾斜角检测器81的检测信号的情况下，由于该其他被驱动部件的绝对速度超过了设定值V1，所以若利用响应性差的倾斜角检测器81，则担心因误检测而导致精度恶化。但是，若如本实施方式这样构成，由于当在上述直线上存在上述高速部件的情况下，对于在该直线上位于从该高速部件远离的一侧的所有被驱动部件的角度计算都利用角度检测器8的检测信号，因此能够避免误检测，从而防止精度恶化。

当在液压挖掘机中利用区域限制控制的情况下，会反复进行包括图13所示的(1)收回、(2)挖掘、(3)水平拖曳这些动作在内的一连串动作，在其中的(1)收回动作和(3)水平拖曳动作中利用了本实施方式，本实施方式在对液压挖掘机的适用中尤其能够发挥效果。具体地说，在(1)收回动作中，由于动臂1a的下降速度为设定值V1以上、而斗杆1b及铲斗1c的速度不超过设定值V1，所以若根据图6的流程图，则针对动臂1a利用角度检测器8a、而针对斗杆1b和铲斗1c利用倾斜角检测器81b、81c，但是，若根据本实施方式，由于通过图12的步骤402c-2，所以全部都利用角度检测器8，因此能够避免因高速移动的动臂1a的影响而在检测斗杆1b及铲斗1c的角度时发生误检测的情况。此外，在(3)水平拖曳动作中，由于动臂1a和铲斗1c的速度不足设定值V1、而斗杆1b的速度为设定值V1以上，所以若根据图6的流程图，则针对斗杆1b利用角度检测器8b、而针对动臂1a和铲斗1c利用倾斜角检测器81a、81c，但是若根据本实施方式，由于通过图12的步骤402c-7，所以只有动臂1a利用倾斜角检测器81a、而针对斗杆1b和铲斗1c则利用角度检测器8b、8c，从而能够避免因高速移动的斗杆1b的影响而在检测铲斗1c的角度时发生误检测的情况。

另外，在上述的两个实施方式中，是根据动臂1a、斗杆1b及铲斗1c的速度来确定利用角度检测器8和倾斜角检测器81中的哪一个的检测信号，但是也可以根据铲斗前端速度来选择所利用的检测器。以下，将该情况作为第三实施方式来进行说明。

图14是示出本发明第三实施方式的控制单元9的控制功能的一部分的功能框图。该图所示的控制单元9包括铲斗前端速度推定值运算部9n。从前部姿势运算部9b向铲斗前端速度推定值运算部9n输入了1次循环前(将后述图15的流程图中的“开始”到“返回”作为1次循环(1个控制周期))的姿势，并从液压缸速度运算部9m向铲斗前端速度推定值运算部9n输入了铲斗液压缸速度、斗杆液压缸速度及铲斗液压缸速度。铲斗前端速度推定值运算部9n基于这些信息，先于方向转换控制部9e及复原控制部9g算出铲斗前端速度的推定值。优选为，1次循环的周期以不会对基于1次循环前的姿势进行的铲斗前端速度推定值的运算造成影响的方式设定得尽可能短。

另外，关于图14中的控制单元9的上述以外的部分，与图4所示的相同。而且，本实施方式的控制单元9除了图14所示的功能以外，还具有与图5所示的功能相同的功能。

图15是通过本发明第三实施方式的工程机械的区域限制挖掘控制装置执行的处理的流程图。控制单元9因发动机钥匙开启而开始图15的处理，对表示是否存储有1次循环前的作业装置1A的姿势的标志位(flag)进行检测(步骤601)。标志位被选择性地设定为0或1。在标志位为1的情况下，表示存储有1次循环前的作业装置1A的姿势，在标志位为0的情况下，表示液压挖掘机刚刚起动开始，还没有存储1次循环前的作业装置1A的姿势。

若在步骤601中标志位为0(即第1次循环)，首先，在步骤602中向标志位输入1。此时，液压挖掘机处于钥匙刚刚开启的状态，操作装置4a、4b、4c处于未操作的状态，因此压力检测器70a、70b、71a、71b、72a、72b的值为零。即，铲斗前端速度为零，因此进入步骤607。

在步骤607中，检测信号选择部91a选择从倾斜角检测器81a、81b、81c输出的对地角，并将其输出给角度转换器92a。接受了对地角输入的角度转换器92a将其转换为旋转角，并作为动臂角α、斗杆角β、铲斗角γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤608)，而后前进到步骤609。

若在步骤601中标志位为1(即，第2次循环及其以后)，则液压缸速度运算部9m被输入通过压力检测器70a、70b、71a、71b、72a、72b检测出的先导压的值，并求出流量控制阀5a、5b、5c的排出流量，并进一步根据该排出流量计算出动臂液压缸3a、斗杆液压缸3b以及铲斗液压缸3c的速度，将这些速度输出给铲斗前端速度推定值运算部9n(步骤603)。

在步骤604中，铲斗前端速度推定值运算部9n基于从前部姿势运算部9b输入的1次循环前的姿势、和步骤603的各液压缸3a、3b、3c的速度计算出铲斗前端速度推定值，并将该铲斗前端速度推定值输出给检测信号选择部91a。

接受了铲斗前端速度推定值输入的检测信号选择部91a判定该铲斗前端速度推定值是否为设定值V1以上(步骤605)。此处，若铲斗前端速度推定值为设定值V1以上，检测信号选择部91a将由角度检测器8a、8b、8c检测出的旋转角作为动臂角α、斗杆角β及铲斗角γ而输出给前部姿势运算部9b(步骤606)，并进入到步骤609。另一方面，若在步骤605中，铲斗前端速度推定值不足设定值V1，则进入到前述的步骤607，608，将由倾斜角检测器81a、81b、81c检测出的对地角转换为旋转角，并输入给前部姿势运算部9b。

以后的从步骤609到步骤616的处理与已经说明过的、通过前部姿势运算部9b、液压缸目标速度运算部9c、前端目标速度矢量运算部9d、方向转换控制部9e、修正后液压缸目标速度运算部9f、复原控制部9g、修正后液压缸目标速度运算部9h、液压缸目标速度选择部9i、目标先导压运算部9j以及阀指令运算部9k实施的处理是相同的，因此简单地进行说明。另外，区域设定运算部9a所实施的设定区域的边界设定处理已实现执行完毕，所以此处不再说明。

在步骤609中，前部姿势运算部9b基于在步骤606或步骤608输入的旋转角α、β、γ来计算作业装置1A的姿势以及铲斗前端位置。在步骤610中，前端目标速度矢量运算部9d根据由前部姿势运算部9b求出的铲斗的前端位置、由液压缸目标速度运算部9c求出的液压缸目标速度、以及存储在控制单元9的存储装置中的此前的L1、L2、L3等各部分尺寸，求出铲斗1c的前端的目标速度矢量(前端目标速度矢量)Vc。

在步骤611中，判定由前部姿势运算部9b求出的铲斗1c的前端位置是否处于减速区域(参照图9)内。此处，若铲斗1c的前端位置处于减速区域内，则根据从铲斗1c的前端位置到设定区域的边界的距离，由方向转换控制部9e进行使目标速度矢量Vc的垂直方向上的矢量成分Vcy减小、从而将目标速度矢量Vc修正为目标速度矢量Vca的减速控制(步骤612)。

在步骤613中，判定由前部姿势运算部9b求出的铲斗1c的前端位置是否处于设定区域之外(即，设定区域的边界下方)。此处，若判定为铲斗1c的前端位置处于设定区域之外，则随着从铲斗1c的前端位置到设定区域的边界的距离变小，复原控制部9g以使得目标速度矢量Vc的垂直方向上的矢量成分Vcy变小的方式进行将目标速度矢量Vc修正成目标速度矢量Vca的复原控制(步骤614)。

在步骤615中，修正后液压缸目标速度运算部9f或修正后液压缸目标速度运算部9h基于由方向转换控制部9e或复原控制部9g求出的修正后的前端目标速度矢量、或是不进行减速控制或复原控制情况下在步骤610中求出的前端目标速度矢量，来运算动臂液压缸3a及斗杆液压缸3b的修正后的液压缸目标速度。而且，目标先导压运算部9j根据由修正后液压缸目标速度运算部9f或修正后液压缸目标速度运算部9h计算出的输出用液压缸目标速度，来运算先导管路44a、44b、45a、45b、46a、46b的目标先导压。

在步骤616中，阀指令运算部9k根据由目标先导压运算部9k计算出的目标先导压来运算用于获得该先导压的比例电磁阀10a、10b、11a、11b、13a、13b的指令值。由此，执行减速控制(方向转换控制)或复原控制，从而来执行用于形成沿着设定区域的边界的挖掘面的区域限制控制。

在步骤617中，控制单元9判定发动机钥匙是否开启，若钥匙保持开启状态，则返回到开始，若钥匙断开，则对标志位输入零并结束一连串的处理。

在上述那样构成的本实施方式中，当铲斗前端速度推定值的大小为设定值V1以上时，基于角度检测器8a、8b、8c的输出值来计算出作业装置1A的姿势及铲斗前端位置，另一方面，当铲斗前端速度推定值的大小不足设定值V1时，基于倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号来计算出作业装置1A的姿势及铲斗前端位置。这样地计算姿势和位置，能够在要求响应性的高速动作时(为设定值V1以上时)利用角度检测器8a、8b、8c的检测信号，而在要求精度的低速动作时(不足设定值V1时)利用倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号，因此能够利用与铲斗前端的动作速度相应的检测器组的检测信号来计算作业装置1A的姿势和铲斗前端位置。由此，能够一边在铲斗前端的动作速度比较高速的情况下确保高响应性，一边在铲斗前端的动作速度比较低速的情况下高精度地检测作业装置1A的姿势、位置，从而能够提高区域限制挖掘控制的精度。

在上述的第一至第三实施方式中，基于构成作业装置1A的被驱动部件中的至少一个的动作速度，从角度检测器8a、8b、8c和倾斜角检测器81a、81b、81c这两种角度检测器中选择在计算作业装置1A的姿势及各部的位置时所利用的检测器，但是如下这样将两种检测器的检测信号合成也能够提高作业装置1A的姿势及各部分位置的计算精度。以下，将该情况作为第四实施方式来说明。

图16示出本发明第四实施方式的控制单元的控制功能的一部分的功能框图，其他的部分与图5相同。如该图所示，本实施方式的控制单元9包括：高通滤波器部93a，其从角度检测器8a、8b、8c的检测信号(旋转角d1)中提取比设定频率(截止频率)f1高的高频成分d1h；低通滤波器部94a，其从通过角度转换器92a将倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号(对地角)转换成了旋转角的信号(旋转角d2)中提取比设定频率f1低的低频成分d2l；以及合成运算部95a，其对由高通滤波器部93a和低通滤波器部94a提取出的高频成分d1h和低频成分d2l进行叠加运算，并将得到的合成信号(旋转角d3)输出给前部姿势运算部9b。前部姿势运算部9b基于从合成运算部95a输入的合成信号而计算出作业装置1A的姿势及各部分的位置。

此外，在图16中，为了促进对合成信号的理解，附上了示意表示将作业装置1A的某被驱动部件驱动至某目标角度的情况下的各信号(旋转角d1、旋转角d1h、旋转角d2、旋转角d2l、旋转角d3)的时间变化的图。

图17是将图16所示的内容作为一连串的处理归纳到流程图中的图。当图17的处理开始后，对控制单元9输入角度检测器8a、8b、8c的信号(旋转角d1)(步骤501)和倾斜角检测器81a、81b、81c的信号(对地角)(步骤503)。然后，角度转换器92a将在步骤504中输入的信号(对地角)转换为旋转角的信号(旋转角d2)，并将转换后的信号输出给低通滤波器部94a(步骤505)。

在步骤507中，高通滤波器部93a对在步骤503中输入的信号(旋转角d1)施加高通滤波，求出其高频成分d1h。在步骤509中，低通滤波器部94a对在步骤505中经转换的信号(旋转角d2)施加低通滤波，求出其低频成分d2l。然后，合成运算部95a将从高通滤波器部93a通过的高频成分d1h和从低通滤波器部94a通过的低频成分d1l进行合成，并将由此得到的合成信号(旋转角d3)输出给前部姿势运算部9b(步骤511)，并结束一连串的处理。

根据上述那样构成的本实施方式，从高通滤波器部93a通过的高频成分d1h为被驱动部件比较高速地动作时由角度检测器8a、8b、8c检测出的信号，而从低通滤波器部94a通过的低频成分d2l为被驱动部件比较低速地动作或是停止时由倾斜角检测器81a、81b、81c检测出的信号。因此，将由合成运算部95a得到的合成信号(d3)利用于姿势、位置的计算，能够在被驱动部件的高速动作中利用响应性好的角度检测器8a、8b、8c的检测信号，并能够在被驱动部件的低速动作中或是停止中利用精度好的倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号。由此，能够与前述的各实施方式的效果同样地，一边在作业装置1A的动作速度比较高速时确保高响应性，一边在作业装置1A的动作速度比较低速时提高区域限制挖掘控制的精度。另外，根据本实施方式，在恒定速度动作中，由于通过高通滤波器部93a的高频成分d1h为0，所以合成信号d3仅为来自低通滤波器部94a的低频成分d2l，因此，能够与被驱动部件的速度无关地利用高精度的倾斜角检测器81a、81b、81c的检测信号。

另外，在上述的各实施方式中，由于硬件性结构能够通用，因此可以构成为根据以控制单元9为代表的计算机或操作者等的要求而任意地选择。

此外，本发明并不仅限于应用在上述所说明的区域限制控制，也可以应用在基于作业装置的姿势检测而进行的所谓的区域限制控制，设定区域的边界设定方法也不限于上述所说明的方式。此外，在上述说明中，作为驱动作业装置1A(动臂1a、斗杆1b及铲斗1c)的液压执行机构，举出了利用液压缸的例子，但是例如也可以通过液压马达来驱动它们。再者，能够应用本发明的工程机械并不仅仅是由发动机驱动液压泵的工程机械，本发明也能够应用到通过电动机来驱动液压泵的工程机械中。

另外，本发明并不限于上述的实施方式，还包括不脱离其主旨范围内的各种变形例。例如，本发明并不限于具有在上述实施方式中说明的所有结构，也包含除去了其结构一部分的情况。此外，也可以将某实施方式的结构的一部分追加到其他实施方式的结构中，或是替换成其他实施方式的结构。

此外，上述控制装置的各构成及该各构成的功能及执行处理中的一部分或是全部可以通过硬件来(例如在集成电路中设计执行各功能的逻辑等)实现。此外，上述的控制装置的构成可以是程序(软件)，其通过被运算处理装置(例如CPU)读取、执行而实现该控制装置的构成的各功能。与该程序相关的信息例如可以存储在半导体存储器(闪存、SSD等)、磁存储装置(硬盘驱动器(HDD)等)以及记录介质(磁盘、光盘等)等中。

附图标记说明

1a…动臂、1b…斗杆、1c…铲斗、2…液压泵、3a…动臂液压缸、3b…斗杆液压缸、3c…铲斗液压缸、4a、4b、4c…操作装置、5a、5b、5c…流量控制阀、7…设定器、8a、8b、8c…角度检测器、9…控制单元、9m…液压缸速度运算部、91a…检测信号选择部、92a…角度转换器、9b…前部姿势运算部、9a…区域设定运算部、9c…液压缸目标速度运算部、9d…前端目标速度矢量运算部、9e…方向转换控制部、9f…修正后液压缸目标速度运算部、9g…复原控制部、9h…修正后液压缸目标速度运算部、9i…液压缸目标速度选择部、9j…目标先导压运算部、9k…阀指令运算部、9n…铲斗前端速度推定值运算部、93a…高通滤波器部、94a…低通滤波器部、95a…合成运算部、10a、10b、11a、11b、13a、13b…比例电磁阀、43…先导泵、60a、60b、61a、61b、62a、62b…压力检测器、70a、70b、71a、71b、72a、72b…压力检测器、81a、81b、81c…倾斜角检测器。

Claims (1)

1.一种液压挖掘机，包括：

前作业装置，是将分别能够以旋转轴为中心旋转的动臂、斗杆以及铲斗连结而构成的；

多个液压执行机构，分别驱动所述动臂、所述斗杆以及所述铲斗；

所述多个液压执行机构的速度运算部；

多个操作装置，用于分别指示该多个液压执行机构的动作；

检测器，检测所述前作业装置的姿势、位置；和

区域限制挖掘控制装置，其基于所述多个操作装置的操作量及由所述检测器检测到的姿势、位置来进行所述前作业装置的区域限制控制，该液压挖掘机的特征在于，

所述检测器由多个角度检测器和多个倾斜角检测器构成，其中，所述多个角度检测器检测所述动臂、所述斗杆以及所述铲斗相对于设在各自之上的旋转轴的旋转角，所述多个倾斜角检测器设在所述动臂、所述斗杆以及所述铲斗的各自之上且检测相对于基准面的各自的倾斜角，

所述区域限制挖掘控制装置在由所述速度运算部求出的速度为规定值以上的情况下，使用来自所述角度检测器的检测信号来控制所述前作业装置的驱动方向以及驱动速度，并在由所述速度运算部求出的速度不足规定值的情况下，使用来自所述倾斜角检测器的检测信号来控制所述前作业装置的驱动方向以及驱动速度。