CN108699802B - 作业机械 - Google Patents

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Abstract

具备：多关节型的作业机(1A)；驱动作业机的多个液压执行机构(5、6、7)；对多个液压执行机构输出操作信号的操作装置(45a、45b、46a)；存储有通过将多个目标面连结而定义了的目标形状的存储部(42)；在设定于铲斗(10)的爪尖的控制点在目标形状的下方的情况下，将在目标形状上最接近控制点的目标面设为控制对象面的控制对象面选择部(57)；以及在经由操作装置从操作员输入了挖掘操作的情况下，控制多个液压执行机构以使得控制点的动作范围被限制于控制对象面上和控制对象面的上方的目标动作控制部(60)。

Description

作业机械
技术领域
本发明涉及作业机械。
背景技术
在作业机械所含的液压挖掘机中下述控制：在从操作员经由操作杆输入了挖掘操作(例如斗杆收回操作)的情况下，根据前作业装置的前端与预先设定的目标面之间的距离由计算机(操控器)强制地追加动臂上提动作，从而将前作业装置的动作范围限制在该目标面上以及该目标面的上方。该控制有时被称为区域限制控制、动作限制控制或机器控制等。
为了防止因目标面(设计面)相对于水平方向倾斜了规定角度以上的情况下的区域限制控制(动作限制控制)导致的动臂上提的紧急动作，例如在专利文献1中记载有：在目标面(设计面)为相对于水平方向倾斜规定角度以上的斜面的情况下，进行控制使得动作限制部不执行区域限制控制(动作限制控制)，这样一来，能够防止目标面(设计面)为陡斜面的情况下的动臂的紧急动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5706050号
发明内容
发明要解决的课题
有时将多个目标面(线段)结合来定义目标形状(设计形状)。在该情况下，需要伴随挖掘作业的推进而从该多个目标面中选择最佳的目标面来作为控制对象(控制对象面)并执行区域限制控制。若在选择了错误的目标面来作为控制对象的状态下执行区域限制控制，则可能会执行与假定不同的区域限制控制而给操作员造成不适感、并且/或者铲斗的爪尖有可能会侵入正确的目标面的下方。
在专利文献1记载的作业车辆中，在目标面相对于水平面倾斜了规定角度以上的情况下，不执行区域限制控制。因此，在不足规定角度的目标面(第1目标面)和规定角度以上的目标面(第2目标面)结合而定义了目标形状的情况下，在以从第1目标面向第2目标面的顺序连续地进行挖掘时，在控制对象变更为第2目标面的时间点区域限制控制会突然中断。相反地，在以从第2目标面向第1目标面的顺序连续地进行挖掘时，在控制对象变更为第1目标面的时间点会突然实施区域限制控制。这样，在利用专利文献1的技术连续地挖掘由倾斜角不同的多个目标面定义的目标形状的情况下，有时执行区域限制控制有时不执行区域限制控制。若这样地突然执行/中断区域限制控制，则给操作员造成的不适感很有可能变大，另外，铲斗的爪尖很有可能误侵入目标形状的下方。
本发明的目的在于提供一种在连续地挖掘由倾斜角不同的多个目标面定义的目标形状的情况下、能够适当地选择区域限制控制的控制对象的目标面的作业机械。
用于解决课题的技术方案
为了达成上述目的，本发明具备：多关节型的作业机；驱动所述作业机的多个液压执行机构；对所述多个液压执行机构输出操作信号的操作装置；存储部，该存储部存储有通过将多个目标面连结而定义了的目标形状；控制对象面选择部，该控制对象面选择部将在所述目标形状上最接近在所述作业机的前端部分所设定的控制点的目标面设为控制对象面；以及目标动作控制部，该目标动作控制部在经由所述操作装置从操作员输入了挖掘操作的情况下，控制所述多个液压执行机构以使得所述控制点的动作范围被限制于所述控制对象面上以及所述控制对象面的上方。
发明效果
根据本发明，可适当地选择区域限制控制的控制对象的目标面，所以给操作员造成的不适感变小，另外能够防止作业装置侵入目标面的下方。
附图说明
图1是液压挖掘机的构成图。
图2是将液压挖掘机的控制操控部和液压驱动装置一起示出的图。
图3是控制操控部的硬件构成。
图4是示出液压挖掘机中的坐标系的图。
图5是第一实施方式的控制操控部的功能框图。
图6是示出铲斗爪尖速度的垂直分量的限制值a与距控制对象面的距离D的关系的图。
图7是目标形状的说明图。
图8是第一实施方式的控制操控部选择控制对象面的流程图。
图9是第一实施方式的作业机械的效果的说明图。
图10是第二实施方式的控制操控部的功能框图。
图11是避让形状及选择基准面和目标形状及目标面的概念图。
图12是第二实施方式的控制操控部选择控制对象面的流程图。
图13是图12的流程图中的步骤205的说明图。
图14是图12的流程图中的步骤210的说明图。
图15是图12的流程图中的步骤212的说明图。
图16是示出与步骤201及206中的判定结果相应的铲斗底面与目标形状及避让形状的位置关系的例子的图。
图17是图8的流程图中的步骤103的说明图。
具体实施方式
以下，利用附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，以下虽然对作为作业机的前端的配件而具备铲斗10的液压挖掘机进行例示，但是也可以在具备铲斗以外的配件的液压挖掘机中应用本发明。而且，只要是通过将多个被驱动部件(配件、斗杆、动臂等)连结而构成、且具有在规定的工作平面上动作的多关节型的作业机的机械，则也可以应用于液压挖掘机以外的作业机械。
另外，在本文中，关于和表示某一形状的术语(例如目标面、目标形状、避让形状、控制对象面等)一起使用的“上”、“上方”或“下方”这一词语的含义，“上”意味着该某一形状的“表面”，“上方”意味着比该某一形状的“表面高的位置”，“下方”意味着比该形状的“表面低的位置”。另外，在以下的说明中，在同一构成要素存在多个的情况下，有时在附图标记(数字)的末尾标注上英文字母，有时省略该英文字母而集中地表记该多个构成要素。例如，在有3个泵300a、300b、300c时，有时将这些泵集中表记为泵300。
＜第一实施方式＞
图1是本发明的第一实施方式的液压挖掘机的构成图，图2是将本发明的第一实施方式的液压挖掘机的控制操控部和液压驱动装置一起示出的图。在图1中，液压挖掘机1包括前作业机1A和车身1B。车身1B包括下部行驶体11、和能够回转地安装在下部行驶体11上的上部回转体12。前作业机1A是通过将在垂直方向上分别转动的多个被驱动部件(动臂8、斗杆9以及铲斗10)连结而构成的，前作业机1A的动臂8的基端被支承于上部回转体12的前部。
动臂8、斗杆9、铲斗10、上部回转体12以及下部行驶体11分别构成由动臂油缸5、斗杆油缸6、铲斗油缸7、回转液压马达4以及左右的行驶马达3a、3b各自驱动的被驱动部件。对上述被驱动部件8、9、10、12、11的动作指示，根据操作人员针对搭载于上部回转体12上的驾驶室内的行驶右杆23a、行驶左杆23b、操作右杆1a以及操作左杆1b(有时将这些杆总称为操作杆1、23)的操作而输出。
在驾驶室内设置有具有行驶右杆23a的操作装置47a(参照图2)、具有行驶左杆23b的操作装置47b(参照图2)、具有操作右杆1a的操作装置45a、46a、以及具有操作左杆1b的操作装置45b、46b。操作装置45～47为液压先导方式，分别以由操作人员操作的操作杆1、23的操作量(例如杆行程)和与操作方向相应的先导压力(有时称为操作压力)以控制信号，并经由先导管144a～149b(参照图2)向对应的流量控制阀15a～15f(参照图2)的液压驱动部150a～155b供给该控制信号以驱动上述流量控制阀15a～15f。
从液压泵2排出的液压油经由操控器阀单元20内的流量控制阀15a、15b、15c、15d、15e、15f(参照图2)向行驶右液压马达3a、行驶左液压马达3b、回转液压马达4、动臂油缸5、斗杆油缸6、铲斗油缸7供给。动臂油缸5、斗杆油缸6以及铲斗油缸7通过供给来的液压油而伸缩，从而动臂8、斗杆9以及铲斗10分别转动，铲斗10的位置及姿势变化。另外，回转液压马达4通过供给来的液压油而转动，从而上部回转体12相对于下部行驶体11回转。而且，行驶右液压马达3a、行驶左液压马达3b通过供给来的液压油而旋转，从而下部行驶体11行驶。
另一方面，为了能够测定动臂8、斗杆9以及铲斗10的转动角度α、β、γ(参照图4)，而在动臂销安装有动臂角度传感器30、在斗杆销安装有斗杆角度传感器31、在铲斗连杆13安装有铲斗角度传感器32，并在上部回转体12安装有对上部回转体12(车身1B)相对于基准面(例如水平面)在前后方向上的倾斜角θ(参照图4)进行检测的车身倾斜角传感器33。
如图2所示，图1的液压挖掘机1具有：液压泵2；多个液压执行机构，它们包括由来自液压泵2的液压油驱动的动臂油缸5、斗杆油缸6、铲斗油缸7、回转液压马达4以及左右的行驶马达3a、3b；与上述液压执行机构3～7的每个对应地设置的行驶右杆23a、行驶左杆23b、操作右杆1a、操作左杆1b；多个流量控制阀15a～15f，它们连接在液压泵2与多个液压执行机构3～7之间，由根据操作杆1、23的操作量及操作方向而从操作装置45a、45b、46a、46b、47a、47b输出的控制信号来控制，并控制向液压执行机构3～7供给的液压油的流量及方向；以及在液压泵2与流量控制阀15a～15f之间的压力成为设定值以上的情况下打开的溢流阀16。这些构成了液压挖掘机1的对被驱动部件进行驱动的液压驱动装置。
本实施例的液压挖掘机具备对操作人员的挖掘操作进行辅助的控制系统。具体而言，具备如下的挖掘控制系统：在经由操作装置45b、46a输入了挖掘操作(具体而言为斗杆收回、铲斗收回或者铲斗翻卸的指示)的情况下，基于目标面与作业机1A的前端的位置关系，执行使液压执行机构5、6、7中的至少1个强制地工作的控制(例如拉伸动臂油缸5而强制地进行动臂上提动作)以使得作业机1A的前端(铲斗10的爪尖)的位置被保持于目标面上及该目标面上方的区域内。在本文中有时将该控制称为“区域限制控制”。通过该控制可防止铲斗10的爪尖越过目标面，因此无论操作员的技能水平如何都能够进行沿着目标面的挖掘。在本实施方式中，将区域限制控制涉及的控制点设定为液压挖掘机的铲斗10的爪尖(作业机1A的前端)。控制点若是作业机1A的前端部分的点则也可以变更为除了铲斗爪尖以外的位置。例如，也可以选择铲斗10的底面、和/或铲斗连杆(未图示)的最外部。
能够执行该区域限制控制的挖掘控制系统具备：限制控制开关17，其设置于驾驶室内的操作面板的上方等不遮挡操作员视野的位置并对区域限制控制的有效无效进行切换；设置于动臂8用的操作装置45a的先导管144a、144b、并检测先导压力(控制信号)来作为操作杆1a的操作量的压力传感器70a、70b；设置于斗杆9用的操作装置45b的先导管145a、145b、并检测先导压力(控制信号)来作为操作杆1b的操作量的压力传感器71a、71b；一次端口侧连接于先导泵48、对来自先导泵48的先导压力进行减压并输出的电磁比例阀54a；梭阀82，其连接于动臂8用的操作装置45a的先导管144a和电磁比例阀54a的二次端口侧，选择先导管144a内的先导压力和从电磁比例阀54a输出的控制压力的高压侧并导向于流量控制阀15a的液压驱动部150a；设置于动臂8用的操作装置45a的先导管144b、根据电信号对先导管144b内的先导压力进行减压并输出的电磁比例阀54b；以及作为能够执行区域限制控制的计算机的控制操控部(控制装置)40。
在斗杆9用的先导管145a、145b设置有检测先导压力并向控制操控部40输出的压力传感器71a、71b、和基于来自控制操控部40的控制信号而降低先导压力并输出的电磁比例阀55a、55b。在铲斗10用的先导管146a、146b设置有检测先导压力并向控制操控部40输出的压力传感器72a、72b、和基于来自控制操控部40的控制信号而降低先导压力并输出的电磁比例阀56a、56b。需要说明的是，在图2中，压力传感器71、72以及电磁比例阀55、56与控制操控部40的连接线考虑到图面的原因而省略了。
需要说明的是，在没有操作装置45a的操作的情况下也会产生先导压力的电磁比例阀54a和梭阀82的构成仅设置于先导管144a，但是也可以在涉及动臂油缸5、斗杆油缸6以及铲斗油缸7的其他的先导管144b、145、146设置电磁比例阀54a和梭阀82而产生先导压力。另外，也可以，在先导管144a也设置与先导管144b的电磁比例阀54b同样的、降低从操作装置45a输出的先导压力的电磁比例阀。
对控制操控部40输入后述的ROM93或RAM94所存储的目标面的形状信息及位置信息、角度传感器30～32和倾斜角传感器33的检测信号、以及压力传感器70～72的检测信号。另外，控制操控部40将对用于进行区域受限了的挖掘控制(区域限制控制)的控制信号(先导压力)进行校正的电信号输出给电磁比例阀54～56。
在图3中示出控制操控部40的硬件构成。控制操控部40具有输入部91、作为处理器的中央处理装置(CPU)92、作为存储装置的只读存储器(ROM)93以及随机存取存储器(RAM)94、以及输出部95。输入部91输入来自操作装置45～47的信号、来自用于设定目标面的设定装置51的信号、以及来自角度传感器30～32及倾斜角传感器33的信号，并进行A/D变换。ROM93是存储有包括后述的图8、12的流程图所涉及的处理在内的用于执行区域限制控制的控制程序、和该流程图的执行所必需的各种信息等的存储介质，CPU92按照ROM93所存储的控制程序对从输入部91及存储器93、94取出的信号进行规定的运算处理。输出部95生成与CPU92中的运算结果相应的输出用的信号并将信息输出给电磁比例阀54～56和/或报知装置53，从而对液压执行机构4～7进行驱动·控制，并且/或者使车身1B、铲斗10及目标面等图像显示于作为报知装置53的监视器的显示画面上。需要说明的是，图3的控制操控部40具备ROM93及RAM94这样的半导体存储器来作为存储装置，但是只要是存储装置即是可代替的，也可以具备例如硬盘驱动器等磁存储装置。
图5是本发明的实施方式的控制操控部40的功能框图。控制操控部40具备作业机姿势运算部41、形状存储部42、目标动作运算部43、电磁比例阀控制部44、速度矢量运算部49、控制对象面选择部57以及限制值运算部58。有时将其中的速度矢量运算部49、限制值运算部58、目标动作运算部43以及电磁比例阀控制部44总称为“目标动作控制部60”。另外，在控制操控部40分别连接着作业机姿势检测装置50、目标面设定装置51、操作员操作检测装置52、报知装置53、电磁比例阀54～56。
作业机姿势检测装置50包括动臂角度传感器30、斗杆角度传感器31、铲斗角度传感器32以及车身倾斜角传感器33。
目标面设定装置51是能够输入输出与目标形状有关的信息(包括构成目标形状的各目标面及各拐点的位置信息、各目标面的倾斜角度信息)的接口。目标形状通过连结多个目标面而进行定义。在本实施方式中，设为相邻的2个目标面的倾斜角不同，将这2个目标面的连接点称为拐点。以下，有时将位于坡面的上端的拐点称为“坡顶”、将位于坡面的下端的拐点称为“坡底”。关于经由了目标面设定装置51的目标形状输入，可以操作员手动来进行，也可以经由网络等从外部获取。
另外，在目标面设定装置51连接有GNSS接收器等卫星通信天线(未图示)。在保存有全球坐标系上规定的目标形状的三维数据的外部终端与挖掘机能够进行数据通信的情况下，能够基于通过该卫星通信天线而特定了的挖掘机的全球坐标而在该外部终端的三维数据内探索并获取与挖掘机位置对应的目标形状。
操作员操作检测装置52由获取因操作员对操作杆1的操作而产生的操作压力的压力传感器70a、70b、71a、71b、72a、72b构成。能够根据压力传感器70、71、72的检测值而算出操作装置45a、45b、46a的操作量。能够根据该操作量、流量控制阀15a、15b、15c的特性、和液压泵2的容量(倾转角)及排出压力而算出各液压油缸5、6、7的工作速度。需要说明的是，由压力传感器70、71、72(先导压力)所进行的操作量的算出不过是一例而已，也可以通过例如对各操作装置45a、45b、46a的操作杆的旋转移位进行检测的位置传感器(例如旋转编码器)来检测该操作杆的操作量。另外，也可以取代根据操作量而算出工作速度的构成，而应用安装对各液压油缸5、6、7的伸缩量进行检测的行程传感器、并基于检测出的伸缩量的时间变化而算出各油缸的工作速度的构成。
报知装置53包括对操作员显示目标形状或控制对象面与作业机1A的位置关系的显示器(显示装置)和通过声音(也包括语音)向操作员通报目标形状或控制对象面与作业机1A的位置关系的扬声器中的至少一方。
电磁比例阀54～56设置于在图2中说明了的先导压力(操作压力)的液压管。其中的电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b可以在下游降低因操作员的杆操作而产生的操作压力。另外，电磁比例阀54a也可以在无操作员的杆操作的情况下产生操作压力。
作业机姿势运算部41基于来自作业机姿势检测装置50的信息而对作业机1A的姿势进行运算。作业机1A的姿势可以在图4的挖掘机基准坐标上进行定义。图4的挖掘机基准坐标为设定于上部回转体12的坐标，以能够转动地被支承于上部回转体12的动臂8的基底部为原点、将Z轴设定于上部回转体12中的铅垂方向、并将X轴设定于水平方向。将动臂8相对于X轴的倾斜角设为动臂角α、将斗杆9相对于动臂8的倾斜角设为斗杆角β、将铲斗爪尖相对于斗杆的倾斜角设为铲斗角γ。将车身1B(上部回转体12)相对于水平面(基准面)的倾斜角设为倾斜角θ。动臂角α由动臂角度传感器30来检测，斗杆角β由斗杆角度传感器31来检测，铲斗角γ由铲斗角度传感器32来检测，倾斜角θ由车身倾斜角传感器33来检测。当在图4中如规定的那样将动臂8、斗杆9、铲斗10的长度分别设为L1、L2、L3时，挖掘机基准坐标中的铲斗爪尖位置的坐标以及作业机1A的姿势能够由L1、L2、L3、α、β、γ来表达。
存储部42构成于ROM93内，基于来自目标面设定装置51的信息而存储有目标形状。在此，如图7所示，将用作业机1A移动的平面(作业机的工作平面)切断三维目标形状而得到的截面形状作为1个目标形状(二维目标形状)来利用。目标形状上的拐点按接近车身的顺序设为第1拐点、第2拐点、第3拐点、…、第i拐点(i＝1，2，3，…n)。目标面按接近车身的顺序设为由第1拐点和第2拐点构成的第1目标面、由第2拐点和第3拐点构成的第2目标面、…、由第i拐点和第i+1拐点构成的第i目标面(i＝1，2，3，…n-1)。
控制对象面选择部57基于来自作业机姿势运算部41的信息和存储部42所存储的目标形状的信息等，根据状况从构成目标形状的多个目标面之中选择一个适用于区域限制控制的目标面(控制对象面)。在此所选择的控制对象面以限制值运算部58为代表被输出给需要的部位。接着，利用图8对由控制对象面选择部57所实现的控制对象面的选择方法进行说明。
图8是本实施方式的控制对象面选择部57选择控制对象面的流程图。控制对象面选择部57在控制操控部40电源为接通、限制控制开关17接通(有效)的情况下，开始进行图8的流程图。
在步骤101中，进行目标形状上最接近铲斗爪尖的点是否是拐点的判定。在该判定中最接近铲斗爪尖的点不是拐点的情况下(即该判定为“否”的情况下)，向步骤102前进，将目标形状上最接近铲斗爪尖的目标面设为控制对象面。
另一方面，在步骤101的判定中最接近铲斗爪尖的点为拐点的情况下(即该判定为“是”的情况下)，在步骤103中，基于连接于该拐点的2个目标面中的、从速度矢量运算部49(在后叙述)输入的通过操作员操作而产生的铲斗爪尖的速度矢量相对于车身(液压挖掘机1)的方向，来决定控制对象面。具体而言，在图4的挖掘机基准坐标系中爪尖的速度矢量有接近车身的方向(D1)的分量的情况下，将2个目标面中接近车身的目标面设为控制对象面。相反地，在该坐标系中爪尖的速度矢量有从车身离开的方向(D2)的分量的情况下，将2个目标面中离车身远的目标面设为控制对象面。在该情况下，例如也可以，在该坐标系中提取爪尖的速度矢量的水平方向分量，在该水平方向分量接近车身的情况下将接近车身的目标面设为控制对象面，在该水平方向分量远离车身的情况下将离车身远的目标面设为控制对象面。需要说明的是，在此，也可以，代替通过操作员操作而产生的铲斗爪尖的速度矢量的水平方向分量，而利用由目标动作运算部43运算出的实际的铲斗爪尖的速度矢量的水平方向分量。另外，也可以，与后述的第二实施方式的图12的步骤210同样地，将连接于最近的拐点的2个目标面中的距铲斗爪尖的距离近的目标面设为控制对象面。
速度矢量运算部49基于来自作业机姿势运算部41的作业机1A的姿势及铲斗爪尖的位置、和以来自操作员操作检测装置52的输入为基准而算出的各油缸5、6、7的工作速度，对通过操作员操作而产生的铲斗10的爪尖的速度矢量进行运算。
限制值运算部58基于从铲斗10的爪尖到控制对象的目标面(控制对象面)为止的距离D来计算铲斗爪尖的速度矢量的垂直于控制对象面的分量的限制值a(以下，有时将垂直于控制对象面的分量简称为“垂直的分量”或“垂直分量”)。关于限制值a的计算，以定义了如图6所示那样的限制值a与距离D的关系的函数或表等的形式预先存储于控制操控部40的ROM93，适当地读出该关系并进行限制值a的计算。距离D能够根据由作业机姿势运算部41运算出的铲斗10的爪尖的位置(坐标)与存储部42所存储的控制对象面包括的直线的距离而算出。需要说明的是，限制值a与距离D的关系优选具有伴随距离D的增加而限制值a单调减小的特性，但是不限于图6所示的关系。例如，也可以使得距离D为正的规定值以上或负的规定值以下且限制值a被保持为个别的规定值，也可以以曲线来定义限制值a与距离D的关系。
在图6中，横轴示出铲斗爪尖距控制对象面的距离D，纵轴示出铲斗爪尖速度的垂直于控制对象面的分量的限制值a。在横轴的距离D为(+)的情况下，铲斗爪尖位于控制对象面的上方，在横轴的距离D为(-)的情况下，铲斗爪尖位于控制对象面的下方。在纵轴的限制值a为正的情况下，限制值a的方向成为铅垂向上，在纵轴的限制值a为负的情况下，限制值a的方向成为铅垂向下。该距离D与限制值a的关系设定为：在铲斗爪尖在控制对象面的上方时，将与该距离D成比例的大小的(－)方向的速度设为限制值a，在铲斗爪尖在控制对象面的下方时，将与该距离D成比例的大小的(+)方向的速度设为限制值a。
目标动作运算部43以按照从限制值运算部58输入的限制值a来控制铲斗爪尖的速度矢量的垂直分量的方式，来对各液压油缸5、6、7的目标动作进行运算。并且，在判定为以根据操作员操作检测装置52的输出运算出的操作量(先导压力)无法实现该目标动作的情况下，将把作用于流量控制阀15a、15b、15c的先导压力校正成能够该目标动作能够实现的值的指令输出给电磁比例阀控制部44。具体而言，本实施方式的目标动作运算部43如下记(a)-(d)那样对电磁比例阀控制部44输出指令。
(a)在爪尖在控制对象面的下方、且由速度矢量运算部49运算出的通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量朝下((－)方向)的情况下，将以使得进行使该铲斗爪尖速度的垂直分量成为限制值a(方向为朝上)的动臂上提动作的方式驱动电磁比例阀54a的指令输出给电磁比例阀控制部44。即，在该情况下作为铲斗爪尖速度的垂直分量，可采用限制值a。
(b)在爪尖在控制对象面的下方、且由速度矢量运算部49运算出的通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量朝上((+)方向)的情况下，在由速度矢量运算部49运算出的铲斗爪尖速度的垂直分量的大小不足限制值a的大小时，将以使得进行使该铲斗爪尖速度的垂直分量增速至限制值a的动臂上提动作的方式驱动电磁比例阀54a的指令输出给电磁比例阀控制部44。即，在该情况下，作为铲斗爪尖速度的垂直分量，可采用通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量和限制值a中绝对值大的一方。需要说明的是，也可以，追加使先导管145、146产生先导压力的已述的构成，向电磁比例阀控制部44输出在动臂上提动作的基础上还进行或者代替该动臂上提动作而进行增加铲斗爪尖速度的垂直分量的斗杆收回动作、斗杆翻卸动作、铲斗收回动作以及铲斗翻卸动作中的至少1个的指令。
(c)在爪尖在控制对象面的上方、且由速度矢量运算部49运算出的通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量朝下((－)方向)的情况下，在由速度矢量运算部49运算出的通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量的大小(绝对值)超过限制值a的大小(绝对值)时，将以使得进行使该铲斗爪尖速度的垂直分量减速至限制值a的动臂上提动作的方式驱动电磁比例阀54a的指令输出给电磁比例阀控制部44。即，在该情况下，作为铲斗爪尖速度的垂直分量，可采用通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量和限制值a中绝对值小的一方。
(d)在爪尖在控制对象面的上方、且由速度矢量运算部49运算出的通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量为朝上((+)方向)的情况下，为了进行操作员操作原样不变的动作，而将不驱动电磁比例阀54a的指令输出给电磁比例阀控制部44。即，在该情况下，作为铲斗爪尖速度的垂直分量，可采用通过操作员操作而产生的铲斗爪尖速度的垂直分量。
并且，在控制对象面上限制值a为零、通过目标动作运算部43和电磁比例阀控制部44的控制而将铲斗爪尖速度的垂直分量保持为零，因此若在控制对象面附近例如使斗杆9进行收回动作则可通过铲斗爪尖速度的水平分量来实现沿着控制对象面的挖掘动作。
需要说明的是，在爪尖在控制对象面的上方、从操作员发出了斗杆9的收回操作的情况下，为了提高挖掘精度，也可以通过电磁比例阀55根据需要使斗杆9的速度减速。另外，为了使铲斗10背面相对于控制对象面的角度成为固定值、整平作业变得容易，也可以控制电磁比例阀56而使铲斗10在翻卸方向上转动。
将如上所述那样相对于操作员对操作杆1的操作量自动或半自动地控制执行机构，使动臂8、斗杆9、铲斗10、上部回转体12这样的作业机工作的功能称为机器控制。区域限制控制为机器控制之一。
电磁比例阀控制部44基于来自目标动作运算部43的指令来对针对电磁比例阀54～56的指令进行运算。电磁比例阀54～56基于来自电磁比例阀控制部44的指令而被控制。从目标动作运算部43输出到电磁比例阀控制部44的指令中有例如动臂上提指令。动臂上提指令是在区域限制控制的执行时、在强制地使动臂8上升以使得铲斗10的爪尖的位置被保持于目标面上以及该目标面的上方的区域内时向电磁比例阀控制部44输出的指令。在被输入动臂上提指令时，电磁比例阀控制部44对电磁比例阀54a输出开阀指令(指令电流)，在电磁比例阀54a产生的液压油(以下称为2次压力)被供给到液压驱动部150a并驱动控制阀15a。由此，从液压泵2向动臂油缸5的缸底侧的液压室引导工作油、动臂8上升。此时的动臂8的上升速度(动臂上提速度)能够通过电磁比例阀54a的2次压力的值、即从电磁比例阀控制部44向电磁比例阀54a输出的指令来控制。
报知装置53基于来自目标动作运算部43的信息向操作员通报与机器控制相关联的各种信息。
接着，针对本实施方式的作业机械(液压挖掘机)的特征进行说明。在上述的实施方式中，在作业机械中具备：多关节型的作业机1A；驱动作业机1A的多个液压油缸(液压执行机构)5、6、7；对多个液压油缸5、6、7输出操作信号(先导压力)的操作装置45a、45b、46a；存储有通过连结多个目标面而被定义了的目标形状的存储部42；将在目标形状行最接近设定于作业机1A的前端部分的控制点(铲斗爪尖)的目标面设为控制对象面的控制对象面选择部57；以及在经由操作装置45a、45b、46a而从操作员输入了挖掘操作的情况下、控制多个液压油缸5、6、7以使得作业机1A的动作范围被限制于控制对象面上以及该控制对象面的上方的目标动作控制部60。
通过图9对由这样构成的作业机械所实现的效果进行说明。图9所示的目标形状通过连续的目标面A、B来定义，并示出液压挖掘机正在挖掘目标面A、B的状况。
首先，作为本实施方式的比较例，假定图9的液压挖掘机采用了从构成目标形状的多个目标面之中选择从铲斗爪尖起位于垂直方向上的或上或下的位置的目标面来作为控制选择面的控制的情况。并且，设为，在使铲斗爪尖位于目标面B的上方且使目标面B为控制对象面地正在执行基于区域限制控制的挖掘时，控制精度恶化而铲斗10的爪尖侵入到目标面B的下方。此时，在如图9所示那样目标面B相对于水平面的倾斜角度大的情况下，即使在向目标面B的侵入量比较少时铲斗爪尖也容易侵入至其他目标面A的下方。因此，在目标面B的挖掘过程中间控制对象面也很有可能变更成目标面。在图9的情况下，铲斗爪尖侵入至目标面A的下方，因此有违实际的作业和/或操作员的意思、控制对象面会变更成目标面A。并且，在该情况下，相对于目标面A的潜入量a比相对于目标面B的潜入量b大，因此会以比控制对象面为目标面B时大的限制值a强制地执行动臂上提。该动作给操作员带去很大的不适感。
与此相对，在本实施方式中，可通过控制对象面选择部57选择在目标形状上最接近铲斗爪尖的目标面来作为控制对象面。因此，在如图示那样以目标面B为控制对象面地正在执行基于区域限制控制的挖掘时，即使控制精度恶化而铲斗10的爪尖侵入到目标面B的下方，也可继续选择潜入量小的目标面B来作为控制对象面。因此，根据本实施方式，在连续地挖掘在倾斜角不同的多个目标面上定义出的目标形状的情况下，即使铲斗爪尖误侵入控制对象面的下方，也可选择适当的目标面来作为控制对象面，因此给操作员带去的不适感变小，另外，能够防止作业装置侵入目标面的下方。
然而，在最近铲斗爪尖的点为拐点的情况下，从铲斗爪尖到2个目标面的距离相等，所以通过基于上述的距离的方法无法决定控制对象面。因此，在本实施方式中，在最接近铲斗爪尖的点为拐点的情况下，基于连接于该拐点的2个目标面中通过操作员操作而产生铲斗爪尖的速度矢量相对于车身的方向来决定控制对象面(参照步骤103)。具体而言，如图17所示，由爪尖的速度矢量的水平分量的方向是接近车身的方向还是远离车身的方向来决定控制对象面。在图17中将纸面的左侧设为“接近车身的方向”，将右侧设为“远离车身的方向”。图17的A1、A2为铲斗爪尖位于目标形状(目标面)的上方的情形，B1、B2为铲斗爪尖位于目标形状的下方的情形。在A1、B1的情况下，爪尖的速度矢量的水平分量为接近车身的方向，因此跟前侧的目标面被设定为控制对象面。另一方面，在A2、B2的情况下，爪尖的速度矢量的水平分量为远离车身的方向，因此进深侧的目标面被设定为控制对象面。这样在本实施方式中选择处在铲斗爪尖的移动方向上的目标面来作为控制对象面，因此在最接近爪尖的点为拐点的情况下也连续地选择控制对象面能够实现区域限制控制的稳定化。
需要说明的是，在上文中为了使本实施方式的效果容易理解，举在倾斜角大的目标面上定义了目标形状的情况为例并进行了说明，但是通过将潜入量(从铲斗爪尖到目标面的距离)最浅的目标面设为控制对象从而选择最合适的目标面来作为控制对象面的这一效果，与倾斜角大小程度无关地得以发挥。
＜第二实施方式＞
在第一实施方式中，将区域限制控制的控制点(在通过限制值运算部58算出限制值a时被用作距离D的基准的点)设定成了某个特定的点(即铲斗前端)。在第二实施方式中，将根据状况从自通过工作平面而形成的作业机1A前端部分的截面形状的轮廓提取出的线段上适当地选择的点(能够在该线段上移动的点)用作控制点。以下有时将该线段称为“控制线”。
图10是本发明的实施方式的控制操控部40A的功能框图。控制操控部40A具备避让形状生成部59而作为与第一实施方式不同功能。并且，存储部42A、控制对象面选择部57A、速度矢量运算部49A、限制值运算部58A的功能不同于第一实施方式。对于这些部件以不同的部分为主进行说明。
在存储部42A存储有从通过工作平面而形成的作业机1A前端部分的截面形状的轮廓中提取出的控制线在挖掘机上的位置。在本实施方式中，作为该控制线利用了如图11所示那样连接铲斗10的前端和后端的线段。所谓铲斗10的后端是指铲斗10的平面部的前后方向上的端部中与铲斗前端(爪尖)相反的一侧的端部。以下有时将控制线称为“铲斗底面”，有时将在铲斗底面上确定的控制点称为“铲斗监视点”。
避让形状生成部59是将构成工作平面涉及的目标形状的多个目标面按规定量向下方避让并生成通过将该避让后的多个面(以下称为“选择基准面”)连接而得到的形状(避让形状)的部分。在制作选择基准面时对目标面进行避让的量能够根据在区域限制控制的精度恶化时爪尖以何种程度侵入目标面的下方而适当地变更，例如可以设定为数厘米的程度。在图11中示出避让形状及选择基准面和目标形状及目标面的概念图。在图11的例子中，避让形状的左右的端点与目标形状的左右的端点一致，相对于目标形状没有避让。不过，不限于此，避让形状的左右的端点与其他点同样地也可以设为从目标形状避让了的点。
由避让形状生成部59所生成的避让形状及选择基准面被输出给控制对象面选择部57A，在控制对象面的选择时被利用。
控制对象面选择部57A基于从作业机姿势运算部41输入的姿势信息、从存储部42输入的工作平面中的目标形状、以及从避让形状生成部59输入的避让形状等，一边按照规定的路径在铲斗底面上设定铲斗监视点一边从构成该目标形状的多个目标面中选择一个适于区域限制控制的控制对象面。
图12是本实施方式的控制对象面选择部57A选择控制对象面的流程图。控制对象面选择部57A在控制操控部40A的电源为接通、限制控制开关17为接通(有效)的情况下，开始进行图12的流程图。
首先，在步骤200中，避让形状生成部59生成针对该时间点的工作平面的避让形状。需要说明的是，避让形状也可以预先生成并保存于存储部42A并以在步骤200中从该存储部42A取入相应的避让形状的方式构成控制操控部40A。
在步骤215中，控制对象面选择部57A基于从作业机姿势运算部41输入的姿势信息、从存储部42输入的工作平面中的目标形状及控制线的信息、以及从避让形状生成部59输入的避让形状的信息，按照规定的路径在铲斗底面上设定铲斗监视点。在本实施方式中，作为从铲斗底面上确定铲斗监视点的路径，采用了在铲斗底面在避让形状的上方的情况下或在铲斗底面在避让形状的下方的情况下将在铲斗底面上离避让形状最近的点设为铲斗监视点、在铲斗底面与避让形状交叉的情况下将在铲斗底面上最大程度地侵入了避让形状的点设为铲斗监视点的路径。不过，对该路径没有限制，例如也可以构成为操作员能够从铲斗底面上任意地进行选择。
在步骤201中，控制对象面选择部57A判定铲斗底面(控制线)的一部分或全部是否在避让形状的下方。在此，在铲斗底面的一部分或全部不在避让形状的下方的情况下，向步骤202前进。
在步骤202中，进行在避让形状上最接近铲斗监视点的点是否为拐点(即某一选择基准面的端点)的判定。在此在避让形状上最接近铲斗监视点的点不是拐点、而是某一选择基准面的端点以外的点的情况下(即步骤202的判定为“否”的情况下)，向步骤203前进。
在步骤203中选择在避让形状上最接近铲斗监视点的选择基准面，向步骤213前进。
在步骤213中，控制对象面选择部57A将与通过刚才的处理(步骤203、208或210)选择的选择基准面对应的目标面设为控制对象面。
在步骤202中判定为在避让形状上最接近铲斗监视点的点为拐点的情况下(即步骤202的判定为“是”的情况下)，在步骤204中判定该拐点是否为坡顶。在该拐点不是坡顶的情况下向步骤203前进，在该拐点为坡顶的情况下向步骤205前进。
若对步骤205的状况进行图示则成为如图13那样。铲斗监视点为铲斗10的爪尖。此时，在避让形状上最接近铲斗监视点的点为第i拐点，因此不确定最接近铲斗监视点的选择基准面会成为第i-1选择基准面和第i选择基准面中的哪一个。因此，将通过与避让形状上的第i拐点对应的目标形状上的拐点(第i拐点)的假想的面设为控制对象面。在本实施方式中将该假想的面称为“中间目标面”。
在本实施方式中导入了中间目标面这一概念的原因为以下这样。在坡顶的周边，因铲斗监视点与目标形状的位置关系的微小差异而控制对象面陡然切换的情况并不少。目标控制面的陡然切换恐会对控制性能造成大的影响。但是，若如本实施方式那样设定中间目标面，则可抑制控制对象面的陡然切换因此能够使控制性能稳定。
需要说明的是，中间目标面的制作顺序优选预先确定，中间目标面的角度优选在连接于拐点(第i拐点)的2个目标面的角度的范围以内设定。例如有：将相对于此时的铲斗底面具有规定角度的面(例如与铲斗底面平行的面)设为中间目标面；预先确定了中间目标面的倾斜角；将具有连接于中间目标面所通过的拐点的2个目标面所成的角变得相等的那样的倾斜角度的面设为中间目标面；等等。
然而，在步骤201中判定为铲斗底面的一部分或全部在避让形状的下方的情况下，向步骤206前进。
在步骤206中，判定铲斗前端及后端是否在避让形状上或在避让形状的上方。在铲斗前端及后端不在避让形状上也不在避让形状的上方的情况下，向步骤207前进。
在步骤207中，进行在避让形状上最接近铲斗监视点的点是否为拐点的判定。在最接近铲斗监视点的点不是拐点、而使某一选择基准面的端点以外的点的情况下(即，该判定为“否”的情况下)，向步骤208前进。
在步骤208中，选择在避让形状上最接近铲斗监视点的选择基准面，该选择基准面在步骤213中成为控制对象面。
另一方面，在步骤207中判定为在避让形状上最接近铲斗监视点的点为拐点的情况下(即该判定为“是”的情况下)，向步骤209前进，判定在避让形状上最接近铲斗监视点的拐点是否为坡底。在该拐点为坡底的情况下向步骤210前进。
在步骤210中，选择连接于坡底的拐点的2个选择基准面中接近铲斗监视点的选择基准面。具体而言，如图14所示，将连接于坡底(拐点)的2个选择基准面A、B视为直线，算出从铲斗监视点到各选择基准面A、B的垂直距离，并选择该垂直距离近的选择基准面。因此，图14的情况下选择基准面A被选择。需要说明的是，在2个选择基准面A、B与铲斗监视点的距离相等的情况下，选择接近车身的选择基准面。在步骤210中选中的选择基准面在步骤213中成为控制对象面。
然而，在步骤206中判定为铲斗前端及后端在避让形状的上或在避让形状的上方的情况下，向步骤211前进。
步骤211的状况为铲斗前端及后端在避让形状的上或在避让形状的上方、铲斗底面的一部分在避让形状的下方的情况(即铲斗底面与避让形状交叉的情况)。此时，在步骤211中，从构成避让形状的多个拐点之中选择落到铲斗底面(控制线)上的垂线的垂足位于铲斗底面上、该垂线在比避让形状的靠下侧的位置且该垂线的长度为最大的拐点。例如，在图15的例子中，关于3个拐点A、B、C，落到铲斗底面上的垂线的垂足位于铲斗底面上。但是，关于拐点B，其垂线在避让形状的上方因此该拐点B不是选择对象。并且，选择剩余的2个拐点AA、C中的垂线的长度最大的拐点A。
接着在步骤212中，生成在与在步骤211中选择了的避让形状上的拐点对应的目标形状上的拐点通过的中间目标面，并将该中间目标面设为控制对象面。由此，可抑制坡顶附近处的控制对象面的陡然切换因此能够使控制性能稳定。
需要说明的是，为了帮助理解图12的流程图，在图16中示出了几个与步骤201及206中的判定结果相应的、铲斗底面和目标形状以及避让形状的位置关系的例子。
速度矢量运算部49A对通过操作员操作所实现的铲斗监视点的速度矢量进行运算。限制值运算部58A基于从铲斗监视点到控制对象面的距离D来计算铲斗监视点的速度矢量的垂直分量的限制值a。关于目标动作运算部43和电磁比例阀控制部44的功能，因为与第一实施方式相同所以省略说明。
通过设为上述那样的构成，从而即使在将连结铲斗前端和后端的线段(铲斗底面)上的点设为控制对象时，也能够选择适当的目标面来作为控制对象。
在基于铲斗底面(控制线)与目标形状的位置关系来变更铲斗监视点(控制点)的情况下，选择控制对象面的处理容易地变得复杂。但是，若如本实施方式那样基于避让形状与铲斗底面的位置关系来设定控制对象面，则即使在因控制误差等而铲斗爪尖侵入到目标形状的稍稍下方的情形(具体而言为向步骤202前进的情形、即铲斗底面与目标形状交叉但不与避让形状交叉的情形)下，也因为能够通过与铲斗底面在目标形状上时实质相同的控制来设定控制对象面所以能够使控制对象面的选择处理简略化。
另外，即使假设铲斗侵入直至铲斗底面与避让形状交叉或者位于避让形状的下方，也能够根据该侵入部位来选择适当的控制面。具体而言，在侵入到了坡顶的附近的情况下通过步骤212的处理、在侵入到了坡底的附近的情况下通过步骤210的处理、在侵入到了其他场所的情况下通过步骤208的处理，能够适当地设定控制面。
需要说明的是，本发明不限定于上述实施方式，包含不脱离其要旨的范围内的各种变形例。例如，本发明不限定于具备在上述实施方式中说明了的所有构成，也包含去除了该构成的一部分后的方式。另外，能够将某一实施方式的构成的一部分追加于另一实施方式的构成或置换成另一实施方式的构成。
例如，也可以，代替第一实施方式的步骤103的处理，在最接近铲斗爪尖的拐点为坡顶的情况下，执行制作通过该拐点的假想的面(上述的中间目标面)并将该假想的面设为控制对象面的处理。
另外，关于上述控制操控部40、40A涉及的各构成和/或该各构成的功能及执行处理等，也可以通过硬件(例如在集成电路中涉及执行各功能的逻辑等)来执行其一部分或全部。另外，上述控制操控部40、40A涉及的构成，也可以设为通过由运算处理装置(例如CPU)读出·执行而实现该控制操控部40、40A的构成涉及的各功能的程序(软件)。该程序涉及的信息例如能够存储于半导体存储器(闪存存储器、SSD等)、磁存储装置(硬盘驱动器等)以及存储介质(磁盘、光盘等)等。
【附图标记说明】
1A…前作业机、8…动臂、9…斗杆、10…铲斗、30…动臂角度传感器、31…斗杆角度、传感器、32…铲斗角度传感器、40，40A…控制操控部、41…作业机姿势运算部、42，42A…存储部、43…目标动作运算部、44…电磁比例阀控制部、45…操作装置(动臂、斗杆)、46…操作装置(铲斗、回转)、47…操作装置(行驶)、49，49A…速度矢量运算部、53…报知装置、54，55，56…电磁比例阀、57，57A…控制对象面选择部、58，58A…限制值运算部、59…避让形状生成部、60，60A…目标动作控制部

Claims (4)

1.一种作业机械，其特征在于，具备：
多关节型的作业机；
驱动所述作业机的多个液压执行机构；
操作装置，该操作装置对所述多个液压执行机构输出操作信号；
存储部，该存储部存储有通过将多个目标面连结而定义的目标形状；
控制对象面选择部，该控制对象面选择部将在所述目标形状上与控制点最接近的目标面设为控制对象面，所述控制点设定于所述作业机的前端部分；以及
目标动作控制部，该目标动作控制部在经由所述操作装置从操作员输入了挖掘操作的情况下，控制所述多个液压执行机构以使得所述控制点的动作范围被限制于所述控制对象面上以及所述控制对象面的上方，
所述控制对象面选择部，
在所述控制点位于所述目标形状上或者在所述目标形状的上方的情况下，判定在所述目标形状上最接近所述控制点的点是否为拐点，
在所述判定中判定为最接近所述控制点的点为拐点且所述拐点为坡顶时，将通过所述目标形状上的所述拐点的假想的面设为所述控制对象面。
2.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
还具备避让形状生成部，该避让形状生成部生成通过将构成所述目标形状的所述多个目标面向下方避让而成的多个选择基准面连接而得到的避让形状，
所述存储部存储设定有所述控制点的控制线，所述控制线是从所述作业机的前端部分的轮廓中提取而预先设定的线段，
在所述控制线的一部分位于所述避让形状的下方、且所述控制线的两端位于所述避让形状上或者所述避让形状的上方的情况下，所述控制对象面选择部从构成所述避让形状的多个拐点中，选择落到所述控制线上的垂线的垂足位于所述控制线上、该垂线位于所述避让形状的下方且该垂线的长度为最大的拐点，将在与该选择的拐点对应的所述目标形状上的拐点通过的假想的面设为所述控制对象面。
3.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
还具备避让形状生成部，该避让形状生成部生成通过将构成所述目标形状的所述多个目标面向下方避让而成的多个选择基准面连接而得到的避让形状，
所述存储部存储设定有所述控制点的控制线，所述控制线是从所述作业机的前端部分的轮廓中提取而预先设定的线段，
所述控制对象面选择部，
在所述控制线的一部分或全部位于所述避让形状的下方、且所述控制线的两端的至少一端位于所述避让形状的下方的情况，判定在所述避让形状上最接近所述控制点的点是否为拐点，
在所述判定中判定为最接近所述控制点的点为拐点且所述拐点为坡底时，将与连接于所述拐点的2个选择基准面中接近所述控制点的选择基准面对应的目标面设为所述控制对象面，
在所述判定中判定为最接近所述控制点的点为拐点且所述拐点不是坡底时、或者在所述判定中判定为最接近所述控制点的点不是拐点时，将与在所述避让形状上最接近所述控制点的选择基准面对应的目标面设为所述控制对象面。
4.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
还具备避让形状生成部，该避让形状生成部生成通过将构成所述目标形状的所述多个目标面向下方避让而成的多个选择基准面连接而得到的避让形状，
所述存储部存储设定有所述控制点的控制线，所述控制线是从所述作业机的前端部分的轮廓中提取而预先设定的线段，
所述控制对象面选择部，
在所述控制线的全部位于所述避让形状上或者所述避让形状的上方的情况下，判定在所述避让形状上最接近所述控制点的点是否为拐点，
在所述判定中判定为最接近所述控制点的点为拐点且所述拐点为坡顶时，将在与所述拐点对应的所述目标形状上的拐点通过的假想的面设为所述控制对象面，
在所述判定中判定为最接近所述控制点的点为拐点且所述拐点不是坡顶时、或者在所述判定中判定为最接近所述控制点的点不是拐点时，将与在所述避让形状上最接近所述控制点的选择基准面对应的目标面设为所述控制对象面。
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