CN109196169B - 工作装置控制装置以及作业机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工作装置控制装置以及作业机械。控制装置具有：铲斗位置确定部、目标施工线确定部、距离确定部、以及铲斗控制部。铲斗位置确定部确定铲斗的位置。目标施工线确定部确定表示工作装置进行挖掘的挖掘对象的目标形状的目标施工线。距离确定部确定铲斗与目标施工线的端部即基准位置的距离。铲斗控制部在铲斗与基准位置的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下，控制铲斗，以使铲斗的角度为恒定角度。

Description

工作装置控制装置以及作业机械

技术领域

本发明涉及工作装置控制装置以及作业机械。

本申请基于2016年11月30日在日本提交的第2016－233337号专利申请主张优先权，在此引用其内容。

背景技术

如专利文献1所公开的那样，已知一种为了进行直线挖掘而恒定地保持工作装置的角度的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开平3-66838号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

虽然利用专利文献1所述的技术，能够恒定地保持工作装置的角度，但为了恒定地保持工作装置的角度，需要进行开关操作。特别是在跨越施工面的角度发生变化的拐点(倾斜度不同的施工面彼此连接的点)等基准位置而形成多个施工面的情况下，驾驶员在中止通过开关操作保持工作装置的角度的控制而进行操作使工作装置为适当的角度之后，需要再次通过开关操作，启动保持工作装置的角度的控制。

本发明方式的目的在于提供一种工作装置控制装置以及作业机械，其在对施工面的角度发生变化的拐点等基准位置进行整形时，能够在没有驾驶员明确的操作下解除工作装置的角度的保持。

用于解决技术问题的技术方案

根据本发明的第一方式，工作装置控制装置是对包括铲斗的工作装置进行控制的工作装置控制装置，具有：铲斗位置确定部，其确定所述铲斗的位置；目标施工线确定部，其确定对所述工作装置进行的挖掘对象的目标形状加以表示的目标施工线；距离确定部，其确定所述铲斗与所述目标施工线中的基准位置的距离；铲斗控制部，其在所述铲斗与所述基准位置的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下，控制所述铲斗，以使所述铲斗的角度为恒定角度。

根据本发明的第二方式，作业机械具有：包括铲斗以及支承所述铲斗的小臂的工作装置、以及上述方式的工作装置控制装置。

发明的效果

根据上述方式之中至少一个方式，工作装置控制装置在对施工面的角度发生变化的拐点进行整形时，能够在没有驾驶员明确的操作下，解除铲斗的角度的保持。

附图说明

图1是表示第一实施方式的液压挖掘机的结构的立体图。

图2是表示第一实施方式的液压挖掘机的控制系统统的结构的概要方框图。

图3是表示工作装置的姿势的例子的图。

图4是表示第一实施方式的液压挖掘机的控制装置的结构的方框图。

图5是表示限制速度表的一个例子的图。

图6是表示第一实施方式的控制装置的动作的流程图。

图7是表示第一实施方式的铲斗控制判定处理的流程图。

图8是表示比较例的液压挖掘机的行为的例子的图。

图9是表示第一实施方式的液压挖掘机的行为的例子的图。

具体实施方式

〈第一实施方式〉

下面，参照附图，针对实施方式进行说明。

《液压挖掘机》

图1是表示第一实施方式的液压挖掘机的结构的立体图。在第一实施方式中，作为作业机械的一个例子，针对液压挖掘机100进行说明。需要说明的是，其它的实施方式的作业机械不一定是液压挖掘机100。

液压挖掘机100具有：利用液压进行工作的工作装置110、作为支承工作装置110的上部旋转体的车体120、以及作为支承车体120的下部行驶体的行驶装置130。

工作装置110具有：大臂111、小臂112、铲斗113、大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116。

大臂111是支持小臂112及铲斗113的支柱。大臂111的基端部经由销P1安装在车体120的前部。

小臂112连结大臂111与铲斗113。小臂112的基端部经由销P2安装在大臂111的前端部。

铲斗113具有用来挖掘沙土等的刃部、以及用来将挖掘的沙土进行运输的容器。铲斗113具有在刃部的后端侧延长的铲斗底面113A。铲斗113的基端部经由销P3安装在小臂112的前端部。

大臂液压缸114是用来使大臂111工作的液压缸。大臂液压缸114的基端部安装在车体120。大臂液压缸114的前端部安装于大臂111。

小臂液压缸115是用来驱动小臂112的液压缸。小臂液压缸115的基端部安装于大臂111。小臂液压缸115的前端部安装于小臂112。

铲斗液压缸116是用来驱动铲斗113的液压缸。铲斗液压缸116的基端部安装于小臂112。铲斗液压缸116的前端部安装于铲斗113。

车体120具有操作人员所搭乘的驾驶室121。驾驶室121在车体120的前方且工作装置110的左侧进行配置。在第一实施方式中，以驾驶室121为基准，将前后方向定义为+Y方向及－Y方向，将左右方向定义为－X方向及+X方向，将上下方向定义为+Z方向及－Z方向。在驾驶室121的内部设有用来操作工作装置110的操作装置1211。根据操作装置1211的操作量，向大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116供给工作油。

《液压挖掘机的控制系统》

图2是表示第一实施方式的液压挖掘机的控制系统的结构的概要方框图。

液压挖掘机100具有：行程检测器117、操作装置1211、位置检测器122、方位运算器123、以及倾斜检测器124。

行程检测器117检测大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116各自的行程长度。由此，后面叙述的控制装置126可以基于大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116各自的行程长度，检测工作装置110的姿势角。即，在第一实施方式中，行程检测器117是检测工作装置110的姿势角的装置的一个例子。另一方面，在其它的实施方式中，不限于此，作为检测工作装置110的姿势角的装置，也可以使用旋转编码器或水平器等角度检测器来取代行程检测器117或者与行程检测器117合用。

操作装置1211具有：在驾驶室121的右侧设置的右侧操作杆1212、以及在驾驶室121的左侧设置的左侧操作杆1213。操作装置1211检测右侧操作杆1212的前后方向及左右方向的操作量、以及左侧操作杆1213的前后方向及左右方向的操作量，将与检测出的操作量对应的操作信号向控制装置126输出。通过第一实施方式的操作装置1211生成操作信号的方式为PPC方式。所谓PPC方式，是利用压力传感器检测通过右侧操作杆1212及左侧操作杆1213的操作而生成的先导液压并生成操作信号的方式。

具体而言，右侧操作杆1212的前方向的操作与大臂液压缸114退缩、大臂111下降的动作的指令相对应。右侧操作杆1212的后方向的操作与大臂液压缸114伸长、大臂111提升的动作的指令相对应。右侧操作杆1212的右方向的操作与铲斗液压缸116退缩、铲斗113倾倒的指令相对应。右侧操作杆1212的左方向的操作与铲斗液压缸116伸长、铲斗113挖掘的指令相对应。左侧操作杆1213的前方向的操作与小臂液压缸115伸长、小臂112挖掘的指令相对应。

左侧操作杆1213的后方向的操作与小臂液压缸115退缩、小臂112倾倒的指令相对应。左侧操作杆1213的右方向的操作与车体120右转的指令相对应。左侧操作杆1213的左方向的操作与车体120左转的指令相对应。

位置检测器122检测车体120的位置。位置检测器122具有从构成GNSS(GlobalNavigation Satellite System：全球导航卫星系统)的人造卫星接收定位信号的第一接收器1231。位置检测器122基于第一接收器1231接收到的定位信号，检测全球坐标系中车体120的代表点的位置。所谓全球坐标系，是以地面上规定的点(例如，在施工现场设置的GNSS基站的位置)为基准点的坐标系。作为GNSS的一个例子，可以举出GPS(Global PositioningSystem：全球定位系统)的例子。

方位运算器123对车体120的朝向方位进行运算。方位运算器123具有从构成GNSS的人造卫星接收定位信号的第一接收器1231及第二接收器1232。第一接收器1231及第二接收器1232分别设置在车体120的不同位置。方位运算器123利用第一接收器1231接收到的定位信号、以及第二接收器1232接收到的定位信号，作为第二接收器1232的设置位置相对于检测出的第一接收器1231的设置位置的关系，对车体120的方位进行运算。

倾斜检测器124对车体120的加速度及角速度进行测量，基于测量结果，对车体120的倾斜度(例如，表示相对于X轴的旋转的仰俯、表示相对于Y轴的旋转的摇摆、以及表示相对于Z轴的旋转的滚动)进行检测。倾斜检测器124例如在驾驶室121的下表面设置。倾斜检测器124例如可以使用作为惯性测量装置的IMU(Inertial Measurement Unit)。

液压装置125具有：工作油箱、液压泵、流量控制阀、以及电磁比例控制阀。液压泵由未图示的发动机的动力进行驱动，经由流量调节阀，向大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116供给工作油。电磁比例控制阀基于从控制装置126接收的控制指令，限制由操作装置1211供给的先导液压。流量控制阀具有杆状滑阀，利用滑阀的位置调节向大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116供给的工作油的流量。滑阀利用由电磁比例控制阀调节的先导液压进行驱动。在与铲斗液压缸116连接油路上，与限制先导液压的电磁比例控制阀并列地设有限制液压泵供给的原始压力的电磁比例控制阀。由此，液压挖掘机100能够按照高于由操作装置1211生成的先导液压的液压，驱动铲斗液压缸116。

控制装置126具有：处理器910、主内存920、存储器930、以及接口940。

在存储器930中存储用来控制工作装置110的程序。作为存储器930的例子，可以举例出HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)、非易失性内存等。存储器930可以是与控制装置126的总线直接连接的内部媒介，也可以是经由接口940或通信线路而与控制装置126连接的外部媒介。

处理器910从存储器930读取程序，在主内存920中展开，依照程序执行处理。另外，处理器910依照程序，在主内存920中确保存储区域。接口940与行程检测器117、操作装置1211、位置检测器122、方位运算器123、倾斜检测器124、液压装置125的电磁比例控制阀、及其它的周边设备连接，进行信号的发送与接收。

程序可以用来实现控制装置126发挥的一部分功能。例如，程序可以通过与在存储器930中已存储的其它程序组合、或者在其它装置中安装的其它程序组合来发挥作用。

控制装置126通过执行程序，基于位置检测器122检测出的位置、方位运算器123检测出的方位、倾斜检测器124检测出的车体120的倾斜角、以及行程检测器117检测出的行程长度，确定铲斗113的位置。另外，控制装置126基于确定的铲斗113的位置以及操作装置1211的操作量，向液压装置125的电磁比例控制阀输出大臂液压缸114的控制指令、小臂液压缸115的控制指令、以及铲斗液压缸116的控制指令。

《工作装置的姿势》

图3是表示工作装置的姿势的例子的图。

控制装置126算出工作装置110的姿势，并基于该姿势，生成工作装置110的控制指令。具体而言，控制装置126算出大臂111的姿势角α、小臂112的姿势角β、铲斗113的姿势角γ、以及铲斗113的轮廓点的位置，作为工作装置110的姿势。

大臂111的姿势角α由从销P1在车体120的上方向(+Z方向)延伸的射线与从销P1向销P2延伸的射线形成的角来表示。需要说明的是，由于车体120的倾斜度(仰俯角)θ，车体120的上方向与铅垂上方向不一定一致。

小臂112的姿势角β由从销P1向销P2延伸的射线与从销P2向销P3延伸的射线形成的角来表示。

铲斗113的姿势角γ由从销P2向销P3延伸的射线与从销P3向铲斗113的刃尖E延伸的射线形成的角来表示。

在此，将大臂111的姿势角α、小臂112的姿势角β、以及铲斗113的姿势角γ之和称为工作装置110的姿势角η。工作装置110的姿势角η与从销P3在车体120的上方向(+Z方向)延伸的射线和从销P3向铲斗113的刃尖E延伸的射线形成的角相等。

另外，将与铲斗底面113A正交、且向上表面侧延伸的向量称为底面法线向量Nb。底面法线向量Nb的方向由于工作装置110的姿势角η而发生变化。

铲斗113的轮廓点的位置根据大臂111的尺寸L1、小臂112的尺寸L2、铲斗113的尺寸L3、大臂111的姿势角α、小臂112的姿势角β、铲斗113的姿势角γ、铲斗113的轮廓形状、车体120的代表点O的位置、以及代表点O与销P1的位置关系来求出。大臂111的尺寸L1为销P1至销P2的距离。小臂112的尺寸L2为销P2至销P3的距离。铲斗113的尺寸L3为销P3至刃尖E的距离。代表点O与销P1的位置关系例如由以代表点O为基准的销P1的X坐标位置、Y坐标位置、以及Z坐标位置来表示。另外，代表点O与销P1的位置关系例如也可以由代表点O至销P1的距离、代表点O向销P1延伸的射线的X轴向的倾斜度、以及代表点O向销P1延伸的射线的Y轴向的倾斜度来表示。

《液压挖掘机的控制装置》

图4是表示第一实施方式的液压挖掘机的控制装置的结构的方框图。

控制装置126具有：作业机械信息存储部200、操作量取得部201、检测信息取得部202、姿势确定部203、目标施工数据存储部204、目标施工线确定部205、距离确定部206、目标速度决定部207、工作装置控制部208、铲斗控制部209、目标角度存储部210、以及控制指令输出部211。

作业机械信息存储部200对大臂111的尺寸L1、小臂112的尺寸L2、铲斗113的尺寸L3、铲斗113的轮廓形状、以及车体120的代表点O的位置与销P1的位置关系进行存储。

操作量取得部201从操作装置1211取得表示操作量(先导液压或电动杆的角度)的操作信号。具体而言，操作量取得部201取得大臂111的操作量、小臂112的操作量、铲斗113的操作量、以及转动的操作量。

检测信息取得部202取得位置检测器122、方位运算器123、倾斜检测器124、行程检测器117各自检测出的信息。具体而言，检测信息取得部202取得车体120在全球坐标系中的位置信息、车体120的朝向方位、车体120的倾斜度、大臂液压缸114的行程长度、小臂液压缸115的行程长度、以及铲斗液压缸116的行程长度。

姿势确定部203基于检测信息取得部202取得的信息，确定工作装置110的姿势角η。具体而言，姿势确定部203按照下面的流程确定工作装置110的姿势角η。姿势确定部203根据大臂液压缸114的行程长度，算出大臂111的姿势角α。姿势确定部203根据小臂液压缸115的行程长度，算出小臂112的姿势角β。姿势确定部203根据铲斗液压缸116的行程长度，算出铲斗113的姿势角γ。

另外，姿势确定部203基于算出的姿势角，求出底面法线向量Nb。具体而言，姿势确定部203按照下面的流程求出底面法线向量Nb。姿势确定部203基于由姿势角α、β、γ之和表示的工作装置110的姿势角η、以及作业机械信息存储部200存储的铲斗113的轮廓形状，确定铲斗底面113A(比底面的曲面部更靠近刃尖E侧)的任意三点(点A、点B、点C)的相对位置关系。其中点A及点B可以为铲斗113的刃尖E两端的点。姿势确定部203根据确定的三点生成两个向量。例如，姿势确定部203生成从点A朝向点B的向量、以及从点A朝向点C的向量。姿势确定部203使生成的两个向量的外积为底面法线向量Nb。另外，姿势确定部203也可以基于确定的铲斗底面113A的角度，求出底面法线向量Nb，该铲斗底面113A的角度基于工作装置110的姿势角η与铲斗刀尖角(连结销P3和铲斗113的刃尖E的线段与铲斗底面113A形成的角)而进行确定。姿势确定部203是确定铲斗113的角度的铲斗姿势确定部的一个例子。

另外，姿势确定部203基于算出的姿势角、检测信息取得部202取得的信息、以及作业机械信息存储部200存储的信息，针对铲斗113的多个轮廓点确定在全球坐标系中的位置。铲斗113的轮廓点包括：铲斗113的刃尖E的宽度方向(X方向)的多个点、以及底板的宽度方向的多个点。具体而言，姿势确定部203根据大臂111的姿势角α、小臂112的姿势角β、铲斗113的姿势角γ、大臂111的尺寸L1、小臂112的尺寸L2、铲斗的尺寸L3、铲斗113的轮廓形状、代表点O与销P1的位置关系、车体120的代表点O的位置、车体120的朝向方位、以及车体120的倾斜度θ，确定全球坐标系中铲斗113的轮廓点的位置。

目标施工数据存储部204存储表示施工现场的挖掘对象的目标形状的目标施工数据。目标施工数据是以全球坐标系表示的三维数据，是由表示目标施工面的多个三角多边形形成的立体地形数据等。构成目标施工数据的三角多边形具有与分别相邻的其它三角多边形共享的边。也就是说，目标施工数据表示由多个平面构成的连续的平面。目标施工数据通过从外部存储媒介读入、或者经由网络而从外部服务器接收，存储在目标施工数据存储部204中。

目标施工线确定部205基于目标施工数据存储部204存储的目标施工数据、以及姿势确定部203确定的铲斗113的轮廓点的位置，确定目标施工线。所谓目标施工线，由铲斗113的驱动面(通过铲斗113且与X轴正交的面)与目标施工数据的交线来表示。具体而言，目标施工线确定部205按照下面的流程确定目标施工线。

目标施工线确定部205确定铲斗113的轮廓点之中位于最下方的点(高度最低的点)。目标施工线确定部205对位于根据目标施工数据确定的轮廓点的铅垂下方的目标施工面进行确定。由目标施工线确定部205规定的目标施工面也可以是确定位于相对于铲斗113的最短距离的目标施工面的方法等。

接着，目标施工线确定部205算出通过确定的轮廓点和目标施工面的铲斗113的驱动面与目标施工数据的交线，作为目标施工线。在目标施工数据在铲斗113的驱动面上具有拐点的情况下，算出多个目标施工线。

目标施工线确定部205是确定工作装置110的控制基准的控制基准确定部的一个例子。

另外，目标施工线确定部205确定与铲斗113最接近的目标施工面(对象面)的法线向量(施工面法线向量Nt)。目标施工线确定部205对于铲斗113的轮廓点之中的一点，确定位于最接近的目标施工面的面。目标施工线确定部205以同样的方法，对于多个轮廓点，确定各自最接近的面。目标施工线确定部205确定其中最短的目标施工面，作为对象面。施工面法线向量Nt在以X轴、Y轴以及Z轴表示的液压挖掘机100的本地坐标系中进行表示。施工面法线向量Nt为与对象面正交、并向地面上侧延伸的向量。具体而言，目标施工线确定部205按照下面的流程求出施工面法线向量Nt。接着，目标施工线确定部205通过使表示确定的对象面的三角多边形只旋转检测信息取得部202取得的车体的倾斜度，将表示对象面的三角多边形变换为本地坐标系。

目标施工线确定部205由变换为本地坐标系的三角多边形的各顶点(点D、点E、点F)生成两个向量。例如，姿势确定部203生成从点D向点E的向量、以及从点D向点F的向量。姿势确定部203使生成的两个向量的外积为施工面法线向量Nt。另外，目标施工线确定部205确定多个目标施工线之中与对象面一致的目标施工线作为对象线。由目标施工线确定部205算出的对象线不但可作为线段，也可以以具有宽度的地形形状进行规定。需要说明的是，在其它的实施方式中，目标施工线确定部205也可以使对象线只旋转车体的倾斜度，使与该线段正交且向地面上侧延伸的向量为施工面法线向量Nt。

距离确定部206对铲斗113与对象线(挖掘对象位置)的距离、以及铲斗113与对象线的Y轴向的端部即拐点的距离进行确定。需要说明的是，本实施方式的“拐点”是指目标施工面的角度发生变化的点、即倾斜度不同的施工面彼此连接的点，表示与几何学上切换曲率的正负的点不同的点。

目标速度决定部207基于操作量取得部201取得的右侧操作杆1212的前后方向的操作量，决定大臂111的目标速度。目标速度决定部207基于操作量取得部201取得的左侧操作杆1213的前后方向的操作量，决定小臂112的目标速度。目标速度决定部207基于操作量取得部201取得的右侧操作杆1212的左右方向的操作量，决定铲斗113的目标速度。

工作装置控制部208基于距离确定部206确定的铲斗113与挖掘对象位置的距离，进行控制工作装置110的工作装置控制，以使铲斗113不向目标施工线的更下方侵入。第一实施方式的工作装置控制是为了使铲斗113不向目标施工线的更下方侵入而决定大臂111的限制速度、并生成大臂111的控制指令的控制。具体而言，工作装置控制部208利用表示铲斗113和挖掘对象位置之间的距离与工作装置110的限制速度的关系的限制速度表，决定大臂111的铅垂方向的限制速度。

图5是表示限制速度表的一个例子的图。如图5所示，根据限制速度表，在铲斗113与挖掘对象位置的距离为0时，工作装置110的铅垂方向分量的速度为0。在限制速度表中，在铲斗113的最低点位于目标施工线的上方时，铲斗113与挖掘对象位置的距离作为正值来表示。另一方面，在铲斗113的最低点位于目标施工线的下方时，铲斗113与挖掘对象位置的距离作为负值来表示。另外，在限制速度表中，使铲斗113向上方移动时的速度作为正值来表示。在铲斗113与挖掘对象位置的距离为正值、即在工作装置控制阈值th以下的情况下，基于铲斗113与目标施工线的距离，规定工作装置110的限制速度。在铲斗113与挖掘对象位置的距离为工作装置控制阈值th以上时，工作装置110的限制速度的绝对值是比工作装置110的目标速度的最大值大的值。也就是说，在铲斗113与挖掘对象位置的距离为工作装置控制阈值th以上的情况下，因为工作装置110的目标速度的绝对值始终比限制速度的绝对值小，所以大臂111始终以目标速度进行驱动。

工作装置控制部208在限制速度的绝对值小于大臂111、小臂112、以及铲斗113的目标速度的铅垂方向分量之和的绝对值的情况下，从限制速度中减去小臂112的目标速度的铅垂方向分量与铲斗113的目标速度的铅垂方向分量，由此算出大臂111的铅垂方向的限制速度。工作装置控制部208根据大臂111的铅垂方向的限制速度，算出大臂111的限制速度。

另外，工作装置控制部208在距离确定部206确定的拐点与铲斗113的距离不足小臂限制阈值、且对操作装置1211进行的小臂112的操作(例如挖掘的操作)继续的情况下，限制小臂112的速度。

铲斗控制部209在已满足铲斗控制开始条件时，开始控制铲斗113的铲斗控制，以使铲斗底面113A与对象线的角度之差为恒定角度。铲斗底面113A和对象线的角度之差与底面法线向量Nb和施工面法线向量Nt形成的角φ相等。铲斗控制部209在已满足铲斗控制开始条件时，将底面法线向量Nb与施工面法线向量Nt形成的角φ作为目标角度，存储在目标角度存储部210中。

铲斗控制部209基于大臂111及小臂112的速度，决定铲斗113的控制速度。大臂111及小臂112的速度利用行程检测器117检测出的单位时间的行程长度来求出。第一实施方式的铲斗控制开始条件是指铲斗113与挖掘对象位置的距离不足铲斗控制开始阈值、且铲斗113的操作量不足规定的阈值(相当于操作装置1211的游隙程度的角度)、且工作装置控制正在执行这样的条件。

铲斗控制部209在已满足铲斗控制结束条件时，结束铲斗控制。第一实施方式的铲斗控制结束条件是指铲斗113与挖掘对象位置的距离为铲斗控制结束阈值以上(第一结束条件)、或铲斗113的操作量为规定的阈值以上(第二结束条件)、或不执行工作装置控制(第三结束条件)这样的条件。

另外，铲斗控制部209在铲斗113与拐点的距离不足铲斗控制限制阈值(第一中止条件)、且该拐点的角度(对象线和与对象线相接的其它目标施工线形成的角)超过规定范围(第二中止条件)的情况下，临时中止铲斗控制，直至铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以上。需要说明的是，拐点的角度的范围为包括180度的范围(例如175度至185度的范围)。铲斗控制部209在铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以上时，再次启动铲斗控制。此时，铲斗控制部209不再设定目标角度存储部210存储的目标角度。也就是说，当铲斗控制部209再次启动铲斗控制时，控制铲斗113的姿势，以使铲斗底面113A与对象面的角度之差为铲斗控制中止前的目标角度。

目标角度存储部210存储底面法线向量Nb与施工面法线向量Nt形成的角φ的目标角度。

控制指令输出部211将工作装置控制部208生成的大臂111的控制指令以及小臂112的控制指令向液压装置125的电磁比例控制阀输出。控制指令输出部211将铲斗控制部209生成的铲斗113的控制指令向液压装置125的电磁比例控制阀输出。

《动作》

在此，针对通过第一实施方式的控制装置126进行的液压挖掘机100的控制方法进行说明。

图6是表示第一实施方式的控制装置的动作的流程图。控制装置126每隔规定的控制周期，执行如下所示的控制。

操作量取得部201从操作装置1211取得大臂111的操作量、小臂112的操作量、铲斗113的操作量、以及转动的操作量(步骤S1)。检测信息取得部202取得位置检测器122、方位运算器123、倾斜检测器124、行程检测器117各自检测出的信息(步骤S2)。

姿势确定部203根据各液压缸的行程长度，算出大臂111的姿势角α、小臂112的姿势角β、以及铲斗113的姿势角γ(步骤S3)。姿势确定部203基于算出的姿势角α、β、γ、作业机械信息存储部200存储的大臂111的尺寸L1、小臂112的尺寸L2、铲斗113的尺寸L3、铲斗113的形状、大臂111的位置、以及检测信息取得部202取得的车体120的位置、方位及倾斜度，算出全球坐标系中铲斗113的轮廓点的位置(步骤S4)。另外，姿势确定部203基于铲斗113的轮廓点的位置，算出底面法线向量Nb(步骤S5)。

目标施工线确定部205在铲斗113的轮廓点之中确定全球坐标系中的位置位于最下方的点(步骤S6)。目标施工线确定部205对位于确定的轮廓点的铅垂下方的目标施工面进行确定(步骤S7)。目标施工线确定部205算出通过确定的轮廓点和目标施工面的铲斗113的驱动面与目标施工数据的交线作为目标施工线(步骤S8)。接着，目标施工线确定部205确定构成目标施工数据的目标施工面之中最接近铲斗113的面作为对象面。目标施工线确定部205算出确定的对象面的施工面法线向量Nt(步骤S9)。接着，距离确定部206根据对象面与目标施工线，求出对象线(步骤S10)。距离确定部206确定铲斗113与对象线的距离、以及铲斗113与对象线的拐点的距离(步骤S11)。此时，距离确定部206确定位于+Y方向侧的拐点与铲斗113的距离、以及位于－Y方向侧的拐点与铲斗113的距离之中至少短的一方。目标速度决定部207基于在步骤S1中操作量取得部201取得的操作量，算出大臂111、小臂112以及铲斗113的目标速度(步骤S12)。

接着，工作装置控制部208依照图5所示的表，对与距离确定部206确定的铲斗113和挖掘对象位置的距离相关的工作装置110的限制速度进行确定(步骤S13)。接着，工作装置控制部208基于小臂112及铲斗113的目标速度、以及工作装置110的限制速度，算出大臂111的限制速度(步骤S14)。工作装置控制部208基于工作装置控制部208生成的大臂111的限制速度，生成大臂111的控制指令及铲斗113的控制指令(步骤S15)。

当工作装置控制部208生成大臂111的控制指令时，铲斗控制部209进行如下所示的铲斗控制的判定(步骤S16)。图7是表示第一实施方式的铲斗控制判定处理的流程图。

铲斗控制部209基于在步骤S11中距离确定部206确定的铲斗113与对象线的距离、以及在步骤S1中操作量取得部201取得的操作量，判定液压挖掘机100的状态是否已从未满足铲斗控制开始条件的状态向满足该条件的状态过渡(步骤S31)。在液压挖掘机100的状态已从未满足铲斗控制开始条件的状态向满足该条件的状态过渡的情况下(步骤S31：YES)，铲斗控制部209算出在步骤S5中姿势确定部203确定的底面法线向量Nb与在步骤S8中目标施工线确定部205确定的施工面法线向量Nt形成的角φ作为目标角度(步骤S32)。铲斗控制部209使目标角度存储在目标角度存储部210中(步骤S33)。而且，铲斗控制部209使铲斗控制有效(步骤S34)。也就是说，铲斗控制部209在已满足铲斗控制开始条件之后，决定铲斗113的控制速度，以使铲斗底面113A和对象面的角度之差与目标角度存储部210存储的目标角度一致。

另一方面，在液压挖掘机100的状态处于未满足铲斗控制开始条件的状态的情况下、或者在已经满足该条件的情况下(步骤S31：NO)，铲斗控制部209判定液压挖掘机100的状态是否已从未满足铲斗控制结束条件的状态向满足该条件的状态过渡(步骤S35)。在液压挖掘机100的状态已从未满足铲斗控制结束条件的状态向满足该条件的状态过渡的情况下(步骤S35：YES)，铲斗控制部209使铲斗控制无效(步骤S36)。也就是说，铲斗控制部209在已满足铲斗控制结束条件之后，不决定铲斗113的控制速度。

在使铲斗控制有效的情况下、使铲斗控制无效的情况下、或者不存在从铲斗控制开始条件的不足向充足的过渡以及从铲斗控制结束条件的不足向充足的过渡的情况下(步骤S35：NO)，铲斗控制部209判定铲斗控制是否有效(步骤S37)。在铲斗控制无效的情况下(步骤S37：NO)，铲斗控制部209不用算出铲斗113的控制速度，而是结束铲斗控制处理。另一方面，在铲斗控制有效的情况下(步骤S37：YES)，铲斗控制部209判定最接近铲斗113的拐点的角度(对象线和与对象线相接的其它目标设计线形成的角)是否在规定范围以内(步骤S38)。拐点的角度的范围为包括180度的范围(例如175度至185度的范围)。在拐点的角度超过规定范围的情况下(步骤S38：NO)，铲斗控制部209判定距离确定部206确定的铲斗113与拐点的距离是否不足铲斗控制限制阈值(步骤S39)。

在拐点的角度为规定范围以内的情况(步骤S38：YES)、或铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下(步骤S39：NO)，铲斗控制部209基于大臂111及小臂112的速度，算出大臂111的姿势角的变化量Δα、以及小臂112的姿势角的变化量Δβ(步骤S40)。另外，铲斗控制部209算出在步骤S5中姿势确定部203确定的底面法线向量Nb与在步骤S8中目标施工线确定部205确定的施工面法线向量Nt形成的角φ(步骤S41)。接着，铲斗控制部209从目标角度存储部210存储的目标角度中减去在步骤S41中算出的角φ、变化量Δα以及变化量Δβ，由此，算出铲斗113的姿势角的变化量Δγ(步骤S42)。铲斗控制部209将变化量Δγ变换为速度，由此，算出铲斗113的控制速度(步骤S43)。而且，铲斗控制部209基于铲斗113的控制速度，生成铲斗113的控制指令(步骤S44)，结束铲斗控制处理。

另一方面，在拐点的角度超过规定范围、且铲斗113与拐点的距离不足铲斗控制限制阈值的情况下(步骤S39：YES)，铲斗控制部209不用算出铲斗113的控制速度。接着，工作装置控制部208判定铲斗113与拐点的距离是否不足小臂限制阈值(步骤S45)。在铲斗113与拐点的距离不足小臂限制阈值的情况下(步骤S45：YES)，工作装置控制部208基于操作量取得部201取得的小臂112的操作量，判定小臂112向超过拐点的方向的操作是否继续(步骤S46)。小臂112的操作的继续，是指在铲斗113与拐点的距离低于小臂限制阈值的时间点之后，操作装置1211的小臂112的操作量未变为0。因此，在铲斗113与拐点的距离低于小臂限制阈值的时间点之后，在操作装置1211的小臂112的操作量为0之后，判定小臂112的操作没有继续。另外，作为小臂112向超过拐点的方向的操作的一个例子，可以举例出在最接近铲斗113的拐点位于操作装置1211的倾倒方向(与车体120分离的方向)的情况下小臂112的倾倒操作(使小臂液压缸115收缩的操作)、在最接近铲斗113的拐点位于操作装置1211的挖掘方向(靠近车体120的方向)的情况下小臂112的挖掘操作(使小臂液压缸115伸长的操作)。

在小臂112向超过拐点的方向的操作继续的情况下(步骤S46：YES)，工作装置控制部208生成限制小臂112速度的控制指令(步骤S47)，结束铲斗控制处理。另一方面，在铲斗113与拐点的距离为小臂限制阈值以上的情况(步骤S45：NO)、或小臂112的操作没有继续的情况下(步骤S46：NO)，控制装置126不限制小臂112的速度，结束铲斗控制处理。

当控制装置126结束铲斗控制处理时，将工作装置控制部208生成的大臂111的控制指令及小臂112的控制指令、以及铲斗控制部209生成的铲斗113的控制指令向液压装置125的电磁比例控制阀输出(步骤S17)。

以上述方式，液压装置125驱动大臂液压缸114、小臂液压缸115、以及铲斗液压缸116。需要说明的是，在铲斗控制无效的情况下、或者铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以下的情况下，铲斗113的控制指令不向电磁比例控制阀输出。在该情况下，电磁比例控制阀为容许先导液压通过的打开状态，液压装置125基于操作装置1211生成的先导液压，驱动铲斗液压缸116。

《作用/效果》

这样，根据第一实施方式，控制装置126控制铲斗113(进行铲斗控制)，以使铲斗底面113A的角度与目标施工面的角度之差为恒定角度。而且，控制装置126在铲斗113与拐点的距离不足铲斗控制限制阈值的情况下，中止铲斗控制，在铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下，再次启动铲斗控制。由此，在铲斗113接近拐点时，控制装置126自动解除铲斗113的角度的保持。因此，控制装置126在进行拐点整形时，能够在没有驾驶员明确的操作下，解除铲斗113的角度的保持。在此，针对利用第一实施方式解除铲斗113的角度的保持的优点进行说明。

图8是表示比较例的液压挖掘机的行为的例子的图。在图8所示的例子中，在时刻T1，铲斗113位于目标施工面G1上且从拐点离开铲斗控制限制阈值以上的点。之后，小臂112在挖掘方向上驱动，越过连接目标施工面G1与目标施工面G2的拐点。在时刻T2，铲斗113位于目标施工面G2上且铲斗113与拐点的距离不足铲斗控制限制阈值的点。需要说明的是，比较例的液压挖掘机不基于铲斗113与拐点的距离中止铲斗控制。

在时刻T1，比较例的液压挖掘机生成铲斗113的控制指令，以使底面法线向量Nb(T1)与目标施工面G1的施工面法线向量Nt(G1)形成的角φ(T1)为目标角度。另外，将相当于目标施工面G1的目标施工线作为对象线，进行工作装置110的控制。之后，当铲斗113越过拐点时，比较例的液压挖掘机将对象面从目标施工面G1变更为目标施工面G2。这样，比较例的液压挖掘机在时刻T2，将相当于目标施工面G2的目标施工线作为对象线，进行工作装置110的控制，生成铲斗113的控制指令，以使底面法线向量Nb(T2)与目标施工面G2的施工面法线向量Nt(G2)形成的角φ(T2)为目标角度。此时，如图8所示，铲斗113的底面的一部分可能侵入目标施工面G1。

图9是表示第一实施方式的液压挖掘机的行为的一个例子的图。在图8所示的例子中，在时刻T1，铲斗113位于目标施工面G1上且从拐点离开铲斗控制限制阈值以上的点。之后，小臂112在挖掘方向上驱动，越过连接目标施工面G1与目标施工面G2的拐点。在时刻T2，虽然选择相当于目标施工面G2的目标施工线作为对象线，但铲斗113位于目标施工面G2上且铲斗113与拐点的距离不足铲斗控制限制阈值的点。而且，小臂112在挖掘方向上进一步驱动，在时刻T3，铲斗113位于目标施工面G2上且从拐点离开铲斗控制限制阈值以上的点。

在时刻T1，控制装置126生成铲斗113的控制指令，以使底面法线向量Nb(T1)与目标施工面G1的施工面法线向量Nt(G1)形成的角φ(T1)为目标角度。之后，在铲斗113与拐点的距离不足铲斗控制限制阈值的时间点，控制装置126中止铲斗控制，不生成铲斗113的控制指令。在此期间，只要不进行铲斗113的操作，铲斗113的姿势角γ就不改变。当铲斗113越过拐点时，控制装置126将对象线从相当于目标施工面G1的目标施工线变更为相当于目标施工面G2的目标施工线。此时，因为中止了铲斗控制，所以铲斗113的姿势角γ不会改变。因此，在如时刻T2那样的铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以上的时间点，铲斗113不会侵入目标施工面G1。而且，在如时刻T3那样的铲斗113与拐点的距离为铲斗控制限制阈值以上的时间点，控制装置126再次启动铲斗控制。也就是说，在时刻T3，控制装置126生成铲斗113的控制指令，以使底面法线向量Nb(T3)与目标施工面G2的施工面法线向量Nt(G2)形成的角φ(T3)为目标角度。

这样，根据第一实施方式，在进行拐点的整形时，通过解除铲斗113的角度的保持，能够防止铲斗113侵入对象线以外的目标施工线。需要说明的是，在其它的实施方式中，控制装置126也可以将与拐点不同的目标施工线中的点作为基准位置进行控制。例如，基准位置可以为目标施工线中的点，也可以是与拐点只分离规定距离的点。

另外，根据第一实施方式，控制装置126在角度超过规定范围的拐点与铲斗113的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下，进行铲斗控制。也就是说，在拐点与铲斗113的距离为铲斗控制限制阈值以上、但拐点的角度仍在规定范围以内的情况下，执行铲斗控制。由此，在连续的目标施工线大致平坦的情况下，能够持续保持铲斗113的角度。另一方面，其它的实施方式的控制装置126也可以不依赖于拐点的角度，在拐点与铲斗113的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下，结束铲斗控制。

另外，根据第一实施方式，控制装置126在铲斗113与对象线的距离不足铲斗控制开始阈值的情况下，进行铲斗控制，以使铲斗113的角度为恒定角度。在铲斗113充分接近对象线的情况下，操作人员意图完成挖掘对象的整形的可能性高。因此，控制装置126通过在铲斗113与对象线充分接近的情况下进行铲斗控制，能够在没有操作人员明确的操作下，在完成整形时恒定地保持铲斗113的角度。另一方面，其它的实施方式的控制装置126也可以如专利文献1所述，通过驾驶员明确的操作来开始铲斗控制。即使在该情况下，控制装置126在铲斗113靠近拐点时，也自动地解除铲斗113的角度的保持。

另外，根据第一实施方式，控制装置126在铲斗113与对象线的距离不足工作装置控制开始阈值的情况下，进行控制工作装置110的工作装置控制，以使铲斗113不向设计面的更下方侵入。此时，铲斗控制阈值比工作装置控制阈值小。也就是说，在未执行工作装置控制期间，也不执行铲斗控制。在不执行工作装置控制的范围内，操作人员意图完成整形的可能性低。因此，通过使铲斗控制阈值比工作装置控制阈值小，控制装置126能够防止进行不必要的铲斗113的角度的控制。另一方面，其它的实施方式的控制装置126也可以不具有工作装置控制功能。

另外，根据第一实施方式，控制装置126在铲斗113与拐点的距离不足小臂限制阈值、且将小臂112向超过拐点的方向进行操作的操作继续的情况下，使小臂112的驱动停止。由此，能够防止操作人员在拐点无意识地对小臂112进行操作。也就是说，根据第一实施方式，当继续进行使小臂112向靠近拐点的方向的操作时，在铲斗113到达与拐点距离小臂限制阈值的位置时，使小臂112停止。由此，操作人员可知铲斗113已到达拐点附近。之后，操作人员在使小臂112的操作量为0(使操作装置1211的操纵杆处于中立状态)、使铲斗113的姿势变更为适当的姿势的基础上，通过再次对小臂112进行操作，能够适当地形成拐点附近的对象线。

另外，根据第一实施方式，控制装置126在铲斗113与对象线的距离为铲斗控制结束阈值以上的情况下，结束铲斗控制。此时，铲斗控制结束阈值大于铲斗控制开始阈值。也就是说，与铲斗控制的开始及结束相关的阈值为滞后触发。由此，控制装置126即使由于挖掘对象表面的凹凸或挖掘对象硬度的差异等而使铲斗113的位置上下移动，也能够进行控制，以使铲斗控制的有效/无效不会频繁地进行切换。另一方面，其它的实施方式的液压挖掘机100也可以使铲斗控制开始阈值与铲斗控制结束阈值为同一个值。

另外，根据第一实施方式，控制装置126在铲斗113操作的操作量不足规定的阈值、且铲斗113与对象线的距离不足铲斗控制阈值的情况下，执行铲斗控制。在利用操作装置1211进行铲斗113的操作的情况下，操作人员想亲自控制铲斗113的意图的可能性高。因此，控制装置126通过在铲斗113操作的操作量较小的情况下进行铲斗控制，能够防止进行不必要的铲斗113角度的控制。

〈其它实施方式〉

上面，参照附图，针对一个实施方式详细地进行了说明，但具体的结构不限于上述说明，可以进行各种设计变更等。

虽然通过第一实施方式的操作装置1211生成操作信号的生成方式为PPC方式，但不限于此，例如也可以为电动杆方式。所谓电动杆方式，是利用电位计检测右侧操作杆1212及左侧操作杆1213的操作角度而生成操作信号的方式。在该情况下，控制装置126基于大臂111、小臂112及铲斗113的目标速度、以及大臂111的限制速度及铲斗113的控制速度，分别生成大臂111、小臂112及铲斗113的控制指令，由此来控制电磁比例控制阀。

第一实施方式的控制装置126虽然利用底面法线向量Nb与施工面法线向量Nt形成的角φ确定铲斗底面113A的角度与对象面的角度之差，但在其它的实施方式中不限于此。例如在其它的实施方式中，也可以代替底面法线向量Nb，利用从支承铲斗113与小臂112的销P3向铲斗113的刃尖E延伸的向量。另外，例如在其它的实施方式中，也可以通过分别确定铲斗底面113A的倾斜度与对象面的倾斜度，算出铲斗底面113A的角度与对象面的角度之差。

第一实施方式的铲斗控制开始条件虽然包括铲斗113与挖掘对象位置的距离不足铲斗控制开始阈值这一条件，但不限于此，铲斗控制开始条件也可以为包括工作装置110的状态与工作装置的控制基准的关系满足规定的关系这一条件。例如其它的实施方式的铲斗控制开始条件也可以包括铲斗113与地表的距离不足铲斗控制开始阈值等条件。在该情况下，地表是控制基准的一个例子。

第一实施方式的控制装置126虽然基于大臂111与小臂112的速度来算出铲斗113的控制速度，但不限于此。例如其它的实施方式的控制装置126也可以基于大臂111与小臂112的目标速度以及大臂111的限制速度，算出铲斗113的控制速度。

第一实施方式的控制装置126不限于液压挖掘机，只要是具有工作装置的作业机械都适用。

工业实用性

根据上述实施方式，工作装置控制装置在对施工面的角度发生变化的拐点进行整形时，能够在没有驾驶员明确的操作下解除铲斗的角度的保持。

附图标记说明

100液压挖掘机；111大臂；112小臂；113铲斗；114大臂液压缸；115小臂液压缸；116铲斗液压缸；126控制装置；200作业机械信息存储部；201操作量取得部；202检测信息取得部；203姿势确定部；204目标施工数据存储部；205目标施工线确定部；206距离确定部；207目标速度决定部；208工作装置控制部；209铲斗控制部；210目标角度存储部；211控制指令输出部。

Claims (14)

1.一种工作装置控制装置，对包括铲斗的工作装置进行控制，其特征在于，具有：

铲斗位置确定部，其确定所述铲斗的位置；

目标施工线确定部，其确定表示所述工作装置进行的挖掘对象的目标形状的目标施工线；

距离确定部，其确定所述铲斗与所述目标施工线中的基准位置的距离；

铲斗控制部，其在所述铲斗与所述基准位置的距离为铲斗控制限制阈值以上的情况下，控制所述铲斗，以使所述铲斗的角度为恒定角度。

2.如权利要求1所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述距离确定部还确定所述铲斗与所述目标施工线的距离，

铲斗控制部在所述铲斗与所述目标施工线的距离不足铲斗控制开始阈值、且所述铲斗与所述基准位置的距离为所述铲斗控制限制阈值以上的情况下，控制所述铲斗。

3.如权利要求1或2所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述铲斗控制部在所述目标施工线和与该目标施工线相接的其它目标施工线形成的角超过规定范围的所述基准位置与所述铲斗的距离为所述铲斗控制限制阈值以上的情况下，控制所述铲斗，以使所述铲斗的角度为恒定角度。

4.如权利要求1或2所述的工作装置控制装置，其特征在于，

还具有工作装置控制部，其在所述铲斗与所述目标施工线的距离不足工作装置控制开始阈值的情况下，控制所述工作装置，以使所述铲斗不会向所述目标施工线的更下方侵入。

5.如权利要求3所述的工作装置控制装置，其特征在于，

还具有工作装置控制部，其在所述铲斗与所述目标施工线的距离不足工作装置控制开始阈值的情况下，控制所述工作装置，以使所述铲斗不会向所述目标施工线的更下方侵入。

6.如权利要求4所述的工作装置控制装置，其特征在于，

还具有操作量取得部，其取得对操作装置的操作量，所述操作装置用来操作还具有支承所述铲斗的小臂的所述工作装置，

所述工作装置控制部在所述铲斗与所述基准位置的距离不足小臂限制阈值、且将所述小臂向超过所述基准位置的方向进行操作的操作继续的情况下，控制所述工作装置，以限制所述小臂的驱动。

7.如权利要求5所述的工作装置控制装置，其特征在于，

还具有操作量取得部，其取得对操作装置的操作量，所述操作装置用来操作还具有支承所述铲斗的小臂的所述工作装置，

所述工作装置控制部在所述铲斗与所述基准位置的距离不足小臂限制阈值、且将所述小臂向超过所述基准位置的方向进行操作的操作继续的情况下，控制所述工作装置，以限制所述小臂的驱动。

8.如权利要求1或2所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述基准位置为所述目标施工线的端部。

9.如权利要求3所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述基准位置为所述目标施工线的端部。

10.如权利要求4所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述基准位置为所述目标施工线的端部。

11.如权利要求5所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述基准位置为所述目标施工线的端部。

12.如权利要求6所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述基准位置为所述目标施工线的端部。

13.如权利要求7所述的工作装置控制装置，其特征在于，

所述基准位置为所述目标施工线的端部。

14.一种作业机械，其特征在于，具有：

工作装置，其包括铲斗以及支承所述铲斗的小臂；

权利要求1至13中任一项所述的工作装置控制装置。

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