CN109757113B - 作业机械 - Google Patents

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Abstract

减轻生成目标面的操作员的负担，且不依据挖掘距离地抑制挖掘量相对于限制体积产生过剩或不足。在液压挖掘机(1)的控制装置(40)中具有：挖掘预测体积运算部(43f)，其运算挖掘预测体积Va，其中该挖掘预测体积Va是根据挖掘开始时的铲斗齿尖位置(第1位置)、预先设定的挖掘结束时的铲斗齿尖位置(第2位置)、现况地形(800)、第1目标面(700)以及铲斗宽度w规定的；和目标面生成部(43g)，其在挖掘预测体积Va超过了限制体积Vb的情况下，在第1目标面的上方生成第2目标面(700A)。目标面生成部在根据第1位置、第2位置、现况地形、第2目标面以及铲斗宽度规定的挖掘体积接近限制体积Vb的位置处生成第2目标面。控制装置以作业机(1A)的动作范围被限制在第2目标面上及其上方的方式控制液压执行机构(5、6、7)。

Description

作业机械
技术领域
本发明涉及能够执行机械控制的作业机械。
背景技术
有时在液压挖掘机中具有辅助操作员的挖掘操作的控制系统。具体地说，具有如下控制系统：在经由操作装置输入了挖掘操作(例如斗杆收回的指示)的情况下，基于目标面与作业机的顶端(例如铲斗的齿尖)的位置关系，执行使驱动作业机的动臂缸、斗杆缸及铲斗缸中的至少一个缸强制性动作的控制(例如使动臂缸伸长而强制性进行动臂抬升动作)，使得作业机(也称为前作业机)的顶端的位置被保持在目标面上及其上方的区域内。若限制这样的作业机顶端的可移动区域，则容易进行挖掘面的修整作业和斜面的成形作业。
例如，在专利文献1中公开有如下内容：基于来自操作装置(操作杆)的信号运算铲斗顶端的目标速度矢量，以该目标速度矢量中的接近目标面的方向上的矢量成分随着接近目标面而减少的方式控制动臂缸，由此在设定于目标面(设定区域的边界)的上方的减速区域(设定区域)内保持前作业机。以下存在将这种控制称为“机械控制(MC：MachineControl)”、“区域限制控制”或“(针对操作员操作的)介入控制”的情况。
另外从提高基于作业机械进行的挖掘作业效率的观点考虑，优选的是将每个挖掘动作的挖掘量持续最大化。在专利文献2中，公开有如下作业机械的作业支援系统，具有：控制装置，其在进行基于所谓台阶开挖法的挖掘的场景下，事先设定在作业机的一次挖掘动作中应被收纳于铲斗内的挖掘量(设想挖掘量)，将通过一次挖掘动作而从挖掘对象得到该设想挖掘量的区域决定为挖掘区域S，基于该挖掘区域S计算出进行下次挖掘动作时的上述作业机械的作业位置Pw；和显示装置，其显示该控制装置计算出的上述作业机械的作业位置的信息。在该技术中，通过将下次的作业位置显示在显示装置上，即使作业机械所在的挖掘对象物的高度(台阶高度)H发生了变化，也可谋求保持每个挖掘动作的挖掘量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第1995/030059号小册子
专利文献2：日本特开2017-14726号公报
发明内容
在引用文献2中，基于在下次挖掘动作中挖掘对象物被挖掘的挖掘区域S的截面面积sb和台阶高度H来决定挖掘区域S。并且，假定挖掘区域S是平行四边形，根据利用sb＝H·Ls成立而计算出的距离(挖掘量设定距离)Ls来计算出下次的作业位置Pw。也就是说以台阶高度H是规定值为前提而计算出作业位置Pw，但在进行下次挖掘动作时从比规定的台阶高度接近作业机械的位置开始挖掘的情况下，即使作业机械位于控制装置计算出的作业位置Pw，担心其挖掘量也会少于设想挖掘量(目标挖掘量)而作业效率降低。
该专利文献2的技术以基于台阶开挖法的挖掘为前提，但如专利文献1那样在通过挖掘动作生成目标面(平面)的情况下也会指出同样的问题。例如可以想到：通过预先在前作业机的前后方向上确定挖掘开始点和挖掘结束点，而决定在一次挖掘动作中铲斗移动的距离(挖掘距离)，以在该一次挖掘动作中进行成为目标的挖掘量(目标挖掘量(与专利文献1的设想挖掘量相当))的挖掘的方式在距现况地形规定深度(挖掘深度)的地方设定目标面，沿着该目标面进行挖掘。但是，由于在该方法中是根据预先确定的挖掘距离来决定挖掘深度(目标面)，所以若在挖掘距离发生变化的情况下(例如在无法从预先确定的挖掘开始点开始挖掘的情况下)基于相同的目标面进行挖掘，则担心挖掘量相对于目标挖掘量产生过剩或不足。
本发明的目的在于提供一种能够减轻生成目标面的挖掘作业时的操作员的负担、同时不依据挖掘距离地抑制挖掘量相对于目标挖掘量(限制体积)产生过剩或不足的作业机械。
本申请包含了多个解决上述课题的方案，若列举其一个例子，则作业机械具有：作业机，其具有铲斗、斗杆及动臂；多个液压执行机构，其驱动上述作业机；操作装置，其指示上述液压执行机构的动作；和控制装置，其在上述操作装置的操作时，以上述作业机的动作范围被限制在规定的第1目标面上及其上方的方式控制上述液压执行机构，在上述作业机械中，上述控制装置具有：存储部，其存储有现况地形的位置信息；铲斗位置运算部，其运算上述铲斗的齿尖的位置；挖掘预测体积运算部，其运算挖掘预测体积，其中该挖掘预测体积是根据在挖掘开始时由上述铲斗位置运算部运算出的上述铲斗的齿尖的位置即第1位置、预先设定的挖掘结束时的上述铲斗的齿尖的位置即第2位置、上述现况地形、上述第1目标面以及上述铲斗的宽度规定的；和目标面生成部，其在上述挖掘预测体积超过了预先设定的限制体积的情况下，在上述第1目标面的上方生成第2目标面，上述目标面生成部在根据上述第1位置、上述第2位置、上述现况地形、上述第2目标面以及上述铲斗的宽度规定的挖掘体积接近上述限制体积的位置处生成上述第2目标面，上述控制装置在生成了上述第2目标面的情况下，以上述作业机的动作范围被限制在上述第2目标面上及其上方的方式控制上述液压执行机构。
发明效果
根据本发明，即使挖掘距离在每个挖掘动作中发生了变化，也会以保持目标挖掘量的方式设定目标面，因此能够抑制挖掘量相对于目标挖掘量(限制体积)产生过剩或不足，从而能够提高挖掘作业的效率。
附图说明
图1是液压挖掘机的结构图。
图2是将液压挖掘机的操纵控制器与液压驱动装置一起示出的图。
图3是图2中的前控制用液压单元160的详情图。
图4是表示图1的液压挖掘机中的坐标系及目标面(第1目标面)的图。
图5是液压挖掘机的操纵控制器40的硬件结构图。
图6是液压挖掘机的操纵控制器40的功能框图。
图7是图6中的MG/MC控制部43的功能框图。
图8是表示现况地形800、目标面(第1目标面)700与液压挖掘机1之间的关系的侧视图。
图9是表示修正量d、第1目标面700、第2目标面700A与液压挖掘机1之间的关系的侧视图。
图10是表示铲斗齿尖P4与目标面700、700A的位置关系的图。
图11是表示目标面距离D与速度修正系数k之间的关系的线图。
图12是表示铲斗顶端的速度矢量V0的图。
图13是基于MG/MC控制部43进行的目标面设定的流程图。
图14是基于MG/MC控制部43进行的MC的流程图。
图15是表示显示装置53a的结构图的一个例子的图。
图16是其他实施方式的MG/MC控制部43A的功能框图。
图17是表示由现况地形更新部43aa基于铲斗齿尖的位置信息对现况地形进行的更新的示意图。
图18是表示第1目标面700相对于挖掘机坐标倾斜的情况下的第2目标面700A的生成方法的示意图。
图19是表示第1目标面700由斜度不同的多个面构成的情况下的第2目标面700A的生成方法的示意图。
具体实施方式
以下使用附图来说明本发明的实施方式。此外，以下例示作为作业机的前端的作业件(附属装置)而具有铲斗10的液压挖掘机，但也可以在具有铲斗以外的附属装置的作业机械中适用本发明。而且，只要是具有将多个连杆部件(附属装置、斗杆、动臂等)连结而构成的多关节型的作业机的作业机械，则也能够适用于液压挖掘机以外的作业机械。
另外，在本说明书中，关于与示出某个形状的术语(例如目标面、设计面等)一起使用的“上”、“上方”或“下方”这些词语的意思，“上”表示该某个形状的“表面”，“上方”表示比该某个形状的“表面高的位置”，“下方”表示比该某个形状的“表面低的位置”。另外，在以下的说明中，在存在多个相同的结构要素的情况下，有时会对附图标记(数字)的末尾标注字母，但有时也会省略该字母而统一表述该多个结构要素。例如，在存在三个泵300a、300b、300c时，有时会将它们统一表述为泵300。
<液压挖掘机的整体结构>
图1是本发明的实施方式的液压挖掘机的结构图，图2是将本发明的实施方式的液压挖掘机的操纵控制器与液压驱动装置一起示出的图，图3是图2中的前控制用液压单元160的详情图。
在图1中，液压挖掘机1由多关节型的前作业机1A和车身1B构成。车身1B由通过左右的行驶液压马达3a、3b(关于液压马达3a参照图2)而行驶的下部行驶体11、和安装在下部行驶体11上且通过旋转液压马达4而旋转的上部旋转体12构成。
前作业机1A将沿垂直方向分别转动的多个被驱动部件(动臂8、斗杆9及铲斗10)连结而构成。动臂8的基端在上部旋转体12的前部经由动臂销能够转动地被支承。在动臂8的前端经由斗杆销能够转动地连结有斗杆9，在斗杆9的前端经由铲斗销能够转动地连结有铲斗10。动臂8由动臂缸5驱动，斗杆9由斗杆缸6驱动，铲斗10由铲斗缸7驱动。
为了能够测定动臂8、斗杆9、铲斗10的转动角度α、β、γ(参照图5)，在动臂销上安装有动臂角度传感器30，在斗杆销上安装有斗杆角度传感器31，在铲斗连杆13上安装有铲斗角度传感器32，在上部旋转体12上安装有检测上部旋转体12(车身1B)相对于基准面(例如水平面)的倾斜角θ(参照图5)的车身倾斜角传感器33。此外，角度传感器30、31、32能够分别替换为针对基准面(例如水平面)的角度传感器。
在设于上部旋转体12的驾驶室16内，设置有：操作装置47a(图2)，其具有行驶右杆23a(图2)且用于对行驶右液压马达3a(下部行驶体11)进行操作；操作装置47b(图2)，其具有行驶左杆23b(图2)且用于对行驶左液压马达3b(下部行驶体11)进行操作；操作装置45a、46a(图2)，其共用操作右杆1a(图2)且用于对动臂缸5(动臂8)及铲斗缸7(铲斗10)进行操作；和操作装置45b、46b(图2)，其共用操作左杆1b(图2)且用于对斗杆缸6(斗杆9)及旋转液压马达4(上部旋转体12)进行操作。以下，存在将行驶右杆23a、行驶左杆23b、操作右杆1a及操作左杆1b总称为操作杆1、23的情况。
搭载在上部旋转体12的作为原动机的发动机18驱动液压泵2和先导泵48。液压泵2是通过调节器2a控制容量的可变容量型泵，先导泵48是固定容量型泵。在本实施方式中，如图2所示，在先导管路144、145、146、147、148、149的中途设有梭阀块(shuttle block)162。从操作装置45、46、47输出的液压信号经由该梭阀块162而也被输入到调节器2a。虽然省略了梭阀块162的详细结构，但液压信号经由梭阀块162被输入到调节器2a，根据该液压信号控制液压泵2的排出流量。
作为先导泵48的排出配管的泵管路170在从液控止回阀39通过后，分支成多条并与操作装置45、46、47、前控制用液压单元160内的各阀连接。液控止回阀39在本例中为电磁切换阀，其电磁驱动部与配置在上部旋转体12的驾驶室16中的门锁杆(gate lock lever)(未图示)的位置检测器电连接。门锁杆的位置由位置检测器检测，从该位置检测器对液控止回阀39输入与门锁杆的位置相应的信号。若门锁杆的位置处于锁定位置则液控止回阀39关闭而将泵管路170切断，若处于锁定解除位置则液控止回阀39打开而泵管路170开通。也就是说，在泵管路170被切断的状态下，基于操作装置45、46、47进行的操作被无效化，禁止旋转、挖掘等动作。
操作装置45、46、47是液压先导方式，基于从先导泵48排出的液压油，分别产生与由操作员操作的操作杆1、23的操作量(例如杆行程)和操作方向相应的先导压(存在称为操作压的情况)。这样产生的先导压经由先导管路144a～149b(参照图3)被供给到控制阀单元(未图示)内的相对应的流量控制阀15a～15f(参照图2或图3)的液压驱动部150a～155b，用作驱动这些流量控制阀15a～15f的控制信号。
从液压泵2排出的液压油经由流量控制阀15a、15b、15c、15d、15e、15f(参照图3)而被供给到行驶右液压马达3a、行驶左液压马达3b、旋转液压马达4、动臂缸5、斗杆缸6、铲斗缸7。动臂缸5、斗杆缸6、铲斗缸7通过被供给的液压油而伸缩，由此动臂8、斗杆9、铲斗10分别转动，铲斗10的位置及姿势发生变化。另外，旋转液压马达4通过被供给的液压油而旋转，由此上部旋转体12相对于下部行驶体11旋转。并且，行驶右液压马达3a、行驶左液压马达3b通过被供给的液压油而旋转，由此下部行驶体11行驶。
作业机1A的姿势能够基于图4的挖掘机坐标系(局部坐标系)进行定义。图4的挖掘机坐标系是设定于上部旋转体12的坐标，以动臂8的基底部为原点PO，在上部旋转体12中的垂直方向上设定Z轴，在水平方向上设定X轴。另外，将根据X轴和Z轴在右手坐标系中规定的方向设为Y轴。将动臂8相对于X轴的倾斜角设为动臂角α，将斗杆9相对于动臂的倾斜角设为斗杆角β，将铲斗齿尖相对于斗杆的倾斜角设为铲斗角γ。将车身1B(上部旋转体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检测，斗杆角β由斗杆角度传感器31检测，铲斗角γ由铲斗角度传感器32检测，倾斜角θ由车身倾斜角传感器33检测。动臂角α在将动臂8抬升至最大(最高)时(在动臂缸5为抬升方向的行程末端时，即动臂缸长最长时)成为最小，在将动臂8下降至最小(最低)时(在动臂缸5为下降方向的行程末端时，即动臂缸长最短时)成为最大。斗杆角β在斗杆缸长最短时成为最小，在斗杆缸长最长时成为最大。铲斗角γ在铲斗缸长最短时(图4时)成为最小，在铲斗缸长最长时成为最大。此时，若将动臂8的从基底部到与斗杆9的连接部为止的长度设为L1、将从斗杆9与动臂8的连接部到斗杆9与铲斗10的连接部为止的长度设为L2、将从斗杆9与铲斗10的连接部到铲斗10的顶端部为止的长度设为L3，则挖掘机坐标系中的铲斗10的顶端位置能够将Xbk设为X方向位置、将Zbk设为Z方向位置而通过以下的算式(1)(2)表示。
【算式1】
Xbk＝L1 cos(α)+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)…式(1)
【算式2】
Zbk＝L1 sin(α)+L2 sin(α+β)+L3 sin(α+β+γ)…式(2)
另外，如图1所示，液压挖掘机1在上部旋转体12上具有一对GNSS(GlobalNavigation Sattelite System：全球导航卫星系统)天线14A、14B。基于来自GNSS天线14的信息，而能够计算出全局坐标系中的液压挖掘机1的位置以及铲斗10的位置。
图5是本实施方式的液压挖掘机所具有的机械指导(Machine Guidance：MG)以及机械控制(Machine Control：MC)系统的结构图。
作为本系统中的前作业机1A的MC，在操作装置45a、45b、46a被操作、且作业机1A位于被设定在任意设定的目标面700(参照图4)的上方的规定的封闭区域即减速区域(第1区域)600的情况下，执行遵照预先确定的条件使作业机1A动作的控制。具体地说，作为MC而进行如下动作：在减速区域600中，以作业机1A的顶端部(例如铲斗10的齿尖)越接近目标面700则作业机1A的顶端部的速度矢量中的接近目标面700的方向上的矢量成分越减少的方式控制多个液压执行机构5、6、7中的至少一个液压执行机构(详细情况将在后叙述)。液压执行机构5、6、7的控制通过向相符的流量控制阀15a、15b、15c强制性输出控制信号(例如使动臂缸5伸长来强制性进行动臂抬升动作)来进行。由于通过该MC防止了铲斗10的齿尖侵入到目标面700的下方，所以无论操作员的技能程度如何均能够进行沿着目标面700的挖掘。另一方面，在作业机1A位于在减速区域600的上方与减速区域600相邻地设定的非减速区域(第2区域)620的情况下不执行MC，作业机1A按照操作员的操作那样进行动作。图4中的虚线650是减速区域600与非减速区域620的边界线。
此外，在本实施方式中，虽然将MC时的前作业机1A的控制点设定为液压挖掘机的铲斗10的齿尖(作业机1A的顶端)，但只要控制点为作业机1A的顶端部分的点则也能够变更成铲斗齿尖以外的点。例如，也能够选择铲斗10的底面或铲斗连杆13的最外部，也可以采用将距目标面700距离最近的铲斗10上的点设为适当控制点的结构。另外，在本说明书中存在相对于在操作装置45、46未操作时由操纵控制器(控制装置)40控制作业机1A的动作的“自动控制”而将MC称为仅在操作装置45、46操作时由操纵控制器40控制作业机1A的动作的“半自动控制”的情况。
另外，作为本系统的前作业机1A的MG，例如如图15所示，进行将目标面700与作业机1A(例如铲斗10)的位置关系显示到显示装置53a的处理。
图5的系统具有：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52a；显示装置53a，其设置在驾驶室16内且能够显示目标面700与作业机1A的位置关系；现况地形获取装置96，其获取成为作业机1A的作业对象的现况地形800的位置信息；和操纵控制器(控制装置)40，其统辖MG及MC。
作业机姿势检测装置50由动臂角度传感器30、斗杆角度传感器31、铲斗角度传感器32、车身倾斜角传感器33构成。这些角度传感器30、31、32、33作为作业机1A的姿势传感器而发挥功能。
目标面设定装置51是能够输入与目标面700相关的信息(包含各目标面的位置信息和倾斜角度信息)的接口。目标面设定装置51与保存有在全局坐标系(绝对坐标系)上规定的目标面的三维数据的外部终端(未图示)连接。此外，经由目标面设定装置51进行的目标面的输入也可以由操作员手动进行。
操作员操作检测装置52a由获取操作压(第1控制信号)的压力传感器70a、70b、71a、71b、72a、72b构成，其中该操作压(第1控制信号)是通过基于操作员对操作杆1a、1b(操作装置45a、45b、46a)的操作而在先导管路144、145、146中产生的。即，检测针对作业机1A所涉及的液压缸5、6、7的操作。
作为现况地形获取装置96，例如能够利用挖掘机1所具有的立体相机、激光扫描仪或超声波传感器等。这些装置计测从挖掘机1到现况地形上的点为止的距离，由现况地形获取装置96获取到的现况地形以庞大数量的点组的位置数据定义。此外，也可以通过搭载了立体相机、激光扫描仪或超声波传感器等的无人机等预先获取现况地形的三维数据，并作为用于将该三维数据取入到操纵控制器40内的接口而构成现况地形获取装置96。
<前控制用液压单元160>
如图3所示，前控制用液压单元160具有：压力传感器70a、70b，其设在动臂8用的操作装置45a的先导管路144a、144b，作为操作杆1a的操作量而检测先导压(第1控制信号)；电磁比例阀54a，其一次端口侧经由泵管路170而与先导泵48连接，且将来自先导泵48的先导压减压后输出；梭形滑阀(shuttle valve)82a，其与动臂8用的操作装置45a的先导管路144a和电磁比例阀54a的二次端口侧连接，选择先导管路144a内的先导压和从电磁比例阀54a输出的控制压(第2控制信号)中的高压侧，将其引导到流量控制阀15a的液压驱动部150a；以及电磁比例阀54b，其设置在动臂8用的操作装置45a的先导管路144b，基于来自操纵控制器40的控制信号将先导管路144b内的先导压(第1控制信号)降低后输出。
另外，前控制用液压单元160设有：压力传感器71a、71b，其设置在斗杆9用的先导管路145a、145b，作为操作杆1b的操作量而检测先导压(第1控制信号)并将其输出到操纵控制器40；电磁比例阀55b，其设置在先导管路145b，基于来自操纵控制器40的控制信号将先导压(第1控制信号)降低后输出；以及电磁比例阀55a，其设置在先导管路145a，基于来自操纵控制器40的控制信号将先导管路145a内的先导压(第1控制信号)降低后输出。
另外，前控制用液压单元160在铲斗10用的先导管路146a、146b分别设有：压力传感器72a、72b，其作为操作杆1a的操作量而检测先导压(第1控制信号)并将其输出到操纵控制器40；电磁比例阀56a、56b，其基于来自操纵控制器40的控制信号将先导压(第1控制信号)降低后输出；电磁比例阀56c、56d，其一次端口侧与先导泵48连接且将来自先导泵48的先导压减压后输出；以及梭形滑阀83a、83b，其选择先导管路146a、146b内的先导压和从电磁比例阀56c、56d输出的控制压中的高压侧，将其引导到流量控制阀15c的液压驱动部152a、152b。此外，在图3中，压力传感器70、71、72与操纵控制器40的连接线由于纸面关系而省略。
电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b在未通电时开度最大，越使来自操纵控制器40的控制信号即电流增大则开度越变小。另一方面，电磁比例阀54a、56c、56d在未通电时开度为零，在通电时具有开度，越使来自操纵控制器40的电流(控制信号)增大则开度越变大。像这样各电磁比例阀的开度54、55、56与来自操纵控制器40的控制信号相应。
在如上述那样构成的控制用液压单元160中，当从操纵控制器40输出控制信号而驱动电磁比例阀54a、56c、56d时，由于在相对应的操作装置45a、46a没有操作员操作的情况下也能够产生先导压(第2控制信号)，所以能够强制性发生动臂抬升动作、铲斗铲装动作、铲斗卸载动作。另外，与之同样地当通过操纵控制器40驱动电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b时，能够产生将通过操作装置45a、45b、46a的操作员操作产生的先导压(第1控制信号)减少后得到的先导压(第2控制信号)，从而能够从操作员操作的值强制性减少动臂下降动作、斗杆收回/放出动作、铲斗铲装/卸载动作的速度。
在本说明书中，将针对流量控制阀15a～15c的控制信号中的、通过操作装置45a、45b、46a的操作产生的先导压称为“第1控制信号”。并且，将针对流量控制阀15a～15c的控制信号中的、通过操纵控制器40驱动电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b而将第1控制信号修正(降低)后生成的先导压、和通过操纵控制器40驱动电磁比例阀54a、56c、56d而相对于第1控制信号另行新生成的先导压称为“第2控制信号”。
第2控制信号在通过第1控制信号产生的作业机1A的控制点的速度矢量违反了规定条件时生成，并生成为产生不违反该规定条件的作业机1A的控制点的速度矢量的控制信号。此外，在相对于相同的流量控制阀15a～15c中的一个液压驱动部生成第1控制信号、相对于另一个液压驱动部生成第2控制信号的情况下，使第2控制信号优先作用于液压驱动部，通过电磁比例阀切断第1控制信号，将第2控制信号输入到该另一个液压驱动部。因此，对于流量控制阀15a～15c中的运算出第2控制信号的流量控制阀，基于第2控制信号进行控制，对于没有运算出第2控制信号的流量控制阀，基于第1控制信号进行控制，对于没有产生第1及第2控制信号双方的流量控制阀，不进行控制(驱动)。若如上述那样定义第1控制信号和第2控制信号，则MC也能够称为基于第2控制信号对流量控制阀15a～15c的控制。
<操纵控制器>
在图5中操纵控制器40具有：输入接口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及随机存取存储器(RAM)94、和输出接口95。在输入接口91中输入有来自作为作业机姿势检测装置50的角度传感器30～32及倾斜角传感器33的信号、来自作为用于设定目标面700的装置的目标面设定装置51的信号、和来自获取现况地形800的现况地形获取装置96的信号，并以CPU92能够进行运算的方式进行转换。ROM93是存储有用于包含后述的流程所涉及的处理在内而执行MC及MG的控制程序、和执行该流程所需的各种信息的记录介质，CPU92遵照存储在ROM93中的控制程序对从输入接口91及ROM93、RAM94取入的信号进行规定的运算处理。输出接口95生成与CPU92中的运算结果相应的输出用的信号，通过将该信号输出到显示装置53a而能够使显示装置53a进行动作。
此外，图5的操纵控制器40作为存储装置而具有ROM93及RAM94这样的半导体存储器，但只要为存储装置则尤其能够替代，例如也可以具有硬盘驱动器等磁存储装置。
图6是操纵控制器40的功能框图。操纵控制器40具有MG及MC控制部(MG/MC控制部)43、电磁比例阀控制部44和显示控制部374a。
<MG/MC控制部43>
MG/MC控制部43在操作装置45a、45b、46a的操作时遵照预先确定的条件对多个液压执行机构5、6、7中的至少一个液压执行机构进行MC。本实施方式的MG/MC控制部43在操作装置45a、45b、46a的操作时，基于目标面700的位置、前作业机1A的姿势及铲斗10的齿尖的位置和操作装置45a、45b、46a的操作量，执行以铲斗10的齿尖(控制点)位于目标面700上或其上方的方式控制动臂缸5(动臂8)及斗杆缸6(斗杆9)中的至少一方的动作的MC。MG/MC控制部43运算各液压缸5、6、7的流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压，并将该运算出的目标先导压输出到电磁比例阀控制部44。
图7是图6中的MG/MC控制部43的功能框图。MG/MC控制部43具有：现况地形更新部43a、现况地形存储部43b、目标面存储部43c、铲斗位置运算部43d、目标速度运算部43e、挖掘预测体积运算部43f、目标面生成部43g、距离运算部43h、修正速度运算部43i和目标先导压运算部43j。
现况地形存储部43b存储液压挖掘机周围的现况地形的位置信息(现况地形数据)。例如，现况地形数据是在全局坐标系中具有在适当的时刻由现况地形获取装置96获取到的三维坐标数据的点组。
现况地形更新部43a在由挖掘预测体积运算部43f运算挖掘预测体积Va(后述)时，根据由现况地形获取装置96获取到的现况地形800的位置信息对存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置信息进行更新。
目标面存储部43c存储基于来自目标面设定装置51的信息运算出的目标面(第1目标面)700的位置信息(目标面数据)。在本实施方式中，如图4所示，将由作业机1A所移动的平面(作业机的动作平面)切断三维目标面而得到的断面形状利用为目标面700(二维目标面)。此外，在图4的例子中目标面700为一个，但也具有目标面存在多个的情况。在目标面存在多个的情况下，例如具有将距作业机1A最近的面设定为目标面的方法、将位于铲斗齿尖的下方的面设为目标面的方法、将任意选择的面设为目标面的方法等。
铲斗位置运算部43d基于来自作业机姿势检测装置50的信息，运算局部坐标系(挖掘机坐标系)中的前作业机1A的姿势、和铲斗10的齿尖的位置。如已经叙述那样，铲斗10的齿尖位置信息(Xbk，Zbk)(铲斗位置数据)能够通过算式(1)及算式(2)运算。另外，能够基于全局坐标系中的车身基准位置P0的坐标和车身倾斜角度θ，将现况地形数据和设计面数据转换到以车身基准位置P0为原点的车身坐标系。以下，作为车身坐标系而说明例子。
挖掘预测体积运算部43f基于现况地形数据、目标面数据、铲斗位置数据和预先设定的挖掘结束位置(后述的基准位置x0)运算挖掘预测体积Va。挖掘预测体积Va是根据铲斗齿尖位置的X坐标(后述的x1)、预先设定的挖掘结束时的铲斗齿尖位置(挖掘结束位置)的X坐标(后述的基准位置x0)、现况地形800、目标面700和铲斗10的宽度规定的封闭区域的体积。图8中示出了表示现况地形800、目标面(第1目标面)700与液压挖掘机1之间的关系的侧视图。挖掘预测体积运算部43f对在挖掘机坐标系的X方向上处于作为挖掘结束位置而预先设定的基准位置x0、与由铲斗位置运算部43d运算出的铲斗坐标的X的值x1(＝Xbk)的范围内的砂土的体积Va(在图8中标注了点阵的区域的体积)进行运算。x1是根据算式(1)得到的作为铲斗齿尖位置的X坐标的Xbk。基准位置x0是挖掘结束时的铲斗齿尖位置的X坐标，能够设定行驶体11附近的任意值。在本实施方式中，基准位置x0被设定为在上部旋转体12与下部行驶体11的前方方向一致时的、下部行驶体11中的最前部的X坐标。此时，砂土的体积(挖掘预测体积)Va能够通过下述的算式(3)求出。在本说明书中，存在相对于作为挖掘开始时的铲斗齿尖位置(挖掘开始位置)的第1位置而将基准位置x0(挖掘结束位置)称为“第2位置”的情况。
【算式3】
Figure BDA0001970618040000151
在此，算式(3)中的z是具有相同的X、Y坐标的现况地形上的点与目标面上的点的Z坐标的偏差。另外，w是铲斗10的宽度。在本实施方式中，为了简化计算，使用了铲斗宽度w，但也可以通过将处于铲斗宽度内的现况地形的点组也在Y轴方向上积分来求出挖掘预测体积Va。挖掘预测体积运算部43f将挖掘预测体积Va输出到目标面生成部43g。
目标面生成部43g在挖掘预测体积Va超过了预先设定的限制体积Vb的情况下，生成将第1目标面700向上方偏移了修正量d而得到的新的目标面(第2目标面)700A。此时，目标面生成部43g以根据铲斗齿尖的位置(x1＝Xbk)、预先设定的挖掘结束位置(x0)、现况地形800、第2目标面700A和铲斗宽度w规定的封闭区域的体积成为限制体积Vb以下的方式设定修正量d并决定第2目标面700A的高度。图9中示出了表示修正量d、第1目标面700、第2目标面700A与液压挖掘机1之间的关系的侧视图。限制体积Vb能够从可由铲斗10保持的挖掘物的最大体积以下的值中任意设定，通常为铲斗容量的2倍以下的值。另外，限制体积Vb从作业效率的观点考虑能够另称为通过作业机1A的一次挖掘动作而应被收纳于铲斗10内的挖掘体积的目标值(目标挖掘量)。
另外，通过从挖掘预测体积Va减去限制体积Vb，能够利用下述的算式(4)运算为了将挖掘预测体积Va减到限制体积Vb而需要的体积(称为修正体积)Vc。
【算式4】
Vc＝Va-Vb…式(4)
修正体积Vc、挖掘距离L、铲斗宽度w与修正量d之间的关系能够通过下述的算式(5)表示。
【算式5】
Vc＝L×w×d…式(5)
在此，挖掘距离L是铲斗齿尖位置与挖掘结束位置的X坐标的偏差，能够通过从铲斗位置信息x1减去基准位置x0而求出。通过将上述的算式(5)变形而能够如下述的算式(6)那样求出修正量d。
【算式6】
d＝Vc/(L×w)…式(6)
目标面生成部43g在铲斗齿尖位置处于距现况地形800的规定范围内、且经由操作装置45b输入了斗杆6的收回操作(斗杆拉回指令)时，将铲斗位置运算部43d运算出的铲斗齿尖的位置(x1)设为挖掘开始位置(第1位置)而计算出挖掘距离L，以根据该挖掘距离L、修正体积Vc、铲斗宽度w由上述的算式(6)求出的修正量d将第1目标面700向上方偏移而生成第2目标面700A。另外，在挖掘预测体积Va为限制体积Vb以下的情况下，目标面生成部43g不生成第2目标面700A，MG/MC控制部43基于第1目标面700执行MC。
基于距离运算部43h、铲斗位置数据，运算第1目标面700和第2目标面700A中的接近铲斗齿尖P4(参照图10)的一方的目标面(MC对象目标面)与铲斗齿尖P4之间的距离(目标面距离)D。即，目标面距离D在由目标面生成部43g生成了第2目标面700A的情况下成为P4与第2目标面700A之间的距离，在没有由目标面生成部43g生成第2目标面700A的情况下成为P4与第1目标面700之间的距离。图10中示出了表示铲斗齿尖P4与MC对象目标面700、700A的位置关系的图。从铲斗齿尖P4向MC对象目标面700、700A垂下的垂线的垂足与铲斗位置坐标之间的距离为MC对象目标面700、700A与铲斗顶端P4之间的目标面距离D。
目标速度运算部43e基于来自操作员操作检测装置52a的输入，计算出操作装置45a、45b、46a(操作杆1a、1b)的操作量，并基于该操作量运算动臂缸5、斗杆缸6和铲斗缸7的目标动作速度。操作装置45a、45b、46a的操作量能够根据压力传感器70、71、72的检测值计算出。此外，基于压力传感器70、71、72对操作量的计算只是一个例子，例如也可以通过检测各操作装置45a、45b、46a的操作杆的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。另外，也能够代替根据操作量计算出动作速度的结构，而适用安装对各液压缸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来计算出各缸的动作速度的结构。
修正速度运算部43i基于从距离运算部43h输出的目标面距离D，对铲斗顶端P4的速度矢量V0中的与目标面(用于计算目标面距离D的MC目标面、即目标面700或目标面700A)垂直的成分(垂直成分)V0z的修正系数k进行运算。
图11中示出了表示目标面距离D与速度修正系数k的关系的线图。在铲斗顶端P4比目标面处于上方的情况下将目标面距离D设为正，在将目标面侵入方向的速度设为正时，随着目标面距离D从规定的距离d1减少，速度修正系数k从1减少。
图12中示出了表示铲斗顶端的速度矢量V0的图。修正速度运算部43i基于从目标速度运算部43e输出的执行机构速度来运算铲斗顶端P4的速度矢量V0。并且，通过将该铲斗速度矢量V0分解成目标面的垂直成分V0z和水平成分V0x、且对垂直成分V0z乘以修正系数k而使其成为修正速度V1z。根据修正速度V1z和原来的速度矢量V0的水平成分V0x而生成的速度矢量成为铲斗顶端P4的修正后的速度矢量V1。由此，铲斗顶端P4越接近目标面而距离D越接近零则该速度矢量的垂直方向上的速度越接近零。由此执行铲斗顶端P4沿着目标面移动的MC。另外，在铲斗顶端P4向远离目标面的方向动作的情况下(即垂直成分V0z向上的情况下)，无论距离D如何均将速度修正系数k始终设为1。由此动臂抬升动作不会被减速。
目标先导压运算部(控制信号运算部)43j对能够输出铲斗顶端P4的修正后的速度矢量V1(V1z，V0x)的各液压缸5、6、7的目标速度进行运算。此时，若以在动臂抬升与斗杆收回的减速的组合中进行将顶端速度矢量V0转换成目标速度矢量V1的MC的方式设计软件，则会运算动臂缸5的伸长方向的缸速度和斗杆缸6的伸长方向的缸速度。并且，目标先导压运算部43j基于计算出的各缸5、6、7的目标速度来运算各液压缸5、6、7的向流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压(控制信号)，将各液压缸5、6、7的向流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压输出到电磁比例阀控制部44。
<电磁比例阀控制部44>
电磁比例阀控制部44基于从目标先导压运算部43j输出的向各流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压，运算向各电磁比例阀54～56的指令。此外，在基于操作员操作产生的先导压(第1控制信号)与由执行机构控制部81计算出的目标先导压一致的情况下，向相符的电磁比例阀54～56的电流值(指令值)成为零，不进行相符的电磁比例阀54～56的动作。
<显示控制部374a>
显示控制部374a基于从MG/MC控制部43输入的前作业机1A的姿势信息、铲斗10的齿尖的位置信息、目标面700的位置信息，执行将目标面700与作业机1A(铲斗10的齿尖)的位置关系显示到显示装置53a的处理。由此如图15所示在显示装置53a的显示画面上显示目标面700与作业机1A(铲斗10的齿尖)的位置关系。
<基于MG/MC控制部43进行的目标面设定的流程>
图13中示出了基于MG/MC控制部43进行的目标面设定的流程。MG/MC控制部43以规定的控制周期开始处理，现况地形更新部43a根据由现况地形获取装置96获取到的最新的现况地形的位置信息对存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置信息进行更新(步骤S1)。
接着铲斗位置运算部43d基于从作业机姿势检测装置50输出的信息运算铲斗齿尖位置(Xbk，Zbk)(步骤S2)。
接着挖掘预测体积运算部43f以在步骤S2中运算出的铲斗齿尖位置为基准获取处于规定范围内的现况地形数据和第1目标面数据(步骤S3)。并且挖掘预测体积运算部43f根据铲斗齿尖位置、现况地形数据和第1目标面数据运算挖掘预测体积Va(步骤S4)。
接着目标面生成部43g判定挖掘预测体积Va是否超过了预先设定的限制体积Vb(步骤S5)。在该步骤S5中判定成挖掘预测体积Va没有超过限制体积Vb的情况下(即在挖掘预测体积Va为限制体积Vb以下的情况下)，目标面生成部43g不生成第2目标面700A，第1目标面700成为MC的目标面(MC对象目标面)(步骤S6)。
另一方面，在步骤S5中判定成挖掘预测体积Va超过限制体积Vb的情况下，目标面生成部43g运算目标面的修正量d(步骤S7)，进入下一步骤S8。
在步骤S8中，目标面生成部43g判定铲斗齿尖位置(Xbk，Zbk)是否存在于距现况地形800的规定范围内。在该判定中判定成铲斗齿尖存在于该规定范围内的情况下进入步骤S9，在判定成存在于该规定范围外的情况下进入步骤S6。
在步骤S9中，目标面生成部43g判定是否经由操作装置45b输入了斗杆拉回指令(斗杆收回操作)。在该判定中判定成没有输入斗杆拉回指令的情况下进入步骤S6，在判定成输入了斗杆拉回指令的情况下，将向第1目标面700的上方与修正量d相应地偏移而得到的面生成为第2目标面700A(步骤S10)，进入步骤S11。通过步骤S10，第2目标面700A成为MC的目标面(MC对象目标面)。
在步骤S11中，目标面生成部43g进行斗杆拉回指令的输入是否结束的判定。在此在斗杆拉回指令持续发出的期间，维持步骤S10中修正得到的第2目标面700A在MC中的利用。另一方面，在斗杆拉回指令结束的情况下，结束第2目标面700A在MC中的利用。
<基于MG/MC控制部43进行的MC的流程>
图14示出了基于MG/MC控制部43进行的MC的流程。MG/MC控制部43在操作装置45a、45b、46a中的某一个操作装置被操作员操作时开始图13的处理，铲斗位置运算部43d基于来自作业机姿势检测装置50的信息运算铲斗齿尖位置(铲斗位置数据)(步骤S12)。
在步骤S13中，距离运算部43h从目标面生成部43g获取第1目标面700和第2目标面700A中的在图13的流程中被设定为MC对象目标面的目标面的位置信息(目标面数据)。并且，在步骤S14中，距离运算部43h基于在步骤S12中运算出的铲斗位置数据、在步骤S13中获取到的目标面数据来运算目标面距离D。
在步骤S15中，修正速度运算部43i基于在步骤S14中运算出的目标面距离D，运算铲斗顶端P4的速度矢量V0中的与MC对象目标面垂直的成分V0z的修正系数k(-1≤k≤1)。
在步骤S16中，目标速度运算部43e基于来自操作员操作检测装置52a的输入，计算出操作装置45a、45b、46a(操作杆1a、1b)的操作量，并基于该操作量运算动臂缸5、斗杆缸6和铲斗缸7的目标动作速度。
在步骤S17中，修正速度运算部43i基于在步骤S16中运算出的各执行机构速度来运算铲斗顶端P4的速度矢量V0。并且，通过将该铲斗速度矢量V0分解成目标面的垂直成分V0z和水平成分V0x且对垂直成分V0z乘以修正系数k而使其成为修正速度V1z。修正速度运算部43i将修正速度V1z和原来的速度矢量V0的水平成分V0x合成而运算铲斗顶端P4的修正后的速度矢量V1。
在步骤S18中，目标先导压运算部43j基于在步骤S17中运算出的修正后的速度矢量V1(V1z，V0x)来运算各液压缸5、6、7的目标速度。并且，目标先导压运算部43j基于计算出的各缸5、6、7的目标速度来运算各液压缸5、6、7的向流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压，将各液压缸5、6、7的向流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压输出到电磁比例阀控制部44。由此执行以铲斗齿尖位于目标面700上或其上方的方式控制液压缸5、6、7中的至少一个液压缸的动作的MC。
<动作·效果>
在如上述那样构成的液压挖掘机1中，根据图13的流程，以规定的控制周期运算挖掘预测体积Va(步骤S1-S4)，其中该挖掘预测体积Va是根据此时的铲斗齿尖位置(x1＝Xd)、预先确定的挖掘结束位置(x0(第2位置))、现况地形800、第1目标面700和铲斗宽度w规定的。并且，在挖掘预测体积Va比限制体积Vb大的情况下，以根据此时的铲斗齿尖位置(x1)、预先确定的挖掘结束位置(x0)、现况地形800、将第11目标面700以修正量d向上方回置得到的第2目标面700A、和铲斗宽度w规定的体积成为限制体积Vb的方式运算修正量d(步骤S5-S7)。
另外，通常在以液压挖掘机1开始挖掘作业的情况下，在通过动臂5的抬升、下降操作及斗杆6的放出操作而使铲斗齿尖移动到在现况地形上远离车身1B的位置的状态下经由操作装置45b输入斗杆拉回指令(斗杆6的收回操作)，由此开始挖掘作业。即，在输入了斗杆拉回指令时，能够看作铲斗齿尖位置位于现况地形上且从该位置开始挖掘作业。于是在本实施方式中，在挖掘预测体积Va比限制体积Vb大的情况下，在步骤S9中判定有无输入斗杆拉回指令，在有斗杆拉回指令的输入的情况下将此时的铲斗齿尖位置看作挖掘开始位置(第1位置)并生成第2目标面700A(步骤S10)。
由此，在挖掘开始时(斗杆收回操作开始时)挖掘预测体积Va比限制体积Vb大的情况下，与挖掘开始位置(第1位置)相匹配地，在挖掘预测体积成为Vb的位置处生成第2目标面700A，将该第2目标面700A设定成MC对象目标面(在图13中进行从步骤S10通过的路径的处理)。另一方面，在挖掘预测体积Va为限制体积Vb以下的情况下，将第1目标面700设定成MC对象目标面(在图13中进行从步骤S6通过的路径的处理)。
若在能够像这样与挖掘预测体积Va相应地适当设定MC对象目标面的状况下经由操作装置45b输入斗杆收回操作而以作业机1A实施挖掘作业，则MG/MC控制部43基于图14的流程，在通过斗杆收回操作使铲斗10的齿尖在减速区域600内移动的期间，执行以齿尖越接近MC对象目标面则齿尖的速度矢量的垂直成分(与目标面700垂直的成分)越减少的方式控制液压执行机构5、6、7中的至少一个液压执行机构的MC。由此在MC对象目标面上齿尖的速度矢量的垂直成分成为零，因此操作员仅通过输入斗杆收回操作就能够进行沿着MC对象目标面的挖掘，减轻了挖掘作业时的操作员的负担。并且在进行该挖掘作业时，根据图13的流程，以挖掘量始终成为限制体积Vb以下的方式根据挖掘开始时的铲斗齿尖位置(第1位置)决定目标面，因此即使在各挖掘动作中挖掘开始位置(第1位置)不同(即，即使挖掘距离L在每次挖掘时均发生变化)也能够防止实际的挖掘量超过限制体积Vb。
即，根据本实施方式，基于挖掘开始时的液压挖掘机1的姿势运算挖掘体积Va，且以实际的挖掘量始终成为限制体积Vb以下的方式生成MC对象目标面，因此即使在挖掘距离L发生变化的情况下也能够在恰当的位置处生成MC对象目标面，从而能够防止实际的挖掘量超过限制体积Vb(例如铲斗最大容量)。另外此时，防止了铲斗10侵入到MC对象目标面的下方，以铲斗10沿着该MC对象目标面进行动作的方式控制前作业机1A，因此也减轻了挖掘作业中的操作员的操作负担。即，例如若将第1目标面设定为示出作业对象物的最终形状的设计面且将限制体积Vb设定为铲斗最大容量，则能够在始终将一次挖掘动作的挖掘量保持为铲斗最大容量以下的状态下不损伤设计面地执行挖掘作业。
此外，在上述的实施方式中，说明了通过搭载于液压挖掘机1的现况地形获取装置96获取现况地形的例子，但例如也可以如从作为现况地形获取装置而搭载了激光扫描仪的无人机获取现况地形信息的情况那样，事先准备相对于液压挖掘机1独立的现况地形获取装置，输入该现况地形获取装置获取到的现况地形信息并加以利用。
<其他实施方式(现况地形更新部的变形例)>
接下来说明本发明的其他实施方式。本实施方式的液压挖掘机的操纵控制器(具体地说为现况地形更新部的处理内容)与先前的实施方式不同，其他部分相同。因此，省略与先前的实施方式相同的部分的说明，主要仅说明不同的部分。
图16是本实施方式的MG/MC控制部43A的功能框图。本实施方式的MG/MC控制部43A具有现况地形更新部43aa，这一方面与先前的实施方式的MG/MC控制部43不同。
现况地形更新部43aa输入存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置信息和由铲斗位置运算部43d运算的铲斗齿尖的位置信息，在由铲斗位置运算部43d运算出的铲斗齿尖的位置与存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置相比处于下方的情况下，根据由铲斗位置运算部43d运算出的铲斗齿尖的位置信息对存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置信息进行更新。另一方面，在由铲斗位置运算部43d运算出的铲斗齿尖的位置与存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置相比处于上方的情况下，不进行存储在现况地形存储部43b中的现况地形的位置信息的更新。即，在本实施方式中，将对现况地形进行挖掘时的铲斗齿尖的轨迹看作挖掘后的现况地形而对现况地形数据进行更新。
图17中示出了表示由现况地形更新部43aa基于铲斗齿尖的位置信息对现况地形进行的更新的示意图。对某个水平方向坐标x’处的铲斗高度方向上的坐标z1和现况地形的高度方向上的坐标z0进行比较，在z1与z0相比处于下方的情况下将z1更新为新的现况地形数据。
通过像这样将铲斗齿尖位置信息用于现况地形的更新，而无需在每次挖掘时由现况地形获取装置96获取现况地形数据，能够缩短现况地形数据的获取所需的时间。另外，由于只要一旦事先获取了现况地形数据，以后就会通过现况地形更新部43aa的更新功能而依次更新现况地形数据，所以也能够省略将现况地形获取装置96搭载于液压挖掘机1。
<其他>
此外，上述说明中的第1目标面700也可以认为是规定最终的施工形状的设计面。
另外，在第1目标面700相对于挖掘机坐标倾斜的情况下，能够如以下那样计算出修正量d并生成第2目标面700A。图18中示出了表示第1目标面700相对于挖掘机坐标倾斜的情况下的第2目标面700A的生成方法的示意图。在第1目标面700相对于水平方向倾斜了θ的情况下，使用挖掘机坐标中的水平方向上的距离L并如下述的算式(7)那样求出第1目标面方向上的挖掘距离L’。
【算式7】
Figure BDA0001970618040000241
通过将该第1目标面方向上的挖掘距离L’用作算式(6)的L，而能够与第1目标面700不倾斜的情况同样地计算第1目标面700的修正量d。
另外，在第1目标面700由斜度不同的多个面构成的情况下，能够如以下那样计算出修正量d并生成第2目标面700A。图19中示出了表示第1目标面700由斜度不同的多个面构成的情况下的第2目标面700A的生成方法的示意图。在如该图那样第1目标面700由多个面构成的情况下，将第1目标面700的斜度切换的点的水平方向坐标设为x2，且相对于第1目标面700水平的范围内的挖掘预测体积Va2与第1目标面700倾斜的范围内的挖掘预测体积Va1之和，而将第1目标面700水平的范围内的挖掘距离L2与第1目标面700倾斜的范围内的挖掘距离L1’之和(L2+L1’)用作算式(6)的L，由此能够计算修正量d。
另外，在上述实施方式中，在基于原来的目标面(第1目标面700)的位置运算的挖掘预测体积Va超过所期望的限制体积Vb的情况下，在该原来的目标面(第1目标面700)的上方生成新的目标面(第2目标面700A)，并使基于该新的目标面的位置运算的体积接近限制体积Vb，由此谋求解决课题，但也可以以在一次挖掘动作中挖掘的挖掘预测体积与限制体积Vb一致的位置或接近限制体积Vb的位置处直接设定目标面的方式构成液压挖掘机。
即，也可以是，液压挖掘机具有：作业机1A，其具有铲斗10、斗杆9及动臂8；多个液压执行机构5、6、7，其驱动作业机1A；操作装置45a、45b、46a，其指示液压执行机构5、6、7的动作；和操纵控制器43，其具有存储有现况地形800的位置信息的现况地形存储部43b、以及运算铲斗10的齿尖的位置的铲斗位置运算部43d，在上述液压挖掘机中，在操纵控制器43中还具有目标面生成部43g，该目标面生成部43g在挖掘体积接近预先设定的限制体积Vb的位置处生成目标面，其中该挖掘体积是根据在挖掘开始时由铲斗位置运算部43d运算出的铲斗齿尖位置即第1位置、预先设定的挖掘结束时的铲斗齿尖位置即第2位置、现况地形800、上述目标面以及铲斗的宽度w规定的，操纵控制器43在操作装置45a、45b、46a的操作时，以作业机1A的动作范围被限制在上述目标面上及其上方的方式控制液压执行机构5、6、7。
此外，修正系数k并不限于图11所规定的系数，只要为以目标面距离D在正范围内越接近零则速度矢量的垂直成分V0z越接近零的方式进行修正的系数，则也可以为其他值。
此外，本发明并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，本发明并不限定于具有在上述实施方式中所说明的所有结构的发明，也包含删除了该结构的一部分的发明。另外，能够将某个实施方式所涉及的结构的一部分追加或置换到其他实施方式所涉及的结构中。
附图标记说明
1A···前作业机，5···动臂缸，6···斗杆缸，7···铲斗缸，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···操纵控制器(控制装置)，43···MG/MC控制部，43a···现况地形更新部，43b···现况地形存储部(存储部)，43c···目标面存储部，43d···铲斗位置运算部，43e···目标速度运算部，43f···挖掘预测体积运算部，43g···目标面生成部，43h···距离运算部，43i···修正速度运算部，43j···目标先导压运算部，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、旋转)，50···作业机姿势检测装置，51···目标面设定装置，53a···显示装置，54、55、56···电磁比例阀，96···现况地形获取装置，374a···显示控制部，700···第1目标面，700A···第2目标面，800···现况地形。

Claims (5)

1.一种作业机械，具有：
作业机，其具有铲斗、斗杆及动臂；
多个液压执行机构，其驱动所述作业机；
操作装置，其指示所述液压执行机构的动作；和
控制装置，其在所述操作装置的操作时，以所述作业机的动作范围被限制在规定的第1目标面上及其上方的方式控制所述液压执行机构，所述作业机械的特征在于，
所述控制装置具有：
存储部，其存储有现况地形的位置信息；
铲斗位置运算部，其运算所述铲斗的齿尖的位置；
挖掘预测体积运算部，其运算挖掘预测体积，其中该挖掘预测体积是根据在挖掘开始时由所述铲斗位置运算部运算出的所述铲斗的齿尖的位置即第1位置、预先设定的挖掘结束时的所述铲斗的齿尖的位置即第2位置、所述现况地形、所述第1目标面以及所述铲斗的宽度规定的；和
目标面生成部，其在所述挖掘预测体积超过了预先设定的限制体积的情况下，在所述第1目标面的上方生成第2目标面，
所述目标面生成部在根据所述第1位置、所述第2位置、所述现况地形、所述第2目标面以及所述铲斗的宽度规定的挖掘体积接近所述限制体积的位置处生成所述第2目标面，
所述控制装置在生成了所述第2目标面的情况下，以所述作业机的动作范围被限制在所述第2目标面上及其上方的方式控制所述液压执行机构。
2.如权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
所述第1位置是在经由所述操作装置输入了所述斗杆的收回操作时所述铲斗位置运算部运算出的所述铲斗的齿尖的位置。
3.如权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
还具有获取所述现况地形的位置信息的现况地形获取装置，
所述控制装置还具有现况地形更新部，该现况地形更新部在由所述挖掘预测体积运算部运算所述挖掘预测体积时，根据由所述现况地形获取装置获取到的所述现况地形的位置信息对存储在所述存储部中的所述现况地形的位置信息进行更新。
4.如权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
所述控制装置还具有现况地形更新部，该现况地形更新部在由所述铲斗位置运算部运算出的所述铲斗的齿尖的位置与存储在所述存储部中的所述现况地形的位置相比处于下方的情况下，根据由所述铲斗位置运算部运算出的所述铲斗的齿尖的位置信息对存储在所述存储部中的所述现况地形的位置信息进行更新。
5.如权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
所述限制体积为所述铲斗的容量的2倍以下。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111902585A (zh) * 2018-03-27 2020-11-06 住友重机械工业株式会社 挖土机
JP6946226B2 (ja) * 2018-03-29 2021-10-06 株式会社小松製作所 作業車両の制御システム、方法、及び作業車両
JP7188940B2 (ja) * 2018-08-31 2022-12-13 株式会社小松製作所 制御装置、積込機械、および制御方法
CN110020628B (zh) * 2019-04-10 2021-01-05 刘家祺 基于面部检测的坐姿检测方法、系统、设备及存储介质
DE102019207165A1 (de) * 2019-05-16 2020-11-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Berechnung eines Aushubvolumens
JP7146701B2 (ja) * 2019-06-27 2022-10-04 日立建機株式会社 油圧ショベル
US11828040B2 (en) * 2019-09-27 2023-11-28 Topcon Positioning Systems, Inc. Method and apparatus for mitigating machine operator command delay
JP7245141B2 (ja) * 2019-09-30 2023-03-23 日立建機株式会社 油圧ショベル
JP7246294B2 (ja) * 2019-11-26 2023-03-27 コベルコ建機株式会社 計測装置、及び建設機械
US11572671B2 (en) * 2020-10-01 2023-02-07 Caterpillar Sarl Virtual boundary system for work machine
WO2022139032A1 (ko) * 2020-12-23 2022-06-30 볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비 굴착기 및 굴착기를 제어하는 방법 및 디바이스
US20220299318A1 (en) * 2021-03-19 2022-09-22 Topcon Corporation Surveying system, surveying method, and storage medium storing surveying program
JP2022168730A (ja) * 2021-04-26 2022-11-08 コベルコ建機株式会社 目標軌跡生成システム
US20230097563A1 (en) * 2021-09-28 2023-03-30 Deere & Company System and method for blade control on a utility vehicle
CN114411867B (zh) * 2022-02-18 2023-03-10 北京合众鼎新信息技术有限公司 一种挖掘工程作业结果的三维图形渲染展示方法及装置
JP2024047145A (ja) * 2022-09-26 2024-04-05 株式会社小松製作所 作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3056254B2 (ja) 1994-04-28 2000-06-26 日立建機株式会社 建設機械の領域制限掘削制御装置
JP3609164B2 (ja) * 1995-08-14 2005-01-12 日立建機株式会社 建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置
JP3713120B2 (ja) * 1997-03-11 2005-11-02 新キャタピラー三菱株式会社 建設機械の制御装置
JP2000291076A (ja) * 1999-04-01 2000-10-17 Tokai Rika Co Ltd パワーショベル
SE526913C2 (sv) * 2003-01-02 2005-11-15 Arnex Navigation Systems Ab Förfarande i form av intelligenta funktioner för fordon och automatiska lastmaskiner gällande kartläggning av terräng och materialvolymer, hinderdetektering och styrning av fordon och arbetsredskap
JP6522441B2 (ja) * 2015-06-29 2019-05-29 日立建機株式会社 作業機械の作業支援システム
KR102570490B1 (ko) 2015-12-28 2023-08-23 스미토모 겐키 가부시키가이샤 쇼벨 및 쇼벨의 표시장치

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