CN111148879A

CN111148879A - 作业机械

Info

Publication number: CN111148879A
Application number: CN201880054990.3A
Authority: CN
Inventors: 铃木悠介; 田中宏明; 中野寿身
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: EP3848515A1; JPWO2020049623A1; EP3848515A4; US11352761B2; JP6872666B2; CN111148879B; US20210148082A1; KR20200033911A; EP3848515B1; KR102413885B1; WO2020049623A1

Abstract

本发明的作业机械具有控制器(20)，控制器在操作杆(26)被操作的期间内，执行以使作业装置(400)位于任意设定的目标面(60)上或其上方的方式对多个液压缸(32)中的至少一个液压缸(32a)进行控制的区域限制控制，其中，控制器在区域限制控制的执行中，作为车身(1A)相对于地面的倾斜角度的顶起角度(φ)大于预先设定的目标值(φt)的情况下，以使顶起角度接近目标值的方式修正至少一个液压缸(32a)的控制。目标值设定为，根据斗杆(406)的姿势而变化。

Description

作业机械

技术领域

本发明涉及在构造物解体工程、道路工程、建设工程、土木工程等中使用的作业机械。

背景技术

作为在构造物解体工程、道路工程、建设工程、土木工程等中使用的作业机械，已知如下的作业机械，其在主体上安装有由多个前部件组成的多关节型的作业装置，由液压缸驱动这些各前部件。作为其一个例子而具有液压挖掘机，该液压挖掘机具有由动臂、斗杆、铲斗等构成的作业装置。这种液压挖掘机之一能够执行设置作业装置的可工作区域并使作业装置在该范围内半自动地动作的、所谓的机械控制。例如，在该作业装置的可工作区域和不可工作区域的边界设定施工目标面并由操作员进行斗杆操作时，能够通过机械控制使作业装置以沿着该施工目标面的方式半自动地动作。

在基于液压挖掘机的使用了机械控制的挖掘作业中，动臂和铲斗依照预先规定的条件半自动地动作。因此，在想要由作业装置来挖掘难以轻松挖掘且较硬的土壤的情况下，从地面对铲斗作用的挖掘反力变大，容易成为所谓的顶起状态，该顶起状态为：行驶体(履带)中离作业装置远的一侧的端部和铲斗与地面接触、但行驶体中离作业装置近的一侧的端部从地面浮起的状态。

作为涉及顶起的技术，在专利文献1中公开了一种技术，其检测由操作员进行的包括斗杆闭合操作和动臂下收操作在内的复合操作，以不会使车身顶起的方式控制动臂液压缸压力。在该技术中，以不会超过作业机械顶起时的动臂液压缸压力的方式调整向动臂液压缸供给的工作油的压力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014－122510号公报

发明内容

液压挖掘机处于顶起状态时地面与行驶体所呈的角度有时称为顶起角度，然而操作员有时根据该顶起角度的大小直观地掌握挖掘力的大小来调整挖掘力。但是，在专利文献1所述的技术中，以使车身始终不顶起的方式控制动臂液压缸压力。即，在专利文献1的技术中，不考虑操作员的意图，顶起角度通过控制器始终被大致保持于零。因此，操作员无法根据顶起角度的大小来直观地掌握挖掘力的状态，难以通过自身的操作来调整挖掘力。该结果为，担心会由操作员判断为操作性差的机械。

本发明是鉴于上述课题做出的，目的为在进行机械控制的作业机械中提供一种所谓的顶起状态时的操作员的操作性良好的作业机械。

为了实现上述目的，本发明的作业机械具有：由行驶体以及旋转体组成的车身；具有动臂以及斗杆并安装于所述旋转体的作业装置；由从液压泵排出的工作油驱动且使所述作业装置动作的多个液压缸；与操作员的操作对应地指示所述作业装置的动作的操作装置；和控制装置，其在所述操作装置被操作的期间内，执行以使所述作业装置位于任意设定的目标面上或其上方的方式对所述多个液压缸中的至少一个液压缸进行控制的区域限制控制，其中，所述控制装置在所述区域限制控制的执行中，作为所述车身相对于地面的倾斜角度的顶起角度大于预先设定的目标值的情况下，以使所述顶起角度接近所述目标值的方式修正所述至少一个液压缸的控制，所述目标值设定为，根据所述斗杆的姿势而变化。

发明效果

根据本发明，在机械控制的挖掘作业中，不会过度挖掘目标面，能够使操作性和作业效率良好。

附图说明

图1是本发明的实施方式的液压挖掘机的侧视图。

图2是图1的液压挖掘机的系统构成图。

图3是表示液压挖掘机的顶起状态的侧视图。

图4是表示控制器的功能构成的图。

图5是铲斗爪尖的轨迹修正的说明图。

图6是表示限制速度垂直成分V_1y’的运算表的图。

图7是表示分析熟练操作员的挖掘作业所得到的车身俯仰角度的图。

图8是表示实施方式的顺序的流程图。

图9是表示斗杆角度与目标顶起角度φt的关联关系的图。

图10是表示斗杆角度与目标顶起角度φt与目标面距离D之间的关联关系的图。

具体实施方式

以下，使用附图来说明本发明的实施方式。

＜对象装置＞

图1是本发明的实施的方式的液压挖掘机的概略构成图。在图1中，液压挖掘机具有履带式的行驶体401、能够旋转地安装于行驶体401的上部的旋转体402。行驶体401由行驶液压马达33驱动。旋转体402通过旋转液压马达28产生的扭矩而驱动，沿左右方向旋转。

在本说明书中，有时将行驶体401和旋转体402统称为车身1A。行驶体401并非限定于具有履带的构成，也可以为具有行驶轮或腿。

在旋转体402上设置有驾驶席403，在旋转体402的前方安装有能够进行目标面形成作业的多关节型的前作业装置(作业装置)400。

前作业装置400具有由动臂液压缸(第1液压执行机构)32a驱动的动臂405、由斗杆液压缸(第2液压执行机构)32b驱动的斗杆406、和由铲斗液压缸32c驱动的铲斗407。动臂液压缸32a、斗杆液压缸32b、铲斗液压缸32c分别通过从液压泵23排出的工作油而驱动，使作业装置400动作。在本说明书中，有时将动臂405、斗杆406、铲斗407分别称为前部件。

另外，前作业装置400具有将铲斗407与铲斗液压缸32c的前端部连结的第1连结件407B、和将斗杆406与铲斗液压缸32c的前端部连结的第2连结件407C。铲斗液压缸(液压缸)32c与第2连结件407C和斗杆406连结。

此外，铲斗407能够任意地更换为爪钳(grapple)、破碎机(breaker)、耙齿(ripper)、磁体(magent)等未图示的作业工具。

在动臂405和斗杆406上，分别安装有用于检测动臂405和斗杆406相对于规定面(例如水平面)的姿势(倾斜角)的动臂IMU(IMU：Inertial Measurement Unit(惯性测量装置))36和斗杆IMU37。在第2连结件407C上具有用于检测铲斗407对于同一规定面(例如水平面)的姿势(倾斜角)的铲斗IMU38。这些IMU36、37、38分别由角速度传感器和加速度传感器构成，也能够进行倾斜角的运算。

在驾驶席403设置有：与操作员的操作对应地指示前作业装置400、旋转体402以及行驶体401的动作的操作杆(操作装置)26；和指令发动机21(参照图2)的目标转速的发动机控制刻度盘51(参照图2)。操作杆26与操作方向以及操作量对应地产生对于动臂液压缸32a、斗杆液压缸32b、铲斗液压缸32c、行驶液压马达33以及旋转液压马达28的控制信号(从齿轮泵24(参照图2)输出的先导压(以下也称为“Pi压”))，通过该控制信号使动臂405、斗杆406、铲斗407、旋转体402以及行驶体401动作。

操作杆26输出的Pi压由压力传感器44检测，压力传感器44将其检测值向控制器20输出。压力传感器44的检测值在控制器20中利用于操作杆26的操作量、操作方向、操作对象的检测。即、压力传感器44作为检测向操作杆26的操作输入量的操作量传感器来实现功能。压力传感器44存在有控制阀两倍的数量。此外，操作杆26也可以不是电气式。该情况的基于操作杆26的操作量、操作方向、操作对象的检测由检测操作杆26的倾倒量(操作量)的操作量传感器构成。操作量传感器能够根据检测操作员推倒操作杆26的量，而将操作员对作业装置400要求的动作速度分别转换为电信号。

图2是图1的液压挖掘机的系统构成图。本实施方式的液压挖掘机具有：发动机21；发动机控制单元(ECU)22，其作为用于控制发动机21的控制器(控制装置)；液压泵23以及齿轮泵(先导泵)24，其与发动机21的输出轴机械性连结并由发动机21驱动；操作杆26，其将根据操作量对从齿轮泵24排出的液压油进行减压后的液压油作为各液压执行机构28、33、32a、32b、32c的控制信号并经由比例电磁阀27向控制阀25输出；多个控制阀25，其基于从操作杆26或比例电磁阀27输出的控制信号(先导压(以下有时称为Pi压))来控制从液压泵23向各液压执行机构28、33、32a、32b、32c导入的工作油的流量以及方向；多个压力传感器41，其检测作用于各控制阀25的Pi压的压力值；控制器(控制装置)20，其基于前作业装置400的位置、姿势以及其他车身信息来计算修正Pi压并将能够产生该修正Pi压的指令电压向比例电磁阀27输出；和目标面设定装置50，其用于将前作业装置400的作业对象的目标形状、即目标面的信息向控制器20输入。

液压泵23以使车身如各液压执行机构28、33、32a、32b、32c的目标输出(后述)那样地动作的方式机械性地控制扭矩、流量。

控制阀25存在有与控制对象的液压执行机构28、33、32a、32b、32c相同的数量，但在图2中将它们概况由一个表示。对各控制阀作用有使其内部的滑阀向轴向一侧或轴向另一侧移动的两个Pi压。例如，对动臂液压缸32a用的控制阀25作用有动臂上扬的Pi压和动臂下收的Pi压。

压力传感器41检测对各控制阀25作用的Pi压，存在有控制阀两倍的数量。压力传感器41设于控制阀25的正下，现实检测对控制阀25作用的Pi压。

比例电磁阀27存在有多个，但在图2中概括由一个模块表示。比例电磁阀27有两种类型。一种是将从操作杆26输入的Pi压直接输出、或减压直到由指令电压指定的希望的修正Pi压而输出的减压阀，另一种是在需要比操作杆26所输出的Pi压大的Pi压的情况下将从齿轮泵24输入的Pi压减压直到由指令电压指定的希望的修正Pi压而输出的增压阀。关于对于某一控制阀25的Pi压，当需要比从操作杆26输出的Pi压大的Pi压的情况下经由增压阀生成Pi压，当需要比从操作杆26输出的Pi压小的Pi压的情况下经由减压阀生成Pi压，在没有从操作杆26输出Pi压的情况下经由增压阀生成Pi压。即，能够通过减压阀和增压阀，使压力值与从操作杆26输入的Pi压(基于操作员操作的Pi压)不同的Pi压作用于控制阀25，能够使该控制阀25的控制对象的液压执行机构进行希望的动作。

针对每个控制阀25，减压阀和增压阀能够分别最多存在两个。在本实施方式中，设有动臂液压缸32a的控制阀25用的两个减压阀和两个增压阀，设有斗杆液压缸32b的控制阀25用的一个减压阀。具体地，液压挖掘机具有：设于将动臂上扬的Pi压从操作杆26向控制阀25引导的第1管路的第1减压阀；设于将动臂上扬的Pi压从齿轮泵24迂回操作杆26而向控制阀25引导的第2管路的第1增压阀；设于将动臂下收的Pi压从操作杆26向控制阀25引导的第3管路的第2减压阀；设有将动臂下收的Pi压从齿轮泵24迂回操作杆26而向控制阀25引导的第4管路的第2增压阀；和设于将斗杆回收的Pi压从操作杆26向控制阀25引导的第5管路的第3减压阀。

本实施方式的比例电磁阀27仅设为动臂液压缸32a和斗杆液压缸32b的控制阀25用，不存在其他执行机构28、33、32c的控制阀25用的比例电磁阀27。因此，铲斗液压缸32c、旋转液压马达28以及行驶液压马达33基于从操作杆26输出的Pi压而驱动。

此外，在本说明书中，向动臂液压缸32a和斗杆液压缸32b的控制阀25输入的Pi压(对于动臂以及斗杆的控制信号)全都称为“修正Pi压”(或修正控制信号)，不论有无基于比例电磁阀27进行的Pi压的修正。

另外，在本说明书中，有时将在操作杆26的操作中为了使前作业装置400依照预先规定的条件动作而基于由比例电磁阀27修正后的Pi压来控制动臂液压缸32a或斗杆液压缸32b的情况称为机械控制(Machine Control：MC)。例如在本实施方式中，作为MC能够执行区域限制控制，该区域限制控制为，以使前作业装置400(在本实施方式中为铲斗407)位于任意设定的目标面60(参照图5参照)上或其上方的区域的方式对多个液压缸32a、32b、32c中的至少一个液压缸进行控制。另外，在本说明书中，相对于在操作杆26的非操作时由控制器20控制前作业装置400的动作的“自动控制”，有时将MC称为仅在操作杆26的操作时由控制器20控制前作业装置400的动作的“半自动控制”。

控制器(控制装置)20具有输入部、作为处理器的中央处理装置(CPU)、作为存储装置的只读存储器(ROM)以及随机存储器(RAM)、和输出部。输入部将输入至控制器20的各种信息以能够供CPU运算的方式转换。ROM是存储有执行后述的运算处理的控制程序和为了该运算处理的执行所必要的各种信息等的记录介质，CPU依照ROM中所存储的控制程序相对于从输入部以及ROM、RAM取得的信号进行规定的运算处理。从输出部输出用于以目标转速驱动发动机21的指令、和为了向比例电磁阀27作用指令电压所必要的指令等。此外，存储装置不限于上述的ROM以及RAM的这些半导体存储器，能够替代为例如硬盘驱动器等的磁性存储装置。

在控制器20上，连接有ECU22、多个压力传感器41、两根GNSS天线40、铲斗IMU38、斗杆IMU37、动臂IMU36、车身IMU39、用于检测各液压执行机构28、33、32a、32b、32c的压力的多个压力传感器42、用于检测各液压执行机构28、33、32a、32b、32c的动作速度的多个速度传感器43、和目标面设定装置50。

控制器20基于来自两根GNSS天线40的输入信号来计算世界坐标系(地理坐标系)中的旋转体402以及前作业装置400的位置以及朝向(方位)目标面60，并基于来自铲斗IMU38、斗杆IMU37、动臂IMU器36以及车身IMU39的输入信号来计算前作业装置400的姿势。即，在本实施方式中，GNSS天线40作为位置传感器而发挥作用，铲斗IMU38、斗杆IMU37、动臂IMU36以及车身IMU39作为姿势传感器而发挥作用。

在本实施方式中，作为液压缸32a、32b、32c的速度传感器43而利用行程传感器。另外，作为液压缸32a、32b、32c的压力传感器42，而在各液压缸32a、32b、32c具有缸底压检测传感器和活塞杆压检测传感器。在此，有时将检测动臂液压缸32a的缸底压的压力传感器42称为动臂缸底压传感器42BBP，将检测动臂液压缸32a的活塞杆压的压力传感器42称为动臂活塞杆压传感器42BRP。

此外，本说明书所说明的车身位置、前作业装置400的姿势、各执行机构的压力、各执行机构的速度的计算时所利用的方式、方法不过是一例，能够利用公知的计算方式、方法。

目标面设定装置50是能够输入关于目标面60(参照图3、图5)的信息(包括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50与存储有在世界坐标系(地理坐标系)上规定的目标施工面的三维数据的外部终端(未图示)连接，从该外部端末输入的目标面的信息经由目标面设定装置50存储于控制器20内的存储装置。此外，经由目标面设定装置50的目标面的输入也可以由操作员手动进行。

＜顶起＞

如图3所示，车身1A的顶起(顶起状态)表示行驶体401的后端(离作业装置400远的端部)和铲斗407分别与地面接地，行驶体401的前端(离作业装置400近的端部)浮于空中的状态。此时，将行驶体401(车身1A)对于地面的倾斜角度称为顶起角度φ。顶起角度φ为零的情况是处于行驶体401的底面在整个范围内接触地面的状态。

此外，由于旋转体402相对于行驶体401能够旋转，所以有时旋转体402和行驶体401的朝向会因作业姿势而成为与图示相同的方向或横向。在该情况下，也将行驶体401对于地面的倾斜角度定义为顶起角度φ。在本实施方式中为了使运算简单，假设行驶体401的前空转轮与变速齿轮之间的距离、以及左右履带的距离为相同距离来进行运算。

＜控制器＞

图4是由框图来表示由控制器20执行的程序的内容的图(功能框图)。如该图所示，控制器20的功能包括位置运算部740、目标面距离运算部700、目标动作速度运算部710、动作指令值生成部720、驱动指令部730、液压缸压力检测部810、车身俯仰角度检测部820、前姿势检测部830、顶起判断部910、顶起角度运算部920、目标顶起角度决定部930、和指令值修正量运算部940。

控制器20中，位置运算部740根据两根GNSS天线40收到的信号(航法信号)来运算世界坐标系中的旋转体402以及作业装置400的位置和方位。

车身俯仰角度检测部820基于从安装于旋转体402的车身IMU39所得到的加速度信号和角速度信号来检测、运算旋转体402的俯仰角度(倾斜角)。

前姿势检测部830基于从动臂IMU36、斗杆IMU37以及铲斗IMU38所得到的加速度信号和角速度信号来分别推定动臂405、斗杆406、铲斗407的姿势。

目标面距离运算部700输入由位置运算部740运算的旋转体402以及作业装置400的位置以及方位、由车身俯仰角度检测部820运算的旋转体402的俯仰角度、由前姿势检测部830运算的各前部件405、406、407的姿势、和从目标面设定装置50输入的目标面60的三维形状。目标面距离运算部700根据这些输入信息来制作由与旋转体402的旋转轴平行且从铲斗407的重心穿过的平面对三维形状的目标面60横截时所得到的目标面的剖视图(二维形状)，并在该截面中计算铲斗407的爪尖位置和目标面60的距离(目标面距离)D。距离D是从铲斗407的爪尖向目标面60垂下的垂线与该截面之间的交点、跟铲斗407的爪尖(前端)之间的距离。

目标动作速度运算部710运算为了以使铲斗407的爪尖407a沿着目标面60移动的方式使作业装置400动作所必要的(即、为了执行区域限制控制所必要的)、多个液压缸32a、32b、32c中的至少一个液压缸的速度的目标值(目标动作速度)Vt。在本实施方式中为了易于说明，以如下情况为例来说明，该情况为：在作业装置400的挖掘作业时，操作员仅用操作杆26对斗杆406进行操作(即，操作员不进行动臂405和铲斗407的操作)，并仅通过基于MC的动臂液压缸32a的动作来修正通过该斗杆操作而在铲斗爪尖407a产生的速度矢量V₁，由此使铲斗爪尖407a沿着目标面60移动。

首先，目标动作速度运算部710基于由目标面距离运算部700运算的距离D和图6的表来计算铲斗爪尖407a的速度矢量的与目标面60垂直的成分(以下简称为“垂直成分”)的限制值(限制速度垂直成分)V_1y’。此处的限制值是下限值的意思，比限制值小的值被设定为限制值。限制速度垂直成分V_1y’设定为，在距离D为0时为0，根据距离D的增加而单调减少，当距离D超过规定的值d1时设定为－∞，实质上不再施加限制(即，能够输出任意的垂直成分的速度矢量)。限制速度垂直成分V_1y’的确定方法并不限于图6的表，至少在距离D从0直到规定的正值为止的范围内，只要目标速度垂直成分V_1y’单调减少，就能够替代。

接下来，目标动作速度运算部710基于从压力传感器44输入的操作信号(操作量)来运算各液压缸32a、32b、33c的速度(基于操作员操作的各液压缸32a、32b、33c的速度)。该运算例如能够使用将操作杆26的操作量转换为液压缸速度的关联表。而且，对于该速度，考虑从前姿势检测部830输入的作业装置400的姿势信息、和从车身俯仰角度检测部820输入的车身1A的俯仰角度信息来运算各液压缸32a、32b、33c的速度对铲斗爪尖产生的速度矢量V₁。在本实施方式中，因为通过操作杆26仅使斗杆液压缸32b被操作，所以仅由该斗杆液压缸32b的动作对铲斗爪尖407a产生速度矢量V₁。

如图5所示，在本实施方式中，通过MC在铲斗爪尖407a产生速度矢量V₂，通过向铲斗爪尖407a的速度矢量V₁加上该V₂，而以使铲斗407的爪尖的速度矢量的垂直成分保持于目标速度垂直成分V_1y’的方式将铲斗407的爪尖的速度矢量修正为V₁’。本实施方式的目标动作速度运算部710使该速度矢量V₂仅由动臂液压缸32a的动作(动臂上扬动作)产生。而且，目标动作速度运算部710将修正后的各液压缸32a、32b、32c的目标速度作为目标动作速度Vt来计算。在本实施方式中，当将修正前的各液压缸32a、32b、32c的速度(Voa、Vob、Voc)设为(0、Vb1、0)，将修正后的动臂液压缸32a的速度(目标动作速度Vta)设为Va1时，各液压缸32a、32b、32c的目标动作速度(Vta、Vtb、Vtc)为(Va1、Vb1、0)。

在图5的情况中，矢量V₁是根据基于从压力传感器44输入的操作信号(操作量)所运算的各液压缸32a、32b、33c的液压缸速度信息、从前姿势检测部830输入的姿势信息、和从车身俯仰角度检测部820输入的车身俯仰角度信息而计算的修正前的铲斗爪尖的速度矢量。该矢量V₁的垂直成分的方向与目标速度垂直成分V_1y’相同，其大小超过限制值V_1y’的大小，因此必须修正矢量V₁，使得其加上由动臂上扬产生的速度矢量V₂后，修正后的铲斗爪尖速度矢量的垂直成分成为V_1y’。矢量V₂的方向是以从动臂405的转动中心到铲斗爪尖407a为止的距离为半径的圆的切线方向，能够根据此时的前作业装置400的姿势来计算。并且，将具有该计算出的方向的矢量、且具有如下大小的矢量决定作为V₂，即，该矢量具有通过加上修正前的矢量V₁而使修正后的矢量V₁’的垂直成分成为V_1y’的大小。此外，V₂的大小也可以使用V₁和V₁’的大小、和V₁与V₁’所成的角θ并适用余弦定理而求出。

如图6的表所示，当决定爪尖速度矢量的目标速度垂直成分V_1y’时，随着铲斗爪尖407a向目标面60接近，爪尖速度矢量的垂直成分逐渐接近0，因此能够防止爪尖407a侵入至目标面60的下方。

动作指令值生成部720为了使各液压缸32a、32b、32c以由目标动作速度运算部710运算出的目标动作速度(Vta、Vtb、Vtc)动作，而运算应向与各液压缸32a、32b、32c对应的控制阀25输出的修正Pi压(动作指令值Pi)。但是，在具有指令值修正量运算部940指令的修正量(修正动作速度)Vc的情况下，将其与目标动作速度Vt相加来计算修正Pi压(参照后述的数式(3))。在本实施方式中，仅对于动臂液压缸32a的目标动作速度Vta运算修正量Vc，剩余的斗杆液压缸32b、铲斗液压缸32c的目标动作速度Vtb、Vtc不被修正。

驱动指令部730基于动作指令值生成部720生成的修正Pi压，生成对比例电磁阀27的驱动所必要的控制电流，并将该控制电流向比例电磁阀27输出。由此，修正Pi压作用于控制阀25而使各液压缸32a、32b、32c以目标动作速度Vt(Vta、Vtb、Vtc)动作，在修正量Vc为零的情况(顶起角度φ为目标值φt以下的情况)下，铲斗爪尖407a沿着目标面60动作，在动臂液压缸32a的目标动作速度Vta中存在修正量Vc的情况(顶起角度φ大于目标值φt的情况)下，与修正量Vc为零的情况相比，铲斗爪尖407a以在上方描绘轨迹的方式动作。因此，在动臂液压缸32a的目标动作速度Vta中存在修正量Vc的情况下，成为如顶起角度φ变小而接近目标值φt那样的动作。

液压缸压力检测部810输入分别安装于动臂液压缸32a的缸底侧的液压室和活塞杆侧的液压室内的缸底压传感器42BBP和活塞杆压传感器42BRP的压力信号，来检测动臂液压缸32a的缸底压Pbb和活塞杆压Pbr。

＜顶起的判断方法＞

顶起判断部910基于从目标动作速度运算部710所得到的目标动作速度Vt、从液压缸压力检测部810所得到的液压缸压力信息(动臂液压缸32a的活塞杆压Pbr和缸底压Pbb)、和从车身俯仰角度检测部820所得到的车身俯仰角度信息，来判断液压挖掘机1是否处于顶起状态。接下来说明该判断方法的详细内容。

液压挖掘机1是否处于顶起状态的判断使用目标动作速度Vt、动臂液压缸的活塞杆压Pbr和缸底压Pbb、车身俯仰角度信息来进行。在车身1A没有顶起时，作业装置400的自重由动臂液压缸32a支承。因此，动臂液压缸32a的压力中，缸底压Pbb高于活塞杆压Pbr(即，Pbb＞Pbr)。虽然严密地来讲，液压缸整体的推力是与缸底侧液压室和活塞杆侧液压室的受压面积成比例地决定的，但在此假设为缸底侧液压室与活塞杆侧液压室的受压面积为相同来进行说明。

另一方面，在车身1A顶起时，作业装置400支承旋转体402和行驶体401的一部分自重，由此动臂液压缸32a的压力中，缸底压Pbb低于活塞杆压Pbr(即，Pbb＜Pbr)。因此，若动臂液压缸32a中的缸底侧与活塞杆侧之间的压差小于规定的阈值(压力阈值)P1(即，Pbb－Pbr＜P1)，则能够判断车身1A处于顶起状态。

此时的压差的阈值P1可以由对构成液压挖掘机1的各部分的质量进行支承的支承力、和根据动臂液压缸32a的缸底压Pbb与活塞杆压Pbr算出的动臂液压缸32a的推力来求出，也可以现实地测定使车身1A顶起时的动臂液压缸32a的缸底压Pbb和活塞杆压Pbr，根据该压差来求出。另外，也可以通过实验预先测量顶起时的缸底压，当缸底压下降至该测量值时判断为顶起。此外阈值P1也能够设定为零。

但是，上述方法若在静止的状态下能够正确判断车身1A顶起的情况。但是，当使动臂405从在空中静止的状态向下方急动作时，在液压系统的构造上，仅动臂液压缸32a的缸底压Pbb在非常短的时间内急剧下降。该结果为，有时会误判断为动臂液压缸32a的缸底压小于活塞杆压，车身1A处于顶起状态。

因此，当本实施方式向现实机械适用时，从避免误判断的观点有优选为追加以下两个判断。

第一个判断为，在从对操作杆26输入有动臂下收操作而动臂405的下降动作开始后经过规定的时间T1为止的期间内，即使动臂液压缸32a的缸底侧与活塞杆侧的压差小于阈值P1也判断为车身1A没有顶起。时间T1能够通过预先测量缸底压Pbb因动臂下收动作急剧下降而具有误判断的可能性的时间、并以该测量的时间为基准来规定。

另一个判断为，利用当铲斗407与地面接触时液压挖掘机1的俯仰角度稍微变化的情况。即，在动臂405的下降动作开始后经过规定的时间T1为止的期间内，判断车身俯仰角度的变化量是否为规定量(变化量阈值)θ1以上，在为规定量θ1以上的变化的情况下，判断为车身1A顶起。

通过追加以上两个判断，能够正确判断车身1A是否处于顶起状态。

顶起角度运算部920基于从顶起判断部910所得到的液压挖掘机1的顶起状态信息、和从车身俯仰角度检测部820所得到的车身俯仰角度信息，来运算液压挖掘机1的顶起角度φ。作为顶起角度φ的运算方法，例如具有如下方法：将基于顶起判断部910中的判断从判断为未处于顶起状态改变至将要判断为处于顶起状态这一时刻之前的车身IMU(倾斜角传感器)39的检测值运算出的车身俯仰角视为地面的倾斜角，将该倾斜角与现在的倾斜角之间的偏差作为顶起角度φ。另外，在能够由立体摄像头或激光扫描仪等测量地面的形状并取得地面的倾斜角的情况下，能够将该倾斜角与车身俯仰角度的偏差设为顶起角度φ。在目标面设定装置50中存储有最新的地面形状的三维数据的情况下，也能够同样地运算顶起角度φ。

＜基于操作分析的目标顶起角度的探讨＞

在目标顶起角度决定部930中，基于从目标动作速度运算部710所得到的目标动作速度Vt、和从前姿势检测部830所得到的姿势信息来决定液压挖掘机1的目标顶起角度φt。在本实施方式中构成为，根据斗杆406的角度(姿势)而使目标顶起角度φt变化。

图7表示熟练操作员挖掘较硬的土壤时的车身俯仰角的变化。如该图所示，在挖掘较硬土壤时的熟练操作员的挖掘动作中，可知挖掘开始的顶起角度φ较大，挖掘结束时的顶起角度φ较小。作为该理由是由于挖掘开始时，操作员使顶起增大来掌握土壤的状态，感觉挖掘力会影响操作性。另一方面，挖掘结束时，由于能够迅速地转移为基于挖掘动作后续的动臂上扬操作进行的运搬动作而提高作业效率，所以没有顶起。对其进行模仿，本实施方式的目标顶起角度φt在挖掘开始时为最大6度，在挖掘结束时为0度(没有顶起的状态)。

另外，挖掘动作由斗杆拉回和斗杆推出的这两个操作进行。因此，在本实施方式中，分成由斗杆拉回操作进行挖掘的情况、和由斗杆推出操作进行挖掘的情况的这两个情况，而存储有对斗杆角度和目标顶起角度φt的关联关系进行规定的关联表。图9是表示对本实施方式中的斗杆角度和目标顶起角度φt的关联关系进行规定的关联表的图。图中左侧的表1是斗杆拉回操作的情况的关联表，图中右侧的表2是斗杆推出操作的情况的关联表。各表的横轴所示的“斗杆角度”中，将在使斗杆406的前端最接近动臂405而折叠时(斗杆液压缸32b的长度伸长至最大时)的斗杆406的角度设为最小，将在使斗杆406的前端离动臂405最远地伸出时(斗杆液压缸32b的长度缩短至最小时)的斗杆406的角度设为最大。即，图9左侧的表规定了对操作杆26输入有斗杆的拉回操作的情况下的目标顶起角度，设定为，斗杆406的姿势越处于斗杆406的前端部离车身1A近的姿势(即，斗杆液压缸32b的长度越伸长)，目标顶起角度φt变得越小。另一方面，图9右侧的表规定了对操作杆26输入有斗杆的推出操作的情况下的目标顶起角度，设定为，斗杆406的姿势越处于斗杆406的前端部离车身1A近的姿势(即，斗杆液压缸32b的长度越伸长)，目标顶起角度φt变得越大。此外，斗杆角度能够根据斗杆IMU37的检测值运算，斗杆液压缸长度能够根据行程传感器(速度传感器43)的检测值运算。图9的两个表均能够通过利用斗杆角度和斗杆液压缸长度的某一个来运算目标顶起角度。

但是，挖掘的开始和结束的判断能够通过使用斗杆操作量(压力传感器44的检测值)、根据行程传感器(速度传感器43)的检测值得到的斗杆液压缸32b的行程信息、和基于顶起判断部910得到的顶起状态判断结果来判断。挖掘动作的情况下，从斗杆液压缸32b缩短(将作业装置400伸出)的状态开始挖掘，在通过斗杆拉回动作使斗杆液压缸32b伸长(将作业装置400折叠)的状态下结束挖掘。因此，在具有斗杆拉回操作且斗杆液压缸32b缩短的状态下判断为顶起的情况下，能够判断为处于挖掘开始状态(挖掘开始)。另外，当斗杆拉回操作继续进行，斗杆液压缸32b伸长时，能够判断为处于挖掘结束状态(挖掘结束)。此外，在图9中的挖掘开始和结束的中间区域内，与斗杆液压缸32b的行程对应地，对挖掘开始状态和挖掘结束状态的目标角度(即6度和0度)进行线性插补而设为目标顶起角度φt。

＜修正量Vc的计算方法＞

在指令值修正量运算部940中，对从顶起角度决定部930所得到的目标顶起角度信息、和从顶起角度运算部920所得到的顶起角度信息进行比较，在液压挖掘机1的现实的顶起角度(实顶起角度)φ比目标顶起角度φt大的情况下，以使顶起角度φ接近目标顶起角度φt的方式运算与目标动作速度Vt(动臂液压缸32a的目标动作速度Vta)对应的修正量Vc并向动作指令值生成部720输出。相反地，在现实的顶起角度φ为目标顶起角度φt以下的情况下，将修正量Vc作为0而不进行Pi压的修正。接下来说明修正量Vc的具体计算方法。

在现实的顶起角度φ比目标顶起角度φt大的情况下修正目标动作速度Vt。以通过基于操作员操作的斗杆拉回和基于MC的动臂上扬的复合动作进行的挖掘动作为例来说明此时的修正量Vc的计算方法。

为了通过减小挖掘中的顶起角度φ而使其接近目标顶起角度φt，只要将速度设为比由目标动作速度运算部710运算出的动臂液压缸32a的目标动作速度Vta(动臂上扬方向的动臂液压缸速度)更大而使铲斗407以尽快离开地面的方式动作即可。因此，在现实的顶起角度φ比目标顶起角度φt大的情况下，通过如数式(1)所示地将动臂液压缸32a的目标动作速度Vt(Vta)通过K(Vt)乘以常数倍来运算修正量Vc。由此，由于在车身1A过度顶起的情况下，动臂上扬速度变速，所以顶起角度φ变小。

另一方面，在目标顶起角度φt为顶起角度φ以下的情况下，由于不修正目标动作速度Vt(Vta)，所以如数式(2)所示地设为Vc＝0。

用于增大动臂上扬速度的常数值K(Vt)可以预先通过实验求出，也可以决定为根据斗杆操作量和离目标面的距离、目标动作速度Vt等可变的值。在本实施方式中，在液压系统的特性上，由于需要基于目标动作速度Vt的修正，所以使用与目标动作速度Vt对应的系数K(Vt)。

在动作指令值生成部720中，如数式(3)所示，修正量Vc加上由目标动作速度运算部710运算出的目标动作速度Vt，并通过系数F(Vt)而转换为修正Pi压。系数F(Vt)是基于目标动作速度Vt的系数。

Vc＝Vt×K(Vt)[顶起角度＞目标顶起角度]

···数式(1)

Vc＝0[顶起角度≤目标顶起角度]

···数式(2)

Pi＝(Vt+Vc)×F(Vt)

···数式(3)

＜控制顺序＞

使用图8来说明通过上述构成的控制器20执行的处理流程。

控制器20在由压力传感器44确认到经由操作杆26输出了斗杆406的推出或者拉回的操作信号或动臂下收的操作信号的情况下，开始图8的处理并向步骤S10前进。

在步骤S10中，顶起判断部910将时间t重置为零，开始时间t的测量并向步骤S110前进。

在步骤S110中，顶起判断部910判断在时间t内车身俯仰角度的变化量是否为规定量θ1以上。在出现了规定量θ1以上的车身俯仰角度变化的情况下，判断为车身1A具有因动臂下收操作而成为顶起状态的可能性并向步骤S130前进。在时间t内只出现比规定量θ1小的车身俯仰角度变化的情况下，向步骤S120前进。

在步骤S120中，顶起判断部910判断从由步骤S10开始时间t的测量之后是否经过了规定的时间T1。在此，在判断为经过了时间T1的情况(t＞T1)下向步骤S130前进。另一方面，在判断为还没有经过时间T1的情况下返回至步骤S110。

在步骤S130中，顶起判断部910判断动臂液压缸32a的缸底压Pbb与活塞杆压Pbr之差(压差)是否比规定的阈值P1小(即，Pbb－Pbr＜P1是否成立)。在该压差比阈值P1小的情况下，向步骤S150前进。相反地，在该压差为阈值P1以上的情况下，判断为没有发生顶起而向步骤S320前进。

此外，经由步骤S120的情况下的步骤S130的判断优选为在从挖掘动作的开始直到结束的期间内进行。即，优选构成为：在步骤S120判断为是，随后在步骤S130判断为否的情况下，顶起判断部910基于压力传感器44的检测值来判断有无斗杆操作，在斗杆操作继续的情况下返回至步骤S130，在斗杆操作结束的情况下向步骤S320前进。

在步骤S150中，顶起判断部910判断车身1A为顶起中，向步骤S160前进。

在步骤S160中，顶起角度运算部920存储由步骤S150将要判断为处于顶起时之前的车身俯仰角度，并根据所存储的车身俯仰角度和此时的时点中的车身俯仰角度之间的差量来运算车身1A的顶起角度φ。

在步骤S210中，目标顶起角度决定部930基于压力传感器44所检测的操作信号来判断斗杆操作是否为拉回操作。在斗杆操作为拉回操作的情况下向步骤S220前进。在斗杆操作为推出操作的情况下，向步骤S230前进。此外，在因动臂下收发生顶起的情况(即，在由步骤S110判断为是之后，由步骤S130也判断为是的情况)下，通常也会在动臂下收之后输入斗杆拉回或斗杆推出的操作，由此不会有妨碍。

在步骤S220中，目标顶起角度决定部930参照图9的表1，根据此时的斗杆角度来决定目标顶起角度φt。

在步骤S230中，目标顶起角度决定部930参照图9的表2，根据此时的斗杆角度来决定目标顶起角度φt。

在步骤S240中，指令值修正量运算部940判断由步骤S160运算的顶起角度φ是否比由步骤S220或步骤S230决定的目标顶起角度φt大。在比目标顶起角度φt大的情况下向步骤S310前进。另一方面，在为目标顶起角度φt以下的情况下向步骤S320前进。

在步骤S310中，指令值修正量运算部940基于数式(1)来运算关于动臂液压缸32a的速度的修正量Vc，并利用该修正量Vc、目标动作速度Vt、和数式(3)来运算动臂液压缸32a的修正Pi压，并向步骤S330前进。此外，斗杆液压缸32b、铲斗液压缸32c的速度根据目标动作速度Vt来运算修正Pi压。

在步骤S320中，指令值修正量运算部940基于数式(2)而将关于动臂液压缸32a的速度的修正量Vc设为零，并利用目标动作速度Vt和数式(3)来运算动臂液压缸32a的修正Pi压，并向步骤S330前进。在该情况下，修正Pi压没有被修正。此外，斗杆液压缸32b、铲斗液压缸32c的速度根据目标动作速度Vt来运算修正Pi压。

在步骤S330中，驱动指令部730运算用于通过比例电磁阀27输出由步骤S310或S320运算出的修正Pi压的控制电流，并将该控制电流向对应的比例电磁阀27输出，由此驱动对应的液压缸32a、32b、32c。

此外，虽然在上述中当具有斗杆操作或动臂下收操作时开始图8的流程，但也可以仅以动臂下收操作为触发而开始流程。通常，挖掘动作首先进行通过动臂下收使铲斗移动至挖掘开始位置的动作，然后迅速通过斗杆的拉回操作或推出操作而使挖掘动作开始，由此可认为只要在由步骤S210执行斗杆操作的判断处理之前输入斗杆操作，都不会对步骤S210的判断产生妨碍。

＜动作·效果＞

在以上构成的本实施方式的液压挖掘机中，在对斗杆405进行拉回操作而开始挖掘动作的情况下，若土壤较硬且对于车身1A发生了顶起的话，在该顶起角度φ超出目标值(目标顶起角度)φt之前，不执行减小顶起角度的MC。因此，在顶起角度超出目标值之前的期间内，操作员能够根据顶起角度的大小来直观地掌握挖掘力的状态(土壤硬度的状态)，并且能够通过自身的操作来调整挖掘力。而且，顶起角度的目标值与熟练操作员挖掘较硬土壤的情况下的顶起角度的倾向相符地，以斗杆的角度越小(即，挖掘动作越接近结束)变得越小的方式构成，并构成为，与挖掘动作的进展配合地使现实的顶起角度通过MC半自动地接近目标值。由此，因为在挖掘的开始时使挖掘力在可能的范围内最大化，所以能够高效地挖掘较硬土壤。另外，因为能够与操作员的技术水平无关地，以与熟练操作员同等的顶起角度进行挖掘，所以能够期待即使是不娴熟的操作员也能够有效挖掘较硬土壤。另外，对于熟练操作员，能够在现实的顶起角度为目标值以下的范围内通过自身的操作来调整挖掘力，所以不会使操作性降低。因此，根据本实施方式，在执行区域限制控制(MC)的液压挖掘机中，能够良好地保持顶起状态时的操作员的操作性。

另外，在上述的液压挖掘机中设定为，挖掘的开始时目标顶起角度相对较大，挖掘的结束时目标顶起角度接近零，因此能够迅速地开始挖掘动作的结束后进行的运搬动作，由此能够防止作业效率的降低。

另外，在基于动臂液压缸32a的缸底侧液压室与活塞杆侧液压室的压差来判断有无顶起的发生的方法中，在使作业装置400从静止的状态急剧进行动臂下收的情况下，由于实际上没有发生顶起但采用了与发生顶起时相同的压差值，因此具有误判断顶起的隐患。但是，在本实施方式中构成为，在从动臂下收操作起经过规定时间T1之前的期间内车身俯仰角以规定量以上变化的情况下判断为产生了顶起角度，因此能够防止这种误判断的发生。

＜变形例＞

优选为，如图10所示，目标面距离D变得越小，目标顶起角度φt设定得越小。虽然担心若车身1A过度顶起，则当土壤急剧变软时会过度挖掘目标面60，并担心当挖掘结束时无法立刻向运搬动作转移而导致作业效率降低，但若这样地设定目标顶起角度φt，则在目标面距离D较小且目标面60与铲斗爪尖407a的距离较近的情况下，将目标顶起角度φt设定得小来抑制实施的顶起角度，因此能够防止过度挖掘目标面60的事态的发生。另外，在目标面距离D较大且目标面60与铲斗爪尖407a的距离较远的情况下，能够通过顶起来增大挖掘力，期望作业效率的提高。

＜其他＞

在上述中，为了使控制器20所执行的区域限制控制的说明简单，而以在挖掘作业时仅进行斗杆操作为前提，但相对于这一点也可以构成为，控制器20所执行的处理和程序(图4的控制器20内的各部分)即使在具有动臂操作和铲斗操作的情况下也能够使区域限制控制正常发挥作用。

另外，在上述中，仅动臂液压缸32a(动臂405)被MC控制，但也可以构成为，斗杆液压缸32b和铲斗液压缸32c也被MC控制。在该情况下，在指令值修正量运算部940中，相对于被MC控制的液压缸的目标动作速度Vt来运算修正量Vc。

另外，上述的图8的步骤S10、S110、S120的处理可以省略。

此外，本发明并不限定于上述各实施方式，包括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上述实施方式所说明的全部构成，包括将其构成的一部分删除的方案。另外，能够将某一实施方式的构成的一部分与其他实施方式的构成追加或置换。

另外，上述控制装置(控制器20)的各构成和该各构成的功能以及执行处理等可以由硬件(例如将执行各功能的逻辑由集成电路设计等)实现其一部分或全部。另外，上述控制装置的构成也可以作为由运算处理装置(例如CPU)读取、执行来实现该控制装置的构成的各功能的程序(软件)。该程序的信息能够存储于例如半导体存储器(闪存、SSD等)，磁性存储装置(硬盘驱动器等)以及记录介质(磁盘、光盘等)等。

另外，上述各实施方式的说明中，表示了对于该实施方式的说明所必要的控制线和信息线，但并不限于必须表示产品的全部控制线和信息线。可以考虑为在现实中几乎所有的构成是相互连接的。

附图标记说明

1…液压挖掘机，20…控制器(控制装置)，21…发动机，21c…铲斗液压缸，22…发动机控制单元(ECU)，23…液压泵，24…齿轮泵(先导泵)，25…控制阀，26…操作杆(操作装置)，27…比例电磁阀，28…旋转液压马达，32a…动臂液压缸，32b…斗杆液压缸，32c…铲斗液压缸，33…行驶液压马达，40…天线，41…压力传感器，42…压力传感器，42BBP…动臂缸底压传感器，42BBP…动臂缸底压传感器，43…速度传感器，44…压力传感器，50…目标面设定装置，51…发动机控制刻度盘，60…目标面，400…前作业装置(作业装置)，401…行驶体，402…旋转体，403…驾驶席，405…动臂，406…斗杆，407…铲斗，407a…铲斗爪尖，700…目标面距离运算部，710…目标动作速度运算部，720…动作指令值生成部，730…驱动指令部，740…位置运算部，810…液压缸压力检测部，820…车身俯仰角度检测部，830…前姿势检测部，910…顶起判断部，920…顶起角度运算部，930…目标顶起角度决定部，940…指令值修正量运算部。

Claims

1.一种作业机械，具有：

由行驶体以及旋转体组成的车身；

具有动臂以及斗杆并安装于所述旋转体的作业装置；

由从液压泵排出的工作油驱动且使所述作业装置动作的多个液压缸；

与操作员的操作对应地指示所述作业装置的动作的操作装置；和

控制装置，其在所述操作装置被操作的期间内，执行以使所述作业装置位于任意设定的目标面上或其上方的方式对所述多个液压缸中的至少一个液压缸进行控制的区域限制控制，所述作业机械的特征在于，

所述控制装置在所述区域限制控制的执行中，作为所述车身相对于地面的倾斜角度的顶起角度大于预先设定的目标值的情况下，以使所述顶起角度接近所述目标值的方式修正所述至少一个液压缸的控制，

所述目标值设定为，根据所述斗杆的姿势而变化。

2.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

在向所述操作装置输入有所述斗杆的拉回操作的情况下，所述斗杆的姿势越为所述斗杆的前端部离所述车身近的姿势，所述控制装置将所述目标值设定得越小。

3.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

在向所述操作装置输入有所述斗杆的推出操作的情况下，所述斗杆的姿势越为所述斗杆的前端部离所述车身近的姿势，所述控制装置将所述目标值设定得越大。

4.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

在向所述操作装置输入有所述斗杆的拉回操作的情况下，所述多个液压缸中驱动所述斗杆的斗杆液压缸的长度越伸长，所述控制装置将所述目标值设定得越小。

5.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

在向所述操作装置输入有所述斗杆的推出操作的情况下，所述多个液压缸中驱动所述斗杆的斗杆液压缸的长度越伸长，所述控制装置将所述目标值设定得越大。

6.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

进一步地，所述作业装置与所述目标面的距离越接近，所述控制装置将所述目标值设定得越小。

7.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

在从通过所述操作装置使所述动臂的下降操作开始起经过了规定时间之后，所述多个液压缸中驱动所述动臂的动臂液压缸的缸底压与活塞杆压之差小于规定的压力阈值时，所述控制装置判断所述车身处于顶起状态。

8.根据权利要求7所述的作业机械，其特征在于，

在从通过所述操作装置使所述动臂的下降操作开始直到经过规定时间为止的期间内，当所述车身的倾斜角的变化量成为规定的变化量阈值以上、且所述多个液压缸中驱动所述动臂的动臂液压缸的缸底压与活塞杆压之差小于规定的压力阈值时，所述控制装置判断所述车身处于顶起状态。

9.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

还具有检测所述车身的倾斜角的倾斜角传感器，

所述控制装置基于将要判断为所述车身处于顶起状态的时刻之前的所述倾斜角传感器的检测值来运算所述顶起角度。