CN112601864B - 作业机械 - Google Patents

Abstract

在铲斗(10)与砂土接触的情况下，在铲斗(10)与目标面(60)的距离D为预先设定的第一阈值D1以下时，以维持铲斗(10)相对于目标面的相对角度的方式输出操作信号或对操作信号进行修正，在铲斗(10)没有与砂土接触的情况下，在铲斗(10)与目标面(60)的距离为预先设定成比第一阈值D1小的第二阈值D2以下时，以维持铲斗(10)相对于目标面(60)的相对角度的方式输出操作信号或对操作信号进行修正。由此，能够恰当地开始维持作业工具的角度的控制。

Description

作业机械

技术领域

本发明涉及作业机械。

背景技术

作为提高具有由液压执行机构驱动的作业装置(例如前作业装置)的作业机械(例如液压挖掘机)的作业效率的技术，存在机械控制(MC：Machine Control)。机械控制(以后仅称为MC)是在操作装置被操作员操作的情况下，通过执行遵照预先设定的条件使作业装置动作的半自动控制来进行操作员的操作支援的技术。

作为这样的涉及MC的技术，例如在专利文献1中，公开了如下工程机械的控制装置，该工程机械具备至少包含铲斗的作业机，在工程机械的控制装置中，具备：获取表示上述作业机的操作量的操作量数据的操作量数据获取部；基于上述操作量数据对上述铲斗的非操作状态进行判定的操作判定部；基于上述非操作状态的判定对是否满足铲斗控制条件进行判定的铲斗控制判定部；和在判定成满足上述铲斗控制条件的情况下输出控制上述铲斗的控制信号以维持上述作业机的状态的作业机控制部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/086488号

发明内容

在上述现有技术中，在进行使前作业装置的铲斗(作业工具)沿着基准面移动这样的MC的情况下，在铲斗与目标挖掘地形(以下称为目标面)的距离为预先设定的阈值以下且斗杆为驱动状态时，以将铲斗相对于目标面的角度维持为固定角度的方式进行控制，由此例如，支援挖掘对象的修整作业。

但是，在上述现有技术中，由于作为将铲斗的角度维持为固定角度的控制开始的条件而针对铲斗与目标面的距离设定的阈值被预先确定，所以根据该阈值的设定方法，认为有时在谋求角度维持的情况下没有开始控制，或者在角度维持成为阻碍的情况下却开始了控制。例如，在向挖掘面堆土并利用铲斗压紧这样的修整作业中，若阈值大则维持铲斗角度的范围变高，因此需要使铲斗在大幅离开挖掘面的状态下卸土，并且在铲斗的姿势成为压紧姿势之后再下降，对于操作员来说必须进行有不适感的操作，作业效率也会下降。另外，若阈值小则容易脱离维持铲斗角度的条件，因此，认为有时维持角度的控制不会开始，或者会非意图地切换维持角度的控制的有无。

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够恰当地开始维持作业工具角度的控制的作业机械。

本申请包含解决上述课题的多个方案，列举其一例，则为一种作业机械，具备：多关节型的前作业装置，其将包含设于前端的作业工具在内的多个被驱动部件相互以能够转动的方式连结而构成；多个液压执行机构，其基于操作信号分别驱动上述多个被驱动部件；操作装置，其对上述多个液压执行机构中的操作员所期望的液压执行机构输出上述操作信号；姿势检测装置，其检测上述前作业装置的多个被驱动部件的各自的姿势；以及控制器，其对上述多个液压执行机构中的至少一个液压执行机构输出上述操作信号，或者执行对上述操作信号进行修正的区域限制控制，以使得上述前作业装置在对上述前作业装置的作业对象设定的目标面上及其上方的区域内工作，上述作业机械中，还具备检测上述作业工具向砂土的接触状态的接地状态检测装置，上述控制器构成为，在根据上述接地状态检测装置的检测结果判定成上述作业工具正与砂土接触的情况下，在上述作业工具与上述目标面的距离为预先设定的第一阈值以下时，以维持上述作业工具相对于上述目标面的相对角度的方式输出上述操作信号或对上述操作信号进行修正，在根据上述接地状态检测装置的检测结果判定成上述作业工具没有与砂土接触的情况下，在上述作业工具与上述目标面的距离为预先设定成比上述第一阈值小的第二阈值以下时，以维持上述作业工具相对于上述目标面的相对角度的方式输出上述操作信号或对上述操作信号进行修正。

发明效果

根据本发明，能够恰当地开始维持作业工具的角度的控制。

附图说明

图1是示意地表示作为作业机械的一例的液压挖掘机的外观的图。

图2是将液压挖掘机的液压回路系统与包含控制器(控制装置)的周边结构一起抽出的图。

图3是表示图2中的前控制用液压单元的详情的图。

图4是控制器的硬件结构图。

图5是表示控制器的处理功能的功能框图。

图6是表示图5中的MC控制部的处理功能的详情的功能框图。

图7是表示基于控制器进行的MC的关于动臂的处理内容的流程图。

图8是说明对液压挖掘机设定的挖掘机坐标系的图。

图9是表示缸速度相对于操作量的设定表的一例的图。

图10是表示铲斗齿尖速度的垂直分量的限制值与距离的关系的图。

图11是表示铲斗中的速度分量的一例的图。

图12是表示基于控制器进行的MC的关于铲斗的处理内容的流程图。

图13是表示铲斗按压作业的状况的图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，作为作业机械的一例，例示在前作业装置的前端具备铲斗来作为作业工具(附属工具)的液压挖掘机进行说明，但也能够将本发明适用于具备铲斗以外的附属工具的作业机械。另外，只要具有将多个被驱动部件(附属工具、斗杆、动臂等)连结构成的多关节型的前作业装置，则也能够适用于液压挖掘机以外的作业机械。

另外，在以下的说明中，关于与表示某形状的术语(例如，目标面、设计面等)一起使用的“上”、“上方”或“下方”这一词语的意思，“上”表示该某形状的“表面”，“上方”表示比该某形状的“表面高的位置”，“下方”表示比该某形状的“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时，存在对附图标记(数字)的末尾标注字母的情况，也存在将该字母省略并将该多个结构要素统一表述的情况。即，例如，在存在两个泵2a、2b时，有时将它们统一表述为泵2。

＜基本结构＞

图1是示意地表示作为本实施方式的作业机械的一例的液压挖掘机的外观的图。另外，图2是将液压挖掘机的液压回路系统与包含控制器(控制装置)的周边结构一起抽出示出的图，图3是表示图2中的前控制用液压单元的详情的图。

在图1中，液压挖掘机1由多关节型的前作业装置1A和主体1B构成。液压挖掘机1的主体1B由通过左右的行驶液压马达3a、3b而行驶的下部行驶体11、和安装在下部行驶体11之上且通过旋转液压马达4而旋转的上部旋转体12构成。

前作业装置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斗杆9，在斗杆9的前端经由铲斗销能够转动地连结铲斗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。此外，在以后的说明中，存在将动臂缸5、斗杆缸6及铲斗缸7统一称为液压缸5、6、7或液压执行机构5、6、7的情况。

图8是说明对液压挖掘机设定的挖掘机坐标系的图。

如图8所示，在本实施方式中，对液压挖掘机1定义挖掘机坐标系(局部坐标系)。挖掘机坐标系是对上部旋转体12相对固定地定义的XY坐标系，设定车身坐标系，以转动支承于上部旋转体12的动臂8的基端为原点，具有将在沿着上部旋转体12的旋转轴的方向上穿过原点的上方设为正的Z轴；和将在沿着前作业装置1A的工作平面且与Z轴垂直的方向上从动臂的基端穿过的前方设为正的X轴。

另外，将动臂8的长度(两端的连结部间的直线距离)设为L1，将斗杆9的长度(两端的连结部间的直线距离)设为L2，将铲斗10的长度(与斗杆的连结部到齿尖之间的直线距离)设为L3，将动臂8与X轴所成的角(长度方向的直线与X轴的相对角度)定义为转动角度α，将斗杆9与动臂8所成的角(长度方向的直线的相对角度)定义为转动角度β，将铲斗10与斗杆9所成的角(长度方向的直线的相对角度)定义为转动角度γ。由此，能够以L1、L2、L3、α、β、γ表现挖掘机坐标系下的铲斗齿尖位置的坐标及前作业装置1A的姿势。

而且，将液压挖掘机1的主体1B的相对于水平面的前后方向上的倾角设为角度θ，将前作业装置1A的铲斗10的齿尖与目标面60的距离设为D。此外，目标面60是作为挖掘作业的目标而基于施工现场的设计信息等设定的目标挖掘面。

在前作业装置1A上，作为测定动臂8、斗杆9、铲斗10的转动角度α、β、γ的姿势检测装置，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，另外，在上部旋转体12安装有检测上部旋转体12(液压挖掘机1的主体1B)相对于基准面(例如水平面)的倾斜角θ的车身倾斜角传感器33。此外，例示角度传感器30、31、32检测多个被驱动部件8、9、10的连结部处的相对角度而进行了说明，但能够替换为分别检测多个被驱动部件8、9、10相对于基准面(例如水平面)的相对角度的惯性测量装置(IMU:Inertial Measurement Unit)。

在设于上部旋转体12的驾驶室内，设置有具有行驶右杆23a(图1)且用于操作行驶右液压马达3a(下部行驶体11)的操作装置47a(图2)、具有行驶左杆23b(图1)且用于操作行驶左液压马达3b(下部行驶体11)的操作装置47b(图2)、共用操作右杆1a(图1)且用于操作动臂缸5(动臂8)及铲斗缸7(铲斗10)的操作装置45a、46a(图2)、和共用操作左杆1b(图1)且用于操作斗杆缸6(斗杆9)及旋转液压马达4(上部旋转体12)的操作装置45b、46b(图2)。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。

另外，在驾驶室内，配置有能够显示目标面60与前作业装置1A的位置关系的显示装置(例如液晶显示器)53、用于择一地选择基于机械控制(以下称为MC)进行的铲斗角度控制(也称为作业工具角度控制)的许可·禁止(ON·OFF)的控制选择装置97、和能够输入与目标面60相关的信息(包含各目标面的位置信息和倾斜角度信息)的作为接口的目标面设定装置51。

控制选择装置97例如设于操纵杆形状的操作杆1a中的前表面的上端部，由握住操作杆1a的操作员的大拇指进行按压操作。另外，控制选择装置97是例如瞬时开关，在每次被按下时切换铲斗角度控制(作业工具角度控制)的有效(ON)和无效(OFF)。此外，控制选择装置97的设置部位不限于操作杆1a(1b)，也可以设于其他位置。另外，控制选择装置97无需由硬件构成，也可以例如将显示装置53触摸面板化，以在其显示画面上显示的图形用户界面(GUI)构成控制选择装置。

目标面设定装置51与收纳了在全局坐标系(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，基于来自该外部终端的信息进行目标面60的设定。此外，经由目标面设定装置51进行的目标面60的输入可以由操作员以手动进行。

如图2所示，搭载于上部旋转体12的作为原动机的发动机18驱动液压泵2a、2b和先导泵48。液压泵2a、2b是通过调节器2aa、2ba控制容量的可变容量型泵，先导泵48是固定容量型泵。液压泵2及先导泵48从工作油箱200吸引工作油。

在对从操作装置45、46、47作为操作信号输出的液压信号进行传递的先导管路144、145、146、147、148、149的中途设有梭形滑阀块162。从操作装置45、46、47输出的液压信号经由梭形滑阀块162也被输入到调节器2aa、2ba。梭形滑阀块162由用于选择性地提取先导管路144、145、146、147、148、149的液压信号的多个梭形滑阀等构成，详细结构的说明省略。来自操作装置45、46、47的液压信号经由梭形滑阀块162输入到调节器2aa、2ba，与该液压信号相应地控制液压泵2a、2b的喷出流量。

作为先导泵48的喷出配管的泵管路48a通过液控止回阀39后，分支成多个并与操作装置45、46、47及前控制用液压单元160内的各阀连接。液控止回阀39是例如电磁切换阀，其电磁驱动部与配置于驾驶室(图1)的未图示的门锁杆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关闭而泵管路48a被切断，若处于锁定解除位置则液控止回阀39打开而泵管路48a开通。也就是说，在门锁杆被操作到锁定位置而泵管路48a被切断的状态下，基于操作装置45、46、47的操作无效化，禁止旋转及挖掘等动作。

操作装置45、46、47为液压先导方式，基于从先导泵48喷出的液压油，将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(有时称为操作压)生成为液压信号。这样生成的先导压(液压信号)经由先导管路144a～149b(参照图3)被供给到对应的流量控制阀15a～15f(参照图2、图3)的液压驱动部150a～155b，被利用为驱动这些流量控制阀15a～15f的操作信号。

从液压泵2喷出的液压油经由流量控制阀15a、15b、15c、15d、15e、15f(参照图2)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及铲斗缸7。动臂缸5、斗杆缸6及铲斗缸7通过从液压泵2经由流量控制阀15a、15b、15c供给的液压油而伸缩，由此动臂8、斗杆9及铲斗10分别转动而铲斗10的位置及姿势变化。另外，旋转液压马达4通过从液压泵2经由流量控制阀15d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。另外，行驶右液压马达3a及行驶左液压马达3b通过从液压泵2经由流量控制阀15e、15f供给的液压油而旋转，由此下部行驶体11行驶。在动臂缸5上，作为用于检测铲斗10是否与砂土接触的铲斗接地状态检测装置，设有检测动臂缸5的缸底侧的压力的压力传感器57。此外，接地状态检测装置只要能够检测作为作业工具的铲斗10是否与砂土接触即可，例如，可以构成为从使用具有立体摄像头的摄像头装置获取的影像判定铲斗10是否与砂土接触。

＜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：作为操作员操作检测装置的压力传感器70a、70b，其设于动臂8用的操作装置45a的先导管路144a、144b，检测先导压(第1控制信号)来作为操作杆1a的操作量；电磁比例阀54a，其一次端口侧经由泵管路48a与先导泵48连接并将来自先导泵48的先导压减压后输出；梭形滑阀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)的高压侧，并引导到流量控制阀15a的液压驱动部150a；以及电磁比例阀54b，其设于动臂8用的操作装置45a的先导管路144b，基于来自控制器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具备：作为操作员操作检测装置的压力传感器71a、71b，其设置于斗杆9用的先导管路145a、145b，检测先导压(第1控制信号)来作为操作杆1b的操作量并输出到控制器40；电磁比例阀55b，其设置于先导管路145b，基于来自控制器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，其设置于先导管路145a，基于来自控制器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具备：作为操作员操作检测装置的压力传感器72a、72b，其设置于铲斗10用的先导管路146a、146b，检测先导压(第1控制信号)来作为操作杆1a的操作量并输出到控制器40；电磁比例阀56a、56b，其基于来自控制器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，将来自先导泵48的先导压降低后输出；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输出的控制压的高压侧，并引导到流量控制阀15c的液压驱动部152a、152b。此外，在图3中，出于纸面安排而省略了压力传感器70、71、72与控制器40的连接线。

电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b在非通电时开度最大，越使来自控制器40的作为控制信号的电流增大而开度越变小。另一方面，电磁比例阀54a、56c、56d在非通电时开度为零，在通电时具有开度，越使来自控制器40的电流(控制信号)增大而开度越变大。像这样各电磁比例阀54、55、56的开度是与来自控制器40的控制信号相应的。

以后，在本实施方式中，将针对流量控制阀15a～15c的控制信号中的、由操作装置45a、45b、46a的操作产生的先导压称为“第1控制信号”。另外，将针对流量控制阀15a～15c的控制信号中的、由控制器40驱动电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b将第1控制信号修正(降低)而生成的先导压和由控制器40驱动电磁比例阀54a、56c、56d而区别于第1控制信号新生成的先导压称为“第2控制信号”。

＜控制器40＞

图4是控制器的硬件结构图。

在图4中，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。输入接口91输入来自姿势检测装置(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)的信号、来自目标面设定装置51的信号、来自操作员操作检测装置(压力传感器70a、70b、71a、71b、72a、72b)、控制选择装置97的信号、以及来自铲斗接地状态检测装置(压力传感器57)的信号，进行A/D转换。ROM93是存储有用于执行后述流程的控制程序、执行该流程所需要的各种信息等的记录介质，CPU92遵照存储于ROM93的控制程序，对从输入接口91及存储器93、94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，并将该信号输出到显示装置53和电磁比例阀54、55、56，由此驱动、控制液压执行机构3a、3b、3c，将液压挖掘机1的主体1B、铲斗10及目标面60等的图像显示到显示装置53的显示画面上。此外，图4的控制器40例示了作为存储装置而具备ROM93及RAM94这样的半导体存储器的情况，但只要是具备存储功能的装置则能够替换，例如可以构成为具备硬盘驱动器等磁存储装置。

本实施方式中的控制器40作为机械控制(MC)，在操作装置45、46被操作员操作时，执行基于预先设定的条件对前作业装置1A进行控制的处理。关于本实施方式中的MC，存在相对于操作装置45、46的非操作时通过计算机控制前作业装置1A的动作的“自动控制”，而称为仅在操作装置45、46的操作时通过计算机控制前作业装置1A的动作的“半自动控制”的情况。

作为前作业装置1A的MC，在经由操作装置45b、46a输入了挖掘操作(具体地说，斗杆回收、铲斗铲装及铲斗卸载中的至少一个的指示)的情况下，进行所谓区域限制控制，即，基于目标面60与前作业装置1A的顶端(在本实施方式中设为铲斗10的齿尖)的位置关系，将强制使液压执行机构5、6、7中的至少一个动作的控制信号(例如，使动臂缸5伸长而强制进行动臂抬升动作)输出到相符的流量控制阀15a、15b、15c，使得前作业装置1A的顶端的位置保持于目标面60上及其上方区域内。

通过这样的MC防止了铲斗10的齿尖侵入到目标面60的下方，因此无关于操作员的技能程度而能够进行沿着目标面60的挖掘。此外，在本实施方式中，将MC时的前作业装置1A的控制点设定于液压挖掘机的铲斗10的齿尖(前作业装置1A的顶端)，但只要是前作业装置1A的顶端部分的点则控制点也能变更为铲斗齿尖以外的点。即，例如，也可以将控制点设定于铲斗10的底面、铲斗连杆13的最外部。

在前控制用液压单元160中，当从控制器40输出控制信号来驱动电磁比例阀54a、56c、56d时，在对应的操作装置45a、46a没有被操作员操作的情况下也能够产生先导压(第2控制信号)，因此能够强制性产生动臂抬升动作、铲斗铲装动作、铲斗卸载动作。另外，与其同样地当通过控制器40驱动电磁比例阀54b、55a、55b、56a、56b时，能够产生将通过操作员对操作装置45a、45b、46a的操作产生的先导压(第1控制信号)降低后的先导压(第2控制信号)，因此能够根据操作员操作的值强制性地降低动臂下降动作、斗杆回收/放出动作、铲斗铲装/卸载动作的速度。

第2控制信号在根据第1控制信号产生的前作业装置1A的控制点的速度矢量违反规定条件时生成，生成为产生不违反该规定条件的前作业装置1A的控制点的速度矢量的控制信号。此外，在对同一流量控制阀15a～15c中的一方的液压驱动部生成第1控制信号、对另一方的液压驱动部生成第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方的液压驱动部。因此，对于流量控制阀15a～15c中的被运算出第2控制信号的流量控制阀，基于第2控制信号进行控制，对于没被运算出第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)。若像上述那样定义第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。

图5是表示控制器的处理功能的功能框图。另外，图6是表示图5中的MC控制部的处理功能的详情的功能框图。

如图5所示，控制器40具备MC控制部43、电磁比例阀控制部44和显示控制部374。

显示控制部374是基于从MC控制部43输出的作业装置姿势及目标面来控制显示装置53的部分。在显示控制部374中具备大量收纳有包含前作业装置1A的图像及图标的显示关联数据的显示ROM，显示控制部374基于输入信息所包含标志读出规定程序，并且进行显示装置53中的显示控制。

如图6所示，MC控制部43具备操作量运算部43a、姿势运算部43b、目标面运算部43c、动臂控制部81a和铲斗控制部81b。

操作量运算部43a基于来自操作员操作检测装置(压力传感器70、71、72)的输入而计算出操作装置45a、45b、46a(操作杆1a、1b)的操作量。在操作量运算部43a中，根据压力传感器70、71、72的检测值计算出操作装置45a、45b、46a的操作量。此外，本实施方式所示的基于压力传感器70、71、72进行的操作量的计算只不过是一例，例如，也可以利用检测各操作装置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。

姿势运算部43b基于来自作业装置姿势检测装置50的信息，对局部坐标系下的前作业装置1A的姿势和铲斗10的齿尖的位置进行运算。

目标面运算部43c基于来自目标面设定装置51的信息对目标面60的位置信息进行运算，并将其存储到ROM93内。在本实施方式中，如图8所示，将以前作业装置1A在三维的目标面移动的平面(作业机的动作平面)切断得到的截面形状利用为目标面60(二维的目标面)。

此外，在图8中，例示了目标面60为一个的情况，但也存在目标面存在多个的情况。在存在多个目标面的情况下，例如，存在将距前作业装置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、或者将任意选择的面设为目标面的方法等。

距离运算部43d基于铲斗10的齿尖的位置(坐标)与包含存储于ROM93的目标面60的直线的距离，计算出从铲斗顶端到控制对象的目标面60为止的距离D(参照图8)。

目标角度运算部96对铲斗齿尖相对于目标面60的倾斜角铲斗角γ的目标角度(以下也称为“目标铲斗角度γTGT”)进行运算。对于目标铲斗角度γTGT的设定，设定了由铲斗控制判定部81c开始铲斗控制时的铲斗角度γ。

动臂控制部81a及铲斗控制部81b构成在操作装置45a、45b、46a的操作时，遵照预先设定的条件对多个液压执行机构5、6、7中的至少一个进行控制的执行机构控制部81。执行机构控制部81对各液压缸5、6、7的流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压进行运算，并将该运算出的目标先导压输出到电磁比例阀控制部44。

动臂控制部81a是如下部分：用于在操作装置45a、45b、46a的操作时，基于目标面60的位置、前作业装置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，执行对动臂缸5(动臂8)的动作进行控制的MC，以使得铲斗10的齿尖(控制点)位于目标面60上或其上方。在动臂控制部81a中，运算动臂缸5的流量控制阀15a的目标先导压。

铲斗控制部81b是用于在操作装置45a、45b、46a的操作时，执行基于MC进行的铲斗角度控制的部分。铲斗控制部81b的详细的控制内容将在后述，但在铲斗控制判定部81c中判定成自动控制铲斗时，执行对铲斗缸7(铲斗10)的动作进行控制的MC(铲斗角度控制)，以使得铲斗齿尖相对于斗杆的倾斜角度γ成为目标角度运算部96所设定的目标铲斗角度γTGT。在铲斗控制部81b中，运算铲斗缸7的流量控制阀15c的目标先导压。

电磁比例阀控制部44基于从执行机构控制部81输出的向各流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压，对向各电磁比例阀54～56的指令进行运算。此外，在基于操作员操作产生的先导压(第1控制信号)和由执行机构控制部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)为零，不进行相符的电磁比例阀54～56的动作。

＜MC所涉及的动臂控制(动臂控制部81a)＞

在此，说明MC所涉及的动臂控制的详情。

图7是表示基于控制器进行的MC的关于动臂的处理内容的流程图。另外，图9是表示缸速度相对于操作量的设定表的一例的图，图10是表示铲斗齿尖速度的垂直分量的限制值与距离的关系的图，图11是表示铲斗中的速度分量的一例的图。

作为MC下的动臂控制，控制器40执行基于动臂控制部81a的动臂抬升控制。基于动臂控制部81a的处理在操作装置45a、45b、46a被操作员操作时开始。

在图7中，当操作装置45a、45b、46a被操作员操作时，动臂控制部81a首先基于操作量运算部43a运算出的操作量对各液压缸5、6、7的动作速度(缸速度)进行运算(步骤S410)。具体地说，如图9所示，将预先以实验或模拟求出的相对于操作量的缸速度设定为表，遵照该表对各液压缸5、6、7计算出缸速度。

接着，动臂控制部81a基于步骤S410中运算出的各液压缸5、6、7的动作速度和姿势运算部43b所运算出的前作业装置1A的姿势，运算出基于操作员操作产生的铲斗顶端(齿尖)的速度矢量B(步骤S420)。

接着，动臂控制部81a基于距离D和图10所示的关系，计算出铲斗顶端的速度矢量的与目标面60垂直的分量的限制值ay(步骤S430)。

接着，动臂控制部81a对于步骤S420中计算出的基于操作员操作产生的铲斗顶端的速度矢量B，获取与目标面60垂直的分量by(步骤S440)。

接着，动臂控制部81a判定步骤S430中计算出的限制值ay是否为0以上(步骤S450)。此外，如图11所示，对铲斗10设定xy坐标。在图11的xy坐标中，x轴与目标面60平行且将图中右方向设为正，y轴与目标面60垂直且将图中上方向设为正。在图11中，垂直分量by及限制值ay为负，水平分量bx、水平分量cx及垂直分量cy为正。并且，从图10可以明确，在限制值ay为0时距离D为0，即是齿尖位于目标面60上的情况，在限制值ay为正时距离D为负，即是齿尖与目标面60相比位于下方的情况，在限制值ay为负时距离D为正，即是齿尖与目标面60相比位于上方的情况。

在步骤S450中的判定结果为是的情况下，即，判定成限制值ay为0以上的情况、齿尖位于目标面60上或其下方的情况下，动臂控制部81a判定基于操作员操作产生的齿尖的速度矢量B的垂直分量by是否为0以上(步骤S460)。在垂直分量by为正的情况下表示速度矢量B的垂直分量by向上，在垂直分量by为负的情况下表示速度矢量B的垂直分量by向下。

在步骤S460中的判定结果为是的情况下，即，在判定成垂直分量by为0以上的情况、垂直分量by向上的情况下，动臂控制部81a判定限制值ay的绝对值是否为垂直分量by的绝对值以上(步骤S470)，在判定结果为是的情况下，作为计算应在基于机械控制执行的动臂8的动作中产生的铲斗顶端的速度矢量C的与目标面60垂直的分量cy的式子，动臂控制部81a选择“cy＝ay-by”，基于该式子、步骤S430中计算出的限制值ay和步骤S440中计算出的垂直分量by，计算出垂直分量cy(步骤S500)。

接着，动臂控制部81a计算出能够输出步骤S500中计算出的垂直分量cy的速度矢量C，将其水平分量设为cx(步骤S510)。

接着，动臂控制部81a计算出目标速度矢量T(步骤S520)，进入步骤S550。若将目标速度矢量T的与目标面60垂直的分量设为ty、将水平的分量设为tx，则分别能够表示为“ty＝by+cy，tx＝bx+cx”。若在此代入步骤S500中计算出的cy＝ay-by，则目标速度矢量T成为“ty＝ay，tx＝bx+cx”。也就是说，至步骤S520的处理的情况下的目标速度矢量的垂直分量ty被限制为限制值ay，启动基于机械控制进行的强制动臂抬升的控制。

在步骤S450中的判定结果为否的情况下，即，限制值ay小于0的情况下，动臂控制部81a判定基于操作员操作产生的齿尖的速度矢量B的垂直分量by是否为0以上(步骤S480)。在步骤S480中的判定结果为是的情况下，进入步骤S530，在判定结果为否的情况下进入步骤S490。

在步骤S480中的判定结果为否的情况，即，垂直分量by小于0的情况下，动臂控制部81a判定限制值ay的绝对值是否为垂直分量by的绝对值以上(步骤S490)，在判定结果为是的情况下进入步骤S530，在判定结果为否的情况下进入步骤S500。

在步骤S480中的判定结果为是的情况下，即，判定成垂直分量by为0以上的情况(垂直分量by向上的情况)下，或者，在步骤S490中的判定结果为是的情况下，即，限制值ay的绝对值小于垂直分量by的绝对值的情况下，动臂控制部81a设为无需在机械控制下使动臂8动作，将速度矢量C设为零(步骤S530)。

接着，动臂控制部81a基于步骤S520中利用的式子(ty＝by+cy，tx＝bx+cx)将目标速度矢量T设为“ty＝by，tx＝bx”(步骤S540)。这与基于操作员操作产生的速度矢量B一致。

当步骤S520或步骤S540的处理结束时，接着，动臂控制部81a基于步骤S520或步骤S540中确定出的目标速度矢量T(ty，tx)对各液压缸5、6、7的目标速度进行运算(步骤S550)。此外，如从上述说明可以明确，在目标速度矢量T不与速度矢量B一致时，通过将基于机械控制执行的动臂8的动作中产生的速度矢量C加入速度矢量B而实现目标速度矢量T。

接着，动臂控制部81a基于步骤S550中计算出的各缸5、6、7的目标速度，对向各液压缸5、6、7的流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压进行运算(步骤S560)。

接着，动臂控制部81a将向各液压缸5、6、7的流量控制阀15a、15b、15c的目标先导压输出到电磁比例阀控制部44(步骤S570)，结束处理。

像这样，通过进行图7所示的流程的处理，电磁比例阀控制部44以将目标先导压作用于各液压缸5、6、7的流量控制阀15a、15b、15c的方式控制电磁比例阀54、55、56，进行基于前作业装置1A的挖掘。例如，在操作员对操作装置45b进行操作而以斗杆回收动作进行水平挖掘的情况下，以铲斗10的顶端不侵入目标面60的方式控制电磁比例阀55c，自动进行动臂8的抬升动作。

＜MC所涉及的铲斗控制(铲斗控制部81b、铲斗控制判定部81c)＞

接下来，说明MC所涉及的铲斗控制的详情。

图12是表示基于控制器进行的MC的关于铲斗的处理内容的流程图。

作为MC下的铲斗控制，控制器40执行基于铲斗控制部81b及铲斗控制判定部81c的铲斗转动控制。铲斗转动控制是控制铲斗10相对于目标面60的相对角度的铲斗角度控制。

在图12中，首先，铲斗控制判定部81c判定控制选择装置97是否被切换为ON(即铲斗角度控制有效)(步骤S100)，在判定结果为否的情况下，不执行对铲斗10的角度进行控制的铲斗转动控制(步骤S108)，结束处理。该情况下，不向四个电磁比例阀56a、56b、56c、56d中的任一个发送指令。

另外，在步骤S100中的判定结果为是的情况下，即，控制选择装置97为ON(铲斗角度控制有效)的情况下，接着，铲斗控制判定部81c判定铲斗10是否与砂土接触(步骤S101)。对于铲斗10是否与砂土接触的判定，通过对铲斗接地状态检测装置(压力传感器57)所检测出的动臂缸5的缸底压Pbmb和预先设定的阈值Pth进行比较而进行，在缸底压Pbmb小于阈值Pth的情况下，判定成铲斗10为接地状态。

在步骤S101中的判定结果为是的情况下，即，判定成铲斗10为接地状态的情况下，接着，铲斗控制判定部81c判定铲斗10的齿尖与目标面60的距离D是否为规定值D1以下(步骤S102)，在判定结果为是的情况下，进入步骤S104。

另外，在步骤S101中的判定结果为否的情况下，即，判定成铲斗10不为接地状态的情况下，铲斗控制判定部81c判定铲斗10的齿尖与目标面60的距离D是否为规定值D2以下(步骤S103)，在判定结果为是的情况下，进入步骤S104。

铲斗10与目标面60的距离的规定值D1、D2可以说是决定MC的铲斗角度控制(铲斗转动控制)的开始时刻的值。规定值D2从降低铲斗角度控制的启动对操作员带来的不适感的观点出发，优选设为尽可能小的值。另外规定值D1设想比目标面高地堆土的情况，优选设定为比规定值D2大的值。另外，步骤S102、S103中利用的从铲斗10的齿尖到目标面60的距离D能够根据姿势运算部43b所运算出的铲斗10的齿尖的位置(坐标)与包含存储于ROM93的目标面60的直线的距离计算出。此外，计算距离D时的铲斗10的基准点无需为铲斗齿尖(铲斗10的前端)，只要是铲斗10中的距目标面60的距离最小的点即可，也可以是铲斗10的后端。

在步骤S102中的判定结果为是的情况下，即，在距离D为规定值D1以下的情况下，或者在步骤S103中的判定结果为是的情况下，即，在距离D为规定值D2以下的情况下，铲斗控制判定部81c基于来自操作量运算部43a的信号，判定是否存在基于操作员对斗杆9的操作信号(步骤S104)。

在步骤S104中的判定结果为是的情况下，即，在存在斗杆9的操作信号的情况下，铲斗控制判定部81c基于来自操作量运算部43a的信号，判定是否存在基于操作员对铲斗10的操作信号(步骤S105)，在判定结果为否的情况下，铲斗控制部81b以关闭处于铲斗10的先导管路146a、146b的电磁比例阀(铲斗减压阀)56a、56b的方式输出指令(步骤S106)。由此防止铲斗10根据经由操作装置46a的操作员操作而转动。

另外，在步骤S105中的判定结果为是的情况下，即，在不存在铲斗10的操作信号的情况下，或者在步骤S106的处理结束了的情况下，接着，铲斗控制部81b以打开处于铲斗10的先导管路148a的电磁比例阀(铲斗增压阀)56c、56d的方式发出指令，以目标铲斗角度成为设定值γTGT的方式对铲斗缸7进行转动控制(步骤S107)，结束处理。

另外，在步骤S102、S103、S104中的某一步骤的判定结果为否的情况下，进入步骤S108。

此外，在本实施方式中，作为MC，例示了执行基于动臂控制部81a进行的动臂控制(强制动臂抬升控制)、和基于铲斗控制部81b及铲斗控制判定部81c进行的铲斗控制(铲斗角度控制)的情况，但也可以构成为作为MC而执行与铲斗10至目标面60的距离D相应的动臂控制。

说明以上那样构成的本实施方式中的效果。

图13是说明本实施方式的效果的图，是表示铲斗按压作业的状况的图。

如图13所示，为了压紧挖掘面，在目标面60的上方堆土，并从其上方将铲斗角度保持为固定，进行一边按压铲斗一边对挖掘面修整的作业，在进行该作业的情况下，在现有技术中，若保持铲斗角度的控制开始的铲斗与目标面的距离的阈值设为D1那样大，则在例如为了将铲斗返回到挖掘开始位置而在目标面的上方空中对前作业装置进行操作，铲斗进入该阈值D1以下的区域的情况下，以保持铲斗角度的方式进行驱动，在不是挖掘动作的动作中进行控制，因此存在会对操作员带来不适感的情况。另外，为了避免该情况，在如图13那样将比阈值D1小的D2设为阈值的情况下，为了进行前述那样的压紧作业，在目标面60上堆土时铲斗与目标面的距离不会为阈值D2以下，存在不会开始保持铲斗角度的控制的情况。

与之相对，在本实施方式中，在作业机械(液压挖掘机1)中具备：多关节型的前作业装置1A，其将包含设在前端的作业工具(例如，铲斗10)在内的多个被驱动部件(动臂8、斗杆9、铲斗10)相互以能够转动的方式连结而构成；多个液压执行机构(动臂缸5、斗杆缸6、铲斗缸7)，其基于操作信号分别驱动多个被驱动部件；操作装置45a、45b、46a，其对多个液压执行机构中的操作员所期望的液压执行机构输出操作信号；姿势检测装置(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)，其检测前作业装置的多个被驱动部件的各自的姿势；以及控制器40，其对多个液压执行机构中的至少一个液压执行机构输出操作信号，或者执行对操作信号进行修正的区域限制控制，以使得前作业装置在对前作业装置的作业对象设定的目标面60上及其上方的区域内工作，在该作业机械(液压挖掘机1)中，还具备检测作业工具向砂土的接触状态的接地状态检测装置(压力传感器57)，控制器构成为在根据接地状态检测装置的检测结果判定成作业工具正与砂土接触的情况下，在作业工具与目标面的距离为预先设定的第一阈值D1以下时，以维持作业工具相对于目标面的相对角度的方式输出操作信号或对操作信号进行修正，在根据接地状态检测装置的检测结果判定成作业工具没有与砂土接触的情况下，在作业工具与目标面的距离为预先设定成比第一阈值D1小的第二阈值D2以下时，以维持作业工具相对于目标面的相对角度的方式输出操作信号或对输出信号进行修正，因此，能够恰当地开始维持作业工具的角度的控制。

即，在如图13那样在目标面的上方堆土的状态下实施保持铲斗角度的作业时，通过将铲斗10按压到土而前作业装置的荷重被地面支撑，动臂缸5的缸底压低于阈值Pth，因此用于开始维持铲斗角度的控制的铲斗与目标面的距离的阈值D成为D1，由于阈值D1与堆在目标面上的土的厚度相比充分大，所以以维持铲斗角度的方式开始控制。另外，在将铲斗在空中向作业开始位置移动时，以动臂缸5保持前装置的荷重，动臂缸5的缸底压变得比阈值Pth大。因此，用于开始维持铲斗角度的控制的铲斗与目标面的距离的阈值D成为D2，由于阈值D2被设定为尽可能小的值，所以不会开始维持铲斗角度的控制，能够以不会对操作员的操作带来不适感的方式进行控制。

接下来，对上述各实施方式的特征进行说明。

(1)在上述实施方式中，在作业机械(例如，液压挖掘机1)中具备：多关节型的前作业装置1A，其将包含设于前端的作业工具(例如铲斗10)在内的多个被驱动部件(例如，动臂8、斗杆9、铲斗10)相互以能够转动的方式连结而构成；多个液压执行机构(例如，动臂缸5、斗杆缸6、铲斗缸7)，其基于操作信号分别驱动上述多个被驱动部件；操作装置45a、45b、46a，其对上述多个液压执行机构中的操作员所期望的液压执行机构输出上述操作信号；姿势检测装置(例如，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)，其检测上述前作业装置的多个被驱动部件的各自的姿势；以及控制器40，其对上述多个液压执行机构中的至少一个液压执行机构输出上述操作信号，或者执行对上述操作信号进行修正的区域限制控制，以使得上述前作业装置在对上述前作业装置的作业对象设定的目标面上及其上方的区域内工作，在该作业机械(例如，液压挖掘机1)中，还具备检测上述作业工具向砂土的接触状态的接地状态检测装置(例如，压力传感器57)，上述控制器构成为在根据上述接地状态检测装置的检测结果判定成上述作业工具正与砂土接触的情况下，在上述作业工具与上述目标面的距离为预先设定的第一阈值(例如，规定值D1)以下时，以维持上述作业工具相对于上述目标面的相对角度方式输出上述操作信号或对上述操作信号进行修正，在根据上述接地状态检测装置的检测结果判定成上述作业工具没有与砂土接触的情况下，在上述作业工具与上述目标面的距离为被预先设定成小于上述第一阈值的第二阈值(例如，规定值D2)以下时，以维持上述作业工具相对于上述目标面的相对角度的方式输出上述操作信号或对上述操作信号进行修正。

由此，能够恰当地开始维持作业工具的角度的控制。

(2)另外，在上述实施方式中，在(1)的作业机械(例如，液压挖掘机1)中，作为上述多个被驱动部件，上述前作业装置1A具备：基端以能够转动的方式与上述作业机械的主体连结的动臂8；一端以能够转动的方式与上述动臂的前端连结的斗杆9、和以能够转动的方式与上述斗杆的另一端连结的作业工具(例如，铲斗10)，上述接地状态检测装置是检测驱动上述动臂的作为液压执行机构的动臂缸5的缸压的压力传感器57。

(3)另外，在上述实施方式中，在(1)的作业机械(例如，液压挖掘机1)中，上述接地状态检测装置是对上述前作业装置进行拍摄的摄像头装置。

(4)另外，在上述实施方式中，在(1)～(3)的任一项的作业机械(例如，液压挖掘机1)中，还具备择一地选择基于上述控制器40进行的上述区域限制控制的有效和无效的控制选择装置97。

＜附记＞

此外，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和组合。另外，本发明不限定于具备上述实施方式中说明的全部结构，也可以包含将其结构的一部分删除的方式。另外，上述的各结构、功能等的一部分或全部可以通过例如以集成电路设计等而实现。另外，上述的各结构、功能等也可以以解释、执行由处理器实现各个功能的程序的软件而实现。

附图标记说明

1…液压挖掘机，1a、1b…操作杆，1A…前作业装置，1B…主体，2、2a、2b…液压泵，2aa、2ba…调节器，3a、3b…行驶液压马达，4…旋转液压马达，5…动臂缸，6…斗杆缸，7…铲斗缸，8…动臂，9…斗杆，10…铲斗，11…下部行驶体，12…上部旋转体，13…铲斗连杆，15a～15f…流量控制阀，18…发动机，23…操作杆，30…动臂角度传感器，31…斗杆角度传感器，32…铲斗角度传感器，33…车身倾斜角传感器，39…液控止回阀，40…控制器，43…MC控制部，43a…操作量运算部，43b…姿势运算部，43c…目标面运算部，43d…距离运算部，44…电磁比例阀控制部，45～47…操作装置，48…先导泵，50…作业装置姿势检测装置，51…目标面设定装置，53…显示装置，54～56…电磁比例阀，57…压力传感器，60…目标面，70～72…压力传感器，81…执行机构控制部，81a…动臂控制部，81b…铲斗控制部，81c…铲斗控制判定部，82a、83a、83b…梭形滑阀，91…输入接口，92…中央处理装置(CPU)，93…只读存储器(ROM)，94…随机存取存储器(RAM)，95…输出接口，96…目标角度运算部，97…控制选择装置，144～149…先导管路，150a、152a、152b、155b…液压驱动部，160…前控制用液压单元，162…梭形滑阀块，200…工作油箱，374…显示控制部。

Claims (4)

1.一种作业机械，具备：

多关节型的前作业装置，其将包含设于前端的作业工具在内的多个被驱动部件相互以能够转动的方式连结而构成；

多个液压执行机构，其基于操作信号分别驱动所述多个被驱动部件；

操作装置，其对所述多个液压执行机构中的操作员所期望的液压执行机构输出所述操作信号；

姿势检测装置，其检测所述前作业装置的多个被驱动部件的各自的姿势；以及

控制器，其对所述多个液压执行机构中的至少一个液压执行机构输出所述操作信号，或者执行对所述操作信号进行修正的区域限制控制，以使得所述前作业装置在对所述前作业装置的作业对象设定的目标面上及其上方的区域内工作，

所述作业机械的特征在于，

还具备检测所述作业工具向砂土的接触状态的接地状态检测装置，

所述控制器构成为，

在根据所述接地状态检测装置的检测结果判定成所述作业工具正与砂土接触的情况下，在所述作业工具与所述目标面的距离为预先设定的第一阈值以下时，以维持所述作业工具相对于所述目标面的相对角度的方式输出所述操作信号或对所述操作信号进行修正，

在根据所述接地状态检测装置的检测结果判定成所述作业工具没有与砂土接触的情况下，在所述作业工具与所述目标面的距离为预先设定成比所述第一阈值小的第二阈值以下时，以维持所述作业工具相对于所述目标面的相对角度的方式输出所述操作信号或对所述操作信号进行修正。

2.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

所述前作业装置具备动臂、斗杆和作业工具来作为所述多个被驱动部件，其中，所述动臂的基端以能够转动的方式与所述作业机械的主体连结，所述斗杆的一端以能够转动的方式与所述动臂的前端连结，所述作业工具以能够转动的方式与所述斗杆的另一端连结，

所述接地状态检测装置是压力传感器，其检测驱动所述动臂的作为液压执行机构的动臂缸的缸压。

3.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

所述接地状态检测装置是对所述前作业装置进行拍摄的摄像头装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的作业机械，其特征在于，

还具备控制选择装置，其择一地选择基于所述控制器进行的所述区域限制控制的有效和无效。

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