CN116096969A - 作业机械 - Google Patents

Abstract

本申请发明的目的在于提供一种作业机械，其在使作业工具追随施工目标面的机床控制中，能够通过维持符合操作者意图的作业工具的作业状态来提高作业性。因此，控制器基于从操作输入装置输入的操作输入量和作业工具相对于目标面的姿态来判定所述作业工具的作业状态，并且，运算维持所判定的所述作业状态的执行机构的动作指令值的范围，在所述范围内修正所述执行机构的动作指令值，使得所述作业工具与所述目标面的距离减小。

Description

作业机械

技术领域

本发明涉及道路施工、建筑施工、土木工程、疏浚工程、解体工程等使用的作业机械。

背景技术

作为道路施工、建筑施工、土木工程、疏浚工程等使用的作业机械，已知将多关节型的作业前部在上下方向上摆动自如地安装在作业机械主体上并由动力缸驱动构成作业前部的各前部部件的构造，其中，该作业机械主体将旋转体旋转自如地安装于通过动力系统而走行的走行体的上部。作为其一例，存在具有由动臂、斗杆、铲斗等构成的作业前部、即所谓的液压挖掘机。

在这种液压挖掘机中，有的挖掘机能够进行所谓的机床控制，其预先设定待挖掘的施工目标面，对应于操作者的斗杆动作的操作自动控制动臂动作，使得铲斗能够沿着施工目标面挖掘。

然而，在这种液压挖掘机中，自动控制铲斗的动作的挖掘机广为人知。然而，当进行未被操作者的作业意图的铲斗角度的自动控制时，由于操作者无法进行希望的铲斗作业，因此存在液压挖掘机的作业性降低的情况。

例如专利文献1中公开了一种与建设机械的控制装置及建设机械的控制方法相关的技术：通过对应于操作者操作铲斗的操作状态及与铲斗与施工目标面的距离来进行将铲斗的角度维持恒定的铲斗控制，从而进行符合操作者意图的铲斗控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/086488号公报

发明内容

发明要解决的课题

在所谓的机床控制进行的挖掘机中，使铲斗精确追踪施工目标面很重要。然而，若在斗杆和动臂的动作的基础上控制铲斗的动作使得铲斗与施工目标面的距离减小，则能够更精确地使铲斗追随施工目标面。

然而，若以铲斗的爪尖始终接近施工目标面的方式控制铲斗动作，则可能脱离操作者希望的铲斗作业状态。例如，在铲斗的爪尖侧的挖掘中，若铲斗的与爪尖相反的铲斗底面的后端侧相对于施工目标面与铲斗的爪尖侧相比位于下方，则铲斗的底面与地面相接，无法在铲斗的爪尖侧持续进行挖掘作业。另外，反之，当在铲斗底面的后端侧进行与地面的摩擦作业时，若铲斗的爪尖侧相对于施工目标面与铲斗的后端侧相比位于下方，则在铲斗的爪尖侧进行地面挖掘因此无法进行铲斗的摩擦作业。

本发明是鉴于上述课题提出的，目的在于提供在使作业工具追随施工目标面的机床控制中，能够通过维持符合操作者意图的作业工具的作业状态来提高作业性的作业机械。

用于解决课题的手段

达成上述目的本发明是一种作业机械，其包括：机械主体；作业前部，其具有作业工具，在上下方向上摆动自如地安装于所述机械主体；执行机构，其驱动所述作业前部；驱动装置，其驱动所述执行机构；操作输入装置，其指示所述执行机构的动作；姿态检测装置，其检测所述机械主体及所述作业前部的姿态；目标面信息设定装置，其设定作为所述作业工具的挖掘对象的目标面；以及控制器，其基于从所述操作输入装置、所述姿态检测装置及所述目标面信息设定装置输入的信息来运算所述执行机构的动作指令值并输出至所述驱动装置，使得所述作业工具沿着所述目标面移动，所述控制器基于从所述操作输入装置输入的操作输入量和所述作业工具相对于所述目标面的姿态来判定所述作业工具的作业状态，并且，运算维持所判定的所述作业状态的所述执行机构的动作指令值的范围，在所述范围内修正所述执行机构的动作指令值，使得所述作业工具与所述目标面的距离减小。

根据按照上述方式构成的本发明，在使作业工具追随施工目标面的机床控制中，能够通过维持符合操作者意图的作业工具的作业状态来提高作业机械的作业性。

发明效果

根据本发明，在使作业工具追随施工目标面的机床控制中，能够通过维持符合操作者意图的作业工具的作业状态来提高作业机械的作业性。

附图说明

图1是本发明实施方式的液压挖掘机的侧视图。

图2是示出图1所示的液压挖掘机的控制系统的构成的图。

图3是图2所示的信息处理装置的功能框图。

图4是示出机床控制的作业前部的动作的图。

图5是示出欲要通过机床控制达成的铲斗动作轨迹的图。

图6是示出机床控制的实际铲斗动作轨迹的图。

图7是示出挖掘作业中的铲斗的目标动作轨迹的图。

图8是示出摩擦作业中的铲斗的目标动作轨迹的图。

图9是坡面铲斗的侧视图。

图10A是示出现有技术中的机床控制的铲斗动作轨迹的图。

图10B是示出本发明实施方式的机床控制的铲斗动作轨迹的图。

图11是示出本发明实施方式的信息处理装置的处理内容的流程图。

具体实施方式

以下，作为本发明的实施方式中的作业机械以液压挖掘机为例，参照附图来说明。需要说明的是，在各图中，对等同的部件标注同一附图标记并适当省略重复的说明。

＜液压挖掘机＞

图1是本实施方式中的液压挖掘机的侧视图。如图1所示，液压挖掘机1包括作业前部2、构成机械主体的旋转体3及走行体4。

作业前部2相对于旋转体3以连结部分为中心转动，旋转体3相对于走行体4以连结部分为中心转动。作业前部2包括：动臂20，其一端与旋转体3连结；斗杆21，其一端与动臂20连结；铲斗22，其一端与斗杆21连结；动臂缸20A，其两端分别与动臂20和旋转体3连结；斗杆缸21A，其两端分别与斗杆21和动臂20连结；第1连杆22B，其一端与斗杆21连结；第2连杆22C，其一端与铲斗22连结；以及铲斗缸22A，其一端与第1连杆22B及第2连杆22C的另一端连结，另一端与斗杆21连结。这些部件构成为，分别以连结部分为中心在上下方向上转动。走行体4具备走行用马达41及履带45。

动臂缸20A、斗杆缸21A及铲斗缸22A为分别在液压的作用下伸缩的构造，能够通过伸缩分别使动臂20、斗杆21及铲斗22转动。铲斗22能够任意更换为抓斗、碎石机、松土机、磁体等未图示的附属装置。

动臂20安装有用于检测动臂20的姿态的动臂IMU(Inertial Measurement Unit：惯性测量单元)20S。斗杆21安装有检测斗杆21的姿态的斗杆IMU21S。第1连杆22B安装有检测铲斗22的姿态的铲斗IMU22S。动臂IMU20S、斗杆IMU21S及铲斗IMU22S分别由角速度传感器和加速度传感器构成。

旋转体3包括旋转体IMU30S、主框架31、驾驶室32、信息处理装置34、驱动装置35、原动装置36、配重37及旋转用马达38。旋转体IMU30S、驾驶室32、信息处理装置34、驱动装置35、原动装置36、配重37及旋转用马达38配置在主框架31上。旋转体IMU30S具备加速度传感器及角速度传感器，能够检测旋转体3的倾斜角度。

驾驶室32中配置有操作输入装置33、目标面信息设定装置100及显示设定装置110。操作输入装置33由操作杆33a和检测操作者对操作杆33a的操作量的操作输入量传感器33b(均如图2所示)构成。操作输入量传感器33b能够通过检测操作杆33a的操作量而将操作者请求的各可动部的目标动作分别转换为电信号。需要说明的是，操作输入装置33也可以是液压先导方式或能够远程操作的方式。目标面信息设定装置100能够设定作为作业前部2挖掘的目标的施工目标面。

显示设定装置110由显示监视器及触摸面板构成，能够显示液压挖掘机1的姿态、施工目标面的信息、施工目标面与作业前部2的位置关系、距离等或设定作业前部2的各种尺寸、质量。另外，能够设定与铲斗22的角度保持相关的工作模式。

如后参照图3说明信息处理装置34。

驱动装置35由液压泵35a、方向切换阀35b及电磁控制阀35c构成。液压泵35a产生液压挖掘机1运转所需的液压。电磁控制阀35c按照从信息处理装置34输入的动作指令值驱动方向切换阀35b。方向切换阀35b对从液压泵35a向作为执行机构的动臂缸20A、斗杆缸21A、铲斗缸22A、旋转用马达38及走行用马达41供给的液压油的流量和方向进行控制。

原动装置36是液压泵35a的动力源，由发动机36a构成。

走行体4包括履带架40、走行用马达41及履带45。履带45设置为能够通过走行用马达41而在履带架40上环绕。操作者能够通过对操作输入装置33进行操作而使走行用马达41的旋转速度变化来调节液压挖掘机1的走行速度。走行体4不限定于具备履带45，也可以具备走行轮、腿。

＜控制系统的构成＞

图2示出液压挖掘机1的控制系统的构成。在图2中，控制系统10由操作输入装置33、姿态检测装置30、目标面信息设定装置100、显示设定装置110、信息处理装置34、驱动装置35及原动装置36构成。

操作输入装置33由操作杆33a及操作输入量传感器33b构成。操作杆33a的操作量由操作输入量传感器33b转换为电信号并输入至信息处理装置34。

姿态检测装置30具备角速度传感器30a和加速度传感器30b，能够计测作业前部2的各部件和旋转体3的角度。

目标面信息设定装置100具备目标面信息设定用控制器100a，能够设定施工目标面并进行管理。

显示设定装置110具备显示监视器110a及触摸面板110b，能够向操作者显示液压挖掘机1的姿态、由目标面信息设定装置100设定的施工目标面的区域信息、作业前部2与施工目标面间的距离等。为了实施精确的机床控制，显示设定装置110还能够设定动臂20、斗杆21及铲斗22的各尺寸。此外，关于铲斗22的角度控制，显示设定装置110能够选择自动维持铲斗22相对于施工目标面的角度的模式、对应于斗杆21及动臂20的动作而自动维持铲斗22相对于旋转体3的旋转平面的角度的模式、维持铲斗22相对于斗杆21的角度的模式等。

信息处理装置34具备信息处理用控制器34a，对来自各装置的控制信号、检测信号进行处理。操作输入装置33、姿态检测装置30、目标面信息设定装置100及显示设定装置110与信息处理装置34连接。另外，信息处理装置34向驱动装置35输出与用于驱动液压挖掘机1的指令。

驱动装置35由液压泵35a、方向切换阀35b及电磁控制阀35c构成。液压泵35a生成驱动液压缸20A、21A、22A及液压马达38、41所需的液压油。方向切换阀35b通过调节从液压泵35a供给的液压油的流量及方向来驱动液压缸20A、21A、22A及液压马达38、41。驱动装置35还能够驱动以上未包含的附属装置、设备。

原动装置36由发动机36a构成。发动机36a驱动液压泵35a。原动装置36不限于该构成，也可以使用电动马达等其他动力源。

＜操作输入装置＞

液压挖掘机1通常构成为，若操作杆33a的操作量增大，则执行机构的动作速度加快。操作者能够通过调节操作杆33a的操作量来使各执行机构20A、21A、22A、38、41的动作速度变化。

操作输入装置33具备电气检测操作杆33a的操作量(操作输入量)的操作输入量传感器33b，能够将操作者请求的执行机构的目标动作发送至信息处理装置34。操作输入量传感器33b不限于直接检测操作杆33a的操作量的方式，也可以是检测操作先导压的方式。

＜姿态检测装置＞

姿态检测装置30在旋转体IMU30S、动臂IMU20S、斗杆IMU21S及铲斗IMU22S上分别具备角速度传感器及加速度传感器。能够通过上述IMU获得各位置的角速度及加速度信息。动臂20、斗杆21、铲斗22、动臂缸20A、斗杆缸21A、铲斗缸22A、第1连杆22B、第2连杆22C及旋转体3分别以能够摆动的方式安装，因此能够根据机械的连杆关系来推定动臂20、斗杆21、铲斗22及旋转体3的姿态。需要说明的是，此处示出的姿态检测方法是一例，也可以直接计测作业前部2各部分的相对角度或检测动臂缸20A、斗杆缸21A、铲斗缸22A的行程并计算液压挖掘机1各部分的姿态。

＜目标面信息设定装置＞

目标面信息设定装置100能够设定作为作业前部2的挖掘目标的施工目标面。施工目标面除了单一平面以外，也可以设定为具有多个平面或设定作业前部2能够挖掘的范围。施工目标面既可以在以作业机械1为基准的坐标系中设定，也可以在以地球为基准的坐标系中设定。在施工目标面的设定方法中，也可以读取3D数据等模型数据。

＜驱动装置＞

驱动装置35由液压泵35a、方向切换阀35b及电磁控制阀35c构成，按照从信息处理装置34输入的动作指令值，控制向驱动液压挖掘机1各部分的执行机构(液压缸20A、21A、22A及液压马达38、41)供给的工作油(液压油)的流量。从信息处理装置34输入的动作指令值通过电磁控制阀35c转换为先导压，并由该先导压驱动方向切换阀35b。方向切换阀35b通过调节向执行机构20A、21A、22A、38、41供给的工作油的流量来控制执行机构20A、21A、22A、38、41的动作速度。

＜信息处理装置＞

图3是信息处理装置34的功能框图。如图3所示，信息处理装置34与姿态检测装置30、操作输入装置33、目标面信息设定装置100、显示设定装置110及驱动装置35连接。信息处理装置34由姿态运算部210、目标面距离运算部220、目标速度运算部310、铲斗角度控制决定部410、铲斗行进方向判定部420、铲斗作业状态判定部430、铲斗修正限制值运算部440、铲斗目标速度修正部450及动作指令值运算部610构成。

姿态运算部210基于姿态检测装置30检测到的信号来运算作业前部2及旋转体3的姿态。姿态运算部210的运算结果输出至目标面距离运算部220、铲斗角度控制决定部410及目标速度运算部310。

目标面距离运算部220基于目标面信息设定装置100及姿态运算部210的运算结果来运算铲斗22上设定的任意多个点与施工目标面的距离。目标面距离运算部220的运算结果被输出至显示设定装置110、铲斗角度控制决定部410、目标速度运算部310、铲斗行进方向判定部420、铲斗作业状态判定部430、铲斗修正限制值运算部440及铲斗目标速度修正部450。

关于显示设定装置110中设定的铲斗22的角度控制，铲斗角度控制决定部410基于来自操作输入装置33的操作输入量和姿态运算部210及目标面距离运算部220的运算结果来确定与铲斗22的角度控制相关的控制状态，并将其结果输出至目标速度运算部310、铲斗作业状态判定部430及铲斗目标速度修正部450。

目标速度运算部310基于操作输入装置33的操作量信息、目标面距离运算部220运算的铲斗22与施工目标面的距离、铲斗角度控制决定部410的运算结果及姿态运算部210的运算结果来运算驱动作业前部2的执行机构20A、21A、22A的目标速度。目标速度运算部310的运算结果被输出至铲斗行进方向判定部420、铲斗目标速度修正部450及动作指令值运算部610。

铲斗行进方向判定部420基于目标面距离运算部220及目标速度运算部310的运算结果来判定铲斗22行进的方向、即，是向铲斗22的爪尖侧行进还是向爪尖的相反侧(后端侧)行进，并将其结果输出至铲斗作业状态判定部430。

铲斗作业状态判定部430基于目标面距离运算部220、铲斗角度控制决定部410及铲斗行进方向判定部420的运算结果来判定铲斗22的作业状态、即，是在铲斗22的爪尖侧挖掘的状态(挖掘状态)、在铲斗22的与爪尖相反一侧摩擦的状态(摩擦状态)及在铲斗22的爪尖侧摩擦的状态(摩擦状态)中的哪一个，并将其结果输出至铲斗修正限制值运算部440。

铲斗修正限制值运算部440基于目标面距离运算部220及铲斗作业状态判定部430的运算结果来运算维持铲斗22的作业状态的角度修正量的上限值(铲斗修正限制值)。另外，铲斗修正限制值运算部440运算未对操作者造成违和感的铲斗22的角速度修正量的上限值(铲斗修正限制值)。铲斗修正限制值运算部440的运算结果(铲斗修正限制值)被输出至铲斗目标速度修正部450。

铲斗目标速度修正部450基于铲斗角度控制决定部410、目标面距离运算部220、铲斗修正限制值运算部440及目标速度运算部310的运算结果来修正铲斗22的目标速度。

动作指令值运算部610基于目标速度运算部310及铲斗目标速度修正部450的运算结果来运算控制驱动装置35所需的动作指令值，并输出至驱动装置35。

＜机床控制的动作＞

图4中示出机床控制的作业前部2的动作。如图4所示，在机床控制中，对应于斗杆21的动作速度来自动控制动臂20，使得铲斗22沿着所设定的工目标面动作。例如，当操作者在图4所示的状态下进行斗杆21的收回操作时，动臂20自动上升或下降，使得铲斗22的爪尖沿着施工目标面移动。由此，操作者无需熟练的操作就能够沿着施工目标面进行挖掘作业。

图5中示出欲要通过机床控制达成的铲斗22的动作轨迹(目标动作轨迹)。如图5所示，能够在机床控制中自动进行铲斗22的角度控制。铲斗22的角度控制包括以将铲斗22的角度保持为相对于施工目标面恒定的方式控制铲斗22的动作、以对应于动臂20及斗杆21的动作将铲斗22的角度保持为相对于旋转体3的旋转平面恒定的方式控制铲斗22的动作、以及将铲斗22相对于斗杆21的角度保持为恒定的方式控制铲斗22的动作。上述铲斗22的角度控制能够对应于操作者的选择操作切换，或基于操作者的铲斗22的操作量、铲斗22与施工目标面的距离、铲斗22相对于施工目标面的姿态等自动切换。例如在本实施方式中，通常时预先以将铲斗22相对于斗杆21的角度保持为恒定的方式控制铲斗22的动作，操作者借助显示设定装置110设定为保持铲斗22的角度的模式，在操作者请求的铲斗22的动作速度小于机床控制请求的铲斗22的动作速度的情况下，铲斗22与施工目标面的距离小于规定值，且在铲斗22的底面与施工目标面平行时，以将铲斗22的角度相对于旋转体3的旋转平面保持为恒定的方式控制铲斗22的动作。

＜铲斗动作轨迹＞

图6示出机床控制的实际铲斗22的动作轨迹。通常，在液压挖掘机1中，从强度的观点出发，作业前部2由于制造得厚重而质量较大、惯性大。另外，在液压系统的情况下，由于驱动作业前部2的工作油是有压缩性的流体，因此很难精确控制作业前部2的动作。因此，在实际上欲要控制斗杆21和动臂20的动作使铲斗22追随施工目标面时，如图6所示，铲斗22与施工目标面会产生偏差。其结果，在挖掘后的地面上产生凹凸。需要说明的是，图6的动作轨迹是说明用的图片，与实际比例尺不同。

＜铲斗的作业状态＞

图7示出挖掘作业中的铲斗22的目标动作轨迹，图8示出摩擦作业中的铲斗22的目标动作轨迹。如图7及图8所示，在铲斗22是被广泛使用的挖掘用铲斗的情况下，在铲斗22的前端侧安装有被称为齿的爪，从而容易进行地面挖掘。在铲斗22的下部安装有铁板，在压实地面或通过将铲斗22的底面、后端侧与地面摩擦而将地面平整得平滑时使用。作为通过机床控制作业时的铲斗22的作业状态，存在图7所示的在铲斗22的爪尖侧挖掘的状态(挖掘状态)和图8所示的在铲斗22的与爪尖相反的后端侧摩擦的状态(摩擦状态)。机床控制的铲斗22的作业(挖掘作业或摩擦作业)通过作业前部2的一连串动作进行，因此需要在该期间内维持铲斗22的作业状态。

铲斗22的作业状态的判定能够基于铲斗22相对于施工目标面的姿态及行进方向进行。在本实施方式中，运算铲斗22的爪尖侧与施工目标面的距离及铲斗22的与爪尖侧相反的后端侧与施工目标面的距离，基于上述距离的大小关系及铲斗22的行进方向判定是挖掘状态还是摩擦状态。铲斗22的行进方向能够通过从斗杆21和动臂20的目标速度提取与施工目标面平行的方向成分来运算。在图7及图8所示的作业前部2的构成中，通过斗杆拉回动作，从而铲斗22向爪尖侧行进，通过斗杆推出动作，从而铲斗22向与爪尖相反的后端侧行进。

以下，示出用于判定为挖掘状态或摩擦状态的条件的一例。

(i)用于判定为挖掘状态的条件

在以施工目标面为基准，铲斗22的爪尖侧与后端侧相比位于下方的状态下，铲斗22向爪尖侧行进时。

(ii)用于判定为摩擦状态的条件

在以施工目标面为基准铲斗22的后端侧与爪尖侧相比位于下方的状态下，铲斗22向爪尖侧行进时。或者，在以施工目标面为基准铲斗22的后端侧与爪尖侧相比位于下方的状态下，铲斗22向后端侧行进时。

需要说明的是，用于判定铲斗22的作业状态的条件不限于以上所述，也可以基于例如铲斗22的底面与施工目标面所成的角度来判定是挖掘状态还是摩擦状态。另外，在铲斗22为在后端侧具有边缘的坡面铲斗(如图9所示)的情况下，有时也在铲斗22的后端侧进行地面挖掘，因此，也可以将铲斗22以在后端侧与爪尖侧相比位于下方的姿态向后端侧行进的状态判定为挖掘状态。

＜铲斗目标速度的修正方法＞

说明在机床控制作业时修正铲斗22的目标速度来减小铲斗22与施工目标面的距离时的修正方法。铲斗22的目标速度的修正基于铲斗22的作业状态及铲斗22与施工目标面的距离进行。在本实施方式中，在铲斗22以铲斗22的爪尖侧与后端侧相比位于下方的状态向爪尖侧行进时，以铲斗22的爪尖与施工目标面的距离变为零的方式运算铲斗缸22A的位移，在将其除以规定时间后，与目标速度运算部310运算的铲斗缸22A的目标速度相加。此处的规定时间是铲斗22的与爪尖施工目标面的距离变为零所需的时间，考虑液压挖掘机1的特性等通过实验等确定为恰当的值。

在铲斗22以铲斗22的后端侧与爪尖侧相比位于下方的状态向爪尖侧行进时，以铲斗22的后端与施工目标面的距离变为零的方式运算铲斗缸22A的位移，将其除以所述规定时间并与目标速度运算部310运算的铲斗缸22A的目标速度相加。在铲斗22以铲斗22的后端侧与爪尖侧相比位于下方的状态向后端侧行进时，以铲斗22的后端与施工目标面的距离变为零的方式运算铲斗缸22A的位移，将其除以所述规定时间并与目标速度运算部310运算的铲斗缸22A的目标速度相加。在铲斗22以铲斗22的爪尖侧与后端侧相比位于下方的状态向后端侧行进时，以铲斗22的爪尖与施工目标面的距离变为零的方式运算铲斗缸22A的位移，将其除以所述规定时间并与目标速度运算部310运算的铲斗缸22A的目标速度相加。

基于上述方式，能够通过使铲斗22动作来减小铲斗22与施工目标面的距离并使铲斗22更加追随施工目标面，但由于在实际机床控制作业中进行地面挖掘或摩擦碾压，因此如图6所示，通过铲斗22的爪尖远离施工目标面或深入施工目标面下方，从而挖掘后的地面产生凹凸。因而，在现有的机床控制中，如图10A所示，在铲斗22的爪尖与施工目标面相比位于下方时，通过以铲斗22的爪尖侧朝向上方的方式修正铲斗22的动作指令值，从而防止将地面下挖得更深。但是，其结果，尽管操作者进行希望的挖掘操作，也违背其意图而解除铲斗22的挖掘状态，产生无法进行挖掘作业的区间。

＜铲斗目标速度修正的限制方法＞

为了在图10A所示的“无法进行挖掘作业的区间”中维持铲斗22的挖掘状态，需要以施工目标面为基准，使得铲斗22的后端与爪尖相比位于上方。因而，如图10B所示，对铲斗缸22A的动作指令值进行修正，以免铲斗22的爪尖以施工目标面为基准与后端相比位于上方。由此，由于避免铲斗22的后端以施工目标面为基准与爪尖相比位于下方，因此能够维持铲斗22的挖掘状态。需要说明的是，在维持摩擦状态的情况下，将铲斗22的后端与爪尖的上下关系颠倒，进行与上述相同的处理即可。

与上述不同，若铲斗22的角度从铲斗作业开始时的角度(初始角度)大幅变化，则可能给操作者造成违和感。因而，通过预先针对铲斗22相对于初始角度的角度修正设置限制值，从而能够减轻操作者的违和感、使作业性良好。另外，在铲斗22的角度急剧变化的情况下，也可能给操作者造成违和感。因而，也可以预先针对铲斗缸22A的动作速度或角速度设定上限值。此外，也可以对应于作业前部2的动作速度变更铲斗缸22A的动作速度的上限值。这些值与操作者的违和感相关，因此优选通过实验等确定。

另外，在欲要将铲斗22相对于施工目标面的角度保持为恒定时，通过针对铲斗22的目标保持角度设置前述的角度限制、角速度限制，从而能够在将铲斗22相对于施工目标面的角度保持在恒定范围内的同时减小铲斗22与施工目标面的距离。

＜铲斗动作轨迹＞

在使用现有技术中的机床控制的情况下，如图10A所示，由于未考虑铲斗22相对于施工目标面的姿态而修正铲斗22的动作使得铲斗22的爪尖追随施工目标面，因此存在铲斗22的作业状态在作业前部2的一连串动作的中途变化的情况。例如，尽管如图10A在挖掘状态下开始作业，但若铲斗22的后端在一连串动作的中途与爪尖相比位于下方，则铲斗22无法进行爪尖的挖掘作业。另外，尽管在摩擦状态下开始作业，但若铲斗22的爪尖在一连串动作的中途与后端相比位于下方，则铲斗22无法进行后端的摩擦作业。

另一方面，在使用本实施方式中的机床控制的情况下，如图10B所示，在铲斗22的爪尖与施工目标面相比进入下方时，在限制铲斗22的动作以免铲斗22的底面与爪尖相比位于下方的基础上，修正铲斗22的动作使得铲斗22的爪尖接近施工目标面。由此，在作业前部2的一连串动作中，由于能够在维持符合操作者意图的铲斗22的作业状态的同时使铲斗22追随施工目标面，因此液压挖掘机1的作业性提高。

需要说明的是，图10A及图10B中的铲斗22的大小与铲斗轨迹的关系是说明用的图片，与实际的比例感不同。

＜控制步骤＞

图11是示出信息处理装置34的处理内容的流程图。以下依次说明各步骤。

在步骤S110中，基于从姿态检测装置30获得的信号运算作业前部2及旋转体3的姿态。

在步骤S120中，运算铲斗22与施工目标面的距离。

在步骤S130中，基于作业前部2及旋转体3的姿态、铲斗22与施工目标面的距离及来自操作输入装置33的操作输入量来运算作业前部2的目标速度。

在步骤S140中，基于作业前部2及旋转体3的姿态、铲斗22与施工目标面的位置关系及来自操作输入装置33的操作输入量来判定铲斗角度保持条件成立与否。此处的铲斗角度保持条件是用于判定是否需要相对于施工目标面保持铲斗22的角度的条件，例如，是铲斗22与施工目标面的距离为规定值以下且指示作业前部2的动作的情况。若铲斗角度保持条件成立则进入步骤S150，若铲斗角度保持条件不成立则进入步骤S185。

在步骤S150中，基于作业前部2的目标速度及目标面信息来判定铲斗22的行进方向。具体来说，在铲斗22的目标速度中的与施工目标面平行且朝向爪尖侧的速度分量大于与施工目标面垂直的速度分量的情况下，运算铲斗22的行进方向为爪尖侧，在铲斗22的目标速度中的与施工目标面平行且朝向后端侧的速度分量大于与施工目标面垂直的速度分量的情况下，运算铲斗22的行进方向为后端侧。

在步骤S160中，基于在步骤S120中运算的铲斗22与施工目标面的距离及在步骤S150中判定的铲斗22的行进方向来判定铲斗22的作业状态。若铲斗22的作业状态为挖掘状态则进入步骤S170，若为摩擦状态则进入步骤S175。

在步骤S170中，运算用于维持铲斗22的挖掘状态的铲斗修正限制值。

在步骤S175中，运算用于维持铲斗22的摩擦状态的铲斗修正限制值。

在步骤S180中，在铲斗22的动作修正量不超过在步骤S170或步骤S175中运算的铲斗修正限制值的范围内，修正铲斗22的目标速度使得铲斗22与施工目标面的距离减小。

在步骤S185中，不对铲斗22的目标速度进行修正。

在步骤S190中，判定与来自操作输入装置33的操作输入量对应的铲斗22的目标速度是否小于在步骤S180或步骤S185中运算的目标速度。在来自操作输入装置33的操作输入量比在步骤S180或步骤S185中运算的目标动作小的情况下进入步骤S210，在与来自操作输入装置33的操作输入量对应的目标速度为步骤S180或步骤S185中运算的目标速度以上的情况下进入步骤S200。

在步骤S200中，基于来自操作输入装置33的操作输入量修正铲斗22的目标速度。

在步骤S210中，基于铲斗22的目标速度来运算动作指令值，并输出至驱动装置35。

(总结)

在本实施方式中，作业机械1包括：机械主体3；作业前部2，其具有作业工具22，在上下方向上摆动自如地安装于机械主体3；执行机构20A、21A、22A，其驱动作业前部2；驱动装置35，其驱动执行机构20A、21A、22A；操作输入装置33，其指示执行机构20A、21A、22A的动作；姿态检测装置30，其检测机械主体3及作业前部2的姿态；目标面信息设定装置100，其设定作为作业工具22的挖掘对象的目标面；以及控制器34a，其基于从操作输入装置33、姿态检测装置30及目标面信息设定装置100输入的信息运算执行机构20A、21A、22A的动作指令值，并输出至驱动装置35，使得作业工具22沿着所述目标面移动，控制器34a基于从操作输入装置33输入的操作输入量及所述作业工具相对于目标面22的姿态来判定作业工具22的作业状态，并且，运算维持所判定的所述作业状态的执行机构20A、21A、22A的动作指令值的范围，在所述范围内修正所述执行机构的动作指令值，使得作业工具22与所述目标面的距离减小。需要说明的是，本实施方式构成为，通过修正铲斗22的目标速度来间接修正执行机构20A、21A、22A的动作指令值，也可以直接修正执行机构20A、21A、22A的动作指令值。

按照上述方式构成的本实施方式，在使作业工具22追随施工目标面的机床控制中，通过维持符合操作者意图的作业工具22作业状态，从而能够提高液压挖掘机1的作业性。

另外，本实施方式中的控制器34a在作业工具22与所述目标面的距离变为规定值以下，且基于所述操作输入量运算的作业工具22的目标速度中的与所述目标面平行的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的定时，对作业工具22的作业状态进行判定。由此，能够在作业工具22开始作业的定时判定作业工具22的作业状态。

另外，本实施方式中的控制器34a基于所述作业工具相对于目标面22的姿态及行进方向来判定作业工具22的作业状态。由此，能够提高作业工具22的作业状态的判定精度。

另外，本实施方式中的控制器34a基于在作业工具22上预先设定的两个点(爪尖侧的点及后端侧的点)与所述目标面的距离来检测所述作业工具相对于目标面22的姿态。由此，能够简单地检测施工作业工具相对于目标面22的姿态。

另外，本实施方式中的作业工具22是铲斗，控制器34a在以所述目标面为基准，铲斗22的爪尖与铲斗22的后端侧相比位于下方，且铲斗22的目标速度中的与所述目标面平行且朝向所述爪尖侧的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的情况下，将铲斗22的作业状态判定为挖掘状态，在以所述目标面为基准，所述爪尖与所述后端侧相比位于下方，且铲斗22的目标速度中的与所述目标面平行且朝向所述后端侧的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的情况下，或者，在以所述目标面为基准，所述后端侧与所述爪尖相比位于下方，且铲斗22的目标速度中的与所述目标面平行的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的情况下，将铲斗22的作业状态判定为摩擦状态。由此，在作为作业工具安装有铲斗22的液压挖掘机1中，能够准确判定铲斗22的作业状态是挖掘状态及摩擦状态中的哪一个。

另外，本实施方式中的控制器34a在将铲斗22的作业状态判定为挖掘状态的情况下，在以所述目标面为基准维持所述爪尖与所述后端侧相比位于下方的状态的动作指令值的范围内，修正执行机构20A、21A、22A的动作指令值，使得所述爪尖到所述目标面的距离减小，在将铲斗22的作业状态判定为摩擦状态的情况下，在以所述目标面为基准维持所述后端侧与所述爪尖相比位于下方的状态的动作指令值的范围内，修正执行机构20A、21A、22A的动作指令值，使得所述爪尖到所述目标面的距离减小。由此，在使铲斗22追随施工目标面的机床控制中，通过维持符合操作者意图的铲斗22的作业状态(挖掘状态或摩擦状态)，从而能够提高液压挖掘机1的作业性。

另外，本实施方式中的控制器34a对执行机构20A、21A、22A的动作指令值进行修正，以使得作业工具22的角度变化量不超过预先设定的角度修正限制值，或使得作业工具22的角速度变化量不超过预先设定的角速度修正限制值。由此，由于作业中的作业工具22的姿态的变化幅度抑制为一定以下，因此能够减轻操作者的违和感。

另外，本实施方式中的控制器34a基于作业前部2的动作速度来运算作业工具22的角度修正限制值或角速度修正限制值，对执行机构20A、21A、22A的动作指令值进行修正，以使得作业工具22的角度变化量不超过所述角度修正限制值、或使得作业工具22的角速度变化量不超过所述角速度修正限制值。由此，能够对应于作业前部2的动作速度来抑制作业中的作业工具22的姿态的变化幅度，因此能够进一步减轻操作者的违和感。

以上详细说明了本发明的实施方式，但本发明并非限定于上述实施方式，包含多种变形例。例如，上述实施方式是为了使本发明清楚易懂而进行的详细说明，并非限定为具备所说明的全部构成。

附图标记说明

1…液压挖掘机(作业机械)、2…作业前部、3…旋转体(机械主体)、4…走行体、10…控制系统、20…动臂、20A…动臂缸(执行机构)、20S…动臂IMU、21…斗杆、21A…斗杆缸(执行机构)、21S…斗杆IMU、22…铲斗(作业工具)、22A…铲斗缸(执行机构)、22B…第1连杆、22C…第2连杆、22S…铲斗IMU、30S…旋转体IMU、31…主框架、32…驾驶室、33…操作输入装置、34…信息处理装置、35…驱动装置、36…原动装置、37…配重、38…旋转用马达(执行机构)、40…履带架、41…走行用马达(执行机构)、45…履带、100…目标面信息设定装置、100a…目标面信息设定用控制器、110…显示设定装置、110a…显示监视器、110b…触摸面板、210…姿态运算部、220…目标面距离运算部、310…目标速度运算部、410…铲斗角度控制决定部、420…铲斗行进方向判定部、430…铲斗作业状态判定部、440…铲斗修正限制值运算部、450…铲斗目标速度修正部、610…动作指令值运算部。

Claims (8)

1.一种作业机械，其包括：

机械主体；

作业前部，其具有作业工具，在上下方向上摆动自如地安装于所述机械主体；

执行机构，其驱动所述作业前部；

驱动装置，其驱动所述执行机构；

操作输入装置，其指示所述执行机构的动作；

姿态检测装置，其检测所述机械主体及所述作业前部的姿态；

目标面信息设定装置，其设定作为所述作业工具的挖掘对象的目标面；以及

控制器，其基于从所述操作输入装置、所述姿态检测装置及所述目标面信息设定装置输入的信息来运算所述执行机构的动作指令值并输出至所述驱动装置，使得所述作业工具沿着所述目标面移动，

所述作业机械的特征在于，

所述控制器基于从所述操作输入装置输入的操作输入量和所述作业工具相对于所述目标面的姿态来判定所述作业工具的作业状态，并且，运算维持所判定的所述作业状态的所述执行机构的动作指令值的范围，在所述范围内修正所述执行机构的动作指令值，使得所述作业工具与所述目标面的距离减小。

2.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

所述控制器在所述作业工具与所述目标面的距离变为规定值以下、且基于所述操作输入量运算的所述作业工具的目标速度中的与所述目标面平行的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的定时判定所述作业工具的作业状态。

3.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

所述控制器基于所述作业工具相对于所述目标面的姿态及行进方向来判定所述作业工具的作业状态。

4.根据权利要求3所述的作业机械，其特征在于，

所述控制器基于所述作业工具上预先设定的两个点与所述目标面的距离来检测所述作业工具相对于所述目标面的姿态。

5.根据权利要求4所述的作业机械，其特征在于，

所述作业工具是铲斗，

就所述控制器而言，

在以所述目标面为基准，所述铲斗的爪尖与所述铲斗的后端侧相比位于下方，且所述铲斗的动作速度中的与所述目标面平行且朝向所述爪尖侧的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的情况下，将所述铲斗的作业状态判定为挖掘状态，

在以所述目标面为基准，所述爪尖与所述后端侧相比位于下方，且所述铲斗的动作速度中的与所述目标面平行且朝向所述后端侧的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的情况下，或者，在以所述目标面为基准，所述后端侧与所述爪尖相比位于下方，且所述铲斗的动作速度中的与所述目标面平行的速度分量大于与所述目标面垂直的速度分量的情况下，将所述铲斗的作业状态判定为摩擦状态。

6.根据权利要求5所述的作业机械，其特征在于，

就所述控制器而言，

在将所述铲斗的作业状态判定为挖掘状态的情况下，在以所述目标面为基准维持所述爪尖与所述后端侧相比位于下方的状态的动作指令值的范围内，修正所述执行机构的动作指令值，使得所述爪尖到所述目标面的距离减小，

在将所述铲斗的作业状态判定为摩擦状态的情况下，在以所述目标面为基准维持所述后端侧与所述爪尖相比位于下方的状态的动作指令值的范围内，修正所述执行机构的动作指令值，使得所述爪尖到所述目标面的距离减小。

7.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

所述控制器对所述执行机构的动作指令值进行修正，使得所述作业工具的角度变化量不超过预先设定的角度修正限制值，或者，使得所述作业工具的角速度变化量不超过预先设定的角速度修正限制值。

8.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

就所述控制器而言，

基于所述作业前部的动作速度来运算所述作业工具的角度修正限制值或角速度修正限制值，

对所述执行机构的动作指令值进行修正，使得所述作业工具的角度变化量不超过所述角度修正限制值，或者，使得所述作业工具的角速度变化量不超过所述角速度修正限制值。

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