JP2009179968A - 油圧ショベルのフロント制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく領域制限制御ができる油圧ショベルのフロント制御装置を提供する。
【解決手段】アーム１ｂ、バケット１ｃの実際の角速度を基にしてバケット先端の速度ベクトルＶｃを演算し、これから減速ベクトルＶＲを演算してブーム１ａを制御することで、バケット先端が設定領域に沿って動作する領域制限掘削制御を行う。また、フロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端を下げるような操作指示がなされているにもかかわらず、バケット１ｃの先端位置が以前の位置と同じであると判断されると、領域制限制御の設定値（掘削領域の直線式）を補正するように構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、油圧ショベルのフロント制御技術に関する。

油圧ショベルで掘削面の仕上げ作業や法面の成形作業を行うには、ブーム、アーム等の複数のフロント部材を同時に複合操作してバケット先端を直線状に動作させる必要がある。しかし、これらフロント部材はそれぞれ関節部によって連結され回動運動を行うものであるため、これらフロント部材を操作してフロント作業機のバケット先端を直線状に移動させることは、熟練を伴う非常に困難な作業である。そこで、このような作業を容易にするため、各種のフロント制御装置が従来提案されており、その一例として、掘削領域の掘削面に沿ってフロント作業機のバケット先端を移動させるようにしたフロント制御装置を提案している(例えば、特許文献１参照)。

この特許文献１に記載のフロント制御装置は、フロント作業機の動き得る領域を制限した掘削制御を行う領域制限掘削制御に際して、掘削時の負荷による影響を極力抑えるとともに、領域制限掘削制御の演算部分に干渉することなく、バケットの姿勢を一定に保持する制御を容易に組み込むことができるようにするものである。

特開２００２−１６７７９４号公報

上記特許文献１に記載の領域制限掘削制御では、掘削時の負荷による影響を極力抑え、掘削領域の掘削面に沿ってフロント作業機のバケット先端を移動させることができ、バケットの姿勢を一定に保持しながら、このバケット先端を直線状に移動させることができる。しかし、この特許文献１に記載のものは、油温や複合操作の影響などにより、想定した範囲内の油圧制御が行えず、場合によってはフロント作業機が設定した領域境界まで到達できず領域境界の手前で止まってしまったり、設定した領域境界を越えて掘削してしまったりする可能性がある。

（１） 請求項１の発明による油圧ショベルのフロント制御装置は、多関節型のフロント作業機を構成する上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットを含む複数のフロント部材と、複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数のフロント部材の動作を指示する複数の操作手段と、複数の操作手段の操作信号に応じて駆動され、複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備える油圧ショベルに備えられ、フロント作業機に領域を制限した掘削を連続して行わせる油圧ショベルのフロント制御装置において、（ａ）フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、（ｂ）検出手段からの信号に基づきフロント作業機の位置と姿勢を演算する第１演算手段と、（ｃ）検出手段からの信号に基づきアーム及びバケットの実動作速度を演算し、この動作速度からフロント作業機のバケット先端の速度ベクトルを演算する第２演算手段と、（ｄ）フロント作業機のバケット先端が予め設定した領域内でその設定領域の境界の近傍にあるとき、第１及び第２演算手段の演算値に基づき、第２演算手段で演算した速度ベクトルの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる減速ベクトルを演算する第３演算手段と、（ｅ）第３演算手段で演算した減速ベクトルに対応するブームの操作信号を演算しこれを対応する油圧制御弁に出力する第４演算手段と、（ｆ）第３演算手段で演算した減速ベクトルに対応するブームの目標動作速度を演算し、このブームの目標動作速度と検出手段で検出したフロント作業機の位置と姿勢に関する状態量とからバケットの姿勢を一定に保持するためのバケットの操作信号を演算し、このバケットの操作信号を対応する油圧制御弁に出力する第５演算手段と、（ｇ）フロント作業機のバケット先端が下方に移動されるように操作信号が出力されているか否かを判断する操作信号有無判断手段と、（ｈ）第１演算手段で演算したフロント作業機のバケット先端の地面に対する位置が移動しているか否かを判断するバケット先端移動有無判断手段と、（ｉ）第１演算手段で演算したフロント作業機のバケット先端と、補正手段で補正する前の設定領域の境界との距離が所定の距離以上であるか否かを判断する離間距離判断手段と、（ｊ）フロント作業機のバケット先端が下方に移動されるように操作信号が出力されていると操作信号有無判断手段で判断され、かつ、第１演算手段で演算したフロント作業機のバケット先端の地面に対する位置が移動していないとバケット先端移動有無判断手段で判断され、かつ、第１演算手段で演算したフロント作業機のバケット先端と、補正手段で補正する前の設定領域の境界との距離が所定の距離以上であると離間距離判断手段で判断される場合に設定領域を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。
（２） 請求項２の発明は、請求項１に記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、油圧ショベルは、走行体と、走行体に対して旋回可能に設けられる上部旋回体とを備え、フロント作業機は、上部旋回体に揺動可能に取り付けられ、上部旋回体の姿勢を検出する上部旋回体姿勢検出手段をさらに備え、第１演算手段は、検出手段および上部旋回体姿勢検出手段からの信号に基づいて、フロント作業機のバケット先端の地面に対する位置を演算することを特徴とする。
（３） 請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、補正手段は、第１演算手段で演算したフロント作業機の位置と姿勢に基づいて、フロント作業機のバケット先端が設定領域の境界を越えていると判断されると、設定領域を補正することを特徴とする。

本発明によれば、設定領域の境界まで掘削できるので、効率よく領域制限制御ができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係わるフロント制御装置を油圧ショベルに搭載される油圧駆動装置とともに示す図である。

図１において、本発明が適用される油圧ショベル１は、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２から吐出される圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。

本実施の形態では、操作レバー装置４ａ〜４ｆは操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置であり、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット圧に変換する電気油圧変換手段、例えば比例電磁弁を両端に備えた電気・油圧操作方式である。

図２は油圧ショベル１の外観を示す斜視図である。１Ａはフロント作業機、１Ｂは車体、１ａはブーム、１ｂはアーム、１ｃはバケット、１ｄは上部旋回体、１ｅは下部走行体、１３は操作室、１４ａは左走行駆動体、１４ｂは右走行駆動体である。油圧ショベル１は、垂直方向に夫々回動ずるブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント作業機１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成されている。

フロント作業機１Ａでは、ブーム１ａの基端が上部旋回体１ｄの前部に回動可能に支持されており、このブーム１ａの先端にアーム１ｂの一端が回動可能に支持され、このアーム１ｂの他端にバケット１ｃが回動可能に支持されている。ブーム１ａはブームシリンダ３ａによって垂直方向に回動するように駆動され、アーム１ｂはアームシリンダ３ｂによって垂直方向に回動するように駆動され、バケット１ｃはバケットシリンダ３ｃによって垂直方向に回動するように駆動される。車体１Ｂでは、操作室１３を有する上部旋回体１ｄが旋回モータ３ｄ(図２では図示せず)を介して下部走行体１ｅ上に取り付けられており、この旋回モータ３ｄが駆動されることにより、上部旋回体１ｄが下部走行体１ｅに対して旋回する。また、下部走行体１ｅには、車体１Ｂの前進方向に対して左側に左走行駆動体１４ａが、右側に右走行駆動体１４ｂが夫々設けられており、左走行駆動体１４ａが左走行モータ３ｅにより駆動されることにより、また、右走行駆動体１４ｂが右走行モータ３ｆにより駆動されることにより、油圧ショベル１が前進あるいは後進走行し、また、走行方向を変更することができる。

操作レバー装置４ａ〜４ｆは、図２には図示しないが、上部旋回体１ｄの操作室１３内に設けられている。ブーム操作レバー装置４ａが操作されることにより、ブームシリンダ３ａが駆動されてブーム１ａが垂直方向に回動駆動される。同様に、アーム操作レバー装置４ｂやバケット操作レバー装置４ｃが操作されることにより、アームシリンダ３ｂやバケットシリンダ３ｃが駆動されて、アーム１ｂやバケット１ｃが垂直方向に回動駆動され、旋回操作レバー装置４ｄが操作されることにより、旋回モータ３ｄが駆動されて、上部旋回体１ｄが旋回し、左走行モータ操作レバー４ｅや右走行モータ操作レバー装置４ｆが操作されることにより、左走行モータ３ｅや右走行モータ３ｆが駆動されて、油圧ショベル１が前進、後進走行し、また、走行方向を変える。

以上のような油圧ショベルに本実施の形態に係わるフロント制御装置が設けられている。この制御装置は、予め作業に応じてフロント作業機の所定部位、例えばバケット１ｃの先端が動き得る掘削領域の設定を指示するとともに、領域制限掘削制御の開始を指示する設定器７と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント作業機１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと、上部旋回体１ｄの傾斜角度を検出する傾斜角度検出器８ｄと、設定器７の設定信号、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し、バケット１ｃの先端が動き得る掘削領域を設定すると共に操作信号の補正を行う制御ユニット９から構成されている。

設定器７は、操作パネルあるいは操作レバーのグリップ上に設けられたスイッチ等の入力手段により、制御の開始や設定の信号を制御ユニット９に出力し、制御の開始や掘削制限領域の設定を指示するものである。操作パネル上には表示装置等、他の補助手段があってもよい。図１に示す例では、設定器７に領域制限開始スイッチ７ａ、ダイレクトティーチスイッチ７ｂが設けられている。

図１１は、本実施の形態に係るフロント制御装置の構成を示すブロック図である。制御ユニット９は、角度検出器８ａ〜８ｄ，操作レバー４ａ〜４ｆ，設定器の各スイッチ７ａ,７ｂからの各信号をそれぞれ取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器９１、後述する制御プログラムを実行するＣＰＵ９２、制御プログラムや制御に必要な各種定数を格納するＲＯＭ９３、演算結果あるいは演算途中の数値を一時的に記憶するＲＡＭ９４、および流量制御弁５ａ〜５ｆへの制御信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器を含むシングルチップマイコン９６と、フロント作業装置１Ａと車体１Ｂの各寸法データ（ブーム長さやアーム長さ等）を記憶する不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）９７とにより構成される。制御ユニット９には、領域設定部と領域制限掘削制御部とがプログラムとしてＲＯＭ９３に格納されている。領域設定部では、設定器７からの指示でバケット１ｃの先端が動き得る掘削領域の設定演算を行う。その一例を図３を用いて説明する。

先ず初めに、掘削領域の初期値としてフロント作業機１Ａが届かないくらい深い値をセットしておく。なぜならば、設定器７の開始スイッチ７ａをONにした時から領域制限掘削制御が有効になるとすれば、その後フロント作業機１Ａが動作し得る範囲で自由に動き、動作範囲内で掘削領域を自由に設定できるようにするためには、掘削領域の初期値は油圧ショベルのある位置からはるか下方に設定しておかなければならないからである。ここでは一例として、掘削領域の初期値は直線式でＹ＝−２０ｍとしておく。

次に、図３において、オペレータによる操作レバー装置の操作でバケット１ｃの先端を点Ｐ１の位置に動かされた後、設定器７のダイレクトティーチスイッチ７ｂが押圧されると、そのときのバケット１ｃの先端位置が制御ユニット９の領域設定部で計算される。制御ユニット９のROM等の記憶部にはフロント作業機１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されており、領域設定部はこれらのデータと、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α、β、γ及び傾斜角度検出器８ｄで検出した上部旋回体１ｄの傾斜角度θの値を用いてＰ１の位置を計算する。このときＰ１の位置は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＹ座標系の座標値（Ｘ１，Ｙ１）として求める。ＸＹ座標系は、本体１Ｂに対して固定した直交座標系であり、垂直面内にあるとする。

制御ユニット９の領域設定部では、Ｐ１のＹ座標値より、掘削領域の直線式を下記の式を用いて計算する。
Ｙ＝Ｙ１
このように計算した値は掘削領域の設定値として制御ユニット９のRAM等の記憶部に記憶される。

以上のように設定した掘削領域に関して、制御ユニット９の領域制限掘削制御部では、図４にフローチャートで示す処理手順によりフロント作業機１Ａの動き得る領域を制限する制御を行う。以下、その内容を図４に示すフローチャートにより説明する。まず、手順１１０において、設定器７の領域制限開始スイッチ７ａがＯＮかどうかを判断する。設定器７の領域制限開始スイッチ７ａがＯＮであれば手順１２０に進む。

次に、手順１２０において、操作レバー装置４ａ〜４Ｆの操作信号を入力し、手順１３０において、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃにより検出したブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動角度（回動角）、及び、傾斜角度検出器８ｄにより検出した上部旋回体１ｄの傾斜角度（傾斜角）θを入力する。

手順１４０において、検出した回動角α、β、γ及び傾斜角θと予め入力してあるフロント作業機１Ａ及び上部旋回体１ｄの各部寸法とに基づきフロント作業機１Ａの位置と姿勢の計算を行い、バケット１ｃの先端位置を計算する。バケット先端の位置はＸＹ座標系の値として求められる。なお、走行および旋回をしていないにも関わらず、傾斜角θが変化したと判断される場合には、地面が硬く掘削できずに車体１Ｂがジャッキアップ等をしていると考えられる。そこで、この場合には、記憶部に記憶されているフロント作業機１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法からジャッキアップ時の車体１Ｂの回転中心位置を求め、この回転中心位置と傾斜角θの変化量とに基づいて、バケット先端の位置を補正して、バケット先端の地面に対する位置を算出する。

次に、手順１８０において、アーム角度検出器８ｂ及びバケット角度検出器８ｃの信号を微分してアーム１ｂ及びバケット１ｃの実際の角速度ωｂ，ωｃを求め、この角速度から油圧シリンダ３ｂ，３ｃの駆動速度を求め、この駆動速度とフロント作業機１Ａの各部寸法を用いてバケット先端の速度ベクトルＶｃを演算する。速度ベクトルＶｃは、バケット先端の対地速度についての速度ベクトルとなる。そして、速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行な方向のベクトル成分Ｖｃｘと垂直な方向のベクトル成分Ｖｃｙを求める。ここで、速度ベクトルＶｃのＸ座標成分Ｖｃｘは速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行な方向のベクトル成分となり、Ｙ座標成分Ｖｃｙは速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に垂直な方向のベクトル成分、すなわち地面に対して垂直な方向のベクトル成分となる。

次に手順１９０において、バケット１ｃの先端が、上述のように設定した図５に示すような設定領域内の境界近傍の領域である減速領域にある場合か否かを判定する。手順１９０における判定の詳細は後述する。手順１９０において、減速領域にあると判定される場合には手順２００に進み、フロント作業機１Ａの減速制御演算を行う。手順１９０において、減速領域にないと判定される場合には手順２１０に進む。手順２００の減速制御演算では、アーム用操作レバー装置４ｂの操作信号自体を減速する(操作指令値を小さくする)処理(アーム減速制御処理)と、手順１８０で計算したフロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分(Ｖｃｙ)を減ずる処理(減速方向変換処理；後述)とを行う。

次に手順３００において、設定した掘削領域の直線式を補正する。手順３００の詳細については図１０を用いて説明する。手順３０１では、図４の手順１３０で入力された角度と、手順１４０で演算された結果を記憶装置に保存する。手順３０１ａでは、各操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号から、フロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端を下げるような操作指示がなされているか否かを判定する。手順３０１ａで否定されると、手順２１０へ進み、手順３０１ａで肯定されると手順３０２へ進む。

手順３０２では、作業機先端位置と補正前の設定領域の境界（掘削領域の設定値）との距離Ｄ１がある一定以上あるか否かを判定する。なお、後述するように掘削領域の設定値は補正されることもあるが、手順３０２では、補正前の掘削領域の設定値を用いる。手順３０２で否定されると、図４の手順２１０へ進み、手順３０２で肯定されると手順３０３へ進む。

手順３０３では、手順３０１で保存されている演算の数周期分の位置の値を基に、作業機先端位置が以前の位置と同じか否かを判定する。手順３０３で否定された場合は、直線式の補正は行わず図４の手順２１０へ進む。

一方、手順３０３で肯定された場合は、手順３０４に進み、手順３０１で保存された数周期分の角度の値を基に、フロントの姿勢が以前の姿勢と同じか、つまり各アクチュエータの角度が以前の値と同じかを判定する。

手順３０４で否定される、つまりこの場合は作業機先端と設定領域の境界との距離がある一定以上の値で、作業機先端の位置は動いていないが、フロントの姿勢が変化している状態であり、油圧制御の影響ではなく、地面が硬く掘削できずに車体がジャッキアップ等をしていると考えられる状態であり、このような場合には直線式の補正はせずに図４の手順２１０に進む。

一方手順３０４で肯定される、つまりこの場合は、作業機先端と設定領域の境界との距離がある一定以上の値で、作業機先端が動いておらず且つフロントの姿勢も変化していない状況であり、この原因は、数周期前までの領域制限制御の影響によるものと判断できる状況であり、この場合には手順３０５に進む。

手順３０５では、直線式の変更と記憶を行う。直線式の値は、前記ダイレクトティーチスイッチにより設定した直線式の値(ここではＹ＝Ｙ１)を下げるような値を前記ダイレクトティーチスイッチにより設定した値に加える。例えば、直線式の高さを１ｃｍ下げる補正を行い、Ｙ＝Ｙ１−1cmとする。そして、この値を補正前の値（Ｙ＝Ｙ１）とは別に記憶し、次からの演算には補正された（変更された）後の直線式を利用する。つまり、次の周期の演算で手順３０４が肯定され手順３０５に進んだ場合には、Ｙ＝(Ｙ１−1cm)−1cmとなり、最初に設定した値（Ｙ＝Ｙ１）より２ｃｍ下がった位置を補正後の設定領域とする。オペレータへ目標面の提示をする場合には補正前の直線式であるＹ＝Ｙ１を利用し、補正後の直線式は演算装置内部の演算に使用する。なお、再度ダイレクトティーチスイッチ７ｂが押されて設定領域が変更された場合には、補正された直線式はリセットされる。

図４の手順２１０において、バケット１ｃの先端が図５に示すような設定領域の境界の下方（設定領域外）にある場合か否かを判定し、設定領域外にある場合には手順２２０に進み、フロント作業機１Ａの復元制御演算を行い、設定領域外にないときには手順２３０に進む。手順２２０の復元制御演算では、アーム用操作レバー装置４ｂの操作信号自体を減速する（操作指令値を小さくする）処理（アーム減速処理）と、手順１８０で計算したフロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分（Ｖｃｙ）を設定領域の境界に向かう方向の成分に変換する処理（復元方向変換処理；後述）とを行う。

ここで、手順１９０における減速領域にあるか否かの判定、手順２００における減速方向変換処理、及び、手順２１０における設定領域外に侵入したか否かの判定について、図６及び図７を用いて説明する。制御ユニット９の記憶装置には、図６に示すような、設定領域の境界からバケット１ｃの先端までの距離Ｄ１と、減速ベクトル係数ｈとの関係が記憶されている。減速ベクトル係数ｈは、距離Ｄ１が距離Ｙａ１よりも大きいときは０であり、Ｄ１がＹａ１よりも小さくなると、距離Ｄ１が減少するにしたがって増大し、距離Ｄ１＝０で１となるように設定されている。

手順１９０では、手順１４０で演算されたバケット１ｃの先端位置と、上述のように領域設定部に設定された掘削領域の設定値とからバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ１を計算し、この距離Ｄ１が距離Ｙａ１より小さくなると減速領域に侵入したと判定する。また、手順２１０では、距離Ｄ１が負の値になったら設定領域外に侵入したと判断する。

また、手順２００では、手順１８０で計算したバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分である、設定領域の境界に対して垂直方向のベクトル成分、すなわちＸＹ座標系におけるＹ座標の成分Ｖｃｙを減じるための減速ベクトルＶＲを求める。具体的には、記憶装置に記憶した図６に示す関係から、そのときの設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ１に対応する減速ベクトル係数ｈを計算し、この減速ベクトル係数ｈを速度ベクトルＶｃのＹ座標の成分(垂直方向のベクトル成分)Ｖｃｙに乗じ、更に−１を乗じて減速ベクトルＶＲ（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求める。ここで、減速ベクトルＶＲはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ１がＹａ１より小さくなるにしたがって大きくなり、Ｄ１＝０でＶＲ＝−Ｖｃｙとなる、Ｖｃｙの逆方向の速度ベクトルである。このため、後述するように、減速ベクトルＶＲを速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、距離Ｄ１がＹａ１より小さくなるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙの減少量が大きくなるようベクトル成分Ｖｃｙが減じられて、速度ベクトルＶｃは速度ベクトルＶｃａに補正される（図５）。

上述のように減速制御されたときのバケット１ｃの先端の軌跡の一例を図７に示す。速度ベクトルＶｃが斜め下方に一定であるときには、その平行成分Ｖｃｘは一定となり、垂直成分Ｖｃｙはバケット１ｃの先端が設定領域の境界に近づくにしたがって（距離Ｄ１がＹａ１より小さくなるにしたがって）小さくなる。補正後の速度ベクトルＶｃａはその合成ベクトルであるので、バケット１ｃの先端の軌跡は図７に示すように設定領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。また、Ｄ１＝０でｈ＝１、ＶＲ＝−Ｖｃｙとなるので、設定領域の境界上での補正後の速度ベクトルＶｃａは平行成分Ｖｃｘに一致する。

手順２２０における復元方向変換処理について、図８及び図９を用いて説明する。上述したようにこの処理はバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ１が負の値になったときのものであり、便宜上Ｄ１の絶対値をＤ２に置き換えて説明する。手順２２０では、手順１８０で計算したバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に対し垂直方向のベクトル成分、すなわちＸＹ座標系のＹ座標の成分Ｖｃｙを設定領域の境界に接近する方向の垂直成分に変えるための復元ベクトルＶＲ２を求める。

具体的には、垂直方向のベクトル成分ＶｃｙをキャンセルするためのＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙを求める。そして次に、記憶装置に記憶した図８に示す関係から、そのときの距離Ｄ２の絶対値に比例する加算用復元ベクトルＡＲを計算し、Ｖｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙと加算用復元ベクトルＡＲとの和を復元ベクトルＶＲ２とする（ＶＲ２＝Ａｃｙ＋ＡＲ）。ここで、加算用復元ベクトルＡＲはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ２が小さくなるにしたがって小さくなるよう設定されている。このため、復元ベクトルＶＲ２を速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、距離Ｄ２が小さくなるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙが小さくなるよう、速度ベクトルＶｃは速度ベクトルＶｃａに補正される。

上述のように復元制御されたときのバケット１ｃの先端の軌跡の一例を図９に示す。速度ベクトルＶｃが斜め下方に一定であるときには、その平行成分Ｖｃｘは一定となり、また復元ベクトルＡＲは距離Ｄ２に比例するので、垂直成分Ｖｃｙはバケット１ｃの先端が設定領域の境界に近づくにしたがって（距離Ｄ２が小さくなるにしたがって）小さくなる。補正後の速度ベクトルＶｃａはその合成ベクトルであるので、バケット１ｃの先端の軌跡は図９に示すように設定領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。

図４の手順３１０において、手順２１０で設定領域外であると判定されている、すなわち掘りすぎであると判定されているので、掘削領域の直線式を上方向へ補正する。例えば、掘削領域の元の直線式がＹ＝Ｙ１とすると、この値に例えば1cm加える補正を行ってＹ＝Ｙ１＋1cmとする。そして、この値を補正前の値（Ｙ＝Ｙ１）とは別に記憶し、次からの演算には補正された（変更された）後の直線式を利用する。

次に手順２３０において、手順２００又は２２０で得た滅速ベクトルＶＲあるいは復元ベクトルＶＲ２に対応するブーム用流量制御弁５ａの操作信号を演算する。具体的には、まず、滅速ベクトルＶＲあるいは復元ベクトルＶＲ２に対応するブーム１ａの角速度の目標値を演算し、それにリンク変換を行い、ブーム角速度の目標値に相当するブーム１ａの操作信号を演算する。

ここで、この操作信号を流量制御弁５ａに出力してブーム１ａを操作することは、滅速ベクトルＶＲあるいは復元ベクトルＶＲ２が得られるようブーム上げを行うことであり、減速制御では、減速ベクトルＶＲを速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することに相当し、復元制御では、復元ベクトルＶＲ２を速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することに相当する。

次に手順２４０では手順１１０での判断結果に応じて操作信号を出力する。まず、手順１１０で肯定された場合は、手順１２０で入力したバケット、旋回及び走行用操作レバー装置４ｃ〜４ｆの操作信号と、手順２００又は２２０で計算したアーム減速処理の操作信号と、手順２３０で計算したブームの操作信号を出力する。

手順１１０で否定された場合は、手順２５０で操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し、手順２４０では、それらの操作信号を出力する。

領域制限掘削制御を終了させる場合は、設定器７の領域制限開始スイッチ７ａをもう一度押して、ＯＦＦにする。この時、それまで設定されていた掘削領域の設定値（掘削領域の直線式）は初期値のＹ＝−２０ｍにリセットされる。

以上のように構成した本実施の形態によれば、アーム１ｂ、バケット１ｃの実際の角速度を基にしてバケット先端の速度ベクトルＶｃを演算し、これから減速ベクトルＶＲを演算してブーム１ａを制御することで、バケット先端が設定領域に沿って動作する領域制限掘削制御を行うので、掘削時の負荷などによりアーム、バケットが操作レバー装置４ｂ，４ｃの操作信号が指令する目標速度通りに動作しなくても、ブーム１ａはアーム１ｂ、バケット１ｃの実際の動作速度に応じて動作するため、バケット先端が設定領域外に侵入しないよう精度よく制御できる。

さらに、油温や複合操作等、油圧制御等の影響で領域境界手前にもかかわらず作業機先端が止まってしまったり、領域境界以上に掘削してしまったりするような場合でも、領域制限制御の設定値を一時的に変化させて（補正して）領域境界まで掘削できるので、効率よく領域制限制御ができる。

なお、上部旋回体１ｄの傾斜角度を考慮して、フロント作業機１Ａの姿勢を演算することで、バケット１ｃの先端の地面に対する位置を演算するように構成した。したがって、地面が硬く掘削できずに車体がジャッキアップ等をしているか否かを判断できるので、領域制限制御の設定値の補正の要不要を的確に判断でき、効率よく領域制限制御ができる。

また、フロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端を下げるような操作指示がなされているにもかかわらず、バケット１ｃの先端位置が以前の位置と同じであると判断されると、領域制限制御の設定値を補正するように構成した。したがって、領域制限制御の設定値の補正のための判断が単純になり、本発明の制御に関するプログラミングのミスを予防して、判断の信頼性を向上できる。

堀りすぎであると判定されると、掘削領域の直線式を上方向へ補正するように構成した。これにより、領域制限制御の精度を向上するので掘削面の高さが均一となる。

−−−変形例−−−
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上述した実施の形態では、バケット角についての制御については述べてないが、特許文献１に記載のようにバケット角一定保持制御を含めても良い。

更に、上述した実施の形態では、フロント作業機がブーム、アーム、バケットの３つのフロント部材を有する油圧ショベルに本発明を適用した場合について説明したが、ブームが第１ブームと第２ブームとからなる２ピースブーム式或いはオフセット式のフロント作業機を有する油圧ショベルに本発明を適用してもよく、この場合は、例えば車体に最も近い第１ブームを上述した実施の形態におけるブームと同様に扱えばよい。

また、上述した実施の形態では、操作レバー装置は電気レバー方式としたが、油圧パイロット方式であってもよい。また、フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度検出器を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。

更に、上述した実施の形態では、領域の設定値は、ダイレクトティーチスイッチ７ｂが押されたときのＹ軸方向の値のみを使用したが、バケット角度などの値を含めて、領域の設定値に勾配を与えても良い。すなわち、設定領域の境界が地面に対して傾斜した状態で設定できるように構成してもよい。

また、上述した実施の形態では、ダイレクトティーチスイッチ７ｂにより領域を設定したが外部の設定装置を用いて、数値的に設定しても良い。更に、上述した実施形態では、領域の補正の際には、上下方向のみを変更（補正）したが上下方向の変化に加え、勾配を変更（補正）しても良い。

上述した各実施の形態及び変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。

上述の実施の形態及びその変形例において、例えば、検出手段は角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃに、上部旋回体姿勢検出手段は傾斜角度検出器８ｄにそれぞれ対応する。第１演算手段、第２演算手段、第３演算手段、第４演算手段、第５演算手段、補正手段、操作信号有無判断手段、バケット先端移動有無判断手段、および離間距離判断手段は、制御ユニット９によって実現される。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上述の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係になんら限定も拘束もされない。

本発明によるフロント制御装置を油圧ショベルに搭載される油圧駆動装置とともに示す図である。 油圧ショベル１の外観を示す斜視図である。 バケット１ｃの先端位置の算出について説明する図である。 領域制限掘削制御の処理についてのフローチャートである。 領域制限掘削制御における減速領域及び復元領域での速度ベクトルの補正方法を示す図である。 領域制限掘削制御におけるバケットの先端と設定領域の境界との距離と、減速ベクトルとの関係を示す図である。 領域制限掘削制御でバケットの先端が補正通りに減速制御されたときの軌跡の一例を示す図である。 領域制限掘削制御におけるバケットの先端と設定領域の境界との距離と、復元ベクトルとの関係を示す図である。 領域制限掘削制御でバケットの先端が補正通りに復元制御されたときの軌跡の一例を示す図である。 設定した掘削領域の直線式を補正する処理についてのフローチャートである。 フロント制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル １Ａ フロント作業機
１Ｂ 車体 １ａ ブーム
１ｂ アーム １ｃ バケット
１ｄ 上部旋回体 １ｅ 下部走行体
２ 油圧ポンプ ４ａ〜４ｆ 操作レバー装置
５ａ〜５ｆ 流量制御弁 ７ 設定器
８ａ，８ｂ，８ｃ 角度検出器 ８ｄ 傾斜角度検出器
９ 制御ユニット

Claims (3)

1. 多関節型のフロント作業機を構成する上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットを含む複数のフロント部材と、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備える油圧ショベルに備えられ、前記フロント作業機に領域を制限した掘削を連続して行わせる油圧ショベルのフロント制御装置において、
   （ａ）前記フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、
   （ｂ）前記検出手段からの信号に基づき前記フロント作業機の位置と姿勢を演算する第１演算手段と、
   （ｃ）前記検出手段からの信号に基づき前記アーム及びバケットの実動作速度を演算し、この動作速度から前記フロント作業機のバケット先端の速度ベクトルを演算する第２演算手段と、
   （ｄ）前記フロント作業機のバケット先端が予め設定した領域内でその設定領域の境界の近傍にあるとき、前記第１及び第２演算手段の演算値に基づき、前記第２演算手段で演算した前記速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる減速ベクトルを演算する第３演算手段と、
   （ｅ）前記第３演算手段で演算した前記減速ベクトルに対応する前記ブームの操作信号を演算しこれを対応する油圧制御弁に出力する第４演算手段と、
   （ｆ）前記第３演算手段で演算した減速ベクトルに対応する前記ブームの目標動作速度を演算し、このブームの目標動作速度と前記検出手段で検出した前記フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量とから前記バケットの姿勢を一定に保持するための前記バケットの操作信号を演算し、このバケットの操作信号を対応する油圧制御弁に出力する第５演算手段と、
   （ｇ）前記フロント作業機のバケット先端が下方に移動されるように前記操作信号が出力されているか否かを判断する操作信号有無判断手段と、
   （ｈ）前記第１演算手段で演算した前記フロント作業機のバケット先端の地面に対する位置が移動しているか否かを判断するバケット先端移動有無判断手段と、
   （ｉ）前記第１演算手段で演算した前記フロント作業機のバケット先端と、前記補正手段で補正する前の前記設定領域の境界との距離が所定の距離以上であるか否かを判断する離間距離判断手段と、
   （ｊ）前記フロント作業機のバケット先端が下方に移動されるように前記操作信号が出力されていると前記操作信号有無判断手段で判断され、かつ、前記第１演算手段で演算した前記フロント作業機のバケット先端の地面に対する位置が移動していないと前記バケット先端移動有無判断手段で判断され、かつ、前記第１演算手段で演算した前記フロント作業機のバケット先端と、前記補正手段で補正する前の前記設定領域の境界との距離が所定の距離以上であると前記離間距離判断手段で判断される場合に前記設定領域を補正する補正手段とを備えることを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
2. 請求項１に記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、
   前記油圧ショベルは、走行体と、前記走行体に対して旋回可能に設けられる上部旋回体とを備え、
   前記フロント作業機は、前記上部旋回体に揺動可能に取り付けられ、
   前記上部旋回体の姿勢を検出する上部旋回体姿勢検出手段をさらに備え、
   前記第１演算手段は、前記検出手段および前記上部旋回体姿勢検出手段からの信号に基づいて、前記フロント作業機のバケット先端の地面に対する位置を演算することを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、
   前記補正手段は、前記第１演算手段で演算した前記フロント作業機の位置と姿勢に基づいて、前記フロント作業機のバケット先端が前記設定領域の境界を越えていると判断されると、前記設定領域を補正することを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。

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