JP2013217137A - 油圧ショベルの掘削制御システム及び掘削制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オペレータの作業効率を向上可能な油圧ショベルの掘削制御システム及び掘削制御方法を提供することができる。
【解決手段】作業機制御システム２００は、掘削対象の目標形状を示す設計面Ｓを生成及び更新する演算部２８ｂと、設計面Ｓに対するバケット刃先位置を自動調整するための掘削制限制御を実行する掘削制限制御部２６５と、掘削制限制御部２６５に対して掘削制限制御の実行を指示する実行指示部２６４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、油圧ショベルにおける掘削制御システム及び掘削制御方法に関する。

従来、バケットを含むフロント装置を備える建設機械において、掘削対象の目標形状を示す境界面に沿ってバケットを移動させるための領域制限掘削制御が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、作業装置の動作平面と複数の作業面との交線のグローバル座標を取得する手法も知られている（特許文献２参照）。作業装置の動作平面とは、作業機の可動範囲を含み、油圧ショベルの上部旋回体に正対する面に垂直な平面のことである。

国際公開ＷＯ９５/３００５９号 特開２００６−２６５９５４号公報

しかしながら、特許文献２では、作業機が旋回される場合には領域制限掘削制御が実行されない。領域制限掘削制御の実行には、設計面を設定した場所に作業機を正対させる作業、又は作業面更新指示を与える作業が必要とされている。これらの作業はオペレータにとって煩雑であるため、オペレータが掘削作業に専念できず作業効率が低下する。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、オペレータの作業効率を向上可能な油圧ショベルの掘削制御システム及び掘削制御方法を提供することを目的とする。

第１の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムは、走行装置上において旋回可能に配置された旋回体に対して揺動可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端部に揺動可能に取り付けられるアームと、前記アームの先端部に揺動可能に取り付けられるバケットと、を有する作業機と、掘削対象の目標形状を示す設計面を生成及び更新する演算部と、掘削対象の目標形状を示す設計面に対する前記バケットの刃先位置を自動調整するための掘削制限制御を実行する掘削制限制御部と、前記掘削制限制御部に対して前記掘削制限制御の実行を指示する実行指示部と、を備える。

第１の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムによれば、設計面の更新が行われる事で、オペレータは油圧ショベルを移動・旋回しながら掘削作業に専念する事ができる。これにより作業効率が高まり、オペレータの疲労も低減する事が可能になる。

第２の態様に関する油圧ショベルの掘削制御システムは、第１の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムにおいて、実行指示部は、旋回体が旋回中であり、かつ、ブームが下降中である場合には、掘削制限制御部に対して掘削制限制御の解除を指示する。

第２の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムによれば、旋回体の旋回中も設計面が更新されるので、例えば油圧ショベルが旋回されながらブームが下降している場合に、バケットが旋回前の設計面の高さまで下降したタイミングで掘削領域制限制御が実行され油圧ショベルが停止することを抑制できる。また、実行指示部は、いわゆるダウン旋回中には掘削制限制御の実行を指示しないので、油圧ショベルの駆動をオペレータの操作に委ねることで、掘削制限制御によってオペレータの操作感が損なわれることを抑制することができる。

第３の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムは、第１の態様に係り、実行指示部は、前記旋回体が旋回中であり、かつ、前記ブームが下降中である場合であっても、前記アームが駆動中であり、かつ、前記旋回体の旋回速度が所定値以下であるときには、前記掘削制限制御部に対して前記掘削制限制御の実行を指示する。

第３の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムによれば、ゆっくりと旋回しながら掘削作業が行われる場合には、掘削制限制御を実行することによって、設計面が荒らされることを抑制できる。

第４の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムは、第１又は第２の態様に係り、掘削制限制御部は、前記アームが駆動中である場合には、前記設計面に沿って前記刃先を移動させ、前記アームが駆動中でない場合には、前記設計面に接する位置で前記刃先を停止させる。

第４の態様に係る油圧ショベルの掘削制御システムによれば、油圧ショベルの駆動制御を成型モードと刃先位置合わせモードとに自動切換えすることができる。

第５の態様に係る油圧ショベルの掘削制御方法は、走行装置上に旋回可能に配置された旋回体に対して揺動可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端部に揺動可能に取り付けられるアームと、前記アームの先端部に揺動可能に取り付けられるバケットと、を有する作業機を備える油圧ショベルの掘削制御方法である。第５の態様に係る油圧ショベルの掘削制御方法は、前記バケットの刃先が掘削対象の目標形状を示す設計面から所定の距離に設けられた制限ラインよりも前記設計面に近いか否かを判定するステップと、前記バケットの刃先が前記制限ラインよりも前記設計面に近いと判定された場合に、前記設計面に対する前記バケットの刃先の相対速度の垂直成分が制限速度よりも大きいか否かを判定するステップと、前記垂直成分が前記制限速度よりも大きいと判定された場合に、前記旋回体が旋回中、かつ、前記ブームが下降中であるか否かを判定するステップと、前記旋回体が旋回中、かつ、前記ブームが下降中でない場合に、前記垂直成分を前記制限速度以下に制御する掘削制限制御を実行し、前記旋回体が旋回中、かつ、前記ブームが下降中である場合に、前記掘削制限制御を解除するステップと、を備える。

本発明によれば、オペレータの作業効率を向上可能な油圧ショベルの掘削制御システム及び掘削制御方法を提供することができる。

油圧ショベルの斜視図である。 （ａ）は油圧ショベル１００の側面図であり、（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。 油圧ショベルの作業形態を説明するための斜視図である。 油圧ショベルの作業形態を説明するための平面図である。 図４のＡ線における断面の模式図である。 図４のＢ線における断面の模式図である。 作業機制御システムの機能構成を示すブロック図である。 作業機コントローラの構成を示すブロック図である。 バケットと設計面Ｓとの位置関係を示す模式図である。 制限速度と距離との関係を示すグラフである。 作業機制御システムの動作を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下においては、「建設機械」の一例として油圧ショベルについて説明する。

[油圧ショベル１００の全体構成]
図１は、実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と、作業機２とを有する。また、油圧ショベル１００には、作業機制御システム２００が搭載されている。作業機制御システム２００の構成および動作については後述する。

車両本体１は、旋回体３と運転室４と走行装置５とを有する。旋回体３は、走行装置５上に配置されており、上下方向に沿った旋回軸を中心として旋回可能である。旋回体３は、図示しないエンジンや油圧ポンプなどを収容している。旋回体３の後端部上には、第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２とが配置されている。第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２とは、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用のアンテナである。運転室４は、旋回体３の前部上に載置されている。運転室４内には、後述する操作装置２５が配置される（図３参照）。走行装置５は一対の履帯５ａ，５ｂを有しており、一対の履帯５ａ，５ｂそれぞれが回転することにより油圧ショベル１００は走行する。

作業機２は、旋回体３上に取り付けられている。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８と、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２と、を有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して旋回体３の前部に揺動可能に取り付けられる。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられる。バケット８は、バケットピン１５を介してアーム７の先端部に揺動可能に取り付けられる。また、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ作動油によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。

ここで、図２（ａ）は油圧ショベル１００の側面図であり、図２（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。図２（ａ）に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５からバケット８のツースの先端（以下、「バケット刃先８ａ」という。）までの長さは、Ｌ３である。

また、図２（ａ）に示すように、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２には、それぞれ第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さ（以下、「ブームシリンダ長Ｎ１」という。）を検出する。後述する表示コントローラ２８（図３参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ長Ｎ１から、車両本体座標系の垂直方向に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さ（以下、「アームシリンダ長Ｎ２」という。）を検出する。表示コントローラ２８は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ長Ｎ２から、ブーム６に対するアーム７の傾斜角θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さ（以下、「バケットシリンダ長Ｎ３」という。）を検出する。表示コントローラ２８は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ長Ｎ３から、アーム７に対するバケット８が有するバケット刃先８ａの傾斜角θ３を算出する。

車両本体１には、位置検出部１９が備えられている。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部１９は、上述の第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２と、グローバル座標演算器２３と、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２４とを有する。第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、車幅方向において互いに離間している。第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号はグローバル座標演算器２３に入力される。グローバル座標演算器２３は、第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置を演算する。図２（ｂ）に示すように、ＩＭＵ２４は、重力方向（鉛直線）に対する車両本体１の車幅方向における傾斜角θ４を検出する。また、ＩＭＵ２４は、旋回体３の旋回軸周りの角速度ωを検出する。

[油圧ショベル１００の作業形態]
次に、本実施形態において想定されている油圧ショベル１００の作業形態について、図面を参照しながら説明する。図３は、油圧ショベル１００の作業形態を説明するための斜視図である。図４は、油圧ショベル１００の作業形態を説明するための上面図である。図５は、図４のＡ線における断面の模式図である。図６は、図４のＢ線における断面の模式図である。

本実施形態では、バケット８のバケット刃先８ａを設計面Ｓに沿って移動させて斜面Ｔを掘削することによって、法面Ｕを形成する場面が想定されている。設計面Ｓは、掘削対象（すなわち、斜面Ｔ）の目標形状（すなわち、法面Ｕ）を示している。

このような場面において、油圧ショベル１００の作業形態には、“刃先位置合わせ作業”と“成型作業”の２種類が存在する。

刃先位置合わせ作業とは、バケット刃先８ａが設計面Ｓから離間した第１状態Ｐ１からバケット刃先８ａが設計面Ｓに近づいた第２状態Ｐ２を経て、バケット刃先８ａが斜面Ｔの下端Ｔａで停止する第３状態Ｐ３に至るまでの作業である。図３及び図４に示すように、オペレータは、第１状態Ｐ１及び第２状態Ｐ２において、旋回体３を旋回方向Ｘに旋回させることによって作業機２を旋回方向Ｘ’に旋回させながら、ブーム６を下降させる。一方、オペレータは、第３状態Ｐ３において、旋回体３を旋回させずに、ブーム６を下降させバケット刃先８ａを位置合わせする。

成型作業とは、バケット刃先８ａを斜面Ｔの下端Ｔａから上端Ｔｂまで設計面Ｓに沿って移動させることによって法面Ｕを形成する作業である。この際、オペレータは、ブーム６を上昇させながらアーム７及びバケット８を駆動させる。

ここで、刃先位置合わせ作業及び成型作業において、油圧ショベル１００の動作が所定の条件を満たす場合には、作業機制御システム２００によって実行される掘削制限制御によって、設計面Ｓに対するバケット刃先８ａの位置が自動的に調整される。掘削制限制御は、作業効率の向上とオペレータの負荷軽減とを図るための制御である。掘削制限制御が実行される条件については後述するが、図５及び図６に示すように、設計面Ｓと平行な掘削制限制御介入ラインＣの内側にバケット刃先８ａが侵入したことに応じて、所定の条件が満たされているか否かが判断される。例えば、図６に示す場面（すなわち、第１状態Ｐ１〜第３状態Ｐ３への推移中の第２状態Ｐ２）では、旋回体３が旋回中であり、かつ、ブーム６が下降中であるため、所定の条件は満たされず掘削制限制御は実行されない。

また、作業機制御システム２００では、随時、設計面Ｓが更新されており、図４のＡ線及びＢ線から明らかなように、図５の設計面Ｓと図６の設計面Ｓとは斜面の角度や斜面の長さの異なる面を示している。このような設計面Ｓの更新によって、作業機２が旋回している際にも現時点における掘削可能な設計面Ｓを提供可能とし、設計面Ｓを基準として正確に掘削制限制御が実行されうる。

[作業機制御システム２００の構成]
図７は、作業機制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。作業機制御システム２００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、比例制御弁２７と、表示コントローラ２８と、表示部２９と、を備える。

操作装置２５は、作業機２を駆動するオペレータ操作を受け付け、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。具体的に、操作装置２５は、旋回操作具３０と、ブーム操作具３１と、アーム操作具３２と、バケット操作具３３と、を有する。旋回操作具３０は、旋回操作レバー３０ａと、旋回操作検出部３０ｂと、を含む。旋回操作レバー３０ａは、オペレータによる旋回体３の旋回操作を受け付ける。旋回操作検出部３０ｂは、旋回操作レバー３０ａの操作に応じて旋回操作信号Ｍ０を出力する。ブーム操作具３１は、ブーム操作レバー３１ａと、ブーム操作検出部３１ｂと、を含む。ブーム操作レバー３１ａは、オペレータによるブーム６の操作を受け付ける。ブーム操作検出部３１ｂは、ブーム操作レバー３１ａの操作に応じてブーム操作信号Ｍ１を出力する。アーム操作レバー３２ａは、オペレータによるアーム７の操作を受け付ける。アーム操作検出部３２ｂは、アーム操作レバー３２ａの操作に応じてアーム操作信号Ｍ２を出力する。バケット操作具３３は、バケット操作レバー３３ａと、バケット操作検出部３３ｂと、を含む。バケット操作レバー３３ａは、オペレータによるバケット８の操作を受け付ける。バケット操作検出部３３ｂは、バケット操作レバー３３ａの操作に応じてバケット操作信号Ｍ３を出力する。

作業機コントローラ２６は、操作装置２５から旋回操作信号Ｍ０、ブーム操作信号Ｍ１、アーム操作信号Ｍ２およびバケット操作信号Ｍ３（以下、適宜「操作信号Ｍ」と総称する。）を取得する。また、作業機コントローラ２６は、第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８からブームシリンダ長Ｎ１、アームシリンダ長Ｎ２およびバケットシリンダ長Ｎ３を取得する。さらに、作業機コントローラ２６は、IMU２４から角速度ωを取得する。作業機コントローラ２６は、これらの情報に基づいて比例制御弁２７に制御信号を出力することによって、旋回体３０の旋回動作及び作業機２の駆動を行なう。作業機コントローラ２６の機能および動作については後述する。

比例制御弁２７は、旋回体３、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２それぞれと図示しない油圧ポンプとの間に配置される。比例制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に応じてブーム６、アーム７、バケット８を操作する為の比例制御弁の開口度を調整する。これにより、比例制御弁２７は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２それぞれに比例制御弁の開口度に応じた流量の作動油を供給する。

表示コントローラ２８は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部２８ａや、ＣＰＵなどの演算部２８ｂを有している。油圧ショベルが掘削する設計地形のデータは表示コントローラ２８に外部より入力される。

記憶部２８ａは、上述のブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２及びバケット８の長さＬ３や、ブーム６の傾斜角θ１、アーム７の傾斜角θ２及びバケット８の傾斜角θ３それぞれの最小値及び最大値を含む作業機データを記憶している。また、記憶部２８ａは、油圧ショベルが掘削可能な作業エリア内の３次元の設計地形の形状を示す３次元の設計地形データを予め記憶している。

演算部２８ｂは、第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８から取得するブームシリンダ長Ｎ１、アームシリンダ長Ｎ２およびバケットシリンダ長Ｎ３に基づいて、傾斜角θ１〜θ３を算出する。また、演算部２８ｂは、算出した傾斜角θ１〜θ３と、ＩＭＵ２４から取得する傾斜角θ４と、グローバル座標演算器２３から取得する第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置とに基づいて、バケット刃先８ａの現在位置を算出する。続いて、演算部２８ｂは、算出したバケット刃先８ａの現在位置データと設計地形データとに基づいて、設計地形のうちバケット刃先８ａ近傍のエリアを示すバケット近傍設計地形を取得する。次に、演算部２８ｂは、バケット近傍設計地形と作業機２の動作平面との交線を設計面Ｓの候補となる候補面Ｓ0に決定する。そして、演算部２８ｂは、候補面Ｓ０のうちバケット８が最も近い面を設計面Ｓに決定する。演算部２８ｂで決定した設計面Ｓを作業機コントローラ２６および表示部２９へ送信する。表示部２９は決定した候補面Ｓ０を表示させる。

演算部２８ｂは、オペレータが作業を随時行えるように候補面Ｓ０及び設計面Ｓの更新を定期的に行う。候補面Ｓ０及び設計面Ｓの更新は、候補面Ｓ０及び設計面Ｓの生成と同様の手順に基づいて行われる。具体的には、まず、グローバル座標演算器２３が、油圧ショベルの移動や旋回等に伴ってバケット刃先８ａの現在位置情報を更新する。演算部２８ｂは、更新されたバケット刃先８ａの現在位置情報に基づき、バケット刃先８ａに最も近い位置の設計地形データに基づいて設計面Ｓの候補となる候補面Ｓ0を更新する。そして、演算部２８ｂは、油圧ショベル１００の旋回体が正対した作業機２の動作平面と候補面Ｓ0との交線を設計面Ｓとして更新する。このように、演算部２８ｂでの設計面の更新は、油圧ショベル１００の移動中や旋回体３の旋回中においても実行される。

[作業機コントローラ２６の構成]
図８は、作業機コントローラ２６の構成を示すブロック図である。図９は、バケット８と設計面Ｓとの位置関係を示す模式図である。

作業機コントローラ２６は、図８に示すように、相対距離取得部２６１と、制限速度決定部２６２と、相対速度取得部２６３と、実行指示部２６４と、掘削制限制御部２６５と、を備える。

相対距離取得部２６１は、図９に示すように、設計面Ｓに対する垂直方向におけるバケット刃先８ａと設計面Ｓとの距離ｄを取得する。相対距離取得部２６１は、表示コントローラ２８から取得する設計面Ｓとバケット刃先８ａの現在位置データとに基づいて、距離ｄを算出することができる。相対距離取得部２６１は、距離ｄを制限速度決定部２６２に出力する。なお、図９に示す例において、距離ｄは、掘削制限制御介入ラインまでのライン距離ｈよりも小さく、バケット刃先８ａは掘削制限制御介入ラインＣの内側に侵入している。

制限速度決定部２６２は、距離ｄに応じた制限速度Ｖを取得する。制限速度決定部２６２は、距離ｄとライン距離ｈを比較することによって、バケット刃先８ａが掘削制限制御介入ラインＣを超えたか否かを判定する。制限速度決定部２６２は、バケット刃先８ａが掘削制限制御介入ラインＣを超えたと判定した場合には、バケット刃先８ａの設計面Ｓに対する相対速度Ｑ１の制限速度Ｖを取得する。ここで、図１０は、相対速度Ｑ１の制限速度Ｖと距離ｄとの関係を示すグラフである。図１０に示すように、制限速度Ｖは、距離ｄがライン距離ｈ以上で最大となり、距離ｄがライン距離ｈより小さくなるほど遅くなる。そして、距離ｄが“０”であるときに制限速度Ｖも“０”となる。制限速度決定部２６２は、制限速度Ｖを掘削制限制御部２６５に出力する。

相対速度取得部２６３は、操作装置２５から取得する操作信号Ｍに基づいて、バケット刃先８ａの速度Ｑを算出する。また、相対速度取得部２６３は、図９に示すように、速度Ｑに基づいて、バケット刃先８ａの設計面Ｓに対する相対速度Ｑ１を取得する。相対速度取得部２６３は、相対速度Ｑ１を掘削制限制御部２６５に出力する。図９に示す例において、相対速度Ｑ１は、制限速度Ｖよりも大きい。

実行指示部２６４は、油圧ショベル１００の動作が所定の条件を満たす場合には、掘削制限制御部２６５に掘削制限制御の実行を指示し、油圧ショベル１００の動作が所定の条件を満たさない場合には、掘削制限制御部２６５に掘削制限制御の解除を指示する。具体的に、実行指示部２６４は、旋回体３が旋回中であり、かつ、ブーム６が下降中である場合には、掘削制限制御の実行を指示しない。ただし、実行指示部２６４は、旋回体３が旋回中であり、かつ、ブーム６が下降中である場合であっても、アーム７が駆動中であり、かつ、旋回体３の旋回速度が所定値以下であるときには、掘削制限制御の実行を指示する。

実行指示部２６４は、ＩＭＵ２４から取得する角速度ωに基づいて、旋回体３が旋回しているか否かを判定でき、旋回している場合には旋回速度を取得することができる。また、実行指示部２６４は、アーム操作信号Ｍ２に有無に基づいて、アーム操作具３２がオペレータによって操作されたか否かを判定することができる。

なお、実行指示部２６４は、掘削制限制御部２６５に掘削制限制御の実行を指示する際、アーム７が駆動中でなければ、刃先位置合せ作業中であることを掘削制限制御部２６５に通知し、アーム７が駆動中であれば、成型作業中であることを掘削制限制御部２６５に通知する。

掘削制限制御部２６５は、実行指示部２６４から掘削制限制御の実行を指示された場合に、バケット刃先８ａの設計面Ｓに対する相対速度Ｑ１が制限速度Ｖを超えているか否かを判定する。掘削制限制御部２６５は、相対速度Ｑ１が制限速度Ｖを超えていると判定した場合、相対速度Ｑ１を制限速度Ｖに抑えることによって、設計面Ｓに対するバケット刃先８ａの位置を自動調整するための掘削制限制御を実行する。具体的に、掘削制限制御部２６５は、実行指示部２６４から刃先位置合せ作業中であることが通知されたときには、設計面Ｓに接する位置でバケット８のバケット刃先８ａを停止させるモード（以下、「停止制御モード」という。）で作業機２を制御する。また、掘削制限制御部２６５は、実行指示部２６４から成型作業中であることが通知されたときには、相対速度Ｑ１を距離ｄに基づき制限速度Ｕに設定することでバケット８のバケット刃先８ａを設計面Ｓに沿って移動させるモード（以下、「ならい掘削制御モード」という。）で作業機２を制御する。掘削制限制御部２６５は、比例制御弁２７への出力の補正方法を変更することによって、停止制御モードとならい掘削制御モードとを切り替えることができる。

また、掘削制限制御部２６５は、実行指示部２６４から掘削制限制御の実行を指示されない場合、掘削制限制御を実行しない。この場合、掘削制限制御部２６５は、比例制御弁２７への出力を補正せずにそのまま比例制御弁２７に出力することによって、オペレータの意図する操作に従って作業機２を駆動するモード（以下、「手動モード」という。）で作業機２を制御する。

[作業機制御システム２００の動作]
図１１は、作業機制御システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１０において、作業機制御システム２００は、バケット刃先８ａが掘削制限制御ラインＣを超えたか否かを判定する。バケット刃先８ａが掘削制限制御ラインＣを超えた場合、処理はステップＳ２０に進み、バケット刃先８ａが掘削制限制御ラインＣを超えていない場合、処理はステップＳ１０を繰り返す。

ステップＳ２０において、作業機制御システム２００は、アーム操作具３２の操作があったか否かを判定する。アーム操作具３２の操作があった場合、処理はステップＳ３０に進み、アーム操作具３２の操作がない場合、処理はステップＳ６０に進む。

ステップＳ３０において、作業機制御システム２００は、バケット刃先８ａの相対速度Ｑ１が制限速度Ｖよりも大きいか否かを判定する。相対速度Ｑ１が制限速度Ｖよりも大きい場合、処理はステップＳ４０に進む。相対速度Ｑ１が制限速度Ｖよりも大きくない場合、手動モードで作業機２が駆動される。

ステップＳ４０において、作業機制御システム２００は、旋回体３がダウン旋回しているか否かを判定する。旋回体３がダウン旋回している場合、処理はステップＳ５０に進み、旋回体３がダウン旋回していない場合、ならい掘削制御モードで作業機２が駆動される。

ステップＳ５０において、作業機制御システム２００は、旋回体３の旋回速度が所定値を超えているか否かを判定する。旋回体３の旋回速度が所定値を超えている場合、作業機２は、第３状態Ｐ３（図３〜図６参照）への移行中であると認識されて手動モードで駆動される。一方で、旋回体３の旋回速度が所定値を超えていない場合、作業機２は、第３状態Ｐ３（図３〜図６参照）への移行中ではなく、ゆっくりと旋回しながら掘削作業中であると認識され、設計面Ｓを荒らさないようにならい掘削制御モードで駆動される。

ステップＳ６０において、作業機制御システム２００は、ステップＳ３０と同様に、バケット刃先８ａの相対速度Ｑ１が制限速度Ｖよりも大きいか否かを判定する。相対速度Ｑ１が制限速度Ｖよりも大きい場合、処理はステップＳ７０に進む。相対速度Ｑ１が制限速度Ｖよりも大きくない場合、手動モードで作業機２が駆動される。

ステップＳ７０において、作業機制御システム２００は、ステップＳ４０と同様に、旋回体３がダウン旋回しているか否かを判定する。旋回体３がダウン旋回している場合、処理はステップＳ８０に進み、旋回体３がダウン旋回していない場合、停止制御モードで作業機２が駆動される。

ステップＳ８０において、作業機制御システム２００は、ステップＳ５０と同様に、旋回体３の旋回速度が所定値を超えているか否かを判定する。旋回体３の旋回速度が所定値を超えている場合、作業機２は、第３状態Ｐ３への移行中であると認識されて手動モードで駆動される。一方で、旋回体３の旋回速度が所定値を超えていない場合、作業機２は、第３状態Ｐ３への移行中ではないと認識され、停止制御モードで駆動される。

[作用及び効果]
（１）本実施形態に係る作業機制御システム２００において、演算部２８ｂは、旋回体３の旋回中において設計面Ｓの更新を実行する。

設計面の更新によりオペレータは旋回動作を行いながら随時掘削を行う事が可能になる。これにより作業効率が向上し、オペレータの疲労も低減する事が可能になる。

（２）作業機制御システム２００において、実行指示部２６４は、旋回体３が旋回中であり、かつ、ブーム６が下降中である場合には、掘削制限制御部２６５に対して掘削制限制御の解除を指示する。

このように、旋回体３の旋回中も設計面Ｓが更新されるので、例えば作業機２が旋回されながらブーム６が下降している場合に、バケット８が旋回前の設計面Ｓの高さまで下降したタイミングで掘削領域制限制御が実行され作業機２が停止することを抑制できる。

（３）また、作業機制御システム２００において、実行指示部２６４は、旋回体３が旋回中であり、かつ、ブーム６が下降中である場合であっても、アーム７が駆動中であり、かつ、旋回体３の旋回速度が停止または所定値以下であるときには、掘削制限制御の実行を指示する。

従って、ゆっくりと旋回しながら掘削作業が行われる場合には、掘削制限制御を実行することによって、設計面Ｓが荒らされることを抑制できる。

（４）掘削制限制御部２６５は、図１１のフロー図に示すように、アーム７が駆動中である場合には、設計面Ｓに沿ってバケット刃先８ａを移動させ、アーム７が駆動中でない場合には、設計面Ｓに接する位置でバケット刃先８ａを停止させる。

これによって、作業機２の駆動制御を成型モードと刃先位置合わせモードとに自動切換えすることができる。

[その他の実施形態]
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（Ａ）上記実施形態において、作業機制御システム２００は、図１１に示すように、ステップＳ５０及びステップＳ８０において、旋回体３の旋回速度が所定値を超えているか否かを判定することとしたが、旋回操作具３０のオペレータによる操作量で旋回しているかを判断する時はこれらのステップは実施されなくてもよい。

（Ｂ）上記実施形態において、作業機制御システム２００は、図１１に示すように、ステップＳ４０，Ｓ５０とステップＳ７０，Ｓ８０を実施することとしたが、旋回体３の旋回速度が所定値を超えている場合は停止制御モードの実行を指示しなくてもよい。

（Ｃ）上記実施形態において、実行指示部２６４は、ＩＭＵ２４から取得する角速度ωに基づいて、旋回体３の旋回速度を取得することとしたが、これに限られるものではない。実行指示部２６４は、例えば、旋回操作具３０のオペレータによる操作量やグローバル座標演算器２３が取得する第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置等に基づいて、旋回体３の旋回速度を取得することができる。

（Ｄ）上記実施形態において、作業機コントローラ２６は、バケット８のうちバケット刃先８ａの位置に基づいて速度制限を実行することとしたが、これに限られるものではない。作業機コントローラ２６は、バケット８のうち設計面に最も近づいた任意の位置に基づいて速度制限を実行することができる。

（Ｅ）上記実施形態において、バケット刃先８ａが停止する所定位置は、設計面Ｓ上に設定されることとしたが、これに限られるものではない。所定位置は、設計面Ｓから油圧ショベル１００側に離間した任意の位置に設定されてもよい。

（Ｆ）上記実施形態では特に触れていないが、作業機制御システム２００は、ブーム６の回転速度の減速のみによって相対速度Ｑ１を制限速度Ｖに抑えてもよいし、ブーム６だけでなくアーム７及びバケット８の回転速度を調整することによって相対速度Ｑ１を制限速度Ｖに抑えてもよい。

（Ｇ）上記実施形態において、作業機制御システム２００は、操作装置２５から取得する操作信号Ｍに基づいてバケット刃先８ａの速度Ｑを算出することとしたが、これに限られるものではない。作業機制御システム２００は、第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８から取得される各シリンダ長Ｎ１〜Ｎ３の時間当たり変化量に基づいて、速度Ｑを算出することができる。この場合、操作信号Ｍに基づいて速度Ｑを算出する場合に比べて、より精度良く速度Ｑを算出することができる。

（Ｈ）上記実施形態において、図８に示すように、制限速度と垂直距離とは線形的な関係にあることとしたが、これに限られるものではない。制限速度と垂直距離との関係は適宜設定することができ、線形的でなくてもよいし、原点を通らなくてもよい。

（Ｉ）上記実施形態において、図３に示すように、油圧ショベル１００は、斜面Ｔの上方に位置することとしたが、これに限られるものではない。油圧ショベル１００は、斜面Ｔの側方に位置していてもよい。

１…車両本体、２…作業機、３…旋回体、４…運転室、５…走行装置、５ａ，５ｂ…履帯、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、８ａ…刃先、１０…ブームシリンダ、１１…アームシリンダ、１２…バケットシリンダ、１３…ブームピン、１４…アームピン、１５…バケットピン、１６…第１ストロークセンサ、１７…第２ストロークセンサ、１８…第３ストロークセンサ、１９…位置検出部、２１…第１ＧＮＳＳアンテナ、２２…第２ＧＮＳＳアンテナ、２３…グローバル座標演算部、２４…ＩＭＵ、２５…操作装置、２６…作業機コントローラ、２６１…相対距離取得部、２６２…制限速度決定部、２６３…相対速度取得部、２６４…実行指示部、２６５…掘削制限制御部、２７…比例制御弁、２８…表示コントローラ、２９…表示部、３１…ブーム操作具、…３２アーム操作具、３３…バケット操作具、１００…油圧ショベル、２００…作業機制御システム、Ｓ…設計面、Ｔ…斜面、Ｕ…法面、Ｃ…掘削制限制御介入ライン、ｈ…ライン距離

Claims (5)

1. 走行装置上において旋回可能に配置された旋回体に対して揺動可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端部に揺動可能に取り付けられるアームと、前記アームの先端部に揺動可能に取り付けられるバケットと、を有する作業機と、
   掘削対象の目標形状を示す設計面を生成及び更新する演算部と、
   前記設計面に対する前記バケットの刃先位置を自動調整するための掘削制限制御を実行する掘削制限制御部と、
   前記掘削制限制御部に対して前記掘削制限制御の実行を指示する実行指示部と、
   を備えた、
   油圧ショベルの掘削制御システム。
2. 前記実行指示部は、前記旋回体が旋回中であり、かつ、前記ブームが下降中である場合には、前記掘削制限制御部に対して前記掘削制限制御の解除を指示する、
   請求項１記載の油圧ショベルの掘削制御システム。
3. 前記実行指示部は、前記旋回体が旋回中であり、かつ、前記ブームが下降中である場合であっても、前記アームが駆動中であり、かつ、前記旋回体の旋回速度が所定値以下であるときには、前記掘削制限制御部に対して前記掘削制限制御の実行を指示する、
   請求項１に記載の油圧ショベルの掘削制御システム。
4. 前記掘削制限制御部は、前記アームが駆動中である場合には、前記設計面に沿って前記刃先を移動させ、前記アームが駆動中でない場合には、前記設計面に接する位置で前記刃先を停止させる、
   請求項１又は２に記載の油圧ショベルの掘削制御システム。
5. 走行装置上に旋回可能に配置された旋回体に対して揺動可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端部に揺動可能に取り付けられるアームと、前記アームの先端部に揺動可能に取り付けられるバケットと、を有する作業機を備える油圧ショベルの掘削制御方法であって、
   前記バケットの刃先が掘削対象の目標形状を示す設計面から所定の距離に設けられた制限ラインよりも前記設計面に近いか否かを判定するステップと、
   前記バケットの刃先が前記制限ラインよりも前記設計面に近いと判定された場合に、前記設計面に対する前記バケットの刃先の相対速度の垂直成分が制限速度よりも大きいか否かを判定するステップと、
   前記垂直成分が前記制限速度よりも大きいと判定された場合に、前記旋回体が旋回中、かつ、前記ブームが下降中であるか否かを判定するステップと、
   前記旋回体が旋回中、かつ、前記ブームが下降中でない場合に、前記垂直成分を前記制限速度以下に制御する掘削制限制御を実行し、前記旋回体が旋回中、かつ、前記ブームが下降中である場合に、前記掘削制限制御を解除するステップと、
   を備える油圧ショベルの掘削制御方法。

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