JP2016173032A

JP2016173032A - ショベル

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Publication number: JP2016173032A
Application number: JP2016134868A
Authority: JP
Inventors: 塚本　浩之; Hiroyuki Tsukamoto; 浩之塚本
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP6585013B2

Abstract

【課題】掘削作業中に機体が引き摺られるのを防止するショベルを提供すること。
【解決手段】本発明の実施例に係るショベルは、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作に応じて掘削を行うショベルであって、アーム掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出部３００と、ショベルの姿勢を検出する姿勢検出部３０１と、ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが引き摺られるときのその掘削反力に対応するアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力を許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸとして算出する許容最大圧力算出部３０２と、アーム掘削操作が行われるときに、許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを超えないようにアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力を制御するアームシリンダ圧制御部３０４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、油圧シリンダで動く掘削アタッチメントを備えるショベル及びその制御方法に関する。

従来、油圧パワーショベルの過負荷防止装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この過負荷防止装置は、パワーショベルの掘削作業中に、地面からの反力をブームシリンダのヘッドにおける保持油圧として検出し、その保持油圧が所定圧に達したときにリリーフ弁を開くことにより前輪が浮き上がるのを防止している。

また、リリーフ弁を開く代わりにブーム主操作弁、アーム主操作弁、及びバケット主操作弁を作動させてブーム、アーム、及びバケットを自動的に動作させることにより前輪が浮き上がるのを防止している。

特開昭６４−６４２０号公報

しかしながら、特許文献１の過負荷防止装置は、掘削作業中にパワーショベルの機体が浮き上がるのを防止するのみであり、掘削作業中にパワーショベルの機体がバケットの方に引き摺られるのを防止することができない。

上述の点に鑑み、本発明は、掘削作業中に機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するショベル及びショベル制御方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作に応じて掘削を行うショベルであって、前記アーム掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出部と、ショベルの姿勢を検出する姿勢検出部と、ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが引き摺られるときの該掘削反力に対応するアームシリンダの伸長側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出部と、前記アーム掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記アームシリンダの伸長側油室の圧力を制御するアームシリンダ圧制御部と、を備える。

また、本発明の実施例に係るショベル制御方法は、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作に応じて掘削を行うショベルの制御方法であって、前記アーム掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出ステップと、ショベルの姿勢を検出する姿勢検出ステップと、ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが引き摺られるときの該掘削反力に対応するアームシリンダの伸長側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出ステップと、前記アーム掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記アームシリンダの伸長側油室の圧力を制御するアームシリンダ圧制御ステップと、を有する。

上述の手段により、本発明は、掘削作業中に機体が引き摺られるのを防止するショベル及びショベル制御方法を提供することができる。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図１のショベルに搭載される掘削支援システムの構成例を示す概略図である。複合掘削操作による掘削が行われる際にショベルに作用する力の関係を示す概略図である。第１複合掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートである。アーム掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートである。第２複合掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施例に係るショベルを示す側面図である。

ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、掘削アタッチメントを構成し、油圧シリンダであるブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、図１のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロット油圧ラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、パイロットポンプ１５には、パイロット油圧ライン２５を介して操作装置２６が接続されている。また、メインポンプ１４は、ポンプ１回転当たりの吐出流量がレギュレータ１３によって制御される可変容量型油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧系の制御を行う装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、旋回油圧モータ２１等の油圧アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続されている。

操作装置２６は、油圧アクチュエータを操作するための装置であり、レバー及びペダルを含む。操作装置２６は、パイロット油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続されている。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部である。本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えたコンピュータである。コントローラ３０は、例えば、各種制御に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭに展開し、各種制御に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

圧力センサ３１は、油圧シリンダの油室における作動油の圧力を検出するセンサであり、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。

姿勢センサ３２は、ショベルの姿勢を検出するセンサであり、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。

図３は、図１のショベルに搭載される掘削支援システム１００の構成例を示す概略図である。図３では、図２と同様に、高圧油圧ラインが太実線で示され、パイロット油圧ラインが破線で示され、電気駆動・制御系が一点鎖線で示される。また、図３は、ブーム上げ操作及びアーム閉じ操作を含む複合掘削操作が行われているときの状態を示す。

掘削支援システム１００は、操作者によるショベルを用いた掘削作業のための操作を支援するシステムである。本実施例では、掘削支援システム１００は、主に、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ、コントローラ３０、圧力センサ３１Ａ〜３１Ｃ、姿勢センサ３２Ａ〜３２Ｅ、表示装置３３、音声出力装置３４、及び電磁比例弁４１、４２を含む。

圧力センサ２９Ａは、圧力センサ２９の１つであり、操作装置２６であるアーム操作レバー２６Ａの操作状態を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

圧力センサ２９Ｂは、圧力センサ２９の１つであり、操作装置２６であるブーム操作レバー２６Ｂの操作状態を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

圧力センサ３１Ａは、圧力センサ３１の１つであり、アームシリンダ８のロッド側油室８Ｒにおける作動油の圧力を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。本実施例では、ロッド側油室８Ｒは、アーム５が閉じる際の収縮側油室に相当する。

圧力センサ３１Ｂは、圧力センサ３１の１つであり、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。本実施例では、ロッド側油室７Ｒは、ブーム４が上昇する際の収縮側油室に相当する。また、ブームシリンダ７のボトム側油室７Ｂは、ブーム４が上昇する際の伸長側油室に相当する。

圧力センサ３１Ｃは、圧力センサ３１の１つであり、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。本実施例では、ボトム側油室８Ｂは、アーム５が閉じる際の伸長側油室に相当する。

アーム角度センサ３２Ａは、姿勢センサ３２の１つであり、例えばポテンショメータであって、ブーム４に対するアーム５の開閉角度（以下、「アーム角度」とする。）を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

ブーム角度センサ３２Ｂは、姿勢センサ３２の１つであり、例えばポテンショメータであって、上部旋回体３に対するブーム４の俯仰角度（以下、「ブーム角度」とする。）を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

バケット角度センサ３２Ｃは、姿勢センサ３２の１つであり、例えばポテンショメータであって、アーム５に対するバケット６の開閉角度（以下、「バケット角度」とする。）を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

旋回角度センサ３２Ｄは、姿勢センサ３２の１つであり、下部走行体１に対する上部旋回体３の旋回角度を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

傾斜角度センサ３２Ｅは、姿勢センサ３２の１つであり、水平面に対するショベルの接地面の傾斜角度を検出し、検出結果をコントローラ３０に対して出力する。

表示装置３３は、各種情報を表示するための装置であり、例えば、ショベルの運転室に設置される液晶ディスプレイである。表示装置３３は、コントローラ３０からの制御信号に応じて掘削支援システム１００に関する各種情報を表示する。

音声出力装置３４は、各種情報を音声出力するための装置であり、例えば、ショベルの運転室に設置されるスピーカである。音声出力装置３４は、コントローラ３０からの制御信号に応じて掘削支援システム１００に関する各種情報を音声出力する。

電磁比例弁４１は、コントロールバルブ１７の１つであるアーム切換弁１７Ａとアーム操作レバー２６Ａとの間のパイロット油圧ライン上に配置される弁である。そして、電磁比例弁４１は、コントローラ３０からの制御電流に応じてアーム切換弁１７Ａにおけるアーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を制御する。本実施例では、電磁比例弁４１は、制御電流を受けない場合に、一次側圧（アーム操作レバー２６Ａが出力するアーム閉じ操作用のパイロット圧）と二次側圧（アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧）とが同じになるように構成される。また、電磁比例弁４１は、コントローラ３０からの制御電流が増大するにつれて、二次側圧が一次側圧よりも小さくなるように構成される。

電磁比例弁４２は、コントロールバルブ１７の１つであるブーム切換弁１７Ｂとブーム操作レバー２６Ｂとの間のパイロット油圧ライン上に配置される弁である。そして、電磁比例弁４２は、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム切換弁１７Ｂにおけるブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を制御する。本実施例では、電磁比例弁４２は、制御電流を受けない場合に、一次側圧（ブーム操作レバー２６Ｂが出力するブーム上げ操作用のパイロット圧）と二次側圧（ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧）とが同じになるように構成される。また、電磁比例弁４２は、コントローラ３０からの制御電流が増大するにつれて、二次側圧が一次側圧よりも大きくなるように構成される。

コントローラ３０は、各種センサ２９Ａ、２９Ｂ、３１Ａ〜３１Ｃ、３２Ａ〜３２Ｅの出力を得て、各種機能要素による演算を行い、その演算結果を表示装置３３、音声出力装置３４、及び電磁比例弁４１、４２に対して出力する。

各種機能要素は、掘削操作検出部３００、姿勢検出部３０１、許容最大圧力算出部３０２、ブームシリンダ圧制御部３０３、アームシリンダ圧制御部３０４を含む。

掘削操作検出部３００は、掘削操作が行われたことを検出する機能要素である。本実施例では、掘削操作検出部３００は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作が行われたか否かを検出する。具体的には、掘削操作検出部３００は、ブーム上げ操作が検出され、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力が所定値α以上であり、且つ、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力からロッド側油室８Ｒの圧力を差し引いた圧力差が所定値β以上の場合に、複合掘削操作が行われたことを検出する。また、掘削操作検出部３００は、アーム閉じ操作が検出されたことを追加的な条件として複合掘削操作が行われたことを検出してもよい。なお、掘削操作検出部３００は、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ、３１Ａ〜３１Ｃの出力に加え、或いはそれらに代えて、姿勢センサ３２等の他のセンサの出力を用いて複合掘削操作が行われたか否かを検出してもよい。

また、掘削操作検出部３００は、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作が行われたか否かを検出してもよい。具体的には、掘削操作検出部３００は、アーム閉じ操作が検出され、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力が所定値α以上であり、且つ、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力からロッド側油室８Ｒの圧力を差し引いた圧力差が所定値β以上の場合に、アーム掘削操作が行われたことを検出する。なお、アーム掘削操作は、アーム閉じ操作のみの単独操作、アーム閉じ操作とブーム上げ操作又はブーム下げ操作との組み合わせである複合操作、アーム閉じ操作とバケット閉じ操作との組み合わせである複合操作を含む。

姿勢検出部３０１は、ショベルの姿勢を検出する機能要素である。本実施例では、姿勢検出部３０１は、ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度、及び、旋回角度をショベルの姿勢として検出する。具体的には、姿勢検出部３０１は、姿勢センサ３２Ａ〜３２Ｃの出力に基づいてブーム角度、アーム角度、バケット角度を検出する。また、姿勢検出部３０１は、姿勢センサ３２Ｄの出力に基づいて旋回角度を検出する。また、姿勢検出部３０１は、姿勢センサ３２Ｅの出力に基づいて傾斜角度を検出する。なお、姿勢検出部３０１によるショベルの姿勢の検出についてはその詳細を後述する。

許容最大圧力算出部３０２は、掘削作業中の機体の意図しない動きを防止するために把握しておく必要がある、各種油圧シリンダにおける作動油の許容最大圧力を算出する機能要素である。本実施例では、許容最大圧力算出部３０２は、掘削作業中の機体の浮き上がりを防止するために把握しておく必要がある、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの許容最大圧力を算出する。この場合、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力がその許容最大圧力を超えることは、ショベルの機体が浮き上がるおそれがあることを意味する。また、許容最大圧力算出部３０２は、掘削作業中に機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために把握しておく必要がある、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの許容最大圧力を算出する。この場合、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力がその許容最大圧力を超えることは、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるおそれがあることを意味する。なお、許容最大圧力算出部３０２による許容最大圧力の算出についてはその詳細を後述する。

ブームシリンダ圧制御部３０３は、掘削作業中の機体の意図しない動きを防止するためにブームシリンダ７における作動油の圧力を制御する機能要素である。本実施例では、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ショベルの機体の浮き上がりを防止するために、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、ブームシリンダ圧制御部３０３は、複合掘削動作が行われている場合に、ロッド側油室７Ｒの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁４２に対して制御電流を出力する。そして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、電磁比例弁４２の一次側圧（ブーム操作レバー２６Ｂが出力するブーム上げ操作用のパイロット圧）よりも二次側圧（ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧）を大きくする。その結果、ロッド側油室７Ｒからタンクに流出する作動油の流量が増大し、ロッド側油室７Ｒの圧力が低下する。また、ブーム４の上昇速度が増大する。このようにして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ロッド側油室７Ｒの圧力を所定圧力未満にし、ロッド側油室７Ｒの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が浮き上がるのを防止する。

また、ブームシリンダ圧制御部３０３は、電磁比例弁４２に対して制御電流を出力した場合には、表示装置３３及び音声出力装置３４の少なくとも一方に制御信号を出力する。そして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を自動調整した旨を表すテキストメッセージを表示装置３３に表示させる。また、ブームシリンダ圧制御部３０３は、その旨を表す音声メッセージや警報音を音声出力装置３４から音声出力させる。操作者によるブーム操作レバー２６Ｂを用いたブーム上げ操作に調整が加えられていることを操作者に伝えるためである。

アームシリンダ圧制御部３０４は、掘削作業中の機体の意図しない動きを防止するためにアームシリンダ７における作動油の圧力を制御する機能要素である。本実施例では、アームシリンダ圧制御部３０４は、ショベルの機体の浮き上がりを防止するために、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、複合掘削動作が行われている場合に、ボトム側油室８Ｂの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁４１に対して制御電流を出力する。そして、アームシリンダ圧制御部３０４は、電磁比例弁４１の一次側圧（アーム操作レバー２６Ａが出力するアーム閉じ操作用のパイロット圧）よりも二次側圧（アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧）を小さくする。その結果、メインポンプ１４からボトム側油室８Ｂに流入する作動油の流量が減少し、ボトム側油室８Ｂの圧力が低下する。また、アーム５の閉じ速度が低下する。このようにして、アームシリンダ圧制御部３０４は、ボトム側油室８Ｂの圧力を所定圧力未満にし、ボトム側油室８Ｂの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が浮き上がるのを防止する。また、アームシリンダ圧制御部３０４は、必要に応じて、メインポンプ１４からボトム側油室８Ｂに流入する作動油の流量が消失するまで電磁比例弁４１の二次側圧を小さくしてもよい。すなわち、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であってもアーム５の閉じ動作を停止させてもよい。ショベルの機体が浮き上がるのを確実に防止するためである。

また、アームシリンダ圧制御部３０４は、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、アーム掘削作業が行われている場合に、ボトム側油室８Ｂの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁４１に対して制御電流を出力する。その結果、メインポンプ１４からボトム側油室８Ｂに流入する作動油の流量が減少し、ボトム側油室８Ｂの圧力が低下する。また、アーム５の閉じ速度が低下する。このようにして、アームシリンダ圧制御部３０４は、ボトム側油室８Ｂの圧力を所定圧力未満にし、ボトム側油室８Ｂの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止する。また、アームシリンダ圧制御部３０４は、必要に応じて、メインポンプ１４からボトム側油室８Ｂに流入する作動油の流量が消失するまで電磁比例弁４１の二次側圧を小さくしてもよい。すなわち、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であってもアーム５の閉じ動作を停止させてもよい。ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを確実に防止するためである。

また、アームシリンダ圧制御部３０４は、ブームシリンダ圧制御部３０３と同様、電磁比例弁４１に対して制御電流を出力した場合には、表示装置３３及び音声出力装置３４の少なくとも一方に制御信号を出力する。操作者によるアーム操作レバー２６Ａを用いたアーム閉じ操作に調整が加えられていることを操作者に伝えるためである。

次に、図４を参照しながら、姿勢検出部３０１によるショベルの姿勢の検出、及び、許容最大圧力算出部３０２による許容最大圧力の算出について説明する。なお、図４は、複合掘削操作による掘削が行われる際にショベルに作用する力の関係を示す概略図である。

ここでは、最初に、掘削作業中に機体が浮き上がるのを防止するための制御に関するパラメータについて説明する。

図４において、点Ｐ１は、上部旋回体３とブーム４との連結点を示し、点Ｐ２は、上部旋回体３とブームシリンダ７のシリンダとの連結点を示す。また、点Ｐ３は、ブームシリンダ７のロッド７Ｃとブーム４との連結点を示し、点Ｐ４は、ブーム４とアームシリンダ８のシリンダとの連結点を示す。また、点Ｐ５は、アームシリンダ８のロッド８Ｃとアーム５との連結点を示し、点Ｐ６は、ブーム４とアーム５との連結点を示す。また、点Ｐ７は、アーム５とバケット６との連結点を示し、点Ｐ８は、バケット６の先端を示す。なお、図４は、説明の明瞭化のため、バケットシリンダ９の図示を省略している。

また、図４は、点Ｐ１及び点Ｐ３を結ぶ直線と水平線との間の角度をブーム角度θ１とし、点Ｐ３及び点Ｐ６を結ぶ直線と点Ｐ６及び点Ｐ７を結ぶ直線との間の角度をアーム角度θ２とし、点Ｐ６及び点Ｐ７を結ぶ直線と点Ｐ７及び点Ｐ８を結ぶ直線との間の角度をバケット角度θ３として示す。

さらに、図４において、距離Ｄ１は、機体の浮き上がりが発生するときの回転中心ＲＣとショベルの重心ＧＣとの間の水平距離、すなわち、ショベルの質量Ｍ及び重力加速度ｇの積である重力Ｍ・ｇの作用線と回転中心ＲＣとの間の距離を示す。そして、距離Ｄ１と重力Ｍ・ｇの大きさとの積は、回転中心ＲＣ周りの第１の力のモーメントの大きさを表す。

また、図４において、距離Ｄ２は、回転中心ＲＣと点Ｐ８との間の水平距離、すなわち、掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１の作用線と回転中心ＲＣとの間の距離を示す。そして、距離Ｄ２と鉛直成分Ｆ_Ｒ１の大きさとの積は、回転中心ＲＣ周りの第２の力のモーメントの大きさを表す。なお、掘削反力Ｆ_Ｒは、鉛直軸に対して掘削角度θを形成し、掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１は、Ｆ_Ｒ１＝Ｆ_Ｒ・ｃｏｓθで表される（記号「・」は「×」（乗算記号）を表す。）。また、掘削角度θは、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３に基づいて算出される。

また、図４において、距離Ｄ３は、点Ｐ２及び点Ｐ３を結ぶ直線と回転中心ＲＣとの間の距離、すなわち、ブームシリンダ７のロッド７Ｃを引っ張り出そうとする力Ｆ_Ｂの作用線と回転中心ＲＣとの間の距離を示す。そして、距離Ｄ３と力Ｆ_Ｂの大きさとの積は、回転中心ＲＣ周りの第３の力のモーメントの大きさを表す。

また、図４において、距離Ｄ４は、掘削反力Ｆ_Ｒの作用線と点Ｐ６との間の距離を示す。そして、距離Ｄ４と掘削反力Ｆ_Ｒの大きさとの積は、点Ｐ６周りの第１の力のモーメントの大きさを表す。

また、図４において、距離Ｄ５は、点Ｐ４及び点Ｐ５を結ぶ直線と点Ｐ６との間の距離、すなわち、アーム５を閉じるアーム推力Ｆ_Ａの作用線と点Ｐ６との間の距離を示す。そして、距離Ｄ５とアーム推力Ｆ_Ａの大きさとの積は、点Ｐ６周りの第２の力のモーメントの大きさを表す。

ここで、掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が回転中心ＲＣ周りにショベルを浮き上がらせようとする力のモーメントの大きさと、ブームシリンダ７のロッド７Ｃを引っ張り出そうとする力Ｆ_Ｂが回転中心ＲＣ周りにショベルを浮き上がらせようとする力のモーメントの大きさとを置き換え可能であると仮定する。この場合、回転中心ＲＣ周りの第２の力のモーメントの大きさと回転中心ＲＣ周りの第３の力のモーメントの大きさとの関係は以下の（１）式で表される。
Ｆ_Ｒ１・Ｄ２＝Ｆ_Ｒ・ｃｏｓθ・Ｄ２＝Ｆ_Ｂ・Ｄ３・・・（１）
また、アーム推力Ｆ_Ａが点Ｐ６周りにアーム５を閉じようとする力のモーメントの大きさと、掘削反力Ｆ_Ｒが点Ｐ６周りにアーム５を開こうとする力のモーメントの大きさとはつり合うものと考えられる。この場合、点Ｐ６周りの第１の力のモーメントの大きさと点Ｐ６周りの第２の力のモーメントの大きさとの関係は以下の（２）式及び（２）'式で表される。なお、記号「／」は「÷」（除算記号）を表す。
Ｆ_Ａ・Ｄ５＝Ｆ_Ｒ・Ｄ４・・・（２）
Ｆ_Ｒ＝Ｆ_Ａ・Ｄ５／Ｄ４・・・（２）'
また、（１）式及び（２）式より、ブームシリンダ７のロッド７Ｃを引っ張り出そうとする力Ｆ_Ｂは、以下の（３）式で表される。
Ｆ_Ｂ＝Ｆ_Ａ・Ｄ２・Ｄ５・ｃｏｓθ／（Ｄ３・Ｄ４）・・・（３）
さらに、図４のＸ−Ｘ断面図で示すように、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒに面するピストンの環状受圧面積を面積Ａ_Ｂとし、ロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力を圧力Ｐ_Ｂとすると、ブームシリンダ７のロッド７Ｃを引っ張り出そうとする力Ｆ_Ｂは、Ｆ_Ｂ＝Ｐ_Ｂ・Ａ_Ｂで表される。したがって、（３）式は、以下の（４）式及び（４）'式で表される。
Ｐ_Ｂ＝Ｆ_Ａ・Ｄ２・Ｄ５・ｃｏｓθ／（Ａ_Ｂ・Ｄ３・Ｄ４）・・・（４）
Ｆ_Ａ＝Ｐ_Ｂ・Ａ_Ｂ・Ｄ３・Ｄ４／（Ｄ２・Ｄ５・ｃｏｓθ）・・・（４）'
ここで、機体が浮き上がる際の、ブームシリンダ７のロッド７Ｃを引っ張り出そうとする力Ｆ_Ｂを力Ｆ_ＢＭＡＸとすると、重力Ｍ・ｇが機体を浮き上がらせないようにする回転中心ＲＣ周りの第１の力のモーメントの大きさと、力Ｆ_ＢＭＡＸが機体を浮き上がらせようとする回転中心ＲＣ周りの第３の力のモーメントの大きさとはつり合うものと考えられる。この場合、それら２つの力のモーメントの大きさの関係は以下の（５）式で表される。
Ｍ・ｇ・Ｄ１＝Ｆ_ＢＭＡＸ・Ｄ３・・・（５）
また、このときのブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力を、機体の浮き上がりを防止するために用いる許容最大圧力（以下、「浮き上がり防止用許容最大圧力」とする。）Ｐ_ＢＭＡＸとすると、浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸは、以下の（６）式で表される。
Ｐ_ＢＭＡＸ＝Ｍ・ｇ・Ｄ１／（Ａ_Ｂ・Ｄ３）・・・（６）
また、距離Ｄ１は定数であり、距離Ｄ２〜Ｄ５は、掘削角度θと同様、掘削アタッチメントの姿勢、すなわち、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３に応じて決まる値である。具体的には、距離Ｄ２は、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３に応じて決まり、距離Ｄ３は、ブーム角度θ１に応じて決まり、距離Ｄ４は、バケット角度θ３に応じて決まり、距離Ｄ５は、アーム角度θ２に応じて決まる。

その結果、許容最大圧力算出部３０２は、姿勢検出部３０１が検出するブーム角度θ１と（６）式とを用いて浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを算出することができる。

また、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける圧力Ｐ_Ｂを浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸ以下の所定圧力に維持することによってショベルの機体の浮き上がりを防止することができる。具体的には、ブームシリンダ圧制御部３０３は、圧力Ｐ_Ｂが所定圧力に達した場合に、ロッド側油室７Ｒからタンクに流出する作動油の流量を増大させ、圧力Ｐ_Ｂを低下させる。圧力Ｐ_Ｂの低下は、（４）'式が示すように、アーム推力Ｆ_Ａの低下をもたらし、さらには、（２）'式が示すように、掘削反力Ｆ_Ｒの低下、ひいてはその鉛直成分Ｆ_Ｒ１の低下をもたらすためである。

また、回転中心ＲＣの位置は、旋回角度センサ３２Ｄの出力に基づいて決定される。例えば、下部走行体１と上部旋回体３との間の旋回角度が０度の場合には、下部走行体１が接地面と接触する部分のうちの後端が回転中心ＲＣとなり、下部走行体１と上部旋回体３との間の旋回角度が１８０度の場合には、下部走行体１が接地面と接触する部分のうちの前端が回転中心ＲＣとなる。また、下部走行体１と上部旋回体３との間の旋回角度が９０度又は２７０度の場合には、下部走行体１が接地面と接触する部分のうちの側端が回転中心ＲＣとなる。

次に、掘削作業中に機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するための制御に関するパラメータについて説明する。

掘削作業中に機体を水平方向に動かそうとする力の関係は、以下の（７）式で表される。
μ・Ｎ≧Ｆ_Ｒ２・・・（７）
なお、静止摩擦係数μは、ショベルの接地面の静止摩擦係数を表し、垂直抗力Ｎは、ショベルの重力Ｍ・ｇに対する垂直抗力を表し、力Ｆ_Ｒ２は、ショベルを掘削地点のほうに引き摺ろうとする掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２を表す。また、摩擦力μ・Ｎは、ショベルを静止させようとする最大静止摩擦力を表し、掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２が最大静止摩擦力μ・Nを上回ると、ショベルは、掘削地点のほうに引き摺られる。なお、静止摩擦係数μは、ＲＯＭ等に予め記憶される値であってもよく、各種情報に基づいて動的に算出されるものであってもよい。本実施例では、静止摩擦係数μは、入力装置（図示せず。）を介して操作者が選択する予め記憶された値である。操作者は、接地面の状態に応じて複数レベルの摩擦状態（静止摩擦係数）から所望の摩擦状態（静止摩擦係数）を選択する。

ここで、掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２は、Ｆ_Ｒ２＝Ｆ_Ｒ・ｓｉｎθで表され、また、（２）'式より、掘削反力Ｆ_Ｒは、Ｆ_Ｒ＝Ｆ_Ａ・Ｄ５／Ｄ４で表されるため、（７）式は、以下の（８）式で表される。
μ・Ｍ・ｇ≧Ｆ_Ａ・Ｄ５・ｓｉｎθ／Ｄ４・・・（８）
また、図４のＹ−Ｙ断面図で示すように、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂに面するピストンの円状受圧面積を面積Ａ_Ａとし、ボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力を圧力Ｐ_Ａとすると、アーム推力Ｆ_Ａは、Ｆ_Ａ＝Ｐ_Ａ・Ａ_Ａで表される。そのため、（８）式は、以下の（９）式で表される。
Ｐ_Ａ≦μ・Ｍ・ｇ・Ｄ４／（Ａ_Ａ・Ｄ５・ｓｉｎθ）・・・（９）
ここで、（９）式の右辺と左辺が等しいときのアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力Ｐ_Ａは、機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを回避可能な許容最大圧力、すなわち、機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために用いる許容最大圧力（以下、「引き摺られ防止用許容最大圧力」とする。）Ｐ_ＡＭＡＸに相当する。

以上の関係より、許容最大圧力算出部３０２は、姿勢検出部３０１が検出するブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３と、（９）式とを用いて引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを算出することができる。

また、アームシリンダ圧制御部３０４は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける圧力Ｐ_Ａを引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸ以下の所定圧力に維持することによってショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止することができる。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、圧力Ｐ_Ａが所定圧力に達した場合に、メインポンプ１４からボトム側油室８Ｂに流入する作動油の流量を減少させ、圧力Ｐ_Ａを低下させる。圧力Ｐ_Ａの低下は、アーム推力Ｆ_Ａの低下をもたらし、さらには、掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２の低下をもたらすためである。

次に、図５を参照して、掘削支援システム１００がショベルの機体の浮き上がりを防止しながら複合掘削作業を支援する処理（以下、「第１複合掘削作業支援処理」とする。）について説明する。なお、図５は、第１複合掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートであり、掘削操作システム１００のコントローラ３０は、所定周期で繰り返しこの第１複合掘削作業支援処理を実行する。

最初に、コントローラ３０の掘削操作検出部３００は、ブーム上げ操作及びアーム閉じ操作を含む複合掘削操作中であるか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、掘削操作検出部３００は、圧力センサ２９Ｂの出力に基づいてブーム上げ操作中であるか否かを検出する。そして、ブーム上げ操作中であることを検出した場合、掘削操作検出部３００は、圧力センサ３１Ｂの出力に基づいて、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力を取得する。また、掘削操作検出部３００は、圧力センサ３１Ａ、３１Ｃの出力に基づいて、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力からロッド側油室８Ｒの圧力を差し引いた圧力差を算出する。そして、掘削操作検出部３００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が所定値α以上であり、且つ、算出した圧力差が所定値β以上の場合に、複合掘削操作中であると判定する。

掘削操作検出部３００が複合掘削操作中でないと判定した場合（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０の姿勢検出部３０１は、今回の第１複合掘削作業支援処理を終了させる。

一方、掘削操作検出部３００が複合掘削操作中であると判定した場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、姿勢検出部３０１は、ショベルの姿勢を検出する（ステップＳ２）。具体的には、姿勢検出部３０１は、アーム角度センサ３２Ａ、ブーム角度センサ３２Ｂ、及びバケット角度センサ３２Ｃの出力に基づいて、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３を検出する。掘削アタッチメントに作用する力の作用線と所定の回転中心との間の距離をコントローラ３０の許容最大圧力算出部３０２が導出できるようにするためである。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、姿勢検出部３０１の検出値に基づいて、浮き上がり防止用許容最大圧力を算出する（ステップＳ３）。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、上述の（６）式を用いて浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを算出する。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、算出した浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸ以下の所定圧力を目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴとして設定する（ステップＳ４）。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸから所定値を差し引いた後の値を目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴとして設定する。

その後、コントローラ３０のブームシリンダ圧制御部３０３は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力Ｐ_Ｂを監視する。そして、複合掘削作業が進むにつれて圧力Ｐ_Ｂが上昇して目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴに達した場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ブーム切換弁１７Ｂを制御してブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力Ｐ_Ｂを低減させる（ステップＳ６）。具体的には、ブームシリンダ圧制御部３０３は、電磁比例弁４２に対して制御電流を供給し、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を増大させる。そして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ロッド側油室７Ｒからタンクに流出する作動油の量を増大させることによって、ロッド側油室７Ｒの圧力Ｐ_Ｂを低減させる。その結果、ブーム４の上昇速度が増大することで掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。

その後、コントローラ３０のアームシリンダ圧制御部３０４は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力Ｐ_Ｂの監視を継続する。そして、ブーム４の上昇速度を増大させたにもかかわらず圧力Ｐ_Ｂがさらに上昇して浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸに達した場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アーム切換弁１７Ａを制御してアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる（ステップＳ８）。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、電磁比例弁４１に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる。その結果、アーム５の閉じ速度が低下することで掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。なお、アーム５の閉じ速度を低下させたにもかかわらず圧力Ｐ_Ｂが浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム５の動きが停止することで掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が消失し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。

なお、ステップＳ５において、圧力Ｐ_Ｂが目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴ未満に留まる場合（ステップＳ５のＮＯ）、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力Ｐ_Ｂを低減させることなく、今回の第１複合掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。

同様に、ステップＳ７において、圧力Ｐ_Ｂが浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸ未満に留まる場合（ステップＳ７のＮＯ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させることなく、今回の第１複合掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。

以上の構成により、掘削支援システム１００は、複合掘削作業中にショベルの機体が浮き上がるのを防止することができる。そのため、ショベルの機体が浮き上がる寸前のところでの、機体重量を効率的に利用した複合掘削作業を実現できる。また、浮き上がったショベルの姿勢を元に戻すための操作を不要にする等、作業効率を向上させることができ、ひいては、燃費の低減、機体故障の防止、操作者の操作負担の軽減を実現できる。

また、掘削支援システム１００は、操作者によるブーム操作レバー２６Ｂを用いたブーム上げ操作に調整を加えることによって複合掘削作業中にショベルの機体が浮き上がるのを防止する。そのため、操作者は、ブーム操作レバー２６Ｂを操作していないにもかかわらずブーム４が上昇するといった違和感を抱くこともない。

また、掘削支援システム１００は、ブーム上げ操作に調整を加えてもなお機体の浮き上がりを回避できないと判断した場合に、操作者によるアーム閉じ操作に調整を加えることによって機体が浮き上がるのを防止する。このように、掘削支援システム１００は、２段階の浮き上がり防止対策を用いることによって、機体重量を最大限に利用した複合掘削作業を実現しながら、機体の浮き上がりを確実に防止することができる。

次に、図６を参照して、掘削支援システム１００が、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止しながらアーム掘削作業を支援する処理（以下、「アーム掘削作業支援処理」とする。）について説明する。なお、図６は、アーム掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートであり、掘削操作システム１００のコントローラ３０は、所定周期で繰り返しこのアーム掘削作業支援処理を実行する。

最初に、コントローラ３０の掘削操作検出部３００は、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作中であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。具体的には、掘削操作検出部３００は、圧力センサ２９Ａの出力に基づいてアーム閉じ操作中であるか否かを検出する。そして、アーム閉じ操作中であることを検出した場合、掘削操作検出部３００は、圧力センサ３１Ａ、３１Ｃの出力に基づいて、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力からロッド側油室８Ｒの圧力を差し引いた圧力差を算出する。そして、掘削操作検出部３００は、算出した圧力差が所定値γ以上の場合に、アーム掘削操作中であると判定する。

掘削操作検出部３００がアーム掘削操作中でないと判定した場合（ステップＳ１１のＮＯ）、コントローラ３０の姿勢検出部３０１は、今回のアーム掘削作業支援処理を終了させる。

一方、掘削操作検出部３００がアーム掘削操作中であると判定した場合（ステップＳ１１のＹＥＳ）、姿勢検出部３０１は、ショベルの姿勢を検出する（ステップＳ１２）。具体的には、姿勢検出部３０１は、アーム角度センサ３２Ａ、ブーム角度センサ３２Ｂ、及びバケット角度センサ３２Ｃの出力に基づいて、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３を検出する。コントローラ３０の許容最大圧力算出部３０２が、掘削角度θ、距離Ｄ４、距離Ｄ５等を導出できるようにするためである。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、姿勢検出部３０１の検出値に基づいて、引き摺られ防止用許容最大圧力を算出する（ステップＳ１３）。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、上述の（９）式を用いて引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを算出する。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、算出した引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸ以下の所定圧力を目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する（ステップＳ１４）。本実施例では、許容最大圧力算出部３０２は、引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する。

その後、コントローラ３０のアームシリンダ圧制御部３０４は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力Ｐ_Ａを監視する。そして、アーム掘削作業が進むにつれて圧力Ｐ_Ａが上昇して目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴに達した場合（ステップＳ１５のＹＥＳ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アーム切換弁１７Ａを制御してアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる（ステップＳ１６）。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、電磁比例弁４１に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる。その結果、アーム５の閉じ速度が低下することで掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２が減少し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。

なお、アーム５の閉じ速度を低下させたにもかかわらず、圧力Ｐ_Ａが、引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム５の動きが停止することで掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２が消失し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。

なお、ステップＳ１５において、圧力Ｐ_Ａが目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴ未満に留まる場合（ステップＳ１５のＮＯ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させることなく、今回のアーム掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体が引き摺られるおそれがないためである。

以上の構成により、掘削支援システム１００は、アーム掘削作業中にショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止することができる。そのため、ショベルの機体が引き摺られる寸前のところでの、機体重量を効率的に利用したアーム掘削作業を実現できる。また、引き摺られたショベルの姿勢を元に戻すための操作を不要にする等、作業効率を向上させることができ、ひいては、燃費の低減、機体故障の防止、操作者の操作負担の軽減を実現できる。

次に、図７を参照して、掘削支援システム１００が、ショベルの機体が浮き上がること、及び、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られることを防止しながら複合掘削作業を支援する処理（以下、「第２複合掘削作業支援処理」とする。）について説明する。なお、図７は、第２複合掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートであり、掘削操作システム１００のコントローラ３０は、所定周期で繰り返しこの複合掘削作業支援処理を実行する。

最初に、コントローラ３０の掘削操作検出部３００は、ブーム上げ操作及びアーム閉じ操作を含む複合掘削操作中であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。具体的には、掘削操作検出部３００は、圧力センサ２９Ｂの出力に基づいてブーム上げ操作中であるか否かを検出する。そして、ブーム上げ操作中であることを検出した場合、掘削操作検出部３００は、圧力センサ３１Ｂの出力に基づいて、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力を取得する。また、掘削操作検出部３００は、圧力センサ３１Ａ、３１Ｃの出力に基づいて、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力からロッド側油室８Ｒの圧力を差し引いた圧力差を算出する。そして、掘削操作検出部３００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が所定値α以上であり、且つ、算出した圧力差が所定値β以上の場合に、複合掘削操作中であると判定する。

掘削操作検出部３００が複合掘削操作中でないと判定した場合（ステップＳ２１のＮＯ）、コントローラ３０の姿勢検出部３０１は、今回の第２複合掘削作業支援処理を終了させる。

一方、掘削操作検出部３００が複合掘削操作中であると判定した場合（ステップＳ２１のＹＥＳ）、姿勢検出部３０１は、ショベルの姿勢を検出する（ステップＳ２２）。具体的には、姿勢検出部３０１は、アーム角度センサ３２Ａ、ブーム角度センサ３２Ｂ、及びバケット角度センサ３２Ｃの出力に基づいて、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、及びバケット角度θ３を検出する。コントローラ３０の許容最大圧力算出部３０２が、掘削角度θ、距離Ｄ３、距離Ｄ４、距離Ｄ５等を導出できるようにするためである。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、姿勢検出部３０１の検出値に基づいて、浮き上がり防止用許容最大圧力及び引き摺られ防止用許容最大圧力を算出する（ステップＳ２３）。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、上述の（６）式を用いて浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを算出し、且つ、上述の（９）式を用いて引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを算出する。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、算出した浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸ以下の所定圧力を目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴとして設定する（ステップＳ２４）。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸから所定値を差し引いた後の値を目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴとして設定する。

その後、コントローラ３０のブームシリンダ圧制御部３０３は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力Ｐ_Ｂを監視する。そして、複合掘削作業が進むにつれて圧力Ｐ_Ｂが上昇して目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴに達した場合（ステップＳ２５のＹＥＳ）、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ブーム切換弁１７Ｂを制御してブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力Ｐ_Ｂを低減させる（ステップＳ２６）。具体的には、ブームシリンダ圧制御部３０３は、電磁比例弁４２に対して制御電流を供給し、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を増大させる。そして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ロッド側油室７Ｒからタンクに流出する作動油の量を増大させることによって、ロッド側油室７Ｒの圧力Ｐ_Ｂを低減させる。その結果、ブーム４の上昇速度が増大することで掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。

その後、コントローラ３０のアームシリンダ圧制御部３０４は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力Ｐ_Ｂの監視を継続する。そして、ブーム４の上昇速度を増大させたにもかかわらず圧力Ｐ_Ｂがさらに上昇して浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸに達した場合（ステップＳ２７のＹＥＳ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アーム切換弁１７Ａを制御してアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる（ステップＳ２８）。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、電磁比例弁４１に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる。その結果、アーム５の閉じ速度が低下することで掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。なお、アーム５の閉じ速度を低下させたにもかかわらず圧力Ｐ_Ｂが浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム５の動きが停止することで掘削反力Ｆ_Ｒの鉛直成分Ｆ_Ｒ１が消失し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。

なお、ステップＳ２５において、圧力Ｐ_Ｂが目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴ未満に留まる場合（ステップＳ２５のＮＯ）、コントローラ３０は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力Ｐ_Ｂを低減させることなく、処理をステップＳ２９に進める。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。

同様に、ステップＳ２７において、圧力Ｐ_Ｂが浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸ未満に留まる場合（ステップＳ２７のＮＯ）、コントローラ３０は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させることなく、処理をステップＳ２９に進める。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。

その後、ステップＳ２９において、許容最大圧力算出部３０２は、算出した引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸ以下の所定圧力を目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する。

その後、コントローラ３０のアームシリンダ圧制御部３０４は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂにおける作動油の圧力Ｐ_Ａを監視する。そして、複合掘削作業が進むにつれて圧力Ｐ_Ａが上昇して目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴに達した場合（ステップＳ２９のＹＥＳ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アーム切換弁１７Ａを制御してアームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる（ステップＳ３０）。具体的には、アームシリンダ圧制御部３０４は、電磁比例弁４１に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させる。その結果、アーム５の閉じ速度が低下することで掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２が減少し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。

なお、アーム５の閉じ速度を低下させたにもかかわらず圧力Ｐ_Ａが引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部３０４は、メインポンプ１４Ｌからボトム側油室８Ｂに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム５の動きが停止することで掘削反力Ｆ_Ｒの水平成分Ｆ_Ｒ２が消失し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。

なお、ステップＳ３０において、圧力Ｐ_Ａが目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴ未満に留まる場合（ステップＳ３０のＮＯ）、アームシリンダ圧制御部３０４は、アームシリンダ８のボトム側油室８Ｂの圧力Ｐ_Ａを低減させることなく、今回の第２複合掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体が引き摺られるおそれがないためである。

また、ステップＳ２４〜ステップＳ２８におけるショベルの浮き上がりを防止するための一連の処理、及び、ステップＳ２９〜ステップＳ３１におけるショベルが引き摺られるのを防止するための一連の処理は順不同である。したがって、２つの一連の処理は、同時並行で実行されてもよく、ショベルが引き摺られるのを防止するための一連の処理が、ショベルの浮き上がりを防止するための一連の処理に先行して実行されてもよい。

以上の構成により、掘削支援システム１００は、複合掘削作業中にショベルの機体が浮き上がり或いは掘削地点のほうに引き摺られるのを防止することができる。そのため、ショベルの機体が浮き上がり或いは引き摺られる寸前のところでの、機体重量を効率的に利用した複合掘削作業を実現できる。また、浮き上がった或いは引き摺られたショベルの姿勢を元に戻すための操作を不要にする等、作業効率を向上させることができ、ひいては、燃費の低減、機体故障の防止、操作者の操作負担の軽減を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、許容最大圧力算出部３０２、ブームシリンダ圧制御部３０３、アームシリンダ圧制御部３０４による演算は、ショベルの接地面が水平面であることを前提として行われる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。上述の実施例における各種演算は、ショベルの接地面が傾斜面であっても、傾斜角度センサ３２Ｅの出力を追加的に考慮して適切に実行され得る。

また、上述の実施例では、掘削支援システム１００は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止する。具体的には、掘削支援システム１００は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力が目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴを上回った場合にブーム４を上昇させる。さらに、掘削支援システム１００は、ロッド側油室８Ｒの圧力が浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを上回った場合にアーム５の閉じ速度を遅くする。このようにして、掘削支援システム１００は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、掘削支援システム１００は、バケット閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止するように構成されてもよい。この場合、掘削支援システム１００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴを上回った場合にブーム４を上昇させる。さらに、掘削支援システム１００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを上回った場合に、バケット６の閉じ速度を遅くする。このようにして、掘削支援システム１００は、バケット閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止してもよい。

また、上述の実施例では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８等の油圧シリンダは、エンジン駆動のメインポンプ１４が吐出する作動油によって動かされるが、電動モータ駆動の油圧ポンプが吐出する作動油によって動かされてもよい。

１・・・下部走行体１Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ２・・・旋回機構３・・・上部旋回体４・・・ブーム５・・・アーム６・・・バケット７・・・ブームシリンダ７Ｒ・・・ブームシリンダロッド側油室７Ｂ・・・ブームシリンダボトム側油室８・・・アームシリンダ８Ｒ・・・アームシリンダロッド側油室８Ｂ・・・アームシリンダボトム側油室９・・・バケットシリンダ１０・・・キャビン１１・・・エンジン１３・・・レギュレータ１４、１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ１５・・・パイロットポンプ１６・・・高圧油圧ライン１７・・・コントロールバルブ１７Ａ・・・アーム切換弁１７Ｂ・・・ブーム切換弁２１・・・旋回油圧モータ２５・・・パイロット油圧ライン２６・・・操作装置２６Ａ・・・アーム操作レバー２６Ｂ・・・ブーム操作レバー２７、２８・・・パイロット油圧ライン２９、２９Ａ、２９Ｂ・・・圧力センサ３０・・・コントローラ３１、３１Ａ〜３１Ｃ・・・圧力センサ３２・・・姿勢センサ３２Ａ・・・アーム角度センサ３２Ｂ・・・ブーム角度センサ３２Ｃ・・・バケット角度センサ３２Ｄ・・・旋回角度センサ３２Ｅ・・・傾斜角度センサ３３・・・表示装置３４・・・音声出力装置４１、４２・・・電磁比例弁１００・・・掘削支援システム３００・・・掘削操作検出部３０１・・・姿勢検出部３０２・・・許容最大圧力算出部３０３・・・ブームシリンダ圧制御部３０４・・・アームシリンダ圧制御部

本発明は、油圧シリンダで動く掘削アタッチメントを備えるショベルに関する。

上述の点に鑑み、本発明は、掘削作業中に機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するショベルを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられる掘削アタッチメントと、前記掘削アタッチメントを動かす油圧シリンダと、ショベルの掘削作業中にショベルが引き摺られないように前記油圧シリンダの圧力を制御するコントローラと、を備える。

上述の手段により、本発明は、掘削作業中に機体が引き摺られるのを防止するショベルを提供することができる。

電磁比例弁４２は、コントロールバルブ１７の１つであるブーム切換弁１７Ｂとブーム操作レバー２６Ｂとの間のパイロット油圧ライン上に配置される弁である。そして、電磁比例弁４２は、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム切換弁１７Ｂにおけるブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を制御する。本実施例では、電磁比例弁４２は、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を増大させる。

ブームシリンダ圧制御部３０３は、掘削作業中の機体の意図しない動きを防止するためにブームシリンダ７における作動油の圧力を制御する機能要素である。本実施例では、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ショベルの機体の浮き上がりを防止するために、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、ブームシリンダ圧制御部３０３は、複合掘削動作が行われている場合に、ロッド側油室７Ｒの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁４２に対して制御電流を出力する。そして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を増大させる。その結果、ロッド側油室７Ｒからタンクに流出する作動油の流量が増大し、ロッド側油室７Ｒの圧力が低下する。また、ブーム４の上昇速度が増大する。このようにして、ブームシリンダ圧制御部３０３は、ロッド側油室７Ｒの圧力を所定圧力未満にし、ロッド側油室７Ｒの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が浮き上がるのを防止する。

その後、許容最大圧力算出部３０２は、算出した引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸ以下の所定圧力を目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する（ステップＳ１４）。本実施例では、許容最大圧力算出部３０２は、引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する。

その後、ステップＳ２９において、許容最大圧力算出部３０２は、算出した引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸ以下の所定圧力を目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する。具体的には、許容最大圧力算出部３０２は、引き摺られ防止用許容最大圧力Ｐ_ＡＭＡＸを目標アームシリンダ圧Ｐ_ＡＴとして設定する。

また、上述の実施例では、掘削支援システム１００は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止する。具体的には、掘削支援システム１００は、ブームシリンダ７のロッド側油室７Ｒの圧力が目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴを上回った場合にブーム４を上昇させる。さらに、掘削支援システム１００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを上回った場合にアーム５の閉じ速度を遅くする。このようにして、掘削支援システム１００は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、掘削支援システム１００は、バケット閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止するように構成されてもよい。この場合、掘削支援システム１００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が目標ブームシリンダ圧Ｐ_ＢＴを上回った場合にブーム４を上昇させる。さらに、掘削支援システム１００は、ロッド側油室７Ｒの圧力が浮き上がり防止用許容最大圧力Ｐ_ＢＭＡＸを上回った場合に、バケット６の閉じ速度を遅くする。このようにして、掘削支援システム１００は、バケット閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止してもよい。

Claims

アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作に応じて掘削を行うショベルであって、
前記アーム掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出部と、
ショベルの姿勢を検出する姿勢検出部と、
ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが引き摺られるときの該掘削反力に対応するアームシリンダの伸長側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出部と、
前記アーム掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記アームシリンダの伸長側油室の圧力を制御するアームシリンダ圧制御部と、
を備えるショベル。
前記アームシリンダ圧制御部は、前記アームシリンダの伸長側油室の圧力が前記許容最大圧力以下の所定圧力に達した場合に、前記アームシリンダの伸長側油室に流入する作動油の流量を減少させる、
請求項１に記載のショベル。
前記姿勢検出部は、上部旋回体に対するブームの角度、該ブームに対するアームの角度、及び、該アームに対するバケットの角度を検出する、
請求項１又は２に記載のショベル。
アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作に応じて掘削を行うショベルの制御方法であって、
前記アーム掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出ステップと、
ショベルの姿勢を検出する姿勢検出ステップと、
ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが引き摺られるときの該掘削反力に対応するアームシリンダの伸長側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出ステップと、
前記アーム掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記アームシリンダの伸長側油室の圧力を制御するアームシリンダ圧制御ステップと、
を有するショベル制御方法。