JP2018003386A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削対象の目標面の情報の取得に異常が生じたことをオペレータに認識させることにより、オペレータの操作によって作業機が目標面に侵入する可能性を低減する作業機械を提供すること。【解決手段】制御対象の目標面上およびその上方の領域内で作業装置１Ａが動くように、油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃに操作信号を出力する領域制限制御を実行する動作制御部９００と、領域制限制御に関わる位置情報を取得する位置演算装置７０と、情報取得装置により得られる情報に基づいて目標面を演算して設定する目標形状演算部９ｍおよび領域設定演算部９ｂとを備え、位置演算装置７０からの情報が得られなかった場合、又は領域設定演算部９ｂによる目標面の演算が正常に実行できなかった場合に、その旨を操作者に報知する報知処理又は作業装置を減速させる減速処理を行う。【選択図】 図７

Description

本発明は作業機械に関する。

油圧ショベルにおいて、作業機（以下では「フロント作業装置」とも称する）を構成するブーム、アーム、バケットなどはそれぞれ回動可能に支持されているため、単独で動かしたときバケット先端は円弧上の軌跡を描く。したがって、例えばアームを引く動作によってバケット先端で直線状の仕上げ面を形成する場合には、ブーム、アーム、バケットを複合的に駆動させてバケット先端の軌跡を直線状にする必要があり、オペレータには熟練した技術が要求される。

そこで、コンピュータ（コントローラ）により自動または半自動でアクチュエータの駆動を制御する機能（マシンコントロールと呼称する）を掘削作業に適用し、掘削動作時（アーム又はバケットの動作時）に目標面（以下では「目標掘削面」とも称する）に沿ってバケットの先端を移動させる技術がある。この種の技術としては、オペレータの操作による掘削動作中に自動的にブームシリンダを制御してブーム上げ動作を適宜加え、バケット先端位置を目標面上に制限するものが知られている。

また、特許文献１には、作業具を有する作業機を備える作業機械の位置情報を検出する位置検出装置と、位置検出装置によって検出された位置情報に基づき作業機の位置をもとめ、かつ目標形状を示す目標施工面の情報から作業機の掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形情報を生成する生成部とを備え、生成部から取得した目標掘削地形情報に基づいて、作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限装度以下になるように掘削制御を行う技術が開示されている。

国際公開第２０１５／１８１９９０号

ところで、掘削作業に用いる目標面の情報は、例えば、測位衛星等から受信した測位用データに基づいて算出される作業機械の位置情報と掘削対象における３次元施工図面などの情報とに基づいて生成される。そのため、測位衛星からの測位用データの受信環境等が悪い場合や他の通信トラブル等によって必要な情報が得られず目標面の情報を生成できない場合も考えられる。上記従来技術においては、掘削制御を実行中に目標掘削地形情報を取得できない場合、取得できなくなった時点よりも前の目標掘削地形情報を用いて掘削制御を継続している。

しかしながら、掘削対象における掘削作業の目標面は、単一ではなく連続した複数の目標面から成る場合も多い。したがって、掘削作業中の目標面と次に掘削作業を行う目標面とが異なる場合、その異なり方によっては、目標面が変わった場合に作業機のバケットが目標面に対して侵入してしまい掘削対象を掘り過ぎてしまう可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、掘削対象の目標面の情報の取得に異常が生じたことをオペレータに認識させることにより、オペレータの操作によって作業機が目標面に侵入する可能性を低減する作業機械を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の被駆動部材を連結して構成された多関節型の作業装置と、操作信号に基づいて前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータのうち操作者の所望する油圧アクチュエータに前記操作信号を出力する操作装置と、前記作業装置による作業対象の目標面上およびその上方の領域内で前記作業装置が動くように、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに前記操作信号を出力するか、又は前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された前記操作信号を補正する領域制限制御を実行する制御装置とを備える作業機械において、前記制御装置は、領域制限制御に関わる情報を取得する情報取得装置から入力される情報に基づいて前記目標面を演算して設定する目標面設定部を備え、前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかった場合、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算が正常に実行できなかった場合に、その旨を操作者に報知する報知処理又は前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも１つの動作速度を減速させる減速処理を行うものとする。

本発明によれば、掘削対象の目標面の情報の取得に異常が生じたことをオペレータに認識させることにより、オペレータの操作によって作業機が目標面に侵入する可能性を低減することができる。

本発明の一実施の形態に係る油圧ショベルにおける掘削制御装置をその油圧駆動装置とともに示す図である。 本発明が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。 制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。 フロント作業装置の位置・姿勢の演算についての説明図である。 バケット先端速度の制限値ａと設定領域の境界Ｌからの距離Ｄとの関係を示す図である。 制御ユニットのハードウェア構成図である。 演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部による作業装置減速処理を含む一連の処理を示すフローチャートである。 バケット先端が設定領域内にある場合と、設定領域の境界上にある場合と、設定領域外にある場合のブームによるバケット先端速度の補正動作の違いを示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下では、作業機の先端のアタッチメントとしてバケット１ｃを備える油圧ショベルを例示するが、バケット以外のアタッチメントを備える油圧ショベルで本発明を適用しても構わない。さらに、複数の被駆動部材を連結して構成され、所定の動作平面上で動作する多関節型の作業装置を有するものであれば油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

また、以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。すなわち、例えば、３つのポンプ３００ａ、３００ｂ、３００ｃが存在するとき、これらをまとめてポンプ３００と表記することがある。また、説明により接続関係が明らかな信号線等については簡単のために図示を省略することがある。

図１は、本実施の形態に係る油圧ショベルにおける掘削制御装置をその油圧駆動装置とともに示す図である。また、図２は、本発明が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。

図１において、本発明が適用される油圧ショベルは、エンジン等の原動機により駆動される油圧ポンプ２およびパイロットポンプ４３と、油圧ポンプ２からの作動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（操作装置）４ａ〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆの間に接続され、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作量及び操作方向に応じて出力される操作信号によって制御されることにより油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される作動油の流量及び方向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とを有しており、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。

油圧ショベルは、図２に示すように、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃ）を連結して構成された多関節型のフロント作業装置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、フロント作業装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅはそれぞれブームシリンダ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によりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成する。

ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃは、フロント作業装置１Ａを含む平面上で動作し、以下ではこの平面を動作平面と称することがある。つまり動作平面とは、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動軸に直交する平面であり、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの幅方向の中心に設定することができる。

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の動作は、各アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆに供給される作動油の方向及び流量を制御する流量制御弁５ａ〜５ｆの油圧駆動部５０ａ〜５５ｂに入力される操作信号（パイロット圧）によって指示される。操作信号は、操作レバー装置４ａ〜４ｆを介して出力されるものと、パイロットポンプ４３から電磁比例弁１０ａを介して出力されるものがある。

また、操作レバー装置４ａ〜４ｆは油圧パイロット方式であり、それぞれオペレータにより操作される操作レバー４０ａ〜４０ｆの操作方向及び操作量に応じたパイロット圧をパイロットライン４４ａ〜４９ｂを介して流量制御弁５ａ〜５ｆの油圧駆動部５０ａ〜５５ｂに操作信号として供給し、これら流量制御弁を駆動する。

領域制限制御に用いる掘削制御システムは、運転室内の操作パネルの上方などオペレータの視界を遮らない位置に設置され領域制限制御の有効無効を切り替える領域制限スイッチ７と、掘削対象の目標形状（例えば法面形状）の３次元形状をポリゴンで定義した３次元施工図面、複数の目標面（線分）が連なって設定された掘削対象の目標形状の情報（目標形状情報）、当該目標形状の形成のために作業装置１Ａの先端部（バケット１ｃの爪先）が動作すべき領域（「設定領域」と称することもある）などを含む各種情報が記憶された記憶装置２０（例えば、後の図６に示すＲＯＭ９３やＲＡＭ９４内に記憶機能として構成されている）と、車体１Ｂの上方に配置されたアンテナ７０ａ（例えばＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ）により測位衛星から受信した測位用のデータに基づいて作業機械の位置情報を演算する位置演算装置７０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、フロント作業装置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、基準面（例えば水平面）に対する車体１Ｂの前後方向の傾斜角を検出する傾斜角検出器８ｄと、ブーム１ａ用の操作レバー装置４ａのパイロットライン４４ａ，４４ｂに設けられ、操作レバー４０ａの操作量としてパイロット圧（操作信号）を検出する圧力検出器６０ａ，６０ｂと、アーム１ｂ用の操作レバー装置４ｂのパイロットライン４５ａ，４５ｂに設けられ、操作レバー４０ｂの操作量としてパイロット圧（操作信号）を検出する圧力検出器６１ａ，６１ｂと、バケット１ｃ用の操作レバー装置４ｃのパイロットライン４６ａ，４６ｂに設けられ、操作レバー４０ｃの操作量としてパイロット圧（操作信号）を検出する圧力検出器６２ａ，６２ｂとを備えている。

また、掘削制御システムはさらに、一次ポート側がパイロットポンプ４３に接続され電気信号に応じてパイロットポンプ４３からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁１０ａと、ブーム１ａ用の操作レバー装置４ａのパイロットライン４４ａと電磁比例弁１０ａの二次ポート側に接続され、パイロットライン４４ａ内のパイロット圧と電磁比例弁１０ａから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに導くシャトル弁１２０と、ブーム１ａ用の操作レバー装置４ａのパイロットライン４４ｂに設置され、電気信号に応じてパイロットライン４４ｂ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁１０ｂと、アーム１ｂ用の操作レバー装置４ｂのパイロットライン４５ａに設置され、電気信号に応じてパイロットライン４５ａ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁１１ａと、アーム１ｂ用の操作レバー装置４ｂのパイロットライン４５ｂに設置され、電気信号に応じてパイロットライン４５ｂ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁１１ｂと、バケット１ｃ用の操作レバー装置４ｃのパイロットライン４６ａに設置され、電気信号に応じてパイロットライン４６ａ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁１２ａと、バケット１ｃ用の操作レバー装置４ｃのパイロットライン４６ｂに設置され、電気信号に応じてパイロットライン４６ｂ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁１２ｂと、記憶装置２０に記憶された目標形状情報、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと傾斜角検出器８ｄの検出信号、および圧力検出器６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂの検出信号を入力し、目標形状を定義する複数の目標面上およびそれらの上方の領域である設定領域を設定すると共に、バケット１ｃの爪先の動作範囲を設定領域に制限する掘削制御（領域制限制御）を行うための操作信号（パイロット圧）の補正を行う電気信号を電磁比例弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに出力する制御ユニット（制御装置）９とを備えている。

なお、操作レバー装置４ａにおける操作レバー４０ａの操作の有無によらずパイロット圧を発生するための電磁比例弁１０ａとシャトル弁１２０の構成は、パイロットライン４４ａのみに設置されているが、ブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ及びバケットシリンダ３ｃに係る他のパイロットライン４４ｂ，４５，４６にこれらと同様の構成を設置してパイロット圧を発生させても良い。また、パイロットライン４４ａにも、パイロットライン４４ｂの電磁比例弁１０ｂと同様の機能、すなわち、操作レバー装置４ａから出力されたパイロット圧を減圧する電磁比例弁を設定しても良い。

図６は制御ユニットのハードウェア構成図、図３は制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。

図６において、制御ユニット９は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、操作レバー装置４からの信号、目標面を設定するための設定装置５１からの信号、角度検出器８ａ〜８ｃ及び傾斜角検出器８ｄからの信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ９３は、後述するフローチャートを実行するための制御プログラムと、当該フローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力部９１及びメモリ９３、９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を電磁比例弁１０，１１，１２や報知装置５３に出力することで、油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃを駆動・制御したり、車体１Ｂ、バケット１ｃ及び目標面等の画像を報知装置５３を構成するモニタの表示画面上に表示させたり、所望の情報を報知装置５３を構成するスピーカから出力させてオペレータに報知したりする。なお、図６の制御ユニット９は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、記憶機能を有する装置であれば代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備える構成としても良い。

図３において、制御ユニット９は、フロント姿勢演算部９ａ、領域設定演算部９ｂ、バケット先端速度の制限値演算部９ｃ、アームシリンダ推定速度演算部９ｄ、アームによるバケット先端速度演算部９ｅ、ブームによるバケット先端速度の制限値演算部９ｆ、ブームシリンダ速度の制限値演算部９ｇ、ブーム指令の制限値演算部９ｈ、領域制限制御の切り換え演算部９ｒ、ブーム指令演算部９ｉ、アーム指令の制限値演算部９ｊ、アーム指令演算部９ｋ、演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚ、および目標形状演算部９ｍの各機能を有している。なお、本稿では図３の点線で囲んだ機能９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈ，９ｊ，９ｒ，９ｚ，９ｉ，９ｋを「動作制御部９００」と称することがある。また、動作制御部９００において一点鎖線で囲んだブーム指令演算部９ｉとアーム指令演算部９ｋを「電磁比例弁制御部９１０」と称することがある。

フロント姿勢演算部９ａでは、角度検出器８ａ〜８ｃ及び傾斜角検出器８ｄで検出されたブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃの回動角及び車体１Ｂの前後の傾斜角に基づいて、フロント作業装置１Ａの位置と姿勢を演算する。その一例を図４により説明する。この例はフロント作業装置１Ａのバケット１ｃの爪先（先端）Ｐ１の位置を計算する場合のものである。なお、ここでは説明の簡略化のため傾斜角検出器８ｄの検出値は考慮しないものとする。

図４に示したようなフロント作業装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法は、制御ユニット９のＲＯＭ９３に記憶機能として形成された記憶装置２０に記憶されており、フロント姿勢演算部９ａで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の各値を用いてバケット先端Ｐ１の位置を計算する。このときバケット先端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（Ｘ，Ｙ）として求める。当該ＸＹ座標系は車体１Ｂに固定した垂直面内にある直行座標系であり動作平面上に設定可能である。ブーム１ａの回動支点とアーム１ｂの回動支点との距離をＬ１、アーム１ｂの回動支点とバケット１ｃの回動支点の距離をＬ２、バケット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端との距離をＬ３とすれば、バケット先端Ｐ１のＸＹ座標系における座標値（Ｘ，Ｙ）は、回動角α、β、γを用いて下記の式（１）と式（２）から求めることができる。
Ｘ＝Ｌ１・ｓｉｎα＋Ｌ２・ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ３・ｓｉｎ（α＋β＋γ）…（１）
Ｙ＝Ｌ１・ｃｏｓα＋Ｌ２・ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ３・ｃｏｓ（α＋β＋γ）…（２）
領域設定演算部９ｂでは、目標形状演算部９ｍでの演算により得られる目標形状情報、又は、目標形状演算部９ｍで過去に演算されて記憶装置２０に記憶された目標形状情報に基づいて設定領域の設定演算を行う。目標形状情報とは、フロント作業装置１Ａによる掘削作業により得られる最終的な掘削対象物の形状（目標形状）をブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの中心を通過する垂直面上において連続した複数の線分で定義した情報である。当該複数の線分における各線分は、目標面とも称され、座標情報を有する２点によって規定される。すなわち、目標形状情報から掘削作業に用いる目標面（目標掘削面）の情報が取得される。

目標形状演算部９ｍでは、位置演算装置７０で算出された作業機械の位置情報と、記憶装置２０から得られる３次元施工図面とを用い、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの中心を通過する垂直面（動作平面）で当該３次元形状を切断し、その断面の端部に連続した複数の線分として現れた形状（掘削対象の目標形状の３次元形状における表面に相当する部分の形状）を目標形状として演算し定義する。目標形状演算部９ｍで得られた目標形状情報は領域設定演算部９ｂに送られるとともに、記憶装置２０に送られて記憶される。３次元施工図面などの目標形状情報の定義・取得に用いる情報は、無線等による通信や携帯型記憶装置などを介して予め取得されて記憶装置２０に記憶されている。また、目標形状演算部９ｍは、位置演算装置７０において測位衛星からの測位用データの受信環境が悪いなどの理由により位置情報の取得ができなかった場合には、目標形状の演算を行えなかった旨を演算エラー情報として演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚに送信する。なお、作業機械の位置情報を用いないで目標形状情報を取得する必要がある場合は、例えば、バケット１ｃの爪先等を基準にして現地で各線分の点を動作平面上に入力することで手動で目標形状を定義することもできる。

本実施の形態では、目標形状を定義する複数の目標面（線分）の中から所定の規則（例えば、バケット１ｃの爪先に最も近い目標面を制御対象とする規則がある）に従って制御対象の目標面が１つ選択され、その制御対象の目標面上およびその上方の領域が設定領域となる。以下では、制御対象の目標面を含む直線を「境界Ｌ」と称することがある。

境界Ｌは、まず、建設機械上に設定したＸＹ座標系における直線式で規定される。さらに、必要な場合には、当該直線上に原点を持ち当該直線を一軸とする直交座標系ＸａＹａ座標系における直線式に変換しても良い。その際、ＸＹ座標系からＸａＹａ座標系への変換データを求める。なお、境界Ｌの生成・選択は上記したものに限られず種々の方法が採用可能である。その一例を挙げるとすれば、ＸＹ座標系においてバケット先端（Ｐ１）と同じＸ座標を有する線分を３次元施工図面の断面（目標形状）から検索し、当該検索結果に係る線分を含む直線を境界Ｌとする方法がある。

バケット先端速度の制限値演算部９ｃでは、バケット先端（Ｐ１）の境界Ｌからの距離Ｄに基づき、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ａを計算する。制限値ａはバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の最大値であり、バケット先端速度は常に制限値ａを越えないように領域制限制御によって制御される。制限値ａの計算は、制御ユニット９のＲＯＭ９３（記憶装置２０）に図５に示すような制限値ａと距離Ｄとの関係を記憶しておき、この関係を読み出して行う。

図５において、横軸はバケット先端の境界Ｌからの距離Ｄを示し、縦軸はバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ａを示し、横軸の距離Ｄ及び縦軸の制限値ａはそれぞれ設定領域外から設定領域内に向かう方向を（＋）方向としている。この距離Ｄと制限値ａの関係は、バケット先端が設定領域内にあるときには、その距離Ｄに比例した（−）方向の速度をバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ａとし、バケット先端が領域外にあるときには、その距離Ｄに比例した（＋）方向の速度をバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ａとするように定められている。したがって、設定領域内では、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分が（−）方向で制限値を越えた場合だけ減速され、設定領域外では、バケット先端が（＋）方向に増速されるようになる。そして、境界Ｌ上では制限値ａはゼロになるため、例えばアーム１ｂをクラウド動作させれば境界Ｌに沿った掘削動作が実現される。

アームシリンダ推定速度演算部９ｄでは、圧力検出器６１ａ，６１ｂで検出された流量制御弁５ｂへの指令値（パイロット圧（操作信号））と、アームの流量制御弁５ｂの流量特性により、アームシリンダ推定速度を推定する。すなわち、アームシリンダ推定速度は、操作レバー装置４ｂから出力された操作信号（パイロット圧）から推定される現在のアームシリンダ速度（推定値）である。

演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚでは、目標形状演算部９ｍからの演算エラー情報が無い場合（すなわち、演算が正常に行われた場合）は、アームシリンダ推定速度演算部９ｄで計算したアームシリンダ推定速度をそのままアームによるバケット先端速度演算部９ｅに出力する。一方で、目標形状演算部９ｍからの演算エラー情報が有る場合（すなわち、演算が正常に行われなかった場合）は、アームシリンダ推定速度演算部９ｄで計算した現在のアームシリンダ推定速度を所定の割合に低減するように補正する作業装置減速処理（減速処理）を行う。アームシリンダ推定速度の低減割合が例えば５０％の場合、演算部９ｄで計算されたアームシリンダ推定速度が５０％に低減されて演算部９ｅに出力される。なお、低減割合を低減係数（この例では０．５等）として予め設定し、アームシリンダ推定速度に掛け合わせることでも同様の補正を行うことができる。また、上記の作業装置減速処理に代えて、アームシリンダ推定速度を予め定められた最大速度に対する所定の割合の速度まで低減する作業装置減速処理を行うように構成してもよい。この場合、低減割合を例えば５０％とすると、演算部９ｄで計算されたアームシリンダ推定速度が最大速度の５０％以下に低減されて演算部９ｅに出力される。

また、演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚでは、領域制限スイッチ７のＯＮ状態が選択されている場合（すなわち、領域制限制御を有効とすることが選択され許可されている場合）に、演算エラー情報が入力されて作業装置減速処理を実施した場合には、作業装置減速処理を実施した旨の情報を報知装置５３に出力し、スピーカからの音（音声を含む）の出力やモニタの表示画面上への文字・アイコン等の表示によって、作業装置減速処理の実施をオペレータに報知する（報知処理）。一方、領域制限スイッチ７のＯＦＦ状態が選択されている場合（すなわち、領域制限制御を無効とすることが選択され禁止されている場合）には、報知装置５３への情報の出力は行わない。これにより、目標形状の演算が正常に行われず、領域制限制御が既知の目標形状の情報に基づいてしか行われないという制限付きの状態であること、及び、作業装置の動作速度の減速を伴う処理を行うことをオペレータに事前に報知することができる。なお、作業装置減速処理によって作業装置の動作速度は大きく制限される（減速される）ため、オペレータは演算エラー情報が出力されるような状況（目標形状の演算ができないことにより、領域制限制御に制限がかかるような状況）であることをより確実に知ることができる。

図７は、演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚによる作業装置減速処理を含む一連の処理を示すフローチャートである。

図７において、アームシリンダ制限速度演算部９ｚは、まず、領域制限スイッチ７のＯＮ状態が選択されているかどうか、すなわち、領域制限制御を有効とすることが選択され許可されているかどうかを判定し（ステップＳ１００）、判定結果がＮＯの場合には処理を終了する。また、ステップＳ１００での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、領域制限制御が有効である場合には、目標形状演算部９ｍから演算エラー情報が出力されているかどうかを判定し（ステップＳ１１０）、判定結果がＹＥＳの場合には、まず、目標形状演算部９ｍによって目標形状の演算が正常に行われなかったことを示す情報（演算エラー情報が出力されているとする情報）を報知装置５３に出力しオペレータに報知する（ステップＳ１２０）。続いて、アームシリンダ推定速度演算部９ｄからアームシリンダ速度を取得し（ステップＳ１３０）、その速度を予め定めた低減割合に応じて低減する補正を行い（ステップＳ１４０）、補正結果を後段のアームによるバケット先端速度演算部９ｅに出力し（ステップＳ１５０）、処理を終了する。また、ステップＳ１１０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、目標形状演算部９ｍによって目標形状の演算が正常に行われている場合（演算エラー情報が出力されていない場合）には、アームシリンダ推定速度演算部９ｄからアームシリンダ速度を取得し（ステップＳ１３１）、そのまま後段のアームによるバケット先端速度演算部９ｅに出力して（ステップＳ１５１）、処理を終了する。

図３に戻り、アームによるバケット先端速度演算部９ｅでは、アームシリンダ推定速度演算部９ｄで求めたアームシリンダ推定速度と、フロント姿勢演算部９ａで求めたフロント作業装置１Ａの位置及び姿勢とによりアーム１ｂによるバケット先端速度ｂを演算する。

ブームによるバケット先端速度の制限値演算部９ｆでは、演算部９ｅで求めたアーム１ｂによるバケット先端速度ｂから、境界Ｌに水平な成分（Ｘ成分）及び垂直な成分（Ｙ成分）である（ｂｘ、ｂｙ）を演算する。そして、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分が距離Ｄに応じて制限値ａに保持されるように、アーム１ｂによるバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分ｂｙに応じてブーム１ａによるバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ｃが演算される。次にこれを図８を用いて説明する。

図８において、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ａとアームによるバケット先端速度ｂの境界Ｌに垂直な成分ｂｙの差（ａ−ｂｙ）がブーム１ａによるバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ｃであり、ブームによるバケット先端速度の制限値演算部９ｆでは「ｃ＝ａ−ｂｙ」の式より制限値ｃを計算する。

これにより、（Ａ）バケット先端が設定領域内にある場合（Ｄ＞０）には、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分（下向き）が常に制限値ａ以下に制限される。なお、ｂｙがａ未満の場合にはマシンコントロール（領域制限制御）により下向きのｃ（つまりブーム下げ）を加えてａにしても良いが、本願ではブーム下げを加えずにｂｙのままとすることが好ましい。また、ｂｙがａ以上の場合にはマシンコントロールにより上向きのｃ（つまりブーム上げ）を加えてａにしても良いが、ブーム上げを加えずに、アームによるバケット先端速度演算部９ｅにおいてｂｙをａに制限しても良い。（Ｂ）バケット先端が境界Ｌ上にある場合（Ｄ＝０）には、図５によりａ＝０なので、アーム１ｂの掘削動作に対してｃ＝−ｂｙとなるようにマシンコントロールにより適宜ブーム上げがされて境界Ｌに沿った掘削がなされる。また、（Ｃ）バケット先端が設定領域外にある場合（Ｄ＜０）には、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分（上向き）が制限値ａになるようにマシンコントロールにより適宜ブーム上げがされて設定領域内にバケット先端を戻す動作がされる。

図３に戻りブームシリンダ速度の制限値演算部９ｇでは、ブーム１ａによるバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ｃとフロント作業装置１Ａの位置と姿勢に基づき、ブームシリンダ速度の制限値を演算する。

ブームパイロット圧（ブーム指令）の制限値演算部９ｈでは、ブーム１ａの流量制御弁５ａの流量特性に基づき、ブームシリンダ速度の制限値演算部９ｇで求めたブームシリンダ速度の制限値に対応するブームパイロット圧の制限値を求める。

アームパイロット圧（アーム指令）の制限値演算部９ｊでは、アーム１ｂの流量制御弁５ｂの流量特性に基づき、アームによるバケット先端速度演算部９ｅで求めたアーム１ｂによるバケット先端速度ｂに対応するアームパイロット圧の制限値を求める。

領域制限制御の切り換え演算部９ｒでは、領域制限スイッチ７のＯＮ状態が選択されている場合（すなわち、領域制限制御を有効とすることが選択され許可されている場合）には、ブームパイロット圧の制限値として演算部９ｈで計算した値をそのままブーム指令演算部９ｉに出力し、アームパイロット圧の制限値として演算部９ｊで計算した値をそのままアーム指令演算部９ｋに出力する。一方、領域制限スイッチ７のＯＦＦ状態が選択されている場合（すなわち、領域制限制御を無効とすることが選択され禁止されている場合）は、圧力検出器６０ａ、６０ｂで検出したパイロット圧から大きい方の値をブームパイロット圧の制限値としてブーム指令演算部９ｉに出力し、圧力検出器６１ａ、６１ｂで検出したパイロット圧から大きい方の値をアームパイロット圧の制限値としてアーム指令演算部９ｋに出力する。なお、検出器６０ｂあるいは検出器６１ｂで検出した値を出力する際には負の値で出力するものとする。

ブーム指令演算部９ｉでは、領域制限制御の切り換え演算部９ｒからのパイロット圧の制限値を入力し、この値が正の場合には、ブーム上げ側の電磁比例弁１０ａに制限値に対応する電圧を出力し、流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａのパイロット圧を当該制限値に補正し、ブーム下げ側の電磁比例弁１０ｂに０の電圧を出力して流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ｂのパイロット圧を０にする。また、制限値が負の場合には、ブーム下げ側の流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ｂのパイロット圧を制限するように制限値に対応する電圧を電磁比例弁１０ｂに出力してパイロット圧を補正し、ブーム上げ側の電磁比例弁１０ａには０の電圧を出力し流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａのパイロット圧を０にする。

アーム指令演算部９ｋでは、領域制限制御の切り換え演算部９ｒからのパイロット圧の制限値を入力し、この値が正の場合には、アームダンプ側の電磁比例弁１１ａに制限値に対応する電圧を出力し、流量制御弁５ｂの油圧駆動部５１ａのパイロット圧を当該制限値に補正し、アームクラウド側の電磁比例弁１１ｂに０の電圧を出力して流量制御弁５ｂの油圧駆動部５１ｂのパイロット圧を０にする。また、制限値が負の場合には、アームクラウド側の流量制御弁の油圧駆動部５１ｂのパイロット圧を制限するように制限値に対応する電圧を電磁比例弁１１ｂに出力してパイロット圧を補正し、アームダンプ側の電磁比例弁１１ｂには０の電圧を出力し流量制御弁５ａの油圧駆動部５１ａのパイロット圧を０にする。

次に上記の実施の形態の特徴について説明する。

（１）上記の実施の形態では、複数の被駆動部材（例えば、ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ）を連結して構成され、所定の動作平面状（例えば、ＸＹ平面上またはＸａＹａ平面上）で動作する多関節型の作業装置（例えば、作業装置１Ａ）と、操作信号（例えば、パイロット圧）に基づいて前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ（例えば、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）と、前記複数の油圧アクチュエータのうち操作者の所望する油圧アクチュエータに前記操作信号を出力する操作装置（操作レバー装置４）と、前記作業装置による作業対象の目標面上（又は境界Ｌ上）およびその上方の領域内（設定領域内）で前記作業装置が動くように、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに前記操作信号を出力するか、又は前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された前記操作信号を補正する領域制限制御を実行する動作制御部９００とを備える作業機械（油圧ショベル）において、前記動作制御部９００は、領域制限制御に関わる情報（例えば、位置情報）を取得する情報取得装置（例えば、位置演算装置７０）から入力される情報に基づいて前記目標面を演算して設定する目標面設定部（例えば、目標形状演算部９ｍ、領域設定演算部９ｂ）を備え、前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかった場合、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算が正常に実行できなかった場合に、その旨を操作者に報知する報知処理又は前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも１つの動作速度を減速させる減速処理を行うものとした。

掘削作業に用いる目標面の情報は、例えば、測位衛星等から受信した測位用データに基づいて算出される作業機械の位置情報と掘削対象における３次元施工図面などの情報とに基づいて生成される。そのため、測位衛星からの測位用データの受信環境等が悪い場合や他の通信トラブル等によって必要な情報が得られず目標面の情報を生成できない場合も考えられる。従来技術においては、掘削制御を実行中に目標掘削地形情報を取得できない場合、取得できなくなった時点よりも前の目標掘削地形情報を用いて掘削制御を継続している。しかしながら、掘削対象における掘削作業の目標面は、単一ではなく連速した複数の目標面から成る場合も多い。したがって、掘削作業中の目標面と次に掘削作業を行う目標面とが異なる場合、その異なり方によっては、目標面が変わった場合に作業機のバケットが目標面に対して侵入してしまい掘削対象を掘り過ぎてしまう可能性がある。これに対して本願発明は、掘削対象の目標面の情報の取得に異常が生じたことをオペレータに報知して認識させることにより、又は、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの動作速度を減速させてオペレータに認識させることにより、オペレータの操作によって作業機が目標面に侵入する可能性を低減することができる。

（２）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械において、前記動作制御部は、前記減速処理として、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの動作速度を現在速度に対して所定の割合に低減するように前記操作信号を補正する作業装置減速処理を行うものとした。

目標形状の演算が正常に行われず、領域制限制御が既知の目標形状の情報に基づいてしか行われないという制限付きの状態であることをオペレータに事前に認識させ、また、作業装置の動作速度の減速による操作感の変化によっても異常状態であることをオペレータに認識させるので、オペレータがより直接的に認知することができる使い勝手のよい情報伝達を行うことができるとともに、オペレータの操作によって作業機が目標面に侵入する可能性をより低減することができる。

（３）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械において、前記動作制御部は、前記減速処理として、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの動作速度を予め定められた最大速度に対する所定の割合以下に低減するように前記操作信号を補正する作業装置減速処理を行うものとした。

目標形状の演算が正常に行われず、領域制限制御が既知の目標形状の情報に基づいてしか行われないという制限付きの状態であることをオペレータに事前に認識させ、また、作業装置の動作速度の減速による操作感の変化によっても異常状態であることをオペレータに認識させるので、オペレータがより直接的に認知することができる使い勝手のよい情報伝達を行うことができるとともに、オペレータの操作によって作業機が目標面に侵入する可能性をより低減することができる。

（４）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械において、前記動作制御部は、前記報知処理として、前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかったこと、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算ができなかったことを表示装置へ表示することにより操作者に報知するものとした。

オペレータは、掘削対象の目標面の情報の取得に異常が生じたことを視覚的に認知することができる。

（５）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械において、前記動作制御部は、前記報知処理として、前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかったこと、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算ができなかったことを音により操作者に報知するものとした。

オペレータは、掘削対象の目標面の情報の取得に異常が生じたことを聴覚的に認知することができる。

＜付記＞
なお、上記の実施の形態においては、領域制限制御に関わる情報を取得する情報取得装置として位置情報を取得する位置演算装置７０を例示し、演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚにおいて、位置演算装置７０からの位置情報が正常に得られないことによって目標形状演算部９ｍで目標形状の演算が正常に行われなかったことによる演算エラー情報の有無に基づいて報知処理や減速処理などを行うように構成したが、演算エラー情報に代えて（又は並行して）その他のエラー情報の有無に基づいて同様の処理を行うように構成しても良い。すなわち、例えば、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃや傾斜角検出器８ｄからの情報に基づいてフロント作業装置１Ａの位置及び姿勢（領域制限制御に関わる情報）を演算し取得するフロント姿勢演算部９ａ（情報取得装置）において、角度検出器８ａ〜８ｃからの回動角や傾斜角検出器８ｄからの傾斜角の情報が正常に得られないことによってフロント作業装置１Ａの位置及び姿勢を正常に演算できない場合に、演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚに演算エラー情報を出力するように構成してもよい。また、無線等の通信の異常時に得られる通信エラー情報の有無に基づいて演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部９ｚにエラー情報を出力して報知処理や減速処理などの処理を行うように構成しても良い。

また、上記の実施の形態においては、目標形状の演算が正常に行われなかった場合にアームシリンダ３ｂを減速するように構成したが、当該アームシリンダ３ｂに代えて／加えて、ブームシリンダ３ａ及び／又はバケットシリンダ３ｃを減速するように構成しても良い。

また、上記の実施の形態においては、アーム１ｂの動作時に設定領域内で作業装置１Ａが動くように、制御ユニット９が起点となってブームシリンダ３ａに伸び（強制ブーム上げ）を指示する操作信号を出力して領域制限制御を行う場合を説明したが、オペレータが起点となってブーム上げを指示する操作信号が操作レバー装置４ａから出力されている状況下では、制御ユニット９により当該操作信号を補正することで領域制限制御を行ってもよい。また、上記ではオペレータによるアーム操作時に制御ユニット９によるブーム上げを適宜加えることで領域制限制御を行う場合を説明したが、当該ブーム上げに代えて／加えてバケット１ｃのダンプ／クラウドを適宜加えて領域制限制御を行っても良い。つまり、領域制限制御では、設定領域内で作業装置１Ａが動くように、作業装置１Ａの動作を司る３種の油圧シリンダ３ａ，３ｂ，３ｃの流量制御弁５ａ，５ｂ，５ｃの少なくとも１つに制御ユニット９が起点で操作信号が出力される制御と、オペレータ起点で当該３種の油圧シリンダ３ａ，３ｂ，３ｃの流量制御弁５ａ，５ｂ，５ｃの少なくとも１つに出力された操作信号に対して制御ユニット９による補正が加えられる制御の双方が行われる可能性がある。

また、領域制限制御は、実質的な掘削動作が実行されるアームクラウド時のみに機能するように構成しても良い。

また、上記の実施の形態においては、フロント作業装置１Ａの位置及び姿勢を取得するために、角度検出器８ａ〜８ｃを利用したが、これに代えて各油圧シリンダ３ａ〜３ｃのストローク量を検出する複数のストローク検出器や、ブーム１ａ、アーム１ｂおよびバケット１ｃの傾斜角をそれぞれ検出する複数の傾斜角検出器を利用しても良い。

また、上記の実施の形態においては、エンジン等の原動機で油圧ポンプを駆動する一般的な油圧ショベルを例に挙げて説明したが、油圧ポンプをエンジン及びモータで駆動するハイブリッド式の油圧ショベルや、油圧ポンプをモータのみで駆動する電動式の油圧ショベル等にも本発明が適用可能であることは言うまでもない。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１Ａ…フロント作業装置、１Ｂ…車体、１ａ…ブーム、１ｂ…アーム、１ｃ…バケット、２…油圧ポンプ、３ａ…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）、３ｂ…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）、４ａ〜４ｆ，１４ａ〜１４ｆ…操作レバー装置（操作装置）、５ａ〜５ｆ，１５ａ〜１５ｆ…流量制御弁、７…領域制限スイッチ、８ａ〜８ｃ…角度検出器、８ｄ…傾斜角検出器、９…制御ユニット、９ａ…フロント姿勢演算部、９ｂ…領域設定演算部、９ｃ…バケット先端速度の制限値演算部、９ｄ…アームシリンダ推定速度演算部、９ｅ…アームによるバケット先端速度演算部、９ｆ…ブームによるバケット先端速度の制限値演算部、９ｇ…ブームシリンダ速度の制限値演算部、９ｈ…ブーム指令の制限値演算部、９ｉ…ブーム指令演算部、９ｊ…アーム指令の制限値演算部、９ｋ…アーム指令演算部、９ｍ…目標形状演算部、９ｒ…領域制限制御の切り換え演算部、９ｚ…演算エラー時のアームシリンダ制限速度演算部、１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ…電磁比例弁、１２０…シャトル弁、４３…パイロットポンプ、２０…記憶装置、５０ａ〜５５ｂ…油圧駆動部、６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ…圧力検出器、７０…位置演算装置、７０a…アンテナ

Claims (5)

1. 複数の被駆動部材を連結して構成された多関節型の作業装置と、
   操作信号に基づいて前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、
   前記複数の油圧アクチュエータのうち操作者の所望する油圧アクチュエータに前記操作信号を出力する操作装置と、
   前記作業装置による作業対象の目標面上およびその上方の領域内で前記作業装置が動くように、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに前記操作信号を出力するか、又は前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された前記操作信号を補正する領域制限制御を実行する制御装置とを備える作業機械において、
   前記制御装置は、領域制限制御に関わる情報を取得する情報取得装置から入力される情報に基づいて前記目標面を演算して設定する目標面設定部を備え、
   前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかった場合、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算が正常に実行できなかった場合に、その旨を操作者に報知する報知処理又は前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも１つの動作速度を減速させる減速処理を行うことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記減速処理として、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの動作速度を現在速度に対して所定の割合に低減するように前記操作信号を補正する作業装置減速処理を行うことを特徴とする作業機械。
3. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記減速処理として、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの動作速度を予め定められた最大速度に対する所定の割合以下に低減するように前記操作信号を補正する作業装置減速処理を行うことを特徴とする作業機械。
4. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記報知処理として、前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかったこと、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算ができなかったことを表示装置へ表示することにより操作者に報知することを特徴とする作業機械。
5. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記報知処理として、前記情報取得装置からの情報の少なくとも一部が得られなかったこと、又は前記目標面設定部による前記目標面の演算ができなかったことを音により操作者に報知することを特徴とする作業機械。

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