JP2021004540A - 油圧ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】マシンコントロール制御の最中でもアームクラウド及びアームダンプの動作を伴う作業を掘削目標面付近で応答良く行う。【解決手段】油圧ポンプから複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する制御弁ユニットと、パイロットポンプの吐出圧を元圧として前記制御弁ユニットを駆動するパイロット圧を出力する複数の操作レバー装置と、前記複数の操作レバー装置及び前記制御弁ユニットの間に設けた複数の電磁減圧弁を含んで構成された電磁弁ユニットと、前記複数の姿勢センサの信号を基に前記複数の油圧アクチュエータの制限速度を演算し前記電磁減圧弁の開度を制御するコントローラとを備えた油圧ショベルにおいて、前記操作レバー装置からブーム上げ操作信号が出力されている間、アームクラウド及びアームダンプについて前記電磁減圧弁の開度を前記制限速度に基づく開度よりも大きくなるように制御する。【選択図】図９

Description

本発明は、いわゆるマシンコントロール機能を備えた油圧ショベルに関する。

油圧ショベルには、オペレータによる作業装置の操作を補助するマシンコントロール（以下、適宜ＭＣと記載する）機能が備えたものがある。ＭＣ機能としては、例えばオペレータの掘削操作に介入してバケットの爪先が掘削目標面より下側の領域に進入しないように例えばブームシリンダを強制的に制御する領域制限制御が代表例である。

領域制限制御に関し、特許文献１には、掘削目標面に作業装置が接近する場合に掘削目標面に向かう方向の作業装置の目標速度ベクトルを減速補正するシステムが開示されている。しかし、領域制限制御中においては作業装置が掘削目標面に近付くにつれて作業装置が掘削目標面に向かう速度成分が減じられるため転圧作業をすることができない。

それに対し、特許文献２には、オペレータの操作に基づいて転圧条件が満たされていると判定すると、掘削目標面付近における作業装置のブーム下げ動作の速度制限を弱め、領域制限制御中でも掘削目標面を転圧できるシステムが開示されている。

国際公開第９５／３００５９号 特許第６０６２１１５号公報

ＭＣ機能は、ブームシリンダ等の作業装置の油圧アクチュエータの動作を制御する流量制御弁に対して操作レバー装置から入力されるパイロット圧を状況に応じて電磁減圧弁で減圧することで実現される。そして、ＭＣ機能の下では、目標掘削面を超えて掘削することを防止する観点で、作業装置の急動作を抑えるべく電磁減圧弁の待機中の開度が閉じ側に設定されている。油圧アクチュエータの速い動作が許容されるときに電磁減圧弁が開くようになっている。

特許文献２のシステムにおいては、転圧作業と判定された場合にブーム下げ動作の速度制限が弱まる。しかし、転圧作業はブーム下げ動作のみで行われるものではなく、転圧位置の調整のためにアームクラウドやアームダンプの動作と組み合わせて行われる。アームクライドやアームダンプの動作は掘削面付近で制限されるため転圧位置の調整動作に遅延が生じ、転圧作業を円滑に実行することができない。

本発明の目的は、マシンコントロール制御の最中でもアームクラウド及びアームダンプの動作を伴う転圧作業等の作業を掘削目標面付近で応答良く行うことができる油圧ショベルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ブーム及びアームを含んで構成された多関節型の作業装置と、前記ブームを駆動するブームシリンダを含む作業装置駆動用の複数の油圧アクチュエータと、前記作業装置の姿勢を検出する複数の姿勢センサと、前記複数の油圧アクチュエータを駆動する圧油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する制御弁ユニットと、パイロットポンプの吐出圧を元圧として前記制御弁ユニットを駆動するパイロット圧を出力する複数の操作レバー装置と、前記複数の操作レバー装置及び前記制御弁ユニットの間に設けた複数の電磁減圧弁を含んで構成された電磁弁ユニットと、前記複数の姿勢センサの信号を基に前記複数の油圧アクチュエータの制限速度を演算し、前記制限速度に基づいて、掘削目標面を超えて地面を掘削しないように前記電磁減圧弁の開度を制御するコントローラとを備えた油圧ショベルにおいて、前記コントローラは、前記操作レバー装置からブーム上げ操作信号が出力されている間、前記電磁弁ユニットに含まれるアームクラウド及びアームダンプの動作に対応する電磁減圧弁の開度を前記制限速度に基づく開度よりも大きくなるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、マシンコントロール制御の最中でもアームクラウド及びアームダンプの動作を伴う転圧作業等の作業を掘削目標面付近で応答良く行うことができる。

本発明の第１実施形態における油圧ショベルの構成図 図１に示した油圧ショベルに備わった油圧システムの油圧回路図 図１に示した油圧ショベルに備わった電磁弁ユニットの詳細図 バケット爪先位置の演算方法の説明図 図１に示した油圧ショベルに備わったコントローラのハードウェア構成図 図１に示した油圧ショベルに備わった表示装置の表示画面の一例の図 図１に示した油圧ショベルに備わったコントローラの機能ブロック図 マシンコントロールにより制御されたバケット爪先の軌跡の一例を示す図 図１に示した油圧ショベルに備わったコントローラによるアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについての制限パイロット圧の決定手順を表すフローチャート 本発明の第１実施形態における遷移圧力の演算ロジックを表すブロック線図 図９の手順で演算される制限パイロット圧とブーム上げ操作との関係を表す図 本発明の第２実施形態における油圧ショベルに備わったコントローラによるアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについての制限パイロット圧の決定手順を表すフローチャートであって第１実施形態の図９に対応する図 図１２の手順で演算される制限パイロット圧とブーム上げ操作との関係を表す図であって第１実施形態の図１１に対応する図 本発明の第３実施形態における油圧ショベルに備わったコントローラの機能ブロック図であって第１実施形態の図７に対応する図 図１４に示した制限速度補正部におけるアームクラウド及びアームダンプについての制限速度の補正演算ロジックを表すブロック線図 本発明の第３実施形態における油圧ショベルに備わったコントローラで演算されるアームクラウド等の制限パイロット圧のブーム上げ操作との関係を表す図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

＜第１実施形態＞
−油圧ショベル−
図１は本発明の第１実施形態における油圧ショベルの構成図である。なお、本実施形態では作業装置の先端にアタッチメント（作業具）としてバケット１０を装着した油圧ショベルを例示して説明するが、バケット以外のアタッチメントを装着した油圧ショベルにも本発明は適用され得る。

同図に示した油圧ショベル１は、多関節型の作業装置（フロント作業機）１Ａと車体１Ｂとを含んで構成されている。車体１Ｂは、左右の走行モータ（油圧モータ）３ａ，３ｂ（図２）により走行する走行体１１と、走行体１１の上に取り付けられた旋回体１２とからなる。旋回体１２は、旋回モータ（油圧モータ）４（図２）により走行体１１に対して旋回する。旋回体１２の旋回中心軸は油圧ショベル１が水平地に停車した状態で鉛直である。旋回体１２には運転室１６が設けられている。

作業装置１Ａは、鉛直面内でそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム８、アーム９及びバケット１０）を連結して構成されている。ブーム８の基端はブームピンを介して旋回体１２の前部に回動可能に連結されている。このブーム８の先端にはアームピンを介してアーム９が回動可能に連結されており、アーム９の先端にはバケットピンを介してバケット１０が回動可能に連結されている。ブーム８はブームシリンダ５によって駆動され、アーム９はアームシリンダ６によって駆動され、バケット１０はバケットシリンダ７によって駆動される。

また、ブームピンには角度センサＲ１、アームピンには角度センサＲ２、バケットリンク１３には角度センサＲ３、旋回体１２には車体傾斜角センサ（例えばＩＭＵ）Ｒ４が取り付けられている。角度センサＲ１，Ｒ２，Ｒ３により、それぞれブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度α，β，γ（図４）が測定されてコントローラ４０（後述）に出力される。車体傾斜角センサＲ４は、基準面（例えば水平面）に対する旋回体１２（車体１Ｂ）の傾斜角θ（図４）を測定してコントローラ４０（後述）に出力する。なお、角度センサＲ１〜Ｒ３はそれぞれ基準面に対する傾斜角を測定するセンサ（ＩＭＵ等）で代替することもできる。加えて、旋回体１２には一対のＧＮＳＳアンテナＧ１，Ｇ２が備わっている。ＧＮＳＳアンテナＧ１，Ｇ２からの情報を基に、グローバル座標系における油圧ショベル１や作業装置１Ａの基準点の位置を算出することができる。

なお、本実施形態では作業装置１Ａの基準点をバケット爪先とした場合を例に挙げて説明する。但し、基準点の設定は適宜変更可能である。例えばバケット１０の背側面（外面）やバケットリンク１３に基準点を設定しても良いし、バケット全体において掘削目標面Ｓｔと最短距離にある点を基準点に設定しても良い（つまり状況に応じて基準点が変化しても良い）。

−油圧システム−
図２は図１に示した油圧ショベルに備わった油圧システムの油圧回路図である。運転室１６内には、操作レバー装置Ａ１〜Ａ６が設置されている。操作レバー装置Ａ１，Ａ３は、運転席（不図示）の左右の一方側に配置された操作レバーＢ１を共有している。本実施形態では、操作レバーＢ１で操作レバー装置Ａ１を操作するとブームシリンダ５（ブーム８）が駆動され、操作レバーＢ１で操作レバー装置Ａ３を操作するとバケットシリンダ７（バケット１０）が駆動される。操作レバー装置Ａ２，Ａ４は、運転席の左右の他方側に配置された操作レバーＢ２を共有している。本実施形態では、操作レバーＢ２で操作レバー装置Ａ２を操作するとアームシリンダ６（アーム９）が駆動され、操作レバーＢ２で操作レバー装置Ａ４を操作すると旋回モータ４（旋回体１２）が駆動される。操作レバー装置Ａ５は操作レバーＢ３を有し、操作レバーＢ３で操作レバー装置Ａ５を操作すると右側の走行モータ３ａ（走行体１１）が駆動される。操作レバー装置Ａ６は操作レバーＢ４を有し、操作レバーＢ４で操作レバー装置Ａ６を操作すると左側の走行モータ３ｂ（走行体１１）が駆動される。操作レバーＢ３，Ｂ４は運転席の前方に右左に並べて配置されている。

旋回体１２には原動機であるエンジン１８の他、油圧ポンプ２やパイロットポンプ４８が搭載されており、エンジン１８によって油圧ポンプ２やパイロットポンプ４８が駆動される。油圧ポンプ２はレギュレータ２ａによって容量が制御される可変容量型であり、複数の油圧アクチュエータ（ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７等）を駆動する圧油を吐出する。パイロットポンプ４８は固定容量型である。図２の例では、レギュレータ２ａはシャトルブロックＳＢを介して入力される操作レバー装置Ａ１〜Ａ６からのパイロット圧により駆動され、入力されたパイロット圧に応じて油圧ポンプ２の吐出流量を制御する。シャトルブロックＳＢは複数のシャトル弁を含んで構成され、操作レバー装置Ａ１〜Ａ６のパイロット圧を伝達するパイロットラインＣ１〜Ｃ１２の途中に設けられており、操作レバー装置Ａ１〜Ａ６のパイロット圧の最大値を選択してレギュレータ２ａに入力する。

パイロットポンプ４８の吐出配管であるポンプライン４８ａはロック弁３９を経由し、複数に分岐して操作レバー装置Ａ１〜Ａ６やマシンコントロール用の電磁弁ユニット１６０に接続している。本実施形態のロック弁３９は電磁切換弁であり、そのソレノイドは旋回体１２の運転室１６に配置されたゲートロックレバー（不図示）の位置センサと電気的に接続している。ゲートロックレバーのポジションがその位置センサで検出され、位置センサからゲートロックレバーのポジションに応じた信号がロック弁３９に入力される。ゲートロックレバーのポジションがロック位置にあればロック弁３９が閉じてポンプライン４８ａが遮断され、ロック解除位置にあればロック弁３９が開いてポンプライン４８ａが開通する。ポンプライン４８ａが遮断された状態では操作レバー装置Ａ１〜Ａ６による操作が無効化され、旋回や掘削等の動作が禁止される。

上記の操作レバー装置Ａ１〜Ａ６はそれぞれ油圧パイロット方式の一対の減圧弁を含んで構成されている。これら操作レバー装置Ａ１〜Ａ６はパイロットポンプ４８の吐出圧を元圧として、それぞれオペレータによる操作レバーＢ１〜Ｂ４の操作量と操作方向に応じて制御弁ユニット１５を駆動するパイロット圧を生成し出力する。制御弁ユニット１５は流量制御弁Ｄ１〜Ｄ６を含んで構成されており、油圧ポンプ２からブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、走行モータ３ａ，３ｂ及び旋回モータ４に供給される圧油の流れを制御する。流量制御弁Ｄ１は操作レバー装置Ａ１からパイロットラインＣ１，Ｃ２を介して受圧室Ｅ１，Ｅ２に入力されるパイロット圧で駆動され、油圧ポンプ２からの圧油の供給方向や流量を制御してブームシリンダ５を駆動する。流量制御弁Ｄ２は操作レバー装置Ａ２からパイロットラインＣ３，Ｃ４を介して受圧室Ｅ３，Ｅ４に入力されるパイロット圧で駆動されてアームシリンダ６を駆動する。流量制御弁Ｄ３は操作レバー装置Ａ３からパイロットラインＣ５，Ｃ６を介して受圧室Ｅ５，Ｅ６に入力されるパイロット圧で駆動されてバケットシリンダ７を駆動する。同様に流量制御弁Ｄ４〜Ｄ６は操作レバー装置Ａ４〜Ａ６からパイロットラインＣ７〜Ｃ１２を介して受圧室Ｅ７〜Ｅ１２に入力されるパイロット圧で駆動されて対応する油圧アクチュエータを駆動する。

−電磁弁ユニット−
図３は図２に示した電磁弁ユニット１６０の詳細図である。同図に示したように、電磁弁ユニット１６０は、複数の操作レバー装置Ａ１〜Ａ３及び制御弁ユニット１５の間に設けられている。この電磁弁ユニット１６０は、電磁比例駆動式の減圧弁である電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’、及びシャトル弁ＳＶ１，ＳＶ５，ＳＶ６を含んで構成されている。以下の説明において、流量制御弁Ｄ１〜Ｄ３に対するパイロット圧のうち、操作レバー装置Ａ１〜Ａ３から出力されるパイロット圧を「第１指令信号」、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’から出力されるパイロット圧を「第２指令信号」と称する。第２指令信号には、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６で第１指令信号を減圧補正して生成したパイロット圧と、操作レバー装置Ａ１〜Ａ３をバイパスしてパイロットポンプ３８の吐出圧を電磁減圧弁Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’で減圧して別途生成したパイロット圧とが含まれる。マシンコントロール（以下、ＭＣと略称する）は、第２指令信号に基づく流量制御弁Ｄ１〜Ｄ３の制御と定義できる。

電磁減圧弁Ｖ１’は、一次側ポートがポンプライン４８ａを介してパイロットポンプ４８に接続されており、パイロットポンプ４８の吐出圧を減圧してブーム上げ用のパイロット圧（第２指令信号）として出力する。シャトル弁ＳＶ１は、その一次側ポートが操作レバー装置Ａ１のブーム上げ用のパイロットラインＣ１と電磁減圧弁Ｖ１’の二次側ポートに接続され、二次側ポートが流量制御弁Ｄ１の受圧室Ｅ１に接続されている。ブーム上げ動作に関し、パイロットラインＣ１の第１指令信号（ブーム上げ操作信号）と電磁減圧弁Ｖ１’の第２指令信号の高圧側がシャトル弁ＳＶ１で選択されて流量制御弁Ｄ１の受圧室Ｅ１に導かれる。

電磁減圧弁Ｖ２は、操作レバー装置Ａ１のブーム下げ用のパイロットラインＣ２に設置されている。ブーム下げ動作に関し、必要に応じて電磁減圧弁Ｖ２で減圧されたパイロットラインＣ２のパイロット圧が流量制御弁Ｄ１の受圧室Ｅ２に導かれる。

電磁減圧弁Ｖ３は、操作レバー装置Ａ２のアームクラウド用のパイロットラインＣ３に設置されている。アームクラウド動作に関し、必要に応じて電磁減圧弁Ｖ３で減圧されたパイロットラインＣ３のパイロット圧が流量制御弁Ｄ２の受圧室Ｅ３に導かれる。

電磁減圧弁Ｖ４は、操作レバー装置Ａ２のアームダンプ用のパイロットラインＣ４に設置されている。アームダンプ動作に関し、必要に応じて電磁減圧弁Ｖ４で減圧されたパイロットラインＣ４のパイロット圧が流量制御弁Ｄ２の受圧室Ｅ４に導かれる。

電磁減圧弁Ｖ５は、操作レバー装置Ａ３のバケットクラウド用のパイロットラインＣ５に設置されている。電磁減圧弁Ｖ５’は、一次側ポートがポンプライン４８ａを介してパイロットポンプ４８に接続されており、パイロットポンプ４８の吐出圧を減圧してバケットクラウド用のパイロット圧（第２指令信号）として出力する。シャトル弁ＳＶ５は、その一次側ポートがパイロットラインＣ５と電磁減圧弁Ｖ５’の二次側ポートに接続され、二次側ポートが流量制御弁Ｄ３の受圧室Ｅ５に接続されている。バケットクラウド動作に関し、パイロットラインＣ５のパイロット圧と電磁減圧弁Ｖ５’のパイロット圧の高圧側がシャトル弁ＳＶ５で選択されて流量制御弁Ｄ３の受圧室Ｅ５に導かれる。

電磁減圧弁Ｖ６は、操作レバー装置Ａ３のバケットダンプ用のパイロットラインＣ６に設置されている。電磁減圧弁Ｖ６’は、一次側ポートがポンプライン４８ａを介してパイロットポンプ４８に接続されており、パイロットポンプ４８の吐出圧を減圧してバケットダンプ用のパイロット圧（第２指令信号）として出力する。シャトル弁ＳＶ６は、その一次側ポートがパイロットラインＣ６と電磁減圧弁Ｖ６’の二次側ポートに接続され、二次側ポートが流量制御弁Ｄ３の受圧室Ｅ６に接続されている。バケットダンプ動作に関し、パイロットラインＣ６のパイロット圧と電磁減圧弁Ｖ６’のパイロット圧の高圧側がシャトル弁ＳＶ６で選択されて流量制御弁Ｄ３の受圧室Ｅ６に導かれる。

電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６はソレノイドが消磁された状態で最大開度（開放状態）となるノーマルオープンタイプであり、コントローラ４０からの指令信号（電気信号）の増加に比例して最小開度（本実施形態では開度０）まで開度が減少する。一方、電磁減圧弁Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’はソレノイドが消磁された状態で最小開度（本実施形態では開度０）となるノーマルクローズタイプであり、コントローラ４０からの指令信号の増加に比例して最大開度まで開度が増加する。コントローラ４０からの指令信号により電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６が作動すると、操作レバー装置Ａ１〜Ａ３で生成されたパイロット圧（第１指令信号）を減圧補正したパイロット圧（第２指令信号）が生成される。一方、コントローラ４０からの指令信号により電磁減圧弁Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’が作動すると、操作レバー装置Ａ１，Ａ３の操作に関係なくブーム上げ、バケットクラウド、バケットダンプに関するパイロット圧（第２指令信号）が発生する。第２指令信号はＭＣ下でコントローラ４０が制御したパイロット圧である。こうした電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’の作用により、例えば掘削目標面Ｓｔ（図４）を超えて作業装置１Ａが地面を掘削しないように一定条件下でオペレータの操作にコントローラ４０が介入して作業装置１Ａの動作を補正する。「掘削目標面」とは本実施形態における油圧ショベルが整地対象とする設計地形の外形面、又はこの外形面から上方に設定距離だけオフセットした面である。

なお、油圧ショベル１には圧力センサＰ１〜Ｐ６が備わっている。圧力センサＰ１，Ｐ２は、操作レバー装置Ａ１とブーム用の流量制御弁Ｄ１とを接続するパイロットラインＣ１，Ｃ２に設けられている。電磁減圧弁よりも上流側におけるパイロットラインＣ１，Ｃ２の圧力つまりパイロット圧（第１指令信号）がそれぞれ圧力センサＰ１，Ｐ２で操作レバーＢ１によるブーム操作量として検出される。圧力センサＰ３，Ｐ４は、操作レバー装置Ａ２とアーム用の流量制御弁Ｄ２とを接続するパイロットラインＣ３，Ｃ４に設けられている。電磁減圧弁Ｖ３，Ｖ４よりも上流側におけるパイロットラインＣ３，Ｃ４の圧力つまりパイロット圧（第１指令信号）がそれぞれ圧力センサＰ３，Ｐ４で操作レバーＢ２によるアーム操作量として検出される。圧力センサＰ５，Ｐ６は、操作レバー装置Ａ３とバケット用の流量制御弁Ｄ３とを接続するパイロットラインＣ５，Ｃ６に設けられている。電磁減圧弁Ｖ５，Ｖ６よりも上流側におけるパイロットラインＣ５，Ｃ６の圧力つまりパイロット圧（第１指令信号）がそれぞれ圧力センサＰ５，Ｐ６で操作レバーＢ１によるバケット操作量として検出される。圧力センサＰ１〜Ｐ６の検出信号はコントローラ４０に入力される。圧力センサＰ１〜Ｐ６とコントローラ４０との接続線は省略してある。

−バケット爪先位置（作業装置基準点）の演算方法−
図４はバケット爪先位置の演算方法の説明図である。

作業装置１Ａの姿勢は図４のショベル基準のローカル座標系で定義できる。図４のローカル座標系は、旋回体１２を基準に設定された座標系であり、ブーム８の基部（支点）を原点とし、旋回体１２の旋回中心軸と平行に（旋回体１２の真上方向に）Ｚ軸を設定し、Ｚ軸と直交する方向（旋回体１２の前方）にＸ軸を設定した。Ｘ軸に対するブーム８の傾斜角をブーム角α、ブーム８に対するアーム９の傾斜角をアーム角β、アーム９に対するバケット１０の傾斜角をバケット角γとした。水平面（基準面）に対する車体１Ｂ（旋回体１２）の傾斜角を傾斜角θとした。ブーム角αはブーム角度センサＲ１により、アーム角βはアーム角度センサＲ２により、バケット角γはバケット角度センサＲ３により、傾斜角θは車体傾斜角センサＲ４により検出される。ブーム角αは、ブーム８を上限まで上げた状態（ブームシリンダ５が最伸長状態）で最小、ブーム８を下限まで下げた状態（ブームシリンダ５が最収縮情愛）で最大となる値である。アーム角βは、アームシリンダ６が最収縮状態で最小、アームシリンダ６が最伸長状態で最大となる値である。バケット角γは、バケットシリンダ７が最収縮状態（図４の状態）で最小、バケットシリンダ７が最伸長状態で最大となる値である。

このとき、ローカル座標系におけるバケット爪先の位置（Ｘｂｋ，Ｚｂｋ）は、次の式（１）（２）で表される。

Ｘｂｋ＝Ｌ１ｃｏｓ（α）＋Ｌ２ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ３ｃｏｓ（α＋β＋γ）…式（１）
Ｚｂｋ＝Ｌ１ｓｉｎ（α）＋Ｌ２ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ３ｓｉｎ（α＋β＋γ）…式（２）
Ｌ１はブーム８の基部からアーム９との連結部までの長さ、Ｌ２はアーム９とブーム８の連結部からアーム９とバケット１０の連結部までの長さ、Ｌ３はアーム９とバケット１０の連結部からバケット１０の先端部までの長さである。

−マシンコントロール−
コントローラ４０には、操作レバー装置Ａ１〜Ａ３の少なくとも１つが操作された場合に、一定条件下でオペレータの操作に介入して作業装置１Ａの動作を制限するＭＣ機能が備わっている。ＭＣはバケット爪先位置や操作状況に応じてコントローラ４０が電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’を制御することで実行される。コントローラ４０に実装され得るＭＣ機能には、操作レバー装置Ａ２でアーム操作をする際に実行される「領域制限制御」、アーム操作を伴わずブーム下げ操作をする際に実行される「停止制御」や「転圧制御」が含まれる。

領域制限制御は「整地制御」とも呼ばれる。領域制限制御が機能している間、掘削目標面Ｓｔから下側の領域を作業装置１Ａが掘削しないようにブームシリンダ５、アームシリンダ６及びバケットシリンダ７の少なくとも１つが制御され、アーム操作によってバケット爪先が掘削目標面Ｓｔに沿って移動する。具体的には、掘削目標面Ｓｔに垂直な方向のバケット爪先の速度ベクトルがゼロになるように、アーム操作に伴うアーム動作中にブーム上げ又はブーム下げの微動が指令される。回動運動であるアーム動作によるバケット爪先の軌跡を掘削目標面Ｓｔに沿って直線軌道に補正するためである。

停止制御は、掘削目標面Ｓｔよりも下方の領域にバケット爪先が侵入しないようにブーム下げ動作を停止する制御であり、ブーム下げ操作中にバケット爪先が掘削目標面Ｓｔに接近するにつれブーム下げ動作を減速させる。

転圧制御は転圧作業を許容するための制御である。転圧作業とは、バケット１０の背側面を勢い良く押し当てることで地面を押し固める作業である。しかし、ＭＣは基本的に掘削目標面Ｓｔの付近で掘削目標面Ｓｔに対するバケット爪先の接近速度を減じるため、成形した掘削目標面Ｓｔの転圧を意図してブーム下げ操作をしてもバケット１０を掘削目標面Ｓｔに勢い良く押しあてることができない。転圧制御が機能している間は、掘削目標面Ｓｔとバケット爪先との距離が近くても、ブーム下げ動作の減速が抑制される（後述）。

−コントローラ（ハードウェア）−
図５は油圧ショベルのコントローラ４０のハードウェア構成図、図６は表示装置ＤＳの表示画面の一例の図である。

図５に示したコントローラ４０は車載コンピュータであり、入力インターフェース４１、ＣＰＵ（中央演算処理装置）４２、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）４３、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４４、出力インターフェース４５を含んで構成されている。

入力インターフェース４１には、姿勢センサＲ、目標面設定装置Ｔｓ、ＧＮＳＳアンテナＧ１，Ｇ２、操作センサＰ、モードスイッチＳＷからの各信号が入力され、ＣＰＵ４２による演算のために必要に応じてデジタル変換する。なお、姿勢センサＲは作業装置１Ａの姿勢を検出するために設置された複数のセンサであって、具体的には角度センサＲ１〜Ｒ３及び車体傾斜角センサＲ４である。操作センサＰは圧力センサＰ１〜Ｐ６である。目標面設定装置Ｔｓは掘削目標面Ｓｔに関する情報（各掘削目標面の位置情報や傾斜角度情報を含む）を入力するインターフェースである。この目標面設定装置Ｔｓはグローバル座標系（絶対座標系）で規定された掘削目標面の３次元データを格納した外部端末（不図示）と接続されており、外部端末から掘削目標面の３次元データが入力される。但し目標面設定装置Ｔｓを介したコントローラ４０への掘削目標面の入力は、オペレータによる手動入力も可能である。モードスイッチＳＷは作業モードを設定する入力装置である。

ＲＯＭ４３は、後で図７〜図１１により説明する処理を含めたＭＣ機能を実行するための制御プログラムや処理の実行に必要な各種情報等が記憶されている。ＲＡＭ４４はＣＰＵ４２による演算結果や入力インターフェース４１から入力された信号を記憶する。なお、本実施形態では記憶装置としてＲＯＭ４３及びＲＡＭ４４といった半導体メモリを備えたコントローラ４０を例示しているが、記憶装置の種類に特別な限定はなく、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を用いることもできる。

ＣＰＵ４２は、ＲＯＭ４３に記憶された制御プログラムに従って入力インターフェース４１、ＲＯＭ４３、ＲＡＭ４４から取り入れた信号に基づいて所定の演算処理を実行する。

出力インターフェース４５は、ＣＰＵ４２による演算結果に基づく出力用の信号を生成し、その信号を電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’及び表示装置ＤＳに出力する。これにより電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’や表示装置ＤＳが作動する。表示装置ＤＳはタッチパネル式の液晶モニタであり、運転室１６の内部に設置されている。図６に示すように、表示装置ＤＳの表示画面には、掘削目標面Ｓｔと作業装置１Ａ（例えばバケット１０）の位置関係として、掘削目標面Ｓｔとバケット１０の爪先までの距離（目標面距離Ｈ１）が表示される。目標面距離Ｈ１は掘削目標面Ｓｔを基準に上方向に正の値、下方向に負の値をとる。なお、図６のような表示はモードスイッチＳＷでＭＣ機能を加除した状態でも表示装置ＤＳに表示させることができ、オペレータはこの表示を参考に作業装置１Ａを操作することができる（いわゆるマシンガイダンス機能）。

−コントローラ（機能）−
図７はコントローラ４０の機能ブロック図、図８はＭＣにより制御されたバケット爪先の軌跡の一例を示す図である。

図７に示すように、コントローラ４０のＣＰＵ４２には、操作量演算部４２Ａ、姿勢演算部４２Ｂ、目標面演算部４２Ｃ、制限速度演算部４２Ｄ、電磁減圧弁制御部４２Ｅ、表示制御部４２Ｆが含まれている。操作量演算部４２Ａ、姿勢演算部４２Ｂ、目標面演算部４２Ｃ、制限速度演算部４２Ｄ、電磁減圧弁制御部４２Ｅ、表示制御部４２Ｆは、図式化して表したコントローラ４０におけるＣＰＵ４２の機能である。電磁減圧弁制御部４２Ｅには更に、制限パイロット圧演算部４２ａ、制限パイロット圧介入決定部４２ｂ（以下、介入決定部４２ｂと略称する）、バルブ指令演算部４２ｃが含まれている。

（１）操作量演算部
操作量演算部４２Ａでは、操作センサＰ（圧力センサＰ１〜Ｐ６）の検出値を基に操作レバー装置Ａ１，Ａ２，Ａ３（操作レバーＢ１，Ｂ２）の操作量が算出される。圧力センサＰ１の検出値からはブーム上げの操作量、圧力センサＰ２の検出値からはブーム下げの操作量が算出される。圧力センサＰ３の検出値からはアームクラウド（アーム引き）の操作量、圧力センサＰ４の検出値からはアームダンプ（アーム押し）の操作量が算出される。圧力センサＰ５の検出値からはバケットクラウドの操作量、圧力センサＰ６の検出値からはバケットダンプの操作量が算出される。こうして操作量演算部４２Ａで圧力センサＰ１〜Ｐ６の検出値から変換された操作量は制限速度演算部４２Ｄに出力される。

なお、圧力センサＰ１〜Ｐ６による操作量の算出は一例に過ぎず、例えば各操作レバー装置Ａ１〜Ａ３の操作レバーの回転変位を検出する位置センサ（例えばロータリーエンコーダ）で操作レバーの操作量を検出する構成としても良い。

（２）姿勢演算部
姿勢演算部４２Ｂでは、姿勢センサＲの検出信号に基づき、ローカル座標系における作業装置１Ａの姿勢とバケット１０の爪先の位置が演算される。バケット１０の爪先の位置（Ｘｂｋ，Ｚｂｋ）は、既述の通り式（１）及び式（２）により演算できる。グローバル座標系における作業装置１Ａの姿勢と、バケット１０の爪先の位置が必要な場合、姿勢演算部４２Ｂは、ＧＮＳＳアンテナＧ１，Ｇ２の信号から旋回体１２のグローバル座標系における位置と姿勢を算出してローカル座標系をグローバル座標系に変換する。

（３）目標面演算部
目標面演算部４２Ｃでは、目標面設定装置Ｔｓを介して入力される情報に基づいて掘削目標面Ｓｔの位置情報が演算され、演算された掘削目標面Ｓｔの位置情報がＲＡＭ４４に記録される。本実施形態では、目標面設定装置Ｔｓを介して３次元データで提供される掘削目標面を作業装置１Ａが移動する平面（作業装置の動作平面）で切断した断面（先に図４に示したような２次元の掘削目標面）の情報が掘削目標面Ｓｔの位置情報として演算される。

なお、図４の例では掘削目標面Ｓｔは１つだが、掘削目標面が複数存在する場合もある。掘削目標面が複数存在する場合には、例えば、バケット爪先に最も近いものを掘削目標面と設定する方法、バケット爪先の鉛直下方に位置するものを掘削目標面とする方法、任意に選択したものを掘削目標面とする方法等がある。

（４）制限速度演算部
制限速度演算部４２Ｄでは、作業装置１Ａで掘削目標面Ｓｔを超えて地面を掘削しないように、姿勢センサＲの信号を基にＭＣ時（領域制限制御時）のブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の各制限速度（伸長速度の制限値）が演算される。本実施形態では、まず操作量演算部４２Ａから入力される操作レバー装置Ａ１〜Ａ３の操作量を基にブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の一次目標速度がそれぞれ計算される。次にこれら一次目標速度と、姿勢演算部４２Ｂで求めたバケット爪先の位置と、ＲＯＭ４３に記憶してある作業装置１Ａの各部寸法（上記Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３等）とからバケット爪先の目標速度ベクトルＶｃ（図８）が求められる。そして、バケット１０が降下して目標面距離Ｈ１がゼロに近付くにつれて目標速度ベクトルＶｃの掘削目標面Ｓｔとの直交成分Ｖｃｙがゼロに近付くように、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の１つ以上の一次目標速度が制限補正される。このようにてブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の制限速度を演算することで、オペレータの操作に応じたバケット爪先の目標速度ベクトルＶｃが図８に示したようにＶｃａ（図８）に変換（方向変換制御）される。目標面距離Ｈ１がゼロの場合の速度ベクトルＶｃａ（≠０）は掘削目標面Ｓｔに平行な成分Ｖｃｘのみになる。これにより掘削目標面Ｓｔより下側の領域にバケット爪先が侵入しないように、掘削目標面Ｓｔから上の領域にバケット爪先が保持される。

このとき、方向変換制御は、ブーム上げ又はブーム下げとアームクラウドとの組み合わせにより実行される場合と、ブーム上げ又はブーム下げとアームダンプとの組み合わせにより実行される場合とがある。いずれの場合においても、目標速度ベクトルＶｃが掘削目標面Ｓｔに接近する下向き成分（Ｖｃｙ＜０）を含むとき、制限速度演算部４２Ｄでは、その下向き成分を打ち消すブーム上げ方向のブームシリンダ５の制限速度が演算される。反対に目標速度ベクトルＶｃが掘削目標面Ｓｔから離れる上向き成分（Ｖｃｙ＞０）を含むとき、制限速度演算部４２Ｄでは、その上向き成分を打ち消すブーム下げ方向のブームシリンダ５の制限速度が演算される。また、ブーム動作用の電磁減圧弁Ｖ２，Ｖ１’等の応答遅れを加味し、アームクラウド操作直後はアームクラウドの制限速度の増加率を制限して出力するようにする。アームクダンプ操作直後も同じくアームクダンプの制限速度の増加率を制限して出力するようにする。

なお、領域制限制御が行われない場合、制限速度演算部４２Ｄでは、操作レバー装置Ａ１〜Ａ３の操作に応じた各油圧シリンダの制限速度（一次目標速度）がそのまま制限速度として演算され出力される。

制限速度演算部４２Ｄで演算された制限速度は、制限パイロット圧演算部４２ａに出力される。

（５）制限パイロット圧演算部
制限パイロット圧演算部４２ａでは、制限速度演算部４２Ｄで算出された各制限速度を基にブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に各対応する流量制御弁Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３への制限パイロット圧Ｐｒ１が演算される。制限パイロット圧演算部４２ａで演算された制限パイロット圧Ｐｒ１は、介入決定部４２ｂに出力される。

（６）制限パイロット圧介入決定部
介入決定部４２ｂでは、制限パイロット圧演算部４２ａで演算された制限パイロット圧Ｐｒ１を基に、一定条件下で必要に応じて変更が加えられて最終的な制限パイロット圧ＲＰｒ２が決定される。具体的には、ブーム下げ、アームダンプ及びアームクラウドについてＭＣによる動作速度の制限を抑えたい状況下で、制限パイロット圧演算部４２ａで演算された流量制御弁Ｄ１，Ｄ２の受圧室Ｅ２〜Ｅ４に対する制限パイロット圧Ｐｒ２が増加方向に変更される。介入決定部４２ｂの機能に伴い、ＭＣによりアクチュエータ速度が制限される状況下においても一定条件下で電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度がＭＣによる本来の開度（制限速度演算部４２Ｄで演算された制限速度に基づく開度）から増加する。この場合、ブーム下げ、アームダンプ及びアームクラウドの各動作についてＭＣによる制限が緩和される。介入決定部４２ｂにおける制限パイロット圧の変更は、目標面距離Ｈ１、ブーム上げ操作の状況、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げの各動作にそれぞれ対応する制限パイロット圧に基づいて実行される。制限パイロット圧の変更を要しない場合は、介入決定部４２ｂで決定される制限パイロット圧Ｐｒ２は、制限パイロット圧演算部４２ａで演算された制限パイロット圧Ｐｒ１（制限速度演算部４２Ｄで演算された制限速度に基づくパイロット圧）となる。介入決定部４２ｂにおける処理内容については図９を用いて後述する。

（７）バルブ指令演算部
バルブ指令演算部４２ｃでは、介入決定部４２ｂで決定した制限パイロット圧Ｐｒ２に基づく電気信号が演算され、それぞれ電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’に出力される。バルブ指令演算部４２ｃから出力された電気信号で各ソレノイドが励磁されて電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’が作動し、流量制御弁Ｄ１〜Ｄ３に作用するパイロット圧が状況に応じて制限パイロット圧Ｐｒ２で制限される。例えばオペレータがアームクラウド動作による水平掘削を意図して操作レバー装置Ａ２を操作した場合には、バケット爪先が掘削目標面Ｓｔの下方領域に侵入しないように状況に応じて電磁減圧弁Ｖ１’，Ｖ３が制御される。この場合、オペレータの操作に応じたアームクラウド動作にアームクラウドの減速動作やブーム上げ動作が自動的に合成され、コントローラ４０のアシストを得てアームクラウド操作のみで水平掘削動作が実行される。その一方で、操作レバー装置Ａ１からブーム上げ操作信号が出力されている間、図９で後述するように介入決定部４２ｂの目標パイロット圧の介入決定により電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度が制限速度に基づく開度よりも大きく決定される。これにより本来的にはＭＣにより動作速度が制限される条件下でも、アームクラウド、アームダンプ及びブーム下げの各動作については制限が緩和される。

−電磁弁開度決定手順−
図９は介入決定部４２ｂによるアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについての制限パイロット圧Ｐｒ２の決定手順を表すフローチャートである。介入決定部４２ｂは所定の周期（例えば１ｍｓ）で図９の処理を繰り返し実行する。介入決定部４２ｂは、操作レバー装置Ａ１によりブーム上げ操作がされている間、アームクラウド及びアームダンプの動作について制限パイロット圧Ｐｒ２の設定を最大圧力Ｐｍａｘまで増加させる特徴的機能を備えている。最大圧力Ｐｍａｘは、図３の回路において流量制御弁Ｄ１，Ｄ２の受圧室Ｅ２〜Ｅ４に出力し得る最大の圧力であり、制限パイロット圧演算部４２ａで制限速度に基づいて演算された制限パイロット圧Ｐｒ１よりも高い。

同図の処理を開始すると、介入決定部４２ｂは、姿勢演算部４２Ｂから入力される目標面距離Ｈ１に基づいて掘削目標面Ｓｔからバケット爪先が十分に離れているかを判定する（ステップＳ３０１）。ここではＨ１≧Ｈｔｈであるか否かで掘削目標面Ｓｔからバケット爪先が十分離れているかを判定する。Ｈｔｈは目標面距離Ｈ１について予め設定された設定距離（＞０）である。また、ＭＣにより電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’が制御される（ＭＣによる作業装置１Ａの動作制限がかかる）領域を規定する掘削目標面Ｓｔからバケット爪先の設定距離をＨ２とすると、Ｈ２≦Ｈｔｈである。ＭＣを適正に機能させる観点ではＨ２＜Ｈｔｈであることが望ましい。介入決定部４２ｂは、Ｈ１≧Ｈｔｈであれば掘削目標面Ｓｔからバケット爪先が十分離れていると判定してステップＳ３０２に手順を移し、Ｈ１＜Ｈｔｈであれば掘削目標面Ｓｔからバケット爪先が近いと判定してステップＳ３０３に手順を移す。

Ｈ１≧Ｈｔｈの場合、介入決定部４２ｂは、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度を最大開度にすべく流量制御弁Ｄ１，Ｄ２の受圧室Ｅ２〜Ｅ４に対する制限パイロット圧Ｐｒ２が無条件で最大圧力Ｐｍａｘに決定される（ステップＳ３０２）。

Ｈ１＜Ｈｔｈの場合、介入決定部４２ｂは、圧力センサＰ１の検出信号（圧力）Ｐ０に基づいてブーム上げ操作がされているかを判定する（ステップＳ３０３）。ここではＰ０≧Ｐｔｈであるか否かでブーム上げ操作がされているかを判定する。Ｐｔｈは圧力センサＰ１の検出信号Ｐ０について予め設定されてＲＯＭ４３に記憶された閾値であり、ブーム８が上昇し始めるパイロット圧である。介入決定部４２ｂは、Ｐ０≧Ｐｔｈの場合はブーム上げ操作がされていると判定してステップＳ３０２に手順を移し、Ｐ０＜Ｐｔｈであればブーム上げ操作がされていないと判定してステップＳ３０４に手順を移す。結果、ブーム上げ操作中においては、無条件で電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４が最大開度で待機した状態となり、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げの各操作については目標面距離Ｈ１によらずＭＣが解除される。従って、ブーム上げ操作と同時に例えばアームクラウド操作又はアームダンプ操作をした場合には、ＭＣ機能による制限を受けることなくアーム９をクラウド方向又はダンプ方向に操作に応じた速度で動かせるようになる。

他方、掘削目標面Ｓｔにバケット爪先が接近していてブーム上げ操作もない場合、介入決定部４２ｂは、ブーム上げについて無操作継続時間Ｔｂｍ［ｓ］がＴｔｈ［ｓ］未満であるかを判定する（ステップＳ３０４）。Ｔｔｈは無操作継続時間Ｔｂｍについて予め設定されてＲＯＭ４３に記憶されている閾値としての予め設定された所定時間である。ここでは圧力センサＰ１の検出信号Ｐ０がＰｔｈ以上からＰｔｈ未満となった時点をＴｂｍ＝０として、これ以降の経過時間（＝Ｔｂｍ）がＴｔｈ未満かが判定される。介入決定部４２ｂでは、Ｔｂｍ＜ＴｔｈであればステップＳ３０５に手順が移り、Ｔｂｍ≧ＴｔｈであればステップＳ３０６に手順が移る。

ブーム上げ操作が停止して所定時間Ｔｔｈが到来するまで（Ｔｂｍ＜Ｔｔｈ）は、介入決定部４２ｂでは、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げについて無操作継続時間Ｔｂｍに応じた遷移圧力Ｐｓが計算される。そして、これら遷移圧力Ｐｓがアームクラウド、アームダンプ、ブーム下げについての制限パイロット圧Ｐｒ２として決定される（ステップＳ３０５）。詳細は後述するが、ここで計算される遷移圧力Ｐｓは、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度を最大開度（ＭＣ解除状態の開度）から制限パイロット圧Ｐｒ１に応じた開度（ＭＣ機能状態の開度）に所定時間Ｔｔｈをかけて戻す（例えば単調に減少させる）ための値である。制限パイロット圧として遷移圧力Ｐｓが設定される間については、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げについてＭＣ機能は半解除状態となる（時間経過に伴ってＭＣによる制限が強くなっていく状態である）。

無操作継続時間Ｔｂｍが所定時間Ｔｔｈに達したら、介入決定部４２ｂでは、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げについて制限パイロット圧演算部４２ａで演算された制限パイロット圧Ｐｒ１が閾値Ｐｔｈ２未満かどうかが判定される（ステップＳ３０６）。Ｐｔｈ２はアームクラウド、アームダンプ、ブーム下げの各動作に関して制限パイロット圧演算部４２ａで演算された制限パイロット圧Ｐｒ１について各々予め設定された閾値であり、例えばアームクラウド、アームダンプ、ブーム下げの各動作が始まる圧力である。アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げの動作毎に制限パイロット圧Ｐｒ１は異なり得るため、ステップＳ３０６の判定結果も動作によって異なり得る。図９ではアームクラウド、アームダンプ、ブーム下げの各動作についてフローチャートを兼ねているが、厳密にはこれら３つの動作について図９の手順が個別に実行される。

制限パイロット圧がＰｔｈ２未満の場合、介入決定部４２ｂでは、最小圧力Ｐｍｉｎが制限パイロット圧Ｐｒ２に決定される（ステップＳ３０７）。制限パイロット圧Ｐｒ１がＰｔｈ２以上の場合、介入決定部４２ｂでは、制限パイロット圧Ｐｒ１が制限パイロット圧Ｐｒ２に決定される（ステップＳ３０８）。ステップＳ３０６−Ｓ３０８の手順ではＭＣが通常に機能する。

ステップＳ３０２，Ｓ３０５，Ｓ３０７，Ｓ３０９において制限パイロット圧Ｐｒ２が決定したら、介入決定部４２ｂでは、決定した制限パイロット圧Ｐｒ２がバルブ指令演算部４２ｃに出力され、ステップＳ３０１に手順が戻る（ステップＳ３０９）。

−遷移圧力演算方法−
図１０は介入決定部４２ｂによる図９のフローチャートのステップＳ３０５における遷移圧力の演算ロジックを表すブロック線図である。図１０の演算ロジックによりブーム下げ、アームクラウド、アームダンプの各動作について過渡的な制限パイロット圧としての遷移圧力が演算される。ここでは図１０を用いてアームクラウド動作に関して遷移圧力を演算する場合を代表して説明するが、アームダンプ及びブーム下げの各動作についての遷移圧力の演算も同様である。

遷移圧力の演算に当たっては、まず操作量演算部４２Ａで演算されたブーム上げパイロット圧が入力され（Ｓ１）、ブーム上げパイロット圧がＰｔｈからＰｔｈ未満となった時点からの経過時間（無操作継続時間Ｔｂｍ）が演算される（Ｓ２）。無操作継続時間Ｔｂｍはブーム上げパイロット圧がＰｔｈ以上となる度にゼロにリセットされる。演算された無操作継続時間Ｔｂｍは圧力比率テーブルに入力され、圧力比率テーブルに基づいて圧力比率δ（図１１）が演算される（Ｓ３）。圧力比率δとは、遷移圧力Ｐｓに占めるアームクラウドについての制限パイロット圧Ｐｒ１（目標速度に応じた値）の割合である。圧力比率テーブルは、ブーム上げの無操作継続時間Ｔｂｍがゼロから所定時間Ｔｔｈに至る間に０（最小）から１．０（最大）まで圧力比率δが増加するように設定されている（図１１）。また、アームクラウドについての制限パイロット圧Ｐｒ１が入力され（Ｓ４）、圧力比率テーブルに基づいて演算された圧力比率δが制限パイロット圧Ｐｒ１に乗算される（Ｓ５）。また、アームクラウド動作に関して流量制御弁Ｄ２の受圧室Ｅ３に作用し得る規定の最大圧力ＰｍａｘがＲＯＭ４３から入力され（Ｓ６）、この値に（１−δ）が乗算される（Ｓ７）。最大圧力Ｐｍａｘと（１−δ）の乗算値は、制限パイロット圧Ｐｒ１とδの乗算値に加算されて（Ｓ８）遷移圧力Ｐｓとして出力される（Ｓ９）。

図１１は図９の手順で演算される制限パイロット圧Ｐｒ２とブーム上げ操作との関係を表す図である。同図に示すように、ブーム上げ操作中は最大圧力Ｐｍａｘが制限パイロット圧Ｐｒ２、ブーム上げ操作停止後所定時間Ｔｔｈは遷移圧力Ｐｓが制限パイロット圧Ｐｒ２となる。ブーム上げ操作が停止して所定時間Ｔｔｈが経過した後は、制限パイロット圧Ｐｒ１が制限パイロット圧Ｐｒ２となる。図１１における制限パイロット圧Ｐｒ１の変動は一例である。遷移圧力Ｐｓの演算に関し、圧力比率δは、ブーム上げパイロット圧が操作状態（Ｐｔｈ以上）から非操作状態（Ｐｔｈ未満）となってから所定時間Ｔｔｈで０から１．０まで単調増加するように規定されている。このように圧力比テーブルを規定することで、図１１に示したようにブーム上げ操作を停止すると、目標面距離Ｈ１がＨｔｈ未満の条件下では所定時間Ｔｔｈで遷移圧力Ｐｓは最大圧力Ｐｍａｘから制限パイロット圧Ｐｒ１まで単調に減少する。

−動作−
本実施形態においては、電磁弁ユニット１６０のブーム下げ、アームクラウド、アームダンプに関して電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の制御に特徴がある。以下に電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の動作について条件毎に説明する。

（１）掘削目標面Ｓｔからバケット爪先が十分に離れている場合
姿勢演算部４２Ｂで演算される目標面距離Ｈ１がＨｔｈ以上の場合、掘削目標面Ｓｔに作業装置１Ａが干渉する恐れがなく、オペレータの操作に介入してブーム下げ、アームクラウド、アームダンプの減速制御を実行する必要がない。そのため、アームクラウド、アームダンプ、及びブーム下げの制限パイロット圧Ｐｒ２に操作量によらず最大圧力Ｐｍａｘが設定され、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４が開放される方向に制御される（本例では開放される）。これによりオペレータの操作に応じて操作レバー装置Ａ１，Ａ２で生成されるパイロット圧が流量制御弁Ｄ２，Ｄ３の受圧室Ｅ２〜Ｅ４に作用し、オペレータの操作に応じた速度でブームやアームが動作する。

（２）バケット爪先が掘削目標面Ｓｔに接近している場合
目標面距離Ｈ１がＨｔｈ未満の状況でも、ブーム上げ操作がされている間、アームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについて操作量によらず制限パイロット圧Ｐｒ２に最大圧力Ｐｍａｘが設定され、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４が開放される。本実施形態ではブーム上げ操作が行われたことがトリガとなって、モードスイッチＳＷ（図５）の操作がなくても目標面距離Ｈ１に関わらず、アームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについて自動的にＭＣが解除される。これによりオペレータの操作に応じて操作レバー装置Ａ１，Ａ２で生成されるパイロット圧が流量制御弁Ｄ２，Ｄ３の受圧室Ｅ２〜Ｅ４に作用し、オペレータの操作に応じた速度でブーム８やアーム９が動作する。

また、本実施形態においては、ブーム上げ操作を停止した際、目標面距離Ｈ１がＨｔｈ未満であれば電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の動作はＭＣ下の動作に直ちには復帰しない。ブーム上げ操作の停止から所定時間Ｔｔｈは、アームクラウド、アームダンプ及びブーム下げの各動作について操作量によらず制限パイロット圧Ｐｒ２に遷移圧力Ｐｓが設定される。これにより電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４についてはＭＣの半解除状態となり、オペレータの操作に応じてブーム８やアーム９が動作する状態から時間経過に伴ってＭＣによる動作制限の効き方が強くなる。ブーム上げ操作がないまま所定時間Ｔｔｈが経過すると電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の動作は通常のＭＣ下の動作に復帰する。

−効果−
（１）本実施形態では、操作レバー装置Ａ１によりブーム上げ操作がされている間、アームクラウド及びアームダンプの動作に対応する電磁減圧弁Ｖ２，Ｖ３の開度を制限速度に基づく開度（本実施形態では最大開度）よりも大きくする。これにより、ＭＣ制御に介入して掘削目標面Ｓｔ付近で応答良く作業装置１Ａのアームクラウド及びアームダンプの動作を含む転圧作業等の作業を円滑にすることができる。

ＭＣによるアシストを要する場面では主にアーム操作が行われ、一般にブーム上げ操作は行われない。この点に着眼し、本実施形態ではブーム上げ操作が行われたことをトリガとして、例えばモードスイッチＳＷを操作しなくても目標面距離Ｈ１に関わらず特定の電磁減圧弁について自動的にＭＣが解除されるようにした。本実施形態では整地（ＭＣ）を意図しない転圧作業等を想定し、これら作業に関連の強い電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４を開放することとしている。この場合、掘削目標面Ｓｔの近傍でブーム上げ操作で掘削目標面Ｓｔとバケット１０との距離をとってからアーム操作で位置合わせを行う際、ＭＣ時でも操作に応じた速度でアーム９が動作して作業効率が向上し、オペレータの心理的疲労も軽減される。ブーム上げとアームクラウド（又はダンプ）の複合操作でバケット１０の位置合わせを行う際にも同様の効果が得られる。

（２）本実施形態では、ブーム上げ操作の停止後、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度を単調に減少させ、ブーム上げ操作の停止から所定時間Ｔｔｈで制限パイロット圧Ｐｒ１に基づく開度に復帰させる。これにより例えば転圧作業時におけるブーム上げ後のブーム下げ動作もＭＣによる制限が抑えられ、作業効率の向上や、オペレータの心理的疲労軽減の効果が大きい。

また、所定時間Ｔｔｈが長い程、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度がＭＣ下での値より大きくなる時間が長くなるため、ブーム上げ操作後にアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げの応答が改善する時間を長く確保できる。反対に、所定時間Ｔｔｈが短い程、ブーム上げ操作後早期にアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げの動作についてＭＣによる本来の制限が効くようになり、掘削目標面Ｓｔを超えて地面を掘削することを抑制できる。所定時間Ｔｔｈの調整によって作業装置１Ａの応答性と掘削目標面Ｓｔの保護性を柔軟に調整することができる。

＜第２実施形態＞
図１２は本発明の第２実施形態における油圧ショベルに備わったコントローラによるアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについての制限パイロット圧の決定手順を表すフローチャートであって第１実施形態の図９に対応する図である。図１３は図１２の手順で演算される制限パイロット圧Ｐｒ２とブーム上げ操作との関係を表す図であって第１実施形態の図１１に対応する図である。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、介入決定部４２ｂによるアームクラウド、アームダンプ及びブーム下げについての制限パイロット圧Ｐｒ２の決定手順にあり、具体的には遷移圧力の演算手順（図９のステップＳ３０４，Ｓ３０５）を省略した点である。本実施形態では、ステップＳ３０３でブーム上げ操作なしと判定された場合、ブーム上げについての無操作継続時間Ｔｂｍに関係なくステップＳ３０６に手順を移す。従って、目標面距離Ｈ１がＨｔｈ以下の条件では、ブーム上げ操作の停止と同時に制限パイロット圧演算部４２ａで演算された制限パイロット圧Ｐｒ１が制限パイロット圧Ｐｒ２となる。従って、目標面距離Ｈ１がＨｔｈ以下の条件では、ブーム上げ操作の停止後速やかに、電磁減圧弁Ｖ２〜Ｖ４の開度が最大開度から目標速度に応じた開度に変更される。構成及び機能を含めてその他の点について本実施形態は第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、第１実施形態で説明した基本的効果（１）を得ることができ、またブーム上げ操作後において掘削目標面Ｓｔを超えて地面を掘削する可能性を第１実施形態よりも抑制できる。

＜第３実施形態＞
図１４は本発明の第３実施形態における油圧ショベルに備わったコントローラの機能ブロック図であって第１実施形態の図７に対応する図である。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、制限速度演算部４２Ｄに制限速度の補正演算機能としての制限速度補正部４２Ｄａが付加された点である。制限速度補正部４２Ｄａでは、ブーム上げ操作量と、アームクラウド、アームダンプの制限速度に基づいて、制限パイロット圧演算部４２ａに出力するアームクラウド、アームダンプについての制限速度が補正される。具体的には、ブーム上げ操作を停止してから一定時間の間、アームクラウド又はアームダンプについて演算された制限速度がブーム上げ操作を停止してからの経過時間（無操作継続時間Ｔｂｍ）に基づく補正増加率で増加方向に補正される（後述）。

図１５は制限速度補正部４２Ｄａにおけるアームクラウド及びアームダンプについての制限速度の補正演算ロジックを表すブロック線図である。図１５の演算ロジックによりアームクラウド、アームダンプの制限速度が適宜補正されて個々に演算される。ここでは図１５を用いてアームクラウド動作に関する制限速度の演算ロジックを代表して説明するが、アームダンプ動作の制限速度についての演算ロジックも同様である。

制限速度の補正に当たっては、まず操作量演算部４２Ａで演算されたブーム上げパイロット圧が入力され（Ｓ１１）、ブーム上げパイロット圧がＰｔｈからＰｔｈ未満となった時点からの経過時間（無操作継続時間Ｔｂｍ）が演算される（Ｓ１２）。無操作継続時間Ｔｂｍはブーム上げパイロット圧がＰｔｈ以上となる度にゼロにリセットされる。演算された無操作継続時間Ｔｂｍは減速比率テーブルに入力され、減速比率テーブルに基づいて減速比率ε（図１６）が演算される（Ｓ１３）。減速比率εとは、アームクラウド動作について制限速度演算部４２Ｄでアームクラウド操作量と姿勢演算部４２Ｂで求めたバケット爪先の位置に基づいて求められた補正前の制限速度の増加率が、後に求める補正増加率に占める割合である。減速比率テーブルは、ブーム上げの無操作継続時間Ｔｂｍがゼロから予め設定された所定時間ΔＴ’に至る間に０（最小）から１．０（最大）まで減速比率εが増加（本例では線形的に増加）するように規定されている（図１６）。制限速度補正部４２Ｄａでは、アームクラウド動作について制限速度演算部４２Ｄで求められた補正前の制限速度増加率（Ｓ１４）に、減速比率テーブルに基づいて演算された減速比率εが乗算される（Ｓ１５）。

その一方で、アームクラウドについてのブーム上げ操作後制限速度増加率（＝既定値＞補正前の制限速度増加率）が例えばＲＯＭ４３から入力され（Ｓ１６）、この値に比率（１−ε）が乗算される（Ｓ１７）。ブーム上げ操作後制限速度増加率の（１−ε）倍の値と、補正前の制限速度増加率のε倍の値とが加算されて補正増加率が演算される（Ｓ１８）。

そしてアームクラウドについて演算された制限速度（Ｓ１９）について、アームクラウド操作の直後（例えばブーム上げ操作停止後の所定時間ΔＴ’）に限ってアームクラウドについて補正前の制限速度が前述した補正増加率で増加方向に補正される（Ｓ２０）。上記の通り、ブーム上げ操作後一定時間は、経過時間が短い程、補正前の制限速度よりも大きなブーム上げ操作後制限速度増加率が強く影響し、大きく増加補正される。他方、アームクラウド操作の直後を除き（例えばブーム上げ操作停止後の所定時間ΔＴ’以外）、アームクラウドについての制限速度は補正されない。このようにして制限速度演算部４２Ｄにおいて制限速度補正部４２Ｄａにより必要に応じて増加補正された制限速度が制限パイロット圧演算部４２ａに出力され（Ｓ２１）、制限パイロット圧演算部４２ａで制限パイロット圧Ｐｒ１に変換される。

図１６は本実施形態における油圧ショベルに備わったコントローラ（介入決定部４２ｂ）で演算されるアームクラウド等の制限パイロット圧のブーム上げ操作との関係を表す図である。図１６では介入決定部４２ｂにおいて図１３（第２実施形態）に示した態様で制限パイロット圧を演算した場合を例示しているが、本実施形態による制限速度の演算方法は第１実施形態にも当然に適用できる。

図１６に示すように、ブーム上げ操作の停止後一定時間は制限速度の補正をしない場合に比べて制限パイロット圧Ｐｒ２が大きく演算され、電磁減圧弁Ｖ３，Ｖ４の開度も増加する。第１及び第２実施形態では一定条件下で見かけ上の制限パイロット圧を増加させることで電磁減圧弁の開度を増加させたが、本例のように見かけ上の制限速度を増加させることで電磁減圧弁の開度を上げることができる。制限速度の補正を組み合わせることで、制限パイロット圧Ｐｒ２の制御態様のバリエーションが増し、より柔軟な操作性の実現に寄与し得る。

＜変形例＞
第１及び第２実施形態では、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げを制限パイロット圧Ｐｒ２の切換制御の対象とした場合を例に挙げて説明した。しかし、アームクラウドとアームダンプのみが応答遅れ改善の対象であれば、ブーム下げについては制限パイロット圧Ｐｒ２の切換制御の対象から外しても良い。反対にバケットダンプやバケットクラウドについての応答遅れの改善も必要であれば、これらを対象に含めることもできる。バケットクラウドやバケットダンプについても、アームクラウド等と同じように制限パイロット圧を演算し、電磁減圧弁の作動度合を制御すれば良い。この場合、δ，ε，Ｔｔｈ，Ｐｔｈ，Ｈｔｈの各パラメータについては、アームクラウド、アームダンプ、ブーム下げ、バケットクラウド、バケットダンプで共用しても良いし別個の値を設定しても良い。なお、強制ブーム上げについての電磁減圧弁Ｖ１’について特に説明していないが、電磁減圧弁Ｖ３等と同様に制御することもできるが、例えばＭＣ解除時、半解除時（例えば図１１におけるＴｈｔ以前）は消磁状態（開度０）としておくことができる。

１…油圧ショベル、１Ａ…作業装置、２…油圧ポンプ、５…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）、６…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）、７…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１５…制御弁ユニット、４０…コントローラ、４２ｂ…制限パイロット圧介入決定部、４２Ｄ…制限速度演算部、１６０…電磁弁ユニット、Ａ１〜Ａ６…操作レバー装置、Ｒ１〜Ｒ３…角度センサ（姿勢センサ）、Ｒ４…車体傾斜角センサ（姿勢センサ）、Ｓｔ…掘削目標面，Ｔｔｈ…所定時間、Ｖ２〜Ｖ６，Ｖ１’，Ｖ５’，Ｖ６’…電磁減圧弁、ΔＴ’…一定時間

Claims (5)

1. ブーム及びアームを含んで構成された多関節型の作業装置と、
   前記ブームを駆動するブームシリンダを含む作業装置駆動用の複数の油圧アクチュエータと、
   前記作業装置の姿勢を検出する複数の姿勢センサと、
   前記複数の油圧アクチュエータを駆動する圧油を吐出する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する制御弁ユニットと、
   パイロットポンプの吐出圧を元圧として前記制御弁ユニットを駆動するパイロット圧を出力する複数の操作レバー装置と、
   前記複数の操作レバー装置及び前記制御弁ユニットの間に設けた複数の電磁減圧弁を含んで構成された電磁弁ユニットと、
   前記複数の姿勢センサの信号を基に前記複数の油圧アクチュエータの制限速度を演算し、前記制限速度に基づいて、掘削目標面を超えて地面を掘削しないように前記電磁減圧弁の開度を制御するコントローラとを備えた油圧ショベルにおいて、
   前記コントローラは、前記操作レバー装置からブーム上げ操作信号が出力されている間、前記電磁弁ユニットに含まれるアームクラウド及びアームダンプの動作に対応する電磁減圧弁の開度を前記制限速度に基づく開度よりも大きくなるように制御することを特徴とする油圧ショベル。
2. 請求項１に記載の油圧ショベルにおいて、前記コントローラは、前記アームクラウド及びアームダンプの動作に対応する電磁減圧弁の開度を前記制限速度に基づく開度よりも大きくなるように制御する際、ブーム下げの動作に対応する電磁減圧弁の開度も前記制限速度に基づく開度より大きくなるように制御することを特徴とする油圧ショベル。
3. 請求項１に記載の油圧ショベルにおいて、前記コントローラは、前記操作レバー装置からブーム上げ操作信号が出力されている間、前記アームクラウド及びアームダンプの動作に対応する電磁減圧弁を開放する方向に制御することを特徴とする油圧ショベル。
4. 請求項３に記載の油圧ショベルにおいて、前記コントローラは、前記ブーム上げ操作の停止後、前記アームクラウド及びアームダンプの動作に対応する電磁減圧弁の開度を単調に減少するように制御し、前記ブーム上げ操作の停止後所定時間で前記制限速度に基づく開度に復帰させるように制御することを特徴とする油圧ショベル。
5. 請求項１に記載の油圧ショベルにおいて、前記コントローラは、ブーム上げ操作を停止してから一定時間の間、アームクラウド又はアームダンプについて演算した制限速度をブーム上げ操作を停止してからの経過時間に基づく補正増加率で増加方向に補正することを特徴とする油圧ショベル。

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