JP3306301B2 - 建設機械のフロント制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多関節型のフロント
装置を備えた建設機械、特にアーム、ブーム、バケット
等の複数のフロント部材からなるフロント装置を備えた
油圧ショベル等の建設機械において、フロント装置の動
き得る領域を制限する領域制限掘削制御、フロント装置
の先端を所定の軌跡に沿って移動させる軌跡制御等、少
なくとも１つの操作レバー装置の信号を補正し、フロン
ト装置の動作を制御する建設機械のフロント制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】建設機械の代表例に油圧ショベルがあ
る。油圧ショベルではオペレータがフロント装置を構成
するブーム、アームなどのフロント部材をそれぞれの手
動操作レバーによって操作している。これらフロント部
材はそれぞれが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所定の
領域を掘削したり、所定の平面を掘削することは、非常
に困難な作業である。また、掘削範囲を広くとるためフ
ロントにオフセット（第２ブーム）を備えた油圧ショベ
ルや、車幅内で旋回可能な超小旋回形の油圧ショベルが
あるが、このような油圧ショベルでは、姿勢によっては
フロントがキャブに干渉する恐れがある。

【０００３】そこで、掘削作業を容易にしたりフロント
のキャブとの干渉を防止するための種々の提案がなされ
ている。

【０００４】例えば、特開平４−１３６３２４号公報で
は、侵入不可領域の手前に減速領域を設定し、フロント
装置の一部、例えばバケットが減速領域に侵入すると、
操作レバーの操作信号を小さくしてフロント装置を減速
し、バケットが侵入不可領域の境界に達すると停止する
ようにしている。

【０００５】また、国際公開公報ＷＯ９５／３００５９
号公報では、掘削領域を設定し、フロント装置の一部、
例えばバケットが掘削領域の境界に近づくとバケットの
掘削領域に向かう方向の動きのみを減速し、バケットが
掘削領域の境界に達するとバケットは掘削領域の外には
出ないが掘削領域の境界に沿っては動けるようにしてい
る。具体的には、そのような制御を実現するため、角度
センサ等の位置検出手段からの信号に基づきブーム、ア
ーム等のフロント部材の位置と姿勢を演算し、操作レバ
ー装置からの信号を用い、その位置と姿勢の演算値に基
づき、ブーム、アーム等のフロント部材が操作レバー装
置からの信号により動かされるときの動作速度（例えば
ブームシリンダ、アームシリンダ等の速度）を推定し、
この推定した動作速度を用いて操作レバー装置からの信
号を補正している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題がある。

【０００７】特開平４−１３６３２４号公報に記載の従
来技術では、バケットが減速領域に侵入すると、操作レ
バーの信号を小さくしてフロント装置を減速し、バケッ
トが侵入不可領域の境界に達するとフロント装置を停止
させるので、バケットを侵入不可領域の境界上で滑らか
に停止させることができる。

【０００８】しかし、この従来技術では、フロント装置
の速度を遅くするとき、バケットの移動方向に係わらず
そのまま速度を遅くしている。このため、侵入不可領域
の境界に沿って掘削をする場合、アームを操作して侵入
不可領域に近づくにつれて侵入不可領域の境界に沿った
方向の掘削速度も遅くなり、その都度、ブームレバーを
操作してバケットを侵入不可領域から離し、掘削速度が
遅くなるのを防止しなければならない。その結果、侵入
不可領域に沿って掘削する場合には、極端に能率が悪く
なる。

【０００９】国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報
に記載の従来技術では、バケットが掘削領域の境界に近
づくとバケットの掘削領域に向かう方向の動きのみを減
速し、バケットが掘削領域の境界に達するとバケットは
掘削領域の外には出ないが掘削領域の境界に沿っては動
けるようにしているので、上記従来技術の欠点を解決
し、領域を制限した掘削を能率良く円滑に行うことがで
きる。

【００１０】ところで、上記従来技術では、ブーム、ア
ーム等のフロント部材の動作速度を推定するのに操作レ
バー装置の信号（操作信号）を用い、ブームシリンダ、
アームシリンダ等の速度を推定している。

【００１１】一般に、ブームシリンダ、アームシリンダ
等のアクチュエータはそれぞれの流量制御弁によって圧
油の供給流量が制御され、速度が制御されるが、流量制
御弁の入力信号（開口面積）に対する供給流量の流量特
性は負荷圧、油温等の影響を受け、一定ではない。例え
ば、同じ入力信号（開口面積）であっても、アクチュエ
ータの負荷圧が増大すると圧油がアクチュエータに行き
難くなり、供給流量が減少し、アクチュエータの速度が
減少する。また、油温が低下すれば、油の粘度が増大
し、同じ入力信号（開口面積）であっても供給流量が減
少し、アクチュエータの速度は減少する。

【００１２】このため、操作信号を用いてアクチュエー
タの速度を推定している上記従来技術では、負荷圧、油
温等が変化すると流量制御弁の流量特性が変化し、制御
精度が低下したり、制御ゲインの変化による不安定さに
起因してハンチングが生じることがある。また、仮に流
量制御弁の前後に負荷補償弁などが設置されている場合
でも、負荷補償弁の精度や油温の変化の影響は避けられ
ない。

【００１３】本発明の目的は、負荷や油温など、流量制
御弁の流量特性に影響を及ぼす負荷、油温等のパラメー
タが変化したとしても、フロント装置の動作を円滑に制
御できる建設機械のフロント制御装置を提供することで
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するために、本発明は、上下方向
に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関
節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動
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
作手段からの信号により駆動され、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
圧制御弁とを有する建設機械に備えられ、前記フロント
装置の位置と姿勢に関する状態量を検出する第１検出手
段と；前記第１検出手段からの信号に基づき前記フロン
ト装置の位置と姿勢を演算する第１演算手段と；前記複
数の操作手段のうちの第１の特定の操作手段からの信号
を用い、前記第１演算手段で演算されたフロント装置の
位置と姿勢に基づき、前記第１の特定の操作手段に対応
する第１の特定の油圧アクチュエータにより駆動される
第１の特定のフロント部材の動作速度を推定する第２演
算手段とを備え、この推定した動作速度を用いて前記フ
ロント装置の動作を制御する建設機械のフロント制御装
置において、前記第２演算手段は、前記第１検出手段か
らの信号により前記第１の特定のフロント部材の実測動
作速度の低周波成分を求める第１演算・フィルタ手段
と、前記第１の特定の操作手段からの信号により前記第
１の特定のフロント部材の指令動作速度の高周波成分を
求める第２演算・フィルタ手段と、前記実測動作速度の
低周波成分と前記指令動作速度の高周波成分とを組み合
わせて前記第１の特定のフロント部材の制御用の動作速
度を推定する合成演算手段とを有するものとする。

【００１５】第１の特定の操作手段の信号から求めた第
１の特定のフロント部材の指令動作速度は、対応する流
量制御弁の実際の流量特性が負荷圧、油温等の影響を受
け一定ではないため、定常時でも第１の特定のフロント
部材の実際の速度に正確には一致していないことが多
い。しかし、第１の特定の操作手段の信号の急激な変化
は正確に反映している。

【００１６】一方、第１検出手段からの信号により実測
して求めた第１の特定のフロント部材の実測動作速度
は、負荷圧、油温等に影響されずに演算される。ただ
し、第１の特定の操作手段による指令から第１の特定の
フロント部材への出力までに遅れがあるため、第１の特
定の操作手段の信号の急激な変化に対しては信頼性がな
い。また、検出値なのである程度ノイズが含まれること
は避けられない。

【００１７】そこで、本発明では、第１演算・フィルタ
手段において、実測して求めた第１の特定のフロント部
材の実測動作速度は、高周波成分は信頼性がないため低
周波成分だけを用い、第２演算・フィルタ手段におい
て、第１の特定の操作手段の信号から求めた第１の特定
のフロント部材の指令動作速度は、実際の流量特性が変
化するため、高周波成分だけを用い、合成演算手段にお
いて、両者を組み合わせて第１の特定のフロント部材の
制御用の動作速度を推定する。これにより、負荷圧や油
温等の変化の影響を受けにくく、信号の遅れや定常誤差
の影響を最小限にした円滑なフロント制御が行える。

【００１８】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記第１演算・フィルタ手段は、前記第１検出手段から
の信号を微分し前記第１の特定のフロント部材の実測動
作速度を求める手段と、この実測動作速度にローパスフ
ィルタ処理を施す手段とを有し、前記第２演算・フィル
タ手段は、前記第１の特定の操作手段からの信号により
前記第１の特定のフロント部材の指令動作速度を求める
手段と、この指令動作速度にハイパスフィルタ処理を施
す手段とを有する。

【００１９】これにより、上記（１）の第１及び第２演
算・フィルタ手段の処理機能を実現できる。

【００２０】（３）上記（２）において、好ましくは、
前記第１演算・フィルタ手段の実測動作速度を求める手
段は、前記第１の特定の操作手段からの信号により前記
第１検出手段からの信号を取り込むための演算サイクル
数を演算するサイクル数演算手段と、最新の演算サイク
ルを含め、前記演算サイクル数分、前記第１検出手段か
らの信号を保存する記憶手段と、前記演算サイクル数を
ｎ、前記最新の演算サイクルにおける第１検出手段から
の信号をα_a、ｎサイクル前の第１検出手段からの信号
をα_a-n、１演算サイクルの周期をＴ、前記第１の特定
のフロント部材の実測動作速度をΩ₁としたとき、 Ω₁＝（α_a−α_a-n）／（Ｔ×ｎ） の式に従って第１の特定のフロント部材の実測動作速度
を演算する手段とを有する。

【００２１】これにより、前記第１演算・フィルタ手段
は第１検出手段からの信号により実測動作速度Ω₁を計
算できる。

【００２２】（４）また、上記（３）において、好まし
くは、前記サイクル数演算手段は、前記第１の特定の操
作手段からの信号が大きくなるにつれて前記演算サイク
ル数が少なくなるよう、当該演算サイクル数ｎを演算す
るものである。

【００２３】上記（３）のように、第１検出手段からの
信号を微分して実測角速度Ω₁を算出するとき、その精
度は何サイクル前の第１検出手段からの出力値を用いて
微分するかによって決まるが、操作手段からの信号の大
きさを目安として、この信号が小さい場合は比較的多い
サイクル前の出力値を用いて微分を行い、また信号が大
きい場合には比較的少ないサイクル前の出力値を用いて
微分を行うことにより、精度がほぼ一定に保たれる。

【００２４】（５）上記（４）において、好ましくは、
前記第２演算・フィルタ手段のハイパスフィルタ処理を
施す手段は、前記第１の特定の操作手段からの信号が大
きくなるにつれて高くなるようカットオフ周波数を演算
し、このカットオフ周波数を用いて前記指令動作速度に
ハイパスフィルタ処理を施すものである。

【００２５】このように操作手段からの信号の大きさに
応じてカットオフ周波数を決め、指令動作速度にハイパ
スフィルタ処理を施したものを、実測角速度と合成して
制御用の動作速度を推定することにより、操作手段から
の信号の大きさに依存する第１検出手段の立ち上がり時
の検出誤差が補正され、立ち上がり時においても正しい
値に近い動作速度が得られる。

【００２６】（６）また、上記（４）において、好まし
くは、前記第１演算・フィルタ手段のローパスフィルタ
処理を施す手段は、前記第１の特定の操作手段からの信
号が大きくなるにつれて高くなるようカットオフ周波数
を演算し、このカットオフ周波数を用いて前記実測動作
速度にローパスフィルタ処理を施すものである。

【００２７】（７）更に、上記（１）において、好まし
くは、前記合成演算手段は、前記指令動作速度の高周波
成分にゲインを掛けた値と前記実測動作速度の低周波成
分との和により上記制御用の動作速度を推定するもので
ある。

【００２８】これにより、第２の特定のフロント部材の
慣性の大小に応じて信号の立ち上がりの遅れの補償の程
度を最適に設定できる。例えば、第２の特定のフロント
部材が油圧ショベルのブームであるとき、ブームは慣性
が大きく、立ち上がりの応答が遅いことが予想される
が、指令動作速度の高周波成分に乗じるゲインを比較的
大きくとり（１以上）、第１の特定のフロント部材（例
えばアーム）の動作速度を立ち上がり時において大きく
見積もることにより、ブームの目標速度も立ち上がり時
には大きめに計算され、遅れに対して補償する効果が得
られる。

【００２９】（８）また、上記（１）において、好まし
くは、本発明のフロント制御装置は、前記複数の操作手
段のうちの第２の特定の操作手段に対応する第２の特定
の油圧アクチュエータの負荷を検出する第２検出手段
と；前記第２演算手段により推定された第１の特定のフ
ロント部材の動作速度と前記第２の検出手段で検出した
負荷とを用いて前記第２の特定の操作手段の信号を補正
する信号補正手段と；を更に備える。

【００３０】このように第２演算手段により推定された
第１の特定のフロント部材の動作速度だけでなく、第２
の検出手段で検出した負荷も用いて第２の特定の操作手
段の信号を補正することにより、第２の特定の操作手段
の信号の補正に際して負荷補償が行え、負荷変動の影響
を受けにくい第２の特定のフロント部材の制御が行え
る。

【００３１】（９）更に、上記（１）において、好まし
くは、本発明のフロント制御装置は、前記フロント装置
の動き得る領域を設定する領域設定手段と；前記第２演
算手段により推定された第１の特定のフロント部材の動
作速度を用い、前記第１演算手段で演算されたフロント
装置の位置と姿勢に基づき、前記フロント装置の動作速
度を推定する第３演算手段と；前記第２の特定のフロン
ト部材を駆動する第２の特定の油圧アクチュエータの負
荷を検出する第２検出手段と；前記第３演算手段により
推定されたフロント装置の動作速度を用い、前記第１演
算手段で演算されたフロント装置の位置と姿勢に基づ
き、前記フロント装置が前記設定領域内でその境界近傍
にあり、前記第１の特定のフロント部材が前記推定した
動作速度で動かされるときに、前記設定領域の境界に接
近する方向の移動速度を制限するのに必要な第２の特定
のフロント部材の動作速度の制限値を演算する第４演算
手段と；前記第２の特定のフロント部材の動作速度が前
記制限値を超えないよう前記第２の特定のフロント部材
に係わる第２の特定の操作手段からの信号を補正する信
号補正手段；とを更に備え；前記信号補正手段は、前記
第２の特定のフロント部材の動作速度の制限値と前記第
２の検出手段で検出した負荷とから、前記第２の特定の
操作手段からの信号の制限値を演算し、前記第２の特定
の操作手段からの信号がこの制限値を越えないよう当該
信号を補正するものである。

【００３２】このように第４演算手段で第２の特定のフ
ロント部材の動作速度の制限値を演算し、信号補正手段
で第２の特定の操作手段からの信号を補正することによ
り、設定領域の境界に対して接近する方向のフロント装
置の動きを減速する方向変換制御が行われ、設定領域の
境界に沿ってフロント装置を動かすことができる。この
ため、領域を制限した掘削を能率良く円滑に行うことが
できる。

【００３３】また、信号補正手段では、第２の特定の操
作手段の信号の補正に際して負荷補償を行うので、負荷
変動の影響を受けにくい第２の特定のフロント部材の制
御が行える。

【００３４】（１０）また、上記（１）において、好ま
しくは、前記合成演算手段は、前記実測動作速度の低周
波成分と前記指令動作速度の高周波成分とを加算する手
段である。

【００３５】（１１）更に、上記（１）において、好ま
しくは、前記第１の特定のフロント部材の実測動作速度
及び指令動作速度は、それぞれ、前記第１の特定の油圧
アクチュエータの速度である。

【００３６】（１２）上記（１）において、前記第１の
特定のフロント部材の実測動作速度及び指令動作速度
は、それぞれ、前記第１の特定のフロント部材の角速度
であってもよい。

【００３７】（１３）また、上記（１）において、好ま
しくは、前記第１の特定のフロント部材は油圧ショベル
のアームであり、前記第２の特定のフロント部材は油圧
ショベルのブームである。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施形
態を、建設機械のフロント制御として油圧ショベルの領
域制限掘削制御を例にとり、図面を用いて説明する。

【００３９】まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図
１０により説明する。

【００４０】図１において、本発明が適用される油圧シ
ョベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧
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１４ａ〜
１４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３
ａ〜３ｆ間に接続され、操作レバー装置１４ａ〜１４ｆ
の操作信号によって制御され、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１５ａ〜１５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁１５
ａ〜１５ｆ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。

【００４１】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３
ｂ、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
部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置１４
ａ〜１４ｆにより指示される。

【００４２】また、操作レバー装置１４ａ〜１４ｆは操
作信号として電気信号（電圧）を出力する電気レバー方
式であり、流量制御弁１５ａ〜１５ｆは両端に電気油圧
変換手段、例えば比例電磁弁を備えた電磁駆動部３０
ａ，３０ｂ〜３５ａ，３５ｂを有し、操作レバー装置１
４ａ〜１４ｆはオペレータの操作量と操作方向に応じた
電圧を電気信号として対応する流量制御弁１５ａ〜１５
ｆの電磁駆動部３０ａ，３０ｂ〜３５ａ，３５ｂへ供給
する。

【００４３】流量制御弁１５ａ〜１５ｆはセンターバイ
パスタイプの流量制御弁であり、各流量制御弁のセンタ
ーバイパス通路はセンターバイパスライン２４２により
直列に接続され、センターバイパスライン２４２の上流
側は供給ライン２４３を介して油圧ポンプ２に接続さ
れ、下流側はタンクに接続されている。

【００４４】以上のような油圧ショベルに本実施形態に
よる領域制限掘削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装置の所定部位、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、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
ームシリンダ３ａの上げ方向作動のボトム側の負荷圧力
を検出する圧力検出器７０と、操作レバー装置１４ａ〜
１４ｆの操作信号、設定器７の設定信号及び角度検出器
８ａ，８ｂ，８ｃ、傾斜角検出器８ｄ、圧力検出器７０
の検出信号を入力し、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、領域を制限した掘削制御を行
うための操作信号の補正を行う制御ユニット９とから構
成されている。

【００４５】設定器７は、操作パネルあるいはグリップ
上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を
制御ユニット９に出力し掘削領域の設定を指示するもの
で、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。また、ＩＣカードによる方法、バーコードに
よる方法、レーザによる方法、無線通信による方法等、
他の方法を用いてもよい。

【００４６】制御ユニット９の制御機能を図３に示す。
制御ユニット９Ａ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、ブーム指令の最
大値演算部９ｊ、ブーム用バルブ指令演算部９ｉ、アー
ム用バルブ指令演算部９ｋの各機能を有している。

【００４７】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で検出したブーム、ア
ーム、バケットの回動角及び車体１Ｂの前後の傾斜角に
基づきフロント装置１Ａの位置と姿勢を演算する。

【００４８】領域設定演算部９ｂ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４を用いて説明する。

【００４９】図４において、オペレータの操作でバケッ
ト１ｃの先端を点Ｐの位置に動かした後、設定器７から
の指示でそのときのバケット１ｃの先端位置を計算し、
更に設定器７で指示された傾斜角ζにより制限領域の境
界Ｌを設定する。

【００５０】ここで、制御ユニット９の記憶装置にはフ
ロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されてお
り、領域設定演算部９ｂはフロント姿勢演算部９ａにて
これらのデータと、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出
した回動角及び傾斜角検出器８ｄで検出した車体１ｂの
傾斜角を用いて点Ｐの位置を計算する。このとき、点Ｐ
の位置は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＹ
座標系の座標値として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに
固定した垂直面内にある直交座標系である。

【００５１】そして、点Ｐの位置と設定器７で指示され
た傾斜角ζにより制限領域の境界Ｌの直線式を立て、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、例えば点Ｐを原点とするＸａＹａ座標系を立て、Ｘ
Ｙ座標系からＸａＹａ座標系への変換データを求める。

【００５２】バケット先端速度の制限値演算部９ｃで
は、バケット先端の境界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。これは制御ユニット９の記憶装置に図５に示すよう
な関係を記憶しておき、この関係を読み出して行う。

【００５３】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
軸の速度制限値ａはＸａＹａ座標系と同じくそれぞれ設
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。

【００５４】なお、バケット先端と設定領域の境界Ｌと
の距離Ｄとバケット先端速度の制限値ａとの関係は直線
的に比例する関係としたが、これに限らず種々の設定が
可能である。

【００５５】アームシリンダ速度演算部９ｄでは、角度
検出器８ｂで検出したアームの回動角を座標変換及び微
分して求めたアームシリンダ速度の低周波成分と、操作
レバー装置１４ｂによる流量制御弁１５ｂへの指令値と
アームの流量制御弁１５ｂの流量特性により求めたアー
ムシリンダ速度の高周波成分との和により、制御用のア
ームシリンダ速度を推定する。

【００５６】図６に、アームシリンダ速度演算部９ｄで
行われる演算処理の詳細を示す。図６において、アーム
シリンダ速度演算部９ｄは、アームシリンダ変位演算部
９ｄ１と、微分演算部９ｄ２と、ローパスフィルタ部９
ｄ３と、流量特性演算部９ｄ４と、ハイパスフィルタ部
９ｄ５と、和算部９ｄ６とからなっている。

【００５７】アームシリンダ変位演算部９ｄ１では、角
度検出器８ｂにより検出したアーム角度を座標変換して
アームシリンダ変位Ｘを求める。次に、微分演算部９ｄ
２では、アームシリンダ変位Ｘを微分してアームシリン
ダ速度Ｖ１を求める。次に、ローパスフィルタ部９ｄ３
では、アームシリンダ速度Ｖ１の低周波成分Ｖ１ｌを求
める。また、流量特性演算部９ｄ４では、アームの指令
値とアームの流量制御弁１５ｂの既知の流量特性により
アームシリンダ速度Ｖ２を求める。次に、ハイパスフィ
ルタ部９ｄ５では、アームシリンダ速度Ｖ２の高周波成
分Ｖ２ｈを求める。更に和算部９ｄ６では、これらアー
ムシリンダ速度の低周波成分Ｖ１ｌと高周波成分Ｖ２ｈ
の和を求め、ブームの制御に用いるべきアームのシリン
ダ速度を推定する。

【００５８】ここで、アームの指令値と流量制御弁１５
ｂの既知の流量特性から求めたアームシリンダ速度Ｖ２
は、流量制御弁１５ｂの実際の流量特性がアームシリン
ダ３ｂの負荷圧、油温等の影響を受け一定ではないた
め、定常時でもアームシリンダ３ｂの実際の速度に正確
には一致していないことが多い。しかし、アームの指令
値の急激な変化は正確に反映している。

【００５９】一方、実測して求めたアームシリンダ速度
Ｖ１は、アームシリンダ３ｂの負荷圧、油温等に影響さ
れずに演算される。ただし、操作レバー装置１４ｂによ
る指令からアームへの出力までに遅れがあるため、アー
ムの指令値の急激な変化に対しては信頼性がない。ま
た、検出値であるためある程度ノイズが含まれることは
避けられない。

【００６０】そこで、アームシリンダ速度演算部９ｄで
は、上記のように、実測して求めたアームシリンダ速度
Ｖ１は、高周波成分は信頼性がないため低周波成分Ｖ１
ｌだけを用い、流量制御弁１５ｂの既知の流量特性から
求めたアームシリンダ速度Ｖ２は、実際の流量特性が変
化するため、高周波成分Ｖ２ｈだけを用い、両者の和に
よりブームの制御に用いるアームシリンダ速度を推定す
る。従って、アームシリンダ３ｂの負荷圧や油温等の変
化の影響を受けにくく、信号の遅れや定常誤差の影響を
最小限にしたアームシリンダ速度の推定が行える。

【００６１】アームによるバケット先端速度演算部９ｅ
では、アームシリンダ速度演算部９ｄで推定した制御用
のアームシリンダ速度とフロント姿勢演算部９ａで求め
たフロント装置１Ａの位置と姿勢により制御用のアーム
によるバケット先端速度ｂを推定する。

【００６２】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で求めたアームによるバケッ
ト先端速度ｂを領域設定演算部９ｂで求めた変換データ
を用いてＸＹ座標系からＸａＹａ座標系へ変換し、アー
ムによるバケット先端速度（ｂｘ，ｂｙ）を演算し、演
算部９ｃで求めたバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成
分の制限値ａとそのアームによるバケット先端速度の境
界Ｌに垂直な成分ｂｙにより、ブームによるバケット先
端速度の境界Ｌに垂直な成分の制限値ｃを演算する。こ
れを図７を用いて説明する。

【００６３】図７において、バケット先端速度の制限値
演算部９ｃで求められる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演
算部９ｅで求められる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ーｂｙ）がブームに
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。

【００６４】制限値ｃの意味について、バケット先端が
設定領域内にある場合、境界上にある場合、設定領域外
にある場合に分けて説明する。

【００６５】バケット先端が設定領域内の場合には、バ
ケット先端速度は、バケット先端の境界Ｌからの距離Ｄ
に比例してバケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制
限値ａに制限され、これよりブームによるバケット先端
速度の境界Ｌに垂直な成分はｃ（＝ａ−ｂｙ）に制限さ
れ、バケット先端速度ｂの境界Ｌに垂直な成分ｂｙがこ
れを越えた場合にはｃに減速される。

【００６６】バケット先端が設定領域の境界Ｌ上にある
場合には、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分の制
限値ａは０となり、設定領域外に向かうアームによるバ
ケット先端速度ｂは速度ｃのブーム上げによる補正動作
によってキャンセルされ、バケット先端速度の境界Ｌに
垂直な成分ｂｙも０となる。

【００６７】バケット先端が領域外の場合には、バケッ
ト先端速度の境界Ｌに垂直な成分はバケット先端の境界
Ｌからの距離Ｄに比例した上向きの速度ａに制限される
ことにより、常に設定領域内に復元するように速度ｃの
ブーム上げによる補正動作が行われる。

【００６８】ブームシリンダ速度の制限値演算部９ｇで
は、ブーム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とフロント装置１Ａの位置と姿勢に基づ
き、上記変換データを用いた座標変換によりブームシリ
ンダ速度の制限値を演算する。

【００６９】ブーム指令の制限演算部９ｈでは、圧力検
出器７０で検出したブームシリンダ３ａの負荷圧と、図
８に示す負荷圧を考慮したブームの流量制御弁１５ａの
流量特性に基づき、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の指令制限値を求める。
このようにブームの指令制限値に対して負荷補償を行う
ことにより、ブームシリンダ３ａの負荷変動の影響を受
けにくいブームの制御が行える。

【００７０】ブーム指令の最大値演算部９ｊでは、演算
部９ｈで求めたブーム指令の制限値と操作レバー装置１
４ａの指令値を比較し、大きい方を出力する。ここで、
操作レバー装置１４ａの指令値はＸａＹａ座標系と同じ
く、設定領域外から設定領域内に向かう方向（ブーム上
げ方向）を（＋）方向としている。また、演算部９ｊで
ブーム指令の制限値と操作レバー装置１４ａの指令値の
大きい方を出力することは、バケット先端が設定領域内
の場合には制限値ｃが（−）であることから両者の絶対
値の小さい方を出力することであり、バケット先端が領
域外の場合には制限値ｃが（＋）であることから、両者
の絶対値の大きい方を出力することである。

【００７１】ブーム用バルブ指令演算部９ｉでは、ブー
ム指令の最大値演算部９ｊから出力された指令値が正の
値の場合には流量制御弁１５ａのブーム上げ駆動部３０
ａに対応する電圧を出力し、ブーム下げ駆動部３０ｂに
は０の電圧を出力し、指令値が負の場合には逆にする。

【００７２】アーム用バルブ指令演算部９ｋでは、操作
レバー装置１４ｂの指令値を入力し、当該指令値が正の
場合には流量制御弁１５ｂのアームクラウド駆動部３１
ａに対応する電圧を出力し、アームダンプ駆動部３１ｂ
には０の電圧を出力し、指令値が負の場合には逆にす
る。

【００７３】以上のように構成した本実施形態の動作を
説明する。作業例として、バケット先端の位置決めを行
おうとしてブーム用操作レバー装置１４ａの操作レバー
をブーム下げ方向に操作してブームを下げる場合（ブー
ム下げ動作）と、手前方向に掘削しようとしてアーム用
操作レバー装置１４ｂの操作レバーをアームクラウド方
向に操作してアームクラウドする場合（アームクラウド
操作）について説明する。

【００７４】バケット先端の位置決めを行おうとしてブ
ーム用操作レバー装置１４ａの操作レバーをブーム下げ
方向に操作するとその操作レバー装置１４ａの指令値が
最大値演算部９ｊに入力される。一方、これと同時に、
演算部９ｃでは図５に示す関係からケット先端と設定領
域の境界Ｌからの距離Ｄに比例したバケット先端速度の
制限値ａ（＜０）が計算され、演算部９ｆではブームに
よるバケット先端速度の制限値ｃ＝ａ（＜０）が計算さ
れ、ブーム指令の制限値演算部９ｈでは制限値ｃに応じ
た負のブーム指令の制限値が計算される。このとき、バ
ケット先端が設定領域の境界Ｌから遠いときは演算部９
ｈで求めたブーム指令の制限値より操作レバー装置１４
ａの指令値の方が大きいので、ブーム指令の最大値演算
部９ｊでは操作レバー装置１４ａの指令値が選択され、
この指令値は負であるので、バルブ指令演算部９ｉでは
流量制御弁１５ａのブーム下げ駆動部３０ｂに対応する
電圧を出力し、ブーム上げ駆動部３０ａには０の電圧を
出力し、これにより操作レバー装置１４ａの指令値に応
じてブームが下がって行く。

【００７５】上記のようにブームが下がり、バケット先
端が設定領域の境界Ｌに近づくにつれて演算部９ｆで計
算されるブームによるバケット先端速度の制限値ｃ＝ａ
（＜０）は大きくなり（｜ａ｜又｜ｃ｜は小さくな
り）、演算部９ｈで求めた対応するブーム指令の制限値
が操作レバー装置１４ａの指令値よりも大きくなると、
ブーム指令の最大値演算部９ｊでは当該制限値が選択さ
れ、バルブ指令演算部９ｉでは制限値ｃに応じて流量制
御弁１５ａのブーム下げ駆動部３０ｂに出力する電圧を
徐々に制限する。これにより、設定領域の境界Ｌに近づ
くにつれてブーム下げ速度が徐々に制限され、バケット
先端が設定領域の境界Ｌに到達するとブームは停止す
る。したがって、バケット先端の位置決めが簡単に滑ら
かにできる。

【００７６】また、上記の補正は速度制御であるため、
フロント装置１Ａの速度が極端に大きかったり、急激に
操作レバー装置１ａを操作した場合には、油圧回路上の
遅れなど制御上の応答遅れやフロント装置１Ａにかかる
慣性力などによりバケット先端が設定領域の境界Ｌから
はみ出す可能性がある。このようにバケット先端がはみ
出した場合、演算部９ｃでは図５に示す関係からバケッ
ト先端と設定領域の境界Ｌからの距離Ｄに比例したバケ
ット先端速度の制限値ａ（＝ｃ）が正の値として計算さ
れ、バルブ指令演算部９ｉでは制限値ｃに応じた電圧を
流量制御弁１５ａのブーム上げ駆動部３０ａに出力す
る。これにより、ブームは距離Ｄに比例した速度で領域
内に復元するように上げ方向に動かされ、バケット先端
が設定領域の境界Ｌまで戻ると停止する。したがって、
バケット先端の位置決めが更に滑らかに行える。

【００７７】また、手前方向に掘削しようとしてアーム
用操作レバー装置１４ｂの操作レバーをアームクラウド
方向に操作するとその操作レバー装置１４ｂの指令値が
アーム用バルブ指令演算部９ｋに入力され、流量制御弁
１５ｂのアームクラウド駆動部３１ａに対応する電圧を
出力し、アームは手前方向に下がるよう動かされる。一
方、これと同時に、角度検出器８ｂで検出したアームの
回動角と操作レバー装置１４ｂの指令値が演算部９ｄに
入力されて制御用のアームシリンダ速度が推定演算さ
れ、演算部９ｅで制御用のアームによるバケット先端速
度ｂが推定演算される。また、演算部９ｃでは図５に示
す関係からバケット先端と設定領域の境界Ｌからの距離
Ｄに比例したバケット先端速度の制限値ａ（＜０）が計
算され、演算部９ｆではブームによるバケット先端速度
の制限値ｃ＝ａ−ｂｙが計算される。そして、演算部９
ｇでブームシリンダ速度の制限値を計算した後、演算部
９ｈでは、ブームシリンダ３ａの負荷圧を考慮した流量
制御弁１５ａの流量特性に基づきブームの指令制限値を
求める。このとき、バケット先端が設定領域の境界Ｌか
ら遠く、ａ＜ｂｙ（｜ａ｜＞｜ｂｙ｜）のときは、演算
部９ｆで計算される制限値ｃは負の値として計算され、
ブーム指令の最大値演算部９ｊでは操作レバー装置１４
ａの指令値（＝０）が選択され、バルブ指令演算部９ｉ
では流量制御弁１５ａのブーム上げ駆動部３０ａ及びブ
ーム下げ駆動部３０ｂに０の電圧を出力する。これによ
り操作レバー装置１４ｂの指令値に応じてアームが手前
方向に動かされる。

【００７８】上記のようにアームが手前方向に動かさ
れ、バケット先端が設定領域の境界Ｌに近づくにつれて
演算部９ｃで計算されるバケット先端速度の制限値ａは
大きくなり（｜ａ｜は小さくなり）、この制限値ａが演
算部９ｅで計算される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よりも大きくなると、演算部
９ｆで計算されるブームによるバケット先端速度の制限
値ｃ＝ａ−ｂｙは正の値となり、ブーム指令の最大値演
算部９ｊでは演算部９ｈで計算された制限値が選択さ
れ、バルブ指令演算部９ｉでは制限値ｃに応じた電圧を
流量制御弁１５ａのブーム上げ駆動部３０ａに出力す
る。これにより、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成
分がバケット先端と境界Ｌからの距離Ｄに比例して徐々
に制限されるように、ブーム上げによる補正動作が行わ
れ、アームによるバケット先端速度の補正されていない
境界Ｌに平行な成分ｂｘとこの制限値ｃによる補正され
た速度により、図９に示すような方向変換制御が行わ
れ、設定領域の境界Ｌに沿った掘削が行える。

【００７９】また、この場合も、上記と同じ理由でバケ
ット先端が設定領域の境界Ｌからはみ出す可能性があ
る。このようにバケット先端がはみ出した場合、演算部
９ｃでは図５に示す関係からケット先端と設定領域の境
界Ｌからの距離Ｄに比例したバケット先端速度の制限値
ａが正の値として計算され、演算部９ｆで計算されるブ
ームによるバケット先端速度の制限値ｃ＝ａ−ｂｙ（＞
０）は制限値ａに比例して大きくなり、バルブ指令演算
部９ｉから流量制御弁１５ａのブーム上げ駆動部３０ａ
に出力される電圧は制限値ｃに応じて増大する。これに
より、設定領域外では距離Ｄに比例したバケット先端速
度で領域内に復元するように、ブーム上げによる補正動
作が行われ、アームによるバケット先端速度の補正され
ていない境界Ｌに並行な成分ｂｘとこの制限値ｃにより
補正された速度により、図１０に示すように設定領域の
境界Ｌに沿って徐々に戻りながらの掘削が行える。した
がって、アームをクラウドするだけで滑らかに設定領域
の境界Ｌに沿った掘削が行える。

【００８０】以上のように本実施形態によれば、バケッ
ト先端が設定領域内にある場合は、バケット先端速度の
設定領域の境界Ｌに垂直な成分は、バケット先端の境界
Ｌからの距離Ｄに比例して制限値ａにより制限されるの
で、ブーム下げ動作ではバケット先端の位置決めが簡単
に滑らかにでき、アームクラウド操作では、設定領域の
境界に沿ってバケット先端を動かすことができ、領域を
制限した掘削を能率良く円滑に行うことができる。

【００８１】また、バケット先端が設定領域外では、バ
ケット先端の境界Ｌからの距離Ｄに比例して制限値ａに
よりフロント装置が設定領域に戻るように制御されるの
で、フロント装置を速く動かしたときでも設定領域の境
界に沿ってフロント装置を動かすことができ、領域を制
限した掘削を正確に行うことができる。

【００８２】また、このとき、上記のように予め方向変
換制御で減速されているので、設定領域外への侵入量は
少なくなり、設定領域に戻るときのショックは大幅に緩
和される。このため、フロント装置を速く動かしたとき
でも領域を制限した掘削を滑らかに行うことができ、領
域を制限した掘削を円滑に行うことができる。

【００８３】また、本実施形態では、アームシリンダ速
度演算部９ｄでは、角度検出器８ｂで検出したアームの
回動角を座標変換及び微分して求めたアームシリンダ速
度の低周波成分と、操作レバー装置１４ｂによる流量制
御弁１５ｂへの指令値とアームの流量制御弁１５ｂの流
量特性により求めたアームシリンダ速度の高周波成分と
の和により、制御用のアームシリンダ速度を推定するの
で、アームシリンダ３ｂの負荷圧、油温等の変化の影響
を受けにくく、信号の遅れや定常誤差の影響を最小限に
した制御用のアームシリンダ速度の推定が行える。

【００８４】また、ブーム指令の制限演算部９ｈでは、
ブームシリンダ３ａの負荷圧を考慮した流量制御弁１５
ａの流量特性に基づきブームの指令制限値を求めるの
で、ブームシリンダ３ａの負荷変動の影響を受けにくい
ブームの制御が行える。

【００８５】以上により、負荷圧、油温等の変化の影響
を受けにくく、信号の遅れや定常誤差の影響を最小限に
した円滑な領域制限掘削制御が行える。

【００８６】本発明の第２の実施形態を図１１及び図１
２により説明する。本実施形態は、操作レバー装置とし
て油圧パイロット方式を用いた油圧ショベルに適用した
ものである。図中、図１に示す部材と同等のものには同
じ符号を付している。

【００８７】図１１において、本実施形態が適用される
油圧ショベルは、電気方式の操作レバー装置１４ａ〜１
４ｆの代わりに油圧パイロット方式の操作レバー装置４
ａ〜４ｆを備えている。操作レバー装置４ａ〜４ｆは、
パイロット圧により対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆
動し、それぞれオペレータにより操作される操作レバー
４０ａ〜４０ｆの操作量と操作方向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、対応
する流量制御弁の油圧駆動部５０ａ〜５５ｂに供給す
る。

【００８８】以上のような油圧ショベルに本実施形態に
よる領域制限掘削制御装置が設けられている。この制御
装置は、第１の実施形態で備えられていたものの他に、
アーム用の操作レバー装置４ｂのパイロットライン４５
ａ，４５ｂに設けられ、操作レバー装置４ｂの操作量と
してパイロット圧を検出する圧力検出器６１ａ，６１ｂ
と、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比例電磁弁１０ａと、ブーム用の
操作レバー装置４ａのパイロットライン４４ａと比例電
磁弁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比例電磁弁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１２と、ブーム用の操作
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比例電磁弁１０ｂとが備えられ
ている。

【００８９】図１２を用いて制御ユニット９Ｂにおける
第１図の実施形態との制御機能の違いを説明する。

【００９０】アームシリンダ速度演算部９Ｂｄでは、角
度検出器８ｂで検出したアームの回動角を座標変換及び
微分して求めたアームシリンダ速度の低周波成分と、操
作レバー装置４ｂによる流量制御弁５ｂへの指令値の代
わりに、圧力検出器６１ａ，６１ｂで検出した流量制御
弁５ｂへの指令値（パイロット圧）とアームの流量制御
弁５の流量特性により求めたアームシリンダ速度の高周
波成分との和により、制御用のアームシリンダ速度を推
定する。

【００９１】また、ブーム指令の制限演算部９Ｂｈで
は、圧力検出器７０で検出したブームシリンダ３ａの負
荷圧と、図８に示すのと同様な負荷圧を考慮したブーム
の流量制御弁５ａの流量特性に基づき、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のパ
イロット圧（指令）制限値を求める。

【００９２】更に、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ及びシャ
トル弁１２を設けたので、ブーム指令の最大値演算部９
ｊは必要なくなり、その代わりバルブ指令演算部９Ｂｉ
では、ブームパイロット圧の制限値演算部９Ｂｈで得ら
れたパイロット圧の制限値が正の場合には、ブーム上げ
側の比例電磁弁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
を当該制限値にし、ブーム下げ側の比例電磁弁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比
例電磁弁１０ｂに出力し、ブーム上げ側の比例電磁弁１
０ａ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。

【００９３】以上のように構成した本実施形態の動作
を、第１の実施形態と同様ブーム下げ動作とアームクラ
ウド操作について説明する。

【００９４】バケット先端の位置決めを行おうとしてブ
ーム用操作レバー装置４ａの操作レバーをブーム下げ方
向に操作するとその操作レバー装置４ａの指令値である
パイロット圧がパイロットライン４４ｂを介して流量制
御弁５ａのブーム下げ側の油圧駆動部５０ｂに与えられ
る。一方、これと同時に、演算部９ｃでは図５に示す関
係からバケット先端と設定領域の境界Ｌからの距離Ｄに
比例したバケット先端速度の制限値ａ（＜０）が計算さ
れ、演算部９ｆではブームによるバケット先端速度の制
限値ｃ＝ａ（＜０）が計算され、ブームパイロット圧の
制限値演算部９Ｂｈでは制限値ｃに応じた負のブーム指
令の制限値が計算され、バルブ指令演算部９Ｂｉではブ
ーム下げ側の流量制御弁の油圧駆動部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比例電磁
弁１０ｂに出力し、ブーム上げ側の比例電磁弁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。このとき、バケット先端が
設定領域の境界Ｌから遠いときは演算部９Ｂｈで求めた
ブームパイロット圧の制限値の絶対値は大きく、これよ
り操作レバー装置４ａのパイロット圧の方が小さいの
で、比例電磁弁１０ｂは操作レバー装置４ａのパイロッ
ト圧をそのまま出力し、これにより操作レバー装置４ａ
のパイロット圧に応じてブームが下がって行く。

【００９５】上記のようにブームが下がり、バケット先
端が設定領域の境界Ｌに近づくにつれて演算部９ｆで計
算されるブームによるバケット先端速度の制限値ｃ＝ａ
（＜０）は大きくなり（｜ａ｜又｜ｃ｜は小さくな
り）、演算部９ｈで求めた対応するブーム指令の制限値
（＜０）の絶対値は小さくなる。そして、この制限値の
絶対値が操作レバー装置４ａの指令値よりも小さくな
り、バルブ指令演算部９Ｂｉから比例電磁弁１０ｂに出
力される電圧がそれに応じて小さくなると、比例電磁弁
１０ｂは操作レバー装置４ａのパイロット圧を減圧して
出力し、流量制御弁５ａのブーム下げ側の油圧駆動部５
０ｂに与えられるパイロット圧を制限値ｃに応じて徐々
に制限する。これにより、設定領域の境界Ｌに近づくに
つれてブーム下げ速度が徐々に制限され、バケット先端
が設定領域の境界Ｌに到達するとブームは停止する。し
たがって、バケット先端の位置決めが簡単に滑らかにで
きる。

【００９６】また、バケット先端が設定領域の境界Ｌか
らはみ出した場合は、演算部９ｃでは図５に示す関係か
らケット先端と設定領域の境界Ｌからの距離Ｄに比例し
たバケット先端速度の制限値ａ（＝ｃ）が正の値として
計算され、バルブ指令演算部９Ｂｉでは制限値ｃに応じ
た電圧を比例電磁弁１０ａに出力し、ブーム上げ側の流
量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに制限値ａに応じたパ
イロット圧を与える。これにより、ブームは距離Ｄに比
例した速度で領域内に復元するように上げ方向に動かさ
れ、バケット先端が設定領域の境界Ｌまで戻ると停止す
る。したがって、バケット先端の位置決めが更に滑らか
に行える。

【００９７】また、手前方向に掘削しようとしてアーム
用操作レバー装置４ｂの操作レバーをアームクラウド方
向に操作するとその操作レバー装置４ｂの指令値である
パイロット圧が流量制御弁５ｂのアームクラウド側の油
圧駆動部５１ａに与えられ、アームは手前方向に下がる
よう動かされる。一方、これと同時に、操作レバー装置
４ｂのパイロット圧が圧力検出器６１ａで検出され、角
度検出器８ｂで検出したアームの回動角と圧力検出器６
１ａ出検出したパイロット圧が演算部９Ｂｄに入力され
て制御用のアームシリンダ速度が推定演算され、演算部
９ｅで制御用のアームによるバケット先端速度ｂが推定
演算される。また、演算部９ｃでは図５に示す関係から
ケット先端と設定領域の境界Ｌからの距離Ｄに比例した
バケット先端速度の制限値ａ（＜０）が計算され、演算
部９ｆではブームによるバケット先端速度の制限値ｃ＝
ａ−ｂｙが計算される。そして、演算部９ｇでブームシ
リンダ速度の制限値を計算した後、演算部９Ｂｈでは、
ブームシリンダ３ａの負荷圧を考慮した流量制御弁５ａ
の流量特性に基づきブームの指令制限値を求める。この
とき、バケット先端が設定領域の境界Ｌから遠く、ａ＜
ｂｙ（｜ａ｜＞｜ｂｙ｜）のときは、演算部９ｆで計算
される制限値ｃは負の値として計算され、バルブ指令演
算部９ｉではブーム下げ側の流量制御弁の油圧駆動部５
０ｂのパイロット圧を制限するように制限値に対応する
電圧を比例電磁弁１０ｂに出力し、ブーム上げ側の比例
電磁弁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。このとき、
操作レバー装置４ａは操作されていないので、流量制御
弁５ａの油圧駆動部５０ｂにはパイロット圧は出力され
ない。これにより操作レバー装置４ｂのパイロット圧に
応じてアームが手前方向に動かされる。

【００９８】上記のようにアームが手前方向に動かさ
れ、バケット先端が設定領域の境界Ｌに近づくにつれて
演算部９ｃで計算されるバケット先端速度の制限値ａは
大きくなり（｜ａ｜は小さくなり）、この制限値ａが演
算部９ｅで計算される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よりも大きくなると、演算部
９ｆで計算されるブームによるバケット先端速度の制限
値ｃ＝ａ−ｂｙは正の値となり、バルブ指令演算部９Ｂ
ｉではブーム上げ側の比例電磁弁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し、ブーム下げ側の比例
電磁弁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。これによ
り、バケット先端速度の境界Ｌに垂直な成分がバケット
先端と境界Ｌからの距離Ｄに比例して徐々に制限される
ように、ブーム上げによる補正動作が行われ、アームに
よるバケット先端速度の補正されていない境界Ｌに平行
な成分ｂｘとこの制限値ｃによる補正された速度によ
り、図９に示すような方向変換制御が行われ、設定領域
の境界Ｌに沿った掘削が行える。

【００９９】また、バケット先端が設定領域の境界から
はみ出した場合は、演算部９ｃでは図５に示す関係から
ケット先端と設定領域の境界Ｌからの距離Ｄに比例した
バケット先端速度の制限値ａが正の値として計算され、
演算部９ｆで計算されるブームによるバケット先端速度
の制限値ｃ＝ａ−ｂｙ（＞０）は制限値ａに比例して大
きくなり、バルブ指令演算部９ｉからブーム上げ側の比
例電磁弁１０ａに出力される電圧は制限値ｃに応じて増
大する。これにより、設定領域外では距離Ｄに比例した
バケット先端速度で領域内に復元するように、ブーム上
げによる補正動作が行われ、アームによるバケット先端
速度の補正されていない境界Ｌに並行な成分ｂｘとこの
制限値ｃにより補正された速度により、図１０に示すよ
うに設定領域の境界Ｌに沿って徐々に戻りながらの掘削
が行える。したがって、アームをクラウドするだけで滑
らかに設定領域の境界Ｌに沿った掘削が行える。

【０１００】以上のように本実施形態によれば、操作手
段として油圧パイロット方式を採用したものにおいて第
１の実施形態と同様の効果が得られる。

【０１０１】本発明の第３の実施形態を図１３〜図２３
により説明する。本実施形態は、第１の実施形態とは異
なる領域制限掘削制御に本発明を適用したものである。
図中、図１に示す部材と同等のものには同じ符号を付し
ている。

【０１０２】図１３において、本実施形態の領域制限掘
削制御装置は、ブームシリンダ３ａの上げ方向作動のボ
トム側の負荷圧力を検出する圧力検出器７０に加えて、
アームシリンダ３ｂのアームクラウド方向作動のボトム
側の負荷圧力を検出する圧力検出器７１を備え、これら
の検出信号が制御ユニット９Ｃに入力されている。

【０１０３】制御ユニット９Ｃは領域設定部と領域制限
掘削制御部とを有し、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。その一例は第１の実施形態で説明したので、
ここでは説明しない。

【０１０４】また、制御ユニット９Ｃの領域制限掘削制
御部では図１４にフローチャートで示す処理によりフロ
ント装置１Ａの動き得る領域を制限する制御を行う。以
下、図１４に示すフローチャートにより領域制限掘削制
御部の制御機能を明らかにしつつ、本実施形態の動作を
説明する。

【０１０５】まず、手順１００において、操作レバー装
置１４ａ〜１４ｆの操作信号を入力し、手順１１０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の回動角を入力す
る。

【０１０６】次に手順１２０において、検出した回動角
α、β、γと予め入力してあるフロント装置１Ａの各部
寸法とに基づきフロント装置１Ａの位置と姿勢の計算が
行われ、フロント装置１Ａの所定部位の位置、例えばバ
ケット１ｃの先端位置を計算する。このときの計算は、
先の領域設定部におけるバケット先端位置の計算と同じ
であり、この場合も、バケット先端の位置はＸＹ座標系
の値として求めた後、ＸａＹａ座標系に変換する。

【０１０７】次に、手順１３０において、角度検出器８
ａ，８ｂ，８ｃで検出したブーム、アーム、バケットの
回動角の低周波成分と、操作レバー装置１４ａ，１４
ｂ，１４ｃの操作信号によるブーム、アーム、バケット
の角速度の高周波成分とのそれぞれの和により、制御用
のブームシリンダ速度、アームシリンダ速度、バケット
シリンダ速度を推定する。

【０１０８】手順１３０における処理内容を手順１３０
−１〜１３０−３により説明する。なお、説明の簡略化
のため、ここではアームの角速度についてのみ説明す
る。

【０１０９】まず、手順１３０−１において、アーム用
の操作レバー装置１４ｂの操作信号Ｓ_4bと、予め設定し
ておいた図１５に示すような操作信号Ｓ_4bと何サイクル
前の角度検出器８ｂの出力値を使用するかの演算サイク
ル数とのテーブルより、アーム用操作信号Ｓ_4bの大きさ
に応じた演算サイクル数ｎを求め、何サイクル前の角度
検出器８ｂの出力値を使用するかを決める。そして、制
御ユニット９の一次記憶メモリ（ＲＡＭ）に現在値を含
めｎサイクル数分の角度検出器の出力値を保存し、以下
の式に従って角度検出器８ｂのｎサイクル前の出力値か
らアームの実測角速度Ω₁を演算する。

【０１１０】Ω₁＝（α_a−α_a-n）／（Ｔ×ｎ） ｎ：サイクル数 α_a：今回の角度検出器出力 α_a-n：ｎサイクル前の角度検出器出力 Ｔ：１サイクルの周期 次いで、演算されたアームの実測角速度Ω₁に対する信
号の立ち上がりの遅れの影響を排除するため、またノイ
ズを除去するため、実測角速度Ω₁に対してローパスフ
ィルタ処理を施す。このとき、フィルタ処理におけるカ
ットオフ周波数は、予め図１６に示すような操作信号Ｓ
_4bとフィルタのカットオフ周波数とのテーブルより、ア
ーム用の操作レバー装置１４ｂの操作信号Ｓ_4bの大きさ
に応じたカットオフ周波数ｆ_Lを演算し、このカットオ
フ周波数ｆ_Lを用いて実測角速度Ω₁に対してローパスフ
ィルタ処理を施す。この値をΩ_1lとする。

【０１１１】次に手順１３０−２において、アーム用操
作レバー装置１４ｂの操作信号Ｓ_4bと、予め設定してお
いた図１７に示すような操作信号Ｓ_4bと流量制御弁１５
ｂによるアームシリンダ速度Ｖａとのメータリングテー
ブルより、操作信号Ｓ_4bの大きさに応じたアームシリン
ダ速度Ｖａを演算する。そして、以下の式に従ってアー
ムシリンダ速度Ｖａをアームの指令角速度Ω₂に変換す
る。

【０１１２】Ω₂＝−Ｓａ×Ｖａ／（Ｌ₄Ｌ₅ｓｉｎ（π
−β−α₂−β₂）） Ｓａ＝√（Ｌ₄ ²＋Ｌ₅ ²−２Ｌ₄Ｌ₅ｃｏｓ（π−β−α₂
−β₂）） Ｓａ：アームシリンダ長さ Ｌ₄：アームシリンダ基部とブーム先端間の距離（図１
８参照） Ｌ₅：アームシリンダ先端とブーム先端間の距離（図１
８参照） α₂：ブーム基部とブーム先端を結ぶ線分とアームシリ
ンダ基部とブー ム先端とを結ぶ線分との
なす角度（図１８参照） β：ブーム基部とブーム先端を結ぶ線分とブーム先端と
アーム先端とを結ぶ線分とのなす角度（図１８参照） β₂：ブーム先端とアームシリンダ先端とを結ぶ線分と
ブーム先端とア ーム先端とを結ぶ線分と
のなす角度（図１８参照） 次に、予め設定しておいた図１９に示すような操作信号
Ｓ_4bとフィルタのカットオフ周波数のテーブルより、操
作信号Ｓ_4bの大きさに応じたカットオフ周波数ｆ_Hを演
算し、このカットオフ周波数ｆ_Hを用いて指令角速度Ω₂
に対してハイパスフィルタ処理を施す。この値をΩ_2hと
する。

【０１１３】次に手順１３０−３において、まず、指令
角速度の高周波成分Ω_2hにゲインｋを掛け、そして、手
順１３０−１において演算された実測角速度の低周波成
分Ω_1lとの和を演算することにより制御用のアーム角速
度Ω_aを算出する。

【０１１４】Ω_a＝Ω_1l＋ｋΩ_2h ここで、上記のようにアームの実測角速度Ω₁を算出す
るに際して、サイクル数ｎを図１５に示すテーブルから
操作信号Ｓ_4bの大きさに応じて求める理由を説明する。

【０１１５】（１）アーム角度検出器８ｂの出力値より
アーム角速度を演算する場合、 角度検出器８ｂ…１８０゜回転で０〜５Ｖを出力するポ
テンショメータ Ａ／Ｄ変換器…０〜５Ｖを１０bit（１０２４分解能）
で変換 のハードウエアで構成すると、Ａ／Ｄ変換した場合の１
digitあたりの角度分解能ｄθは、 ｄθ＝180／1024＝0.176゜/digit …（１） となる。

【０１１６】（２）さて、角速度を算出するには、ある
時間ｔにおける角度の変化量（差分）をｔで割ればよ
い。ここで角速度が４０゜/sec、角度演算周期が１０ms
ec、角速度演算に用いるサイクル数を５サイクルとする
と、５サイクルの間に検出される角度変化の検出値は、
以下の通りである。

【０１１７】 （40゜/sec／0.176゜/digit）×（5×10msec）＝11 digit …（２） （Ａ／Ｄ変換値は整数なので小数点は切り捨て） すなわち、５サイクル（５０msec）で角度の変化量が１
１digitなので、この結果から逆に角速度を演算する
と、 （11digit×0.176゜/digit）／50msec＝38.72゜/sec …（３） となり、正しい値４０゜/secとは誤差が生じる。この誤
差は（２）式からも分かるように、Ａ／Ｄ変換した値は
整数値なので必ず±０．５digit相当の誤差が含まれる
ことに起因する（量子化誤差）。この誤差を小さくする
ためには、角速度演算に用いるサイクル数を増やして、
量子化誤差の影響を減らせば良い。例えば、上の例にお
いてサイクル数を２０サイクルにすると、２０サイクル
の間に検出される角度検出値は、 （40゜/sec／0.176゜/digit）×（20×10msec）＝45 digit …（４） なので、逆に角速度を演算すると、 （45digit×0.176゜/digit）／200msec＝39.6゜/sec …（５） となり、（３）式と比べて角速度の演算精度が上がる。
また、Ａ／Ｄ変換値がノイズの影響等で±１digit程度
の誤差を生じたとすると、その影響は、サイクル数が５
サイクルの場合、 （(11+1)×0.176゜/digit）／50msec＝42.2゜/sec （(11-1)×0.176゜/digit）／50msec＝35.2゜/sec …（６ ） となり、＋２．２〜−４．８゜／secの誤差となるが、
サイクル数が２０サイクルの場合、 （(45+1)×0.176゜/digit）／200msec＝40.5゜/sec （(45-1)×0.176゜/digit）／200msec＝38.7゜/sec …（７） となり、＋０．５〜−１．３゜／secと誤差が５サイク
ルの場合より小さくなる。

【０１１８】従って、検出したい角速度Ω（上記のΩ₁
に相当）と角速度の演算サイクルの適切値ｎの関係は以
下のようになる。

【０１１９】 Ω×ｎ＝一定 …（８） この関係を図に書くと図２０のようになる。

【０１２０】（３）実際に演算を行う場合、角速度Ωは
予め分かっている訳ではないので、Ωとほぼ比例の関係
にある操作レバー信号Ｓ（上記のＳ_4bに相当）をΩの代
わりに用いる。

【０１２１】また、演算サイクル数ｎは無限にはできな
いので、ある上限ｎmaxを定める。更に、Ωは、最大値
Ωmaxを取るので、Ωmaxとなる操作信号をＳmaxとする
と、図２０は図１５に示すようになる。

【０１２２】以上のように、角度検出器からの出力を微
分してアームの実測角速度Ω₁を算出するとき、その精
度は何サイクル前の角度検出器からの出力値を用いて微
分するかによって決まるが、操作信号Ｓ_4bの大きさを目
安として、この信号が小さい場合は比較的多いサイクル
前の出力値を用いて微分を行い、また信号が大きい場合
には比較的少ないサイクル前の出力値を用いて微分を行
うことにより、精度がほぼ一定に保たれる。

【０１２３】次に、指令角速度Ω₂に対してハイパスフ
ィルタ処理を施すに際して、カットオフ周波数ｆ_Hを図
１９に示すテーブルから操作信号Ｓ_4bの大きさに応じて
求める理由及びΩ_2hにゲインｋを掛けるを説明する。

【０１２４】（１）さて、角速度４０゜／sec、演算サ
イクルｎ＝２０、角度検出周期１０msecとすると、アー
ムが動き出してからのアーム角度の変化量は図２１のよ
うにな る。 １サイクル目：40゜/sec×10msec×（1／0.176゜/digit）＝2digit ２サイクル目：40゜/sec×20msec×（1／0.176゜/digit）＝4digit ３サイクル目：40゜/sec×30msec×（1／0.176゜/digit）＝6digit ４サイクル目：40゜/sec×40msec×（1／0.176゜/digit）＝9digit ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 更に、上記計算結果から角速度を計算すると、２０サイ
クル目までは２０サイクル前の角度は０となり、２１サ
イクル目に入って初めて２０サイクル前の角度が２digi
tと計算されるため、 １サイクル目：（1サイクル目の角度変化−20サイクル前の角度）／200msec ×0.176＝1.8゜/sec ２サイクル目：（2サイクル目の角度変化−20サイクル前の角度）／200msec ×0.176＝3.5゜/sec ３サイクル目：（3サイクル目の角度変化−20サイクル前の角度）／200msec ×0.176＝5.3゜/sec ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ２０サイクル目：（20サイクル目の角度変化−20サイクル前の角度）／200msec ×0.176＝39.6゜/sec ２１サイクル目：（21サイクル目の角度変化−20サイクル前の角度）／200msec ×0.176＝39.6゜/sec ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ となり、図２２に示すように演算サイクル２０を経過し
てようやく正しい値を計算できるようになる。よって、
演算サイクルが小さい場合（操作信号Ｓ４ｂが大きい場
合）と、大きい場合（操作信号Ｓ４ｂが小さい場合）で
は、各々角速度が図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように
演算される。

【０１２５】（２）上記演算結果において、立ち上がり
後の正しい角速度に達するまでの時間（ｎ₁又はｎ₂）の
誤差を補正するため、図１７に示すような操作レバー信
号Ｓ_4bとアームシリンダ速度Ｖａのテーブルを予め求め
ておき、Ｓ_4bに対応するＶａより、指令角速度Ω₂を算
出し、この指令角速度Ω₂に対してカットオフ周波数ｆ_H
を変えてハイパスフィルタ処理を施すと、図２４に示す
ような特性となり、図２３（ａ）及び（ｂ）に示す立ち
上がり時の角度検出器の誤差を補うのに都合がよい。

【０１２６】即ち、図２３（ａ）の演算サイクルの小さ
い場合（操作信号Ｓ_4bが大きい場合）は、図２５に示す
ように指令角速度Ω₂に対してカットオフ周波数の高い
ハイパスフィルタ処理を施した演算値に適当なゲインｋ
₁を掛けたものを、角速度の実測値Ω₁に足し込んでやれ
ば、立ち上がり時においても正しい値に近い角速度が得
られる。

【０１２７】一方、図２３（ｂ）の演算サイクルの大き
い場合（操作信号Ｓ_4bが小さい場合）は、図２６に示す
ように指令角速度Ω₂に対してカットオフ周波数の低い
ハイパスフィルタ処理を施した演算値に適当なゲインｋ
₂を掛けたものを、角速度の実測値に足し込んでやれ
ば、立ち上がり時においても正しい値に近い角速度が得
られる。

【０１２８】（６）なお、本制御は最終的にアームの角
速度からブームシリンダの目標速度を演算するものであ
るが、ブームは慣性が大きく、立ち上がりの応答が遅い
ことが予想される。そこで、ブームの応答遅れを補償す
るため、上記ゲインｋ₁，ｋ₂を比較的大きくとることに
より、アーム角速度を立ち上がり時において図２７に示
すように大きく見積もる。これにより、ブームの目標速
度も立ち上がり時には大きめに計算され、遅れに対して
補償する効果が得られる。これは実質上、微分制御と同
様の効果である。

【０１２９】以上のような手順１３０の処理により、演
算された角速度成分のうち低周波成分Ω_1lは角度検出器
からの出力を微分した実測値なので、フロント装置にか
かる負荷や油温等に影響されず、精度良く演算される。
また、この精度は何サイクル前の角度検出器からの出力
値を用いて微分するかによって決まるが、上記のように
操作信号Ｓ_4bの大きさを目安として、この信号が小さい
場合は比較的多いサイクル前の出力値を用いて微分を行
い、また信号が大きい場合には比較的少ないサイクル前
の出力値を用いて微分を行うことにより、精度がほぼ一
定に保たれる。

【０１３０】更に、操作信号Ｓ_4bの大きさを目安とし
て、この信号が小さい場合は比較的低いカットオフ周波
数でフィルタ処理を行い、また信号が大きい場合には比
較的高いカットオフ周波数でフィルタ処理を行い、実測
角速度と合成して制御用の角速度を推定するので、操作
手信号の大きさに依存する角度検出器の立ち上がり時の
検出誤差が補正され、立ち上がり時においても正しい値
に近い角速度が得られる。

【０１３１】また、指令角速度の高周波成分Ω_2hに掛け
るゲインｋを適当に選ぶことにより、信号の立ち上がり
遅れの補償の程度を最適に設定することができる。

【０１３２】なお、ブーム等他のフロント部材の制御用
の角速度を演算する場合も同様であるので、説明は省略
する。

【０１３３】次に手順１４０において、手順１３０にお
いて演算されたフロント部材の角速度と、フロント装置
１Ａの各部寸法を用いてバケット先端の目標速度ベクト
ルＶｃを演算する。目標速度ベクトルＶｃは、ＸＹ座標
系を用いて計算した後、先に求めたＸＹ座標系からＸａ
Ｙａ座標系への変換データを用いて目標速度ベクトルＶ
ｃをＸａＹａ座標系に変換し、目標速度ベクトル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、Ｘａ
Ｙａ座標系での目標速度ベクトルＶｃのＸａ座標成分Ｖ
ｃｘは目標速度ベクトル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、Ｙａ座標成分Ｖｃｙは目標
速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に垂直な方向のベク
トル成分となる。

【０１３４】次に手順１５０において、バケット１ｃの
先端が上記のように設定した図２８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にある
か否かを判定し、減速領域にある場合には手順１６０に
進みフロント装置１Ａの減速を行うよう目標速度ベクト
ルＶｃを補正し、減速領域にない時には手順１７０に進
む。

【０１３５】次に手順１７０において、バケット１ｃの
先端が上記のように設定した図２８に示すような設定領
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１８０に進み、バケット１ｃの先端が設定領域
に戻るように目標速度ベクトルＶｃを補正し、設定領域
外にないときには手順１８５に進む。

【０１３６】次に手順１８５では圧力検出器１７０，１
７１により検出したブームシリンダ３ａ及びアームシリ
ンダ３ｂの負荷圧を入力する。

【０１３７】次に手順１９０において、圧力検出器７
０，７１で検出したブームシリンダ３ａ及びアームシリ
ンダ３ｂのそれぞれの負荷圧と、図８に示したのと同様
な負荷圧を考慮した流量制御弁１５ａ，１５ｂの流量特
性に基づき、手順１６０または１８０で得た補正後の目
標速度ベクトルＶｃに対応するフロント部材の角速度を
求め、更に流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算す
る。これらは、手順１３０における角速度の計算及び手
順１４０における目標速度ベクトルＶｃの計算の逆演算
である。このようにブーム及びアームの流量制御弁の操
作信号に対して負荷補償を行うことにより、負荷変動の
影響を受けにくいブーム及びアームの制御が行える。

【０１３８】次に手順２００において、手順１００で入
力した操作信号または手順１９０で計算した操作信号を
出力し、はじめに戻る。

【０１３９】ここで、手順１５０における減速領域にあ
るか否かの判定及び手順１６０における減速領域での操
作信号の補正について、図２９及び図３０を用いて説明
する。

【０１４０】制御ユニット９の記憶装置には、図２９に
示すような設定領域内における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。この距離Ｄ１と係数ｈとの関
係は、距離Ｄ１が距離Ｙ_a1よりも大きいときはｈ＝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減速ベクトル係数ｈが増大し、距離
Ｄ１＝０でｈ＝１となるように設定されている。ここ
で、設定領域の境界から距離Ｙ_a1の範囲が減速領域に相
当する。手順１５０では、前述したＸＹ座標系からＸａ
Ｙａ座標系への変換データを用いてフロント先端の位置
をＸａＹａ座標系に変換し、そのＹａ座標値を距離Ｄ１
として求め、この距離Ｄ１（Ｙａ座標値）が距離Ｙ_a1よ
り小さくなると減速領域に進入したと判定する。

【０１４１】また、手順１６０では、手順１４０で計算
したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトル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
域の境界に対し垂直方向のベクトル成分、すなわちＸａ
Ｙａ座標系におけるＹａ座標の成分Ｖｃｙを減じるよう
に目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的には、記憶
装置に記憶した図２９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
を目標速度ベクトルＶｃのＹａ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Ｖ_R（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶ_Rを加
算する。ここで、減速ベクトルＶ_Rはバケット１ｃの先
端と設定領域の境界との距離Ｄ１がＹ_a1より小さくなる
にしたがって大きくなり、Ｄ１＝０でＶ_R＝−Ｖｃｙと
なるＶｃｙの逆方向の速度ベクトルである。このため、
減速ベクトルＶ_Rを目標速度ベクトル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
Ｙ_a1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、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトル
Ｖｃａに補正される。

【０１４２】バケット１ｃの先端が上記のような補正後
の目標速度ベクトルＶｃａの通りに減速制御されたとき
の軌跡の一例を図３０に示す。目標速度ベクトル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Ｙ_a1よ
り小さくなるにしたがって）小さくなる。補正後の目標
速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図３
０の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，Ｖ_R＝−Ｖｃ
ｙとなるので、設定領域の境界上での補正後の目標速度
ベクトルＶｃａは平行成分Ｖｃｘに一致する。

【０１４３】手順１７０における設定領域外にあるか否
かの判定及び手順１８０における設定領域外での操作信
号の補正について、図３１及び図３２を用いて説明す
る。

【０１４４】制御ユニット９の記憶装置には、図３１に
示すような設定領域外における設定領域の境界からバケ
ット１ｃの先端までの距離Ｄ２と復元ベクトルＡ_Rとの
関係が記憶されている。この距離Ｄ２と復元ベクトルＡ
_Rとの関係は、距離Ｄ２が減少するにしたがって復元ベ
クトルＡ_Rが増大するように設定されている。この距離
Ｄ２は、手順１５０で求めたフロント先端位置のＹａ座
標値の絶対値に相当する。

【０１４５】手順１７０では、手順１５０で求めたフロ
ント先端位置のＹａ座標値が負の値になったら設定領域
外に侵入したと判断する。

【０１４６】手順１８０では、手順１５０で求めたフロ
ント先端位置のＹａ座標値の絶対値を距離Ｄ２として求
め、この距離Ｄ２から復元ベクトルＡ_Rを求め、この復
元ベクトルＡ_Rを用いて、手順１６０で計算したバケッ
ト１ｃの先端の目標速度ベクトル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ＸａＹａ座標
系のＹａ座標の成分Ｖｃｙが設定領域の境界に接近する
方向の垂直成分に変わるよう目標速度ベクトルＶｃを補
正する。

【０１４７】具体的には、垂直方向のベクトル成分Ｖｃ
ｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃ
ｙを加算して、平行成分Ｖｃｘを抽出する。この補正に
よってバケット１ｃの先端は設定領域外を更に進もうと
する動作が阻止される。そして次に、復元ベクトルＡＲ
を目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃ
ｙに更に加算する。ここで、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逆方向の速度ベクトルであ
る。このため、復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶ
ｃ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、目標速度ベクトルＶ
ｃは目標速度Ｖｃａに補正される。

【０１４８】バケット１ｃの先端が上記のような補正後
の目標速度ベクトルＶｃａの通りに復元制御されたとき
の軌跡の一例を図３２に示す。目標速度ベクトル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Ａ_Rは距離Ｄ２に比例す
るので、垂直成分はバケット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。補正後の目標速度ベクトルＶｃａ
はその合成であるので、軌跡は図３２のように設定領域
の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。

【０１４９】従って、本実施形態によっても、バケット
先端が設定領域内にある場合は、バケット先端速度の設
定領域の境界に垂直な成分は、バケット先端の境界から
の距離Ｄ１に応じて制限されるので、ブーム下げ動作で
はバケット先端の位置決めが簡単に滑らかにでき、アー
ムクラウド操作では、設定領域の境界に沿ってバケット
先端を動かすことができ、領域を制限した掘削を能率良
く円滑に行うことができる。

【０１５０】また、バケット先端が設定領域外では、バ
ケット先端の境界からの距離Ｄ２に応じてフロント装置
が設定領域に戻るように制御されるので、フロント装置
を速く動かしたときでも設定領域の境界に沿ってフロン
ト装置を動かすことができ、領域を制限した掘削を正確
に行うことができる。

【０１５１】また、このとき、上記のように予め減速制
御（方向変換制御）で減速されているので、設定領域外
への侵入量は少なくなり、設定領域に戻るときのショッ
クは大幅に緩和される。このため、フロント装置を速く
動かしたときでも領域を制限した掘削を滑らかに行うこ
とができ、領域を制限した掘削を円滑に行うことができ
る。

【０１５２】更に、本実施形態でも、フロント部材の制
御用の角速度を求める際、角度検出器からの出力を微分
した実測角速度の低周波成分と、操作レバー信号よりメ
ータリングテーブルを用いて求めた指令角速度の高周波
成分との和によりフロント部材の角速度を推定するの
で、フロントにかかる負荷や油温等の変化に影響され
ず、かつフロント動き出し時の演算上の遅れが補償さ
れ、精度の高い制御が可能となる。

【０１５３】また、角速度の推定演算に際して、角度検
出器からの出力を微分した実測値の低周波成分Ω_1lは、
何サイクル前の角度検出器からの出力値を用いて微分す
るかによって精度が決まるが、上記のように操作信号Ｓ
_4bの大きさを目安として、この信号が小さい場合は比較
的多いサイクル前の出力値を用いて微分を行い、また信
号が大きい場合には比較的少ないサイクル前の出力値を
用いて微分を行うことにより、精度がほぼ一定に保たれ
る。更に、操作信号Ｓ_4bの大きさを目安として、この信
号が小さい場合は比較的低いカットオフ周波数でフィル
タ処理を行い、また信号が大きい場合には比較的高いカ
ットオフ周波数でフィルタ処理を行うことにより、フィ
ルタ処理の精度も一定に保たれる。

【０１５４】また、指令角速度の高周波成分Ω_2hに掛け
るゲインｋを適当に選ぶことにより、信号の立ち上がり
遅れの補償の程度を最適に設定することができる。

【０１５５】以上、本発明の代表的な実施形態をいくつ
か説明したが、本発明はこれに限定されず、種々の変形
が可能である。

【０１５６】例えば、上記実施形態では、領域制限掘削
制御を行うための設定領域の境界Ｌに対する距離Ｄとし
てバケットの先端について述べたが、簡易的に実施する
ならばアーム先端ピンからの距離をとってもよい。ま
た、フロント装置との干渉を防止し安全性を図るために
領域を設定する場合は、その干渉が起こり得る他の部位
であってもよい。

【０１５７】更に、適用される油圧駆動装置はオープン
ドセンタタイプの流量制御弁を有するオープンドセンタ
システムとしたが、クローズドセンタータイプの流量制
御弁を用いたクローズドセンターシステムであってもよ
い。

【０１５８】また、油圧ショベルのフロント制御として
領域制限掘削制御の例を示したが、フロントと周囲物体
との干渉を防止する干渉防止制御、フロントとキャブと
の干渉を防止する干渉防止制御等のその他のフロント制
御に本発明を適用しても良い。

【０１５９】

【発明の効果】本発明によれば、負荷や油温など、流量
制御弁の流量特性に影響を及ぼす負荷、油温等のパラメ
ータが変化したとしても、制御精度を低下させずにまた
ハンチングを生じることなくフロント装置の動作を円滑
に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による建設機械のフロ
ント制御装置（領域制限掘削制御装置）をその油圧駆動
装置と共に示す図である。

【図２】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３】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４】本実施形態の領域制限掘削制御における掘削領
域の設定方法を示す図である。

【図５】バケット先端速度の制限値を求めるときの設定
領域の境界からの距離との関係を示す図である。

【図６】アームシリンダ速度の演算の詳細を示す機能ブ
ロック図である。

【図７】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。

【図８】ブーム指令の制限値の演算で負荷補償に用いる
ブームの流量制御弁の流量特性を示す図である。

【図９】バケット先端が設定領域内にあるときの補正動
作軌跡の一例を示す図である。

【図１０】バケット先端が設定領域外にあるときの補正
動作軌跡の一例を示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施形態による建設機械のフ
ロント制御装置（領域制限掘削制御装置）をその油圧駆
動装置と共に示す図である。

【図１２】制御ユニットの制御機能を示す図である。

【図１３】本発明の第３の実施形態による建設機械のフ
ロント制御装置（領域制限掘削制御装置）をその油圧駆
動装置と共に示す図である。

【図１４】制御ユニットの制御機能を示すフローチャー
トである。

【図１５】アーム操作信号と、現在値から何サイクル前
までの角度検出器の出力値を使用するかの演算サイクル
数との関係を示す図である。

【図１６】アーム操作信号とローパスフィルタ処理時の
カットオフ周波数との関係を示す図である。

【図１７】アーム操作信号とアームシリンダ速度の関係
を示す図である。

【図１８】アーム操作信号からアームの指令角速度を計
算するのに用いる諸寸法を示す図である。

【図１９】アーム操作信号とハイパスフィルタ処理時の
カットオフ周波数の関係を示す図である。

【図２０】検出したい角速度と角速度の演算サイクルの
適切値ｎとの関係を示す図である。

【図２１】アームが動き出してからのアーム角度の変化
量を示す図である。

【図２２】図２１に示す演算結果から計算された角速度
を示す図である。

【図２３】演算サイクルが小さい場合と大きい場合とで
の計算される角速度の違いを示す図である。

【図２４】指令角速度に対してカットオフ周波数を変え
ハイパスフィルタ処理を施した場合の特性を示す図であ
る。

【図２５】演算サイクルが小さい場合の角速度の合成過
程を示す図である。

【図２６】演算サイクルが大きい場合の角速度の合成過
程を示す図である。

【図２７】実測角速度と指令角速度の合成に際して、指
令角速度に１以上のゲインｋを掛けることにより得られ
る効果を示す図である。

【図２８】本実施形態の減速領域及び復元領域での目標
速度ベクトルの補正方法を示す図である。

【図２９】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。

【図３０】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。

【図３１】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。

【図３２】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。

【符号の説明】

１Ａ フロント装置 １Ｂ 車体 １ａ ブーム（第２の特定のフロント部材） １ｂ アーム（第１の特定のフロント部材） １ｃ バケット ２ 油圧ポンプ ３ａ ブームシリンダ（第２の特定のアクチュエータ） ３ｂ アームシリンダ（第１の特定のアクチュエータ） ４ａ〜４ｆ；１４ａ〜１４ｆ 操作レバー装置 ５ａ〜５ｆ；１５ａ〜１５ｆ 流量制御弁 ７ 設定器 ８ａ〜８ｃ 角度検出器 ８ｄ 傾斜角度検出器 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 ブーム指令の演算部 ９ｉ ブーム指令の最大値演算部 ９ｊ バルブ指令演算部 １０ａ，１０ｂ 比例電磁弁 １２ シャトル弁 ３０ａ〜３５ｂ 電磁駆動部 ５０ａ〜５５ｂ 油圧駆動部 ６１ａ，６１ｂ 圧力検出器 ７０，７１ 圧力検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邊 洋 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平６−193090（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−136324（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−27841（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−321297（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E02F 3/43 E02F 9/24 E02F 9/20

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下方向に回動可能な複数のフロント部材
   により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数
   のフロント部材を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からの信号により駆動さ
   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有する建設機械に
   備えられ、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態
   量を検出する第１検出手段と；前記第１検出手段からの
   信号に基づき前記フロント装置の位置と姿勢を演算する
   第１演算手段と；前記複数の操作手段のうちの第１の特
   定の操作手段からの信号を用い、前記第１演算手段で演
   算されたフロント装置の位置と姿勢に基づき、前記第１
   の特定の操作手段に対応する第１の特定の油圧アクチュ
   エータにより駆動される第１の特定のフロント部材の動
   作速度を推定する第２演算手段とを備え、この推定した
   動作速度を用いて前記フロント装置の動作を制御する建
   設機械のフロント制御装置において、 前記第２演算手段は、前記第１検出手段からの信号によ
   り前記第１の特定のフロント部材の実測動作速度の低周
   波成分を求める第１演算・フィルタ手段と、前記第１の
   特定の操作手段からの信号により前記第１の特定のフロ
   ント部材の指令動作速度の高周波成分を求める第２演算
   ・フィルタ手段と、前記実測動作速度の低周波成分と前
   記指令動作速度の高周波成分とを組み合わせて前記第１
   の特定のフロント部材の上記制御用の動作速度を推定す
   る合成演算手段とを有することを特徴とする建設機械の
   フロント制御装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の建設機械のフロント制御装
   置において、前記第１演算・フィルタ手段は、前記第１
   検出手段からの信号を微分し前記第１の特定のフロント
   部材の実測動作速度を求める手段と、この実測動作速度
   にローパスフィルタ処理を施す手段とを有し、前記第２
   演算・フィルタ手段は、前記第１の特定の操作手段から
   の信号により前記第１の特定のフロント部材の指令動作
   速度を求める手段と、この指令動作速度にハイパスフィ
   ルタ処理を施す手段とを有することを特徴とする建設機
   械のフロント制御装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の建設機械のフロント制御装
   置において、前記第１演算・フィルタ手段の実測動作速
   度を求める手段は、前記第１の特定の操作手段からの信
   号により前記第１検出手段からの信号を取り込むための
   演算サイクル数を演算するサイクル数演算手段と、最新
   の演算サイクルを含め、前記演算サイクル数分、前記第
   １検出手段からの信号を保存する記憶手段と、前記演算
   サイクル数をｎ、前記最新の演算サイクルにおける第１
   検出手段からの信号をα_a、ｎサイクル前の第１検出手
   段からの信号をα_a-n、１演算サイクルの周期をＴ、前
   記第１の特定のフロント部材の実測動作速度をΩ₁とし
   たとき、 Ω₁＝（α_a−α_a-n）／（Ｔ×ｎ） の式に従って第１の特定のフロント部材の実測動作速度
   を演算する手段とを有することを特徴とする建設機械の
   フロント制御装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の建設機械のフロント制御装
   置において、前記サイクル数演算手段は、前記第１の特
   定の操作手段からの信号が大きくなるにつれて前記演算
   サイクル数が少なくなるよう、当該演算サイクル数ｎを
   演算するものであることを特徴とする建設機械のフロン
   ト制御装置。
5. 【請求項５】請求項４記載の建設機械のフロント制御装
   置において、前記第２演算・フィルタ手段のハイパスフ
   ィルタ処理を施す手段は、前記第１の特定の操作手段か
   らの信号が大きくなるにつれて高くなるようカットオフ
   周波数を演算し、このカットオフ周波数を用いて前記指
   令動作速度にハイパスフィルタ処理を施すものであるこ
   とを特徴とする建設機械のフロント制御装置。
6. 【請求項６】請求項４記載の建設機械のフロント制御装
   置において、前記第１演算・フィルタ手段のローパスフ
   ィルタ処理を施す手段は、前記第１の特定の操作手段か
   らの信号が大きくなるにつれて高くなるようカットオフ
   周波数を演算し、このカットオフ周波数を用いて前記実
   測動作速度にローパスフィルタ処理を施すものであるこ
   とを特徴とする建設機械のフロント制御装置。
7. 【請求項７】請求項１記載の建設機械のフロント制御装
   置において、前記合成演算手段は、前記指令動作速度の
   高周波成分にゲインを掛けた値と前記実測動作速度の低
   周波成分との和により上記制御用の動作速度を推定する
   ものであることを特徴とする建設機械のフロント制御装
   置。
8. 【請求項８】請求項１記載の建設機械のフロント制御装
   置において、 前記複数の操作手段のうちの第２の特定の操作手段に対
   応する第２の特定の油圧アクチュエータの負荷を検出す
   る第２検出手段と；前記第２演算手段により推定された
   第１の特定のフロント部材の動作速度と前記第２の検出
   手段で検出した負荷とを用いて、前記第２の特定の操作
   手段の信号を補正する信号補正手段と；を更に備えるこ
   とを特徴とする建設機械のフロント制御装置。
9. 【請求項９】請求項１記載の建設機械のフロント制御装
   置において、 前記フロント装置の動き得る領域を設定する領域設定手
   段と；前記第２演算手段により推定された第１の特定の
   フロント部材の動作速度を用い、前記第１演算手段で演
   算されたフロント装置の位置と姿勢に基づき、前記フロ
   ント装置の動作速度を推定する第３演算手段と；前記第
   ２の特定のフロント部材を駆動する第２の特定の油圧ア
   クチュエータの負荷を検出する第２検出手段と；前記第
   ３演算手段により推定されたフロント装置の動作速度を
   用い、前記第１演算手段で演算されたフロント装置の位
   置と姿勢に基づき、前記フロント装置が前記設定領域内
   でその境界近傍にあり、前記第１の特定のフロント部材
   が前記推定した動作速度で動かされるときに、前記設定
   領域の境界に接近する方向の移動速度を制限するのに必
   要な第２の特定のフロント部材の動作速度の制限値を演
   算する第４演算手段と；前記第２の特定のフロント部材
   の動作速度が前記制限値を超えないよう前記第２の特定
   のフロント部材に係わる第２の特定の操作手段からの信
   号を補正する信号補正手段；とを更に備え；前記信号補
   正手段は、前記第２の特定のフロント部材の動作速度の
   制限値と前記第２の検出手段で検出した負荷とから、前
   記第２の特定の操作手段からの信号の制限値を演算し、
   前記第２の特定の操作手段からの信号がこの制限値を越
   えないよう当該信号を補正するものであることを特徴と
   する建設機械のフロント制御装置。
10. 【請求項１０】請求項１記載の建設機械のフロント制御
    装置において、前記合成演算手段は、前記実測動作速度
    の低周波成分と前記指令動作速度の高周波成分とを加算
    する手段であることを特徴とする建設機械のフロント制
    御装置。
11. 【請求項１１】請求項１記載の建設機械のフロント制御
    装置において、前記第１の特定のフロント部材の実測動
    作速度及び指令動作速度は、それぞれ、前記第１の特定
    の油圧アクチュエータの速度であることを特徴とする建
    設機械のフロント制御装置。
12. 【請求項１２】請求項１記載の建設機械のフロント制御
    装置において、前記第１の特定のフロント部材の実測動
    作速度及び指令動作速度は、それぞれ、前記第１の特定
    のフロント部材の角速度であることを特徴とする建設機
    械のフロント制御装置。
13. 【請求項１３】請求項１記載の建設機械のフロント制御
    装置において、前記第１の特定のフロント部材は油圧シ
    ョベルのアームであり、前記第２の特定のフロント部材
    は油圧ショベルのブームであることを特徴とする建設機
    械のフロント制御装置。