JP3497910B2 - 建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は建設機械の領域制限掘削
制御に係わり、特に、多関節型の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
き得る領域を制限した領域制限掘削制御の掘削領域設定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】建設機械の代表例として油圧ショベルが
ある。油圧ショベルは垂直方向にそれぞれ回動可能なブ
ーム、アーム及びバケットからなるフロント装置と、上
部旋回体及び下部走行体からなる車体とで構成され、フ
ロント装置のブームの基端は上部旋回体の前部に支持さ
れている。このような油圧ショベルはフロント装置の動
作範囲が広いことを特徴とする建設機械であり、そのこ
とが便利である半面、特定の掘削形状よりフロントが突
出しては困る作業などに使われる場合にはオペレータに
慎重な操作を要求することになる。このため例えば特開
平４−１３６３２４号公報に示されるようにフロント装
置の作業範囲の制限を行うことが考えられている。この
特開平４−１３６３２４号公報には、制限領域（侵入不
可領域）の設定方法として、フロント装置の先端（バケ
ットの爪先）を制限領域（侵入不可領域）に動かし、そ
の位置を記憶するか、あるいは操作パネルから制限領域
を数値で入力設定する方法が示されている。

【０００３】また、油圧ショベルではブームなどのフロ
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
いるが、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、特に直線状に設定された領域を掘削すること
は非常に困難な作業であり、自動化が望まれている。そ
のような作業を自動化して行う構成とした場合、車体が
移動すると作業現場の地形の変化で油圧ショベル自身の
姿勢、高さが変化し、車体に関して設定していた領域を
車体が移動するごとに設定し直さなくてはならない。そ
こで、このような作業を容易にするための自動掘削方法
が特開平３−２９５９３３号公報に提案されている。こ
の自動掘削方法では、掘削地表面に設置したレーザ発振
器のレーザ光により車体に設置したセンサにて車体の高
さを検出し、その検出した車体高さに基づいて掘削深さ
（前者の例の制限領域に相当する）を決定して車体を停
止した状態で所定長さだけ直線掘削し、その後に車体を
所定距離走行させて停止状態で再び直線掘削する際に前
記レーザ光により車体高さ変位量を検出し、その高さ変
位量によって掘削深さを補正するようにしている。

【０００４】

【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。

【０００５】まず、特開平４−１３６３２４号公報に記
載の従来技術では、車体を基準として制限領域（侵入不
可領域）を設定するので、車体が移動し作業現場の地形
の変化で油圧ショベル自身の姿勢、高さが変化すると、
それに応じて制限領域の設定深さが変化してしまう。例
えば地面が傾斜していれば、車体の移動とともに設定深
さも地面の傾斜面に沿って変化し、制限領域の設定面も
傾斜してしまう。

【０００６】また、特開平３−２９５９３３号公報に記
載の従来技術では、車体の移動に伴う車体高さの変化の
補正は行えるものの、操作パネルにより掘削深さを設定
する場合、車体を基準に掘削深さを設定するので、掘削
制御でバケットの先端位置を演算するとき、車体の製作
公差、あるいは制御に使用するフロント装置の位置、姿
勢を計測する角度センサの精度、取り付け公差などが誤
差として集積し、実際に掘削した深さが設定した掘削深
さと違ってしまい、設定通りに掘削することができな
い。

【０００７】また、車体の移動により車体高さが変化す
ると車体からの掘削深さが変化することから、掘削深さ
の変化量に対してもフロント装置の位置、姿勢を計測す
るセンサの誤差が影響し、車体高さが変化する前と後で
は掘削深さが変化してしまう。

【０００８】更に、車体高さが変化してもレーザ光が確
実にセンサに当たりレーザ光を検出できるようにするた
めには、車体に多数のセンサを高さ方向に並べて設置す
る必要があり、センサの装備が複雑になる。

【０００９】同様に、車体に備えられたセンサにより高
さを補正することから、センサの大きさの制約から補正
できる高さは限られた範囲となる。

【００１０】本発明の第１の目的は、車体の移動により
車体高さが変化しても掘削領域の設定が変化することの
ない建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置を
提供することである。

【００１１】本発明の第２の目的は、車体の製作公差、
あるいは制御に使用するフロント装置の位置、姿勢を計
測するセンサの精度、取り付け公差などの誤差の影響が
少なく、設定した掘削領域との差を少なく掘削すること
ができる建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装
置を提供することである。

【００１２】本発明の第３の目的は、車体の移動により
車体高さが変化しても掘削領域の設定が変化することが
なくかつフロント装置の位置、姿勢を計測するセンサの
誤差の影響による掘削深さの変化の少ない建設機械の領
域制限掘削制御の掘削領域設定装置を提供することであ
る。

【００１３】本発明の第４の目的は、車体の移動を補正
するために光を用いるとき、センサの構成をシンプルに
できる建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置
を提供することである。

【００１４】本発明の第５の目的は、車体の移動を広い
範囲で補正できる建設機械の領域制限掘削制御の掘削領
域設定装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第１〜第５の目的を
達成するために、本発明による建設機械の領域制限掘削
制御装置は次の構成を採用する。すなわち、多関節型の
フロント装置を構成する上下方向に回動可能な複数のフ
ロント部材と、前記フロント装置を支持する車体とを備
え、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動制御してフ
ロント部材の動作範囲を制限制御する建設機械の領域制
限掘削制御の掘削領域設定装置において、（ａ）前記建
設機械の外部に設置され、掘削領域に対する高さ方向の
基準位置を示す基準光を発生する第１外部基準光発生装
置と；（ｂ）前記建設機械の外部に設置され、掘削領域
に対する水平方向の基準位置を示す基準光を発生する第
２外部基準光発生装置と；（ｃ）前記フロント装置に備
えられ、前記第１外部基準光発生装置の出力した基準光
を横切る瞬間を検出する第１検出手段と；（ｄ）前記フ
ロント装置に備えられ、前記第２外部基準光発生装置の
出力した基準光を横切る瞬間を検出する第２検出手段
と；（ｅ）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３検出手段と；（ｆ）前記第３検出手段
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；（ｇ）前記第１外部基準光発生装置
の発生する基準光と掘削領域との位置関係を設定する第
１設定手段と；（ｈ）前記第１検出手段が前記第１外部
基準光発生装置の発生する基準光を検出したときに、前
記第１演算手段で演算した前記フロント装置の位置と姿
勢の情報に基づき前記車体の位置変化に関する補正値を
演算し、この補正値と前記第１設定手段で設定した基準
光と掘削領域との位置関係とから前記車体と掘削領域の
高さ方向の位置関係を演算する第２演算手段と；（ｉ）
前記第２検出手段が前記第２外部基準光発生装置の発生
する基準光を検出したときに、前記第１演算手段で演算
した前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づき前記
車体と掘削領域の水平方向の位置関係を演算する第３演
算手段と；（ｊ）前記第２演算手段で演算した基準光と
掘削領域との高さ方向の位置関係と、前記第３演算手段
で演算した前記車体と掘削領域の水平方向の位置関係
と、前記第１設定手段で設定した基準光と掘削領域との
位置関係とから前記車体を基準とした掘削領域を設定す
る第２設定手段と；を備える構成とする。

【００１６】好ましくは、前記第１設定手段は、前記第
１外部基準光発生装置の発生する基準光から前記掘削領
域の基準点までの深さと、前記掘削領域の境界の傾斜角
度を設定する手段である。

【００１７】また、好ましくは、前記第１設定手段は、
操作器により入力されたデータを基に前記基準光と設定
領域の位置関係を設定する手段である。

【００１８】前記第１設定手段は、前記フロント装置を
動かしフロント装置の先端が設定領域の基準点に来たと
き、前記第１演算手段で演算した前記フロント装置の位
置と姿勢の情報に基づき前記フロント装置の先端の位置
を演算する手段と、前記フロント装置を動かし前記第１
検出手段が前記第１外部基準光発生装置の発生する基準
光を検出したとき、前記第１演算手段で演算した前記フ
ロント装置の位置と姿勢の情報に基づき前記第１検出手
段の位置を演算する手段と、前記フロント装置の先端位
置と前記第１検出手段の位置とから前記基準光と設定領
域の位置関係を演算し、記憶する手段とを含む構成とし
てもよい。

【００１９】

【作用】以上のように構成した本発明においては、第１
及び第２検出手段が基準光を横切るごとに、第２演算手
段にて第１設定手段で設定した基準光と掘削領域の位置
関係を補正して車体と掘削領域の高さ方向の位置関係を
演算するとともに、第３演算手段で車体と掘削領域の水
平方向の位置関係を演算し、第２設定手段で車体を基準
とした掘削領域を設定するため、車体の移動による高さ
変化を毎回補正して掘削作業が行える。このため、車体
が移動し車体高さが変化しても掘削領域の設定は変化せ
ず、常に基準光を基準とした所定の深さ及び位置を掘削
することができる。

【００２０】また、第１及び第２検出手段を実際に地面
に作用するフロント装置に設置し、これらの検出手段が
基準光を検出したときのフロント装置の位置と姿勢に基
づき車体を基準とした掘削領域を設定するので、この掘
削領域の設定に際して掘削領域設定演算と掘削制御演算
とで車体の製作公差や第１〜第３検出手段等の精度、取
付け公差などの誤差の影響が相殺されることとなる。こ
のため、掘削制御でフロント装置の位置を演算すると
き、基準光を車体に設置したセンサで検出する方法に比
較してそれらの誤差の影響が少なくなり、設定した掘削
領域との差を少なく設定通りに正確に掘削することがで
きる。

【００２１】また、フロント装置の位置、姿勢を計測す
る第１検出手段の誤差の影響を受け難いので、車体が移
動して車体高さが変化することにより車体からの掘削深
さが変化しても、その掘削深さの変化量に対する第１検
出手段の誤差の影響が少なくなり、車体高さが変化する
前と後で掘削深さが変化することが防止される。

【００２２】更に、第１及び第２検出手段をフロント装
置に設置し、フロント装置を操作している最中に第１及
び第２検出手段が基準光を横切ることでそれぞれ基準光
を検出するので、第１及び第２検出手段（センサ）の設
置面積が小さくても確実に基準光を捕らえることがで
き、第１及び第２検出手段をそれぞれ小型でシンプルな
構成にできる。

【００２３】同様に、フロント装置を操作している最中
に第１検出手段が基準光を横切ることで基準光を検出す
るので、フロント装置の広い可動範囲を考えれば車体の
移動を広い範囲で補正できる。

【００２４】また、本発明においては、第１設定手段に
て第１外部基準光発生装置の発生する基準光から掘削領
域と基準点までの深さ、掘削領域の境界の傾斜角度を設
定することにより、勾配を付けた掘削領域を設定でき
る。

【００２５】更に、本発明においては、第１設定手段
を、操作器により入力されたデータを基に基準光と設定
領域の位置関係を設定する手段とすることにより、作業
の初めに第１設定手段の設定を行っておけば、作業開始
時、あるいは車体を走行して移動するごとにフロント装
置を掘削領域の境界に位置決めするための補助員が不要
となる。また、補助員の指示による設定にかかる時間を
無くすことができ、作業時間を短縮できる。

【００２６】また、本発明においては、第１設定手段
を、フロント装置の先端が設定領域の境界に来たときに
演算したフロント装置の先端の位置と、第１検出手段が
外部基準光発生装置の発生する基準光を検出したときに
演算した第１検出手段の位置とから基準光と設定領域の
位置関係を演算し、記憶する構成とすることにより、ダ
イレクトティーチングにより掘削領域を設定でき、作業
状況に合わせて所望の掘削領域を正確に設定することが
できる。

【００２７】

【実施例】本発明を第１実施例を図１〜図１０により説
明する。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４ａ〜４ｆ
と、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３
ｆ間に接続され、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５ａ〜５
ｆ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、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。

【００２８】また、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１
ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１
Ａ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１
ａ、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し、それらの動作は上記操作レバー
装置４ａ〜４ｆにより指示される。

【００２９】図１に戻り、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
動する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４０と、操作レバー４０
の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する１
対の減圧弁（図示せず）とより構成され、各減圧弁の一
次ポートはパイロットポンプ４３に接続され、二次ポー
トはパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５
ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８
ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧
駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２
ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂ
に接続されている。

【００３０】以上のような油圧ショベルに本実施例によ
る掘削領域設定装置を含む領域制限掘削制御装置が搭載
されている。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計８ａ，８ｂ，
８ｃと、車体１Ｂの前後方向の傾斜角θを検出する傾斜
計８ｄと、ブーム用及びアーム用の操作レバー装置４
ａ，４ｂのパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，
４５ｂに設けられ、操作レバー装置４ａ，４ｂからのパ
イロット圧を検出する圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１
ａ，６１ｂと、油圧ショベルの外部に設置され掘削領域
に対する高さ方向の基準位置を示す基準光としてレーザ
光を発生する基準光発生器８０（図２参照）と、油圧シ
ョベルの外部に設置され掘削領域に対する水平方向の基
準位置を示す基準光としてレーザ光を発生する基準光発
生器８１（図２参照）と、フロント装置１ａのアーム１
ｂに取り付けられ、基準光発生器８０の出力した基準光
を検出する基準光検出器７０と、フロント装置１ａのア
ーム１ｂに取り付けられ、基準光発生器８１の出力した
基準光を検出する基準光検出器７１と、設定器７の設定
信号、角度計８ａ，８ｂ，８ｃ及び傾斜計８ｄの検出信
号、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂの検出
信号、及び基準光検出器７０，７１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電気信号
を出力する制御ユニット９と、前記電気信号により駆動
される比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂと、
シャトル弁１２とで構成されている。シャトル弁１２は
パイロットライン４４ａに設置され、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。比例電磁弁１０ｂ，１１ａ，１１ｂ
はそれぞれパイロットライン４４ｂ，４５ａ，４５ｂに
設置され、それぞれの電気信号に応じてパイロットライ
ン内のパイロット圧を減圧して出力する。

【００３１】以上の構成において、本実施例の掘削領域
設定装置は、設定器７、基準光発生器８０，８１、基準
光検出器７０，７１、角度計８ａ，８ｂ，８ｃ及び傾斜
計８ｄと、制御ユニット９の下記する機能により構成さ
れている。

【００３２】設定器７は、図３に示すように、掘削領域
の深さ、角度を入力するためのアップボタン７ａ及びダ
ウンボタン７ｂ、深さ、角度のいずれを入力するかを選
択する選択ボタン７ｃ，７ｄ、入力した深さ、角度を表
示する表示装置７ｅ及び入力した深さ、角度を設定信号
として制御ユニット９に出力し設定する領域設定スイッ
チ７ｆとで構成されている。なお、設定器７のボタン類
は適当な操作レバーのグリップ上に設けてもよい。ま
た、ＩＣカードによる方法、バーコードによる方法、無
線通信による方法等、他の方法を用いてもよい。

【００３３】基準光発生器８０は高さ方向の基準となる
基準光を発生するもので、図２に示すように掘削領域に
対して水平な方向にレーザ光を出すように地面に設置さ
れる。基準光発生器８１は前後方向（水平方向）の基準
となる基準光を発生するもので、図２に示すように掘削
領域に対して垂直な方向にレーザ光を出すように地面に
設置される。基準光発生器８０の発するレーザ光（基準
光）は一条のスポット光でもよいし、図示のように扇形
あるいは円形の光でもよい。基準光発生器８１の発する
レーザ光（基準光）は図示のように扇形あるいは円形の
光がよく、特に、油圧ショベルから掘削領域の基準点ま
での距離を設定する位置で油圧ショベルの高さ方向に光
を広げるものがよい。

【００３４】基準光検出器７０は油圧ショベルのアーム
１ｂの背部に取り付けられ、基準光検出器７１は油圧シ
ョベルのアーム１ｂの側部に取り付けられ、それぞれフ
ロント装置１Ａを操作している最中に基準光発生器８
０，８１の発生する基準光を検出し、アーム１ｂが基準
光を横切る瞬間を捕らえる構成としてある。基準光検出
器７０，７１はともに作業に支障ない程度にできるだけ
アーム１ｂの先端近くに設置され、実際に土に作用する
バケット１ｃの先端の近いところで基準光を検出する。

【００３５】制御ユニット９は、上記の設定器７の設定
信号と、基準光検出器７０，７１、角度計８ａ，８ｂ，
８ｃ及び傾斜計８ｄの検出信号を用いて掘削領域を設定
する。この制御ユニット９による掘削領域設定方法を図
４及び図５を用いて説明する。なお、掘削領域は掘削領
域と制限領域の境界（以下、単に掘削領域の境界とい
う）を設定することにより設定され、本実施例はこの掘
削領域の境界として勾配を持つ斜面を設定するものであ
る。

【００３６】掘削領域の設定に際しては、まず、図４に
示すように、油圧ショベル本体の外部に基準光１が水平
な方向に出るように基準光発生器８０を設定する。ま
た、図５に示すように、設定したい掘削領域の境界上に
位置する基準点Ｐ（図４参照；以下、単に掘削領域の基
準点Ｐという）の延長上に基準光が垂直な方向に出るよ
うに基準光発生器８１を設置する。

【００３７】次に、操作器７を用いて、基準光発生器８
０の発生する基準光１から設定したい掘削領域の上記基
準点Ｐまでの深さｈｒと、掘削領域の境界の傾斜角度θ
ｒを入力し、この深さｈｒと角度θｒとにより基準光発
生器８０の発生する基準光と掘削領域の位置関係を設定
する。すなわち、基準光を基準とした掘削領域を設定す
る。この設定はオペレータにより行われる。

【００３８】次に、掘削作業に移行する。掘削作業にお
いては、角度計８ａ，８ｂ，８ｃ及び傾斜計８ｄの信号
に基づき制御ユニット９内でフロント装置１Ａの位置と
姿勢が演算されており、フロント装置１Ａのアーム１ｂ
が基準光発生器８０の発生する基準光１を横切った瞬間
を基準光検出器７０にて捕らえ、基準光検出器７０が基
準光１を検出した時のフロント装置１Ａの位置と姿勢の
情報に基づき車体中心Ｏから基準光までの高さｈｆを演
算する。そして、この高さｈｆを補正値として、先に設
定した深さｈｒから車体中心Ｏに対する掘削領域の基準
点Ｐの深さｈｓを演算する。すなわち、油圧ショベルの
車体１Ｂを基準とした掘削領域の基準点Ｐの深さを演算
する。

【００３９】また同様に、図５に示すように、フロント
装置１Ａのアーム１ｂが基準光発生器８１の発生する基
準光２を横切った瞬間を基準光検出器７１にて捕らえ、
基準光検出器７１が基準光２を検出した時のフロント装
置１Ａの位置と姿勢の情報に基づき車体中心Ｏから基準
光２（基準点Ｐ）までの距離ｈｒｘを演算する。

【００４０】上記のようにして求めた掘削領域の基準点
Ｐの深さｈｓ及び距離ｈｒｘと、設定器７を用いて設定
した角度θｒとにより車体１Ｂを基準とした掘削領域を
設定する。

【００４１】以上は、アーム１ｂがそれぞれの基準光
１，２を横切るごとに行われ、油圧ショベルが走行して
位置を変えてもその場所で新たな掘削領域の設定が行わ
れる。

【００４２】制御ユニット９は以上の処理を行うもので
あり、それを要約して示すと図６のようである。図６に
おいて、制御ユニット９は第１設定手段１００、第１演
算手段１２０、第２演算手段１４０、第３演算手段、第
２設定手段１６０の各機能を有している。第１設定手段
１００は、設定器７により入力した掘削領域の基準点Ｐ
の深さｈｒ、角度θｒにより基準光１と掘削領域の位置
関係を設定する。第１演算手段１２０は、角度計８ａ，
８ｂ，８ｃ及び傾斜計８ｄの信号に基づきフロント装置
１Ａの位置と姿勢を演算する。第２演算手段１４０は、
基準光検出器７０が基準光１を検出した時のフロント装
置１Ａの位置と姿勢の情報に基づき車体中心Ｏから基準
光１までの高さｈｆを補正値として演算し、この補正値
と第１設定手段１００で設定した基準光１と掘削領域と
の位置関係とから車体中心Ｏから掘削領域の基準点Ｐま
での深さｈｓを演算する。第３演算手段１５０は、基準
光検出器７１が基準光２を検出した時のフロント装置１
Ａの位置と姿勢の情報に基づき車体中心Ｏから基準光２
（基準点Ｐ）までの距離ｈｒｘを演算する。第２設定手
段１６０は、第２演算手段で求めた基準点Ｐの深さｈｓ
と、第３演算手段で求めた基準点Ｐまでの距離ｈｒｘ
と、先に設定した基準点Ｐの角度θｒとにより車体を基
準とした掘削領域を設定する。この車体１Ｂを基準とし
た掘削領域の設定が終了するとブロック１８０に示すよ
うに領域制限掘削制御に移行する。

【００４３】上記第１設定手段１００における基準光１
と掘削領域との位置関係を設定する機能の詳細を図７に
処理フローで示す。図中、破線で囲んだ部分は油圧ショ
ベルのオペレータが行わなくてはならない操作を示す。

【００４４】まず、オペレータは地表から設定したい掘
削領域の基準点Ｐまでの深さｈｄと境界の傾斜角度θｒ
とを設計施工図面等により決め、それらの深さと角度を
設定器７のボタン７ａ〜７ｄを用いて入力し、表示装置
７ｅで確認した後、領域設定スイッチ７ｆを押す。制御
ユニット９では、処理１０１にて領域設定スイッチ７ｆ
が押されたかどうかを判定し、押されていない場合は処
理１０１を続行し、押されると処理１０２へ移る。処理
１０２では、基準光１から設定したい掘削領域の基準点
Ｐまでの深さｈｒを次の（１）式で演算する。

【００４５】 ｈｒ＝ｈｄ＋ｈｏ …（１） 上記（１）式において、ｈｏは基準光発生器８０の高さ
（地表から基準光１までの高さ）であり、この値ｈｏは
既知であり、予め制御ユニット９に記憶しておく。そし
て、処理１０３に移り、深さｈｒと先に入力した角度θ
ｒを記憶する。なお、基準光発生器８０の高さｈｏをオ
ペレータが覚えておき、この高さｈｏを含めた高さｈｒ
を設定器７を用いてオペレータが直接入力してもよい。
また、設定器７に基準光発生器８０の高さｈｏを入力す
るためのボタンを設け、オペレータの操作でこの高さｈ
ｏの設定を変えれるようにしてもよい。

【００４６】第２演算手段１４０、第３演算手段１５０
及び第２設定手段１６０における車体を基準とした掘削
領域を設定する機能の詳細を図８に処理フローで示す。

【００４７】オペレータが操作レバー４０（図１参照）
を操作してフロント装置１Ａを動かすとき、まず、処理
１４１において基準光検出器７０が基準光１を横切った
かどうかを判定する。横切っていない場合は、処理１５
１に移り、基準光検出器７１が基準光２を横切ったかど
うかを判定する。ここでも横切っていない場合は、掘削
領域の設定を変えずに次の領域制限掘削制御の処理へ飛
ぶ。処理１４１において基準光検出器７０が基準光１を
横切ったと判定されると処理１４２へ行く。

【００４８】処理１４２ではフロント装置１Ａに備えら
れた角度計８ａ，８ｂ及び傾斜計８ｄによりブーム１
ａ、アーム１ｂの角度α，β及び車体１Ｂの傾斜角θを
読み込む。次に処理１４３においてブーム、アームの角
度α，β及び傾斜角θを用いて基準光１を検出したとき
の車体中心Ｏから基準光検出器７０までの高さｈｆを演
算する。

【００４９】演算はまず次の（２）式により車体中心Ｏ
からブームとアームの接合点（アーム角度計８ｂの設置
点）の高さｈｂを求める。

【００５０】 ｈｂ＝Ｌ１×ｃｏｓ（α−θ） …（２） 上記（２）式においてＬ１はブーム１ａと車体１Ｂの接
合点（ブーム角度計８ａの設置点）とブームとアームの
接合点との距離であり、この値は既知であり、予め制御
ユニット９に記憶しておく。

【００５１】次にブームとアームの接合点から基準光検
出器７０までの高さｈｆｌを（３）式により求める。

【００５２】 ｈｆｌ＝Ｌｆ×ｃｏｓ（（α−θ）＋（β−θｆ））…（３） 上記（３）式においてＬｆはブームとアームの接合点か
ら基準光検出器７０の設置点までの距離であり、θｆは
ブームとアームの接合点とアームとバケットの接合点
（バケット角度計８ｃの設置点）とを結ぶ直線に対する
基準光検出器７０の取り付け角度であり、これらの値は
それぞれ既知であり、予め制御ユニット９に記憶してお
く。

【００５３】次に高さｈｂとｈｆｌから式（４）により
車体中心Ｏから基準光検出器７０までの高さｈｆを演算
する。

【００５４】 ｈｆ＝ｈｂ＋ｈｆｌ …（４） 次は、処理１４４に移り、設定器７で設定した基準光１
から掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｒを読み込む。

【００５５】次に、処理１４５において、先程演算した
車体中心Ｏから基準光検出器７０までの高さｈｆを補正
値として、この値ｈｆと設定器７で設定した基準光１か
ら掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｒとから、式（５）
により車体中心Ｏから掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈ
ｓを演算する。

【００５６】 ｈｓ＝ｈｒ＋ｈｆ …（５） 一方、処理１５１において基準光検出器７１が基準光２
を横切ったと判定されると処理１５２へ行く。

【００５７】処理１５２ではフロント装置１Ａに備えら
れた角度計８ａ，８ｂ及び傾斜計８ｄによりブーム１
ａ、アーム１ｂの角度α，β及び車体１Ｂの傾斜角θを
読み込む。次に処理１５３においてブーム、アームの角
度α，β及び傾斜角θを用いて基準光１を検出したとき
の車体中心Ｏから基準光２（基準点Ｐ）までの距離ｈｒ
ｘを演算する。

【００５８】最後に、処理１６１において処理１４５で
演算した掘削領域の基準点Ｐの深さｈｓと、処理１５２
で演算した基準点Ｐまでの距離ｈｒｘと、設定器７を用
いて設定した角度θｒを記憶し、車体を基準とした掘削
領域を設定する。

【００５９】以上において、処理１４１〜１４５は図６
に示す第２演算手段１４０に相当し、処理１５１〜１５
３が図６に示す第３演算手段１５０に相当し、処理１６
１が図６に示す第２設定手段１６０に相当する。

【００６０】以上を終了すると、次の領域制限掘削制御
の演算へ処理が移る。

【００６１】次に、上記の掘削領域設定機能を含む制御
ユニット９の全体制御機能を図９により説明する。図９
において、制御ユニット９は、第１掘削領域設定部９
ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、目標シリンダ速度演算部
９ｃ、目標先端速度ベクトル演算部９ｄ、方向変換制御
部９ｅ、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ、復元制御
演算部９ｇ、補正後目標シリンダ速度演算部９ｈ、目標
シリンダ速度選択部９ｉ、目標パイロット圧演算部９
ｊ、バルブ指令演算部９ｋ、第１位置関係演算部９ｍ、
第２位置関係演算部９ｐ及び第２掘削領域設定部９ｎの
各機能を有している。

【００６２】第１掘削領域設定部９ａは図６の第１設定
手段１００に相当するもので、図７に示す処理フローの
処理１０１〜１０３により基準光から掘削領域の基準点
Ｐまでの深さｈｒと角度θｒにより基準光と掘削領域と
の位置関係を設定する。

【００６３】フロント姿勢演算部９ｂは図５の第１演算
手段１２０に相当するもので、制御ユニット９に記憶し
たフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法と、角度計
８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α、β、γ及び傾斜
計で検出した傾斜角θを用いて設定及び制御に必要なフ
ロント装置１Ａの位置及び姿勢を演算する。

【００６４】第１位置関係演算部９ｍは図６の第２演算
手段１４０に相当するもので、図７に示す処理フローの
処理１４１〜１４５により車体中心Ｏから掘削領域の基
準点Ｐまでの深さｈｓを演算する。

【００６５】第２位置関係演算部９ｐは図６の第３演算
手段１５０に相当するもので、図７に示す処理フローの
処理１５１〜１５３により車体中心Ｏから基準光２（基
準点Ｐ）までの距離ｈｒｘを演算する。

【００６６】第２掘削領域設定部９ｎは図６の第２設定
手段１６０に相当するもので、図７に示す処理フローの
処理１６１により上記の深さｈｓ及び距離ｈｒｘと、第
１掘削領域設定部９ａに設定した角度θｒとにより油圧
ショベルの車体１Ｂを基準とした掘削領域を設定する。

【００６７】フロント姿勢演算部９ｂにおいて、フロン
ト装置１Ａの位置と姿勢はブーム１ａの回動支点を原点
としたＸＹ座標系で演算される。このＸＹ座標系は本体
１Ｂに固定した直交座標系であり、垂直面内にあるもの
とする。例えば、フロント装置１Ａのバケット１ｃの先
端位置は、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１
ｃの回動支点との距離を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、ＸＹ座
標系により下記の式より求まる。

【００６８】 Ｘ＝Ｌ₁ｓｉｎα＋Ｌ₂ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ₃ｓｉｎ（α＋β＋γ） Ｙ＝Ｌ₁ｃｏｓα＋Ｌ₂ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ₃ｃｏｓ（α＋β＋γ） ただし、図４に示すように車体１Ｂが傾いたときは、バ
ケットと先端と地面との相対位置関係が変化するので、
掘削領域の設定が正しく行えなくなる。そこで本実施例
では、車体１Ｂの傾斜角θを傾斜計８ｄで検出し、フロ
ント姿勢演算部９ｂでその傾斜角θの値を入力し、ＸＹ
座標系を角度θ回転させたＸｂＹｂ座標系でバケット先
端の位置を計算している。これにより、車体１Ｂが傾い
ていても正しい領域設定が行える。なお、車体が傾いた
ときには車体の傾きを修正してから作業するとか、車体
が傾斜しないような作業現場で用いる場合には、必ずし
も傾斜計は必要としない。

【００６９】第１掘削領域設定部９ａ、補正値演算部９
ｍ及び第２掘削領域設定部９ｎでは、深さｈｒ，ｈｓ、
高さｈｆ等をＸｂＹｂ座標系の値に変換して処理する。

【００７０】目標シリンダ速度演算部９ｃでは操作レバ
ー装置４ａ，４ｂの操作信号として圧力検出器６０ａ，
６０ｂ；６１ａ，６１ｂの検出信号を入力する。その操
作信号（パイロット圧）から流量制御弁５ａ，５ｂの目
標吐出流量（ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３
ｂの目標速度）を計算する。

【００７１】目標先端速度ベクトル演算部９ｄでは、フ
ロント姿勢演算部９ｂで求めたバケットの先端位置及び
目標シリンダ速度演算部９ｃで求めた目標シリンダ速度
と、制御ユニット９に記憶してある先のＬ₁，Ｌ₂，Ｌ₃
等の各部寸法とからバケット１ｃの先端の目標速度ベク
トルＶｃを求める。このとき、目標速度ベクトルＶｃは
図４に示すＸａＹａ座標系の値として求める。このＸａ
Ｙａ座標系は、図４に示す掘削領域の基準点Ｐに原点を
持ち、掘削領域の境界上にＸａ軸を持つ直交座標系であ
り、上記の深さｈｓ、距離ｈｒｘだけＸｂＹｂ座標系を
Ｘｂ方向及びＹｂ方向に平行移動し、割譲機の角度θｒ
だけ回転移動することにより容易に求まる。ここで、Ｘ
ａＹａ座標系での目標速度ベクトルＶｃのＸａ座標成分
Ｖｃｘ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。

【００７２】方向変換制御部９ｅでは、バケット１ｃの
先端が設定領域内でその境界近傍にあり、目標速度ベク
トルＶｃが設定領域の境界に接近する方向の成分を持つ
場合、垂直なベクトル成分を設定領域の境界に近づくに
つれて減じるように補正する。換言すれば、垂直方向の
ベクトル成分Ｖｃｙにそれよりも小さい設定領域から離
れる方向のベクトル（逆方向ベクトル）を加える。

【００７３】以上のように目標速度ベクトルＶｃの垂直
方向のベクトル成分Ｖｃｙを補正することにより、距離
Ｙａが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Ｖ
ｃａに補正される。ここで、設定領域の境界から距離Ｙ
ａ１の範囲は方向変換領域または減速領域と呼ぶことが
できる。

【００７４】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の通りに方向変換制御された
ときの軌跡の一例を図１０に示す。目標速度ベクトルＶ
ｃが斜め下方に一定であるときには、その平行成分Ｖｃ
ｘ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Ｙａ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、軌跡は図示のご
とく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。

【００７５】補正後目標シリンダ速度演算部９ｆでは、
方向変換制御部９ｅで求めた補正後の目標速度ベクトル
からブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの目標
シリンダ速度を演算する。これは目標先端速度ベクトル
演算部９ｄでの演算の逆演算である。

【００７６】復元制御部９ｇでは、バケット１ｃの先端
が設定領域の外に出たとき、設定領域の境界からの距離
に関係して、バケット先端が設定領域に戻るように目標
速度ベクトルを補正する。換言すれば、垂直方向のベク
トル成分Ｖｃｙにそれよりも大きな設定領域に接近する
方向のベクトル（逆方向ベクトル）を加える。このよう
に目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃ
ｙを補正することにより、距離Ｙａ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Ｖｃは目標速度ベクトルＶｃａに
補正される。

【００７７】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１１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Ｖｃｈは
一定となり、また復元ベクトル−ＫＹａは距離Ｙａ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Ｙａ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Ｖｃ
ａはその合成であるので、軌跡は図１１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。

【００７８】このように復元制御部９ｇではバケット１
ｃの先端が設定領域に戻るように制御されるため、設定
領域外に復元領域が得られることになる。また、この復
元制御でも、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接
近する方向の動きが減速されることにより、結果として
バケット１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿っ
た方向に変換され、この意味でこの復元制御も方向変換
制御ということができる。

【００７９】補正後目標シリンダ速度演算部９ｈでは、
復元制御部９ｇで求めた補正後の目標速度ベクトルから
ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの目標シリ
ンダ速度を演算する。これは目標先端速度ベクトル演算
部９ｄでの演算の逆演算である。

【００８０】ここで、復元制御を行う場合は、その復元
制御に必要なブームシリンダ及びアームシリンダの動作
方向を選択し、その動作方向における目標シリンダ速度
を演算する。ただし、復元制御ではブーム１ａを上げる
ことでバケット先端を設定領域に戻すため、ブーム１の
上げ方向が必ず含まれる。その組み合わせも制御ソフト
で決まる。

【００８１】目標シリンダ速度選択部９ｉでは目標シリ
ンダ速度演算部９ｆで得た方向変換制御による目標シリ
ンダ速度と目標シリンダ速度演算部９ｈで得た復元制御
による目標シリンダ速度の値の大きい方（最大値）を選
択し、出力用の目標シリンダ速度とする。

【００８２】目標パイロット圧演算部９ｊでは、目標パ
イロット圧としてパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４
５ａ，４５ｂの目標パイロット圧を計算する。

【００８３】バルブ指令演算部９ｋでは、目標パイロッ
ト圧演算部９ｊで計算した目標パイロット圧に応じた指
令値を演算し、対応する電気信号が比例電磁弁１０ａ，
１０ｂ，１１ａ，１１ｂに出力される。

【００８４】以上のように構成した本実施例において
は、基準光検出器７０，７１が基準光１，２を横切るご
とに、基準光１と掘削領域の位置関係を補正して車体１
Ｂと掘削領域の高さ方向の位置関係を演算するととも
に、車体と掘削領域の水平方向の位置関係を演算し、車
体を基準とした掘削領域を設定するため、車体の移動に
よる高さ変化を毎回補正して掘削作業が行える。このた
め、車体が移動し車体高さが変化しても掘削領域の設定
は変化せず、常に基準光１，２を基準とした所定の深さ
及び位置を掘削することができる。

【００８５】また、基準光検出器７０，７１を実際に地
面に作用する部材であるバケットを備えたフロント装置
１Ａのバケット先端に近いところに設置し、これらの基
準光検出器７０，７１が基準光１，２を検出したときの
フロント装置１Ａの位置と姿勢に基づき車体１Ｂを基準
とした掘削領域を設定するので、この掘削領域の設定に
際して掘削領域設定演算と掘削制御演算とで車体１Ｂの
製作公差や、基準光検出器７０，７１、角度センサ８ａ
〜８ｃ等の精度、取付け公差の誤差の影響が相殺される
ことになる。このため、掘削制御でバケット１ｃの先端
位置を演算するとき、基準光１，２を車体１Ｂに設置し
たセンサで検出する方法に比較して、上記の公差や精度
の誤差の影響が少なくなり、設定した掘削領域との差を
少なく設定通りに正確に掘削することができる。

【００８６】今、このことを更に説明する。特開平３−
２９５９３３号公報に記載の従来技術では、前述したよ
うに基準光による車体高さの補正は行える。掘削を行う
ときには車体高さを補正し、車体中心から設定された深
さｈｓにバケット先端を動かすように制御する。このと
き、制御装置は制御装置に設定されているブーム、アー
ム、バケットの寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３及び角度センサか
ら検出された各フロント部材の角度α，β，γを用いバ
ケット先端がｈｓの位置になるように制御演算を行う。
しかし、実際のフロント部材には製作誤差があり、例え
ばブームはＬ１＋εL1、アームはＬ２＋εL2、バケット
はＬ３＋εL3の寸法になっている。また、センサから検
出した角度α，β，γは真の角度α′，β′，γ′に対
してセンサ取り付け誤差、センサ自身の検出誤差等によ
りεα，εβ，εγの誤差を含んている。そのため、制
御装置が、 ｈｓ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，α(hs)，β(hs)，γ(hs)） にバケット先端を制御しようとしても、実際には ｈｓ′（Ｌ１′，Ｌ′，Ｌ３′，α′(hs)，β′(hs)，γ′(hs)） ＝ｈｓ′（Ｌ１＋εL1，Ｌ２＋εL2，Ｌ３＋εL3，α(hs)＋εα， β(hs)＋εβ，γ(hs)＋εγ） …（６） の位置になってしまう。

【００８７】ここで、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：設計値 α，β，γ：検出値 Ｌ１′Ｌ２′Ｌ３′，α′，β′，γ′：実際値 εL1，εL2，εL3，εα，εβ，εγ：誤差 また、Ｌ１′＝Ｌ１＋εL1 Ｌ２′＝Ｌ２＋εL2 Ｌ３′＝Ｌ３＋εL3 α＝α′＋εα β＝β′＋εβ γ＝γ′＋εγ ただし、α(hs)，β(hs)，γ(hs)，α′(hs)，β′(h
s)，γ′(hs)はフロント装置がｈｓ検出の姿勢をとった
ときの角度の検出値と実際値。

【００８８】例えば、目標のブーム角が３０°とする
と、制御装置は検出値α(hs)＝３０°になるようにフロ
ント装置を制御する。このとき、検出値αと実際の角度
α′にεα＝０．５°の誤差が合った場合には、実際に
はα′＝３０．５°の位置に制御されてしまう。

【００８９】一方、本実施例ではフロント装置（アー
ム）に基準光検出器７０を設けているので、基準光１を
検出器７０が横切ったときの検出器７０の位置ｈｆは制
御ユニット９の内部では、 ｈｆ（Ｌ１，Ｌｆα(hf)，β(hf)，θｆ） で演算された位置と認識される。その時の実際の検出器
７０は、 ｈｆ′（Ｌ１′，Ｌｆ′，α′(hf)，β′(hf)，θｆ′） ＝ｈｆ′（Ｌ１＋εL1，Ｌｆ＋εLf，α(hf)＋εα，β(hf)＋εβ， θｆ＋εθｆ） の位置にある。このときのバケット先端の位置は、 （Ｌ１′，Ｌ２′，Ｌ３′，α′(hf)，β′(hf)，γ′(hf)） ＝（Ｌ１＋εL1，Ｌ２＋εLf，Ｌ３＋εL3，α(hf)＋εα(hf)， β(hf)＋εβ(hf)，γ(hf)＋εγ(hf)） …（７） の位置になっている。

【００９０】ここで、εθｆ：ｂ検出器７０の取り付け
誤差 α(hf)，β(hf)，γ(hf)：フロント装置がｈｆ検出の姿
勢をとったときの角度の検出値 α′(hf)，β′(hf)，γ′(hf)：フロント装置がｈｆ検
出の姿勢をとったときの角度の検出値 このとき、基準光検出器７０は真の基準光１の位置にあ
るので、制御ユニット９は誤差を含んだ形で真の基準光
１の位置を検出したことになる。このｈｆを領域制限制
御に用いれば、制御ユニット９内の検出位置ｈｆと実際
の位置ｈｆ′の誤差はｈｆを検出したときと同じ誤差を
含んでいるので、実際には相殺されて真のｈｆ′の位置
に一致する。

【００９１】例えば、基準光１を検出したときに実際の
ブーム角α′＝３０°であったとし、センサ８ａによる
検出値にεα＝０．５°の誤差があるとすると、α＝２
９．５°で検出される。この検出値α＝２９．５°を用
いれば、実際にはα′＝３０°の位置、つまり基準光１
の真の位置と一致するので、誤差は相殺される。

【００９２】次に、領域制限制御を行うときにこのｈｆ
を用いて補正されたｈｓを目標にバケット先端位置を制
御すると、少なくともｈｆに内在されている誤差は先に
述べたように実際の基準光位置から考えると相殺され、
残りはｈｆを検出したときの姿勢からバケット先端をｈ
ｓに移動するまでのセンサの誤差によるものになる。こ
のとき実際には、バケット先端は、 ｈｓ′（Ｌ１′，Ｌ２′，Ｌ３′，α′，β′(hs)，γ′(hs)） ＝ｈｓ′（Ｌ１＋εL1，Ｌ２＋εLf，Ｌ３＋εL3，α(hs)＋εα(hs)， β(hs)＋εβ(hs)，γ(hs)＋εγ(hs)） …（８） にある。

【００９３】ここで、α(hs)，β(hs)，γ(hs)：フロン
ト装置がｈｓの制御姿勢をとったときの角度の検出値 α′(hs)，β′(hs)，γ′(hs)：フロント装置がｈｓの
制御姿勢をとったときの角度の検出値 このとき、本実施例では（７）式に従いｈｆ検出時の位
置は基準光１の真の位置であるので、従来技術と異な
り、ｈｆ検出時からｈｓへ姿勢を制御したときの偏差α
(hs)−α(hf)，β(hs)−β(hf)，γ(hs)−γ(hf)に係わ
る誤差、 Δεα＝εα(hs)−εα(hf) …（９） Δεβ＝εβ(hs)−εβ(hf) …（１０） Δεγ＝εγ(hs)−εγ(hf) …（１１） が実際に領域制限制御を行ったときの誤差に係わり、軽
微なものとなる。また、本実施例では、基準光検出器７
０をフロント装置に備えて、基準光検出時と掘削時の姿
勢変化を極力少なくすることができ、その場合は（９）
〜（１１）式に係わる誤差は更に少なくすることができ
る。

【００９４】なお、後述するダイレクトティーチングに
よる場合は、ｈｒを設定する場合の誤差も設定時に取り
込み、制御時に操作できることからより正確な掘削の制
御ができる。

【００９５】また、本実施例では、フロント装置１Ａの
位置と姿勢を検出する角度センサ８ａ〜８ｃの誤差の影
響を受け難いので、車体が移動して車体高さが変化する
ことにより車体からの掘削深さが変化しても、その掘削
深さの変化量に対する角度センサ８ａ〜８ｃの誤差の影
響が少なくなり、車体高さが変化する前と後で掘削深さ
が変化することが防止される。

【００９６】更に、特開平３−２９５９３３号公報に記
載の従来技術では、車体に備えられた基準光検出器が基
準光を検出できる広い範囲にあることが必要である。本
実施例では、基準光検出器７０，７１をフロント装置１
Ａに設置し、フロント装置１Ａを操作している最中に基
準光検出器７０，７１が基準光１，２を横切ることでそ
れぞれ基準光１，２を検出するので、基準光検出器７
０，７１の設置面積が小さくても確実に基準光１，２を
捕らえることができ、基準光検出器７０，７１をそれぞ
れ小型でシンプルな構成にできる。

【００９７】同様に、フロント装置１Ａを操作している
最中に基準光検出器７０，７１が基準光１，２を横切る
ことで基準光１，２を検出するので、フロント装置１Ａ
の広い可動範囲を考えれば車体の移動を広い範囲で補正
できる。

【００９８】また、特開平３−２９５９３３号公報に記
載の従来技術では、上記のように車体に備えられた基準
光検出器が基準光を検出できる範囲にあることが必要で
あり、基準光検出器の大きさを考えれば大きな制約とな
る。本実施例では、基準光検出器７０，７１はフロント
装置１Ａ、特にアームに備えられるので、フロント装置
の広い可動範囲を考えれば基準光発生器８０，８１の設
置場所は大きな制約を受ない。このことは、例えば図１
２に示すように、車体１Ｂと同じ高さの地面に適当な基
準光発生器の設置場所がない場合に、溝Ｇの中に基準光
発生器８０，８１を設置することができるなどのメリッ
トがある。また、このことにより先の誤差の問題から基
準光検出時の姿勢と掘削時の姿勢との間の変化を少なく
するように基準光発生器８０，８１を設置することがで
き、掘削の精度を向上することができる。

【００９９】更に、本実施例によれば、作業の初めに基
準光発生器８０，８１を設置し、設定器７を用いて設定
を行っておけば、作業開始時、あるいは油圧ショベル本
体を走行して移動するごとにバケット１ｃの先端を掘削
領域の境界に位置決めするための補助員が不要となる。
また、補助員の指示による設定にかかる時間を無くすこ
とができ、作業時間を短縮できる。

【０１００】また、基準光発生器８０，８１は車体の外
部に設置され、一度設置されればその位置を変える必要
がなく、車体が移動しても掘削領域の基準として継続的
に使用できる。

【０１０１】本発明の第２の実施例を図１３〜図１５に
より説明する。本実施例は第１の実施例の第１設定手段
１００（図５参照）における基準光と掘削領域の位置関
係の設定をダイレクトティーチングで行うものである。

【０１０２】すなわち、第１の実施例では、第１設定手
段１００において基準光から掘削領域の基準点Ｐまでの
深さｈｒを設定器７のアップボタン７ａ及びダウンボタ
ン７ｃ（図３参照）等を使用して設定した。本実施例で
は、オペレータの操作レバーの操作でバケット１ｃの先
端を図１３に二点鎖線で示すように設定したい基準点Ｐ
に動かして、その場所をダイレクトティーチングするこ
とにより基準点Ｐの深さｈｒを設定する。

【０１０３】図１４に掘削領域のダイレクトティーチン
グによる設定方法の処理フローを示す。図中、破線で囲
んだ部分の操作，は油圧ショベルのオペレータが行
わなくてはならない動作を示す。

【０１０４】まず、オペレータは図１４のに示すよう
に、操作レバーを操作してバケット１ｃの先端を掘削領
域の基準点Ｐに来るようにフロント装置１Ａを動かす。
バケット１ｃの先端が基準点Ｐに来ると、オペレータは
設定器７を用いて角度θｒを入力した後、領域設定スイ
ッチ７ｆ（図３参照）を押す。

【０１０５】制御ユニット９（図１参照）では、処理１
９０において領域設定スイッチ７ｆが押されたかどうか
を判定し、押されていない場合は処理１９０を継続す
る。領域設定スイッチ７ｆが押されると処理１９１へ移
る。

【０１０６】処理１９１ではその時のフロント装置１Ａ
の姿勢から、車体中心Ｏからバケット１ｃの先端までの
深さｈｓを演算する。

【０１０７】次に、オペレータは図１４のに示すよう
に、再び操作レバーを操作して基準光検出器７０が基準
光１を横切り基準光１を検出できるようにフロント装置
１Ａを動かす。

【０１０８】制御ユニットはその間に処理１９２におい
て基準光検出器７０が基準光１を検出したかどうかの判
定を継続する。ここで、基準光１を検出すると処理１９
３へ移る。

【０１０９】処理１９３では、その時のフロント装置１
Ａの姿勢から、車体中心Ｏから基準光検出器７０までの
高さｈｆｏを演算する。

【０１１０】次に処理１９４において、基準光１から掘
削領域の基準点Ｐまでの深さｈｒを、 ｈｒ＝ｈｓ−ｈｆｏ …（１２） の演算により求める。

【０１１１】最後に、処理１９５において、上記のよう
にして求めた深さｈｒと設定器７を用いて入力した角度
θｒとを記憶し、設定を完了する。

【０１１２】以上のように基準光１を基準とした掘削領
域の基準点Ｐの深さｈｒと角度θｒの設定が完了する
と、掘削制御を開始する。本実施例の第１設定手段以外
の構成は第１の実施例と同じであり、掘削作業に際して
は図６に示す第１演算手段１２０、第２演算手段１４
０、第３演算手段１５０及び第２設定手段１６０によ
り、図１５に示すように処理１９５で設定したｈｒを使
用し、基準光１を検出するごとに補正値ｈｆを求めて深
さｈｓを更新し、車体を基準とした掘削領域を設定しつ
つ領域制限掘削制御を行う。

【０１１３】本実施例によればダイレクトティーチング
により掘削領域を設定するので、作業状況に合わせて所
望の掘削領域を正確に設定することができる。

【０１１４】

【発明の効果】本発明によれば、車体が移動し作業現場
の地形の変化で油圧ショベルの高さが変化しても、常に
基準光を基準とした所定の深さ及び位置を掘削すること
ができる。

【０１１５】また、掘削時に、基準光を車体に設置した
センサで検出する方法に比較して、車体の製作公差やセ
ンサ等の精度、取付け公差の誤差の影響を受難く、設定
した掘削領域との差を少なく設定通りに正確に掘削する
ことができる。

【０１１６】また、センサの誤差の影響を受け難いの
で、車体の移動により車体からの掘削深さが変化して
も、車体高さが変化する前と後で掘削深さが変化するこ
とが防止できる。

【０１１７】更に、第１及び第２検出手段の設置面積が
小さくても確実に基準光を捕らえることができるので、
第１及び第２検出手段を小型でシンプルな構成にでき
る。

【０１１８】また、第１検出手段を設置したフロント装
置の広い可動範囲を考えれば車体の移動を広い範囲で補
正できる。

【０１１９】また、本発明によれば、勾配を付けた掘削
領域を設定して領域制限掘削制御により上下水道管の埋
設用の溝掘りのような作業が容易になる。

【０１２０】また、本発明によれば、操作器を用いて作
業の初めに第１設定手段の設定を行っておけば、作業開
始時、あるいは車体を走行して移動するごとにフロント
装置を掘削領域の境界に位置決めするための補助員が不
要となる。また、補助員の指示による設定にかかる時間
を無くすことができ、作業時間を短縮できる。

【０１２１】更に、本発明によれば、ダイレクトティー
チングにより第１設定手段の設定を行うので、作業状況
に合わせて所望の掘削領域を正確に設定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による掘削領域設定装置
を備えた建設機械の領域制限掘削制御装置を油圧駆動装
置と共に示す図である。

【図２】本発明が適用された油圧ショベルの外観とその
周囲の設定領域の形状を示す図である。

【図３】設定器の外観を示す図である。

【図４】第１の実施例の掘削領域設定装置により掘削領
域を設定する際の水平方向の基準光との関係を示す図で
ある。

【図５】第１の実施例の掘削領域設定装置により掘削領
域を設定する際の高さ方向の基準光との関係を示す図で
ある。

【図６】第１の実施例の掘削領域設定装置の構成を示す
図である。。

【図７】第１の実施例の掘削領域設定装置における第１
設定手段の処理フローを示す図である。

【図８】第１の実施例の掘削領域設定装置における第２
演算手段、第３演算手段及び第２設定手段の処理フロー
を示す図である。

【図９】制御ユニットの全体の制御機能を示す機能ブロ
ック図である。

【図１０】領域制限掘削制御においてバケットの先端が
演算通りに方向変換制御されたときの軌跡の一例を示す
図である。

【図１１】領域制限掘削制御においてバケットの先端が
演算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。

【図１２】車体と同じ高さに適当な基準光発生器の設置
場所がない場合に、溝の中に基準光発生器を設置した状
態を示す図である。

【図１３】本発明の第２の実施例の掘削領域設定装置に
より掘削領域を設定する際の基準光との関係を示す図で
ある。

【図１４】第２の実施例の掘削領域設定装置における第
１設定手段の処理フローを示す図である。

【図１５】第２の実施例の掘削領域設定装置による掘削
領域を設定したときの最初の設定時とその後の移動時の
関係を示す図である。

【符号の説明】

１Ａ フロント装置 １Ｂ 車体 １ａ ブーム １ｂ アーム １ｃ バケット １ｄ 上部旋回体 １ｅ 下部走行体 ２ 油圧ポンプ ３ａ〜３ｆ 油圧アクチュエータ ４ａ〜４ｆ；２０４ａ〜２０４ｆ 操作レバー装置 ５ａ〜５ｆ 流量制御弁 ６ リリーフ弁 ７ 設定器 ８ａ，８ｂ，８ｃ 角度計（第２検出手段） ８ｄ 傾斜計（第２検出手段） ９ 制御ユニット ９ａ 第１掘削領域設定部（第１設定手段） ９ｂ フロント姿勢演算部（第１演算手段） ９ｃ 目標シリンダ速度演算部 ９ｄ 目標先端速度ベクトル演算部 ９ｅ 方向変換制御部 ９ｆ 補正後目標シリンダ速度演算部 ９ｇ 復元制御部 ９ｈ 補正後目標シリンダ速度演算部 ９ｉ 目標シリンダ速度選択部 ９ｊ 目標パイロット圧演算部 ９ｋ バルブ指令演算部 ９ｍ 第１位置関係演算部（第２演算手段） ９ｎ 第２掘削領域設定部（第２設定手段） ９ｐ 第２位置関係演算部（第３演算手段） １０ａ 比例電磁弁 １０ｂ，１１ａ，１１ｂ 比例電磁弁 １２ シャトル弁 ４４ａ，４４ｂ〜４９ａ，４９ｂ パイロットライン ６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ 圧力検出器 ７０ 基準光検出器（第１検出手段） ７１ 基準光検出器（第２検出手段） ８０ 基準光発生器（第１外部基準光発生装置） ８１ 基準光発生器（第２外部基準光発生装置） １００ 第１設定手段 １２０ 第１演算手段 １４０ 第２演算手段 １５０ 第３演算手段 １６０ 第２設定手段

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−161525（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−107064（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−136324（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−77343（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E02F 3/43 E02F 9/26

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多関節型のフロント装置を構成する上下
   方向に回動可能な複数のフロント部材と、前記フロント
   装置を支持する車体とを備え、前記複数のフロント部材
   をそれぞれ駆動制御してフロント部材の動作範囲を制限
   制御する建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装
   置において、 （ａ）前記建設機械の外部に設置され、掘削領域に対す
   る高さ方向の基準位置を示す基準光を発生する第１外部
   基準光発生装置と； （ｂ）前記建設機械の外部に設置され、掘削領域に対す
   る水平方向の基準位置を示す基準光を発生する第２外部
   基準光発生装置と； （ｃ）前記フロント装置に備えられ、前記第１外部基準
   光発生装置の出力した基準光を横切る瞬間を検出する第
   １検出手段と； （ｄ）前記フロント装置に備えられ、前記第２外部基準
   光発生装置の出力した基準光を横切る瞬間を検出する第
   ２検出手段と； （ｅ）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３検出手段と； （ｆ）前記第３検出手段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； （ｇ）前記第１外部基準光発生装置の発生する基準光と
   掘削領域との位置関係を設定する第１設定手段と； （ｈ）前記第１検出手段が前記第１外部基準光発生装置
   の発生する基準光を検出したときに、前記第１演算手段
   で演算した前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づ
   き前記車体の位置変化に関する補正値を演算し、この補
   正値と前記第１設定手段で設定した基準光と掘削領域と
   の位置関係とから前記車体と掘削領域の高さ方向の位置
   関係を演算する第２演算手段と； （ｉ）前記第２検出手段が前記第２外部基準光発生装置
   の発生する基準光を検出したときに、前記第１演算手段
   で演算した前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づ
   き前記車体と掘削領域の水平方向の位置関係を演算する
   第３演算手段と； （ｊ）前記第２演算手段で演算した基準光と掘削領域と
   の高さ方向の位置関係と、前記第３演算手段で演算した
   前記車体と掘削領域の水平方向の位置関係と、前記第１
   設定手段で設定した基準光と掘削領域との位置関係とか
   ら前記車体を基準とした掘削領域を設定する第２設定手
   段と； を備えることを特徴とする建設機械の領域制限掘削制御
   の掘削領域設定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の建設機械の領域制限掘削制
   御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段は、
   前記第１外部基準光発生装置の発生する基準光から前記
   掘削領域の基準点までの深さと、前記掘削領域の境界の
   傾斜角度を設定する手段であることを特徴とする建設機
   械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の建設機械の領域制限掘削制
   御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段は、
   操作器により入力されたデータを基に前記基準光と設定
   領域の位置関係を設定する手段であることを特徴とする
   建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の建設機械の領域制限掘削制
   御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段は、
   前記フロント装置を動かしフロント装置の先端が設定領
   域の基準点に来たとき、前記第１演算手段で演算した前
   記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づき前記フロン
   ト装置の先端の位置を演算する手段と、前記フロント装
   置を動かし前記第１検出手段が前記第１外部基準光発生
   装置の発生する基準光を検出したとき、前記第１演算手
   段で演算した前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基
   づき前記第１検出手段の位置を演算する手段と、前記フ
   ロント装置の先端位置と前記第１検出手段の位置とから
   前記基準光と設定領域の位置関係を演算し、記憶する手
   段とを含むことを特徴とする建設機械の領域制限掘削制
   御の掘削領域設定装置。