JP3609164B2 - 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

【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後で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、センサの装備が大がかりで複雑になる。
【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、大がかりで複雑なセンサを要せずに車体の移動を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。
【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た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の検出信号に基づき前記車体を基準としたフロント装置の先端位置を演算し、このフロント装置の先端位置と前記複数のフロント部材を操作するための操作レバー装置の操作信号とから前記フロント装置の先端位置の目標速度ベクトルを計算し、この目標速度ベクトルを補正することにより、フロント装置が予め設定した掘削領域の境界に近づくとフロント装置の当該境界に接近する方向の移動速度を制限し、当該境界に沿ってフロント装置を動かすよう、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、掘削領域に対する基準位置となる外部基準を与える外部基準部材と；（ｂ）前記フロント装置に備えられ、前記外部基準に前記フロント装置を合わせる目標となるフロント基準を与えるフロント基準部材と；（ｅ）前記外部基準と掘削領域の位置関係を設定する第１設定手段と；（ｆ）前記フロント基準が前記外部基準と一致したときに操作される外部基準設定スイッチと；（ｇ）前記外部基準設定スイッチが操作されたときに前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量の検出信号に基づき前記車体を基準とした前記フロント基準の位置を演算することにより前記車体と前記外部基準との位置関係を求め、この車体と外部基準との位置関係と前記第１設定手段で設定した外部基準と掘削領域の位置関係とから前記車体と掘削領域との位置関係を演算する演算手段と；（ｈ）前記演算手段で演算した前記車体と掘削領域との位置関係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】
以上のように構成した本発明においては、フロント基準が外部基準と一致し、外部基準設定スイッチが操作されたときに、第２演算手段にて第１設定手段で設定した外部基準と掘削領域の位置関係を補正して車体と掘削領域の位置関係を演算し、第２設定手段で車体を基準として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、常に外部基準を基準とした所定の深さを掘削することができる。
【００１７】
また、フロント基準部材を実際に地面に作用するフロント装置に設置し、フロント基準が外部基準と一致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フロント基準、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上記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。
【００１８】
また、フロント装置の位置、姿勢を計測する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。
【００１９】
更に、フロント装置を動かしフロント基準が外部基準と一致したときに、外部基準設定スイッチを操作することで外部基準を検出するので、フロント装置に小型でシンプルなフロント基準を設置するだけで車体の移動を補正できる。
【００２０】
同様に、フロント装置を操作してフロント基準を外部基準に一致させ、外部基準設定スイッチを操作するので、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。
【００２１】
以上の掘削領域設定装置において、好ましくは、前記第１設定手段は、前記外部基準から掘削領域の境界までの深さを設定する手段である。このように第１設定手段を構成することにより、制限領域との境界を水平面とした掘削領域を設定できる。
【００２２】
また、前記第１設定手段は、前記外部基準から前記掘削領域の基準点までの深さ、前記車体から前記基準点までの距離、前記掘削領域の境界の傾斜角度を設定する手段であってもよい。このように第１設定手段を構成することにより、勾配を付けた掘削領域を設定できる。
【００２３】
また、好ましくは、前記第１設定手段は、設定器により入力されたデータを基に前記外部基準と掘削領域の位置関係を設定する手段である。このように第１設定手段を構成することにより、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。
【００２４】
前記第１設定手段は、前記第１設定手段は、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量の検出信号に基づき、前記フロント装置を動かしフロント装置の先端が掘削領域の境界に来たときの前記フロント装置の先端の位置を演算する手段と、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量の検出信号に基づき、前記フロント装置を動かし前記フロント基準が前記外部基準に一致したときの前記フロント基準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フロント基準の位置とから前記外部基準と掘削領域の位置関係を演算し、記憶する手段とを含む構成であってもよい。このように第１設定手段を構成することにより、フロント装置の先端が設定領域の境界に来たときのフロント装置の先端の位置と、フロント基準が外部基準と一致したときのフロント基準の位置とから外部基準と設定領域の位置関係を演算し、記憶することとなり、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。
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図１１により説明する。
【００２６】
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４ａ〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ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〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６とを有し、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）とにより構成され、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，４５ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８ｂ；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，５２ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂに接続されている。
【００２９】
以上のような油圧ショベルに本実施形態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４ａ，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；６１ａ，６１ｂと、油圧ショベルの外部に設置され掘削領域に対する基準位置を示す外部基準を与える外部基準部材８０（図２参照；以下、適宜、「外部基準部材」を単に「外部基準」という）と、フロント装置１Ａのアーム１ｂの側部に取り付けられ、外部基準８０にフロント装置１Ａを合わせる目標となるフロント基準を与えるフロント基準部材７０（図２参照；以下、適宜、「フロント基準部材」を単に「フロント基準」と称する）と、フロント装置１Ａを操作してフロント基準７０が外部基準８０に一致したときに押される外部基準設定スイッチ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、及び外部基準設定スイッチ７１の操作信号を入力し、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。
【００３０】
以上の構成において、本実施形態の掘削領域設定装置は、設定器７、外部基準部材８０、フロント基準部材７０、外部基準設定スイッチ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。
【００３１】
設定器７は、図３に示すように、掘削領域の深さを入力するためのアップダウンボタン７ａ，７ｂ、入力した深さを表示する表示装置７ｅ及び入力した深さを設定信号として制御ユニット９に出力し掘削領域を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。
【００３２】
外部基準部材８０は例えば図２に示すようにクイ８０ａに水平に張り渡した水糸である。水糸８０は工事現場で基準を示すために良く使用されるものである。外部基準部材８０は単なるクイ等、油圧ショベルのオペレータから外部基準の確認の取れるものであれば何でも良い。
【００３３】
フロント基準部材７０は図４に示すようにフロント装置１Ａのオペレータから確認できる位置に設置された印である。この印７０としては例えば矢印のようなものを鋼材で製作してそれをフロント装置の決められた位置に溶接で取り付ければよい。
【００３４】
外部基準設定スイッチ７１は、上記の場合、フロント装置１Ａを動かして外部基準８０である水糸にフロント基準７０である矢印があった位置で操作されるもので、この操作により外部基準８０の位置が検出され、油圧ショベルの車体１Ｂと外部基準８０との位置関係（車体に対する外部基準８０の位置）が演算設定される（後述）。
【００３５】
なお、外部基準部材８０として工事現場の測量などで使用するレーザ基準光発生器（レーザ燈台）を使用し、フロント基準部材７０にそのレーザ光を検出するレーザ検出器を使用しても良い。この場合、レーザ燈台の光をレーザ検出器が検出したときにランプを点灯させ、オペレータがこのランプの点灯を確認して外部基準設定スイッチ７１を操作することで同等の機能が果たせる。
【００３６】
また、掘削領域の設定演算に際して車体の製作公差の影響をできるだけ少なくするには、フロント基準部材７０は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に近いところで外部基準８０と一致させるようにすることが望ましい。外部基準設定スイッチ７１は設定器７の中に組み込んでも良い。
【００３７】
制御ユニット９は、上記の設定器７の設定信号と、外部基準設定スイッチ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による掘削領域の設定方法及び制御ユニット９の処理機能の概要を図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、本実施形態はこの掘削領域の境界として水平面を設定するものである。
【００３８】
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外部基準部材８０として上記のように例えば水糸を設置する。
【００３９】
次に、オペレータは設定器７を用いて外部基準８０から設定したい掘削領域の境界までの深さｈｒを入力し、この深さｈｒにより外部基準８０と掘削領域の位置関係を設定する。すなわち、外部基準８０の位置を基準とした掘削領域を設定する。この設定は図５に示す制御ユニット９の第１設定手段１００の処理機能により行われる。
【００４０】
次に、現在の油圧ショベルの車体位置を基準とした掘削領域を設定する。このために、まずオペレータがフロント装置１Ａを動かして、フロント装置１Ａのアーム１ｂに備えられたフロント基準７０を外部基準８０に一致させ、オペレータが外部基準設定スイッチ７１を操作する。ここで、フロント装置１Ａを動かしているとき、図５に示す第１演算手段１２０の処理機能により角度計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に備えられたフロント基準７０が外部基準８０に一致し、オペレータが外部基準設定スイッチ７１が操作されると、第１演算手段１２０から得られるそのときのフロント装置１Ａの位置と姿勢の情報に基づき、図５に示す第２演算手段１４０の処理機能により車体１Ｂと外部基準８０との位置関係として車体中心Ｏから外部基準８０までの高さｈｆが演算され、この高さｈｆ（車体１Ｂと外部基準８０の位置関係）を補正値として、先に設定した深さｈｒ（外部基準８０と掘削領域の位置関係）から車体中心Ｏに対する掘削領域の境界面の深さｈｓを演算する。そして、図５に示す第２設定手段１６０の処理機能により、深さｈｓ（車体１Ｂと掘削領域の位置関係）を油圧ショベルの車体１Ｂを基準とした掘削領域として設定する。油圧ショベルの車体１Ｂを基準とした掘削領域の設定が終了すると図５にブロック１８０として示すように領域制限掘削制御に移行する。
【００４１】
油圧ショベルの車体１Ｂを基準とした掘削領域の設定は外部基準設定スイッチ７１が操作されるごとに行われ、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】
上記第１設定手段１００における外部基準８０と掘削領域の位置関係を設定する機能の詳細を図６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。
【００４３】
まず、オペレータは地表から設定したい掘削領域の境界までの深さｈｄを設計施工図面等により決め、その数値を設定器７のボタン７ａ，７ｂを用いて入力し、その数値が入力されたことを表示装置７ｅで確認すると領域設定スイッチ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、外部基準８０から設定したい掘削領域の境界までの深さｈｒを次の（１）式で演算する。
【００４４】
ｈｒ＝ｈｄ＋ｈｏ …（１）
上記（１）式において、ｈｏは外部基準８０の高さ（地表から外部基準８０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に記憶させておく。そして、処理１０３に移り、深さｈｒを記憶する。なお、外部基準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に外部基準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ｈｏの設定を変えれるようにしてもよい。
【００４５】
第２演算手段１４０及び第２設定手段１６０における車体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。
【００４６】
まず、破線で囲んだ部分で示すように、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を動かし、フロント基準点７０を外部基準８０に一致させる。そして、処理１４１においてオペレータにより外部基準設定スイッチ７１が押されたかどうかを判定する。押されていない場合は掘削領域の設定を変えずに設定処理を終了する。処理１４１において外部基準設定スイッチ７１が押されたと判定されると処理１４２へ行く。
【００４７】
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１ａ、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を用いて外部基準設定スイッチ７１が押されたとき（フロント基準点７０が外部基準８０に一致したとき）の車体中心Ｏからフロント基準点７０までの高さｈｆを演算する。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
次にブームとアームの接合点からフロント基準７０までの高さｈｆｌを（３）式により求める。
【００５１】
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フロント基準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フロント基準部材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。
【００５２】
次に高さｈｂとｈｆｌから式（４）により車体中心Ｏからフロント基準７０までの高さｈｆを演算する。
【００５３】
ｈｆ＝ｈｂ＋ｈｆｌ …（４）
次は、処理１４４に移り、設定器７で設定した外部基準８０から掘削領域の境界までの深さｈｒを読み込む。
【００５４】
次に、処理１４５において、先ほど演算した車体中心Ｏからフロント基準７０までの高さｈｆを補正値として、この値ｈｆと設定器７で設定した外部基準８０から掘削領域の境界までの深さｈｒとから、式（５）により車体中心Ｏから掘削領域の境界までの深さｈｓを演算する。
【００５５】
ｈｓ＝ｈｒ＋ｈｆ …（５）
最後に、処理１６１において処理１４５で演算した掘削領域の境界の深さｈｓを記憶し、車体を基準とした掘削領域を設定する。
【００５６】
以上において、処理１４１〜１４５は図５に示す第２演算手段の処理機能に相当し、処理１６１は図５に示す第２設定手段１６０の処理機能に相当する。
【００５７】
以上を終了し、掘削作業を開始すると、領域制限掘削制御の演算へ処理が移る。
【００５８】
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８により説明する。図８において、制御ユニット９は、第１掘削領域設定部９ａ、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９ｊ、バルブ指令演算部９ｋ、位置関係演算部９ｍ及び第２掘削領域設定部９ｎの各機能を有している。
【００５９】
第１掘削領域設定部９ａは図５の第１設定手段１００に相当するもので、図６に示す処理フローの処理１０１〜１０３により外部基準８０から掘削領域の境界までの深さｈｒにより外部基準８０と掘削領域との位置関係を設定する。
【００６０】
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。
【００６１】
位置関係演算部９ｍは図５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から掘削領域の境界までの深さｈｓを演算する。
【００６２】
第２掘削領域設定部９ｎは図５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。
【００６３】
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１ｃ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。
【００６４】
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。そこで本実施形態では、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及び掘削制御が行える。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。
【００６５】
第１掘削領域設定部９ａ、位置関係演算部９ｍ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。
【００６６】
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３ｂの目標速度）を計算する。
【００６７】
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ＸａＹａ座標系は、第２掘削領域設定部９ｎで求めた車体中心Ｏに対する掘削領域の境界面の深さｈｓだけＸｂＹｂ座標系をＹｂ方向に平行移動した座標系である。ここで、ＸａＹａ座標系での目標速度ベクトルＶｃのＸｃ座標成分Ｖｃｘは目標速度ベクトルＶｃの掘削領域の境界に平行な方向のベクトル成分となり、Ｙｃ座標成分Ｖｃｙは目標速度ベクトルＶｃの掘削領域の境界に垂直な方向のベクトル成分となる。
【００６８】
方向変換制御部９ｅでは、バケット１ｃの先端が掘削領域内でその境界近傍にあり、目標速度ベクトルＶｃが掘削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掘削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掘削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。
【００６９】
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Ｖｃａに補正される。ここで、掘削領域の境界から距離Ｙａ１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。
【００７０】
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９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の先端が掘削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掘削領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。
【００７１】
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。
【００７２】
復元制御部９ｇでは、バケット１ｃの先端が掘削領域の外に出たとき、掘削領域の境界からの距離に関係して、バケット先端が掘削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掘削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。
【００７３】
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１０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−ＫＹａは距離Ｙａに比例するので垂直成分はバケット１ｃの先端が掘削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１０のように掘削領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。
【００７４】
このように復元制御部９ｇではバケット１ｃの先端が掘削領域に戻るように制御されるため、掘削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の先端の掘削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掘削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。
【００７５】
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。
【００７６】
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掘削領域に戻すため、ブーム１ａ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。
【００７７】
目標シリンダ速度選択部９ｉでは補正後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補正後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。
【００７８】
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；４５ａ，４５ｂの目標パイロット圧を計算する。
【００７９】
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。
【００８０】
以上の本実施形態においては、オペレータの意志でフロント基準７０を外部基準８０に一致させ、外部基準設定スイッチ７１を押すごとに外部基準８０と車体１Ｂの位置関係を補正して車体と掘削領域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オペレータの意志で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、常に外部基準８０を基準とした所定の深さを掘削することができる。
【００８１】
また、フロント基準７０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であるアーム１ｂに設定し、このフロント基準７０と外部基準８０が一致し、外部基準設定スイッチ７１が押され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、フロント基準部材７０、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。このため、掘削制御に際してバケット１ｃの先端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従来方法に比較して、上記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。
【００８２】
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、制御装置は記憶装置に記憶されているブーム、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の誤差を含んでいる。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

の位置になってしまう。
【００８３】
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′（ｈｓ），γ′（ｈｓ）はフロント装置が深さｈｓ検出の姿勢をとったときの角度の検出値と実際値。
【００８４】
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。
【００８５】
一方、本実施形態ではフロント装置（アーム）にフロント基準７０を設けているので、フロント基準７０が外部基準８０と一致したときの位置ｈｆは制御ユニット９の内部では、
ｈｆ（Ｌ１，Ｌｆ，α（ｈｆ），β（ｈｆ），θｆ）
で演算された位置と認識される。その時の実際のフロント基準７０は、

の位置にある。このときのバケット先端の位置は、

の位置になっている。
【００８６】
ここで、εθｆ：フロント基準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実際値
このとき、フロント基準７０は真の外部基準８０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外部基準８０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。
【００８７】
例えば、外部基準８０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＝２９．５°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、つまり外部基準８０の真の位置と一致するので、誤差は相殺される。
【００８８】
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外部基準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ｈｓ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、

にある。
【００８９】
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実際値
このとき、本実施形態では（７）式に従いｈｆ検出時の位置は外部基準８０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、本実施形態では、フロント基準７０をフロント装置１Ａに備えて、外部基準位置設定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。
【００９０】
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。
【００９１】
次に、本実施形態では、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。
【００９２】
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。本実施形態では、フロント装置１Ａを操作しフロント基準７０を外部基準８０と一致させ、外部基準設定スイッチ７１を押して設定するので、フロント装置１Ａに備えられるフロント基準部材７０は矢印鋼板等、小型でシンプル部材でよく、大がかりで複雑なセンサを要することなく車体の移動を補正できる。
【００９３】
同様に、フロント装置１Ａを操作しフロント基準７０を外部基準８０と一致させ、外部基準設定スイッチ７１を押して設定するので、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。
【００９４】
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。本実施形態では、フロント基準部材７０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外部基準部材８０の設置場所は大きな制約を受ない。このことは、例えば図１１に示すように、車体１Ｂと同じ高さの地面に適当な外部基準部材の設置場所がない場合に、溝Ｇの中に外部基準部材８０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外部基準に位置合わせするとき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外部基準部材８０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。
【００９５】
更に、本実施形態によれば、作業の初めに外部基準部材８０（水糸、クイ、レーザ燈台など）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。
【００９６】
また、外部基準部材８０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。
【００９７】
なお、本実施形態では外部基準部材を水平に設置する場合を述べたが、外部基準部材は必ずしも水平に設置する必要はなく、工事の必要性で傾きを持たせて段々に掘削をし、大まかに勾配をつけた掘削をしても良い。
【００９８】
本発明の第２の実施形態を図１２〜図１５により説明する。本実施形態は領域制限掘削制御の掘削領域設定装置において、掘削領域として角度を持った掘削領域を設定するものである。
【００９９】
図１２において、本実施形態の第１掘削領域設定部９ａ（図８参照；図５の第１設定手段１００に相当）では図１３に示す設定器７Ａを用いて、外部基準８０から掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｒと、車体中心Ｏから基準点Ｐまでの距離ｈｒｘ、掘削領域の境界の傾斜角度θｒを入力し設定する。従って、この場合は、設定器７Ａを地表から掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｄ、車体中心Ｏから基準点Ｐまでの距離ｈｒｘ、掘削領域の境界の傾斜角度θｒのいずれを入力するかを選択する選択ボタン７ｃ，７ｇ，７ｄを有する構造とする。
【０１００】
図１４に第１掘削領域設定部９ａの処理フローを示す。オペレータが深さｈｄ、距離ｈｒｘ、角度θｒを入力すると、処理１０１，１０２では先の実施形態と同様に領域設定スイッチ７ｆが押されたがどうかを確認し、外部基準８０から掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｒ先の（１）式で演算し、処理１０３で深さｈｒ、距離ｈｒｘ、角度θｒを記憶する。
【０１０１】
また、第２掘削領域設定部９ｎ（図８参照；図５の第２設定手段１６０に相当）では、図１５に示した掘削領域設定の処理フローの処理１４１〜１４５において先の実施形態と同様にフロント基準７０と外部基準８０の位置を一致させ、外部基準設定スイッチ７１を押したときに車体中心Ｏから掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｓを演算し、処理１６１Ａにおいて距離ｈｒｘ及び角度θｒを読み込み、深さｈｓとこれらの値を記憶し、図１２に示すような車体を基準とした掘削領域の設定を行う。
【０１０２】
この実施形態によれば、紙面垂直方向に油圧ショベルを移動させつつ領域制限掘削制御をするとき第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、勾配を付けた掘削領域を設定して領域制限掘削制御を行うこと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行えるようになる。
【０１０３】
本発明の第３の実施形態を図１６〜図１８により説明する。本実施形態は第１及び第２実施形態の第１設定手段１００（図５参照）における外部基準８０と掘削領域と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。
【０１０４】
すなわち、第１及び第２の実施形態では、第１設定手段１００において外部基準８０から掘削領域の境界までの深さｈｒあるいは車体中心点Ｏから掘削領域の基準点Ｐまでの距離ｈｒｘを設定器７のアップダウンボタン７ａ，７ｂ（図３参照）を使用して設定した。本実施形態では、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１６に二点鎖線で示すように設定したいところに動かして、その場所をダイレクトティーチングすることにより深さｈｒあるいは距離ｈｒｘを設定する。
【０１０５】
図１７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▲１▼，▲２▼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。
【０１０６】
まず、オペレータは図１７の▲１▼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設定点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の領域設定スイッチ７ｆ（図３参照）を押す。
【０１０７】
制御ユニット９（図１参照）では、処理１９０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。
【０１０８】
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からのバケット１ｃの先端までの深さｈｓ、距離ｈｒｘを演算する。
【０１０９】
次に、オペレータは図１７の▲２▼に示すように、再び操作レバーを操作してフロント基準７０が外部基準８０に一致するようにフロント装置１Ａを動かす。
【０１１０】
制御ユニットはその間に処理１９２において外部基準設定スイッチ７１が押されたかどうかの判定を継続する。ここで、フロント基準７０と外部基準８０が一致して、オペレータにより外部基準設定スイッチ７１が押されると処理１９３へ移る。
【０１１１】
処理１９３では、その時のフロント装置１Ａの姿勢から車体中心Ｏからフロント基準７０までの高さｈｆｏを演算する。
【０１１２】
次に処理１９４において外部基準８０から掘削領域の境界までの深さｈｒを、
ｈｒ＝ｈｓ−ｈｆｏ …（１２）
の演算により求める。
【０１１３】
最後に、処理１９５において、上記のようにして求めた深さｈｒを記憶し、設定を完了する。また、第２の実施形態のように勾配を持つ掘削領域を設定を設定する場合には、更に操作器７でを用いて角度θｒを入力し、深さｈｒと距離ｈｒｘと角度θｒとを記憶し、図１６に二点鎖線で示すような掘削領域を設定する。
【０１１４】
以上のように外部基準８０を基準とした掘削領域の設定が完了すると、掘削制御を開始する。本実施形態の第１設定手段以外の構成は第１の実施形態と同じであり、掘削作業に際しては図５に示す第１演算手段１２０、第２演算手段１４０及び第２設定手段１６０により、図１８に示すように処理１９４で求めたｈｒ（外部基準８０と掘削領域の位置関係）または処理１９１，１９４で求めたｈｒｘ（車体１Ｂと基準点Ｐの位置関係），ｈｒ（外部基準８０と基準点Ｐの位置関係）と角度θｒを使用し、車体が移動してオペレータによりフロント基準７０と外部基準８０の位置が一致して外部設定スイッチ７１が押されるごとにｈｆ（車体１Ｂと外部基準８０の位置関係）を求めて深さｈｓ（車体１Ｂと掘削領域の位置関係）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。
【０１１５】
本実施形態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。
【０１１６】
【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、常に外部基準を基準とした所定の深さを掘削することができ、例えば水平な掘削面を設定した場合には、地面が傾斜していても、車体を移動しつつ水平な面を掘削することができる。
【０１１７】
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掘削することができる。
【０１１８】
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、掘削するバケット先端点に近い所で外部基準とフロント基準を一致させ、設定を更新するので、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。
【０１１９】
更に、フロント基準部材は矢印マークのように小型でシンプルな部材でよいので、大がかりで複雑な光センサを要することなく車体の移動を補正できる。
【０１２０】
また、フロント基準部材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。
【０１２１】
また、本発明によれば、制限領域との境界を水平面とした掘削領域を設定できる。
【０１２２】
更に、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を行うこと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行えるようになる。
【０１２３】
また、本発明によれば、設定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。
【０１２４】
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の実施形態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掘削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の実施形態の掘削領域設定装置により掘削領域を設定する際の外部基準との関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態の掘削領域設定装置の全体の構成を示す図である。。
【図６】第１の実施形態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７】第１の実施形態の掘削領域設定装置における第２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８】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９】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復元制御されたときの軌跡の一例を示す図である。
【図１１】車体と同じ高さに適当な外部基準部材の設置場所がない場合に、溝の中に外部基準部材を設置した状態を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の掘削領域設定装置により掘削領域を設定する際の外部基準との関係を示す図である。
【図１３】第２の実施形態で用いる設定器の外観を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の掘削領域設定装置における第１演算手段の処理フローを示す図である。
【図１５】第２の実施形態の掘削領域設定装置における第２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１６】本発明の第３の実施形態の掘削領域設定装置により掘削領域を設定する際の外部基準との関係を示す図である。
【図１７】第３の実施形態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１８】第３の実施形態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（検出手段）
８ｄ 傾斜計（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 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）
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 フロント基準部材（フロント基準）
７１ 外部基準設定スイッチ
８０ 外部基準部材（外部基準）
１００ 第１設定手段
１２０ 第１演算手段
１４０ 第２演算手段
１６０ 第２設定手段

Claims (5)

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た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の検出信号に基づき前記車体を基準としたフロント装置の先端位置を演算し、このフロント装置の先端位置と前記複数のフロント部材を操作するための操作レバー装置の操作信号とから前記フロント装置の先端位置の目標速度ベクトルを計算し、この目標速度ベクトルを補正することにより、フロント装置が予め設定した掘削領域の境界に近づくとフロント装置の当該境界に接近する方向の移動速度を制限し、当該境界に沿ってフロント装置を動かすよう、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、掘削領域に対する基準位置となる外部基準を与える外部基準部材と；
   （ｂ）前記フロント装置に備えられ、前記外部基準に前記フロント装置を合わせる目標となるフロント基準を与えるフロント基準部材と；
   （ｅ）前記外部基準と掘削領域の位置関係を設定する第１設定手段と；
   （ｆ）前記フロント基準が前記外部基準と一致したときに操作される外部基準設定スイッチと；
   （ｇ）前記外部基準設定スイッチが操作されたときに前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量の検出信号に基づき前記車体を基準とした前記フロント基準の位置を演算することにより前記車体と前記外部基準との位置関係を求め、この車体と外部基準との位置関係と前記第１設定手段で設定した外部基準と掘削領域の位置関係とから前記車体と掘削領域との位置関係を演算する演算手段と；
   （ｈ）前記演算手段で演算した前記車体と掘削領域との位置関係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、前記外部基準から掘削領域の境界までの深さ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、前記外部基準から前記掘削領域の基準点までの深さ、前記車体から前記基準点までの距離、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。
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、設定器により入力されたデータを基に前記外部基準と掘削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。
5. 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、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量の検出信号に基づき、前記フロント装置を動かしフロント装置の先端が掘削領域の境界に来たときの前記フロント装置の先端の位置を演算する手段と、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量の検出信号に基づき、前記フロント装置を動かし前記フロント基準が前記外部基準に一致したときの前記フロント基準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フロント基準の位置とから前記外部基準と掘削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。

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