JP3713358B2 - 建設機械のフロント制御装置 - Google Patents
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Description
【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した掘削を行う領域制限掘削制御等のフロント制御を行うフロント制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の代表例として、油圧ショベルがある。油圧ショベルにおいては、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の操作は、オペレータが、それぞれの手動操作レバーを操作することによって行われる。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。
【０００３】
そこで、掘削作業を容易にするための種々の提案がなされている。
例えば、特開平４−１３６３２４号公報に記載されている方法では、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。
【０００４】
また、国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に記載されている方法では、掘削可能領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、バケットが掘削可能領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方向の動きのみを減速し、バケットが掘削可能領域の境界に達すると、バケットは掘削可能領域の外には出ないが掘削可能領域の境界に沿っては動けるようにしている。
【０００５】
侵入不可領域若しくは掘削可能領域の設定の方法としては、数値入力設定方法と、ダイレクトティーチ方法とが知られている。
数値入力設定方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第１０図に示されるように、数値入力キーを用いて必要な数値を入力し、領域を設定する方法である。数値入力設定方法は、油圧ショベルのある地面上から何ｍの深さだけ掘削するという指定がある場合等のように、予め掘削可能領域を実際の数値で設定できる場合に便利な方法である。
【０００６】
一方、ダイレクトティーチ方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第５図や国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に示されるように、オペレータが、バケットの刃先を目標境界線上に持っていき、スイッチを押して領域を設定する方法である。ダイレクトティーチ方法は、掘削を行う範囲が特に図面等によって数字で規定されていないようなラフな掘削を行う作業現場において、おおざっぱに均し作業を行う場合等に便利な方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ダイレクトティーチによって領域を設定する場合、油圧ショベルが水平な地面上に位置し、その位置にとどまって作業するならば、一旦掘削領域を設定すれば再度掘削領域を設定しなくても少しずつ油圧ショベルを旋回させて一定の深さまでショベルまわりの掘削を行うことが可能である。しかし、多少なりとも油圧ショベルが傾いた状態で位置しているときは、掘削領域の設定は油圧ショベルの車体基準で行われているため、旋回していくうちに設定面が上下方向に変化し、一定の深さに掘削するためには、再度領域を設定する必要が生じる。また、走行することによって油圧ショベルの設置場所の高さが変わった場合も、同様にその度に掘削領域を再設定する必要が生じる。
【０００８】
掘削領域の再設定は、設定済みの掘削領域を解除するボタン操作と、新たな掘削領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作が必要であり、上記のように旋回の都度又は設置場所が変わる都度このようなボタン操作による再設定操作を行うことは極めて面倒である。
【０００９】
本発明の目的は、ダイレクトティーチにより、所望の掘削領域の設定及び再設定をボタン操作なしで簡単に行える建設機械のフロント制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、第１の発明は、上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる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、複数の操作レバー手段からの操作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各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、前記領域制限掘削制御部による領域制限掘削と前記操作レバーによる掘削との制御開始を選択する設定器と、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号及びアーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号が中立信号である場合には、フロント装置におけるバケット先端の位置を、ダイレクトティーチにおける掘削領域の設定値として前記領域制限掘削制御部に出力し、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号があり、又は中立のとき、アーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号がある場合には、前記ダイレクトティーチによる設定値を維持する領域設定演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記領域設定演算部は、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号があり、アーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号が中立信号である場合には、前記領域制限掘削制御部に設定した掘削領域の設定値を、初期値に設定変更する指令を出力することを特徴とする。
【００１２】
更に、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記領域設定演算部は、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号が中立信号で、アームダンプ操作信号がある場合には、前記領域制限掘削制御部に設定した掘削領域の設定値を初期値に設定変更する指令を出力することを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記領域設定演算部は、前記アームクラウド操作の中断が所定時間以上継続した場合のみ、前記掘削領域の設定を行うことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を、図面を用いて説明する。
まず、本発明の第１の実施形態による油圧ショベルのフロント制御装置を図１〜図１１により説明する。
【００１９】
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とを有している。
【００２０】
本実施形態では、操作レバー４ａ〜４ｆは操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置で、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット圧に変換する電気油圧変換手段，例えば比例電磁弁を両端に備えた電気・油圧操作方式の弁である。
【００２１】
また、操作レバー装置４ａ〜４ｄについては、ブーム，アーム，バケット，旋回に対応して別々の符号を付したが、実際には、ブーム用操作レバー装置４ａとバケット用操作レバー装置４ｃ、アーム用操作レバー装置４ｂと旋回用操作レバー装置４ｄは、それぞれ、１つの操作レバー装置を共用する構成とされ、この１つの操作レバーを二次元的に動かすことにより、それぞれの操作信号を出力するものである。
【００２２】
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から成る多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回対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、図１に示したブームシリンダ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、それらの動作は、図１に示した操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。また、上部旋回体１ｄには運転室１ｆが設けられ、操作レバー装置４ａ〜４ｆはこの運転室１ｆ内に配置される。
【００２３】
以上のような油圧ショベルに本実施形態によるフロント制御装置が設けられている。このフロント制御装置は、領域制限掘削制御の開始を指示する設定器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、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4f、設定器７の信号を入力し、流量制御弁５ａ〜５ｆに駆動信号（電気信号）を出力する制御ユニット９とを備えている。
【００２４】
制御ユニット９は、設定器７によって制御開始が設定されていないときは、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4fに応じた駆動信号（電気信号）を生成し、これを流量制御弁５ａ〜５ｆに出力する。また、設定器７によって制御開始が設定されると、ブーム用操作レバー装置４ａ及びアーム用操作レバー装置４ｂが操作されていない中立位置にあるときのバケット１ｃの先端の位置に基づいて、ダイレクトティーチにより、バケット１ｃの先端が動き得る掘削領域を設定可能とすると共に、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに対し領域制限掘削制御のための補正を行い、その補正した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。
【００２５】
以下、図３〜図１０を用いて、制御ユニット９の操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに係わる部分の機能の詳細について説明する。
制御ユニット９は、図３に示すように、領域設定部９０と領域制限掘削制御部９２の各機能を有している。領域設定部９０は、設定器７からの指示と、ブーム用操作レバー装置４ａの操作信号Ｓ4aと、アーム用操作レバー装置４ｂの操作信号Ｓ4bに基づいて、バケット１ｃの先端が動き得る掘削制限領域の設定演算を行うものである。領域制限掘削制御部９２は、制御切換部９２ａと、フロント姿勢演算部９２ｂと、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃと、バルブ指令演算部９２ｄとの各機能から構成されている。
【００２６】
最初に、領域設定部９０の領域設定機能について説明する。なお、本実施形態は、図４に示したＸ軸に平行に掘削制限領域を設定するものである。
領域設定部９０ａは、設定器７によって制御開始が設定されて制御開始信号が入力すると、掘削可能領域の境界Ｌの初期値として、バケットが届かないくらい深い位置の値を設定する。これにより、設定器７による制御開始の設定の直後では、フロント装置１Ａはそれが動作し得る範囲で自由に動くことができ、その動作範囲内でダイレクトティーチ若しくは数値入力設定により掘削可能領域を自由に設定することができる。一例として、初期値はＹ＝−２０ｍとしておく。
【００２７】
一方、領域制限掘削制御部９２の中のフロント姿勢演算部９２ｂは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角に基づいてフロント装置１Ａのバケットの爪先（先端）の位置を計算する。
【００２８】
すなわち、制御ユニット９の記憶装置には、図４に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されており、フロント姿勢演算部９２ｂではこれらのデータと、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α，β，γの各値を用いてバケット先端の位置を計算する。このとき先端の位置は、例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＹ座標系の座標値（Ｘ，Ｙ）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直行座標系である。ブーム１ａの回動支点とアーム１ｂの回動支点との距離をＬ1、アーム１ｂの回動支点とバケット１ｃの回動支点の距離をＬ2、バケット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端との距離をＬ3とすれば、回動角α，β，γからＸＹ座標系の座標値（Ｘ，Ｙ）は、下記の式より求まる。
Ｘ＝Ｌ1ｓｉｎα＋Ｌ2ｓｉｎ（α+β）＋Ｌ3ｓｉｎ（α＋β＋γ）
Ｙ＝Ｌ1ｃｏｓα＋Ｌ2ｃｏｎ（α+β）＋Ｌ3ｃｏｓ（α＋β＋γ）
領域設定演算部９０は、ブーム用操作レバー装置４ａをブーム下げ方向に動かしたときの操作信号Ｓ4a（以下、ブーム下げ信号Ｓ4adという）が所定値より小さい時、例えば、ブーム用操作レバー装置４ａが中立位置付近にある時、ダイレクトティーチにより、フロント姿勢演算部９２ｂの上記データを利用してバケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。即ち、図４において、オペレータの操作レバー装置の操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かした後、ブーム用操作レバー装置４ａが中立位置付近になると、領域設定演算部９０は、このブーム用操作レバー装置４ａのブーム下げ信号Ｓ4adにより、その時のフロント姿勢演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、
設定値＝Ｙ座標値Ｙ1
と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００２９】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００３０】
ステップ０１０において、ブーム下げ信号Ｓ4adが、予め設定した所定値Ｓ4ad0より小さいか否かを判断する。所定値Ｓ4ad0は、ブーム用操作レバー装置４ａの不感帯であり、所定値Ｓ4ad0より大きい場合にのみ、ブーム用操作レバー装置４ａがオペレータにより操作されているものと判断する。
【００３１】
ステップ０２０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より小さいか否かを判断する。所定値Ｓ4bc0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。
【００３２】
所定値Ｓ4bc0より小さい場合、アーム用操作レバー装置４ｂが中立位置付近にあると判断され、ステップ０３０において、その時のバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００３３】
ステップ０２０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きいと判断された場合には、ステップ０３０において、領域設定の処理は行わなず、前の設定が維持されたままで、始めに戻る。
【００３４】
ステップ０１０において、ブーム下げ信号Ｓ4adが、予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きいと判断されると、ステップ０４０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より小さいか否かを判断する。所定値Ｓ4ad0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。所定値Ｓ4bc0より小さい場合には、ステップ０５０において、設定されている掘削領域を解除するため、掘削領域の境界の直線式を、初期値であるＹ＝−２０ｍとする。
【００３５】
また、ステップ０４０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きい場合には、ステップ０２０の判断後の処理と同様にして、領域設定の処理は行わず、前の設定が維持されたままで、始めに戻る。
【００３６】
図５に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理による制御動作について以下に説明する。
最初に、掘削領域の設定動作について説明する。ブーム用操作レバー装置４ａを動かしてブーム下げ操作が行われると、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０４０→ステップ０５０と処理が実行され、ステップ０５０において、掘削領域の境界を初期値であるＹ＝−２０ｍとする。従って、ブームは、ブーム下げ方向に自由に動かすことができる。また、若しくはブーム上げ操作が行われた場合にも、ブームは、ブーム上げ方向に自由に動かすことができる。オペレータがブーム用操作レバー装置４ａの操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かした後、ブーム用操作レバー装置４ａの操作を止めると、ブーム用操作レバー装置４ａは、中立位置付近となる。このとき、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より小さくなるため、ステップ０１０→ステップ０２０→ステップ０３０と処理が実行され、ステップ０３０において、その時のフロント姿勢演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００３７】
次に、掘削領域制限制御による制御動作が行われる場合について説明する。掘削可能領域の境界Ｌが設定された後、アーム用操作レバー装置４ｂを操作してアームクラウド動作が単独で行われると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０２０と処理が実行され、ステップ０２０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。その結果、アーム用操作レバー装置４ｂを動かす前の時点でダイレクトティーチにより設定された境界に沿って、バケットの先端が制御され、自動的に領域制限掘削制御を行う。なお、領域制限掘削制御の詳細については、図６を用いて、後述する。
【００３８】
また、ブーム下げ動作とアームクラウド動作の複合動作が行われた場合にも、同様にして、掘削領域制限制御による制御動作が行われる。即ち、ブーム下げ動作とアームクラウド動作の複合動作が行われると、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きくなり、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０４０と処理が実行され、ステップ０４０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持されて、領域制限掘削制御が行なわれる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態においては、ボタン操作を行うことなく、アームクラウド信号が所定地より小さいことを示す操作信号を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定している。そして、操作信号を用いて掘削可能領域を設定しても、アームクラウド動作が単独で行われた場合やブーム下げ動作とアームクラウド動作の複合動作が行われると、それらの操作信号に基づいて掘削領域制限制御が行えるものである。よって、ダイレクトティーチにより、所望の掘削領域の設定及び再設定をボタン操作なしで簡単に行えるものとなる。
【００４０】
次に、領域制限掘削制御部９２の全体の制御機能について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。図中、ステップ１００，１１０は、制御切換部９２ａの機能であり、ステップ１１５，１２０は、フロント姿勢演算部９２ｂの機能であり、ステップ１２５〜１５０は、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃの機能であり、ステップ１５５は、バルブ指令演算部９２ｄの機能である。
【００４１】
ステップ１００において、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを入力する。
【００４２】
次いで、ステップ１１０において、設定器７による制御開始が設定されているか否かに応じて制御方法を切り換える。設定器７の制御開始スイッチがＯＦＦの場合には、ステップ１５５において、図３に示した操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。これにより、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作量に応じた通常の掘削作業が行なわれる。
【００４３】
設定器７によって制御開始が設定されている場合には、ステップ１１０〜１５０に進み、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを補正する。
【００４４】
以下、ステップ１１５〜１５０の処理内容について説明する。
ステップ１１５において、フロント姿勢演算部９２ｂに、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角を入力する。
【００４５】
ステップ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、上述した掘削領域の設定時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る。
【００４６】
次に、ステップ１２５において、フロント装置１Ａ用の操作レバー装置，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bが指令するバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶｃを計算する。ここで、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bと流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量との関係及びフロント装置１Ａの各部寸法を制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておき、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bから対応する流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量を求め、この供給流量の値から油圧シリンダ３ａ，３ｂの目標駆動速度を求め、この目標駆動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。そして、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、目標速度ベクトルＶｃのＸ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、Ｙ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。
【００４７】
次に、ステップ１３０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図７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、ステップ１３５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、ステップ１４０に進む。
【００４８】
ここで、ステップ１３０における減速領域にあるか否かの判定及びステップ１３５における減速領域での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図８及び図９を用いて説明する。
【００４９】
制御ユニット９の記憶装置には、図７に示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ１と減速ベクトル計数ｈとの関係が記憶されている。この距離Ｄ１と計数ｈとの関係は、距離Ｄ１が距離Ｙa1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計数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Ｙa1の範囲が減速領域に相当する。
【００５０】
ステップ１３０では、ステップ１２０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ１を計算し、このＤ１が距離Ｙa1より小さくなると、減速領域に侵入したと判定する。
【００５１】
また、ステップ１３５では、ステップ１２５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、ＸＹ座標系におけるＹ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８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ＶR（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶRを加算する。ここで、減速ベクトルＶRはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ１がＹa1より小さくなるにしたがって大きくなり、Ｄ１＝０でＶR＝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ＶR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Ｙa1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。
【００５２】
ここで、図９を用いて、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説明する。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Ｙa1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９に示す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，ＶR＝−Ｖｃｙ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。
【００５３】
このようにステップ１３５における減速制御では、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、この意味でステップ１３５の減速制御は方向変換制御ということもできる。
【００５４】
次に、ステップ１４０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図７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、ステップ１４５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、ステップ１５５に進む。
【００５５】
ここで、ステップ１４０における設定領域外にあるか否かの判定及びステップ１４５における設定領域外での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図１０及び図１１を用いて説明する。
【００５６】
制御ユニット９の記憶装置には、図１０に示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係が記憶されている。この距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係は、距離Ｄ２の絶対値が減少するにしたがって復元ベクトルＡＲが増大するように設定されている。
【００５７】
ステップ１４０においては、ステップ１２０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ２を計算し、この距離が負の値になったら設定領域外に侵入したと判断する。
【００５８】
また、ステップ１４５では、ステップ１２５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、ＸＹ座標系のＹ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。具体的には、垂直方向のベクトル成分ＶｃｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙ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。
【００５９】
そして、次に、記憶装置に記憶した図１０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Ｄ２の絶対値に相当する復元ベクトルＡＲを計算し、この復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃ垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙ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Ｖｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００６０】
ここで、図１１を用いて、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について説明する。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ＡＲ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。
【００６１】
このように、ステップ１４５における復元制御では、バケット１ｃ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。
【００６２】
次に、ステップ１５０において、ステップ１３５または１４５で得た補正後の目標速度ベクトルＶｃａに対応する流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算する。これは、ステップ１２５における目標速度ベクトルＶｃの計算の逆演算である。
そして、ステップ１５５において、ステップ１５０で計算した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂを出力し、はじめに戻る。
領域制限掘削制御を終了させる場合は、設定器７による制御開始指令を解除する。
【００６３】
以上のように構成した本実施形態によれば、ブーム用操作レバー装置４ａをブーム下げ方向に動かし、所望の位置で停止させると、図５に示すステップ０１０→ステップ０２０→ステップ０３０と処理が実行され、ステップ０３０において、その時のバケットの先端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を容易に設定される。
【００６４】
その後、アーム用操作レバー装置４ｂをアームクラウド方向に操作すると、その前の設定が維持されるので、設定領域内で、領域制限掘削制御を行うことができる。これにより、操作レバー一本で均し掘削作業，法面掘削作業を行うことができる。
【００６５】
また、ブーム用操作レバー装置４ａをブーム下げ方向に操作し、かつ、同時に、アーム用操作レバー装置４ｂをアームクラウド方向に操作した場合にも、同様に領域制限掘削制御が実行される。これにより、従来、均し掘削作業や法面掘削作業を行う場合のブーム下げとアームクラウドの複合動作と同様の操作により、領域制限掘削制御で均し掘削，法面掘削を行うことができる。
【００６６】
従って、従来のように、掘削領域の再設定のために、設定済みの領域を解除するボタン操作と、新たな領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作を行う必要がなくなり、操作レバー装置の操作信号を用いて、ダイレクトティーチにより掘削領域の設定及び再設定が簡単に行える。
【００６７】
また、領域制限掘削制御に際しては、バケット１ｃの先端が設定領域の境界から離れているときは、目標速度ベクトルＶｃは補正されず、通常作業と同じように作業できるとともに、バケット１ｃの先端が設定領域内でその境界近傍に近づくと、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（境界に対して垂直方向のベクトル成分）を減じるように補正されるので、設定領域の境界に対して垂直方向の動きが減速制御され、設定領域の境界に沿った方向の速度成分は減じられ、このため図９に示すように設定領域の境界に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。このため、バケット１ｃの先端の動き得る領域を制限した掘削を効率良く行うことができる。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施形態について、図１２を用いて説明する。
本実施形態においては、さらに、アームダンプ動作の有無に基づいて、ダイレクトティーチによる掘削領域の設定及び再設定を行ったり、設定の解除を行うようにしている。
【００６９】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、さらに、領域設定演算部９０は、アーム用操作レバー装置４ｂからのアームダンプ信号Ｓ4bdに基づいて、領域設定の演算を行うようにしている。
【００７０】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図１２のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図５に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ０１０とステップ０２０の間に追加されたステップ０６０であるので、主として、このステップ０６０における処理について説明する。
【００７１】
ステップ０６０において、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも小さいか否かが判断される。所定値Ｓ4bd0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。
【００７２】
ここで、図１２に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理に基づく制御動作について以下に説明する。図５に示した制御動作に加えて次の動作が行われる。
【００７３】
アーム用操作レバー装置４ｂを動かしてアームダンプ操作が行われると、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０５０と処理が実行され、ステップ０５０において、掘削領域の境界を初期値であるＹ＝−２０ｍとする。
【００７４】
従って、アームクラウド動作による領域制限掘削制御後、アームダンプ動作によりバケット先端を掘削開始位置に戻すとき、設定領域は解除されるためバケットの先端は自由に動かすことができる。ここで、アームダンプ動作を行ったとき、設定領域を解除しないと、アームダンプ動作時にも、領域制限掘削制御が実行されているため、アームやブームが不自然に動いてしまうこととなる。それに対して、設定の動作だけでなく、制御に係わらない動作時にも制御に入らず、不自然な動きをしないようにする。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態おいては、さらに、アームダンプ動作時のアームやブームの不自然な動きを回避することができる。
【００７６】
次に、本発明の第３の実施形態について、図１３を用いて説明する。
本実施形態においては、さらに、アーム用操作レバー装置が操作されておらず、中立位置付近にある時間が所定時間Ｔを経過した場合にのみ、ダイレクトティーチによる掘削領域の設定を行うようにしている。所定時間Ｔが経過しない場合には、前の設定がそのまま維持されるようにしている。
【００７７】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、さらに、領域設定演算部９０は、アーム用操作レバー装置４ｂからのアームダンプ信号Ｓ4bdに基づいて、領域設定の演算を行うようにしている。
【００７８】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図１３のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図１２に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ０２０とステップ０３０の間に追加されたステップ０７０であるので、主として、このステップ０７０における処理について説明する。
【００７９】
ステップ０７０において、所定時間Ｔが経過したか否かを判断する。ここで、所定時間Ｔとしては、例えば、２秒とする。所定時間Ｔが経過した場合には、ステップ０３０において、その時のバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定する。所定時間Ｔ以上継続しなかった場合には、設定が維持される。
【００８０】
ここで、図１３に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理による制御動作について以下に説明する。
【００８１】
アーム用操作レバー装置４ｂを操作してアームクラウド動作が単独で行われると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０２０と処理が実行され、ステップ０２０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。その結果、アーム用操作レバー装置４ｂを動かす前の時点でダイレクトティーチにより設定された境界に沿って、バケットの先端が制御され、自動的に領域制限掘削制御が行われる。
【００８２】
アームクラウド動作の途中でアームクラウド動作を中断すると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より小さくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０２０→ステップ０７０と処理が実行され、ステップ０７０において、アームクラウド動作の中断時間が所定時間Ｔよりも短い場合には、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。
【００８３】
その後、アームクラウド動作を再開すると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０２０と処理が実行され、ステップ０２０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。従って、アームクラウド動作を中断しても、その中断時間が短い場合には、設定は変わらず、維持されることになる。
【００８４】
アーム用操作レバー装置が中立になったときに掘削制限領域を設定するようにしていると、領域制限掘削制御中にアームクラウド操作を中断した場合に、新たに中断したときのバケット先端位置で設定されることになり、その後、アームクラウドを再操作すると、設定が変わることになる。それに対して、本実施形態では、領域制限掘削制御中にアームクラウド操作を中断しても、中断時間が短い場合には、アームクラウドの再操作時に、前と同じ設定で連続して掘削できるようになる。
【００８５】
次に、本発明の第４の実施形態について、図１４を用いて説明する。
本実施形態においては、さらに、アームダンプ動作が行われた場合にも、設定を維持するようにしている。
【００８６】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、さらに、領域設定演算部９０は、アーム用操作レバー装置４ｂからのアームダンプ信号Ｓ4bdに基づいて、設定を維持するようにしている。
【００８７】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図１４のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図５に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ０１０とステップ０２０の間に追加されたステップ０６０及びステップ０４０とステップ０５０の間に追加されたステップ０８０であるので、主として、このステップ０６０，０８０における処理について説明する。
【００８８】
ステップ０６０において、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも小さいか否かが判断される。所定値Ｓ4bd0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。また、同様にして、ステップ０８０において、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも小さいか否かが判断される。アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも大きい場合には、領域設定の処理は行わず、前の設定が維持されたままで、始めに戻る。
【００８９】
ここで、図１４に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理による制御動作について以下に説明する。図５に示した制御動作に加えて次の動作が行われる。
【００９０】
アーム用操作レバー装置４ｂを単独で動かしてアームダンプ操作が行われると、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０と処理が実行され、ステップ０６０でＮｏと判断されるため、設定が維持される。その結果、アーム用操作レバー装置４ｂを動かす前の時点でダイレクトティーチにより設定された境界に沿って、バケットの先端が制御され、自動的に領域制限掘削制御が行なわれる。
【００９１】
また、ブーム下げ動作とアームダンプ動作の複合動作が行われた場合にも、同様にして、掘削領域制限制御による制御動作が行われる。即ち、ブーム下げ動作とアームダンプ動作の複合動作が行われると、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きくなり、アームダンプ信号Ｓ4bdは予め設定した所定値Ｓ4bd0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０４０→ステップ０８０と処理が実行され、ステップ０８０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持されて、領域制限掘削制御が行なわれる。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態においては、アームダンプ動作が単独で行われた場合やブーム下げ動作とアームダンプ動作の複合動作が行われた場合にも、それらの操作信号に基づいて掘削領域制限制御が行えるものである。
【００９３】
なお、本発明にかかるフロント制御装置は、上述の各実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、本実施形態では操作レバーは電気レバーとしたが、油圧パイロットレバーでもよい。また、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイレクトティーチにより、所望の掘削領域の設定及び再設定をボタン操作なしで簡単に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態による建設機械のフロント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の形状を示す図である。
【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で用いる座標系と掘削領域の設定方法を示す図である。
【図５】アームクラウド操作によって掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【図６】制御ユニットにおける制御手順を示すフローチャートである。
【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】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１１】バケットの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１２】本発明の第２の実施形態におけるアームダンプ操作によって掘削領域の設定を解除する演算内容を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態におけるアーム用操作レバーが所定時間中立位置にあるときに掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の第４の実施形態におけるアームダンプ操作によって掘削領域の設定を維持したまま、領域制限掘削制御を行う演算内容を説明するフローチャートである。
【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
２ 油圧ポンプ
３ａ〜３ｆ 油圧アクチュエータ
４ａ〜４ｆ 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 角度検出器
９ 制御ユニット
９０ 領域設定部
９２ 領域制限掘削制御部
９２ａ 制御切換部
９２ｂ フロント姿勢演算部
９２ｃ 減速・復元制御用補正操作信号演算部
９２ｄ バルブ指令演算部
【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した掘削を行う領域制限掘削制御等のフロント制御を行うフロント制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の代表例として、油圧ショベルがある。油圧ショベルにおいては、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の操作は、オペレータが、それぞれの手動操作レバーを操作することによって行われる。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。
【０００３】
そこで、掘削作業を容易にするための種々の提案がなされている。
例えば、特開平４−１３６３２４号公報に記載されている方法では、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。
【０００４】
また、国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に記載されている方法では、掘削可能領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、バケットが掘削可能領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方向の動きのみを減速し、バケットが掘削可能領域の境界に達すると、バケットは掘削可能領域の外には出ないが掘削可能領域の境界に沿っては動けるようにしている。
【０００５】
侵入不可領域若しくは掘削可能領域の設定の方法としては、数値入力設定方法と、ダイレクトティーチ方法とが知られている。
数値入力設定方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第１０図に示されるように、数値入力キーを用いて必要な数値を入力し、領域を設定する方法である。数値入力設定方法は、油圧ショベルのある地面上から何ｍの深さだけ掘削するという指定がある場合等のように、予め掘削可能領域を実際の数値で設定できる場合に便利な方法である。
【０００６】
一方、ダイレクトティーチ方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第５図や国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に示されるように、オペレータが、バケットの刃先を目標境界線上に持っていき、スイッチを押して領域を設定する方法である。ダイレクトティーチ方法は、掘削を行う範囲が特に図面等によって数字で規定されていないようなラフな掘削を行う作業現場において、おおざっぱに均し作業を行う場合等に便利な方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ダイレクトティーチによって領域を設定する場合、油圧ショベルが水平な地面上に位置し、その位置にとどまって作業するならば、一旦掘削領域を設定すれば再度掘削領域を設定しなくても少しずつ油圧ショベルを旋回させて一定の深さまでショベルまわりの掘削を行うことが可能である。しかし、多少なりとも油圧ショベルが傾いた状態で位置しているときは、掘削領域の設定は油圧ショベルの車体基準で行われているため、旋回していくうちに設定面が上下方向に変化し、一定の深さに掘削するためには、再度領域を設定する必要が生じる。また、走行することによって油圧ショベルの設置場所の高さが変わった場合も、同様にその度に掘削領域を再設定する必要が生じる。
【０００８】
掘削領域の再設定は、設定済みの掘削領域を解除するボタン操作と、新たな掘削領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作が必要であり、上記のように旋回の都度又は設置場所が変わる都度このようなボタン操作による再設定操作を行うことは極めて面倒である。
【０００９】
本発明の目的は、ダイレクトティーチにより、所望の掘削領域の設定及び再設定をボタン操作なしで簡単に行える建設機械のフロント制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、第１の発明は、上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる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、複数の操作レバー手段からの操作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各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、前記領域制限掘削制御部による領域制限掘削と前記操作レバーによる掘削との制御開始を選択する設定器と、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号及びアーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号が中立信号である場合には、フロント装置におけるバケット先端の位置を、ダイレクトティーチにおける掘削領域の設定値として前記領域制限掘削制御部に出力し、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号があり、又は中立のとき、アーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号がある場合には、前記ダイレクトティーチによる設定値を維持する領域設定演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記領域設定演算部は、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号があり、アーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号が中立信号である場合には、前記領域制限掘削制御部に設定した掘削領域の設定値を、初期値に設定変更する指令を出力することを特徴とする。
【００１２】
更に、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記領域設定演算部は、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号が中立信号で、アームダンプ操作信号がある場合には、前記領域制限掘削制御部に設定した掘削領域の設定値を初期値に設定変更する指令を出力することを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記領域設定演算部は、前記アームクラウド操作の中断が所定時間以上継続した場合のみ、前記掘削領域の設定を行うことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を、図面を用いて説明する。
まず、本発明の第１の実施形態による油圧ショベルのフロント制御装置を図１〜図１１により説明する。
【００１９】
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とを有している。
【００２０】
本実施形態では、操作レバー４ａ〜４ｆは操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置で、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット圧に変換する電気油圧変換手段，例えば比例電磁弁を両端に備えた電気・油圧操作方式の弁である。
【００２１】
また、操作レバー装置４ａ〜４ｄについては、ブーム，アーム，バケット，旋回に対応して別々の符号を付したが、実際には、ブーム用操作レバー装置４ａとバケット用操作レバー装置４ｃ、アーム用操作レバー装置４ｂと旋回用操作レバー装置４ｄは、それぞれ、１つの操作レバー装置を共用する構成とされ、この１つの操作レバーを二次元的に動かすことにより、それぞれの操作信号を出力するものである。
【００２２】
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から成る多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回対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、図１に示したブームシリンダ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、それらの動作は、図１に示した操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。また、上部旋回体１ｄには運転室１ｆが設けられ、操作レバー装置４ａ〜４ｆはこの運転室１ｆ内に配置される。
【００２３】
以上のような油圧ショベルに本実施形態によるフロント制御装置が設けられている。このフロント制御装置は、領域制限掘削制御の開始を指示する設定器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、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4f、設定器７の信号を入力し、流量制御弁５ａ〜５ｆに駆動信号（電気信号）を出力する制御ユニット９とを備えている。
【００２４】
制御ユニット９は、設定器７によって制御開始が設定されていないときは、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4fに応じた駆動信号（電気信号）を生成し、これを流量制御弁５ａ〜５ｆに出力する。また、設定器７によって制御開始が設定されると、ブーム用操作レバー装置４ａ及びアーム用操作レバー装置４ｂが操作されていない中立位置にあるときのバケット１ｃの先端の位置に基づいて、ダイレクトティーチにより、バケット１ｃの先端が動き得る掘削領域を設定可能とすると共に、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに対し領域制限掘削制御のための補正を行い、その補正した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。
【００２５】
以下、図３〜図１０を用いて、制御ユニット９の操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに係わる部分の機能の詳細について説明する。
制御ユニット９は、図３に示すように、領域設定部９０と領域制限掘削制御部９２の各機能を有している。領域設定部９０は、設定器７からの指示と、ブーム用操作レバー装置４ａの操作信号Ｓ4aと、アーム用操作レバー装置４ｂの操作信号Ｓ4bに基づいて、バケット１ｃの先端が動き得る掘削制限領域の設定演算を行うものである。領域制限掘削制御部９２は、制御切換部９２ａと、フロント姿勢演算部９２ｂと、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃと、バルブ指令演算部９２ｄとの各機能から構成されている。
【００２６】
最初に、領域設定部９０の領域設定機能について説明する。なお、本実施形態は、図４に示したＸ軸に平行に掘削制限領域を設定するものである。
領域設定部９０ａは、設定器７によって制御開始が設定されて制御開始信号が入力すると、掘削可能領域の境界Ｌの初期値として、バケットが届かないくらい深い位置の値を設定する。これにより、設定器７による制御開始の設定の直後では、フロント装置１Ａはそれが動作し得る範囲で自由に動くことができ、その動作範囲内でダイレクトティーチ若しくは数値入力設定により掘削可能領域を自由に設定することができる。一例として、初期値はＹ＝−２０ｍとしておく。
【００２７】
一方、領域制限掘削制御部９２の中のフロント姿勢演算部９２ｂは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角に基づいてフロント装置１Ａのバケットの爪先（先端）の位置を計算する。
【００２８】
すなわち、制御ユニット９の記憶装置には、図４に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されており、フロント姿勢演算部９２ｂではこれらのデータと、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α，β，γの各値を用いてバケット先端の位置を計算する。このとき先端の位置は、例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＹ座標系の座標値（Ｘ，Ｙ）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直行座標系である。ブーム１ａの回動支点とアーム１ｂの回動支点との距離をＬ1、アーム１ｂの回動支点とバケット１ｃの回動支点の距離をＬ2、バケット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端との距離をＬ3とすれば、回動角α，β，γからＸＹ座標系の座標値（Ｘ，Ｙ）は、下記の式より求まる。
Ｘ＝Ｌ1ｓｉｎα＋Ｌ2ｓｉｎ（α+β）＋Ｌ3ｓｉｎ（α＋β＋γ）
Ｙ＝Ｌ1ｃｏｓα＋Ｌ2ｃｏｎ（α+β）＋Ｌ3ｃｏｓ（α＋β＋γ）
領域設定演算部９０は、ブーム用操作レバー装置４ａをブーム下げ方向に動かしたときの操作信号Ｓ4a（以下、ブーム下げ信号Ｓ4adという）が所定値より小さい時、例えば、ブーム用操作レバー装置４ａが中立位置付近にある時、ダイレクトティーチにより、フロント姿勢演算部９２ｂの上記データを利用してバケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。即ち、図４において、オペレータの操作レバー装置の操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かした後、ブーム用操作レバー装置４ａが中立位置付近になると、領域設定演算部９０は、このブーム用操作レバー装置４ａのブーム下げ信号Ｓ4adにより、その時のフロント姿勢演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、
設定値＝Ｙ座標値Ｙ1
と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００２９】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００３０】
ステップ０１０において、ブーム下げ信号Ｓ4adが、予め設定した所定値Ｓ4ad0より小さいか否かを判断する。所定値Ｓ4ad0は、ブーム用操作レバー装置４ａの不感帯であり、所定値Ｓ4ad0より大きい場合にのみ、ブーム用操作レバー装置４ａがオペレータにより操作されているものと判断する。
【００３１】
ステップ０２０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より小さいか否かを判断する。所定値Ｓ4bc0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。
【００３２】
所定値Ｓ4bc0より小さい場合、アーム用操作レバー装置４ｂが中立位置付近にあると判断され、ステップ０３０において、その時のバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００３３】
ステップ０２０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きいと判断された場合には、ステップ０３０において、領域設定の処理は行わなず、前の設定が維持されたままで、始めに戻る。
【００３４】
ステップ０１０において、ブーム下げ信号Ｓ4adが、予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きいと判断されると、ステップ０４０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より小さいか否かを判断する。所定値Ｓ4ad0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。所定値Ｓ4bc0より小さい場合には、ステップ０５０において、設定されている掘削領域を解除するため、掘削領域の境界の直線式を、初期値であるＹ＝−２０ｍとする。
【００３５】
また、ステップ０４０において、アームクラウド信号Ｓ4bcが、予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きい場合には、ステップ０２０の判断後の処理と同様にして、領域設定の処理は行わず、前の設定が維持されたままで、始めに戻る。
【００３６】
図５に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理による制御動作について以下に説明する。
最初に、掘削領域の設定動作について説明する。ブーム用操作レバー装置４ａを動かしてブーム下げ操作が行われると、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０４０→ステップ０５０と処理が実行され、ステップ０５０において、掘削領域の境界を初期値であるＹ＝−２０ｍとする。従って、ブームは、ブーム下げ方向に自由に動かすことができる。また、若しくはブーム上げ操作が行われた場合にも、ブームは、ブーム上げ方向に自由に動かすことができる。オペレータがブーム用操作レバー装置４ａの操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かした後、ブーム用操作レバー装置４ａの操作を止めると、ブーム用操作レバー装置４ａは、中立位置付近となる。このとき、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より小さくなるため、ステップ０１０→ステップ０２０→ステップ０３０と処理が実行され、ステップ０３０において、その時のフロント姿勢演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００３７】
次に、掘削領域制限制御による制御動作が行われる場合について説明する。掘削可能領域の境界Ｌが設定された後、アーム用操作レバー装置４ｂを操作してアームクラウド動作が単独で行われると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０２０と処理が実行され、ステップ０２０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。その結果、アーム用操作レバー装置４ｂを動かす前の時点でダイレクトティーチにより設定された境界に沿って、バケットの先端が制御され、自動的に領域制限掘削制御を行う。なお、領域制限掘削制御の詳細については、図６を用いて、後述する。
【００３８】
また、ブーム下げ動作とアームクラウド動作の複合動作が行われた場合にも、同様にして、掘削領域制限制御による制御動作が行われる。即ち、ブーム下げ動作とアームクラウド動作の複合動作が行われると、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きくなり、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０４０と処理が実行され、ステップ０４０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持されて、領域制限掘削制御が行なわれる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態においては、ボタン操作を行うことなく、アームクラウド信号が所定地より小さいことを示す操作信号を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定している。そして、操作信号を用いて掘削可能領域を設定しても、アームクラウド動作が単独で行われた場合やブーム下げ動作とアームクラウド動作の複合動作が行われると、それらの操作信号に基づいて掘削領域制限制御が行えるものである。よって、ダイレクトティーチにより、所望の掘削領域の設定及び再設定をボタン操作なしで簡単に行えるものとなる。
【００４０】
次に、領域制限掘削制御部９２の全体の制御機能について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。図中、ステップ１００，１１０は、制御切換部９２ａの機能であり、ステップ１１５，１２０は、フロント姿勢演算部９２ｂの機能であり、ステップ１２５〜１５０は、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃの機能であり、ステップ１５５は、バルブ指令演算部９２ｄの機能である。
【００４１】
ステップ１００において、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを入力する。
【００４２】
次いで、ステップ１１０において、設定器７による制御開始が設定されているか否かに応じて制御方法を切り換える。設定器７の制御開始スイッチがＯＦＦの場合には、ステップ１５５において、図３に示した操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。これにより、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作量に応じた通常の掘削作業が行なわれる。
【００４３】
設定器７によって制御開始が設定されている場合には、ステップ１１０〜１５０に進み、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを補正する。
【００４４】
以下、ステップ１１５〜１５０の処理内容について説明する。
ステップ１１５において、フロント姿勢演算部９２ｂに、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角を入力する。
【００４５】
ステップ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、上述した掘削領域の設定時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る。
【００４６】
次に、ステップ１２５において、フロント装置１Ａ用の操作レバー装置，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bが指令するバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶｃを計算する。ここで、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bと流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量との関係及びフロント装置１Ａの各部寸法を制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておき、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bから対応する流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量を求め、この供給流量の値から油圧シリンダ３ａ，３ｂの目標駆動速度を求め、この目標駆動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。そして、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、目標速度ベクトルＶｃのＸ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、Ｙ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。
【００４７】
次に、ステップ１３０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図７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、ステップ１３５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、ステップ１４０に進む。
【００４８】
ここで、ステップ１３０における減速領域にあるか否かの判定及びステップ１３５における減速領域での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図８及び図９を用いて説明する。
【００４９】
制御ユニット９の記憶装置には、図７に示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ１と減速ベクトル計数ｈとの関係が記憶されている。この距離Ｄ１と計数ｈとの関係は、距離Ｄ１が距離Ｙa1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計数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Ｙa1の範囲が減速領域に相当する。
【００５０】
ステップ１３０では、ステップ１２０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ１を計算し、このＤ１が距離Ｙa1より小さくなると、減速領域に侵入したと判定する。
【００５１】
また、ステップ１３５では、ステップ１２５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、ＸＹ座標系におけるＹ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８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ＶR（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶRを加算する。ここで、減速ベクトルＶRはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ１がＹa1より小さくなるにしたがって大きくなり、Ｄ１＝０でＶR＝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ＶR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Ｙa1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。
【００５２】
ここで、図９を用いて、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説明する。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Ｙa1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９に示す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，ＶR＝−Ｖｃｙ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。
【００５３】
このようにステップ１３５における減速制御では、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、この意味でステップ１３５の減速制御は方向変換制御ということもできる。
【００５４】
次に、ステップ１４０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図７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、ステップ１４５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、ステップ１５５に進む。
【００５５】
ここで、ステップ１４０における設定領域外にあるか否かの判定及びステップ１４５における設定領域外での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図１０及び図１１を用いて説明する。
【００５６】
制御ユニット９の記憶装置には、図１０に示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係が記憶されている。この距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係は、距離Ｄ２の絶対値が減少するにしたがって復元ベクトルＡＲが増大するように設定されている。
【００５７】
ステップ１４０においては、ステップ１２０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ２を計算し、この距離が負の値になったら設定領域外に侵入したと判断する。
【００５８】
また、ステップ１４５では、ステップ１２５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、ＸＹ座標系のＹ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。具体的には、垂直方向のベクトル成分ＶｃｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙ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。
【００５９】
そして、次に、記憶装置に記憶した図１０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Ｄ２の絶対値に相当する復元ベクトルＡＲを計算し、この復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃ垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙ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Ｖｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００６０】
ここで、図１１を用いて、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について説明する。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ＡＲ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。
【００６１】
このように、ステップ１４５における復元制御では、バケット１ｃ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。
【００６２】
次に、ステップ１５０において、ステップ１３５または１４５で得た補正後の目標速度ベクトルＶｃａに対応する流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算する。これは、ステップ１２５における目標速度ベクトルＶｃの計算の逆演算である。
そして、ステップ１５５において、ステップ１５０で計算した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂを出力し、はじめに戻る。
領域制限掘削制御を終了させる場合は、設定器７による制御開始指令を解除する。
【００６３】
以上のように構成した本実施形態によれば、ブーム用操作レバー装置４ａをブーム下げ方向に動かし、所望の位置で停止させると、図５に示すステップ０１０→ステップ０２０→ステップ０３０と処理が実行され、ステップ０３０において、その時のバケットの先端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を容易に設定される。
【００６４】
その後、アーム用操作レバー装置４ｂをアームクラウド方向に操作すると、その前の設定が維持されるので、設定領域内で、領域制限掘削制御を行うことができる。これにより、操作レバー一本で均し掘削作業，法面掘削作業を行うことができる。
【００６５】
また、ブーム用操作レバー装置４ａをブーム下げ方向に操作し、かつ、同時に、アーム用操作レバー装置４ｂをアームクラウド方向に操作した場合にも、同様に領域制限掘削制御が実行される。これにより、従来、均し掘削作業や法面掘削作業を行う場合のブーム下げとアームクラウドの複合動作と同様の操作により、領域制限掘削制御で均し掘削，法面掘削を行うことができる。
【００６６】
従って、従来のように、掘削領域の再設定のために、設定済みの領域を解除するボタン操作と、新たな領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作を行う必要がなくなり、操作レバー装置の操作信号を用いて、ダイレクトティーチにより掘削領域の設定及び再設定が簡単に行える。
【００６７】
また、領域制限掘削制御に際しては、バケット１ｃの先端が設定領域の境界から離れているときは、目標速度ベクトルＶｃは補正されず、通常作業と同じように作業できるとともに、バケット１ｃの先端が設定領域内でその境界近傍に近づくと、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（境界に対して垂直方向のベクトル成分）を減じるように補正されるので、設定領域の境界に対して垂直方向の動きが減速制御され、設定領域の境界に沿った方向の速度成分は減じられ、このため図９に示すように設定領域の境界に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。このため、バケット１ｃの先端の動き得る領域を制限した掘削を効率良く行うことができる。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施形態について、図１２を用いて説明する。
本実施形態においては、さらに、アームダンプ動作の有無に基づいて、ダイレクトティーチによる掘削領域の設定及び再設定を行ったり、設定の解除を行うようにしている。
【００６９】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、さらに、領域設定演算部９０は、アーム用操作レバー装置４ｂからのアームダンプ信号Ｓ4bdに基づいて、領域設定の演算を行うようにしている。
【００７０】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図１２のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図５に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ０１０とステップ０２０の間に追加されたステップ０６０であるので、主として、このステップ０６０における処理について説明する。
【００７１】
ステップ０６０において、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも小さいか否かが判断される。所定値Ｓ4bd0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。
【００７２】
ここで、図１２に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理に基づく制御動作について以下に説明する。図５に示した制御動作に加えて次の動作が行われる。
【００７３】
アーム用操作レバー装置４ｂを動かしてアームダンプ操作が行われると、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０５０と処理が実行され、ステップ０５０において、掘削領域の境界を初期値であるＹ＝−２０ｍとする。
【００７４】
従って、アームクラウド動作による領域制限掘削制御後、アームダンプ動作によりバケット先端を掘削開始位置に戻すとき、設定領域は解除されるためバケットの先端は自由に動かすことができる。ここで、アームダンプ動作を行ったとき、設定領域を解除しないと、アームダンプ動作時にも、領域制限掘削制御が実行されているため、アームやブームが不自然に動いてしまうこととなる。それに対して、設定の動作だけでなく、制御に係わらない動作時にも制御に入らず、不自然な動きをしないようにする。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態おいては、さらに、アームダンプ動作時のアームやブームの不自然な動きを回避することができる。
【００７６】
次に、本発明の第３の実施形態について、図１３を用いて説明する。
本実施形態においては、さらに、アーム用操作レバー装置が操作されておらず、中立位置付近にある時間が所定時間Ｔを経過した場合にのみ、ダイレクトティーチによる掘削領域の設定を行うようにしている。所定時間Ｔが経過しない場合には、前の設定がそのまま維持されるようにしている。
【００７７】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、さらに、領域設定演算部９０は、アーム用操作レバー装置４ｂからのアームダンプ信号Ｓ4bdに基づいて、領域設定の演算を行うようにしている。
【００７８】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図１３のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図１２に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ０２０とステップ０３０の間に追加されたステップ０７０であるので、主として、このステップ０７０における処理について説明する。
【００７９】
ステップ０７０において、所定時間Ｔが経過したか否かを判断する。ここで、所定時間Ｔとしては、例えば、２秒とする。所定時間Ｔが経過した場合には、ステップ０３０において、その時のバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、掘削可能領域の境界Ｌを設定する。所定時間Ｔ以上継続しなかった場合には、設定が維持される。
【００８０】
ここで、図１３に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理による制御動作について以下に説明する。
【００８１】
アーム用操作レバー装置４ｂを操作してアームクラウド動作が単独で行われると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０２０と処理が実行され、ステップ０２０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。その結果、アーム用操作レバー装置４ｂを動かす前の時点でダイレクトティーチにより設定された境界に沿って、バケットの先端が制御され、自動的に領域制限掘削制御が行われる。
【００８２】
アームクラウド動作の途中でアームクラウド動作を中断すると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より小さくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０２０→ステップ０７０と処理が実行され、ステップ０７０において、アームクラウド動作の中断時間が所定時間Ｔよりも短い場合には、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。
【００８３】
その後、アームクラウド動作を再開すると、アームクラウド信号Ｓ4bcは予め設定した所定値Ｓ4bc0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０→ステップ０２０と処理が実行され、ステップ０２０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持される。従って、アームクラウド動作を中断しても、その中断時間が短い場合には、設定は変わらず、維持されることになる。
【００８４】
アーム用操作レバー装置が中立になったときに掘削制限領域を設定するようにしていると、領域制限掘削制御中にアームクラウド操作を中断した場合に、新たに中断したときのバケット先端位置で設定されることになり、その後、アームクラウドを再操作すると、設定が変わることになる。それに対して、本実施形態では、領域制限掘削制御中にアームクラウド操作を中断しても、中断時間が短い場合には、アームクラウドの再操作時に、前と同じ設定で連続して掘削できるようになる。
【００８５】
次に、本発明の第４の実施形態について、図１４を用いて説明する。
本実施形態においては、さらに、アームダンプ動作が行われた場合にも、設定を維持するようにしている。
【００８６】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、さらに、領域設定演算部９０は、アーム用操作レバー装置４ｂからのアームダンプ信号Ｓ4bdに基づいて、設定を維持するようにしている。
【００８７】
ここで、領域設定演算部９０の演算処理機能について、図１４のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図５に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ０１０とステップ０２０の間に追加されたステップ０６０及びステップ０４０とステップ０５０の間に追加されたステップ０８０であるので、主として、このステップ０６０，０８０における処理について説明する。
【００８８】
ステップ０６０において、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも小さいか否かが判断される。所定値Ｓ4bd0は、アーム用操作レバー装置４ｂの不感帯である。また、同様にして、ステップ０８０において、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも小さいか否かが判断される。アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも大きい場合には、領域設定の処理は行わず、前の設定が維持されたままで、始めに戻る。
【００８９】
ここで、図１４に示したフローチャートに基づく、領域設定演算部９０の演算処理による制御動作について以下に説明する。図５に示した制御動作に加えて次の動作が行われる。
【００９０】
アーム用操作レバー装置４ｂを単独で動かしてアームダンプ操作が行われると、アームダンプ信号Ｓbdが、予め設定した所定値Ｓbd0よりも大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０６０と処理が実行され、ステップ０６０でＮｏと判断されるため、設定が維持される。その結果、アーム用操作レバー装置４ｂを動かす前の時点でダイレクトティーチにより設定された境界に沿って、バケットの先端が制御され、自動的に領域制限掘削制御が行なわれる。
【００９１】
また、ブーム下げ動作とアームダンプ動作の複合動作が行われた場合にも、同様にして、掘削領域制限制御による制御動作が行われる。即ち、ブーム下げ動作とアームダンプ動作の複合動作が行われると、ブーム下げ信号Ｓ4adは予め設定した所定値Ｓ4ad0より大きくなり、アームダンプ信号Ｓ4bdは予め設定した所定値Ｓ4bd0より大きくなるため、ステップ０１０→ステップ０４０→ステップ０８０と処理が実行され、ステップ０８０において、Ｎｏと判断されるため、設定が維持されて、領域制限掘削制御が行なわれる。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態においては、アームダンプ動作が単独で行われた場合やブーム下げ動作とアームダンプ動作の複合動作が行われた場合にも、それらの操作信号に基づいて掘削領域制限制御が行えるものである。
【００９３】
なお、本発明にかかるフロント制御装置は、上述の各実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、本実施形態では操作レバーは電気レバーとしたが、油圧パイロットレバーでもよい。また、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイレクトティーチにより、所望の掘削領域の設定及び再設定をボタン操作なしで簡単に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態による建設機械のフロント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の形状を示す図である。
【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で用いる座標系と掘削領域の設定方法を示す図である。
【図５】アームクラウド操作によって掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【図６】制御ユニットにおける制御手順を示すフローチャートである。
【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】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１１】バケットの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１２】本発明の第２の実施形態におけるアームダンプ操作によって掘削領域の設定を解除する演算内容を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態におけるアーム用操作レバーが所定時間中立位置にあるときに掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の第４の実施形態におけるアームダンプ操作によって掘削領域の設定を維持したまま、領域制限掘削制御を行う演算内容を説明するフローチャートである。
【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
２ 油圧ポンプ
３ａ〜３ｆ 油圧アクチュエータ
４ａ〜４ｆ 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 角度検出器
９ 制御ユニット
９０ 領域設定部
９２ 領域制限掘削制御部
９２ａ 制御切換部
９２ｂ フロント姿勢演算部
９２ｃ 減速・復元制御用補正操作信号演算部
９２ｄ バルブ指令演算部
Claims (4)
- 上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる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、複数の操作レバー手段からの操作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各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、前記領域制限掘削制御部による領域制限掘削と前記操作レバーによる掘削との制御開始を選択する設定器と、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号及びアーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号が中立信号である場合には、フロント装置におけるバケット先端の位置を、ダイレクトティーチにおける掘削領域の設定値として前記領域制限掘削制御部に出力し、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号があり、又は中立のとき、アーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号がある場合には、前記ダイレクトティーチによる設定値を維持する領域設定演算部とを備えたことを特徴とする建設機械のフロント制御装置。
- 前記領域設定演算部は、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号があり、アーム操作用の操作レバー手段からのアームクラウド操作信号が中立信号である場合には、前記領域制限掘削制御部に設定した掘削領域の設定値を、初期値に設定変更する指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の建設機械のフロント制御装置。
- 前記領域設定演算部は、前記設定器からの制御開始指令があり、ブーム操作用の操作レバー手段からのブーム下げ操作信号が中立信号で、アームダンプ操作信号がある場合には、前記領域制限掘削制御部に設定した掘削領域の設定値を初期値に設定変更する指令を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の建設機械のフロント制御装置。
- 前記領域設定演算部は、前記アームクラウド操作の中断が所定時間以上継続した場合のみ、前記掘削領域の設定を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の建設機械のフロント制御装置。
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