JP5512311B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明はオペレータが操縦して作業を行なう建設機械に関する。

一般的に、建設機械はオペレータが操縦することにより各種の作業を行なうように設計されている。建設機械を用いて行なう作業には、同じ動作を繰り返し行なう作業が多い。例えば、建設機械の一例としてショベルが行なう掘削・積込み動作は、バケットにより土を掘削して運搬車に積み込むという一連の動作である。そのようなショベルが行なう掘削・積込み動作は、オペレータがショベル運転室の操作レバーを操作して、キャビンを旋回させ、且つバケット、アーム、ブーム等の作業要素を駆動することで行なわれる。

このように、キャビンの旋回及び作業要素の駆動はオペレータの操縦に任されている。このため、オペレータの熟練度によって、キャビンの旋回及び作業要素の駆動が異なることとなる。一般的に、操縦に不慣れなオペレータは、操縦レバーを急激に大きく操作することができない。例えば、操縦に不慣れなオペレータや熟練度の低いオペレータが所定の時間内にブームを規定の位置まで上げる操作を行なう場合、操縦レバーを大きく操作しなければならないのに、操作レバーの操作が小さく、所定の時間内で目標の位置まで到達するだけの速度を出せないことがある。あるいは、ブームの速度を大きくできたとしても、目標位置に停止させるために減速するタイミングが不適となり、減速タイミングが遅れてブームがオーバーランしてしまうこともある。

オペレータの熟練度に係る問題を回避するために、作業装置の作動範囲を制限するいわゆる制限制御により作業要素の駆動を制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、ブーム等の作業要素の作動範囲を設定しておき、作業要素が作動範囲をはずれた位置に移動しないように自動的に操作を制限するものである。

また、作業要素の移動の軌跡を予め設定しておき、作業要素が設定された軌跡を通って移動するように自動的に制御する軌跡制御により作業要素の駆動を制御することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平９−２９１５５９号公報 特開平９−２９１５６０号公報

上述の制限制御を行なう場合、作業要素が作業範囲外に出ることを防止できる。したがって、例えば上述のブームのオーバーランを防止することができる。しかし、制限制御では、作業範囲内での作業要素の位置や速度の制御はできない。例えば、作業範囲内でオペレータが作業要素の操作を停止すれば、作業要素の動作は停止する。したがって、例えば、オペレータのレバー操作量が不足していても、それを補償するような制御は行なわれず、作業要素が所望の位置に到達しないことがある。

また、上述の軌跡制御を行なう場合、予め軌跡を設定するための操作（例えばプログラムの設定）に時間がかかってしまう。また、作業要素が設定された軌跡に沿って移動するように制御するには精密で厳格な制御が必要であり、オペレータが操縦する場合よりも作業要素の移動速度を小さくしなければならず、作業時間が長くなってしまう。さらに、オペレータが操作レバーを操作しないため、オペレータの操縦能力は向上しない。

本発明は以上の問題に鑑みなされたものであり、作業要素が個々の作業における目標値に確実に到達できるようにオペレータの操作をアシストすることのできる建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によれば、油圧により作業を行なう作業要素と、前記作業要素の速度を検出する速度検出器と、前記作業要素を駆動するためにオペレータが操作する操作装置と、前記操作装置が出力するパイロット圧を検出するパイロット圧検出器と、前記速度検出器からの検出値に基づいて前記作業要素の駆動速度を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記作業要素の加速時に所定の加速パターンで前記作業要素への加速アシストを行い、前記速度検出器が検出した速度に基づいて複数の減速パターンのうちから選択した一つの減速パターンを用いて前記作業要素を減速して停止させることを特徴とする建設機械が提供される。

上述の建設機械において、前記制御装置は、前記作業要素が目標位置に近づいた第１の所定の位置まで移動した時点において、前記パイロット圧が最大値未満の場合に、前記操作装置から出力される前記パイロット圧に基づいて前記作業要素を減速させることが好ましい。また、前記制御装置は、前記作業要素が第１の所定の位置まで移動する前の第２の所定の位置まで移動した時点において、前記パイロット圧が最大値未満の場合に、前記操作装置から出力される前記パイロット圧の値を最大値に変更し、変更した最大値に基づいて前記作業要素を加速させることが好ましい。

前記制御装置は、前記パイロット圧の値を最大値に変更していることを示す表示を行なうこととしてもよい。また、前記制御装置は、前記減速パターンにより減速していることを示す表示を行なうこととしてもよい。さらに、前記減速パターンは少なくとも異なる３つの傾きの減速パターンのうちから選択されることとしてもよい。

上述の発明によれば、オペレータの操作が不十分であっても、作業要素を目標位置まで確実に駆動することができ、オペレータの熟練度にかかわりなく、効率的且つ確実に所望の作業を行なうことができる。

油圧ショベルの側面図である。 油圧ショベルの動作を規定するパラメータを示す図である。 油圧ショベルの油圧回路の回路図である。 パイロット圧生成回路の油圧回路図である。 掘削・積込み動作を説明するための図である。 ダンプ動作区間におけるブーム上げ操作を自動アシストする場合の制御のフローチャートである。 予め設定された減速パターンを示す図である。 自動アシストアルゴリズムによりブーム上げ操作をアシストした場合のブームの軌道と速度の変化、及びパイロット圧の値の変化を示す図である。 ブームを停止する際のパイロット圧の値の変化を示す図である。 パイロット圧生成回路の他の例を示す回路ブロック図である。 パイロット圧生成回路のさらに他の例を示す回路ブロック図である。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明による作業要素の軌道制御が適用される建設機械の一例として油圧ショベルについて説明する。なお、本発明による軌道制御が適用される建設機械は、油圧ショベルに限定されるものではない。

図１は油圧ショベルの側面図である。油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０及び動力源としてのエンジン（図示せず）が搭載される。また、上部旋回体３には油圧ショベルの各部の動作を制御する制御装置としてコントローラ２２が搭載される。コントローラ２２はマイクロコンピュータ及びメモリ等で構成される制御装置である。

ブーム４は上部旋回体３に対して上下に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にブーム角度センサ（図示せず）が取り付けられている。ブーム角度センサは周知の角度検出器であればどのようなものでもかまわないが、安価なロータリエンコーダを用いることが好ましい。ブーム角度センサによりブーム角θ１を検出することができる。ブーム角θ１は水平方向からのブーム４の傾き角度である。なお、ブーム角θ１は、図２における反時計方向（ブームが開く方向）を正とする。また、ブーム角度センサを用いてブーム４の回転速度、すなわちブーム４の移動速度を検出することができる。

アーム５はブーム４の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にアーム角度センサ（図示せず）が取り付けられている。アーム角度センサは周知の角度検出器であればどのようなものでもかまわないが、安価なロータリエンコーダを用いることが好ましい。アーム角度センサにより後述のアーム角θ２を検出することができる。アーム角θ２は水平方向からのアーム５の傾き角度である。なお、アーム角θ２は、図２における反時計方向（アームが開く方向）を正とする。また、アーム角度センサを用いてアーム５の回転速度、すなわちブーム５の移動速度を検出することができる。

バケット６はアーム５の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にバケット角度センサ（図示せず）が取り付けられている。バケット角度センサは周知の角度検出器であればどのようなものでもかまわないが、安価なロータリエンコーダを用いることが好ましい。バケット角度センサにより後述のバケット角θ３を検出することができる。バケット角θ３はアーム５に対するバケット６の傾き角度である。なお、バケット角θ３は、図２における反半時計方向（バケットが開く方向）を正とする。また、バケット角度センサを用いてバケット６の回転速度、すなわちバケット６の移動速度を検出することができる。

上部旋回体３を旋回させる旋回機構２には、旋回角度センサ（図示せず）が設けられている。旋回角度センサは周知の角度検出器であればどのようなものでもかまわないが、安価なロータリエンコーダを用いることが好ましい。旋回角度センサにより、後述の旋回角θ４を検出することができる。旋回角θ４は上部旋回体３が正面を向いた位置からの角度である。また、旋回角度センサを用いて上部旋回体３の旋回速度を検出することができる。

ブーム４，アーム５，バケット６の位置は、上述のブーム角θ１、アーム角θ２、バケット角θ３及び旋回角θ４をパラメータとして演算により求めることができる。図２はブーム角θ１、アーム角θ２、バケット角θ３及び旋回角θ４を示す図である。図２において、地面からブーム４の旋回支持部までの高さＨ１は既知の一定の値である。また、ブーム４の旋回支持部からアーム５の旋回支持部までの距離Ｌ１も既知の一定の値である。さらに、アーム５の旋回支持部からバケット６の旋回支持部までの距離Ｌ２も既知の一定の値である。また、バケット６の厚みＴ１も既知の一定の値である。したがって、地面からバケット６までの高さＨＢは以下の式に各パラメータ（θ１〜θ３）の値を入れて演算することで容易に求めることができる。

ＨＢ＝Ｈ１＋Ｌ１・ｓｉｎθ１＋Ｌ２・ｓｉｎθ２−Ｔ１
また、バケット６の先端の高さＤＢは以下の式で求めることができる。

ＤＢ＝Ｈ１＋Ｌ１・ｓｉｎθ１＋Ｌ２・ｓｉｎθ２＋Ｌ３・ｓｉｎ（θ２＋θ３）
また、バケット６の旋回方向の位置は、旋回機構２に設けられた旋回角度センサで検出した旋回角θ４で表される。

ここで、上述の油圧ショベルの油圧回路について簡単に説明する。図３は油圧ショベルの油圧回路の回路図である。

図３に示すように、可変容量型の油圧ポンプ１１の吐出油路１２には各アクチュエータ用のコントロール弁１３，１４，１５を含むコントロールバルブが設けられている。

旋回モータ１６用の減圧弁１７の操作レバー１７ａを操作することにより、コントロール弁１４のスプールが切り替わって、油圧ポンプ１１から吐出された高圧の作動油が旋回モータ１６に供給され、旋回モータ１６が左右何れかの方向へ回転する。減圧弁１７を含むパイロット圧生成回路の詳細については後述する。

ブームシリンダ７用の減圧弁２３の操作レバー２３ａを操作することにより、コントロール弁１３のスプールが切り替わって、油圧ポンプ１１から吐出された高圧の作動油がブームシリンダ７に供給され、ブームシリンダ７が何れかの方向へ駆動される。減圧弁２３を含むパイロット圧生成回路の詳細については後述する。

油圧ポンプ１１は可変容量型であり、油圧シリンダ３３の伸縮によりポンプ傾転角を変えて吐出量を増減することができる。油圧シリンダ３３には、油圧源３４からの作動油とネガコン油路３５からの作動油との何れか高圧の一方を選択して導入させるシャトル弁３６が接続されている。油圧シリンダ３３とシャトル弁３６とで油圧ポンプ１１の吐出量を変更する手段が構成される。

油圧源３４とシャトル弁３６との間には減圧弁３７と電磁切替弁３８が設けられる。油圧源３４からの高圧の作動油が減圧弁３７にて所定圧に減圧された後に、電磁切替弁３８が開放されると、シャトル弁３６を介して油圧シリンダ３３に作動油が導入される。油圧シリンダ３３に作動油が導入されずピストンロッドが引き込まれた状態であると、油圧ポンプ１１の傾転角が大となって吐出量が大流量の状態となる。

なお、図３には旋回モータ１６を駆動する油圧回路及びブームシリンダ７を駆動する油圧回路が示されているが、アーム５及びバケット６を駆動するアームシリンダ８、バケットシリンダ９が他のコントロール弁に接続され、ブームシリンダ７を駆動する油圧回路と同様な油圧回路がそれぞれのコントロール弁に対して設けられている。

ここで、パイロット圧生成回路について説明する。図４はパイロット圧生成回路の一例の油圧回路図である。図４に示すパイロット圧生成回路は、油圧式レバーをオペレータが操作することによりパイロット圧を生成する油圧回路である。この油圧回路には、コントロールバルブとしてパイロット作動系のバルブが使用される。例えば、減圧弁２３の操作レバー２３ａを左側に倒すと、左側の減圧弁２３Ａが下方に押され、パイロットライン２６ａとパイロットライン２４とが連通する。これにより、パイロット油圧ポンプ２８からのパイロット圧が電磁比例弁Ｃでコントロールされ、パイロットライン２６ａ，２４及び電磁切替弁Ｂを介してコントロールバルブに供給される。操作レバー２３ａの操作量が大きいほど減圧弁２３Ａは下方へ大きく押し込まれ、より大きなパイロット圧がコントロールバルブへと供給される。同様に、操作レバー２３ａを右側に倒すと、右側の減圧弁２３Ｂが下方に押され、パイロットライン２６ａとパイロットライン２５とが連通する。これにより、パイロット油圧ポンプ２８からのパイロット圧が、電磁比例弁Ｃ、パイロットライン２６ａ，２５及び電磁切替弁Ｂを介してコントロールバルブに供給される。操作レバー２３ａの操作量が大きいほど減圧弁２３Ｂは下方へ大きく押し込まれ、より大きなパイロット圧がコントロールバルブへと供給される。自動運転時のパイロット圧生成回路の動作については後述する。減圧弁１７についても上述のパイロット圧生成回路と同様な油圧回路に組み込まれるのでその説明は省略する。

次に、油圧ショベルを用いて行なう作業の一例について説明する。油圧ショベルを用いて行なう動作の代表的なものとして、掘削・積込み動作がある。掘削・積込み動作は、掘削動作と積込み動作を含む一連の動作であり、バケットで土を掘ってすくい上げ、ダンプカーの荷台等の所定の場所に排土する作業である。掘削・積込み動作については、社団法人日本建設機械化協会規格（ＪＣＭＡＳ）において詳細に規定されている。

掘削・積込み動作について、図５を参照しながらさらに詳しく説明する。まず、図５（ａ）に示すように、上部旋回体３を旋回してバケット６が掘削位置の上方に位置している状態で、且つ、アーム５が開きバケット６も開いた状態で、オペレータはブーム４を下げ、バケット６の先端が目標の掘削深さＤとなるようにバケット６を下降させる。通常、旋回及びブーム下げは、オペレータが操作し、目視でバケット６の位置を確認する。また、上部旋回体３の旋回と、ブーム４の下げは同時に行なうことが一般的である。以上の動作をブーム下げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム下げ旋回動作区間と称する。

オペレータがバケット６の先端が目標の掘削深さＤに到達したと判断したら、次に、図５（ｂ）に示すように水平引き動作に移る。水平引き動作では、バケット６の先端がほぼ水平に移動するように、アーム５が地面に対して垂直になるまでアーム５を閉じる。この水平引き動作により、所定の深さの土が掘削されバケット６でかき寄せられる。水平引き動作が完了したら、次に、図５（ｃ）に示すように、アーム５に対して９０度になるまでバケット６を閉じる。すなわち、バケット６の上縁が水平となるまでバケット６を閉じ、かき集めた土をバケット６内に収容する。以上の動作を掘削動作と称し、この動作区間を掘削動作区間と称する。

オペレータは、バケット６が９０度になるまで閉じたと判断したら、次に、図５（ｄ）に示すように、バケット６を閉じたままバケット６の底部が所定の高さＨとなるまでブーム４を上げる。これに続いて、あるいは同時に、上部旋回体３を旋回して排土する位置までバケット６を旋回移動する。以上の動作をブーム上げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム上げ旋回動作区間と称する。

なお、バケット６の底部が所定の高さＨとなるまでブーム４を上げるのは、例えば、ダンプカーの荷台に排土する際にはバケット６を荷台の高さより高く持ち上げないとバケット６が荷台にぶつかってしまうためである。例えば熟練していないオペレータが操縦していた場合、バケット６を所定の高さＨまで持ち上げないまま旋回するおそれがある。そのような場合には、バケット６をダンプカーの荷台にぶつけてしまうおそれがある。

オペレータは、ブーム上げ旋回動作が完了したと判断したら、次に、図５（ｅ）に示すようにアーム５及びバケット６を開いて、バケット６内の土を排出する。この動作をダンプ動作と称し、この動作区間をダンプ動作区間と称する。ダンプ動作では、バケット６のみを開いて排土してもよい。

オペレータは、ダンプ動作が完了したと判断したら、次に、図５（ｆ）に示すように、上部旋回体３を旋回してバケット６を掘削位置の真上に移動させる。このとき、旋回と同時にブーム４を下げてバケット６を掘削開始位置まで下降させる。この動作は図５（ａ）にて説明したブーム下げ旋回動作の一部である。オペレータは、図５（ａ）に示すようにバケット６を掘削開始位置から目標の掘削深さＤまで下降させ、再び図５（ｂ）に示す掘削動作を行なう。

以上の「ブーム下げ旋回動作」、「掘削動作」、「ブーム上げ旋回動作」、「ダンプ動作」、「ブーム下げ旋回動作」を一サイクルとしてこのサイクルを繰り返し行いながら、掘削・積込みを進めていく。各動作が完了したか否か、すなわち各動作区間においてなすべき動作が終了したか否かはオペレータの判断によるものであり、オペレータが判断を誤った場合などは、一つの動作区間が完了しないのに、次の動作区間に移行してしまうおそれがある。また、熟練度の低いオペレータの場合は、一つの動作区間においてレバー操作の不慣れにより作業要素を目標値に到達させることができないことがある。このため、完了しなかった動作区間をやり直すことで作業効率が低下するばかりでなく、例えば、バケット６をダンプカーの荷台にぶつけて損傷するといった問題を引き起こす可能性がある。

そこで、本発明の一実施形態による軌道支援制御方法では、上述の各動作区間における作業要素の動作（旋回、ブーム上げ、ブーム下げ等）の目標値を定め、目標値をクリアするようにオペレータによる作業要素の駆動を自動的にアシストする。

ここで、自動アシストの概要について説明する。ここでいう自動アシストとは、オペレータ（人間）の操作を建設機械が自動的にアシストするということであり、軌跡制御のように建設機械が全て自動で作業を行なうものではない。

オペレータが操作レバーを操作して作業要素の駆動を開始すると、オペレータによるレバー操作量のとおりに作業要素が駆動される。オペレータのレバー操作量はパイロット圧で表されており、コントローラはパイロット圧で決定される油圧を作業要素に供給するようにコントロール弁を制御する。そして、作業動作の規定値（例えば、位置）が予め設定された判断値となるまでは、パイロット圧の値に基づいて作業要素が駆動される。すなわち、オペレータの熟練度に合わせるために、作業動作の規定値が判断値（閾値）に到達するまではオペレータのレバー操作量のとおりに作業要素が駆動される。

作業要素を駆動している間、パイロット圧はコントローラ２２により監視されている。作業動作の規定値が判断値に到達した後は、作業動作の目標値に到達するように、コントロールバルブに入力するパイロット圧を調整する。例えば、オペレータが操作する操作レバーの操作量が最大でない場合、パイロット圧の最大値がコントロールバルブへ入力されるように調整される。これにより、作業要素は強制的に目標値に向かって最大速度で移動するように制御される。

作業要素の規定値が目標値に近づくと、コントローラ２２はパイロット圧の値を減少し、作業要素の駆動が目標値で停止するように制御する。すなわち、作業動作が目標値に対して行き過ぎること（オーバーラン）を防止して目標値に達した時点で停止するために、パイロット圧を次第に低減してゼロにする。このとき、パイロット圧をどのように低減するかについては、目標値までの偏差とパイロット圧との関係を示す「フィードバック補正テーブル」を用いて算出することができる。

以下に、人間操作の自動アシストのアルゴリズムについて、ダンプ動作区間におけるブーム上げ操作を例にとってより具体的に説明する。図６はダンプ動作区間におけるブーム上げ操作を自動アシストする場合の制御のフローチャートである。

まず、ダンプ動作区間において、ブーム４を上げるときにブーム４の先端の高さｈを検出する（ステップＳ１）。ブーム４の先端の高さｈは、ブーム４の角度θ１とブームの長さＬ１とから求めることができる。そして、検出した高さｈが予め設定された判断値ｈ１となった時点で、操作レバー２３ａの操作量が最大値であるか否か、すなわちパイロット圧が最大値となっているか否かを判定する（ステップＳ２）。判断値ｈ１は、例えば目標値ｈ０の半分（ｈ１＝ｈ０／２）に設定することができる。目標値ｈ０は、ダンプ動作区間で最終的にバケット６をダンプ位置に持ち上げるためにブームの先端が到達すべき高さである。

ステップＳ２において、レバー操作量（パイロット圧）が最大値ではない（最大値未満）と判定されると、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、パイロット圧の値を最大値に設定する。実際のパイロット圧は最大値未満であるが、制御上でパイロット圧の値を最大値に設定することで、あたかもオペレータがレバー操作を最大にしてパイロット圧が最大値になったように制御する。

パイロット圧の最大値への設定は、図４に示すパイロット圧生成回路で行なう。ブーム上げ動作の加速時において、アシスト運転が必要であると判定されると、コントローラ２２の記憶部２２ａから切替信号が電磁切替弁Ａ（ブーム上げ動作用の電磁切替弁）に供給され、電磁切替弁Ａが切り替えられる。また、加速時のアシスト運転に必要なパイロット圧を示すアシスト値がコントローラ２２の記憶部２２ａから電磁比例弁Ｃに供給される。これにより、アシスト値に基づいたパイロット圧がコントロールバルブのコントロール弁１３に供給され、ブームシリンダ７が駆動される。したがって、ブーム４はアシスト値で示される所定の加速パターンで自動的にブーム上げ動作を行なう。

同様に、ブーム上げ動作の減速時において、アシスト運転が必要であると判定されると、コントローラ２２の記憶部２２ａから切替信号が電磁切替弁Ａ（ブーム上げ動作用の電磁切替弁）に供給され、電磁切替弁Ａが切り替えられる。また、減速時のアシスト運転に必要なパイロット圧を示すアシスト値がコントローラ２２の記憶部２２ａから電磁比例弁Ｃに供給される。これにより、アシスト値に基づいたパイロット圧がコントロールバルブのコントロール弁１３に供給され、ブームシリンダ７が駆動される。したがって、ブーム４はアシスト値で示される所定の減速パターンで自動的にブーム上げ動作を行なう。

図６の処理に戻り、パイロット圧が最大値に変更されると、パイロット圧の値に基づいて油圧を供給するコントロール弁１３からブームシリンダ７に供給される作動油の油圧は最大となり、ブーム４は最大の駆動力で駆動される。したがって、ブーム４の移動速度（ブーム４の回転速度）が最大となるように加速される。

ステップＳ３において、パイロット圧の値をアシスト値として強制的に最大値に設定してオペレータの操作をアシストする状態となると、コントローラ２２は、オペレータが操縦している運転室の表示器に「自動加速中」であることを示す表示を行なう。これにより、オペレータは現在自分が操作している操作レバーの操作量が不十分であることを認識することができ、より大きく操作レバーを操作する必要があることを学習することができる。

一方、ステップＳ２において、レバー操作量（パイロット圧）が最大値であると判定されると、処理はステップＳ４に進む。パイロット圧の値は操作者のレバー操作によって最大値になっているので、ステップＳ４ではパイロット圧を変更せず、そのままステップＳ５に進む。すなわち、パイロット圧の値がオペレータのレバー操作によって最大値になっている場合は、オペレータは適切なレバー操作を行なっている（この作業に熟練したオペレータである）と判断し、自動アシストを行なわずにオペレータの手動操作に任せる。

ステップＳ３による自動アシスト、あるいはステップＳ４によるオペレータの手動操作により、ブーム４は加速しながらあるいは最高速度で上昇を続ける。そして、ブーム４の先端の高さｈが予め設定された判断値ｈ２となった時点で、ブーム４の速度（回転速度）を検出し、検出した速度がどの程度の速度であるかを判定する（ステップＳ５）。判断値ｈ２は、例えば目標値ｈ０の２／３（ｈ２＝２ｈ０／３）に設定することができる。なお、目標値ｈ０は、ダンプ動作区間で最終的にバケット６をダンプ位置に持ち上げるためにブームの先端が到達すべき高さである。

検出した速度の判定は、例えば、高速、中速、低速、というように少なくとも３段階に分けて判定することが好ましい。ここで速度を判定する理由は、ブーム４の上昇を目標値ｈ０で停止するためには、目標値のどのくらい手前から減速しなければばらないかを知るためである。ブーム４の速度が大きいほどより手前から減速しないと、目標値をオーバーランするおそれがあるためである。

続いて、ステップＳ６において、ステップＳ５における速度の判定結果に基づいて、ブーム４の減速を開始する高さｈ３を算出する。減速開始高さｈ３は、減速して停止するまでに必要な移動距離である制動距離Δｈを目標値ｈ０から減算することで求めることができる（ｈ３＝ｈ０−Δｈ）。ここで、ブーム４の速度が高速のときに必要な制動距離をΔｈ１、中速のときに必要な制動距離をΔｈ２、低速のときに必要な制動距離をΔｈ３とする。制動距離Δｈ１，Δｈ２，Δｈ３は予め求められており、ブーム４の速度に対応してコントローラ２２のメモリに格納されている。

ステップＳ６において減速開始高さｈ３の算出が終了したら、続いてステップＳ７において自動加速中であるか否かを判定する。すなわち、ブーム４の操作がステップＳ３における自動アシストによる操作なのか、ステップＳ４におけるオペレータの手動操作なのかを判定する。

ステップＳ７において自動加速中であると判定された場合、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８では、制動距離Δｈで決定され、記憶部２２ａに入力されている減速パターンに従ってアシスト値が出力され、減速開始高さｈ３に到達した時点からブーム４を減速させ目標値ｈ０で停止させる。この減速操作は、オペレータのレバー操作に関係なく強制的に自動で行なわれる。すなわち、オペレータのレバー操作により生成されたパイロット圧にかかわりなく、制御上のパイロット圧の値を自動的に小さくしてゼロにすることでブーム４を停止させる。ステップＳ７で自動加速中と判定されるということは、ステップＳ３で自動アシストが行なわれたということであり、このオペレータの熟練度が低いと判定できる。したがって、熟練度が低いオペレータの場合はブーム４を停止させる際にもアシストするほうが好ましいと判断し、オペレータの手動操作ではなく、自動的にブーム４を目標値ｈ０で停止させる。

ブーム４を自動的に停止させるには、ステップＳ５において高速と判定された場合は、ブーム４が減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈ１に到達した時点から、図７に示す予め設定された減速パターンＩに従ってブーム４を減速させ、目標値ｈ０で停止させる。ステップＳ５において中速と判定された場合は、ブーム４が減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈ２に到達した時点から、図７に示す予め設定された減速パターンＩＩに従ってブーム４を減速させ、目標値ｈ０で停止させる。ステップＳ５において低速と判定された場合は、ブーム４が減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈ３に到達した時点から、図７に示す予め設定された減速パターンＩＩＩに従ってブーム４を減速させ、目標値ｈ０で停止させる。

一方、ステップＳ７において自動加速中ではないと判定されると、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ９では、ブーム４の高さｈがステップＳ６で算出した減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈとなった時点で、レバー操作量が最大値であるか、すなわち実際のパイロット圧が最大値であるか否かを判定する。

ステップＳ９においてレバー操作量が最大値であると判定されると、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、ステップＳ８と同様に、制動距離Δｈで決定される減速パターンに従って、減速開始高さｈ３に到達した時点からブーム４を減速させ目標値ｈ０で停止させる。この減速操作は、オペレータのレバー操作に関係なく強制的に自動で行なわれる。すなわち、オペレータのレバー操作により生成されたパイロット圧にかかわりなく、制御上のパイロット圧の値を自動的に小さくしてゼロにすることでブーム４を停止させる。ステップＳ７で自動加速中ではないと判定され、さらにステップＳ９でレバー操作量が最大値であると判定されるということは、減速を行なわなければならないのに未だオペレータは減速操作を行なっていないということである。したがって、この場合は自動アシストでブーム４を停止させるほうが好ましいと判断し、オペレータの手動操作ではなく、自動的にブーム４を目標値ｈ０で停止させる。

ブーム４を自動的に停止させる処理はステップＳ８における処理と同様である。すなわち、ステップＳ５において高速と判定された場合は、ブーム４が減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈ１に到達した時点から、図７に示す予め設定された減速パターンＩに従ってブーム４を減速させ、目標値ｈ０で停止させる。ステップＳ５において中速と判定された場合は、ブーム４が減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈ２に到達した時点から、図７に示す予め設定された減速パターンＩＩに従ってブーム４を減速させ、目標値ｈ０で停止させる。ステップＳ５において低速と判定された場合は、ブーム４が減速開始高さｈ３＝ｈ０−Δｈ３に到達した時点から、図７に示す予め設定された減速パターンＩＩＩに従ってブーム４を減速させ、目標値ｈ０で停止させる。

一方、ステップＳ９においてレバー操作量が最大値ではない（最大値未満）と判定されると、処理はステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、自動アシストを行なわず、ブーム４の停止をオペレータの手動操作に任せる。ステップＳ９においてレバー操作量が最大値ではない（最大値未満）と判定されるということは、オペレータが既に減速操作を行なっているということであり、そのままオペレータの手動操作に任せておけば目標値ｈ０でブーム４を停止できると判断できる。

図８は上述の自動アシストアルゴリズムによりブーム上げ操作をアシストした場合のブーム４の軌道と速度の変化、及びパイロット圧の値の変化を示す図である。図８（ａ）はブーム４の高さを示し、図８（ｂ）はブーム４の速度を示し、図８（ｃ）はブームの駆動に用いられるパイロット圧の値を示している。図８に示す例は熟練度の低いオペレータが操作した場合を示しており、実線は自動アシストを行なった場合の変化を示し、点線は自動アシストを行なわない場合の変化を示している。

上述のステップＳ１〜Ｓ２は、図８（ａ）におけるＴ０〜Ｔ１の動作開始区間に相当する。オペレータがブーム上げ操作を時刻Ｔ０で開始すると、ブーム４の高さｈが判断値ｈ１に到達するまでは、自動アシストは行なわれず、オペレータのレバー操作のとおりにブーム４が駆動される。したがって、図８（ａ）に示されるようにブーム４の高さｈは自動アシストありの場合も自動アシスト無しの場合も同様に変化し、図８（ｂ）に示されるように速度も自動アシストありの場合も自動アシスト無しの場合も同様に変化する。また、ブーム４の駆動に用いられるパイロット圧の値は、オペレータによる操作レバーの操作で生成されたパイロット圧そのものである。

上述のステップＳ２の処理は、ブーム４の高さｈが判断値ｈ１になった時点で行なわれる判定であり、図８ではこの時点が時刻Ｔ１に相当する。すなわち、時刻Ｔ１において、オペレータがレバー操作を最大にしているか否かを判定している。時刻Ｔ１においてオペレータがレバー操作を最大にしていない場合は、その後のブーム４の速度が十分大きくならず、図８（ｂ）の点線で示す変化となってしまう。この場合、ブーム４の高さｈも図８（ａ）の点線で示すように目標値ｈ０に到達しない。そこで、上述のステップＳ３において、自動アシストが行なわれ、パイロット圧の値を強制的に最大値に設定するよう補正する。したがって、パイロット圧の変化は、図８（ｃ）の実線で示すように、時刻Ｔ１以後は最大値まで上昇して最大値が維持される。

このように、時刻Ｔ１以降のパイロット圧の値が最大値に設定されることにより、ブーム４の速度は図８（ｂ）の実線で示すように時刻Ｔ１以降も上昇し、その結果ブーム４の高さｈが目標値ｈ０に到達できるようになる。

続いて、ブーム４の高さｈが判断値ｈ２となった時点で、上述のステップＳ５の処理が行なわれ、ブーム４の速度が高速であるか、中速であるか、低速であるかを判定する。図７において、ブーム４の高さｈが判断値ｈ２となった時点は時刻Ｔ２に相当する。判断値ｈ２は目標値ｈ０の２／３としているが、２／３に限定されるものではない。目標値ｈ０の２／３の高さまで上昇していればブーム４の速度はほぼ最大となっているはずであり、その速度から停止させるまでの制動距離Δｈを算出できるためである。判断値ｈ２が小さすぎると、ブーム４の速度が最大値に到達していないおそれがあり、判断値ｈ２が大きすぎると、目標値ｈ０までの距離が算出した制動距離Δｈより小さくなってしまうおそれがある。以上を考慮して判断値ｈ２を適宜決定すればよい。

時刻Ｔ２で制動距離Δｈを算出したら、目標値ｈ０から制動距離Δｈを減算して求めた高さ（ｈ０−Δｈ）に到達するまでは、パイロット圧の値は最大値のまま維持される。図８において、ブーム４の高さｈが（ｈ０−Δｈ）となった時点が時刻Ｔ３に相当する。したがって、図８（ｂ）の実線で示されるように、ブーム４の速度は、時刻Ｔ３までは最大値に維持される。

ブームの高さｈが、目標値ｈ０から制動距離Δｈを減算して求めた高さ（ｈ０−Δｈ）に到達すると（時刻Ｔ３において）、ブーム４の減速が開示され、図８（ｃ）の実線で示されるように、パイロット圧の値が徐々に低減される。このときの減速パターンは、図７を参照して説明したとおりである。減速パターンに沿った減速（パイロット圧の値の減少）は時刻Ｔ４まで行なわれる。時刻Ｔ４では、図８（ｂ）の実線で示されるようにブーム４の速度はほぼゼロであり、図８（ａ）の実線で示すようにブーム４の高さｈはほぼ目標値ｈ０となっている。そこで、時刻Ｔ４において、パイロット圧の値を急激にゼロまで落としてブーム４を停止させる。したがって、図８（ｂ）の実線で示すように時刻Ｔ４を過ぎた時点でブームの速度はゼロとなり、図８（ａ）の実線で示すように時刻Ｔ４を過ぎた時点でブーム４の高さは目標値ｈ０に到達する。

一方、自動アシストを行なわない場合は、図８（ｃ）の点線で示すように時刻Ｔ３を過ぎてもパイロット圧の値は操作者のレバー操作により生成されたパイロット圧のままである。したがって、図８（ｂ）の点線で示すように、ブーム４の速度の減少は鈍く、時刻Ｔ４の時点でもブーム４の速度はあまり低下していない。このため、時刻Ｔ４を過ぎてもすぐにはブーム４は停止できず、ある程度の時間の後に停止することとなる。

次に、ブーム４を停止する際の自動アシストについてさらに図９を参照しながら説明する。図９はブームを停止する際のパイロット圧の値の変化を示す図である。

図９において、実線は熟練したオペレータのレバー操作による減速パターン（パイロット圧の変化）の一例を示し、一点鎖線は本発明による自動アシストを行なった場合の減速パターン（パイロット圧の変化）を示し、点線は本発明による制御処理を適用しない場合の減速パターン（パイロット圧の変化）の一例を示している。

点線で示す本発明による制御処理を適用しない場合の減速パターンでは、パイロット圧はオペレータのレバー操作によって決定される。このため、例えば熟練度の低いオペレータが操作しており、時刻Ｔ３において依然としてレバー操作量を最大値のままにしていると、パイロット圧も最大値のままとなっている。したがって、減速を開始すべき時刻Ｔ３においても、減速が開始されないこととなる。オペレータが、時刻Ｔ４になって慌ててレバー操作量を小さくして減速しても、適切なタイミングで減速が開始されなかったため、作業要素が行き過ぎてしまい（ブームが高く上がりすぎてしまう）、迅速で的確な操作・制御を行なうことができない。

一方、実線で示す熟練したオペレータのレバー操作による減速パターンでは、ブームがｈ１＝ｈ０／２の高さになった時刻Ｔ２において、パイロット圧は最大値となっている。このため、図６に示すブーム上げ操作を自動アシストする場合の制御処理のうち、ステップＳ２からステップＳ４に進み、パイロット圧の補正は不要であると判断される。その結果、ステップＳ７においても手動加速中である（自動加速中ではない）と判断され、処理はステップＳ９に進む。そして、ブームの高さがｈ３（ｈ０−ｈ）となった時刻Ｔ３において、ステップＳ９でレバー操作量が最大値であるか否かが判定される。熟練したオペレータのレバー操作によれば、時刻Ｔ３において既にレバー操作量は低減されているので、パイロット圧は最大値より小さい値となっている。このため、制御処理はステップＳ１１に進み、時刻Ｔ４において減速動作は終了する。

ここで、一点鎖線で示す本発明による自動アシストを行なった場合の減速パターンでは、ブームがｈ１＝ｈ０／２の高さになった時刻Ｔ２において、パイロット圧は最大値となっている。このため、図５に示すブーム上げ操作を自動アシストする場合の制御処理のうち、ステップＳ２からステップＳ４に進み、パイロット圧の補正は不要であると判断される。その結果、ステップＳ７においても手動加速中である（自動加速中ではない）と判断され、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ９では、ブームの高さがｈ３（ｈ０−ｈ）となった時刻Ｔ３において、レバー操作量が最大値であるか否かが判定される。ここで、手動操作の状態でレバーがＭＡＸのままの場合は、時刻Ｔ３においてもレバー操作量が最大であるため、制御処理はステップＳ１０に進み、予め設定された適切な減速パターンに従って自動運転が行なわれる。

以上説明したように、本実施形態による自動アシストのアルゴリズムを用いた油圧ショベルでは、制御装置であるコントローラ２２は、速度検出器が検出した作業要素であるブーム４の速度に基づいて複数の減速パターンのうちから選択した一つの減速パターンを用いてブーム４を自動的に減速して停止させるように自動アシストを行なう。このため、熟練度の低いオペレータが操作した場合でも、オペレータの操作によらず、適切に且つ確実に作業要素としてのブーム４を停止させることができる。

また、作業要素であるブーム４を駆動する際に、操作を開始してからブーム４が所定の高さ（目標高さの１／２）になった時点でブームの速度が最大速度となっているかを判定し、最大速度未満の場合は、オペレータの操作にかかわらずに最大速度となるように自動アシストする。これにより、熟練度の低いオペレータが操作した場合でも、オペレータの操作によらず、ブーム４を確実に目標の高さまで移動することができる。

上述の実施形態では、油圧式レバーを用いたパイロット圧生成回路を用いる例について説明したが、電気式レバーを用いたパイロット圧生成回路を用いることとしてもよい。

図１０は電気式レバーを用いたパイロット圧生成回路の一例の回路図である。図１０において、減圧弁２３と操作レバー２３とを含む油圧式レバーの代わりに電気式レバー４０が用いられている。電気式レバー４０の操作レバー４０ａを操作すると、その操作量に応じたレバー操作信号がレバー操作信号生成部４０ｂから切替部４２に供給される。切替部４２は、供給されたレバー操作信号に応じて当該レバー操作信号を電磁比例弁Ａ又は電磁比例弁Ｂに出力する。例えば、供給されたレバー操作信号がブーム上げを表す信号であると判断した場合、切替部４２は当該レバー操作信号を電磁比例弁Ａに出力する。これにより、パイロット油圧ポンプ２８からの油圧が電磁比例弁Ａにより制御されて、レバー操作量（ブーム上げ操作量）に応じたパイロット圧がコントロールバルブに供給される。同様に、供給されたレバー操作信号がブーム下げを表す信号であると判断した場合、切替部４２は当該レバー操作信号を電磁比例弁Ｂに出力する。これにより、パイロット油圧ポンプ２８からの油圧が電磁比例弁Ｂにより制御されて、レバー操作量（ブーム下げ操作量）に応じたパイロット圧がコントロールバルブに供給される。

一方、自動アシスト運転時には、切替部４２は電気式レバー４０からのレバー操作信号は用いずに無視し、コントローラ２２の記憶部２２ａからのアシスト値を電磁比例弁Ａ又は電磁比例弁Ｂに出力する。例えば、ブーム上げ動作における減速時において自動アシスト運転が必要であると判断されると、切替部４２は記憶部２２ａに格納されている減速パターンに基づいたアシスト値を電磁比例弁Ａに出力する。これにより、記憶部２２ａに格納されている減速パターンに応じたパイロット圧が電磁比例弁Ａを介してコントロールバルブに供給される。同様に、ブーム下げ動作における加速時において自動アシスト運転が必要であると判断されると、切替部４２は記憶部２２ａに格納されている加速パターンに基づいたアシスト値を電磁比例弁Ｂに出力する。これにより、記憶部２２ａに格納されている加速パターンに応じたパイロット圧が電磁比例弁Ｂを介してコントロールバルブに供給される。

図１１は電気式レバーを用いたパイロット圧生成回路の他の例の回路図である。図１１に示すパイロット圧生成回路では、油圧回路を用いずに、電気式レバー４０からの電気信号をそのままコントロールバルブに供給する。この例では、コントロールバルブとして油圧作動系ではなく、電磁作動系のコントロールバルブが用いられる。電気式レバー４０の操作レバー４０ａを操作すると、その操作量に応じたレバー操作信号がレバー操作信号生成部４０ｂから切替部４２に供給される。切替部４２は、供給されたレバー操作信号に応じて当該レバー操作信号に応じた電気信号をコントロールバルブに出力する。例えば、供給されたレバー操作信号がブーム上げを表す信号であると判断した場合、切替部４２は当該レバー操作信号をコントロールルバルブに出力する。これにより、コントロールバルブは油圧ポンプ１４からの油圧を制御し、レバー操作量（ブーム上げ操作量）に応じた油圧をブームシリンダ７に出力する。同様に、供給されたレバー操作信号がブーム下げを表す信号であると判断した場合、切替部４２は当該レバー操作信号をコントロールバルブに出力する。これにより、コントロールバルブは油圧ポンプ１４からの油圧を制御し、レバー操作量（ブーム下げ操作量）に応じた油圧をブームシリンダ７に出力する。

一方、自動アシスト運転時には、切替部４２は電気式レバー４０からのレバー操作信号は用いずに無視し、コントローラ２２の記憶部２２ａからのアシスト値をコントロールバルブに出力する。例えば、ブーム上げ動作における減速時において自動アシスト運転が必要であると判断されると、切替部４２は記憶部２２ａに格納されている減速パターンに基づいたアシスト値をコントロールバルブに出力する。これにより、記憶部２２ａに格納されている減速パターンに応じた電気信号がコントロールバルブに供給される。同様に、ブーム下げ動作における加速時において自動アシスト運転が必要であると判断されると、切替部４２は記憶部２２ａに格納されている加速パターンに基づいたアシスト値がコントロールバルブに供給される。

１ 下部走行体
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ 油圧ポンプ
１２ 油路
１３，１４，１５ コントロール弁
１６ 旋回モータ
１７，２３ 減圧弁
１８，１９，２４，２５ 二次側油路
２２ コントローラ
２２ａ 記憶部
２８ パイロット油圧ポンプ
３３ 油圧シリンダ
３４ 油圧源
３５ ネガコン油路
３６ シャトル弁
３７ 減圧弁
３８ 電磁切替弁
４０ 電気式レバー
４０ａ 操作レバー
４０ｂ レバー操作信号生成部
４２ 切替部

Claims (6)

1. 油圧により作業を行なう作業要素と、
   前記作業要素の速度を検出する速度検出器と、
   前記作業要素を駆動するためにオペレータが操作する操作装置と、
   前記操作装置が出力するパイロット圧を検出するパイロット圧検出器と、
   前記速度検出器からの検出値に基づいて前記作業要素の駆動速度を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記作業要素の加速時に所定の加速パターンで前記作業要素への加速アシストを行い、前記速度検出器が検出した速度に基づいて複数の減速パターンのうちから選択した一つの減速パターンを用いて前記作業要素を減速して停止させることを特徴とする建設機械。
2. 請求項１記載の建設機械であって、
   前記制御装置は、前記作業要素が目標位置に近づいた第１の所定の位置まで移動した時点において、前記パイロット圧が最大値未満の場合に、前記操作装置から出力される前記パイロット圧に基づいて前記作業要素を減速させることを特徴とする建設機械。
3. 請求項２記載の建設機械であって、
   前記制御装置は、前記作業要素が第１の所定の位置まで移動する前の第２の所定の位置まで移動した時点において、前記パイロット圧が最大値未満の場合に、前記操作装置から出力される前記パイロット圧の値を最大値に変更し、変更した最大値に基づいて前記作業要素を加速させることを特徴とする建設機械。
4. 請求項３記載の建設機械であって、
   前記制御装置は、前記パイロット圧の値を最大値に変更していることを示す表示を行なうことを特徴とする建設機械。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の建設機械であって、
   前記制御装置は、前記減速パターンにより減速していることを示す表示を行なうことを特徴とする建設機械。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の建設機械であって、
   前記減速パターンは少なくとも異なる３つの傾きの減速パターンのうちから選択されることを特徴とする建設機械。

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