JP5990642B2 - 建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法に関する。

油圧ショベルのような建設機械は、ブームとアームとバケットとを含む作業機を備える。建設機械の制御において、特許文献１及び特許文献２に開示されているような、掘削対象の目標形状である目標掘削地形に基づいてバケットを移動させる制限掘削制御が知られている。

特開２０１３−２１７１３８号公報 特開２００６−２６５９５４号公報

バケットが交換される場合、重量が異なるバケットがアームに接続されると、作業機を駆動する油圧シリンダに作用する負荷が変わる可能性がある。油圧シリンダに作用する負荷が変わると、油圧シリンダが想定された動作を実行できない可能性がある。その結果、例えば掘削精度が低下する可能性がある。

本発明の態様は、掘削精度の低下を抑制できる建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、ブームとアームとバケットとの少なくとも一つを含む作業機を備える建設機械の制御システムであって、移動可能なスプールを有し、前記スプールの移動により前記作業機を駆動する油圧シリンダに対する作動油の供給量を調整可能な調整装置と、前記スプールを調整する操作指令手段と、前記バケットの種別に応じた、前記油圧シリンダのシリンダ速度と前記油圧シリンダを動作させる操作指令値との関係を示す複数の相関データを記憶する記憶部と、前記バケットの種別を示す種別データを取得する取得部と、前記種別データに基づいて、前記複数の相関データから１つの相関データを選択し、選択された前記相関データに基づいて、前記操作指令値を制御する制御部と、を備える建設機械の制御システムを提供する。

本発明の第１の態様において、前記油圧シリンダは、前記ブームの下げ動作が実行されるように作動し、前記相関データは、前記下げ動作における前記油圧シリンダのシリンダ速度と前記油圧シリンダを動作させる操作指令値との関係を含み、前記下げ動作についての前記相関データに基づいて、前記操作指令値に対して前記シリンダ速度が変更される。

本発明の第１の態様において、前記油圧シリンダは、前記シリンダ速度が零の初期状態から前記作業機の上げ動作が実行されるように作動し、前記初期状態から微速度領域における前記シリンダ速度の変化量は、第１種別のバケットと第２種別のバケットとで異なる。

本発明の第１の態様において、前記記憶部は、前記シリンダ速度と前記スプールの移動量との関係を示す第１相関データと、前記スプールの移動量と前記パイロット油の圧力との関係を示す第２相関データと、前記パイロット油の圧力と前記制御部から前記制御弁に出力される制御信号との関係を示す第３相関データと、を記憶し、前記制御部は、前記油圧シリンダが目標シリンダ速度で移動するように、前記第１相関データ、前記第２相関データ、及び前記第３相関データに基づいて、前記制御弁に制御信号を出力する。

本発明の第１の態様において、前記作業機の自重による負荷圧を利用して、前記油圧シリンダのロッド側からの前記作動油の一部を前記ブームシリンダのキャップ側に戻す再生回路を有する。

本発明の第２の態様は、下部走行体と、前記下部走行体に支持される上部旋回体と、ブームとアームとバケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、第１の態様の制御システムと、を備える建設機械を提供する。

本発明の第３の態様は、ブームとアームとバケットとの少なくとも一つを含む作業機を備える建設機械の制御方法であって、前記作業機を駆動する油圧シリンダのシリンダ速度と前記油圧シリンダを動作させる操作指令値との関係を示す第１相関データを、前記バケットの種別に応じて複数求めることと、前記バケットの種別を示す種別データを取得することと、前記種別データに基づいて、前記複数の相関データから１つの相関データを選択することと、選択された前記相関データに基づいて、前記スプールの移動量を制御することと、を含む建設機械の制御方法を提供する。

本発明の態様によれば、掘削精度の低下が抑制される。

図１は、建設機械の一例を示す斜視図である。 図２は、建設機械の一例を模式的に示す側面図である。 図３は、建設機械の一例を模式的に示す背面図である。 図４Ａは、制御システムの一例を示すブロック図である。 図４Ｂは、制御システムの一例を示すブロック図である。 図５は、目標施工情報の一例を示す模式図である。 図６は、制限掘削制御の一例を示すフローチャートである。 図７は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図８は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図９は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図１０は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図１１は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図１２は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図１３は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図１４は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。 図１５は、油圧シリンダの一例を示す図である。 図１６は、シリンダストロークセンサの一例を示す図である。 図１７は、制御システムの一例を示す図である。 図１８は、制御システムの一例を示す図である。 図１９は、建設機械の動作の一例を説明するための図である。 図２０は、建設機械の動作の一例を説明するための図である。 図２１は、建設機械の動作の一例を説明するための図である。 図２２は、建設機械の動作の一例を説明するための図である。 図２３は、建設機械の動作の一例を示す模式図である。 図２４は、制御システムの一例を示す機能ブロック図である。 図２５は、制御システムの一例を示す機能ブロック図である。 図２６は、スプールストロークとシリンダ速度との関係を示す図である。 図２７は、図１９の一部を拡大した図である。 図２８は、制御方法の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［油圧ショベルの全体構成］
図１は、本実施形態に係る建設機械１００の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、建設機械１００が、油圧により作動する作業機２を備える油圧ショベル１００である例について説明する。

図１に示すように、油圧ショベル１００は、車両本体１と、作業機２とを備える。後述するように、油圧ショベル１００には掘削制御を実行する制御システム２００が搭載されている。

車両本体１は、旋回体３と、運転室４と、走行装置５とを有する。旋回体３は、走行装置５の上に配置される。走行装置５は、旋回体３を支持する。旋回体３を上部旋回体３と称してもよい。走行装置５を下部走行体５と称してもよい。旋回体３は、旋回軸ＡＸを中心に旋回可能である。運転室４に、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられる。オペレータは、運転室４において油圧ショベル１００を操作する。走行装置５は、一対の履帯５Ｃｒを有する。履帯５Ｃｒの回転により、油圧ショベル１００が走行する。なお、走行装置５が車輪（タイヤ）を含んでもよい。

本実施形態においては、運転席４Ｓを基準として各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席４Ｓを基準とした前後方向をいう。左右方向とは、運転席４Ｓを基準とした左右方向をいう。運転席４Ｓが正面に正対する方向を前方向とし、前方向の反対の方向を後方向とする。運転席４Ｓが正面に正対したときの側方向の一方向（右側）及び他方向（左側）をそれぞれ右方向及び左方向とする。

旋回体３は、エンジンが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有する。旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられる。エンジンルーム９に、エンジン及び油圧ポンプなどが配置される。

作業機２は、旋回体３に支持される。作業機２は、旋回体３に接続されるブーム６と、ブーム６に接続されるアーム７と、アーム７に接続されるバケット８と、ブーム６を駆動するブームシリンダ１０と、アーム７を駆動するアームシリンダ１１と、バケット８を駆動するバケットシリンダ１２とを有する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２のそれぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。

ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して旋回体３に接続される。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に接続される。バケット８は、バケットピン１５を介してアーム７の先端部に接続される。ブーム６は、ブームピン１３を中心に回転可能である。アーム７は、アームピン１４を中心に回転可能である。バケット８は、バケットピン１５を中心に回転可能である。アーム７及びバケット８のそれぞれは、ブーム６の先端側で移動可能な可動部材である。

図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す側面図である。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す背面図である。図２に示すように、ブーム６の長さＬ１は、ブームピン１３とアームピン１４との距離である。アーム７の長さＬ２は、アームピン１４とバケットピン１５との距離である。バケット８の長さＬ３は、バケットピン１５とバケット８の先端部８ａとの距離である。本実施形態において、バケット８は、複数の刃を有する。以下の説明において、バケット８の先端部８ａを適宜、刃先８ａ、と称する。

なお、バケット８は、刃を有していなくてもよい。バケット８の先端部は、ストレート形状の鋼板で形成されてもよい。

図２に示すように、油圧ショベル１００は、ブームシリンダ１０に配置されたブームシリンダストロークセンサ１６と、アームシリンダ１１に配置されたアームシリンダストロークセンサ１７と、バケットシリンダ１２に配置されたバケットシリンダストロークセンサ１８とを有する。ブームシリンダストロークセンサ１６の検出結果に基づいて、ブームシリンダ１０のストローク長さが求められる。アームシリンダストロークセンサ１７の検出結果に基づいて、アームシリンダ１１のストローク長さが求められる。バケットシリンダストロークセンサ１８の検出結果に基づいて、バケットシリンダ１２のストローク長さが求められる。

以下の説明においては、ブームシリンダ１０のストローク長さを適宜、ブームシリンダ長、と称し、アームシリンダ１１のストローク長さを適宜、アームシリンダ長、と称し、バケットシリンダ１２のストローク長さを適宜、バケットシリンダ長、と称する。また、以下の説明において、ブームシリンダ長、アームシリンダ長、及びバケットシリンダ長を適宜、シリンダ長データＬ、と総称する。

なお、ストローク長さの検出に角度センサが用いられてもよい。

油圧ショベル１００は、油圧ショベル１００の位置を検出可能な位置検出装置２０を備えている。位置検出装置２０は、アンテナ２１と、グローバル座標演算部２３と、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２４とを有する。

アンテナ２１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems：全地球航法衛星システム）用のアンテナである。アンテナ２１は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems）用アンテナである。アンテナ２１は、旋回体３に設けられる。本実施形態において、アンテナ２１は、旋回体３の手すり１９に設けられる。なお、アンテナ２１は、エンジンルーム９の後方向に設けられてよい。例えば、旋回体３のカウンタウェイトにアンテナ２１が設けられてもよい。アンテナ２１は、受信した電波（ＧＮＳＳ電波）に応じた信号をグローバル座標演算部２３に出力する。

グローバル座標演算部２３は、グローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置Ｐ１を検出する。グローバル座標系は、作業エリアに設置した基準位置Ｐｒを元にした３次元座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）である。図２及び図３に示すように、本実施形態において、基準位置Ｐｒは、作業エリアに設定された基準杭の先端の位置である。またローカル座標系とは、油圧ショベル１００を基準とした、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で示される３次元座標系である。ローカル座標系の基準位置は、旋回体３の旋回軸（旋回中心）ＡＸに位置する基準位置Ｐ２を示すデータである。

本実施形態において、アンテナ２１は、車幅方向に離れるように旋回体３に設けられた第１アンテナ２１Ａ及び第２アンテナ２１Ｂを含む。グローバル座標演算部２３は、第１アンテナ２１Ａの設置位置Ｐ１ａ及び第２アンテナ２１Ｂの設置位置Ｐ１ｂを検出する。

グローバル座標演算部２３は、グローバル座標で表される基準位置データＰを取得する。本実施形態において、基準位置データＰは、旋回体３の旋回軸（旋回中心）ＡＸに位置する基準位置Ｐ２を示すデータである。なお、基準位置データＰは、設置位置Ｐ１を示すデータでもよい。本実施形態において、グローバル座標演算部２３は、２つの設置位置Ｐ１ａ及び設置位置Ｐ１ｂに基づいて旋回体方位データＱを生成する。旋回体方位データＱは、設置位置Ｐ１ａと設置位置Ｐ１ｂとで決定される直線がグローバル座標の基準方位（例えば北）に対してなす角に基づいて決定される。旋回体方位データＱは、旋回体３（作業機２）が向いている方位を示す。グローバル座標演算部２３は、後述する表示コントローラ２８に基準位置データＰ及び旋回体方位データＱを出力する。

ＩＭＵ２４は、旋回体３に設けられる。本実施形態において、ＩＭＵ２４は、運転室４の下部に配置される。旋回体３において、運転室４の下部に高剛性のフレームが配置される。ＩＭＵ２４は、そのフレーム上に配置される。なお、ＩＭＵ２４は、旋回体３の旋回軸ＡＸ（基準位置Ｐ２）の側方（右側又は左側）に配置されてもよい。ＩＭＵ２４は、車両本体１の左右方向に対する傾斜角θ４と、車両本体１の前後方向に対する傾斜角θ５とを検出する。

［制御システムの構成］
次に、本実施形態に係る制御システム２００の概要について説明する。図４Ａは、本実施形態に係る制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。

制御システム２００は、作業機２を用いる掘削処理を制御する。掘削処理の制御は、制限掘削制御を含む。図４Ａに示すように、制御システム２００は、ブームシリンダストロークセンサ１６と、アームシリンダストロークセンサ１７と、バケットシリンダストロークセンサ１８と、アンテナ２１と、グローバル座標演算部２３と、ＩＭＵ２４と、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、圧力センサ６６と、圧力センサ６７と、制御弁２７と、方向制御弁６４と、表示コントローラ２８と、表示部２９と、センサコントローラ３０と、マンマシンインターフェース部３２を備えている。

操作装置２５は、運転室４に配置される。オペレータにより操作装置２５が操作される。操作装置２５は、作業機２を駆動するオペレータの操作指令の入力を受け付ける。本実施形態において、操作装置２５は、パイロット油圧方式の操作装置である。

以下の説明においては、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２）を作動するためにその油圧シリンダに供給される油を適宜、作動油、と称する。本実施形態においては、方向制御弁６４により、油圧シリンダに対する作動油の供給量が調整される。方向制御弁６４は、供給される油によって作動する。以下の説明においては、方向制御弁６４を作動するためにその方向制御弁６４に供給される油を適宜、パイロット油、と称する。また、パイロット油の圧力を適宜、パイロット油圧、と称する。

作動油及びパイロット油は、同一の油圧ポンプから送出されてもよい。例えば、油圧ポンプから送出された作動油の一部が減圧弁で減圧され、その減圧された作動油がパイロット油として使用されてもよい。また、作動油を送出する油圧ポンプ（メイン油圧ポンプ）と、パイロット油を送出する油圧ポンプ（パイロット油圧ポンプ）とが別の油圧ポンプでもよい。

操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌとを有する。第１操作レバー２５Ｒは、例えば運転席４Ｓの右側に配置される。第２操作レバー２５Ｌは、例えば運転席４Ｓの左側に配置される。第１操作レバー２５Ｒ及び第２操作レバー２５Ｌでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応している。

第１操作レバー２５Ｒにより、ブーム６及びバケット８が操作される。第１操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、ブーム６の操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム６の下げ動作及び上げ動作が実行される。ブーム６を操作するために第１操作レバー２５Ｒが操作され、パイロット油路４５０にパイロット油が供給されたときの圧力センサ６６に発生する検出圧力を検出圧力ＭＢとする。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、バケット８の操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット８の掘削動作及び開放動作が実行される。バケット８を操作するために第１操作レバー２５Ｒが操作され、パイロット油路４５０にパイロット油が供給されたときの圧力センサ６６に発生する検出圧力を検出圧力ＭＴとする。

第２操作レバー２５Ｌにより、アーム７及び旋回体３が操作される。第２操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、アーム７の操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム７の上げ動作及び下げ動作が実行される。る。アーム７を操作するために第２操作レバー２５Ｌが操作され、パイロット油路４５０にパイロット油が供給されたときの圧力センサ６６に発生する検出圧力を検出圧力ＭＡとする。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、旋回体３の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体３の右旋回動作及び左旋回動作が実行される。

本実施形態において、ブーム６の上げ動作は、ダンプ動作に相当する。ブーム６の下げ動作は、掘削動作に相当する。アーム７の下げ動作は、掘削動作に相当する。アーム７の上げ動作は、ダンプ動作に相当する。バケット８の下げ動作は、掘削動作に相当する。なお、アーム７の下げ動作を曲げ動作と称してもよい。アーム７の上げ動作を伸長動作と称してもよい。

メイン油圧ポンプから送出され、減圧弁によってパイロット油圧に減圧されたパイロット油が操作装置２５に供給される。操作装置２５の操作量に基づいてパイロット油圧が調整され、そのパイロット油圧に応じて、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２）に供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。パイロット油圧ライン４５０には、圧力センサ６６及び圧力センサ６７が配置されている。圧力センサ６６及び圧力センサ６７は、パイロット油圧を検出する。圧力センサ６６及び圧力センサ６７の検出結果は、作業機コントローラ２６に出力される。

第１操作レバー２５Ｒは、ブーム６の駆動のために前後方向に操作される。前後方向に関する第１操作レバー２５Ｒの操作量（ブーム操作量）に応じて、ブーム６を駆動するためのブームシリンダ１０に供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。

第１操作レバー２５Ｒは、バケット８の駆動のために左右方向に操作される。左右方向に関する第１操作レバー２５Ｒの操作量（バケット操作量）に応じて、バケット８を駆動するためのバケットシリンダ１２に供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。

第２操作レバー２５Ｌは、アーム７の駆動のために前後方向に操作される。前後方向に関する第２操作レバー２５Ｌの操作量（アーム操作量）に応じて、アーム７を駆動するためのアームシリンダ１１に供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。

第２操作レバー２５Ｌは、旋回体３の駆動のために左右方向に操作される。左右方向に関する第２操作レバー２５Ｌの操作量に応じて、旋回体３を駆動するための油圧アクチュエータに供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。

なお、第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作がブーム６の操作に対応し、前後方向の操作がバケット８の操作に対応してもよい。なお、第２操作レバー２５Ｌの左右方向がアーム７の操作に対応し、前後方向の操作が旋回体３の操作に対応してもよい。

制御弁２７は、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２）に対する作動油の供給量を調整するために作動する。制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて作動する。

マンマシンインターフェース部３２は、入力部３２１と表示部（モニタ）３２２とを有する。本実施形態において、入力部３２１は、表示部３２２の周囲に配置される操作ボタンを含む。なお、入力部３２１がタッチパネルを含んでもよい。マンマシンインターフェース部３２を、マルチモニタ３２、と称してもよい。表示部３２２は、基本情報として燃料残量および冷却水温度等を表示する。入力部３２１は、オペレータによって操作される。入力部３２１の操作により生成された指令信号は、作業機コントローラ２６に出力される。

センサコントローラ３０は、ブームシリンダストロークセンサ１６の検出結果に基づいて、ブームシリンダ長を算出する。ブームシリンダストロークセンサ１６は、周回動作に伴う位相変位のパルスをセンサコントローラ３０に出力する。センサコントローラ３０は、ブームシリンダストロークセンサ１６から出力された位相変位のパルスに基づいて、ブームシリンダ長を算出する。同様に、センサコントローラ３０は、アームシリンダストロークセンサ１７の検出結果に基づいて、アームシリンダ長を算出する。センサコントローラ３０は、バケットシリンダストロークセンサ１８の検出結果に基づいて、バケットシリンダ長を算出する。

センサコントローラ３０は、ブームシリンダストロークセンサ１６の検出結果に基づいて取得されたブームシリンダ長から、旋回体３の垂直方向に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。センサコントローラ３０は、アームシリンダストロークセンサ１７の検出結果に基づいて取得されたアームシリンダ長から、ブーム６に対するアーム７の傾斜角θ２を算出する。センサコントローラ３０は、バケットシリンダストロークセンサ１８の検出結果に基づいて取得されたバケットシリンダ長を取得から、アーム７に対するバケット８の刃先８ａの傾斜角θ３を算出する。

なお、ブーム６の傾斜角θ１、アーム７の傾斜角θ２、及びバケット８の傾斜角θ３は、シリンダストロークセンサで検出されなくてもよい。ロータリーエンコーダのような角度検出器でブーム６の傾斜角θ１が検出されてもよい。角度検出器は、旋回体３に対するブーム６の屈曲角度を検出して、傾斜角θ１を検出する。同様に、アーム７の傾斜角θ２がアーム７に取り付けられた角度検出器で検出されてもよい。バケット８の傾斜角θ３がバケット８に取り付けられた角度検出器で検出されてもよい。

図４Ｂは作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８及びセンサコントローラ３０を示すブロック図である。センサコントローラ３０は、各シリンダストロークセンサ１６、１７、１８の検出結果からシリンダ長データＬを取得する。センサコントローラ３０は、ＩＭＵ２４から出力される傾斜角θ４のデータ及び傾斜角θ５のデータを入力する。センサコントローラ３０は、シリンダ長データＬ、傾斜角θ４のデータ、及び傾斜角θ５のデータを、表示コントローラ２８及び作業機コントローラ２６のそれぞれに出力する。

上述のように、本実施形態においては、シリンダストロークセンサ（１６、１７、１８）の検出結果、及びＩＭＵ２４の検出結果がセンサコントローラ３０に出力され、センサコントローラ３０が所定の演算処理を行う。本実施形態において、センサコントローラ３０の機能が、作業機コントローラ２６で代用されてもよい。例えば、シリンダストロークセンサ（１６、１７、１８）の検出結果が作業機コントローラ２６に出力され、作業機コントローラ２６が、シリンダストロークセンサ（１６、１７、１８）の検出結果に基づいて、シリンダ長（ブームシリンダ長、アームシリンダ長、及びバケットシリンダ長）を算出してもよい。ＩＭＵ２４の検出結果が、作業機コントローラ２６に出力されてもよい。

表示コントローラ２８は、目標施工情報格納部２８Ａとバケット位置データ生成部２８Ｂと、目標掘削地形データ生成部２８Ｃとを有する。表示コントローラ２８は、グローバル座標演算部２３から、基準位置データＰ及び旋回体方位データＱを取得する。表示コントローラ２８は、センサコントローラ３０からシリンダの傾斜角θ１、θ２、θ３を取得する。

バケット位置データ生成部２８Ｂは、基準位置データＰ、旋回体方位データＱ、及びシリンダ長データＬに基づいて、バケット８の３次元位置を示すバケット位置データを生成する。本実施形態において、バケット位置データは、刃先８ａの３次元の位置Ｐ３を示す刃先位置データＳである。

目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、バケット位置データ生成部２８Ｂより取得する刃先位置データＳと目標施工情報格納部２８Ａに格納する後述する目標施工情報Ｔを用いて、掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形Ｕを生成する。また、表示コントローラ２８は、目標掘削地形Ｕに基づいて表示部２９に目標掘削地形を表示させる。表示部２９は、例えばモニタであり、油圧ショベル１００の各種の情報を表示する。本実施形態において、表示部２９は、情報化施工用のガイダンスモニタとしてのＨＭＩ（Human Machine Interface）モニタを含む。

目標施工情報格納部２８Ａは、作業エリアの目標形状である立体設計地形を示す目標施工情報（立体設計地形データ）Ｔを格納している。目標施工情報Ｔは、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形（設計地形データ）Ｕを生成するために必要とされる座標データ及び角度データを含む。目標施工情報Ｔは、例えば無線通信装置を介して表示コントローラ２８に供給されてもよい。なお、刃先８ａの位置情報は、メモリ等の接続式記録装置から転送されてもよい。

目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、目標施工情報Ｔと刃先位置データＳとに基づいて、図５に示すように、旋回体３の前後方向で規定する作業機２の作業機動作平面ＭＰと立体設計地形との交線Ｅを目標掘削地形Ｕの候補線として取得する。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、目標掘削地形Ｕの候補線において刃先８ａの直下点を目標掘削地形Ｕの基準点ＡＰとする。表示コントローラ２８は、目標掘削地形Ｕの基準点ＡＰの前後の単数又は複数の変曲点とその前後の線を掘削対象となる目標掘削地形Ｕとして決定する。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形Ｕを生成する。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、目標掘削地形Ｕに基づいて、表示部２９に目標掘削地形Ｕを表示させる。目標掘削地形Ｕは、掘削作業に使用される作業用データである。表示部２９の表示に使用される表示用の設計地形データに基づいて、表示部２９に目標掘削地形Ｕが表示される。

表示コントローラ２８は、位置検出装置２０による検出結果に基づいて、グローバル座標系で見たときのローカル座標の位置を算出可能である。ローカル座標系とは、油圧ショベル１００を基準とする３次元座標系である。ローカル座標系の基準位置は、例えば、旋回体３の旋回中心ＡＸに位置する基準位置Ｐ２である。

作業機コントローラ２６は目標速度決定部５２と、距離取得部５３と、制限速度決定部５４と、作業機制御部５７を有する。作業機コントローラ２６は検出圧力ＭＢ、ＭＡ、ＭＴを取得し、センサコントローラ３０より傾斜角θ１、θ２、θ３、θ５を取得し、表示コントローラ２８から目標掘削地形Ｕを取得し、制御弁２７への指令ＣＢＩを出力する。

目標速度決定部５２は、車両本体１の前後方向に対する傾斜角θ５と、圧力センサ６６より取得される圧力ＭＢ，ＭＡ、ＭＴをブーム６、アーム７、バケット８の各作業機の駆動の為のレバー操作に対応したＶｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋとして算出する。

距離取得部５３は、表示コントローラ２８よりも短い周期（例えば１０ｍｓｅｃ．毎）でバケット８の刃先８ａの距離のピッチ補正を行うとき、傾斜角θ１、θ２、θ３、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３、及びブームピン１３の位置情報に加えて、ＩＭＵ２４から出力される角度θ５も使用する。ローカル座標系の基準位置Ｐ２とアンテナ２１の設置位置Ｐ１との位置関係は既知である。作業機コントローラ２６は、位置検出装置２０による検出結果とアンテナ２１の位置情報とから、ローカル座標系における刃先８ａの位置Ｐ３を示す刃先位置データを算出する。

距離取得部５３は、目標掘削地形Ｕを取得する。距離取得部５３は、ローカル座標系における刃先８ａの刃先位置データ及び目標掘削地形Ｕに基づいて、目標掘削地形Ｕに垂直な方向におけるバケット８の刃先８ａと目標掘削地形Ｕとの距離ｄを算出する。

制限速度決定部５４は、距離ｄに応じた目標掘削地形Ｕに対する垂直方向の制限速度を取得する。制限速度は、作業機コントローラ２６の記憶部２６１（図２４参照）に予め記憶（格納）されたテーブル情報又はグラフ情報を含む。制限速度決定部５４は、目標速度決定部５２から取得した刃先８ａの目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋに基づいて、刃先８ａの目標掘削地形Ｕに対する垂直方向の相対速度を算出する。作業機コントローラ２６は、距離ｄに基づき刃先８ａの制限速度Ｖｃ＿ｌｍｔを算出する。制限速度決定部５４は、距離ｄと目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋと制限速度Ｖｃ＿ｌｍｔに基づいてブーム６の移動を制限するブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。

作業機制御部５７は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔを取得し、刃先８ａの相対速度が制限速度以下になるように、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに基づきブームシリンダ１０へ上げ指令を行う為の制御弁２７Ｃへの制御信号ＣＢＩを生成する。作業機コントローラ２６は、ブーム６の速度を行うための制御信号をブームシリンダ１０に接続された制御弁２７Ｃに出力する。

以下、図６のフローチャート、及び図７から図１４の模式図を参照して、本実施形態に係る制限掘削制御の一例について説明する。図６は、本実施形態に係る制限掘削制御の一例を示すフローチャートである。

上述のように、目標掘削地形Ｕが設定される(ステップＳＡ１)。目標掘削地形Ｕが設定された後、作業機コントローラ２６は、作業機２の目標速度Ｖｃを決定する（ステップＳＡ２）。作業機２の目標速度Ｖｃは、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ、及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを含む。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブームシリンダ１０のみが駆動されるときの刃先８ａの速度である。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アームシリンダ１１のみが駆動されるときの刃先８ａの速度である。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケットシリンダ１２のみが駆動されるときの刃先８ａの速度である。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブーム操作量に基づいて算出される。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アーム操作量に基づいて算出される。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケット操作量に基づいて算出される。

作業機コントローラ２６の記憶部２６１に、ブーム操作量とブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍとの関係を規定する目標速度情報が記憶されている。作業機コントローラ２６は、目標速度情報に基づいて、ブーム操作量に対応するブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを決定する。目標速度情報は、例えば、ブーム操作量に対するブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさが記述されたマップである。目標速度情報は、テーブル又は数式等の形態でもよい。目標速度情報は、アーム操作量とアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとの関係を規定する情報を含む。目標速度情報は、バケット操作量とバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとの関係を規定する情報を含む。作業機コントローラ２６は、目標速度情報に基づいて、アーム操作量に対応するアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを決定する。作業機コントローラ２６は、目標速度情報に基づいて、バケット操作量に対応するバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを決定する。

図７に示すように、作業機コントローラ２６は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、目標掘削地形Ｕの表面に垂直な方向の速度成分（垂直速度成分）Ｖｃｙ＿ｂｍと、目標掘削地形Ｕの表面に平行な方向の速度成分（水平速度成分と）Ｖｃｘ＿ｂｍとに変換する（ステップＳＡ３）。

作業機コントローラ２６は、基準位置データＰ及び目標掘削地形Ｕなどから、グローバル座標系の垂直軸に対するローカル座標系の垂直軸（旋回体３の旋回軸ＡＸ）の傾きと、グローバル座標系の垂直軸に対する目標掘削地形Ｕの表面の垂直方向における傾きとを求める。作業機コントローラ２６は、これらの傾きからローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形Ｕの表面の垂直方向との傾きを表す角度β１を求める。

図８に示すように、作業機コントローラ２６は、ローカル座標系の垂直軸とブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの方向とのなす角度β２とから、三角関数により、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、ローカル座標系の垂直軸方向の速度成分ＶＬ１＿ｂｍと、水平軸方向の速度成分ＶＬ２＿ｂｍとに変換する。

図９に示すように、作業機コントローラ２６は、ローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形Ｕの表面の垂直方向との傾きβ１から、三角関数により、ローカル座標系の垂直軸方向における速度成分ＶＬ１＿ｂｍと、水平軸方向における速度成分ＶＬ２＿ｂｍとを、目標掘削地形Ｕに対する垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍに変換する。同様に、作業機コントローラ２６は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを、ローカル座標系の垂直軸方向における垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ａｍに変換する。作業機コントローラ２６は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを、ローカル座標系の垂直軸方向における垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに変換する。

図１０に示すように、作業機コントローラ２６は、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形Ｕとの間の距離ｄを取得する（ステップＳＡ４）。作業機コントローラ２６は、刃先８ａの位置情報及び目標掘削地形Ｕなどから、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形Ｕの表面との間の最短となる距離ｄを算出する。本実施形態においては、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形Ｕの表面との間の最短となる距離ｄに基づいて、制限掘削制御が実行される。

作業機コントローラ２６は、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形Ｕの表面との間の距離ｄに基づいて、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔを算出する（ステップＳＡ５）。作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、バケット８の刃先８ａが目標掘削地形Ｕに接近する方向において許容できる刃先８ａの移動速度である。作業機コントローラ２６の記憶部２６１には、距離ｄと制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔとの関係を規定する制限速度情報が記憶されている。

図１１は、本実施形態に係る制限速度情報の一例を示す。本実施形態において、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの表面の外方、すなわち油圧ショベル１００の作業機２側に位置しているときの距離ｄは正の値であり、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの表面の内方、すなわち目標掘削地形Ｕよりも掘削対象の内部側に位置しているときの距離ｄは負の値である。図１０に示したように、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの表面の上方に位置しているときの距離ｄは正の値である。刃先８ａが目標掘削地形Ｕの表面の下方に位置しているときの距離ｄは負の値である。また、刃先８ａが目標掘削地形Ｕに対して侵食しない位置にあるときの距離ｄは正の値である。刃先８ａが目標掘削地形Ｕに対して侵食する位置にあるときの距離ｄは負の値である。刃先８ａが目標掘削地形Ｕ上に位置しているとき、すなわち刃先８ａが目標掘削地形Ｕと接しているときの距離ｄは０である。

本実施形態において、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの内方から外方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの外方から内方に向かうときの速度を負の値とする。すなわち、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの上方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの下方に向かうときの速度を負の値とする。

制限速度情報において、距離ｄがｄ１とｄ２との間であるときの制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの傾きは、距離ｄがｄ１以上又はｄ２以下のときの傾きより小さい。ｄ１は０より大きい。ｄ２は０より小さい。目標掘削地形Ｕの表面付近の操作においては制限速度をより詳細に設定するために、距離ｄがｄ１とｄ２との間であるときの傾きを、距離ｄがｄ１以上又はｄ２以下であるときの傾きよりも小さくする。距離ｄがｄ１以上のとき、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは負の値であり、距離ｄが大きくなるほど制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは小さくなる。つまり、距離ｄがｄ１以上のとき、目標掘削地形Ｕより上方において刃先８ａが目標掘削地形Ｕの表面から遠いほど、目標掘削地形Ｕの下方へ向かう速度が大きくなり、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの絶対値は大きくなる。距離ｄが０以下のとき、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは正の値であり、距離ｄが小さくなるほど制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは大きくなる。つまり、バケット８の刃先８ａが目標掘削地形Ｕより遠ざかる距離ｄが０以下のとき、目標掘削地形Ｕより下方において刃先８ａが目標掘削地形Ｕから遠いほど、目標掘削地形Ｕの上方へ向かう速度が大きくなり、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの絶対値は大きくなる。

距離ｄが所定値ｄｔｈ１以上では、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、Ｖｍｉｎとなる。所定値ｄｔｈ１は正の値であり、ｄ１より大きい。Ｖｍｉｎは、目標速度の最小値よりも小さい。つまり、距離ｄが所定値ｄｔｈ１以上では、作業機２の動作の制限が行われない。したがって、刃先８ａが目標掘削地形Ｕの上方において目標掘削地形Ｕから大きく離れているときには、作業機２の動作の制限、すなわち制限掘削制御が行われない。距離ｄが所定値ｄｔｈ１より小さいときに、作業機２の動作の制限が行われる。距離ｄが所定値ｄｔｈ１より小さいときに、ブーム６の動作の制限が行われる。

作業機コントローラ２６は、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔとアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとからブーム６の制限速度の垂直速度成分（制限垂直速度成分）Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する（ステップＳＡ６）。

図１２に示すように、作業機コントローラ２６は、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍと、バケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。

図１３に示すように、作業機コントローラ２６は、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム６の制限速度（ブーム制限速度）Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する（ステップＳＡ７）。作業機コントローラ２６は、ブーム６の回転角度α、アーム７の回転角度β、バケット８の回転角度、車両本体位置データＰ、及び目標掘削地形Ｕなどから、目標掘削地形Ｕの表面に垂直な方向とブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの方向との間の関係を求め、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。この場合の演算は、前述したブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍから目標掘削地形Ｕの表面に垂直な方向の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍを求めた演算と逆の手順により行われる。その後、ブーム介入量に対応するシリンダ速度が決定され、シリンダ速度に対応した開放指令が制御弁２７Ｃに出力される。

レバー操作に基づくパイロット圧が油路４５１Ｂに充填され、ブーム介入に基づくパイロット圧が油路５０２に充填される。その圧力の大きい方をシャトル弁５１が選択する（ステップＳＡ８）。

例えば、ブーム６を下降させる場合、ブーム６の下方へのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの大きさが、下方へのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさよりも小さいときには、制限条件が満たされている。また、ブーム６を上昇させる場合、ブーム６の上方へのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの大きさが、上方へのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさよりも大きいときには、制限条件が満たされている。

作業機コントローラ２６は、作業機２を制御する。ブーム６を制御する場合、作業機コントローラ２６は、ブーム指令信号を制御弁２７Ｃに送信することによって、ブームシリンダ１０を制御する。ブーム指令信号は、ブーム指令速度に応じた電流値を有する。必要に応じて、作業機コントローラ２６は、アーム７及びバケット８を制御する。作業機コントローラ２６は、アーム指令信号を制御弁２７に送信することによって、アームシリンダ１１を制御する。アーム指令信号は、アーム指令速度に応じた電流値を有する。作業機コントローラ２６は、バケット指令信号を制御弁２７に送信することによって、バケットシリンダ１２を制御する。バケット指令信号は、バケット指令速度に応じた電流値を有する。

制限条件が満たされていない場合、シャトル弁５１では油路４５１Ｂからの作動油の供給が選択され、通常運転が行われる（ステップＳＡ９）。作業機コントローラ２６は、ブーム操作量とアーム操作量とバケット操作量とに応じて、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを作動させる。ブームシリンダ１０は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍで作動する。アームシリンダ１１は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍで作動する。バケットシリンダ１２はバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔで作動する。

制限条件が満たされている場合、シャトル弁５１では油路５０２からの作動油の供給が選択され、制限掘削制御が実行される(ステップＳＡ１０)。

作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔが算出される。したがって、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔが、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとの和よりも小さいときには、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、ブームが上昇する負の値となる。

したがって、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、負の値となる。この場合、作業機コントローラ２７は、ブーム６を下降させるが、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも減速させる。このため、オペレータの違和感を小さく抑えながらバケット８が目標掘削地形Ｕを侵食すること防止することができる。

作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔが、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとの和よりも大きいときには、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、正の値となる。したがって、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、正の値となる。この場合、操作装置２５がブーム６を下降させる方向に操作されていても、作業機コントローラ２６は、ブーム６を上昇させる。このため、目標掘削地形Ｕの侵食の拡大を迅速に抑えることができる。

刃先８ａが目標掘削地形Ｕより上方に位置しているときには、刃先８ａが目標掘削地形Ｕに近づくほど、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値が小さくなるとともに、目標掘削地形Ｕの表面に平行な方向へのブーム６の制限速度の速度成分（制限水平速度成分）Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値も小さくなる。したがって、刃先８ａが目標掘削地形Ｕより上方に位置しているときには、刃先８ａが目標掘削地形Ｕに近づくほど、ブーム６の目標掘削地形Ｕの表面に垂直な方向への速度と、ブーム６の目標掘削地形Ｕの表面に平行な方向への速度とがともに減速される。油圧ショベル１００のオペレータによって左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒが同時に操作されることにより、ブーム６とアーム７とバケット８とが同時に動作する。このとき、ブーム６とアーム７とバケット８との各目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋｔが入力されたとして、前述した制御を説明すると次の通りである。

図１４は、目標掘削地形Ｕとバケット８の刃先８ａとの間の距離ｄが所定値ｄｔｈ１より小さく、バケット８の刃先８ａが位置Ｐｎ１から位置Ｐｎ２に移動する場合のブーム６の制限速度の変化の一例を示している。位置Ｐｎ２での刃先８ａと目標掘削地形Ｕとの間の距離は、位置Ｐｎ１での刃先８ａと目標掘削地形Ｕとの間の距離よりも小さい。このため、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さい。したがって、位置Ｐｎ２でのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さくなる。また、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さくなる。ただし、このとき、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔに対しては、制限は行われない。このため、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ａｍと、バケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに対しては、制限は行われない。

前述したように、アーム７に対して制限を行わないことにより、オペレータの掘削意思に対応するアーム操作量の変化は、バケット８の刃先８ａの速度変化として反映される。このため、本実施形態は、目標掘削地形Ｕの侵食の拡大を抑制しながらオペレータの掘削時の操作における違和感を抑えることができる。

このように、本実施形態においては、作業機コントローラ２６は、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形Ｕとバケット８の刃先８ａの位置を示す刃先位置データＳとに基づいて、目標掘削地形Ｕとバケット８の刃先８ａとの距離ｄに応じてバケット８が目標掘削地形Ｕに近づく相対速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制限する。作業機コントローラ２６は、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形Ｕとバケット８の刃先８ａの位置を示す刃先位置データＳとに基づいて、目標掘削地形Ｕとバケット８の刃先８ａとの距離ｄに応じて制限速度を決定し、作業機２が目標掘削地形Ｕに接近する方向の速度が制限速度以下になるように、作業機２を制御する。これにより、刃先８ａに対する掘削制限制御が実行され、後述するブームシリンダの速度調整が行われ、目標掘削地形Ｕに対する刃先８ａの位置が制御される。

以下の説明において、目標掘削地形Ｕに対する刃先８ａの侵入が抑制されるように、ブームシリンダ１０に接続された制御弁２７に制御信号を出力して、ブーム６の位置を制御することを適宜、介入制御、と称する。

介入制御は、目標掘削地形Ｕに対する垂直方向の刃先８ａの相対速度が制限速度よりも大きいときに実行される。介入制御は、刃先８ａの相対速度が制限速度よりも小さいときに実行されない。刃先８ａの相対速度が制限速度よりも小さいことは、バケット８と目標掘削地形Ｕとが離れるように目標掘削地形Ｕに対してバケット８が移動することを含む。

［シリンダストロークセンサ］
次に、図１５及び図１６を参照して、シリンダストロークセンサ１６について説明する。以下の説明においては、ブームシリンダ１０に取り付けられたシリンダストロークセンサ１６について説明する。アームシリンダ１１に取付けられたシリンダストロークセンサ１７なども同様である。

ブームシリンダ１０には、シリンダストロークセンサ１６が取り付けられている。シリンダストロークセンサ１６は、ピストンのストロークを計測する。図１５に示すように、ブームシリンダ１０は、シリンダチューブ１０Ｘと、シリンダチューブ１０Ｘ内においてシリンダチューブ１０Ｘに対して相対的に移動可能なシリンダロッド１０Ｙとを有する。シリンダチューブ１０Ｘには、ピストン１０Ｖが摺動自在に設けられている。ピストン１０Ｖには、シリンダロッド１０Ｙが取り付けられている。シリンダロッド１０Ｙは、シリンダヘッド１０Ｗに摺動自在に設けられている。シリンダヘッド１０Ｗとピストン１０Ｖとシリンダ内壁とによって画成された室は、ロッド側油室４０Ｂである。ピストン１０Ｖを介してロッド側油室４０Ｂとは反対側の油室がキャップ側油室４０Ａである。なお、シリンダヘッド１０Ｗには、シリンダロッド１０Ｙとの隙間を密封し、塵埃等がロッド側油室４０Ｂに入り込まないようにするシール部材が設けられている。

シリンダロッド１０Ｙは、ロッド側油室４０Ｂに作動油が供給され、キャップ側油室４０Ａから作動油が排出されることによって縮退する。また、シリンダロッド１０Ｙは、ロッド側油室４０Ｂから作動油が排出され、キャップ側油室４０Ａに作動油が供給されることによって伸張する。すなわち、シリンダロッド１０Ｙは、図中左右方向に直動する。

ロッド側油室４０Ｂの外部にあって、シリンダヘッド１０Ｗに密接した場所には、シリンダストロークセンサ１６を覆い、シリンダストロークセンサ１６を内部に収容するケース１６４が設けられている。ケース１６４は、シリンダヘッド１０Ｗにボルト等によって締結等されて、シリンダヘッド１０Ｗに固定されている。

シリンダストロークセンサ１６は、回転ローラ１６１と、回転中心軸１６２と、回転センサ部１６３とを有している。回転ローラ１６１は、その表面がシリンダロッド１０Ｙの表面に接触し、シリンダロッド１０Ｙの直動に応じて回転自在に設けられている。すなわち、回転ローラ１６１によってシリンダロッド１０Ｙの直線運動が回転運動に変換される。回転中心軸１６２は、シリンダロッド１０Ｙの直動方向に対して、直交するように配置されている。

回転センサ部１６３は、回転ローラ１６１の回転量（回転角度）を電気信号として検出可能に構成されている。回転センサ部１６３で検出された回転ローラ１６１の回転量（回転角度）を示す電気信号は、電気信号線を介して、センサコントローラ３０に出力される。センサコントローラ３０は、その電気信号を、ブームシリンダ１０のシリンダロッド１０Ｙの位置（ストローク位置）に変換する。

図１６に示すように、回転センサ部１６３は、磁石１６３ａと、ホールＩＣ１６３ｂとを有している。検出媒体である磁石１６３ａは、回転ローラ１６１と一体に回転するように回転ローラ１６１に取り付けられている。磁石１６３ａは回転中心軸１６２を中心とした回転ローラ１６１の回転に応じて回転する。磁石１６３ａは、回転ローラ１６１の回転角度に応じて、Ｎ極、Ｓ極が交互に入れ替わるように構成されている。磁石１６３ａは、回転ローラ１６１の一回転を一周期として、ホールＩＣ１６３ｂで検出される磁力（磁束密度）が周期的に変動するように構成されている。

ホールＩＣ１６３ｂは、磁石１６３ａによって生成される磁力（磁束密度）を電気信号として検出する磁力センサである。ホールＩＣ１６３ｂは、回転中心軸１６２の軸方向に沿って、磁石１６３ａから所定距離、離間された位置に設けられている。

ホールＩＣ１６３ｂで検出された電気信号（位相変位のパルス）は、センサコントローラ３０に出力される。センサコントローラ３０は、ホールＩＣ１６３ｂからの電気信号を、回転ローラ１６１の回転量、つまりブームシリンダ１０のシリンダロッド１０Ｙの変位量(ブームシリンダ長)に変換する。

ここで、図１６を参照して、回転ローラ１６１の回転角度と、ホールＩＣ１６３ｂで検出される電気信号（電圧）との関係を説明する。回転ローラ１６１が回転し、その回転に応じて磁石１６３ａが回転すると、回転角度に応じて、ホールＩＣ１６３ｂを透過する磁力（磁束密度）が周期的に変化し、センサ出力である電気信号（電圧）が周期的に変化する。このホールＩＣ１６３ｂから出力される電圧の大きさから回転ローラ１６１の回転角度を計測することができる。

また、ホールＩＣ１６３ｂから出力される電気信号(電圧)の１周期が繰り返される数をカウントすることで、回転ローラ１６１の回転数を計測することができる。そして、回転ローラ１６１の回転角度と、回転ローラ１６１の回転数とに基づいて、ブームシリンダ１０のシリンダロッド１０Ｙの変位量(ブームシリンダ長)が算出される。

また、センサコントローラ３０は、回転ローラ１６１の回転角度と、回転ローラ１６１の回転数とに基づいて、シリンダロッド１０Ｙの移動速度（シリンダ速度）を算出することができる。

［油圧シリンダ］
次に、本実施形態に係る油圧シリンダについて説明する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２のそれぞれは、油圧シリンダである。以下の説明においては、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２を適宜、油圧シリンダ６０、と総称する。

図１７は、本実施形態に係る制御システム２００の一例を示す模式図である。図１８は、図１７の一部を拡大した図である。

図１７及び図１８に示すように、油圧システム３００は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２を含む油圧シリンダ６０と、旋回体３を旋回させる旋回モータ６３とを備える。油圧シリンダ６０は、メイン油圧ポンプから供給された作動油によって作動する。旋回モータ６３は、油圧モータであり、メイン油圧ポンプから供給された作動油によって作動する。

本実施形態においては、作動油が流れる方向を制御する方向制御弁６４が設けられる。メイン油圧ポンプから供給された作動油は、方向制御弁６４を介して、油圧シリンダ６０に供給される。方向制御弁６４は、ロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り替えるスプール方式である。スプールが軸方向に移動することにより、キャップ側油室４０Ａに対する作動油の供給と、ロッド側油室４０Ｂに対する作動油の供給とが切り替わる。また、スプールが軸方向に移動することにより、油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量（単位時間当たりの供給量）が調整される。油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量が調整されることにより、シリンダ速度が調整される。

方向制御弁６４には、スプールの移動距離（スプールストローク）を検出するスプールストロークセンサ６５が設けられている。スプールストロークセンサ６５の検出信号は、作業機コントローラ２６に出力される。

方向制御弁６４の駆動は、操作装置２５によって調整される。本実施形態において、操作装置２５は、パイロット油圧方式の操作装置である。メイン油圧ポンプから送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が操作装置２５に供給される。なお、メイン油圧ポンプとは別のパイロット油圧ポンプから送出されたパイロット油が操作装置２５に供給されてもよい。操作装置２５は、パイロット油圧調整弁を含む。操作装置２５の操作量に基づいて、パイロット油圧が調整される。そのパイロット油圧によって、方向制御弁６４が駆動される。操作装置２５によりパイロット油圧が調整されることによって、軸方向に関するスプールの移動量及び移動速度が調整される。

方向制御弁６４は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及び旋回モータ６３のそれぞれに設けられる。以下の説明において、ブームシリンダ１０に接続される方向制御弁６４を適宜、方向制御弁６４０、と称する。アームシリンダ１１に接続される方向制御弁６４を適宜、方向制御弁６４１、と称する。バケットシリンダ１２に接続される方向制御弁６４を適宜、方向制御弁６４２、と称する。

操作装置２５と方向制御弁６４とは、パイロット油圧ライン４５０を介して接続される。本実施形態において、パイロット油圧ライン４５０に、制御弁２７、圧力センサ６６、及び圧力センサ６７が配置されている。

以下の説明において、パイロット油圧ライン４５０のうち、操作装置２５と制御弁２７との間のパイロット油圧ライン４５０を適宜、油路４５１、と称し、制御弁２７と方向制御弁６４との間のパイロット油圧ライン４５０を適宜、油路４５２、と称する。

方向制御弁６４に、油路４５２が接続される。油路４５２を介して、パイロット油が方向制御弁６４に供給される。方向制御弁６４は、第１受圧室及び第２受圧室を有する。油路４５２は、第１受圧室に接続される油路４５２Ａと、第２受圧室に接続される油路４５２Ｂとを含む。

油路４５２Ｂを介して方向制御弁６４の第２受圧室にパイロット油が供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動し、方向制御弁６４を介してキャップ側油室４０Ａに作動油が供給される。キャップ側油圧室４０Ａに対する作動油の供給量は、操作装置２５の操作量（スプールの移動量）により調整される。

油路４５２Ａを介して方向制御弁６４の第１受圧室にパイロット油が供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動し、方向制御弁６４を介してロッド側油室４０Ｂに作動油が供給される。ロッド側油圧室４０Ｂに対する作動油の供給量は、操作装置２５の操作量（スプールの移動量）により調整される。

すなわち、操作装置２５によりパイロット油圧が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して一側に移動する。操作装置２５によりパイロット油圧が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して他側に移動する。これにより、軸方向に関するスプールの位置が調整される。

油路４５１は、油路４５２Ａと操作装置２５とを接続する油路４５１Ａと、油路４５２Ｂと操作装置２５とを接続する油路４５１Ｂとを含む。

以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に接続される油路４５２Ａを適宜、油路４５２０Ａ、と称し、方向制御弁６４０に接続される油路４５２Ｂを適宜、油路４５２０Ｂ、と称する。アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に接続される油路４５２Ａを適宜、油路４５２１Ａ、と称し、方向制御弁６４１に接続される油路４５２Ｂを適宜、油路４５２１Ｂ、と称する。バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に接続される油路４５２Ａを適宜、油路４５２２Ａ、と称し、方向制御弁６４２に接続される油路４５２Ｂを適宜、油路４５２２Ｂ、と称する。

以下の説明において、油路４５２０Ａに接続される油路４５１Ａを適宜、油路４５１０Ａ、と称し、油路４５２０Ｂに接続される油路４５１Ｂを適宜、油路４５１０Ｂ、と称する。油路４５２１Ａに接続される油路４５１Ａを適宜、油路４５１１Ａ、と称し、油路４５２１Ｂに接続される油路４５１Ｂを適宜、油路４５１１Ｂ、と称する。油路４５２２Ａに接続される油路４５１Ａを適宜、油路４５１２Ａ、と称し、油路４５２２Ｂに接続される油路４５１Ｂを適宜、油路４５１２Ｂ、と称する。

上述のように、操作装置２５の操作により、ブーム６は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。ブーム６の上げ動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に、油路４５１０Ｂ及び油路４５２０Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４０はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がブームシリンダ１０に供給され、ブーム６の上げ動作が実行される。ブーム６の下げ動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に、油路４５１０Ａ及び油路４５２０Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４０はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がブームシリンダ１０に供給され、ブーム６の下げ動作が実行される。

また、操作装置２５の操作により、アーム７は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。アーム７の下げ動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に、油路４５１１Ｂ及び油路４５２１Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４１はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の下げ動作が実行される。アーム７の上げ動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に、油路４５１１Ａ及び油路４５２１Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４１はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の上げ動作が実行される。

また、操作装置２５の操作により、バケット８は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。バケット８の下げ動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に、油路４５１２Ｂ及び油路４５２２Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４２はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がバケットシリンダ１２に供給され、バケット８の下げ動作が実行される。バケット８の上げ動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に、油路４５１２Ａ及び油路４５２２Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４２はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がバケットシリンダ１２に供給され、バケット８の上げ動作が実行される。

また、操作装置２５の操作により、旋回体３は、右旋回動作及び左旋回動作の２種類の動作を実行する。旋回体３の右旋回動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、作動油が旋回モータ６３に供給される。旋回体３の左旋回動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、作動油が旋回モータ６３に供給される。

本実施形態においては、ブームシリンダ１０が伸長することにより、ブーム６が上げ動作し、ブームシリンダ１０が縮退することにより、ブーム６が下げ動作する。言い換えると、ブームシリンダ１０のキャップ側油室４０Ａに作動油が供給されることにより、ブームシリンダ１０が伸長し、ブーム６が上げ動作する。ブームシリンダ１０のロッド側油室４０Ｂに作動油が供給されることにより、ブームシリンダ１０が縮退し、ブーム６が下げ動作する。

本実施形態においては、アームシリンダ１１が伸長することにより、アーム７が下げ動作（掘削動作）し、アームシリンダ１１が縮退することにより、アーム７が上げ動作（ダンプ動作）する。言い換えると、アームシリンダ１１のキャップ側油室４０Ａに作動油が供給されることにより、アームシリンダ１１が伸長し、アーム７が下げ動作する。アームシリンダ１１のロッド側油室４０Ｂに作動油が供給されることにより、アームシリンダ１１が縮退し、アーム７が上げ動作する。

本実施形態においては、バケットシリンダ１２が伸長することにより、バケット８が下げ動作（掘削動作）し、バケットシリンダ１２が縮退することにより、バケット８が上げ動作（ダンプ動作）する。言い換えると、バケットシリンダ１２のキャップ側油室４０Ａに作動油が供給されることにより、バケットシリンダ１２が伸長し、バケット８が下げ動作する。バケットシリンダ１２のロッド側油室４０Ｂに作動油が供給されることにより、バケットシリンダ１２が縮退し、バケット８が上げ動作する。

制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号（ＥＰＣ電流）に基づいて、パイロット油圧を調整する。制御弁２７は、電磁比例制御弁であり、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて制御される。制御弁２７は、方向制御弁６４の第２受圧室に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、方向制御弁６４を介してキャップ側油室４０Ａに供給される作動油の供給量を調整可能な制御弁２７Ｂと、方向制御弁６４の第１受圧室に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、方向制御弁６４を介してロッド側油室４０Ｂに供給される作動油の供給量を調整可能な制御弁２７Ａとを含む。

制御弁２７の両側に、パイロット油圧を検出する圧力センサ６６及び圧力センサ６７が設けられる。本実施形態において、圧力センサ６６は、操作装置２５と制御弁２７との間の油路４５１に配置される。圧力センサ６７は、制御弁２７と方向制御弁６４との間の油路４５２に配置される。圧力センサ６６は、制御弁２７によって調整される前のパイロット油圧を検出可能である。圧力センサ６７は、制御弁２７によって調整されたパイロット油圧を検出可能である。圧力センサ６６及び圧力センサ６７の検出結果は、作業機コントローラ２６に出力される。

以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁２７を適宜、制御弁２７０、と称する。また、制御弁２７０のうち、一方の制御弁（制御弁２７Ａに相当）を適宜、制御弁２７０Ａ、と称し、他方の制御弁（制御弁２７Ｂに相当）を適宜、制御弁２７０Ｂ、と称する。アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁２７を適宜、制御弁２７１、と称する。また、制御弁２７１のうち、一方の制御弁（制御弁２７Ａに相当）を適宜、制御弁２７１Ａ、と称し、他方の制御弁（制御弁２７Ｂに相当）を適宜、制御弁２７１Ｂ、と称する。バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁２７を適宜、制御弁２７２、と称する。また、制御弁２７２のうち、一方の制御弁（制御弁２７Ａに相当）を適宜、制御弁２７２Ａ、と称し、他方の制御弁（制御弁２７Ｂに相当）を適宜、制御弁２７２Ｂ、と称する。

以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に接続される油路４５１のパイロット油圧を検出する圧力センサ６６を適宜、圧力センサ６６０、と称し、方向制御弁６４０に接続される油路４５２のパイロット油圧を検出する圧力センサ６７を適宜、圧力センサ６７０、と称する。また、油路４５１０Ａに配置される圧力センサ６６０を適宜、圧力センサ６６０Ａ、と称し、油路４５１０Ｂに配置される圧力センサ６６０を適宜、圧力センサ６６０Ｂ、と称する。また、油路４５２０Ａに配置される圧力センサ６７０を適宜、圧力センサ６７０Ａ、と称し、油路４５２０Ｂに配置される圧力センサ６７０を適宜、圧力センサ６７０Ｂ、と称する。

以下の説明において、アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に接続される油路４５１のパイロット油圧を検出する圧力センサ６６を適宜、圧力センサ６６１、と称し、方向制御弁６４１に接続される油路４５２のパイロット油圧を検出する圧力センサ６７を適宜、圧力センサ６７１、と称する。また、油路４５１１Ａに配置される圧力センサ６６１を適宜、圧力センサ６６１Ａ、と称し、油路４５１１Ｂに配置される圧力センサ６６１を適宜、圧力センサ６６１Ｂ、と称する。また、油路４５２１Ａに配置される圧力センサ６７１を適宜、圧力センサ６７１Ａ、と称し、油路４５２１Ｂに配置される圧力センサ６７１を適宜、圧力センサ６７１Ｂ、と称する。

以下の説明において、バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に接続される油路４５１のパイロット油圧を検出する圧力センサ６６を適宜、圧力センサ６６２、と称し、方向制御弁６４２に接続される油路４５２のパイロット油圧を検出する圧力センサ６７を適宜、圧力センサ６７２、と称する。また、油路４５１２Ａに配置される圧力センサ６６２を適宜、圧力センサ６６２Ａ、と称し、油路４５１２Ｂに配置される圧力センサ６６２を適宜、圧力センサ６６２Ｂ、と称する。また、油路４５２２Ａに配置される圧力センサ６７２を適宜、圧力センサ６７２Ａ、と称し、油路４５２２Ｂに配置される圧力センサ６７２を適宜、圧力センサ６７２Ｂ、と称する。

制限掘削制御を実行しない場合、作業機コントローラ２６は、制御弁２７を制御して、パイロット油圧ライン４５０を開放する。パイロット油圧ライン４５０が開放されることにより、油路４５１のパイロット油圧と油路４５２のパイロット油圧とは等しくなる。パイロット油圧ライン４５０が開放された状態で、パイロット油圧は、操作装置２５の操作量に基づいて調整される。

制限掘削制御など、作業機２が作業機コントローラ２６によって制御される場合、作業機コントローラ２６は、制御弁２７に制御信号を出力する。油路４５１は、例えばパイロットリリーフ弁の作用により所定の圧力を有する。作業機コントローラ２６から制御弁２７に制御信号が出力されると、制御弁２７は、その制御信号に基づいて作動する。油路４５１の作動油は、制御弁２７を介して、油路４５２に供給される。油路４５２の作動油の圧力は、制御弁２７により調整（減圧）される。油路４５２の作動油の圧力が、方向制御弁６４に作用する。これにより、方向制御弁６４は、制御弁２７で制御されたパイロット油圧に基づいて作動する。本実施形態において、圧力センサ６６は、制御弁２７によって調整される前のパイロット油圧を検出する。圧力センサ６７は、制御弁２７によって調整された後のパイロット油圧を検出する。

制御弁２７Ａにより圧力が調整された作動油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して一側に移動する。制御弁２７Ｂにより圧力が調整された作動油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して他側に移動する。これにより、軸方向に関するスプールの位置が調整される。

例えば、作業機コントローラ２６は、制御弁２７０Ａ及び制御弁２７０Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に対するパイロット油圧を調整することができる。

また、作業機コントローラ２６は、制御弁２７１Ａ及び制御弁２７１Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に対するパイロット油圧を調整することができる。

また、作業機コントローラ２６は、制御弁２７２Ａ及び制御弁２７２Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に対するパイロット油圧を調整することができる。

作業機コントローラ２６は、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形Ｕとバケット８の位置を示すバケット位置データ（刃先位置データＳ）とに基づいて、目標掘削地形Ｕとバケット８との距離ｄに応じてバケット８が目標掘削地形Ｕに近づく速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制限する。作業機コントローラ２６は、ブーム６の速度を制限するための制御信号を出力するブーム制限部を有する。本実施形態においては、操作装置２５の操作に基づいて作業機２が駆動する場合において、バケット８の刃先８ａが目標掘削地形Ｕに侵入しないように、作業機コントローラ２６のブーム制限部から出力される制御信号に基づいて、ブーム６の動きが制御（介入制御）される。バケット８による掘削において、刃先８ａが目標掘削地形Ｕに侵入しないように、ブーム６は、作業機コントローラ２６により、上げ動作を実行される。

本実施形態においては、介入制御のために、作業機コントローラ２６から出力された、介入制御に関する制御信号に基づいて作動する制御弁２７Ｃに油路５０２が接続される。油路５０１は制御弁２７Ｃに接続され、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に供給されるパイロット油を供給する。油路５０２は制御弁２７Ｃとシャトル弁５１とに接続され、方向制御弁６４０と接続された油路４５２０Ｂにシャトル弁５１を介して接続されている。

シャトル弁５１は、２つの入口と、１つの出口とを有する。一方の入口は、油路５０と接続される。他方の入口は、油路４５１０Ｂと接続される。出口は、油路４５２０Ｂと接続される。シャトル弁５１は、油路５０２及び油路４５１０Ｂのうち、パイロット油圧が高い方の油路と、油路４５２０Ｂとを接続する。例えば、油路５０２のパイロット油圧が油路４５１０Ｂのパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁５１は、油路５０２と油路４５２０Ｂとを接続し、油路４５１０Ｂと油路４５２０Ｂとを接続しないように作動する。これにより、油路５０２のパイロット油がシャトル弁５１を介して油路４５２０Ｂに供給される。油路４５１０Ｂのパイロット油圧が油路５０２のパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁５１は、油路４５１０Ｂと油路４５２０Ｂとを接続し、油路５０２と油路４５２０Ｂとを接続しないように作動する。これにより、油路４５１０Ｂのパイロット油がシャトル弁５１を介して油路４５２０Ｂに供給される。

油路５０１に、制御弁２７Ｃと、油路５０１のパイロット油のパイロット油圧を検出する圧力センサ６８とが設けられている。油路５０１は、制御弁２７Ｃを通過する前のパイロット油が流れる油路５０１と、制御弁２７Ｃを通過した後のパイロット油が流れる油路５０２とを含む。制御弁２７Ｃは、介入制御を実行するために作業機コントローラ２６から出力された制御信号に基づいて制御される。

介入制御を実行しないとき、操作装置２５の操作によって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁６４が駆動されるように、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃに対して制御信号を出力しない。例えば、作業機コントローラ２６は、操作装置２５の操作によって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁６４０が駆動されるように、制御弁２７０Ｂを全開にするとともに、制御弁２７Ｃで油路５０を閉じる。

介入制御を実行するとき、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃによって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁６４が駆動されるように、各制御弁２７を制御する。例えば、ブーム６の移動を制限する介入制御を実行する場合、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃによって調整されたパイロット油圧が、操作装置２５によって調整されるパイロット油圧よりも高くなるように、制御弁２７Ｃを制御する。これにより、制御弁２７Ｃからのパイロット油がシャトル弁５１を介して方向制御弁６４０に供給される。

バケット８が目標掘削地形Ｕに侵入しないように操作装置２５によりブーム６が高速で上げ動作される場合、介入制御は実行されない。ブーム６が高速で上げ動作されるように操作装置２５が操作され、その操作量に基づいてパイロット油圧が調整されることにより、操作装置２５の操作によって調整されるパイロット油圧は、制御弁２７Ｃによって調整されるパイロット油圧よりも高くなる。これにより、操作装置２５の操作によって調整されたパイロット油圧のパイロット油がシャトル弁５１を介して方向制御弁６４０に供給される。

図１９は、方向制御弁６４の一例を模式的に示す図である。方向制御弁６４は、作動油が流れる方向を制御する。方向制御弁６４は、ロッド状のスプール８０を動かして作動油が流れる方向を切り替えるスプール方式である。図２０及び図２１に示すように、スプール８０が軸方向に移動することにより、キャップ側油室４０Ａに対する作動油の供給と、ロッド側油室４０Ｂに対する作動油の供給とが切り替わる。図２０は、作動油がキャップ側油室４０Ａに供給されるようにスプール８０が移動した状態を示す。図２１は、作動油がロッド側油室４０Ｂに供給されるようにスプール８０が移動した状態を示す。

また、スプール８０が軸方向に移動することにより、油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量（単位時間当たりの供給量）が調整される。図１９に示すように、スプール８０が初期位置（原点）に存在するとき、油圧シリンダ６０に作動油が供給されない。原点から軸方向に関してスプール８０が移動することによって、その移動量に応じた供給量で作動油が油圧シリンダ６０に供給される。油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量が調整されることにより、シリンダ速度が調整される。

操作装置２５又は制御弁２７Ａにより圧力が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプール８０は軸方向に関して一側に移動する。操作装置２５又は制御弁２７Ｂにより圧力が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプール８０は軸方向に関して他側に移動する。これにより、軸方向に関するスプールの位置が調整される。

図２２は、本実施形態に係る油圧シリンダ６０の一例を示す図である。本実施形態において、油圧シリンダ６０（ブームシリンダ１０）に再生回路９０が設けられる。再生回路９０は、ブーム６の自重による負荷圧を利用して、ブームシリンダ１０のロッド側（ボトム側）からの戻り油の一部をキャップ側へ再生（戻す）することによって、ブーム６の移動速度を高める。これにより、ブーム６の下げ動作においてブーム６の移動速度（ブームシリンダ１０のシリンダ速度）が高まる。

［制御システム］
図２３は、制限掘削制御が行われているときの作業機２の動作の一例を模式的に示す図である。上述のように、油圧システム３００は、ブーム６を駆動するためのブームシリンダ１０と、アーム７を駆動するためのアームシリンダ１１と、バケット８を駆動するためのバケットシリンダ１２とを有する。

図２３に示すように、アーム７の掘削操作による掘削において、ブーム６が上がり、アーム７が下がるように、油圧システム３００が作動する。制限掘削制御において、バケット８が設計地形に侵入しないように、ブーム６の上げ動作を含む介入制御が実行される。

バケット８は、アーム７に対して交換可能に設けられる。例えば、掘削作業内容に応じて、適切なバケット８の種別が選択され、その選択されたバケット８がアーム７に接続される。

バケット８の種別が異なると、バケット８の重量が異なる場合が多い。重量が異なるバケット８がアーム７に接続されると、作業機２を駆動する油圧シリンダ６０に作用する負荷が変わり、方向制御弁のスプールの移動量に対するシリンダ速度が変わる。これによりブーム上げ動作を含む介入制御の制御誤差が大きくなり、介入制御が精度良く行われない可能性がある。その結果、バケット８が設計地形データＵに基づいて移動できず、掘削精度が低下する可能性がある。

本実施形態においては、バケット８の種別に応じた、油圧シリンダ６０のシリンダ速度と方向制御弁６４のスプール８０の移動量との関係を示す複数の第１相関データが予め求められる。作業機コントローラ２６は、その第１相関データに基づいて、方向制御弁６４のスプール８０の移動量を制御する。

図２４及び図２５は、本実施形態に係る制御システム２００の一例を示す機能ブロック図である。図２４及び図２５に示すように、制御システム２００は、操作装置２５を操作した時の操作量ＭＢ、ＭＡ、ＭＴを検出する圧力センサ６６と、作業機コントローラ２６と、制御弁２７とを有する。作業機コントローラ２６は、記憶部２６１と、制御弁制御部２６２と、取得部２６３と作業機制御部５７とを含む。

作業機コントローラ２６は、バケット８の重量に応じた、油圧シリンダ６０のシリンダ速度と方向制御弁６４のスプール８０の移動量との関係を示す複数の第１相関データを記憶する記憶部２６１と、バケット８の重量を示す重量データを取得する取得部２６３と、重量データに基づいて、複数の第１相関データから１つの第１相関データを選択し、選択された第１相関データに基づいて、制御弁２７に対して指令を行う特性を決定する制御弁制御部２６２とを有する。

油圧シリンダ６０のシリンダ速度は、メイン油圧ポンプから方向制御弁６４を介して供給される単位時間当たりの作動油の供給量に基づいて調整される。方向制御弁６４は、移動可能なスプール８０を有する。スプール８０の移動量に基づいて、油圧シリンダ６０に対する単位時間当たりの作動油の供給量が調整される。本実施形態において、方向制御弁６４が、スプール８０の移動により作業機２を駆動する油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量を調整可能な調整装置として機能する。

スプール８０の移動量は、操作装置２５又は制御弁２７によって制御される油路４５２の圧力（パイロット油圧）によって調整される。油路４５２のパイロット油圧は、スプールを移動するための油路４５２のパイロット油の圧力であり、操作装置２５又は制御弁２７によって調整される。制御弁２７は、作業機コントローラ２６の制御弁制御部２６２から出力された制御信号（ＥＰＣ電流）に基づいて作動する。以下の説明において、制御弁２７によって制御される、スプール８０を移動するためのパイロット油の圧力を適宜、ＰＰＣ圧力、と称する。

すなわち、シリンダ速度とスプールの移動量とは相関する。スプールの移動量とＰＰＣ圧力とは相関する。ＰＰＣ圧力とＥＰＣ電流とは相関する。

図２４において、取得部２６３は、バケット８の種別を示す種別データを取得する。本実施形態において、種別データは、バケット８の重量を示す重量データである。本実施形態において、運転室４にマンマシンインターフェース部３２が設けられる。マンマシンインターフェース部３２は、バケット８の選択に関する入力部３２１を含む。本実施形態において、マンマシンインターフェース部３２で選択されるバケット８重量に関する情報を含み、バケット８が大重量であるときの「大」を示す第１入力部、バケット８が小重量であるときの「小」を示す第２入力部、及びバケット８が大重量と小重量との間の中重量であるときの「中」を示す第３入力部を有する。アーム７に接続されるバケット８に基づいて、第１入力部、第２入力部、及び第３入力部の中から、バケット８の重量に対応した入力部が選択される。オペレータは、アーム７に大重量のバケット８が接続されたとき、「大」を示す入力部を操作し、アーム７に中重量のバケット８が接続されたとき、「中」を示す入力部を操作し、アーム７に小重量のバケット８が接続されたとき、「小」を示す入力部を操作する。なお、入力装置が、バケット８の重量の値を入力可能な数値入力部を含んでもよい。

図２５は、本実施形態に係る図２４を詳細に説明するブロック図である。作業機コントローラ２６は記憶部２６１と、制御弁制御部２６２と、演算部２６３を有する。上述のように、シリンダ速度とスプール８０の移動量（スプールストローク）とは相関する。スプール８０の移動量とＰＰＣ圧力とは相関する。ＰＰＣ圧力とＥＰＣ電流とは相関する。図２５に示すように、記憶部２６１は、バケット８の重量に応じたシリンダ速度と操作指令に対応する特性とを規定するデータとして、油圧シリンダ６０のシリンダ速度とスプール８０の移動量との関係を示す複数の第１相関データと、スプール８０の移動量と制御弁２７によって制御されるＰＰＣ圧力との関係を示す第２相関データと、ＰＰＣ圧力と制御弁制御部２６２から出力される制御信号（ＥＰＣ電流）との関係を示す第３相関データと、を記憶する。第１相関データ、第２相関データ、及び第３相関データは、実験又はシミュレーションに基づいて求められ、記憶部２６１に予め記憶される。

制御弁制御部２６２は演算部２６２ＡとＥＰＣ指令部２６２Ｂを有する。制御弁制御部２６２は記憶部より取得した相関データ１〜３に基づきレバー操作量に対するシリンダ速度の関係を取得する。ＥＰＣ指令部２６２Ｂは取得した相関データ１〜相関データ３に基づき、制御弁２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ）へ指令を行う指令値を出力する。

オペレータによりマンマシンインターフェース部３２が操作されることにより入力部３２１で生成された入力信号が取得部２６３に出力される。取得部２６３は、入力信号に基づいて、アーム７に接続されたバケット８の重量を示す重量データを取得する。制御弁制御部２６２は取得部２６３で取得したバケット８の重量に基づいて記憶部２６１より相関データ１〜相関データ３を取得する。ＥＰＣ指令部２６２Ｂは取得した相関データ１〜相関データ３に基づき、制御弁２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ）へ指令を行う指令値を出力する。

なお、第１相関データは、オペレータの作業によって求められてもよい。ある重量のバケット８がアーム７に接続されたとき、スプール８０が所定量移動するように、操作装置２５が操作される。スプール８０の移動量（移動距離）は、スプールストロークセンサ６５で検出可能である。また、そのスプール８０の移動量に応じたシリンダ速度は、シリンダストロークセンサ（１６など）で検出しセンサコントローラ３０で導出したシリンダ長Ｌ１〜Ｌ３と計測時間を基に演算部２６２Ａで算出する。本実施形態においては、図１５及び図１６などを参照して説明したように、シリンダストロークセンサ１６は、シリンダロッド１０Ｙの速度（シリンダ速度）を高精度に検出可能である。制御弁制御部２６２はスプールストロークセンサ６５の検出結果及びシリンダストロークセンサ（１６など）の検出結果に基づいて、第１相関データを取得することができる。また、制御弁制御部２６２はスプールストロークセンサ６５からの検出結果と圧力センサ６６からの操作量のデータより第２相関データを求める事ができる。同様に制御弁制御部２６２は圧力センサからの操作量のデータと制御弁２７への制御信号の関係より第３相関データを求める事が出来る。

シリンダ速度は、バケット８の重量（種別）に応じて変化する。例えば、油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量が同じでも、バケット８の重量が変化すると、シリンダ速度は変化する。

図２６は、スプールの移動量（スプールストローク）とシリンダ速度との関係を示す第１相関データの一例を示す図である。図２７は、図２６のＡ部分を拡大した図である。図２６及び図２７において、横軸は、スプールストロークであり、縦軸は、シリンダ速度である。スプールストロークが零（原点）である状態は、スプールが初期位置に存在する状態である。ラインＬ１は、バケット８が大重量である場合の第１相関データを示す。ラインＬ２は、バケット８が中重量である場合の第１相関データを示す。ラインＬ３は、バケット８が小重量である場合の第１相関データを示す。

図２６及び図２７に示すように、バケット８の重量が異なると、第１相関データは、バケット８の重量に応じて変化する。

油圧シリンダ６０は、作業機２の上げ動作及び下げ動作が実行されるように作動する。図２６において、スプールストロークがプラスになるようにスプールが移動することにより、作業機２は上げ動作する。スプールストロークがマイナスになるようにスプールが移動することにより、作業機２は下げ動作する。図２６及び図２７に示すように、第１相関データは、上げ動作及び下げ動作のそれぞれにおけるシリンダ速度とスプールストロークとの関係を含む。

図２６示すように、作業機２の上げ動作と下げ動作とで、シリンダ速度の変化量が異なる。すなわち、上げ動作が実行されるようにスプールストロークが原点から所定量Ｓｔｒだけ変化したときのシリンダ速度の変化量Ｖｕと、下げ動作が実行されるようにスプールストロークが原点から所定量Ｓｔｒだけ変化したときのシリンダ速度の変化量Ｖｄとは、異なる。本実施形態においては、特に、下げ動作についての相関データに基づいて、操作指令値（スプール８０の移動量、ＰＰＣ圧力、及びＥＰＣ電流の少なくとも一つ）に対してシリンダ速度が変更される。図２６に示す例では、所定値Ｓｔｒとした場合、変化量Ｖｕは、バケット８が大、中、小のそれぞれにおいて、同一の値となるのに対し、変化量Ｖｄ（絶対値）は、バケット８が大、中、小のそれぞれにおいて、異なる値となる。

油圧シリンダ６０は、ブーム６の下げ動作において、ブーム６の重力作用（自重）により、その作業機２を高速で移動可能である。一方、油圧シリンダ６０は、ブーム６の上げ動作において、作業機２の自重に打ち勝って作動する必要がある。そのため、上げ動作と下げ動作とにおいて、スプールストロークのストロークの変化量が同じである場合、下げ動作におけるシリンダ速度のほうが、上げ動作におけるシリンダ速度よりも速い。また、上述のように、油圧シリンダ６０に再生回路９０が設けられる場合、その再生回路９０の作用により、ブーム６の下げ動作において、シリンダ速度は更に早くなる。

図２６に示すように、作業機２の下げ動作において、バケット８の重力が大きくなるほど、シリンダ速度は早くなる。また、下げ動作においてスプールが原点から所定量Ｓｔｇを移動したときの中重量のバケット８に関するシリンダ速度と小重量のバケット８に関するシリンダ速度との差ΔＶｄは、上げ動作においてスプールが原点から所定量Ｓｔｇを移動したときの中重量のバケット８に関するシリンダ速度と小重量のバケット８に関するシリンダ速度との差ΔＶｕよりも大きい。図２６に示す例においては、ΔＶｕは、ほぼ零である。同様に、下げ動作においてスプールが原点から所定量Ｓｔｇを移動したときの大重量のバケット８に関するシリンダ速度と中重量のバケット８に関するシリンダ速度との差は、上げ動作においてスプールが原点から所定量Ｓｔｇを移動したときの大重量のバケット８に関するシリンダ速度と中重量のバケット８に関するシリンダ速度とのよりも大きい。

油圧シリンダ６０に作用する負荷は、作業機２の上げ動作と下げ動作とで異なる。また、作業機２の下げ動作におけるシリンダ速度は、バケット８の重量に応じて大きく変化する。バケット８の重量が大きくなるほど、下げ動作におけるシリンダ速度は速くなる。また、ブーム６ではバケット８の重量が大きくなるほど、再生回路９０の再生油の流量が大きくなり、ブーム下げ時のシリンダ速度を速くする。したがって、ブーム６（作業機２）での下げ動作において、シリンダ速度の速度プロファイルは、バケット８の重量に応じて大きく変化する。

図２７に示すように、ブーム６に対しては、油圧シリンダ６０のシリンダ速度が零の初期状態から作業機２の上げ動作が実行されるように作動する場合において、大重量のバケット８に関する初期状態からのシリンダ速度の変化量Ｖ１と、中重量のバケット８に関する初期状態からのシリンダ速度の変化量Ｖ２とは、異なる。特に、初期状態（停止状態）から微速度領域におけるシリンダ速度の変化量は、大重量のバケットと中重量のバケットとで異なる。すなわち、シリンダ速度が零の初期状態から作業機２の上げ動作が実行されるように油圧シリンダ６０が作動される場合において、スプールストロークが原点から所定量Ｓｔｐだけ変化したときの大重量のバケット８に関するシリンダ速度の変化量（速度零からの変化量）Ｖ１と、スプールストロークが原点から所定量Ｓｔｐだけ変化したときの中重量のバケット８に関するシリンダ速度の変化量（速度零からの変化量）Ｖ２とは、異なる。同様に、油圧シリンダ６０のシリンダ速度が零の初期状態から作業機２の上げ動作が実行されるように作動する場合において、中重量のバケット８に関する初期状態からのシリンダ速度の変化量Ｖ２と、小重量のバケット８に関する初期状態からのシリンダ速度の変化量Ｖ３は大重量及び中重量の時のシリンダ速度の変化量とは異なる。

微速度領域とは、図２６に示すＡ部分におけるシリンダ速度領域をいう。Ａ部分において、シリンダ速度は、微速度である。Ａ部分におけるシリンダ速度よりも高いシリンダ速度の速度領域は、通常速度領域である。通常速度領域は、微速度領域よりも高い速度領域である。微速度領域を、低速度領域、と称してもよいし、通常速度領域を、高速度領域、と称してもよい。微速度領域は、シリンダ速度が所定速度よりも低い速度領域である。通常速度領域は、シリンダ速度が例えば前記所定速度以上の速度領域である。

図２６に示すように、微速度領域におけるグラフの傾きは、通常速度領域におけるグラフの傾きよりも小さい。すなわち、スプールストローク値（操作指令値）に対するシリンダ速度の変化量は、通常速度領域のほうが、微速度領域よりも大きい。

介入制御が実行される場合、上述のように、ブームシリンダ１０は、ブーム６の上げ動作を実行する。したがって、図２７に示すような第１相関データに基づいてブームシリンダ１０が制御されることにより、バケット８の重量が変化しても、そのバケット８を設計地形Ｕａに基づいて精度良く移動させることができる。すなわち、油圧シリンダ６０の動き出し時に、バケット８の重量が変更された場合でも油圧シリンダ６０がきめ細やかに制御されることによって、高精度な制限掘削制御が実行される。

［制御方法］
次に、本実施形態に係る油圧ショベル１００の動作の一例について説明する。上述のように、第１相関データ、第２相関データ、及び第３相関データが、バケット８の重量に応じて複数求められ、記憶部２６１に記憶されている（ステップＳＢ１）。

バケット８が交換された後（ステップＳＢ２）、オペレータによりマンマシンインターフェース部３２が操作され、バケット８の重量を示す重量データが入力部３２１を介して取得部２６３に入力される。取得部２６３は、重量データを取得する（ステップＳＢ３）。取得部２６３は、重量データを制御弁制御部２６２に出力する。

制御弁制御部２６２は、重量データに基づいて、記憶部２６１に記憶されている複数の第１相関データから、重量データに対応した、１つの第１相関データを選択する（ステップＳＢ４）。本実施形態においては、ラインＬＮ１で示す第１相関データ、ラインＬＮ２で示す第１相関データ、及びラインＬＮ３で示す第１相関データの中から、バケット８の重量データに対応した、１つの相関データが選択される。同様に、第２相関データ及び第３相関データが選択される。

制御弁制御部２６２は、例えば介入制御において、油圧シリンダ６０が目標シリンダ速度で移動するように、第１相関データ、第２相関データ、及び第３相関データを選択する。（ステップＳＢ５）制御弁制御部２６２で選択したに基づいて作業機制御部５７では制御弁制御部２６２で決めた指令に基づき制御指令を決定する。例えば、掘削作業のため、オペレータにより操作装置２５が操作された場合、作業機制御部５７は制御信号を生成し、制御弁２７に出力する。これにより、スプールの移動量を含む作業機２の制御が行われる。

すなわち、制御弁制御部２６２は、選択された第１相関データに基づいて、目標シリンダ速度が得られるように、スプール８０の移動量（スプールストローク）を決定する。制御弁制御部２６２は、第２相関データに基づいて、決定されたスプールストロークが得られるように、ＰＰＣ圧力を決定する。制御弁制御部２６２は、第３相関データに基づいて、決定されたＰＰＣ圧力が得られるように、指令値（ＥＰＣ電流）を決定する。作業機制御部５７は制御弁制御部２６２で求めた指令値に基づき、その制御信号を制御弁２７に出力する。これにより、目標シリンダ速度で油圧シリンダ６０が作動することが可能になる。

油圧シリンダ６０の駆動において、シリンダストロークセンサ（１６など）の検出値が作業機コントローラ２６に出力される。シリンダストロークセンサ（１６など）は、シリンダ速度を検出する。また、スプールストロークセンサ６５の検出値が作業機コントローラ２６に出力される。スプールストロークセンサ６５は、スプールストロークを検出する。

制御弁制御部２６２は、シリンダストロークセンサの検出値（シリンダ速度）と、第１相関データとに基づいて、目標シリンダ速度が得られるようにスプールストロークを決定する。制御弁制御部２６２は、スプールストロークセンサ６５の検出値（スプールストローク）と、第２相関データとに基づいて、目標スプールストロークが得られるようにＰＰＣ圧力を決定する。制御弁制御部２６２は、第３相関データに基づいて、目標ＰＰＣ圧力が得られるように、指令値（ＥＰＣ電流）を決定する。

［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、ブーム６の介入制御（掘削制限制御）において、バケット８の複数の重量のそれぞれに対応した第１相関データを複数求め、バケット８が交換されたとき、使用する第１相関データを選択し、その選択された第１相関データに基づいて、スプール８０の移動量を制御するようにしたので、掘削精度の低下が抑制される。すなわち、バケット８の交換などによる作業機２の重量の変化が考慮されないと、当初想定していた操作装置２５の操作量に基づいて出力されたＥＰＣ電流に対応するように油圧シリンダ６０が作動せず、油圧シリンダ６０が想定された動作を実行できない可能性がある。特に、油圧シリンダ６０の動き出しの微操作局面では、油圧シリンダ６０の動き出しが遅くなり、ひどい場合にはハンチングを起こす可能性がある。

本実施形態によれば、作業機２の重量の変化を考慮して、目標シリンダ速度で油圧シリンダ６０が作動するように、第１相関データが活用される。また、その第１相関データは、上げ動作を実行するための油圧シリンダ６０の動き出しの速度プロファイルを、バケット８の重量に応じてきめ細やかに設定している。これにより、掘削精度が低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、油圧シリンダ６０は、作業機２の上げ動作及び下げ動作が実行されるように作動する。作業機２の上げ動作と下げ動作とで、油圧シリンダ６０に作用する負荷が変わり、シリンダ速度の変化量が異なる。本実施形態によれば、第１相関データは、上げ動作及び下げ動作のそれぞれにおけるシリンダ速度とスプールストロークとの関係を含むため、上げ動作及び下げ動作のそれぞれにおいて、スプール８０の移動量が適切に制御され、掘削精度の低下が抑制される。

また、本実施形態によれば、作業機２の下げ動作においてスプール８０が原点から所定量を移動したときの第１重量のバケット８に関するシリンダ速度と第２重量のバケット８に関するシリンダ速度との差は、作業機２の上げ動作においてスプール８０が原点から所定量を移動したときの第１重量のバケット８に関するシリンダ速度と第２重量のバケット８に関するシリンダ速度との差よりも大きい。下げ動作における差、及び上げ動作における差を考慮して、スプール８０の移動量を適切に制御することにより、掘削精度の低下が抑制される。

また、本実施形態によれば、油圧シリンダ６０は、シリンダ速度が零の初期状態から作業機２の上げ動作が実行されるように作動し、第１重量のバケット８に関する初期状態からのシリンダ速度の変化量と、第２重量のバケット８に関する前記初期状態からのシリンダ速度の変化量とは、異なる。バケット８の重量の違いによる初期状態から上げ動作が実行されるときのシリンダ速度の変化量を考慮して、スプール８０の移動量を適切に制御することにより、掘削精度の低下が抑制される。

また、本実施形態によれば、制御弁制御部２６２により求めた特性に基づき作業機制御部５７は、制御弁２７に制御信号を出力する。すなわち、制限掘削制御において、制御信号は、電磁比例制御弁である制御弁２７に出力される。これにより、パイロット油圧を調整して、油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量の調整を正確に行うことができる。

また、本実施形態においては、シリンダ速度とスプール８０の移動量との関係を示す第１相関データのみならず、スプール８０の移動量とパイロット油圧との関係を示す第２相関データと、パイロット油圧と制御弁制御部２６２から制御弁２７に出力される制御信号との関係を示す第３相関データとが予め求められ、記憶部２６１に記憶される。したがって、制御弁制御部２６２は、第１相関データ、第２相関データ、及び第３相関データに基づいて、制御弁２７に制御信号を出力することによって、油圧シリンダ６０を目標シリンダ速度でより正確に移動することができる。

また、本実施形態においては、ブーム６を駆動するブームシリンダ１０に再生回路９０が設けられる。再生回路９０は、ブーム６の自重による負荷圧を利用して、ブームシリンダ１０のロッド側からの作動油（再生油）の一部をブームシリンダ１０のキャップ側に戻す。これにより、ブーム６の下げ動作においてブーム６の移動速度（ブームシリンダ１０のシリンダ速度）が高められる。ブーム６ではバケット８の重量が大きくなるほど、再生回路９０の再生油の流量が大きくなり、再生回路９０は、シリンダ速度を高める。そのため、ブーム６（作業機２）での下げ動作において、シリンダ速度の速度プロファイルは、バケット８の重量に応じて大きく変化する。そのようなシリンダ速度の速度プロファイルを考慮して、スプール８０の移動量を適切に制御することにより、下げ動作におけるブーム６の移動速度を高めつつ、掘削精度の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、シリンダ速度とスプールストロークとの関係を示す第１相関データ、スプールストロークとＰＰＣ圧力（パイロット油圧）との関係を示す第２相関データ、及びＰＰＣ圧力と制御信号（ＥＰＣ電流）との関係を示す第３相関データを使う例について説明した。記憶部２６１に、シリンダ速度とＰＰＣ圧力（パイロット圧力）との関係を示す相関データが記憶され、その相関データを使って作業機２が制御されてもよい。すなわち、第１相関データと第２相関データとを合わせた相関データが実験又はシミュレーションによって予め求められ、その相関データに基づいて、バケット８の重量に応じて、ＰＰＣ圧力が制御されてもよい。

なお、本実施形態において、制御弁２７を全開にして、圧力センサ６６及び圧力センサ６７で圧力を検出し、その検出値に基づいて、圧力センサ６６及び圧力センサ６７のキャリブレーション行ってもよい。制御弁２７を全開にした場合、圧力センサ６６と圧力センサ６７とは同じ検出値を出力する。制御弁２７を全開にした場合において、圧力センサ６６と圧力センサ６７とが異なる検出値を出力した場合、圧力センサ６６の検出値と、圧力センサ６７の検出値との関係を示す相関データを求めてもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上述の実施形態においては、操作装置２５は、パイロット油圧方式であることとした。操作装置２５は、電気レバー方式でもよい。例えば、操作装置２５の操作レバーの操作量を検出し、その操作量に応じた電圧値を作業機コントローラ２６に出力するポテンショメータ等の操作レバー検出部が設けられてもよい。作業機コントローラ２６は、その操作レバー検出部の検出結果に基づいて、制御弁２７に制御信号を出力して、パイロット油圧を調整してもよい。本制御は作業機コントローラで行われたが、センサコントローラ３０等他のコントローラで行われてもよい。

上記の実施形態では、建設機械の一例として油圧ショベルを挙げているが油圧ショベルに限らず、他の種類の建設機械に本発明が適用されてもよい。

グローバル座標系における油圧ショベルＣＭの位置の取得は、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって行われてもよい。従って、刃先８ａと設計地形との距離ｄの取得は、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって行われてもよい。

１ 車両本体
２ 作業機
３ 旋回体
４ 運転室
５ 走行装置
５Ｃｒ 履帯
６ ブーム
７ アーム
８ バケット
９ エンジンルーム
１０ ブームシリンダ
１１ アームシリンダ
１２ バケットシリンダ
１３ ブームピン
１４ アームピン
１５ バケットピン
１６ ブームシリンダストロークセンサ
１７ アームシリンダストロークセンサ
１８ バケットシリンダストロークセンサ
１９ 手すり
２０ 位置検出装置
２１ アンテナ
２３ グローバル座標演算部
２４ ＩＭＵ
２５ 操作装置
２５Ｌ 第２操作レバー
２５Ｒ 第１操作レバー
２６ 作業機コントローラ
２７ 制御弁
２８ 表示コントローラ
２９ 表示部
３１ ブーム操作出力部
３２ バケット操作出力部
３３ アーム操作出力部
３４ 旋回操作出力部
４０Ａ キャップ側油室
４０Ｂ ロッド側油室
４１ 油圧ポンプ
４１Ａ 斜板
４５ 吐出油路
４７ 油路
４８ 油路
４９ ポンプ制御部
５０ 油路
５１ シャトル弁
６０ 油圧シリンダ
６３ 旋回モータ
６４ 方向制御弁
６５ スプールストロークセンサ
６６ 圧力センサ
６７ 圧力センサ
７０ 検出装置
７１ フィルタ装置
１００ 建設機械（油圧ショベル）
１６１ 回転ローラ
１６２ 回転中心軸
１６３ 回転センサ部
１６４ ケース
２００ 制御システム
３００ 油圧システム
ＡＸ 旋回軸
Ｑ 旋回体方位データ
Ｓ 刃先位置データ
Ｔ 目標施工面情報Ｕ 目標掘削地形

Claims (8)

1. ブームとアームとバケットとを含む作業機と、前記作業機を駆動するためのオペレータの操作指令の入力を受け付ける操作装置とを備える建設機械の制御システムであって、
   前記作業機を駆動する油圧シリンダと、
   移動可能なスプールを有し、前記スプールの移動により前記油圧シリンダに作動油を供給して前記油圧シリンダを動作させる方向制御弁と、
   前記操作指令に基づいて前記スプールを移動可能とする制御弁と、
   前記バケットの種別に応じた、前記ブームを作動する前記油圧シリンダであるブームシリンダのシリンダ速度と前記ブームシリンダを動作させる操作指令信号の値を示す操作指令値との関係を示す複数の相関データを記憶する記憶部と、
   前記バケットの種別を示す種別データを取得する取得部と、
   前記種別データに基づいて、前記複数の相関データから１つの相関データを選択し、選択された前記相関データに基づいて、前記操作指令値を制御する制御部と、
   目標掘削地形に対する前記バケットの侵入が抑制されるように、前記ブームシリンダに接続された前記制御弁に制御信号を出力して前記ブームの位置を制御する介入制御を実施する作業機制御部と、
   前記介入制御において、前記種別データに基づいて、前記複数の相関データから１つの相関データを選択する制御弁制御部と、
   を備え、
   前記作業機制御部は、前記制御弁制御部により選択された前記相関データに基づいて、前記介入制御において前記制御信号を出力する、
   建設機械の制御システム。
2. 前記ブームシリンダは、前記ブームの下げ動作が実行されるように作動し、
   前記相関データは、前記下げ動作における前記ブームシリンダのシリンダ速度と前記油圧シリンダを動作させる前記操作指令値との関係を含み、
   前記下げ動作についての前記相関データに基づいて、前記操作指令値に対して前記シリンダ速度が変更される請求項１に記載の建設機械の制御システム。
3. 前記ブームシリンダは、前記シリンダ速度が零の初期状態から前記作業機の上げ動作が実行されるように作動し、
   前記初期状態から前記シリンダ速度が前記零よりも大きく所定速度以下の微速度領域における前記シリンダ速度の変化量は、第１種別のバケットと第２種別のバケットとで異なる請求項１又は請求項２に記載の建設機械の制御システム。
4. 前記記憶部は、前記シリンダ速度と前記スプールの移動量との関係を示す第１相関データと、前記スプールの移動量と前記パイロット油の圧力との関係を示す第２相関データと、前記パイロット油の圧力と前記制御部から前記制御弁に出力される制御信号との関係を示す第３相関データと、を記憶し、
   前記制御部は、前記油圧シリンダが目標シリンダ速度で移動するように、前記第１相関データ、前記第２相関データ、及び前記第３相関データに基づいて、前記制御弁に制御信号を出力する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
5. 前記制御弁は、前記スプールを移動するためのパイロット油の圧力を調整し、前記パイロット油により前記スプールを移動可能とし、
   前記制御弁に供給する電流値を決定する制御弁制御部と、
   前記パイロット油の圧力値を検出する圧力センサと、
   前記スプールの移動量値を検出するスプールストロークセンサと、を備え、
   前記操作指令値は、前記電流値、前記圧力値、及び前記移動量値の少なくとも一つを含む請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
6. 前記作業機の自重による負荷圧を利用して、前記油圧シリンダのロッド側からの前記作動油の一部を前記ブームシリンダのキャップ側に戻す再生回路を有する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
7. 下部走行体と、
   前記下部走行体に支持される上部旋回体と、
   ブームとアームとバケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の建設機械の制御システムと、
   を備える建設機械。
8. ブームとアームとバケットとを含む作業機を備え、オペレータの操作指令に基づいて前記作業機が駆動される建設機械の制御方法であって、
   前記建設機械は、
   前記作業機を駆動する油圧シリンダと、
   移動可能なスプールを有し、前記スプールの移動により前記油圧シリンダに作動油を供給して前記油圧シリンダを動作させる方向制御弁と、
   前記操作指令に基づいて前記スプールを移動可能とする制御弁と、
   を有し、
   前記ブームを作動する前記油圧シリンダであるブームシリンダのシリンダ速度と前記ブームシリンダを動作させる操作指令信号の値を示す操作指令値との関係を示す第１相関データを、前記バケットの種別に応じて複数求めることと、
   前記バケットの種別を示す種別データを取得することと、
   前記種別データに基づいて、前記複数の相関データから１つの相関データを選択することと、
   選択された前記相関データに基づいて、前記スプールの移動量を制御することと、
   目標掘削地形に対する前記バケットの侵入が抑制されるように、前記ブームシリンダに接続された前記制御弁に制御信号を出力して前記ブームの位置を制御する介入制御を実施することと、
   前記介入制御において、前記種別データに基づいて、前記複数の相関データから１つの相関データを選択することと、
   選択された前記相関データに基づいて、前記介入制御において前記ブームシリンダに接続された前記制御弁に前記制御信号を出力することと、
   を含む建設機械の制御方法。

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