JP6106129B2 - Excavation control equipment for construction machinery - Google Patents
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Description
本発明は掘削作業中に建設機械の作業装置が動き得る領域を制限する掘削制御装置に関する。 The present invention relates to an excavation control device that limits an area in which a work device of a construction machine can move during excavation work.
建設機械の代表例として油圧ショベルがある。油圧ショベルは、ブーム、アーム、バケット等の複数の腕より成るフロント作業装置を有しており、オペレータが運転室内の操作レバーにより当該フロント作業装置の各腕を操作することにより所望の作業が行なわれる。各腕の操作は、複数の関節を回動動作させることで行われるので、フロント作業装置のみで法面整形や整地といった平面を形成する作業を行うにはオペレータの熟練を要する。 A typical example of a construction machine is a hydraulic excavator. The hydraulic excavator has a front work device composed of a plurality of arms such as a boom, an arm, and a bucket, and a desired work is performed by an operator operating each arm of the front work device with an operation lever in a cab. It is. Since the operation of each arm is performed by rotating a plurality of joints, the operator's skill is required to perform an operation for forming a plane such as slope shaping and leveling with only the front working device.
こうした作業の操作を支援するものとして、特許文献1に示されるように、予め設定した所定の領域(設定領域)のみ掘削が出来るようにフロント作業装置の動きを制御する領域制限と呼ばれる技術が提案されている。
As a technique for supporting the operation of such work, as shown in
前述の特許文献1に開示された技術は、設定領域の境界を無限に伸びる直線で定義している。これに対して、建設機械の掘削作業により得られる最終的な掘削対象物の形状(目標形状)は施工図等の図面で表されている。そして、当該目標形状は通常1または複数の面によって定義されるため終端を有し、当該終端は断面図上では端点として表れる。さらに、例えば、法面の断面図では、法尻などで当該端点に他の平面を示す線分が接続し、連続する複数の線分によって目標形状が定義されることも多い。つまり、実際の断面図(施工図)上での目標形状は、無限に伸びる直線ではなく、終端を有する1又は複数の線分によって定義される。
In the technique disclosed in
そのため、上記文献の技術で施工図に沿って目標形状を整形する状況では、目標形状に含まれる或る線分に沿って設定領域の境界(直線)を設定せざるを得ず、当該或る線分の端点を超えて本来掘削が不要な部分まで掘り過ぎたり、逆に当該端点近傍が掘削されずに残る空堀りが発生したりすることがあり、施工図面に沿った形状に形成できないおそれがある。また、連続した複数の線分によって目標形状が定義されている場合には、当該複数の線分に合わせて設定領域の境界をその都度変更しながら掘削作業をする必要があるが、当該設定領域の境界の変更が間に合わず掘り過ぎや空堀りが生じるおそれもある。 Therefore, in the situation where the target shape is shaped according to the construction drawing by the technique of the above-mentioned document, the boundary (straight line) of the setting area must be set along a certain line segment included in the target shape, Excessive excavation beyond the end point of the line segment to the part that is not originally required for excavation, or conversely, there may be a hollow excavation that remains in the vicinity of the end point without being excavated. There is. In addition, when the target shape is defined by a plurality of continuous line segments, it is necessary to perform excavation work while changing the boundary of the set area each time according to the plurality of line segments. There is a risk that the change of the boundary of the time will not be in time, and excessive digging and empty digging may occur.
本発明の目的は、設定領域の境界を直線で規定する領域制限制御を実行する場合に目標形状が線分で定義されているときにも、掘り過ぎや空堀りの発生を抑制できる建設機械の掘削制御装置を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a construction machine that can suppress the occurrence of excessive digging and empty digging even when a target shape is defined by a line segment when executing area restriction control that defines a boundary of a set area with a straight line. An object is to provide an excavation control device.
上記目的を達成するために、本発明に係る建設機械の掘削制御装置は、複数の被駆動部材を連結して構成された多関節型の作業装置と、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、当該複数の油圧アクチュエータの動作を操作量に応じてそれぞれ指示するための複数の操作装置と、前記複数の操作装置の操作量に応じて出力される操作信号に応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される油圧の流量及び方向を制御する複数の流量制御弁と、予め設定される境界面上およびその上方の領域内で前記作業装置が動くように制御する領域制限制御を実行する制御装置とを備え、前記作業装置の掘削作業による目標形状は、2点によって規定される少なくとも1つの線分で定義されており、前記制御装置は、前記少なくとも1つの線分を規定する複数の点のいずれかに前記作業装置の先端部が近づいたとき、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも1つの動作速度を低減するように前記操作信号を補正することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an excavation control device for a construction machine according to the present invention drives an articulated work device configured by connecting a plurality of driven members, and the plurality of driven members, respectively. A plurality of hydraulic actuators, a plurality of operation devices for instructing operations of the plurality of hydraulic actuators according to operation amounts, respectively, and driving according to operation signals output according to operation amounts of the plurality of operation devices A plurality of flow rate control valves for controlling the flow rate and direction of hydraulic pressure supplied to the plurality of hydraulic actuators, and a region for controlling the work device to move in a region on and above a preset boundary surface A control device that executes limit control, and the target shape of the work device by excavation work is defined by at least one line segment defined by two points, and the control device The operation signal is corrected so as to reduce the operation speed of at least one of the plurality of hydraulic actuators when the tip of the working device approaches one of the plurality of points defining the at least one line segment. It is characterized by that.
本発明によれば、目標形状を規定する点の近傍でアクチュエータ速度が低減されるので、掘り過ぎや空堀りの発生を抑制できる。 According to the present invention, since the actuator speed is reduced in the vicinity of a point that defines the target shape, it is possible to suppress the occurrence of excessive digging and empty digging.
まず、本発明の実施の形態を説明する前に、本発明に係る建設機械の掘削制御装置に含まれる主な特徴について説明する。 First, before describing an embodiment of the present invention, main features included in a construction machine excavation control apparatus according to the present invention will be described.
(1)本発明に係る建設機械の掘削制御装置は、複数の被駆動部材を連結して構成された多関節型の作業装置と、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、当該複数の油圧アクチュエータの動作を操作量に応じてそれぞれ指示するための複数の操作装置と、前記複数の操作装置の操作量に応じて出力される操作信号に応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される油圧の流量及び方向を制御する複数の流量制御弁と、前記作業装置の姿勢・位置および前記複数の操作装置のそれぞれの操作量に基づいて、予め設定される境界面上およびその上方の領域内で前記作業装置が動くように制御する領域制限制御を実行する制御装置とを備え、前記作業装置の掘削作業による目標形状は、2点によって規定される少なくとも1つの線分で定義されており、前記制御装置は、前記少なくとも1つの線分を規定する複数の点のいずれかに前記作業装置の先端部が近づいたとき、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも1つの動作速度を低減するように前記操作信号を補正することを特徴とする。 (1) An excavation control device for a construction machine according to the present invention includes an articulated work device configured by connecting a plurality of driven members, and a plurality of hydraulic actuators respectively driving the plurality of driven members. A plurality of operation devices for instructing the operations of the plurality of hydraulic actuators according to operation amounts, respectively, and driven according to operation signals output according to operation amounts of the plurality of operation devices, A plurality of flow rate control valves for controlling the flow rate and direction of hydraulic pressure supplied to the hydraulic actuator, and on a boundary surface set in advance based on the posture / position of the working device and the operation amounts of the operating devices. And a control device that executes region restriction control for controlling the work device to move in the region above the target device. The target shape of the work device by excavation work is regulated by two points. Defined by at least one line segment, and when the tip of the working device approaches one of a plurality of points defining the at least one line segment, the control device includes the plurality of hydraulic actuators. The operation signal is corrected so as to reduce at least one operation speed.
上記のように構成された建設機械の掘削制御装置によれば、前記目標形状を定義する前記複数の点(例えば後述の形状変化点)のいずれかに前記作業装置の先端部(例えばバケット)が近づくと、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも1つ(例えば、アームシリンダ)の動作速度が低減して当該先端部の速度が低減する。これにより、前記目標形状を定義する前記複数の点のいずれかに到達する前に前記作業装置の先端部の速度が十分低減されるので、当該複数の点のいずれかの近傍における掘り過ぎや空堀りの発生を抑制できる。 According to the excavation control device for a construction machine configured as described above, a tip portion (for example, a bucket) of the working device is located at any of the plurality of points (for example, shape change points described later) that define the target shape. When approaching, the operation speed of at least one of the plurality of hydraulic actuators (for example, an arm cylinder) is reduced, and the speed of the tip is reduced. Thereby, the speed of the tip of the working device is sufficiently reduced before reaching any of the plurality of points defining the target shape, so that excessive digging or empty digging in the vicinity of any of the plurality of points is performed. Can be suppressed.
なお、前記境界面は、前記目標形状を定義する前記複数の線分のうち前記作業装置の先端部に最も近い点を含む線分を含むように設定することが好ましい。このように構成すると、前記作業装置の先端部が前記境界面に到達する前の段階で前記作業装置の速度が十分低減されるので、前記境界面に沿った前記領域制限制御が容易になり、掘削作業により形成される形状の精度を向上できる。その際、前記境界面は、前記作業装置の先端部の位置に応じて自動的に設定されるようにすることが好ましい(例えば、前記複数の線分のうち前記先端部からの距離が最短のものを含むように前記境界面を設定する)。このように前記境界面を選択すると、境界面設定の手間が省ける。 In addition, it is preferable that the boundary surface is set so as to include a line segment including a point closest to the distal end portion of the working device among the plurality of line segments defining the target shape. If configured in this way, the speed of the working device is sufficiently reduced at the stage before the tip of the working device reaches the boundary surface, so the area restriction control along the boundary surface becomes easy. The accuracy of the shape formed by excavation work can be improved. In that case, it is preferable that the boundary surface is automatically set according to the position of the distal end portion of the working device (for example, the distance from the distal end portion of the plurality of line segments is the shortest). Set the boundary surface to include things). When the boundary surface is selected in this way, the labor for setting the boundary surface can be saved.
また、前記目標形状を定義する少なくとも1つの線分の取得方法としては、前記目標形状の3次元形状をポリゴンで定義した3次元施工図面を、前記作業装置に係る前記複数の被駆動部材の全ての中心を通過する垂直面で切断し、その断面に表れる複数の線分でもって前記目標形状を定義するものがある。このように本実施の形態では、領域制限制御に用いる目標形状を2次元平面上で定義している。 Further, as an acquisition method of at least one line segment that defines the target shape, a three-dimensional construction drawing in which the three-dimensional shape of the target shape is defined by a polygon is used for all of the plurality of driven members related to the work device. The target shape is defined by a plurality of line segments appearing in the cross section. As described above, in this embodiment, the target shape used for the region restriction control is defined on the two-dimensional plane.
ところで、前記目標形状を定義する線分が2つ以上存在する場合には、前記作業装置の先端部に近い2つの線分それぞれから当該先端部までの距離を算出し、当該距離に基づいて前記先端部の速度を低減する方法がある。しかし、当該方法は、2つの線分と先端部の距離をそれぞれ算出するためコンピュータの演算負荷が高く、コンピュータに相当のスペックを要求する。これに対して、本発明によれば2点(すなわち1つの線分)と先端部の距離を算出するだけで掘削制御の実現が可能となるので、2つの線分を必要としないことに加えて、コンピュータの演算負荷を著しく低減できるメリットがある。 By the way, when there are two or more line segments defining the target shape, the distance from each of the two line segments close to the distal end portion of the working device to the distal end portion is calculated, and the distance is calculated based on the distance. There is a method for reducing the speed of the tip. However, since the method calculates the distance between the two line segments and the tip, the calculation load on the computer is high, and a considerable specification is required of the computer. On the other hand, according to the present invention, since excavation control can be realized only by calculating the distance between two points (that is, one line segment) and the tip, in addition to not requiring two line segments. Thus, there is an advantage that the computational load of the computer can be remarkably reduced.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記制御装置は、前記複数の点のうち前記作業装置の先端部に最も近い点と前記作業装置の先端部までの距離に応じて、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いを調節することを特徴とする。 (2) In the above (1), preferably, the control device has the at least one of the plurality of points according to a distance from a point closest to the tip of the working device to a tip of the working device. The degree of deceleration of the two hydraulic actuators is adjusted.
このように前記最も近い点からの距離に応じて減速度合いを調節すると、オペレータに操作上の違和感を与えることを防止できる。減速の具体的方法としては、前記最も近い点からの距離が設定値以下の場合に、当該距離の減少に従って減速度合いを単調に増加させるものがある。つまり、この場合、当該距離が小さくなるほど前記先端部の速度は低減するように調節される。なお、ここでいう単調増加とは、或る距離の区間で速度が一定となる場合も含む広義の単調増加を示すものとする。 Thus, adjusting the degree of deceleration according to the distance from the closest point can prevent the operator from feeling uncomfortable in operation. As a specific method of deceleration, there is a method in which when the distance from the closest point is equal to or less than a set value, the deceleration degree is monotonously increased as the distance decreases. That is, in this case, the speed of the tip is adjusted so as to decrease as the distance decreases. Note that the monotonic increase here indicates a monotonic increase in a broad sense including the case where the speed is constant in a certain distance section.
なお、上記において「前記作業装置の先端部に最も近い点」を決定する方法の一例としては、前記複数の点から前記作業装置の先端部までの最短距離に基づいていずれの点が「最も近い点」に該当するかに基づいて決定する方法がある。ここにおける最短距離とは、各点を中心とし前記先端部に接する最小の円を描いた場合の当該円の半径が最小となる点が「最も近い点」に該当する。 In the above, as an example of the method for determining “the point closest to the tip of the working device”, any point is “closest to the point based on the shortest distance from the plurality of points to the tip of the working device. There is a method of making a decision based on whether or not it falls under “point”. The shortest distance in this case corresponds to the “closest point” when the radius of the circle is the smallest when the smallest circle that touches the tip is centered on each point.
(3)上記(1)または(2)において、好ましくは、前記目標形状は、連続した複数の線分によって定義されており、前記制御装置は、前記複数の点のうち前記作業装置の先端部に最も近い点に隣接する2つの線分のなす角の大きさに応じて、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いを調節することを特徴とする。 (3) In the above (1) or (2), preferably, the target shape is defined by a plurality of continuous line segments, and the control device includes a tip of the working device among the plurality of points. The degree of deceleration of the at least one hydraulic actuator is adjusted according to the size of the angle formed by the two line segments adjacent to the point closest to.
このように掘削制御装置を構成すると、前記2つの線分のなす角の大きさに適した減速度合いを適宜選択できる。なお、上記(2)と組み合わせる場合には、(2)の減速度合いと(3)の減速度合いを加算または乗算する等して双方を勘案して減速度合いを調節しても良い。 When the excavation control device is configured in this manner, a deceleration degree suitable for the size of the angle formed by the two line segments can be appropriately selected. When combined with the above (2), the deceleration degree may be adjusted in consideration of both by adding or multiplying the deceleration degree of (2) and the deceleration degree of (3).
(4)上記(3)において、好ましくは、前記制御装置は、前記隣接する2つの線分のなす角の大きさが0度に近づくほど、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いが小さくなるように調節することを特徴とする。なお、「前記隣接する2つの線分のなす角」は選択の方法によっては、+90度を超えたり、−90度より小さくなったりする場合があるが、ここでは−90度から+90度までの角度を選択するものとする。すなわち、「なす度の大きさ」は常に90以下となる(本稿における角度の定義の詳細は後述する)。 (4) In the above (3), preferably, the control device decreases the degree of deceleration of the at least one hydraulic actuator as the angle between the two adjacent line segments approaches 0 degrees. It is characterized by adjusting to. The “angle formed by the two adjacent line segments” may exceed +90 degrees or be smaller than −90 degrees depending on the selection method, but here, it is from −90 degrees to +90 degrees. An angle shall be selected. That is, the “magnification” is always 90 or less (details of the definition of angle in this paper will be described later).
一般的には前記2つの線分のなす角が大きいほど前記先端部の精密な操作が要求されるため、上記(4)のように前記2つの線分のなす角の大きさに応じて減速度合いを調節すると、オペレータ操作による前記先端部の制御が容易になる。減速の具体的方法としては、前記なす角が0のときの減速度合いを最小とし、当該なす角が+90度または−90度に向かって増加するに従って減速度合いを単調に増加させるものがある。つまり、この場合、前記なす角の大きさが大きくなるほど前記先端部の速度は低減するように調節される。なお、ここでいう単調増加とは、或る距離の区間で速度が一定となる場合も含む広義の単調増加を示すものとする。 In general, the larger the angle formed by the two line segments, the more precise operation of the tip portion is required. Therefore, as described in (4), the speed is reduced according to the size of the angle formed by the two line segments. When the degree is adjusted, the tip portion can be easily controlled by an operator operation. As a specific method of deceleration, there is a method in which the degree of deceleration when the angle formed is zero is minimized, and the degree of deceleration is monotonously increased as the angle formed increases toward +90 degrees or -90 degrees. That is, in this case, the speed of the tip portion is adjusted so as to decrease as the size of the angle formed increases. Note that the monotonic increase here indicates a monotonic increase in a broad sense including the case where the speed is constant in a certain distance section.
上記における「前記2つの線分のなす角の大きさが0度の場合」とは、例えば、前記2つの線分により平坦面が定義されている場合が該当し、この場合、当該平坦面は同一直線上に位置する3点によって定義され、両端の2つの点の間に位置する点(内部点と称する)が存在することになる。このような場合、(1)のように構成した掘削制御装置によれば、本来は減速の必要のない当該内部点に前記先端部が接近した場合も減速してしまうが、上記(4)のように構成すれば、このような内部点に前記先端部が接近した場合には減速を抑制でき、スムーズな掘削の実現が可能となる。 In the above, “when the angle between the two line segments is 0 degree” corresponds to, for example, a case where a flat surface is defined by the two line segments. In this case, the flat surface is There is a point (referred to as an internal point) defined by three points located on the same straight line and located between two points at both ends. In such a case, according to the excavation control device configured as in (1), although the tip portion approaches the internal point that originally does not need to be decelerated, it is decelerated. If comprised in this way, when the said front-end | tip part approaches such an internal point, deceleration can be suppressed and smooth excavation is realizable.
また、前記2つの線分のなす角度の大きさが0の場合に、上記(1)の減速制御は不要になるので、例外的に本願に係る減速制御を行わないように設定しても良い(つまり、上記(1)の減速制御を行わないように設定する。)。このようにすれば、当該内部点付近では領域制限制御のみが実施されことになるので、減速のないスムーズな掘削を実現できる。 Further, when the magnitude of the angle formed by the two line segments is 0, the deceleration control in the above (1) is not necessary, so that it may be set so that the deceleration control according to the present application is not performed exceptionally. (That is, it is set not to perform the deceleration control of (1) above). In this way, only the area restriction control is performed in the vicinity of the internal point, so that smooth excavation without deceleration can be realized.
(5)上記(1)から(4)のいずれかにおいて、好ましくは、前記制御装置は、前記最も近い点に対する前記作業装置の先端部の動作方向に基づいて、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いを調節することを特徴とする。 (5) In any one of the above (1) to (4), preferably, the control device decelerates the at least one hydraulic actuator based on an operation direction of a distal end portion of the working device with respect to the closest point. It is characterized by adjusting the degree.
このように構成した掘削制御装置によれば、オペレータに操作上の違和感を与えることを防止できる。減速の具体的方法としては、前記先端部の動作方向が前記最も近い点から離れる方向であれば、前記最も近い点からの距離が増加するにつれて減速度合いが単調に減少するように設定し、前記先端部の動作方向が前記最も近い点に近づく方向であれば、前記最も近い点からの距離が減少するにつれて減速度合いが単調に増加するように設定するものがある。なお、前記最も近い点に離れる方向と近づく方向では、距離に応じた減速度合いを異ならせても良いし同じにしても良い。また、ここでいう単調増加/単調減少についても、先述と同様に、或る距離の区間で速度が一定となる場合も含む広義の単調増加/単調減少を示すものとする。 According to the excavation control device configured as described above, it is possible to prevent the operator from feeling uncomfortable in operation. As a specific method of deceleration, if the movement direction of the tip portion is a direction away from the nearest point, the deceleration degree is set to monotonously decrease as the distance from the nearest point increases, If the movement direction of the tip portion is a direction approaching the closest point, there is a method in which the deceleration degree is monotonously increased as the distance from the closest point decreases. Note that the degree of deceleration according to the distance may be different or the same between the direction away from the closest point and the direction approaching. Also, the monotonic increase / monotonic decrease here indicates a monotonic increase / monotonic decrease in a broad sense including the case where the speed is constant in a certain distance section, as described above.
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下では、作業装置の先端のアタッチメントとしてバケット(1c)を備える油圧ショベルを例示するが、バケット以外のアタッチメントを備える油圧ショベルで本発明を適用しても構わない。また、以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号(数字)の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば、同一の3つのポンプ300a、300b、300cが存在するとき、これらをまとめてポンプ300と表記することがある。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment when the present invention is applied to a hydraulic excavator will be described with reference to the drawings. In the following, a hydraulic excavator provided with a bucket (1c) is exemplified as an attachment at the tip of the working device, but the present invention may be applied to a hydraulic excavator provided with an attachment other than the bucket. Further, in the following description, when there are a plurality of identical components, an alphabet may be added to the end of the code (number), but the alphabet may be omitted and the plurality of components may be described collectively. is there. For example, when there are three identical pumps 300a, 300b, and 300c, these may be collectively referred to as pump 300.
図1において、本発明が適用される油圧ショベルは、油圧ポンプ2と、この油圧ポンプ2からの圧油により駆動されるブームシリンダ3a、アームシリンダ3b、バケットシリンダ3c、旋回モータ3d及び左右の走行モータ3e、3fを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ3a〜3fのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置4a〜4fと、油圧ポンプ2と複数の油圧アクチュエータ3a〜3f間に接続され、操作レバー装置4a〜4fの操作量及び操作方向に応じて出力される操作信号によって制御され、油圧アクチュエータ3a〜3fに供給される圧油の流量及び方向を制御する複数の流量制御弁5a〜5fと、油圧ポンプ2と流量制御弁5a〜5fの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁6とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
In FIG. 1, a hydraulic excavator to which the present invention is applied includes a hydraulic pump 2, a boom cylinder 3a, an
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複数の被駆動部材(ブーム1a、アーム1b及びバケット1c)を連結して構成された多関節型のフロント作業装置1Aと、上部旋回体1d及び下部走行体1eからなる車体1Bとで構成され、フロント作業装置1Aのブーム1aの基端は上部旋回体1dの前部に支持されている。ブーム1a、アーム1b、バケット1c、上部旋回体1d及び下部走行体1eはそれぞれブームシリンダ3a、アームシリンダ3b、バケットシリンダ3c、旋回モータ3d及び左右の走行モータ3e、3fによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置4a〜4fにより指示される。
As shown in FIG. 2, the hydraulic excavator includes a multi-joint type
また、操作レバー装置4a〜4fは油圧パイロット方式であり、それぞれオペレータにより操作される操作レバー4a〜4fの操作量と操作方向に応じたパイロット圧を操作信号として、パイロットライン44a〜49bを介して対応する流量制御弁5a〜5fの油圧駆動部50a〜55bに供給し、これら流量制御弁を駆動する。
The operation lever devices 4a to 4f are of a hydraulic pilot system, and the pilot pressures corresponding to the operation amounts and operation directions of the operation levers 4a to 4f operated by the operators are used as operation signals via the pilot lines 44a to 49b. The corresponding flow control valves 5a to 5f are supplied to
領域制限に用いる掘削制御システムは、運転室内の操作パネルの上方などオペレータの視界を遮らない位置に設置され領域制限制御の有効無効を切り替える制限制御スイッチ7と、予め作業に応じてフロント作業装置1Aの所定部位(例えば、作業装置1Aの先端部となるバケット1cの先端)が動き得る掘削可能領域(「設定領域」と称することもある)の設定に必要な掘削対象の目標形状の情報(目標形状情報)を含む各種情報が記憶された記憶装置20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、フロント作業装置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、基準面(例えば水平面)に対する車体1Bの前後方向の傾斜角を検出する傾斜角検出器8dと、ブーム1a用の操作レバー装置4aのパイロットライン44a,44bに設けられ、操作レバー装置4aの操作量としてパイロット圧(操作信号)を検出する圧力検出器60a,60bと、アーム1b用の操作レバー装置4bのパイロットライン45a,45bに設けられ、操作レバー装置4bの操作量としてパイロット圧(操作信号)を検出する圧力検出器61a,61bと、一次ポート側がパイロットポンプ43に接続され電気信号に応じてパイロットポンプ43からのパイロット圧を減圧して出力する比例電磁弁10aと、ブーム1a用の操作レバー装置4aのパイロットライン44aと比例電磁弁10aの二次ポート側に接続され、パイロットライン44a内のパイロット圧と比例電磁弁10aから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁5aの油圧駆動部50aに導くシャトル弁12と、ブーム1a用の操作レバー装置4aのパイロットライン44bに設置され、電気信号に応じてパイロットライン44b内のパイロット圧を減圧して出力する比例電磁弁10bと、アーム1b用の操作レバー装置4bのパイロットライン45aに設置され、電気信号に応じてパイロットライン45a内のパイロット圧を減圧して出力する比例電磁弁11aと、アーム1b用の操作レバー装置4bのパイロットライン45bに設置され、電気信号に応じてパイロットライン45b内のパイロット圧を減圧して出力する比例電磁弁11bと、記憶装置20に記憶された目標形状情報、角度検出器8a,8b,8cと傾斜角検出器8dの検出信号、および圧力検出器60a,60b,61a,61bの検出信号を入力し、バケット1cの先端が動き得る掘削可能領域(設定領域)を設定すると共に、領域を制限した掘削制御(領域制限制御)を行うための操作信号(パイロット圧)の補正を行う電気信号を比例電磁弁10a,10bに出力するコンピュータである制御ユニット(制御装置)9とから構成されている。
The excavation control system used for area restriction is installed at a position that does not block the operator's field of view, such as above the operation panel in the driver's cab, and a
制御ユニット9の制御機能を図3に示す。制御ユニット9は、フロント姿勢演算部9a、領域設定演算部9b、バケット先端速度の制限値演算部9c、アームシリンダ推定速度演算部9d、アームによるバケット先端速度演算部9e、ブームによるバケット先端速度の制限値演算部9f、ブームシリンダ速度の制限値演算部9g、ブームパイロット圧の制限値演算部9h、領域制限制御の切り換え演算部9r、ブーム用バルブ指令演算部9i、アームパイロット圧の制限値演算部9j、アーム用バルブ指令演算部9k、およびアームシリンダ目標速度演算部9zの各機能を有している。
The control function of the control unit 9 is shown in FIG. The control unit 9 includes a front posture calculation unit 9a, a region setting
フロント姿勢演算部9aでは、角度検出器8a〜8c及び傾斜角検出器8dで検出されたブーム1a、アーム1b、バケット1cの回動角及び車体1Bの前後の傾斜角に基づいて、フロント作業装置1Aの位置と姿勢を演算する。その一例を図4により説明する。この例はフロント作業装置1Aのバケット1cの爪先(先端)P1の位置を計算する場合のものである。なお、ここでは説明の簡略化のため傾斜角検出器8dの検出値は考慮しないものとする。
In the front posture calculation unit 9a, the front working device is based on the rotation angles of the
図4において、制御ユニット9の記憶装置20にはフロント作業装置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9a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P1の位置を計算する。このときP1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。当該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(1)と式(2)より求まる。
In FIG. 4, the
領域設定演算部9bでは、記憶装置20から得られる目標形状情報に基づいて、バケット1cの先端(P1)が動き得る掘削可能領域(設定領域)の設定演算を行う。目標形状情報とは、フロント作業装置1Aによる掘削作業により得られる最終的な掘削対象物の形状(目標形状)をブーム1a、アーム1b及びバケット1cの中心を通過する垂直面上において連続した複数の線分で定義した情報である。当該複数の線分における各線分は座標情報を有する2点によって規定され、例えば、後述する図9では点A(xA、zA)と点B(xB、zB)を接続する線分によって目標形状(法面)の一部が規定されている。
Based on the target shape information obtained from the
目標形状情報の取得方法としては、例えば、目標形状(例えば法面形状)の3次元形状をポリゴンで定義した3次元施工図面において、ブーム1a、アーム1b及びバケット1cの中心を通過する垂直面で当該3次元形状を切断し、その断面に表れた連続した複数の線分による形状を目標形状として定義するものがある。
As a method for acquiring target shape information, for example, in a three-dimensional construction drawing in which a three-dimensional shape of a target shape (for example, a slope shape) is defined by polygons, a vertical plane that passes through the centers of the
バケット1cの先端が移動可能な掘削可能領域は境界面によって規定され、境界面上およびその上方の領域が掘削可能領域となる。本実施の形態の境界面は、目標形状を定義する複数の線分のうち少なくとも1つの線分を含む直線によって定義しており、以下においては境界面を「境界L」と称することがある。 The excavable area where the tip of the bucket 1c can move is defined by the boundary surface, and the area above and above the boundary surface is the excavable area. The boundary surface of the present embodiment is defined by a straight line including at least one line segment among a plurality of line segments that define the target shape. Hereinafter, the boundary surface may be referred to as “boundary L”.
本実施の形態における境界Lは、バケット1cの先端の位置に応じて適宜自動的に生成・選択される。具体的には、目標形状を規定する複数の線分の中からバケット1cの先端(P1)からの距離が最短の線分を抽出し、当該線分を含む直線が境界Lとして生成・選択される。境界Lは、まず、建設機械上に設定したXY座標系における直線式で規定され、その後、当該直線上に原点を持ち当該直線を一軸とする直交座標系XaYa座標系における直線式に変換される。その際、XY座標系からXaYa座標系への変換データを求める。なお、境界Lの生成・選択は上記したものに限られず種々の方法が採用可能である。その一例を挙げるとすれば、XY座標系においてバケット先端(P1)と同じX座標を有する線分を3次元施工図面の断面(目標形状)から検索し、当該検索結果に係る線分を含む直線を境界Lとする方法がある。 The boundary L in the present embodiment is automatically generated and selected as appropriate according to the position of the tip of the bucket 1c. Specifically, a line segment having the shortest distance from the tip (P1) of the bucket 1c is extracted from a plurality of line segments defining the target shape, and a straight line including the line segment is generated and selected as the boundary L. The The boundary L is first defined by a linear equation in the XY coordinate system set on the construction machine, and then converted into a linear equation in the orthogonal coordinate system XaYa coordinate system having the origin on the straight line and the straight line as one axis. . At that time, conversion data from the XY coordinate system to the XaYa coordinate system is obtained. The generation / selection of the boundary L is not limited to the above, and various methods can be employed. As an example, a line segment having the same X coordinate as the bucket tip (P1) in the XY coordinate system is searched from the cross section (target shape) of the three-dimensional construction drawing, and a straight line including the line segment related to the search result. Is a boundary L.
バケット先端速度の制限値演算部9cでは、バケット先端(P1)の境界Lからの距離Dに基づき、バケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aを計算する。制限値aの計算は、制御ユニット9の記憶装置20に図5に示すような制限値aと距離Dとの関係を記憶しておき、この関係を読み出して行う。
The bucket tip speed limit
図5において、横軸はバケット先端の境界Lからの距離Dを示し、縦軸はバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aを示し、横軸の距離D及び縦軸の速度制限値aはXaYa座標系と同じくそれぞれ設定領域外から設定領域内に向かう方向を(+)方向としている。この距離Dと制限値aの関係は、バケット先端が設定領域内にあるときには、その距離Dに比例した(−)方向の速度をバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aとし、バケット先端が領域外にあるときには、その距離Dに比例した(+)方向の速度をバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aとするように定められている。したがって、設定領域内(掘削可能領域内)では、バケット先端速度の境界Lに垂直な成分が(−)方向で制限値を越えた場合だけ減速され、設定領域外(掘削可能領域外)では、バケット先端が(+)方向に増速されるようになる。 In FIG. 5, the horizontal axis indicates the distance D from the bucket tip boundary L, the vertical axis indicates the limit value a of the component perpendicular to the bucket tip speed boundary L, the horizontal axis distance D and the vertical axis speed limit. As for the value a, the direction from the outside of the setting area to the inside of the setting area is the (+) direction as in the XaYa coordinate system. The relationship between the distance D and the limit value a is that when the bucket tip is within the set region, the speed in the (−) direction proportional to the distance D is set as the limit value a of the component perpendicular to the bucket tip speed boundary L, When the bucket tip is out of the region, the speed in the (+) direction proportional to the distance D is determined to be the limit value a of the component perpendicular to the bucket tip velocity boundary L. Therefore, within the set area (in the excavable area), the speed is reduced only when the component perpendicular to the boundary L of the bucket tip speed exceeds the limit value in the (−) direction, and outside the set area (outside the excavable area), The bucket tip is accelerated in the (+) direction.
アームシリンダ推定速度演算部9dでは、圧力検出器61a,61bで検出された流量制御弁5bへの指令値(パイロット圧(操作信号))と、アームの流量制御弁5bの流量特性により、アームシリンダ推定速度を推定する。
The arm cylinder estimated
アームシリンダ目標速度演算部9zでは、バケット先端位置に応じて境界Lが切り替わる際に掘り過ぎや空掘りが生じる事を防ぐために、図9に例示するような、バケットの先端P1と、境界Lに係る線分(n)を規定する2点A,B(以下「形状変化点」と称することがある)との位置関係に基づいて、次に説明する処理によりアームシリンダ目標速度を演算する。
In the arm cylinder target
ここでは、図9に示した状況を例にして、アームシリンダ目標速度演算部9zによるアームシリンダ目標速度の演算処理について図10のフローチャートに沿って説明する。図9は線分(n)が領域制限の境界Lに含まれている状況である。なお、図10に示した処理は、図3に示した各演算部の処理と同様に、所定の制御周期で繰り返される。
Here, taking the situation shown in FIG. 9 as an example, the arm cylinder target speed calculation processing by the arm cylinder target
ステップS100では、バケット先端P1から形状変化点である点Aへの距離RAと、バケット先端P1から形状変化点である点Bへの距離RBを求め、ステップS110に進む。距離RA,RBの算出の際に利用するバケット先端P1の座標は、例えば、フロント姿勢演算部9aの出力値と油圧ショベルの現在位置から算出可能であり、点A,Bの座標は施工図が記憶された記憶装置20から取得可能である。
In step S100, the distance RA from the bucket tip P1 to the point A that is the shape change point and the distance RB from the bucket tip P1 to the point B that is the shape change point are obtained, and the process proceeds to step S110. The coordinates of the bucket tip P1 used in calculating the distances RA and RB can be calculated from, for example, the output value of the front posture calculation unit 9a and the current position of the hydraulic excavator, and the coordinates of the points A and B are obtained from the construction drawing. It can be acquired from the stored
なお、ステップS100に関して、図9の状況では、バケット1c(フロント作業装置1Aの先端部)の爪先P1から各形状変化点A,Bまでの距離が距離RA,RBとして採用されているが、より一般的化する場合には、目標形状が表れる2次元平面上で形状変化点A,Bを中心としバケット1cに接する最小の円をそれぞれ描き、当該各円の半径を距離RA,RBとして採用することが好ましい。つまり、図9では距離RA,RBの基準点をP1としているが、バケット1c上のその他の点を基準点としても良いし、形状変化点A,Bからのバケット上の最短の点を基準点としても良い。
Regarding step S100, in the situation of FIG. 9, distances from the toe P1 of the bucket 1c (the front end portion of the
ステップS110では、境界Lに含まれる線分(n)が当該線分(n)に係る一方の端点Aで接続する他の線分(n−1)と成す角度αA(すなわち隣接する2つの線分(線分(n)および線分(n−1))の成す角度)と、線分(n)が他方の端点Bで接続する他の線分(n+1)と成す角度αBを求め、ステップS120に進む。なお、点Aあるいは点Bが目標形状の終端であり、他の線分が接続されていない場合には、ステップ110においてαAあるいはαBとして+90度を設定する(−90度としても良い)。このように構成すると終端近傍の掘り過ぎや空堀りを抑制できる。 In step S110, the angle αA (that is, two adjacent lines) formed by the line segment (n) included in the boundary L and the other line segment (n−1) connected at one end point A related to the line segment (n). The angle (angle formed by the line segment (n) and the line segment (n-1)) and the angle αB formed by the line segment (n) and the other line segment (n + 1) connected at the other end point B, and Proceed to S120. If point A or point B is the end of the target shape and no other line segment is connected, +90 degrees is set as αA or αB in step 110 (may be −90 degrees). With this configuration, excessive digging and empty digging near the end can be suppressed.
本実施の形態における「2つの線分の成す角」の定義の仕方は、隣接する2つの線分を油圧ショベルに近いものから第1の線分、第2の線分としたとき、第1の線分を形状変化点から延長し、当該延長線と第2の線分の成す角度を「2つの線分の成す角」としている。そして、延長線よりも第2の線分が上方に位置する場合には角度の符号を「正」とし、逆の場合には角度の符号を「負」とする。つまり、延長線を基準として左回りの角度を「正」とし、右回りの角度を「負」とする。したがって、例えば、図9の例では線分(n−1)と線分nの成す角は「+αA」となり、線分nと線分(n+1)の成す角は「−αB」となる。なお、延長線と第2の線分が重なる場合には2つの線分の成す角は0とし、また、2つの線分の成す角の範囲は、掘削面の性質上、+90度から−90度までの間となる。 The method of defining the “angle formed by two line segments” in the present embodiment is as follows. When the two adjacent line segments are designated as the first line segment and the second line segment from the one close to the hydraulic excavator, Is extended from the shape change point, and the angle formed by the extended line and the second line segment is defined as “the angle formed by the two line segments”. When the second line segment is positioned above the extended line, the sign of the angle is “positive”, and when it is opposite, the sign of the angle is “negative”. That is, the counterclockwise angle with respect to the extension line is “positive”, and the clockwise angle is “negative”. Therefore, for example, in the example of FIG. 9, the angle formed by the line segment (n−1) and the line segment n is “+ αA”, and the angle formed by the line segment n and the line segment (n + 1) is “−αB”. When the extension line and the second line segment overlap, the angle formed by the two line segments is 0, and the range of the angle formed by the two line segments is +90 degrees to −90 due to the nature of the excavation surface. Between degrees.
ステップS120では、境界Lに係る2つの点A,Bのうちバケット1cに最も近い点はどれであるかを判定する。具体的には、RAとRBを比較し、RA<RBであればステップS130に進み、RA≧RBであればステップS131に進む。 In step S120, it is determined which of the two points A and B related to the boundary L is closest to the bucket 1c. Specifically, RA and RB are compared, and if RA <RB, the process proceeds to step S130, and if RA ≧ RB, the process proceeds to step S131.
ステップS130およびステップS131では、後述のステップS150の減速係数Kの算出時に利用する距離Rおよび角度αを選択する処理を実行するが、このうちステップS130では、RとしてRAを、αとしてαAを設定し、ステップS140に進む。一方、ステップS131では、RとしてRBを、αとしてαBを設定し、ステップS140に進む。なお、図9の状況では、RA<RBとなるため(すなわち点Aが最も近い点となるため)、R=RA、α=αAとなる。 ステップS140では、バケット先端の動作方向が最寄りの形状変化点(図9の状況では点A)に近づく方向か離れる方向か、すなわちアームクラウド操作かアームダンプ操作かを操作レバー4bから出力されるパイロット圧により判別する。近づく方向の動作(アームクラウド動作)である場合には距離Rの符号を「正」とし、離れる方向の動作(アームダンプ動作)である場合は距離Rの符号を「負」とし、ステップS150に進む。なお、図9の状況では、最寄りの形状変化点は点Aであり、アームクラウド動作が行われている時に近づく動作と判断し、距離Rを「+RA」とする。また、バケット先端の動作方向を知る方法としては、上記のようにパイロット圧を用いるのではなく、バケット先端の位置変化から算出したベクトルの方向を用いてもよい。
In step S130 and step S131, a process of selecting a distance R and an angle α to be used when calculating a deceleration coefficient K in step S150 described later is executed. Of these, in step S130, RA is set as R, and αA is set as α. Then, the process proceeds to step S140. On the other hand, in step S131, RB is set as R and αB is set as α, and the process proceeds to step S140. In the situation of FIG. 9, since RA <RB (that is, point A is the closest point), R = RA and α = αA. In step S140, the pilot that is output from the
ステップS150では、ステップS130又はステップS131で定めたRとαから、図11および図12のテーブルを参照して、距離Rに応じて変化する距離係数Kdと、角度αに応じて変化する角度係数Kaを求め、さらにそのKdおよびKaと下記式(3)から減速係数Kを算出し、ステップS160に進む。距離係数Kd、減速係数Kおよび角度係数Kaはそれぞれ1以下の値であり、これらが小さい値になる程アームシリンダ速度上限値Laが小さく設定される(つまり減速が大となる。)。距離係数Kdまたは角度係数Kaが1のときは、後述の式(4)から明らかなように減速係数Kが1となるため、本発明に係る減速制御は行われないことになる。 In step S150, from R and α determined in step S130 or S131, referring to the tables of FIGS. 11 and 12, a distance coefficient Kd that changes according to the distance R and an angle coefficient that changes according to the angle α. Ka is obtained, and the deceleration coefficient K is calculated from the Kd and Ka and the following equation (3), and the process proceeds to step S160. Each of the distance coefficient Kd, the deceleration coefficient K, and the angle coefficient Ka is a value of 1 or less, and the arm cylinder speed upper limit value La is set smaller as these values become smaller (that is, the deceleration becomes larger). When the distance coefficient Kd or the angle coefficient Ka is 1, the deceleration coefficient K is 1 as will be apparent from equation (4) described later, and therefore the deceleration control according to the present invention is not performed.
距離係数Kdを求める際に利用される図11のテーブルは、バケット1cと形状変化点の距離Rの大きさが小さくなるにつれてアーム動作速度が除々に変化するように定義されており、本発明に係る減速制御によりオペレータの操作性が損なわれないようにしている。具体的には、バケット1cが最も近い形状変化点に近づく場合(距離Rが正の場合)については、距離Rが設定値(減速開始距離Rs)以下に達したら距離Rの減少に伴って係数Kdが1(最大値)から除々に減少し、その後距離Rが減速開始距離未満の或る値まで達したら、距離Rがゼロに達するまでの間は係数Kdが一定値(最小値)を保つように設定されている。 The table shown in FIG. 11 used when obtaining the distance coefficient Kd is defined so that the arm operation speed gradually changes as the distance R between the bucket 1c and the shape change point decreases. Such deceleration control prevents the operator's operability from being impaired. Specifically, in the case where the bucket 1c approaches the closest shape change point (when the distance R is positive), when the distance R reaches a set value (deceleration start distance Rs) or less, the coefficient increases as the distance R decreases. When Kd gradually decreases from 1 (maximum value) and then the distance R reaches a certain value less than the deceleration start distance, the coefficient Kd remains constant (minimum value) until the distance R reaches zero. Is set to
一方、バケット1cが最も近い形状変化点から離れる場合(距離Rが負の場合)については、距離Rの大きさがゼロから増加するに伴って係数Kdが最小値から除々に増加し、その後距離Rが或る値まで増加したら、係数Kdは一定値(最大値=1)を保つように設定されている。このようにすることで、形状変化点から離れる動作の場合には必要以上に減速せず、さらに、減速の度合いが急激に変化しないようにすることで、操作性に違和感が生じないようにできる。 On the other hand, when the bucket 1c moves away from the closest shape change point (when the distance R is negative), the coefficient Kd gradually increases from the minimum value as the distance R increases from zero, and the distance thereafter When R increases to a certain value, the coefficient Kd is set to maintain a constant value (maximum value = 1). In this way, in the case of an operation away from the shape change point, the speed is not reduced more than necessary, and further, the degree of deceleration is not changed abruptly so that a sense of incongruity does not occur in operability. .
なお、図11に示した距離Rと係数Kdの関係は一例に過ぎず、距離Rが小さくなるにつれて係数Kdが小さくなるような傾向が表れる関係であれば他の態様でも良い。 Note that the relationship between the distance R and the coefficient Kd shown in FIG. 11 is merely an example, and any other form may be used as long as the tendency that the coefficient Kd decreases as the distance R decreases.
角度係数Kaを求める際に利用される図12のテーブルは、2つの線分の成す角度αの大きさが大きい程(ゼロから離れる程)に減速の度合いを大きく出来るように、角度αの大きさの増加に伴って角度係数Kaが除々に小さくなるように定義されており、掘削形状に応じた適切な減速量を定められるようにしている。また、本実施の形態では、角度αの正負によって法肩(負の角度)と法尻(正の角度)を判別しており、法肩と法尻で係数Kaと角度αの関係を異ならせている。なお、図11と同様に図12に示した角度αと係数Kaの関係は一例に過ぎず、角度αの大きさが大きくなるにつれて係数Kaが小さくなるような傾向が表れる関係であれば他の態様でも良い。 The table of FIG. 12 used when obtaining the angle coefficient Ka has a large angle α so that the degree of deceleration can be increased as the size of the angle α formed by the two line segments is larger (away from zero). The angle coefficient Ka is defined so as to gradually decrease as the height increases, so that an appropriate deceleration amount corresponding to the excavation shape can be determined. Further, in the present embodiment, the shoulder (negative angle) and the butt (positive angle) are discriminated based on the sign of the angle α, and the relationship between the coefficient Ka and the angle α is made different between the shoulder and the butt. ing. As in FIG. 11, the relationship between the angle α and the coefficient Ka shown in FIG. 12 is merely an example, and any other relationship can be used as long as the coefficient Ka tends to decrease as the angle α increases. An aspect may be sufficient.
ステップS130又はステップS131で定めた角度αがゼロの場合には、角度係数Kaが1となり、本発明に係る減速制御は行われない。この構成の趣旨は、角度αがゼロの場合には最も近い形状変化点の両側に位置する2つの線分は平坦面を形成するので、当該形状変化点の近傍で減速処理を行う必要が無いからである。なお、このような事態は、主として、目標形状をポリゴンで定義した3次元施工図面を利用する場合に発生し、目標形状を垂直面で切断したときにポリゴンが再定義され平坦面上に形状変化点が追加されることに起因して発生することが多い。 When the angle α determined in step S130 or step S131 is zero, the angle coefficient Ka is 1, and the deceleration control according to the present invention is not performed. The purpose of this configuration is that when the angle α is zero, the two line segments located on both sides of the closest shape change point form a flat surface, so there is no need to perform deceleration processing in the vicinity of the shape change point. Because. This situation occurs mainly when using a 3D construction drawing in which the target shape is defined by a polygon. When the target shape is cut along a vertical plane, the polygon is redefined and the shape changes on the flat surface. This often occurs due to the addition of points.
ステップS160では、記憶装置20に記憶されたアームシリンダ最大速度、ステップS150で算出した減速係数Kおよび下記式(4)により、アームシリンダ速度上限値Laを設定し、ステップS170に進む。
In step S160, the arm cylinder speed upper limit value La is set based on the arm cylinder maximum speed stored in the
ステップS170では、アームシリンダ推定速度演算部9dで求めたアームシリンダ推定速度が、ステップS160で定めたアームシリンダ速度上限値Laを超えるかを判断し、超えると判断された場合には減速が必要と判断し、ステップS180に進む。一方、超えないと判断された場合は減速を行わないものとしてステップS181に進み、アームシリンダ推定速度演算部9dで求めたアームシリンダ推定速度をそのままアームシリンダ目標速度に設定し、処理を終了する。
In step S170, it is determined whether the arm cylinder estimated speed obtained by the arm cylinder estimated
ステップS180では、演算部9dで求めたアームシリンダ推定速度に代えて、ステップS160で算出したアームシリンダ速度上限値Laをアームシリンダ目標速度に設定し、処理を終了する。すなわち、ステップS180を経ると、アームシリンダ目標速度がアームシリンダ速度上限値Laに制限される。
In step S180, the arm cylinder speed upper limit value La calculated in step S160 is set as the arm cylinder target speed in place of the arm cylinder estimated speed obtained by the
なお、上記式(4)を利用した減速方法に代えて、下記式(5)のようにアームシリンダ推定速度に減速係数Kを直接乗じてアームシリンダ目標速度を算出することで減速をしてもよい。また、下記式(6)のようにアームのパイロット圧に減速係数を乗じてから、再度アームシリンダ推定速度を算出することで減速をしてもよい。 Instead of the deceleration method using the above formula (4), even if the deceleration is performed by calculating the arm cylinder target speed by directly multiplying the estimated arm cylinder speed by the deceleration coefficient K as in the following formula (5). Good. Alternatively, as shown in the following formula (6), the arm pilot pressure may be multiplied by a deceleration coefficient and then the arm cylinder estimated speed may be calculated again to reduce the speed.
図3に戻り、アームによるバケット先端速度演算部9eでは、アームシリンダ目標速度演算部9zで図10の一連の処理により求めたアームシリンダ目標速度と、フロント姿勢演算部9aで求めたフロント作業装置1Aの位置及び姿勢とによりアーム1bによるバケット先端速度bを演算する。
Returning to FIG. 3, in the bucket tip speed calculation unit 9e by the arm, the arm cylinder target
ブームによるバケット先端速度の制限値演算部9fでは、演算部9eで求めたアーム1bによるバケット先端速度bを領域設定演算部9bで求めた変換データを用いてXY座標系からXaYa座標系へ変換し、アーム1bによるバケット先端速度(bx、by)を演算し、演算部9cで求めたバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aとそのアームによるバケット先端速度の境界Lに垂直な成分byにより、ブーム1aによるバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値cを演算する。次にこれを図6を用いて説明する。
In the limit
図6において、バケット先端速度の制限値演算部9cで求められるバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aとアームによるバケット先端速度演算部9eで求められるアームによるバケット先端速度bの境界Lに垂直な成分byの差(a−by)がブーム1aによるバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値cであり、ブームによるバケット先端速度の制限値演算部9fでは「c=a−by」の式より制限値cを計算する。
In FIG. 6, the boundary between the limit value a of the component perpendicular to the bucket tip speed boundary L obtained by the bucket tip speed limit
次に、制限値cの意味について、バケット先端が(A)設定領域(掘削可能領域)内にある場合、(B)境界上にある場合、(C)設定領域外にある場合に分けて説明する。 Next, the meaning of the limit value c will be described separately when the bucket tip is in (A) the set area (excavable area), (B) on the boundary, and (C) outside the set area. To do.
(A)バケット先端が設定領域内の場合には、バケット先端速度は、バケット先端の境界Lからの距離Dに比例してバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aに制限される。これよりブーム1aによるバケット先端速度の境界Lに垂直な成分はc(=a−by)に制限される。また、バケット先端速度bの境界Lに垂直な成分byがaを越えた場合にはaに減速され、ブーム1aによるバケット先端速度の制限値cは0となる。
(A) When the bucket tip is within the set region, the bucket tip speed is limited to the limit value a of the component perpendicular to the bucket tip speed boundary L in proportion to the distance D from the bucket tip boundary L. . Accordingly, the component perpendicular to the boundary L of the bucket tip speed by the
(B)バケット先端が設定領域の境界L上にある場合には、バケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値aは0となり、設定領域外に向かうアームによるバケット先端速度bの境界Lに垂直な成分byは制限値cのブーム上げによる補正動作によってキャンセルされ(ゼロにされ)、バケット先端速度の境界Lに平行な成分bxが残る(図7および図8参照)。 (B) When the bucket tip is on the boundary L of the setting region, the limit value a of the component perpendicular to the bucket tip velocity boundary L is 0, and the boundary L of the bucket tip velocity b by the arm that goes outside the setting region The component by perpendicular to is canceled (made zero) by the correction operation by raising the boom with the limit value c, and the component bx parallel to the boundary L of the bucket tip speed remains (see FIGS. 7 and 8).
(C)バケット先端が領域外の場合(境界Lの下方にある場合)には、バケット先端速度の境界Lに垂直な成分はバケット先端の境界Lからの距離Dに比例した上向きの制限値aに制限されることにより、常に設定領域内に復元するように制限値cのブーム上げによる補正動作が行われる(図8参照)。 (C) When the bucket tip is out of the region (when it is below the boundary L), the component perpendicular to the bucket tip speed boundary L is an upward limit value a proportional to the distance D from the bucket tip boundary L. As a result of the restriction, the correction operation is performed by raising the limit value c so as to always restore within the set area (see FIG. 8).
図3に戻りブームシリンダ速度の制限値演算部9gでは、ブーム1aによるバケット先端速度の境界Lに垂直な成分の制限値cとフロント作業装置1Aの位置と姿勢に基づき、上記変換データを用いた座標変換によりブームシリンダ速度の制限値を演算する。
Returning to FIG. 3, the boom cylinder speed limit value calculation unit 9g uses the conversion data based on the limit value c of the component perpendicular to the boundary L of the bucket tip speed by the
ブームパイロット圧(ブーム指令)の制限演算部9hでは、ブーム1aの流量制御弁5aの流量特性に基づき、演算部9gで求めたブームシリンダ速度の制限値に対応するブームパイロット圧の制限値を求める。
The boom pilot pressure (boom command) limit calculation unit 9h obtains a boom pilot pressure limit value corresponding to the boom cylinder speed limit value obtained by the calculation unit 9g based on the flow rate characteristics of the flow control valve 5a of the
アームパイロット圧(アーム指令)の制限演算部9jでは、アーム1bの流量制御弁5bの流量特性に基づき、アームによるバケット先端速度演算部9eで求めたアーム1bによるバケット先端速度bに対応するアームパイロット圧の制限値を求める。
In the arm pilot pressure (arm command)
領域制限制御の切り換え演算部9rでは、領域制限スイッチ7がONで(押されており)領域制限制御が選択されている場合(許可されている場合)は、ブームパイロット圧の制限値として演算部9hで計算した値を、アームパイロット圧の制限値として演算部9jで計算した値を、そのまま出力する。一方、領域制限スイッチ7がOFF(押されておらず)で領域制限制御が選択されていない場合(禁止されている場合)は、圧力検出器60a、60bで検出したパイロット圧から大きい方の値をブームパイロット圧の制限値として出力し、圧力検出器61a、61bで検出したパイロット圧から大きい方の値をアームパイロット圧の制限値として出力する。なお、検出器60bあるいは検出器61bで検出した値を出力する際には負の値で出力するものとする。
In the area limit control switching calculation section 9r, when the
ブーム用バルブ指令演算部9iでは、領域制限制御の切り換え演算部9rからのパイロット圧の制限値を入力し、この値が正の場合には、ブーム上げ側の比例電磁弁10aに制限値に対応する電圧を出力し、流量制御弁5aの油圧駆動部50aのパイロット圧を当該制限値に補正し、ブーム下げ側の比例電磁弁10bに0の電圧を出力して流量制御弁5aの油圧駆動部50bのパイロット圧を0にする。また、制限値が負の場合には、ブーム下げ側の流量制御弁の油圧駆動部50bのパイロット圧を制限するように制限値に対応する電圧を比例電磁弁10bに出力してパイロット圧を補正し、ブーム上げ側の比例電磁弁10aには0の電圧を出力し流量制御弁5aの油圧駆動部50aのパイロット圧を0にする。
The boom valve command calculation unit 9i inputs the pilot pressure limit value from the area limit control switching calculation unit 9r. When this value is positive, the boom raising side proportional solenoid valve 10a corresponds to the limit value. Is output, the pilot pressure of the
バルブ指令演算部9kでは、領域制限制御の切り換え演算部9rからのパイロット圧の制限値を入力し、この値が正の場合には、アームダンプ側の比例電磁弁11aに制限値に対応する電圧を出力し、流量制御弁5bの油圧駆動部51aのパイロット圧を当該制限値に補正し、アームクラウド側の比例電磁弁11bに0の電圧を出力して流量制御弁5bの油圧駆動部51bのパイロット圧を0にする。また、制限値が負の場合には、アームクラウド側の流量制御弁の油圧駆動部51bのパイロット圧を制限するように制限値に対応する電圧を比例電磁弁11bに出力してパイロット圧を補正し、アームダンプ側の比例電磁弁11bには0の電圧を出力し流量制御弁5aの油圧駆動部51aのパイロット圧を0にする。
In the valve command calculation unit 9k, the limit value of the pilot pressure from the switching calculation unit 9r of the region limit control is input, and when this value is positive, the voltage corresponding to the limit value is applied to the proportional
以上のように本実施の形態によれば、バケット1cが或る形状変化点に近づいた状況では、アームシリンダ目標速度演算部9zの演算によってアームシリンダ速度が上限値La(アームシリンダ最大速度×減速係数K)まで自動的に低減してバケット1cの速度が十分低減するので、境界Lを超えて設定領域外にバケット1cの先端が達することが抑制され、当該形状変化点付近での掘り過ぎや空掘りの発生を防止できる。
As described above, according to the present embodiment, when the bucket 1c approaches a certain shape change point, the arm cylinder speed is calculated by the arm cylinder target
形状変化点近傍の同じ位置で上限値Laと制限値aを比較した場合、上限値Laが制限値aより小さくなるように減速係数Kを設定することが好ましい。例えば、図13は形状変化点近傍の距離R1未満で上限値Laが制限値aより小さくなるように減速係数Kを設定した例である(説明簡略のため角度係数Ka=0とした)。このように減速係数Kを設定すると形状変化点近傍(図13における距離R1未満の範囲)では通常の領域制限制御よりもバケット1cが減速されるので、バケット1cの位置に応じた境界Lの自動選択処理によって当該形状変化点付近で境界が変化する際においても、掘り過ぎや空堀りが発生しないような掘削速度となり、目標形状に沿った掘削が容易になる。すなわち、目標形状を複数の線分で定義した場合にも、正確な領域制限制御の実現が可能となる。さらに、目標形状が複数の線分で定義されていても、連続した動作での掘削が容易になるので、施工効率の向上が図れる。 When the upper limit value La and the limit value a are compared at the same position in the vicinity of the shape change point, it is preferable to set the deceleration coefficient K so that the upper limit value La is smaller than the limit value a. For example, FIG. 13 shows an example in which the deceleration coefficient K is set so that the upper limit value La is smaller than the limit value a below the distance R1 near the shape change point (for the sake of simplicity, the angle coefficient Ka = 0). When the deceleration coefficient K is set in this manner, the bucket 1c is decelerated in the vicinity of the shape change point (the range less than the distance R1 in FIG. 13) than in the normal area restriction control, so the boundary L is automatically set according to the position of the bucket 1c. Even when the boundary changes near the shape change point by the selection process, the excavation speed is such that excessive digging or empty digging does not occur, and excavation along the target shape is facilitated. That is, even when the target shape is defined by a plurality of line segments, accurate area restriction control can be realized. Furthermore, even if the target shape is defined by a plurality of line segments, excavation in a continuous operation becomes easy, so that the construction efficiency can be improved.
また、本実施の形態は、それに伴う演算においても比較的簡便な処理で済むので、複数の線分に対して目標パイロット圧をそれぞれ演算する類の方法と比べて、制御ユニット(コンピュータ)9の演算負荷増加を抑えることが可能である。 In addition, since the present embodiment requires relatively simple processing even in the calculation associated therewith, the control unit (computer) 9 can be compared with a method of calculating the target pilot pressure for each of a plurality of line segments. It is possible to suppress an increase in calculation load.
なお、図10のフローチャートでは、その時選択されている境界Lに含まれる線分(n)を規定する2点(形状変化点)A,Bまでの距離RA,RBを算出し、より近い点までの距離(R)と当該近い点における2つの線分の成す角(α)を利用して減速係数Kを算出したが、この一連の処理に代えて、目標形状を規定する複数の点(形状変化点)の中から作業装置1Aの先端部であるバケット1cに最も近い点までの距離(R)を算出し、当該最も近い点で接続する2つの線分のなす角(α)を算出しても良い。
In the flowchart of FIG. 10, distances RA and RB to two points (shape change points) A and B that define the line segment (n) included in the boundary L selected at that time are calculated and the points closer to each other are calculated. The deceleration coefficient K is calculated by using the distance (R) of the two and the angle (α) formed by the two line segments at the close point. Instead of this series of processing, a plurality of points (shapes) defining the target shape are calculated. The distance (R) from the change point) to the point closest to the bucket 1c, which is the tip of the
また、上記の実施の形態では、形状変化点からバケット1cまでの距離Rに応じて減速係数Kを変化させている関係上、或る形状変化点を中心とし半径が減速開始距離Rsの円状のアームシリンダ3bの減速領域が形成されることになるが、当該円に代わる任意の閉領域(例えば矩形)を或る形状変化点の周囲に減速領域として設定しておき、当該領域内にバケット1cが進入したらアームシリンダ速度を減速するように構成しても良い。
Further, in the above embodiment, the deceleration coefficient K is changed according to the distance R from the shape change point to the bucket 1c, so that the radius is a circle whose deceleration start distance Rs is centered on a certain shape change point. A decelerating region of the
また、上記の実施の形態では、距離Rと角度αに応じて減速係数Kを定めたが、いずれか一方のみで減速係数を定めても良い。ただし、角度αのみで減速係数Kを定めると、距離Rにかかわらず角度αに応じて一律に減速することになるので、所定の距離(例えば、減速開始距離Rs)まで接近したら角度αに応じた減速を開始するように構成した方が作業効率や操作性という観点からは好ましい。 In the above-described embodiment, the deceleration coefficient K is determined according to the distance R and the angle α. However, the deceleration coefficient may be determined using only one of them. However, if the deceleration coefficient K is determined only by the angle α, the speed is uniformly decelerated according to the angle α regardless of the distance R. Therefore, when approaching a predetermined distance (for example, the deceleration start distance Rs), the angle α is determined. From the viewpoint of work efficiency and operability, it is preferable to start to decelerate.
また、上記の実施の形態では、バケット1cが形状変化点に近づくとアームシリンダ3bを減速することでバケット速度を低減したが、当該アームシリンダ3bに代えて/加えて、ブームシリンダ3a及び/又はバケットシリンダ3cを減速しても良い。
In the above embodiment, when the bucket 1c approaches the shape change point, the
また、上記ではフロント作業装置1Aの位置及び姿勢を取得するために、角度検出器8a〜8cを利用したが、これに代えて各油圧シリンダ3a〜3cのストローク量を検出する複数のストローク検出器や、ブーム1a、アーム1bおよびバケット1cの傾斜角をそれぞれ検出する複数の傾斜角検出器を利用しても良い。
In the above description, the
また、上記の実施の形態では、エンジンで油圧ポンプを駆動する一般的な油圧ショベルを例に挙げて説明したが、油圧ポンプをエンジン及びモータで駆動するハイブリッド式の油圧ショベルや、油圧ポンプをモータのみで駆動する電動式の油圧ショベル等にも本発明が適用可能であることは言うまでもない。 In the above embodiment, a general hydraulic excavator that drives a hydraulic pump with an engine is described as an example. However, a hybrid hydraulic excavator that drives a hydraulic pump with an engine and a motor, or a hydraulic pump with a motor. Needless to say, the present invention can also be applied to an electric hydraulic excavator or the like that is driven only by the motor.
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。 In addition, this invention is not limited to said embodiment, The various modifications within the range which does not deviate from the summary are included. For example, the present invention is not limited to the one having all the configurations described in the above embodiment, and includes a configuration in which a part of the configuration is deleted.
1A…フロント作業装置、1B…車体、1a…ブーム、1b…アーム、1c…バケット、2…油圧ポンプ、3a…ブームシリンダ(油圧アクチュエータ)、3b…アームシリンダ(油圧アクチュエータ)、4a〜4f,14a〜14f…操作レバー装置(操作装置)、5a〜5f,15a〜15f…流量制御弁、7…制限制御スイッチ、8a〜8c…角度検出器、8d…傾斜角度検出器、9…制御ユニット、9a…フロント姿勢演算部、9b…領域設定演算部、9c…バケット先端速度の制限値演算部、9d…アームシリンダ推定速度演算部、9e…アームによるバケット先端速度演算部、9f…ブームによるバケット先端速度の制限値演算部、9g…ブームシリンダ速度の制限値演算部、9h…ブームパイロット圧の演算部、9i…ブーム用バルブ指令演算部、9j…アームパイロット圧の演算部、9k…アーム用バルブ指令演算部、9r…領域制限制御の切り換え演算部、9z…アームシリンダ目標速度演算部、10a、10b、11a、10b…比例電磁弁、12…シャトル弁、20…記憶装置、50a〜55b…油圧駆動部、60a、60b、61a、61b…圧力検出器
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、
当該複数の油圧アクチュエータの動作を操作量に応じてそれぞれ指示するための複数の操作装置と、
前記複数の操作装置の操作量に応じて出力される操作信号に応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される油圧の流量及び方向を制御する複数の流量制御弁と、
予め設定される境界面上およびその上方の領域内で前記作業装置が動くように制御する領域制限制御を実行する制御装置とを備える建設機械の掘削制御装置において、
前記作業装置の掘削作業による目標形状は、2点によって規定される少なくとも1つの線分で定義されており、
前記制御装置は、前記少なくとも1つの線分を規定する複数の点のいずれかに前記作業装置の先端部が近づいたとき、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも1つの動作速度を低減するように前記操作信号を補正することを特徴とする建設機械の掘削制御装置。 An articulated working device configured by connecting a plurality of driven members;
A plurality of hydraulic actuators for respectively driving the plurality of driven members;
A plurality of operation devices for respectively instructing the operations of the plurality of hydraulic actuators according to the operation amount;
A plurality of flow rate control valves that are driven according to operation signals output according to operation amounts of the plurality of operation devices and that control flow rates and directions of hydraulic pressure supplied to the plurality of hydraulic actuators;
In a construction machine excavation control device comprising: a control device that executes region restriction control for controlling the working device to move in a region above and above a preset boundary surface;
The target shape by excavation work of the working device is defined by at least one line segment defined by two points,
The control device is configured to reduce the operation speed of at least one of the plurality of hydraulic actuators when a tip of the working device approaches one of the plurality of points defining the at least one line segment. A construction machine excavation control device characterized by correcting a signal.
前記制御装置は、前記複数の点のうち前記作業装置の先端部に最も近い点と前記作業装置の先端部までの距離に応じて、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いを調節することを特徴とする建設機械の掘削制御装置。 The construction machine excavation control device according to claim 1,
The control device adjusts the degree of deceleration of the at least one hydraulic actuator according to a distance from a point closest to the tip of the working device among the plurality of points to a tip of the working device. Excavation control device for construction machinery.
前記目標形状は、連続した複数の線分によって定義されており、
前記制御装置は、前記複数の点のうち前記作業装置の先端部に最も近い点に隣接する2つの線分のなす角の大きさに応じて、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いを調節することを特徴とする建設機械の掘削制御装置。 The construction machine excavation control device according to claim 1,
The target shape is defined by a plurality of continuous line segments,
The control device adjusts a degree of deceleration of the at least one hydraulic actuator according to a size of an angle formed by two line segments adjacent to a point closest to the tip of the working device among the plurality of points. A construction machine excavation control device characterized by the above.
前記制御装置は、前記隣接する2つの線分のなす角の大きさが0に近づくほど、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いが小さくなるように調節することを特徴とする建設機械の掘削制御装置。 In the construction machine excavation control device according to claim 3,
The control device adjusts so that the degree of deceleration of the at least one hydraulic actuator decreases as the angle formed by the two adjacent line segments approaches zero. apparatus.
前記制御装置は、前記最も近い点に対する前記作業装置の先端部の動作方向に基づいて、前記少なくとも1つの油圧アクチュエータの減速度合いを調節することを特徴とする建設機械の掘削制御装置。 The hydraulic excavation control device for a construction machine according to any one of claims 1 to 4,
The excavation control device for a construction machine, wherein the control device adjusts a deceleration degree of the at least one hydraulic actuator based on an operation direction of a tip portion of the working device with respect to the closest point.
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