JP6581136B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明はマシンコントロールが実行可能な作業機械に関する。

油圧ショベルには、オペレータの掘削操作を補助する制御システムが備えられることがある。具体的には、操作装置を介して掘削操作（例えば、アームクラウドの指示）が入力された場合、目標面と作業機の先端（例えばバケットの爪先）の位置関係を基に、作業機（フロント作業機とも言う）の先端の位置が目標面上及びその上方の領域内に保持されるように、作業機を駆動するブームシリンダ、アームシリンダ及びバケットシリンダのうち少なくともブームシリンダを強制的に動作させる制御（例えば、ブームシリンダを伸ばして強制的にブーム上げ動作を行う）を実行する制御システムがある。このような作業機先端の動き得る領域を制限する制御システムの利用により掘削面の仕上げ作業や法面の成形作業が容易になる。以下では、この種の制御を「領域制限制御」、「（オペレータ操作に対する）介入制御」または「マシンコントロール（ＭＣ：Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」と称することがある。

この種の技術に関連して、特許第３０５６２５４号公報では、バケット先端が目標面（侵入不可領域）に近づいた場合、バケット先端の移動方向に関わらずバケット先端の速度を遅くすると、目標面に沿った方向の掘削速度も遅くなり能率が低下することを指摘している。そして、これに対する解決策として、バケット先端の移動速度の内、目標面に垂直な成分のみを介入制御により制限し、目標面に平行な速度成分については、オペレータの操作信号をそのままフロント動作指令として与えて介入制御しない制御の方法が述べられている。

特許第３０５６２５４号公報

上記先行技術文献のようなマシンコントロール機能を搭載したショベル（以下「ＭＣ機」と称することがある）は、電子情報として与えられる設計面（目標面）に沿ってバケット爪先位置が動作するように機体を制御することで設計面の掘削・成形を行ういわゆる情報化施工の場面にも応用できる。この場合、自機に設定した座標系（ショベル座標系）上でのバケット爪先位置を作業機の姿勢センサの検出値から算出し、全地球衛生測位システム（ＧＮＳＳ）などを利用して地球に設定した座標系（世界座標系）上での自機の位置及び向きを算出し、両者（ショベル座標系における爪先位置と、世界座標系における自車の位置及び向き）を組み合わせることで世界座標系における爪先位置が算出できる。そして、世界座標系における爪先位置が目標面に沿って動作するように機体を制御すれば、目標面（設計面）の掘削・成形が可能となる。

このように目標面を掘削・成形する作業では、掘削面を目標面に沿って均すために、ブーム下げ動作を行いバケット背面で掘削面を略垂直に押圧する土羽打ちという締固め作業がなされる。土羽打ち作業では、土質に適した略一定の押圧力で土羽打ちを繰り返すことが求められるが、その操作には熟練が要求される。そこでオペレータの技量に関わらず、土羽打ちの押圧力の調整と保持が可能な作業機械が求められている。また、ＭＣ実行中には、土羽打ちを目的にブーム下げ操作をしても目標面を超えるフロント作業機の動作が抑制されるため、バケット背面で掘削面に圧力をかけられない。つまりＭＣ実行中には土羽打ちができないので、先行技術文献のショベルでは土羽打ちの都度ＭＣをＯＦＦにする必要がある。さらに、通常、土羽打ち作業の完了後は、ＭＣによりバケット爪先を目標面に沿って移動させる仕上げ作業が行われるため、土羽打ち作業で一旦ＯＦＦにしたＭＣ機能をＯＮにしなければならず、この一連の切り換え操作がオペレータの負担となる。

本発明は上記を鑑みて発明されたものであり、その目的は、マシンコントロール機能を有し、土羽打ち時の押圧力の調整・維持が可能な作業機械を提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の油圧アクチュエータにより駆動される作業機と、オペレータの操作に応じて前記作業機の動作を指示する操作装置と、前記操作装置の操作時に、予め定めた条件に従って前記作業機を動作させるマシンコントロールを実行するマシンコントロール部を有する制御装置とを備える作業機械において、オペレータに操作される介入強度入力装置を備え、前記制御装置は、前記介入強度入力装置の操作量に基づいて、前記操作装置の操作で指示される前記作業機の動作に前記マシンコントロールが介入する度合の大小を示す介入強度の補正量を算出する補正度合演算部をさらに備え、前記マシンコントロール部は、前記補正度合演算部で算出された前記補正量に基づいて補正された介入強度で、前記操作装置の操作で指示される前記作業機の動作に前記マシンコントロールを介入させることとする。

本発明によれば、マシンコントロール機能を有する作業機械において、土羽打ち時の押圧力の調整・維持が可能となる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの構成図。 油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図。 油圧ショベルのフロント制御用油圧ユニットの詳細図。 油圧ショベルの制御コントローラのハードウェア構成図。 油圧ショベルにおける座標系および目標面を示す図。 油圧ショベルの制御コントローラの機能ブロック図。 図６中のマシンコントロール部の機能ブロック図。 介入強度入力装置を備えた操作レバーの上面図。 介入強度入力装置を備えた操作レバーの側面図。 介入強度入力装置を備えた操作レバーの前面図。 バケット爪先速度の垂直成分の制限値ａｙと距離Ｄの関係を示す図。 制限値ａｙと距離Ｄと介入強度の関係を示す図。 制御コントローラのモード判定部で実行されるモード判定処理のフローチャート。 制御コントローラの制御信号演算部で実行されるブーム下げ減速モードのフローチャート。 介入強度を変化させた場合のブームパイロット圧、距離Ｄ、ブーム速度及びブームロッド圧の比較図。 制御コントローラの制御信号演算部で実行されるブーム上げ・下げモードのフローチャート。 表示装置の表示内容例を示す図。 制限値ａｙと距離Ｄと介入強度の関係を示す図。 制限値ａｙと距離Ｄと介入強度の関係を示す図。 介入強度入力装置を備えた操作レバーの上面図。 介入強度入力装置を備えた操作レバーの側面図。 介入強度入力装置を備えた操作レバーの前面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下では、作業機の先端のアタッチメントとしてバケット１０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。さらに、複数の被駆動部材（アタッチメント、アーム、ブーム等）を連結して構成され、所定の動作平面上で動作する多関節型の作業機を有するものであれば油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

また、本稿では、或る形状を示す用語（例えば、目標面、制御対象面等）とともに用いられる「上」、「上方」又は「下方」という語の意味に関し、「上」は当該或る形状の「表面」を意味し、「上方」は当該或る形状の「表面より高い位置」を意味し、「下方」は当該或る形状の「表面より低い位置」を意味することとする。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、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。

＜基本構成＞
図１は本発明の実施形態に係る油圧ショベルの構成図であり、図２は本発明の実施形態に係る油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図であり、図３は図２中のフロント制御用油圧ユニット１６０の詳細図である。

図１において、油圧ショベル１は、多関節型のフロント作業機１Ａと車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは、左右の走行モータ３ａ，３ｂにより走行する下部走行体１１と、下部走行体１１の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体１２とからなる。フロント作業機１Ａは、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム８、アーム９及びバケット１０）を連結して構成されており、フロント作業機１Ａのブーム８の基端は上部旋回体１２の前部に支持されている。

上部旋回体１２に搭載された原動機であるエンジン１８は、油圧ポンプ２とパイロットポンプ４８を駆動する。油圧ポンプ２はレギュレータ２ａによって容量が制御される可変容量型ポンプであり、パイロットポンプ４８は固定容量型ポンプである。本実施形態においては、パイロットライン１４４，１４５，１４６，１４７，１４８，１４９の途中にシャトルブロック１６２が設けられている。オペレータの操作に応じてフロント作業機１Ａの動作を指示する操作装置４５，４６，４７から出力された油圧信号が、このシャトルブロック１６２を介してレギュレータ２ａにも入力される。シャトルブロック１６２の詳細構成は省略するが、油圧信号がシャトルブロック１６２を介してレギュレータ２ａに入力されており、油圧ポンプ２の吐出流量が当該油圧信号に応じて制御される。

パイロットポンプ４８の吐出配管であるポンプライン１４８ａはロック弁３９を通った後、複数に分岐して操作装置４５，４６，４７及びフロント制御用油圧ユニット１６０内の各弁に接続している。ロック弁３９は本例では電磁切換弁であり、その電磁駆動部は運転室（図１）に配置されたゲートロックレバー（不図示）の位置検出器と電気的に接続している。ゲートロックレバーのポジションは位置検出器で検出され、その位置検出器からロック弁３９に対してゲートロックレバーのポジションに応じた信号が入力される。ゲートロックレバーのポジションがロック位置にあればロック弁３９が閉じてポンプライン１４８ａが遮断され、ロック解除位置にあればロック弁３９が開いてポンプライン１４８ａが開通する。つまり、ポンプライン１４８ａが遮断された状態では操作装置４５，４６，４７による操作が無効化され、旋回や掘削等の動作が禁止される。

ブーム８、アーム９、バケット１０及び上部旋回体１２はブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７及び旋回油圧モータ４（油圧アクチュエータ）によりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成する。これら被駆動部材８，９，１０，１２への動作指示は、上部旋回体１２上の運転室内に搭載された走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａおよび操作左レバー１ｂ（これらを操作レバー１、２３と総称することがある）のオペレータによる操作に応じて出力される。

運転室内には、走行右レバー２３ａを有する操作装置４７ａと、走行左レバー２３ｂを有する操作装置４７ｂと、操作右レバー１ａを共有する操作装置４５ａ、４６ａと、操作左レバー１ｂを共有する操作装置４５ｂ、４６ｂが設置されている。走行レバー２３ａ，２３ｂと操作レバー１ａ，１ｂはショベルの操作中にオペレータの手が置かれる把持部である。操作装置４５，４６，４７は、油圧パイロット方式であり、パイロットポンプから吐出される圧油をもとに、それぞれオペレータにより操作される操作レバー１、２３の操作量（例えば、レバーストローク）と操作方向に応じたパイロット圧（操作圧と称することがある）を発生する。このように発生したパイロット圧は、コントロールバルブユニット２０内の対応する流量制御弁１５ａ〜１５ｆ（図２参照）の油圧駆動部１５０ａ〜１５５ｂにパイロットライン１４４ａ〜１４９ｂ（図２参照）を介して供給され、これら流量制御弁１５ａ〜１５ｆを駆動する制御信号として利用される。

油圧ポンプ２から吐出された圧油は、流量制御弁１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ（図２参照）を介して走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂ、旋回油圧モータ４、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に供給される。供給された圧油によってブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７が伸縮することで、ブーム８、アーム９、バケット１０がそれぞれ回動し、バケット１０の位置及び姿勢が変化する。また、供給された圧油によって旋回油圧モータ４が回転することで、下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。さらに、供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂが回転することで、下部走行体１１が走行する。

一方、ブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度α、β、γ（図５参照）を測定可能なように、ブームピンにブーム角度センサ３０、アームピンにアーム角度センサ３１、バケットリンク１３にバケット角度センサ３２が取付けられ、上部旋回体１２には基準面（例えば水平面）に対する上部旋回体１２（車体１Ｂ）の前後方向の傾斜角θ（図５参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。

本実施形態の油圧ショベルには、オペレータの掘削操作を補助する目的で、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ｃの操作時に、予め定めた条件に従って、操作装置の操作で指示された動作と異なる動作でフロント作業機１Ａを動作させるマシンコントロールを実行する制御システムが備えられている。具体的には、操作装置４５ｂ，４６ａを介して掘削操作（具体的には、アームクラウド、バケットクラウド及びバケットダンプの少なくとも１つの指示）が入力された場合、目標面６０（図５参照）と作業機１Ａの先端（本実施形態ではバケット１０の爪先とする）の位置関係を基に、作業機１Ａの先端の位置が目標面６０上及びその上方の領域内に保持されるように油圧アクチュエータ５，６，７のうち少なくとも１つを強制的に動作させる制御信号（例えば、ブームシリンダ５を伸ばして強制的にブーム上げ動作を行う）を該当する流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに出力する掘削制御システムが備えられている。本稿ではこの制御を「領域制限制御」または「マシンコントロール」と称することがある。この制御によりバケット１０の爪先が目標面６０の下方に侵入することが防止されるので、オペレータの技量の程度に関わらず目標面６０に沿った掘削が可能となる。本実施形態では、領域制限制御に係る制御点を、油圧ショベルのバケット１０の爪先（作業機１Ａの先端）に設定している。制御点は作業機１Ａの先端部分の点であればバケット爪先以外にも変更可能である。例えば、バケット１０の底面や、バケットリンク１３の最外部も選択可能である。

＜スイッチ１７、入力装置９６、表示装置５３＞
領域制限制御（マシンコントロール）の実行が可能な掘削制御システムは、運転室内に設置され、目標面６０と作業機１Ａの位置関係が表示可能な表示装置（例えば液晶ディスプレイ）５３と、操作レバー１ａに設けられ、マシンコントロールの有効無効を択一的に切り替えるマシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７と、操作レバー１ａに設けられ、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ（操作レバー１ａ，１ｂ）を介したオペレータ操作に対するマシンコントロールの介入強度を調整する介入強度入力装置９６（入力装置）と、マシンコントロールが実行可能なコンピュータである制御コントローラ（制御装置）４０とを備えている。ここで「介入強度」とは、操作装置の操作で指示されるフロント作業機１Ａの動作に対してマシンコントロールが介入する度合の大小を示すものとする。

図８Ａ，Ｂ，Ｃは、マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７と、介入強度入力装置９６（入力装置）を備えた操作レバー１ａの構成図である。図８Ａは操作レバー１ａの上面図、図８Ｂはその側面図、図８Ｃはその前面図である。

マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７は、ジョイスティック形状の操作レバー１ａにおける前面の上端部に設けられており、例えば操作レバー１ａを握るオペレータの親指により押下される。マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７は、モーメンタリスイッチであり、押下される度にマシンコントロールの有効と無効が切り替えられる。なお、スイッチ１７の設置箇所は操作レバー１ａ（１ｂ）に限らず、その他の場所に設けても良い。

介入強度入力装置９６は、マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７の隣りに設けられており、スイッチ１７と同様に操作レバー１ａを握るオペレータの親指により操作される。介入強度入力装置９６は、操作レバー１ａの表面に対して奥方向及び手前方向（図８Ｂ参照）に傾倒するスティック部を有するアナログスティックであり、当該スティック部の傾倒方向及び傾倒量を制御コントローラ４０（マシンコントロール部４３）に出力する。図８Ｂのスティック部の位置が初期位置であり、オペレータが手を離すとスティック部はレバー内部に設けられた付勢手段（図示せず）の付勢力により初期位置に戻る。スティック部を奥方向に傾倒すると初期位置からの傾倒量（操作量）に応じて介入強度が強くなり、手前方向に傾倒すると初期位置からの傾倒量（操作量）に応じて介入強度が弱くなる。

＜フロント制御用油圧ユニット１６０＞
図３に示すように、フロント制御用油圧ユニット１６０は、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ａ、１４４ｂに設けられ、操作レバー１ａの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）を検出する圧力センサ７０ａ、７０ｂ（図３参照）と、一次ポート側がポンプライン１４８ａを介してパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５４ａ（図３参照）と、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ａと電磁比例弁５４ａの二次ポート側に接続され、パイロットライン１４４ａ内のパイロット圧と電磁比例弁５４ａから出力される制御圧（第２制御信号）の高圧側を選択し、流量制御弁１５ａの油圧駆動部１５０ａに導くシャトル弁８２ａ（図３参照）と、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ｂに設置され、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロットライン１４４ｂ内のパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５４ｂ（図３参照）と、一次ポート側がパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５４ｃ（図３参照）と、パイロットライン１４４ｂ内のパイロット圧と電磁比例弁５４ｃから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁１５ａの油圧駆動部１５０ｂに導くシャトル弁８２ｂ（図３参照）を備えている。

また、フロント制御用油圧ユニット１６０は、アーム９用のパイロットライン１４５ａ、１４５ｂに設置され、操作レバー１ｂの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）を検出して制御コントローラ４０に出力する圧力センサ７１ａ、７１ｂ（図３参照）と、パイロットライン１４５ｂに設置され、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロット圧（第１制御信号）を低減して流量制御弁１５ｂの油圧駆動部１５１ｂに出力する電磁比例弁５５ｂ（図３参照）と、パイロットライン１４５ａに設置され、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロットライン１４５ａ内のパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５５ａ（図３参照）と、一次ポート側がパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５５ｃ（図３参照）と、電磁比例弁５５ａと電磁比例弁５５ｃから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁１５ｂの油圧駆動部１５１ａに導くシャトル弁８４ａ（図３参照）が設けられている。

また、フロント制御用油圧ユニット１６０は、バケット１０用のパイロットライン１４６ａ、１４６ｂには、操作レバー１ａの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）を検出して制御コントローラ４０に出力する圧力センサ７２ａ、７２ｂ（図３参照）と、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５６ａ、５６ｂ（図３参照）と、一次ポート側がパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５６ｃ，５６ｄ（図３参照）と、電磁比例弁５６ａ，５６ｂと電磁比例弁５６ｃ，５６ｄから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁１５ｃの油圧駆動部１５２ａ，１５２ｂに導くシャトル弁８３ａ，８３ｂ（図３参照）とがそれぞれ設けられている。なお、図３では、圧力センサ７０、７１、７２と制御コントローラ４０との接続線は紙面の都合上省略している。

電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂは、非通電時には開度が最大で、制御コントローラ４０からの制御信号である電流を増大させるほど開度は小さくなる。一方、電磁比例弁５４ａ，５４ｃ，５５ｃ，５６ｃ，５６ｄは、非通電時には開度をゼロ、通電時に開度を有し、制御コントローラ４０からの電流（制御信号）を増大させるほど開度は大きくなる。このように各電磁比例弁の開度５４，５５，５６は制御コントローラ４０からの制御信号に応じたものとなる。

上記のように構成されるフロント制御用油圧ユニット１６０において、制御コントローラ４０から制御信号を出力して電磁比例弁５４ａ，５４ｃ，５５ｃ，５６ｃ，５６ｄを駆動すると、操作装置４５ａ，４６ａのオペレータ操作が無い場合にもパイロット圧（第２制御信号）を発生できるので、ブーム上げ動作、ブーム下げ動作、アームクラウド動作、バケットクラウド動作又はバケットダンプ動作を強制的に発生できる。また、これと同様に制御コントローラ４０により電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動すると、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａのオペレータ操作により発生したパイロット圧（第１制御信号）を減じたパイロット圧（第２制御信号）を発生することができ、ブーム下げ動作、アームクラウド／ダンプ動作、バケットクラウド／ダンプ動作の速度をオペレータ操作よりも強制的に低減できる。

本稿では、流量制御弁１５ａ〜１５ｃに対する制御信号のうち、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作によって発生したパイロット圧を「第１制御信号」と称する。そして、流量制御弁１５ａ〜１５ｃに対する制御信号のうち、制御コントローラ４０で電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動して第１制御信号を補正（低減）して生成したパイロット圧と、制御コントローラ４０で電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動して第１制御信号とは別に新たに生成したパイロット圧を「第２制御信号」と称する。

詳細は後述するが、第２制御信号は、第１制御信号によって発生される作業機１Ａの先端の速度ベクトルが所定の制限に反するときに生成され、当該所定の制限に反しない作業機１Ａの先端の速度ベクトルを発生させる制御信号として生成される。なお、同一の流量制御弁１５ａ〜１５ｃにおける一方の油圧駆動部に対して第１制御信号が、他方の油圧駆動部に対して第２制御信号が生成される場合は、第２制御信号を優先的に油圧駆動部に作用させるものとし、第１制御信号を電磁比例弁で遮断し、第２制御信号を当該他方の油圧駆動部に入力する。したがって、流量制御弁１５ａ〜１５ｃのうち第２制御信号が演算されたものについては第２制御信号を基に制御され、第２制御信号が演算されなかったものについては第１制御信号を基に制御され、第１及び第２制御信号の双方が発生しなかったものについては制御（駆動）されないことになる。上記のように第１制御信号と第２制御信号を定義すると、上記の「領域制限制御」または「マシンコントロール」は、第２制御信号に基づく流量制御弁１５ａ〜１５ｃの制御ということもできる。

＜制御コントローラ４０＞
図４に、制御コントローラ４０のハードウェア構成を示す。制御コントローラ４０は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、作業機姿勢検出装置５０である角度センサ３０〜３２及び傾斜角センサ３３からの信号と、任意の目標面６０を設定するための装置である目標面設定装置５１からの信号と、マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７からの信号と、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａからの操作量を検出する圧力センサ（圧力センサ７０，７１，７２を含む）であるオペレータ操作検出装置５２ａからの信号と、介入強度入力装置９６からの信号を入力し、ＣＰＵ９２が演算可能なように変換する。ＲＯＭ９３は、後述するフローチャートに係る処理を含め領域制限制御を実行するための制御プログラムと、当該フローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力部９１及びメモリ９３、９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を電磁比例弁５４〜５６または表示装置５３に出力することで、油圧アクチュエータ５〜７を駆動・制御したり、車体１Ｂ、バケット１０及び目標面６０等の画像を表示装置５３であるモニタの表示画面上に表示させたりする。

なお、図４の制御コントローラ４０は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、記憶装置であれば特に半導体メモリに限定することなく代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。

図６は、本発明の実施形態に係る制御コントローラ４０の機能ブロック図である。制御コントローラ４０は、マシンコントロール部４３と、電磁比例弁制御部４４と、表示制御部３７４を備えている。

作業機姿勢検出装置５０は、ブーム角度センサ３０、アーム角度センサ３１、バケット角度センサ３２、車体傾斜角センサ３３、から構成される。

目標面設定装置５１は、目標面６０に関する情報（各目標面の位置情報や傾斜角度情報を含む）を入力可能なインターフェースである。目標面設定装置５１を介した目標面の入力は、オペレータが手動で行っても、ネットワーク等を介して外部から取り込んでも良い。また、目標面設定装置５１にはＧＮＳＳ受信機等の衛星通信アンテナ（図示せず）が接続されている。グローバル座標系（絶対座標系）上に規定された目標面の３次元データを格納した外部端末とショベルがデータ通信可能な場合には、当該衛星通信アンテナにより特定したショベルのグローバル座標を基にショベル位置に対応する目標面を当該外部端末の３次元データ内で探索して取り込むことができる。

オペレータ操作検出装置５２ａは、オペレータによる操作レバー１ａ、１ｂ（操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ）の操作によってパイロットライン１４４，１４５，１４６に生じる操作圧（第１制御信号）を取得する圧力センサ７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂから構成される。すなわち、作業機１Ａに係る油圧シリンダ５，６，７に対する操作を検出している。

＜表示装置＞
表示制御部３７４は、マシンコントロール部４３から出力される作業機姿勢、目標面、マシンコントロールのＯＮ／ＯＦＦ状態、オペレータ操作に対するマシンコントロールの介入強度の情報を基に表示装置５３を制御する部分である。表示制御部３７４には、アイコンを含む表示関連データが多数格納されている表示ＲＯＭが備えられており、表示制御部３７４が、入力情報に含まれるフラグに基づいて所定のプログラムを読み出すとともに、表示装置５３における表示制御をする。

具体的には、表示制御部３７４は、図１５に示すように、介入強度入力装置９６のスティック部の傾倒方向と傾倒量を基に介入強度（介入強度入力装置９６による制限値ａｙの変化の度合）を表示部３９５に表示する。図１２の例では、スティック部の傾倒量（操作量）に比例して表示部３９５における介入強度の数値を変化させており、介入強度が強くなる奥方向にスティック部が傾倒された場合の介入強度は正（＋）と表示され、介入強度が弱くなる手前方向に傾倒された場合の介入強度は負（−）と表示される。表示部３９５に表示する介入強度は、図１５に例示した数値だけでなく、その程度を示すメータ表示などを利用しても良い。

また、マシンコントロールのＯＮ／ＯＦＦ状態がＯＮであることを示す情報がマシンコントロール部４３から入力された場合、表示制御部３７４は、表示画面３９１上にマシンコントロールのＯＮ／ＯＦＦ状態がＯＮであることを示すアイコン３９３を表示する。一方、マシンコントロールのＯＮ／ＯＦＦ状態がＯＦＦであることを示す情報が入力された場合、表示制御部３７４は表示画面３９１上でアイコン３９４を非表示にする。図１５の表示画面３９１には、目標面６０とバケット１０の位置関係をオペレータに通知するための、目標面６０の縦断面図（バケット１０の側面図）と、バケット１０の爪先位置における目標面６０の横断面図が作業機姿勢及び目標面の情報を基に表示されている。

＜マシンコントロール部４３、電磁比例弁制御部４４＞
図７は図６中のマシンコントロール部４３の機能ブロック図である。マシンコントロール部４３は、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ｃの操作時に，予め定めた条件に従ってフロント作業機１Ａを動作させるマシンコントロールを実行する。マシンコントロール部４３は、操作量演算部４３ａと、姿勢演算部４３ｂと、目標面演算部４３ｃと、シリンダ速度演算部４３ｄと、バケット先端速度演算部４３ｅと、目標バケット先端速度演算部４３ｆと、目標シリンダ速度演算部４３ｇと、目標パイロット圧演算部４３ｈと、補正度合演算部４３ｍと、モード判定部４３ｎを備えている。このうち、シリンダ速度演算部４３ｄ、バケット先端速度演算部４３ｅ、目標バケット先端速度演算部４３ｆ、目標シリンダ速度演算部４３ｇおよび目標パイロット圧演算部４３ｈを「制御信号演算部４３Ｘ」と総称することがある。

操作量演算部４３ａは、オペレータ操作検出装置５２ａからの入力を基に操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ（操作レバー１ａ，１ｂ）の操作量を算出する。圧力センサ７０，７１，７２の検出値から操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作量が算出できる。

なお、圧力センサ７０，７１，７２による操作量の算出は一例に過ぎず、例えば各操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作レバーの回転変位を検出する位置センサ（例えば、ロータリーエンコーダ）で当該操作レバーの操作量を検出しても良い。

姿勢演算部４３ｂは作業機姿勢検出装置５０からの情報に基づき、作業機１Ａの姿勢およびバケット１０の爪先の位置を演算する。作業機１Ａの姿勢は図５のショベル座標系上に定義できる。図５のショベル座標系は、上部旋回体１２に設定された座標系であり、上部旋回体１２に回動可能に支持されているブーム８の基底部を原点とし、上部旋回体１２における垂直方向にＺ軸、水平方向にＸ軸を設定した。Ｘ軸に対するブーム８の傾斜角をブーム角α、ブーム８に対するアーム９の傾斜角をアーム角β、アームに対するバケット爪先の傾斜角をバケット角γとした。水平面（基準面）に対する車体１Ｂ（上部旋回体１２）の傾斜角を傾斜角θとした。ブーム角αはブーム角度センサ３０により、アーム角βはアーム角度センサ３１により、バケット角γはバケット角度センサ３２により、傾斜角θは車体傾斜角センサ３３により検出される。図５中に規定したようにブーム８、アーム９、バケット１０の長さをそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、ショベル座標系におけるバケット爪先位置の座標および作業機１Ａの姿勢はＬ１，Ｌ２，Ｌ３，α，β，γで表現できる。

目標面演算部４３ｃは、目標面設定装置５１からの情報に基づき目標面６０の位置情報を演算し、これをＲＯＭ９３内に記憶する。本実施形態では、図５に示すように、３次元の目標面と作業機１Ａが移動する平面（作業機の動作平面）が交差する交線を目標面６０（作業機１Ａが移動する２次元平面上の目標線）として利用する。

モード判定部４３ｎは、姿勢演算部４３ｂと目標面演算部４３ｃの演算結果から求められるバケット爪先と目標面６０の位置関係と、操作量演算部４３ａから入力される操作装置４５ｂ，４６ａの操作内容を基に、制御信号演算部４３Ｘで行われる制御信号演算処理のモードを判定する。制御信号演算モードには、オペレータによるブーム下げ操作をマシンコントロールにより減速する「ブーム下げ減速モード」と、マシンコントロールより目標面６０上又はその上方にバケット１０が位置するようにブーム８を動作させる「ブーム上げ・下げモード」がある。モード判定部４３ｎによるモード判定処理の具体的内容については図１１を用いて後述し、当該２つのモードにおける制御信号演算処理（パイロット圧演算処理）の具体的内容についても図１２，１４を用いて後述する。なお、図７中のモード判定部４３ｎには、制御線が接続されていないが、操作量演算部４３ａ、姿勢演算部４３ｂ、目標面演算部４３ｃ及び制御信号演算部４３Ｘと接続されているものとする。

補正度合演算部４３ｍは、介入強度入力装置９６から入力されるスティック部の傾倒方向及び傾倒量（操作方向及び操作量）に関する情報に基づき、オペレータ操作に対するマシンコントロールの介入強度の補正量を算出する。補正度合演算部４３ｍは、スティック部の傾倒量（操作量）に比例して介入強度の補正量の数値を算出している。介入強度の補正量の符号は、介入強度が強くなる奥方向にスティック部が傾倒された場合、正（＋）とし、介入強度が弱くなる手前方向に傾倒された場合、負（−）とする。本実施の形態における介入強度の補正量は、正と負ごとに１０段階とするが、これは一例に過ぎず段階数を任意に増減しても良い。また、介入強度の補正量の符号を正負の一方に限定しても良い。その際、入力装置９６のスティック部の傾倒方向を制限しても良い。

シリンダ速度演算部４３ｄは、操作量演算部４３ａで演算された操作量（第１制御信号）を基に各油圧シリンダ５，６，７の動作速度（シリンダ速度）を演算する。各油圧シリンダ５，６，７の動作速度は、操作量演算部４３ａで演算された操作量と、流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの特性と、各油圧シリンダ５，６，７の断面積と、油圧ポンプ２の容量（傾転角）と回転数を乗じて得られるポンプ流量（吐出量）等から算出できる。

バケット先端速度演算部４３ｅは、シリンダ速度演算部４３ｄで演算された各油圧シリンダ５，６，７の動作速度と、姿勢演算部４３ｂで演算された作業機１Ａの姿勢とを基に、オペレータ操作（第１制御信号）によるバケット先端（爪先）の速度ベクトルＢを演算する。バケット先端の速度ベクトルＢは、目標面演算部４３ｃから入力される目標面６０の情報を基に、目標面６０に水平な成分ｂｘと垂直な成分ｂｙに分解できる。

目標バケット先端速度演算部４３ｆは、バケット先端（爪先）の目標速度ベクトルＴを演算する。そのために、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、まず、バケット先端から制御対象の目標面６０までの距離Ｄ（図５参照）と図９のグラフを基にバケット先端の速度ベクトルの目標面６０に垂直な成分の下限制限値ａｙを算出する。以下、下限制限値ａｙの「下限」を省略して「制限値ａｙ」と称する。制限値ａｙは、バケット先端の速度ベクトルにおける目標面６０の上方から目標面６０に向かう垂直方向成分の大きさの最大値とも換言できる。制限値ａｙの計算は、図９に示すような制限値ａｙと距離Ｄとの関係を定義した関数又はテーブル等の形式で制御コントローラ４０のＲＯＭ（記憶装置）９３に記憶しておき、この関係を適宜読み出して行う。距離Ｄは、姿勢演算部４３ｂで演算したバケット１０の爪先の位置（座標）と、ＲＯＭ９３に記憶された目標面６０を含む直線の距離から算出できる。図９のグラフでは、制限値ａｙは、距離Ｄごとに設定されており、かつ、距離Ｄがゼロに近づくほどその絶対値は小さくなるように設定されている。介入強度入力装置９６のスティック部が初期位置にある場合には図９のグラフを基に制限値ａｙが決定される。なお、制限値ａｙと距離Ｄとの関係は、距離Ｄの増加とともに制限値ａｙが単調減少する特性を有することが好ましいが、図９に示したものに限らない。例えば、距離Ｄが正の所定値以上または負の所定値以下で制限値ａｙが個別の所定値に保持されるようにしても良いし、制限値ａｙと距離Ｄの関係を曲線で定義しても良い。

次に目標バケット先端速度演算部４３ｆは、補正度合演算部４３ｍから入力される介入強度の補正量を基に制限値ａｙと距離Ｄの関係を変化させ、これにより同じ距離Ｄにおける制限値ａｙを介入強度の補正量に応じて変化させる。具体的には、介入強度入力装置９６のスティック部が奥方向（一の方向）に操作されると、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、距離Ｄごとの制限値ａｙを、それぞれ初期位置の値以上の値に変化させる（つまり初期位置の状態よりもマシンコントロールが介入する度合が大きくなる方向に変化する）。反対に、介入強度入力装置９６が手前方向（他の方向）に操作されると、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、距離Ｄごとの制限値ａｙを、それぞれ初期位置の値以下の値に変化させる（つまり、初期位置の状態よりもマシンコントロールが介入する度合が小さくなる方向に変化する）。本実施の形態の制限値ａｙは、介入強度（入力装置９６の傾倒方向及び傾倒量から算出される補正量で補正した介入強度）に応じて図１０のグラフのように変化する。制限値ａｙは、介入強度が正の場合、介入強度の大きさの増加とともに大きくなるように補正され、介入強度が負の場合、介入強度の大きさの増加とともに小さくなるように補正される。図１０の例では、正の介入強度での制限値ａｙの分布をＶ字型とし、負の介入強度での分布を逆Ｖ字型とした。なお、図１０では介入強度の補正量が−１０，−５，０，＋５，＋１０の５段階のグラフを示しているが、言うまでも無く他の段階のグラフも記憶されている。また、図１０の例では各介入強度の制限値ａｙを原点を通過する直線又は折線状に分布させたが、原点を通過する曲線状に分布させても良い。また、図９を経由することなく図１０から制限値ａｙを直接算出しても良い。

さらに目標バケット先端速度演算部４３ｆは、バケット先端の速度ベクトルＢの目標面６０に垂直な成分ｂｙを取得し、この垂直成分ｂｙと制限値ａｙの正負と絶対値の大小関係を基に、マシンコントロールによるブーム８の動作で発生すべきバケット先端の速度ベクトルＣの目標面６０に垂直な成分ｃｙを算出するために必要な式を選択する（式の選択過程については図１２，１４等を用いて後述する）。そして、その選択した式から垂直成分ｃｙを算出し、その垂直成分ｃｙを発生する際にブームに許容される動作から水平成分ｃｘを算出するとともに、速度ベクトルＢ，Ｃと制限値ａｙから目標速度ベクトルＴを算出する。以下では、目標速度ベクトルＴにおいて目標面６０に垂直な成分をｔｙ、水平な成分をｔｘとし、目標ベクトルＴの導出過程についても図１２，１４等を用いて後述する。

目標シリンダ速度演算部４３ｇは、目標バケット先端速度演算部４３ｆで算出された目標速度ベクトルＴ（ｔｘ，ｔｙ）を基に各油圧シリンダ５，６，７の目標速度を演算する。本実施形態では、目標速度ベクトルＴを、オペレータ操作による速度ベクトルＢと、マシンコントロールによる速度ベクトルＣの和で定義しているので、ブームシリンダ５の目標速度は速度ベクトルＣから演算できる。これにより、バケット先端の目標速度ベクトルＴは、各油圧シリンダ５，６，７を目標速度で動作させたときにバケット先端に表れる速度ベクトルの合成値となる。

目標パイロット圧演算部４３ｈは、目標シリンダ速度演算部４３ｇで算出された各シリンダ５，６，７の目標速度を基に各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を演算する。そして、演算した各油圧シリンダ５，６，７の目標パイロット圧を電磁比例弁制御部４４に出力する。

電磁比例弁制御部４４は、目標パイロット圧演算部４３ｈで算出された各流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を基に、各電磁比例弁５４〜５６への指令を演算する。

なお、オペレータ操作に基づくパイロット圧（第１制御信号）と、目標パイロット圧演算部４３ｈで算出された目標パイロット圧が一致する場合には、該当する電磁比例弁５４〜５６への電流値（指令値）はゼロとなり、該当する電磁比例弁５４〜５６の動作は行われない。

＜マシンコントロールのフローチャート＞
［モード判定処理］
図１１は制御コントローラ４０のモード判定部４３ｎで実行されるモード判定処理のフローチャートである。このフローチャートは、油圧ショベル１の電源がＯＮの間、所定の制御周期で繰り返される。図１１のフローチャートが開始されると、モード判定部４３ｎは、まずＳ１１０にて、操作量演算部４３ａからの入力を基にオペレータによるアームクラウド操作が無いか否かを判定する。ここでアームクラウド操作が無い場合にはＳ１１２に進む。一方、アームクラウド操作が有る場合にはＳ１１８に進んで、図１４に示すブーム上げ・下げモードを制御信号演算部４３Ｘで実行する。

Ｓ１１２では、モード判定部４３ｎは、操作量演算部４３ａからの入力を基にオペレータによるブーム下げ操作が有るか否かを判定する。ここでブーム下げ操作が有る場合にはＳ１１４に進む。一方、ブーム下げ操作が無い場合にはＳ１１８に進んでブーム上げ・下げモードを制御信号演算部４３Ｘで実行する。

Ｓ１１４では、モード判定部４３ｎは、姿勢演算部４３ｂから入力される作業機１Ａの姿勢と、目標面演算部４３ｃから入力される目標面６０の位置情報を基に、バケット爪先が目標面６０の上又は上方にあるか否かを判定する。ここで爪先が目標面６０の上又は上方にある場合にはＳ１１６に進んで、図１２に示すブーム下げ減速モードを制御信号演算部４３Ｘで実行する。一方、爪先が目標面６０の下方にある場合にはＳ１１８に進んでブーム上げ・下げモードを制御信号演算部４３Ｘで実行する。

Ｓ１１６又はＳ１１８が終了して所定の制御周期が経過したら、Ｓ１１０に戻って同様の処理を繰り返す。

［ブーム下げ減速モード］
図１２は制御コントローラ４０の制御信号演算部４３Ｘで実行されるブーム下げ減速モード（図１１のＳ１１６）のフローチャートである。図１１のフローチャートにおいてＳ１１６に到達したら、制御信号演算部４３Ｘは図１２のフローチャートを開始する。

Ｓ４１０では、シリンダ速度演算部４３ｄは、操作量演算部４３ａで演算された操作量を基に各油圧シリンダ５，６，７の動作速度（シリンダ速度）を演算する。

Ｓ４２０では、バケット先端速度演算部４３ｅは、シリンダ速度演算部４３ｄで演算された各油圧シリンダ５，６，７の動作速度と、姿勢演算部４３ｂで演算された作業機１Ａの姿勢とを基に、オペレータ操作によるバケット先端（爪先）の速度ベクトルＢを演算する。

Ｓ４３０では、バケット先端速度演算部４３ｅは、姿勢演算部４３ｂで演算したバケット１０の爪先の位置（座標）と、ＲＯＭ９３に記憶された目標面６０を含む直線の距離から、バケット先端から制御対象の目標面６０までの距離Ｄ（図５参照）を算出する。そして、距離Ｄと図９のグラフを基にバケット先端の速度ベクトルの目標面６０に垂直な成分の制限値ａｙを算出する。さらに、補正度合演算部４３ｍから入力される介入強度の補正量と、図１０のグラフと、距離Ｄを基に制限値ａｙを算出する。なお、図１１のフローチャートでブーム下げ減速モードが選択された場合には距離Ｄは正（＋）であり、その場合、図１０から制限値ａｙは負（−）となる。

Ｓ４４０では、バケット先端速度演算部４３ｅは、Ｓ４２０で算出したオペレータ操作によるバケット先端の速度ベクトルＢにおいて、目標面６０に垂直な成分ｂｙを取得する。

Ｓ４７０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ６００に進む。一方、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ６１０に進む。

Ｓ６００に進んだ場合、速度ベクトルＢにおける垂直成分ｂｙの大きさは制限値ａｙの大きさ以下なので、マシンコントロールによって速度ベクトルＢを減速する必要がない。つまり、Ｓ６００に至った場合の目標速度ベクトルＴは、オペレータ操作による速度ベクトルＢと一致する。したがって、目標速度ベクトルＴの目標面６０に垂直な成分をｔｙ、水平な成分ｔｘとすると、それぞれ「ｔｙ＝ｂｙ、ｔｘ＝ｂｘ」と表すことができる。

一方、Ｓ６１０に進んだ場合、速度ベクトルＢにおける垂直成分ｂｙの大きさは制限値ａｙの大きさを越えるので、マシンコントロールによって速度ベクトルＢの垂直成分を制限値ａｙまで減速しなければならない。そこで、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、目標速度ベクトルＴの垂直成分ｔｙをａｙとする（Ｓ６１０）。そして、マシンコントロールによるブーム下げの減速で制限値ａｙを出力可能な速度ベクトルＡを算出し、その水平成分（ａｘ）を目標速度ベクトルＴの水平成分ｔｘとする（Ｓ６２０）。Ｓ６１０，６２０の結果から目標速度ベクトルＴは結局「ｔｙ＝ａｙ、ｔｘ＝ａｘ」となる（Ｓ６３０）。

なお、上記Ｓ６１０〜Ｓ６３０は、マシンコントロールの結果のバケット先端の速度ベクトルの向きを、オペレータの操作による速度ベクトルの向きに合わせる場合の処理である。この他にマシンコントロールでは目標面に平行な向きの速度成分に介入しない方式も考えられる。この場合、Ｓ６１０及びＳ６２０は省略し、Ｓ６３０でｔｙ＝ａｙ，ｔｘ＝ｂｘとする。

Ｓ５５０では、目標シリンダ速度演算部４３ｇは、Ｓ６００またはＳ６３０で決定した目標速度ベクトルＴ（ｔｙ，ｔｘ）を基に各油圧シリンダ５，７の目標速度を演算する。目標速度ベクトルＴの垂直成分ｔｙがａｙで水平成分ｔｘがａｘのとき（すなわちＳ６３０を通過したとき）、本実施の形態では、アーム及びバケットの動作（操作）に対してはマシンコントロールを介入させず、ブーム下げの動作に対してマシンコントロールを介入させて目標速度ベクトルＴを実現するように設定されている。つまり、このとき、ブーム８の流量制御弁１５ａについては第２制御信号が演算されるが、アーム９及びバケット１０の流量制御弁１５ｂ，１５ｃについては第２制御信号は演算されない。

Ｓ５６０では、目標パイロット圧演算部４３ｈは、Ｓ５５０で算出された各シリンダ５，７の目標速度を基に各油圧シリンダ５，７の流量制御弁１５ａ，１５ｃへの目標パイロット圧を演算する。

Ｓ５９０では、目標パイロット圧演算部４３ｈは、各油圧シリンダ５，７の流量制御弁１５ａ，１５ｃへの目標パイロット圧を電磁比例弁制御部４４に出力する。電磁比例弁制御部４４は、各油圧シリンダ５，７の流量制御弁１５ａ，１５ｃに目標パイロット圧が作用するように電磁比例弁５４，５６を制御し、これにより土羽打ち作業を含むブーム下げ動作が行われる。特に、Ｓ６３０を経由した場合には目標速度ベクトルの垂直成分ｔｙが制限値ａｙに制限され、マシンコントロールによるブーム下げの減速が発動される。

上記のように構成された油圧ショベル１を用いて土羽打ち作業（水平面の締め固め動作）を行った場合の動作を、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は介入強度が初期位置の動作であり、図１３（ｂ）は介入強度を小さくした場合（例えば−５）の動作である。いずれの場合も時刻Ｔ１でオペレータがブーム下げ操作を行っており、ブーム８が下がることによって、目標面６０との距離Ｄが小さくなる。その後、時刻Ｔ２で距離がＤ１のときに速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが制限値ａｙに達したとすると、時刻Ｔ２からマシンコントロールによりブーム下げ速度が制限され、時刻Ｔ３で目標面６０との距離Ｄが０になるとブーム下げパイロット圧が０になる。

介入強度が初期位置の値（基準値）の場合、図１３（ａ）に示すように、ブーム下げ速度が制限され始める距離Ｄ１が相対的に大きく、距離Ｄの変化率が相対的に小さい。この場合、３段目のグラフに示すように、ブーム下げ速度の指令の値と実際の値との乖離が小さく、バケット１０は滑らかに目標面６０に達する。そのため、時刻Ｔ３直後のブームロッド圧の上昇度が小さい。

一方で、介入強度を初期位置の値よりも小さくした場合、図１３（ｂ）に示すように、ブーム下げ速度が制限され始める距離Ｄ１が相対的に小さくなり、距離Ｄの変化率が相対的に大きくなる。この場合、ブーム下げ速度の指令の値と実際の値との乖離が大きく、目標面６０に達する直前のブーム下げ速度が図１３（ａ）の場合と比較して大きい。そのため、目標面６０に衝突しながらバケット１０が停止し、時刻Ｔ３直後のブームロッド圧の上昇度が図１３（ａ）の場合と比較して大きくなる。

つまり、図１２のフローチャートに従って制御されるショベルにおいては、介入強度入力装置９６の手前方向の傾倒量を変化させることで距離Ｄごとの制限値ａｙを初期位置の値より小さくすると、マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７がＯＮの状態であってもブーム下げによりバケット１０で目標面６０を押圧できる（つまり、土羽打ちをすることができる）。さらに、その際の押圧力は介入強度入力装置９６の手前方向の傾倒量を変化させることで調整できる。また、介入強度入力装置９６を利用してマシンコントロールの介入強度をオペレータの技量や好みに合わせて調節すれば、工数や精神的負担の軽減効果を発揮できる。

［ブーム上げ・下げモード］
図１４は制御コントローラ４０の制御信号演算部４３Ｘで実行されるブーム上げ・下げモード（図１１のＳ１１８）のフローチャートである。図１１のフローチャートにおいてＳ１１８に到達したら、制御信号演算部４３Ｘは図１４のフローチャートを開始する。以下では、図１２と同じ処理については説明を省略し、Ｓ４５０の説明からはじめる。

Ｓ４５０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、Ｓ４３０で算出した制限値ａｙが０以上か否かを判定する。なお、図１４の右上に示したようにｘｙ座標を設定する。当該ｘｙ座標では、ｘ軸は目標面６０と平行で図中右方向を正とし、ｙ軸は目標面６０に垂直で図中上方向を正とする。図１４中の凡例では垂直成分ｂｙ及び制限値ａｙは負であり、水平成分ｂｘ及び水平成分ｃｘ及び垂直成分ｃｙは正である。そして、図９，１０から明らかであるが、制限値ａｙが０のときは距離Ｄが０、すなわち爪先が目標面６０上に位置する場合であり、制限値ａｙが正のときは距離Ｄが負、すなわち爪先が目標面６０より下方に位置する場合であり、制限値ａｙが負のときは距離Ｄが正、すなわち爪先が目標面６０より上方に位置する場合である。Ｓ４５０で制限値ａｙが０以上と判定された場合（すなわち、爪先が目標面６０上またはその下方に位置する場合）にはＳ４６０に進み、制限値ａｙが０未満の場合にはＳ４８０に進む。

Ｓ４６０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、オペレータ操作による爪先の速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが０以上か否かを判定する。ｂｙが正の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが上向きであることを示し、ｂｙが負の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが下向きであることを示す。Ｓ４６０で垂直成分ｂｙが０以上と判定された場合（すなわち、垂直成分ｂｙが上向きの場合）にはＳ４７０に進み、垂直成分ｂｙが０未満の場合にはＳ５００に進む。

Ｓ４７０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ５００に進む。一方、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ５３０に進む。

Ｓ５００では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、マシンコントロールによるブーム８の動作で発生すべきバケット先端の速度ベクトルＣの目標面６０に垂直な成分ｃｙを算出する式として「ｃｙ＝ａｙ−ｂｙ」を選択し、その式とＳ４３０の制限値ａｙとＳ４４０の垂直成分ｂｙを基に垂直成分ｃｙを算出する。そして、算出した垂直成分ｃｙをブーム８の動作のみで出力可能なブーム８の速度ベクトルＣをその時点のフロント作業機１Ａの姿勢と垂直成分ｃｙに基づいて算出し、その水平成分をｃｘとする（Ｓ５１０）。

Ｓ５２０では、目標速度ベクトルＴを算出する。目標速度ベクトルＴの目標面６０に垂直な成分をｔｙ、水平な成分ｔｘとすると、それぞれ「ｔｙ＝ｂｙ＋ｃｙ、ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」と表すことができる。これにＳ５００の式（ｃｙ＝ａｙ−ｂｙ）を代入すると目標速度ベクトルＴは結局「ｔｙ＝ａｙ、ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」となる。つまり、Ｓ５２０に至った場合の目標速度ベクトルの垂直成分ｔｙは制限値ａｙに制限され、マシンコントロールによる強制ブーム上げが発動される。

Ｓ４８０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、オペレータ操作による爪先の速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが０以上か否かを判定する。Ｓ４８０で垂直成分ｂｙが０以上と判定された場合（すなわち、垂直成分ｂｙが上向きの場合）にはＳ５３０に進み、垂直成分ｂｙが０未満の場合にはＳ４９０に進む。

Ｓ４９０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ５３０に進む。一方、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ５００に進む。

Ｓ５３０に至った場合、マシンコントロールでブーム８を動作させる必要が無いので、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、速度ベクトルＣをゼロとする。この場合、目標速度ベクトルＴは、Ｓ５２０で利用した式（ｔｙ＝ｂｙ＋ｃｙ、ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ）に基づくと「ｔｙ＝ｂｙ、ｔｘ＝ｂｘ」となり、オペレータ操作による速度ベクトルＢと一致する（Ｓ５４０）。

Ｓ５５０では、目標シリンダ速度演算部４３ｇは、Ｓ５２０またはＳ５４０で決定した目標速度ベクトルＴ（ｔｙ，ｔｘ）を基に各油圧シリンダ５，６，７の目標速度を演算する。なお、上記説明から明らかであるが、図１４の場合に目標速度ベクトルＴが速度ベクトルＢに一致しないときには、マシンコントロールによるブーム８の動作で発生する速度ベクトルＣを速度ベクトルＢに加えることで目標速度ベクトルＴを実現する。

Ｓ５６０では、目標パイロット圧演算部４３ｈは、Ｓ５５０で算出された各シリンダ５，６，７の目標速度を基に各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を演算する。

Ｓ５９０では、目標パイロット圧演算部４３ｈは、各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を電磁比例弁制御部４４に出力する。電磁比例弁制御部４４は、各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに目標パイロット圧が作用するように電磁比例弁５４，５５，５６を制御し、これにより作業機１Ａによる掘削が行われる。例えば、オペレータが操作装置４５ｂを操作して、アームクラウド動作によって水平掘削を行う場合には、バケット１０の先端が目標面６０に侵入しないように電磁比例弁５５ｃが制御され、ブーム８の上げ動作が自動的に行われる。

なお、ここでは説明を簡略化するために、Ｓ４８０でＹＥＳの場合にＳ５３０に進むように構成したが、Ｓ５３０に代えてＳ５００に進むように構成を変更しても良い。このように構成すると、アーム９の姿勢が略垂直になる位置からさらにアームクラウド操作をするとマシンコントロールによる強制ブーム下げが発動し目標面６０に沿った掘削が行われることになるので、目標面６０に沿った掘削距離を長くできる。また、図１４のフローチャートでは強制ブーム上げを行う場合の例を挙げたが、掘削精度向上のため、マシンコントロールにアーム９の速度を必要に応じて減速する制御を加えても良い。また、バケット１０の目標面６０に対する角度Ｂが一定値となり、均し作業が容易となるように、電磁比例弁５６ｃ，５６ｄを制御してバケット１０の角度が所望の角度に保持される制御を加えても良い。

図１４のフローチャートに従って制御されるショベルにおいても、介入強度入力装置９６を利用してマシンコントロールの介入強度をオペレータの技量や好みに合わせて調節すれば、工数や精神的負担の軽減効果を発揮できる。

＜介入強度と制限値ａｙと距離Ｄの関係の変形例＞
介入強度と制限値ａｙと距離Ｄの関係は、図１０に示したものの他にも、例えば図１６や図１７に示したものが利用可能である。

図１６の例は、速度ベクトルＢの目標面６０に垂直な成分ｂｙに制限がかかる距離Ｄの範囲が決まっているパターンであり、介入強度の変化に応じてその範囲も変化するように設定されている。このように設定すると、ｂｙに制限がかかる範囲を直接的に変更できる。また、表示装置５３の表示部３７５にｂｙに制限がかかる距離を表示すれば、ｂｙに制限がかかる範囲をオペレータが直感的に理解し易いというメリットもある。

図１７の例は、図１６同様に速度ベクトルＢの目標面６０に垂直な成分ｂｙに制限がかかる距離Ｄの範囲が決まっているパターンであるが、介入強度の変化に応じてその範囲は変化しないが制限値が変化するように設定されている。このように設定すると、ｂｙに制限がかかり始める制限値を直接的に変更できる。

＜介入強度入力装置９６の変形例＞
図１８Ａ，Ｂ，Ｃは、マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ１７を備え、介入強度入力装置９６（入力装置）としても機能する操作レバー１ａの構成図である。図１８Ａは操作レバー１ａの上面図、図１８Ｂはその側面図、図１８Ｃはその前面図である。

図１８の操作レバー１ａは、図１８Ａに示すようにレバー軸の周方向に左右に回転可能に構成されており、その回転方向及び回転量（操作方向及び操作量）を介入強度として制御コントローラ４０（マシンコントロール部４３）に出力している。このように操作レバー１ａを構成すると、オペレータが自ら調整している介入強度は、目視ではなく、操作レバー１ａを操作した手のひねり具体で把握できるので、所望の押圧力を維持しながら土羽打ち作業を行うことが容易である。また、作業中、操作レバー１ａから手を離すことなく介入強度を調節できるので、作業効率の低下を防止できる。

なお、図８及び図１８に例示した入力装置９６は、直線操作型の可変抵抗器などで構成することができる。可変抵抗器にはデテントなどを設けて、連続的に自由な介入強度に設定できるとともに、一定の強度に容易に設定できるようにしても良い。

＜効果＞
上記の実施の形態の効果についてまとめる。
（１）上記の実施形態では、複数の油圧アクチュエータ５，６，７により駆動される作業機１Ａと、オペレータの操作に応じてフロント作業機１Ａの動作を指示する操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ｃと、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ｃの操作時に、予め定めた条件に従ってフロント作業機１Ａを動作させるマシンコントロールを実行するマシンコントロール部４３を有する制御コントローラ４０とを備える油圧ショベル１において、オペレータに操作される介入強度入力装置９６を備え、制御コントローラ４０は、介入強度入力装置９６の操作量に基づいて、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ｃの操作で指示されるフロント作業機１Ａの動作にマシンコントロールが介入する度合の大小を示す介入強度の補正量を算出する補正度合演算部４３ｍをさらに備え、マシンコントロール部４３は、補正度合演算部４３ｍで算出された補正量に基づいて補正された介入強度で、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ｃの操作で指示されるフロント作業機１Ａの動作にマシンコントロールを介入させることとした。

このようにオペレータ操作に対するマシンコントロールの介入強度（作業機１Ａの先端の速度ベクトルＢに関する制限値）を変更可能に構成した場合、介入強度入力装置９６を利用して介入強度を初期位置の値よりも小さい範囲で調節することで、目標面６０に衝突する際のブーム下げ速度を調節でき、これにより土羽打ち時の押圧力を調整することができる。また、オペレータが自ら調整している介入強度は、目視ではなく、介入強度入力装置９６を操作した際の指の伸ばし具合等の体感で把握できるので、所望の押圧力を維持しながら土羽打ち作業を行うことが容易である。

また、従来のマシンコントロール機能（領域制限制御機能）を搭載したショベルでは、目標面を超える作業機の動きは抑制されるため、マシンコントロール実行中にバケット１０で目標面を押圧することができない。このため、マシンコントロールをもちいながら、（Ａ）或る１ストロークで中仕上げの掘削動作、（Ｂ）土羽打ちによる締め固め動作、（Ｃ）次の１ストロークで仕上げの掘削動作、（Ｄ）設計施工面に対するショベルの平行移動、という４種からなる一連の動作を繰り返すような場面においては、（Ｂ）の土羽打ちの都度マシンコントロールをＯＦＦにする必要がある。さらに、その後、マシンコントロールによる（Ｃ）の仕上げ作業が行われるため、土羽打ち作業で一旦ＯＦＦにしたマシンコントロール機能をＯＮにしなければならず、この一連の切り換え操作がオペレータの負担となる。

しかしながら、本実施形態のように操作レバー１ａに介入強度入力装置９６を設けると、介入強度入力装置９６で介入強度を小さくすることで操作レバー１ａ，１ｂから手を離すことなくマシンコントロール機能を実質的にＯＦＦにできる。これにより、上記のような一連の動作中に土羽打ちなどでマシンコントロールを一時的にＯＦＦにすることが容易となり、オペレータの負担を軽減できるとともに作業効率を向上できる。

また、オペレータ操作によりバケット１０の爪先を目標面６０上に常に正確に移動させることは難しいが、マシンコントロールで規定される動作よりも速く目標面６０に近い位置までバケット１０の爪先を移動させることが可能な技量の高いオペレータは現に存在する。この種のオペレータに対して、他のオペレータ同様の設定でマシンコントロールが介入すると、作業速度が低下して作業工数が増大する可能性がある。そして、オペレータにとっては、自分が意図した操作に対して余計な介入が入ることで精神的なイライラが生じてしまい、これが作業時の疲労を増大させる等の不都合を生じさせる場合がある。しかし、本実施形態のように介入強度入力装置９６を設けると、オペレータの技量や好みに合わせて介入強度を調節できるので、工数増大や精神的負担を発生させることなく連続して作業を行うことができる。

（２）特に、上記の実施形態では、介入強度入力装置９６は、初期位置を基準とした奥方向（一の方向）と手前方向（他の方向）に操作可能であり、入力装置９６が奥方向に操作されると、制限値ａｙは、初期位置の状態よりもマシンコントロールが介入する度合が大きくなる方向に変化し、入力装置９６が手前方向に操作されると、制限値ａｙは、初期位置の状態よりもマシンコントロールが介入する度合が小さくなる方向に変化することとした。これにより、介入強度の調整の幅が拡がるので、よりオペレータの技量や好みに合わせた介入強度の調節が可能である。

（３）また、上記の実施形態では、介入強度入力装置９６は、作業中にオペレータの手が置かれる操作レバー１ａ，１ｂに設けられている。これにより、オペレータは、作業中、操作レバー１ａ，１ｂから手を離すことなく介入強度を調節できるので、作業効率の低下を防止できる。

（４）また、上記の実施形態では、介入強度入力装置９６による制限値ａｙの変化の度合（介入強度の度合）が表示装置５３の表示部３９５に表示されるようになっている。これにより、表示装置５３の表示画面に目をやることでオペレータは現在の介入強度を容易に把握できる。

＜付記＞
上記では、マシンコントロールが従う予め定めた条件として、オペレータ操作（第１制御信号）によって発生される作業機１Ａの先端の速度ベクトルＢに関して、作業機１Ａの先端の速度ベクトルの目標面６０に対する垂直成分の大きさの制限値ａｙを設定し、これを介入強度入力装置９６の操作で変更可能に構成したが、これ以外の制限値（条件）を速度ベクトルＢの大きさや方向に設けて、同様に介入強度入力装置９６の操作で当該制限値を変更可能に構成しても良い。この場合、オペレータ操作によって発生される作業機１Ａの先端の速度ベクトルＢが当該制限値を越えるとき、当該制限値を越えない作業機１Ａの先端の速度ベクトルを発生させる第２制御信号を流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの少なくとも１つについて演算するものとする。

上記では、制限値ａｙを決定したが、距離Ｄがゼロに近づくほど小さくなる１以下の値にバケット先端の速度ベクトルの垂直成分を乗じた値を算出し、その算出値に基づいて油圧アクチュエータ５，６，７（流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）を制御するように構成しても良い。

図１２のフローチャートでは、バケット先端の速度ベクトルＢを基準にして制御を行ったが、バケット１０の速度を考慮から除外するために、アーム９の先端の速度ベクトルを基準にして制御を行っても良い。

また、図１２のブーム下げ減速モードと図１４のブーム上げ／下げモードの２つのモードを実行可能に制御コントローラ４０を構成したが、どちらか一方のモードを実行可能に制御コントローラ４０を構成しても良い。この場合、モード判定部４３ｎ及びこれにより図１１の一連の処理は不要となり得る。

上記では、介入強度入力装置９６により制限値ａｙを変更して介入強度を変更可能に構成したが、制限値ａｙは図９のままとし、目標パイロット圧演算部４３ｈから出力される第２制御信号に補正を加えることで介入強度を変更可能に構成しても良い。

上記の制御コントローラ４０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の制御コントローラ４０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御コントローラ４０の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

１Ａ…フロント作業機、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１７…マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ、３０…ブーム角度センサ、３１…アーム角度センサ、３２…バケット角度センサ、４０…制御コントローラ（制御装置）、４３…マシンコントロール部、４３ａ…操作量演算部、４３ｂ…姿勢演算部、４３ｃ…目標面演算部、４３ｄ…シリンダ速度演算部、４３ｅ…バケット先端速度演算部、４３ｆ…目標バケット先端速度演算部、４３ｇ…目標シリンダ速度演算部、４３ｈ…目標パイロット圧演算部、４３ｎ…モード判定部、４３ｍ…補正度合演算部、４４…電磁比例弁制御部、４５…操作装置（ブーム、アーム）、４６…操作装置（バケット、旋回）、４７…操作装置（走行）、５０…作業機姿勢検出装置、５１…目標面設定装置、５２ａ，５２ｂ…オペレータ操作検出装置、５３…表示装置、５４，５５，５６…電磁比例弁、９６…介入強度入力装置（入力装置）、３７４…表示制御部、３９５…介入強度表示部

Claims (6)

1. 複数の油圧アクチュエータにより駆動される作業機と、
   オペレータの操作に応じて前記作業機の動作を指示する操作装置と、
   前記操作装置の操作時に、予め定めた条件に従って前記作業機を動作させるマシンコントロールを実行するマシンコントロール部を有する制御装置とを備える作業機械において、
   オペレータに操作される介入強度入力装置を備え、
   前記制御装置は、前記介入強度入力装置の操作量に基づいて、前記操作装置の操作で指示される前記作業機の動作に前記マシンコントロールが介入する度合の大小を示す介入強度の補正量を算出する補正度合演算部をさらに備え、
   前記マシンコントロール部は、前記補正度合演算部で算出された前記補正量に基づいて補正された介入強度で、前記操作装置の操作で指示される前記作業機の動作に前記マシンコントロールを介入させることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記予め定めた条件には、前記作業機の先端から任意の目標面までの目標面距離が所定値以下のときに前記マシンコントロールが実行されることが規定されており、
   前記所定値は、前記介入強度に応じて変化することを特徴とする作業機械。
3. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記予め定めた条件として、前記作業機の先端の速度ベクトルの任意の目標面に対する垂直成分の大きさの制限値が規定されており、
   前記制限値は、前記作業機の先端から前記目標面までの目標面距離ごとに設定されており、
   前記マシンコントロール部は、前記操作装置の操作によって発生される前記速度ベクトルの前記垂直成分の大きさが前記制限値を越えるとき、前記速度ベクトルの前記垂直成分の大きさが前記制限値に保持されるように前記マシンコントロールを実行し、
   前記目標面距離ごとの前記制限値は、前記介入強度に応じて変化することを特徴とする作業機械。
4. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記介入強度入力装置は、初期位置を基準とした一の方向と他の方向のうち少なくとも一方に操作可能であり、
   前記介入強度入力装置が前記一の方向に操作されると、前記介入強度は、前記初期位置の状態よりも前記マシンコントロールが介入する度合が大きくなる方向に変化し、
   前記介入強度入力装置が前記他の方向に操作されると、前記介入強度は、前記初期位置の状態よりも前記マシンコントロールが介入する度合が小さくなる方向に変化することを特徴とする作業機械。
5. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記操作装置は、オペレータの手が置かれる把持部を有し、
   前記介入強度入力装置は、前記把持部に設けられていることを特徴とする作業機械。
6. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記介入強度入力装置による前記介入強度の度合が表示される表示装置をさらに備えることを特徴とする作業機械。

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