JP6618852B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は作業機械に関する。

油圧ショベルなどの作業機械を、目標作業対象まで位置誘導するシステムが知られている。例えば特許文献１（特開２０１２−１７２４２８号公報）には、油圧ショベルの位置誘導システムにおいて、最適作業位置演算部は、目標面と作業可能範囲（作業機が届くことができる範囲から車両下部の領域を除いた範囲）との重なり合う掘削可能範囲が最大となる車両本体の位置を最適作業位置として算出し、表示部は、最適作業位置を示す案内画面を表示する、と記載されている。

また、ブーム、アーム及びバケットはそれぞれ回動可能に支持されているため、例えばアームを引く動作によってバケット先端で直線状の仕上げ面を形成する場合では、オペレータはブーム、アーム及びバケットを複合的に駆動させバケット先端の軌跡を直線状にする必要がある。そのため、オペレータには熟練した技術が要求される。

そこで、コンピュータ（コントローラ）により自動または半自動でアクチュエータの駆動を制御する機能（マシンコントロールと呼称する）を掘削作業に適用し、アームの引き動作時に設計面（特許文献１の「目標面」に相当。以下では「目標掘削面」とも称する。）に沿ってバケットの爪先を移動させる技術がある。この種の技術としては、オペレータ操作によるアームの引き動作中に自動的にブームシリンダを制御してブーム上げ動作を適宜加えるものが知られている。

例えば特許文献２（国際公開第２０１４／１６７７１８号パンフレット）には、建設機械の制御システムにおいて、作業機全体の制限速度とアーム目標速度とバケット目標速度とからブームの制限速度を決定し、第１制限条件（バケットの刃先が設計面の外方に位置しているときの距離を正の値とし、設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、第１制限条件は、ブームの制限速度がブーム目標速度よりも大きいことを含む。）が満たされているときには、ブームの制限速度にてブームを制御すると共に、アーム目標速度にてアームを制御する、と記載されている。

特開２０１２−１７２４２８号公報 国際公開第２０１４／１６７７１８号パンフレット

特許文献１の位置誘導システムは、目標面と油圧ショベルの作業可能範囲とが重なり合う掘削可範囲が最大となる車両本体の位置を最適作業位置として算出する。そのため、例えば、作業可能範囲の境界線（輪郭線）のうちブーム角を最小かつバケット角をゼロに保持してアーム角を最小から最大まで変化させたときに描かれる円弧（車体から近い境界線であって車体前方の上方に描かれる境界線。特許文献１の第４円弧Ａ４）と目標面が交差した状態で最適作業位置が算出される可能性がある。バケットの爪先が当該円弧上にある場合にはブーム角が最小でブーム上げができないため、アーム引き動作をすると目標面に作業機が侵入してしまう可能性がある。

また、特許文献２の建設機械の制御システムにおいては、目標掘削面に対してブーム及びアームを、オペレータ操作に対して減速するよう言及されている。しかし、上記のようにブーム上げ動作による作業機の設計面への侵入回避が不可能な状況下で作業機をどのように制御すべきかについては言及がない。そのため、特許文献１と同様に、目標掘削面にバケット先端が侵入する可能性がある。

本発明の目的は、マシンコントロールによる目標掘削面に沿った作業機の制御をブーム上げ量が制限される状況で行う場合に、アーム引きによるバケットの目標掘削面への侵入を防止できる油圧ショベルの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ブーム、アームおよびバケットを有する多関節型の作業機と、前記ブームを駆動するブームシリンダ、前記アームを駆動するアームシリンダ、および、前記バケットを駆動するバケットシリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータのそれぞれに供給される作動油の流量及び方向を、制御信号を受けて制御する複数の流量制御弁と、オペレータの操作に応じた制御信号を前記複数の流量制御弁に出力する操作装置と、目標掘削面の下方を前記作業機が掘削しないように前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの少なくとも１つを制御する領域制限制御が実行可能な制御装置とを備える作業機械において、前記制御装置は、前記領域制限制御の実行中に、前記目標掘削面の下方への前記作業機の侵入を前記ブームの上げ動作により回避可能かを判定する掘削モード判定部を備え、前記掘削モード判定部による前記判定の結果が回避不可能の場合には、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を指示する操作が前記操作装置に入力されていても、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を停止させるものとする。

本発明によれば、アームまたはバケットの掘削動作による目標掘削面への侵入をブーム上げ動作で回避不可能な場合に、アームまたはバケットの掘削動作が停止されるので、バケットの目標掘削面への侵入を防止できる。

油圧ショベルの構成図。 本発明における制御システムの構成図。 掘削作業の概念図。 本発明における制御コントローラの機能ブロック図。 油圧ショベルにおける座標系を示す図。 油圧ショベルの作業機の可動範囲と作業可能範囲を示す図。 アクチュエータの制御モードと、目標掘削面と、油圧ショベルの作業可能範囲の関係を示す図。 本発明の実施形態に係る制御フローチャート。 本発明の他の実施形態に係る制御フローチャート。 本発明の他の実施形態に係る制御コントローラの機能ブロック図。 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。 制御コントローラのハードウェア構成図。

以下、本発明の実施形態を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。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。

＜第１実施形態＞
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１１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る。図１において、油圧ショベルは、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た多関節型のフロント作業機１Ａと、上部旋回体１２及び下部走行体１１からなる車体１Ｂとで構成され、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。

ブーム８、アーム９、バケット１０、上部旋回体１２及び下部走行体１１はそれぞれブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、旋回油圧モータ４及び左右の走行モータ３ａ、３ｂによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成し、それらの動作は上部旋回体１２上の運転室内の走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａ、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）により指示される。

運転室内には、走行右レバー２３ａを有する操作装置４７ａ（図１１参照）と、走行左レバー２３ｂを有する操作装置４７ｂ（図１１参照）と、操作右レバー１ａを有する操作装置４５ａ，４６ａと、操作左レバー１ｂを有する操作装置４５ｂ，４６ｂが設置されている。操作装置４５〜４７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１，２３の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を制御信号として、パイロットライン１４４ａ〜１４９ｂ（図１１参照）を介して対応する流量制御弁１５ａ〜１５ｆ（図１１参照）の油圧駆動部１５０ａ〜１５５ｂに供給し、これら流量制御弁１５ａ〜１５ｆを駆動する。

オペレータによって走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａ、操作左レバー１ｂが操作されると、そのレバー操作量（例えば、レバーストローク）に応じて、油圧ポンプ２やコントロールバルブユニット２０を制御するための制御信号としてパイロット圧（以下、操作圧と称することがある）が発生する。油圧ポンプ２から吐出した圧油がコントロールバルブユニット２０内の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ（図１１参照）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。

図１１において、図１の油圧ショベルは、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５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、旋回油圧モータ４及び左右の走行モータ３ａ、３ｂ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３〜７のそれぞれに対応して設けられた走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａ、操作左レバー１ｂと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３〜７間に接続され、操作レバー１，２３の操作量及び操作方向に応じて操作装置４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂから出力される制御信号によって制御され、油圧アクチュエータ４〜７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１５ａ〜１５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁１５ａ〜１５ｆ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１６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。

領域制限制御の実行が可能な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１７と、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（制御信号）を検出する圧力センサ７０ａ，７０ｂと、アーム９用の操作装置４５ｂのパイロットライン１４５ａ，１４５ｂに設けられ、操作レバー１ｂの操作量としてパイロット圧（制御信号）を検出する圧力センサ７１ａ，７１ｂ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５４ａ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８２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、電気信号に応じてパイロットライン１４４ｂ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５４ｂと、目標掘削面の下方を作業機１Ａが掘削しないようにブーム８、アーム９およびバケット１０の少なくとも１つを制御する領域制限制御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を備えている。

アーム９用のパイロットライン１４５ａ，１４５ｂには、パイロット圧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を低減して出力する電磁比例弁５５ａ，５５ｂが設けられている。バケット１０用のパイロットライン１４６ａ，１４６ｂには、パイロット圧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を低減して出力する電磁比例弁５６ａ，５６ｂが設けられている。なお、図１１では、圧力センサ７１，７２及び電磁比例弁５５，５６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。

制御コントローラ４０は、後述のＲＯＭ９３又はＲＡＭ９４に記憶された目標掘削面の形状情報、角度センサ３０〜３２と傾斜角センサ３３の検出信号、および圧力センサ７０〜７２の検出信号を入力し、目標掘削面を設定すると共に、領域を制限した掘削制御（領域制限制御）を行うための制御信号（パイロット圧）の補正を行う電気信号を電磁比例弁５４〜５６に出力する。

図１２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、操作装置４５〜４７からの信号、目標掘削面を設定するための設定装置５１からの信号、角度センサ３０〜３２及び傾斜角センサ３３からの信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ９３は、後述する図８，図１０のフローチャート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に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や報知装置５３に出力することで、油圧アクチュエータ４〜７を駆動・制御したり、車体１Ｂ、バケット１０及び目標掘削面等の画像を報知装置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１２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２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、作業機姿勢演算部４１と、目標掘削面演算部４２と、目標動作演算部４３と、電磁比例弁制御部４４を備えている。また、制御コントローラ４０には、作業機姿勢検出装置５０、目標掘削面設定装置５１、オペレータ操作検出装置５２、報知装置５３、電磁比例弁５４〜５６、がそれぞれ接続されている。

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。目標掘削面設定装置５１は、目標掘削面に関する情報（目標掘削面の位置情報も含む）を入力可能なインターフェースである。目標掘削面設定装置５１への入力は、オペレータが手動で行っても、外部ネットワークから取り込んでも良い。オペレータ操作検出装置５２は、オペレータによる操作レバー１のレバー操作によって生じる操作圧を取得する圧力センサ７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂから構成される。報知装置５３は、オペレータに目標掘削面と作業機１Ａの位置関係を表示するディスプレイ（表示装置）、あるいは目標掘削面と作業機１Ａの位置関係を音（音声も含む）により通達するスピーカの少なくとも一つから構成される。電磁比例弁５４〜５６は、図１１で説明したパイロット圧（操作圧）の油圧ラインに設けられており、オペレータのレバー操作によって発生した操作圧を下流で増減することが可能である。また、オペレータのレバー操作なしに操作圧を発生させることも可能である。

制御コントローラ４０は、マシンコントロール機能の掘削モードとして、後述する通常掘削モード、減速掘削モードおよび掘削停止モードを備えている。これらのモードは、制御コントローラ４０によって自動的に選択される。

マシンコントロールによる、水平掘削動作の例を図３に示す。例えば、オペレータが操作レバー１を操作して、矢印Ａ方向へのアーム９の引き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（爪先）が目標掘削面６０の下方に侵入しないように、ブーム８の上げ動作が自動的に行われるよう電磁比例弁５４ａが制御される。また、オペレータが要求する掘削速度、あるいは掘削精度を実現するように、電磁比例弁５５が制御されアーム９の引き動作が行われる。このとき、掘削精度向上のため、電磁比例弁５５によりアーム９の速度を必要に応じて減速させても良い。また、バケット１０背面の目標掘削面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５６を制御してバケット１０が自動で矢印Ｃ方向（ダンプ方向）に回動するようにしても良い。このように、オペレータによる操作レバー１の操作量に対して、自動または半自動でアクチュエータを制御し、ブーム８、アーム９、バケット１０、上部旋回体１２といった作業機を動作させる機能をマシンコントロールと呼称する。目標掘削面の下方を前記作業機が掘削しないように前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの少なくとも１つを制御する領域制限制御は、マシンコントロールの１つである。

作業機姿勢演算部４１は作業機姿勢検出装置５０からの情報に基づき、作業機１Ａの姿勢を演算する。作業機１Ａの姿勢は図５のショベル基準座標に基づいて定義できる。図５のショベル基準座標は、上部旋回体１２に設定された座標であり、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における鉛直方向にＺ軸、水平方向にＸ軸を設定した。Ｚ軸に対するブーム８の傾斜角をブーム角α、ブームに対するアーム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。ブーム角αは、ブーム８を最大（最高）まで上げたとき（ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンドのとき、つまりブームシリンダ長が最長のとき）に最小となり、ブーム８を最小（最低）まで下げたとき（ブームシリンダ５が下げ方向のストロークエンドのとき、つまりブームシリンダ長が最短のとき）に最大となる。アーム角βは、アームシリンダ長が最短のときに最小となり、アームシリンダ長が最長のときに最大となる。バケット角γは、バケットシリンダ長が最短のとき（図５のとき）に負側の最大となり、バケットシリンダ長が最長のときに正側の最大となる。

目標掘削面演算部４２は、目標掘削面設定装置５１からの情報に基づき、目標掘削面６０を演算する。目標動作演算部４３は、作業機姿勢演算部４１、目標掘削面演算部４２およびオペレータ操作検出装置５２からの情報に基づき、目標掘削面に侵入することなくバケット１０が移動するよう作業機１Ａの目標動作を演算する。電磁比例弁制御部４４は、目標動作演算部４３からの情報（具体的には後述の目標アクチュエータ速度演算部４３３からの各アクチュエータの目標速度情報）に基づき、電磁比例弁５４〜５６への制御入力を演算する。電磁比例弁５４〜５６は、電磁比例弁制御部４４からの指令に基づき制御される。また、報知装置５３は、目標動作演算部４３からの情報（具体的には後述の掘削モード判定部４３４からの制御モードの情報）に基づき、マシンコントロールに関連する各種情報をオペレータへ通達する。

図４は、本発明の実施形態に係る制御コントローラ４０内の目標動作演算部４３の機能ブロック図である。目標動作演算部４３は、姿勢情報変換部４３１と、目標掘削面情報変換部４３２と、目標アクチュエータ速度演算部４３３と、掘削モード判定部４３４を備えている。

姿勢情報変換部４３１は、作業機姿勢演算部４１が演算する、ショベル基準座標に対するバケット１０の先端位置（爪先位置）や、ブーム角α、アーム角β、バケット角γ、傾斜角θ、及びブーム８、アーム９、バケット１０それぞれのシリンダ長といった作業機１Ａの姿勢に関する情報を受信する。受信した各種情報は、掘削モード判定部４３４および目標アクチュエータ速度演算部４３３に出力される。

目標掘削面情報変換部４３２は、目標掘削面演算部４２が演算するショベル基準座標における目標掘削面６０の位置及び角度、並びにバケット１０の先端からの距離等を受信する。受信した各種情報は、掘削モード判定部４３４および目標アクチュエータ速度演算部４３３に出力される。

目標アクチュエータ速度演算部４３３は、オペレータ操作検出装置５２と、姿勢情報変換部４３１と、目標掘削面情報変換部４３２と、後述する掘削モード判定部４３４からの情報に基づいて、目標とする各アクチュエータ５，６，７の速度を演算し、電磁比例弁制御部４４に送信する。各アクチュエータ５，６，７の目標速度算出アルゴリズムは、掘削モード判定部４３４の判定結果ごとに異なる。

掘削モード判定部４３４は、ショベル基準座標における作業可能範囲Ｄ、作業不可能範囲Ｆ、及び両者の境界線（後述する円弧Ｅ）の情報と、姿勢情報変換部４３１からの作業機１Ａの姿勢情報と、目標掘削面情報変換部４３２からの目標掘削面情報とに基づき、領域制限制御の実行中のショベルの制御モードを判定する。詳細は後述するが、制御モードには、掘削停止モードと、減速掘削モードと、通常掘削モードの３つが存在し、後述の図８のフローチャートを基にいずれかの制御モードに判定される。

図６に作業機１Ａの可動範囲、作業可能範囲Ｄ、作業不可能範囲Ｆを示す。図６では、斜線を付した領域が作業可能範囲Ｄを示し、ドットを付した領域が作業不可能範囲Ｆを示す。これらの範囲は、ブーム８、アーム９、バケット１０の寸法、およびブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７のストローク又は角度により決定される。図６及び図７に示す各範囲の情報は、ショベル基準座標上の位置情報として制御コントローラ４０の記憶装置９３，９４に格納されている。

本稿では、掘削作業の可否に関わらず、バケット１０の爪先が移動可能な範囲を「可動範囲」とする。可動範囲は、作業機１Ａによる掘削作業が可能な範囲（作業可能範囲）と、作業機１Ａによる掘削作業が不可能な範囲（作業不可能範囲）に区分できる。作業不可能範囲は、ブーム８を最大に上げた状態（ブーム角αが最小値）で作業機１Ａによる掘削作業が不可能な範囲である。作業可能範囲において作業不可能範囲に隣接する部分には、ブーム８を最大に上げた状態（ブーム角αが最小値）で作業機１Ａにより掘削作業が可能な範囲（「ブーム最大上げ作業可能範囲」と称する）が存在する。

本実施形態では、「可動範囲」は、円弧４３９ａ及び円弧４３９ｂと、円弧４３８ａ、円弧４３８ｂ及び円弧４３８ｃで挟まれる領域と規定した。円弧４３９ａは、作業機１Ａの長さが最大（最大掘削半径）Ｌｍａｘとなるアーム９とバケット１０の姿勢（「最大リーチ姿勢」と称することがある）で、ブーム角αを最小値と最大値との間で変化させたときのバケット１０の先端が描く軌跡である。なお、最大リーチ姿勢のときのバケット角γを「最大リーチ角」と称することがある。円弧４３９ｂは、最大リーチ姿勢でブーム角αが最大値の状態から、アーム角βを最小値と最大値との間で変化させたときにバケット１０の先端が描く軌跡である。円弧４３８ａは、ブーム角αを最小値かつアーム角βを最小値にした状態で、バケットシリンダ長を最小値と最大値との間で変化させたときにバケット１０の先端が描く軌跡である。円弧４３８ｂは、ブーム角αを最小値かつバケットシリンダ長を最大値にした状態で、アーム角βを最小値と最大値との間で変化させたときにバケット１０の先端が描く軌跡である。円弧４３８ｃは、ブーム角αを最小値かつアーム角βを最大値にした状態で、バケットシリンダ長を最小値と最大値との間で変化させたときにバケット１０の先端が描く軌跡である。

本実施形態では、「可動範囲」を円弧Ｅで「作業可能範囲Ｄ」と「作業不可能範囲Ｆ」に区分した。すなわちこれら２つの範囲Ｄ，Ｆの境界線が円弧Ｅである。図６における円弧Ｅの上方の領域が作業不可能範囲Ｆであり、円弧Ｅの下方の領域が作業可能範囲Ｄである。円弧Ｅは、ブーム角αが最小値かつバケットシリンダ長が最小値（バケット角γが負側の最大値）で、アーム角βを最小値と最大値の間で変化させたときにバケット１０の先端が描く軌跡であり、ブーム８を最大に上げた状態（ブーム角αが最小値）で作業機１Ａにより掘削作業が可能な範囲（「ブーム最大上げ作業可能範囲」（第１範囲））である。範囲Ｆは、円弧Ｅと、円弧４３８ａ、円弧４３８ｂおよび円弧４３８ｃで挟まれた領域として規定される。

「作業可能範囲Ｄ」は、上部旋回体１２から相対的に遠い方に位置する円弧４３９ａ及び円弧４３９ｂと、上部旋回体１２から相対的に近い方に位置する円弧Ｅで挟まれた領域として規定されている。

さらに、本実施の形態では、図７に示すように、作業可能範囲Ｄ内において、ブーム８の下げ方向で円弧Ｅに隣接する範囲Ｇを規定した。本実施の形態では、範囲Ｇの下側（ブーム下げ側）の境界線４４０を、バケット１０を最大リーチ姿勢としブーム角αを最小値から所定の値だけ大きくした状態（例えば、ブームシリンダ５が最長の状態から１０％短くした状態）で、アーム角βを最小値と最大値との間で変化させたときにバケット１０の先端が描く軌跡とした。ブーム角αを最小値からどの程度まで大きくした範囲をＧとするかは運用に応じて適宜変更可能である。また、境界線４４０は円弧に限られるものでもない。

本実施形態では、可動範囲を３つの領域に分割し、領域制限制御時に各領域で異なる掘削モードが実行されるように油圧ショベルを構成している。具体的には図７に示すように、範囲Ｆを「掘削停止モード領域」とし、範囲Ｇを「減速掘削モード領域（第２範囲）」とし、作業可能範囲Ｄから減速掘削モード領域Ｇを除いた領域を「通常掘削モード領域」としている。

掘削停止モード領域（範囲Ｆ）では、アーム９又はバケット１０による掘削動作を指示する操作が操作レバー１（操作装置４５，４６）に入力されていても、アーム９及びバケット１０のシリンダ速度の指令をゼロに強制的に設定し、アーム９又はバケット１０による掘削動作を停止させる掘削停止モードで領域制限制御を実行する。減速掘削モード領域（範囲Ｇ、第２範囲）では、アーム９又はバケット１０による掘削動作の速度を操作レバー１（操作装置４５，４６）による指示速度よりも低減させる減速掘削モードで領域制限制御を実行する。通常掘削モード領域（範囲Ｄ−範囲Ｇ）では、目標掘削面への作業機１Ａ（バケット１０の先端）の侵入をブーム８の上げ動作により回避する通常掘削モードで領域制限制御を実行する。

ところで、平らな目標掘削面に沿ってバケット１０の先端を移動させるためには、アーム引き動作に伴ったブーム上げ動作が必要になることが少なくない。しかし、掘削停止モード領域（範囲Ｆ）では、ブーム８は最大に上がった状態でありアーム引き動作に伴ったブーム上げ動作は不可能である。そのため、掘削停止モード領域（範囲Ｆ）に目標掘削面が存在する場合には、掘削作業時の目標掘削面への作業機１Ａの侵入を回避できない可能性が非常に高い。例えば、図７における範囲Ｆ内の目標掘削面４３７を領域制限制御により形成する場合には、範囲Ｆ内ではブーム上げが不可能でバケット１０の先端を水平に動かすこと（水平引き）ができず、アーム９の引き動作とともにバケット１０が目標掘削面４３７の下方に侵入してしまう。

そこで、本実施形態では、領域制限制御の実行中に、制御コントローラ４０の掘削モード判定部４３４において、目標掘削面への作業機１Ａの侵入をブーム８の上げ動作により回避可能かを判定することとした。そして、その判定の結果が回避不可能の場合には、アーム９又はバケット１０による掘削動作を指示する操作が操作装置４５，４６に入力されていても、制御コントローラ４０の目標アクチュエータ速度演算部４３３及び電磁比例弁制御部４４においてアーム９又はバケット１０による掘削動作を停止させることとした。より具体的には、本実施の形態では、掘削モード判定部４３４による上記判定を、（１）ブーム８を最大に上げた状態で作業機１Ａにより掘削作業が可能な範囲（ブーム最大上げ作業可能範囲（第１範囲）。本実施形態では円弧Ｅ）、（２）目標掘削面、および、（３）バケット１０の爪先位置を基に行うこととした。そして、Ａ）目標掘削面が第１範囲（円弧Ｅ）と交わり、かつ、バケット１０の爪先位置が第１範囲に存在すると掘削モード判定部４３４で判定された場合には、制御コントローラ４０は掘削停止モードで領域制限制御を実行し、Ｂ）目標掘削面が第１範囲と交わらず、または、バケット１０の爪先位置が第１範囲に存在しないと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、通常掘削モードで領域制限制御を実行することとした。

これにより、目標掘削面にバケット１０が侵入するおそれがある場合（例えば、バケット１０の先端が作業可能範囲Ｄから範囲Ｆに侵入しようとする場合）には掘削停止モードが実行されて、アーム９やバケット１０のシリンダ速度の指令がゼロ、すなわちアーム９又はバケット１０による掘削動作が停止するので、目標掘削面にバケット１０が侵入することを防止できる。また、他の場合には、通常掘削モードが実行されるので、目標掘削面に沿った掘削作業を行うことができる。

なお、上記条件から明らかであるが、掘削停止モードで停止されるのは、作業機１Ａによる「掘削動作」であり、掘削動作に該当しない動作は停止されない。すなわち、掘削動作に該当するアームの引き動作は停止されるが、掘削動作には該当しない「アーム９の押し動作」は停止されない。そのため、目標掘削面から離れる方向にバケット１０を移動させる動作が阻害されることはない。

ところで、範囲Ｆに侵入する瞬間にアームシリンダ６又はバケットシリンダ７の速度の指令を突然ゼロとすると急停止となりオペレータへの違和感が大きい。

そこで、本実施の形態では、掘削モード判定部４３４において、上記（１）〜（３）に加えて、（４）作業可能範囲Ｄ内においてブーム８の下げ方向で第１範囲（円弧Ｅ）に隣接する第２範囲（範囲Ｇ）を基に上記判定を行っている。そして、制御コントローラ４０は、Ａ）目標掘削面が円弧Ｅ（第１範囲）と交わり、かつ、バケット１０の爪先位置が第２範囲（範囲Ｇ）に存在すると掘削モード判定部４３４で判定された場合には、減速掘削モードで領域制限制御を実行し、Ｂ）目標掘削面が第１範囲（円弧Ｅ）と交わり、かつ、バケット１０の爪先位置が第１範囲（円弧Ｅ）上に存在すると掘削モード判定部４３４で判定された場合には、掘削停止モードで領域制限制御を実行し、Ｃ）目標掘削面が第１範囲（円弧Ｅ）と交わらず、または、バケット１０の爪先位置が第１範囲（円弧Ｅ）及び第２範囲（範囲Ｇ）に存在しないと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、通常掘削モードで領域制限制御を実行することとした。

これにより、バケット１０の先端が第２範囲（範囲Ｇ）に侵入した場合に減速掘削モードが実行され、アーム９やバケット１０のシリンダ速度が減速されるので、バケット１０の先端が通常制御モード領域（範囲Ｄ）から減速掘削モード領域（範囲Ｇ）を経由して掘削停止モード領域（範囲Ｆ）に移動して停止する際のオペレータへの違和感を低減でき、操作フィーリングを向上できる。

図８に、本実施形態における制御コントローラ４０の制御フローチャートを示す。まず、ステップ１００にて、掘削モード判定部４３４は、ステップ１００の実行時の円弧Ｅの位置情報と目標掘削面の位置情報を取得する。次に、ステップ１０１で、掘削モード判定部４３４は、目標掘削面が円弧Ｅと交わっているかどうか、別の言い方をすれば、図７に示す範囲Ｆに目標掘削面があるかどうかを、目標掘削面演算部４２の出力（目標掘削面の位置情報）と円弧Ｅの位置を基に判断する。

ステップ１０１で範囲Ｆ内に目標掘削面がある（すなわち、目標掘削面が円弧Ｅと交わっている）と判断された場合、ステップ１０２に進む。この場合、アーム９やバケット１０の掘削動作による目標面への侵入をブーム上げ動作のみでは回避できない。そのため、ステップ１０２にて、掘削モード判定部４３４は、作業機先端（バケット１０の爪先）が図７に示す円弧Ｅ上に位置するかどうかを、作業機姿勢演算部４１からの出力（バケット１０の爪先位置）と円弧Ｅの位置を基に判定する。ここでバケット１０の爪先が円弧Ｅ上に位置すると判定された場合にはステップ１０３に進む。

次に、ステップ１０３にて、目標アクチュエータ速度演算部４３３は、オペレータによるアーム９またはバケット１０の掘削操作があるかどうかを、オペレータ操作検出装置５２からの出力（圧力センサ７１，７２の出力）を基に判定する。ここで掘削操作があると判定された場合にはステップ１０４に進む。掘削操作がある場合、ブーム上げ動作では目標掘削面への作業機先端の侵入が避けられない。そのため、アーム９またはバケット１０の掘削動作を停止させ、目標掘削面へのバケット１０の侵入を防ぐ必要がある。

ステップ１０４では掘削モード判定部４３４が現在の制御モードを確認し、現在の制御モードが掘削停止モードである場合にはそれを維持し（ステップ１２１）、ステップ１２２に進む。ステップ１０４で現在の制御モードが掘削停止モードでない場合にはステップ１３０に進み、制御モードが通常掘削モードであるか否かの判定を行う。ステップ１３０で制御モードが通常掘削モードであると判定された場合には、掘削停止モードへの遷移を報知装置５３で報知しつつ（ステップ１３２）掘削停止モードに遷移し（ステップ１２３）、ステップ１２２に進む。ステップ１３２のように報知装置５３でモード遷移を報知すると、オペレータにモード遷移を認識させることができ、モード遷移に伴う動作変化への違和感を軽減できる。ステップ１３０で通常掘削モードでないと判定された場合には、減速掘削モードとなり、報知無しで掘削停止モードに遷移する。

ステップ１２２では、掘削停止モードが実行され、アーム９またはバケット１０の掘削動作を停止させるために、アームシリンダ６またはバケットシリンダ７の目標速度を零とする。このとき、目標アクチュエータ速度演算部４３３は電磁比例弁制御部４４に、アーム９またはバケット１０の掘削動作を停止させるよう指令を出す。これにより電磁比例弁制御部４４は、流量制御弁１５ｂ又は流量制御弁１５ｃが中立位置に保持されるように電磁比例弁５５ａ，５５ｂ又は電磁比例弁５６ａ，５６ｂを動作させる。ステップ１２２の処理が終了したらステップ１０９に進む。

ステップ１０１にて、目標掘削面が円弧Ｅと交わっていないと判定された場合は、通常掘削モードにてマシンコントロールを実施する。この場合、ステップ１０１からステップ１０５に進んで、掘削モード判定部４３４が現在の制御モードを確認し、通常掘削モードであればそれを維持し（ステップ１２７）、それ以外の場合では通常掘削モードに遷移する（ステップ１２９）。また、ステップ１０５には、後述するステップ１０６またはステップ１０７からも進むことがある。

ステップ１０２にて、作業機先端が図７に示す円弧Ｅ上にないと判定された場合、ステップ１０６に進む。ステップ１０６では、掘削モード判定部４３４は、作業機先端が作業可能範囲Ｄ内で円弧Ｅの近傍にあるかどうか、具体的には図７に示す減速掘削モード領域（範囲Ｇ）内にあるかどうかを判定する。ステップ１０６で範囲Ｇ外（すなわち通常掘削モード領域）であると判定されると、ステップ１０５に進む。一方、範囲Ｇ内にあると判定された場合はステップ１０７に進む。この場合、近い将来、アーム９やバケット１０の掘削動作によって範囲Ｆに作業機先端が移動して掘削停止モードに遷移する可能性が高い。そこでステップ１０７ではアーム９またはバケット１０の掘削操作があるかどうかを目標アクチュエータ速度演算部４３３が判定する。ステップ１０７でアーム９またはバケット１０の掘削操作がない場合には、ステップ１０５へと進み目標アクチュエータ速度演算部４３３は通常掘削モードで領域制限制御を実行する。

ステップ１０７で掘削操作があると判断された場合にステップ１０８に進む。ステップ１０８では、掘削モード判定部４３４は、現在の制御モードが減速掘削モードであるか否かを判定し、現在の制御モードが減速掘削モードである場合にはそれを維持し（ステップ１２４）、ステップ１２５に進む。また、現在の制御モードが減速掘削モードでない場合には、ステップ１３４に進み、現在の制御モードが通常掘削モードか否かの判定を行う。現在の制御モードが通常掘削モードである場合には、減速掘削モードへの遷移を報知装置５３で報知しつつ（ステップ１３６）減速掘削モードに遷移し（ステップ１２６）、ステップ１２５に進む。ステップ１３６のように報知装置５３でモード遷移を報知すると、オペレータにモード遷移を認識させることができ、モード遷移に伴う動作変化への違和感を軽減できる。一方、ステップ１３４で現在の制御モードが通常掘削モードでないと判定された場合には、報知無しで減速掘削モードに遷移し（ステップ１２６）、ステップ１２５に進む。

ステップ１２５では、減速掘削モードが実行され、オペレータによるアーム９またはバケット１０の掘削操作に対して、アームシリンダ６またはバケットのシリンダ７の目標速度を減速させる。このとき、目標アクチュエータ速度演算部４３３は電磁比例弁制御部４４に、アーム９またはバケット１０の掘削動作を減速させるよう指令を出す。これにより電磁比例弁制御部４４は、パイロットライン１４５ａ又はパイロットライン１４６ａ，１４６ｂのパイロット圧が操作装置４５ｂ又は操作装置４６ａからの出力値よりも低下するように電磁弁５５ａ又は電磁弁５６ａ，５６ｂを動作させる。さらに、目標アクチュエータ速度演算部４３３は、このアームシリンダ６またはバケットシリンダ７の速度にあわせて、作業機先端が目標掘削面に侵入しないようブーム上げ動作を実行するように電磁比例弁制御部４４に指令を出す。これにより電磁比例弁制御部４４は、電磁比例弁５４ａを通過した作動油が流量制御弁１５ａの油圧駆動部１５０ａに作用するように電磁比例弁５４ａを動作させる。ステップ１２５の処理が終了したらステップ１０９に進む。

ステップ１０９では、現在の制御モードをオペレータに通達するよう報知装置５３に指令を出す。

本実施形態においては、作業可能範囲Ｄ、円弧Ｅ及び範囲Ｇと目標掘削面の位置とを常に比較しているので、目標掘削面が掘削停止モード領域（範囲Ｆ）、あるいは減速掘削モード領域（範囲Ｇ）内にあることを、オペレータによる掘削操作の前に報知装置５３により通達することが可能となる。その場合、図８のステップ１０１で円弧Ｅと目標掘削面が交わると判定された場合、掘削モード判定部４３４は、報知装置５３に対して目標掘削面が作業不可能範囲にあると通達を出すよう指令する。また、目標掘削面が掘削停止モード領域（範囲Ｆ）に入らないようなショベルの停止位置を、報知装置５３に表示することによりオペレータに通達しても良い。

なお、減速掘削モード領域（範囲Ｇ）の広さは、出荷時の初期設定のままとしても良いし、オペレータが任意の値を入力して変更可能にショベルを構成しても良い。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について、図９及び図１０を用いて説明する。

第１の実施形態では、ショベルの作業可能範囲Ｄ、円弧Ｅ及び範囲Ｇと、目標掘削面と作業機先端（バケット爪先）の位置関係から通常掘削モード、減速掘削モード、掘削停止モードとを区分していたが、本実施形態においては作業可能範囲Ｄ、円弧Ｅ及び範囲Ｇの情報を用いることなく、目標掘削面への侵入を防止できる構成としている。具体的には、図１０に示すように、掘削モード判定部４３４は、目標アクチュエータ速度演算部４３３から電磁比例弁制御部４４に出力されるブーム上げ指令と、姿勢情報変換部４３１から出力されるブームシリンダ５のシリンダ長（ブーム８の姿勢）に基づいて３つの制御モードの適用タイミングを区分している。

すなわち、本実施の形態では、掘削モード判定部４３４において、（１）目標掘削面への作業機１Ａの侵入を回避するためにブームシリンダ５の流量制御弁１５ａへの制御信号として出力されるブーム上げ指令と、（２）ブームシリンダ５の伸縮状態（例えばシリンダ長）とを基に、領域制限制御の実行中に目標掘削面への作業機１Ａの侵入をブーム８の上げ動作により回避可能か否かの判定を行う。そして、制御コントローラ４０は、Ａ）ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンドにないと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、ブーム上げ指令を出力することで目標掘削面への作業機１Ａの侵入を回避する通常掘削モードで前記領域制限制御を実行し、Ｂ）ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンドに達した状態でブーム上げ指令が要求されたと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、アーム９又はバケット１０による掘削動作を指示する制御信号が操作装置４５ｂ，４６ａから出力されていても、アーム９又はバケット１０による掘削動作を停止させる掘削停止モードで前記領域制限制御を実行することとした。

これによりブーム上げ指令が出力されていない場合には、バケット１０の爪先が円弧Ｅや範囲Ｆに存在していても掘削停止モードが実行されないので、アーム９やバケット１０が不必要に停止することがなくなり、オペレータの操作フィーリングを向上できる。

さらに、本実施の形態では、Ａ）ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンド又はストロークエンドの近傍に無く、かつ、ブーム上げ指令が要求されていないと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、制御コントローラ４０は、ブーム上げ指令を出力することで目標掘削面への作業機１Ａの侵入を回避する通常掘削モードで領域制限制御を実行し、Ｂ）ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンドに達した状態でブーム上げ指令が要求されたと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、アーム９又はバケット１０による掘削動作を指示する制御信号が操作装置４５ｂ，４６ａから出力されていても、制御コントローラ４０は、アーム９又はバケット１０による掘削動作を停止させる掘削停止モードで領域制限制御を実行し、Ｃ）ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンド近傍（ストロークエンドは除く）に達した状態でブーム上げ指令が要求されたと掘削モード判定部４３４で判定された場合には、制御コントローラ４０は、アーム９又はバケット１０による掘削動作の速度を操作装置４５ｂ，４６ａによる指示速度よりも低減させる減速掘削モードで領域制限制御を実行することとした。

これにより、ブームシリンダ５が上げ方向のストロークエンド近傍に達した状態でブーム上げ指令が要求された場合に、減速掘削モードが実行され、アーム９やバケット１０のシリンダ速度が減速されるので、ブームシリンダ長がさらに伸びて上げ方向のストロークエンドに達した状態でブーム上げ指令が要求された場合にアーム９やバケット１０が停止しても、その動作に対するオペレータへの違和感を低減できる。

以下に図７のような目標掘削面４３７が設定された際に、本実施形態で掘削モード判定部４３４がどのように掘削モードを判定するかを示す。図９を用いて説明する。

図９は、本発明の第２実施形態に係る制御コントローラ４０の制御フローチャートを示す。まず、掘削モード判定部４３４は、姿勢情報変換部４３１より得られる情報から、ブームシリンダ５が伸長方向、つまりブーム８が上がる方向のストロークエンドに達しているかをステップ２００で判断する。ステップ２００で伸長方向のストロークエンドに達していると判断された場合、掘削モード判定部４３４は、ブーム上げ指令が目標アクチュエータ速度演算部４３３により生成されているかどうかをステップ２０１で判断する。

ステップ２０１でブーム上げ指令が生成されていると判断された場合にはステップ２０２に進む。この場合、ブーム上げによって目標掘削面への侵入を防ごうとするときだが、ストロークエンドに達しているとそれ以上ブーム８を上げることができない。よってストロークエンド且つブーム上げ指令が生成されている場合には、アーム９やバケット１０といった、ブーム上げ要求を出す要因となる他の被駆動部材の動作を停止させる必要がある。そこで、ステップ２０２では、掘削モード判定部４３４は現在の制御モードが掘削停止モードであるか否かを判定し、現在の制御モードが掘削停止モードであればそれを維持し（ステップ２１０）、ステップ２１１に進む。

一方、ステップ２０２で現在の制御モードが掘削停止モード以外であると判定された場合には、掘削停止モードに遷移し（ステップ２１２）、ステップ２１１に進む。

ステップ２１１では、掘削停止モードが実行され、目標アクチュエータ速度演算部４３３は電磁比例弁制御部４４に、アーム９又はバケット１０の動作を停止させるよう指令を出す。ステップ２１１が終了したらステップ２１９に進む。

ステップ２１９では、掘削モード判定部４３４が、現在選択されている制御モードをオペレータに通知するように報知装置５３に指令を出力する。また、現在の制御モードの通知に加えて、報知装置５３は制御コントローラ４０からの指令によって、ショベルを後退させ、目標掘削面４３７が範囲Ｆから作業可能範囲Ｄ内に入るよう移動させるようメッセージを表示させても良いし、音声等によるガイダンスを行っても良い。また、目標掘削面が範囲Ｆにあること（すなわち掘削不可能な領域に存在すること）を、報知装置５３による画面表示または音声等によって通知しても良い。

ステップ２０１で、ブームシリンダ５が伸長方向のストロークエンドに達していても、ブーム上げ指令が生成されていないと判断された場合には、ステップ２０３に進み、現在の制御モードが通常掘削モードか否かを判定する。このとき、現在の制御モードが通常掘削モードであればそれを維持し（ステップ２１６）、ステップ２１７に進む。ステップ２０３で現在の制御モードが通常掘削モード以外であると判定された場合には、通常掘削モードに遷移し（ステップ２１８）、ステップ２１７に進む。

ステップ２１７では通常掘削モードが実行される。これにより、目標掘削面が作業不可能範囲に存在しない時や、オペレータの操作によってバケット１０の爪先が目標掘削面に近づかない時は、オペレータは違和感なく作業機１Ａを操作することが可能になる。

次に、ステップ２００にて、ブームシリンダ５が伸長方向のストロークエンドに達していないと判断された場合にはステップ２０４に進む。このときは、まだ作業機先端は作業可能範囲内にある状況である。そこで、ステップ２０４で、掘削モード判定部４３４はブームシリンダ５が伸長方向のストロークエンド近傍に達しているかどうかを判定する。本実施形態では、ストロークエンド近傍に達しているか否かの判定に際して、ブームシリンダ５を伸長方向のストロークエンドまで伸ばしたブームシリンダ長に対してその時のブームシリンダ長の割合が閾値（例えば９割）以上かどうかで判定している。ブームシリンダ長の割合が閾値以上であれば、ストロークエンド近傍に達していると判定し、ステップ２０５に進む。

ステップ２０５では、目標アクチュエータ速度演算部４３３でブーム上げ指令速度が生成されているか否かを判定する。ステップ２０５でブーム上げ指令が生成されていると判断される場合は、ステップ２０６に進み、現在の制御モードが減速掘削モードか否かを判定する。ステップ２０６で現在の制御モードが減速掘削モードである場合にはそれを維持し（ステップ２１３）、ステップ２１４に進む。また、現在の制御モードが減速掘削モード以外の場合は減速掘削モードに遷移し（ステップ２１５）、ステップ２１４に進む。

ステップ２１４では減速掘削モードが実行され、目標アクチュエータ速度演算部４３３は、ブーム上げ指令を生成する要因である、アームシリンダ６やバケットシリンダ７の速度を操作による指示値よりも減速させ、その減速させたアームシリンダ６やバケットシリンダ７の動作速度に合わせてブーム上げも行われる。これにより、ブームシリンダ５が伸長方向のストロークエンドに達した場合のアーム９又はバケット１０の急停止を防ぎ、オペレータに与える違和感を軽減することが可能となる。ステップ２１４が終了したらステップ２１９に進む。

ステップ２０４でストロークエンド近傍に達していないと判断された場合と、ステップ２０５でブーム上げ指令速度が生成されていないと判断された場合には、ステップ２０３に進み、通常掘削モードで制御を行う。この場合、オペレータの操作感を損ねることはない。

なお、ステップ２０４でブームシリンダ５が伸長方向のストロークエンド近傍に達しているかどうかを判断する閾値は、出荷時の初期設定のままとしても良いし、オペレータが任意の値を入力可能にショベルを構成しても良いし、ブームシリンダ５の応答の遅れを考慮してもストロークエンドに達しない値に自動調整されるようにしても良い。また、目標掘削面の傾斜角や、作業機１Ａの姿勢に応じて閾値を変動させても良い。また、上記で説明した「割合」に代えて、ストロークセンサ等でブームシリンダ５の長さ（シリンダ長）を検出し、その長さが閾値以上かどうかで判定を行っても良い。

本実施形態によれば、ショベルの作業可能範囲情報無しに、通常掘削モードから、減速掘削モード、掘削停止モードに遷移し、目標掘削面への侵入防止が可能になる。このため、制御コントローラ４０でのショベルの作業可能範囲情報を演算する負荷を軽減させることができる。

＜付記＞
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば、第１の実施形態では、ブーム最大上げ作業可能範囲（第１範囲）を便宜上円弧Ｅで定義した。しかし、ブーム角αが最小値で掘削作業が可能なバケット角γは１つではなく或る範囲をとることができ、例えば、アームピンから最も遠いバケット１０の部分がバケット１０の爪先となる範囲であれば掘削が可能である。そのため、ブーム最大上げ作業可能範囲は、線（円弧）ではなく、作業可能範囲Ｄ内において作業不可能範囲Ｆと隣接して位置し、面的な広がりを有する領域となり得る。したがって、ブーム最大上げ作業可能範囲は円弧（線）でなく領域で設定しても良い。この場合、範囲Ｇ（図７参照）は、作業可能範囲Ｄ内においてブーム最大上げ作業可能範囲とブーム下げ側で隣接して位置することになる。

第１の実施形態では、姿勢情報算出のためブーム８、アーム９、バケット１０の角度を検出する角度センサ３０，３１，３２を用いたが、角度センサではなくシリンダストロークセンサによりショベルの姿勢情報を算出するとしても良い。また、目標掘削面設定装置５１に入力する目標掘削面情報は、あらかじめ制御コントローラ４０の内部メモリに保存する形式や、制御コントローラ４０の外部端末との通信により入手する形式や、オペレータが手動で入力する形式等であっても良い。また、ショベルが自身の位置情報を取得する必要がある場合には、ＧＮＳＳアンテナを備えていても良い。

図８のフローチャートでは、通常掘削モードから掘削停止モードまたは減速掘削モードへ遷移する場合に報知装置５３による報知を行ったが、全てのモードの遷移を報知装置５３で行っても良い。また、図９のフローチャートでも同様に報知しても良い。図８，９に示したフローチャートは一例にすぎず、同じ結果が得られるのであれば、各処理の順番は適宜入れ替え可能である。また、発明の成立に不要な処理は適宜省略可能である。

また、上記２つの実施形態では、バケット１０の爪先位置が目標掘削面に侵入しないようにするものとして説明したが、制御の基準とする点（基準位置）はバケットの先端である必要はなく、例えばバケットの背面のような、バケット上の任意の点であれば代替可能である。

上記では３つの制御モードが選択される場合を説明したが、いずれの実施形態についても、通常掘削モードと掘削停止モードの２つのモードのみが選択されるようにショベルを構成することもできる。

減速掘削モードでのアクチュエータの目標速度の低減量は、一定に設定しても良いし、円弧Ｅとバケット先端の距離が近いほど大きくなるように設定しても良い。

バケットシリンダ７及びアームシリンダ６の少なくとも一方の油圧室に圧力センサを搭載して掘削負荷を検出し、圧力が一定値以上となり実掘削が行われていると判断さるときにのみ、通常掘削モード、減速掘削モード、掘削停止モードへの遷移を判断するものとしても良い。この場合、実掘削が行われていない場合に掘削停止モードや減速掘削モードが実行されることが無くなるので、オペレータに与える違和感を軽減できる。

操作レバー１の操作量は、圧力センサ７０，７１，７２だけでなく、例えば、レバーの傾倒量を検出する変位センサや、レバー傾斜角を検出する角度センサ等からも検出可能であり、操作装置が電気式レバーの場合であれば電気レバーから生成される指令電流の値を検出する電流センサ等からも検出可能である。

図１１の流量制御弁１５は油圧駆動されているが、これを電磁弁に代えて電動駆動しても良い。この場合、電磁弁５４，５５，５６等が不要になるので回路が簡素化される。

上記では、ブーム上げ量が制限される状況として、ブームシリンダの上げ方向のストロークエンド及びその近傍での掘削作業を例に挙げたが、油圧ショベルの上方に存在する障害物によりブーム上げが制限される状況においても同様の効果を奏する。

また、上記では、ブーム、アーム及びバケットからなる作業機を備える油圧ショベルを例に挙げて説明したが、多関節型の作業機を備え、作業機の先端で目標掘削面に沿った掘削作業を行う作業機械であれば、本発明は適用可能である。

Ｄ…作業可能範囲、Ｅ…第１範囲（ブーム最大上げ作業可能範囲）、Ｆ…作業不可能範囲、Ｇ…第２範囲、１…操作レバー、２…油圧ポンプ、５…ブームシリンダ、６…アームシリンダ、７…バケットシリンダ、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１５…流量制御弁、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、３３…車体傾斜角センサ、４０…制御コントローラ、４０…制御コントローラ、４１…作業機姿勢演算部、４２…目標掘削面演算部、４３…目標動作演算部、４４電磁比例弁制御部、４５…操作装置、４６…操作装置、５３…報知装置、５４，５５，５６…電磁比例弁

Claims (5)

1. ブーム、アームおよびバケットを有する多関節型の作業機と、
   前記ブームを駆動するブームシリンダ、前記アームを駆動するアームシリンダ、および、前記バケットを駆動するバケットシリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、
   前記複数の油圧アクチュエータのそれぞれに供給される作動油の流量及び方向を、制御信号を受けて制御する複数の流量制御弁と、
   オペレータの操作に応じた制御信号を前記複数の流量制御弁に出力する操作装置と、
   目標掘削面の下方を前記作業機が掘削しないように前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの少なくとも１つを制御する領域制限制御が実行可能な制御装置とを備える作業機械において、
   前記制御装置は、前記領域制限制御の実行中に、前記目標掘削面の下方への前記作業機の侵入を前記ブームの上げ動作により回避可能かを判定する掘削モード判定部を備え、前記掘削モード判定部による前記判定の結果が回避不可能の場合には、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を指示する操作が前記操作装置に入力されていても、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を停止させることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１の作業機械において、
   前記掘削モード判定部は、前記ブームを最大に上げた状態で前記作業機により掘削作業が可能な範囲である第１範囲、前記目標掘削面、および、前記バケットの基準位置を基に前記判定を行い、
   前記制御装置は、
   前記目標掘削面が前記第１範囲と交わり、かつ、前記バケットの基準位置が前記第１範囲に存在すると前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を指示する操作が前記操作装置に入力されていても、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を停止させる掘削停止モードで前記領域制限制御を実行し、
   前記目標掘削面が前記第１範囲と交わらず、または、前記バケットの前記基準位置が前記第１範囲に存在しないと前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記目標掘削面への前記作業機の侵入を前記ブームの上げ動作により回避する通常掘削モードで前記領域制限制御を実行することを特徴とする作業機械。
3. 請求項２の作業機械において、
   前記掘削モード判定部は、さらに、前記作業機により掘削作業が可能な作業可能範囲内において、前記ブームの下げ方向で前記第１範囲に隣接する第２範囲を基に前記判定を行い、
   前記制御装置は、
   前記目標掘削面が前記第１範囲と交わり、かつ、前記バケットの前記基準位置が前記第２範囲に存在すると前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作の速度を前記操作装置による指示速度よりも低減させる減速掘削モードで前記領域制限制御を実行し、
   前記目標掘削面が前記第１範囲と交わり、かつ、前記バケットの前記基準位置が前記第１範囲に存在すると前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記掘削停止モードで前記領域制限制御を実行し、
   前記目標掘削面が前記第１範囲と交わらず、または、前記バケットの前記基準位置が前記第１範囲及び前記第２範囲に存在しないと前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記通常掘削モードで前記領域制限制御を実行することを特徴とする作業機械。
4. 請求項１の作業機械において、
   前記掘削モード判定部は、前記目標掘削面への前記作業機の侵入を回避するために前記複数の流量制御弁に含まれる前記ブームシリンダの流量制御弁の制御信号として出力されるブーム上げ指令、および、前記ブームシリンダの伸縮状態を基に前記判定を行い、
   前記制御装置は、
   前記ブームシリンダが上げ方向のストロークエンドにないと前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記ブーム上げ指令を出力することで前記目標掘削面への前記作業機の侵入を回避する通常掘削モードで前記領域制限制御を実行し、
   前記ブームシリンダが上げ方向のストロークエンドに達した状態で前記ブーム上げ指令が要求されたと前記掘削モード判定部で判定された場合には、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を指示する制御信号が前記操作装置から出力されていても、前記アーム又は前記バケットによる掘削動作を停止させる掘削停止モードで前記領域制限制御を実行することを特徴とする作業機械。
5. 請求項３の作業機械において、
   前記通常掘削モードから前記掘削停止モード又は前記減速掘削モードに遷移した場合、その旨をオペレータに報知する報知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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