JP7036868B2 - 作業機械の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は作業機械の制御装置及び制御方法に関する。

油圧ショベルにおいて、ブーム、アーム、バケットといった作業機（以下では「フロント作業機」とも称する）はそれぞれ回動可能に支持されているため、単独で動かしたときバケット先端は円弧上の軌跡を描く。そのため、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においては、オペレータはブーム、アーム、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、掘削動作時（アーム又はバケット動作時）に設計面（以下では「目標掘削面」とも称する。）に沿ってバケットの先端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掘削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、バケット先端位置を設計面上に制限するものが知られている。

しかし、例えば平地あるいは窪んだ地形に対して土を盛って地面を高くする作業（以下では「盛土作業」と称することがある）を実施する場合、完成後の盛土上面が設計面となる。そのため、盛り土作業中はバケット先端が設計面の下方に位置することが少なくないが、バケット先端が設計面の下方（すなわち盛土領域内）に位置する状態でアーム引き動作が行われると、バケット先端位置を設計面上に制限するマシンコントロールが実行されてブーム上げ動作が突然行われる可能性がある。

そこで、例えば特許文献１には、作業機による作業対象の目標形状を示す設計面のデータを取得する設計面情報取得部と、バケットの刃先の位置を演算する刃先位置演算部と、前記バケットの刃先の位置と前記設計面との相対位置に応じて、ブームを強制的に上昇させ、前記刃先の位置を前記設計面の上方に制限する動作制限制御を実行する動作制限部とを備え、前記動作制限部は、前記刃先が前記設計面から鉛直方向下方に所定距離以上離れた状態では、前記動作制限制御を実行しないように制御する作業車両、が記載されている。

特許第５７０６０５０号公報

特許文献１に記載の作業車両では、バケット刃先（バケット先端）が目標掘削面（設計面）から鉛直方向下方に所定距離以上離れた状態で動作制限制御を実行しないように制御している。そのため、刃先と目標掘削面の距離が所定距離以上の状態から所定距離未満に移行した場合にオペレータの意思と無関係に動作制限制御（強制的なブーム上げ動作）が急に実行される（このようなブームの動作を以下では「急動作」と称することがある）。その結果、ブーム上げ動作を望まない又は予期しないオペレータにとってブーム上げ動作の突然の発生は大きな違和感となる。また、所定距離の近傍にバケット刃先が存在する場合には、動作制限制御によるブーム上げ動作が実行されたり、されなかったりというように、オペレータの意思と無関係に制御のＯＮ／ＯＦＦの切替えが頻繁に発生する可能性がある。そのため、オペレータの違和感が増すことが懸念される。

そこで本発明の目的は、目標掘削面の下方に作業機先端がある場合に、ブーム上げ動作の突然の発生（急動作の発生）を抑制可能な作業機械の制御装置及び制御方法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、操作装置によるアーム又はバケットへの動作指示がある場合、作業機の先端の位置が目標掘削面上及びその上方の領域内に保持されるようにブームを強制的に上昇させる領域制限制御を実行する作業機械の制御装置において、前記制御装置は、前記作業機の先端が前記目標掘削面の下方に位置する場合、前記領域制限制御の実行時の前記ブームの上昇速度の制御モードとして第１モードと、当該第１モードより遅い速度で規定された第２モードとのうちいずれかのモードを選択し、選択された当該モードを基に前記領域制限制御時の前記ブームの上昇速度を制御し、前記制御装置は、前記目標掘削面に対する前記作業機の先端の侵入量が所定値以上の場合は前記第２モードを選択し、前記侵入量が前記所定値未満の場合は前記第１モードを選択するものとする。

本発明によれば、目標掘削面の下方に作業機先端がある場合にブーム上げ動作の突然の発生を抑制できるので、オペレータに与える違和感を抑制できる。

油圧ショベルの構成図。 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。 油圧ショベルにおける座標系を示す図。 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。 本発明の第１の実施形態に係る制御フローチャート。 油圧ショベルと目標掘削面の関係を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る制御フローチャート。 本発明の第３の実施形態に係る制御フローチャート。 ブーム上昇速度の制御モードの一例の図。 ブーム上昇速度の制御モードの他の一例の図。

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、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は本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの構成図であり、図２は本発明の第１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１は、フロント作業機１Ａと車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは、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。

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する。これら被駆動部材８，９，１０，１２，１１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（図２参照）と、走行左レバー２３ｂを有する操作装置４７ｂ（図２参照）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（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）を制御信号として、パイロットライン１４４ａ～１４９ｂ（図２参照）を介して対応する流量制御弁１５ａ～１５ｆ（図２参照）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。

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４参照）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４参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。

図１の油圧ショベル１は、図２に示されるように、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とを有している。これらは油圧ショベル１の被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。

本実施例の油圧ショベルには、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ている。具体的には、操作装置４５ｂ，４６ａによるアーム９又はバケット１０への動作指示がある場合、目標掘削面と作業機１Ａの先端の位置関係を基に、作業機１Ａの先端（バケット１０の爪先）の位置が目標掘削面上及びその上方の領域内に保持されるようにブーム８を強制的に上昇させる制御（「領域制限制御」と称することがある）を実行する掘削制御システムが備えられている。この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、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２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には、後述のＲＯＭ９３又はＲＡＭ９４に記憶された目標掘削面の形状情報と位置情報、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、が入力される。また制御コントローラ４０は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３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９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３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５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と、目標動作判断部４９とを備えている。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、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、目標掘削面設定装置５１には、衛星通信アンテナが接続され、ショベルのグローバル座標を演算しても良い。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２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。

作業機１Ａを自動又は半自動で制御し、目標掘削面を整形する機能であるマシンコントロールによる、水平掘削動作の例を図６に示す。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適宜ブーム上げ指令が出力され、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。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４のショベル基準座標に基づいて定義できる。図４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。Ｘ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）に最大となり、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）に最小となる。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４のとき）に最小となり、バケットシリンダ長が最長のときに最大となる。

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、目標動作判断部４９およびオペレータ操作検出装置５２からの情報に基づき、目標掘削面上及びその上方の領域内をバケット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からの指令に基づき、電磁比例弁５４～５６への指令を演算する。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。

目標動作演算部４３から電磁比例弁制御部４４に出力される指令にはブーム上げ指令が含まれる。ブーム上げ指令は、領域制限制御の実行時に、バケット１０の先端の位置が目標掘削面６０上及びその上方の領域内に保持されるようにブーム８を強制的に上昇させる際に電磁比例弁制御部４４に出力される指令である。ブーム上げ指令が入力されると、電磁比例弁制御部４４は電磁比例弁５４ａに開弁指令（指令電流）を出力し、電磁比例弁５４ａで発生した圧油（以下２次圧と称す）が油圧駆動部１５０ａに供給され制御弁１５ａが駆動される。これにより油圧ポンプ２からブームシリンダ５のボトム側の油圧室に作動油が導かれブーム８が上昇する。その際のブーム８の上昇速度（ブーム上げ速度）は、電磁比例弁５４ａの２次圧の値、すなわち電磁比例弁制御部４４から電磁比例弁５４ａへの指令により制御可能である。

目標動作判断部４９は、作業機１Ａの先端が目標掘削面の下方に位置する場合、領域制限制御の実行時のブーム８の上昇速度の制御モードとして第１モード（通常ブーム上げ制御）及び当該第１モードより遅い速度で規定された第２モード（減速ブーム上げ緩動作制御）のいずれのモードを選択するのが好ましいかを判定し、その判定結果を目標動作演算部４３に出力する。目標動作演算部４３はこの判定結果を基に演算した指令を電磁比例弁制御部４４に出力する。電磁比例弁制御部４４はこの指令を基に電磁比例弁５４ａに指令を出力し、最終的に、目標動作判断部４９で選択された制御モードでブームの上昇速度が制御される。

本実施形態では、目標動作判断部４９は、目標掘削面６０に対する作業機１Ａの先端（バケット１０の爪先）の下方への侵入量を基に上記の判定を行い、その侵入量が所定値以上の場合に第２モード（減速ブーム上げ緩動作制御）を選択し、所定値未満の場合に第１モード（通常ブーム上げ制御）を選択している。詳細は図７を用いて説明する。

本実施形態の目標動作判断部４９による制御フローチャートを図７に示す。まずステップ１００において、目標動作判断部４９は、作業機姿勢演算部４１から入力したショベル基準座標におけるバケット１０の先端の位置と、目標掘削面演算部４２から入力したショベル基準座標における目標掘削面（図７では「目標面」と略す）６０の位置とを基に、目標掘削面６０とバケット１０の先端の距離を演算する。そして、目標掘削面６０の下にバケット１０の先端が位置する場合の当該距離を目標掘削面６０に対する作業機１Ａの侵入量Ｄ、ここではバケット１０の先端の侵入量Ｄとする。ここで侵入量Ｄが所定値Ｄ１（例えば３００ｍｍ）以上の場合、ステップ１０１に進む。

ステップ１０１では、オペレータから操作装置４５ｂ，４６ａによるアーム９又はバケット１０への動作指示、すなわち操作レバー１ｂ，１ａへの操作入力があるか否かをオペレータ操作検出装置５２からの出力を基に判断する。ステップ１０１で、アーム９又はバケット１０に対する操作入力があると判断された場合、ステップ１０４で減速ブーム上げ緩動作制御が制御モードとして選択される。これにより目標動作判断部４９は目標動作演算部４３に対して第２モードの制御モード指令を出力し、ブーム上げ制御時のブーム上昇速度が電磁比例弁５４ａによって第２モードで制御される。

ここで、通常ブーム上げ制御（第１モード）と減速ブーム上げ緩動作制御（第２モード）について説明する。通常、前述の領域制限制御が実行されると、目標動作演算部４３からブーム上げ指令が出力され、当該指令を基にバケット先端が目標掘削面６０に侵入しないようブーム上げ動作が制御される。このときのブーム上昇速度の制御モードを通常ブーム上げ制御（第１モード）とする。一方、減速ブーム上げ緩動作制御（第２モード）は、バケット先端の目標掘削面６０への侵入防止を目的としたものではなく、オペレータへの違和感を小さくするために選択される制御モードであり、その時のブーム上げ速度は、同条件での通常ブーム上げ制御時の速度より常に小さく設定される。例えば第１モード時の速度に所定の割合（例えば２０％）を乗じた値を第２モード時の速度とすることができる。第２モード時の速度が常に第１モード時の速度以下に制御されるように、第２モード時の速度を所定値に保持することもできる。この場合の所定値としては、ブーム上昇速度の最小値、すなわち制御弁１５ａを中立位置から移動可能な最小のパイロット圧が油圧駆動部１５０ａに作用しているときのブーム上昇速度、が選択できる。

減速ブーム上げ緩動作制御に基づくブーム速度制御は、目標掘削面６０より上にバケット先端が位置するまで継続して実施されるようにすることができる。つまり、この場合、減速ブーム上げ緩動作制御が一旦選択されると、バケット先端の目標掘削面６０に対する侵入量が所定値未満となっても、侵入している間は減速ブーム上げ緩動作制御が選択されることになる。なお、これは他の実施の形態にも適用可能である。

また、ステップ１０４で減速ブーム上げ緩動作制御が選択された場合は、ステップ１０５で、減速ブーム上げ緩動作制御が選択された旨をオペレータに通知するように、報知装置５３に指令が出される。このとき、オペレータが制限制御スイッチ１７を領域制限制御の無効位置に切り換えれば、減速ブーム上げ緩動作制御の選択および領域制限制御の実行が停止される。

一方、ステップ１０１でアーム９又はバケット１０の操作入力がないと判断された場合には、ブーム上げ制御は実行されない（ステップ１０７）。

また、ステップ１００で、目標掘削面に対するバケット先端の侵入量が所定値以下であると判断された場合には、ステップ１０２へ進む。ステップ１０２以降では、通常の領域制限制御が実行される。まず、ステップ１０２において、オペレータ操作検出装置５２からの出力を基にアーム９又はバケット１０の操作があると判断された場合、ステップ１０３へ進む。

ステップ１０３では、目標動作判断部４９は、目標動作演算部４３からの入力信号を基に目標動作演算部４３からブーム上げ指令が出力されているか否かの判断を行う。ステップ１０３でブーム上げ指令が出力されている場合、ステップ１０６で通常ブーム上げ制御を選択してブーム上げが実行される。つまり目標動作判断部４９が目標動作演算部４３に対して第１モードの制御モード指令を出力し、ブーム上げ制御時のブーム上昇速度が電磁比例弁５４ａによって第１モードで制御される。

ステップ１０３でブーム上げ指令速度が出力されていないと判断された場合、または、ステップ１０２でアーム９又はバケット１０の操作入力が無いと判断された場合には、ブーム上げ制御は実行されない。

フローチャート中の「ＲＥＴＵＲＮ」まで進んだら、ステップ１００に戻って上記の処理を繰り返す。

本構成による効果を、図８を用いて説明する。図８には、油圧ショベルと目標掘削面６０の位置関係が示されている。油圧ショベルは現況地形における地面６００上を走行可能である。目標掘削面６０は破線で示されており、これは今から盛土作業を行い、最終的に成形される面を示している。

ここで、矢印Ｅに示すように、油圧ショベルが地面６００上を左から右に走行し目標掘削面６０の下方にバケット１０の先端が侵入したとする。油圧ショベルの走行は、通常、フロント作業機１Ａの操作（フロント操作）無しに行われる。つまり、アーム９又はバケット１０の操作は無いので、図７のステップ１０１又は１０２の存在によりブーム上げ制御は実施されず、バケット１０の先端は走行により目標掘削面６０の下方に入り込む。符号Ｄは、目標掘削面６０とバケット１０の先端との距離（侵入量）を示し、符号Ｄ１はステップ１００の所定値を示す。

特許第５７０６０５０号公報のように、侵入量Ｄが所定値（ここでは本実施形態と同じＤ１とする）以上のときは領域制限制御を実行しないように油圧ショベルを構成した場合には、図８の右側の油圧ショベルの状態でオペレータによってアーム９の操作がされても侵入量ＤがＤ１以上の範囲で作業する間はブーム上げ制御は実行されない。そのため、オペレータは侵入量ＤがＤ１未満のときに領域制限制御が実行されることを失念したり、侵入量Ｄに関わらず領域制限制御は全く機能しない状況であると誤解したりする可能性が高くなる。そしてその後、盛り土作業が進んで侵入量Ｄが減少し、バケット１０の先端がＤ１に達した場合に、第１モードで規定される通常速度のブーム上げ制御が突然実行されることになる。この急動作の発生は、ブーム上げ動作を予期しない又は望まないオペレータにとって大きな違和感となる。また、侵入量Ｄが継続的にＤ１の近傍の値となる状況下の作業では、侵入量Ｄの変化に応じてブーム上げ制御のＯＮ／ＯＦＦの切り替えが頻繁に発生するため、オペレータの所望する動作をスムーズに実施できず、作業の進捗に支障を来すおそれもある。

これに対して上記のように構成した本実施形態では、図８の右側の油圧ショベルの状態でアーム９の操作が行われると第２モードで規定される低速度でブーム上げ制御が実行される。このときのブーム上昇速度は通常の場合（つまり侵入量ＤがＤ１未満の場合）よりも低速なので、マシンコントロールによる突然のブーム上げ動作にオペレータが動揺することを抑制できる。また、ブーム上げ動作の発現により領域制限制御が機能していることをオペレータが看取できるので、上記の失念や誤解が生じることもない。さらに、領域制限制御が不要な場合にはオペレータが制限制御スイッチ１７で領域制限制御を自主的に中断するきっかけとなるため、オペレータの意図と異なるマシンコントロールの実行を防止できる。したがって、本実施の形態によれば、目標掘削面の下方に作業機先端がある場合にブーム上げ動作の突然の発生を抑制できるので、オペレータに与える違和感を抑制できる。

また、上記では、第２モードが選択された場合にオペレータにその旨を通知装置を介して通知するように構成した。これによりオペレータの領域制限制御に対する認識をさらに促進できるので、上記の失念や誤解が生じることを更に抑制できる。

また、上記で言及したように、減速ブーム上げ緩動作制御（第２モード）に基づくブーム速度制御が、目標掘削面６０より上にバケット先端が位置するまで継続して実施されるように構成した場合には、目標掘削面６０に対する侵入量Ｄが所定値Ｄ１以下となっても、バケット先端が目標掘削面６０より上に出るまでは減速ブーム上げ緩動作制御に基づくブーム上げ制御が実施される。そのため、バケット先端が目標掘削面６０に達するまでは自動ブーム上げの速度が急変することはないため、オペレータに与える違和感を軽減できる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態の油圧ショベルのハードウェア構成は第１の実施形態と同じであるため説明は省略し、第１の実施形態と重複する機能の説明も省略することがある。

本実施形態では、目標動作判断部４９における「判定」が第１の実施形態と異なっており、目標掘削面に侵入した理由を考慮することで、ブーム上げ制御時のブーム上昇速度の制御モードを変える構成としている。すなわち、走行または旋回による侵入、ショベルが前傾姿勢となることによる侵入、その他の予期しない理由による侵入（例えば掘削中の制御精度悪化による侵入）、といった目標掘削面への侵入理由に応じてブーム上昇速度の制御モードを変えている。

具体的には、目標動作判断部４９は、操作装置４６ｂ，４７ａ，４７ｂ（操作レバー１ｂ，２３ａ，２３ｂ）による下部走行体１１又は上部旋回体１２への動作指示と、目標掘削面６０と作業機１Ａの先端の位置関係とを基に、第１モードと第２モードのいずれを選択してブーム上げ制御時のブーム速度を制御するのが好ましいかを判定を行う。そして、操作装置４６ｂ，４７ａ，４７ｂ（操作レバー１ｂ，２３ａ，２３ｂ）による下部走行体１１又は上部旋回体１２への動作指示により作業機１Ａの先端が目標掘削面６０の下方に移動した場合には第２モード（減速ブーム上げ緩動作制御）を選択し、操作装置４６ｂ，４７ａ，４７ｂによる下部走行体１１又は上部旋回体１２への動作指示のない場合および作業機１Ａの先端が目標掘削面６０の上方に位置する場合には第１モード（通常ブーム上げ制御）を選択する。詳細は図９を用いて説明する。

図９は、本実施形態の目標動作判断部４９における制御フローチャートである。なお、本フローチャートは、制御周期ごとに実施するものとする。

まずステップ２００において、１周期前の制御周期において、目標掘削面６０に対するバケット先端の侵入があったか否かを判断する。バケット先端の目標掘削面６０への侵入がないと判断された場合には、現在のバケット先端は目標掘削面６０の上方に位置するとみなしてステップ２０１に進む。

ステップ２０１では、操作レバー１ｂまたは操作レバー２３ａ，２３ｂを介した走行操作または旋回操作があるかを判定する。ここで走行操作又は旋回操作があると判定された場合には、ステップ２０２に進む。

ステップ２０２では、目標動作判断部４９は、作業機姿勢演算部４１から入力したバケット１０の先端の位置と、目標掘削面演算部４２から入力した目標掘削面６０の位置とを基に、目標掘削面６０に対するバケット先端の侵入があるか否かを判定する。ステップ２０２で目標掘削面６０に対して侵入があると判定された場合、侵入した原因は走行又は旋回操作であると判断してステップ２０３に進む。

ステップ２０３では、操作レバー１ｂ，１ａによるアーム９又はバケット１０に対する操作入力があるか否かを判断する。ここで、アーム９又はバケット１０の操作入力があると判断された場合、ステップ２０９において減速ブーム上げ緩動作制御（第２モード）がブーム上げ速度の制御モードとして選択される。そして、ステップ２１０で、旋回または走行があったため減速ブーム上げ緩動作制御が選択されていることをオペレータに通知するように報知装置５３に指令を出す。なお、第１実施形態と同様に、減速ブーム上げ緩動作制御を、作業機１Ａが目標掘削面６０より上に出るまで実行しても良い。

ステップ２０１で走行操作又は旋回操作が無いと判断された場合には、ステップ２０４に進む。

ステップ２０４では、車体傾斜角センサ３３からの出力を基に車体傾斜角θが前傾方向に所定角度θ１より大きいか否か判定する。所定角度θ１より大きいとステップ２０４で判断された場合、ステップ２１５へと進む。

ステップ２１５では、目標動作判断部４９は、作業機姿勢演算部４１から入力したバケット１０の先端の位置と、目標掘削面演算部４２から入力した目標掘削面６０の位置とを基に、目標掘削面６０に対するバケット先端の侵入があるか否かを判定する。ステップ２１５で目標掘削面６０に対して侵入があると判定された場合、侵入した原因は車体の前傾姿勢によるものと判断してステップ２０５に進む。

ステップ２０５では、アーム９又はバケット１０の操作入力があるか否かを判定する。ステップ２０５でアーム９又はバケット１０の操作入力があると判定された場合、ステップ２０６へ進む。

ステップ２０６では、図７のステップ１０３と同様に、ブーム上げ指令が出力されているかどうかを判定する。ステップ２０６でブーム上げ指令が出力されていると判定された場合、ステップ２１２では、車体傾斜角θが大きいためブーム上げ制御を実行しないことを決定する（すなわちステップ２０６のブーム上げ指令はキャンセルする）とともに、ブーム上げ制御を実施しない旨を通知するように報知装置５３に指令を出す。

ステップ２００で侵入有りと判定された場合と、ステップ２０２，２１５で目標掘削面６０に対して侵入無しと判定された場合と、ステップ２０４で車体傾斜角θが所定角度θ１以下と判定された場合には、ステップ２０７へ進む。なお、ステップ２０７に進むケースとして、走行、旋回又は前傾姿勢による侵入ではなく、掘削作業中の何らかの理由（例えば掘削中の制御精度悪化）で侵入した場合も含まれることになる。

ステップ２０７，２０８では、アーム９又はバケット１０操作があり、そのときブーム上げ指令が出力されていれば、ステップ２１３で通常ブーム上げ制御（第１モード）を選択する。また、ステップ２０３、２０５、２０７において、アーム又はバケット操作が無いと判定された場合と、ステップ２０６、２０８においてブーム上げ指令が出力されていない場合は、ステップ２１１でブーム上げ制御を実行しないこととする。

本実施の形態の効果を説明する。下部走行体１１の走行又は上部旋回体１２の旋回により作業機１Ａの先端が目標掘削面６０の下方に移動した場合は、掘削作業中にバケット先端が目標掘削面６０に侵入した訳ではない。そこで本実施形態では、このような場合に第１モードよりも低速度の第２モードでブーム上げ制御が実行されるようにし、通常と異なる制御が機能していることをオペレータに報知するようにした。これにより走行又は旋回後に低速のブーム上げ動作が発生した場合には、走行又は旋回が原因で目標掘削面６０の下方に移動したことをオペレータに容易に認識させることができる。そのため、領域制限制御（ブーム上げ制御）の実行を希望しない場合には、オペレータが制限制御スイッチ１７で領域制限制御を自主的に中断することも容易となる。

また、地形が悪く車体傾斜が原因でバケット先端が目標掘削面６０に侵入した場合には、ショベルが不安定な姿勢になっていることが多く、そのような状況下では掘削精度の悪化が懸念される。そこで、本実施形態では、下部走行体１１又は上部旋回体１２への動作指示が無いまま目標掘削面６０に侵入した場合であっても、車体傾斜角θが前傾方向に所定角度θ１より大きいときには、車体傾斜が侵入原因とみなし、ブーム上げ制御（領域制限制御）を中断する構成とした。これによりショベルが不安定な姿勢でのブーム上げ制御の実施を回避でき、安定した作業を継続できる。

また、本実施の形態では、ステップ２０１及び２０４でＮＯとなった場合にステップ２０７を実行するように構成しているため、上記（走行、旋回または車体傾斜）以外の原因でバケット先端が目標掘削面６０に侵入した場合も、第１モードでブーム速度を制御することとなる。これにより、掘削作業時に何らかの原因（例えばバケット先端の制御精度の悪化）でバケット先端が目標掘削面６０の下方に侵入した場合に、バケット先端を速やかに目標掘削面６０まで復帰させることができるので掘削作業の作業効率が低下することを防止できる。

したがって本実施形態によれば、上記のような種々の状況に応じて適切なブーム上げ制御を実施することが可能となる。

＜第３実施形態＞
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例である。なお、本実施形態の油圧ショベルのハードウェア構成は第１の実施形態と同じであるため説明は省略し、第１及び第２の実施形態と重複する機能の説明も省略する。

図１０は第３の実施形態の目標動作判断部４９におけるフローチャートである。この図から明らかなように、目標動作判断部４９は、ステップ２０４においてショベルの車体傾斜角θを基に判定を行っており、（１）侵入量Ｄが所定値Ｄ１以上の場合（ステップ１０４を通過する場合）は第２モードを選択し、（２）侵入量Ｄが所定値Ｄ１未満かつ車体傾斜角θが所定角度θ１以上の場合（ステップ２１２を通過する場合）は領域制限制御を中断し、（３）侵入量Ｄが所定値Ｄ１未満かつ車体傾斜角θが所定角度θ１未満の場合（ステップ１０５を通過する場合）は第１モードを選択している。

このように構成した本実施形態においても、第２の実施形態と同様にショベルが不安定な姿勢でのブーム上げ制御の実施を回避でき、安定した作業を継続できる。

＜付記＞
領域制限制御の実行時のブーム上昇速度の制御モードである第１モードと第２モードの例について図１１及び図１２を用いて説明する。

図１１では、第１モードのブーム上げ速度ＶＢは直線で規定され、第２モードの速度ＶＢは曲線で規定されている。第１モードと第２モードは所定値Ｄ１で滑らかに接続されており、侵入量ＤがＤ１以上の状態からＤ１未満の状態に変化する場合、所定値Ｄ１の前後でモードを切り替える場合を想定している。なお、第１モードも曲線で規定しても良いし、第２モードも直線で規定しても良い。

図１２では、第２モードの速度ＶＢは侵入量Ｄに関わらず一定値で規定されている。図１２では、侵入量ＤがＤ１以上の状態からＤ１未満の状態に変化する場合、侵入量Ｄが所定値Ｄ１に到達してもモードを切り替えず侵入量Ｄがゼロになるまで第２モードを保持する場合（第２モードに基づくブーム速度制御を目標掘削面６０より上にバケット先端が位置するまで継続して実施する場合）を想定している。

図１１，１２の例では説明を簡素化するために侵入量Ｄとブーム上げ速度ＶＢを関連付けているが、各モードのブーム上げ速度ＶＢは侵入量と独立させることもできる。図１１，１２の例以外にも、同じ侵入量で第２モードの速度が第１モードの速度以下の値になるものであれば、あらゆるパターンが適用可能である。

ところで、上記の各実施形態において、作業機１Ａの目標掘削面６０の侵入について、バケット先端の侵入量を例として挙げたが、バケット先端に限定するものではない。例えばバケット先端ではなく、バケットの背面のように、バケット上の任意の点を制御対象としても良い。

姿勢情報のためのブーム、アーム、バケットの角度を検出するために角度センサを用いたが、角度センサに代えて、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダのストローク長さを検出するストロークセンサによりショベルの姿勢情報を算出しても良い。

図７，９，１０の各フローチャートにおいて、ステップ１０１，１０２，１０３，２０３，２０５，２０６，２０７，２０８は省略可能である。

油圧ショベルに設定した２次元座標系（ショベル座標系）にバケット先端と目標掘削面を設定して各種制御を行ったが、これに代えて、地面（地球）に設定した３次元座標系（世界座標系）にバケット先端と目標掘削面を設定しても良い。

第１実施形態において、ステップ１０１でＹＥＳと判定された場合にステップ１０３と同じ判定（ブーム上げ指令の有無の判定）を追加的に実行し、当該判定がＹＥＳの場合にステップ１０４に進み、当該判定がＮＯの場合にステップ１０７に進むようにしても良い。

第２実施形態において、ステップ２０２でＮＯと判定された場合（走行操作／旋回操作が無しの場合）にはステップ２０４でなくステップ２０７に進むようにしても良い。すなわち、ステップ２０４、２０５，２０６，２１２は省略可能である。

ステップ２０２での判断を走行又は旋回操作があるか否かとしたが、これを走行のみとしても良い。また、旋回も含めてマシンコントロールするものとして、旋回により目標掘削面に侵入しようとする場合、その旋回に制御介入をしても良い。

また、ステップ２０４での判定条件を車体傾斜角θが前傾方向（ピッチ角）に所定角度θ１以上としたが、これは前傾方向に限定しなくともよい。例えば後傾方向や、左右傾斜（ロール角）に応じた判定条件としても良い。

走行又は旋回による目標掘削面への侵入の判断に関しては種々のパターンが利用可能である。例えば、上記の例に代えて、走行操作中または旋回操作中のバケット先端と目標面の位置関係を監視しておき、バケット先端が目標掘削面の上方から下方に移動したことが確認できたらステップ２０３の処理を実行するように構成しても良い。

第２実施形態及び第３実施形態では、車体傾斜角θがθ１を越える場合にブーム上げ制御を中断する場合を説明したが、これに代えて第２モードでブーム上げ制御を行うようにシステムを構成しても良い。

１Ａ…フロント作業機、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１１…下部走行体、１２…上部旋回体、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）、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（ブーム、アーム）、４６…操作装置（バケット、旋回）、４７…操作装置（走行）、４９…目標動作判断部、５３…報知装置、５４，５５，５６…電磁比例弁

Claims (4)

1. 操作装置によるアーム又はバケットへの動作指示がある場合、作業機の先端の位置が目標掘削面上及びその上方の領域内に保持されるようにブームを強制的に上昇させる領域制限制御を実行する作業機械の制御装置において、
   前記制御装置は、前記作業機の先端が前記目標掘削面の下方に位置する場合、前記領域制限制御の実行時の前記ブームの上昇速度の制御モードとして第１モードと、当該第１モードより遅い速度で規定された第２モードとのうちいずれかのモードを選択し、選択された当該モードを基に前記領域制限制御時の前記ブームの上昇速度を制御し、
   前記制御装置は、前記目標掘削面に対する前記作業機の先端の侵入量が所定値以上の場合は前記第２モードを選択し、前記侵入量が前記所定値未満の場合は前記第１モードを選択することを特徴とする作業機械の制御装置。
2. 操作装置によるアーム又はバケットへの動作指示がある場合、作業機の先端の位置が目標掘削面上及びその上方の領域内に保持されるようにブームを強制的に上昇させる領域制限制御を実行する作業機械の制御装置において、
   前記制御装置は、前記作業機の先端が前記目標掘削面の下方に位置する場合、前記領域制限制御の実行時の前記ブームの上昇速度の制御モードとして第１モードと、当該第１モードより遅い速度で規定された第２モードとのうちいずれかのモードを選択し、選択された当該モードを基に前記領域制限制御時の前記ブームの上昇速度を制御し、
   前記制御装置は、前記操作装置による走行体又は旋回体への動作指示により前記作業機の先端が前記目標掘削面の下方に侵入した場合には前記第２モードを選択し、前記操作装置による前記走行体又は前記旋回体への動作指示のない場合には前記第１モードを選択することを特徴とする作業機械の制御装置。
3. 請求項１の作業機械の制御装置において、
   前記制御装置は、前記侵入量が前記所定値以上の場合は前記第２モードを選択し、前記侵入量が前記所定値未満かつ前記作業機械の車体傾斜角が所定角度以上の場合は前記領域制限制御を中断し、前記侵入量が前記所定値未満かつ前記車体傾斜角が前記所定角度未満の場合は前記第１モードを選択することを特徴とする作業機械の制御装置。
4. アーム又はバケットを動作させる場合、作業機の先端の位置が目標掘削面上及びその上方の領域内に保持されるようにブームを強制的に上昇させる領域制限制御を行うための作業機械の制御方法において、
   前記作業機の先端が前記目標掘削面の下方に位置する場合には、前記領域制限制御の実行時の前記ブームの上昇速度の制御モードとして第１モード及び当該第１モードより遅い速度で規定された第２モードのいずれかのモードを選択し、
   前記目標掘削面に対する前記作業機の先端の侵入量が所定値以上の場合は前記第２モードを選択し、前記侵入量が前記所定値未満の場合は前記第１モードを選択し、
   前記第１モード及び前記第２モードのうち選択されたいずれかのモードを基に前記領域制限制御時の前記ブームの上昇速度を制御することを特徴とする作業機械の制御方法。

Images