JP7227046B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関する。

情報化施工への対応に伴い、油圧ショベル等の作業機械には、ブーム、アーム、バケットなどの作業機構の位置や姿勢を設計面に沿って動くように制御するマシンコントロール機能を有するものがある。その代表的なものとして、バケット先端が設計面に近づくと、それ以上バケット先端が設計面方向に進まないように、作業機構の動作に制限をかけるものが知られている。

土木工事施工管理基準において、設計面に対する高さ方向の許容精度の規格値が定められている。設計面の出来形の誤差が許容値を超える場合は、施工のやり直しが発生することで作業効率が低下する。したがって、マシンコントロール機能は、出来形の許容精度を満たすために必要な制御精度を有することが求められている。

一方、近年、バケットの回動軸に垂直な２軸（チルト軸、ロータリ軸）をアームに対して回動することが可能な、ロータリチルトバケットが普及している。このロータリチルトバケットを備えた作業機械は、走行体が正対することが困難な法面（傾斜面）に対してバケットの姿勢を沿わせることが可能なため、整形作業が可能となる設計面の種類が、従来の作業機構に比べて大幅に増加している。しかしながら、操作者が同時に操作する必要のあるアクチュエータ数が増加するため、整形作業時のレバー操作が難しくなることが課題となる。

また、ロータリチルトバケットの普及に伴い、チルト軸周りの回動操作を支援するマシンコントロール機能が普及し始めている。従来のブーム、アーム、バケット操作の支援に加えて、チルト操作を支援することで、チルト操作を含む整形作業を、熟練度の低い操作者が高い精度で行うことが可能となる。操作者のチルト操作を支援する技術の一例として、特許文献１にロータリチルトバケットのチルト回動軸の制御方法が開示されている。特許文献１に示されるショベルの制御装置は、バケット上に定義されたバケット線と、設計面の勾配が平行になるように、バケットのチルト角度を自動制御で調整している。

ＷＯ２０１６／１５８７７９

設計面は、面の法線方向が大きく異なる複数の面から構成されており、一度の整形動作で、バケットが連続する複数の面を通過する可能性がある。ある面から連続する次の面へバケットが通過しながら整形作業を行う場合には、面が切り替わった後にも出来形精度を維持するため、バケットが次の面に対して線接触状態を維持する必要がある。

しかしながら、特許文献１に記載されるような制御装置は、ある面から連続する次の面へバケットが通過する場合に、次の面に対してバケットと面が一時的に点接触状態になる可能性がある。これにより、次の面に対するバケットの姿勢制御の開始が遅れるため、境界線付近の整形精度が低下する恐れがある。また、境界線付近の整形を行うには、境界線通過後に面に対してバケットの姿勢を合わせ、一度通過した境界線方向に戻るようにバケットを動作させる必要があるため、整形作業の効率が低下する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、隣接する２つの目標面の境界線を作業具が通過する際に、作業具と各目標面との線接触状態を維持することにより、境界線付近の整形精度を向上させることができる作業機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、作業具と、前記作業具の位置を制御する少なくとも１つの位置制御アクチュエータ、および前記作業具の姿勢を制御する少なくとも１つの姿勢制御アクチュエータを含む複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータの動作を指示する操作装置と、前記操作装置の操作量に基づき前記複数のアクチュエータの少なくとも１つを制御する制御信号を出力するコントローラと、複数の目標面からなる設計面の情報を記憶する設計面記憶装置とを備え、前記コントローラは、前記複数の目標面の中から、前記作業具に最も近い目標面である第１目標面を抽出し、前記第１目標面に対する前記作業具の位置および姿勢に基づいて、前記複数のアクチュエータのうち少なくとも１つのアクチュエータの動作速度を制御する作業機械において、前記コントローラは、前記複数の目標面の中から、前記第１目標面に隣接する目標面である第２目標面を抽出し、前記第１目標面と前記第２目標面の境界線である第１境界線を算出し、前記作業具が前記第１境界線を通過する前に、前記作業具の刃先上に設定された基準線と前記第１境界線との角度差が小さくなるように、前記姿勢制御アクチュエータの制御信号を補正するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、作業具上に設定された基準線と、隣接する２つの目標面の境界線との角度差が算出され、作業具が境界線を通過する前に、基準線と境界線との角度差が小さくなるように作業具の姿勢が制御される。これにより、作業具が境界線を通過する際に、作業具と各目標面との線接触状態が維持されるため、境界線付近の整形精度を向上させることが可能となる。

本発明に係る作業機械によれば、隣接する２つの目標面の境界線を作業具が通過する際に、作業具と各目標面との線接触状態が維持されるため、境界線付近の整形精度を向上させることが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの駆動機構を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルに搭載される油圧アクチュエータ制御システムを概略的に示す油圧回路図である。 本発明の第１の実施例に係る設計面と目標面の定義の詳細を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る目標面と作業具に係る演算値の定義の詳細を示す図である。 本発明の第１の実施例に係るコントローラの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施例に係る姿勢補正量演算部の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施例に係る姿勢補正量演算部の姿勢補正による作業具の動作を示す図である。 本発明の第１の実施例による境界線付近の整形精度が向上する効果を示す図である。 第２の実施例に係るコントローラの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第２の実施例に係る動作速度補正部の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第３の実施例に係る姿勢補正量演算部の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第３の実施例に係る動作速度補正部の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第４の実施例に係る動作速度補正部の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第５の実施例に係る目標面の定義の詳細を示す図である。 第５の実施例に係るコントローラの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第５の実施例に係る姿勢補正量演算部の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第６の実施例に係るコントローラの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。 第６の実施例に係る姿勢補正量演算部および動作速度補正部の指令変換マップの一例を示す図である。 第６の実施例に係る姿勢補正量演算部および動作速度補正部の演算処理を示すフローチャートである。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において、当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本発明の第１の実施例に係る油圧ショベル１００の外観を模式的に示す図である。

図１において、油圧ショベル１００は、回動する複数の被駆動部材（ブーム４、アーム５、バケット（作業具）６）を連結して構成された、多関節型のフロント装置（フロント作業機）１と、車体を構成する上部旋回体２および下部走行体３とを備え、上部旋回体２は下部走行体３に対して旋回可能に設けられている。また、フロント装置１のブーム４の基端は上部旋回体２の前部に回動可能に支持されており、アーム５の一端はブーム４の基端とは異なる端部（先端）に回動可能に支持されており、アーム５の他端にはバケット６が回動可能に支持されている。

操作者が搭乗する運転室９には、油圧アクチュエータ２ａ，４ａ～６ａ，６ｂ，６ｃ（図２に示す）を操作するための操作信号を出力する操作レバー装置（操作装置）９ａと、走行モータ３ａを駆動するための操作信号を出力する操作レバー装置（操作装置）９ｂが設けられている。操作レバー装置９ａは前後左右に傾倒可能な２本の操作レバーであり、傾倒方向と傾倒量に応じて油圧アクチュエータ２ａ，４ａ～６ａを操作する。加えて、操作レバー装置９ａは、連続的な信号を出力可能な物理スイッチ２つを含み、油圧アクチュエータ６ｂ，６ｃを操作するための電気信号を出力する。操作レバー装置９ｂは前後方向に傾倒可能な２本の操作レバーであり、傾倒方向と傾倒量に応じて油圧アクチュエータ３ａを操作する。操作レバー装置９ａ，９ｂは、操作レバーの傾倒量（レバー操作量）に相当する操作信号を電気的に検出する検出装置とを含み、検出したレバー操作量を制御装置であるコントローラ１０（図３に示す）に電気配線を介して出力する。

油圧アクチュエータ２ａ～６ａ，６ｂ，６ｃの動作制御は、原動機４０によって駆動される油圧ポンプ７から、各油圧アクチュエータ２ａ～６ａ，６ｂ，６ｃに供給される作動油の方向および流量を、コントロールバルブ８で制御することにより行う。コントロールバルブ８の制御は、パイロットポンプ７０（図３に示す）から電磁比例弁を介して出力される駆動信号（パイロット圧）により行われる。操作レバー装置９ａ，９ｂが検出した操作レバー操作量の電気信号に基づいて、コントローラ１０で電磁比例弁を制御することにより、各油圧アクチュエータ２ａ～６ａ，６ｂ，６ｃの動作が制御される。

なお、操作レバー装置９ａ、９ｂは、上記と異なる油圧パイロット方式であってもよく、操作レバーの操作方向および操作量に応じたパイロット圧を、駆動信号としてコントロールバルブ８に直接供給し、各油圧アクチュエータ２ａ～６ａを駆動するように構成しても良い。

図２は、油圧ショベル１００の駆動機構を概略的に示す図である。

油圧ショベル１００には、上部旋回体２に固定された座標系Ｆ１と、下部走行体３に固定された座標系Ｆ２の２つが定義されている。座標系Ｆ１と座標系Ｆ２は、ｚ軸方向が同一であり、原点位置がｚ軸方向にオフセットされた座標系とする。

ブーム４、アーム５は、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａの駆動によって、単一の平面（以下、動作平面）上で動作する。動作平面は、ブーム４の回動軸Ａ１およびアーム５の回動軸Ａ２に直交する平面であり、上部旋回体座標系Ｆ１のｘ－ｚ平面として定義される。動作平面は、旋回モータ２ａが回動軸Ａ３周りに回動することで、上部旋回体２の旋回動作に応じて回動する。

バケット６は、バケットシリンダ６ａ、チルトシリンダ６ｂ、ロータリモータ６ｃの駆動によって、ロール、ピッチ、ヨー方向にバケット６の姿勢を制御することができる。ここで、ロール方向は上部旋回体座標系Ｆ１のＸ軸周りの回転方向、ピッチ方向は上部旋回体座標系Ｆ１のＹ軸周りの回転方向、ヨー方向は上部旋回体座標系Ｆ１のＺ軸周りの回転方向と定義する。バケットシリンダ６ａの駆動によって、回動軸Ａ４周りのロール方向にバケット６が回動する。チルトシリンダ６ｂの駆動によって、回動軸Ａ５周りのピッチ方向にバケット６が回動する。ロータリモータ６ｃの駆動によって、回動軸Ａ６周りのヨー方向にバケット６が回動する。

慣性計測装置１１～１４は、角速度および加速度を計測するものである。車体慣性計測装置１１、ブーム慣性計測装置１２、アーム慣性計測装置１３、バケット慣性計測装置１４は、計測した角速度と加速度を基にして、回動軸Ａ１～Ａ５周りの回動角度および角速度を推定する。ロータリ角度計測装置１５は、回動軸Ａ６周りの回動角度を計測する。なお、角度検出手段は慣性計測装置１１～１４に限られるものではなく、例えばブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、チルトシリンダ６ｂにそれぞれストロークセンサを配置し、回転軸Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５周りの回転量とシリンダストローク量の間の相対関係に基づいた変換式によって、回転角度を算出するように構成しても良い。

車体位置Ｐｇと車体方位Ｃｇを取得するために、上部旋回体２には２つのＧｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ（ＧＮＳＳ）アンテナ１６ａ、１６ｂが取り付けられている。ＧＮＳＳアンテナ１６ａ、１６ｂは、人工衛星などから受信した距離信号を、後述する測位装置２００へ送信する。

図３は、油圧ショベル１００に搭載される油圧アクチュエータ制御システムを概略的に示す図である。説明の簡略化のため、発明の説明に必要な要素のみを記載している。

油圧アクチュエータ制御システムは、各油圧アクチュエータ２ａ～６ａ，６ｂ，６ｃを駆動するコントロールバルブ８、コントロールバルブ８へ圧油を供給する油圧ポンプ７、コントロールバルブ８の駆動信号となるパイロット圧を供給するパイロットポンプ７０、および油圧ポンプ７を駆動するための原動機４０から構成される。本実施例においては、油圧ポンプ７は可変容量式とし、コントローラ１０からの電流指令に基づいて可変容量ポンプ用電磁比例減圧弁７ａが動作することによって油圧ポンプ７の容量が調整され、油圧ポンプ７の吐出流量が制御されるものとする。なお、油圧ポンプ７を固定容量式とし、コントローラ１０からの制御指令によって原動機４０の回転数を調整し、油圧ポンプ７の吐出流量を制御する構成としてもよい。

油圧ポンプ７が吐出した圧油は、旋回方向制御弁８ａ１、ブーム方向制御弁８ａ３、アーム方向制御弁８ａ５、バケット方向制御弁８ａ７、チルト方向制御弁８ａ９、ロータリ方向制御弁８ａ１１によって、それぞれ対応する油圧アクチュエータ２ａ～６ａ，６ｂ，６ｃに分配される。コントローラ１０から指令された電流指令に基づいて、電磁比例減圧弁８ａ２ａ，８ａ２ｂ，８ａ４ａ，８ａ４ｂ，８ａ６ａ，８ａ６ｂ，８ａ８ａ，８ａ８ｂ，８ａ１０ａ，８ａ１０ｂ，８ａ１２ａ，８ａ１２ｂが動作することによって、方向制御弁８ａ１，８ａ３，８ａ５，８ａ７，８ａ９，８ａ１１を駆動するパイロット圧を調整する。

旋回方向制御弁８ａ１は、旋回モータ２ａに繋がる油路の一方が油圧ポンプ７と連通する開口（メータイン開口）となり、もう一方がタンク４１へと繋がる油路に連通する開口（メータアウト開口）となる。電磁比例減圧弁８ａ２ａと電磁比例減圧弁８ａ２ｂのどちらを駆動するかを選択することで、旋回モータ２ａ内部を流れる圧油の方向が反転し、旋回モータ２ａの回動方向を制御できる。ロータリ方向制御弁８ａ１１についても同様であるため、説明を省略する。

ブーム方向制御弁８ａ３は、ブームシリンダ４ａのボトム側油室４ａ１またはロッド側油室４ａ２の一方が、油圧ポンプ７と繋がる油路と連通する開口（メータイン開口）となり、もう一方がタンク４１へと繋がる油路に連通する開口（メータアウト開口）となる。電磁比例減圧弁８ａ４ａを駆動すると、油圧ポンプ７からボトム側油室４ａ１へ圧油が流れ、ロッド側油室４ａ２の圧油がタンク４１に戻される。一方で、電磁比例減圧弁８ａ４ｂを駆動すると、油圧ポンプ７からロッド側油室４ａ２へ圧油が流れ、ボトム側油室４ａ１の圧油がタンク４１に戻される。このように、電磁比例減圧弁８ａ４ａと電磁比例減圧弁８ａ４ｂのどちらを駆動するかを選択することで、ブームシリンダ４ａの動作方向が反転し、ブームシリンダ４ａの駆動方向を制御できる。アーム方向制御弁８ａ５、バケット方向制御弁８ａ７、チルト方向制御弁８ａ９についても同様であるため、説明を省略する。

油圧ポンプ７から吐出した圧油の一部は、ブリードオフ弁８ｂ１がタンク４１への油路を連通させることにより、タンク４１へと排出される。ブリードオフ弁８ｂ１は、コントローラ１０から指令された電流指令に基づいてブリードオフ弁用電磁比例減圧弁８ｂ２が動作することによってパイロット圧が調整され、タンク４１へと排出される流量が制御される。なお、ブリードオフ弁８ｂ１を設置する代わりに、方向制御弁８ａ１，８ａ３，８ａ５，８ａ７，８ａ９，８ａ１１を、３方向の開口制御が可能なオープンセンタ型の方向制御弁として、メータイン開口およびメータアウト開口と連動してブリードオフ開口が調整される構成としてもよい。

図４は、設計面ＴＳと目標面Ｓの定義の詳細を示す図である。

設計面ＴＳは、図４（ａ）に示すように、油圧ショベル１００の外部に設定されたグローバル座標系Ｆ３を基準とした３つの位置座標点であるＶｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３によって定義される。３点Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３によって構成される三角形として表される設計面ＴＳを複数組み合わせることで、整形作業の目標となる地形が表現される。

設計面ＴＳに対して、三角形の重心位置Ｐｔと、法線ベクトルＮｔが演算される。重心位置Ｐｔと法線ベクトルＮｔがそれぞれの設計面ＴＳに対して演算され、図４（ｂ）に示すように、法線ベクトルＮｔ間のなす角が小さい設計面ＴＳが１つにまとめられ、目標面Ｓとして新たに定義される。目標面Ｓは、グローバル座標系Ｆ３を基準とした基準位置Ｐ_Ｓ＝（Ｐ_Ｓｘ，Ｐ_Ｓｙ，Ｐ_Ｓｚ）と、グローバル座標系Ｆ３を基準としたユークリッドノルムが１の３次元法線ベクトルＮ_Ｓ＝（Ｎ_Ｓｘ，Ｎ_Ｓｙ，Ｎ_Ｓｚ）で表現される。

図５は、目標面Ｓ１，Ｓ２と作業具６に係る演算値の定義の詳細を示す図である。

作業具６の状態は、位置Ｘ_ｂ、姿勢Ｃ_ｂ、並進速度（移動速度）Ｖ_ｂから構成される。位置Ｘ_ｂは、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした、作業具６の基準点Ｐ１の位置と定義し、ｘ方向の位置ｐ_ｘ、ｙ方向の位置ｐ_ｙ、ｚ方向の位置ｐ_ｚの３要素からＸ_ｂ＝（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ，ｐ_ｚ）と構成される。姿勢Ｃ_ｂは、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした、ロール、ピッチ、ヨー方向それぞれの回転角度として定義し、ロール方向の角度θ_ｒ、ピッチ方向の角度θ_ｐ、ヨー方向の角度θ_ｙの３要素からＣ_ｂ＝（θ_ｒ，θ_ｐ，θ_ｙ）と構成され、図５（ｂ）のように表現される。並進速度Ｖ_ｂは、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした、作業具６の基準点Ｐ１の並進速度であり、ｘ方向の速度ｖ_ｘ、ｙ方向の速度ｖ_ｙ、ｚ方向の速度ｖ_ｚの３要素からＶ_ｂ＝（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）と構成される。ロール、ピッチ、ヨー方向の回転速度については、本実施例では使用しないため省略する。なお、並進速度Ｖ_ｂについては、以下「移動速度Ｖ_ｂ」ということにする。

作業具６上には、図５（ａ）に示すように、基準線Ｌ１が予め設定されている。本実施例では作業具６の刃先を基準線Ｌ１と定義する。ここで、基準線Ｌ１は、下部走行体座標系Ｆ２を基準としたユークリッドノルムが１の３次元方向ベクトルＤ_Ｌ１＝（Ｄ_Ｌ１_ｘ，Ｄ_Ｌ１_ｙ，Ｄ_Ｌ１_ｚ）で表現される。なお、本実施例における基準線Ｌ１の方向Ｄ_Ｌ１は、作業具６の姿勢Ｃ_ｂのｙ軸正方向と一致するものとする。

作業具６の姿勢制御に関わる演算は、主目標面Ｓ１と予測目標面Ｓ２に基づいて行われる。主目標面Ｓ１は、作業具６の基準点Ｐ１から降ろした垂線の距離が最も小さい目標面Ｓと定義する。一方で、予測目標面Ｓ２は、作業具６の移動速度Ｖ_ｂ方向にあり、かつ基準点Ｐ１から主目標面Ｓ１との境界線に降ろした垂線の距離が最も小さい目標面Ｓと定義する。ただし、作業具６の移動速度Ｖ_ｂのユークリッドノルムが閾値Ｖ_ｂ，ｔｈより小さい場合には、作業具６の移動速度Ｖ_ｂ方向に関わらず、基準点Ｐ１から主目標面Ｓ１との境界線に降ろした垂線の距離が最も小さい目標面Ｓを予測目標面Ｓ２とする。

これら２つの目標面Ｓ１，Ｓ２は、下部走行体座標系Ｆ２を基準として演算される。目標面Ｓに係る演算が行われるグローバル座標系Ｆ３から、目標面Ｓ１，Ｓ２に係る演算が行われる下部走行体座標系Ｆ２への変換は、後述する測位装置２００から取得した車体位置Ｐｇと車体方位Ｃｇに基づいて行われる。

主目標面Ｓ１は、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした基準位置Ｐ_Ｓ１＝（Ｐ_Ｓ１_ｘ，Ｐ_Ｓ１_ｙ，Ｐ_Ｓ１_ｚ）と、下部走行体座標系Ｆ２を基準としたユークリッドノルムが１の３次元法線ベクトルＮ_Ｓ１＝（Ｎ_Ｓ１_ｘ，Ｎ_Ｓ１_ｙ，Ｎ_Ｓ１_ｚ）で表現される。同様に、予測目標面Ｓ２は、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした基準位置Ｐ_Ｓ２＝（Ｐ_Ｓ２_ｘ，Ｐ_Ｓ２_ｙ，Ｐ_Ｓ２_ｚ）と、下部走行体座標系Ｆ２を基準としたユークリッドノルムが１の３次元法線ベクトルＮ_Ｓ２＝（Ｎ_Ｓ２_ｘ，Ｎ_Ｓ２_ｙ，Ｎ_Ｓ２_ｚ）で表現される。

また、主目標面Ｓ１と予測目標面Ｓ２から、目標面Ｓ１，Ｓ２間の境界線Ｌ２が演算される。境界線Ｌ２は、下部走行体座標系Ｆ２を基準としたユークリッドノルムが１の３次元方向ベクトルＤ_Ｌ２＝（Ｄ_Ｌ２_ｘ，Ｄ_Ｌ２_ｙ，Ｄ_Ｌ２_ｚ）で表現される。方向ベクトルＤ_Ｌ２は、主目標面Ｓ１の法線ベクトルＮ_Ｓ１と予測目標面Ｓ２の法線ベクトルＮ_Ｓ２の外積として、以下の式（１）のように算出される。

図６は、本実施例に係るコントローラ１０の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。なお、図６において、図３と同様に本発明に直接関わらない機能は省略して説明する。

コントローラ１０は、作業具状態演算部１０ａ、作業具基準線演算部１０ｂ、目標面演算部１０ｃ、境界線演算部１０ｄ、姿勢補正量演算部１０ｅを有している。

作業具状態演算部１０ａは、計測装置１１～１５から取得した回動軸Ａ１～Ａ６周りの角度と角速度に基づいて、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした作業具６の位置Ｘ_ｂ、姿勢Ｃ_ｂ、移動速度Ｖ_ｂを幾何学的に演算する。演算した位置Ｘ_ｂおよび姿勢Ｃ_ｂは、作業具基準線演算部１０ｂ、目標面演算部１０ｃへと出力される。移動速度Ｖ_ｂは、目標面演算部１０ｃへと出力される。

作業具基準線演算部１０ｂは、作業具状態演算部１０ａが演算した位置Ｘ_ｂおよび姿勢Ｃ_ｂに基づいて、作業具６上に予め設定された基準線Ｌ１の方向ベクトルＤ_Ｌ１を演算する。演算した基準線Ｌ１は、姿勢補正量演算部１０ｅへと出力される。

目標面演算部１０ｃは、測位装置２００から取得した車体位置Ｐｇと車体方位Ｃｇ、作業具状態演算部１０ａから取得した位置Ｘ_ｂ、移動速度Ｖ_ｂに基づいて、設計面記憶装置２１から取得した設計面ＴＳの中から、主目標面Ｓ１と予測目標面Ｓ２を抽出し、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした基準位置Ｐ_Ｓ１，Ｐ_Ｓ２、法線ベクトルＮ_Ｓ１，Ｎ_Ｓ２を演算する。算出された主目標面Ｓ１および予測目標面Ｓ２に関わる演算値は、境界線演算部１０ｄへ出力される。

境界線演算部１０ｄは、目標面演算部１０ｃから取得した主目標面Ｓ１と予測目標面Ｓ２に関わる演算値に基づいて、式（１）から方向ベクトルＤ_Ｌ２を演算する。算出された境界線Ｌ２に係る演算値は、姿勢補正量演算部１０ｅへと出力される。

姿勢補正量演算部１０ｅは、作業具基準線演算部１０ｂから取得した基準線Ｌ１、境界線演算部１０ｄから取得した境界線Ｌ２、操作装置９ａから取得した操作信号に基づいて、ロータリモータ６ｃに出力するロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}を演算する。

本実施例においては、作業具６の位置Ｘ_ｂを制御して行う整形作業を、操作者による操作装置９ａの手動操作によって行うものとする。この場合、操作者は旋回モータ２ａ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａの駆動比率を手動で制御することで整形作業を行う。なお、コントローラ１０が、操作装置９ａの操作信号と主目標面Ｓ１に応じて、旋回モータ２ａ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａを半自動で制御する掘削制御システムを備えているものとしてもよい。ここで、掘削制御システムとは、操作装置９ａの操作信号に対して、作業具６の位置Ｘ_ｂが主目標面Ｓ１上及びその上方の領域内に保持され、主目標面Ｓ１下方に侵入しないように、油圧アクチュエータ２ａ，４ａ，５ａの少なくとも１つを強制的に動作させる制御（例えば、ブームシリンダ４ａを伸ばして強制的にブーム上げ動作を行う）を実行するものとする。

図７は、姿勢補正量演算部１０ｅの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

図７（ａ）は、姿勢補正量演算部１０ｅの処理フローを示す機能ブロック図である。姿勢補正量演算部１０ｅは、基準線方向ベクトルＬ１と境界線方向ベクトルＬ２の角度差Ｅ_Ｌを演算する角度差演算部１０ｅ１を有する。本実施例では、角度差の正負を判別するため、角度差Ｅ_Ｌを例えば以下の式（２）のように算出する。

図７（ｂ）に示すように、角度差Ｅ_Ｌは下部走行体座標系Ｆ２のｘ軸に対する基準線方向ベクトルＤ_Ｌ１のなす角と、境界線方向ベクトルＤ_Ｌ２のなす角の差として定義される。

角度差演算部１０ｅ１が演算した角度差Ｅ_Ｌに基づいて、ロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}は以下の式（３）のように演算する。

ここで、ｋ_１は角度差Ｅ_Ｌに対するロータリモータ６ｃの補正度合いを表すゲインである。演算されたロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}と、ロータリ操作信号がテーブルＴＢＬ１によって変換されたロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}が、セレクタＳＬＴ１に入力される。セレクタＳＬＴ１は、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}が与えられている場合には、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}をロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}として出力する。一方で、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}が与えられていない場合には、ロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}をロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}として出力する。ロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}がロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}として出力された場合には、角度差Ｅ_Ｌの大きさと方向に応じたロータリモータ６ｃの回転によって、作業具６のヨー方向の姿勢θ_ｙが制御される。

図８は、姿勢補正量演算部１０ｅの姿勢補正による作業具６の動作を示す図である。

図８（ａ０）は、主目標面Ｓ１と作業具６上の基準線Ｌ１が線接触状態になるように、操作者が作業具６の姿勢Ｃ_ｂを調整した結果の一例である。この状態から、操作者が操作装置９ａを操作することで整形作業が開始され、移動速度Ｖ_ｂで予測目標面Ｓ２方向に作業具６が移動する。

図８（ａ１）および図８（ａ２）は、図８（ａ０）の状態から開始して、姿勢補正量演算部１０ｅによってロータリモータ６ｃの回転角度が補正されない状態で、主目標面Ｓ１および予測目標面Ｓ２の整形作業を行った場合の結果の一例である。作業具６が主目標面Ｓ１の上方領域にあり、かつ境界線Ｌ２に接近している図８（ａ１）では、姿勢補正量演算部１０ｅによるロータリモータ６ｃへのロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}が指令されていないため、作業具６上の基準線Ｌ１と境界線Ｌ２が平行になっていない状態で、主目標面Ｓ１の整形作業が行われている。作業具６が境界線Ｌ２を通過した図８（ａ２）では、境界線Ｌ２通過後に作業具６上の点Ｐ２のみが予測目標面Ｓ２と接触し、境界線Ｌ２付近の予測目標面Ｓ２が点接触状態で整形される。そのため、予測目標面Ｓ２の整形が不十分なまま、作業具６が移動速度Ｖ_ｂ方向に移動する。境界線Ｌ２付近の予測目標面Ｓ２を整形するためには、予測目標面Ｓ２に対して線接触状態になるように作業具６の姿勢Ｃ_ｂを補正した後に、作業具６を境界線Ｌ２付近に戻るように動作させる必要がある。これにより、作業の無駄が発生し、整形作業の効率が低下する。

図８（ｂ１）および図８（ｂ２）は、図８（ａ０）の状態から開始して、姿勢補正量演算部１０ｅによってロータリモータ６ｃの回転角度が補正された状態で、主目標面Ｓ１および予測目標面Ｓ２の整形作業を行った場合の結果の一例である。作業具６が主目標面Ｓ１の上方領域にあり、かつ境界線Ｌ２に接近している図８（ｂ１）では、姿勢補正量演算部１０ｅによるロータリモータ６ｃへのロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}が指令されて、作業具６上の基準線Ｌ１と境界線Ｌ２が平行になった状態で、主目標面Ｓ１の整形作業が行われている。作業具６が境界線Ｌ２を通過した図８（ｂ２）では、境界線Ｌ２通過後に基準線Ｌ１と予測目標面Ｓ２が線接触状態になり、境界線Ｌ２付近の予測目標面Ｓ２が線接触状態で整形される。そのため、境界線Ｌ２付近の予測目標面Ｓ２の整形が線接触状態で実現され、境界線Ｌ２付近の整形精度が向上する。

図９は、本発明によって境界線Ｌ２付近の整形精度が向上する効果を示す図である。

姿勢補正量演算部１０ｅによってロータリモータ６ｃの回転角度が補正されていない場合に発生する整形誤差を破線、姿勢補正量演算部１０ｅによってロータリモータ６ｃの回転角度が補正された場合に発生する整形誤差を実線で示している。ここで整形誤差は、目標面Ｓ１，Ｓ２と、整形動作後の地形の高さ方向の誤差と定義する。境界線Ｌ２を通過する前の主目標面Ｓ１の整形作業時は、図８（ａ０）に示すように、作業具６が主目標面Ｓ１と線接触状態になるように、整形作業開始前に操作者が手動で作業具６の姿勢Ｃ_ｂを補正したと仮定する。この場合、姿勢補正がない場合（破線）とある場合（実線）で、主目標面Ｓ１に対する整形誤差に差はない状態となる。

作業具６が境界線Ｌ２を通過した瞬間に、姿勢補正がない場合（破線）では、図８（ａ２）に示すように、作業具６と予測目標面Ｓ２が点接触状態となるため、整形誤差が増大する。その後、予測目標面Ｓ２に対して作業具６が線接触状態になるように操作者が操作することで、整形誤差は減少していく。一方で、姿勢補正がある場合（実線）では、図８（ｂ２）に示すように、境界線Ｌ２通過直後も作業具６と予測目標面Ｓ２が線接触状態となるため、境界線Ｌ２通過後も整形誤差が増大することなく、予測目標面Ｓ２の整形作業を継続することができる。

本実施例では、作業具６と、作業具６の位置を制御する少なくとも１つの位置制御アクチュエータ２ａ，４ａ，５ａ、および作業具６の姿勢を制御する少なくとも１つの姿勢制御アクチュエータ６ｃを含む複数のアクチュエータ２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ，６ｂ，６ｃと、前記複数のアクチュエータの動作を指示する操作装置９ａと、操作装置９ａの操作量に基づき複数のアクチュエータ２ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａ，６ｂ，６ｃの少なくとも１つを制御する制御信号を出力するコントローラ１０と、複数の目標面からなる設計面の情報を記憶する設計面記憶装置２１とを備え、コントローラ１０は、前記複数の目標面の中から、作業具６に最も近い目標面である第１目標面Ｓ１を抽出し、第１目標面Ｓ１に対する作業具６の位置および姿勢に基づいて、前記複数のアクチュエータのうち少なくとも１つのアクチュエータの動作速度を制御する作業機械１００において、コントローラ１０は、前記複数の目標面の中から、第１目標面Ｓ１に隣接する目標面である第２目標面Ｓ２を抽出し、第１目標面Ｓ１と第２目標面Ｓ２の境界線である第１境界線Ｌ２を算出し、作業具６が第１境界線Ｌ２を通過する前に、作業具６上に設定された基準線Ｌ１と第１境界線Ｌ２との角度差Ｅ_Ｌが小さくなるように、姿勢制御アクチュエータ６ｃの制御信号を補正する。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００によれば、作業具６上に設定された基準線Ｌ１と、隣接する２つの目標面Ｓ１，Ｓ２の境界線Ｌ２との角度差ＥＬが算出され、作業具６が境界線Ｌ２を通過する前に、基準線Ｌ１と境界線Ｌ２との角度差ＥＬが小さくなるように作業具６の姿勢が制御される。これにより、作業具６が境界線Ｌ２を通過する際に、作業具６と各目標面Ｓ１，Ｓ２との線接触状態が維持されるため、境界線Ｌ２付近の整形精度を向上させることが可能となる。

図１０は、第２の実施例に係るコントローラ１０の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

コントローラ１０は、作業具状態演算部１０ａが演算した作業具６の位置Ｘ_ｂ、作業具基準線演算部１０ｂが演算した基準線Ｌ１、境界線演算部１０ｄが演算した境界線Ｌ２、操作装置９ａから取得した操作信号に基づいて、作業具６の移動速度Ｖ_ｂを補正する動作速度補正部１０ｆを有する。動作速度補正部１０ｆの演算した指令速度は、作業具６の位置Ｘ_ｂを制御可能なアクチュエータである旋回モータ２ａ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａへと出力される。

図１１は、第２の実施例に係る動作速度補正部１０ｆの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

図１１（ａ）に示す動作速度補正部１０ｆの機能ブロック図は、要求作業具速度演算部１０ｆ１、境界線接近方向演算部１０ｆ２、角度差演算部１０ｆ３、作業具速度制限部１０ｆ４、制限アクチュエータ速度演算部１０ｆ５から構成される。

要求作業具速度演算部１０ｆ１は、操作装置９ａから取得した旋回操作信号、ブーム操作信号、アーム操作信号から、作業具６上に設定された基準点Ｐ１の要求速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}を演算する。

境界線接近方向演算部１０ｆ２は、作業具状態演算部１０ａが演算した作業具６の位置Ｘ_ｂと、境界線演算部１０ｄが演算した境界線Ｌ２の方向ベクトルＤ_Ｌ２から、作業具６の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２に向かう方向ベクトル（以下、境界線接近方向ベクトル）Ｄ_ｂを演算する。境界線接近方向ベクトルＤ_ｂは、図１１（ｂ）に示すように、作業具６上の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２に降ろした垂線方向であり、ユークリッドノルムが１の３次元方向ベクトルとして与えられる。

角度差演算部１０ｆ３は、作業具基準線演算部１０ｂが演算した基準線Ｌ１の方向ベクトルＤ_Ｌ１と、境界線演算部１０ｄが演算した境界線Ｌ２の方向ベクトルＤ_Ｌ２に基づいて、式（２）から角度差Ｅ_Ｌを演算する。

作業具速度制限部１０ｆ４は、基準線Ｌ１と境界線Ｌ２の角度差Ｅ_Ｌに基づいて限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}を算出し、境界線接近方向ベクトルＤ_ｂの方向の要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}を制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}以下に制限する。一例として、ｘ方向の制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ，ｘ}は以下の式（４）のように演算される。

ここで、Ｖ_{ｂ，ｍａｘ，ｘ}は作業具６がｘ方向に並進可能な最大速度、ｋ_２は角度差Ｅ_Ｌに対する作業具６の移動速度Ｖ_ｂの減速度合いを表すゲインである。式（４）の制限方式により、作業具６が境界線Ｌ２に近づく場合には、角度差Ｅ_Ｌに応じた速度制限が行われ、作業具６が境界線Ｌ２から遠ざかる場合には、要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}が修正されることなく出力される。ｙ方向、ｚ方向の制限についても同様であるため、説明を省略する。

制限アクチュエータ速度演算部１０ｆ５は、作業具速度制限部１０ｆ４が出力した制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}を、旋回モータ２ａ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａそれぞれの速度指令に分解し、旋回速度指令、ブーム速度指令、アーム速度指令を演算する。

本実施例では、コントローラ１０は、姿勢制御アクチュエータ６ｃの制御信号を補正する際に、基準線Ｌ１と第１境界線Ｌ２との角度差Ｅ_Ｌが大きくなるほど、第１境界線Ｌ２に向かう側の作業具６の移動速度Ｖ_ｂの減速度合いが大きくなるように、位置制御アクチュエータ２ａ，４ａ，５ａの制御信号を補正する。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、作業具６が境界線Ｌ２から遠ざかる側に操作された場合は、作業具６のヨー方向の姿勢θ_ｙの補正と、移動速度Ｖ_ｂの減速が行われないため、境界線Ｌ２付近での作業効率を向上させることが可能となる。

また、基準線Ｌ１と第１境界線Ｌ２との角度差Ｅ_Ｌが大きくなるほど、第１境界線Ｌ２に向かう側の作業具６の移動速度Ｖ_ｂの減速度合いが大きくなるため、姿勢補正量演算部１０ｅによる作業具６の姿勢Ｃ_ｂの補正が終了する前に、作業具６が境界線Ｌ２を通過することを防止することができる。これにより、境界線Ｌ２通過後の予測目標面Ｓ２に対する作業具６の線接触状態を確実に維持することができ、境界線Ｌ２付近の整形精度が保証される。

図１２は、第３の実施例に係る姿勢補正量演算部１０ｅの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

図１２（ａ）に示す姿勢補正量演算部１０ｅの機能ブロック図は、角度差演算部１０ｅ１、境界線距離演算部１０ｅ２から構成される。

境界線距離演算部１０ｅ２は、境界線Ｌ２と作業具６の基準点Ｐ１の間の距離Ｅ_Ｄ１を演算する。距離Ｅ_Ｄ１は、図１２（ｂ）に示すように、作業具６の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２に降ろした垂線の長さと定義する。境界線距離演算部１０ｅ２が演算した距離Ｅ_Ｄ１は、セレクタＳＬＴ２に出力される。セレクタＳＬＴ２は、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}とロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}のいずれかを以下の方式で選択し、ロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}として出力する。

ここで、Ｔ_Ｄ１はロータリモータ６ｃの回転角度を補正するかどうかを判定するための距離の閾値である。式（５）により、距離Ｅ_Ｄ１が閾値Ｔ_Ｄ１以上の場合には、操作信号によって演算された要求作業具速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}が出力され、姿勢補正量演算部１０ｅによる作業具６のヨー方向の姿勢θ_ｙの補正が行われない。

図１３は、本実施例に係る動作速度補正部１０ｆの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

図１３（ａ）に示す動作速度補正部１０ｆの機能ブロック図は、要求作業具速度演算部１０ｆ１、境界線接近方向演算部１０ｆ２、角度差演算部１０ｆ３、作業具速度制限部１０ｆ４、制限アクチュエータ速度演算部１０ｆ５、境界線距離演算部１０ｆ６から構成される。

境界線距離演算部１０ｆ６は、境界線距離演算部１０ｅ２と同様に、境界線Ｌ２と作業具６の基準点Ｐ１の間の距離Ｅ_Ｄ１を演算する。距離Ｅ_Ｄ１は、図１３（ｂ）に示すように、作業具６の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２に降ろした垂線の長さと定義する。境界線距離演算部１０ｆ６が演算した距離Ｅ_Ｄ１は、セレクタＳＬＴ３に出力される。セレクタＳＬＴ３は、要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}と制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}のいずれかを以下の方式で選択し、作業具指令速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｆ}として出力する。

ここで、Ｔ_Ｄ２は移動速度Ｖ_ｂの制限を行うかどうかを判定するための距離の閾値である。式（６）により、距離Ｅ_Ｄ１が閾値Ｔ_Ｄ２以上の場合には、操作信号によって演算された要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}が出力され、動作速度補正部１０ｆによる移動速度Ｖ_ｂの減速が行われない。

本実施例では、コントローラ１０は、作業具６上に設定された基準点Ｐ１から第１境界線Ｌ２までの距離である第１境界線距離Ｅ_Ｄ１を算出し、第１境界線距離Ｅ_Ｄ１が閾値Ｔ_Ｄ１未満の場合、基準線Ｌ１と第１境界線Ｌ２との角度差Ｅ_Ｌが小さくなるように、姿勢制御アクチュエータ６ｃの制御信号を補正する。

また、コントローラ１０は、第１境界線距離Ｅ_Ｄ１が閾値Ｔ_Ｄ２未満の場合、作業具６の移動速度Ｖ_ｂが制限速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}以下となるように、位置制御アクチュエータ２ａ，４ａ，５ａの制御信号を補正する。

以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、作業具６上の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２までの距離Ｅ_Ｄ１が閾値Ｔ_Ｄ１以上の場合は、作業具６のヨー方向の姿勢θ_ｙの補正が行われず、距離Ｅ_Ｄ１が閾値Ｔ_Ｄ２以上の場合は、移動速度Ｖ_ｂの減速が行われないため、境界線Ｌ２から大きく離れた領域での作業効率を向上させることが可能となる。

図１４は、第４の実施例に係る動作速度補正部１０ｆの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

図１４（ａ）に示す動作速度補正部１０ｆの機能ブロック図は、要求作業具速度演算部１０ｆ１、境界線接近方向演算部１０ｆ２、角度差演算部１０ｆ３、作業具速度制限部１０ｆ４、制限アクチュエータ速度演算部１０ｆ５、境界線接近速度演算部１０ｆ７から構成される。

境界線接近速度演算部１０ｆ７は、作業具６の基準点Ｐ１の境界線Ｌ２に向かう方向の速度成分（以下、境界線接近速度）Ｖ_ｂ，Ｌを演算する。境界線接近速度Ｖ_ｂ，Ｌは、図１４（ｂ）に示すように、移動速度Ｖ_ｂに対して作業具６の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２に降ろした垂線方向の成分と定義する。境界線接近速度演算部１０ｆ７が演算した境界線接近速度Ｖ_ｂ，Ｌは、セレクタＳＬＴ４に出力される。セレクタＳＬＴ４は、要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}と制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}のいずれかを以下の方式で選択し、作業具指令速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｆ}として出力する。

ここで、Ｔ_Ｖは移動速度Ｖ_ｂの制限を行うかどうかを判定するための速度の閾値である。式（７）により、境界線Ｌ２に向かう方向の速度Ｖ_ｂ，Ｌが閾値Ｔ_Ｖ未満の場合には、操作信号によって演算された要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}が出力され、動作速度補正部１０ｆによる移動速度Ｖ_ｂの減速が行われない。

本実施例では、コントローラ１０は、作業具６の移動速度Ｖ_ｂの第１境界線Ｌ２に向かう方向の速度成分である境界線接近速度Ｖ_ｂ，Ｌを算出し、境界線接近速度Ｖ_ｂ，Ｌが閾値Ｔ_Ｖ以上の場合、作業具６の移動速度Ｖ_ｂが制限速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}以下となるように、位置制御アクチュエータ２ａ，４ａ，５ａの制御信号を補正する。

以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、作業具６の境界線Ｌ２に向かう方向の速度Ｖ_ｂ，Ｌが閾値Ｔ_Ｖ以上の場合は、作業具指令速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｆ}が制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}に制限されるため、姿勢補正量演算部１０ｅによる作業具６の姿勢Ｃｂの補正が終了する前に、作業具６が境界線Ｌ２を通過することを防止することができる。これにより、境界線Ｌ２通過後の予測目標面Ｓ２に対する作業具６の線接触状態を確実に維持することができ、境界線Ｌ２付近の整形精度が保証される。

図１５は、第５の実施例に係る目標面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の定義の詳細を示す図である。

作業具６の姿勢制御に関わる演算は、主目標面Ｓ１と予測目標面Ｓ２に加えて、第２予測目標面Ｓ３に基づいて行われる。第２予測目標面Ｓ３は、基準点Ｐ１から主目標面Ｓ１との境界線に降ろした垂線の距離が予測目標面Ｓ２の次に小さい目標面Ｓと定義する。目標面Ｓ１，Ｓ２と同様に、第２予測目標面Ｓ３は、下部走行体座標系Ｆ２を基準とした基準位置Ｐ_Ｓ３＝（Ｐ_Ｓ３_ｘ，Ｐ_Ｓ３_ｙ，Ｐ_Ｓ３_ｚ）と、下部走行体座標系Ｆ２を基準としたユークリッドノルムが１の３次元法線ベクトルＮ_Ｓ３＝（Ｎ_Ｓ３_ｘ，Ｎ_Ｓ３_ｙ，Ｎ_Ｓ３_ｚ）で表現される。

また、主目標面Ｓ１と第２予測目標面Ｓ３の間の境界線を境界線Ｌ３と定義する。境界線Ｌ３は、下部走行体座標系Ｆ２を基準としたユークリッドノルムが１の３次元方向ベクトルＤ_Ｌ３＝（Ｄ_Ｌ３_ｘ，Ｄ_Ｌ３_ｙ，Ｄ_Ｌ３_ｚ）で表現される。境界線Ｌ３の演算方法は、式（１）による境界線Ｌ２の演算と同様であるため、説明を省略する。

図１６は、本実施例に係るコントローラ１０の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

目標面演算部１０ｃは、主目標面Ｓ１、予測目標面Ｓ２に加えて、第２予測目標面Ｓ３を抽出する。算出した目標面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に係る演算値は、境界線演算部１０ｄへ出力される。

境界線演算部１０ｄは、主目標面Ｓ１と予測目標面Ｓ２の間の境界線Ｌ２に加えて、主目標面Ｓ１と第２予測目標面Ｓ３の間の境界線Ｌ３を演算する。

姿勢補正量演算部１０ｅは、作業具状態演算部１０ａから取得した作業具位置Ｘ_ｂ、作業具基準線演算部１０ｂから取得した基準線Ｌ１、境界線演算部１０ｄから取得した境界線Ｌ２，Ｌ３に基づいて、ロータリモータ６ｃへの指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}を演算する。

図１７は、本実施例に係る姿勢補正量演算部１０ｅの処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

図１７（ａ）に示す姿勢補正量演算部１０ｅの機能ブロック図は、角度差演算部１０ｅ１、境界線距離演算部１０ｅ２から構成される。

境界線距離演算部１０ｅ２は、境界線Ｌ２とＬ３、作業具位置Ｘ_ｂに基づいて、境界線距離Ｅ_Ｄ１および境界線距離Ｅ_Ｄ２を演算する。距離Ｅ_Ｄ１は、図１７（ｂ）に示すように、作業具６の基準点Ｐ１から境界線Ｌ２に降ろした垂線の長さと定義する。同様に、距離ＥＤ２は、作業具６の基準点Ｐ１から境界線Ｌ３に降ろした垂線の長さと定義する。

境界線距離演算部１０ｅ２が演算した距離Ｅ_Ｄ１および距離Ｅ_Ｄ２は、セレクタＳＬＴ５に出力される。セレクタＳＬＴ５は、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}とロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}のいずれかを以下の方式で選択し、ロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}として出力する。

ここで、Ｔ_Ｄ３は動作速度の制限を行うかどうかを判定するための距離の閾値である。式（８）により、距離Ｅ_Ｄ１および距離Ｅ_Ｄ２がともに閾値Ｔ_Ｄ３未満の場合には、操作信号によって演算されたロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}が出力され、姿勢補正量演算部１０ｅによる作業具６の姿勢Ｃ_ｂの補正が行われない。

本実施例では、コントローラ１０は、複数の目標面の中から、第２目標面Ｓ２とは別に第１目標面Ｓ１に隣接する目標面である第３目標面Ｓ３を抽出し、第１目標面Ｓ１と第３目標面Ｓ３の境界線である第２境界線Ｌ３を算出し、作業具６上に設定された基準点Ｐ１から第１境界線Ｌ２までの距離である第１境界線距離Ｅ_Ｄ１を算出し、基準点Ｐ１から第２境界線Ｌ３までの距離である第２境界線距離Ｅ_Ｄ２を算出し、第１境界線距離Ｅ_Ｄ１および第２境界線距離Ｅ_Ｄ２がともに閾値Ｔ_Ｄ３未満である場合、姿勢制御アクチュエータ６ｃの制御信号の補正を停止する。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、作業具６が境界線Ｌ２および境界線Ｌ３の両方に近接している場合は、作業具６の姿勢Ｃ_ｂの補正が行われないため、主目標面Ｓ１と隣接する２つの目標面Ｓ２，Ｓ３付近で主目標面Ｓ１の整形作業を行う際に、姿勢Ｃ_ｂの補正の基準となる境界線Ｌ２および境界線Ｌ３が振動的に切り替わることを防止することができる。これにより、主目標面Ｓ１に対する整形作業の効率が低下することを防ぐことが可能となる。

図１８は、第６の実施例に係るコントローラ１０の処理機能の詳細を示す機能ブロック図である。

コントローラ１０は、作業具６の位置Ｘ_ｂ、姿勢Ｃ_ｂ、基準線Ｌ１、境界線Ｌ２，Ｌ３および操作信号に基づいて、ロータリモータ６ｃへの指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}を演算および指令する姿勢補正量演算部１０ｅと、作業具６の位置Ｘ_ｂ、姿勢Ｃ_ｂ、移動速度Ｖ_ｂ、基準線Ｌ１、境界線Ｌ２および操作信号に基づいて、要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}を演算および指令する動作速度補正部１０ｆを有する。

図１９は、本実施例に係る姿勢補正量演算部１０ｅおよび動作速度補正部１０ｆの指令変換マップの一例を示す図である。

姿勢補正量演算部１０ｅは、基準線Ｌ１と境界線Ｌ２の角度差Ｅ_Ｌと式（２）に従って、ロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}を演算する。式（３）中の補正ゲインｋ_１は、例えば、基準線Ｌ１と境界線Ｌ２のなす角の最大角度差Ｅ_{Ｌ，ｍａｘ}において、ロータリモータ６ｃの補正速度が最大速度ω_{ｙ，ｍａｘ}となるように、以下の式（９）のように決定する。

式（９）のように補正ゲインｋ_１を決定することで、作業具６の姿勢Ｃ_ｂの補正に必要となる時間が最小限に抑えられ、予測目標面Ｓ２に対する線接触を補償する作業具６の移動速度Ｖ_ｂの速度制限の発生頻度が最小化されるため、作業効率が向上する。

動作速度補正部１０ｆは、基準線Ｌ１と境界線Ｌ２の角度差Ｅ_Ｌ、境界線接近方向ベクトルＤ_ｂおよび式（４）に従って、制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}を演算する。一例として、ｘ方向の制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ，ｘ}を求める変換マップを図１９に示す。図１９（ａ）に示すように、境界線接近方向ベクトルＤ_ｂのｘ成分Ｄ_ｂ，ｘが正の場合には、制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ，ｘ}は正方向にのみ作業具６の移動速度Ｖ_ｂを制限する。一方で、図１９（ｂ）に示すように、境界線接近方向ベクトルＤ_ｂのｘ成分Ｄ_ｂ，ｘが負の場合には、制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ，ｘ}は負方向にのみ作業具６の移動速度Ｖ_ｂを制限する。式（４）中の補正ゲインｋ_２は、例えば、作業具６の基準点Ｐ１と境界線Ｌ２の距離がＴ_Ｄ１であり、かつ基準線Ｌ１と境界線Ｌ２のなす角が最大角度差Ｅ_{Ｌ，ｍａｘ}である場合において、境界線Ｌ２を通過する前に姿勢Ｃ_ｂの補正が完了するように、以下の式（１０）から補正ゲインｋ_２を決定する。

また、距離閾値Ｔ_Ｄ１は以下の式（１１）の条件を満たすように決定される。

式（１０）（１１）のように補正ゲインｋ_２および距離閾値Ｔ_Ｄ１を決定することで、境界線Ｌ２の通過前に作業具６の姿勢Ｃ_ｂの補正が完了するように作業具６の移動速度がＶ_ｂが制限されるため、予測目標面Ｓ２との線接触状態の維持をより確実に保証できる。

図２０は、本実施例に係る姿勢補正量演算部１０ｅおよび動作速度補正部１０ｆの演算処理を示すフローチャートである。

姿勢補正量演算部１０ｅは、条件分岐ＦＣ１、条件分岐ＦＣ２、条件分岐ＦＣ３に基づいて、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}とロータリ補正速度ω_{ｙ，ｍｏｄ}のどちらをロータリ指令速度ω_{ｙ，ｒｅｆ}として指令するかを選択する。条件分岐ＦＣ１は、境界線距離Ｅ_Ｄ１および境界線距離Ｅ_Ｄ２に基づいて、式（８）に従って条件分岐を行う。条件分岐ＦＣ２は、境界線距離Ｅ_Ｄ１に基づいて、式（５）に従って条件分岐を行う。条件分岐ＦＣ３は、ロータリ要求速度ω_{ｙ，ｒｅｑ}の絶対値に応じて条件分岐を行う。

動作速度補正部１０ｆは、条件分岐ＦＣ４、条件分岐ＦＣ５、条件分岐ＦＣ６に基づいて、要求作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｑ}と制限作業具速度Ｖ_{ｂ，ｌｉｍ}のどちらを指令作業具速度Ｖ_{ｂ，ｒｅｆ}として指令するかを選択する。条件分岐ＦＣ４は、境界線接近速度Ｖ_ｂ，Ｌに基づいて、式（７）に従って条件分岐を行う。条件分岐ＦＣ５は、境界線距離Ｅ_Ｄ１に基づいて、式（６）に従って条件分岐を行う。条件分岐ＦＣ６は、基準線Ｌ１と境界線Ｌ２の角度差Ｅ_Ｌと境界線接近方向ベクトルＤ_ｂに基づいて、式（４）に従って条件分岐を行う。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００によれば、第１～第５の実施例で説明した効果が得られる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例では、操作レバー装置として電気レバーを用いたが、パイロット式の操作レバーを用いても良い。その場合、操作レバーによって操作されるパイロットバルブと特定のアクチュエータ（ブームシリンダまたはアームシリンダ）へ流入する圧油の流れを制御するコントローラバルブとの間に比例電磁弁を介在させて制御することになる。また、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

１…フロント装置、２…上部旋回体、２ａ…旋回モータ（位置制御アクチュエータ）、３…下部走行体、３ａ…走行モータ（アクチュエータ）、４…ブーム、４ａ…ブームシリンダ（位置制御アクチュエータ）、４ａ１…ボトム側油室、４ａ２…ロッド側油室、５…アーム、５ａ…アームシリンダ（位置制御アクチュエータ）、６…バケット（作業具）、６ａ…バケットシリンダ（アクチュエータ）、６ｂ…チルトシリンダ（アクチュエータ）、６ｃ…ロータリモータ（姿勢制御アクチュエータ）、７…油圧ポンプ、７ａ…可変容量ポンプ用電磁比例減圧弁、８…コントロールバルブ、８ａ１…旋回方向制御弁、８ａ２ａ，８ａ２ｂ…電磁比例減圧弁、８ａ３…ブーム方向制御弁、８ａ４ａ，８ａ４ｂ…電磁比例減圧弁、８ａ５…アーム方向制御弁、８ａ６ａ，８ａ６ｂ…電磁比例減圧弁、８ａ７…電磁比例減圧弁、８ａ８ａ，８ａ８ｂ…電磁比例減圧弁、８ａ９…チルト方向制御弁、８ａ１０ａ，８ａ１０ｂ…電磁比例減圧弁、８ａ１１…ロータリ方向制御弁、８ａ１２ａ，８ａ１２ｂ…電磁比例減圧弁、８ｂ１…ブリードオフ弁、８ｂ２…ブリードオフ弁用電磁比例減圧弁、９…運転室、９ａ，９ｂ…操作レバー装置（操作装置）、１０…コントローラ、１０ａ…作業具状態演算部、１０ｂ…作業具基準線演算部、１０ｃ…目標面演算部、１０ｄ…境界線演算部、１０ｅ…姿勢補正量演算部、１０ｅ１…角度差演算部、１０ｅ２…境界線距離演算部、１０ｆ…動作速度補正部、１０ｆ１…要求作業具速度演算部、１０ｆ２…境界線接近方向演算部、１０ｆ３…角度差演算部、１０ｆ４…作業具速度制限部、１０ｆ５…制限アクチュエータ速度演算部、１０ｆ６…境界線距離演算部、１０ｆ７…境界線接近速度演算部、１１…車体慣性計測装置、１２…ブーム慣性計測装置、１３…アーム慣性計測装置、１４…バケット慣性計測装置、１５…ロータリ角度計測装置、１６ａ，１６ｂ…ＧＮＳＳアンテナ、２１…設計面記憶装置、４０…原動機、７０…パイロットポンプ、１００…油圧ショベル（作業機械）、２００…測位装置。

Claims (6)

1. 作業具と、
   前記作業具の位置を制御する少なくとも１つの位置制御アクチュエータ、および前記作業具の姿勢を制御する少なくとも１つの姿勢制御アクチュエータを含む複数のアクチュエータと、
   前記複数のアクチュエータの動作を指示する操作装置と、
   前記操作装置の操作量に基づき前記複数のアクチュエータの少なくとも１つを制御する制御信号を出力するコントローラと、
   複数の目標面からなる設計面の情報を記憶する設計面記憶装置とを備え、
   前記コントローラは、前記複数の目標面の中から、前記作業具に最も近い目標面である第１目標面を抽出し、前記第１目標面に対する前記作業具の位置および姿勢に基づいて、前記複数のアクチュエータのうち少なくとも１つのアクチュエータの動作速度を制御する作業機械において、
   前記コントローラは、
   前記複数の目標面の中から、前記第１目標面に隣接する目標面である第２目標面を抽出し、
   前記第１目標面と前記第２目標面の境界線である第１境界線を算出し、
   前記作業具が前記第１境界線を通過する前に、前記作業具の刃先上に設定された基準線と前記第１境界線との角度差が小さくなるように、前記姿勢制御アクチュエータの制御信号を補正する
   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、
   前記コントローラは、前記姿勢制御アクチュエータの制御信号を補正する際に、前記基準線と前記第１境界線との角度差が大きくなるほど、前記第１境界線に向かう側の前記作業具の動作速度の減速度合いが大きくなるように、前記位置制御アクチュエータの制御信号を補正する
   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、
   前記コントローラは、
   前記作業具上に設定された基準点から前記第１境界線までの距離である第１境界線距離を算出し、
   前記第１境界線距離が閾値未満の場合、前記基準線と前記第１境界線との角度差が小さくなるように、前記姿勢制御アクチュエータの制御信号を補正する
   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、
   前記コントローラは、
   前記作業具上に設定された基準点から前記第１境界線までの距離である第１境界線距離を算出し、
   前記第１境界線距離が閾値未満の場合、前記作業具の移動速度が制限速度以下となるように、前記位置制御アクチュエータの制御信号を補正する
   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、
   前記コントローラは、
   前記作業具の動作速度の前記第１境界線に向かう方向の速度成分である境界線接近速度を算出し、
   前記境界線接近速度が閾値以上の場合、前記作業具の移動速度が制限速度以下となるように、前記位置制御アクチュエータの制御信号を補正する
   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、
   前記コントローラは、
   前記複数の目標面の中から、前記第２目標面とは別に前記第１目標面に隣接する目標面である第３目標面を抽出し、
   前記第１目標面と前記第３目標面の境界線である第２境界線を算出し、
   前記作業具上に設定された基準点から前記第１境界線までの距離である第１境界線距離を算出し、
   前記基準点から前記第２境界線までの距離である第２境界線距離を算出し、
   前記第１境界線距離および前記第２境界線距離がともに閾値未満である場合、前記姿勢制御アクチュエータの制御信号の補正を停止する
   ことを特徴とする作業機械。

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