JP7257430B2 - ショベル及びショベル用システム - Google Patents

Description

本発明は、アタッチメントを備えたショベルに関する。

アームを閉じる際にアームシリンダのロッド側油室から流出する作動油の流量を増減させる可変絞りを有するショベルが知られている（特許文献１参照。）。このショベルは、可変絞りを制御するためにアームシリンダのボトム側油室の圧力を監視する。ボトム側油室の圧力が所定値未満であれば、バケットが地面に接触しておらず掘削アタッチメントが空中で動作していると判断でき、アームが自重で落下しないように可変絞りを流れる作動油の流量を低減すべきと判断できるためである。また、ボトム側油室の圧力が所定値以上であれば、バケットが地面に接触していると判断でき、可変絞りのところで無駄な圧力損失が生じないように可変絞りを流れる作動油の流量を増大すべきと判断できるためである。

特開２０１０－２３００６１号公報

しかしながら、上述のショベルは、アームシリンダのボトム側油室の圧力に基づいてバケットと地面の接触を検知した後でなければ可変絞りを流れる作動油の流量を低減させるべきか増大させるべきかを判断できない。その結果、掘削開始時にその流量を増大させることができず、可変絞りのところで無駄な圧力損失を生じさせ、ショベルの作業効率を低下させてしまう。これは、掘削対象の地面の現在の形状を認識していないため、バケットが地面に接触する時期を事前に判断できないことに起因する。このように、特許文献１ではバケットと地面の接触時しか記載されておらず、排土後の記載は一切ない。

上述に鑑み、排土後の土砂の形状を認識できるショベルを提供することが望まれる。

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、制御弁により制御されるアタッチメントと、前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、制御装置と、を備えるショベルであって、前記制御装置は、前記制御装置が参照できるようにデータベースに記憶された、前記アタッチメントを構成するバケットによる排土動作が行われる前の、当該ショベルが位置する作業現場における土砂が排土される対象箇所の、３次元地形モデルとしての土砂の形状情報を、前記バケットによる排土動作の後に更新する。

上述の手段により、排土後の土砂の形状を認識できるショベルが提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される姿勢検出装置を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 地面形状情報取得部が取得する掘削対象地面の現在の形状に関する情報の概念図である。 排土後地面形状取得処理の流れの一例を示すフローチャートである。 バケット角度と土砂排土率との関係を示す図である。 排土動作後の地面形状に関する情報の概念図である。 図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図である。 再生油路及び再生解除弁の構成例を示す図である。 開口面積調整処理の流れを示すフローチャートである。 コントローラが再生解除弁の開口面積を調整する際の各種パラメータの時間的推移を示す図である。 掘削対象地面の深さと基準面との関係を示す図である。 バケット角度と掘削反力との関係を示す図である。 姿勢自動調整処理の流れを示すフローチャートである。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。

最初に、図１を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルについて説明する。なお、図１は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。作業要素としてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。なお、アタッチメントは、床堀アタッチメント、均しアタッチメント、浚渫アタッチメント等の他のアタッチメントであってもよい。また、ブーム４、アーム５、及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載される。また、上部旋回体３には通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、及びシリンダ圧検出装置Ｍ４が取り付けられる。

通信装置Ｍ１は、ショベルと外部との間の通信を制御する装置である。本実施例では、通信装置Ｍ１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベルとの間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置Ｍ１は、例えば１日１回の頻度で、ショベルの作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。ＧＮＳＳ測量システムは、例えばネットワーク型ＲＴＫ－ＧＮＳＳ測位方式を採用する。

測位装置Ｍ２は、ショベルの位置及び向きを測定する装置である。本実施例では、測位装置Ｍ２は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベルの存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベルの向きを測定する。

姿勢検出装置Ｍ３は、アタッチメントの姿勢を検出する装置である。本実施例では、姿勢検出装置Ｍ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する装置である。

シリンダ圧検出装置Ｍ４は、油圧シリンダ内の作動油の圧力を検出する装置である。本実施例では、シリンダ圧検出装置Ｍ４は、ブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出するブームボトム圧センサを含む。

図２は、図１のショベルに搭載される姿勢検出装置Ｍ３を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。具体的には、姿勢検出装置Ｍ３は、ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、バケット角度センサＭ３ｃ、及び車体傾斜センサＭ３ｄを含む。

ブーム角度センサＭ３ａは、ブーム角度θ１を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。ブーム角度θ１は、ＸＺ平面において、ブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。

アーム角度センサＭ３ｂは、アーム角度θ２を取得するセンサであり、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、アーム５の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。アーム角度θ２は、ＸＺ平面において、アーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。

バケット角度センサＭ３ｃは、バケット角度θ３を取得するセンサであり、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、バケット６の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。バケット角度θ３は、ＸＺ平面において、バケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。

車体傾斜センサＭ３ｄは、ショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４、及び、ショベルのＸ軸回りの傾斜角θ５（図示せず。）を取得するセンサであり、例えば２軸傾斜（加速度）センサ等を含む。なお、図２のＸＹ平面は水平面である。

次に、図３を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０、及びエンジン制御装置（ＥＣＵ）７４等を含む。

エンジン１１はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５の入力軸に接続される。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ１４は、斜板の角度（傾転角）を変更することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ１４の斜板は、レギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａは、電磁比例弁（不図示）に対する制御電流の変化に対応して、斜板の傾転角を変化させる。例えば、制御電流を増加させることにより、レギュレータ１４ａは、斜板の傾転角を大きくして、メインポンプ１４の吐出流量を多くする。また、制御電流を減少させることにより、レギュレータ１４ａは、斜板の傾転角を小さくして、メインポンプ１４の吐出流量を少なくする。

パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して各種油圧制御機器に作動油を供給するための油圧ポンプであり、例えば、固定容量型油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、林業機械における油圧システムを制御する油圧制御バルブである。コントロールバルブ１７は、後述するレバー又はペダル２６Ａ～２６Ｃの操作方向及び操作量に応じた圧力変化に応じて、例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの一又は複数のものに対し、メインポンプ１４から高圧油圧ライン１６を通じて供給された作動油を選択的に供給する。なお、以下の説明では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置２６は、パイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から供給された作動油をパイロットライン２５ａを通じて、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。なお、パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応するレバー又はペダル２６Ａ～２６Ｃの操作方向及び操作量に応じた圧力とされる。

コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０のＣＰＵは、ショベルの動作や機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードしながらプログラムを実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する処理を実行させる。

コントローラ３０は、メインポンプ１４の吐出流量の制御を行う。例えば、ネガコン弁（不図示）のネガコン圧に応じて上記制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出流量を制御する。

エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、エンジン１１を制御する装置である。例えば、コントローラ３０からの指令に基づき、後述するエンジン回転数調整ダイヤル７５により操作者が設定したエンジン回転数（モード）に応じてエンジン１１の回転数を制御するための燃料噴射量等をエンジン１１に出力する。

エンジン回転数調整ダイヤル７５は、キャビン１０内に設けられるエンジンの回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施形態ではエンジン回転数を５段階で切り換えできるようにする。即ち、エンジン回転数調整ダイヤル７５により、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１の５段階でエンジン回転数を切り換えることができるようにする。なお、図３は、エンジン回転数調整ダイヤル７５でＲ４が選択された状態を示す。

Ｒｍａｘは、エンジン１１の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。Ｒ４は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。Ｒ３及びＲ２は、三番目及び四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ１は、最も低いエンジン回転数（アイドリング回転数）であり、エンジン１１をアイドリング状態にしたい場合に選択されるアイドリングモードにおけるエンジン回転数である。例えば、Ｒｍａｘ（最高回転数）を２０００ｒｐｍ、Ｒ１（アイドリング回転数）を１０００ｒｐｍとし、その間を２５０ｒｐｍ毎に、Ｒ４（１７５０ｒｐｍ）、Ｒ３（１５００ｒｐｍ）、Ｒ２（１２５０ｒｐｍ）と多段階に設定してよい。そして、エンジン１１は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定されたエンジン回転数で一定に回転数制御される。なお、ここでは、エンジン回転数調整ダイヤル７５による５段階でのエンジン回転数調整の事例を示したが、５段階には限られず何段階であってもよい。

また、ショベルには、運転者による運転を補助するために画像表示装置４０をキャビン１０の運転席の近傍に配置する。運転者は画像表示装置４０の入力部４２を利用して情報や指令をコントローラ３０に入力できる。また、ショベルの運転状況や制御情報を画像表示装置４０の画像表示部４１に表示させることで、運転者に情報を提供できる。

画像表示装置４０は、画像表示部４１及び入力部４２を含む。画像表示装置４０は、運転席内のコンソールに固定される。なお、一般的に、運転席に着座した運転者からみて右側にブーム４が配置されており、運転者はブーム４の先端に取り付けられたアーム５、バケット６を視認しながらショベルを運転することが多い。キャビン１０の右側前方のフレームは運転者の視界の妨げとなる部分であるが、本実施形態では、この部分を利用して画像表示装置４０を設けている。これにより、もともと視界の妨げとなっていた部分に画像表示装置４０が配置されるので、画像表示装置４０自体が運転者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、画像表示装置４０全体がフレームの幅に入るように、画像表示装置４０は、画像表示部４１が縦長となるように構成されてもよい。

本実施形態では、画像表示装置４０は、ＣＡＮ、ＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。なお、画像表示装置４０は、専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。

また、画像表示装置４０は、画像表示部４１上に表示する画像を生成する変換処理部４０ａを含む。本実施形態では、変換処理部４０ａは、撮像装置Ｍ５の出力に基づいて画像表示部４１上に表示するカメラ画像を生成する。そのため、撮像装置Ｍ５は、例えば専用線を介して画像表示装置４０に接続される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成する。

なお、変換処理部４０ａは、画像表示装置４０が有する機能としてではなく、コントローラ３０が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置Ｍ５は、画像表示装置４０ではなく、コントローラ３０に接続される。

また、画像表示装置４０は、入力部４２としてのスイッチパネルを含む。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施形態では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ、及びウインドウォッシャスイッチ４２ｃを含む。ライトスイッチ４２ａは、キャビン１０の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り換えるためのスイッチである。ワイパースイッチ４２ｂは、ワイパーの作動・停止を切り換えるためのスイッチである。また、ウインドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウインドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。

また、画像表示装置４０は、蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。なお、蓄電池７０はエンジン１１のオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、コントローラ３０及び画像表示装置４０以外のショベルの電装品７２等にも供給される。また、エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池７０からの電力で駆動され、エンジン１１を始動する。

エンジン１１は、上述のとおり、エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４により制御される。ＥＣＵ７４からは、エンジン１１の状態を示す各種データ（例えば、水温センサ１１ｃで検出される冷却水温（物理量）を示すデータ）がコントローラ３０に常時送信される。したがって、コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにこのデータを蓄積しておき、必要なときに画像表示装置４０に送信することができる。

また、コントローラ３０には以下のように各種のデータが供給され、コントローラ３０の一時記憶部３０ａに格納される。

まず、可変容量式油圧ポンプであるメインポンプ１４のレギュレータ１４ａから斜板の傾転角を示すデータがコントローラ３０に供給される。また、メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータが、吐出圧力センサ１４ｂからコントローラ３０に送られる。これらのデータ（物理量を表すデータ）は一時記憶部３０ａに格納される。また、メインポンプ１４が吸入する作動油が貯蔵されたタンクとメインポンプ１４との間の管路には、油温センサ１４ｃが設けられており、その管路を流れる作動油の温度を表すデータが、油温センサ１４ｃからコントローラ３０に供給される。

また、レバー又はペダル２６Ａ～２６Ｃを操作した際に、パイロットライン２５ａを通じてコントロールバルブ１７に送られるパイロット圧が、油圧センサ１５ａ、１５ｂで検出され、検出したパイロット圧を示すデータがコントローラ３０に供給される。

また、エンジン回転数調整ダイヤル７５からは、エンジン回転数の設定状態を示すデータがコントローラ３０に常時送信される。

外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、シリンダ圧検出装置Ｍ４、撮像装置Ｍ５等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ３０に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。

次に、図４を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。なお、図４は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、シリンダ圧検出装置Ｍ４の出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を制御弁Ｅ１に対して出力する。制御弁Ｅ１はアタッチメントの動きを制御するための弁であり、例えば、再生解除弁５０、パイロット圧を調整する減圧弁、リリーフ弁等である。

具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３、及び地面接触判定部３４を含む。

地形データベース更新部３１は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部３１は、例えばショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは不揮発性メモリ等に記憶される。また、作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述される。

位置座標更新部３２は、ショベルの現在位置を表す座標及び向きを更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベルの位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。

地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベルの現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移と、シリンダ圧検出装置Ｍ４が検出したブームボトム圧とに基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。

ここで、図５を参照し、地面形状情報取得部３３が掘削動作後の地面形状に関する情報を取得する処理について説明する。図５は、掘削動作後の地面形状に関する情報の概念図である。なお、図５の破線で示す複数のバケット形状は、前回の掘削動作の際のバケット６の軌跡を表す。バケット６の軌跡は、姿勢検出装置Ｍ３が過去に検出した掘削アタッチメントの姿勢の推移から導き出される。また、図５の太実線は、地面形状情報取得部３３が把握している掘削対象地面の現在の断面形状を表し、太点線は、地面形状情報取得部３３が把握している前回の掘削動作が行われる前の掘削対象地面の断面形状を表す。すなわち、地面形状情報取得部３３は、前回の掘削動作が行われる前の掘削対象地面の形状から、前回の掘削動作の際にバケット６が通過した空間に対応する部分を取り除くことで掘削対象地面の現在の形状を導き出す。このようにして、地面形状情報取得部３３は、掘削動作後の地面形状を推定できる。また、図５の一点鎖線で示すＺ軸方向に伸びる各ブロックは３次元地形モデルの各要素を表す。各要素は例えばＸＹ平面に平行な単位面積の上面と－Ｚ方向に無限大の長さを有するモデルで表現される。なお、３次元地形モデルは３次元メッシュモデルで表現されてもよい。

次に、図６～図８を参照し、地面形状情報取得部３３が排土動作後の地面形状に関する情報を取得する処理（以下、「排土後地面形状取得処理」とする。）について説明する。図６は排土後地面形状取得処理の流れの一例を示すフローチャートである。地面形状情報取得部３３は、排土動作が行われたときに排土後地面形状取得処理を実行する。例えば、地面形状情報取得部３３は、掘削動作後にバケット開き操作が行われた場合に排土後地面形状取得処理を実行する。

最初に、地面形状情報取得部３３は土砂積載量を推定する（ステップＳ１）。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、姿勢検出装置Ｍ３が検出する掘削アタッチメントの姿勢とシリンダ圧検出装置Ｍ４が検出するブームボトム圧とに基づいて土砂積載量を推定する。 土砂積載量は掘削動作によってバケット６に積載される土砂の量であり、例えば、バケット６に積載される土砂の容積として算出される。また、土砂積載量は所定の最大積載量によって制限される。

例えば、地面形状情報取得部３３は、ブームボトム圧参照テーブルを参照して現在の掘削アタッチメントの姿勢に対応する非積載時ブームボトム圧を取得する。非積載時ブームボトム圧は、バケット６に土砂が積載されていないときのブームボトム圧を意味する。ブームボトム圧テーブルは、ＲＯＭ等に予め記憶される参照テーブルであり、実測データの分析に基づいて生成される。具体的には、ブームボトム圧テーブルは、姿勢検出装置Ｍ３によって検出されるアタッチメントの姿勢に関連付けて非積載時ブームボトム圧を記憶する。そして、現在のブームボトム圧と非積載時ブームボトム圧との差に基づいてバケット６に積載された土砂の重量を推定する。そして、その推定された土砂の重量と予め入力された土砂特性（密度、粘性等）とからバケット６に積載された土砂の容積を推定する。

また、地面形状情報取得部３３は、地面形状の変化に基づいて土砂積載量を推定してもよい。

その後、地面形状情報取得部３３は土砂排土量を算出する（ステップＳ２）。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、土砂積載量と土砂排土率とに基づいて土砂排土量を算出する。具体的には、地面形状情報取得部３３は、土砂積載量に土砂排土率を乗じて土砂排土量を算出する。

土砂排土量は、排土動作によってバケット６から排土される土砂の量であり、土砂積載量に土砂排土率を乗じることで算出される。なお、土砂排土量は、例えば、土砂積載量と同様に、バケット６によって排土される土砂の容積として算出される。

土砂排土率は、土砂積載量に対する土砂排土量の比率であり、排土動作の際のアタッチメントの姿勢の推移、動作速度の推移、土砂特性等に基づいて決定される。本実施例では、地面形状情報取得部３３は土砂排土率テーブルを参照して土砂排土率を決定する。土砂排土率テーブルは、ＲＯＭ等に予め記憶される参照テーブルであり、実測データの分析に基づいて生成される。具体的には、土砂排土率テーブルは、姿勢検出装置Ｍ３によって検出される排土動作の際のバケット角度に関連付けて土砂排土率を記憶する。

図７はバケット角度θ３と土砂排土率との関係を示す図である。具体的には、図７（Ａ）はバケット角度３０°のときのバケット６の姿勢とバケット角度１８０°のときのバケット６の姿勢を示す。また、図７（Ｂ）はバケット角度θ３に対する土砂排土率の推移を示す。図７（Ｂ）に示すように、土砂排土率はバケット角度θ３が略１５０度以上の場合に０［％］に設定される。すなわち、地面形状情報取得部３３は、バケット角度θ３が略１５０度以上であればバケット６内の土砂が未だ排土されていないと推定する。一方で、土砂排土率はバケット角度θ３が略１５０度を下回るにつれて増大し、バケット角度θ３が略５０度以下となった場合に１００［％］に達する。すなわち、地面形状情報取得部３３は、バケット角度θ３が略５０度以下であればバケット６内の土砂の全てが排土されたと推定する。

その後、地面形状情報取得部３３は排土動作後の地面形状を推定する（ステップＳ３）。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、土砂排土量、直近の排土動作が行われる前の地面形状、排土動作の際の地面に対するバケット６の高さ、排土動作の際のアタッチメントの姿勢の推移、動作速度の推移、土砂特性等に基づいて排土動作後の地面形状を推定する。

図８は排土動作後の地面形状に関する情報の概念図である。図８（Ａ）は、排土された土砂とショベルとの位置関係を示す図であり、基準点ＲＰは、排土動作を開始したときのバケット６の中心点をショベルが位置する水平面上に投影することで得られる点である。なお、排土動作の開始時は、例えば、バケット開き動作の開始時である。また、図８（Ａ）の破線で示す形状は排土動作後の地面形状のうち直近の排土動作によって更新された部分の形状（以下、「更新部分形状」とする。）を示す。なお、以下では、図８（Ａ）の破線で示す更新部分形状をもたらした排土動作の条件（例えば土砂排土量等を含む。）を「基準排土条件」とする。

また、図８（Ｂ１）～図８（Ｂ６）のそれぞれは、排土動作の条件の違いによってもたらされる排土動作後の様々な更新部分形状を示し、各図の破線で示す更新部分形状は、図８（Ａ）の破線で示す更新部分形状に対応する。

具体的には、図８（Ｂ１）の太実線で示す更新部分形状は土砂排土量が基準排土条件のときよりも大きい場合の更新部分形状に相当する。このように、更新部分形状は、土砂排土量が大きいほど大きくなるように決定される。

また、図８（Ｂ２）の太実線で示す更新部分形状は直近の排土動作が行われる前の地面形状が基準点ＲＰのところで基準排土条件のときよりも隆起している場合の更新部分形状に相当する。このように、更新部分形状は、直近の排土動作が行われる前の地面形状の隆起部分の大きさ（高さ）に応じて決定される。

また、図８（Ｂ３）の太実線で示す更新部分形状は直近の排土動作が行われる前の地面形状が基準点ＲＰのところで基準排土条件のときよりも陥没している場合の更新部分形状に相当する。このように、更新部分形状は、直近の排土動作が行われる前の地面形状の陥没部分の大きさ（深さ）に応じて決定される。

また、図８（Ｂ４）の太実線で示す更新部分形状は直近の排土動作の際のバケット６の基準点ＲＰに対する高さが基準排土条件のときよりも高い場合の更新部分形状に相当する。このように、更新部分形状は、直近の排土動作の際のバケット６の高さが高いほど低く且つ周囲に拡がるように決定される。

また、図８（Ｂ５）の太実線で示す更新部分形状は直近の排土動作で排土された土砂の粘度が基準排土条件のときよりも低い場合の更新部分形状に相当する。このように、更新部分形状は、直近の排土動作で排土された土砂の粘度が低いほど低く且つ周囲に拡がるように決定される。

また、図８（Ｂ６）の太実線で示す更新部分形状は直近の排土動作の際のバケット６の動作速度（開き速度）が基準排土条件のときよりも速い場合の更新部分形状に相当する。このように、更新部分形状は、直近の排土動作の際のバケット６の開き速度が速いほど基準点ＲＰに関してバケット６の開き方向に偏るように決定される。

また、本実施例では、地面形状情報取得部３３は、更新部分形状テーブルを参照して更新部分形状を決定する。更新部分形状テーブルは、ＲＯＭ等に予め記憶される参照テーブルであり、実測データの分析に基づいて生成される。具体的には、更新部分形状テーブルは、土砂排土量、直近の排土動作が行われる前の地面形状、排土動作の際のバケット６の高さ、排土動作の際のアタッチメントの姿勢の推移、動作速度の推移、土砂特性等に関連付けて更新部分形状を記憶する。

このようにして、地面形状情報取得部３３は、排土動作後の地面形状を推定できる。そのため、地面形状情報取得部３３は、掘削動作後の地面形状に関する情報ばかりでなく、排土動作後の地面形状に関する情報も取得できる。すなわち、地面形状情報取得部３３は、掘削動作が行われる前の掘削対象地面の形状をより正確に把握できる。このようにして取得された情報は表示装置４０において表示される。また、通信装置Ｍ１を介し、複数台のショベルの稼働状況を管理する管理装置へ送信されてもよい。そして、管理装置は受信したそれら情報を表示してもよい。

地面接触判定部３４は、アタッチメントが地面と接触しているかを判定してアタッチメントを制御する機能要素である。本実施例では、地面接触判定部３４は、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて掘削アタッチメントが地面と接触しているかを判定して掘削アタッチメントを制御する。

具体的には、地面接触判定部３４は、姿勢検出装置Ｍ３が検出する掘削アタッチメントの現在の姿勢と、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削状態を判断する。例えば、地面接触判定部３４は、バケット６の爪先が掘削対象地面に接触しているかを判定する。そして、バケット６の爪先が掘削対象地面に接触していると判定した場合、地面接触判定部３４は、コントローラ３０に対して判定結果を出力する。その判定結果を受けたコントローラ３０は、制御弁Ｅ１としての再生解除弁５０に対して制御指令を出力してその開口面積を増大させる。なお、地面接触判定部３４は、バケット６の爪先が掘削対象地面に接触する直前にコントローラ３０に対してバケット６の爪先が掘削対象地面に接触するとの判定結果を出力してもよい。さらに、予め入力された土砂密度情報に基づいて掘削アタッチメントを制御してもよい。また、以上ではコントローラ３０とは別に外部演算装置３０Ｅを設けた例を説明したが、コントローラ３０と外部演算装置３０Ｅとは一体的に構成されてもよい。

次に、上述した本願発明を適用した場合の制御例について説明する。図９は、図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。

この構成例では、ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、操作内容検出装置２９、コントローラ３０、及び外部演算装置３０Ｅを含む。

コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１～１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１～１７６を通じ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。 操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を通じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。 操作内容検出装置２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出する装置である。本実施例では、操作内容検出装置２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダルの操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。なお、操作装置２６の操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。

エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。

センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る高圧油圧ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る高圧油圧ラインである。

流量制御弁１７１、１７２、１７３は、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、旋回用油圧モータ２Ａに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

また、流量制御弁１７４、１７５、１７６は、バケットシリンダ９、アームシリンダ８、ブームシリンダ７に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。なお、本実施例では、流量制御弁１７５の内部に再生油路が形成される。また、流量制御弁１７５と作動油タンクとの間には再生解除弁５０が取り付けられる。

図１０は、再生油路及び再生解除弁の構成例を示す図である。具体的には、図１０（Ａ）は、図９に示すコントロールバルブ１７における流量制御弁１７５及び再生解除弁５０を含む部分の拡大図である。また、図１０（Ｂ）はアーム閉じ操作時に再生解除弁５０の開口面積を最小としたときの作動油の流れを示し、図１０（Ｃ）はアーム閉じ操作時に再生解除弁５０の開口面積を最大としたときの作動油の流れを示す。

再生油路１７５ａは、アーム閉じ操作時に収縮側油室であるアームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油を伸張側油室であるボトム側油室に流入（再生）させる油路である。また、再生油路１７５ａは、ボトム側油室からロッド側油室への作動油の流れを防止する逆止弁を含む。なお、再生油路１７５ａは、流量制御弁１７５の外部に形成されてもよい。

再生解除弁５０は、アームシリンダ８のロッド側油室から流出して作動油タンクに流れる作動油の流量を調整する弁である。本実施例では、再生解除弁５０は、コントローラ３０からの制御指令に応じて動作する電磁弁であり、流量制御弁１７５と作動油タンクとの間の油路５０ａの流路面積を増減させて油路５０ａ及び再生油路１７５ａのそれぞれを流れる作動油の流量を調整する。

具体的には、再生解除弁５０は、図１０（Ｂ）に示すように、コントローラ３０からの制御指令に応じてその開口面積を低減させて油路５０ａを流れる作動油の流量を低減させ且つ再生油路１７５ａを流れる作動油の流量を増大させる。この構成により、再生解除弁５０は、掘削アタッチメントを空中で動作させる場合にアーム５がその自重によって落下するのを防止できる。

また、再生解除弁５０は、図１０（Ｃ）に示すように、コントローラ３０からの制御指令に応じてその開口面積を増大させて油路５０ａを流れる作動油の流量を増大させ且つ再生油路１７５ａを流れる作動油の流量を低減或いは消失させる。この構成により、再生解除弁５０は、掘削中であるにもかかわらず、すなわち掘削アタッチメントが地面に接触しているにもかかわらず、油路５０ａで無駄な圧力損失を発生させて掘削力を低減させてしまうのを防止できる。

なお、再生解除弁５０は、アームシリンダ８のロッド側油室と流量制御弁１７５との間に設置されてもよい。

次に、図１１を参照し、コントローラ３０が再生解除弁５０の開口面積を調整する処理（以下、「開口面積調整処理」とする。）について説明する。なお、図１１は、開口面積調整処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ３０は、ショベル稼働中、所定の制御周期で繰り返しこの開口面積調整処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、アーム閉じ操作が行われたかを判定する（ステップＳ１１）。本実施例では、コントローラ３０は、操作内容検出装置２９の出力に基づいてアーム操作レバーが閉じ方向に操作されたかを判定する。

アーム閉じ操作が行われていないと判定した場合、コントローラ３０は今回の開口面積調整処理を終了させる。

アーム閉じ操作が行われたと判定した場合、コントローラ３０は、外部演算装置３０Ｅの演算結果に基づいて掘削アタッチメントと地面が接触しているかを判定する（ステップＳ１２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｍ３の出力から導き出されるバケット６の爪先の現在位置と、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット６の爪先が地面に接触しているか否かを判定する。なお、掘削対象地面の現在の形状に関する情報は、掘削動作後の地面形状に関する情報、及び、排土動作後の地面形状に関する情報が反映された情報である。

そして、外部演算装置３０Ｅにより掘削アタッチメントと地面が接触していると判定された場合、コントローラ３０は、必要に応じて再生解除弁５０の開口面積を増大させる（ステップＳ１３）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、バケット６の爪先が地面に接触していると判定した場合、コントローラ３０に対してその判定結果を出力する。その判定結果を受けたコントローラ３０は、再生解除弁５０の開口面積が所定値未満であれば、その開口面積を所定値まで増大させる。

一方、外部演算装置３０Ｅにより掘削アタッチメントと地面が接触していないと判定された場合、コントローラ３０は、必要に応じて再生解除弁５０の開口面積を低減させる（ステップＳ１４）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、バケット６の爪先が地面に接触していないと判定した場合、コントローラ３０に対してその判定結果を出力する。その判定結果を受けたコントローラ３０は、再生解除弁５０の開口面積が所定値より大きければ、再生解除弁５０の開口面積を所定値まで低減させる。

次に、図１２を参照し、コントローラ３０が再生解除弁５０の開口面積を調整する際の各種パラメータの時間的推移について説明する。なお、図１２（Ａ）はアームシリンダ８のロッド側油室の圧力の時間的推移を表す。また、図１２（Ｂ）は地面接触フラグの時間的推移を表し、図１２（Ｃ）は再生解除弁５０の開口面積の時間的推移を表す。なお、図１２（Ａ）～図１２（Ｃ）のそれぞれの時間軸（横軸）は共通である。また、地面接触フラグは、外部演算装置３０Ｅによる掘削アタッチメントと地面との接触の有無の判定結果を表す。具体的には、地面接触フラグの値「ＯＦＦ」は、外部演算装置３０Ｅにより「接触無し」と判定されている状態を表し、地面接触フラグの値「ＯＮ」は、外部演算装置３０Ｅにより「接触あり」と判定されている状態を表す。また、図１２の実線で示す推移は、実際の接触と「接触あり」の判定が同時に行われた場合の推移を表す。一方で、図１２の破線で示す推移は、「接触あり」の判定が実際の接触よりも前に行われた場合の推移を表し、図１２の一点鎖線で示す推移は、「接触あり」の判定が実際の接触よりも後に行われた場合の推移を表す。

具体的には、「接触あり」の判定が実際の接触よりも前に行われた場合、地面接触フラグは、図１２（Ｂ）の破線で示すように、時刻ｔ１において値「ＯＦＦ」から値「ＯＮ」に切り替えられる。なお、本実施例では実際の接触は時刻ｔ２において発生する。そして、地面接触フラグを値「ＯＮ」に切り替えると、コントローラ３０は、再生解除弁５０の開口面積を増大させる。そのため、再生解除弁５０の開口面積は、図１２（Ｃ）の破線で示すように、時刻ｔ１において値Ａｎから値Ａｗ（＞Ａｎ）に調整される。なお、値Ａｎはアーム５を空中で動作させる際に最適な値として予め設定される開口面積であり、値Ａｗは掘削中にアーム５を動作させる際に最適な値として予め設定される開口面積である。その結果、アームシリンダ８のロッド側油室の圧力は、図１２（Ａ）の破線で示すように、時刻ｔ１において減少し始め、実際の接触が起こるまで減少し続ける。アーム５が自重で落下するためである。そして、時刻ｔ２において実際の接触が起こった後に（時刻ｔ２と時刻ｔ３の間で）増加に転じ、その後は作業反力としての掘削反力に応じた値まで増大する。

このように、コントローラ３０は、「接触あり」の判定が実際の接触よりも前に行われると、アームシリンダ８のロッド側油室の圧力を一時的に急減させてしまうため、キャビテーションを発生させるおそれがある。

一方で、「接触あり」の判定が実際の接触よりも後に行われた場合、実際の接触が起こる時刻ｔ２では再生解除弁５０の開口面積は小さいままであるため、ロッド側油室の圧力は上昇してしまう。そして、地面接触フラグは、図１２（Ｂ）の一点鎖線で示すように、時刻ｔ３において値「ＯＦＦ」から値「ＯＮ」に切り替えられる。そのため、再生解除弁５０の開口面積は、図１２（Ｃ）の一点鎖線で示すように、時刻ｔ３において値Ａｎから値Ａｗに調整される。その結果、アームシリンダ８のロッド側油室の圧力は、図１２（Ａ）の一点鎖線で示すように、実際の接触が起こる時刻ｔ２で増加し始め、時刻ｔ３において再生解除弁５０の開口面積が値Ａｗに増大されるまで増加し続ける。掘削反力と再生解除弁５０での圧力損失とによる影響を受けるためである。そして、時刻ｔ３において再生解除弁５０の開口面積が値Ａｗに増大されると減少に転じ、その後は掘削反力に応じた値まで減少する。

このように、コントローラ３０は、「接触あり」の判定が実際の接触よりも後に行われると、アームシリンダ８のロッド側油室の圧力を一時的に増加させてしまうため、掘削アタッチメントの動きを不安定にし、且つ、作業効率を低下させてしまう。

そこで、外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｍ３が検出する掘削アタッチメントの現在の姿勢と、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削アタッチメントが掘削対象地面に接触しているかを判定する。「接触あり」の判定を実際の接触と同時に行うためである。

「接触あり」の判定が実際の接触と同時に行われた場合、地面接触フラグは、図１２（Ｂ）の実線で示すように、時刻ｔ２において値「ＯＦＦ」から値「ＯＮ」に切り替えられる。そのため、再生解除弁５０の開口面積は、図１２（Ｃ）の実線で示すように、時刻ｔ２において値Ａｎから値Ａｗに調整される。その結果、アームシリンダ８のロッド側油室の圧力は、図１２（Ａ）の実線で示すように、実際の接触が起こる時刻ｔ２で減少し始め、その後は掘削反力に応じた値まで減少する。実際の接触が起こる前に一時的に急減することはなく、実際の接触が起こった後で再生解除弁５０での圧力損失による影響を受けて増加することもない。

以上の構成により、コントローラ３０は、掘削動作後の地面形状に関する情報、及び、排土動作後の地面形状に関する情報に基づいて作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する。そして、取得した作業対象の地面の現在の形状に関する情報に基づいてアタッチメントを制御する。本実施例では、コントローラ３０は、掘削アタッチメントの現在の姿勢と掘削対象地面の現在の形状とに基づいて再生解除弁５０の開口面積を調整する。具体的には、バケット６の爪先の現在位置と掘削対象地面の現在の形状とに基づいて再生解除弁５０の開口面積を調整する。そのため、バケット６の爪先が掘削対象地面に接触すると同時に、アームシリンダ８のロッド側油室から作動油タンクに流出する作動油の再生解除弁５０での圧力損失を低減或いは消失させることができる。その結果、コントローラ３０は、アームシリンダ圧の変化等に基づいてバケット６の爪先と掘削対象地面との接触の有無を判定する場合に比べ、より正確に接触の有無を判定でき、誤判定を抑制できる。また、接触の有無の誤判定を抑制することで操作性及び作業効率を向上できる。具体的には、バケット６の爪先が地面に接触するのと同時に、アーム５の自重落下の防止のために再生解除弁５０のところで発生させていた圧力損失を低減或いは消失させることができ、圧力損失分だけ掘削に要する力が増大してしまうのを防止できる。また、地面との接触の前にアーム５が自重落下してしまうのを防止でき、キャビテーションの発生を防止できる。

また、コントローラ３０は、掘削ばかりでなく、盛土、埋め戻し等が行われた場合であっても作業対象の地面の現在の形状を正確に推定できる。そのため、バケット６の爪先が掘削対象地面に接触するタイミング等を正確に予測でき、再生解除弁５０等の制御弁Ｅ１の制御タイミングをより適切に決定できる。

なお、コントローラ３０は、アームシリンダ８に関する再生解除弁５０の開口面積を調整するのと同様に、ブームシリンダ７に関する再生解除弁（図示せず。）の開口面積を調整してもよく、バケットシリンダ９に関する再生解除弁（図示せず。）の開口面積を調整してもよい。

次に、図１３～図１５を参照し、外部演算装置３０Ｅの地面接触判定部３４による掘削アタッチメント制御の別の実施例について説明する。なお、図１３は、掘削対象地面の深さと基準面との関係を示す図である。基準面は、掘削対象地面の深さを定める基準となる平面である。本実施例では、基準面はショベルの中心点Ｒが位置する水平面であり、中心点Ｒはショベルの旋回軸と下部走行体１の接地面との交点である。

具体的には、図１３の一点鎖線で示す掘削アタッチメントは、一点鎖線で示す基準面と同じ深さの掘削対象地面を掘削する際の掘削アタッチメントの姿勢を表す。この場合、掘削対象地面の深さＤは基準面の深さＤ０（＝０）と同じである。なお、掘削対象地面の深さＤは、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて導き出される。また、掘削対象地面の深さＤは、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの現在の姿勢に基づいて導き出されてもよい。

また、図１３の破線で示す掘削アタッチメントは、破線で示す掘削対象地面を掘削する際の掘削アタッチメントの姿勢を表す。この場合、掘削対象地面の深さＤは深さＤ１（＞Ｄ０）で表される。

また、図１３の実線で示す掘削アタッチメントは、実線で示す掘削対象地面を掘削する際の掘削アタッチメントの姿勢を表す。この場合、掘削対象地面の深さＤは深さＤ２（＞Ｄ１）で表される。

なお、掘削対象地面は基準面よりも高い位置にあってもよい。この場合、掘削対象地面の深さＤは負の値で表されてもよい。

図１４は、バケット角度θ３と掘削反力Ｆとの関係を示す図である。具体的には、図１４（Ａ）は、バケット６をバケット角度３０°からバケット角度１８０°まで閉じる際のバケット６の姿勢の推移を示す。なお、図１４（Ａ）の破線で示すバケット６はバケット角度３０°のときの姿勢を表し、図１４（Ａ）の実線で示すバケット６はバケット角度１８０°のときの姿勢を表す。

図１４（Ｂ）は、掘削対象地面の深さＤと所定のバケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Ｆの推移又はピーク値との対応関係を予め記憶する対応テーブルの内容の一例を示す。具体的には、図１４（Ｂ）は、バケット角度３０°からバケット角度１８０°までバケット６を閉じる際のバケット角度θ３に対する掘削反力Ｆの推移を示す。なお、対応テーブルは、実測データの分析に基づいて生成されるデータテーブルであり、例えば不揮発性メモリに予め登録されている。

また、図１４（Ｃ）はバケット角度θ３の時間的推移を示し、図１４（Ｄ）は図１４（Ｂ）の対応テーブルを用いて算出される掘削反力Ｆの時間的推移を示す。なお、図１４（Ｃ）及び図１４（Ｄ）のそれぞれの時間軸（横軸）は共通である。

また、図１４（Ｂ）及び図１４（Ｄ）の一点鎖線で示す推移は、掘削対象地面の深さＤが深さＤ０のときの推移を表す。また、破線で示す推移は、掘削対象地面の深さＤが深さＤ１のときの推移を表し、実線で示す推移は、掘削対象地面の深さＤが深さＤ２のときの推移を表す。

図１４（Ａ）及び図１４（Ｃ）に示すようなバケット角度３０°から１８０°までのバケット閉じ操作が行われた場合、掘削反力Ｆは、図１４（Ｂ）及び図１４（Ｄ）に示すように、バケット角度θ３がある角度（例えば１００°）に至るまで増大した後で減少に転じ、バケット角度θ３が１８０°に達したときにゼロに至る。この傾向は、掘削対象地面の深さＤにかかわらず同じである。但し、掘削反力Ｆのピーク値は、掘削対象地面の深さＤの変化に応じて変化する。図１４（Ｂ）及び図１４（Ｄ）は、掘削対象地面の深さＤが深くなるほど掘削反力Ｆのピーク値が大きくなる傾向を一例として示す。

そこで、外部演算装置３０Ｅの地面接触判定部３４は、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて掘削対象地面の現在の深さＤを導き出す。そして、地面接触判定部３４は、掘削対象地面の現在の深さＤに応じて、所定のバケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Ｆのピーク値を推定する。その後、地面接触判定部３４は、推定した掘削反力Ｆのピーク値が所定値を上回るかを判定する。そして、上回ると判定した場合には、掘削アタッチメントの動きを制御してそのピーク値が所定値を超えないようにする。掘削反力Ｆが大きくなり過ぎて掘削アタッチメントの動きが不安定になるのを防止するためである。例えば、地面接触判定部３４は、操作者によるブーム上げ操作の有無にかかわらず、バケット閉じ動作中にブーム４を自動的に上昇させることで掘削反力Ｆのピーク値が所定値を超えないようにする。例えば、地面接触判定部３４は、操作者が気付かない程度の上昇率（単位時間当たりのブーム４の回動角度）でブーム４を自動的に上昇させる。そのため、地面接触判定部３４は、ブーム４が自動的に上昇したことを操作者に気付かせずに掘削アタッチメントの動きを滑らかにすることができ、操作感を向上させることができる。なお、この場合の地面接触判定部３４の制御対象は、再生解除弁５０ではなく流量制御弁１７６である。例えば、地面接触判定部３４は、推定した掘削反力Ｆのピーク値が所定値を上回るとの判定結果をコントローラ３０に対して出力する。この判定結果を受けたコントローラ３０は、流量制御弁１７６のパイロット圧を増減させる制御弁Ｅ１としての電磁弁（図示せず。）に対して制御指令を出力して流量制御弁１７６を自動的に移動させる。

図１５は、掘削反力Ｆのピーク値が所定値を超えないようにコントローラ３０が掘削アタッチメントの姿勢を自動的に調整する処理（以下、「姿勢自動調整処理」とする。）の流れを示すフローチャートである。コントローラ３０は、ショベル稼働中、所定の制御周期で繰り返しこの姿勢自動調整処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、掘削操作が行われたかを判定する（ステップＳ２１）。本実施例では、コントローラ３０は、操作内容検出装置２９の出力に基づいてブーム操作、アーム操作、及びバケット操作の少なくとも１つが行われたかを判定する。

そして、掘削操作が行われたと判定した場合（ステップＳ２１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、外部演算装置３０Ｅの演算結果に基づいて掘削アタッチメントと地面が接触しているかを判定する（ステップＳ２２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｍ３の出力から導き出されるバケット６の爪先の現在位置と、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット６の爪先が地面に接触しているか否かを判定する。

そして、掘削アタッチメントと地面が接触していると判定した場合（ステップＳ２２のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削反力Ｆのピーク値を推定する（ステップＳ２３）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて掘削対象地面の現在の深さＤを導き出す。そして、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の現在の深さＤに応じて所定のバケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Ｆのピーク値を推定する。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、図１４（Ｂ）に示すような対応テーブルを参照して掘削対象地面の現在の深さＤに対応する掘削反力Ｆのピーク値を導き出す。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の現在の深さＤに基づいて所定のバケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Ｆのピーク値をリアルタイムで算出してもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、そのピーク値を算出する際に土砂密度等を考慮してもよい。土砂密度は、車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよく、シリンダ圧センサ等の各種センサの出力に基づいて自動的に算出される値であってもよい。

その後、外部演算装置３０Ｅは、推定した掘削反力Ｆのピーク値が所定値Ｆｔｈを上回るかを判定する（ステップＳ２４）。

そして、外部演算装置３０Ｅによりピーク値が所定値Ｆｔｈを上回ると判定された場合（ステップＳ２４のＹＥＳ）、コントローラ３０は、バケット閉じ動作中に掘削アタッチメントの姿勢を自動的に調整する（ステップＳ２５）。本実施例では、コントローラ３０は、操作者によるブーム上げ操作の有無にかかわらず、バケット閉じ動作中にブーム４を自動的に上昇させる。具体的には、バケット角度θ３の変化に応じた所定の動作パターンでブーム４を自動的に上昇させる。

なお、コントローラ３０は、掘削操作が行われていないと判定した場合（ステップＳ２１のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅにより掘削アタッチメントと地面が接触していないと判定された場合（ステップＳ２２のＮＯ）、或いは、外部演算装置３０Ｅによりピーク値が所定値Ｆｔｈ以下であると判定された場合には（ステップＳ２４のＮＯ）、掘削アタッチメントの姿勢を自動的に調整することなく、今回の姿勢自動調整処理を終了する。

以上の構成により、外部演算装置３０Ｅは、掘削動作後の地面形状に関する情報、及び、排土動作後の地面形状に関する情報に基づいて作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する。そして、取得した作業対象の地面の現在の形状に関する情報に基づいてアタッチメントを制御する。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、バケット閉じ動作中に掘削反力Ｆのピーク値が所定値Ｆｔｈを超えないようにすることができる。そのため、掘削反力Ｆが過度に増大して掘削アタッチメントの動きが不安定になるのを防止し、ショベルの操作性及び作業効率を向上させることができる。また、外部演算装置３０Ｅは、低めに設定された所定値Ｆｔｈを用いることで、床堀作業、均し作業等の掘削作業以外の作業でも同様の効果を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｍ３が検出する掘削アタッチメントの現在の姿勢と、地面形状情報取得部３３が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削アタッチメントが掘削対象地面に接触しているかを判定する。そして、接触していると判定した場合に、コントローラ３０から再生解除弁５０に対して制御指令を出力させてその開口面積を増大させる。或いは、接触していると判定した場合に、所定のバケット閉じ動作が行われるときの掘削反力Ｆのピーク値を推定し、その推定したピーク値が所定値Ｆｔｈを上回るときに、ブーム４を自動的に上昇させて実際のピーク値が所定値Ｆｔｈ以下となるようにする。しかしながら、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。例えば、外部演算装置３０Ｅは、接触していると判定した場合に、アタッチメントの駆動力（例えば掘削アタッチメントによる掘削力）を増大させてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、エンジン１１の回転数を増大させたり、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を増大させたりしてもよい。なお、この場合の地面接触判定部３４の制御対象は、再生解除弁５０ではなく、エンジン１１又はメインポンプ１４のレギュレータである。

また、外部演算装置３０Ｅは、リモート運転又は自動掘削運転（無人運転）の場合であっても、掘削反力Ｆのピーク値が所定値Ｆｔｈを上回ると判断したときにブーム４を自動的に上昇させてもよい。掘削反力Ｆを小さくして円滑な掘削作業を継続させるためである。

また、上述の実施例では、地形データベース更新部３１は、ショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、地形データベース更新部３１は、撮像装置が撮像したショベル周辺の画像に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよい。

図１６は、撮像装置Ｍ５に接続される外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。図１６の構成は、通信装置Ｍ１の代わりに撮像装置Ｍ５が接続される点で、図４の構成と相違するがその他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳細に説明する。

撮像装置Ｍ５はショベルの周辺の画像を取得する装置である。本実施例では、撮像装置Ｍ５は、ショベルの上部旋回体３に取り付けられるカメラであり、撮像した画像に基づいてショベルの周囲の地面までの距離を認識して作業現場の地形情報を取得する。なお、撮像装置Ｍ５はステレオカメラ、距離画像カメラ、３次元レーザスキャナ等であってもよい。

また、撮像装置Ｍ５はショベルの外部に取り付けられていてもよい。この場合、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１を介して撮像装置Ｍ５が出力する地形情報を取得してもよい。具体的には、撮像装置Ｍ５は、空撮用マルチコプタ、作業現場に設置された鉄塔等に取り付けられ、作業現場を上から見た画像に基づいて作業現場の地形情報を取得してもよい。また、撮像装置Ｍ５は、空撮用マルチコプタに取り付けられた場合、１時間に１回程度の頻度で或いはリアルタイムで、作業現場を上から見た画像を撮像して作業現場の地形情報を取得してもよい。撮像装置Ｍ５が取得した地形情報は地形データベースの更新に用いられる。その更新間隔は、地形情報の所得間隔が１時間以上の場合には、姿勢検出装置Ｍ３からの信号に基づく地形データベースの更新間隔よりも長い。

図１７～図１９は、撮像装置Ｍ５に接続される外部演算装置３０Ｅの別の構成例を示す機能ブロック図である。図１７の構成は、地形データベース更新部３１及び位置座標更新部３２のそれぞれが撮像装置Ｍ５（特にショベルの外部にある撮像装置Ｍ５）の出力を利用する点で、図４の構成と相違するがその他の点で共通する。図１７の実施例では、地形データベース更新部３１は、例えば、１日１回の頻度で通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得し、且つ、１時間に１回の頻度で或いはリアルタイムで撮像装置Ｍ５を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。また、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力と撮像装置Ｍ５の出力を併用してショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新する。なお、位置座標更新部３２は、撮像装置Ｍ５の出力のみに基づいてショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新してもよい。

図１８の構成は、位置座標更新部３２が撮像装置Ｍ５の出力のみを利用し且つ測位装置Ｍ２が省略された点で図４の構成と相違するがその他の点で共通する。また、図１９の構成は、地形データベース更新部３１及び位置座標更新部３２のそれぞれが撮像装置Ｍ５の出力のみを利用し且つ通信装置Ｍ１及び測位装置Ｍ２が省略された点で図４の構成と相違するがその他の点で共通する。

このように、外部演算装置３０Ｅは、撮像装置Ｍ５の出力に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよく、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新してもよい。

また、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されてもよい。

１・・・下部走行体 １Ａ・・・走行用油圧モータ（左用） １Ｂ・・・走行用油圧モータ（右用） ２・・・旋回機構 ２Ａ・・・旋回用油圧モータ ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １１ａ・・・オルタネータ １１ｂ・・・スタータ １１ｃ・・・水温センサ １４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ １４ａ・・・レギュレータ １４ｂ・・・吐出圧力センサ １４ｃ・・・油温センサ １５・・・パイロットポンプ １５ａ、１５ｂ・・・油圧センサ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ ２５、２５ａ・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ～２６Ｃ・・・レバー又はペダル ２９・・・操作内容検出装置 ３０・・・コントローラ ３０ａ・・・一時記憶部 ３０Ｅ・・・外部演算装置 ３１・・・地形データベース更新部 ３２・・・位置座標更新部 ３３・・・地面形状情報取得部 ３４・・・地面接触判定部 ４０・・・画像表示装置 ４０ａ・・・変換処理部 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路 ４１・・・画像表示部 ４２・・・入力部 ４２ａ・・・ライトスイッチ ４２ｂ・・・ワイパースイッチ ４２ｃ・・・ウインドウォッシャスイッチ ５０・・・再生解除弁 ５０ａ・・・油路 ７０・・・蓄電池 ７２・・・電装品 ７４・・・エンジン制御装置（ＥＣＵ） ７５・・・エンジン回転数調整ダイヤル １７１～１７６・・・流量制御弁 １７５ａ・・・再生油路 Ｅ１・・・制御弁 Ｍ１・・・通信装置 Ｍ２・・・測位装置 Ｍ３・・・姿勢検出装置 Ｍ３ａ・・・ブーム角度センサ Ｍ３ｂ・・・アーム角度センサ Ｍ３ｃ・・・バケット角度センサ Ｍ３ｄ・・・車体傾斜センサ Ｍ４・・・シリンダ圧検出装置 Ｍ５・・・撮像装置

Claims (8)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、制御弁により制御されるアタッチメントと、
   前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   制御装置と、を備えるショベルであって、
   前記制御装置は、前記制御装置が参照できるようにデータベースに記憶された、前記アタッチメントを構成するバケットによる排土動作が行われる前の、当該ショベルが位置する作業現場における土砂が排土される対象箇所の、３次元地形モデルとしての土砂の形状情報を、前記バケットによる排土動作の後に更新する、
   ショベル。
2. 排土された土砂の形状情報は、撮像装置により取得される、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記撮像装置は、マルチコプタに備えられ、
   前記制御装置は、前記撮像装置から通信装置を介して土砂の形状情報を取得する、
   請求項２に記載のショベル。
4. 前記ショベルはリモート運転又は自動掘削運転がなされる、
   請求項１乃至３の何れかに記載のショベル。
5. 前記制御装置は、前記アタッチメントのシリンダ圧検出装置の検出値に基づいて土砂積載量を推定する、
   請求項１乃至４の何れかに記載のショベル。
6. 前記制御装置は、前記バケットにより排土される土砂の容積を算出する、
   請求項１乃至５の何れかに記載のショベル。
7. 前記制御装置は、排土動作中の前記バケットの角度を検出する、
   請求項１乃至６の何れかに記載のショベル。
8. 下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、を備えるショベルに用いられるショベル用のシステムであって、
   制御装置を有し、
   前記制御装置は、前記制御装置が参照できるようにデータベースに記憶された、排土動作が行われる前の、前記ショベルが位置する作業現場における土砂が排土される対象箇所の、３次元地形モデルとしての土砂の形状情報に対して、前記アタッチメントを構成するバケットに積載された土砂が排土された部分の形状情報を更新する、
   ショベル用のシステム。

Images