JP7328918B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関する。

油圧ショベルに代表される作業機械には、例えば、ブーム、アーム及び作業具からなるフロント作業機の作業具として、アームの回動軸と平行な回動軸とは別に、アームの回動軸に垂直な２つの回動軸（ロータリー軸、チルト軸）を中心にバケットを回動することが可能なロータリーチルトバケットを搭載したものがある。このような作業機械では、作業機械の車体に対してバケットの位置と姿勢をそれぞれ３つの自由度で調整することが可能となり、作業効率を向上することができる。

例えば、バケットを設計面に沿って動作させるような作業を行う場合、アームの回動軸と並行な回動軸のみを中心に回動するバケットを搭載した作業機械では、目標面に正対する位置への車体移動と作業を交互に行う必要がある。一方、ロータリーチルトバケットを搭載した作業機械では、稼働範囲内であれば設計面に正対する位置へ車体を移動することなく、バケットのみを設計面に正対させて作業を行うことができきる、すなわち、車体移動を伴わずに作業を行うことができるため、作業を効率よく行うことができる。

しかしながら、ロータリーチルトバケットを搭載した作業機械を手動で操作する場合、操作者が同時に操作しなくてはならない部材の数が多く、操作が難しいため、作業機械を適切に動作させることができず、作業精度が低下してしまう。そこで、作業精度の低下を抑制する技術として、例えば、特許文献１には、掘削機において、車台と、掘削連動アセンブリと、回転掘削具と、制御アーキテクチャ部と、を含み、前記掘削連動アセンブリは、掘削機ブーム、掘削機スティック、および、器具連結部を含み、前記掘削連動アセンブリは、連動アセンブリ先頭方向Ｎ＾を画定し、更に、前記車台と共に、または、それと相対的に、前記掘削機の揺動軸Ｓを中心に揺動するように構成され、前記掘削機スティックは、前記掘削機ブームと相対的に、前記掘削機のカール軸Ｃを中心にカールするように構成され、前記回転掘削具は、前記器具連結部を介して、前記掘削機スティックの末端部Ｇに機械的に連結されて、更に、該回転掘削具の先端部が器具先頭方向Ｉ＾を画定するように、回転軸Ｒを中心に回転するように構成され、前記制御アーキテクチャ部は、１つ以上の動的センサ、１つ以上の連動アセンブリ作動装置、および、機械読み取り可能な命令を実行するようにプログラムされた１つ以上の制御部を含んで、前記連動アセンブリ先頭方向Ｎ＾、前記掘削連動アセンブリの揺動軸Ｓを中心とした揺動速度ωｓ、および、前記掘削機スティックのカール軸Ｃを中心としたカール速度ωｃを表す信号を生成し、前記連動アセンブリ先頭方向Ｎ＾、前記掘削連動アセンブリの前記揺動速度ωｓ、および、該掘削機スティックのカール速度ωｃに基づいて、前記掘削機スティックの末端部Ｇの進行方向を示す先頭方向Ｇ＾を表す信号を生成し、更に、前記器具先頭方向Ｉ＾が、進行方向を示す先頭方向Ｇ＾に近似するように、前記回転掘削具を、前記回転軸Ｒを中心に回転させる掘削機が開示されている。

国際公開第２０１７／１３６３０１号

しかしながら、上記従来技術においては、アーム先端部の移動方向とロータリーチルトバケットの向きが１つの組み合わせに固定されてしまうため、作業精度が低下してしまう場合がある。例えば、油圧ショベルにより法面を整形する作業を行う場合、法面に正対する方向にロータリーチルトバケットを移動させる際には法面にロータリーチルトバケットが正対するが、法面に正対する方向とは異なる方向にバケットを移動させる作業を行う場合、すなわち、隣接する設計面の境界付近を整形する際には法面にロータリーチルトバケットが正対しないため、境界に沿う方向への整形作業を行うことができない。このようにロータリーチルトバケットの移動方向と向きとの組み合わせは作業内容によって様々に異なるため、ロータリーチルトバケットの移動方向と向きとが１つに固定されてしまう従来技術においては、十分な作業精度を得ることができなかった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ロータリーチルトバケットを備えた作業機械において、作業精度を向上することができる作業機械を提供することを目的とする。

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、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、駆動信号に基づいて前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の回動アクチュエータと、駆動信号に基づいて前記上部旋回体を旋回駆動する旋回アクチュエータと、前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、前記姿勢情報検出装置からの姿勢情報に基づいて、予め定めた作業目標面上および前記作業目標面に対する一方の領域内で前記フロント作業機が動くように、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を実行する制御装置と、前記領域制限制御の実行を指令する制御実行指令装置とを備えた作業機械において、前記制御装置は、前記フロント作業機の先端に前記フロント部材の１つとして連結された作業具の前記作業目標面に沿う方向の移動方向であって、前記制御実行指令装置から出力される指令に応じて、前記指令が出力された時の前記作業目標面に対する前記作業具の方向、前記作業目標面に正対する方向、又は、前記作業目標面に対して予め定められた角度をなす方向の何れかの方向に前記作業具が移動するように、前記回動アクチュエータ駆動用の駆動信号および前記旋回アクチュエータ駆動用の駆動信号を補正するものとする。

本発明によれば、ロータリーチルトバケットを備えた作業機械において、作業精度を向上することができる。

作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 ロータリーチルトバケットを拡大して示す図である。 操作室に設けられた操作レバーを抜き出して概略的に示す図である。 油圧ショベルの駆動機構に係る油圧回路の要部を抜き出して示す図である。 コントローラの本実施の形態に係る機能部を示す機能ブロック図である。 ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルが行う作業の一例を概略的に示す図であり、油圧ショベルによる法面整形作業を示す図である。 ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルが行う作業の一例を概略的に示す図であり、油圧ショベルによる敷均し作業を示す図である。 ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルの姿勢演算について示す図であり、油圧ショベルの全体を概略的に示す側面図である。 ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルの姿勢演算について示す図であり、ロータリーチルトバケットを拡大して概略的に示す側面図である。 作業目標上の目標面とロータリーチルトバケットの移動方向の設定内容との関係を模式的に示す図である。 ロータリーチルトバケットの向きの定義を示す図である。 ロータリーチルトバケットの移動方向に係る設定画面の一例を示すものであり、バケットの移動方向の設定画面を示す図である。 ロータリーチルトバケットの移動方向に係る設定画面の一例を示すものであり、バケットの移動方向の設定画面を示す図である。 ロータリーチルトバケットの移動方向に係る設定画面の一例を示すものであり、ロータリーチルトバケットの移動方向に対応する操作ボタンの割当設定画面を示す図である。 第１の実施の形態に係るコントローラによる作業具の移動方向制御処理を示すフローチャートである。 作業具動作補正量演算部による作業具の移動方向の制御の開始について説明する図である。 作業具動作補正量演算部による移動方向の制御量の演算について説明する図である。 第２の実施の形態に係るコントローラの機能部を示す機能ブロック図である。 作業目標上の目標面とロータリーチルトバケットの移動方向の異なる設定内容を示す外観図である。 ロータリーチルトバケットの移動方向の異なる設定画面を示す図であり、バケット移動方向を適用する作業目標上の範囲の設定画面を示す図である。 ロータリーチルトバケットの移動方向の異なる設定画面を示す図であり、バケット移動方向の設定画面を示す図である。 第２の実施の形態に係るコントローラによる作業具の移動方向制御処理を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る油圧ショベルの操作室の内部の様子を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、作業機械の一例として、フロント作業機に作業具としてロータリーチルトバケットを搭載した油圧ショベルを例示して説明するが、ロータリー軸およびチルト軸を有する作業具を備える他の作業機械においても本発明を適用することも可能である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１～図１７を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル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１は、下部走行体１０と、下部走行体１０に旋回可能に設けられた上部旋回体１１と、上部旋回体１１に回動可能に設けられたフロント作業機１２と、操作者（オペレータ）が搭乗する操作室２２とから概略構成されている。

フロント作業機１２は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム１３、アーム１４、ロータリーチルトバケット（作業具）１５）を連結して構成された多関節型であり、ブーム１３の基端は上部旋回体１１の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１４の一端はブーム１３の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１４の他端には作業具としてのロータリーチルトバケット１５が垂直方向に回動可能に支持されている。

ブーム１３、アーム１４、及びロータリーチルトバケット１５は、油圧アクチュエータ（回動アクチュエータ）であるブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、及びバケットシリンダ１９によりそれぞれ回動駆動される。また、上部旋回体１１は、油圧アクチュエータ（旋回アクチュエータ）である旋回油圧モータ１６により旋回駆動される。また、下部走行体１０は、油圧アクチュエータ（走行アクチュエータ）である図示しない左右の走行油圧モータにより走行駆動される。

操作室２２内には、操作装置である操作レバー２４と、油圧ショベル１の全体の動作を制御する制御装置であるコントローラ２３と、操作者への情報を表示するとともに、操作者の指示を入力する表示入力装置２６とが配置されている。によって構成されている。

コントローラ２３は中央演算装置（ＣＰＵ）、メモリ、インタフェースによって構成され、メモリ内に予め保存されているプログラムを中央演算装置（ＣＰＵ）で実行し、メモリ内に保存されている設定値とインタフェースから入力された信号に基づいて中央演算装置（ＣＰＵ）が処理を行い、インタフェースから信号を出力する。

表示入力装置２６は、例えば、タッチパネル等のポインティングデバイスであり、画面上に表示されるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）により情報の表示と操作者からの指示を入力する構成となっている。

上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、及びロータリーチルトバケット１５には、それぞれの姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置（姿勢検出センサ）としての慣性計測装置（ＩＭＵ: Inertial Measurement Unit）２７，２８，２９，３０がそれぞれ配置されている。以降、これらの慣性計測装置を区別する必要が有る場合は、それぞれ、車体慣性計測装置２７、ブーム慣性計測装置２８、アーム慣性計測装置２９、及びバケット慣性計測装置３０と称する。慣性計測装置２７，２８，２９，３０の各部材に対する相対的な取り付け位置は設計情報などから求められるので、慣性計測装置２７，２８，２９，３０の検出結果（角速度と加速度）に基づいて、上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、及びロータリーチルトバケット１５の相対的な回動角度を推定することができる。

また、上部旋回体１１の上部には、測位センサとしての２つのＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）アンテナ３２ａ，３２ｂが取り付けられている。ＧＮＳＳアンテナ３２ａ，３２ｂは、人工衛星から受信した信号を演算することで位置情報を演算する位置演算機能を含んでおり、２つのＧＮＳＳアンテナ３２ａ，３２ｂでそれぞれ得られる位置情報の差分から上部旋回体１１の方位（向き）を推定することができる。以降、２つのＧＮＳＳアンテナ３２ａ，３２ｂを区別する必要が無い場合は、あわせてＧＮＳＳアンテナ３２と記載する。

図２は、ロータリーチルトバケットを拡大して示す図である。

図２において、ロータリーチルトバケット１５は、フロント作業機１２をフロント部材として構成するアーム１４の先端に回動軸Ａ４を中心に回動可能に設けられている。また、ロータリーチルトバケット１５は、フロント作業機１２に対する回動軸Ａ４に垂直な２つの回動軸であって互いに垂直なロータリー回動軸Ａ６とチルト回動軸Ａ５を中心にそれぞれ回動可能に構成されている。ロータリーチルトバケット１５は、ロータリーチルトバケット１５を回動軸Ａ６を中心に回動駆動するロータリーアクチュエータとしてのローテートモータ２１と、回動軸Ａ５を中心に回動駆動するチルトアクチュエータとしてのチルトシリンダ２０ａ，２０ｂ（前述の図１では一方のみを図示し、他方については符号のみを括弧書きで示す）とを備えている。すなわち、ロータリーチルトバケット１５は、バケットシリンダ１９によってアーム１４の先端の回動軸Ａ４を中心に回動し、ロータリーチルトバケット１５の連結部材においてチルトシリンダ２０ａ，２０ｂによって回動軸Ａ４と直交する回動軸Ａ５を中心に回動し、ロータリーチルトバケット１５の連結部材においてローテートモータ２１によって回動軸Ａ４，Ａ５と直交する回動軸Ａ６を中心に回動するように構成されている。

ロータリーチルトバケット１５には、ローテート角度計３１が取り付けられており、ロータリーチルトバケット１５の回動軸Ａ６における回動角度（ロータリー角度）を検出することができる。また、バケット慣性計測装置３０により、回動軸Ａ４における回動角度に加え、回動軸Ａ５における回動角度（チルト角度）を検出することができる。すなわち、バケット慣性計測装置３０とローテート角度計３１との検出結果に基づいて、ロータリーチルトバケット１５の向きを算出することができる。

図３は、操作室に設けられた操作レバーを抜き出して概略的に示す図である。

図３に示すように、操作室２２に配置された操作レバー２４は、前後左右に揺動可能な２つの操作レバー２４ａ，２４ｂによって構成されている。操作レバー２４ａ，２４ｂ上には、それぞれ、左右に揺動可能なスライダー２４ａ１，２４ｂ１が設けられている。操作レバー２４は、２つの操作レバー２４ａ，２４ｂのそれぞれについて、前後方向の揺動、左右方向の揺動、及びスライダー２４ａ１，２４ｂ１の左右方向の揺動の計６軸の操作量を入力可能に構成されており、操作レバー２４の操作により生成される操作信号に基づいてコントローラ２３で駆動信号を生成することにより、操作レバー２４における操作に対応して、旋回油圧モータ１６、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、バケットシリンダ１９、チルトシリンダ２０ａ，２０ｂ、及びローテートモータ２１をそれぞれ駆動することができる。また、操作レバー２４ａ，２４ｂ上には、オペレータによる押下により操作入力が可能な操作ボタン２５（２５ａ１，２５ａ２，２５ａ３，２５ａ４，２５ａ５，２５ｂ１，２５ｂ２，２５ｂ３，２５ｂ４，２５ｂ５）が設けられている。

図４は、油圧ショベルの駆動機構に係る油圧回路の要部を抜き出して示す図である。

図４において、油圧ショベル１の駆動機構は、例えば、ディーゼルエンジンなどの原動機４１により駆動される油圧ポンプ３９及びパイロットポンプ４０と、油圧ポンプ３９から油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９，２０，２１へ供給される圧油の供給量を制御するコントロールバルブ３３，３４，３５，３６，３７，３８と、油圧ポンプ３９及びパイロットポンプ４０への作動油の供給と油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９，２０，２１から排出された作動油を貯蔵するタンク４２と、油圧ポンプ３９から吐出された圧油の一部をタンク４２へ排出するためのブリードオフユニット４３とにより概略構成されている。

パイロットポンプ４０は、コントロールバルブ３３，３４，３５，３６，３７，３８の駆動源となるパイロット圧を供給する。パイロットポンプ４０から吐出された圧油は、コントロールバルブ３３，３４，３５，３６，３７，３８の電磁比例減圧弁３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ、３７ｂ，３８ｂ，３３ｃ，３４ｃ，３５ｃ，３６ｃ，３７ｃ，３８ｃを介して方向制御弁３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａに導かれている。コントローラ２３から出力される電流指令に基づいて電磁比例減圧弁３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ、３７ｂ，３８ｂ，３３ｃ，３４ｃ，３５ｃ，３６ｃ，３７ｃ，３８ｃが制御されることによって、方向制御弁３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａの駆動が制御される。油圧ポンプ３９から吐出された圧油は、方向制御弁３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａに供給され、電磁比例減圧弁３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ、３７ｂ，３８ｂ，３３ｃ，３４ｃ，３５ｃ，３６ｃ，３７ｃ，３８ｃの動作に応じて、対応する油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９，２０，２１に分配される圧油の量が調整される。

油圧ポンプ３９は、可変容量式であり、コントローラ２３から出力される電流指令に基づいて可変容量ポンプ用電磁比例減圧弁３９ｂが動作することにより油圧ポンプ３９の容量が調整され、油圧ポンプ３９の吐出流量が制御される。油圧ポンプ３９から吐出された圧油の一部は、ブリードオフ弁４３ａがタンク４２への油路を連通させることにより、タンク４２へと排出される。ブリードオフ弁４３ａは、タンク４２へ戻る圧油の流量を制御するものであり、コントローラ２３から出力される電流指令に基づいてブリードオフ弁用電磁比例減圧弁４３ｂが動作することによって調整されたパイロット圧により、タンク４２へと排出される流量が制御される。

コントローラ２３は、操作レバー２４、操作ボタン２５、表示入力装置２６、慣性計測装置２７，２８，２９，３０、ローテート角度計３１、及びＧＮＳＳアンテナ３２と接続されており、それぞれからの入力信号に基づいて電磁比例減圧弁３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ，３８ｂ，３３ｃ，３４ｃ，３５ｃ，３６ｃ，３７ｃ，３８ｃ，３９ｂ，４３ｂを駆動する電流指令信号を出力し、油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９，２０，２１を駆動することで油圧ショベル１を駆動する。

図５は、コントローラの本実施の形態に係る機能部を示す機能ブロック図である。

本実施の形態において、コントローラ２３内部のシステムはいくつかのプログラムの組み合わせとして実行され、インタフェースを介して操作レバー２４、操作ボタン２５、及び表示入力装置２６の指示信号と、慣性計測装置２７，２８，２９，３０、ローテート角度系３１、及びＧＮＳＳアンテナ３２の検出信号とを入力し、中央演算装置（ＣＰＵ）で処理を実施した後、インタフェースを介してコントロールバルブ３３，３４，３５，３６，３７，３８、油圧ポンプ３９、及びブリードオフユニット４３をそれぞれ駆動するための駆動信号を出力するように構成されている。

図５において、コントローラ２３は、慣性計測装置２７，２８，２９，３０（姿勢検出センサ）、ローテート角度系３１、及びＧＮＳＳアンテナ３２（測位センサ）の出力に基づいて、姿勢を主とする油圧ショベル１の状態を演算する作業機械状態演算部５０と、表示入力装置２６に入力される操作者の指示内容に基づいて油圧ショベル１による作業対象の位置や形状に関する情報である作業目標を設定する作業目標設定部５１と、表示入力装置２６に入力される操作者の指示内容に基づいて作業具の移動方向を設定する作業具動作設定部５２と、作業具動作設定部５２が設定した１つ以上の作業具移動方向を記憶する作業具動作設定記憶部５３と、操作ボタン２５から出力される操作者の指示に対応した作業具動作設定記憶部５３に記憶されている作業具移動方向を呼び出す作業具動作設定呼出し部５４と、作業機械状態演算部５０が演算した油圧ショベル１の状態と作業目標設定部５１により設定された作業目標と作業具動作設定呼出し部５４から出力される作業具移動方向に基づいて作業具を所定の移動方向に移動するための動作補正量を演算する作業具動作補正量演算部５５と、操作レバー２４により入力される操作者の操作指示と作業機械状態演算部５０が出力する姿勢状態と作業具動作補正量演算部５５が演算した動作補正量に基づいて油圧ショベル１の各油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９，２０，２１の制御量を演算し電流指令をコントロールバルブ３３，３４，３５，３６，３７，３８、油圧ポンプ３９、及びブリードオフユニット４３に出力する作業機制御量演算部５６とから構成されている。

図６及び図７は、ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルが行う作業の一例を概略的に示す図であり、図６は油圧ショベルによる法面整形作業を、図７は油圧ショベルによる敷均し作業をそれぞれ示す図である。

図６に示すような法面整形作業においては、油圧ショベル１は、作業対象３上に設定した目標面５を僅かに掘削し、面を平らに整形する作業を行う。

例えば、ロータリーチルトバケットを備えない油圧ショベルで法面整形作業を行う場合は、目標面５の前に油圧ショベル１を移動し、目標面５に正対するように上部旋回体を旋回した後に一列のみ掘削して整形し、再度目標面５の前で走行動作により移動する必要がある。しかしながら、このように移動と掘削を交互に繰り返すと作業に時間を要し作業効率が低下する。

一方、本実施の形態のようにロータリーチルトバケット１５を備えた油圧ショベル１で法面整形作業を行う場合は、図６に示すように、上部旋回体１１を目標面５に正対するように旋回させなくともロータリーチルトバケット１５の各軸を調整することでロータリーチルトバケット１５を目標面５に正対する姿勢を取ることができる。また、上部旋回体１１の旋回量、フロント作業機１２の動作量、及びロータリーチルトバケット１５の動作量を適切に調整することで、ロータリーチルトバケット１５が目標面５に正対する姿勢を取った状態のまま、図６に示す実線矢印の方向に掘削することが可能となる。

また、図６に示すような、目標面５の左端の作業対象３の他の面との境界線では、図６に破線矢印で示すように、目標面５に正対する方向と異なる方向に掘削する。この場合、ロータリーチルトバケット１５を目標面５に正対する姿勢を取った状態のまま、目標面５に正対する方向と異なる方向、すなわち、破線矢印で示すような境界線に沿った方向へ掘削を行う。

また、図７に示すような敷均し作業においては、油圧ショベル１は、ロータリーチルトバケット１５で掬った土砂４を作業対象３の上に僅かに落とし、作業対象３の上に均一に土砂４を撒く。このような敷均し作業においては、鉛直な壁面付近に対して均一に土砂を撒くために、壁面から適切な距離を取った位置に目標面５を設定し、目標面５に正対する向きになるようにロータリーチルトバケット１５の姿勢を取った状態のまま、実践矢印で示すような目標面５に正対する方向と直角な方向へロータリーチルトバケット１５を返しながら移動させる。

図６に示した法面整形作業や、図７に示した敷均し作業のように、ロータリーチルトバケット１５の姿勢と移動方向は複数の組み合わせには種々のものがある。本願発明においては、作業対象や作業内容に応じてロータリーチルトバケット１５の姿勢を適切に制御することにより、作業精度の向上を図る。

図８及び図９は、ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルの姿勢演算について示す図であり、図８は油圧ショベルの全体を概略的に示す側面図、図９はロータリーチルトバケットを拡大して概略的に示す側面図である。

図８及び図９に定義する変数を用いることで、コントローラ２３の作業機械状態演算部５０は、油圧ショベル１の姿勢情報として、ロータリーチルトバケット１５の先端位置を演算する。油圧ショベル１には、上部旋回体１１の旋回軸と下部走行体１０の下側に接する平面との交点をショベル座標系の原点Ｏｇとして定義する。油圧ショベル１の外部に設定されたグローバル座標系におけるショベル座標系の原点Ｏｇの位置は、ＧＮＳＳアンテナ３２で検出したＧＮＳＳアンテナ３２のグローバル座標系における位置と、ショベル座標系の原点Ｏｇに対するＧＮＳＳアンテナ３２の取り付け高さＬｇ１および前後方向取付け長さＬｇ２から求めることができる。また、グローバル座標系に対するショベル座標系の向きは、ショベル座標系を水平面に鉛直な軸を中心に、ＧＮＳＳアンテナ３２で検出した油圧ショベル１のグローバル座標系の向き（方位角）に向けることで求めることができる。ここで、グローバル座標系からショベル座標系への同時変換行列をＴｓｈと定義する。

ショベル座標系の原点Ｏｇに対するロータリーチルトバケット１５の先端位置（爪先位置）Ｐｂｋは、上部旋回体１１の旋回角度θｓｗ、ブーム１３の揺動角θｂｍ、アーム１４の揺動角θａｍ、ロータリーチルトバケット１５の回動軸Ａ４における揺動角θｂｋ、回動軸Ａ５における揺動角θｔｌｔ、および回動軸Ａ６における揺動角θｒｏｔと、各部材の長さＬｆ１，Ｌｆ２，Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｔｌｔ，Ｌｒｏｔ，Ｌｂｋ１，Ｌｂｋ２とを用い、油圧ショベル１を６リンクから構成されるリンク構造としてＤ－Ｈ法（Ｄｅｎａｖｉｅｔ－Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇの記法）等を適用する、すなわち、リンク毎に定義される同時変換行列の積を取ることで得ることができる。

ここで、ロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋ＝（Ｘｂｋ，Ｙｂｋ，Ｚｂｋ）と、グローバル座標系とショベル座標系とのオイラー角（Ｙａｗ＿ｂｋ，Ｐｉｔｃｈ＿ｂｋ，Ｒｏｌｌ＿ｂｋ）と、各部材間の角度（θｓｗ，θｂｍ，θａｍ，θｂｋ，θｔｌｔ，θｒｏｔ）との関係は、以下のベクトル式（式１）～（式３）で表すことができる。ただし、下記の（式１）及び（式２）におけるの「＾Ｔ」は転置を表す。
ｒ＝［Ｘｂｋ，Ｙｂｋ，Ｚｂｋ，Ｙａｗ＿ｂｋ，Ｐｉｔｃｈ＿ｂｋ，Ｒｏｌｌ＿ｂｋ］＾Ｔ …（式１）
ｑ＝［θｓｗ，θｂｍ，θａｍ，θｂｋ，θｔｌｔ，θｒｏｔ］＾Ｔ …（式２）
ｒ＝Ｆ（ｑ） …（式３）

図１０は、作業目標上の目標面とロータリーチルトバケットの移動方向の設定内容との関係を模式的に示す図である。また、図１１は、ロータリーチルトバケットの向きの定義を示す図である。

図１０及び図１１を用いて、作業目標設定部５１が設定する目標面５の設定内容と、作業具動作設定部５２が設定するロータリーチルトバケット１５の移動方向の設定内容とについて説明する。

目標面５は１つの代表点と法線ベクトルで構成される単一平面として定義する。図１０は、例えば、図６に示した作業対象３にロータリーチルトバケット１５の移動方向を設定する場合を示しており、目標面５の代表点Ｐｔとして目標面５の頂点Ｐｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３，Ｐｔ４の重心を用いる。なお、代表点Ｐｔは、平面上の任意の点を用いることが可能なので、目標面５の頂点Ｐｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３，Ｐｔ４の何れかを代表点として用いても良い。また、目標面５の法線ベクトルｎ＝［ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ］＾Ｔ（ただし、「＾Ｔ」は転置）は、ベクトル（Ｐｔ３－Ｐｔ２）とベクトル（Ｐｔ１－Ｐｔ２）の外積を正規化することで得ることができる。

作業具動作設定部５２では、ロータリーチルトバケット１５の移動方向として、図１１に示すバケット開口面の方向ｖｄｉｒ＿ｂｋ、目標面５に正対する方向ｖｄｉｒ＿ｎ、目標面５に対する任意方向ｖｄｉｒ＿ｓの何れかを設定する。図１１に示すように、バケット開口面の方向ｖｄｉｒ＿ｂｋは、ロータリーチルトバケット１５の先端（バケット先端）を原点とするローカル座標系のｚｂｋ軸の反対方向と定義することができるので、オイラー角（Ｙａｗ＿ｂｋ，Ｐｉｔｃｈ＿ｂｋ，Ｒｏｌｌ＿ｂｋ）で定義される回転行列Ｒｂｋを用いて下記の（式４）で算出できる。ただし、ローカル座標系は、ロータリーチルトバケット１５の先端中央を原点とし、先端方向にｘｂｋ軸、横方向にｙｂｋ軸、ｘｂｋ軸とｙｂｋ軸とに垂直であって開口方向と反対の方向にｚｂｋ軸を定義する。
ｖｄｉｒ＿ｂｋ＝Ｒｂｋ×［０，０，１］＾Ｔ …（式４）

目標面５に正対する方向Ｖｄｉｒ＿ｎは、図１０に示すように、法線ベクトルｎの水平面への射影と定義することができるので、法線ベクトルｎの成分を用いて下記の（式５）で算出することができる。
ｖｄｉｒ＿ｎ＝［ｎｘ，ｎｙ，０］＾Ｔ …（式５）

任意方向ベクトルｖｄｉｒ＿ｓは任意に定義可能である。本実施の形態においては、図１０に示すように、目標面５の境界線である頂点Ｐｔ４と頂点Ｐｔ１を結ぶベクトル（Ｐｔ４－Ｐｔ１）をｖｄｉｒ＿ｓとして定義する。

ここで、作業具動作設定部５２の設定方法と、作業具動作設定記憶部５３がロータリーチルトバケット１５の移動方向と操作ボタン２５の設定内容を対応付けて記憶する方法とについて説明する。

図１２～図１４は、ロータリーチルトバケットの移動方向に係る設定画面の一例を示すものであり、図１２及び図１３はバケットの移動方向の設定画面を、図１４はロータリーチルトバケットの移動方向に対応する操作ボタンの割当設定画面をそれぞれ示している。

作業具動作設定部５２は、図１２に示すように、表示入力装置２６上に移動方向設定表示９０と選択内容表示９２を表示し、移動方向としてバケット開口面の方向（矢印９０ａ）、目標面５に正対する方向（矢印９０ｂ）、目標面５に対する任意方向（矢印９０ｃ）の選択状況を表示するようにＧＵＩを構成する。また、選択ボタン９３ａ，９３ｂ、決定ボタン９４、キャンセルボタン９５を表示入力装置２６上に表示し、油圧ショベル１の操作者の指示入力を受付けるようにＧＵＩを構成する。選択ボタン９３ａ，９３ｂを油圧ショベル１の操作者が押すと異なる移動方向の選択状況が表示される。図１２においてはバケット開口面の方向（矢印９０ａ）が選択されている状況を例示している。目標面５に対する任意方向（矢印９０ｃ）以外のいずれかの移動方向が選択された状況で決定ボタン９４を油圧ショベル１の操作者が押すと現在表示されている移動方向を記憶して、図１４に示した操作ボタン２５の割当の設定画面へ遷移する。また、目標面５に対する任意方向（矢印９０ｃ）が選択された状況で決定ボタン９４が操作されると、図１３に示す移動方向の設定画面が表示され、操作者が任意の方向を入力して決定ボタン９４を押すことで任意の方向が設定され、図１４の操作ボタン２５の割当の設定画面へ遷移する。なお、図１２及び図１３において、キャンセルボタン９５が押された場合は設定内容を破棄して設定を終了する。

作業具動作設定部５２は、図１４に示すように、作業具移動方向の設定が完了すると、表示入力装置２６上にボタン割当設定表示９１を表示し、設定した移動方向を実行する操作レバー２４上の操作ボタン２５の位置を表示し、選択ボタン９３、決定ボタン９４、キャンセルボタン９５を表示入力装置２６上に表示し、油圧ショベル１の操作者の指示入力を受付けるようにＧＵＩを構成する。移動方向の設定と同様に油圧ショベル１の操作者の各ボタンの押下状況に応じて設定の変更を行う。決定ボタン９４が押された場合、作業具動作設定部５２は、図１２及び図１３で設定されたロータリーチルトバケット１５の移動方向と、図１４で設定された操作ボタン２５の位置とを作業具動作設定記憶部５３に送信し、作業具動作設定記憶部５３はそれぞれの設定を対応付けて記憶する。

図１５は、コントローラによる作業具の移動方向制御処理を示すフローチャートである。また、図１６は、作業具動作補正量演算部による作業具の移動方向の制御の開始について説明する図であり、図１７は作業具動作補正量演算部による移動方向の制御量の演算について説明する図である。

なお、図１５の全ての処理工程（ステップ）は、コントローラ２３において予め定められたサンプリング時間毎に実行され、コントローラ２３が起動している間は繰り返し実行される。また、コントローラ２３内のメモリには、距離ｄｈ（後述のステップＳ１０１参照）が保存されており、前回に演算された値を比較できるように構成されている。

図１５において、作業具動作補正量演算部５５は、まず、作業目標設定部５１から出力され、グローバル座標で表されている目標面５の代表点Ｐｔと法線ベクトルｎとを、グローバル座標系からショベル座標系への同時変換行列Ｔｓｈを用いて、ショベル座標系に対する目標面５の代表点Ｐｔ’＝（Ｔｓｈ＾－１）×Ｐｔと法線ベクトルｎ’＝（Ｔｓｈ＾－１）×（Ｐｔ＋ｎ）－Ｐｔ’に変換する（ステップＳ１００）。

次に、ステップＳ１００において変換した目標面５と、作業機械状態演算部５０から出力されるロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋの間の距離ｄｈを以下の（式６）を用いて算出する（ステップＳ１０１）。なお、下記の（式６）中の「・」は、ベクトルの内積を示す。
ｄｈ＝（Ｐｂｋ－Ｐｔ’）・ｎ …（式６）

続いて、ロータリーチルトバケット１５の先端が法面に近づいているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。すなわち、ステップＳ１０２では、図１６に示すように、予め設定されている目標面５の上側に仮想的に設けた距離閾値Ｔｈより距離ｄｈが小さいか否かを判定し、距離ｄｈが距離閾値Ｔｈ以上であり、ロータリーチルトバケット１５の先端が目標面５より離れていると判定した場合、すなわち、判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１１３の処理に進む。また、ステップＳ１０２において、距離ｄｈが距離閾値Ｔｈよりも小さく、ロータリーチルトバケット１５の先端が目標面５に近いと判定した場合、すなわち、判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１０３の処理に進む。

ステップＳ１０２での判定結果がＹＥＳの場合には、目標面から離れた状態から近い状態に遷移したか否かを判定する（ステップＳ１０３）。すなわち、ステップＳ１０３では、前回の処理で算出した距離ｄｈが距離閾値Ｔｈより大きかったか否かを判定し、距離ｄｈが距離閾値Ｔｈより小さい場合、すなわち、判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１０６の処理に進む。また、距離ｄｈが距離閾値Ｔｈ以上である場合、すなわち、判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１０４の処理に進む。

ステップＳ１０３での判定結果がＹＥＳの場合には、現在の先端位置Ｐｂｋを制御開始位置Ｐｓとして保存する（ステップＳ１０４）。すなわち、ステップＳ１０４では、図１６に示すように、一定サンプリング毎に行う処理において、初めてロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋが距離閾値Ｔｈより目標面５に近づいた位置をＰｓとして記録する。

続いて、上記の（式４）を用いて、バケット開口面の方向ｖｄｉｒ＿ｂｋを演算する（ステップＳ１０５）。

続いて、ステップＳ１０６において、作業具動作設定呼出し部５４は、操作ボタン２５の押下状況を判定し、作業具動作設定記憶部５３に保存されている操作ボタン２５の位置と作業具移動方向の対応に基づいて移動方向を作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１０６）。ここでは、指示１、指示２、指示３が、操作ボタン２５（２５ａ１，２５ａ２，２５ａ３，２５ａ４，２５ａ５，２５ｂ１，２５ｂ２，２５ｂ３，２５ｂ４，２５ｂ５）のうちのそれぞれ異なる操作ボタン２５に設定されている場合を考える。例えば、ロータリーチルトバケット１５の移動方向として、指示１はバケット開口面の方向を指示し、指示２は目標面５に正対する方向を指示し、指示３は任意方向ベクトルで示される方向を指示するものである。

ステップＳ１０６において、操作ボタン２５がバケット開口面の方向に対応する操作ボタン２５が押された（指示１がなされた）場合には、移動方向ベクトルｖｄｉｒにｖｄｉｒ＿ｂｋを設定し、設定したｖｄｉｒを作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１０７）。

また、ステップＳ１０６において、操作ボタン２５が目標面５に正対する方向に対応する操作ボタン２５が押された（指示２がなされた）場合は、移動方向ベクトルｖｄｉｒにｖｄｉｒ＿ｎを設定し、設定したｖｄｉｒを作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１０８）。

また、ステップＳ１０６において、操作ボタン２５が任意方向ベクトルで示される方向に対応する操作ボタン２５が押された（指示３がなされた）場合は、移動方向ベクトルｖｄｉｒにｖｄｉｒ＿ｓを設定し、設定したｖｄｉｒを作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１０９）。

また、ステップＳ１０６において、操作ボタン２５による移動方向に対応する指示がない場合（例えば、移動方向が設定されていない操作ボタン２５が押下された場合や、操作ボタン２５が押下されない状態で操作レバー２４が操作された場合など、指示なしの場合）は、ステップＳ１１３の処理に進む。

ステップＳ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０９のいずれかの処理が終了すると、続いて、作業具動作補正量演算部５５は、移動修正方向ｖａｄｊを算出し（ステップＳ１１０）、続いて、移動修正量ｄａｄｊを算出する（ステップＳ１１１）。

図１７に示すように、移動修正方向ｖａｄｊは法線ベクトルｎ’と移動方向ベクトルｖｄｉｒとに直交するベクトルであり、法線ベクトルｎ’と移動方向ベクトルｖｄｉｒとの外積を取ることで算出することができる。

また、図１７に示すように、移動修正量ｄａｄｊは、Ｐｓｔ上でｄａｄｊは法線ベクトルｎ’と移動方向ベクトルｖｄｉｒが成す平面とロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋの距離であり、下記の（式７）を用いて算出することができる。
ｄａｄｊ＝（（（Ｐｓｔ－Ｐｂｋ）・ｖａｄｊ）／｜ｖａｄｊ｜＾２）×ｖａｄｊ …（式７）

続いて、作業具動作補正量演算部５５は、爪先補正動作量として、油圧ショベル１の補正揺動角速度ωａｄｊを算出し、作業機制御量演算部５６に出力する（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１１２の処理では、まず、予め定められているゲインＫａｄｊを用いて、ロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋに対する移動修正速度ｖａｄｊ＿ｂｋを下記の（式８）を用いて算出する。
ｖａｄｊ＿ｂｋ＝Ｋａｄｊ×ｄａｄｊ …（式８）

続いて、移動修正速度ｖａｄｊ＿ｂｋを変換し油圧ショベル１の各揺動角速度を演算する。上記の（式３）の関係に対応する下記の（式９）に示すヤコビ行列Ｊを用いると、油圧ショベル１の補正揺動角速度ωａｄｊはロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋの速度ｖａｄｊ＿ｂｋを用いて、下記の（式１０）のように表現することができる。
Ｊ（ｑ）＝∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ …（式９）
ωａｄｊ＝（Ｊ（ｑ）＾－１）×ｖａｄｊ＿ｂｋ …（式１０）

また、ステップＳ１０２での判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ１０６において指示なしである場合には、爪先補正動作量を無しに設定する、すなわち、補正揺動角速度ωａｄｊを全て０に設定し（ステップＳ１１３）、ステップＳ１１４の処理に進む。

ステップＳ１１２、又は、ステップＳ１１３の処理が終了すると、続いて、作業機制御量演算部５６は、作業機械状態演算部５０が出力する油圧ショベル１の姿勢、操作レバー２４により指示される操作指示量、及び作業具動作補正量演算部５５が出力する補正揺動角速度ωａｄｊに基づいて、作業機制御量を算出して出力し（ステップＳ１１４）、処理を終了する。

ここで、作業機制御量とは、コントロールバルブ３３，３４，３５，３６，３７，３８、及び電磁比例減圧弁３９ｂ，４３ｂを駆動する電流指令である。作業機制御量演算部５６は、操作レバー２４の操作量をその操作量に比例した油圧ショベル１の揺動角速度指令値ωｏｐｅに変換し、予め定められた揺動角速度と電流指令の変換マップＫｃｔｒｌ（ｑ）を用いた下記の（式１１）によって電流指令Ｃｃｔｒｌを算出する。
Ｃｃｔｒｌ＝Ｋｃｔｒｌ（ｑ）×（ωｏｐｅ＋ωａｄｊ） …（式１１）

コントローラ２３は、ステップＳ１００～Ｓ１１４までの処理を予め定められたサンプリング時間毎に実行し、ロータリーチルトバケット１５の移動方向が設定された移動方向に動作するように制御を繰り返し行う。

以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

例えば、油圧ショベルにより法面を整形する作業を行う場合、法面に正対する方向にロータリーチルトバケットを移動させる際、或いは、法面に正対する方向とは異なる方向にバケットを移動させる際には、法面にロータリーチルトバケットを正対させる必要がある。また、鉛直な壁状面の付近でバケットに掬った土砂を少しずつ落として土砂を均一に撒く敷均し作業を行う場合、壁状面側にバケットを向けたまま、バケットを壁面と平行に移動させる必要がある。

しかしながら、従来技術のように、アーム先端部の移動方向とロータリーチルトバケットの向きが１つの組み合わせに固定されてしまう場合には、作業精度が低下してしまう場合がある。例えば、法面を整形する作業を行う場合、法面に正対する方向とは異なる方向にバケットを移動させる際（例えば、隣接する設計面の境界付近を整形する際）には、法面にロータリーチルトバケットが正対しないため、境界に沿う方向への整形作業を行うことができない。また、鉛直な壁状面の付近で敷均し作業を行う場合には、バケットの移動方向である壁状面に沿う方向にバケットが向いてしまうため、敷均し作業を行うことができない。

これに対して、本実施の形態においては、下部走行体１０と、下部走行体１０に対して旋回可能に設けられた上部旋回体１１と、上部旋回体１１に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材（例えば、ブーム１３、アーム１４、ロータリーチルトバケット１５）からなる多関節型のフロント作業機１２と、駆動信号に基づいて複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の回動アクチュエータ（例えば、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、バケットシリンダ１９）と、駆動信号に基づいて上部旋回体１１を旋回駆動する旋回アクチュエータ（例えば、旋回油圧モータ１６）と、上部旋回体１１及びフロント作業機１２の姿勢に関する姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置（例えば、慣性計測装置２７，２８，２９，３０）と、姿勢情報検出装置からの姿勢情報に基づいて、予め定めた作業目標面上および作業目標面に対する一方の領域内でフロント作業機１２が動くように、複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに駆動信号を出力するか、又は複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された駆動信号を補正する領域制限制御を実行する制御装置（例えば、コントローラ２３）とを備えた作業機械（例えば、油圧ショベル１）において、制御装置は、フロント作業機１２の先端にフロント部材の１つとして連結された作業具の作業目標面に沿う方向の移動方向であって予め定められた作業具移動方向に作業具が移動するように、回動アクチュエータ駆動用の駆動信号および旋回アクチュエータ駆動用の駆動信号を補正するように構成したので、ロータリーチルトバケットを備えた作業機械において、作業精度を向上することができる。すなわち、複数設定したロータリーチルトバケット１５の移動方向を選択し、その移動方向となるように制御することで、油圧ショベル１の作業内容や作業対象に応じて適切なロータリーチルトバケット１５の動作を実現でき、作業精度を向上することができる。

なお、本実施の形態においては、説明の簡略化のためにロータリーチルトバケット１５の移動方向に関する補正方法のみを説明したが、その他の補正方法と併用可能である。すなわち、例えば、ステップＳ１１１と同様の方法を用い、距離ｄｈに応じた目標面５の法線ベクトルｎ’方向の補正揺動角速度指令値を演算し、上記の（式１１）に加算することで、ロータリーチルトバケット１５を目標面５に沿った動作を実現でき、同様な方法でロータリーチルトバケット１５の姿勢を補正するように制御可能である。

また、本実施の形態においては、ステップＳ１０３～Ｓ１０５の判定を用いて制御開始位置Ｐｓをロータリーチルトバケット１５が目標面５に近づいたときの先端位置Ｐｂｋとしたが、例えば、ステップＳ１０６の操作ボタン２５の操作判定時、すなわち、操作ボタン２５の指示が出力された瞬間の先端位置Ｐｂｋを制御開始位置Ｐｓとして設定してもよく、また、目標面５上の任意点など異なる条件としても良い。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１８～図２３を参照しつつ説明する。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態は、作業対象と作業具の位置関係に基づいて作業具の移動方向の設定を変更するものである。

図１８は、本実施の形態に係るコントローラの本実施の形態に係る機能部を示す機能ブロック図である。

図１８において、作業具動作設定部５２は、作業目標設定部５１の作業目標を入力するように構成され、コントローラ２３は、作業具動作設定部５２から出力される作業具移動方向と作業目標の位置関係を記憶する作業具動作範囲記憶部５８と、作業機械状態演算部５０の出力と作業目標設定部５１の出力に基づいて作業具の作業目標上における位置を判定する作業具位置判定部５７をさらに備え、作業具動作設定呼出し部５４は作業具位置判定部５７の出力に基づいて作業具動作範囲記憶部５８が記憶している作業具の移動方向の設定を呼出し作業具動作補正量演算部５５に出力されるように構成されている。

図１９は、作業目標上の目標面とロータリーチルトバケットの移動方向の異なる設定内容を示す外観図である。また、図２０及び図２１は、ロータリーチルトバケットの移動方向の異なる設定画面を示す図であり、図２０はバケット移動方向を適用する作業目標上の範囲の設定画面を、図２１はバケット移動方向の設定画面をそれぞれ示している。

図１９に示すように、作業具動作設定部は目標面５を頂点Ｐｔ５とＰｔ６を用いて目標面５ａと目標面５ｂの領域に分割し、それぞれに異なる移動方向ｖｄｉｒを設定する。頂点Ｐｔ２，Ｐｔ３，Ｐｔ６，Ｐｔ５で囲まれる範囲では、整形作業を効率よく行うため目標面５と正対する方向に移動方向を設定し、頂点Ｐｔ１，Ｐｔ４，Ｐｔ６，Ｐｔ５で囲まれる範囲では、目標面の境界線上に動作するように、頂点Ｐｔ４，Ｐｔ１で形成される線分の方向に移動方向を設定する。

作業具動作設定部５２は、図２０に示すように、表示入力装置２６上に動作範囲設定表示９６を表示し、目標面の形状と位置範囲の設定状況を表示するようにＧＵＩを構成する。また、範囲選択ポインタ９８を表示入力装置２６上に表示し、油圧ショベル１の操作者の指示入力を受付けるようにＧＵＩを構成する。範囲選択ポインタ９８ａ，９８ｂを油圧ショベル１の操作者が左右にドラッグすることで範囲を任意に変更でき、決定ボタン９４を油圧ショベル１の操作者が押すと現在表示されている位置範囲を記憶して移動方向の設定画面へ遷移する。なお、キャンセルボタン９５が押された場合は設定内容を破棄して設定を終了する。

作業具動作設定部５２は、位置範囲の設定が完了すると、図２１に示すように、表示入力装置２６上に移動方向設定表示９７を表示し、設定している移動方向を表示し、方向選択ポインタ９９を表示入力装置２６上に表示し、油圧ショベル１の操作者の指示入力を受付けるようにＧＵＩを構成する。目標面５上の頂点と同一箇所にある方向選択ポインタ９９ａ，９９ｂ，９９ｃ，９９ｄ，９９ｅ，９９ｆのうちの２つの方向選択ポインタを油圧ショベル１の操作者が選択することで移動方向を設定する。決定ボタン９４が押された場合、作業具動作設定部５２は、図２０で設定された位置範囲と図２１で設定された移動方向とを作業具動作範囲記憶部５８に送信し、作業具動作範囲記憶部５８はそれぞれの設定を対応付けて記憶する。

図２２は、本実施の形態に係るコントローラによる作業具の移動方向制御処理を示すフローチャートである。図中、第１の実施の形態（図１５）と同様の処理ステップには同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

図２２において、作業具動作補正量演算部５５は、まず、作業目標設定部５１から出力され、グローバル座標で表されている目標面５の代表点Ｐｔと法線ベクトルｎとを、グローバル座標系からショベル座標系への同時変換行列Ｔｓｈを用いて、ショベル座標系に対する目標面５の代表点Ｐｔ’＝（Ｔｓｈ＾－１）×Ｐｔと法線ベクトルｎ’＝（Ｔｓｈ＾－１）×（Ｐｔ＋ｎ）－Ｐｔ’に変換する（ステップＳ１００）。

次に、ステップＳ１００において変換した目標面５と、作業機械状態演算部５０から出力されるロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋの間の距離ｄｈを算出する（ステップＳ１０１）。

続いて、ロータリーチルトバケット１５の先端が法面に近づいているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２での判定結果がＹＥＳの場合には、目標面から離れた状態から近い状態に遷移したか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

ステップＳ１０３での判定結果がＹＥＳの場合には、現在の先端位置Ｐｂｋを制御開始位置Ｐｓとして保存する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０３での判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ１０４の処理が終了した場合には、続いて、作業具動作設定呼出し部５４は、作業具位置判定部５７が出力する作業具の位置に基づいて、作業具動作範囲記憶部５８が記憶している移動方向を作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１２０）。ここでは、例えば、範囲１として図２１の頂点９９ｃ，９９ｄ，９９ｅ，９９ｆで囲まれる範囲が設定され、範囲２として図２１の頂点９９ａ，９９ｂ，９９ｃ，９９ｄで囲まれる範囲が設定されている場合を考える。なお、範囲１は隣接する設計面の境界から離れた範囲であり、範囲２は隣接する設計面の境界付近の範囲である場合を例示する。

作業具位置判定部５７は、ロータリーチルトバケット１５の先端位置Ｐｂｋの目標面５に対する射影Ｐｂｋ’を下記の（式１２）で算出し、作業具動作設定呼出し部５４に出力する。
Ｐｂｋ’＝（Ｐｂｋ－（（Ｐｂｋ-Ｐｔ）・ｎ’）／｜ｎ’｜＾２）×ｎ’ …（式１２）

ステップＳ１２０において、作業具動作設定呼出し部５４は、射影Ｐｂｋ’が作業具動作範囲記憶部５８に記憶されている目標面５ａに対応する範囲１の中に存在すると判定した場合は、移動方向ベクトルｖｄｉｒにｖｄｉｒ＿ｎに設定し、設定したｖｄｉｒを作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１２１）。

また、ステップＳ１２０において、射影Ｐｂｋ’が作業具動作範囲記憶部５８に記憶されている目標面５ｂに対応する範囲２の中に存在すると判定した場合は、移動方向ベクトルｖｄｉｒにｖｄｉｒ＿ｓに設定し、設定したｖｄｉｒを作業具動作補正量演算部５５に出力する（ステップＳ１２２）。

また、ステップＳ１２０において、射影Ｐｂｋ’が作業具動作範囲記憶部５８に記憶されているいずれかの目標面５の範囲に対応していないと判定した場合は、ステップＳ１１３の処理に進む。

ステップＳ１２１，Ｓ１２２のいずれかの処理が終了すると、作業具動作補正量演算部５５は、移動修正方向ｖａｄｊを算出し（ステップＳ１１０）、続いて、移動修正量ｄａｄｊを算出する（ステップＳ１１１）。

続いて、作業具動作補正量演算部５５は、爪先補正動作量として、油圧ショベル１の補正揺動角速度ωａｄｊを算出し、作業機制御量演算部５６に出力する（ステップＳ１１２）。

また、ステップＳ１０２での判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ１０６において指示なしである場合には、爪先補正動作量を無しに設定する、すなわち、補正揺動角速度ωａｄｊを全て０に設定し（ステップＳ１１３）、ステップＳ１１４の処理に進む。

ステップＳ１１２、又は、ステップＳ１１３の処理が終了すると、続いて、作業機制御量演算部５６は、作業機械状態演算部５０が出力する油圧ショベル１の姿勢、操作レバー２４により指示される操作指示量、及び作業具動作補正量演算部５５が出力する補正揺動角速度ωａｄｊに基づいて、作業機制御量を算出して出力し（ステップＳ１１４）、処理を終了する。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、作業具の位置と作業対象上の位置関係に応じて移動方向の設定を変更することで、操作者による移動方向の指定することなく適切なロータリーチルトバケット１５の動作を実現できるので、移動方向の指定に要する時間を省略でき、作業効率を向上することができる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図１７を参照しつつ説明する。図中、第１及び第２の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態は、フロント作業機１２の動作が補正されることを操作者に報知するものである。

図２３は、油圧ショベルの操作室の内部の様子を模式的に示す図である。

図２３において、操作室２２の内部には、作業具動作補正量演算部５５によって油圧ショベル１の動作が補正される方向を示す制御方向インジケータ４４（４４ａ，４４ｂ）が備えられている。例えば、左側に旋回することで動作が補正される場合には、図２３に示すように、左側インジケータ４４ａが明滅することでオペレータに報知する。

その他の構成は第１及び第２の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１及び第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、制御により補正されることを操作者に伝えることで、作業効率をさらに向上することができる。

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や実施の形態の組み合わせが含まれる。

例えば、第１及び第２の実施の形態の油圧ショベル１は、フロント作業機１２に作業具として回動軸Ａ４，Ａ５，Ａ６を中心に回動するロータリーチルトバケット１５を有する場合を例示しているが、作業具の構成としてはこれに限らず、例えば、回動軸Ａ４，Ａ５のみを中心に回動するチルトバケットを作業具として設けても良い。

また、第１の実施の形態の図１０や第２の実施の形態の図１９で説明した、移動方向の設定においては、任意方向ｖｄｉｒ＿ｓとして目標面５の境界線上の方向のみを例示したが、任意方向ｖｄｉｒ＿ｓはどのような方向であってもよく、例えば、異なる境界線上の方向であったり、目標面の対角線の方向であったり、或いは、目標面の境界線の方向ではない他の任意の方向であったりしても良い。

また、作業機制御量演算部５６において、電流指令Ｃｃｔｒｌを揺動角速度と電流指令の変換マップＫｃｔｒｌ（ｑ）を用いて算出する場合を例示して説明したが、電流指令のＣｃｔｒｌの演算方法は異なる方法でもよく、例えば、油圧回路の圧力を用いたマップや、モデル予測制御等の制御則を用いて電流指令Ｃｃｔｒｌを生成しても良い。

また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１…油圧ショベル、３…作業対象、４…土砂、５…目標面、５，５ａ，５ｂ…目標面、１０…下部走行体、１１…上部旋回体、１２…フロント作業機、１３…ブーム、１４…アーム、１５…ロータリーチルトバケット、１６…旋回油圧モータ、１７…ブームシリンダ、１８…アームシリンダ、１９…バケットシリンダ、２０ａ，２０ｂ…チルトシリンダ、２１…ローテートモータ、２２…操作室、２３…コントローラ、２４，２４ａ，２４ｂ…操作レバー、２４ａ１，２４ｂ１…スライダー、２５，２５ａ１～２５ａ５，２５ｂ１～２５ｂ５、２６…表示入力装置、２７～３０…慣性計測装置、３１…ローテート角度計、３２，３２ａ，３２ｂ…ＧＮＳＳアンテナ、３３～３８…コントロールバルブ、３３ａ～３８ａ…方向制御弁、３３ｂ～３８ｂ，３３ｃ～３８ｃ…電磁比例減圧弁、３９…油圧ポンプ、３９ｂ…電磁比例減圧弁、４０…パイロットポンプ、４１…原動機、４２…タンク、４３…ブリードオフユニット、４３ａ…ブリードオフ弁、４３ｂ…電磁比例減圧弁、４４，４４ａ，４４ｂ…インジケータ、５０…作業機械状態演算部、５１…作業目標設定部、５２…作業具動作設定部、５３…作業具動作設定記憶部、５４…作業具動作設定呼出し部、５５…作業具動作補正量演算部、５６…作業機制御量演算部、５７…作業具位置判定部、５８…作業具動作範囲記憶部

Claims (5)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、
   駆動信号に基づいて前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の回動アクチュエータと、
   駆動信号に基づいて前記上部旋回体を旋回駆動する旋回アクチュエータと、
   前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
   前記姿勢情報検出装置からの姿勢情報に基づいて、予め定めた作業目標面上および前記作業目標面に対する一方の領域内で前記フロント作業機が動くように、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を実行する制御装置と、
   前記領域制限制御の実行を指令する制御実行指令装置とを備えた作業機械において、
   前記制御装置は、前記フロント作業機の先端に前記フロント部材の１つとして連結された作業具の前記作業目標面に沿う方向の移動方向であって、前記制御実行指令装置から出力される指令に応じて、前記指令が出力された時の前記作業目標面に対する前記作業具の方向、前記作業目標面に正対する方向、又は、前記作業目標面に対して予め定められた角度をなす方向の何れかの方向に前記作業具が移動するように、前記回動アクチュエータ駆動用の駆動信号および前記旋回アクチュエータ駆動用の駆動信号を補正することを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、
   前記フロント作業機の前記作業具は、前記フロント作業機に対する回動軸に垂直な２つの回動軸であって互いに垂直なロータリー回動軸とチルト回動軸を中心にそれぞれ回動駆動するためのロータリーアクチュエータおよびチルトアクチュエータを備え、
   前記制御装置は、前記作業目標面の水平方向における向きと、前記作業具に予め定められた作業方向の水平方向における向きとが正対するように、前記ロータリーアクチュエータ駆動用の駆動信号および前記チルトアクチュエータ駆動用の駆動信号を生成することを特徴とする作業機械。
3. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御実行指令装置は少なくとも１つのスイッチを有し、
   前記制御装置は、オペレータにより操作された前記少なくとも１つのスイッチに対応して予め設定された作業具移動方向に前記作業具が移動するように、前記回動アクチュエータ駆動用の駆動信号および前記旋回アクチュエータ駆動用の駆動信号を補正することを特徴とする作業機械。
4. 請求項３記載の作業機械において、
   前記制御実行指令装置の前記少なくとも１つのスイッチに対応して設定される前記作業具移動方向を、前記制御実行指令装置の少なくとも１つのスイッチが操作された時の前記作業目標面に対する前記作業具の方向、前記作業目標面に正対する方向、又は、前記作業目標面に対して予め定められた角度をなす方向の何れかの方向から選択的に決定する設定装置を備えたことを特徴とした作業機械。
5. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記作業目標面の少なくとも一部に対応して設定された作業具移動方向に前記作業具が移動するように、前記回動アクチュエータ駆動用の駆動信号および前記旋回アクチュエータ駆動用の駆動信号を補正することを特徴とする作業機械。

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