JP7391243B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関する。

油圧ショベルのような作業機械において、予め設定した高さや深さ、旋回角度などの作業領域から作業機が逸脱しないように作業機を制御する領域制限制御が知られている（特許文献１）。

このような領域制限制御を用いることで、オペレータは作業機が電線や埋設物に接触して破壊してしまうことを意識せずに作業できるため、作業効率の向上につながる。また、旋回方向の領域を制限した場合は、道路の路側等での作業において作業機が道路にはみ出すことを防止可能となり、安全性の向上が期待できる。

しかしながら、特許文献１のような作業機械の領域制限制御において、設定される領域は車体基準の座標であるため、作業機械が走行動作などによって移動してしまうと、実際に制限したい領域と車体基準で設定した領域がずれてしまうため、オペレータの作業効率を低下させたり、安全性が低下する可能性がある。

また、特許文献２によれば、車体の位置情報を取得可能な油圧ショベルにおいて、施工領域内にある道路や建物などの進入および接触してはいけない領域（規制対象）の座標情報が予め入力されたデータである地図データに基づいて、車体の位置情報に応じて制限する旋回角度を再設定している。このようにすることで、作業機械が走行動作で移動したとしても、道路などの作業機械を進入させたくない領域に対して、制限する旋回角度が再設定されるので、実際に制限したい領域と制御がかかる領域がずれることを防止可能である。

特開平９－７１９６５号公報 特開２０１９－１５７４０９号公報

しかしながら、作業機械の動作を制限する領域制限制御は、地図データにおける道路などのあらかじめ設定可能な対象のみでなく、施工現場で任意に作られた作業員用の通路などに対してオペレータがリアルタイムで設定する場合も考えらえる。そのような場面においては、特許文献２に記載の技術を用いたとしても、走行動作によって車体が移動した場合は、実際に進入を防止したい領域と制御がなされる領域がずれる可能性がある。

本発明の目的は、施工領域に設定した作業領域から車体が逸脱することを防止する領域制限制御を行う制御装置を備えた作業機械において、実空間上で作業機械の動きを制限したい領域を任意の位置に簡単に設定でき、その設定した領域に対して実際に作業機械が制御される領域がずれることを防止可能な作業機械を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明による作業機械は、施工領域に設定された作業領域から車体が逸脱することを防止するように車体の動作が制限される領域制限制御を行う制御装置を備えた作業機械において、前記制御装置は、前記施工領域の施工対象の最終的な目標形状を表す設計データに基づいて前記作業領域の少なくとも一部を設定することを特徴とする。

本発明によれば、施工領域に設定した作業領域から車体が逸脱することを防止する領域制限制御を行う制御装置を備えた作業機械において、実空間上で作業機械の動きを制限したい領域を任意の位置に簡単に設定でき、その設定した領域に対して実際に作業機械が制御される領域がずれることを防止可能な作業機械が提供される。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。 油圧ショベルのシステム構成を表す図である。 油圧ショベルの姿勢情報に係る側面図である。 油圧ショベルの姿勢情報に係る上面図である。 目標面形状を示す設計データを表す図である。 領域制限制御に関わるコントローラ内部の構成を表す図である。 設計データの点群情報から作業領域を設定するモニタ画面である。 設計データの点群情報から自機を含まずに作業領域を設定した際のモニタ画面である。 設計データの点群情報から自機を含んで作業領域を設定した際のモニタ画面である。 設計データの面群情報（設計面データ）から作業領域を設定するモニタ画面である。 設計データの面群情報（設計面データ）から自機を含まずに作業領域を設定した際のモニタ画面である。 設計データの面群情報（設計面データ）から自機を含んで作業領域を設定した際のモニタ画面である。 進入禁止領域上に作業領域を設定した際のモニタ画面である。 他機の作業領域上に自機の作業領域を設定した際のモニタ画面である。 高さ方向、深さ方向の作業領域を設定する際のモニタ画面である。 設計データの点群情報から進入禁止領域を設定するモニタ画面である。 設計データの点群情報から自機を含んで進入禁止領域を設定した際のモニタ画面である。 設計データの点群情報から自機を含まずに進入禁止領域を設定した際のモニタ画面である。 作業領域上に進入禁止領域を設定した際のモニタ画面である。 コントローラの領域制限制御に関わる制御フローを表すフローチャートである。 領域制限制御において距離と減速係数との関係を表すグラフである。 車体の位置を基準に作業領域を設定する際のモニタ画面である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付して繰り返し説明を省略する場合がある。なお、本実施形態は、制御対象の作業機械として、油圧ショベルを例示して説明するが、施工領域に設定された作業領域から車体が逸脱することを防止するように車体の動作が制限される領域制限制御を実施可能であれば、ホイールローダやクレーンなどといった油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

図１は、実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１の側面図である。油圧ショベル１は、左右側部のそれぞれに設けられる履帯を駆動させて走行する走行体２と、走行体２上に旋回可能に設けられる旋回体３とを備えている。

旋回体３は、運転室４、機械室５、カウンタウェイト６を有する。運転室４は、旋回体３の前部の左側部に設けられている。機械室５は、運転室４の後方に設けられている。カウンタウェイト６は、機械室５の後方、すなわち旋回体３の後端に設けられている。

また、旋回体３は、作業機７を装備している。作業機７は、運転室４の右側方であって旋回体３の前部の中央に設けられている。作業機７は、ブーム８と、アーム９と、バケット１０と、ブームシリンダ１１と、アームシリンダ１２と、バケットシリンダ１３とを有する。ブーム８の基端部は、ブームピンを介して、旋回体３の前部に回動可能に取り付けられている。アーム９の基端部は、アームピンを介して、ブーム８の先端部に回動可能に取り付けられている。バケット１０の基端部は、バケットピンを介して、アーム９の先端部に回動可能に取り付けられている。また、ブームシリンダ１１と、アームシリンダ１２と、バケットシリンダ１３とはそれぞれ作動油によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１１はブーム８を駆動する。アームシリンダ１２はアーム９を駆動する。バケットシリンダ１３はバケット１０を駆動する。

旋回体３の中央には旋回モータ１４が設置されており、旋回モータ１４を駆動することにより、走行体２に対して旋回体３を回転（旋回）させることが可能である。

また、走行体２には左走行モータ１５aと右走行モータ１５bが設置されており、左右の走行モータ（１５a、１５b）を駆動することにより、左右の履帯を駆動させて走行することが可能である。

以下、ブーム駆動用のブームシリンダ１１、アーム駆動用のアームシリンダ１２、バケット駆動用のバケットシリンダ１３、旋回動作用の旋回モータ１４、走行動作用の左走行モータ１５aと右走行モータ１５bを、油圧ショベル１のアクチュエータと称する場合がある。また、走行体２と旋回体３を纏めて、油圧ショベル１の車体と称する場合がある。車体には、旋回体３に取り付けられた作業機７を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。

機械室５の内部には油圧ポンプ１６とエンジン（原動機）１７が設置されている（図２参照）。

運転室４の内部には車体傾斜センサ１８、ブーム８にはブーム傾斜センサ１９、アーム９にはアーム傾斜センサ２０、バケット１０にはバケット傾斜センサ２１が取り付けられている。例えば、車体傾斜センサ１８、ブーム傾斜センサ１９、アーム傾斜センサ２０、バケット傾斜センサ２１はＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）であり、車体傾斜センサ１８は、車体の対地角度を、ブーム傾斜センサ１９は、ブーム８の対地角度を、アーム傾斜センサ２０は、アーム９の対地角度を、バケット傾斜センサ２１は、バケット１０の対地角度を計測する。また、旋回体３の旋回中心には旋回角センサ２２が取り付けられており、旋回角センサ２２の信号により走行体２に対する旋回体３の相対角を計算可能である。また、旋回体３の後方部の左右に第一ＧＮＳＳアンテナ２３と第二ＧＮＳＳアンテナ２４が取り付けられている。第一ＧＮＳＳアンテナ２３と第二ＧＮＳＳアンテナ２４から得られる信号により車体の位置情報と方位情報を取得可能である。

図２に油圧ショベル１のシステムの構成図を示す。

油圧ショベル１では、エンジン１７によって駆動された油圧ポンプ１６から吐出された作動油がアクチュエータ（１１、１２、１３、１４、１５a、１５b）に供給されることによって駆動する。アクチュエータに供給される油の量と方向は、流量制御弁ユニット３０内の流量制御弁を駆動することによって制御可能である。

例えば旋回流量制御弁３１は、旋回モータ１４へ供給する油の量を制御する流量制御弁である。旋回流量制御弁３１が図中左側へ移動すると、旋回モータ１４が左回転するように油が供給される。旋回モータ１４の回転速度は旋回流量制御弁３１の移動量によって制御可能である。また、旋回流量制御弁３１が図中右側へ移動すると、旋回モータ１４が右回転するように油が供給される。

旋回流量制御弁３１の制御は、電磁比例減圧弁ユニット３２内の電磁比例減圧弁を制御して行われる。電磁比例減圧弁は、コントローラ２５からの指令に応じてパイロットポンプ３４から供給された油を減圧して流量制御弁に供給する。

例えば旋回左電磁比例減圧弁３３aを駆動すると、旋回流量制御弁３１が図中左に移動するように圧油が供給され、旋回右電磁比例減圧弁３３bを駆動すると、旋回流量制御弁３１が図中右に移動するように圧油が供給される。

コントローラ２５は、図示は省略するが、各種演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによる演算を実行するためのプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置、ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）などを含むコンピュータとして構成されている。コントローラ２５の各機能は、ＣＰＵが、記憶装置に格納された各種プログラムをＲＡＭにロードして実行することにより、実現される。

本実施形態において、油圧ショベル１を制御する制御装置であるコントローラ２５は、施工領域に設定された作業領域から車体が逸脱することを防止するように車体の動作が制限される領域制限制御を行う。

コントローラ２５は、操作レバー２９からの信号とモニタ２８からの信号と旋回角センサ２２などからなる姿勢センサ２６からの信号と通信装置２７からの信号とスイッチ４７からの信号とから、電磁比例減圧弁ユニット３２と油圧ポンプ１６への制御信号を演算して出力する。

操作レバー２９、モニタ２８、スイッチ４７は、例えば運転室４の内部や施工管理サーバなどに設置されてオペレータなどが操作可能である。操作レバー２９は、各アクチュエータ（１１、１２、１３、１４、１５a、１５b）に対する操作量をコントローラ２５へ指示する。モニタ２８は、領域制限制御の作業領域および進入禁止領域（後で説明）を設定するために使用される。

姿勢センサ２６は、前述の車体傾斜センサ１８、ブーム傾斜センサ１９、アーム傾斜センサ２０、バケット傾斜センサ２１、旋回角センサ２２、第一ＧＮＳＳアンテナ２３、第二ＧＮＳＳアンテナ２４から構成され、それらから得られる信号により車体の姿勢情報（位置情報、方位情報、傾き情報）を取得可能である。姿勢センサ２６からの信号（姿勢情報）はコントローラ２５に入力される。

また、通信装置２７は、他の作業機械（他機）などが設定した作業領域や進入禁止領域の情報を受け取るとともに、自機が設定した作業領域や進入禁止領域の情報を施工管理サーバや他の作業機械に送信する。

また、スイッチ４７は、設計データ（後で説明）に基づいて作業領域を設定する作業領域設定モードと、設計データとは無関係に車体の位置を基準として作業領域を設定する作業領域設定モードとを切り替えるスイッチ（切り替え装置）である。スイッチ４７からの信号はコントローラ２５に入力され、スイッチ４７の信号に基づいて、コントローラ２５は、作業領域の設定画面を切り替えてモニタ２８に表示する。また、ここではスイッチ４７によって作業領域の設定モードを切り替えているが、例えばモニタ２８を作業領域設定モードを切り替える切り替え装置として利用し、モニタ２８に表示される設定画面上で作業領域設定モードを切り替えてもよい。

図３は油圧ショベル１の姿勢情報を表す側面図である。サイト座標系における、油圧ショベル１の位置情報（車体位置ともいう）P０は、第一ＧＮＳＳアンテナ２３の位置情報GLと第二ＧＮＳＳアンテナ２４の位置情報GRとから求めることが可能である。サイト座標系とは、作業エリアに設置した基準位置P９を基準とした３次元座標系である。図３に示すように、基準位置P９は、例えば、作業エリアに設定された基準杭の先端である。

また、図３に示すように、旋回体座標系における、油圧ショベル１の位置情報P０からブームピンP１までの距離はL０であり、車体上方とブームピンP１方向とのなす角はθ０である。また、ブーム８の長さ、つまり、ブームピンP１からアームピンP２までの長さはL１である。また、アーム９の長さ、つまり、アームピンP２からバケットピンP３までの長さはL２である。また、バケット１０の長さ、つまり、バケットピンP３からバケット先端P４までの長さはL３である。ブームピンP１とアームピンP２を結んだ線分と車体鉛直方向のなす角度がθ１である。以下、ブーム角度θ１という。アームピンP２とバケットピンP３を結んだ線分と、ブームピンP１とアームピンP２からなる直線とのなす角度がθ２である。以下、アーム角度θ２という。バケットピンP３とバケット先端P４を結んだ線分と、アームピンP２とバケットピンP３からなる直線とのなす角度がθ３である。以下、バケット角度θ３という。ここで旋回体座標系とは、油圧ショベル１の旋回体３を基準とする３次元座標であり、基準位置P０は旋回体３の旋回中心に設定される。

旋回体座標系における、車体位置P０に対する領域制限制御の制御対象となる点であるバケット先端P４の座標は、車体位置P０とブームピンP１との距離L０、車体位置P０とブームピンP１とのなす角θ０、ブーム長さL１、ブーム角度θ１、アーム長さL２、アーム角度θ２、バケット長さL３、バケット角度θ３から三角関数によって求めることが可能である。

また、その他の制御点、例えばアームシリンダ１２のロッド側のピンP５の座標は、前述した寸法に加えてアームピンP２とアームシリンダ１２のロッド側のピンP５との距離L５とブームピンP１からアームピンP２の方向とアームピンP２からアームシリンダ１２のロッド側のピンP５の方向とのなす角θ５とを用いて三角関数により求めることが可能である。

また、旋回体座標系における、走行体２にある制御点P７L、P７R、P８L、P８Rは、旋回体３と走行体２の相対角である旋回角θsw（図４）と、車体位置P０に対する制御点P７L、P７R、P８L、P８Rの相対座標から計算することができる。ここで、旋回角θswは旋回体座標系と走行体座標系のz方向の回転量を表し、走行体座標系は走行体２の下部と旋回中心の交点である座標P６を中心とした３次元座標である。

図４は油圧ショベル１の姿勢情報を表す上面図である。旋回体座標系は、旋回中心を基準に、作業機方向をx方向としている。走行体座標系は、旋回中心を基準に、走行前進方向をx方向としている。油圧ショベル１の旋回角θswは、反時計回りを正方向として、旋回体座標に対する走行体座標の回転量として定義する。

サイト座標系における、旋回体座標系の各制御点の座標は、サイト座標系における車体位置P０と、サイト座標系に対する旋回体座標系の回転角度（ロール角、ピッチ角、ヨー角）がわかれば、座標変換により計算することが可能である。ヨー角は、サイト座標系の基準方位に対する車体方位をＧＮＳＳの位置情報から計算することで取得可能である。また、ロール角とピッチ角は、車体傾斜センサ１８から取得可能である。

このようにして、車体傾斜センサ１８、ブーム傾斜センサ１９、アーム傾斜センサ２０、バケット傾斜センサ２１、旋回角センサ２２、第一ＧＮＳＳアンテナ２３、第二ＧＮＳＳアンテナ２４からなる姿勢センサ２６で求められる情報から、車体（の各制御点）の姿勢情報を取得可能である。

図５は目標面形状を示す設計データを表す図である。設計データ３５は、施工領域の施工対象の最終的な目標（面）形状を表す座標情報を含むデータで構成されている。すなわち、設計データ３５は、施工領域内にある道路や建物など（施工対象でないもの）の座標情報が予め入力された地図データとは異なるデータである。設計データ３５は、サイト座標系における３次元位置情報を含んだ点群（図５中のC１、C２、C３など）で表される。また、３つの点で構成される面情報S１（C１、C２、C３）で表されてもよい。オペレータは、設計データ３５を構成する点や面を任意に設定・選択することが可能である。

例えば、車体座標におけるバケット爪先位置P４の座標は、車体位置P０とバケット爪先位置P４との距離L（図４）と旋回角θswとの三角関数によって求められる。車体位置P０とバケット爪先位置P４との距離Lは、前述した油圧ショベル１の姿勢情報を用いた三角関数によって計算可能である。旋回角θswは、旋回角センサ２２の情報などから求めることが可能である。

＜コントローラ２５の内部構成＞
図６は、領域制限制御に関わるコントローラ内部の構成を表す図である。コントローラ２５は、作業領域設定部３６と、進入禁止領域設定部３７と、要求指令演算部３８と、要求速度演算部３９と、要求指令補正量演算部４０と、要求指令補正部４１と、流量制御弁制御部４２とから構成される。

作業領域設定部３６は、設計データ３５と、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）と、通信装置２７から取得される他機領域情報（他機が設定した作業領域や進入禁止領域の情報）と、進入禁止領域設定部３７が設定した進入禁止領域情報とから、自機の作業領域を設定して出力する。設定した自機の作業領域は、進入禁止領域設定部３７および要求指令補正量演算部４０に入力されるとともに、通信装置２７から施工管理サーバや他の作業機械（他機）に送信される。

進入禁止領域設定部３７は、設計データ３５と、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）と、通信装置２７から取得される他機領域情報（他機が設定した作業領域や進入禁止領域の情報）と、作業領域設定部３６が設定した作業領域情報とから、自機の進入禁止領域を設定して出力する。設定した自機の進入禁止領域は、作業領域設定部３６および要求指令補正量演算部４０に入力されるとともに、通信装置２７から施工管理サーバや他の作業機械（他機）に送信される。

要求指令演算部３８は、操作レバー２９から出力された操作量に応じた操作信号から、流量制御弁への要求指令を演算する。演算した流量制御弁への要求指令は、要求速度演算部３９および要求指令補正部４１に入力される。

要求速度演算部３９は、要求指令演算部３８から出力された流量制御弁への要求指令と姿勢センサ２６から取得した姿勢情報とから、各制御点におけるサイト座標における目標速度を演算して出力する。

要求指令補正量演算部４０は、作業領域設定部３６から出力された作業領域情報と、進入禁止領域設定部３７から出力された進入禁止領域情報と、姿勢センサ２６から取得された姿勢情報と、要求速度演算部３９から出力された各制御点の目標速度とから、流量制御弁への要求指令をどの程度補正するかの要求指令補正量を演算して出力する。

要求指令補正部４１は、要求指令補正量演算部４０から出力された要求指令補正量と要求指令演算部３８が出力した要求指令とから、流量制御弁への補正要求指令を出力する。

流量制御弁制御部４２は、要求指令補正部４１が出力した補正要求指令に基づいて、各流量制御弁への制御指令を演算して出力する。

（作業領域設定部３６による自機の作業領域の設定）
図７～図１５を用いて、作業領域設定部３６による自機の作業領域の設定について説明する。最初に、図７～図１４を用いて、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向以外の作業領域の設定を説明し、続いて、図１５を用いて、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向の作業領域の設定を概説する。

ここでは、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向以外の作業領域を設定するに当たって、スイッチ４７の操作によって、前記した設計データ３５に基づいて作業領域を設定する作業領域設定モードに切り替えて実行する場合について説明する。なお、スイッチ４７の操作によって、車体の位置を基準として作業領域を設定する作業領域設定モードに切り替えて実行する場合については後述する（図２２）。

図７は、設計データの点群情報から作業領域を設定するモニタ画面である。図７に示す例では、設計データ３５は、座標点の点群で構成されており（図５を併せて参照）、作業領域設定時のモニタ画面（モニタ２８の表示画面）には、油圧ショベルと方位を表すコンパスと設計データの点群情報が表示されている。オペレータが作業領域として設定したい点群（複数の点）を点群情報から選択して、閉領域を作成することで、作業領域が設定される。つまり、ここでは、作業領域設定部３６は、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）から、自機の作業領域を設定する（以下の図８、図９も同様）。モニタ画面で設定した作業領域に対して、サイト座標系のxおよびy方向（つまり、施工領域の重力方向または車体鉛直方向以外の方向）の車体動作が制限されるように制御される。

図８は、設計データの点群情報から自機を含まずに作業領域を設定した際のモニタ画面である。図８に示すように、作業領域の設定画面において、オペレータが自機の油圧ショベルを含まずに作業領域（閉領域）４３を設定した場合、作業領域設定部３６からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、オペレータに作業領域の再設定を促す警告が表示される。このように、自機を含まない作業領域を設定することを禁止することで、油圧ショベルの動作を不要に制限することを防止できる。

図９は、設計データの点群情報から自機を含んで作業領域を設定した際のモニタ画面である。図９に示すように、作業領域の設定画面において、オペレータが自機の油圧ショベルを含んで作業領域（閉領域）４３を設定した場合、作業領域設定部３６からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、オペレータが設定した作業領域４３が表示されており、正常に設定が完了したことを通知する文字が表示される。

つまり、本例では、点群情報から選択された点群（複数の点）から構成される閉領域が現在の油圧ショベルの位置を含んでいる場合のみ作業領域として設定する。

図１０は、設計データの面群情報（設計面データ）から作業領域を設定するモニタ画面である。図１０に示す例では、設計データ３５は、座標情報を含む面群（複数の面）で構成されており（図５を併せて参照）、作業領域設定時のモニタ画面（モニタ２８の表示画面）には、油圧ショベルと方位を表すコンパスと設計データを表す面群情報が表示されている。オペレータは作業領域として設定したい面を面群情報から１つもしくは複数選択することで、作業領域として設定することが可能である。つまり、ここでは、作業領域設定部３６は、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）から、自機の作業領域を設定する（以下の図１１、図１２も同様）。

図１１は、設計データの面群情報（設計面データ）から自機を含まずに作業領域を設定した際のモニタ画面である。図１１に示すように、作業領域の設定画面において、オペレータが自機の油圧ショベルを含まずに作業領域（面）４３を設定した場合、作業領域設定部３６からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、オペレータに作業領域の再設定を促す警告が表示される。このように、自機を含まない作業領域を設定することを禁止することで、油圧ショベルの動作を不要に制限することを防止できる。

図１２は、設計データの面群情報（設計面データ）から自機を含んで作業領域を設定した際のモニタ画面である。図１２に示すように、作業領域の設定画面において、オペレータが自機の油圧ショベルを含んで作業領域（面）４３を設定した場合、作業領域設定部３６からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、オペレータが設定した作業領域４３が表示されており、正常に設定が完了したことを通知する文字が表示される。

また、図１０～図１２に示すように、設計データの面群情報（設計面データ）から作業領域を設定する場合は、予め自機の座標の重力方向にある設計面データ（すなわち、現在の作業機械の位置の下方にある設計面データ）を作業領域として設定することで、自機を含まない作業領域を設定することを防止できる。

図１３は、進入禁止領域上に作業領域を設定した際のモニタ画面である。図１３に示すように、作業領域の設定画面において、オペレータが既に進入禁止領域設定部３７にて設定されている進入禁止領域４４（の少なくとも一部）を含んで作業領域４３を設定した場合、作業領域設定部３６からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、作業領域に進入禁止領域が含まれていることを通知する文字と、作業領域の再設定を促す文字が表示される。つまり、ここでは、作業領域設定部３６は、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）と、進入禁止領域設定部３７が設定した進入禁止領域情報とから、自機の作業領域を設定する。このように、既に設定されている進入禁止領域を作業領域として設定することを禁止することで、進入禁止領域として既に設定した領域を作業領域として設定して、作業機械が進入してしまうことを防止可能である。

図１４は、他機の作業領域上に自機の作業領域を設定した際のモニタ画面である。図１４に示すように、作業領域の設定画面において、オペレータが他機の作業領域４５（の少なくとも一部）を含むように、自機の作業領域４３を設定した場合、作業領域設定部３６からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、他機の作業領域を含むように自機の作業領域が設定されていることを通知する文字と、作業領域の再設定を促す文字が表示される。つまり、ここでは、作業領域設定部３６は、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）と、通信装置２７から取得される他機領域情報とから、自機の作業領域を設定する。このように、既に他機が設定している作業領域を自機の作業領域として設定することを禁止することで、複数の作業機械が動作する現場において、領域制限制御を有する作業機械同士が衝突することを防止可能である。

図１５は、高さ方向、深さ方向の作業領域を設定する際のモニタ画面である。前記した設計データからは、サイト座標系におけるx方向およびy方向の領域（つまり、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向以外の領域）を設定しており、z方向の領域（つまり、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向の領域）については、モニタ２８上の別の設定画面で設定する。

作業領域設定時のモニタ画面上には、現在の車体の姿勢と、高さ方向の領域制限を設定する際の基準座標系をサイト座標系または旋回体座標系から選択するスイッチと、サイト座標系における現在の車体の高さと、高さ方向と深さ方向の制限値の入力項目が表示されている。走行動作をしない場合は、旋回体座標系に対して高さを入力してもよいし、地図データなどから埋設物の深さがわかっている場合は、サイト座標系で深さの情報を設定してもよい。オペレータが作業領域として設定したい項目を選択・入力することで、作業領域が設定される。

つまり、本実施形態では、サイト座標系におけるx方向およびy方向の領域については、設計データから作業領域を設定し、z方向の領域については、サイト基準または車体基準で作業領域を設定している。

（進入禁止領域設定部３７による自機の進入禁止領域の設定）
図１６～図１９を用いて、進入禁止領域設定部３７による自機の進入禁止領域（車体が進入することを防止する領域）の設定について説明する。ここでは、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向以外の進入禁止領域を設定するに当たって、前記した設計データ３５に基づいて進入禁止領域を設定する。また、ここでは、設計データの点群情報から進入禁止領域を設定する場合を説明するが、設計データの面群情報（設計面データ）から進入禁止領域を設定する場合についても同様であることは勿論である（図１０～図１２を併せて参照）。

図１６は、設計データの点群情報から進入禁止領域を設定するモニタ画面である。図１６に示す例では、設計データ３５は、座標点の点群で構成されており（図５を併せて参照）、進入禁止領域設定時のモニタ画面（モニタ２８の表示画面）には、油圧ショベルと方位を表すコンパスと設計データの点群情報が表示されている。オペレータが進入禁止領域として設定したい点群（複数の点）を点群情報から選択して、閉領域を作成することで、進入禁止領域が設定される。つまり、ここでは、進入禁止領域設定部３７は、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）から、自機の進入禁止領域を設定する（以下の図１７、図１８も同様）。モニタ画面で設定した進入禁止領域に対して、サイト座標系のxおよびy方向（つまり、施工領域の重力方向または車体鉛直方向以外の方向）の車体動作が制限されるように制御される。

図１７は、設計データの点群情報から自機を含んで進入禁止領域を設定した際のモニタ画面である。図１７に示すように、進入禁止領域の設定画面において、オペレータが自機の位置情報を含んで進入禁止領域（閉領域）４４を設定した場合、進入禁止領域設定部３７からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、オペレータに進入禁止領域を再設定するように通知する文字が表示される。このように自機を含んで進入禁止領域を設定することを禁止することで、油圧ショベルの動作が不要に制限されることを防止可能である。

図１８は、設計データの点群情報から自機を含まずに進入禁止領域を設定した際のモニタ画面である。図１８に示すように、進入禁止領域の設定画面において、オペレータが自機の位置情報を含まずに進入禁止領域（閉領域）４４を設定した場合、進入禁止領域設定部３７からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、オペレータが設定した進入禁止領域４４が表示されており、正常に設定が完了したことを通知する文字が表示される。

つまり、本例では、点群情報から選択された点群（複数の点）から構成される閉領域が現在の油圧ショベルの位置を含んでいない場合のみ進入禁止領域として設定する。

なお、図示は省略するが、設計データの面群情報（設計面データ）から進入禁止領域を設定する場合、予め自機の座標の重力方向にある設計面データ（すなわち、現在の作業機械の位置の下方にある設計面データ）を進入禁止領域として設定することを禁止するようにしてもよい。

図１９は、作業領域上に進入禁止領域を設定した際のモニタ画面である。図１９に示すように、進入禁止領域の設定画面において、オペレータが既に作業領域設定部３６にて設定されている作業領域４３（の一部）を含んで進入禁止領域４４を設定した場合、作業領域を削除して進入禁止領域を設定するとともに、進入禁止領域設定部３７からモニタ２８に表示指令が出力され、モニタ画面上には、その旨を通知する文字が表示される。つまり、ここでは、進入禁止領域設定部３７は、モニタ２８からの設定入力（モニタ入力）と、作業領域設定部３６が設定した作業領域情報とから、自機の進入禁止領域を設定する。このように、あらかじめ設定されている作業領域を進入禁止領域として設定した場合、その作業領域を進入禁止領域として上書きすることで、道路などの進入禁止領域を優先して設定できるようになり、設定の間違いで進入させたくない領域に進入してしまうことを防止可能である。また、既に設定されている作業領域を含んで進入禁止領域を設定した場合、領域の重なった箇所のみを進入禁止領域として上書きをして、残りの作業領域をそのまま残しておいてもよい。

＜コントローラ２５の領域制限制御＞
図２０は、コントローラ２５の領域制限制御に関わる制御フローを表すフローチャートである。

コントローラ２５の領域制限制御において、ステップS１０１で、設定した作業領域の情報を取得する（作業領域設定部３６、図７～図１５参照）。次に、ステップS１０２で、設定した進入禁止領域の情報を取得する（進入禁止領域設定部３７、図１６～図１９参照）。

次に、ステップS１０３で、姿勢センサ２６から姿勢情報を取得する（要求速度演算部３９、要求指令補正量演算部４０）。次に、ステップS１０４で、操作レバー２９から操作量に応じた操作信号を取得する（要求指令演算部３８）。

次に、ステップS１０５で、取得した操作信号から流量制御弁への要求指令を演算する（要求指令演算部３８）。

次に、ステップS１０６で、流量制御弁への要求指令と姿勢情報とから、各制御点の要求速度（目標速度）を演算する（要求速度演算部３９）。

次に、ステップS１０７で、姿勢情報と、各制御点の要求速度と、作業領域および進入禁止領域の領域情報とから、流量制御弁への要求指令の補正量（要求指令補正量）を演算する（要求指令補正量演算部４０）。

具体的には、姿勢情報からサイト座標系における各制御点の座標を演算し、各制御点と作業領域として設定されている面との距離を演算する。制御点と作業領域として設定されている面との距離に応じて、流量制御弁への制御指令をどの程度減速させるかを表す減速係数を補正量として演算する。図２１は、制御点と作業領域として設定されている面との距離と、減速係数との関係を表すグラフである。距離ｄがある程度離れている場合は減速係数αは１であり、距離ｄが所定の距離ｄｔｈより小さくなるにつれて、減速係数αは減少して、距離ｄが０の近傍で減速係数αも０になる。距離ｄと減速係数αの関係は、作業領域に対してどの程度余裕を持たせて停止させるかを決めるグラフであり、距離ｄが０の場合に減速係数αがちょうど０になるように設定してもよい。

また、ステップS１０７においては、各制御点の目標速度が面に向かう場合は、距離に応じた減速係数を補正量として出力するが、各制御点の目標速度が面から遠ざかる方向の場合は、減速係数を１として出力する。このようにすることで、作業領域から遠ざかる場合に、車体の動作が不要に制限されることを防止することが可能である。

また、進入禁止領域に対しても同様の手順で補正量が計算され、最終的に一番小さい減速係数を補正量として出力する。

次に、ステップS１０８で、要求指令と補正量とから、流量制御弁への目標指令（補正要求指令）を演算して出力する（要求指令補正部４１）。具体的には、流量制御弁への要求指令の値に、ステップS１０７で計算された補正値である減速係数を乗算することで、流量制御弁への目標指令として出力する。

次に、ステップS１０９で、流量制御弁への目標指令（補正要求指令）に基づいて、流量制御弁への制御指令を出力する（流量制御弁制御部４２）。具体的には、流量制御弁への目標指令は、流量制御弁の開口面積または変位量または駆動パイロット圧力であり、流量制御弁は電磁比例減圧弁の出力で制御される。ステップS１０９では、流量制御弁への目標指令から電磁比例減圧弁へ出力する電流値を演算して出力する。

＜コントローラ２５の作業領域設定モード切り替え＞
図２２は、車体の位置を基準に作業領域を設定する際のモニタ画面である。前記のように、スイッチ４７（図２）によって、設計データ３５に基づいて作業領域を設定する作業領域設定モードと、設計データ３５とは無関係に車体の位置を基準に作業領域を設定する作業領域設定モードを切り替え可能である。設計データ３５に基づいて作業領域を設定する場合は上述した通りであるが（図７～図１４参照）、スイッチ４７の操作によって、作業領域設定モードを切り替え、車体の位置を基準に作業領域を設定する場合は、図２２に示すような作業領域の設定画面に切り替わり、オペレータは、旋回体３の回転中心を基準として、前後左右方向にそれぞれ数値で制限する作業領域を設定する。数値を設定しなかった場合は、その方向には車体の動作が制限されずに自由に動作することが可能である。また、車体の位置を基準として作業領域が設定されているので、走行動作をして車体の位置が変わった場合は、走行後の車体の位置において設定した前後左右方向の数値でフロントの作業機７および旋回体３の動作が制限される。

このように、施工領域（作業領域）の重力方向または車体鉛直方向以外の作業領域を設定するに当たって、設計データ３５に基づいて作業領域を設定する作業領域設定モードと、車体の位置を基準として作業領域を設定する作業領域設定モードを切り替え可能とすることで、作業機械による土砂の掘削積み込み動作のように、走行動作を伴わずに一部の領域への動作を制限したい場合には、車体の位置を基準として作業領域を設定した方が簡易に作業領域を設定可能となる。

上記実施形態においては、油圧ショベル１に搭載されたコントローラ２５で作業領域および進入禁止領域を設定したが、設計データ３５に基づいて外部サーバ（の制御装置）などで設定した作業領域および進入禁止領域情報を油圧ショベル１に送信して領域制限制御を実施してもよい。

＜効果＞
以上で説明したように、本実施形態は、施工領域に設定された作業領域から車体が逸脱することを防止するように車体の動作が制限される領域制限制御を行う制御装置（コントローラ）２５を備えた作業機械（油圧ショベル）１において、前記制御装置（コントローラ）２５は、前記施工領域の施工対象の最終的な目標形状を表す設計データに基づいて前記作業領域の少なくとも一部を設定することを特徴とする。

本実施形態によれば、施工領域に設定した作業領域から車体が逸脱することを防止する領域制限制御を行う制御装置（コントローラ）２５を備えた作業機械（油圧ショベル）１において、実空間上で作業機械の動きを制限したい領域を任意の位置に簡単に設定でき、その設定した領域に対して実際に作業機械が制御される領域がずれることを防止可能な作業機械（油圧ショベル）１が提供される。

なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形形態が含まれる。上記した実施形態は本発明をわ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、上記した実施形態のコントローラの各機能は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアで実現してもよい。また、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。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、コントローラ内の記憶装置の他に、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１ 油圧ショベル（作業機械）
２ 走行体
３ 旋回体
４ 運転室
５ 機械室
６ カウンタウェイト
７ 作業機
８ ブーム
９ アーム
１０ バケット
１１ ブームシリンダ
１２ アームシリンダ
１３ バケットシリンダ
１４ 旋回モータ
１５a 左走行モータ
１５b 右走行モータ
１６ 油圧ポンプ
１７ エンジン（原動機）
１８ 車体傾斜センサ
１９ ブーム傾斜センサ
２０ アーム傾斜センサ
２１ バケット傾斜センサ
２２ 旋回角センサ
２３ 第一ＧＮＳＳアンテナ
２４ 第二ＧＮＳＳアンテナ
２５ コントローラ（制御装置）
２６ 姿勢センサ
２７ 通信装置
２８ モニタ
２９ 操作レバー
３０ 流量制御弁ユニット
３１ 旋回流量制御弁
３２ 電磁比例減圧弁ユニット
３３a 旋回左電磁比例減圧弁
３３b 旋回右電磁比例減圧弁
３４ パイロットポンプ
３５ 設計データ
３６ 作業領域設定部
３７ 進入禁止領域設定部
３８ 要求指令演算部
３９ 要求速度演算部
４０ 要求指令補正量演算部
４１ 要求指令補正部
４２ 流量制御弁制御部
４３ 自機の作業領域
４４ 自機の進入禁止領域
４５ 他機の作業領域
４７ スイッチ（切り替え装置）

Claims (10)

1. 施工領域に設定された作業領域から車体が逸脱することを防止するように車体の動作が制限される領域制限制御を行う制御装置を備えた作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記施工領域の施工対象の最終的な目標形状を表す設計データに基づいて前記作業領域の少なくとも一部を設定し、
   さらに前記設計データに基づいて前記車体が進入することを防止する進入禁止領域を設定可能であり、
   既に設定されている進入禁止領域を作業領域として設定することを禁止することを特徴とする作業機械。
2. 施工領域に設定された作業領域から車体が逸脱することを防止するように車体の動作が制限される領域制限制御を行う制御装置を備えた作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記施工領域の施工対象の最終的な目標形状を表す設計データに基づいて前記作業領域の少なくとも一部を設定し、
   さらに前記設計データに基づいて前記車体が進入することを防止する進入禁止領域を設定可能であり、
   あらかじめ設定されている作業領域を進入禁止領域として設定した場合、その作業領域を進入禁止領域として上書きすることを特徴とする作業機械。
3. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記設計データに基づいて前記作業領域の重力方向または車体鉛直方向以外の作業領域を設定することを特徴とする作業機械。
4. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   前記設計データは、座標点の点群で構成されており、
   前記制御装置は、前記点群から選択された複数の点から構成される閉領域を作業領域として設定することを特徴とする作業機械。
5. 請求項４に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記点群から選択された複数の点から構成される閉領域が現在の作業機械の位置を含んでいる場合のみ作業領域として設定することを特徴とする作業機械。
6. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   前記設計データは、座標情報を含む面群で構成されており、
   前記制御装置は、前記面群から選択された少なくとも１つの面を作業領域として設定することを特徴とする作業機械。
7. 請求項６に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、現在の作業機械の位置の下方にある設計データをあらかじめ作業領域として設定することを特徴とする作業機械。
8. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、既に他機が設定している作業領域を自機の作業領域として設定することを禁止することを特徴とする作業機械。
9. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記設計データに基づいて前記作業領域の少なくとも一部を設定する第一の作業領域設定モードと、前記設計データとは無関係に前記車体の位置を基準として前記作業領域を設定する第二の作業領域設定モードとを切り替え可能であることを特徴とする作業機械。
10. 請求項９に記載の作業機械において、
    前記作業機械は、前記第一の作業領域設定モードと前記第二の作業領域設定モードとを切り替える切り替え装置を有することを特徴とする作業機械。

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