JPH04265318A - 直線掘削制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、法面掘削（仕上げ）作
業や溝底等を水平に掘削する作業等、バケットを一定の
姿勢で掘削面と平行に移動させる直線掘削作業を行うた
めの制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、油圧ショベルのブームやアーム、
バケットを駆動制御して直線掘削作業を実現するための
装置として、例えば特開昭６４−１４４３１号公報に示
されるような装置が知られている。この装置は、操作レ
バーの操作によってブーム、アームのいずれか一方の梁
部材の作動が手動制御されるとともに、この一方の梁部
材の作動を基準にし、他方の梁部材及びバケットの駆動
制御が行われることにより、作動中に掘削面に対するア
ーム先端対地高さ及びバケット角度が一定に保たれるよ
うにしたものである。この装置は、例えば仕上げ作業の
ように掘削抵抗が小さいことを前提とし、目標値との比
較によるフィードバック制御で外乱への対応を行うよう
に構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記装置は、大きな負
荷がほとんど生じない作業を想定して構成されているが
、その掘削中には、予測し得ないような大きな外部負荷
が作用する場合がある。その原因としては、次のような
ものが挙げられる。

【０００４】（１）　掘削開始姿勢は運転者のマニュア
ル操作によって設定されるが、この初期姿勢が良好でな
く、予定よりも深く削ってしまうような場合。 （２）　掘削途中で固いところに当たった場合。 （３）　仕上げ作業を行う前に、ある程度の掘削負荷が
かかるような掘削作業を実行する場合。 このようにして大きな外部負荷（外乱）が掘削中に作用
し、このため制御偏差（目標値に対する実際のアーム角
度やバケット角度のずれ量）が許容範囲を超えて大きく
なってしまった場合、従来の装置では、オペレータの判
断により、制御掘削動作を中止（あるいは停止）させる
、もしくは手動操作の介入でアーム先端の軌道を修正し
、その掘削面に対する高さ（対地高さ）を大きくする（
すなわちアーム先端を掘削面から離す方向に移動させる
）といった回避操作を行う必要がある。この手動介入操
作としては、■制御中に何らかの手動レバー操作によっ
てアーム先端の目標軌道を掘削面から離れる方向へずら
す、あるいは■制御中にブームレバーが操作されてブー
ム上げに入ると油圧回路に手動要素が優先されてその手
動操作に応じたブームの駆動が行われるようにし、この
手動介入が終わった時点でのアーム先端高さを新たな目
標値とする、等の対策が考えられるが、いずれに従って
も、このような従来装置では、ブームやアーム、バケッ
トの駆動制御が自動的に行われているといっても、運転
者は終始目標値に対するアーム角度やバケット角度のず
れを監視し、かつ適当な回避操作をいつでも行えるよう
に待機しておかなければならない不便がある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑み、予測し
得ない外的負荷の作用などで掘削中にアーム角度やバケ
ット対地角度に大きな制御偏差が生じても、これに対応
して自動的に回避処理を行うことができる直線掘削制御
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ブームと、こ
のブームの先端に枢着されたアームと、このアームの先
端に枢着されたバケットと、上記ブームを俯仰させるブ
ーム駆動手段と、上記アームを回動させるアーム駆動手
段と、上記バケットを回動させるバケット駆動手段とを
備えた掘削装置に設けられ、上記バケットの対地角度及
び掘削面に対する高さを一定に保つように駆動制御を行
う直線掘削制御装置であって、上記ブーム角度を検出す
るブーム角度検出手段と、ブームに対するアームの角度
を検出するアーム角度検出手段と、バケットの対地角度
を検出するバケット角度検出手段と、これらの検出結果
から求められる実際のアーム先端の掘削面からの高さと
その目標値との比較に基づき上記ブーム、アームのいず
れか一方の駆動をフィードバック制御するブーム・アー
ム角度フィードバック制御手段と、上記バケット角度検
出手段により検出される実際のバケット対地角度とその
目標値との比較に基づきバケットの駆動を制御するバケ
ット角度フィードバック制御手段とを備えるとともに、
作動中での各制御周期毎のアーム角度の標準値を発生さ
せるアーム角度標準値発生手段と、このアーム角度標準
値に対する実際のアーム角度の遅れに応じて上記アーム
先端の掘削面からの高さの目標値を増加させるアーム高
さ目標値調節手段とを備えたものである。

【０００７】また、上記アーム高さ目標値制御手段が、
上記バケット対地角度の目標値に対する実際のバケット
対地角度のずれに応じて上記アーム先端の対地高さの目
標値を増加させるものであってもよい。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、外的負荷などに起因してア
ーム角度やバケット対地角度の制御偏差が大きくなるの
に伴い、アーム先端の対地高さの目標値が増加されるの
で、この増加された目標値に基づいてフィードバック制
御が続行されることにより、実際のアーム先端の対地高
さも大きくなる、すなわち回避動作が自動的に行われる
ことになる。

【０００９】

【実施例】本発明の第１実施例を図１〜図７に基づいて
説明する。

【００１０】図７において、１は油圧ショベル本体の旋
回体、２は旋回体１に俯仰可能に枢着されたブームであ
り、このブーム２の先端にアーム３が回動可能に枢着さ
れるとともに、このアーム３の先端にバケット４が回動
可能に枢着されている。そして、上記ブーム２、アーム
３、バケット４は、それぞれブームシリンダ（ブーム駆
動手段）５、アームシリンダ（アーム駆動手段）６、バ
ケットシリンダ（バケット駆動手段）７により回動駆動
される。

【００１１】上記ブーム２、アーム３、バケット４の各
枢着点及びその近傍には、図６に示されるようなブーム
角度検出器（ブーム角度検出手段）８、アーム角度検出
器（アーム角度検出手段）９、バケット角度検出器（バ
ケット角度検出手段）１０が配設されている。上記ブー
ム角度検出器８は、ブーム１の対地角度θ１を検出し、
アーム角度検出器９はブーム２に対するアーム３の相対
角度α２を検出し、バケット角度検出器１０はバケット
４のアーム３に対する角度α３を検出する。

【００１２】旋回体１の運転室内には、アーム３の作動
速度の指令入力を行うためのアームレバー（図示せず）
と、その指令速度をアーム上げ下げ両方向についてリモ
コン弁のパイロット圧によって検出するアームレバーパ
イロット圧検出器１１，１２と、掘削角度設定スイッチ
１３と、自動・手動切替スイッチ１４とが設けられてい
る。図７は法面掘削（仕上げ）作業の場合を示している
が、ここで法面（掘削面）Ｇの傾斜角度βが目標掘削角
度として掘削角度設定スイッチ１３により設定される。 また、バケット４が掘削開始地点に所定の姿勢で置かれ
た状態で自動・手動切替スイッチ１４が自動側にセット
されることにより、この時のアーム先端（アーム３に対
するバケット４の枢着点）Ｂの掘削面Ｇに対する高さ位
置、およびバケット対地角度θ３がそれぞれ目標値とし
て設定される。

【００１３】なお、図７において、ｌ１はブーム基端Ｏ
からブーム先端Ａまでの距離（ブーム長さ）、ｌ２はブ
ーム先端Ａからアーム先端Ｂまでの距離（アーム長さ）
を示す。また、ｘは水平座標軸、ｙは垂直座標軸であり
、溝底等の水平面掘削では両座標軸ｘ，ｙからなる座標
系で演算が行われるが、図示のような法面掘削では、上
記座標軸ｘ，ｙに対し掘削角度（法面傾斜角）βだけ回
転した座標軸ｘ´，ｙ´に基づいて、アーム先端Ｂの位
置座標の演算がなされる。

【００１４】上記各検出器８〜１２の検出信号、掘削角
度設定スイッチ１３及び自動・手動切替スイッチ１４の
指令信号は、図６に示されるコントローラ１５に入力さ
れる。このコントローラ１５は、上記アームレバーの操
作に基づき、アームシリンダ６に対する制御信号をアー
ムシリンダ油圧制御部１６に入力するとともに、アーム
先端Ｂの対地高さ位置ｙｂ（法面掘削の場合は法面から
の高さｙｂ´）及びバケット対地角度θ３をそれぞれ一
定（目標値）に保ちつつバケット４を図７矢印方向に直
線移動させるために必要なブームシリンダ５及びバケッ
トシリンダ７の制御量を演算し、これをブームシリンダ
油圧制御部１７及びバケットシリンダ油圧制御部１８に
出力する。各シリンダ油圧制御部１６〜１８は、電磁比
例減圧弁及びこの減圧弁の二次圧によって作動する切替
弁（いずれも図示せず）をそれぞれ具備し、上記切替弁
の作動によって各シリンダ５〜７への圧油供給量の制御
、すなわちシリンダ作動速度の制御を行う。

【００１５】図１は、上記コントローラ１５の機能構成
を示したものである。図示のように、このコントローラ
１５は、アーム制御ブロック１５ａ、ブーム制御ブロッ
ク１５ｂ、及びバケット制御ブロック１５ｃからなって
いる。

【００１６】アーム制御ブロック１５ａでは、アームレ
バーパイロット圧検出器１１（又は１２）によるアーム
レバー信号（速度指令信号）に、演算手段１９において
所定のゲインが乗ぜられて基本制御量ｕ２１が出力され
、これにアームリンク補正手段２０による補正が加えら
れて１次補正制御量ｕ２２が求められる。さらに、この
１次補正制御量ｕ２２に非線形補償手段２１による補正
が加えられた２次補正量ｕ２がアームシリンダ制御出力
としてアームシリンダ油圧制御部１６に出力される。

【００１７】ここで、アームリンク補正手段２０は、実
際のアームシリンダ６の伸縮速度とアーム３の回動角速
度とが比例関係にないことに鑑み、これらの関係をシリ
ンダ各ストロークを通じて比例関係に保つように所定の
補正を加えるものであり、非線形補償手段２１は、アー
ムシリンダ油圧制御部１６における電磁比例減圧弁への
出力電流値とアームシリンダ６の伸縮速度との間の非線
形性、詳しくは、電磁比例減圧弁の不感帯や、切替弁の
スプールストロークと開度との非線形性等に起因して生
じる非線形性を補償し、線形性を保つものである。

【００１８】以上のような演算制御動作により、アーム
レバーからの指令速度に従ってアーム３が一定角速度で
手動制御される。

【００１９】ブーム制御ブロック１５ｂにおいては、ブ
ーム角度、アーム角度両検出器８，９から現在のブーム
角度θ１及びアーム角度α２に関する検出信号が入力さ
れ、これらの信号と、上記アーム制御ブロック１５ａか
ら出力される基本制御量ｕ２１とに基づいて、ブームシ
リンダフィードフォワード演算手段２２により、アーム
先端Ｂの掘削面Ｇからの高さ位置ｙｂ（法面掘削の場合
はｙｂ´）を一定に保つためのブームシリンダフィード
フォワード量ｕ１１の演算が行われる。その演算内容は
次の通りである。

【００２０】なお、以下の説明では便宜上、水平面を掘
削する場合、すなわち水平座標軸ｘ及び垂直座標軸ｙを
基準に座標演算を行う場合について説明するが、図３に
示されるような法面掘削を行う場合には、その傾斜角β
だけ回転変換した座標軸ｘ´，ｙ´に基づいて演算を進
めればよい。

【００２１】アーム先端Ｂの対地高さ位置（掘削面（こ
こでは水平面）Ｇからの高さ位置）ｙｂは、次式数１で
表される。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで両辺を時間ｔで微分することにより
、次式数２に示されるように、アーム先端Ｂの昇降速度
ｄｙｂ／ｄｔが求められる。

【００２４】

【数２】

【００２５】対地高さｙｂが一定であるとすると、ｄｙ
ｂ／ｄｔ＝０であるから、これを上式数２に代入するこ
とにより、次式数３が得られる。

【００２６】

【数３】

【００２７】従って、図１におけるブームシリンダフィ
ードフォワード制御量ｕ１１は次式数４で表される。

【００２８】

【数４】

【００２９】ここで、Ｋｆｆはフィードフォワードゲイ
ンである。

【００３０】一方、座標演算手段２３においては、上式
数１に基づいて、実際のアーム先端Ｂの対地高さ位置ｙ
ｂが求められ、この演算値ｙｂと、アーム先端高さ目標
値発生手段４０（詳細後述）から出力されるアーム先端
高さ目標値ｙｂｏとの偏差（アーム先端高さの制御偏差
）Δｙｂとに基づき、比例積分手段（アーム角度フィー
ドバック制御手段）２４によってフィードバック制御量
ｕ１２が演算される。

【００３１】このフィードバック制御量ｕ１２と上記フ
ィードフォワード制御量ｕ１１との加算によりブームシ
リンダ基本制御量ｕ１３が算出され、これに、ブームリ
ンク補正手段２５による補正（１次補正制御量ｕ１４）
、ブーム姿勢補正手段２６による補正（２次補正制御量
ｕ１５）、及び非線形補償手段２７による補正が加えら
れてブームシリンダ制御出力ｕ１が求められる。ここで
、ブームリンク補正手段２５及び非線形補償手段２７は
上記アームリンク補正手段２０及び非線形補償手段２１
と同様の補正を行うものであり、ブーム姿勢補正手段２
６は、ブーム角度θ１の変化に伴うブーム２の慣性モー
メントの変化によって、ブームシリンダ圧が変化し、さ
らにはシリンダ速度が変化することを考慮し、ブーム角
度に応じて補正ゲインを乗じることにより、ブーム角速
度を一定に保つ補正を行うものである。

【００３２】このような演算制御動作により、アーム先
端Ｂが対地高さｙｂを一定に保ちながら掘削面Ｇに沿っ
て直線移動をするように、ブーム２の駆動制御がなされ
る。

【００３３】バケット制御ブロック１５ｃにおいては、
バケット角度検出器１０によるバケット角度α３の検出
値等から求められるバケット対地角度θ３と、このバケ
ット対地角度の目標値θ３０との偏差Δθ３とに基づき
、比例積分手段２８によってフィードバック制御量ｕ３
２が求められる。また、上記アーム制御ブロック１５ａ
からの基本制御量ｕ２１と、ブーム制御ブロック１５ｂ
からの基本制御量ｕ１３とに基づき、バケットシリンダ
フィードフォワード演算手段２９によりバケット対地角
度θ３を目標値θ３０に一致させる方向のバケットシリ
ンダフィードフォワード制御量ｕ３１が演算される。

【００３４】具体的に、上記バケット対地角度θ３はθ
３＝θ１−α２−α３で表されるので、両辺を時間ｔで
微分すると次式が得られる。

【００３５】

【数５】

【００３６】ここで、バケット対地角度θ３を一定にす
るには（左辺）＝０であればよいから、これにより次の
数６が得られる。

【００３７】

【数６】

【００３８】この数６に基づいて、バケットフィードフ
ォワード制御量ｕ３１を求める式 ｕ３１＝Ｋｆｆ（ｕ１３−ｕ２１） が得られる。

【００３９】このバケットフィードフォワード制御量ｕ
３１と上記フィードバック制御量ｕ３２との加算により
基本バケット制御量ｕ３３が求められ、これにバケット
補正手段３１による補正（１次補正制御量ｕ３４）及び
非線形補償手段３２による補正が加えられてバケットシ
リンダ制御出力ｕ３が求められる。このような演算制御
動作により、バケット４の対地角度θ３が一定（目標値
θ３０）に保たれ、このバケット対地角度保持機能と、
上記のようなアーム先端対地高さ保持機能との組合せに
よって、直線掘削作業が実現されることとなる。

【００４０】次に、この装置の特徴部分であるアーム先
端高さ目標値発生手段４０について説明する。

【００４１】従来の装置の場合、このアーム先端高さ目
標値発生手段４０からは掘削の最初から終わりまで常に
一定の目標値ｙｂｏが出力されることとなるが、この装
置では、実際のアーム角度α２が後に詳述するアーム角
度標準値α２１を基準として一定以上遅れた場合に、バ
ケット４に予測し得なかった大きな外部負荷が作用した
ものとみなして上記目標値ｙｂｏを増加させるようにア
ーム先端高さ目標値発生手段を構成し、これによって実
際のアーム先端高さｙｂを増加させる、すなわちバケッ
ト４を掘削面Ｇから離れる方向に移動させるようなバケ
ット４の自動退避を図っている。

【００４２】具体的に、上記アーム先端高さ目標値発生
手段４０は、図２に示されるように、アーム角度標準値
発生器４１、許容限度超過量演算器４２、アーム先端高
さ目標値変化量演算器４３、及び加算器４４を備えてい
る。

【００４３】アーム角度標準値４１は、アーム角度初期
値（制御開始指令が発せられた時点でのアーム角度）α
２０と、アームレバーにより入力される指令速度とに基
づいて、アームシリンダ基本制御出力ｕ２１のパターン
に沿ったアーム角度標準値α２１を制御周期毎に発生さ
せるものである。例えば、アーム基本制御出力ｕ２１が
図３（ａ）に示されるようなパターンを有する場合には
、同図（ｂ）の実線Ｌ１に示されるように、上記アーム
角度初期値α２０から始めて制御周期毎に１制御周期当
りのアーム角度変化量（一定値）ｄα２を加算していく
ようにすることにより、前記出力パターンに沿ったアー
ム角度標準値を発生させることができる。このとき、上
記１制御周期当りのアーム角度変化量ｄα２の設定につ
いては、開始直後における駆動系の応答遅れを考慮する
ことがより好ましい。この実施例では、図４に示される
ように、アーム制御出力ｕ２に対して推定むだ時間εだ
けずらしてアーム角度変化量ｄα２が設定されている。

【００４４】許容限度超過量演算器４２は、各制御周期
毎に、上記アーム角度標準値α２１と、その時点での実
際のアーム角度α２とを比較し、実際のアーム角度α２
が予め定められた一定の許容値を超えて上記標準値α２
１に対して遅れている場合に、その許容限度超過量α２
２を演算するものである。例えば、上記許容値をδとす
ると、実際のアーム角度α２の許容限度は図３（ｂ）の
一点鎖線Ｌ２で示されることになるが、ここで、実際の
アーム角度α２の変動を実線Ｌ３とすると、この実線Ｌ
３が上記一点鎖線Ｌ２を下回る領域において、その差す
なわち許容限度超過量α２２が演算される。この時の許
容限度超過量α２２の時間変化量の経緯は図３（ｃ）の
ようになる。 これに対し、実際のアーム角度α２の変動が図３（ｂ）
における破線Ｌ４であるとすると、許容限度超過量α２
２は終始０ということになる。

【００４５】アーム先端高さ目標値変化量演算器４３は
、掘削開始時点でのアーム先端高さ目標値変化量Δｙｂ
を０に設定するとともに、掘削中において、実際のアー
ム角度α２が許容値を超えて標準値から遅れており（す
なわち上記許容限度超過量α２２が演算されており）、
かつ、アーム角度遅れ量が一回前の制御周期時点と比べ
て増加している場合（すなわち１制御周期当りの許容限
度超過量α２２の時間変化量ｄα２２（図３（ｃ）参照
）が正である場合）に、前回のアーム先端高さ目標値変
化量Δｙｂに１制御周期当りアーム先端高さ目標値変化
量ｄｙ（一定値；図３（ｄ）参照）を加算して新しい目
標値変化量Δｙｂとし、出力するものである。このアー
ム先端高さ目標値変化量Δｙｂは、予め設定されている
アーム先端高さ目標値の初期値ｙｂｏｏに加算器４４に
よって加算され、その加算された値が実際のアーム先端
高さ目標値ｙｂｏとして出力される。上記図３（ｂ）に
おける実線Ｌ３の例では、アーム先端高さ目標値ｙｂｏ
の時間変化は同図（ｅ）に示されるようになる。この図
に示されるように、アーム先端高さ目標値ｙｂｏは現状
維持か増加かのいずれかであり、減少することはない。 以上の手段によりなされる一連の演算動作を図５のフロ
ーチャートに示す。

【００４６】まず、掘削を行うに当り、各変数値の初期
化が行われる（ステップＳ１）。具体的に、アーム先端
高さ目標値ｙｂｏはｙｂｏｏに、アーム角度標準値α２
１はα２にそれぞれ設定され、アーム先端高さ目標値変
化量Δｙｂｏ、制御周期回数カウント数ｎ、許容限度超
過量記憶値α２２´は各々０に設定される。

【００４７】次いで、１制御周期分の直線掘削制御動作
が行われた後（ステップＳ２）、現在の制御周期回数カ
ウント値ｎに応じた１制御周期当りアーム角度標準値変
化量ｄα２を演算し（ステップＳ３）、上記カウント値
ｎに１を加算する（ステップＳ４）とともに、現在のア
ーム角度標準値α２１に上記変化量ｄα２を加算したも
のを新しいアーム角度標準値α２１として設定する（ス
テップＳ５）。

【００４８】次に、このアーム角度標準値α２１と実際
のアーム角度α２とを比較し、両者の差が許容値δを超
えている場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、すなわちアー
ム角度標準値α２１に対して実際のアーム角度α２が許
容限度を超えて遅れている場合には、その許容限度超過
量（α２１−α２−δ）を新たな許容限度超過量α２２
として設定する（ステップＳ７）。これに対し、上記差
（α２１−α２）が許容値δ以下である場合には（ステ
ップＳ６でＮＯ）、許容限度超過量α２２は０とする（
ステップＳ８）。

【００４９】そして、上記許容限度超過量α２２が０で
なく（ステップＳ９でＮＯ）、かつ現在の許容限度超過
量α２２が前回の許容限度超過量記憶値α２２´よりも
大きい場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）、すなわち許容
限度超過量α２２が増加している場合には、現在のアー
ム角度標準値変化量Δｙｂｏに一定値ｄｙを加算したも
のを新たなアーム角度標準値変化量Δｙｂｏとして設定
し（ステップＳ１１）、このアーム角度標準値変化量Δ
ｙｂｏをアーム角度標準値の初期値ｙｂｏｏに加算した
ものを最終的なアーム先端高さ目標値ｙｂｏとして設定
し（ステップＳ１２）、出力する。これに対し、許容限
度超過量α２２が０である場合（ステップＳ９でＹＥＳ
）、または、許容限度超過量α２２が０でなくても前回
の許容限度超過量α２２´を超えていない場合（ステッ
プＳ１０でＮＯ）には、アーム先端高さ目標値変化量Δ
ｙｂｏは変化させずにそのままステップＳ１２に移行す
る。従って、この場合にはアーム先端高さ目標値ｙｂｏ
も現状維持となる。

【００５０】その後は、現在の許容限度超過量α２２を
新たに許容限度超過量記憶値α２２´として記憶し（ス
テップＳ１４）、以上の動作を制御終了時まで繰り返す
（ステップＳ１４でＮＯ）。

【００５１】以上のように、この装置では、制御周期毎
に実際のアーム角度α２とアーム角度標準値α２１とを
比較してアーム角度α２の遅れを監視し、これに基づき
過大な掘削負荷がかかっていると判断した場合には、ア
ーム先端高さ目標値ｙｂｏを増加させるようにしている
ので、以後、このアーム先端高さ目標値ｙｂｏに基づい
てフィードバック制御が続行されることにより、実際の
アーム先端高さｙｂも増え、すなわち実際にアーム先端
Ｂが掘削面Ｇから離れる方向に自動的に逃げることにな
る。 よって、自動的に過負荷作用時の回避動作を行わせるこ
とができ、運転者による手動操作の介入を不要にするこ
とができる。

【００５２】なお、以上の説明はアーム角度α２が増加
する方向の掘削（往動掘削）についてであるが、アーム
角度α２が減少する方向の掘削（復動掘削）を行う場合
には、実際のアーム角度α２からアーム角度標準値α２
１を差し引いた値（α２−α２１）をアーム角度遅れ量
として演算すればよい。

【００５３】次に、第２実施例を図８に基づいて説明す
る。

【００５４】上記実施例では、アーム角度α２の遅れに
基づいて回避動作の判断を行うようにしていたが、この
実施例では、バケット対地角度θ３の制御偏差Δθ３に
基づいて上記判断を行うようにしている。すなわち、正
常な掘削が行われている間は、上記制御偏差Δθ３がほ
ぼ０となるように（実際のバケット対地角度θ３がバケ
ット対地角度目標値θ３０にほぼ合致するように）バケ
ット制御がなされるが、掘削中に大きな負荷が作用した
場合には、その負荷に負けてバケット対地角度θ３が変
化するので、このバケット対地角度θ３の監視により回
避操作の判断を行うことができるのである。

【００５５】この実施例においても、上記コントローラ
１５の全体構成は図１と同様であるが、同図におけるア
ーム先端高さ目標値発生手段４０の代わりに、図８に示
されるようなアーム先端高さ目標値発生手段４０´が用
いられている。

【００５６】同図において、許容限度超過量演算器４２
´は、各制御周期毎に、バケット対地角度制御偏差Δθ
３が許容範囲内にあるか否かを判断し、許容値を超えて
いる場合に、その許容限度超過量Δθ３１を演算するも
のである。例えば、上記許容範囲を−δ´≦Δθ３≦δ
´（δ´は正の定数）とすると、実際のバケット対地角
度制御偏差Δθ３の許容限度は図９（ａ）の一点鎖線Ｌ
５で示されることになるが、ここで、実際のバケット対
地角度制御偏差Δθ３の変動を実線Ｌ６とすると、この
実線Ｌ６が上記許容範囲からはみ出す領域において、そ
のはみ出し量すなわち許容限度超過量Δθ３１が演算さ
れる。この時の許容限度超過量Δθ３１の時間変化は図
９（ｂ）のようになる。

【００５７】アーム先端高さ目標値変化量演算器４３´
は、掘削開始時点でのアーム先端高さ目標値変化量Δｙ
ｂを０に設定するとともに、掘削中において、実際のバ
ケット対地角度制御偏差Δθ３が上記許容範囲からはみ
出している（すなわち上記許容限度超過量Δθ３１が演
算されている）場合に、前回のアーム先端高さ目標値変
化量Δｙｂに１制御周期当りのアーム先端高さ目標値変
化量ｄｙを加算して新しい目標値変化量Δｙｂとし、出
力するものである。この実施例では、図１０に示される
ように、上記アーム先端高さ目標値変化量ｄｙには許容
限度超過量Δθ３１に比例した値（＝ｋΔθ３１；ｋは
比例定数）が設定されるので、１制御周期当りアーム先
端高さ目標値変化量ｄｙの時間変化は図９（ｃ）のよう
になる。

【００５８】上記アーム先端高さ目標値変化量Δｙｂは
、前記実施例と同様、予め設定されているアーム先端高
さ目標値の初期値ｙｂｏｏに加算器４４´で加算され、
その加算された値が実際のアーム先端高さ目標値ｙｂｏ
として出力される（図９（ｄ）参照。）。この実施例に
おいても、アーム先端高さ目標値ｙｂｏは現状維持か増
加かのいずれかであり、減少することはない。

【００５９】なお、図９（ａ）ではバケット対地角度制
御偏差Δθ３が許容範囲の上限を上回る場合を示してい
るが、バケット対地角度制御偏差Δθ３が許容範囲の下
限を下回る場合にも同様に１制御周期当り目標値変化量
ｄｙは正の値に設定すればよい。

【００６０】以上の手段によりなされる一連の演算動作
を図１１のフローチャートに示す。

【００６１】まず、掘削を行うに当り、アーム先端高さ
目標値ｙｂｏを初期値ｙｂｏｏに設定し、アーム先端高
さ目標値変化量を初期値０に設定する（ステップＳ２１
）。

【００６２】次いで、１制御周期分の直線掘削制御動作
が行われた後（ステップＳ２２）、そのバケット対地角
度制御偏差Δθ３が許容範囲内にあるか否かを確認し、
範囲外である場合（ステップＳ２３でＮＯ）には、その
許容限度超過量Δθ３１に応じた１制御周期当りの目標
値変化量ｄｙを算出する（ステップＳ２４）。

【００６３】そして、この量ｄｙを現在のアーム角度標
準値変化量Δｙｂｏに加算したものを新たなアーム角度
標準値変化量Δｙｂｏとして設定し（ステップＳ２５）
、さらにこのアーム角度標準値変化量Δｙｂｏをアーム
先端高さ目標値の初期値ｙｂｏｏに加算したものをｙｂ
ｏとして設定し、出力する。これに対し、上記制御偏差
Δθ３が許容範囲内にある場合（ステップＳ２３でＹＥ
Ｓ）には、アーム先端高さ目標値変化量Δｙｂｏは変化
させずにそのままステップＳ２６に移行する。従って、
この場合にはアーム先端高さ目標値ｙｂｏも現状維持と
なる。

【００６４】以上の動作を制御終了時まで繰り返す（ス
テップＳ２７でＮＯ）ことにより、前記第１実施例と同
様に、過負荷作用時の回避動作を自動的に行わせること
ができる。

【００６５】以上のように、この装置では、各制御周期
毎に実際のバケット対地角度制御偏差Δθ３を監視し、
これに基づき、過大な掘削負荷がかかっていると判断し
た場合にはアーム先端高さ目標値ｙｂｏを増加させるよ
うにしているので、前記第１実施例と同様に、自動的に
過負荷作用時の回避動作を行わせることができる。

【００６６】次に、第３実施例を図１２（ａ）に基づい
て説明する。ここに示されるアーム先端高さ目標値発生
手段５０では、各制御周期毎のアーム角度標準値α２１
に対する実際のアーム角度の偏差（以下、対標準値偏差
と称する）Δα２と、この対標準値偏差Δα２の１制御
周期当りの変化量（すなわち対標準値偏差Δα２の変化
速度）ｄ（Δα２）とに基づき、ファジィ演算を用いて
アーム先端高さ目標値変化量Δｙｂｏを求めるようにし
ている。

【００６７】具体的に、アーム角度標準値発生器５１は
、前記第１実施例におけるアーム角度標準値発生器４１
と同様に、アーム角度初期値α２０とアームレバー信号
（速度指令信号）とに基づき、アーム角度標準値α２１
を算出し、出力する。そして、このアーム角度標準値α
２１から比較器５４によって実際のアーム角度α２が減
算された値がアーム角度対標準値偏差Δα２として制御
偏差時間変化量演算器５２及びアーム先端高さ目標値変
化量演算器５３に入力される。

【００６８】対標準値偏差時間変化量演算器５２は、前
回演算された対標準値偏差Δα２´を記憶するとともに
、この記憶した対標準値偏差Δα２´を今回演算された
制御偏差Δα２から差引き、これを１制御周期差当りの
対標準値偏差変化量（対標準値偏差の時間変化量）ｄ（
Δα２）としてアーム先端高さ目標値変化量演算器５３
へ入力する。

【００６９】アーム先端高さ目標値変化量演算器５３は
、上記アーム角度対標準値偏差Δα２及び対標準値偏差
時間変化量ｄ（Δα２）に基づき、ファジィ演算を用い
て好適な１制御周期当りのアーム先端高さ目標値変化量
ｄｙを求め、その加算によって最終的なアーム先端高さ
目標値変化量Δｙｂｏを算出する。このような目標値変
化量Δｙｂｏをアーム先端高さ目標値初期値ｙｂｏｏに
加算した値がアーム先端高さ目標値ｙｂｏとされ、これ
に基づいてフィードバック制御がなされることにより、
前記実施例と同様に自動的な回避動作が行われることと
なる。

【００７０】ここで、上記ファジィ演算に適用されるル
ールの一例をルールＡとして以下に示すとともに、この
ルールＡにおいて使用されるメンバーシップ関数を図１
３（ａ）〜（ｃ）に示しておく。

【００７１】 　　ルールＡ 　　　　ＩＦ　　Δα２＝ＰＬ　ＡＮＤ　ｄ（Δα２）
＝ＰＭ　　　　　ＴＨＥＮ　ｄｙ＝ＰＭなお、このファ
ジィ演算の具体的な手順については、後記の「ファジィ
演算手順の説明」の項にて詳述する。

【００７２】第４実施例を図１２（ｂ）に示す。ここで
は、第２実施例のようにバケット対地角度標準偏差Δθ
３に基づいて回避動作を行う装置について、上記ファジ
ィ演算を適用している。

【００７３】具体的に、図示の制御偏差時間変化量演算
器５２´は、前回演算されたバケット対地角度制御偏差
Δθ３´を記憶するとともに、この記憶した制御偏差Δ
θ３´を今回演算された制御偏差Δθ３から差引き、こ
れを１制御周期差当りの制御偏差変化量（制御偏差の時
間変化量）ｄ（Δθ３）としてアーム先端高さ目標値変
化量演算器５３へ入力する。

【００７４】アーム先端高さ目標値変化量演算器５３´
は、上記アーム角度制御偏差Δθ３及び制御偏差時間変
化量ｄ（Δθ３）に基づき、ファジィ演算を用いて好適
な１制御周期当りのアーム先端高さ目標値変化量ｄｙを
求め、その加算によって最終的なアーム先端高さ目標値
変化量Δｙｂｏを算出する。このような目標値変化量Δ
ｙｂｏをアーム先端高さ目標値初期値ｙｂｏｏに加算し
た値がアーム先端高さ目標値ｙｂｏとされ、これに基づ
いてフィードバック制御がなされることにより、前記実
施例と同様に自動的な回避動作が行われることとなる。

【００７５】ここで、上記ファジィ演算に適用されるル
ールの一例をルールＢとして以下に示すとともに、この
ルールＢにおいて使用されるメンバーシップ関数を図１
４（ａ）〜（ｃ）に示しておく。

【００７６】 　　ルールＢ 　　　　Ｉ　　往動掘削を行う場合 　　　　　　ＩＦ　　Δθ３＝ＰＬ　ＡＮＤ　ｄ（Δθ
３）＝ＰＭ　　　　　ＴＨＥＮ　ｄｙ＝ＰＭ　　　　Ｉ
Ｉ　　復動掘削を行う場合 　　　　　　ＩＦ　　Δθ３＝ＮＬ　ＡＮＤ　ｄ（Δθ
３）＝ＮＭ　　　　　ＴＨＥＮ　ｄｙ＝ＰＭなお、より
キメの細かい制御を行いたい場合には、例えば次のよう
なルールＣに基づき、ｍｉｎ−ｍａｘ−重心法を用いて
演算を行うようにすればよい。

【００７７】 　　ルールＣ 　　　　Ｉ　　往動掘削を行う場合 　　　　　　■　　ＩＦ　　Δθ３＝ＰＬ　　　　ＴＨ
ＥＮ　ｄｙ＝ＰＬ　　　　　　■　　ＩＦ　　Δθ３＝
ＰＳ　ＡＮＤ　ｄ（Δθ３）＝ＰＭ　　　　　ＴＨＥＮ
　ｄｙ＝ＰＭ　　　　ＩＩ　　復動掘削を行う場合 　　　　　　■　　ＩＦ　　Δθ３＝ＮＬ　　　　ＴＨ
ＥＮ　ｄｙ＝ＮＬ　　　　　　■　　ＩＦ　　Δθ３＝
ＮＳ　ＡＮＤ　ｄ（Δθ３）＝ＮＭ　　　　　ＴＨＥＮ
　ｄｙ＝ＰＭ次に、具体的な演算手順を説明する。

【００７８】＊ファジィ演算手順の説明（以下、図１５
参照）ここでは、上記各ルールにおいて最も複雑なルー
ルＣを用いた演算手順を、「Ｉ　　往動掘削を行う場合
」について説明する。

【００７９】いま、計測結果として、制御偏差Δθ３が
０．７　（ｄｅｇ）、制御偏差時間変化量ｄ（Δθ３）
が０．２　（ｄｅｇ／ｓｅｃ）であるとする。これを、
ルールＣのＩ■（図１５の上段に対応）について適用す
ると、上記制御偏差Δθ３に対応するメンバシップ関数
値ＰＬは０．４となる。これに対し、制御偏差時間変化
量ｄ（Δθ３）は無条件であるので、上記ＰＬ＝０．４
　でｄｙについてのメンバシップ関数ＰＬを頭切りする
ことにより、図１５の上段右部のグラフに太線で示され
るような台形状関数を得ることができる。

【００８０】これと同様にして、上記制御偏差Δθ３＝
０．７　（ｄｅｇ）、制御偏差時間変化量ｄ（Δθ３）
＝０．２　（ｄｅｇ／ｓｅｃ）を、ルールＣのＩ■（図
１５の中段に対応）について適用すると、上記制御偏差
Δθ３に対応するメンバシップ関数値ＰＬは０．６、制
御偏差時間変化量ｄ（Δθ３）に対応するメンバシップ
関数ＰＭは０．４　となる。ここで、小さい方の値、す
なわち上記ＰＭ＝０．４　でｄｙについてのメンバシッ
プ関数ＰＬを頭切りすることにより、図１５の中段右部
のグラフに太線で示されるような台形状関数を得ること
ができる。

【００８１】次に、上記２つの台形状関数を重ね合わせ
ることにより、図１５最下段に示されるような台形状関
数が得られるが、この台形状関数の線とｄｙ軸（水平軸
）とで囲まれる台形（網目領域）の重心位置を求め、こ
れを実際の１制御周期当り標準値変化量ｄｙとして設定
する。図例では、ｄｙは約２２（ｍｍ／ｓｅｃ）となる
。

【００８２】このようなファジィ演算を実行することに
より、バケット対地角度Δθ３と１制御周期当りアーム
高さ目標値変化量ｄｙとの関係を前記各実施例よりもさ
らにキメ細かく使いやすいように設定することが可能に
なる。

【００８３】次に、第５実施例を図１６及び図１７に基
づいて説明する。

【００８４】前記各実施例では、アームレバーによって
アーム作動速度指令が入力され、その指令に基づいてブ
ーム２、アーム３、バケット４の全てが自動制御される
ものを示したが、この実施例では、アームレバー操作量
を検出する検出手段５９が設けられ、この検出手段５９
により検出される操作量ｕ２に応じてアーム３が手動で
制御されるものについて、第１実施例で示した制御内容
を適用したものを示している。

【００８５】この場合、図１６に示されるように検出手
段５９のアームレバー操作量検出信号ｕ２を直接アーム
先端高さ目標値発生手段６０に入力し、これに基づいて
アーム角度標準値α２１を発生させるようにすればよい
が、上記アームレバー操作量とアーム角速度とは必ずし
も比例関係にないので、その非線形性を考慮した演算が
要求される。従って、上記アーム先端高さ目標値発生手
段６０としては、例えば図１７に示されるようなものが
好適である。

【００８６】図において、非線形補償手段６５及びアー
ムリンク補正手段６６は、前記図１に示される非線形補
償手段２１及びアームリンク補正手段２０と同様の補正
を実行するものであり、これらによって、上記検出手段
５９から出力されるアームレバー操作量検出値ｕ２が補
正され、この補正された値がアーム速度推定値としてア
ーム角度標準値発生器６１に入力される。その後は、上
記アーム速度推定値が前記第１実施例におけるアームレ
バー信号（速度指令信号）と同様に扱われ、アーム角度
標準値発生器６１、許容限度超過量演算器６２、アーム
先端高さ目標値変化量演算器６３、及び加算器６４によ
ってアーム先端高さ目標値ｙｂが演算される。

【００８７】このように手動操作が行われる油圧ショベ
ルへの適用は、前記第２実施例に示されるようにバケッ
ト対地角度標準偏差Δθ３の監視により自動回避動作を
行わせるものも同様に適用することが可能である。

【００８８】なお、以上記した各実施例では、アーム３
の作動速度を基準とし、これに基づいてブーム２の駆動
をフィードバック制御を行うものを示したが、逆に、ブ
ーム２の作動速度を基準としてアーム３の駆動をフィー
ドバック制御するものについても、同様に適用が可能で
ある。この場合には、アーム制御ブロック１５ａに上記
アーム先端高さ目標値発生手段を設け、その出力値（ア
ーム先端高さ目標値）ｙｂｏに基づいてアーム３の駆動
をフィードバック制御するようにすればよい。

【００８９】

【発明の効果】以上のように本発明は、作動中での各制
御周期毎のアーム角度の標準値に対する実際のアーム角
度の遅れや、バケット対地角度標準値に対する実際のバ
ケット対地角度のずれに基づいて、大きな外部負荷が作
用しているか否かを判断し、作用していると判断した場
合に上記アーム先端の掘削面からの高さの目標値を増加
させるアーム高さ目標値調節手段を備えたものであるの
で、上記負荷作用時におけるアーム先端（すなわちバケ
ット）の回避動作を、掘削中に自動的に行わせることが
でき、これによって運転者の負担を大幅に軽減すること
ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるコントローラの機
能ブロック図である。

【図２】上記コントローラにおけるアーム先端高さ発生
手段の機能ブロック図である。

【図３】（ａ）は上記コントローラのアームシリンダ基
本制御出力の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は実際のア
ーム角度の時間変化を示すグラフ、（ｃ）は同アーム角
度の許容限度超過量の変化量の時間変化を示すグラフ、
（ｄ）は上記許容限度超過量の変化量に基づいて設定さ
れる１制御周期当りアーム先端高さ目標値変化量の時間
変化を示すグラフ、（ｅ）は最終的に求められるアーム
先端高さ目標値の時間変化を示すグラフである。

【図４】上記アーム先端高さ目標値発生手段において用
いられる１制御周期当りアーム角度標準値変化量とアー
ムシリンダ制御出力との関係を示すグラフである。

【図５】上記アーム先端高さ目標値発生手段において行
われる演算動作を示すフローチャートである。

【図６】上記コントローラの入出力信号を示すブロック
図である。

【図７】上記コントローラが備えられた油圧ショベルの
掘削状態を示す正面図である。

【図８】第２実施例におけるアーム先端高さ目標値発生
手段の機能ブロック図である。

【図９】（ａ）は実際のバケット対地角度制御偏差の時
間変化を示すグラフ、（ｂ）はその許容限度超過量の時
間変化を示すグラフ、（ｃ）は上記許容限度超過量に応
じて設定される１制御周期当りアーム先端高さ目標値変
化量の時間変化を示すグラフ、（ｄ）は最終的に演算さ
れるアーム先端高さ目標値の時間変化を示すグラフであ
る。

【図１０】バケット対地角度制御偏差と１制御周期当り
アーム先端高さ目標値変化量との関係を示すグラフであ
る。

【図１１】上記アーム先端高さ目標値発生手段において
行われる演算動作を示すフローチャートである。

【図１２】（ａ）は第３実施例におけるアーム先端高さ
目標値発生手段の機能ブロック図 、（ｂ）は第４実施例におけるアーム先端高さ目標値発
生手段の機能ブロック図である。

【図１３】（ａ）は第３実施例において行われるファジ
ィ演算に用いられるアーム角度対標準値偏差に関するメ
ンバシップ関数値を示すグラフ、（ｂ）は同ファジィ演
算に用いられるアーム角度対標準値偏差時間変化量に関
するメンバシップ関数値を示すグラフ、（ｃ）は同ファ
ジィ演算に用いられる１制御周期当りアーム先端高さ目
標値変化量に関するメンバシップ関数を示すグラフであ
る。

【図１４】（ａ）は第４実施例において行われるファジ
ィ演算に用いられるバケット対地角度制御偏差に関する
メンバシップ関数値を示すグラフ、（ｂ）は同ファジィ
演算に用いられるバケット対地角度制御偏差時間変化量
に関するメンバシップ関数値を示すグラフ、（ｃ）は同
ファジィ演算に用いられる１制御周期当りアーム先端高
さ目標値変化量に関するメンバシップ関数を示すグラフ
である。

【図１５】上記ファジィ演算の具体的な手順を説明する
ためのグラフである。

【図１６】第５実施例におけるコントローラの機能ブロ
ック図である。

【図１７】上記コントローラにおけるアーム先端高さ目
標値発生手段の機能ブロック図である。

【符号の説明】

２　　ブーム ３　　アーム ４　　バケット ５　　ブームシリンダ（ブーム駆動手段）６　　アーム
シリンダ（アーム駆動手段）７　　バケットシリンダ（
バケット駆動手段）８　　ブーム角度検出器 ９　　アーム角度検出器 １０　　バケット角度検出器 １５　　コントローラ ２４　　比例積分手段（アーム角度フィードバック制御
手段） ２８　　比例積分手段（バケット角度フィードバック制
御手段） ４０，４０´，５０，５０´，６０　　アーム先端高さ
目標値発生手段 ４１，５１，６１　　アーム角度標準値発生手段４２，
４２´，６２　　許容限度超過量演算器（アーム高さ目
標値調節手段を構成）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ブームと、このブームの先端に枢着さ
   れたアームと、このアームの先端に枢着されたバケット
   と、上記ブームを俯仰させるブーム駆動手段と、上記ア
   ームを回動させるアーム駆動手段と、上記バケットを回
   動させるバケット駆動手段とを備えた掘削装置に設けら
   れ、上記バケットの対地角度及び掘削面に対する高さを
   一定に保つように駆動制御を行う直線掘削制御装置であ
   って、上記ブーム角度を検出するブーム角度検出手段と
   、ブームに対するアームの角度を検出するアーム角度検
   出手段と、バケットの対地角度を検出するバケット角度
   検出手段と、これらの検出結果から求められる実際のア
   ーム先端の掘削面からの高さとその目標値との比較に基
   づき上記ブーム、アームのいずれか一方の駆動をフィー
   ドバック制御するブーム・アーム角度フィードバック制
   御手段と、上記バケット角度検出手段により検出される
   実際のバケット対地角度とその目標値との比較に基づき
   バケットの駆動を制御するバケット角度フィードバック
   制御手段とを備えるとともに、作動中での各制御周期毎
   のアーム角度の標準値を発生させるアーム角度標準値発
   生手段と、このアーム角度標準値に対する実際のアーム
   角度の遅れに応じて上記アーム先端の掘削面からの高さ
   の目標値を増加させるアーム高さ目標値調節手段とを備
   えたことを特徴とする直線掘削制御装置。
2. 【請求項２】　　ブームと、このブームの先端に枢着さ
   れたアームと、このアームの先端に枢着されたバケット
   と、上記ブームを俯仰させるブーム駆動手段と、上記ア
   ームを回動させるアーム駆動手段と、上記バケットを回
   動させるバケット駆動手段とを備えた掘削装置に設けら
   れ、上記バケットの対地角度及び掘削面に対する高さを
   一定に保つように駆動制御を行う直線掘削制御装置であ
   って、上記ブーム角度を検出するブーム角度検出手段と
   、ブームに対するアームの角度を検出するアーム角度検
   出手段と、バケット角度を検出するバケット角度検出手
   段と、バケットの対地角度を検出するバケット角度検出
   手段と、これらの検出結果から求められる実際のアーム
   先端の掘削面からの高さとその目標値との比較に基づき
   上記ブーム、アームのいずれか一方の駆動をフィードバ
   ック制御するブーム・アーム角度フィードバック制御手
   段と、上記バケット角度検出手段により検出される実際
   のバケット対地角度とその目標値との比較に基づきバケ
   ットの駆動を制御するバケット角度フィードバック制御
   手段とを備えるとともに、上記バケット対地角度の目標
   値に対する実際のバケット対地角度のずれに応じて上記
   アーム先端の対地高さの目標値を増加させるアーム高さ
   目標値調節手段を備えたことを特徴とする直線掘削制御
   装置。