JPH04319128A - 油圧ショベルの掘削制御装置 - 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】本発明は油圧ショベルの掘削作業
、特に水平掘削に好適な油圧ショベルの掘削制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベルには種々の作業用途がある
が、そのほとんどはバケットを用いる掘削作業である。 このような油圧ショベルを図により説明する。図８は油
圧ショベルの側面図である。図で、１は油圧ショベルの
下部走行体、２は下部走行体１の上部の旋回体（本体）
、２１は本体２に設けられた運転室、３は本体２に可回
動に取付けられたフロント機構である。フロント機構３
は、本体２に可回動に取付けられたブーム３１、このブ
ーム３１に可回動に取付けられたアーム３２、このアー
ム３２に可回動に取付けられたバケット３３で構成され
ている。ブーム３１は本体２との間に装架されたブーム
シリンダで駆動され、アーム３２はブーム３１との間に
装架されたアームシリンダで駆動され、さらにバケット
３３はアーム３２との間に装架されたバケットシリンダ
で駆動されるが、これらの各シリンダ（油圧シリンダ）
の図示は省略されている。Ａはブーム３１と本体３１と
のなす角度を検出する角度センサ、Ｂはアーム３２とブ
ーム３１とのなす角度を検出する角度センサ、Ｃはバケ
ット３３とアーム３２とのなす角度を検出する角度セン
サである。これら各角度センサＡ、Ｂ、Ｃは検出した角
度に比例した電気信号を出力する。図示されていないが
、運転室２１にはブーム３１、アーム３２およびバケッ
ト３３を操作する操作レバーが設けられ、それら各操作
レバーを操作するとその操作量に応じた電気信号が出力
され、前記各角度センサの出力および前記操作量の出力
に基づいて、油圧ポンプと前記各油圧シリンダとの間に
介在する流量制御弁が制御され、この結果、当該各油圧
シリンダ、したがってブーム３１、アーム３２およびバ
ケット３３が駆動され、掘削作業が実施される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】油圧ショベルのフロン
ト機構３は、上記のようにブーム３１、アーム３２、バ
ケット３３の３つの構成要素より成るので、これらを個
別に操作して所望の掘削を行うためには相当の熟練を要
し、特に地面を凹凸のない同一平面に掘削（以下、水平
掘削という。）する作業は高度の技術が必要となる。こ
のため、通常の制御とは別に、水平掘削を行うための制
御装置が、例えば特開昭４９−１３２８０１号公報等に
より提案されている。このような制御装置を用いれば、
アーム３２、又はアーム３２とブーム３１を操作するだ
けで自動的に水平掘削を行うことができる。ところで、
上記制御装置により自動的に水平掘削を行うには、スイ
ッチ等により水平掘削を指令する必要があり、かつ、通
常の掘削に戻るためには当該指令の解除が必要となる。 したがって、掘削作業中にこれを行うのは作業者にとっ
ては極めて面倒であり、特に、水平掘削と通常掘削の繰
返しがある場合には、水平掘削の指令とその解除も繰返
さねばならず、単に面倒なだけでなく、作業効率の低下
を招くおそれがある。本発明の目的は、上記従来技術に
おける課題を解決し、何等の手間も要することなく水平
掘削への切換えを行うことができる油圧ショベルの掘削
制御装置を提供するにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、ブーム、アームおよびバケットの各構成
要素より成るフロント機構を油圧ショベル本体に可回動
に取付けるとともに、前記各構成要素のそれぞれの相対
角度を検出する各角度センサと、前記各構成要素を駆動
する各アクチュエータの各操作体の操作量を検出する各
操作量センサと、前記各角度センサおよび前記各操作量
センサの各検出値に基づいて前記各アクチュエータを駆
動する指令値を演算する第１の演算部と、前記各検出値
のうちの所要のものに基づいて前記フロント機構で水平
掘削を行わせるための前記各アクチュエータを駆動する
指令値を演算する第２の演算部とを備えた油圧ショベル
の掘削制御装置において、前記各検出値に基づいて前記
バケットの先端の予想軌跡を演算する予想軌跡演算手段
と、前記予想軌跡の水平面に対する角度が所定角度未満
のとき前記第１の演算部への前記各検出値の入力を前記
第２の演算部へ切換える切換手段とを設けたことを特徴
とする。さらに、上記油圧ショベルの掘削制御装置にお
いて、前記切換手段により前記第２の演算部への切換え
が行われたとき、前記予想軌跡の水平面に対する角度と
比較すべき角度を、前記所定角度より大きい他の設定角
度としたことも特徴とする。又、本発明は、上記油圧シ
ョベルの掘削制御装置において、前記本体の傾斜角度を
検出する傾斜角度センサと、前記傾斜角度で前記予想軌
跡の水平面に対する角度を補正する傾斜補正手段とを設
けたことも特徴とする。又、本発明は、上記油圧ショベ
ルの掘削制御装置において、掘削法面の角度を設定する
法面角度設定部と、この法面角度設定部で設定された角
度で前記予想軌跡の水平面に対する角度を補正する法面
角度補正手段とを設けたことも特徴とする。さらに又、
本発明は、上記油圧ショベルの掘削制御装置において、
前記各検出値を常時前記第１の演算部に入力させる水平
掘削キャンセル手段を設けたことも特徴とする。

【０００５】

【作用】掘削作業中、予想軌跡演算手段は、ブーム角度
、アーム角度、バケット角度、ブーム操作量、アーム操
作量、およびバケット操作量を入力し、これに基づいて
バケット先端の軌跡を演算する。これにより得られたベ
クトルから水平面に対する角度を求め、その角度と予め
設定されている角度（水平掘削か否かを判断する角度）
とを比較し、前者が後者未満の場合には切換手段により
第２の演算部（水平掘削制御）へ切換え、前者が後者以
上のときには切換手段により第１の演算部（通常掘削制
御）へ切換える。又、一旦水平引きモードに入った場合
、上記水平面に対する角度と比較する角度を上記予め設
定されている角度より大きな角度とすることにより、安
定した水平掘削を実施することができる。又、傾斜角度
センサを用いれば、油圧ショベル本体が傾斜していても
、予想軌跡演算手段で求めた水平面に対する角度を傾斜
角度で補正することにより、水平掘削を支障なく行うこ
とができる。さらに、法面掘削の場合も、当該水平面に
対する角度を法面角度設定部に設定された角度で補正す
ることにより、オペレータの意図する法面掘削を行うこ
とができる。さらに又、水平掘削を実施しないことが予
め判っている場合には、水平掘削キャンセル手段を作動
させることにより、当該水平面に対する角度の如何にか
かわらず、第２の演算部による制御が禁止され、第１の
演算部による制御のみを実施することができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１は本発明の実施例に係る油圧ショベルの掘削
制御装置のブロック図である。図で、Ａ、Ｂ、Ｃは図８
に示すものと同じ角度センサである。５、６は操作レバ
ー（ジョイステイックレバー）であり、操作レバー５は
、例えば手前に引いたときブーム３１上げ、外側に倒し
たときバケット３３ダンプとなり、又、操作レバー６は
、例えば外側に倒したときアーム３２ダンプとなる。 Ｄは操作レバー５のブーム駆動操作の操作角度（操作量
に比例）θ３１を検出し、これに応じた電気信号を出力
する角度センサ、Ｅは操作レバー５のバケット駆動操作
の操作角度（操作量に比例）θ３３を検出し、これに応
じた電気信号を出力する角度センサ、Ｆは操作レバー６
のアーム駆動操作の操作角度（操作量に比例）θ３２を
検出し、これに応じた電気信号を出力する角度センサで
ある。７は各角度センサＡ〜Ｆの検出信号を入力し、所
要の演算を行うモード切換演算部である。８は通常モー
ド演算部であり、各角度センサＡ〜Ｆの検出信号に基づ
いてブーム３１、アーム３２およびバケット３３を各操
作レバー５、６の操作に応じて駆動するための制御を行
う。９は水平引きモード演算部であり、各角度センサＡ
〜Ｆの検出信号に基づいてブーム３１、アーム３２およ
びバケット３３を駆動して自動水平掘削を行うための制
御を行う。１０はモード切換演算部７の指令により作動
するモード切換部であり、各角度センサＡ〜Ｆの検出信
号を通常モード演算部８又は水平引きモード演算部９の
いずれかに切換え入力する。３１Ｖ、３２Ｖ、３３Ｖは
それぞれブームコントロール弁、アームコントロール弁
およびバケットコントロール弁であり、通常モード演算
部８又は水平引きモード演算部９の制御信号により作動
してブーム３１、アーム３２およびバケット３３を駆動
する各油圧シリンダへの圧油の流量を制御する。以上が
本実施例の基本構成である。ここで、図１に示す符号１
１は、本発明の他の各実施例において用いられる装置で
ある。そして、これら装置は上記基本構成に適宜付加さ
れる装置であるので、便宜上、図１に付加して図示し、
符号１１で示される各装置１１１、１１２、１１３は、
それぞれの実施例の説明において述べることにする。

【０００７】次に、本実施例（第１の実施例）の上記基
本構成の動作を、図８に示す各部の寸法、角度、図２に
示す数式、および図３に示すフローチャートを参照しな
がら説明する。図３は図１に示すモード切換演算部７の
動作を示すフローチャートである。まず、図８に示す各
部の角度、寸法について説明する。ａは角度センサＡで
検出されるブーム角度、ｂは角度センサＢで検出される
アーム角度、ｃは角度センサＣで検出されるバケット角
度を示す。各角度センサＡ、Ｂ、Ｃはその回転軸がそれ
ぞれブーム３１、アーム３２、バケット３３の回転軸と
一致するように設置されている。Ｌ３１は角度センサＡ
、Ｂ間の距離（ブーム長さ）、Ｌ３２は角度センサＢ、
Ｃ間の距離（アーム長さ）、Ｌ３３は角度センサＢとバ
ケット先端Ｔとの間の距離（バケット長さ）、φはバケ
ット先端Ｔの予想軌跡Ｖと水平線とのなす角度を示す。 予想軌跡Ｖについては後述する。

【０００８】図２はモード切換演算部７において演算さ
れる数式を示す図である。図８に示すバケット先端のｘ
座標は式（１）、ｙ座標は式（２）により求めることが
できる。各式（１）、（２）の各値はそれぞれ既知であ
る。又、操作レバー５、６の操作角度（操作量）は、各
操作対象であるブーム３１、アーム３２、バケット３３
の角度変位の変化速度の指示値とみることができる。そ
こで、上に角度ａ〜ｃと操作レバー５、６の操作角度θ
３１〜θ３３との関係は図２に示す式（３）、（４）、
（５）で表される。結局、式（３）〜（５）から、操作
レバー５、６が操作された瞬間において予想される角度
ａ〜ｃは、図２の式（６）、（７）、（８）に示される
ように、現在角度ａ００、ｂ００、ｃ００に操作角度に
より得られる予想角度変化を加算した値となる。ところ
で、バケット先端Ｔの現在位置において、操作レバー５
、６が操作された瞬間の予想軌跡の速度は、上式（１）
、（２）により得られた座標値ｘ、ｙを微分演算するこ
とにより算出することができ、かつ、角度φは座標値ｙ
を微分演算することにより得られる。

【０００９】油圧ショベルの掘削作業において、モード
切換演算部７は、各角度センサＡ〜Ｆの検出値θ３１、
θ３２、θ３３、ａ、ｂ、ｃを入力し（図３に示すフロ
ーチャートの手順Ｓ１１）、図２に示す式（１）、（２
）を演算し（手順Ｓ１２）、次いでこれを微分する（手
順Ｓ１３）。 この微分において、図２に示す式（２）の微分は困難で
あるが、これを数値計算的に解くことは可能である。こ
のために、図２に示す式（６）〜（８）が用いられる。 手順Ｓ１３により、バケット先端Ｔの予想軌跡Ｖが得ら
れる。次いで、手順Ｓ１３の演算により得られた値ｙに
ついての微分値を角度φとし（手順Ｓ１４）、この角度
φを、予め定められた値φ００と比較する（手順Ｓ１５
）。角度φが値φ００未満のとき、モード切換演算部７
はモード切換部１０に指令信号を出力し、各角度センサ
Ａ〜Ｆの検出信号を水平引きモード演算部９に入力させ
る切換えを行う。この結果、油圧ショベルのフロント機
構３は自動的に水平引きモードにしたがって駆動される
。手順Ｓ１６の処理に次いで、油圧ショベルによる作業
が終了したか否かが電源ＯＦＦ等により判断され（手順
Ｓ１７）、終了していない場合、処理は再び手順Ｓ１１
に戻る。一方、手順Ｓ１５の比較において、角度φが値
φ００以上であると判断されると、モード切換演算部７
はモード切換部１０に指令信号を出力し、各角度センサ
Ａ〜Ｆの検出信号を通常モード演算部８に入力させる切
換えを行い（手順Ｓ１８）、その後手順Ｓ１７の判断を
行う。このように、本実施例では、バケット先端Ｔの予
想軌跡を演算し、その角度φが所定の値φ００未満のと
き、自動的に水平引きモードによる掘削を行うようにし
たので、油圧ショベルのオペレータは水平掘削を行うた
めの何等の手間も要せず、作業効率を向上させることが
できる。

【００１０】図４は本発明の第２の実施例に係る油圧シ
ョベル掘削制御装置のモード切換演算部のフローチャー
トである。本実施例では、図１に示す装置１１は使用せ
ず、さきの実施例（基本構成）のモード切換演算部７の
処理手順を変更するものである。即ち、本実施例では、
掘削が一旦水平引きモードに入った場合、通常掘削との
間のふらつきをなくし、確実に水平掘削を実行させる制
御を行う。図４で、図３に示す手順と同一手順には同一
符号が付してある。この演算例では、まず、フラグＦｒ
ｇを０とし（手順Ｓ２０）、手順Ｓ１１〜手順Ｓ１４の
処理を行う。手順Ｓ１４の処理の後、モード切換演算部
７ではフラグＦｒｇが０か否かが判断される（手順Ｓ２
１）。フラグＦｒｇが０の場合（水平引きモードにない
場合）、角度φがさきに説明した値φ００未満か否かが
判断され（手順Ｓ１５）、未満であればフラグＦｒｇを
１とし（手順Ｓ２２）、以後、手順Ｓ１６、手順Ｓ１７
の処理を行う。一方、手順Ｓ２１でフラグＦｒｇが１と
判断された場合（水平引きモードに入っている場合）、
角度φは値φ００より僅かに大きい値φ０１と比較され
（手順Ｓ２３）、角度φが値φ０１未満の場合には、手
順Ｓ１６の処理に移行し、そのまま水平引きモードを続
行する。手順Ｓ２３で、角度φが値φ０１以上と判断さ
れた場合には、フラグＦｒｇを０にして（手順Ｓ２４）
、通常モード演算部８への切換えを行う。 さらに、手順Ｓ１５で角度φが値φ００以上である（水
平掘削ではない）と判断された場合、処理は手順Ｓ２４
へ移行する。このように、フラグＦｒｇを用いて前回ま
でのモードを判断し、水平引きモードに入っていればこ
れを継続させるような処理を行うようにしたので、水平
掘削を行う場合、図３に示す処理に比較して、その確実
な実施が期待できる。

【００１１】次に、本発明の第３の実施例を説明する。 本実施例では、前記基本構成に加えて図１に示す装置１
１１が用いられる。装置１１１は傾斜角度センサであり
、おもりＧを有する。傾斜角度センサ１１１は油圧ショ
ベルの本体２の適宜個所に設置され油圧ショベルの傾斜
角度Φを検出し、これに比例した電気信号を出力する。 図５は上記第３の実施例のモード切換演算部７の動作を
説明するフローチャートである。本実施例のモード切換
演算部７の動作が、上記基本構成のモード切換演算部７
の動作と異なるのは、角度φとして傾斜角度Φを加算し
た点のみであり、その他の動作は、図３に示すフローチ
ャートの動作と同じである。即ち、図５で、図３に示す
手順と同一手順には同一符号が付してある。本実施例の
手順Ｓ３０は図３に示す手順Ｓ１４に相当し、値ｙの微
分値に傾斜角度Φを加算して予想軌跡の角度φとしてい
る。このように、本実施例では、油圧ショベルの傾斜角
度を考慮するようにしたので、さきの実施例の効果に加
え、傾斜地面における水平掘削作業も水平地面における
と同様に行うことができる。

【００１２】次に本発明の第４の実施例を説明する。本
実施例では、前記基本構成に加えて図１に示す装置１１
２が用いられる。装置１１２は水平引きモードに入らな
いようにするためのキャンセルスイッチである。図５は
この第４の実施例のモード切換演算部７の動作を説明す
るフローチャートである。本実施例のモード切換演算部
７の動作が、上記基本構成のモード切換演算部７の動作
と異なるのは、キャンセルスイッチ１１２がＯＮかＯＦ
Ｆかを判断する処理を付加した点のみであり、その他の
動作は、図３に示すフローチャートの動作と同じである
。即ち、図５で、図３に示す手順と同一手順には同一符
号が付してある。本実施例の手順Ｓ５０はキャンセルス
イッチ１１２がＯＮかＯＦＦかを判断する処理であり、
キャンセルスイッチ１１２がＯＮとなっている場合には
通常モード演算部への切換えを行う。又、キャンセルス
イッチ１１２がＯＦＦの場合には手順Ｓ１５の処理が実
行される。このように、本実施例では、水平掘削を行わ
ない場合、オペレータがキャンセルスイッチ１１２をＯ
Ｎとしておくことにより、必要としない水平引きモード
に入るのを避けることができる。

【００１３】次に、本発明の第５の実施例を説明する。 本実施例では、前記基本構成に加えて図１に示す装置１
１３が用いられる。装置１１３は法面引角度設定部であ
り、スイッチやボリューム摘みにより任意の法面引き角
度Ψを設定すると、これに応じた電気信号が出力される
。この法面引角度設定部１１３は油圧ショベルの本体２
の運転室内に設置されオペレータにより角度Ψが設定さ
れる。図５は上記第５の実施例のモード切換演算部７の
動作を説明するフローチャートである。本実施例のモー
ド切換演算部７の動作が、上記基本構成のモード切換演
算部７の動作と異なるのは、角度φとして法面引き角度
Ψを加算した点のみであり、その他の動作は、図３に示
すフローチャートの動作と同じである。即ち、図５で、
図３に示す手順と同一手順には同一符号が付してある。 本実施例の手順Ｓ６０は図３に示す手順Ｓ１４に相当し
、値ｙの微分値に法面引き角度Ψを加算して予想軌跡の
角度φとしている。このように、本実施例では、油圧シ
ョベルの法面引き角度を設定して角度φを補正するよう
にしたので、さきの実施例の効果に加え、水平引き以外
のどのような角度でもオペレータが指定したとおりの法
面引き作業を行うことができる。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、油圧シ
ョベルのバケット先端の予想軌跡の角度が所定角度未満
のとき、自動的に水平引きモード演算部による制御を行
うようにしたので、面倒な操作をすることなく、かつ、
作業効率を低下させることなく、水平掘削を行うことが
できる。又、一度水平引きモードに入った場合に、設定
された大きな所定角度を選定することにより、安定した
水平掘削を行うことができる。さらに、油圧ショベル本
体の傾斜角度を検出し、この傾斜角度を用いて予想軌跡
の角度を補正することにより、傾斜地面においても水平
掘削を行うことができる。又、スイッチを設けてそのＯ
Ｎ、ＯＦＦの判断を行わせることにより、水平掘削を行
わない場合にこのスイッチを使用して必要としない水平
引きモードに入るのを避けることができる。又、法面引
角度設定部を設けて任意の角度を設定することにより、
オペレータの意図する法面引き作業を自動的に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の実施例に係る油圧ショベルの掘削制御装
置のブロック図である。図２は図１に示すモード切換演
算部の演算式を示す図である。図３は図１に示すモード
切換演算部の動作を説明するフローチャートである。図
４は図１に示すモード切換演算部の動作を説明する第２
の実施例のフローチャートである。図５は図１に示すモ
ード切換演算部の動作を説明する第３の実施例のフロー
チャートである。図６は図１に示すモード切換演算部の
動作を説明する第４の実施例のフローチャートである。 図７は図１に示すモード切換演算部の動作を説明する第
５の実施例のフローチャートである。図８は油圧ショベ
ルの側面図である。

【符号の説明】

５　　操作レバー ６　　操作レバー ７　　モード切換演算部 ８　　通常モード演算部 ９　　水平引きモード演算部 １０　　モード切換部 １１１　　傾斜角度センサ １１２　　キャンセルスイッチ １１３　　法面引角度設定部 Ａ〜Ｆ　　角度センサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ブーム、アームおよびバケットの各構
   成要素より成るフロント機構を油圧ショベル本体に可回
   動に取付けるとともに、前記各構成要素のそれぞれの相
   対角度を検出する各角度センサと、前記各構成要素を駆
   動する各アクチュエータの各操作体の操作量を検出する
   各操作量センサと、前記各角度センサおよび前記各操作
   量センサの各検出値に基づいて前記各アクチュエータを
   駆動する指令値を演算する第１の演算部と、前記各検出
   値のうちの所要のものに基づいて前記フロント機構で水
   平掘削を行わせるための前記各アクチュエータを駆動す
   る指令値を演算する第２の演算部とを備えた油圧ショベ
   ルの掘削制御装置において、前記各検出値に基づいて前
   記バケットの先端の予想軌跡を演算する予想軌跡演算手
   段と、前記予想軌跡の水平面に対する角度が所定角度未
   満のとき前記第１の演算部への前記各検出値の入力を前
   記第２の演算部へ切換える切換手段とを設けたことを特
   徴とする油圧ショベルの掘削制御装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の油圧ショベルの掘削制
   御装置において、前記切換手段により前記第２の演算部
   への切換えが行われたとき、前記予想軌跡の水平面に対
   する角度と比較すべき角度を、前記所定角度より大きい
   他の設定角度としたことを特徴とする油圧ショベルの掘
   削制御装置。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の油圧ショベルの掘削制
   御装置において、前記本体の傾斜角度を検出する傾斜角
   度センサと、前記傾斜角度で前記予想軌跡の水平面に対
   する角度を補正する傾斜補正手段とを設けたことを特徴
   とする油圧ショベルの掘削制御装置。
4. 【請求項４】　　請求項１記載の油圧ショベルの掘削制
   御装置において、掘削法面の角度を設定する法面角度設
   定部と、この法面角度設定部で設定された角度で前記予
   想軌跡の水平面に対する角度を補正する法面角度補正手
   段とを設けたことを特徴とする油圧ショベルの掘削制御
   装置。
5. 【請求項５】　　請求項１記載の油圧ショベルの掘削制
   御装置において、前記第２の演算部への切換えを禁止す
   る水平掘削キャンセル手段を設けたことを特徴とする油
   圧ショベルの掘削制御装置。