JPH05280067A - パワーショベルの掘削制御装置 - Google Patents

パワーショベルの掘削制御装置

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Publication number
JPH05280067A
JPH05280067A JP7734692A JP7734692A JPH05280067A JP H05280067 A JPH05280067 A JP H05280067A JP 7734692 A JP7734692 A JP 7734692A JP 7734692 A JP7734692 A JP 7734692A JP H05280067 A JPH05280067 A JP H05280067A
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JP
Japan
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bucket
boom
arm
command value
rule
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Withdrawn
Application number
JP7734692A
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English (en)
Inventor
Shoji Tozawa
祥二 戸澤
Satoshi Fujii
藤井  敏
Makoto Samejima
誠 鮫島
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Caterpillar Japan Ltd
Original Assignee
Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH05280067A publication Critical patent/JPH05280067A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36Component parts
    • E02F3/42Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 熟練を要したパワーショベル掘削作業を自動
運転により未熟練オペレータでも実施できるようにす
る。 【構成】 熟練オペレータのノウハウに基づいてパワー
ショベルのブーム4、アーム5及びバケット6の移動速
度、バケット角度、バケット先端深さについてのメンバ
ーシップ関数及びブーム、アーム及びバケットを駆動す
る各シリンダ7、8、9に対する指令値についてのメン
バーシップ関数を求め、これらを制御ルールとして掘削
制御装置50の記憶装置53に格納する。自動運転時に
はブーム、アーム及びバケットの移動速度を入力とする
ルール群1、バケット角度を入力とするルール群2、バ
ケット先端位置を入力とするルール群3に関して各演算
手段54a,54b,54cでファジイ演算を行い、各
群ごとの演算結果を合成演算手段55により各シリンダ
に対する指令値に合成する合成演算を行ない、この演算
結果に基づいて各シリンダ7、8、9の伸縮を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はパワーショベルに関し、
特にパワーショベルによる掘削作業を自動化するための
制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の掘削制御装置の原理構成を図8に
示す。上記装置は、ブーム、アーム及びバケットの位置
の変化を検出する位置検出手段34と、該位置検出手段
34の出力を、前記ブーム、アーム及びバケットの移動
速度に変換する速度変換手段35と、複数のメンバーシ
ップ関数からなる複数の制御ルールを格納している記憶
手段36とを備えている。そして、前記速度変換手段3
5の出力及び該記憶手段36の制御ルールに基づき、前
記各シリンダ手段31,32,33に対する指令値を算
出する演算手段37と、該演算手段37の出力と前記位
置検出手段34の出力に基づき、前記各シリンダ手段3
1,32,33の伸縮を制御する制御手段38を備えて
いる。前記位置検出手段34は、前記各シリンダ手段3
1,32,33の伸縮量を測定する手段や前記アーム、
ブーム及びバケットの回転角度を測定する手段から構成
することができる。
【0003】前記記憶手段36に格納される制御ルール
は、ブーム、アーム及びバケットの移動速度についての
メンバーシップ関数からなる前件部と、各シリンダ手段
31,32,33に対する指令値についてのメンバーシ
ップ関数からなる後件部により構成される。前記演算手
段37は、前記速度変換手段35の出力及び該制御ルー
ルの前件部に基づき、それぞれの移動速度に対応するメ
ンバーシップ値の内の最小のものを選択し、該制御ルー
ルの後件部のメンバーシップ関数を当該最小メンバーシ
ップ値により補正し、該補正されたメンバーシップ関数
の重心位置を求め、更に各制御ルールについての該重心
位置の荷重平均を求めて、これらを前記制御手段38に
渡す指令値として出力するようにした手段である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の制御装置は、自
動的に掘削を行う手段として、掘削対象の土質に応じた
制御ルールのみを適用していた。しかし、上記制御ルー
ルのみでは掘削作業終了近傍におけるバケット巻き込み
操作が行えず、積極的にバケットに土を取り込むことが
できない。また、深い箇所の掘削を行う場合、熟練オペ
レータは、バケットを積極的に引上げながら掘削する
が、従来の制御ルールでは上記の掘削が行えないという
問題があった。
【0005】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、自動運転において
掘削対象の土質に応じた掘削作業を実施するだけでな
く、掘削作業終了近傍において土をバケットの中に積極
的に取込み、更に深い箇所の掘削作業にも対応した効率
的な掘削作業を実施することができるようにし、未熟練
オぺレータであっても熟練オペレータと同様の効率的な
掘削が行えるようにすることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によれば、ブーム、アームおよびバケットを順
次回動自在に連結し、該ブーム、アーム及びバケットを
シリンダ手段の伸縮によりそれぞれ回動する様にしたパ
ワーショベルを制御するために、前記ブーム、アーム及
びバケットの位置の変化を検出する位置検出手段と、前
記位置検出手段の出力を前記ブーム、アーム及びバケッ
トの移動速度に変換する速度変換手段とを有し、前記速
度変換手段の出力と複数個のメンバーシップ関数からな
る複数の制御ルールに基づいて、前記各シリンダ手段に
対する指令値を算出する様に構成されたパワーショベル
の掘削制御装置において、ブーム、アーム及びバケット
の移動速度についてのメンバーシップ関数からなる前件
部と各シリンダ手段に対する指令値についてのメンバー
シップ関数からなる後件部で構成するルール群1と、バ
ケットの角度についてのメンバーシップ関数からなる前
件部と各シリンダ手段に対する指令値についてのメンバ
ーシップ関数からなる後件部で構成するルール群2と、
バケット先端の深さについてのメンバーシップ関数から
なる前件部と各シリンダ手段に対する指令値についての
メンバーシップ関数からなる後件部で構成するルール群
3とを格納する記憶手段と、上記各群ごとの制御ルール
に基づき各シリンダ手段に対する指令値を算出し、更に
上記各群ごとの各指令値を各シリンダ手段に対する指令
値に合成する演算手段と、ブームの圧力によりバケット
の着地を判定し、更にバケットの先端位置と角度により
掘削終了を判定する判定手段とからなる制御部を有する
ことを特徴とする掘削制御装置が提供される。
【0007】
【作用】本発明はいわゆるファジイ理論をパワーショベ
ルの掘削作業時の自動運転制御に適用したものである。
【0008】一般に熟練オペレータが手動操作で掘削作
業を行う場合には、柔らかい土質の場合には比較的深く
掘削し、堅い土質の場合には比較的浅く掘削するように
している。また、1回の掘削の後半ではバケットを積極
的に巻き込み土を多く取込む操作をする。更に、深い掘
削を行う場合にはバケットを引上げながら掘削してい
る。
【0009】本発明は、このような熟練オペレータが経
験により体得したノウハウに基づいて、ブーム、アーム
及びバケットの移動速度、バケット角度、バケット先端
深さについてのメンバーシップ関数及びブーム、アーム
及びバケットを駆動する各シリンダ手段に対する指令値
についてのメンバーシップ関数をもとめ、これらを制御
ルールとして記憶手段53に格納する。
【0010】そして、自動運転時には、ブーム、アーム
及びバケットの移動速度を入力とするルール群1、バケ
ット角度を入力とするルール群2、バケット先端位置を
入力とするルール群3に関してファジイ演算が行われ、
更に上記各群ごとの演算結果である各指令値を各シリン
ダ手段に対する指令値に合成する合成演算を行う。この
演算結果に基づいて各シリンダ手段の伸縮を制御するよ
うにしているから、熟練オペレータが手動操作により掘
削を行うのと同様な動きを自動運転時にも実現すること
ができる。このように、本発明を適用することにより、
未熟練オペレータであっても、自動運転に切換えること
により、熟練オペレータと同様の掘削作業を行うことが
できるようになる。
【0011】
【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて詳述す
る。図1は本発明の制御装置の構成図をパワーショベル
の外観と合せて示したものであり、図8に示した従来技
術と同一の構成部分については同一の番号を付しその説
明は省略する。図2は記憶手段53に格納された各ルー
ル群の例を表の形で示したもの。図3は演算手段54に
使用するメンバーシップ関数の例、図4はルール群1の
演算手段54aにおいて行うファジイ演算の例、図6は
合成演算手段55の処理内容例を、図7を判定手段56
の処理内容例を示したものである。
【0012】図1において、下部走行体1上に上部旋回
体2が旋回自由に取付けられている。フロント部3はブ
ーム4、アーム5、バケット6を回動自在に連結して構
成されており、フロント部3の作動は全て油圧シリンダ
7、8、9により達成される。
【0013】ブーム4、アーム5及びバケット6を回動
駆動する各シリンダ7、8、9には、各シリンダ7、
8、9の伸縮量を検出する位置検出器21、22、23
が設けられている。また、ブームシリンダ7には、その
延び側、縮み側圧力を検出する圧力検出器24、25が
設けられている。
【0014】位置検出器21、22、23の出力、及び
上部旋回体2の回転角度を検出する回転角検出器10の
出力は、バケット位置算出手段52に入力される。バケ
ット位置算出手段52は、バケット角度算出手段52a
とバケット先端位置算出手段52bとで構成されてお
り、バケット角度算出手段52aの幾何学的な計算でバ
ケットの水平面に対する角度を算出し、バケット先端位
置算出手段52bの幾何学的な計算でバケット先端の位
置が計算される。
【0015】また、位置検出器21、22、23の出力
はそれぞれに対応して設けられた速度変換手段51に入
力される。速度変換手段51では、入力された位置情報
が速度情報に変換され、この速度情報は演算手段54の
内のルール群1用演算手段54aに入力される。バケッ
ト角度算出手段52aの出力は、ルール群2用演算手段
54bに入力され、バケット先端位置算出手段52bの
出力は、ルール群3用演算手段54cに入力される。
【0016】53は記憶手段(メモリ)であり、このメ
モリ53には図2に例として示す制御ルールが格納され
ている。図2は、次に示すようにif〜then〜、ル
ールを表形式で表したものである。 if(X is A) and (Y is B) then (P is C),(Q is D),(R
is E) 上記ルールは下記表1の通りに示される。
【0017】
【表1】
【0018】上記ルールにおいて、if〜部が前件部で
あり、then〜部が後件部である。また、Vbkはバ
ケット速度、Vamはアーム速度、phiはバケットの
水平面に対する角度、mxtipは各1回の掘削におけ
るバケット先端最大深さであり、dm_bkl,dm_
aml,dm_bmlはルール群1用演算手段54aか
ら出力されるバケット、アーム、ブーム指令、dm_b
k2,dm_am2,dm_bm2はルール群2用演算
手段54bから出力されるバケット、アーム、ブーム指
令、dm_bm3はルール群3用演算手段54cから出
力されるブーム指令である。尚、図5はバケット角度p
hi、バケット先端最大深さmxtipを示したもので
ある。
【0019】PBはPositive Big(正・
大)、PMはPositive Medium(正・
中)、PSはPositive small(正・
小)、ZOはZero(0)をそれぞれ示す。例えば、
ルール群1の最初のルールはバケット速度(Vbk)が
正で大(PB)且つアーム速度(Vam)が正で大なら
ば、バケット操作指令値(dm_bkl)は正で小さく
(PS)、アーム操作指令値(dm_aml)は正で大
きく(PB)、ブーム操作指令値(dm_bml)は0
(ZO)という意味である。これらのルールは具体的な
数値と結び付ける必要があり、そのためにメンバーシッ
プ関数が用いられる。メンバーシップ関数は図3(a)
及び(b)に示されているように、横軸にルール入力値
又は出力値を縦軸にその度合いを示すメンバーシップ値
をとり、上記のPB,PM,ZO等を表現した関数であ
る。
【0020】合成演算手段55は各演算手段54a,5
4b,54cから出力されるバケット、アーム、ブーム
に対する指令を合成し、上記アクチュエータに対し1種
類の指令値として出力する。上記指令値は判定手段56
に入力される。判定手段56は、バケットの着地判定、
掘削開始時の指令値出力、掘削中の指令値出力、掘削終
了の判定とその時の指令値出力を行う。
【0021】次に、本発明の作用を演算手段54、合成
演算手段55、判定手段56の処理内容を中心に示す。
まず、演算手段54の作用(処理内容)を具体的に示す
が、ここではルール群1用演算手段54aを例に、図4
を参照して示す。図4の左(ルールの前件部)におい
て、速度変換手段51からのバケットシリンダ速度に基
づいて対応するメンバーシップ関数(イ)の対応するメ
ンバーシップ値を求め、アームシリンダ速度に基づいて
対応するメンバーシップ関数(ロ)の対応するメンバー
シップ値を求める。次いで、これらの2つのメンバーシ
ップ値のうちの小さい方を選択する(Min演算)。
【0022】次いで、(ルールの後件部)の各メンバー
シップ関数((ハ)、(ニ)、(ホ)に点線で示されて
いる)を該小さい方のメンバーシップ値に基づいて補正
する(補正後のメンバーシップ関数は、(ハ)、
(ニ)、(ホ)に実線で示されている)。この補正後の
各メンバーシップ関数の重心位置を求め、ブーム、アー
ム及びバケットのそれぞれのシリンダに対する指令値と
これに対応するメンバーシップ値(度合い)を得る。こ
のような演算が全てのルール(1〜4)について行わ
れ、この演算により得た各ルールに対応する各指令値
(重心位置)及びメンバーシップ値(度合い)を下記数
1に示す演算式に入力し、ブーム、アーム及びバケット
に関する荷重平均を求める。
【0023】
【数1】
【0024】上記数1において、Jiはブーム、アーム
及びバケットの各シリンダを制御するために用いる操作
指令値、Pnはルールnにおけるメンバーシップ値(度
合い)、Jniはルールnにおける指令値(重心位置)
である。
【0025】図4では、バケットシリンダ速度が0.4
5、アームシリンダ速度が0.6と比較的堅い土を掘削
しているため、各速度が低くなっている例であるが、こ
の場合操作指令では、バケット、アーム操作を若干小さ
くしつつ、ブーム指令を約22%として負荷低減を図り
ながら掘削することを意味している。尚、ここでの各シ
リンダ速度は、それぞれの最大速度に対する比率で表し
ている。
【0026】ルール群2用演算手段54b、ルール群3
用演算手段54cに関しても、図2に示した制御ルール
と図3に示した上記ルールに対応したメンバーシップ関
数及び上述の処理方法によりバケット、アーム、ブーム
の各操作指令が出力される。
【0027】ルール群1用演算手段54aは、従来技術
で適用された土質に応じた制御ルールに関するものであ
る。
【0028】図2に示したルール群は、主にバケット巻
き込みによる土の取込みに関するルールであるが、バケ
ットの角度phiが大きいときは(PB)掘削の前半で
あるため、バケット操作(dm_bk2)を小さく(P
S)、アーム操作(dm_am2)を大きく(PB)
し、ブーム操作(dm_bm2)はゼロ(ZO)とする
が、phiが小さく(PS)なると、掘削の後半を意味
するため、積極的に巻き込み、土を取込む必要があり、
表に示すように、dm_bk2=“PB”dm_am2
=“PS”、dm_bm2=“PS”とする。
【0029】ルール群3は、バケットの深さに対するブ
ーム操作のルールである。バケット先端が深い(PB)
とき、ブームを引上げるためブーム操作(dm_bm
3)を与え(PS)、バケット先端が浅い(PS)のと
き、ブーム操作は行わないでdm_bm3=“ZO”と
する。オペレータは、深い掘削を行うとき、ブームを上
げながら(バケットを引上げながら)掘削する操作を行
うが、上記ルール群3でオペレータの操作を再現するこ
とが可能となる。
【0030】ルール群1用演算手段54aから出力され
る指令値(バケット、アーム、ブームへの指令:dm_
bkl,dm_am1,dm_bml)、ルール群2用
演算手段54bから出力される指令値(バケット、アー
ム、ブーム指令:dm_bk2,dm_am2,dm_
bm2)、ルール群3用演算手段54cから出力される
指令値(ブーム指令:dm_bm3)は、合成演算手段
55に入力され、各アクチュエータに対する指令値に合
成される。
【0031】次に、上記合成演算手段55の処理例を示
し、その作用を説明する。図6中、(a) は合成演算手段
の処理内容(数式)を、(b) は上記数式に使用している
バケット角度phiに関する重み関数γを示している。
上記重み関数により、掘削開始より掘削終了の過程にお
いて、ルール群1よりルール群2へ出力を推移させるこ
とができる。即ち、バケット刃先角phi≧θ 2 の場合
(γ=0の場合)、ルール群1の出力値を、phi≦θ
1 の場合(γ=1の場合)、ルール群2の出力値を完全
適用する様に推移する。ブーム指令計算式中、のMAX
(dm_bml,dm_bm3)とは、深い掘削の場
合、負荷が小さくとも(ルール群1の出力が小さくと
も)、積極的にブームを上げる(ルール群3の出力を適
用することが可能となる)ことを意味している。
【0032】ブーム、アーム及びバケットの各シリンダ
についての最終的な操作指令値は判定手段56に入力さ
れる。また、上記判定手段56には、ブームシリンダの
伸び側圧力検出器24、縮み側圧力検出器25の信号、
バケット位置算出手段52からの出力(バケット先端位
置)が入力される。また、判定手段56には更にコンソ
ール(入力手段)57を用いて掘削作業の開始位置が入
力される。
【0033】判定手段56による処理は図7に示される
ような手順により実行される。即ち、オペレータにより
掘削開始位置Psが入力され(ステップ401)、自動
運転開始の指示があったならば(ステップ402)、バ
ケット先端位置算出手段52により算出される現在のバ
ケット先端位置Pを掘削開始位置Psへ移動する(ステ
ップ403)。更に、バケットが掘削地面に着地したか
どうかをブームシリンダの伸び側圧力検出器24の検出
圧P1、縮み圧側圧力検出器25の検出圧P2で判断す
る。即ち、P1<P2のときバケットが着地したと判断
する(ステップ404)。次に、バケット着地後Δt秒
間アーム、バケットに初速度を与えるために、アーム、
バケットに初期指令値を出力する。バケット着地後Δt
秒をこえると、合成演算手段55からの操作指令値に基
づいて各シリンダを駆動するシリンダ駆動手段(図示せ
ず)に対して該操作指令値を出力する(ステップ40
7)。この操作指令値に基づいて各シリンダ駆動手段に
より各シリンダに油圧の供給がなされる。次に、バケッ
ト先端位置算出手段52bから現在のバケット先端位置
Pを受取り(ステップ408)、該バケット先端位置P
が地表面より上にきたかどうかを判定し(ステップ40
9)、地表面より下である場合にはステップ407に戻
り操作指令値の出力を繰返す。ステップ409において
現在のバケット先端位置Pが地表面より上にきた場合、
従来の軌跡制御と同様の制御によりバケット6が土をこ
ぼさないように所定の位置に移動され、排土が行われ
(ステップ410)、ステップ401に戻る。
【0034】上述したように本実施例によれば、ブー
ム、アーム及びバケットの移動速度を入力とするルール
群1、バケット角度を入力とするルール群2、バケット
先端位置を入力とするルール群3に関してファジイ演算
が行われ、更に上記各群ごとの演算結果である各指令値
を各シリンダ手段に対する指令値に合成する合成演算を
行い、この演算結果に基づいて各シリンダ手段7、8、
9の伸縮を制御するようにしているから、熟練オペレー
タが手動操作により掘削を行うのと同様な動きを自動運
転時にも実現することができ、土質、掘削深さに応じた
効率的な掘削を行うことができる。
【0035】尚、上述した実施例においては、位置検出
手段として各シリンダの伸縮量を検出する位置検出器2
1、22、23を用いているが、本発明はもちろんこれ
に限定されているものではなく、ブーム4、アーム5及
びバケット6の回転角度を検出する回転角検出器を用い
てその位置を検出することができる。
【0036】
【発明の効果】本発明は以上詳述したように構成したの
で、掘削作業を自動で行う場合においても、熟練オペレ
ータが手動操作により行う、土質、掘削深さに応じた掘
削、更には掘削後半でバケットを積極的に巻き込み土を
取り込む掘削作業を実施することが可能となり、熟練オ
ペレータに依らなくても高効率的な掘削作業が行えるよ
うになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるパワーショベルの掘削制御装置の
一実施例の構成図。
【図2】本発明制御装置に適用する制御ルールの例を示
した図。
【図3】本発明制御装置における演算手段に使用するメ
ンバーシップ関数の一例を示した図。
【図4】本発明制御装置におけるファジイ演算の一例を
示した図。
【図5】バケット角度及びバケット先端最大深さを示し
たパワーショベルの側面図。
【図6】本発明制御装置における合成演算手段の処理内
容を示した図。
【図7】本発明制御装置における判定手段の処理内容を
示したフローチャート。
【図8】従来の掘削制御装置の構成を示すブロックダイ
ヤグラム。
【符号の説明】 4 ブーム 5 アーム 6 バケット 7,8,9 シリンダ手段 21,22,23 位置検出手段 50 制御装置 51 速度変換手段 52 バケット位置算出手段 52a バケット角度算出手段 52b バケット先端位置算出手段 53 記憶手段 54 演算手段 54a ルール群1用演算手段 54b ルール群2用演算手段 54c ルール群3用演算手段 55 合成演算手段 56 判定手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ブーム、アーム及びバケットを順次回動
    自在に連結し、該ブーム、アーム及びバケットをシリン
    ダ手段の伸縮によりそれぞれ回動する様にしたパワーシ
    ョベルを制御するために、前記ブーム、アーム及びバケ
    ットの位置の変化を検出する位置検出手段と、前記位置
    検出手段の出力を前記ブーム、アーム及びバケットの移
    動速度に変換する速度変換手段とを有し、前記速度変換
    手段の出力と複数個のメンバーシップ関数からなる複数
    の制御ルールに基づいて、前記各シリンダ手段に対する
    指令値を算出する様に構成されたパワーショベルの掘削
    制御装置において、ブーム、アーム及びバケットの移動
    速度についてのメンバーシップ関数からなる前件部と各
    シリンダ手段に対する指令値についてのメンバーシップ
    関数からなる後件部で構成するルール群1と、バケット
    の角度についてのメンバーシップ関数からなる前件部と
    各シリンダ手段に対する指令値についてのメンバーシッ
    プ関数からなる後件部で構成するルール群2と、バケッ
    ト先端の深さについてのメンバーシップ関数からなる前
    件部と各シリンダ手段に対する指令値についてのメンバ
    ーシップ関数からなる後件部で構成するルール群3とを
    格納する記憶手段と、上記各群ごとの制御ルールに基づ
    き各シリンダ手段に対する指令値を算出し、更に上記各
    群ごとの各指令値を各シリンダ手段に対する指令値に合
    成する演算手段と、ブームの圧力によりバケットの着地
    を判定し、更にバケットの先端位置と角度により掘削終
    了を判定する判定手段とからなる制御部を有することを
    特徴とする掘削制御装置。
JP7734692A 1992-03-31 1992-03-31 パワーショベルの掘削制御装置 Withdrawn JPH05280067A (ja)

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