JPH10219729A

JPH10219729A - 建設機械のフロント制御装置

Info

Publication number: JPH10219729A
Application number: JP2065397A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Fujishima; 一雄藤島
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-08-18
Anticipated expiration: 2017-02-03
Also published as: JP3682352B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ボタン操作なしでダイレクトティーチを行える
ようにし、所望の掘削領域を簡単に設定できる建設機械
のフロント制御装置を提供することにある。【解決手段】アーム用操作レバー装置４ｂを操作して、
アームクラウド動作を行わせることにより、制御ユニッ
ト９は、このアームクラウド動作の開始時のバケット刃
先の位置で、ダーレクトティーチングによる掘削領域の
設定を行うようにしているので、ボタン操作なしでダイ
レクトティーチを行えるようにし、所望の掘削領域を簡
単に設定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多関節型のフロン
ト装置を備えた建設機械、特にアーム，ブーム，バケッ
ト等のフロント部材からなるフロント装置を備えた油圧
ショベル等の建設機械において、フロント装置の動き得
る領域を制限した掘削を行う領域制限掘削制御等のフロ
ント制御を行うフロント制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】建設機械の代表例として、油圧ショベル
がある。油圧ショベルにおいては、フロント装置を構成
するブーム，アームなどのフロント部材の操作は、オペ
レータが、それぞれの手動操作レバーを操作することに
よって行われる。これらフロント部材は、それぞれが関
節部によって連結され、回動運動を行うものであるた
め、これらフロント部材を操作して所定の領域を掘削し
たり、所定の平面を掘削することは、非常に困難な作業
である。

【０００３】そこで、掘削作業を容易にするための種々
の提案がなされている。例えば、特開平４−１３６３２
４号公報に記載されている方法では、侵入不可領域の手
前に減速領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、
バケットが減速領域に侵入すると、操作レバーの操作信
号を小さくしてフロント装置を減速し、バケットが侵入
不可領域の境界に達すると停止するようにしている。

【０００４】また、国際公開公報ＷＯ９５／３００５９
号公報に記載されている方法では、掘削可能領域を設定
し、フロント装置の一部，例えば、バケットが掘削可能
領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方
向の動きのみを減速し、バケットが掘削可能領域の境界
に達すると、バケットは掘削可能領域の外には出ないが
掘削可能領域の境界に沿っては動けるようにしている。

【０００５】侵入不可領域若しくは掘削可能領域の設定
の方法としては、数値入力設定方法と、ダイレクトティ
ーチ方法とが知られている。数値入力設定方法は、例え
ば、特開平４−１３６３２４号公報の第１０図に示され
るように、数値入力キーを用いて必要な数値を入力し、
領域を設定する方法である。数値入力設定方法は、油圧
ショベルのある地面上から何ｍの深さだけ掘削するとい
う指定がある場合等のように、予め掘削可能領域を実際
の数値で設定できる場合に便利な方法である。

【０００６】一方、ダイレクトティーチ方法は、例え
ば、特開平４−１３６３２４号公報の第５図や国際公開
公報ＷＯ９５／３００５９号公報に示されるように、オ
ペレータが、バケットの刃先を目標境界線上に持ってい
き、スイッチを押して領域を設定する方法である。ダイ
レクトティーチ方法は、掘削を行う範囲が特に図面等に
よって数字で規定されていないようなラフな掘削を行う
作業現場において、おおざっぱに均し作業を行う場合等
に便利な方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ダイレクト
ティーチによって領域を設定する場合、油圧ショベルが
水平な地面上に位置し、その位置にとどまって作業する
ならば、一旦掘削領域を設定すれば再度掘削領域を設定
しなくても少しずつ油圧ショベルを旋回させて一定の深
さまでショベルまわりの掘削を行うことが可能である。
しかし、多少なりとも油圧ショベルが傾いた状態で位置
しているときは、掘削領域の設定は油圧ショベルの車体
基準で行われているため、旋回していくうちに設定面が
上下方向に変化し、一定の深さに掘削するためには、再
度領域を設定する必要が生じる。また、走行することに
よって油圧ショベルの設置場所の高さが変わった場合
も、同様にその度に掘削領域を再設定する必要が生じ
る。

【０００８】掘削領域の再設定は、設定済みの掘削領域
を解除するボタン操作と、新たな掘削領域を設定するボ
タン操作の２回のボタン操作が必要であり、上記のよう
に旋回の都度又は設置場所が変わる都度このようなボタ
ン操作による再設定操作を行うことは極めて面倒であ
る。

【０００９】本発明の目的は、ボタン操作なしでダイレ
クトティーチを行えるようにし、所望の掘削領域を簡単
に設定できる建設機械のフロント制御装置を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、上下方向に回動可能な複数のフロント
部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記
複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエー
タと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動
され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油
の流量を制御する複数の油圧制御弁とを有する建設機械
に備えられ、前記フロント装置は予め設定した掘削領域
内で動くよう前記操作信号を補正し、前記フロント装置
の動作を制御する建設機械のフロント制御装置におい
て、前記複数の操作レバー手段からの操作信号の内の特
定の操作信号が、予め設定された値を越えると、その時
のフロント装置の所定の部位の位置によりダイレクトテ
ィーチを行い、前記掘削領域を設定し、その後前記特定
の操作信号が前記設定値より小さくなると、前記ダイレ
クトティーチによる設定を解除する領域設定手段を備え
るものとする。このように操作レバー手段の操作信号に
基づいて、掘削領域の設定を行うようにしているので、
ボタン操作なしでダイレクトティーチを行え、所望の掘
削領域を簡単に設定できる。

【００１１】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記領域設定手段は、前記特定の操作信号としてアーム
のアームクラウドの操作信号を検出し前記掘削領域の設
定を行うものとする。このように、アームクラウド動作
に基づいて、掘削領域の設定を行うようにしているの
で、ボタン操作なしでダイレクトティーチを行え、所望
の掘削領域を簡単に設定できる。

【００１２】（３）上記（１）において、好ましくは、
前記領域設定手段は、前記特定の操作信号としてアーム
のアームダンプの操作信号を検出し前記掘削領域の設定
を行うものとする。このように、アームダンプ動作に基
づいて、掘削領域の設定を行うようにしているので、ボ
タン操作なしでダイレクトティーチを行え、所望の掘削
領域を簡単に設定できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を油圧ショベルに適
用した場合の実施形態を、図面を用いて説明する。ま
ず、本発明の第１の実施形態による油圧ショベルのフロ
ント制御装置を図１〜図１２により説明する。

【００１４】図１において、本発明が適用される油圧シ
ョベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧
油により駆動されるブームシリンダ３ａ，アームシリン
ダ３ｂ，バケットシリンダ３ｃ，旋回モータ３ｄ及び左
右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエ
ータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞ
れに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４
ｆと、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油
の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧
ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以
上になった場合に開くリリーフ弁６とを有している。

【００１５】本実施形態では、操作レバー４ａ〜４ｆは
操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置であ
り、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット圧に
変換する電気油圧変換手段，例えば比例電磁弁を両端に
備えた電気・油圧操作方式の弁である。

【００１６】また、操作レバー装置４ａ〜４ｄについて
は、ブーム，アーム，バケット，旋回に対応して別々の
符号を付したが、実際には、ブーム用操作レバー装置４
ａとバケット用操作レバー装置４ｃ、アーム用操作レバ
ー装置４ｂと旋回用操作レバー装置４ｄは、それぞれ、
１つの操作レバー装置を共用する構成とされ、この１つ
の操作レバーを二次元的に動かすことにより、それぞれ
の操作信号を出力するものである。

【００１７】油圧ショベルは、図２に示すように、垂直
方向にそれぞれ回動するブーム１ａ，アーム１ｂ及びバ
ケット１ｃから成る多関節型のフロント装置１Ａと、上
部旋回対１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで
構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部
旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ，アー
ム１ｂ，バケット１ｃ，上部旋回体１ｄ及び下部走行体
１ｅは、それぞれ、図１に示したブームシリンダ３ａ，
アームシリンダ３ｂ，バケットシリンダ３ｃ，旋回モー
タ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆによりそれぞれ
駆動され、それらの動作は、図１に示した操作レバー装
置４ａ〜４ｆにより指示される。また、上部旋回体１ｄ
には運転室１ｆが設けられ、操作レバー装置４ａ〜４ｆ
はこの運転室１ｆ内に配置される。

【００１８】以上のような油圧ショベルに本実施形態に
よるフロント制御装置が設けられている。このフロント
制御装置は、領域制限掘削制御の開始や、当該制御にお
ける掘削領域の設定を指示する設定器７と、ブーム１
ａ，アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点
に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状
態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８
ａ，８ｂ，８ｃと、ブーム操作レバー装置４ａに備えら
れた力検出センサ１０と、操作レバー装置４ａ〜４ｆか
らの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4f、設定器７の信号、力検出セン
サ１０の検出信号を入力し、流量制御弁５ａ〜５ｆに駆
動信号（電気信号）を出力する制御ユニット９とを備え
ている。

【００１９】設定器７は、図３に示すように、領域制限
掘削制御の開始を指示する制御開始スイッチ７ａと、ダ
イレクトティーチによる掘削領域の設定を指示するダイ
レクト設定スイッチ７ｂと、数値入力による掘削領域の
設定を指示する数値設定スイッチ７ｃと、アームクラウ
ド動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域
の設定を指示し、アームクラウド動作の停止により掘削
領域の設定を解除するためのアームクラウド設定スイッ
チ７ｄと、表示画面７ｅとを備えている。

【００２０】制御開始スイッチ７ａを押すと、通常モー
ドから領域制限掘削制御モードへ切り換える制御開始信
号が制御ユニット９に出力され、掘削領域の設定及び領
域制限掘削制御を可能にする。また、スイッチ７ａの右
上のランプが点灯し、掘削制限制御モードにあることを
オペレータに知らせる。

【００２１】ダイレクト設定スイッチ７ｂを押すと、ダ
イレクトティーチ設定信号が制御ユニット９に出力さ
れ、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位、例え
ば、バケット１ｃの先端位置で、掘削領域が設定され
る。また、スイッチ７ｂの右上のランプが点灯し、ダイ
レクトティーチによる設定モードにあることをオペレー
タに知らせる。数値設定スイッチ７ｃを押すと、表示画
面７ｅ上に数値が表示され、かつ、スイッチ７ｃの右上
のランプが点灯する。また、表示画面７ｅに表示された
数値が数値入力設定信号として制御ユニット９に出力さ
れ、数値により掘削領域が設定される。数値設定スイッ
チ７ｃはアップとダウンの２つのボタンからなり、２つ
のボタンのいずれを押すことにより設定される数値を増
減する。

【００２２】アームクラウド設定スイッチ７ｄを押す
と、設定モード切換え信号が制御ユニット９に出力さ
れ、アームクラウド動作の開始により、そのときのフロ
ント装置１Ａの所定の部位，例えば、バケット１ｃの先
端で、ダイレクトティーチによる掘削領域が設定され
る。また、スイッチ７ｄの右上のランプが点灯する。ア
ームクラウド設定モードの詳細については、図６を用い
て後述する。

【００２３】制御ユニット９は、設定器７の制御開始ス
イッチ７ａが押されていないときは、操作レバー装置４
ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4fに応じた駆動信号
（電気信号）を生成し、これを流量制御弁５ａ〜５ｆに
出力し、設定器７の制御開始スイッチ７ａが押される
と、設定器７のダイレクト設定スイッチ７ｂ，数値設定
スイッチ７ｃ又はアームクラウド設定スイッチ７ｄから
の設定信号により、バケット１ｃの先端が動き得る掘削
領域を設定可能とすると共に、操作レバー装置４ａ，４
ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに対し領域制限掘削制御の
ための補正を行い、その補正した操作信号に応じた駆動
信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。

【００２４】以下、図４〜図１２を用いて、制御ユニッ
ト９の操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに係わる部分の機能の詳細に
ついて説明する。制御ユニット９は、図４に示すよう
に、領域設定部９０と領域制限掘削制御部９２の各機能
を有している。領域設定部９０は、設定器７からの指示
でバケット１ｃの先端が動き得る掘削制限領域の設定演
算を行うものであり、通常設定モードの領域設定演算部
９０ａと、アームクラウド設定モードの領域設定演算部
９０ｂと、設定モード切換え部９０ｃの各機能から構成
されている。領域制限掘削制御部９２は、領域設定部９
０において設定演算された掘削領域内にバケット１ｃの
先端の動きを制限するように、バケット１ｃの動きを制
御するものである。領域制限掘削制御部９２は、制御切
換部９２ａと、フロント姿勢演算部９２ｂと、減速・復
元制御用補正操作信号演算部９２ｃと、バルブ指令演算
部９２ｄとの各機能から構成されている。

【００２５】最初に、領域設定部９０の通常設定モード
の領域設定演算部９０ａの領域設定機能及び領域制限掘
削制御部９２のフロント姿勢演算部９２ｂの姿勢演算機
能について説明する。なお、本実施形態は、図５に示し
たＸ軸に平行に掘削制限領域を設定するものである。領
域設定部９０の通常設定モードの領域設定演算部９０ａ
は、制御開始スイッチ７ａがＯＮして（押されて）制御
開始信号が入力すると、掘削可能領域の境界Ｌの初期値
として、バケットが届かないくらい深い位置の値を設定
する。これにより、制御開始スイッチ７ａをＯＮした直
後では、フロント装置１Ａはそれが動作し得る範囲で自
由に動くことができ、その動作範囲内でダイレクトティ
ーチ若しくは数値入力設定により掘削可能領域を自由に
設定することができる。一例として、初期値はＹ＝−２
０ｍとしておく。

【００２６】一方、領域制限掘削制御部９２の中のフロ
ント姿勢演算部９２ｂは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出
したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角に
基づいてフロント装置１Ａのバケットの爪先（先端）の
位置を計算する。

【００２７】すなわち、制御ユニット９の記憶装置に
は、図５に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの
各部寸法が記憶されており、フロント姿勢演算部９２ｂ
ではこれらのデータと、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで
検出した回動角α，β，γの各値を用いてバケット先端
の位置を計算する。このとき先端の位置は、例えばブー
ム１ａの回動支点を原点としたＸＹ座標系の座標値
（Ｘ，Ｙ）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定
した垂直面内にある直行座標系である。ブーム１ａの回
動支点とアーム１ｂの回動支点との距離をＬ₁、アーム
１ｂの回動支点とバケット１ｃの回動支点の距離を
Ｌ₂、バケット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端と
の距離をＬ₃とすれば、回動角α，β，γからＸＹ座標
系の座標値（Ｘ，Ｙ）は、下記の式より求まる。Ｘ＝Ｌ₁ｓｉｎα＋Ｌ₂ｓｉｎ（α+β）＋Ｌ₃ｓｉｎ（α
＋β＋γ）Ｙ＝Ｌ₁ｃｏｓα＋Ｌ₂ｃｏｎ（α+β）＋Ｌ₃ｃｏｓ（α
＋β＋γ）通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、ダイレクト
設定スイッチ７ｂからの指示で、ダイレクトティーチに
より、フロント姿勢演算部９２ｂの上記データを利用し
てバケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を
行う。即ち、図５において、オペレータの操作レバー装
置の操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かし
た後、ダイレクト設定スイッチ７ｂを押す。通常設定モ
ードの領域設定演算部９０ａは、このダイレクト設定ス
イッチ７ｂから設定信号により、その時のフロント姿勢
演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値
Ｙ＝Ｙ1を用いて、設定値＝Ｙ座標値Ｙ1 と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。

【００２８】また、設定器７のダイレクト設定スイッチ
７ｂをもう１度押すと上記のダイレクトティーチによる
設定が解除され、初期値にリセットされる。

【００２９】一方、設定器７の数値設定スイッチ７ｃが
押されると、通常設定モードの領域設定演算部９０ａ
は、数値設定スイッチ７ｃによって設定された数値入力
により、バケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の
設定を行う。

【００３０】次に、アームクラウド設定モードの領域設
定演算部９０ｂの領域設定機能について説明する。

【００３１】アームクラウド設定モードの領域設定演算
部９０ｂは、図３に示したアームクラウド設定スイッチ
７ｄが押されてアームクラウド設定モードが選択されて
いる場合に、図５に示すように、オペレータのブーム下
げ操作でバケット１ｃの先端を点Ｐ1の位置に動かし、
この状態でアーム用操作レバー装置４ｂを操作してアー
ムクラウド動作をさせると、ダイレクトティーチによ
り、このアームクラウド動作をさせた時のバケット１ｃ
の先端の位置を掘削可能領域の境界として設定する。

【００３２】アームクラウド操作をすると、アームクラ
ウドの操作信号Ｓ4cが上昇し、予め設定された基準操作
信号Ｓ4coとなる。アームクラウド設定モードの領域設
定演算部９０ｂは、アームクラウドの操作信号Ｓ4cがＳ
4coを越えたなら、そのときのバケット１ｃの先端位置
Ｐ１を計算し、Ｐ１のｚ座標値を掘削制限領域とする。

【００３３】先端位置Ｐ１の計算方法は、図５を用いて
説明したとおりであり、フロント姿勢演算部９２ｂが、
角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１
ｂ，バケット１ｃの回動角からフロント装置１Ａの位置
と姿勢を演算した結果を用いて、アームクラウド操作が
行われた時のバケット１ｃの先端Ｐ１のＹ座標値の値Ｙ
＝Ｙ1を用いて、設定値＝Ｙ座標値Ｙ１と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。

【００３４】ここで、アームクラウド設定モードの領域
設定演算部９０ｂの演算処理機能について、図６のフロ
ーチャートを用いて説明する。

【００３５】ステップ０１０において、予め設定してお
いた内部のカウンタを「０」に初期設定する。

【００３６】次にステップ０２０において、アームクラ
ウドの操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号
Ｓ4coより大きいか否かを判断する。ここで、基準操作
信号Ｓ4coは、アームクラウド操作信号Ｓ4cを徐々に上
げていき、アーム１ｂがアームクラウド動作を始める直
前の操作信号を設定する。操作信号Ｓ4cが予め設定して
おいた基準操作信号Ｓ4coより大きい場合は、アームク
ラウド動作が行われたものと判断して、ステップ０３０
において、カウンタを１つインクリメントする。操作信
号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより小
さくなった場合は、アームクラウド動作が停止したもの
と判断して、ステップ０８０において、掘削領域の境界
の直線式をＹ＝−２０ｍとする。

【００３７】ステップ０４０において、カウンタが
「１」か否かを判断する。アームクラウド動作を開始し
た時は、カウンタは「１」であるため、ステップ０５０
において、前述したようにバケット１ｃの先端のＹ座標
より掘削領域の設定を行う。即ち、アームクラウド動作
を開始して、カウンタが「１」となった時に、その時の
バケット１ｃの先端の位置Ｐ１を用いて、掘削領域を設
定する。

【００３８】アームクラウド動作が継続している場合に
は、後述する処理によってカウンタは「２」となってお
り、ステップ０６０において、カウンタが「２」以上か
判断する。アームクラウド動作を開始した時は、カウン
タは「１」であるため、ステップ０２０に戻る。アーム
クラウド動作が継続している場合には、後述する処理に
よってカウンタは「２」となっており、ステップ０７０
において、カウンタに「２」をセットする。

【００３９】ここで、アームクラウド動作が継続してい
る場合について説明する。カウンタは「１」となってお
り、アームクラウド動作が継続している場合には、ステ
ップ０３０に進み、カウンタを１つインクリメントし
て、「２」となり、ステップ０４０の判断処理により、
ステップ０６０に進む。ステップ０６０において、カウ
ンタは「２」であるため、ステップ０７０において、領
域設定演算部９０ｂは、カウンタに「２」をセットし
て、ステップ０１０に戻る。

【００４０】さらに、アームクラウド動作が継続してい
る場合には、ステップ０２０からステップ０３０に進
み、カウンタがインクリメントされて、「３」になる。
そして、ステップ０４０からステップ０６０を経て、ス
テップ０７０において、カウンタが「２」にセットされ
る。即ち、カウンタは、アームクラウド動作の開始時は
「１」であり、アームクラウド動作が継続している間は
「２」に保持されている。

【００４１】そして、アームクラウド動作が停止する
と、ステップ０２０において、アームクラウドの操作信
号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより小
さくなり、アームクラウド動作が停止したものと判断し
て、ステップ０８０に進む。

【００４２】ステップ０８０において、掘削領域の境界
の直線式をＹ＝−２０ｍとし、初期値に戻した上で、ス
テップ０１０に戻る。ステップ０８０の処理によって、
アームクラウド設定モードで設定された設定値が解除さ
れる。

【００４３】さらに、ステップ０１０において、カウン
タを「０」に初期設定するため、次にアームクラウド動
作に備えることになる。

【００４４】以上のようにして、ブーム下げ操作により
バケットを下げ、その後、アームクラウド動作を行うこ
とにより、その時のバケット先端座標を用いてダイレク
トティーチにより掘削領域を設定し、以後その設定値で
領域制限掘削が行われる。そして、アームクラウド動作
が止まれば、カウンタが「０」にリセットされるので、
再びアームクラウド動作を行うことにより、掘削領域が
再設定される。

【００４５】設定モード切換え部９０ｃは、アームクラ
ウド設定スイッチ７ｄの状態に応じて、通常モードの領
域設定演算部９０ａとアームクラウド設定モードの領域
設定演算部９０ｂを切り換えることにより、設定モード
を切り換える。

【００４６】次に、領域制限掘削制御部９２の全体の制
御機能について、図７に示すフローチャートを用いて説
明する。図中、ステップ１００，１１０は、制御切換部
９２ａの機能であり、ステップ１１５，１２０は、フロ
ント姿勢演算部９２ｂの機能であり、ステップ１２５〜
１５０は、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃ
の機能であり、ステップ１５５は、バルブ指令演算部９
２ｄの機能である。

【００４７】ステップ１００において、操作レバー装置
４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを入力する。

【００４８】次いで、ステップ１１０において、制御開
始スイッチ７ａがＯＮか否かに応じて制御方法を切り換
える。制御開始スイッチ７ａがＯＦＦの場合には、ステ
ップ１５５において、図４に示した操作レバー装置４
ａ，４ｂからの操作信号に応じた駆動信号を生成し、流
量制御弁５ａ，５ｂに出力する。これにより、操作レバ
ー装置４ａ，４ｂの操作量に応じた通常の掘削作業が行
こなわれる。

【００４９】制御開始スイッチ７ａがＯＮの場合には、
ステップ１１０〜１５０に進み、操作レバー装置４ａ，
４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを補正する。

【００５０】以下、ステップ１１５〜１５０の処理内容
について説明する。ステップ１１５において、フロント
姿勢演算部９２ｂに、角度検出器８ａ〜８ｃで検出した
ブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角を入力
する。

【００５１】ステップ１２０において、検出した回動角
α，β，γと予め入力してあるフロント装置１Ａの各部
寸法とに基づき、フロント装置１Ａの所定部位の位置、
例えばバケット１ｃの先端位置を計算する。このときの
計算は、上述した掘削領域の設定時におけるバケット先
端位置の計算と同じであり、この場合も、バケット先端
の位置はＸＹ座標系の値として求める。

【００５２】次に、ステップ１２５において、フロント
装置１Ａ用の操作レバー装置，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ
4bが指令するバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶ
ｃを計算する。ここで、操作レバー装置４ａ，４ｂの操
作信号Ｓ4a，Ｓ4bと流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量と
の関係及びフロント装置１Ａの各部寸法を制御ユニット
９の記憶装置に予め記憶しておき、操作レバー装置４
ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bから対応する流量制御弁
５ａ，５ｂの供給流量を求め、この供給流量の値から油
圧シリンダ３ａ，３ｂの目標駆動速度を求め、この目標
駆動速度とフロント装置１Ａの各部寸法を用いてバケッ
ト先端の目標速度ベクトルＶｃを演算する。そして、目
標速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行な方向のベ
クトル成分Ｖｃｘと垂直な方向のベクトル成分Ｖｃｙを
求める。ここで、目標速度ベクトルＶｃのＸ座標成分Ｖ
ｃｘは、目標速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行
な方向のベクトル成分となり、Ｙ座標成分Ｖｃｙは目標
速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に垂直な方向のベク
トル成分となる。

【００５３】次に、ステップ１３０において、バケット
１ｃの先端が上記のように設定した図８に示すような設
定領域内の境界近傍の領域である減速領域にある場合に
あるか否かを判定し、減速領域にある場合には、ステッ
プ１３５に進みフロント装置１Ａの減速を行うよう目標
速度ベクトルＶｃを補正し、減速領域にない時には、ス
テップ１４０に進む。

【００５４】ここで、ステップ１３０における減速領域
にあるか否かの判定及びステップ１３５における減速領
域での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図９及び
図１０を用いて説明する。

【００５５】制御ユニット９の記憶装置には、図８に示
すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離
Ｄ１と減速ベクトル計数ｈとの関係が記憶されている。
この距離Ｄ１と計数ｈとの関係は、距離Ｄ１が距離Ｙa1
よりも大きいときはｈ＝０であり、Ｄ１がＹa1よりも小
さくなると、距離Ｄ１が減少するにしたがって減速ベク
トル計数ｈが増大し、距離Ｄ１＝０でｈ＝１となるよう
に設定されている。ここで、設定領域の境界から距離Ｙ
a1の範囲が減速領域に相当する。

【００５６】ステップ１３０では、ステップ１２０で得
たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ
１を計算し、このＤ１が距離Ｙa1より小さくなると、減
速領域に侵入したと判定する。

【００５７】また、ステップ１３５では、ステップ１２
５で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶ
ｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分であ
る設定領域の境界に対し、垂直方向のベクトル成分，す
なわち、ＸＹ座標系におけるＹ座標の成分Ｖｃｙを減じ
るように目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的に
は、記憶装置に記憶した図９に示す関係からそのときの
設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ１に対
応する減速ベクトル係数ｈを計算し、この減速ベクトル
係数ｈを目標速度ベクトルＶｃのＹａ座標の成分（垂直
方向のベクトル成分）Ｖｃｙに乗じ、更に−１を乗じて
減速ベクトルＶR（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求め、Ｖｃｙに
ＶRを加算する。ここで、減速ベクトルＶRはバケット１
ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ１がＹa1より小さ
くなるにしたがって大きくなり、Ｄ１＝０でＶR＝Ｖｃ
ｙとなるＶｃｙの逆方向の速度ベクトルである。このた
め、減速ベクトルＶRを目標速度ベクトルＶｃの垂直方
向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、距離Ｄ
１がＹa1より小さくなるにしたがって垂直方向のベクト
ル成分Ｖｃｙの減少量が大きくなるようベクトル成分Ｖ
ｃｙが減じられ、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベク
トルＶｃａに補正される。

【００５８】ここで、図１０を用いて、バケット１ｃの
先端が上記のような補正後の目標速度ベクトルＶｃａの
通りに減速制御されたときの軌跡の一例を説明する。目
標速度ベクトルＶｃが斜め下方に一定であるときには、
その平行成分Ｖｃｘは一定となり、垂直成分Ｖｃｙはバ
ケット１ｃの先端が設定領域の境界に近づくにしたがっ
て（距離Ｄ１がＹ_a1より小さくなるにしたがって）小さ
くなる。補正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成で
あるので、軌跡は図１０に示すように設定領域の境界に
近づくにつれて平行となる曲線状となる。また、Ｄ１＝
０でｈ＝１，ＶR＝−Ｖｃｙとなるので、設定領域の境
界上での補正後の目標速度ベクトルＶｃａは平行成分Ｖ
ｃｘに一致する。

【００５９】このようにステップ１３５における減速制
御では、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接近す
る方向の動きが減速されることにより、結果としてバケ
ット１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿った方
向に変換され、この意味でステップ１３５の減速制御は
方向変換制御ということもできる。

【００６０】次に、ステップ１４０において、バケット
１ｃの先端が上記のように設定した図８に示すような設
定領域外にある場合か否かを判定し、設定領域外にある
場合には、ステップ１４５に進み、バケット１ｃの先端
が設定領域に戻るように目標速度ベクトルＶｃを補正
し、設定領域外にないときには、ステップ１５５に進
む。

【００６１】ここで、ステップ１４０における設定領域
外にあるか否かの判定及びステップ１４５における設定
領域外での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図１
１及び図１２を用いて説明する。

【００６２】制御ユニット９の記憶装置には、図１１に
示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距
離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係が記憶され
ている。この距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの
関係は、距離Ｄ２の絶対値が減少するにしたがって復元
ベクトルＡＲが増大するように設定されている。

【００６３】ステップ１４０においては、ステップ１２
０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との
距離Ｄ２を計算し、この距離が負の値になったら設定領
域外に侵入したと判断する。

【００６４】また、ステップ１４５では、ステップ１２
５で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶ
ｃの設定領域の境界に対し垂直方向のベクトル成分，す
なわち、ＸＹ座標系のＹ座標の成分Ｖｃｙが設定領域の
境界に接近する方向の垂直成分に変わるよう目標速度ベ
クトルＶｃを補正する。具体的には、垂直方向のベクト
ル成分ＶｃｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベ
クトルＡｃｙを加算して、平行成分Ｖｃｘを抽出する。
この補正によってバケット１ｃの先端は設定領域外を更
に進もうとする動作が阻止される。

【００６５】そして、次に、記憶装置に記憶した図１１
に示す関係からそのときの設定領域の境界とバケット１
ｃの先端との距離Ｄ２の絶対値に相当する復元ベクトル
ＡＲを計算し、この復元ベクトルＡＲを目標速度ベクト
ルＶｃ垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに更に加算する。
ここで、復元ベクトルＡＲは、バケット１ｃの先端と設
定領域の境界との距離Ｄ２が小さくなるにしたがって小
さくなる逆方向の速度ベクトルである。このため、復元
ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベク
トル成分Ｖｃｙに加算することにより、距離Ｄ２が小さ
くなるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙが小
さくなるよう、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクト
ルＶｃａに補正される。

【００６６】ここで、図１２を用いて、バケット１ｃの
先端が上記のような補正後の目標速度ベクトルＶｃａの
通りに復元制御されたときの軌跡の一例について説明す
る。目標速度ベクトルＶｃが斜め下方に一定であるとき
には、その平行成分Ｖｃｘは一定となり、また復元ベク
トルＡＲは距離Ｄ２に比例するので、垂直成分はバケッ
ト１ｃの先端が設定領域の境界に近づくにしたがって
（距離Ｄ２が小さくなるにしたがって）小さくなる。補
正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、
軌跡は図１２のように設定領域の境界に近づくにつれて
平行となる曲線状となる。

【００６７】このように、ステップ１４５における復元
制御では、バケット１ｃの先端が設定領域に戻るように
制御されるため、設定領域外に復元領域が得られること
になる。また、この復元制御でも、バケット１ｃの先端
の設定領域の境界に接近する方向の動きが減速されるこ
とにより、結果としてバケット１ｃの先端の移動方向が
設定領域の境界に沿った方向に変換され、この意味でこ
の復元制御も方向変換制御ということができる。

【００６８】次に、ステップ１５０において、ステップ
１３５または１４５で得た補正後の目標速度ベクトルＶ
ｃａに対応する流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算
する。これは、ステップ１２５における目標速度ベクト
ルＶｃの計算の逆演算である。

【００６９】そして、ステップ１５５において、ステッ
プ１５０で計算した操作信号に応じた駆動信号を生成
し、流量制御弁５ａ，５ｂを出力し、はじめに戻る。

【００７０】領域制限掘削制御を終了させる場合は、設
定器７の制御開始スイッチ７ａをもう一度押して、ＯＦ
Ｆにする。

【００７１】以上のようにして、本実施形態によれば、
ブーム下げ操作によりバケットを下げ、その後、アーム
クラウド動作を行うことにより、その時のバケットの先
端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を容易
に設定することができる。また、アームクラウド動作の
停止により、設定された掘削領域の設定を解除すること
ができ、次に、アームクラウド動作が起こると、そのと
きのバケットの先端の座標から掘削領域を容易に再設定
することができる。従って、従来のように、掘削領域の
再設定のために、設定済みの領域を解除するボタン操作
と、新たな領域を設定するボタン操作の２回のボタン操
作を行う必要がなくなり、所望の掘削領域を簡単に設定
できる。

【００７２】また、掘削制限領域を設定する手段として
アームクラウド動作に連動してダイレクトティーチ設定
を行うように構成したため、目的の設定領域を迅速に設
定することができる。

【００７３】さらに、バケット１ｃの先端が設定領域の
境界から離れているときは、目標速度ベクトルＶｃは補
正されず、通常作業と同じように作業できるとともに、
バケット１ｃの先端が設定領域内でその境界近傍に近づ
くと、目標速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近す
る方向のベクトル成分（境界に対して垂直方向のベクト
ル成分）を減じるように補正されるので、設定領域の境
界に対して垂直方向の動きが減速制御され、設定領域の
境界に沿った方向の速度成分は減じられ、このため図１
０に示すように設定領域の境界に沿ってバケット１ｃの
先端を動かすことができる。このため、バケット１ｃの
先端の動き得る領域を制限した掘削を効率良く行うこと
ができる。

【００７４】次に、本発明の第２の実施形態について、
図１３及び図１４を用いて説明する。上述した実施形態
においては、アームクラウド動作を検出してダイレクト
ティーチにより掘削領域の設定を行っているのに対し
て、本実施形態においては、アームダンプ動作を検出し
てダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行うこと
も可能にしている。即ち、均し掘削を行う場合には、ア
ームクラウドにより均し掘削を行う場合の他に、アーム
ダンプにより均し掘削を行う場合もあるので、かかる場
合にも、同様にして、ダイレクトティーチにより掘削領
域の設定を行うようにしている。

【００７５】最初に、設定器７’について、図１３を用
いて説明する。設定器７’は、操作パネル上に設けられ
たスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット
９に出力し、掘削制限領域の設定を指示するものであ
る。操作パネル形式の設定器７’は、制御開始スイッチ
７ａと、ダイレクト設定スイッチ７ｂと、数値設定スイ
ッチ７ｃとアームクラウド設定スイッチ７ｄと、表示画
面７ｅを備えている。これらのスイッチ７ａ〜７ｄ及び
表示画面７ｅの機能は、図３において説明したものと同
様である。

【００７６】さらに、本実施形態においては、アームダ
ンプ動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領
域の設定を行い、アームダンプ動作の停止により掘削領
域の設定の解除を行うためのアームダンプ設定スイッチ
７ｆを備えている。

【００７７】アームダンプ設定スイッチ７ｆを押すと、
設定モード切換え信号が制御ユニット９に出力され、ア
ームダンプ動作の開始により、そのときのフロント装置
１Ａの所定の部位，例えば、バケット１ｃの先端で、ダ
イレクトティーチによる掘削領域が設定される。また、
スイッチ７ｆの右上のランプが点灯する。アームダンプ
設定モードの詳細については、図１４を用いて後述す
る。

【００７８】本実施形態に用いるフロント制御装置及び
その油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様で
ある。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したも
のと同様であり、図４に示した各機能構成に加えて、さ
らに、アームダンプ設定モードの領域設定演算部を備え
ている。そして、図４に示した設定モード切換部９０ｃ
には、図１３に示したアームダンプ設定スイッチ７ｆか
らの設定モード切換え信号も入力し、通常設定モードの
領域設定演算部９０ａと、アームクラウドモードの領域
設定演算部９０ｂと、アームダンプ設定モードの領域設
定演算部とを切換使用するようになっている。

【００７９】ここで、アームダンプ設定モードの領域設
定演算部の演算処理機能について、図１４のフローチャ
ートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、
図６に示したフローチャートと特に異なるのは、ステッ
プ２２０である。

【００８０】ステップ２１０において、予め設定してお
いた内部のカウンタを「０」に初期設定する。

【００８１】次にステップ２２０において、アームダン
プの操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ
4doより大きいか否かを判断する。ここで、基準操作信
号Ｓ4doは、アームダンプ操作信号Ｓ4dを徐々に上げて
いき、アーム１ｂがアームダンプ動作を始める直前の操
作信号を設定する。操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた
基準操作信号Ｓ4doより大きい場合は、アームダンプ動
作が行われたものと判断して、ステップ２３０に進み、
操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4do
より小さくなった場合は、アームダンプ動作が停止した
ものと判断して、ステップ２８０に進む。

【００８２】ステップ２３０において、カウンタを１つ
インクリメントする。

【００８３】ステップ２４０において、カウンタが
「１」か否かを判断する。アームダンプ動作を開始した
時は、カウンタは「１」であるため、ステップ２５０に
おいて、前述したようにバケット１ｃの先端のＹ座標よ
り掘削領域の設定を行う。即ち、アームダンプ動作を開
始して、カウンタが「１」となった時に、その時のバケ
ット１ｃの先端の位置Ｐ１を用いて、掘削領域を設定す
る。

【００８４】アームダンプ動作が継続している場合に
は、後述する処理によってカウンタは「２」となってお
り、ステップ２６０において、カウンタが「２」以上か
判断する。アームダンプ動作を開始した時は、カウンタ
は「１」であるため、ステップ２２０に戻り、アームダ
ンプ動作が継続している場合には、後述する処理によっ
てカウンタは「２」となっており、ステップ２７０に進
む。

【００８５】そして、アームダンプ動作が停止すると、
ステップ２２０において、アームダンプ設定モードの領
域設定演算部は、アームダンプの操作信号Ｓ4dが予め設
定しておいた基準操作信号Ｓ4doより小さくなり、アー
ムダンプ動作が停止したものと判断する。

【００８６】そして、ステップ２８０において、掘削領
域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとし、初期値に戻した
上で、ステップ２１０に戻る。ステップ２８０の処理に
よって、アームダンプ設定モードで設定された設定値が
解除される。

【００８７】さらに、ステップ２１０において、カウン
タを「０」に初期設定するため、次にアームダンプ動作
に備えることになる。

【００８８】以上のようにして、アームダンプ動作を行
うことにより、その時のバケットの先端の座標からダイ
レクトティーチにより掘削領域を設定し、以後その設定
値で領域制限掘削が行われる。そして、アームダンプ動
作が止まれば、カウンタが「０」にリセットされるの
で、再びアームダンプ動作を行うことにより、掘削領域
が再設定される。

【００８９】設定モード切換え部９０ｃは、アームダン
プ設定スイッチ７ｆの状態に応じて、通常モードの領域
設定演算部９０ａと、アームクラウド設定モードの領域
設定演算部９０ｂと、アームダンプ設定モードの領域設
定演算部を切り換えることにより、設定モードを切り換
えることができる。

【００９０】以上説明したように、本実施形態において
も、アームクラウド動作若しくはアームダンプ動作によ
って、簡単に掘削領域の設定を行うことができるもので
ある。

【００９１】また、掘削制限領域を設定する手段として
アームクラウド動作若しくはアームダンプ動作に連動し
てダイレクトティーチを行うように構成したため、目的
の掘削の領域を迅速に設定することができる。

【００９２】なお、本発明にかかるフロント制御装置
は、上述の各実施形態に限定されず、種々の変形が可能
である。一例として、本実施形態では操作レバーは電気
レバーとしたが、油圧パイロットレバーでもよい。ま
た、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検
出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、
シリンダのストロークを検出してもよい。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、建設機械のフロント制
御装置におけるダイレクトティーチによる掘削領域の設
定をボタン操作なしで行え、所望の掘削領域を簡単に設
定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態による建設機械のフロント
制御装置をその油圧駆動装置と共に示す図である。

【図２】本発明が適用される油圧ショベルの外観の形状
を示す図である。

【図３】本実施形態における掘削制限領域の設定を指示
する操作パネル形式の設定器を示す図である。

【図４】制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図
である。

【図５】本実施形態の領域制限掘削制御で用いる座標系
と掘削領域の設定方法を示す図である。

【図６】アームクラウド操作によって掘削領域を設定す
る演算内容を説明するフローチャートである。

【図７】制御ユニットにおける制御手順を示すフローチ
ャートである。

【図８】バケット先端が設定領域内にある場合と、設定
領域の境界上にある場合と、設定領域外にある場合のブ
ームによるバケット先端速度の補正動作の違いを示す図
である。

【図９】バケットの先端と設定領域の境界との距離と減
速ベクトルとの関係を示す図である。

【図１０】バケット先端が設定領域内にあるときの補正
動作軌跡の一例を示す図である。

【図１１】バケットの先端と設定領域の境界との距離と
復元ベクトルとの関係を示す図である。

【図１２】バケットの先端が設定領域外にあるときの補
正動作軌跡の一例を示す図である。

【図１３】本発明の他の実施形態における掘削制限領域
の設定を指示する操作パネル形式の設定器を示す図であ
る。

【図１４】アームダンプ操作によって掘削領域を設定す
る演算内容を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１Ａフロント装置１Ｂ車体１ａブーム１ｂアーム１ｃバケット２油圧ポンプ３ａ〜３ｆ油圧アクチュエータ４ａ〜４ｆ操作レバー装置５ａ〜５ｆ流量制御弁６リリーフ弁７設定器７ａ制御開始スイッチ７ｂダイレクト設定スイッチ７ｃ数値設定スイッチ７ｄアームクラウド設定スイッチ７ｅ表示画面７ｆアームダンプ設定スイッチ８ａ，８ｂ，８ｃ角度検出器９制御ユニット９０領域設定部９０ａ通常モードの領域設定演算部９０ｂアームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｃ設定モード切換え部９２領域制限掘削制御部９２ａ制御切換部９２ｂフロント姿勢演算部９２ｃ減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｄバルブ指令演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上下方向に回動可能な複数のフロント部材
により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数
のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータ
と、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動さ
れ、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の
流量を制御する複数の油圧制御弁とを有する建設機械に
備えられ、前記フロント装置は予め設定した掘削領域内
で動くよう前記操作信号を補正し、前記フロント装置の
動作を制御する建設機械のフロント制御装置において、前記複数の操作レバー手段からの操作信号の内の特定の
操作信号が、予め設定された値を越えると、その時のフ
ロント装置の所定の部位の位置によりダイレクトティー
チを行い、前記掘削領域を設定し、その後前記特定の操
作信号が前記設定値より小さくなると、前記ダイレクト
ティーチによる掘削領域の設定を解除する領域設定手段
を備えることを特徴とする建設機械のフロント制御装
置。
【請求項２】請求項１記載の建設機械のフロント制御装
置において、前記領域設定手段は、前記特定の操作信号
としてアームのアームクラウドの操作信号を検出し前記
掘削領域の設定を行うことを特徴とする建設機械のフロ
ント制御装置。
【請求項３】請求項１記載の建設機械のフロント制御装
置において、前記領域設定手段は、前記特定の操作信号
としてアームのアームダンプの操作信号を検出し前記掘
削領域の設定を行うことを特徴とする建設機械のフロン
ト制御装置。