JPH10219731A

JPH10219731A - 建設機械のフロント制御装置

Info

Publication number: JPH10219731A
Application number: JP2132797A
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: 1997-02-04
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 1998-08-18

Abstract

(57)【要約】【課題】建設機械のフロント制御装置において、掘削領
域の設定の補正を簡単に行えるようにする。【解決手段】ブーム用操作レバー装置４ａに力検出セン
サ１０を設ける。ブーム用操作レバー装置４ａを操作し
てブームを動かしながら、オペレータはバケット刃先の
軌跡と掘削したい地面の関係を目視して、もう少し刃先
を下げたい場合はブーム用操作レバー装置４ａを強く操
作することにより、制御ユニット９は操作力を検出し
て、その操作力に応じて刃先を目標の高さを下方に補正
することができるので、掘削領域の設定の補正を簡単に
行うことができる。

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】しかしながら、数値入
力設定方法若しくはダイレクトティーチ方法によって領
域設定を行う場合、バケットの刃先が所望の掘削線上を
通過するかは実際に掘削してみないと分からない。この
ため、しばしば実際に掘削をしている最中に、微調整
（再設定）を行いたい場合が発生する。この場合、例え
ば、掘削をしていく途中でバケット刃先が所望の深さよ
り下を通過しそうな場合は、オペレータはブーム上げ操
作をしてバケットを上げるか、アーム操作を止めればバ
ケットの刃先は設定領域外に侵入しない。しかし、その
都度そのような操作をしたのでは領域設定の意味がな
く、設定を微調整できれば好都合である。バケット刃先
が所望の掘削線より上を通過する場合は、再度、数値入
力設定方法若しくはダイレクトティーチ方法によって設
定し直すしか方法がない。この場合、数値入力設定では
設定の解除ボタンを押した後、改めて所望の位置を数値
で入力しなければならず、ダイレクトティーチ方法で
は、同様に設定の解除ボタンを押した後、バケットの刃
先を所望の位置に動かし、設定ボタンを押さなければな
らず、いずれもその再設定の操作が面倒であるという問
題があった。

【０００８】本発明の目的は、掘削領域の設定の補正を
簡単に行える建設機械のフロント制御装置を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）上記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、運転室に設置された
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
運転室に配置され、前記掘削領域の設定の補正を指示す
る設定補正指示手段と、前記設定補正指示手段からの補
正の指示に応じて、前記掘削領域の設定を補正する設定
補正手段とを備えるものとする。このように設定補正指
示手段からの指示に応じて、掘削領域の設定を補正する
ようにしているので、予め設定されている掘削領域の設
定の補正を簡単に行うことができる。

【００１０】（２）上記（１）において、前記設定補正
指示手段は現在の設定値に単位量を加減することにより
前記掘削領域の設定を補正するものとする。このように
現在の設定値に単位量を加減して掘削領域の設定を補正
するため、その補正を簡単に行うことができる。

【００１１】（３）上記（１）において、好ましくは、
前記設定補正指示手段は操作者の操作力を検出する力検
出手段から構成され、前記設定補正手段は、前記力検出
手段によって検出される操作力に応じて、前記掘削領域
の設定を補正するものとする。このように前記操作レバ
ー手段を操作して掘削制御している最中に前記設定補正
手段は前記力検出手段によって検出された力に応じて掘
削領域の設定を補正するようにしているので、予め設定
されている掘削領域の設定の補正を簡単に行うことがで
きる。

【００１２】（４）上記（１）において、好ましくは、
前記力検出手段は前記複数の操作レバー手段の１つに備
える。このように力検出手段を操作レバー手段に設ける
ことにより、オペレータは操作レバーから手を離さずに
掘削領域を補正することができる。

【００１３】（５）上記（４）において、好ましくは、
前記力検出手段は前記操作レバー手段をフルストローク
操作して、さらに前記操作レバーに力を加えた際のレバ
ーにかかる押しつけ力を検出する。このようにフルスト
ローク操作後に加えられる力を用いることにより、通常
の操作レバーの操作と独立して掘削領域を補正すること
ができる。

【００１４】（６）上記（４）において、好ましくは、
前記力検出手段が備えられる前記操作レバー手段は、油
圧ショベルのブーム用の操作レバー手段である。このよ
うに力検出手段をフロント装置の上下方向の動きを支配
するブームの操作レバー手段に設けることにより、操作
レバーを操作してブームを動かしながら掘削領域の設定
の補正をすることができるので、設定補正を容易に行う
ことができる。

【００１５】（７）上記（１）において、好ましくは、
前記設定補正手段は掘削領域の設定を下方に補正する。
このように掘削領域の下方補正を行うことにより、オペ
レータはバケット刃先の軌跡と掘削したい地面の関係を
目視して、もう少し刃先を下げたい場合は容易に刃先を
目標の高さを下方に補正することができる。

【００１６】（８）上記（１）において、好ましくは、
前記設定補正指示手段は操作者によって操作される設定
補正スイッチから構成され、前記設定補正手段は、前記
設定補正スイッチから入力される補正信号に応じて、前
記掘削領域の設定を補正する。このように前記操作レバ
ー手段を操作して掘削制御している最中に前記設定補正
手段は前記設定補正スイッチからの補正信号に応じて掘
削領域の設定を補正するようにしているので、予め設定
されている領域制限掘削制御の設定の補正を簡単に行う
ことができる。

【００１７】

【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１３により説明する。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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、表示画面７ｄ
とを備えている。

【００２４】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。

【００２５】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７ｄ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７ｄ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。

【００２６】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又は数値設
定スイッチ７ｃ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，４ｂ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，５
ｂに出力する。

【００２７】以下、図４〜図１３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、領域設定演算部９０ａと、補正値
（ΔＨ）演算部９０ｂ及び加算部９０ｃからなる領域設
定補正部９０ｄ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９０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。

【００２８】最初に、領域設定部９０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＝−２０ｍとしておく。

【００２９】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。

【００３０】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）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。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。

【００３１】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。

【００３２】一方、設定器７の数値設定スイッチ７ｃが
押されると、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１
ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。

【００３３】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６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の機能にあり、ステップ１１５，１２０は、フロ
ント姿勢演算部９２ｂの機能にあり、ステップ１２５〜
１５０は、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃ
の機能にあり、ステップ１５５は、バルブ指令演算部９
２ｄの機能にある。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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７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。

【００４１】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８及び
図９を用いて説明する。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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８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。

【００４５】ここで、図９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９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Ｖｃｘ
に一致する。

【００４６】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。

【００４７】次に、ステップ１４０においては、バケッ
ト１ｃの先端が上記のように設定した図７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。

【００４８】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
０及び図１１を用いて説明する。

【００４９】制御ユニット９の記憶装置には、図１０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。

【００５０】ステップ１４０において、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。

【００５１】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。

【００５２】そして、次に、記憶装置に記憶した図１０
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。

【００５３】ここで、図１１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１１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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】次に、数値入力若しくはダイレクトティー
チによる領域設定後、掘削制限制御で掘削をしていく途
中で、設定領域の微調整（再設定）を行いたい場合の掘
削領域の設定の補正方法について、図１、図４、図１
２、及び図１３を用いて説明する。

【００５９】図１に示したように、ブーム操作レバー装
置４ａは、力検出センサ１０を備えている。図４に示し
たように、力検出センサ１０の検出信号は、制御ユニッ
ト９の領域設定部９０の領域設定補正部９０ｄの補正値
演算部９０ｂに入力し、加算部９０ｃで設定を補正す
る。

【００６０】ここで、補正値演算部９０ｂの処理機能
（補正値演算部９０ｂ及び加算部９０ｃの処理機能）に
ついて図１２に示すフローチャートを用いて説明する。
図中、ステップ２００〜２３０は、補正値演算部９０ｂ
の処理機能であり、ステップ２４０は、加算部９０ｃの
処理機能である。

【００６１】ステップ２００において、ブーム下げ操作
レバー装置４ａの操作力Ｆbdを検出する。ここで、操作
力Ｆbdはレバーをフルストローク操作して、さらにレバ
ーに力を加えた際のレバーにかかる押しつけ力とする。

【００６２】次にステップ２１０において、ブーム下げ
操作力Ｆbdが予め設定していた操作力のしきい値Ｆbd0
より大きいか否かを判断する。ブーム下げ操作力Ｆbdが
操作力のしきい値Ｆbd0以下の場合はステップ２２０に
進み、大きい場合はステップ２３０に進む。

【００６３】ステップ２２０において、領域補正値ΔＨ
＝０とする。即ち、ブーム下げ操作力Ｆbdが操作力のし
きい値Ｆbd0以下であるので、掘削領域の設定の補正は
行わない。

【００６４】一方、ステップ２３０において、例えば以
下の式に従って領域補正値ΔＨを演算する。ここで、Ｆ
bdmaxは力検出センサが検出できる最大値、ΔＨmaxは領
域補正値の最大値とする。 ΔＨ＝−（Ｆbd−Ｆbd0）×ΔＨmax／（Ｆbdmax−Ｆbd
0）ここで、ステップ２３０における計算は、図１３に示す
ように領域補正値ΔＨとブーム下げ操作力Ｆbdの関係で
領域補正値ΔＨを求めることである。即ち、ブーム下げ
操作力Ｆbdが操作力のしきい値Ｆbd0以下では０であ
り、それ以上では、ブーム下げ操作力Ｆbdに応じて増大
し、最大の操作力のしきい値Ｆbd0maxにおいて、最大の
領域補正値ΔＨmaxとなるようにΔＨが計算される。

【００６５】さらに、ステップ２４０において、領域設
定演算部９０ａによる領域の設定値Ｙに、補正値演算部
９０ｂによって上式で演算した領域補正値ΔＨを加え
て、Ｙ＝Ｙ1＋ΔＨを求め、掘削領域の設定値を更新す
る。領域制限掘削制御部９２ではこの新たに更新された
値を用いて領域制限掘削制御を行う。なお、ブーム下げ
レバーに加わる操作力をゆるめればＦbdが小さくなり、
常にΔＨ＝０となるので、領域設定部９０による設定で
領域制限掘削制御が行われる。

【００６６】ここで、一例として、Ｙ＝２０ｃｍ，ΔＨ
max＝５ｃｍ，Ｆbd0＝５ｋｇ／ｃｍ2，Ｆbdmax＝２５ｋ
ｇ／ｃｍ²とした場合、ブーム下げ操作力Ｆbdが１７ｋ
ｇ／ｃｍ²かかったなら、ΔＨは、 ΔＨ＝−（１７−５）×５／（２５−５）＝−３（ｃｍ）となるので、領域制限掘削制御における設定値Ｙは２０
−３＝１７ｃｍの高さとなる。

【００６７】以上のようにして、ブーム下げ操作レバー
装置４ａの加わる操作力が大きいと設定領域が自動的に
下がるため、オペレータは、例えば、バケット刃先の軌
跡と掘削したい地面の関係を目視してダイレクトティー
チにより掘削領域を設定後、もう少し刃先を下げたい場
合はブーム下げレバーを強く操作することにより、掘削
領域の設定を目標の高さに補正することができるので、
領域設定に多少の誤差があっても掘削領域をダイレクト
ティーチ又は数値入力により再設定することなく所望の
掘削が行える。

【００６８】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、掘削領域の設定の補正は、運転室内に配置されてい
るブーム下げ操作レバー装置４ａを操作するだけで行え
るため、従来のダイレクトティーチ方法の場合のよう
に、設定の解除ボタンを押した後、バケットの刃先を所
望の位置で動かして、設定ボタンを押す等の操作は不要
となり、また、従来の数値入力設定方法の場合のよう
に、設定の解除ボタンを押した後、改めで所望の位置を
数値で入力する等の操作は不要となり、再設定（微調
整）が簡単に行えるものである。このため、特に、均し
掘削時において、運転席からの操作によって所望の掘削
平面を容易に得ることができるので、均し掘削の作業効
率を向上することができる。

【００６９】また、再設定（微調整）は、予め設定され
ている現在の設定値Ｙ１に対して力検出センサが検出し
たブーム下げ操作力Ｆbdに応じた単位量を加減すること
により行うようにしているため、改めて姿勢演算を含む
複雑な演算をする必要がなく、簡単な計算で掘削領域の
設定を補正できる。また、オペレータがバケット先端位
置を下げたいという操作レバーの操作で掘削領域の設定
が補正されるので、極めて操作性の良いものとなる。

【００７０】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９
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。

【００７１】次に、本発明の第２の実施形態について、
図１４及び図１５を用いて説明する。上述した実施形態
においては、ブーム操作レバー装置４ａに加えられる操
作力を力検出センサ１０により検出して掘削領域を補正
していたのに対して、本実施形態においては、設定補正
スイッチを操作することにより、掘削領域を補正するも
のである。

【００７２】図１４に示すように、ブーム操作レバー装
置４ａの操作レバー４０ａのグリップ７０には、設定下
げ補正スイッチ１０ａと設定上げ補正スイッチ１０ｂが
設けられている。設定下げ補正スイッチ１０ａは、予め
設定されている掘削領域を下方に補正した場合に用いる
ものであり、このスイッチを押すことにより、下げ方向
の設定下げ補正信号が出力する。また、設定上げ補正ス
イッチ１０ｂは、予め設定されている掘削領域を上方に
補正した場合に用いるものであり、このスイッチを押す
ことにより、上げ方向の設定上げ補正信号が出力する。

【００７３】本実施形態によるフロント制御装置の構成
は、図１に示した力検出センサ１０に代えて、設定下げ
補正スイッチ１０ａと設定上げ補正スイッチ１０ｂの出
力信号が制御ユニット９に入力される点を除いて、図１
に示したものと同様である。

【００７４】また、制御ユニット９の領域設定部９０
は、図４に示した領域設定補正部９０ｄの補正値演算部
９０ｂに対して力検出センサ１０の出力信号に代えて、
設定下げ補正スイッチ１０ａと設定上げ補正スイッチ１
０ｂの出力信号が入力するとともに、領域設定補正部９
０ｄは、以下に説明する処理を実行する点を除いて、図
４に示したものと同様である。制御ユニット９の領域制
限掘削制御部９２が実行する領域制限掘削制御は、図４
に説明したものと同様である。

【００７５】ここで、本実施形態の領域設定補正部９０
ｄの演算内容を図１５に示すフローチャートを用いて説
明する。

【００７６】ステップ３００において、設定下げ補正ス
イッチ１０ａがＯＮとなったが否かを判断する。

【００７７】設定下げ補正スイッチ１０ａがＯＮの場合
には、ステップ３１０において、領域補正値ΔＨを−１
（ｃｍ）とする。即ち、ここでは、設定下げ補正スイッ
チ１０ａが１回押される毎に、設定を１ｃｍだけ下側に
補正するようにしている。設定下げ補正スイッチ１０ａ
が１回押される毎に、設定を２ｃｍずつ下側に補正する
ためには、ΔＨ＝−２とすればよい。

【００７８】また、設定下げ補正スイッチ１０ａがＯＮ
でない場合には、ステップ３２０において、設定上げ補
正スイッチ１０ｂがＯＮとなったが否かを判断する。

【００７９】設定上げ補正スイッチ１０ｂがＯＮの場合
には、ステップ３３０において、領域補正値ΔＨを＋１
（ｃｍ）とする。即ち、ここでは、設定上げ補正スイッ
チ１０ｂが１回押される毎に、設定を１ｃｍだけ上側に
補正するようにしている。

【００８０】ステップ３００〜３３０の処理は、補正値
演算部９０ｂで行われる。

【００８１】次に、ステップ３４０において、領域設定
演算部９０ａによる領域の設定値Ｙに、補正値演算部９
０ｂによって演算した領域補正値ΔＨを加えて、Ｙ＝Ｙ
1＋ΔＨを求め、掘削領域の設定値を更新する。領域制
限掘削制御部９２ではこの新たに更新された値を用いて
領域制限掘削制御を行う。

【００８２】設定下げ補正スイッチ１０ａ若しくは設定
上げ補正スイッチ１０ｂを複数回，例えば、３回押すこ
とにより、図１５に示した処理が３回繰り返され、設定
を３ｃｍ下げたり、上げたりする補正を容易に行える。

【００８３】以上のようにして、ブーム下げ操作レバー
装置４ａの操作レバーのグリップに設けられた設定補正
スイッチ１０ａ，１０ｂを操作することにより、設定領
域が自動的に上下する為、オペレータは、例えば、バケ
ット刃先の軌跡と掘削したい地面の関係を目視して、ダ
イレクトティーチにより掘削領域を設定後、もう少し刃
先を下げたい場合は設定下げ補正スイッチ１０ａを操作
し、刃先を上げたい場合は設定上げ補正スイッチ１０ｂ
を操作することにより、掘削領域の設定を目標の高さに
補正することができるので、掘削領域の設定に多少の誤
差があっても掘削領域をダイレクトティーチ又は数値入
力により再設定することなく所望の掘削が行える。特
に、均し掘削時において、運転席からの操作によって所
望の掘削平面を容易に得ることができるので、均し掘削
の作業効率を向上することができる。

【００８４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ブーム操作レバー装置に設けた設定補正スイッチ１
０ａ，１０ｂの操作により、領域制限掘削制御における
掘削領域の設定の補正を簡単に行える。

【００８５】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。また、操作力
を検出する力検出センサをブーム下げレバーに設けた
が、アームクラウドまたはアームダンプの操作レバーに
設けてもよい。

【００８６】

【発明の効果】本発明によれば、領域制限掘削制御を行
う建設機械のフロント制御装置における掘削領域の設定
の補正を簡単に行えることができる。

【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
と領域の設定方法を示す図である。

【図６】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７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】制御ユニットにおける領域制限掘削制御の領
域の補正演算の処理内容を示すフローチャートである。

【図１３】領域補正値とブーム下げ操作力の関係との関
係を示す図である。

【図１４】本発明の他の実施形態における掘削制限領域
の設定を指示するグリップ上に設けられた設定補正スイ
ッチの外観を示す図である。

【図１５】制御ユニットにおける領域制限掘削制御の領
域の補正演算の他の実施形態による処理内容を示すフロ
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８ａ，８ｂ，８ｃ角度検出器９制御ユニット１０力検出センサ１０ａ，１０ｂ設定補正スイッチ９０領域設定部９０ａ領域設定演算部９０ｂ補正値（ΔＨ）演算部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、運転室に設置された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、前記運転室に配置され、前記掘削領域の設定の補正を指
示する設定補正指示手段と、前記設定補正指示手段からの補正の指示に応じて、前記
掘削領域の設定を補正する設定補正手段とを備えること
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記載のフロント制御装置におい
て、前記設定補正指示手段は現在の設定値に単位量を加
減することにより前記掘削領域の設定を補正することを
特徴とする建設機械のフロント制御装置。
【請求項３】請求項１記載のフロント制御装置におい
て、前記設定補正指示手段は操作者の操作力を検出する
力検出手段から構成され、前記設定補正手段は、前記力
検出手段によって検出される操作力に応じて、前記掘削
領域の設定を補正す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４】請求項１記載のフロント制御装置におい
て、前記力検出手段は前記複数の操作レバー手段の１つ
に備えられていることを特徴とする油圧ショベルの領域
制限掘削制御装置。
【請求項５】請求項４記載のフロント制御装置におい
て、前記力検出手段は前記操作レバー手段をフルストロ
ーク操作して、さらに前記操作レバーに力を加えた際の
レバーにかかる押しつけ力を検出することを特徴とする
油圧ショベルの領域制限掘削制御装置。
【請求項６】請求項４記載のフロント制御装置におい
て、前記力検出手段が備えられる前記操作レバー手段
は、油圧ショベルのブーム用の操作レバー手段であるこ
とを特徴とする油圧ショベルの領域制限掘削制御装置。
【請求項７】請求項１記載のフロント制御装置におい
て、前記設定補正手段は前記掘削領域の設定を下方に補
正することを特徴とする油圧ショベルの領域制限掘削制
御装置。
【請求項８】請求項１記載のフロント制御装置におい
て、前記設定補正指示手段は操作者によって操作される
設定補正スイッチから構成され、前記設定補正手段は、
前記設定補正スイッチから入力される補正信号に応じ
て、前記掘削領域の設定を補正することを特徴とする建
設機械のフロント制御装置。