JPWO2016186220A1 - 作業機械の制御システム、作業機械及び作業機械の制御方法 - Google Patents

Abstract

作業機械の制御システムは、軸線を中心に回転する部材を備える作業機械を制御する作業機械の制御システムであって、前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状を生成する目標施工形状生成部と、前記目標施工形状に対して前記作業機械が存在する側である空中側に前記部材が存在している場合には第１の情報を出力し、前記空中側に前記部材が存在しない場合には第２の情報を出力する判定部と、を含む。

Description

本発明は、作業機械の制御システム、作業機械及び作業機械の制御方法に関する。

特許文献１に開示されているような、チルト式バケットを有する作業機を備える作業機械が知られている。

国際公開第２０１５／１８６１７９号

作業機械の制御に係る技術分野において、施工対象の目標形状を示す目標施工形状に対して、作業機のうちブーム、アーム、及びバケットの少なくとも一つの位置又は姿勢を制御する作業機制御が知られている。作業機制御が実行されることにより、バケットが目標施工形状を超えてしまうことが抑制され、目標施工形状に沿った施工が実現される。

チルト式バケットを有する作業機械においては、作業機械のオペレータによるチルト操作レバーの操作に介入して、目標施工形状にバケットが侵入しないようにバケットのチルト動作を停止させる制御が実行される。このような作業機械は、刃先の前方に存在する目標施工形状だけでなく、バケットの背面に存在する目標施工形状に対しても、チルト動作を停止させたい場合がある。また、チルト式バケットだけでなく、作業機械が有する部材の周囲に存在する目標施工形状に、作業機械の部材が侵入することを抑制したい場合がある。このような場合、部材の姿勢と目標施工形状との位置関係によっては、部材が目標施工形状を超えていても部材を停止させられないことがあり、部材の姿勢と目標施工形状との位置関係には制約があった。

本発明の態様は、目標施工形状に侵入しないように部材の動作を制御するにあたって、作業機械が有する部材の姿勢と目標施工形状との位置関係による制御の制約を低減することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、軸線を中心に回転する部材を備える作業機械を制御する作業機械の制御システムであって、前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状に対して前記作業機械が存在する側である空中側に前記部材が存在している場合には第１の情報を出力し、前記空中側に前記部材が存在しない場合には第２の情報を出力する判定部を含む作業機械の制御システムが提供される。

本発明の第２の態様に従えば、第１の態様において、前記判定部から前記第１の情報が出力された場合には前記部材の回転を許容し、前記第２の情報が出力された場合には前記部材の回転を許容しない作業機制御部を有する、作業機械の制御システムが提供される。

本発明の第３の態様に従えば、第１の態様又は第２の態様において、前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状を生成する目標施工形状生成部を有し、前記目標施工形状生成部は、前記部材の周囲に複数の前記目標施工形状を生成し、前記判定部は、複数の前記目標施工形状に対して、前記第１の情報又は前記第２の情報を出力する作業機械の制御装置が提供される。

本発明の第４の態様に従えば、第１の態様から第３の態様のいずれか１つにおいて、前記部材に設定された規定点の位置データを求める候補規定点位置データ演算部と、前記規定点を通り前記軸線と直交する動作平面を求める動作平面演算部と、前記目標施工形状と前記動作平面とが交差する停止地形を求める停止地形演算部と、を有し、前記停止地形と前記規定点との距離、前記目標施工形状と直交する方向に延びる第１ベクトル及び前記軸線が延びる方向の第２ベクトルを用いて前記第１の情報又は前記第２の情報を出力する作業機械の制御システムが提供される。

本発明の第５の態様に従えば、第１の態様から第３の態様のいずれか１つにおいて、前記作業機械において前記部材とは異なる部分の位置であり、かつ既知の基準点と、前記部材に設定された規定点の位置データを求める候補規定点位置データ演算部と、を有し、前記判定部は、前記基準点及び前記規定点を結ぶ線分と前記目標施工形状との交点の個数を求め、前記個数が偶数か奇数を用いて前記第１の情報又は前記第２の情報を出力する作業機械の制御システムが提供される。

本発明の第６の態様に従えば、上部旋回体と、前記上部旋回体を支持する下部走行体と、第１の軸を中心に回転するブームと第２の軸を中心に回転するアームと第３の軸を中心に回転するバケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、第１の態様から第４の態様のいずれか１つに係る作業機械の制御システムと、を含み、前記部材は前記バケット、前記アーム、前記ブーム及び前記上部旋回体の少なくとも１つである、作業機械が提供される。

本発明の第７の態様に従えば、第５の態様において、前記部材は前記バケットであり、前記軸線は前記第３の軸と直交する作業機械が提供される。

本発明の第８の態様に従えば、軸線を中心に回転する部材を備える作業機械を制御する作業機械を制御する作業機械の制御方法において、前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状に対して前記作業機械が存在する側である空中側に前記部材が存在している場合には第１の情報を出力し、前記空中側に前記部材が存在しない場合には第２の情報を出力する作業機械の制御方法が提供される。

本発明の態様によれば、目標施工形状に侵入しないように部材の動作を制御するにあたって、作業機械が有する部材の姿勢と目標施工形状との位置関係による制御の制約を低減することができる。

本実施形態に係る作業機械の一例を示す斜視図である。 本実施形態に係るバケットの一例を示す側断面図である。 本実施形態に係るバケットの一例を示す正面図である。 油圧ショベルを模式的に示す側面図である。 油圧ショベルを模式的に示す背面図である。 油圧ショベルを模式的に示す平面図である。 バケットを模式的に示す側面図である。 バケットを模式的に示す正面図である。 チルトシリンダを動作させる油圧システムの一例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る作業機械の制御システムの一例を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係るバケットに設定される規定点の一例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る目標施工データの一例を示す模式図である。 本実施形態に係る目標施工形状の一例を示す模式図である。 本実施形態に係るチルト動作平面の一例を示す模式図である。 本実施形態に係るチルト動作平面の一例を示す模式図である。 本実施形態に係るチルト停止制御を説明するための模式図である。 チルトバケットのチルト回転を動作距離に基づき停止させるため、動作距離と制限速度との関係の一例を示す図である。 チルト停止地形の位置を示す図である。 チルト停止地形の位置を示す図である。 チルト動作平面上でバケット及びチルト停止地形を見た状態を示す図である。 チルト動作平面上でバケット及びチルト停止地形を見た状態を示す図である。 空中側と地中側との位置関係を示す図である。 バケットとチルト停止地形及び目標施工形状との関係を示す図である。 バケットとチルト停止地形及び目標施工形状との関係を示す図である。 バケットとチルト停止地形及び目標施工形状との関係を示す図である。 バケットとチルト停止地形及び目標施工形状との関係を示す図である。 バケットとチルト停止地形との動作距離、及びチルト動作平面と目標施工形状とがバケットの刃先側又はチルトピン側のいずれで交差するかを求める方法を説明するための図である。 バケットとチルト停止地形との動作距離、及びチルト動作平面と目標施工形状とがバケットの刃先側又はチルトピン側のいずれで交差するかを求める方法を説明するための図である。 チルト動作平面と目標施工形状とがバケットの刃側又はチルトピン側のいずれで交差する場合においても、バケットが空中側又は地中側のいずれに存在するかを判定する方法を示す図である。 チルト動作平面と目標施工形状とがバケットの刃側又はチルトピン側のいずれで交差する場合においても、バケットが空中側又は地中側のいずれに存在するかを判定する方法を示す図である。 チルト動作平面と目標施工形状とがバケットの刃側又はチルトピン側のいずれで交差する場合においても、バケットが空中側又は地中側のいずれに存在するかを判定する方法を示す図である。 チルト動作平面と目標施工形状とがバケットの刃側又はチルトピン側のいずれで交差する場合においても、バケットが空中側又は地中側のいずれに存在するかを判定する方法を示す図である。 本実施形態に係る作業機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る作業機械の制御方法において、動作距離を求める際の処理を示すフローチャートである。 バケットの周囲に複数の目標施工形状が存在する場合の一例を示す平面図である。 図３５のＡ−Ａ矢視図である。 軸線を中心に回転する部材がバケット以外である例を説明するための図である。 図３７のＢ−Ｂ矢視図である。 部材が空中側にあるか地中側にあるかを判定する他の方法を説明するための図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。

以下の説明においては、グローバル座標系（Ｘｇ−Ｙｇ−Ｚｇ座標系）及び車体座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系）を設定して各部の位置関係について説明する。グローバル座標系とは、全地球測位システム（Global Positioning System：ＧＰＳ）のような全地球航法衛星システム（Global Navigation Satellite System：ＧＮＳＳ）により規定される絶対位置を示す座標系である。車体座標系とは、作業機械の基準位置に対する相対位置を示す座標系である。

本実施形態において、停止制御は、作業機械と作業機械の施工対象の目標施工形状との距離に基づいて、作業機械の少なくとも一部の動作を停止させる制御をいう。例えば、作業機械が有するバケットがチルト方式のバケットである場合、停止制御は、作業機械と目標施工形状との距離に基づいて、バケットのチルト動作を停止させる制御が挙げられる。

［作業機械］
図１は、本実施形態に係る作業機械の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、作業機械が油圧ショベル１００である例について説明する。作業機械は、油圧ショベル１００に限定されない。

図１に示されるように、油圧ショベル１００は、油圧により動作する作業機１と、作業機１を支持する車体である上部旋回体２と、上部旋回体２を支持する走行装置である下部走行体３と、作業機１を操作するための操作装置３０と、作業機１を制御する制御装置５０とを備える。上部旋回体２は、下部走行体３に支持された状態で旋回軸ＲＸを中心に旋回可能である。

上部旋回体２は、オペレータが搭乗する運転室４と、エンジン及び油圧ポンプが収容される機械室５とを有する。運転室４は、オペレータが着座する運転席４Ｓを有する。機械室５は、運転室４の後方に配置される。

下部走行体３は、一対の履帯３Ｃを有する。履帯３Ｃの回転により、油圧ショベル１００が走行する。下部走行体３がタイヤを有してもよい。

作業機１は、上部旋回体２に支持される。作業機１は、ブームピンを介して上部旋回体２に連結されるブーム６と、アームピンを介してブーム６に連結されるアーム７と、バケットピン及びチルトピンを介してアーム７に連結されるバケット８とを有する。バケット８は、刃８Ｃを有する。刃８Ｃは、バケット８の先端、すなわちバケットピンで連結されている部分から離れた部分に設けられた、板状の部材である。刃８Ｃの刃先９は、刃８Ｃの先端部であり、本実施形態では直線状の部分である。バケット８に複数の凸形状の刃が設けられている場合、刃先９は、凸形状の刃の先端部となる。

ブーム６は、第１の軸であるブーム軸ＡＸ１を中心に上部旋回体２に対して回転可能である。アーム７は、第２の軸であるアーム軸ＡＸ２を中心にブーム６に対して回転可能である。バケット８は、第３の軸であるバケット軸ＡＸ３及びバケット軸ＡＸ３に平行な軸と直交する軸線であるチルト軸ＡＸ４のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能である。バケット軸ＡＸ３とチルト軸ＡＸ４とは互いに交差しない。

ブーム軸ＡＸ１とアーム軸ＡＸ２とバケット軸ＡＸ３とは平行である。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２及びバケット軸ＡＸ３と旋回軸ＲＸと平行な軸とは直交する。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２及びバケット軸ＡＸ３は、車体座標系のＹ軸と平行である。旋回軸ＲＸは、車体座標系のＺ軸と平行である。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２及びバケット軸ＡＸ３と平行な方向は、上部旋回体２の車幅方向を示す。旋回軸ＲＸと平行な方向は、上部旋回体２の上下方向を示す。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２、バケット軸ＡＸ３及び旋回軸ＲＸの両方と直交する方向は、上部旋回体２の前後方向を示す。運転席４Ｓを基準として作業機１が存在する方向が前方である。

作業機１は、油圧シリンダ１０が発生する力により動作する。油圧シリンダ１０は、ブーム６を作動させるブームシリンダ１１と、アーム７を動作させるアームシリンダ１２と、バケット８を作動させるバケットシリンダ１３及びチルトシリンダ１４とを含む。

作業機１は、ブームストロークセンサ１６と、アームストロークセンサ１７と、バケットストロークセンサ１８と、チルトストロークセンサ１９とを有する。ブームストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１１の動作量を示すブームストロークを検出する。アームストロークセンサ１７は、アームシリンダ１２の動作量を示すアームストロークを検出する。バケットストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１３の動作量を示すバケットストロークを検出する。チルトストロークセンサ１９は、チルトシリンダ１４の動作量を示すチルトストロークを検出する。

操作装置３０は、運転室４に配置される。操作装置３０は、油圧ショベル１００のオペレータに操作される操作部材を含む。オペレータは、操作装置３０を操作して、作業機１を動作させる。本実施形態において、操作装置３０は、左操作レバー３０Ｌ及び右操作レバー３０Ｒと、チルト操作レバー３０Ｔと、操作ペダル３０Ｆとを含む。

中立位置にある右操作レバー３０Ｒが前方に操作されると、ブーム６が下げ動作し、後方に操作されると、ブーム６が上げ動作する。中立位置にある右操作レバー３０Ｒが右方に操作されると、バケット８がダンプ動作し、左方に操作されると、バケット８が掻き込み動作する。

中立位置にある左操作レバー３０Ｌが前方に操作されると、アーム７が伸ばし動作し、後方に操作されると、アーム７が掻き込み動作する。中立位置にある左操作レバー３０Ｌが右方に操作されると、上部旋回体２が右旋回し、左方に操作されると、上部旋回体２が左旋回する。

なお、右操作レバー３０Ｒ及び左操作レバー３０Ｌの操作方向と、作業機１の動作方向及び上部旋回体２の旋回方向との関係は、上述の関係でなくてもよい。

制御装置５０は、コンピュータシステムを含む。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサと、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含む記憶装置と、入出力インターフェース装置とを有する。

［バケット］
図２は、本実施形態に係るバケット８の一例を示す側断面図である。図３は、本実施形態に係るバケット８の一例を示す正面図である。本実施形態において、バケット８は、チルト式バケットである。チルト式バケットは、軸線であるチルト軸ＡＸ４を中心として動作、例えば回転するバケットである。本実施形態において、軸線を中心として回転する部材は、バケット８である。

バケット８はチルト式バケットに限定されない。バケット８は、例えば、ローテートバケットであってもよい。ローテートバケットは、バケット軸ＡＸ３と垂直に交わる軸線の周りを回転するバケットである。

図２及び図３に示されるように、バケット８は、バケットピン８Ｂを介してアーム７に回転可能に連結される。バケット８は、チルトピン８Ｔを介してアーム７に回転可能に支持される。バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７の先端部に接続される。バケットピン８Ｂは、アーム７と接続部材９０とを連結する。チルトピン８Ｔは、接続部材９０とバケット８とを連結する。バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７に回転可能に接続される。

バケット８は、底板８１と、背板８２と、上板８３と、側板８４と、側板８５とを含む。バケット８は、上板８３の上部に設けられたブラケット８７を有する。ブラケット８７は、上板８３の前後位置に設置される。ブラケット８７は、接続部材９０及びチルトピン８Ｔと連結される。

接続部材９０は、プレート部材９１と、プレート部材９１の上面に設けられたブラケット９２と、プレート部材９１の下面に設けられたブラケット９３とを有する。ブラケット９２は、アーム７及び第２リンクピン９５Ｐと連結される。ブラケット９３はブラケット８７の上部に設置され、チルトピン８Ｔ及びブラケット８７と連結される。

バケットピン８Ｂは、接続部材９０のブラケット９２とアーム７の先端部とを連結する。チルトピン８Ｔは、接続部材９０のブラケット９３とバケット８のブラケット８７とを連結する。接続部材９０及びバケット８は、アーム７に対してバケット軸ＡＸ３を中心に回転可能である。バケット８は、接続部材９０に対してチルト軸ＡＸ４を中心に回転可能である。

作業機１は、第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に回転可能に接続される第１リンク部材９４と、第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に回転可能に接続される第２リンク部材９５とを有する。第１リンク部材９４の基端部が第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に接続される。第２リンク部材９５の基端部が第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に接続される。第１リンク部材９４の先端部と第２リンク部材９５の先端部とが、バケットシリンダトップピン９６を介して連結される。

バケットシリンダ１３の先端部は、バケットシリンダトップピン９６を介して、第１リンク部材９４の先端部及び第２リンク部材９５の先端部と回転可能に接続される。バケットシリンダ１３が伸縮すると、接続部材９０はバケット８と共にバケット軸ＡＸ３を中心に回転する。

チルトシリンダ１４は、接続部材９０に設けられたブラケット９７及びバケット８に設けられたブラケット８８のそれぞれに接続される。チルトシリンダ１４のロッドがピンを介してブラケット９７に接続される。チルトシリンダ１４の本体部がピンを介してブラケット８８に接続される。チルトシリンダ１４が伸縮すると、バケット８はチルト軸ＡＸ４を中心に回転する。チルトシリンダ１４の接続の構造は一例であって、本実施形態の構造には限定されない。

このように、バケット８は、バケットシリンダ１３が動作することにより、バケット軸ＡＸ３を中心に回転する。バケット８は、チルトシリンダ１４が動作することにより、チルト軸ＡＸ４を中心に回転する。バケット８がバケット軸ＡＸ３を中心に回転すると、チルトピン８Ｔはバケット８と共に回転する。

［検出システム］
次に、油圧ショベル１００の検出システム４００について説明する。図４は、油圧ショベル１００を模式的に示す側面図である。図５は、油圧ショベル１００を模式的に示す背面図である。図６は、油圧ショベル１００を模式的に示す平面図である。図７は、バケット８を模式的に示す側面図である。図８は、バケット８を模式的に示す正面図である。

図４、図５及び図６に示されるように、検出システム４００は、上部旋回体２の位置を検出する位置検出装置２０と、作業機１の角度を検出する作業機角度検出装置２４とを有する。位置検出装置２０は、上部旋回体２の位置を検出する車体位置演算器２１と、上部旋回体２の姿勢を検出する姿勢演算器２２と、上部旋回体２の方位を検出する方位演算器２３とを含む。

車体位置演算器２１は、ＧＰＳ受信機を含む。車体位置演算器２１は、上部旋回体２に設けられる。車体位置演算器２１は、グローバル座標系で規定される上部旋回体２の絶対位置Ｐｇ、すなわちグローバル座標系（Ｘｇ−Ｙｇ−Ｚｇ）における位置を検出する。上部旋回体２の絶対位置Ｐｇは、Ｘｇ軸方向の座標データ、Ｙｇ軸方向の座標データ及びＺｇ軸方向の座標データを含む。

上部旋回体２に複数のＧＰＳアンテナ２１Ａが設けられる。ＧＰＳアンテナ２１Ａは、ＧＰＳ衛星から電波を受信して、受信した電波に基づいて生成した信号を車体位置演算器２１に出力する。車体位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナ２１Ａから与えられた信号に基づいて、グローバル座標系で規定されるＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒを検出する。車体位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒに基づいて、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを検出する。

ＧＰＳアンテナ２１Ａは、車幅方向に２個、設けられる。車体位置演算器２１は、一方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒａ及び他方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒｂのそれぞれを検出する。車体位置演算器２１は、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとの少なくとも一方に基づいて演算処理を実行して、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを検出する。本実施形態において、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇは、位置Ｐｒａである。なお、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇは、位置Ｐｒｂでもよいし、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとの間の位置でもよい。

姿勢演算器２２は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）を含む。姿勢演算器２２は、上部旋回体２に設けられる。姿勢演算器２２は、グローバル座標系で規定される水平面、すなわちＸｇ−Ｙｇ平面に対する上部旋回体２の傾斜角度を検出する。水平面に対する上部旋回体２の傾斜角度は、車幅方向における上部旋回体２の傾斜角度を示すロール角度θ１と、前後方向における上部旋回体２の傾斜角度を示すピッチ角度θ２とを含む。

方位演算器２３は、一方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒａと他方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒｂとに基づいて、グローバル座標系で規定される基準方位に対する上部旋回体２の方位を検出する。方位演算器２３は、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとに基づいて演算処理を実行して、基準方位に対する上部旋回体２の方位を検出する。方位演算器２３は、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとを結ぶ直線を求め、求めた直線と基準方位とがなす角度に基づいて、基準方位に対する上部旋回体２の方位を検出する。基準方位に対する上部旋回体２の方位は、基準方位と上部旋回体２の方位とがなす角度を示すヨー角度θ３を含む。

図４、図７及び図８に示されるように、作業機角度検出装置２４は、ブームストロークセンサ１６で検出されたブームストロークに基づいて、車体座標系のＺ軸に対するブーム６の傾斜角度を示すブーム角度αを求める。作業機角度検出装置２４は、アームストロークセンサ１７で検出されたアームストロークに基づいて、ブーム６に対するアーム７の傾斜角度を示すアーム角度βを求める。作業機角度検出装置２４は、バケットストロークセンサ１８で検出されたバケットストロークに基づいて、アーム７に対するバケット８の刃先９の傾斜角度を示すバケット角度γを求める。作業機角度検出装置２４は、チルトストロークセンサ１９で検出されたチルトストロークに基づいて、ＸＹ平面に対するバケット８の傾斜角度を示すチルト角度δを求める。作業機角度検出装置２４は、ブームストロークセンサ１６で検出されたブームストローク、アームストロークセンサ１７で検出されたアームストローク、バケットストロークセンサ１８で検出されたバケットストローク、及びチルトストロークセンサ１９で検出されたチルトストロークに基づいて、ＸＹ平面に対するチルト軸ＡＸ４の傾斜角度を示すチルト軸角度εを求める。作業機１の傾斜角度は、ストロークセンサ以外の角度センサによる検出であってもよいし、ステレオカメラ及びレーザスキャナ等の光学的な計測手段による検出であってもよい。

［油圧システム］
図９は、チルトシリンダ１４を動作させる油圧システム３００の一例を模式的に示す図である。油圧システム３００は、作動油を供給する可変容量型のメイン油圧ポンプ３１と、パイロット油を供給するパイロット圧ポンプ３２と、チルトシリンダ１４に対する作動油の供給量を調整する流量制御弁２５と、流量制御弁２５に作用するパイロット圧を調整する制御弁３７Ａ，３７Ｂ，３９と、操作装置３０のチルト操作レバー３０Ｔ及び操作ペダル３０Ｆと、制御装置５０とを備える。チルト操作レバー３０Ｔは、左操作レバー３０Ｌ又は右操作レバー３０Ｒの少なくとも一方に設けられるボタン等である。本実施形態において、操作装置３０の操作ペダル３０Ｆは、パイロット圧方式の操作装置である。操作装置３０のチルト操作レバー３０Ｔは、電子レバー方式の操作装置である。

操作装置３０の操作ペダル３０Ｆは、パイロット圧ポンプ３２に接続される。操作ペダル３０Ｆとパイロット圧ポンプ３２との間には、制御弁３９が設けられる。また、操作ペダル３０Ｆは、制御弁３７Ａから送出されるパイロット油が流れる油路３８Ａにシャトル弁３６Ａを介して接続される。また、操作ペダル３０Ｆは、制御弁３７Ｂから送出されるパイロット油が流れる油路３８Ｂにシャトル弁３６Ｂを介して接続される。操作ペダル３０Ｆが操作されることにより、操作ペダル３０Ｆとシャトル弁３６Ａとの間の油路３３Ａの圧力、及び操作ペダル３０Ｆとシャトル弁３６Ｂとの間の油路３３Ｂの圧力が調整される。

チルト操作レバー３０Ｔが操作されることにより、チルト操作レバー３０Ｔの操作により生成された操作信号が制御装置５０に出力される。制御装置５０は、チルト操作レバー３０Ｔから出力された操作信号に基づいて制御信号を生成し、制御弁３７Ａ，３７Ｂを制御する。制御弁３７Ａ，３７Ｂは、電磁比例制御弁である。制御弁３７Ａは、制御信号に基づいて、油路３８Ａを開閉する。制御弁３７Ｂは、制御信号に基づいて、油路３８Ｂを開閉する。

チルト停止制御を実行しないとき、操作装置３０の操作量に基づいて、パイロット圧が調整される。チルト停止制御を実行するとき、制御装置５０は、制御弁３７Ａ，３７Ｂ又は制御弁３９に制御信号を出力して、パイロット圧を調整する。

［制御システム］
図１０は、本実施形態に係る作業機械の制御システム２００の一例を示す機能ブロック図である。以下において、作業機械の制御システム２００を適宜、制御システム２００と称する。図１０に示されるように、制御システム２００は、作業機１を制御する制御装置５０と、位置検出装置２０と、作業機角度検出装置２４と、制御弁３７（３７Ａ，３７Ｂ），３９と、目標施工データ生成装置７０とを備える。

位置検出装置２０は、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇ、ロール角度θ１及びピッチ角度θ２を含む上部旋回体２の姿勢と、ヨー角度θ３を含む上部旋回体２の方位とを検出する。作業機角度検出装置２４は、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εを含む作業機１の角度を検出する。制御弁３７（３７Ａ，３７Ｂ）は、チルトシリンダ１４に対する作動油の供給量を調整する。

制御弁３７は、制御装置５０からの制御信号に基づいて作動する。目標施工データ生成装置７０は、コンピュータシステムを含む。目標施工データ生成装置７０は、施工エリアの目標形状である目標地形を示す目標施工データを生成する。目標施工データは、作業機１による施工後に得られる３次元の目標形状を示す。

目標施工データ生成装置７０は、油圧ショベル１００の遠隔地に設けられる。目標施工データ生成装置７０は、例えば施工管理施設に設置される。目標施工データ生成装置７０と制御装置５０とは無線通信可能である。目標施工データ生成装置７０で生成された目標施工データは、無線で制御装置５０に送信される。

目標施工データ生成装置７０と制御装置５０とが有線で接続され、目標施工データ生成装置７０から制御装置５０に目標施工データが送信されてもよい。目標施工データ生成装置７０が目標施工データを記憶した記録媒体を含み、制御装置５０が、記録媒体から目標施工データを読み込み可能な装置を有してもよい。

目標施工データ生成装置７０は、油圧ショベル１００に設けられてもよい。施工を管理する外部の管理装置から目標施工データが有線又は無線で油圧ショベル１００の目標施工データ生成装置７０に供給され、目標施工データ生成装置７０が供給された目標施工データを記憶してもよい。

制御装置５０は、処理部５１と、記憶部５２と、入出力部５３とを含む。処理部５１は、車体位置データ取得部５１Ａと、作業機角度データ取得部５１Ｂと、候補規定点位置データ演算部５１Ｃａと、目標施工形状生成部５１Ｄと、規定点位置データ演算部５１Ｃｂと、動作平面演算部５１Ｅと、停止地形演算部５１Ｆと、作業機制御部５１Ｇと、制限速度決定部５１Ｈと、判定部５１Ｊと、を有する。記憶部５２は、作業機データを含む油圧ショベル１００の諸元データを記憶する。

処理部５１が有する車体位置データ取得部５１Ａ、作業機角度データ取得部５１Ｂ、候補規定点位置データ演算部５１Ｃａ、目標施工形状生成部５１Ｄ、規定点位置データ演算部５１Ｃｂ、動作平面演算部５１Ｅ、停止地形演算部５１Ｆ、作業機制御部５１Ｇ、制限速度決定部５１Ｈ及び判定部５１Ｊのそれぞれの機能は、制御装置５０のプロセッサによって実現される。記憶部５２の機能は、制御装置５０の記憶装置によって実現される。入出力部５３の機能は、制御装置５０の入出力インターフェース装置によって実現される。

車体位置データ取得部５１Ａは、位置検出装置２０から入出力部５３を介して車体位置データを取得する。車体位置データは、グローバル座標系で規定される上部旋回体２の絶対位置Ｐｇ、ロール角度θ１及びピッチ角度θ２を含む上部旋回体２の姿勢及びヨー角度θ３を含む上部旋回体２の方位を含む。

作業機角度データ取得部５１Ｂは、作業機角度検出装置２４から入出力部５３を介して作業機角度データを取得する。作業機角度データは、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ及びチルト軸角度εを含む作業機１の角度である。

候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、バケット８に設定された規定点ＲＰの位置データを求める。候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、車体位置データ取得部５１Ａで取得された車体位置データと、作業機角度データ取得部５１Ｂで取得された作業機角度データと、記憶部５２に記憶されている作業機データとに基づいて、バケット８に設定される規定点ＲＰの位置データを求める。規定点ＲＰについては後述する。

図４に示すように、作業機データは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット幅Ｌ５を含む。ブーム長さＬ１は、ブーム軸ＡＸ１とアーム軸ＡＸ２との距離である。アーム長さＬ２は、アーム軸ＡＸ２とバケット軸ＡＸ３との距離である。バケット長さＬ３は、バケット軸ＡＸ３とバケット８の刃先９との距離である。チルト長さＬ４は、バケット軸ＡＸ３とチルト軸ＡＸ４との距離である。バケット幅Ｌ５は、側板８４と側板８５との距離である。

図１１は、本実施形態に係るバケット８に設定される規定点ＲＰの一例を模式的に示す図である。図１１に示されるように、バケット８には、チルトバケット制御に使用される規定点ＲＰの候補となる候補規定点ＲＰｃが複数設定される。候補規定点ＲＰｃは、バケット８の刃先９及びバケット８の外面に設定される。候補規定点ＲＰｃは、刃先９においてバケット幅方向に複数設定される。また、候補規定点ＲＰｃは、バケット８の外面において複数設定される。前述した規定点ＲＰは、候補規定点ＲＰｃのうちの１つである。

作業機データは、バケット８の形状及び寸法を示すバケット外形データを含む。バケット外形データは、バケット幅Ｌ５を含む。バケット外形データは、バケット８の外面の輪郭データ、及びバケット８の刃先９を基準としたバケット８の複数の候補規定点ＲＰｃの座標データを含む。

候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、上部旋回体２の基準位置Ｐ０に対する複数の候補規定点ＲＰｃそれぞれの相対位置を算出する。また、候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、複数の候補規定点ＲＰｃそれぞれの絶対位置を算出する。

候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット外形データを含む作業機データと、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εを含む作業機角度データに基づいて、上部旋回体２の基準位置Ｐ０に対するバケット８の複数の候補規定点ＲＰｃそれぞれの相対位置を算出することができる。図４に示すように、上部旋回体２の基準位置Ｐ０は、上部旋回体２の旋回軸ＲＸに設定される。なお、上部旋回体２の基準位置Ｐ０は、ブーム軸ＡＸ１に設定されてもよい。

また、候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、位置検出装置２０によって検出された上部旋回体２の絶対位置Ｐｇと、上部旋回体２の基準位置Ｐ０とバケット８との相対位置とに基づいて、バケット８の絶対位置Ｐａを算出可能である。絶対位置Ｐｇと基準位置Ｐ０との相対位置は、油圧ショベル１００の諸元データから導出される既知データである。候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを含む車体位置データと、上部旋回体２の基準位置Ｐ０とバケット８との相対位置と、作業機データと、作業機角度データとに基づいて、バケット８の複数の候補規定点ＲＰｃそれぞれの絶対位置を算出することができる。候補規定点ＲＰｃはバケット８の幅方向の情報とバケット８の外面の情報とを含めば、点に限定されなくてもよい。

目標施工形状生成部５１Ｄは、目標施工データ生成装置７０から与えられる目標施工データに基づいて、施工対象の目標形状を示す目標施工形状ＣＳを生成する。目標施工データ生成装置７０は、目標施工データとして、３次元目標地形データを目標施工形状生成部５１Ｄに与えてもよいし、目標形状の一部を示す複数のラインデータ又は複数のポイントデータを目標施工形状生成部５１Ｄに与えてもよい。本実施形態において、目標施工データ生成装置７０は、目標施工データとして、目標形状の一部を示すラインデータを目標施工形状生成部５１Ｄに与えることとする。

図１２は、本実施形態に係る目標施工データＣＤの一例を示す模式図である。図１２に示されるように、目標施工データＣＤは、施工エリアの目標地形を示す。目標地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の目標施工形状ＣＳを含む。複数の目標施工形状ＣＳのそれぞれは、作業機１による施工対象の目標形状を示す。目標施工データＣＤにおいて、目標施工形状ＣＳのうちバケット８との垂直距離が最も近い点ＡＰが規定される。また、目標施工データＣＤにおいて、点ＡＰ及びバケット８を通りバケット軸ＡＸ３と直交する作業機動作平面ＷＰが規定される。作業機動作平面ＷＰは、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の少なくとも一つの動作によりバケット８の刃先９が移動する動作平面であり、車体座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）におけるＸＺ平面と平行である。

目標施工形状生成部５１Ｄは、作業機動作平面ＷＰと目標施工形状ＣＳとの交線であるラインＬＸを取得する。また、目標施工形状生成部５１Ｄは、点ＡＰを通り目標施工形状ＣＳにおいてラインＬＸと交差するラインＬＹを取得する。ラインＬＹは、横動作平面と目標施工地形ＣＳとの交線を示す。横動作平面とは、作業機動作平面ＷＰと直交し、点ＡＰを通過する平面である。ラインＬＹは目標施工地形ＣＳにおいてバケット８の側方方向に延在する。

図１３は、本実施形態に係る目標施工形状ＣＳの一例を示す模式図である。目標施工形状生成部５１Ｄは、ラインＬＸ及びラインＬＹを取得して、ラインＬＸ及びＬＹに基づいて、施工対象の目標形状を示す目標施工形状ＣＳを生成する。目標施工形状ＣＳをバケット８で掘削する場合、制御装置５０は、バケット８を通る作業機動作平面ＷＰと目標施工形状ＣＳとの交線であるラインＬＸに沿ってバケット８を移動させる。

本実施形態において、制御装置５０は、ラインＬＹに基づくチルト制御により、バケット８がチルト動作した場合でも規定点ＲＰとラインＬＹ上とで垂直距離が取得され、バケット８の制御を行うことができる。また、制御装置５０は、ラインＬＹだけではなく、規定点ＲＰに対する目標施工形状ＣＳとの最短距離に基づき、ラインＬＹに平行なラインに基づいてチルト制御を行ってもよい。

動作平面演算部５１Ｅは、部材に設定された規定点を通り、軸線と直交する動作平面を求める。本実施形態において、軸線はチルト軸ＡＸ４であり、部材はバケット８なので、動作平面演算部５１Ｅは、部材であるバケット８の規定点ＲＰを通り、軸線であるチルト軸ＡＸ４と直交するチルト動作平面ＴＰを求める。チルト動作平面ＴＰは、前述した動作平面に相当する。

図１４及び図１５は、本実施形態に係るチルト動作平面ＴＰの一例を示す模式図である。図１４は、チルト軸ＡＸ４が目標施工形状ＣＳと平行であるときのチルト動作平面ＴＰを示す。図１５は、チルト軸ＡＸ４が目標施工形状ＣＳと非平行であるときのチルト動作平面ＴＰを示す。

図１４及び図１５に示されるように、チルト動作平面ＴＰとは、バケット８に規定されている複数の候補規定点ＲＰｃから選択された規定点ＲＰを通りチルト軸ＡＸ４と直交する動作平面をいう。規定点ＲＰは、複数の候補規定点ＲＰｃのうち、チルトバケット制御において最も有利であると判定されたで規定点ＲＰである。チルトバケット制御において最も有利である規定点ＲＰは、目標施工形状ＣＳとの距離が最も近い規定点ＲＰである。なお、チルトバケット制御において最も有利である規定点ＲＰは、その規定点ＲＰに基づいてチルトバケット制御を実行したとき、油圧シリンダ１０のシリンダ速度が最も速くなる規定点ＲＰでもよい。規定点位置データ演算部５１Ｃｂは、バケット８の幅と、外面情報である候補規定点ＲＰｃと、目標施工形状ＣＳとに基づき、規定点ＲＰ、詳細にはチルトバケット制御において最も有利である規定点ＲＰを求める。

図１４及び図１５は、一例として、刃先９に設定された規定点ＲＰを通るチルト動作平面ＴＰを示す。チルト動作平面ＴＰは、チルトシリンダ１４の作動によりバケット８の規定点ＲＰ（刃先９）が移動する動作平面である。ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、及びバケットシリンダ１３の少なくとも一つが作動し、チルト軸ＡＸ４の向きを示すチルト軸角度εが変化すると、チルト動作平面ＴＰの傾きも変化する。

前述したように、作業機角度検出装置２４は、ＸＹ平面に対するチルト軸ＡＸ４の傾斜角度を示すチルト軸角度εを求める。チルト軸角度εは、作業機角度データ取得部５１Ｂに取得される。また、規定点ＲＰの位置データは、候補規定点位置データ演算部５１Ｃａによって求められる。動作平面演算部５１Ｅは、作業機角度データ取得部５１Ｂで取得されたチルト軸ＡＸ４のチルト軸角度εと、候補規定点位置データ演算部５１Ｃａによって求められた規定点ＲＰの位置とに基づいて、チルト動作平面ＴＰを求める。

停止地形演算部５１Ｆは、目標施工形状ＣＳと動作平面とが交差する停止地形を求める。本実施形態において、動作平面はチルト動作平面ＴＰなので、停止地形演算部５１Ｆは、目標施工形状ＣＳとチルト動作平面ＴＰとが交差する部分によって規定される停止地形を求める。この停止地形を、以下においては適宜、チルト停止地形ＳＴと称する。停止地形演算部５１Ｆは、複数の候補規定点ＲＰｃから選択された規定点ＲＰの位置データと目標施工地形ＣＳとチルトデータとに基づいて、目標施工地形ＣＳにおいてバケット８の側方方向に延在するチルト目標地形ＳＴを算出する。図１４及び図１５に示されるように、チルト停止地形ＳＴは、目標施工形状ＣＳとチルト動作平面ＴＰとの交線によって表される。チルト軸ＡＸ４の向きであるチルト軸角度εが変化すると、チルト停止地形ＳＴの位置が変化する。

作業機制御部５１Ｇは、油圧シリンダ１０を制御するための制御信号を出力する。チルト停止制御を実行する場合、作業機制御部５１Ｇは、バケット８の規定点ＲＰとチルト停止地形ＳＴとの距離を示す動作距離Ｄａに基づいて、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８のチルト動作を停止させるチルト停止制御を実行する。すなわち、本実施形態においては、チルト停止地形ＳＴを基準にチルト停止制御が実行される。チルト停止制御においては、作業機制御部５１Ｇは、チルト動作するバケット８がチルト停止地形ＳＴを超えないように、チルト停止地形ＳＴでバケット８を停止させる。

作業機制御部５１Ｇは、バケット８に設定された複数の候補規定点ＲＰｃのうち動作距離Ｄａが最も短い規定点ＲＰに基づいて、チルト停止制御を実行する。すなわち、作業機制御部５１Ｇは、バケット８に設定された複数の候補規定点ＲＰｃのうちチルト停止地形ＳＴに最も近い規定点ＲＰがチルト停止地形ＳＴを超えないように、チルト停止地形ＳＴに最も近い規定点ＲＰとチルト停止地形ＳＴとの動作距離Ｄａに基づいて、チルト停止制御を実行する。

制限速度決定部５１Ｈは、動作距離Ｄａに基づいて、バケット８のチルト動作速度についての制限速度Ｕを決定する。制限速度決定部５１Ｈは、動作距離Ｄａが閾値であるライン距離Ｈ以下のときに、チルト動作速度を制限する。

判定部５１Ｊは、目標施工形状ＣＳに対して油圧ショベル１００が存在する側である空中側にバケット８が存在しているか否かを判定する。判定部５１Ｊは、空中側にバケット８が存在する場合には第１の情報を出力し、空中側にバケット８が存在しない場合には第１の情報とは異なる第２の情報を出力する。第１の情報は、バケット８のチルト動作を許容することを示す情報である。第１の情報により、制御装置５０はチルト停止制御を実行することができる。第２の情報は、バケット８のチルト動作を許容しないことを示す情報である。第２の情報により、制御装置５０は、チルト停止制御を実行しない。本実施形態において、制限速度決定部５１Ｈが判定部５１Ｊを有してもよい。

図１６は、本実施形態に係るチルト停止制御を説明するための模式図である。図１６に示されるように、目標施工形状ＣＳが規定されるとともに、速度制限介入ラインＩＬが規定される。速度制限介入ラインＩＬは、チルト軸ＡＸ４と平行であり、チルト停止地形ＳＴからライン距離Ｈだけ離れた位置に規定される。ライン距離Ｈは、オペレータの操作感が損なわれないように設定されることが望ましい。作業機制御部５１Ｇは、チルト動作するバケット８の少なくとも一部が速度制限介入ラインＩＬを超え、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下になったとき、バケット８のチルト動作速度を制限する。制限速度決定部５１Ｈは、速度制限介入ラインＩＬを超えたバケット８のチルト動作速度についての制限速度Ｕを決定する。図１６に示される例では、バケット８の一部が速度制限介入ラインＩＬを超え、動作距離Ｄａがライン距離Ｈよりも小さいため、チルト動作速度が制限される。

制限速度決定部５１Ｈは、チルト動作平面ＴＰと平行な方向における規定点ＲＰとチルト停止地形ＳＴとの動作距離Ｄａを取得する。また、制限速度決定部５１Ｈは、動作距離Ｄａに応じた制限速度Ｕを取得する。作業機制御部５１Ｇは、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下であると判定された場合、チルト動作速度を制限する。

図１７は、チルトバケットのチルト回転を動作距離Ｄａに基づき停止させるため、動作距離Ｄａと制限速度Ｕとの関係の一例を示す図である。図１７に示されるように、制限速度Ｕは、動作距離Ｄａに応じて決められている速度である。制限速度Ｕは、動作距離Ｄａがライン距離Ｈよりも大きいときには設定されず、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下のときに設定される。動作距離Ｄａが小さくなるほど、制限速度Ｕは小さくなり、動作距離Ｄａが零になると、制限速度Ｕも零になる。なお、図１７では、目標施工形状ＣＳに近付く方向を負の方向として表している。

制限速度決定部５１Ｈは、操作装置３０のチルト操作レバー３０Ｔの操作量に基づいて、規定点ＲＰが目標施工データＣＤによって特定される目標施工形状ＣＳ（チルト停止地形ＳＴ）に向かって移動するときの移動速度Ｖｒを求める。移動速度Ｖｒは、チルト動作平面ＴＰと平行な面内における規定点ＲＰの移動速度である。移動速度Ｖｒは、複数の規定点ＲＰのそれぞれについて求められる。

本実施形態においては、チルト操作レバー３０Ｔが操作された場合、チルト操作レバー３０Ｔから出力された電流値に基づいて、移動速度Ｖｒが求められる。チルト操作レバー３０Ｔが操作されると、チルト操作レバー３０Ｔの操作量に応じた電流がチルト操作レバー３０Ｔから出力される。記憶部５２には、チルト操作レバー３０Ｔから出力される電流値とパイロット圧との関係を示す第１相関データが記憶されている。また、記憶部５２には、パイロット圧とスプールの移動量を示すスプールストロークとの関係を示す第２相関データが記憶されている。また、記憶部５２には、スプールストロークとチルトシリンダ１４のシリンダ速度との関係を示す第３相関データが記憶されている。

第１相関データ、第２相関データ、及び第３相関データは、実験又はシミュレーション等により事前に求められる既知データである。制限速度決定部５１Ｈは、チルト操作レバー３０Ｔから出力された電流値と、記憶部５２に記憶されている第１相関データ、第２相関データ及び第３相関データとに基づいて、チルト操作レバー３０Ｔの操作量に応じたチルトシリンダ１４のシリンダ速度を求める。シリンダ速度は、実際のストロークセンサの検出値が用いられてもよい。チルトシリンダ１４のシリンダ速度が求められた後、制限速度決定部５１Ｈは、ヤコビアン行列式を使って、チルトシリンダ１４のシリンダ速度をバケット８の複数の規定点ＲＰそれぞれの移動速度Ｖｒに変換する。

作業機制御部５１Ｇは、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下であると判定された場合、目標施工形状ＣＳに対する規定点ＲＰの移動速度Ｖｒを制限速度Ｕに制限する速度制限を実行する。作業機制御部５１Ｇは、バケット８の規定点ＲＰの移動速度Ｖｒを抑えるために、制御弁３７に制御信号を出力する。作業機制御部５１Ｇは、バケット８の規定点ＲＰの移動速度Ｖｒが動作距離Ｄａに応じた制限速度Ｕになるように、制御弁３７に制御信号を出力する。この処理により、チルト動作するバケット８の規定点ＲＰの移動速度は、規定点ＲＰが目標施工形状ＣＳ（チルト停止地形ＳＴ）に近付くほど遅くなり、規定点ＲＰ（刃先９）が目標施工形状ＣＳに到達したときに零になる。

本実施形態においては、チルト動作平面ＴＰが規定され、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとの交線であるチルト停止地形ＳＴが導出される。作業機制御部５１Ｇは、複数の候補規定点ＲＰｃのうちチルト停止地形ＳＴに最も近い規定点ＲＰと目標施工形状ＣＳとの動作距離Ｄａに基づいて、その規定点ＲＰが目標施工形状ＣＳを超えないように、チルト停止制御を実行する。チルト停止制御が、垂直距離Ｄｂよりも長い動作距離Ｄａに基づいて実行されるため、垂直距離Ｄｂに基づいてチルト停止制御が実行される場合に比べて、バケット８のチルト動作が不必要に停止されることが抑制される。本実施形態においては、バケット８がチルト動作するだけでは、チルト停止地形ＳＴの位置は変化しない。したがって、チルト動作可能なバケット８を使った掘削作業は円滑に実行される。

［チルト停止地形ＳＴの位置］
図１８及び図１９は、チルト停止地形ＳＴの位置を示す図である。図１８は、バケット８の刃先９側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する例を示す。図１９は、バケット８のチルトピン８Ｔ側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する例を示す。バケット８がチルト動作する場合、バケット８の刃先９側に存在する目標施工形状ＣＳに対してだけでなく、バケット８のチルトピン８Ｔ側、すなわち背面側に存在する目標施工形状ＣＳに対して、バケット８のチルト動作を停止させたい場合がある。

制御装置５０は、バケット８の刃先９側に存在する目標施工形状ＣＳに対してチルト停止制御を実行する場合、バケット８の刃先９側に存在するチルト停止地形ＳＴとバケット８の規定点ＲＰとの動作距離Ｄａに基づいて、バケット８のチルト動作を停止させる。制御装置５０は、バケット８のチルトピン８Ｔ側に存在する目標施工形状ＣＳに対してチルト停止制御を実行する場合、バケット８のチルトピン８Ｔ側に存在するチルト停止地形ＳＴとバケット８の規定点ＲＰとの動作距離Ｄａに基づいて、バケット８のチルト動作を停止させる。

図２０及び図２１は、チルト動作平面ＴＰ上でバケット８及びチルト停止地形ＳＴを見た状態を示す図である。図２０及び図２１は、いずれもチルトピン８Ｔと平行な方向、かつ目標施工形状ＣＳからバケット８を見た状態を示している。図２０は、バケット８の刃先９側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する場合を示す。この場合、チルト動作平面ＴＰ上のバケット８及びチルト停止地形ＳＴを見ると、バケット８はチルト停止地形ＳＴの上方、すなわち空中側に存在するため、制御装置５０は、バケット８とチルト停止地形ＳＴとの動作距離Ｄａに基づいてチルト停止制御を実行する。

図２１は、バケット８のチルトピン８Ｔ側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する場合を示す。この場合、図２１に示されるように、チルト動作平面ＴＰ上のバケット８及びチルト停止地形ＳＴを見ると、バケット８はチルト停止地形ＳＴの上方に存在するにも関わらず、バケット８はチルト停止地形ＳＴの下方、すなわち施工対象の内部にあるように見える。その結果、バケット８は、チルト停止地形ＳＴを掘り込んでいるように見える。このため、制御装置５０は、バケット８が施工対象を掘り込んでいると誤認してチルト動作を停止させるため、バケット８が空中に存在してチルト動作が可能である場合であってもチルト動作ができなくなることがある。

図２２は、空中側ＡＳと地中側ＳＳとの位置関係を示す図である。目標施工形状ＣＳを基準として油圧ショベル１００が存在する側を空中側ＡＳとし、油圧ショベル１００が存在しない側を地中側ＳＳとする。バケット８、アーム７、ブーム６及び上部旋回体２は油圧ショベル１００の一部なので、目標施工形状ＣＳを基準としてバケット８、アーム７、ブーム６及び上部旋回体２が存在する側が空中側ＡＳであり、バケット８、アーム７、ブーム６及び上部旋回体２が存在しない側が地中側ＳＳである。目標施工形状ＣＳは、目標施工データＣＤの一部であるので、空中側ＡＳは、目標施工データＣＤを基準として油圧ショベル１００が存在する側であり、地中側ＳＳは、目標施工データＣＤを基準として油圧ショベル１００が存在しない側である。

制御装置５０は、バケット８が空中側ＡＳに存在する場合にはバケット８の回転、すなわちチルト動作を許容し、バケット８が空中側ＡＳに存在しない場合、すなわち地中側ＳＳに存在する場合にはチルト動作を許容しない。制御装置５０は、バケット８が空中側ＡＳに存在する場合にはバケット８のチルト動作を許容するため、バケット８とチルト停止地形ＳＴとの動作距離Ｄａに基づいてチルト停止制御を実行する。

図２３から図２６は、バケット８とチルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとの関係を示す図である。図２３及び図２５は、バケット８の刃先９側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する場合を示す。図２３に示されるように、チルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとバケット８に設定された規定点ＲＰとが対向する関係にある場合で、バケット８は空中側ＡＳに存在する。しかし、図２５に示されるように、チルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとバケット８に設定された規定点ＲＰとが対向する関係にある場合でも、バケット８は空中側ＡＳには存在せず、地中側ＳＳに存在する。

図２４及び図２６は、バケット８のチルトピン８Ｔ側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する場合を示す。図２４に示されるように、チルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとバケット８のチルトピン８Ｔ側とが対向する関係にある場合で、バケット８は空中側ＡＳに存在せず、地中側ＳＳに存在する。しかし、図２６に示されるように、チルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとバケット８のチルトピン８Ｔ側とが対向する関係にある場合でも、バケット８は空中側ＡＳに存在する。

バケット８の刃先９側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する場合であっても、バケット８のチルトピン８Ｔ側においてチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する場合であっても、制御装置５０は、バケット８が空中側ＡＳに存在する場合にはチルト動作を許容し、バケット８が空中側ＡＳに存在しない場合、すなわち地中側ＳＳに存在する場合にはチルト動作を許容しない。

［空中側ＡＳ又は地中側ＳＳを判定する処理］
図２７及び図２８は、バケット８とチルト停止地形ＳＴとの動作距離Ｄａ、及びチルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとがバケット８の刃先９側又はチルトピン８Ｔ側のいずれで交差するかを求める方法を説明するための図である。図２９、図３０、図３１及び図３２は、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとがバケット８の刃先９側又はチルトピン８Ｔ側のいずれで交差する場合においても、バケット８が空中側ＡＳ又は地中側ＳＳのいずれに存在するかを判定する方法を示す図である。制御装置５０は、バケット８が空中側ＡＳ又は地中側ＳＳのいずれに存在するかを判定するにあたって、バケット８とチルト停止地形ＳＴとの距離である動作距離Ｄａを求める。本実施形態において動作距離Ｄａは、制限速度決定部５１Ｈによって求められる。

制限速度決定部５１Ｈは、チルトピン座標系（Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔ）において動作距離Ｄａを求める。チルトピン座標系（Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔ）は、チルトピン８Ｔのチルト軸ＡＸ４をＸｔ軸とし、Ｘｔ軸と直交する２つの軸をＹｔ軸及びＺｔ軸とする。Ｙｔ軸とＺｔ軸とは互いに直交する。Ｙｔ軸は、車体座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）におけるＸＺ平面と平行な軸である。Ｙｔ軸は、バケット軸ＡＸ３を中心としてチルトピン８Ｔが回転したときに、Ｘｔ軸と共に車体座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）におけるＸＺ平面内を回転する。

制限速度決定部５１Ｈは、チルト停止地形ＳＴ上の任意の２つの点である始点Ｐｓと終点Ｐｅとを結ぶベクトルＶａと、チルト停止地形ＳＴ上の始点Ｐｓとバケット８の規定点ＲＰとを結ぶベクトルＶｂとを求める。図２７に示される例において、規定点ＲＰは刃先９の一部であり、図２８に示される例において、規定点ＲＰはチルトピン８Ｔ側におけるバケット８の一部である。

ベクトルＶａは、始点Ｐｓから終点Ｐｅへ向かうベクトルである。ベクトルＶｂは、始点Ｐｓから規定点ＲＰへ向かうベクトルである。動作距離Ｄａは、ベクトルＶａ及びベクトルＶｂを用いると、式（１）によって求められる。式（１）において、Ｖａ×Ｖｂは、ベクトルＶａとベクトルＶｂとの外積である。式（１）の右辺のｘは、動作距離Ｄａが、車体座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）におけるＸ方向の成分であることを意味する。
Ｄａ＝［Ｖａ×Ｖｂ／｜Ｖａ｜］ｘ・・・（１）

動作距離Ｄａは正又は負を表す符号付きの距離である。式（１）から、動作距離ＤａはベクトルＶａとベクトルＶｂとの外積によって求められるので、ベクトルＶａに対するベクトルＶｂの位置によって、Ｖａ×Ｖｂの方向は反転する。例えば、図２７に示される状態のＶａ×Ｖｂの方向を第１方向とすると、図２８に示される状態のＶａ×Ｖｂの方向は、第１方向とは１８０度異なる方向となる。第１方向における動作距離Ｄａの符号を正（＋）とすると、第２方向における動作距離Ｄａの符号は負（−）となる。動作距離Ｄａの符号は、本実施形態で示した定義には限定されない。

Ｖａ×Ｖｂの方向が第１方向である場合、すなわち動作距離Ｄａの符号が正である場合、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとがバケット８の刃先９側で交差する。Ｖａ×Ｖｂの方向が第２方向である場合、すなわち動作距離Ｄａの符号が負である場合、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとがバケット８のチルトピン８Ｔ側で交差する。

制御装置５０は、動作距離Ｄａを求め、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとがバケット８の刃先９側又はチルトピン８Ｔ側のいずれで交差するかを判定する。制御装置５０は、それらの情報から、バケット８が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるか、すなわち目標施工形状ＣＳを掘り込んでいないか又は掘り込んでいるかを正しく判定する。制御装置５０の判定部５０Ｊは、目標施工形状ＣＳと直交する方向に延びる第１ベクトルＶｎと、チルト軸ＡＸ４が延びる方向の第２ベクトルＮとの外積であるＶｎ×Ｎを求める。第１ベクトルＶｎは、目標施工形状ＣＳから空中側ＡＳに向かうベクトルである。第２ベクトルＮは、チルトピン８Ｔの第１端部８ＴＦから第２端部８ＴＳに向かうベクトルである。チルトピン８Ｔの第１端部８ＴＦは、チルトピン８Ｔが延びる方向に存在し、かつバケット８の開口部８ＨＬ側における端部である。第２端部８ＴＳは、チルトピン８Ｔが延びる方向に存在し、かつ第１端部８ＴＦとは反対側の端部である。第１ベクトルＶｎと第２ベクトルＮとの外積は、車体座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）において求められる。

第１ベクトルＶｎと第２ベクトルＮとの外積であるＶｎ×Ｎは、第１ベクトルＶｎに対する第２ベクトルＮの位置によって、外積Ｖｎ×Ｎの方向は反転する。例えば、図２９及び図３１に示される状態の外積Ｖｎ×Ｎの方向を第１方向とすると、図３０及び図３２に示される状態の外積Ｖｎ×Ｎの方向は、第１方向とは１８０度異なる方向、すなわち第２方向となる。第１方向における外積Ｖｎ×Ｎの符号を正（＋）とすると、第２方向における外積Ｖｎ×Ｎの符号は負（−）となる。外積Ｖｎ×Ｎの符号は、本実施形態で示した定義には限定されない。

判定部５１Ｊは、外積Ｖｎ×Ｎの方向が予め定められた方向、本実施形態においては第１方向である場合、動作距離Ｄａの符号を制限速度決定部５１Ｈが求めた値に維持する。図２９及び図３１に示される例の場合、判定部５１Ｊは、制限速度決定部５１Ｈから動作距離Ｄａを受け取り、その符号を維持した状態、すなわち符号が反転されない状態で出力する。本実施形態において、判定部５１Ｊは、動作距離Ｄａを作業機制御部５１Ｇに出力するが、動作距離Ｄａの出力先は限定されない。

この場合、動作距離Ｄａの符号が正であれば、図２９に示されるようにバケット８は空中側ＡＳに存在し、動作距離Ｄａの符号が負であれば、図３１に示されるようにバケット８は地中側ＳＳに存在する。

判定部５１Ｊは、外積Ｖｎ×Ｎの方向が予め定められた方向でない場合、本実施形態においては第２方向である場合、動作距離Ｄａの符号を制限速度決定部５１Ｈが求めた値から反転させて出力する。図３０及び図３２に示される例の場合、判定部５１Ｊは、制限速度決定部５１Ｈから動作距離Ｄａを受け取り、符号を反転して出力する。

外積Ｖｎ×Ｎの方向が予め定められた方向でない場合、動作距離Ｄａの符号が正であれば、図３２に示されるようにバケット８は地中側ＳＳに存在し、動作距離Ｄａの符号が負であれば、図３０に示されるようにバケット８は空中側ＡＳに存在する。この場合、動作距離Ｄａの符号が反転すると、動作距離Ｄａの符号が正であればバケット８は空中側ＡＳに存在し、動作距離Ｄａの符号が負であればバケット８は地中側ＳＳに存在することになる。すなわち、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとがバケット８の刃先９側で交差する場合も、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとはバケット８のチルトピン８Ｔ側で交差する場合もともに、バケット８が空中側ＡＳ又は地中側ＳＳのいずれに存在するかが判定される。

本実施形態において、判定部５１Ｊは、目標施工形状ＣＳに対して油圧ショベル１００が存在する側である空中側ＡＳにバケット８が存在している場合には第１の情報を出力し、空中側ＡＳにバケット８が存在しない場合には第２の情報を出力する。詳細には、前述したように、判定部５１Ｊは、チルト停止地形ＳＴと規定点ＲＰとの距離である動作距離Ｄａ、目標施工形状ＣＳと直交する方向に延びる第１ベクトルＶｎ及び軸線であるチルト軸ＡＸ４が延びる方向の第２ベクトルＮを用いて第１の情報又は第２の情報を出力する。作業機制御部５１Ｇは、判定部５１Ｊから第１の情報が出力された場合にはバケット８の回転、すなわちチルト動作を許容し、第２の情報が出力された場合にはバケット８の回転を許容しない。

このような処理により、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８とチルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとの位置関係によらず、バケット８が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるか、すなわち目標施工形状ＣＳを掘り込んでいないか又は掘り込んでいるかを正しく判定できる。その結果、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８の刃先９側に存在する目標施工形状ＣＳ及びバケット８のチルトピン８Ｔ側に存在する目標施工形状ＣＳの両方に対して、チルト停止制御を実行してバケット８のチルト動作を停止させることができる。また、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８の刃先９側に存在する目標施工形状ＣＳ及びバケット８のチルトピン８Ｔ側に存在する目標施工形状ＣＳの両方に対して、バケット８が目標施工形状ＣＳを掘り込んでいる場合にはチルト動作を停止させることができる。このように、制御システム２００及び制御装置５０は、目標施工形状ＣＳに侵入しないようにバケット８の動作を制御するにあたって、油圧ショベル１００が有するバケット８の姿勢と目標施工形状ＣＳとの位置関係による制御の制約を低減することができる。

［制御方法］
図３３は、本実施形態に係る作業機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。目標施工形状生成部５１Ｄは、目標施工データ生成装置７０から供給された目標施工データであるラインＬＸ及びラインＬＹに基づいて、目標施工形状ＣＳを生成する（ステップＳ１０）。

候補規定点位置データ演算部５１Ｃａは、作業機角度データ取得部５１Ｂで取得された作業機角度データと、記憶部５２に記憶されている作業機データとに基づいて、バケット８に設定された複数の規定点ＲＰそれぞれの位置データを求める（ステップＳ２０）。

動作平面演算部５１Ｅは、規定点ＲＰを通りチルト軸ＡＸ４と直交するチルト動作平面ＴＰを求める（ステップＳ３０）。停止地形演算部５１Ｆは、複数の候補規定点ＲＰｃからチルトバケットの制御において最も有利な規定点ＲＰを選択し、選目標施工形状ＣＳとチルト動作平面ＴＰとが交差するチルト停止地形ＳＴを求める（ステップＳ４０）。制限速度決定部５１Ｈは、規定点ＲＰとチルト停止地形ＳＴとの動作距離Ｄａを求める（ステップＳ５０）。次に、動作距離Ｄａを求める処理を説明する。

図３４は、本実施形態に係る作業機械の制御方法において、動作距離Ｄａを求める際の処理を示すフローチャートである。ステップＳ５０１において、制限速度決定部５１Ｈは、規定点ＲＰとチルト停止地形ＳＴとの距離である動作距離Ｄａを符号付きで求める。ステップＳ５０２において、判定部５１Ｊは、第１ベクトルＶｎと第２ベクトルＮとの外積Ｖｎ×Ｎを求める。ステップＳ５０３において、判定部５１Ｊは、外積Ｖｎ×Ｎの向き、すなわち符号に応じて動作距離Ｄａの符号を反転させて、作業機制御部５１Ｇに出力する。

ステップＳ６０において、動作距離Ｄａの絶対値がライン距離Ｈ以下であり、かつ動作距離Ｄａの符号が正である場合（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）、制限速度決定部５１Ｈは、動作距離Ｄａの絶対値に応じた制限速度Ｕを決定する（ステップＳ７０）。

作業機制御部５１Ｇは、チルト操作レバー３０Ｔの操作量から求められるバケット８の規定点ＲＰの移動速度Ｖｒと、制限速度決定部５１Ｈによって決定された制限速度Ｕとに基づいて、制御弁３７に対する制御信号を決定する（ステップＳ８０）。作業機制御部５１Ｇは、制御信号を制御弁３７に出力する。制御弁３７は、作業機制御部５１Ｇから出力された制御信号に基づいてパイロット圧を制御する。これにより、チルトシリンダ１４が制御されるので（ステップＳ９０）、バケット８の規定点ＲＰの移動速度Ｖｒが制限される。チルト動作するバケット８が目標施工形状ＣＳに近付き、動作距離Ｄａの絶対値が零になると、バケット８のチルト動作は停止する。

ステップＳ６０において、動作距離Ｄａの絶対値がライン距離Ｈよりも大きく、かつ符号が負であるか、動作距離Ｄａの絶対値がライン距離Ｈよりも大きく、かつ符号が正であるか、動作距離Ｄａの絶対値がライン距離Ｈ以下であり、かつ符号が負であるかのうちいずれかである場合（ステップＳ６０：Ｎｏ）、制御装置５０はチルト停止制御をしない（ステップＳ６５）。この場合、作業機制御部５１Ｇは、ステップＳ８０において、バケット８の規定点ＲＰの移動速度を、チルト操作レバー３０Ｔの操作量から求められる移動速度Ｖｒにする制御信号を生成し、制御弁３７に出力する。これにより、バケット８の規定点ＲＰが移動速度Ｖｒになるようにチルトシリンダ１４が制御される（ステップＳ９０）。

このような処理により、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８とチルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとの位置関係によらず、バケット８が目標施工形状ＣＳを掘り込んでいないか又は掘り込んでいるかを正しく判定できる。このため、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８の刃先９側に存在する目標施工形状ＣＳ及びバケット８のチルトピン８Ｔ側に存在する目標施工形状ＣＳの両方に対して、チルト停止制御を実行してバケット８のチルト動作を停止させることができる。

［目標施工形状ＣＳが複数存在する場合］
図３５は、バケット８の周囲に複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４が存在する場合の一例を示す平面図である。図３６は、図３５のＡ−Ａ矢視図である。バケット８によって穴ＨＬが掘られる場合、制御装置５０の目標施工形状生成部５１Ｄは、バケット８の周囲に複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４を生成する。この場合、施工中のバケット８の周囲には、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４が存在する。

制限速度決定部５１Ｈは、バケット８の規定点ＲＰと目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４との距離である動作距離Ｄａを求める。この場合、制限速度決定部５１Ｈは、目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４の位置に応じて適切な規定点ＲＰを選択して、動作距離Ｄａを求める。例えば、制限速度決定部５１Ｈは、目標施工形状ＣＳ１においては刃先９側の規定点ＲＰを用い、目標施工形状ＣＳ２においてはチルトピン８Ｔ側の規定点ＲＰを用い、目標施工形状ＣＳ３においては第１側面８Ｌ側の規定点ＲＰを用い、目標施工形状ＣＳ４においては第２側面８Ｒ側の規定点ＲＰを用いる。

制限速度決定部５１Ｈは、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する部分であるチルト停止地形ＳＴと、第１側面８Ｌ側の規定点ＲＰを用いて、目標施工形状ＣＳ３における動作距離Ｄａを求める。また、制限速度決定部５１Ｈは、チルト動作平面ＴＰと目標施工形状ＣＳとが交差する部分であるチルト停止地形ＳＴと、第２側面８Ｒ側の規定点ＲＰを用いて、目標施工形状ＣＳ４における動作距離Ｄａを求める。

判定部５１Ｊは、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４に対して、第１の情報又は第２の情報、すなわち符号付きの動作距離Ｄａを出力する。この場合、目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４を基準として穴ＨＬ側が空中側ＡＳであり、穴ＨＬとは反対側が地中側ＳＳになる。

バケット８の周囲に存在する複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４に対して、第１の情報又は第２の情報が出力されることにより、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８とチルト停止地形ＳＴ及び目標施工形状ＣＳとの位置関係によらず、バケット８が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるか、すなわち目標施工形状ＣＳを掘り込んでいないか又は掘り込んでいるかを正しく判定できる。その結果、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８の周囲に存在する目標施工形状ＣＳに対して、チルト停止制御を実行してバケット８のチルト動作を停止させることができる。

［軸線を中心に回転する部材がバケット８以外である例］
図３７は、軸線を中心に回転する部材がバケット８以外である例を説明するための図である。図３８は、図３７のＢ−Ｂ矢視図である。図３７及び図３８は、油圧ショベル１００が閉鎖された空間で施工する状況を示している。この場合、油圧ショベル１００の周囲には、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９が存在する。図３７及び図３８に示される例において、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９で囲まれる部分を基準とした内側が空中側ＡＳであり、外側が地中側ＳＳである。

前述した例において、軸線を中心に回転する部材はバケット８であり、軸線はチルト軸ＡＸ４であるとしたが、軸線を中心に回転する部材はバケット８に限定されない。例えば、軸線をブーム軸ＡＸ１とし、軸線を中心に回転する部材をブーム６としてもよいし、軸線をアーム軸ＡＸ２とし、軸線を中心に回転する部材をアーム７としてもよいし、軸線を旋回軸ＲＸとし、軸線を中心に回転する部材を上部旋回体２としてもよい。また、部材がバケット８である場合、軸線をバケット軸ＡＸ３としてもよい。このように、本実施形態において、軸線を中心に回転する部材は、バケット８、アーム７、ブーム６及び上部旋回体２の少なくとも１つであればよい。

軸線をブーム軸ＡＸ１とし、軸線を中心に回転する部材をブーム６とした場合、ブーム軸ＡＸ１と直交し、かつブーム６の規定点ＲＰｂを通る平面が動作平面ＴＰｂとなる。動作平面ＴＰｂが、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９のうち少なくとも１つと交差する部分は、停止地形ＳＴ１ｂ，ＳＴ５ｂ等となる。判定部５１Ｊは、停止地形ＳＴ１ｂ，ＳＴ５ｂ等と規定点ＲＰｂとの距離、目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ５等と直交し、地中側ＳＳから空中側ＡＳに向かう方向に延びる第１ベクトル及びブーム軸ＡＸ１が延びる方向の第２ベクトルを用いて、第１の情報又は第２の情報、すなわち符号付きの動作距離Ｄａを出力する。制御装置５０は、符号付きの動作距離Ｄａに基づいて、ブーム６を停止させる停止制御を実行する。

軸線をアーム軸ＡＸ２とし、軸線を中心に回転する部材をアーム７とした場合、アーム軸ＡＸ２と直交し、かつアーム７の規定点ＲＰａを通る平面が動作平面ＴＰａとなる。動作平面ＴＰａが、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９のうち少なくとも１つと交差する部分は、停止地形ＳＴ１ａ，ＳＴ５ａ等となる。判定部５１Ｊは、停止地形ＳＴ１ａ，ＳＴ５ａ等と規定点ＲＰａとの距離、目標施工形状ＣＳ１、ＣＳ５等と直交し、地中側ＳＳから空中側ＡＳに向かう方向に延びる第１ベクトル及びアーム軸ＡＸ２が延びる方向の第２ベクトルを用いて、第１の情報又は第２の情報、すなわち符号付きの動作距離Ｄａを出力する。制御装置５０は、符号付きの動作距離Ｄａに基づいて、アーム７を停止させる停止制御を実行する。

軸線を旋回軸ＲＸとし、軸線を中心に回転する部材を上部旋回体２とした場合、旋回軸ＲＸと直交し、かつ上部旋回体２の規定点ＲＰｒを通る平面が動作平面ＴＰｒとなる。動作平面ＴＰｒが、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９のうち少なくとも１つと交差する部分は、停止地形ＳＴ２，ＳＴ７，ＳＴ８，ＳＴ９等となる。判定部５１Ｊは、停止地形ＳＴ２，ＳＴ７，ＳＴ８，ＳＴ９等と規定点ＲＰｒとの距離、目標施工形状ＣＳ２，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９等と直交し、地中側ＳＳから空中側ＡＳに向かう方向に延びる第１ベクトル及び旋回軸ＲＸが延びる方向の第２ベクトルを用いて、第１の情報又は第２の情報、すなわち符号付きの動作距離Ｄａを出力する。制御装置５０は、符号付きの動作距離Ｄａに基づいて、上部旋回体２を停止させる停止制御を実行する。

軸線をバケット軸ＡＸ３とし、部材をバケット８とした場合、バケット軸ＡＸ３と直交し、かつバケット８の規定点ＲＰｋを通る平面が動作平面ＴＰｋとなる。動作平面ＴＰｋが、複数の目標施工形状ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ７，ＣＳ８，ＣＳ９のうち少なくとも１つと交差する部分は、停止地形ＳＴ１ｋ，ＳＴ５ｋ等となる。判定部５１Ｊは、停止地形ＳＴ１ｋ，ＳＴ５ｋ等と規定点ＲＰｋとの距離、目標施工形状ＣＳ１、ＣＳ５等と直交する方向に延びる第１ベクトル及びバケット軸ＡＸ３が延びる方向の第１ベクトルを用いて、第１の情報又は第２の情報、すなわち符号付きの動作距離Ｄａを出力する。制御装置５０は、符号付きの動作距離Ｄａに基づいて、バケット８を停止させる停止制御を実行する。

このように、本実施形態において、制御システム２００及び制御装置５０は、バケット８以外の部材に対しても第１の情報又は第２の情報に基づいて動作を制御することができる。このため、制御システム２００及び制御装置５０は、油圧ショベル１００の部材と、停止地形ＳＴ５ｂ，ＳＴ５ａ，ＳＴ５ｋ，ＳＴ２等との位置関係によらず、部材が目標施工形状ＣＳを掘り込んでいないか又は掘り込んでいるかを正しく判定できる。このため、制御システム２００及び制御装置５０は、部材の周囲に存在する目標施工形状ＣＳに対して、停止制御を実行してバケット８のチルト動作を停止させることができる。その結果、制御システム２００及び制御装置５０は、目標施工形状ＣＳに侵入しないように油圧ショベル１００が有する部材の動作を制御するにあたって、部材の姿勢と目標施工形状ＣＳとの位置関係による制御の制約を低減することができる。

本実施形態において、判定部５１Ｊは、停止地形と規定点との距離、目標施工形状ＣＳと直交する方向に延びる第１ベクトルＶｎ及び軸線が延びる方向の第２ベクトルＮを用いて、油圧ショベル１００の少なくとも一部の部材が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるかを判定した。部材が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるかを判定する方法はこれに限定されない。例えば、判定部５１Ｊは、油圧ショベル１００の少なくとも一部の部材を撮像することによって得られた部材と施工対象との位置関係から、部材が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるかを判定してもよい。

図３９は、部材が空中側ＡＳにあるか地中側ＳＳにあるかを判定する他の方法を説明するための図である。油圧ショベル１００において、空中側ＡＳであることが明らかな既知の位置を第１位置Ｋ１とする。第１位置Ｋ１は、例えば、運転室４の屋根４ＴＰとする。第１位置Ｋ１は、油圧ショベル１００において空中側ＡＳに存在するか又は地中側ＳＳに存在するかを判定したい部材とは異なる部分の位置であり、かつ既知の基準点である。

空中側ＡＳに存在するか又は地中側ＳＳに存在するかを判定したい部材の位置を第２位置Ｋ２とする。第２位置Ｋ２は、例えば、バケット８の刃先９の一部とする。第１位置Ｋ１と第２位置Ｋ２とを結ぶ線分を、判定線ＳＬとする。第２位置Ｋ２は、前述した規定点ＲＰのうちの１つである。第２位置Ｋ２は、前述した規定点ＲＰ候補規定点位置データ演算部５１Ｃａによって求められる。

判定部５１Ｊは、第１位置Ｋ１と作業機１の姿勢から得られる第２位置Ｋ２とから、判定線ＳＬを求める。判定線ＳＬは、第１位置Ｋ１と第２位置Ｋ２とを結ぶ線分である。判定部５１Ｊは、判定線ＳＬと目標施工形状ＣＳとの交点ＸＰの個数を求め、得られた交点ＸＰの個数から、第２位置Ｋ２が空中側ＡＳに存在するか又は地中側ＳＳに存在するかを判定する。詳細には、判定部５１Ｊは、交点ＸＰの個数が偶数である場合、第２位置Ｋ２は空中側ＡＳに存在すると判定し、交点ＸＰの個数が奇数である場合、第２位置Ｋ２は地中側ＳＳに存在すると判定する。具体的には、判定線ＳＬ１は交点ＸＰの個数が２個なので、判定部５１Ｊは、第２位置Ｋ２が空中側ＡＳに存在すると判定し、第１の情報を出力する。判定線ＳＬ２は交点ＸＰの個数が３個なので、判定部５１Ｊは、第２位置Ｋ２が地中側ＳＳに存在すると判定し、第２の情報を出力する。すなわち、判定部５１Ｊは、交点ＸＰの個数が偶数か奇数を用いて第１の情報又は第２の情報を出力する。

本実施形態においては、作業機械が油圧ショベルであることとしたが、実施形態で説明した構成要素は、油圧ショベルとは別の、作業機を有する作業機械に適用されてもよい。また、本実施形態では、判定部５１Ｊによって出力された第１の情報及び第２の情報に基づいて、作業機制御部５１Ｇが作業機１を制御したが、このような態様には限定されない。判定部５１Ｊによって出力された第１の情報及び第２の情報又はこれらに基づいた情報は、図１に示される運転室４内のモニタに表示されたり、スピーカから報知されたりしてもよい。例えば、第１の情報は、部材が空中側ＡＳに存在している情報であるため、部材の動作を許容する旨の情報をモニタに表示したり、スピーカで報知したりする。また、第２の情報は、部材が地中側ＳＳに存在している情報であるため、部材の動作を許容しない旨の情報をモニタに表示したり、スピーカで報知したりする。

本実施形態において、判定部５１Ｊから出力された符号が正の動作距離Ｄａ、又は交点の個数が偶数であることを第１の情報とし、判定部５１Ｊから出力された負の動作距離Ｄａ、又は交点の個数が奇数であることを第２の情報としたが、第１の情報及び第２の情報はこれに限定されるものではない。例えば、判定部５１Ｊは、動作距離Ｄａの符号が正の場合に０又はＬｏｗ信号を出力し、動作距離Ｄａの符号が負の場合に１又はＨｉｇｈ信号を出力してもよい。この場合、０又はＬｏｗ信号が第１の情報であり、１又はＨｉｇｈ信号が第２の情報となる。また、判定部５１Ｊは、動作距離Ｄａの符号が正の場合に判定フラグＦｊを０として出力し、動作距離Ｄａの符号が負の場合に判定フラグＦｊを１として出力してもよい。この場合、判定フラグＦｊ＝０が第１の情報であり、判定フラグＦｊ＝１が第２の情報となる。

本実施形態において、操作装置３０の右操作レバー３０Ｒ及び左操作レバー３０Ｌは、パイロット油圧方式でもよい。また、右操作レバー３０Ｒ及び左操作レバー３０Ｌは、これらの操作量（傾動角）に基づいて電気信号を制御装置５０に出力して、制御装置５０の制御信号に基づいて流量制御弁２５を直接制御する電子レバー方式でもよい。

以上、本実施形態を説明したが、前述した内容により本実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

１ 作業機
２ 上部旋回体
３ 下部走行体
６ ブーム
７ アーム
８ バケット
８Ｔ チルトピン
８Ｃ 刃
８ＴＦ 第１端部
８ＴＳ 第２端部
９ 刃先
１０ 油圧シリンダ
１４ チルトシリンダ
２０ 位置検出装置
２１ 車体位置演算器
２２ 姿勢演算器
２３ 方位演算器
２４ 作業機角度検出装置
２５ 流量制御弁
３０ 操作装置
３０Ｔ チルト操作レバー
５０ 制御装置
５１ 処理部
５１Ａ 車体位置データ取得部
５１Ｂ 作業機角度データ取得部
５１Ｃａ 候補規定点位置データ演算部
５１Ｄ 目標施工形状生成部
５１Ｃｂ 規定点位置データ演算部
５１Ｅ 動作平面演算部
５１Ｆ 停止地形演算部
５１Ｇ 作業機制御部
５１Ｈ 制限速度決定部
５１Ｊ 判定部
５２ 記憶部
５３ 入出力部
７０ 目標施工データ生成装置
１００ 油圧ショベル
２００ 制御システム
３００ 油圧システム
４００ 検出システム
ＡＳ 空中側
ＡＸ４ チルト軸
ＣＤ 目標施工データ
ＣＳ 目標施工形状
Ｄａ 動作距離
ＳＳ 地中側
ＴＰ チルト動作平面

Claims (8)

1. 軸線を中心に回転する部材を備える作業機械を制御する作業機械の制御システムであって、
   前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状に対して前記作業機械が存在する側である空中側に前記部材が存在している場合には第１の情報を出力し、前記空中側に前記部材が存在しない場合には第２の情報を出力する判定部を含む、
   作業機械の制御システム。
2. 前記判定部から前記第１の情報が出力された場合には前記部材の回転を許容し、前記第２の情報が出力された場合には前記部材の回転を許容しない作業機制御部を有する、
   作業機械の制御システム。
3. 前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状を生成する目標施工形状生成部を有し、
   前記目標施工形状生成部は、前記部材の周囲に複数の前記目標施工形状を生成し、
   前記判定部は、複数の前記目標施工形状に対して、前記第１の情報又は前記第２の情報を出力する、請求項１又は請求項２に記載の作業機械の制御システム。
4. 前記部材に設定された規定点の位置データを求める候補規定点位置データ演算部と、
   前記規定点を通り前記軸線と直交する動作平面を求める動作平面算出部と、
   前記目標施工形状と前記動作平面とが交差する停止地形を求める停止地形算出部と、を有し、
   前記判定部は、
   前記停止地形と前記規定点との距離、前記目標施工形状と直交する方向に延びる第１ベクトル及び前記軸線が延びる方向の第２ベクトルを用いて前記第１の情報又は前記第２の情報を出力する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の作業機械の制御システム。
5. 前記作業機械において前記部材とは異なる部分の位置であり、かつ既知の基準点と、
   前記部材に設定された規定点の位置データを求める候補規定点位置データ演算部と、を有し、
   前記判定部は、
   前記基準点及び前記規定点を結ぶ線分と前記目標施工形状との交点の個数を求め、前記個数が偶数か奇数を用いて前記第１の情報又は前記第２の情報を出力する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の作業機械の制御システム。
6. 上部旋回体と、
   前記上部旋回体を支持する下部走行体と、
   第１の軸を中心に回転するブームと第２の軸を中心に回転するアームと第３の軸を中心に回転するバケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の作業機械の制御システムと、
   を含み、前記部材は前記バケット、前記アーム、前記ブーム及び前記上部旋回体の少なくとも１つである、作業機械。
7. 前記部材は前記バケットであり、前記軸線は前記第３の軸と直交する、請求項６に記載の作業機械。
8. 軸線を中心に回転する部材を備える作業機械を制御する作業機械を制御する作業機械の制御方法において、
   前記作業機械の施工対象の目標形状を示す目標施工形状に対して前記作業機械が存在する側である空中側に前記部材が存在している場合には第１の情報を出力し、
   前記空中側に前記部材が存在しない場合には第２の情報を出力する、
   作業機械の制御方法。

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