JPWO2019180894A1 - 作業機械 - Google Patents

Abstract

複数のフロント部材８，９，１０の目標速度信号を低周波成分と高周波成分に分離する信号分離部（１５０）と，分離された高周波成分を慣性負荷が相対的に小さいフロント部材に優先的に割り当てて複数のフロント部材の高変動目標速度をそれぞれ演算する高変動目標速度演算部（１４３）と，その複数のフロント部材の高変動目標速度から複数のアクチュエータの高変動目標速度をそれぞれ演算する高変動目標アクチュエータ速度演算部（１４１ｃ）と，信号分離部で分離された低周波成分から複数のアクチュエータの低変動目標速度をそれぞれ演算する低変動目標アクチュエータ速度演算部（１４１ｂ）と，高変動目標速度と低変動目標速度を複数のアクチュエータごとに加算した値に基づいて複数のアクチュエータをそれぞれ制御するアクチュエータ制御部（２００）と油圧ショベル（１）のコントローラ（２５）に備える。

Description

本発明は油圧ショベルなどの作業機械に関する。

油圧アクチュエータで駆動される作業装置（例えばフロント作業装置）を備える作業機械（例えば油圧ショベル）の作業効率を向上する技術としてマシンコントロール（Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＭＣ）がある。ＭＣは，操作装置がオペレータに操作された場合に，予め定めた条件に従って作業装置を動作させる半自動制御を実行することでオペレータの操作支援を行う技術である。

作業機械の一形態である油圧ショベルのＭＣとしては，フロント作業装置の制御点（例えばバケット爪先）が目標面（設計面とも称する）へ侵入することを防止するようにフロント作業装置の制御を行う半自動掘削成形制御（フロント作業装置の移動領域を目標面の上方に制限する制御という意味で「領域制限制御」と称することもある）が知られている。例えば特許文献１の作業機制御システムは，フロント作業装置に対するオペレータの操作に応じて出力される操作信号にアーム操作信号が含まれている場合，目標面に沿ってバケットを移動させる成形作業を行おうとしていると判断する。そして，アーム動作により目標面に対して垂直な方向に生じるバケット先端の速度（以下，垂直速度）を相殺するようにブームを自動で動作させ，これにより半自動的にバケットを目標面に沿って移動させる作業を実現している。

このようにすれば，バケットを目標面に沿って移動させる水平引き作業においては，オペレータはアームを操作するだけで目標面を掘削成形できる。また，オペレータは，アームの操作量によって目標面に対して平行な方向に生じるバケット先端速度（以下，掘削速度）を調整できるので意図する速度で水平引き作業を行うことができる。これは，アーム動作による掘削速度は垂直速度に比して大きい傾向があり，ブーム動作による掘削速度は垂直速度に比して小さい傾向があるので，掘削速度は主にアーム動作速度に従って変動するためである。

国際公開第２０１２／１２７９１２号パンフレット

しかしながら，特許文献１に記載の作業機制御システムを用いた作業機械では，掘削速度によっては安定して目標面に沿ってバケットを移動させることが困難となり，目標面の成形精度を損なうおそれがある。半自動掘削成形制御を利用して水平引き作業を行った場合，アームはオペレータの操作にしたがってクラウド動作（引き動作）し，ブームはアーム動作により生じる垂直速度を相殺するように自動で上げ動作する。もし，土質等の外乱の影響によってバケット先端が目標面の下方に侵入した場合は，バケット先端がそれ以上目標面に侵入しないようにブーム上げ速度が増加する。その後バケット先端が目標面に達すると，ブーム上げ速度が抑制されてバケット先端を目標面上に保持しようとする。

しかしこの時，掘削速度がある程度高速だと，ブーム上げ速度の増加が間に合わずバケット先端が目標面の下方に位置したまま水平方向に長距離移動するおそれがある。あるいは，バケット先端が目標面に達した際のブーム上げ速度の抑制が間に合わずバケット先端が目標面から浮き上がるおそれがある。すなわちアーム動作が高速だと安定した半自動掘削成形制御を行うことが困難となり掘削成形精度が損なわれるおそれがある。これは，アームに比してブームの慣性負荷が大きく，制御システムが要求するブームシリンダの速度変化に対して実際の速度変化の遅れが大きいために起きる。

本発明は，上記の課題に鑑みてなされたものであり，掘削速度が高速な場合でも，精度よく半自動掘削成形制御を行うことができる作業機械を提供することにある。

本発明は，上記目的を達成するために，複数のフロント部材を有する作業装置と，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，オペレータの操作に応じて前記複数の油圧アクチュエータの動作を指示する操作装置と，前記操作装置の操作時に前記作業装置が所定の目標面の上方に制限されるように，前記複数のフロント部材の目標速度をそれぞれ演算する目標速度演算部を有するコントローラとを備える作業機械において，前記コントローラは，前記複数のフロント部材の目標速度の信号をそれぞれ所定の閾値より周波数の低い低周波成分と前記閾値より周波数の高い高周波成分に分離する信号分離部と，前記信号分離部で分離された前記高周波成分を前記複数のフロント部材のうち慣性負荷が相対的に小さいフロント部材に優先的に割り当てて前記複数のフロント部材の高変動目標速度をそれぞれ演算する高変動目標速度演算部と，前記高変動目標速度演算部で演算された前記複数のフロント部材の高変動目標速度と前記複数のフロント部材の姿勢情報に基づいて，前記複数のアクチュエータの高変動目標速度をそれぞれ演算する高変動目標アクチュエータ速度演算部と，前記信号分離部で分離された前記低周波成分と前記複数のフロント部材の姿勢情報に基づいて，前記複数のアクチュエータの低変動目標速度をそれぞれ演算する低変動目標アクチュエータ速度演算部と，前記高変動目標アクチュエータ速度演算部の演算結果と前記低変動目標アクチュエータ速度演算部の演算結果を前記複数のアクチュエータごとに加算した値に基づいて前記複数のアクチュエータをそれぞれ制御するアクチュエータ制御部とを備える。

本発明によれば，掘削速度が高速な場合でも，精度よく半自動掘削成形制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１の側面図。 グローバル座標系及びローカル座標系における油圧ショベル１の側面図。 油圧ショベル１の車体制御システム２３の構成図。 コントローラ２５のハードウェア構成の概略図。 油圧ショベル１の油圧回路２７の概略図。 第１実施形態に係るコントローラ２５の機能ブロック図。 第１実施形態に係る目標アクチュエータ速度演算部１００の機能ブロック図。 バケット先端Ｐ４と目標面６０の距離Ｄと速度補正係数ｋとの関係を表すグラフ。 バケット先端Ｐ４における距離Ｄに応じた補正前後の速度ベクトルを表す模式図。 第１実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図。 図１０上に各フロント部材の目標速度信号や目標アクチュエータ速度の一例を重畳表示した図。 第１実施形態に係るコントローラ２５による制御フローを表すフローチャート。 第２実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図。 第３実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図。 バケット１０が特異姿勢をとっている状況の説明図。 アーム９が特異姿勢をとっている状況の説明図。 第４実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図。 第５実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図。

以下，本発明の実施形態に係る作業機械について図に基づいて説明する。以下では，作業装置の先端の作業具（アタッチメント）としてバケット１０を備える油圧ショベルを例示するが，バケット以外のアタッチメントを備える作業機械で本発明を適用しても構わない。さらに，複数のフロント部材（アタッチメント，アーム，ブーム等）を連結して構成される多関節型の作業装置を有するものであれば油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

また，本稿では，或る形状を示す用語（例えば，目標面，設計面等）とともに用いられる「上」，「上方」又は「下方」という語の意味に関し，「上」は当該或る形状の「表面」を意味し，「上方」は当該或る形状の「表面より高い位置」を意味し，「下方」は当該或る形状の「表面より低い位置」を意味することとする。また，以下の説明では，同一の構成要素が複数存在する場合，符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが，当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば，２つのポンプ２ａ，２ｂ，が存在するとき，これらをまとめてポンプ２と表記することがある。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１の側面図である。油圧ショベル１は，左右側部のそれぞれに設けられる履帯を油圧モータ（図示せず）により駆動させて走行する走行体（下部走行体）２と，走行体２上に旋回可能に設けられる旋回体（上部旋回体）３とを備えている。

旋回体３は，運転室４，機械室５，カウンタウェイト６を有する。運転室４は，旋回体３の前部における左側部に設けられている。機械室５は，運転室４の後方に設けられている。カウンタウェイトは，機械室５の後方，すなわち旋回体３の後端に設けられている。

また，旋回体３は，多関節型の作業装置（フロント作業装置）７を装備している。作業装置７は，旋回体３の前部における運転室４の右側，すなわち旋回体３の前部における略中央部に設けられている。作業装置７は，ブーム８と，アーム９と，バケット（作業具）１０と，ブームシリンダ１１と，アームシリンダ１２と，バケットシリンダ１３とを有する。ブーム８の基端部は，ブームピンＰ１（図２参照）を介して，旋回体３の前部に回動可能に取り付けられている。アーム９の基端部は，アームピンＰ２（図２参照）を介して，ブーム８の先端部に回動可能に取り付けられている。バケット１０の基端部は，バケットピンＰ３（図２参照）を介して，アーム９の先端部に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ１１と，アームシリンダ１２と，バケットシリンダ１３とはそれぞれ作動油によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１１は伸縮してブーム８を駆動し，アームシリンダ１２は伸縮したアーム９を駆動し，バケットシリンダ１３は伸縮してバケット１０を駆動する。なお，以下では，ブーム８，アーム９及びバケット（作業具）１０をそれぞれフロント部材と称することがある。

機械室５の内部には可変容量型の第１油圧ポンプ１４及び第２油圧ポンプ１５（図３参照）と，第１油圧ポンプ１４及び第２油圧ポンプ１５を駆動するエンジン（原動機）１６（図３参照）とが設置されている。

運転室４の内部には車体傾斜センサ１７，ブーム８にはブーム傾斜センサ１８，アーム９にはアーム傾斜センサ１９，バケット１０にはバケット傾斜センサ２０が取り付けられている。例えば，車体傾斜センサ１７，ブーム傾斜センサ１８，アーム傾斜センサ１９，バケット傾斜センサ２０はＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ：慣性計測装置）である。車体傾斜センサ１７は水平面に対する上部旋回体（車体）３の角度（対地角度）を，ブーム傾斜センサ１８は，ブームの対地角度を，アーム傾斜センサ１９は，アーム９の対地角度を，バケット傾斜センサ２０は，バケット１０の対地角度を計測する。

旋回体３の後部の左右に第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２が取り付けられている。ＧＮＳＳとはＧｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ（全球測位衛星システム）の略称である。第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２がそれぞれ複数の航法衛星（好ましくは４基以上の航法衛星）から受信した航法信号からグローバル座標系における所定の２点（例えば，アンテナ２１，２２の基端部の位置）の位置情報が算出できる。そして，算出した２点のグローバル座標系における位置情報（座標値）により，油圧ショベル１に設定したローカル座標系（車体基準座標系）の原点Ｐ０（図２参照）のグローバル座標系における座標値と，ローカル座標系を構成する３軸のグローバル座標系における姿勢（すなわち図２の例では走行体２及び旋回体３の姿勢・方位）を計算することが可能である。このような航法信号に基づく各種位置の演算処理は後述するコントローラ２５で行うことができる。

図２は油圧ショベル１の側面図である。図２に示すように，ブーム８の長さ，つまり，ブームピンＰ１からアームピンＰ２までの長さをＬ１とする。また，アーム９の長さ，つまり，アームピンＰ２からバケットピンＰ３までの長さをＬ２とする。また，バケット１０の長さ，つまり，バケットピンＰ３からバケット先端（バケット１０の爪先）Ｐ４までの長さをＬ３とする。また，グローバル座標系に対する旋回体３の傾斜，つまり，水平面鉛直方向（水平面に垂直な方向）と車体鉛直方向（旋回体３の旋回中心軸方向）のなす角度をθ４とする。以下，車体前後傾斜角θ４という。ブームピンＰ１とアームピンＰ２を結んだ線分と車体鉛直方向のなす角度をθ１とし，以下，ブーム角度θ１という。アームピンＰ２とバケットピンＰ３を結んだ線分と，ブームピンＰ１とアームピンＰ２からなる直線とのなす角度をθ２とし，以下，アーム角度θ２という。バケットピンＰ３とバケット先端Ｐ４を結んだ線分と，アームピンＰ２とバケットピンＰ３からなる直線とのなす角度をθ３とし，以下，バケット角度θ３という。

図３は油圧ショベル１の車体制御システム２３の構成図である。車体制御システム２３は，作業装置７を操作するための操作装置２４と，第１，第２油圧ポンプ１４，１５を駆動するエンジン１６と，第１，第２油圧ポンプ１４，１５からブームシリンダ１１，アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３に供給する作動油の流量と方向を制御する流量制御弁装置２６と，流量制御弁装置２６を制御する制御装置であるコントローラ２５とを備えている。

操作装置２４は，ブーム８（ブームシリンダ１１）を操作するためのブーム操作レバー２４ａと，アーム９（アームシリンダ１２）を操作するためのアーム操作レバー２４ｂと，バケット１０（バケットシリンダ１３）を操作するためのバケット操作レバー２４ｃとを有する。例えば，各操作レバー２４ａ，２４ｂ，２４ｃは電気レバーであり，各レバーの傾倒量（操作量）及び傾倒方向（操作方向）に応じた電圧値をコントローラ２５に出力する。ブーム操作レバー２４ａはブームシリンダ１１の目標動作量をブーム操作レバー２４ａの操作量に応じた電圧値として出力する（以下，ブーム操作量とする）。アーム操作レバー２４ｂはアームシリンダ１２の目標動作量をアーム操作レバー２４ｂの操作量に応じた電圧値として出力する（以下，アーム操作量とする）。バケット操作レバー２４ｃはバケットシリンダ１３の目標動作量をバケット操作レバー２４ｃに応じた電圧値として出力する（以下，バケット操作量とする）。また，各操作レバー２４ａ，２４ｂ，２４ｃを油圧パイロットレバーとし，各レバー２４ａ，２４ｂ，２４ｃの傾倒量に応じて生成されるパイロット圧力を圧力センサ（図示せず）で電圧値に変換してコントローラ２５に出力することで各操作量を検出してもよい。

コントローラ２５は，操作装置２４から出力された操作量と，作業装置７に予め設定した所定の制御点であるバケット先端Ｐ４の位置情報（制御点位置情報）と，コントローラ２５内に予め記憶された目標面６０（図２参照）の位置情報（目標面情報）とに基づいて制御指令を演算し，その制御指令を流量制御弁装置２６に出力する。本実施形態のコントローラ２５は，操作装置２４の操作時に，作業装置７の動作範囲が目標面６０上及びその上方に制限されるように油圧シリンダ１１，１２，１３の目標速度をバケット先端Ｐ４（制御点）と目標面６０の距離（目標面距離）Ｄ（図２参照）に応じて演算する。なお，本実施形態では作業装置７の制御点としてバケット先端Ｐ４（バケット１０の爪先）を設定したが，作業装置７上の任意の点を制御点に設定でき，例えば作業装置７においてアーム９より先の部分で目標面６０に最も近い点を制御点に設定しても良い。

図４はコントローラ２５のハードウェア構成の概略図である。図４においてコントローラ２５は，入力インターフェース９１と，プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と，記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と，出力インターフェース９５とを有している。

入力インターフェース９１には，作業装置７の姿勢を検出する作業装置姿勢検出装置５０である傾斜センサ１７，１８，１９，２０からの信号と，各操作レバー２４ａ，２４ｂ，２４ｃの操作量及び操作方向を示す操作装置２４からの電圧値（操作信号）と，作業装置７による掘削作業や盛土作業の基準となる目標面６０を設定するための装置である目標面設定装置５１からの信号と，ブーム８，アーム９，及びバケット１０の質量や慣性モーメント等の慣性情報を設定するための装置である慣性情報設定装置４１からの信号とが入力され，ＣＰＵ９２が演算可能なように変換する。

ＲＯＭ９３は，後述するフローチャートに係る処理を含めコントローラ２５が各種制御処理を実行するための制御プログラムと，当該各種制御処理の実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体である。ＣＰＵ９２は，ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力インターフェース９１及びＲＯＭ９３，ＲＡＭ９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力インターフェース９５は，ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成して出力する。出力インターフェース９５の出力用の信号としては電磁弁３２，３３，３４，３５（図５参照）の制御指令があり，電磁弁３２，３３，３４，３５はその制御指令に基づいて動作して油圧シリンダ１１，１２，１３を制御する。なお，図４のコントローラ２５は，記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが，記憶装置であれば特に代替可能であり，例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。

流量制御弁装置２６は，電磁駆動可能な複数のスプールを備えており，コントローラ２５により出力された制御指令に基づいて各スプールの開口面積（絞り開度）を変化させることで，油圧シリンダ１１，１２，１３を含む油圧ショベル１に搭載された複数の油圧アクチュエータを駆動する。

図５は油圧ショベル１の油圧回路２７の概略図である。油圧回路２７は，第１油圧ポンプ１４と，第２油圧ポンプ１５と，流量制御弁装置２６と，作動油タンク３６ａ，３６ｂを備えている。

流量制御弁装置２６は，第１油圧ポンプ１４からアームシリンダ１２に供給する作動油の流量を制御する第１流量制御弁である第１アームスプール２８と，第２ポンプ１５からアームシリンダ１２に供給する作動油の流量を制御する第３流量制御弁である第２アームスプール２９と，第１油圧ポンプ１４からバケットシリンダ１３に供給する作動油の流量を制御するバケットスプール３０と，第２油圧ポンプ１５からブームシリンダ１１に供給する作動油の流量を制御する第２流量制御弁であるブームスプール（第１ブームスプール）３１と，第１アームスプール２８を駆動するパイロット圧を発生する第１アームスプール駆動電磁弁３２ａ，３２ｂと，第２アームスプール２９を駆動するパイロット圧を発生する第２アームスプール駆動電磁弁３３ａ，３３ｂと，バケットスプール３０を駆動するパイロット圧を発生するバケットスプール駆動電磁弁３４ａ，３４ｂと，ブームスプール３１を駆動するパイロット圧を発生するブームスプール駆動電磁弁（第１ブームスプール駆動電磁弁）３５ａ，３５ｂとを備えている。

第１アームスプール２８とバケットスプール３０は第１油圧ポンプ１４に並列接続されており，第２アームスプール２９とブームスプール３１は第２油圧ポンプ１５に並列接続されている。

流量制御弁装置２６はいわゆるオープンセンタ式（センタバイパス式）である。各スプール２８，２９，３０，３１は，中立位置から所定のスプール位置に達するまで油圧ポンプ１４，１５から吐出された作動油を作動油タンク３６ａ，３６ｂへ導く流路であるセンタバイパス部２８ａ，２９ａ，３０ａ，３１ａを有している。本実施形態では，第１油圧ポンプ１４と，第１アームスプール２８のセンタバイパス部２８ａと，バケットスプール３０のセンタバイパス部３０ａと，タンク３６ａは，この順序で直列接続されており，センタバイパス部２８ａとセンタバイパス部３０ａは第１油圧ポンプ１４から吐出される作動油をタンク３６ａに導くセンタバイパス流路を構成している。また，第２油圧ポンプ１５と，第２アームスプール２９のセンタバイパス部２９ａと，ブームスプール３１のセンタバイパス部３１ａと，タンク３６ｂは，この順序で直列接続されており，センタバイパス部２９ａとセンタバイパス部３１ａは第２油圧ポンプ１５から吐出される作動油をタンク３６ｂに導くセンタバイパス流路を構成している。

各電磁弁３２，３３，３４，３５には，エンジン１６によって駆動されるパイロットポンプ（図示せず）が吐出した圧油が導かれている。各電磁弁３２，３３，３４，３５は，コントローラ２５からの制御指令に基づいて適宜動作してパイロットポンプからの圧油（パイロット圧）を各スプール２８，２９，３０，３１の駆動部に作用させ，これにより各スプール２８，２９，３０，３１が駆動されて油圧シリンダ１１，１２，１３が動作する。

例えば，コントローラ２５によりアームシリンダ１２の伸長方向に指令が出た場合は，第１アームスプール駆動電磁弁３２ａと，第２アームスプール駆動電磁弁３３ａとに指令が出力される。アームシリンダ１２の短縮方向に指令が出た場合は，第１アームスプール駆動電磁弁３２ｂと，第２アームスプール駆動電磁弁３３ｂとに指令が出力される。バケットシリンダ１３の伸長方向に指令が出た場合は，バケットスプール駆動電磁弁３４ａに指令が出力され，バケットシリンダ１３の短縮方向に指令が出た場合は，バケットスプール駆動電磁弁３４ｂに指令が出力される。ブームシリンダ１１の伸長方向に指令が出力された場合は，ブームスプール駆動電磁弁３５ａに指令が出力され，ブームシリンダ１１の短縮方向に指令が出力された場合は，ブームスプール駆動電磁弁３５ｂに指令が出力される。

図６に本実施形態に係るコントローラ２５が実行する処理を機能的側面から複数のブロックに分類してまとめた機能ブロック図を示す。この図に示すようにコントローラ２５は，各油圧シリンダ１１，１２，１３の目標速度（目標アクチュエータ速度）を演算する目標アクチュエータ速度演算部１００と，目標アクチュエータ速度に基づいて電磁弁駆動信号を演算し，その電磁弁駆動信号を該当する電磁弁３２，３３，３４，３５に出力するアクチュエータ制御部２００として機能する。

目標アクチュエータ速度演算部１００は，操作装置２４ａ−２４ｃの操作信号（電圧値）から得られる操作量情報，姿勢検出装置５０としての傾斜センサ１３ａ―１３ｄの検出信号から得られる作業装置７（フロント部材８，９，１０）と旋回体３の姿勢情報，目標面設定装置５１からの入力に基づいて規定される目標面６０の位置情報（目標面情報）と，慣性情報設定装置４１からの入力に基づいて規定されるフロント部材８，９，１０の慣性情報とに基づいて，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の目標速度を目標アクチュエータ速度として演算する。

図７は目標アクチュエータ速度演算部１００の機能ブロック図である。目標アクチュエータ速度演算部１００は，制御点位置演算部５３と，目標面記憶部５４と，距離演算部３７と，目標速度演算部３８と，アクチュエータ速度演算部１３０と，補正速度演算部１４０とを備えている。

制御点位置演算部５３は，グローバル座標系における本実施形態の制御点であるバケット先端Ｐ４の位置と，グローバル座標系における作業装置７の各フロント部材８，９，１０の姿勢を演算する。演算は公知の方法に基づけば良いが，例えば，まず，第１，第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２で受信された航法信号から，ローカル座標系（車体基準座標系）の原点Ｐ０（図２参照）のグローバル座標系における座標値と，グローバル座標系における走行体２と旋回体３の姿勢情報・方位情報を計算する。そして，この演算結果と，作業装置姿勢検出装置５０からの傾斜角θ１，θ２，θ３，θ４の情報と，ローカル座標系におけるブームフートピンＰ１の座標値と，ブーム長さＬ１及びアーム長さＬ２及びバケット長さＬ３を利用して，グローバル座標系における本実施形態の制御点であるバケット先端Ｐ４の位置と，グローバル座標系における作業装置７の各フロント部材８，９，１０の姿勢を演算する。なお，作業装置７の制御点の座標値は，レーザー測量計などの外部計測機器により計測し，その外部計測機器との通信により取得されてもよい。

目標面記憶部５４は，運転室４内にある目標面設定装置５１からの情報に基づき演算された目標面６０のグローバル座標系における位置情報（目標面データ）を記憶している。本実施形態では，図２に示すように，作業装置７の各フロント部材８，９，１０が動作する平面（作業機の動作平面）で目標面の３次元データを切断した断面形状を目標面６０（２次元の目標面）として利用する。なお，図２の例では目標面６０は１つだが，目標面が複数存在する場合もある。目標面が複数存在する場合には，例えば，作業装置７の制御点から距離の最も近いものを目標面と設定する方法や，バケット先端Ｐ４の鉛直下方に位置するものを目標面とする方法や，任意に選択したものを目標面とする方法等がある。また，目標面６０の位置情報は，グローバル座標系における作業装置７の制御点の位置情報に基づいて，油圧ショベル１の周辺の目標面６０の位置情報を外部サーバから通信により取得して目標面記憶部５４に記憶してもよい。

距離演算部３７は，制御点位置演算部５３で演算された作業装置７の制御点の位置情報と，目標面記憶部５４から取得した目標面６０の位置情報とから作業装置７の制御点と目標面６０との距離Ｄ（図２参照）を演算する。

目標速度演算部３８は，操作装置２４の操作時に，作業装置７の動作範囲が目標面６０上及びその上方に制限されるようにフロント部材８，９，１０の目標速度（ブーム目標速度，アーム目標速度，バケット目標速度）を距離Ｄに応じてそれぞれ演算する部分である。本実施の形態では下記の演算を行う。

まず，目標速度演算部３８は，操作レバー２４ａから入力される電圧値（ブーム操作量）からブームシリンダ１１への要求速度（ブームシリンダ要求速度）を計算し，操作レバー２４ｂから入力される電圧値（アーム操作量）からアームシリンダ１２への要求速度（アームシリンダ要求速度）を計算し，操作レバー２４ｃから入力される電圧値（バケット操作量）からバケットシリンダ１３への要求速度（バケットシリンダ要求速度）を計算する。この３つのシリンダ要求速度と制御点位置演算部５３で演算された作業装置７の各フロント部材８，９，１０の姿勢から，この３つのシリンダ要求速度がバケット先端Ｐ４に発生させる３つの速度ベクトルをそれぞれ演算し，その３つの速度ベクトルの和をバケット先端Ｐ４における作業装置７の速度ベクトル（要求速度ベクトル）Ｖ０とする。そして，速度ベクトルＶ０の目標面鉛直方向の速度成分Ｖ０ｚと目標面水平方向の速度成分Ｖ０ｘも計算する。

次に，目標速度演算部３８は，距離Ｄに応じて決定される補正係数ｋを演算する。図８はバケット先端Ｐ４と目標面６０の距離Ｄと速度補正係数ｋとの関係を表すグラフである。バケット爪先座標Ｐ４（作業装置７の制御点）が目標面６０の上方に位置している時の距離を正，目標面６０の下方に位置している時の距離を負として，距離Ｄが正の時は正の補正係数を，距離Ｄが負の時は負の補正係数を，１以下の値として出力する。なお，速度ベクトルは目標面６０の上方から目標面６０に近づく方向を正としている。

次に，目標速度演算部３８は，距離Ｄに応じて決定される補正係数ｋを，速度ベクトルＶ０の目標面鉛直方向の速度成分Ｖ０ｚに乗ずることによって速度成分Ｖ１ｚを計算する。この速度成分Ｖ１ｚと，速度ベクトルＶ０の目標面水平方向の速度成分Ｖ０ｘとを合成することで合成速度ベクトル（目標速度ベクトル）Ｖ１を計算する。そして，３つの油圧シリンダ１１，１２，１３の動作によってこの合成速度ベクトルＶ１をバケット先端Ｐ４に発生するために，３つの油圧シリンダ１１，１２，１３がバケット先端Ｐ４に発生すべき速度ベクトルを３つの油圧シリンダに対応するフロント部材８，９，１０の目標速度としてそれぞれ演算する。フロント部材８，９，１０の目標速度は，それぞれバケット先端Ｐ４を始点とする速度ベクトルであり，具体的には，ブームシリンダ１１によって駆動されるブーム８の動作がバケット先端Ｐ４に発生する速度（バケット先端速度）の目標速度（ブーム目標速度），アームシリンダ１２によって駆動されるアーム９の動作がバケット先端Ｐ４に発生する目標速度（アーム目標速度），バケットシリンダ１３によって駆動されるバケット１０がバケット先端Ｐ４に発生する目標速度（バケット目標速度）の３つがある。目標速度演算部３８は，ブーム目標速度，アーム目標速度，バケット目標速度を時々刻々と演算しており，それらの時系列を３つ１組でフロント部材８，９，１０の目標速度信号としてアクチュエータ速度演算部１３０と補正速度演算部１４０に出力する。

図９はバケット先端Ｐ４における距離Ｄに応じた補正前後の速度ベクトルを表す模式図である。要求速度ベクトルＶ０の目標面鉛直方向の成分Ｖ０ｚ（図９の左の図参照）に速度補正係数ｋを乗じることにより，Ｖ０ｚ以下の目標面鉛直方向の速度ベクトルＶ１ｚ（図９の右の図参照）が得られる。Ｖ１ｚと要求速度ベクトルＶ０の目標面水平方向の成分のＶ０ｘとの合成速度ベクトルＶ１を計算し，Ｖ１を出力可能なアーム目標速度と，ブーム目標速度と，バケット目標速度とが計算される。

合成速度ベクトルＶ１から各フロント部材８，９，１０の目標速度（ブーム目標速度，アーム目標速度，バケット目標速度）を演算する方法の１つとしては，アームシリンダ要求速度とバケットシリンダ要求速度がそれぞれバケット先端Ｐ４に発生させる速度ベクトルをアーム目標速度とバケット目標速度とし，このアーム目標速度とバケット目標速度の和を合成速度ベクトルＶ１から減算し，それにより得られた速度ベクトルをブーム目標速度とするものがある。ただし，この演算は一例に過ぎず結果的に合成速度ベクトルＶ１が得られるものであれば他の演算方法でも構わない。

アクチュエータ速度演算部１３０は，目標速度演算部３８から入力されるフロント部材８，９，１０の目標速度（ブーム目標速度，アーム目標速度，バケット目標速度）と姿勢検出装置５０からの姿勢情報に基づいて，そのフロント部材８，９，１０の目標速度を発生するために必要な各油圧シリンダ１１，１２，１３の速度（ブームシリンダ速度，アームシリンダ速度，バケットシリンダ速度（アクチュエータ速度））を幾何学的に演算して出力する。

補正速度演算部１４０は，姿勢検出装置５０からの姿勢情報と，目標速度演算部３８からのフロント部材８，９，１０の目標速度の情報と，慣性情報設定装置４１からの慣性情報とに基づいて，アクチュエータ速度演算部１３０で演算された各油圧シリンダ１１，１２，１３の速度（ブームシリンダ速度，アームシリンダ速度，バケットシリンダ速度）を補正するための補正速度（ブームシリンダ補正速度，アームシリンダ補正速度，バケットシリンダ補正速度）を演算する。本実施形態ではアクチュエータ速度演算部１３０で演算された各油圧シリンダ１１，１２，１３の速度に補正速度を加えることで目標アクチュエータ速度を算出しているが，補正の方法はこれに限らない。次に図１４を用いて補正速度演算部１４０の詳細について説明する。

図１０は補正速度演算部１４０の機能ブロック図である。この図に示すように補正速度演算部１４０は，信号分離部１５０と，高変動目標速度演算部１４３と，補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａと，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂと，高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃとを備えている。

図１１には，Ａ）目標速度演算部３８から入力される３つのフロント部材８，９，１０の目標速度の信号と，Ｂ）信号分離部１５０から出力されるフロント部材８，９，１０の目標速度信号の低周波成分と，Ｃ）信号分離部１５０から出力されるフロント部材８，９，１０の目標速度信号の高周波成分と，Ｄ）高変動目標速度演算部１４３から出力されるバケット１０の目標速度信号の高周波成分と，Ｅ）低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂから出力されるブームシリンダ１１の目標速度信号の低周波成分（補正後の目標速度信号）と，Ｆ）低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂから出力されるアームシリンダ１２の目標速度信号の低周波成分（補正後の目標速度信号）と，Ｇ）低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂから出力されるバケットシリンダ１３の目標速度信号の低周波成分と，Ｈ）高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃから出力されるバケットシリンダ１３の目標速度信号の高周波成分と，Ｉ）バケットシリンダ１３の目標速度信号（補正後の目標速度信号）の一例を重畳表示した。これらアルファベットの大文字は図１１中の吹き出し中に付されたものに一致する。

信号分離部１５０は，目標速度演算部３８から入力される３つのフロント部材８，９，１０の目標速度（ブーム目標速度，アーム目標速度，バケット目標速度）の信号（図１１の吹き出しＡ参照）をそれぞれ所定の閾値（遮蔽周波数）よりも周波数の低い低周波成分（図１１の吹き出しＢ参照）とその閾値より周波数の高い高周波成分（図１１の吹き出しＣ参照）に分離する部分である。本実施形態の信号分離部１５０は，目標速度から低周波成分を分離するローパスフィルタ部１４２と，目標速度から高周波成分を分離する高周波成分分離部（ハイパスフィルタ部）１５１を備えている。遮蔽周波数は，慣性負荷が相対的に大きいブーム８やアーム９の応答性の限界を考慮して決定することができる。

ローパスフィルタ部１４２は，フロント部材８，９，１０の目標速度の信号のうち所定の閾値（遮蔽周波数）よりも低い周波数の成分（低周波成分）を通過させる一方で当該閾値よりも高い周波数の成分を逓減させることで各目標速度信号から低周波成分（図１１の吹き出しＢ参照）を分離している。これにより目標速度信号の時間あたりの変化に大きな変化がある場合は遮蔽周波数に応じて目標速度信号が減衰される。ここで分離された低周波成分は，目標速度と同様にフロント部材８，９，１０ごとに存在しており，それらは高周波成分分離部１５１と低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂとに出力される。

高周波成分分離部１５１は，目標速度演算部３８から入力される３つのフロント部材８，９，１０の目標速度信号からローパスフィルタ部１４２からの低周波成分を減じて残った各フロント部材８，９，１０の目標速度信号を高周波成分（図１１の吹き出しＣ参照）として出力する。この高周波成分は高変動目標速度演算部１４３に出力される。なお，高周波成分分離部１５１は，フロント部材８，９，１０の目標速度信号のうちローパスフィルタ部１４２の閾値（遮蔽周波数）よりも高い周波数の成分（高周波成分）を通過させる一方で当該閾値よりも低い周波数の成分を逓減させることで各目標速度信号から高周波成分を分離するハイパスフィルタで構成しても良い。ただし，本実施形態のように目標速度演算部３８より出力される目標速度信号からローパスフィルタ部１４２より出力される低周波成分を減じて得られる目標速度成分を高周波成分とすると，信号分離部１５０から出力される低周波成分と高周波成分の和を元々の目標速度に保持できるので，信号分離部１５０を通過する前後で目標速度が変化することを防止できる。

高変動目標速度演算部１４３は，慣性情報設定装置４１から得られる慣性情報を参照しつつ，信号分離部１５０で分離された高周波成分を３つのフロント部材８，９，１０のうち慣性負荷が相対的に小さいフロント部材に優先的に割り当てて３つのフロント部材の高変動目標速度をそれぞれ演算する。本実施形態では３つのフロント部材８，９，１０のうち慣性負荷が最小のバケット１０に全ての高周波成分を割り当てており（図１１の吹き出しＤ参照），ブーム８及びアーム９の高変動目標速度はゼロである。特に本実施形態では，信号分離部１５０で分離された３つのフロント部材８，９，１０ごとの高周波成分が規定する目標速度について目標面６０に垂直な速度成分をそれぞれ演算し，その３つの垂直速度成分の合計をバケット１０の高変動目標速度としている。このようにバケット１０の高変動目標速度を垂直成分に限定すると，補正速度演算部１４０の速度補正により合成速度ベクトルＶ１の水平成分Ｖ０ｘ（図９右側）が変化する可能性はあるが垂直成分Ｖ１ｚ（図９右側）は保持される。そのため目標面６０の下方へのバケット先端Ｐ４の侵入を防止しつつも速度ベクトルの幾何学変換が容易になる。

補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａは，目標速度演算部３８から入力される３つのフロント部材８，９，１０の目標速度（ブーム目標速度，アーム目標速度，バケット目標速度）の信号とそのときの姿勢情報とから幾何学変換を利用して，その３つの目標速度（バケット先端速度）を発生するために必要なブームシリンダ１１，アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の速度（アクチュエータ速度）を演算する。これらのアクチュエータ速度は，アクチュエータ速度演算部１３０が出力するものと同値であり，「補正前目標アクチュエータ速度」と称することがある。

低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂは，信号分離部１５０から入力される３つのフロント部材８，９，１０の目標速度信号の低周波成分とそのときの姿勢情報とから幾何学変換を利用して，その３つの低周波成分を発生するために必要なアクチュエータ速度，すなわちブームシリンダ１１の速度（図１１の吹き出しＥ参照），アームシリンダ１２の速度（図１１の吹き出しＦ参照），及びバケットシリンダ１３の速度（図１１の吹き出しＧ参照）をそれぞれ演算する。これらのアクチュエータ速度を「低変動目標アクチュエータ速度」と称することがある。

高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃは，高変動目標速度演算部１４３から入力される３つのフロント部材８，９，１０の目標速度信号の高周波成分とそのときの姿勢情報とから幾何学変換を利用して，その３つの高周波成分を発生するために必要なブームシリンダ１１，アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の速度（アクチュエータ速度）を演算する。これらのアクチュエータ速度を「高変動目標アクチュエータ速度」と称することがある。ただし，本実施形態では前述のとおり高変動目標速度演算部１４３から入力されるブーム８とアーム９の目標速度信号の高周波成分はゼロであるため，結果的にバケットシリンダ１３の速度（図１１の吹き出しＨ参照）のみが演算されることになる。

上記の構成により補正速度演算部１４０は油圧シリンダ１１，１２，１３ごとの補正速度を出力する。ブームシリンダ補正速度とアームシリンダ補正速度としては，それぞれ，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算された低変動目標アクチュエータ速度から補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａで演算された補正前目標アクチュエータ速度を減算したものが出力される。バケットシリンダ補正速度としては，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算された低変動目標アクチュエータ速度と高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃで演算された高変動目標アクチュエータ速度を加算したものから補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａで演算された補正前目標アクチュエータ速度を減算したものが出力される。

こうして得られた各アクチュエータの補正速度は，図７に示されるアクチュエータ速度演算部１３０の出力する各油圧シリンダ１１，１２，１３の速度に加算され，目標アクチュエータ速度演算部１００から目標アクチュエータ速度（目標ブームシリンダ速度，目標アームシリンダ速度，目標バケットシリンダ速度）としてアクチュエータ制御部２００（図６参照）に出力される。アクチュエータ速度演算部１３０と補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａの演算値は同値であるため，結果的に，目標アクチュエータ速度演算部１００から出力される目標ブームシリンダ速度は低変動目標アクチュエータ速度（図１１の吹き出しＥ参照）となり，目標アームシリンダ速度は低変動目標アクチュエータ速度（図１１の吹き出しＦ参照）となり，目標バケットシリンダ速度は低変動目標アクチュエータ速度に高変動目標アクチュエータ速度を加算した速度（図１１の吹き出しＩ参照）となる。

図６に戻り，アクチュエータ制御部２００は，電磁弁３２，３３，３４，３５の電磁弁駆動信号の演算に際して，各油圧シリンダ１１，１２，１３の目標速度（目標ブームシリンダ速度，目標アームシリンダ速度，目標バケットシリンダ速度）と，各油圧シリンダ１１，１２，１３に対応するスプール３１，２８，２９，３０を動作させるスプール駆動電磁弁３５ａ，３５ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの電磁弁駆動信号との相関関係が一対一で規定されたテーブルを利用する。

このテーブルには，まず，ブームシリンダ１１を伸長する場合に利用されるブームスプール駆動電磁弁３５ａ用のテーブルと，アームシリンダ１２を縮短する場合に利用されるブームスプール駆動電磁弁３５ｂ用のテーブルがある。また，アームシリンダ１２を伸長する場合に利用される２つのテーブルとして，第１アームスプール駆動電磁弁３２ａ用のテーブルと，第２アームスプール駆動電磁弁３３ａ用のテーブルがある。また，アームシリンダ１２を縮短する場合に利用される２つのテーブルとして，第１アームスプール駆動電磁弁３２ｂ用のテーブルと，第２アームスプール駆動電磁弁３３ｂ用のテーブルがある。さらに，バケットシリンダ１３を伸長する場合に利用されるバケットスプール駆動電磁弁３４ａ用のテーブルと，バケットシリンダ１３を縮短する場合に利用されるバケットスプール駆動電磁弁３４ｂ用のテーブルがある。これらの８つのテーブルでは，あらかじめ実験やシミュレーションで求めた電磁弁３５ａ，３５ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂへの電流値と油圧シリンダ１１，１２，１３の実速度の関係に基づいて，各油圧シリンダ１１，１２，１３の目標速度（目標アクチュエータ速度）の大きさの増加とともに電磁弁３５ａ，３５ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂへの電流値が単調に増加するように目標速度と電流値の相関関係が規定されている。

アクチュエータ制御部２００は，例えば，目標アームシリンダ速度と目標ブームシリンダ速度の指令があるときは，電磁弁３２，３３，３５の制御指令を生成して，第１アームスプール２８と第２アームスプール２９とブームスプール３１とを駆動する。これにより目標アームシリンダ速度と目標ブームシリンダ速度に基づいてアームシリンダ１２とブームシリンダ１１が動作する。

図１２はコントローラ２５による制御フローを表すフローチャートである。コントローラ２５は操作装置２４がオペレータにより操作されると図１２の処理を開始し，制御点位置演算部５３は，作業装置姿勢検出装置５０から傾斜角θ１，θ２，θ３，θ４の情報や，ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の航法信号から演算される油圧ショベル１の位置情報，姿勢情報（角度情報）及び方位情報や，予め記憶されている各フロント部材の寸法情報Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３等に基づきグローバル座標系におけるバケット先端Ｐ４（制御点）の位置情報を演算する（手順Ｓ１）。

手順Ｓ２では，距離演算部３７が，制御点位置演算部５３で演算されたグローバル座標系におけるバケット先端Ｐ４の位置情報（油圧ショベル１の位置情報を利用しても良い）を基準として所定の範囲に含まれる目標面の位置情報（目標面データ）を目標面記憶部５４から抽出・取得する。そして，その中からバケット先端Ｐ４に最も近い位置に在る目標面を制御対象の目標面６０，すなわち距離Ｄを演算する目標面６０として設定する。

手順Ｓ３では，距離演算部３７は，手順Ｓ１で演算したバケット先端Ｐ４の位置情報と手順Ｓ２で設定した目標面６０の位置情報に基づいて距離Ｄを演算する。

手順Ｓ４では，目標速度演算部３８は，手順Ｓ３で演算した距離Ｄと，操作装置２４から入力される各操作レバーの操作量（電圧値）とに基づいて，作業装置７が動作してもバケット先端Ｐ４が目標面６０上またはその上方に保持されるように各フロント部材８，９，１０の目標速度を演算する。

手順Ｓ５では，アクチュエータ速度演算部１３０は，手順Ｓ４で演算した各フロント部材８，９，１０の目標速度と，姿勢検出装置５０から得られる作業装置７の姿勢情報とに基づいて，手順Ｓ４で演算した各フロント部材８，９，１０の目標速度を発生するために必要なブームシリンダ１１，アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の速度（アクチュエータ速度）を演算する。

手順Ｓ６では，補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａは，手順Ｓ４で演算した各フロント部材８，９，１０の目標速度と，姿勢検出装置５０から得られる作業装置７の姿勢情報とに基づいて，手順Ｓ４で演算した各フロント部材８，９，１０の目標速度を発生するために必要なブームシリンダ１１，アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の速度（補正前目標アクチュエータ速度）を演算する。なお，ここで演算される補正前目標アクチュエータ速度は，手順Ｓ５で演算されるアクチュエータ速度と同値である。

手順Ｓ７では，信号分離部１５０は，手順Ｓ４で演算した各フロント部材８，９，１０の目標速度の信号を高周波成分と低周波成分に分離する。これにより例えば図１１に示すように吹き出しＡの目標速度が，時間あたりの速度変動が相対的に少ない吹き出しＢの低周波成分（低変動成分）と，時間あたりの速度変動が相対的に大きい吹き出しＣの高周波成分（高変動成分）とに分離される。

手順Ｓ８では，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂは，手順Ｓ７で分離した各フロント部材８，９，１０の目標速度信号の低周波成分と，姿勢検出装置５０から得られる作業装置７の姿勢情報とに基づいて，手順Ｓ７で分離した各フロント部材８，９，１０の目標速度信号の低周波成分を発生するために必要なブームシリンダ１１，アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の速度（低変動目標アクチュエータ速度）を演算する。

手順Ｓ９では，高変動目標速度演算部１４３は，手順Ｓ７で分離した各フロント部材８，９，１０の目標速度信号の高周波成分のうち，目標面６０に垂直な成分を算出し，それらを全て足し合わせたものをバケット１０の目標速度信号の高周波成分として高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃに出力する。

手順Ｓ１０では，高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃは，手順Ｓ９で演算したバケット１０の目標速度信号の高周波成分と，姿勢検出装置５０から得られる作業装置７の姿勢情報とに基づいて，手順Ｓ９で演算したバケット１０の目標速度信号の高周波成分を発生するために必要なバケットシリンダ１３の速度（高変動目標アクチュエータ速度）を演算する。

手順Ｓ１１では，補正速度演算部１４０は，各アクチュエータ１１，１２，１３の補正速度を演算する。本実施形態では各アクチュエータ１１，１２，１３の補正速度を，図１２に示したように，低変動目標アクチュエータ速度（手順Ｓ８）に高変動目標アクチュエータ速度（手順Ｓ９）を加算したものから補正前目標アクチュエータ速度（手順Ｓ６）を減算したものとしている。これを各アクチュエータ１１，１２，１３について演算して補正速度とする。具体的には，補正速度演算部１４０は，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算したブームシリンダ速度（手順Ｓ８）から補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａで演算したブームシリンダ速度（手順Ｓ６）を減じたものをブームシリンダ補正速度として出力する。また，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算したアームシリンダ速度（手順Ｓ８）から補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａで演算したアームシリンダ速度（手順Ｓ６）を減じたものをアームシリンダ補正速度として出力する。さらに，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算したバケットシリンダ速度（手順Ｓ８）に高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃで演算したバケットシリンダ速度（手順Ｓ９）を加えたものから補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａで演算したバケットシリンダ速度（手順Ｓ６）を減じたものをバケットシリンダ補正速度として出力する。

手順Ｓ１２では，目標アクチュエータ速度演算部１００は，各アクチュエータ１１，１２，１３の目標速度（目標アクチュエータ速度）を演算する。本実施形態では各アクチュエータ１１，１２，１３の目標速度を，図１２に示したように，手順Ｓ５で演算した各アクチュエータ１１，１２，１３の速度に手順Ｓ１１で演算した各アクチュエータ１１，１２，１３の補正速度を加算したものとしている。手順Ｓ５で演算した各アクチュエータ１１，１２，１３の速度は，手順Ｓ６で演算した補正前目標アクチュエータ速度と同値なので，各アクチュエータ１１，１２，１３の目標速度は，結果的に低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算した低変動目標アクチュエータ速度（手順Ｓ８）に高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃで演算した高変動目標アクチュエータ速度（手順Ｓ９）を加えたものとなる。具体的には，目標アクチュエータ速度演算部１００は，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算したブームシリンダ速度（手順Ｓ８）をブームシリンダ目標速度として出力する。また，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算したアームシリンダ速度（手順Ｓ８）をアームシリンダ妄評速度として出力する。さらに，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂで演算したバケットシリンダ速度（手順Ｓ８）に高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃで演算したバケットシリンダ速度（手順Ｓ９）を加えたものをバケットシリンダ目標速度として出力する。

手順Ｓ１３では，アクチュエータ制御部２００がブームシリンダ目標速度に基づいて第２流量制御弁（ブームスプール）３１を駆動する信号を演算し，その信号を電磁弁３１ａまたは電磁弁３１ｂに出力する。同様に，アームシリンダ目標速度に基づいて第１流量制御弁（第１アームスプール）２８と第３流量制御弁（第２アームスプール）２９を駆動する信号を演算し，その信号を電磁弁３２ａ及び電磁弁３３ａまたは電磁弁３２ｂ及び電磁弁３３ｂに出力する。さらに，バケットシリンダ目標速度に基づいて流量制御弁（バケットスプール）３０を駆動する信号を演算し，その信号を電磁弁３４ａまたは電磁弁３４ｂに出力する。これにより各アクチュエータ１１，１２，１３の目標速度（目標アクチュエータ速度）に基づいて各アクチュエータ１１，１２，１３が駆動して各フロント部材８，９，１０が動作する。

手順Ｓ１３の処理が終了したら，操作装置２４の操作が継続していることを確認してはじめに戻り手順Ｓ１以降の処理を繰り返す。なお，図１２のフローの途中であっても操作装置２４の操作が終了した場合には処理を終了して次回の操作装置２４の操作が開始されるまで待機する。

上記のように構成された油圧ショベル１では，ブーム８とアーム９は時間あたりの変動が小さい目標速度信号（図１１の吹き出しＢに示す低周波成分）に従って動作し，ブーム８とアーム９の目標速度信号から除外された時間あたりの変動が大きい目標速度信号（図１１の吹き出しＣに示す高周波成分）はバケット１０の目標速度信号に付加されてバケット１０の動作に転化される。バケット１０はブーム８やアーム９と比較して相対的に慣性負荷が小さいため，時間あたりの変動が大きい目標速度信号にも素早く応答できる。すなわち，例えば目標面６０の仕上げ作業中にバケット先端Ｐ４が目標面６０上にある状態でオペレータが誤って素早いアームクラウド操作を入力してしまった場合等，各フロント部材８，９，１０の目標速度信号の時間あたりの変化が慣性負荷の相対的に大きいブーム８やアーム９の応答性を超える程度に大きい場合であっても，その分については慣性負荷の相対的に小さいバケット１０の動作で補填される。これにより実際のバケット先端の速度ベクトルの少なくとも垂直成分については目標速度と一致させることができるので，安定して精度の良い半自動掘削成形制御を行うことができる。

＜第２実施形態＞
上記の第１実施形態では，信号分離部１５０で分離された目標速度信号の高周波成分をバケット１０のみに割り当てたが，バケット１０に代えてアーム９のみに割り当てても良い。ここではこの場合を本発明の第２実施形態として説明する。なお，先の実施形態と同じ部分については説明を省略する（後の実施形態でも同様とする）。

図１３は，第２実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図である。この図に示すように補正速度演算部１４０は，第１実施形態と同様の構成を備えている。ただし，本実施形態では高変動目標速度演算部１４３が，３つのフロント部材８，９，１０のうちアーム９に全ての高周波成分を割り当てており，ブーム８及びバケット１０の高変動目標速度をゼロとしている。なお，本実施形態でも，信号分離部１５０で分離された３つのフロント部材８，９，１０ごとの高周波成分が規定する目標速度について目標面６０に垂直な速度成分をそれぞれ演算し，その３つの垂直速度成分の合計をアーム９の高変動目標速度としている。

第１実施形態ではオペレータがバケット１０を操作していない場合であっても目標速度信号に高周波成分が発生した場合には半自動掘削制御によりバケット１０が動作してオペレータに違和感を与える可能性がある。しかし上記のように構成された本実施形態では，目標速度信号に発生した高周波成分をアーム９に割り当てているため，バケット１０の操作を行わない限りはバケット１０が動作しない。そのため，オペレータが操作していないフロント部材（バケット１０）が半自動掘削制御により動作することが防止され，オペレータに与える違和感が緩和できる。また，アーム９はブーム８と比べると慣性負荷が小さいため，時間あたりの目標速度信号の変動が多い場合でも，安定して精度の良い半自動掘削を行うことができる。

＜第３実施形態＞
上記の２つの実施形態では，信号分離部１５０で分離された目標速度信号の高周波成分をバケット１０とアーム９のいずれか一方に割り当てた。しかし，本実施形態では，目標速度信号の高周波成分を各フロント部材８，９，１０の慣性負荷を考慮して決定した適当な比率（分配比率）で各フロント部材８，９，１０に分配して，ブーム８，アーム９，バケット１０の低変動目標アクチュエータ速度に加算するようにしている。

図１４は，第３実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図である。本実施形態の高変動目標速度演算部１４３は，信号分離部１５０で分離された高周波成分を３つのフロント部材８，９，１０のうち慣性負荷が相対的に小さいフロント部材に優先的に割り当てて３つのフロント部材８，９，１０の高変動目標速度をそれぞれ演算している。本実施形態では，目標速度信号の高周波成分を各フロント部材８，９，１０の慣性負荷を考慮して決定した比率で各フロント部材８，９，１０に分配している。一般的にブーム８，アーム９，バケット１０の慣性負荷はこの順番に小さくなるので，応答性の確保の観点からはこの順番に分配比率を大きくすることが好ましい。例えば，分配比率は，慣性情報に基づいてブーム８，アーム９，バケット１０の慣性負荷を数値化し，その数値の逆数の比率（すなわち逆比）とすることができるが，他の比率を用いても良い。これに加えて，各フロント部材８，９，１０の姿勢情報に応じて分配比を補正するといった構成を用いても良い。

図１４に示すように，本実施形態では低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂからの３つの出力のすべてに高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃの出力が加算されている。すなわち，補正速度演算部１４０からの３つの出力は全て，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂの出力と高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃの出力の和から補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａの出力を減じたものとなっている。

このように構成された本実施形態によれば，高変動目標アクチュエータ速度が，バケット１０やアーム９のみではなく，慣性情報に基づいて決定された分配比率にしたがって各フロント部材８，９，１０に分配されるので，例えば高変動目標速度が過大でバケット１０の最大動作速度を超える場合にはその残りをアーム９に割り当てることで対応できる。そしてバケット１０とアーム９に分配しても賄えない場合には一部をブーム８に負担させることもできる。これにより高変動目標速度が過大な場合でも安定して精度の良い半自動掘削を行うことができる。

＜第４実施形態＞
３つのフロント部材８，９，１０のうちアーム９やバケット１０には，それぞれの回動軸とバケット先端Ｐ４を繋ぐ直線が目標面６０に対して垂直となる姿勢（本稿ではこのような姿勢を「特異姿勢」と称する）をとる可能性がある。図１５はバケット１０が特異姿勢をとっている状況の説明図であり，図１６はアーム９が特異姿勢をとっている状況の説明図である。アーム９やバケット１０が特異姿勢をとった場合，そのフロント部材９，１０に係る油圧シリンダ１２，１３が動作しても，バケット先端Ｐ４に垂直速度成分を発生させることができない。このような状況にあるフロント部材９，１０に高変動速度を割り当てると，動作不可能な指令が油圧シリンダ１２，１３に与えられることになり不安定な動作を招き得る。そこで本実施形態ではアーム９とバケット１０の少なくとも一方が特異姿勢をとった場合には目標速度の配分の実施を中断することとした。

図１７は第４実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図である。本実施形態は，第３実施形態に姿勢判定部１４４を追加し，その出力をローパスフィルタ部１４２に入力したものに相当する。

姿勢判定部１４４は，作業装置７の動作平面上でバケット先端とアーム９の回動中心を結ぶ第１直線Ｌ１（図１６参照）が目標面６０と直交するか否かと，同じく作業装置７の動作平面上でバケット先端とバケット１０の回動中心を結ぶ第２直線Ｌ２（図１５参照）が目標面６０と直交するか否かを作業装置７の姿勢情報と目標面の位置情報に基づいて判定し，その判定結果をローパスフィルタ部１４２に出力している。具体的には，第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２のいずれか一方が目標面６０と直交すると判定した場合には，姿勢判定部１４４はリセット信号を出力する。

ローパスフィルタ部１４２（信号分離部１５０）は，姿勢判定部１４４により第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２のいずれか一方が目標面６０と直交すると判定された場合（すなわちリセット信号が出力された場合），３つのフロント部材８，９，１０の目標速度の信号をそれぞれ前記閾値（遮蔽周波数）より周波数の低い低周波成分と前記閾値より周波数の高い高周波成分に分離する処理を実行せず，その３つのフロント部材８，９，１０の目標速度の信号をそのまま低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂに出力している。すなわち，ローパスフィルタ部１４２は，姿勢判定部１４４からリセット信号を入力するとフィルタの機能を一時停止して，目標速度演算部３８から入力される各フロント部材８，９，１０の目標速度信号をそのまま出力する。

このように補正速度演算部１４０を構成すると，アーム９およびバケット１０のいずれか一方が特異姿勢をとっている場合は，信号分離部１５０から高変動目標速度演算部１４３に出力される高周波成分が必ずゼロになり，補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａの出力と低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂの出力が必ず一致するので，結果的に補正速度演算部１４０から出力される補正速度は全てゼロになる。すなわち，アクチュエータ速度演算部１３０のみの出力による従来通りの半自動掘削制御が行われることになる。したがって，本実施形態によれば，アーム９およびバケット１０のいずれか一方が特異姿勢をとっている場合に半自動掘削制御に不安定な動作が発生することを防止できる。

＜第５実施形態＞
図１８は第５実施形態における補正速度演算部１４０の機能ブロック図である。本実施形態は，第３実施形態に姿勢判定部１４４を追加し，その出力を高変動目標速度演算部１４３に入力したものに相当する。

姿勢判定部１４４は，第４実施形態のものと同じ判定を行い，その判定結果をローパスフィルタ部１４２に出力している。具体的には，第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２のいずれか一方が目標面６０と直交すると判定した場合には，姿勢判定部１４４はリセット信号を出力する。ただし本実施形態のリセット信号にはアーム９とバケット１０のうちどのフロント部材が特異姿勢をとっているかを示す情報が含まれている。

高変動目標速度演算部１４３は，姿勢判定部１４４により第１直線Ｌ１が目標面６０と直交すると判定された場合，信号分離部１５０で分離されたブーム８，アーム９及びバケット１０の目標速度信号の高周波成分をブーム８，アーム９及びバケット１０のうちアーム９を除くフロント部材（すなわち，ブーム８とバケット１０）に分配してブーム８，アーム９及びバケット１０の高変動目標速度をそれぞれ演算する。また，姿勢判定部１４４により第２直線Ｌ２が目標面６０と直交すると判定された場合，信号分離部１５０で分離されたブーム８，アーム９及びバケット１０の目標速度信号の高周波成分をブーム８，アーム９及びバケット１０のうちバケット１０を除くフロント部材（すなわち，ブーム８とアーム９）に分配してブーム８，アーム９及びバケット１０の高変動目標速度をそれぞれ演算する。ただし，いずれの場合も慣性負荷の観点からブーム８への分配比率をゼロにしても構わない。なお，第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２の双方が目標面６０と直交する場合にはブーム８のみに高周波成分を分配して高変動目標速度を演算することとなる。

このように補正速度演算部１４０を構成すると，アーム９やバケット１０が特異姿勢をとっている場合は，その特異姿勢をとっているフロント部材の高変動目標速度が必ずゼロになり，補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａの出力と低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂの出力が必ず一致するので，結果的に補正速度演算部１４０から出力されるそのフロント部材のアクチュエータに係る補正速度はゼロになる。すなわち，特異姿勢をとっているフロント部材についてはアクチュエータ速度演算部１３０のみの出力による従来通りの半自動掘削制御が行われることになる。したがって，本実施形態によれば，アーム９やバケット１０が特異姿勢をとっている場合に半自動掘削制御に不安定な動作が発生することを防止できる。なお，リセット信号が出力された場合全てのフロント部材に係る高変動目標アクチュエータ速度をゼロとする第４実施形態と異なり，本実施形態では特異姿勢をとっていないフロント部材には高変動目標アクチュエータ速度を発生することができるので，第４実施形態よりも精度の良い半自動掘削を安定して行うことができる。

＜その他＞
本発明は，上記の実施の形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば，本発明は，上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず，その構成の一部を削除したものも含まれる。また，ある実施の形態に係る構成の一部を，他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

上記の各実施形態では，アクチュエータ速度演算部１３０と補正速度演算部１４０が異なる演算部位となっているが，同等の機能を持つ１つの演算部位に統合しても良い。

上記の各実施形態では，アクチュエータ速度演算部１３０と補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａを設けたが，図１２の手順Ｓ１２に示したように各アクチュエータ１１，１２，１３の目標速度は，低変動目標アクチュエータ速度と高変動目標アクチュエータ速度の和となる。そのため，アクチュエータ速度演算部１３０と補正前目標アクチュエータ速度演算部１４１ａを省略して，低変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｂの出力と高変動目標アクチュエータ速度演算部１４１ｃの出力の和を目標アクチュエータ速度としてアクチュエータ制御部２００に出力するようにコントローラ２５を構成しても良い。

上記のコントローラ２５に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は，それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また，上記のコントローラ２５に係る構成は，演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該コントローラ２５の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は，例えば，半導体メモリ（フラッシュメモリ，ＳＳＤ等），磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク，光ディスク等）等に記憶することができる。

１…油圧ショベル（作業機械），２…走行体，３…旋回体，４…運転室，５…機械室，６…カウンタウェイト，７…作業装置，８…ブーム，９…アーム，１０…バケット，１１…ブームシリンダ，１２…アームシリンダ，１３…バケットシリンダ，１４…第１油圧ポンプ，１５…第２油圧ポンプ，１６…エンジン（原動機），１７…車体傾斜センサ，１８…ブーム傾斜センサ，１９…アーム傾斜センサ，２０…バケット傾斜センサ，２１…第１ＧＮＳＳアンテナ，２２…第２ＧＮＳＳアンテナ，２３…車体制御システム，２４…操作装置，２５…コントローラ，２６…流量制御弁装置，２７…油圧回路，２８…第１アームスプール（第１流量制御弁），２９…第２アームスプール（第３流量制御弁），３０…バケットスプール，３１…ブームスプール（第２流量制御弁），３２ａ，３２ｂ…第１アームスプール駆動電磁弁，３３ａ，３３ｂ…第２アームスプール駆動電磁弁，３４ａ，３４ｂ…バケットスプール駆動電磁弁，３５ａ，３５ｂ…ブームスプール駆動電磁弁，３６ａ，３６ｂ…作動油タンク，３７…距離演算部，３８…目標速度演算部，４１…慣性情報設定装置，４２…第２ブームスプール（第４流量制御弁），４３ａ，４３ｂ…第２ブームスプール駆動電磁弁，４４…作動油タンク，５０…作業装置姿勢検出装置，５１…目標面設定装置，５３…制御点位置演算部，５４…目標面記憶部，６０…目標面，１００…目標アクチュエータ速度演算部，１３０…アクチュエータ速度演算部，１４０…補正速度演算部，１４１ａ…補正前目標アクチュエータ速度演算部，１４１ｂ…低変動目標アクチュエータ速度演算部，１４１ｃ…高変動目標アクチュエータ速度演算部，１４２…ローパスフィルタ部，１４３…高変動目標速度演算部，１４４…姿勢判定部，１５０…信号分離部，１５１…高周波成分分離部，２００…アクチュエータ制御部

Claims (6)

1. 複数のフロント部材を有する作業装置と，
   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，
   オペレータの操作に応じて前記複数の油圧アクチュエータの動作を指示する操作装置と，
   前記操作装置の操作時に前記作業装置が所定の目標面の上方に制限されるように，前記複数のフロント部材の目標速度をそれぞれ演算する目標速度演算部を有するコントローラとを備える作業機械において，
   前記コントローラは，
   前記複数のフロント部材の目標速度の信号をそれぞれ所定の閾値より周波数の低い低周波成分と前記閾値より周波数の高い高周波成分に分離する信号分離部と，
   前記信号分離部で分離された前記高周波成分を前記複数のフロント部材のうち慣性負荷が相対的に小さいフロント部材に優先的に割り当てて前記複数のフロント部材の高変動目標速度をそれぞれ演算する高変動目標速度演算部と，
   前記高変動目標速度演算部で演算された前記複数のフロント部材の高変動目標速度と前記複数のフロント部材の姿勢情報に基づいて，前記複数のアクチュエータの高変動目標速度をそれぞれ演算する高変動目標アクチュエータ速度演算部と，
   前記信号分離部で分離された前記低周波成分と前記複数のフロント部材の姿勢情報に基づいて，前記複数のアクチュエータの低変動目標速度をそれぞれ演算する低変動目標アクチュエータ速度演算部と，
   前記高変動目標アクチュエータ速度演算部の演算結果と前記低変動目標アクチュエータ速度演算部の演算結果を前記複数のアクチュエータごとに加算した値に基づいて前記複数のアクチュエータをそれぞれ制御するアクチュエータ制御部とを備えることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１の作業機械において，
   前記作業装置は，ブーム，アーム及び作業具を有し，
   前記高変動目標速度演算部は，前記信号分離部で分離された前記ブーム，アーム及び作業具の目標速度の高周波成分を前記作業具のみに割り当てて前記ブーム，アーム及び作業具の高変動目標速度をそれぞれ演算することを特徴とする作業機械。
3. 請求項１の作業機械において，
   前記作業装置は，ブーム，アーム及び作業具を有し，
   前記高変動目標速度演算部は，前記信号分離部で分離された前記ブーム，アーム及び作業具の目標速度の高周波成分を前記アームのみに割り当てて前記ブーム，アーム及び作業具の高変動目標速度をそれぞれ演算することを特徴とする作業機械。
4. 請求項１の作業機械において，
   前記作業装置は，ブーム，アーム及び作業具を有し，
   前記コントローラは，前記作業装置の動作平面上で前記作業具の先端と前記アームの回動中心を結ぶ第１直線が前記目標面と直交するか否かと，前記作業装置の動作平面上で前記作業具の先端と前記作業具の回動中心を結ぶ第２直線が前記目標面と直交するか否かを前記作業装置の姿勢情報に基づいて判定する姿勢判定部を備え，
   前記信号分離部は，前記姿勢判定部により前記第１直線及び前記第２直線のいずれか一方が前記目標面と直交すると判定された場合，前記複数のフロント部材の目標速度の信号をそれぞれ前記閾値より周波数の低い低周波成分と前記閾値より周波数の高い高周波成分に分離する処理を実行せず，前記複数のフロント部材の目標速度の信号をそのまま前記低変動目標アクチュエータ速度演算部に出力することを特徴とする作業機械。
5. 請求項１の作業機械において，
   前記作業装置は，ブーム，アーム及び作業具を有し，
   前記コントローラは，前記作業装置の動作平面上で前記作業具の先端と前記アームの回動中心を結ぶ第１直線が前記目標面と直交するか否かと，前記作業装置の動作平面上で前記作業具の先端と前記作業具の回動中心を結ぶ第２直線が前記目標面と直交するか否かを前記作業装置の姿勢情報に基づいて判定する姿勢判定部を備え，
   前記高変動目標速度演算部は，
   前記姿勢判定部により前記第１直線が前記目標面と直交すると判定された場合，前記信号分離部で分離された前記ブーム，アーム及び作業具の目標速度の高周波成分を前記複数のフロント部材のうち前記アームを除くフロント部材に分配して前記ブーム，アーム及び作業具の高変動目標速度をそれぞれ演算し，
   前記姿勢判定部により前記第２直線が前記目標面と直交すると判定された場合，前記信号分離部で分離された前記ブーム，アーム及び作業具の目標速度の高周波成分を前記複数のフロント部材のうち前記作業具を除くフロント部材に分配して前記ブーム，アーム及び作業具の高変動目標速度をそれぞれ演算することを特徴とする作業機械。
6. 請求項１の作業機械において，
   前記高変動目標速度演算部は，
   前記信号分離部で分離された前記高周波成分のうち前記目標面に垂直な成分の合計を算出し，その合計を前記複数のフロント部材のうち慣性負荷が相対的に小さいフロント部材に優先的に分配して前記複数のフロント部材の高変動目標速度をそれぞれ演算することを特徴とする作業機械。

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