JPWO2019186840A1 - 作業機械 - Google Patents

Abstract

各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの実動作速度Ｖｒと目標動作速度Ｖｔとから速度推定モデルの成否を判定し、速度推定モデルが成り立つと判定された場合は各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａが駆動状態から急停止した場合の油圧ショベル１の動的な重心位置を推定動作速度Ｖｅから予測し、速度推定モデルが成り立たないと判定された場合は実動作速度Ｖｒから動的な重心位置を予測して、その予測された動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、制御介入を行うことが決定された場合に、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａが緩減速するように目標動作速度Ｖｔを補正する。これにより、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合においても、作業フロント２の動作速度の制限や緩減速を適切に実施することができ、作業性や操作性の低下や乗り心地の悪化などを抑制することができる。

Description

本発明は、作業機械に関する。

構造物解体工事、廃棄物処理、スクラップ処理、道路工事、建設工事、土木工事等に使用される作業機械としては、動力系により走行する走行体の上部に旋回自在に取り付けられた旋回体と、旋回体に上下方向に揺動自在に取り付けられた多関節型の作業フロントとを供え、作業フロントを構成する複数のフロント部材をシリンダにて駆動するものが知られている。例えば、作業機械の一種である油圧ショベルでは、ブーム、アーム、バケット等の複数のフロント部材から構成される作業フロントを有し、複数のフロント部材をそれぞれをブームシリンダ、アームシリンダ、及び、バケットシリンダで駆動している。

この油圧ショベルのように作業フロントを有する作業機械では、操作レバーの操作内容に応じて各可動部を駆動するので、操作レバーが操作状態から瞬時に中立位置まで戻されると、操作レバーの操作に応じて駆動される可動部は急停止し、その際の減速度に応じた慣性力が発生する。作業フロントが急停止するとその慣性力によって走行体の一部が地面から浮上り、作業機械全体が傾くことがある。走行体の一部が地面から浮上って作業機械全体が傾くと、作業機械が元の姿勢に戻るときに走行体と地面とが衝突することによって、作業機械の運転者に激しい振動や衝撃が加わることが考えられ、乗り心地を悪化するばかりでなく、最悪の場合には作業フロントが急停止した際の慣性力によって作業機械が転倒してしまうおそれがある。

そこで、作業機械の動的重心位置を示すＺＭＰ（Zero Moment Point）を用いて作業機械の浮上りに関する動的安定性をリアルタイムに推定し、この動的安定性から作業機械が傾く可能性が高いと推定される場合に作業フロントの動作速度を制限したり作業フロントを緩減速させたりすることで、作業機械が傾くことを抑制する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、走行体と、該走行体上に取り付けた作業機械本体と、該作業機械本体に対し上下方向に揺動自在に取り付けた作業フロントと、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントにおける各可動部と、前記各可動部を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御装置とを備えた作業機械において、前記制御装置は、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントにおける前記アクチュエータを操作する操作レバーの操作量に応じて前記可動部の速度を推定する速度推定手段と、前記速度推定手段で推定された推定速度に基づいて、前記操作レバーが操作状態から停止指令位置まで戻された場合に、前記アクチュエータが駆動状態から停止するまでの間の、前記アクチュエータ変位である位置軌跡と前記アクチュエータ速度変化である速度軌跡と前記アクチュエータ加速度変化である加速度軌跡、とを予測する挙動予測手段と、前記挙動予測手段で求められた前記位置軌跡と前記速度軌跡と前記加速度軌跡に応じて前記アクチュエータが停止するまでに前記作業機械が不安定になるかならないかの予測と前記アクチュエータが停止するまで作業機械を安定させる動作制限値の算出とを行う安定化制御演算手段と、前記安定化制御演算手段の演算結果をもとに前記可動部を駆動するアクチュエータへの指令情報を生成する指令値生成手段を備える作業機械が開示されている。

特許第６０２３０５３号公報

上記従来技術においては、エンジン回転数、負荷の大きさ、姿勢、油温等によって速度推定モデルが時々刻々と変化することが予想されるものの、微小な時刻間では作業状況の変化が小さく速度推定モデルの変化も小さいと仮定し、この速度推定モデルで推定した速度に基づいて作業フロントの速度制限と緩減速を実施している。

しかしながら、例えば、油圧ショベルでは、ブームやアームを一定のリズムで上下動させ、地面近傍で急操作をすることによって程よく地面を締め固める転圧作業（所謂、土羽打ち作業）のように、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合がある。土羽打ち作業では、停止状態である作業フロントを急上昇操作によって上昇させ、続けて急下降操作を行いバケットと地面を程よく衝突させることで地面を転圧する。

したがって、上記従来技術においては、土羽打ち作業のように、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合には、速度推定モデルが成り立たない。つまり、速度推定モデルが成り立たないと正確なＺＭＰが得られないため、作業フロントの緩減速や速度制限などの制御介入が適切に行われず、作業フロントの制動距離の増加や、速度制限が実施されないことによる車体の浮き上がりなどが予想され、その結果、作業フロントが運転者の予想と異なる動作をするため、作業性や操作性が著しく低下したり、乗り心地が悪化したりすることが考えられる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合においても、作業フロントの動作速度の制限や緩減速を適切に実施することができ、作業性や操作性の低下や乗り心地の悪化などを抑制することができる作業機械を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、走行体と、前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた旋回体と、複数の被駆動部材を垂直方向に回動可能に連結して構成され、前記旋回体に垂直方向に回動可能に支持された多関節型の作業フロントと、前記作業フロントの前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、前記旋回体及び前記作業フロントを構成する前記複数の被駆動部材の動作に伴う前記複数の被駆動部材の運動に関する情報をそれぞれ検出する複数の運動情報検出装置と、前記複数のアクチュエータの駆動を制御する制御装置と備えた作業機械において、前記制御装置は、前記複数のアクチュエータを操作する操作レバーの操作量に応じて生成される操作信号に基づいて前記複数のアクチュエータの目標動作速度をそれぞれ生成する目標動作速度生成部と、前記運動情報検出装置の検出結果に基づいて前記複数のアクチュエータの実動作速度をそれぞれ検出する動作速度検出部と、前記目標動作速度及び前記実動作速度から予め設定した速度推定モデルに基づいて前記複数のアクチュエータの動作速度をそれぞれ推定する動作速度推定部と、前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記動作速度推定部が推定した前記複数のアクチュエータの動作速度を用いて予測する第一重心位置予測部と、前記目標動作速度を補正する制御介入を行うかどうかを前記動的な重心位置に基づいて決定する制御介入決定部と、前記目標動作速度生成部によって生成された前記目標動作速度を前記作業機械の浮上りが抑制されるように補正する目標動作速度補正部と、前記目標動作速度補正部によって補正された目標動作速度に基づいて前記複数のアクチュエータの駆動を制御する駆動指令部と、前記動作速度検出部で検出された前記複数のアクチュエータの前記実動作速度と前記目標動作速度生成部で生成された前記目標動作速度との比較結果に基づいて、前記速度推定モデルの成否を判定する速度推定モデル成否判定部と、前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記動作速度検出部で検出された前記複数のアクチュエータの実動作速度から予測する第二重心位置予測部とを有し、前記制御介入決定部は、前記速度推定モデル成否判定部により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第一重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置に代えて、前記第二重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、前記目標動作速度補正部は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の減速度を制限することで前記複数のアクチュエータが緩減速するように前記目標動作速度を補正するものとする。

本発明によれば、油圧ショベルの土羽打ちを例とするように微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化により、シリンダの速度推定モデルが成り立たない場合においても、作業フロントの動作速度の制限と緩減速を適切に実施することができる。
また、外力を検知するためのセンサや煩雑な情報処理を追加することなく簡易な構成で、作業フロントの動作速度の制限と緩減速を適切に実施することができる。以上から、作業機械の浮上りによる乗り心地の悪化を抑制しつつ、作業機械が傾く虞が低い場合には作業フロントを繊細で機敏に動作できるので作業性と操作性を向上できる。

本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。 本実施の形態に係る作業機械の制御システムを関連構成とともに示す図である。 駆動制御用コントローラの処理を示す機能ブロック図である。 本実施の形態に係る油圧ショベルの重心位置を説明する側面図である。 本実施の形態に係る油圧ショベルの支持多角形および転倒支線を示す上面図である。 シリンダ速度の推移の一例を示す図である。 作業フロントの緩減速制御について説明する図である。 作業フロントの速度制限制御について説明する図である。 制御介入の決定に係る処理を示すフローチャートである。 補正後目標動作速度の算出処理及び制御指令値の決定に係る処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、作業機械の一例として、作業フロントを備える油圧ショベルを例示して説明するが、作業フロントを備える作業機械であれば、ホイールローダのような油圧ショベル以外の作業機械にも本発明を適用することが可能である。

図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を示す側面図である。また、図２は、本実施の形態に係る作業機械の制御システムを関連構成とともに示す図である。

＜作業機械（油圧ショベル１）＞
図１に示すように、本実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１は、走行体４と、走行体４の上に旋回可能に取り付けられた旋回体３と、被駆動部材としてのブーム２０、アーム２１、及び、作業具であるバケット２２を垂直方向にそれぞれ回動可能に連結して構成され、旋回体３に垂直方向に回動可能に支持された多関節型の作業フロント２と、作業フロント２のブーム２０、アーム２１、及び、バケット２２をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータ（ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ、及び、バケットシリンダ２２Ａ）とを備えている。

走行体４は、トラックフレーム４０と、トラックフレーム４０に左右一対でそれぞれ設けられたフロントアイドラ４１、下ローラ（フロント）４２ａ、下ローラ（センター）４２ｂ、下ローラ（リア）４２ｃ、スプロケット４３、上ローラ４４、履帯４５、及び、スプロケット４３に接続された走行油圧モータ４３Ａ（アクチュエータ）とにより構成されている。フロントアイドラ４１、下ローラ（フロント）４２ａ、下ローラ（センター）４２ｂ、下ローラ（リア）４２ｃ、スプロケット４３、上ローラ４４は、それぞれトラックフレーム４０に配置されており、履帯４５はそれらの部材を介してトラックフレーム４０に巻き回されることによってトラックフレーム４０を周回できるように設置されている。なお、下ローラ（センター）４２ｂ、および上ローラ４４は、走行体４の大きさに応じてその個数を変えることができ、図１に示す数よりも多く配置したり、少なく配置したり、配置しなかったりすることが可能である。なお、走行体４は、履帯を備えたものに限定されることなく、走行輪や脚を備えたものであってもよい。

作業フロント２では、ブーム２０の基端が旋回体３の前部に垂直方向に回動可能に支持され、アーム２１の一端がブーム２０の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持され、バケット２２がアーム２１の他端に垂直方向に回動可能に支持されている。アーム２１とバケット２２の接続部には、互いの一端が回動可能に接続された第一リンク２２Ｂ及び第二リンク２２Ｃが配置されており、第一リンク２２Ｂの他端（第二リンク２２Ｃとの接続部とは異なる端部）がバケット２２に、第二リンク２２Ｃの他端（第一リンク２２Ｂとの接続部とは異なる端部）がアーム２１にそれぞれ回動可能に接続されている。

また、作業フロント２では、ブームシリンダ２０Ａのボトム側が旋回体３に、ロッド側がブーム２０にそれぞれ回動可能に連結され、アームシリンダ２１Ａのボトム側がブーム２０に、ロッド側がアーム２１にそれぞれ回動可能に連結され、バケットシリンダ２２Ａのボトム側がアーム２１に、ロッド側が第一及び第二リンク２２Ｂ，２２Ｃの連結部分にそれぞれ回動可能に連結されている。ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及び、バケットシリンダ２２Ａは、油圧により伸縮することによって、それぞれブーム２０、アーム２１、バケット２２を回動駆動させる。なお、バケット２２は、グラップルやブレーカ、リッパ、マグネットなどの他の図示しない作業具に任意に交換可能である。

旋回体３は、メインフレーム３１上に配置された運転室３２、操作入力装置３３、駆動制御装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、及び、カウンタウェイト３７を備えており、走行体４に対して旋回可能に接続されたメインフレーム３１が旋回油圧モータ３Ａ（アクチュエータ）によって旋回駆動されることにより、旋回体３全体が旋回駆動される。カウンタウェイト３７は、油圧ショベル１の運転時に必要な重量バランスをとるためのものであり、旋回体３の前部に配置された作業フロント２に対して、旋回体３の後部に配置されている。

＜制御システム＞
図２において、本実施の形態に係る油圧ショベル１の制御システムは、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ、３Ａ、４３Ａを操作するための操作信号を生成し駆動制御装置３４に出力する操作入力装置３３と、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、及び、旋回体３の角速度および加速度を検出して駆動制御装置３４に出力するＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓと、原動装置３６から各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ、３Ａ、４３Ａに供給される圧油の流量及び方向を制御して各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ、３Ａ、４３Ａを駆動する駆動装置３５と、操作入力装置３３からの操作信号とＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓの検出値とに基づいて、駆動装置３５を制御する制御信号（制御指令値）を生成して駆動装置３５に出力する駆動制御装置３４とから概略構成されている。操作入力装置３３、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓ、及び、駆動装置３５は、信号線によって駆動制御装置３４に接続されている。

＜操作入力装置３３＞
オペレータ（運転者）が搭乗する運転室３２には、作業フロント２のブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回体３の旋回油圧モータ３Ａ、及び、走行体４の走行油圧モータ４３Ａを操作するための操作信号を出力する操作入力装置３３が配置されている。操作入力装置３３は、作業フロント２及び旋回体３を操作するための一対の操作レバー３３ａや、走行体４を操作するための一対の操作レバー（走行ペダル、図示せず）と、それらが傾倒された量を検出する操作入力量センサ３３ｂとにより構成されている。

作業フロント２及び旋回体３を操作するための一対の操作レバー３３ａは、それぞれ前後左右に傾倒可能であり、操作入力量センサ３３ｂは、オペレータによる操作レバー３３ａの傾倒量（操作量）を検出し、その操作量に応じて作業フロント２及び旋回体３を操作するための（つまり、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３Ａを操作するための）電気信号（操作信号）を生成し、駆動制御装置３４を構成する駆動制御用コントローラ３４ａ（図２参照）に電気配線を介して出力する。例えば、操作レバー３３ａの前後方向または左右方向に、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、及び、旋回油圧モータ３Ａの操作がそれぞれ割り当てられている。

同様に、走行体４を操作するための操作レバー（走行ペダル、図示せず）は、それぞれ前後方向に傾倒可能であり、操作入力量センサ３３ｂは、オペレータによる操作レバー（走行ペダル）の傾倒量（操作量）を検出し、その操作量に応じて走行体４を操作するための（すなわち、走行油圧モータ４３Ａを操作するための）電気信号（操作信号）を生成し、駆動制御用コントローラ３４ａ（図２参照）に電気配線を介して出力する。すなわち、操作レバー（走行ペダル）の前後方向に、油圧ショベル１の走行操作がそれぞれ割り当てられている。

すなわち、操作入力量センサ３３ｂは、操作レバー３３ａ（走行ペダルを含む）の操作によりオペレータが要求するブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回油圧モータ３Ａ、及び、走行油圧モータ４３Ａの動作速度（すなわち、目標動作速度）をそれぞれ検出し、操作信号として駆動制御装置３４に出力する。油圧ショベル１では、操作レバー３３ａが倒された量（操作量）が大きくなると、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３Ａ，４３Ａの動作速度が速くなるように設定されており、オペレータは操作レバー３３ａを倒す量を調整することにより、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３Ａ，４３Ａの動作速度を調整して油圧ショベル１を動作させる。

なお、操作入力装置３３は、操作レバーの傾倒量および傾倒方向をパイロット圧による操作信号として出力する油圧パイロット方式としても良い。この油圧パイロット方式を採用する場合には、操作レバー３３ａ等の操作量を検出するための操作入力量センサとして、作動油によるパイロット圧を検出するものを用いても良い。

＜原動装置３６＞
原動装置３６は、原動機としてのエンジン３６ｂと、エンジン３６ｂにより駆動される油圧ポンプ３６ａとから構成されており、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３Ａ，４３Ａを駆動するために必要な圧油を生成する。

＜駆動装置３５＞
駆動装置３５は、電磁制御弁３５ａ及び方向切換弁３５ｂにより構成されている。ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回油圧モータ３Ａ、及び走行油圧モータ４３Ａの動作制御は、原動機であるエンジン３６ｂによって駆動される油圧ポンプ３６ａからブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回油圧モータ３Ａ、及び走行油圧モータ４３Ａに供給される作動油の方向及び流量を方向切換弁３５ｂで制御することにより行う。方向切換弁３５ｂのスプールは、パイロットポンプ（図示せず）の吐出圧から電磁制御弁３５ａを介して生成される駆動信号（パイロット圧）により駆動される。駆動制御装置３４で操作入力装置３３の操作入力量センサ３３ｂからの操作信号に基づいて生成された電流が制御信号（制御指令値）として電磁制御弁３５ａに入力されることにより、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回油圧モータ３Ａ、及び、走行油圧モータ４３Ａの動作が制御される。

＜ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓ＞
作業フロント２のブーム２０には、ブーム２０の動作に伴う角速度およびブーム２０に働く加速度を検出するためのＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）センサ（ブーム）２０Ｓが配置されている。同様に、アーム２１には、アーム２１の動作に伴う角速度およびアーム２１に働く加速度を検出するためのＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓが配置され、第二リンク２２Ｃには、第二リンク２２Ｃの動作に伴う角速度および第二リンク２２Ｃに働く加速度を検出するためのＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓが配置されている。ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓは、慣性計測装置であり、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓが相対的に固定された対象物の動作に伴う角速度を計測し、計測結果を角速度信号として出力する角速度センサとしての機能と、対象物に働く加速度を計測し、計測結果を加速度信号として出力する加速度センサとしての機能とを有している。また、旋回体３には、旋回体３の地面に対する傾きを検出するＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓが配置されている。ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓは、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓと同様の慣性計測装置であり、角速度センサとしての機能と加速度センサとしての機能とを有している。すなわち、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓは、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、及び、旋回体３の動作時における角速度および加速度のような運動に関する情報を運動情報として検出する運動情報検出装置であるといえる。

ブーム２０、アーム２１、バケット２２、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、第一リンク２２Ｂ、第二リンク２２Ｃ、及び、旋回体３は、それぞれ揺動できるように接続されているので、各ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓの検出結果（運動情報：角速度や加速度）と機械的なリンク関係とから、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、および旋回体３の姿勢（例えば、水平面との相対角度など）と、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａの動作速度を算出することができる。

なお、本実施形態では、旋回体３と走行体４は後述するＸＹＺ座標系のＸＹ平面方向にしか回動しないため、旋回体３にのみＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓを設置して、旋回体３と走行体４を同一の姿勢として扱っているが、他の部材と同様に走行体４にもＩＭＵセンサ（走行体）を設置し、走行体重心４Ｇの姿勢と動作速度を考慮して動的な重心位置の算出を行ってもよい。また、ここで示した姿勢と動作速度の検出方法は一例であり、作業フロント２の各被駆動部材（ブーム２０、アーム２１、バケット２２）の相対角度を直接計測するものや、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａのストロークや速度を検出して作業フロント２の各被駆動部材の姿勢や動作速度を算出するように構成してもよい。

＜駆動制御装置３４＞
駆動制御装置３４を構成する駆動制御用コントローラ３４ａは、図示しないが、入力部やプロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、出力部などにより構成されている。入力部は、操作入力装置３３からの信号、及び、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓからの信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭは、後述する図９や図１０のフローチャートを実行するための制御プログラムと、当該フローチャートの実行に必要な各種情報等とが記憶された記録媒体であり、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って入力部及びメモリから取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部は、ＣＰＵでの演算結果に応じた出力用の信号（例えば、制御指令値としての電流）を作成し、その信号を駆動装置３５に出力することで、複数のアクチュエータ（ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回油圧モータ３Ａ、走行油圧モータ４３Ａ）を駆動・制御する。なお、本実施の形態では、駆動制御用コントローラ３４ａは、記憶装置としてＲＯＭ及びＲＡＭという半導体メモリを備えている場合を例示したが、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。

図３は、駆動制御用コントローラの処理を示す機能ブロック図である。

図３において、駆動制御用コントローラ３４ａは、目標動作速度生成部７１０、目標動作速度補正部７２０、駆動指令部７３０、動作速度検出部７４０、姿勢検出部７５０、動作速度推定部７６０、速度推定モデル成否判定部７７０、第一重心位置予測部７８０、第二重心位置予測部７９０、第三重心位置予測部８００、及び、制御介入決定部８１０により構成されている。

目標動作速度生成部７１０は、操作入力装置３３から操作レバー３３ａの操作量に基づいて出力された操作信号からブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度Ｖｔをそれぞれ生成する。

動作速度検出部７４０は、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓからの検出結果（角速度信号や加速度信号）を用い、予め保持している機械的なリンク関係に基づいてブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及び、バケットシリンダ２２Ａのそれぞれについて動作速度を検出し、実動作速度Ｖｒとして出力する。

姿勢検出部７５０は、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓからの検出結果（角速度信号や加速度信号）を用い、予め保持している機械的なリンク関係に基づいてブーム２０、アーム２１、バケットシリンダ２２Ａのそれぞれの姿勢情報（例えば、各被駆動部材の両端の回動部を結ぶ基準線と水平面との相対角度）を検出して出力する。

動作速度推定部７６０は、目標動作速度生成部７１０でブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａのそれぞれについて生成された目標動作速度Ｖｔと動作速度検出部７４０でブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａのそれぞれについて検出された実動作速度Ｖｒとに基づいて、速度推定モデルを用いて動作速度を推定し、推定動作速度Ｖｅとして出力する。

速度推定モデル成否判定部７７０は、目標動作速度生成部７１０で生成された目標動作速度Ｖｔと動作速度検出部７４０で検出された実動作速度Ｖｒとの速度差に基づいて、油圧ショベル１の動作について速度推定モデルが成立しているかどうか、すなわち、速度推定モデルの成否を判定し、その判定結果を速度推定モデル成否情報として出力する。つまり、速度推定モデル成否判定部７７０は、速度推定モデルの成否判定を行い、速度推定モデル成否情報として、速度推定モデルが成立していることを示す速度推定モデル成否情報（成立）と、速度推定モデルが成立していないことを示す速度推定モデル成否情報（非成立）との何れかを出力する。なお、速度推定モデル成否判定部７７０速度推定モデルの成否判定は、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの速度差を所定の閾値と比較することにより行う（後に詳述）。なお、本実施の形態では、複数のアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３Ａ，４３Ａのうちの特定の１つのアクチュエータ（例えば、ブームシリンダ２０Ａ）について、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの速度差を予め設定した所定の閾値と比較して速度推定モデルの成否を判定する場合を考えるが、これに限られず、例えば、複数のアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａのそれぞれについて、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの速度差を複数のアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ毎に予め設定した所定の閾値と比較し、何れかの速度差が所定の閾値を超えたかどうかで速度推定モデルの成否を判定しても良い。

第一重心位置予測部７８０は、動作速度推定部７６０で推定された推定動作速度Ｖｅと姿勢検出部７５０で検出された姿勢情報とから、作業フロント２が急停止した場合の油圧ショベル１の動的重心位置を演算し、重心位置情報として出力する。なお、作業フロント２が急停止する場合とは、操作レバー３３ａの操作内容に応じて駆動状態であるアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａが、操作レバー３３ａが操作状態から瞬時に中立位置まで戻されることにより急停止する場合であり、その際には被駆動部材２０，２１，２２に減速度に応じた慣性力が発生する。

第二重心位置予測部７９０は、動作速度検出部７４０で検出された実動作速度Ｖｒと姿勢検出部７５０で検出された姿勢情報とから、作業フロント２が急停止した場合の油圧ショベル１の動的重心位置を演算し、重心位置情報として出力する。

第三重心位置予測部８００は、目標動作速度生成部７１０で生成された目標動作速度Ｖｔと姿勢検出部７５０で検出された姿勢情報とから、作業フロント２が急停止した場合の油圧ショベル１の動的重心位置を演算し、重心位置情報としてする。

制御介入決定部８１０は、第一重心位置予測部７８０、第二重心位置予測部７９０、及び、第三重心位置予測部８００でそれぞれ算出された重心位置情報と速度推定モデル成否判定部７７０での判定結果（速度推定モデル成否情報）とに基づいて、目標動作速度Ｖｔの最大値を制限するように補正することで作業フロント２の動作速度の最大値を制限する制御（速度制限制御）、及び、目標動作速度Ｖｔの減速度を制限するように補正することで作業フロント２の減速度を制限して緩減速させる制御（緩減速制御）を行うかどうか（すなわち、制御介入するかどうか）をそれぞれ判定して決定し、決定結果（すなわち、制御介入の有無）を介入有無情報として出力する。つまり、制御介入決定部８１０から出力される制御介入情報は、制御介入を行わないことを示す制御介入情報（制御介入無し）と、速度制限制御のみを行うことを示す制御介入情報（速度制限制御）と、緩減速制御のみを行うことを示す制御介入情報（緩減速制御）と、速度制限制御及び緩減速制御の両方を行うことを示す制御介入情報（速度制限制御、緩減速制御）との何れかである。

目標動作速度補正部７２０は、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａのそれぞれの目標動作速度Ｖｔに対して、制御介入決定部８１０で決定された介入有無情報に基づき、速度制限制御および緩減速制御を実施して目標動作速度Ｖｔを補正し、補正後目標動作速度Ｖｃとして出力する。すなわち、介入有無情報（速度制限制御、緩減速制御）の場合には速度制限制御および緩減速制御を実施して目標動作速度Ｖｔを補正した補正後目標動作速度Ｖｃを出力し、介入有無情報（速度制限制御）の場合には速度制限制御のみを実施して目標動作速度Ｖｔを補正した補正後目標動作速度Ｖｃを出力し、介入有無情報（緩減速制御）の場合には緩減速制御のみを実施して目標動作速度Ｖｔを補正した補正後目標動作速度Ｖｃを出力し、介入有無情報（制御介入無し）の場合には速度制限制御および緩減速制御を実施せずに目標動作速度Ｖｔをそのまま補正後目標動作速度Ｖｃとして出力する。

駆動指令部７３０は、目標動作速度補正部７２０から出力された補正後目標動作速度Ｖｃに基づいて、駆動装置３５を制御するための電流を生成し、制御指令値として駆動装置３５の電磁制御弁３５ａに出力する。

＜重心位置＞
ここで、本実施の形態に係る油圧ショベル１の重心位置について説明する。図４は、本実施の形態に係る油圧ショベルの重心位置を説明する側面図である。図４に示すように、本実施の形態では実装の簡易性を考慮し、油圧ショベル１の重心位置を求めるモデルとして、各構成部材の重心に質量が集中する集中質点モデルを使用する。また、図４に示すように、旋回体３と走行体４の回動中心を通る上下方向（図４における上下方向）にＺ座標軸を定義するとともに、地面と履帯４５の接地面に油圧ショベル１の前後方向（図４における左右方向）のＸ座標軸と左右方向（図４における紙面に垂直の向き）のＺ軸座標とを有するＸＹ平面を定義し、Ｚ座標軸とＸＹ平面の交点を原点とするＸＹＺ座標系を定義する。

図４のＸＹＺ座標系において、油圧ショベル１の重心位置は、ブーム重心２０Ｇ、アーム重心２１Ｇ、バケット重心２２Ｇ、旋回体重心３Ｇ、走行体重心４Ｇを合成した位置となる。ブーム重心２０Ｇは、ブーム２０、ブームシリンダ２０Ａ、およびＩＭＵセンサ（ブーム）２０Ｓのそれぞれの重心を合成した位置である。同様に、アーム重心２１Ｇは、アーム２１、アームシリンダ２１Ａ、およびＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓのそれぞれの重心を合成した位置であり、バケット重心２２Ｇは、バケット２２、第一リンク２２Ｂ、第二リンク２２Ｃ、バケットシリンダ２２Ａ、およびＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓのそれぞれの重心を合成した位置である。

また、旋回体重心３Ｇは、メインフレーム３１、運転室３２、操作入力装置３３、駆動制御装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、カウンタウェイト３７、及び、ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓのそれぞれの重心を合成した位置である。同様に、走行体重心４Ｇは、トラックフレーム４０、フロントアイドラ４１、下ローラ（フロント）４２ａ、下ローラ（センター）４２ｂ、下ローラ（リア）４２ｃ、スプロケット４３、上ローラ４４、履帯４５のそれぞれの重心を合成した位置である。

なお、質点の設定方法は上記に限定されるものではなく、質点が集中している部位を追加または集約してもよい。すなわち、例えば、バケット２２に積載された土砂の質量をバケット２２の質量とみなし、バケット重心２２Ｇの重心に土砂の重心を合成してもよい。

＜転倒支線＞
続いて本実施の形態に係る油圧ショベル１の転倒支線について説明する。図５は、本実施の形態に係る油圧ショベルの支持多角形および転倒支線を示す上面図である。転倒支線は支持多角形の一部であり、転倒の支点となる点を結んだ線であり、ＪＩＳ（日本工業規格）のＡ８４０３−１（１９９６）に定義されている。

油圧ショベル１の支持多角形は、履帯４５と地表面との接地点を凹にならないように結んだ（凸包した）多角形（つまり、履帯４５と地表面との各接地点同士を結んだ線分で形成される多角形のうち最も面積の大きくなる多角形）であり、図５に点線（一点鎖線を含む）で示している。油圧ショベル１の転倒支線は、支持多角形の辺上のうち静的重心位置と動的重心位置を結ぶ線分を静的重心位置からみて動的重心位置がある方向に延長した直線が交わる線分である。すなわち、本実施の形態に係る油圧ショベル１ようにクローラを有する作業機械の場合は左右のスプロケットの中心点を結んだ線が前方転倒支線、左右のアイドラの中心点を結んだ線が後方転倒支線、左右それぞれのトラックリンク外側端を示す線が左右の転倒支線となる。図５においては、前方転倒支線を一点鎖線で示している。

転倒支線は、油圧ショベル１の安定性を判別するための閾値を決める重要な要素となるものであり、後述するＺＭＰ（動的重心位置）と転倒支線との関係に基づいて油圧ショベル１の安定性を評価することができる。つまり、油圧ショベル１の重心位置（動的重心位置）が走行体４の中心から外側に向かって転倒支線（又は、転倒支線を考慮して予め設定した安定性評価の基準線）を超えると、車体が傾いたり転倒したりする可能性のある不安定状態であると評価することができる。

本実施の形態では、フロントアイドラ４１とスプロケット４３が下ローラ４２ａ、４２ｂ、４２ｃに対してやや高い位置に取り付けられているため、フロントアイドラ４１とスプロケット４３の下では、履帯４５が地面と接していない。よって、下ローラ（フロント）４２ａ、下ローラ（リア）４２ｃの下にある点を結ぶ点を支持多角形とする。

なお、走行体４の中心と転倒支線との距離が前後方向と左右方向でほぼ同じであれば、実装の簡易性、すなわち、計算の容易さと実効性とを考慮し、旋回体３と走行体４の回動中心を通る線上を中心とする半径が一定の円周上（例えば、支持多角形の少なくとも１つの辺に内接する円周上）を転倒支線としてもよい。

＜動的重心位置の算出（第一重心位置予測部７８０、第二重心位置予測部７９０、第三重心位置予測部８００）＞
第一重心位置予測部７８０、第二重心位置予測部７９０、及び、第三重心位置予測部８００による動的重心位置の算出について説明する。

動的重心位置は、油圧ショベル１の静的重心位置に対して、作業フロント２や旋回体３が動作する際に発生する慣性力の影響を考慮した重心位置である。本実施の形態に係る油圧ショベル１の動的重心位置は、下記の（式１）で示すＺＭＰ方程式により求められる。

上記の（式１）において、ｒＺＭＰはＺＭＰ位置ベクトル、ｍｉはｉ番目の質点の質量、ｒｉはｉ番目の質点の位置ベクトル、ｒｉ“はｉ番目の質点に加わる加速度ベクトル（重力加速度を含む）、Ｍｊはｊ番目の外力モーメント、Ｓｋはｋ番目の外力作用点位置ベクトル、Ｆｋはｋ番目の外力ベクトルをそれぞれ示している。また、各ベクトルは、Ｘ成分、Ｙ成分、Ｚ成分で構成される３次元ベクトルである。

なお、本実施形態では、動的重心位置の算出において外力は作用しないと仮定するため、上記の（式１）の外力に係る部分、すなわち、ｊ番目の外力モーメント、ｋ番目の外力作用点位置ベクトル、及び、ｋ番目の外力ベクトルの項を０（ゼロ）として考えることができる。よって、油圧ショベル１の各構成に係る質点の質量、位置ベクトル、加速度ベクトルにより、上記の（式１）を用いて油圧ショベル１の動的重心位置を求めることができる。

＜重心加速度（加速度ベクトル）の推定＞
上記の（式１）における加速度ベクトルの推定について説明する。

操作入力装置３３のレバーが中立位置に戻されて作業フロント２が停止する場合、作業フロント２の各部材の重心位置での加速度は、図６に示す３次関数モデルを用いて推定することができる。

操作入力装置３３の操作レバー３３ａを中立位置に戻してブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及び、バケットシリンダ２２Ａを停止させる場合、各シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの速度の時刻変化は図６のようになる。図６に示すグラフの通り、操作レバー３３ａを中立位置に戻した時刻ｔｉを基準時刻とすると、減速中のシリンダの最大加速度は速度変化時刻ｔｓとピーク到達時刻ｔｐの中間で発生する。そのため、図６における速度ＶＳ，ＶＰ、及び時間ＴＬ，Ｔｃ，ＴＧが分かれば、減速中の各シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの最大加速度を演算することができる。速度ＶＳ，ＶＰ、及び、時刻ＴＬ，Ｔｃ，ＴＧは、停止操作の度合いを変更した実験により予め測定しておくことができる。また、３次関数モデルに関する各係数は各シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作速度に関わらずほぼ同じ値になることが実験により確認されている。したがって、３次関数モデルに関する各係数を予め実験等により定めておくことにより、各シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａが停止するときのピーク加速度を任意のシリンダ速度（動作速度）に対して演算することができる。なお、前述のように、各シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａと作業フロント２の各被駆動部材２０，２１，２２の機構的な接続は、図１に示したように拘束されているので、リンク機構演算により各シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの加速度を各被駆動部材２０，２１，２２の重心位置での加速度に変換することは容易である。

＜速度制限制御および緩減速制御（目標動作速度補正部７２０）＞
目標動作速度補正部７２０による速度制限制御および緩減速制御について説明する。

＜緩減速制御＞
図７は、作業フロントの緩減速制御について説明する図である。

緩減速制御は、作業フロント２が緩減速するように目標動作速度Ｖｔを補正して補正後目標動作速度Ｖｃとする制御である。緩減速制御では、図７に示すように、目標動作速度Ｖｔが急激に低下した場合、目標動作速度Ｖｔが減速を開始した時刻ｔ０から予め設定しておいた減速率に従って補正後目標動作速度が減速するように目標動作速度Ｖｔを補正して補正後動作速度Ｖｃとする。なお、本実施の形態においては、時刻ｔ１で減速率が切り換わるように２段階の減速率を設けて補正を行う場合を例示しているが、これに限られず、例えば、時刻ｔ０以降は一定の減速率で補正しても良いし、３段階以上の複数の減速率を定めてもよい。また、減速率のパターンを１パターンのみに限定する必要はなく、複数の減速率のパターンを用意しておき、必要に応じて使い分けるように構成しても良い。

＜速度制限制御＞
図８は、作業フロントの速度制限制御について説明する図である。

速度制限制御は、作業フロント２の動作速度が所定値以下に制限されるように目標動作速度Ｖｔを補正して補正後目標動作速度Ｖｃとする制御である。速度制限制御では、図８に示すように、目標動作速度Ｖｔが予め定めた制限速度Ｖ２よりも大きくなった場合、目標動作速度Ｖｔの最大値を制限速度Ｖ２以下に制限するように、目標動作速度Ｖｔを補正して補正後動作速度Ｖｃとする。なお、本実施の形態においては、１段階の制限速度を設けた場合を例示しているが、これに限られず、複数段の制限速度を設けて必要に応じて切り換えるようにしても良いし、ＺＭＰの大きさに応じて制限速度を変更するように構成してもよい。

＜速度の推定（動作速度推定部７６０）＞
動作速度推定部７６０による推定動作速度Ｖｅの推定について説明する。

動作速度推定部７６０では、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒとからブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及び、バケットシリンダ２２Ａの推定動作速度Ｖｅを推定する。例えば、ある時刻ｔから時間ＴＬ秒後のシリンダ速度Ｖ（ｔ＋ＴＬ)は、下記の（式２）で示される速度推定モデルによって推定することができる。

上記の（式２）において、Ｏ（ＴＬ）はＴＬ秒前のレバー操作量、Ｏ（ｔ）は現在のレバー操作量、Ｖ（ｔ）は現在のシリンダ速度をそれぞれ示している。

＜速度推定モデルの成否判定（速度推定モデル成否判定部７７０）＞
速度推定モデル成否判定部７７０による速度推定モデルの成否判定について説明する。

例えば、微小時間における急激な外力の変化や操作レバー３３ａの操作量の変化（急操作）がない場合には、上記の（式２）の速度推定モデルが成り立つと考えられる。しかし、急激な外力の変化や急操作がある場合には、上記の（式２）の速度推定モデルは成り立たないと考えられる。また、急激な外乱の変化や急操作は予測が困難であるため、少なくとも、本実施の形態の油圧ショベル１のような作業機械について、急激な外力の変化や急操作に対して速度推定モデルを作ることはできない。

一方、油圧ショベル１における急激な外力の変化や急操作による影響の大きさは、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒとを観測することにより推定することができる。例えば、急激な外力の変化があった場合は、油圧システムに負荷がかかり作業フロント２の動作が制限されるので、実動作速度Ｖｒが低下し、目標動作速度Ｖｔより実動作速度Ｖｒが小さい値となる。また、急操作があった場合は、作業フロント２の慣性が大きいため、実動作速度Ｖｒは目標動作速度Ｖｔにすぐに追従することができず、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｔとの間に差が生じる。すなわち、急激な外力の変化や急操作による影響は、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの差として観測することができる。

そこで、速度推定モデル成否判定部７７０においては、速度推定モデルが成り立つか否かの判定は、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの速度差に基づいて行う。具体的には、速度推定モデル成否判定部７７０は、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの差が所定の値より小さい場合には、上記の（式２）で示される速度推定モデルが成立していると判定し、速度推定モデルの成立を示す速度推定モデル成否情報（成立）を出力する。また、速度推定モデル成否判定部７７０は、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒの差が所定の値より大きい場合は、急激な外力の変化や急操作によって上記の（式２）で示される速度推定モデルが成立していないと判定し、速度推定モデルが成立していないことを示す速度推定モデル成否情報（非成立）を出力する。

＜制御介入の決定（制御介入決定部８１０）＞
制御介入決定部８１０による制御介入の決定について説明する。

制御介入決定部８１０は、上記の（式２）で示した速度推定モデルが成り立つ場合、すなわち、速度推定モデル成否判定部７７０からの判定結果が速度推定モデル成否情報（成立）である場合は、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及び、バケットシリンダ２２Ａの推定動作速度Ｖｅを基に第一重心位置予測部７８０で演算したＺＭＰ（動的重心位置）を用い、ＺＭＰ（動的重心位置）が所定の値より大きい場合には速度制限制御および緩減速制御の制御介入の実施を決定して介入有無情報（速度制限制御、緩減速制御）を出力し、ＺＭＰ（動的重心位置）が所定の値より小さい場合には制御介入を行わないことを決定して制御介入無しを示す介入有無情報を出力する。

また、制御介入決定部８１０は、速度推定モデル成否判定部７７０からの判定結果が速度推定モデル成否情報（非成立）である場合は、目標動作速度Ｖｔや実動作速度Ｖｒのように推定動作速度Ｖｅとは異なる速度情報を用いて第二重心位置予測部７９０や第三重心位置予測部８００で演算したＺＭＰ（動的重心位置）を用いて制御介入の決定を行う。

速度制限制御では、操作レバー３３ａの操作が開始された瞬間から補正後目標動作速度Ｖｃが過大にならないように、すなわち、作業フロント２が動作する前から補正後目標動作速度Ｖｃが小さくなるように予め補正しておくことが必要である。作業フロント２は操作レバー３３ａの操作量に基づく目標動作速度Ｖｔに応じて動作するので、第三重心位置予測部８００で目標動作速度Ｖｔから演算したＺＭＰによって介入判定を行うことで、目標動作速度補正部７２０で予め目標動作速度Ｖｔを速度制限制御により補正することができる。

また、緩減速制御では、操作レバー３３ａによる減速の操作がなされた時点から目標動作速度Ｖｔを補正する必要がある。油圧ショベル１のような油圧システムでは、応答の特性からインパルス的な入力操作があった場合には、作業フロント２の動作速度は目標動作速度Ｖｔよりも小さくなる。そのため、作業フロント２に対して緩減速制御を行う必要がある場合には、実動作速度Ｖｒが十分に大きな値になっている。そこで、第二重心位置予測部７９０で実動作速度Ｖｒから演算したＺＭＰによって介入判断を行うことで、目標動作速度補正部７２０で目標動作速度Ｖｔを緩減速制御により補正することができる。

図９は、制御介入の決定に係る処理を示すフローチャートである。

図９において、まず、目標動作速度生成部７１０において、操作入力量センサ３３ｂからの操作信号に基づいて目標動作速度Ｖｔを生成し（ステップＳ１１０）、動作速度検出部７４０及び姿勢検出部７５０において、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓの検出結果に基づいて実動作速度Ｖｒ及び姿勢情報をそれぞれ生成する（ステップＳ１２０，Ｓ１３０）。

続いて、制御介入決定部８１０において、目標動作速度Ｖｔと実動作速度Ｖｒとの差分が予め定めた閾値よりも大きいかどうかを判定し（ステップＳ１４０）、判定結果がＹＥＳの場合には、動作速度推定部７６０で推定動作速度Ｖｅを演算し（ステップＳ１５０）、第一重心位置予測部７８０において、推定動作速度Ｖｅを用いて作業フロントが急停止した場合のＺＭＰを算出するとともに（ステップＳ１６０）、推定動作速度Ｖｅを用いて作業フロントが緩停止した場合のＺＭＰを算出する（ステップＳ１７０）。

続いて、制御介入決定部８１０において、ステップＳ１６０で算出したＺＭＰに基づいて浮上り判定を行い（ステップＳ２００）、浮上らないと判定された場合には、前回処理時の補正後目標動作速度Ｖｃが予め定めた閾値よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ２１０）。浮上り判定は、転倒支線に基づいて定めた基準線とＺＭＰとの位置関係に基づいて行われるものであり、例えば、転倒支線よりも所定の距離だけ内側に定めた基準線とＺＭＰとを比較し、ＺＭＰが基準線よりも静的重心位置側に有る場合には浮上らない（浮上るおそれがない）と判定し、ＺＭＰが基準線上または基準線よりも外側（静的重心位置よりも遠い側）に有る場合には浮上る（浮上るおそれがある）と判定する。なお、浮上り判定の基準線の設定には種々の方法が考えられ、例えば、基準線を転倒支線上に設定しても良い。

ステップＳ２００において浮上らないと判定され、かつ、ステップＳ２１０での判定結果がＹＥＳの場合には、緩減速制御の制御介入を行わないと決定する（ステップＳ２２０）。また、ステップＳ２００において浮上ると判定されるか、又は、ステップＳ２１０での判定結果がＮＯの場合には、緩減速制御の制御介入を行うことを決定する（ステップＳ２３０）。

同様に、制御介入決定部８１０において、ステップＳ１７０で算出したＺＭＰに基づいて浮上り判定を行い（ステップＳ２４０）、浮上らないと判定された場合には、速度制限制御の制御介入を行わないと決定し（ステップＳ２５０）、浮上ると判定された場合には、速度制限制御の制御介入を行うことを決定する（ステップＳ２６０）。

ステップＳ２２０，Ｓ２３０，Ｓ２５０，Ｓ２６０において、緩減速制御および速度制限制御のそれぞれについて制御介入の有無が決定されると、処理を終了する。

また、ステップＳ１４０での判定結果がＮＯの場合には、第二重心位置予測部７９０において、実動作速度Ｖｒを用いて作業フロントが急停止した場合のＺＭＰを算出するとともに（ステップＳ１８０）、第三重心位置予測部８００において、目標動作速度Ｖｔを用いて作業フロントが緩停止した場合のＺＭＰを算出する（ステップＳ１９０）。

続いて、制御介入決定部８１０において、ステップＳ１８０で算出したＺＭＰに基づいて浮上り判定を行い（ステップＳ２００）、浮上らないと判定された場合には、前回処理時の補正後目標動作速度Ｖｃが予め定めた閾値よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ２１０）。ステップＳ２００において浮上らないと判定され、かつ、ステップＳ２１０での判定結果がＹＥＳの場合には、緩減速制御の制御介入を行わないと決定する（ステップＳ２２０）。また、ステップＳ２００において浮上ると判定されるか、又は、ステップＳ２１０での判定結果がＮＯの場合には、緩減速制御の制御介入を行うことを決定する（ステップＳ２３０）。

同様に、制御介入決定部８１０において、ステップＳ１９０で算出したＺＭＰに基づいて浮上り判定を行い（ステップＳ２４０）、浮上らないと判定された場合には、速度制限制御の制御介入を行わないと決定し（ステップＳ２５０）、浮上ると判定された場合には、速度制限制御の制御介入を行うことを決定する（ステップＳ２６０）。

ステップＳ２２０，Ｓ２３０，Ｓ２５０，Ｓ２６０において、緩減速制御および速度制限制御のそれぞれについて制御介入の有無が決定されると、処理を終了する。

＜制御指令値の決定（目標動作速度補正部７２０、駆動指令部７３０）＞
目標動作速度補正部７２０による補正後目標動作速度の算出処理及び駆動指令部７３０による制御指令値の決定処理について説明する。

図１０は、補正後目標動作速度の算出処理及び制御指令値の決定に係る処理を示すフローチャートである。

図１０において、目標動作速度補正部７２０は、緩減速制御の制御介入を決定した制御介入情報（緩減速制御）が入力されたかどうかを判定し（ステップＳ４１０）、緩減速制御の制御介入をする場合には、目標動作速度Ｖｔに緩減速制御を行った場合の目標動作速度（緩減速値）を算出する（ステップＳ４２０）。続いて、ステップＳ４２０で算出した緩減速値が予め定めた所定値よりも大きいかどうかを判定し（ステップＳ４３０）、判定結果がＹＥＳの場合には、続いて、緩減速値が目標動作速度Ｖｔよりも大きいかどうかを判定し（ステップＳ４４０）、判定結果がＹＥＳの場合には、仮の補正後目標動作速度Ｖｃとして緩減速値を設定する（ステップＳ４５０）。また、ステップＳ４１０において緩減速制御の制御介入をしない場合、又は、ステップＳ４３０，Ｓ４４０の少なくとも何れか一方の判定結果がＮＯの場合には、仮の補正後目標動作速度Ｖｃとして目標動作速度Ｖｔを設定する（ステップＳ４６０）。

続いて、目標動作速度補正部７２０は、ステップＳ４５０又はステップＳ４６０の処理が終了すると、速度制限制御の制御介入を決定した制御介入情報（速度制限制御）が入力されたかどうかを判定し（ステップＳ４７０）、速度制限制御の制御介入をする場合には、目標動作速度Ｖｔに速度制限制御を行った場合の目標動作速度（速度制限値）を算出する（ステップＳ４８０）。続いて、ステップＳ４８０で算出した速度制限値が仮の補正後目標動作速度Ｖｃよりも小さいかどうかを判定し（ステップＳ４９０）、判定結果がＹＥＳの場合には、補正後目標動作速度Ｖｃとして速度制限値を設定し、補正後目標動作速度ｃを駆動指令部７３０に出力する（ステップＳ５００）。また、ステップＳ４７０において速度制限制御の制御介入をしない場合、又は、ステップＳ４９０での判定結果がＮＯの場合には、補正後目標動作速度Ｖｃとして仮の補正後目標動作速度Ｖｃを設定し、補正後目標動作速度ｃを駆動指令部７３０に出力する（ステップＳ５１０）。

続いて、駆動指令部７３０は、ステップＳ５００又はステップＳ５１０の処理が終了すると、目標動作速度補正部７２０からの補正後目標動作速度Ｖｃを駆動装置３５を駆動するための電流（制御指令値）に変換し、電磁制御弁３５ａに出力して（ステップＳ５２０）、処理を終了する。

以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。

速度推定モデルを用いて算出したＺＭＰを用いて作業機械の浮上りに関する動的安定性をリアルタイムに推定し、この動的安定性から作業機械が傾く可能性が高いと推定される場合に作業フロントの動作速度を制限したり作業フロントを緩減速させたりすることで、作業機械が傾くことを抑制する技術がある。しかしながら、土羽打ち作業のように、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合には、速度推定モデルが成り立たない。つまり、速度推定モデルが成り立たないと正確なＺＭＰが得られないため、作業フロントの緩減速や速度制限などの制御介入が適切に行われず、作業フロントの制動距離の増加や、速度制限が実施されないことによる車体の浮き上がりなどが予想され、その結果、作業フロントが運転者の予想と異なる動作をするため、作業性や操作性が著しく低下したり、乗り心地が悪化したりすることが考えられる。

これに対して、本実施の形態においては、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの実動作速度Ｖｒと目標動作速度Ｖｔとの比較結果に基づいて、速度推定モデルの成否を判定し、速度推定モデルが成り立つと判定された場合には、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａが駆動状態から急停止した場合の油圧ショベル１の動的な重心位置を推定動作速度Ｖｅから予測し、速度推定モデルが成り立つと判定された場合には、予測された動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定するとともに、速度推定モデルが成り立たないと判定された場合には、推定動作速度Ｖｅから予測された動的な重心位置に代えて、実動作速度Ｖｒから予測された動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、制御介入を行うことが決定された場合には、目標動作速度Ｖｔの減速度を制限することで各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａが緩減速するように目標動作速度Ｖｔを補正するように構成したので、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合においても、作業フロントの動作速度の制限や緩減速を適切に実施することができ、作業性や操作性の低下や乗り心地の悪化などを抑制することができる。

すなわち、本実施の形態においては、車体の浮上りは発生しないが、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う速度推定モデルが成り立たない、土羽打ち作業のような作業を行う場合においても、適切なＺＭＰを用いて浮上り判定を行い、油圧ショベル１の安定性の判定を行うので、作業フロント２の動作速度の不要な制限や緩原則を抑制することができ、作業性や操作性の低下は乗り心地の悪化などを抑制することができる。また、速度推定モデルが成り立つような作業を行う場合においても、作業フロントの動作速度の制限や緩減速を適切に実施することができ、作業性や操作性の低下や乗り心地の悪化などを抑制することができる。

（１）上記の実施の形態では、走行体４と、前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた旋回体３と、複数の被駆動部材（例えば、ブーム２０、アーム２１、バケット２２）を垂直方向に回動可能に連結して構成され、前記旋回体に垂直方向に回動可能に支持された多関節型の作業フロント２と、前記作業フロントの前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータ（例えば、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ）と、前記旋回体及び前記作業フロントを構成する前記複数の被駆動部材の動作時における前記複数の被駆動部材の運動に関する情報をそれぞれ検出する複数の運動情報検出装置（例えば、ＩＭＵセンサ２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ）と、前記複数のアクチュエータの駆動を制御する制御装置（例えば、駆動制御用コントローラ３４ａ）とを備えた作業機械（例えば、油圧ショベル１）において、前記制御装置は、前記複数のアクチュエータを操作する操作レバーの操作量に応じて生成される操作信号に基づいて前記複数のアクチュエータの目標動作速度Ｖｔをそれぞれ生成する目標動作速度生成部７１０と、前記運動情報検出装置の検出結果に基づいて前記複数のアクチュエータの実動作速度Ｖｒをそれぞれ検出する動作速度検出部７４０と、前記目標動作速度及び前記実動作速度から予め設定した速度推定モデルに基づいて前記複数のアクチュエータの動作速度（例えば、推定動作速度Ｖｅ）をそれぞれ推定する動作速度推定部７６０と、前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記動作速度推定部が推定した前記複数のアクチュエータの動作速度を用いて予測する第一重心位置予測部７８０と、前記目標動作速度を補正する制御介入を行うかどうかを前記動的な重心位置に基づいて決定する制御介入決定部８１０と、前記目標動作速度生成部によって生成された前記目標動作速度を前記作業機械の浮上りが抑制されるように補正する目標動作速度補正部７２０と、前記目標動作速度補正部によって補正された目標動作速度に基づいて前記複数のアクチュエータの駆動を制御する駆動指令部７３０と、前記動作速度検出部で検出された前記複数のアクチュエータの前記実動作速度と前記目標動作速度生成部で生成された前記目標動作速度との比較結果に基づいて、前記速度推定モデルの成否を判定する速度推定モデル成否判定部７７０と、前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記動作速度検出部で検出された前記複数のアクチュエータの実動作速度から予測する第二重心位置予測部７９０とを有し、前記制御介入決定部は、前記速度推定モデル成否判定部により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第一重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置に代えて、前記第二重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、前記目標動作速度補正部は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の減速度を制限することで前記複数のアクチュエータが緩減速するように前記目標動作速度を補正するものとした。

これにより、微小時間における急激な外乱の変化やレバー操作量の変化を伴う作業を行う場合においても、作業フロントの動作速度の制限や緩減速を適切に実施することができ、作業性や操作性の低下や乗り心地の悪化などを抑制することができる。

（２）また、上記の実施の形態では、（１）の作業機械（例えば、油圧ショベル１）において、前記制御装置（例えば、駆動制御用コントローラ３４ａ）は、前記複数のアクチュエータ（例えば、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ）が駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記目標動作速度生成部７１０が生成した前記目標動作速度Ｖｔから予測する第三重心位置予測部８００をさらに備え、前記制御介入決定部８１０は、前記速度推定モデル成否判定部７７０により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第一重心位置予測部７８０で予測された前記動的な重心位置に代えて、前記第三重心位置予測部８００で予測された前記動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、前記目標動作速度補正部７２０は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の最大値を制限するように補正するものとした。

（３）また、上記の実施の形態では、（１）の作業機械（例えば、油圧ショベル１）において、前記制御介入決定部８１０は、前記速度推定モデル成否判定部７７０により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第二重心位置予測部７９０で予測された前記動的な重心位置を用いて前記作業機械が浮上るおそれがあるかどうかを判定する浮上り判定を行い、前記浮上り判定において、前記作業機械が浮上るおそれがあると判定された場合には、制御介入を行うことを決定し、前記目標動作速度補正部７２０は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度Ｖｔの減速度を制限することで前記複数のアクチュエータ（例えば、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ）が緩減速するように前記目標動作速度を補正するものとした。

（４）また、上記の実施の形態では、（２）の作業機械（例えば、油圧ショベル１）において、前記制御介入決定部８１０は、前記速度推定モデル成否判定部７７０により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第三重心位置予測部８００で予測された前記動的な重心位置を用いて前記作業機械が浮上るおそれがあるかどうかを判定する浮上り判定を行い、前記浮上り判定において、前記作業機械が浮上るおそれがあると判定された場合には、制御介入を行うことを決定し、前記目標動作速度補正部７２０は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度Ｖｔの最大値を制限するように補正するものとした。

＜付記＞
なお、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や組み合わせが含まれる。また、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、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１…油圧ショベル、２…作業フロント、３…旋回体、３Ａ…旋回油圧モータ、３Ａ…アクチュエータ、３Ｇ…旋回体重心、４…走行体、４Ｇ…走行体重心、２０…ブーム、２０Ａ…ブームシリンダ、２０Ｇ…ブーム重心、２０Ｓ…ＩＭＵセンサ（ブーム）、２１…アーム、２１Ａ…アームシリンダ、２１Ｇ…アーム重心、２１Ｓ…ＩＭＵセンサ（アーム）、２２…バケット、２２Ａ…バケットシリンダ、２２Ｂ…第一リンク、２２Ｃ…第二リンク、２２Ｇ…バケット重心、２２Ｓ…ＩＭＵセンサ（バケット）、３０Ｓ…ＩＭＵセンサ（旋回体）、３１…メインフレーム、３２…運転室、３３…操作入力装置、３３ａ…操作レバー、３３ｂ…操作入力量センサ、３４…駆動制御装置、３４ａ…駆動制御用コントローラ、３５…駆動装置、３５ａ…電磁制御弁、３５ｂ…方向切換弁、３６…原動装置、３６ａ…油圧ポンプ、３６ｂ…エンジン、３７…カウンタウェイト、４０…トラックフレーム、４１…フロントアイドラ、４２ａ…下ローラ（フロント）、４２ｂ…下ローラ（センター）、４２ｃ…下ローラ（リア）、４３…スプロケット、４３Ａ…走行油圧モータ、４４…上ローラ、４５…履帯、７１０…目標動作速度生成部、７２０…目標動作速度補正部、７３０…駆動指令部、７４０…動作速度検出部、７５０…姿勢検出部、７６０…動作速度推定部、７７０…速度推定モデル成否判定部、７８０…第一重心位置予測部、７９０…第二重心位置予測部、８００…第三重心位置予測部、８１０…制御介入決定部

Claims (4)

1. 走行体と、
   前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた旋回体と、
   複数の被駆動部材を垂直方向に回動可能に連結して構成され、前記旋回体に垂直方向に回動可能に支持された多関節型の作業フロントと、
   前記作業フロントの前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
   前記旋回体及び前記作業フロントを構成する前記複数の被駆動部材の動作時における前記複数の被駆動部材の運動に関する情報をそれぞれ検出する複数の運動情報検出装置と、
   前記複数のアクチュエータの駆動を制御する制御装置と
   を備えた作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記複数のアクチュエータを操作する操作レバーの操作量に応じて生成される操作信号に基づいて前記複数のアクチュエータの目標動作速度をそれぞれ生成する目標動作速度生成部と、
   前記運動情報検出装置で検出された前記複数の被駆動部材の運動に関する情報に基づいて前記複数のアクチュエータの実動作速度をそれぞれ検出する動作速度検出部と、
   前記目標動作速度及び前記実動作速度から予め設定した速度推定モデルに基づいて前記複数のアクチュエータの動作速度をそれぞれ推定する動作速度推定部と、
   前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記動作速度推定部が推定した前記複数のアクチュエータの動作速度を用いて予測する第一重心位置予測部と、
   前記目標動作速度を補正する制御介入を行うかどうかを前記動的な重心位置に基づいて決定する制御介入決定部と、
   前記目標動作速度生成部によって生成された前記目標動作速度を前記作業機械の浮上りが抑制されるように補正する目標動作速度補正部と、
   前記目標動作速度補正部によって補正された目標動作速度に基づいて前記複数のアクチュエータの駆動を制御する駆動指令部と、
   前記動作速度検出部で検出された前記実動作速度と前記目標動作速度生成部で生成された前記目標動作速度との比較結果に基づいて、前記速度推定モデルの成否を判定する速度推定モデル成否判定部と、
   前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記動作速度検出部で検出された前記複数のアクチュエータの実動作速度から予測する第二重心位置予測部とを有し、
   前記制御介入決定部は、前記速度推定モデル成否判定部により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第一重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置に代えて、前記第二重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、
   前記目標動作速度補正部は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の減速度を制限することで前記複数のアクチュエータが緩減速するように前記目標動作速度を補正することを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記複数のアクチュエータが駆動状態から急停止した場合の前記作業機械の動的な重心位置を前記目標動作速度生成部が生成した前記目標動作速度から予測する第三重心位置予測部をさらに備え、
   前記制御介入決定部は、前記速度推定モデル成否判定部により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第一重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置に代えて、前記第三重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置を用いて制御介入を行うかどうかを決定し、
   前記目標動作速度補正部は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の最大値を制限するように補正することを特徴とする作業機械。
3. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記制御介入決定部は、前記速度推定モデル成否判定部により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第二重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置を用いて前記作業機械が浮上るおそれがあるかどうかを判定する浮上り判定を行い、前記浮上り判定において、前記作業機械が浮上るおそれがあると判定された場合には、制御介入を行うことを決定し、
   前記目標動作速度補正部は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の減速度を制限することで前記複数のアクチュエータが緩減速するように前記目標動作速度を補正することを特徴とする作業機械。
4. 請求項２に記載の作業機械において、
   前記制御介入決定部は、前記速度推定モデル成否判定部により前記速度推定モデルが成り立たないと判定された場合に、前記第三重心位置予測部で予測された前記動的な重心位置を用いて前記作業機械が浮上るおそれがあるかどうかを判定する浮上り判定を行い、前記浮上り判定において、前記作業機械が浮上るおそれがあると判定された場合には、制御介入を行うことを決定し、
   前記目標動作速度補正部は、前記制御介入決定部において制御介入を行うことが決定された場合に、前記目標動作速度の最大値を制限するように補正することを特徴とする作業機械。

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