WO1997007296A1 - Appareil de definition d'une zone a excaver permettant de controler l'excavation d'une zone limitee par une machine de construction - Google Patents

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WO1997007296A1
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excavation
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vehicle body
control
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PCT/JP1996/002251
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Hiroshi Watanabe
Toichi Hirata
Masakazu Haga
Kazuo Fujishima
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Hitachi Construction Machinery Co., Ltd.
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    • E02F9/26—Indicating devices

Definitions

  • the present invention relates to an area-limited excavation control of a construction machine, and particularly to a construction machine such as a hydraulic shovel equipped with a multi-joint type front apparatus.
  • the present invention relates to an excavation area setting device for area restriction excavation control in which an area in which the front device can move is limited.
  • a hydraulic shovel is a typical example of a construction machine.
  • the hydraulic excavator is composed of a front device consisting of a boom, an arm and a bucket which can rotate in a vertical direction, respectively, and a vehicle body consisting of an upper revolving structure and a lower traveling structure, and the base end of the boom of the front device is an upper part. It is supported at the front of the revolving superstructure.
  • Such a hydraulic excavator is a construction machine characterized by a wide range of operation of the front device, which is convenient, but is used for work where it is difficult for the front to protrude beyond a specific excavation shape. In some cases, the operation requires careful operation overnight.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-136324 discloses a method of setting a restricted area (inaccessible area) by moving the tip of the front device (toe of the bucket) to the restricted area (inaccessible area). It shows how to store the position or input and set the restricted area numerically from the operation panel.
  • front members such as a boom are operated by respective manual operation levers.
  • front members since these are connected by joints and rotate, the front members are operated. It is extremely difficult to excavate a predetermined area, especially an area set in a straight line, and automation is desired. If the configuration is such that such work is performed automatically, the position and height of the excavator itself will change due to changes in the terrain at the work site when the vehicle moves, and settings are made for the vehicle. Must be reset each time the vehicle moves. Therefore, an automatic excavation method for facilitating such an operation has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-295933.
  • the height of the vehicle body is detected by a sensor installed on the vehicle body using the laser light of a laser oscillator installed on the surface of the excavation site, and the excavation depth (example in the former case) is determined based on the detected vehicle body height.
  • the laser beam is used by the knitting laser beam. The height displacement is detected and the excavation depth is corrected based on the height displacement.
  • a desired excavation depth (HTTRGT) is set based on the laser light, a laser receiver is attached to the arm, and the laser light is detected at the moment the laser receiver detects the laser light during excavation.
  • HTACT distance from the front end to the bucket edge of the front device, and compares the RGT and HTACT to control the related actuators so that the bucket edge moves near the desired excavation depth. Disclosure of the invention
  • the restricted area (inaccessible area) is set based on the vehicle body, so that the vehicle body moves and the topography of the work site changes. If the posture and height of the excavator itself change, the set depth force of the restriction area will change accordingly. For example, if the ground is inclined, the set depth changes along the inclined surface of the ground as the vehicle moves, and the set surface of the restricted area also inclines. Further, in the prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • the excavation depth is set on the basis of the excavation depth, so when calculating the position of the tip of the bucket in excavation control, the manufacturing tolerance of the vehicle body, the accuracy of the angle sensor that measures the position and attitude of the front device used for control, and the mounting tolerance Accumulate as errors, and the actual excavation depth differs from the set excavation depth, and Can not.
  • the excavation depth changes, so the error of the sensor that measures the position and attitude of the front device also affects the amount of change in the excavation depth.
  • the excavation depth changes before and after the body height changes.
  • the height that can be corrected is limited within a limited range due to the limitation of the size of the sensor.
  • the present inventors calculate a target speed vector for controlling the front device based on the vehicle body, and correct this target speed vector. Therefore, when the front device approaches the boundary of the preset excavation area, the moving speed of the front device in the direction approaching the boundary is limited, and an area restriction excavation control device that moves the front device along the boundary is proposed. I have. In such an area-limited excavation control, it is necessary to calculate various control amounts related to the target speed vector based on the vehicle body. Therefore, the excavation area is defined by a laser beam as shown in U.S. Patent Nos. 4,829,418. If set by reference, this setting data cannot be used as it is.
  • a first object of the present invention is to provide an excavation area setting device for area restriction excavation control of a construction machine in which the setting of an excavation area does not change even when the height of a vehicle body changes due to movement of the vehicle body. .
  • the second object of the present invention is to reduce the influence of manufacturing tolerance of the vehicle body or the accuracy of a sensor for measuring the position and attitude of a front device used for control, the accuracy of a sensor for measuring the posture, mounting tolerance, and the like.
  • An object of the present invention is to provide an excavation area setting device for excavation control that can excavate an area with a small difference.
  • a third object of the present invention is to provide a digging apparatus that does not change the setting of the digging area even if the vehicle body height changes due to the movement of the vehicle body, and that the digging depth is affected by the error of the sensor that measures the position and attitude of the front device.
  • An object of the present invention is to provide an excavation area setting apparatus for excavation control of an area limited excavation of a construction machine with little change in height.
  • a fourth object of the present invention is to provide an excavation area installation for area-limited excavation control of a construction machine capable of correcting a movement of a vehicle body without requiring a large and complicated sensor.
  • a fifth object of the present invention is to provide an excavation area setting device for area-limited excavation control of a construction machine capable of correcting the movement of a vehicle body in a wide range and in a wide range.
  • a sixth object of the present invention is to set an excavation area suitable for excavation control in which calculation is performed on the basis of a vehicle body, and to set an excavation area for area-limited excavation control of construction equipment capable of ensuring reliability of excavation control. Is to provide an installation.
  • the area-limited excavation control device for construction machinery employs the following configuration. That is, it comprises a plurality of vertically rotatable front members constituting a multi-joint type front device, and a vehicle body supporting the contact device, and a control device for controlling the front device based on the vehicle body.
  • a control device for controlling the front device based on the vehicle body.
  • the excavation area setting device for excavation control of the construction machine that moves the front device along the boundary, (a) providing an external reference which is installed outside the construction machine and serves as a reference position for the excavation area (B) an external reference member; and (b) a front reference member provided on the front device and providing a front reference which is a target for adjusting the front device to the external reference; Location and appearance of the serial Freon Bok equipment (D) first calculating means for calculating the position and orientation of the front device with respect to the vehicle body based on the signal of the detecting means; and (e) the external reference.
  • D serial Freon Bok equipment
  • First setting means for setting the excavation area according to the positional relationship of: (f) information on the position and orientation of the front device calculated by the first calculating means when the tip reference matches the external reference; Calculating a positional relationship between the vehicle body and the external reference based on the position relationship between the vehicle body and the external reference, and a positional relationship between the external reference and the excavation region set by the first setting means. ( G ) if setting the excavation area based on the vehicle body from the positional relation between the vehicle body and the excavation area calculated by the second operation means. And;
  • the positional relationship between the external reference set by the first setting means and the excavation area is corrected by the second calculation means and the vehicle body is corrected. Since the positional relationship of the excavation area is calculated and the excavation area is set based on the vehicle body by the second setting means, the excavation work can be performed by correcting the height change due to the movement of the vehicle body each time. For this reason, even if the vehicle body moves and the vehicle body height changes, the setting of the excavation area does not change, and it is possible to always excavate a predetermined depth based on the external reference.
  • the front reference member is installed on the front device that actually acts on the ground, and the excavation area based on the vehicle body is set based on the position and orientation of the front device when the front reference matches the external reference
  • the effects of errors such as the manufacturing tolerance of the vehicle body, the accuracy of the front reference, the detection means, and the mounting tolerance are offset by the excavation area setting calculation and the excavation control calculation.
  • the influence of the above-mentioned tolerance and accuracy errors is smaller than in the method in which the reference light is detected by a sensor installed on the vehicle body.
  • Excavation can be performed exactly as set with little difference.
  • the excavation depth since it is hard to be affected by the error of the detecting means for measuring the position and attitude of the front device, even if the excavation depth from the vehicle body changes due to the movement of the vehicle body and the height of the vehicle body, the excavation depth does not change. The influence of the error of the detecting means on the variation in the height is reduced, and the excavation depth is prevented from changing before and after the vehicle height changes.
  • the movement of the vehicle body should be wide L and range. Can be corrected.
  • the area-limited excavation control calculates a target speed vector for control of the front device based on the vehicle body, and controls the movement of the front device by correcting the target speed vector.
  • the second calculating means and the second setting means are provided in addition to the first setting means, and the second calculating means corrects the positional relationship between the external reference set by the first setting means and the excavation area.
  • the second calculating means corrects the positional relationship between the external reference set by the first setting means and the excavation area.
  • To calculate the positional relationship between the car body and the excavation area and to set the excavation area based on the same car body reference as the excavation control using the second setting means.
  • necessary calculations can be performed instantaneously within the limited memory capacity, and highly reliable area-limited excavation control without delay can be performed.
  • the excavation area setting device preferably further comprises: (f) an external reference setting switch that is operated when the font reference matches the external reference.
  • the second calculation means performs the calculation when the external reference setting switch is operated.
  • the excavation area based on the vehicle body can be set in advance by the second setting means. it can. For this reason, the setting calculation of the excavation area is not required during the excavation control, the amount of calculation during the excavation control is reduced, and a more reliable area-limited excavation control without delay can be performed.
  • the first setting means is means for setting a depth from the external reference to a boundary between the excavation area and the restriction area.
  • the first setting means includes: a depth from the external reference to a reference point of the excavation area; a distance from the vehicle body to the reference point; Means for setting the inclination angle of the boundary of the region may be used. By configuring the first setting means in this way, a digging area with a gradient can be set.
  • the first setting means is means for setting a positional relationship between the external reference and the setting area based on data input by a setting device. .
  • the first setting means By configuring the first setting means in this way, if the setting of the first means is performed at the beginning of the work, the front device is positioned at the boundary of the excavation area at the start of the work or every time the vehicle moves while traveling on the vehicle body. There is no need for assistants to do this. In addition, the time required for setting by the instruction of assistants can be eliminated, and the work time can be shortened.
  • the first setting means may be configured to determine the position of the front device based on the position and orientation information of the front device calculated by the first calculating means.
  • the first setting means By configuring the first setting means in this manner, the position of the front end of the front device when the front end of the front device comes to the boundary of the setting area, and the position of the front reference when the front reference matches the external reference. Then, the positional relationship between the external reference and the set area is calculated and stored, so that the excavation area can be set by direct teaching, and the desired excavation area can be set accurately according to the work situation.
  • FIG. 1 is a diagram showing an area limiting excavation control device of a construction machine provided with an excavation area setting device according to a first embodiment of the present invention, together with a hydraulic drive device.
  • FIG. 2 shows the appearance of a hydraulic shovel to which the present invention is applied and the shape of the setting area around it.
  • FIG. 3 is a diagram showing the appearance of the setting device.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship with an external reference when an excavation area is set by the excavation area setting device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an entire configuration of the excavation area setting device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a processing port of the first setting means in the excavation area setting device of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a processing flow of the second calculating means and the second setting means in the excavation area setting device of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a functional block diagram showing the overall control functions of the control unit.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a trajectory when the tip of the baguette is subjected to the direction change control as calculated in the area limited excavation control.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a trajectory when the tip of a bucket is controlled to be restored as calculated in the area limited excavation control.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state where the external reference member is installed in the groove when there is no suitable external reference member installation place at the same height as the vehicle body.
  • FIG. 12 is a diagram showing a relationship with an external reference when setting an excavation area by the excavation area setting device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an appearance of a setting device used in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing a processing flow of the first calculation means in the excavation area setting device of the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing a processing port of the second calculating means and the second setting means in the excavation area setting device of the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram showing a relationship with an external reference when setting an excavation area by the excavation area setting device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram showing a processing flow of the first setting means in the excavation area setting device of the third embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the initial setting when setting the excavation area by the excavation area setting device of the third embodiment and the subsequent movement.
  • a hydraulic shovel to which the present invention is applied includes a hydraulic pump 2, a boom cylinder 3a, an arm cylinder 3b, a bucket cylinder 3c, and a swing motor driven by hydraulic oil from the hydraulic pump 2.
  • a ⁇ 4f connected between the hydraulic pump 2 and multiple hydraulic actuators 3a ⁇ 3f, hydraulic actuator 3a ⁇
  • the hydraulic excavator includes a multi-joint type front device 1A including a boom 1a, an arm 1b, and a bucket 1c that rotate vertically, an upper revolving unit 1d, A base 1B of the front device 1A is supported by a front portion of the upper revolving unit 1d.
  • the boom 1a, arm 1b, knuckle 1c, upper revolving unit 1d and lower traveling unit 1e are the boom cylinder 3a, arm cylinder 3b, bucket cylinder 3c, swing motor 3d, and left and right Driven members are respectively driven by the traveling motors 3e and 3f, and their operations are instructed by the operation lever devices 4a to 4f.
  • the operating lever devices 4a to 4f are hydraulic pilot systems that drive the corresponding flow control valves 5a to 5f by pilot pressure, and the operating levers 40 and 4 are operated by the operator, respectively.
  • the secondary ports are pilot lines 44a, 44b; 45a, 45b; 46a, 46b; 47a, 47b; 48a,
  • the hydraulic excavator as described above is mounted with the area control P good excavation control device including the excavation area setting device according to the present embodiment.
  • This control device includes a setting device 7 which indicates in advance a predetermined portion of the front device, for example, a setting of an excavation area where the tip of the bucket 1c can move according to the work, and a boom 1a, an arm 1b and a bucket 1c.
  • Goniometers 8a, 8b, and 8c are provided at each rotation fulcrum and detect each rotation angle as a state quantity related to the position and posture of the front device 1A, and the inclination angle of the vehicle body IB in the front-rear direction 0 8 and a control lever device 4a, 4b provided on the pilot line 44a, 44b; 45a, 45b of the operation lever device 4a, 4b for the boom and the arm.
  • pressure detectors 60a, 60b; 61a, 61b which detect the pilot pressure from b, and an external reference member 80 installed outside the excavator and providing an external reference indicating a reference position with respect to the excavation area (see FIG.
  • a front reference member 70 (see FIG. 2; hereinafter, as appropriate, attached to the side of the arm 1 b of the front device 1 a to provide a target front reference for matching the front device 1 A to the external reference 80).
  • the “front reference member” is simply referred to as the “foot reference”), an external reference setting switch 71 that is pressed when the front reference 70 matches the external reference 80 by operating the front device 1A, and a setting device.
  • Shuttle valve 12 is installed in pilot line 44a, selects the pilot pressure in pilot line 44a and the high pressure side of the control pressure output from proportional solenoid valve 10a, and hydraulically drives flow control valve 5a. Guide to part 50a.
  • Proportional solenoid valves 10b, 11a, and 11b are installed in pilot lines 44b, 45a, and 45, respectively, and reduce and output the pilot pressure in the pilot lines according to their electric signals.
  • the excavation area setting device of the present embodiment includes a setting device 7, an external reference member 80, a front reference member 70, an external reference setting switch 71, a goniometer 8a, 8b, 8c, and a tilt. It consists of a total of 8 d and the following functions of the control unit 9.
  • the setting device 7 includes up-down buttons 7a and 7b for inputting the depth of the excavation area, a display device 7e for displaying the input depth, and the input depth as setting signals.
  • An area setting switch 7 f that outputs to the control unit 9 and sets an excavation area.
  • the buttons of the setting device 7 may be provided on the grip of an appropriate operation lever. Further, other methods such as a method using an IC card, a method using a barcode, and a method using wireless communication may be used.
  • the external reference member 80 is, for example, a water thread stretched horizontally over the quill 80a as shown in FIG. Water thread 80 is often used to indicate standards at construction sites.
  • the external reference member 80 may be anything, such as a simple quiver, as long as the external reference can be confirmed by the operator of the excavator.
  • the front reference member 70 is a mark installed at a position that can be confirmed by the operator of the front device 1A as shown in FIG.
  • the mark 70 may be made of a steel material such as an arrow, and may be attached to a predetermined position of the front device by welding.
  • the external reference setting switch 71 is operated at the position where the arrow indicating the front reference 70 is located on the water thread that is the external reference 80 by moving the front device 1A.
  • the position of the reference 80 is detected, and the positional relationship between the vehicle body 1B of the excavator and the external reference 80 (the position of the external reference 80 with respect to the vehicle body) is calculated and set (described later).
  • a laser reference light generator used for surveying at construction sites, etc., may be used as the external reference member 80, and a laser detector for detecting the laser light may be used for the front reference member 70. good.
  • the same function can be achieved by turning on the lamp when the laser detector detects the light from the laser lighthouse, and by operating the external reference setting switch 71 after confirming that the lamp has been turned on.
  • the front reference member 70 should be installed as close to the tip of the arm 1b as possible without interfering with the work, and should match the external reference 80 near the bucket 1c that actually acts on the soil. It is desirable.
  • the external reference setting switch 71 may be incorporated in the setting device 7.
  • the control unit 9 sets the excavation area by using the setting signal of the setting device 7 and the detection signals of the external reference setting switch 71, the goniometers 8a, 8b, 8c and the inclinometer 8d.
  • An outline of a method of setting an excavation area by the control unit 9 and a processing function of the control unit 9 will be described with reference to FIGS.
  • the excavation area U is set by setting the boundary between the excavation area and the restricted area (hereinafter, simply referred to as the boundary of the excavation area). In the present embodiment, a horizontal plane is set as the boundary of the excavation area. .
  • a water thread is installed as an external reference member 80 outside the hydraulic excavator body as described above.
  • the operator uses the setting unit 7 to input the depth hr from the external reference 80 to the boundary of the excavation area to be set, and sets the positional relationship between the external reference 80 and the excavation area based on the depth hr. . That is, the excavation area is set based on the position of the external reference 80.
  • This setting is performed by the processing function of the first setting means 100 of the control unit 9 shown in FIG.
  • an excavation area based on the current excavator body position is set.
  • the operator first moves the front device 1A to match the front reference 70 provided in the arm 1b of the front device 1A with the external reference 80, and the operator sets the external reference setting switch 7 1 Operate.
  • the control unit is operated based on the signals from the angle meters 8a, 8b, 8c and the inclinometer 8d by the processing function of the first arithmetic means 120 shown in FIG.
  • the position and orientation of the front device 1A are calculated, the front reference 70 provided on the arm 1b of the front device 1A matches the external reference 80, and the operator sets the external reference setting switch 7 1 Is operated, based on the information on the position and attitude of the front device 1A obtained from the first computing means 120 at that time, the processing function of the second computing means 140 shown in FIG.
  • the height hf from the vehicle body reference point 0 to the external reference 80 is calculated as the positional relationship between 1 B and the external reference 80, and this height hf is used as a correction value to set the depth hr (external The depth hs of the boundary surface of the excavation area with respect to the vehicle body reference point 0 is calculated from the reference relationship between the reference 80 and the excavation area.
  • the depth hs is set as an excavation area based on the body 1B of the excavator by the processing function of the second setting means 160 shown in FIG.
  • the processing shifts to the area limited excavation control as shown as a block 180 in FIG.
  • the vehicle body reference point 0 coincides with the rotation fulcrum of the boom 1a, and the XY coordinate system, XbYb coordinate system, and XcYc coordinate system (described later) used in the calculation in the area limited excavation control. Match the origin.
  • the setting of the excavation area based on the body 1B of the excavator is performed every time the external reference setting switch 71 is operated, and even if the excavator travels and changes its position, a new excavation area is set at that location.
  • the settings are made.
  • the operator decided the depth hd from the ground surface to the boundary of the excavation area to be set based on the design and construction drawings, etc., input the numerical value using the buttons 7a and 7b of the setting device 7, and the numerical value was input.
  • the confirmation is made on the display device 7e, press the area setting switch 7f.
  • the control unit 9 it is determined whether or not the area setting switch 7f has been pressed in processing 101, and if not pressed, the processing 101 is continued. If pressed, the processing proceeds to processing 102.
  • the depth h r from the external reference 80 to the boundary of the excavation area to be set is calculated by the following equation (1).
  • ho is the height of the external reference 80 (the height from the ground surface to the external reference 80), and this value ho is known, It should be stored in the control unit 9 in advance. Then, the processing shifts to processing 103, and the depth hr is stored. Note that the operator may memorize the height ho of the external reference 80 and directly input the height hr including the height ho using the setting device 7. In addition, a button for inputting the height ho of the external reference 80 may be provided on the setting device 7 so that the setting of the height h0 can be changed by an operator's operation. The details of the function of setting the positional relationship between the vehicle body and the excavation area in the second calculating means 140 and the second setting means 160 are shown in the processing flow of FIG.
  • the operator operates the operation lever 40 (see FIG. 1) to move the front device 1A, and matches the front reference point 70 with the external reference 80. Then, it is determined whether or not the external reference setting switch 71 is pressed by the operator in the process 141. If it is not pressed, the setting process ends without changing the setting of the excavation area. If it is determined in process 141 that the external reference setting switch 71 has been pressed, the process proceeds to process 142.
  • the boom la, the angle a of the arm lb, and the tilt angle 0 of the vehicle body 1 ° are read by the goniometers 8a, 8b and the inclinometer 8d provided in the front device 1A.
  • the body reference when the external reference setting switch 71 is pressed (when the front reference point 70 matches the external reference 80) using the boom and arm angles ⁇ and / ⁇ and the inclination angle 0 Calculate the height hf from point 0 to the front reference point 70.
  • the height h b of the joint point between the boom and the arm (installation point of the cam angle meter 8b) from the vehicle body reference point 0 is calculated by the following equation (2).
  • L 1 is the junction between the boom 1a and the vehicle 1B (the installation point of the boom angle meter 8a) and the junction between the boom and the arm. This value is known and is stored in advance in the control unit 9.
  • the height hf from the vehicle body reference point 0 to the front reference 70 calculated previously is used as a correction value, and this value hf and the external reference 80 set by the setting unit 7 are used to determine the boundary of the excavation area. From the depth hr to, the depth hs from the vehicle body reference point 0 to the boundary of the excavation area is calculated by equation (5).
  • processing 161 the depth hs of the boundary of the digging area calculated in processing 145 is stored, and the digging area based on the vehicle body is set.
  • processings 14 1 to 1 45 correspond to the processing functions of the second calculation means shown in FIG. 5, and the processings 16 1 correspond to the processing functions of the second setting means 160 shown in FIG. .
  • the control unit 9 includes a first excavation area setting section 9a, a front attitude calculation section 9b, a target cylinder speed calculation section 9c, a target tip speed vector calculation section 9d, and a direction conversion control section 9.
  • corrected target cylinder speed calculator 9 f restoration control calculator 9 g , corrected target cylinder speed calculator 9 h, target cylinder speed selector 9 i, target pilot pressure calculator 9 j, valve command calculator 9 k, a positional relationship calculation section 9 m and a second excavation area setting section 9 n.
  • the first excavation area setting section 9a corresponds to the first setting means 100 in FIG. 5, and the processing of the processing flow shown in FIG.
  • the positional relationship between the external reference 80 and the excavation area is set by the depth hr up to.
  • the front attitude calculation unit 9b corresponds to the first calculation means 120 in FIG. 5, and includes the dimensions of each part of the front device 1A and the vehicle body 1B stored in the control unit 9 and the angle meters 8a, 8b, 8
  • the position and orientation of the front device 1 # required for setting and control are calculated by using the rotation angle, ⁇ , and ⁇ detected by c and the inclination angle 0 detected by the inclinometer.
  • the positional relationship calculation unit 9 m corresponds to the second calculation means 140 in FIG. 5, and is shown in FIG.
  • the depth hs from the vehicle body reference point 0 to the boundary of the excavation area is calculated by the processing of the processing flow 14 1 to 14 45.
  • the second excavation area setting unit 9n corresponds to the second setting means 160 in FIG. 5, and the processing 1 of the processing port shown in FIG. Set the excavation area based on B.
  • the position and posture of the front device 1A are calculated in the XY coordinate system with the origin of the rotation fulcrum of the boom 1a, which is the same as the vehicle body reference point 0, which is the reference for setting the excavation area.
  • This XY coordinate system is a rectangular coordinate system fixed to the main body 1B, and is assumed to be in a vertical plane.
  • the position of the tip of the bucket 1c of the front device 1A is L1
  • the distance between the pivot of the boom 1a and the pivot of the arm 1b the distance between the pivot of the arm 1b and the bucket 1c.
  • the distance from the pivot point is L2 and the distance between the pivot point of the bucket 1c and the tip of the bucket lc is L3
  • the following equation can be obtained from the XY coordinate system.
  • the inclination angle ⁇ of the vehicle body 1B is detected by the inclinometer 8d, the value of the inclination angle 0 is input by the front attitude calculation unit 9b, and Xb Yb Make calculations in the coordinate system possible.
  • the vehicle body 1B is inclined, correct area setting and excavation control can be performed. If the vehicle body tilts and the work is performed after correcting the vehicle body tilt, or if it is used at a work site where the vehicle body does not tilt, an inclinometer is not necessarily required.
  • the first excavation area setting unit 9a, the correction value calculation unit 9m, and the second excavation area setting unit 9n convert the depths hr, hs, the height hf, and the like into values in the XbYb coordinate system and process them.
  • the target cylinder speed calculator 9c inputs the detection signals of the pressure detectors 60a, 60b; 61a, 61b as the operation signals of the operation lever devices 4a, 4b. From the operation signal (pilot pressure), the target discharge flow rate of the flow control valves 5a and 5b (the target speed of the boom cylinder 3a and the arm cylinder 3b) is calculated.
  • the target tip speed vector calculator 9 d stores the packet tip position calculated by the front attitude calculator 9 b and the target cylinder speed calculated by the target cylinder speed calculator 9 c in the control unit 9.
  • the target velocity vector Vc at the tip of the bucket 1c is obtained from the dimensions of each part such as L1, L2, L3, etc. At this time, the target speed vector V.
  • the XcYc shown in FIG. Obtained as a coordinate system value.
  • the target speed vector Vc is calculated based on the vehicle body reference point ⁇ .
  • the Xc coordinate component of the target speed vector Vc in the Xc Yc coordinate system Vc X is a vector component in a direction parallel to the boundary of the set area of the target speed vector Vc
  • the Yc coordinate component V cy is the target speed.
  • the vector component is the vector component in the direction perpendicular to the boundary of the setting area of the vector Vc.
  • the direction change control unit 9e sets a vertical vector component when the tip of the bucket 1c is near the boundary in the setting area and the target speed vector Vc has a component in the direction approaching the boundary of the setting area. Correction is made so as to decrease as approaching the boundary of the area. In other words, the vector in the direction away from the set area (a reverse vector) smaller than the vertical vector component Vcy is added to the vertical vector component Vcy described above.
  • the direction conversion control unit 9e needs to know the distance between the tip of the bucket 1c and the boundary between the set area. For this reason, an origin is located on the boundary of the setting area, and an orthogonal coordinate system of XaYa is set with the straight line on the boundary as one axis, and the tip position of the bucket line in this XaYa coordinate system is determined. calculate.
  • This X a Y a coordinate system is a coordinate system obtained by translating the X c Y c coordinate system by the depth hs of the boundary surface of the excavation area with respect to the vehicle body reference point 0 obtained by the second excavation area setting unit 9 n, The tip position of the bucket in the XaYa coordinate system can be easily obtained.
  • the Y a coordinate value (hereinafter simply referred to as Ya) in the XaYa coordinate system is the distance between the tip of the bucket 1c and the boundary between the setting area.
  • the vector component Vcy is reduced so that the reduction amount of the vector component Vcy in the vertical direction increases as the distance Ya decreases, and the target speed vector Vc becomes the target speed vector Vc.
  • the range of the distance Ya1 from the boundary of the setting area can be called a direction change area or a deceleration area.
  • FIG. 9 shows an example of l when the tip of the bucket 1c is subjected to the direction change control according to the corrected target speed vector Vca as described above.
  • the target speed vector Vc is constant downward and oblique, its parallel component VcX is constant, and the vertical ⁇ Vcy increases as the tip of the bucket 1c approaches the boundary of the set area (distance Y a Becomes smaller). Since the corrected target speed vector Vca is a combination thereof, the trajectory has a curved shape that becomes parallel as it approaches the boundary of the set area as shown in the figure.
  • the corrected target cylinder speed calculator 9f calculates the target cylinder speed of the boom cylinder 3a and the arm cylinder 3b from the corrected target speed vector obtained by the direction change controller 9e. This is the inverse operation of the operation in the target tip speed vector operation unit 9d.
  • the operation direction of the boom cylinder and the arm cylinder necessary for the direction change control is selected, and the target cylinder speed in the operation direction is calculated.
  • the case where the arm cloud is used to excavate in the front direction (arm cloud operation)
  • the case where the tip of the baguette is operated in the pushing direction in the combined operation of boom lowering and arm dump (arm dump combined operation) explain.
  • the ratio of the combination differs depending on the attitude of the front device at that time, the horizontal vector component, and the like. In any case, these are determined by the control software.
  • the method including (1) or (3) is preferable including the method of reducing by increasing the boom 1a, and (3) is considered to be the most preferable in terms of smooth operation. .
  • the arm In the arm dump combined operation, the arm is dumped from the position on the vehicle side (the position in front). This gives a target vector in the direction of going out of the set area when operating. Therefore, in order to reduce the vertical component Vcy of the target speed vector Vc, it is necessary to switch the boom lowering to the deceleration or the boom raising and decelerate the arm dump.
  • the combination is also determined by the control software.
  • the restoration control unit 9g corrects the target speed vector so that when the tip of the bucket 1c goes out of the setting area, the bucket tip returns to the setting area in relation to the distance from the boundary of the setting area. I do.
  • a vector in the direction approaching the set area larger than that (reverse vector) is added to the vertical vector component Vcy.
  • the tip position of the bucket line in the XaYa coordinate system is calculated, and the Ya coordinate value is used as the distance between the tip of the bucket 1c and the boundary between the set area.
  • FIG. 10 shows an example of a trajectory when the tip of the bucket 1c is subjected to the restoration control according to the corrected target speed vector Vca as described above.
  • the target speed vector Vc is constant obliquely downward, its parallel component VcX is constant, and the restored vector KYa is proportional to the distance Ya, so the vertical component is set at the tip of the baguette 1c. It becomes smaller as the boundary of the region is approached (as the distance Ya decreases). Since the corrected target speed vector Vca is a synthesis of the corrected target speed vector Vca, the trajectory becomes a curve that becomes parallel as it approaches the boundary of the set area as shown in FIG.
  • the restoration control unit 9g controls the tip of the bucket 1c to return to the set area, so that the restored area is obtained outside the set area. Also in this restoration control, the movement of the tip of the bucket 1c in the direction approaching the boundary of the set area is decelerated, and as a result, the movement direction of the tip of the bucket 1c is in the direction along the boundary of the set area. O In this sense, this restoration control can also be called direction change control.
  • the corrected target cylinder speed calculation unit 9h calculates the target cylinder speed of the boom cylinder 3a and the arm cylinder 3b from the corrected target speed vector obtained by the restoration control unit 9g. This is the inverse operation of the operation in the target tip speed vector operation unit 9d. You.
  • the operation direction of the boom cylinder and the arm cylinder necessary for the restoration control is selected, and the target cylinder speed in the operation direction is calculated.
  • raising the boom 1a returns the bucket tip to the set area, so the boom 1 raising direction is always included.
  • the combination is also determined by the control software.
  • the target cylinder speed selector 9i the larger of the target cylinder speed obtained by the direction change control obtained by the target cylinder speed calculator 9f and the target cylinder speed obtained by the restoration control obtained by the target cylinder speed calculator 9h ( Select the maximum value) and set it as the target cylinder speed for output.
  • the target pilot pressure calculating section 9j calculates target pilot pressures of the pilot lines 44a, 44b; 45a, 45b as target pilot pressures.
  • the valve command calculation section 9k calculates a command value corresponding to the target pilot pressure calculated by the target pilot pressure calculation section 9j, and the corresponding electric signal is used as a proportional solenoid valve 10a, 10b, 11b. output to a, 1 1 b.
  • the operator adjusts the front reference 70 to the external reference 80 at will and corrects the positional relationship between the external reference 80 and the vehicle body 1B each time the external reference setting switch 71 is pressed.
  • the excavation work can be performed by correcting the height change due to the movement of the car body by the will of the operator each time. Therefore, even if the vehicle body moves and the vehicle body height changes, the setting of the excavation area does not change, and it is possible to always excavate a predetermined depth based on the external reference 80.
  • the front reference 70 is set on the arm 1 b near the tip of the bucket of the front device 1 A having a bucket that actually acts on the ground, and the front reference 70 and the external reference 80 are set.
  • the excavation area is set based on the body 1B based on the position and orientation of the front device 1A when the external reference setting switch 71 is pressed.
  • the setting calculation and the excavation control calculation cancel out the manufacturing tolerance of the vehicle body 1B, the accuracy of the front reference member 70, the accuracy of the angle sensors 8a to 8c, and the mounting tolerance errors.
  • the vehicle height can be corrected using the reference light as described above.
  • the control device uses the boom, arm, and baguette dimensions L1, L2, and L3 stored in the storage device and the angles of each front member detected from the angle sensor, ⁇ , and 7, to obtain the baguette tip.
  • the control operation is performed so that is at the position of hs.
  • the boom has dimensions of L1 + el arm of L2 + eL2
  • the baguette has dimensions of L3 + eL3.
  • the angles ⁇ , ⁇ , 7 detected from the sensors are different from the true angles ⁇ ', ⁇ ', 7 'by errors of ⁇ , ⁇ , £ 7 due to sensor mounting error, detection error of the sensor itself, etc. Contains. Therefore, the control device
  • hs '(L 1', L2 ', L3', a '(hs), ⁇ ' (hs), ⁇ '(hs)) hs' (L 1 + eLl, L 2 + e L2, L 3 + ⁇ L3, a (hs) + ⁇ a,
  • the front reference (arm) is provided with the front reference 70, the position h f when the front reference 70 coincides with the external reference 80 is inside the control unit 9;
  • the control unit 9 since the front reference 70 is at the position of the true external reference 80, the control unit 9 has detected the position of the true external reference 80 in a form including an error. If this hf is used for the region limit control, the error between the detected position hf in the control unit 9 and the actual position hf ′ includes the same error as when hf was detected, so that it actually cancels out. Has been matched to a true hf 'position.
  • the error contained in at least hf is at least the actual external reference position as described above.
  • the rest is due to the sensor error from the position when hf is detected to the point where the bucket tip moves to hs. At this time, the bucket tip is actually
  • hs '(LI', L2 ', L3', a '(hs), ⁇ ' (hs), ⁇ '(hs)) hs' (L1 + eLl, L2 + ⁇ L2, L3 + ⁇ L3, a (hs) + ea (hs),; S (hs) + £ y8 (hs), ⁇ (hs) + £ 7 (hs))-(8) 3 ⁇ 4> ⁇
  • the front reference 70 is provided in the front device 1A to minimize the change in the attitude when setting the external reference position and when excavating.
  • the equations (9) to (11) are used. Can be further reduced.
  • errors in the setting of hr are also taken in at the time of setting and can be operated at the time of control, enabling more accurate excavation control.
  • the error of the angle sensors 8a to 8c for detecting the position and the attitude of the front device 1A is hardly affected, the vehicle body moves and the vehicle body height changes, so that the vehicle body height changes.
  • the effect of the error of the angle sensors 8a to 8c on the amount of change in the excavation depth decreases even if the excavation depth changes from below, and the excavation depth changes before and after the body height changes Is prevented.
  • the reference light detector provided on the vehicle body is in a wide range where the reference light can be detected.
  • the front device 1A is operated to make the front reference 70 coincide with the external reference 80, and the external reference setting switch 71 is pressed to set. Therefore, the front reference member 70 included in the front device 1A is set.
  • the front unit 1A is operated to match the front reference 70 with the external reference 80, and the external reference setting switch 71 is pressed to set. Can be corrected in a wide range.
  • the front device 1A is calculated by calculating a target speed vector Vc at the tip of the bucket 1c with reference to the vehicle body reference point 0, and correcting the target speed vector Vc.
  • various control amounts related to the target speed vector Vc need to be calculated based on the vehicle body in order to control the movement of the vehicle.
  • a second calculating means 140 and a second setting means 160 are provided, and the second calculating means 140 sets the first setting means 1
  • the positional relationship (depth hr) between the external reference 80 set to 0 and the excavation area is corrected to calculate the positional relationship (depth hs) between the vehicle body 1B and the excavation area U, and the second setting means 1
  • the excavation area setting data hs by the second setting means 160 is used as it is in the operation during excavation control, and the operation of excavation control is simplified. it can.
  • an external reference setting switch 71 is provided that is pressed when the front reference 70 matches the external reference 80, and the operator operates the front unit 1A to set the external reference when the front reference matches the external reference.
  • the second calculating means 140 performs the setting calculation of the excavation area in advance. For this reason, the setting calculation of the excavation area is not required during the excavation control, the amount of calculation during the excavation control is reduced, and a more reliable, high-reliability, area-limited excavation control can be performed without delay.
  • the reference light detector provided in the vehicle body is in a range where the reference light can be detected as described above, Considering the size of the reference photodetector, it is a great limitation.
  • the front reference member 70 is provided on the front device 1A, particularly on the arm, the installation location of the external reference member 80 is not greatly restricted in view of the wide and movable range of the front device. This means that, for example, as shown in Fig. 11, when there is no suitable external reference member installation place on the ground at the same height as the vehicle body 1B, the external reference member 80 is installed in the groove G. There are advantages such as being able to do so.
  • an external reference member 80 (a water thread, a quill, a laser lighthouse, etc.) is installed at the beginning of work, and setting is performed using the setting device 7 If this is done, there is no need for an assistant to position the tip of the bucket 1c at the boundary of the excavation area at the start of work or each time the excavator travels while traveling. In addition, the time required for setting according to the instructions of assistants can be eliminated, and the working time can be shortened.
  • the external reference member 80 is installed outside the vehicle body, and once installed, there is no need to change its position. Even if the vehicle body moves, it can be continuously used as a reference for the excavation area.
  • the external reference member is installed horizontally.
  • the external reference member is not necessarily required to be installed horizontally, and the excavation is performed stepwise with a slope due to the necessity of construction. It is okay to make a rough slope excavation.
  • FIGS. A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • This embodiment is an area In the excavation area setting device of the limited excavation control, an excavation area having an angle is set as the excavation area.
  • the first excavation area setting unit 9 a (see FIG. 8; corresponding to the first setting means 100 in FIG. 5) of the present embodiment uses the setting device 7 A shown in FIG. Input and set the depth hr from the reference 80 to the reference point P of the excavation area, the distance hrx from the vehicle body reference point 0 to the reference point P, and the inclination angle 0 r of the boundary of the excavation area. Therefore, in this case, the setting device 7A is set to one of the depth hd from the ground surface to the reference point P of the excavation area, the distance hrx from the vehicle body reference point 0 to the reference point P, and the inclination angle 0r of the boundary of the excavation area. It has a structure having selection buttons 7c, 7g, 7d for selecting whether or not to input a.
  • FIG. 14 shows a processing flow of the first excavation area setting unit 9a.
  • the processes 101 and 102 refer to whether or not the area setting switch 7f has been pressed in the same manner as in the previous embodiment. Calculate with the formula (1) at the depth hr ahead from 80 to the reference point P of the setting area.
  • the depth hr, distance hrx, and angle ⁇ r are stored.
  • the positions of the front reference 70 and the external reference 80 are matched, and when the external reference setting switch 71 is pressed, the depth from the vehicle body reference point 0 to the reference point P of the excavation area is set.
  • Calculate the depth hs and the angle 0r in process 16 1 A store the depth hs and these values, and set the excavation area based on the vehicle body as shown in Fig. 12. .
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained when the area excavation control is performed while the hydraulic shovel is moved in the direction perpendicular to the paper surface.
  • the area excavation control is performed while the hydraulic shovel is moved in the direction perpendicular to the paper surface.
  • operations such as digging trenches for burying water and sewer pipes can be performed easily.
  • a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the setting of the positional relationship between the external reference 80 and the excavation area in the first setting means 100 (see FIG. 5) of the first and second embodiments is performed by direct teaching.
  • the external setting is performed by the first setting unit 100.
  • the operator operates the operation lever to move the tip of the bucket 1c to a position to be set as shown by a two-dot chain line in FIG. 16 and directly teaches the position to obtain a depth hr or Set the distance hr X.
  • Figure 17 shows the processing flow of the setting method by direct teaching of the excavation area.
  • parts (1) and (2) surrounded by broken lines indicate operations that must be performed by the operator of the excavator.
  • the operator operates the operation lever to move the front device 1A so that the tip of the bucket 1c comes to the set point P of the excavation area, as shown in (1) of Fig. 17.
  • the operator presses the area setting switch 7f (see Fig. 3) of the setting unit 7. ⁇
  • control unit 9 it is determined whether or not the area setting switch 7f has been pressed in the processing 190, and if not, the processing 190 is continued.
  • the process proceeds to step 1 91.
  • the depth h s and the distance h r x from the vehicle body reference point 0 to the tip of the bucket 1c are calculated from the attitude of the front device 1A at that time.
  • the operator operates the operation lever again to move the front device 1A so that the front reference 70 coincides with the external reference 80, as shown in (1) of FIG. 17.
  • the control unit continues to determine whether the external reference setting switch 71 has been pressed in process 192.
  • the processing shifts to processing 1933.
  • the height hfo from the vehicle body reference point 0 to the front reference 70 is calculated from the attitude of the front device 1A at that time.
  • the depth hr obtained as described above is stored, and the setting is completed.
  • an angle 0r is further input using the operating device 7, and the depth hr, the distance hrx, the angle 0r, and the And set an excavation area as shown by the two-dot chain line in Fig. 16.
  • the excavation control is started.
  • the configuration other than the first setting means of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, and the first calculation means 120, the second calculation means 140, and the second setting means shown in FIG. Based on 160, the vehicle body moves as shown in Fig. 18 using the hr obtained in process 19 or the hr X and hr obtained in processes 91 and 19 and the angle 0r.
  • the correction value hf is obtained and the depth hs is updated, and the excavation area based on the vehicle body is determined.
  • the area limited excavation control is performed while setting. According to the present embodiment, the excavation area is set by direct teaching, so that a desired excavation area can be set accurately according to the work situation. Industrial applicability
  • the accuracy of the vehicle body manufacturing tolerance is less affected by the accuracy of the sensor and the mounting tolerance. You can excavate less.
  • the external reference and front reference are matched near the tip of the bucket to be digged and the settings are updated. Therefore, it is possible to prevent the excavation depth from changing before and after the vehicle body height changes.
  • the front reference member may be a small and simple member like an arrow mark, the movement of the vehicle body can be corrected without requiring a large and complicated optical sensor. Also, considering the wide movable range of the front device equipped with the front reference member, the movement of the vehicle body can be widened and corrected within the range.
  • the excavation area is set based on the same vehicle body as the calculation of the target speed vector for excavation control, the excavation area suitable for excavation control that performs calculations based on the vehicle body can be set, and the calculation during excavation control is simplified. It is possible to perform highly reliable area-limited excavation control without delay.
  • the setting operation of the excavation area is performed by operating the external reference setting switch. Becomes unnecessary, the amount of calculation during excavation control is reduced, and reliable and region-limited excavation control without delay can be performed.
  • the front device is provided at the start of the work or every time the vehicle travels while traveling on the vehicle body. There is no need for an auxiliary person for positioning the excavation area at the boundary.
  • the time required for setting by the instruction of the assistant can be eliminated, and the work time can be shortened.

Landscapes

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Description

明 細 書 建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置 技術分野 本発明は建設機械の領域制限掘削制御に係わり、特に、 多関節型のフロン卜装 置を備えた油圧ショベル等の建設機械において、 フロント装置の動き得る領域を 制限した領域制限掘削制御の掘削領域設定装置に関する。 背景技術
建設機械の代表例として油圧ショベルがある。 油圧ショベルは垂直方向にそれ ぞれ回動可能なブーム、 アーム及びバケツ卜からなるフロント装置と、 上部旋回 体及び下部走行体からなる車体とで構成され、 フロント装置のブームの基端は上 部旋回体の前部に支持されている。 このような油圧ショベルはフロント装置の動 作範囲が広いことを特徴とする建設機械であり、 そのことが便利である半面、 特 定の掘削形状よりフロン卜が突出しては困る作業などに使われる場合にはォペレ 一夕に慎重な操作を要求することになる。 このため例えば特開平 4 - 1 3 6 3 2 4号公報に示されるようにフロント装置の作業範囲の制限を行うことが考えられ ている。 この特開平 4 - 1 3 6 3 2 4号公報には、 制限領域 （侵入不可領域） の 設定方法として、 フロント装置の先端 （バケツ卜の爪先） を制限領域 （侵入不可 領域） に動かし、 その位置を記憶するか、 あるいは操作パネルから制限領域を数 値で入力設定する方法が示されている。
また、 油圧ショベルではブームなどのフロント部材をそれぞれの手動操作レバ 一によつて操作しているが、 それぞれが関節部によつて連結され回動運動を行う ものであるため、 これらフロント部材を操作して所定の領域、 特に直線状に設定 された領域を掘削することは非常に困難な作業であり、 自動化が望まれている。 そのような作業を自動化して行う構成とした場合、 車体が移動すると作業現場の 地形の変化で油圧ショベル自身の姿勢、 高さが変化し、 車体に関して設定してい た領域を車体が移動するごとに設定し直さなくてはならない。 そこで、 このよう な作業を容易にするための自動掘削方法が特開平 3— 2 9 5 9 3 3号公報に提案 されている。 この自動掘削方法では、 掘削地表面に設置したレーザ発振器のレー ザ光により車体に設置したセンサにて車体の高さを検出し、 その検出した車体高 さに基づいて掘削深さ （前者の例の制限領域に相当する） を決定して車体を停止 した状態で所定長さだけ直線掘削し、 その後に車体を所定距離走行させて停止状 態で再び直線掘削する際に編己レーザ光により車体高さ変位量を検出し、 その高 さ変位量によって掘削深さを補正するようにしている。
また、 レーザ光を用いて直線状の設定領域を掘削する他の自動掘削方法として 米国特許 4， 8 2 9 , 4 1 8号に提案のものがある。 この自動掘削方法では、 レ 一ザ光を基準として所望の掘削深さ （H T T R G T) を設定し、 アームにレーザ 受光器を取り付け、 掘削中にレーザ受光器がレーザ光を検知する瞬間に、 レーザ 光からフロント装置のバケツト刃先までの距離 （H T A C T ) を計算し、 Ή Τ Τ R G Tと H T A C Tを比較してバケツト刃先が所望の掘削深さ付近で動くよう関 連するァクチユエ一タを制御している。 発明の開示
しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。
まず、 特開平 4 - 1 3 6 3 2 4号公報に記載の従来技術では、 車体を基準とし て制限領域 （侵入不可領域） を設定するので、 車体が移動し作業現場の地形の変 化で油圧ショベル自身の姿勢、 高さが変化すると、 それに応じて制限領域の設定 深さ力、'変化してしまう。 例えば地面が傾斜していれば、 車体の移動とともに設定 深さも地面の傾斜面に沿って変化し、 制限領域の設定面も傾斜してしまう。 また、 特開平 3— 2 9 5 9 3 3号公報に記載の従来技術では、 車体の移動に伴 う車体高さの変化の補正は行えるものの、 操作パネルにより掘削深さを設定する 場合、 車体を基準に掘削深さを設定するので、 掘削制御でバケツ卜の先端位置を 演算するとき、 車体の製作公差、 あるいは制御に使用するフロント装置の位置、 姿勢を計測する角度センサの精度、 取り付け公差などが誤差として集積し、 実際 に掘削した深さが設定した掘削深さと違ってしまい、 設定通りに掘削することが できない。
また、 車体の移動により車体高さが変化すると車体からの掘削深さが変化する ことから、 掘削深さの変化量に対してもフロント装置の位置、 姿勢を計測するセ ンサの誤差が影響し、 車体高さが変化する前後で掘削深さが変化してしまう。 更に、 車体高さが変化してもレーザ光が確実にセンサに当たりレーザ光を検出 できるようにするためには、 車体に多数のセンサを高さ方向に並べて設置する必 要があり、 センサの装備が犬がかりで複雑になる。
同様に、 車体に備えられたセンサにより高さを補正することから、 センサの大 きさの制約から補正できる高さは限られた範囲となる。
米国特許 4， 8 2 9 , 4 1 8号に提案の従来技術では、 上述した特開平 4一 1 3 6 3 2 4号公報ゃ特開平 3— 2 9 5 9 3 3号公報に記載の従来技術の問題点を ある程度解決できる。 しかし、 この従来技術では、 レーザ光を基準として目標掘 削深さを設定しているため、車体基準で制御のための演算を行う掘削制御、 例え ば P C TZ J P 9 5 / 0 0 8 4 3の国際出願で本願発明者らが提案している領域 制限掘削制御にこれを使用するには不適切であり、 制御の信頼性を確保し得なし、 と言う問題がある。
すなわち、 本願発明者らは、 P C T/ J P 9 5 / 0 0 8 4 3の国際出願におい て、 車体を基準としてフロント装置の制御用の目標速度ベクトルを計算し、 この 目標速度べクトルを補正することにより、 フロント装置が予め設定した掘削領域 の境界に近づくとフロント装置の当該境界に接近する方向の移動速度を制限し、 当該境界に沿ってフロント装置を動かす領域制限掘削制御装置を提案している。 このような領域制限掘削制御では、 目標速度べクトルに関する種々の制御量を車 体基準で計算する必要があるため、 掘削領域を米国特許 4 , 8 2 9 , 4 1 8号の ようにレーザ光基準で設定した場合、 この設定データをそのまま使用できない。 このため、 このレーザ光基準の設定データを車体基準の計算に使用できるように 修正する必要があるが、 コントローラのメモリ容量には限りがあるため、 計算が 複雑になると計算時間も増大し、 特にこのような «な計算を掘削制御中に行う と制御に遅れが生じ、 バケツト先端が設定領域の境界の外にはみ出してしまうお それがある。 本発明の第 1の目的は、 車体の移動により車体高さが変化しても掘削領域の設 定が変化することのない建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置を提供 することである。
本発明の第 2の目的は、 車体の製作公差、 あるいは制御に使用するフロント装 置の位置、 姿勢を計測するセンサの精度、 取り付け公差などの誤差の影響が少な く、 設定した掘削領域との差を少なく掘削することができる建設機械の領域制限 掘削制御の掘削領域設定装置を提供することである。
本発明の第 3の目的は、 車体の移動により車体高さが変化しても掘削領域の設 定が変化することがなくかつフロント装置の位置、姿勢を計測するセンサの誤差 の影響による掘削深さの変化の少ない建設機械の領域制限掘削制御の掘肖 lj領域設 定装置を提供することである。
本発明の第 4の目的は、 大がかりで複雑なセンサを要せずに車体の移動を補正 できる建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設^置を提供することである。 本発明の第 5の目的は、 車体の移動を広 t、範囲で補正できる建設機械の領域制 限掘削制御の掘削領域設定装置を提供することである。
本発明の第 6の目的は、 車体基準で演算を行う掘削制御に適した掘削領域の設 定が行え、掘削制御の信頼性を確保し得る建設機械の領域制限掘削制御の掘削領 域設¾¾置を提供することである。
( 1 )上記第 1〜第 6の目的を達成するために、 本発明による建設機械の領域制 限掘削制御装置は次の構成を採用する。 すなわち、 多関節型のフロント装置を構 成する上下方向に回動可能な複数のフロント部材と、 前記フ口ント装置を支持す る車体とを備え、 この車体を基準としてフロント装置の制御用の目標速度べクト ルを計算し、 この目標速度べクトルを補正することにより、 フロント装置が予め 設定した掘削領域の境界に近づぐとフロント装置の当該境界に接近する方向の移 動速度を制限し、 当該境界に沿ってフロント装置を動かす建設機械の領域制限掘 削制御の掘削領域設定装置において、 （a )前記建設機械の外部に設置され、 掘 削領域に対する基準位置となる外部基準を与える外部基準部材と； （b )前記フ ロント装置に備えられ、 前記外部基準に前記フロント装置を合わせる目標となる フロント基準を与えるフロント基準部材と； （c )前記フロン卜装置の位置と姿 勢に関する状態量を検出する検出手段と； （d ) 前記検出手段の信号に基づき前 記車体を基準としたフロント装置の位置と姿勢を演算する第 1演算手段と； （ e ) 前記外部基準との位置関係により前記掘削領域を設定する第 1設定手段と； （ f ) 前記フ口ント基準が前記外部基準と一致したときに前記第 1演算手段で演算した 前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づき前記車体と前記外部基準との位置 関係を演算し、 この車体と外部基準との位置関係と前記第 1設定手段で設定した 外部基準と掘削領域の位置関係とから前記車体と掘削領域との位置関係を演算す る第 2演算手段と； （g ) if己第 2演算手段で演算した前記車体と掘削領域との 位置関係から前記車体を基準とした掘削領域を設定する第 2設定手段と；を備え る構成とする。
以上のように構成した本発明においては、 フロント基準が外部基準と一致した ときに、 第 2演算手段にて第 1設定手段で設定した外部基準と掘削領域の位置関 係を補正して車体と掘削領域の位置関係を演算し、 第 2設定手段で車体を基準と して掘削領域を設定するため、 車体の移動による高さ変化をその都度補正して掘 削作業が行える。 このため、 車体が移動し車体高さが変化しても掘削領域の設定 は変化せず、 常に外部基準を基準とした所定の深さを掘削することができる。 また、 フロント基準部材を実際に地面に作用するフロント装置に設置し、 フロ ント基準が外部基準と一致したときのフロント装置の位置と姿勢に基づき車体を 基準とした掘削領域を設定するので、 この掘削領域の設定に際して掘削領域設定 演算と掘削制御演算とで車体の製作公差やフロント基準、 検出手段等の精度、 取 付け公差などの誤差の影響が相殺されることとなる。 このため、 掘削制御でフロ ント装置の位置を演算するとき、 基準光を車体に設置したセンサで検出する方法 に比較して上記公差や精度の誤差の影響が少なくなり、 設定した掘削領域との差 を少なく設定通りに正確に掘削することができる。
また、 フロント装置の位置、 姿勢を計測する検出手段の誤差の影響を受け難い ので、 車体が移動して車体高さが変化することにより車体からの掘削深さが変化 しても、 その掘削深さの変化量に対する検出手段の誤差の影響が少なくなり、 車 体高さが変化する前と後で掘削深さが変化することが防止される。
更に、 フロント装置を動かしフロント基準が外部基準と一致したときに、 第 2 演算手段による位置関係の補正を行うので、 フロント装置に小型でシンプルなフ 口ント基準部材を設置するだけで車体の移動を補正できる。
同様に、 フロント装置を操作してフロント基準を外部基準に一致させ、 第 2演 算手段による位置関係の補正を行うので、 フロント装置の広い可動範囲を考えれ ば車体の移動を広 L、範囲で補正できる。
また、 本発明が係わる領域制限掘削制御は、 車体を基準としてフロント装置の 制御用の目標速度べクトルを計算し、 この目標速度べクトルを補正することによ りフロント装置の動きを制御するため、掘削制御中は目標速度べクトルに関する 種々の制御量を車体基準で計算する必要がある。 本発明の設定装置においては、 第 1設定手段に加えて第 2演算手段と第 2設定手段を設け、 第 2演算手段で第 1 設定手段で設定した外部基準と掘削領域の位置関係を補正して車体と掘削領域の 位置関係を演算し、 第 2設定手段で掘削制御と同じ車体基準にて掘削領域を設定 するため、 第 2設定手段による掘削領域の設定データをそのまま掘削制御中の演 算に使用し、 掘削制御の演算を単純化できる。 よって、 限られたメモリ容量の中 で瞬時に必要な計算を行うことができ、 遅れのない信頼性の高い領域制限掘削制 御を行うことができる。
( 2 )上記（ 1 ) にお L、て、掘削領域設定装置は、好ましくは、 （ f ) 前記フ口 ント基準が前記外部基準と一致したときに操作される外部基準設定スィツチ；を 更に備え、 前記第 2演算手段は、 前記外部基準設定スィッチが操作されたときに 上記演算を行うものとする。
これにより、 掘削制御による作業に先だってフロント装置を動かし、 フロント 基準が外部基準と一致したときに外部基準設定スィツチを操作することにより、 予め第 2設定手段で車体基準の掘削領域を設定することができる。 このため、 掘 削制御中には掘削領域の設定演算が不要となり、 掘削制御中の計算量が減少し、 より遅れのない信頼性の高い領域制限掘削制御を行うことができる。
( 3 ) また、 上記 （1 ) 又は （2 ) において、 好ましくは、 前記第 1設定手段は、 前記外部基準から掘削領域と制限領域の境界までの深さを設定する手段である。 このように第 1設定手段を構成することにより、 制限領域との境界を水平面とし た掘削領域を設定できる。 ( 4 )更に、 上記 （1 )又は （2 ) において、 前記第 1設定手段は、 前記外部基 準から前記掘削領域の基準点までの深さ、 前記車体から前記基準点までの距離、 前記掘削領域の境界の傾斜角度を設定する手段であつてもよい。 このように第 1 設定手段を構成することにより、 勾配を付けた掘削領域を設定できる。
( 5 ) また、 上記 （1 ) 又は （2 ) において、 好ましくは、 前記第 1設定手段は、 設定器により入力されたデータを基に前記外部基準と設定領域の位置関係を設定 する手段である。 このように第 1設定手段を構成することにより、 作業の初めに 第 手段の設定を行っておけば、 作業開始時、 あるいは車体を走行して移動 するごとにフロント装置を掘削領域の境界に位置決めするための補助員が不要と なる。 また、 補助員の指示による設定にかかる時間を無くすことができ、 作業時 間を短縮できる。
( 6 )更に、 上記（ 1 )又は （ 2 ) にお L、て、前記第 1設定手段は、 前記第 1演 算手段で演算した前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づき、 前記フロント 装置を動かしフロント装置の先端が設定領域の境界に来たときの前記フロント装 置の先端の位置を演算する手段と、 前記第 1演算手段で演算した前記フロン卜装 置の位置と姿勢の情報に基づき、 前記フロント装置を動かし前記フロント基準が 前記外部基準に一致したときの前記フロント基準の位置を演算する手段と、 前記 フロント装置の先端位置と前記フロント基準の位置とから前記外部基準と掘削領 域の位置関係を演算し、 記憶する手段とを含む構成であってもよい。 このように 第 1設定手段を構成することにより、 フロント装置の先端が設定領域の境界に来 たときのフロント装置の先端の位置と、 フロント基準が外部基準と一致したとき のフロント基準の位置とから外部基準と設定領域の位置関係を演算し、 記憶する こととなり、 ダイレクトティーチングにより掘削領域を設定でき、 作業状況に合 わせて所望の掘削領域を正確に設定することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施形態による掘削領域設定装置を備えた建設機械の 領域制限掘削制御装置を油圧駆動装置と共に示す図である。
図 2は、 本発明が適用された油圧ショベルの外観とその周囲の設定領域の形状 を示す図である。
図 3は、 設定器の外観を示す図である。
図 4は、 第 1の実施形態の掘削領域設定装置により掘削領域を設定する際の外 部基準との関係を示す図である。
図 5は、 第 1の実施形態の掘削領域設定装置の全体の構成を示す図である。 。 図 6は、 第 1の実施形態の掘削領域設定装置における第 1設定手段の処理フ口 一を示す図である。
図 7は、 第 1の実施形態の掘削領域設定装置における第 2演算手段及び第 2設 定手段の処理フローを示す図である。
図 8は、 制御ュニッ卜の全体の制御機能を示す機能ブロック図である。
図 9は、 領域制限掘削制御においてバゲットの先端が演算通りに方向変換制御 されたときの軌跡の一例を示す図である。
図 1 0は、 領域制限掘削制御において'バケツ卜の先端が演算通りに復元制御さ れたときの軌跡の一例を示す図である。
図 1 1は、 車体と同じ高さに適当な外部基準部材の設置場所がない場合に、 溝 の中に外部基準部材を設置した状態を示す図である。
図 1 2は、 本発明の第 2の実施形態の掘削領域設定装置により掘削領域を設定 する際の外部基準との関係を示す図である。
図 1 3は、 第 2の実施形態で用いる設定器の外観を示す図である。
図 1 4は、 第 2の実施形態の掘削領域設定装置における第 1演算手段の処理フ ローを示す図である。
図 1 5は、 第 2の実施形態の掘削領域設定装置における第 2演算手段及び第 2 設定手段の処理フ口一を示す図である。
図 1 6は、 本発明の第 3の実施形態の掘削領域設定装置により掘削領域を設定 する際の外部基準との関係を示す図である。
図 1 7は、 第 3の実施形態の掘削領域設定装置における第 1設定手段の処理フ ローを示す図である。
図 1 8は、 第 3の実施形態の掘削領域設定装置による掘削領域を設定したとき の最初の設定時とその後の移動時の関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、 本発明の第 1の実施形態を図 1〜図 1 1により説明する。
図 1において、 本発明が適用される油圧ショベルは、 油圧ポンプ 2と、 この油 圧ポンプ 2からの圧油により駆動されるブームシリンダ 3 a、 アームシリンダ 3 b、 バケツトシリンダ 3 c、 旋回モータ 3 d及び左右の走行モータ 3 e , 3 f を 含む複数の油圧ァクチユエ一夕と、 これら油圧ァクチユエ一夕 3 a〜3 f のそれ ぞれに対応して設けられた複数の操作レバ一装置 4 a〜4 f と、 油圧ポンプ 2と 複数の油圧ァクチユエ一夕 3 a〜3 f 間に接続され、 油圧ァクチユエ一夕 3 a〜
3 f に供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁 5 a〜5 f と、 油圧ポ ンプ 2と流量制御弁 5 a〜5 f の間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリ ーフ弁 6とを有し、 これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置 を構成している。
また、 油圧ショベルは、 図 2に示すように、 垂直方向にそれぞれ回動するブー ム 1 a、 アーム 1 b及びバケツト 1 cからなる多関節型のフロント装置 1 Aと、 上部旋回体 1 d及び下部走行体 1 eからなる車体 1 Bとで構成され、 フロント装 置 1 Aのブーム 1 aの基端は上部旋回体 1 dの前部に支持されている。 ブーム 1 a、 アーム 1 b、 ノくケット 1 c、 上部旋回体 1 d及び下部走行体 1 eはそれぞれ ブームシリンダ 3 a、 アームシリンダ 3 b、 バケツトシリンダ 3 c、 旋回モータ 3 d及び左右の走行モータ 3 e， 3 f によりそれぞれ駆動される被駆動部材を構 成し、 それらの動作は上記操作レバ一装置 4 a〜4 f により指示される。
図 1に戻り、 操作レバー装置 4 a〜4 f はパイロット圧により対応する流量制 御弁 5 a〜5 f を駆動する油圧パイロット方式であり、 それぞれ、 オペレータに より操作される操作レバー 4 0と、 操作レバ一 4 0の操作量と操作方向に応じた パイロット圧を生成する 1対の減圧弁 （図示せず） とにより構成きれ、 各減圧弁 の一次ポートはパイロットポンプ 4 3に接続され、 二次ポートはパイロットライ ン 4 4 a , 4 4 b ； 4 5 a , 4 5 b ； 4 6 a , 4 6 b ； 4 7 a , 4 7 b ； 4 8 a ,
4 8 b ; 4 9 a , 4 9 bを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部 5 0 a , 5 0 b ； 5 1 a, 5 1 b ; 52 a, 52 b ; 53 a, 53 b ; 54 a, 54 b ; 55 a, 55 bに接続されている。
以上のような油圧ショベルに本実施形態による掘削領域設定装置を含む領域制 P良掘削制御装置が搭載されている。 この制御装置は、 予め作業に応じてフロント 装置の所定部位、 例えばバケツト 1 cの先端が動き得る掘削領域の設定を指示す る設定器 7と、 ブーム 1 a、 アーム 1 b及びバケツト 1 cのそれぞれの回動支点 に設けられ、 フロント装置 1 Aの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回 動角を検出する角度計 8 a, 8 b, 8 cと、 車体 I Bの前後方向の傾斜角 0を検 出する傾斜計 8 と、 ブーム用及びアーム用の操作レバ一装置 4 a, 4 bのパイ ロットライン 44 a, 44 b ； 45 a, 45 bに設けられ、 操作レバー装置 4 a , 4 bからのパイロット圧を検出する圧力検出器 60 a， 60 b ; 6 1 a, 6 1 b と、 油圧ショベルの外部に設置され掘削領域に対する基準位置を示す外部基準を 与える外部基準部材 80 (図 2参照；以下、 適宜、 「外部基準部材」 を単に 「外 部基準」 という） と、 フロント装置 1 aのアーム 1 bの側部に取り付けられ、 外 部基準 8 0にフロント装置 1 Aを合わせる目標となるフロント基準を与えるフロ ント基準部材 70 (図 2参照；以下、 適宜、 「フロント基準部材」 を単に 「フ口 ント基準」 と称する） と、 フロント装置 1 Aを操作してフロント基準 70が外部 基準 80に一致したときに押される外部基準設定スィッチ 7 1と、 設定器 7の設 定信号、 角度計 8 a, 8 b, 8 c及び傾斜計 8 dの検出信号、 圧力検出器 6 0 a, 6 0 b ； 6 1 a , 6 1 bの検出信号、 及び外部基準設定スィツチ 7 1の操作信号 を入力し、 バケツト 1 cの先端が動き得る掘削領域を設定すると共に、 領域を制 限した掘削制御を行うための電気信号を出力する制御ュニット 9と、 前記電気信 号により駆動される比例電磁弁 1 0 a， 1 0 b， 1 1 a, l i bと、 シャトル弁 1 2とで構成されている。 シャトル弁 1 2はパイロッ トライン 44 aに設置され、 パイロットライン 44 a内のパイロット圧と比例電磁弁 1 0 aから出力される制 御圧の高圧側を選択し、 流量制御弁 5 aの油圧駆動部 5 0 aに導く。 比例電磁弁 1 0 b, 1 1 a, 1 1 bはそれぞれパイロットライン 44 b, 45 a, 45 に 設置され、 それぞれの電気信号に応じてパイロットライン内のパイロット圧を減 圧して出力する。 以上の構成において、 本実施形態の掘削領域設定装置は、 設定器 7、 外部基準 部材 8 0、 フロント基準部材 7 0、 外部基準設定スィッチ 7 1、 角度計 8 a， 8 b , 8 c及び傾斜計 8 dと、 制御ュニット 9の下記する機能により構成されてい る。
設定器 7は、 図 3に示すように、 掘削領域の深さを入力するためのアップダウ ンボタン 7 a , 7 b、 入力した深さを表示する表示装置 7 e及び入力した深さを 設定信号として制御ュニット 9に出力し掘削領域を設定する領埤設定スィツチ 7 f とで構成されている。 なお、 設定器 7のボタン類は適当な操作レバーのグリツ プ上に設けてもよい。 また、 I Cカードによる方法、 バーコードによる方法、 無 線通信による方法等、 他の方法を用いてもよい。
外部基準部材 8 0は例えば図 2に示すようにクイ 8 0 aに水平に張り渡した水 糸である。 水糸 8 0は工事現場で基準を示すために良く使用されるものである。 外部基準部材 8 0は単なるクイ等、 油圧ショベルのオペレータから外部基準の確 認の取れるものであれば何でも良い。
フロント基準部材 7 0は図 4に示すようにフロント装置 1 Aのオペレータから 確認できる位置に設置された印である。 この印 7 0としては例えば矢印のような ものを鋼材で製作してそれをフロント装置の決められた位置に溶接で取り付けれ ばよい。
外部基準設定スィツチ 7 1は、 上記の場合、 フロント装置 1 Aを動かして外部 基準 8 0である水糸にフロント基準 7 0である矢印があった位置で操作されるも ので、 この操作により外部基準 8 0の位置が検出され、 油圧ショベルの車体 1 B と外部基準 8 0との位置関係 （車体に対する外部基準 8 0の位置） が演算設定さ れる （後述） 。
なお、 外部基準部材 8 0として工事現場の測量などで使用するレーザ基準光発 生器 （レーザ燈台） を使用し、 フロント基準部材 7 0にそのレーザ光を検出する レーザ検出器を使用しても良い。 この場合、 レーザ燈台の光をレーザ検出器が検 出したときにランプを点灯させ、 オペレータがこのランプの点灯を確認して外部 基準設定スィツチ 7 1を操作することで同等の機能が果たせる。
また、 掘削領域の設定演算に際して車体の製作公差の影響をできるだけ少なく するには、 フロント基準部材 7 0は作業に支障ない程度にできるだけアーム 1 b の先端近くに設置され、 実際に土に作用するバケツト 1 cに近いところで外部基 準 8 0と一致させるようにすることが望ましい。 外部基準設定スィッチ 7 1は設 定器 7の中に組み込んでも良い。
制御ュニッ卜 9は、 上記の設定器 7の設定信号と、 外部基準設定スィッチ 7 1、 角度計 8 a , 8 b , 8 c及び傾斜計 8 dの検出信号を用いて掘削領域を設定する。 この制御ュニット 9による掘削領域の設定方法及び制御ュニット 9の処理機能の 概要を図 4及び図 5を用いて説明する。 なお、 掘肖 U領域は掘削領域と制限領域の 境界（以下、 単に掘削領域の境界という） を設定することにより設定され、 本実 施形態はこの掘削領域の境界として水平面を設定するものである。
掘削領域の設定に際しては、 まず、図 4に示すように、 油圧ショベル本体の外 部に外部基準部材 8 0として上記のように例えば水糸を設置する。
次に、 オペレータは設定器 7を用いて外部基準 8 0から設定したい掘削領域の 境界までの深さ h rを入力し、 この深さ h rにより外部基準 8 0と掘削領域の位 置関係を設定する。 すなわち、 外部基準 8 0の位置を基準とした掘削領域を設定 する。 この設定は図 5に示す制御ュニット 9の第 1設定手段 1 0 0の処理機能に より行われる。
次に、 現在の油圧ショベルの車体位置を基準とした掘削領域を設定する。 この ために、 まずオペレータがフロント装置 1 Aを動かして、 フロント装置 1 Aのァ ーム 1 bに備えられたフロント基準 7 0を外部基準 8 0に一致させ、 オペレータ が外部基準設定スィッチ 7 1を操作する。 ここで、 フロント装置 1 Aを動かして いるとき、 図 5に示す第 1演算手段 1 2 0の処理機能により角度計 8 a , 8 b， 8 c及び傾斜計 8 dの信号に基づき制御ュニッ ト 9内でフロント装置 1 Aの位置 と姿勢が演算されており、 フロント装置 1 Aのアーム 1 bに備えられたフロント 基準 7 0が外部基準 8 0に一致し、 オペレータが外部基準設定スィッチ 7 1が操 作されると、 第 1演算手段 1 2 0から得られるそのときのフロント装置 1 Aの位 置と姿勢の情報に基づき、 図 5に示す第 2演算手段 1 4 0の処理機能により車体 1 Bと外部基準 8 0との位置関係として車体基準点 0から外部基準 8 0までの高 さ h fが演算され、 この高さ h f を補正値として、 先に設定した深さ h r (外部 基準 8 0と掘削領域の位置関係） から車体基準点 0に対する掘削領域の境界面の 深さ h sを演算する。 そして、 図 5に示す第 2設定手段 1 6 0の処理機能により、 深さ h sを油圧ショベルの車体 1 Bを基準とした掘削領域として設定する。 油圧 ショベルの車体 1 Bを基準とした掘削領域の設定が終了すると図 5にブロック 1 8 0として示すように領域制限掘削制御に移行する。
ここで、 車体基準点 0はブーム 1 aの回動支点に一致し、 領域制限掘削制御で の計算で使用する X Y座標系、 X b Y b座標系、 X c Y c座標系 （後述） の原点 に一致する。
油圧ショベルの車体 1 Bを基準とした掘削領域の設定は外部基準設定スィッチ 7 1が操作されるごとに行われ、 油圧ショベルが走行して位置を変えてもその場 所で新たな掘削領域の設定が行われる。
上記第 1設定手段 1 0 0における外部基準 8 0と掘削領域の位置関係を設定す る機能の詳細を図 6に処理フローで示す。 図中、 破線で囲んだ部分は油圧ショべ ルのオペレータが行わなくてはならない操作を示す。
まず、 オペレータは地表から設定したい掘削領域の境界までの深さ h dを設計 施工図面等により決め、 その数値を設定器 7のボタン 7 a , 7 bを用いて入力し、 その数値が入力されたことを表示装置 7 eで確認すると領域設定スィッチ 7 f を 押す。 制御ュニット 9では、 処理 1 0 1にて領域設定スィッチ 7 f が押されたか どうかを判定し、 押されていない場合は処理 1 0 1を続行し、 押されると処理 1 0 2へ移る。 処理 1 0 2では、 外部基準 8 0から設定したい掘削領域の境界まで の深さ h rを次の （ 1 ) 式で演算する。
h r = h d + h o ·'· ( 1 ) 上記（1 ) 式において、 h oは外部基準 8 0の高さ （地表から外部基準 8 0まで の高さ） であり、 この値 h oは既知であり、 予め制御ュニット 9に記憶させてお く。 そして、 処理 1 0 3に移り、 深さ h rを記憶する。 なお、 外部基準 8 0の高 さ h oをオペレータが覚えておき、 この高さ h oを含めた高さ h rを設定器 7を 用いてオペレータが直接入力してもよい。 また、 設定器 7に外部基準 8 0の高さ h oを入力するためのボタンを設け、 オペレータの操作でこの高さ h 0の設定を 変えれるようにしてもよい。 第 2演算手段 1 4 0及び第 2設定手段 1 60における車体と掘削領域との位置 関係を設定する機能の詳細を図 7に処理フローで示す。
まず、 破線で囲んだ部分で示すように、 オペレータが操作レバ一 4 0 (図 1参 照） を操作してフロント装置 1 Aを動かし、 フロント基準点 70を外部基準 8 0 に一致させる。 そして、 処理 1 4 1においてオペレータにより外部基準設定スィ ツチ 7 1が押されたかどうかを判定する。 押されていない場合は掘削領域の設定 を変えずに設定処理を終了する。 処理 14 1において外部基準設定スィツチ 7 1 が押されたと判定されると処理 1 42へ行く。
処理 1 42ではフロント装置 1 Aに備えられた角度計 8 a, 8 b及び傾斜計 8 dによりブーム l a、 アーム l bの角度 a, 及び車体 1 Βの傾斜角 0を読み込 む。 次に処理 1 43においてブーム、 アームの角度 α， /δ及び傾斜角 0を用いて 外部基準設定スィッチ 7 1が押されたとき （フロント基準点 70が外部基準 80 に一致したとき） の車体基準点 0からフロント基準点 70までの高さ h fを演算 する。
演算はまず次の （2) 式により車体基準点 0からブームとアームの接合点 （ァ 一ム角度計 8 bの設置点）の高さ h bを求める。
h b = L 1 X c o s ia - θ) ― (2) 上記 （2) 式において L 1はブーム 1 aと車体 1 Bの接合点 （ブーム角度計 8 a の設置点） とブームとアームの接合点との距離であり、 この値は既知であり、 予 め制御ュニッド 9に記憶しておく。
次にブームとアームの接合点からフロント基準 70までの高さ h f 1を （3) 式により求める。
h f 1 =L f x c o s ( a— Θ + ίβ- θ f ) )… (3) 上記 (3) 式において L f はブームとアームの接合点からフロント基準 70の設 置点までの距離であり、 Θ f はブームとアームの接合点とアームとパ'ケッ卜の接 合点 （バケツト角度計 8 cの設置点） とを結ぶ直線に対するフロント基準部材 7 0の取り付け角度であり、 これらの値はそれぞれ既知であり、 予め制御ュニット 9に記憶しておく。
次に高さ h bと h f 1から式（4) により車体基準点 0からフロント基準 70 までの高さ h f を演算する。
h f = h b + h f 1 … （4 ) 次は、 処理 1 4 4に移り、 設定器 7で設定した外部基準 8 0から掘削領域の境 界までの深さ h rを読み込む。
次に、 処理 1 4 5において、 先ほど演算した車体基準点 0からフロント基準 7 0までの高さ h f を補正値として、 この値 h f と設定器 7で設定した外部基準 8 0から掘削領域の境界までの深さ h rとから、 式 （5 ) により車体基準点 0から 掘削領域の境界までの深さ h sを演算する。
h s = h r + h f - ( 5 ) 最後に、 処理 1 6 1において処理 1 4 5で演算した掘削領域の境界の深さ h s を記憶し、 車体を基準とした掘削領域を設定する。
以上において、 処理 1 4 1〜1 4 5は図 5に示す第 2演算手段の処理機能に相 当し、 処理 1 6 1は図 5に示す第 2設定手段 1 6 0の処理機能に相当する。
以上を終了し、 掘削作業を開始すると、 領域制限掘削制御の演算へ処理が移る 次に、 上記の掘削領域設定機能を含む制御ュニット 9の全体制御機能を図 8に より説明する。 図 8において、 制御ュニット 9は、 第 1掘削領域設定部 9 a、 フ ロント姿勢演算部 9 b、 目標シリンダ速度演算部 9 c、 目標先端速度べクトル演 算部 9 d、 方向変換制御部 9 e、 補正後目標シリンダ速度演算部 9 f 、 復元制御 演算部 9 g、 補正後目標シリンダ速度演算部 9 h、 目標シリンダ速度選択部 9 i、 目標パイロット圧演算部 9 j、 バルブ指令演算部 9 k、 位置関係演算部 9 m及び 第 2掘削領域設定部 9 nの各機能を有している。
第 1掘削領域設定部 9 aは図 5の第 1設定手段 1 0 0に相当するもので、 図 6 に示す処理フローの処理 1 0 1〜1 0 3により外部基準 8 0から掘削領域の境界 までの深さ h rにより外部基準 8 0と掘削領域との位置関係を設定する。
フロント姿勢演算部 9 bは図 5の第 1演算手段 1 2 0に相当するもので、 制御 ュニット 9に記憶したフロント装置 1 A及び車体 1 Bの各部寸法と、 角度計 8 a , 8 b , 8 cで検出した回動角 、 β、 ァ及び傾斜計で検出した傾斜角 0を用いて 設定及び制御に必要なフロント装置 1 Αの位置及び姿勢を演算する。
位置関係演算部 9 mは図 5の第 2演算手段 1 4 0に相当するもので、 図 7に示 す処理フローの処理 1 4 1〜1 4 5により車体基準点 0から掘削領域の境界まで の深さ h sを演算する。
第 2掘削領域設定部 9 nは図 5の第 2設定手段 1 6 0に相当するもので、 図 7 に示す処理フ口一の処理 1 6 1により上記の深さ h sにより油圧ショベルの車体 1 Bを基準とした掘削領域を設定する。
フロント姿勢演算部 9 bにおいて、 フロント装置 1 Aの位置と姿勢は、掘削領 域の設定基準である車体基準点 0と同じブーム 1 aの回動支点を原点とした X Y 座標系で演算される。 この XY座標系は本体 1 Bに固定した直交座標系であり、 垂直面内にあるものとする。例えば、 フロント装置 1 Aのバケツト 1 cの先端位 置は、 ブーム 1 aの回動支点とアーム 1 bの回動支点との距離を L 1、 アーム 1 bの回動支点とバケツト 1 cの回動支点との距離を L 2、 バケツト 1 cの回動支 点とバケツト l cの先端との距離を L 3とすれば、 XY座標系により下記の式よ り求まる。
X=L l s i n a + L 2 s i n (α + β) + L 3 s i η (α + β + γ
Y=L 1 c o s α + L 2 c o s (α + β +L 3 c o s (α + β + γ
ただし、 図 4に示すように車体 1 Bが傾いたときは、 バケツ卜と先端と地面と の相対位置関係が変化するので、 掘削領域の設定が正しく行えなくなる。 そこで 本実施形態では、 車体 1 Bの傾斜角 Θを傾斜計 8 dで検出し、 フロント姿勢演算 部 9 bでその傾斜角 0の値を入力し、 XY座標系を角度 0回転させた Xb Yb座 標系での計算が行えるようにする。 これにより、 車体 1 Bが傾いていても正しい 領域設定及び掘削制御が行える。 なお、 車体が傾 、たときには車体の傾きを修正 してから作業するとか、 車体が傾斜しないような作業現場で用いる場合には、 必 ずしも傾斜計は必要としない。
第 1掘削領域設定部 9 a、補正値演算部 9 m及び第 2掘削領域設定部 9 nでは、 深さ h r， h s、 高さ h f等を XbYb座標系の値に変換して処理する。
目標シリンダ速度演算部 9 cでは操作レバ一装置 4 a, 4 bの操作信号として 圧力検出器 60 a, 60 b ； 6 1 a, 6 1 bの検出信号を入力する。 その操作信 号（パイロット圧） から流量制御弁 5 a, 5 bの目標吐出流量 （ブームシリンダ 3 a及びアームシリンダ 3 bの目標速度） を計算する。 目標先端速度べクトル演算部 9 dでは、 フロント姿勢演算部 9 bで求めたパ'ケ ッ卜の先端位置及び目標シリンダ速度演算部 9 cで求めた目標シリンダ速度と、 制御ユニット 9に記憶してある先の L 1， L 2, L 3等の各部寸法とからバケツ ト 1 cの先端の目標速度べクトル Vcを求める。 このとき、 目標速度べクトル V 。は、 まず図 4に示す XY座標系で計算し、 次いで車体が傾いている場令は、 図 4に示す XbYb座標系に変換される。 また、 掘削領域の境界が角度 0 r傾いて いる場合 （後述の図 12、 図 16に示す実施形態参照） を考慮し、 最終的に Xb Yb座標系を 0 r回転させた図 4に示す XcYc座標系の値として求める。 この ように、 目標速度ベクトル Vcは車体基準点〇を基準として計算される。 ここで、 Xc Yc座標系での目標速度べクトル Vcの Xc座標成分 Vc Xは目標速度べク トル Vcの設定領域の境界に平行な方向のべクトル成分となり、 Yc座標成分 V c yは目標速度べクトル Vcの設定領域の境界に垂直な方向のべクトル成分とな る。
方向変換制御部 9 eでは、バケツト 1 cの先端が設定領域内でその境界近傍に あり、 目標速度べクトル Vcが設定領域の境界に接近する方向の成分を持つ場合、 垂直なべクトル成分を設定領域の境界に近づくにつれて減じるように補正する。 換言すれば、 上記の垂直方向のべクトル成分 V c yにそれよりも小さい設定領域 から離れる方向のべクトル（逆方向べクトル） を加える。
ここで、 方向変換制御部 9 eではバケツト 1 cの先端と設定領域との境界との 距離を知る必要がある。 このため、 設定領域の境界上に原点を持ち、 当該境界上 の直線を一軸とする X a Y aの直交座標系を設定し、 この X a Y a座標系でのバ ケット線の先端位置を計算する。 この X a Y a座標系は、 第 2掘削領域設定部 9 nで求めた車体基準点 0に対する掘削領域の境界面の深さ h sだけ X c Y c座標 系を平行移動した座標系であり、 XaYa座標系でのバケツ卜の先端位置は簡単 に求まる。 そして、 この XaYa座標系での Y a座標値 （以下、 単に Yaと記す） がバケツト 1 cの先端と設定領域との境界との距離になる。
以上により方向変換制御部 9 eでは、 距離 Yaが小さくなるにしたがって垂直 方向のべクトル成分 V c yの減少量が大きくなるようべクトル成分 V c yが減じ られ、 目標速度ベクトル Vcは目標速度ベクトル Vc aに補正される。 ここで、 設定領域の境界から距離 Y a 1の範囲は方向変換領域または減速領域と呼ぶこと ができる。
バケツト 1 cの先端が上記のような補正後の目標速度べクトル V c aの通りに 方向変換制御されたときの l の一例を図 9に示す。 目標速度べクトル V cが斜 め下方に一定であるときには、 その平行成分 V c Xは一定となり、 垂直^^ V c yはバケツト 1 cの先端が設定領域の境界に近づくにしたがって （距離 Y aが小 さくなるにしたがって）小さくなる。 補正後の目標速度べクトル V c aはその合 成であるので、 軌跡は図示のごとく設定領域の境界に近づくにつれて平行となる 曲線状となる。
補正後目標シリンダ速度演算部 9 fでは、 方向変換制御部 9 eで求めた補正後 の目標速度べクトルからブームシリンダ 3 a及びアームシリンダ 3 bの目標シリ ンダ速度を演算する。 これは目標先端速度べクトル演算部 9 dでの演算の逆演算 である。
ここで、 方向変換制御を行う場合は、 その方向変換制御に必要なブームシリン ダ及びアームシリンダの動作方向を選択し、 その動作方向における目標シリンダ 速度を演算する。 一例として、 手前方向に掘削しょうとしてアームクラウドをす る場合（アームクラウド操作） と、 ブーム下げ'アームダンプの複合操作でバゲ ット先端を押し方向に操作した場合（アームダンプ複合操作） について説明する。 アームクラウド操作の場合は、 目標速度べクトル V cの垂直成分 V c yの減じ 方に、
( 1 ) ブーム 1 aを上げることで減じる方法；
( 2 ) アーム l bのクラウド動作を減速して減じる方法；
( 3 ) 両者を組み合わせることにより減じる方法；
の 3通りがあり、 （3 ) の組み合わせる場合、 その組み合わせの割合はそのとき のフロント装置の姿勢、 水平方向のベクトル成分等に応じて異なる。 いずれにし てもこれらは制御ソフトで決まる。 本実施例では復元制御と併用するので、 ブー ム 1 aを上げることで減じる方法を含む（1 ) 又は （3 ) カ好ましく、 動作の滑 らかさという点で （3 ) が最も好ましいと考えられる。
アームダンプ複合操作では、 アームを車体側の位置 （手前の位置） からダンプ 操作する場合に設定領域の外に出る方向の目標べクトルを与えることになる。 し たがって、 目標速度べクトル V cの垂直成分 V c yの減じるためには、 ブーム下 げを減速又はブーム上げに切換え、 アームダンプを減速する必要がある。 その組 み合わせも制御ソフ卜で決まる。
復元制御部 9 gでは、 バケツト 1 cの先端が設定領域の外に出たとき、 設定領 域の境界からの距離に関係して、 バケツト先端が設定領域に戻るように目標速度 べクトルを補正する。 換言すれば、 垂直方向のべクトル成分 V c yにそれよりも 大きな設定領域に接近する方向のべクトル（逆方向べクトル） を加える。 この場 合も、 X a Y a座標系でのバケツト線の先端位置を計算し、 その Y a座標値をバ ケット 1 cの先端と設定領域との境界との距離とする。 このように目標速度べク トル V cの垂直方向のべクトル成分 V c yを補正することにより、 距離 Y aが小 さくなるにしたがって垂直方向のべクトル成分 V c yが小さくなるよう、 目標速 度べクトル V cは目標速度べクトル V c aに補正される。
バケツト 1 cの先端が上記のような補正後の目標速度べクトル V c aの通りに 復元制御されたときの軌跡の一例を図 1 0に示す。 目標速度べクトル V cが斜め 下方に一定であるときには、 その平行成分 V c Xは一定となり、 また復元べクト ルー K Y aは距離 Y aに比例するので垂直成分はバゲット 1 cの先端が設定領域 の境界に近づくにしたがって （距離 Y aが小さくなるにしたがって） 小さくなる。 補正後の目標速度べクトル V c aはその合成であるので、 軌跡は図 1 0のように 設定領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。
このように復元制御部 9 gではバケツト 1 cの先端が設定領域に戻るように制 御されるため、 設定領域外に復元領域が得られることになる。 また、 この復元制 御でも、 バケツト 1 cの先端の設定領域の境界に接近する方向の動きが減速され ることにより、 結果としてバケツト 1 cの先端の移動方向が設定領域の境界に沿 つた方向に変換され、 この意味でこの復元制御も方向変換制御ということができ る o
補正後目標シリンダ速度演算部 9 hでは、 復元制御部 9 gで求めた補正後の目 標速度べクトルからブームシリンダ 3 a及びアームシリンダ 3 bの目標シリンダ 速度を演算する。 これは目標先端速度べクトル演算部 9 dでの演算の逆演算であ る。
ここで、 復元制御を行う場合は、 その復元制御に必要なブームシリンダ及びァ 一ムシリンダの動作方向を選択し、 その動作方向における目標シリンダ速度を演 算する。 ただし、 復元制御ではブーム 1 aを上げることでバケツト先端を設定領 域に戻すため、 ブーム 1の上げ方向が必ず含まれる。 その組み合わせも制御ソフ 卜で決まる。
目標シリンダ速度選択部 9 iでは目標シリンダ速度演算部 9 fで得た方向変換 制御による目標シリンダ速度と目標シリンダ速度演算部 9 hで得た復元制御によ る目標シリンダ速度の値の大きい方（最大値） を選択し、 出力用の目標シリンダ 速度とする。
目標パイ口ット圧演算部 9 jでは、 目標パイ口ット圧としてパイロットライン 4 4 a， 4 4 b ; 4 5 a , 4 5 bの目標パイロット圧を計算する。
バルブ指令演算部 9 kでは、 目標パイロッ卜圧演算部 9 jで計算した目標パイ ロット圧に応じた指令値を演算し、 対応する電気信号が比例電磁弁 1 0 a , 1 0 b， 1 1 a , 1 1 bに出力される。
以上の本実施形態においては、 オペレータの意志でフロント基準 7 0を外部基 準 8 0に一致させ、 外部基準設定スィッチ 7 1を押すごとに外部基準 8 0と車体 1 Bの位置関係を補正して車体と掘削領域の位置関係を演算し、 車体を基準とし た掘削領域を設定するため、 車体の移動による高さ変化をその都度オペレータの 意志で補正して掘削作業が行える。 このため、 車体が移動し車体高さが変化して も掘削領域の設定は変化せず、 常に外部基準 8 0を基準とした所定の深さを掘削 することができる。
また、 フロント基準 7 0を実際に地面に作用する部材であるバケツトを備えた フロン卜装置 1 Aのバケツト先端に近いところであるアーム 1 bに設定し、 この フロント基準 7 0と外部基準 8 0力、'一致し、 外部基準設定スィツチ 7 1が押され たときのフロン卜装置 1 Aの位置と姿勢に基づき車体 1 Bを基準とした掘削領域 を設定するので、 この掘削領域の設定に際して掘削領域設定演算と掘削制御演算 とで車体 1 Bの製作公差や、 フロント基準部材 7 0、 角度センサ 8 a〜8 c等の 精度、 取付け公差の誤差の が相殺される。 このため、 掘削制御に際してバゲ ット 1 cの先端の位置を演算するとき、 基準光を車体に設置したセンサで検出す る従来方法に比較して、 上記公差や精度の誤差の影響が少なくなり、 設定した掘 削領域との差を少なく設定通りに正確に掘削することができる。
今、 このことを更に説明する。 特開平 3— 295933号公報に記載の従来技 術では、 前述したように基準光による車体高さの補正は行える。 掘削を行うとき には車体高さを補正し、 車体基準点◦から設定された深さ h sにバケツト先端を 動かすように制御する。 このとき、 制御装置は記憶装置に記憶されているブーム、 アーム、 バゲットの寸法 L 1, L 2, L 3及び角度センサから検出された各フロ ント部材の角度な， β， 7を用いバゲット先端が h sの位置になるように制御演 算を行う。 しかし、 実際のフロント部材には製作誤差があり、 例えばブームは L 1 + el アームは L 2 + eL2、 バゲットは L 3 + eL3の寸法になっている。 ま た、 センサから検出した角度 α， β, 7は真の角度 α' , β' , 7' に対してセ ンサ取り付け誤差、 センサ自身の検出誤差等により ε ， ε β, £ 7の誤差を含 んでいる。 そのため、 制御装置が、
h s (L l， L 2, L 3, a (hs), ； S(hs), γ (hs))
にバケツト先端を制御しょうとしても、 実際には
h s' (L 1' , L2' ， L3' ， a' (hs), β' (hs), γ' (hs)) =h s ' (L 1 + eLl, L 2 + e L2, L 3 + ε L3, a(hs)+ ε a,
yS(hs)+£ yS, 7( s)+e 7) ··· (6)
の位置になってしまう。
ここで、 L 1， L 2, L 3 ：設計値
, β, γ ：検出値
L I' L 2' L 3' , α' , β' , γ' ：実際値
£L1, eL2, eL3, ε α, ε β, εァ ：誤差 また、 L I' = L 1 + ε LI
L 2' = L 2 + ε L2
L 3' = L 3 + ε L3
a = a' + ε a
β = β' + ε β 7 = 7 ' + ε 7
ただし、 a(hs), yS(hs), r (hs), a' (hs), β' (hs), y' (hs)は フロン卜装置が深さ h s検出の姿勢をとったときの角度の検出値と実際値。 例えば、 目標のブーム角が 30° とすると、 制御装置は検出値 a(hs)=30。 になるようにフロント装置を制御する。 このとき、検出値 と実際の角度 に £ α = 0. 5° の誤差が合った場合には、 実際には = 3 0. 5° の位置に制 御されてしまう。
一方、 本実施形態ではフロント装置 （アーム） にフロント基準 70を設けてい るので、 フロント基準 70が外部基準 8 0と一致したときの位置 h f は制御ュニ ット 9の内部では、
h f (L I, L f , a (hi), ;8(hf)， Θ f )
で演算された位置と認識される。 その時の実際のフロント基準 70は、
h f ' (L I' , L f ' , a' (hf)， β' (hf), θ ί' )
=h f ' (L 1 + εΠ, L f + ε Lf , a(hf)+ e a, β(ιί + ε β, θ f + ε θ f
の位置にある。 このときのパ'ケット先端の位置は、
(L 1' , L 2' ， L 3' , a' (hf), (hf), γ' (hf)) = (L 1 + eLl, L 2 + £Lf, L 3 + £L3, a (hf)+ ε a (hf),
^(hf)+£ ^(hf), r(hf)+ e r(hf)) - (7)
の位置になっている。
ここで、 ε 6> f ： フロント基準 70の取り付け誤差
（hf)， yS(hf), ァ（hf)：フロント装置が h f検出の姿勢をと つたときの角度の検出値
a' (hf), β' (hf), γ' (hf)：フロント装置が h f検出の姿 勢をとつたときの角度の実際値
このとき、 フロント基準 70は真の外部基準 8 0の位置にあるので、 制御ュニ ット 9は誤差を含んだ形で真の外部基準 8 0の位置を検出したことになる。 この h fを領域制限制御に用いれば、 制御ュニット 9内の検出位置 h f と実際の位置 h f ' の誤差は h f を検出したときと同じ誤差を含んでいるので、 実際には相殺 されて真の h f ' の位置に一致する。
例えば、 外部基準 80を検出したときに実際のブーム角 α' =30° であった とし、 センサ 8 aによる検出値に £な =0. 5° の誤差があるとすると、. α = 2 9. 5° で検出される。 この検出値な =29. 5° を用いれば、 実際には α' = 30° の位置、 つまり外部基準 80の真の位置と一致するので、 誤差は相殺され る。
次に、 領域制限制御を行うときにこの h f を用いて補正された h sを目標にバ ケット先端位置を制御すると、 少なくとも h f に内在されている誤差は先に述べ たように実際の外部基準位置から考えると相殺され、 残りは h f を検出したとき の姿勢からバケツト先端を h sに移動するまでのセンサの誤差によるものになる。 このとき実際には、 バケツト先端は、
h s' (L I' ， L 2' , L 3' ， a' (hs)， β' (hs), γ' (hs)) = h s' (L 1 + eLl, L 2 + ε L2, L 3 + ε L3, a(hs)+ e a(hs), ;S(hs)+£ y8(hs), ァ（hs) + £ 7 (hs)) - (8) に ¾><Οο
ここで、 a(hs)， 8(hs), ァ（hs)：フロント装置が h sの制御姿勢をと つたときの角度の検出値
a' (hs), β' (hs), γ' (hs)：フロント装置が h sの制御姿 勢をとつたときの角度の実際値
このとき、 本実施形態では （7) 式に従い h f検出時の位置は外部基準 80の 真の位置であるので、 従来技術と異なり、 h f検出時から h sへ姿勢を制御した ときの偏差 （hs)—な（hf), /3(hs)— ySQif), ァ（hs)—ァ（hf)に係わる誤差、
ε α = ε a (hs)- ε (hf ) … ( 9 )
厶 ε yS= £ /SQis)— ε /S(hf) - ( 1 0)
厶 £ァ=£ァ（hs)— ε r( f) … (1 1)
が実際に領域制限制御を行ったときの誤差に係わり、 軽微なものとなる。 また、 本実施形態では、 フロント基準 70をフロント装置 1 Aに備えて、 外部基準位置 設定時と掘削時の姿勢変化を極力少なくすることができ、 その場合は （9) 〜 (1 1) 式に係わる誤差は更に少なくすることができる。 なお、 後述するダイレクトティ一チングによる場合は、 h rを設定する場合の 誤差も設定時に取り込み、 制御時に操作できることからより正確な掘削の制御が できる。
次に、 本実施形態では、 フロント装置 1 Aの位置と姿勢を検出する角度センサ 8 a〜8 cの誤差の影響を受け難いので、 車体が移動して車体高さが変化するこ とにより車体からの掘削深さが変化しても、 その掘削深さの変化量に対する角度 センサ 8 a〜 8 cの誤差の影響が少なくなり、 車体高さが変化する前と後で掘削 深さが変化することが防止される。
更に、 特開平 3 - 2 9 5 9 3 3号公報に記載の従来技術では、 車体に備えられ た基準光検出器が基準光を検出できる広い範囲にあることが必要である。 本実施 形態では、 フロント装置 1 Aを操作しフロント基準 7 0を外部基準 8 0と一致さ せ、 外部基準設定スィツチ 7 1を押して設定するので、 フロント装置 1 Aに備え られるフロント基準部材 7 0は矢印鋼板等、 小型でシンプル部材でよく、 大がか りで複雑なセンサを要することなく車体の移動を補正できる。
同様に、 フロント装置 1 Aを操作しフロント基準 7 0を外部基準 8 0と一致さ せ、 外部基準設定スィッチ 7 1を押して設定するので、 フロント装置 1 Aの広い 可動範囲を考えれば車体の移動を広い範囲で補正できる。
また、 上述した領域制限掘削制御では、 車体基準点 0を基準としてバケツト 1 cの先端の目標速度べクトル V cを計算し、 この目標速度べクトル V cを補正す ることによりフロント装置 1 Aの動きを制御するため、 掘削制御中は目標速度べ クトル V cに関する種々の制御量が車体基準で計算する必要がある。 本実施形態 の設定装置においては、 第 1設定手段 1 0 0に加えて第 2演算手段 1 4 0と第 2 設定手段 1 6 0を設け、 第 2演算手段 1 4 0で第 1設定手段 1 0 0で設定した外 部基準 8 0と掘削領域の位置関係 （深さ h r ) を補正して車体 1 Bと掘肖 U領域の 位置関係 （深さ h s ) を演算し、 第 2設定手段 1 6 0で掘削制御と同じ車体基準 にて掘削領域を設定するため、 第 2設定手段 1 6 0による掘削領域の設定データ h sをそのまま掘削制御中の演算に使用し、 掘削制御の演算を単純化できる。 よ つて、 制御ュニット 9の限られたメモリ容量の中で瞬時に必要な計算を行うこと ができ、 遅れのない信頼性の高い領域制限掘削制御を行うことができる。 更に、 フロント基準 7 0が外部基準 8 0と一致したとき押される外部基準設定 スィッチ 7 1が設けられ、 オペレータがフロント装置 1 Aを動かし、 フロント基 準が外部基準と一致したときに外部基準設定スィッチを操作することにより、 第 2演算手段 1 4 0では事前に掘削領域の設定演算が行われる。 このため、 掘削制 御中には掘削領域の設定演算が不要となり、 掘削制御中の計算量が減少し、 より 遅れのな 、信頼性の高 L、領域制限掘削制御を行うことができる。
また、 特開平 3— 2 9 5 9 3 3号公報に記載の従来技術では、 上記のように車 体に備えられた基準光検出器が基準光を検出できる範囲にあることが必要であり、 基準光検出器の大きさを考えれば大きな制約となる。 本実施形態では、 フロント 基準部材 7 0はフロント装置 1 A、 特にアームに備えられるので、 フロント装置 の広 、可動範囲を考えれば外部基準部材 8 0の設置場所は大きな制約を受ない。 このことは、 例えば図 1 1に示すように、 車体 1 Bと同じ高さの地面に適当な外 部基準部材の設置場所がなしヽ場合に、 溝 Gの中に外部基準部材 8 0を設置するこ とができるなどのメリットがある。 また、 このことにより先の誤差の問題から外 部基準に位置合わせするときの姿勢と掘削時の姿勢との間の変化を少なくするよ うに外部基準部材 8 0を設置することができ、 掘削の精度を向上することができ 更に、 本実施形態によれば、 作業の初めに外部基準部材 8 0 (水糸、 クイ、 レ ーザ燈台など） を設置し、 設定器 7を用いて設定を行っておけば、 作業開始時、 あるいは油圧ショベル本体を走行して移動するごとにバケツト 1 cの先端を掘削 領域の境界に位置決めするための補助員が不要となる。 また、 補助員の指示によ る設定にかかる時間を無くすことができ、 作業時間を短縮できる。
また、 外部基準部材 8 0は車体の外部に設置され、 一度設置されればその位置 を変える必要がなく、 車体が移動しても掘削領域の基準として継続的に使用でき る。
なお、 本実施形態では外部基準部材を水平に設置する場合を述べたが、 外部基 準部材は必ずしも水平に設置する必要はなく、 工事の必要性で傾きを持たせて段 々に掘削をし、 大まかに勾配をつけた掘削をしても良 、。
本発明の第 2の実施形態を図 1 2〜図 1 5により説明する。 本実施形態は領域 制限掘削制御の掘削領域設定装置において、 掘削領域として角度を持った掘削領 域を設定するものである。
図 1 2において、 本実施形態の第 1掘削領域設定部 9 a (図 8参照；図 5の第 1設定手段 1 0 0に相当） では図 1 3に示す設定器 7 Aを用いて、 外部基準 8 0 から掘削領域の基準点 Pまでの深さ h rと、 車体基準点 0から基準点 Pまでの距 離 h r x、 掘削領域の境界の傾斜角度 0 rを入力し設定する。 従って、 この場合 は、 設定器 7 Aを地表から掘削領域の基準点 Pまでの深さ h d、 車体基準点 0か ら基準点 Pまでの距離 h r x、 掘削領域の境界の傾斜角度 0 rのいずれを入力す るかを選択する選択ボタン 7 c， 7 g , 7 dを有する構造とする。
図 1 4に第 1掘削領域設定部 9 aの処理フローを示す。 オペレータが深さ h d、 距離 h r x、角度 0 rを入力すると、 処理 1 0 1 , 1 0 2では先の実施形態と同 様に領域設定スィッチ 7 fが押されたがどうかを顧し、 外部基準 8 0から設定 領域の基準点 Pまでの深さ h r先の （ 1 ) 式で演算し、 処理 1 0 3で深さ h r、 距離 h r x、角度 Θ rを記憶する。
また、 第 2掘削領域設定部 9 n (図 8参照；図 5の第 2設定手段 1 6 0に相当） では、 図 1 5に示した掘削領域設定の処理フローの処理 1 4 1〜： I 4 5において 先の実施形態と同様にフロント基準 7 0と外部基準 8 0の位置を一致させ、 外部 基準設定スィツチ 7 1を押したときに車体基準点 0から掘削領域の基準点 Pまで の深さ h sを演算し、 処理 1 6 1 Aにおいて距離 h r x及び角度 0 rを読み込み、 深さ h sとこれらの値を記憶し、 図 1 2に示すような車体を基準とした掘削領域 の設定を行う。
この実施形態によれば、 紙面垂直方向に油圧ショベルを移動させつつ領域制限 掘削制御をするとき第 1の実施形態と同様の効果が得られる。 また、 勾配を付け た掘削領域を設定して領域制限掘削制御を行うことにより上下水道管の埋設用の 溝掘りのような作業が容易に行えるようになる。
本発明の第 3の実施形態を図 1 6〜図 1 8により説明する。 本実施形態は第 1 及び第 2実施形態の第 1設定手段 1 0 0 (図 5参照） における外部基準 8 0と掘 削領域との位置関係の設定をダイレクトティ一チングで行うものである。
すなわち、 第 1及び第 2の実施形態では、 第 1設定手段 1 0 0において外部基 準 8 0から掘削領域の境界までの深さ h rあるいは車体基準点 0から掘削領域の 基準点 Pまでの距離 h r xを設定器 7のアップボタン 7 a， 7 b (図 3参照） を 使用して設定した。 本実施形態では、 オペレータの操作レバーの操作でバケツト 1 cの先端を図 1 6に二点鎖線で示すように設定したいところに動かして、 その 場所をダイレクトティ一チングすることにより深さ h rあるいは距離 h r Xを設 定する。
図 1 7に掘削領域のダイレク卜ティーチングによる設定方法の処理フローを示 す。 図中、 破線で囲んだ部分①， ②は油圧ショベルのオペレータが行わなくては ならない操作を示す。
まず、 オペレータは図 1 7の①に示すように、 操作レバーを操作してバケツト 1 cの先端を掘削領域の設定点 Pに来るようにフロン卜装置 1 Aを動かす。 バゲ ット 1 cの先端が基準点 Pに来ると、 オペレータは設定器 7の領域設定スィッチ 7 f (図 3参照） を押す。 ·
制御ュニット 9 (図 1参照） では、 処理 1 9 0において領域設定スィッチ 7 f が押されたかどうかを判定し、 押されていない場合は処理 1 9 0を継続する。 領 域設定スィッチ 7 f が押されると処理 1 9 1へ移る。
処理 1 9 1ではその時のフロント装置 1 Aの姿勢から、 車体基準点 0からのバ ケット 1 cの先端までの深さ h s、 距離 h r xを演算する。
次に、 オペレータは図 1 7の②に示すように、 再び操作レバーを操作してフロ ント基準 7 0が外部基準 8 0に一致するようにフロント装置 1 Aを動かす。 制御ュニットはその間に処理 1 9 2において外部基準設定スィッチ 7 1が押さ れたかどうかの判定を継続する。 ここで、 フロント基準 7 0と外部基準 8 0がー 致して、 オペレータにより外部基準設定スィッチ 7 1が押されると処理 1 9 3へ 移る。
処理 1 9 3では、 その時のフロント装置 1 Aの姿勢から車体基準点 0からフロ ント基準 7 0までの高さ h f oを演算する。
次に処理 1 9 4において外部基準 8 0から掘削領域の境界までの深さ h rを、 h r = h s - h f o - ( 1 2 ) の演算により求める。 最後に、 処理 1 9 5において、 上記のようにして求めた深さ h rを記憶し、 設 定を完了する。 また、 第 2の実施形態のように勾配を持つ掘削領域を設定を設定 する場合には、 更に操作器 7でを用いて角度 0 rを入力し、 深さ h rと距離 h r xと角度 0 rとを記憶し、 図 1 6に二点鎖線で示すような掘削領域を設定する。 以上のように外部基準 8 0を基準とした掘削領域の設定が完了すると、 掘削制 御を開始する。 本実施形態の第 1設定手段以外の構成は第 1の実施形態と同じで あり、掘削作業に際しては図 5に示す第 1演算手段 1 2 0、第 2演算手段 1 4 0 及び第 2設定手段 1 6 0により、 図 1 8に示すように処理 1 9 4で求めた h rま たは処理 1 9 1， 1 9 4で求めた h r X， h rと角度 0 rを使用し、 車体が移動 してオペレータによりフロント基準 7 0と外部基準 8 0の位置が一致して外部設 定スィッチ 7 1が押されるごとに補正値 h f を求めて深さ h sを更新し、 車体を 基準とした掘削領域を設定しつつ領域制限掘削制御を行う。 ： 本実施形態によればダイレク卜ティ一チングにより掘削領域を設定するので、 作業状況に合わせて所望の掘削領域を正確に設定することができる。 産業上の利用可能性
( 1 ) 本発明によれば、 車体が移動し作業現場の地形の変化で油圧ショベルの 高さが変化しても、 常に外部基準を基準とした所定の深さを掘削することができ、 例えば水平な掘削面を設定した場合には、 地面が傾斜していても、 車体を移動し つつ水平な面を掘削することができる。
また、 掘削時に、 基準光を車体に設置したセンサで検出する方法に比較して、 車体の製作公差ゃセンサ等の精度、 取付け公差の誤差の影響を受難く、 設定した 掘削領域との差を少なく掘削することができる。
また、 センサの誤差の影響を受け難いので、 車体の移動により車体からの掘削 深さが変化しても、 掘削するバケツト先端点に近い所で外部基準とフロント基準 を一致させ、 設定を更新するので、 車体高さが変化する前と後で掘削深さが変化 することが防止できる。
更に、 フロント基準部材は矢印マークのように小型でシンプノレな部材でよいの で、 大がかりで複雑な光センサを要することなく車体の移動を補正できる。 また、 フロント基準部材を設置したフロント装置の広い可動範囲を考えれば車 体の移動を広し、範囲で補正できる。
また、 掘削制御の目標速度べクトルの計算と同じ車体基準で掘削領域を設定す るので、 車体基準で演算を行う掘削制御に適した掘削領域の設定が行え、 掘削制 御中の計算を単純化でき、 遅れのない信頼性の高い領域制限掘削制御を行うこと ができる。
( 2 ) また、 本発明によれば、 フロント基準が外部基準と一致したときに外部 基準設定スィツチを操作することで掘削領域の設定演算を行わせるので、掘削制 御中には掘削領域の設定演算が不要となり、 掘削制御中の計算量が減少し、 より 遅れのない信頼性の高い領域制限掘削制御を行うことができる。
( 3 ) また、 本発明によれば、 制限領域との境界を水平面とした掘削領域を設 定できる。 一
( 4 ) 更に、 本発明によれば、 勾配を付けた掘削領域を設定して領域制限掘削 制御を行うことにより上下水道管の埋設用の溝掘りのような作業が容易に行える ようになる。
( 5 ) また、 本発明によれば、 操作器を用いて作業の初めに第 1設定手段の設 定を行っておけば、 作業開始時、 あるいは車体を走行して移動するごとにフロン ト装置を掘削領域の境界に位置決めするための補助員が不要となる。 また、 補助 員の指示による設定にかかる時間を無くすことができ、 作業時間を短縮できる。
( 6 ) 更に、 本発明によれば、 ダイレクトティーチングにより第 1設定手段の 設定を行うので、 作業状況に合わせて所望の掘削領域を正確に設定することがで さる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 多関節型のフロント装置 (1A)を構成する上下方向に回動可能な複数のフロ ント部材 (la，lb，lc)と、 前記フロント装置を支持する車体 (1B)とを備え、 この車 体を基準としてフロント装置の制御用の目標速度べクトル (Vc)を計算し、 この目 標速度べクトルを補正することにより、 フロント装置が予め設定した掘削領域の 境界に近づくとフロント装置の当該境界に接近する方向の移動 度を制限し、 当 該境界に沿ってフロント装置を動かす建設機械の領域制限掘削制御の掘肖 IJ領域設 定装置において、
( a ) 前記建設機械の外部に設置され、 掘削領域に対する基準位置となる外部 基準を与える外部基準部材 (80)と；
( b ) 前記フロント装置 (1A)に備えられ、 前記外部基準 (80)に前記フロント装 置を合わせる目標となるフロント基準を与えるフロント基準部材 (70)と；
( c ) 前記フ口ント装置 (1A)の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段 (8a, 8b，8c)と；
( d ) 前記検出手段の信号に基づき前記車体 (IB)を基準としたフロント装置 (1 A)の位置と姿勢を演算する第 1演算手段 (9b, 120)と；
( e ) 前記外部基準 (80)との位置関係 (hr)により前記掘削領域を設定する第 1 設定手段 (9a, 100)と；
( f ) 前記フ口ント基準 (70)が前記外部基準 (80)と一致したときに前記第 1演 算手段 (9b, 120)で演算した前記フロント装置 (1A)の位置と姿勢の情報に基づき前 記車体 (1B)と前記外部基準 (80)との位置関係 (hf)を演算し、 この車体と外部基準 との位置関係 (hf)と前記第 1設定手段 (9a， 100)で設定した外部基準と掘削領域の 位置関係 (hr)とから前記車体と掘削領域との位置関係 (hs)を演算する第 2演算手 段 (9¾ 140)と；
( g ) 前記第 2演算手段 (9m， 140)で演算した前記車体 (IB)と掘削領域との位置 関係 (hs)から前記車体を基準とした掘削領域 (hs)を設定する第 2設定手段 (9n， 16 0)と；
を備えることを特徴とする建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設 置。
2 . 請求項 1記載の建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置において、 ( f ) 前記フ口ント基準 (70)が前記外部基準 (80)と一致したときに操作される 外部基準設定スィッチ (71)；
を更に備え、 前記第 2演算手段 (9m, 140)は、 前記外部基準設定スィッチ (71)が 操作されたときに上記演算を行うことを特徴とする建設機械の領域制限掘削制御 の掘削領域設定装置。
3 . 請求項 1記載の建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置において、 前記第 1設定手段 (9a, 100)は、 前記外部基準 (80)から掘削領域の境界までの深さ (hr)を設定する手段であることを特徴とする建設機械の領域制限掘削制御の掘削
4 . 請求項 1記載の建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置において、 前記第 1設定手段 (9a, 100)は、 前記外部基準 (80)から前記掘削領域の基準点 (P)ま での深さ（hr)、 前記車体 (IB)から前記基準点までの距離 (hrx)、 前記掘削領域の境 界の傾斜角度（ Θ r)を設定する手段であることを特徴とする建設機械の領域制限掘 削制御の掘削領域設定装置。
5 . 請求項 1記載の建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置において、 前記第 1設定手段は (9a， 100)、 設定器 (7;7A)により入力されたデータを基に前記 外部基準 (80)と設定領域の位置関係 (hr)を設定する手段であることを特徴とする 建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置。
6 . 請求項 1記載の建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置にお Lヽて、 前記第 1設定手段 (9a， 100)は、 前記第 1演算手段 (9b, 120)で演算した前記フ口ン ト装置 (1A)の位置と姿勢の情報に基づき、 前記フロント装置を動かしフロント装 置の先端が設定領域の境界に来たときの前記フロント装置の先端の位置 (hs)を演 算する手段 (190， 191)と、 前記第 1演算手段 (9b， 120)で演算した前記フ口ント装置 (1A)の位置と姿勢の情報に基づき、 前記フロン卜装置を動かし前記フロント基準
(70)が前記外部基準 (80)に一致したときの前記フ口ント基準の位置 (hfo)を演算す る手段 (192， 193)と、 前記フロント装置の先端位置 (hs)と前記フロント基準 (70)の 位置 (hfo)とから前記外部基準と掘削領域の位置関係 (hr)を演算し、 記憶する手段 (194, 195)とを含むことを特徴とする建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定
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