WO2012127912A1 - 作業機制御システム、建設機械及び作業機制御方法 - Google Patents

作業機制御システム、建設機械及び作業機制御方法 Download PDF

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bucket
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work machine
control system
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徹 松山
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株式会社小松製作所
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    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant
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    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/439—Automatic repositioning of the implement, e.g. automatic dumping, auto-return

Definitions

  • the present invention relates to a work machine control system including a work machine and a construction machine including the work machine control system.
  • control device of Patent Document 1 corrects the operation signal input from the operator for the bucket operation so that the relative speed with respect to the design surface of the bucket decreases as the distance between the bucket and the design surface decreases. . In this way, bucket speed movement automatically moves the bucket along the design surface.
  • Patent Document 1 Even if the operator tries to stop the blade edge of the bucket at a position close to the design surface, the bucket automatically moves along the design surface regardless of the operation of the operator. Therefore, in order to set the cutting edge at a predetermined position, it is necessary to end the speed limitation. In addition, in the state where the speed limit is finished, the operator needs to manually set the cutting edge at a predetermined position.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a work machine control system, a construction machine, and a work machine control method capable of automatically switching between a forming mode and a cutting edge alignment mode.
  • the excavation control system includes a work machine, an operation tool, a work mode determination unit, and a drive control unit.
  • the work machine is constituted by a plurality of driven members including a bucket, and is rotatably supported by the vehicle body.
  • the operating tool receives a user operation for driving a work machine, and outputs an operation signal according to the user operation.
  • the work mode determination unit determines, based on the operation signal, whether the work mode of the work machine is a forming operation or a blade edge alignment operation.
  • the drive control unit moves the bucket along the design surface indicating the target shape to be excavated when it is determined that the work form is a forming work, and it is determined that the work form is a blade edge alignment work Stop the bucket at a predetermined position relative to the design surface.
  • the excavation control system includes a work machine, an internal pressure acquisition unit, a work mode determination unit, and a drive control unit.
  • the work machine is constituted by a plurality of driven members including a bucket, and is rotatably supported by the vehicle body.
  • the internal pressure acquisition unit acquires the internal pressure of the hydraulic cylinder that drives the work machine.
  • the work mode determination unit determines, based on the internal pressure, whether the work mode of the work machine is a forming operation or a blade edge alignment operation.
  • the drive control unit moves the bucket along the design surface indicating the target shape to be excavated when it is determined that the work form is a forming work, and it is determined that the work form is a blade edge alignment work Stop the bucket at a predetermined position relative to the design surface.
  • the excavation control system includes a work machine, a discharge pressure acquisition unit, a work mode determination unit, and a drive control unit.
  • the work machine is constituted by a plurality of driven members including a bucket, and is rotatably supported by the vehicle body.
  • the discharge pressure acquisition unit acquires the discharge pressure of the hydraulic pump that supplies the hydraulic oil to the plurality of hydraulic cylinders that drive the plurality of driven members.
  • the work mode determination unit determines, based on the discharge pressure, whether the work mode of the work machine is a forming operation or a blade edge alignment operation.
  • the drive control unit moves the bucket along the design surface indicating the target shape to be excavated when it is determined that the work form is a forming work, and it is determined that the work form is a blade edge alignment work Stop the bucket at a predetermined position relative to the design surface.
  • a work implement control method includes a plurality of driven members including a bucket, receives a user operation for driving a work implement rotatably supported by a vehicle main body, and receives the user operation A step of outputting a corresponding operation signal, a step of determining whether the work form of the work machine is a forming operation or a blade edge alignment operation based on the operation signal, and the operation form is a blade edge alignment operation And a step of stopping the bucket at a predetermined position based on the design surface, and after the bucket is stopped at the predetermined position, a predetermined driven member of the plurality of driven members is Moving the bucket along a design surface indicating a target shape to be excavated when a user operation for driving the drive member is received.
  • a work machine control system, a construction machine, and a work machine control method capable of automatically switching between a forming mode and a cutting edge alignment mode can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view of a hydraulic shovel 100.
  • FIG. 2 is a side view of the hydraulic shovel 100.
  • FIG. 2 is a rear view of the hydraulic shovel 100.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of a digging control system 200.
  • FIG. 10 is a schematic view showing an example of a designed terrain displayed on a display unit 29.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a design topography at a line of intersection 47
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a work implement controller 26. It is a schematic diagram which shows the positional relationship of the bucket 8 and the 1st design surface 451. As shown in FIG. It is a graph which shows the relationship between the speed limit U and the distance d. 5 is a flowchart for explaining the operation of the excavation control system 200.
  • FIG. 1 is a perspective view of a hydraulic shovel 100 according to the embodiment.
  • the hydraulic shovel 100 has a vehicle body 1 and a working machine 2. Further, the hydraulic control system 100 is mounted on the hydraulic shovel 100. The configuration and operation of the excavation control system 200 will be described later.
  • the vehicle body 1 has an upper revolving superstructure 3, a cab 4 and a traveling device 5.
  • the upper swing body 3 accommodates an engine, a hydraulic pump, and the like (not shown).
  • a first GNSS antenna 21 and a second GNSS antenna 22 are disposed on the rear end of the upper swing body 3.
  • the first GNSS antenna 21 and the second GNSS antenna 22 are antennas for RTK-GNSS (Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems, GNSS means Global Navigation Satellite System).
  • the operator's cab 4 is placed at the front of the upper swing body 3.
  • An operating device 25 to be described later is disposed in the cab 4 (see FIG. 3).
  • the traveling device 5 has crawler belts 5a and 5b, and the hydraulic shovel 100 travels when the crawler belts 5a and 5b rotate.
  • the work implement 2 is attached to the front of the vehicle body 1 and includes a boom 6, an arm 7, a bucket 8, a boom cylinder 10, an arm cylinder 11, and a bucket cylinder 12.
  • the base end of the boom 6 is pivotably attached to the front of the vehicle body 1 via a boom pin 13.
  • the proximal end of the arm 7 is pivotably attached to the distal end of the boom 6 via an arm pin 14.
  • the bucket 8 is pivotably attached to the tip of the arm 7 via a bucket pin 15.
  • the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 are hydraulic cylinders driven by hydraulic fluid.
  • the boom cylinder 10 drives the boom 6.
  • the arm cylinder 11 drives the arm 7.
  • the bucket cylinder 12 drives the bucket 8.
  • FIG. 2A is a side view of the hydraulic shovel 100
  • FIG. 2B is a rear view of the hydraulic shovel 100.
  • the length of the boom 6, ie, the length from the boom pin 13 to the arm pin 14 is L1.
  • the length of the arm 7, that is, the length from the arm pin 14 to the bucket pin 15 is L2.
  • the length of the bucket 8, that is, the length from the bucket pin 15 to the tip of the tooth of the bucket 8 (hereinafter, referred to as "cutting edge 8a”) is L3.
  • the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 are provided with first to third stroke sensors 16 to 18, respectively.
  • the first stroke sensor 16 detects the stroke length of the boom cylinder 10 (hereinafter referred to as “boom cylinder length N1”).
  • a display controller 28 (see FIG. 3) described later calculates the inclination angle ⁇ 1 of the boom 6 with respect to the vertical direction of the vehicle body coordinate system from the boom cylinder length N1 detected by the first stroke sensor 16.
  • the second stroke sensor 17 detects the stroke length of the arm cylinder 11 (hereinafter referred to as “arm cylinder length N2”).
  • the display controller 28 calculates the inclination angle ⁇ 2 of the arm 7 with respect to the boom 6 from the arm cylinder length N2 detected by the second stroke sensor 17.
  • the third stroke sensor 18 detects the stroke length of the bucket cylinder 12 (hereinafter referred to as "bucket cylinder length N3").
  • the display controller 28 calculates the inclination angle ⁇ 3 of the cutting edge 8a of the bucket 8 relative to the arm 7 from the bucket cylinder length N3 detected by the third stroke sensor 18.
  • the vehicle body 1 is provided with a position detection unit 19.
  • the position detection unit 19 detects the current position of the hydraulic shovel 100.
  • the position detection unit 19 includes the first and second GNSS antennas 21 and 22 described above, a three-dimensional position sensor 23, and an inclination angle sensor 24.
  • the first and second GNSS antennas 21 and 22 are spaced apart by a fixed distance in the vehicle width direction.
  • a signal corresponding to the GNSS radio wave received by the first and second GNSS antennas 21 and 22 is input to the three-dimensional position sensor 23.
  • the three-dimensional position sensor 23 detects the installation position of the first and second GNSS antennas 21 and 22.
  • the inclination angle sensor 24 detects an inclination angle ⁇ 4 in the vehicle width direction of the vehicle body 1 with respect to the gravity direction (vertical line).
  • FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the excavation control system 200.
  • the excavation control system 200 includes an operating device 25, a work machine controller 26, a proportional control valve 27, a display controller 28, and a display unit 29.
  • the controller device 25 receives an operator operation for driving the work machine 2 and outputs an operation signal according to the operator operation.
  • the controller 25 includes a boom manipulator 31, an arm manipulator 32, and a bucket manipulator 33.
  • the boom operation tool 31 includes a boom operation lever 31a and a boom operation detection unit 31b.
  • the boom control lever 31a receives the operation of the boom 6 by the operator.
  • the boom operation detection unit 31b outputs a boom operation signal M1 according to the operation of the boom operation lever 31a.
  • the arm control lever 32a receives the operation of the arm 7 by the operator.
  • the arm operation detection unit 32b outputs an arm operation signal M2 in accordance with the operation of the arm operation lever 32a.
  • the bucket operating tool 33 includes a bucket operating lever 33a and a bucket operation detection unit 33b.
  • the bucket control lever 33a receives the operation of the bucket 8 by the operator.
  • the bucket operation detection unit 33b outputs a bucket operation signal M3 according to the operation of the bucket operation lever 33a.
  • the work unit controller 26 acquires a boom operation signal M1, an arm operation signal M2 and a bucket operation signal M3 (hereinafter collectively referred to as “operation signal M” as appropriate) from the operation device 25.
  • the work machine controller 26 acquires the boom cylinder length N1, the arm cylinder length N2 and the bucket cylinder length N3 from the first to third stroke sensors 16 to 18.
  • the work machine controller 26 outputs a control signal based on the various information to the proportional control valve 27.
  • the work unit controller 26 executes the digging control for automatically moving the bucket 8 along the design surface 45 (see FIG. 4).
  • the work unit controller 26 corrects the boom operation signal M1 and outputs the corrected signal to the proportional control valve 27 as described later.
  • the work unit controller 26 outputs the arm operation signal M2 and the bucket operation signal M3 to the proportional control valve 27 without correction.
  • the function and operation of the work machine controller 26 will be described later.
  • the proportional control valve 27 is disposed between the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 and a hydraulic pump not shown.
  • the proportional control valve 27 supplies hydraulic fluid of a flow rate according to a control signal from the work implement controller 26 to the boom cylinder 10, the arm cylinder 11 and the bucket cylinder 12.
  • the display controller 28 includes a storage unit 28 a such as a RAM and a ROM, and an operation unit 28 b such as a CPU.
  • the storage unit 28a stores work machine data including the length L1 of the boom 6, the length L2 of the arm 7, and the length L3 of the bucket 8 described above.
  • the work implement data includes the minimum value and the maximum value of the tilt angle ⁇ 1 of the boom 6, the tilt angle ⁇ 2 of the arm 7, and the tilt angle ⁇ 3 of the bucket 8, respectively.
  • the display controller 28 can communicate with the work machine controller 26 by wireless or wired communication means.
  • the storage unit 28a of the display controller 28 stores in advance design topography data indicating the shape and position of the three-dimensional design topography in the work area.
  • the display controller 28 causes the display unit 29 to display the design topography based on the design topography and the detection results from the various sensors described above.
  • FIG. 4 is a schematic view showing an example of the designed terrain displayed on the display unit 29.
  • the design topography is constituted by a plurality of design surfaces 45 which are respectively represented by triangular polygons.
  • Each of the plurality of design surfaces 45 indicates the target shape of the digging target by the work machine 2.
  • the operator selects one of the plurality of design surfaces 45 as a target design surface 45A.
  • the work machine controller 26 moves the bucket 8 along a line 47 between the plane 46 passing the current position of the cutting edge 8a of the bucket 8 and the target design surface 45A.
  • reference numeral 45 only one of the plurality of design surfaces is denoted by reference numeral 45, and the reference numerals of the other design surfaces are omitted.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the design topography at the intersection line 47, and is a schematic view showing an example of the design topography displayed on the display unit 29.
  • the design topography according to the present embodiment includes a target design surface 45A and a speed limit intervention line C.
  • the target design surface 45 ⁇ / b> A is an inclined surface located on the side of the hydraulic shovel 100. The operator moves the bucket 8 downward from above the target design surface 45A.
  • the speed limit intervention line C defines an area where the speed limit described later is performed. As described later, when the cutting edge 8a intrudes inside the speed limit intervention line C, the speed control by the excavation control system 200 is performed.
  • the speed limit intervention line C is set at the position of the line distance h from the target design surface 45A.
  • the line distance h is preferably set to a distance that does not impair the feeling of operation of the work machine 2 by the operator.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the work machine controller 26.
  • FIG. 7 is a schematic view showing the positional relationship between the bucket 8 and the target design surface 45A.
  • the work machine controller 26 includes a relative distance acquisition unit 261, a speed limit determination unit 262, a relative speed acquisition unit 263, a work mode determination unit 264, and a drive control unit 265.
  • the relative distance acquisition unit 261 acquires the distance d between the cutting edge 8a and the target design surface 45A in the vertical direction perpendicular to the target design surface 45A, as shown in FIG.
  • the relative distance acquisition unit 261 receives the design topography data acquired from the display controller 28 and the current position data of the hydraulic shovel 100, the boom cylinder length N1 acquired from the first to third stroke sensors 16 to 18, the arm cylinder length N2 and the bucket
  • the distance d can be calculated based on the cylinder length N3.
  • the relative distance acquisition unit 261 outputs the distance d to the speed limit determination unit 262. In the present embodiment, since the distance d is smaller than the line distance h, the cutting edge 8a intrudes inside the speed limit intervention line C.
  • the speed limit determination unit 262 acquires the speed limit U according to the distance d.
  • the limit speed U is a speed that is uniformly determined according to the distance d.
  • the speed limit U is maximized when the distance d is equal to or greater than the line distance h, and becomes smaller as the distance d becomes smaller than the line distance h.
  • the speed limit determination unit 262 outputs the speed limit U to the drive control unit 265.
  • the direction approaching the target design surface 45A is a negative direction.
  • the relative speed acquisition unit 263 calculates the speed Q of the cutting edge 8 a based on the operation signal M acquired from the operation device 25. Further, as shown in FIG. 7, the relative speed acquisition unit 263 acquires the relative speed Q1 of the cutting edge 8a with respect to the target design surface 45A based on the speed Q. The relative velocity acquisition unit 263 outputs the relative velocity Q1 to the drive control unit 265. In the present embodiment, the relative velocity Q1 is larger than the limit velocity U.
  • the work form determination unit 264 determines whether the work form of the work machine 2 is a forming work or a blade edge alignment work based on the operation signal M acquired from the operating device 25.
  • the forming operation is an operation of leveling along the target design surface 45A by moving the cutting edge 8a along the target design surface 45A.
  • the forming operation includes, for example, a slope forming operation for forming a slope of cut soil or fill.
  • the arm 7 is often driven by the operator.
  • the cutting edge alignment operation is an operation of setting the cutting edge 8a at the start position of the next operation by stopping the cutting edge 8a at a predetermined position based on the target design surface 45A.
  • the blade edge alignment operation includes, for example, a set of the blade edge 8a at the start position of the slope forming operation.
  • the predetermined position can be set at any position on the target design surface 45A or at any position separated from the target design surface 45A toward the hydraulic shovel 100. Such a predetermined position is adjusted by the value of the vertical distance when the speed limit is "0" in the graph of FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 8, since the value of the vertical distance when the speed limit is "0" is "0", the predetermined position is set on the target design surface 45A. When the predetermined position is set at a position separated from the target design surface 45A, the vertical distance from the target design surface 45A to the predetermined position is small (that is, the stop position of the cutting edge 8a is adjacent to the target design surface 45A) Preferred).
  • the operation mode determination unit 264 determines that the operation mode of the work machine 2 is a forming operation.
  • the operation type determination unit 264 determines that the operation type of the work machine 2 is the blade edge alignment operation.
  • the work mode determination unit 264 notifies the drive control unit 265 of the determination result.
  • the drive control unit 265 executes speed limitation that limits the relative velocity Q1 of the cutting edge 8a to the target design surface 45A to the limitation velocity U.
  • the drive control unit 265 corrects the boom operation signal M1 and proportionally controls the corrected boom operation signal M1. It outputs to the valve 27.
  • the speed of the blade edge 8a in the vertical direction becomes slower as the blade edge 8a approaches the target design surface 45A, and when the blade edge 8a reaches a predetermined position (in the present embodiment, a position on the target design surface 45A) It becomes 0 "(see FIG. 8).
  • the drive control unit 265 moves the cutting edge 8a along the target design surface 45A. Specifically, the drive control unit 265 corrects the boom operation signal M1 and outputs it to the proportional control valve 27 as described above, and the arm control signal M2 and the bucket operation signal M3 are not corrected but the proportional control valve 27 as it is. Output to As a result, the work machine 2 is driven and controlled in a forming mode in which the cutting edge 8a moves along the target design surface 45A.
  • the drive control unit 265 determines a predetermined position based on the target design surface 45A (in the present embodiment, the target design The blade edge 8a is stopped at the position on the surface 45A. Specifically, the drive control unit 265 corrects the boom operation signal M1 as described above and outputs it to the proportional control valve 27 until the blade tip 8a reaches the target design surface 45A, and the bucket operation signal M3 is corrected. It outputs to the proportional control valve 27 as it is without correction.
  • the drive control unit 265 performs the boom operation signal M1 and the bucket operation so that the speed of the cutting edge 8a in the parallel direction parallel to the target design surface 45A becomes "0".
  • the signal M3 is corrected and output to the proportional control valve 27.
  • the work machine 2 is drive-controlled in the blade edge alignment mode in which the blade edge 8a stops at a predetermined position.
  • the arm operation signal M2 is not output from the operation device 25, but thereafter, the arm operation signal M2 is output from the operation device 25.
  • the operation mode is determined to be a forming operation. As a result, the drive control of the work machine 2 shifts from the blade edge alignment mode to the forming mode.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of the excavation control system 200.
  • step S10 the excavation control system 200 acquires design topography data and current position data of the hydraulic shovel 100.
  • step S20 the excavation control system 200 acquires the boom cylinder length N1, the arm cylinder length N2, and the bucket cylinder length N3.
  • step S30 the excavation control system 200 calculates the distance d based on the design topography data, the current position data, the boom cylinder length N1, the arm cylinder length N2, and the bucket cylinder length N3 (see FIG. 7).
  • step S40 the excavation control system 200 acquires a speed limit U according to the distance d (see FIG. 8).
  • step S50 the excavation control system 200 calculates the speed Q of the cutting edge 8a based on the boom operation signal M1, the arm operation signal M2, and the bucket operation signal M3 (see FIG. 7).
  • step S60 the excavation control system 200 acquires the relative velocity Q1 based on the velocity Q (see FIG. 7).
  • step S70 the excavation control system 200 suppresses the relative speed Q1 to the limit speed U only by reducing the rotational speed of the boom 6 (see FIG. 7).
  • step S80 the excavation control system 200 determines, based on the operation signal M, whether the work form of the work machine 2 is a forming operation. Specifically, when the operation signal M includes the arm operation signal M2 indicating the operation of the arm, the excavation control system 200 determines that the operation mode of the work machine 2 is a forming operation, and the operation signal M When the arm operation signal M2 is not included, it is determined that the operation mode of the work machine 2 is the blade edge alignment operation. If the operation mode is a forming operation, the process proceeds to step S90. If the operation mode is not a forming operation, it is determined that the operation mode is a blade edge alignment operation, and the process proceeds to step S100.
  • step S90 the excavation control system 200 moves the cutting edge 8a along the target design surface 45A. Specifically, the excavation control system 200 corrects the boom operation signal M1 and outputs it to the proportional control valve 27 as described above, and the arm operation signal M2 and the bucket operation signal M3 are not corrected but the proportional control valve 27 as it is. Output to
  • step S100 the excavation control system 200 stops the cutting edge 8a at a predetermined position (in this embodiment, an arbitrary position on the target design surface 45A) based on the target design surface 45A.
  • the drive control unit 265 corrects the boom operation signal M1 and outputs it to the proportional control valve 27 as described above, and outputs the bucket operation signal M3 to the proportional control valve 27 without correcting it.
  • step S110 the excavation control system 200 determines whether the operator operates the arm control lever 32a, that is, whether or not the arm operation signal M2 is output from the controller device 25. If it is determined that the operator operates the arm control lever 32a, the process proceeds to step S90. If it is determined that the operator has not operated the arm control lever 32a, the process returns to step S100.
  • the excavation control system 200 includes a work type determination unit 264 and a drive control unit 265. Based on the operation signal M, the work mode determination unit 264 determines whether the work mode of the work machine 2 is a forming operation or a blade edge alignment operation.
  • the drive control unit 265 moves the cutting edge 8a of the bucket 8 along the target design surface 45A when it is determined that the work form is a forming operation.
  • the drive control unit 265 stops the blade edge 8a of the bucket 8 at a predetermined position based on the target design surface 45A when it is determined that the operation mode is the blade edge alignment operation.
  • the blade tip 8a can be moved along the target design surface 45A regardless of the operator's operation during the forming operation, and the blade tip 8a can be stopped at a predetermined position according to the operator's operation during the blade edge alignment operation. Therefore, it is possible to suppress movement of the blade edge 8a along the target design surface 45A regardless of wanting to perform the blade edge alignment work.
  • the drive control of the work machine 2 can be automatically switched to the forming mode and the blade edge alignment mode.
  • the excavation control system 200 executes the speed restriction by adjusting the extension / contraction speed of the boom cylinder 10.
  • speed restriction is performed by correcting only the boom operation signal M1 among the operation signals corresponding to the operator's operation. That is, of the boom 6, the arm 7 and the bucket 8, only the boom 6 does not drive as operated by the operator. Therefore, as compared with the case of adjusting the extension / contraction speed of two or more driven members of the boom 6, the arm 7 and the bucket 8, it is possible to suppress the loss of the operator's operation feeling.
  • the operation type is the forming operation. It is determined that
  • the operator is known to drive the arm 7. Therefore, by making a determination based on the presence or absence of the arm operation signal M2, the determination can be performed easily and accurately.
  • the excavation control system 200 performs speed limitation by adjusting the extension / contraction speed of the boom cylinder 10, and determines the work mode based on the presence / absence of the arm operation signal M2. Therefore, it is possible to determine the operator's intention of digging or not while performing the speed limit intervention. Therefore, when the cutting surface is switched from the shoulder to the slope or when the cutting edge is aligned at the start of the drilling, the cutting edge alignment can be made in accordance with the operator's operation intention, and the working efficiency can be improved.
  • the work type determination unit 264 determines the work type of the work machine 2 based on the operation signal M, but is not limited to this.
  • the work type determination unit 264 can determine the work type of the work machine 2 based on the internal pressure of at least one of the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12. This is a method utilizing the fact that the internal pressure of the cylinder temporarily increases due to the increase in the amount of hydraulic oil supplied when the molding operation is performed.
  • the work mode determination unit 264 acquires the internal pressure from the internal pressure acquisition unit that acquires the internal pressure, and determines that it is a molding operation if the internal pressure is equal to or higher than a predetermined value, If it is less than, it can be determined that it is a blade edge alignment operation.
  • the excavation control system 200 can determine the work configuration of the work machine 2 based on the discharge pressure of the hydraulic pump that supplies the hydraulic fluid to the proportional control valve 27. This is a method utilizing the fact that the amount of hydraulic fluid discharged from the hydraulic pump temporarily increases when the molding operation is performed.
  • the work mode determination unit 264 acquires the discharge pressure from the discharge pressure acquisition unit that acquires the discharge pressure, and determines that the molding operation is performed if the discharge pressure is a predetermined value or more, and the discharge pressure is a predetermined value. If it is less than, it can be determined that it is a blade edge alignment operation.
  • the working mode determination unit 264 determines the working mode of the working machine 2 based on whether or not the arm operation signal M2 is included in the operation signal M. It is not something that can be done.
  • the work mode determination unit 264 may determine whether or not the work mode determination unit 264 includes two or more signals including the arm operation signal M2 among the boom operation signal M1, the arm operation signal M2, and the bucket operation signal M3, The work form may be determined.
  • the work machine controller 26 executes the speed limit based on the position of the blade edge 8 a of the bucket 8, but the invention is not limited to this.
  • the work implement controller 26 can perform the speed limit based on any position of the bucket 8.
  • the predetermined position at which the blade edge 8a stops is set on the target design surface 45A, but is not limited to this.
  • the predetermined position may be set at an arbitrary position spaced apart from the target design surface 45A toward the hydraulic shovel 100. In this case, the value of the vertical distance when the speed limit is “0” in the graph of FIG. 8 matches the distance between the target design surface 45A and the predetermined position.
  • the excavation control system 200 suppresses the relative speed to the speed limit only by reducing the rotational speed of the boom 6, but the present invention is not limited to this.
  • the excavation control system 200 may adjust the rotational speed of at least one of the arm 7 and the bucket 8. As a result, since it is possible to suppress the speed of the bucket 8 in the direction parallel to the design surface 45 from being reduced due to the speed limitation, it is possible to suppress the loss of the operator's operation feeling.
  • the excavation control system 200 calculates the speed Q of the cutting edge 8a based on the operation signal M acquired from the operation device 25.
  • the excavation control system 200 can calculate the speed Q based on the amount of change per time of each of the cylinder lengths N1 to N3 acquired from the first to third stroke sensors 16 to 18. In this case, the speed Q can be calculated more accurately than when the speed Q is calculated based on the operation signal M.
  • the present invention is useful in the field of construction machinery because it can provide a work machine control system capable of automatically switching between the forming mode and the blade edge alignment mode.
  • SYMBOLS 1 Vehicle main body, 2 ... working machine, 3 ... upper revolving superstructure, 4 ... driving room, 5 ... traveling apparatus, 5a, 5b ... crawler belt, 6 ... boom, 7 ... arm, 8 ... bucket, 8a ... cutting edge, 10 ... Boom cylinder 11 Arm cylinder 12 Bucket cylinder 13 Boom pin 14 Arm pin 15 Bucket pin 16 First stroke sensor 17 Second stroke sensor 18 Third stroke sensor 19 Position 19 Detection unit 21 first GNSS antenna 22 second GNSS antenna 23 three-dimensional position sensor 24 tilt angle sensor 25 operation device 26 working machine controller 261 relative distance acquisition unit 262 speed limit Determining part, 263 ... relative speed acquiring part, 264 ...

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Abstract

　掘削制御システム（２００）は、作業形態判定部（２６４）と、駆動制御部（２６５）とを備える。作業形態判定部（２６４）は、操作信号（Ｍ）に基づいて、作業機（２）の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する。駆動制御部（２６５）は、作業形態が成形作業であると判定された場合に、目標設計面（４５Ａ）に沿ってバケット（８）の刃先（８ａ）を移動させる。駆動制御部（２６５）は、作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、目標設計面（４５Ａ）を基準とする所定位置でバケット（８）の刃先（８ａ）を停止させる。

Description

作業機制御システム、建設機械及び作業機制御方法
　本発明は、作業機を備える作業機制御システム及びこの作業機制御システムを備える建設機械に関する。
　従来、作業機を備える建設機械において、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿ってバケットを移動させることによって所定の領域を掘削する手法が知られている（特許文献１参照）。
　具体的に、特許文献１の制御装置は、バケットと設計面との間隔が小さいほどバケットの設計面に対する相対速度が減少するように、オペレータからバケット操作のために入力される操作信号を補正する。このように、バケットの速度制限を行うことによって、バケットは設計面に沿って自動的に移動する。
国際公開ＷＯ９５/３００５９号
　（発明が解決しようとする課題）
　しかしながら、特許文献１では、オペレータがバケットの刃先を設計面に近接する位置で停止させようとしても、オペレータの操作に関わらずバケットは設計面に沿って自動的に移動してしまう。そのため、刃先を所定位置にセットするには、速度制限を終了させる必要がある。また、速度制限を終了させた状態では、オペレータは手動で刃先を所定位置にセットする必要がある。
　そのため、速度制限中であっても、設計面に沿ってバケットを移動させる成形モードと、所定位置で刃先を停止させる刃先位置合わせモードとが自動的に切換えられることが望まれている。
　本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、成形モードと刃先位置合わせモードとを自動切換え可能な作業機制御システム、建設機械及び作業機制御方法の提供を目的とする。
　（課題を解決するための手段）
　第１の態様に係る掘削制御システムは、作業機と、操作具と、作業形態判定部と、駆動制御部とを備える。作業機は、バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される。操作具は、作業機を駆動するユーザ操作を受け付け、ユーザ操作に応じた操作信号を出力する。作業形態判定部は、操作信号に基づいて、作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する。駆動制御部は、作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿ってバケットを移動させ、作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、設計面を基準とする所定位置でバケットを停止させる。
　第２の態様に係る掘削制御システムは、作業機と、内部圧取得部と、作業形態判定部と、駆動制御部とを備える。作業機は、バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される。内部圧取得部は、作業機を駆動する油圧シリンダの内部圧を取得する。作業形態判定部は、内部圧に基づいて、作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する。駆動制御部は、作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿ってバケットを移動させ、作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、設計面を基準とする所定位置でバケットを停止させる。
　第３の態様に係る掘削制御システムは、作業機と、吐出圧取得部と、作業形態判定部と、駆動制御部とを備える。作業機は、バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される。吐出圧取得部は、複数の被駆動部材のそれぞれを駆動する複数の油圧シリンダに作動油を供給する油圧ポンプの吐出圧を取得する。作業形態判定部は、吐出圧に基づいて、作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する。駆動制御部は、作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿ってバケットを移動させ、作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、設計面を基準とする所定位置でバケットを停止させる。
　第４の態様に係る作業機制御方法は、バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される作業機を駆動するユーザ操作を受け付け、前記ユーザ操作に応じた操作信号を出力する工程と、前記操作信号に基づいて、前記作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する工程と、前記作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、前記設計面を基準とする所定位置で前記バケットを停止させる工程と、前記バケットが前記所定位置で停止された後、前記複数の被駆動部材のうち所定の被駆動部材を駆動するユーザ操作が受け付けられた場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って前記バケットを移動させる工程と、を備える。
　（発明の効果）
　成形モードと刃先位置合わせモードとを自動切換え可能な作業機制御システム、建設機械及び作業機制御方法を提供することができる。
油圧ショベル１００の斜視図である。 油圧ショベル１００の側面図である。 油圧ショベル１００の背面図である。 掘削制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。 表示部２９に表示される設計地形の一例を示す模式図である。 交線４７における設計地形の断面図である。 作業機コントローラ２６の構成を示すブロック図である。 バケット８と第１設計面４５１との位置関係を示す模式図である。 制限速度Ｕと距離ｄとの関係を示すグラフである。 掘削制御システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下においては、「建設機械」の一例として油圧ショベルを挙げて説明する。
　《油圧ショベル１００の全体構成》
　図１は、実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と、作業機２とを有する。また、油圧ショベル１００には、掘削制御システム２００が搭載されている。掘削制御システム２００の構成および動作については後述する。
　車両本体１は、上部旋回体３と運転室４と走行装置５とを有する。上部旋回体３は、図示しないエンジンや油圧ポンプなどを収容している。上部旋回体３の後端部上には、第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２とが配置されている。第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２とは、ＲＴＫ－ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用のアンテナである。運転室４は、上部旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する操作装置２５が配置される（図３参照）。走行装置５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。
　作業機２は、車両本体１の前部に取り付けられており、ブーム６と、アーム７と、バケット８と、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２と、を有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に揺動可能に取り付けられる。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられる。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられる。
　ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ作動油によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。
　ここで、図２Ａは油圧ショベル１００の側面図であり、図２Ｂは油圧ショベル１００の背面図である。図２Ａに示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５からバケット８のツースの先端（以下、「刃先８ａ」という。）までの長さは、Ｌ３である。
　また、図２Ａに示すように、ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１～第３ストロークセンサ１６～１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さ（以下、「ブームシリンダ長Ｎ１」という。）を検出する。後述する表示コントローラ２８（図３参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ長Ｎ１から、車両本体座標系の垂直方向に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さ（以下、「アームシリンダ長Ｎ２」という。）を検出する。表示コントローラ２８は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ長Ｎ２から、ブーム６に対するアーム７の傾斜角θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さ（以下、「バケットシリンダ長Ｎ３」という。）を検出する。表示コントローラ２８は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ長Ｎ３から、アーム７に対するバケット８が有する刃先８ａの傾斜角θ３を算出する。
　車両本体１には、位置検出部１９が備えられている。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部１９は、上述の第１および第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２と、３次元位置センサ２３と、傾斜角センサ２４とを有する。第１および第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、車幅方向において一定距離だけ離間して配置されている。第１および第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、第１および第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置を検出する。図２Ｂに示すように、傾斜角センサ２４は、重力方向（鉛直線）に対する車両本体１の車幅方向における傾斜角θ４を検出する。
　《掘削制御システム２００の構成》
　図３は、掘削制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。掘削制御システム２００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、比例制御弁２７と、表示コントローラ２８と、表示部２９と、を備える。
　操作装置２５は、作業機２を駆動するオペレータ操作を受け付け、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。具体的に、操作装置２５は、ブーム操作具３１と、アーム操作具３２と、バケット操作具３３と、を有する。ブーム操作具３１は、ブーム操作レバー３１ａと、ブーム操作検出部３１ｂと、を含む。ブーム操作レバー３１ａは、オペレータによるブーム６の操作を受け付ける。ブーム操作検出部３１ｂは、ブーム操作レバー３１ａの操作に応じてブーム操作信号Ｍ１を出力する。アーム操作レバー３２ａは、オペレータによるアーム７の操作を受け付ける。アーム操作検出部３２ｂは、アーム操作レバー３２ａの操作に応じてアーム操作信号Ｍ２を出力する。バケット操作具３３は、バケット操作レバー３３ａと、バケット操作検出部３３ｂと、を含む。バケット操作レバー３３ａは、オペレータによるバケット８の操作を受け付ける。バケット操作検出部３３ｂは、バケット操作レバー３３ａの操作に応じてバケット操作信号Ｍ３を出力する。
　作業機コントローラ２６は、操作装置２５からブーム操作信号Ｍ１、アーム操作信号Ｍ２およびバケット操作信号Ｍ３（以下、適宜「操作信号Ｍ」と総称する。）を取得する。作業機コントローラ２６は、第１～第３ストロークセンサ１６～１８からブームシリンダ長Ｎ１、アームシリンダ長Ｎ２およびバケットシリンダ長Ｎ３を取得する。作業機コントローラ２６は、これらの各種情報に基づく制御信号を比例制御弁２７に出力する。これにより、作業機コントローラ２６は、バケット８を設計面４５（図４参照）に沿って自動的に移動させる掘削制御を実行する。この際、作業機コントローラ２６は、後述するように、ブーム操作信号Ｍ１を補正した後に比例制御弁２７に出力する。一方で、作業機コントローラ２６は、アーム操作信号Ｍ２およびバケット操作信号Ｍ３を補正せずに比例制御弁２７に出力する。作業機コントローラ２６の機能および動作については後述する。
　比例制御弁２７は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２と図示しない油圧ポンプとの間に配置される。比例制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に応じた流量の作動油をブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２それぞれに供給する。
　表示コントローラ２８は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部２８ａや、ＣＰＵなどの演算部２８ｂを有している。記憶部２８ａは、上述のブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３を含む作業機データを記憶している。作業機データは、ブーム６の傾斜角θ１、アーム７の傾斜角θ２、バケット８の傾斜角θ３のそれぞれの最小値および最大値を含む。表示コントローラ２８は、作業機コントローラ２６と無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能である。表示コントローラ２８の記憶部２８ａは、作業エリア内の３次元の設計地形の形状および位置を示す設計地形データを予め記憶している。表示コントローラ２８は、設計地形や上述した各種のセンサからの検出結果などに基づいて、設計地形を表示部２９に表示させる。
　ここで、図４は、表示部２９に表示される設計地形の一例を示す模式図である。図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。複数の設計面４５それぞれは、作業機２による掘削対象の目標形状を示している。オペレータは、これら複数の設計面４５のうちの１つの設計面を目標設計面４５Ａとして選択する。オペレータが目標設計面４５Ａをバケット８で掘削する場合、作業機コントローラ２６は、バケット８の刃先８ａの現在位置を通る平面４６と目標設計面４５Ａとの交線４７に沿って、バケット８を移動させる。なお、図４では複数の設計面のうちの１つのみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。
　図５は、交線４７における設計地形の断面図であり、表示部２９に表示される設計地形の一例を示す模式図である。図５に示すように、本実施形態に係る設計地形は、目標設計面４５Ａと、速度制限介入ラインＣとを含んでいる。
　目標設計面４５Ａは、油圧ショベル１００の側方に位置する傾斜面である。オペレータは、目標設計面４５Ａの上方から下方に向かってバケット８を移動させる。
　速度制限介入ラインＣは、後述する速度制限が実行される領域を画定する。後述するように、刃先８ａが速度制限介入ラインＣの内側に侵入した場合に、掘削制御システム２００による速度制限が実行される。速度制限介入ラインＣは、目標設計面４５Ａからライン距離ｈの位置に設定されている。ライン距離ｈは、オペレータによる作業機２の操作感が損なわれない距離に設定されていることが好ましい。
　《作業機コントローラ２６の構成》
　図６は、作業機コントローラ２６の構成を示すブロック図である。図７は、バケット８と目標設計面４５Ａとの位置関係を示す模式図である。
　作業機コントローラ２６は、図６に示すように、相対距離取得部２６１と、制限速度決定部２６２と、相対速度取得部２６３と、作業形態判定部２６４と、駆動制御部２６５と、を備える。
　相対距離取得部２６１は、図７に示すように、目標設計面４５Ａに垂直な垂直方向における刃先８ａと目標設計面４５Ａとの距離ｄを取得する。相対距離取得部２６１は、表示コントローラ２８から取得する設計地形データおよび油圧ショベル１００の現在位置データと、第１～第３ストロークセンサ１６～１８から取得するブームシリンダ長Ｎ１、アームシリンダ長Ｎ２およびバケットシリンダ長Ｎ３とに基づいて、距離ｄを算出することができる。相対距離取得部２６１は、距離ｄを制限速度決定部２６２に出力する。なお、本実施形態において、距離ｄはライン距離ｈよりも小さいので、刃先８ａは速度制限介入ラインＣの内側に侵入している。
　制限速度決定部２６２は、距離ｄに応じた制限速度Ｕを取得する。ここで、制限速度Ｕは、距離ｄに応じて画一的に定められる速度である。図８に示すように、制限速度Ｕは、距離ｄがライン距離ｈ以上で最大となり、距離ｄがライン距離ｈより小さくなるほど遅くなる。制限速度決定部２６２は、制限速度Ｕを駆動制御部２６５に出力する。なお、図８では、目標設計面４５Ａに近づく向きが負の向きである。
　相対速度取得部２６３は、操作装置２５から取得する操作信号Ｍに基づいて、刃先８ａの速度Ｑを算出する。また、相対速度取得部２６３は、図７に示すように、速度Ｑに基づいて、刃先８ａの目標設計面４５Ａに対する相対速度Ｑ１を取得する。相対速度取得部２６３は、相対速度Ｑ１を駆動制御部２６５に出力する。本実施形態において、相対速度Ｑ１は、制限速度Ｕよりも大きい。
　作業形態判定部２６４は、操作装置２５から取得する操作信号Ｍに基づいて、作業機２の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する。
　ここで、成形作業とは、目標設計面４５Ａに沿って刃先８ａを移動させることによって、目標設計面４５Ａに沿って整地する作業である。成形作業には、例えば切り土や盛り土の斜面を成形する法面成形作業が含まれる。なお、成形作業では、オペレータによってアーム７が駆動される場合が多い。
　また、刃先位置合せ作業とは、目標設計面４５Ａを基準とする所定位置で刃先８ａを停止させることによって、次の作業のスタート位置に刃先８ａをセットする作業である。刃先位置合せ作業には、例えば法面成形作業のスタート位置への刃先８ａのセットが含まれる。所定位置は、目標設計面４５Ａ上の任意の位置、或いは、目標設計面４５Ａから油圧ショベル１００側に離間した任意の位置に設定することができる。このような所定位置は、図８のグラフにおいて制限速度が“０”となるときの垂直距離の値によって調整される。本実施形態では、図８に示すように、制限速度が“０”となるときの垂直距離の値が“０”であるので、所定位置は、目標設計面４５Ａ上に設定されている。なお、所定位置が目標設計面４５Ａから離間した位置に設定される場合には、目標設計面４５Ａから所定位置までの垂直距離は小さいこと（すなわち、刃先８ａの停止位置が目標設計面４５Ａに隣接していること）が好ましい。
　本実施形態において、作業形態判定部２６４は、操作信号Ｍにアームの操作を示すアーム操作信号Ｍ２が含まれている場合に、作業機２の作業形態は成形作業であると判定する。一方で、作業形態判定部２６４は、操作信号Ｍにアーム７の操作を示すアーム操作信号Ｍ２が含まれていない場合に、作業機２の作業形態は刃先位置合せ作業であると判定する。作業形態判定部２６４は、判定結果を駆動制御部２６５に通知する。
　駆動制御部２６５は、目標設計面４５Ａに対する刃先８ａの相対速度Ｑ１を制限速度Ｕに制限する速度制限を実行する。本実施形態では、ブーム６の回転速度の減速のみによって相対速度Ｑ１を制限速度Ｕに抑えるために、駆動制御部２６５は、ブーム操作信号Ｍ１を補正し、補正後のブーム操作信号Ｍ１を比例制御弁２７に出力する。これによって、垂直方向における刃先８ａの速度は、刃先８ａが目標設計面４５Ａに近づくほど遅くなり、刃先８ａが所定位置（本実施形態では、目標設計面４５Ａ上の位置）に達したときに“０”となる（図８参照）。
　また、駆動制御部２６５は、作業形態判定部２６４によって作業形態が成形作業であると判定された場合には、目標設計面４５Ａに沿って刃先８ａを移動させる。具体的に、駆動制御部２６５は、上述の通りブーム操作信号Ｍ１を補正して比例制御弁２７に出力するとともに、アーム操作信号Ｍ２およびバケット操作信号Ｍ３については補正せずにそのまま比例制御弁２７に出力する。この結果、作業機２は、刃先８ａが目標設計面４５Ａに沿って移動する成形モードで駆動制御される。
　一方で、駆動制御部２６５は、作業形態判定部２６４によって作業形態が刃先位置合わせ作業であると判定された場合には、目標設計面４５Ａを基準とする所定位置（本実施形態では、目標設計面４５Ａ上の位置）で刃先８ａを停止させる。具体的には、駆動制御部２６５は、刃先８ａが目標設計面４５Ａに達するまでの間、上述の通りブーム操作信号Ｍ１を補正して比例制御弁２７に出力するとともに、バケット操作信号Ｍ３については補正せずにそのまま比例制御弁２７に出力する。そして、駆動制御部２６５は、刃先８ａが目標設計面４５Ａに達した後は、目標設計面４５Ａに平行な平行方向における刃先８ａの速度が“０”になるようにブーム操作信号Ｍ１及びバケット操作信号Ｍ３を補正して比例制御弁２７に出力する。この結果、作業機２は、刃先８ａが所定位置に停止する刃先位置合わせモードで駆動制御される。
　なお、作業形態が刃先位置合わせ作業であると判定された場合には、操作装置２５からアーム操作信号Ｍ２が出力されていないが、その後、操作装置２５からアーム操作信号Ｍ２が出力された場合には、作業形態は成形作業であると判定される。その結果、作業機２の駆動制御は、刃先位置合わせモードから成形モードへと移行する。
　《掘削制御システム２００の動作》
　図９は、掘削制御システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。
　ステップＳ１０において、掘削制御システム２００は、設計地形データおよび油圧ショベル１００の現在位置データを取得する。
　ステップＳ２０において、掘削制御システム２００は、ブームシリンダ長Ｎ１、アームシリンダ長Ｎ２およびバケットシリンダ長Ｎ３を取得する。
　ステップＳ３０において、掘削制御システム２００は、設計地形データ、現在位置データ、ブームシリンダ長Ｎ１、アームシリンダ長Ｎ２およびバケットシリンダ長Ｎ３に基づいて、距離ｄを算出する（図７参照）。
　ステップＳ４０において、掘削制御システム２００は、距離ｄに応じた制限速度Ｕを取得する（図８参照）。
　ステップＳ５０において、掘削制御システム２００は、ブーム操作信号Ｍ１、アーム操作信号Ｍ２およびバケット操作信号Ｍ３に基づいて、刃先８ａの速度Ｑを算出する（図７参照）。
　ステップＳ６０において、掘削制御システム２００は、速度Ｑに基づいて、相対速度Ｑ１を取得する（図７参照）。
　ステップＳ７０において、掘削制御システム２００は、ブーム６の回転速度の減速のみによって相対速度Ｑ１を制限速度Ｕに抑える（図７参照）。
　ステップＳ８０において、掘削制御システム２００は、操作信号Ｍに基づいて、作業機２の作業形態が成形作業であるか否かを判定する。具体的に、掘削制御システム２００は、操作信号Ｍにアームの操作を示すアーム操作信号Ｍ２が含まれている場合に、作業機２の作業形態は成形作業であると判定し、操作信号Ｍにアーム操作信号Ｍ２が含まれていない場合に、作業機２の作業形態は刃先位置合せ作業であると判定する。作業形態が成形作業である場合、処理はステップＳ９０に進む。作業形態が成形作業でない場合には、作業形態が刃先位置合せ作業であると判定し、処理はステップＳ１００に進む。
　ステップＳ９０において、掘削制御システム２００は、目標設計面４５Ａに沿って刃先８ａを移動させる。具体的に、掘削制御システム２００は、上述の通りブーム操作信号Ｍ１を補正して比例制御弁２７に出力するとともに、アーム操作信号Ｍ２およびバケット操作信号Ｍ３については補正せずにそのまま比例制御弁２７に出力する。
　ステップＳ１００において、掘削制御システム２００は、目標設計面４５Ａを基準とする所定位置（本実施形態では、目標設計面４５Ａ上の任意の位置）で刃先８ａを停止させる。具体的には、駆動制御部２６５は、上述の通りブーム操作信号Ｍ１を補正して比例制御弁２７に出力するとともに、バケット操作信号Ｍ３については補正せずにそのまま比例制御弁２７に出力する。
　ステップＳ１１０において、掘削制御システム２００は、オペレータがアーム操作レバー３２ａを操作したか否か、すなわち、操作装置２５からアーム操作信号Ｍ２が出力されたか否かを判定する。オペレータがアーム操作レバー３２ａを操作したと判定された場合、処理はステップＳ９０に進む。オペレータがアーム操作レバー３２ａを操作していないと判定された場合、処理はステップＳ１００に戻る。
　《作用および効果》
　（１）本実施形態に係る掘削制御システム２００は、作業形態判定部２６４と、駆動制御部２６５とを備える。作業形態判定部２６４は、操作信号Ｍに基づいて、作業機２の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する。駆動制御部２６５は、作業形態が成形作業であると判定された場合に、目標設計面４５Ａに沿ってバケット８の刃先８ａを移動させる。駆動制御部２６５は、作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、目標設計面４５Ａを基準とする所定位置でバケット８の刃先８ａを停止させる。
　そのため、成形作業中にはオペレータの操作に関わらず目標設計面４５Ａに沿って刃先８ａを移動させるとともに、刃先位置合せ作業中にはオペレータの操作に従って所定位置で刃先８ａを停止させることができる。従って、刃先位置合せ作業を行いたいにも関わらず刃先８ａが目標設計面４５Ａに沿って移動してしまうことを抑制できる。このように、本実施形態に係る掘削制御システム２００によれば、作業機２の駆動制御を成形モードと刃先位置合わせモードとに自動切換えすることができる。
　（２）本実施形態に係る掘削制御システム２００は、ブームシリンダ１０の伸縮速度の調整によって速度制限を実行する。
　そのため、オペレータ操作に応じた操作信号のうちブーム操作信号Ｍ１のみを補正することで速度制限が実行される。すなわち、ブーム６、アーム７およびバケット８のうちオペレータの操作通りに駆動しないのはブーム６のみである。従って、ブーム６、アーム７およびバケット８のうち２つ以上の被駆動部材の伸縮速度を調整する場合に比べて、オペレータの操作感が損なわれることを抑制できる。
　（３）本実施形態に係る掘削制御システム２００において、作業形態判定部２６４は、操作信号Ｍにアーム７の操作を示すアーム操作信号Ｍ２が含まれている場合に、作業形態は成形作業であると判定する。
　ここで、成形作業が行われる多くの場合において、オペレータはアーム７を駆動させることが知られている。そのため、アーム操作信号Ｍ２の有無に基づいて判定することによって、簡便かつ精度良く判定を行うことができる。
　（４）本実施形態に係る掘削制御システム２００は、ブームシリンダ１０の伸縮速度の調整によって速度制限を実行しつつ、アーム操作信号Ｍ２の有無によって作業形態の判定を行う。そのため、速度制限介入を行いながらオペレータの掘削有無の意思を判定することが出来る。従って、法肩から法面への掘削面切り替えや掘削開始時等の刃先位置合わせ時に、オペレータの操作意思に沿った刃先位置合わせが可能になり、作業効率を向上する事が出来る。
　《その他の実施形態》
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
　（Ａ）上記実施形態において、作業形態判定部２６４は、操作信号Ｍに基づいて作業機２の作業形態を判定することとしたが、これに限られるものではない。
　例えば、作業形態判定部２６４は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２のうち少なくとも一つのシリンダの内部圧に基づいて、作業機２の作業形態を判定することができる。これは、成形作業が行われる場合に作動油の供給量が増加することによってシリンダの内部圧が一時的に増大することを利用した手法である。この手法において、作業形態判定部２６４は、内部圧を取得する内部圧取得部から内部圧を取得して、内部圧が所定値以上であれば成形作業であると判定し、内部圧が所定値未満であれば刃先位置合わせ作業であると判定することができる。
　また、掘削制御システム２００は、比例制御弁２７に作動油を供給する油圧ポンプの吐出圧に基づいて、作業機２の作業形態を判定することができる。これは、成形作業が行われる場合に油圧ポンプから吐出される作動油量が一時的に増大することを利用した手法である。この手法において、作業形態判定部２６４は、吐出圧を取得する吐出圧取得部から吐出圧を取得して、吐出圧が所定値以上であれば成形作業であると判定し、吐出圧が所定値未満であれば刃先位置合わせ作業であると判定することができる。
　（Ｂ）上記実施形態において、作業形態判定部２６４は、操作信号Ｍにアーム操作信号Ｍ２が含まれているか否かに基づいて作業機２の作業形態を判定することとしたが、これに限られるものではない。
　例えば、作業形態判定部２６４は、ブーム操作信号Ｍ１、アーム操作信号Ｍ２及びバケット操作信号Ｍ３のうちアーム操作信号Ｍ２を含む２以上の信号が含まれているか否かに基づいて、作業機２の作業形態を判定してもよい。
　（Ｃ）上記実施形態において、作業機コントローラ２６は、バケット８のうち刃先８ａの位置に基づいて速度制限を実行することとしたが、これに限られるものではない。作業機コントローラ２６は、バケット８のうち任意の位置に基づいて速度制限を実行することができる。
　（Ｄ）上記実施形態において、刃先８ａが停止する所定位置は、目標設計面４５Ａ上に設定されることとしたが、これに限られるものではない。所定位置は、目標設計面４５Ａから油圧ショベル１００側に離間した任意の位置に設定されてもよい。この場合、図８のグラフにおいて制限速度が“０”となるときの垂直距離の値が、目標設計面４５Ａと所定位置との間隔に一致する。
　（Ｅ）上記実施形態において、掘削制御システム２００は、ブーム６の回転速度の減速のみによって相対速度を制限速度に抑えることしたが、これに限られるものではない。掘削制御システム２００は、ブーム６の回転速度に加えて、アーム７及びバケット８のうち少なくとも１つの回転速度を調整してもよい。これによって、設計面４５に平行な方向におけるバケット８の速度が速度制限で低下することを抑制できるので、オペレータの操作感が損なわれることを抑制できる。
　（Ｆ）上記実施形態において、掘削制御システム２００は、操作装置２５から取得する操作信号Ｍに基づいて、刃先８ａの速度Ｑを算出することとしたが、これに限られるものではない。掘削制御システム２００は、第１～第３ストロークセンサ１６～１８から取得される各シリンダ長Ｎ１～Ｎ３の時間当たり変化量に基づいて、速度Ｑを算出することができる。この場合、操作信号Ｍに基づいて速度Ｑを算出する場合に比べて、精度良く速度Ｑを算出することができる。
　（Ｇ）上記実施形態において、図８に示すように、制限速度と垂直距離とは線形的な関係にあることとしたが、これに限られるものではない。制限速度と垂直距離との関係は適宜設定することができ、線形的でなくてもよいし、原点を通らなくてもよい。
　本発明は、成形モードと刃先位置合わせモードとを自動切換え可能な作業機制御システムを提供できるため建設機械分野に有用である。
　１…車両本体、２…作業機、３…上部旋回体、４…運転室、５…走行装置、５ａ，５ｂ…履帯、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、８ａ…刃先、１０…ブームシリンダ、１１…アームシリンダ、１２…バケットシリンダ、１３…ブームピン、１４…アームピン、１５…バケットピン、１６…第１ストロークセンサ、１７…第２ストロークセンサ、１８…第３ストロークセンサ、１９…位置検出部、２１…第１ＧＮＳＳアンテナ、２２…第２ＧＮＳＳアンテナ、２３…３次元位置センサ、２４…傾斜角センサ、２５…操作装置、２６…作業機コントローラ、２６１…相対距離取得部、２６２…制限速度決定部、２６３…相対速度取得部、２６４…作業形態判定部、２６５…駆動制御部、２７…比例制御弁、２８…表示コントローラ、２９…表示部、３１…ブーム操作具、…３２アーム操作具、３３…バケット操作具、４５…設計面、４５Ａ…目標設計面、１００…油圧ショベル、２００…掘削制御システム、Ｃ…速度制限介入ライン、ｈ…ライン距離

Claims (8)

  1. 　バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される作業機と、
    　前記作業機を駆動するユーザ操作を受け付け、前記ユーザ操作に応じた操作信号を出力する操作具と、
    　前記操作信号に基づいて、前記作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する作業形態判定部と、
    　前記作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って前記バケットを移動させ、前記作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、前記設計面を基準とする所定位置で前記バケットを停止させる駆動制御部と、
    を備える作業機制御システム。
  2. 　前記複数の被駆動部材のうち前記車両本体に回動可能に取り付けられるブームを駆動するブームシリンダと、
    　前記設計面に対する前記バケットの相対速度に基づいて、前記設計面に対する前記バケットの制限速度を決定する制限速度決定部と、
    を備え、
    　前記駆動制御部は、前記バケットが前記設計面から所定距離内に位置する場合に、前記相対速度を前記制限速度に制限する、
    請求項１に記載の作業機制御システム。
  3. 　前記駆動制御部は、前記ブームシリンダの伸縮速度の調整によって前記相対速度を前記制限速度に制限する、
    請求項２に記載の作業機制御システム。
  4. 　前記複数の被駆動部材は、前記バケットと前記ブームとに連結されるアームを含み、
    　前記作業形態判定部は、前記操作信号に前記アームの操作を示す信号が含まれている場合に、前記作業形態は成形作業であると判定する、
    請求項３に記載の作業機制御システム。
  5. 　バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される作業機と、
    　前記作業機を駆動する油圧シリンダの内部圧を取得する内部圧取得部と、
    　前記内部圧に基づいて、前記作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する作業形態判定部と、
    　前記作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って前記バケットを移動させ、前記作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、前記設計面を基準とする所定位置で前記バケットを停止させる駆動制御部と、
    を備える作業機制御システム。
  6. 　バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される作業機と、
    　前記複数の被駆動部材のそれぞれを駆動する複数の油圧シリンダに作動油を供給する油圧ポンプの吐出圧を取得する吐出圧取得部と、
    　前記吐出圧に基づいて、前記作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する作業形態判定部と、
    　前記作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って前記バケットを移動させ、前記作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、前記設計面を基準とする所定位置で前記バケットを停止させる駆動制御部と、
    を備える作業機制御システム。
  7. 　車両本体と、
    　請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の作業機制御システムと、
    を備える建設機械。
  8. 　バケットを含む複数の被駆動部材によって構成されており、車両本体に回動可能に支持される作業機を駆動するユーザ操作を受け付け、前記ユーザ操作に応じた操作信号を出力する工程と、
    　前記操作信号に基づいて、前記作業機の作業形態が成形作業であるか刃先位置合せ作業であるかを判定する工程と、
    　前記作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、前記設計面を基準とする所定位置で前記バケットを停止させる工程と、
    　前記バケットが前記所定位置で停止された後、前記複数の被駆動部材のうち所定の被駆動部材を駆動するユーザ操作が受け付けられた場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って前記バケットを移動させる工程と、
    を備える作業機制御方法。
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