WO2013183654A1 - ショベルの制御方法及び制御装置 - Google Patents

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WO2013183654A1
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春男 呉
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住友重機械工業株式会社
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    • E02F9/2296—Systems with a variable displacement pump

Definitions

  • the present invention relates to a control method and a control device for a shovel, and more particularly to a control method and a control device for a shovel when performing leveling work, slope shaping work, and the like.
  • Patent Document 1 a hydraulic excavator excavation trajectory control device that facilitates leveling work is known (see, for example, Patent Document 1).
  • This excavation trajectory control device sets a work permission area extending horizontally in the extending direction of the front attachment of the excavator, and permits the operation of the arm and boom when the axial center position of the arm tip pin is within the work permission area. To do.
  • this excavation trajectory control apparatus sets a work suppression area around the work permission area, and when the axial center position of the arm tip pin enters the work suppression area, any of arm pulling, boom raising, and boom lowering Prohibit any operation.
  • the excavation trajectory control device allows the operator to easily perform straight line drawing work and leveling work along the extending direction of the front attachment.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a shovel control method and a control device that can operate a front attachment more easily.
  • the shovel control method performs the planar position control of the end attachment while maintaining the height of the end attachment by operating one lever, or The height of the end attachment is controlled while maintaining the planar position of the end attachment.
  • the shovel control device performs the planar position control of the end attachment while maintaining the height of the end attachment by operating one lever, or the planar position of the end attachment.
  • the height of the end attachment is controlled while maintaining the above.
  • the present invention can provide a shovel control method and a control device that allow the front attachment to be operated more easily.
  • FIG. 1 is a side view showing a hydraulic excavator that executes a control method according to an embodiment of the present invention.
  • the upper swing body 3 is mounted on the lower traveling body 1 of the hydraulic excavator via the swing mechanism 2.
  • a boom 4 as an operating body is attached to the upper swing body 3.
  • An arm 5 as an operating body is attached to the tip of the boom 4, and a bucket 6 that is an end attachment as an operating body is attached to the tip of the arm 5.
  • the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 constitute a front attachment and are hydraulically driven by the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, and the bucket cylinder 9, respectively.
  • the upper swing body 3 is provided with a cabin 10 and is mounted with a power source such as an engine.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the drive system of the hydraulic excavator shown in FIG.
  • the mechanical power system is indicated by a double line
  • the high-pressure hydraulic line is indicated by a thick solid line
  • the pilot line is indicated by a broken line
  • the electric drive / control system is indicated by a thin solid line.
  • a main pump 14 and a pilot pump 15 are connected to the output shaft of the engine 11 as a mechanical drive unit as a hydraulic pump.
  • a control valve 17 is connected to the main pump 14 via a high pressure hydraulic line 16.
  • the main pump 14 is a variable displacement hydraulic pump whose discharge flow rate per pump rotation is controlled by a regulator 14A.
  • the control valve 17 is a hydraulic control device that controls the hydraulic system in the hydraulic excavator.
  • the hydraulic motors 1A (for right) and 1B (for left), the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, and the bucket cylinder 9 for the lower traveling body 1 are connected to the control valve 17 via a high-pressure hydraulic line.
  • An operation device 26 is connected to the pilot pump 15 through a pilot line 25.
  • the operating device 26 includes a lever 26A, a lever 26B, and a pedal 26C.
  • the lever 26A, the lever 26B, and the pedal 26C are connected to the control valve 17 and the pressure sensor 29 via hydraulic lines 27 and 28, respectively.
  • the pressure sensor 29 is connected to a controller 30 that performs drive control of the electric system.
  • a posture sensor for detecting the posture of each operating body is attached to each operating body.
  • a boom angle sensor 4 ⁇ / b> S for detecting the tilt angle of the boom 4 is attached to the support shaft of the boom 4.
  • An arm angle sensor 5S for detecting the opening / closing angle of the arm 5 is attached to the support shaft of the arm 5, and a bucket angle sensor 6S for detecting the opening / closing angle of the bucket 6 is attached to the support shaft of the bucket 6. Yes.
  • the boom angle sensor 4S supplies the detected boom angle to the controller 30.
  • the arm angle sensor 5S supplies the detected arm angle to the controller 30, and the bucket angle sensor 6S supplies the detected bucket angle to the controller 30.
  • the controller 30 is an excavator control device as a main control unit that performs drive control of the hydraulic excavator.
  • the controller 30 is configured by an arithmetic processing unit including a CPU (Central Processing Unit) and an internal memory, and is realized by the CPU executing a drive control program stored in the internal memory.
  • arithmetic processing unit including a CPU (Central Processing Unit) and an internal memory, and is realized by the CPU executing a drive control program stored in the internal memory.
  • CPU Central Processing Unit
  • F3A in FIG. 3 is a side view of the hydraulic excavator
  • F3B in FIG. 3 is a top view of the hydraulic excavator.
  • the Z-axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system corresponds to the swing axis PC of the hydraulic excavator, and the origin O of the three-dimensional orthogonal coordinate system is the installation surface of the swing axis PC and the hydraulic shovel. Corresponds to the intersection of
  • the X axis orthogonal to the Z axis extends in the extending direction of the front attachment
  • the Y axis orthogonal to the Z axis extends in a direction perpendicular to the extending direction of the front attachment. That is, the X axis and the Y axis rotate around the Z axis as the hydraulic excavator turns.
  • the turning angle ⁇ of the hydraulic excavator is a positive direction in the counterclockwise direction with respect to the X axis when viewed from above as shown in F3B.
  • the mounting position of the boom 4 with respect to the upper swing body 3 is represented by a boom pin position P1, which is the position of the boom pin as the boom rotation axis.
  • the mounting position of the arm 5 with respect to the boom 4 is represented by an arm pin position P2, which is the position of the arm pin as the arm rotation axis.
  • the attachment position of the bucket 6 with respect to the arm 5 is represented by the bucket pin position P3 which is the position of the bucket pin as a bucket rotating shaft.
  • the tip position of the bucket 6 is represented by a bucket tip position P4.
  • the length of the line segment SG1 connecting the boom pin position P1 and the arm pin position P2 is represented by a predetermined value L 1 as the boom length
  • the length of the line segment SG2 connecting the arm pin position P2 and the bucket pin position P3 arm represented by a predetermined value L 2 as the length
  • the length of the line segment SG3 connecting the bucket pin position P3 and the bucket tip position P4 is represented by a predetermined value L 3 as a bucket length.
  • ground angle beta 1 The angle formed between the line segment SG1 and a horizontal plane is represented by ground angle beta 1
  • the angle formed between the line segment SG2 and a horizontal plane is represented by ground angle beta 2
  • a line segment SG3 The angle formed with the horizontal plane is represented by the ground angle ⁇ 3 .
  • the ground angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 are also referred to as a boom rotation angle, an arm rotation angle, and a bucket rotation angle, respectively.
  • Xe and Ye represent the planar position of the end attachment, and Ze represents the height of the end attachment.
  • the coordinate value of the boom pin position P1 is a fixed value, if the ground angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 are determined, the coordinate value of the bucket tip position P4 is uniquely determined.
  • the ground angle beta 1 the coordinate values of the arm pin position P2 is uniquely determined, once the ground angle beta 1 and beta 2, the coordinate values of the bucket pin position P3 is uniquely determined.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the movement of the front attachment in the XZ plane.
  • the boom angle sensor 4S is installed at the boom pin position P1
  • the arm angle sensor 5S is installed at the arm pin position P2
  • the bucket angle sensor 6S is installed at the bucket pin position P3.
  • boom angle sensor 4S detects and outputs an angle alpha 1 which is formed between the line segment SG1 and vertical line.
  • Arm angle sensor 5S is detected and outputs an angle alpha 2 which is formed between the extension line and the line segment SG2 of segment SG1.
  • Bucket angle sensor 6S are detected and outputs an angle alpha 3 formed between the extended line of the line segment SG2 and the line segment SG3.
  • the angle alpha 1 is the counterclockwise direction as positive direction relates segment SG1.
  • the angle alpha 2 is the counterclockwise direction as positive direction relates segment SG2
  • the angle alpha 3 is a counterclockwise direction as positive direction relates segment SG3.
  • the boom rotation angle ⁇ 1 , arm rotation angle ⁇ 2 , and bucket rotation angle ⁇ 3 are counterclockwise with respect to a line parallel to the X axis.
  • the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 are expressed by the equations (3), (4), and (5) using the angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 , respectively. ).
  • ⁇ 1 90 ⁇ 1 (3)
  • ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 are expressed as the inclinations of the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 with respect to the horizontal plane.
  • the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 are uniquely determined.
  • the coordinate value of the bucket tip position P4 is uniquely determined.
  • the angle ⁇ 1 is determined, the coordinate values of the boom rotation angle ⁇ 1 and the arm pin position P2 are uniquely determined.
  • the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are determined, the coordinates of the arm rotation angle ⁇ 2 and the bucket pin position P3 are determined. The value is uniquely determined.
  • the boom angle sensor 4S, the arm angle sensor 5S, and the bucket angle sensor 6S may directly detect the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 . In this case, the calculations of equations (3) to (5) can be omitted.
  • FIG. 5 is a top perspective view of the driver's seat in the cabin 10 and shows a state in which the lever 26A is disposed on the left front side of the driver seat and the lever 26B is disposed on the right front side of the driver seat. Further, F5A in FIG. 5 shows the lever setting in the normal mode, and F5B in FIG. 5 shows the lever setting in the automatic leveling mode.
  • the lever 26A when the lever 26A is tilted forward, at least one of the boom 4 and the arm 5 is set so that the X coordinate value and the Y coordinate value of the bucket tip position P4 remain unchanged and the Z coordinate value decreases. Move. Note that the bucket 6 may move. Further, when the lever 26A is tilted backward, at least one of the boom 4 and the arm 5 moves so that the value of the Z coordinate increases while the value of the X coordinate and the Y coordinate of the bucket tip position P4 remains unchanged. Note that the bucket 6 may move.
  • the lever 26B and the increased bucket rotation angle beta 3 defeating the left the lever 26B bucket rotation angle beta 3 is decreased when tilted to the right to. That is, when the lever 26B is tilted to the left, the bucket 6 is closed, and when the lever 26B is tilted to the right, the bucket 6 is opened.
  • the movement of the bucket 6 caused by the operation of the lever 26B in the left-right direction is the same as in the normal mode.
  • the automatic leveling mode of the bucket rotation angle beta 3 corresponding to the lever operation amount target The difference is that the bucket 6 is moved by determining the value. Details of the control in the automatic leveling mode will be described later.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a processing flow when the lever is operated in the automatic leveling mode.
  • the controller 30 determines whether or not the automatic leveling mode is selected in the mode changeover switch installed near the driver's seat in the cabin 10 (step S1).
  • step S1 When it is determined that the automatic leveling mode is selected (YES in step S1), the controller 30 detects the lever operation amount (step S2).
  • the controller 30 detects the operation amounts of the levers 26A and 26B based on the output of the pressure sensor 29, for example.
  • step S3 the controller 30 determines whether or not an X direction operation has been performed. Specifically, the controller 30 determines whether or not the lever 26B has been operated in the front-rear direction.
  • step S3 If it is determined that an X direction operation has been performed (YES in step S3), the controller 30 executes X direction movement control (planar position control) (step S4).
  • Step S5 the controller 30 determines whether or not an operation in the front-rear direction of the lever 26A has been performed.
  • Step S5 When it is determined that the Z direction operation has been performed (YES in Step S5), the controller 30 executes Z direction movement control (height control) (Step S6).
  • step S5 the controller 30 determines whether or not the Z direction operation has been performed (NO in step S5). Specifically, the controller 30 determines whether or not the lever 26A has been operated in the left-right direction.
  • step S7 If it is determined that an operation in the ⁇ direction has been performed (YES in step S7), the controller 30 performs a turning operation (step S8).
  • step S9 the controller 30 determines whether or not an operation of the lever 26B in the left-right direction has been performed.
  • step S10 When it is determined that the ⁇ 3 direction operation has been performed (YES in step S9), the controller 30 executes a bucket opening / closing operation (step S10).
  • the flow of control shown in FIG. 6 is for a single operation in which one of the X direction operation, the Z direction operation, the ⁇ direction operation, and the ⁇ 3 direction operation is executed.
  • the present invention can be similarly applied to a composite operation in which a plurality of operations are executed simultaneously. For example, a plurality of controls among the X direction movement control, the Z direction movement control, the turning operation, and the bucket opening / closing operation may be performed simultaneously.
  • FIGS. 7 and 8 are block diagrams showing the flow of the X-direction movement control.
  • the controller 30 When the X direction operation is performed with the lever 26B, the controller 30 performs open control of the displacement of the bucket tip position P4 in the X axis direction according to the X direction operation of the lever 26B, as shown in FIG. Specifically, the controller 30 generates the command value Xer as the value of the X coordinate after the movement of the bucket tip position P4, for example. More specifically, the controller 30 uses the X direction command value generation unit CX to generate an X direction command value Xer corresponding to the lever operation amount Lx of the lever 26B. The X-direction command value generation unit CX derives the X-direction command value Xer from the lever operation amount Lx using, for example, a previously registered table.
  • the X-direction command value generation unit CX increases the difference ⁇ Xe between the X-coordinate value Xe before the movement of the bucket tip position P4 and the X-coordinate value Xer after the movement as the operation amount of the lever 26B increases.
  • a value Xer is generated so that Note that the controller 30 may generate the value Xer so that ⁇ Xe is constant regardless of the operation amount of the lever 26B. Further, the values of the Y coordinate and the Z coordinate of the bucket tip position P4 are unchanged before and after the movement.
  • the controller 30 determines the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r for the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 based on the generated command value Xer. Generate.
  • the controller 30 generates the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r using the above formulas (1) and (2).
  • the values Xe and Ze of the X and Z coordinates of the bucket tip position P4 are expressed by the boom rotation angle ⁇ 1 , arm rotation angle ⁇ 2 , and bucket rotation angle ⁇ 3 as shown in the equations (1) and (2). It is a function.
  • the current value is used as it is for the Z coordinate value Zero after the movement of the bucket tip position P4. Therefore, if the command value ⁇ 3 r of the bucket rotation angle ⁇ 3 is kept at the current value, the generated command value Xer is substituted for Xe in Equation (1), and the current value is substituted for ⁇ 3 as it is. .
  • the current value to Ze of formula (2) is substituted as it is, to beta 3 the current value is substituted as it is.
  • the values of the boom rotation angle ⁇ 1 and the arm rotation angle ⁇ 2 are derived by solving the simultaneous equations of the expressions (1) and (2) including the two unknowns ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the controller 30 sets these derived values as command values ⁇ 1 r and ⁇ 2 r.
  • the controller 30 determines that the values of the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 are generated as command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r,
  • the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 are operated so as to be ⁇ 3 r.
  • the controller 30 derives the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r corresponding to the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r using the equations (3) to (5). May be.
  • the controller 30 determines that the angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 that are outputs of the boom angle sensor 4S, the arm angle sensor 5S, and the bucket angle sensor 6S are derived command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, and ⁇ 3.
  • the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 may be operated so as to be r.
  • the controller 30 generates a boom cylinder pilot pressure command corresponding to the difference ⁇ 1 between the current value of the boom rotation angle ⁇ 1 and the command value ⁇ 1 r. Then, a control current corresponding to the boom cylinder pilot pressure command is output to the boom electromagnetic proportional valve.
  • the boom solenoid proportional valve In the automatic leveling mode, the boom solenoid proportional valve outputs a pilot pressure corresponding to a control current corresponding to the boom cylinder pilot pressure command to the boom control valve.
  • the boom electromagnetic proportional valve outputs a pilot pressure corresponding to the operation amount of the lever 26B in the front-rear direction to the boom control valve.
  • the boom control valve that has received the pilot pressure from the boom electromagnetic proportional valve supplies the hydraulic oil discharged from the main pump 14 to the boom cylinder 7 in the flow direction and flow rate corresponding to the pilot pressure.
  • the boom cylinder 7 is expanded and contracted by hydraulic oil supplied via the boom control valve.
  • Boom angle sensor 4S detects the angle alpha 1 of the boom 4 is moved by a boom cylinder 7 expands and contracts.
  • the controller 30 calculates the boom rotation angle ⁇ 1 by substituting the angle ⁇ 1 detected by the boom angle sensor 4S into the equation (3). Then, as the current value of the boom rotational angle beta 1 for use in generating a boom cylinder pilot pressure command, and feeds back the calculated value.
  • the above description relates to the operation of the boom 4 based on the command value ⁇ 1 r, but the operation of the arm 5 based on the command value ⁇ 2 r and the operation of the bucket 6 based on the command value ⁇ 3 r. Is equally applicable. Therefore, the description of the operation flow of the arm 5 based on the command value ⁇ 2 r and the flow of the operation of the bucket 6 based on the command value ⁇ 3 r will be omitted.
  • the controller 30 derives the pump discharge amount from the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r using the pump discharge amount deriving units CP1, CP2, CP3.
  • the pump discharge amount deriving units CP1, CP2, and CP3 derive the pump discharge amount from the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, and ⁇ 3 r using a pre-registered table or the like.
  • the pump discharge amounts derived by the pump discharge amount deriving units CP1, CP2, and CP3 are summed and input to the pump flow rate calculation unit as the total pump discharge amount.
  • the pump flow rate calculation unit controls the discharge amount of the main pump 14 based on the input total pump discharge amount. In this embodiment, the pump flow rate calculation unit controls the discharge amount of the main pump 14 by changing the swash plate tilt angle of the main pump 14 according to the total pump discharge amount.
  • the controller 30 is suitable for the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, and the bucket cylinder 9 by executing the opening control of the boom control valve, the arm control valve, and the bucket control valve and the control of the discharge amount of the main pump 14. Can dispense a large amount of hydraulic fluid.
  • the controller 30 generates the command value Xer, generates the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, and ⁇ 3 r, controls the discharge amount of the main pump 14, and controls the angle sensors 4S, 5S, and 6S.
  • the feedback control of the operating bodies 4, 5, and 6 based on the output is set as one control cycle, and the movement of the bucket tip position P4 in the X direction is controlled by repeating this control cycle.
  • the current value of the bucket rotation angle beta 3 is used directly as the command value beta 3 r bucket rotation angle beta 3.
  • uniquely determined value depending on the value of arm rotation angle beta 2 for example, be a value obtained by adding a fixed value to the value of arm rotation angle beta 2 is used as a command value beta 3 r bucket rotation angle beta 3 Good.
  • the X coordinate displacement of the bucket tip position P4 is open controlled while fixing the Y coordinate and Z coordinate of the bucket tip position P4.
  • the displacement of the X coordinate of the bucket pin position P3 may be open controlled while fixing the Y coordinate and the Z coordinate of the bucket pin position P3. In this case, generation of the command value ⁇ 3 r and control of the bucket 6 are omitted.
  • FIGS. 9 and 10 are block diagrams showing the flow of Z-direction movement control.
  • the controller 30 When the Z direction operation is performed with the lever 26A, the controller 30 performs open control of the displacement of the bucket tip position P4 in the Z axis direction according to the Z direction operation of the lever 26A as shown in FIG. Specifically, the controller 30 generates the command value Zer as the value of the Z coordinate after the movement of the bucket tip position P4, for example. More specifically, the controller 30 uses the Z direction command value generation unit CZ to generate a Z direction command value Zero corresponding to the operation amount Lz of the lever 26A. The Z-direction command value generation unit CZ derives the Z-direction command value Zer from the lever operation amount Lz using, for example, a table registered in advance.
  • the Z direction command value generation unit CZ increases the difference ⁇ Ze between the Z coordinate value Ze before the movement of the bucket tip position P4 and the Z coordinate value Ze after the movement as the operation amount of the lever 26A increases.
  • the value Zer is generated so that The controller 30 may generate the value Zer so that ⁇ Ze is constant regardless of the operation amount of the lever 26A. Further, the values of the X coordinate and the Y coordinate of the bucket tip position P4 are unchanged before and after the movement.
  • the controller 30 determines the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r for the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 based on the generated command value Zero. Generate.
  • the controller 30 generates the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, ⁇ 3 r using the above formulas (1) and (2).
  • the values Xe and Ze of the X and Z coordinates of the bucket tip position P4 are expressed by the boom rotation angle ⁇ 1 , arm rotation angle ⁇ 2 , and bucket rotation angle ⁇ 3 as shown in the equations (1) and (2). It is a function.
  • the current value is used as it is for the X coordinate value Xer after the movement of the bucket tip position P4. Therefore, if the command value ⁇ 3 r of the bucket rotation angle ⁇ 3 is left as the current value, the current value is substituted as it is into Xe in the equation (1), and the current value is also substituted into ⁇ 3 as it is.
  • the generated command value Ze is substituted for Ze in the expression (2), and the current value is substituted for ⁇ 3 as it is.
  • the values of the boom rotation angle ⁇ 1 and the arm rotation angle ⁇ 2 are derived by solving the simultaneous equations of the expressions (1) and (2) including the two unknowns ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the controller 30 sets these derived values as command values ⁇ 1 r and ⁇ 2 r.
  • the controller 30 determines that the values of the boom rotation angle ⁇ 1 , the arm rotation angle ⁇ 2 , and the bucket rotation angle ⁇ 3 are generated based on the generated command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r,
  • the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 are operated so as to be ⁇ 3 r.
  • the description is abbreviate
  • the controller 30 generates the command value Zer, generates the command values ⁇ 1 r, ⁇ 2 r, and ⁇ 3 r, controls the discharge amount of the main pump 14, and controls the angle sensors 4S, 5S, and 6S.
  • the feedback control of the operating bodies 4, 5, 6 based on the output is set as one control cycle, and the Z-direction movement control of the bucket tip position P4 is performed by repeating this control cycle.
  • the current value of the bucket rotation angle beta 3 is used directly as the command value beta 3 r bucket rotation angle beta 3.
  • uniquely determined value depending on the value of arm rotation angle beta 2 for example, be a value obtained by adding a fixed value to the value of arm rotation angle beta 2 is used as a command value beta 3 r bucket rotation angle beta 3 Good.
  • the Z coordinate displacement of the bucket tip position P4 is open controlled while the X and Y coordinates of the bucket tip position P4 are fixed.
  • the displacement of the Z coordinate of the bucket pin position P3 may be controlled open while the X and Y coordinates of the bucket pin position P3 are fixed. In this case, generation of the command value ⁇ 3 r and control of the bucket 6 are omitted.
  • the operation amount of the lever is not the expansion / contraction control of the boom cylinder 7, the arm cylinder 8 and the bucket cylinder 9, but the bucket tip position P4. Used for position control. Therefore, this control method realizes the operation of increasing or decreasing the value of the Z coordinate while operating the bucket rotation angle ⁇ 3 and the X coordinate and Y coordinate values of the bucket tip position P4 by operating one lever. Can do. Further, the operation of increasing or decreasing the value of the X coordinate while maintaining the bucket rotation angle ⁇ 3 and the Y coordinate and Z coordinate values of the bucket tip position P4 can be realized by operating one lever.
  • the planar position of the end attachment and the height of the end attachment can be used as the bucket pin position P3, and the lever operation amount can be used for position control of the bucket pin position P3.
  • this control method can realize an operation of increasing or decreasing the value of the Z coordinate by operating one lever while maintaining the values of the X coordinate and the Y coordinate of the bucket pin position P3. Further, the operation of increasing or decreasing the value of the X coordinate while maintaining the values of the Y coordinate and the Z coordinate of the bucket pin position P3 can be realized by operating one lever.
  • X P3 H 0X + L 1 cos ⁇ 1 + L 2 cos ⁇ 2 (6)
  • Z P3 H 0z + L 1 sin ⁇ 1 + L 2 sin ⁇ 2 ⁇ (7)
  • YP3 is 0. This is because the bucket pin position P3 exists on the XZ plane.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of a drive system of a hybrid excavator.
  • the mechanical power system is indicated by a double line
  • the high pressure hydraulic line is indicated by a thick solid line
  • the pilot line is indicated by a broken line
  • the electric drive / control system is indicated by a thin solid line.
  • the drive system in FIG. 11 includes a motor generator 12, a transmission 13, an inverter 18, and a power storage system 120.
  • the inverter 20, the turning motor 21, the resolver 22, and the mechanical 2 is different from the drive system of FIG. 2 in that a load drive system including a brake 23 and a turning speed reducer 24 is provided.
  • the other points are common to the drive system of FIG. Therefore, the differences will be described in detail while omitting the description of the common points.
  • an engine 11 as a mechanical drive unit and a motor generator 12 as an assist drive unit that also generates power are connected to two input shafts of a transmission 13, respectively.
  • a main pump 14 and a pilot pump 15 as hydraulic pumps are connected to the output shaft of the transmission 13.
  • the motor generator 12 is connected to a power storage system (power storage device) 120 including a capacitor as a power storage device via an inverter 18.
  • a power storage system power storage device 120 including a capacitor as a power storage device via an inverter 18.
  • the power storage system 120 is disposed between the inverter 18 and the inverter 20. Thereby, when at least one of the motor generator 12 and the turning electric motor 21 is performing a power running operation, the power storage system 120 supplies electric power necessary for the power running operation, and at least one of them is performing a power generation operation. In this case, the power storage system 120 stores the electric power generated by the power generation operation as electric energy.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration example of the power storage system 120.
  • the storage system 120 includes a capacitor 19 as a storage battery, a step-up / down converter 100, and a DC bus 110.
  • the DC bus 110 serving as the second battery controls the transfer of electric power among the capacitor 19 serving as the first battery, the motor generator 12, and the turning motor 21.
  • the capacitor 19 is provided with a capacitor voltage detector 112 for detecting a capacitor voltage value and a capacitor current detector 113 for detecting a capacitor current value.
  • the capacitor voltage value and the capacitor current value detected by the capacitor voltage detection unit 112 and the capacitor current detection unit 113 are supplied to the controller 30.
  • the capacitor 19 is shown as an example of the capacitor.
  • a rechargeable secondary battery such as a lithium ion battery, a lithium ion capacitor, or another form of power source capable of transmitting and receiving power. May be used as a capacitor.
  • the step-up / step-down converter 100 performs control to switch between the step-up operation and the step-down operation so that the DC bus voltage value falls within a certain range according to the operation state of the motor generator 12 and the turning electric motor 21.
  • the DC bus 110 is disposed between the inverters 18 and 20 and the step-up / down converter 100, and transfers power between the capacitor 19, the motor generator 12, and the turning electric motor 21.
  • the inverter 20 is provided between the turning electric motor 21 and the power storage system 120, and performs operation control on the turning electric motor 21 based on a command from the controller 30. Thereby, the inverter 20 supplies necessary electric power from the power storage system 120 to the turning electric motor 21 when the electric turning motor 21 is performing a power running operation. Further, when the turning electric motor 21 is in a power generation operation, the electric power generated by the turning electric motor 21 is stored in the capacitor 19 of the power storage system 120.
  • the turning electric motor 21 may be an electric motor capable of both power running operation and power generation operation, and is provided for driving the turning mechanism 2 of the upper turning body 3.
  • the rotational driving force of the turning electric motor 21 is amplified by the speed reducer 24, and the upper turning body 3 is subjected to acceleration / deceleration control to perform rotational movement.
  • the inertial rotation of the upper-part turning body 3 is transmitted to the turning electric motor 21 with the number of rotations increased by the speed reducer 24, and regenerative power can be generated.
  • the turning electric motor 21 is an electric motor driven by the inverter 20 by a PWM (Pulse Width Modulation) control signal.
  • the turning electric motor 21 can be constituted by, for example, a magnet-embedded IPM motor.
  • the charging / discharging control of the capacitor 19 of the power storage system 120 is performed in the charging state of the capacitor 19, the operating state of the motor generator 12 (power running operation or power generating operation), and the operating state of the turning motor 21 (power running operation or regenerative operation). Based on the controller 30.
  • the resolver 22 is a sensor that detects the rotation position and rotation angle of the rotating shaft 21A of the turning electric motor 21. Specifically, the resolver 22 detects the difference between the rotation position of the rotation shaft 21A before the rotation of the turning electric motor 21 and the rotation position after the left rotation or the right rotation, thereby rotating the rotation angle of the rotation shaft 21A. And detecting the direction of rotation. By detecting the rotation angle and rotation direction of the rotating shaft 21A of the turning electric motor 21, the rotation angle and rotation direction of the turning mechanism 2 are derived.
  • the mechanical brake 23 is a braking device that generates a mechanical braking force, and mechanically stops the rotating shaft 21A of the turning electric motor 21. This mechanical brake 23 is switched between braking and release by an electromagnetic switch. This switching is performed by the controller 30.
  • the turning transmission 24 is a transmission that decelerates the rotation of the rotating shaft 21 ⁇ / b> A of the turning electric motor 21 and mechanically transmits it to the turning mechanism 2. Thereby, during the power running operation, the rotational force of the turning electric motor 21 can be increased, and a larger rotational force can be transmitted to the upper turning body 3. On the contrary, in the regenerative operation, the rotation generated in the upper swing body 3 can be accelerated and mechanically transmitted to the swing electric motor 21.
  • the turning mechanism 2 can turn in a state where the mechanical brake 23 of the turning electric motor 21 is released, whereby the upper turning body 3 is turned leftward or rightward.
  • the controller 30 performs operation control of the motor generator 12 (switching between electric assist operation or power generation operation) and charge / discharge control of the capacitor 19 by drivingly controlling the step-up / step-down converter 100 as the step-up / step-down control unit.
  • the controller 30 is configured to control the step-up / down converter 100 based on the charge state of the capacitor 19, the operation state of the motor generator 12 (electric assist operation or power generation operation), and the operation state of the turning motor 21 (power running operation or regenerative operation). Switching control between the step-up operation and the step-down operation is performed, and thereby charge / discharge control of the capacitor 19 is performed.
  • the controller 30 also controls the amount (charge current or charge power) charged in the capacitor 19.
  • the switching control between the step-up / step-down operation of the step-up / step-down converter 100 is performed by controlling the DC bus voltage value detected by the DC bus voltage detection unit 111, the capacitor voltage value detected by the capacitor voltage detection unit 112, and the capacitor current detection unit 113. Is performed based on the capacitor current value detected by.
  • the electric power generated by the motor generator 12 as an assist motor is supplied to the DC bus 110 of the power storage system 120 via the inverter 18 and supplied to the capacitor 19 via the step-up / down converter 100.
  • the regenerative power generated by the regenerative operation of the turning electric motor 21 is supplied to the DC bus 110 of the power storage system 120 via the inverter 20 and supplied to the capacitor 19 via the step-up / down converter 100.
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of a drive system of a hybrid excavator.
  • the mechanical power system is indicated by a double line
  • the high-pressure hydraulic line is indicated by a thick solid line
  • the pilot line is indicated by a broken line
  • the electric drive / control system is indicated by a thin solid line.
  • the drive system of FIG. 13 uses an inverter 18A for electric power instead of a configuration (parallel system) in which the two output shafts of the engine 11 and the motor generator 12 are connected to the main pump 14 via the transmission 13.
  • 11 is different from the drive system of FIG. 11 in that a configuration (serial system) in which the output shaft of the pump motor 400 that is driven is connected to the main pump 14 is employed.
  • the other points are common to the drive system of FIG.
  • control method according to the embodiment of the present invention can also be applied to a hybrid excavator having the above configuration.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of a coordinate system used in the slope shaping mode, and corresponds to F3A in FIG.
  • the lever setting in the slope shaping mode is the same as the lever setting in the automatic leveling mode shown in F5B of FIG.
  • FIG. 14 also includes an X-axis parallel to the horizontal plane and a Z-axis perpendicular to the horizontal plane in terms of using a UVW three-dimensional orthogonal coordinate system including a U-axis parallel to the slope and a W-axis perpendicular to the slope.
  • a UVW three-dimensional orthogonal coordinate system including a U-axis parallel to the slope and a W-axis perpendicular to the slope.
  • the slope angle ⁇ 1 can be set by the operator via the slope angle input unit before executing the slope shaping mode.
  • FIG. 14 shows a case where the slope is formed in a negative direction in the W-axis direction, that is, so as to have a downward slope when viewed from the shovel.
  • Ue and Ve represent the position of the end attachment on the UV plane, and We represents the distance of the end attachment from the UV plane.
  • the boom coordinate 4 is set such that the U coordinate value Ue decreases while the V coordinate value Ve and the W coordinate value We of the bucket tip position P4 remain unchanged. At least one of the arm 5 and the bucket 6 moves.
  • the bucket tip position P4 is moved in the U-axis direction in response to an operation in the front-rear direction of the lever 26B (corresponding to the X-direction operation of F5B in FIG. 5 and hereinafter referred to as “U-direction operation”). Further, the bucket tip position P4 is moved in the W-axis direction in response to an operation in the front-rear direction of the lever 26A (corresponding to the Z-direction operation of F5B in FIG. 5 and hereinafter referred to as “W-direction operation”).
  • the controller 30 moves the bucket tip position P4 in the U-axis direction in response to the operator's operation in the front-rear direction of the lever 26B. It is also possible to set the bucket tip position P4 to move in the Z-axis direction according to the operation of the lever 26A in the front-rear direction.
  • the control executed in response to the operation in the front-rear direction of the levers 26A, 26B in the slope shaping mode, that is, the operation in the W direction and the U direction of the bucket 6 as an end attachment is referred to as “slope position control”. ". Further, the control executed in response to the operation of the lever 26A in the left-right direction and the operation of the lever 26B in the left-right direction in the slope shaping mode is the same as in the automatic leveling mode.
  • the operator uses the slope position control in the slope shaping mode as an example of the X-direction movement control (plane position control) in the automatic leveling mode, and uses a bucket along the desired slope. 6 movement can be easily realized.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of a coordinate system used in the slope shaping mode, and corresponds to F3A in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the movement of the front attachment in the XZ plane, and corresponds to FIG.
  • the lever setting in the slope shaping mode is the same as the lever setting in the automatic leveling mode shown in F5B of FIG.
  • the slope angle ⁇ 1 can be set by the operator before executing the slope shaping mode.
  • 15 and 16 show a case where the slope is formed in a negative direction in the Z-axis direction, that is, so as to have a downward slope when viewed from the shovel.
  • the slope shaping mode, the beat lever 26B forward, the value Ye of the Y coordinate of the bucket end position P4 is unchanged, and the distance between the slope SF1 and the bucket tip position P4 of the angle gamma 1 was unchanged
  • at least one of the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 moves so that the value Xe of the X coordinate increases. That is, the bucket tip position P4 moves on the plane SF2 parallel to the slope SF1 in a direction perpendicular to the Y axis and away from the shovel.
  • the value Ze of the Z coordinate increases when the slope is an upward slope as viewed from the shovel, and decreases when the slope is a downward slope when viewed from the shovel.
  • FIG. 15 shows a slope SF1 having a downward slope as viewed from the shovel.
  • the Y coordinate value Ye of the bucket tip position P4 remains unchanged, and the distance between the slope SF1 and the bucket tip position P4 remains unchanged.
  • At least one of the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 moves so that the X coordinate value Xe decreases. That is, the bucket tip position P4 moves on the plane SF2 parallel to the slope SF1 in a direction perpendicular to the Y axis and approaching the shovel.
  • the value Ze of the Z coordinate decreases when the slope is an upward slope as viewed from the shovel, and increases when the slope is a downward slope when viewed from the shovel.
  • position control of the bucket pin position P3 may be executed instead of position control of the bucket tip position P4.
  • the value Y P3 of the Y-coordinate of the bucket pin position P3 is unchanged, and, while the distance between the slope SF1 and the bucket pin position P3 angle gamma 1 unchanged, the value X p3 X coordinate changes At least one of the boom 4, the arm 5 and the bucket 6 moves. That is, the bucket pin position P3 moves in a direction perpendicular to the Y axis on a plane parallel to the slope SF1.
  • the control executed in response to the operation in the front-rear direction of the lever 26B in the slope shaping mode that is, the operation in the X direction of the bucket 6 as an end attachment is “slope position control”. Called.
  • the control executed according to the operation of the lever 26A in the slope shaping mode and the operation of the lever 26B in the left-right direction is the same as in the automatic leveling mode.
  • the operator uses the slope position control in the slope shaping mode as an example of the X-direction movement control (plane position control) in the automatic leveling mode, and uses a bucket along the desired slope. 6 movement can be easily realized.
  • the bucket 6 is used as an end attachment, but a lifting magnet, a breaker, or the like may be used.

Abstract

本発明の実施例に係るショベルの制御方法は、レバー２６Ｂの前後方向への操作により、バケット６の高さを維持しながらバケット６のＸ方向移動制御（平面位置制御）を実行し、或いは、レバー２６Ａの前後方向への操作により、バケット６の平面位置を維持しながらバケット６のＺ方向移動制御（高さ制御）を実行する。

Description

ショベルの制御方法及び制御装置
　本発明はショベルの制御方法及び制御装置に関し、より詳細には、均し整地作業、法面整形作業等を行う際のショベルの制御方法及び制御装置に関する。
　従来、均し整地作業を容易に行えるようにする油圧ショベルの掘削軌跡制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この掘削軌跡制御装置は、油圧ショベルのフロントアタッチメントの延在方向に水平に延びる作業許可領域を設定し、アーム先端ピンの軸心位置が作業許可領域内にある場合、アーム及びブームの動作を許可する。一方、この掘削軌跡制御装置は、作業許可領域の周りに作業抑制領域を設定し、アーム先端ピンの軸心位置が作業抑制領域内に侵入した場合、アーム引き、ブーム上げ、及びブーム下げの何れかの動作を禁止する。
　このようにして、この掘削軌跡制御装置は、フロントアタッチメントの延在方向に沿った直線引き作業や均し整地作業を操作者が容易に行えるようにしている。
特開平８－２７７５４３号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の掘削軌跡制御装置を搭載する油圧ショベルでは、操作者は、アーム及びブームを動かすときにそれぞれに対応する個別の操作レバーを用いる。そのため、操作者は、直線引き作業や均し整地作業においてバケットを移動させる際に２つの操作レバーを同時に操作する必要がある。そのため、油圧ショベルの操作に不慣れな操作者にとっては直線引き作業や均し整地作業は依然として困難な作業であり、そのような操作者に対する支援が十分であるとはいえない。
　本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、フロントアタッチメントをより容易に操作できるようにするショベルの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。
　上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルの制御方法は、１つのレバーの操作により、エンドアタッチメントの高さを維持しながら該エンドアタッチメントの平面位置制御を実行し、或いは、前記エンドアタッチメントの平面位置を維持しながら前記エンドアタッチメントの高さ制御を実行する。
　また、本発明の実施例に係るショベルの制御装置は、１つのレバーの操作により、エンドアタッチメントの高さを維持しながら該エンドアタッチメントの平面位置制御を実行し、或いは、前記エンドアタッチメントの平面位置を維持しながら前記エンドアタッチメントの高さ制御を実行する。
　上述の手段により、本発明は、フロントアタッチメントをより容易に操作できるようにするショベルの制御方法及び制御装置を提供することができる。
本発明の実施例に係る制御方法を実行する油圧式ショベルを示す側面図である。 油圧式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る制御方法で用いられる三次元直交座標系の説明図である。 ＸＺ平面におけるフロントアタッチメントの動きを説明する図である。 キャビン内の運転席の上面斜視図である。 自動均しモードにおいてレバー操作が行われた場合の処理の流れを示すフローチャートである。 Ｘ方向移動制御の流れを示すブロック図（その１）である。 Ｘ方向移動制御の流れを示すブロック図（その２）である。 Ｚ方向移動制御の流れを示すブロック図（その１）である。 Ｚ方向移動制御の流れを示すブロック図（その２）である。 本発明の実施例に係る制御方法を実行するハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。 ハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る制御方法を実行するハイブリッド式ショベルの駆動系の別の構成例を示すブロック図である。 法面整形モードで用いられる座標系の説明図（その１）である。 法面整形モードで用いられる座標系の説明図（その２）である。 法面整形モードでのフロントアタッチメントの動きを説明する図である。
　図１は、本発明の実施例に係る制御方法を実行する油圧式ショベルを示す側面図である。
　油圧式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、操作体としてのブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端には、操作体としてのアーム５が取り付けられ、アーム５の先端には操作体としてのエンドアタッチメントであるバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５及びバケット６は、フロントアタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
　図２は、図１の油圧式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。
　機械式駆動部としてのエンジン１１の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、メインポンプ１４は、ポンプ１回転当たりの吐出流量がレギュレータ１４Ａによって制御される可変容量型油圧ポンプである。
　コントロールバルブ１７は、油圧式ショベルにおける油圧系の制御を行う油圧制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。
　操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
　なお、本実施例では、各操作体の姿勢を検知するための姿勢センサが各操作体に取り付けられている。具体的には、ブーム４の傾斜角度を検出するためのブーム角度センサ４Ｓがブーム４の支持軸に取り付けられている。また、アーム５の開閉角度を検出するためのアーム角度センサ５Ｓがアーム５の支持軸に取り付けられ、バケット６の開閉角度を検出するためのバケット角度センサ６Ｓがバケット６の支持軸に取り付けられている。ブーム角度センサ４Ｓは、検出したブーム角度をコントローラ３０に供給する。また、アーム角度センサ５Ｓは、検出したアーム角度をコントローラ３０に供給し、バケット角度センサ６Ｓは、検出したバケット角度をコントローラ３０に供給する。
　コントローラ３０は、油圧式ショベルの駆動制御を行う主制御部としてのショベル制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
　次に、図３を参照しながら、本発明の実施例に係る制御方法で用いられる三次元直交座標系について説明する。なお、図３のＦ３Ａは、油圧式ショベルの側面図であり、図３のＦ３Ｂは、油圧式ショベルの上面図である。
　Ｆ３Ａ及びＦ３Ｂに示すように、三次元直交座標系のＺ軸は、油圧式ショベルの旋回軸ＰＣに相当し、三次元直交座標系の原点Ｏは、旋回軸ＰＣと油圧式ショベルの設置面との交点に相当する。
　また、Ｚ軸と直交するＸ軸は、フロントアタッチメントの延在方向に伸び、同じくＺ軸と直交するＹ軸は、フロントアタッチメントの延在方向に垂直な方向に伸びる。すなわち、Ｘ軸及びＹ軸は、油圧式ショベルの旋回とともにＺ軸回りを回転する。なお、油圧式ショベルの旋回角度θは、Ｆ３Ｂに示すような上面視で、Ｘ軸に関し反時計回り方向をプラス方向とする。
　また、Ｆ３Ａに示すように、上部旋回体３に対するブーム４の取り付け位置は、ブーム回転軸としてのブームピンの位置であるブームピン位置Ｐ１で表される。同様に、ブーム４に対するアーム５の取り付け位置は、アーム回転軸としてのアームピンの位置であるアームピン位置Ｐ２で表される。また、アーム５に対するバケット６の取り付け位置は、バケット回転軸としてのバケットピンの位置であるバケットピン位置Ｐ３で表される。さらに、バケット６の先端位置はバケット先端位置Ｐ４で表される。
　また、ブームピン位置Ｐ１とアームピン位置Ｐ２とを結ぶ線分ＳＧ１の長さはブーム長さとして所定値Ｌ１で表され、アームピン位置Ｐ２とバケットピン位置Ｐ３とを結ぶ線分ＳＧ２の長さはアーム長さとして所定値Ｌ２で表され、バケットピン位置Ｐ３とバケット先端位置Ｐ４とを結ぶ線分ＳＧ３の長さはバケット長さとして所定値Ｌ３で表される。
　また、線分ＳＧ１と水平面との間に形成される角度は対地角β１で表され、線分ＳＧ２と水平面との間に形成される角度は対地角β２で表され、線分ＳＧ３と水平面との間に形成される角度は対地角β３で表される。なお、以下では、対地角β１、β２、β３をそれぞれブーム回転角度、アーム回転角度、バケット回転角度とも称する。
　ここで、ブームピン位置Ｐ１の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｈ０Ｘ、０、Ｈ０Ｚ）とし、バケット先端位置Ｐ４の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘｅ、Ｙｅ、Ｚｅ）とすると、Ｘｅ、Ｚｅはそれぞれ式（１）及び式（２）で表される。なお、Ｘｅ及びＹｅはエンドアタッチメントの平面位置を表し、Ｚｅはエンドアタッチメントの高さを表す。
　Ｘｅ＝Ｈ０Ｘ＋Ｌ１ｃｏｓβ１＋Ｌ２ｃｏｓβ２＋Ｌ３ｃｏｓβ３・・・（１）
　Ｚｅ＝Ｈ０ｚ＋Ｌ１ｓｉｎβ１＋Ｌ２ｓｉｎβ２＋Ｌ３ｓｉｎβ３・・・（２）
　なお、Ｙｅは０となる。バケット先端位置Ｐ４は、ＸＺ平面上に存在するためである。
　また、ブームピン位置Ｐ１の座標値が固定値であるため、対地角β１、β２、及びβ３が決まれば、バケット先端位置Ｐ４の座標値が一意に決定される。同様に、対地角β１が決まれば、アームピン位置Ｐ２の座標値が一意に決定され、対地角β１及びβ２が決まれば、バケットピン位置Ｐ３の座標値が一意に決定される。
　次に、図４を参照しながら、ブーム角度センサ４Ｓ、アーム角度センサ５Ｓ、及びバケット角度センサ６Ｓのそれぞれの出力とブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３との関係について説明する。なお、図４は、ＸＺ平面におけるフロントアタッチメントの動きを説明する図である。
　図４に示すように、ブーム角度センサ４Ｓはブームピン位置Ｐ１に設置され、アーム角度センサ５Ｓはアームピン位置Ｐ２に設置され、バケット角度センサ６Ｓはバケットピン位置Ｐ３に設置される。
　また、ブーム角度センサ４Ｓは、線分ＳＧ１と鉛直線との間に形成される角度α１を検出して出力する。アーム角度センサ５Ｓは、線分ＳＧ１の延長線と線分ＳＧ２との間に形成される角度α２を検出して出力する。バケット角度センサ６Ｓは、線分ＳＧ２の延長線と線分ＳＧ３との間に形成される角度α３を検出して出力する。なお、図４において、角度α１は、線分ＳＧ１に関し反時計回り方向をプラス方向とする。同様に、角度α２は、線分ＳＧ２に関し反時計回り方向をプラス方向とし、角度α３は、線分ＳＧ３に関し反時計回り方向をプラス方向とする。また、図４において、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、バケット回転角度β３は、Ｘ軸に平行な線に関し反時計回り方向をプラス方向とする。
　以上の関係から、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、バケット回転角度β３は、角度α１、α２、α３を用いてそれぞれ式（３）、式（４）、式（５）で表される。
　β１＝９０－α１・・・（３）
　β２＝β１－α２＝９０－α１－α２・・・（４）
　β３＝β２－α３＝９０－α１－α２－α３・・・（５）
　なお、上述の通り、β１、β２、β３は、水平面に対するブーム４、アーム５、バケット６の傾きとして表される。
　したがって、式（１）～式（５）を用いると、角度α１、α２、α３が決まれば、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、バケット回転角度β３が一意に決定され、且つ、バケット先端位置Ｐ４の座標値が一意に決定される。同様に、角度α１が決まれば、ブーム回転角度β１及びアームピン位置Ｐ２の座標値が一意に決定され、角度α１、α２が決まれば、アーム回転角度β２及びバケットピン位置Ｐ３の座標値が一意に決定される。
　なお、ブーム角度センサ４Ｓ、アーム角度センサ５Ｓ、バケット角度センサ６Ｓは、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、バケット回転角度β３を直接的に検出してもよい。この場合、式（３）～式（５）の演算を省略できる。
　次に、図５を参照しながら、本発明の実施例に係るショベルの制御方法で用いられる操作装置２６について説明する。なお、図５は、キャビン１０内の運転席の上面斜視図であり、運転席の左側前方にレバー２６Ａが配置され、運転席の右側前方にレバー２６Ｂが配置された状態を示す。また、図５のＦ５Ａは、通常モードの際のレバー設定を示し、図５のＦ５Ｂは、自動均しモードの際のレバー設定を示す。
　具体的には、Ｆ５Ａの通常モードでは、レバー２６Ａを前方に倒すとアーム５が開き、レバー２６Ａを後方に倒すとアーム５が閉じる。また、レバー２６Ａを左方に倒すと上部旋回体３が上面視で反時計回りに左旋回し、レバー２６Ａを右方に倒すと上部旋回体３が上面視で時計回りに右旋回する。また、レバー２６Ｂを前方に倒すとブーム４が下降し、レバー２６Ｂを後方に倒すとブーム４が上昇する。また、レバー２６Ｂを左方に倒すとバケット６が閉じ、レバー２６Ｂを右方に倒すとバケット６が開く。
　一方、Ｆ５Ｂの自動均しモードでは、レバー２６Ａを前方に倒すとバケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＹ座標の値を不変としながらＺ座標の値が減少するようブーム４及びアーム５の少なくとも一方が動く。なお、バケット６が動いてもよい。また、レバー２６Ａを後方に倒すとバケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＹ座標の値を不変としながらＺ座標の値が増大するようブーム４及びアーム５の少なくとも一方が動く。なお、バケット６が動いてもよい。以下では、レバー２６Ａの前後方向への操作、すなわち、エンドアタッチメントとしてのバケット６のＺ方向操作に応じて実行される制御を「Ｚ方向移動制御」又は「高さ制御」とする。なお、レバー２６Ａの左右方向への操作は通常モードの場合と同じである。
　また、Ｆ５Ｂの自動均しモードでは、レバー２６Ｂを前方に倒すとバケット先端位置Ｐ４のＹ座標及びＺ座標の値を不変としながらＸ座標の値が増大するようブーム４及びアーム５の少なくとも一方が動く。なお、バケット６が動いてもよい。また、レバー２６Ｂを後方に倒すとバケット先端位置Ｐ４のＹ座標及びＺ座標の値を不変としながらＸ座標の値が減少するようブーム４及びアーム５の少なくとも一方が動く。なお、バケット６が動いてもよい。以下では、レバー２６Ｂの前後方向への操作、すなわち、エンドアタッチメントとしてのバケット６のＸ方向操作に応じて実行される制御を「Ｘ方向移動制御」又は「平面位置制御」とする。
　また、Ｆ５Ｂの自動均しモードでは、レバー２６Ｂを左方に倒すとバケット回転角度β３が増大し、レバー２６Ｂを右方に倒すとバケット回転角度β３が減少する。すなわち、レバー２６Ｂを左方に倒すとバケット６が閉じ、レバー２６Ｂを右方に倒すとバケット６が開く。このように、レバー２６Ｂの左右方向への操作によってもたらされるバケット６の動きは、通常モードの場合と同じである。しかしながら、通常モードではレバー操作量に対応する流量の作動油をバケットシリンダ９に供給することによってバケット６を動かすのに対し、自動均しモードではレバー操作量に対応するバケット回転角度β３の目標値を決定することによってバケット６を動かす点で相違する。なお、自動均しモードでの制御の詳細は後述される。
　図６は、自動均しモードにおいてレバー操作が行われた場合の処理の流れを示すフローチャートである。
　最初に、コントローラ３０は、キャビン１０内の運転席付近に設置されるモード切り替えスイッチにおいて自動均しモードが選択されたか否かを判断する（ステップＳ１）。
　自動均しモードが選択されたと判断した場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、レバー操作量を検出する（ステップＳ２）。
　具体的には、コントローラ３０は、例えば、圧力センサ２９の出力に基づいてレバー２６Ａ、２６Ｂの操作量を検出する。
　その後、コントローラ３０は、Ｘ方向操作が行われたか否かを判断する（ステップＳ３）。具体的には、コントローラ３０は、レバー２６Ｂの前後方向への操作が行われたか否かを判断する。
　Ｘ方向操作が行われたと判断した場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、コントローラ３０は、Ｘ方向移動制御（平面位置制御）を実行する（ステップＳ４）。
　Ｘ方向操作が行われていないと判断した場合（ステップＳ３のＮＯ）、コントローラ３０は、Ｚ方向操作が行われたか否かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、コントローラ３０は、レバー２６Ａの前後方向への操作が行われたか否かを判断する。
　Ｚ方向操作が行われたと判断した場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、コントローラ３０は、Ｚ方向移動制御（高さ制御）を実行する（ステップＳ６）。
　Ｚ方向操作が行われていないと判断した場合（ステップＳ５のＮＯ）、コントローラ３０は、θ方向操作が行われたか否かを判断する（ステップＳ７）。具体的には、コントローラ３０は、レバー２６Ａの左右方向への操作が行われたか否かを判断する。
　θ方向操作が行われたと判断した場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、コントローラ３０は、旋回動作を実行する（ステップＳ８）。
　θ方向操作が行われていないと判断した場合（ステップＳ７のＮＯ）、コントローラ３０は、β３方向操作が行われたか否かを判断する（ステップＳ９）。具体的には、コントローラ３０は、レバー２６Ｂの左右方向への操作が行われたか否かを判断する。
　β３方向操作が行われたと判断した場合（ステップＳ９のＹＥＳ）、コントローラ３０は、バケット開閉動作を実行する（ステップＳ１０）。
　なお、図６に示す制御の流れは、Ｘ方向操作、Ｚ方向操作、θ方向操作、及びβ３方向操作のうちの１つが実行される単独操作の場合のものであるが、４つの操作のうちの複数の操作が同時に実行される複合操作の場合にも同様に適用され得る。例えば、Ｘ方向移動制御、Ｚ方向移動制御、旋回動作、及びバケット開閉動作のうちの複数の制御が同時に実行されてもよい。
　次に、図７及び図８を参照しながら、Ｘ方向移動制御（平面位置制御）の詳細について説明する。なお、図７及び図８は、Ｘ方向移動制御の流れを示すブロック図である。
　レバー２６ＢでＸ方向操作が行われると、コントローラ３０は、図７に示すように、レバー２６ＢのＸ方向操作に応じてバケット先端位置Ｐ４のＸ軸方向における変位をオープン制御する。具体的には、コントローラ３０は、例えば、バケット先端位置Ｐ４の移動後のＸ座標の値として指令値Ｘｅｒを生成する。より具体的には、コントローラ３０は、Ｘ方向指令値生成部ＣＸを用いて、レバー２６Ｂのレバー操作量Ｌｘに応じたＸ方向指令値Ｘｅｒを生成する。Ｘ方向指令値生成部ＣＸは、例えば、予め登録されたテーブル等を用いてレバー操作量ＬｘからＸ方向指令値Ｘｅｒを導出する。また、Ｘ方向指令値生成部ＣＸは、例えば、レバー２６Ｂの操作量が大きい程、バケット先端位置Ｐ４の移動前のＸ座標の値Ｘｅと移動後のＸ座標の値Ｘｅｒとの差ΔＸｅが大きくなるように値Ｘｅｒを生成する。なお、コントローラ３０は、レバー２６Ｂの操作量にかかわらずΔＸｅが一定となるように値Ｘｅｒを生成してもよい。また、バケット先端位置Ｐ４のＹ座標及びＺ座標の値は移動の前後で不変である。
　その後、コントローラ３０は、生成した指令値Ｘｅｒに基づいて、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３のそれぞれの指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒを生成する。
　具体的には、コントローラ３０は、上述の式（１）及び式（２）を用いて指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒを生成する。バケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＺ座標の値Ｘｅ、Ｚｅは、式（１）及び式（２）に示すように、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３の関数である。また、バケット先端位置Ｐ４の移動後のＺ座標の値Ｚｅｒには現在値がそのまま用いられる。そのため、バケット回転角度β３の指令値β３ｒを現在値のままとすると、式（１）のＸｅには生成された指令値Ｘｅｒが代入され、β３には現在値がそのまま代入される。また、式（２）のＺｅには現在値がそのまま代入され、β３にも現在値がそのまま代入される。その結果、２つの未知数β１、β２を含む式（１）及び式（２）の連立方程式を解くことによって、ブーム回転角度β１及びアーム回転角度β２の値が導出される。コントローラ３０は、これらの導出された値を指令値β１ｒ、β２ｒとする。
　その後、コントローラ３０は、図８に示すように、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３のそれぞれの値が、生成された指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒとなるようにブーム４、アーム５、及びバケット６を動作させる。なお、コントローラ３０は、式（３）～式（５）を用いて、指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒに対応する指令値α１ｒ、α２ｒ、α３ｒを導き出してもよい。そして、コントローラ３０は、ブーム角度センサ４Ｓ、アーム角度センサ５Ｓ、バケット角度センサ６Ｓの出力である角度α１、α２、α３が、導出された指令値α１ｒ、α２ｒ、α３ｒとなるようにブーム４、アーム５、及びバケット６を動作させてもよい。
　具体的には、コントローラ３０は、ブーム回転角度β１の現在値と指令値β１ｒとの差Δβ１に対応するブームシリンダパイロット圧指令を生成する。そして、ブームシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流をブーム電磁比例弁に対して出力する。ブーム電磁比例弁は、自動均しモードでは、ブームシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をブーム制御弁に対して出力する。なお、ブーム電磁比例弁は、通常モードでは、レバー２６Ｂの前後方向への操作量に応じたパイロット圧をブーム制御弁に対して出力する。
　その後、ブーム電磁比例弁からのパイロット圧を受けたブーム制御弁は、メインポンプ１４が吐出する作動油を、パイロット圧に対応する流れ方向及び流量でブームシリンダ７に供給する。ブームシリンダ７は、ブーム制御弁を介して供給される作動油により伸縮する。ブーム角度センサ４Ｓは、伸縮するブームシリンダ７によって動かされるブーム４の角度α１を検出する。
　その後、コントローラ３０は、ブーム角度センサ４Ｓが検出した角度α１を式（３）に代入してブーム回転角度β１を算出する。そして、ブームシリンダパイロット圧指令を生成する際に用いるブーム回転角度β１の現在値として、算出した値をフィードバックする。
　なお、上述の説明は、指令値β１ｒに基づくブーム４の動作に関するものであるが、指令値β２ｒに基づくアーム５の動作、及び、指令値β３ｒに基づくバケット６の動作にも同様に適用可能である。そのため、指令値β２ｒに基づくアーム５の動作、及び、指令値β３ｒに基づくバケット６の動作の流れについてはその説明を省略する。
　また、コントローラ３０は、図７に示すように、ポンプ吐出量導出部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３を用いて、指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒからポンプ吐出量を導出する。本実施例では、ポンプ吐出量導出部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３は、予め登録されたテーブル等を用いて指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒからポンプ吐出量を導出する。ポンプ吐出量導出部ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３が導出したポンプ吐出量は合計され、合計ポンプ吐出量としてポンプ流量演算部に入力される。ポンプ流量演算部は、入力された合計ポンプ吐出量に基づいてメインポンプ１４の吐出量を制御する。本実施例では、ポンプ流量演算部は、合計ポンプ吐出量に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を変更することによってメインポンプ１４の吐出量を制御する。
　その結果、コントローラ３０は、ブーム制御弁、アーム制御弁、バケット制御弁の開口制御とメインポンプ１４の吐出量の制御とを実行することによって、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９に適切な量の作動油を分配できる。
　このように、コントローラ３０は、指令値Ｘｅｒの生成、指令値β１ｒ、β２ｒ、及びβ３ｒの生成、メインポンプ１４の吐出量の制御、並びに、角度センサ４Ｓ、５Ｓ、６Ｓの出力に基づく操作体４、５、６のフィードバック制御を１制御サイクルとし、この制御サイクルを繰り返すことによって、バケット先端位置Ｐ４のＸ方向移動制御を行う。
　また、上述の説明では、バケット回転角度β３の指令値β３ｒとしてバケット回転角度β３の現在値がそのまま用いられている。しかしながら、アーム回転角度β２の値に応じて一意に決まる値、例えば、アーム回転角度β２の値に固定値を加えた値がバケット回転角度β３の指令値β３ｒとして用いられてもよい。
　また、Ｘ方向移動制御ではバケット先端位置Ｐ４のＹ座標及びＺ座標を固定としながらバケット先端位置Ｐ４のＸ座標の変位がオープン制御される。しかしながら、バケットピン位置Ｐ３のＹ座標及びＺ座標を固定としながらバケットピン位置Ｐ３のＸ座標の変位がオープン制御されてもよい。この場合、指令値β３ｒの生成、及び、バケット６の制御は省略される。
　次に、図９及び図１０を参照しながら、Ｚ方向移動制御（高さ制御）の詳細について説明する。なお、図９及び図１０は、Ｚ方向移動制御の流れを示すブロック図である。
　レバー２６ＡでＺ方向操作が行われると、コントローラ３０は、図９に示すように、レバー２６ＡのＺ方向操作に応じてバケット先端位置Ｐ４のＺ軸方向における変位をオープン制御する。具体的には、コントローラ３０は、例えば、バケット先端位置Ｐ４の移動後のＺ座標の値として指令値Ｚｅｒを生成する。より具体的には、コントローラ３０は、Ｚ方向指令値生成部ＣＺを用いて、レバー２６Ａの操作量Ｌｚに応じたＺ方向指令値Ｚｅｒを生成する。Ｚ方向指令値生成部ＣＺは、例えば、予め登録されたテーブル等を用いてレバー操作量ＬｚからＺ方向指令値Ｚｅｒを導出する。また、Ｚ方向指令値生成部ＣＺは、例えば、レバー２６Ａの操作量が大きい程、バケット先端位置Ｐ４の移動前のＺ座標の値Ｚｅと移動後のＺ座標の値Ｚｅｒとの差ΔＺｅが大きくなるように値Ｚｅｒを生成する。なお、コントローラ３０は、レバー２６Ａの操作量にかかわらずΔＺｅが一定となるように値Ｚｅｒを生成してもよい。また、バケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＹ座標の値は移動の前後で不変である。
　その後、コントローラ３０は、生成した指令値Ｚｅｒに基づいて、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３のそれぞれの指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒを生成する。
　具体的には、コントローラ３０は、上述の式（１）及び式（２）を用いて指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒを生成する。バケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＺ座標の値Ｘｅ、Ｚｅは、式（１）及び式（２）に示すように、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３の関数である。また、バケット先端位置Ｐ４の移動後のＸ座標の値Ｘｅｒには現在値がそのまま用いられる。そのため、バケット回転角度β３の指令値β３ｒを現在値のままとすると、式（１）のＸｅには現在値がそのまま代入され、β３にも現在値がそのまま代入される。また、式（２）のＺｅには生成された指令値Ｚｅｒが代入され、β３には現在値がそのまま代入される。その結果、２つの未知数β１、β２を含む式（１）及び式（２）の連立方程式を解くことによって、ブーム回転角度β１及びアーム回転角度β２の値が導出される。コントローラ３０は、これらの導出された値を指令値β１ｒ、β２ｒとする。
　その後、コントローラ３０は、図１０に示すように、ブーム回転角度β１、アーム回転角度β２、及びバケット回転角度β３のそれぞれの値が、生成された指令値β１ｒ、β２ｒ、β３ｒとなるようにブーム４、アーム５、及びバケット６を動作させる。なお、ブーム４、アーム５、及びバケット６の動作、及びメインポンプ１４の吐出量の制御については、Ｘ方向移動制御で説明した内容がそのまま適用可能であるため、ここではその説明を省略する。
　このように、コントローラ３０は、指令値Ｚｅｒの生成、指令値β１ｒ、β２ｒ、及びβ３ｒの生成、メインポンプ１４の吐出量の制御、並びに、角度センサ４Ｓ、５Ｓ、６Ｓの出力に基づく操作体４、５、６のフィードバック制御を１制御サイクルとし、この制御サイクルを繰り返すことによって、バケット先端位置Ｐ４のＺ方向移動制御を行う。
　また、上述の説明では、バケット回転角度β３の指令値β３ｒとしてバケット回転角度β３の現在値がそのまま用いられている。しかしながら、アーム回転角度β２の値に応じて一意に決まる値、例えば、アーム回転角度β２の値に固定値を加えた値がバケット回転角度β３の指令値β３ｒとして用いられてもよい。
　また、Ｚ方向移動制御ではバケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＹ座標を固定としながらバケット先端位置Ｐ４のＺ座標の変位がオープン制御される。しかしながら、バケットピン位置Ｐ３のＸ座標及びＹ座標を固定としながらバケットピン位置Ｐ３のＺ座標の変位がオープン制御されてもよい。この場合、指令値β３ｒの生成、及び、バケット６の制御は省略される。
　以上に説明した通り、本発明の実施例に係るショベルの制御方法は、レバーの操作量を、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９のそれぞれの伸縮制御ではなく、バケット先端位置Ｐ４の位置制御に用いる。そのため、本制御方法は、バケット回転角度β３、並びに、バケット先端位置Ｐ４のＸ座標及びＹ座標の値を維持しながら、Ｚ座標の値を増減させる動作を１つのレバーの操作で実現させることができる。また、バケット回転角度β３、並びに、バケット先端位置Ｐ４のＹ座標及びＺ座標の値を維持しながら、Ｘ座標の値を増減させる動作を１つのレバーの操作で実現させることができる。
　また、本制御方法は、エンドアタッチメントの平面位置とエンドアタッチメントの高さをバケットピン位置Ｐ３とし、レバー操作量をバケットピン位置Ｐ３の位置制御に用いることもできる。この場合、本制御方法は、バケットピン位置Ｐ３のＸ座標及びＹ座標の値を維持しながら、Ｚ座標の値を増減させる動作を１つのレバーの操作で実現させることができる。また、バケットピン位置Ｐ３のＹ座標及びＺ座標の値を維持しながら、Ｘ座標の値を増減させる動作を１つのレバーの操作で実現させることができる。この場合、バケットピン位置Ｐ３の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（ＸＰ３、ＹＰ３、ＺＰ３）とすると、ＸＰ３、ＺＰ３はそれぞれ式（６）及び式（７）で表される。
　ＸＰ３＝Ｈ０Ｘ＋Ｌ１ｃｏｓβ１＋Ｌ２ｃｏｓβ２・・・（６）
　ＺＰ３＝Ｈ０ｚ＋Ｌ１ｓｉｎβ１＋Ｌ２ｓｉｎβ２・・・（７）
　なお、ＹＰ３は０となる。バケットピン位置Ｐ３は、ＸＺ平面上に存在するためである。
　また、この場合、Ｘ方向移動制御で指令値Ｘｅｒから指令値β３ｒが生成されることはなく、Ｚ方向移動制御で指令値Ｚｅｒから指令値β３ｒが生成されることはない。
　次に、図１１を参照しながら、本発明の実施例に係る制御方法を実行するハイブリッドショベルについて説明する。なお、図１１は、ハイブリッドショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図１１において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。また、図１１の駆動系は、電動発電機１２、変速機１３、インバータ１８、及び蓄電系１２０を備える点、旋回用油圧モータ２１Ｂの代わりに、インバータ２０、旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４で構成される負荷駆動系を備える点で図２の駆動系と相違する。但し、その他の点において図２の駆動系と共通する。そのため、共通点の説明を省略しながら相違点を詳細に説明する。
　図１１において、機械式駆動部としてのエンジン１１と、発電も行うアシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。
　電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続されている。
　蓄電系１２０は、インバータ１８とインバータ２０との間に配置されている。これにより、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の少なくとも一方が力行運転を行っている際には、蓄電系１２０は力行運転に必要な電力を供給するとともに、少なくとも一方が発電運転を行っている際には、蓄電系１２０は発電運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積する。
　図１２は蓄電系１２０の構成例を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９と電動発電機１２と旋回用電動機２１との間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値及びキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。また、上述では、蓄電器の例としてキャパシタ１９を示したが、キャパシタ１９の代わりにリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。
　昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り換える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
　図１１に戻り、インバータ２０は、旋回用電動機２１と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータ２０は、旋回用電動機２１が力行運転をしている際には、必要な電力を蓄電系１２０から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が発電運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力を蓄電系１２０のキャパシタ１９に蓄電する。
　旋回用電動機２１は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、発電運転の際には、上部旋回体３の慣性回転は、減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機である。旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。
　なお、蓄電系１２０のキャパシタ１９の充放電制御は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は発電運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。
　レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサである。具体的には、レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。
　メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。
　旋回変速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転を減速して旋回機構２に機械的に伝達する変速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力を上部旋回体３へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、上部旋回体３で発生した回転を増速して旋回用電動機２１に機械的に伝達することができる。
　旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。
　コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動アシスト運転又は発電運転の切り換え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動アシスト運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り換え制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、キャパシタ１９に充電する量（充電電流又は充電電力）の制御も行う。
　この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り換え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
　アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。
　次に、図１３を参照しながら、本発明の実施例に係る制御方法を実行するハイブリッドショベルの別の例について説明する。なお、図１３は、ハイブリッドショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図１３において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。また、図１３の駆動系は、エンジン１１及び電動発電機１２の２つの出力軸が変速機１３を介してメインポンプ１４に接続される構成（パラレル方式）の代わりに、インバータ１８Ａを介して電気的に駆動されるポンプ用電動機４００の出力軸がメインポンプ１４に接続される構成（シリアル方式）を採用する点で図１１の駆動系と相違する。但し、その他の点において図１１の駆動系と共通する。
　本発明の実施例に係る制御方法は、以上のような構成を有するハイブリッド式ショベルにも適用可能である。
　次に、図１４を参照して、自動均しモードの一例である法面整形モードについて説明する。なお、図１４は、法面整形モードで用いられる座標系の説明図であり、図３のＦ３Ａに対応する。また、法面整形モードの際のレバー設定は、図５のＦ５Ｂに示す自動均しモードの際のレバー設定と同じである。また、図１４は、法面に平行なＵ軸、法面に垂直なＷ軸を含むＵＶＷ三次元直交座標系を用いた点で、水平面に平行なＸ軸、水平面に垂直なＺ軸を含むＸＹＺ三次元直交座標系を用いる図３のＦ３Ａと相違するがその他の点で共通する。なお、法面角度γ１は、法面整形モードを実行する前に操作者によって法面角度入力部を介して設定され得る。また、図１４では、Ｗ軸方向における負の方向へ、すなわち、ショベルから見て下り勾配となるように、法面が形成される場合を示す。
　ここで、ブームピン位置Ｐ１の三次元座標を（Ｕ、Ｖ、Ｗ）＝（Ｈ０Ｕ、０、Ｈ０Ｗ）とし、バケット先端位置Ｐ４の三次元座標を（Ｕ、Ｖ、Ｗ）＝（Ｕｅ、Ｖｅ、Ｗｅ）とすると、Ｕｅ、Ｗｅは、上述の（１）式及び（２）式と同様に、それぞれ式（１）'及び式（２）'で表される。なお、Ｕｅ及びＶｅはエンドアタッチメントのＵＶ平面における位置を表し、ＷｅはエンドアタッチメントのＵＶ平面からの距離を表す。
　Ｕｅ＝Ｈ０Ｕ＋Ｌ１ｃｏｓβ１'＋Ｌ２ｃｏｓβ２'＋Ｌ３ｃｏｓβ３'・・・（１）'
　Ｗｅ＝Ｈ０Ｗ＋Ｌ１ｓｉｎβ１'＋Ｌ２ｓｉｎβ２'＋Ｌ３ｓｉｎβ３'・・・（２）'
　なお、Ｖｅは０となる。バケット先端位置Ｐ４は、ＵＷ平面上に存在するためである。また、角度β１'は、対地角β１に法面角度γ１を加算した角度である。同様に、角度β２'は、対地角β２に法面角度γ１を加算した角度であり、角度β３'は、対地角β３に法面角度γ１を加算した角度である。
　また、バケットピン位置Ｐ３の三次元座標を（Ｕ、Ｖ、Ｗ）＝（ＵＰ３、ＶＰ３、ＷＰ３）とすると、ＵＰ３、ＷＰ３は、上述の（６）式及び（７）式と同様に、それぞれ式（６）'及び式（７）'で表される。
　ＵＰ３＝Ｈ０Ｕ＋Ｌ１ｃｏｓβ１'＋Ｌ２ｃｏｓβ２'・・・（６）'
　ＷＰ３＝Ｈ０Ｗ＋Ｌ１ｓｉｎβ１'＋Ｌ２ｓｉｎβ２'・・・（７）'
　法面整形モードでは、レバー２６Ｂを前方に倒すと、バケット先端位置Ｐ４のＶ座標の値Ｖｅ及びＷ座標の値Ｗｅを不変としながら、Ｕ座標の値Ｕｅが増大するよう、ブーム４、アーム５、及びバケット６の少なくとも１つが動く。
　また、法面整形モードでは、レバー２６Ｂを後方に倒すと、バケット先端位置Ｐ４のＶ座標の値Ｖｅ及びＷ座標の値Ｗｅを不変としながら、Ｕ座標の値Ｕｅが減少するよう、ブーム４、アーム５、及びバケット６の少なくとも１つが動く。
　つまり、レバー２６Ｂの前後方向への操作（図５のＦ５ＢのＸ方向操作に相当し、以下、「Ｕ方向操作」とする。）に応じて、バケット先端位置Ｐ４はＵ軸方向へ動かされる。また、レバー２６Ａの前後方向への操作（図５のＦ５ＢのＺ方向操作に相当し、以下、「Ｗ方向操作」とする。）に応じてバケット先端位置Ｐ４はＷ軸方向へ動かされる。なお、ＵＶＷ三次元直交座標系とＸＹＺ三次元直交座標系とを組み合わせて、コントローラ３０が、操作者のレバー２６Ｂの前後方向への操作に応じてバケット先端位置Ｐ４をＵ軸方向へ動かし、操作者のレバー２６Ａの前後方向への操作に応じてバケット先端位置Ｐ４をＺ軸方向へ動かすように設定することもできる。
　なお、法面整形モードにおけるこのようなレバー２６Ａ、２６Ｂの前後方向への操作、すなわち、エンドアタッチメントとしてのバケット６のＷ方向操作、Ｕ方向操作に応じて実行される制御を「法面位置制御」と称する。また、法面整形モードにおけるレバー２６Ａの左右方向への操作、及び、レバー２６Ｂの左右方向への操作に応じて実行される制御は、自動均しモードの場合と同じである。
　このようにして、操作者は、自動均しモードにおけるＸ方向移動制御（平面位置制御）の一例としての、法面整形モードにおける法面位置制御を利用して、所望の法面に沿ったバケット６の移動を容易に実現することができる。
　次に、図１５及び図１６を参照して、法面整形モードの別の一例について説明する。なお、図１５は、法面整形モードで用いられる座標系の説明図であり、図３のＦ３Ａに対応する。また、図１６は、ＸＺ平面におけるフロントアタッチメントの動きを説明する図であり、図４に対応する。また、法面整形モードの際のレバー設定は、図５のＦ５Ｂに示す自動均しモードの際のレバー設定と同じである。また、図１５、図１６は、法面角度γ１とバケット先端位置Ｐ４の推移とを図示した点で、図３のＦ３Ａ、図４と相違するがその他の点で共通する。なお、法面角度γ１は、法面整形モードを実行する前に操作者によって設定され得る。また、図１５、図１６では、Ｚ軸方向における負の方向へ、すなわち、ショベルから見て下り勾配となるように、法面が形成される場合を示す。
　法面整形モードでは、レバー２６Ｂを前方に倒すと、バケット先端位置Ｐ４のＹ座標の値Ｙｅを不変とし、且つ、角度γ１の法面ＳＦ１とバケット先端位置Ｐ４との間の距離を不変としながら、Ｘ座標の値Ｘｅが増大するよう、ブーム４、アーム５、及びバケット６の少なくとも１つが動く。すなわち、バケット先端位置Ｐ４が法面ＳＦ１に平行な平面ＳＦ２上をＹ軸に垂直な方向で且つショベルから遠ざかる方向に移動する。このとき、Ｚ座標の値Ｚｅは、ショベルから見て上り勾配の法面の場合に増大し、ショベルから見て下り勾配の法面の場合に減少する。なお、図１５は、ショベルから見て下り勾配の法面ＳＦ１を示す。
　また、法面整形モードでは、レバー２６Ｂを後方に倒すと、バケット先端位置Ｐ４のＹ座標の値Ｙｅを不変とし、且つ、法面ＳＦ１とバケット先端位置Ｐ４との間の距離を不変としながら、Ｘ座標の値Ｘｅが減少するよう、ブーム４、アーム５、及びバケット６の少なくとも１つが動く。すなわち、バケット先端位置Ｐ４が法面ＳＦ１に平行な平面ＳＦ２上をＹ軸に垂直な方向で且つショベルに近づく方向に移動する。このとき、Ｚ座標の値Ｚｅは、ショベルから見て上り勾配の法面の場合に減少し、ショベルから見て下り勾配の法面の場合に増大する。
　ここで、現時点のバケット先端位置Ｐ４の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘｅ、Ｙｅ、Ｚｅ）とし、移動後のバケット先端位置Ｐ４'の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘｅ'、Ｙｅ'、Ｚｅ'）とし、Ｘ軸方向の移動量をΔＸｅ（＝Ｘｅ'－Ｘｅ）とすると、Ｚ軸方向の移動量ΔＺｅ（＝Ｚｅ'－Ｚｅ）は、式（８）で表される。
　ΔＺｅ＝ΔＸｅ×ｔａｎγ１・・・（８）
　また、法面整形モードでは、バケット先端位置Ｐ４の位置制御の代わりに、バケットピン位置Ｐ３の位置制御が実行されてもよい。この場合、バケットピン位置Ｐ３のＹ座標の値ＹＰ３を不変とし、且つ、角度γ１の法面ＳＦ１とバケットピン位置Ｐ３との間の距離を不変としながら、Ｘ座標の値Ｘｐ３が変化するよう、ブーム４、アーム５、及びバケット６の少なくとも１つが動く。すなわち、バケットピン位置Ｐ３が法面ＳＦ１に平行な平面上をＹ軸に垂直な方向に移動する。
　ここで、現時点のバケットピン位置Ｐ３の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（ＸＰ３、ＹＰ３、ＺＰ３）とし、移動後のバケットピン位置Ｐ３'の三次元座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（Ｘｐ３'、Ｙｐ３'、Ｚｐ３'）とし、Ｘ軸方向の移動量をΔＸｐ３（＝Ｘｐ３'－Ｘｐ３）とすると、Ｚ軸方向の移動量ΔＺｐ３（＝Ｚｐ３'－Ｚｐ３）は、式（９）で表される。
　ΔＺｐ３＝ΔＸｐ３×ｔａｎγ１・・・（９）
　なお、本実施例では、法面整形モードにおけるこのようなレバー２６Ｂの前後方向への操作、すなわち、エンドアタッチメントとしてのバケット６のＸ方向操作に応じて実行される制御を「法面位置制御」と称する。また、法面整形モードにおけるレバー２６Ａの操作、及び、レバー２６Ｂの左右方向への操作に応じて実行される制御は、自動均しモードの場合と同じである。
　このようにして、操作者は、自動均しモードにおけるＸ方向移動制御（平面位置制御）の一例としての、法面整形モードにおける法面位置制御を利用して、所望の法面に沿ったバケット６の移動を容易に実現することができる。
　以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
　例えば、上述の実施例では、エンドアタッチメントとしてバケット６を用いるが、リフティングマグネット、ブレーカ等が用いられてもよい。
　また、本願は、２０１２年６月８日に出願した日本国特許出願２０１２－１３１０１３号に基づく優先権を主張するものでありその日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
　１・・・下部走行体　１Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ　２・・・旋回機構　３・・・上部旋回体　４・・・ブーム　４Ｓ・・・ブーム角度センサ　５・・・アーム　５Ｓ・・・アーム角度センサ　６・・・バケット　６Ｓ・・・バケット角度センサ　７・・・ブームシリンダ　８・・・アームシリンダ　９・・・バケットシリンダ　１０・・・キャビン　１１・・・エンジン　１２・・・電動発電機　１３・・・変速機　１４・・・メインポンプ　１４Ａ・・・レギュレータ　１５・・・パイロットポンプ　１６・・・高圧油圧ライン　１７・・・コントロールバルブ　１８・・・インバータ　１９・・・キャパシタ　２０・・・インバータ　２１・・・旋回用電動機　２１Ａ・・・回転軸　２２・・・レゾルバ　２３・・・メカニカルブレーキ　２４・・・旋回変速機　２５・・・パイロットライン　２６・・・操作装置　２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー　２６Ｃ・・・ペダル　２７、２８・・・油圧ライン　２９・・・パイロット圧センサ　３０・・・コントローラ　１００・・・昇降圧コンバータ　１１０・・・ＤＣバス　１１１・・・ＤＣバス電圧検出部　１１２・・・キャパシタ電圧検出部　１１３・・・キャパシタ電流検出部　１２０・・・蓄電系　ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３・・・ポンプ吐出量導出部　ＣＸ・・・Ｘ方向指令値生成部　ＣＺ・・・Ｚ方向指令値生成部

Claims (16)

  1. 　１つのレバーの操作により、エンドアタッチメントの高さを維持しながら該エンドアタッチメントの平面位置制御を実行し、或いは、前記エンドアタッチメントの平面位置を維持しながら前記エンドアタッチメントの高さ制御を実行する、
    　ショベルの制御方法。
  2. 　前記平面位置制御又は前記高さ制御を実行する場合に前記エンドアタッチメントの水平面に対する角度を維持する、
    　請求項１に記載のショベルの制御方法。
  3. 　前記１つのレバーの操作量に基づいて、少なくとも、操作体のうちのブーム及びアームの動作に関する指令値を生成する、
    　請求項１又は２に記載のショベルの制御方法。
  4. 　別の１つのレバーの操作により、前記エンドアタッチメントの水平面に対する角度を独立して調整する、
    　請求項１又は２に記載のショベルの制御方法。
  5. 　別の１つのレバーの操作により旋回を独立して制御する、
    　請求項１又は２に記載のショベルの制御方法。
  6. 　前記操作体のそれぞれに取り付けられる姿勢センサの出力に基づいて前記操作体のそれぞれをフィードバック制御する、
    　請求項３に記載のショベルの制御方法。
  7. 　前記１つのレバーの操作により、設定された法面角度を有する法面に平行な平面に対して前記エンドアタッチメントの平面位置制御又は高さ制御を実行する、
    　請求項１又は２に記載のショベルの制御方法。
  8. 　前記１つのレバーの操作により、設定された法面角度を有する法面に平行な平面に対して前記エンドアタッチメントの平面位置制御を実行し、且つ、他のレバーの操作により、前記法面又は水平面に平行な平面に対して前記エンドアタッチメントの高さ制御を実行する、
    　請求項１又は２に記載のショベルの制御方法。
  9. 　１つのレバーの操作により、エンドアタッチメントの高さを維持しながら該エンドアタッチメントの平面位置制御を実行し、或いは、前記エンドアタッチメントの平面位置を維持しながら前記エンドアタッチメントの高さ制御を実行する、
    　ショベルの制御装置。
  10. 　前記平面位置制御又は前記高さ制御を実行する場合に前記エンドアタッチメントの水平面に対する角度を維持する、
    　請求項９に記載のショベルの制御装置。
  11. 　前記１つのレバーの操作量に基づいて、少なくとも、操作体のうちのブーム及びアームの動作に関する指令値を生成する、
    　請求項９又は１０に記載のショベルの制御装置。
  12. 　別の１つのレバーの操作により、前記エンドアタッチメントの水平面に対する角度を独立して調整する、
    　請求項９又は１０に記載のショベルの制御装置。
  13. 　別の１つのレバーの操作により旋回を独立して制御する、
    　請求項９又は１０に記載のショベルの制御装置。
  14. 　前記操作体のそれぞれに取り付けられる姿勢センサの出力に基づいて前記操作体のそれぞれをフィードバック制御する、
    　請求項１１に記載のショベルの制御装置。
  15. 　前記１つのレバーの操作により、設定された法面角度を有する法面に平行な平面に対して前記エンドアタッチメントの平面位置制御又は高さ制御を実行する、
    　請求項９又は１０に記載のショベルの制御装置。
  16. 　前記１つのレバーの操作により、設定された法面角度を有する法面に平行な平面に対して前記エンドアタッチメントの平面位置制御を実行し、且つ、他のレバーの操作により、前記法面又は水平面に平行な平面に対して前記エンドアタッチメントの高さ制御を実行する、
    　請求項９又は１０に記載のショベルの制御装置。
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