WO2017104408A1 - 作業機制御装置および作業機械 - Google Patents

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    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)

Definitions

  • the work machine 110 includes a boom 111, an arm 112, a bucket 113, a boom cylinder 114, an arm cylinder 115, and a bucket cylinder 116.
  • the inclination detector 124 measures the acceleration and angular velocity of the vehicle body 120, and based on the measurement result, the inclination of the vehicle body 120 (for example, the pitch representing rotation with respect to the X axis, the yaw representing rotation with respect to the Y axis, and the rotation with respect to the Z axis). Detect role).
  • the inclination detector 124 is installed on the lower surface of the cab 121, for example.
  • an IMU Inertial Measurement Unit
  • the posture specifying unit 203 specifies the posture angle ⁇ of the work implement 110 based on the information acquired by the detection information acquisition unit 202. Specifically, the posture specifying unit 203 specifies the posture angle ⁇ of the work implement 110 according to the following procedure. The posture specifying unit 203 calculates the posture angle ⁇ of the boom 111 from the stroke length of the boom cylinder 114. The posture specifying unit 203 calculates the posture angle ⁇ of the arm 112 from the stroke length of the arm cylinder 115. The posture specifying unit 203 calculates the posture angle ⁇ of the bucket 113 from the stroke length of the bucket cylinder 116.
  • the work machine control unit 208 performs work machine control for controlling the work machine 110 so that the bucket 113 does not enter below the target construction surface based on the distance specified by the distance specifying unit 206.
  • the work machine control according to the first embodiment is control for determining a speed limit of the boom 111 so that the bucket 113 does not enter below the target construction surface, and generating a control command for the boom 111.
  • the work implement control unit 208 determines the speed limit in the vertical direction of the boom 111 based on the speed limit table indicating the relationship between the distance between the bucket 113 and the excavation target position and the speed limit of the work implement 110. To do.
  • the speed limiting unit 211 limits the control speed of the bucket 113 based on the operation amount of the arm 112 acquired by the operation amount acquisition unit 201 and the direction of the control speed of the bucket 113 calculated by the bucket control unit 209. Specifically, the speed limiting unit 211 limits the control speed of the bucket 113 to 0 when the drive direction based on the Y axis of the arm 112 matches the drive direction based on the Y axis of the bucket 113. . In other embodiments, the limit of the control speed of the bucket 113 is not limited to 0, and the speed of the control speed may be reduced. As a method for suppressing the control speed, a method for applying a filter to a control command and a method for performing modulation or the like are also included as effective methods.
  • the generation method of the operation signal by the operation device 1211 according to the first embodiment is the PPC method, but is not limited thereto, and may be, for example, an electric lever method.
  • the electric lever method is a method of generating an operation signal by detecting operation angles of the right operation lever 1212 and the left operation lever 1213 with a potentiometer.
  • the control device 126 generates control commands for the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 based on the target speed for the boom 111, the arm 112, and the bucket 113, the speed limit for the boom 111, and the control speed for the bucket 113, respectively.
  • the electromagnetic proportional control valve is controlled.

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Abstract

制御装置は、バケット制御部と、速度制限部とを備える。バケット制御部は、作業機の角度を一定角度に保持するようにバケットを制御する制御速度を算出する。速度制限部は、バケット制御部が算出した制御速度でバケットを駆動させる場合にバケットが駆動する方向とアームが駆動する方向とが一致する場合に、制御速度を低減する。

Description

作業機制御装置および作業機械
　本発明は、作業機制御装置および作業機械に関する。
　特許文献１に開示されているように、作業機械が備えるバケットが、掘削対象の目標形状を示す設計面より先に侵入しないように作業機を制御する技術が知られている。また、特許文献２に開示されているように、直線掘削を行うために作業機の角度を一定に保つ技術が知られている。
特許第５６５４１４４号公報 特開平３－６６８３８号公報
　特許文献２に記載の技術によれば、制御装置は、作業機の姿勢を逐次特定し、現在の姿勢を目標の姿勢に変化させるように、バケットシリンダを伸縮させる。一方、掘削対象の内部において硬度のばらつきがある可能性がある。例えば、掘削対象が土砂と岩石とを含む場合がある。このような場合に、バケットが比較的硬度の高い箇所を掘削すると、比較的硬度の低い箇所を掘削するときより大きい反力が生じる。このように、外乱によってバケットの姿勢が目標の姿勢からずれると、フィードバック制御によりバケットが揺動し、バケットの姿勢が不安定になる可能性がある。
　本発明の態様は、作業機の角度を一定に保つ制御において、バケットの揺動を抑制することができる制御装置および作業機械を提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、制御装置は、バケットおよび前記バケットを支持するアームを含む作業機と、前記作業機を支持する車体とを備える作業機械を制御する制御装置であって、前記バケットの角度を一定角度に保持するように前記バケットを制御する制御速度を算出するバケット制御部と、前記バケット制御部が算出した前記制御速度で前記バケットを駆動させる場合に前記バケットが駆動する方向と前記アームが駆動する方向とが一致する場合に、前記制御速度を低減する速度制限部とを備える。
　本発明の第２の態様によれば、作業機械は、バケットおよび前記バケットを支持するアームを含む作業機と、前記作業機を支持する車体と、第１の態様に係る制御装置とを備える。
　上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、作業機制御装置は、作業機の角度を一定に保つ制御において、バケットの揺動を抑制することができる。
第１の実施形態に係る油圧ショベルの構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る油圧ショベルの制御系の構成を示す概略ブロック図である。 作業機１１０の姿勢の例を示す図である。 第１の実施形態に係る油圧ショベルの制御装置の構成を示すブロック図である。 制限速度テーブルの一例を示す図である。 第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係るバケット制御判定処理を示すフローチャートである。 比較例に係る油圧ショベルの挙動の例を示す図である。 第１の実施形態に係る油圧ショベルの挙動の例を示す図である。
〈第１の実施形態〉
　以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。
《油圧ショベル》
　図１は、第１の実施形態に係る油圧ショベルの構成を示す斜視図である。第１の実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベル１００について説明する。なお、他の実施形態に係る作業機械は、必ずしも油圧ショベル１００でなくてもよい。
　油圧ショベル１００は、油圧により作動する作業機１１０と、作業機１１０を支持する上部旋回体としての車体１２０と、車体１２０を支持する下部走行体としての走行装置１３０とを備える。
　作業機１１０は、ブーム１１１と、アーム１１２と、バケット１１３と、ブームシリンダ１１４と、アームシリンダ１１５と、バケットシリンダ１１６とを備える。
　ブーム１１１は、アーム１１２およびバケット１１３を支える支柱である。ブーム１１１の基端部は、車体１２０の前部にピンＰ１を介して取り付けられる。
　アーム１１２は、ブーム１１１とバケット１１３とを連結する。アーム１１２の基端部は、ブーム１１１の先端部にピンＰ２を介して取り付けられる。
　バケット１１３は、土砂などを掘削するための刃を有する容器である。バケット１１３の基端部は、アーム１１２の先端部にピンＰ３を介して取り付けられる。
　ブームシリンダ１１４は、ブーム１１１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１１４の基端部は、車体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１１４の先端部は、ブーム１１１に取り付けられる。
　アームシリンダ１１５は、アーム１１２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１１５の基端部は、ブーム１１１に取り付けられる。アームシリンダ１１５の先端部は、アーム１１２に取り付けられる。
　バケットシリンダ１１６は、バケット１１３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１１６の基端部は、アーム１１２に取り付けられる。バケットシリンダ１１６の先端部は、バケット１１３に取り付けられる。
　車体１２０には、オペレータが搭乗する運転室１２１が備えられる。運転室１２１は、車体１２０の前方かつ作業機１１０の左側に備えられる。第１の実施形態においては、運転室１２１を基準として前後方向を＋Ｙ方向および－Ｙ方向、左右方向を－Ｘ方向および＋Ｘ方向、上下方向を＋Ｚ方向および－Ｚ方向と定義する。
　運転室１２１の内部には、作業機１１０を操作するための操作装置１２１１が設けられる。操作装置１２１１の操作量に応じて、ブームシリンダ１１４、アームシリンダ１１５、およびバケットシリンダ１１６に作動油が供給される。
《油圧ショベルの制御系》
　図２は、第１の実施形態に係る油圧ショベルの制御系の構成を示す概略ブロック図である。
　油圧ショベル１００は、ストローク検出器１１７、操作装置１２１１、位置検出器１２２、方位演算器１２３、傾斜検出器１２４を備える。
　ストローク検出器１１７は、ブームシリンダ１１４、アームシリンダ１１５、およびバケットシリンダ１１６のそれぞれのストローク長を検出する。これにより、後述する制御装置１２６は、ブームシリンダ１１４、アームシリンダ１１５、およびバケットシリンダ１１６のそれぞれのストローク長に基づいて作業機１１０の姿勢角を検出することができる。つまり、第１の実施形態においてストローク検出器１１７は、作業機１１０の姿勢角を検出する手段の一例である。他方、他の実施形態においては、これに限られず、作業機１１０の姿勢角を検出する手段として、ストローク検出器１１７に代えて、またはストローク検出器１１７と併用して、ロータリーエンコーダや水平器等の角度検出器を用いてもよい。
　操作装置１２１１は、運転室１２１の右側に設けられる右側操作レバー１２１２と運転室１２１の左側に設けられる左側操作レバー１２１３とを備える。操作装置１２１１は、右側操作レバー１２１２の前後方向および左右方向の操作量、ならびに左側操作レバー１２１３の前後方向および左右方向の操作量を検出し、検出された操作量に応じた操作信号を制御装置１２６に出力する。第１の実施形態に係る操作装置１２１１による操作信号の生成方式は、ＰＰＣ方式である。ＰＰＣ方式とは、右側操作レバー１２１２および左側操作レバー１２１３の操作によって生成されるパイロット油圧を圧力センサにより検出し、操作信号を生成する方式である。
　具体的には、右側操作レバー１２１２の前方向の操作は、ブームシリンダ１１４の縮退、ブーム１１１の下げの動作の指令に対応する。右側操作レバー１２１２の後方向の操作は、ブームシリンダ１１４の伸長、ブーム１１１の上げの動作の指令に対応する。右側操作レバー１２１２の右方向の操作は、バケットシリンダ１１６の縮退、バケット１１３のダンプの指令に対応する。右側操作レバー１２１２の左方向の操作は、バケットシリンダ１１６の伸長、バケット１１３の掘削の指令に対応する。左側操作レバー１２１３の前方向の操作は、アームシリンダ１１５の伸長、アーム１１２の掘削の指令に対応する。左側操作レバー１２１３の後方向の操作は、アームシリンダ１１５の縮退、アーム１１２のダンプの指令に対応する。左側操作レバー１２１３の右方向の操作は、車体１２０の右旋回の指令に対応する。左側操作レバー１２１３の左方向の操作は、車体１２０の左旋回の指令に対応する。
　位置検出器１２２は、車体１２０の位置を検出する。位置検出器１２２は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を構成する人工衛星から測位信号を受信する第１受信器１２３１を備える。位置検出器１２２は、第１受信器１２３１が受信した測位信号に基づいて、グローバル座標系における車体１２０の代表点の位置を検出する。グローバル座標系とは、地上の所定の点（例えば、施工現場に設けられたＧＮＳＳ基準局の位置）を基準点とした座標系である。ＧＮＳＳの例としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。
　方位演算器１２３は、車体１２０が向く方位を演算する。方位演算器１２３は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する第１受信器１２３１および第２受信器１２３２を備える。第１受信器１２３１および第２受信器１２３２は、それぞれ車体１２０の異なる位置に設置される。方位演算器１２３は、第１受信器１２３１が受信した測位信号と、第２受信器１２３２が受信した測位信号とを用いて、検出された第１受信器１２３１の設置位置に対する第２受信器１２３２の設置位置の関係として、車体１２０の方位を演算する。
　傾斜検出器１２４は、車体１２０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて車体１２０の傾き（例えば、Ｘ軸に対する回転を表すピッチ、Ｙ軸に対する回転を表すヨー、およびＺ軸に対する回転を表すロール）を検出する。傾斜検出器１２４は、例えば運転室１２１の下面に設置される。傾斜検出器１２４は、例えば、慣性計測装置としてのＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）を用いることができる。
　油圧装置１２５は、作動油タンク、油圧ポンプ、流量制御弁、および電磁比例制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量調整弁を介してブームシリンダ１１４、アームシリンダ１１５、およびバケットシリンダ１１６に作動油を供給する。電磁比例制御弁は、制御装置１２６から受信する制御指令に基づいて、操作装置１２１１から供給されるパイロット油圧を制限する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によってブームシリンダ１１４、アームシリンダ１１５、およびバケットシリンダ１１６に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、電磁比例制御弁にて調整されたパイロット油圧によって駆動される。バケットシリンダ１１６に接続する油路には、パイロット油圧を制限する電磁比例制御弁と並列に、油圧ポンプが供給する元圧を制限する電磁比例制御弁が設けられる。これにより、油圧ショベル１００は、操作装置１２１１によって生成されるパイロット油圧より高い油圧に従ってバケットシリンダ１１６を駆動することができる。
　制御装置１２６は、プロセッサ９１０、メインメモリ９２０、ストレージ９３０、インタフェース９４０を備える。
　ストレージ９３０には、作業機１１０を制御するためのプログラムが記憶されている。ストレージ９３０の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、不揮発性メモリ等が挙げられる。ストレージ９３０は、制御装置１２６のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース９４０または通信回線を介して制御装置１２６に接続される外部メディアであってもよい。
　プロセッサ９１０は、ストレージ９３０からプログラムを読み出してメインメモリ９２０に展開し、プログラムに従って処理を実行する。またプロセッサ９１０は、プログラムに従ってメインメモリ９２０に記憶領域を確保する。インタフェース９４０は、ストローク検出器１１７、操作装置１２１１、位置検出器１２２、方位演算器１２３、傾斜検出器１２４、油圧装置１２５の電磁比例制御弁、およびその他の周辺機器と接続され、信号の授受を行う。
　プログラムは、制御装置１２６に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ９３０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。
　制御装置１２６は、プログラムの実行により位置検出器１２２が検出した位置、方位演算器１２３が検出した方位、傾斜検出器１２４が検出した車体１２０の傾斜角、およびストローク検出器１１７が検出したストローク長に基づいて、バケット１１３の位置を特定する。また、制御装置１２６は、特定したバケット１１３の位置および操作装置１２１１の操作量に基づいて、油圧装置１２５の電磁比例制御弁にブームシリンダ１１４の制御指令およびバケットシリンダ１１６の制御指令を出力する。
《作業機の姿勢》
　図３は、作業機１１０の姿勢の例を示す図である。
　制御装置１２６は、作業機１１０の姿勢を算出し、その姿勢に基づいて作業機１１０の制御指令を生成する。具体的には、制御装置１２６は、作業機１１０の姿勢として、ブーム１１１の姿勢角α、アーム１１２の姿勢角β、バケット１１３の姿勢角γ、およびバケット１１３の輪郭点の位置を算出する。
　ブーム１１１の姿勢角αは、ピンＰ１から車体１２０の上方向（＋Ｚ方向）に伸びる半直線と、ピンＰ１からピンＰ２へ伸びる半直線とがなす角によって表される。なお、車体１２０の傾き（ピッチ角）θによって、車体１２０の上方向と鉛直上方向は必ずしも一致しない。
　アーム１１２の姿勢角βは、ピンＰ１からピンＰ２へ伸びる半直線と、ピンＰ２からピンＰ３へ伸びる半直線とがなす角によって表される。
　バケット１１３の姿勢角γは、ピンＰ２からピンＰ３へ伸びる半直線と、ピンＰ３からバケット１１３の刃先Ｅへ伸びる半直線とがなす角によって表される。
　ここで、ブーム１１１の姿勢角α、アーム１１２の姿勢角β、およびバケット１１３の姿勢角γの和を、作業機１１０の姿勢角ηとよぶ。作業機１１０の姿勢角ηは、ピンＰ３から車体１２０の上方向（＋Ｚ方向）に伸びる半直線と、ピンＰ３からバケット１１３の刃先Ｅへ伸びる半直線とがなす角に等しい。
　バケット１１３の輪郭点の位置は、ブーム１１１の寸法Ｌ１、アーム１１２の寸法Ｌ２、バケット１１３の寸法Ｌ３、ブーム１１１の姿勢角α、アーム１１２の姿勢角β、バケット１１３の姿勢角γ、バケット１１３の輪郭形状、車体１２０の代表点Ｏの位置、および代表点ＯとピンＰ１との位置関係から求められる。ブーム１１１の寸法Ｌ１は、ピンＰ１からピンＰ２までの距離である。アーム１１２の寸法Ｌ２は、ピンＰ２からピンＰ３までの距離である。バケット１１３の寸法Ｌ３は、ピンＰ３から刃先Ｅまでの距離である。代表点ＯとピンＰ１との位置関係は、例えば、代表点Ｏを基準としたピンＰ１のＸ座標位置、Ｙ座標位置、およびＺ座標位置によって表される。また代表点ＯとピンＰ１との位置関係は、例えば、代表点ＯからピンＰ１までの距離、代表点ＯからピンＰ１へ伸びる半直線のＸ軸方向の傾き、および代表点ＯからピンＰ１へ伸びる半直線のＹ軸方向の傾きによって表されてもよい。
《油圧ショベルの制御装置》
　図４は、第１の実施形態に係る油圧ショベルの制御装置の構成を示すブロック図である。
　制御装置１２６は、作業機械情報記憶部２００、操作量取得部２０１、検出情報取得部２０２、姿勢特定部２０３、目標施工データ記憶部２０４、目標施工線特定部２０５、距離特定部２０６、目標速度決定部２０７、作業機制御部２０８、バケット制御部２０９、姿勢角記憶部２１０、速度制限部２１１、制御指令出力部２１２を備える。
　作業機械情報記憶部２００は、ブーム１１１の寸法Ｌ１、アーム１１２の寸法Ｌ２、バケット１１３の寸法Ｌ３、バケット１１３の輪郭形状、および車体１２０の代表点Ｏの位置とピンＰ１との位置関係を記憶する。
　操作量取得部２０１は、操作装置１２１１から操作量（パイロット油圧または電気レバーの角度）を示す操作信号を取得する。具体的には、操作量取得部２０１は、ブーム１１１に係る操作量、アーム１１２に係る操作量、バケット１１３に係る操作量、および旋回に係る操作量を取得する。
　検出情報取得部２０２は、位置検出器１２２、方位演算器１２３、傾斜検出器１２４、ストローク検出器１１７のそれぞれが検出した情報を取得する。具体的には、検出情報取得部２０２は、車体１２０のグローバル座標系における位置情報、車体１２０が向く方位、車体１２０の傾き、ブームシリンダ１１４のストローク長、アームシリンダ１１５のストローク長、およびバケットシリンダ１１６のストローク長を取得する。
　姿勢特定部２０３は、検出情報取得部２０２が取得した情報に基づいて、作業機１１０の姿勢角ηを特定する。具体的には、姿勢特定部２０３は、以下の手順で作業機１１０の姿勢角ηを特定する。姿勢特定部２０３は、ブームシリンダ１１４のストローク長から、ブーム１１１の姿勢角αを算出する。姿勢特定部２０３は、アームシリンダ１１５のストローク長から、アーム１１２の姿勢角βを算出する。姿勢特定部２０３は、バケットシリンダ１１６のストローク長から、バケット１１３の姿勢角γを算出する。
　また、姿勢特定部２０３は、算出した姿勢角と検出情報取得部２０２が取得した情報と作業機械情報記憶部２００が記憶する情報とに基づいて、バケット１１３の複数の輪郭点についてグローバル座標系における位置を特定する。バケット１１３の輪郭点は、バケット１１３の刃先Ｅにおける幅方向（Ｘ方向）の複数の点、および底板における幅方向の複数の点を含む。具体的には、姿勢特定部２０３は、ブーム１１１の姿勢角α、アーム１１２の姿勢角β、バケット１１３の姿勢角γ、ブーム１１１の寸法Ｌ１、アーム１１２の寸法Ｌ２、バケット１１３の寸法Ｌ３、バケット１１３の輪郭形状、代表点ＯとピンＰ１との位置関係、車体１２０の代表点Ｏの位置、車体１２０が向く方位、および車体１２０の傾きθから、グローバル座標系におけるバケット１１３の輪郭点の位置を特定する。姿勢特定部２０３は、作業機１１０の状態を特定する作業機状態特定部の一例である。
　目標施工データ記憶部２０４は、施工現場における掘削対象の目標形状を表す目標施工データを記憶する。目標施工データは、グローバル座標系で表される三次元データであって、目標施工面を表す複数の三角形ポリゴンからなる立体地形データ等である。目標施工データは、外部記憶媒体から読み込まれることで、またはネットワークを介して外部サーバから受信されることで、目標施工データ記憶部２０４に記憶される。
　目標施工線特定部２０５は、目標施工データ記憶部２０４が記憶する目標施工データと、姿勢特定部２０３が特定したバケット１１３の輪郭点の位置とに基づいて、目標施工線を特定する。目標施工線とは、バケット１１３の駆動面（バケット１１３を通りＸ軸に直交する面）と目標施工データとの交線によって表される。具体的には、目標施工線特定部２０５は、以下の手順で目標施工線を特定する。
　目標施工線特定部２０５は、バケット１１３の輪郭点のうち最も下方に位置するもの（高さが最も低いもの）を特定する。目標施工線特定部２０５は、特定した輪郭点の鉛直下方に位置する目標施工面を特定する。目標施工線特定部２０５により規定する目標施工面は、バケット１１３に対する最短距離に位置する目標施工面を特定する手法等でもよい。
　次に、目標施工線特定部２０５は、特定した輪郭点と目標施工面とを通るバケット１１３の駆動面と目標施工データとの交線を、目標施工線として算出する。目標施工線特定部２０５で算出される目標施工線は、線分としてだけでなく幅を持つような地形形状で規定してもよい。
　目標施工線特定部２０５は、作業機１１０の制御基準を特定する制御基準特定部の一例である。
　距離特定部２０６は、バケット１１３と目標施工線上の点（掘削対象位置）との距離を特定する。
　目標速度決定部２０７は、操作量取得部２０１が取得した右側操作レバー１２１２の前後方向の操作量に基づいて、ブーム１１１の目標速度を決定する。目標速度決定部２０７は、操作量取得部２０１が取得した左側操作レバー１２１３の前後方向の操作量に基づいて、アーム１１２の目標速度を決定する。目標速度決定部２０７は、操作量取得部２０１が取得した右側操作レバー１２１２の左右方向の操作量に基づいて、バケット１１３の目標速度を決定する。
　作業機制御部２０８は、距離特定部２０６が特定した距離に基づいて、バケット１１３が目標施工面より下方に侵入しないように作業機１１０を制御する作業機制御を行う。第１の実施形態に係る作業機制御は、バケット１１３が目標施工面より下方に侵入しないようにブーム１１１の制限速度を決定し、ブーム１１１の制御指令を生成する制御である。具体的には、作業機制御部２０８は、バケット１１３と掘削対象位置との間の距離と作業機１１０の制限速度との関係を示す制限速度テーブルにより、ブーム１１１の垂直方向の制限速度を決定する。
　図５は、制限速度テーブルの一例を示す図である。図５に示すように、制限速度テーブルによれば、バケット１１３と掘削対象位置との距離が０のときに作業機１１０の垂直方向成分の速度が０になる。制限速度テーブルにおいて、バケット１１３の最下点が目標施工線の上方に位置するときに、バケット１１３と掘削対象位置との距離は正の値として表される。他方、バケット１１３の最下点が目標施工線の下方に位置するときに、バケット１１３と掘削対象位置との距離は負の値として表される。また制限速度テーブルにおいて、バケット１１３を上方に移動させるときの速度は正の値として表される。バケット１１３と掘削対象位置との距離が正の値である作業機制御閾値ｔｈ以下の場合にはバケット１１３と目標施工線との距離に基づき作業機１１０の制限速度が規定される。バケット１１３と掘削対象位置との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上であるとき、作業機１１０の制限速度の絶対値は作業機１１０の目標速度の最大値より大きい値となる。つまり、バケット１１３と掘削対象位置との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上である場合、作業機１１０の目標速度の絶対値は常に制限速度の絶対値より小さいため、ブーム１１１は、常に目標速度で駆動する。
　作業機制御部２０８は、ブーム１１１とアーム１１２とバケット１１３の目標速度の垂直方向成分の和の絶対値より制限速度の絶対値が小さい場合、制限速度からアーム１１２の目標速度の垂直方向成分とバケット１１３の目標速度の垂直方向成分とを減算することで、ブーム１１１の垂直方向の制限速度を算出する。作業機制御部２０８は、ブーム１１１の垂直方向の制限速度から、ブーム１１１の制限速度を算出する。
　バケット制御部２０９は、バケット制御開始条件が満たされたときに、作業機１１０の姿勢角ηが一定角度になるようにバケット１１３を制御するバケット制御を開始する。具体的には、バケット制御部２０９は、バケット制御開始条件が満たされたときに、作業機１１０の姿勢角ηを目標姿勢角η´として姿勢角記憶部２１０に記憶させる。バケット制御部２０９は、姿勢角記憶部２１０が記憶する目標姿勢角η´、作業機１１０の現在の姿勢角η、ブーム１１１の速度、およびアーム１１２の速度に基づいて、バケット１１３の制御速度（バケット１１３のスピードと駆動方向とを含む）を決定する。ブーム１１１およびアーム１１２の速度は、ストローク検出器１１７が検出した単位時間当たりのストローク長によって求められる。第１の実施形態に係るバケット制御開始条件は、バケット１１３と掘削対象位置との距離がバケット制御開始閾値未満であり、かつバケットに係る操作量が所定の閾値（操作装置１２１１の遊びに相当する程度の角度）未満であり、かつ作業機制御の実行中であるという条件である。
　バケット制御部２０９は、バケット制御終了条件が満たされたときに、バケット制御を終了する。第１の実施形態に係るバケット制御終了条件は、バケット１１３と掘削対象位置との距離がバケット制御終了閾値以上であり、またはバケットに係る操作量が所定の閾値以上であり、または作業機制御を実行していないという条件である。バケット制御開始閾値は、バケット制御終了閾値より小さい値である。バケット制御開始閾値は、作業機制御閾値ｔｈ以下の値である。なお、オペレータの操作等により、作業機制御が行われない場合、バケット制御部２０９は、バケット制御を行わない。
　姿勢角記憶部２１０は、バケット制御における作業機１１０の目標姿勢角η´を記憶する。
　速度制限部２１１は、操作量取得部２０１が取得したアーム１１２の操作量と、バケット制御部２０９が算出したバケット１１３の制御速度の方向とに基づいて、バケット１１３の制御速度を制限する。具体的には、速度制限部２１１は、アーム１１２のＹ軸を基準とした駆動方向とバケット１１３のＹ軸を基準とした駆動方向が一致する場合に、バケット１１３の制御速度を０に制限する。なお、他の実施形態においては、バケット１１３の制御速度の制限は、０への制限に限られず、制御速度のスピードを低減するものであってもよい。この制御速度を抑制する方法として、制御指令に対してフィルターを入れる手法や、モジュレーション等を行う手法も有効な手法として含まれる。
　アーム１１２の駆動方向とバケット１１３の駆動方向が一致する場合とは、アーム１１２の駆動方向がダンプ方向（アームシリンダ１１５の収縮によりアーム１１２が駆動する方向）であってバケット１１３の駆動方向がダンプ方向（バケットシリンダ１１６の収縮によりバケット１１３が駆動する方向）である場合、またはアーム１１２の駆動方向が掘削方向（アームシリンダ１１５の伸長によりアーム１１２が駆動する方向）であってバケット１１３の駆動方向が掘削方向（バケットシリンダ１１６の伸長によりバケット１１３が駆動する方向）である場合である。
　制御指令出力部２１２は、作業機制御部２０８が生成したブーム１１１の制御指令を油圧装置１２５の電磁比例制御弁に出力する。制御指令出力部２１２は、バケット制御部２０９が生成したバケット１１３の制御指令を油圧装置１２５の電磁比例制御弁に出力する。
《動作》
　ここで、第１の実施形態に係る制御装置１２６による油圧ショベル１００の制御方法について説明する。
　図６は、第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。制御装置１２６は、所定の制御周期ごとに以下に示す制御を実行する。
　操作量取得部２０１は、操作装置１２１１からブーム１１１に係る操作量、アーム１１２に係る操作量、バケット１１３に係る操作量、および旋回に係る操作量を取得する（ステップＳ１）。検出情報取得部２０２は、位置検出器１２２、方位演算器１２３、傾斜検出器１２４、ストローク検出器１１７のそれぞれが検出した情報を取得する（ステップＳ２）。
　姿勢特定部２０３は、各油圧シリンダのストローク長からブーム１１１の姿勢角α、アーム１１２の姿勢角β、およびバケット１１３の姿勢角γを算出する（ステップＳ３）。姿勢特定部２０３は、算出した姿勢角α、β、γと、作業機械情報記憶部２００が記憶するブーム１１１の寸法Ｌ１、アーム１１２の寸法Ｌ２、バケット１１３の寸法Ｌ３、バケット１１３の形状およびブーム１１１の車体１２０における位置と、検出情報取得部２０２が取得した車体１２０の位置、方位および傾きとに基づいて、グローバル座標系におけるバケット１１３の輪郭点の位置を算出する（ステップＳ４）。
　目標施工線特定部２０５は、バケット１１３の輪郭点のうち、グローバル座標系における位置が最も下方に位置するものを特定する（ステップＳ５）。目標施工線特定部２０５は、特定した輪郭点の組み合わせについて、各輪郭点から鉛直下方に位置する目標施工面を特定する（ステップＳ６）。次に、目標施工線特定部２０５は、特定した輪郭点と目標施工面とを通るバケット１１３の駆動面と目標施工データとの交線を、目標施工線として算出する（ステップＳ７）。距離特定部２０６は、対象設計線とバケット１１３と掘削対象位置との距離を特定する（ステップＳ８）。目標速度決定部２０７は、ステップＳ１で操作量取得部２０１が取得した操作量に基づいて、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の目標速度を算出する（ステップＳ９）。
　次に、作業機制御部２０８は、図５に示すテーブルに従って、距離特定部２０６が特定したバケット１１３と掘削対象位置との距離に関連付けられた作業機１１０の制限速度を特定する（ステップＳ１０）。次に、作業機制御部２０８は、アーム１１２およびバケット１１３の目標速度と作業機１１０の制限速度とに基づいてブーム１１１の制限速度を算出する（ステップＳ１１）。作業機制御部２０８は、作業機制御部２０８が生成したブーム１１１の制限速度に基づいて、ブーム１１１の制御指令およびバケット１１３の制御指令を生成する（ステップＳ１２）。
　作業機制御部２０８がブーム１１１の制御指令を生成すると、バケット制御部２０９は、以下に示すバケット制御処理を行う（ステップＳ１２）。図７は、第１の実施形態に係るバケット制御判定処理を示すフローチャートである。
　バケット制御部２０９は、ステップＳ８で距離特定部２０６が特定した距離とステップＳ１で操作量取得部２０１が取得した操作量とに基づいて、油圧ショベル１００の状態がバケット制御開始条件を満たさない状態から当該条件を満たす状態に遷移したか否かを判定する（ステップＳ３１）。油圧ショベル１００の状態がバケット制御開始条件を満たさない状態から当該条件を満たす状態に遷移した場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、バケット制御部２０９は、姿勢特定部２０３が特定した作業機１１０の姿勢角ηを、目標姿勢角η´として姿勢角記憶部２１０に記憶させる（ステップＳ３２）。バケット制御部２０９は、バケット制御を有効にする（ステップＳ３３）。つまり、バケット制御部２０９は、バケット制御開始条件を満たしたとき以降、作業機１１０の姿勢角ηを保持するように、バケット１１３の制御速度を決定する。
　他方、油圧ショベル１００の状態がバケット制御開始条件を満たさない状態である場合、または既に当該条件を満たしている場合（ステップＳ３１：ＮＯ）、バケット制御部２０９は、油圧ショベル１００の状態がバケット制御終了条件を満たさない状態から当該条件を満たす状態に遷移したか否かを判定する（ステップＳ３４）。油圧ショベル１００の状態がバケット制御終了条件を満たさない状態から当該条件を満たす状態に遷移した場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、バケット制御部２０９は、バケット制御を無効にする（ステップＳ３５）。つまり、バケット制御部２０９は、バケット制御終了条件を満たしたとき以降、バケット１１３の制御速度を決定しなくなる。
　バケット制御を有効にした場合、バケット制御を無効にした場合、またはバケット制御開始条件の不足から充足への遷移およびバケット制御終了条件の不足から充足への遷移が無い場合（ステップＳ３４：ＮＯ）、バケット制御部２０９は、バケット制御が有効であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。バケット制御が無効である場合（ステップＳ３６：ＮＯ）、バケット制御部２０９は、バケット１１３の制限速度を算出せずにバケット制御処理を終了する。他方、バケット制御が有効である場合（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、バケット制御部２０９は、ブーム１１１およびアーム１１２の速度に基づいて、ブーム１１１の姿勢角の変化量Δαとアーム１１２の姿勢角の変化量Δβを算出する（ステップＳ３７）。次に、バケット制御部２０９は、姿勢角記憶部２１０が記憶する目標姿勢角η´から、ステップＳ３で姿勢特定部２０３が特定した作業機１１０の姿勢角η、変化量Δα、および変化量Δβとを減算することで、バケット１１３の姿勢角の変化量Δγを算出する（ステップＳ３８）。バケット制御部２０９は、変化量Δγを速度に変換することで、バケット１１３の制御速度を算出する（ステップＳ３９）。
　次に、速度制限部２１１は、バケット制御部２０９が算出した制御速度と、アーム１１２の目標速度および制限速度のうち遅い方とに基づいて、バケット１１３の駆動方向とアーム１１２の駆動方向とが一致するか否かを判定する（ステップＳ４０）。バケット１１３の駆動方向とアーム１１２の駆動方向とが一致しない場合（ステップＳ４０：ＮＯ）、速度制限部２１１は、バケット１１３の制御速度を制限しない。
　他方、バケット１１３の駆動方向とアーム１１２の駆動方向が一致する場合（ステップＳ４０：ＮＯ）、速度制限部２１１は、バケット１１３の制御速度を０に制限する（ステップＳ４１）。
　そして、バケット制御部２０９は、バケット１１３の制御速度に基づいてバケット１１３の制御指令を生成し（ステップＳ４２）、バケット制御処理を終了する。このとき、ステップＳ４１で速度制限部２１１がバケット１１３の制御速度を制限した場合、制御指令出力部２１２は、制限後の制御速度に基づいてバケット１１３の制御指令を生成する。
　制御装置１２６がバケット制御処理を終了すると、制御指令出力部２１２は、作業機制御部２０８が生成したブーム１１１の制御指令、およびバケット制御部２０９が生成したバケット１１３の制御指令を、油圧装置１２５の電磁比例制御弁に出力する（ステップＳ１４）。
　これにより、油圧装置１２５は、ブームシリンダ１１４、アームシリンダ１１５、およびバケットシリンダ１１６を駆動させる。なお、バケット制御が無効となっているためにバケット制御部２０９がバケット１１３の制限速度を算出しない場合、バケット１１３の制御指令は電磁比例制御弁に出力されない。この場合、油圧装置１２５は、操作装置１２１１が生成するパイロット油圧に基づいてバケットシリンダ１１６を駆動させる。
《作用・効果》
　このように、第１の実施形態によれば、制御装置１２６は、バケット１１３の角度を一定角度に保持するようにバケット１１３の制御速度を算出し、バケット１１３が駆動する方向とアーム１１２が駆動する方向とが一致する場合に、制御速度を低減する。これにより、制御装置１２６は、外乱等によるバケット１１３の揺動を低減することができる。ここで、第１の実施形態によりバケット１１３の揺動を低減することができる理由を説明する。
　図８は、比較例に係る油圧ショベルの挙動の例を示す図である。図８に示す例では、制御タイミングＴ０から制御タイミングＴ３にかけてアーム１１２を掘削方向に駆動させるものとする。比較例に係る油圧ショベルは、アーム１１２とバケット１１３の駆動方向による制御速度の制限を行わない。
　図８に示す比較例では、アーム１１２を掘削方向に操作し、バケット１１３先端が下方に向かって動作する状況について説明する。アーム１１２が掘削方向に駆動している場合に、制御タイミングＴ２においてバケット１１３が岩石Ｒにあたり、バケット１１３がダンプ方向に傾いた場合を想定する。このとき、バケット制御部２０９は、岩石Ｒからの反力に対向するため、バケット１１３を掘削方向に駆動させるような制御速度Ｖｃを算出する。比較例に係る油圧ショベルは、当該制御速度Ｖｃに従ってバケット１１３を掘削方向に駆動させると、（アーム１１２の掘削指令が増える等）制御タイミングによっては作業機１１０の姿勢角ηが姿勢角記憶部２１０が記憶する目標姿勢角η´に近づく。一方、アーム１１２は掘削操作されるため、次以降の制御タイミングＴ３において、作業機１１０の姿勢角ηを保持するために再びバケット１１３をダンプさせる必要が生じる。これにより、バケット１１３は、短時間の間にダンプ方向と掘削方向とに駆動されるため、バケット１１３の駆動指令に揺動が生じる。
　図９は、第１の実施形態に係る油圧ショベルの挙動の例を示す図である。図９に示す例では、制御タイミングＴ０から制御タイミングＴ３にかけてアーム１１２を掘削方向に駆動させるものとする。
　比較例に対し、第１の実施形態によれば、アーム１１２が掘削方向に駆動している場合に、制御タイミングＴ２においてバケット１１３が岩石Ｒにあたり、バケット１１３がダンプ方向に傾く。このとき、アーム１１２の制御指令Ｖｂの方向（掘削方向）とバケット制御部２０９が算出したバケット１１３の制御速度Ｖｃによる駆動方向（掘削方向）とが一致するため、バケット１１３の制御速度Ｖｃが０に制限される。そのため、制御タイミングＴ２においては作業機１１０の姿勢角ηが姿勢角記憶部２１０が記憶する目標姿勢角η´に近づかないままとなる。一方、アーム１１２は掘削操作されるため、次の制御タイミングＴ３において、作業機１１０の姿勢は相対的に掘削方向に傾く。そのため、制御タイミングＴ２においてバケット１１３を積極的に掘削方向へ駆動しなくても、制御タイミングＴ３で作業機１１０の姿勢角ηが姿勢角記憶部２１０が記憶する目標姿勢角η´に近づく。これにより、制御装置１２６は、バケット１１３の揺動を抑制することができる。
　アーム１１２がダンプ方向に駆動している場合に、バケット１１３が掘削方向に傾いた場合も同様である。
　油圧装置１２５において作動油の流れ方向を急に切り替えると、油圧配管に接続する操作装置１２１１に衝撃が伝搬し、オペレータに対し不快感を与えることが知られている。そのため、上述のように、バケット１１３の駆動方向を短時間に切り替える制御指令を油圧装置１２５に出力すると操作装置１２１１への衝撃が生じる可能性が高い。これに対し、第１の実施形態によれば、制御装置１２６は、バケット１１３が駆動する方向とアーム１１２が駆動する方向とが一致する場合に、制御速度を０にする。これにより、油圧装置１２５に操作装置１２１１への衝撃が生じる可能性を低減することができる。なお、他の実施形態においては、これに限られず、バケット１１３が駆動する方向とアーム１１２が駆動する方向とが一致する場合に、制御速度に０より大きく１より小さい係数を乗算することにより制御速度を制限してもよい。この場合においても、制御装置１２６は、操作装置１２１１への衝撃の大きさを低減するという効果、およびバケット１１３の揺動を抑制する効果を奏することができる。
〈他の実施形態〉
　以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
　第１の実施形態に係る操作装置１２１１による操作信号の生成方式は、ＰＰＣ方式であるが、これに限られず、例えば電気レバー方式であってもよい。電気レバー方式とは、右側操作レバー１２１２および左側操作レバー１２１３の操作角度をポテンショメータにより検出し、操作信号を生成する方式である。この場合、制御装置１２６は、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の目標速度、ならびにブーム１１１の制限速度およびバケット１１３の制御速度に基づいて、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の制御指令をそれぞれ生成し、これにより電磁比例制御弁を制御する。
　第１の実施形態に係る制御装置１２６は、グローバル座標系の位置情報に基づいて車体１２０および作業機１１０を制御するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２６は、グローバル座標系の位置情報を車体１２０の位置を基準とするローカル座標系に変換し、ローカル座標系の位置情報に基づいて車体１２０および作業機１１０を制御してもよい。
　第１の実施形態に係る制御装置１２６は、バケット制御において作業機１１０の姿勢角ηを一定にするためにバケット１１３を制御するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２６は、作業機１１０のグローバル座標系における姿勢角を一定にするためにバケット１１３を制御してもよい。作業機１１０のグローバル座標系における姿勢角は、姿勢角ηにピッチ角θを加算することで求められる。
　第１の実施形態に係るバケット制御開始条件は、バケット１１３と掘削対象位置との距離がバケット制御開始閾値未満であることを含むが、これに限られず、バケット制御開始条件は、作業機１１０の状態と作業機の制御基準との関係が所定の関係を満たすことを含むものであればよい。例えば、他の実施形態に係るバケット制御開始条件は、バケット１１３と地表との距離がバケット制御開始閾値未満であることなどを含むものであってもよい。この場合、地表は制御基準の一例である。
　第１の実施形態に係る制御装置１２６は、ブーム１１１とアーム１１２の速度に基づいてバケット１１３の制御速度を算出するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２６は、ブーム１１１とアーム１１２の目標速度およびブーム１１１の制限速度に基づいてバケット１１３の制御速度を算出してもよい。
　第１の実施形態に係る制御装置１２６は油圧ショベルに限らず作業機を備える作業機械であれば適用可能である。
　上記実施形態によれば、制御装置は、作業機の角度を一定に保つ制御において、バケットの揺動を抑制することができる。
　１００…作業機械　１１１…ブーム　１１２…アーム　１１３…バケット　１１４…ブームシリンダ　１１５…アームシリンダ　１１６…バケットシリンダ　１２６…制御装置　２００…作業機械情報記憶部　２０１…操作量取得部　２０２…検出情報取得部　２０３…姿勢特定部　２０４…目標施工データ記憶部　２０５…目標施工線特定部　２０６…距離特定部　２０７…目標速度決定部　２０８…作業機制御部　２０９…バケット制御部　２１０…姿勢角記憶部　２１１…速度制限部　２１２…制御指令出力部

Claims (6)

  1. 　バケットおよび前記バケットを支持するアームを含む作業機と、前記作業機を支持する車体とを備える作業機械を制御する作業機制御装置であって、
    　前記作業機の角度を一定角度に保持するように前記バケットを制御する制御速度を算出するバケット制御部と、
    　前記バケット制御部が算出した前記制御速度で前記バケットを駆動させる場合に前記バケットが駆動する方向と前記アームが駆動する方向とが一致する場合に、前記制御速度を低減する速度制限部と
    　を備える作業機制御装置。
  2. 　前記速度制限部は、前記バケットが駆動する方向と前記アームが駆動する方向とが一致する場合に、前記制御速度を０にする
    　請求項１に記載の作業機制御装置。
  3. 　前記作業機の状態を特定する作業機状態特定部と、
    　前記作業機の制御基準を特定する制御基準特定部と、
    　前記作業機と前記制御基準との距離を特定する距離特定部と、
    　を備え、
    　前記バケット制御部は、前記作業機と前記制御基準との距離がバケット制御開始閾値未満である場合に前記制御速度を算出する
    　請求項１または請求項２に記載の作業機制御装置。
  4. 　前記バケットの操縦に係る操作量を取得する操作量取得部を備え、
    　前記バケット制御部は、前記バケットの操縦に係る操作量が所定の閾値未満である場合に前記制御速度を算出する
    　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の作業機制御装置。
  5. 　前記作業機と前記制御基準との距離が作業機制御閾値未満である場合に、前記バケットが前記制御基準より下方に侵入しないように前記作業機の速度を制限する制御指令を生成する作業機制御部をさらに備え、
    　前記バケット制御開始閾値は、前記作業機制御閾値以下である
    　請求項４に記載の作業機制御装置。
  6. 　バケットおよび前記バケットを支持するアームを含む作業機と、
    　前記作業機を支持する車体と、
    　請求項１から請求項５の何れか１項に記載の作業機制御装置と
    　を備える作業機械。
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