WO2018008188A1 - 作業機械 - Google Patents

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WO2018008188A1
WO2018008188A1 PCT/JP2017/007988 JP2017007988W WO2018008188A1 WO 2018008188 A1 WO2018008188 A1 WO 2018008188A1 JP 2017007988 W JP2017007988 W JP 2017007988W WO 2018008188 A1 WO2018008188 A1 WO 2018008188A1
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control
point
target
shape
target surface
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PCT/JP2017/007988
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大斗 坂井
枝穂 泉
理優 成川
石川　広二
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日立建機株式会社
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    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • 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 present invention relates to a working machine.
  • the hydraulic shovel included in the work machine uses a computer (according to the distance between the tip of the front work device and the preset target surface) By forcibly adding the boom raising operation by the controller), there is control to limit the operation range of the front work device on the target surface and above the target surface.
  • the control may be called area limit control, operation limit control, machine control or the like.
  • Patent Document 1 describes the target plane. If the (design surface) is a slope inclined by a predetermined angle or more with respect to the horizontal direction, the operation restriction unit performs control so as not to execute the area restriction control (the operation restriction control). It is stated that the boom can be prevented from moving suddenly when the design surface is a steep slope.
  • a target shape may be defined by combining a plurality of target surfaces (line segments). In this case, it is necessary to select the optimum one of the plurality of target surfaces as the control target (control target surface) with the progress of the digging operation and to execute the area restriction control.
  • area restriction control is executed in a state where the wrong target surface is selected as the control target, area restriction control different from the assumption is executed to give the operator a sense of discomfort, or the bucket tip of the bucket invades below the correct target surface. There is a risk of
  • the region restriction control is not performed when the target surface is inclined with respect to the horizontal surface by a predetermined angle or more. Therefore, when the target shape (first target surface) smaller than the predetermined angle and the target surface (second target surface) larger than the predetermined angle are combined to define the target shape, the first target surface to the second target are defined.
  • the area limiting control is suddenly interrupted when the control target is changed to the second target face.
  • the region restriction control is suddenly performed when the control target is changed to the first target surface.
  • region restriction control may or may not be performed. There is something to do. As described above, when the area restriction control is suddenly executed / interrupted, the operator feels a lot of sense of incongruity, and the possibility that the tip of the bucket accidentally intrudes below the target shape increases.
  • An object of the present invention is to provide a working machine capable of appropriately selecting a target surface to be controlled by area limitation control when continuously drilling target shapes defined by a plurality of target surfaces having different inclination angles. is there.
  • the present invention provides a multi-joint type work machine, a plurality of hydraulic actuators for driving the work machines, an operating device for outputting operation signals to the plurality of hydraulic actuators, and a plurality of targets
  • the storage unit in which the target shape defined by connecting the surfaces is stored and the control point set at the tip portion of the work machine is below the target shape the control point on the target shape is stored.
  • a control target surface selection unit whose control target surface is a target surface closest to the target, and an operation range of the control point on the control target surface and above when the digging operation is input from the operator via the operation device
  • a target operation control unit configured to control the plurality of hydraulic actuators so as to be limited.
  • the target surface to be controlled by the area limitation control is appropriately selected, the sense of discomfort given to the operator can be reduced, and the work apparatus can be prevented from invading below the target surface.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of a controller according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a functional block diagram of a controller according to a second embodiment.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of step 205 in the flowchart of FIG. 12;
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of step 210 in the flowchart of FIG. 12;
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of step 212 in the flowchart of FIG. 12;
  • the figure which shows the example of the positional relationship of the bucket bottom face according to the determination result in step 201 and 206, target shape, and setback shape.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of step 103 in the flowchart of FIG. 8;
  • FIG. 1 is a block diagram of a hydraulic excavator according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a controller of the hydraulic excavator according to the first embodiment of the present invention together with a hydraulic drive.
  • a hydraulic shovel 1 is configured of a front work implement 1A and a vehicle body 1B.
  • the vehicle body 1 B is composed of a lower traveling body 11 and an upper revolving structure 12 rotatably mounted on the lower traveling body 11.
  • the front work machine 1A is configured by connecting a plurality of driven members (the boom 8, the arm 9, and the bucket 10) that respectively rotate in the vertical direction, and the base end of the boom 8 of the front work machine 1A is pivoted upward It is supported by the front of the body 12.
  • the boom 8, the arm 9, the bucket 10, the upper swing body 12 and the lower travel body 11 are driven by the boom cylinder 5, the arm cylinder 6, the bucket cylinder 7, the swing hydraulic motor 4 and the left and right travel motors 3a and 3b, respectively.
  • the drive member is configured.
  • the operation instruction to the driven members 8, 9, 10, 12, 11 is performed by the travel right lever 23a, the travel left lever 23b, the operation right lever 1a, and the operation left lever 1b mounted in the driver's cab on the upper swing structure 12. It is output according to the operation by the operator (sometimes referred to collectively as operation levers 1 and 23).
  • an operating device 47a (see FIG. 2) having a traveling right lever 23a, an operating device 47b (see FIG. 2) having a traveling left lever 23b, and operating devices 45a and 46a having an operating right lever 1a;
  • the operating devices 45b and 46b having the operating left lever 1b are installed.
  • the operating devices 45 to 47 are hydraulic pilot systems, and the operating pressure (for example, lever stroke) of the operating levers 1 and 23 operated by the operator and the pilot pressure (sometimes referred to as operating pressure) according to the operating direction As control signals, they are supplied to the hydraulic drive units 150a to 155b of the corresponding flow control valves 15a to 15f (see FIG. 2) through pilot lines 144a to 149b (see FIG. 2) to drive these flow control valves 15a to 15f.
  • the hydraulic drive units 150a to 155b of the corresponding flow control valves 15a to 15f see FIG. 2
  • pilot lines 144a to 149b see FIG. 2
  • the hydraulic fluid discharged from the hydraulic pump 2 flows through the flow control valves 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f (see FIG. 2) in the control valve unit 20, and the traveling right hydraulic motor 3a, the traveling left hydraulic motor 3b, and the turning
  • the hydraulic motor 4 the boom cylinder 5, the arm cylinder 6, and the bucket cylinder 7 are supplied.
  • the swing hydraulic motor 4 is rotated by the supplied pressure oil, so that the upper swing structure 12 swings with respect to the lower traveling body 11.
  • the traveling right hydraulic motor 3a and the traveling left hydraulic motor 3b are rotated by the supplied pressure oil, whereby the lower traveling body 11 travels.
  • the boom angle sensor 30 is mounted on the boom pin
  • the arm angle sensor 31 is mounted on the arm pin
  • the bucket link 13 is mounted on the bucket link 13 so as to measure the pivot angles ⁇ , ⁇ , ⁇ (see FIG. 4) of the boom 8, arm 9, and bucket 10.
  • An angle sensor 32 is attached, and a vehicle body inclination angle sensor 33 for detecting an inclination angle ⁇ (see FIG. 4) of the upper structure 12 (vehicle body 1B) with respect to a reference plane (for example, horizontal surface) is attached to the upper structure 12 It is done.
  • the hydraulic shovel 1 of FIG. 1 includes a hydraulic pump 2, a boom cylinder 5 driven by pressure oil from the hydraulic pump 2, an arm cylinder 6, a bucket cylinder 7, a swing hydraulic motor 4 and A plurality of hydraulic actuators including left and right traveling motors 3a and 3b, and a traveling right lever 23a, a traveling left lever 23b, an operation right lever 1a, and an operation left lever 1b provided corresponding to each of the hydraulic actuators 3 to 7 And control signals output from the operating devices 45a, 45b, 46a, 46b, 47a, 47b, which are connected between the hydraulic pump 2 and the plurality of hydraulic actuators 3 to 7 in accordance with the operation amount and operation direction of the operation levers 1 and 23.
  • Control valve 15a which controls the flow rate and direction of the pressure oil supplied to the hydraulic actuators 3 And 5f, the pressure between the hydraulic pump 2 and the flow control valves 15a ⁇ 15f has a relief valve 16 that opens when greater than or equal to the specified value.
  • the hydraulic shovel of the present embodiment is provided with a control system that assists the operator in the digging operation. Specifically, when the digging operation (specifically, an instruction of an arm cloud, a bucket cloud or a bucket dump) is input through the operation devices 45b and 46a, the positional relationship between the target surface and the tip of the work machine 1A is Based on this, at least one of the hydraulic actuators 5, 6, 7 is forcibly operated so that the position of the tip of the working machine 1A (the toe of the bucket 10) is held in the region above and on the target surface.
  • a digging control system is provided which executes (for example, the boom cylinder 5 is extended to forcibly perform the boom raising operation). This control is sometimes referred to as "area limited control".
  • the control point relating to the area restriction control is set to the tip of the bucket 10 of the hydraulic shovel (the tip of the work machine 1A).
  • the control point can be changed to anything other than the bucket tip as long as it is a point at the tip end portion of the work machine 1A.
  • the bottom of the bucket 10 or the outermost part of the bucket link (not shown) can also be selected.
  • the excavation control system capable of executing this area restriction control is installed at a position not obstructing the operator's view such as above the operation panel in the cab and is restricted control switch 17 for switching the effectiveness / ineffectiveness of the area restriction control;
  • Pressure sensors 70a and 70b provided on pilot lines 144a and 144b of the operating device 45a and detecting a pilot pressure (control signal) as an operation amount of the operating lever 1a, and pilot lines 145a and 145b of the operating device 45b for the arm 9
  • the pressure sensors 71a and 71b are provided and detect pilot pressure (control signal) as an operation amount of the control lever 1b, and the electromagnetic proportionality in which the primary port side is connected to the pilot pump 48 and the pilot pressure from the pilot pump 48 is reduced and output Pilot of the operating device 45a for the valve 54a and the boom 8
  • the high pressure side of the pilot pressure in the pilot line 144a and the control pressure output from the solenoid proportional valve 54a is selected and the hydraulic drive unit 150a of the flow control valve
  • the control controller (control device) 40 which is an executable computer is provided.
  • the pilot lines 145a and 145b for the arm 9 are pressure sensors 71a and 71b that detect the pilot pressure and output them to the controller 40, and the electromagnetic waves that reduce and output the pilot pressure based on the control signal from the controller 40 Proportional valves 55a, 55b are provided.
  • the pilot lines 146a and 146b for the bucket 10 detect pressure and output pilot pressure to the controller 40, and reduce the pilot pressure based on the control signal from the controller 40 and output it.
  • Proportional valves 56a, 56b are provided. In FIG. 2, connecting lines between the pressure sensors 71 and 72 and the solenoid proportional valves 55 and 56 and the controller 40 are omitted for convenience of the drawing.
  • the configuration of the solenoid proportional valve 54a and the shuttle valve 82 that generate the pilot pressure even when the operation device 45a is not operated is installed only in the pilot line 144a, the boom cylinder 5, the arm cylinder 6 and the bucket cylinder These may be installed in other pilot lines 144b, 145 and 146 according to No. 7 to generate pilot pressure. Also, in the pilot line 144a, an electromagnetic proportional valve may be set, which is similar to the electromagnetic proportional valve 54b of the pilot line 144b and reduces the pilot pressure output from the operating device 45a.
  • the controller 40 receives shape information and position information of a target surface stored in the ROM 93 or RAM 94 described later, detection signals of the angle sensors 30 to 32 and the inclination angle sensor 33, and detection signals of the pressure sensors 70 to 72. Be done. Further, the controller 40 outputs, to the electromagnetic proportional valves 54 to 56, an electrical signal for correcting a control signal (pilot pressure) for performing excavation control (region restriction control) in which the region is restricted.
  • the hardware configuration of the controller 40 is shown in FIG.
  • the controller 40 has an input unit 91, a central processing unit (CPU) 92 as a processor, a read only memory (ROM) 93 and a random access memory (RAM) 94 as a storage device, and an output unit 95.
  • the input unit 91 receives signals from the operating devices 45 to 47, a signal from the setting device 51 for setting the target surface, and signals from the angle sensors 30 to 32 and the tilt angle sensor 33, and performs A / D conversion Do.
  • the ROM 93 is a recording medium storing a control program for executing area restriction control including the process according to the flowcharts of FIGS. 8 and 12 described later, and various information and the like necessary for the execution of the flowchart.
  • Predetermined arithmetic processing is performed on the signals taken in from the input unit 91 and the memories 93 and 94 in accordance with the control program stored in the ROM 93.
  • the output unit 95 generates a signal for output according to the calculation result in the CPU 92 and outputs the signal to the solenoid proportional valves 54 to 56 and the notification device 53 to drive and control the hydraulic actuators 4 to 7. Or displays the images of the vehicle body 1B, the bucket 10, the target surface, etc. on the display screen of the monitor which is the notification device 53.
  • the controller 40 in FIG. 3 includes semiconductor memories such as the ROM 93 and the RAM 94 as storage devices, but any storage device can be substituted in particular. For example, a magnetic storage device such as a hard disk drive may be included.
  • FIG. 5 is a functional block diagram of the controller 40 according to the embodiment of the present invention.
  • the controller 40 includes a work machine posture calculation unit 41, a shape storage unit 42, a target motion calculation unit 43, an electromagnetic proportional valve control unit 44, a velocity vector calculation unit 49, a control target surface selection unit 57, and limits.
  • a value calculator 58 is provided.
  • the speed vector computing unit 49, the limit value computing unit 58, the target motion computing unit 43, and the solenoid proportional valve control unit 44 may be collectively referred to as a "target motion control unit 60".
  • the work machine posture detection device 50, the target surface setting device 51, the operator operation detection device 52, the notification device 53, and the solenoid proportional valves 54 to 56 are connected to the controller 40, respectively.
  • the working machine attitude detection device 50 is configured of a boom angle sensor 30, an arm angle sensor 31, a bucket angle sensor 32, and a vehicle body inclination angle sensor 33.
  • the target surface setting device 51 is an interface capable of inputting information on a target shape (including position information of each target surface and each inflection point constituting the target shape, and inclination angle information of each target surface).
  • the target shape is defined by connecting a plurality of target surfaces. In the present embodiment, it is assumed that the inclination angles of two adjacent target surfaces are different, and a connection point of the two target surfaces is referred to as an inflection point. In the following, the inflection point located at the upper end of the slope may be referred to as "the shoulder" and the inflection point located at the lower end of the slope may be referred to as the "forefoot".
  • the input of the target shape via the target surface setting device 51 may be performed manually by the operator or may be fetched from the outside via a network or the like.
  • a satellite communication antenna (not shown) such as a GNSS receiver is connected to the target surface setting device 51.
  • a satellite communication antenna such as a GNSS receiver is connected to the target surface setting device 51.
  • the shovel can perform data communication with an external terminal storing three-dimensional data of a target shape defined on the global coordinate system, a target corresponding to the shovel position based on the shovel's global coordinates specified by the satellite communication antenna The shape can be searched and captured in the three-dimensional data of the external terminal.
  • the operator operation detection device 52 is configured of pressure sensors 70a, 70b, 71a, 71b, 72a, 72b for acquiring the operation pressure generated by the operation of the operation lever 1 by the operator. From the detection values of the pressure sensors 70, 71, 72, the amount of operation of the operating devices 45a, 45b, 46a can be calculated. The operating speed of each of the hydraulic cylinders 5, 6, 7 can be calculated from the operation amount, the characteristics of the flow control valves 15a, 15b, 15c, the displacement (tilt angle) of the hydraulic pump 2, and the discharge pressure.
  • the calculation of the operation amount by the pressure sensors 70, 71, 72 is only an example, and for example, a position sensor (for example, a rotary encoder) that detects the rotational displacement of the operating lever of each operating device 45a, 45b, 46a.
  • the amount of operation of the operation lever may be detected.
  • a stroke sensor for detecting the amount of expansion and contraction of each hydraulic cylinder 5, 6, 7 is attached, and the operation speed of each cylinder is calculated based on the detected time change of the amount of expansion and contraction.
  • the configuration to calculate is also applicable.
  • the notification device 53 is a display (display device) for displaying an operator the positional relationship between the target shape or the control target surface and the work machine 1A, or a sound (including sound) between the target shape or the control target surface and the work machine 1A. And at least one of the speakers that can be reached.
  • the solenoid proportional valves 54 to 56 are provided in the hydraulic line of the pilot pressure (operation pressure) described in FIG. Among them, the proportional solenoid valves 54b, 55a, 55b, 56a, 56b can reduce the operating pressure generated by the lever operation of the operator downstream. The solenoid proportional valve 54a can also generate an operating pressure without the lever operation of the operator.
  • the work machine attitude calculation unit 41 calculates the attitude of the work machine 1A based on the information from the work machine attitude detection device 50.
  • the posture of the work implement 1A can be defined on the shovel reference coordinates in FIG.
  • the shovel reference coordinates in FIG. 4 are the coordinates set for the upper revolving superstructure 12, and the base portion of the boom 8 rotatably supported by the upper revolving superstructure 12 is set as the origin, and in the vertical direction of the upper revolving superstructure 12.
  • the Z axis was set horizontally and the X axis was set.
  • the inclination angle of the boom 8 with respect to the X axis is the boom angle ⁇
  • the inclination angle of the arm 9 with respect to the boom 8 is the arm angle ⁇
  • the inclination angle of the bucket toe with respect to the arm is the bucket angle ⁇ .
  • the inclination angle of the vehicle body 1B (upper revolving unit 12) with respect to the horizontal plane (reference plane) is taken as the inclination angle ⁇ .
  • the boom angle ⁇ is detected by the boom angle sensor 30, the arm angle ⁇ is detected by the arm angle sensor 31, the bucket angle ⁇ is detected by the bucket angle sensor 32, and the inclination angle ⁇ is detected by the vehicle body inclination angle sensor 33.
  • the coordinates of the position of the bucket tip in the shovel reference coordinates and the posture of the working machine 1A are L1, L2 and L3. , ⁇ , ⁇ , ⁇ .
  • the storage unit 42 is configured in the ROM 93, and a target shape is stored based on the information from the target surface setting device 51.
  • a cross-sectional shape obtained by cutting a three-dimensional target shape along a plane (working plane of the work machine) along which the work machine 1A moves is used as one target shape (two-dimensional target shape).
  • the control target surface selection unit 57 performs area restriction control from among a plurality of target surfaces forming the target shape based on the information from the work machine posture calculation unit 41, the information on the target shape stored in the storage unit 42, and the like. Select one target surface (control target surface) suitable for use according to the situation. The control target surface selected here is output to necessary portions including the limit value calculation unit 58. Next, a method of selecting a control target surface by the control target surface selection unit 57 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart in which the control target surface selection unit 57 according to the present embodiment selects a control target surface.
  • the control target surface selection unit 57 starts the flowchart of FIG. 8 when the power supply of the controller 40 is ON and the limit control switch 17 is ON (valid).
  • step 101 it is determined whether the point closest to the bucket toe on the target shape is an inflection point. In the determination, if the point closest to the bucket toe is not the inflection point (that is, if the determination is “non”), the process proceeds to step 102 and the target surface closest to the bucket toe on the target shape is controlled I assume.
  • step 101 determines whether the point closest to the bucket tip is an inflection point (ie, the determination is “YES”)
  • the two target surfaces connected to the inflection point Among them the control target surface is determined based on the direction with respect to the vehicle body (hydraulic shovel 1) of the velocity vector of the bucket tip by the operator operation input from the velocity vector calculation unit 49 (described later). Specifically, when the speed vector of the toe has a component in the direction (D1) approaching the vehicle body in the shovel reference coordinate system of FIG. 4, the target surface closer to the vehicle body among the two target surfaces is taken as the control target surface.
  • the target surface far from the vehicle body is controlled among the two target surfaces.
  • the horizontal component of the velocity vector of the toe is extracted in the same coordinate system, and when the horizontal component approaches the vehicle body, the one closer to the vehicle body is taken as the control target surface. It is possible to use the far side as the control target surface.
  • the horizontal direction component of the speed vector of the bucket toe instead of the horizontal direction component of the speed vector of the bucket toe by operator operation, the horizontal direction component of the speed vector of the actual bucket toe calculated by the target motion calculation unit 43 may be used.
  • the one closer to the bucket tip may be used as the control target surface.
  • the speed vector calculation unit 49 operates the cylinders 5, 6, 7 calculated based on the posture of the work machine 1A and the position of the bucket toe from the work machine posture calculation unit 41, and the input from the operator operation detection device 52. Based on the speed, the speed vector of the tip of the bucket 10 operated by the operator is calculated.
  • the limit value calculation unit 58 calculates the limit value a of the component perpendicular to the control target surface of the velocity vector of the bucket tip, based on the distance D from the tip of the bucket 10 to the target surface (control target surface) to be controlled
  • a component perpendicular to the control target surface may be abbreviated as “vertical component” or “vertical component”.
  • the calculation of the limit value a is stored in the ROM 93 of the controller 40 in the form of a function or a table that defines the relationship between the limit value a and the distance D as shown in FIG. .
  • the distance D can be calculated from the distance of a straight line including the control target surface stored in the storage unit 42 and the position (coordinates) of the tip of the bucket 10 calculated by the work implement posture calculation unit 41.
  • the relationship between the limit value a and the distance D preferably has a characteristic that the limit value a monotonously decreases with the increase of the distance D, but is not limited to that shown in FIG.
  • the limit value a may be held at an individual predetermined value when the distance D is equal to or greater than a positive predetermined value or equal to or smaller than a negative predetermined value, or the relationship between the limit value a and the distance D is defined by a curve. Also good.
  • the horizontal axis indicates the distance D of the bucket toe from the surface to be controlled
  • the vertical axis indicates the limit value a of the component perpendicular to the surface to be controlled of the bucket toe speed.
  • the relationship between the distance D and the limit value a is that, when the bucket tip is above the control target surface, the speed in the (-) direction of a size proportional to the distance D is the limit value a, and the bucket tip is the control target surface
  • the velocity of the (+) direction having a magnitude proportional to the distance D is defined as the limit value a.
  • the target motion calculation unit 43 calculates the target motion of each of the hydraulic cylinders 5, 6, 7 so that the vertical component of the velocity vector of the bucket tip is controlled according to the limit value a input from the limit value calculation unit 58. . Then, when it is determined that the target operation can not be realized with the operation amount (pilot pressure) calculated from the output of the operator operation detection device 52, the target operation realizes the pilot pressure acting on the flow control valves 15a, 15b, 15c. A command to correct the value to a possible value is output to the solenoid proportional valve control unit 44. Specifically, the target motion calculation unit 43 of the present embodiment outputs a command to the solenoid proportional valve control unit 44 as in the following (a) to (d).
  • an arm cloud operation, an arm dumping operation, and a bucket that increase the vertical component of the bucket toe speed by adding the above-described configuration for generating the pilot pressure to the pilot lines 145 and 146 in addition to or instead of the boom raising operation.
  • a command to perform at least one of the cloud operation and the bucket dump operation may be output to the solenoid proportional valve control unit 44.
  • the limit value a is zero on the control target surface and the vertical component of the bucket toe speed is held at zero by the control of the target motion calculation unit 43 and the solenoid proportional valve control unit 44, for example, in the vicinity of the control target surface
  • the digging operation along the control target surface is realized by the horizontal component of the bucket toe speed.
  • the speed of the arm 9 may be reduced by the electromagnetic proportional valve 55 as needed to improve the digging accuracy.
  • the proportional solenoid valve 56 may be controlled to rotate the bucket 10 in the dumping direction so that the angle of the back surface of the bucket 10 with respect to the surface to be controlled becomes a constant value and the leveling operation becomes easy.
  • the machine control function of operating the working machine such as the boom 8, the arm 9, the bucket 10 and the upper swing body 12 by automatically or semi-automatically controlling the actuator with respect to the operation amount of the control lever 1 by the operator Call it.
  • Region restriction control is one of machine control.
  • the solenoid proportional valve control unit 44 calculates a command to the solenoid proportional valves 54 to 56 based on the command from the target operation calculation unit 43.
  • the solenoid proportional valves 54 to 56 are controlled based on a command from the solenoid proportional valve control unit 44.
  • the command output from the target motion calculation unit 43 to the solenoid proportional valve control unit 44 includes, for example, a boom raising command.
  • the boom raising command is a solenoid proportional valve control unit 44 when the boom 8 is forcibly raised so that the position of the tip of the bucket 10 is held in the area above and on the target surface when the area limiting control is performed.
  • the solenoid proportional valve control unit 44 outputs a valve opening command (command current) to the solenoid proportional valve 54a, and the pressure oil generated by the solenoid proportional valve 54a (hereinafter referred to as secondary pressure) is
  • the control valve 15a is driven by being supplied to the hydraulic drive unit 150a.
  • hydraulic fluid is introduced from the hydraulic pump 2 to the hydraulic chamber on the bottom side of the boom cylinder 5 and the boom 8 is raised.
  • the raising speed (boom raising speed) of the boom 8 at that time can be controlled by the value of the secondary pressure of the solenoid proportional valve 54a, that is, the command from the solenoid proportional valve control unit 44 to the solenoid proportional valve 54a.
  • the notification device 53 notifies the operator of various information related to machine control based on the information from the target motion calculation unit 43.
  • the articulated work machine 1A in the working machine, the articulated work machine 1A, the plurality of hydraulic cylinders (hydraulic actuators) 5, 6, 7 for driving the work machine 1A, and the plurality of hydraulic cylinders 5, 6, 7 Operation devices 45a, 45b and 46a that output operation signals (pilot pressure), a storage unit 42 in which a target shape defined by connecting a plurality of target surfaces is stored, and a tip portion of work implement 1A
  • a target operation control unit 60 for controlling the plurality of hydraulic cylinders 5, 6, 7 so as to limit the operation range of the work machine 1A is provided on and above the control target surface.
  • the target shape shown in FIG. 9 is defined by continuous target surfaces A and B, and indicates a situation where the hydraulic shovel is digging the target surfaces A and B.
  • the hydraulic shovel of FIG. As a comparative example of the present embodiment, among the plurality of target surfaces constituting the target shape, the hydraulic shovel of FIG. It is assumed that the control to be selected is adopted. Then, when the bucket toe is positioned above the target surface B and excavation is performed by the area restriction control with the target surface B as a control target surface, the control accuracy is deteriorated and the bucket 10 below the target surface B Suppose your toe has invaded. At this time, as shown in FIG. 9, when the inclination angle of the target surface B with respect to the horizontal plane is large, the bucket tip easily penetrates below the other target surface A even when the amount of intrusion to the target surface B is relatively small.
  • the control target surface selection unit 57 selects the target surface closest to the bucket toe on the target shape as the control target surface. Therefore, as shown in the figure, when digging by area limitation control is performed with the target surface B as the control target surface, even if the control accuracy deteriorates and the toe of the bucket 10 intrudes below the target surface B. A target surface B with a small amount of penetration is continuously selected as the control target surface. Therefore, according to the present embodiment, even when the target shape defined by a plurality of target surfaces having different inclination angles is continuously excavated, the bucket toe may accidentally enter below the control target surface. Since the appropriate target surface is selected as the control target surface, the sense of incongruity given to the operator is reduced, and the working device can be prevented from invading below the target surface.
  • the control target surface can not be determined by the method based on the above distance. Therefore, in the present embodiment, when the closest point to the bucket toe is the inflection point, among the two target surfaces connected to the inflection point, based on the direction of the speed vector of the bucket toe by the operator operation with respect to the vehicle body.
  • the control target surface is determined depending on whether the direction of the horizontal component of the velocity vector of the toe approaches the direction toward or away from the vehicle body.
  • A1 and A2 in FIG. 17 are scenes in which the bucket toe is positioned above the target shape (target surface), and B1 and B2 are scenes in which the bucket toe is positioned below the target shape.
  • the target component on the near side is set as the control target surface since the horizontal component of the velocity vector of the toe approaches the vehicle body.
  • the back target surface is set as the control target surface.
  • the target shape is defined on the target surface with a large inclination angle is described as an example, but the amount of penetration (the target from the bucket toe).
  • a control point of area restriction control (a point used as a reference of the distance D when calculating the limit value a by the limit value calculation unit 58) is set to a specific point (that is, the bucket tip).
  • the control point is a point (a point capable of moving on the line segment) appropriately selected from the line segment extracted from the contour of the cross-sectional shape of the tip portion of the work machine 1A by the operation plane. Use as. Below, the said line segment may be called a "control line.”
  • FIG. 10 is a functional block diagram of the controller 40A according to the embodiment of the present invention.
  • the controller 40A includes a setback shape generation unit 59 as a function different from that of the first embodiment.
  • the functions of the storage unit 42A, the control target surface selection unit 57A, the velocity vector calculation unit 49A, and the limit value calculation unit 58A are different from those in the first embodiment. The differences will mainly be described.
  • the storage unit 42A stores the position on the shovel of the control line extracted from the contour of the cross-sectional shape of the tip portion of the work machine 1A according to the operation plane.
  • the control line as shown in FIG. 11, a line segment connecting the front end and the rear end of the bucket 10 is used.
  • the rear end of the bucket 10 refers to the end of the flat surface of the bucket 10 in the front-rear direction, which is the end opposite to the bucket tip (tip).
  • the control line may be referred to as a "bucket bottom”
  • a control point defined on the bucket bottom may be referred to as a "bucket monitor point”.
  • the setback shape generation unit 59 sets back a plurality of target surfaces constituting the target shape relating to the operation plane by a predetermined amount downward, and the plurality of surfaces after the setback (hereinafter referred to as “selection reference surfaces”) It is a part that generates a shape (setback shape) obtained by connection.
  • the amount by which the target surface is set back when creating the selection reference surface can be appropriately changed according to how far the toe enters below the target surface when the accuracy of the area restriction control deteriorates, for example, several centimeters It can be set.
  • FIG. 11 shows a conceptual view of the setback shape and the selection reference surface, the target shape and the target surface. In the example of FIG.
  • the left and right end points of the setback shape are matched with the left and right end points of the target shape, and there is no setback from the target shape.
  • the present invention is not limited to this, and the left and right end points of the setback shape may be set back from the target shape as the other points.
  • the setback shape and the selection reference surface generated by the setback shape generation unit 59 are output to the control target surface selection unit 57A, and are used when selecting the control target surface.
  • the control target surface selection unit 57A includes posture information input from the work machine posture calculation unit 41, a target shape on the operation plane input from the storage unit 42, a setback shape input from the setback shape generation unit 59, and the like. On the basis of the above, while setting the bucket monitor point on the bucket bottom surface according to a predetermined rule, one control target surface suitable for the area restriction control is selected from the plurality of target surfaces constituting the target shape.
  • FIG. 12 is a flowchart in which the control target surface selection unit 57A according to the present embodiment selects a control target surface.
  • the control target surface selection unit 57A starts the flowchart of FIG. 12 when the power supply of the controller 40A is ON and the limit control switch 17 is ON (valid).
  • the setback shape generation unit 59 generates a setback shape for the current operation plane. It is also possible to configure the controller 40A so that the setback shape is generated in advance and stored in the storage unit 42A, and the corresponding setback shape is fetched from the storage unit 42A in step 200.
  • the control target surface selection unit 57A receives the posture information input from the work machine posture calculation unit 41, information on the target shape and control line in the operation plane input from the storage unit 42, and the setback shape generation unit Based on the setback shape information input from 59, a bucket monitor point is set on the bucket bottom in accordance with a predetermined rule.
  • a rule for defining a bucket monitor point from the bucket bottom when the bucket bottom is above the setback shape or below the setback shape, the closest point from the setback shape on the bucket bottom Is used as a bucket monitor point, and when the bucket bottom intersects the setback shape, a point where the bucket monitor point most invades the setback shape on the bucket bottom is adopted.
  • limiting in the said rule For example, you may comprise the operator arbitrarily from the bucket bottom surface.
  • step 201 the control target surface selection unit 57A determines whether part or all of the bucket bottom surface (control line) is below the setback shape. Here, if part or all of the bucket bottom is not below the setback shape, the process proceeds to step 202.
  • step 202 it is determined whether the point closest to the bucket monitor point on the setback shape is an inflection point (ie, an end point of any selection reference surface).
  • an inflection point ie, an end point of any selection reference surface.
  • step 203 the selection reference plane closest to the bucket monitor point on the setback shape is selected, and the process proceeds to step 213.
  • control target surface selecting unit 57A sets a target surface corresponding to the selection reference surface selected in the immediately preceding process (step 203, 208 or 210) as a control target surface.
  • step 202 If it is determined in step 202 that the closest point on the setback shape to the bucket monitor point is an inflection point (that is, if the determination in step 202 is "YES"), then the inflection point is modulo in step 204. Determine if it is a shoulder. If the inflection point is not a shoulder, the process proceeds to step 203, and if it is a shoulder, the process proceeds to step 205.
  • step 205 The situation of step 205 is as shown in FIG.
  • the bucket monitor point is a toe of the bucket 10.
  • the selection reference plane closest to the bucket monitor point is either the (i-1) th selection reference plane or the ith selection reference plane. I do not know whether it will be. Therefore, a virtual surface passing through the inflection point (i-th inflection point) on the target shape corresponding to the i-th inflection point on the setback shape is taken as a control target surface.
  • the virtual surface is referred to as an “intermediate target surface”.
  • the reason for introducing the concept of the intermediate target plane in the present embodiment is as follows. In the vicinity of the shoulder, a slight change in the positional relationship between the bucket monitor point and the target shape often results in sudden switching of the control target surface. Sudden switching of the target control surface may greatly affect control performance. However, when the intermediate target surface is set as in the present embodiment, abrupt switching of the control target surface is suppressed, so that control performance can be stabilized.
  • the intermediate target surface creation procedure is preferably determined in advance, and the angle of the intermediate target surface may be set within the range of the angles of the two target surfaces connected to the inflection point (i-th inflection point) preferable.
  • a plane having a predetermined angle with respect to the bucket bottom at that time (for example, a plane parallel to the bucket bottom) is taken as an intermediate target plane, an inclination angle of the intermediate target plane is predetermined, an intermediate target plane
  • the intermediate target surface may be a surface having an inclination angle such that an angle formed by two target surfaces connected to a passing inflection point is equal.
  • step 201 If it is determined in step 201 that part or all of the bottom surface of the bucket is below the setback shape, the process proceeds to step 206.
  • step 206 it is determined whether the bucket leading end and the trailing end are on or above the setback shape. If the bucket leading end and the trailing end are not on or above the setback shape, the process proceeds to step 207.
  • step 207 it is determined whether the closest point on the setback shape to the bucket monitor point is an inflection point. If the point closest to the bucket monitor point is not the inflection point but a point other than the end point of any of the selection reference planes (ie, if the determination is “non”), the process proceeds to step 208.
  • step 208 the selection reference plane closest to the bucket monitor point on the setback shape is selected, and the selection reference plane becomes the control target plane in step 213.
  • step 207 determines whether or not the closest point on the setback shape to the bucket monitor point is the inflection point (that is, the determination is “Yes”)
  • the process proceeds to step 209 and the bucket monitor point It is determined whether or not the closest inflection point on the setback shape is a forearm. If the inflection point is the fore-end, the process proceeds to step 210.
  • a selection reference plane close to the bucket monitor point is selected from the two selection reference planes connected to the inflection point of the foot.
  • the two selection reference planes A and B connected to the foremost point (inflection point) are regarded as straight lines, and the vertical from the bucket monitor point to each selection reference plane A, B The distance is calculated, and the selection reference plane whose vertical distance is close is selected. Therefore, in the case of FIG. 14, the selection reference plane A is selected.
  • the selection reference plane close to the vehicle body is selected.
  • the selection reference plane selected in step 210 becomes a control target plane in step 213.
  • step 206 If it is determined in step 206 that the front and rear ends of the bucket are on or above the setback shape, the process proceeds to step 211.
  • step 211 The situation in step 211 is that the bucket front and rear ends are above or above the setback shape and a portion of the bucket bottom is below the setback shape (ie, the bucket bottom intersects the setback shape) ).
  • the foot of the perpendicular drawn to the bucket bottom (control line) is positioned on the bucket bottom from among the plurality of inflection points constituting the setback shape, and the perpendicular is the setback shape
  • the lower inflection point is selected, and the inflection point having the largest vertical length is selected.
  • the three inflection points A, B, and C have vertical legs dropped to the bucket bottom located on the bucket bottom.
  • the inflection point B is excluded because its vertical line is above the setback shape.
  • the inflection point A having the largest vertical length is selected among the remaining two inflection points A and C.
  • step 212 an intermediate target surface passing through the inflection point on the target shape corresponding to the inflection point on the setback shape selected in step 211 is generated, and the intermediate target surface is set as the control target surface.
  • abrupt switching of the control target surface in the vicinity of the shoulder is suppressed, so that control performance can be stabilized.
  • FIG. 16 shows some examples of the positional relationship between the bucket bottom surface, the target shape, and the setback shape according to the determination results in steps 201 and 206 in order to help the understanding of the flowchart in FIG. 12.
  • the speed vector calculation unit 49A calculates the speed vector of the bucket monitor point operated by the operator.
  • the limit value calculation unit 58A calculates the limit value a of the vertical component of the velocity vector of the bucket monitor point based on the distance D from the bucket monitor point to the control target surface.
  • the functions of the target motion calculation unit 43 and the solenoid proportional valve control unit 44 are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the process of selecting the control target surface tends to be complicated.
  • the control target surface is set based on the positional relationship between the setback shape and the bucket bottom surface as in the present embodiment, a scene where the bucket toe has invaded slightly below the target shape due to a control error (specifically, step Even in a scene where the operation proceeds to 202, that is, a scene in which the bucket bottom intersects the target shape but does not intersect the setback shape)
  • the control target surface is controlled by substantially the same control as when the bucket bottom is on the target shape. Can be set to simplify the selection process of the control target surface.
  • an appropriate control surface can be selected according to the intrusion location. More specifically, if it has invaded the vicinity of the shoulder by the process of step 212, if it has invaded the vicinity of the foot by the process of step 210, if it has invaded another place, the process of step 208.
  • the control surface can be set more appropriately.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications within the scope of the present invention.
  • the present invention is not limited to the one provided with all the configurations described in the above embodiment, but also includes one in which a part of the configuration is deleted.
  • a part of the configuration according to an embodiment can be added to or replaced with the configuration according to another embodiment.
  • step 103 when the inflection point closest to the bucket toe is a shoulder, a virtual surface (the above-described intermediate target surface) passing through the inflection point is created.
  • processing may be performed to set the virtual surface as a control target surface.
  • each configuration related to the controller 40 and 40A, the function of each configuration, execution processing, and the like are partially or entirely hardware (for example, designing logic for executing each function by an integrated circuit) It may be realized by Moreover, the configuration according to the above-mentioned controller 40, 40A is a program (software) in which each function according to the configuration of the controller 40, 40A is realized by being read and executed by an arithmetic processing unit (for example, CPU) It is also good.
  • the information related to the program can be stored in, for example, a semiconductor memory (flash memory, SSD, etc.), a magnetic storage device (hard disk drive, etc.), a recording medium (magnetic disk, optical disc, etc.), and the like.

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Abstract

多関節型の作業機（１Ａ）と、作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータ（５，６，７）と、複数の油圧アクチュエータに操作信号を出力する操作装置（４５ａ，４５ｂ，４６ａ）と、複数の目標面を連結して定義された目標形状が記憶されている記憶部（４２）と、バケット（１０）の爪先に設定された制御点が目標形状の下方に在る場合、目標形状上で制御点に最も近い目標面を制御対象面とする制御対象面選択部（５７）と、操作装置を介してオペレータから掘削操作が入力された場合に、制御対象面上およびその上方に制御点の動作範囲が制限されるように複数の油圧アクチュエータを制御する目標動作制御部（６０）とを備える。

Description

作業機械
　本発明は作業機械に関する。
　作業機械に含まれる油圧ショベルには、操作レバーを介してオペレータから掘削操作（例えばアームクラウド操作）が入力された場合、フロント作業装置の先端と予め設定した目標面との距離に応じてコンピュータ（コントローラ）によりブーム上げ動作を強制的に追加することで、フロント作業装置の動作範囲を当該目標面上およびその上方に制限する制御がある。当該制御は、領域制限制御、動作制限制御又はマシンコントロールなどと呼ばれることがある。
　目標面（設計面）が水平方向に対して所定角度以上傾斜している場合の領域制限制御（動作制限制御）によるブーム上げの急動作を防止するために、例えば特許文献１には、目標面（設計面）が水平方向に対して所定角度以上傾斜した斜面である場合、動作制限部は、領域制限制御（動作制限制御）を実行しないように制御する、このようにすれば、目標面（設計面）が急斜面である場合のブームの急動作を防止することができる、と記載されている。
特許第５７０６０５０号
　複数の目標面（線分）を結合して目標形状（設計形状）が定義されることがある。この場合には、掘削作業の進捗と共にその複数の目標面の中から最適なものを制御対象（制御対象面）として選択して領域制限制御を実行する必要がある。誤った目標面が制御対象として選択された状態で領域制限制御が実行されると、想定と異なる領域制限制御が実行されてオペレータに違和感を与えたり、正しい目標面の下方にバケットの爪先が侵入したりするおそれがある。
　特許文献１に記載の作業車両では、目標面が水平面に対し所定の角度以上傾斜している場合、領域制限制御は実行されない。そのため、所定の角度未満の目標面（第１目標面）と所定の角度以上の目標面（第２目標面）が結合して目標形状が定義されている場合、第１目標面から第２目標面の順番で連続して掘削するときには、制御対象が第２目標面に変更された時点で領域制限制御が突然中断してしまう。逆に、第２目標面から第１目標面の順番で連続して掘削するときには、制御対象が第１目標面に変更された時点で領域制限制御が突然実施されてしまう。このように、特許文献１の技術を利用して、傾斜角の異なる複数の目標面で定義された目標形状を連続して掘削する場合には、領域制限制御が実行されたり、実行されなかったりすることがある。このように領域制限制御が突然実行／中断されると、オペレータに与える違和感が大きく、また、目標形状の下方に誤ってバケットの爪先が侵入する可能性が高くなる。
　本発明の目的は、傾斜角の異なる複数の目標面で定義された目標形状を連続して掘削する場合において、領域制限制御の制御対象の目標面が適切に選択できる作業機械を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明は、多関節型の作業機と、前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに操作信号を出力する操作装置と、複数の目標面を連結して定義された目標形状が記憶されている記憶部と、前記作業機の先端部分に設定された制御点が前記目標形状の下方に在る場合、前記目標形状上で前記制御点に最も近い目標面を制御対象面とする制御対象面選択部と、前記操作装置を介してオペレータから掘削操作が入力された場合に、前記制御対象面上およびその上方に前記制御点の動作範囲が制限されるように前記複数の油圧アクチュエータを制御する目標動作制御部とを備えることとした。
　本発明によれば、領域制限制御の制御対象の目標面が適切に選択されるので、オペレータに与える違和感が小さくなり、また、目標面の下方に作業装置が侵入することを防止できる。
油圧ショベルの構成図。 油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図。 制御コントローラのハードウェア構成。 油圧ショベルにおける座標系を示す図。 第１実施形態に係る制御コントローラの機能ブロック図。 バケット爪先速度の垂直成分の制限値ａと制御対象面からの距離Ｄとの関係を示す図。 目標形状の説明図。 第１実施形態に係る制御コントローラが制御対象面を選択するフローチャート。 第１実施形態に係る作業機械の効果の説明図。 第２実施形態に係る制御コントローラの機能ブロック図。 セットバック形状及び選択基準面と目標形状及び目標面の概念図。 第２実施形態に係る制御コントローラが制御対象面を選択するフローチャート。 図１２のフローチャートにおけるステップ２０５の説明図。 図１２のフローチャートにおけるステップ２１０の説明図。 図１２のフローチャートにおけるステップ２１２の説明図。 ステップ２０１及び２０６での判定結果に応じたバケット底面と目標形状及びセットバック形状の位置関係の例を示す図。 図８のフローチャートにおけるステップ１０３の説明図。
　以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、以下では、作業機の先端のアタッチメントとしてバケット１０を備える油圧ショベルを例示するが、バケット以外のアタッチメントを備える油圧ショベルで本発明を適用しても構わない。さらに、複数の被駆動部材（アタッチメント、アーム、ブーム等）を連結して構成され、所定の動作平面上で動作する多関節型の作業機を有するものであれば油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。
　また、本稿では、或る形状を示す用語（例えば、目標面、目標形状、セットバック形状、制御対象面等）とともに用いられる「上」、「上方」又は「下方」という語の意味に関し、「上」は当該或る形状の「表面」を意味し、「上方」は当該或る形状の「表面より高い位置」を意味し、「下方」は当該或る形状の「表面より低い位置」を意味することとする。また、以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば、３つのポンプ３００ａ、３００ｂ、３００ｃが存在するとき、これらをまとめてポンプ３００と表記することがある。
　＜第１実施形態＞
　図１は本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの構成図であり、図２は本発明の第１の実施形態に係る油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図である。図１において、油圧ショベル１は、フロント作業機１Ａと車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは、下部走行体１１と、下部走行体１１の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体１２とからなる。フロント作業機１Ａは、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム８、アーム９及びバケット１０）を連結して構成されており、フロント作業機１Ａのブーム８の基端は上部旋回体１２の前部に支持されている。
　ブーム８、アーム９、バケット１０、上部旋回体１２及び下部走行体１１はそれぞれブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、旋回油圧モータ４及び左右の走行モータ３ａ、３ｂによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成する。これら被駆動部材８，９，１０，１２，１１への動作指示は、上部旋回体１２上の運転室内に搭載された走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａおよび操作左レバー１ｂ（これらを操作レバー１、２３と総称することがある）のオペレータによる操作に応じて出力される。
　運転室内には、走行右レバー２３ａを有する操作装置４７ａ（図２参照）と、走行左レバー２３ｂを有する操作装置４７ｂ（図２参照）と、操作右レバー１ａを有する操作装置４５ａ、４６ａと、操作左レバー１ｂを有する操作装置４５ｂ、４６ｂが設置されている。操作装置４５～４７は油圧パイロット方式であり、それぞれオペレータにより操作される操作レバー１、２３の操作量（例えば、レバーストローク）と操作方向に応じたパイロット圧（操作圧と称することがある）を制御信号として、パイロットライン１４４ａ～１４９ｂ（図２参照）を介して対応する流量制御弁１５ａ～１５ｆ（図２参照）の油圧駆動部１５０ａ～１５５ｂに供給し、これら流量制御弁１５ａ～１５ｆを駆動する。
　油圧ポンプ２から吐出した圧油がコントロールバルブユニット２０内の流量制御弁１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ（図２参照）を介して走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂ、旋回油圧モータ４、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に供給される。供給された圧油によってブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７が伸縮することで、ブーム８、アーム９、バケット１０がそれぞれ回動し、バケット１０の位置及び姿勢が変化する。また、供給された圧油によって旋回油圧モータ４が回転することで、下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。さらに、供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂが回転することで、下部走行体１１が走行する。
　一方、ブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度α、β、γ（図４参照）を測定可能なように、ブームピンにブーム角度センサ３０、アームピンにアーム角度センサ３１、バケットリンク１３にバケット角度センサ３２が取付けられ、上部旋回体１２には基準面（例えば水平面）に対する上部旋回体１２（車体１Ｂ）の前後方向の傾斜角θ（図４参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。
　図１の油圧ショベル１は、図２に示されるように、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、旋回油圧モータ４及び左右の走行モータ３ａ、３ｂを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３～７のそれぞれに対応して設けられた走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａ、操作左レバー１ｂと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３～７間に接続され、操作レバー１、２３の操作量及び操作方向に応じて操作装置４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂから出力される制御信号によって制御され、油圧アクチュエータ３～７に供給される圧油の流量及び方向を制御する複数の流量制御弁１５ａ～１５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁１５ａ～１５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁１６とを有している。これらは油圧ショベル１の被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
　本実施例の油圧ショベルには、オペレータの掘削操作を補助する制御システムが備えられている。具体的には、操作装置４５ｂ，４６ａを介して掘削操作（具体的には、アームクラウド、バケットクラウドまたはバケットダンプの指示）が入力された場合、目標面と作業機１Ａの先端の位置関係を基に、作業機１Ａの先端（バケット１０の爪先）の位置が目標面上及びその上方の領域内に保持されるように油圧アクチュエータ５，６，７の少なくとも１つを強制的に動作させる制御（例えば、ブームシリンダ５を伸ばして強制的にブーム上げ動作を行う）を実行する掘削制御システムが備えられている。本稿ではこの制御を「領域制限制御」と称することがある。この制御によりバケット１０の爪先が目標面を越えることが防止されるので、オペレータの技量の程度に関わらず目標面に沿った掘削が可能となる。本実施形態では、領域制限制御に係る制御点を、油圧ショベルのバケット１０の爪先（作業機１Ａの先端）に設定している。制御点は作業機１Ａの先端部分の点であればバケット爪先以外にも変更可能である。例えば、バケット１０の底面や、バケットリンク（図示せず）の最外部も選択可能である。
　この領域制限制御の実行が可能な掘削制御システムは、運転室内の操作パネルの上方などオペレータの視界を遮らない位置に設置され領域制限制御の有効無効を切り替える制限制御スイッチ１７と、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ａ、１４４ｂに設けられ、操作レバー１ａの操作量としてパイロット圧（制御信号）を検出する圧力センサ７０ａ、７０ｂと、アーム９用の操作装置４５ｂのパイロットライン１４５ａ、１４５ｂに設けられ、操作レバー１ｂの操作量としてパイロット圧（制御信号）を検出する圧力センサ７１ａ、７１ｂと、一次ポート側がパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５４ａと、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ａと電磁比例弁５４ａの二次ポート側に接続され、パイロットライン１４４ａ内のパイロット圧と電磁比例弁５４ａから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁１５ａの油圧駆動部１５０ａに導くシャトル弁８２と、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ｂに設置され、電気信号に応じてパイロットライン１４４ｂ内のパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５４ｂと、領域制限制御が実行可能なコンピュータである制御コントローラ（制御装置）４０を備えている。
　アーム９用のパイロットライン１４５ａ、１４５ｂには、パイロット圧を検出して制御コントローラ４０に出力する圧力センサ７１ａ、７１ｂと、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロット圧を低減して出力する電磁比例弁５５ａ、５５ｂが設けられている。バケット１０用のパイロットライン１４６ａ、１４６ｂには、パイロット圧を検出して制御コントローラ４０に出力する圧力センサ７２ａ、７２ｂと、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロット圧を低減して出力する電磁比例弁５６ａ、５６ｂが設けられている。なお、図２では、圧力センサ７１、７２及び電磁比例弁５５、５６と制御コントローラ４０との接続線は紙面の都合上省略している。
　なお、操作装置４５ａの操作が無い場合にもパイロット圧を発生する電磁比例弁５４ａとシャトル弁８２の構成は、パイロットライン１４４ａのみに設置されているが、ブームシリンダ５、アームシリンダ６及びバケットシリンダ７に係る他のパイロットライン１４４ｂ，１４５，１４６にこれらを設置してパイロット圧を発生させても良い。また、パイロットライン１４４ａにも、パイロットライン１４４ｂの電磁比例弁５４ｂと同様の、操作装置４５ａから出力されたパイロット圧を低減する電磁比例弁を設定しても良い。
　制御コントローラ４０には、後述のＲＯＭ９３又はＲＡＭ９４に記憶された目標面の形状情報と位置情報、角度センサ３０～３２と傾斜角センサ３３の検出信号、および圧力センサ７０～７２の検出信号、が入力される。また制御コントローラ４０は領域を制限した掘削制御（領域制限制御）を行うための制御信号（パイロット圧）の補正を行う電気信号を電磁比例弁５４～５６に出力する。
　図３に、制御コントローラ４０のハードウェア構成を示す。制御コントローラ４０は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、操作装置４５～４７からの信号、目標面を設定するための設定装置５１からの信号、角度センサ３０～３２及び傾斜角センサ３３からの信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ９３は、後述する図８，１２のフローチャートに係る処理を含め領域制限制御を実行するための制御プログラムと、当該フローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力部９１及びメモリ９３、９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を電磁比例弁５４～５６や報知装置５３に出力することで、油圧アクチュエータ４～７を駆動・制御したり、車体１Ｂ、バケット１０及び目標面等の画像を報知装置５３であるモニタの表示画面上に表示させたりする。なお、図３の制御コントローラ４０は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、記憶装置であれば特に代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。
　図５は、本発明の実施形態に係る制御コントローラ４０の機能ブロック図である。制御コントローラ４０は、作業機姿勢演算部４１と、形状記憶部４２と、目標動作演算部４３と、電磁比例弁制御部４４と、速度ベクトル演算部４９と、制御対象面選択部５７と、制限値演算部５８を備えている。このうち、速度ベクトル演算部４９、制限値演算部５８、目標動作演算部４３および電磁比例弁制御部４４を「目標動作制御部６０」と総称することがある。また、制御コントローラ４０には、作業機姿勢検出装置５０、目標面設定装置５１、オペレータ操作検出装置５２、報知装置５３、電磁比例弁５４～５６、がそれぞれ接続されている。
　作業機姿勢検出装置５０は、ブーム角度センサ３０、アーム角度センサ３１、バケット角度センサ３２、車体傾斜角センサ３３、から構成される。
　目標面設定装置５１は、目標形状に関する情報（目標形状を構成する各目標面及び各変曲点の位置情報、各目標面の傾斜角度情報を含む）を入力可能なインターフェースである。目標形状は複数の目標面を連結して定義されている。本実施の形態では、隣接する２つの目標面の傾斜角は異なっているものとし、当該２つの目標面の接続点を変曲点と称する。以下では、法面の上端に位置する変曲点を「法肩」と称し、法面の下端に位置する変曲点を「法尻」と称することがある。目標面設定装置５１を介した目標形状の入力は、オペレータが手動で行っても、ネットワーク等を介して外部から取り込んでも良い。
　また、目標面設定装置５１にはＧＮＳＳ受信機等の衛星通信アンテナ（図示せず）が接続されている。グローバル座標系上に規定された目標形状の３次元データを格納した外部端末とショベルがデータ通信可能な場合には、当該衛星通信アンテナにより特定したショベルのグローバル座標を基にショベル位置に対応する目標形状を当該外部端末の３次元データ内で探索して取り込むことができる。
　オペレータ操作検出装置５２は、オペレータによる操作レバー１の操作によって生じる操作圧を取得する圧力センサ７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂから構成される。圧力センサ７０，７１，７２の検出値から操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作量が算出できる。当該操作量と、流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの特性と、油圧ポンプ２の容量（傾転角）及び吐出圧から各油圧シリンダ５，６，７の動作速度が算出できる。なお、圧力センサ７０，７１，７２（パイロット圧）による操作量の算出は一例に過ぎず、例えば各操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作レバーの回転変位を検出する位置センサ（例えば、ロータリーエンコーダ）で当該操作レバーの操作量を検出しても良い。また、操作量から動作速度を算出する構成に代えて、各油圧シリンダ５，６，７の伸縮量を検出するストロークセンサを取り付け、検出した伸縮量の時間変化を基に各シリンダの動作速度を算出する構成も適用可能である。
　報知装置５３は、オペレータに目標形状又は制御対象面と作業機１Ａの位置関係を表示するディスプレイ（表示装置）、あるいは目標形状又は制御対象面と作業機１Ａの位置関係を音（音声も含む）により通達するスピーカの少なくとも一つから構成される。
　電磁比例弁５４～５６は、図２で説明したパイロット圧（操作圧）の油圧ラインに設けられている。このうち電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂはオペレータのレバー操作によって発生した操作圧を下流で低減することが可能である。また、電磁比例弁５４ａはオペレータのレバー操作なしに操作圧を発生させることも可能である。
　作業機姿勢演算部４１は作業機姿勢検出装置５０からの情報に基づき、作業機１Ａの姿勢を演算する。作業機１Ａの姿勢は図４のショベル基準座標上に定義できる。図４のショベル基準座標は、上部旋回体１２に設定された座標であり、上部旋回体１２に回動可能に支持されているブーム８の基底部を原点とし、上部旋回体１２における鉛直方向にＺ軸、水平方向にＸ軸を設定した。Ｘ軸に対するブーム８の傾斜角をブーム角α、ブーム８に対するアーム９の傾斜角をアーム角β、アームに対するバケット爪先の傾斜角をバケット角γとした。水平面（基準面）に対する車体１Ｂ（上部旋回体１２）の傾斜角を傾斜角θとした。ブーム角αはブーム角度センサ３０により、アーム角βはアーム角度センサ３１により、バケット角γはバケット角度センサ３２により、傾斜角θは車体傾斜角センサ３３により検出される。図４中に規定したようにブーム８、アーム９、バケット１０の長さをそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、ショベル基準座標におけるバケット爪先位置の座標および作業機１Ａの姿勢はＬ１，Ｌ２，Ｌ３，α，β，γで表現できる。
　記憶部４２は、ＲＯＭ９３内に構成されており、目標面設定装置５１からの情報に基づき目標形状が記憶されている。ここでは、図７に示すように、３次元の目標形状を作業機１Ａが移動する平面（作業機の動作平面）で切断した断面形状を１つの目標形状（２次元の目標形状）として利用する。目標形状上の変曲点は、車体に近い順に、第１変曲点、第２変曲点、第３変曲点、…、第ｉ変曲点とする（ｉ＝１，２，３，…ｎ）。目標面は、車体に近い順に、第１変曲点と第２変曲点とで構成される第１目標面、第２変曲点と第３変曲点とで構成される第２目標面、…、第ｉ変曲点と第ｉ＋１変曲点とで構成される第ｉ目標面とする（ｉ＝１，２，３，…ｎ－１）。
　制御対象面選択部５７は、作業機姿勢演算部４１からの情報と、記憶部４２に記憶された目標形状の情報等を基に、目標形状を構成する複数の目標面の中から領域制限制御に使用に適した目標面（制御対象面）を状況に応じて１つ選択する。ここで選択された制御対象面は制限値演算部５８をはじめとして必要な箇所に出力される。次に制御対象面選択部５７による制御対象面の選択方法について図８を用いて説明する。
　図８は本実施形態に係る制御対象面選択部５７が制御対象面を選択するフローチャートである。制御対象面選択部５７は、制御コントローラ４０の電源がＯＮで制限制御スイッチ１７がＯＮ（有効）の場合、図８のフローチャートを開始する。
　ステップ１０１では、目標形状上でバケット爪先に最も近い点が変曲点であるかの判定を行う。当該判定において、バケット爪先に最も近い点が変曲点ではない場合（すなわち、当該判定が「非」の場合）、ステップ１０２に進み、目標形状上でバケット爪先に最も近い目標面を制御対象面とする。
　一方、ステップ１０１の判定において、バケット爪先に最も近い点が変曲点である場合（すなわち、当該判定が「是」の場合）、ステップ１０３では、その変曲点に接続する２つの目標面のうち、速度ベクトル演算部４９（後述）から入力した、オペレータ操作によるバケット爪先の速度ベクトルの車体（油圧ショベル１）に対する方向を基に制御対象面を決定する。具体的には、図４のショベル基準座標系において車体に近づく方向（Ｄ１）の成分を爪先の速度ベクトルが有する場合には２つの目標面のうち車体に近い目標面を制御対象面とする。反対に、同座標系において爪先の速度ベクトルが車体から離れる方向（Ｄ２）の成分を有する場合には２つの目標面のうち車体から遠い目標面を制御対象面する。この場合、例えば、同座標系において爪先の速度ベクトルの水平方向成分を抽出し、当該水平方向成分が車体に近づく場合には車体に近い方を制御対象面とし、車体から離れる場合には車体から遠い方を制御対象面とすることもできる。なお、ここでは、オペレータ操作によるバケット爪先の速度ベクトルの水平方向成分に代えて、目標動作演算部４３で演算された実際のバケット爪先の速度ベクトルの水平方向成分を利用しても良い。また、後述する第２実施形態の図１２のステップ２１０と同様に、最も近い変曲点に接続する２つの目標面のうちバケット爪先との距離が近い方を制御対象面としても良い。
　速度ベクトル演算部４９は、作業機姿勢演算部４１からの作業機１Ａの姿勢及びバケット爪先の位置と、オペレータ操作検出装置５２からの入力を基に算出される各シリンダ５，６，７の動作速度とを基に、オペレータ操作によるバケット１０の爪先の速度ベクトルを演算する。
　制限値演算部５８は、バケット１０の爪先から制御対象の目標面（制御対象面）までの距離Ｄに基づき、バケット爪先の速度ベクトルの制御対象面に垂直な成分の制限値ａを計算する（以下では、制御対象面に垂直な成分を、「垂直な成分」又は「垂直成分」と省略して呼称することがある）。制限値ａの計算は、図６に示すような制限値ａと距離Ｄとの関係を定義した関数又はテーブル等の形式で制御コントローラ４０のＲＯＭ９３に記憶しておき、この関係を適宜読み出して行う。距離Ｄは、作業機姿勢演算部４１で演算したバケット１０の爪先の位置（座標）と、記憶部４２に記憶された制御対象面を含む直線の距離から算出できる。なお、制限値ａと距離Ｄとの関係は、距離Ｄの増加とともに制限値ａが単調減少する特性を有することが好ましいが、図６に示したものに限らない。例えば、距離Ｄが正の所定値以上または負の所定値以下で制限値ａが個別の所定値に保持されるようにしても良いし、制限値ａと距離Ｄの関係を曲線で定義しても良い。
　図６において、横軸はバケット爪先の制御対象面からの距離Ｄを示し、縦軸はバケット爪先速度の制御対象面に垂直な成分の制限値ａを示す。横軸の距離Ｄが（＋）の場合、バケット爪先は制御対象面の上方に位置し、負の場合は制御対象面の下方に位置する。縦軸の制限値ａが正の場合、制限値ａの方向は鉛直上向きとなり、負の場合は鉛直下向きとなる。この距離Ｄと制限値ａの関係は、バケット爪先が制御対象面の上方にあるときには、その距離Ｄに比例した大きさの（－）方向の速度を制限値ａとし、バケット爪先が制御対象面の下方にあるときには、その距離Ｄに比例した大きさの（＋）方向の速度を制限値ａとするように定められている。
　目標動作演算部４３は、制限値演算部５８から入力される制限値ａに従って、バケット爪先の速度ベクトルの垂直成分が制御されるように、各油圧シリンダ５，６，７の目標動作を演算する。そして、オペレータ操作検出装置５２の出力から演算される操作量（パイロット圧）では当該目標動作を実現できないと判断した場合、流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに作用するパイロット圧を当該目標動作が実現できる値に補正する指令を電磁比例弁制御部４４に出力する。具体的には、本実施形態の目標動作演算部４３は、下記（ａ）－（ｄ）のように電磁比例弁制御部４４に指令を出力する。
　（ａ）制御対象面の下方に爪先が在り、かつ、速度ベクトル演算部４９で演算されたオペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分が下向き（（－）方向）の場合は、当該バケット爪先速度の垂直成分を制限値ａ（方向は上向き）にするブーム上げ動作が行われるように電磁比例弁５４ａを駆動する指令を電磁比例弁制御部４４に出力する。すなわち、この場合はバケット爪先速度の垂直成分として制限値ａが採用される。
　（ｂ）制御対象面の下方に爪先が在り、かつ、速度ベクトル演算部４９で演算されたオペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分が上向き（（＋）方向）の場合は、速度ベクトル演算部４９で演算されたバケット爪先速度の垂直成分の大きさが制限値ａの大きさ未満のときに、当該バケット爪先速度の垂直成分を制限値ａまで増速させるブーム上げ動作が行われるように電磁比例弁５４ａを駆動する指令を電磁比例弁制御部４４に出力する。すなわち、この場合はバケット爪先速度の垂直成分として、オペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分と制限値ａのうち絶対値が大きい方が採用される。なお、パイロットライン１４５，１４６にパイロット圧を発生する既述の構成を追加して、ブーム上げ動作に加えて又は代えて、バケット爪先速度の垂直成分を増加するアームクラウド動作、アームダンプ動作、バケットクラウド動作及びバケットダンプ動作の少なくとも１つを行う指令を電磁比例弁制御部４４に出力しても良い。
　（ｃ）制御対象面の上方に爪先が在り、かつ、速度ベクトル演算部４９で演算されたオペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分が下向き（（－）方向）の場合は、速度ベクトル演算部４９で演算されたオペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分の大きさ（絶対値）が制限値ａの大きさ（絶対値）を越えるときに、当該バケット爪先速度の垂直成分を制限値ａまで減速させるブーム上げ動作が行われるように電磁比例弁５４ａを駆動する指令を電磁比例弁制御部４４に出力する。すなわち、この場合はバケット爪先速度の垂直成分として、オペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分と制限値ａのうち絶対値が小さい方が採用される。
　（ｄ）制御対象面の上方に爪先が在り、かつ、速度ベクトル演算部４９で演算されたオペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分が上向き（（＋）方向）の場合は、オペレータ操作のままの動作が行われるように、電磁比例弁５４ａを駆動しない指令を電磁比例弁制御部４４に出力する。すなわち、この場合はバケット爪先速度の垂直成分として、オペレータ操作によるバケット爪先速度の垂直成分が採用される。
　そして、制御対象面上では制限値ａはゼロであり、目標動作演算部４３及び電磁比例弁制御部４４の制御によりバケット爪先速度の垂直成分がゼロに保持されるため、制御対象面付近で例えばアーム９をクラウド動作させればバケット爪先速度の水平成分により制御対象面に沿った掘削動作が実現される。
　なお、制御対象面の上方に爪先が在り、アーム９のクラウド操作がオペレータからあった場合は、掘削精度向上のため、電磁比例弁５５によりアーム９の速度を必要に応じて減速させても良い。また、バケット１０背面の制御対象面に対する角度が一定値となり、均し作業が容易となるように、電磁比例弁５６を制御してバケット１０がダンプ方向に回動するようにしても良い。
　上記のように、オペレータによる操作レバー１の操作量に対して、自動または半自動でアクチュエータを制御し、ブーム８、アーム９、バケット１０、上部旋回体１２といった作業機を動作させる機能をマシンコントロールと呼称する。領域制限制御はマシンコントロールの１つである。
　電磁比例弁制御部４４は、目標動作演算部４３からの指令に基づき、電磁比例弁５４～５６への指令を演算する。電磁比例弁５４～５６は、電磁比例弁制御部４４からの指令に基づき制御される。目標動作演算部４３から電磁比例弁制御部４４に出力される指令には例えばブーム上げ指令がある。ブーム上げ指令は、領域制限制御の実行時に、バケット１０の爪先の位置が目標面上及びその上方の領域内に保持されるようにブーム８を強制的に上昇させる際に電磁比例弁制御部４４に出力される指令である。ブーム上げ指令が入力されると、電磁比例弁制御部４４は電磁比例弁５４ａに開弁指令（指令電流）を出力し、電磁比例弁５４ａで発生した圧油（以下２次圧と称す）が油圧駆動部１５０ａに供給され制御弁１５ａが駆動される。これにより油圧ポンプ２からブームシリンダ５のボトム側の油圧室に作動油が導かれブーム８が上昇する。その際のブーム８の上昇速度（ブーム上げ速度）は、電磁比例弁５４ａの２次圧の値、すなわち電磁比例弁制御部４４から電磁比例弁５４ａへの指令により制御可能である。
　報知装置５３は、目標動作演算部４３からの情報に基づき、マシンコントロールに関連する各種情報をオペレータへ通達する。
　次に本実施形態に係る作業機械（油圧ショベル）の特徴について説明する。上記の実施形態では、作業機械において、多関節型の作業機１Ａと、作業機１Ａを駆動する複数の油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）５，６，７と、複数の油圧シリンダ５，６，７に操作信号（パイロット圧）を出力する操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａと、複数の目標面を連結して定義された目標形状が記憶されている記憶部４２と、作業機１Ａの先端部分に設定された制御点（バケット爪先）に目標形状上で最も近い目標面を制御対象面とする制御対象面選択部５７と、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａを介してオペレータから掘削操作が入力された場合に、制御対象面上およびその上方に作業機１Ａの動作範囲が制限されるように複数の油圧シリンダ５，６，７を制御する目標動作制御部６０とを備えることとした。
　このように構成した作業機械による効果を図９で説明する。図９に示した目標形状は連続した目標面Ａ，Ｂで定義されており、油圧ショベルが目標面Ａ，Ｂを掘削している状況を示す。
　まず、本実施形態の比較例として、図９の油圧ショベルが、目標形状を構成する複数の目標面の中から、バケット爪先から垂直方向の上下のいずれかに位置する目標面を制御選択面として選択する制御を採用している場合を想定する。そして、目標面Ｂの上方にバケット爪先を位置させ、目標面Ｂを制御対象面にして領域制限制御による掘削を実施しているときに、制御精度が悪化して目標面Ｂの下方にバケット１０の爪先が侵入したとする。このとき、図９のように目標面Ｂの水平面に対する傾斜角度が大きい場合、目標面Ｂへの侵入量が比較的少ないときでもバケット爪先が他の目標面Ａの下方にまで侵入し易い。そのため、目標面Ｂの掘削の最中でも制御対象面が目標面Ａに変更されるおそれが高い。図９の場合、バケット爪先が目標面Ａの下方にまで侵入しているため、実際の作業やオペレータの意思に反して制御対象面が目標面Ａに変更されてしまう。そしてこの場合、目標面Ｂに対する潜りこみ量ｂよりも、目標面Ａに対する潜りこみ量ａが大きいため、制御対象面が目標面Ｂのときよりも大きい制限値ａで強制ブーム上げが実行されてしまう。この動作はオペレータにとって大きな違和感となる。
　これに対して、本実施の形態では、制御対象面選択部５７により、目標形状上でバケット爪先に最も近い目標面が制御対象面として選択される。そのため、図示のように、目標面Ｂを制御対象面にして領域制限制御による掘削を実施しているときに、制御精度が悪化して目標面Ｂの下方にバケット１０の爪先が侵入しても、潜りこみ量の小さい目標面Ｂが制御対象面として継続して選択される。したがって、本実施の形態によれば、傾斜角の異なる複数の目標面で定義された目標形状を連続して掘削する場合において、誤って制御対象面の下方にバケット爪先が侵入してしまっても、適切な目標面が制御対象面として選択されるので、オペレータに与える違和感が小さくなり、また、目標面の下方に作業装置が侵入することを防止できる。
　ところで、バケット爪先に最も近い点が変曲点の場合、バケット爪先から２つの目標面への距離は等しいので、上記の距離に基づく方法では制御対象面を決定できない。そこで、本実施の形態では、バケット爪先に最も近い点が変曲点である場合、その変曲点に接続する２つの目標面のうち、オペレータ操作によるバケット爪先の速度ベクトルの車体に対する方向を基に制御対象面を決定することとした（ステップ１０３参照）。具体的には図１７に示すように、爪先の速度ベクトルの水平成分の方向が、車体に近づく方向か遠ざかる方向かによって制御対象面を決定している。図１７では紙面の左方向を「車体に近づく方向」、右方向を「車体から遠ざかる方向」とする。図１７のＡ１、Ａ２はバケット爪先が目標形状（目標面）の上方に位置する場面であり、Ｂ１，Ｂ２はバケット爪先が目標形状の下方に位置する場面である。Ａ１，Ｂ１の場合は爪先の速度ベクトルの水平成分が車体に近づく方向なので手前側の目標面が制御対象面として設定される。一方、Ａ２，Ｂ２の場面は爪先の速度ベクトルの水平成分が車体から遠ざかる方向なので奥側の目標面が制御対象面として設定される。このように本実施の形態ではバケット爪先の移動方向に在る目標面が制御対象面として選択されるので、爪先に最も近い点が変曲点の場合にも連続的に制御対象面が選択されて領域制限制御の安定化を図れる。
　なお、上記では本実施形態による効果の理解を容易にするために、傾斜角の大きな目標面で目標形状が定義されている場合を例に挙げて説明したが、潜りこみ量（バケット爪先から目標面までの距離）が最も近い目標面を制御対象とすることで最適な目標面が制御対象面として選択されるという効果は、傾斜角の大きさの程度に関係無く発揮される。
　＜第２実施形態＞
　第１実施形態では、領域制限制御の制御点（制限値演算部５８で制限値ａを算出する際に距離Ｄの基準として利用される点）を或る特定の点（すなわち、バケット先端）に設定した。第２実施形態では、動作平面による作業機１Ａの先端部分の断面形状の輪郭から抽出した線分上から、状況に応じて適宜選択される点（当該線分上を動き得る点）を制御点として利用する。以下では当該線分を「制御線」と称することがある。
　図１０は、本発明の実施形態に係る制御コントローラ４０Ａの機能ブロック図である。制御コントローラ４０Ａは、第１実施形態のものと異なる機能として、セットバック形状生成部５９を備えている。そして、記憶部４２Ａ、制御対象面選択部５７Ａ、速度ベクトル演算部４９Ａ、制限値演算部５８Ａの機能が第１実施形態のものと異なっている。これらについては異なる部分を主に説明する。
　記憶部４２Ａには、動作平面による作業機１Ａの先端部分の断面形状の輪郭から抽出した制御線のショベル上の位置が記憶されている。本実施形態では、当該制御線として、図１１に示すように、バケット１０の先端と後端を接続する線分を利用している。バケット１０の後端とは、バケット１０の平面部の前後方向の端部のうち、バケット先端（爪先）と反対側の端部を指す。以下では制御線を「バケット底面」と称することがあり、バケット底面上に定められる制御点を「バケットモニタポイント」と称することがある。
　セットバック形状生成部５９は、動作平面に係る目標形状を構成する複数の目標面を所定量下方にセットバックし、そのセットバック後の複数の面（以下、「選択基準面」と称する）を接続して得られる形状（セットバック形状）を生成する部分である。選択基準面を作成する際に目標面をセットバックする量は、領域制限制御の精度悪化時に目標面の下方に爪先がどの程度侵入するかに応じて適宜変更可能であり、例えば数センチ程度に設定できる。図１１にセットバック形状及び選択基準面と目標形状及び目標面の概念図を示す。図１１の例では、セットバック形状の左右の端点は、目標形状の左右の端点に一致させており、目標形状からのセットバックは無いものとする。但し、これに限らず、セットバック形状の左右の端点は他の点と同様に目標形状からセットバックした点にしても良い。
　セットバック形状生成部５９で生成されたセットバック形状及び選択基準面は、制御対象面選択部５７Ａに出力され、制御対象面の選択の際に利用される。
　制御対象面選択部５７Ａは、作業機姿勢演算部４１から入力される姿勢情報、記憶部４２から入力される動作平面における目標形状、及び、セットバック形状生成部５９から入力されるセットバック形状等を基に、所定のルールに従ってバケット底面上にバケットモニタポイントを設定しつつ、当該目標形状を構成する複数の目標面の中から領域制限制御に適した制御対象面を１つ選択する。
　図１２は本実施形態に係る制御対象面選択部５７Ａが制御対象面を選択するフローチャートである。制御対象面選択部５７Ａは、制御コントローラ４０Ａの電源がＯＮで制限制御スイッチ１７がＯＮ（有効）の場合、図１２のフローチャートを開始する。
　まず、ステップ２００で、セットバック形状生成部５９がその時点の動作平面についてのセットバック形状を生成する。なお、セットバック形状は予め生成して記憶部４２Ａに格納しておき、該当するセットバック形状をステップ２００で当該記憶部４２Ａから取り込むように制御コントローラ４０Ａを構成することも可能である。
　ステップ２１５では、制御対象面選択部５７Ａは、作業機姿勢演算部４１から入力される姿勢情報、記憶部４２から入力される動作平面における目標形状及び制御線の情報、及び、セットバック形状生成部５９から入力されるセットバック形状の情報を基に、所定のルールに従ってバケット底面上にバケットモニタポイントを設定する。本実施形態では、バケット底面上からバケットモニタポイントを定めるルールとして、バケット底面がセットバック形状の上方にある場合又はセットバック形状の下方にある場合にはバケット底面上でセットバック形状から最も近い点をバケットモニタポイントとし、バケット底面がセットバック形状と交差する場合にはバケット底面上で最もセットバック形状に侵入している点をバケットモニタポイントとするものを採用している。ただし、当該ルールに制限はなく、例えば、バケット底面上からオペレータが任意で選択可能に構成しても良い。
　ステップ２０１では、制御対象面選択部５７Ａは、バケット底面（制御線）の一部又は全部がセットバック形状の下方に在るかどうかを判定する。ここでバケット底面の一部又は全部がセットバック形状の下方に無い場合、ステップ２０２に進む。
　ステップ２０２では、セットバック形状上でバケットモニタポイントに最も近い点が変曲点（すなわち、いずれかの選択基準面の端点）であるかの判定を行う。ここでバケットモニタポイントにセットバック形状上で最も近い点が、変曲点ではなく、いずれかの選択基準面の端点以外の点の場合（すなわち、ステップ２０２の判定が「非」の場合）、ステップ２０３に進む。
　ステップ２０３では、セットバック形状上でバケットモニタポイントに最も近い選択基準面を選択し、ステップ２１３に進む。
　ステップ２１３では、制御対象面選択部５７Ａは、直前の処理（ステップ２０３、２０８又は２１０）で選択した選択基準面に対応する目標面を制御対象面とする。
　ステップ２０２でバケットモニタポイントにセットバック形状上で最も近い点が変曲点であると判定された場合（すなわち、ステップ２０２の判定が「是」の場合）、ステップ２０４でその変曲点が法肩であるかどうかを判定する。その変曲点が法肩でない場合ステップ２０３に進み、法肩である場合ステップ２０５に進む。
　ステップ２０５の状況を図示すると図１３のようになる。バケットモニタポイントはバケット１０の爪先とする。このとき、セットバック形状上でバケットモニタポイントに最も近いのは第ｉ変曲点なので、バケットモニタポイントに最も近い選択基準面が、第ｉ－１選択基準面と第ｉ選択基準面のどちらになるか定まらない。そこで、セットバック形状上の第ｉ変曲点に対応する目標形状上の変曲点（第ｉ変曲点）を通る仮想的な面を制御対象面とする。本実施形態では当該仮想的な面を「中間目標面」と称する。
　本実施形態で中間目標面という概念を導入した理由は次の通りである。法肩の周辺では、バケットモニタポイントと目標形状との位置関係の僅かな違いにより制御対象面が急に切り替わることが少なくない。目標制御面の急な切り替わりは制御性能に大きな影響を与えるおそれがある。しかし、本実施形態のように中間目標面を設定すると、制御対象面の急な切り替わりが抑制されるので制御性能を安定させることができる。
　なお、中間目標面の作成手順は予め定めておくことが好ましく、中間目標面の角度は変曲点（第ｉ変曲点）に接続する２つの目標面の角度の範囲以内で設定することが好ましい。例えば、その時のバケット底面に対して所定の角度を有する面（例えば、バケット底面と平行な面）を中間目標面とするもの、中間目標面の傾斜角を予め定めておくもの、中間目標面が通る変曲点に接続する２つの目標面となす角が等しくなるような傾斜角度を有する面を中間目標面とするもの等がある。
　ところで、ステップ２０１でバケット底面の一部又は全部がセットバック形状の下方に在ると判定された場合、ステップ２０６へ進む。
　ステップ２０６では、バケット先端及び後端がセットバック形状上またはその上方に在るかが判定される。バケット先端及び後端がセットバック形状上またはその上方に無い場合、ステップ２０７へ進む。
　ステップ２０７では、バケットモニタポイントにセットバック形状上で最も近い点が変曲点であるかの判定を行う。バケットモニタポイントに最も近い点が、変曲点ではなく、いずれかの選択基準面の端点以外の点の場合（すなわち、当該判定が「非」の場合）、ステップ２０８に進む。
　ステップ２０８では、セットバック形状上でバケットモニタポイントに最も近い選択基準面が選択され、当該選択基準面がステップ２１３で制御対象面となる。
　一方、ステップ２０７でバケットモニタポイントにセットバック形状上で最も近い点が変曲点であると判定された場合（すなわち、当該判定が「是」の場合）、ステップ２０９に進み、バケットモニタポイントにセットバック形状上で最も近い変曲点が法尻か否かが判定される。当該変曲点が法尻である場合はステップ２１０に進む。
　ステップ２１０で、法尻の変曲点に接続する２つの選択基準面のうちバケットモニタポイントに近い選択基準面を選択する。具体的には、図１４に示すように、法尻（変曲点
）に接続する２つの選択基準面Ａ，Ｂを直線とみなして、バケットモニタポイントから各選択基準面Ａ，Ｂまでの垂直距離を算出し、その垂直距離が近い選択基準面を選択する。したがって、図１４の場合は選択基準面Ａが選択される。なお、２つの選択基準面Ａ，Ｂとバケットモニタポイントの距離が同じ場合には車体に近い選択基準面を選択するものとする。ステップ２１０で選択された選択基準面はステップ２１３で制御対象面となる。
　ところで、ステップ２０６でバケット先端及び後端がセットバック形状の上またはその上方に在ると判定された場合、ステップ２１１に進む。
　ステップ２１１の状況は、バケット先端及び後端がセットバック形状の上またはその上方に在り、バケット底面の一部がセットバック形状の下方にある場合（すなわち、バケット底面がセットバック形状と交差する場合）である。このとき、ステップ２１１では、セットバック形状を構成する複数の変曲点の中から、バケット底面（制御線）に下ろした垂線の足がバケット底面上に位置し、かつ、当該垂線がセットバック形状より下側に在り、かつ、当該垂線の長さが最大の変曲点を選択する。例えば、図１５の例では、３つの変曲点Ａ，Ｂ，Ｃは、バケット底面に下ろした垂線の足がバケット底面上に位置する。しかし、変曲点Ｂは、その垂線がセットバック形状の上方に在るので対象外となる。そして、残りの２つの変曲点Ａ，Ｃのうち垂線の長さが最大の変曲点Ａが選択される。
　次にステップ２１２にて、ステップ２１１で選択したセットバック形状上の変曲点に対応する目標形状上の変曲点を通る中間目標面を生成し、その中間目標面を制御対象面とする。これにより法肩付近における制御対象面の急な切り替わりが抑制されるので制御性能を安定させることができる。
　なお、図１２のフローチャートの理解を助けるために、図１６に、ステップ２０１及び２０６での判定結果に応じたバケット底面と目標形状及びセットバック形状の位置関係の例をいくつか示した。
　速度ベクトル演算部４９Ａは、オペレータ操作によるバケットモニタポイントの速度ベクトルを演算する。制限値演算部５８Ａは、バケットモニタポイントから制御対象面までの距離Ｄに基づき、バケットモニタポイントの速度ベクトルの垂直成分の制限値ａを計算する。目標動作演算部４３および電磁比例弁制御部４４の機能については第１実施形態を同じなので説明は省略する。
　上記のような構成とすることで、バケット先端と後端を結ぶ線分（バケット底面）上の点を制御対象としたときも、適切な目標面を制御対象として選択することが可能となる。
　バケット底面（制御線）と目標形状の位置関係を基にバケットモニタポイント（制御点）を変更する場合には、制御対象面を選択する処理が複雑になり易い。しかし、本実施形態のようにセットバック形状とバケット底面の位置関係を基に制御対象面を設定すると、制御誤差などで目標形状の僅か下にバケット爪先が侵入した場面（具体的には、ステップ２０２に進む場面、すなわち、バケット底面が目標形状と交差しているがセットバック形状とは交差していない場面）においても、バケット底面が目標形状上に在るときと実質同じ制御により制御対象面を設定できるので制御対象面の選択処理を簡略化できる。
　また、仮にバケット底面がセットバック形状と交差またはセットバック形状の下方に位置するまでバケットが侵入してしまっても、その侵入箇所に応じて適切な制御面が選択できる。具体的には、法肩の近傍に侵入した場合にはステップ２１２の処理により、法尻の近傍に侵入した場合にはステップ２１０の処理により、その他の場所に侵入した場合にはステップ２０８の処理により適切に制御面が設定できる。
　なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
　例えば、第１実施形態のステップ１０３の処理に代えて、バケット爪先に最も近い変曲点が法肩の場合には、その変曲点を通る仮想的な面（前述の中間目標面）を作成し、当該仮想的な面を制御対象面とする処理を実行しても良い。
　また、上記の制御コントローラ４０，４０Ａに係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の制御コントローラ４０，４０Ａに係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御コントローラ４０，４０Ａの構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶できる。
　１Ａ…フロント作業機、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、３０…ブーム角度センサ、３１…アーム角度、センサ、３２…バケット角度センサ、４０，４０Ａ…制御コントローラ、４１…作業機姿勢演算部、４２，４２Ａ…記憶部、４３…目標動作演算部、４４…電磁比例弁制御部、４５…操作装置（ブーム、アーム）、４６…操作装置（バケット、旋回）、４７…操作装置（走行）、４９，４９Ａ…速度ベクトル演算部、５３…報知装置、５４，５５，５６…電磁比例弁、５７，５７Ａ…制御対象面選択部、５８，５８Ａ…制限値演算部、５９…セットバック形状生成部、６０，６０Ａ…目標動作制御部

Claims (5)

  1. 　多関節型の作業機と、
    　前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、
    　前記複数の油圧アクチュエータに操作信号を出力する操作装置と、
    　複数の目標面を連結して定義された目標形状が記憶されている記憶部と、
    　前記作業機の先端部分に設定された制御点に前記目標形状上で最も近い目標面を制御対象面とする制御対象面選択部と、
    　前記操作装置を介してオペレータから掘削操作が入力された場合に、前記制御対象面上およびその上方に前記制御点の動作範囲が制限されるように前記複数の油圧アクチュエータを制御する目標動作制御部とを備えることを特徴とする作業機械。
  2. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記制御対象面選択部は、
    　　前記制御点が前記目標形状上またはその上方に在る場合、前記目標形状上で前記制御点に最も近い点が変曲点か否かを判定し、
    　　前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点であると判定され且つ前記変曲点が法肩であるとき、前記変曲点に対応する前記目標形状上の変曲点を通る仮想的な面を前記制御対象面とすることを特徴とする作業機械。
  3. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記目標形状を構成する前記複数の目標面を下方にセットバックした複数の選択基準面を接続して得られるセットバック形状を生成するセットバック形状生成部をさらに備え、
    　前記記憶部は、前記作業機の先端部分の輪郭から抽出して予め設定した線分であって、前記制御点が設定される制御線を記憶し、
    　前記制御対象面選択部は、
    　　前記制御線の一部または全部が前記セットバック形状の下方に在り、かつ、前記制御線の両端が前記セットバック形状上またはその上方に在る場合、
    　　前記セットバック形状を構成する複数の変曲点の中から、前記制御線に下ろした垂線の足が前記制御線上に位置し、かつ、当該垂線が前記セットバック形状の下方に在り、かつ、当該垂線の長さが最大の変曲点を選択し、当該選択した変曲点に対応する前記目標形状上の変曲点を通る仮想的な面を前記制御対象面とすることを特徴とする作業機械。
  4. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記目標形状を構成する前記複数の目標面を下方にセットバックした複数の選択基準面を接続して得られるセットバック形状を生成するセットバック形状生成部をさらに備え、
    　前記記憶部は、前記作業機の先端部分の輪郭から抽出して予め設定した線分であって、前記制御点が設定される制御線を記憶し、
    　前記制御対象面選択部は、
    　　前記制御線の一部または全部が前記セットバック形状の下方に在り、かつ、前記制御線の両端が前記セットバック形状上又はその上方に無い場合、前記セットバック形状上で前記制御点に最も近い点が変曲点か否かを判定し、
    　　前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点であると判定され且つ前記変曲点が法尻であるとき、前記変曲点に接続する２つの選択基準面のうち前記制御点に近い選択基準面に対応する目標面を前記制御対象面とし、
    　　前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点であると判定され且つ前記変曲点が法尻でないとき、又は、前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点でないと判定されたとき、前記セットバック形状上で前記制御点に最も近い選択基準面に対応する目標面を前記制御対象面とすることを特徴とする作業機械。
  5. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記目標形状を構成する前記複数の目標面を下方にセットバックした複数の選択基準面を接続して得られるセットバック形状を生成するセットバック形状生成部をさらに備え、
    　前記記憶部は、前記作業機の先端部分の輪郭から抽出して予め設定した線分であって、前記制御点が設定される制御線を記憶し、
    　前記制御対象面選択部は、
    　　前記制御線の一部または全部が前記セットバック形状の下方に無い場合、前記セットバック形状上で前記制御点に最も近い点が変曲点か否かを判定し、
    　　前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点であると判定され且つ前記変曲点が法肩であるとき、前記変曲点に対応する前記目標形状上の変曲点を通る仮想的な面を前記制御対象面とし、
    　　前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点であると判定され且つ前記変曲点が法肩でないとき、又は、前記判定で前記制御点に最も近い点が変曲点でないと判定されたとき、前記セットバック形状上で前記制御点に最も近い選択基準面に対応する目標面を前記制御対象面とすることを特徴とする作業機械。
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