WO2019009341A1 - ショベル - Google Patents

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WO2019009341A1
WO2019009341A1 PCT/JP2018/025409 JP2018025409W WO2019009341A1 WO 2019009341 A1 WO2019009341 A1 WO 2019009341A1 JP 2018025409 W JP2018025409 W JP 2018025409W WO 2019009341 A1 WO2019009341 A1 WO 2019009341A1
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WO
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bucket
hardness
ground
excavated
angle
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PCT/JP2018/025409
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English (en)
French (fr)
Inventor
春男 呉
裕介 佐野
Original Assignee
住友重機械工業株式会社
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Priority to JP2019527753A priority patent/JP7146755B2/ja
Priority to EP18827927.7A priority patent/EP3650604B1/en
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    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
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    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
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    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
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    • E02F9/26—Indicating devices

Definitions

  • the present invention relates to a shovel provided with a digging attachment.
  • the shovel provided with the digging attachment comprised with a boom, an arm, and a bucket is known (refer patent document 1).
  • the shovel calculates a digging reaction force acting on the tip of the bucket from the posture of the digging attachment. Then, when the digging reaction force exceeds a predetermined value, the boom is automatically raised.
  • the purpose of making the digging depth shallow is to prevent a useless digging operation that prevents the bucket from moving.
  • the above-described shovel calculates the digging reaction force without considering the hardness of the ground to be excavated. Therefore, if the ground to be excavated is hard, the excavating reaction force is calculated to be smaller than in reality, and the boom can not be raised at an appropriate timing. As a result, a wasteful digging operation that causes the bucket to stop moving is caused. On the other hand, if the ground to be excavated is soft, the excavating reaction force is calculated larger than in reality, and the boom is raised early. As a result, the amount of earth and sand entering the bucket in one digging operation is reduced, and the working efficiency is reduced.
  • a shovel includes a lower traveling body, an upper swing body mounted on the lower travel body, an attachment attached to the upper swing body, and a drive shaft mounted on the upper swing body and driving the attachment. And a controller for controlling the angle of the tip of the bucket with respect to the ground to be excavated in accordance with the hardness of the ground to be excavated.
  • FIG. It is a figure which shows a mode that a bucket toe angle is adjusted by the process of FIG. It is a figure which shows another example of the drilling assistance process performed when a digging object is hard. It is a figure which shows another example of the drilling assistance process performed when a digging object is hard. It is a figure which shows another example of the drilling assistance process performed when a digging object is hard. It is a flow chart which shows another example of excavation support processing. It is a figure which shows a mode that a bucket toe angle is adjusted by the process of FIG. It is a graph which shows the relationship between the attachment length TR, and each of bucket angle (theta) 3 and bucket toe angle (alpha).
  • FIG. 1 is a side view of a shovel according to an embodiment of the present invention.
  • An upper swing body 3 is mounted on a lower traveling body 1 of the shovel shown in FIG. 1 via a turning mechanism 2.
  • a boom 4 is attached to the upper swing body 3.
  • An arm 5 is attached to the tip of the boom 4, and a bucket 6 is attached to the tip of the arm 5.
  • the boom 4 as a working element, the arm 5 and the bucket 6 constitute a digging attachment which is an example of an attachment.
  • the boom 4 is driven by a boom cylinder 7.
  • the arm 5 is driven by an arm cylinder 8.
  • the bucket 6 is driven by a bucket cylinder 9.
  • a cabin 10 is provided in the upper revolving superstructure 3 and a power source such as an engine 11 is mounted.
  • a communication device M1, a positioning device M2, a posture detection device M3, an imaging device M4 and a cylinder pressure detection device M5 are attached to the upper swing structure 3.
  • the communication device M1 is configured to control communication between the shovel and the outside.
  • the communication device M1 controls wireless communication between a Global Navigation Satellite System (GNSS) surveying system and a shovel.
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • the communication device M1 acquires topographical information of the work site when starting the work of the shovel, for example, once a day.
  • the GNSS surveying system adopts, for example, a network type RTK-GNSS positioning method.
  • the positioning device M2 is configured to measure the position of the shovel.
  • the positioning device M2 is a GNSS receiver incorporating an electronic compass, measures the latitude, longitude, and altitude of the existing position of the shovel, and measures the direction of the shovel.
  • the posture detection device M3 is configured to detect the posture of the attachment. In the present embodiment, the posture detection device M3 detects the posture of the digging attachment.
  • the imaging device M4 is configured to acquire an image around the shovel.
  • the imaging device M4 includes a front camera attached to the upper swing body 3.
  • the front camera is a stereo camera that images the front of the shovel, and is attached to the roof of the cabin 10, that is, to the outside of the cabin 10. It may be attached to the ceiling of the cabin 10, that is, to the inside of the cabin 10.
  • the forward camera can image the digging attachment.
  • the front camera may be a monocular camera.
  • the cylinder pressure detection device M5 is configured to detect the pressure of the hydraulic fluid in the hydraulic cylinder.
  • the cylinder pressure detection device M5 detects the pressure of the hydraulic fluid in each of the boom cylinder 7, the arm cylinder 8 and the bucket cylinder 9.
  • FIG. 2 is a side view of the shovel showing an example of the output contents of various sensors constituting each of the posture detection device M3 and the cylinder pressure detection device M5 mounted on the shovel of FIG.
  • the posture detection device M3 includes a boom angle sensor M3a, an arm angle sensor M3b, a bucket angle sensor M3c, and a vehicle body inclination sensor M3d.
  • the cylinder pressure detection device M5 includes a boom rod pressure sensor M5a, a boom bottom pressure sensor M5b, an arm rod pressure sensor M5c, an arm bottom pressure sensor M5d, a bucket rod pressure sensor M5e, and a bucket bottom pressure sensor M5f.
  • the X axis is included in the horizontal plane, and the Z axis corresponds to the pivot axis.
  • the boom angle sensor M3a is configured to obtain a boom angle.
  • the boom angle sensor M3a is, for example, a rotation angle sensor that detects the rotation angle of the boom foot pin, a stroke sensor that detects the stroke amount of the boom cylinder 7, and an inclination (acceleration) sensor that detects the inclination angle of the boom 4 Contains at least one.
  • the boom angle sensor M3a acquires, for example, a boom angle ⁇ 1.
  • the boom angle ⁇ 1 is, for example, an angle with respect to a horizontal line of a line segment P1-P2 connecting the boom foot pin position P1 and the arm connecting pin position P2 in the XZ plane.
  • the arm angle sensor M3b is configured to acquire an arm angle.
  • the arm angle sensor M3b is, for example, a rotation angle sensor that detects a rotation angle of the arm connection pin, a stroke sensor that detects a stroke amount of the arm cylinder 8, and an inclination (acceleration) sensor that detects an inclination angle of the arm 5.
  • the arm angle sensor M3b acquires, for example, an arm angle ⁇ 2.
  • the arm angle ⁇ 2 is, for example, an angle with respect to a horizontal line of a line segment P2-P3 connecting the arm connecting pin position P2 and the bucket connecting pin position P3 in the XZ plane.
  • the distance between the bucket connecting pin position P3 and the Z axis represents the attachment length TR.
  • the bucket angle sensor M3c is configured to acquire a bucket angle.
  • the bucket angle sensor M3c is, for example, a rotation angle sensor that detects a rotation angle of a bucket connecting pin, a stroke sensor that detects a stroke amount of the bucket cylinder 9, and an inclination (acceleration) sensor that detects an inclination angle of the bucket 6 Contains at least one.
  • the bucket angle sensor M3c acquires, for example, a bucket angle ⁇ 3.
  • the bucket angle ⁇ 3 is, for example, an angle with respect to a horizontal line of a line segment P3-P4 connecting the bucket connecting pin position P3 and the bucket toe position P4 in the XZ plane.
  • the boom angle sensor M3a, the arm angle sensor M3b, and the bucket angle sensor M3c may be configured by a combination of an acceleration sensor and a gyro sensor.
  • the vehicle body inclination sensor M3d is configured to acquire an inclination angle ⁇ 4 around the Y axis of the shovel and an inclination angle ⁇ 5 (not shown) around the X axis of the shovel.
  • the vehicle body inclination sensor M3d includes, for example, at least one of a two-axis inclination (acceleration) sensor and a three-axis inclination (acceleration) sensor.
  • the XY plane in FIG. 2 is a horizontal plane.
  • the boom rod pressure sensor M5a detects the pressure of the rod side oil chamber of the boom cylinder 7 (hereinafter referred to as "boom rod pressure”), and the boom bottom pressure sensor M5b indicates the pressure of the bottom oil chamber of the boom cylinder 7 (hereinafter referred to , “Boom bottom pressure”.
  • the arm rod pressure sensor M5c detects the pressure of the rod side oil chamber of the arm cylinder 8 (hereinafter referred to as “arm rod pressure”), and the arm bottom pressure sensor M5d indicates the pressure of the bottom oil chamber of the arm cylinder 8 (hereinafter referred to , “Arm bottom pressure” is detected.
  • the bucket rod pressure sensor M5e detects the pressure of the rod side oil chamber of the bucket cylinder 9 (hereinafter referred to as “bucket rod pressure"), and the bucket bottom pressure sensor M5f indicates the pressure of the bottom side oil chamber of the bucket cylinder 9 (hereinafter referred to , “Bucket bottom pressure" is detected.
  • the basic system of the shovel mainly includes an engine 11, a main pump 14, a pilot pump 15, a control valve 17, an operating device 26, a controller 30, an engine control unit (ECU) 74, and the like.
  • ECU engine control unit
  • the engine 11 is a driving source of a shovel, and is, for example, a diesel engine that operates to maintain a predetermined rotational speed.
  • An output shaft of the engine 11 is connected to respective input shafts of the main pump 14 and the pilot pump 15.
  • the main pump 14 is configured to supply hydraulic fluid to the control valve 17 via the hydraulic fluid line 16.
  • the main pump 14 is, for example, a swash plate type variable displacement hydraulic pump.
  • the main pump 14 can adjust the stroke length of the piston according to the change of the angle (tilt angle) of the swash plate, and can change the discharge amount, that is, the pump output.
  • the swash plate of the main pump 14 is controlled by the regulator 14a.
  • the regulator 14a changes the tilt angle of the swash plate according to the change of the control current output from the controller 30.
  • the regulator 14 a increases the displacement of the main pump 14 by, for example, increasing the tilt angle of the swash plate in accordance with the increase of the control current. Further, the regulator 14a reduces the displacement of the main pump 14 by reducing the tilt angle of the swash plate in accordance with the decrease in the control current.
  • the pilot pump 15 is configured to supply hydraulic oil to various hydraulic control devices via the pilot line 25.
  • the pilot pump 15 is, for example, a fixed displacement hydraulic pump.
  • the control valve 17 is a hydraulic control valve that controls a hydraulic system.
  • the control valve 17 is mainly used for one or more of the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, the bucket cylinder 9, the left traveling hydraulic motor 1A, the right traveling hydraulic motor 1B, and the turning hydraulic motor 2A.
  • the hydraulic oil supplied from the pump 14 through the hydraulic oil line 16 is selectively supplied.
  • the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, the bucket cylinder 9, the left traveling hydraulic motor 1A, the right traveling hydraulic motor 1B, and the turning hydraulic motor 2A are collectively referred to as "hydraulic actuators".
  • the operating device 26 is a device used by the operator for operating the hydraulic actuator.
  • the operating device 26 includes a lever and a pedal.
  • the operating device 26 receives the supply of hydraulic oil from the pilot pump 15 via the pilot line 25. Then, the hydraulic fluid is supplied to the pilot port of the flow control valve corresponding to each of the hydraulic actuators through the pilot lines 25a, 25b.
  • the pressure (pilot pressure) of the hydraulic fluid supplied to each of the pilot ports corresponds to the operating direction and the amount of operation of the operating device 26 corresponding to each of the hydraulic actuators.
  • the controller 30 is a control device for controlling a shovel, and is configured of, for example, a computer including a CPU, a RAM, a ROM, and the like.
  • the CPU of the controller 30 reads out a program corresponding to each function in the shovel from the ROM, loads it into the RAM, and executes it, thereby realizing the function corresponding to each of the programs.
  • the controller 30 controls, for example, the discharge amount of the main pump 14.
  • the controller 30 changes the control current according to, for example, the negative control pressure of the negative control valve (not shown), and controls the discharge amount of the main pump 14 via the regulator 14a.
  • An engine control unit (ECU) 74 is configured to control the engine 11.
  • the engine control unit (ECU) 74 controls, for example, a fuel injection amount for realizing an engine rotational speed (mode) set by the operator using the engine rotational speed adjustment dial 75 based on a command from the controller 30. Output to 11.
  • the engine speed adjustment dial 75 is a dial provided in the cabin 10 for adjusting the engine speed.
  • the engine speed is switched in five stages of Rmax, R4, R3, R2 and R1. It is configured to be able to.
  • FIG. 4 shows a state where R4 is selected by the engine speed adjustment dial 75.
  • Rmax is the maximum number of revolutions of the engine 11, and is selected when priority is given to the amount of work.
  • R4 is the second highest engine speed, and is selected when it is desired to balance work volume and fuel consumption.
  • R3 is the third highest engine speed, and is selected when it is desired to operate the shovel with low noise while giving priority to fuel consumption.
  • R2 is the fourth highest engine speed, and is selected when it is desired to operate the shovel with low noise while giving priority to fuel consumption.
  • R1 is the lowest engine speed (idling speed) and is selected when it is desired to put the engine 11 into an idling state.
  • Rmax, R4, R3, R2, and R1 are 2000 rpm, 1750 rpm, 1500 rpm, 1250 rpm, and 1000 rpm, respectively.
  • the rotational speed of the engine 11 is controlled to be constant at the engine rotational speed set by the engine rotational speed adjustment dial 75.
  • the number of engine revolutions selectable by the engine revolution adjustment dial 75 may be other than five.
  • an image display device 40 is installed to assist the operation of the shovel by the operator.
  • the image display device 40 is fixed to a console in the cabin 10.
  • the image display device 40 includes an image display unit 41 and an input unit 42.
  • the image display unit 41 can display information regarding the operating condition of the shovel or the control of the shovel, and can convey the information to the operator.
  • the operator can input various information to the controller 30 using the input unit 42.
  • the boom 4 is disposed on the right side as viewed from the operator seated in the driver's seat, and the operator often operates the shovel while visually recognizing the arm 5 and the bucket 6 attached to the tip of the boom 4 .
  • the frame on the right front side of the cabin 10 is a portion that obstructs the view of the operator, but in this embodiment, the image display device 40 is provided using this portion.
  • the image display device 40 since the image display device 40 is disposed in a portion that originally obstructs the field of view, the image display device 40 itself does not significantly disturb the field of view of the operator.
  • the image display device 40 may be configured such that the image display unit 41 is vertically long so that the entire image display device 40 fits within the width of the frame.
  • the image display device 40 is connected to the controller 30 via a communication network such as CAN or LIN.
  • the image display device 40 may be connected to the controller 30 via a dedicated line.
  • the image display device 40 includes a conversion processing unit 40 a that generates an image to be displayed on the image display unit 41.
  • the conversion processing unit 40a generates a camera image to be displayed on the image display unit 41 based on the output of the imaging device M4 attached to the shovel. Therefore, the imaging device M4 is connected to the image display device 40 via, for example, a dedicated line. Further, the conversion processing unit 40 a generates an image to be displayed on the image display unit 41 based on the output of the controller 30.
  • the conversion processing unit 40a may be realized not as a function of the image display device 40 but as a function of the controller 30.
  • the imaging device M4 is connected not to the image display device 40 but to the controller 30.
  • the image display device 40 may include a switch panel as the input unit 42.
  • the switch panel is a panel including various hardware switches.
  • the switch panel includes a light switch 42a as a hardware button, a wiper switch 42b, and a window washer switch 42c.
  • the light switch 42 a is a switch for switching on / off of a light attached to the outside of the cabin 10.
  • the wiper switch 42b is a switch for switching between activation and deactivation of the wiper.
  • the window washer switch 42c is a switch for injecting a window washer fluid.
  • Image display device 40 operates by receiving power supply from storage battery 70.
  • the storage battery 70 is charged with the power generated by the alternator 11a (generator).
  • the electric power of the storage battery 70 is also supplied to the controller 30 and electrical components 72 of the shovel other than the image display device 40 and the like.
  • the starter 11 b of the engine 11 is driven by the power from the storage battery 70 to start the engine 11.
  • the engine 11 is controlled by the engine control unit (ECU) 74 as described above. From the ECU 74, various data indicating the state of the engine 11 (for example, data indicating the cooling water temperature (physical quantity) detected by the water temperature sensor 11c) are transmitted to the controller 30. Therefore, the controller 30 can store this data in the temporary storage unit (memory) 30 a and can transmit it to the image display device 40 when necessary.
  • ECU engine control unit
  • controller 30 various data are supplied to the controller 30 as follows. Those data are stored in the temporary storage unit 30 a of the controller 30.
  • data indicating the tilt angle of the swash plate is supplied to the controller 30. Further, data indicating the discharge pressure of the main pump 14 is sent from the discharge pressure sensor 14 b to the controller 30. These data (data representing physical quantities) are stored in the temporary storage unit 30a.
  • An oil temperature sensor 14c is provided in the pipe line between the tank in which the hydraulic fluid which the main pump 14 sucks is stored and the main pump 14 is provided with data representing the temperature of the hydraulic oil flowing through the pipe, It is supplied to the controller 30 from the oil temperature sensor 14c.
  • the pilot pressure sent to the control valve 17 through the pilot lines 25a, 25b is detected by the oil pressure sensors 15a, 15b, and data indicating the detected pilot pressure is supplied to the controller 30. .
  • the external computing device 30E performs various computations based on the outputs of the communication device M1, the positioning device M2, the posture detection device M3, the imaging device M4, the cylinder pressure detection device M5, etc., and outputs the computation result to the controller 30. It is an apparatus. In the present embodiment, the external computing device 30E operates by receiving the supply of power from the storage battery 70.
  • FIG. 4 is a view showing a configuration example of a drive system mounted on the shovel of FIG. 1, and the mechanical power transmission line, the hydraulic fluid line, the pilot line, and the electrical control line are double lines, solid lines, broken lines, And indicated by dotted lines.
  • the drive system of the shovel mainly includes the engine 11, the main pumps 14L, 14R, the discharge amount adjusting devices 14aL, 14aR, the pilot pump 15, the control valve 17, the operating device 26, the operation content detecting device 29, the controller 30, the external computing device 30E and pilot pressure adjusting device 50.
  • the main pumps 14L, 14R correspond to the main pump 14 of FIG.
  • the discharge amount adjustment devices 14aL and 14aR correspond to the regulator 14a of FIG.
  • the control valve 17 includes flow control valves 171 to 176 for controlling the flow of hydraulic fluid discharged by the main pumps 14L, 14R.
  • the control valve 17 passes one of the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, the bucket cylinder 9, the left traveling hydraulic motor 1A, the right traveling hydraulic motor 1B, and the turning hydraulic motor 2A through the flow control valves 171 to 176.
  • the hydraulic fluid discharged by the main pumps 14L, 14R is selectively supplied to a plurality of ones.
  • the operating device 26 supplies the hydraulic fluid discharged by the pilot pump 15 to the pilot port of the flow control valve corresponding to each of the hydraulic actuators through the pilot line 25.
  • the operation content detection device 29 is configured to detect the operation content of the operator using the operation device 26.
  • the operation content detection device 29 detects the operation direction and operation amount of the operation device 26 corresponding to each of the hydraulic actuators in the form of pressure, and outputs the detected values to the controller 30.
  • the operation content may be derived using the output of another sensor other than the pressure sensor, such as a potentiometer.
  • the main pumps 14L, 14R driven by the engine 11 circulate the hydraulic oil to the hydraulic oil tank through the center bypass lines 40L, 40R respectively.
  • the center bypass line 40L is a hydraulic oil line passing through the flow control valves 171, 173, and 175 disposed in the control valve 17, and the center bypass line 40R is a flow control valve disposed in the control valve 17. Hydraulic oil lines through 172, 174 and 176.
  • the flow control valves 171, 172, and 173 are spool valves that control the flow rate and flow direction of hydraulic fluid flowing into and out of the left traveling hydraulic motor 1A, the right traveling hydraulic motor 1B, and the turning hydraulic motor 2A.
  • the flow control valves 174, 175, and 176 are spool valves that control the flow rate and flow direction of hydraulic fluid flowing into and out of the bucket cylinder 9, the arm cylinder 8, and the boom cylinder 7.
  • the discharge amount adjustment devices 14aL and 14aR are configured to adjust the discharge amounts of the main pumps 14L and 14R.
  • the discharge amount adjustment device 14aL is a regulator, and the main pump 14L is increased or decreased by changing the swash plate tilt angle of the main pump 14L according to the control command from the controller 30 to increase or decrease the displacement of the main pump 14L. Adjust the discharge amount of 14L.
  • the discharge amount adjustment device 14aL increases the discharge amount of the main pump 14L by increasing the swash plate tilting angle and increasing the displacement volume as the control current output from the controller 30 increases. The same applies to the adjustment of the discharge amount of the main pump 14R by the discharge amount adjustment device 14aR.
  • the pilot pressure adjusting device 50 is configured to adjust the pilot pressure supplied to the pilot port of the flow control valve.
  • the pilot pressure adjusting device 50 is a pressure reducing valve that increases or decreases the pilot pressure using the hydraulic oil discharged by the pilot pump 15 according to the control current output from the controller 30.
  • the pilot pressure adjusting device 50 can open and close the bucket 6 in accordance with the control current from the controller 30, for example, regardless of the operation of the bucket operation lever by the operator.
  • the boom 4 can be raised and lowered according to the control current from the controller 30 regardless of the operation of the boom control lever by the operator. The same applies to forward movement, reverse movement of the lower traveling body 1, left turn of the upper swing body 3, right turn, opening and closing of the arm 5, and the like.
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration example of the external arithmetic device 30E.
  • the external computing device 30E receives various outputs of at least one of the communication device M1, the positioning device M2, the posture detecting device M3, the imaging device M4, and the cylinder pressure detecting device M5, and executes various operations. Are output to the controller 30.
  • the controller 30 outputs, for example, a control command according to the calculation result to the operation control unit E1.
  • the operation control unit E1 is a functional element for controlling the movement of the attachment, and includes, for example, a pilot pressure adjusting device 50, flow control valves 171 to 176, and the like.
  • the controller 30 directly transmits the electric signal to the flow control valves 171 to 176.
  • the operation control unit E1 may include an information notification device that notifies the operator of the shovel that the movement of the attachment has been automatically adjusted.
  • the information notification device includes, for example, an audio output device, an LED lamp, and the like.
  • the external arithmetic unit 30E mainly includes a terrain database update unit 31, a position coordinate update unit 32, a ground shape information acquisition unit 33, and a digging reaction force derivation unit 34.
  • the terrain database update unit 31 is a functional element that updates a terrain database that systematically stores the terrain information of the work site so as to be referable.
  • the terrain database updating unit 31 acquires terrain information of the work site through the communication device M1, for example, when the shovel is activated, and updates the terrain database.
  • the terrain database is stored, for example, in a non-volatile memory or the like. Terrain information of the work site is described by, for example, a three-dimensional terrain model based on the world positioning system.
  • the position coordinate updating unit 32 is a functional element that updates coordinates representing the current position of the shovel.
  • the position coordinate updating unit 32 acquires the position coordinates and direction of the shovel in the world positioning system based on the output of the positioning device M2, and coordinates representing the current position of the shovel stored in the non-volatile memory etc. Update orientation data.
  • the ground shape information acquisition unit 33 is a functional element that acquires information on the current shape of the work target ground.
  • the ground shape information acquisition unit 33 detects the terrain information updated by the terrain database update unit 31, the coordinates and direction indicating the current position of the shovel updated by the position coordinate update unit 32, and the posture detection device M3. Information about the current shape of the ground to be excavated is acquired based on the past transition of the attitude of the excavated attachment.
  • the ground shape information acquisition unit 33 may acquire information on the current shape of the ground to be excavated, based on the image around the shovel captured by the imaging device M4.
  • the ground shape information acquisition unit 33 may acquire information on the current shape of the ground to be excavated based on the output of a distance measuring device such as a laser range finder, a laser scanner, a distance image sensor, or a lidar.
  • the digging reaction force deriving unit 34 is a functional element that derives a digging reaction force.
  • the drilling reaction force deriving unit 34 derives a drilling reaction force based on, for example, the posture of the drilling attachment and the information on the current shape of the ground to be drilled.
  • the posture of the excavation attachment is detected by the posture detection device M3, and the ground shape information acquisition unit 33 acquires information on the current shape of the ground to be excavated.
  • the digging reaction force deriving unit 34 may derive a digging reaction force based on the posture of the digging attachment and the information output from the cylinder pressure detection device M5.
  • the digging reaction force deriving unit 34 may derive the digging reaction force based on the posture of the digging attachment, the information on the current shape of the ground to be excavated, and the information output by the cylinder pressure detection device M5.
  • the excavation reaction force deriving unit 34 derives the excavation reaction force at a predetermined calculation cycle using a predetermined calculation formula.
  • the digging reaction force is derived such that the digging reaction force increases as the digging depth increases, that is, as the vertical distance between the ground contact surface of the shovel and the bucket tip position P4 (see FIG. 2) increases.
  • the digging reaction force deriving unit 34 derives a digging reaction force such that the digging reaction force becomes larger as the ground insertion depth of the tip of the bucket 6 with respect to the digging target ground becomes larger.
  • the excavation reaction force deriving unit 34 may derive the excavation reaction force in consideration of sediment characteristics such as sediment density.
  • the sediment characteristics may be values input by the operator through an on-vehicle input device (not shown), or may be values automatically calculated based on outputs of various sensors such as cylinder pressure sensors. .
  • the excavation reaction force deriving unit 34 determines whether or not excavation is in progress based on the posture of the excavation attachment and the information on the current shape of the ground to be excavated, and outputs the determination result to the controller 30. Good.
  • the excavation reaction force deriving unit 34 determines that excavation is in progress, for example, when the vertical distance between the bucket toe position P4 (see FIG. 2) and the ground surface to be excavated is equal to or less than a predetermined value.
  • the digging reaction force deriving unit 34 may determine that digging is in progress before the toe of the bucket 6 and the digging ground contact with each other.
  • FIG. 6 shows the relationship between the bucket 6 and the ground to be excavated at the initial stage of excavation.
  • the initial stage of excavation means the stage of moving the bucket 6 vertically downward as indicated by the arrow in FIG. Therefore, the digging reaction force Fz in the early stage of the digging is mainly composed of insertion resistance when inserting the tip of the bucket 6 into the ground to be excavated, and mainly faces vertically upward.
  • the insertion resistance increases as the ground insertion depth (hereinafter referred to as "insertion depth h") of the toe of the bucket 6 increases.
  • the ground insertion depth is also referred to as toe bite depth or penetration depth.
  • the insertion resistance is minimized when the bucket toe angle ⁇ is approximately 90 degrees, provided that the insertion depth h of the toe of the bucket 6 is the same.
  • the bucket toe angle ⁇ is an angle of the toe of the bucket 6 to the ground to be excavated, and is also referred to as a penetration angle. Typically, it is an angle formed between a plane including the bottom (rear) 6S of the bucket 6 and the ground to be excavated.
  • the external calculation device 30E calculates the bucket toe angle ⁇ based on the output of the posture detection device M3 and the information on the current shape of the ground to be excavated. In addition, for example, when it is determined that the boom lowering operation is being performed during excavation, the external computing device 30E determines that the current excavation stage is the initial stage of excavation.
  • the external computing device 30E uses the insertion depth h of the toe of the bucket 6 and the insertion resistance (excitation reaction force Fz) at the initial stage of excavation when the bucket 6 is pressed against the ground with a predetermined bucket toe angle ⁇ and a predetermined force. Based on the hardness K of the drilling target is derived. In the present embodiment, the external computing device 30E derives the hardness K of the object to be excavated with reference to the hardness table storing the correspondence between the insertion depth h, the digging reaction force Fz, and the hardness K. The hardness K may be derived using a predetermined calculation formula. Then, the external computing device 30E stores the derived hardness K in a non-volatile memory or the like.
  • the average value thereof may be set as the hardness K, and the nearest value may be set as the hardness K.
  • the other statistic such as the maximum value, the minimum value, and the intermediate value may be the hardness K.
  • the operator may input the measured value as the hardness K through the on-vehicle input device or the like when the measured value of the hardness of the ground of the work area to be excavated is obtained in advance. .
  • the external computing device 30E may control the insertion depth h of the toe of the bucket 6 when deriving the hardness K. Specifically, the external computing device 30E may drive the attachment such that the insertion depth h of the toe of the bucket 6 when deriving the hardness K becomes a predetermined insertion depth.
  • the external computing device 30E may cause the image display device 40 to display information on the hardness K of the ground to be excavated.
  • the external computing device 30E may store information on the hardness K of the ground to be excavated in the topography database. Further, the external computing device 30E may transmit information on the hardness K of the ground to be excavated to an external device.
  • the external device includes, for example, at least one of a management device installed in a management center, and a support device such as a smartphone carried by a worker such as a shovel operator or a worker working around the shovel.
  • the insertion depth h is derived, for example, by the digging reaction force deriving unit 34 based on the position of the bucket tip and information on the current shape of the ground to be excavated.
  • the digging reaction force Fz is derived, for example, by the digging reaction force deriving unit 34 based on the posture of the digging attachment and the information output by the cylinder pressure detection device M5.
  • FIG. 7 is a graph showing the correspondence stored in the hardness table, in which the insertion resistance (drilling reaction force Fz) is arranged on the vertical axis, and the insertion depth h is arranged on the horizontal axis.
  • the insertion resistance (drilling reaction force Fz) is expressed, for example, as a function proportional to the square of the insertion depth h.
  • the coefficients K 0 , K 1 and K 2 are examples of the hardness K, and the larger the value is, the harder it is.
  • hardness K is K 0 or more (for example, in the case of K 1 ), it is judged as hard, and when hardness K is less than K 0 (for example in the case of K 2 ), it is judged as not hard (soft) . It may be determined in three or more stages instead of two stages, which are hard or soft.
  • the external computing device 30E derives the hardness K based on, for example, the insertion depth h and the insertion resistance (excitation reaction force Fz) derived by the excavation reaction force derivation unit 34, and the correspondence as shown in FIG.
  • the external computing device 30E rotates around the Y axis of the shovel when the boom 4 is lowered at a predetermined digging attachment posture or a predetermined bucket toe angle and a predetermined boom rod pressure to pierce the toe of the bucket 6 into the ground to be excavated.
  • the hardness K may be derived from the inclination angle ⁇ 4 (lifting angle). In this case, as the inclination angle ⁇ 4 (see FIG. 2) is larger, a larger hardness K is derived.
  • the external computing device 30E may derive the hardness K from the sediment density.
  • the hardness K may be derived from the unit volume weight (sand density) of the excavated object taken into the bucket 6 calculated from the boom bottom pressure or the like.
  • the correspondence between the sediment density and the hardness K may be stored in advance in, for example, a non-volatile memory.
  • the external computing device 30E may derive the hardness K by combining two or more of the derivation results according to the method described above. Further, the external computing device 30E may select the hardness K to be excavated from a plurality of hardness stages instead of deriving the hardness K to be excavated as a numerical value.
  • the external computing device 30E derives the hardness K to be excavated, for example, by performing trial drilling. Then, based on the hardness K to be excavated, the excavating operation by the excavating attachment is supported.
  • the hardness K may be a value input by the operator through an on-board input device (not shown) such as a touch panel.
  • the value input by the operator may be, for example, the type of excavated object such as sand, rock, soil, etc., the value regarding the soil quality, etc., and it is a value such as hardness measured using a measuring instrument such as a hardness tester. May be
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of the excavation support process.
  • the external computing device 30E repeatedly executes this excavation support process at a predetermined control cycle while the shovel is in operation.
  • the external computing device 30E determines whether the distance between the tip of the bucket 6 and the ground for digging is equal to or less than the threshold TH1 based on the posture of the digging attachment (step ST1).
  • the external computing device 30E ends the present excavation support processing without supporting the excavation operation. This is because it can be determined that the tip of the bucket 6 and the ground to be excavated are not in contact at the present time.
  • the external computing device 30E determines whether the hardness K to be excavated is larger than a predetermined hardness TH2 (step ST2) ).
  • the external computing device 30E reads out the hardness K stored in the non-volatile memory at the time of trial excavation and compares it with a predetermined hardness TH2.
  • the predetermined hardness TH2 corresponds to, for example, the coefficient K 0 in FIG.
  • the external computing device 30E adjusts the bucket toe angle ⁇ to a predetermined angle (for example, 90 degrees) (step ST3) .
  • the external computing device 30E drives the attachment such that the bucket toe angle ⁇ is a predetermined angle.
  • the external computing device 30E causes at least one of the boom 4, the arm 5 and the bucket 6 to operate automatically or semi-automatically. “Operate automatically” means to operate independently of the amount of operation of the operating device 26. “Operate semi-automatically” means to operate in such a manner as to compensate for the amount of operation of the operating device 26.
  • the external computing device 30E ends the present excavation support processing without supporting the excavation operation. This is because it can be determined that the ground to be excavated is sufficiently soft and there is no need to support the excavating operation, that is, it is not necessary to limit the bucket toe angle ⁇ to a predetermined angle.
  • FIG. 9 illustrates how the external computing device 30E adjusts the bucket toe angle alpha to a predetermined angle alpha P.
  • Bucket 6 t of FIG. 9 shows a position of the bucket 6 at the present time.
  • the buckets 6 t1 to 6 t3 indicate the position of the bucket 6 at each of the times t1 to t3 when the adjustment of the bucket toe angle ⁇ is performed.
  • the buckets 6 ' t1 to 6' t3 indicate the position of the bucket 6 at each of the times t1 to t3 when the adjustment of the bucket toe angle ⁇ is not performed.
  • the operator tries to bring the tip of the bucket 6 into contact with the ground only by the arm closing operation.
  • External computing device 30E when not adjusted bucket toe angle alpha, toe contacts the ground at the contact point CP at time t3 of the bucket 6, and predicts that a bucket toe angle alpha at that time is alpha N .
  • the external processing device 30E automatically raises the boom 4 when the arm closing operation is performed, and automatically opens the bucket 6 to contact the tip of the bucket 6 with the contact point CP. Contact the ground with.
  • the external computing device 30E may automatically open the bucket 6 so that the bucket toe angle ⁇ when the toe of the bucket 6 comes in contact with the ground becomes the predetermined angle ⁇ P. In this case, the toe of the bucket 6 may be brought into contact with the ground at a point different from the contact point CP.
  • the external computing device 30E can bring the toe of the bucket 6 into contact with the ground at a predetermined angle ⁇ P when the digging target (ground) is hard. Therefore, the hard ground can be destroyed efficiently.
  • the external computing device 30E makes the bucket toe angle ⁇ a predetermined angle ⁇ Q (for example, a predetermined angle It may be adjusted to an obtuse angle larger than ⁇ P ). This is to increase the amount of sediment taken into the bucket in one digging operation. In this case, the external computing device 30E may adjust the bucket toe angle ⁇ to an acute angle smaller than the predetermined angle ⁇ P as necessary. Because the object to be excavated is soft, even if the bucket toe angle ⁇ is adjusted to other than 90 degrees, the excavating load does not become excessively large.
  • the external computing device 30E may swing the bucket 6 forward and backward with the tip of the bucket 6 as the swing center when the tip of the bucket 6 contacts the ground. This is to make it possible to destroy hard ground efficiently.
  • the external arithmetic unit 30E may move the boom 4 up and down, move the arm 5 finely, and open and close the bucket 6
  • the toe of the bucket 6 may be swung by repeating at least one of minute opening and closing.
  • the external computing device 30E may vibrate the toe of the bucket 6 up and down when the toe of the bucket 6 comes in contact with the ground.
  • the boom cylinder 7, the arm cylinder 8 and the bucket cylinder 9 may be simultaneously extended and contracted to vibrate the bucket 6 up and down.
  • the external computing device 30E adjusts the attitude of the digging attachment so that the digging force acts vertically on the digging target ground. Good. For example, by using the attitude of the excavating attachment resulting in short attachment length TR H than the attachment length TR S before adjustment, the drilling force may be acting perpendicular as possible to the excavated ground. This is in order to be able to add the digging force by the weight of the shovel to the digging force by the digging attachment.
  • the external computing device 30E can efficiently destroy hard ground.
  • the external computing device 30E may determine which of the above-described methods is to be adopted according to the hardness K of the digging target. For example, when hardness K is larger than predetermined hardness TH4, the method of FIG. 10A is adopted, and when larger than predetermined hardness TH5 (> TH4), the method of FIG. 10B is adopted, predetermined hardness TH6 ( The method of FIG. 10C may be adopted if larger than TH5.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating yet another example of the excavation support process.
  • the external computing device 30E repeatedly executes this excavation support process at a predetermined control cycle while the shovel is in operation.
  • the external computing device 30E determines whether it is in the middle stage of excavation (step ST11).
  • the middle stage of excavation means the stage of drawing the bucket 6 toward the side of the airframe of the shovel.
  • the excavation reaction force derivation unit 34 of the external computing device 30E determines that the current excavation stage is the excavation middle stage.
  • the external computing device 30E may determine that the current excavation stage is the middle stage of the excavation. .
  • the external computing device 30E determines whether the hardness K to be excavated is larger than a predetermined hardness TH2 (step ST12). In the present embodiment, the external computing device 30E reads out the hardness K stored in the non-volatile memory at the time of trial excavation and compares it with a predetermined hardness TH2. However, the hardness K may be calculated at the initial stage of excavation of each excavation operation.
  • step ST12 If it is determined that the hardness K to be excavated is greater than the predetermined hardness TH2 (YES in step ST12), the external computing device 30E starts the excavation support function (step ST13).
  • the external computing device 30E performs drilling This drilling support processing is ended without starting the support function.
  • the digging support function is, for example, a function that operates the digging attachment fully or semi-automatically to support the digging operation.
  • the external computing device 30E automatically opens and closes the bucket 6 so that the digging depth becomes the target digging depth D, for example, when the arm closing operation is performed in the middle stage of the digging.
  • the boom 4 may be moved up and down automatically. Specifically, when the digging depth is likely to exceed the target digging depth D, the external computing device 30E may automatically close the bucket 6 so as not to exceed the target digging depth D. Alternatively, when the drilling depth is unlikely to reach the target drilling depth D, the bucket 6 may be automatically opened to reach the target drilling depth D. The same applies to the vertical movement of the boom 4. Also, the closing speed of the arm 5 may be adjusted.
  • the target drilling depth D is determined, for example, according to the hardness K of the drilling target.
  • the target digging depth D is determined to be shallower as the digging target is harder. This is in order to prevent the digging reaction force from becoming excessively large by performing deep digging even though the digging target is hard.
  • the external computing device 30E starts the digging support function only when it is determined that the hardness K to be excavated is larger than the predetermined hardness TH2, but it is not related to the hardness K to be excavated
  • the drilling support function may be started.
  • the target excavation depth is such that the hardness K to be excavated is equal to or less than the predetermined hardness TH2. Make it smaller than the target digging depth when it is determined that there is.
  • the external computing device 30E derives the hardness K to be excavated and determines whether to support the digging operation based on the hardness K. Alternatively, in accordance with the hardness K, the content of the support for the digging operation is determined. Therefore, it is possible to excavate a hard excavated ground more efficiently.
  • FIG. 12A illustrates how the external computing device 30E adjusts the digging depth to the target excavation depth D H or target excavation depth D S.
  • the target excavation depth D H is a target value when the hardness K to be excavated is determined to be larger than the predetermined hardness TH 2 (in the case of hard ground), and the target excavation depth D S is excavated It is a target value when it is determined that the hardness K is equal to or less than a predetermined hardness TH2 (in the case of a soft ground).
  • FIG. 12A is a diagram showing the relationship between the bucket 6 and the ground to be excavated, the alternate long and short dash line representing the trajectory of the toe of the bucket 6 excavating the hard ground, and the dashed double dotted line representing the trajectory of the toe of the bucket 6 excavating the soft ground.
  • FIG. 12B is a graph showing the relationship between the attachment length TR and each of the bucket angle ⁇ 3 and the bucket toe angle ⁇ , where the alternate long and short dash line indicates the transition when excavating a hard ground, and the alternate long and two short dashed line excavates the soft ground Indicates the transition of time.
  • the external computing device 30E determines that the current excavation phase is in the middle stage of excavation. Then, when it is determined that the hardness K to be excavated is larger than the predetermined hardness TH2, the bucket 6 is automatically closed so that the excavation depth becomes the target excavation depth DH . Specifically, as shown in FIG. 12A, the bucket 6 is closed in accordance with the degree of closing of the arm 5 so that the toe of the bucket 6 moves along the locus represented by the alternate long and short dash line. As a result, when the attachment length TR is a value TR 1, the bucket angle .theta.3 value .theta.3 H, and the bucket toe angle alpha assumes a value alpha H.
  • the external computing device 30E automatically close the bucket 6 as digging depth becomes the target excavation depth D S.
  • the bucket 6 is closed in accordance with the closing degree of the arm 5 so that the toe of the bucket 6 moves along the path represented by the two-dot chain line.
  • the attachment length TR is a value TR 1
  • the bucket angle .theta.3 value ⁇ 3 S (> ⁇ 3 H)
  • the bucket toe angle alpha assumes a value ⁇ S (> ⁇ H).
  • the attachment length TR becomes a value TR 2 at the completion of drilling middle stage, the bucket 6, have the same orientation at the same position even when the drilling any solid ground and soft ground.
  • the external computing device 30E can set the digging depth to a target digging depth corresponding to the hardness K of the digging target. Make it However, the external computing device 30E may automatically raise the boom 4 so that the target digging depth is realized.
  • the external computing device 30E can make the digging depth when the digging object is hard smaller than the digging depth when the digging object is soft. Therefore, when the object to be excavated is hard, for example, excavating operation such as peeling off the ground is performed, and when excavating hard ground, unnecessary excavating operation such that the excavating reaction force excessively increases and the bucket becomes immobile Can be prevented. As a result, hard ground can be excavated efficiently. Moreover, the drilling depth when the drilling target is soft can be made deeper than the drilling depth when the drilling target is hard. Therefore, the amount of digging by one digging operation can be increased. As a result, soft ground can be excavated efficiently.
  • the external computing device 30E drives the attachment to control the angle of the tip of the bucket 6 with respect to the ground to be excavated in accordance with the hardness K of the ground to be excavated. Specifically, according to the hardness K of the ground to be excavated, the external computing device 30E determines the angle of the toe of the bucket 6 to the ground to be excavated when the toe of the bucket 6 contacts the ground to be excavated (bucket toe angle ⁇ ) To adjust automatically. Therefore, the shovel carrying the external computing device 30E can efficiently destroy hard ground and excavate efficiently. In addition, soft ground can be efficiently excavated by making the amount of excavation by one excavation operation as large as possible for soft ground.
  • the external computing device 30E may control the bucket angle ⁇ 3 in accordance with the hardness K of the ground to be excavated in the middle stage of the excavation. Specifically, the external computing device 30E may automatically adjust the bucket angle ⁇ 3 in accordance with the hardness K of the ground to be excavated in the middle stage of the excavation. With this configuration, the shovel mounted with the external computing device 30E can realize a digging depth suitable for the hardness K of the ground to be excavated.
  • the external computing device 30E may determine the position (contact point CP) at which the tip of the bucket 6 comes in contact with the ground to be excavated. Specifically, when the bucket toe angle ⁇ is adjusted before bringing the toe of the bucket 6 into contact with the ground to be excavated, the position of the contact point CP when the adjustment is not performed is predicted, and the contact point is Let CP be the target contact point. Then, when adjustment of the bucket toe angle ⁇ is performed, at least one of the boom 4, the arm 5 and the bucket 6 is automatically made to contact the toe of the bucket 6 with the ground to be excavated at the contact point CP. Make it move semi-automatically. With this configuration, the external computing device 30E can bring the toe of the bucket 6 into contact with the position at which the operator tries to bring the toe of the bucket 6 into contact, even when adjusting the bucket toe angle ⁇ .
  • the external computing device 30E has an attachment length when the hardness K of the ground to be excavated is equal to or greater than a predetermined hardness, and an attachment length when the hardness K of the ground to be excavated is less than a predetermined hardness It may be smaller. Specifically, as shown in, for example, FIG. 10C, the external computing device 30E may adjust the attachment length TR when the toe of the bucket 6 contacts the digging ground.
  • the attachment length TR H when the hardness K of the ground to be excavated is a predetermined hardness TH2 or more is smaller than the attachment length TR S when the hardness K of the ground to be excavated is less than a predetermined hardness TH2 You may This is in order to be able to add the digging force by the weight of the shovel to the digging force by the digging attachment. With this configuration, the shovel mounted with the external computing device 30E can destroy hard ground more efficiently.
  • the external computing device 30E causes the bucket 6 to contact when the toe of the bucket 6 is in contact with the excavated ground. 6 may be rocked back and forth.
  • the external computing device 30E contacts the toe of the bucket 6 and the ground to be excavated. , The bucket 6 may be vibrated up and down. It is to destroy hard ground more efficiently.
  • the external computing device 30E has a bucket angle ⁇ 3 when the hardness K of the ground to be excavated is equal to or greater than a predetermined hardness TH2 in the middle stage of excavation, and the hardness K of the ground to be excavated is less than the predetermined hardness TH2. It may be smaller than the time bucket angle ⁇ 3. Alternatively, the external computing device 30E performs the bucket angle ⁇ 3 when the hardness K of the ground to be excavated is less than the predetermined hardness TH2 in the middle stage of excavation, and the hardness K of the ground to be excavated is equal to or higher than the predetermined hardness TH2 And may be larger than the bucket angle ⁇ 3. The same applies to the bucket toe angle ⁇ . This is to enable drilling at a drilling depth suitable for the hardness K of the ground to be drilled. With this configuration, the shovel mounted with the external computing device 30E can excavate hard ground more efficiently.
  • the external computing device 30E is described as another control device external to the controller 30, it may be integrated integrally with the controller 30. Also, instead of the controller 30, the external arithmetic device 30E may directly control the operation control unit E1.
  • Pilot pump 15a, 15b oil pressure sensor 16: hydraulic oil line 17: control valve 25, 25 25b: Pilot line 26: Operation device 29: Operation content detection device 30: Controller 30a: Temporary storage unit 30E: External operation device 31: Terrain database update unit 32 ⁇ ⁇ ⁇ Position coordinate update unit 33 ⁇ ⁇ ⁇ ground shape information acquisition unit 34 ⁇ ⁇ ⁇ drilling reaction force derivation unit 40 ⁇ ⁇ ⁇ image display device 40a ⁇ ⁇ ⁇ conversion processing unit 40L, 40R ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ center bypass pipeline 41 ⁇ ⁇ ⁇ Image display unit 42 ⁇ ⁇ ⁇ input unit 42a ⁇ ⁇ ⁇ light switch 42b ⁇ ⁇ ⁇ wiper switch 42c ⁇ ⁇ ⁇ Window washer switch 50 ⁇ ⁇ ⁇ pilot pressure adjustment device 70 ⁇ ⁇ ⁇ storage battery 72 ⁇ ⁇ ⁇ electrical components 74 ...
  • Engine control unit (ECU) 75 ... Engine speed adjustment dial 171 to 176 ... Flow Control valve E1 Operation control unit M1 Communication device M2 Positioning device M3 Posture detection device M3a Boom angle sensor M3b Arm angle sensor M3c Bucket angle sensor M3d ... Vehicle body inclination sensor M4 ... Imaging device M5 ... Cylinder pressure detection device M5a ... Boom rod pressure sensor M5b ... Boom bottom pressure sensor M5c ... Arm rod pressure sensor M5d ... Arm bottom Pressure sensor M5e ... bucket rod pressure sensor M5f ... bucket bottom pressure sensor

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Abstract

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体（１）と、下部走行体（１）に搭載される上部旋回体（３）と、上部旋回体（３）に取り付けられる掘削アタッチメントと、上部旋回体（３）に搭載され且つ掘削アタッチメントを駆動させる外部演算装置（３０Ｅ）とを有している。外部演算装置（３０Ｅ）は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケット（６）の爪先の掘削対象地面に対するバケット爪先角度（α）を制御するように構成されている。

Description

ショベル
　本発明は、掘削アタッチメントを備えたショベルに関する。
　ブーム、アーム、及び、バケットで構成される掘削アタッチメントを備えたショベルが知られている（特許文献１参照。）。このショベルは、掘削アタッチメントの姿勢からバケットの先端に作用する掘削反力を算出する。そして、その掘削反力が所定値を上回る場合に自動的にブームを上昇させる。掘削深さを浅くすることによって、バケットが動かなくなるような無駄な掘削動作が行われないようにするためである。
特開２０１１－２５２３３８号公報
　しかしながら、上述のショベルは、掘削対象地面の硬さを考慮せずに掘削反力を算出している。そのため、掘削対象地面が硬いと、掘削反力を実際よりも小さく算出してしまい適切なタイミングでブームを上昇させることができない。その結果、バケットが動かなくなるような無駄な掘削動作を引き起こさせてしまう。一方、掘削対象地面が軟らかいと、掘削反力を実際よりも大きく算出してしまいブームを早期に上昇させてしまう。その結果、１回の掘削動作でバケット内に入る土砂の量を低減させてしまい、作業効率を低下させてしまう。
　上述に鑑み、より効率的な掘削を可能にするショベルを提供することが望まれる。
　本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、前記制御装置は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を制御する。
　上述の手段により、より効率的な掘削を可能にするショベルが提供される。
本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される姿勢検出装置の構成例を示すショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。 図１のショベルに搭載される駆動システムの構成例を示す図である。 外部演算装置の構成例を示す図である。 掘削初期段階におけるバケットと掘削対象地面との関係を示す図である。 硬さテーブルに記憶された対応関係を表すグラフである。 掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。 図８の処理によってバケット爪先角度が調整される様子を示す図である。 掘削対象が硬いときに実行される掘削支援処理の別の一例を示す図である。 掘削対象が硬いときに実行される掘削支援処理の更に別の一例を示す図である。 掘削対象が硬いときに実行される掘削支援処理の更に別の一例を示す図である。 掘削支援処理の更に別の一例を示すフローチャートである。 図１１の処理によってバケット爪先角度が調整される様子を示す図である。 アタッチメント長ＴＲとバケット角度θ３及びバケット爪先角度αのそれぞれとの関係を示すグラフである。
　最初に、図１を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベル（掘削機）について説明する。なお、図１は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。作業要素としてのブーム４、アーム５及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。ブーム４は、ブームシリンダ７により駆動される。アーム５は、アームシリンダ８により駆動される。バケット６は、バケットシリンダ９により駆動される。上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体３には通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ４及びシリンダ圧検出装置Ｍ５が取り付けられている。
　通信装置Ｍ１は、ショベルと外部との間の通信を制御するように構成されている。本実施例では、通信装置Ｍ１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベルとの間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置Ｍ１は、例えば１日１回の頻度で、ショベルの作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。ＧＮＳＳ測量システムは、例えばネットワーク型ＲＴＫ－ＧＮＳＳ測位方式を採用する。
　測位装置Ｍ２は、ショベルの位置を測定するように構成されている。本実施例では、測位装置Ｍ２は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベルの存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベルの向きを測定する。
　姿勢検出装置Ｍ３は、アタッチメントの姿勢を検出するように構成されている。本実施例では、姿勢検出装置Ｍ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する。
　撮像装置Ｍ４は、ショベルの周辺の画像を取得するように構成されている。本実施例では、撮像装置Ｍ４は上部旋回体３に取り付けられる前方カメラを含む。前方カメラは、ショベルの前方を撮像するステレオカメラであり、キャビン１０の屋根、すなわちキャビン１０の外部に取り付けられている。キャビン１０の天井、すなわちキャビン１０の内部に取り付けられていてもよい。前方カメラは、掘削アタッチメントを撮像可能である。前方カメラは、単眼カメラであってもよい。
　シリンダ圧検出装置Ｍ５は、油圧シリンダにおける作動油の圧力を検出するように構成されている。本実施例では、シリンダ圧検出装置Ｍ５は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９のそれぞれにおける作動油の圧力を検出する。
　図２は、図１のショベルに搭載される姿勢検出装置Ｍ３及びシリンダ圧検出装置Ｍ５のそれぞれを構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。具体的には、姿勢検出装置Ｍ３は、ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、バケット角度センサＭ３ｃ及び車体傾斜センサＭ３ｄを含む。シリンダ圧検出装置Ｍ５は、ブームロッド圧センサＭ５ａ、ブームボトム圧センサＭ５ｂ、アームロッド圧センサＭ５ｃ、アームボトム圧センサＭ５ｄ、バケットロッド圧センサＭ５ｅ及びバケットボトム圧センサＭ５ｆを含む。図２において、Ｘ軸は水平面に含まれ、Ｚ軸は旋回軸に相当する。
　ブーム角度センサＭ３ａは、ブーム角度を取得するように構成されている。ブーム角度センサＭ３ａは、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、及び、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。ブーム角度センサＭ３ａは、例えば、ブーム角度θ１を取得する。ブーム角度θ１は、例えば、ＸＺ平面においてブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｐ１－Ｐ２の水平線に対する角度である。
　アーム角度センサＭ３ｂは、アーム角度を取得するように構成されている。アーム角度センサＭ３ｂは、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、及び、アーム５の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。アーム角度センサＭ３ｂは、例えば、アーム角度θ２を取得する。アーム角度θ２は、例えば、ＸＺ平面においてアーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分Ｐ２－Ｐ３の水平線に対する角度である。本実施例では、バケット連結ピン位置Ｐ３とＺ軸（旋回軸）との間の距離は、アタッチメント長ＴＲを表す。
　バケット角度センサＭ３ｃは、バケット角度を取得するように構成されている。バケット角度センサＭ３ｃは、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、及び、バケット６の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。バケット角度センサＭ３ｃは、例えば、バケット角度θ３を取得する。バケット角度θ３は、例えば、ＸＺ平面においてバケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分Ｐ３－Ｐ４の水平線に対する角度である。
　ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、及び、バケット角度センサＭ３ｃは、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせで構成されていてもよい。
　車体傾斜センサＭ３ｄは、ショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４、及び、ショベルのＸ軸回りの傾斜角θ５（図示せず。）を取得するように構成されている。車体傾斜センサＭ３ｄは、例えば２軸傾斜（加速度）センサ及び３軸傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。なお、図２のＸＹ平面は水平面である。
　ブームロッド圧センサＭ５ａはブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（以下、「ブームロッド圧」とする。）を検出し、ブームボトム圧センサＭ５ｂはブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出する。アームロッド圧センサＭ５ｃはアームシリンダ８のロッド側油室の圧力（以下、「アームロッド圧」とする。）を検出し、アームボトム圧センサＭ５ｄはアームシリンダ８のボトム側油室の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）を検出する。バケットロッド圧センサＭ５ｅはバケットシリンダ９のロッド側油室の圧力（以下、「バケットロッド圧」とする。）を検出し、バケットボトム圧センサＭ５ｆはバケットシリンダ９のボトム側油室の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）を検出する。
　次に、図３を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０及びエンジン制御装置（ＥＣＵ）７４等を含む。
　エンジン１１はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５のそれぞれの入力軸に接続される。
　メインポンプ１４は、作動油ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するように構成されている。メインポンプ１４は、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ１４は、斜板の角度（傾転角）の変化に応じてピストンのストローク長を調整し、吐出量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ１４の斜板は、レギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａは、コントローラ３０が出力する制御電流の変化に応じて斜板の傾転角を変化させる。レギュレータ１４ａは、例えば、制御電流の増加に応じ、斜板の傾転角を大きくして、メインポンプ１４の吐出量を多くする。また、レギュレータ１４ａは、制御電流の減少に応じ、斜板の傾転角を小さくして、メインポンプ１４の吐出量を少なくする。
　パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して各種油圧制御機器に作動油を供給するように構成されている。パイロットポンプ１５は、例えば、固定容量型油圧ポンプである。
　コントロールバルブ１７は、油圧システムを制御する油圧制御バルブである。コントロールバルブ１７は、例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの一又は複数のものに対し、メインポンプ１４から作動油ライン１６を通じて供給された作動油を選択的に供給する。以下の説明では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。
　操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置２６は、レバー及びペダルを含む。操作装置２６は、パイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から作動油の供給を受ける。そして、パイロットライン２５ａ、２５ｂを通じて、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートにその作動油を供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量に対応する。
　コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０のＣＰＵは、ショベルにおける各機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードし且つ実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する機能を実現させる。
　具体的には、コントローラ３０は、例えば、メインポンプ１４の吐出量の制御を行う。コントローラ３０は、例えば、ネガティブコントロール弁（不図示）のネガティブコントロール圧に応じて上記制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出量を制御する。
　エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、エンジン１１を制御するように構成されている。エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、例えば、コントローラ３０からの指令に基づき、エンジン回転数調整ダイヤル７５を用いて操作者が設定したエンジン回転数（モード）を実現するための燃料噴射量等をエンジン１１に出力する。
　エンジン回転数調整ダイヤル７５は、キャビン１０内に設けられる、エンジン回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施例では、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１の５段階でエンジン回転数を切り換えることができるように構成されている。なお、図４は、エンジン回転数調整ダイヤル７５でＲ４が選択された状態を示す。
　Ｒｍａｘは、エンジン１１の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。Ｒ４は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。Ｒ３は、三番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ２は、四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ１は、最も低いエンジン回転数（アイドリング回転数）であり、エンジン１１をアイドリング状態にしたい場合に選択される。本実施例では、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１は、それぞれ、２０００ｒｐｍ、１７５０ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、１２５０ｒｐｍ、１０００ｒｐｍである。そして、エンジン１１の回転数は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定されたエンジン回転数で一定となるように制御される。エンジン回転数調整ダイヤル７５で選択可能なエンジン回転数の数は、５つ以外であってもよい。
　キャビン１０内の運転席の近傍には、操作者によるショベルの操作を補助するために、画像表示装置４０が設置されている。本実施例では、画像表示装置４０は、キャビン１０内のコンソールに固定されている。画像表示装置４０は、画像表示部４１及び入力部４２を含む。画像表示部４１は、ショベルの運転状況又はショベルの制御に関する情報を表示し、それらの情報を操作者に伝えることができる。また、操作者は、入力部４２を利用して様々な情報をコントローラ３０に入力できる。一般的に、運転席に着座した操作者からみて右側にブーム４が配置されており、操作者はブーム４の先端に取り付けられたアーム５及びバケット６を視認しながらショベルを操作することが多い。キャビン１０の右側前方のフレームは操作者の視界の妨げとなる部分であるが、本実施例では、この部分を利用して画像表示装置４０が設けられている。これにより、もともと視界の妨げとなっていた部分に画像表示装置４０が配置されるので、画像表示装置４０自体が操作者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、画像表示装置４０全体がフレームの幅内に収まるように、画像表示装置４０は、画像表示部４１が縦長となるように構成されてもよい。
　本実施例では、画像表示装置４０は、ＣＡＮ又はＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。なお、画像表示装置４０は、専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。
　画像表示装置４０は、画像表示部４１上に表示する画像を生成する変換処理部４０ａを含む。本実施例では、変換処理部４０ａは、ショベルに取り付けられた撮像装置Ｍ４の出力に基づいて画像表示部４１上に表示するカメラ画像を生成する。そのため、撮像装置Ｍ４は、例えば専用線を介して画像表示装置４０に接続される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成する。
　変換処理部４０ａは、画像表示装置４０が有する機能としてではなく、コントローラ３０が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置Ｍ４は、画像表示装置４０ではなく、コントローラ３０に接続される。
　画像表示装置４０は、入力部４２としてのスイッチパネルを含んでいてもよい。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施例では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ及びウインドウォッシャスイッチ４２ｃを含む。ライトスイッチ４２ａは、キャビン１０の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り換えるためのスイッチである。ワイパースイッチ４２ｂは、ワイパーの作動・停止を切り換えるためのスイッチである。ウインドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウインドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。
　画像表示装置４０は、蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。蓄電池７０はオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、コントローラ３０及び画像表示装置４０以外のショベルの電装品７２等にも供給される。エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池７０からの電力で駆動され、エンジン１１を始動する。
　エンジン１１は、上述のとおり、エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４により制御される。ＥＣＵ７４からは、エンジン１１の状態を示す各種データ（例えば、水温センサ１１ｃで検出される冷却水温（物理量）を示すデータ）がコントローラ３０に送信される。したがって、コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにこのデータを蓄積しておき、必要なときに画像表示装置４０に送信できる。
　また、コントローラ３０には以下のように各種のデータが供給される。それらデータは、コントローラ３０の一時記憶部３０ａに格納される。
　レギュレータ１４ａからは、斜板の傾転角を示すデータがコントローラ３０に供給される。また、メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータが、吐出圧力センサ１４ｂからコントローラ３０に送られる。これらのデータ（物理量を表すデータ）は一時記憶部３０ａに格納される。メインポンプ１４が吸入する作動油が貯蔵されたタンクとメインポンプ１４との間の管路には、油温センサ１４ｃが設けられており、その管路を流れる作動油の温度を表すデータが、油温センサ１４ｃからコントローラ３０に供給される。
　また、操作装置２６を操作した際に、パイロットライン２５ａ、２５ｂを通じてコントロールバルブ１７に送られるパイロット圧が、油圧センサ１５ａ、１５ｂで検出され、検出したパイロット圧を示すデータがコントローラ３０に供給される。
　エンジン回転数調整ダイヤル７５からは、エンジン回転数の設定状態を示すデータがコントローラ３０に送信される。
　外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ４及びシリンダ圧検出装置Ｍ５等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ３０に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。
　図４は、図１のショベルに搭載される駆動システムの構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、作動油ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。
　ショベルの駆動システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、操作内容検出装置２９、コントローラ３０、外部演算装置３０Ｅ及びパイロット圧調整装置５０を含む。メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、図３のメインポンプ１４に対応する。吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲは、図３のレギュレータ１４ａに対応する。
　コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１～１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１～１７６を通じ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。
　本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を通じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。
　操作内容検出装置２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出するように構成されている。本実施例では、操作内容検出装置２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。
　エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。
　センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る作動油ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る作動油ラインである。
　流量制御弁１７１、１７２、１７３は、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、旋回用油圧モータ２Ａに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
　流量制御弁１７４、１７５、１７６は、バケットシリンダ９、アームシリンダ８、ブームシリンダ７に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
　吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を調整するように構成されている。本実施例では、吐出量調整装置１４ａＬはレギュレータであり、コントローラ３０からの制御指令に応じてメインポンプ１４Ｌの斜板傾転角を増減させてメインポンプ１４Ｌの押し退け容積を増減させることでメインポンプ１４Ｌの吐出量を調整する。具体的には、吐出量調整装置１４ａＬは、コントローラ３０が出力する制御電流が大きくなるにつれて斜板傾転角を増大させて押し退け容積を増大させることでメインポンプ１４Ｌの吐出量を増大させる。吐出量調整装置１４ａＲによるメインポンプ１４Ｒの吐出量の調整についても同様である。
　パイロット圧調整装置５０は、流量制御弁のパイロットポートに供給されるパイロット圧を調整するように構成されている。本実施例では、パイロット圧調整装置５０は、コントローラ３０が出力する制御電流に応じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を用いてパイロット圧を増減させる減圧弁である。この構成により、パイロット圧調整装置５０は、例えば、操作者によるバケット操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてバケット６を開閉させることができる。また、操作者によるブーム操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム４を上下させることができる。下部走行体１の前進、後進、上部旋回体３の左旋回、右旋回、アーム５の開閉等についても同様である。
　次に、図５を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。図５は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ４及びシリンダ圧検出装置Ｍ５の少なくとも１つの出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を動作制御部Ｅ１に対して出力する。
　動作制御部Ｅ１はアタッチメントの動きを制御するための機能要素であり、例えば、パイロット圧調整装置５０及び流量制御弁１７１～１７６等を含む。流量制御弁１７１～１７６が電気信号に応じて動作する構成である場合、コントローラ３０は、流量制御弁１７１～１７６に電気信号を直接的に送信する。
　動作制御部Ｅ１は、アタッチメントの動きを自動調整した旨をショベルの操作者に知らせる情報通知装置を含んでいてもよい。情報通知装置は、例えば、音声出力装置、ＬＥＤランプ等を含む。
　具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３及び掘削反力導出部３４を含む。
　地形データベース更新部３１は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部３１は、例えばショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは、例えば、不揮発性メモリ等に記憶されている。作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述される。
　位置座標更新部３２は、ショベルの現在位置を表す座標を更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベルの位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。
　地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベルの現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。
　地面形状情報取得部３３は、撮像装置Ｍ４が撮像したショベル周辺の画像に基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。地面形状情報取得部３３は、レーザレンジファインダ、レーザスキャナ、距離画像センサ又はライダ等の距離測定装置の出力に基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。
　掘削反力導出部３４は掘削反力を導き出す機能要素である。掘削反力導出部３４は、例えば、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削反力を導き出す。掘削アタッチメントの姿勢は姿勢検出装置Ｍ３によって検出され、掘削対象地面の現在の形状に関する情報は地面形状情報取得部３３によって取得される。掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｍ５が出力する情報とに基づいて掘削反力を導き出してもよい。また、掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と、掘削対象地面の現在の形状に関する情報と、シリンダ圧検出装置Ｍ５が出力する情報とに基づいて掘削反力を導き出してもよい。
　本実施例では、掘削反力導出部３４は、所定の計算式を用いて所定の演算周期で掘削反力を導き出す。例えば、掘削深さが深いほど、すなわち、ショベルの接地面とバケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）との間の鉛直距離が大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、例えば、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する地面挿入深さが大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、土砂密度等の土砂特性を考慮して掘削反力を導き出してもよい。土砂特性は、車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよく、シリンダ圧センサ等の各種センサの出力に基づいて自動的に算出される値であってもよい。
　掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削中であるか否かを判定し、その判定結果をコントローラ３０に対して出力してもよい。掘削反力導出部３４は、例えば、バケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）と掘削対象地面との間の鉛直距離が所定値以下となった場合に掘削中であると判定する。掘削反力導出部３４は、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する前に掘削中であると判定してもよい。
　ここで、図６を参照し、掘削初期段階について説明する。図６は掘削初期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示す。
　掘削初期段階は、図６の矢印で示すようにバケット６を鉛直下方に移動させる段階を意味する。そのため、掘削初期段階における掘削反力Ｆｚは、主にバケット６の爪先を掘削対象地面に挿入する際の挿入抵抗で構成され、主に鉛直上方を向く。挿入抵抗はバケット６の爪先の地面挿入深さ（以下、「挿入深さｈ」とする。）が大きいほど大きくなる。地面挿入深さは、爪先食い込み深さ又は貫入深さとも称される。挿入抵抗は、バケット６の爪先の挿入深さｈが同じであれば、バケット爪先角度αが略９０度のときに最小となる。バケット爪先角度αは、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度であり、貫入角度とも称される。典型的には、バケット６の底面（背面）６Ｓを含む平面と掘削対象地面との間に形成される角度である。外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｍ３の出力と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット爪先角度αを算出する。なお、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中にブーム下げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削初期段階であると判定する。
　外部演算装置３０Ｅは、所定のバケット爪先角度αと所定の力でバケット６を地面へ押し付けた際の、掘削初期段階におけるバケット６の爪先の挿入深さｈと挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）に基づいて掘削対象の硬さＫを導き出す。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、挿入深さｈと掘削反力Ｆｚと硬さＫとの対応関係を記憶する硬さテーブルを参照して掘削対象の硬さＫを導き出す。所定の計算式を用いて硬さＫを導き出してもよい。そして、外部演算装置３０Ｅは、導き出した硬さＫを不揮発性メモリ等に記憶する。１つの掘削対象地面に関して複数の硬さＫを導出した場合、それらの平均値を硬さＫとしてもよく、直近の値を硬さＫとしてもよい。最大値、最小値、中間値等の他の統計値を硬さＫとしてもよい。また、操作者は、掘削対象である作業領域の地面の硬さの測定値を事前に取得している場合には、車載入力装置等を通じ、その測定値を硬さＫとして入力してもよい。
　外部演算装置３０Ｅは、硬さＫを導き出すときのバケット６の爪先の挿入深さｈを制御してもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、硬さＫを導き出すときのバケット６の爪先の挿入深さｈが所定の挿入深さとなるように、アタッチメントを駆動させてもよい。
　外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに関する情報を画像表示装置４０で表示させてもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに関する情報を地形データベースに記憶してもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに関する情報を外部機器に向けて送信してもよい。外部機器は、例えば、管理センタに設置された管理装置、及び、ショベルの操作者若しくはショベルの周囲で作業する作業者等の関係者が携帯するスマートフォン等の支援装置の少なくとも１つを含む。
　挿入深さｈは、例えば、掘削反力導出部３４により、バケット爪先位置と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて導き出される。掘削反力Ｆｚは、例えば、掘削反力導出部３４により、掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｍ５が出力する情報とに基づいて導き出される。
　図７は、硬さテーブルに記憶された対応関係を表すグラフであり、縦軸に挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）を配置し、横軸に挿入深さｈを配置している。図７に示すように、挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）は、例えば、挿入深さｈの二乗に比例する関数として表される。係数Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２は、硬さＫの例であり、値が大きいほど硬いことを表す。例えば、硬さＫがＫ０以上の場合（例えばＫ１の場合）に硬いと判定され、硬さＫがＫ０未満の場合（例えばＫ２の場合）に硬くない（軟らかい）と判定される。硬いか軟らかいかの２段階でなく３段階以上で判定されてもよい。
　外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削反力導出部３４が導き出した挿入深さｈ及び挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）と、図７に示すような対応関係とに基づいて硬さＫを導き出す。
　外部演算装置３０Ｅは、所定の掘削アタッチメントの姿勢若しくは所定のバケット爪先角度で且つ所定のブームロッド圧でブーム４を下げてバケット６の爪先を掘削対象地面に突き刺したときのショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４（浮き上がり角）から硬さＫを導き出してもよい。この場合、傾斜角θ４（図２参照。）が大きいほど大きい硬さＫを導き出す。
　外部演算装置３０Ｅは、土砂密度から硬さＫを導き出してもよい。例えば、ブームボトム圧等から算出されるバケット６内に取り込まれた掘削対象の単位体積重量（土砂密度）から硬さＫを導き出してもよい。この場合、土砂密度と硬さＫとの対応関係は、例えば、不揮発性メモリに予め記憶されていてもよい。
　外部演算装置３０Ｅは、上述の方法による導出結果の２つ以上を組み合わせて硬さＫを導き出してもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫを数値として導き出す代わりに、掘削対象の硬さＫを複数の硬さ段階から選択してもよい。
　このように、外部演算装置３０Ｅは、例えば試し掘削を行うことで、掘削対象の硬さＫを導き出す。そして、掘削対象の硬さＫに基づいて掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する。
　硬さＫは、タッチパネル等の車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよい。操作者が入力する値は、例えば、砂、岩、土等の掘削対象の種類、土質に関する値等であってもよく、硬度計等の計測器を用いて計測された硬度等の値であってもよい。
　次に、図８を参照し、外部演算装置３０Ｅが掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する処理（以下、「掘削支援処理」とする。）の一例について説明する。図８は、掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。外部演算装置３０Ｅは、ショベルの稼働中に所定の制御周期で繰り返しこの掘削支援処理を実行する。
　最初に、外部演算装置３０Ｅは、掘削アタッチメントの姿勢に基づいてバケット６の爪先と掘削対象地面との間の距離が閾値ＴＨ１以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。
　距離が閾値ＴＨ１より大きいと判定した場合（ステップＳＴ１のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削動作を支援することなく、今回の掘削支援処理を終了させる。現時点では、バケット６の爪先と掘削対象地面は接触しないと判断できるためである。
　一方で、距離が閾値ＴＨ１以下であると判定した場合（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、試し掘削の際に不揮発性メモリに記憶された硬さＫを読み出して所定の硬さＴＨ２と比較する。所定の硬さＴＨ２は、例えば、図７の係数Ｋ０に対応する。
　掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αを所定角度（例えば９０度）に調整する（ステップＳＴ３）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αが所定角度になるように、アタッチメントを駆動させる。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、ブーム４、アーム５及びバケット６の少なくとも１つを自動的に或いは半自動的に動作させる。「自動的に動作させる」は、操作装置２６の操作量とは無関係に動作させることを意味する。「半自動的に動作させる」は、操作装置２６の操作量を補う形で動作させることを意味する。
　掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定した場合（ステップＳＴ２のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削動作を支援することなく、今回の掘削支援処理を終了させる。掘削対象地面が十分に軟らかく、掘削動作を支援する必要はない、すなわち、バケット爪先角度αを所定の角度に限定する必要はないと判断できるためである。
　図９は、外部演算装置３０Ｅがバケット爪先角度αを所定角度αＰに調整する様子を示す。図９のバケット６ｔは、現時点におけるバケット６の位置を示す。バケット６ｔ１～６ｔ３は、バケット爪先角度αの調整が行われる場合の、時刻ｔ１～ｔ３のそれぞれにおけるバケット６の位置を示す。バケット６'ｔ１～６'ｔ３は、バケット爪先角度αの調整が行われない場合の、時刻ｔ１～ｔ３のそれぞれにおけるバケット６の位置を示す。この例では、操作者は、アーム閉じ操作のみでバケット６の爪先を地面に接触させようとしている。
　外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αの調整を行わない場合、バケット６の爪先が時刻ｔ３において接触点ＣＰで地面と接触し、且つ、そのときのバケット爪先角度αがαＮになると予測する。
　その上で、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αの調整を行う場合、バケット６の爪先が接触点ＣＰで地面と接触し、且つ、そのときのバケット爪先角度αが所定角度αＰとなるように掘削アタッチメントを動作させる。この例では、外部演算装置３０Ｅは、アーム閉じ操作が行われているときに、ブーム４を自動的に上昇させ、且つ、バケット６を自動的に開くことで、バケット６の爪先を接触点ＣＰで地面に接触させる。
　外部演算装置３０Ｅは、バケット６を自動的に開くのみで、バケット６の爪先と地面が接触したときのバケット爪先角度αが所定角度αＰとなるようにしてもよい。この場合、接触点ＣＰとは異なる点でバケット６の爪先を地面に接触させてもよい。
　この構成により、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象（地面）が硬い場合、所定角度αＰでバケット６の爪先を地面に接触させることができる。そのため、硬い地面を効率的に破壊できる。
　なお、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ３（≦ＴＨ２）より小さい場合、すなわち、掘削対象が軟らかい場合に、バケット爪先角度αを所定角度αＱ（例えば所定角度αＰより大きい鈍角）に調整してもよい。１回の掘削動作でバケット内に取り込まれる土砂の量を増大させるためである。この場合、外部演算装置３０Ｅは、必要に応じ、バケット爪先角度αを所定角度αＰより小さい鋭角に調整してもよい。掘削対象が軟らかいため、バケット爪先角度αを９０度以外に調整したとしても、掘削負荷が過度に大きくなることはないためである。
　次に、図１０Ａ～図１０Ｃを参照し、掘削対象の硬さＫが所定の硬さより硬いと判定されたときに実行される掘削支援処理の別の例について説明する。
　外部演算装置３０Ｅは、図１０Ａに示すように、バケット６の爪先と地面とが接触したときに、バケット６の爪先を揺動中心としてバケット６を前後に揺動させてもよい。硬い地面を効率的に破壊できるようにするためである。例えば、外部演算装置３０Ｅは、掘削初期段階において掘削対象の硬さＫが所定の硬さより硬いと判定した場合に、ブーム４の微小な上下動、アーム５の微小な開閉、及び、バケット６の微小な開閉の少なくとも１つを繰り返すことでバケット６の爪先を揺動させてもよい。
　また、外部演算装置３０Ｅは、図１０Ｂに示すように、バケット６の爪先と地面とが接触したときに、バケット６の爪先を上下に振動させてもよい。具体的には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９の少なくとも２つを同時に伸縮させてバケット６を上下に振動させてもよい。
　また、外部演算装置３０Ｅは、図１０Ｃに示すように、バケット６の爪先と地面とを接触させる際に、掘削力が掘削対象地面に垂直に作用するように掘削アタッチメントの姿勢を調整してもよい。例えば、調整前のアタッチメント長ＴＲＳよりも短いアタッチメント長ＴＲＨをもたらす掘削アタッチメントの姿勢を用いることによって、掘削力ができるだけ掘削対象地面に垂直に作用するようにしてもよい。掘削アタッチメントによる掘削力に、ショベルの自重による掘削力を加えることができるようにするためである。
　上述の方法のうちの少なくとも１つの方法により、外部演算装置３０Ｅは、硬い地面を効率的に破壊できる。外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫに応じて上述の何れの方法を採用するかを決定してもよい。例えば、硬さＫが所定の硬さＴＨ４より大きい場合に図１０Ａの方法を採用し、所定の硬さＴＨ５（＞ＴＨ４）より大きい場合に図１０Ｂの方法を採用し、所定の硬さＴＨ６（＞ＴＨ５）より大きい場合に図１０Ｃの方法を採用してもよい。
　次に、図１１を参照し、掘削支援処理の更に別の一例について説明する。図１１は、掘削支援処理の更に別の一例を示すフローチャートである。外部演算装置３０Ｅは、ショベルの稼働中に所定の制御周期で繰り返しこの掘削支援処理を実行する。
　最初に、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階であるか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。掘削中期段階は、バケット６をショベルの機体側に引き寄せる段階を意味する。本実施例では、外部演算装置３０Ｅの掘削反力導出部３４は、例えば、掘削中にアーム閉じ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定する。或いは、外部演算装置３０Ｅは、掘削中にブーム下げ操作が行われておらず且つアーム閉じ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定してもよい。
　掘削中期段階であると判定した場合（ステップＳＴ１１のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ１２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、試し掘削の際に不揮発性メモリに記憶された硬さＫを読み出して所定の硬さＴＨ２と比較する。但し、硬さＫは、各掘削動作の掘削初期段階で算出されてもよい。
　掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削支援機能を開始する（ステップＳＴ１３）。
　掘削中期段階でないと判定した場合（ステップＳＴ１１のＮＯ）、或いは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定した場合（ステップＳＴ１２のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削支援機能を開始することなく、今回の掘削支援処理を終了させる。
　掘削支援機能は、例えば、掘削アタッチメントを全自動又は半自動で動作させて掘削動作を支援する機能である。この場合、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中期段階においてアーム閉じ操作が行われている際に、掘削深さが目標掘削深さＤとなるようにバケット６を自動的に開閉させる。ブーム４を自動的に上下動させてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削深さが目標掘削深さＤを超えそうなときには、目標掘削深さＤを超えないよう、バケット６を自動的に閉じてもよい。或いは、掘削深さが目標掘削深さＤに達しそうにないときには、目標掘削深さＤに達するよう、バケット６を自動的に開いてもよい。ブーム４の上下動についても同様である。また、アーム５の閉じ速度を調整してもよい。
　目標掘削深さＤは、例えば、掘削対象の硬さＫに応じて決定される。典型的には、掘削対象が硬いほど目標掘削深さＤが浅くなるように決定される。掘削対象が硬いにもかかわらず深い掘削が行われて掘削反力が過度に大きくなってしまうのを防止するためである。
　図１１の例では、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合に限り、掘削支援機能を開始するが、掘削対象の硬さＫとは無関係に、掘削支援機能を開始してもよい。この場合、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合の目標掘削深さが、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定した場合の目標掘削深さより小さくなるようにする。
　このように、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫを導き出し、その硬さＫに基づいて掘削動作を支援するか否かを決定する。或いは、その硬さＫに応じて掘削動作の支援の内容を決定する。そのため、硬い掘削対象地面をより効率的に掘削できる。
　次に、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照し、図１１の掘削支援処理によってバケット爪先角度αが調整される様子について説明する。図１２Ａは、外部演算装置３０Ｅが掘削深さを目標掘削深さＤＨ又は目標掘削深さＤＳに調整する様子を示す。目標掘削深さＤＨは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定された場合（硬い地面の場合）の目標値であり、目標掘削深さＤＳは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定された場合（軟らかい地面の場合）の目標値である。
　図１２Ａは、バケット６と掘削対象地面の関係を示す図であり、一点鎖線は硬い地面を掘削するバケット６の爪先の軌跡を表し、二点鎖線は軟らかい地面を掘削するバケット６の爪先の軌跡を表す。図１２Ｂは、アタッチメント長ＴＲとバケット角度θ３及びバケット爪先角度αのそれぞれとの関係を示すグラフであり、一点鎖線は硬い地面を掘削するときの推移を示し、二点鎖線は軟らかい地面を掘削するときの推移を示す。
　この例では、硬い地面及び軟らかい地面の何れを掘削する場合であっても、アタッチメント長ＴＲが値ＴＲ０のとき、バケット６は、爪先を接触点ＣＰで地面に接触させている。このとき、バケット角度θ３は値θ３０であり、バケット爪先角度αは値α０である。
　外部演算装置３０Ｅは、アーム閉じ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定する。そして、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定すると、掘削深さが目標掘削深さＤＨとなるようにバケット６を自動的に閉じる。具体的には、図１２Ａに示すように、バケット６の爪先が一点鎖線で表された軌跡に沿って移動するように、アーム５の閉じ具合に合わせてバケット６を閉じる。その結果、アタッチメント長ＴＲが値ＴＲ１のとき、バケット角度θ３は値θ３Ｈとなり、バケット爪先角度αは値αＨとなる。
　一方、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定すると、外部演算装置３０Ｅは、掘削深さが目標掘削深さＤＳとなるようにバケット６を自動的に閉じる。具体的には、図１２Ａに示すように、バケット６の爪先が二点鎖線で表された軌跡に沿って移動するように、アーム５の閉じ具合に合わせてバケット６を閉じる。その結果、アタッチメント長ＴＲが値ＴＲ１のとき、バケット角度θ３は値θ３Ｓ（＞θ３Ｈ）となり、バケット爪先角度αは値αＳ（＞αＨ）となる。
　この例では、掘削中期段階の完了時にアタッチメント長ＴＲが値ＴＲ２になると、バケット６は、硬い地面及び軟らかい地面の何れを掘削した場合であっても同じ位置で同じ姿勢になっている。
　このように、外部演算装置３０Ｅは、アーム閉じ操作が行われているときにバケット６を自動的に閉じることで、掘削深さが、掘削対象の硬さＫに応じた目標掘削深さとなるようにする。但し、外部演算装置３０Ｅは、目標掘削深さが実現されるようにブーム４を自動的に上昇させてもよい。
　この構成により、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象が硬い場合の掘削深さを、掘削対象が軟らかい場合の掘削深さより浅くすることができる。そのため、掘削対象が硬い場合には、例えば地面を剥がすような掘削動作が行われ、硬い地面を掘削する際に掘削反力が過度に増大してバケットが動かなくなってしまうような無駄な掘削動作が行われてしまうのを防止できる。その結果、硬い地面を効率的に掘削できる。また、掘削対象が軟らかい場合の掘削深さを、掘削対象が硬い場合の掘削深さより深くすることができる。そのため、１回の掘削動作による掘削量を大きくすることができる。その結果、軟らかい地面を効率的に掘削できる。
　上述の通り、外部演算装置３０Ｅは、アタッチメントを駆動させることで、掘削対象地面の硬さＫに応じ、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度を制御する。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに応じ、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触するときのバケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度（バケット爪先角度α）を自動的に調整する。そのため、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、硬い地面を効率的に破壊でき且つ効率的に掘削できる。また、軟らかい地面に対しては１回の掘削動作による掘削量をできるだけ大きくすることで、軟らかい地面を効率的に掘削できる。
　外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫに応じてバケット角度θ３を制御してもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫに応じてバケット角度θ３を自動的に調整してもよい。この構成により、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、掘削対象地面の硬さＫに適した掘削深さを実現できる。
　外部演算装置３０Ｅは、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する位置（接触点ＣＰ）を決定してもよい。具体的には、バケット６の爪先と掘削対象地面とを接触させる前にバケット爪先角度αを調整する際に、その調整が行われなかったときの接触点ＣＰの位置を予測し、その接触点ＣＰを目標接触点とする。そして、バケット爪先角度αの調整が行われたときにその接触点ＣＰでバケット６の爪先と掘削対象地面とが接触するようにブーム４、アーム５及びバケット６の少なくとも１つを自動的に或いは半自動的に動かすようにする。この構成により、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αの調整を行う場合であっても、操作者がバケット６の爪先を接触させようとした位置にバケット６の爪先を接触させることができる。
　外部演算装置３０Ｅは、必要に応じ、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さ以上であるときのアタッチメント長を、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さ未満であるときのアタッチメント長より小さくしてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、例えば図１０Ｃに示すように、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する際に、アタッチメント長ＴＲを調整してもよい。例えば、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上であるときのアタッチメント長ＴＲＨを、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２未満であるときのアタッチメント長ＴＲＳより小さくしてもよい。掘削アタッチメントによる掘削力に、ショベルの自重による掘削力を加えることができるようにするためである。この構成により、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、硬い地面をより効率的に破壊できる。
　外部演算装置３０Ｅは、例えば図１０Ａに示すように、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上である場合、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触しているときに、バケット６を前後に揺動させてもよい。或いは、外部演算装置３０Ｅは、例えば図１０Ｂに示すように、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上である場合、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触しているときに、バケット６を上下に振動させてもよい。硬い地面をより効率的に破壊するためである。
　外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上であるときのバケット角度θ３を、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２未満であるときのバケット角度θ３より小さくしてもよい。或いは、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２未満であるときのバケット角度θ３を、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上であるときのバケット角度θ３より大きくしてもよい。バケット爪先角度αについても同様である。掘削対象地面の硬さＫに適した掘削深さで掘削できるようにするためである。この構成により、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、硬い地面をより効率的に掘削できる。
　以上、本発明の好ましい実施例が説明された。しかしながら、本発明は、上述した実施例に限定されることはない。上述した実施例は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形、置換等が適用され得る。また、上述の実施例を参照して説明された特徴のそれぞれは、技術的に矛盾しない限り、適宜に組み合わされてもよい。
　例えば、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の制御装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されていてもよい。また、コントローラ３０の代わりに外部演算装置３０Ｅが動作制御部Ｅ１を直接的に制御してもよい。
　本願は、２０１７年７月５日に出願した日本国特許出願２０１７－１３２０３０号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
　１・・・下部走行体　１Ａ・・・左走行用油圧モータ　１Ｂ・・・右走行用油圧モータ　２・・・旋回機構　２Ａ・・・旋回用油圧モータ　３・・・上部旋回体　４・・・ブーム　５・・・アーム　６・・・バケット　７・・・ブームシリンダ　８・・・アームシリンダ　９・・・バケットシリンダ　１０・・・キャビン　１１・・・エンジン　１１ａ・・・オルタネータ　１１ｂ・・・スタータ　１１ｃ・・・水温センサ　１４、１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ　１４ａ・・・レギュレータ　１４ａＬ、１４ａＲ・・・吐出量調整装置　１４ｂ・・・吐出圧力センサ　１４ｃ・・・油温センサ　１５・・・パイロットポンプ　１５ａ、１５ｂ・・・油圧センサ　１６・・・作動油ライン　１７・・・コントロールバルブ　２５、２５ａ、２５ｂ・・・パイロットライン　２６・・・操作装置　２９・・・操作内容検出装置　３０・・・コントローラ　３０ａ・・・一時記憶部　３０Ｅ・・・外部演算装置　３１・・・地形データベース更新部　３２・・・位置座標更新部　３３・・・地面形状情報取得部　３４・・・掘削反力導出部　４０・・・画像表示装置　４０ａ・・・変換処理部　４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路　４１・・・画像表示部　４２・・・入力部　４２ａ・・・ライトスイッチ　４２ｂ・・・ワイパースイッチ　４２ｃ・・・ウインドウォッシャスイッチ　５０・・・パイロット圧調整装置　７０・・・蓄電池　７２・・・電装品　７４・・・エンジン制御装置（ＥＣＵ）　７５・・・エンジン回転数調整ダイヤル　１７１～１７６・・・流量制御弁　Ｅ１・・・動作制御部　Ｍ１・・・通信装置　Ｍ２・・・測位装置　Ｍ３・・・姿勢検出装置　Ｍ３ａ・・・ブーム角度センサ　Ｍ３ｂ・・・アーム角度センサ　Ｍ３ｃ・・・バケット角度センサ　Ｍ３ｄ・・・車体傾斜センサ　Ｍ４・・・撮像装置　Ｍ５・・・シリンダ圧検出装置　Ｍ５ａ・・・ブームロッド圧センサ　Ｍ５ｂ・・・ブームボトム圧センサ　Ｍ５ｃ・・・アームロッド圧センサ　Ｍ５ｄ・・・アームボトム圧センサ　Ｍ５ｅ・・・バケットロッド圧センサ　Ｍ５ｆ・・・バケットボトム圧センサ

Claims (12)

  1. 　下部走行体と、
    　前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
    　前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
    　前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、
    　前記制御装置は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を制御する、
    　ショベル。
  2. 　前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さに応じてバケット角度を制御する、
    　請求項１に記載のショベル。
  3. 　前記制御装置は、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触する位置を決定する、
    　請求項１に記載のショベル。
  4. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのアタッチメント長を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのアタッチメント長より小さくする、
    　請求項１に記載のショベル。
  5. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上である場合、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときに、前記バケットを上下に振動させ或いは前後に揺動させる、
    　請求項１に記載のショベル。
  6. 　前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのバケット角度を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのバケット角度より小さくする、
    　請求項１に記載のショベル。
  7. 　前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのバケット角度を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのバケット角度より大きくする、
    　請求項１に記載のショベル。
  8. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに応じ、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときの前記バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を調整する、
    　請求項１に記載のショベル。
  9. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに応じてバケットの挿入深さを制御する、
    　請求項１に記載のショベル。
  10. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を画像表示装置で表示させる、
    　請求項１に記載のショベル。
  11. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を地形データベースに記憶する、
    　請求項１に記載のショベル。
  12. 　前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を外部機器に向けて送信する、
    　請求項１に記載のショベル。
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