WO2019053814A1 - 作業機械 - Google Patents

Abstract

油圧ショベルの制御コントローラ（４０）に，アームシリンダ（６）の第１速度を操作量検出装置（５２ａ）の検出値から算出する第１速度演算部（４３ｆ）と，アームシリンダ（６）の第２速度を前記姿勢検出装置（５０）の検出値から算出する第２速度演算部（４３ｄ）と，ＭＣを実行するアクチュエータ制御部（８１）でアームシリンダ（６）の速度として利用される第３速度を算出する第３速度演算部（４３ｅ）とを備える。第３速度演算部は，操作量検出装置にてアーム（９）に対する操作が入力されたことが検出されてから所定時間ｔ０までの間，第１速度を第３速度として算出し，所定時間ｔ０からｔ１までの間，第１速度と第２速度から算出される速度を第３速度として算出し，所定時間ｔ１以降は，第２速度を第３速度として算出する。

Description

作業機械

　本発明は，操作装置の操作時に，予め定めた条件に従って複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御する作業機械に関する。

　油圧アクチュエータで駆動される作業装置（例えばフロント作業装置）を備える作業機械（例えば油圧ショベル）の作業効率を向上する技術としてマシンコントロール（Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＭＣ）がある。ＭＣは，操作装置がオペレータに操作された場合に，予め定めた条件に従って作業装置を動作させる半自動制御を実行することでオペレータの操作支援を行う技術である。

　例えば特許第５８６５５１０号公報には，バケットの刃先を基準面に沿って移動させるようにフロント作業装置をＭＣする技術が開示されている。この文献では，アーム操作レバーの操作量が少ない場合，フロント作業装置の姿勢に依ってはバケットの自重落下に起因して，アーム操作レバーの操作量に基づいて算出されるアームシリンダの推定速度よりも実際のアームシリンダ速度が大きくなり，このような状況でアームシリンダの推定速度に基づくＭＣを実行すると，バケットの刃先が安定せずハンチングが生じる可能性があることを課題として挙げている。そして，この文献は，アーム操作レバーの操作量が所定量未満の場合には，アーム操作レバーの操作量を基に算出される速度よりも大きい速度をバケットの自重落下を加味したアームシリンダの推定速度として算出し，その推定速度に基づいてＭＣを行うことで上記の課題の解決を図っている。

特許第５８６５５１０号公報

　特許文献１の技術のようにアームシリンダの推定速度の算出時にバケットの自重落下を考慮すると，その推定速度がアームシリンダの実速度に近づくので，ＭＣ中のハンチング発生を防止できる。しかし，アーム操作レバーの操作量に基づくアームシリンダの推定速度と実速度の乖離はバケットの自重落下のみに起因するものではなく，特許文献１のようにバケットの自重落下を考慮してアームシリンダの速度を推定するだけではハンチング発生防止の対策として不充分である。

　例えば，作業機械の作動油が低温時には作動油の粘度が大きくなるが，この場合の実際のアームシリンダ速度はレバー操作量から推定される速度よりも遅くなる場合がある。

　また，例えば，図１３のような作業機械よりも下側にある斜面の土砂を掻き均す，いわゆる切上げ作業の場合，主に自重に抗してフロント作業装置（例えばバケット）を持ち上げる方向にアームシリンダを駆動することになる。このため，特許文献１のようにアームシリンダの駆動に関するフロント作業装置（アーム，バケット）の自重の影響でアームシリンダ速度が想定よりも速くなる場合は少ない。むしろ，フロント作業装置の自重を持ち上げる方向に駆動する影響で実際のアームのシリンダ速度は推定速度よりも遅くなる場合がある。以下この場合の詳細を説明する。

　図１４に作業機械に用いられる油圧システムのうち，オープンセンタバイパス方式のスプールの開口面積特性を示す。オープンセンタバイパス方式のスプールの開口面積はポンプからの圧油をタンクに流す流路のセンタバイパス開口，ポンプからの圧油をアクチュエータに供給する流路のメータイン開口，アクチュエータからタンクへ流す流路のメータアウト開口がある。センタバイパス開口の閉じきり点をSXとする。ここで，切上げ作業のようにフロント作業装置の自重に対して持ち上げる方向にアームシリンダを駆動した場合の圧油の流れを説明する。切上げ作業では，フロント作業装置の自重に対して持ち上げる方向にアームシリンダを駆動するので，フロント作業装置の自重によりメータイン側の圧力が上昇している。アーム操作レバーの操作量が少なくスプールのストローク量がSX未満の場合，センタバイパス開口が開いているため，ポンプから供給される圧油はメータイン開口を通ってアームシリンダへ供給されるものと，センタバイパス開口を通ってタンクへ流れるものに分かれる。圧油は負荷が軽い方向に流れやすい特性があるため，フロント作業装置の自重に対して持ち上げる方向にアームシリンダを駆動する場合，フロント作業装置の自重に対して持ち上げる方向にアームシリンダを駆動しない場合と比べてアームシリンダの負荷が大きくなり，アームシリンダへ圧油が流れにくくなる。結果としてアームシリンダ速度が遅くなる。

　以上のように，作業機械の状態や作業内容によっては実際のアームシリンダ速度がレバー操作量から推定される速度と異なる場合があり，結果としてＭＣをする際のバケットの刃先（作業装置の先端）が安定せずハンチングを起こしてしまう可能性がある。

　一方，このようなＭＣを行う作業機械には作業装置の姿勢を検出するための姿勢センサ（例えば，アームとブームを連結するピンに設けられたポテンショメータ）が備えられている。レバー操作量から演算されるアームシリンダ速度はあくまで推定値の域をでないが，姿勢センサの出力からは作業装置の実際の姿勢を把握でき，姿勢センサの出力値の時間変化から算出されるアームシリンダ速度はレバー操作量から算出されるものよりも定常的には実際の速度に近い。そこで，この姿勢センサの出力値から算出したアームシリンダ速度をもとにＭＣを実施することが考えられる。しかし，この場合も次の課題がある。

　姿勢センサはアームが実際に動き始めてからはじめてその姿勢変化を検出可能になるものであるため，姿勢センサの出力から算出したアーム速度に基づくＭＣをアームの動き始めから実施した場合，実際のアームの動き始めに対してＭＣの応答（例えば，ブーム上げ指令）が遅れてしまい，バケットの刃先位置が安定せずハンチングが生じる可能性がある。

　なお，ここではアームシリンダの速度を例示して課題を説明したが，作業装置を駆動する他の油圧アクチュエータの速度についても同じ課題が当て嵌まる。

　本発明の目的は，作業装置を駆動する特定の油圧アクチュエータの速度をより適切に算出でき，ＭＣにおける作業装置の先端（例えばバケット刃先）の挙動が安定化した作業機械を提供することにある。

　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが，その一例を挙げるならば，複数のフロント部材を有する作業装置と，前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと，オペレータの操作に応じて前記複数の油圧アクチュエータの動作を指示する操作装置と，前記操作装置の操作時に，前記複数の油圧アクチュエータの速度と予め定めた条件に従って前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部を有する制御装置とを備える作業機械において，前記複数のフロント部材の１つである特定フロント部材の姿勢に関する物理量を検出する姿勢検出装置と，オペレータから前記操作装置に入力される操作量のうち前記特定フロント部材に対する操作量に関する物理量を検出する操作量検出装置とを備え，前記制御装置は，前記複数の油圧アクチュエータのうち前記特定フロント部材を駆動する特定油圧アクチュエータの第１速度を前記操作量検出装置の検出値から算出する第１速度演算部と，前記特定油圧アクチュエータの第２速度を前記姿勢検出装置の検出値から算出する第２速度演算部と，前記アクチュエータ制御部で前記特定油圧アクチュエータの速度として利用される第３速度を前記第1速度と前記第2速度に基づいて算出する第３速度演算部とを備え，前記第３速度演算部は，前記操作量検出装置にて前記特定フロント部材に対する操作が入力されたことが検出されてから第１の所定時間までの間，前記第１速度を前記第３速度として算出し，前記第１の所定時間から前記第１の所定時間よりも大きな第２の所定時間までの間，前記第１速度と前記第２速度から算出される速度を前記第３速度として算出し，前記第２の所定時間以降，前記第２速度を前記第３速度として算出するものとする。

　本発明によれば，作業装置を駆動する特定の油圧アクチュエータの速度をより適切に算出でき，ＭＣにおける作業装置の先端先の挙動を安定化できる。

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。 フロント制御用油圧ユニットの詳細図。 油圧ショベルの制御コントローラのハードウェア構成図。 図１の油圧ショベルにおける座標系および目標面を示す図。 アームシリンダの第２速度の算出に利用するフロント作業装置１Ａの寸法値の説明図。 図１の油圧ショベルの制御コントローラの機能ブロック図。 図６中のＭＣ制御部の機能ブロック図。 ブーム制御部によるブーム上げ制御のフローチャート。 操作量に対するシリンダ速度の関係を示す図。 バケット爪先速度の垂直成分の制限値ａｙと距離Ｄとの関係を示す図。 アームシリンダ想定速度を算出するフローチャート。 重み付割合Ｗａｃｔの時間変化を示す図。 切上げ作業の説明図。 センタバイパス式スプールのスプールストロークに対する開口面積を示す図。 第２実施形態のＭＣ制御部の機能ブロック図。 第２実施形態のアームシリンダ想定速度を算出するフローチャート。 アーム操作圧とアームシリンダ速度（第１速度，第２速度，実速度）の関係の説明図。 第２実施形態の操作量に対するシリンダ速度の関係を示す図。

　以下，本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお，以下では，作業装置の先端の作業具（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作業機械で本発明を適用しても構わない。さらに，複数のフロント部材（アタッチメント，アーム，ブーム等）を連結して構成される多関節型の作業装置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，設計面等）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，２つのポンプ２ａ，２ｂ，が存在するとき，これらをまとめてポンプ２と表記することがある。

　＜第１実施形態＞
　＜基本構成＞
　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り，図３は図２中のフロント制御用油圧ユニット１６０の詳細図である。

　図１において，油圧ショベル１は，多関節型のフロント作業装置１Ａと，車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは，左右の走行油圧モータ３ａ（図２参照），３ｂにより走行する下部走行体１１と，下部走行体１１の上に取り付けられ，旋回油圧モータ４により旋回する上部旋回体１２とからなる。

　フロント作業装置１Ａは，垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（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いる。ブーム８の基端は上部旋回体１２の前部においてブームピンを介して回動可能に支持されている。ブーム８の先端にはアームピンを介してアーム９が回動可能に連結されており，アーム９の先端にはバケットピンを介してバケット１０が回動可能に連結されている。これら複数のフロント部材８，９，１０は複数の油圧アクチュエータである油圧シリンダ５，６，７によって駆動される。具体的には，ブーム８はブームシリンダ５によって駆動され，アーム９はアームシリンダ６によって駆動され，バケット１０はバケットシリンダ７によって駆動される。

　ブーム８，アーム９，バケット１０の姿勢に関する物理量である回動角度α，β，γ（図５参照）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）の傾斜角θ（図５参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。なお，本実施形態の角度センサ３０，３１，３２はロータリポテンショメータであるが，それぞれ基準面（例えば水平面）に対する傾斜角センサや慣性計測装置（ＩＭＵ）などに代替可能である。

　上部旋回体１２に設けられた運転室内には，走行右レバー２３ａ（図１）を有し走行右油圧モータ３ａ（下部走行体１１）を操作するための操作装置４７ａ（図２）と，走行左レバー２３ｂ（図１）を有し走行左油圧モータ３ｂ（下部走行体１１）を操作するための操作装置４７ｂ（図２）と，操作右レバー１ａ（図１）を共有しブームシリンダ５（ブーム８）及びバケットシリンダ７（バケット１０）を操作するための操作装置４５ａ，４６ａ（図２）と，操作左レバー１ｂ（図１）を共有しアームシリンダ６（アーム９）及び旋回油圧モータ４（上部旋回体１２）を操作するための操作装置４５ｂ，４６ｂ（図２）が設置されている。以下では，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を操作レバー１，２３と総称することがある。

　上部旋回体１２に搭載された原動機であるエンジン１８は，油圧ポンプ２ａ，２ｂとパイロットポンプ４８を駆動する。油圧ポンプ２ａ，２ｂはレギュレータ２ａａ，２ｂａによって容量が制御される可変容量型ポンプであり，パイロットポンプ４８は固定容量型ポンプである。油圧ポンプ２およびパイロットポンプ４８はタンク２００より作動油を吸引する。本実施形態においては，図２に示すように，パイロットライン１４４，１４５，１４６，１４７，１４８，１４９の途中にシャトルブロック１６２が設けられている。操作装置４５，４６，４７から出力された油圧信号が，このシャトルブロック１６２を介してレギュレータ２ａａ，２ｂａにも入力される。シャトルブロック１６２の詳細構成は省略するが，油圧信号がシャトルブロック１６２を介してレギュレータ２ａａ，２ｂａに入力されており，油圧ポンプ２ａ，２ｂの吐出流量が当該油圧信号に応じて制御される。

　パイロットポンプ４８の吐出配管であるポンプライン４８ａはロック弁３９を通った後，複数に分岐して操作装置４５，４６，４７，フロント制御用油圧ユニット１６０内の各弁に接続している。ロック弁３９は本例では電磁切換弁であり，その電磁駆動部は運転室（図１）に配置されたゲートロックレバー（不図示）の位置検出器と電気的に接続している。ゲートロックレバーのポジションは位置検出器で検出され，その位置検出器からロック弁３９に対してゲートロックレバーのポジションに応じた信号が入力される。ゲートロックレバーのポジションがロック位置にあればロック弁３９が閉じてポンプライン４８ａが遮断され，ロック解除位置にあればロック弁３９が開いてポンプライン４８ａが開通する。つまり，ポンプライン４８ａが遮断された状態では操作装置４５，４６，４７による操作が無効化され，旋回，掘削等の動作が禁止される。

　操作装置４５，４６，４７は，油圧パイロット方式の操作装置であり，パイロットポンプ４８から吐出される圧油をもとに，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もある）を発生する。このように発生したパイロット圧は，対応する流量制御弁１５ａ～１５ｆ（図２または図３）の油圧駆動部１５０ａ～１５５ｂにパイロットライン１４４ａ～１４９ｂ（図３参照）を介して供給され，これら流量制御弁１５ａ～１５ｆを駆動する制御信号として利用される。

　油圧ポンプ２から吐出された圧油は，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が伸縮して，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が回転して，下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。そして，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が回転して，下部走行体１１が走行する。

　タンク２００は油圧アクチュエータを駆動するための作動油の油温を検出するための作動油温検出装置２１０を備えている。作動油温検出装置２１０はタンク２００の外にも設置することができ，例えばタンク２００の入口管路または出口管路に取り付けても良い。

　図４は本実施形態に係る油圧ショベルが備えるマシンコントロール（ＭＣ）システムの構成図である。図４のシステムは，ＭＣとして，操作装置４５，４６がオペレータに操作されたとき，各油圧シリンダ５，６，７の速度とフロント作業装置１Ａを予め定められた条件に基づいて制御する処理を実行する。本稿ではマシンコントロール（ＭＣ）を，操作装置４５，４６の非操作時に作業装置１Ａの動作をコンピュータにより制御する「自動制御」に対して，操作装置４５，４６の操作時にのみ作業装置１Ａの動作をコンピュータにより制御する「半自動制御」と称することがある。次に本実施形態におけるＭＣの詳細を説明する。

　フロント作業装置１ＡのＭＣとしては，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，バケットクラウド及びバケットダンプの少なくとも１つの指示）が入力された場合，目標面６０（図５参照）と作業装置１Ａの先端（本実施形態ではバケット１０の爪先とする）の位置関係に基づいて，作業装置１Ａの先端の位置が目標面６０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のうち少なくとも１つを強制的に動作させる制御信号（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）を該当する流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに出力する。

　このＭＣによりバケット１０の爪先が目標面６０の下方に侵入す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６０に沿った掘削が可能となる。なお，本実施形態では，ＭＣ時のフロント作業装置１Ａの制御点を，油圧ショベルのバケット１０の爪先（作業装置１Ａの先端）に設定しているが，制御点は作業装置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１３の最外部も選択可能である。

　図４のシステムは，作業装置姿勢検出装置５０と，目標面設定装置５１と，オペレータ操作量検出装置５２ａと，運転室内に設置され，目標面６０と作業装置１Ａの位置関係が表示可能な表示装置（例えば液晶ディスプレイ）５３と，ＭＣ制御を司る制御コントローラ（制御装置）４０とを備えている。

　作業装置姿勢検出装置（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。これらの角度センサ３０，３１，３２，３３は複数のフロント部材であるブーム８，アーム９，バケット１０の姿勢に関する物理量を検出する姿勢センサとして機能している。

　目標面設定装置５１は，目標面６０に関する情報（各目標面の位置情報や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。目標面設定装置５１は，グローバル座標系（絶対座標系）上に規定された目標面の３次元データを格納した外部端末（図示せず）と接続されている。なお，目標面設定装置５１を介した目標面の入力は，オペレータが手動で行っても良い。

　オペレータ操作量検出装置（操作量検出装置）５２ａは，オペレータによる操作レバー１ａ，１ｂ（操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ）の操作によってパイロットライン１４４，１４５，１４６に生じる操作圧（第１制御信号）を取得する圧力センサ７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂから構成される。これらの圧力センサ７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂは，ブーム７（ブームシリンダ５），アーム８（アームシリンダ６），バケット９（バケットシリンダ７）に対する操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａを介したオペレータの操作量に関する物理量を検出する操作量センサとして機能している。

　＜フロント制御用油圧ユニット１６０＞
　図３に示すように，フロント制御用油圧ユニット１６０は，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（第１制御信号）を検出する圧力センサ７０ａ，７０ｂと，一次ポート側がポンプライン１４８ａを介してパイロットポンプ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（第２制御信号）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８２ａ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，制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロットライン１４４ｂ内のパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５４ｂを備えている。

　また，フロント制御用油圧ユニット１６０は，アーム９用のパイロットライン１４５ａ，１４５ｂに設置され，操作レバー１ｂの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）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，パイロットライン１４５ｂに設置され，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（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５５ｂと，パイロットライン１４５ａに設置され，制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロットライン１４５ａ内のパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５５ａが設けられている。

　また，フロント制御用油圧ユニット１６０は，バケット１０用のパイロットライン１４６ａ，１４６ｂには，操作レバー１ａの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）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（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５６ａ，５６ｂ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５６ｃ，５６ｄと，パイロットライン１４６ａ，１４６ｂ内のパイロット圧と電磁比例弁５６ｃ，５６ｄから出力される制御圧の高圧側を選択し，流量制御弁１５ｃの油圧駆動部１５２ａ，１５２ｂに導くシャトル弁８３ａ，８３ｂとがそれぞれ設けられている。なお，図３では，圧力センサ７０，７１，７２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。

　電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂは，非通電時には開度が最大で，制御コントローラ４０からの制御信号である電流を増大させるほど開度は小さくなる。一方，電磁比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄは，非通電時には開度をゼロ，通電時に開度を有し，制御コントローラ４０からの電流（制御信号）を増大させるほど開度は大きくなる。このように各電磁比例弁の開度５４，５５，５６は制御コントローラ４０からの制御信号に応じたものとなる。

　上記のように構成される制御用油圧ユニット１６０において，制御コントローラ４０から制御信号を出力して電磁比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄを駆動すると，対応する操作装置４５ａ，４６ａのオペレータ操作が無い場合にもパイロット圧（第２制御信号）を発生できるので，ブーム上げ動作，バケットクラウド動作，バケットダンプ動作を強制的に発生できる。また，これと同様に制御コントローラ４０により電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動すると，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａのオペレータ操作により発生したパイロット圧（第１制御信号）を減じたパイロット圧（第２制御信号）を発生することができ，ブーム下げ動作，アームクラウド／ダンプ動作，バケットクラウド／ダンプ動作の速度をオペレータ操作の値から強制的に低減できる。

　本稿では，流量制御弁１５ａ～１５ｃに対する制御信号のうち，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作によって発生したパイロット圧を「第１制御信号」と称する。そして，流量制御弁１５ａ～１５ｃに対する制御信号のうち，制御コントローラ４０で電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動して第１制御信号を補正（低減）して生成したパイロット圧と，制御コントローラ４０で電磁比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄを駆動して第１制御信号とは別に新たに生成したパイロット圧を「第２制御信号」と称する。

　第２制御信号は，第１制御信号によって発生される作業装置１Ａの制御点の速度ベクトルが所定の条件に反するときに生成され，当該所定の条件に反しない作業装置１Ａの制御点の速度ベクトルを発生させる制御信号として生成される。なお，同一の流量制御弁１５ａ～１５ｃにおける一方の油圧駆動部に対して第１制御信号が，他方の油圧駆動部に対して第２制御信号が生成される場合は，第２制御信号を優先的に油圧駆動部に作用させるものとし，第１制御信号を電磁比例弁で遮断し，第２制御信号を当該他方の油圧駆動部に入力する。したがって，流量制御弁１５ａ～１５ｃのうち第２制御信号が演算されたものについては第２制御信号を基に制御され，第２制御信号が演算されなかったものについては第１制御信号を基に制御され，第１及び第２制御信号の双方が発生しなかったものについては制御（駆動）されないことになる。上記のように第１制御信号と第２制御信号を定義すると，ＭＣは，第２制御信号に基づく流量制御弁１５ａ～１５ｃの制御ということもできる。

　＜制御コントローラ４０＞
　図４において制御コントローラ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，作業装置姿勢検出装置５０である角度センサ３０～３２及び傾斜角センサ３３からの信号と，目標面６０を設定するための装置である目標面設定装置５１からの信号と，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａからの操作量を検出する圧力センサ（圧力センサ７０，７１，７２を含む）であるオペレータ操作量検出装置５２ａからの信号を入力し，ＣＰＵ９２が演算可能なように変換する。ＲＯＭ９３は，後述するフローチャートに係る処理を含めＭＣ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または表示装置５３に出力することで，油圧アクチュエータ５～７を駆動・制御したり，車体１Ｂ，バケット１０及び目標面６０等の画像を表示装置５３の画面上に表示させたりする。

　なお，図４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６は，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，ＭＣ制御部４３と，電磁比例弁制御部４４と，表示制御部３７４を備えている。

　表示制御部３７４は，ＭＣ制御部４３から出力される作業装置姿勢及び目標面を基に表示装置５３を制御する部分である。表示制御部３７４には，作業装置１Ａの画像及びアイコンを含む表示関連データが多数格納されている表示ＲＯＭが備えられており，表示制御部３７４が，入力情報に含まれるフラグに基づいて所定のプログラムを読み出すとともに，表示装置５３における表示制御をする。

　図７は図６中のＭＣ制御部４３の機能ブロック図である。ＭＣ制御部４３は，操作量演算部４３ａと，姿勢演算部４３ｂと，目標面演算部４３ｃと，アームシリンダ第1速度演算部４３ｆと，アームシリンダ第２速度演算部４３ｄと，アームシリンダ第３速度演算部４３eと，アクチュエータ制御部８１（ブーム制御部８１ａ及びバケット制御部８１ｂ）とを備えている。

　操作量演算部４３ａは，オペレータ操作量検出装置５２ａの検出値を基に操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ（操作レバー１ａ，１ｂ）の操作量を算出する。すなわち,操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作量は圧力センサ７０，７１，７２の検出値から算出できる。

　なお，操作量の算出に圧力センサ７０，７１，７２を利用することは一例に過ぎず，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。

　姿勢演算部４３ｂは,作業装置姿勢検出装置５０の検出値に基づき，ローカル座標系におけるブーム８，アーム９及びバケット１０の姿勢と，フロント作業装置１Ａの姿勢と，バケット１０の爪先の位置を演算する。

　ブーム８，アーム９及びバケット１０の姿勢とフロント作業装置１Ａの姿勢は図５のショベル座標系（ローカル座標系）上に定義できる。図５のショベル座標系（ＸＺ座標系）は，上部旋回体１２に設定された座標系であり，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における垂直方向に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５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，ショベル座標系におけるバケット爪先位置の座標，ブーム８，アーム９及びバケット１０の姿勢および作業装置１Ａの姿勢はＬ１，Ｌ２，Ｌ３，α，β，γで表現できる。

　目標面演算部４３ｃは，目標面設定装置５１からの情報に基づき目標面６０の位置情報を演算し，これをＲＯＭ９３内に記憶する。本実施形態では，図５に示すように，３次元の目標面を作業装置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目標面６０（２次元の目標面）として利用する。

　なお，図５の例では目標面６０は１つだが，目標面が複数存在する場合もある。目標面が複数存在する場合には，例えば，作業装置１Ａから最も近いものを目標面と設定する方法や，バケット爪先の下方に位置するものを目標面とする方法や，任意に選択したものを目標面とする方法等がある。

　アームシリンダ第1速度演算部４３ｆは，オペレータ操作量検出装置５２ａの検出値のうちアーム９に対する操作量の検出値からアームシリンダ６の速度を算出し，その演算結果をアームシリンダ第３速度演算部４３ｅに出力する部分である。本実施形態では，操作量演算部４３ａがオペレータ操作量検出装置５２ａによるアーム操作量の検出値からアーム操作量を算出しており，アームシリンダ第1速度演算部４３ｆは，操作量演算部４３ａが算出したアーム操作量と，アーム操作量とアームシリンダ速度の相関関係が一対一で規定された図９のテーブルとを基にアームシリンダ６の速度を算出している。図９のテーブルでは，あらかじめ実験やシミュレーションで求めた操作量に対するシリンダ速度に基づいて，アーム操作量の増加とともにアームシリンダ速度が単調に増加するように操作量と速度の相関関係が規定されている。

　本稿では，フロント作業装置１Ａを構成する３つのフロント部材８，９，１０のうちアーム９を「特定フロント部材」と称し，そのアーム９を駆動するアームシリンダ６を「特定油圧アクチュエータ」と称す。そして，アームシリンダ第１速度演算部４３ｆで算出されるアームシリンダ６の速度を「第1速度」と称する。

　アームシリンダ第２速度演算部４３ｄは，作業装置姿勢検出装置５０の検出値のうちアーム９の姿勢の検出値からアームシリンダ６の速度を算出し，その演算結果をアームシリンダ第３速度演算部４３ｅに出力する部分である。本実施形態では，姿勢演算部４３ｂが作業装置姿勢検出装置５０によるアーム９の検出値からアーム９の姿勢を算出しており，アームシリンダ第２速度演算部４３ｄは，姿勢演算部４３ｂが算出したアーム９の姿勢の時間変化と，ブーム８，アーム９，アームシリンダ６がそれぞれ接続されている位置間の寸法値（図５Ａを用いて後述）とからアームシリンダ６の速度を算出している。本稿では，アームシリンダ第２速度演算部４３ｄで算出されるアームシリンダ６の速度を「第２速度」と称する。

　第２速度の算出に用いるフロント作業装置１Ａの寸法値について図５Ａを用いて説明する。まず，ブーム８とアーム９の接続点とアーム９とアームシリンダ６の接続点を結ぶ線分Ｍ２と，ブーム８とアーム９の接続点とブーム８とアームシリンダ６の接続点を結ぶ線分Ｍ３と，ブーム８の長さである線分Ｌ１と線分Ｍ３のなす角Ｆ１と，アーム９の長さである線分Ｌ２と線分Ｍ２のなす角Ｆ２と，アーム角βとを用いて，線分Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３からなる三角形について余弦定理を用いることでアームシリンダ長さＭ１を求める。さらに，求められたアームシリンダ長さＭ１の時間変化を算出することでアームシリンダ６の第２速度が算出できる。

　アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは，アームシリンダ第1速度演算部４３ｆで演算されたアームシリンダ６の第１速度と，アームシリンダ第２速度演算部４３ｄで演算されたアームシリンダ６の第２速度とに基づいて，アクチュエータ制御部８１がＭＣを実行する際にアームシリンダ６の速度として利用される速度（「第３速度」と称する）を算出し，その演算結果をアクチュエータ制御部８１へ出力する部分である。アームシリンダ第３速度演算部４３ｅが第３速度を算出する際の詳細については図１１を用いて後述する。

　ブーム制御部８１ａとバケット制御部８１ｂは，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作時に，予め定めた条件に従って複数の油圧アクチュエータ５，６，７の少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部８１を構成する。アクチュエータ制御部８１は，各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの目標パイロット圧を演算し，その演算した目標パイロット圧を電磁比例弁制御部４４に出力する。

　ブーム制御部８１ａは，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作時に，目標面６０の位置と，フロント作業装置１Ａの姿勢及びバケット１０の爪先の位置と，各油圧シリンダ５，６，７の速度とに基づいて，目標面６０上またはその上方にバケット１０の爪先（制御点）が位置するようにブームシリンダ５（ブーム８）の動作を制御するＭＣを実行するための部分である。ブーム制御部８１ａでは，ブームシリンダ５の流量制御弁１５ａの目標パイロット圧が演算される。ブーム制御部８１ａによるＭＣの詳細は図８を用いて後述する。

　バケット制御部８１ｂは，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作時に，ＭＣによるバケット角度制御を実行するための部分である。具体的には，目標面６０とバケット１０の爪先の距離が所定値以下のとき，目標面６０に対するバケット１０の角度θが予め設定した対目標面バケット角度θＴＧＴとなるようにバケットシリンダ７（バケット１０）の動作を制御するＭＣ（バケット角度制御）が実行される。バケット制御部８１ｂでは，バケットシリンダ７の流量制御弁１５ｃの目標パイロット圧が演算される。

　電磁比例弁制御部４４は，アクチュエータ制御部８１から出力される各流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を基に，各電磁比例弁５４～５６への指令を演算する。なお，オペレータ操作に基づくパイロット圧（第１制御信号）と，アクチュエータ制御部８１で算出された目標パイロット圧が一致する場合には，該当する電磁比例弁５４～５６への電流値（指令値）はゼロとなり，該当する電磁比例弁５４～５６の動作は行われない。

　＜アームシリンダ第３速度演算部４３ｅによる第３速度算出のフロー＞
　図１１にアームシリンダ第３速度演算部４３ｅがアームシリンダ６の第３速度を算出するフローチャート図を示す。アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１１のフローを所定の制御周期で繰り返し実行し，以下の説明では制御周期をステップとも称している。なお，以下の図１１の説明における主語はアームシリンダ第３速度演算部４３ｅである。

　Ｓ６００では，操作量演算部４３ａで演算された現在のアーム操作量が閾値Ｐｉｔより大きいかを判定する。ここで閾値Ｐｉｔはアーム９が操作されたか否かを判定するための定数である。アーム操作量が閾値Ｐｉｔより大きい場合アーム操作がなされたと判定しＳ６１０に進み，アーム操作量が閾値Ｐｉｔ以下の場合アーム操作がなされていないと判定し，Ｓ６９０へ進む。

　Ｓ６１０では，１ステップ前のアーム操作量が閾値Ｐｉｔより大きいかを判定する。Ｓ６１０でＹＥＳの場合，１ステップ前からアーム操作が継続しているとみなしてＳ６２０でタイマーのカウント時間ｔを制御周期分だけ進めて，Ｓ６４０へ進む。一方，Ｓ６１０でＮＯの場合，今回のステップからアーム操作が開始したとみなしてＳ６３０でタイマーのカウント時間ｔをリセット，すなわちｔ＝０として，Ｓ６４０へ進む。

　Ｓ６４０では，アームシリンダ第２速度演算部４３ｄで算出した第２速度Ｖａｍａを取得し，Ｓ６５０へ進む。

　Ｓ６５０では，アームシリンダ第１速度演算部４３ｆで算出した第１速度Ｖａｍｅを取得し，Ｓ６６０へ進む。

　Ｓ６６０では，Ｓ６２０またはＳ６３０で算出されたタイマーのカウント時間ｔと図１２のテーブルから第２速度Ｖａｍａの重み付割合Ｗａｃｔを算出する。重み付割合Ｗａｃｔは図１２に示すようにタイマーのカウント時間ｔで決まる関数であり，本稿では重み付割合Ｗａｃｔを「第２の重み付関数」と称することがある。図１２において，ｔ＝０～ｔ０の間ではＷａｃｔは０で一定であり，ｔ＝ｔ０～ｔ１の間ではＷａｃｔはカウント時間ｔの増加に応じて０から１まで単調増加し，ｔ＝ｔ１以降ではＷａｃｔは１で一定となる。

　本稿では，ｔ０を「第１の所定時間」，ｔ１を「第２の所定時間」と称することがある。ｔ０及びｔ１は，作業装置姿勢検出装置５０の応答遅れを考慮した値を選定し設定し，例えば次のように設定できる。図１７は，ｔ０，ｔ１の一例と，アームシリンダ６の第１速度，第２速度及び実速度との関係を模式的に示した説明図である。図１７における上の図のようにアーム操作圧をゼロから急激に増加させると，アームシリンダ６の第１速度，第２速度及び実速度（真値）は図１７における下の図のように変化する。すなわち，第１速度は，既述の通りアーム操作圧（操作量）と図９のテーブルから算出されるため，アーム操作圧の変化とほぼ同じタイミングで変化する。しかし，実際はオペレータがレバーを操作してからアームシリンダ６が動き出すまでには応答遅れがあるため，実速度は第１速度に遅れて図のように変化する。そして，第２速度は，既述の通りアーム９の実際の姿勢変化を基に算出されるため，実速度に遅れて図のように変化し，時間ｔ０でようやく実速度と同定し得る値に達する。上記の事情を鑑みて，本実施形態では，レバー操作を開始してから第２速度と実速度の値が一致するとみなし得るまでに要する時間をｔ０に設定している。そして，ｔ１はｔ０よりも大きな時間とし，ｔ０からｔ１に至るまでの間に第３速度が第１速度から第２速度に徐々に遷移してもバケット爪先の動作がオペレータに違和感を与えないような必要十分な時間をｔ１に設定している。ｔ０およびｔ１はブームの応答（ＭＣの応答）が確保できる可能な限り小さい値に設定できる（例えば，ｔ０およびｔ１はそれぞれ２秒以下の値に設定できる）。

　Ｓ６７０では，Ｓ６６０で算出したアームシリンダ第２速度の重み付割合Ｗａｃｔからアームシリンダ第１速度Ｖａｍｅの重み付割合Ｗｅｓｔを算出する。本稿では重み付割合Ｗｅｓｔを「第1の重み付関数」と称することがある。重み付割合Ｗｅｓｔは，Ｗｅｓｔ＝１－Ｗａｃｔにて算出する。すなわち，ｔ＝０～ｔ０の間ではＷｅｓｔは１で一定であり，ｔ＝ｔ０～ｔ１の間ではＷｅｓｔはカウント時間ｔの増加に応じて１から０まで単調減少し，ｔ＝ｔ１以降ではＷｅｓｔは０で一定となる。

　Ｓ６８０では，アームシリンダ第３速度ＶａｍｓをＶａｍｓ＝Ｖａｍａ×Ｗａｃｔ＋Ｖａｍｅ×Ｗｅｓｔとして出力する。すなわち，第1の重み付関数Ｗｅｓｔを第１速度Ｖａｍｅに乗じた値と，第２の重み付関数Ｗａｃｔを第２速度Ｖａｍａに乗じた値との和を第３速度として算出し，その演算結果をアクチュエータ制御部８１に出力する。

　ところで，Ｓ６００でＮｏと判定された場合，Ｓ６００にてアーム操作がなされていないとみなして，Ｓ６９０にてアームシリンダ第３速度Ｖａｍｓ＝０を出力する。

　＜ブーム制御部８１ａによるブーム上げ制御のフロー＞
　本実施の形態の制御コントローラ４０は，ブーム制御部８１ａによるブーム上げ制御をＭＣとして実行する。このブーム制御部８１ａによるブーム上げ制御のフローを図８に示す。図８はブーム制御部８１ａで実行されるＭＣのフローチャートであり，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａがオペレータにより操作されると処理が開始される。

　Ｓ４１０では，ブーム制御部８１ａは各油圧シリンダ５，６，７の速度を取得する。まず，ブームシリンダ５とバケットシリンダ７の速度については，操作量演算部４３ａで演算されたブーム８とバケット１０に対する操作量を基にブームシリンダ５とバケットシリンダ７の速度を演算して取得する。具体的には，前述の図９と同様にあらかじめ実験やシミュレーションで求めた操作量に対するシリンダ速度をテーブルとして設定し，これに従ってブームシリンダ５とバケットシリンダ７の速度を算出する。一方，アームシリンダ６の速度については，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅが前述の図１１のフローに基づいて算出した第３速度Ｖａｍｓをアームシリンダ６の速度として取得する。

　Ｓ４２０では，ブーム制御部８１ａは，Ｓ４１０で取得した各油圧シリンダ５，６，７の動作速度と，姿勢演算部４３ｂで演算された作業装置１Ａの姿勢とを基に，オペレータ操作によるバケット先端（爪先）の速度ベクトルＢを演算する。

　Ｓ４３０では，ブーム制御部８１ａは，姿勢演算部４３ｂで演算したバケット１０の爪先の位置（座標）と，ＲＯＭ９３に記憶された目標面６０を含む直線の距離から，バケット先端から制御対象の目標面６０までの距離Ｄ（図５参照）を算出する。そして，距離Ｄと図１０のグラフを基にバケット先端の速度ベクトルの目標面６０に垂直な成分の下限側の制限値ａｙを算出する。

　Ｓ４４０では，ブーム制御部８１ａは，Ｓ４２０で算出したオペレータ操作によるバケット先端の速度ベクトルＢにおいて，目標面６０に垂直な成分ｂｙを取得する。

　Ｓ４５０では，ブーム制御部８１ａは，Ｓ４３０で算出した制限値ａｙが０以上か否かを判定する。なお，図８の右上に示したようにｘｙ座標を設定する。当該ｘｙ座標では，ｘ軸は目標面６０と平行で図中右方向を正とし，ｙ軸は目標面６０に垂直で図中上方向を正とする。図８中の凡例では垂直成分ｂｙ及び制限値ａｙは負であり，水平成分ｂｘ及び水平成分ｃｘ及び垂直成分ｃｙは正である。そして，図１０から明らかであるが，制限値ａｙが０のときは距離Ｄが０，すなわち爪先が目標面６０上に位置する場合であり，制限値ａｙが正のときは距離Ｄが負，すなわち爪先が目標面６０より下方に位置する場合であり，制限値ａｙが負のときは距離Ｄが正，すなわち爪先が目標面６０より上方に位置する場合である。Ｓ４５０で制限値ａｙが０以上と判定された場合（すなわち，爪先が目標面６０上またはその下方に位置する場合）にはＳ４６０に進み，制限値ａｙが０未満の場合にはＳ４８０に進む。

　Ｓ４６０では，ブーム制御部８１ａは，オペレータ操作による爪先の速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが０以上か否かを判定する。ｂｙが正の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが上向きであることを示し，ｂｙが負の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが下向きであることを示す。Ｓ４６０で垂直成分ｂｙが０以上と判定された場合（すなわち，垂直成分ｂｙが上向きの場合）にはＳ４７０に進み，垂直成分ｂｙが０未満の場合にはＳ５００に進む。

　Ｓ４７０では，ブーム制御部８１ａは，制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し，制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ５００に進む。一方，制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ５３０に進む。

　Ｓ５００では，ブーム制御部８１ａは，マシンコントロールによるブーム８の動作で発生すべきバケット先端の速度ベクトルＣの目標面６０に垂直な成分ｃｙを算出する式として「ｃｙ＝ａｙ－ｂｙ」を選択し，その式とＳ４３０の制限値ａｙとＳ４４０の垂直成分ｂｙを基に垂直成分ｃｙを算出する。そして，算出した垂直成分ｃｙを出力可能な速度ベクトルＣを算出し，その水平成分をｃｘとする（Ｓ５１０）。

　Ｓ５２０では，目標速度ベクトルＴを算出する。目標速度ベクトルＴの目標面６０に垂直な成分をｔｙ，水平な成分ｔｘとすると，それぞれ「ｔｙ＝ｂｙ＋ｃｙ，ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」と表すことができる。これにＳ５００の式（ｃｙ＝ａｙ－ｂｙ）を代入すると目標速度ベクトルＴは結局「ｔｙ＝ａｙ，ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」となる。つまり，Ｓ５２０に至った場合の目標速度ベクトルの垂直成分ｔｙは制限値ａｙに制限され，マシンコントロールによる強制ブーム上げが発動される。

　Ｓ４８０では，ブーム制御部８１ａは，オペレータ操作による爪先の速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが０以上か否かを判定する。Ｓ４８０で垂直成分ｂｙが０以上と判定された場合（すなわち，垂直成分ｂｙが上向きの場合）にはＳ５３０に進み，垂直成分ｂｙが０未満の場合にはＳ４９０に進む。

　Ｓ４９０では，ブーム制御部８１ａは，制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し，制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ５３０に進む。一方，制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ５００に進む。

　Ｓ５３０に至った場合，マシンコントロールでブーム８を動作させる必要が無いので，ブーム制御部８１ａは，速度ベクトルＣをゼロとする。この場合，目標速度ベクトルＴは，Ｓ５２０で利用した式（ｔｙ＝ｂｙ＋ｃｙ，ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ）に基づくと「ｔｙ＝ｂｙ，ｔｘ＝ｂｘ」となり，オペレータ操作による速度ベクトルＢと一致する（Ｓ５４０）。

　Ｓ５５０では，ブーム制御部８１ａは，Ｓ５２０またはＳ５４０で決定した目標速度ベクトルＴ（ｔｙ，ｔｘ）を基に各油圧シリンダ５，６，７の目標速度を演算する。なお，上記説明から明らかであるが，図８の場合に目標速度ベクトルＴが速度ベクトルＢに一致しないときには，マシンコントロールによるブーム８の動作で発生する速度ベクトルＣを速度ベクトルＢに加えることで目標速度ベクトルＴを実現する。

　Ｓ５６０では，ブーム制御部８１ａは，Ｓ５５０で算出された各シリンダ５，６，７の目標速度を基に各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を演算する。

　Ｓ５９０では，ブーム制御部８１ａは，各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を電磁比例弁制御部４４に出力する。

　電磁比例弁制御部４４は，各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに目標パイロット圧が作用するように電磁比例弁５４，５５，５６を制御し，これにより作業装置１Ａによる掘削が行われる。例えば，オペレータが操作装置４５ｂを操作して，アームクラウド動作によって水平掘削を行う場合には，バケット１０の先端が目標面６０に侵入しないように電磁比例弁５５ｃが制御され，ブーム８の上げ動作が自動的に行われる。

　なお，本実施形態では，ブーム制御部８１ａによるブーム制御（強制ブーム上げ制御）と，バケット制御部８１ｂによるバケット制御（バケット角度制御）がＭＣとして実行されるが，バケット１０と目標面６０の距離Ｄに応じたブーム制御をＭＣとして実行しても良い。

　＜動作・効果＞
　上記のように構成される油圧ショベルの動作について図１３を利用して説明する。ここでは，アーム回動中心を通過する水平面とアーム９のなす角をアーム角度φとし，アームクラウド操作を入力して切り上げ作業を開始する状態Ｓ１（図１３：アーム角度φ１≦９０度）から，切り上げ作業の途中段階である状態Ｓ２（図１３：アーム角度φ２＞９０度）に遷移する場合のオペレータ操作と，制御コントローラ４０（ブーム制御部８１ａ）によるＭＣについて説明する。

　ここで，図１２の時間ｔ０および時間ｔ１はブームの応答（ＭＣの応答）が確保できる可能な限り小さい値（例えば，２秒以下の値）であるため，アームクラウド操作の開始後に状態Ｓ１から状態Ｓ２に遷移するのは時間ｔ１以降であるとする。図１３の状態Ｓ１から状態Ｓ２の間，オペレータはアーム９のクラウド操作を行う。アーム９のクラウド操作によりバケット１０が目標面６０の下方に侵入すると判断されるときには，図８のフローに基づいてブーム制御部８１ａから電磁弁５４ａに指令が出力され，強制的にブーム８を上昇させる制御（ＭＣ）が実行される。

　（１）アームクラウド開始からの経過時間がｔ０未満の場合
　まず，オペレータがアーム９のクラウド操作を開始してからの経過時間がｔ０未満の場合は，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１１の制御フローに基づいてアームシリンダ６の速度として第１速度をアクチュエータ制御部８１に出力する。このとき，アクチュエータ制御部８１（ブーム制御部８１ａ）は，アームシリンダ６の速度として第１速度を利用しながらバケット先端速度Ｂを算出し，図８のフローに基づいて必要に応じてＭＣが発動され，これによりバケット１０の爪先が目標面６０の上またはその上方に保持される。このようにアーム９の始動時のアームシリンダ６の速度として第１速度を利用してＭＣを行うと，第１速度は実際のアームの速度より速くなる傾向があるものの（図１７参照），ＭＣによるブーム上げ制御の応答性は確保されるので，爪先の挙動を安定させることができる。

　（２）アームクラウド開始からの経過時間がｔ０以後かつｔ１未満の場合
　次に，オペレータがアーム９のクラウド操作を開始してからの経過時間がｔ０以後かつｔ１未満の場合は，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１１の制御フローに基づいて第１速度Ｖａｍｅ及び第２速度Ｖａｍａ及び重み付割合Ｗａｃｔ，Ｗｅｓｔから算出される第３速度Ｖａｍｓ（Ｖａｍｓ＝Ｖａｍａ×Ｗａｃｔ＋Ｖａｍｅ×Ｗｅｓｔ）をアームシリンダ６の速度としてアクチュエータ制御部８１に出力する。これによりアクチュエータ制御部８１（ブーム制御部８１ａ）でアームシリンダ６の速度として利用される速度は，時間の経過とともに第１速度から徐々に第２速度にシフトするので，第１速度から第2速度に突然変化する場合と比較してバケット爪先の挙動が突然変化することが防止され，その結果オペレータが爪先の挙動に違和感をおぼえることを防止できる。

　（３）アームクラウド開始からの経過時間がｔ１以後の場合
　最後に，オペレータがアーム９のクラウド操作を開始してからの経過時間がｔ１以後の場合は，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１１の制御フローに基づいてアームシリンダ６の速度として第２速度をアクチュエータ制御部８１に出力する。このとき，アクチュエータ制御部８１（ブーム制御部８１ａ）は，アームシリンダ６の速度として第２速度を利用しながらバケット先端速度Ｂを算出し，図８のフローに基づいて必要に応じてＭＣが発動され，これによりバケット１０の爪先が目標面６０の上またはその上方に保持される。このようにアーム９の動作中のアームシリンダ６の速度として第２速度を利用してＭＣを行うと，実速度に近い速度でＭＣを行うことができるので，爪先の挙動を安定させることができる。

　特に，時間ｔ１以後で状態Ｓ２のようにアーム角度φが９０度以下の状態でＭＣが実行される場合は，アーム９より先のフロント作業装置（アーム９およびバケット１０）の自重により実際のアームシリンダ速度は第１速度よりも小さくなってしまう。しかし，本実施形態によれば，図１１の制御フローにより，時間ｔ１以降は，実際の姿勢変化に基づいて算出される第２速度をアームシリンダの速度としてＭＣが行われるので適切なブーム上げ指令を出力でき，ＭＣの精度を向上できる。

　つまり，本実施形態によれば，ＭＣ時のアームシリンダの速度として第1速度を常に利用していた場合と比較して，実際の姿勢変化に基づいて算出される第２速度を利用することで，負荷圧や姿勢，油温等の変化の影響を受けにくくなるため，ＭＣを安定させることができる。

　＜第２実施形態＞
　次に本発明の第２実施形態について説明する。　
　まず，本実施形態が解決しようとする主たる課題を説明する。第１実施形態では，姿勢センサはアームが実際に動き始めてからその姿勢変化を検出可能となるため，アームの動き始めに対してＭＣの応答が遅れる可能性がある点を挙げた。しかし，アームの動き始め以外であっても，オペレータがアーム操作レバーの操作量を急変させた場合には，姿勢センサの応答よりも早く実際のアームシリンダ速度が変化し得るので，アームの動き始めと同様に姿勢センサの出力から算出したアーム速度は実際のアーム速度と乖離し得る。本実施形態はこの点の解決を図ったものである。

　図１５は第２実施形態のＭＣ制御部４３Ａの機能ブロック図である。この図に示すように，本実施形態のＭＣ制御部４３Ａは，第１実施形態のものと異なり，作動油温検出装置２１０で検出された検出値をアームシリンダ第１速度演算部４３ｆに入力しており，その検出値を第１速度の補正に利用している。また，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅの制御フローが第１実施形態と異なっている。その他の部分については第１実施形態と同じであり説明は省略する。以下，本実施形態について詳説する。

　＜アームシリンダ第３速度演算部４３ｅによる第３速度算出のフロー＞
　図１６に第２実施形態のアームシリンダ第３速度演算部４３ｅがアームシリンダ６の第３速度を算出するフローチャート図を示す。第１実施形態と同様に，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１６のフローを所定の制御周期で繰り返し実行し，図１１と同じ処理には同じ符号を付して説明を省略する。なお，以下の図１６の説明における主語はアームシリンダ第３速度演算部４３ｅである。

　Ｓ７２０では，操作量演算部４３ａで演算された現在と１ステップ前のアーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔよりも大きいかを判定する。ここで，閾値ｄＰｉｔは次の方法にて決定することができる。

　＜閾値ｄＰｉｔについて＞
　オペレータの操作によってアーム９の動作速度が急速に変化したとき（アーム９の動作速度の時間変化量が大きいとき）に，作業装置姿勢検出装置５０の検出応答性能により，実際のアームシリンダ速度（真値）とアームシリンダ第２速度演算部４３ｄで演算した第２速度とで乖離が生じる場合がある。この乖離が生じるアーム９の動作速度の時間変化量が閾値ｄＷａｍ以上であるとする。すなわち，アーム９の動作速度の時間変化量が閾値ｄＷａｍ以上であれば作業装置姿勢検出装置５０は応答遅れが生じ，閾値ｄＷａｍ未満であれば作業装置姿勢検出装置５０はアーム９の動作速度の時間変化量に対して十分追従できる。

　本実施形態では，アーム９の動作速度の時間変化量が閾値ｄＷａｍとなるアーム操作量（アーム操作圧と等価）の変化量をあらかじめ実験やシミュレーションにて求め，これを閾値ｄＰｉｔとして設定している。

　Ｓ７２０でＹＥＳと判定された場合（現在と１ステップ前のアーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔよりも大きいと判定された場合），１ステップ前から今回のステップでアーム９の動作速度が急速に変化しているとみなして，Ｓ７３０で１ステップ前と２ステップ前のアーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔよりも大きいかを判定する。

　Ｓ７３０でＹＥＳと判定された場合（１ステップ前と２ステップ前のアーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔよりも大きいと判定された場合），アーム９の動作速度が急速に変化している状態が継続しているとみなして，Ｓ６２０でタイマーのカウント時間ｔを制御周期分だけ進めて，Ｓ６４０へ進む。

　Ｓ７３０でＮＯと判定された場合（１ステップ前と２ステップ前のアーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔ以下と判定された場合），アーム９の動作速度の急速な変化が今回のステップで開始したとみなして，Ｓ６３０でタイマーのカウント時間ｔをリセット，すなわちｔ＝０として，Ｓ６４０へ進む。

　Ｓ７２０でＮＯと判定された場合（現在と１ステップ前のアーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔ以下と判定された場合），１ステップ前からアーム操作が継続しているとみなして（すなわち第１実施形態のＳ６１０でＹＥＳと判定された場合と同じに扱われる），Ｓ６２０でタイマーのカウント時間ｔを制御周期分だけ進めて，Ｓ６４０へ進む。

　Ｓ６４０では，アームシリンダ第２速度演算部４３ｄで算出した第２速度Ｖａｍａを取得し，Ｓ７７０へ進む。

　Ｓ７７０では，アームシリンダ第１速度演算部４３ｆが作動油温検出装置２１０の検出値を考慮して算出した第１速度Ｖａｍｅを取得する。

　＜作動油温による第１速度の補正処理＞
　ここで本実施形態のアームシリンダ第１速度演算部４３ｆの第１速度の演算処理について説明する。アームシリンダ第1速度演算部４３ｆは，操作量演算部４３ａが算出したアーム操作量と，アーム操作量とアームシリンダ速度の相関関係が規定された図１８のテーブルと，作動油温検出装置２１０の検出値（検出温度Ｔｔ）とを基にアームシリンダ６の第１速度を算出している。図１８のテーブルでは，図９同様，アーム操作量の増加とともにアームシリンダ速度が単調に増加するように操作量と速度の相関関係が規定されている。図１８のテーブルは，作動油温検出装置２１０の検出温度Ｔｔが所定値Ｔｔ０以下の場合，作動油温検出装置２１０の検出温度Ｔｔと所定値Ｔｔ０の偏差ΔＴｔの増加に応じてアームシリンダ速度が減少するように補正される。図１８には，作動油温検出装置２１０の検出温度がＴｔ０，Ｔｔ１，Ｔｔ２，Ｔｔ３（但し，Ｔｔ３＜Ｔｔ２＜Ｔｔ１＜Ｔｔ０）のときに利用される関数を示した。このように，作動油温検出装置２１０によって検出された油温Ｔｔが所定値Ｔｔ０以下の場合，所定値Ｔｔ０との偏差ΔＴｔの増加に応じてアームシリンダ６の速度が小さくなることを加味して，アームシリンダ第１速度演算部４３ｆは，図９のテーブルと操作量演算部４３ａが算出したアーム操作量から算出される速度よりも小さい速度を第１速度Ｖａｍｅとして算出する。

　Ｓ６６０以降の処理は図１１の処理と同じなので説明は省略する。

　＜動作・効果＞
　上記のように構成される油圧ショベルにおいて，オペレータがアーム操作中にアーム操作量を急変させると，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１６のＳ７２０，７３０の処理を経由してＳ６３０でタイマーをリセットし，アームシリンダ６の速度として第１速度をアクチュエータ制御部８１に出力する。これにより，第１速度は実際のアームの速度より速くなる傾向があるものの，ＭＣによるブーム上げ制御の応答性は確保されるので，爪先の挙動を安定させることができる。

　レバー操作量の変化量が継続してｄＰｉｔを越えている場合には，次の制御周期で，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１６のＳ７２０，７３０の処理を経由してＳ６２０でタイマーのカウント時間ｔを制御周期分だけ進めて，Ｓ６４０へ進む。Ｓ６４０以降の処理ではアームシリンダ第３速度演算部４３ｅはカウント時間ｔに応じた第３速度をアクチュエータ制御部８１に出力する。

　カウント時間ｔがｔ０以上かつｔ１未満の場合，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１６の制御フローに基づいて第１速度Ｖａｍｅ及び第２速度Ｖａｍａ及び重み付割合Ｗａｃｔ，Ｗｅｓｔから算出される第３速度Ｖａｍｓ（Ｖａｍｓ＝Ｖａｍａ×Ｗａｃｔ＋Ｖａｍｅ×Ｗｅｓｔ）をアームシリンダ６の速度としてアクチュエータ制御部８１に出力する。

　カウント時間ｔがｔ１以上の場合，アームシリンダ第３速度演算部４３ｅは図１６の制御フローに基づいて第２速度をアームシリンダ６の速度としてアクチュエータ制御部８１に出力する。このようにアーム９の動作中のアームシリンダ６の速度として第２速度を利用してＭＣを行うと，実速度に近い速度でＭＣを行うことができるので，爪先の挙動を安定させることができる。

　また，作動油温が低温で油圧アクチュエータの速度が低下する場合であっても，作動油温検出装置２１０の検出結果に基づいてアームシリンダの推定速度を算出するため，ブーム上げ操作量を適切に算出できる。

　したがって，本実施形態においても，ＭＣ時のアームシリンダの速度として第1速度を常に利用していた場合と比較して，実際の姿勢変化に基づいて算出される第２速度を利用することで，負荷圧や姿勢，油温等の変化の影響を受けにくくなるため，ＭＣを安定させることができる。

　＜その他＞
　上記第２実施形態では時間ｔ０，ｔ１を固定の値としているが，アーム操作量の変化量に応じて時間ｔ０，ｔ１の値を可変としても良い。

　また，第２実施形態のＳ６６０では，第１実施形態と同様に，タイマーのカウント時間ｔと図１２のテーブルから第２速度Ｖａｍａの重み付割合Ｗａｃｔを算出するが，Ｓ６１０でＮＯと判定された場合（アーム操作が開始したと判定された場合）と，Ｓ７３０でＮＯと判定された場合（アーム操作量の変化量が閾値ｄＰｉｔ以上と判定された場合）とで，利用するテーブルを異ならせても良い。すなわち，Ｓ７３０でＮＯと判定された場合は，図１２のテーブルと異なるテーブルを利用しても良い。

　第２実施形態では，アームシリンダ第１速度演算部４３ｆにおいて作動油温による第１速度の補正処理を行ったが，この処理は本実施形態から省略可能であり，また第１実施形態にも追加可能である。

　上記の各実施形態ではブーム８，アーム９，バケット１０の角度を検出する角度センサを用いたが，角度センサではなくシリンダストロークセンサによりショベルの姿勢情報を算出するとしても良い。また，油圧パイロット式のショベルを例として説明したが，電気レバー式のショベルであれば電気レバーから生成される指令電流を制御するような構成としても良い。フロント作業装置１Ａの速度ベクトルの算出方法について，オペレータ操作によるパイロット圧ではなく，ブーム８，バケット１０の角度を微分することで算出される角速度から求めても良い。

　上記の各実施形態では，アームを特定フロント部材，アームシリンダを特定油圧アクチュエータとして，アーム操作開始からの時間やアームの急動作開始からの時間に応じてアームシリンダの速度を算出するプロセスを変更したが，操作量から算出される速度の精度や姿勢検出装置の応答性の課題は，アーム以外のフロント部材であるブームやバケットにも該当する。したがって， 特定フロント部材と特定油圧アクチュエータは，ブーム８とブームシリンダ５や，バケット１０とバケットシリンダ７にも変更可能である。

　上記の制御コントローラ４０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）等に記憶することができる。

　本発明は，上記の各実施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，上記の各実施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，ある実施形態に係る構成の一部を，他の実施形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

　１Ａ…フロント作業装置，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…制御コントローラ（制御装置），４３…ＭＣ制御部，４３ａ…操作量演算部，４３ｂ…姿勢演算部，４３ｃ…目標面演算部，４３ｄ…アームシリンダ第２速度演算部，４３ｅ…アームシリンダ第３速度演算部，４３ｆ…アームシリンダ第１速度演算部，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），５０…作業装置姿勢検出装置（姿勢検出装置），５１…目標面設定装置，５２ａ…オペレータ操作量検出装置（操作量検出装置），５３…表示装置，５４，５５，５６…電磁比例弁，８１…アクチュエータ制御部，８１ａ…ブーム制御部，８１ｂ…バケット制御部，２１０…作動油温検出装置

Claims (5)

1. 　複数のフロント部材を有する作業装置と，
   　前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと，
   　オペレータの操作に応じて前記複数の油圧アクチュエータの動作を指示する操作装置と，
   　前記操作装置の操作時に，前記複数の油圧アクチュエータの速度と予め定めた条件に従って前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部を有する制御装置とを備える作業機械において，
   　前記複数のフロント部材の１つである特定フロント部材の姿勢に関する物理量を検出する姿勢検出装置と，
   　オペレータから前記操作装置に入力される操作量のうち前記特定フロント部材に対する操作量に関する物理量を検出する操作量検出装置とを備え，
   　前記制御装置は，
   　　前記複数の油圧アクチュエータのうち前記特定フロント部材を駆動する特定油圧アクチュエータの第１速度を前記操作量検出装置の検出値から算出する第１速度演算部と，
   　　前記特定油圧アクチュエータの第２速度を前記姿勢検出装置の検出値から算出する第２速度演算部と，
   　　前記アクチュエータ制御部で前記特定油圧アクチュエータの速度として利用される第３速度を前記第１速度と前記第２速度に基づいて算出する第３速度演算部とを備え，
   　前記第３速度演算部は，
   　　前記操作量検出装置にて前記特定フロント部材に対する操作が入力されたことが検出されてから第１の所定時間までの間，前記第１速度を前記第３速度として算出し，
   　　前記第１の所定時間から前記第１の所定時間よりも大きな第２の所定時間までの間，前記第１速度と前記第２速度から算出される速度を前記第３速度として算出し，
   　　前記第２の所定時間以降，前記第２速度を前記第３速度として算出する
   　ことを特徴とする作業機械。
2. 　請求項１の作業機械において，
   　前記第３速度演算部は，前記第１の所定時間から前記第２の所定時間までの間，時間の増加に応じて値が減少する第１の重み付関数を前記第１速度に乗じた値と，時間の増加に応じて値が増加する第２の重み付関数を前記第２速度に乗じた値との和を前記第３速度として算出する
   　ことを特徴とする作業機械。
3. 　請求項１の作業機械において，
   　前記第３速度演算部は，
   　　前記操作量検出装置にて前記特定フロント部材に対する操作量の変化量が所定量以上であることが検出されてから第３の所定時間までの間，前記第１速度を前記第３速度として算出し，
   　　前記第３の所定時間から前記第３の所定時間よりも大きな第４の所定時間までの間，前記第１速度と前記第２速度から算出される速度を前記第３速度として算出し，
   　　前記第４の所定時間以降，前記第２速度を前記第３速度として算出する
   　ことを特徴とする作業機械。
4. 　請求項１の作業機械において，
   　前記特定油圧アクチュエータを駆動するための作動油温を検出する作動油温検出装置をさらに備え，
   　前記第１速度演算部は，前記作動油温検出装置によって検出された油温が所定値以下の場合，前記操作量検出装置の検出値から算出される速度よりも小さい速度を前記第１速度として算出する
   　ことを特徴とする作業機械。
5. 　請求項１の作業機械において，
   　前記特定フロント部材はアームであり，
   　前記特定油圧アクチュエータは前記アームを駆動するアームシリンダである
   　ことを特徴とする作業機械。

Images