WO2020054160A1

WO2020054160A1 - 作業機械

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Publication number: WO2020054160A1
Application number: PCT/JP2019/023406
Authority: WO
Inventors: 田中　宏明; 寿身中野; 悠介鈴木; 坂本　博史
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2020-03-19
Also published as: US20210010226A1; KR102378264B1; EP3851589A1; EP3851589A4; US11840822B2; JP7141899B2; CN111868333A; KR20200110432A; CN111868333B; JP2020041385A

Abstract

施工対象の目標形状を示す設計面の角度や作業機の姿勢に関わらず、設計面に沿って作業具が移動するように操縦者の操作を補助することができる作業機械を提供する。　コントローラは、施工目標設定装置で設定された設計面と作業機姿勢位置測定装置で測定された作業機の姿勢とに基づいて、複数のアクチュエータのうち掘削動作を担う掘削用アクチュエータと前記作業具の位置決め動作を担う位置決め用アクチュエータとを決定し、前記掘削用アクチュエータの目標速度を操作装置から出力される操作信号に基づいて決定し、前記位置決め用アクチュエータの目標速度を前記作業具が前記設計面に近づく方向において制限する。

Description

作業機械

　本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関する。

　従来の油圧ショベル等の作業機械に搭載される油圧システムとしては、エンジン等の原動機と、原動機により駆動される油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出された圧油により駆動されるアクチュエータと、油圧ポンプからアクチュエータに供給される圧油の方向および流量を制御する方向制御弁とで構成されたものが知られている。アクチュエータの動作方向と動作速度は、操縦者が作業機械に備えられた操作レバー等の操作装置を操作することで決定される。

　施工対象の目標形状を示す設計面通りに地面を掘削する作業で操縦者の操作を補助できる半自動制御を搭載した油圧ショベル（半自動ショベル）を開示するものとして、例えば特許文献１がある。

　特許文献１には、車両本体に揺動可能に取り付けられるブームと、前記ブームに揺動可能に取り付けられるアームと、前記アームに揺動可能に取り付けられるバケットを含む作業機と、前記作業機を駆動するユーザ操作を受け付け、前記ユーザ操作に応じた操作信号を出力する操作具と、少なくとも前記アームを操作するためのアーム操作信号が前記操作信号に含まれている場合に前記作業機の作業形態は成形作業であると判定し、前記アーム操作信号が前記操作信号に含まれていない場合に前記作業形態は刃先位置合せ作業であると判定する作業形態判定部と、前記作業形態が成形作業であると判定された場合に、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って前記バケットを移動させ、前記作業形態が刃先位置合せ作業であると判定された場合に、前記設計面を基準とする所定位置で前記バケットを停止させる駆動制御部と、を備える作業機制御システムが記載されている。

特許第５５４８３０６号

　ところで、半自動ショベルではない油圧ショベルを用いて掘削作業を行う場合、操縦者は設計面の角度や作業機の姿勢を考慮し、バケットの爪先が設計面に沿って移動するようにアームとブームを操作する。

　例えば、設計面が水平面である場合は、アームを巻込み方向に操作して掘削を行いつつ、ブームを上げ方向に操作してバケット爪先と設計面との距離を調整する。一方、設計面が垂直面である場合は、設計面に対するアームの角度（掘削角度）に応じてアームとブームのいずれを操作して掘削を行うかが変化する。具体的には、掘削角度が９０度以下のときは、アームを巻込み方向に操作して掘削を行いつつ、ブームを上げ方向に操作してバケット爪先と設計面との距離を調整し、掘削角度が９０度より大きいときは、ブームを下げ方向に操作して掘削を行いつつ、アームを押出方向に操作してバケット爪先と設計面との距離を調整する。このように、操縦者がアームとブームのいずれを操作して掘削を行うかは、設計面の角度や作業機の姿勢に応じて変化する。

　しかしながら、特許文献１に記載の半自動ショベルでは、少なくともアームを操作するためのアーム操作信号が操作信号に含まれている場合に作業機の作業形態は成形作業であると判定され、アーム操作信号が操作信号に含まれていない場合に作業形態は刃先位置合せ作業であると判定されるため、操縦者が垂直な設計面を掘削しようとしてブームを下げ方向に操作しても、作業形態が成形作業であると判定されない。そのため、垂直な設計面に沿ってバケットが移動するように操縦者の操作を補助することができない。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、施工対象の目標形状を示す設計面の角度や作業機の姿勢に関わらず、設計面に沿って作業具が移動するように操縦者の操作を補助することができる作業機械を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明は、作業具と複数の作業部材とを有する多関節型の作業機と、前記作業機を駆動する複数のアクチュエータと、前記作業機を操作するための操作装置と、前記操作装置から出力される操作信号に応じて前記作業機の動作を制御するコントローラと、施工対象の目標形状を示す設計面を設定するための施工目標設定装置と、前記作業機の姿勢および前記作業具の位置を測定する姿勢位置測定装置とを備え、前記コントローラは、前記操作装置から出力される操作信号に基づいて前記複数のアクチュエータの目標速度を決定し、前記施工目標設定装置で設定された設計面と前記姿勢位置測定装置で測定された前記作業具の位置とに基づいて前記目標速度を補正する作業機械において、前記コントローラは、前記施工目標設定装置で設定された前記設計面と前記姿勢位置測定装置で測定された前記作業機の姿勢とに基づいて、前記複数のアクチュエータのうち掘削動作を担う掘削用アクチュエータと前記作業具の位置決め動作を担う位置決め用アクチュエータとを決定し、前記掘削用アクチュエータの目標速度を前記操作装置から出力される操作信号に基づいて決定し、前記位置決め用アクチュエータの目標速度を前記作業具が前記設計面に近づく方向において制限するものとする。

　以上のように構成した本発明によれば、施工対象の目標形状を示す設計面と作業機の姿勢とに基づいて、複数のアクチュエータのうち掘削動作を担う掘削用アクチュエータと作業具の位置決め動作を担う位置決め用アクチュエータとが決定され、掘削用アクチュエータの目標速度が操作装置から出力される操作信号に基づいて決定され、位置決め用アクチュエータの目標速度が作業具が設計面に近づく方向において制限される。これにより、設計面の角度や作業機の姿勢に関わらず、設計面に沿って作業具が移動するように操縦者の操作を補助することが可能となる。

　本発明に係る作業機械によれば、施工対象の目標形状を示す設計面の角度や作業機の姿勢に関わらず、設計面に沿って作業具が移動するように操縦者の操作を補助することが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。図１に示す油圧ショベルに搭載される油圧制御システムの概略構成図である。図２に示すコントローラの機能ブロック図である。図２に示すアクチュエータ動作制限判定部の演算ロジックを示す図である。図２に示す半自動制御部のブームシリンダの動作に関わる演算ロジックを示す図である。図２に示す半自動制御部のアームシリンダの動作に関わる演算ロジックを示す図である。図２に示すコントローラによって実現されるフロント作業機の動作を示す図である。本発明の第２の実施例におけるアクチュエータ役割決定部の演算ロジックを示す図である。本発明の第２の実施例におけるコントローラによって実現されるフロント作業機の動作を示す図である。本発明の第３の実施例におけるコントローラの機能ブロック図である。本発明の第３の実施例における表示装置に表示される操作補助情報の一例を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態に係る作業機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

　図１は、本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。

　図１に示すように、油圧ショベル１００は、走行体１と、この走行体１上に旋回装置８を介して旋回可能に搭載された旋回体２と、この旋回体２の前側に上下方向に回動可能に連結されたフロント作業機１１０とを備えている。

　旋回体２は、基礎下部構造をなす旋回フレーム２ａを有する。旋回フレーム２ａの前側には、フロント作業機１１０が上下方向に回動可能に連結されている。旋回フレーム２ａの後側には、フロント作業機１１０との重量バランスを取るためのカウンタウェイト３が取り付けられている。旋回フレーム２ａの左側前部には、運転室４が設けられている。運転室４内には、フロント作業機１１０および旋回体２を操作するための操作装置としての左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒ（図２に示す）等が配置されている。旋回フレーム２ａ上には、原動機としてのエンジン（図示せず）、エンジンによって駆動される１つまたは複数の油圧ポンプからなるポンプ装置９、旋回装置８を駆動する旋回モータ８ａ、ポンプ装置９から旋回モータ８ａおよび後述するブームシリンダ５ａ、アームシリンダ６ａ、バケットシリンダ７ａを含む複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する複数の方向制御弁からなるコントロールバルブユニット１０等が搭載されている。

　フロント作業機１１０は、基端部が旋回フレーム２ａの右側前部に上下方向に回動可能に連結されたブーム５と、このブーム５の先端部に上下、前後方向に回動可能に連結され、ブーム５によって昇降されるアーム６と、このアーム６の先端部に上下、前後方向に回動可能に連結され、ブーム５またはアーム６によって昇降される作業具としてのバケット７と、ブーム５を駆動するブームシリンダ５ａと、アーム６を駆動するアームシリンダ６ａと、バケット７を駆動するバケットシリンダ７ａとを備えている。ブーム５、アーム、バケット７には、角度センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃがそれぞれ取り付けられている。角度センサ１１ａ～１１ｃは、フロント作業機１１０の姿勢およびバケット７の爪先位置を測定する姿勢位置測定装置を構成している。

　図２は、油圧ショベル１００に搭載される油圧制御システムの概略構成図である。

　図２に示すように、油圧制御システム２００は、コントローラ２０と、施工対象の目標形状を示す設計面を設定するための施工目標設定装置２１と、コントローラ２０から出力される情報を表示する表示装置２２と、油圧ショベル１００の動作をコントローラ２０に指示するための左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒと、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃと、油圧装置２３とを備えている。

　左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒは、操縦者によるレバー操作に応じた操作信号をコントローラ２０に出力する。

　コントローラ２０は、左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒから入力される操作信号と、施工目標設定装置２１から入力される設計面情報と、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから入力される作業機姿勢位置情報とを基に、アクチュエータ５ａ，６ａ，７ａ，８ａに対する動作指令を生成し、油圧装置２３に出力する。

　油圧装置２３は、コントローラ２０からの動作指令に応じて、ブームシリンダ５ａ、アームシリンダ６ａ、バケットシリンダ７ａ、旋回モータ８ａに圧油を供給し、ブーム５、アーム６、バケット７、旋回装置８を駆動する。

　図３は、コントローラ２０の機能ブロック図である。

　図３に示すように、コントローラ２０は、動作指令部３０と、アクチュエータ役割決定部３１と、アクチュエータ動作制限判定部３２と、半自動制御部３３とを有する。

　動作指令部３０は、左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒから入力される操作信号（左右のレバー操作量）を基に、アクチュエータ５ａ，６ａ，７ａの目標動作速度を決定し、目標速度に相当する動作指令を半自動制御部３３に出力する。

　アクチュエータ役割決定部３１には、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから作業機姿勢位置情報が入力され、施工目標設定装置２１から施工目標情報が入力される。アクチュエータ役割決定部３１は、作業機姿勢位置情報と施工目標情報とを基に、掘削を担当するアクチュエータ（掘削用アクチュエータ）とバケット７の位置決めを担当するアクチュエータ（位置決め用アクチュエータ）とを決定し、その結果をアクチュエータ役割情報としてアクチュエータ動作制限判定部３２に出力する。

　アクチュエータ動作制限判定部３２には、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから作業機姿勢位置情報が入力され、施工目標設定装置２１から施工目標情報が入力され、アクチュエータ役割決定部３１からアクチュエータ役割情報が入力される。アクチュエータ動作制限判定部３２は、作業機姿勢位置情報と施工目標情報とアクチュエータ役割情報とを基に、各アクチュエータの動作を制限するか否かを決定し、その結果を動作制限情報として半自動制御部３３に出力する。

　半自動制御部３３には、動作指令部３０から動作指令が入力され、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから作業機姿勢位置情報が入力され、施工目標設定装置２１から施工目標情報が入力され、アクチュエータ動作制限判定部３２から動作制限情報が入力される。半自動制御部３３は、バケット７による掘り過ぎを防止するため、施工目標情報に含まれる設計面とバケット爪先位置との偏差が小さくなるほどアクチュエータの目標速度が制限されるように、作業機姿勢位置情報と施工目標情報と動作制限情報とを基に動作指令を補正し、油圧装置２３に出力する。

　図４は、アクチュエータ動作制限判定部３２の演算ロジックを示す図である。

　図４に示すように、アクチュエータ動作制限判定部３２は、偏差演算部４１と、時間微分部４２と、ブーム動作制限決定部４３と、アーム動作制限決定部４４とを有する。

　偏差演算部４１には、施工目標設定装置２１から施工目標情報が入力され、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから作業機姿勢位置情報が入力される。偏差演算部４１は、施工目標情報に含まれる設計面と作業機姿勢位置情報に含まれるバケット爪先位置との偏差であるバケット爪先距離Ｄｂを演算し、時間微分部４２とブーム動作制限決定部４３とアーム動作制限決定部４４とに出力する。

　時間微分部４２は、偏差演算部４１から入力されるバケット爪先距離Ｄｂを時間微分し、その結果をバケット爪先速度Ｖｂとしてブーム動作制限決定部４３とアーム動作制限決定部４４とに出力する。

　ブーム動作制限決定部４３には、アクチュエータ役割決定部３１からブームシリンダ役割情報が入力され、偏差演算部４１からバケット爪先距離Ｄｂが入力され、時間微分部４２からバケット爪先速度Ｖｂが入力される。ブーム動作制限決定部４３は、ブームシリンダ役割情報とバケット爪先距離Ｄｂとバケット爪先速度Ｖｂとを基に、ブームシリンダ５ａの動作を制限するか否かを決定し、半自動制御部３３に出力する。具体的には、ブームシリンダ５ａが掘削用アクチュエータの場合、ブームシリンダ５ａが位置決め用アクチュエータでかつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔよりも大きい（バケット爪先が設計面から大きく離れている）場合、または、ブームシリンダ５ａが位置決め用アクチュエータでかつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔ以下（バケット爪先が設計面の近くまたは下側に位置する）でかつバケット爪先速度Ｖｂが正の値である（バケット爪先が設計面から離れる方向に移動する）場合は、ブームシリンダ５ａの動作を制限しないことを決定し、ブームシリンダ５ａが位置決め用アクチュエータでかつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔ以下で（バケット爪先が設計面の近くまたは下側に位置し）かつバケット爪先速度Ｖｂが０以下の値である（バケット爪先が設計面に近づく方向に移動する）場合は、ブームシリンダ５ａの動作を制限することを決定する。

　アーム動作制限決定部４４には、アクチュエータ役割決定部３１からアーム役割情報が入力され、偏差演算部４１からバケット爪先距離Ｄｂが入力され、時間微分部４２からバケット爪先速度Ｖｂが入力される。アーム動作制限決定部４４は、アームシリンダ役割情報とバケット爪先距離Ｄｂとバケット爪先速度Ｖｂとを基に、アームシリンダ６ａの動作を制限するか否かを決定し、半自動制御部３３に出力する。具体的には、アームシリンダ６ａが掘削用アクチュエータの場合、アームシリンダ６ａが位置決め用アクチュエータでかつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔよりも大きい（バケット爪先が設計面から大きく離れている）場合、または、アームシリンダ６ａが位置決め用アクチュエータでかつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔ以下で（バケット爪先が設計面の近くまたは下側に位置し）かつバケット爪先速度Ｖｂが正の値である（バケット爪先が設計面から離れる方向に移動する）場合は、アームシリンダ６ａの動作を制限しないことを決定し、アームシリンダ６ａが位置決め用アクチュエータでかつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔ以下で（バケット爪先が設計面の近くまたは下側に位置し）かつバケット爪先速度Ｖｂが０以下の値である（バケット爪先が設計面に近づく方向に移動する）場合は、アームシリンダ６ａの動作を制限することを決定する。

　図５は、半自動制御部３３のブームシリンダ５ａの動作に関する演算ロジックを示す図である。

　図５に示すように、半自動制御部３３は、制限係数決定部５０と、乗算部５１と、偏差演算部５２と、ブーム目標速度決定部５３と、制限係数決定部５４と、乗算部５５と、加算部５６を有する。

　制限係数決定部５０は、ブーム動作制限決定部４３から出力されるブーム動作制限情報を基に制限係数を決定し、乗算部５１に出力する。具体的には、ブーム動作制限を行う場合は０を出力し、ブーム動作制限を行わない場合は１を出力する。

　乗算部５１は、動作指令部３０から入力されるブーム目標速度（動作指令に含まれる）と制限係数決定部５０から入力される制限係数とを掛け合わせ、加算部５６に出力する。

　偏差演算部５２は、２１から入力される設計面（施工目標情報に含まれる）と作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから入力されるバケット爪先位置（作業機姿勢位置情報に含まれる）の偏差であるバケット爪差距離Ｄｂを演算し、ブーム目標速度決定部５３に出力する。

　ブーム目標速度決定部５３は、偏差演算部５２から入力されるバケット爪差距離Ｄｂが正（バケット爪先が設計面より上側）であればブーム下げ側のブーム目標速度を乗算部５５に出力し、バケット爪差距離Ｄｂが負（バケット爪先が設計面より下側）であればブーム上げ側のブーム目標速度を乗算部５５に出力する。

　制限係数決定部５４は、アクチュエータ動作制限判定部３２から入力されるブーム動作制限情報を基に制限係数を決定し、乗算部５５に出力する。具体的には、ブーム動作制限を行う場合は１を出力し、ブーム動作制限を行わない場合は０を出力する。

　乗算部５５は、ブーム目標速度決定部５３から入力されるブーム目標速度と制限係数決定部５４から入力される制限係数とを掛け合わせ、加算部５６に出力する。

　加算部５６は、乗算部５１の出力と乗算部５５の出力とを足し合わせ、油圧装置に出力する。

　図６は、半自動制御部３３のアームシリンダ６ａの動作に関する演算ロジックを示す図である。

　図６に示すように、半自動制御部３３は、制限係数決定部６０と、乗算部６１と、偏差演算部６２と、アーム目標速度決定部６３と、制限係数決定部６４と、乗算部６５、加算部６６とを有する。図６に示すアームシリンダ６ａの動作に関する演算ロジックは、図５に示すブームシリンダ５ａの動作に関する演算ロジックと同様であるため、説明は省略する。

　以上のように構成したコントローラ２０によって実現されるフロント作業機１１０の動作を図７を用いて説明する。

　図７（ａ）は、アーム６が掘削を担当する作業部材（掘削用作業部材）であり、アーム操作が行われ、かつブーム操作が行われなかった場合の動作を示している。図７（ａ）において、コントローラ２０は、レバー操作に応じてアーム６を駆動し（アーム６の動作を制限せず）、バケット爪先が設計面に沿うようにブーム５を上げ方向に駆動する。

　図７（ｂ）は、アーム６が掘削用作業部材であり、アーム操作が行われず、かつブーム操作が行われた場合の動作を示している。図７（ｂ）において、コントローラ２０は、ブーム上げ操作が行われた場合は、レバー操作に応じてブーム５を駆動し（ブーム５の動作を制限せず）、ブーム下げ操作が行われ、かつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔ以下である（バケット爪先が設計面に近い）場合は、ブーム下げ動作を制限する。

　図７（ｃ）は、ブーム５が掘削用作業部材であり、アーム操作が行われず、かつブーム操作が行われた場合の動作を示している。図７（ｃ）において、コントローラ２０は、レバー操作に応じてブーム５を駆動し（ブーム５の動作を制限せず）、バケット爪先が設計面に沿うようにアーム６を巻込み方向または押出方向に駆動する。

　図７（ｄ）は、ブーム５が掘削用作業部材であり、アーム操作が行われ、かつブーム操作が行われなかった場合の動作を示している。図７（ｄ）において、コントローラ２０は、アーム巻込み操作が行われた場合は、レバー操作に応じてアーム６を巻込み側に駆動し（アーム６の動作を制限せず）、アーム押出操作が行われ、かつバケット爪先距離Ｄｂが所定の距離閾値Ｄｔ以下である（バケット爪先が設計面に近い）場合は、アーム押出動作を制限する。

　本実施例では、作業具７と複数の作業部材５，６とを有する多関節型の作業機１１０と、作業機１１０を駆動する複数のアクチュエータ５ａ，６ａ，７ａと、作業機１１０を操作するための操作装置１５Ｌ，１５Ｒと、操作装置１５Ｌ，１５Ｒから出力される操作信号に応じて作業機１１０の動作を制御するコントローラ２０と、施工対象の目標形状を示す設計面を設定するための施工目標設定装置２１と、作業機１１０の姿勢および作業具７の位置を測定する作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃとを備え、コントローラ２０は、操作装置１５Ｌ，１５Ｒから出力される操作信号に基づいて複数のアクチュエータ５ａ，６ａ，７ａの目標速度を決定し、施工目標設定装置２１で設定された設計面と前記作業機の姿勢に基づいて前記目標速度を補正する作業機械１００において、コントローラ２０は、施工目標設定装置２１で設定された設計面と作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃで測定された作業機１１０の姿勢とに基づいて、複数のアクチュエータ５ａ，６ａ，７ａのうち掘削動作を担う掘削用アクチュエータと作業具７の位置決め動作を担う位置決め用アクチュエータとを決定し、前記掘削用アクチュエータの目標速度を操作装置１５Ｌ，１５Ｒから出力される操作信号に基づいて決定し、前記位置決め用アクチュエータの目標速度を作業具７が前記設計面に近づく方向において制限する。

　以上のように構成した本実施例によれば、施工対象の目標形状を示す設計面と作業機１１０の姿勢とに基づいて、複数のアクチュエータ５ａ，６ａ，７ａのうち掘削動作を担う掘削用アクチュエータと作業具７の位置決め動作を担う位置決め用アクチュエータとが決定され、掘削用アクチュエータの目標速度を操作装置１５Ｌ，１５Ｒから出力される操作信号に基づいて決定され、位置決め用アクチュエータの目標速度を作業具７が設計面に近づく方向において制限される。これにより、設計面の角度や作業機１１０の姿勢に関わらず、作業具が設計面に沿って移動するように操縦者の操作を補助することが可能となる。

　本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

　図８は、アクチュエータ役割決定部３１の演算ロジックを示す図である。

　図８において、アクチュエータ役割決定部３１は、設計面角度判定部７０と、掘削角度演算部７１と、掘削角度判定部７２と、掘削状態判定部７３と、アクチュエータ役割判定部７４とを有する。

　設計面角度判定部７０は、施工目標設定装置２１から入力される設計面角度θｄ（施工目標情報に含まれる）を基に設計面角度θｄの大小を判定し、その結果を設計面角度判定情報として掘削状態判定部７３に出力する。具体的には、設計面角度θｄが所定の角度閾値θｔ（例えば７０度）よりも大きい（設計面の傾斜が急峻である）場合は１を出力し、設計面角度θｄが所定の角度閾値θｔ以下である（設計面の傾斜が急峻でない）場合は０を出力する。

　掘削角度演算部７１には、施工目標設定装置２１から設計面角度θｄ（施工目標情報に含まれる）が入力され、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃからアーム角度θａ（作業機姿勢位置情報に含まれる）が入力される。掘削角度演算部７１は、設計面角度θｄとアーム角度θａとの偏差である掘削角度θｅを演算し、掘削角度判定部７２に出力する。ここで、掘削角度θａは、アーム６の回動支点とバケット爪先とを結んだ線が設計面に対してなす角度である。

　掘削角度判定部７２は、掘削角度演算部７１から入力される掘削角度θｅを基に設計面に対する掘削角度θｅの大小を判定し、その結果を掘削角度判定情報として掘削状態判定部７３に出力する。具体的には、掘削角度θｅが９０度よりも小さい場合は０を出力し、掘削角度θｅが９０度以上である場合は１を出力する。

　掘削状態判定部７３は、設計面角度判定部７０から入力される設計面角度判定情報と掘削角度判定部７２から入力される掘削角度判定情報とを基に掘削状態を判定し、その結果を掘削状態判定情報としてアクチュエータ役割判定部７４に出力する。具体的には、設計面角度判定情報が１でかつ掘削角度判定情報が１の場合はＡを出力し、設計面角度判定情報が１でかつ掘削角度判定情報が０の場合はＢを出力し、設計面傾斜情報が０の場合はＣを出力する。

　アクチュエータ役割判定部７４は、掘削状態判定部７３から入力される掘削状態判定情報を基にアームシリンダ６ａおよびブームシリンダ５ａの役割を決定し、その結果をアクチュエータ役割情報としてアクチュエータ動作制限判定部３２に出力する。具体的には、掘削状態判定情報がＡの場合は、ブームシリンダ５ａを掘削用アクチュエータに決定し、かつアームシリンダ６ａを位置決め用アクチュエータに決定する。一方、掘削状態判定情報がＢまたはＣの場合は、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定する。

　以上のように構成したコントローラ２０によって実現されるフロント作業機１１０の動作を図９を用いて説明する。

　図９（ａ）は、設計面角度θｄが０度で、アーム巻込み操作が行われ、ブーム操作は行われず、かつ掘削角度θｅが９０度より小さい場合の動作を示している。図９（ａ）において、コントローラ２０は、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定する。これにより、レバー操作に応じてアーム６が巻込み方向に駆動され（アームシリンダ６ａの動作は制限されず）、バケット爪先が設計面に沿うように自動でブーム５が上げ方向に駆動される。

　図９（ｂ）は、設計面角度θｄが０度で、アーム巻込み操作が行われ、ブーム操作は行われず、かつ掘削角度θｅが９０度より大きい場合の動作を示している。図９（ｂ）において、コントローラ２０は、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定する。これにより、レバー操作に応じてアーム６が巻込み方向に駆動され（アーム６の動作は制限されず）、バケット爪先が設計面に沿うように自動でブーム５が下げ方向に駆動される。

　図９（ｃ）は、設計面角度θｄが９０度で、アーム巻込み操作が行われ、ブーム操作は行われず、かつ掘削角度θｅが９０度より小さい場合の動作を示している。図９（ｃ）において、コントローラ２０は、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定する。これにより、レバー操作に応じてアーム６が巻込み方向に駆動され（アーム６の動作は制限されず）、バケット爪先が設計面に沿うように自動でブーム５が上げ方向に駆動される。

　図９（ｄ）は、設計面角度θｄが９０度で、アーム操作は行われず、ブーム下げ操作が行われ、かつ掘削角度θｅが９０度より大きい場合の動作を示している。図９（ｄ）において、コントローラ２０は、ブームシリンダ５ａを掘削用アクチュエータに決定し、アームシリンダ６ａを位置決め用アクチュエータに決定する。これにより、レバー操作に応じてブーム５が下げ方向に駆動され（ブーム５の動作は制限されず）、バケット爪先が設計面に沿うように自動でアーム６が巻込み方向に駆動される。

　図９（ｅ）は、設計面角度θｄが９０度で、アーム操作が行われず、ブーム下げ操作が行われ、かつ掘削角度θｅが９０度より大きい場合の動作を示している。図９（ｅ）において、コントローラ２０は、ブームシリンダ５ａを掘削用アクチュエータに決定し、アームシリンダ６ａを位置決め用アクチュエータに決定する。これにより、レバー操作に応じてブーム５が下げ方向に駆動され（ブーム５の動作は制限されず）、バケット爪先が設計面に沿うように自動でアーム６が押出方向に駆動される。

　本実施例におけるコントローラ２０は、設計面が水平面に対してなす角度である設計面角度θｄが０度から９０度の間に設定された所定の角度閾値θｔ以下である場合、または、アーム６の回動支点とバケット７の爪先とを結んだ線が設計面に対してなす角度である掘削角度θｅが９０度より小さい場合に、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定し、設計面角度θｄが所定の角度閾値θｔよりも大きく、かつ掘削角度θｅが９０度以上である場合に、ブームシリンダ５ａを掘削用アクチュエータに決定し、アームシリンダ６ａを位置決め用アクチュエータに決定する。

　以上のように構成した本実施例によれば、ブーム５とアーム６とを有するフロント作業機１１０を備えた油圧ショベル１００において、設計面の角度やフロント作業機１１０の姿勢に関わらず、操縦者の意図に沿った掘削動作を補助することが可能となる。

　本発明の第３の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

　図１０は、本実施例におけるコントローラ２０の機能ブロック図である。

　図１０において、コントローラ２０は、表示指令部３４を更に有する。表示指令部３４は、作業機姿勢位置測定装置１１ａ～１１ｃから入力される作業機姿勢位置情報と施工目標設定装置２１から入力される施工目標情報とアクチュエータ役割決定部３１から入力されるアクチュエータ役割情報とを基に、操縦者の掘削操作を補助するための情報（操作補助情報）を生成し、表示装置２２に出力する。

　図１１は、表示装置２２に表示される操作補助情報の一例を示す図である。

　図１１において、表示装置２２には、掘削動作を行う際に操縦者が操作すべき作業部材とその操作方向が表示される。

　図１１（ａ）は、設計面角度θｄが０度でかつ掘削角度θｅが９０度より小さい場合の表示例を示している。図１１（ａ）において、コントローラ２０は、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定し、アーム６を巻込み方向（矢印方向）に操作するように指示する。

　図１１（ｂ）は、設計面角度θｄが９０度でかつ掘削角度θｅが９０度より大きい場合の表示例を示している。図１１（ｂ）において、コントローラ２０は、ブームシリンダ５ａを掘削用アクチュエータに決定し、アームシリンダ６ａを位置決め用アクチュエータに決定し、ブーム５を下げ方向（矢印方向）に操作するように指示する。

　図１１（ｃ）は、設計面角度θｄが所定の角度閾値θｔ（例えば７０度）より僅かに小さく、かつ掘削角度θｅが９０度より大きい場合の表示例を示している。図１１（ｃ）において、コントローラ２０は、アームシリンダ６ａを掘削用アクチュエータに決定し、ブームシリンダ５ａを位置決め用アクチュエータに決定し、アーム６を巻込み方向（矢印方向）に操作するように指示する。

　図１１（ｄ）は、設計面角度θｄが所定の角度閾値θｔ（例えば７０度）より僅かに大きく、かつ掘削角度θｅが９０度より大きい場合の表示例を示している。図１１（ｄ）において、コントローラ２０は、ブームシリンダ５ａを掘削用アクチュエータに決定し、アームシリンダ６ａを位置決め用アクチュエータに決定し、ブーム５を下げ方向（矢印方向）に操作するように指示する。

　本実施例におけるコントローラ２０は、複数の作業部材５，６のうち掘削用アクチュエータによって駆動される作業部材およびその操作方向を指示する情報を生成し、設計面の情報および作業機１１０の姿勢情報と合わせて表示装置２２に出力する。これにより、油圧ショベル１００の操縦者は、掘削作業を行う際に複数の作業部材５，６のうちいずれの作業部材を操作すべきかを容易に把握することができる。

　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

　１…走行体、２…旋回体、３…カウンタウェイト、４…運転室、５…ブーム（作業部材）、５ａ…ブームシリンダ（アクチュエータ）、６…アーム（作業部材）、６ａ…アームシリンダ（アクチュエータ）、７…バケット（作業具）、７ａ…バケットシリンダ（アクチュエータ）、８…旋回装置、８ａ…旋回モータ（アクチュエータ）、９…ポンプ装置、１０…コントロールバルブユニット、１１ａ…角度センサ（作業機姿勢位置測定装置）、１１ｂ…角度センサ（作業機姿勢位置測定装置）、１１ｃ…角度センサ（作業機姿勢位置測定装置）、１５Ｌ…操作レバー装置（操作装置）、１５Ｒ…操作レバー装置（操作装置）、２０…コントローラ、２１…施工目標設定装置、２２…表示装置、２３…油圧装置、３０…動作指令部、３１…アクチュエータ役割決定部、３２…アクチュエータ動作制限判定部、３３…半自動制御部、４１…偏差演算部、４２…時間微分部、４３…ブーム動作制限決定部、４４…アーム動作制限決定部、５０…制限係数決定部、５１…乗算部、５２…偏差演算部、５３…ブーム目標速度決定部、５４…制限係数決定部、５５…乗算部、５６…加算部、６０…制限係数決定部、６１…乗算部、６２…偏差演算部、６３…アーム目標速度決定部、６４…制限係数決定部、６５…乗算部、６６…加算部、７０…設計面角度判定部、７２…掘削角度判定部、７３…掘削状態判定部、７４…アクチュエータ役割判定部、１００…油圧ショベル（作業機械）、１１０…フロント作業機（作業機）、２００…油圧制御システム。

Claims

　作業具と複数の作業部材とを有する多関節型の作業機と、
　前記作業機を駆動する複数のアクチュエータと、
　前記作業機を操作するための操作装置と、
　前記操作装置から出力される操作信号に応じて前記作業機の動作を制御するコントローラと、
　施工対象の目標形状を示す設計面を設定するための施工目標設定装置と、
　前記作業機の姿勢および前記作業具の位置を測定する作業機姿勢位置測定装置とを備え、
　前記コントローラは、前記操作装置から出力される操作信号に基づいて前記複数のアクチュエータの目標速度を決定し、前記施工目標設定装置で設定された設計面と前記作業機姿勢位置測定装置で測定された前記作業具の位置とに基づいて前記目標速度を補正する作業機械において、
　前記コントローラは、
　前記施工目標設定装置で設定された前記設計面と前記作業機姿勢位置測定装置で測定された前記作業機の姿勢とに基づいて、前記複数のアクチュエータのうち掘削動作を担う掘削用アクチュエータと前記作業具の位置決め動作を担う位置決め用アクチュエータとを決定し、
　前記掘削用アクチュエータの目標速度を前記操作装置から出力される操作信号に基づいて決定し、
　前記位置決め用アクチュエータの目標速度を前記作業具が前記設計面に近づく方向において制限する
　ことを特徴とする作業機械。
　請求項１に記載の作業機械において、
　前記作業具はバケットであり、
　前記複数の作業部材はブームとアームとを含み、
　前記複数のアクチュエータは、前記ブームを駆動するブームシリンダと前記アームを駆動するアームシリンダとを含み、
　前記コントローラは、
　前記設計面が水平面に対してなす角度である設計面角度が０度から９０度の間に設定された所定の角度閾値以下である場合、または、前記アームの回動支点と前記バケットの爪先とを結んだ線が前記設計面に対してなす角度である掘削角度が９０度より小さい場合に、前記アームシリンダを前記掘削用アクチュエータに決定し、前記ブームシリンダを前記位置決め用アクチュエータに決定し、
　前記設計面角度が前記所定の角度閾値よりも大きく、かつ前記掘削角度が９０度以上である場合に、前記ブームシリンダを前記掘削用アクチュエータに決定し、前記アームシリンダを前記位置決め用アクチュエータに決定する
　ことを特徴とする作業機械。
　請求項１に記載の作業機械において、
　表示装置を更に備え、
　前記コントローラは、前記複数の作業部材のうち前記掘削用アクチュエータによって駆動される作業部材およびその操作方向を指示する情報を生成し、前記設計面の情報および前記作業機の姿勢情報と合わせて前記表示装置に出力する
　ことを特徴とする作業機械。