WO2022162795A1

WO2022162795A1 - 油圧ショベル

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Publication number: WO2022162795A1
Application number: PCT/JP2021/002885
Authority: WO
Inventors: 悠介鈴木; 宏明田中; 寿身中野
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-08-04
Also published as: CN115210430B; EP4098804A4; KR102643536B1; JPWO2022162795A1; EP4098804A1; KR20220127933A; CN115210430A; US20230091185A1; JP7274671B2

Abstract

油圧ショベル１は、走行体４、旋回体３、ブーム２０とアーム２１とバケット２２とを有する作業フロント２、操作量検出装置３３、姿勢検出装置３８、負荷検出装置３９、駆動制御装置３４及び駆動装置３５を備える。駆動制御装置３４は、操作量と作業フロントの姿勢と目標面距離に基づいてバケット２２が施工目標面に沿って掘削するようにアクチュエータの目標動作速度を演算し、負荷検出装置３９で検出した結果に基づいて掘削する場所の土壌硬さを判定し、土壌硬さに基づいて目標動作速度を補正して動作指令値を生成する。また、駆動制御装置３４は、目標面距離に基づいて油圧ショベルがジャッキアップする際の目標ジャッキアップ速度を決定し、決定した目標ジャッキアップ速度に基づいて目標動作速度を補正する。

Description

油圧ショベル

　本発明は、道路工事、建設工事、土木工事、浚渫工事等に使用される油圧ショベルに関する。

　道路工事、建設工事、土木工事、浚渫工事等に使用される油圧ショベルとして、動力系により走行する走行体の上部に旋回体を旋回自在に取り付けると共に、旋回体に多関節型の作業フロントを上下方向に揺動自在に取り付け、作業フロントを構成する各フロント部材をシリンダで駆動するものが知られている。作業フロントは、例えばブーム、アーム、バケット等から構成されている。この種の油圧ショベルには、稼働可能な領域を設けてその範囲内で作業フロントを半自動的に動作させる、いわゆるマシンコントロール機能を有するものがある。マシンコントロールでは、オペレータが施工目標面を設定し、ブーム操作をすると施工目標面にバケットが侵入しないように施工目標面とバケットの距離に応じてブームの動作速度が制限されてブームが減速停止し、またアーム操作をすると施工目標面に沿うようにブームやバケットを半自動的に動作させることができる。

　ところで、オペレータが油圧ショベルを用いて硬い土壌を掘削するときは、走行体後部と作業フロントが支点となって走行体前部が浮上った状態、いわゆるジャッキアップを行う（詳細は後述する）。油圧ショベルがジャッキアップするときに作業フロントの掘削力は最大となるため、オペレータは掘削する土壌の硬さ、施工目標面とバケットの距離、及び油圧ショベルのジャッキアップの状態を総合的に判断して操作レバーの操作量を微調整することで、硬い土壌を効率良く且つ精度良く掘削する。

　特許文献１には、マシンコントロールを用いて精度良く掘削するために施工目標面とバケットの距離を時間積分し、ブーム動作速度を補正する技術が開示されている。これによって、掘削する土壌が硬く且つ施工目標面とバケットの距離が離れている状態が続く場合には、バケットが施工目標面に近づくようにブームの動作速度が補正される。このとき、バケットに働く掘削反力が油圧ショベルの最大掘削力を超えると油圧ショベルはジャッキアップする。すなわち、特許文献１の技術によれば、施工目標面とバケットの距離が離れる状態が継続するとブームの動作速度が補正され、油圧ショベルは徐々にジャッキアップする。

特許第５９４７４７７号公報

　マシンコントロールを用いた掘削作業では、オペレータが手動で通常の掘削作業を行う時と同じように油圧ショベルが素早くジャッキアップできることが操作性および作業性の観点から必要である。また、上述したように、マシンコントロールを用いた掘削作業では、施工目標面にバケットが侵入しないように精度良く作業フロントを制御する必要がある。そこで、掘削の精度を維持したまま、オペレータの操作性と作業性を良好にすべく油圧ショベルがジャッキアップする速さを制御する必要がある。

　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ブームの動作速度は施工目標面とバケットの距離が離れた状態が継続された時間が長いほど補正量が大きくなるため、油圧ショベルはゆっくりとジャッキアップする。すなわち、施工目標面とバケットの距離が離れた状態である程度の時間を継続しておかないと所定のジャッキアップ速度に達することができない。このため、施工目標面付近において素早いジャッキアップを行うことができない。

　本発明は上記課題を鑑みて、施工目標面付近において素早いジャッキアップを行うことができる油圧ショベルを提供することを目的とする。

　本発明に係る油圧ショベルは、走行可能な走行体と、前記走行体に旋回自在に取り付けられる旋回体と、前記旋回体に揺動自在に取り付けられるとともにブーム、アーム及びバケットを有する作業フロントと、前記ブームと前記アームと前記バケットをそれぞれ駆動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを操作する操作装置の操作量を検出する操作量検出装置と、前記作業フロントの姿勢と前記旋回体の姿勢をそれぞれ検出する姿勢検出装置と、施工目標面を設定し、設定した前記施工目標面と前記バケットの距離を目標面距離として演算する目標面管理装置と、前記操作量と前記作業フロントの姿勢と前記目標面距離に基づいて前記バケットが前記施工目標面に沿って掘削するように前記アクチュエータの目標動作速度を演算し、前記アクチュエータへの動作指令値を生成する駆動制御装置と、前記動作指令値に基づいて前記アクチュエータを駆動させる駆動装置と、を備える油圧ショベルにおいて、前記駆動制御装置は、前記目標面距離に基づいて前記油圧ショベルがジャッキアップする際の目標ジャッキアップ速度を決定し、決定した前記目標ジャッキアップ速度に基づいて前記目標動作速度を補正することを特徴としている。

　本発明に係る油圧ショベルでは、駆動制御装置は、目標面距離に基づいて油圧ショベルがジャッキアップする際の目標ジャッキアップ速度を決定し、決定した目標ジャッキアップ速度に基づいて目標動作速度を補正するので、施工目標面付近において素早いジャッキアップを行うことができる。

　本発明によれば、施工目標面付近において素早いジャッキアップを行うことができる。

実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。油圧ショベルの制御システムの構成を示す図である。油圧ショベルの駆動制御装置の構成を示す図である。実施形態に係る油圧ショベルのジャッキアップ状態を示す側面図である。油圧ショベルの駆動制御装置の制御ロジックを示す図である。ブームシリンダ制限速度と目標面距離の関係を示す図である。目標面距離に基づいて目標ジャッキアップ速度を決定するテーブルを示す図である。バケット対目標面角度に基づいて目標ジャッキアップ速度を決定するテーブルを示す図である。バケット対走行体距離に基づいて目標ジャッキアップ速度を決定するテーブルを示す図である。走行体傾斜角度に基づいて目標ジャッキアップ速度を決定するテーブルを示す図である。旋回体相対角度に基づいて目標ジャッキアップ速度を決定するテーブルを示す図である。掘削動作を行ったときの走行体傾斜角度の時間変化を示す図である。掘削動作を行ったときのブーム速度指令値の時間変化を示す図である。要求速度に基づいて駆動指令値を決定するテーブルを示す図である。駆動制御装置の制御処理を示すフローチャートである。

　以下、図面を参照して本発明に係る油圧ショベルの実施形態について説明する。以下の説明では、上下、左右、前後の方向及び位置は、油圧ショベルの通常の使用状態、すなわち油圧ショベルの走行体が地面に接地する状態を基準にする。

　図１に示すように、本実施形態に係る油圧ショベル１は、動力系により走行する走行体４と、走行体４に対して左右方向に旋回自在に取り付けられた旋回体３と、旋回体３に取り付けられた作業フロント２とを備えている。走行体４及び旋回体３は、例えばそれぞれ油圧アクチュエータによって駆動されている。

＜作業フロントについて＞
　作業フロント２は、旋回体３に対して上下方向に揺動自在に構成されている。この作業フロント２は、旋回体３に連結されたブーム２０と、ブーム２０に連結されたアーム２１と、アーム２１に連結されたバケット２２と、両端がそれぞれブーム２０と旋回体３に連結されたブームシリンダ２０Ａと、両端がそれぞれアーム２１とブーム２０に連結されたアームシリンダ２１Ａと、第１リンク２２Ｂと、第２リンク２２Ｃと、両端がそれぞれ第２リンク２２Ｃとアーム２１に連結されたバケットシリンダ２２Ａとを備えている。これらの部材はそれぞれ連結部分を中心に上下方向に揺動するように構成されている。

　ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａは、請求の範囲に記載の「アクチュエータ」に相当するものであり、例えばそれぞれ油圧アクチュエータからなり、伸縮によりそれぞれブーム２０、アーム２１、バケット２２を駆動させることができる。なお、バケット２２は、グラップル、ブレーカ、リッパ、マグネット等の図示しない作業具に任意に交換可能である。

　ブーム２０にはブーム２０の姿勢を検出するためのブームＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）センサ２０Ｓ、アーム２１にはアーム２１の姿勢を検出するためのアームＩＭＵセンサ２１Ｓがそれぞれ内蔵されている。また、第２リンク２２Ｃには、バケット２２の姿勢を検出するためのバケットＩＭＵセンサ２２Ｓが内蔵されている。ブームＩＭＵセンサ２０Ｓ、アームＩＭＵセンサ２１Ｓ及びバケットＩＭＵセンサ２２Ｓは、それぞれ角速度センサと加速度センサによって構成されている。

　また、ブームシリンダ２０Ａには、シリンダ圧センサとして、ブームボトム圧センサ２０ＢＰとブームロッド圧センサ２０ＲＰとが取り付けられている。

＜旋回体について＞
　旋回体３は、旋回体ＩＭＵセンサ３０Ｓ、メインフレーム３１、運転室３２、操作量検出装置３３、駆動制御装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、旋回角度センサ３７、及び目標面管理装置１００を備えている。メインフレーム３１は、旋回体３の基礎部分であり、走行体４に対して旋回自在に取り付けられている。旋回体ＩＭＵセンサ３０Ｓ、運転室３２、駆動制御装置３４、駆動装置３５及び原動装置３６は、メインフレーム３１の上方に配置されている。旋回体ＩＭＵセンサ３０Ｓは、角速度センサと加速度センサから構成されており、旋回体３の地面に対する傾きを検出する。旋回角度センサ３７は、例えばポテンショメータであり、旋回体３と走行体４の相対角度を検出できるように取り付けられている。

　操作量検出装置３３は、運転室３２の内部に設けられており、２本の操作レバー（操作装置）３３Ａ，３３Ｂとそれらが倒された量を検出する操作入力量センサ３３Ｃ（図２参照）によって構成されている。操作入力量センサ３３Ｃは、オペレータが操作レバー３３Ａ，３３Ｂを倒す量（すなわち、操作レバーの操作量Ｒ）を検出することで、オペレータが作業フロント２に要求する要求速度をそれぞれ電気信号に変換することができるように構成されている。なお、操作レバー３３Ａ，３３Ｂは、油圧パイロット方式によるものであっても良い。

　駆動装置３５は、電磁制御弁３５Ａと方向切替弁３５Ｂによって構成され（図２参照）、駆動制御装置３４から指示された制御指令値に従って、電磁制御弁３５Ａと方向切替弁３５Ｂを駆動させることにより、油圧アクチュエータであるブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａを動作させる。

　原動装置３６は、エンジン３６Ａと油圧ポンプ３６Ｂによって構成され（図２参照）、油圧ショベル１の運転に必要な油圧を動力として発生させる。目標面管理装置１００は、目標面管理コントローラにより構成されている。

＜走行体について＞
　一方、走行体４は、トラックフレーム４０、フロントアイドラ４１、スプロケット４３、及び履帯４５を備えている。フロントアイドラ４１及びスプロケット４３は、それぞれトラックフレーム４０に配置され、履帯４５はそれらの部材を介してトラックフレーム４０を周回できるように配置されている。オペレータは、操作レバー３３Ａ，３３Ｂを操作することによりスプロケット４３の回転速度を調整し、履帯４５を介して油圧ショベル１を走行させることができる。走行体４は、履帯４５を備えたものに限定されることなく、走行輪や脚を備えたものであっても良い。

　以下、図２を参照して油圧ショベル１の制御システムについて説明する。油圧ショベル１の制御システムは、主に、操作量検出装置３３と、姿勢検出装置３８、負荷検出装置３９、目標面管理装置１００、駆動装置３５、駆動制御装置３４、及び原動装置３６によって構成されている。そして、操作量検出装置３３、姿勢検出装置３８、負荷検出装置３９、及び目標面管理装置１００は、それぞれ駆動制御装置３４と電気的に接続されている。

＜操作量検出装置について＞
　油圧ショベルでは、一般に操作レバーが倒された量（すなわち、操作レバーの操作量Ｒ）が大きくなると、各シリンダの動作速度が速くなるように設定されている。オペレータは、操作レバーを倒す量を変更することにより、各シリンダの動作速度を変更して油圧ショベルを動作させる。操作量検出装置３３は、上述したように、操作レバー３３Ａ，３３Ｂと操作入力量センサ３３Ｃにより構成されている。操作入力量センサ３３Ｃは、操作レバー３３Ａ，３３Ｂの操作量Ｒを電気的に検出するためのブーム操作入力量センサ、アーム操作入力量センサ、及びバケット操作入力量センサを有する。このようにすることで、オペレータが要求するブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａの要求速度をそれぞれ検出することができる。なお、操作量Ｒを検出するためのセンサは、操作レバーが倒された量を直接検出するものに限らず、操作パイロット圧を検出する方式であっても良い。

＜姿勢検出装置について＞
　姿勢検出装置３８は、旋回体ＩＭＵセンサ３０Ｓ、ブームＩＭＵセンサ２０Ｓ、アームＩＭＵセンサ２１Ｓ、バケットＩＭＵセンサ２２Ｓ及び旋回角度センサ３７によって構成されている。これらのＩＭＵセンサは、それぞれ角速度センサ及び加速度センサを有するので、それぞれのセンサ位置での角速度及び加速度の信号を取得することができる。ブーム２０、アーム２１、バケット２２、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、第１リンク２２Ｂ、第２リンク２２Ｃ、及び旋回体３がそれぞれ揺動できるように取り付けられているので、姿勢検出装置３８は機械的なリンク関係からブーム２０、アーム２１、バケット２２、及び旋回体３の姿勢を検出することができる。

　なお、ここで示した姿勢の検出方法は、一例であり、作業フロント２の各部の相対角度を直接計測するものや、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａのストロークを検出して油圧ショベル１の各部の姿勢を検出しても良い。旋回角度センサ３７は、上述したようにポテンショメータであり、旋回体３に対する走行体４の相対角度を検出する。なお、旋回角度センサ３７は、旋回角度を計測できるものあれば良く、ポテンショメータ以外の計測装置であっても良い。

＜負荷検出装置について＞
　負荷検出装置３９は、シリンダ圧センサとしてのブームボトム圧センサ２０ＢＰとブームロッド圧センサ２０ＲＰによって構成されており、これらのセンサを介してブームシリンダ２０Ａへの負荷（すなわち、ブームシリンダ２０Ａにかかる圧力）を検出する。なお、負荷の検出方法は、これに限らず、ロードセルなどを用いても良い。

＜目標面管理装置について＞
　目標面管理装置１００は、図４に示すように、施工目標面を設定するとともに、傾斜角度演算部８２０（後述する）で演算した走行体傾斜角度θｐとフロント姿勢検出部８３０（後述する）で検出した作業フロント２の姿勢とに基づいて、設定した施工目標面とバケット２２の距離（以下、目標面距離ｄという）を演算し、演算した結果を駆動制御装置３４に出力する。本実施形態では、目標面管理装置１００は、設定した施工目標面とバケット２２の最短距離を演算し、演算した結果を駆動制御装置３４に出力する。また、この目標面管理装置１００は、傾斜角度演算部８２０で演算した走行体傾斜角度θｐ及びフロント姿勢検出部８３０で検出した作業フロント２の姿勢に基づいて、バケット２２の底面と施工目標面がなす角度θｂ（以下、バケット対目標面角度θｂという）を演算する。なお、施工目標面は、オペレータが直接入力して設定しても良いし、予め作成した設計図面等を入力し設定しても良い。

＜駆動装置について＞
　駆動装置３５は、上述したように、電磁制御弁３５Ａと方向切替弁３５Ｂによって構成され、駆動制御装置３４から指令された制御指令値に従って、油圧ショベル１の各部を駆動する油圧アクチュエータに供給される圧油の量を制御する。より具体的には、駆動制御装置３４から出力された制御電流は、電磁制御弁３５Ａによってパイロット圧に変換され、パイロット圧によって方向切替弁３５Ｂのスプールが駆動される。そして、方向切替弁３５Ｂによって流量が調整された作動油は、油圧ショベル１の各部を駆動する油圧アクチュエータに供給され、各可動部を駆動する。例えば、駆動装置３５は、原動装置３６から供給される作動油の流量と方向を調整し、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回体３、走行体４をそれぞれ駆動させる油圧アクチュエータを駆動する。

＜原動装置について＞
　原動装置３６は、上述したようにエンジン３６Ａと油圧ポンプ３６Ｂによって構成され、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ及び旋回体３と走行体４を駆動させる油圧アクチュエータを駆動するために必要な圧油を生成する。なお、原動装置３６は、この構成に限らず、電動ポンプなどの他の動力源を用いても良い。

＜駆動制御装置について＞
　駆動制御装置３４は、例えば駆動制御用コントローラにより構成されており、操作量検出装置３３、姿勢検出装置３８、負荷検出装置３９、及び目標面管理装置１００からの信号を処理し、駆動装置３５に動作指令を出力する。

　図３は油圧ショベルの駆動制御装置の構成を示す図である。図３に示すように、駆動制御装置３４は、主に、目標動作速度演算部７１０、動作指令値生成部７２０、駆動指令部７３０、シリンダ負荷演算部８１０、旋回角度演算部８４０、傾斜角度演算部８２０、フロント姿勢検出部８３０、土壌硬さ判定部９１０、目標ジャッキアップ速度決定部９２０、及び目標動作速度補正部９３０を備えている。

　目標動作速度演算部７１０は、操作入力量センサ３３Ｃで検出した操作レバー３３Ａ，３３Ｂの操作量Ｒ、目標面管理装置１００で演算した目標面距離ｄ、及びフロント姿勢検出部８３０で検出した作業フロント２の姿勢に基づいて、バケット２２が施工目標面に沿って動作するようにブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及びバケットシリンダ２２Ａの少なくとも一つの目標動作速度Ｖｔを演算する。

　目標動作速度Ｖｔの具体的な演算方法については、既に周知された方法を用いることができる。例えば特開２０１８－０８０５１０号公報に記載されるように、目標動作速度演算部７１０は、バケット爪先が施工目標面に沿って動くようにバケット爪先の動作方向と速度を決めて、その速度になるようにブーム、アーム及びバケットの目標動作速度を演算して決める。

　動作指令値生成部７２０は、目標動作速度演算部７１０で演算した目標動作速度Ｖｔに基づき、予め定められたテーブルデータを用いてシリンダを動作させるのに必要な駆動指令値Ｐｉを生成する。更に、動作指令値生成部７２０は、目標動作速度補正部９３０から出力された補正速度Ｖｃに基づいて、駆動指令値Ｐｉを生成する。なお、ここでの駆動指令値は、請求の範囲に記載の「動作指令値」に相当するものである。

　駆動指令部７３０は、動作指令値生成部７２０が生成した駆動指令値Ｐｉに基づいて、電磁制御弁３５Ａの駆動に必要な制御電流Ｉを生成する。

　シリンダ負荷演算部８１０は、ブームシリンダ２０Ａに取り付けられたブームボトム圧センサ２０ＢＰとブームロッド圧センサ２０ＲＰの検出結果に基づいて、シリンダの負荷（すなわち、ブームボトム側負荷Ｐ_ｂ及びブームロッド側負荷Ｐ_ｒ）を演算する。

　旋回角度演算部８４０は、旋回角度センサ３７で検出した信号を基に旋回体３と走行体４の相対角度（以下、旋回体相対角度θｓという）を演算する。旋回体相対角度θｓは、走行体４の進行方向を基準とする。走行体４の進行方向は、図１及び図４においては紙面の左側を指す。

　傾斜角度演算部８２０は、旋回体３に取り付けられた旋回体ＩＭＵセンサ３０Ｓから得られる加速度信号と角速度信号に基づいて旋回体３の傾斜角度を演算する。本実施形態では、旋回体３の傾斜角度と走行体４の傾斜角度が同一であるため、演算で得られた旋回体３の傾斜角度を走行体４の傾斜角度（以下、走行体傾斜角度θｐという）とする。

　フロント姿勢検出部８３０は、ブームＩＭＵセンサ２０Ｓ、アームＩＭＵセンサ２１Ｓ、バケットＩＭＵセンサ２２Ｓから得られる加速度信号及び角速度信号に基づいて、ブーム２０、アーム２１、バケット２２の姿勢をそれぞれ検出する。

　土壌硬さ判定部９１０は、作業フロント２が掘削する場所の土壌硬さを判定する。土壌硬さの判定として、土壌硬さＨを用いた手法と、ブームシリンダ２０Ａの推力Ｆを用いた手法とが挙げられる。土壌硬さＨを用いた手法では、土壌硬さ判定部９１０は、まずフロント姿勢検出部８３０とシリンダ負荷演算部８１０の結果、すなわちフロント姿勢とブームシリンダの負荷とに基づいて、作業フロント２が掘削を行っている土壌の硬さを土壌硬さＨとして演算する。次に、土壌硬さ判定部９１０は、演算した土壌硬さＨを予め定められた硬さ閾値と比較することで土壌硬さを判定する。例えば演算した土壌硬さＨが硬さ閾値よりも大きい場合、土壌硬さ判定部９１０は土壌が硬いと判定する。なお、硬さ閾値は、例えば各土壌の硬さの経験値に基づいて決定されている。

　一方、ブームシリンダ２０Ａの推力Ｆを用いた手法では、土壌硬さ判定部９１０は、まず下記式（１）に基づいてブームシリンダ２０Ａの推力Ｆを求める。式（１）中のＳ_ｂがブームボトム側受圧面積、Ｐ_ｂがブームボトム側負荷、Ｓ_ｒがブームロッド側受圧面積、Ｐ_ｒがブームロッド側負荷である。
　　Ｆ＝Ｓ_ｂ×Ｐ_ｂ－Ｓ_ｒ×Ｐ_ｒ　　　　　　（１）
　次に、土壌硬さ判定部９１０は、作業フロント２の姿勢に応じた閾値を決定しておき、式（１）で求めたブームシリンダ２０Ａの推力Ｆをその閾値と比較することで土壌硬さを判定する。例えばブームシリンダ２０Ａの推力がその閾値よりも大きいときは、土壌が硬いと判定される。なお、この場合の閾値は、作業フロント２の重量から計算した値によって決定されても良く、実際に油圧ショベル１をジャッキアップした実験値を用いて決定されても良い。

　目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、目標面管理装置１００で演算した目標面距離ｄ及びバケット対目標面角度θｂと、バケット対走行体距離ｄｂと、傾斜角度演算部８２０で演算した走行体傾斜角度θｐと、旋回角度演算部８４０で演算した旋回体相対角度θｓに基づいて、走行体４がジャッキアップするときの目標ジャッキアップ速度ωを演算して決定する。なお、図４に示すように、目標面距離ｄは施工目標面とバケット２２の最短距離であり、バケット対目標面角度θｂはバケット２２の底面と施工目標面のなす角度である。バケット対走行体距離ｄｂは、油圧ショベル１の進行方向においてバケット２２と走行体４の距離であり、目標ジャッキアップ速度決定部９２０によって演算される。

＜ジャッキアップについて＞
　ここで、図４を基に油圧ショベル１のジャッキアップについて説明する。図４に示すように、ジャッキアップとは、走行体４の後部とバケット２２とがそれぞれ地面に接地し、走行体４の前部が空中に浮きがっている状態をいう。このとき、走行体４の底面と地面がなす角度をジャッキアップ角度αという。ジャッキアップ角度αが零の場合は走行体４の底面全体が地面に接地している状態である。そして、ジャッキアップ速度とは、ジャッキアップ角度αの時間変化であり、走行体４と地面の接点を中心とした走行体４の角速度を示す。

　ところで、旋回体３は走行体４に対して旋回可能であるため、作業姿勢によっては旋回体３と走行体４の向きが図示と逆方向や横方向になることがある。この場合も走行体４の地面との接地点と、地面となす角度をジャッキアップ角度αと呼ぶ。一般的に、走行体４は進行方向に長く、進行方向に直交する横方向の幅は小さくなっている。このため、アーム２１の姿勢を変えないままブーム２０を一定の動作速度で下げ動作を行うと、走行体４が旋回体３に対して横方向にあるとき、走行体４が地面と接する点とバケット２２の距離が小さくなるので、走行体４が旋回体３に対して進行方向にあるときと比べてジャッキアップ速度が速くなる。

＜目標ジャッキアップ速度＞
　以下、目標ジャッキアップ速度の決定方法について図５～図１３を用いて説明する。図５に示すように目標ジャッキアップ速度ωは、目標面距離ｄ、バケット対目標面角度θｂ、バケット対走行体距離ｄｂ、走行体傾斜角度θｐ、旋回体相対角度θｓにそれぞれ基づいて決定される目標ジャッキアップ速度テーブルの最小値を選択することによって決定される。油圧ショベル１がジャッキアップする速度は、作業フロント２の姿勢によって異なるので、目標ジャッキアップ速度となるように作業フロント２の姿勢に応じて、例えばブームシリンダ２０Ａの速度を演算する。演算方法については単純な幾何学演算であるので、その詳細説明を省略する。

　図５に示すように、演算したブームシリンダ２０Ａの目標動作速度は、オペレータが要求する速度Ｒ’を超えないように最小値が選択され、補正速度Ｖｃとして出力される。例えば、土壌硬さ判定部９１０によって土壌硬さが硬いと判定されたときは、目標動作速度演算部７１０によって演算された目標動作速度Ｖｔに代わって、補正速度Ｖｃが選択され、駆動指令値変換テーブルに基づいて駆動指令値Ｐｉが演算される。

　通常のマシンコントロールにおいてバケット２２を施工目標面に近づけた場合、目標面距離ｄに対するブームシリンダ２０Ａの制限速度は、図６の点線で示したようになる（すなわち、目標ジャッキアップ速度を指示しない例）。これに対して、本実施形態の制御を行った場合、図６の実線で示すようになる（すなわち、目標ジャッキアップ速度を指示した例）。図６から分かるように、目標ジャッキアップ速度を指示しない例では、点線の傾斜が比較的に緩やかであるので、ブームシリンダ２０Ａの制限速度が緩和されておらず、ブーム下げ動作は比較的に遅い。一方、目標ジャッキアップ速度を指示した例では、実線の傾斜率が比較的に急であり、ブームシリンダ２０Ａの制限速度が短時間で大きくなる。このため、施工目標面に近い場合でのブームシリンダ２０Ａの制限速度が緩和されて素早いブーム下げ動作が可能になり、油圧ショベル１を短時間でジャッキアップすることができる。

　図７～図１１には、それぞれ目標面距離ｄ、バケット対目標面角度θｂ、バケット対走行体距離ｄｂ、走行体傾斜角度θｐ、旋回体相対角度θｓに基づいて、目標ジャッキアップ速度ωを決定するテーブルの例を示す。これらのテーブルの値は説明の都合上、線形関数で表記されているが、２次関数などであっても良く、その形式と値は実験値や設計思想に基づいて決定すれば良い。

　本実施形態において、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、目標面距離ｄが小さいほど目標ジャッキアップ速度ωを小さく決定することが好ましい（図７参照）。このように目標面距離ｄが小さいほど目標ジャッキアップ速度ωを小さく決定すれば、バケット２２が施工目標面に向かってゆっくり（例えば、施工目標面を掘り過ぎないように制限された速度で）動作するので、施工目標面の掘り過ぎを防止することができる。

　加えて、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、バケット対目標面角度θｂが小さいほど目標ジャッキアップ速度ωを大きく決定することが好ましい（図８参照）。バケット対目標面角度θｂが小さいときは施工目標面を掘り過ぎることがないので、目標ジャッキアップ速度ωを大きく決定することで素早いジャッキアップを行うことができる。

　また、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、バケット対走行体距離ｄｂが大きいほど目標ジャッキアップ速度ωを大きく決定することが好ましい（図９参照）。バケット対走行体距離ｄｂが大きいときは、掘り始めのときであり、目標ジャッキアップ速度ωを大きく決定することで素早いジャッキアップを行うことができる。換言すれば、目標面距離ｄが小さいときは掘削が終わるときであり、従って素早いジャッキアップを行う必要がない。しかも、バケットが近くにあるときは、同じジャッキアップ速度でも重量バランスの関係でバケット２２の掘削力が大きくなるので、施工目標面を掘り過ぎる可能性が高くなる。このような掘り過ぎを防止する観点から、バケット対走行体距離ｄｂが小さいときに目標ジャッキアップ速度ωを小さく決定する必要がある。

　また、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、走行体傾斜角度θｐが大きいほど目標ジャッキアップ速度ωを小さく決定することが好ましい（図１０参照）。走行体傾斜角度θｐが大きいときは、油圧ショベル１が不安定になりやすく、素早いジャッキアップを行うとオペレータに不安感を与えやすいので、ゆっくりジャッキアップを行うことで良好な操作性を確保することができる。

　また、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、旋回体相対角度θｓが大きいほど目標ジャッキアップ速度ωを小さく決定することが好ましい（図１１参照）。旋回体相対角度θｓが大きいときは、走行体４に対して作業フロント２が横向きのときであり、従って油圧ショベル１が不安定になりやすく、素早いジャッキアップを行うとオペレータに不安感を与えやすいので、ゆっくりジャッキアップを行うことで良好な操作性を確保することができる。

　また、図１２Ａには、目標ジャッキアップ速度ωを指示した場合と指示しない場合の走行体傾斜角度θｐの時間変化の例をそれぞれ実線と点線で示す。図１２Ａに示すように、目標ジャッキアップ速度ωを指示した場合、開始時刻をｔ_１とすると、時刻ｔ_２までに油圧ショベル１のジャッキアップが完了する。一方で、目標ジャッキアップ速度ωを指示しない場合は、時刻ｔ_２より遅い時刻ｔ_３にジャッキアップが完了する。よって、目標ジャッキアップ速度ωを指示した場合は、走行体傾斜角度θｐの時間変化は急速であり、目標ジャッキアップ速度ωを指示しない場合と比較して短時間でジャッキアップ動作ができる。

　図１２Ｂには、目標ジャッキアップ速度ωを指示した場合と指示しない場合のブーム速度指令値の時間変化の例をそれぞれ実線と点線で示す。図１２Ｂから、目標ジャッキアップ速度ωを指示した場合、開始時刻をｔ_１とすると、時刻ｔ_１の直後にブーム速度指令値が急激に大きくなり、油圧ショベル１のジャッキアップが完了する時刻ｔ_２にブーム速度指令値が零になる。一方で、目標ジャッキアップ速度ωを指示しない場合は、時刻ｔ_１から少しずつブーム速度指令値が大きくなり、油圧ショベル１のジャッキアップが完了する時刻ｔ_３にブーム速度指令値が零になる。よって、目標ジャッキアップ速度ωを指示した場合は、目標ジャッキアップ速度ωを指示しない場合と比較してブーム速度指令値が急激に大きくできるため、短時間でジャッキアップ動作ができる。なお、図１３には、要求速度（例えば、補正速度Ｖｃ）に基づいてブームを駆動させるための駆動指令値に変換するテーブルの一例を示す。このとき、動作指令値生成部７２０は、図１３に示す変換テーブルを参照し補正速度Ｖｃに基づいて駆動指令値Ｐｉを生成する。

　一方、目標動作速度補正部９３０は、目標ジャッキアップ速度決定部９２０で決定した走行体４の目標ジャッキアップ速度ωとなるように、フロント姿勢とオペレータの操作量Ｒに基づいてブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃを演算する。補正速度Ｖｃの演算方法については、既に周知された方法を用いることができる。更に、目標動作速度補正部９３０は、演算した結果を動作指令値生成部７２０に出力する。

　以下、図１４を基に駆動制御装置３４の制御処理を説明する。まず、ステップＳ１１０では、走行体傾斜角度θｐの演算が行われる。このとき、傾斜角度演算部８２０は、旋回体３に取り付けられた旋回体ＩＭＵセンサ３０Ｓから得られる加速度信号と角速度信号に基づいて旋回体３の傾斜角度を演算し、演算した旋回体３の傾斜角度を走行体傾斜角度θｐとする。

　ステップＳ１１０に続くステップＳ１２０では、フロント姿勢の検出が行われる。このとき、フロント姿勢検出部８３０は、ブームＩＭＵセンサ２０Ｓ、アームＩＭＵセンサ２１Ｓ、バケットＩＭＵセンサ２２Ｓから得られる加速度信号及び角速度信号に基づいて、作業フロント２のブーム２０、アーム２１及びバケット２２の姿勢をそれぞれ検出する。これによって、フロント姿勢が検出される。

　ステップＳ１２０に続くステップＳ１３０では、ブーム２０、アーム２１及びバケット２２の目標動作速度Ｖｔの演算が行われる。このとき、目標動作速度演算部７１０は、ステップＳ１２０で検出したフロント姿勢に、操作入力量センサ３３Ｃで検出した操作レバー３３Ａ，３３Ｂの操作量Ｒ、目標面管理装置１００で演算した目標面距離ｄに基づいて、バケット２２が施工目標面に沿って動作するようにブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、及びバケットシリンダ２２Ａの少なくとも一つの目標動作速度Ｖｔを演算する。例えば、目標動作速度演算部７１０は、施工目標面より掘り過ぎないようにフロント姿勢、目標面距離ｄ、操作レバー３３Ａ，３３Ｂの操作量Ｒに基づきブームシリンダ２０Ａの目標動作速度Ｖｔを演算する。

　ステップＳ１３０に続くステップＳ１４０では、バケット対目標面角度θｂの演算が行われる。このとき、目標面管理装置１００は、バケット２２の底面と施工目標面がなす角度を演算する。

　ステップＳ１４０に続くステップＳ１５０では、バケット対走行体距離ｄｂの演算が行われる。このとき、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、ステップＳ１２０で検出した作業フロントの姿勢に基づいて、バケット対走行体距離ｄｂを演算する。

　ステップＳ１５０に続くステップＳ１６０では、旋回体相対角度θｓの演算が行われる。このとき、旋回角度演算部８４０は、旋回角度センサ３７で検出した信号に基づいて旋回体相対角度θｓを演算する。

　ステップＳ１６０に続くステップＳ１７０では、目標ジャッキアップ速度ωの演算が行われる。このとき、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は、ステップＳ１１０で演算した走行体傾斜角度θｐ、ステップＳ１４０で演算したバケット対目標面角度θｂ、ステップＳ１５０で演算したバケット対走行体距離ｄｂ、及びステップＳ１６０で演算した旋回体相対角度θｓに、目標面距離ｄを加えて、これらに基づいて走行体４がジャッキアップするときの目標ジャッキアップ速度ωを演算して決定する。

　ステップＳ１７０に続くステップＳ１８０では、ブームの補正速度の演算が行われる。このとき、目標動作速度補正部９３０は、ステップＳ１７０で演算した目標ジャッキアップ速度ωになるように、フロント姿勢とオペレータの操作量Ｒに基づいてブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃを演算する。

　ステップＳ１８０に続くステップＳ１９０では、土壌硬さ判定部９１０は、上述の式（１）に基づいてブームシリンダ２０Ａの推力Ｆを演算する。

　ステップＳ１９０に続くステップＳ２００では、土壌硬さ判定部９１０は、算出したブームシリンダ２０Ａの推力を予め定められた閾値と比較することで、土壌が硬いか否かを判定する。そして、算出したブームシリンダ２０Ａの推力が閾値以下の場合、土壌が硬くないと判定される。従って、駆動制御装置３４は、目標動作速度を補正しないことにする（ステップＳ２１０参照）。ステップＳ２１０では、駆動制御装置３４は、例えばステップＳ１３０で演算したブームシリンダ２０Ａの目標動作速度Ｖｔをそのまま採用する。そして、ステップＳ２１０が終わると、制御処理はステップＳ２５０に進み、動作指令値生成部７２０は目標動作速度Ｖｔに基づいて駆動指令値Ｐｉを生成する。

　一方、ステップＳ２００において推力が閾値より大きいと判定された場合、土壌が硬いと判定され、制御処理はステップＳ２２０に進む。

　ステップＳ２２０では、駆動制御装置３４は、操作レバー３３Ａ，３３Ｂの操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’がステップＳ１８０で演算したブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃより大きいか否かを判定する。なお、操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’は目標動作速度演算部７１０によって演算される。そして、操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’がブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃより大きくないと判定した場合、駆動制御装置３４は、目標動作速度を操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’と等しくなるように該目標動作速度を補正する（ステップＳ２３０参照）。ステップＳ２３０が終わると、制御処理はステップＳ２５０に進み、動作指令値生成部７２０は補正された目標動作速度（すなわち、操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’）に基づいて駆動指令値Ｐｉを生成する。

　一方、ステップＳ２２０において操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’がステップＳ１８０で演算したブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃより大きいと判定した場合、駆動制御装置３４は、目標動作速度を制限せずに該目標動作速度を補正する（ステップＳ２４０参照）。このとき、駆動制御装置３４は、ステップＳ１８０で演算したブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃをブームシリンダ２０Ａの目標動作速度とするように、該目標動作速度を補正する。ステップＳ２４０に続くステップＳ２５０では、駆動指令値の生成が行われる。このとき、動作指令値生成部７２０は、補正された目標動作速度（すなわち、ステップＳ１８０で演算したブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃ）に基づいて駆動指令値Ｐｉを生成する。

　ステップＳ２５０に続くステップＳ２６０では、制御電流の生成が行われる。このとき、駆動指令部７３０は、ステップＳ２５０で生成した駆動指令値Ｐｉに基づいて、電磁制御弁３５Ａの駆動に必要な制御電流Ｉを生成する。これによって、一連の制御処理が終了する。

　本実施形態に係る油圧ショベル１では、目標ジャッキアップ速度決定部９２０は目標面距離ｄ、バケット対目標面角度θｂ、バケット対走行体距離ｄｂ、走行体傾斜角度θｐ及び旋回体相対角度θｓに基づいて、走行体４がジャッキアップするときの目標ジャッキアップ速度ωを演算して決定し、目標動作速度補正部９３０は走行体４の目標ジャッキアップ速度ωとなるようにブームシリンダ２０Ａの補正速度Ｖｃを演算する。このため、ジャッキアップが必要な硬い土壌を掘削するときは施工目標面付近でのブーム動作速度の制限値によらずに目標動作速度を補正することができる。従って、油圧ショベルがジャッキアップする速度を任意に設定できるので、施工目標面付近において素早いジャッキアップを行うことができる。また、ジャッキアップが必要ない柔らかい土壌を掘削するときに油圧ショベル１がジャッキアップする速度を零、すなわちジャッキアップを行うためのブームシリンダ２０Ａの動作速度の補正を制限できるので、施工目標面の掘り過ぎを防止することができる。

　加えて、土壌硬さ判定部９１０によって土壌硬さが硬いと判定されたときに、動作指令値生成部７２０は目標動作速度補正部９３０で補正した目標動作速度（すなわち、補正速度Ｖｃ）に基づいて駆動指令値を生成する。

　更に、目標動作速度補正部９３０は、目標ジャッキアップ速度ωに基づいて演算した補正速度が目標動作速度演算部７１０で演算した操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’を超えないように目標動作速度を補正する。オペレータによる操作レバーの操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’よりも速くジャッキアップすると、オペレータに不安感を与えやすいため、操作量Ｒに相当するオペレータ要求速度Ｒ’を超えないようにジャッキアップすることで操作性を更に高めることができる。その結果、施工目標面付近において素早いジャッキアップを実現できるとともに、掘削の精度、オペレータの操作性及び作業性を高めることができる。

　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１　　油圧ショベル
２　　作業フロント
３　　旋回体
４　　走行体
２０　　ブーム
２０ＢＰ　　ブームボトム圧センサ
２０ＲＰ　　ブームロッド圧センサ
２０Ｓ　　ブームＩＭＵセンサ
２１　　アーム
２１Ｓ　　アームＩＭＵセンサ
２２　　バケット
２２Ｓ　　バケットＩＭＵセンサ
３０Ｓ　　旋回体ＩＭＵセンサ
３３　　操作量検出装置
３３Ａ，３３Ｂ　　操作レバー（操作装置）
３３Ｃ　　操作入力量センサ
３４　　駆動制御装置
３５　　駆動装置
３５Ａ　　電磁制御弁
３７　　旋回角度センサ
３８　　姿勢検出装置
３９　　負荷検出装置
１００　　目標面管理装置
７１０　　目標動作速度演算部
７２０　　動作指令値生成部
７３０　　駆動指令部
８１０　　シリンダ負荷演算部
８２０　　傾斜角度演算部
８３０　　フロント姿勢検出部
８４０　　旋回角度演算部
９１０　　土壌硬さ判定部
９２０　　目標ジャッキアップ速度決定部
９３０　　目標動作速度補正部

Claims

　走行可能な走行体と、
　前記走行体に旋回自在に取り付けられる旋回体と、
　前記旋回体に揺動自在に取り付けられるとともにブーム、アーム及びバケットを有する作業フロントと、
　前記ブームと前記アームと前記バケットをそれぞれ駆動させるアクチュエータと、
　前記アクチュエータを操作する操作装置の操作量を検出する操作量検出装置と、
　前記作業フロントの姿勢と前記旋回体の姿勢をそれぞれ検出する姿勢検出装置と、
　施工目標面を設定し、設定した前記施工目標面と前記バケットの距離を目標面距離として演算する目標面管理装置と、
　前記操作量と前記作業フロントの姿勢と前記目標面距離に基づいて前記バケットが前記施工目標面に沿って掘削するように前記アクチュエータの目標動作速度を演算し、前記アクチュエータへの動作指令値を生成する駆動制御装置と、
　前記動作指令値に基づいて前記アクチュエータを駆動させる駆動装置と、
を備える油圧ショベルにおいて、
　前記駆動制御装置は、前記目標面距離に基づいて前記油圧ショベルがジャッキアップする際の目標ジャッキアップ速度を決定し、決定した前記目標ジャッキアップ速度に基づいて前記目標動作速度を補正することを特徴とする油圧ショベル。
　前記アクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置を更に備え、
　前記駆動制御装置は、前記負荷検出装置で検出した結果に基づいて前記作業フロントが掘削する場所の土壌硬さを判定し、前記土壌硬さと、前記目標ジャッキアップ速度に基づいて演算した補正速度とに基づいて前記目標動作速度を補正し、補正した前記目標動作速度に基づいて前記動作指令値を生成する請求項１に記載の油圧ショベル。
　前記駆動制御装置は、前記目標面距離が小さいほど前記目標ジャッキアップ速度を小さく決定する請求項１に記載の油圧ショベル。
　前記目標面管理装置は、前記バケットの底面と前記施工目標面がなす角度をバケット対目標面角度として演算し、
　前記駆動制御装置は、前記バケット対目標面角度が小さいほど前記目標ジャッキアップ速度を大きく決定する請求項１に記載の油圧ショベル。
　前記駆動制御装置は、前記作業フロントの姿勢に基づいて前記バケットと前記走行体の距離をバケット対走行体距離として演算し、演算した前記バケット対走行体距離が大きいほど前記目標ジャッキアップ速度を大きく決定する請求項１に記載の油圧ショベル。
　前記駆動制御装置は、前記姿勢検出装置で検出した結果に基づいて走行体傾斜角度を演算し、演算した前記走行体傾斜角度が大きいほど前記目標ジャッキアップ速度を小さく決定する請求項１に記載の油圧ショベル。
　前記駆動制御装置は、前記姿勢検出装置で検出した結果に基づいて前記走行体の進行方向を基準とした前記旋回体と前記走行体の相対角度を旋回体相対角度として演算し、演算した前記旋回体相対角度が大きいほど前記目標ジャッキアップ速度を小さく決定する請求項１に記載の油圧ショベル。
　前記駆動制御装置は、前記補正速度が前記操作量に相当するオペレータ要求速度を超えないように前記目標動作速度を補正する請求項２に記載の油圧ショベル。