WO2025164530A1 - 建設機械 - Google Patents

Abstract

建設機械のコントローラは、姿勢検出装置の検出情報に基づき機体及び作業具の座標を演算する座標演算を行い、施工目標面と座標演算の演算結果である作業具の座標を基に所定条件を満たす所定の時間区間における作業具の状態量の目標値である作業具の目標状態量の時系列を演算する目標状態量演算を行い、複数の油圧アクチュエータの速度を制御入力とし作業具の状態量を予測する予測モデルを用いて所定の時間区間の作業具の状態量と目標状態量演算の演算結果である作業具の目標状態量の時系列との偏差に基づき複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算する指令演算を行い、状態量検出装置の検出情報に基づく複数の油圧アクチュエータの実速度を複数の油圧アクチュエータの速度指令値に一致させるように複数の油圧アクチュエータの駆動を制御する。

Description

建設機械

　本発明は、作業具を含む複数の被駆動部材から構成される多関節型の作業装置を備えた建設機械に係り、更に詳しくは、作業装置の動作を所定の条件下において制御する建設機械に関する。

　油圧ショベルなどの建設機械の分野では、建設施工に情報通信技術を適用することで多様な情報を効率的に活用して施工の合理化を図る情報化施工の導入が進められている。情報化施工に対応するため、複数の被駆動部材から構成された作業装置の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや、当該作業装置を施工目標面に沿って動くように制御するマシンコントロールなどのオペレータの運転操作を支援する機能（運転操作支援制御）を有する建設機械が開発されている。

　油圧ショベルの従来のマシンコントロールにおいては、ブームとアームとバケット（作業具）とで構成された作業装置の動作を制御するために、作業装置の構成部材をそれぞれ駆動する油圧アクチュエータの目標駆動量（例えば目標速度など）を演算する。このような従来のマシンコントロールにおいては、３次元空間内で作業装置のバケット（作業具）の爪先位置を制御するとき、機体の旋回動作を考慮しない場合には、作業装置の構成部材のうちの１つ（例えば、ブーム）をオペレータが操作すると、残りの２つの構成部材（アーム及びバケット）を駆動する２つの油圧アクチュエータがマシンコントロールの制御対象となる。この場合、バケットの爪先位置の自由度（２次元）とマシンコントロールの制御対象の油圧アクチュエータの数（２つ）とが一致する状況である。そのため、バケットの爪先位置を制御するとき、制御対象の２つの油圧アクチュエータのうちの一方の目標駆動量を設定すると、他方の目標駆動量が一意に定まる。それに対して、作業具をバケットからロータリチルトバケットに変更したときにマシンコントロールの範囲をこの変更に対応させようとすると、ロータリチルトバケットを駆動させる油圧アクチュエータの数（２つ）がバケットを駆動させる油圧アクチュエータの数（１つ）よりも多い分、マシンコントロールの制御対象の油圧アクチュータの数が増加する。この場合、作業装置の構成部材の１つをオペレータが操作したとき、制御対象の油圧アクチュータの数（３つ）が作業具の爪先位置の自由度（２次元）よりも大きくなる。このため、マシンコントロールの制御対象となる複数の油圧アクチュエータを同時にどうような目標駆動量の組み合わせで制御するかを適切に設定する必要がある。

　このような課題を解決するための有用な方策として、特許文献１に記載の技術を挙げることができる。特許文献１に記載の建設機械の制御システムは、施工対象の目標形状を示す設計面に沿って作業機（作業装置）のバケットを移動させるために、作業機の制御量の目標値と作業機の予測モデルとに基づいて作業機の制御量の予測値を算出し、当該予測値と設計面とに基づいて作業機を制御する駆動量を算出するものである。この制御システムは、オペレータが操作する操作装置の操作データに基づいて目標値を生成するものであり、運転支援機能に相当する制御を実行している。また、この制御システムは、モデル予測制御を活用した技術である。モデル予測制御は、多入力多出力系の制御を扱うことが可能であり、適切な評価関数を用いることで適切な制御入力の決定を可能とするものである。

特開２０２０－１２５５９５号公報

　特許文献１に記載の建設機械の制御システムにおいては、予測モデルの制御入力として作業機（作業装置）を駆動するトルクが用いられている。産業用ロボットのような多関節型の構造体の場合には、電動モータのトルクの印加により構造体の回動が可能である。しかし、油圧ショベルの多関節型の作業機の場合には、複数の油圧シリンダの伸縮によって作業装置の回動動作が実現されている。このため、特許文献１に記載の予測モデルによるトルク制御を油圧ショベルの作業機に実際に適用するためには、何らかの工夫が必要になる。

　また、特許文献１に記載のモデル予測制御によるトルク制御を何らかの工夫によって油圧ショベルの作業機に適用することができたとしても、モデル化誤差の影響が考慮されていないと、作業機を意図通りに制御することは容易ではない。なぜなら、特許文献１に記載の技術のように予測モデルとして用いられる運動方程式には、パラメータの同定が容易でない項（例えば、慣性力の項やコリオリ力の項）が含まれている。特許文献１に記載の技術においては、これらのパラメータが適切に設定されていない場合、オペレータが油圧ショベルを操作する意図がないとき、つまり、作業機の目標速度が０であるときに、特許文献１に記載の（１１）式（予測モデルの状態方程式）を停止状態にするためのトルク（釣り合いトルク）と実際に必要な釣り合いトルクとが一致しなくなることで、作業機の意図しない動作が行われる懸念がある。このように、モデル化誤差の影響が考慮されていない場合には、作業機を意図通りに制御することは難しい。

　以上のように、特許文献１に記載の制御方法を油圧ショベルの作業装置（作業機）に対して実際に適用しようとすると、様々な課題が発生することが懸念される。しかし、特許文献１には、このような課題を解決するための工夫が示されていない。

　本発明は、以上のような課題を鑑みて発案されたものであり、その目的は、建設機械の動作制御に対して容易に適用可能である制御を実行する建設機械を提供することである。

　本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいる。本願の一例は、作業具を含む複数の被駆動部材により構成された多関節型の作業装置と、前記作業装置が回動可能に取り付けられた機体と、前記機体及び前記作業装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記機体及び前記作業装置の姿勢に関する情報を検出する姿勢検出装置と、前記複数の油圧アクチュエータの状態量に関する情報を検出する状態量検出装置と、前記機体及び前記作業装置の動作を制御するコントローラとを備えた建設機械において、前記コントローラは、前記姿勢検出装置からの検出情報に基づいて前記機体及び前記作業具の座標を演算する座標演算を行い、前記作業装置の作業対象として設定されている施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標とを基に、所定条件を満たすように演算時点から所定の時間までの所定の時間区間における前記作業具の状態量の目標値である前記作業具の目標状態量の時系列を演算する目標状態量演算を行い、前記複数の油圧アクチュエータの速度を制御入力として前記作業具の状態量を予測可能な予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の状態量と前記目標状態量演算の演算結果である前記作業具の目標状態量の時系列との偏差に基づいて、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算する指令演算を行い、前記状態量検出装置からの検出情報に基づいて得られる前記複数の油圧アクチュエータの実速度を前記指令演算の演算結果である前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値に一致させるように前記複数の油圧アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

　本願の一例によれば、複数の油圧アクチュエータの速度を制御入力とする予測モデルを用いて算出される速度指令値を用いた複数の油圧アクチュエータの同時制御によって建設機械の作業装置の動作制御が実行されるものであり、このモデル予測制御を建設機械の動作制御に容易に適用することができる。
  上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係る建設機械としての油圧ショベルを示す外観図である。 図１に示す第１の実施形態に係る建設機械が備えるコントローラのハード構成及び機能構成を示すブロック図である。 図２に示す第１の実施形態に係る建設機械のコントローラの機能を細分化した構成を示すブロック図である。 図３に示す第１の実施形態に係る建設機械のコントローラにおける限定領域設定部が設定する動作限定領域の一例を示す説明図である。 第１の実施形態に係る建設機械における作業装置の各構成部材の角度θｉの定義を示す説明図である。 図３に示す第１の実施形態に係る建設機械のコントローラにおける爪先軌跡表示部により表示される表示装置の表示画面の一例を示す図である。 図３に示す第１の実施形態に係る建設機械のコントローラの処理手順の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る建設機械における作業装置の動作制御により施工精度の向上が期待される箇所の第１例を示す図である。 第１の実施形態に係る建設機械における作業装置の動作制御により施工精度の向上が期待される箇所の第２例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る建設機械におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る建設機械におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る建設機械におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。

　以下、本発明の建設機械の実施形態について図面を用いて説明する。本実施の形態においては、建設機械の一例として油圧ショベルを例に挙げて説明する。

　［第１の実施形態］
  まず、本発明の第１の実施形態に係る建設機械としての油圧ショベルの構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、第１の実施形態に係る建設機械としての油圧ショベルを示す外観図である。図２は、図１に示す第１の実施形態に係る建設機械が備えるコントローラのハード構成及び機能構成を示すブロック図である。ここでは、運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。

　図１において、建設機械としての油圧ショベルは、掘削作業等を行うための作業装置１と、作業装置１が回動可能に取り付けられた機体とを備えている。機体は、自走可能な走行体２と、走行体２上に旋回可能に搭載された旋回体３とで構成されている。旋回体３は、例えば、油圧アクチュエータである旋回油圧モータ４によって走行体２に対して旋回動作するように構成されている。

　作業装置１は、複数の被駆動部材を垂直方向に回動可能に連結することで構成された多関節型の装置である。複数の被駆動部材は、例えば、ブーム６、アーム７、作業具としてのバケット８とで構成されている。ブーム６の基端部は、旋回体３の前部にブームピン６ａ（図２参照）を介して回動可能に支持されている。ブーム６の先端部には、アーム７の基端部がアームピン７ａを介して回動可能に支持されている。アーム７の先端部には、バケット８がバケットピン８ａを介して回動可能に支持されている。ブーム６、アーム７、バケット８はそれぞれ、油圧アクチュエータであるブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２によって駆動される。なお、バケットシリンダ１２は、バケット８と連動して回動するリンク部材１３を介してバケット８を駆動している。

　走行体２は、例えば、左右にクローラ式の走行装置１４（左側のみ図示）を備えている。走行装置１４は、油圧アクチュエータである走行油圧モータ１４ａによって駆動する。

　旋回体３は、オペレータが搭乗する運転室１６と、各種機器を収容する機械室１７とを含んでいる。運転室１６には、油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａを操作するための操作装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃが配置されている。操作装置１８ａ、１８ｂは、例えば、前後左右に傾倒可能な操作レバーを有する電気式のものである。電気式の操作装置１８ａ、１８ｂは、操作レバーの傾倒方向および傾倒量、すなわち操作方向および操作量を電気的に検出する検出装置（図示せず）を有しており、検出した操作方向および操作量に応じた操作信号をコントローラ４０（後述の図３参照）へ出力する。操作装置１８ａ、１８ｂの前後方向の操作および左右方向の操作はそれぞれ、各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の操作として割り当てられている。つまり、操作装置１８ａ、１８ｂの各操作は、作業装置１の操作（油圧アクチュエータ１０、１１、１２の駆動指示）や旋回体３の旋回操作（油圧アクチュエータ４の駆動指示）として割り当てられている。操作装置１８ｃは、前後に傾倒可能な走行レバー及び走行ペダルを有する電気式の操作装置である。操作装置１８ｃは、左右の走行装置１４の走行操作、すなわち、油圧アクチュエータ１４ａの操作（駆動指示）として割り当てられている。また、運転室１６には、各種情報を表示する表示装置としてのモニタ１９（図２参照）が配置されている。

　機械室１７には、エンジンや電動機などの原動機２１及び原動機２１により駆動される油圧ポンプ装置２２などが収容されている。油圧ポンプ装置２２から吐出された圧油が油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａの各々に供給されることで各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａが駆動する。各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａの駆動は、各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａに対応する制御弁の集合体である制御弁ユニット２３によって制御される。制御弁ユニット２３を構成する各制御弁は、対応する油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａに対して油圧ポンプ装置２２から供給される圧油の方向及び流量を制御するものである。各制御弁の駆動は、例えば、パイロットポンプ（図示せず）から電磁比例弁（図示せず）を介して出力されるパイロット圧（駆動信号）により制御される。各電磁比例弁がコントローラ４０により操作装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃからの操作信号に基づいて制御されることで、制御弁ユニット２３を介して各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａの駆動が制御される。

　旋回体３には、図１及び図２に示すように、機体の姿勢に関する情報を計測するための慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）２５が設置されている。また、作業装置１の構成部材であるブーム６、アーム７、バケット８にもそれぞれ、各構成部材６、７、８の姿勢に関する情報を計測するための慣性計測装置（ＩＭＵ）２６、２７、２８が設置されている。これら４つの慣性計測装置２５、２６、２７、２８を区別するため、旋回体３（機体）用の慣性計測装置２５を機体ＩＭＵ、ブーム６用の慣性計測装置２６をブームＩＭＵ、アーム７用の慣性計測装置２７をアームＩＭＵ、バケット８用の慣性計測装置２８をバケットＩＭＵと称することがある。なお、バケットＩＭＵ２８は、バケット８と連動して回動するリンク部材１３に設置されることが一般的であるが、バケット８と連動して駆動する任意の部材に対して設置可能である。

　各ＩＭＵ２５、２６、２７、２８は、設置部分の角速度を計測する角速度センサ及び加速度を計測する加速度センサの２つのセンサを備えている。本実施の形態においては、各ＩＭＵ２５、２６、２７、２８に、角速度センサにより計測された角速度及び加速度センサにより計測された加速度を用いて角度を演算する角度演算機能が実装されていることを想定している。なお、各ＩＭＵ２５、２６、２７、２８に角度演算の機能が実装されていない場合には、後述のコントローラ４０に当該角度演算機能を含める構成が可能である。

　機体ＩＭＵ２５は、例えば旋回体３が静止状態のとき、機体ＩＭＵ２５に設定されたＩＭＵ座標系において計測された重力加速度の方向（鉛直下向きの方向）および機体ＩＭＵ２５の取付状態（機体ＩＭＵ２５と旋回体３との相対的な位置関係）に基づき、水平面（基準面）に対する旋回体３の前後方向への傾き（ピッチ角）および左右方向（旋回体３の幅方向）への傾き（ロール角）を演算可能である。機体ＩＭＵ２５は、旋回体３のピッチ角及びロール角の演算結果（機体２、３の姿勢情報）をコントローラ４０へ出力する。なお、機体ＩＭＵ２５は、検出した角速度を積分することによって旋回体３の回転角度（ヨー角）を算出可能である。

　ブームＩＭＵ２６、アームＩＭＵ２７、バケットＩＭＵ２８はそれぞれ、設置部分（ブーム６、アーム７、バケット８）の角速度及び加速度を計測すると共に、計測結果（加速度及び角速度）に基づき当該設置部分６、７、８の基準に対する角度を演算する角度演算を行うものである。具体的には、各ＩＭＵ２６～２８は、重力方向を検出すると共に検出した角速度を積分することで、作業装置１の構成部材６、７、８の回動角度を算出可能である。ブームＩＭＵ２６、アームＩＭＵ２７、バケットＩＭＵ２８はそれぞれ、各構成部材６、７、８の角速度及び加速度の計測結果ならびに各構成部材６、７、８の角度情報の演算結果（各構成部材６、７、８の姿勢情報）をコントローラ４０へ出力する。

　これら４つの機体ＩＭＵ２５、ブームＩＭＵ２６、アームＩＭＵ２７、バケットＩＭＵ２８は、旋回体３を含む機体及び作業装置１の姿勢に関する情報を検出する姿勢検出装置を構成する。

　本実施の形態においては、機体ＩＭＵ２５、ブームＩＭＵ２６、アームＩＭＵ２７、バケットＩＭＵ２８の計測結果及び演算結果を用いることで、旋回油圧モータ４の状態量（角度、角速度、角加速度）及びブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２の各々の状態量（変位、速度、加速度）を演算可能である。すなわち、これらのＩＭＵ２５、２６、２７、２８は、油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の状態量に関する情報を検出する状態量検出装置として機能する。このため、油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の状態量を検出するセンサを別途用意する必要がない。しかし、油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の状態量を検出するアクチュエータセンサ（後述の図３参照）、例えば、油圧シリンダのストロークを検出可能なシリンダストロークセンサを更に備える構成も可能である。

　また、旋回体３には、複数の衛星からの測位信号を受信可能な受信装置としての２つのＧＮＳＳアンテナ３６、３７が取り付けられている。各ＧＮＳＳアンテナ３６、３７が受信した測位信号は、図２に示すＧＮＳＳ受信機３８に入力される。ＧＮＳＳ受信機３８は、ＧＮＳＳアンテナ３６、３７が受信した測位信号を基に、アンテナ座標の演算や旋回体３（機体）の方位角の演算などの測位演算を行うものである。ＧＮＳＳ受信機３８は、現場内に設置されたＧＮＳＳ固定局に無線通信を介して接続することで、ＲＴＫ（Real Time Kinematic）測位を実行可能である。ＧＮＳＳ固定局がない現場の場合には、インターネットを介して電子基準局の情報を取得するネットワーク型ＲＴＫを利用した測位を実行可能である。以下、現場内の固定局の有無を問わず、ＧＮＳＳ受信機３８がＲＴＫ測位を実行可能であることを想定している。ＧＮＳＳ受信機３８は、測位演算の演算結果であるＧＮＳＳアンテナ３６、３７（機体）の位置及び速度や旋回体３（機体）の方位角をコントローラ４０へ出力する。ＧＮＳＳアンテナ３６、３７とＧＮＳＳ受信機３８は、油圧ショベルの衛星測位の演算を行う測位演算装置３５を構成している。

　図２において、コントローラ４０は、油圧ショベルの動作制御を実行するものであり、ハード構成として例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる記憶装置４１とＣＰＵやＭＰＵ等からなる処理装置４２とを備えている。記憶装置４１には、油圧ショベルの動作制御に必要なプログラムや各種情報が予め記憶されている。処理装置４２は、記憶装置４１からプログラムや各種情報を適宜読み込み、当該プログラムに従って処理を実行することで以下の機能を含む各種機能を実現する。

　コントローラ４０は、処理装置４２により実行される機能部として、ポジショニング演算部５１、施工目標面演算部５２、動作制御部５３、モニタ表示制御部５４を有している。なお、以下において、施工目標面演算部５２とモニタ表示制御部５４の両機能を併せたものをマシンガイダンスシステムと呼ぶことがある。また、施工目標面演算部５２と動作制御部５３の両機能を併せたものをマシンコントロールシステムと呼ぶことがある。

　ポジショニング演算部５１は、ＧＮＳＳ受信機３８の演算結果である位置情報と姿勢検出装置としてのＩＭＵ２５～２８の計測結果及び演算結果とに基づき、作業現場内における油圧ショベルの位置（座標）及び方位並びに作業装置１の姿勢を演算する姿勢演算を行うものである。ポジショニング演算部５１は、施工目標面演算部５２、動作制御部５３、モニタ表示制御部５４へ演算結果を出力する。ポジショニング演算部５１には、例えば、演算結果の姿勢情報の精度を検証する機能も実装されている。そこで、ポジショニング演算部５１は、ＧＮＳＳ受信機３８の測位結果に異常が生じた場合やＩＭＵ２５～２８の演算結果の角度情報の精度が低下した場合に、モニタ表示制御部５４を介して、オペレータに注意を促す画面をモニタ１９に表示させるように構成することが可能である。

　施工目標面演算部５２は、記憶装置４１に予め記憶されている３次元施工図面などの施工情報、並びに、ポジショニング演算部５１の演算結果である油圧ショベルの位置情報及び姿勢情報に基づき、施工対象の目標形状を定義する施工目標面を演算するものである。記憶装置４１に予め記憶されている施工情報は、例えば、入力装置としてモニタ１９又は外部の施工管理システム７０などを介して施工管理者が入力したものである。また、施工目標面演算部５２は、施工目標面と参照点（例えば、バケット８の爪先）との距離を算出する。なお、施工目標面は、オペレータがモニタ１９の操作入力によってその場で設定することも可能である。施工目標面演算部５２は、動作制御部５３及びモニタ表示制御部５４へ施工目標面などの演算結果を出力する。

　動作制御部５３は、油圧ポンプ装置２２、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａ、制御弁ユニット２３（共に図１参照）を含む油圧システムを制御することで、油圧ショベル（機体２、３及び作業装置１）の動作を制御するものである。動作制御部５３は、例えば、施工目標面演算部５２の演算結果である施工目標面並びにポジショニング演算部５１の演算結果である機体２、３及び作業装置１の位置情報及び姿勢情報に基づき、所定条件を満たす機体２、３及び作業装置１の動作の目標値を演算し、演算結果の機体２、３及び作業装置１の動作を実現するように油圧システムを制御する。動作制御部５３は、バケット８の爪先が施工目標面に一定以上接近しないように動作に制限をかけたりバケット８が施工目標面に沿って動くよう制御したりするマシンコントロールシステムとしての機能の一部を担っている。動作制御部５３は、ＧＮＳＳ受信機３８の測位結果に異常が生じたとき又は４つのＩＭＵ２５、２６、２７、２８のいずれかの演算結果の角度情報の精度が所定の要求精度を満たしていないときに、モニタ表示制御部５４が後述のガイダンスの実行停止又は警告表示を行う場合には、それに応じてマシンコントロール機能を停止させることが望ましい。

　モニタ表示制御部５４は、例えば、運転室１６内のモニタ１９の表示を制御するものである。モニタ表示制御部５４は、施工目標面演算部５２の演算結果である施工目標面、並びに、ポジショニング演算部５１の演算結果である油圧ショベルの位置情報及び姿勢情報に基づき、オペレータに対する操作支援の指示内容を演算して演算結果をモニタ１９に表示する。モニタ表示制御部５４は、例えば、作業装置１の姿勢、並びに、作業装置１のバケット８（作業具）の先端位置や施工目標面に対する角度をモニタ１９に表示することで、オペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能の一部を担っている。また、本実施の形態に係るモニタ表示制御部５４は、動作制御部５３の演算結果をモニタ１９に表示させるように構成されている。モニタ表示制御部５４は、例えば、測位演算装置３５の測位結果に異常が生じた場合、又は、４つのＩＭＵ２５、２６、２７、２８のいずれかの演算結果の角度情報の精度が設定された要求精度を満たしていない場合に、ガイダンスの実行停止又はガイダンス中断の警告をモニタ１９に表示させる構成が可能である。なお、モニタ１９は、タッチパネルを備えることで各種の情報を入力可能な入力装置として使用可能であることが望ましい。モニタ１９は、例えば、運転室１６内に据え付ける構成や運転室１６内に着脱可能に設置可能な可搬性のタブレット端末として構成することが可能である。

　次に、第１の実施形態に係る建設機械のコントローラの各機能の細分化した構成を図３～図５を用いて説明する。図３は、図２に示す第１の実施形態に係る建設機械のコントローラの機能を細分化した構成を示すブロック図である。

　図３において、コントローラ４０のポジショニング演算部５１は、姿勢検出装置２５～２８からの検出情報及び測位演算装置３５からの測位情報を用いて油圧ショベルの所定部分の３次元座標を演算する座標演算部５１１を含んでいる。座標演算部５１１は、油圧ショベルにおける複数の部分の座標を同時に演算するように構成することが可能である。油圧ショベルの所定部分としては、例えば、バケット８の爪先、ブーム６やアーム７の或る部分、旋回体３の或る部分など、油圧ショベルの任意部分を設定可能である。また、座標演算部５１１は、姿勢検出装置としてのＩＭＵ２５～２８が油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａの状態量検出装置として機能することから、状態量検出装置２５～２８からの検出情報に基づき油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の実際の状態量（速度又は角速度など）を演算する構成も可能である。座標演算部５１１は、油圧ショベルの幾何学上の計算を実行するものであり、特徴的な演算方法を含まないので、その演算方法の説明を省略する。

　コントローラ４０の施工目標面演算部５２は、作業装置１の作業対象として施工目標面を設定する施工目標面設定部５２１と、油圧ショベルの動作が許容される領域である動作限定領域を設定する限定領域設定部５２２とを備えている。施工目標面設定部５２１は、例えば、施工管理システム７０からの施工情報とポジショニング演算部５１の座標演算部５１１の演算結果である機体２、３の位置に基づいて施工目標面を設定する。

　限定領域設定部５２２は、例えば図４に示すような動作限定領域を設定する。図４は、コントローラ４０の限定領域設定部５２２が設定する動作限定領域の一例を示す説明図である。動作限定領域は、油圧ショベルが接触してはならない障害物を含まないように設定される。障害物としては、例えば、塀１０１や架線１０２などが挙げられる。動作限定領域は、油圧ショベルの特定箇所ではなく、油圧ショベルの構成部材の全体が逸脱してはならない領域を規定するものである。つまり、油圧ショベルの動作制御は、図４に示す作業装置１のバケット８の先端位置Ｐ１だけでなく、バケットシリンダ１２の接続ピンの位置Ｐ２やアームシリンダ１１の接続ピンの位置Ｐ３なども、動作限定領域から逸脱しないように行う必要がある。

　動作限定領域は、施工管理システム７０からの施工情報又は入力装置としてのモニタ１９からの入力情報（オペレータにより設定された情報）に基づいて設定することが可能である。取り込んだ施工情報に障害物の情報が含まれている場合には、限定領域設定部５２２が自動的に動作限定領域を設定することが望ましい。施工情報に障害物情報が含まれていない場合又は油圧ショベル以外の建設機械や作業車両などの移動する障害物が存在する場合には、オペレータがモニタ１９を介して動作限定領域を設定することが望ましい。なお、動作限定領域が設定されていない場合、油圧ショベルの動作領域が限定されてない状態である。このため、油圧ショベルは、油圧アクチュエータが駆動可能な範囲で自在に動作することが可能である。つまり、旋回体３は３６０度旋回の旋回動作が許容されると共に、作業装置１は最大リーチ範囲までの動作が許容される。

　コントローラ４０の動作制御部５３は、油圧ショベルの動作制御に対して容易に適用可能なモデル予測制御を用いるものであり、当該予測モデルを用いて得られる作業装置１の所定部分の状態量（位置又は速度）の予測値をその目標値に追従させるような制御入力を基に作業装置１の動作制御を行うように構成されている。ここでは、説明の簡略化のため、制御対象の作業装置１の所定部分として、作業具としてのバケット８の爪先が設定されている場合について説明する。

　本実施の形態の動作制御部５３は、バケット８の爪先の状態量として爪先座標をその目標値に追従させる位置追従制御を行うように構成されている。具体的には、動作制御部５３は、目標速度演算部５３１、目標座標列演算部５３２、限定領域変換部５３３、アクチュエータ速度指令演算部５３４、制御介入判断部５３５、アクチュエータ制御部５３６の機能部を有している。

　目標速度演算部５３１は、施工目標面設定部５２１により設定された施工目標面と座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の座標と操作装置１８ａ、１８ｂの操作とに基づき、所定条件を満たすようなバケット８の爪先の目標速度Ｖｔを演算する。この演算は、オペレータによる操作装置１８の操作を尊重しつつ所定条件を満たすような運転支援の制御を行うためのものである。目標速度演算部５３１は、例えば、バケット８の先端が施工目標面よりも下に潜り込まないという条件を満たしつつ、操作装置１８ａ、１８ｂの操作方向及び操作量に応じたバケット８の爪先の目標速度Ｖｔを演算する。目標速度Ｖｔの演算方法が公知であるため、その説明は省略する。

　目標座標列演算部５３２は、座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の時刻ｋ（演算時点の時刻）の爪先位置ξｓ（ｋ）と目標速度演算部５３１の演算結果である時刻ｋの目標速度Ｖｔを基に、時刻ｋ（演算時点）から所定の時間先までの時間区間におけるバケット８の爪先の状態量の目標値である目標座標ξｔの時系列を演算するものである。具体的には、以下の式（１）を用いて所定のステップ先までの爪先目標座標ξｔの時系列を算出する。なお、Δｔはコントローラ４０の制御周期である。

　式（１）は、バケット８の爪先が目標速度Ｖｔ（ｋ）で等速移動することを想定したものである。そのため、予測ステップＮが大きな値をとると、将来の爪先位置が施工目標面よりも下側の位置になる可能性がある。このような状況を回避するため、演算結果の目標座標ξｔが施工目標面に接触した場合には、その時刻（予測ステップ）以降の目標座標を施工目標面との接触点で固定することが望ましい。例えば、式（２）に示すように、Ｍステップ先（Ｎ＞Ｍ）の時刻における目標座標ξｔが施工目標面との交点ξｄに到達した場合、その時刻以降において、すなわち、（Ｍ＋１）ステップからＮステップまでの時刻において、目標座標ξｔをξｄに固定する。

　なお、目標速度演算部５３１と目標座標列演算部５３２は、座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の爪先の状態量としての座標と施工目標面とを基に、所定条件を満たすように所定の時間区間におけるバケット８の爪先の状態量の目標値である目標状態量として目標座標ξｔの時系列を演算する目標状態量演算部５３０を構成する。

　限定領域変換部５３３は、施工目標面演算部５２の限定領域設定部５２２により設定された油圧ショベルの動作限定領域をアクチュエータ速度指令演算部５３４の後述の演算で利用可能な形式に変換するものである。これは、運転支援制御と逸脱防止制御を統合した作業装置１の動作制御を実現するための構成である。

　具体的には、限定領域変換部５３３は、設定済みの動作限定領域をアクチュエータ速度指令演算部５３４の後述の演算式（式（１４）を参照）の拘束条件として数式で表現できるように変換する。例えば、図４に示す塀１０１にバケット８を接触させないための条件は、バケット８の先端位置Ｐ１のＸ座標Ｘ（ｋ）が塀１０１のＸ座標Ｘｄよりも小さいことを示す式（３）によって表現することが可能である。

　なお、動作限定領域に対応する式（３）の拘束条件は例示である。また、障害物などへの接触判定は、バケット８の先端に限定されず、油圧ショベルの任意箇所が対象であることに留意する必要がある。

　アクチュエータ速度指令演算部５３４は、座標演算部５１１の演算結果である時刻ｋ（演算時点の時刻）のバケット８の爪先の座標ξｓ（ｋ）、目標座標列演算部５３２の演算結果である時刻ｋ＋１から時刻ｋ＋Ｎまでのバケット８の爪先の目標座標ξｔの時系列、限定領域変換部５３３により変換して得られた動作限定領域を示す拘束条件の数式を用いて、各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値を演算するものである。本実施の形態に係るアクチュエータ速度指令演算部５３４は、モデル予測制御（Model Predictive Control：ＭＰＣ）により実現するように構成されており、作業装置１（ブーム６、アーム７、バケット８）と走行体２と旋回体３の同時制御が可能である。しかし、ここでは、説明の簡略化のため、作業装置１を駆動する油圧アクチュエータのみ、つまり、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２を制御する場合について具体的に説明する。

　アクチュエータ速度指令演算部５３４は、目標座標列演算部５３２の演算結果であるバケット８の爪先の目標座標ξｔの時系列にバケット８の実際の爪先位置が追従するように、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２に対する速度指令ｖｒｅｆ（伸縮速度）を演算するものである。具体的には、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度を制御入力としてバケット８爪先の状態量である爪先座標を予測する予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８の爪先座標の予測値と目標状態量演算部５３０の演算結果であるバケット８の目標座標ξｔの時系列との偏差に基づいて、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するように構成されている。

　速度指令ｖｒｅｆ（伸縮速度）は、次のことを考慮して演算されるものである。コントローラ４０が油圧アクチュエータ１０、１１、１２を制御する場合、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の実際の速度応答ｖｏは速度指令ｖｒｅｆに対して何らかの遅れをもって追従することになる。この関係は、例えば式（４）のような２次遅れの伝達関数で表現することができる。

　式（４）中、ｓはラプラス変換を、ζは減衰係数を、ωは固有角周波数を示している。添え字ｉは油圧アクチュエータに対応する番号であり、ｉ＝１、２、３はそれぞれブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを示している。

　式（４）で示された伝達関数は、式（５）の状態空間表現へと変換することが可能である。式（５）中、状態ベクトルｘに含まれているｌｏ及びａｏは、それぞれ油圧シリンダの実際の変位及び伸縮加速度の応答を示している。ｕは、制御入力としての速度指令を示している。添え字ｉは、式（４）と同様に、油圧アクチュエータ（ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ）に対応する番号である。

　式（５）について、全ての油圧アクチュエータ（ｉ＝１、２、３）に関する状態ベクトルｘｉ及び制御入力ｕｉを纏めると、式（６）を得ることができる。

　式（６）は、制御周期Δｔを用いることで、例えば、式（７ａ）のように離散化することが可能である。

　なお、式（６）は、線形システムなので、式（７ｂ）により正確に離散化することも可能である。

　制御入力ｕとしての各油圧シリンダ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを決定することができれば、式（７ａ）又は式（７ｂ）を用いることで所定の時間先までの状態ベクトルｘの予測が可能である。状態ベクトルｘには各油圧シリンダ１０、１１、１２の伸縮長（変位）ｌｏが含まれているので、作業装置１を駆動する各油圧シリンダ１０、１１、１２の伸縮長ｌｏ，ｉと作業装置１を構成する各被駆動部材６、７、８の角度θｉとの間の幾何学的な関係を規定する関数ｈ_Ｃを用いることで各被駆動部材６、７、８の角度θｉを演算することが可能である。すなわち、角度θｉは、以下の式（８）から演算することが可能である。

　なお、各被駆動部材（ブーム６、アーム７、バケット８）の角度θｉ（ｉ＝１、２、３）は、例えば、図５に示すように定義されている。図５は、油圧ショベルの作業装置１の各構成部材６、７、８の角度θｉの定義を示す説明図である。

　さらに、作業装置１の各構成部材６、７、８の角度θｉとバケット８の爪先位置との間の幾何学的な関係を規定する関数ｈ_Ｄを用いることで、バケット８の爪先位置ξｐの演算（予測）が可能である。すなわち、爪先位置ξｐは、以下の式（９）から演算することが可能である。

　上述の一連の式（４）～式（９）を用いることで、演算時点の時刻ｋから所定の時間先ｋ＋Ｎまでの時間区間における制御入力ｕの時系列、すなわち、各油圧シリンダ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆの時系列を決定することができれば、当該時間区間のバケット８の爪先位置ξｐの軌跡（座標の時系列）を予測することができる。

　そこで、アクチュエータ速度指令演算部５３４は、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度を制御入力ｕとする上述の予測モデルを用いることで得られるバケット８の爪先位置ξｐの予測軌跡が目標座標列演算部５３２の演算結果であるバケットの爪先目標座標ξｔの時系列（軌跡）に近づくような制御入力ｕの時系列を算出する。爪先位置ξｐの予測軌跡が爪先目標座標ξｔの軌跡に近づくとは、以下の式（１０）に示す両者の偏差ｅ（ｋ）を所定の時間区間において極力小さくすることに相当する。

　ｅ（ｋ）＝ξｐ（ｋ）－ξｔ（ｋ）　…　式（１０）

　また、偏差ｅ（ｋ）を小さくする制御入力ｕ（ｋ）が小さくなればなるほど、すなわち、速度指令値ｖｒｅｆが小さくなればなるほど、各油圧シリンダ１０、１１、１２の動作が小さくなる。このことから、制御入力ｕ（ｋ）が小さいほど、効率的に油圧ショベルを制御することができると考えられる。

　これらの要求は、式（１１）で与えられる評価関数Ｊの値を極力小さくすることに相当する。式（１１）において、Ｓ、Ｑ、Ｒはそれぞれ重み行列である。制御入力ｕは、評価関数Ｊを最小化するように算出されることが望ましい。ただし、パラメータＳ、Ｑ、Ｒを調整することで、偏差ｅ（ｋ）の解消を優先するか、又は、制御入力ｕ（速度指令値ｖｒｅｆ）を小さくすることを優先するかを選択することが可能である。

　なお、式（１１）に示す評価関数Ｊは制御入力ｕ（ｋ）の算出方法の一例である。上述の考え方に従うならば、異なる評価関数を用いて制御入力ｕ（ｋ）を算出する構成も可能である。

　ところで、作業装置１を駆動する油圧アクチュエータは、油圧シリンダであるので、伸縮可能な範囲に制限がある。同様に、油圧シリンダの伸縮速度、伸縮加速度にも制限がある。これらの条件を以下に示す式（１２）により表現することが可能である。式（１２）中、添え字ｍｉｎは最小値を、添え字ｍａｘは最大値を示している。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２それぞれに対して、仕様に応じて最小値及び最大値は異なる値又は同じ値が設定される。

　さらに、限定領域変換部５３３により変換した動作限定領域を示す拘束条件（式（３）など）は、関数ｃを用いることでより一般的な表現の式（１３）として表すことが可能である。

　以上の準備の下、モデル予測制御による演算を行う。具体的には、モデル予測制御の演算は、拘束条件付きの式（１４）の最適化問題を解くことであり、最適な制御入力ｕ^＊の時系列データＵ^＊を算出する。なお、式（１４）における「ｓ．ｔ．」は、「subject to」の略であり、以降の数式を拘束条件とすることを意味する。モデル予測制御においては、時系列（時刻ｋ、ｋ＋１、…、ｋ＋Ｎ）の制御入力Ｕ^＊のうち、時刻ｋの第１入力ｕ^＊（ｋ）のみを実際の制御指令として用いる。

　式（１４）の最適化問題は、作業装置１を駆動する各油圧シリンダ１０、１１、１２の性能限界及び油圧ショベルの動作限定領域において、所定条件を満たしつつ操作装置１８の操作に応じるように演算されたバケット８の爪先目標座標ξｔに対して予測モデルを用いて予測されるバケット８の爪先位置ξｐが追従するような制御入力ｕを算出することを意味している。これは、爪先位置ξｐの予測値と爪先目標座標ξｔの偏差を解消するために最適な油圧アクチュエータ１０、１１、１２の制御量を自動的に算出することを意味している。このため、旋回体３やロータリチルトバケットを旋回させる油圧モータなど、制御対象の油圧アクチュエータが増加したとしても、各油圧アクチュエータに対する制御量を個別に算出することなく油圧ショベルの動作を全体的に最適化する制御量を算出することができる。

　アクチュエータ速度指令演算部５３４は、式（１４）の最適化問題を解くことで制御入力ｕを算出するように構成されている。このため、アクチュエータ速度指令演算部５３４の演算結果の制御入力ｕを用いた動作制御を実行すれば、オペレータの操作装置１８のどのような操作に対しても、バケット８の爪先位置を目標座標ξｔに追従させようという制御が介入してしまう。アクチュエータ速度指令演算部５３４の演算結果である制御入力ｕを用いた制御が常に介入すると、オペレータの意図とは異なる動作が行われる懸念がある。

　このような事態を防ぐために、動作制御部５３は、制御介入判断部５３５を含んでいる。制御介入判断部５３５は、概略すると、アクチュエータ速度指令演算部５３４の演算による油圧ショベルの所定部位の位置追従制御を実行するか、又は、オペレータの操作装置１８の操作に応じた油圧ショベルの動作制御を実行するかを判断する。例えば、目標座標列演算部５３２の演算結果であるバケット８の爪先の目標座標ξｔの時系列が示す移動方向が施工目標面に対して逸脱している（接近していない）と判断した場合、つまり、オペレータが施工目標面以外を作業対象として意図している場合、制御介入判断部５３５は、アクチュエータ速度指令演算部５３４の演算を実行せず、オペレータの操作装置１８の操作に応じた作業装置１の動作制御（速度制御）を優先させる判断を行う。なお、制御介入判断部５３５は、目標速度演算部５３１の演算結果のバケット８の爪先の目標速度Ｖｔが示す移動方向が施工目標面に対して逸脱している（接近していない）と判断した場合でも、アクチュエータ速度指令演算部５３４の演算を実行させない構成とすることも可能である。また、オペレータの操作装置１８の操作に対するコントローラ４０の制御介入を停止するコマンドが入力装置から入力された場合に、制御介入判断部５３５の判断によらずにアクチュエータ速度指令演算部５３４の演算処理を停止させる構成も可能である。

　アクチュエータ制御部５３６は、状態量検出装置としてのアクチュエータセンサ３１の検出情報に基づき得られる油圧アクチュエータ１０、１１、１２の実速度または座標演算部５１１の演算結果である油圧アクチュエータ１０、１１、１２の実速度をアクチュエータ速度指令演算部５３４の演算結果であるアクチュエータ速度指令ｖｒｅｆ（ｕ^＊（ｋ）に相当）に一致させるように油圧アクチュエータ１０、１１、１２の駆動のフィードバック制御を行う。具体的には、アクチュエータ制御部５３６は、油圧アクチュエータ１０、１１、１２の実速度とアクチュエータ速度指令ｖｒｅｆとの偏差に基づき、アクチュエータ速度指令ｖｒｅｆを実現するような制御弁ユニット２３の指令値を演算する。このような油圧アクチュエータの制御方法の説明の詳細は、公知であるため、省略する。

　コントローラ４０のモニタ表示制御部５４は、例えば、作業装置１の作業具としてのバケット８の爪先の軌跡を表示させる爪先軌跡表示部５４１を含んでいる。爪先軌跡表示部５４１は、具体的には、ポジショニング演算部５１の座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の爪先座標ξｓ（演算時点の爪先位置）、及び、動作制御部５３の目標座標列演算部５３２の演算結果であるバケット８の目標座標ξｔの時系列（制御目標）をモニタ１９に表示させる。図６は、爪先軌跡表示部５４１が出力する表示画面のイメージである。図６中、油圧ショベルのバケットにおける爪先の現在位置Ｐ１を「●」により表すと共に、爪先の予測軌跡Ｐｓを「○」により表している。なお、動作制御部５３のアクチュエータ速度指令演算部５３４の演算結果である各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆ（制御入力）により実現される１ステップ先のバケットの爪先座標の予測値を爪先の予測軌跡Ｐｓとして表示するように構成することも可能である。

　爪先軌跡表示部５４１により出力される表示画面１９ａ（図６参照）は、コントローラ４０が油圧ショベルをどのように制御する予定であるかをオペレータへ提示するものである。これにより、コントローラ４０がオペレータの操作に介入している様子をオペレータにわかりやすく伝えることができる。また、万が一、コントローラ４０がオペレータの指示（操作）と異なる動作制御を実行しようとしている場合には、表示画面１９ａにより当該動作の実現前にオペレータが覚知することが可能となるので、オペレータの指示に沿わない運転支援を回避することができる。

　次に、第１の実施形態に係る建設機械のコントローラの処理手順の一例について図７を用いて説明する。図７は、図３に示す第１の実施形態に係る建設機械のコントローラの処理手順の一例を示すフローチャートである。ただし、本実施の形態のコントローラは、図７に示すフローチャートの処理手順に限定されるものでない。

　図７において、図３に示すコントローラ４０は、先ず、測位演算装置３５の演算結果を取り込むと共に、姿勢検出装置としての各ＩＭＵ２５～２８の計測結果及び演算結果を取り込む（ステップＳ１０）。

　次に、コントローラ４０（ポジショニング演算部５１の座標演算部５１１）は、測位演算装置３５からの測位情報（アンテナ３７、３８の座標など）及び姿勢検出装置２５～２８の検出情報（角度など）に基づき、油圧ショベルの姿勢演算を行う（ステップＳ２０）。油圧ショベルの姿勢演算とは、例えば、バケット８の爪先、ブーム６及びアーム７の一部分などの油圧ショベルの所定部分の３次元座標を演算するものである。なお、油圧ショベルがアクチュエータセンサ３１（図３参照）を備えていない場合、ステップＳ２０において、コントローラ４０（座標演算部５１１）は、状態検出装置として機能する各ＩＭＵ２５～２８の検出情報を用いることで、各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａの状態量（演算時点の実速度などの動作情報）を演算する。

　次いで、コントローラ４０（施工目標面演算部５２の施工目標面設定部５２１）は、ステップＳ２０の演算結果である機体２、３の所定部分の座標やバケット８の爪先の座標を参照し、施工管理システム７０などから取得した施工情報から施工目標面を選択する（ステップＳ３０）。

　さらに、コントローラ４０（施工目標面演算部５２の限定領域設定部５２２）は、ステップＳ２０の演算結果である機体２、３の座標を基準とし、取得した施工情報又は入力装置（モニタ１９など）を介したオペレータからの入力情報を基に油圧ショベルの動作限定領域を設定する（ステップＳ４０）。

　なお、ステップＳ３０とステップＳ４０の処理順序は任意である。ステップＳ３０及びステップＳ４０の両処理の完了後、コントローラ４０（動作制御部５３の目標速度演算部５３１）は、ステップＳ２０の演算結果である機体２、３の座標とステップＳ３０で設定した施工目標面とを基に、所定条件を満たしつつ操作装置１８からの操作に応じたバケット８の爪先の目標速度Ｖｔを演算する（ステップＳ５０）。

　次に、コントローラ４０（動作制御部５３の目標座標列演算部５３２）は、ステップＳ２０の演算結果であるバケット８の演算時点での爪先座標ξｓとステップＳ５０の演算結果であるバケット８の爪先の目標速度Ｖｔに基づき、バケット８の爪先の当該演算時点（時刻ｋ）からＮステップ先（所定の時間先）までの時間区間における目標座標ξｔの時系列を演算する（ステップＳ６０）。

　さらに、コントローラ４０（動作制御部５３の制御介入判断部５３５）は、ステップＳ３０で設定した施工目標面とステップＳ６０の演算結果である目標座標ξｔの時系列とに基づき、操作支援（制御介入）の要否を判断する（ステップＳ７０）。ステップＳ７０にて、目標座標ξｔの時系列が示す移動方向が施工目標面に接近していると判断する場合には、コントローラ４０（制御介入判断部５３５）はＹＥＳと判定し、ステップＳ８０に進む。一方、目標座標ξｔの時系列が示す移動方向が施工目標面に接近していないと判断する場合には、コントローラ４０（制御介入判断部５３５）はＮＯと判定し、ステップＳ１２０に進む。

　ステップＳ７０にてＹＥＳと判定した場合、コントローラ４０（動作制御部５３の限定領域変換部５３３）は、ステップＳ４０にて設定された動作限定領域を数式で表現された拘束条件（例えば、上述の式（１３））に変換する（ステップＳ８０）。なお、ステップＳ８０の処理は、ステップＳ４０と同時に実行することも可能である。

　次に、コントローラ４０（動作制御部５３のアクチュエータ速度指令演算部５３４）は、ステップＳ２０の演算結果であるバケット８の演算時点（ステップｋ）の爪先座標ξｓ（ｋ）及びステップＳ６０の演算結果であるバケット８の爪先目標座標ξｔの時系列、さらに、ステップＳ８０にて変換した拘束条件式を用い、予測モデルに基づく演算（例えば、上述の式（１４）の演算）により制御入力ｕとしての各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを算出する（ステップＳ９０）。

　次いで、コントローラ４０（モニタ表示制御部５４の爪先軌跡表示部５４１）は、ステップＳ２０の演算結果であるバケット８の演算時点の爪先座標ξｓとステップＳ９０の演算結果である各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆ（制御入力）により実現される１ステップ先の爪先位置とステップＳ６０の演算結果である目標座標ξｔの時系列とをバケット８のこれからの爪先軌跡としてモニタ１９（表示装置）に表示させる（ステップＳ１００）。

　さらに、コントローラ４０（動作制御部５３のアクチュエータ制御部５３６）は、ステップＳ９０の演算結果である各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆに対応する制御指令を制御対象（制御弁ユニット２３）へ出力することで、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の駆動を制御する（ステップＳ１１０）。なお、コントローラ４０が並列処理の可能な構成であるならば、ステップＳ１１０はステップＳ１００と並行して処理されることが望ましい。

　また、ステップＳ７０にてＮＯと判定した場合、コントローラ４０（モニタ表示制御部５４）は、操作支援制御（制御介入）を実行していないことをモニタに表示させる（ステップＳ１２０）。なお、ステップＳ１２０は、任意の処理であり、スキップしてステップＳ１３０に進むことも可能である。

　ステップＳ１３０において、コントローラ４０（動作制御部５３のアクチュエータ制御部５３６）は、操作装置１８からの操作に応じた各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の要求速度を演算し、演算結果の各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の要求速度に対応する制御指令を制御対象（制御弁ユニット２３）へ出力する。これにより、操作支援制御（制御介入）を実行することなく、操作装置１８の操作に応じた各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の制御を行う。

　ステップＳ１１０又はステップＳ１３０の処理の終了により一の制御周期が終了し、コントローラ４０は次の制御周期に移行する（戻る）。

　本実施の形態に係るコントローラ４０による予測モデル制御は、作業装置１の構成部材６、７、８を駆動する各油圧シリンダ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを制御入力ｕとして規定している。これは、作業装置の構成部材に対する駆動トルクを制御入力とする特許文献１に記載の予測モデル制御の技術とは異なるものである。本実施の形態においては、予測モデルの制御入力ｕ（速度指令ｖｒｅｆ）を油圧ショベルのコントローラにおける従来のアクチュエータ制御部の機能部にそのまま適用可能なので、予測モデル制御によるバケット８の爪先位置の追従制御を容易に実現できる。

　さらに、本実施の形態に係る予測モデル制御は、特許文献１に記載された予測モデル制御のような作業装置に対するトルク指令による制御とは異なり、作業装置１を駆動する油圧アクチュエータ１０、１１、１２に対する速度指令ｖｒｅｆによる制御である。このため、油圧アクチュエータ１０、１１、１２を停止状態にする場合には、制御指令値としての速度指令が０になる。したがって、油圧アクチュエータの速度指令を制御入力とする場合には、モデル化誤差の影響を受けにくい。

　本実施の形態においては、上述の式（１４）を解くことで制御入力ｕを直接算出している。このため、制御入力ｕを算出するために、従来の制御方法のようなヤコビ行列や逆ヤコビ行列を用いた演算も必要もない。特許文献１に記載の技術のようなヤコビ行列や逆ヤコビ行列を用いた制御手法は、施工目標面の形状を高精度で線形近似することが可能な場合、すなわち、施工目標面の形状が滑らかに変化する場合に限って、高精度な施工を実行することが期待できる。なぜなら、ヤコビ行列や逆ヤコビ行列は、非線形変換を線形近似するために利用されるものであるからである。しかし、この制御方法は、施工目標面の形状が滑らかに変化しない場合、例えば、図８に示す法面の整形時における法肩Ｔ１や法尻Ｔ２並びに図９に示す溝堀時における底面Ｔ３については、十分な施工精度を補償するために、何らかの工夫を追加しなければならない。それに対して、本実施の形態に係る予測モデル制御においては、線形近似の演算を用いていないので、図８に示す法肩Ｔ１や法尻Ｔ２並びに図９に示す底面の隅部Ｔ３に対する動作制御であっても、高精度に施工を実行することができる。

　上述したように、第１の実施形態に係る油圧ショベル（建設機械）は、作業具としてのバケット８を含む複数の被駆動部材７、８により構成された多関節型の作業装置１と、作業装置１が回動可能に取り付けられた機体２、３と、機体２、３及び作業装置１を駆動する複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２と、機体２、３及び作業装置１の姿勢に関する情報を検出する姿勢検出装置２５～２８と、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の状態量に関する情報を検出する状態量検出装置２５～２８又はアクチュエータセンサ３１と、機体２、３及び作業装置１の動作を制御するコントローラ４０とを備える。コントローラ４０は、姿勢検出装置２５～２８からの検出情報に基づいて機体２、３及びバケット８（作業具）の座標を演算する座標演算を行い、作業装置１の作業対象として設定されている施工目標面と座標演算の演算結果であるバケット８（作業具）の座標とを基に、所定条件を満たすように演算時点から所定の時間までの所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の状態量の目標値である目標状態量の時系列としての目標座標の時系列を演算する目標状態量演算を行い、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度を制御入力としてバケット８（作業具）の状態量を予測可能な予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の状態量である座標の予測値と目標状態量演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標状態量の時系列である目標座標の時系列との偏差に基づいて、複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算する指令演算を行い、状態量検出装置２５～２８又はアクチュエータセンサ３１からの検出情報に基づいて得られる複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の実速度を指令演算の演算結果である複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆに一致させるように複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の駆動を制御するように構成されている。

　この構成によれば、複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度を制御入力とする予測モデルを用いて算出される速度指令値ｖｒｅｆを用いた複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の同時制御によって油圧ショベル（建設機械）の作業装置１の動作制御が実行されるものであり、このモデル予測制御を油圧ショベル（建設機械）の動作制御に容易に適用することができる。

　また、本実施の形態に係る油圧ショベル（建設機械）は、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の駆動を指示する操作装置１８ａ、１８ｂをさらに備える。コントローラ４０の目標状態量演算は、施工目標面と座標演算の演算結果であるバケット８（作業具）の座標ξｓと操作装置１８ａ、１８ｂの操作とを基に、所定条件を満たすようなバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔを演算する目標速度演算を行い、所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の目標状態量の時系列として、座標演算の演算結果であるバケット８（作業具）の座標ξｓと目標速度演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔとを用いて、所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の座標の目標値であるバケット８（作業具）の目標座標ξｔの時系列を演算する目標座標列演算を行うものである。コントローラの指令演算における予測モデルは、バケット８（作業具）の状態量として座標を予測可能に構成されたものである。コントローラ４０の指令演算は、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の座標ξｐの予測値と目標座標列演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標座標ξｔの時系列との偏差に基づいて、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するものである。

　この構成によれば、バケット８（作業具）の爪先位置をその目標値に追従させる位置追従によって運転支援の制御を行うことができる。

　また、本実施の形態に係るコントローラ４０は、さらに、油圧ショベル（建設機械）の動作が許容される領域として設定された動作限定領域を拘束条件として変換する限定領域変換を行うように構成されている。また、コントローラ４０の指令演算は、上述の拘束条件を逸脱しない範囲で上述の偏差に基づき複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するものである。

　この構成によれば、逸脱防止制御の機能に相当する動作限定領域の拘束条件がモデル予測制御のための演算式に組み込まれているので、運転支援制御と逸脱防止制御とを両立させることができる。

　また、本実施の形態に係るコントローラ４０は、目標速度演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔ又は目標座標列演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標座標ξｔの時系列が示すバケット８（作業具）の移動方向が施工目標面に対して逸脱していると判断した場合には、指令演算において、予測モデルによる偏差を用いることなく、操作装置１８ａ、１８ｂの操作に応じた複数の油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令値を演算するように構成されている。

　この構成によれば、オペレータの操作装置１８ａ、１８ｂの操作が施工目標面以外を作業対象として意図している場合、不要なコントローラ４０の制御介入を防止することができる。

　また、本実施の形態に係る油圧ショベル（建設機械）は、視覚情報を表示するモニタ１９（表示装置）をさらに備える。コントローラ４０は、さらに、座標演算の演算結果であるバケット８（作業具）の座標ξｓ及び目標座標列演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標座標ξｔの時系列をバケット８（作業具）の軌跡とする視覚情報としてモニタ１９（表示装置）に表示させる軌跡表示を行うように構成されている。

　この構成によれば、コントローラ４０の制御演算の結果であるバケット８（作業具）の演算時点の座標ξｓ及び目標座標ξｔの時系列をバケット８（作業具）の軌跡としてモニタ１９（表示装置）することで、コントローラ４０による油圧ショベルの動作制御の予定をオペレータへ提示することができる。

　［第２の実施形態］
  次に、本発明の第２の実施形態に係る建設機械について図１０を用いて説明する。図１０は、第２の実施形態に係る建設機械におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。なお、図１０において、図１～図９に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

　図１０に示す第２の実施形態に係る建設機械が第１の実施形態に対して相違する点は、コントローラ４０Ａの動作制御部５３Ａにおける目標座標列演算部５３２Ａの演算方法及びアクチュエータ速度指令演算部５３４Ａの演算方法が異なっていることである。本実施の形態に係るコントローラ４０Ａのそれ以外の機能部は、第１の実施形態に係るコントローラ４０の機能部と同様である。

　第１の実施形態に係るコントローラ４０は、動作制御部５３の目標座標列演算部５３２の演算結果である爪先目標座標ξｔにバケット８の爪先位置を追従させる制御を実行するように構成されている。位置と速度は一対一の対応関係にあるので、制御精度が十分であれば、爪先目標座標ξｔへの追従制御を行うことで動作制御部５３の目標速度演算部５３１の演算結果である爪先位置の目標速度Ｖｔも満たされる。しかし、制御精度が不十分な場合には、要求速度Ｖｔの再現性が低下する懸念がある。

　そこで、第２の実施形態に係るコントローラ４０Ａの動作制御部５３Ａにおける目標座標列演算部５３２Ａは、所定の時間区間におけるバケット８の爪先の目標状態量の時系列として、バケット８の爪先の目標座標ξｔの時系列の演算に加えて、目標速度演算部５３１の演算結果であるバケット８の爪先の目標速度Ｖｔを用いて所定の時間区間におけるバケット８の爪先の速度の目標値である目標速度の時系列を演算する目標速度列演算を行うように構成されている。すなわち、所定の時間区間において目標速度の時系列が目標速度Ｖｔで一定として演算される。

　また、第２の実施形態に係るコントローラ４０Ａのアクチュエータ速度指令演算部５３４Ａは、目標座標列演算部５３２Ａの演算結果であるバケット８の爪先目標座標ξｔに加えて、目標座標列演算部５３２Ａの演算結果であるバケット８の爪先の目標速度Ｖｔの時系列も用いて、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを演算するものである。具体的には、アクチュエータ速度指令演算部５３４Ａは、モデル予測制御に用いる評価関数Ｊを上述の式（１１）から次に示す式（１５）へ変更して最適化問題を解くように構成されている。

　式（１５）の評価関数Ｊにおける偏差Ｅには、爪先位置の偏差ｅ（予測モデルによる爪先位置ξｐの予測軌跡と目標座標列演算部５３２Ａの演算結果の目標座標ξｔの時系列との偏差）に加えて、予測モデルを用いて得られる爪先位置の速度Ｖｐの予測値と目標座標列演算部５３２Ａの演算結果である目標速度Ｖｔとの偏差が含まれている。これにより、予測モデルを用いて得られる所定の時間区間における爪先の速度Ｖｐの予測値が目標速度Ｖｔの時系列に近づくような制御入力ｕの演算が可能となる。さらに、重み行列ＳＥ及び重み行列ＱＥは、偏差ｅへの重みＳ、Ｑに加えて、速度偏差への重みＳＶ、ＱＶを含むように構成されている。偏差ｅへの重みＳ、Ｑに対して速度偏差への重みＳＶ、ＱＶを大きな値に設定されることで、コントローラ４０Ａは、バケット８の位置追従よりも速度追従を優先した制御を実行するようになる。

　なお、目標速度演算部５３１と目標座標列演算部５３２Ａが、座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の爪先の座標と施工目標面とを基に、所定条件を満たすように、所定の時間区間におけるバケット８の爪先の目標状態量として目標座標ξｔの時系列及び目標速度Ｖｔの時系列を演算する目標状態量演算部５３０Ａを構成する。

　上述した第２の実施形態に係る建設機械によれば、前述した第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

　また、本実施の形態においては、コントローラ４０Ａの目標状態量演算部５３０Ａの演算が、目標速度演算部５３１の目標速度Ｖｔの演算および目標座標列演算部５３２Ａの目標座標ξｔの時系列の演算に加えて、所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の目標状態量の時系列として、目標速度演算部５３１の演算結果であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔを用いて所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の速度の目標値である目標速度Ｖｔの時系列を演算する目標速度列演算も行うものである。また、コントローラ４０の指令演算における予測モデルは、バケット８（作業具）の状態量として座標に加えて速度も予測可能に構成されたものである。さらに、コントローラ４０の指令演算は、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の座標と目標座標列演算部５３２Ａの演算結果であるバケット８（作業具）の目標座標ξｔの時系列との偏差、及び、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の速度と目標座標列演算部５３２Ａ（目標速度列演算）の演算結果であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔの時系列との偏差に基づいて、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するものである。

　この構成によれば、座標の偏差と速度の偏差とを用いた複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算において、両偏差のうちの一方を重視した演算を行うことで、バケット８の位置追従を優先した制御と速度追従を優先した制御を切り替えることが可能となる。

　なお、本実施の形態においては、予測モデル制御によるバケット８の位置追従を行うことはせずに、予測モデル制御による速度追従のみを実行する構成も可能である。この場合、目標座標列演算部５３２Ａは、バケット８の目標座標ξｔの時系列を演算せずに、バケット８の目標速度Ｖｔの時系列のみを演算する目標速度列演算部として構成されるものである。さらに、アクチュエータ速度指令演算部５３４Ａは、目標座標列演算部５３２Ａの演算結果であるバケット８の爪先目標座標ξｔを用いることなく、目標座標列演算部５３２Ａの演算結果であるバケット８の爪先の目標速度Ｖｔの時系列のみ用いて、各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを演算するものである。

　この変形例においては、コントローラ４０Ａの目標状態量演算が、施工目標面と座標演算部５１１の演算結果であるバケット８（作業具）の座標ξｓと操作装置１８ａ、１８ｂの操作とを基に、所定条件を満たすようなバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔを演算する目標速度演算を行い、所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の目標状態量の時系列として、目標速度演算部５３１の演算結果であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔを用いて、所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の速度の目標値であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔの時系列を演算する目標速度列演算を行うものである。また、コントローラ４０Ａの指令演算における予測モデルは、バケット８（作業具）の状態量として速度を予測可能に構成されたものである。さらに、コントローラ４０の指令演算は、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の速度の予測値と目標速度列演算の演算結果であるバケット８（作業具）の目標速度Ｖｔの時系列との偏差に基づいて、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するものである。

　この構成によれば、バケット８（作業具）の爪先の速度をその目標速度に追従させる速度追従によって運転支援の制御を行うことができる。

　［第３の実施形態］
　次に、本発明の第３の実施形態に係る建設機械について図１１を用いて説明する。図１１は、第３の実施形態に係る建設機械におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。なお、図１１において、図１～図１０に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

　第１～第２の実施形態に係るコントローラ４０、４０Ａは、オペレータの運転を支援する想定の機能を備えていたものである。それに対して、第３の実施形態に係るコントローラ４０Ｂは、オペレータの操作を前提としない自動運転に対応する制御機能を備えたものである。

　具体的には、本実施の形態に係るコントローラ４０Ｂにおいては、オペレータの操作を前提としていない自動運転を想定しているので、第１～第２の実施形態に係るコントローラ４０、４０Ａ（図３及び図１０参照）の動作制御部５３における目標速度演算部５３１（所定条件を満たしつつ操作装置１８の操作に応じた目標速度Ｖｔの演算）及び制御介入判断部５３５（操作支援制御の要否判断）の２つの機能が省略されている。

　さらに、目標速度演算部５３１が省略されることから、第１の実施形態の目標速度演算部５３１の演算結果を用いる目標座標列演算部５３２が目標座標列生成部５３７に置換されている。目標座標列生成部５３７は、目標速度演算部５３１の演算結果を用いることなく、ポジショニング演算部５１の座標演算部５１１の演算結果である機体２、３の座標ξｓと施工目標面設定部５２１により設定された施工目標面とに基づき作業効率（掘削効率）が最善となるバケット８の爪先の目標座標ξｔの軌跡を演算する。この演算は一般な方法を利用可能なので、説明を省略する。この演算においては、バケット８で掬った土砂量がバケット８から溢れない量に収まるように最適化計算を行うことが望ましい。

　動作制御部５３Ｂのアクチュエータ速度指令演算部５３４Ｂは、目標座標列演算部５３２（図３又は図１０参照）の演算結果である爪先目標座標ξｔの時系列の代わりに、目標座標列生成部５３７の演算結果であるバケット８の爪先の目標座標ξｔの軌跡を用いてモデル予測制御の制御入力ｕの時系列を算出する。すなわち、予測モデルを用いて予測される爪先位置ξｐの軌跡が目標座標列生成部５３７の演算結果であるバケット８の爪先目標座標ξｔの軌跡に近づくような各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを算出する。

　また、モニタ表示制御部５４Ｂの爪先軌跡表示部５４１Ｂは、目標座標列演算部５３２（図３又は図１０参照）の演算結果である目標座標ξｔの時系列の代わりに、目標座標列生成部５３７の演算結果であるバケット８の爪先目標座標ξｔの軌跡をモニタに表示させる。なお、オペレータが運転席にいない自動運転が想定される場合には、爪先軌跡表示部５４１を省略する構成も可能である。

　本実施の形態に係るコントローラ４０Ｂのそれ以外の機能部は、第１又は第２の実施形態に係るコントローラ４０の機能部と同様であり、その機能部の説明を省略する。なお、目標座標列生成部５３７は、座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の爪先の座標ξｓと施工目標面とを基に、所定条件を満たすように所定の時間区間におけるバケット８の爪先の状態量の目標値である目標状態量として目標座標ξｔの時系列を演算する目標状態量演算部５３０Ｂを構成する。

　上述した第３の実施形態に係る建設機械によれば、前述した第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

　また、本実施の形態においては、コントローラ４０Ｂの目標状態量演算は、所定の時間区間におけるバケット８（作業具）の目標状態量の時系列として、施工目標面と座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の座標ξｓとに基づき、所定条件を満たすように所定の時間区間におけるバケット８の座標の目標値であるバケット８の目標座標の時系列を自動生成する目標座標列生成を行うものである。また、コントローラ４０Ｂの指令演算における予測モデルは、バケット８の状態量として座標を予測可能に構成されたものである。さらに、コントローラ４０の指令演算は、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８の座標と目標座標列生成部５３７の生成結果であるバケット８の目標座標ξｔの時系列との偏差に基づいて、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するものである。

　この構成によれば、モデル予測制御によるバケット８（作業具）の位置追従制御を自動運転の制御に適用することができる。

　［第４の実施形態］
　次に、本発明の第４の実施形態に係る建設機械について図１２を用いて説明する。図１２は、第４の実施形態に係る建設機械におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。なお、図１２において、図１～図１１に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

　第４の実施形態に係る建設機械は、遠隔地に配置された操作装置１８Ｃ（遠隔操作装置）及び入力装置１９Ｃ（モニタなど）からの通信によって複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の駆動を指示する遠隔操作が可能に構成されたものである。遠隔操作を行う場合、通信環境によっては、オペレータの操作が大幅に遅延して建設機械に伝達されることが考えられる。通信遅延の発生のたびに油圧ショベルの作業が停止してしまうと、施工効率が低下する懸念がある。

　そこで、図１２に示す本実施の形態に係る建設機械のコントローラ４０Ｃは、第１の実施形態の運転支援制御の機能と第３の実施形態の自動運転制御の機能を併有するように構成されている。コントローラ４０Ｃは、基本的に、オペレータの遠隔操作に対して運転支援の制御（オペレータの操作を尊重しつつ予め設定された所定条件を満たす制御）を実行する。ただし、通信遅延により油圧ショベルの動作が停止しそうな状況が発生したときには、オペレータの遠隔操作を自動運転制御により補完する。

　具体的には、コントローラ４０Ｃは、第１の実施形態に係るコントローラ４０（図３参照）の動作制御部５３の目標座標列演算部５３２と同様な機能部及び第３の実施形態に係るコントローラ４０Ｂ（図１１参照）の動作制御部５３Ｂの目標座標列生成部５３７と同等の目標座標列生成部５３７Ｃの２つの機能を併有している。本実施の形態に係る目標座標列生成部５３７Ｃは、目標座標列演算部５３２の演算結果である爪先目標座標ξｔの時系列が入力される場合には、当該演算結果をそのままアクチュエータ速度指令演算部５３４Ｃへ出力する。一方、目標座標列演算部５３２が爪先目標座標ξｔの時系列を演算することが不能である場合、すなわち、通信遅延により遠隔操作信号の建設機械への伝達が一時的に途絶した場合、目標座標列生成部５３７Ｃは、第３の実施形態に係るコントローラ４０Ｂの目標座標列生成部５３７と同様に爪先目標座標ξｔの軌跡を生成し、生成結果をアクチュエータ速度指令演算部５３４Ｃへ出力する。アクチュエータ速度指令演算部５３４Ｃは、目標座標列生成部５３７Ｃから出力された、目標座標列演算部５３２の演算結果である爪先目標座標ξｔの時系列又は目標座標列生成部５３７Ｃの演算結果である爪先目標座標ξｔの軌跡を用いて、位置追従制御の各油圧アクチュエータ１０、１１、１２の速度指令ｖｒｅｆを演算する。

　モニタ表示制御部５４Ｃの爪先軌跡表示部５４１Ｃは、目標座標列生成部５３７Ｃから出力されるバケット８の爪先目標座標ξｔの軌跡をモニタに表示させる。目標座標列生成部５３７Ｃから出力されるバケット８の爪先目標座標ξｔの軌跡は、上述したように、目標座標列演算部５３２の演算結果である爪先目標座標ξｔの時系列、又は、目標座標列生成部５３７Ｃの演算結果である爪先目標座標ξｔの軌跡である。

　本実施の形態に係るコントローラ４０Ｃのそれ以外の機能部は、第１の実施形態に係るコントローラ４０の機能部と同様であり、その機能部の説明を省略する。なお、目標速度演算部５３１と目標座標列演算部５３２と目標座標列生成部５３７Ｃが、座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の爪先の座標ξｓと施工目標面とを基に、所定条件を満たすように所定の時間区間におけるバケット８の爪先の状態量の目標値である目標状態量（目標座標ξｔ）の時系列を演算する目標状態量演算部５３０Ｂを構成する。

　上述した第４の実施形態に係る建設機械によれば、前述した第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

　また、本実施の形態に係る油圧ショベル（建設機械）は、油圧ショベル（建設機械）の外部に配置された遠隔操作装置１８Ｃよって複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の駆動を指示する遠隔操作が可能に構成されている。また、コントローラ４０Ｃの目標状態量演算は、施工目標面と座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の座標ξｓと遠隔操作装置１８Ｃの操作とを基に、所定条件を満たすようなバケット８の目標速度Ｖｔを演算する目標速度演算を行い、所定の時間区間におけるバケット８の目標状態量の時系列として、座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の座標ξｓと目標速度演算部５３１の演算結果であるバケット８の目標速度Ｖｔとを用いて所定の時間区間におけるバケット８の座標の目標値であるバケット８の目標座標ξｔの時系列を演算する目標座標列演算を行うと共に、所定の時間区間におけるバケット８の目標状態量の時系列として、施工目標面と座標演算部５１１の演算結果であるバケット８の座標ξｓとに基づき、所定条件を満たすように所定の時間区間におけるバケット８の座標の目標値であるバケット８の目標座標ξｔの時系列を自動生成する目標座標列生成を行うものである。コントローラ４０Ｃの指令演算における予測モデルは、バケット８の状態量として座標を予測可能に構成されたものである。さらに、コントローラ４０Ｃの指令演算は、目標座標列演算部５３２が実行されている場合には、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８の座標ξｐの予測値と目標座標列演算部５３２の演算結果であるバケット８の目標座標ξｔの時系列との偏差に基づき、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算する一方、目標座標列演算が実行不能な場合には、予測モデルを用いることで得られる所定の時間区間におけるバケット８の座標ξｐの予測値と目標座標列生成部５３７Ｃの生成結果であるバケット８の目標座標ξｔの時系列との偏差に基づき、複数の油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２の速度指令値ｖｒｅｆを演算するものである。

　この構成によれば、オペレータの遠隔操作に対して運転支援の制御を実行することができる。また、通信遅延により油圧ショベルの動作が停止しそうな状況が発生したときには、オペレータの遠隔操作を自動運転制御により補完することができる。

　［その他の実施形態］
  なお、上述の実施形態においては、本発明を油圧ショベルに適用した例を示したが、本発明は複数のリンク部材で構成された多関節型の作業装置の動作を制御する各種の建設機械に広く適用することができる。

　また、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上述の実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、本発明は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。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

　例えば、上述した実施形態においては、作業装置１の作業具として垂直方向にのみ回動可能なバケット８を用いた例を示した。しかし、チルト機能及びロータリ機能の少なくとも一方を備えたバケット（ロータリチルトバケットなど）を用いる構成も可能である。

　また、上述した実施形態においては、旋回体３を旋回駆動させる駆動源として油圧モータを用いた構成を示した。しかし、当該駆動源は、電動モータ又は油圧モータと電動モータの併用方式の構成も可能である。

　また、上述した実施形態においては、操作装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃを電気式で構成した例を示した。しかし、各操作装置を油圧式で構成することも可能である。この構成の場合、各操作装置の操作方向及び操作量に応じた操作パイロット圧を制御弁ユニット２３の各制御弁の受圧部に対して駆動信号として供給することで、各油圧アクチュエータ４、１０、１１、１２、１４ａを駆動させるように構成する。

　また、上述した実施形態においては、１つのコントローラ４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが図２に示す機能部の全てを実行するように構成されている。しかし、図２に示す各機能部をそれぞれ異なるコントローラが実行する構成も可能である。各機能部が別々のコントローラに実装される場合、各機能部を構成する各コントローラの集合体が予測モデル制御による制御を実行するコントローラを構成する。

　１…作業装置、　２…走行体（機体）、　３…旋回体（機体）、　４…旋回油圧モータ（油圧アクチュエータ）、　６…ブーム（被駆動部材）、　７…アーム（被駆動部材）、　８…バケット（作業具）、　１０…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）、　１１…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）、　１２…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）、　１８…操作装置、　１８Ｃ…遠隔操作装置、　１９…モニタ（表示装置）、　２５…機体ＩＭＵ（姿勢検出装置、状態量検出装置）、　２６…ブームＩＭＵ（姿勢検出装置、状態量検出装置）、　２７…アームＩＭＵ（姿勢検出装置、状態量検出装置）、　２８…バケットＩＭＵ（姿勢検出装置、状態量検出装置）、　３１…アクチュエータセンサ（状態量検出装置）、　４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ…コントローラ

Claims (9)

1. 　作業具を含む複数の被駆動部材により構成された多関節型の作業装置と、
   　前記作業装置が回動可能に取り付けられた機体と、
   　前記機体及び前記作業装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、
   　前記機体及び前記作業装置の姿勢に関する情報を検出する姿勢検出装置と、
   　前記複数の油圧アクチュエータの状態量に関する情報を検出する状態量検出装置と、
   　前記機体及び前記作業装置の動作を制御するコントローラとを備えた建設機械において、
   　前記コントローラは、
   　　前記姿勢検出装置からの検出情報に基づいて前記機体及び前記作業具の座標を演算する座標演算を行い、
   　　前記作業装置の作業対象として設定されている施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標とを基に、所定条件を満たすように演算時点から所定の時間までの所定の時間区間における前記作業具の状態量の目標値である前記作業具の目標状態量の時系列を演算する目標状態量演算を行い、
   　　前記複数の油圧アクチュエータの速度を制御入力として前記作業具の状態量を予測可能な予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の状態量と前記目標状態量演算の演算結果である前記作業具の目標状態量の時系列との偏差に基づいて、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算する指令演算を行い、
   　　前記状態量検出装置からの検出情報に基づいて得られる前記複数の油圧アクチュエータの実速度を前記指令演算の演算結果である前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値に一致させるように前記複数の油圧アクチュエータの駆動を制御する
   　ことを特徴とする建設機械。
2. 　請求項１に記載の建設機械において、
   　前記複数の油圧アクチュエータの駆動を指示する操作装置をさらに備え、
   　前記コントローラの前記目標状態量演算は、
   　　前記施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標と前記操作装置の操作とを基に、前記所定条件を満たすような前記作業具の目標速度を演算する目標速度演算を行い、
   　　前記所定の時間区間における前記作業具の目標状態量の時系列として、前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標と前記目標速度演算の演算結果である前記作業具の目標速度とを用いて、前記所定の時間区間における前記作業具の座標の目標値である前記作業具の目標座標の時系列を演算する目標座標列演算を行うものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算における前記予測モデルは、前記作業具の状態量として座標を予測可能に構成されたものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算は、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の座標と前記目標座標列演算の演算結果である前記作業具の目標座標の時系列との偏差に基づいて、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するものである
   　ことを特徴とする建設機械。
3. 　請求項１に記載の建設機械において、
   　前記コントローラの前記目標状態量演算は、前記所定の時間区間における前記作業具の目標状態量の時系列として、前記施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標とに基づき、前記所定条件を満たすように前記所定の時間区間における前記作業具の座標の目標値である前記作業具の目標座標の時系列を自動生成する目標座標列生成を行うものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算における前記予測モデルは、前記作業具の状態量として座標を予測可能に構成されたものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算は、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の座標と前記目標座標列生成の結果である前記作業具の目標座標の時系列との偏差に基づいて、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するものである
   　ことを特徴とする建設機械。
4. 　請求項１に記載の建設機械において、
   　前記建設機械は、前記建設機械の外部に配置された遠隔操作装置よって前記複数の油圧アクチュエータの駆動を指示する遠隔操作が可能に構成され、
   　前記コントローラの前記目標状態量演算は、
   　　前記施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標と前記遠隔操作装置の操作とを基に、前記所定条件を満たすような前記作業具の目標速度を演算する目標速度演算を行い、
   　　前記所定の時間区間における前記作業具の目標状態量の時系列として、前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標と前記目標速度演算の演算結果である前記作業具の目標速度とを用いて、前記所定の時間区間における前記作業具の座標の目標値である前記作業具の目標座標の時系列を演算する目標座標列演算を行うと共に、
   　　前記所定の時間区間における前記作業具の目標状態量の時系列として、前記施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標とに基づき、前記所定条件を満たすように前記所定の時間区間における前記作業具の座標の目標値である前記作業具の目標座標の時系列を自動生成する目標座標列生成を行うものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算における前記予測モデルは、前記作業具の状態量として座標を予測可能に構成されたものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算は、
   　　前記目標座標列演算が実行されている場合には、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の座標と前記目標座標列演算の演算結果である前記作業具の目標座標の時系列との偏差に基づき、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算する一方、
   　　前記目標座標列演算が実行不能な場合には、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の座標と前記目標座標列生成の結果である前記作業具の目標座標の時系列との偏差に基づき、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するものである
   　ことを特徴とする建設機械。
5. 　請求項１に記載の建設機械において、
   　前記複数の油圧アクチュエータの駆動を指示する操作装置をさらに備え、
   　前記コントローラの前記目標状態量演算は、
   　　前記施工目標面と前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標と前記操作装置の操作とを基に、前記所定条件を満たすような前記作業具の目標速度を演算する目標速度演算を行い、
   　　前記所定の時間区間における前記作業具の目標状態量の時系列として、前記目標速度演算の演算結果である前記作業具の目標速度を用いて、前記所定の時間区間における前記作業具の速度の目標値である前記作業具の目標速度の時系列を演算する目標速度列演算を行うものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算における前記予測モデルは、前記作業具の状態量として速度を予測可能に構成されたものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算は、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の速度と前記目標速度列演算の演算結果である前記作業具の目標速度の時系列との偏差に基づいて、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するものである
   　ことを特徴とする建設機械。
6. 　請求項２に記載の建設機械において、
   　前記コントローラの前記目標状態量演算は、前記目標速度演算および前記目標座標列演算に加えて、前記所定の時間区間における前記作業具の目標状態量の時系列として、前記目標速度演算の演算結果である前記作業具の目標速度を用いて前記所定の時間区間における前記作業具の速度の目標値である前記作業具の目標速度の時系列を演算する目標速度列演算も行うものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算における前記予測モデルは、前記作業具の状態量として座標に加えて速度も予測可能に構成されたものであり、
   　前記コントローラの前記指令演算は、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の座標と前記目標座標列演算の演算結果である前記作業具の目標座標の時系列との偏差、及び、前記予測モデルを用いることで得られる前記所定の時間区間における前記作業具の速度と前記目標速度列演算の演算結果である前記作業具の目標速度の時系列との偏差に基づいて、前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するものである
   　ことを特徴とする建設機械。
7. 　請求項１に記載の建設機械において、
   　前記コントローラは、さらに、前記建設機械の動作が許容される領域として設定された動作限定領域を拘束条件として変換する限定領域変換を行うように構成され、
   　前記コントローラの前記指令演算は、前記拘束条件を逸脱しない範囲で前記偏差に基づき前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するものである
   　ことを特徴とする建設機械。
8. 　請求項２に記載の建設機械において、
   　前記コントローラは、前記目標速度演算の演算結果である前記作業具の目標速度又は前記目標座標列演算の演算結果である前記作業具の目標座標の時系列が示す前記作業具の移動方向が前記施工目標面に対して逸脱していると判断した場合には、前記指令演算において、前記予測モデルによる前記偏差を用いることなく、前記操作装置の操作に応じた前記複数の油圧アクチュエータの速度指令値を演算するように構成されている
   　ことを特徴とする建設機械。
9. 　請求項２に記載の建設機械において、
   　視覚情報を表示する表示装置をさらに備え、
   　前記コントローラは、さらに、前記座標演算の演算結果である前記作業具の座標及び前記目標座標列演算の演算結果である前記作業具の目標座標の時系列を前記作業具の軌跡とする視覚情報として前記表示装置に表示させる軌跡表示を行うように構成されている
   　ことを特徴とする建設機械。