JP2000355957A - 油圧ショベルの領域制限掘削制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 油圧ショベルの領域制限掘削制御装置におい
て、制御上掘削が行われない領域を極力減らして所望の
領域の掘削をスムーズに行えるようにする。 【解決手段】 制御ユニット９には、設定領域の境界と
バケット１ｃの先端との距離Ｄ₁と減速ベクトル係数ｈ
との関係（制御作動開始高さＤ_1Sによって変化する）が
演算・記憶されている。Ｄ₁がＹ_a1よりも大きいときは
ｈ＝０であり、Ｄ₁がＹ_a1よりも小さくなると、Ｄ₁が減
少するにしたがってｈが増大し、Ｄ₁＝０でｈ＝１とな
るように設定されている。減速ベクトルＶ_R（＝−ｈＶ
ｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶ_Rを加算する。減速ベクトル
Ｖ_RはＤ₁がＹ_a1より小さくなるにしたがってその絶対値
は大きくなり、最終的にバケット１ｃの先端が境界に到
達したＤ₁＝０の時点ではＶ_R＝−ＶｃｙといったＶｃｙ
の逆方向の速度ベクトルと一致し、結果的にＤ_1Sに応じ
て掘削深さの変化する領域制限掘削制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建設機械の領域制
限掘削制御装置、特に、多関節型のフロント装置を備え
た油圧ショベルなどの建設機械においてフロント装置の
動き得る領域を制限した掘削が行える領域制限掘削制御
装置及びこの制御装置の制御プログラムを記録した記録
媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベルではオペレータがブーム等
のフロント部材をそれぞれの手動操作レバー装置によっ
て操作しているが、これらフロント部材はそれぞれが関
節部によって連結され回動運動を行うものであるため、
これらフロント部材を操作して所定の領域を掘削するこ
とは、非常に困難な作業である。そこで、このような作
業を容易にするための領域制限掘削制御装置が国際公開
ＷＯ９５／３００５９号公報に提案されている。この領
域制限掘削制御装置は、フロント装置の姿勢を検出する
手段と、この検出信号からの信号によりフロント装置の
位置を演算する手段と、フロント装置の動きうる領域
（設定領域）と侵入を禁止する領域との境界を設定する
手段と、フロント装置の目標速度ベクトルを演算する手
段を有し、フロント部材と設定領域の境界との間の距離
に応じて目標速度ベクトルのうち設定領域の境界に垂直
な成分を減じるように目標速度ベクトルを補正し、この
補正した目標速度ベクトルに応じてフロント装置を駆動
することにより、設定領域の境界に沿ってフロント装置
を動かすことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記発
明は以下のような欠点がある。

【０００４】領域制限掘削制御はフロント装置を設定領
域の境界に向けて作動させると徐々に設定領域の境界に
垂直な成分を減じるように目標速度ベクトルを補正し、
この補正した目標速度ベクトルに応じてフロント装置を
駆動するため、設定領域の境界からある程度離れた地点
から制御を開始するとフロント装置が設定領域の境界に
徐々に漸近するような軌跡を描く。したがってフロント
装置が制御動作を開始した地点（アームレバーを引いた
時点）から設定領域の境界上へ下ろした垂線の交点付近
の領域はフロント装置が通過せず、制御上掘削が行われ
ない領域が必ず残ることになる。なお、制御の開始位置
が設定領域の境界上ならばこのような掘削されない領域
は残らない。

【０００５】この掘削が行われない領域は、軽負荷の場
合には制御の理屈上存在する分だけで済むが、掘削の負
荷が大きい場合すなわち堅い土砂を掘削する場合には制
御の特性上フロント装置が上方に逃げてしまい、制御の
理屈上存在する分以上の領域が掘削されずに残ってしま
う。

【０００６】本発明の目的は、制御上掘削が行われない
領域を極力減らして所望の領域の掘削をスムーズに行え
る油圧ショベルの領域制限掘削制御装置を提供すること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）上記の目的を達成
するために、本発明は、多関節型のフロント装置を構成
する上下方向に回動可能な複数のフロント部材と、前記
複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アク
チュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示す
る複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に
応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給
される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備え
た油圧ショベルの領域制限掘削制御装置であって、
（ａ）前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量を
検出する検出手段と、（ｂ）前記検出手段からの信号に
基づき前記フロント装置の位置と姿勢を演算する第１演
算手段と、（ｃ）前記第１演算手段の演算値および前記
複数の操作手段のうち少なくとも１つのものからの信号
に基づき前記フロント装置の目標ベクトルを演算する第
２演算手段と、（ｄ）前記第１及び第２演算手段の演算
値を入力し、前記フロント装置が予め設定した設定領域
内でその境界近傍にあるとき、前記目標速度ベクトルの
前記設定領域の境界に近接する方向のベクトル成分を減
じるように前記目標速度ベクトルを補正する第３演算手
段と、（ｅ）前記目標速度ベクトルに応じて前記フロン
ト装置が動くように対応する油圧制御弁を制御する制御
手段とを備えた油圧ショベルの領域制限掘削制御装置に
おいて、（ｆ）領域制限掘削制御による掘削作業の開始
を検知する検知手段と、（ｇ）前記検知手段により領域
制限掘削制御による掘削作業の開始が検知された時点の
前記フロント装置と設定領域の境界との距離に応じて、
前記第３演算手段における前記目標速度ベクトルの前記
設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる
割合を補正する速度ベクトル減算補正手段とを備えるも
のとする。

【０００８】このように検知手段と速度ベクトル減算補
正手段を設けることにより、領域制限掘削制御による掘
削作業が開始した時点における前記フロント装置の設定
領域の境界との距離が十分大きい場合は従来と同じよう
にフロント装置が徐々に設定領域の境界に接近していく
軌跡となるが、掘り進むにつれ領域制限掘削制御を開始
する時点における前記フロント装置の設定領域の境界と
の距離が小さくなってくると、それに応じて前記目標速
度ベクトルの前記設定領域の境界に接近する方向のベク
トル成分を減じる割合が変化することになり、その結
果、フロント装置は設定領域の境界に対して遠くまで届
くようになり、かつ掘削力を確保できるので制御上掘削
が行われない領域が少なくなり、所望の領域の掘削をス
ムーズに行えることになる。

【０００９】（２）また上記（１）において、好ましく
は、前記フロント部材の１つがアームであって、前記検
知手段が該アームのクラウド操作の開始を検知するもの
とする。

【００１０】これによりアームクラウド操作を行うこと
で領域制限掘削制御を行えるようにした場合に、領域制
限掘削制御による掘削作業の開始を検知できる。

【００１１】（３）また上記（１）または（２）におい
て、好ましくは、前記速度ベクトル減算補正手段は、前
記検知手段により領域制限掘削制御による掘削作業の開
始が検知された時点の前記フロント装置の設定領域との
距離が小さいほど前記目標速度ベクトルの前記設定領域
の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる割合を減
らすものとする。

【００１２】これにより上記領域制限掘削制御におい
て、掘り進むにつれ領域制限掘削制御を開始する時点
（アームクラウド操作開始時点）における前記フロント
装置の設定領域の境界との距離が小さくなってくると、
前記目標速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近する
方向のベクトル成分を減じる割合が減ってくる、すなわ
ち前記第３演算手段によって補正される前の本来の設定
領域の境界に接近する方向のベクトル成分の大きい目標
速度ベクトルに近くなるように補正されるので、制御上
掘削が行われない領域が少なくなり、所望の領域の掘削
をスムーズに行える。

【００１３】（４）また、上記目的を達成するために、
本発明は、多関節型のフロント装置を構成する上下方向
に回動可能な複数のフロント部材と、前記複数のフロン
ト部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ
と、前記複数のフロント部材の動作を指示する複数の操
作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に応じて駆動
され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油
の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備えた油圧ショ
ベルにコンピュータによって領域制限掘削制御を行わせ
るプログラムを記録した記録媒体において、前記プログ
ラムは前記コンピュータを、（ａ）検出手段からの信号
に基づき前記フロント装置の位置と姿勢を演算する第１
演算手段、（ｂ）前記第１演算手段の演算値および前記
複数の操作手段のうち少なくとも１つのものからの信号
に基づき前記フロント装置の目標ベクトルを演算する第
２演算手段、（ｃ）前記第１及び第２演算手段の演算値
を入力し、前記フロント装置が予め設定した設定領域内
でその境界近傍にあるとき、前記目標速度ベクトルの前
記設定領域の境界に近接する方向のベクトル成分を減じ
るように前記目標速度ベクトルを補正する第３演算手
段、（ｄ）前記目標速度ベクトルに応じて前記フロント
装置が動くように対応する油圧制御弁を制御する制御手
段、（ｅ）前記領域制限掘削制御による掘削作業の開始
を検知する検知手段、（ｆ）前記検知手段により領域制
限掘削制御による掘削作業の開始が検知された時点の前
記フロント装置と設定領域の境界との距離に応じて、前
記第３演算手段における前記目標速度ベクトルの前記設
定領域の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる割
合を補正する速度ベクトル減算補正手段として機能させ
るものとする。

【００１４】このような記録媒体を用いて領域制限掘削
制御装置を構成することにより、上記（１）の領域制限
掘削制御装置が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を油圧ショベルに適
合した場合の実施形態を図１〜図１３により説明する。

【００１６】図１において、本発明が適用される油圧シ
ョベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧
油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリン
ダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左
右の走行モータ３ｅ、３ｆを含む複数の油圧アクチュエ
ータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞ
れに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４
ｆと、によって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３
ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁
５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの
間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６
とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動す
る油圧駆動装置を構成している。

【００１７】本実施形態では、操作レバー装置４ａ〜４
ｆは操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置
であり、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット
圧に変換する電気油圧変換手段、例えば比例電磁弁を両
端に備えた電気・油圧操作方式の弁である。

【００１８】油圧ショベルは、図２に示すように、垂直
方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバ
ケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上
部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで
構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部
旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ、アー
ム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体
１ｅはそれぞれブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３
ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の
走行モータ３ｅ、３ｆによりそれぞれ駆動される被駆動
装置を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ
〜４ｆにより駆動指示される。

【００１９】以上のような油圧ショベルに本実施形態に
よる領域制限掘削制御装置が設けられている。この制御
装置は、予め作業に応じてフロント装置の所定部位、例
えばバケット１ｃの先端が動き得る掘削領域の設定を指
示する設定器７と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケッ
ト１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置
１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動
角を検出する角度検出器８ａ、８ｂ、８ｃと、設定器７
の設定信号を入力し、バケット１ｃの先端が動き得る掘
削領域を設定すると共に操作信号の補正を行う制御ユニ
ット９から構成されている。以降、設定された掘削領域
を特に「設定領域」という。

【００２０】設定器７は、操作パネルあるいはグリップ
上に設けられたスイッチ等の操作手段により、制御の開
始や設定の信号を制御ユニット９に出力し制御の開始や
設定領域の設定を指示するものであり、設定スイッチ、
例えばダイレクトティーチスイッチ７ａ及び領域制限開
始スイッチ７ｂが設けられている。操作パネル上には表
示装置等、他の補助手段があってもよい。

【００２１】本実施形態では、設定領域の設定に設定器
７を用い、制御の開始の設定はアーム用の操作レバー装
置４ｂの操作レバー（以下、適宜アーム操作レバーとい
う）が中立である時、常にその時のバケット先端の位置
と設定領域の設定値をもってその間の距離Ｄ_1S（後述）
を演算し、更新するものとする。また、制御開始はアー
ム操作レバーが中立位置より操作された時点をもって制
御開始とし、アーム操作レバーが中立に戻った時点をも
って制御終了とする。

【００２２】図３に制御ユニット９の構成を示す。制御
ユニット９は、マイクロコンピュータで構成され、入力
部９１、中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、リードオンリ
ーメモリ（ＲＯＭ）９３と、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は操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号、設定
器７からの指示信号（ダイレクトティーチスイッチ信号
及び領域制限開始スイッチ信号）、角度検出器８ａ、８
ｂ、８ｃからの信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯ
Ｍ９３は制御プログラム（後述）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より取り入れた信号に対して
所定の演算処理を行う。ＲＡＭ９４は演算途中の数値を
一時的に記憶する。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、流量制御弁５ａ〜５
ｆにその信号を出力する。

【００２３】制御ユニット９のＲＯＭ９３に記憶された
制御プログラムの概要を機能ブロック図で図４に示す。
制御ユニット９は領域設定部９７と掘削制御部９８とを
有している。領域設定部９７では、設定器７のダイレク
トティーチスイッチ７ａからの指示でバケット１ｃの先
端が動き得る設定領域の設定演算を行う。掘削制御部９
８では設定器７の領域制限開始スイッチ７ｂがＯＦＦ
（通常モード）のときは操作レバー装置４ａ〜４ｆから
の操作信号をそのまま出力し、ＯＮ（制御モード）のと
きはアーム操作レバー装置４ｂからの信号を補正して出
力し領域制限掘削制御を行う。領域設定部９７における
設定の一例を図５を用いて説明する。なお、本実施形態
は垂直面内にＸ軸に平行に設定領域を設定するものであ
る。

【００２４】まず初めに、設定領域は初期値として、フ
ロント部材１Ａが届かないくらい深い値にセットしてお
く。なぜならば、設定器７の領域制限開始スイッチをＯ
Ｎにした時から領域制限が有効になるとすれば、その後
フロント部材１Ａが動作しうる範囲で自由に動き、その
動作範囲内で設定領域を自由に設定可能とする為には、
設定領域の初期値は油圧ショベルの定置位置から、フロ
ント部材１Ａが通過することのないはるか下方に初期設
定しておかなければならないからである。ここでは一例
として、設定領域の境界の直線式の初期値はＹ＝−２０
ｍとしておく。

【００２５】次に、図５において、オペレータの操作で
バケット１ｃの先端を点Ｐ₁の位置に動かした後、設定
器７のダイレクトティーチスイッチ７ａを押してそのと
きのバケット１ｃの先端位置を計算する。

【００２６】制御ユニット９はフロント装置１Ａ及び車
体１Ｂの各部寸法が記憶されており、領域設定部９７は
これらのデータと、角度検出器８ａ、８ｂ、８ｃで検出
した回動角α、β、γの値を用いてＰ₁の位置を計算す
る。このときＰ₁の位置は例えばブーム１ａの回動支点
を原点としたＸＹ座標系の座標値（Ｘ₁、Ｙ₁）として求
める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した直行座標系であ
り、垂直面内にあるとする。回動角α、β、γからＸＹ
座標系の座標値（Ｘ₁、Ｙ₁）は、ブーム１ａの回動支点
とアーム１ｂの回動支点との距離をＬ₁、アーム１ｂの
回動支点とバケット１ｃの回動支点の距離をＬ₂、バケ
ット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端との距離をＬ
₃とすれば、下記の式より求まる。

【００２７】 Ｘ₁＝Ｌ₁ｓｉｎα＋Ｌ₂ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ₃ｓｉｎ（α＋β＋γ）…（１） Ｙ₁＝Ｌ₁ｃｏｓα＋Ｌ₂ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ₃ｃｏｓ（α＋β＋γ）…（２） 制御ユニット９の領域設定部９７では、設定領域の境界
上のＰ₁のＹ座標値より、設定領域の直線式を下記の計
算式を用いて計算する。

【００２８】Ｙ＝Ｙ₁ …（３） 以上のように設定した領域（以下適宜、設定領域とい
う）に関して、制御ユニット９の掘削制御部９８では図
６に示すフローチャートによりフロント装置１Ａの動き
得る領域を制限する制御を行う。以下、図６に示すフロ
ーチャートにより掘削制御部９８の制御機能を明らかに
しつつ、本実施形態の動作を説明する。

【００２９】まず手順１００において、制御動作開始直
前のバケット先端と設定領域との距離Ｄ_1S（後述）の初
期値を設定する。

【００３０】次に手順１１０において、設定器７の領域
制限開始スイッチ７ｂのＯＮ・ＯＦＦを判断する。

【００３１】ここでスイッチ７ｂがＯＦＦであると判断
された場合、領域制限掘削制御は行わずに手順１２５に
て操作レバー装置４ａ〜４ｆから入力された操作信号を
そのまま手順２４０にて作動出力し、ＳＴＡＲＴに戻
る。

【００３２】他方、スイッチ７ｂがＯＮであると判断さ
れた場合、次に手順１２０において、操作レバー装置４
ａ〜４ｆの操作信号を入力し、手順１３０において、角
度検出器８ａ、８ｂ、８ｃにより検出したブーム１ａ、
アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動角α、β、γを入力
する。

【００３３】次に手順１４０において、検出した回動角
α、β、γと予め入力してあるフロント装置１Ａの各部
寸法とに基づきフロント装置１Ａの位置と姿勢の計算が
行われ、フロント装置１Ａの所定部位の位置、例えばバ
ケット１ｃの先端位置を計算する。このときの計算は、
先の領域設定部９７におけるバケット先端位置の計算と
同じであり、この場合も、バケット先端の位置はＸＹ座
標系の値として求める。

【００３４】次に手順１５０において、操作レバー装置
４ａ〜４ｆのうち特にアーム操作に対応する操作レバー
装置４ｂの作動を常に検知することでアームクラウド操
作が行われているかを判断し、アームクラウド操作され
ていないなら手順１６０に進む。

【００３５】手順１６０ではアームクラウド操作されて
いない時のバケット先端と設定領域との距離Ｄ_1Sを演算
する。

【００３６】手順１７０ではＤ_1Sに応じて、図８に示す
ような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ
₁と減速ベクトル係数ｈとの関係を演算する。この距離
Ｄ₁と係数ｈとの関係は、距離Ｄ₁が設定領域の境界に対
する減速制御の開始領域であるＹ_a1よりも大きいときは
ｈ＝０であり、Ｄ₁がＹ_a1よりも小さくなると、距離Ｄ₁
が減少するにしたがって減速ベクトル係数ｈが増大し、
距離Ｄ₁＝０でｈ＝１となるように設定されている。ま
た、Ｄ_1SはＤ₁とｈとの関係に対して図８に示すように
Ｄ_1Sが小さくなると次第にＤ₁とｈの関係を表す曲線が
Ｃ₁₁→Ｃ₁₂→Ｃ₁₃と変化し、Ｄ₁に対してｈのとる値が
小さくなる曲線へと変化するように設定されている。す
なわち境界との距離Ｄ₁と減速ベクトル係数ｈとの関係
特性が図８に示すように座標上の（０、１）と（Ｙ_a1、
０）を結ぶ直線Ｃ₁₁からＤ_1Sが減少するにつれて原点
（０、０）へ近づくような曲線Ｃ₁₃となるよう演算・設
定されている。したがってＤ_1S が小さい時（制御動作
の開始を設定領域に近い位置で行った場合）は手順１２
０で入力された本来のバケット先端の速度ベクトルに近
いベクトルとなるように速度ベクトルが補正されること
になる（後述）。

【００３７】ここで手順１５０〜１７０の記述は、本領
域制限掘削制御をアームクラウド操作が行われた場合に
のみ開始するような構成にするため、アームクラウド操
作がされていない場合は常にＤ_1Sを演算し、アームクラ
ウド操作されたなら直前に演算設定されたＤ₁とｈの関
係（Ｄ_1Sによって変化するものであり、図８に一例とし
て示したようなＤ₁対ｈの特性曲線関係）を制御演算に
使用する（後述）。

【００３８】次に手順１８０において、フロント装置１
Ａ用の操作レバー装置４ａ〜４ｃの操作信号が指令する
バケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶｃを計算す
る。ここで、操作レバー装置４ａ〜４ｃの操作信号と流
量制御弁５ａ〜５ｃの供給流量との関係及びフロント装
置１Ａの各部寸法を制御ユニット９の記憶装置に予め記
憶しておき、操作レバー装置４ａ〜４ｃの操作信号から
対応する流量制御弁５ａ〜５ｃの供給流量を求め、この
供給流量の値から油圧シリンダ３ａ〜３ｃの目標駆動速
度を求め、この目標駆動速度とフロント装置１Ａの各部
寸法と回動角α、β、γを用いてバケット先端の目標速
度ベクトルＶｃを演算する。そして、目標速度ベクトル
Ｖｃの設定領域の境界に平行な方向のベクトル成分Ｖｃ
ｘと垂直な方向のベクトル成分Ｖｃｙを求める。ここ
で、目標速度ベクトルＶｃのＸ座標成分Ｖｃｘは目標速
度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行な方向のベクト
ル成分となり、Ｙ座標成分Ｖｃｙは目標速度ベクトルＶ
ｃの設定領域の境界に垂直な方向のベクトル成分とな
る。

【００３９】次に手順１９０において、バケット１ｃの
先端が上記のように設定した図７に示すような設定領域
内の境界近傍の領域である減速領域にあるか否かを判定
し、減速領域にある場合には手順２００に進みフロント
装置１Ａの減速を行うよう目標速度ベクトルＶｃを補正
した後に手順２１０に進み、減速領域にない時には直接
手順２１０に進む。

【００４０】次に手順２１０において、バケット１ｃの
先端が上記のように設定した図７に示すような設定領域
外にあるか否かを判定し、設定領域外にある場合には手
順２２０に進みバケット１ｃの先端が設定領域に戻るよ
うに目標速度ベクトルＶｃを補正した後に手順２３０に
進み、設定領域外にないときには直接手順２３０に進
む。

【００４１】次に手順２３０において、手順２００また
は２２０で得た補正後の目標速度ベクトルＶｃａに対応
する流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算する。これ
は、手順１８０における目標速度ベクトルＶｃの計算の
逆演算である。

【００４２】次に手順２４０において、手順１２０で入
力した操作信号または手順２３０で計算した操作信号を
出力し、ＳＴＡＲＴに戻る。

【００４３】領域制限掘削制御を終了させる場合は、設
定器７の領域制限開始スイッチ７ｂをもう一度押して、
ＯＦＦにする。この時、それまで設定領域として制御ユ
ニット９に記憶されていた設定領域の直線式は初期値の
Ｙ＝−２０ｍにリセットされる。

【００４４】ここで、手順１９０における減速領域にあ
るか否かの判定及び手順２００における減速領域での操
作信号の補正について、図８及び図９を用いて説明す
る。

【００４５】制御ユニット９の記憶装置には、手順１７
０に基づいて図８に示すような設定領域の境界とバケッ
ト１ｃの先端との距離Ｄ₁と減速ベクトル係数ｈとの関
係（Ｄ_1Sによって変化するＤ₁対ｈの特性曲線関係）が
演算・記憶されている。この距離Ｄ₁と係数ｈとの関係
は、距離Ｄ₁が距離Ｙ_a1よりも大きいときはｈ＝０であ
り、Ｄ₁がＹ_a1よりも小さくなると、距離Ｄ₁が減少する
にしたがって減速ベクトル係数ｈが増大し、距離Ｄ₁＝
０でｈ＝１となるように設定されている。手順１９０で
は、手順１４０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領
域の境界との距離Ｄ₁が距離Ｙ_a1より小さくなると減速
領域に侵入したと判定する。また、バケット１ｃの先端
位置と設定領域の境界との距離Ｄ₂を計算し、この距離
の値が負の値になったら設定領域以外に侵入したと判断
する。

【００４６】また、手順２００では、手順１８０で計算
したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶｃの設定
領域の境界に接近する方向（垂直方向）のベクトル成
分、すなわちＸＹ座標系におけるＹ座標の成分Ｖｃｙを
減じるように目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的
には、記憶装置に記憶した図８に示す関係からそのとき
の設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ₁に
対応する減速ベクトル係数ｈを計算し、この減速ベクト
ル係数ｈを目標速度ベクトルＶｃのＹａ座標の成分（垂
直方向のベクトル成分）Ｖｃｙに乗じ、更に−１を乗じ
て減速ベクトルＶ_R（＝−ｈＶｃｙ）を求め、Ｖｃｙに
Ｖ_Rを加算する。ここで、減速ベクトルＶ_Rはバケット１
ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ₁がＹ_a1より小さ
くなるにしたがってその絶対値は大きくなり、最終的に
バケット１ｃの先端が設定領域の境界に到達したＤ₁＝
０の時点ではＶ_R＝−ＶｃｙといったＶｃｙの逆方向の
速度ベクトルと一致する。このため、減速ベクトルＶ_R
を目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃ
ｙに加算することにより、距離Ｄ₁がＹ_a1より小さくな
るにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙの減算補
正量が大きくなるようベクトル成分Ｖｃｙが減じられ、
目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正
される。

【００４７】バケット１ｃの先端が上記のような補正後
の目標速度ベクトルＶｃａの通りに減速制御されたとき
の軌跡の一例を図９に示す。目標速度ベクトルＶｃが斜
め下方に一定であるときには、その水平成分Ｖｃｘは一
定となり、垂直成分Ｖｃｙはバケット１ｃの先端が設定
領域の境界に近づくにしたがって（距離Ｄ₁がＹ_a1より
小さくなるにしたがって）その絶対値は小さくなる。補
正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、
軌跡は図９のように設定領域の境界に近づくにつれて平
行となる曲線状となる。また、Ｄ₁＝０でｈ＝１、Ｖ_R＝
−Ｖｃｙとなるので、設定領域の境界上での補正後の目
標速度ベクトルＶｃａは水平成分Ｖｃｘに一致する。

【００４８】このように手順２００における減速制御で
は、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接近する方
向の動きが減速されることにより、結果としてバケット
１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿った方向に
変換され、この意味で手順２００の減速制御は方向変換
制御ということもできる。

【００４９】図１０に掘削を行う場合のバケット先端軌
跡の変化の一例を示す。ここでアームクラウドの操作量
は常に一定であるとする。まず、１回目の掘削において
減速領域の境界面から、アームクラウド操作を開始した
とすると手順２００の減速制御により掘削軌跡はＴ_r1の
ようになる。

【００５０】次に、バケット先端１回目の掘削で残った
掘削面の上Ｐ₁点からアームクラウド操作を開始して２
回目の掘削を行ったとすると、Ｄ_1S＜Ｙ_a1で１回目の掘
削よりｈが小さくなるよう手順１７０で演算されるの
で、掘削軌跡はＴ_r2のようになる。さらに同様Ｐ₂点か
らアームクラウド操作を開始し、３回目の掘削をしたと
すると掘削軌跡はＴ_r3のようになる。このように掘削を
重ねていくと徐々に所望の掘削面に近づいていく。

【００５１】一方、従来のように設定領域の境界とバケ
ット１ｃの先端との距離Ｄ₁と減速ベクトル係数ｈとの
関係が一定だと、理屈上何回掘削しても同じ軌跡Ｔ_r1を
辿り、本発明による構成に比べて所望の掘削面には近づ
かない。よって、制御上掘削が行われない領域を掘削す
るには一旦制御を解除して手動操作で掘削する必要があ
る。

【００５２】なお、実際の掘削では上記２回目の掘削に
おいて、正確にＰ₁点からアームクラウド操作を開始す
ることは非常にまれであり、バケット１ｃの先端が地中
に食い込んでＰ₁’点から制御作動を開始（アームクラ
ウド操作を開始）するのが通常である。このような場合
でも、バケット１ｃの先端はＴ_r1と相似形にあるＴ_r1’
の軌跡を辿ることこなく、例えばＰ₁’点がＰ₁点と同じ
高さにある、つまり同じＤ_1Sにある場合にはＴ_r2と相似
形にあるＴ_r2’の軌跡を辿ることとなる。

【００５３】手順２２０における設定領域外での操作信
号の補正について、図１１及び図１２を用いて説明す
る。

【００５４】制御ユニット９の記憶装置には、図１１に
示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距
離Ｄ₂の絶対値（ここでのＤ₂自信の値は常に負）と復元
ベクトルＡＲとの関係が記憶されている。この距離Ｄ₂
の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係は、元のＹ座標が
上向きに増大する方向に設定している（図５参照）こと
を前提として、距離Ｄ₂の絶対値が減少する（設定領域
の境界に近づく）にしたがって復元ベクトルＡＲも減少
するように設定されている。手順２２０では、手順１８
０で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶ
ｃの設定領域の境界に対し垂直方向のベクトル成分、す
なわちＸＹ座標系のＹ座標の成分Ｖｃｙが設定領域の境
界に接近する方向の垂直成分に変わるよう目標速度ベク
トルＶｃを補正する。具体的には、垂直方向のベクトル
成分ＶｃｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベク
トルＡｃｙ（＝−Ｖｃｙ）を加算して、水平成分Ｖｃｘ
のみを抽出する。この補正によってバケット１ｃの先端
は設定領域の境界から離れて設定領域外を更に進もうと
する動作が阻止される。そして次に、記憶装置に記憶し
た図１１に示す関係からそのときの設定領域の境界とバ
ケット１ｃの先端との距離Ｄ₂の絶対値に相当する復元
ベクトルＡＲを計算し、この復元ベクトルＡＲを目標速
度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに更に
加算する。ここで、元のＹ座標が上向きに増大する方向
に設定していることから復元ベクトルＡＲはバケット１
ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ₂の絶対値が小さ
くなるにしたがって小さくなる逆方向（図中上向き方
向）の速度ベクトルである。このため、復元ベクトルＡ
Ｒを目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖ
ｃｙに加算することにより、距離Ｄ₂の絶対値が小さく
なるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙが小さ
くなるよう、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトル
Ｖｃａに補正される。

【００５５】バケット１ｃの先端が上記のような補正後
の目標速度ベクトルＶｃａの通りに復元制御されたとき
の軌跡の一例を図１２に示す。目標速度ベクトルＶｃが
斜め下方に一定であるときには、その水平成分Ｖｃｘは
一定となり、また復元ベクトルＡＲは距離Ｄ₂の絶対値
に比例するので垂直成分はバケット１ｃの先端が設定領
域の境界に近づくにしたがって（距離Ｄ₂の絶対値が小
さくなるにしたがって）小さくなる。補正後の目標速度
ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図１２の
ように設定領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線
状となる。

【００５６】このように、手順２２０における復元制御
では、バケット１ｃの先端が設定領域に戻るように制御
されるため、設定領域外に復元領域が得られることにな
る。また、この復元制御でも、バケット１ｃの先端の設
定領域の境界に接近する方向の動きが減速されることに
より、結果としてバケット１ｃの先端の移動方向が設定
領域の境界に沿った方向に変換され、この意味でこの復
元制御も方向変換制御ということができる。

【００５７】なお、本発明の領域制限掘削制御装置はそ
の詳細が上述の一実施形態に限定されず、種々の変形が
可能である。一例として、上記実施形態では境界との距
離Ｄ₁と減速ベクトル係数ｈとの関係特性が図８に示す
ように座標上の（０、１）と（Ｙ_a1、０）を結ぶ直線Ｃ
₁₁からＤ_1Sが減少するにつれて原点（０、０）へ近づく
ような曲線Ｃ₁₃となるよう演算・設定するのに対し、図
１３に示すようにＤ_1Sが小さくなるに従いＣ₂₁→Ｃ₂₂→
Ｃ₂₃と変化して、直線の横軸切片の値も減少するよう変
化する演算・設定としても良く、これにおいても同様の
作用・効果が得られる。

【００５８】またハード構成においても上記実施形態で
は操作レバー装置は電気レバー方式としたが、油圧パイ
ロット方式の操作レバー装置であってもよい。また、フ
ロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する
手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリン
ダのストロークを検出してもよい。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、領域制限掘削制御によ
る掘削作業が開始した時点における前記フロント装置の
設定領域の境界との距離が十分大きい場合は従来と同じ
ようにフロント装置が徐々に設定領域の境界に接近して
いく軌跡となるが、掘り進むにつれ領域制限掘削制御を
開始する時点における前記フロント装置の設定領域の境
界との距離が小さくなってくると、それに応じて前記目
標速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近する方向の
ベクトル成分を減じる割合が変化することになり、その
結果、フロント装置は設定領域の境界に対して遠くまで
届くようになり、かつ掘削力を確保できるので制御上掘
削が行われない領域が少なくなり、所望の領域の掘削を
スムーズに行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による建設機械の領域制限掘
削制御装置をその油圧駆動装置と共に示す図である。

【図２】本実施形態が適用される油圧ショベルの外観と
その周囲の設定領域の形状を示す図である。

【図３】制御ユニットのハード構成を示す図である。

【図４】制御ユニットの処理機能を示す機能ブロック図
である。

【図５】本実施形態の領域制限制御で用いる座標系と領
域の設定方法を示す図である。

【図６】制御ユニットにおける制御手段を示すフローチ
ャートである。

【図７】バケットの先端と設定領域の境界との距離と減
速ベクトルとの関係を示す図である。

【図８】本実施形態の減速領域及び復元領域での目標速
度ベクトルの補正方法を示す図である。

【図９】バケットの先端が補正通りに減速されたときの
軌跡の一例を示す図である。

【図１０】制御開始時のバケットの先端の位置をずらし
ながら掘削動作した場合の補正通りに減速制御されたと
きの軌跡の一例を示す図である。

【図１１】バケットの先端と設定領域の境界との距離と
復元ベクトルとの関係を示す図である。

【図１２】バケットの先端が補正通りに復元制御された
ときの軌跡の一例を示す図である。

【図１３】バケットの先端と設定領域の境界との距離と
減速ベクトルとの関係の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１Ａ フロント装置 １Ｂ 車体 １ａ ブーム １ｂ アーム １ｃ バケット １ｄ 上部旋回体 １ｅ 下部走行体 ２ 油圧ポンプ ３ａ〜３ｆ 油圧アクチュエータ ４ａ〜４ｆ 操作レバー装置 ５ａ〜５ｆ 流量制御弁 ６ リリーフ弁 ７ 設定器（設定手段） ７ａ ダイレクトティーチスイッチ ７ｂ 領域制限開始スイッチ ８ａ、８ｂ、８ｃ 角度検出器 ９ 制御ユニット ９１ 入力部 ９２ ＣＰＵ ９３ ＲＯＭ（記録媒体） ９４ ＲＡＭ ９５ 出力部 ９７ 領域設定部 ９８ 掘削制御部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多関節型のフロント装置を構成する上下方
   向に回動可能な複数のフロント部材と、前記複数のフロ
   ント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ
   と、前記複数のフロント部材の動作を指示する複数の操
   作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に応じて駆動
   され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油
   の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備えた油圧ショ
   ベルの領域制限掘削制御装置であって、 （ａ）前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量を
   検出する検出手段と、 （ｂ）前記検出手段からの信号に基づき前記フロント装
   置の位置と姿勢を演算する第１演算手段と、 （ｃ）前記第１演算手段の演算値および前記複数の操作
   手段のうち少なくとも１つのものからの信号に基づき前
   記フロント装置の目標ベクトルを演算する第２演算手段
   と、 （ｄ）前記第１及び第２演算手段の演算値を入力し、前
   記フロント装置が予め設定した設定領域内でその境界近
   傍にあるとき、前記目標速度ベクトルの前記設定領域の
   境界に近接する方向のベクトル成分を減じるように前記
   目標速度ベクトルを補正する第３演算手段と、 （ｅ）前記目標速度ベクトルに応じて前記フロント装置
   が動くように対応する油圧制御弁を制御する制御手段と
   を備えた油圧ショベルの領域制限掘削制御装置におい
   て、 （ｆ）領域制限掘削制御による掘削作業の開始を検知す
   る検知手段と、 （ｇ）前記検知手段により領域制限掘削制御による掘削
   作業の開始が検知された時点の前記フロント装置と設定
   領域の境界との距離に応じて、前記第３演算手段におけ
   る前記目標速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近す
   る方向のベクトル成分を減じる割合を補正する速度ベク
   トル減算補正手段とを備えることを特徴とする油圧ショ
   ベルの領域制限掘削制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の領域制限掘削制御装置に
   おいて、前記フロント部材の１つがアームであって、前
   記検知手段が該アームのクラウド操作の開始を検知する
   ことを特徴とする油圧ショベルの領域制限掘削制御装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の領域制限掘削制
   御装置において、前記速度ベクトル減算補正手段は、前
   記検知手段により領域制限掘削制御による掘削作業の開
   始が検知された時点の前記フロント装置の設定領域との
   距離が小さいほど前記目標速度ベクトルの前記設定領域
   の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる割合を減
   らすよう構成したことを特徴とする油圧ショベルの領域
   制限掘削制御装置。
4. 【請求項４】 多関節型のフロント装置を構成する上下
   方向に回動可能な複数のフロント部材と、前記複数のフ
   ロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエー
   タと、前記複数のフロント部材の動作を指示する複数の
   操作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に応じて駆
   動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧
   油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備えた油圧シ
   ョベルにコンピュータによって領域制限掘削制御を行わ
   せるプログラムを記録した記録媒体において、 前記プログラムは前記コンピュータを、 （ａ）検出手段からの信号に基づき前記フロント装置の
   位置と姿勢を演算する第１演算手段、 （ｂ）前記第１演算手段の演算値および前記複数の操作
   手段のうち少なくとも１つのものからの信号に基づき前
   記フロント装置の目標ベクトルを演算する第２演算手
   段、 （ｃ）前記第１及び第２演算手段の演算値を入力し、前
   記フロント装置が予め設定した設定領域内でその境界近
   傍にあるとき、前記目標速度ベクトルの前記設定領域の
   境界に近接する方向のベクトル成分を減じるように前記
   目標速度ベクトルを補正する第３演算手段、 （ｄ）前記目標速度ベクトルに応じて前記フロント装置
   が動くように対応する油圧制御弁を制御する制御手段、 （ｅ）前記領域制限掘削制御による掘削作業の開始を検
   知する検知手段、 （ｆ）前記検知手段により領域制限掘削制御による掘削
   作業の開始が検知された時点の前記フロント装置と設定
   領域の境界との距離に応じて、前記第３演算手段におけ
   る前記目標速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近す
   る方向のベクトル成分を減じる割合を補正する速度ベク
   トル減算補正手段として機能させることを特徴とする記
   録媒体。