JP2001303622A - 油圧ショベルのフロント制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】油圧ショベルのフロント制御装置において、油
圧シリンダがストロークエンド付近にある場合でも精度
よく制御が行え、かつ加工のばらつきや油温変化の影響
を受け難くする。 【解決手段】手順２５０では制御動作開始時のアームシ
リンダ３ｂの位置がストロークエンド位置か否か判定
し、ストロークエンド位置ならば手順２６０に進み、ス
トロークエンドの場合に予め設定されたローパスフィル
タの時定数Ｔａ＝Ｔ１とし、ストロークエンド位置でな
ければ手順２７０に進み、中間位置の場合に予め設定さ
れたローパスフィルタの時定数Ｔａ＝Ｔ２（＞Ｔ１）と
する。そして手順２８０で、手順２６０もしくは２７０
で設定された時定数Ｔａのローパスフィルタリング処理
をアームの出力信号に施す。ブームの出力信号に対して
もシリンダ速度の応答が等しくなるように設定した時定
数Ｔｂのローパスフィルタリング処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油圧ショベルのフ
ロント装置を自動制御し直線掘削あるいはフロント装置
の動き得る領域を制限した掘削を行う油圧ショベルのフ
ロント制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベルでは、オペレータがフロン
ト装置のブーム等のフロント部材をそれぞれの手動操作
レバーによって操作し、掘削等の所定の作業を行ってい
る。しかし、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フロント装置の先端（以下、適
宜フロント先端という）を直線状に移動させることは、
熟練を伴う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、各種のフロント制御装置が従
来多々提案されてきた。

【０００３】例えば、特公昭５４−３７４０６号公報に
提案されている直線掘削自動運転装置は目標掘削面の勾
配やバケットの姿勢角、掘削速度などの条件を与え、そ
れらの条件の下で直線掘削を行うのに必要なブーム、ア
ーム各油圧シリンダの操作量を逐次演算回路を用いて計
算し、演算結果を入力信号として各部の運動を制御する
ように構成することにより、直線掘削の自動運転を行っ
ている。

【０００４】また、特開昭６１−２００２２６号公報に
提案されている位置制御装置では、バケットシリンダも
制御に加えている。

【０００５】更に、特開平８−３１１９１８号公報には
領域制限掘削制御装置が提案されている。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、フロント装置の侵入を禁止する侵入
禁止領域を教示する手段と、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、フロント部材と侵入禁止
領域の間の距離に応じて目標速度ベクトルのうち侵入禁
止領域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、侵入禁止領域の境界に沿
ってフロント装置を動かすようにしている。また、掘削
領域近傍において操作信号に対して減速処理やローパス
フィルタリング処理を施すことにより制御精度の向上を
図っている。

【０００６】また、上記のようなフロント制御装置でフ
ロント装置を自動制御するとき、油圧シリンダのストロ
ークエンドのクッション領域でも波打ちしないようにす
るため、特開平９−３０２０７８号公報では、流量制御
弁に対し、油圧シリンダのストロークエンド部のクッシ
ョン領域における流量特性のテーブルを通常の流量特性
とは別に用意し、シリンダエンドストロークエンド部か
否かで流量特性のテーブルを使い分けることを提案して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には以下の間題点がある。

【０００８】油圧シリンダには、一般的に、シリンダ伸
長時及び収縮時のストロークエンド付近での衝撃を緩和
するため、油圧シリンダのストロークェンド部に機械的
な油圧クッション機構を設け、ストロークエンド部で緩
衝作用を働かせるようにしている。このクッション機構
としては種々提案されているが、主な原理は、油圧シリ
ンダがストロークエンド付近に達すると、タンクへの排
出側シリンダ室の圧油の流路を絞り、この絞り流路を通
って圧油を排出することで緩衝作用を働かせるようにし
ている。

【０００９】ところで、このようなクッション機構を備
えた油圧シリンダの場合、ストロークエンド部でストロ
ーク中間部と同じ油圧を油圧シリンダの駆動側シリンダ
室に供給しようとしても、上記絞り流路のために、スト
ロークエンドに向かう方向の起動時は排出側シリンダ室
の圧油の抜けが悪くなり、ストロークエンドから離間す
る方向の起動時は駆動側シリンダ室に圧油が流入し難く
なり、いずれの場合もストローク中間部に比べ同じシリ
ンダ動作指令でも動作速度は遅くななる。このため、特
公昭５４−３７４０６号公報、特開昭６１−２００２２
６号公報、特開平８−３１１９１８号公報に記載の直線
自動掘削をする制御や領域制限掘削制御では、油圧シリ
ンダ（例えばアームシリンダ）がストロークエンド付近
にある状態から制御動作を開始する場合、制御指令に対
してアームシリンダの動き出しが遅れ、油圧シリンダの
ストロークエンド付近において制御精度が悪化し、バケ
ット爪先が波打つ現象が生じる。

【００１０】特開平９−３０２０７８号公報では、油圧
シリンダのストロークエンド部のクッション領域におけ
る流量特性のテーブルを通常の流量特性とは別に用意
し、油圧シリンダがストロークエンド部か否かで流量特
性のテーブルを使い分けることで、その問題を解決しよ
うとしている。

【００１１】しかし、油圧シリンダのストロークエンド
部における流量特性は、シリンダクッション機構の加工
のばらつきにより一台一台微妙に異なり、１つの代表値
では対応できない場合がある。また、油温によっても油
圧シリンダのストロークエンド部における流量特性は変
わってくる。更に、上記方法ではテーブルを２つ持つた
め、このテーブルの記憶容量が余計に必要になる。

【００１２】本発明の目的は、油圧シリンダがストロー
クエンド付近にある場合でも精度よく制御が行え、かつ
加工のばらつきや油温変化の影響を受け難い油圧ショベ
ルのフロント制御装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、第１油圧シリンダ及び第２油圧シ
リンダを有する油圧ショベルのフロント装置を自動制御
し直線掘削あるいはフロント装置の動き得る領域を制限
した掘削を行う油圧ショベルのフロント制御装置におい
て、所定の演算に従って前記第１及び第２油圧シリンダ
を駆動する出力信号を生成する制御演算手段と、制御動
作開始時に前記第１油圧シリンダがストロークエンド付
近にあるか否かを検出する検出手段と、前記制御演算手
段によって生成された第１油圧シリンダの出力信号に対
してローパスフィルタリング処理を行う第１フィルタリ
ング手段と、前記検出手段により制御動作開始時に前記
第１油圧シリンダがストロークエンド付近にあることが
検出されると、前記第１フィルタリング手段におけるロ
ーパスフィルタの時定数を変更する時定数設定手段とを
備えるものとする。

【００１４】このように制御動作開始時に第１油圧シリ
ンダがストロークエンド付近にあるときに、第１油圧シ
リンダの出力信号に対して時定数を変更してローパスフ
ィルタリング処理を行うことにより、当該出力信号に最
適な時定数でローパスフィルタリング処理を施すことが
でき、第１油圧シリンダに油圧クッション機構が備えら
れていても、出力信号（制御指令）自体の立ち上がりを
遅らせ、油圧シリンダを滑らかに徐々に速度が上がるよ
うに制御するため、クッション機構の絞り流路の影響が
少なくなり、油圧シリンダのストロークエンド付近での
制御精度を向上できる。

【００１５】また、ローパスフィルタリング処理により
第１油圧シリンダをゆっくりと起動するので、第１油圧
シリンダの加工のばらつきや油温変化に基づく流量特性
の相違による制御精度の悪化の影響も抑制できる。

【００１６】（２）また、上記目的を達成するために、
本発明は、第１油圧シリンダ及び第２油圧シリンダを有
する油圧ショベルのフロント装置を自動制御し直線掘削
あるいはフロント装置の動き得る領域を制限した掘削を
行う油圧ショベルのフロント制御装置において、所定の
演算に従って前記第１及び第２油圧シリンダを駆動する
出力信号を生成する制御演算手段と、制御動作開始時に
前記第１油圧シリンダがストロークエンド付近にあるか
否かを検出する検出手段と、前記制御演算手段によって
生成された第１油圧シリンダの出力信号に対してローパ
スフィルタリング処理を行う第１フィルタリング手段
と、前記検出手段により制御動作開始時に前記第１油圧
シリンダがストロークエンド付近にあることが検出され
ると、前記第１フィルタリング手段におけるローパスフ
ィルタの時定数を第１の値とし、前記検出手段により制
御動作開始時に前記第１油圧シリンダがストロークエン
ドにないことが検出されると、前記第１フィルタリング
手段におけるローパスフィルタの時定数を前記第１の値
より大きい第２の値とする時定数設定手段とを備えるも
のとする。

【００１７】これにより上記（１）で述べた作用効果が
得られると共に次の作用効果が得られる。つまり、第１
油圧シリンダの出力信号に対してローパスフィルタリン
グ処理を行うとき、第１油圧シリンダがストロークエン
ドにないことが検出されると、ローパスフィルタの時定
数をストロークエンド時の第１の値より大きい第２の値
とすることにより、制御動作開始時に第１油圧シリンダ
がストローク中間部にあるときの起動時の応答をストロ
ークエンド付近にあるときの起動時の応答と概ね同じに
設定することができ、第１油圧シリンダをストロークエ
ンド付近にあるときとストローク中間部にあるときとの
操作感覚を同じにでき、制御時の操作性を向上できる。

【００１８】（３）上記（１）又は（２）において、好
ましくは、前記制御演算手段によって生成された第２油
圧シリンダの出力信号に対して、第２油圧シリンダのシ
リンダ速度の応答が前記第１油圧シリンダのシリンダ速
度の応答に合うようにローパスフィルタリング処理を行
う第２フィルタリング手段を更に備える。

【００１９】これにより第１油圧シリンダのストローク
エンド付近或いは第１油圧シリンダのストロークエンド
付近とストローク中間部における第２油圧シリンダも含
めた全体的な制御精度を向上できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。以下の実施の形態は、本発明をフロ
ントの動き得る領域を制限した掘削が簡単に行える領域
制限掘削制御装置を備えた油圧ショベルに適用した場合
のものである。

【００２１】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、この操作レバー装置４ａ〜４ｆによって操作さ
れ、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ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（後述）を駆動する油圧駆動装
置を構成している。

【００２２】本実施の形態では、操作レバー装置４ａ〜
４ｆは操作信号として電気信号Ｓ4a〜Ｓ4f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
Ｓ4a〜Ｓ4f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備えた電気・油圧操作方式の弁
である。

【００２３】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
部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ
〜４ｆにより指示される。

【００２４】また、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内にはストロークエンド
での衝撃を緩和するため油圧クッション機構が設けられ
ている。

【００２５】以上のような油圧ショベルに本実施の形態
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の設定信号と、操作信号Ｓ4a〜Ｓ4f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。

【００２６】設定器７は、運転室内の操作パネルあるい
は操作レバーのグリップ上に設けられたスイッチ等の操
作手段により、掘削領域の設定の指示を制御ユニット９
に対して行うものである。そのスイッチには、ダイレク
トティーチスイッチ、数値入力スイッチの両方がある。
また、設定器７は、領域制限掘削制御の開始（領域制限
掘削制御モードの設定）を制御ユニット９に指示するス
イッチ（制御開始スイッチ）も備えている。なお、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。

【００２７】制御ユニット９の制御機能を図３に示す。
制御ユニット９は、領域設定部９ａと領域制限掘削制御
部９ｂと操作信号入出力部９ｃとを有し、領域設定部９
ａでは、設定器７からの指示でバケヅト１ｃの先端が動
き得る掘削領域の設定演算を行い、領域制限掘削制御部
９ｂでは操作信号Ｓ4a，Ｓ4b，Ｓ4cを補正して領域制限
掘削制御を行い、操作信号入出力部では操作信号Ｓ4d，
Ｓ4e，Ｓ4fを流量制御弁５ｄ〜５ｆの駆動用の電気信号
に変換する。

【００２８】領域設定部９ａにおける掘削領域の設定方
法の一例を図４を用いて説明する。なお、本例では垂直
面内にＸ軸に平行に掘削領域を設定するものである。

【００２９】まず初めに、掘削領域の初期値として、フ
ロント装置１Ａが届かない位深い値をセットしておく。
なぜならば、設定器７の制御開始スイッチをＯＮにした
時から領域制限掘削制御が有効になるとすれば、その後
フロント装置１Ａが動作し得る範囲で自由に動き、動作
範囲内で掘削領域を自由に設定できるようにするために
は、掘削領域の初期値は油圧ショベルのある位置からは
るか下方に設定しておかなけれぱならないからである。
ここでは一例として、掘削領域の初期値は直線式でＹ＝
−２０ｍとしておく。

【００３０】次に、図４において、オペレータによる操
作レバー装置の操作でバケット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
チを押してそのときのバケット１ｃの先端位置を計算す
る。

【００３１】制御ユニット９の記憶部（図示せず）には
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９ａ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，Ｙ
１）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Ｌ３とすれぱ、下記の式よ
り求まる。

【００３２】Ｘ１＝Ｌ１sinα＋Ｌ２sin（α＋β）＋Ｌ
３sin（α＋β＋γ） Ｙ１＝Ｌ１cosα＋Ｌ２cos（α＋β）＋Ｌ３cos（α＋
β＋γ） 制御ユニット９の領域設定部９ａでは、Ｐ１のＹ座標値
より、掘削領域の直線式を下記の式を用いて計算する。

【００３３】Ｙ＝Ｙ１ 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の領域制限掘削制御部９
ｂでは図５に示すフローチャートによりフロント装置１
Ａの動き得る領域を制限する制御を行う。以下、図５に
示すフローチャートにより領域制限掘削制御部９ｂの制
御機能を明らかにしつつ、本実施例の動作を説明する。

【００３４】まず手順１１０において、設定器７の制御
開始スイッチがＯＮで領域制限掘削制御モードにあると
判断されると、手順１２０において、操作レバー装置４
ａ〜４ｃ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の回動角を入力する。

【００３５】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、例えぱバ
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。

【００３６】手順１７０では、図６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との関係を演算する。この距離Ｄ１と係数ｈ
との関係は、距離Ｄ１が距離Ｙａ１よりも大きいときは
ｈ＝０であり、Ｄ１がＹａ１よりも小さくなると、距離
Ｄ１が減少するにしたがって滅速ベクトル係数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。なお、設定領域の境界から距離Ｙａ１の範囲が減速
領域に相当する。

【００３７】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Ｖｃｘ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Ｖｃの設定領域の境界に
垂直な方向のベクトル成分となる。

【００３８】次に手順１９０において、バケツト１ｃの
先端が上記のように設定した図６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場合にあるか
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、減速領域にない時には手順２１０に進
む。

【００３９】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６に示すような設定領域外に
ある場合か否かを判定し、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、設定領域外にな
いときには手順２３０に進む。

【００４０】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。

【００４１】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７及び図８を用いて説明す
る。

【００４２】制御ユニット９の記憶装置には、手順１７
０の処理のため、図７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Ｙａ１よりも大きいときは
ｈ＝０であり、Ｄ１がＹａ１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Ｙａ１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外
に侵入したと判断する。

【００４３】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のベクトル成分である設定領
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７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を乗じて滅速ベクトルＶ
Ｒ（＝−ｈＶｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶＲを加算する。
ここで、減速ベクトルＶＲはバケット１ｃの先端と設定
領域の境界との距離Ｄ１がＹａ１より小さくなるにした
がって大きくなり、Ｄ１＝０でＶａ＝−ＶｃyとなるＶ
ｃyの逆方向の速度ベクトルである。このため、減速ベ
クトルＶＲを目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクト
ル成分Ｖｃｙに加算することにより、距離Ｄ１がＹａ１
より小さくなるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖ
ｃｙの減少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Ｖｃ
ａに補正される。

【００４４】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８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、その平行成分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Ｙａ１よ
り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８
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、ＶＲ＝−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は平行成分Ｖｃｘに一致する。

【００４５】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。

【００４６】手順２００における設定領域外での操作信
号の補正について、図９及び図１０を用いて説明する。

【００４７】制御ユニット９の記憶装置には、図９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、距離Ｄ２の絶対値が減少するにしたがって復元ベ
クトルＡＲが増大するように設定されている。手順２２
０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Ｖｃ
ｙ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Ｖ
ｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙを加算して、平行成分Ｖｃ
ｘ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９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垂直方向のベク
トル成分Ｖｃｙに更に加算する。ここで、復元ベクトル
ＡＲはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ
２が小さくなるにしたがつて小さくなる逆方向の速度ベ
クトルである。このため、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に加算す
ることにより、距離Ｄ２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。

【００４８】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１０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、その平行成分Ｖｃｘは
一定となり、また復元ベクトルＡＲは距離Ｄ２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１０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。

【００４９】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滅速されることに
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。

【００５０】図５に戻り、次に手順２４０において、領
域制限掘削制御モードで制御動作が開始された直後か否
か判定する。ここで、領域制限掘削制御モードでフロン
ト装置１Ａを操作して掘削する作業では、通常アーム１
ｂをアームクラウドする操作が伴う。このため、本実施
の形態では、アーム１ｂの起動を制御動作の開始を判断
する動作ととらえ、一例として、アームが動作して２秒
以内を制御動作の開始直後とする。領域制限掘削制御モ
ードでの制御動作が開始された直後ならば手順２５０に
進み、そうでなければ手順２９０に進む。

【００５１】手順２５０では制御動作開始時のアームシ
リンダ３ｂの位置がストロークエンド位置か否か判定す
る。ここで、アームシリンダ３ｂのストローク位置とア
ーム１ｂの回動角とには一義的な関係がある。そこで、
本実施の形態では、角度検出器８ｂの角度信号からアー
ムシリンダ３ｂの位置がストロークエンド位置か否か判
定する。そして、アームシリンダ３ｂの位置がストロー
クエンド位置ならば手順２６０に進み、そうでなければ
手順２７０に進む。

【００５２】手順２６０では、アームシリンダ３ｂの位
置がストロークエンドの場合に予め設定されたローパス
フィルタの時定数Ｔａ＝Ｔ１とする。一方、手順２７０
ではアームシリンダの位置が中間位置の場合に予め設定
されたローパスフィルタの時定数Ｔａ＝Ｔ２として手順
２８０に進む。

【００５３】ここで、時定数Ｔ１とＴ２の設定の仕方を
図１１を用いて説明する。図１１において、図の左側
は、油圧クッション機構を備えた油圧シリンダに係わる
流量制御弁にステップ状の入力信号を与えた場合のシリ
ンダ速度の応答を示したものであり、上側がストローク
エンドから動作する場合のもの、下側がストローク中間
部から動作する場合のものである。また、図１１の中央
は、ステップ状の入力信号に施すローパスフィルタの特
性をボード線図で示すものであり、ｆ１，ｆ２はカット
オフ周波数（sin入力した際の出力信号の振幅が−３ｄ
Ｂとなる入力周波数）、Ｔ１，Ｔ２は時定数である。こ
こで、ｆ１＝１／（２πＴ１）、ｆ２＝１／（２πＴ
２）の関係がある。図１１の右側は、ステップ状の入力
信号に図示中央のローパスフィルタリング処理を施した
結果を示すものである。

【００５４】油圧シリンダの位置がストロークエンドの
場合と中間位置の場合の応答を比較すると、図１１の左
側にＡ及びＢで示すように、油圧シリンダに設けられた
油圧クッション機構の影響により同じ入力信号に対して
ストロークエンドの場合の応答の方が中間位置の場合の
応答より遅い。そこで、図１１の中央に示すように、そ
れぞれの場合の入力信号に対して異なる時定数Ｔ１，Ｔ
２を持つローパスフィルタを施し、図１１の右側にａ及
びｂで示すようにそれを改めて入力信号としてやること
により、図１１の右側にＣ及びＤで示すように、油圧シ
リンダの位置がストロークエンドの場合と中間位置の場
合とでシリンダ速度の見かけ上の応答を等しくすること
ができる。ここで、中間位置の場合に施すローパスフィ
ルタの時定数Ｔ２はストロークエンドの場合の時定数Ｔ
１よりも遅い時定数となり、予め各々の場合の応答が等
しくなるような時定数を選んでおく。

【００５５】手順２８０では手順２６０若しくは２７０
で設定された時定数Ｔａのローパスフィルタリング処理
をアームの出力信号に施す。また、ブームシリンダ３ａ
に対しても、シリンダ速度の応答がアームシリンダ３ｂ
のシリンダ速度の応答にほぼ等しくなるような時定数Ｔ
ｂを予め設定しておき、ブームの出力信号に対してもそ
の時定数Ｔｂのローパスフィルタリング処理を施す。

【００５６】最後に手順２９０において、手順２８０で
計算した出力信号を出力し、はじめに戻る。

【００５７】領域制限掘削制御を終了させる場合は、設
定器７の制御開始スイッチをもう一度押して、ＯＦＦに
する。この時、それまで掘削領域として制御ユニット９
に記憶されていた掘削制限領域の直線式は初期値のＹ＝
−２０ｍにリセットされる。

【００５８】また、この状態で操作レバー装置４ａ〜４
ｃを操作した場合は、手順１１０において、設定器７の
制御開始スイッチがＯＦＦであると判断されるため、手
順１５０で操作レバー装置４ａ〜４ｃの操作信号を入力
し、手順２９０でその操作信号を出力し、始めに戻る。

【００５９】以上のように本実施の形態によれば、バケ
ット１ｃの先端が設定領域の境界から離れているとき
は、目標速度ベクトルＶｃは補正されず、通常作業と同
じように作業できるとともに、バケット１ｃの先端が設
定領域内でその境界近傍に近づくと、目標速度ベクトル
Ｖｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分
（境界に対して垂直方向のベクトル成分）を減じるよう
に補正されるので、設定領域の境界に対して垂直方向の
動きが減速制御され、設定領域の境界に沿った方向の速
度成分は減じられ、このため図８に示すように設定領域
の境界に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができ
る。このため、バケット１ｃの先端の動き得る領域を制
限した掘削を効率良く行うことができる。

【００６０】また、バケット１ｃの先端が設定領域内の
境界近傍で減速制御されるとき、フロント装置１Ａの動
きが速いと、制御上の遅れやフロント装置１Ａの慣性に
よりバケット１ｃの先端が設定領域外にある程度侵入す
ることがある。このようなとき、本実施例では、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が補正されるので、侵入後速やかに設定領域に戻る
よう制御される。このため、フロント装置１Ａを速く動
かしたときでも設定領域の境界に沿ってバケット先端を
動かすことができ、領域を制限した掘削を正確に行うこ
とができる。

【００６１】また、本実施形態によれば、上記の制御動
作開始時にアームシリンダ３ｂがストロークエンド付近
にあるとき、アームシリンダ３ｂの出力信号に対して、
ストローク中間部にある時の時定数Ｔ２からＴ１に時定
数を変更してローパスフィルタリング処理を施すので、
当該出力信号を最適な時定数Ｔ１でローパスフィルタリ
ング処理をすることができ、アームシリンダ３ｂに油圧
クッション機構が備えられていても、制御指令である出
力信号自体の立ち上がりを遅らせ、油圧シリンダを滑ら
かに徐々に速度が上がるように制御するため、クッショ
ン機構の絞り流路の影響が少なくなり、アームシリンダ
３ｂのストロークエンド付近での制御精度を向上でき
る。

【００６２】また、制御動作開始時にアームシリンダ３
ｂがストロークエンド付近にあるときに、ブームシリン
ダ３ａの出力信号に対しても、アームシリンダ３ｂの応
答とほぼ等しくなるようにローパスフィルタリング処理
を施すので、アームシリンダ３ｂのストロークエンド付
近におけるブームシリンダ３ａも含めた全体的な制御精
度を向上できる。

【００６３】更に、制御動作開始時にアームシリンダ３
ｂがストロークエンド付近にないとき、即ち、アームシ
リンダ３ｂがストローク中間部にあるときにも、アーム
シリンダ３ｂの出力信号に対し時定数Ｔ２でローパスフ
ィルタリング処理を施すので、アームシリンダ３ｂがス
トローク中間部にあるときもアームシリンダ３ｂを滑ら
かに起動し、制御精度を向上できる。そして、このとき
も、ブームシリンダ３ａの出力信号に対してアームシリ
ンダ３ｂの応答とほぼ等しくなるようにローパスフィル
タリング処理を施すので、アームシリンダ３ｂのストロ
ークエンド中間部におけるブームシリンダ３ａも含めた
全体的な制御精度を向上できる。

【００６４】更に、このとき、その時定数Ｔ２をストロ
ークエンド時の時定数Ｔ１より大きくするので（Ｔ２＞
Ｔ１）、制御動作開始時にアームシリンダ３ｂがストロ
ーク中間部にあるときの起動時の応答をストロークエン
ド付近にあるときの起動時の応答と概ね同じに設定する
ことができ、アームシリンダ３ｂがストロークエンド付
近にあるときとストローク中間部にあるときの操作感覚
を同じにでき、制御時の操作性を向上できる。

【００６５】また、ローパスフィルタリング処理により
アームシリンダ３ｂをゆっくりと起動するので、アーム
シリンダ３ｂの加工のばらつきや油温変化に基づいた流
量特性の相違による制御精度の悪化の影響も抑制でき
る。また、流量特性のテーブルを別に用意する場合に比
べて、記憶容量の増加も少なくできる。

【００６６】なお、本発明のフロント制御装置はその詳
細が上述の実施の形態に限定されず、種々の変形が可能
である。一例として、本実施の形態では本発明を領域制
限掘削制御に適用したがバケット刃先を直線状に動作さ
せること等を目的とした軌跡制御に適用してもよい。ま
た、本実施の形態では操作レバー装置は電気レバー方式
としたが、油圧パイロット式の操作レバー装置でもよ
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。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、油圧シリンダがストロ
ークエンド付近にある場合でも中間部にある場合でも精
度よく制御が行え、かつ加工のばらつきや油温変化があ
っても制御精度の悪化を抑制できると共に、流量特性の
テーブルを別に用意する場合に比べて記憶容量の増加も
少なくできる。

【００６８】また、本発明によれば、上記のように制御
精度を向上できると共に操作性も向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による建設機械のフロン
ト制御装置をその油圧駆動装置と共に示す図である。

【図２】本発明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】図１に示した制御ユニットが行う処理内容を示
す機能ブロック図である。

【図４】本実施の形態が係わる領域制限掘削制御で用い
る座標系と領域の設定方法を示す図である。

【図５】図３に示した制御ユニットの領域制限掘削制御
部における制御手順を示すフローチャートである。

【図６】本実施の形態が係わる領域制限掘削制御におけ
る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７】領域制限掘削制御における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】領域制限掘削制御でバケットの先端が補正通り
に減速制御されたときの軌跡の一例を示す図である。

【図９】領域制限掘削制御における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１０】領域制限掘削制御で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１１】本実施の形態におけるローパスフィルタリン
グ処理を説明する図である。

【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） ８ａ，８ｂ，８ｃ 角度検出器 ９ 制御ユニット ９ａ 領域設定部 ９ｂ 領域制限掘削制御部 ９ｃ 操作信号入出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邊 洋 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 冨田 ▲禎▼久 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB03 AB04 BA01 BA03 BB07 BB11 DA03 DA04 DB04 DB05 DC07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１油圧シリンダ及び第２油圧シリンダを
   有する油圧ショベルのフロント装置を自動制御し直線掘
   削あるいはフロント装置の動き得る領域を制限した掘削
   を行う油圧ショベルのフロント制御装置において、 所定の演算に従って前記第１及び第２油圧シリンダを駆
   動する出力信号を生成する制御演算手段と、 制御動作開始時に前記第１油圧シリンダがストロークエ
   ンド付近にあるか否かを検出する検出手段と、 前記制御演算手段によって生成された第１油圧シリンダ
   の出力信号に対してローパスフィルタリング処理を行う
   第１フィルタリング手段と、 前記検出手段により制御動作開始時に前記第１油圧シリ
   ンダがストロークエンド付近にあることが検出される
   と、前記第１フィルタリング手段におけるローパスフィ
   ルタの時定数を変更する時定数設定手段とを備えること
   を特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
2. 【請求項２】第１油圧シリンダ及び第２油圧シリンダを
   有する油圧ショベルのフロント装置を自動制御し直線掘
   削あるいはフロント装置の動き得る領域を制限した掘削
   を行う油圧ショベルのフロント制御装置において、 所定の演算に従って前記第１及び第２油圧シリンダを駆
   動する出力信号を生成する制御演算手段と、 制御動作開始時に前記第１油圧シリンダがストロークエ
   ンド付近にあるか否かを検出する検出手段と、 前記制御演算手段によって生成された第１油圧シリンダ
   の出力信号に対してローパスフィルタリング処理を行う
   第１フィルタリング手段と、 前記検出手段により制御動作開始時に前記第１油圧シリ
   ンダがストロークエンド付近にあることが検出される
   と、前記第１フィルタリング手段におけるローパスフィ
   ルタの時定数を第１の値とし、前記検出手段により制御
   動作開始時に前記第１油圧シリンダがストロークエンド
   にないことが検出されると、前記第１フィルタリング手
   段におけるローパスフィルタの時定数を前記第１の値よ
   り大きい第２の値とする時定数設定手段とを備えること
   を特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の油圧シリンダのフロ
   ント制御装置において、 前記制御演算手段によって生成された第２油圧シリンダ
   の出力信号に対して、第２油圧シリンダのシリンダ速度
   の応答が前記第１油圧シリンダのシリンダ速度の応答に
   合うようにローパスフィルタリング処理を行う第２フィ
   ルタリング手段を更に備えることを特徴とする油圧ショ
   ベルのフロント制御装置。