(57)【要約】【課題】実際の掘削状況に適した制御の選択が可能なブレード制御装置を提供する。【解決手段】ブレード制御装置１００のブレード動作制御部１５は、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下であり、かつ、位置偏差ΔＺが位置閾値Ｚ１以上である場合に、ブレード４が下降して前記位置偏差ΔＺがゼロに近づくようにブレード４の動作を制御し、ブレード動作制御部１５は、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上である場合に、前記位置偏差ΔＺにかかわらず、ブレード４が上昇するようにブレード４の動作を制御する。【選択図】図４
2020033788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械本体と前記機械本体に対して昇降可能に取り付けられたブレードとを備えた作業機械に設けられ、前記ブレードの昇降動作を制御するためのブレード制御装置であって、
前記ブレードによる掘削対象の目標形状を特定する目標設計面を設定する目標設計面設定部と、
前記作業機械に関する位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記位置情報取得部により取得された前記位置情報に基づいて前記ブレードの位置であるブレード位置を演算するブレード位置演算部と、
前記ブレード位置と前記目標設計面との偏差である位置偏差を演算する偏差演算部と、
前記ブレードにかかる負荷であるブレード負荷を取得するブレード負荷取得部と、
前記ブレード負荷の閾値である第１負荷閾値と前記ブレード負荷の閾値であって前記第１負荷閾値よりも大きな第２負荷閾値と前記位置偏差の閾値である位置閾値とを記憶する記憶部と、
前記ブレードの動作を制御するブレード動作制御部と、を備え、
前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値以下であり、かつ、前記位置偏差が前記位置閾値以上である場合に、前記ブレードが下降して前記位置偏差がゼロに近づくように前記ブレードの動作を制御し、
前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第２負荷閾値以上である場合に、前記位置偏差にかかわらず、前記ブレードが上昇するように前記ブレードの動作を制御する、ブレード制御装置。
【請求項２】
前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値よりも大きくて前記第２負荷閾値よりも小さく、かつ、前記位置偏差が前記位置閾値以上である場合には、前記機械本体に対する前記ブレードの相対位置が保持される、請求項１に記載のブレード制御装置。
【請求項３】
前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値よりも大きくて前記第２負荷閾値よりも小さく、かつ、前記位置偏差が前記位置閾値よりも小さい場合に、前記位置偏差がゼロに近づくように前記ブレードの動作を制御する、請求項１又は２に記載のブレード制御装置。
【請求項４】
前記位置閾値が第１位置閾値であり、
前記記憶部は、前記位置偏差の閾値であって前記第１位置閾値よりも小さい第２位置閾値をさらに記憶し、
前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値以下であり、かつ、前記位置偏差が前記第２位置閾値以下である場合に、前記ブレードが上昇して前記位置偏差がゼロに近づくように前記ブレードの動作を制御する、請求項１〜３の何れか１項に記載のブレード制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレードを備えた作業機械に設けられるブレード制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地面の掘削、整地、土砂の運搬などに使用されるブレードを備える作業機械が広く用いられている。このような作業機械では、オペレータが走行操作とともにブレードを昇降させる操作を行うことによりブレード位置（ブレードの刃先の高さ）が調節され、地面の掘削や整地が行われる。
【０００３】
特許文献１は、前記ブレード位置を自動制御するブレード制御システムを開示している。特許文献１に記載のブレード制御システムは、設計面とブレードの刃先との距離が第１距離を上回っていると距離判定部によって判定された場合には掘削制御を実行し、設計面とブレードの刃先との距離が第２距離を下回っていると距離判定部によって判定された場合には整地制御を実行し、設計面とブレードの刃先との距離が第１距離以下かつ第２距離以上であると距離判定部によって判定された場合には掘削制御または整地制御を実行する。特許文献１において、前記掘削制御は、効率の良い掘削作業を行うために、ブレード負荷を目標負荷に保持させる制御である。また、前記整地制御は、地形を目標の形状にならすために、ブレードの刃先と設計面との距離を目標距離に保持させる制御である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２４７９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のブレード制御システムでは、実際の掘削状況に適した制御の選択、すなわち、前記掘削制御及び前記整地制御からの選択ができないという課題がある。例えば、設計面とブレードの刃先との距離が第２距離を下回っている場合には、たとえブレード負荷が大きくても、必ず前記整地制御、すなわち、ブレードの刃先と設計面との距離を目標距離に保持させる制御が行われるので、掘削対象の地面の状態（例えば、土砂の固さ、土砂の種類など）によってはブレード負荷が過大となる。これにより、作業機械がスタックする可能性がある。一方、設計面とブレードの刃先との距離が第１距離を上回っている場合には、ブレード負荷が小さくてブレードの刃先を設計面に合わせるような制御（整地制御）が可能であっても整地制御は行われずに前記掘削制御が行われるので、高い施工効率を得ることができない。
【０００６】
本発明は、ブレードを備えた作業機械に設けられ、実際の掘削状況に適した制御の選択が可能なブレード制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のブレード制御装置は、機械本体と前記機械本体に対して昇降可能に取り付けられたブレードとを備えた作業機械に設けられ、前記ブレードの昇降動作を制御するための装置である。前記ブレード制御装置は、前記ブレードによる掘削対象の目標形状を特定する目標設計面を設定する目標設計面設定部と、前記作業機械に関する位置情報を取得する位置情報取得部と、前記位置情報取得部により取得された前記位置情報に基づいて前記ブレードの位置であるブレード位置を演算するブレード位置演算部と、前記ブレード位置と前記目標設計面との偏差である位置偏差を演算する偏差演算部と、前記ブレードにかかる負荷であるブレード負荷を取得するブレード負荷取得部と、前記ブレード負荷の閾値である第１負荷閾値と前記ブレード負荷の閾値であって前記第１負荷閾値よりも大きな第２負荷閾値と前記位置偏差の閾値である位置閾値とを記憶する記憶部と、前記ブレードの動作を制御するブレード動作制御部と、を備え、前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値以下であり、かつ、前記位置偏差が前記位置閾値以上である場合に、前記ブレードが下降して前記位置偏差がゼロに近づくように前記ブレードの動作を制御し、前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第２負荷閾値以上である場合に、前記位置偏差にかかわらず、前記ブレードが上昇するように前記ブレードの動作を制御する。
【０００８】
本発明のブレード制御装置では、上記のような制御が行われるので、実際の掘削状況に適した制御の選択が可能になる。具体的には次の通りである。このブレード制御装置では、前記位置偏差が前記位置閾値以上の値であってもブレード負荷が第１負荷閾値以下の小さい値であるときにはブレード位置を目標設計面に近づける制御が行われる。このことは、ブレードによる施工面を迅速に目標設計面に近づけることを可能にするので、施工効率を向上させる。また、本発明のブレード制御装置では、ブレード負荷が第２負荷閾値以上の大きな値であるときには、たとえ前記位置偏差が小さくても、前記位置偏差にかかわらず、ブレードを上昇させる制御が行われる。このことは、掘削対象の地面がどのような状態であってもブレード負荷が過大になることを抑制し、作業機械がスタックすることを抑制する。
【０００９】
前記ブレード制御装置において、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値よりも大きくて前記第２負荷閾値よりも小さく、かつ、前記位置偏差が前記位置閾値以上である場合には、前記機械本体に対する前記ブレードの相対位置が保持されることが好ましい。
【００１０】
この態様では、ブレード負荷の増大が抑制されるので、施工面のうねりの発生が抑制される。具体的には次の通りである。この態様において、ブレード負荷が前記第１負荷閾値よりも大きくて前記第２負荷閾値よりも小さい領域である中間負荷領域は、ブレードに対して適度な負荷がかかる領域である。前記位置偏差が前記位置閾値（第１位置閾値）以上である場合、具体的には、ブレード位置と目標設計面との偏差が大きい場合に、前記位置偏差をゼロに近づける制御が行われると、ブレードが地中に深く入り込みすぎてブレード負荷が前記適度な負荷から第２負荷閾値以上に増大する可能性が高まる。ブレード負荷が第２負荷閾値以上になると、前記位置偏差にかかわらず、ブレードを上昇させる制御が行われる。このようにブレード位置が上昇することは、施工面のうねり（波打ち）の発生の原因となる。したがって、本態様では、適度な負荷状態の前記中間負荷領域において、前記位置偏差が前記位置閾値（第１位置閾値）以上である場合には、ブレード動作制御部は前記機械本体に対する前記ブレードの相対位置を変えるような制御を行わず、当該相対位置が保持される。このことは、ブレード負荷の増大を抑制し、施工面のうねりの発生を抑制する。
【００１１】
前記ブレード制御装置において、前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値よりも大きくて前記第２負荷閾値よりも小さく、かつ、前記位置偏差が前記位置閾値よりも小さい場合に、前記位置偏差がゼロに近づくように前記ブレードの動作を制御してもよい。
【００１２】
この態様では、ブレード動作制御部は、当該中間負荷領域において、前記位置偏差が前記位置閾値（第１位置閾値）よりも小さい場合にブレード位置を前記目標設計面に近づける制御を行う。このことは、施工効率を向上させる。具体的には次の通りである。前記位置偏差が前記位置閾値（第１位置閾値）より小さい場合、具体的には、ブレード位置と目標設計面との偏差が小さい場合には、前記位置偏差をゼロに近づける制御が行われたとしても、ブレード位置が目標設計面に近いので、ブレードが地中に深く入り込みすぎてブレード負荷が第２負荷閾値以上に増大する可能性が低い。したがって、本態様では、かかる場合に、ブレード動作制御部はブレード位置を前記目標設計面に近づける制御を行う。このことは、ブレードによる施工面を迅速に目標設計面に近づけることを可能にするので、施工効率を向上させる。
【００１３】
前記ブレード制御装置において、前記位置閾値が第１位置閾値であり、前記記憶部は、前記位置偏差の閾値であって前記第１位置閾値よりも小さい第２位置閾値をさらに記憶し、前記ブレード動作制御部は、前記ブレード負荷が前記第１負荷閾値以下であり、かつ、前記位置偏差が前記第２位置閾値以下である場合に、前記ブレードが上昇して前記位置偏差がゼロに近づくように前記ブレードの動作を制御してもよい。
【００１４】
この態様では、前記位置偏差が第２位置閾値以下になるとブレードを上昇させる制御が行われるので、ブレードが目標設計面を下回ることによる掘りすぎを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、実際の掘削状況に適した制御の選択が可能なブレード制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るブレード制御装置が搭載される作業機械の例である油圧ショベルを示す側面図である。
【図２】前記実施形態に係るブレード制御装置の主要な機能を示すブロック図である。
【図３】目標設計面、現状面、及び位置偏差の関係を説明するための概略図である。
【図４】前記実施形態に係るブレード制御装置に含まれるコントローラが実行する制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】前記実施形態に係るブレード制御装置において、前記ブレード位置と前記目標設計面との偏差である位置偏差に基づいたブレードの動作の制御の一例を示すグラフである。
【図６】前記実施形態に係るブレード制御装置において、前記ブレード位置と前記目標設計面との偏差である位置偏差に基づいたブレードの動作の制御の他の例を示すグラフである。
【図７】前記実施形態に係るブレード制御装置において、前記ブレード位置と前記目標設計面との偏差である位置偏差に基づいたブレードの動作の制御のさらに他の例を示すグラフである。
【図８】前記実施形態に係るブレード制御装置において、ブレード負荷に基づいたブレードの動作の制御の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
［作業機械の全体構造］
図１は、本発明の実施の形態に係るブレード制御装置が搭載される作業機械の例である油圧ショベル１を示す側面図である。この油圧ショベル１は、地面Ｇの上を走行可能な走行装置２（下部走行体）と、前記走行装置２に搭載される車体３（上部旋回体）と、車体３に搭載される作業装置と、走行装置２又は車体３に搭載されるブレード４（ドーザ）と、を備える。前記走行装置２及び前記車体３は、前記作業機械の機体本体を構成する。前記車体３は、旋回フレーム、エンジン、運転室などを有する。
【００１９】
前記車体３に搭載される前記作業装置は、ブーム５、アーム６及びバケット７を含む。前記ブーム５は、前記旋回フレームの前端に起伏可能すなわち水平軸回りに回動可能に支持される基端部と、その反対側の先端部と、を有する。前記アーム６は、前記ブーム５の先端部に水平軸回りに回動可能に取付けられる基端部と、その反対側の先端部と、を有する。前記バケット７は、前記アーム６の先端部に回動可能に取付けられる。
【００２０】
油圧ショベル１は、ブーム５、アーム６及びバケット７のそれぞれについて設けられるブームシリンダ、アームシリンダ及びバケットシリンダを有する。前記ブームシリンダは、前記車体３と前記ブーム５との間に介在し、当該ブーム５に起伏動作を行わせるように伸縮する。前記アームシリンダは、前記ブーム５と前記アーム６との間に介在し、当該アーム６に回動動作を行わせるように伸縮する。前記バケットシリンダは、前記アーム６と前記バケット７との間に介在し、当該バケット７に回動動作を行わせるように伸縮する。
【００２１】
前記走行装置２又は車体３に搭載される前記ブレード４は、地面の掘削、整地、土砂の運搬などの作業を行うために設けられている。具体的には、ブレード４は、リフトフレーム４ａに支持されており、当該リフトフレーム４ａは、走行装置２に対して水平軸４ｂ回りに回動可能に支持されている。したがって、ブレード４は、走行装置２に対して上下方向に変位することができる。
【００２２】
油圧ショベル１は、ブレード４について設けられるリフトシリンダ８を有する。当該リフトシリンダ８は、ヘッド側室８ｈ及びロッド側室８ｒ（図１参照）を有し、当該ヘッド側室８ｈに作動油が供給されることにより伸長してブレード４を下げ方向に動かすとともに前記ロッド側室８ｒ内の作動油を排出する一方、前記ロッド側室８ｒに作動油が供給されることにより収縮してブレード４を上げ方向に動かすとともに前記ヘッド側室８ｈ内の作動油を排出する。
【００２３】
油圧ショベル１は、図略の油圧回路を有する。前記油圧回路は、前記ブームシリンダ、前記アームシリンダ、前記バケットシリンダ及び前記リフトシリンダ８を含む。また、前記油圧回路は、油圧ポンプ９（図１参照）と、リフトシリンダ制御用比例弁４１（図２参照）と、図略のリフトシリンダ流量制御弁と、をさらに含む。
【００２４】
［ブレード制御装置］
図２は、ブレード制御装置１００の主要な機能を示すブロック図である。ブレード制御装置１００は、ブレード４の昇降動作を制御するために設けられている。ブレード制御装置１００は、コントローラ１０（メカトロコントローラ）と、位置情報取得部と、ブレード負荷取得部３４と、自動制御スイッチ３５と、ブレード４を操作するための走行レバー３６と、を備える。前記コントローラ１０は、例えばマイクロコンピュータからなり、前記油圧回路に含まれる各要素の動作を制御する。
【００２５】
前記位置情報取得部は、油圧ショベル１に関する位置情報を取得する機能を有する。具体的には、本実施形態では、前記位置情報取得部は、車体位置取得部３１と、車体角度取得部３２と、ブレード角度取得部３３と、を含む。前記車体位置取得部３１は、前記機械本体の位置である車体位置を取得する機能を有する。前記車体位置取得部３１は、例えばＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）のレシーバ（ＧＮＳＳセンサ）によって構成され、車体３の位置である車体位置を示すＧＮＳＳデータを受信する。車体角度取得部３２は、車体３の角度である車体角度を取得する機能を有する。車体角度取得部３２は、グローバル座標系における車体３の角度を検出する車体角度センサによって構成されている。前記ブレード角度取得部３３は、前記ブレード４の角度を取得する機能を有する。ブレード角度取得部３３は、グローバル座標系におけるブレード４の角度を検出するブレード角度センサによって構成されている。
【００２６】
図１に示すように、車体位置取得部３１及び車体角度取得部３２は車体３の上部に取り付けられており、ブレード角度取得部３３はブレード４の上部に取り付けられるが、これらの取り付け位置は図１に示す具体例に限られない。これらの取得部３１，３２，３３により生成される電気信号である検出信号は、前記コントローラ１０に入力される。
【００２７】
本実施形態では、前記ブレード負荷取得部３４は、掘削作業時に前記ブレード４にかかる負荷であるブレード負荷を取得する機能を有する。当該ブレード負荷は、例えばブレード４を駆動する油圧ポンプ９のポンプ圧に対応するものである。したがって、ブレード負荷取得部３４は、前記ポンプ圧を検出することにより前記ブレード負荷を検出可能である。本実施形態では、前記ブレード負荷取得部３４は、リフトシリンダ８のヘッド側室８ｈにおける作動油の圧力であるヘッド圧Ｐ１を検出するヘッド圧センサ３４Ｈと、リフトシリンダ８のロッド側室８ｒにおける作動油の圧力であるロッド圧Ｐ２を検出するロッド圧センサ３４Ｒと、を含む。前記センサ３４Ｈ及び３４Ｒのそれぞれは、その検出した物理量をこれに対応する電気信号である検出信号に変換して前記コントローラ１０に入力する。
【００２８】
自動制御スイッチ３５は、運転室内に配置されるとともに、前記コントローラ１０に電気的に接続される。当該自動制御スイッチ３５は、前記コントローラ１０の制御モードを手動操作モードから自動制御モードに切換えるための操作を受けて当該操作に係るモード指令信号を前記コントローラ１０に入力する。前記コントローラ１０は、前記自動制御スイッチ３５から入力されるモード指令信号により前記手動操作モードから前記自動制御モードに切換えられる。
【００２９】
前記自動制御モードでは、当該コントローラ１０は、ブレード４により施工される施工面が予め設定された目標設計面に近づくように前記リフトシリンダ８の動作を自動制御するように構成されている。リフトシリンダ８の動作を制御するための前記リフトシリンダ制御用比例弁４１への指令値（指令電流）が当該コントローラ１０から出力されると、当該指令値に応じて比例弁４１の２次圧が変化し、その２次圧に応じて前記リフトシリンダ流量制御弁の開度が変化する。その結果、前記油圧ポンプ９からリフトシリンダ８へ供給される作動油の供給流量及び供給方向が変化し、リフトシリンダ８の動作速度や駆動方向が制御される。一方、前記手動操作モードでは、作業者が走行レバー３６を操作すると、その操作信号がコントローラ１０に入力され、前記リフトシリンダ制御用比例弁４１への指令値が当該コントローラ１０から出力される。
【００３０】
前記コントローラ１０は、前記自動制御を実行するための機能として、目標設計面設定部１１と、ブレード位置演算部１２と、記憶部１３と、偏差演算部１４と、ブレード動作制御部１５と、閾値設定部１６と、を有する。
【００３１】
前記目標設計面設定部１１は、前記ブレード４による掘削対象の目標形状を特定する目標設計面を設定する。前記目標設計面設定部１１は、前記運転室内に設けられた目標設計面入力部により入力された設計面を記憶する。この目標設計面は、掘削対象である地盤の目標形状であって３次元の設計地形を特定する面である。当該目標設計面は、ＣＩＭなどの外部データによって特定されてもよいし、機体位置を基準にして設定されたものでもよい。
【００３２】
前記ブレード位置演算部１２は、前記位置情報取得部により取得された前記位置情報に基づいて、グローバル座標系における前記ブレード４の位置であるブレード位置を演算する。本実施形態では、ブレード位置演算部１２は、車体位置取得部３１により取得された前記車体位置と、車体角度取得部３２により取得された前記車体角度と、ブレード角度取得部３３により取得された前記ブレード４の角度とに基づいて、前記ブレード位置を演算する。すなわち、基準点から前記車体位置までのベクトルと前記車体位置から前記ブレード位置までのベクトルとの和から前記ブレード位置が演算される。このように本実施形態では、グローバル座標系における前記車体角度と前記ブレード４の角度の相対角度によりブレード位置を演算しているが、ブレード位置の演算方法はこれに限られない。ブレード位置は、例えばリフトシリンダ８の長さに基づいて演算されてもよく、ブレード４にＧＮＳＳのレシーバ（ＧＮＳＳセンサ）を取り付け、当該ＧＮＳＳセンサが受信するＧＮＳＳデータに基づいて演算されてもよい。
【００３３】
偏差演算部１４は、前記ブレード位置と前記目標設計面ＳＤとの偏差である位置偏差ΔＺを演算する。
【００３４】
図３は、目標設計面ＳＤ、現状面ＳＰ、及び位置偏差ΔＺの関係を説明するための概略図である。なお、図３では、油圧ショベル１（作業機械）を簡略化して図示している。本実施形態では、図３に示すように、前記ブレード位置は、ブレード４の先端である刃先位置（ブレード４の先端の下縁の位置）に設定されているが、ブレード４の他の部位に設定されていてもよい。前記位置偏差ΔＺは、前記ブレード位置と前記目標設計面ＳＤとの偏差である。すなわち、前記位置偏差ΔＺは、前記ブレード位置（ブレード４の刃先高さ）から前記目標設計面ＳＤの高さを引き算することにより得られる。図３に示す現状面ＳＰは、掘削対象の地面である。
【００３５】
前記閾値設定部１６は、ブレード動作制御部１５における演算に使用される第１負荷閾値ｆ１、第２負荷閾値ｆ２、第１位置閾値Ｚ１及び第２位置閾値Ｚ２を設定する。これらの閾値は、作業者が掘削作業前にコントローラ１０に手動で入力してもよく、掘削作業中にコントローラ１０により適宜演算されるものであってもよい。
【００３６】
前記記憶部１３は、前記閾値設定部１６により設定された第１負荷閾値ｆ１、第２負荷閾値ｆ２、第１位置閾値Ｚ１、及び第２位置閾値Ｚ２を記憶する。
【００３７】
前記第１負荷閾値ｆ１は、油圧ショベル１が安定して走行可能な適正なブレード負荷ｆに対応する値に設定される。第２負荷閾値ｆ２は、安定して効率のよい掘削動作を実現するために設定された値である。前記第２負荷閾値ｆ２は、ブレード負荷ｆが過大になってスタック（ブレード負荷ｆが過大になって作業機械が前進することが困難になる状態）等が発生するという事態の発生を未然に防止するために設定された値である。したがって、第２負荷閾値ｆ２は第１負荷閾値ｆ１よりも大きい値に設定される。第２負荷閾値ｆ２は、上記のような事態が発生するブレード負荷ｆよりも小さい値に設定されるのが好ましい。すなわち、第２負荷閾値ｆ２は、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２に達した場合であっても、作業機械が走行可能な値に設定されるのが好ましい。
【００３８】
第１位置閾値Ｚ１は、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下である場合に、ブレード４を下降させて位置偏差がゼロに近づくようにブレードの動作を制御するか否かを判定する基準になる値である。また、第１位置閾値Ｚ１は、ブレード負荷ｆが中間負荷領域にある場合、すなわち、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１より大きく第２負荷閾値ｆ２より小さい場合に、前記機体本体に対するブレード４の相対位置を保持するか否かを判定する基準になる値である。第１位置閾値Ｚ１は例えばゼロ又は正の値に設定される。第２位置閾値Ｚ１は、ブレード負荷ｆが前記中間領域にある場合に、ブレード４を上昇させて位置偏差がゼロに近づくようにブレードの動作を制御するか否かを判定する基準になる値である。したがって、第２位置閾値Ｚ２は第１位置閾値Ｚ１よりも小さい値に設定される。
【００３９】
前記ブレード動作制御部１５は、リフトシリンダ８の動作を制御するための前記リフトシリンダ制御用比例弁４１への指令値を演算し出力する。ブレード動作制御部１５には、自動制御スイッチ３５の自動制御スイッチ操作信号と、走行レバー３６の走行レバー操作信号と、ブレード負荷取得部３４で取得されたブレード負荷ｆと、閾値設定部１６で設定されて記憶部１３に記憶された各閾値と、偏差演算部１４により演算された位置偏差ΔＺとが入力され、これらに基づいてリフトシリンダ制御用比例弁４１に出力する指令電流が演算される。
【００４０】
次に、前記自動制御モードにおいて前記コントローラ１０が前記ブレード４の駆動について行う制御動作を、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００４１】
自動制御スイッチ３５（図２参照）がオンになると、コントローラ１０は、自動制御の初期動作を行う（ステップＳ０）。当該初期動作では、コントローラ１０は、当該コントローラ１０に入力される信号、具体的には各センサの検出信号や指定信号を取り込む。当該指定信号には、オペレータによる目標設計面の入力部の操作により指定される目標設計面についての信号や、ブレード負荷取得部３４により取得されるブレード負荷ｆについての信号、車体位置取得部３１により取得される前記車体位置についての信号、車体角度取得部３２により取得される車体角度についての信号、ブレード角度取得部３３により取得される前記ブレード４の角度についての信号、走行レバー３６が受ける操作に対応する走行速度についての信号などが含まれる。これらの指定信号に基づき、前記コントローラ１０は、油圧ショベル１の初期状態を取得する。また、コントローラ１０の目標設計面設定部１１は、前記目標設計面についての前記信号に基づいて、目標設計面を設定する。そして、コントローラ１０のブレード動作制御部１５は、以下のようにブレード４の動作を制御する。
【００４２】
ブレード動作制御部１５は、ブレード負荷取得部３４により取得されるブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上である場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）、ブレード動作制御部１５は、ブレード４が上昇するようにブレード４の動作を制御し（ステップＳ２）、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理を再び行う。
【００４３】
ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２より小さい場合（ステップＳ１においてＮＯ）、ブレード動作制御部１５は、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００４４】
ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下である場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、ブレード動作制御部１５は、前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００４５】
前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上である場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、ブレード動作制御部１５は、整地制御を行う（ステップＳ５）。具体的には、ブレード動作制御部１５は、前記ブレード４が下降して前記位置偏差ΔＺがゼロに近づくように前記ブレード４の動作を制御し（ステップＳ５）、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理を再び行う。
【００４６】
一方、前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１より小さい場合（ステップＳ４においてＮＯ）、ブレード動作制御部１５は、前記位置偏差ΔＺが第２位置閾値Ｚ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００４７】
前記位置偏差ΔＺが第２位置閾値Ｚ２以下である場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）、ブレード動作制御部１５は、整地制御を行う。具体的には、ブレード動作制御部１５は、前記ブレード４が上昇して前記位置偏差ΔＺがゼロに近づくように前記ブレード４の動作を制御し（ステップＳ７）、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理を再び行う。
【００４８】
前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１より小さく（ステップＳ４においてＮＯ）、かつ、前記位置偏差ΔＺが第２位置閾値Ｚ２より大きい場合（ステップＳ６においてＮＯ）、ブレード動作制御部１５は、前記機体本体に対するブレード４の相対位置を変えるような制御（ブレード４を上昇動作又は下降動作させる制御）を行わず、当該相対位置は保持され、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理を再び行う。
【００４９】
また、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２より小さく（ステップＳ１においてＮＯ）、かつ、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１より大きい場合（ステップＳ３においてＮＯ）、すなわち、ブレード負荷ｆが前記中間負荷領域にある場合には、ブレード動作制御部１５は、前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ８）。
【００５０】
前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上である場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）、ブレード動作制御部１５は、前記機体本体に対するブレード４の相対位置を変えるような制御（ブレード４を上昇動作又は下降動作させる制御）を行わず、当該相対位置は保持される（ステップＳ９）。言い換えると、ブレード動作制御部１５は、前記リフトシリンダ制御用比例弁４１への指令を出力しない。すなわち、前記機体本体に対するブレード４のリフト量は前回値が保持される。その後、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理を再び行う。
【００５１】
一方、前記位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１より小さい場合（ステップＳ８においてＮＯ）、ブレード動作制御部１５は、整地制御を行う（ステップＳ１０）。具体的には、ブレード動作制御部１５は、ブレード４が下降又は上昇して前記位置偏差ΔＺがゼロに近づくようにブレード４の動作を制御し（ステップＳ１０）、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理を再び行う。
【００５２】
以上説明した図４のフローチャートに示されるブレード制御装置１００による制御をまとめると、次のようになる。ブレード制御装置１００のコントローラ１０は、第１制御モードと、第２制御モードと、第３制御モードとを実行する。前記第１制御モードは、整地制御を行うものであり、前記第２制御モードは、ブレード上昇制御（リフト上げ制御）を行うものであり、前記第３制御モードは、ブレード保持制御（リフト保持制御）を行うものである。
【００５３】
前記第１制御モードの前記整地制御は、前記位置偏差ΔＺがゼロに近づくようにブレード４の動作を制御するものである。言い換えると、前記整地制御では、ブレード４の刃先（前記ブレード位置）が目標設計面にほぼ一致するようにブレード４の動作が制御される。前記第１制御モードは、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下である場合に行われる。具体的には、本実施形態では、前記第１制御モードは、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下であり、かつ、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上である場合に行われる（ステップＳ５）。また、前記第１制御モードは、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下であり、かつ、位置偏差ΔＺが第２位置閾値Ｚ２以下である場合にも行われる（ステップＳ７）。さらに、前記第１制御モードは、前記中間負荷領域において、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１よりも小さい場合にも行われる（ステップＳ１０）。
【００５４】
前記第２制御モードでは、ブレード４が上昇するようにブレード４の動作が制御される。前記第２制御モードは、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上である場合に行われる（ステップＳ２）。
【００５５】
前記第３制御モードでは、前記機体本体に対するブレード４の相対位置が保持される。前記第３制御モードは、前記中間負荷領域において、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上である場合に行われる（ステップＳ９）。また、本実施形態では、前記第３制御モードは、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１以下であり、かつ、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１より小さく第２位置閾値Ｚ２より大きい場合（ステップＳ６においてＮＯ）にも行われる。
【００５６】
図５、図６及び図７は、前記ブレード位置と目標設計面ＳＤとの位置偏差ΔＺに基づいたブレード４の動作の制御の例をそれぞれ示すグラフである。図５、図６及び図７に示すブレード４の動作の制御は、前記第１制御モードの整地制御に用いられる。
【００５７】
図５に示す具体例では、第１位置閾値Ｚ１は正の値に設定され、第２位置閾値Ｚ２はゼロに設定されている。図６に示す具体例では、第１位置閾値Ｚ１は正の値に設定され、第２位置閾値Ｚ２は負の値に設定されている。図７に示す具体例では、第１位置閾値Ｚ１のみが設定され、第２位置閾値Ｚ２は設定されていない。なお、上述したように、前記位置偏差ΔＺは、前記ブレード位置（ブレード４の刃先高さ）から前記目標設計面ＳＤの高さを引き算することにより得られる値である。したがって、前記ブレード位置が目標設計面ＳＤの高さよりも高い場合には、位置偏差ΔＺは正の値になり、前記ブレード位置が目標設計面ＳＤの高さよりも低い場合には、位置偏差ΔＺは負の値になる。
【００５８】
図５、図６及び図７の制御例では、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上である場合には（ステップＳ４においてＹＥＳ）、位置偏差ΔＺが大きくなるにつれてブレード下降指令（リフト下げ指令）の指令値が大きくなる。また、これらの制御例では、位置偏差ΔＺが所定の値以上である場合には、前記指令値が一定値（最大値）に設定されている。なお、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上になると、直ちに前記指令値が一定値（最大値）に設定されるように構成されていてもよい。
【００５９】
なお、前記指令値が大きくなるほど、前記リフトシリンダ８の動作速度が上昇し、ブレード４の動作速度が上昇する。
【００６０】
図５及び図６の制御例では、第１位置閾値Ｚ１はゼロより若干大きな正の値に設定されており、図７の制御例では、第１位置閾値Ｚ１はゼロに設定されている。
【００６１】
図５及び図６の制御例では、位置偏差ΔＺが第２位置閾値Ｚ２以下である場合に（ステップＳ６においてＹＥＳ）、位置偏差ΔＺが小さくなるにつれてブレード上昇指令（リフト上げ指令）の指令値が大きくなる。また、図７の制御例では、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以下である場合に、位置偏差ΔＺが小さくなるにつれてブレード上昇指令（リフト上げ指令）の指令値が大きくなる。これらの制御例では、位置偏差ΔＺが所定の値以下である場合には、前記指令値が一定値（最大値）に設定されている。なお、位置偏差ΔＺが第２位置閾値Ｚ２以下になると、直ちに前記指令値が一定値（最大値）に設定されるように構成されていてもよい。
【００６２】
図５の制御例では、第２位置閾値Ｚ２はゼロに設定されており、図６の制御例では、第２位置閾値Ｚ２はゼロより若干小さな負の値に設定されている。図７の制御例では、第１位置閾値Ｚ１はゼロに設定されている。
【００６３】
図５及び図６の制御例では、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１より小さく第２位置閾値Ｚ２より大きい場合に（ステップＳ６においてＮＯ）、ブレード下降動作（リフト下げ）及びブレード上昇動作（リフト上げ）の何れもが行われず、前記機体本体に対するブレード４の相対位置が保持される（上述の第３制御モード）。このように位置偏差ΔＺがゼロの近傍の領域において前記相対位置が保持される領域（不感帯）を設けることにより、位置偏差ΔＺがゼロの近傍の領域においてブレード４の上下動が過度に生じるのを抑制できる。
【００６４】
ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２よりも小さい領域において、前記第１制御モードが実行される条件が満たされると、図５、図６及び図７の制御例のように、ブレード４の刃先高さが目標設計面ＳＤよりも高い場合には、位置偏差ΔＺが大きくなるのに応じてブレード降下指令（リフト下げ指令）の指令値が大きくなるようにブレード下降動作（リフト下げ）が実行される。一方、ブレード４の刃先高さが目標設計面ＳＤよりも低い場合には、位置偏差ΔＺが小さくなるのに応じて（位置偏差ΔＺの絶対値が大きくなるのに応じて）ブレード上昇指令（リフト上げ指令）の指令値が大きくなるようブレード上昇動作（リフト上げ）が実行される。このような第１制御モードが実行されることにより、ブレード４の刃先高さを目標設計面ＳＤの高さと一致させるようにリフト量（機械本体に対するブレード４の相対位置）が制御され、ブレード４による整地が行われる。
【００６５】
図８は、ブレード負荷ｆに基づいたブレード４の動作の制御の一例を示すグラフである。図８に示すブレード４の動作の制御は、前記第２制御モードのブレード上昇制御（リフト上げ制御）に用いられる。
【００６６】
図８の制御例では、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上である場合に（ステップＳ１においてＹＥＳ）、ブレード負荷ｆが大きくなるにつれてブレード上昇指令（リフト上げ指令）の指令値が大きくなる。また、この制御例では、ブレード負荷ｆが所定の値以上である場合には、前記指令値が一定値（最大値）に設定されている。なお、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上になると、直ちに前記指令値が一定値（最大値）に設定されるように構成されていてもよい。
【００６７】
図８に示す制御例のようにブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上である場合に、前記第２制御モードが実行されると、ブレード負荷ｆの増大に応じてリフト上げ制御が行われるので、ブレード４の刃先が上昇し、ブレード負荷ｆが小さくなる。これにより、ブレード負荷ｆの増大によって作業機械の走行がスタックすることを防止できる。
【００６８】
また、前記中間負荷領域において、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１以上である場合には（ステップＳ８においてＹＥＳ）、第３制御モードが実行され、前記機体本体に対するブレード４の相対位置が保持される。これにより、作業機械の走行がスタックしない範囲でブレード４の刃先高さが固定されたまま掘削が行われるので、ブレード４の不必要な上下動が抑制され、施工面（掘削面）を滑らかにする効果が得られる。
【００６９】
さらに、前記中間負荷領域において、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１よりも小さい場合には（ステップＳ８においてＮＯ）、前記第１制御モードが実行される。ここで、図５の制御例のように第２位置閾値Ｚ２（図７の制御例では第１位置閾値Ｚ１）を例えばゼロに設定すると、ブレード４の刃先高さが目標設計面ＳＤよりも低い場合に、第１制御モードによりブレード上昇動作（リフト上げ）が実行され、これにより、ブレード４の刃先高さが目標設計面ＳＤよりも低くなることに起因する掘り過ぎの問題が生じるのを抑制する効果が得られる。
【００７０】
図５及び図６の制御例に示すように第１位置閾値Ｚ１は正の適切な値に設定されてもよい。これらの場合、ブレード負荷ｆが第１位置閾値Ｚ１と第２位置閾値Ｚ２の間にあり、ブレード４の刃先高さが目標設計面ＳＤよりも高い場合において、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１よりも小さい場合には、ブレード下降動作（リフト下げ）が実行される。これにより、ブレード４の刃先高さを目標設計面ＳＤの高さに一致させた整地を行うことが可能となる。ただし、第１位置閾値Ｚ１をあまり大きな値に設定すると、ブレード負荷ｆが第１負荷閾値ｆ１と第２負荷閾値ｆ２の間にあり、ブレード４の刃先高さが目標設計面ＳＤの高さから比較的大きく離れた状態でもブレード下降動作（リフト下げ）が実行される。かかる場合には、ブレード負荷ｆが増大し、直ぐにブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上になることによりブレード上昇動作（リフト上げ）が実行される可能性が高まる。かかる場合、ブレード下降動作（リフト下げ）とブレード上昇動作（リフト上げ）が頻繁に行われて施工面（掘削面）にうねり（波打ち）が生じやすくなる。したがって、第１位置閾値Ｚ１は、位置偏差ΔＺが当該第１位置閾値Ｚ１よりも小さくかつゼロよりも大きい範囲になってブレード下降動作（リフト下げ）が行われても、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上にならない程度の値に設定されるのが好ましい。第１位置閾値Ｚ１がこのような値に設定されることで、位置偏差ΔＺが第１位置閾値Ｚ１よりも小さくなってブレード下降動作（リフト下げ）が行われ、ブレード負荷ｆが次第に上昇したとしても、ブレード負荷ｆが第２負荷閾値ｆ２以上になりにくいので、中間負荷領域において、ブレード４の頻繁な上下動に起因する施工面のうねりの発生を抑制し、安定した整地制御が行われることで施工効率が高まるという効果が得られる。
【００７１】
なお、本発明は以上説明した実施の形態に限定されない。本発明は、例えば次のような態様を包含する。
【００７２】
本発明に係るブレード制御装置が適用される作業機械は油圧ショベルに限らない。本発明は、例えばホイールローダ、ブルドーザ、グレーダなどのようにブレードを備える他の作業機械に広く適用されることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  油圧ショベル（作業機械の一例）
２  走行装置（機械本体の一部）
３  車体（機械本体の一部）
４  ブレード
８  リフトシリンダ
１０  コントローラ
１１  目標設計面設定部
１２  ブレード位置演算部
１３  記憶部
１４  偏差演算部
１５  ブレード動作制御部
１６  閾値設定部
３１  車体位置取得部
３２  車体角度取得部
３３  ブレード角度取得部
３４  ブレード負荷取得部
１００  ブレード制御装置
ＳＤ  目標設計面
Ｚ１  第１位置閾値
Ｚ２  第２位置閾値
ΔＺ  位置偏差
ｆ  ブレード負荷
ｆ１  第１負荷閾値
ｆ２  第２負荷閾値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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