(57)【特許請求の範囲】
【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ブーム、アーム、バケットからなるフロント部材を含む複数の被駆動部材と、これら複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の被駆動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建設機械に設けられ、前記フロント装置の動作目標とする目標軌跡を設定する軌跡設定手段と、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第１の検出手段と、前記第１の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の演算手段と、前記複数の操作手段のうち特定のフロント部材に係わる操作手段の操作信号及び前記第１の演算手段の演算値に基づき、前記フロント装置が前記目標軌跡近傍にあるとき、該フロント装置を該目標軌跡上に到達させるように前記特定のフロント部材に係わる操作手段の操作信号を補正する信号補正手段とを有する建設機械の軌跡制御装置において、
前記信号補正手段は、前記目標軌跡上で前記フロント装置から第１の距離にある第１の点から該目標軌跡上で第２の距離だけ掘削進行方向前方に進んだ第２の点に向かって前記フロント装置が動くように、ブーム上げ方向に一意的に決定されるブーム上げベクトルの大きさを決定し、この決定したブーム上げベクトルを前記目標速度ベクトルに付加することにより前記目標速度ベクトルの前記目標軌跡に平行な方向のベクトル成分及び前記目標軌跡に垂直な方向のベクトル成分をともに補正し、該補正後の目標速度ベクトルに応じて前記操作信号を補正することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記目標軌跡上で前記フロント装置の掘削部分から第１の距離にある第１の点から該目標軌跡上で第２の距離だけ掘削進行方向前方に進んだ第２の点に向かって、前記フロント装置が動くように、前記操作信号を補正することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第１の距離として、前記目標軌跡と前記フロント装置との最短距離を用いることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離が固定値として設定されていることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離を、前記第１の距離に応じて可変に設定することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項６】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離を、前記フロント装置に係わる操作手段の操作信号に応じて可変に設定することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項７】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離を、前記フロント装置の動作速度に応じて可変に設定することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項８】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記特定のフロント部材に係わる操作手段からの操作信号に基づき前記フロント装置の目標速度ベクトルを演算する第２の演算手段と、前記第１及び第２の演算手段の演算値を入力し、前記フロント装置が前記目標軌跡近傍にあるとき、前記目標速度ベクトルの該目標軌跡に沿った方向のベクトル成分及び、前記目標速度ベクトルの前記目標軌跡に接近する方向のベクトル成分をともに修正することにより、前記目標ベクトルの方向が前記第２の点に向くように補正する第３の演算手段と、この第３の演算手段で補正された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駆動するバルブ制御手段とを備えることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項９】
請求項８記載の建設機械の領域軌跡制御装置において、前記第３の演算手段は、前記フロント装置が前記目標軌跡近傍にないときには、前記目標速度ベクトルを維持することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１０】
前記複数の操作手段のうち少なくとも前記特定のフロント部材に係わる操作手段は前記操作信号としてパイロット圧を出力する油圧パイロット方式であり、この油圧パイロット方式の操作手段を含む操作システムが対応する油圧制御弁を駆動する請求項７記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記油圧パイロット方式の操作手段の操作量を検出する第２の検出手段を更に備え、かつ、前記第２の演算手段は、前記第２の検出手段からの信号に基づき前記フロント装置の目標速度ベクトルを演算する手段であり、前記バルブ制御手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて対応する油圧制御弁を駆動するための目標パイロット圧を計算する第４の演算手段と、この目標パイロット圧が得られるよう前記操作システムを制御するパイロット制御手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記操作システムは、前記フロント装置が前記目標軌跡から遠ざかる方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第１のパイロットラインを含み、前記第４の演算手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて前記第１のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を含み、前記パイロット制御手段は、前記目標パイロット圧に対応する第１の電気信号を出力する手段と、前記第１の電気信号を油圧に変換し前記目標パイロット圧に相当する制御圧を出力する電気油圧変換手段と、前記第１のパイロットライン内のパイロット圧と前記電気油圧変換手段から出力された制御圧の高圧側を選択し対応する油圧制御弁に導く高圧選択手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記操作システムは、前記フロント装置が前記目標軌跡に接近する方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第２のパイロットラインを含み、前記第４の演算手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて前記第２のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を含み、前記パイロット制御手段は、前記目標パイロット圧に対応する第２の電気信号を出力する手段と、前記第２のパイロットラインに設置され、前記第２の電気信号により作動して前記第２のパイロットライン内のパイロット圧力を前記目標パイロット圧まで減圧する減圧手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１３】
請求項１０記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記操作システムは、前記フロント装置が前記目標軌跡から遠ざかる方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第１のパイロットラインと、前記フロント装置が前記目標軌跡に接近する方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第２のパイロットラインとを含み、前記第４の演算手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて前記第１及び第２のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を含み、前記パイロット制御手段は、前記目標パイロット圧に対応する第１及び第２の電気信号を出力する手段と、前記第１の電気信号を油圧に変換し前記目標パイロット圧に相当する制御圧を出力する電気油圧変換手段と、前記第１のパイロットライン内のパイロット圧と前記電気油圧変換手段から出力された制御圧の高圧側を選択し対応する油圧制御弁に導く高圧選択手段と、前記第２のパイロットラインに設置され、前記第２の電気信号により作動して前記第２のパイロットライン内のパイロット圧力を前記目標パイロット圧まで減圧する減圧手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１４】
請求項１１又は１３記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記特定のフロント部材は油圧ショベルのブームとアームを含み、前記第１のパイロットラインはブーム上げ側のパイロットラインであることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１５】
請求項１２又は１３記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記特定のフロント部材は油圧ショベルのブームとアームを含み、前記第２のパイロットラインはブーム下げ側及びアームクラウド側のパイロットラインであることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１６】
請求項１２又は１３記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記特定のフロント部材は油圧ショベルのブームとアームを含み、前記第２パイロットラインはブーム下げ側、アームクラウド側及びアームダンプ側のパイロットラインであることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１７】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記第１の検出手段は、前記複数のフロント部材の回動角を検出する複数の角度検出器を含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１８】
請求項１記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記第１の検出手段は、前記複数のアクチュエータのストロークを検出する複数の変位検出器を含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【請求項１９】
請求項１０記載の建設機械の軌跡制御装置において、前記第２の検出手段は、前記操作システムのパイロットラインに設けられた圧力検出器であることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の建設機械の制御装置に係わり、例えば、バケット先端に目標軌跡に沿った動きを行わせる建設機械の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の建設機械の制御装置に関する公知技術としては、例えば、国際公開番号ＷＯ９５／３００５９号記載のものがある。
この公知技術は、油圧ショベルの領域制限制御装置において、フロント装置が動き得る領域を予め設定しておき、角度検出器からの信号に基づき、制御ユニットでフロント装置の位置と姿勢を演算し、操作レバー装置からの信号に基づきフロント装置の目標速度ベクトルを演算する。そして、フロント装置が設定領域内でその境界近傍にないときには目標速度ベクトルを維持し、フロント装置が設定領域内でその境界近傍にあるときは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ように目標速度ベクトルを補正し、フロント装置が設定領域外にあるときにはフロント装置が設定領域に戻るように目標速度ベクトルを補正することにより、領域を制限した掘削を能率よく円滑に行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、オペレータが実際にフロント装置先端をある目標軌跡に沿って動かそうとする場合には、目標軌跡までどのような軌道で到達させるかを無意識のうちに考えながら動かすのが通常である。例えば、フロント装置先端の動作速度が比較的遅い場合は、早く到達させることを再優先させ、最短距離で目標軌跡に到達するような軌道を選んで目標速度ベクトルを設定し、フロント装置先端の動作速度が比較的速い場合には、目標軌跡へソフトランディングすることを再優先させ、最短距離ではなく掘削進行方向やや前方側で目標軌跡に到達するような軌道を選んで目標速度ベクトルを設定する。したがって、軌跡制御・領域制限制御等を行う場合は、このように実際にオペレータが動かす場合と同じような制御を行い、フロント装置先端の動きが人間のフィーリングになるべく合致させることが望ましい。
【０００４】
ここにおいて、上記公知技術の制御においては、例えば図１６に示すように、まずオペレータが、車体１Ｂに回動可能に連結されたフロント装置１Ａ（ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ）の先端、すなわちバケット１ｃの先端に目標軌跡に沿った動きをさせようとして、操作レバーを操作してある速度指令ベクトルＡを指令したとすると、その速度指令ベクトルＡの目標軌跡に垂直な成分のベクトルはＡｙとなる。しかしこのＡｙはバケット１ｃ先端と目標軌跡との距離ｙに比し大きすぎることから、これを減速させるべく、ブーム１ａを上方向へ動作させるためのＹ成分ベクトルＢｙが求められる。そしてこのＢｙを基に、実際のブーム１ａの動作方向への速度指令ベクトルＢが求めれら、ブーム１ａが動かされる。これにより、結果的にバケット１ｃ先端の目標速度ベクトルは、図中のＡ＋Ｂとなる。
すなわち、上記制御では、バケット１ｃ先端の最終的な目標速度ベクトルは、オペレータの操作後に行われる計算の結果決まるので、オペレータの操作次第でバケット１ｃ先端がどのような軌道を経て目標軌跡に収束していくかは分からない。
【０００５】
本発明の目的は、オペレータの操作量に関係なく、フロント装置先端を、常に人間のフィーリングに合致した良好な軌道を経て目標軌跡に収束させることができる建設機械の制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、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ブーム、アーム、バケットからなるフロント部材を含む複数の被駆動部材と、これら複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の被駆動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建設機械に設けられ、前記フロント装置の動作目標とする目標軌跡を設定する軌跡設定手段と、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第１の検出手段と、前記第１の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の演算手段と、前記複数の操作手段のうち特定のフロント部材に係わる操作手段の操作信号及び前記第１の演算手段の演算値に基づき、前記フロント装置が前記目標軌跡近傍にあるとき、該フロント装置を該目標軌跡上に到達させるように前記特定のフロント部材に係わる操作手段の操作信号を補正する信号補正手段とを有する建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記目標軌跡上で前記フロント装置から第１の距離にある第１の点から該目標軌跡上で第２の距離だけ掘削進行方向前方に進んだ第２の点に向かって前記フロント装置が動くように、ブーム上げ方向に一意的に決定されるブーム上げベクトルを決定し、この決定したブーム上げベクトルを前記目標速度ベクトルに付加することにより前記目標速度ベクトルの前記目標軌跡に平行な方向のベクトル成分及び前記目標軌跡に垂直な方向のベクトル成分をともに補正し、該補正後の目標速度ベクトルに応じて前記操作信号を補正することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
すなわち、フロント装置がその動作目標として予め軌跡設定手段で設定された目標軌跡に近づき目標軌跡近傍に至ると、信号補正手段が、特定のフロント部材、例えばブームとアームに係わる操作手段の操作信号及び第１の演算手段でのフロント装置の位置・姿勢に係わる演算値に基づき、そのブームとアームに係わる操作手段の操作信号を補正し、最終的にフロント装置を目標軌跡上に到達させる。
ここで、本発明においては、上記のようにフロント装置を目標軌道に到達させる際に、信号補正手段による補正は、ブーム上げ方向の補正ベクトルを付加することによって、目標速度ベクトルの目標軌跡に平行なベクトル成分と目標軌跡に垂直なベクトル成分をともに修正し、フロント装置が、第２の点、すなわちフロント装置から第１の距離例えば最短距離にある目標軌跡上の第１の点から目標軌跡上に第２の距離だけ掘削進行方向前方に離れた点、に向かって動くように行われる。例えば具体的には、ブーム・アームに係わる操作手段からの操作信号に基づき、第２の演算手段でフロント装置の目標速度ベクトルを演算し、第１及び第２の演算手段の演算結果に基づき、第３の演算手段で目標速度ベクトルの方向が第２の点に向くように補正する。これにより、フロント装置が目標軌跡近傍にある場合に、オペレータがどのように操作したかに関係なく、フロント装置の動く方向、すなわち目標ベクトルの方向が必ず第２の点に向かうように制御される。
そして、この第２の点の決定に関して、例えば、第１の点から第２の点までの第２の距離を、ある固定値に設定したり、第１の距離に応じて可変に設定したり、ブーム又はアームに係わる操作信号に応じて可変に設定したり、ブーム又はアームの動作速度に応じて可変に設定したりする。これにより、作業用途や作業状況等に応じ、第２の距離を小さくとって現在のフロント装置を目標軌跡の位置まで素早く移動させたり、あるいは第２の距離を大きくとってフロント装置を徐々に目標軌跡に近づけたりして、現在のフロント装置の位置から目標軌跡に到達するまでの軌道を、適宜、所望の軌道に設定することができる。したがって、オペレータの操作次第でフロント装置先端が目標軌跡までどのような軌道をとるかわからない従来構造と異なり、人間のフィーリングに合致した良好な軌道を経て、フロント装置先端を目標軌跡に比較的早くかつ安定的に収束させることができる。
【０００７】
好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記目標軌跡上で前記フロント装置の掘削部分から第１の距離にある第１の点から該目標軌跡上で第２の距離だけ掘削進行方向前方に進んだ第２の点に向かって、前記フロント装置が動くように、前記操作信号を補正することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【０００８】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第１の距離として、前記目標軌跡と前記フロント装置との最短距離を用いることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【０００９】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離が固定値として設定されていることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００１０】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離を、前記第１の距離に応じて可変に設定することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
これにより、例えば、第１の距離が比較的大きい場合に第２の距離を小さくすることで目標軌跡に素早く収束させることができる。
【００１１】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離を、前記フロント装置に係わる操作手段の操作信号に応じて可変に設定することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
これにより、例えば、操作信号の指示する操作量が比較的大きい場合に第２の距離を大きくすることで、ハンチング等を防止し制御における安定性を増すことができる。
【００１２】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記第２の距離を、前記フロント装置の動作速度に応じて可変に設定することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
これにより、例えば、フロント装置先端の速度が速い場合に第２の距離を大きくすることで、ハンチング等を防止し制御における安定性を増すことができる。
【００１３】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記信号補正手段は、前記特定のフロント部材に係わる操作手段からの操作信号に基づき前記フロント装置の目標速度ベクトルを演算する第２の演算手段と、前記第１及び第２の演算手段の演算値を入力し、前記フロント装置が前記目標軌跡近傍にあるとき、前記目標速度ベクトルの該目標軌跡に沿った方向のベクトル成分及び、前記目標速度ベクトルの前記目標軌跡に接近する方向のベクトル成分をともに修正することにより、前記目標ベクトルの方向が前記第２の点に向くように補正する第３の演算手段と、この第３の演算手段で補正された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駆動するバルブ制御手段とを備えることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００１４】
さらに好ましくは、前記建設機械の領域軌跡制御装置において、前記第３の演算手段は、前記フロント装置が前記目標軌跡近傍にないときには、前記目標速度ベクトルを維持することを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
これにより、フロント装置が目標軌跡近傍にない場合には、通常の作業と同様に作業することができる。
【００１５】
さらに好ましくは、前記複数の操作手段のうち少なくとも前記特定のフロント部材に係わる操作手段は前記操作信号としてパイロット圧を出力する油圧パイロット方式であり、この油圧パイロット方式の操作手段を含む操作システムが対応する油圧制御弁を駆動する上記建設機械の軌跡制御装置において、前記油圧パイロット方式の操作手段の操作量を検出する第２の検出手段を更に備え、かつ、前記第２の演算手段は、前記第２の検出手段からの信号に基づき前記フロント装置の目標速度ベクトルを演算する手段であり、前記バルブ制御手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて対応する油圧制御弁を駆動するための目標パイロット圧を計算する第４の演算手段と、この目標パイロット圧が得られるよう前記操作システムを制御するパイロット制御手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００１６】
さらに好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記操作システムは、前記フロント装置が前記目標軌跡から遠ざかる方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第１のパイロットラインを含み、前記第４の演算手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて前記第１のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を含み、前記パイロット制御手段は、前記目標パイロット圧に対応する第１の電気信号を出力する手段と、前記第１の電気信号を油圧に変換し前記目標パイロット圧に相当する制御圧を出力する電気油圧変換手段と、前記第１のパイロットライン内のパイロット圧と前記電気油圧変換手段から出力された制御圧の高圧側を選択し対応する油圧制御弁に導く高圧選択手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００１７】
さらに好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記操作システムは、前記フロント装置が前記目標軌跡に接近する方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第２のパイロットラインを含み、前記第４の演算手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて前記第２のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を含み、前記パイロット制御手段は、前記目標パイロット圧に対応する第２の電気信号を出力する手段と、前記第２のパイロットラインに設置され、前記第２の電気信号により作動して前記第２のパイロットライン内のパイロット圧力を前記目標パイロット圧まで減圧する減圧手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００１８】
さらに好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記操作システムは、前記フロント装置が前記目標軌跡から遠ざかる方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第１のパイロットラインと、前記フロント装置が前記目標軌跡に接近する方向に動くよう対応する油圧制御弁にパイロット圧を導く第２のパイロットラインとを含み、前記第４の演算手段は、前記補正した目標速度ベクトルに基づいて前記第１及び第２のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を含み、前記パイロット制御手段は、前記目標パイロット圧に対応する第１及び第２の電気信号を出力する手段と、前記第１の電気信号を油圧に変換し前記目標パイロット圧に相当する制御圧を出力する電気油圧変換手段と、前記第１のパイロットライン内のパイロット圧と前記電気油圧変換手段から出力された制御圧の高圧側を選択し対応する油圧制御弁に導く高圧選択手段と、前記第２のパイロットラインに設置され、前記第２の電気信号により作動して前記第２のパイロットライン内のパイロット圧力を前記目標パイロット圧まで減圧する減圧手段とを含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００１９】
さらに好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記特定のフロント部材は油圧ショベルのブームとアームを含み、前記第１のパイロットラインはブーム上げ側のパイロットラインであることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００２０】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記特定のフロント部材は油圧ショベルのブームとアームを含み、前記第２のパイロットラインはブーム下げ側及びアームクラウド側のパイロットラインであることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００２１】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記特定のフロント部材は油圧ショベルのブームとアームを含み、前記第２パイロットラインはブーム下げ側、アームクラウド側及びアームダンプ側のパイロットラインであることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００２２】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記第１の検出手段は、前記複数のフロント部材の回動角を検出する複数の角度検出器を含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００２３】
また好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記第１の検出手段は、前記複数のアクチュエータのストロークを検出する複数の変位検出器を含むことを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００２４】
さらに好ましくは、前記建設機械の軌跡制御装置において、前記第２の検出手段は、前記操作システムのパイロットラインに設けられた圧力検出器であることを特徴とする建設機械の軌跡制御装置が提供される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の一実施形態を図１〜図１５により説明する。
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〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ間に接続され、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号によって制御され、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を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００２６】
また、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。
【００２７】
操作レバー装置４ａ〜４ｆはパイロット圧により対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動する油圧パイロット方式であり、それぞれ、図３に示すように、オペレータにより操作される操作レバー４０と、操作レバー４０の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する１対の減圧弁４１，４２とより構成され、減圧弁４１，４２の一次ポート側はパイロットポンプ４３に接続され、二次ポート側はパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂに接続されている。
【００２８】
以上のような油圧ショベルに本実施形態による軌跡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の先端の動作目標とする目標軌跡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、車体１Ｂの前後方向の傾斜角θを検出する傾斜角検出器８ｄと、ブーム用及びアーム用の操作レバー装置４ａ，４ｂのパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂに設けられ、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作量としてそれぞれのパイロット圧を検出する圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂと、設定器７の設定信号、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃ及び傾斜角検出器８ｄの検出信号及び圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂの検出信号を入力し、バケット１ｃの先端の動作目標とする目標軌跡を設定すると共に、目標軌跡に沿って掘削する制御を行うための電気信号を出力する制御ユニット９と、この電気信号により駆動される比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂと、シャトル弁１２とで構成されている。
【００２９】
比例電磁弁１０ａの一次ポート側はパイロットポンプ４３に接続され、二次ポート側はシャトル弁１２に接続されている。シャトル弁１２はパイロットライン４４ａに設置され、パイロットライン４４ａ内のパイロット圧と比例電磁弁１０ａから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに導く。比例電磁弁１０ｂ，１１ａ，１１ｂはそれぞれパイロットライン４４ｂ，４５ａ，４５ｂに設置され、それぞれの電気信号に応じてパイロットライン内のパイロット圧を減圧して出力する。
【００３０】
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設定信号を制御ユニット９に出力し目標軌跡の設定を指示するもので、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。また、ＩＣカードによる方法、バーコードによる方法、レーザによる方法、無線通信による方法等、他の方法を用いてもよい。
【００３１】
制御ユニット９の制御機能を図４に示す。制御ユニット９は、目標軌跡設定演算部９ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、目標シリンダ速度演算部９ｃ、目標先端速度ベクトル演算部９ｄ、ベクトル方向補正部９ｅ、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ、目標パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令演算部９ｈの各機能を有している。
【００３２】
目標軌跡設定演算部９ａでは、設定器７からの指示でバケット１ｃの先端の動作目標となる目標軌跡の設定演算を行う。その一例を図５を用いて説明する。なお、本実施形態は垂直面内に目標軌跡を設定するものである。
【００３３】
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からの指示でそのときのバケット１ｃの先端位置を計算し、次に設定器７を操作してその位置からの深さｈ１を入力して設定すべき目標軌跡上の点Ｐ１＊を指定する。次に、バケット１ｃの先端を点Ｐ２の位置に動かした後、設定器７からの指示でそのときのバケット１ｃの先端位置を計算し、同様に設定器７を操作してその位置からの深さｈ２を入力して設定すべき目標軌跡上の点Ｐ２＊を指定する。そして、Ｐ１＊，Ｐ２＊の２点を結んだ線分の直線式を計算して目標軌跡とする。
【００３４】
ここで、２点Ｐ１，Ｐ２の位置は後述するフロント姿勢演算部９ｂにて計算し、目標軌跡設定演算部９ａはその位置情報を用いて上記直線式を計算する。すなわち、制御ユニット９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、フロント姿勢演算部９ｂ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２点Ｐ１，Ｐ２の位置を計算する。このとき、２点Ｐ１，Ｐ２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）（Ｘ２，Ｙ２）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した直交座標系であり、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）（Ｘ２，Ｙ２）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の回動支点との距離を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とすれば、下記の式より求まる。
【００３５】
Ｘ＝Ｌ１ｓｉｎα＋Ｌ２ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ３ｓｉｎ（α＋β＋γ）
Ｙ＝Ｌ１ｃｏｓα＋Ｌ２ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ３ｃｏｓ（α＋β＋γ）
目標軌跡設定演算部９ａでは、掘削領域の境界上の２点Ｐ１＊，Ｐ２＊の座標値を、それぞれ、Ｙ座標の下記の計算、
Ｙ１＊＝Ｙ１−ｈ１
Ｙ２＊＝Ｙ２−ｈ２
を行うことにより求める。また、Ｐ１＊，Ｐ２＊の２点を結んだ線分の直線式は下記の式により計算する。
【００３６】
Ｙ＝（Ｙ２＊−Ｙ１＊）Ｘ／（Ｘ２−Ｘ１）＋（Ｘ２Ｙ１＊−Ｘ１Ｙ２＊）／（Ｘ２−Ｘ１）
そして、上記直線上に原点を持ち当該直線を一軸とする直交座標系、例えば点Ｐ２＊を原点とするＸａＹａ座標系を設定し、ＸＹ座標系からＸａＹａ座標系への座標変換データを求める。
【００３７】
ここで、また、例えば図６に示すように車体１Ｂが傾いたときは、バケットと先端と地面との相対位置関係が変化するので、掘削領域の設定が正しく行えなくなる。そこで本実施形態では、車体１Ｂの傾斜角θを傾斜角検出器８ｄで検出し、フロント姿勢演算部９ｂでその傾斜角θの値を入力し、ＸＹ座標系を角度θ回転させたＸｂＹｂ座標系でバケット先端の位置を計算する。これにより、車体１Ｂが傾いていても正しい領域設定が行える。なお、車体が傾いたときには車体の傾きを修正してから作業するとか、車体が傾斜しないような作業現場で用いる場合には、必ずしも傾斜角検出器は必要としない。
【００３８】
以上は１本の直線で掘削領域の境界を設定した例であるが、複数本の直線を組み合わせることにより垂直面内で任意の形状の掘削領域を設定できる。図７はその一例を示すもので、３本の直線Ａ１，Ａ２，Ａ３を用いて掘削領域を設定している。この場合も、各直線Ａ１，Ａ２，Ａ３について上記と同様の操作及び演算を行うことにより掘削領域の境界を設定できる。
【００３９】
上記したように、フロント姿勢演算部９ｂでは、制御ユニット９の記憶装置に記憶したフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法と、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α，β，γの値を用いてフロント装置１Ａの所定部位の位置をＸＹ座標系の値として演算する。
【００４０】
目標シリンダ速度演算部９ｃでは圧力検出器６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂで検出したパイロット圧の値を入力し、流量制御弁５ａ，５ｂの吐出流量を求め、更にこの吐出流量からブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの目標速度を計算する。制御ユニット９の記憶装置には図８に示すようなパイロット圧力ＰＢＵ，ＰＢＤ，ＰＡＣ，ＰＡＤと流量制御弁５ａ，５ｂの吐出流量ＶＢ，ＶＡとの関係が記憶されており、目標シリンダ速度演算部９ｃはこの関係を用いて流量制御弁５ａ，５ｂの吐出流量を求める。なお、制御ユニット９の記憶装置に事前に計算したパイロット圧と目標シリンダ速度との関係を記憶しておき、パイロット圧から直接目標シリンダ速度を求めてもよい。
【００４１】
目標先端速度ベクトル演算部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで求めたバケット１ｃの先端位置及び目標シリンダ速度演算部９ｃで求めた目標シリンダ速度と、制御ユニット９の記憶装置に記憶してある先のＬ１，Ｌ２，Ｌ３等の各部寸法とからバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶＣを求める。このとき、目標速度ベクトルＶＣは、まず図５に示すＸＹ座標系の値として求め、次にこの値を用いて目標軌跡設定演算部９ａで先に求めたＸＹ座標系からＸａＹａ座標系への変換データを用いてＸａＹａ座標系に変換することにより、ＸａＹａ座標系の値として求める。ここで、ＸａＹａ座標系での目標速度ベクトルＶＣのＸａ座標値ＶＣｘは目標速度ベクトルＶＣの目標軌跡に平行な方向のベクトル成分となり、Ｙａ座標値ＶＣｙは目標速度ベクトルＶＣの目標軌跡に垂直な方向のベクトル成分となる。
【００４２】
ベクトル方向補正部９ｅでは、バケット１ｃの先端が目標軌跡近傍にあるとき、バケット１ｃ先端を目標軌跡上に収束させるように目標速度ベクトルＶＣを補正する。このとき、目標速度ベクトルＶＣの目標軌跡に垂直な方向のベクトル成分ＶＣｙ及び目標軌跡に平行な方向のベクトル成分ＶＣｘをともに修正することになる。
【００４３】
ベクトル方向補正部９ｅでの制御内容を表すブロック図を図９に示す。
図９において、まず、目標先端速度ベクトル演算部９ｄで算出された目標速度ベクトルＶＣと、目標軌跡設定演算部９ａで設定された目標軌跡と、あらかじめ制御ユニット９内に設定され記憶されていた第２の距離、例えばｌ１とに基づき、補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部９ｅ１で、目標速度ベクトルＶＣを補正するための、ブーム上げベクトルＶＤが演算される。この演算手順を表すフローチャートを図１０に、演算内容を表す説明図を図１１に示す。
図１０において、まず、手順１００で、目標軌跡上におけるバケット１ｃの先端Ｐ３から第１の距離、例えば最短距離にある点Ｐ４を求める（図１１参照）。
つぎに、手順１０１で、目標軌跡上において点Ｐ４から距離ｌ１だけ掘削進行方向前方に進んだ点Ｐ５を求める。
その後、手順１０２で、ブーム上げベクトルＶＤの大きさを（方向はブーム上げ方向に一意的に決定される）、ＶＣ＋ＶＤ＝ｍＰ３Ｐ５（ｍは定数）となるように、すなわちＶＣ＋ＶＤの方向がベクトルＰ３Ｐ５の方向になるように、決定する。なおこのとき、図より明らかなように、ベクトル成分ＶＣｙ及びＶＣｘがともに修正されることになる。
【００４４】
以上のようにして、補正用のブーム上げベクトルＶＤが求められる。
【００４５】
一方、最短距離検出部９ｅ２において、目標軌跡設定演算部９ａで設定された目標軌跡と、フロント姿勢演算部９ｂで求めたバケット１ｃの先端位置とにより、バケット先端から目標軌跡までの最短距離Δｈが求められる。
そしてこの最短距離Δｈに基づき、制御ゲイン設定部９ｅ３で、制御ゲインＫが設定される。図示されるように、この制御ゲインの値は、Δｈの値がある所定値Δｈｏより大きいときは０であり、Δｈの値がある所定値Δｈｉより小さいときは１であり、Δｈｉ≦Δｈ≦ΔｈｏのときにはΔｈが小さくなるにつれて連続的に０から１まで大きくなるようになっている。
【００４６】
このようにして求められた制御ゲインＫは、乗算部９ｅ４で、前述した方法で補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部９ｅ１で求められたブーム上げベクトルＶＤに乗じられる。
【００４７】
そして、目標先端速度ベクトル演算部９ｄからのブーム上げベクトル演算部９ｅ１からの目標速度ベクトルＶＣと、乗算部９ｅ４からのＫＶＤとが加えられ、ＶＣ＋ＫＶＤとなって出力される。
このときこの制御ゲインＫの値は、制御ゲイン設定部９ｅ３で前述のように設定されていることから、出力値は、Δｈ＞ΔｈｏのときはＶＣ、Δｈ＜ΔｈｉのときはＶＣ＋ＶＤ、Δｈｉ≦Δｈ≦ΔｈｏのときはＶＣ〜ＶＣ＋ＶＤの間の値をとる。すなわち、バケット１ｃ先端から目標軌跡までの最短距離ΔｈがΔｈｏより大きい場合が補正は全く行われない非補正領域であり、最短距離ΔｈがΔｈｉ〜Δｈｏの間は距離が小さくなるほど補正が行われる度合いが大きくなる過渡的領域、最短距離ΔｈがΔｈｉ以下になると補正が完全に行われる補正領域となる。
【００４８】
以上のように目標速度ベクトルＶＣに補正用のブーム上げベクトルＶＤを加えることにより、目標速度ベクトルＶＣは目標速度ベクトルＶＣ＋ＫＶＤに補正される。
【００４９】
上記のような補正が行われ、目標速度ベクトルＶＣ＋ＶＤに制御されるとき（Δｈ≦Δｈｉ）のバケット１ｃ先端の軌跡の一例を図１２に示す。
この図１２に示されるように、目標速度ベクトルＶＣが斜め下方に一定であるとすると、バケット１ｃの先端位置直下の目標軌跡上の点からｌ１進んだ点を目指すような目標速度ベクトルＶＣ＋ＶＤに常に補正されていく。すなわち例えば、最初のバケット１ｃの先端位置が点Ｐ３ａとすると、目標軌跡上直下の点が点Ｐ４ａ、進行方向にｌ１進んだ点が点Ｐ５ａとなって、目標速度ベクトルは、この点Ｐ５ａに向かう目標速度ベクトルＶＣ＋ＶＤになり、その後バケット１ｃの先端位置が点Ｐ３ｂに来たときは点Ｐ５ｂに向かう目標速度ベクトルＶＣ＋ＶＤになり、さらにバケット１ｃ先端が点Ｐ３ｃに来たときには点Ｐ５ｃへ、点Ｐ３ｄに来たときには点Ｐ５ｄへ向かうような目標速度ベクトルＶＣ＋ＶＤとなり、軌跡は、最終的には図１２に示されるように、目標軌跡に近づくにつれ目標軌跡と平行になりなめらかに目標軌跡に収束するような曲線形状となる。
【００５０】
補正後目標シリンダ速度演算部９ｆでは、ベクトル方向補正部９ｅで求めた補正後の目標速度ベクトルＶＣ＋ＫＶＤからブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの目標シリンダ速度を演算する。これは目標先端速度ベクトル演算部９ｄでの演算の逆演算である。
【００５１】
目標パイロット圧演算部９ｇでは、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆからの目標シリンダ速度からパイロットライン４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂの目標パイロット圧を演算する。これは目標シリンダ速度演算部９ｃでの演算の逆演算である。
【００５２】
バルブ指令演算部９ｈでは、目標パイロット圧演算部９ｇで計算した目標パイロット圧からそのパイロット圧を得るための比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂの指令値を演算する。この指令値は増幅器で増幅され、電気信号として比例電磁弁に出力される。ここで、図１０のフローチャートの手順１０２に示したように、目標速度ベクトルＶＣの補正は、常にブーム上げ方向のベクトルＶＤで行われ、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａに係わる比例電磁弁１０ａに電気信号が出力される。その他の比例電磁弁１０ｂ，１１ａ，１１ｂには関連するパイロットラインのパイロット圧に応じた電気信号が出力され、当該パイロット圧をそのまま出力できるようにする。
【００５３】
以上の構成において、操作レバー装置４ａ〜４ｆは複数の被駆動部材であるブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅの動作を指示する油圧パイロット方式の操作手段を構成し、設定器７と目標軌跡設定演算部９ａはフロント装置１ａの動作目標とする目標軌跡を設定する軌跡設定手段を構成し、角度検出器８ａ〜８ｃ及び傾斜角検出器８ｄはフロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する第１の検出手段を構成し、フロント姿勢演算部９ｂは第１の検出手段からの信号に基づきフロント装置１Ａの位置と姿勢を演算する第１の演算手段を構成する。
【００５４】
また、点Ｐ４，Ｐ４ａ…は、目標軌跡上でフロント装置１Ａから第１の距離にある第１の点を構成し、点Ｐ５，Ｐ５ａ，Ｐ５ｂ，Ｐ５ｃ，Ｐ５ｄ…は、前記第１の点から目標軌跡上でｌ１だけ進行方向前方に進んだ第２の点を構成し、目標シリンダ速度演算部９ｃ、目標先端速度ベクトル演算部９ｄ、ベクトル方向補正部９ｅ、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ、目標パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令演算部９ｈ及び比例電磁弁１０ａ〜１１ｂは、複数の操作手段４ａ〜４ｆのうち特定のフロント部材１ａ，１ｂに係わる操作手段４ａ，４ｂの操作信号と上記第１演算手段９ｂの演算値に基づき、フロント装置１Ａが目標軌跡近傍にあるとき、点Ｐ５，Ｐ５ａ，Ｐ５ｂ，Ｐ５ｃ，Ｐ５ｄ…に向かってフロント装置１Ａが動くように、フロント装置１Ａに係わる操作手段４ａ，４ｂの操作信号を補正することにより、フロント装置１Ａを目標軌跡上に収束させるように操作信号を補正する信号補正手段を構成する。
【００５５】
また、目標シリンダ速度演算部９ｃ及び目標先端速度ベクトル演算部９ｄは特定のフロント部材１ａ，１ｂに係わる操作手段４ａ，４ｂからの操作信号に基づきフロント装置１Ａの目標速度ベクトルを演算する第２の演算手段を構成し、ベクトル方向補正部９ｅは上記第１及び第２演算手段の演算値を入力し、フロント装置１Ａが目標軌跡近傍にあるとき、目標速度ベクトルＶＣの目標軌跡に沿った方向のベクトル成分ＶＣｘ及び、目標速度ベクトルＶＣの目標軌跡に接近する方向のベクトル成分ＶＣｙをともに修正することにより、目標速度ベクトルＶＣの方向が第２の点Ｐ５に向くように補正する第３の演算手段を構成し、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ、目標パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令演算部９ｈ及び比例電磁弁１０ａ〜１１ｂは、補正された目標速度ベクトルＶＣ＋ＫＶＤに応じてフロント装置１Ａが動くように対応する油圧制御弁５ａ，５ｂを駆動するバルブ制御手段を構成する。
【００５６】
また、操作レバー装置４ａ〜４ｆ及びパイロットライン４４ａ〜４９ｂは油圧制御弁５ａ〜５ｆを駆動する操作システムを構成し、圧力検出器６０ａ〜６１ｂはフロント装置の操作手段の操作量を検出する第２の検出手段を構成し、上記第２の演算手段を構成する目標シリンダ速度演算部９ｃ及び目標先端速度ベクトル演算部９ｄは、第２の検出手段からの信号に基づきフロント装置１Ａの目標速度ベクトルを演算する手段であり、上記バルブ制御手段を構成する要素のうち補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ、目標パイロット圧演算部９ｇは上記補正した目標速度ベクトルに基づいて対応する油圧制御弁５ａ，５ｂを駆動するための目標パイロット圧を計算する第４の演算手段を構成し、バルブ指令演算部９ｈ及び比例電磁弁１０ａ〜１１ｂはその目標パイロット圧が得られるよう上記操作システムを制御するパイロット制御手段を構成する。
【００５７】
また、パイロットライン４４ａはフロント装置１Ａが設定領域から遠ざかる方向に動くよう対応する油圧制御弁５ａにパイロット圧を導く第１のパイロットラインを構成し、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ及び目標パイロット圧演算部９ｇは補正した目標速度ベクトルに基づいて第１のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を構成し、バルブ指令演算部９ｈはその目標パイロット圧に対応する第１の電気信号を出力する手段を構成し、比例電磁弁１０ａは第１の電気信号を油圧に変換し目標パイロット圧に相当する制御圧を出力する電気油圧変換手段を構成し、シャトル弁１２は第１のパイロットライン内のパイロット圧と電気油圧変換手段から出力された制御圧の高圧側を選択し対応する油圧制御弁５ａに導く高圧選択手段を構成する。
【００５８】
更に、パイロットライン４４ｂ，４５ａ，４５ｂはフロント装置１Ａが設定領域に接近する方向に動くよう対応する油圧制御弁５ａ，５ｂにパイロット圧を導く第２のパイロットラインを構成し、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ及び目標パイロット圧演算部９ｇは補正した目標速度ベクトルに基づいて第２のパイロットラインにおける目標パイロット圧を計算する手段を構成し、バルブ指令演算部９ｈはその目標パイロット圧に対応する第２の電気信号を出力する手段を構成し、比例電磁弁１０ｂ，１１ａ，１１ｂは第２のパイロットラインに設置され、第２の電気信号により作動して第２のパイロットライン内のパイロット圧力を目標パイロット圧まで減圧する減圧手段を構成する。
【００５９】
次に、以上のように構成した本実施形態の動作を説明する。作業の一例として、手前方向に掘削しようとして、（１）ブーム上げ・アームクラウドの複合操作でバケット先端を水平方向に引き操作する（いわゆる水平引き）場合、（２）ブーム下げ・アームクラウドの複合操作でバケット先端を車体側で水平方向に引き操作する（いわゆる水平引き込み）場合、（３）ブーム上げ・アームダンプの複合操作でバケット先端を車体側から水平方向に押し操作する（いわゆる水平押し）場合、（４）ブーム下げ・アームダンプの複合操作でバケット先端を反車体側で水平方向に押し操作する（いわゆる水平押し出し）場合、について説明する。
（１）水平引き（ブーム上げ・アームクラウド操作）
オペレータがフロント装置１Ａ前方から手前方向に水平引きを行おうとして、ブーム上げとアームクラウドとの複合操作を行い、目標軌跡より上方からバケット１ｃの先端を目標軌跡に近づけていく場合、通常は、目標軌跡より下方へはみ出すような目標ベクトルを与えることとなる。そして、バケット先端と目標軌跡との最短距離ΔｈがΔｈｏより小さくなると、ベクトル方向補正部９ｅにおいて、バケット先端の目標速度ベクトルＶＣに対し、バケット１ｃの先端位置直下の目標軌跡上の点Ｐ４等からｌ１進んだ点Ｐ５等を目指すための補正用ブーム上げベクトルＶＤが生成され、制御ゲインを乗じたＫＶＤがＶＣに加えられ補正が開始される。バケット先端と目標軌跡との最短距離ΔｈがΔｈｉに近づくにつれＫの値は大きくなり、Δｈ＝ΔｈｉとなるとＫ＝１となって、これ以降、目標速度ベクトルＶＣは常にＶＣ＋ＶＤとなるように補正される。
そして、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆにおいて、補正後の目標ベクトルＶＣ＋ＶＤに対応するブームシリンダ３ａの伸長方向及びアームシリンダ３ｂの伸長方向のシリンダ速度を演算し、目標パイロット圧演算部９ｇで、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームクラウド側のパイロットライン４５ａの目標パイロット圧を計算し、バルブ指令演算部９ｈでは比例電磁弁１０ａ及び１１ａに電気信号を出力する。これにより、比例電磁弁１０ａは目標パイロット圧演算部９ｇで演算した目標パイロット圧に相当する制御圧を出力し、この制御圧がシャトル弁１２で選択され、ブーム用流量制御弁５ａのブーム上げ側油圧駆動部５０ａに導かれる。また比例電磁弁１１ａも目標パイロット圧演算部９ｇで演算した目標パイロット圧に相当する制御圧を出力し、アーム用流量制御弁５ｂのアームクラウド側油圧駆動部５１ａに導かれる。このとき、比例電磁弁１０ａの動作においては、目標速度ベクトルＶＣを補正するブーム上げベクトルＶＤ分が加算されているので、結果として、図１２に示すように、目標軌跡に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。したがって、オペレータの操作次第でバケット先端１ｃが目標軌跡までどのような軌道をとるかわからない従来構造と異なり、人間のフィーリングに合致した良好な軌道を経て、バケット１ｃ先端を目標軌跡に比較的早くかつ安定的に収束させることができる。
【００６０】
以上のように目標軌跡に沿って掘削中、例えばバケット１ｃの中に土砂が十分に入ったとか、途中に障害物があったとか、掘削抵抗が大きくフロント装置が停止してしまったため掘削抵抗を小さくするとか、ブーム１ａを手動で上昇させたい場合がある、このような場合には、ブーム用の操作レバー装置４ａをブーム上げ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａにパイロット圧が立ち、そのパイロット圧が比例電磁弁１０ａの制御圧より高くなるとそのパイロット圧がシャトル弁１２で選択され、ブームを上昇することができる。
【００６１】
（２）水平引き込み（ブーム下げ・アームクラウド操作）
オペレータが水平引き込みを行おうとしてブーム下げ・アームクラウドの複合操作を行い、目標軌跡より上方からバケット１ｃ先端を目標軌跡に近づけていく場合、通常は、目標軌跡より上方へずれ目標軌跡から離れるような目標ベクトルを与えることとなる。そこで、バケット先端と目標軌跡との最短距離ΔｈがΔｈｏより小さくなっていれば、ベクトル方向補正部９ｅにより目標速度ベクトルをＶＣ＋ＫＶＤ（但しこの場合ＶＤはブーム下げ方向のベクトル）とする補正が行われ、ΔｈがΔｈｉ以下になれば、目標速度ベクトルが常にＶＣ＋ＶＤとなるように補正される。
そして、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆにおいて、補正後の目標ベクトルＶＣ＋ＶＤに対応するブームシリンダ３ａの収縮方向及びアームシリンダ３ｂのクラウド方向のシリンダ速度を演算し、目標パイロット圧演算部９ｇで、ブーム下げ側のパイロットライン４４ｂ及びアームクラウド側のパイロットライン４５ａの目標パイロット圧を計算し、バルブ指令演算部９ｈでは比例電磁弁１０ｂ及び１１ａに電気信号を出力する。これにより、比例電磁弁１０ｂ，１１ａは目標パイロット圧演算部９ｇで演算した目標パイロット圧に相当する制御圧を出力し、ブーム用流量制御弁５ａのブーム下げ側油圧駆動部５０ｂ、及びアーム用流量制御弁５ｂのアームクラウド側油圧駆動部５１ａに導かれる。このとき、比例電磁弁１０ｂの動作においては、目標速度ベクトルＶＣを補正するブーム下げベクトルＶＤ分が加算されているので、結果として、目標軌跡より上方に離れることなく、上記（１）同様目標軌跡に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。
【００６２】
（３）水平押し（ブーム上げ・アームダンプ操作）
オペレータが車体側で水平押しを行おうとしてブーム上げ・アームダンプの複合操作を行い、目標軌跡より上方からバケット１ｃ先端を目標軌跡に近づけていく場合、通常は、目標軌跡より下方へはみ出すような目標ベクトルを与えることとなる。そして、バケット先端と目標軌跡との最短距離ΔｈがΔｈｏより小さくなるとベクトル方向補正部９ｅにおける目標速度ベクトルＶＣの同様の補正が行われ、ΔｈがΔｈｉ以下になると、目標速度ベクトルＶＣは常にＶＣ＋ＶＤとなるように補正される。
そして、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆにおいて、補正後の目標ベクトルＶＣ＋ＶＤに対応するブームシリンダ３ａの伸長方向及びアームシリンダ３ｂのダンプ方向のシリンダ速度を演算し、目標パイロット圧演算部９ｇで、ブーム上げげ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂの目標パイロット圧を計算し、バルブ指令演算部９ｈでは比例電磁弁１０ａ及び１１ｂに電気信号を出力する。これにより、比例電磁弁１０ａは目標パイロット圧演算部９ｇで演算した目標パイロット圧に相当する制御圧を出力し、この制御圧がシャトル弁１２で選択され、ブーム用流量制御弁５ａのブーム上げ側油圧駆動部５０ａに導かれる。また比例電磁弁１１ｂも目標パイロット圧演算部９ｇで演算した目標パイロット圧に相当する制御圧を出力し、アーム用流量制御弁５ｂのアームダンプ側油圧駆動部５１ｂに導かれる。このとき、比例電磁弁１０ａの動作においては、目標速度ベクトルＶＣを補正するブーム上げベクトルＶＤ分が加算されているので、結果として、上記（１）同様目標軌跡より上方に離れることなく、目標軌跡に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。
【００６３】
（４）水平押し出し（ブーム下げ・アームダンプ操作）
オペレータが反車体側で水平押し出しを行おうとしてブーム下げ・アームダンプの複合操作を行い、目標軌跡より上方からバケット１ｃ先端を目標軌跡に近づけていく場合、通常は、目標軌跡より上方へずれ目標軌跡から離れるような目標ベクトルを与えることとなる。
【００６４】
そこで、バケット先端と目標軌跡との最短距離ΔｈがΔｈｏより小さくなっていれば、ベクトル方向補正部９ｅにより目標速度ベクトルをＶＣ＋ＫＶＤ（但しこの場合ＶＤはブーム下げ方向のベクトル）とする補正が行われ、ΔｈがΔｈｉ以下になれば、目標速度ベクトルが常にＶＣ＋ＶＤとなるように補正される。
そして、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆにおいて、補正後の目標ベクトルＶＣ＋ＶＤに対応するブームシリンダ３ａの収縮方向及びアームシリンダのダンプ方向のシリンダ速度を演算し、目標パイロット圧演算部９ｇで、ブーム下げ側のパイロットライン４４ｂ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂの目標パイロット圧を計算し、バルブ指令演算部９ｈでは比例電磁弁１０ｂ及び１１ｂに電気信号を出力する。これにより、比例電磁弁１０ｂ，１１ｂは目標パイロット圧演算部９ｇで演算した目標パイロット圧に相当する制御圧を出力し、ブーム用流量制御弁５ａのブーム下げ側油圧駆動部５０ｂ、及びアーム用流量制御弁５ｂのアームダンプ側油圧駆動部５１ｂに導かれる。このとき、比例電磁弁１０ｂの動作においては、目標速度ベクトルＶＣを補正するブーム下げベクトルＶＤ分が加算されているので、結果として、目標軌跡より上方に離れることなく、上記（１）同様目標軌跡に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。
【００６５】
以上のように本実施形態によれば、バケット１ｃの先端が目標軌跡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の先端が目標軌跡近傍に近づくと目標速度ベクトルの方向を補正する制御が行われ、人間のフィーリングに合致した良好な軌道を経て、バケット１ｃ先端を目標軌跡に比較的早くかつ安定的に収束させることができる。
また、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ及びシャトル弁１２をパイロットライン４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂに組み込み、パイロット圧を制御して軌跡制御を行うので、領域を制限した掘削を能率良く行える機能を油圧パイロット方式の操作レバー装置４ａ，４ｂを備えたものに容易に付加することができる。
【００６６】
なお、上記では、制御ユニット９のベクトル方向補正部９ｅにおいて、目標軌跡上の距離ｌ１を固定値としたが、これを可変とする変形例もありうる。例えば、ｌ１をΔｈに応じて可変とする場合、ｌ１をブーム又はアームに係わる操作信号に応じて可変とする場合、ｌ１をブーム又はアームの動作速度に応じて可変とする場合、等が考えられる。以下、これらのうちの少なくとも１つを用い、また必要に応じて制御ユニット９に機能を付加した変形例をいくつか説明する。
【００６７】
▲１▼ｌ１をΔｈに応じて可変とする場合
この場合における、ベクトル方向補正部９ｅでの制御内容を表すブロック図を図１３に示す。この図１３が図４の構成と異なる主要な点は、最短距離検出部９ｅ２で検出されたΔｈに応じてｌ１を可変に設定するｌ１設定部９ｅ６を設けたことである。そして、図示のようなテーブルでΔｈが小さいほどｌ１を大きく、Δｈが大きいほどｌ１を小さく設定し、これを補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部９ｅ１へ出力する。
この変形例によれば、最短距離Δｈが比較的大きい場合に距離ｌ１を小さくすることで目標軌跡に素早く収束させることができ、また最短距離Δｈが比較的小さい場合に距離ｌ１を大きくすることで目標軌跡により円滑かつソフトに収束させることができる。
【００６８】
▲２▼ｌ１を、ブーム・アームに係わる操作信号及びブーム・アームの動作速度に応じて可変とする場合（両者の一方を選択）
この場合における、ベクトル方向補正部９ｅでの制御内容を表すブロック図を図１４に示す。なお、対応して制御ユニット９に新たに付加される機能も併せて示す。この図１４が図１３の構成と異なる主要な点は、まず、制御ユニット９に、目標シリンダ速度演算部９ｃで求めた目標シリンダ速度、及び制御ユニット９の記憶装置に記憶してある先のＬ１，Ｌ２，Ｌ３等の各部寸法からブーム１ａの目標先端速度ｖ１を求める目標先端速度演算部９ｉと、同様にＬ１，Ｌ２，Ｌ３等の各部寸法、及び角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α，β，γの値を用いてブーム１ａ先端の実際の速度ｖ２を求める実際速度演算部９ｊを設けたことと、ベクトル方向補正部９ｅ内に、目標先端速度演算部９ｉからの目標先端速度ｖ１に基づき補正ゲインＫ１を求める補正ゲイン算出部９ｅ７と、実際速度演算部９ｊからの実際の速度ｖ２に基づき補正ゲインＫ２を求める補正ゲイン算出部９ｅ８と、これら補正ゲインＫ１，Ｋ２のうち最大のものを選択する最大値選択部９ｅ９と、選択されたＫ１又はＫ２を、ｌ１設定部９ｅ６からのｌ１に乗じてｌ２とする乗算部９ｅ１０とを設け、補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部９ｅ１がこの乗算部９ｅ１０からのｌ２を用いて、ブーム上げベクトルＶＤを演算することである。この変形例においては、上記▲１▼の変形例の効果に加え、ブーム操作量すなわちブーム１ａの目標速度ｖ１が比較的大きい場合や、ブーム１ａ先端の実際の速度ｖ２が速い場合に、距離ｌ２を大きくすることにより、ハンチング等を防止し制御における安定性を増すことができる効果がある。またこの場合、目標速度ｖ１と実際の速度ｖ２とを併用することで、前者の高応答性、後者の正確性を生かすことができる。
【００６９】
▲２▼ｌ１を、ブーム・アームに係わる操作信号及びブーム・アームの動作速度に応じて可変とする場合
この場合における、ベクトル方向補正部９ｅでの制御内容を表すブロック図を図１５に示す。この図１５が図１４の構成と異なる点は、制御ゲインＫ１，Ｋ２の両方を、それぞれ乗算部９ｅ１１，９ｅ１２でｌ１設定部９ｅ６からのｌ１に乗じ、最終的にｌ３＝Ｋ１×Ｋ２×ｌ１として補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部９ｅ１へ出力し、補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部９ｅ１はこのｌ３を用いて、ブーム上げベクトルＶＤを演算することである。
この変形例によっても、上記▲２▼の変形例と同様の効果を得る。
【００７０】
また、上記実施形態においては、フロント装置の位置と姿勢に関する状態量を検出する第１の検出手段として、フロント部材１Ａの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃを用いたが、これに限られず、例えばストロークを検出する変位検出器を設けても良い。
さらに、上記実施形態においては、油圧パイロット方式の操作レバー装置を持つ油圧ショベルに適用した場合について説明したが、電気レバー装置を持つ油圧ショベルにも同様に適用可能であり、同様の効果が得られる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、フロント装置を目標軌道に到達させる際に、信号補正手段により、目標速度ベクトルにブーム上げ方向の補正ベクトルを付加することで、目標速度ベクトルの目標軌跡に平行なベクトル成分及び目標軌跡に垂直なベクトル成分がともに修正され、フロント装置が第２の点に向かって動くような補正が行われる。よって、この第２の点を、作業用途や作業状況等に応じて決定することで、現在のフロント装置の位置から目標軌跡に到達するまでの軌道を、適宜、所望の軌道に設定することができる。したがって、オペレータの操作次第でフロント装置先端が目標軌跡までどのような軌道をとるかわからない従来構造と異なり、人間のフィーリングに合致した良好な軌道を経て、フロント装置先端を目標軌跡に比較的早くかつ安定的に収束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による建設機械の軌跡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を示す図である。
【図３】油圧パイロット方式の操作レバー装置の詳細を示す図である。
【図４】制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図５】図５は本実施形態の軌跡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】傾斜角の補正方法を示す図である。
【図７】本実施形態で設定される目標軌跡の一例を示す図である。
【図８】目標シリンダ速度演算部におけるパイロット圧と流量制御弁の吐出流量との関係を示す図である。
【図９】ベクトル方向補正部での制御内容を表すブロック図である。
【図１０】補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部での演算手順を表すフローチャートである。
【図１１】補正用ブーム上げ・下げベクトル演算部での演算内容を表す説明図である。
【図１２】バケット先端の軌跡の一例を表す図である。
【図１３】ベクトル方向補正部の変形例での制御内容を表すブロック図である。
【図１４】ベクトル方向補正部の変形例での制御内容を表すブロック図である。
【図１５】ベクトル方向補正部の変形例での制御内容を表すブロック図である。
【図１６】従来の制御方法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（操作手段）
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
８ｄ    傾斜角検出器
９    制御ユニット
９ａ    領域設定演算部
９ｂ    フロント姿勢演算部
９ｃ    目標シリンダ速度演算部
９ｄ    目標先端速度ベクトル演算部
９ｅ    ベクトル方向補正部
９ｆ    補正後目標シリンダ速度演算部
９ｇ    目標パイロット圧演算部
９ｈ    バルブ指令演算部
９ｉ  目標先端速度演算部
９ｊ  実際速度演算部
１０ａ〜１１ｂ    比例電磁弁
１２    シャトル弁
４４ａ，４４ｂ〜４９ａ，４９ｂ    パイロットライン
６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ    圧力検出器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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