(57)【要約】  本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体（１）と、下部走行体（１）に搭載される上部旋回体（３）と、上部旋回体（３）に取り付けられる掘削アタッチメントと、上部旋回体（３）に搭載され且つ掘削アタッチメントを駆動させる外部演算装置（３０Ｅ）とを有している。外部演算装置（３０Ｅ）は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケット（６）の爪先の掘削対象地面に対するバケット爪先角度（α）を制御するように構成されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を制御する、
ショベル。
【請求項２】
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さに応じてバケット角度を制御する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記制御装置は、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触する位置を決定する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項４】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのアタッチメント長を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのアタッチメント長より小さくする、
請求項１に記載のショベル。
【請求項５】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上である場合、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときに、前記バケットを上下に振動させ或いは前後に揺動させる、
請求項１に記載のショベル。
【請求項６】
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのバケット角度を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのバケット角度より小さくする、
請求項１に記載のショベル。
【請求項７】
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのバケット角度を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのバケット角度より大きくする、
請求項１に記載のショベル。
【請求項８】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに応じ、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときの前記バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を調整する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項９】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに応じてバケットの挿入深さを制御する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を画像表示装置で表示させる、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を地形データベースに記憶する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を外部機器に向けて送信する、
請求項１に記載のショベル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削アタッチメントを備えたショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ブーム、アーム、及び、バケットで構成される掘削アタッチメントを備えたショベルが知られている（特許文献１参照。）。このショベルは、掘削アタッチメントの姿勢からバケットの先端に作用する掘削反力を算出する。そして、その掘削反力が所定値を上回る場合に自動的にブームを上昇させる。掘削深さを浅くすることによって、バケットが動かなくなるような無駄な掘削動作が行われないようにするためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５２３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のショベルは、掘削対象地面の硬さを考慮せずに掘削反力を算出している。そのため、掘削対象地面が硬いと、掘削反力を実際よりも小さく算出してしまい適切なタイミングでブームを上昇させることができない。その結果、バケットが動かなくなるような無駄な掘削動作を引き起こさせてしまう。一方、掘削対象地面が軟らかいと、掘削反力を実際よりも大きく算出してしまいブームを早期に上昇させてしまう。その結果、１回の掘削動作でバケット内に入る土砂の量を低減させてしまい、作業効率を低下させてしまう。【０００５】
上述に鑑み、より効率的な掘削を可能にするショベルを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、前記制御装置は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
上述の手段により、より効率的な掘削を可能にするショベルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例に係るショベルの側面図である。
【図２】図１のショベルに搭載される姿勢検出装置の構成例を示すショベルの側面図である。
【図３】図１のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。
【図４】図１のショベルに搭載される駆動システムの構成例を示す図である。
【図５】外部演算装置の構成例を示す図である。
【図６】掘削初期段階におけるバケットと掘削対象地面との関係を示す図である。
【図７】硬さテーブルに記憶された対応関係を表すグラフである。
【図８】掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】図８の処理によってバケット爪先角度が調整される様子を示す図である。
【図１０Ａ】掘削対象が硬いときに実行される掘削支援処理の別の一例を示す図である。
【図１０Ｂ】掘削対象が硬いときに実行される掘削支援処理の更に別の一例を示す図である。
【図１０Ｃ】掘削対象が硬いときに実行される掘削支援処理の更に別の一例を示す図である。
【図１１】掘削支援処理の更に別の一例を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】図１１の処理によってバケット爪先角度が調整される様子を示す図である。
【図１２Ｂ】アタッチメント長ＴＲとバケット角度θ３及びバケット爪先角度αのそれぞれとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
最初に、図１を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベル（掘削機）について説明する。なお、図１は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。作業要素としてのブーム４、アーム５及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。ブーム４は、ブームシリンダ７により駆動される。アーム５は、アームシリンダ８により駆動される。バケット６は、バケットシリンダ９により駆動される。上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体３には通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ４及びシリンダ圧検出装置Ｍ５が取り付けられている。
【００１０】
通信装置Ｍ１は、ショベルと外部との間の通信を制御するように構成されている。本実施例では、通信装置Ｍ１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベルとの間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置Ｍ１は、例えば１日１回の頻度で、ショベルの作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。ＧＮＳＳ測量システムは、例えばネットワーク型ＲＴＫ−ＧＮＳＳ測位方式を採用する。
【００１１】
測位装置Ｍ２は、ショベルの位置を測定するように構成されている。本実施例では、測位装置Ｍ２は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベルの存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベルの向きを測定する。
【００１２】
姿勢検出装置Ｍ３は、アタッチメントの姿勢を検出するように構成されている。本実施例では、姿勢検出装置Ｍ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する。
【００１３】
撮像装置Ｍ４は、ショベルの周辺の画像を取得するように構成されている。本実施例では、撮像装置Ｍ４は上部旋回体３に取り付けられる前方カメラを含む。前方カメラは、ショベルの前方を撮像するステレオカメラであり、キャビン１０の屋根、すなわちキャビン１０の外部に取り付けられている。キャビン１０の天井、すなわちキャビン１０の内部に取り付けられていてもよい。前方カメラは、掘削アタッチメントを撮像可能である。前方カメラは、単眼カメラであってもよい。
【００１４】
シリンダ圧検出装置Ｍ５は、油圧シリンダにおける作動油の圧力を検出するように構成されている。本実施例では、シリンダ圧検出装置Ｍ５は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９のそれぞれにおける作動油の圧力を検出する。
【００１５】
図２は、図１のショベルに搭載される姿勢検出装置Ｍ３及びシリンダ圧検出装置Ｍ５のそれぞれを構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。具体的には、姿勢検出装置Ｍ３は、ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、バケット角度センサＭ３ｃ及び車体傾斜センサＭ３ｄを含む。シリンダ圧検出装置Ｍ５は、ブームロッド圧センサＭ５ａ、ブームボトム圧センサＭ５ｂ、アームロッド圧センサＭ５ｃ、アームボトム圧センサＭ５ｄ、バケットロッド圧センサＭ５ｅ及びバケットボトム圧センサＭ５ｆを含む。図２において、Ｘ軸は水平面に含まれ、Ｚ軸は旋回軸に相当する。
【００１６】
ブーム角度センサＭ３ａは、ブーム角度を取得するように構成されている。ブーム角度センサＭ３ａは、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、及び、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。ブーム角度センサＭ３ａは、例えば、ブーム角度θ１を取得する。ブーム角度θ１は、例えば、ＸＺ平面においてブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｐ１−Ｐ２の水平線に対する角度である。
【００１７】
アーム角度センサＭ３ｂは、アーム角度を取得するように構成されている。アーム角度センサＭ３ｂは、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、及び、アーム５の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。アーム角度センサＭ３ｂは、例えば、アーム角度θ２を取得する。アーム角度θ２は、例えば、ＸＺ平面においてアーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分Ｐ２−Ｐ３の水平線に対する角度である。本実施例では、バケット連結ピン位置Ｐ３とＺ軸（旋回軸）との間の距離は、アタッチメント長ＴＲを表す。
【００１８】
バケット角度センサＭ３ｃは、バケット角度を取得するように構成されている。バケット角度センサＭ３ｃは、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、及び、バケット６の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。バケット角度センサＭ３ｃは、例えば、バケット角度θ３を取得する。バケット角度θ３は、例えば、ＸＺ平面においてバケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分Ｐ３−Ｐ４の水平線に対する角度である。
【００１９】
ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、及び、バケット角度センサＭ３ｃは、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせで構成されていてもよい。
【００２０】
車体傾斜センサＭ３ｄは、ショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４、及び、ショベルのＸ軸回りの傾斜角θ５（図示せず。）を取得するように構成されている。車体傾斜センサＭ３ｄは、例えば２軸傾斜（加速度）センサ及び３軸傾斜（加速度）センサ等の少なくとも１つを含む。なお、図２のＸＹ平面は水平面である。
【００２１】
ブームロッド圧センサＭ５ａはブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（以下、「ブームロッド圧」とする。）を検出し、ブームボトム圧センサＭ５ｂはブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出する。アームロッド圧センサＭ５ｃはアームシリンダ８のロッド側油室の圧力（以下、「アームロッド圧」とする。）を検出し、アームボトム圧センサＭ５ｄはアームシリンダ８のボトム側油室の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）を検出する。バケットロッド圧センサＭ５ｅはバケットシリンダ９のロッド側油室の圧力（以下、「バケットロッド圧」とする。）を検出し、バケットボトム圧センサＭ５ｆはバケットシリンダ９のボトム側油室の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）を検出する。
【００２２】
次に、図３を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０及びエンジン制御装置（ＥＣＵ）７４等を含む。
【００２３】
エンジン１１はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５のそれぞれの入力軸に接続される。
【００２４】
メインポンプ１４は、作動油ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するように構成されている。メインポンプ１４は、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ１４は、斜板の角度（傾転角）の変化に応じてピストンのストローク長を調整し、吐出量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ１４の斜板は、レギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａは、コントローラ３０が出力する制御電流の変化に応じて斜板の傾転角を変化させる。レギュレータ１４ａは、例えば、制御電流の増加に応じ、斜板の傾転角を大きくして、メインポンプ１４の吐出量を多くする。また、レギュレータ１４ａは、制御電流の減少に応じ、斜板の傾転角を小さくして、メインポンプ１４の吐出量を少なくする。
【００２５】
パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して各種油圧制御機器に作動油を供給するように構成されている。パイロットポンプ１５は、例えば、固定容量型油圧ポンプである。
【００２６】
コントロールバルブ１７は、油圧システムを制御する油圧制御バルブである。コントロールバルブ１７は、例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの一又は複数のものに対し、メインポンプ１４から作動油ライン１６を通じて供給された作動油を選択的に供給する。以下の説明では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。
【００２７】
操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置２６は、レバー及びペダルを含む。操作装置２６は、パイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から作動油の供給を受ける。そして、パイロットライン２５ａ、２５ｂを通じて、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートにその作動油を供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量に対応する。
【００２８】
コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０のＣＰＵは、ショベルにおける各機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードし且つ実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する機能を実現させる。
【００２９】
具体的には、コントローラ３０は、例えば、メインポンプ１４の吐出量の制御を行う。コントローラ３０は、例えば、ネガティブコントロール弁（不図示）のネガティブコントロール圧に応じて上記制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出量を制御する。
【００３０】
エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、エンジン１１を制御するように構成されている。エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、例えば、コントローラ３０からの指令に基づき、エンジン回転数調整ダイヤル７５を用いて操作者が設定したエンジン回転数（モード）を実現するための燃料噴射量等をエンジン１１に出力する。
【００３１】
エンジン回転数調整ダイヤル７５は、キャビン１０内に設けられる、エンジン回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施例では、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１の５段階でエンジン回転数を切り換えることができるように構成されている。なお、図４は、エンジン回転数調整ダイヤル７５でＲ４が選択された状態を示す。
【００３２】
Ｒｍａｘは、エンジン１１の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。Ｒ４は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。Ｒ３は、三番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ２は、四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ１は、最も低いエンジン回転数（アイドリング回転数）であり、エンジン１１をアイドリング状態にしたい場合に選択される。本実施例では、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１は、それぞれ、２０００ｒｐｍ、１７５０ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、１２５０ｒｐｍ、１０００ｒｐｍである。そして、エンジン１１の回転数は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定されたエンジン回転数で一定となるように制御される。エンジン回転数調整ダイヤル７５で選択可能なエンジン回転数の数は、５つ以外であってもよい。
【００３３】
キャビン１０内の運転席の近傍には、操作者によるショベルの操作を補助するために、画像表示装置４０が設置されている。本実施例では、画像表示装置４０は、キャビン１０内のコンソールに固定されている。画像表示装置４０は、画像表示部４１及び入力部４２を含む。画像表示部４１は、ショベルの運転状況又はショベルの制御に関する情報を表示し、それらの情報を操作者に伝えることができる。また、操作者は、入力部４２を利用して様々な情報をコントローラ３０に入力できる。一般的に、運転席に着座した操作者からみて右側にブーム４が配置されており、操作者はブーム４の先端に取り付けられたアーム５及びバケット６を視認しながらショベルを操作することが多い。キャビン１０の右側前方のフレームは操作者の視界の妨げとなる部分であるが、本実施例では、この部分を利用して画像表示装置４０が設けられている。これにより、もともと視界の妨げとなっていた部分に画像表示装置４０が配置されるので、画像表示装置４０自体が操作者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、画像表示装置４０全体がフレームの幅内に収まるように、画像表示装置４０は、画像表示部４１が縦長となるように構成されてもよい。
【００３４】
本実施例では、画像表示装置４０は、ＣＡＮ又はＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。なお、画像表示装置４０は、専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。
【００３５】
画像表示装置４０は、画像表示部４１上に表示する画像を生成する変換処理部４０ａを含む。本実施例では、変換処理部４０ａは、ショベルに取り付けられた撮像装置Ｍ４の出力に基づいて画像表示部４１上に表示するカメラ画像を生成する。そのため、撮像装置Ｍ４は、例えば専用線を介して画像表示装置４０に接続される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成する。
【００３６】
変換処理部４０ａは、画像表示装置４０が有する機能としてではなく、コントローラ３０が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置Ｍ４は、画像表示装置４０ではなく、コントローラ３０に接続される。
【００３７】
画像表示装置４０は、入力部４２としてのスイッチパネルを含んでいてもよい。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施例では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ及びウインドウォッシャスイッチ４２ｃを含む。ライトスイッチ４２ａは、キャビン１０の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り換えるためのスイッチである。ワイパースイッチ４２ｂは、ワイパーの作動・停止を切り換えるためのスイッチである。ウインドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウインドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。
【００３８】
画像表示装置４０は、蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。蓄電池７０はオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、コントローラ３０及び画像表示装置４０以外のショベルの電装品７２等にも供給される。エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池７０からの電力で駆動され、エンジン１１を始動する。
【００３９】
エンジン１１は、上述のとおり、エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４により制御される。ＥＣＵ７４からは、エンジン１１の状態を示す各種データ（例えば、水温センサ１１ｃで検出される冷却水温（物理量）を示すデータ）がコントローラ３０に送信される。したがって、コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにこのデータを蓄積しておき、必要なときに画像表示装置４０に送信できる。
【００４０】
また、コントローラ３０には以下のように各種のデータが供給される。それらデータは、コントローラ３０の一時記憶部３０ａに格納される。
【００４１】
レギュレータ１４ａからは、斜板の傾転角を示すデータがコントローラ３０に供給される。また、メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータが、吐出圧力センサ１４ｂからコントローラ３０に送られる。これらのデータ（物理量を表すデータ）は一時記憶部３０ａに格納される。メインポンプ１４が吸入する作動油が貯蔵されたタンクとメインポンプ１４との間の管路には、油温センサ１４ｃが設けられており、その管路を流れる作動油の温度を表すデータが、油温センサ１４ｃからコントローラ３０に供給される。
【００４２】
また、操作装置２６を操作した際に、パイロットライン２５ａ、２５ｂを通じてコントロールバルブ１７に送られるパイロット圧が、油圧センサ１５ａ、１５ｂで検出され、検出したパイロット圧を示すデータがコントローラ３０に供給される。
【００４３】
エンジン回転数調整ダイヤル７５からは、エンジン回転数の設定状態を示すデータがコントローラ３０に送信される。
【００４４】
外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ４及びシリンダ圧検出装置Ｍ５等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ３０に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。
【００４５】
図４は、図１のショベルに搭載される駆動システムの構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、作動油ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。
【００４６】
ショベルの駆動システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、操作内容検出装置２９、コントローラ３０、外部演算装置３０Ｅ及びパイロット圧調整装置５０を含む。メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、図３のメインポンプ１４に対応する。吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲは、図３のレギュレータ１４ａに対応する。
【００４７】
コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１〜１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１〜１７６を通じ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。
【００４８】
本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を通じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。
【００４９】
操作内容検出装置２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出するように構成されている。本実施例では、操作内容検出装置２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。
【００５０】
エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。
【００５１】
センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る作動油ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る作動油ラインである。
【００５２】
流量制御弁１７１、１７２、１７３は、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、旋回用油圧モータ２Ａに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
【００５３】
流量制御弁１７４、１７５、１７６は、バケットシリンダ９、アームシリンダ８、ブームシリンダ７に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
【００５４】
吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を調整するように構成されている。本実施例では、吐出量調整装置１４ａＬはレギュレータであり、コントローラ３０からの制御指令に応じてメインポンプ１４Ｌの斜板傾転角を増減させてメインポンプ１４Ｌの押し退け容積を増減させることでメインポンプ１４Ｌの吐出量を調整する。具体的には、吐出量調整装置１４ａＬは、コントローラ３０が出力する制御電流が大きくなるにつれて斜板傾転角を増大させて押し退け容積を増大させることでメインポンプ１４Ｌの吐出量を増大させる。吐出量調整装置１４ａＲによるメインポンプ１４Ｒの吐出量の調整についても同様である。
【００５５】
パイロット圧調整装置５０は、流量制御弁のパイロットポートに供給されるパイロット圧を調整するように構成されている。本実施例では、パイロット圧調整装置５０は、コントローラ３０が出力する制御電流に応じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を用いてパイロット圧を増減させる減圧弁である。この構成により、パイロット圧調整装置５０は、例えば、操作者によるバケット操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてバケット６を開閉させることができる。また、操作者によるブーム操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム４を上下させることができる。下部走行体１の前進、後進、上部旋回体３の左旋回、右旋回、アーム５の開閉等についても同様である。
【００５６】
次に、図５を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。図５は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ４及びシリンダ圧検出装置Ｍ５の少なくとも１つの出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を動作制御部Ｅ１に対して出力する。
【００５７】
動作制御部Ｅ１はアタッチメントの動きを制御するための機能要素であり、例えば、パイロット圧調整装置５０及び流量制御弁１７１〜１７６等を含む。流量制御弁１７１〜１７６が電気信号に応じて動作する構成である場合、コントローラ３０は、流量制御弁１７１〜１７６に電気信号を直接的に送信する。
【００５８】
動作制御部Ｅ１は、アタッチメントの動きを自動調整した旨をショベルの操作者に知らせる情報通知装置を含んでいてもよい。情報通知装置は、例えば、音声出力装置、ＬＥＤランプ等を含む。
【００５９】
具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３及び掘削反力導出部３４を含む。
【００６０】
地形データベース更新部３１は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部３１は、例えばショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは、例えば、不揮発性メモリ等に記憶されている。作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述される。
【００６１】
位置座標更新部３２は、ショベルの現在位置を表す座標を更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベルの位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。
【００６２】
地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベルの現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。
【００６３】
地面形状情報取得部３３は、撮像装置Ｍ４が撮像したショベル周辺の画像に基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。地面形状情報取得部３３は、レーザレンジファインダ、レーザスキャナ、距離画像センサ又はライダ等の距離測定装置の出力に基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。
【００６４】
掘削反力導出部３４は掘削反力を導き出す機能要素である。掘削反力導出部３４は、例えば、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削反力を導き出す。掘削アタッチメントの姿勢は姿勢検出装置Ｍ３によって検出され、掘削対象地面の現在の形状に関する情報は地面形状情報取得部３３によって取得される。掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｍ５が出力する情報とに基づいて掘削反力を導き出してもよい。また、掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と、掘削対象地面の現在の形状に関する情報と、シリンダ圧検出装置Ｍ５が出力する情報とに基づいて掘削反力を導き出してもよい。
【００６５】
本実施例では、掘削反力導出部３４は、所定の計算式を用いて所定の演算周期で掘削反力を導き出す。例えば、掘削深さが深いほど、すなわち、ショベルの接地面とバケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）との間の鉛直距離が大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、例えば、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する地面挿入深さが大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、土砂密度等の土砂特性を考慮して掘削反力を導き出してもよい。土砂特性は、車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよく、シリンダ圧センサ等の各種センサの出力に基づいて自動的に算出される値であってもよい。
【００６６】
掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削中であるか否かを判定し、その判定結果をコントローラ３０に対して出力してもよい。掘削反力導出部３４は、例えば、バケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）と掘削対象地面との間の鉛直距離が所定値以下となった場合に掘削中であると判定する。掘削反力導出部３４は、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する前に掘削中であると判定してもよい。
【００６７】
ここで、図６を参照し、掘削初期段階について説明する。図６は掘削初期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示す。
【００６８】
掘削初期段階は、図６の矢印で示すようにバケット６を鉛直下方に移動させる段階を意味する。そのため、掘削初期段階における掘削反力Ｆｚは、主にバケット６の爪先を掘削対象地面に挿入する際の挿入抵抗で構成され、主に鉛直上方を向く。挿入抵抗はバケット６の爪先の地面挿入深さ（以下、「挿入深さｈ」とする。）が大きいほど大きくなる。地面挿入深さは、爪先食い込み深さ又は貫入深さとも称される。挿入抵抗は、バケット６の爪先の挿入深さｈが同じであれば、バケット爪先角度αが略９０度のときに最小となる。バケット爪先角度αは、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度であり、貫入角度とも称される。典型的には、バケット６の底面（背面）６Ｓを含む平面と掘削対象地面との間に形成される角度である。外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｍ３の出力と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット爪先角度αを算出する。なお、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中にブーム下げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削初期段階であると判定する。
【００６９】
外部演算装置３０Ｅは、所定のバケット爪先角度αと所定の力でバケット６を地面へ押し付けた際の、掘削初期段階におけるバケット６の爪先の挿入深さｈと挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）に基づいて掘削対象の硬さＫを導き出す。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、挿入深さｈと掘削反力Ｆｚと硬さＫとの対応関係を記憶する硬さテーブルを参照して掘削対象の硬さＫを導き出す。所定の計算式を用いて硬さＫを導き出してもよい。そして、外部演算装置３０Ｅは、導き出した硬さＫを不揮発性メモリ等に記憶する。１つの掘削対象地面に関して複数の硬さＫを導出した場合、それらの平均値を硬さＫとしてもよく、直近の値を硬さＫとしてもよい。最大値、最小値、中間値等の他の統計値を硬さＫとしてもよい。また、操作者は、掘削対象である作業領域の地面の硬さの測定値を事前に取得している場合には、車載入力装置等を通じ、その測定値を硬さＫとして入力してもよい。
【００７０】
外部演算装置３０Ｅは、硬さＫを導き出すときのバケット６の爪先の挿入深さｈを制御してもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、硬さＫを導き出すときのバケット６の爪先の挿入深さｈが所定の挿入深さとなるように、アタッチメントを駆動させてもよい。
【００７１】
外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに関する情報を画像表示装置４０で表示させてもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに関する情報を地形データベースに記憶してもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに関する情報を外部機器に向けて送信してもよい。外部機器は、例えば、管理センタに設置された管理装置、及び、ショベルの操作者若しくはショベルの周囲で作業する作業者等の関係者が携帯するスマートフォン等の支援装置の少なくとも１つを含む。
【００７２】
挿入深さｈは、例えば、掘削反力導出部３４により、バケット爪先位置と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて導き出される。掘削反力Ｆｚは、例えば、掘削反力導出部３４により、掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｍ５が出力する情報とに基づいて導き出される。
【００７３】
図７は、硬さテーブルに記憶された対応関係を表すグラフであり、縦軸に挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）を配置し、横軸に挿入深さｈを配置している。図７に示すように、挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）は、例えば、挿入深さｈの二乗に比例する関数として表される。係数Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２は、硬さＫの例であり、値が大きいほど硬いことを表す。例えば、硬さＫがＫ０以上の場合（例えばＫ１の場合）に硬いと判定され、硬さＫがＫ０未満の場合（例えばＫ２の場合）に硬くない（軟らかい）と判定される。硬いか軟らかいかの２段階でなく３段階以上で判定されてもよい。
【００７４】
外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削反力導出部３４が導き出した挿入深さｈ及び挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）と、図７に示すような対応関係とに基づいて硬さＫを導き出す。
【００７５】
外部演算装置３０Ｅは、所定の掘削アタッチメントの姿勢若しくは所定のバケット爪先角度で且つ所定のブームロッド圧でブーム４を下げてバケット６の爪先を掘削対象地面に突き刺したときのショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４（浮き上がり角）から硬さＫを導き出してもよい。この場合、傾斜角θ４（図２参照。）が大きいほど大きい硬さＫを導き出す。
【００７６】
外部演算装置３０Ｅは、土砂密度から硬さＫを導き出してもよい。例えば、ブームボトム圧等から算出されるバケット６内に取り込まれた掘削対象の単位体積重量（土砂密度）から硬さＫを導き出してもよい。この場合、土砂密度と硬さＫとの対応関係は、例えば、不揮発性メモリに予め記憶されていてもよい。
【００７７】
外部演算装置３０Ｅは、上述の方法による導出結果の２つ以上を組み合わせて硬さＫを導き出してもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫを数値として導き出す代わりに、掘削対象の硬さＫを複数の硬さ段階から選択してもよい。
【００７８】
このように、外部演算装置３０Ｅは、例えば試し掘削を行うことで、掘削対象の硬さＫを導き出す。そして、掘削対象の硬さＫに基づいて掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する。
【００７９】
硬さＫは、タッチパネル等の車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよい。操作者が入力する値は、例えば、砂、岩、土等の掘削対象の種類、土質に関する値等であってもよく、硬度計等の計測器を用いて計測された硬度等の値であってもよい。
【００８０】
次に、図８を参照し、外部演算装置３０Ｅが掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する処理（以下、「掘削支援処理」とする。）の一例について説明する。図８は、掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。外部演算装置３０Ｅは、ショベルの稼働中に所定の制御周期で繰り返しこの掘削支援処理を実行する。
【００８１】
最初に、外部演算装置３０Ｅは、掘削アタッチメントの姿勢に基づいてバケット６の爪先と掘削対象地面との間の距離が閾値ＴＨ１以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。
【００８２】
距離が閾値ＴＨ１より大きいと判定した場合（ステップＳＴ１のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削動作を支援することなく、今回の掘削支援処理を終了させる。現時点では、バケット６の爪先と掘削対象地面は接触しないと判断できるためである。
【００８３】
一方で、距離が閾値ＴＨ１以下であると判定した場合（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、試し掘削の際に不揮発性メモリに記憶された硬さＫを読み出して所定の硬さＴＨ２と比較する。所定の硬さＴＨ２は、例えば、図７の係数Ｋ０に対応する。
【００８４】
掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αを所定角度（例えば９０度）に調整する（ステップＳＴ３）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αが所定角度になるように、アタッチメントを駆動させる。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、ブーム４、アーム５及びバケット６の少なくとも１つを自動的に或いは半自動的に動作させる。「自動的に動作させる」は、操作装置２６の操作量とは無関係に動作させることを意味する。「半自動的に動作させる」は、操作装置２６の操作量を補う形で動作させることを意味する。
【００８５】
掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定した場合（ステップＳＴ２のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削動作を支援することなく、今回の掘削支援処理を終了させる。掘削対象地面が十分に軟らかく、掘削動作を支援する必要はない、すなわち、バケット爪先角度αを所定の角度に限定する必要はないと判断できるためである。
【００８６】
図９は、外部演算装置３０Ｅがバケット爪先角度αを所定角度αＰに調整する様子を示す。図９のバケット６ｔは、現時点におけるバケット６の位置を示す。バケット６ｔ１〜６ｔ３は、バケット爪先角度αの調整が行われる場合の、時刻ｔ１〜ｔ３のそれぞれにおけるバケット６の位置を示す。バケット６'ｔ１〜６'ｔ３は、バケット爪先角度αの調整が行われない場合の、時刻ｔ１〜ｔ３のそれぞれにおけるバケット６の位置を示す。この例では、操作者は、アーム閉じ操作のみでバケット６の爪先を地面に接触させようとしている。
【００８７】
外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αの調整を行わない場合、バケット６の爪先が時刻ｔ３において接触点ＣＰで地面と接触し、且つ、そのときのバケット爪先角度αがαＮになると予測する。
【００８８】
その上で、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αの調整を行う場合、バケット６の爪先が接触点ＣＰで地面と接触し、且つ、そのときのバケット爪先角度αが所定角度αＰとなるように掘削アタッチメントを動作させる。この例では、外部演算装置３０Ｅは、アーム閉じ操作が行われているときに、ブーム４を自動的に上昇させ、且つ、バケット６を自動的に開くことで、バケット６の爪先を接触点ＣＰで地面に接触させる。
【００８９】
外部演算装置３０Ｅは、バケット６を自動的に開くのみで、バケット６の爪先と地面が接触したときのバケット爪先角度αが所定角度αＰとなるようにしてもよい。この場合、接触点ＣＰとは異なる点でバケット６の爪先を地面に接触させてもよい。
【００９０】
この構成により、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象（地面）が硬い場合、所定角度αＰでバケット６の爪先を地面に接触させることができる。そのため、硬い地面を効率的に破壊できる。
【００９１】
なお、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ３（≦ＴＨ２）より小さい場合、すなわち、掘削対象が軟らかい場合に、バケット爪先角度αを所定角度αＱ（例えば所定角度αＰより大きい鈍角）に調整してもよい。１回の掘削動作でバケット内に取り込まれる土砂の量を増大させるためである。この場合、外部演算装置３０Ｅは、必要に応じ、バケット爪先角度αを所定角度αＰより小さい鋭角に調整してもよい。掘削対象が軟らかいため、バケット爪先角度αを９０度以外に調整したとしても、掘削負荷が過度に大きくなることはないためである。
【００９２】
次に、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照し、掘削対象の硬さＫが所定の硬さより硬いと判定されたときに実行される掘削支援処理の別の例について説明する。
【００９３】
外部演算装置３０Ｅは、図１０Ａに示すように、バケット６の爪先と地面とが接触したときに、バケット６の爪先を揺動中心としてバケット６を前後に揺動させてもよい。硬い地面を効率的に破壊できるようにするためである。例えば、外部演算装置３０Ｅは、掘削初期段階において掘削対象の硬さＫが所定の硬さより硬いと判定した場合に、ブーム４の微小な上下動、アーム５の微小な開閉、及び、バケット６の微小な開閉の少なくとも１つを繰り返すことでバケット６の爪先を揺動させてもよい。
【００９４】
また、外部演算装置３０Ｅは、図１０Ｂに示すように、バケット６の爪先と地面とが接触したときに、バケット６の爪先を上下に振動させてもよい。具体的には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９の少なくとも２つを同時に伸縮させてバケット６を上下に振動させてもよい。
【００９５】
また、外部演算装置３０Ｅは、図１０Ｃに示すように、バケット６の爪先と地面とを接触させる際に、掘削力が掘削対象地面に垂直に作用するように掘削アタッチメントの姿勢を調整してもよい。例えば、調整前のアタッチメント長ＴＲＳよりも短いアタッチメント長ＴＲＨをもたらす掘削アタッチメントの姿勢を用いることによって、掘削力ができるだけ掘削対象地面に垂直に作用するようにしてもよい。掘削アタッチメントによる掘削力に、ショベルの自重による掘削力を加えることができるようにするためである。
【００９６】
上述の方法のうちの少なくとも１つの方法により、外部演算装置３０Ｅは、硬い地面を効率的に破壊できる。外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫに応じて上述の何れの方法を採用するかを決定してもよい。例えば、硬さＫが所定の硬さＴＨ４より大きい場合に図１０Ａの方法を採用し、所定の硬さＴＨ５（＞ＴＨ４）より大きい場合に図１０Ｂの方法を採用し、所定の硬さＴＨ６（＞ＴＨ５）より大きい場合に図１０Ｃの方法を採用してもよい。
【００９７】
次に、図１１を参照し、掘削支援処理の更に別の一例について説明する。図１１は、掘削支援処理の更に別の一例を示すフローチャートである。外部演算装置３０Ｅは、ショベルの稼働中に所定の制御周期で繰り返しこの掘削支援処理を実行する。
【００９８】
最初に、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階であるか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。掘削中期段階は、バケット６をショベルの機体側に引き寄せる段階を意味する。本実施例では、外部演算装置３０Ｅの掘削反力導出部３４は、例えば、掘削中にアーム閉じ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定する。或いは、外部演算装置３０Ｅは、掘削中にブーム下げ操作が行われておらず且つアーム閉じ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定してもよい。
【００９９】
掘削中期段階であると判定した場合（ステップＳＴ１１のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ１２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、試し掘削の際に不揮発性メモリに記憶された硬さＫを読み出して所定の硬さＴＨ２と比較する。但し、硬さＫは、各掘削動作の掘削初期段階で算出されてもよい。
【０１００】
掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削支援機能を開始する（ステップＳＴ１３）。
【０１０１】
掘削中期段階でないと判定した場合（ステップＳＴ１１のＮＯ）、或いは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定した場合（ステップＳＴ１２のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削支援機能を開始することなく、今回の掘削支援処理を終了させる。
【０１０２】
掘削支援機能は、例えば、掘削アタッチメントを全自動又は半自動で動作させて掘削動作を支援する機能である。この場合、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中期段階においてアーム閉じ操作が行われている際に、掘削深さが目標掘削深さＤとなるようにバケット６を自動的に開閉させる。ブーム４を自動的に上下動させてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削深さが目標掘削深さＤを超えそうなときには、目標掘削深さＤを超えないよう、バケット６を自動的に閉じてもよい。或いは、掘削深さが目標掘削深さＤに達しそうにないときには、目標掘削深さＤに達するよう、バケット６を自動的に開いてもよい。ブーム４の上下動についても同様である。また、アーム５の閉じ速度を調整してもよい。
【０１０３】
目標掘削深さＤは、例えば、掘削対象の硬さＫに応じて決定される。典型的には、掘削対象が硬いほど目標掘削深さＤが浅くなるように決定される。掘削対象が硬いにもかかわらず深い掘削が行われて掘削反力が過度に大きくなってしまうのを防止するためである。
【０１０４】
図１１の例では、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合に限り、掘削支援機能を開始するが、掘削対象の硬さＫとは無関係に、掘削支援機能を開始してもよい。この場合、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定した場合の目標掘削深さが、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定した場合の目標掘削深さより小さくなるようにする。
【０１０５】
このように、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫを導き出し、その硬さＫに基づいて掘削動作を支援するか否かを決定する。或いは、その硬さＫに応じて掘削動作の支援の内容を決定する。そのため、硬い掘削対象地面をより効率的に掘削できる。
【０１０６】
次に、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照し、図１１の掘削支援処理によってバケット爪先角度αが調整される様子について説明する。図１２Ａは、外部演算装置３０Ｅが掘削深さを目標掘削深さＤＨ又は目標掘削深さＤＳに調整する様子を示す。目標掘削深さＤＨは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定された場合（硬い地面の場合）の目標値であり、目標掘削深さＤＳは、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定された場合（軟らかい地面の場合）の目標値である。
【０１０７】
図１２Ａは、バケット６と掘削対象地面の関係を示す図であり、一点鎖線は硬い地面を掘削するバケット６の爪先の軌跡を表し、二点鎖線は軟らかい地面を掘削するバケット６の爪先の軌跡を表す。図１２Ｂは、アタッチメント長ＴＲとバケット角度θ３及びバケット爪先角度αのそれぞれとの関係を示すグラフであり、一点鎖線は硬い地面を掘削するときの推移を示し、二点鎖線は軟らかい地面を掘削するときの推移を示す。
【０１０８】
この例では、硬い地面及び軟らかい地面の何れを掘削する場合であっても、アタッチメント長ＴＲが値ＴＲ０のとき、バケット６は、爪先を接触点ＣＰで地面に接触させている。このとき、バケット角度θ３は値θ３０であり、バケット爪先角度αは値α０である。
【０１０９】
外部演算装置３０Ｅは、アーム閉じ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定する。そして、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２より大きいと判定すると、掘削深さが目標掘削深さＤＨとなるようにバケット６を自動的に閉じる。具体的には、図１２Ａに示すように、バケット６の爪先が一点鎖線で表された軌跡に沿って移動するように、アーム５の閉じ具合に合わせてバケット６を閉じる。その結果、アタッチメント長ＴＲが値ＴＲ１のとき、バケット角度θ３は値θ３Ｈとなり、バケット爪先角度αは値αＨとなる。
【０１１０】
一方、掘削対象の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以下であると判定すると、外部演算装置３０Ｅは、掘削深さが目標掘削深さＤＳとなるようにバケット６を自動的に閉じる。具体的には、図１２Ａに示すように、バケット６の爪先が二点鎖線で表された軌跡に沿って移動するように、アーム５の閉じ具合に合わせてバケット６を閉じる。その結果、アタッチメント長ＴＲが値ＴＲ１のとき、バケット角度θ３は値θ３Ｓ（＞θ３Ｈ）となり、バケット爪先角度αは値αＳ（＞αＨ）となる。
【０１１１】
この例では、掘削中期段階の完了時にアタッチメント長ＴＲが値ＴＲ２になると、バケット６は、硬い地面及び軟らかい地面の何れを掘削した場合であっても同じ位置で同じ姿勢になっている。
【０１１２】
このように、外部演算装置３０Ｅは、アーム閉じ操作が行われているときにバケット６を自動的に閉じることで、掘削深さが、掘削対象の硬さＫに応じた目標掘削深さとなるようにする。但し、外部演算装置３０Ｅは、目標掘削深さが実現されるようにブーム４を自動的に上昇させてもよい。
【０１１３】
この構成により、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象が硬い場合の掘削深さを、掘削対象が軟らかい場合の掘削深さより浅くすることができる。そのため、掘削対象が硬い場合には、例えば地面を剥がすような掘削動作が行われ、硬い地面を掘削する際に掘削反力が過度に増大してバケットが動かなくなってしまうような無駄な掘削動作が行われてしまうのを防止できる。その結果、硬い地面を効率的に掘削できる。また、掘削対象が軟らかい場合の掘削深さを、掘削対象が硬い場合の掘削深さより深くすることができる。そのため、１回の掘削動作による掘削量を大きくすることができる。その結果、軟らかい地面を効率的に掘削できる。
【０１１４】
上述の通り、外部演算装置３０Ｅは、アタッチメントを駆動させることで、掘削対象地面の硬さＫに応じ、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度を制御する。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象地面の硬さＫに応じ、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触するときのバケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度（バケット爪先角度α）を自動的に調整する。そのため、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、硬い地面を効率的に破壊でき且つ効率的に掘削できる。また、軟らかい地面に対しては１回の掘削動作による掘削量をできるだけ大きくすることで、軟らかい地面を効率的に掘削できる。
【０１１５】
外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫに応じてバケット角度θ３を制御してもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫに応じてバケット角度θ３を自動的に調整してもよい。この構成により、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、掘削対象地面の硬さＫに適した掘削深さを実現できる。
【０１１６】
外部演算装置３０Ｅは、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する位置（接触点ＣＰ）を決定してもよい。具体的には、バケット６の爪先と掘削対象地面とを接触させる前にバケット爪先角度αを調整する際に、その調整が行われなかったときの接触点ＣＰの位置を予測し、その接触点ＣＰを目標接触点とする。そして、バケット爪先角度αの調整が行われたときにその接触点ＣＰでバケット６の爪先と掘削対象地面とが接触するようにブーム４、アーム５及びバケット６の少なくとも１つを自動的に或いは半自動的に動かすようにする。この構成により、外部演算装置３０Ｅは、バケット爪先角度αの調整を行う場合であっても、操作者がバケット６の爪先を接触させようとした位置にバケット６の爪先を接触させることができる。
【０１１７】
外部演算装置３０Ｅは、必要に応じ、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さ以上であるときのアタッチメント長を、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さ未満であるときのアタッチメント長より小さくしてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、例えば図１０Ｃに示すように、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する際に、アタッチメント長ＴＲを調整してもよい。例えば、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上であるときのアタッチメント長ＴＲＨを、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２未満であるときのアタッチメント長ＴＲＳより小さくしてもよい。掘削アタッチメントによる掘削力に、ショベルの自重による掘削力を加えることができるようにするためである。この構成により、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、硬い地面をより効率的に破壊できる。
【０１１８】
外部演算装置３０Ｅは、例えば図１０Ａに示すように、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上である場合、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触しているときに、バケット６を前後に揺動させてもよい。或いは、外部演算装置３０Ｅは、例えば図１０Ｂに示すように、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上である場合、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触しているときに、バケット６を上下に振動させてもよい。硬い地面をより効率的に破壊するためである。
【０１１９】
外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上であるときのバケット角度θ３を、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２未満であるときのバケット角度θ３より小さくしてもよい。或いは、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階において、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２未満であるときのバケット角度θ３を、掘削対象地面の硬さＫが所定の硬さＴＨ２以上であるときのバケット角度θ３より大きくしてもよい。バケット爪先角度αについても同様である。掘削対象地面の硬さＫに適した掘削深さで掘削できるようにするためである。この構成により、外部演算装置３０Ｅを搭載するショベルは、硬い地面をより効率的に掘削できる。
【０１２０】
以上、本発明の好ましい実施例が説明された。しかしながら、本発明は、上述した実施例に限定されることはない。上述した実施例は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形、置換等が適用され得る。また、上述の実施例を参照して説明された特徴のそれぞれは、技術的に矛盾しない限り、適宜に組み合わされてもよい。
【０１２１】
例えば、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の制御装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されていてもよい。また、コントローラ３０の代わりに外部演算装置３０Ｅが動作制御部Ｅ１を直接的に制御してもよい。
【０１２２】
本願は、２０１７年７月５日に出願した日本国特許出願２０１７−１３２０３０号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
【符号の説明】
【０１２３】
１・・・下部走行体  １Ａ・・・左走行用油圧モータ  １Ｂ・・・右走行用油圧モータ  ２・・・旋回機構  ２Ａ・・・旋回用油圧モータ  ３・・・上部旋回体  ４・・・ブーム  ５・・・アーム  ６・・・バケット  ７・・・ブームシリンダ  ８・・・アームシリンダ  ９・・・バケットシリンダ  １０・・・キャビン  １１・・・エンジン  １１ａ・・・オルタネータ  １１ｂ・・・スタータ  １１ｃ・・・水温センサ  １４、１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ  １４ａ・・・レギュレータ  １４ａＬ、１４ａＲ・・・吐出量調整装置  １４ｂ・・・吐出圧力センサ  １４ｃ・・・油温センサ  １５・・・パイロットポンプ  １５ａ、１５ｂ・・・油圧センサ  １６・・・作動油ライン  １７・・・コントロールバルブ  ２５、２５ａ、２５ｂ・・・パイロットライン  ２６・・・操作装置  ２９・・・操作内容検出装置  ３０・・・コントローラ  ３０ａ・・・一時記憶部  ３０Ｅ・・・外部演算装置  ３１・・・地形データベース更新部  ３２・・・位置座標更新部  ３３・・・地面形状情報取得部  ３４・・・掘削反力導出部  ４０・・・画像表示装置  ４０ａ・・・変換処理部  ４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路  ４１・・・画像表示部  ４２・・・入力部  ４２ａ・・・ライトスイッチ  ４２ｂ・・・ワイパースイッチ  ４２ｃ・・・ウインドウォッシャスイッチ  ５０・・・パイロット圧調整装置  ７０・・・蓄電池  ７２・・・電装品  ７４・・・エンジン制御装置（ＥＣＵ）  ７５・・・エンジン回転数調整ダイヤル  １７１〜１７６・・・流量制御弁  Ｅ１・・・動作制御部  Ｍ１・・・通信装置  Ｍ２・・・測位装置  Ｍ３・・・姿勢検出装置  Ｍ３ａ・・・ブーム角度センサ  Ｍ３ｂ・・・アーム角度センサ  Ｍ３ｃ・・・バケット角度センサ  Ｍ３ｄ・・・車体傾斜センサ  Ｍ４・・・撮像装置  Ｍ５・・・シリンダ圧検出装置  Ｍ５ａ・・・ブームロッド圧センサ  Ｍ５ｂ・・・ブームボトム圧センサ  Ｍ５ｃ・・・アームロッド圧センサ  Ｍ５ｄ・・・アームボトム圧センサ  Ｍ５ｅ・・・バケットロッド圧センサ  Ｍ５ｆ・・・バケットボトム圧センサ
【図１】
2019009341.tif 000002
【図２】
2019009341.tif 000003
【図３】
2019009341.tif 000004
【図４】
2019009341.tif 000005
【図５】
2019009341.tif 000006
【図６】
2019009341.tif 000007
【図７】
2019009341.tif 000008
【図８】
2019009341.tif 000009
【図９】
2019009341.tif 000010
【図１０Ａ】
2019009341.tif 000011
【図１０Ｂ】
2019009341.tif 000012
【図１０Ｃ】
2019009341.tif 000013
【図１１】
2019009341.tif 000014
【図１２Ａ】
2019009341.tif 000015
【図１２Ｂ】
2019009341.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月19日(2018.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、掘削対象地面の硬さに応じ、バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を制御する、
ショベル。
【請求項２】
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さに応じてバケット角度を制御する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記制御装置は、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触する位置を決定する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項４】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのアタッチメント長を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのアタッチメント長より小さくする、
請求項１に記載のショベル。
【請求項５】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上である場合、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときに、前記バケットを上下に振動させ或いは前後に揺動させる、
請求項１に記載のショベル。
【請求項６】
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのバケット角度を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのバケット角度より小さくする、
請求項１に記載のショベル。
【請求項７】
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ未満であるときのバケット角度を、前記掘削対象地面の硬さが所定の硬さ以上であるときのバケット角度より大きくする、
請求項１に記載のショベル。
【請求項８】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに応じ、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときの前記バケットの爪先の前記掘削対象地面に対する角度を調整する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項９】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに応じてバケットの挿入深さを制御する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を画像表示装置で表示させる、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を地形データベースに記憶する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記掘削対象地面の硬さに関する情報を外部機器に向けて送信する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１３】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられる、バケットを含むアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触するときの前記バケットの爪先の掘削対象地面に対する角度を調整する、
ショベル。
【請求項１４】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられる、バケットを含むアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、掘削中期段階において、前記バケットのバケット角度を調整する、
ショベル。
【請求項１５】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられる、アーム及びバケットを含むアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントを駆動させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記アームの閉じ具合に合わせて前記バケットのバケット角度を調整する、
ショベル。
【国際調査報告】
2019009341.tif 000017
2019009341.tif 000018
2019009341.tif 000019
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