(57)【要約】  建設機械は、作業機と、距離算出部（２６４）と、油圧シリンダ制御部（２６５）とを備えている。作業機は、ブームと、アームと、バケットとを含んでいる。距離算出部（２６４）は、バケットの監視ポイントと整地対象の目標形状を示す設計地形との距離を算出する。油圧シリンダ制御部（２６５）は、監視ポイントと設計地形との距離が所定値以下であり、かつアームの動作により監視ポイントが設計地形から離れる方向にバケットが移動すると予想されるとき、ブーム下げを行うための指令信号を出力する。
2018189765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブームと、アームと、バケットとを含む作業機と、
前記バケットの監視ポイントと掘削対象の目標形状を示す設計地形との距離を算出する距離算出部と、
前記監視ポイントと前記設計地形との距離が所定値以下であり、かつ前記アームの動作により前記監視ポイントが前記設計地形から離れる方向に前記バケットが移動すると予想されるとき、前記ブーム下げを行うための指令信号を出力する制御部と、を備える、建設機械。
【請求項２】
前記距離算出部は、前記バケットにおける複数の監視ポイントと前記設計地形との距離をそれぞれ算出し、
前記制御部は、前記複数の監視ポイントのうち、前記設計地形との距離が最小となる監視ポイントが前記設計地形から離れる方向に前記バケットが移動すると予想されるとき、前記指令信号を出力する、請求項１に記載の建設機械。
【請求項３】
前記ブームを駆動するブームシリンダと、
前記ブームシリンダを動作させるためのオペレータ操作を受け付ける操作装置とを備え、
前記制御部は、前記操作装置が操作されていないことを条件として、前記指令信号を出力する、請求項１または２に記載の建設機械。
【請求項４】
ブームと、アームと、バケットとを含む作業機を有する建設機械の制御方法であって、
前記バケットの監視ポイントと掘削対象の目標形状を示す設計地形との距離を算出するステップと、
前記監視ポイントと前記設計地形との距離が所定値以下であり、かつ前記アームの動作により前記監視ポイントが前記設計地形から離れる方向に前記バケットが移動すると予想されるとき、前記ブーム下げを行うための指令信号を出力するステップと、を備える、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルのような建設機械は、ブームとアームとバケットとを有する作業機を備える。建設機械の制御において、掘削対象の目標形状である設計地形に基づいてバケットを移動させる自動制御が知られている。【０００３】
特開平９−３２８７７４号公報（特許文献１）には、バケットの刃先が基準面に沿って移動することによりバケットに当接する土砂を掻き均し、平らな基準面に応じた面を作る整地作業を自動制御する方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２８７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記整地作業においては、簡易な操作で整地できることが望ましい。
本発明の目的は、簡易な操作で整地するための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来の整地制御では、設計地形よりも深く掘り込むことを回避するために、バケットの刃先などの監視ポイントが設計地形よりも下がりそうなときブームを自動で強制的に上げる制御が行なわれている。【０００７】
本発明者は、バケットの監視ポイントが設計地形から離れるように移動するときにもブームを自動制御することによって、従来よりも広範囲の地形を整地制御を実行した状態で整地できることを見出し、本発明を以下のような構成とした。【０００８】
すなわち、本発明に従う建設機械は、作業機と、距離算出部と、制御部とを備えている。作業機は、ブームと、アームと、バケットとを含んでいる。距離算出部は、バケットの監視ポイントと整地対象の目標形状を示す設計地形との距離を算出する。制御部は、監視ポイントと設計地形との距離が所定値以下であり、かつアームの動作により監視ポイントが設計地形から離れる方向にバケットが移動すると予想されるとき、ブーム下げを行うための指令信号を出力する。
【発明の効果】
【０００９】
建設機械に関して、簡易な操作で整地することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に基づく建設機械の外観図である。
【図２】実施形態に基づく建設機械を模式的に説明する図である。
【図３】実施形態に基づく制御システムの構成を示す機能ブロック図である。
【図４】実施形態に基づく油圧システムの構成を示す図である。
【図５】設計地形の断面図である。
【図６】刃先と設計地形との位置関係を示す模式図である。
【図７】背面端と設計地形との位置関係を示す模式図である。
【図８】バケットの姿勢に基づく監視ポイントの選択について示す第１の図である。
【図９】バケットの姿勢に基づく監視ポイントの選択について示す第２の図である。
【図１０】本発明適用前の整地制御が行なわれている場合の作業機の動作を模式的に示す第１の図である。
【図１１】本発明適用前の整地制御が行なわれている場合の作業機の動作を模式的に示す第２の図である。
【図１２】本発明適用前の整地制御が行なわれている場合の作業機の動作を模式的に示す第３の図である。
【図１３】実施形態に基づく整地制御を実行する制御システムの構成を示す機能ブロック図である。
【図１４】実施形態に基づく制御システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１５】実施形態の整地制御が行なわれている場合の作業機の動作を模式的に示す第１の図である。
【図１６】実施形態の整地制御が行なわれている場合の作業機の動作を模式的に示す第２の図である。
【図１７】実施形態の整地制御が行なわれている場合の作業機の動作を模式的に示す第３の図である。
【図１８】操作装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることが可能である。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
【００１２】
＜建設機械の全体構成＞
図１は、実施形態に基づく建設機械１００の外観図である。図１に示されるように、建設機械１００として、本例においては、おもに油圧ショベルを例に挙げて説明する。
【００１３】
建設機械１００は、本体１と、油圧により作動する作業機２とを有している。本体１は、旋回体３と、走行装置５とを有している。走行装置５は、一対の履帯５Ｃｒを有している。建設機械１００は、履帯５Ｃｒの回転により走行可能である。なお、走行装置５が車輪（タイヤ）を有していてもよい。
【００１４】
旋回体３は、走行装置５の上に配置され、かつ走行装置５により支持されている。旋回体３は、旋回軸ＡＸを中心として走行装置５に対して旋回可能である。旋回体３は、運転室４を有している。この運転室４には、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられている。オペレータは、運転室４において建設機械１００を操作可能である。
【００１５】
旋回体３は、エンジンが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有している。旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられている。エンジンルーム９には、図示しないエンジン及び油圧ポンプなどが配置されている。
【００１６】
作業機２は、旋回体３に支持されている。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８とを有している。ブーム６は旋回体３に接続されている。アーム７はブーム６に接続されている。バケット８はアーム７に接続されている。
【００１７】
ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して旋回体３に接続されている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に接続されている。バケット８は、バケットピン１５を介してアーム７の先端部に接続されている。
【００１８】
ブーム６は、ブームピン１３を中心に回転可能である。アーム７は、アームピン１４を中心に回転可能である。バケット８は、バケットピン１５を中心に回転可能である。アーム７及びバケット８のそれぞれは、ブーム６の先端側で移動可能な可動部材である。
【００１９】
なお本実施形態においては、作業機２を基準として、建設機械１００の各部の位置関係について説明する。
【００２０】
作業機２のブーム６は、旋回体３に対して、ブーム６の基端部に設けられたブームピン１３を中心に回動する。旋回体３に対して回動するブーム６の特定の部分、たとえばブーム６の先端部が移動する軌跡は円弧状であり、その円弧を含む平面が特定される。建設機械１００を平面視した場合に、当該平面は直線として表される。この直線の延びる方向が、建設機械１００の本体１の前後方向、または旋回体３の前後方向であり、以下では単に前後方向ともいう。建設機械１００の本体１の左右方向（車幅方向）、または旋回体３の左右方向とは、平面視において前後方向と直交する方向であり、以下では単に左右方向ともいう。
【００２１】
前後方向において、建設機械１００の本体１から作業機２が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。
【００２２】
前後方向とは、運転室４内の運転席に着座したオペレータの前後方向である。運転席に着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席に着座したオペレータの背後方向が後方向である。左右方向とは、運転席に着座したオペレータの左右方向である。運転席に着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。
【００２３】
作業機２は、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２とを有している。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２のそれぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。
【００２４】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、実施形態に基づく建設機械１００を模式的に説明する図である。図２（Ａ）には、建設機械１００の側面図が示されている。図２（Ｂ）には、建設機械１００の背面図が示されている。
【００２５】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、ブーム６の長さ、すなわちブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわちバケットピン１５からバケット８の刃先８ａまでの長さは、Ｌ３ａである。バケット８は、複数の刃を有し、本例においては、バケット８の先端部を刃先８ａと称する。また、バケットピン１５からバケット８の背面側最外端（以下、背面端８ｂという）までの長さは、Ｌ３ｂである。刃先８ａおよび背面端８ｂは、バケット８に設定されている監視ポイントの一例、または、監視ポイントが有する複数の監視部の一例である。
【００２６】
なお、バケット８は、刃を有していなくてもよい。バケット８の先端部は、ストレート形状の鋼板で形成されていてもよい。
【００２７】
建設機械１００は、ブームシリンダストロークセンサ１６と、アームシリンダストロークセンサ１７と、バケットシリンダストロークセンサ１８とを有している。ブームシリンダストロークセンサ１６はブームシリンダ１０に配置されている。アームシリンダストロークセンサ１７はアームシリンダ１１に配置されている。バケットシリンダストロークセンサ１８はバケットシリンダ１２に配置されている。ブームシリンダストロークセンサ１６、アームシリンダストロークセンサ１７およびバケットシリンダストロークセンサ１８は、総称してシリンダストロークセンサとも称する。
【００２８】
ブームシリンダストロークセンサ１６の検出結果に基づいて、ブームシリンダ１０のストローク長さが求められる。アームシリンダストロークセンサ１７の検出結果に基づいて、アームシリンダ１１のストローク長さが求められる。バケットシリンダストロークセンサ１８の検出結果に基づいて、バケットシリンダ１２のストローク長さが求められる。
【００２９】
本例においては、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２のストローク長さをそれぞれブームシリンダ長、アームシリンダ長およびバケットシリンダ長とも称する。また、本例においては、ブームシリンダ長、アームシリンダ長、およびバケットシリンダ長を総称してシリンダ長データＬとも称する。なお、角度センサを用いてストローク長さを検出する方式を採用することも可能である。
【００３０】
建設機械１００は、建設機械１００の位置を検出可能な位置検出装置２０を備えている。
【００３１】
位置検出装置２０は、アンテナ２１と、グローバル座標演算部２３と、ＩＭＵ（Inertial  Measurement  Unit）２４とを有している。
【００３２】
アンテナ２１は、たとえばＧＮＳＳ（Global  Navigation  Satellite  Systems：全地球航法衛星システム）用のアンテナである。アンテナ２１は、たとえばＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real  Time  Kinematic-Global  Navigation  Satellite  Systems）用アンテナである。
【００３３】
アンテナ２１は、旋回体３に設けられている。本例においては、アンテナ２１は、旋回体３の手すり１９に設けられている。なお、アンテナ２１は、エンジンルーム９の後方向に設けられてもよい。たとえば、旋回体３のカウンタウェイトにアンテナ２１が設けられてもよい。アンテナ２１は、受信した電波（ＧＮＳＳ電波）に応じた信号をグローバル座標演算部２３に出力する。
【００３４】
グローバル座標演算部２３は、グローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置Ｐ１を検出する。グローバル座標系は、作業エリアに設置した基準位置Ｐｒを元にした３次元座標系（Ｘｇ、Ｙｇ、Ｚｇ）である。本例においては、基準位置Ｐｒは、作業エリアに設定された基準杭の先端の位置である。また、ローカル座標系とは、建設機械１００を基準とした、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で示される３次元座標系である。ローカル座標系の基準位置は、旋回体３の旋回軸（旋回中心）ＡＸに位置する基準位置Ｐ２を示すデータである。
【００３５】
本例においては、アンテナ２１は、車幅方向に互いに離れるように旋回体３に設けられた第１アンテナ２１Ａ及び第２アンテナ２１Ｂを有している。
【００３６】
グローバル座標演算部２３は、第１アンテナ２１Ａの設置位置Ｐ１ａ及び第２アンテナ２１Ｂの設置位置Ｐ１ｂを検出する。グローバル座標演算部２３は、グローバル座標で表される基準位置データＰを取得する。本例においては、基準位置データＰは、旋回体３の旋回軸（旋回中心）ＡＸに位置する基準位置Ｐ２を示すデータである。なお、基準位置データＰは、設置位置Ｐ１を示すデータでもよい。
【００３７】
本例においては、グローバル座標演算部２３は、２つの設置位置Ｐ１ａ及び設置位置Ｐ１ｂに基づいて旋回体方位データＱを生成する。旋回体方位データＱは、設置位置Ｐ１ａと設置位置Ｐ１ｂとで決定される直線がグローバル座標の基準方位（例えば北）に対してなす角に基づいて決定される。旋回体方位データＱは、旋回体３（作業機２）が向いている方位を示す。グローバル座標演算部２３は、後述する表示コントローラ２８に基準位置データＰ及び旋回体方位データＱを出力する。
【００３８】
ＩＭＵ２４は、旋回体３に設けられている。本例においては、ＩＭＵ２４は、運転室４の下部に配置されている。旋回体３において、運転室４の下部に高剛性のフレームが配置されている。ＩＭＵ２４は、そのフレーム上に配置されている。なお、ＩＭＵ２４は、旋回体３の旋回軸ＡＸ（基準位置Ｐ２）の側方（右側又は左側）に配置されてもよい。ＩＭＵ２４は、本体１の左右方向に傾斜する傾斜角θ４と、本体１の前後方向に傾斜する傾斜角θ５とを検出する。
【００３９】
＜制御システムの構成＞
次に、実施形態に基づく制御システム２００の概要について説明する。図３は、実施形態に基づく制御システム２００の構成を示す機能ブロック図である。
【００４０】
建設機械１００には、制御システム２００が搭載されている。図３に示されるように、制御システム２００は、作業機２を用いる掘削処理の制御を実行する。本例においては、掘削処理の制御は、整地制御を有している。
【００４１】
整地制御は、バケット８が設計地形に沿って移動することによりバケット８に当接する土砂を掻き均し、平らな設計地形に対応する面を作る整地作業を自動制御することを意味し、制限掘削制御とも称される。
【００４２】
整地制御は、オペレータによるアーム操作があり、バケットの刃先と設計地形との距離および刃先の速度が基準内である場合に実行される。オペレータは、整地制御中は通常、アーム７が本体１へ近づく掘削方向と、アーム７が本体１から離れるダンプ方向とのいずれか一方の方向へのアーム７の動作が実行されるように、アームを操作する。
【００４３】
制御システム２００は、ブームシリンダストロークセンサ１６と、アームシリンダストロークセンサ１７と、バケットシリンダストロークセンサ１８と、アンテナ２１と、グローバル座標演算部２３と、ＩＭＵ２４と、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、圧力センサ６６及び圧力センサ６７と、制御弁２７と、方向制御弁６４と、表示コントローラ２８と、表示部２９と、センサコントローラ３０と、マンマシンインターフェース部３２とを有している。
【００４４】
操作装置２５は、運転室４に配置されている。オペレータにより操作装置２５が操作される。操作装置２５は、作業機２を駆動するオペレータ操作を受け付ける。より具体的には、操作装置２５は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、およびバケットシリンダ１２をそれぞれ動作させるための、オペレータ操作を受け付ける。操作装置２５は、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。本例においては、操作装置２５は、パイロット油圧方式の操作装置である。
【００４５】
方向制御弁６４により、油圧シリンダに対する作動油の供給量が調整される。方向制御弁６４は、第１受圧室および第２受圧室に供給される油によって作動する。なお、本例においては、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、およびバケットシリンダ１２）を作動するために、その油圧シリンダに供給される油は作動油と称される。また、方向制御弁６４を作動するためにその方向制御弁６４に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はパイロット油圧とも称される。
【００４６】
作動油及びパイロット油は、同一の油圧ポンプから送出されてもよい。例えば、油圧ポンプから送出された作動油の一部が減圧弁で減圧され、その減圧された作動油がパイロット油として使用されてもよい。また、作動油を送出する油圧ポンプ（メイン油圧ポンプ）と、パイロット油を送出する油圧ポンプ（パイロット油圧ポンプ）とが別の油圧ポンプでもよい。
【００４７】
操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌとを有している。第１操作レバー２５Ｒは、例えば運転席４Ｓの右側に配置されている。第２操作レバー２５Ｌは、例えば運転席４Ｓの左側に配置されている。第１操作レバー２５Ｒ及び第２操作レバー２５Ｌでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応する。
【００４８】
第１操作レバー２５Ｒにより、ブーム６及びバケット８が操作される。第１操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、ブーム６の操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム６の下げ動作及び上げ動作が実行される。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、バケット８の操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット８の掘削動作及び開放動作が実行される。
【００４９】
第２操作レバー２５Ｌにより、アーム７及び旋回体３が操作される。第２操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、アーム７の操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム７の上げ動作及び下げ動作が実行される。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、旋回体３の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体３の右旋回動作及び左旋回動作が実行される。
【００５０】
本例においては、ブーム６が上昇する動作は上げ動作、下降する動作は下げ動作とも称する。また、アーム７の上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。バケット８の上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。
【００５１】
メイン油圧ポンプから送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が操作装置２５に供給される。操作装置２５の操作量に基づいてパイロット油圧が調整される。
【００５２】
パイロット油路４５０には、圧力センサ６６及び圧力センサ６７が配置されている。圧力センサ６６及び圧力センサ６７は、パイロット油圧を検出する。圧力センサ６６及び圧力センサ６７の検出結果は、作業機コントローラ２６に出力される。
【００５３】
第１操作レバー２５Ｒは、ブーム６の駆動のために前後方向に操作される。前後方向に関する第１操作レバー２５Ｒの操作量（ブーム操作量）に応じて、ブーム６を駆動するためのブームシリンダ１０に供給される作動油の流れ方向および流量が方向制御弁６４によって調整される。第１操作レバー２５Ｒは、ブーム６を駆動するためのオペレータの操作を受け付けるブーム操作部材を構成している。
【００５４】
第１操作レバー２５Ｒは、バケット８の駆動のために左右方向に操作される。左右方向に関する第１操作レバー２５Ｒの操作量（バケット操作量）に応じて、バケット８を駆動するためのバケットシリンダ１２に供給される作動油の流れ方向および流量が方向制御弁６４によって調整される。第１操作レバー２５Ｒは、バケット８を駆動するためのオペレータの操作を受け付けるバケット操作部材を構成している。
【００５５】
第２操作レバー２５Ｌは、アーム７の駆動のために前後方向に操作される。前後方向に関する第２操作レバー２５Ｌの操作量（アーム操作量）に応じて、アーム７を駆動するためのアームシリンダ１１に供給される作動油の流れ方向および流量が方向制御弁６４によって調整される。第２操作レバー２５Ｌは、アーム７を駆動するためのオペレータの操作を受け付けるアーム操作部材を構成している。
【００５６】
第２操作レバー２５Ｌは、旋回体３の駆動のために左右方向に操作される。左右方向に関する第２操作レバー２５Ｌの操作量に応じて、旋回体３を駆動するための油圧アクチュエータに供給される作動油の流れ方向および流量が方向制御弁６４によって調整される。第２操作レバー２５Ｌは、旋回体３を駆動するためのオペレータの操作を受け付ける旋回体操作部材を構成している。
【００５７】
なお、第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作がブーム６の操作に対応し、前後方向の操作がバケット８の操作に対応してもよい。なお、第２操作レバー２５Ｌの前後方向が旋回体３の操作に対応し、左右方向の操作がアーム７の操作に対応してもよい。
【００５８】
制御弁２７は、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２）に対する作動油の供給量を調整する。制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて作動する。
【００５９】
マンマシンインターフェース部３２は、入力部３２１と表示部（モニタ）３２２とを有している。
【００６０】
本例においては、入力部３２１は、表示部３２２の周囲に配置される操作ボタンを有している。なお、入力部３２１はタッチパネルを有していてもよい。マンマシンインターフェース部３２を、マルチモニタとも称する。
【００６１】
表示部３２２は、基本情報として燃料残量および冷却水温度等を表示する。
入力部３２１は、オペレータによって操作される。入力部３２１の操作により生成された指令信号は、作業機コントローラ２６に出力される。
【００６２】
センサコントローラ３０は、ブームシリンダストロークセンサ１６の検出結果に基づいて、ブームシリンダ長を算出する。ブームシリンダストロークセンサ１６は、周回動作に伴うパルスをセンサコントローラ３０に出力する。センサコントローラ３０は、ブームシリンダストロークセンサ１６から出力されたパルスに基づいて、ブームシリンダ長を算出する。
【００６３】
同様に、センサコントローラ３０は、アームシリンダストロークセンサ１７の検出結果に基づいて、アームシリンダ長を算出する。センサコントローラ３０は、バケットシリンダストロークセンサ１８の検出結果に基づいて、バケットシリンダ長を算出する。
【００６４】
センサコントローラ３０は、ブームシリンダストロークセンサ１６の検出結果に基づいて取得されたブームシリンダ長から、旋回体３の垂直方向に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。
【００６５】
センサコントローラ３０は、アームシリンダストロークセンサ１７の検出結果に基づいて取得されたアームシリンダ長から、ブーム６に対するアーム７の傾斜角θ２を算出する。
【００６６】
センサコントローラ３０は、バケットシリンダストロークセンサ１８の検出結果に基づいて取得されたバケットシリンダ長から、アーム７に対するバケット８の刃先８ａの傾斜角θ３ａと、アーム７に対するバケット８の背面端８ｂの傾斜角θ３ｂとを算出する。
【００６７】
上記算出結果である傾斜角θ１、θ２、θ３ａ、θ３ｂと、基準位置データＰ、旋回体方位データＱ、及びシリンダ長データＬに基づいて、建設機械１００のブーム６、アーム７およびバケット８の位置を特定することが可能となり、バケット８の３次元位置を示すバケット位置データを生成することが可能である。
【００６８】
なお、ブーム６の傾斜角θ１、アーム７の傾斜角θ２、およびバケット８の傾斜角θ３ａ，θ３ｂは、シリンダストロークセンサで検出されなくてもよい。ロータリーエンコーダのような角度検出器でブーム６の傾斜角θ１が検出されてもよい。角度検出器は、旋回体３に対するブーム６の屈曲角度を検出して、傾斜角θ１を検出する。同様に、アーム７の傾斜角θ２がアーム７に取り付けられた角度検出器で検出されてもよい。バケット８の傾斜角θ３ａ，θ３ｂがバケット８に取り付けられた角度検出器で検出されてもよい。
【００６９】
＜油圧回路の構成＞
図４は、実施形態に基づく油圧システムの構成を示す図である。
【００７０】
図４に示されるように、油圧システム３００は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２（複数の油圧シリンダ６０）と、旋回体３を旋回させる旋回モータ６３とを備えている。なお、ここで、ブームシリンダ１０を油圧シリンダ１０（６０）とも表記する。他の油圧シリンダについても同様である。
【００７１】
油圧シリンダ６０は、図示しないメイン油圧ポンプから供給された作動油によって作動する。旋回モータ６３は、油圧モータであり、メイン油圧ポンプから供給された作動油によって作動する。
【００７２】
本例においては、各油圧シリンダ６０に対して作動油が流れる方向および流量を制御する方向制御弁６４が設けられている。メイン油圧ポンプから供給された作動油は、方向制御弁６４を介して、各油圧シリンダ６０に供給される。また、旋回モータ６３に対して方向制御弁６４が設けられている。
【００７３】
各油圧シリンダ６０は、ボトム側油室４０Ａと、ヘッド側油室４０Ｂとを有している。
方向制御弁６４は、ロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り替えるスプール方式の弁である。スプールが軸方向に移動することにより、ボトム側油室４０Ａに対する作動油の供給と、ヘッド側油室４０Ｂに対する作動油の供給とが切り替わる。また、スプールが軸方向に移動することにより、油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量（単位時間当たりの供給量）が調整される。油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量が調整されることにより、シリンダ速度が調整される。シリンダ速度を調整することにより、ブーム６、アーム７およびバケット８の速度が制御される。方向制御弁６４は、スプールの移動により作業機２を駆動する油圧シリンダ６０に対する作動油の供給量を調整可能な調整装置として機能する。
【００７４】
各方向制御弁６４には、スプールの移動距離（スプールストローク）を検出するスプールストロークセンサ６５が設けられる。スプールストロークセンサ６５の検出信号は、センサコントローラ３０（図３）に出力される。
【００７５】
各方向制御弁６４の駆動は、操作装置２５によって調整される。メイン油圧ポンプから送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が、ポンプ流路５０を介して、操作装置２５に供給される。
【００７６】
操作装置２５は、パイロット油圧調整弁を有している。操作装置２５の操作量に基づいて、パイロット油圧が調整される。パイロット油圧によって、方向制御弁６４が駆動される。操作装置２５によりパイロット油圧が調整されることによって、軸方向に関するスプールの移動量及び移動速度が調整される。また、操作装置２５によりボトム側油室４０Ａに対する作動油の供給と、ヘッド側油室４０Ｂに対する作動油の供給とが切り替わる。
【００７７】
操作装置２５と各方向制御弁６４とは、パイロット油路４５０を介して接続されている。本例においては、パイロット油路４５０に、制御弁２７、圧力センサ６６、及び圧力センサ６７が配置されている。
【００７８】
各制御弁２７の両側に、パイロット油圧を検出する圧力センサ６６及び圧力センサ６７が設けられている。本例においては、圧力センサ６６は、操作装置２５と制御弁２７との間の油路４５１に配置されている。圧力センサ６７は、制御弁２７と方向制御弁６４との間の油路４５２に配置されている。圧力センサ６６は、制御弁２７によって調整される前のパイロット油圧を検出する。圧力センサ６７は、制御弁２７によって調整されたパイロット油圧を検出する。圧力センサ６６及び圧力センサ６７の検出結果は、作業機コントローラ２６に出力される。
【００７９】
制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号（ＥＰＣ電流）に基づいて、パイロット油圧を調整する。制御弁２７は、電磁比例制御弁であり、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて制御される。制御弁２７は、制御弁２７Ｂと、制御弁２７Ａとを有している。制御弁２７Ｂは、方向制御弁６４の第２受圧室に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、方向制御弁６４を介してボトム側油室４０Ａに供給される作動油の供給量を調整可能である。制御弁２７Ａは、方向制御弁６４の第１受圧室に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、方向制御弁６４を介してヘッド側油室４０Ｂに供給される作動油の供給量を調整可能である。
【００８０】
本例においては、パイロット油路４５０のうち、操作装置２５と制御弁２７との間のパイロット油路４５０は油路（上流油路）４５１と称される。また、制御弁２７と方向制御弁６４との間のパイロット油路４５０は油路（下流油路）４５２と称される。
【００８１】
パイロット油は、油路４５２を介して各方向制御弁６４に供給される。
油路４５２は、第１受圧室に接続される油路４５２Ａと、第２受圧室に接続される油路４５２Ｂとを有している。
【００８２】
方向制御弁６４の第２受圧室に対して、パイロット油が油路４５２Ｂを介して供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動する。方向制御弁６４を介してボトム側油室４０Ａに作動油が供給される。ボトム側油室４０Ａに対する作動油の供給量は、操作装置２５の操作量に応じたスプールの移動量により調整される。
【００８３】
方向制御弁６４の第１受圧室に対して、パイロット油が油路４５２Ａを介して供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動する。方向制御弁６４を介してヘッド側油室４０Ｂに作動油が供給される。ヘッド側油室４０Ｂに対する作動油の供給量は、操作装置２５の操作量に応じたスプールの移動量により調整される。
【００８４】
したがって、操作装置２５および制御弁２７によりパイロット油圧が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、軸方向に関するスプールの位置が調整される。
【００８５】
油路４５１は、油路４５２Ａと操作装置２５とを接続する油路４５１Ａと、油路４５２Ｂと操作装置２５とを接続する油路４５１Ｂとを有している。
【００８６】
［操作装置２５の操作と油圧システムの動作について］
上述のように、操作装置２５の操作により、ブーム６は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。
【００８７】
ブーム６の上げ動作が実行されるように操作装置２５を操作することにより、油路４５１Ｂにパイロット油が供給される。制御弁２７Ｂは、ブームシリンダ長を大きくする方向にブームシリンダ１０を動作させるためのオペレータ操作に基づいて、油路４５２Ｂに供給されるパイロット油の圧力を調整する。制御弁２７Ｂを通過したパイロット油は、油路４５２Ｂを介して、ブームシリンダ１０の動作を制御する方向制御弁６４に供給される。
【００８８】
これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がブームシリンダ１０のボトム側油室４０Ａに供給され、ブーム６の上げ動作が実行される。
【００８９】
ブーム６の下げ動作が実行されるように操作装置２５を操作することにより、油路４５１Ａにパイロット油が供給される。制御弁２７Ａは、ブームシリンダ長を小さくする方向にブームシリンダ１０を動作させるためのオペレータ操作に基づいて、油路４５２Ａに供給されるパイロット油の圧力を調整する。制御弁２７Ａを通過したパイロット油は、油路４５２Ａを介して、ブームシリンダ１０の動作を制御する方向制御弁６４に供給される。
【００９０】
これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がブームシリンダ１０のヘッド側油室４９Ｂに供給され、ブーム６の下げ動作が実行される。
【００９１】
本例においては、ブームシリンダ１０が伸長することにより、ブーム６が上げ動作し、ブームシリンダ１０が収縮することにより、ブーム６が下げ動作する。ブームシリンダ１０のボトム側油室４０Ａに作動油が供給されることにより、ブームシリンダ１０が伸長し、ブーム６が上げ動作する。ブームシリンダ１０のヘッド側油室４０Ｂに作動油が供給されることにより、ブームシリンダ１０が収縮し、ブーム６が下げ動作する。
【００９２】
また、操作装置２５の操作により、アーム７は、掘削動作及びダンプ動作の２種類の動作を実行する。
【００９３】
アーム７の掘削動作が実行されるように操作装置２５を操作することにより、アームシリンダ１１の動作を制御する方向制御弁６４に、油路４５１Ｂ及び油路４５２Ｂを介して、パイロット油が供給される。
【００９４】
これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の掘削動作が実行される。
【００９５】
アーム７のダンプ動作が実行されるように操作装置２５を操作することにより、アームシリンダ１１の動作を制御する方向制御弁６４に、油路４５１Ａ及び油路４５２Ａを介して、パイロット油が供給される。
【００９６】
これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７のダンプ動作が実行される。
【００９７】
本例においては、アームシリンダ１１が伸長することにより、アーム７が下げ動作（掘削動作）し、アームシリンダ１１が収縮することにより、アーム７が上げ動作（ダンプ動作）する。アームシリンダ１１のボトム側油室４０Ａに作動油が供給されることにより、アームシリンダ１１が伸長し、アーム７が下げ動作する。アームシリンダ１１のヘッド側油室４０Ｂに作動油が供給されることにより、アームシリンダ１１が収縮し、アーム７が上げ動作する。
【００９８】
また、操作装置２５の操作により、バケット８は、掘削動作及びダンプ動作の２種類の動作を実行する。
【００９９】
バケット８の掘削動作が実行されるように操作装置２５を操作することにより、バケットシリンダ１２の動作を制御する方向制御弁６４に、油路４５１Ｂ及び油路４５２Ｂを介して、パイロット油が供給される。
【０１００】
これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がバケットシリンダ１２に供給され、バケット８の掘削動作が実行される。
【０１０１】
バケット８のダンプ動作が実行されるように操作装置２５を操作することにより、バケットシリンダ１２の動作を制御する方向制御弁６４に、油路４５１Ａ及び油路４５２Ａを介して、パイロット油が供給される。
【０１０２】
これにより、メイン油圧ポンプからの作動油がバケットシリンダ１２に供給され、バケット８のダンプ動作が実行される。
【０１０３】
本例においては、バケットシリンダ１２が伸長することにより、バケット８が下げ動作（掘削動作）し、バケットシリンダ１２が収縮することにより、バケット８が上げ動作（ダンプ動作）する。バケットシリンダ１２のボトム側油室４０Ａに作動油が供給されることにより、バケットシリンダ１２が伸長し、バケット８が下げ動作する。バケットシリンダ１２のヘッド側油室４０Ｂに作動油が供給されることにより、バケットシリンダ１２が収縮し、バケット８が上げ動作する。
【０１０４】
また、操作装置２５の操作により、旋回体３は、右旋回動作及び左旋回動作の２種類の動作を実行する。
【０１０５】
旋回体３の右旋回動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、作動油が旋回モータ６３に供給される。旋回体３の左旋回動作が実行されるように操作装置２５が操作されることにより、作動油が旋回モータ６３に供給される。
【０１０６】
［通常制御および整地制御（制限掘削制御）と油圧システムの動作について］
整地制御（制限掘削制御）を実行しない、通常制御について説明する。
【０１０７】
通常制御の場合、作業機２は、操作装置２５の操作量に従って動作する。
具体的には、作業機コントローラ２６は、制御弁２７を開放する。制御弁２７を開放することにより、油路４５１のパイロット油圧と油路４５２のパイロット油圧とは等しくなる。制御弁２７が開放された状態で、パイロット油圧（ＰＰＣ圧）は、操作装置２５の操作量に基づいて調整される。これにより、方向制御弁６４が調整されて、上記で説明したブーム６、アーム７、バケット８の上げ動作および下げ動作を実行することが可能である。
【０１０８】
一方、整地制御（制限掘削制御）について説明する。
整地制御（制限掘削制御）の場合、作業機２は、操作装置２５の操作に基づいて作業機コントローラ２６によって制御される。
【０１０９】
具体的には、作業機コントローラ２６は、制御弁２７に制御信号を出力する。油路４５１は、例えばパイロット油圧調整弁の作用により所定の圧力を有する。
【０１１０】
制御弁２７は、作業機コントローラ２６の制御信号に基づいて作動する。油路４５１のパイロット油は、制御弁２７を介して、油路４５２に供給される。したがって、油路４５２のパイロット油の圧力は、制御弁２７により調整（減圧）することが可能である。
【０１１１】
油路４５２のパイロット油の圧力が、方向制御弁６４に作用する。これにより、方向制御弁６４は、制御弁２７で制御されたパイロット油圧に基づいて作動する。
【０１１２】
たとえば、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ａ及び制御弁２７Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、アームシリンダ１１の動作を制御する方向制御弁６４に対するパイロット油圧を調整することができる。制御弁２７Ａにより圧力が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して一方側に移動する。制御弁２７Ｂにより圧力が調整されたパイロット油が方向制御弁６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して他方側に移動する。これにより、軸方向に関するスプールの位置が調整される。
【０１１３】
アームシリンダ１１の動作を制御する方向制御弁６４に供給されるパイロット油の圧力を調整する制御弁２７Ｂは、アーム掘削用比例電磁弁を構成している。
【０１１４】
また、同様に作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ａ及び制御弁２７Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、バケットシリンダ１２の動作を制御する方向制御弁６４に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１１５】
また、同様に作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ａ及び制御弁２７Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、ブームシリンダ１０の動作を制御する方向制御弁６４に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１１６】
さらに、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃに制御信号を出力して、ブームシリンダ１０の動作を制御する方向制御弁６４に対するパイロット油圧を調整する。
【０１１７】
これにより、作業機コントローラ２６は、バケット８の監視ポイント、すなわち刃先８ａまたは背面端８ｂのいずれか一方が、設計地形Ｕ（図５）に沿って移動するように、ブーム６の動きを制御（介入制御）する。
【０１１８】
本例において、設計地形Ｕに対するバケット８の監視ポイント（刃先８ａまたは背面端８ｂ）の侵入が抑制されるように、ブームシリンダ１０に接続された制御弁２７に制御信号を出力して、ブーム６の位置を制御することを、ブーム上げ介入制御と称する。
【０１１９】
具体的には、作業機コントローラ２６は、掘削対象の目標形状を示す設計地形Ｕとバケット８の位置を示すデータとに基づいて、設計地形Ｕと刃先８ａとの距離である第１距離ｄ１（図６）または設計地形Ｕと背面端８ｂとの距離である第２距離ｄ２（図７）に応じて、バケット８が設計地形Ｕに近づく速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制御する。
【０１２０】
また本例において、設計地形Ｕからのバケット８の監視ポイント（刃先８ａまたは背面端８ｂ）の離隔が抑制されるように、ブームシリンダ１０に接続された制御弁２７に制御信号を出力して、ブーム６の位置を制御することを、ブーム下げ介入制御と称する。
【０１２１】
具体的には、作業機コントローラ２６は、設計地形Ｕとバケット８の位置を示すデータとに基づいて、第１距離ｄ１または第２距離ｄ２に応じて、バケット８が設計地形Ｕから離れる速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制御する。
【０１２２】
油圧システム３００は、操作装置２５の操作に基づくブーム６の動作に対して介入制御する機構として、油路５０１、５０２と、制御弁２７Ｃと、シャトル弁５１と、圧力センサ６８とを有している。
【０１２３】
油路５０１、５０２は、制御弁２７Ｃに接続され、ブームシリンダ１０の動作を制御する方向制御弁６４に供給されるパイロット油を供給する。油路５０１は、制御弁２７Ｃと、図示しないメイン油圧ポンプとに接続されている。油路５０１は、ポンプ流路５０から分岐していてもよい。または油路５０１は、ポンプ流路５０とは別系統の、メイン油圧ポンプから送出され減圧弁によって減圧されたパイロット油が流れる油路として設けられていてもよい。
【０１２４】
油路５０１には、制御弁２７Ｃを通過する前のパイロット油が流れる。油路５０２には、制御弁２７Ｃを通過した後のパイロット油が流れる。油路５０２は、制御弁２７Ｃとシャトル弁５１とに接続され、方向制御弁６４と接続された油路４５２（４５２Ａ，４５２Ｂ）にシャトル弁５１を介して接続される。
【０１２５】
圧力センサ６８は、油路５０１のパイロット油のパイロット油圧を検出する。
制御弁２７Ａ，２７Ｂを通過して流れるパイロット油よりも高圧のパイロット油が、制御弁２７Ｃを通過して流れる。制御弁２７Ｃは、介入制御を実行するために作業機コントローラ２６から出力された制御信号に基づいて制御される。
【０１２６】
シャトル弁５１は、２つの入口ポートと、１つの出口ポートとを有している。一方の入口ポートは、油路５０２と接続されている。他方の入口ポートは、油路４５２Ｂを介して制御弁２７Ｂと接続されている。出口ポートは、油路４５２（４５２Ａ，４５２Ｂ）を介して方向制御弁６４と接続されている。シャトル弁５１は、油路５０２及び制御弁２７と接続された油路４５２のうち、パイロット油圧が高い方の油路と、方向制御弁６４と接続された油路４５２とを接続する。
【０１２７】
シャトル弁５１は、高圧優先形のシャトル弁である。シャトル弁５１は、入口ポートの一方に接続された油路５０２のパイロット油圧と、入口ポートの他方に接続された制御弁２７側の油路４５２のパイロット油圧とを比較し、高圧側の圧力を選択する。シャトル弁５１は、油路５０２と制御弁２７側の油路４５２とのうち、高圧側の流路を出口ポートに連通し、当該高圧側の流路を流れるパイロット油を方向制御弁６４に供給する。
【０１２８】
本例においては、作業機コントローラ２６は、介入制御を実行しない場合には、操作装置２５の操作によって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁６４が駆動されるように、制御弁２７Ａ，２７Ｂを全開にするとともに、制御弁２７Ｃを閉じて油路５０１から方向制御弁６４にパイロット油が供給されないように、制御信号を出力する。
【０１２９】
また、作業機コントローラ２６は、介入制御を実行する場合には、制御弁２７によって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁６４が駆動されるように、各制御弁２７に対して制御信号を出力する。
【０１３０】
ブーム６の移動を制限する介入制御を実行する場合、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃの開度を大きくし、操作装置２５によって調整されるパイロット油圧よりも高圧のパイロット油が制御弁２７Ｃを通過して油路５０２に流れるようにする。これにより、制御弁２７Ｃを通過して流れる高圧のパイロット油が、シャトル弁５１を介して方向制御弁６４に供給される。
【０１３１】
シャトル弁５１の入口ポートの一方に接続された油路５０１，５０２と、入口ポートの他方に接続された油路４５１，４５２とは、いずれもブーム６を動作するための油路である。さらに詳述すれば、油路４５１，４５２は、ブーム６の通常の動作用の油路として機能し、油路５０１，５０２は、ブーム６を強制的に動作させる強制動作用の油路として機能する。制御弁２７Ａは、ブーム通常下げ用比例電磁弁と表現でき、制御弁２７Ｂは、ブーム通常上げ用比例電磁弁と表現でき、制御弁２７Ｃは、ブーム強制上げ用比例電磁弁またはブーム強制下げ用比例電磁弁と表現できる。
【０１３２】
＜設計地形Ｕ、およびバケット８の監視ポイント＞
図５は、設計地形の断面図であり、表示部３２２（図３）に表示される設計地形の一例を示す模式図である。
【０１３３】
図５に示す設計地形Ｕは、平坦面である。オペレータは、設計地形Ｕに沿ってバケット８を移動させることによって、設計地形Ｕに沿って掘削を行う。
【０１３４】
図５に示す介入ラインＣは、介入制御が実行される領域を画定する。バケット８の監視ポイント（刃先８ａまたは背面端８ｂ）が介入ラインＣよりも設計地形Ｕに近い側に存在する場合に、制御システム２００による介入制御が行なわれる。介入ラインＣは、設計地形Ｕからライン距離ｈ離れた位置に設定されている。バケット８の監視ポイントと、設計地形Ｕとの距離がライン距離ｈ以下であるとき、介入制御が行なわれる。
【０１３５】
図６は、刃先８ａと設計地形Ｕとの位置関係を示す模式図である。図６に示すように、設計地形Ｕに垂直な方向における刃先８ａと設計地形Ｕとの距離は、第１距離ｄ１である。第１距離ｄ１は、バケット８の刃先８ａと設計地形Ｕの表面との間の最短となる距離である。
【０１３６】
図７は、背面端８ｂと設計地形Ｕとの位置関係を示す模式図である。図６および図７は、同じ時刻におけるバケット８の位置を示している。図７に示すように、設計地形Ｕに垂直な方向における背面端８ｂと設計地形Ｕとの距離は、第２距離ｄ２である。第２距離ｄ２は、バケット８の背面端８ｂと設計地形Ｕの表面との間の最短となる距離である。
【０１３７】
図８は、バケット８の姿勢に基づく監視ポイントの選択について示す第１の図である。図８および図９中に示す黒丸は、バケットピン１５（図１，２）の位置を示す。白丸の一方は、バケット８の刃先８ａを示し、他方は、背面端８ｂを示す。図８に示すバケット８において、第１距離ｄ１は、第２距離ｄ２よりも小さい。この場合、設計地形Ｕとの距離がより小さい刃先８ａが、整地制御に制御点として用いられる監視ポイントに該当する。
【０１３８】
図９は、バケット８の姿勢に基づく監視ポイントの選択について示す第２の図である。図９に示すバケット８において、第２距離ｄ２は、第１距離ｄ１よりも小さい。この場合、設計地形Ｕとの距離がより小さい背面端８ｂが、整地制御に制御点として用いられる監視ポイントに該当する。
【０１３９】
＜本発明適用前の整地制御＞
図１０〜１２は、本発明適用前の整地制御が行なわれている場合の作業機２の動作を模式的に示す図である。
【０１４０】
図１０に示す、バケット８の刃先８ａを設計地形Ｕに位置合わせした状態から、オペレータは、アーム７を掘削方向へ移動させる操作を行う。アーム７の動作に伴ってバケット８の刃先８ａは円弧状の軌跡を描いて移動するため、刃先８ａが設計地形Ｕよりも下方に移動して掘り過ぎてしまう事態が発生しないように、作業機コントローラ２６からブーム６を強制的に上昇させる指令が出力され、ブーム上げ介入制御が実行される。
【０１４１】
その結果、図１１中の矢印に示す通り、バケット８の刃先８ａが設計地形Ｕに沿って移動し、刃先８ａによって地面が水平に均される。図１１中に白抜き両矢印で示す範囲Ａ１において、アーム７の掘削操作のみで、設計地形Ｕへの整地が行なわれる。
【０１４２】
アーム７の掘削方向への動作を継続すると、アーム７の動作に伴うバケット８の刃先８ａの円弧状の移動が、下方への移動から、上方への移動へと移る。そして図１２中の矢印に示すように、バケット８の刃先８ａは、設計地形Ｕから離れて円弧状に移動する。その結果、図１２中に白抜き両矢印で示す範囲Ａ２においては、ブーム上げ介入制御のみでは設計地形Ｕへの整地を行うことができない。このため、作業機２を操作するオペレータは、範囲Ａ２においては、バケット８の刃先８ａを設計地形Ｕに沿って移動させるために、アーム７の掘削操作を行うとともにブーム６を下降させる操作を行う必要があり、第１操作レバー２５Ｒと第２操作レバー２５Ｌ（図３，４）との両方の操作が必要であり、操作が煩雑であった。
【０１４３】
＜実施形態の整地制御＞
本実施形態の建設機械１００は、このような煩雑な操作を不要とし、簡易な操作で設計地形Ｕへの整地をできるようにするためのものである。
【０１４４】
図１３は、実施形態に基づく整地制御を実行する制御システム２００の構成を示す機能ブロック図である。図１３には、制御システム２００が有する作業機コントローラ２６の機能ブロックが示されている。
【０１４５】
作業機コントローラ２６は、図１３に示されるように、距離算出部２６１と、制御点選択部２６２と、速度取得部２６３と、調整速度決定部２６４と、油圧シリンダ制御部２６５とを備えている。
【０１４６】
距離算出部２６１は、刃先８ａと設計地形Ｕとの第１距離ｄ１、および背面端８ｂと設計地形Ｕとの第２距離ｄ２とを算出する。距離算出部２６１は、表示コントローラ２８（図３）から取得する設計地形Ｕと、シリンダストロークセンサ１６〜１８から取得するバケット８の３次元位置を示すバケット位置データとに基づいて、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２を算出する。距離算出部２６１は、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２を制御点選択部２６２に出力する。バケット位置データを取得するためのシリンダストロークセンサ１６〜１８は、操作装置２５の出力信号とは異なる出力信号を出力する。
【０１４７】
制御点選択部２６２は、第１距離ｄ１と第２距離ｄ２とを比較する。制御点選択部２６２はまた、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２と、介入ラインＣと設計地形Ｕとの距離であるライン距離ｈ（図５〜７）とを比較する。制御点選択部２６２は、第１距離ｄ１と第２距離ｄ２とのうち小さい方の距離を選択し、この小さい方の距離がライン距離ｈ以下である場合に、当該小さい方の距離に対応する監視ポイントを、ブーム下げ介入制御に用いられる制御点として選択する。制御点選択部２６２は、選択した制御点に係る情報を、調整速度決定部２６４に出力する。
【０１４８】
たとえば第１距離ｄ１が第２距離ｄ２よりも小さい（ｄ１＜ｄ２）場合、第１距離ｄ１は刃先８ａと設計地形Ｕとの間の距離であるため、複数の監視ポイント（刃先８ａ、背面端８ｂ）のうち、第１の監視ポイントである刃先８ａを、制御点として選択する。第２距離ｄ２が第１距離ｄ１よりも小さい（ｄ１＞ｄ２）場合、第２距離ｄ２は背面端８ｂと設計地形Ｕとの間の距離であるため、複数の監視ポイント（刃先８ａ、背面端８ｂ）のうち、第２の監視ポイントである背面端８ｂを、制御点として選択する。
【０１４９】
速度取得部２６３は、操作装置２５のレバー操作に対応したバケット８の速度を取得する。速度取得部２６３は、ブーム６を操作するためのブーム操作指令、アーム７を操作するためのアーム操作指令、およびバケット８を操作するためのバケット操作指令に基づいて、設計地形Ｕに対する刃先８ａの速度および設計地形Ｕに対する背面端８ｂの速度を算出する。速度取得部２６３は、刃先８ａの速度および背面端８ｂの速度を、調整速度決定部２６４に出力する。
【０１５０】
調整速度決定部２６４は、制御点選択部２６２で選択された制御点を設計地形Ｕに沿って移動させるために調整されるブーム６の速度を決定する。速度取得部２６３で取得された制御点の速度に基づいて、設計地形Ｕに垂直な方向における制御点の速度ベクトルが取得され、この速度ベクトルに基づいて制御点が設計地形Ｕから離れる向きに移動しようとすることが判別される。
【０１５１】
制御点が設計地形Ｕから離れるようにバケット８が移動するとき、ブーム６を強制的に下げるブーム下げ介入制御が行なわれる。ブーム６を下げることによって、設計地形Ｕから離れる制御点の速度を小さくする。設計地形Ｕに垂直な方向における制御点の速度ベクトルの大きさをゼロにするようにブーム６を動作させることにより、設計地形Ｕに沿って制御点を移動させることが可能になる。調整速度決定部２６４は、設計地形Ｕに沿って制御点を移動させるために必要なブーム６の下げ速度を決定し、決定したブーム６の下げ速度を油圧シリンダ制御部２６５に出力する。
【０１５２】
油圧シリンダ制御部２６５は、調整速度決定部２６４で決定されたブーム６の下げ速度に従ってブーム６が駆動するように、ブームシリンダ１０に接続された制御弁２７の開度を決定する。油圧シリンダ制御部２６５は、制御弁２７の開度を指令する制御指令を制御弁２７へ出力する。これにより、ブームシリンダ１０に接続された制御弁２７が制御され、制御弁２７を介してブームシリンダ１０に供給される作動油の流量が制御され、整地制御（制限掘削制御）によるブーム６の介入制御が実行される。
【０１５３】
図１４は、実施形態に基づく制御システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。図１４には、制御システム２００がブーム下げ介入制御を実行する場合のフローチャートが示されている。
【０１５４】
図１４に示されるように、ステップＳ１１において、制御システム２００は、設計地形データおよび建設機械１００の現在位置データを取得する。制御システム２００は、設計地形Ｕ、およびバケット位置データを設定する。
【０１５５】
次にステップＳ１２において、制御システム２００は、シリンダ長データＬを取得する。制御システム２００は、ブームシリンダ１０のストローク長さ（ブームシリンダ長）、アームシリンダ１１のストローク長さ（アームシリンダ長）、およびバケットシリンダ１２のストローク長さ（バケットシリンダ長）を取得する。
【０１５６】
次にステップＳ１３において、制御システム２００は、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２を算出する。具体的には、距離算出部２６１は、設計地形Ｕ、バケット位置データ、シリンダ長データＬに基づいて、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２を算出する。
【０１５７】
次にステップＳ１４において、制御システム２００は、制御点を選択する。具体的には、制御点選択部２６２は、第１距離ｄ１と第２距離ｄ２とを比較する。制御点選択部２６２は、複数の監視ポイント（刃先８ａ、背面端８ｂ）のうち、設計地形Ｕとの間の距離の小さい方の監視ポイントを、制御点として選択する。
【０１５８】
次にステップＳ１５において、制御システム２００は、ブーム６を操作するための操作装置であるブーム操作レバー（上述した実施形態では、図３，４に示す第１操作レバー２５Ｒ）が中立であるか否かを判断する。すなわち、第１操作レバー２５Ｒがブーム６の操作に対応する方向（上述した実施形態では前後方向）に操作されているか否かを判断する。第１操作レバー２５Ｒが前後方向に操作されているとき、ブームシリンダ１０の動作を制御する方向制御弁６４に接続された油路４５１に供給されるパイロット油の圧力が変動する。このパイロット油圧の変動は、圧力センサ６６により検出される。圧力センサ６６の検出結果は、作業機コントローラ２６に出力される。
【０１５９】
作業機コントローラ２６には、パイロット油圧の、第１操作レバー２５Ｒが操作されていないとき（中立のとき）に相当する所定値が、予め記憶されている。作業機コントローラ２６は、作業機コントローラ２６に入力されるパイロット油圧の値が当該所定値と一致するか否かを判断する。一致するとき、第１操作レバー２５Ｒは操作されておらず、第１操作レバー２５Ｒは中立の状態にあると判断される。一致しないとき、オペレータによって第１操作レバー２５Ｒが操作されており、第１操作レバー２５Ｒは中立の状態にないと判断される。
【０１６０】
ブーム操作レバーが中立である場合（ステップＳ１５においてＹＥＳ）、次にステップＳ１６において、制御システム２００は、制御点と設計地形Ｕとの距離が所定値以下であるか否かを判断する。具体的には、作業機コントローラ２６は、第１距離ｄ１と第２距離ｄ２とのうち、小さい方の距離が、介入ラインＣと設計地形Ｕとの距離であるライン距離ｈ（図５〜７）以下であるか否かを判断する。制御点と設計地形Ｕとの距離の閾値（所定値）は、ライン距離ｈである。
【０１６１】
制御点と設計地形Ｕとの距離がライン距離ｈ以下である場合（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、次にステップＳ１７において、制御システム２００は、制御点の進行方向が設計地形Ｕから遠ざかるか否かを判断する。具体的には、速度取得部２６３は、設計地形Ｕ、バケット位置データおよびシリンダ長データＬと、操作装置２５の操作指令とに基づいて、制御点の速度を取得する。制御点の速度を、設計地形Ｕに対する垂直方向の速度成分に変換して、制御点が設計地形Ｕに近づくように作業機２が動作しているのか、または制御点が設計地形Ｕから離れるように作業機２が動作しているのかを判断する。
【０１６２】
制御点が設計地形Ｕから離れるように作業機２が動作していると判断した場合（ステップＳ１７においてＹＥＳ）、次にステップＳ１８において、制御システム２００は、ブーム下げ指令を出力する。具体的には、調整速度決定部２６４は、設計地形Ｕに沿って制御点を移動させるために必要なブーム６の下げ速度を決定する。油圧シリンダ制御部２６５は、決定された下げ速度に従ってブーム６の下げ動作を行うための、制御弁２７の開度を指令する指令信号を制御弁２７へ出力する。
【０１６３】
そして、処理を終了する（エンド）。ステップＳ１５の判断においてブーム操作レバーが中立でない場合（ステップＳ１５においてＮＯ）、ステップＳ１６の判断において制御点と設計地形Ｕとの距離がライン距離ｈよりも大きい場合（ステップＳ１６においてＮＯ）、または、ステップＳ１７の判断において制御点が設計地形Ｕに近づくように作業機２が動作している場合（ステップＳ１７においてＮＯ）、ブーム下げ指令を出力することなく、そのまま処理を終了する（エンド）。
【０１６４】
図１５〜１７は、実施形態の整地制御が行なわれている場合の作業機２の動作を模式的に示す図である。図１５〜１７に示す実施形態では、第１距離ｄ１が第２距離ｄ２よりも小さく、そのため、整地制御に用いられる制御点として、バケット８の刃先８ａが選択されているものとする。かつ、第１距離ｄ１がライン距離ｈ以下であるものとする。
【０１６５】
図１５に示すバケット８の刃先８ａを設計地形Ｕに位置合わせした状態から、オペレータは、アーム７を掘削方向へ移動させる操作を行う。ブーム６が自動で上がることで、図１６中の矢印に示す通り、刃先８ａが設計地形Ｕに沿って移動し、刃先８ａによって地面が水平に均される。図１６中に白抜き両矢印で示す範囲Ａ１においてアーム７の掘削動作のみで設計地形Ｕへの整地が行なわれるのは、図１０，１１を参照して説明した本発明適用前の整地制御が行なわれている場合と同様である。
【０１６６】
実施形態では、アーム７の掘削への動作を継続して刃先８ａが設計地形Ｕから離れる方向へ移動を開始すると、ブーム６を強制的に下げる介入制御が行なわれる。その結果、図１７中の矢印および白抜き両矢印に示すように、範囲Ａ２においても、アーム７の掘削操作のみで、バケット８の刃先８ａを設計地形Ｕに沿って移動させ、自動で設計地形Ｕへの整地を行うことができる。
【０１６７】
図３を参照して説明した通り、アーム７の操作は、第２操作レバー２５Ｌにより行なわれる。本実施形態によると、ブーム６の上げ動作および下げ動作の両方が自動制御されていることで、オペレータが片手で第２操作レバー２５Ｌを操作するのみの簡易な操作によって、バケット８の刃先８ａを設計地形Ｕに沿って移動させることができる。したがって、図１７に示す範囲Ａ１および範囲Ａ２の全体に亘る広範囲の地形を、目標形状である設計地形Ｕに精度よく整地することができる。
【０１６８】
図１８は、操作装置２５の斜視図である。図１８に示されるように、操作装置２５の操作レバー２５１は、押ボタンスイッチ２５３を有している。押ボタンスイッチ２５３の位置は、図１８に示すように操作レバー２５１の上端（頂部）であっても良いし、または側部であってもよい。
【０１６９】
作業機コントローラ２６は、ブーム下げ介入制御の実行中に押ボタンスイッチ２５３が押下された場合、押ボタンスイッチ２５３が押下されている間、一時的にブーム下げ介入制御を停止する。この場合、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２（図６，７）は逐次変化する。押ボタンスイッチ２５３の押下が終了すると、図１４に示すブーム下げ介入制御を実行する場合のフローに従って、ブーム下げ介入制御を再開するかどうかの判断が行なわれる。
【０１７０】
押ボタンスイッチ２５３は、アーム７の駆動のために操作される第２操作レバー２５Ｌ（図３，４）に備えられていてもよい。または、運転室４内の運転席４Ｓ（図１）の前方に配置された、入力部３２１（図３）を構成する計器盤などに、ブーム下げ介入制御を一時的に停止するためのスイッチが設けられていてもよい。
【０１７１】
また、ブーム下げ介入制御の実行中に、オペレータによってブーム６が操作された場合に、ブーム下げ介入制御を停止して、オペレータによる操作を優先する構成としてもよい。具体的には、オペレータによるブーム６の駆動のための第１操作レバー２５Ｒの操作が検出されると、制御弁２７Ｃ（図４）を全閉にするとともに制御弁２７Ａ（図４）を全開にして、第１操作レバー２５Ｒの操作量に基づいて調整されたパイロット油圧が方向制御弁６４（図４）に作用する構成としてもよい。
【０１７２】
上述したバケット８は、監視ポイントとして２箇所の刃先８ａおよび背面端８ｂが設定されている構成であるが、バケット８には１箇所のみの監視ポイントが設定されてもよく、または３箇所以上の監視ポイントが設定されてもよい。３箇所以上の監視ポイントが設定されている場合、距離算出部２６１は、各々の監視ポイントと設計地形Ｕとの距離を算出し、制御点選択部２６２は、これら複数の距離のうち最小の距離に対応する監視ポイントを、整地制御に用いられる制御点として選択してもよい。
【０１７３】
上述した操作装置２５は、油路４５１を介して制御弁２７に連結されて、制御弁２７の前後のパイロット油圧を圧力センサ６６，６７で検出することで操作装置２５の操作を検出可能なパイロット油圧方式の操作装置であるが、この構成に限られず、操作装置２５は電子式の装置であってもよい。たとえば操作装置２５は、操作レバーと、操作レバーの操作量を検出する操作検出器とを含み、操作レバーが操作されるとき、操作レバーの操作方向および操作量に応じた電気信号を操作検出器が作業機コントローラ２６に出力するように、構成されてもよい。
【０１７４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１７５】
１  本体、２  作業機、３  旋回体、５  走行装置、６  ブーム、７  アーム、８  バケット、８ａ  刃先、８ｂ  背面端、１０  ブームシリンダ、１１  アームシリンダ、１２  バケットシリンダ、１６  ブームシリンダストロークセンサ、１７  アームシリンダストロークセンサ、１８  バケットシリンダストロークセンサ、２０  位置検出装置、２１  アンテナ、２５  操作装置、２５Ｌ  第２操作レバー、２５Ｒ  第１操作レバー、２６  作業機コントローラ、２７，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ  制御弁、２８  表示コントローラ、２９，３２２  表示部、３０  センサコントローラ、４０Ａ  ボトム側油室、４０Ｂ  ヘッド側油室、５０  ポンプ流路、５１  シャトル弁、６０  油圧シリンダ、６３  旋回モータ、６４  方向制御弁、６５  スプールストロークセンサ、６６，６７，６８  圧力センサ、１００  建設機械、２００  制御システム、２５１  操作レバー、２５３  押ボタンスイッチ、２６１  距離算出部、２６２  制御点選択部、２６３  速度取得部、２６４  調整速度決定部、２６５  油圧シリンダ制御部、３００  油圧システム、３２１  入力部、４５０  パイロット油路、４５１，４５１Ａ，４５１Ｂ，４５２，４５２Ａ，４５２Ｂ，５０１，５０２  油路、Ａ１，Ａ２  範囲、Ｃ  介入ライン、Ｕ  設計地形、ｄ１  第１距離、ｄ２  第２距離、ｈ  ライン距離。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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