(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブーム軸を中心に車両本体に対して回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸を中心に前記ブームに対して回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御システムであって、
前記バケットに設けられ、水平面に対する傾斜角度を検出可能であり、少なくとも前記チルト軸を中心とする前記バケットの回転角度を含むチルト角度データを検出するチルト角度センサと、
前記チルト角度センサから前記チルト角度データが出力されるデータ取得部と、
固定指令に基づいて、前記データ取得部に出力される前記チルト角度データを固定データにするデータ固定部と、
前記固定指令が解除されるまで、前記固定データに基づいて、前記作業機を制御する作業機制御部と、
を備える建設機械の制御システム。 
【請求項２】
ブーム軸を中心に車両本体に対して回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸を中心に前記ブームに対して回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御システムであって、
前記バケットに設けられ、水平面に対する傾斜角度を検出可能であり、少なくとも前記チルト軸を中心とする前記バケットの回転角度を含むチルト角度データを検出するチルト角度センサと、
前記チルト角度センサから前記チルト角度データが出力されるデータ取得部と、
固定指令に基づいて、前記データ取得部に出力される前記チルト角度データを固定データにするデータ固定部と、
前記固定指令に基づいて、前記バケットの駆動を禁止する駆動禁止部と、
を備える建設機械の制御システム。
【請求項３】
前記ブームの寸法、前記アームの寸法、及び前記バケットの寸法を含む寸法データを取得する第１取得部と、
掘削対象の目標形状である目標掘削地形を示す目標掘削地形データを取得する第２取得部と、
前記ブーム軸を中心とする前記ブームの回転角度を示すブーム角度データ、前記アーム軸を中心とする前記アームの回転角度を示すアーム角度データ、及び前記バケット軸を中心とする前記バケットの回転角度を示すバケット角度データを含む作業機角度データを取得する第３取得部と、
前記作業機角度データ、前記寸法データ、及び前記固定データに基づいて、前記バケットの現在位置を示すバケット位置データを求める演算部と、を備え、
前記作業機制御部は、前記目標掘削地形データと前記バケット位置データとに基づいて、前記目標掘削地形と前記バケットとの距離に応じて制限速度を決定し、前記作業機が前記目標掘削地形に接近する方向の速度が前記制限速度以下になるように制限掘削制御を実行し、
前記固定指令は、前記制限掘削制御が行われる期間の少なくとも一部において前記固定データに基づいて前記作業機が制御されるように、前記データ固定部に出力される請求項１に記載の建設機械の制御システム。
【請求項４】
前記固定指令は、前記制限掘削制御の開始において前記データ固定部に出力され、前記制限掘削制御の終了において解除される請求項３に記載の建設機械の制御システム。
【請求項５】
前記バケットの外形データを取得する第４取得部を備え、
前記目標掘削地形データは、前記バケット軸と直交する作業機動作平面における掘削対象の２次元の目標形状であり、
前記演算部は、前記作業機角度データ、前記寸法データ、前記外形データ、及び固定データに基づいて、前記バケット位置データを含み前記作業機動作平面における前記バケットの外形を示す２次元バケットデータを求め、
前記作業機制御部は、前記２次元バケットデータに基づいて、前記作業機を制御する請求項３又は請求項４に記載の建設機械の制御システム。
【請求項６】
前記演算部は、前記２次元バケットデータ、前記車両本体の現在位置を示す車両本体位置データ、及び前記車両本体の姿勢を示す車両本体姿勢データに基づいて、前記目標掘削地形と前記バケットとの相対位置を求める請求項５に記載の建設機械の制御システム。
【請求項７】
下部走行体と、
前記下部走行体に支持される上部旋回体と、
ブームとアームとバケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の制御システムと、
を備える建設機械。
【請求項８】
ブーム軸を中心に車両本体に対して回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸を中心に前記ブームに対して回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御方法であって、
前記バケットに配置され、水平面に対する傾斜角度を検出可能なチルト角度センサで、前記チルト軸を中心とする前記バケットの回転角度を示すチルト角度データを検出することと、
前記チルト角度センサから出力された前記チルト角度データを取得することと、
固定指令に基づいて、前記チルト角度データを固定化して固定データを生成することと、
前記固定指令が解除されるまで、前記固定データに基づいて、前記作業機を制御することと、
を含む建設機械の制御方法。
【請求項９】
ブーム軸を中心に車両本体に対して回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸を中心に前記ブームに対して回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御方法であって、
前記バケットに配置され、水平面に対する傾斜角度を検出可能なチルト角度センサで、前記チルト軸を中心とする前記バケットの回転角度を示すチルト角度データを検出することと、
前記チルト角度センサから出力された前記チルト角度データを取得することと、
固定指令に基づいて、前記チルト角度データを固定化して固定データを生成することと、
前記固定指令に基づいて、前記バケットの駆動を禁止することと、
を含む建設機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法に関する。
【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含む作業機を備える。建設機械の制御において、特許文献１及び特許文献２に開示されているような、掘削対象の目標形状である目標掘削地形に基づいてバケットを移動させる制限掘削制御が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１２７９１４号
【特許文献２】国際公開第２０１２／１２７９１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
建設機械において、チルト可能なチルト式バケットが知られている。チルト式バケットは、アームに対してバケットをチルトさせるチルト用アクチュエータによって傾けられる。チルト式バケットにおいて、チルト角度センサを使ってバケットのチルト角度データを取得することが考えられる。バケットは、チルト用アクチュエータの駆動のみならず、ブーム及びアームの少なくとも一方の上げ動作又は下げ動作によっても、水平面に対して傾斜する。そのため、ブーム及びアームの少なくとも一方の上げ動作又は下げ動作により、チルト角度センサは、チルト用アクチュエータの駆動に基づくチルト角度データを取得することが困難となる可能性がある。その結果、掘削精度が低下し、所期の施工を実行できなくなる可能性がある。【０００５】
本発明の態様は、チルト式バケットを用いる場合においても、掘削精度の低下を抑制できる建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法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】
【０００６】
本発明の第１の態様は、ブーム軸を中心に車両本体に対して回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸を中心に前記ブームに対して回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御システムであって、前記バケットに設けられ、水平面に対する傾斜角度を検出可能であり、少なくとも前記チルト軸を中心とする前記バケットの回転角度を含むチルト角度データを検出するチルト角度センサと、前記チルト角度センサから前記チルト角度データが出力されるデータ取得部と、固定指令に基づいて、前記データ取得部に出力される前記チルト角度データを固定データにするデータ固定部と、前記固定指令が解除されるまで、前記固定データに基づいて、前記作業機を制御する作業機制御部と、を備える建設機械の制御システムを提供する。【０００７】
本発明の第１の態様において、前記ブームの寸法、前記アームの寸法、及び前記バケットの寸法を含む寸法データを取得する第１取得部と、掘削対象の目標形状である目標掘削地形を示す目標掘削地形データを取得する第２取得部と、前記ブーム軸を中心とする前記ブームの回転角度を示すブーム角度データ、前記アーム軸を中心とする前記アームの回転角度を示すアーム角度データ、及び前記バケット軸を中心とする前記バケットの回転角度を示すバケット角度データを含む作業機角度データを取得する第３取得部と、前記作業機角度データ、前記寸法データ、及び前記固定データに基づいて、前記バケットの現在位置を示すバケット位置データを求める演算部と、を備え、前記作業機制御部は、前記目標掘削地形データと前記バケット位置データとに基づいて、前記目標掘削地形と前記バケットとの距離に応じて制限速度を決定し、前記作業機が前記目標掘削地形に接近する方向の速度が前記制限速度以下になるように制限掘削制御を実行し、前記固定指令は、前記制限掘削制御が行われる期間の少なくとも一部において前記固定データに基づいて前記作業機が制御されるように、前記データ固定部に出力されることが好ましい。【０００８】
本発明の第１の態様において、前記固定指令は、前記制限掘削制御の開始において前記データ固定部に出力され、前記制限掘削制御の終了において解除されることが好ましい。【０００９】
本発明の第１の態様において、前記制限掘削制御において、前記バケットの駆動を禁止する駆動禁止部を有することが好ましい。【００１０】
本発明の第１の態様において、バケットを駆動可能な油圧シリンダを操作するための操作信号を出力する操作装置を備え、前記駆動禁止部は、前記操作装置から出力された操作信号を無効化することが好ましい。【００１１】
本発明の第１の態様において、前記バケットの外形データを取得する第４取得部を備え、前記目標掘削地形データは、前記バケット軸と直交する作業機動作平面における掘削対象の２次元の目標形状である設計地形を示す２次元設計地形データであり、前記演算部は、前記作業機角度データ、前記寸法データ、前記外形データ、及び固定データに基づいて、前記バケット位置データを含み前記作業機動作平面における前記バケットの外形を示す２次元バケットデータを求め、前記作業機制御部は、前記２次元バケットデータに基づいて、前記作業機を制御することが好ましい。【００１２】
本発明の第１の態様において、前記演算部は、前記２次元バケットデータ、前記車両本体の現在位置を示す車両本体位置データ、及び前記車両本体の姿勢を示す車両本体姿勢データに基づいて、前記目標掘削地形と前記バケットとの相対位置を求めることが好ましい。【００１３】
本発明の第２の態様は、下部走行体と、前記下部走行体に支持される上部旋回体と、ブームとアームとバケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、第１の態様の制御システムと、を備える建設機械を提供する。【００１４】
本発明の第３の態様は、ブーム軸を中心に車両本体に対して回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸を中心に前記ブームに対して回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御方法であって、前記バケットに配置され、水平面に対する傾斜角度を検出可能なチルト角度センサで、前記チルト軸を中心とする前記バケットの回転角度を示すチルト角度データを検出することと、前記チルト角度センサから出力された前記チルト角度データを取得することと、固定指令に基づいて、前記チルト角度データを固定化して固定データを生成することと、前記固定指令が解除されるまで、前記固定データに基づいて、前記作業機を制御することと、を含む建設機械の制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の態様によれば、掘削精度の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、建設機械の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、バケットの一例を示す側断面図である。
【図３】図３は、バケットの一例を示す正面図である。
【図４】図４は、建設機械の一例を模式的に示す側面図である。
【図５】図５は、建設機械の一例を模式的に示す背面図である。
【図６】図６は、建設機械の一例を模式的に示す平面図である。
【図７】図７は、バケットの一例を模式的に示す側面図である。
【図８】図８は、バケットの一例を模式的に示す正面図である。
【図９】図９は、制御システムの一例を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、油圧シリンダの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、ストロークセンサの一例を示す図である。
【図１２】図１２は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図１３】図１３は、油圧システムの一例を示す図である。
【図１４】図１４は、油圧システムの一例を示す図である。
【図１５】図１５は、油圧システムの一例を示す図である。
【図１６】図１６は、建設機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図１７Ａ】図１７Ａは、制御システムの一例を示す機能ブロック図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、制御システムの一例を示す機能ブロック図である。
【図１８】図１８は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図１９】図１９は、バケットの一例を模式的に示す図である。
【図２０】図２０は、バケットの一例を模式的に示す図である。
【図２１】図２１は、バケットの一例を模式的に示す図である。
【図２２】図２２は、バケットの一例を模式的に示す図である。
【図２３】図２３は、作業機の一例を模式的に示す図である。
【図２４】図２４は、バケットの一例を模式的に示す図である。
【図２５】図２５は、建設機械の制御方法の一例を説明するための模式図である。
【図２６】図２６は、制限掘削制御の一例を示すフローチャートである。
【図２７】図２７は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図２８】図２８は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図２９】図２９は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図３０】図３０は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図３１】図３１は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図３２】図３２は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図３３】図３３は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図３４】図３４は、制限掘削制御の一例を説明するための図である。
【図３５】図３５は、建設機械の制御方法の一例を説明するための模式図である。
【図３６】図３６は、チルト角度センサの一例を示す模式図である。
【図３７】図３７は、油圧システムの一例を示す図である。
【図３８】図３８は、表示部の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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が、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構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
【００１８】
以下の説明においては、グローバル座標系及びローカル座標系のそれぞれを設定し、それら座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。グローバル座標系は、地球に固定された原点Ｐｒ（図４参照）を基準とした座標系である。ローカル座標系は、建設機械ＣＭの車両本体１に固定された原点Ｐ０（図４参照）を基準とした座標系である。ローカル座標系を、車両本体座標系、と称してもよい。
【００１９】
以下の説明においては、グローバル座標系を、ＸｇＹｇＺｇ直交座標系で示す。後述するように、グローバル座標系の基準位置（原点）Ｐｇは、作業エリアに位置する。水平面内の一方向をＸｇ軸方向、水平面内においてＸｇ軸方向と直交する方向をＹｇ軸方向、Ｘｇ軸方向及びＹｇ軸方向のそれぞれと直交する方向をＺｇ軸方向とする。また、Ｘｇ軸、Ｙｇ軸、及びＺｇ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸｇ、θＹｇ、及びθＺｇ方向とする。Ｘｇ軸は、ＹｇＺｇ平面と直交する。Ｙｇ軸は、ＸｇＺｇ平面と直交する。Ｚｇ軸は、ＸｇＹｇ平面と直交する。ＸｇＹｇ平面は、水平面と平行である。Ｚｇ軸方向は、鉛直方向である。
【００２０】
以下の説明においては、ローカル座標系を、ＸＹＺ直交座標系で示す。後述するように、ローカル座標系の基準位置（原点）Ｐ０は、旋回体３の旋回中心ＡＸに位置する。ある平面内の一方向をＸ軸方向、その平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向をＺ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。Ｘ軸は、ＹＺ平面と直交する。Ｙ軸は、ＸＺ平面と直交する。Ｚ軸は、ＸＹ平面と直交する。
【００２１】
［油圧ショベルの全体構成］
図１は、本実施形態に係る建設機械ＣＭの一例を示す斜視図である。本実施形態においては、建設機械ＣＭが、油圧により作動する作業機２を備える油圧ショベルＣＭである例について説明する。
【００２２】
図１に示すように、油圧ショベルＣＭは、車両本体１と、作業機２とを備える。後述するように、油圧ショベルＣＭには掘削制御を実行する制御システム２００が搭載されている。
【００２３】
車両本体１は、旋回体３と、運転室４と、走行装置５とを有する。旋回体３は、走行装置５の上に配置される。走行装置５は、旋回体３を支持する。旋回体３を上部旋回体３と称してもよい。走行装置５を下部走行体５と称してもよい。旋回体３は、旋回軸ＡＸを中心に旋回可能である。運転室４に、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられる。オペレータは、運転室４において油圧ショベルＣＭを操作する。走行装置５は、一対の履帯５Ｃｒを有する。履帯５Ｃｒの回転により、油圧ショベルＣＭが走行する。なお、走行装置５が車輪（タイヤ）を含んでもよい。
【００２４】
本実施形態においては、運転席４Ｓを基準として各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席４Ｓを基準とした前後方向をいう。左右方向とは、運転席４Ｓを基準とした左右方向をいう。左右方向は、車幅方向に一致する。運転席４Ｓが正面に正対する方向を前方向とし、前方向に対向する方向を後方向とする。運転席４Ｓが正面に正対したとき側方向の右側、左側をそれぞれ右方向、左方向とする。本実施形態において、前後方向は、Ｘ軸方向であり、左右方向は、Ｙ軸方向である。運転席４Ｓが正面に正対する方向は、前方向（＋Ｘ方向）であり、前方向の反対方向は、後方向（−Ｘ方向）である。運転席４Ｓが正面に正対したときの車幅方向の一側の方向は、右方向（＋Ｙ方向）であり、車幅方向の他側の方向は、左方向（−Ｙ方向）である。
【００２５】
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する。旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられる。エンジンルーム９に、エンジン及び油圧ポンプなどが配置される。
【００２６】
作業機２は、旋回体３に接続される。作業機２は、ブームピン１３を介して旋回体３に接続されるブーム６と、アームピン１４を介してブーム６に接続されるアーム７と、バケットピン１５及びチルトピン８０を介してアーム７に接続されるバケット８と、ブーム６を駆動するブームシリンダ１０と、アーム７を駆動するアームシリンダ１１と、バケット８を駆動するバケットシリンダ１２及びチルトシリンダ３０とを有する。ブーム６の基端部（ブームフート）と旋回体３とが接続される。ブーム６の先端部（ブームトップ）とアーム７の基端部（アームフート）とが接続される。アーム７の先端部（アームトップ）とバケット８の基端部とが接続される。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、及びチルトシリンダ３０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。
【００２７】
作業機２は、ブームシリンダ１０に配置され、ブームシリンダ１０のストローク長さ（ブームシリンダ長）を検出する第１ストロークセンサ１６と、アームシリンダ１１に配置され、アームシリンダ１１のストローク長さ（アームシリンダ長）を検出する第２ストロークセンサ１７と、バケットシリンダ１２に配置され、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）を検出する第３ストロークセンサ１８とを有する。
【００２８】
ブーム６は、回転軸であるブーム軸Ｊ１を中心に旋回体３に対して回転可能である。アーム７は、ブーム軸Ｊ１と平行な回転軸であるアーム軸Ｊ２を中心にブーム６に対して回転可能である。バケット８は、ブーム軸Ｊ１及びアーム軸Ｊ２と平行な回転軸であるバケット軸Ｊ３を中心にアーム７に対して回転可能である。バケット８は、バケット軸Ｊ３と直交する回転軸であるチルト軸Ｊ４を中心にアーム７に対して回転可能である。ブームピン１３は、ブーム軸Ｊ１を含む。アームピン１４は、アーム軸Ｊ２を含む。バケットピン１５は、バケット軸Ｊ３を含む。チルトピン８０は、チルト軸Ｊ４を含む。
【００２９】
本実施形態において、ブーム軸Ｊ１、アーム軸Ｊ２、及びバケット軸Ｊ３のそれぞれは、Ｙ軸と平行である。ブーム６、アーム７、及びバケット８のそれぞれは、θＹ方向に回転可能である。本実施形態において、ＸＺ平面は、所謂、ブーム６及びアーム７の垂直回動面を含む。
【００３０】
以下の説明においては、ブームシリンダ１０のストローク長さを適宜、ブームシリンダ長又はブームストローク、と称し、アームシリンダ１１のストローク長さを適宜、アームシリンダ長又はアームストローク、と称し、バケットシリンダ１２のストローク長さを適宜、バケットシリンダ長又はバケットストローク、と称し、チルトシリンダ３０のストローク長さを適宜、チルトシリンダ長、と称する。また、以下の説明において、ブームシリンダ長、アームシリンダ長、バケットシリンダ長、及びチルトシリンダ長を適宜、シリンダ長データＬ、と総称する。
【００３１】
［バケット］
次に、本実施形態に係るバケット８について説明する。図２は、本実施形態に係るバケット８の一例を示す側断面図である。図３は、本実施形態に係るバケット８の一例を示す正面図である。本実施形態において、バケット８は、チルト式バケットである。
【００３２】
図２及び図３に示すように、作業機２は、バケット軸Ｊ３及びバケット軸Ｊ３と直交するチルト軸Ｊ４のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能なバケット８とを有する。バケット８は、バケットピン１５（バケット軸Ｊ３）を中心にアーム７に回転可能に支持されている。バケット８は、チルトピン８０（チルト軸Ｊ４）を中心にアーム７に回転可能に支持される。バケット軸Ｊ３とチルト軸Ｊ４とは直交する。バケット８は、バケット軸Ｊ３及びそのバケット軸Ｊ３と直交するチルト軸Ｊ４のそれぞれを中心にアーム７に回転可能に支持される。
【００３３】
バケット８は、接続部材（台枠）９０を介して、アーム７の先端部に接続される。バケットピン１５は、アーム７と接続部材９０とを連結する。チルトピン８０は、接続部材９０とバケット８とを連結する。バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７に回転可能に接続される。
【００３４】
バケット８は、底板８１と、背板８２と、上板８３と、側板８４と、側板８５とを含む。底板８１と上板８３と側板８４と側板８５とによって、バケット８の開口部８６が規定される。
【００３５】
バケット８は、上板８３の上部に設けられたブラケット８７を有する。ブラケット８７は、上板８３の前後位置に設置される。ブラケット８７は、接続部材９０及びチルトピン８０と連結される。
【００３６】
接続部材９０は、プレート部材９１と、プレート部材９１の上面に設けられたブラケット９２と、プレート部材９１の下面に設けられたブラケット９３とを有する。ブラケット９２は、アーム７及び後述する第２リンクピン９５と連結される。ブラケット９３はブラケット８７の上部に設置され、チルトピン８０及びブラケット８７と連結される。
【００３７】
バケットピン１５は、接続部材９０のブラケット９２とアーム７の先端部とを連結する。チルトピン８０は、接続部材９０のブラケット９３とバケット８のブラケット８７とを連結する。これにより、アーム７に対して接続部材９０及びバケット８がバケット軸Ｊ３を中心に回転可能となり、接続部材９０に対してバケット８がチルト軸Ｊ４を中心に回転可能となる。
【００３８】
作業機２は、第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に回転可能に接続される第１リンク部材９４と、第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に回転可能に接続される第２リンク部材９５とを有する。第１リンク部材９４の基端部が第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に接続される。第２リンク部材９５の基端部が第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に接続される。第１リンク部材９４の先端部と第２リンク部材９５の先端部とが、バケットシリンダトップピン９６を介して連結される。
【００３９】
バケットシリンダ１２の先端部は、バケットシリンダトップピン９６を介して、第１リンク部材９４の先端部及び第２リンク部材９５の先端部と回転可能に接続される。バケットシリンダ１２が伸縮するように作動すると、接続部材９０がバケット８と一緒にバケット軸Ｊ３を中心に回転する。
【００４０】
チルトシリンダ３０は、接続部材９０に設けられたブラケット９７、及びバケット８に設けられたブラケット８８のそれぞれに接続される。チルトシリンダ３０のロッドがピンを介してブラケット９７に接続される。チルトシリンダ３０の本体部がピンを介してブラケット８８に接続される。バケットシリンダ３０が伸縮するように作動すると、バケット８はチルト軸Ｊ４を中心に回転する。
【００４１】
このように、バケット８は、バケットシリンダ１２の作動により、バケット軸Ｊ３を中心に回転する。バケット８は、チルトシリンダ３０の作動により、チルト軸Ｊ４を中心に回転する。本実施形態においては、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転により、チルトピン８０（チルト軸Ｊ４）が、バケット８と一緒に回転（傾斜）する。
【００４２】
本実施形態において、作業機２は、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８の回転角度δを示すチルト角度データを検出するチルト角度センサ７０を有する。チルト角度センサ７０は、グローバル座標系における水平面に対するバケット８のチルト角度（回転角度）を検出する。チルト角度センサ７０は、所謂、２軸の角度センサであり、後述するθＸｇ方向、及びθＹｇ方向に関する２つの方向に関する傾斜角度を検出する。チルト角度センサ７０は、バケット８の少なくとも一部に設けられる。グローバル座標系におけるチルト角度は、傾斜センサ２４の検出結果に基づいて、ローカル座標系におけるチルト角度δに変換される。
【００４３】
なお、バケット８は、本実施形態に限定されない。バケット８の傾斜角度（チルト角度）を任意に設定する方法でもよい。傾斜角度の軸は、もう１軸増えてもよい。
【００４４】
［油圧ショベルの構造］
図４は、本実施形態に係る油圧ショベルＣＭを模式的に示す側面図である。図５は、本実施形態に係る油圧ショベルＣＭを模式的に示す背面図である。図６は、本実施形態に係る油圧ショベルＣＭを模式的に示す平面図である。
【００４５】
本実施形態においては、ブーム軸Ｊ１とアーム軸Ｊ２との距離Ｌ１を、ブーム長さＬ１とする。アーム軸Ｊ２とバケット軸Ｊ３との距離Ｌ２を、アーム長さＬ２とする。バケット軸Ｊ３とバケット８の先端部８ａとの距離Ｌ３を、バケット長さＬ３とする。
【００４６】
バケット８の先端部は、バケット８が有する刃の先端部を含む。本実施形態において、バケット８の刃の先端部は、ストレート状である。なお、バケット８は、複数の尖った刃を有してもよい。以下の説明において、バケット８の先端部８ａを適宜、刃先８ａ、と称する。
【００４７】
油圧ショベルＣＭは、作業機２の角度を検出する角度検出装置２２を有する。角度検出装置２２は、ブーム軸Ｊ１を中心とするブーム６の回転角度αを示すブーム角度データ、アーム軸Ｊ２を中心とするアーム７の回転角度βを示すアーム角度データ、及びバケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転角度γを示すバケット角度データを含む作業機角度データを検出する。本実施形態において、ブーム角度（回転角度）αは、ローカル座標系のＺ軸と平行な軸に対するブーム６の傾斜角度を含む。アーム角度（回転角度）βは、ブーム６に対するアーム７の傾斜角度を含む。バケット角度（回転角度）γは、アーム７に対するバケット８の傾斜角度を含む。
【００４８】
本実施形態において、角度検出装置２２は、ブームシリンダ１０に配置された第１ストロークセンサ１６と、アームシリンダ１１に配置された第２ストロークセンサ１７と、バケットシリンダ１２に配置された第３ストロークセンサ１８とを含む。第１ストロークセンサ１６の検出結果に基づいて、ブームシリンダ長が求められる。第２ストロークセンサ１７の検出結果に基づいて、アームシリンダ長が求められる。第３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が求められる。本実施形態においては、第１ストロークセンサ１６でブームシリンダ長が検出されることにより、ブーム角度αが導出又は算出される。第２ストロークセンサ１７でアームシリンダ長が検出されることにより、アーム角度βが導出又は算出される。第３ストロークセンサ１８でバケットシリンダ長が検出されることにより、バケット角度γが導出又は算出される。
【００４９】
油圧ショベルＣＭは、車両本体１の現在位置を示す車両本体位置データＰ、及び車両本体１の姿勢を示す車両本体姿勢データＱを検出可能な位置検出装置２０を備えている。車両本体１の現在位置は、グローバル座標系における車両本体１の現在位置（Ｘｇ位置、Ｙｇ位置、及びＺｇ位置）を含む。車両本体１の姿勢は、θＸｇ方向、θＹｇ方向、及びθＺｇ方向に関する旋回体３の位置を含む。車両本体１の姿勢は、水平面（ＸｇＹｇ平面）に対する旋回体３の左右方向の傾斜角度（ロール角）θ１と、水平面に対する旋回体３の前後方向の傾斜角度（ピッチ角）θ２と、グローバル座標の基準方位（例えば北）と旋回体３（作業機２）が向いている方位とがなす角度（ヨー角）θ３とを含む。
【００５０】
位置検出装置２０は、アンテナ２１と、位置センサ２３と、傾斜センサ２４とを有する。アンテナ２１は、車両本体１の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ２１は、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、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real  Time  Kinematic-Global  Navigation  Satellite  Systems）用アンテナである。アンテナ２１は、旋回体３に設けられる。本実施形態において、アンテナ２１は、旋回体３の手すり１９に設けられる。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よい。例えば、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）に応じた信号を位置センサ２３に出力する。
【００５１】
位置センサ２３は、３次元位置センサ及びグローバル座標演算部を含み、グローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置Ｐｒ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Ｐｇを元にした３次元座標系である。図４に示すように、本実施形態において、基準位置Ｐｇは、作業エリアに設定された基準杭の先端の位置である。
【００５２】
本実施形態において、アンテナ２１は、ローカル座標系のＹ軸方向（旋回体３の車幅方向）に関して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を含む。位置センサ２３は、第１アンテナ２１Ａの設置位置Ｐｒａ及び第２アンテナ２１Ｂの設置位置Ｐｒｂを検出する。
【００５３】
位置検出装置２０は、位置センサ２３を使って、グローバル座標における車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを取得する。車両本体位置データＰは、旋回体３の旋回軸（旋回中心）ＡＸに位置する基準位置Ｐ０を示すデータである。なお、基準位置データＰは、設置位置Ｐｒを示すデータでもよい。位置検出装置２０は、基準位置Ｐ０を含む車両本体位置データＰを取得する。また、位置検出装置２０は、２つの設置位置Ｐｒａ及び設置位置Ｐｒｂに基づいて、車両本体姿勢データＱを取得する。車両本体姿勢データＱは、設置位置Ｐｒａと設置位置Ｐｒｂ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。車両本体姿勢データＱは、旋回体３（作業機２）が向いている方位を示す。
【００５４】
傾斜センサ２４は、旋回体３に設けられる。傾斜センサ２４は、ＩＭＵ（Inertial  Measurement  Unit）を含む。傾斜センサ２４は、運転室４の下部に配置される。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る。なお、傾斜センサ２４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。傾斜センサ２４は、そのフレームに配置される。位置検出装置２０は、傾斜センサ２４を使って、ロール角θ１及びピッチ角θ２を含む車両本体姿勢データＱを取得する。
【００５５】
図７は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す側面図である。図８は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す正面図である。
【００５６】
本実施形態においては、バケット軸Ｊ３とチルト軸Ｊ４との距離Ｌ４を、チルト長さＬ４とする。側板８４と側板８５との距離Ｌ５を、バケット８の幅の寸法Ｌ５とする。チルト角度δは、ＸＹ平面に対するバケット８の傾斜角度である。チルト角度δを示すチルト角度データは、チルト角度センサ７０の検出結果から導出される。チルト軸角度εは、ＸＹ平面に対するチルト軸Ｊ４（チルトピン８０）の傾斜角度である。チルト軸角度εを示すチルト角度データは、角度検出装置２２の検出結果から導出される。
【００５７】
なお、本実施形態においては、チルト角度データが角度検出装置２２の検出結果から取得されることとするが、バケット８のチルト角度は、例えば、チルトシリンダ３０のストローク長さ（チルトシリンダ長）を検出した検出結果から算出し、取得することも可能である。
【００５８】
［制御システムの構成］
次に、本実施形態に係る制御システム２００の概要について説明する。図９は、本実施形態に係る制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。
【００５９】
制御システム２００は、作業機２を用いる掘削処理を制御する。掘削処理の制御は、制限掘削制御を含む。図９に示すように、制御システム２００は、位置検出装置２０と、角度検出装置２２と、チルト角度センサ７０と、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、圧力センサ６６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、入力部３６と、センサコントローラ３２と、ポンプコントローラ３４と、ＩＭＵ２４とを備えている。
【００６０】
表示部２９は、表示コントローラ２８の制御に基づいて、掘削を行うべき目標掘削地形等の所定の情報を表示する。入力部３６は、表示部で入力を行うタッチパネル等とされ、オペレータに入力操作される。オペレータに操作されることにより、入力部３６は、その操作に基づく操作信号を生成して、表示コントローラ２８に出力する。
【００６１】
操作装置２５は、運転室４に配置される。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。本実施形態において、操作装置２５は、パイロット油圧方式の操作装置である。
【００６２】
以下の説明においては、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、及びチルトシリンダ３０）を作動するためにその油圧シリンダに供給される油を適宜、作動油、と称する。本実施形態においては、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、供給される油によって作動する。以下の説明においては、方向制御弁６４を作動するためにその方向制御弁６４に供給される油を適宜、パイロット油、と称する。また、パイロット油の圧力を適宜、パイロット油圧、と称する。
【００６３】
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。
【００６４】
操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌと、第３操作レバー２５Ｐとを有する。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の左側に配置される。第３操作レバー２５Ｐは、例えば第２操作レバー２５Ｌに配置される。なお、第３操作レバー２５Ｐは、第１操作レバー２５Ｒに配置されてもよい。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軸の動作に対応している。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
第３操作レバー２５Ｐにより、バケット８が操作される。本実施形態においては、第１操作レバー２５Ｒにより、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転が操作される。第３操作レバー２５Ｐにより、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８の回転（チルト）が操作される。
【００６８】
本実施形態において、ブーム６の上げ動作は、ダンプ動作に相当する。ブーム６の下げ動作は、掘削動作に相当する。アーム７の下げ動作は、掘削動作に相当する。アーム７の上げ動作は、ダンプ動作に相当する。バケット８の下げ動作は、掘削動作に相当する。なお、アーム７の下げ動作を曲げ動作と称してもよい。アーム７の上げ動作を伸長動作と称してもよい。
【００６９】
パイロット油圧ポンプから送出され、制御弁によってパイロット油圧に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、そのパイロット油圧に応じて、油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、及びチルトシリンダ４０）に供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。パイロット油圧ライン４５０には、圧力センサ６６が配置されている。圧力センサ６６は、パイロット油圧を検出する。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。
【００７０】
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が流れる方向制御弁６４が駆動される。
【００７１】
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が流れる方向制御弁６４が駆動される。
【００７２】
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が流れる方向制御弁６４が駆動される。
【００７３】
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が流れる方向制御弁６４が駆動される。
【００７４】
第３操作レバー２５Ｐは、バケット８の駆動（チルト軸Ｊ４を中心とする回転）のために操作される。第３操作レバー２５Ｐの操作量に応じて、バケット８をチルトさせるためのチルトシリンダ３０に供給される作動油が流れる方向制御弁６４が駆動される。
【００７５】
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の左右方向がアーム７の操作に対応し、前後方向の操作が旋回体３の操作に対応してもよい。
【００７６】
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、バケットシリンダ１２、及びチルトシリンダ３０）に対する作動油の供給量を調整するために作動する。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。
【００７７】
角度検出装置２２は、ブーム軸Ｊ１を中心とするブーム６の回転角度αを示すブーム角度データ、アーム軸Ｊ２を中心とするアーム７の回転角度βを示すアーム角度データ、及びバケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転角度γを示すバケット角度データを含む作業機角度データを検出する。
【００７８】
本実施形態において、角度検出装置２２は、第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７、及び第３ストロークセンサ１８を含む。第１ストロークセンサ１６の検出結果、第２ストロークセンサ１７の検出結果、及び第３ストロークセンサ１８の検出結果がセンサコントローラ３２に出力される。センサコントローラ３２は、第１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。第１ストロークセンサ１６は、周回動作に伴う位相変位のパルスをセンサコントローラ３２に出力する。センサコントローラ３２は、第１ストロークセンサ１６から出力された位相変位のパルスに基づいて、ブームシリンダ長を算出する。同様に、センサコントローラ３２は、第２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３２は、第３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。
【００７９】
センサコントローラ３２は、第１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、車両本体１の垂直方向に対するブーム６の回転角度αを算出する。センサコントローラ３２は、第２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の回転角度βを算出する。センサコントローラ３２は、第３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の回転角度γを算出する。
【００８０】
なお、ブーム６の回転角度α、アーム７の回転角度β、及びバケット８の回転角度γは、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の回転角度α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、回転角度αを検出する。同様に、アーム７の回転角度β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の回転角度γ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。
【００８１】
センサコントローラ３２は、第１、第２、第３ストロークセンサ１６、１７、１８からシリンダ長データＬ及び作業機角度データを取得する。センサコントローラ３２は、作業機回転角度データα〜γを表示コントローラ２８及び作業機コントローラ２６のそれぞれに出力する。
【００８２】
表示コントローラ２８は、位置検出装置２０から車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを取得する。また、表示コントローラ２８は、チルト角度センサ７０からチルト角度δを示すチルト角度データを取得する。
【００８３】
表示コントローラ２８は、位置検出装置２０から車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを取得する。また、表示コントローラ２８は、チルト角度センサ７０からチルト角度δを示すチルト角度データを取得する。
【００８４】
表示コントローラ２８は、演算処理を行う演算部２８０Ａと、データが記憶される記憶部２８０Ｂと、データを取得する取得部（データ取得部）２８０Ｃと、を有する。
【００８５】
表示コントローラ２８は、記憶する目標施工情報、各作業機の寸法、車両本体位置データＰ、車両本体姿勢データＱ、及び各作業機の回転角度データα〜γに基づいて、目標掘削地形データＵを算出し、作業機コントローラ２６へ出力する。
【００８６】
作業機コントローラ２６は、作業機制御部２６Ａと、駆動禁止部２６Ｂと、記憶部２６Ｃとを有する。作業機コントローラ２６は、表示コントローラ２８から目標掘削地形データＵを受け取り、センサコントローラ３２から各作業機の回転角度データα〜γを取得する。作業機コントローラ２６は、目標掘削地形データＵ、及び作業機の回転角度データα〜γ基づいて、制御弁２７への制御指令を生成する。また作業機コントローラ２６はポンプコントローラ３４へチルトバケットを使用する時の操作指令を行う。
【００８７】
ポンプコントローラ３４は、作業機２へ作動油を供給する油圧ポンプ４１への駆動指令を行う。また、ポンプコントローラ３４は、バケット８のチルト角度を操作する為に後述する制御弁２７Ｄ、２７Ｅへ指令を行う。
【００８８】
［ストロークセンサ］
次に、図１０及び図１１を参照して、ストロークセンサ１６について説明する。以下の説明においては、ブームシリンダ１０に取り付けられたストロークセンサ１６について説明する。アームシリンダ１１に取付けられたストロークセンサ１７なども同様である。
【００８９】
ブームシリンダ１０には、ストロークセンサ１６が取り付けられている。ストロークセンサ１６は、ピストンのストロークを計測する。図１０に示すように、ブームシリンダ１０は、シリンダチューブ１０Ｘと、シリンダチューブ１０Ｘ内においてシリンダチューブ１０Ｘに対して相対的に移動可能なシリンダロッド１０Ｙとを有する。シリンダチューブ１０Ｘには、ピストン１０Ｖが摺動自在に設けられている。ピストン１０Ｖには、シリンダロッド１０Ｙが取り付けられている。シリンダロッド１０Ｙは、シリンダヘッド１０Ｗに摺動自在に設けられている。シリンダヘッド１０Ｗとピストン１０Ｖとシリンダ内壁とによって画成された室は、ロッド側油室４０Ｂである。ピストン１０Ｖを介してロッド側油室４０Ｂとは反対側の油室がキャップ側油室４０Ａである。なお、シリンダヘッド１０Ｗには、シリンダロッド１０Ｙとの隙間を密封し、塵埃等がロッド側油室４０Ｂに入り込まないようにするシール部材が設けられている。
【００９０】
シリンダロッド１０Ｙは、ロッド側油室４０Ｂに作動油が供給され、キャップ側油室４０Ａから作動油が排出されることによって縮退する。また、シリンダロッド１０Ｙは、ロッド側油室４０Ｂから作動油が排出され、キャップ側油室４０Ａに作動油が供給されることによって伸張する。すなわち、シリンダロッド１０Ｙは、図中左右方向に直動する。
【００９１】
ロッド側油室４０Ｂの外部にあって、シリンダヘッド１０Ｗに密接した場所には、ストロークセンサ１６を覆い、ストロークセンサ１６を内部に収容するケース１６４が設けられている。ケース１６４は、シリンダヘッド１０Ｗにボルト等によって締結等されて、シリンダヘッド１０Ｗに固定されている。
【００９２】
ストロークセンサ１６は、回転ローラ１６１と、回転中心軸１６２と、回転センサ部１６３とを有している。回転ローラ１６１は、その表面がシリンダロッド１０Ｙの表面に接触し、シリンダロッド１０Ｙの直動に応じて回転自在に設けられている。すなわち、回転ローラ１６１によってシリンダロッド１０Ｙの直線運動が回転運動に変換される。回転中心軸１６２は、シリンダロッド１０Ｙの直動方向に対して、直交するように配置されている。
【００９３】
回転センサ部１６３は、回転ローラ１６１の回転量(回転角度)を電気信号として検出可能に構成されている。回転センサ部１６３で検出された回転ローラ１６１の回転量(回転角度)を示す信号は、電気信号線を介して、センサコントローラ３２に送られ、この作業機コントローラ２６でブームシリンダ１０のシリンダロッド１０Ｙの位置(ストローク位置)に変換される。
【００９４】
図１１に示すように、回転センサ部１６３は、磁石１６３ａと、ホールＩＣ１６３ｂとを有している。検出媒体である磁石１６３ａは、回転ローラ１６１と一体に回転するように回転ローラ１６１に取り付けられている。磁石１６３ａは回転中心軸１６２を中心とした回転ローラ１６１の回転に応じて回転する。磁石１６３ａは、回転ローラ１６１の回転角度に応じて、Ｎ極、Ｓ極が交互に入れ替わるように構成されている。磁石１６３ａは、回転ローラ１６１の一回転を一周期として、ホールＩＣ１６３ｂで検出される磁力（磁束密度）が周期的に変動するように構成されている。
【００９５】
ホールＩＣ１６３ｂは、磁石１６３ａによって生成される磁力（磁束密度）を電気信号として検出する磁力センサである。ホールＩＣ１６３ｂは、回転中心軸１６２の軸方向に沿って、磁石１６３ａから所定距離、離間された位置に設けられている。
【００９６】
ホールＩＣ１６３ｂで検出された電気信号は、作業機コントローラ２６に送られ、この作業機コントローラ２６で、ホールＩＣ１６３ｂの電気信号が、回転ローラ１６１の回転量、つまりブームシリンダ１０のシリンダロッド１０Ｙの変位量(ストローク長)に変換される。
【００９７】
ここで、図１１を参照して、回転ローラ１６１の回転角度と、ホールＩＣ１６３ｂで検出される電気信号（電圧）との関係を説明する。回転ローラ１６１が回転し、その回転に応じて磁石１６３ａが回転すると、回転角度に応じて、ホールＩＣ１６３ｂを透過する磁力（磁束密度）が周期的に変化し、センサ出力である電気信号（電圧）が周期的に変化する。このホールＩＣ１６３ｂから出力される電圧の大きさから回転ローラ１６１の回転角度を計測することができる。
【００９８】
また、ホールＩＣ１６３ｂから出力される電気信号(電圧)の１周期が繰り返される数をカウントすることで、回転ローラ１６１の回転数を計測することができる。そして、回転ローラ１６１の回転角度と、回転ローラ１６１の回転数とに基づいて、ブームシリンダ１０のシリンダロッド１０Ｙの変位量(ストローク長)が検出される。
【００９９】
また、ストロークセンサ１６は、回転ローラ１６１の回転角度と、回転ローラ１６１の回転数とに基づいて、シリンダロッド１０Ｙの移動速度（シリンダ速度）を検出することができる。
【０１００】
［油圧システム］
次に、本実施形態に係る油圧システム３００の一例について説明する。制御システム２００は、油圧システム３００と、作業機コントローラ２６とを含む。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、及びチルトシリンダ３０のそれぞれは、油圧シリンダである。それら油圧シリンダは、油圧システム３００により作動する。
【０１０１】
図１３は、アームシリンダ１１を含む油圧システム３００の一例を模式的に示す図である。なお、バケットシリンダ１２も同様である。油圧システム３００は、方向制御弁６４を介してアームシリンダ１１に作動油を供給する可変容量型のメイン油圧ポンプ４１と、パイロット油を供給するパイロット油圧ポンプ４２と、方向制御弁６４に対するパイロット油のパイロット油圧を調整する操作装置２５と、パイロット油が流れる油路４３（４３Ａ、４３Ｂ）と、油路４３に配置された制御弁２７（２７Ａ、２７Ｂ）と、油路４３に配置された圧力センサ６６（６６Ａ、６６Ｂ）と、制御弁２７を制御する作業機コントローラ２６とを備えている。油路４３は、図９におけるパイロット油圧ライン４５０と同じである。
【０１０２】
方向制御弁６４は、作動油が流れる方向を制御する。メイン油圧ポンプ４１から供給された作動油は、方向制御弁６４を介して、アームシリンダ１１に供給される。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である。スプールが軸方向に移動することにより、アームシリンダ１１のキャップ側油室４０Ａ（油路４７）に対する作動油の供給と、ロッド側油室４０Ｂ（油路４８）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、アームシリンダ１１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。アームシリンダ１１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。
【０１０３】
方向制御弁６４の駆動は、操作装置２５によって調整される。本実施形態において、操作装置２５は、パイロット油圧方式の操作装置である。パイロット油圧ポンプ４２から送出されたパイロット油が操作装置２５に供給される。なお、メイン油圧ポンプ４１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に供給されてもよい。操作装置２５は、パイロット油圧調整弁を含む。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。その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。
【０１０４】
パイロット油が流れる油路４３は、１つの方向制御弁６４に対して２つ設けられる。２つの油路４３Ａ及び油路４３Ｂのうち、一方の油路４３Ａには、方向制御弁６４のスプールの一方の空間（第１受圧室）に供給されるパイロット油が流れる。他方の油路４３Ｂには、方向制御弁６４のスプールの他方の空間（第２受圧室）に供給されるパイロット油が流れる。
【０１０５】
油路４３に圧力センサ６６が配置される。圧力センサ６６は、パイロット油圧を検出する。圧力センサ６６は、油路４３Ａのパイロット油圧を検出する圧力センサ６６Ａと、油路４３Ｂのパイロット油圧を検出する圧力センサ６６Ｂとを含む。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。
【０１０６】
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、パイロット油圧を調整可能である。制御弁２７は、油路４３Ａのパイロット油圧を調整可能な制御弁２７Ａと、油路４３Ｂのパイロット油圧を調整可能な制御弁２７Ｂとを含む。
【０１０７】
操作装置２５の操作によってパイロット油圧を調整する場合、制御弁２７は全開にされる。操作装置２５の操作レバーが中立位置より一側に動かされると、その操作レバーの操作量に応じたパイロット油圧が方向制御弁６４のスプールの第１受圧室に作用する。操作装置２５の操作レバーが中立位置より他側に動かされると、その操作レバーの操作量に応じたパイロット油圧が方向制御弁６４のスプールの第２受圧室に作用する。
【０１０８】
方向制御弁６４のスプールは、操作装置２５によって調整されたパイロット油圧に応じた距離だけ動く。例えば、第１受圧室にパイロット油圧が作用することにより、アームシリンダ１１のキャップ側油室４０Ａにメイン油圧ポンプ４１からの作動油が供給され、アームシリンダ１１が伸びる。第２受圧室にパイロット油圧が作用することにより、アームシリンダ１１のロッド側油室４０Ｂに、メイン油圧ポンプ４１からの作動油が供給され、アームシリンダ１１が縮む。方向制御弁６４のスプールの移動量に基づいて、メイン油圧ポンプ４１から方向制御弁６４を介してアームシリンダ１１に供給される単位時間当たりの作動油の供給量が調整される。単位時間当たりの作動油の供給量が調整されることによって、シリンダ速度が調整される。
【０１０９】
作業機コントローラ２６は、制御弁２７を制御して、パイロット油圧を調整可能である。例えば、制限掘削制御（介入制御）において、作業機コントローラ２６は、制御弁２７を駆動する。例えば、作業機コントローラ２６によって制御弁２７Ａが駆動されることにより、方向制御弁６４のスプールが、制御弁２７Ａによって調整されたパイロット油圧に応じた距離だけ動く。これにより、アームシリンダ１１のキャップ側油室４０Ａにメイン油圧ポンプ４１からの作動油が供給され、アームシリンダ１１が伸びる。作業機コントローラ２６によって制御弁２７Ｂが駆動されることにより、方向制御弁６４のスプールが、制御弁２７Ｂによって調整されたパイロット油圧に応じた距離だけ動く。これにより、アームシリンダ１１のロッド側油室４０Ｂに、メイン油圧ポンプ４１からの作動油が供給され、アームシリンダ１１が縮む。方向制御弁６４のスプールの移動量に基づいて、メイン油圧ポンプ４１から方向制御弁６４を介してアームシリンダ１１に供給される単位時間当たりの作動油の供給量が調整される。単位時間当たりの作動油の供給量が調整されることによって、シリンダ速度が調整される。
【０１１０】
図１４は、ブームシリンダ１０を含む油圧システム３００の一例を模式的に示す図である。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。図１３を参照して説明したように、操作装置２５が操作されることにより、操作装置２５の操作量に応じたパイロット油圧が方向制御弁６４に作用する。方向制御弁６４のスプールは、パイロット油圧に応じて移動する。スプールの移動量に基づいて、メイン油圧ポンプ４１から方向制御弁６４を介してブームシリンダ１０に供給される単位時間当たりの作動油の供給量が調整される。
【０１１１】
また、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ａを駆動して、第２受圧室に作用するパイロット油圧を調整可能である。作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｂを駆動して、第１受圧室に作用するパイロット油圧を調整可能である。図１４に示す例では、制御弁２７Ａを介して方向制御弁６４にパイロット油が供給されることによって、ブーム６の下げ動作が実行される。制御弁２７Ｂを介して方向制御弁６４にパイロット油が供給されることによって、ブーム６の上げ動作が実行される。
【０１１２】
本実施形態においては、介入制御のために、作業機コントローラ２６から出力された、介入制御に関する制御信号に基づいて作動する制御弁２７Ｃが油路４３Ｃに設けられる。油路４３Ｃに、パイロット油圧ポンプ４２から送出されたパイロット油が流れる。油路４３Ｃは、油路４３Ｂとシャトル弁５１を介して接続されている。シャトル弁５１では接続される各油路に対して、供給圧力の大きい油路からの入力を選択して出力する。
【０１１３】
油路４３Ｃに、制御弁２７Ｃと、油路４３Ｃのパイロット油圧を検出する圧力センサ６６Ｃとが設けられている。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。
【０１１４】
介入制御を実行しないとき、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、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃに対して制御信号を出力しない。例えば、作業機コントローラ２６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２７Ｂを全開にするとともに、制御弁２７Ｃで油路４３Ｃを閉じる。
【０１１５】
介入制御を実行するとき、作業機コントローラ２６は、制御弁２７Ｃによって調整されたパイロット油の圧力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を制御する。例えば、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によって調整されたパイロット油圧が、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くなるように、制御弁２７Ｃを制御する。油路４３Ｃより供給されるパイロット圧力が油路４３Ｂより供給されるパイロット圧より大きくなる。これにより、制御弁２７Ｃから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。
【０１１６】
油路４３Ｂ及び油路４３Ｃの少なくとも一方を介して方向制御弁６４にパイロット油が供給されることにより、作動油が油路４７を介してキャップ側油室４０Ａに供給される。これにより、ブーム６が上げ動作する。
【０１１７】
バケット８が目標掘削地形に侵入しないように操作装置２５によりブーム６が高速で上げ動作される場合、介入制御は実行されない。ブーム６が高速で上げ動作されるように操作装置２５が操作され、その操作量に基づいてパイロット油圧が調整されることにより、操作装置２５の操作によって調整されるパイロット油圧は、制御弁２７Ｃによって調整されるパイロット油圧よりも高くなる。これにより、操作装置２５の操作によって調整されたパイロット油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。
【０１１８】
図１５は、チルトシリンダ３０を含む油圧システム３００の一例を模式的に示す図である。油圧システム３００は、チルトシリンダ３０に対する作動油の供給量を調整する方向制御弁６４と、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２７Ｄ及び制御弁２７Ｅと、操作ペダル２５Ｆと、ポンプコントローラ３４とを備えている。ポンプコントローラ３４は、メイン油圧ポンプ４１の斜板に対して指令信号を出力し、油圧シリンダに対する作動油の供給量を制御する。制御弁２７は、操作装置２５（第３操作レバー２５Ｐ）の操作信号に基づいてポンプコントローラ３４によって生成された制御信号に基づいて制御される。
【０１１９】
本実施形態において、第３操作レバー２５Ｐの操作により生成された操作信号は、ポンプコントローラ３４に出力される。なお、第３操作レバー２５Ｐの操作により生成された操作信号が作業機コントローラ２６に出力されてもよい。制御弁２７は、ポンプコントローラ３４によって制御されてもよいし、作業機コントローラ２６によって制御されてもよい。
【０１２０】
本実施形態において、操作装置２５は、方向制御弁６４に対するパイロット圧を調整するための操作ペダル２５Ｆを含む。操作ペダル２５Ｆは、運転室４に配置されており、オペレータによって操作される。操作ペダル２５Ｆは、パイロット油圧ポンプ４２に接続される。また、操作ペダル２５Ｆは、制御弁２７Ｄから送出されるパイロット油が流れる油路にシャトル弁５１Ａを介して接続される。また、操作ペダル２５Ｆは、制御弁２７Ｅから送出されるパイロット油が流れる油路にシャトル弁５１Ｂを介して接続される。
【０１２１】
操作ペダル２５Ｆが操作されることにより、操作ペダル２５Ｆとシャトル弁５１Ａとの間の油路の圧力、及び操作ペダル２５Ｆとシャトル弁５１Ｂとの間の油路の圧力が調整される。
【０１２２】
第３操作レバー２５Ｐが操作されることにより、その第３操作レバー２５Ｐの操作に基づく操作信号（指令信号）がポンプコントローラ３４（又は作業機コントローラ２６）に出力される。ポンプコントローラ３４は、第３操作レバー２５Ｐから出力された操作信号に基づいて、制御弁２７Ｄ及び制御弁２７Ｅの少なくとも一方に制御信号を出力する。制御信号を取得した制御弁２７Ｄは駆動され、油路を開閉する。制御信号を取得した制御弁２７Ｂは駆動され、油路を開閉する。
【０１２３】
操作ペダル２５Ｆ及び第３操作レバー２５Ｐの少なくとも一方の操作により、制御弁２７Ｄによって調整されたパイロット油圧が、操作ペダル２５Ｆによって調整されるパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁５１Ａで選択され、制御弁２７Ｄによって調整されたパイロット油圧のパイロット油が方向制御弁６４に供給される。操作ペダル２５Ｆによって調整されるパイロット油圧が、制御弁２７Ｄによって調整されたパイロット油圧よりも高い場合、操作ペダル２５Ｆによって調整されたパイロット油圧のパイロット油が方向制御弁６４に供給される。
【０１２４】
操作ペダル２５Ｆ及び第３操作レバー２５Ｐの少なくとも一方の操作により、制御弁２７Ｅによって調整されたパイロット油圧が、操作ペダル２５Ｆによって調整されるパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁５１Ｂで選択され、制御弁２７Ｅによって調整されたパイロット油圧のパイロット油が方向制御弁６４に供給される。操作ペダル２５Ｆによって調整されるパイロット油圧が、制御弁２７Ｅによって調整されたパイロット油圧よりも高い場合、操作ペダル２５Ｆによって調整されたパイロット油圧のパイロット油が方向制御弁６４に供給される。
【０１２５】
［制限掘削制御］
図１２は、制限掘削制御が行われるときの作業機２の動作の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、バケット軸Ｊ３と直交する作業機動作平面ＭＰにおける掘削対象の２次元の目標形状を示す目標掘削地形にバケット８が侵入しないように、制限掘削制御が行われる。
【０１２６】
バケット８による掘削において、アーム７、バケット８の掘削操作に対してブーム６が上がるように、油圧システム３００が作動する。掘削において、バケット８が目標掘削地形に侵入しないように、ブーム６の上げ動作を含む介入制御が実行される。
【０１２７】
［制御方法］
次に、本実施形態に係る油圧ショベルＣＭの制御方法の一例について、図１６のフローチャートを参照して説明する。表示コントローラ２８は、掘削制御に用いる各種のパラメータを取得する（ステップＳＰ１）。パラメータは、表示コントローラ２８の取得部２８Ｃに取得される。
【０１２８】
図１７Ａは、本実施形態に係る表示コントローラ２８、作業機コントローラ２６、及びセンサコントローラ３２の一例を示す機能ブロック図である。センサコントローラ３２は、演算部２８Ａと記憶部２８Ｂと取得部２８Ｃとを含む。演算部２８Ａは、作業機角度演算部２８１Ａと、チルト角度データ演算部２８２Ａと、２次元バケットデータ演算部２８３Ａとを含む。取得部２８Ｃは、作業機データ取得部２８１Ｃと、バケット外形データ取得部２８２Ｃと、作業機角度取得部２８４Ｃと、チルト角度取得部２８５Ｃとを含む。
【０１２９】
図１７Ｂは、本実施形態に係る作業機コントローラ２６の作業機制御部２６Ａの一例を示す機能ブロック図である。図１７Ｂに示すように、作業機コントローラ２６の作業機制御部２６Ａは、相対位置算出部２６０Ａと、距離算出部２６０Ｂと、目標速度算出部２６０Ｃと、介入速度算出部２６０Ｄと、介入指令算出部２６０Ｅを有する。作業機制御部２６Ａは、掘削対象の目標形状である目標掘削地形を示す目標掘削地形データＵとバケット８（刃先８ａ）の位置を示すバケット位置データとに基づいて、目標掘削地形とバケット８（刃先８ａ）との距離ｄに応じてバケット８が目標掘削地形に近づく相対速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制限する。作業機コントローラ２６内ではローカル座標系において演算が行われる。
【０１３０】
図１７Ａに示すように、表示コントローラ２８３Ｃは、目標掘削地形取得部２８３Ｃと、目標掘削地形演算部２８４Ａとを含む。
【０１３１】
取得部２８Ｃは、作業機データ取得部（第１取得部）２８１Ｃと、バケット外形データ取得部（第４取得部）２８２Ｃと、作業機角度データを取得する作業機角度取得部（第３取得部）２８４Ｃと、チルト角度データを取得するチルト角度取得部（第５取得部）２８５Ｃとを含む。目標掘削地形取得部（第３取得部）２８３Ｃは、表示コントローラ２８に含まれる。
【０１３２】
演算部２８Ａは、作業機角度を算出する作業機角度演算部２８１Ａと、２次元バケットデータを算出する２次元バケットデータ演算部２８３Ａとを含む。目標掘削地形とバケット８との相対位置を算出する相対位置算出部２６０Ａは、作業機コントローラ２６（作業機制御部２６Ａ）に含まれる。目標掘削地形演算部２８４Ａは、表示コントローラ２８に含まれる。
【０１３３】
作業機コントローラ２６は、作業機２を制御するための制御信号を出力する。作業機コントローラ２６は、制御信号を出力する作業機制御部２６Ａを有する。図９に示したように、本実施形態において、作業機コントローラ２６は、バケット８の駆動を禁止する駆動禁止部２６Ｂを有する。駆動禁止部２６Ｂは、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８の回転（チルト駆動）を禁止する。なお、駆動禁止部２６Ｂは、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転（上下駆動）を禁止してもよい。本実施形態において、駆動禁止部２６Ｂは、バケット８をチルトさせるチルトシリンダ３０を操作するために操作装置２５から出力された操作信号を無効化することによって、バケット８の駆動（チルト駆動）を停止する。
【０１３４】
作業機角度演算部２８１Ａは、第１ストロークセンサ１６からブームシリンダ長を取得して、ブーム角度αを算出する。作業機角度演算部２８１Ａは、第２ストロークセンサ１７からアームシリンダ長を取得して、アーム角度βを算出する。作業機角度演算部２８１Ａは、第３ストロークセンサ１８からバケットシリンダ長を取得して、バケット角度γを算出する。作業機角度取得部２８４Ｃは、ブーム角度データ、アーム角度データ、及びバケット角度データを含む作業機角度データを取得する（ステップＳＰ１．２）。
【０１３５】
なお、ブーム角度α、アーム角度β、及びバケット角度γは、ストロークセンサで検出されなくてもよい。ブーム６に取り付けられた傾斜角センサでブーム角度αが検出されてもよい。アーム７に取り付けられた傾斜角センサでアーム角度βが検出されてもよい。バケット８に取り付けられた傾斜角センサでバケット角度γが検出されてもよい。角度検出装置２２が傾斜角センサを含む場合、角度検出装置２２によって取得された作業機角度データは、センサコントローラ３２に出力される。
【０１３６】
センサコントローラ３２の取得部２８Ｃ（作業機角度取得部２８４Ｃ）は、角度検出装置２２の検出結果に基づいて、ブーム角度αを示すブーム角度データ、アーム角度βを示すアーム角度データ、及びバケット角度γを示すアバケット角度データを含む作業機角度データを取得する。また、取得部２８Ｃ（チルト角度取得部２８５Ｃ）は、チルト角度センサ７０の検出結果に基づいて、後述するチルト軸を中心とするバケットの回転角度を示すチルト角度δ’を含むチルト角度データを取得する。また、取得部２８Ｃ（チルト角度取得部２８５Ｃ）は、角度検出装置２２の検出結果に基づいて、チルト軸を中心とするバケットの回転角度を示すチルト軸角度ε’を含むチルト軸角度データを取得する。作業機２の駆動において、角度検出装置２２及びチルト角度センサ７０は、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εをモニタする。取得部２８Ｃは、作業機２の駆動において、それら角度データをリアルタイムで取得する。
【０１３７】
チルト角度センサ７０は、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８のチルト角度δを示すチルト角度データを検出する。チルト角度センサ７０によって取得されたチルト角度データは、表示コントローラ２８を経由してセンサコントローラ３２に出力される。チルト角度取得部２８５Ｃは、チルト軸を中心とするバケットの回転角度を示すチルト角度データを取得する（ステップＳＰ１．４）。
【０１３８】
本実施形態においては、取得部２８Ｃ（チルト角度取得部２８５Ｃ）にチルト角度センサ７０からチルト角度データが出力される。固定部２８Ｄは、固定指令に基づいて、チルト角度センサ７０から取得部２８Ｃに出力されたチルト角度データ（モニタデータ）を固定化して、固定データを生成する。
【０１３９】
バケット８がバケット軸Ｊ３を中心に回転することによって、チルトピン８０（チルト軸Ｊ４）も一緒に、θＹ方向に回転（傾斜）する。チルト角度取得部２８５Ｃは、角度検出装置２２の検出結果に基づいて、ＸＹ平面に対するチルト軸Ｊ４の傾斜角度εを示すチルト軸角度データを取得する。
【０１４０】
センサコントローラ３２の記憶部２８Ｂは、作業機データを記憶する。作業機データは、作業機２の寸法データ及びバケット８の外形データを含む。
【０１４１】
作業機２の寸法データは、ブーム６の寸法データ、アーム７の寸法データ、及びバケット８の寸法データを含む。作業機２の寸法データは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、及びチルト長さＬ４を含む。ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、及びチルト長さＬ４は、ＸＺ平面内（垂直回動面内）における寸法である。
【０１４２】
作業機データ取得部２８１Ｃは、記憶部２８Ｂから、ブーム６の寸法データ、アーム７の寸法データ、及びバケット８の寸法データを含む作業機２の寸法データを取得する。
【０１４３】
バケット８の外形データは、バケット８の外面の輪郭データを含む。バケット８の外形データは、バケット８の寸法及び形状を特定するためのデータである。バケット８の外形データは、バケット８の先端部８ａの位置を示す先端部位置データを含む。バケット８の外形データは、例えば先端部８ａを基準とした、バケット８の外面の複数の位置それぞれの座標データを含む。
【０１４４】
バケット８の外形データは、バケット８の幅方向に関するバケット８の寸法Ｌ５を含む。バケット８がチルトしていない場合、バケット８の幅の寸法Ｌ５は、ローカル座標系におけるＹ軸方向に関するバケット８の寸法である。バケット８がチルトした場合、バケット８の幅の寸法Ｌ５とローカル座標系におけるＹ軸方向に関するバケット８の寸法とは異なる。
【０１４５】
バケット外形データ取得部２８２Ｃは、記憶部２８Ｂから、バケット８の外形データを取得する。
【０１４６】
なお、本実施形態においては、記憶部２８Ｂにブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケットの幅Ｌ５を含む作業機寸法データ、及びバケット８の外形データを含むバケット外形データの両方が記憶されている。
【０１４７】
作業機角度演算部２８１Ａは、ブーム６、アーム７、バケット８の各シリンダストロークより各作業機の回転角度となる作業機角度データを算出する。
【０１４８】
チルト角度演算部２８２Ａは、チルト角度δ、チルト軸角度ε、及び傾斜角度θ１、θ２よりチルト軸を中心とするバケットの回転角度を示すチルト角度データであるδ’及びチルト軸角度ε’を取得する。
【０１４９】
固定部２８Ｄによって固定化されるデータは、チルト角度データ演算部２８２Ａによって算出されたチルト角度データである。
【０１５０】
２次元バケットデータ演算部２８３Ａは、作業機角度データ、作業機寸法データ、バケット外形データ、後述する動作平面ＭＰのＹ座標で示される断面のＹ座標及びチルト軸を中心とするバケットの回転角度を示すチルト角度データに基づいて、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す２次元バケットデータＳとバケット８の刃先８ａの刃先位置Ｐａを生成する。
【０１５１】
目標掘削地形取得部２８３Ｃは、掘削対象の３次元の目標形状である立体設計地形を示す目標施工情報Ｔおよび位置検出装置２０から車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを取得する。目標掘削地形演算部２８４Ａは、目標掘削地形取得部２８３Ｃで取得したデータと、２次元バケットデータ演算部２８３Ａより取得した傾斜角度θ１、θ２と、バケット８の外形を示す２次元バケットデータＳ及びバケット８の刃先８aよりバケット軸Ｊ３と直交する作業機動作平面ＭＰにおける掘削対象の２次元の目標形状である目標掘削地形を示す目標掘削地形データＵを生成する。
【０１５２】
相対位置算出部２６０Ａはセンサコントローラ３２より入力される各作業機の回転角度データα〜γと、２次元バケットデータＳと、表示コントローラ２８より入力される目標掘削地形データＵに基づき、後述するバケット８の輪郭点Ｎｉ上で目標掘削地形に対して最短の距離となる様なバケット８上の相対位置を算出し、距離算出部２６０Ｂへ出力する。距離算出部２６０Ｂは、目標掘削地形とバケット８の相対位置とに基づいて、目標掘削地形とバケット８との最短距離ｄを算出する。
【０１５３】
目標速度算出部２６０Ｃは、後述する各作業機レバーのレバー操作に基づくパイロット圧力センサ６６Ａ、６６Ｂの圧力を入力する。目標速度算出部２６０Ｃは、圧力センサ６６Ａ、６６Ｂより記憶部２７Ｃに記憶する圧力に対する各作業機の目標速度の関係を規定するテーブルを用い各作業機の目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋを導出し、介入速度算出部２６０Ｄへ出力する。
【０１５４】
介入速度算出部２６０Ｄは、各作業機の目標速度と、目標掘削地形データＵ及びバケット８の距離ｄとに基づき目標掘削地形とバケット８の相対位置との距離ｄに応じた制限速度を算出する。制限速度はブーム作業機に介入する速度として、介入指令算出部２６０Ｅへ出力する。
【０１５５】
介入指令算出部２６０Ｅは、制限速度に対応するブームシリンダ１０へ伸長する為の介入指令として決定する。介入指令算出部２６０Ｅは、介入指令により制御弁２７Ｃへパイロット油圧が発生する様に制御弁２７Ｃを開く様出力する。作業機コントローラ２８からの指令により作業機２が目標掘削地形に接近する方向の速度が制限速度になるように、ブーム６が駆動される。これにより、刃先８ａに対する掘削制限制御が実行され、目標掘削地形に対するバケット８の速度が調整される。
【０１５６】
また、表示コントローラ２８は、目標掘削地形データＵに基づいて表示部２９に目標掘削地形を表示させる。また、表示コントローラ２８は、目標掘削地形データＵ及び２次元バケットデータＳを表示部２９に表示させる。表示部２９は、例えばモニタであり、油圧ショベルＣＭの各種の情報を表示する。本実施形態において、表示部２９は、情報化施工用のガイダンスモニタとしてのＨＭＩ（Human  Machine  Interface）モニタを含む。
【０１５７】
表示コントローラ２８は、位置検出装置２０による検出結果に基づいて、グローバル座標系で見たときのローカル座標の位置を算出可能である。ローカル座標系とは、油圧ショベル１００を基準とする３次元座標系である。本実施形態において、ローカル座標系の基準位置Ｐ０は、例えば、旋回体３の旋回中心ＡＸに位置する基準位置Ｐ０である。例えば作業機コントローラ２６に出力される目標掘削地形データはローカル座標に変換されるが、それ以外の表示コントローラ２８中の演算はグローバル座標系で行われる。センサコントローラ３２からの入力も表示コントローラ２８内でグローバル座標系に変換される。
【０１５８】
作業機２の駆動において、角度検出装置２２により、ブーム角度α、アーム角度β、及びバケット角度γが検出される。チルト角度センサ７０により、チルト角度δが検出される。また、角度検出装置２２により、チルト軸角度εが検出される。
【０１５９】
また、取得部２８Ｃは、記憶部２８Ｂに記憶されている作業機データから、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット８の幅の寸法Ｌ５を含む作業機２の寸法データを取得する。なお、作業機２の寸法データを含む作業機データが、入力部３６を介して取得部２８Ｃ（作業機データ取得部２８１Ｃ）に供給されてもよい。
【０１６０】
また、取得部２８Ｃ（バケット外形データ取得部２８２Ｃ）は、バケット８の外形データを取得する。バケット８の外形データは、記憶部２８Ｂに記憶されていてもよいし、入力部３６を介して取得部２８Ｃ（バケット外形データ取得部２８２Ｃ）に取得されてもよい。
【０１６１】
また、取得部２８Ｃは、位置検出装置２０の位置検出結果に基づいて、車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを取得する。取得部２８Ｃは、油圧ショベルＣＭの駆動において、それらデータをリアルタイムで取得する。
【０１６２】
また、取得部２８Ｃ（目標掘削地形取得部２８３Ｃ）は、作業エリアの掘削対象の３次元の目標形状である立体の設計地形を示す目標施工情報（３次元設計地形データ）Ｔを取得する。目標施工情報Ｔは、掘削対象の２次元の目標形状である目標掘削地形を示す目標掘削地形データ（２次元設計地形データ）Ｕを含む。本実施形態においては、表示コントローラ２８の記憶部２８Ｂに目標施工情報Ｔが格納されている。目標施工情報Ｔは、目標掘削地形データＵを生成するために必要とされる座標データ及び角度データを含む。目標施工情報Ｔは、例えば無線通信装置を介して表示コントローラ２８に供給されても外部メモリ等により表示コントローラ２８に供給されてもよい。
【０１６３】
なお、上述のように、本実施形態において、チルト角度センサ７０は、グローバル座標系におけるチルト角度を検出する。表示コントローラ２８において、車両本体姿勢データＱに基づいて、グローバル座標系におけるチルト角度がローカル座標系におけるチルト角度δに変換される。なお、チルト角度δは、ＩＭＵの姿勢情報とチルトシリンダ３０の収縮情報を各作業機と同様の手法で求め傾斜角度を算出する方法で求めてもよい。
【０１６４】
次に、本実施形態においては、バケット軸Ｊ３と直交する作業機動作平面ＭＰにおける掘削対象の２次元の目標形状である目標掘削地形を示す目標掘削地形データＵが指定される（ステップＳＰ２）。目標掘削地形データＵの指定は、ＸＺ平面と平行な目標施工情報Ｔの断面を指定することを含む。目標掘削地形データＵの指定は、Ｙ軸方向に関してどの位置（Ｙ座標）の断面で目標施工情報Ｔを切断するかを指定することを含む。そのＹ座標を有するＸＺ平面と平行な断面における目標施工情報Ｔが、指定された目標掘削地形データＵとなる。
【０１６５】
図１８に示すように、目標施工情報Ｔは、複数の三角形ポリゴンによって表される。目標施工情報Ｔにおいて、バケット軸Ｊ３と直交する作業機動作平面ＭＰが指定される。作業機動作平面ＭＰは、旋回体３の前後方向で規定される作業機２の動作平面（垂直回動面）である。本実施形態において、作業機動作平面ＭＰは、アーム６の動作平面である。作業機動作平面ＭＰは、ＸＺ平面と平行である。
【０１６６】
バケット８の刃先８ａの位置（作業機動作平面ＭＰのＹ座標）は、オペレータによって指定されてもよい。例えば、オペレータが入力部３６に指定したＹ座標に関するデータを入力してもよい。その指定されたＹ座標が取得部２８Ｃに取得される。取得部２８Ｃは、そのＹ座標を有する作業機動作平面ＭＰにおける目標施工情報Ｔの断面を求める。これにより、目標掘削地形演算部２８３Ｃは、指定されたＹ座標の目標掘削地形データＵを取得する。
【０１６７】
なお、目標施工情報の表面のうち、バケット８との距離が最も近い点のＹ座標が、作業機動作平面ＭＰのＹ座標として指定されてもよい。
【０１６８】
例えば、表示コントローラ２８は、目標施工情報Ｔと、指定された作業機動作平面ＭＰとに基づいて、図１８に示すように、作業機動作平面ＭＰと目標施工情報との交線Ｅを目標掘削地形の候補線として取得する。
【０１６９】
表示コントローラ２８は、目標掘削地形の候補線において刃先８ａの直下点を目標掘削地形の基準点ＡＰとする。表示コントローラ２８は、目標掘削地形の基準点ＡＰの前後の単数又は複数の変曲点とその前後の線を掘削対象となる目標掘削地形として決定する。表示コントローラ２８は、作業機動作平面ＭＰにおける目標掘削地形データＵを生成する。
【０１７０】
次に、センサコントローラ３２の演算部２８Ａ（２次元バケットデータ演算部２８３Ａ）は、ステップＳＰ１で取得した各パラメータ（データ）に基づいて、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す２次元バケットデータＳを求める（ステップＳＰ３）。
【０１７１】
図１９は、チルトした状態のバケット８の一例を模式的に示す後方視図である。図２０は、図１９のＡ−Ａ線断面で切り出した側方視図である。図２１は、図１９のＢ−Ｂ線断面で切り出した側方視図である。図２２は、図１９のＣ−Ｃ線断面で切り出した側方視図である。
【０１７２】
本実施形態において、バケット８はチルトするため、そのチルト角度δに応じて、ＸＺ平面内におけるバケット８の外形（輪郭）は変化する。また、図２０、図２１、及び図２２に示すように、ＸＺ平面と平行な断面のＹ座標が異なる場合、各断面におけるバケット８の外形（輪郭）は異なる。また、バケット８がチルトすることによって、目標掘削地形とバケット８との距離が変化する。
【０１７３】
チルト機構を有しないバケット（所謂、標準バケット）においては、ＸＺ平面と平行な断面において、その断面のＹ座標が変化しても、各断面におけるバケット８の外形（輪郭）は実質的に等しい。しかし、チルト式バケットの場合、バケット８のチルト（チルト角度δ）に応じて、ＸＺ平面と平行な断面におけるバケット８の外形は、Ｙ座標に応じて変化する。そのため、バケット８のチルトにより、目標掘削地形とバケット８との距離及びバケット８の外形が変化し、バケット８の少なくとも一部が目標掘削地形に侵入してしまう可能性がある。したがって、制限掘削制御をするためのバケット８の形状（ＸＺ平面内における断面形状）を特定しないと、制限掘削制御を精度良く行うことができなくなる可能性がある。
【０１７４】
本実施形態において、センサコントローラ３２（２次元バケット演算部２８３Ａ）は、制御対象となる作業機動作平面ＭＰに沿ったバケット８の断面の外形を示す２次元バケットデータＳを求める。作業機コントローラ２６の作業機制御部２６Ａは、その２次元バケットデータＳと、作業機動作平面ＭＰに沿った２次元設計地形データＵとに基づいて、目標掘削地形とバケット８との距離ｄを導出し（ステップＳＰ４）、作業機２の制限掘削制御を行う（ステップＳＰ５）。また、後述するように、センサコントローラ３２は、表示部２９に目標掘削地形などを表示させる（ステップＳＰ６）。これにより、作業機動作平面ＭＰを基準として制御対象が特定され、制限掘削制御が精度良く行われる。
【０１７５】
以下、２次元バケットデータＳの導出方法の一例について説明する。図２３は、本実施形態に係る作業機２を模式的に示す図である。ローカル座標系の原点は、旋回体３の旋回中心に位置する基準位置Ｐ０である。ローカル座標系におけるバケット８の先端部８ａの位置はＰａである。
【０１７６】
作業機２は、ブーム軸Ｊ１を回転中心とする第１関節、アーム軸Ｊ２を回転中心とする第２関節、バケット軸Ｊ３を回転中心とする第３関節、及びチルト軸Ｊ４を回転中心とする第４関節を有する。また、上述のように、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転によりチルト軸Ｊ４がθＹ方向に傾斜する。各関節の動作は、以下の（１）式から（６）式で表すことができる。（１）式は、原点（基準位置）Ｐ０とブームフートとの座標変換を行うための式である。（２）式は、ブームフートとブームトップとの座標変換を行うための式である。（３）式は、ブームトップとアームトップとの座標変換を行うための式である。（４）式は、アームトップとチルト軸Ｊ４の一端部との座標変換を行うための式である。（５）式は、チルト軸Ｊ４の一端部と他端部との座標変換を行うための式である。（６）式は、チルト軸Ｊ４の他端部とバケット８との座標変換を行うための式である。
【０１７７】
【数１】
0005856685.tif 000002
【０１７８】
【数２】
0005856685.tif 000003
【０１７９】
【数３】
0005856685.tif 000004
【０１８０】
【数４】
0005856685.tif 000005
【０１８１】
【数５】
0005856685.tif 000006
【０１８２】
【数６】
0005856685.tif 000007
【０１８３】
（１）式から（６）式において、ｘboom-foot、ｙboom-foot、ｚboom-footはローカル座標系におけるブームフートの座標である。Ｌboomはブーム長さＬ１に相当する。Ｌarmはアーム長さＬ２に相当する。Ｌbucket＿correctedは図２に示す補正バケット長さである。Ｌtiltはチルト長さＬ４に相当する。θboomはブーム角度αに相当する。θarmはアーム角度βに相当する。θbucketはバケット角度γに相当する。θtilt＿xはチルト角度δに相当する。θtilt＿yは図２に示す角度である。
【０１８４】
したがって、ローカル座標系における原点に対するアームトップの座標（ｘarm-top、ｙarm-top、ｚarm-top）は、以下の（７）式から導出される。
【０１８５】
【数７】
0005856685.tif 000008
【０１８６】
バケット８の外形データは、バケット８の刃先８ａ、及びバケット８の外面の複数の位置（点）の座標データを含む。本実施形態においては、図２４に示すように、バケット８の外形データは、バケット８の幅方向に関して一端部におけるバケット８の外面の第１輪郭データと、他端部におけるバケット８の外面の第２輪郭データとを含む。第１輪郭データは、バケット８の一端部における６つの輪郭点Ｊの座標を含む。第２輪郭データは、バケット８の他端部における６つの輪郭点Ｋの座標を含む。輪郭点Ｊの座標及び輪郭点Ｋの座標は、先端部８ａの座標（位置Ｐａ）と基準とした座標データである。バケット８の外形データにより、先端部８ａの座標と輪郭点Ｊの座標と輪郭点Ｋの座標との位置関係は既知である。したがって、ローカル座標系における原点と先端部８ａの座標との位置関係を求めることによって、ローカル座標系の原点に対する各輪郭点Ｊ及び各輪郭点Ｋの座標を求めることができる。
【０１８７】
バケット８の外形データ（輪郭の座標）を（ｘbucket-outline、ｙbucket-outline、ｚbucket-outline）としたとき、原点に対するバケット８の輪郭点の座標は、以下の（８）式から導出される。
【０１８８】
【数８】
0005856685.tif 000009
【０１８９】
本実施形態においては、輪郭点Ｊ及び輪郭点Ｋは全部で１２である。バケット８の外形データにおける各輪郭点Ｊ及び各輪郭点Ｋの座標を（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、…、（ｘ１２、ｙ１２、ｚ１２）としたとき、原点に対するバケット８の各輪郭点Ｊ及び各輪郭点Ｋの座標（ｘ１’、ｙ１’、ｚ１’）、（ｘ２’、ｙ２’、ｚ２’）、…、（ｘ１２’、ｙ１２’、ｚ１２’）は、以下の（９）式から導出される。
【０１９０】
【数９】
0005856685.tif 000010
【０１９１】
作業機角度データ、作業機寸法データ、バケット８の外形データ、及びチルト角度データに基づいて、複数の輪郭点Ｊ及び輪郭点Ｋの座標を求めた後、演算部２８Ａは、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す２次元バケットデータＳを求める。
【０１９２】
図２５は、輪郭点Ｊ及び輪郭点Ｋと作業機動作平面ＭＰとの関係を模式的に示す図である。上述のように、ローカル座標系における複数の輪郭点Ｊｉ（ｉ＝１、２、３、４、５、６）及び複数の輪郭点Ｋｉ（ｉ＝１、２、３、４、５、６）それぞれの座標が求められることにより、輪郭点Ｌｉと輪郭点Ｋｉとを結ぶ線分Ｈｉ（ｉ＝１、２、３，４、５、６）が求められる。また、バケット軸Ｊ３と平行な方向に関する作業機動作平面ＭＰの位置（Ｙ座標）はステップＳＰ２において指定されている。したがって、演算部２８Ａ（２次元バケットデータ演算部２８３Ａ）は、作業機動作平面ＭＰと線分Ｈｉとの交点Ｎｉ（ｉ＝１、２、３、４、５、６）に基づいて、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す２次元バケットデータＳを求めることができる。このように、本実施形態において、演算部２８Ａは、ローカル座標系における複数の輪郭点Ｊｉの座標データを含む第１輪郭点データと、ローカル座標系における複数の輪郭点Ｋｉの座標データを含む第２輪郭点データと、バケット軸Ｊ３と平行なＹ軸方向に関する作業機動作平面ＭＰの位置とに基づいて、複数の輪郭点（交点）Ｎｉを含む２次元バケットデータＳを求めることができる。
【０１９３】
なお、上述したローカル座標系における輪郭点Ｊｉ及び輪郭点Ｋｉの座標を導出する方法は一例である。ブーム角度α、アーム角度β、及びバケット角度γを含む作業機角度データと、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、及びチルト長さＬ４を含む作業機寸法データと、バケット８の幅の寸法Ｌ５、輪郭点Ｊｉ、及び輪郭点Ｋｉの座標データを含むバケット８の外形データと、チルト角度δを示すチルト角度データとに基づいて、作業機２が駆動されたときの、ローカル座標系における輪郭点Ｊｉ及び輪郭点Ｋｉの座標を求め、２次元バケットデータＳを求めることができる。チルト軸角度εの変化に伴う輪郭点Ｊ、Ｋの座標の変化は、バケット角度γ及びチルト長さＬ４に基づいて一義的に求めることができる。
【０１９４】
例えば、チルト機構が無いバケット８のローカル座標系における刃先８ａの座標は、作業機２の寸法（ブーム６の寸法、アーム７の寸法、及びバケット８の寸法）と作業機角度（回転角度α、回転角度β、及び回転角度γ）とから導出することができる。バケット８の刃先８の座標又はアームトップの座標が求められた後、その座標を基準として、チルト長さＬ４、幅の寸法Ｌ５、チルト角度δ、及びバケット８の外形データに基づいて、輪郭点Ｊｉ、輪郭点Ｋｉ、及び２次元バケットデータＳが求められてもよい。
【０１９５】
２次元バケットデータＳは、ローカル座標系におけるバケット８の現在位置を示す。すなわち、２次元バケットデータＳは、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の現在位置を示すバケット位置データを含む。２次元バケットデータＳは、表示コントローラ２８から作業機コントローラ２６に出力される。作業機コントローラ２６の作業機制御部２６Ａは、２次元バケットデータＳに基づいて、作業機２を制御する（ステップＳＰ５）。
【０１９６】
作業機コントローラ２６は、表示コントローラ２８から２次元バケットデータＳ及び目標掘削地形データＵを取得する。作業機コントローラ２６の作業機制御部２６Ａは、目標掘削地形データＵと、バケット位置データを含む２次元バケットデータＳとに基づいて、作業機動作平面ＭＰにおける目標掘削地形とバケット８との距離ｄに応じて、バケット８が目標掘削地形に近づく速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制限する。作業機制御部２６Ａは、目標掘削地形データＵとバケット位置データを含む２次元バケットデータとに基づいて、目標掘削地形とバケット８との距離に応じて制限速度を決定し、作業機２が目標掘削地形に接近する方向の速度が制限速度以下になるように作業機２の速度を制御する。
【０１９７】
以下、図２６のフローチャート、及び図２７から図３４の模式図を参照して、本実施形態に係る制限掘削制御の一例について説明する。図２６は、本実施形態に係る制限掘削制御の一例を示すフローチャートである。
【０１９８】
上述のように、目標掘削地形が設定される(ステップＳＡ１)。目標掘削地形が設定された後、作業機コントローラ２６は、作業機２の目標速度Ｖｃを決定する（ステップＳＡ２）。作業機２の目標速度Ｖｃは、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ、及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを含む。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブームシリンダ１０のみが駆動されるときの刃先８ａの速度である。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アームシリンダ１１のみが駆動されるときの刃先８ａの速度である。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケットシリンダ１２のみが駆動されるときの刃先８ａの速度である。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブーム操作量に基づいて算出される。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アーム操作量に基づいて算出される。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケット操作量に基づいて算出される。
【０１９９】
作業機コントローラ２６の記憶部に、ブーム操作量に対応する圧力センサ６６Ａ又は６６Ｂから取得されるパイロット油圧とブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍとの関係を規定する目標速度情報が記憶されている。作業機コントローラ２６は、目標速度情報に基づいて、ブーム操作量に対応するブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを決定する。目標速度情報は、例えば、ブーム操作量に対するブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさが記述されたグラフである。目標速度情報は、テーブル又は数式等の形態でもよい。目標速度情報は、アーム操作量に対応する圧力センサ６６Ａ又は６６Ｂから取得されるパイロット油圧とアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとの関係を規定する情報を含む。目標速度情報は、バケット操作量に対応する圧力センサ６６Ａ又は６６Ｂから取得されるパイロット油圧とバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとの関係を規定する情報を含む。作業機コントローラ２６は、目標速度情報に基づいて、アーム操作量に対応するアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを決定する。作業機コントローラ２６は、目標速度情報に基づいて、バケット操作量に対応するバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを決定する。
【０２００】
図２７に示すように、作業機コントローラ２６は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、目標掘削地形の表面に垂直な方向の速度成分（垂直速度成分）Ｖｃｙ＿ｂｍと、目標掘削地形の表面に平行な方向の速度成分（水平速度成分と）Ｖｃｘ＿ｂｍとに変換する（ステップＳＡ３）。
【０２０１】
作業機コントローラ２６は、基準位置データＰ及び目標掘削地形などから、グローバル座標系の垂直軸に対するローカル座標系の垂直軸（旋回体３の旋回軸ＡＸ）の傾きと、グローバル座標系の垂直軸に対する目標掘削地形の表面の垂直方向における傾きとを求める。作業機コントローラ２６は、これらの傾きからローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形の表面の垂直方向との傾きを表す角度β１を求める。
【０２０２】
図２８に示すように、作業機コントローラ２６は、ローカル座標系の垂直軸とブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの方向とのなす角度β２とから、三角関数により、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、ローカル座標系の垂直軸方向の速度成分ＶＬ１＿ｂｍと、水平軸方向の速度成分ＶＬ２＿ｂｍとに変換する。
【０２０３】
図２９に示すように、作業機コントローラ２６は、ローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形の表面の垂直方向との傾きβ１から、三角関数により、ローカル座標系の垂直軸方向における速度成分ＶＬ１＿ｂｍと、水平軸方向における速度成分ＶＬ２＿ｂｍとを、目標掘削地形に対する垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍに変換する。同様に、作業機コントローラ２６は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを、ローカル座標系の垂直軸方向における垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ａｍに変換する。作業機コントローラ２６は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを、ローカル座標系の垂直軸方向における垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに変換する。
【０２０４】
図３０に示すように、作業機コントローラ２６は、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形との間の距離ｄを取得する（ステップＳＡ４）。作業機コントローラ２６は、刃先８ａの位置情報及び目標掘削地形などから、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形の表面との間の最短となる距離ｄを算出する。本実施形態においては、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形の表面との間の最短となる距離ｄに基づいて、制限掘削制御が実行される。
【０２０５】
作業機コントローラ２６は、バケット８の刃先８ａと目標掘削地形の表面との間の距離ｄに基づいて、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔを算出する（ステップＳＡ５）。作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、バケット８の刃先８ａが目標掘削地形に接近する方向において許容できる刃先８ａの移動速度である。作業機コントローラ２６のメモリには、距離ｄと制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔとの関係を規定する制限速度情報が記憶されている。
【０２０６】
図３１は、本実施形態に係る制限速度情報の一例を示す。本実施形態において、刃先８ａが目標掘削地形の表面の外方、すなわち油圧ショベル１００の作業機２側に位置しているときの距離ｄは正の値であり、刃先８ａが目標掘削地形の表面の内方、すなわち目標掘削地形よりも掘削対象の内部側に位置しているときの距離ｄは負の値である。図３０に示したように、刃先８ａが目標掘削地形の表面の上方に位置しているときの距離ｄは正の値である。刃先８ａが目標掘削地形の表面の下方に位置しているときの距離ｄは負の値である。また、刃先８ａが目標掘削地形に対して侵食しない位置にあるときの距離ｄは正の値である。刃先８ａが目標掘削地形に対して侵食する位置にあるときの距離ｄは負の値である。刃先８ａが目標掘削地形上に位置しているとき、すなわち刃先８ａが目標掘削地形と接しているときの距離ｄは０である。
【０２０７】
本実施形態において、刃先８ａが目標掘削地形の内方から外方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８ａが目標掘削地形の外方から内方に向かうときの速度を負の値とする。すなわち、刃先８ａが目標掘削地形の上方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８ａが目標掘削地形の下方に向かうときの速度を負の値とする。
【０２０８】
制限速度情報において、距離ｄがｄ１とｄ２との間であるときの制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの傾きは、距離ｄがｄ１以上又はｄ２以下のときの傾きより小さい。ｄ１は０より大きい。ｄ２は０より小さい。目標掘削地形の表面付近の操作においては制限速度をより詳細に設定するために、距離ｄがｄ１とｄ２との間であるときの傾きを、距離ｄがｄ１以上又はｄ２以下であるときの傾きよりも小さくする。距離ｄがｄ１以上のとき、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは負の値であり、距離ｄが大きくなるほど制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは小さくなる。つまり、距離ｄがｄ１以上のとき、目標掘削地形より上方において刃先８ａが目標掘削地形の表面から遠いほど、目標掘削地形の下方へ向かう速度が大きくなり、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの絶対値は大きくなる。距離ｄが０以下のとき、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは正の値であり、距離ｄが小さくなるほど制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは大きくなる。つまり、バケット８の刃先８ａが目標掘削地形より遠ざかる距離ｄが０以下のとき、目標掘削地形より下方において刃先８ａが目標掘削地形から遠いほど、目標掘削地形の上方へ向かう速度が大きくなり、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの絶対値は大きくなる。
【０２０９】
距離ｄが所定値ｄｔｈ１以上では、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、Ｖｍｉｎとなる。所定値ｄｔｈ１は正の値であり、ｄ１より大きい。Ｖｍｉｎは、目標速度の最小値よりも小さい。つまり、距離ｄが所定値ｄｔｈ１以上では、作業機２の動作の制限が行われない。したがって、刃先８ａが目標掘削地形の上方において目標掘削地形から大きく離れているときには、作業機２の動作の制限、すなわち制限掘削制御が行われない。距離ｄが所定値ｄｔｈ１より小さいときに、作業機２の動作の制限が行われる。距離ｄが所定値ｄｔｈ１より小さいときに、ブーム６の動作の制限が行われる。
【０２１０】
作業機コントローラ２６は、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔとアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとからブーム６の制限速度の垂直速度成分（制限垂直速度成分）Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する（ステップＳＡ６）。
【０２１１】
図３２に示すように、作業機コントローラ２６は、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍと、バケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。
【０２１２】
図３３に示すように、作業機コントローラ２６は、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム６の制限速度（ブーム制限速度）Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する（ステップＳＡ７）。作業機コントローラ２６は、ブーム６の回転角度α、アーム７の回転角度β、バケット８の回転角度、車両本体位置データＰ、及び目標掘削地形などから、目標掘削地形の表面に垂直な方向とブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの方向との間の関係を求め、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。この場合の演算は、前述したブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍから目標掘削地形の表面に垂直な方向の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍを求めた演算と逆の手順により行われる。その後、ブーム介入量に対応するシリンダ速度が決定され、シリンダ速度に対応した開放指令が制御弁２７Ｃに出力される。
【０２１３】
レバー操作に基づくパイロット圧が油路４３Ｂに充填され、ブーム介入に基づくパイロット圧が油路４３Ｃに充填される。その圧力の大きい方をシャトル弁５１が選択する（ステップＳＡ８）。
【０２１４】
例えば、ブーム６を下降させる場合、ブーム６の下方へのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの大きさが、下方へのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさよりも小さいときには、制限条件が満たされている。また、ブーム６を上昇させる場合、ブーム６の上方へのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの大きさが、上方へのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさよりも大きいときには、制限条件が満たされている。
【０２１５】
作業機コントローラ２６は、作業機２を制御する。ブーム６を制御する場合、作業機コントローラ２６は、ブーム指令信号を制御弁２７Ｃに送信することによって、ブームシリンダ１０を制御する。ブーム指令信号は、ブーム指令速度に応じた電流値を有する。必要に応じて、作業機コントローラ２６は、アーム７及びバケット８を制御する。作業機コントローラ２６は、アーム指令信号を制御弁２７に送信することによって、アームシリンダ１１を制御する。アーム指令信号は、アーム指令速度に応じた電流値を有する。作業機コントローラ２６は、バケット指令信号を制御弁２７に送信することによって、バケットシリンダ１２を制御する。バケット指令信号は、バケット指令速度に応じた電流値を有する。
【０２１６】
制限条件が満たされていない場合、シャトル弁５１では油路４３Ｂからの作動油の供給が選択され、通常運転が行われる（ステップＳＡ９）。作業機コントローラ２６は、ブーム操作量とアーム操作量とバケット操作量とに応じて、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とを作動させる。ブームシリンダ１０は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍで作動する。アームシリンダ１１は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍで作動する。バケットシリンダ１２はバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔで作動する。
【０２１７】
制限条件が満たされている場合、シャトル弁５１では油路４３Ｃからの作動油の供給が選択され、制限掘削制御が実行される(ステップＳＡ１０)。
【０２１８】
作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔが算出される。したがって、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔが、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとの和よりも小さいときには、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、ブームが上昇する負の値となる。
【０２１９】
したがって、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、負の値となる。この場合、作業機コントローラ２７は、ブーム６を下降させるが、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも減速させる。このため、オペレータの違和感を小さく抑えながらバケット８が目標掘削地形を侵食すること防止することができる。
【０２２０】
作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔが、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとの和よりも大きいときには、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、正の値となる。したがって、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、正の値となる。この場合、操作装置２５がブーム６を下降させる方向に操作されていても、作業機コントローラ２６は、ブーム６を上昇させる。このため、目標掘削地形の侵食の拡大を迅速に抑えることができる。
【０２２１】
刃先８ａが目標掘削地形より上方に位置しているときには、刃先８ａが目標掘削地形に近づくほど、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値が小さくなるとともに、目標掘削地形の表面に平行な方向へのブーム６の制限速度の速度成分（制限水平速度成分）Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値も小さくなる。したがって、刃先８ａが目標掘削地形より上方に位置しているときには、刃先８ａが目標掘削地形に近づくほど、ブーム６の目標掘削地形の表面に垂直な方向への速度と、ブーム６の目標掘削地形の表面に平行な方向への速度とがともに減速される。油圧ショベル１００のオペレータによって左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒが同時に操作されることにより、ブーム６とアーム７とバケット８とが同時に動作する。このとき、ブーム６とアーム７とバケット８との各目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋｔが入力されたとして、前述した制御を説明すると次の通りである。
【０２２２】
図３４は、目標掘削地形とバケット８の刃先８ａとの間の距離ｄが所定値ｄｔｈ１より小さく、バケット８の刃先８ａが位置Ｐｎ１から位置Ｐｎ２に移動する場合のブーム６の制限速度の変化の一例を示している。位置Ｐｎ２での刃先８ａと目標掘削地形との間の距離は、位置Ｐｎ１での刃先８ａと目標掘削地形との間の距離よりも小さい。このため、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さい。したがって、位置Ｐｎ２でのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さくなる。また、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さくなる。ただし、このとき、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔに対しては、制限は行われない。このため、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ａｍと、バケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに対しては、制限は行われない。
【０２２３】
前述したように、アーム７に対して制限を行わないことにより、オペレータの掘削意思に対応するアーム操作量の変化は、バケット８の刃先８ａの速度変化として反映される。このため、本実施形態は、目標掘削地形の侵食の拡大を抑制しながらオペレータの掘削時の操作における違和感を抑えることができる。
【０２２４】
このように、本実施形態においては、作業機コントローラ２６は、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形とバケット８の刃先８ａの位置を示す刃先位置データＳとに基づいて、目標掘削地形とバケット８の刃先８ａとの距離ｄに応じてバケット８が目標掘削地形に近づく相対速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制限する。作業機コントローラ２６は、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形とバケット８の刃先８ａの位置を示す刃先位置データＳとに基づいて、目標掘削地形とバケット８の刃先８ａとの距離ｄに応じて制限速度を決定し、作業機２が目標掘削地形に接近する方向の速度が制限速度以下になるように、作業機２を制御する。これにより、刃先８ａに対する掘削制限制御が実行され、目標掘削地形に対する刃先８ａの位置が自動調整される。
【０２２５】
制限掘削制御（介入制御）においては、目標掘削地形に対する刃先８ａ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に制御信号が出力され、ブーム６の位置が制御される。介入制御は、相対速度Ｗａが制限速度Ｖよりも大きいときに実行される。介入制御は、相対速度Ｗａが制限速度Ｖよりも小さいときに実行されない。相対速度Ｗａが制限速度Ｖよりも小さいことは、バケット８と目標掘削地形とが離れるように目標掘削地形に対してバケット８が移動することを含む。
【０２２６】
なお、本実施形態において、２次元バケットデータＳが目標掘削地形とバケット８との相対位置を導出するために用いられ、ローカル座標系から極座標系に座標変換された２次元バケットデータＳが作業機２の制御に使用されてもよい。例えば、図３５に示すように、アームトップ（バケット軸Ｊ３）が極座標系の原点となり、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の複数の輪郭点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅが、原点からの距離と、基準線に対する角度θＡ、θＢ、θＣ、θＤ、θＥで表されてもよい。なお、基準線は、バケット軸Ｊ３とバケット８の先端部８ａとを結ぶ線でもよい。極座標系を用いることにより、バケット８がチルトしたときの目標掘削地形とバケット８の先端部８ａと作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の断面の輪郭とが正しく演算され、目標掘削地形とバケット８の先端部８ａとの距離を正確に算出することが可能となり、掘削制御の精度を確保できる。
【０２２７】
上述したように、本実施形態において、チルト角度センサ７０は、グローバル座標系における水平面に対するバケット８のチルト角度を検出する。チルト角度センサ７０は、バケット８に配置されており、バケット８が水平面に対して傾斜することによって、その傾斜角度に応じたチルト角度データを取得部２８Ｃに出力する。
【０２２８】
図３６は、本実施形態に係るチルト角度センサ７０の原理を説明するための模式図である。図３６に示すように、チルト角度センサ７０は、グローバル座標系における水平面（ＸｇＹｇ平面）に対するチルト角度（回転角度、傾斜角度）を検出する。すなわち、チルト角度センサ３７は、θＸｇ方向、及びθＹｇ方向に関する２つの方向に関する傾斜角度を検出する２軸の角度センサである。チルト角度センサ７０は、基準面７０Ｒを有し、水平面に対する基準面７０Ｒの傾斜角度を検出する。
【０２２９】
バケット８は、チルトピン近傍にチルト角度センサ７０が設置される設置面を有する。バケット８の設置面と水平面とが平行である場合、バケット８は初期姿勢（水平姿勢）となる。バケット８が初期姿勢の状態において、基準面７０Ｒと水平面（設置面）とが平行となるように、チルト角度センサ７０がバケット８の設置面に設置される。
【０２３０】
基準面７０Ｒと水平面とが平行な状態において、傾斜角度を検出するチルト角度センサ７０の検出精度は最も高い。基準面７０Ｒと水平面とが直交する状態において、傾斜角度を検出するチルト角度センサ７０の検出精度は最も低い。すなわち、基準面７０Ｒが水平になると、チルト角度センサ７０の検出精度が向上し、基準面７０Ｒが鉛直になると、チルト角度センサ７０の検出精度が低下する。
【０２３１】
したがって、チルト角度センサ７０が設置されているバケット８の姿勢が変化すると、チルト角度センサ７０の検出精度が変化する。例えば、初期姿勢のバケット８がチルト軸Ｊ４を中心に回転すると、そのバケット８に設置されているチルト角度センサ７０の検出精度が低下する可能性がある。また、ブーム６及びバケット７の少なくも一方の上げ動作又は下げ動作によってバケット８の姿勢が変化した場合においても、そのバケット８に設置されているチルト角度センサ７０の検出精度が低下する可能性がある。例えば、作業機２が伸長されて基準面７０Ｒが鉛直に近づくと、チルト角度センサ７０の検出精度が低下する。
【０２３２】
また、バケット８は、チルトシリンダ３０の駆動によりチルト軸Ｊ４を中心に回転する。バケット８は、チルトシリンダ３０駆動のみならず、ブーム６及びアーム７の少なくとも一方の上げ動作又は下げ動作によっても水平面に対して傾斜する。そのため、チルトシリンダ３０が駆動されなくても、チルト角度センサ７０は、ブーム６及びアーム７の少なくとも一方の上げ動作又は下げ動作に基づくチルト角度データを取得部２８Ｃに出力する。
【０２３３】
このように、チルト角度センサ７０から出力されるチルト角度データは、チルトシリンダ３０のストローク長さに応じたチルト角度成分のみならず、ブーム６及びアーム７の少なくとも一方の上げ動作又は下げ動作に基づくチルト角度成分を含む。そのため、チルト角度センサ７０を用いて、チルトシリンダ３０の駆動に基づくチルト角度データを正確に取得することが困難となる可能性がある。
【０２３４】
また、上述したように、チルト角度センサ７０は、水平面に対する２軸（θＸｇ方向及びθＹｇ方向）の角度センサであり、チルト角度センサ７０の基準面７０Ｒの角度がグローバル座標系の鉛直方向に近づく等、バケット８の姿勢によっては、チルト角度を正確に検出できない可能性がある。すなわち、作業機２の駆動によるチルト角度センサ７０の動的な検出精度の確保、及びバケット８の姿勢によるチルト角度センサ７０の静的な検出精度の確保が困難となり、正確な検出結果を出力できなくなる可能性がある。
【０２３５】
その結果、チルト角度センサ７０からリアルタイムで取得されるチルト角度データ（モニタデータ）に基づいて制限切削制御を実行すると、検出精度が低下したチルト角度センサ７０から出力されたチルト角度データで制限掘削制御が行われ、掘削精度が低下する可能性がある。
【０２３６】
本実施形態においては、固定指令によりチルト角度センサ７０の検出値を固定する事を可能とする。これによりオペレータの操作により、チルト角度センサ７０の検出精度が高い時点（基準面７０Ｒが水平に近い時点）で、チルト角度センサ７０から取得部２８Ｃに出力されるチルト角度データが固定化されて固定データが定められる。その時点以降、固定データに基づいて作業機２の制御が行われる。これにより、その時点以降、作業機２が駆動したり、バケット８の姿勢が変化したりしても、検出精度が低下したチルト角度センサ７０から出力されたチルト角度データで制限掘削制御が行われてしまうことが防止される。
【０２３７】
本実施形態においては、チルト角度データを固定するための固定指令が作業機コントローラ２６及びセンサコントローラ３２の少なくとも一方に出力される。固定指令が出力された時点で、チルト角度データが固定化されて固定データが生成される。
【０２３８】
固定データに基づく作業機２の制御は、固定指令が解除されるまで行われる。作業機制御部２６Ａは、固定指令が解除されるまで、固定データに基づいて、作業機２を制御する。固定解除指令が出力されることにより、固定指令が解除される。固定指令が解除されることにより、作業機コントローラ２６及びセンサコントローラ３２にリアルタイムでチルト角度センサ７０からのチルト角度データが出力される。固定指令が解除された後、チルト角度センサ７０から出力されたチルト角度データに基づいて、作業機２が制御される。
【０２３９】
固定指令は、制限掘削制御が行われる期間の少なくとも一部において固定データに基づいて作業機２が制御されるように、固定部２８Ｄに出力される。本実施形態において、固定指令は、制限掘削制御の開始において固定部２８Ｄに出力され、制限掘削制御の終了において解除される。
【０２４０】
本実施形態において、制限掘削制御の期間は、制限掘削制御モードが設定された期間、及び制限掘削制御状態の期間の少なくとも一方を含む。
【０２４１】
制限掘削制御モードは、入力部３６の操作により設定される。本実施形態において、入力部３６は、制限掘削制御を行うか否かを指令するボタン（掘削制御モード切替ボタン）を含む。オペレータにより掘削制御モード切替ボタンが操作されると、制限掘削制御モードの開始及び終了の少なくとも一方の指令信号が作業機コントローラ２６に出力される。すなわち、入力部３６の操作により、制限掘削制御モードの開始指令及び終了指令の少なくとも一方が作業機コントローラ２６に出力される。制限掘削制御モードの開始時点は、制限掘削制御モードが開始されるように掘削制御モード切替ボタンが操作された時点である。制限掘削制御モードの終了時点は、制限掘削制御モードが終了するように掘削制御モード切替ボタンが操作された時点である。
【０２４２】
本実施形態においては、制限掘削制御開始のための掘削制御モード切替ボタンの操作により、固定指令が出力される。また、制限掘削制御終了のための掘削制御モード切替ボタンの操作により、固定解除指令が出力される。すなわち、本実施形態においては、制限掘削制御モードの開始指令が固定指令を含む。制限掘削制御モードの終了指令が固定解除指令を含む。固定指令が出力されることにより、その固定指令が固定部２８Ｄに送られ、固定指令が送られた時点におけるチルト角度データが維持（固定）される。
【０２４３】
なお、入力部３６は、チルト角度データを固定するための固定指令及び固定解除指令を含む指令信号を生成可能な専用のボタン（チルト角度固定ボタン）を含んでもよい。チルト角固定ボタンが操作されることにより生成された指令信号が、チルト角度センサ７０を制御するためのセンサコントローラに出力されてもよい。例えば、チルト角度固定ボタンが操作されて固定指令が出力された後、チルト角度センサ７０から取得部２８Ｃに固定データが出力されてもよい。
【０２４４】
制限掘削制御モードが開始される前（制限掘削制御モード開始のための掘削制御モード切替ボタンの操作前）にチルト角度固定ボタンが操作されて固定指令が出力されてもよい。制限掘削制御モードの開始時（制限掘削制御モード開始のための掘削制御モード切替ボタンの操作時）にチルト角度固定ボタンが操作されて固定指令が出力されてもよい。制限掘削制御モードの終了時（制限掘削制御モード終了のための掘削制御モード切替ボタンの操作時）にチルト角度固定ボタンが操作されて固定指令が出力されてもよい。制限掘削制御モードが終了した後（制限掘削制御モード終了のための掘削制御モード切替ボタンの操作後）にチルト角度固定ボタンが操作されて固定指令が出力されてもよい。
【０２４５】
制限掘削制御状態は、刃先８ａの相対速度Ｗａが制限速度Ｖを超えた状態を含む。制限掘削制御状態の開始時点は、刃先８ａの相対速度Ｗａが制限速度Ｖを超えた時点である。掘削制御状態の終了時点は、刃先８ａの相対速度Ｗａが制限速度Ｖ以下になった時点である。
【０２４６】
制限掘削制御状態の開始時点において、固定指令が作業機コントローラ２６から固定部２８Ｄに出力されてもよい。制限掘削制御状態の終了時点において、固定解除指令が作業機コントローラ２６から固定部２８Ｄに出力されてもよい。
【０２４７】
掘削作業において、オペレータにより入力部３６が操作され、固定指令が出力されると、固定部２８Ｄは、その固定指令に基づいて、チルト角度センサ７０のモニタデータであるチルト角度データを固定化して固定データにする。
【０２４８】
演算部２８Ａは、その固定データと、作業機角度データと、作業機寸法データとに基づいて、バケット８の現在位置を示すバケット位置データを求める。作業機制御部２６Ａは、固定データを使って求められたバケット位置データと、目標掘削地形とに基づいて、目標掘削地形とバケット８との距離に応じてバケット８が目標掘削地形に近づく速度が小さくなるようにブーム６の速度を制限する制限掘削制御を実行する。
【０２４９】
すなわち、上述の例に従って、演算部２８Ａは、作業機角度データ、作業機寸法データ、バケット８の外形データ、及び固定データに基づいて、バケット位置データを含み作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す２次元バケットデータＳを求め、作業機制御部２８は、その２次元バケットデータＳに基づいて、作業機２を制御する。
【０２５０】
本実施形態においては、制限掘削制御状態の期間において、バケット８の駆動が禁止される。すなわち、制限掘削制御において、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８の回転が停止される。なお、制限掘削制御において、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回転は禁止されない。
【０２５１】
上述のように、作業機２は、バケット８を駆動可能なチルトシリンダ３０を有し、チルトシリンダ３０の作動により、バケット８がチルト軸Ｊ４を中心に回転する。本実施形態においては、制限掘削制御において、チルトシリンダ３０が作動しないように、作業機コントローラ２６の駆動禁止部２６Ｂが駆動禁止処理を行う。
【０２５２】
上述のように、チルトシリンダ３０は、第３操作レバー２５Ｐを含む操作装置２５によって操作される。その操作装置２５から出力された操作信号によってチルトシリンダ３０が作動する。本実施形態においては、操作装置２５からチルトシリンダ３０を操作するための操作信号が出力された場合、駆動禁止部２６Ｂは、その操作装置２５から出力された操作信号を無効化する。
【０２５３】
本実施形態において、操作信号の無効化は、パイロット油圧ライン４５０のパイロット油圧を維持しつつ、チルトシリンダ３０の動作を固定することを含む。図３７は、本実施形態に係る油圧システム３００の一例を示す図である。
【０２５４】
図３７に示すように、油圧システム３００は、チルトシリンダ３０に対する作動油の供給量を調整する方向制御弁６４と、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２７Ｄ及び制御弁２７Ｅと、操作ペダル２５Ｆと、ポンプコントローラ３４と、作業機コントローラ２６とを備えている。
【０２５５】
制御弁２７Ｄ及び制御弁２７Ｅは、作業機コントローラ２６の駆動禁止部２６Ｂから出力された制御信号（駆動禁止信号）に基づいて作動する。制御弁２７Ｄは、シャトル弁５１Ａと方向制御弁６４との間の油路に配置される。制御弁２７Ｅは、シャトル弁５１Ｂと方向制御弁６４との間の油路に配置される。
【０２５６】
固定指令に基づいて、作業機コントローラ２６の駆動禁止部２６Ｂは、駆動禁止処理を行う場合、駆動禁止信号を出力する。駆動禁止部２６Ｂから出力された駆動禁止信号に基づいて、油路４３（４３Ａ、４３Ｂ）が閉じるように、制御弁２７Ｄ及び制御弁２７Ｅに制御信号を出力する。これにより、油路４３（パイロット油圧ライン）のパイロット油圧が一定値に維持される。そのため、方向制御弁６４のスプールは移動しない。したがって、チルトシリンダ３０は作動せず、バケット８の駆動が禁止される。すなわち、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８の回転が停止（固定）される。
【０２５７】
作業機２は、制限掘削制御状態の開始時点におけるチルト軸Ｊ４を中心とする回転方向に関するバケット８の姿勢を維持した状態で、掘削作業を行う。制限掘削制御状態が終了（解除）された時点で、バケット８の駆動の禁止が解除される。
【０２５８】
本実施形態においては、制限掘削制御において、チルト角度データが固定化されて固定データが生成される。その固定データに基づいて、制限掘削制御状態の期間においてバケット８がチルト軸Ｊ４を中心に回転すると、バケット８が目標掘削地形に侵入する可能性が高くなる。本実施形態においては、制限掘削制御状態において、チルト角度データのみならず、チルト軸Ｊ４を中心とする回転方向に関するバケット８の位置も固定される。これにより、固定データの値とバケット８の実際のチルト角度との乖離が抑制され、目標掘削地形に沿った掘削が可能となる。
【０２５９】
なお、制限掘削制御状態の期間のみならず、制限掘削制御モードの期間において、バケット８の駆動が禁止されてもよい。
【０２６０】
なお、制限掘削制御において、固定データは生成されるものの、バケット８の駆動は禁止されなくてもよい。
【０２６１】
掘削制限制御モードの終了のために、オペレータにより入力部３６が操作されることにより、固定解除指令が出力される。以上により、掘削作業が終了する。固定解除手段は掘削制御モード終了は入力部３６の入力以外に個別の固定解除手段としてもよい。
【０２６２】
［表示部］
図３８は、表示部２９の一例を示す図である。本実施形態において、表示部２９は、２次元設計地形データＵ及びバケット位置データを含む２次元バケットデータＳを表示する。表示部２９は、作業機動作平面ＭＰにおける目標掘削地形とバケット８との距離を示す距離データ、及び作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す外形データの少なくとも一方を表示する。
【０２６３】
表示部２９の画面は、目標掘削地形とバケット８とを示す正面図２８２と、目標掘削地形とバケット８とを示す側面図２８１とを含む。正面図２８２は、バケット８を示すアイコン１０１と、目標施工情報の断面を示す線１０２とを含む。また、正面図２８２は、目標掘削地形とバケット８との距離（Ｚ軸方向における距離）を示す距離データ２９１Ａと、目標掘削地形と刃先８ａとがなす角度を示す角度データ２９２Ａとを含む。
【０２６４】
側面図２８１は、バケット８を示すアイコン１０３と、作業機動作平面ＭＰにおける目標掘削地形の表面を示す線１０４とを含む。アイコン１０３は、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す。また、側面図２８１は、目標掘削地形とバケット８との距離（目標掘削地形とバケット８との最短距離）を示す距離データ２９２Ａと、目標掘削地形とバケット８の底面とがなす角度を示す角度データ２９２Ｂとを含む。
【０２６５】
［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、チルト式バケットにおいて、そのバケット８に設けられたチルト角度センサ７０が、バケット８の姿勢などに起因して正確なチルト角度データを出力できない状況が発生しても、チルト角度センサ７０から正確なチルト角度データが出力されているタイミングで固定指令が出力することが可能な固定指令手段を設けることを特徴とする。オペレータの操作で、その固定指令に基づいてチルト角度データが固定化されることにより、その固定データを用いて精度良い掘削作業を行うことができる。
【０２６６】
また、本実施形態によれば、チルト式バケットにおいて、制限掘削制御の制御対象となる作業機動作平面ＭＰに沿ったバケット８の外形と目標掘削地形とを特定できるようにしたので、バケット８のチルトにより、目標掘削地形とバケット８との距離が変化しても、バケット８が目標掘削地形に侵入しないように、精度良く制限掘削制御を行うことができる。
【０２６７】
本実施形態においては、作業機２の寸法データと、バケット８の外形データと、作業機角度データと、チルト角度データとに基づいて、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の外形を示す２次元バケットデータを求めるようにしたので、バケット８のチルト角度が変動しても、作業機動作平面ＭＰにおけるバケット８の刃先８ａの位置を把握することができる。そのため、目標掘削地形と刃先８ａとの相対位置を正確に把握して、掘削精度の低下を抑制しつつ、所期の施工を実行することができる。
【０２６８】
本実施形態においては、作業機２の寸法データと、目標掘削地形データと、作業機角度データとが取得され、作業機制御部２６Ａは、目標掘削地形データＵとバケット位置データとに基づいて、目標掘削地形とバケット８との距離に応じて制限速度を決定し、作業機２が目標掘削地形に接近する方向の速度が前記制限速度以下になるように作業機２を制御する。これにより、目標掘削地形にバケット８が侵入することが抑制され、掘削精度の低下が抑制される。
【０２６９】
本実施形態においては、固定指令は、制限掘削制御が行われる期間の少なくとも一部において固定データに基づいて作業機２が制御されるように、データ固定部２８Ｄに出力されるため、その固定指令に基づいてチルト角度データが固定化されることにより、制限掘削制御を精度良く行うことができる。
【０２７０】
本実施形態においては、固定指令は、制限掘削制御の開始においてデータ固定部２８Ｄに出力され、制限掘削制御の終了において解除されるため、制限掘削制御においては精度良い制限掘削制御が行われる。また、通常の掘削作業においては、チルト角度データの固定化がされずに掘削作業を行うことができる。
【０２７１】
また、本実施形態においては、掘削制限制御において、駆動禁止部２６Ｂによりバケット８の駆動を禁止して、チルト角度データのみならず、チルト軸Ｊ４を中心とする回転方向に関するバケット８の位置も固定するようにしたので、目標掘削地形に沿ってバケット８を動かしながら掘削することができる。
【０２７２】
また、本実施形態においては、駆動禁止部２６Ｂは、操作装置２５から出力された操作信号を無効化するので、バケット８の駆動を円滑に禁止することができる。
【０２７３】
また、本実施形態においては、２次元バケットデータに基づいて、作業機制御部２６Ａにより作業機２が制御される。これにより、作業機制御部２６Ａは、２次元バケットデータＳと、作業機動作平面ＭＰに沿った目標掘削地形とに基づいて、目標掘削地形とバケット８との距離ｄを導出して、作業機２の制限掘削制御を行うことができる。
【０２７４】
本実施形態においては、２次元バケットデータ、車両本体１の現在位置を示す車両本体位置データＰ、及び車両本体１の姿勢を示す車両本体姿勢データＱに基づいて、目標掘削地形とバケット８との相対位置を求める。これにより、目標掘削地形とバケット８との相対位置を正確に求めることができる。
【０２７５】
本実施形態においては、目標掘削地形データ及びバケット位置データが表示部２６に表示される。これにより、作業機動作平面ＭＰを基準として制御対象が特定され、制限掘削制御が精度良く行われる。
【０２７６】
なお、本実施形態においては、グローバル座標系における油圧ショベルＣＭの車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを取得し、ローカル座標系で求めたバケット８の位置（２次元バケットデータＳ）と、車両本体位置データＰ及び車両本体姿勢データＱを用いて、グローバル座標系における目標掘削地形とバケット８との相対位置を取得することとした。目標掘削地形データをローカル座標系で規定して、ローカル座標系における目標掘削地形とバケット８との相対位置を取得してもよい。以下の実施形態においても同様である。
【０２７７】
なお、本実施形態においては、２次元バケットデータＳを用いて制限掘削制御（介入制御）を行うこととした。制限掘削制御は行われなくてもよい。例えば、オペレータが表示部２９を目視し、作業機動作平面ＭＰにおける目標掘削地形に沿ってバケット８が移動するように、操作装置２５の操作が行われてもよい。以下の実施形態においても同様である。
【０２７８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０２７９】
上記の実施形態では、建設機械の一例として油圧ショベルを挙げているが油圧ショベルに限らず、他の種類の建設機械に本発明が適用されてもよい。
【０２８０】
グローバル座標系における油圧ショベルＣＭの位置の取得は、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって行われてもよい。従って、刃先８ａと目標掘削地形との距離ｄの取得は、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって行われてもよい。
【０２８１】
ブーム操作量とアーム操作量とバケット操作量とは、操作レバー（２５Ｒ、２５Ｌ）の位置を示す電気的な信号に基づいて取得されてもよい。
【符号の説明】
【０２８２】
１  車両本体
２  作業機
３  旋回体
４  運転室
５  走行装置
５Ｃｒ  履帯
６  ブーム
７  アーム
８  バケット
９  エンジンルーム
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
１３  ブームピン
１４  アームピン
１５  バケットピン
１６  第１ストロークセンサ
１７  第２ストロークセンサ
１８  第３ストロークセンサ
１９  手すり
２０  位置検出装置
２１  アンテナ
２２  角度検出装置
２３  位置センサ
２４  傾斜センサ
２５  操作装置
２５Ｆ  操作ペダル
２５Ｌ  第２操作レバー
２５Ｒ  第１操作レバー
２５Ｐ  第３操作レバー
２６  作業機コントローラ
２７  制御弁
２８  表示コントローラ
２９  表示部
３０  チルトシリンダ
３２  センサコントローラ
３６  入力部
４０Ａ  キャップ側油室
４０Ｂ  ロッド側油室
４１  メイン油圧ポンプ
４２  パイロット油圧ポンプ
４３  メインバルブ
５１  シャトル弁
７０  チルト角度センサ
８０  チルトピン
８１  底板
８２  背板
８３  上板
８４  側板
８５  側板
８６  開口部
８７  ブラケット
８８  ブラケット
９０  接続部材
９１  プレート部材
９２  ブラケット
９３  ブラケット
９４  第１リンク部材
９４Ｐ  第１リンクピン
９５  第２リンク部材
９５Ｐ  第２リンクピン
９６  バケットシリンダトップピン
９７  ブラケット
１６１  回転ローラ
１６２  回転中心軸
１６３  回転センサ部
１６４  ケース
２００  制御システム
３００  油圧システム
ＡＸ  旋回軸
ＣＭ  建設機械（油圧ショベル）
Ｊ１  ブーム軸
Ｊ２  アーム軸
Ｊ３  バケット軸
Ｊ４  チルト軸
Ｌ１  ブーム長さ
Ｌ２  アーム長さ
Ｌ３  バケット長さ
Ｌ４  チルト長さ
Ｌ５  バケットの幅の寸法
Ｐ  車両本体位置データ
Ｑ  車両本体姿勢データ（旋回体方位データ）
Ｓ  ２次元バケットデータ
Ｔ  目標施工情報
Ｕ  目標掘削地形データ
α  ブーム角度
β  アーム角度
γ  バケット角度
δ  チルト角度
ε  チルト軸角度
【要約】
制御システムは、複数のチルト機構を有するバケットを含む作業機を備える建設機械を制御する。制御システムは、バケットに配置され、水平面に対する傾斜角度を検出可能であり、チルト軸を中心とするバケットの回転角度を示すチルト角度データを検出するチルト角度センサと、チルト角度センサからチルト角度データが出力されるデータ取得部と、固定指令に基づいて、データ取得部に出力されるチルト角度データを固定データにするデータ固定部と、固定指令が解除されるまで、固定データに基づいて、作業機を制御する作業機制御部と、を備える。【図１】
0005856685.tif 000011
【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１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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