(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御システムであって、
前記作業機械の位置情報を検出する位置検出部と、
前記位置検出部によって検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求めるとともに、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成する生成部と、
前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、
を含み、
前記作業機械は、前記作業機が取り付けられて所定の軸線周りを回動する旋回体を備えており、
前記作業機制御部は、
前記作業機が前記旋回体とともに旋回しているときに、前記作業機が旋回する方向における目標速度と、前記作業具の前後方向における目標速度とを合成した速度に基づいて前記掘削制御を実行する、作業機械の制御システム。
【請求項２】
作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御システムであって、
前記作業機械の位置情報を検出する位置検出部と、
前記位置検出部によって検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求めるとともに、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成する生成部と、
前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、
前記作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置と、
を含み、
前記作業機械は、前記作業機が取り付けられて所定の軸線周りを回動する旋回体を備えており、
前記作業機制御部は、前記作業機が前記旋回体とともに旋回しているときに前記掘削制御を実行し、さらに前記検出装置が検出した前記作業機の旋回速度を用いて前記作業機の位置を予測する、作業機械の制御システム。
【請求項３】
前記生成部は、少なくとも一つの前記目標施工面と、前記作業機動作平面又は前記作業機動作平面と平行な第２切り出し面とが交差する部分の情報である第２目標掘削地形情報を生成し、
前記作業機制御部は、前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報及び前記第２目標掘削地形情報に基づいて、前記掘削制御を実行する、請求項１又は請求項２に記載の作業機の制御システム。
【請求項４】
作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御システムであって、
前記作業機械の位置情報を検出する位置検出部と、
前記位置検出部によって検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求めるとともに、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す第１の目標施工面及び前記第１の目標施工面の側方に連なる第２の目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成する生成部と、
前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、
を含む、作業機械の制御システム。
【請求項５】
前記生成部は、前記第１の目標施工面と、前記作業機動作平面又は前記作業機動作平面と平行な第２切り出し面とが交差する部分の情報である第２目標掘削地形情報を生成し、
前記作業機制御部は、前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報及び前記第２目標掘削地形情報に基づいて、前記掘削制御を実行する、請求項４に記載の作業機の制御システム。
【請求項６】
前記作業機制御部は、
前記第２目標掘削地形情報に基づいて前記掘削制御を実行し、前記第１目標掘削地形情報に基づいて実行中の前記掘削制御を停止し又は停止中の前記掘削制御を再開する、請求項３又は請求項５に記載の作業機械の制御システム。
【請求項７】
前記作業機制御部は、
前記作業具の直下における前記第１目標掘削地形情報の、前記作業機械の水平面に対する角度が予め定められた大きさ以上である場合に、前記掘削制御を停止する、請求項６に記載の作業機械の制御システム。
【請求項８】
前記作業機制御部は、
前記作業具の刃先と前記第１目標掘削地形情報との間における最も小さい距離に基づいて前記掘削制御を実行する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の作業機械の制御システム。
【請求項９】
前記作業機制御部は、
前記作業具の刃先と、前記第１目標掘削地形情報との距離に基づいて、前記第１目標掘削地形情報に対応した目標施工面に対して前記掘削制御を実行するか否かを決定する、請求項１、請求項２又は請求項４に記載の作業機械の制御システム。
【請求項１０】
前記作業機械は、前記作業機が取り付けられて所定の軸線周りを回動する旋回体を備えており、
前記作業機制御部は、
前記作業機が前記旋回体とともに旋回しているときに前記掘削制御を実行する、請求項４に記載の作業機械の制御システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の作業機械の制御システムを備える、作業機械。
【請求項１２】
作業具を有する作業機と、前記作業機が取り付けられて所定の軸線周りを回動する旋回体とを備える作業機械を制御する制御方法であって、
前記作業機の位置を検出し、
検出された前記作業機械の位置情報に基づき前記作業機の位置を求めるとともに、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成し、
前記作業機が前記旋回体とともに旋回しているときに、前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行し、
前記掘削制御は、前記作業機が旋回する方向における目標速度と、前記作業具の前後方向における目標速度とを合成した速度に基づいて実行される、
作業機械の制御方法。
【請求項１３】
作業具を有する作業機と、前記作業機が取り付けられて所定の軸線周りを回動する旋回体とを備える作業機械を制御する制御方法であって、
前記作業機の位置を検出し、
検出された前記作業機械の位置情報及び前記旋回体の旋回速度に基づき前記作業機の位置を予測して求めるとともに、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成し、
前記作業機が前記旋回体とともに旋回しているときに、前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行し、
さらに前記作業機の旋回速度を用いて前記作業機の位置を予測する、
作業機械の制御方法。
【請求項１４】
前記第１目標掘削地形情報、及び少なくとも一つの前記目標施工面と前記作業機動作平面又は前記作業機動作平面と平行な第２切り出し面とが交差する部分の情報である第２目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する、請求項１２又は請求項１３に記載の作業機の制御方法。
【請求項１５】
前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御するにあたって、前記作業具の刃先と、前記第１目標掘削地形情報との距離に基づいて、前記第１目標掘削地形情報に対応した目標施工面に対して前記掘削制御を実行するか否かを決定する、請求項１４に記載の作業機械の制御方法。
【請求項１６】
作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御方法であって、
前記作業機械の位置を検出し、
検出された前記作業機械の位置情報に基づき前記作業機の位置を求めるとともに、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す第１の目標施工面及び前記第１の目標施工面の側方に連なる第２の目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成し、
前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する、
作業機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機を備えた作業機械の制御システム、作業機械及び作業機械の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バケットを含むフロント装置を備える建設機械において、掘削対象の目標とする地形に沿ってバケットを移動させて、目標とする地形を侵食しないようにするための制御が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２１７１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、目標とする地形を侵食しないように作業機が制御されているときに、不要な目標とする地形が出現することがある。このような場合、作業機が急に上昇する等、作業機の操作と異なる動作にオペレータは違和感を覚えることがある。【０００５】
本発明は、オペレータが意図する通りに作業機を動作させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御システムであって、前記作業機械の位置情報を検出する位置検出部と、前記位置検出部によって検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求め、かつ目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面と、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成する生成部と、前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、を含む、作業機械の制御システムである。【０００７】
前記生成部は、少なくとも一つの前記目標施工面と、前記作業機動作平面又は前記作業機動作平面と平行な第２切り出し面とが交差する部分の情報である第２目標掘削地形情報を生成し、前記作業機制御部は、前記設定部から取得した前記第１目標掘削地形情報及び前記第２目標掘削地形情報に基づいて、前記掘削制御を実行することが好ましい。【０００８】
本発明は、作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御システムであって、前記作業機械の位置情報を検出する位置検出部と、前記位置検出部によって検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求め、かつ前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面と、目標形状を示す第１の目標施工面及び前記第１の目標施工面の側方に連なる第２の目標施工面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成する生成部と、前記生成部から取得した前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、を含む、作業機械の制御システムである。【０００９】
前記生成部は、前記第１の目標施工面と、前記作業機動作平面又は前記作業機動作平面と平行な第２切り出し面とが交差する部分の情報である第２目標掘削地形情報を生成し、前記作業機制御部は、前記設定部から取得した前記第１目標掘削地形情報及び前記第２目標掘削地形情報に基づいて、前記掘削制御を実行することが好ましい。【００１０】
前記作業機制御部は、前記第２目標掘削地形情報に基づいて前記掘削制御を実行し、前記第１目標掘削地形情報に基づいて実行中の前記掘削制御を停止し又は停止中の前記掘削制御を再開することが好ましい。【００１１】
前記作業機制御部は、前記作業具の直下における前記第１目標掘削地形情報の、前記作業機械の水平面に対する角度が予め定められた大きさ以上である場合に、前記掘削制御を停止することが好ましい。【００１２】
前記作業機制御部は、前記作業具の刃先と前記第１目標掘削地形情報との間における最も小さい距離に基づいて前記掘削制御を実行することが好ましい。【００１３】
前記作業機制御部は、前記作業具の刃先と、前記第１目標掘削地形情報との距離に基づいて、前記第１目標掘削地形情報に対応した目標施工面に対して前記掘削制御を実行するか否かを決定することが好ましい。【００１４】
前記作業機械は、前記作業機が取り付けられて所定の軸線周りを回動する旋回体を備えており、前記作業機制御部は、前記作業機が前記旋回体とともに旋回しているときに前記掘削制御を実行することが好ましい。【００１５】
前記作業機制御部は、前記作業機が旋回する方向における目標速度と、前記作業具の前後方向における目標速度とを合成した速度に基づいて前記掘削制御を実行することが好ましい。【００１６】
前記作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置を有し、前記検出装置が検出した前記作業機の旋回速度を用いて前記作業機の位置を予測することが好ましい。【００１７】
本発明は、前述した作業機械の制御システムを備える、作業機械である。【００１８】
本発明は、作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御方法であって、前記作業機の位置を検出し、検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求め、かつ目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面と、前記作業機が動作する平面である作業機動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面とが交差する部分の情報である第１目標掘削地形情報を生成し、前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する、作業機械の制御方法である。【００１９】
前記第１目標掘削地形情報、及び少なくとも一つの前記目標施工面と前記作業機動作平面又は前記作業機動作平面と平行な第２切り出し面とが交差する部分の情報である前記第２目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御することが好ましい。【００２０】
前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御するにあたって、前記作業具の刃先と、前記第１目標掘削地形情報との距離に基づいて、前記第１目標掘削地形情報に対応した目標施工面に対して前記掘削制御を実行するか否かを決定することが好ましい。【００２１】
前記作業機が前記作業機械に備えられた前記旋回体とともに旋回しているときに前記掘削制御を実行することが好ましい。【００２２】
本発明は、オペレータが意図する通りに作業機を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施形態１に係る作業機械の斜視図である。
【図２】図２は、油圧ショベルの駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、油圧ショベルの側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、油圧ショベルの背面図である。
【図４】図４は、目標施工情報の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、作業機コントローラ及び表示コントローラを示すブロック図である。
【図６】図６は、表示部に表示される目標掘削地形の一例を示す図である。
【図７】図７は、目標速度と垂直速度成分と水平速度成分との関係を示す模式図である。
【図８】図８は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。
【図９】図９は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。
【図１０】図１０は、刃先と目標掘削地形との間の距離を示す模式図である。
【図１１】図１１は、制限速度情報の一例を示すグラフである。
【図１２】図１２は、ブームの制限速度の垂直速度成分の算出方法を示す模式図である。
【図１３】図１３は、ブームの制限速度の垂直速度成分とブームの制限速度との関係を示す模式図である。
【図１４】図１４は、刃先の移動によるブームの制限速度の変化の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、油圧ショベル１００が備える油圧システム３００の詳細な構造を示す図である。
【図１６】図１６は、溝を掘削するときのバケットと溝との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、溝を掘削するときのバケットと溝との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、溝を掘削するときのバケットと溝との関係を示す図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、溝を掘削するときのバケットと溝との関係を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、溝を掘削するときのバケットと溝との関係を示す図である。
【図２０】図２０は、目標掘削地形から前後方向目標掘削地形データを切り出す位置を説明するための図である。
【図２１】図２１は、目標掘削地形から前後方向目標掘削地形データを切り出す平面を説明するための図である。
【図２２】図２２は、幅方向目標掘削地形データを切り出す平面を説明するための図である。
【図２３】図２３は、幅方向目標掘削地形データを切り出す平面を説明するための図である。
【図２４】図２４は、溝を掘削する際の目標掘削地形と油圧ショベルのバケットとの関係を示す図である。
【図２５】図２５は、溝を掘削する際の制御例を示すフローチャートである。
【図２６】図２６は、溝を掘削しているときに油圧ショベルのバケットが溝壁に向かう状態を示す図である。
【図２７】図２７は、油圧ショベルの後方からバケットを見た状態を示す図である。
【図２８】図２８は、バケットが溝壁に接近するときの速度成分を説明するための図である。
【図２９】図２９は、バケットの刃先と溝壁との距離を示す図である。
【図３０】図３０は、ブームの制限速度を説明するための図である。
【図３１】図３１は、幅方向における掘削制御の処理例を示すフローチャートである。
【図３２】図３２は、旋回目標速度と前後方向の目標速度とを合成した速度に基づく掘削制御の処理を示すフローチャートである。
【図３３】図３３は、前後方向の目標速度を求める方法の説明図である。
【図３４】図３４は、旋回目標速度と前後方向の目標速度とを合成した速度を求める方法を示す図である。
【図３５】図３５は、バケットが側壁に対応する目標掘削地形に接近するときの速度成分を説明するための図である。
【図３６】図３６は、ブーム制限速度を説明するための図である。
【図３７】図３７は、表示コントローラ及び変形例に係る作業機コントローラ及びセンサコントローラを示すブロック図である。
【図３８Ａ】図３８Ａは、油圧ショベルの姿勢を示す図である。
【図３８Ｂ】図３８Ｂは、油圧ショベルの姿勢を示す図である。
【図３９】図３９は、予測補正部が補正旋回体方位データを更新する処理を説明するためのフロー図である。
【図４０】図４０は、上部旋回体の動作に合わせて実行される予測補正部の処理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
＜作業機械の全体構成＞
図１は、実施形態１に係る作業機械の斜視図である。図２は、油圧ショベル１００の油圧システム３００と制御システム２００との構成を示すブロック図である。作業機械としての油圧ショベル１００は、本体部としての車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、旋回体としての上部旋回体３と走行体としての走行装置５とを有する。上部旋回体３は、機関室３ＥＧの内部に、動力発生装置としてのエンジン及び油圧ポンプ等の装置を収容している。機関室３ＥＧは、上部旋回体３の一端側に配置されている。
【００２６】
本実施形態において、油圧ショベル１００は、動力発生装置としてのエンジンに、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられるが、動力発生装置はこのようなものに限定されない。油圧ショベル１００の動力発生装置は、例えば、内燃機関と発電電動機と蓄電装置とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド方式の装置であってもよい。また、油圧ショベル１００の動力発生装置は、内燃機関を有さず、蓄電装置と発電電動機とを組み合わせたものであってもよい。
【００２７】
上部旋回体３は、運転室４を有する。運転室４は、上部旋回体３の他端側に設置されている。すなわち、運転室４は、機関室３ＥＧが配置されている側とは反対側に設置されている。運転室４内には、図２に示す、表示部２９及び操作装置２５が配置される。これらについては後述する。上部旋回体３の上方には、手すり９が取り付けられている。
【００２８】
走行装置５は、上部旋回体３を搭載する。走行装置５は、履帯５ａ、５ｂを有している。走行装置５は、左右に設けられた走行モータ５ｃの一方又は両方が駆動し、履帯５ａ、５ｂが回転することにより、油圧ショベル１００を走行させる。作業機２は、上部旋回体３の運転室４の側方側に取り付けられている。
【００２９】
油圧ショベル１００は、履帯５ａ、５ｂの代わりにタイヤを備え、エンジンの駆動力を、トランスミッションを介してタイヤへ伝達して走行が可能な走行装置を備えたものであってもよい。このような形態の油圧ショベル１００としては、例えば、ホイール式油圧ショベルがある。また、油圧ショベル１００は、このようなタイヤを有した走行装置を備え、さらに車両本体（本体部）に作業機が取り付けられ、図１に示すような上部旋回体３及びその旋回機構を備えていない構造を有する、例えばバックホウローダであってもよい。すなわち、バックホウローダは、車両本体に作業機が取り付けられ、車両本体の一部を構成する走行装置を備えたものである。
【００３０】
上部旋回体３は、作業機２及び運転室４が配置されている側が前であり、機関室３ＥＧが配置されている側が後である（ｘ方向）。前に向かって左側が上部旋回体３の左であり、前に向かって右側が上部旋回体３の右である。上部旋回体３の左右方向は、幅方向とも言う（ｙ方向）。油圧ショベル１００又は車両本体１は、上部旋回体３を基準として走行装置５側が下であり、走行装置５を基準として上部旋回体３側が上である（ｚ方向）。油圧ショベル１００が水平面に設置されている場合、下は鉛直方向、すなわち重力の作用方向側であり、上は鉛直方向とは反対側である。
【００３１】
作業機２は、ブーム６とアーム７と作業具としてのバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に回動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に回動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が取り付けられている。バケット８は、バケットピン１５を中心として回動する。バケット８は、バケットピン１５とは反対側に複数の刃８Ｂが取り付けられている。刃先８Ｔは、刃８Ｂの先端である。
【００３２】
バケット８は、複数の刃８Ｂを有していなくてもよい。つまり、図１に示すような刃８Ｂを有しておらず、刃先が鋼板によってストレート形状に形成されたようなバケットであってもよい。作業機２は、例えば、単数の刃を有するチルトバケットを備えていてもよい。チルトバケットとは、バケットチルトシリンダを備え、バケットが左右にチルト傾斜することで油圧ショベルが傾斜地にあっても、斜面、平地を自由な形に成形、整地をすることができ、底板プレートによる転圧作業もできるバケットである。この他にも、作業機２は、バケット８の代わりに、法面バケット又は削岩用のチップを備えた削岩用のアタッチメント等を備えていてもよい。
【００３３】
図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ作動油の圧力（以下、適宜油圧という）によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動して、これを昇降させる。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動して、アームピン１４の周りを回動させる。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動して、バケットピン１５の周りを回動させる。
【００３４】
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等の油圧シリンダと図２に示す油圧ポンプ３６、３７との間には、図２に示す方向制御弁６４が設けられている。方向制御弁６４は、油圧ポンプ３６、３７からブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２等に供給される作動油の流量を制御するとともに、作動油が流れる方向を切り替える。方向制御弁６４は、走行モータ５ｃを駆動するための走行用方向制御弁と、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並びに上部旋回体３を旋回させる旋回モータを制御するための作業機用方向制御弁とを含む。
【００３５】
操作装置２５から供給される、所定のパイロット圧力に調整された作動油が方向制御弁６４のスプールを動作させると、方向制御弁６４から流出する作動油の作動油の流量が調整されて、油圧ポンプ３６、３７からブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、旋回モータ又は走行モータ５ｃに供給される作動油の流量が制御される。その結果、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等の動作が制御される。
【００３６】
また、図２に示す作業機コントローラ２６が、図２に示す制御弁２７を制御することにより、操作装置２５から方向制御弁６４に供給される作動油のパイロット圧が制御されるので、方向制御弁６４からブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２に供給される作動油の流量が制御される。その結果、作業機コントローラ２６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等の動作を制御することができる。
【００３７】
上部旋回体３の上部には、アンテナ２１、２２が取り付けられている。アンテナ２１、２２は、油圧ショベル１００の現在位置を検出するために用いられる。アンテナ２１、２２は、図２に示す、油圧ショベル１００の現在位置を検出するための位置検出部としての位置検出装置１９と電気的に接続されている。位置検出装置１９は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real  Time  Kinematic  -  Global  Navigation  Satellite  Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムを言う）を利用して油圧ショベル１００の現在位置を検出する。以下の説明において、アンテナ２１、２２を、適宜ＧＮＳＳアンテナ２１、２２という。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、位置検出装置１９に入力される。位置検出装置１９は、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２の設置位置を検出する。位置検出装置１９は、例えば、３次元位置センサを含む。
【００３８】
ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、図１に示すように、上部旋回体３の上であって、油圧ショベル１００の左右方向に離れた両端位置に設置されることが好ましい。本実施形態において、ＧＮＳアンテナ２１、２２は、上部旋回体３の幅方向両側にそれぞれ取り付けられた手すり９に取り付けられる。ＧＮＳアンテナ２１、２２が上部旋回体３に取り付けられる位置は手すり９に限定されるものではないが、ＧＮＳアンテナ２１、２２は、可能な限り離れた位置に設置される方が、油圧ショベル１００の現在位置の検出精度は向上するので好ましい。また、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、オペレータの視界を極力妨げない位置に設置されることが好ましい。
【００３９】
図２に示すように、油圧ショベル１００の油圧システム３００は、動力発生源としてのエンジン３５と油圧ポンプ３６、３７とを備える。油圧ポンプ３６、３７は、エンジン３５によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ３６、３７から吐出された作動油は、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とに供給される。また、油圧ショベル１００は、旋回モータ３８を備える。旋回モータ３８は、油圧モータであり、油圧ポンプ３６、３７から吐出された作動油によって駆動される。旋回モータ３８は、上部旋回体３を旋回させる。なお、図２では、２つの油圧ポンプ３６、３７が図示されているが、１つの油圧ポンプのみが設けられてもよい。旋回モータ３８は、油圧モータに限らず、電気モータであってもよい。
【００４０】
作業機械の制御システムとしての制御システム２００は、位置検出装置１９と、グローバル座標演算部２３と、角速度及び加速度を検出する検出装置としてのＩＭＵ（Inertial  Measurement  Unit：慣性計測装置）２４と、操作装置２５と、作業機制御部としての作業機コントローラ２６と、センサコントローラ３９と、生成部としての表示コントローラ２８と、表示部２９とを含む。操作装置２５は、図１に示す作業機２を操作するための装置である。操作装置２５は、作業機２を駆動するためのオペレータによる操作を受け付けて、操作量に応じた作動油を出力する。
【００４１】
例えば、操作装置２５は、オペレータの左側に設置される左操作レバー２５Ｌと、オペレータの右側に配置される右操作レバー２５Ｒと、を有する。左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒは、前後左右の動作が２軸の動作に対応されている。例えば、右操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、ブーム６の操作に対応されている。右操作レバー２５Ｒが前方へ操作されるとブーム６が下がり、後方へ操作されるとブーム６が上がる。前後方向の操作に応じてブーム６の下げ上げの動作が実行される。右操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、バケット８の操作に対応されている。右操作レバー２５Ｒが左側に操作されるとバケット８が掘削し、右側に操作されるとバケット８がダンプする。左右方向の操作に応じてバケット８の掘削又は開放動作が実行される。左操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、アーム７の旋回に対応されている。左操作レバー２５Ｌが前方に操作されるとアーム７がダンプし、後方に操作されるとアーム７が掘削する。左操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、上部旋回体３の旋回に対応されている。左操作レバー２５Ｌが左側に操作されると左旋回し、右側に操作されると右旋回する。
【００４２】
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の掘削動作は、下げ動作に相当する。アーム７のダンプ動作は、上げ動作に相当する。バケット８の掘削動作は、下げ動作に相当する。バケット８のダンプ動作は、上げ動作に相当する。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。
【００４３】
本実施形態において、操作装置２５は、パイロット油圧方式が用いられる。操作装置２５には、油圧ポンプ３６から、図示しない減圧弁によって所定のパイロット圧力に減圧された作動油がブーム操作、バケット操作、アーム操作及び旋回操作に基づいて供給される。
【００４４】
右操作レバー２５Ｒの前後方向の操作に応じて、パイロット油路４５０へパイロット油圧が供給可能とされて、オペレータによるブーム６の操作が受け付けられる。右操作レバー２５Ｒの操作量に応じて右操作レバー２５Ｒが備える弁装置が開き、パイロット油路４５０へ作動油が供給される。また、圧力センサ６６は、そのときのパイロット油路４５０内における作動油の圧力をパイロット圧として検出する。圧力センサ６６は、検出したパイロット圧を、ブーム操作量ＭＢとして作業機コントローラ２６へ送信する。右操作レバー２５Ｒの前後方向の操作量を、以下、適宜ブーム操作量ＭＢと称する。操作装置２５とブームシリンダ１０との間のパイロット油路５０には、圧力センサ６８、制御弁（以下、適宜介入弁と称する）２７Ｃ及びシャトル弁５１が設けられる。介入弁２７Ｃ及びシャトル弁５１については後述する。
【００４５】
右操作レバー２５Ｒの左右方向の操作に応じて、パイロット油路４５０へパイロット油圧が供給可能とされて、オペレータによるバケット８の操作が受け付けられる。右操作レバー２５Ｒの操作量に応じて右操作レバー２５Ｒが備える弁装置が開き、パイロット油路４５０に作動油が供給される。また、圧力センサ６６は、そのときのパイロット油路４５０内における作動油の圧力をパイロット圧として検出する。圧力センサ６６は、検出したパイロット圧を、バケット操作量ＭＴとして作業機コントローラ２６へ送信する。右操作レバー２５Ｒの左右方向の操作量を、以下、適宜バケット操作量ＭＴと称する。
【００４６】
左操作レバー２５Ｌの前後方向の操作に応じて、パイロット油路４５０へパイロット油圧が供給可能とされて、オペレータによるアーム７の操作が受け付けられる。左操作レバー２５Ｌの操作量に応じて左操作レバー２５Ｌが備える弁装置が開き、パイロット油路４５０へ作動油が供給される。また、圧力センサ６６は、そのときのパイロット油路４５０内における作動油の圧力をパイロット圧として検出する。圧力計６６は、検出したパイロット圧を、アーム操作量ＭＡとして作業機コントローラ２６へ送信する。左操作レバー２５Ｌの左右方向の操作量を、以下、適宜アーム操作量ＭＡと称する。
【００４７】
左操作レバー２５Ｌの左右方向の操作に応じて、パイロット油路４５０へパイロット油圧が供給可能とされて、オペレータによる上部旋回体３の旋回操作が受け付けられる。左操作レバー２５Ｌの操作量に応じて左操作レバー２５Ｌが備える弁装置が開き、パイロット油路４５０へ作動油が供給される。また、圧力センサ６６は、そのときのパイロット油路４５０内における作動油の圧力をパイロット圧として検出する。圧力センサ６６は、検出したパイロット圧を、旋回操作量ＭＲとして作業機コントローラ２６へ送信する。左操作レバー２５Ｌの前後方向の操作量を、以下、適宜旋回操作量ＭＲと称する。
【００４８】
右操作レバー２５Ｒが操作されることにより、操作装置２５は、右操作レバー２５Ｒの操作量に応じた大きさのパイロット油圧を方向制御弁６４に供給する。左操作レバー２５Ｌが操作されることにより、操作装置２５は、左操作レバー２５Ｌの操作量に応じた大きさのパイロット油圧を制御弁２７に供給する。このパイロット油圧によって、方向制御弁６４のスプールが動作する。
【００４９】
パイロット油路４５０には、制御弁２７が設けられている。右操作レバー２５Ｒ及び左操作レバー２５Ｌの操作量は、パイロット油路４５０に設置される圧力センサ６６によって検出される。圧力センサ６６が検出したパイロット油圧は、作業機コントローラ２６に入力される。作業機コントローラ２６は、入力されたパイロット油圧に応じた、パイロット油路４５０の制御信号Ｎを制御弁２７に出力して、パイロット油路４５０を開閉する。
【００５０】
左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒの操作量が、例えば、ポテンショメータ及びホールＩＣ等によって検出され、作業機コントローラ２６は、これらの検出値に基づいて方向制御弁６４及び制御弁２７を制御することによって、作業機２を制御してもよい。このように、左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒは、電気方式であってもよい。旋回操作とアーム操作とは入れ替えられてもよい。この場合、左操作レバー２５Ｌの左右方向における操作に応じてアーム７の伸長又は曲げ動作が実行され、左操作レバー２５Ｌの前後方向における操作に応じて上部旋回体３の左右の旋回動作が実行される。
【００５１】
制御システム２００は、第１ストロークセンサ１６と第２ストロークセンサ１７と第３ストロークセンサ１８とを有する。例えば、第１ストロークセンサ１６はブームシリンダ１０に、第２ストロークセンサ１７はアームシリンダ１１に、第３ストロークセンサ１８バケットシリンダ１２に、それぞれ設けられる。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さＬＳ１を検出する。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０の伸長に対応する変位量を検出して、センサコントローラ３９に出力する。センサコントローラ３９は、第１ストロークセンサ１６の変位量に対応するブームシリンダ１０のシリンダ長（以下、適宜ブームシリンダ長と称する）を算出する。センサコントローラ３９は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ長から、油圧ショベル１００のローカル座標系、具体的には車両本体１のローカル座標系における水平面と直交する方向（ｚ軸方向）に対するブーム６の傾斜角θ１を算出して、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８に出力する。
【００５２】
第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さＬＳ２を検出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１の伸長に対応する変位量を検出して、センサコントローラ３９に出力する。センサコントローラ３９は、第２ストロークセンサ１７の変位量に対応するアームシリンダ１１のシリンダ長（以下、適宜アームシリンダ長と称する）を算出する。
【００５３】
センサコントローラ３９は、第２ストロークセンサ１７が検出し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を算出して、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８に出力する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さＬＳ３を検出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２の伸長に対応する変位量を検出して、センサコントローラ３９に出力する。センサコントローラ３９は、第３ストロークセンサ１８の変位量に対応するバケットシリンダ１２のシリンダ長（以下、適宜バケットシリンダ長と称する）を算出する。
【００５４】
センサコントローラ３９は、第３ストロークセンサ１８が検出し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が有するバケット８の刃先８Ｔの傾斜角θ３を算出して、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８に出力する。ブーム６、アーム７及びバケット８の傾斜角θ１、傾斜角θ２及び傾斜角θ３は、第１ストロークセンサ１６等で計測する以外に、ブーム６に取り付けられてブーム６の傾斜角を計測するロータリーエンコーダと、アーム７に取り付けられてアーム７の傾斜角を計測するロータリーエンコーダと、バケット８に取り付けられてバケット８の傾斜角を計測するロータリーエンコーダとによって取得されてもよい。
【００５５】
作業機コントローラ２６は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）及びＲＯＭ（Read  Only  Memory）等の記憶部２６Ｍと、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等の処理部２６Ｐとを有する。作業機コントローラ２６は、図２に示す圧力センサ６６の検出値に基づいて、制御弁２７及び介入弁２７Ｃを制御する。
【００５６】
図２に示す方向制御弁６４は、例えば比例制御弁であり、操作装置２５から供給される作動油によって制御される。方向制御弁６４は、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及び旋回モータ３８等の油圧アクチュエータと、油圧ポンプ３６、３７との間に配置される。方向制御弁６４は、油圧ポンプ３６、３７からブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及び旋回モータ３８に供給される作動油の流量を制御する。
【００５７】
制御システム２００が備える位置検出装置１９は、油圧ショベル１００の位置を検出する。位置検出装置１９は、前述したＧＮＳＳアンテナ２１、２２とを含む。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号が、グローバル座標演算部２３に入力される。ＧＮＳＳアンテナ２１は、自身の位置を示す基準位置データＰ１を測位衛星から受信する。ＧＮＳＳアンテナ２２は、自身の位置を示す基準位置データＰ２を測位衛星から受信する。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、例えば１０Ｈｚ周期で基準位置データＰ１、Ｐ２を受信する。基準位置データＰ１、Ｐ２は、ＧＮＳＳアンテナが設置されている位置の情報である。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、基準位置データＰ１、Ｐ２を受信する毎に、グローバル座標演算部２３に出力する。
【００５８】
グローバル座標演算部２３は、グローバル座標系で表される２つの基準位置データＰ１、Ｐ２（複数の基準位置データ）を取得する。グローバル座標演算部２３は、２つの基準位置データＰ１、Ｐ２に基づいて、上部旋回体３の配置を示す旋回体配置データを生成する。本実施形態において、旋回体配置データには、２つの基準位置データＰ１、Ｐ２の一方の基準位置データＰと、２つの基準位置データＰ１、Ｐ２に基づいて生成された旋回体方位データＱとが含まれる。旋回体方位データＱは、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２が取得した基準位置データＰから決定される方位が、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、上部旋回体３、すなわち作業機２が向いている方位を示している。グローバル座標演算部２３は、例えば１０Ｈｚの周波数でＧＮＳＳアンテナ２１、２２から２つの基準位置データＰ１、Ｐ２を取得する毎に、旋回体配置データ、すなわち基準位置データＰと旋回体方位データＱとを更新して、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８に出力する。
【００５９】
ＩＭＵ２４は、上部旋回体３に取り付けられている。ＩＭＵ２４は、上部旋回体３の動作を示す動作データを検出する。ＩＭＵ２４が検出する動作データは、例えば、加速度及び角速度である。本実施形態において、動作データは、図１に示す、上部旋回体３の旋回軸ｚを中心として上部旋回体３が旋回する旋回角速度ωである。旋回角速度ωは、例えば、ＩＭＵ２４が検出した上部旋回体３の旋回角度を時間で微分することにより求められる。上部旋回体３の旋回角度は、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２の位置情報から取得されてもよい。
【００６０】
図３Ａは、油圧ショベル１００の側面図である。図３Ｂは、油圧ショベル１００の背面図である。ＩＭＵ２４は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、車両本体１の左右方向に対する傾斜角θ４と、車両本体１の前後方向に対する傾斜角θ５と、加速度と、角速度とを検出する。ＩＭＵ２４は、例えば１００Ｈｚの周波数で旋回角速度ω、傾斜角θ４及び傾斜角θ５を更新する。ＩＭＵ２４における更新周期は、グローバル座標演算部２３における更新周期よりも短いことが好ましい。ＩＭＵ２４が検出した旋回角速度ω、傾斜角θ５は、センサコントローラ３９に出力される。センサコントローラ３９は、旋回角速度ω及び傾斜角θ５に対してフィルタ処理等を施してから、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８に出力する。
【００６１】
表示コントローラ２８は、グローバル座標演算部２３から旋回体配置データ（基準位置データＰ及び旋回体方位データＱ）を取得する。本実施形態において、表示コントローラ２８は、作業機位置データとして、バケット８の刃先８Ｔの３次元位置を示すバケット刃先位置データＳを生成する。そして、表示コントローラ２８は、バケット刃先位置データＳと、後述する目標施工情報Ｔとを用いて、掘削対象の目標形状を示す情報としての目標掘削地形データＵを生成する。表示コントローラ２８は、目標掘削地形データＵに基づく表示用の目標掘削地形データＵａを導出し、表示用の目標掘削地形データＵａに基づいて、表示部２９に目標掘削地形４３Ｉを表示させる。
【００６２】
表示部２９は、例えば、液晶表示装置等であるが、これに限定されるものではない。本実施形態においては、表示部２９に隣接して、スイッチ２９Ｓが設置されている。スイッチ２９Ｓは、後述する掘削制御を実行するか否かを選択するための入力装置である。
【００６３】
作業機コントローラ２６は、図１に示す旋回軸ｚを中心として上部旋回体３が旋回する旋回角速度ωを示す旋回角速度ωをセンサコントローラ３９から取得する。また、作業機コントローラ２６は、圧力センサ６６からブーム操作信号ＭＢ、バケット操作信号ＭＴ、アーム操作信号ＭＡ及び旋回操作信号ＭＲを取得する。作業機コントローラ２６は、センサコントローラ３９からブーム６の傾斜角度θ１、アーム７の傾斜角度θ２、バケット８の傾斜角度θ３を取得する。
【００６４】
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を取得する。作業機コントローラ２６は、センサコントローラ３９から取得した作業機２の角度からバケット８の刃先８Ｔの位置（以下、適宜刃先位置と称する）を算出する。作業機コントローラ２６は、目標掘削地形データＵに沿ってバケット８の刃先８Ｔが移動するように、操作装置２５から入力されたブーム操作量ＭＢ、バケット操作量ＭＴ及びアーム操作量ＭＡを、目標掘削地形データＵとバケット８の刃先８Ｔとの距離と速度に基づき調整する。作業機コントローラ２６は、目標掘削地形データＵに沿ってバケット８の刃先８Ｔが移動するように作業機２を制御するための制御信号Ｎを生成して、図２に示す制御弁２７に出力する。このような処理により、作業機２が目標掘削地形データＵに近づく速度は、目標掘削地形データＵに対する距離に応じて制限される。
【００６５】
作業機コントローラ２６からの制御信号Ｎに応じて、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のそれぞれに対して２個ずつ設けられた制御弁２７が開閉する。左操作レバー２５Ｌ又は右操作レバー２５Ｒの操作と制御弁２７の開閉指令とに基づき、方向制御弁６４のスプールが動作して、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へ作動油が供給される。
【００６６】
グローバル座標演算部２３は、グローバル座標系におけるＧＮＳＳアンテナ２１、２２の基準位置データＰ１、Ｐ２を検出する。グローバル座標系は、油圧ショベル１００の作業エリアＧＤに設置された基準となる、例えば基準杭６０の基準位置ＰＧを基準とした、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で示される３次元座標系である。図３Ａに示すように、基準位置ＰＧは、例えば、作業エリアＧＤに設置された基準杭６０の先端６０Ｔに位置する。本実施形態において、グローバル座標系とは、例えば、ＧＮＳＳにおける座標系である。
【００６７】
図２に示す表示コントローラ２８は、位置検出装置１９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系の位置を算出する。ローカル座標系とは、油圧ショベル１００を基準とした、（ｘ、ｙ、ｚ）で示される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ＰＬは、例えば、上部旋回体３が旋回するためのスイングサークル上に位置する。本実施形態において、例えば、作業機コントローラ２６は、次のようにしてグローバル座標系で見たときのローカル座標系の位置を算出する。
【００６８】
センサコントローラ３９は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ長から、ローカル座標系における水平面と直交する方向（ｚ軸方向）に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。作業機コントローラ２６は、第２ストロークセンサ１７が検出し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。作業機コントローラ２６は、第３ストロークセンサ１８が検出し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の傾斜角θ３を算出する。
【００６９】
作業機コントローラ２６の記憶部２６Ｍは、作業機２のデータ（以下、適宜作業機データという）を記憶している。作業機データは、ブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２及びバケット８の長さＬ３を含む。図３Ａに示すように、ブーム６の長さＬ１は、ブームピン１３からアームピン１４までの長さに相当する。アーム７の長さＬ２は、アームピン１４からバケットピン１５までの長さに相当する。バケット８の長さＬ３は、バケットピン１５からバケット８の刃先８Ｔまでの長さに相当する。刃先８Ｔは、図１に示す刃８Ｂの先端である。また、作業機データは、ローカル座標系の基準位置ＰＬに対するブームピン１３までの位置情報を含む。
【００７０】
図４は、目標施工面の一例を示す模式図である。図４に示すように、油圧ショベル１００が備える作業機２の掘削対象の掘削後における仕上がりの目標となる目標施工情報Ｔは、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の目標施工面４１を含む。図４では複数の目標施工面４１のうち１つのみに符号４１が付されており、他の目標施工面４１の符号は省略されている。作業機コントローラ２６は、バケット８が目標掘削地形４３Ｉを侵食することを抑制するために、作業機２が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する。この制御を、適宜掘削制御という。次に、作業機コントローラ２６によって実行される掘削制御について説明する。
【００７１】
＜掘削制御について＞
図５は、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８を示すブロック図である。図６は、表示部に表示される目標掘削地形４３Ｉの一例を示す図である。図７は、目標速度と垂直速度成分と水平速度成分との関係を示す模式図である。図８は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。図９は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。図１０は、刃先と目標施工面との間の距離を示す模式図である。図１１は、制限速度情報の一例を示すグラフである。図１２は、ブームの制限速度の垂直速度成分の算出方法を示す模式図である。図１３は、ブームの制限速度の垂直速度成分とブームの制限速度との関係を示す模式図である。図１４は、刃先の移動によるブームの制限速度の変化の一例を示す図である。
【００７２】
図４及び図５に示すように、表示コントローラ２８は、目標掘削地形データＵを生成して作業機コントローラ２６に出力する。掘削制御は、例えば、油圧ショベル１００のオペレータが、図２に示すスイッチ２９Ｓを用いて掘削制御を実行することを選択した場合に実行される。掘削制御が実行されるにあたって、作業機コントローラ２６は、ブーム操作量ＭＢ、アーム操作量ＭＡ及びバケット操作量ＭＴ並びに表示コントローラ２８から取得した目標掘削地形データＵ及びセンサコントローラ３９から取得した傾斜角度θ１、θ２、θ３、θ５を用いて、掘削制御に必要なブーム指令信号ＣＢＩを生成し、また必要に応じてアーム指令信号及びバケット指令信号を生成し、制御弁２７及び介入弁２７Ｃを駆動して作業機２を制御する。
【００７３】
まず、表示コントローラ２８について説明する。表示コントローラ２８は、目標施工情報格納部２８Ａと、バケット刃先位置データ生成部２８Ｂと、目標掘削地形データ生成部２８Ｃとを含む。目標施工情報格納部２８Ａは、作業エリアにおける目標形状を示す情報としての目標施工情報Ｔを格納している。目標施工情報Ｔは、掘削対象の目標形状を示す情報としての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んでいる。目標施工情報Ｔは、複数の目標施工面４１の位置情報を含む。掘削制御作業機コントローラ２６が作業機２を制御したり、表示部２９に目標掘削地形データＵａを表示させたりするために必要な目標施工情報Ｔは、例えば、無線通信によって目標施工情報格納部２８Ａにダウンロードされる。また、必要な目標施工情報Ｔは、これを保存している端末装置を表示コントローラ２８に接続して、目標施工情報格納部２８Ａにダウンロードされてもよいし、持ち出し可能な記憶装置をコントローラ２８に接続して転送してもよい。
【００７４】
バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、グローバル座標演算部２３から取得する基準位置データＰ及び旋回体方位データＱに基づいて、上部旋回体３の旋回軸ｚを通る油圧ショベル１００の旋回中心の位置を示す旋回中心位置データＸＲを生成する。旋回中心位置データＸＲは、ローカル座標系の基準ＰＬとｘｙ座標が一致する。
【００７５】
バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、旋回中心位置データＸＲと作業機２の傾斜角θ１、θ２、θ３とに基づいて、バケット８の刃先８Ｔの現在位置を示すバケット刃先位置データＳを生成する。
【００７６】
バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、前述したように、例えば１０Ｈｚの周波数で基準位置データＰと旋回体方位データＱとをグローバル座標演算部２３から取得する。したがって、バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、例えば１０Ｈｚの周波数でバケット刃先位置データＳを更新することができる。バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、更新したバケット刃先位置データＳを目標掘削地形データ生成部２８Ｃに出力する。
【００７７】
目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、目標施工情報格納部２８Ａに格納された目標施工情報Ｔと、バケット刃先位置データ生成部２８Ｂからのバケット刃先位置データＳと、を取得する。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、ローカル座標系において刃先８Ｔの現時点における刃先位置Ｐ４を通る垂線と目標施工面４１との交点を掘削対象位置４４として設定する。掘削対象位置４４は、バケット８の刃先位置Ｐ４の直下の点である。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、目標施工情報Ｔとバケット刃先位置データＳとに基づいて、図４に示すように、上部旋回体３の前後方向で規定され、かつ掘削対象位置４４を通る作業機２の平面４２と、複数の目標施工面４１で表される目標施工情報Ｔとの交線４３を、目標掘削地形４３Ｉの候補線として取得する。掘削対象位置４４は、候補線上の一点である。平面４２は、作業機２が動作する平面（作業機動作平面）と平行な平面又は作業機動作平面である。
【００７８】
作業機動作平面は、ブーム６及びアーム７が油圧ショベル１００のローカル座標系のｚ軸と平行な軸周りを回動しない場合、油圧ショベル１００のｘｚ平面と平行な平面である。ブーム６及びアーム７の少なくとも一方が油圧ショベル１００のローカル座標系のｚ軸と平行な軸周りを回動する場合、作業機動作平面は、アームが回動する軸、すなわち図１に示すアームピン１４の軸線と直交する平面である。以下において、作業機動作平面を、適宜アーム動作平面と称する。
【００７９】
目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、目標施工情報Ｔの掘削対象位置４４の前後における単数又は複数の変曲点とその前後の線とを、掘削対象となる目標掘削地形４３Ｉとして決定する。図４に示す例では、２個の変曲点Ｐｖ１、Ｐｖ２とその前後の線とが目標掘削地形４３Ｉとして決定される。そして、目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、掘削対象位置４４の前後における単数又は複数の変曲点の位置情報とその前後の線の角度情報とを、掘削対象の目標形状を示す情報である目標掘削地形データＵとして生成する。本実施形態において、目標掘削地形４３Ｉは線で規定しているが、例えばバケット８の幅等に基づき、面として規定されていてもよい。このようにして生成された目標掘削地形データＵは、複数の目標施工面４１の一部の情報を有している。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、生成した目標掘削地形データＵを作業機コントローラ２６に出力する。本実施形態において、表示コントローラ２８と作業機コントローラとは直接信号のやり取りをするが、例えば、ＣＡＮ（Controller  Area  Network）のような車内信号線を介して信号をやり取りしてもよい。
【００８０】
本実施形態において、目標掘削地形データＵは、作業機２が動作する作業機動作平面としての平面４２と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面（第１の目標施工面）４１とが交差する部分における情報である。平面４２は、図３Ａ、図３Ｂに示すローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるｘｚ平面である。平面４２によって、複数の目標施工面４１を切り出すことによって得られた目標掘削地形データＵの他に、平面４２と交差（又は直交）し、かつ鉛直方向と平行な平面と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面４１とが交差する部分における情報もある。この情報は、作業機２の幅方向（ローカル座標系におけるｙ方向）における掘削対象の目標形状を示す情報である。この情報を、適宜幅方向目標掘削地形データＵｗと称する。幅方向目標掘削地形データＵｗによって、幅方向の目標掘削地形４６Ｉが生成される。幅方向目標掘削地形データＵｗ及び目標掘削地形４６Ｉの詳細は後述する。また、平面４２によって、複数の目標施工面４１を切り出すことによって得られた目標掘削地形データＵを、適宜前後方向目標掘削地形データＵと称する。
【００８１】
表示コントローラ２８は、必要に応じて、第１目標掘削地形情報としての幅方向目標掘削地形データＵｗ又は第２目標掘削地形情報としての前後方向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４３Ｉを表示させる。表示用の情報としては、表示用の目標掘削地形データＵａが用いられる。表示用の目標掘削地形データＵａに基づき、例えば、図５に示すような、バケット８の掘削対象として設定された目標掘削地形４３Ｉと刃先８Ｔとの位置関係を示す画像が、表示部２９に表示される。表示コントローラ２８は、表示用の目標掘削地形データＵａに基づいて表示部２９に目標掘削地形（表示用の目標掘削地形）４３Ｉを表示する。作業機コントローラ２６に出力された前後方向目標掘削地形データＵ及び幅方向目標掘削地形データＵｗは掘削制御に用いられる。掘削制御に用いられる目標掘削地形データＵ及び幅方向目標掘削地形データＵｗを、適宜作業用目標掘削地形データと称する。
【００８２】
目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、前述したように、例えば１０Ｈｚの周波数でバケット刃先位置データＳをバケット刃先位置データ生成部２８Ｂから取得する。したがって、目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、例えば１０Ｈｚの周波数で前後方向目標掘削地形データＵ及び幅方向目標掘削地形データＵｗを更新し、作業機コントローラ２６に出力することができる。次に、作業機コントローラ２６について説明する。
【００８３】
作業機コントローラ２６は、目標速度決定部５２と、距離取得部５３と、制限速度決定部５４と、作業機制御部５７と、掘削制御可否判定部（以下、適宜制御可否判定部と称する）５８とを有する。作業機コントローラ２６は、前述した前後方向目標掘削地形データＵ又は幅方向目標掘削地形データＵｗに基づく目標掘削地形４３Ｉを用いて掘削制御を実行する。このように、本実施形態では、表示に用いられる目標掘削地形４３Ｉと、掘削制御に用いられる目標掘削地形４３Ｉとがある。前者を表示用目標掘削地形と称し、後者を掘削制御用目標掘削地形と称する。
【００８４】
本実施形態において、目標速度決定部５２、距離取得部５３、制限速度決定部５４、作業機制御部５７及び制御化批判底部５８の機能は、図２に示す処理部２６Ｐが実現する。次に、作業機コントローラ２６による掘削制御について説明する。この掘削制御は、作業機２の前後方向における掘削制御の例であるが、作業機２の幅方向においても掘削制御は可能である。作業機２の幅方向における掘削制御については後述する。
【００８５】
目標速度決定部５２は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍと、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍと、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとを決定する。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８Ｔ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８Ｔ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８Ｔの速度である。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブーム操作量ＭＢに応じて算出される。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アーム操作量ＭＡに応じて算出される。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケット操作量ＭＴに応じて算出される。
【００８６】
記憶部２６Ｍは、ブーム操作量ＭＢ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を記憶している。目標速度決定部５２は、目標速度情報を参照することにより、ブーム操作量ＭＢ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ＭＢ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ＭＡ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ＭＴ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。目標速度決定部５２は、目標速度情報を参照することにより、アーム操作量ＭＡに対応するアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを決定する。目標速度決定部５２は、目標速度情報を参照することにより、バケット操作量ＭＴに対応するバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを決定する。目標速度決定部５２は、図７に示すように、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、目標掘削地形４３Ｉ（目標掘削地形データＵ）に垂直な方向の速度成分（以下、適宜垂直速度成分と称する）Ｖｃｙ＿ｂｍ及び目標掘削地形４３Ｉ（目標掘削地形データＵ）に平行な方向の速度成分（以下、適宜水平速度成分と称する）Ｖｃｘ＿ｂｍに変換する。
【００８７】
例えば、まず、目標速度決定部５２は、傾斜角θ５をセンサコントローラ３９から取得し、グローバル座標系の垂直軸に対して目標掘削地形４３Ｉと直交する方向における傾きとを求める。そして、目標速度決定部５２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４３Ｉに直交する方向との傾きを表す角度β２（図８参照）を求める。
【００８８】
次に、目標速度決定部５２は、図８に示すように、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。そして、図９に示すように、目標速度決定部５２は、前述したローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形４３Ｉに直交する方向との傾き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、前述した目標掘削地形４３Ｉに対する垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍとに変換する。同様に、目標速度決定部５２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。目標速度決定部５２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。
【００８９】
距離取得部５３は、図１０に示すように、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の距離ｄを取得する。詳細には、距離取得部５３は、前述したように取得した刃先８Ｔの位置情報及び目標掘削地形４３Ｉの位置を示す目標掘削地形データＵ等から、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の最短となる距離ｄを算出する。本実施形態では、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の最短となる距離ｄに基づいて、掘削制御が実行される。
【００９０】
制限速度決定部５４は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の距離ｄに基づいて、図１に示す作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔを算出する。作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、バケット８の刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに接近する方向において許容できる刃先８Ｔの移動速度である。図２に示す記憶部２６Ｍ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を記憶している。
【００９１】
図１１は、制限速度情報の一例を示している。図１１中の横軸は距離ｄ、縦軸は制限速度Ｖｃｙである。本実施形態において、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉ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８Ｔが目標掘削地形４３Ｉの内方、すなわち目標掘削地形４３Ｉ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。これは、例えば、図１０に図示されるように、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉの上方に位置しているときの距離ｄは正の値であり、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉの下方に位置しているときの距離ｄは負の値であるとも言える。また、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに対して侵食しない位置にあるときの距離ｄは正の値であり、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに対して侵食する位置にあるときの距離ｄは負の値であるとも言える。刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉ上に位置しているとき、すなわち刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉと接しているときの距離ｄは０である。
【００９２】
本実施形態において、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉの内方から外方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉ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８Ｔが目標掘削地形４３Ｉの上方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８Ｔが下方に向かうときの速度を負の値とする。
【００９３】
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４３Ｉ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４３Ｉより上方において刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉから遠いほど、目標掘削地形４３Ｉ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８Ｔが目標掘削地形４３Ｉから遠ざかる距離ｄが０以下のとき、目標掘削地形４３Ｉより下方において刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉから遠いほど、目標掘削地形４３Ｉ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。
【００９４】
距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１以上では、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、Ｖｍｉｎとなる。第１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が第１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８Ｔが目標掘削地形４３Ｉの上方において目標掘削地形４３Ｉから大きく離れているときには、作業機２の動作の制限、すなわち掘削制御が行われない。距離ｄが第１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。詳細には、後述するように、距離ｄが第１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。
【００９５】
制限速度決定部５４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（以下、適宜ブーム６の制限垂直速度成分と称する）Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。制限速度決定部５４は、図１２に示すように、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。
【００９６】
制限速度決定部５４は、図１３に示すように、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。制限速度決定部５４は、前述したブーム６の傾斜角θ１、アーム７の傾斜角θ２、バケット８の傾斜角θ３、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２の基準位置データ及び目標掘削地形データＵ等から、目標掘削地形４３Ｉ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４３Ｉ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。
【００９７】
図２に示すシャトル弁５１は、ブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力と、ブーム介入指令ＣＢＩに基づいて介入弁２７Ｃが生成したパイロット圧力とのうち大きい方を選択して方向制御弁６４に供給する。ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力がブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力よりも大きい場合、ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力によってブームシリンダ１０に対応する方向制御弁６４が動作する。その結果、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに基づくブーム６の駆動が実現される。
【００９８】
作業機制御部５７は、作業機２を制御する。作業機制御部５７は、アーム指令信号とブーム指令信号とブーム介入指令ＣＢＩとバケット指令信号とを図２に示す制御弁２７及び介入弁２７Ｃに出力することによって、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とを制御する。アーム指令信号とブーム指令信号とブーム介入指令ＣＢＩとバケット指令信号とは、それぞれブーム指令速度とアーム指令速度とバケット指令速度とに応じた電流値を有する。
【００９９】
ブーム６の上げ操作に基づいて生成されたパイロット圧力がブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力よりも大きい場合、シャトル弁５１がレバー操作に基づくパイロット圧を選択する。ブーム６の操作に基づきシャトル弁５１によって選択されたパイロット圧力によってブームシリンダ１０に対応する方向制御弁６４が動作する。すなわち、ブーム６は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍに基づいて駆動されるので、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに基づいては駆動されない。
【０１００】
ブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力がブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力よりも大きい場合、作業機制御部５７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のそれぞれを、ブーム指令速度、アーム指令速度及びバケット指令速度として選択する。作業機制御部５７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に応じてブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２の速度（シリンダ速度）を決定する。そして、作業機制御部５７は、決定したシリンダ速度に基づいて制御弁２７を制御することにより、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を動作させる。
【０１０１】
このように、通常運転時において、作業機制御部５７は、ブーム操作量ＭＢとアーム操作量ＭＡとバケット操作量ＭＴ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とを動作させる。したがって、ブームシリンダ１０はブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍで動作し、アームシリンダ１１はアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍで動作し、バケットシリンダ１２はバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔで動作する。
【０１０２】
ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力がブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力よりも大きい場合、介入の指令に基づく介入弁２７Ｃから出力されたパイロット圧をシャトル弁５１が選択する。その結果、ブーム６は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔで動作するとともに、アーム７は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍで動作する。また、バケット８は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔで動作する。
【０１０３】
前述したように、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。
【０１０４】
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、作業機制御部５７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４３Ｉを侵食すること抑制することができる。
【０１０５】
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、図２に示す介入弁２７Ｃからの指令信号に基づき、ブーム６が上昇する。このため、目標掘削地形４３Ｉの侵食の拡大を迅速に抑えることができる。
【０１０６】
刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉより上方に位置しているときには、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉ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４３Ｉに平行な方向へのブーム６の制限速度の速度成分（以下、適宜制限水平速度成分と称する）Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値も小さくなる。したがって、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉより上方に位置しているときには、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに近づくほど、ブーム６の目標掘削地形４３Ｉに垂直な方向への速度と、ブーム６の目標掘削地形４３Ｉ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。
【０１０７】
図１４は、目標掘削地形４３Ｉとバケット８の刃先８Ｔとの間の距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１より小さく、バケット８の刃先が位置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８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の距離は、位置Ｐｎ１での刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉ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。
【０１０８】
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８Ｔ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４３Ｉ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。
【０１０９】
図５に示す制御可否判定部５８は、横方向目標掘削地形データＵｗに基づいて、掘削制御を実行するか否かを判定する。制御可否判定部５８は、例えば、バケット８の直下における横方向目標掘削地形データＵｗが水平面に対して所定の角度以上である場合には、実行中の掘削制御を停止する。制御可否判定部５８が実行する処理については後述する。
【０１１０】
刃先８Ｔの刃先位置Ｐ４は、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって測位されもよい。したがって、刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの距離ｄは、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって測位されてもよい。バケット制限速度の絶対値は、バケット目標速度の絶対値よりも小さい。バケット制限速度は、例えば前述したアーム制限速度と同様の手法で算出されてもよい。なお、アーム７の制限とともにバケット８の制限が行われてもよい。次に、図２に示す油圧システム３００の詳細及び掘削制御時における油圧システム３００の動作を説明する。
【０１１１】
図１５は、油圧ショベル１００が備える油圧システム３００の詳細な構造を示す図である。図１５に示すように、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を含む油圧シリンダ６０を備える。油圧シリンダ６０は、図２に示す油圧ポンプ３６、３７から供給された作動油によって作動する。
【０１１２】
本実施形態においては、作動油が流れる方向を制御する方向制御弁６４が設けられる。方向制御弁６４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のそれぞれに配置される。以下において、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を区別しないときには、油圧シリンダ６０と称する。方向制御弁６４は、ロッド状のスプール６４Ｓ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６４Ｓは、図２に示す操作装置２５から供給された作動油パイロット油により移動する。方向制御弁６４は、スプールの移動により油圧シリンダ６０に作動油（以下、適宜パイロット油と称する）を供給して油圧シリンダ６０を動作させる。
【０１１３】
図２に示す油圧ポンプ３６、３７から供給された作動油は、方向制御弁６４を介して、油圧シリンダ６０に供給される。スプール６４Ｓが軸方向に移動することにより、油圧シリンダ６０のキャップ側油室４８Ｒに対する作動油の供給と、ロッド側油室４７Ｒに対する作動油の供給とが切り替わる。また、スプール６４Ｓ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、油圧シリンダ６０のシリンダ速度が調整される。後述するブームシリンダ１０に作動油を供給する方向制御弁６４０及びアームシリンダ１１に作動油を供給する方向制御弁６４１には、スプール６４Ｓの移動量（移動距離）を検出するスプールストロークセンサ６５設けられている。
【０１１４】
方向制御弁６４の動作は、操作装置２５によって調整される。油圧ポンプ３６から送出され、減圧弁によって減圧された作動油がパイロット油として操作装置２５に供給される。油圧ポンプ３６とは異なるパイロット油圧ポンプから送出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、各操作レバーの操作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６４Ｓの移動量が調整される。
【０１１５】
方向制御弁６４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のそれぞれに設けられる。以下の説明において、ブームシリンダ１０に接続される方向制御弁６４を適宜、方向制御弁６４０、と称する。アームシリンダ１１に接続される方向制御弁６４を適宜、方向制御弁６４１、と称する。バケットシリンダ１２に接続される方向制御弁６４を適宜、方向制御弁６４２、と称する。
【０１１６】
操作装置２５と方向制御弁６４とは、パイロット油路４５０を介して接続される。方向制御弁６４のスプール６４Ｓを移動するためのパイロット油は、パイロット油路４５０を流れる。本実施形態において、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。
【０１１７】
方向制御弁６４に、パイロット油路４５０が接続される。パイロット油路４５０を介して、パイロット油が方向制御弁６４に供給される。方向制御弁６４は、第１受圧室及び第２受圧室を有する。パイロット油路４５０は、第１受圧室と第２受圧室とに接続される。後述するパイロット油路４５２０Ｂ、４５２１Ｂ、４５２２Ｂを介して方向制御弁６４の第１受圧室にパイロット油が供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプール６４Ｓが移動し、方向制御弁６４を介して油圧シリンダ６０のキャップ側油室４８Ｒに作動油が供給される。キャップ側油圧室４８Ｒに対する作動油の供給量は、操作装置２５の操作量（スプール６４Ｓの移動量）により調整される。
【０１１８】
後述するパイロット油路４５２０Ａ、４５２１Ａ、４５２２Ａを介して方向制御弁６４の第２受圧室にパイロット油が供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動し、方向制御弁６４を介して油圧シリンダ６０のロッド側油室４７Ｒに作動油が供給される。ロッド側油圧室４７Ｒに対する作動油の供給量は、操作装置２５の操作量（スプール６４Ｓの移動量）により調整される。
【０１１９】
すなわち、操作装置２５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、スプール６４Ｓは軸方向に関して一方側に移動する。操作装置２５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、スプール６４Ｓは軸方向に関して他方側に移動する。その結果、軸方向に関するスプール６４Ｓの位置が調整される。
【０１２０】
以下の説明において、ブームシリンダ１０に対して作動油を供給する方向制御弁６４０に接続されるパイロット油路４５０を適宜、ブーム調整用油路４５２０Ａ、４５２０Ｂ、と称する。アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に接続されるパイロット油路４５０を適宜、アーム調整用油路４５２１Ａ、４５２１Ｂ、と称する。バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に接続されるパイロット油路４５０を適宜、バケット調整用油路４５２２Ａ、４５２２Ｂ、と称する。
【０１２１】
以下の説明において、ブーム調整用油路４５２０Ａに接続されるパイロット油路４５０を適宜、ブーム操作用油路４５１０Ａ、と称し、ブーム調整用油路４５２０Ｂに接続されるパイロット油路４５０を適宜、ブーム操作用油路４５１０Ｂ、と称する。アーム調整用油路４５２１Ａに接続されるパイロット油路４５０を適宜、アーム操作用油路４５１１Ａ、と称し、アーム調整用油路４５２１Ｂに接続されるパイロット油路４５０を適宜、アーム操作用油路４５１１Ｂ、と称する。バケット調整用油路４５２２Ａに接続されるパイロット油路４５０を適宜、バケット操作用油路４５１２Ａ、と称し、バケット調整用油路４５２２Ｂに接続されるパイロット油路４５０を適宜、バケット操作用油路４５１２Ｂ、と称する。
【０１２２】
ブーム操作用油路（４５１０Ａ、４５１０Ｂ）及びブーム調整用油路（４５２０Ａ、４５２０Ｂ）は、パイロット油圧方式の操作装置２５と接続される。ブーム操作用油路（４５１０Ａ、４５１０Ｂ）に、操作装置２５の操作量に応じて圧力が調整されたパイロット油が流れる。アーム操作用油路（４５１１Ａ、４５１１Ｂ）及びアーム調整用油路（４５２１Ａ、４５２１Ｂ）は、パイロット油圧方式の操作装置２５と接続される。アーム操作用油路（４５１１Ａ、４５１１Ｂ）に、操作装置２５の操作量に応じて圧力が調整されたパイロット油が流れる。バケット操作用油路（４５１２Ａ、４５１２Ｂ）及びバケット調整用油路（４５２２Ａ、４５２２Ｂ）は、パイロット油圧方式の操作装置２５と接続される。バケット操作用油路（４５１２Ａ、４５１２Ｂ）に、操作装置２５の操作量に応じて圧力が調整されたパイロット油が流れる。
【０１２３】
ブーム操作用油路４５１０Ａ、ブーム操作用油路４５１０Ｂ、ブーム調整用油路４５２０Ａ及びブーム調整用油路４５２０Ｂは、ブーム６を動作させるためのパイロット油が流れるブーム用油路である。アーム操作用油路４５１１Ａ、アーム操作用油路４５１１Ｂ、アーム調整用油路４５２１Ａ及びアーム調整用油路４５２１Ｂは、アーム７を動作させるためのパイロット油が流れるアーム用油路である。バケット操作用油路４５１２Ａ、バケット操作用油路４５１２Ｂ、バケット調整用油路４５２２Ａ及びバケット調整用油路４５２２Ｂは、バケット８を動作させるためのパイロット油が流れるバケット用油路である。
【０１２４】
前述したように、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。ブーム６の下げ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、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に、ブーム操作用油路４５１０Ａ及びブーム調整用油路４５２０Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４０はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３６、３７からの作動油がブームシリンダ１０に供給され、ブーム６の下げ動作が実行される。
【０１２５】
ブーム６の上げ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、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に、ブーム操作用油路４５１０Ｂ及びブーム調整用油路４５２０Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４０はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３６、３７からの作動油がブームシリンダ１０に供給され、ブーム６の上げ動作が実行される。
【０１２６】
すなわち、本実施形態において、ブーム操作用油路４５１０Ａ及びブーム調整用油路４５２０Ａは、方向制御弁６４０の第２受圧室と接続され、ブーム６を下げ動作させるためのパイロット油が流れるブーム下げ用油路である。ブーム操作用油路４５１０Ｂ及びブーム調整用油路４５２０Ｂは、方向制御弁６４０の第１受圧室と接続され、ブーム６を上げ動作させるためのパイロット油が流れるブーム上げ用油路である。
【０１２７】
また、操作装置２５の操作により、アーム７は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。アーム７の上げ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、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に、アーム操作用油路４５１１Ａ及びアーム調整用油路４５２１Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４１はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３６、３７からの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の上げ動作が実行される。
【０１２８】
アーム７の下げ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、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に、アーム操作用油路４５１１Ｂ及びアーム調整用油路４５２１Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４１はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３６、３７からの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の下げ動作が実行される。
【０１２９】
すなわち、本実施形態において、アーム操作用油路４５１１Ａ及びアーム調整用油路４５２１Ａは、方向制御弁６４１の第２受圧室と接続され、アーム７を上げ動作させるためのパイロット油が流れるアーム上げ用油路である。アーム操作用油路４５１１Ｂ及びアーム調整用油路４５２１Ｂは、方向制御弁６４１の第１受圧室と接続され、アーム７を下げ動作させるためのパイロット油が流れるアーム下げ用油路である。
【０１３０】
操作装置２５の操作により、バケット８は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。バケット８の上げ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、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に、バケット操作用油路４５１２Ａ及びバケット調整用油路４５２２Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４２はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３６、３７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の上げ動作が実行される。
【０１３１】
バケット８の下げ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、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に、バケット操作用油路４５１２Ｂ及びバケット調整用油路４５２２Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４２はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３６、３７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の下げ動作が実行される。
【０１３２】
すなわち、本実施形態において、バケット操作用油路４５１２Ａ及びバケット調整用油路４５２２Ａは、方向制御弁６４２の第２受圧室と接続され、バケット８を上げ動作させるためのパイロット油が流れるバケット上げ用油路である。バケット操作用油路４５１２Ｂ及びバケット調整用油路４５２２Ｂは、方向制御弁６４２の第１受圧室と接続され、バケット８を下げ動作させるためのパイロット油が流れるバケット下げ用油路である。
【０１３３】
制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号（電流）に基づいて、パイロット油圧を調整する。制御弁２７は、例えば、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２７Ａと、制御弁２７Ｂとを含む。制御弁２７Ｂ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を介して油圧シリンダ６０のキャップ側油室４８Ｒに供給される作動油の量を調整する。制御弁２７Ａ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を介して油圧シリンダ６０のロッド側油室４７Ｒに供給される作動油の量を調整する。
【０１３４】
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が設けられる。本実施形態において、圧力センサ６６は、パイロット油路４５１において操作装置２５と制御弁２７との間に配置される。圧力センサ６７は、パイロット油路４５２において制御弁２７と方向制御弁６４との間に配置される。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可能である。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可能である。圧力センサ６６は、操作装置２５の操作によって調整されるパイロット油圧を検出可能である。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。
【０１３５】
以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁２７を適宜、ブーム用減圧弁２７０Ａ、２７０Ｂ、と称する。ブーム用減圧弁２７０Ａ、２７０Ｂは、ブーム操作用油路に配置される。以下の説明において、アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁２７を適宜、アーム用減圧弁２７１Ａ、２７１Ｂ、と称する。アーム用減圧弁２７１Ａ、２７１Ｂは、アーム操作用油路に配置される。以下の説明において、バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁２７を適宜、バケット用減圧弁２７２、と称する。バケット用減圧弁２７２Ａ、２７２Ｂは、バケット操作用油路に配置される。
【０１３６】
以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に接続されるパイロット油路４５１のパイロット油圧を検出する圧力センサ６６を適宜、ブーム用圧力センサ６６０Ｂ、と称し、方向制御弁６４０に接続されるパイロット油路４５２のパイロット油圧を検出する圧力センサ６７を適宜、ブーム用圧力センサ６７０Ａ、と称する。
【０１３７】
また、以下の説明において、ブーム操作用油路４５１０Ａに配置されるブーム用圧力センサ６６０を適宜、ブーム用圧力センサ６６０Ａ、と称し、ブーム操作用油路４５１０Ｂに配置されるブーム用圧力センサ６６０を適宜、ブーム用圧力センサ６６０Ｂ、と称する。また、ブーム調整用油路４５２０Ａに配置されるブーム用圧力センサ６７０を適宜、ブーム用圧力センサ６７０Ａ、と称し、ブーム調整用油路４５２０Ｂに配置されるブーム用圧力センサ６７０を適宜、ブーム用圧力センサ６７０Ｂ、と称する。
【０１３８】
以下の説明において、アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に接続されるパイロット油路４５１のパイロット油圧を検出する圧力センサ６６を適宜、アーム用圧力センサ６６１、と称し、方向制御弁６４１に接続されるパイロット油路４５２のパイロット油圧を検出する圧力センサ６７を適宜、アーム用圧力センサ６７１、と称する。
【０１３９】
また、以下の説明において、アーム操作用油路４５１１Ａに配置されるアーム用圧力センサ６６１を適宜、アーム用圧力センサ６６１Ａ、と称し、アーム操作用油路４５１１Ｂに配置されるアーム用圧力センサ６６１を適宜、アーム用圧力センサ６６１Ｂ、と称する。また、アーム調整用油路４５２１Ａに配置されるアーム用圧力センサ６７１を適宜、アーム用圧力センサ６７１Ａ、と称し、アーム調整用油路４５２１Ｂに配置されるアーム用圧力センサ６７１を適宜、アーム用圧力センサ６７１Ｂ、と称する。
【０１４０】
以下の説明において、バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に接続されるパイロット油路４５１のパイロット油圧を検出する圧力センサ６６を適宜、バケット用圧力センサ６６２、と称し、方向制御弁６４２に接続されるパイロット油路４５２のパイロット油圧を検出する圧力センサ６７を適宜、バケット用圧力センサ６７２、と称する。
【０１４１】
また、以下の説明において、バケット操作用油路４５１２Ａに配置されるバケット用圧力センサ６６１を適宜、バケット用圧力センサ６６１Ａ、と称し、バケット操作用油路４５１２Ｂに配置されるバケット用圧力センサ６６１を適宜、バケット用圧力センサ６６１Ｂ、と称する。また、バケット調整用油路４５２２Ａに配置されるバケット用圧力センサ６７２を適宜、バケット用圧力センサ６７２Ａ、と称し、バケット調整用油路４５２２Ｂに配置されるバケット用圧力センサ６７２を適宜、バケット用圧力センサ６７２Ｂ、と称する。
【０１４２】
掘削制御を実行しない場合、作業機コントローラ２６は、制御弁２７を制御して、パイロット油路４５０を開ける（全開にする）。パイロット油路４５０が開くことにより、パイロット油路４５１のパイロット油圧とパイロット油路４５２のパイロット油圧とは等しくなる。制御弁２７によりパイロット油路４５０が開いた状態で、パイロット油圧は、操作装置２５の操作量に基づいて調整される。
【０１４３】
制御弁２７によりパイロット油路４５０が全開したとき、圧力センサ６６に作用するパイロット油圧と圧力センサ６７に作用するパイロット油圧とは等しい。制御弁２７の開度が小さくなることによって、圧力センサ６６に作用するパイロット油圧と圧力センサ６７に作用するパイロット油圧とは異なる。
【０１４４】
掘削制御等のように、作業機２が作業機コントローラ２６によって制御される場合、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。パイロット油路４５１は、例えばパイロットリリーフ弁の作用により所定の圧力（パイロット油圧）を有する。作業機コントローラ２６から制御弁２７に制御信号が出力されると、制御弁２７は、その制御信号に基づいて作動する。パイロット油路４５１のパイロット油は、制御弁２７を介して、パイロット油路４５２に供給される。パイロット油路４５２のパイロット油圧は、制御弁２７により調整（減圧）される。パイロット油路４５２のパイロット油圧が、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。本実施形態において、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後のパイロット油圧を検出する。
【０１４５】
減圧弁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６４Ｓは軸方向に関して一側に移動する。減圧弁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６４Ｓは軸方向に関して他側に移動する。その結果、軸方向に関するスプール６４Ｓの位置が調整される。
【０１４６】
例えば、作業機コントローラ２６は、ブーム用減圧弁２７０Ａ及びブーム用減圧弁２７０Ｂ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に接続された方向制御弁６４０に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１４７】
また、作業機コントローラ２６は、アーム用減圧弁２７１Ａ及びアーム用減圧弁２７１Ｂ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に接続された方向制御弁６４１に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１４８】
また、作業機コントローラ２６は、バケット用減圧弁２７２Ａ及びバケット用減圧弁２７２Ｂ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に接続された方向制御弁６４２に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１４９】
作業機コントローラ２６は、掘削制御において、前述したように、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４３Ｉ（目標掘削地形データＵ）とバケット８の位置を示すバケット刃先位置データＳとに基づき、目標掘削地形４３Ｉ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４３Ｉ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。
【０１５０】
本実施形態において、作業機コントローラ２６は、ブーム６の速度を制限するための制御信号を出力するブーム制限部を有する。本実施形態においては、操作装置２５の操作に基づいて作業機２が駆動する場合において、バケット８の刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに侵入しないように、作業機コントローラ２６のブーム制限部から出力される制御信号に基づいて、ブーム６の動きが制御（ブーム介入制御）される。具体的には、掘削制御において、刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに侵入しないように、ブーム６は、作業機コントローラ２６により、上げ動作が実行される。
【０１５１】
本実施形態においては、ブーム介入制御を実現するために、作業機コントローラ２６から出力された、ブーム介入制御に関する制御信号に基づいて作動する介入弁２７Ｃがパイロット油路５０に設けられる。ブーム介入制御において、パイロット油路５０に、圧力がパイロット油圧に調整されたパイロット油が流れる。介入弁２７Ｃは、パイロット油路５０に配置され、パイロット油路５０のパイロット油圧を調整可能である。
【０１５２】
以下の説明において、ブーム介入制御において圧力が調整されたパイロット油が流れるパイロット油路５０を適宜、介入用油路５０１、５０２と称する。
【０１５３】
介入用油路５０１に、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に供給されるパイロット油が流れる。介入用油路油路５０１は、方向制御弁６４０と接続されたブーム操作用油路４５１０Ｂ及びブーム調整用油路４５２０Ｂにシャトル弁５１を介して接続されている。
【０１５４】
シャトル弁５１は、２つの入口と、１つの出口とを有する。一方の入口は、介入用油路５０１と接続される。他方の入口は、ブーム操作用油路４５１０Ｂと接続される。出口は、ブーム調整用油路４５２０Ｂと接続される。シャトル弁５１は、介入用油路５０１及びブーム操作用油路４５１０Ｂのうち、パイロット油圧が高い方の油路と、ブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続する。例えば、介入用油路５０１のパイロット油圧がブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁５１は、介入用油路５０１とブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続し、ブーム操作用油路４５１０Ｂとブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続しないように作動する。その結果、介入用油路５０１のパイロット油がシャトル弁５１を介してブーム調整用油路４５２０Ｂに供給される。ブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧が介入用油路５０１のパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁５１は、ブーム操作用油路４５１０Ｂとブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続し、介入用油路５０１とブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続しないように作動する。これにより、ブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油がシャトル弁５１を介してブーム調整用油路４５２０Ｂに供給される。
【０１５５】
介入用油路５０１に、介入弁２７Ｃと、介入用油路５０１のパイロット油のパイロット油圧を検出する圧力センサ６８とが設けられている。介入用油路５０１は、介入弁２７Ｃを通過する前のパイロット油が流れる介入用油路５０１と、介入弁２７Ｃを通過した後のパイロット油が流れる介入用油路５０２とを含む。介入弁２７Ｃは、ブーム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。
【０１５６】
ブーム介入制御が実行されないとき、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する。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６４０が駆動されるように、ブーム用減圧弁２７０Ｂによりブーム操作用油路４５１０Ｂを開ける（全開にする）とともに、介入弁２７Ｃにより介入用油路５０１を閉じる。
【０１５７】
ブーム介入制御が実行されるとき、作業機コントローラ２６は、介入弁２７Ｃ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６４０が駆動されるように、各制御弁２７を制御する。例えば、掘削制御においてブーム６の移動を制限するブーム介入制御を実行する場合、作業機コントローラ２６は、介入弁２７Ｃによって調整された介入用油路５０のパイロット油圧が、操作装置２５によって調整されるブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧よりも高くなるように、介入弁２７Ｃを制御する。このようにすることで、介入弁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６４０に供給される。
【０１５８】
バケット８が目標掘削地形４３Ｉ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、ブーム介入制御は実行されない。この場合、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ブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧は、介入弁２７Ｃによって調整される介入用油路５０１のパイロット油圧よりも高くなる。その結果、操作装置２５の操作によってパイロット油圧が調整されたブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油がシャトル弁５１を介して方向制御弁６４０に供給される。
【０１５９】
ブーム介入制御において、作業機コントローラ２６は、制限条件が満たされているか否かを判定する。制限条件は、距離ｄが前述した第１所定値ｄｔｈ１より小さいこと及びブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔがブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも大きいことを含む。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、作業機コントローラ２６は、制限条件が満たされていると判定する。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、作業機コントローラ２６は、制限条件が満たされていると判定する。
【０１６０】
制限条件が満たされている場合、作業機コントローラ２６は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔでブームが上昇するようにブーム介入指令ＣＢＩを生成し、ブームシリンダ１０の制御弁２７を制御する。このようにすることで、ブームシリンダ１０の方向制御弁６４０は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔでブームが上昇するように作動油をブームシリンダ１０に供給するので、ブームシリンダ１０は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔでブーム６を上昇させる。
【０１６１】
実施形態１において、アーム制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔの絶対値が、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍの絶対値よりも小さいことが、制限条件に含まれてもよい。制限条件は、他の条件をさらに含んでもよい。例えば、制限条件は、アーム操作量が０であることをさらに含んでもよい。制限条件は、距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１より小さいことを含まなくてもよい。例えば、制限条件は、ブーム６の制限速度がブーム目標速度よりも大きいことのみであってもよい。
【０１６２】
第２所定値ｄｔｈ２は、第１所定値ｄｔｈ１より小さければ、０より大きくてもよい。この場合には、ブーム６の刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに到達する前に、ブーム６の制限とアーム７の制限との両方が行われる。このため、ブーム６の刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉに到達する前であっても、ブーム６の刃先８Ｔが目標掘削地形４３Ｉを超えそうなときに、ブーム６の制限とアーム７の制限との両方を行うことができる。
【０１６３】
（操作レバーが電気方式である場合）
左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒが電気方式である場合、操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒに対応するポテンショメータ等の電気信号を作業機コンコントローラ２６が取得する。この電気信号を、操作指令電流値と称する。作業機コントローラ２６は、操作指令電流値に基づく開閉指令を制御弁２７へ出力する。制御弁２７からは、開閉指令に応じた圧力の作動油が方向制御弁のスプールに供給されてスプールを移動させるので、方向制御弁を介してブームシリンダ１０、アームシリンダ１１又はバケットシリンダ１２に作動油が供給されてこれらが伸縮する。
【０１６４】
掘削制御において、作業機コントローラ２６は、掘削制御の指令値及び操作指令電流値に基づく開閉指令を制御弁２７に出力する。掘削制御の指令値は、例えば、前述したブーム介入指令ＣＢＩであり、掘削制御においてブーム介入制御を実行するための指令値である。開閉指令が入力された制御弁２７は、開閉指令に応じた圧力の作動油が方向制御弁のスプールに供給されてスプールを移動させる。ブームシリンダ１０の方向制御弁のスプールには、掘削制御の指令値に応じた圧力の作動油が供給されるので、ブームシリンダ１０が伸びてブーム６を上昇させる。次に、油圧ショベル１００の作業機２が溝を掘削する際の掘削制御について説明する。
【０１６５】
＜溝掘削について＞
図１６、図１７、図１８、図１９Ａ及び図１９Ｂは、溝７０を掘削するときのバケット８と溝７０との関係を示す図である。図１６及び図１９Ａは、油圧ショベル１００の後方から見た状態を示し、図１７及び図１９Ｂは、油圧ショベル１００の側方から見た状態を示す。溝７０は、対向する溝壁７１、７２と、溝壁７１、７２との間の溝底７３とで形成される。溝７０は、例えば、水道管のような埋設物を埋め込むために掘削され、埋設物が設置されると埋め戻される。このため、一般には、溝７０は溝底７３の位置精度が重要であり、溝壁７１、７２の位置精度はそれ程要求されない。このため、溝７０の掘削においては、溝壁７１、７２はある程度掘り込まれてもよい。溝７０の掘削において、図５に示す作業機コントローラ２６は、バケット８の刃先８Ｔが溝底７３を掘り込み過ぎないように、溝底７３の目標掘削地形４３Ｉ（目標掘削地形データＵ）と刃先８Ｔの位置情報とに基づいて掘削制御を実行する。
【０１６６】
本実施形態においては、例えば、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の最短となる距離ｄに基づいて掘削制御が実行される。このため、図１８及び図１９Ａに示すように、例えば掘削により一方の溝壁７１に向かってバケット８が接近し、バケット８の幅方向外側の部分が掘削すると、その部分の刃先８Ｔと溝７０（より具体的には溝壁７１）との距離が最短となる。この場合、図１９Ｂに示すように、距離ｄは負、すなわち刃先８Ｔは、溝壁７１の目標掘削地形４３Ｉの下方に位置するので、掘削制御が実行中である場合、作業機コントローラ２６は、バケット８が溝壁７１から離れるように油圧ショベル１００のブーム６を制御して、バケット８を上昇させる。その結果、油圧ショベル１００のオペレータが意図しない動作をすることになり、オペレータに違和感を与える。これは、例えば、バケット８の幅方向における最も外側の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の距離に基づいて掘削制御が実行される場合も同様である。
【０１６７】
図２０は、目標掘削地形４３Ｉから前後方向目標掘削地形データＵを切り出す位置を説明するための図である。図２１は、目標掘削地形４３Ｉから前後方向目標掘削地形データＵを切り出す平面を説明するための図である。図２０に示す例において、バケット８と目標掘削地形４３Ｉとはｙｚ平面内において傾斜している。この場合、幅方向（ｙ軸方向）における最も外側の刃８Ｂｔの刃先８Ｔと、目標掘削地形４３Ｉとの距離ｄｍが最短になる。図２１に示す平面４２ｍは、ｘｚ平面と平行であり、かつ図２０に示すバケット８の幅方向における最も外側の刃８Ｂｔの刃先８Ｔを通る。したがって、平面４２ｍと目標施工面４１とが交差する部分の情報が、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の最短となる距離ｄの位置における前後方向目標掘削地形データＵになる。
【０１６８】
前後方向目標掘削地形データＵは、バケット８の幅方向中央における位置において、目標掘削地形４３Ｉから切り出されてもよい。図２０に示す例において、幅方向中央における刃８Ｂｃの刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの距離ｄｃ及び幅方向中央における刃８Ｂｃの刃先８Ｔの位置で切り出された前後方向目標掘削地形データＵに基づいて、掘削制御が行われる。図２１に示す平面４２は、ｘｚ平面と平行であり、かつ図２０に示すバケット８の幅方向中央における刃８Ｂｔの刃先８Ｔを通る。したがって、平面４２と目標掘削地形４３Ｉとが交差する部分の情報が、バケット８の幅方向中央の位置における前後方向目標掘削地形データＵになる。
【０１６９】
本実施形態においては、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の最短となる距離ｄに基づく掘削制御と、バケット８の幅方向中央における刃８Ｂｃの刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの距離ｄｃに基づく掘削制御と、バケット８の幅方向における最も外側の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の距離に基づく掘削制御とがある。油圧ショベル１００のオペレータは、例えば、図２に示すスイッチ２９Ｓを操作して、これらを切り替えることができる。
【０１７０】
掘削制御において、作業機コントローラ２６は、バケット８の幅方向中央の位置における前後方向目標掘削地形データＵを用いれば、バケット８の幅方向外側が図１８及び図１９Ａに示す溝壁７１又は溝壁７２を掘り込んだとしても、オペレータが意図しないバケット８の上昇は抑制される。バケット８の幅方向中央の位置における前後方向目標掘削地形データＵが用いられることにより、バケット８の幅方向外側が溝壁７１又は溝壁７２を掘り込んだ場合でも、前後方向目標掘削地形データＵは溝底７３に対応する目標施工情報Ｔから生成されたものだからである。このように、作業機コントローラ２６は、オペレータが意図する通りに作業機２を動作させることができる。
【０１７１】
本実施形態において、掘削制御を用いて溝７０を掘削する場合、例えば、バケット８の幅方向中央の位置における前後方向目標掘削地形データＵを用いるモードを選択すれば、溝７０を掘削する場合にオペレータが意図しない動作をある程度は回避できる。しかし、溝７０の掘削と他の作業とが継続して行われるような場合、オペレータがバケット８の幅方向中央の位置における前後方向目標掘削地形データＵを用いるモードを選択し忘れるようになることがある。このような場合、オペレータが意図しない動作が発生する可能性がある。本実施形態は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの間の最短となる距離ｄを用いるモードを維持した状態で、掘削制御を用いて溝７０を掘削する場合であっても、オペレータの意図しないバケット８の動作を抑制するため、前述した幅方向目標掘削地形データＵｗを用いる。
【０１７２】
＜溝７０を掘削する際の掘削制御＞
図２２及び図２３は、幅方向目標掘削地形データＵｗを切り出す平面４５を説明するための図である。第１切り出し面としての平面４５は、幅方向目標掘削地形データＵｗを、目標形状を示す第１の目標施工面としての目標施工面４１及び目標施工面４１の側方に連なる第２の目標施工面としての目標施工面４１Ｓから切り出す。第２切り出し面としての平面４２は、前述した前後方向目標掘削地形データＵを、目標形状を示す第１の目標施工面としての目標施工面４１から切り出す。平面４５は、作業機動作平面と交差（本実施形態では直交）し、かつグローバル座標系における鉛直方向と平行な平面である。平面４２は、作業機２の動作平面又は動作平面と平行な平面である。本実施形態においては、図１に示す作業機２のうちアーム２が動作する所定の平面、すなわち前述したアーム動作平面又はアーム動作平面と平行な平面が、平面４２となる。
【０１７３】
平面４２及び平面４５が目標施工面４１から目標掘削地形４３Ｉを切り出す場合、平面４２及び平面４５は、いずれも掘削対象位置４４を通る。掘削対象位置４４は、グローバル座標系において刃先８Ｔの現時点における刃先位置Ｐ４を通る、鉛直方向に下ろされた垂線と目標施工面４１との交点である。刃先位置Ｐ４は、バケット８の幅方向中央で目標施工面４１から目標掘削地形４３Ｉを切り出すか、幅方向外側で目標掘削地形４３Ｉを切り出すか、刃先８Ｔと目標掘削地形４３Ｉとの最短距離となる位置で目標掘削地形４３Ｉを切り出すかによって、バケット８の幅方向の位置が変化する。
【０１７４】
平面４２と目標施工面４１とが交差する部分における目標施工面４１の位置情報、すなわち交線４３の位置情報が、前後方向目標掘削地形データＵである。前後方向目標掘削地形データＵによって、前後方向における目標掘削地形４３Ｉが生成される。図２３に示すように、交線４３を基準として、油圧ショベル１００の側方視において、平面４５と図２２に示す目標施工面４１とが交差する部分の位置情報、すなわち交線４６の位置情報が、幅方向目標掘削地形データＵｗである。幅方向目標掘削地形データＵｗによって、幅方向における目標掘削地形４６Ｉが生成される。
【０１７５】
図２４は、溝７０を掘削する際の目標掘削地形４６Ｉと油圧ショベル１００のバケット８との関係を示す図である。図２４に示す溝７０は、目標掘削地形４６Ｉ、すなわち幅方向目標掘削地形データＵｗに含まれる情報のうち、第１変曲点Ｐｖ１、第２変曲点Ｐｖ２、第３変曲点Ｐｖ３及び第４変曲点Ｐｖ４と、これらを接続する直線とで表される。第１変曲点Ｐｖ１と第２変曲点Ｐｖ２との間が溝底７３であり、第２変曲点Ｐｖ２と第３変曲点Ｐｖ３との間が溝壁７１であり、第１変曲点Ｐｖ１と第３変曲点Ｐｖ３との間が溝壁７２である。
【０１７６】
図２４中の直線ＬＮ１、ＬＮ２、ＬＮ３は、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるｙｚ平面内における水平線、すなわちｙ軸に平行な線である。直線ＬＮ１、直線ＬＮ２又は直線ＬＮ３を含み、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるｚ軸と直交する平面は、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるｘｙ平面と平行な平面、すなわちローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面である。ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における水平面は、油圧ショベル１００の姿勢によって鉛直方向との関係が変化する。
【０１７７】
第１変曲点Ｐｖ１の座標は（ｙ１、ｚ１）、第２変曲点Ｐｖ２の座標は（ｙ２、ｚ２）、第３変曲点Ｐｖ３の座標は（ｙ３、ｚ３）、第４変曲点Ｐｖ４の座標は（ｙ４、ｚ４）である。ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面に対する目標掘削地形４６Ｉの角度αは、第１変曲点Ｐｖ１及び第２変曲点Ｐｖ２等の座標を用いて求めることができる。例えば、図２４に示す例において、バケット８の直下における目標掘削地形４６Ｉの、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面に対する角度、すなわち第１変曲点Ｐｖ１と第２変曲点Ｐｖ２とを結ぶ直線と直線ＬＮ１とのなす角度α１は、ａｒｃｔａｎ（（ｚ２−ｚ１）／（ｙ２−ｙ１））で求めることができる。油圧ショベル１００の後方から見て右側における目標掘削地形４６Ｉの、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面に対する角度α２は、ａｒｃｔａｎ（（ｚ３−ｚ２）／（ｙ３−ｙ２））で求めることができる。油圧ショベル１００の後方から見て左側における目標掘削地形４６Ｉの、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面に対する角度α３は、ａｒｃｔａｎ（（ｚ１−ｚ４）／（ｙ１−ｙ４））で求めることができる。このように、目標掘削地形４６Ｉの、ローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面に対する角度αは、少なくとも２つの変曲点の座標から求めることができる。前後方向における目標掘削地形４３Ｉも同様に取得される。
【０１７８】
作業機コントローラ２６は、表示コントローラ２８から取得した作業機２の位置、より具体的にはバケット８の刃先位置Ｐ４、前後方向目標掘削地形データＵ及び幅方向目標掘削地形データＵｗに基づいて、掘削制御を実行する。より具体的には、作業機コントローラ２６は、前後方向目標掘削地形データＵに基づいて作業機２の前後方向における掘削制御を実行し、図５に示す作業機コントローラ２６の制御可否判定部５８は、幅方向目標掘削地形データＵｗに基づいて実行中の掘削制御を停止したり、停止中の掘削制御を再開したりする。このように、本実施形態において、掘削制御におけるブーム６の制御量は、前後方向目標掘削地形データＵに基づいて求められる。幅方向目標掘削地形データＵｗは、掘削制御を停止するか実行するかの判定に用いられる。
【０１７９】
本実施形態において、作業機コントローラ２６の制御可否判定部５８は、表示コントローラ２８から幅方向目標掘削地形データＵｗを取得する。制御可否判定部５８は、バケット８の直下における幅方向目標掘削地形データＵｗの水平面に対する角度αが予め定められた大きさ（以下、適宜傾斜角度閾値と称する）αｃ以上である場合に、掘削制御を停止する。本実施形態において、傾斜角度閾値αｃは７０度であるが、これに限定されるものではない。図２４に示す例において、バケット８の直下における幅方向目標掘削地形データＵｗの、直線ＬＮ１に対応する水平面に対する角度α１は、傾斜角度閾値αｃよりも小さい。この場合、制御可否判定部５８は実行中の掘削制御を継続する。
【０１８０】
図２４に示す例において、上部旋回体３が、例えば、油圧ショベル１００の後方から見て右側に旋回し、バケット８の直下に溝壁７１が位置するようになったとする。溝壁７１に対応する幅方向目標掘削地形データＵｗの、直線ＬＮ２に対応する水平面に対する角度α２は、傾斜角度閾値αｃ以上である。この場合、制御可否判定部５８は実行中の掘削制御を停止する。その結果、作業機コントローラ２６は、バケット８が溝壁７１を掘削しても、バケット８を溝壁７１から離れる方向に移動させず、ブーム６、アーム７及びバケット８を、それぞれのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔに基づいて制御する。このようにすることで、油圧ショベル１００が、掘削制御を実行しながら溝７０を掘削している場合にバケット８が溝壁７１、７２を掘削した場合には、オペレータの操作にしたがって作業機２が動作する。その結果、作業機２はオペレータの意図した通りに動作するので、オペレータが受ける違和感が低減される。
【０１８１】
バケット８が溝壁７１の上方に位置する状態から、上部旋回体３が、油圧ショベル１００の後方から見て左側に旋回し、バケット８の直下に再び溝底７３が位置するようになったとする。この場合、バケット８の直下における幅方向目標掘削地形データＵｗの、直線ＬＮ１に対応する水平面に対する角度α１は、傾斜角度閾値αｃよりも小さくなる。すると、制御可否判定部５８は停止の掘削制御を再開する。このような制御により、油圧ショベル１００が溝底７３を掘削する場合は掘削制御が実行されるので、バケット８の刃先８Ｔが溝底７３の目標掘削地形４３Ｉ、４６Ｉを超えて掘削することが抑制されるので、溝底７３の寸法及び位置の精度低下が抑制される。作業機コントローラ２６は、幅方向における目標掘削地形に基づき掘削制御を実行してもよい。本実施形態では、バケット８の幅方向中央位置において前後方向目標掘削地形データＵを設定するモードを使用しない場合について説明したが、モード設定を使用した場合又はモード設定がない場合も本実施形態に含まれてよい。次に、本実施形態に係る作業機械の制御方法を用いて溝７０を掘削する際の制御例を説明する。
【０１８２】
（本実施形態に係る作業機械の制御方法の制御例）
図２５は、溝７０を掘削する際の制御例を示すフローチャートである。ステップＳ１０１において、図２に示すスイッチ２９Ｓをオペレータが操作することにより掘削制御が開始されると、ステップＳ１０２において、図５に示す表示コントローラ２８は、センサコントローラ３９から傾斜角θ１、θ２、θ３を取得し、傾斜角θ１、θ２、θ３及び油圧ショベル１００の旋回中心位置データＸＲから、バケット刃先位置データＳを生成する。ステップＳ１０３において、図５に示す作業機コントローラ２６は、目標掘削地形４３Ｉとバケット８の刃先８Ｔとの距離ｄを求める。
【０１８３】
ステップＳ１０４において、作業機コントローラ２６は、油圧ショベル１００のオペレータが作業機２を操作することによる目標掘削地形４３Ｉ方向の刃先速度、具体的にはブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを求める。次に、ステップＳ１０５において、図５に示す作業機コントローラ２６の制御可否判定部５８は、バケット８の直下における目標掘削地形４６Ｉ（幅方向目標掘削地形データＵｗ）を及び刃先位置Ｐ４を作業機コントローラ２６から取得し、目標掘削地形４６Ｉの水平面に対する角度αを求める。そして、制御可否判定部５８は、得られた角度αと傾斜角度閾値αｃとを比較する。比較の結果、α≧αｃである場合（ステップＳ１０５、Ｙｅｓ）、バケット８の直下は溝７０の溝壁７１、７２である。このため、ステップＳ１０６において、制御可否判定部５８は掘削制御を停止する。この場合、オペレータによる作業機コントローラ２６の操作にしたがって作業機２が動作する。
【０１８４】
α＜αｃである場合（ステップＳ１０５、Ｎｏ）、バケット８の直下は溝７０の溝壁７１、７２ではないので、掘削制御を実行してもよい状態である。この場合、ステップＳ１０７において、制御可否判定部５８は掘削制御を実行する。このため、バケット８の刃先８Ｔが、目標掘削地形４６Ｉを超えて掘削対象を掘削しようとした場合、作業機コントローラ２６は、例えばブーム６を上昇させて、バケット８が目標掘削地形４６Ｉを超えて掘り込むことを抑制する。
【０１８５】
（実施形態２）
図２６は、溝７０を掘削しているときに油圧ショベル１００のバケット８が側壁７１ａに向かう状態を示す図である。図２７は、油圧ショベル１００の後方からバケット８を見た状態を示す図である。図２８は、バケット８が側壁７１ａに接近するときの速度成分を説明するための図である。図２９は、バケット８の刃先８Ｔと側壁７１ａとの距離ｄを示す図である。図３０は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔを説明するための図である。
【０１８６】
実施形態２は、作業機２、より具体的にはバケット８が、その幅方向の速度成分を有する場合に、作業機２の幅方向の目標掘削地形４６Ｉ（幅方向目標掘削地形データＵｗ）に基づいて、掘削制御を実行する。例えば、図２６に示すように、油圧ショベル１００が地面７３Ａを掘削しているときに、例えば上部旋回体３が旋回することにより（本例では図２６の矢印ＲＤで示す方向）、作業機２が側壁７１ａの方向に向かって移動することがある。この場合、溝の掘削を対象とした実施形態１では掘削制御が停止されるが、本実施形態では、バケット８が側壁７１ａの目標掘削地形７４を超えて掘り込まないように、作業機２の幅方向においても掘削制御が実行される。具体的には、例えば、作業機コントローラ２６は、図２７に示すようにバケット８が側壁７１ａに向かって速度Ｖｃｔで接近している場合に、バケット８が側壁７１ａの目標掘削地形７４を超えて掘り込む可能性があると判定したら、例えば、図１に示すブーム６を上昇させてこれを回避する。
【０１８７】
本実施形態において、作業機コントローラ２６は、作業機２に、その幅方向の速度成分が発生した場合に、幅方向における掘削制御を実行する。作業機２の幅方向の速度成分は、図１に示す上部旋回体３の旋回によって発生する。また、油圧ショベル１００のローカル座標系におけるｘｙ平面において、作業機２が走行装置５の進行方向に対して傾いている場合にも、作業機２の幅方向の速度成分が発生する。本実施形態においては、上部旋回体３の旋回が発生した場合に幅方向における掘削制御を実行する例を説明するが、走行装置５の走行によって作業機２の幅方向の速度成分が発生した場合に、幅方向における掘削制御を実行してもよい。また、走行装置５が走行している場合、幅方向における掘削制御を停止するようにしてもよい。
【０１８８】
図３１は、幅方向における掘削制御の処理例を示すフローチャートである。次の説明においては、バケット８が溝７０の側壁７１ａを掘り込み過ぎないように幅方向における掘削制御を実行する例を説明するが、掘削対象は側壁７１ａ以外、例えば法面等であってもよい。幅方向における目標掘削地形７４は、幅方向を図２２に示す掘削対象位置４４に基づいて目標掘削地形４６Ｉ（幅方向目標掘削地形データＵｗ）が取得される場合と同様の方法で取得される。
【０１８９】
幅方向における掘削制御を実行するにあたり、図５に示す作業機コントローラ２６の記憶部２６Ｍは、目標速度情報として、旋回操作量ＭＲと旋回目標角速度ωｃｔとの関係を規定する情報を記憶している。ステップＳ２１において、図５に示す目標速度決定部５２は、操作装置２５から旋回操作量ＭＲを取得し、得られた旋回操作量ＭＲにより旋回目標角速度ωｃｔを求める。次に、ステップＳ２２において、目標速度決定部５２は、傾斜角θ１、θ２、θ３及びブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２及びバケット８の長さＬ３から、図３Ａに示す旋回軸ｚとバケット８の刃先８Ｔとの距離ＬＲを求める。この距離ＬＲは、刃先８Ｔの旋回半径である。ステップＳ２３において、目標速度決定部５２は、旋回目標角速度ωｃｔと刃先８Ｔの旋回半径（距離ＬＲ）とを乗ずることにより、刃先８Ｔの旋回目標速度Ｖｃｔを求める。
【０１９０】
次に、ステップＳ２４において、目標速度決定部５２は、図２８に示すように、旋回目標速度Ｖｃｔを、目標掘削地形７４（幅方向目標掘削地形データＵｗ）に垂直な方向の速度成分（以下、適宜垂直速度成分と称する）Ｖｃｙ＿ｔ及び目標掘削地形７４（幅方向目標掘削地形データＵｗ）に平行な方向の速度成分（以下、適宜水平速度成分と称する）Ｖｃｘ＿ｔに変換する。図２８に示す例では、側壁７１ａに対応する目標掘削地形７４に対して垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｔが求められる。図２８に示す例は、側壁７１ａが油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面ＨＬ、すなわちｘｙ平面と平行な平面に対して角度αだけ傾斜している。このため、垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｔはＶｃｔ×ｃｏｓ（π／２−α）、水平速度成分Ｖｃｘ＿ｔはＶｃｔ×ｓｉｎ（π／２−α）で求めることができる。
【０１９１】
ステップＳ２５において、図５に示す作業機コントローラ２６の距離取得部５３は、図２９に示すように、バケット８の刃先８Ｔと側壁７１ａに対応する目標掘削地形７４との間の距離ｄを取得する。詳細には、距離取得部５３は、前述したように取得した刃先８Ｔの位置情報及び目標掘削地形７４の位置を示す幅方向目標掘削地形データＵｗから、バケット８の幅方向中央の刃先８Ｔと目標掘削地形７４との間の距離ｄを算出する。この場合、距離取得部５３は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形７４との間の最短となる距離を算出し、作業機コントローラ２６は、これに基づいて幅方向における掘削制御を実行してもよい。
【０１９２】
ステップＳ２６において、図５に示す作業機コントローラ２６の制限速度決定部５４は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形７４との間の距離ｄに基づいて、図１に示す作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔを算出する。作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔについては、実施形態１と同様であるので説明を省略する。ステップＳ２７において、制限速度決定部５４は、図３０に示すように、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから旋回目標速度Ｖｃｔの垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｔ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。
【０１９３】
ステップＳ２８において、制限速度決定部５４は、図３０に示すように、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。具体的には、制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔにｓｉｎ（π／２−α）を乗ずることにより、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔが得られる。ステップＳ２９において、ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力がブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力よりも大きい場合、作業機コントローラ２６の作業機制御部５７は、ブーム６の速度がブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔとなるようにブーム指令信号ＣＢを生成し、図２及び図１５に示すに示す介入弁２７Ｃを制御する。
【０１９４】
本実施形態は、幅方向における掘削制御を実行することにより、例えば、掘削後に上部旋回体３を旋回させたときにバケットが法面等に接触するような事態を回避できる。本実施形態において、作業機コントローラ２６ａは、幅方向における掘削制御と、前後方向における掘削制御との両方を並行して実行してもよい。また、作業機コントローラ２６は、作業機２の旋回の有無により、前後方向における掘削制御と幅方向における掘削制御とを切り替えて実行してもよい。例えば、前後方向における掘削制御に作業機２が旋回した場合、作業機コントローラ２６は、前後方向における掘削制御を停止して幅方向における掘削制御のみを実行し、作業機２の旋回が停止した場合、幅方向における掘削制御を停止して前後方向における掘削制御を再開してもよい。作業機コントローラ２６は、幅方向における目標掘削地形に基づき掘削制御を実行してもよい。次に、旋回目標速度Ｖｃｔと前後方向の目標速度Ｖｆｔとを合成した速度に基づいた掘削制御を説明する。
【０１９５】
（合成速度に基づく掘削制御）
図３２は、旋回目標速度Ｖｃｔと前後方向の目標速度Ｖｆｔとを合成した速度に基づく掘削制御の処理を示すフローチャートである。図３３は、前後方向の目標速度Ｖｆｔを求める方法の説明図である。図３４は、旋回目標速度Ｖｃｔと前後方向の目標速度Ｖｆｔとを合成した速度Ｖｔを求める方法を示す図である。図３５は、バケット８が側壁７１ａに対応する目標掘削地形７４に接近するときの速度成分を説明するための図である。図３６は、ブーム制限速度Ｖｔ＿ｂｍ＿ｌｍｔを説明するための図である。ステップＳ３１において、図５に示す目標速度決定部５２は、作業機２の旋回目標速度Ｖｃｔと前後方向の目標速度Ｖｆｔを求める。旋回目標速度Ｖｃｔを求める手法は前述した通りなので省略する。
【０１９６】
作業機２の前後方向の目標速度Ｖｆｔは、次のようにして求められる。図３３に示すように、目標速度決定部５２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。目標速度決定部５２は、ローカル座標系の垂直軸とアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍの方向とのなす角度β３とから、三角関数によりアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍをローカル座標系の垂直軸方向の速度成分ＶＬ１＿ａｍと水平軸方向の速度成分ＶＬ２＿ａｍとに変換する。目標速度決定部５２は、ローカル座標系の垂直軸とバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋの方向とのなす角度β４とから、三角関数によりバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋをローカル座標系の垂直軸方向の速度成分ＶＬ１＿ｂｋと水平軸方向の速度成分ＶＬ２＿ｂｋとに変換する。
【０１９７】
目標速度決定部５２はアームの水平軸方向における速度成分ＶＬ２＿ａｍ及びバケットの水平軸方向における速度成分ＶＬ２＿ｂｋからブーム水平軸方向の速度成分ＶＬ２＿ｂｍを減算する。この値が、前後方向の目標速度Ｖｆｔである。
【０１９８】
旋回目標速度Ｖｃｔ及び前後方向の目標速度Ｖｆｔが求められたら、ステップＳ３２において、目標速度決定部５２は、これらを合成した速度Ｖｔを求める（図３４参照）。以下において、旋回目標速度Ｖｃｔと前後方向の目標速度Ｖｆｔとが合成された速度Ｖｔを、制御目標速度Ｖｔと称する。制御目標速度Ｖｔは、√（Ｖｃｔ２＋Ｖｆｔ２）で求めることができる。
【０１９９】
次に、ステップＳ３３において、目標速度決定部５２は、図３５に示すように、制御目標速度Ｖｔを、目標掘削地形７４（幅方向目標掘削地形データＵｗ）に垂直な方向の速度成分（以下、適宜垂直速度成分と称する）Ｖｔｙ＿ｔ及び目標掘削地形７４（幅方向目標掘削地形データＵｗ）に平行な方向の速度成分（以下、適宜水平速度成分と称する）Ｖｔｘ＿ｔに変換する。図３５に示す例では、図３４に示す側壁７１ａに対応する目標掘削地形７４に対して垂直速度成分Ｖｔｙ＿ｔ及び水平速度成分Ｖｔｘ＿ｔが求められる。図３５に示す例は、側壁７１ａが油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の水平面ＨＬ、すなわちｘｙ平面と平行な平面に対して角度αだけ傾斜している。このため、垂直速度成分Ｖｔｙ＿ｔはＶｔ×ｃｏｓ（π／２−α）、水平速度成分Ｖｔｘ＿ｔはＶｔ×ｓｉｎ（π／２−α）で求めることができる。
【０２００】
ステップＳ３４において、図５に示す作業機コントローラ２６の距離取得部５３は、先に説明した図２９に示すように、バケット８の刃先８Ｔと側壁７１ａに対応する目標掘削地形７４との間の距離ｄを取得する。詳細には、距離取得部５３は、前述したように取得した刃先８Ｔの位置情報及び目標掘削地形４６Ｉの位置を示す幅方向目標掘削地形データＵｗから、バケット８の幅方向中央の刃先８Ｔと目標掘削地形４６Ｉとの間の距離ｄを算出する。この場合、距離取得部５３は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４６Ｉとの間の最短となる距離を算出し、作業機コントローラ２６は、これに基づいて幅方向における掘削制御を実行してもよい。
【０２０１】
ステップＳ３５において、図５に示す作業機コントローラ２６の制限速度決定部５４は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形４６Ｉとの間の距離ｄに基づいて、図１に示す作業機２全体の制限速度Ｖｔｙ＿ｌｍｔを算出する。作業機２全体の制限速度Ｖｔｙ＿ｌｍｔについては、実施形態１と同様であるので説明を省略する。ステップＳ３６において、制限速度決定部５４は、図３６に示すように、作業機２全体の制限速度Ｖｔｙ＿ｌｍｔから旋回目標速度Ｖｃｔの垂直速度成分Ｖｔｙ＿ｔを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｔｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。
【０２０２】
ステップＳ３７において、制限速度決定部５４は、図３０に示すように、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｔｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム６の制限速度（ブーム制限速度）Ｖｔ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。具体的には、制限垂直速度成分Ｖｔｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔにｓｉｎ（π／２−α）を乗ずることにより、ブーム制限速度Ｖｔ＿ｂｍ＿ｌｍｔが得られる。ステップＳ３８において、ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力がブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力よりも大きい場合、作業機コントローラ２６の作業機制御部５７は、ブーム６の速度がブーム制限速度Ｖｔ＿ｂｍ＿ｌｍｔとなるようにブーム指令信号ＣＢを生成し、図２に示す介入弁２７Ｃを制御する。
【０２０３】
本例において、作業機コントローラ２６は、旋回目標速度Ｖｃｔと前後方向の目標速度Ｖｆｔとを合成した制御目標速度Ｖｔを用いることにより、作業機２の前後方向と幅方向との操作を考慮した目標掘削地形７４を取得することができる。このため、掘削制御においては作業機２の前後方向と幅方向との切替が不要になるので、滑らかな掘削制御が実現できる。
【０２０４】
（変形例）
本実施形態は、刃先８Ｔの旋回目標速度Ｖｃｔを操作装置２５から得られる旋回操作量ＭＲに基づいて求めた。本変形例では、刃先８Ｔの旋回目標速度Ｖｃｔを図２に示すＩＭＵ２４の検出結果及び位置検出装置１９によって検出されたＧＮＳＳアンテナ２１、２２の基準位置データＰ１、Ｐ２に基づいて、刃先８Ｔの旋回目標速度Ｖｃｔを求める。本変形例は、ＩＭＵ２４の検出結果及び位置検出装置１９によって検出されたＧＮＳＳアンテナ２１、２２の基準位置データＰ１、Ｐ２を用いて、作業機２の位置を予測する。
【０２０５】
図３７は、表示コントローラ２８及び変形例に係る作業機コントローラ２６ａ及びセンサコントローラ３９ａを示すブロック図である。図３８Ａ及び図３８Ｂは、油圧ショベル１００の姿勢を示す図である。作業機コントローラ２６ａは、実施形態１で説明した作業機コントローラ２６（図５参照）と同様であるが、予測補正部５９を備える点が異なる。予測補正部５９は、上部旋回体３、すなわち、作業機２が向いている方位を示す旋回体方位データＱを表示コントローラ２８から取得する。予測補正部５９は、上部旋回体３の旋回角速度ωをＩＭＵ２４から取得する。予測補正部５９は、旋回角速度データＤωに基づいて、旋回体方位データＱを予測補正する。
【０２０６】
例えば、予測補正部５９は、旋回角速度ωを遅れ時間ｔに乗算することによって、予測回転角ω・ｔを算出する。遅れ時間ｔとは、バケット刃先位置データＳ及び目標掘削地形データＵの生成に要すると予測される時間である。例えば、本実施形態において、位置検出装置１９は、例えば、１００ｍｓｅｃ．程度の周期でＧＮＳＳアンテナ２１、２２の基準位置データＰ１、Ｐ２を検出して表示コントローラ２８に出力するので、表示コントローラ２８から出力されるバケット刃先位置データＳ及び目標掘削地形データＵを作業機コントローラ２６が取得するためには、少なくとも１００ｍｓｅｃ．程度の時間を要する。また、表示コントローラ２８に割り込み演算が発生した場合、バケット刃先位置データＳ及び目標掘削地形データＵを作業機コントローラ２６が取得するためには、さらに時間を要する。
【０２０７】
予測補正部５９は、バケット刃先位置データ生成部２８Ｂから取得する上部旋回体３の旋回体方位データＱの方位と、ＩＭＵ２９から取得する角速度ωと、予測される遅れ時間ｔと、に基づき、予測回転角ω・ｔだけ回転した時点における予測方位を示す補正旋回体方位データＲを生成する。補正旋回体方位データＲによって示される予測方位は、目標掘削地形データＵの生成時点における上部旋回体３、すなわち、作業機２の方位である。
【０２０８】
予測補正部５９は、上部旋回体３の幅方向に対する傾斜角θ４及び上部旋回体３の前後方向に対する傾斜角θ５をＩＭＵ２４から取得する。予測補正部５９は、予測方位データＲ及び傾斜角θ４及び傾斜角θ５から、補正旋回体方位データＲに基づく上部旋回体３の予測方位を算出する。予測補正部５９は、予測方位における予測傾斜角θ４’、θ５’を算出する。次に、図３８Ａに示すように傾斜角θ６の傾斜地において油圧ショベル１００が前向きで作業した後に、図３８Ｂに示すように上部旋回体３が旋回して横向きになった場合を想定しながら、予測傾斜角θ４’、θ５’について説明する。
【０２０９】
旋回動作の前後で上部旋回体３の前後方向に対する傾斜角θ５はθ６から徐々に小さくなって０になる。一方で側方方向に対する傾斜角θ４は０から徐々に大きくなってθ６になる。したがって、予測補正部５９は、旋回角速度ωに基づいて、遅れ時間ｔが経過した後の予測傾斜角θ４’、θ５’を算出することができる。予測補正部５９は予測傾斜角θ４’、θ５’をバケット刃先位置データ生成部２８Ｂに出力する。傾斜地等で油圧ショベル１００が作業を行う場合、旋回に伴って上部旋回体３の傾斜角θ４、θ５が変化する状況においても、上部旋回体３の傾斜の予測補正が可能となる。
【０２１０】
図３９は、予測補正部５９が補正旋回体方位データＲを更新する処理を説明するためのフロー図である。図４０は、上部旋回体３の動作に合わせて実行される予測補正部５９の処理を説明するための図である。予測補正部５９の補正旋回体方位データＲの更新について、図３８Ａ、図３８Ｂ及び図４０を参照しながら説明する。ステップＳ２０１において、予測補正部５９は、上部旋回体３が向いている方位を示す旋回体方位データＱを、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）でグローバル座標演算部２３から取得する。
【０２１１】
ステップＳ２０２において、予測補正部５９は、旋回軸ｚを中心とする旋回角速度ωと、上部旋回体３の前後方向に対する傾斜角θ４と、上部旋回体３の左右方向に対する傾斜角θ５とを、例えば１００Ｈｚ周期（第１周期の一例）でＩＭＵ２４から取得する。ステップＳ２０３において、予測補正部５９は、旋回体方位データＱを取得したことに応じて、最新の旋回角速度ωを用いて上部旋回体３がω・ｔだけ旋回した後における上部旋回体３の方位を示す補正旋回体方位データＲと、上部旋回体３の前後方向に対する予測傾斜角θ４’と、上部旋回体３の左右方向に対する予測傾斜角θ５’とに更新する。
【０２１２】
ステップＳ２０４において、予測補正部５９は、更新した補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’をバケット刃先位置データ生成部２８Ｂに出力する。予測補正部５９は、旋回体方位データＱを取得するたびにステップＳ２０１からＳ２０４を繰り返すことによって補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’を更新する。
【０２１３】
このように、予測補正部５９は、旋回体方位データＱより計測周期の早いＩＭＵ２４が生成した旋回角速度ω及び傾斜角θ４、θ５を用いることにより、旋回体方位データＱよりも高い周期で補正旋回体方位データＲ及び予測傾斜角θ４’、θ５’を生成することができる。また、補正旋回体方位データＲ及び予測傾斜角θ４’、θ５’は、熱ドリフトの変動を含む可能性のある旋回角速度ω及び傾斜角θ４、θ５を、グローバル座標演算部２３から取得した旋回体方位データＱにより更新することもできる。このため、遅れ時間ｔに対して目標掘削地形データＵを生成するための周期に関連する補正旋回体方位データＲ及び予測傾斜角θ４’、θ５’を出力可能となる。
【０２１４】
予測補正部５９は、上部旋回体３の旋回角速度ωを示す旋回角速度ω（動作データの一例）と遅れ時間ｔとに基づいて旋回体方位データＱを予測補正することによって、補正旋回体方位データＲ（補正旋回体配置データの一例）を生成する。バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、基準位置データＰ１と旋回体方位データＱと補正旋回体方位データＲとに基づいて、バケット８の刃先８Ｔの位置を示すバケット刃先位置データＳ（作業機位置データの一例）を生成する。目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、バケット刃先位置データＳ及び目標施工情報Ｔに基づいて、目標掘削地形データＵを生成する。遅れ時間ｔには、バケット刃先位置データＳ及び目標掘削地形データＵの生成に必要な時間及び生成された目標掘削地形データＵを作業機コントローラ２６が取得するために必要な通信時間が含まれている。バケット刃先位置データＳ及び目標掘削地形データＵの生成に必要な時間は、表示コントローラ２８内に割り込み演算が発生したときの演算遅れが考慮されている。これらを考慮して、本実施形態においては、遅れ時間ｔとして、０．４秒程度が想定されているが、遅れ時間ｔは、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８の仕様等に応じて適宜変更できる。
【０２１５】
このように、予測補正部５９は、上部旋回体３の旋回角速度ωに基づいて、目標掘削地形データＵの生成時点において上部旋回体３が向いている方位を予測できる。そのため、バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、遅れ時間ｔが経過した時点におけるバケット８の刃先８Ｔの位置（作業機２の位置）を予測できる。その結果、目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、遅れ時間ｔが経過した時点におけるバケット８の刃先８Ｔの位置に対応した目標掘削地形データＵを生成することができる。作業機コントローラ２６は、遅れ時間ｔが考慮された目標掘削地形データＵを用いて幅方向における掘削制御を実行するので、バケット８がこれから掘削対象とする部分に近い目標掘削地形データＵに基づいて作業機２を制御できる。
【０２１６】
予測補正部５９は、旋回角速度ωを、例えば１００Ｈｚ（第１周期の一例）で取得し、旋回体方位データＱを例えば１０Ｈｚ（第２周期の一例）で取得する。したがって、予測補正部５９は、定期的に取得される旋回体方位データＱを用いて、補正旋回体方位データＲを生成できる。このため、旋回角速度ωを生成するＩＭＵ２４に熱ドリフトが発生したとしても、例えば１０Ｈｚ毎に更新される旋回体方位データＱを基準として補正方位を算出できる。その結果、補正方位を示す補正旋回体方位データＲを持続して生成することができる。
【０２１７】
本実施形態において、ＩＭＵ２４は、上部旋回体３の動作を示す動作データとして、上部旋回体３の旋回角速度ωを示す旋回角速度ω、傾斜角θ４、θ５を取得することとしたが、これに限られるものではない。ＩＭＵ２４は、上部旋回体３の傾斜を示す傾斜角度の変化を取得してもよい。上部旋回体３の傾斜角とは、単位時間当たりにおける傾斜角θ４、θ５（図３Ａ及び図３Ｂ参照）の変化量である。このような傾斜角度の変化を旋回角速度ωに代えて用いることによっても、油圧ショベル１００が回動した場合に、遅れ時間ｔの経過時点におけるバケット８の刃先８Ｔの位置を取得できるため、目標掘削地形データ生成部２８Ｃは、遅れ時間ｔが経過した時点におけるバケット８の刃先８Ｔの位置に対応した目標掘削地形データＵを生成することができる。
【０２１８】
本実施形態において、予測補正部５９は、ＩＭＵ２４によって生成される旋回角速度ωを取得することとしたが、これに限られるものではない。予測補正部５９は、上部旋回体３に設置するポテンショメータによって検出される回転角度及び操作装置２５から出力される旋回操作量ＭＲに基づいて旋回角速度ωを取得することができる。また、予測補正部５９は、グローバル座標演算部２３からＧＮＳＳアンテナ２１、２２の基準位置データＰ１、Ｐ２を取得し、２つの基準位置データＰ１、Ｐ２に基づいて旋回角速度ωを取得することもできる。
【０２１９】
本実施形態において、バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、基準位置データＰ１と旋回体方位データＱとに基づいて、油圧ショベル１００の旋回中心の位置を算出することとしたが、これに限られるものではない。バケット刃先位置データ生成部２８Ｂは、旋回体方位データＱに代えて、ＧＮＳＳアンテナ２１が基準位置データＰ１を受信した時点における上部旋回体３の方位を示す磁気センサ等の方位センサにより取得するデータを用いてもよい。
【０２２０】
本実施形態において、予測補正部５９は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）で旋回体方位データＱをグローバル座標演算部２３から取得することとしたが、ＩＭＵ２４の熱ドリフトを考慮する必要がないのであれば、旋回体方位データＱを少なくとも１回取得すればよい。この場合、予測補正部５９は、取得した旋回体方位データＱを基準に旋回角速度ωを随時加算することによって、上部旋回体３の方位を、例えば１００Ｈｚ周期（第１周期の一例）で更新することができる。
【０２２１】
本実施形態において、表示コントローラ２８は、作業機位置データとしてバケット刃先位置データＳを生成することとしたが、これに限られるものではない。表示コントローラ２８は、バケット刃先位置データＳに代えて、バケット８の任意の位置を示す位置データを取得してもよい。また、表示コントローラ２８は、バケット刃先位置データＳの目標掘削地形データＵａに対し、より近い任意の位置を示す位置データを取得してもよい。また、表示コントローラ２８で行われる目標施工情報の格納、バケット刃先位置データの生成及び目標掘削地形データの生成のうち少なくとも１つは作業機コントローラ２６が実行してもよい。センサコントローラ３９が実行する各処理は、作業機コントローラ２６が実行してもよい。
【０２２２】
油圧ショベル１００は、作業機２の幅方向における目標掘削地形４６Ｉに基づく掘削制御と、油圧ショベル１００の前後方向における目標掘削地形４３Ｉに基づく前後方向の掘削制御との両方が実行できるものであってもよい。また、油圧ショベル１００は、作業機２の幅方向における目標掘削地形４６Ｉのみに基づく掘削制御を実行できるものであってもよい。
【０２２３】
以上、実施形態１及び実施形態２を説明したが、前述した内容により実施形態１及び実施形態２が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施形態１及び実施形態２の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。例えば、作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８を有しているが、作業機２に装着されるアタッチメントはこれに限られず、バケット８には限定されない。作業機械は油圧ショベル１００に限定されず、例えば、ブルドーザ又はモータグレーダ等であってもよい。
【符号の説明】
【０２２４】
１  車両本体
２  作業機
３  上部旋回体
６  ブーム
７  アーム
８  バケット
８Ｔ  刃先
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
１９  位置検出装置
２１、２２  アンテナ
２３  グローバル座標演算部
２５  操作装置
２５Ｒ  右操作レバー
２５Ｌ  左操作レバー
２６、２６ａ  作業機コントローラ
２６Ｍ  記憶部
２６Ｐ  処理部
２７  電磁弁
２８  表示コントローラ
２８Ａ  目標施工情報格納部
２８Ｂ  バケット刃先位置データ生成部
２８Ｃ  目標掘削地形データ生成部
２９Ｓ  スイッチ
２９  表示部
３５  エンジン
３６、３７  油圧ポンプ
３８  旋回モータ
４１  目標施工面
４２、４２ｍ、４２ｃ、４４、４５  平面
４３、４６  交線
４３Ｉ、４６Ｉ  目標掘削地形
４４  掘削対象位置
５２  目標速度決定部
５３  距離取得部
５４  制限速度決定部
５７  作業機制御部
５８  制御可否判定部
５９  予測補正部
６０  基準杭
６０Ｔ  先端
７０  溝
７１、７２  溝壁
７３  溝底
１００  油圧ショベル
２００  作業機械の制御システム（制御システム）
３００  油圧システム
【要約】
作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する作業機械の制御システムであって、前記作業機械の位置情報を検出する位置検出部と、前記位置検出部によって検出された前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求め、かつ前記アームが動作する平面であるアーム動作平面と交差し、かつ鉛直方向と平行な第１切り出し面とが交差する部分の情報である第２目標掘削地形情報を生成する生成部と、前記生成部から取得した前記作業機の位置、前記第１目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、を含む。【図１】
0005823044.tif 000002
【図２】
0005823044.tif 000003
【図３Ａ】
0005823044.tif 000004
【図３Ｂ】
0005823044.tif 000005
【図４】
0005823044.tif 000006
【図５】
0005823044.tif 000007
【図６】
0005823044.tif 000008
【図７】
0005823044.tif 000009
【図８】
0005823044.tif 000010
【図９】
0005823044.tif 000011
【図１０】
0005823044.tif 000012
【図１１】
0005823044.tif 000013
【図１２】
0005823044.tif 000014
【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】
0005823044.tif 000019
【図１８】
0005823044.tif 000020
【図１９Ａ】
0005823044.tif 000021
【図１９Ｂ】
0005823044.tif 000022
【図２０】
0005823044.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
0005823044.tif 000026
【図２４】
0005823044.tif 000027
【図２５】
0005823044.tif 000028
【図２６】
0005823044.tif 000029
【図２７】
0005823044.tif 000030
【図２８】
0005823044.tif 000031
【図２９】
0005823044.tif 000032
【図３０】
0005823044.tif 000033
【図３１】
0005823044.tif 000034
【図３２】
0005823044.tif 000035
【図３３】
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【図３４】
0005823044.tif 000037
【図３５】
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【図３６】
0005823044.tif 000039
【図３７】
0005823044.tif 000040
【図３８Ａ】
0005823044.tif 000041
【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０】
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