(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブームと、アームと、バケットとを有する作業機と、前記作業機を操作するための操作装置と、を備える建設機械を制御する制御システムであって、
掘削対象の目標形状を示す設計面を設定する設計面設定部と、
前記ブームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたブーム目標速度と、前記アームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたアーム目標速度と、前記バケットを操作するための前記操作装置の操作量に応じたバケット目標速度と、を決定する目標速度決定部と、
前記バケットの刃先と前記設計面との間の距離を取得する距離取得部と、
前記距離に基づいて前記作業機全体の制限速度を決定する制限速度決定部と、
第１制限条件が満たされるか否かを判定する第１制限判定部と、
第２制限条件が満たされるか否かを判定する第２制限判定部と、
前記作業機を制御する作業機制御部と、
を備え、
前記制限速度決定部は、前記作業機全体の制限速度と前記アーム目標速度と前記バケット目標速度とから前記ブームの制限速度を決定し、
前記バケットの刃先が前記設計面の外方に位置しているときの前記距離を正の値とし、前記設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、
前記第１制限条件は、前記ブームの制限速度が前記ブーム目標速度よりも大きいことを含み、
前記第１制限条件が満たされているときには、前記作業機制御部は、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御し、
前記第２制限条件は、前記距離が第２所定値より小さいことを含み、
前記第２制限条件が満たされているときには、前記作業機制御部は、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御すると共に、アーム制限速度にて前記アームを制御し、
前記アーム制限速度の絶対値は、前記アーム目標速度の絶対値よりも小さい、
建設機械の制御システム。
【請求項２】
前記第１制限条件は、前記距離が第１所定値より小さいことをさらに含む、
請求項１に記載の建設機械の制御システム。
【請求項３】
前記第２所定値は、前記第１所定値より小さい、
請求項２に記載の建設機械の制御システム。
【請求項４】
前記第２所定値は、０である、
請求項１から３のいずれかに記載の建設機械の制御システム。
【請求項５】
前記第２所定値は、０より大きい、
請求項１から３のいずれかに記載の建設機械の制御システム。
【請求項６】
前記距離取得部は、所定時間ごとの前記バケットの刃先の偏差量を取得し、
前記偏差量は、前記設計面の内方における前記バケットの刃先と前記設計面との間の距離の絶対値であり、
前記第２制限条件は、現在の前記偏差量が前回の偏差量よりも大きいことをさらに含む、
請求項１から５のいずれかに記載の建設機械の制御システム。
【請求項７】
前記制限速度決定部は、前記バケットの刃先の前回の位置と現在の位置との変位量と、現在の前記偏差量と、に基づいて、アーム減速係数を決定し、
前記アーム減速係数は０より大きく且つ１より小さい値であり、
前記制限速度決定部は、前記アーム目標速度に前記アーム減速係数を乗じることで、前記アーム制限速度を決定する、
請求項６に記載の建設機械の制御システム。
【請求項８】
前記第１制限条件又は前記第２制限条件が満たされ、且つ、前記作業機全体の制限速度が、前記アーム目標速度と前記バケット目標速度との和よりも小さいときには、前記作業機制御部は、前記ブームをブーム目標速度よりも減速させる、
請求項１から７のいずれかに記載の建設機械の制御システム。
【請求項９】
前記第１制限条件又は前記第２制限条件が満たされ、且つ、前記作業機全体の制限速度が、前記アーム目標速度と前記バケット目標速度との和よりも大きいときには、前記作業機制御部は、前記設計面の内方から外方に向かう方向に前記ブームを移動させる、
請求項１から８のいずれかに記載の建設機械の制御システム。
【請求項１０】
ブームと、アームと、バケットとを有する作業機と、前記作業機を操作するための操作装置と、を備える建設機械を制御する制御システムであって、
掘削対象の目標形状を示す設計面を設定する設計面設定部と、
前記ブームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたブーム目標速度と、前記アームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたアーム目標速度と、前記バケットを操作するための前記操作装置の操作量に応じたバケット目標速度と、を決定する目標速度決定部と、
前記バケットの刃先と前記設計面との間の距離を取得する距離取得部と、
前記距離に基づいて前記作業機全体の制限速度を決定する制限速度決定部と、
第１制限条件が満たされるか否かを判定する第１制限判定部と、
第３制限条件が満たされるか否かを判定する第３制限判定部と、
前記作業機を制御する作業機制御部と、
を備え、
前記制限速度決定部は、前記作業機全体の制限速度と前記アーム目標速度と前記バケット目標速度とから前記ブームの制限速度を決定し、
前記バケットの刃先が前記設計面の外方に位置しているときの前記距離を正の値とし、前記設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、
前記第１制限条件は、前記ブームの制限速度が前記ブーム目標速度よりも大きいことを含み、
前記第１制限条件が満たされているときには、前記作業機制御部は、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御し、
前記第３制限条件は、前記距離が第２所定値より小さいことを含み、
前記第３制限条件が満たされているときには、前記作業機制御部は、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御すると共に、バケット制限速度にて前記バケットを制御し、
前記バケット制限速度の絶対値は、前記バケット目標速度の絶対値よりも小さい、
建設機械の制御システム。
【請求項１１】
前記第１制限条件は、前記距離が第１所定値より小さいことをさらに含む、
請求項１０に記載の建設機械の制御システム。
【請求項１２】
前記第２所定値は、前記第１所定値より小さい、
請求項１１に記載の建設機械の制御システム。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の制御システムを備える建設機械。
【請求項１４】
ブームと、アームと、バケットとを有する作業機と、前記作業機を操作するための操作装置と、を備える建設機械を制御するための制御方法であって、
掘削対象の目標形状を示す設計面を設定するステップと、
前記ブームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたブーム目標速度と、前記アームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたアーム目標速度と、前記バケットを操作するための前記操作装置の操作量に応じたバケット目標速度と、を決定するステップと、
前記バケットの刃先と前記設計面との間の距離を取得するステップと、
前記距離に基づいて前記作業機全体の制限速度を決定するステップと、
第１制限条件が満たされるか否かを判定するステップと、
第２制限条件が満たされるか否かを判定するステップと、
前記作業機を制御するステップと、
を備え、
前記制限速度を決定するステップでは、前記作業機全体の制限速度と前記アーム目標速度と前記バケット目標速度とから前記ブームの制限速度を決定し、
前記バケットの刃先が前記設計面の外方に位置しているときの前記距離を正の値とし、前記設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、
前記第１制限条件は、前記ブームの制限速度が前記ブーム目標速度よりも大きいことを含み、
前記第１制限条件が満たされているときには、前記作業機を制御するステップでは、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御し、
前記第２制限条件は、前記距離が第２所定値より小さいことを含み、
前記第２制限条件が満たされているときには、前記作業機制御部は、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御し、
前記アーム制限速度の絶対値は、前記アーム目標速度の絶対値よりも小さい、
建設機械の制御方法。
【請求項１５】
ブームと、アームと、バケットとを有する作業機と、前記作業機を操作するための操作装置と、を備える建設機械を制御するための制御方法であって、
掘削対象の目標形状を示す設計面を設定するステップと、
前記ブームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたブーム目標速度と、前記アームを操作するための前記操作装置の操作量に応じたアーム目標速度と、前記バケットを操作するための前記操作装置の操作量に応じたバケット目標速度と、を決定するステップと、
前記バケットの刃先と前記設計面との間の距離を取得するステップと、
前記距離に基づいて前記作業機全体の制限速度を決定するステップと、
第１制限条件が満たされるか否かを判定するステップと、
第３制限条件が満たされるか否かを判定するステップと、
前記作業機を制御するステップと、
を備え、
前記制限速度を決定するステップでは、前記作業機全体の制限速度と前記アーム目標速度と前記バケット目標速度とから前記ブームの制限速度を決定し、
前記バケットの刃先が前記設計面の外方に位置しているときの前記距離を正の値とし、前記設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、
前記第１制限条件は、前記ブームの制限速度が前記ブーム目標速度よりも大きいことを含み、
前記第１制限条件が満たされているときには、前記作業機を制御するステップでは、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御し、
前記第３制限条件は、前記距離が第２所定値より小さいことを含み、
前記第３制限条件が満たされているときには、前記作業機制御部は、前記ブームの制限速度にて前記ブームを制御すると共に、バケット制限速度にて前記バケットを制御し、
前記バケット制限速度の絶対値は、前記バケット目標速度の絶対値よりも小さい、
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及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作業機を備える建設機械において、設計面に沿ってバケットを移動させることによって領域を掘削する手法が知られている。設計面は、掘削対象の目標形状を示す面であり、建設機械に備えられたコントローラでは、設計面の位置とバケットの位置とが認識される。【０００３】
例えば、特許文献１の制御システムでは、オペレータが、作業機の侵入不可領域を設定する。制御システムは、バケットから侵入負荷領域の境界線までの距離に応じて、作業機のレバー信号の指令値を低減する。これにより、オペレータが誤って侵入不可領域に刃先を移動しようとしても、自動的に境界線上で停止する。また、作業機の速度の減少により、オペレータが、刃先が侵入不可領域に近づいていることを判断することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−１３６３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の制御システムは、作業機の全ての軸、あるいは、境界に近づく方向に操作されている軸に対して制限をかける。また、バケットが境界線に達したときには、作業機が停止する。このため、オペレータの操作に対する違和感が大きい。【０００６】
一方、オペレータの違和感を低減するためには、オペレータの操作に対して作業機にかけられる制限が少ないことが好ましい。特に掘削の場面では、オペレータの操作意思は、アームの操作に強く表れる。このため、特許文献１に記載されているように、制御システムがアームに対する制限を行うと、オペレータは特に違和感を感じやすい。
本発明の目的は、建設機械において、オペレータの違和感を小さく抑えながらバケットが設計面を浸食することを防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る制御システムは、建設機械を制御する装置である。建設機械は、作業機と、操作装置と、を備える。作業機は、ブームと、アームと、バケットとを有する。操作装置は、作業機を操作するための装置である。【０００８】
制御システムは、設計面設定部と、目標速度決定部と、距離取得部と、制限速度決定部と、第１制限判定部と、作業機制御部と、を備える。設計面設定部は、掘削対象の目標形状を示す設計面を設定する。目標速度決定部は、ブームを操作するための操作装置の操作量に応じたブーム目標速度と、アームを操作するための操作装置の操作量に応じたアーム目標速度と、バケットを操作するための操作装置の操作量に応じたバケット目標速度と、を決定する。距離取得部は、バケットの刃先と設計面との間の距離を取得する。制限速度決定部は、距離に基づいて作業機全体の制限速度を決定する。第１制限判定部は、第１制限条件が満たされるか否かを判定する。作業機制御部は、作業機を制御する。【０００９】
制限速度決定部は、作業機全体の制限速度とアーム目標速度とバケット目標速度とからブームの制限速度を決定する。バケットの刃先が設計面の外方に位置しているときの距離を正の値とし、設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、第１制限条件は、ブームの制限速度がブーム目標速度よりも大きいことを含む。第１制限条件が満たされているときには、作業機制御部は、ブームの制限速度にてブームを制御すると共に、アーム目標速度にてアームを制御する。【００１０】
本態様に係る建設機械の制御システムでは、第１制限条件が満たされているときには、ブームは、制限速度にて制御されると共に、アームは、アーム目標速度にて制御される。すなわち、ブームの制限のみが行われ、アームの制限は行われない。従って、アーム目標速度は、オペレータの操作に応じて直接的に変化する。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が設計面を浸食することを防止することができる。【００１１】
好ましくは、第１制限条件は、前記距離が第１所定値より小さいことをさらに含む。この場合、バケットの刃先が、設計面から第１所定値離れた位置よりも設計面に近づいたときに、ブームの制限が行われる。【００１２】
好ましくは、制御システムは、第２制限判定部をさらに備える。第２制限判定部は、第２制限条件が満たされるか否かを判定する。第２制限条件は、前記距離が第２所定値より小さいことを含む。第２所定値は、第１所定値より小さい。第２制限条件が満たされているときには、作業機制御部は、ブームの制限速度にてブームを制御すると共に、アーム制限速度にてアームを制御する。アーム制限速度の絶対値は、アーム目標速度の絶対値よりも小さい。【００１３】
この場合、第２制限条件が満たされているときには、ブームがブームの制限速度にて制御されると共に、アームはアーム制限速度にて制御される。従って、バケットの刃先と設計面との間の距離が第２所定値より小さいときには、ブームの制限とアームの制限との両方が行われる。これにより、バケットが設計面を浸食しても浸食の拡大を迅速に抑えることができる。【００１４】
好ましくは、第２所定値は、０である。この場合には、ブームの刃先が設計面に到達するまでは、ブームの制限のみが行われ、アームの制限は行われない。そして、ブームの刃先が設計面を越えると、ブームの制限とアームの制限との両方が行われる。【００１５】
好ましくは、第２所定値は、０より大きい。この場合には、ブームの刃先が設計面に到達する前に、ブームの制限とアームの制限との両方が行われる。このため、ブームの刃先が設計面に到達する前であっても、ブームの刃先が設計面を越えそうなときに、ブームの制限とアームの制限との両方を行うことができる。【００１６】
好ましくは、距離取得部は、所定時間ごとのバケットの刃先の偏差量を取得する。偏差量は、設計面の内方におけるバケットの刃先と設計面との間の距離の絶対値である。第２制限条件は、現在の偏差量が前回の偏差量よりも大きいことをさらに含む。この場合には、バケットによる設計面の浸食が拡大しそうなときに、ブームの制限とアームの制限との両方を行うことができる。【００１７】
好ましくは、制限速度決定部は、バケットの刃先の前回の位置と現在の位置との変位量と、現在の偏差量と、に基づいて、アーム減速係数を決定する。アーム減速係数は０より大きく且つ１より小さい値である。制限速度決定部は、アーム目標速度にアーム減速係数を乗じることで、アーム制限速度を決定する。この場合には、バケットによる設計面の浸食が拡大しそうなときに、アームを大きく減速させることができる。【００１８】
好ましくは、第１制限条件又は第２制限条件が満たされ、且つ、作業機全体の制限速度が、アーム目標速度とバケット目標速度との和よりも小さいときには、作業機制御部は、ブームをブーム目標速度よりも減速させる。この場合には、ブームを減速させることによって、作業機全体の速度を制限速度に抑えることができる。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が設計面を浸食すること防止することができる。【００１９】
好ましくは、第１制限条件又は第２制限条件が満たされ、且つ、作業機全体の制限速度が、アーム目標速度とバケット目標速度との和よりも大きいときには、作業機制御部は、設計面の内方から外方に向かう方向にブームを移動させる。この場合には、設計面の内方から外方に向かう方向にブームを移動させることによって、作業機全体の速度を制限速度に抑えることができる。これにより、バケットが設計面を浸食すること防止することができる。【００２０】
好ましくは、制御システムは、第３制限判定部をさらに備える。第３制限判定部は、第３制限条件が満たされるか否かを判定する。第３制限条件は、前記距離が第２所定値より小さいことを含む。第３制限条件が満たされているときには、作業機制御部は、ブームの制限速度にてブームを制御すると共に、バケット制限速度にてバケットを制御する。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。【００２１】
本発明の第２の態様に係る建設機械は、上述した制御システムを備える。【００２２】
本発明の第３の態様に係る制御方法は、建設機械を制御する方法である。建設機械は、作業機と、操作装置と、を備える。作業機は、ブームと、アームと、バケットとを有する。操作装置は、作業機を操作するための装置である。本態様の制御は、次のステップを備える。【００２３】
第１のステップでは、掘削対象の目標形状を示す設計面を設定する。第２のステップでは、ブームを操作するための操作装置の操作量に応じたブーム目標速度と、アームを操作するための操作装置の操作量に応じたアーム目標速度と、バケットを操作するための操作装置の操作量に応じたバケット目標速度と、を決定する。第３のステップでは、バケットの刃先と設計面との間の距離を取得する。第４のステップでは、距離に基づいて作業機全体の制限速度を決定する。第５のステップでは、第１制限条件が満たされるか否かを判定する。第６のステップでは、作業機を制御する。ブームの制限速度を決定するステップでは、作業機全体の制限速度とアーム目標速度とバケット目標速度とからブームの制限速度を決定する。バケットの刃先が設計面の外方に位置しているときの距離を正の値とし、設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、第１制限条件は、ブームの制限速度がブーム目標速度よりも大きいことを含む。第１制限条件が満たされているときには、作業機を制御するステップでは、ブームの制限速度にてブームを制御すると共に、アーム目標速度にてアームを制御する。【００２４】
本態様に係る建設機械の制御方法では、第１制限条件が満たされているときには、ブームは、制限速度にて制御されると共に、アームは、アーム目標速度にて制御される。すなわち、ブームの制限のみが行われ、アームの制限は行われない。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が設計面を浸食することを防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、建設機械において、オペレータの違和感を小さく抑えながらバケットが設計面を浸食することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】油圧ショベルの斜視図である。
【図２】油圧ショベルの制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】油圧ショベルの構成を模式的に示す側面図である。
【図４】設計地形の一例を示す模式図である。
【図５】コントローラの構成を示すブロック図である。
【図６】設計面の一例を示す図である。
【図７】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】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】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】刃先と設計面との間の距離を示す模式図である。
【図１１】制限速度情報の一例を示すグラフである。
【図１２】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】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】刃先の偏差量及び変位量を示す模式図である。
【図１５】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１６】制御システムによる制御を示すフローチャートである。
【図１７】他の実施形態に係るコントローラの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と、作業機２とを有する。
【００２８】
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、後述するエンジン及び油圧ポンプなどを収容している。運転室４は、旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する操作装置が配置される。走行装置５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。
【００２９】
作業機２は、車両本体１の前部に取り付けられており、ブーム６と、アーム７と、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の前部に揺動可能に取り付けられる。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられる。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が揺動可能に取り付けられる。
【００３０】
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を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。
【００３１】
図２は、油圧ショベル１００の駆動系２００と制御システム３００との構成を示すブロック図である。図２に示すように、油圧ショベル１００の駆動系２００は、エンジン２１と油圧ポンプ２２，２３とを備える。油圧ポンプ２２，２３は、エンジン２１によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ２２，２３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２４を備える。旋回モータ２４は、油圧モータであり、油圧ポンプ２２，２３から吐出された作動油によって駆動される。旋回モータ２４は、旋回体３を旋回させる。
【００３２】
なお、図２では、２つの油圧ポンプ２２，２３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２４は、油圧モータに限らず、電気モータであってもよい。
【００３３】
制御システム３００は、操作装置２５と、コントローラ２６と、制御弁２７とを備える。操作装置２５は、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、操作量に応じた操作信号を出力する。操作装置２５は、第１操作部材２８と第２操作部材２９とを有する。
【００３４】
第１操作部材２８は、例えば操作レバーである。第１操作部材２８は、前後左右の４方向に操作可能に設けられている。第１操作部材２８の４つの操作方向のうち２つが、ブーム６の上げ操作と下げ操作とに割り当てられている。ブーム６の上げ操作は掘削操作に相当する。ブーム６の下げ操作は、ダンプ操作に相当する。第１操作部材２８の残りの２つの操作方向が、バケット８の上げ操作と下げ操作とに割り当てられている。
【００３５】
第２操作部材２９は、例えば操作レバーである。第２操作部材２９は、前後左右の４方向に操作可能に設けられている。第２操作部材２９の４つの操作方向のうち２つが、アーム７の上げ操作と下げ操作とに割り当てられている。アーム７の上げ操作は掘削操作に相当する。アーム７の下げ操作は、ダンプ操作に相当する。第２操作部材２９の残りの２つの操作方向が、旋回体３の右旋回操作と左旋回操作とに割り当てられている。
【００３６】
操作装置２５は、ブーム操作部３１とバケット操作部３２とを有する。ブーム操作部３１は、ブーム操作信号を出力する。ブーム操作信号は、ブーム６を操作するための第１操作部材２８の操作量（以下、「ブーム操作量」と呼ぶ）に応じた電圧値を有する。バケット操作部３２は、バケット操作信号を出力する。バケット操作信号は、バケット８を操作するための第１操作部材２８の操作量（以下、「バケット操作量」と呼ぶ）に応じた電圧値を有する。
【００３７】
操作装置２５は、アーム操作部３３と旋回操作部３４とを有する。アーム操作部３３は、アーム操作信号を出力する。アーム操作信号は、アーム７を操作するための第２操作部材２９の操作量（以下、「アーム操作量」と呼ぶ）に応じた電圧値を有する。旋回操作部３４は、旋回操作信号を出力する。旋回操作信号は、旋回体３の旋回を操作するための第２操作部材２９の操作量に応じた電圧値を有する。
【００３８】
コントローラ２６は、ＲＡＭ及びＲＯＭなどの記憶部３４と、ＣＰＵなどの演算部３５とを有する。コントローラ２６は、操作装置２５からブーム操作信号、アーム操作信号、バケット操作信号、及び、旋回操作信号を取得する。コントローラ２６は、これらの操作信号に基づいて、制御弁２７を制御する。
【００３９】
制御弁２７は、電磁比例制御弁であり、コントローラ２６からの指令信号によって制御される。制御弁２７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２４などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ２２，２３との間に配置される。制御弁２７は、油圧ポンプ２２，２３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２４に供給される作動油の流量を制御する。
【００４０】
制御システム３００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。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（以下、「ブームシリンダ長」という。）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のストローク長さ（以下、「アームシリンダ長」という。）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のストローク長さ（以下、「バケットシリンダ長」という。）を検出する。ストロークの計測には角度センサ等を用いてもよい。また、制御システム３００は、傾斜角度センサ１９を備える。傾斜角度センサ１９は、旋回体3に配置される。傾斜角度センサ１９は、旋回体３の水平方向に対する傾斜角度および旋回体３の車両前方に対する旋回角度を検出する。これらのセンサは、検出信号をコントローラ２６に送る。なお、旋回角度は後述するGNSSアンテナ３７，３８の位置情報より取得してもよい。
【００４１】
制御システム３００は、位置検出部３６を備えている。位置検出部３６は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部３６は、ＧＮＳＳアンテナ３７，３８と、３次元位置センサ３９とを有する。複数のＧＮＳＳアンテナ３７，３８は、旋回体３に設けられている。ＧＮＳＳアンテナ３７，３８は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用のアンテナである。ＧＮＳＳアンテナ３７，３８で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号が、３次元位置センサ３９に入力される。
【００４２】
図３は、油圧ショベル１００の構成を模式的に示す側面図である。３次元位置センサ３９は、グローバル座標系におけるＧＮＳＳアンテナ３７，３８の設置位置Ｐ１を検出する。グローバル座標系は、作業エリアに設置した基準位置Ｐ２を元にした３次元座標系である。図３に示すように、基準位置Ｐ２は、例えば、作業エリアに設定された基準杭の先端に位置する。
【００４３】
コントローラ２６は、位置検出部３６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する。ここで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。ローカル座標系の基準位置Ｐ３は、例えば、旋回体３の旋回中心に位置する。詳細には、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の位置を算出する。
【００４４】
コントローラ２６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、ローカル座標系の垂直方向に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。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。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。
【００４５】
コントローラ２６の記憶部３４は、作業機データを記憶している。作業機データは、ブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３を含む。図３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のツースの先端（以下、「刃先Ｐ４」という。）までの長さに相当する。また、作業機データは、ローカル座標系の基準位置Ｐ３に対するブームピン１３の位置情報を含む。
【００４６】
コントローラ２６は、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、ブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３、及び、ブームピン１３の位置情報から、ローカル座標系における刃先Ｐ４の位置を算出する。また、作業機データは、ローカル座標系の基準位置Ｐ３に対するＧＮＳＳアンテナ３７，３８の設置位置Ｐ１の位置情報を含む。コントローラ２６は、位置検出部３６による検出結果とＧＮＳＳアンテナ３７，３８の位置情報とから、ローカル座標系における刃先Ｐ４の位置を、グローバル座標系における刃先Ｐ４の位置に変換する。これにより、コントローラ２６は、グローバル座標系で見たときの刃先Ｐ４の位置情報を取得する。
【００４７】
また、コントローラ２６の記憶部３４は、作業エリア内の３次元の設計地形の形状および位置を示す設計地形データを記憶している。コントローラ２６は、設計地形や上述した各種のセンサからの検出結果などに基づいて、設計地形を表示部４０に表示させる。表示部４０は、例えばモニタであり、油圧ショベル１００の各種の情報を表示する。
【００４８】
図４は、設計地形の一例を示す模式図である。図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４１によって構成されている。複数の設計面４１それぞれは、作業機２による掘削対象の目標形状を示している。なお、図４では複数の設計面４１のうちの１つのみに符号４１が付されており、他の設計面４１の符号は省略されている。
【００４９】
コントローラ２６は、バケット８が設計面４１を浸食すること防止するために、作業機２の動作を制限する制御を行う。以下、コントローラ２６によって実行される制御について詳細に説明する。図５は、コントローラ２６の構成を示すブロック図である。コントローラ２６は、設計面設定部５１と、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、第１制限判定部５５と、第２制限判定部５６と、作業機制御部５７とを有する。
【００５０】
設計面設定部５１は、掘削対象の目標形状を示す設計面４１を設定する。詳細には、設計面設定部５１は、上述した複数の設計面４１のうちの一部の設計面４１を目標設計面として選択する。例えば、設計面設定部５１は、グローバル座標系において刃先Ｐ４の現在位置を通る垂線と設計面４１との交点を掘削対象位置として設定する。設計面設定部５１は、掘削対象位置を含む設計面４１及びその前方と後方とにそれぞれ位置する設計面４１とを掘削対象面として選択する。設計面設定部５１は、バケット８の刃先Ｐ４の現在位置を通る平面４２と掘削対象面との交線４３を、目標設計面として設定する。
【００５１】
以下の説明において、設計面４１は、上記のように設定された目標設計面を意味するものとする。図６は、設定された設計面４１の一例を示す。コントローラ２６は、設定された設計面４１と刃先Ｐ４の位置関係を示す画像を表示部４０に表示させる。
【００５２】
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Ｐ４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Ｐ４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Ｐ４の速度である。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブーム操作量に応じて算出される。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アーム操作作量に応じて算出される。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケット操作量に応じて算出される。
【００５３】
記憶部３４は、ブーム操作量とブーム目標速度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、例えばグラフである。目標速度情報は、テーブル、或いは数式などの形態でもよい。目標速度情報は、アーム操作量とアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとの関係を規定する情報を含む。目標速度情報、バケット操作量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、バケット操作量に対応するバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを決定する。
【００５４】
また、図７に示すように、目標速度決定部５２は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、設計面４１に垂直な方向の速度成分（以下、「垂直速度成分」と呼ぶ）Ｖｃｙ＿ｂｍおよび平行な方向の速度成分（以下「水平速度成分」と呼ぶ）Ｖｃｘ＿ｂｍに変換する。
【００５５】
詳細には、まず、目標速度決定部５２は、ＧＮＳＳアンテナ３７，３８の位置情報、及び、設計地形データなどから、グローバル座標の垂直軸に対するローカル座標の垂直軸の傾きと、グローバル座標の垂直軸に対する設計面４１の垂直方向の傾きとを求め、これらの傾きからローカル座標の垂直軸と設計面４１の垂直方向の傾きθ１（図６参照）を求める。
【００５６】
次に、図８に示すように、目標速度決定部５２は、ローカル座標の垂直軸とブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの方向とのなす角θ２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、上述したローカル座標の垂直軸と設計面４１の垂直方向の傾きθ１から、三角関数により、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とを、上述した設計面４１に対する垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍおよび水平速度成分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、垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍおよび水平速度成分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、垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔおよび水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに変換する。
【００５７】
図１０に示すように、距離取得部５３は、バケット８の刃先Ｐ４と設計面４１との間の距離ｄを取得する。詳細には、距離取得部５３は、上述したように取得した刃先Ｐ４の位置情報と、設計面４１の位置を示す設計地形データなどから、バケット８の刃先Ｐ４と設計面４１との間の最短となる距離ｄを算出する。
【００５８】
制限速度決定部５４は、バケット８の刃先Ｐ４と設計面４１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。作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、バケット８の刃先Ｐ４が設計面４１に接近する方向において許容できる刃先Ｐ４の移動速度である。記憶部３４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。
【００５９】
図１１は、制限速度情報の一例を示している。図１１において、刃先Ｐ４が設計面４１の外方に位置しているときの距離ｄは正の値であり、刃先Ｐ４が設計面４１の内方に位置しているときの距離ｄは負の値である。言い換えれば、例えば図１０に図示されるように、刃先Ｐ４が設計面４１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Ｐ４が設計面４１の下方に位置しているときの距離ｄは負の値である。さらに言い換えれば、刃先Ｐ４が設計面４１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Ｐ４が設計面４１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Ｐ４が設計面４１上に位置しているときの距離ｄは０である。
【００６０】
また、刃先Ｐ４が設計面４１の内方から外方に向かうときの速度を正の値とし、刃先Ｐ４が設計面４１の外方から内方に向かうときの速度を負の値とする。言い換えれば、刃先Ｐ４が設計面４１の上方に向かうときの速度を正の値とし、刃先Ｐ４が下方に向かうときの速度を負の値とする。
【００６１】
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以上若しくは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。設計面４１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以上若しくは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。言い換えれば、距離ｄがｄ１以上のとき、設計面４１より上方において刃先Ｐ４が設計面４１から遠いほど、設計面４１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。言い換えれば、バケット８の刃先４Pが設計面４１より遠ざかる距離ｄが０以下のとき、設計面４１より下方において刃先Ｐ４が設計面４１から遠いほど、設計面４１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。
【００６２】
なお、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。言い換えれば、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。従って、刃先Ｐ４が設計面４１の上方において設計面４１から大きく離れているときには、作業機２の動作の制限が行われない。言い換えれば、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。
【００６３】
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、「ブーム６の制限垂直速度成分」と呼ぶ）Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。図１２に示すように、制限速度決定部５４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。
【００６４】
また、図１３に示すように、制限速度決定部５４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Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。制限速度決定部５４は、上述したブーム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３７，３８の位置情報、及び、設計地形データなどから、設計面４１に垂直な方向とブーム６の制限速度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６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。この場合の演算は、前述したブームの目標速度Ｖｃ＿ｂｍから設計面４１に垂直な方向の速度Ｖｃｙ＿ｂｍを求めた演算と逆の手順により行われる。
【００６５】
第１制限判定部５５は、ブーム６を制限する為の条件判定部であり、第１制限条件が満たされているか否かを判定する。第１制限条件は、距離ｄが上述した第１所定値ｄｔｈ１より小さいこと、距離ｄが後述する第２所定値ｄｔｈ２以上であること、及び、ブーム６の制限速度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、第１制限判定部５５は、第１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、第１制限判定部５５は、第１制限条件が満たされていると判定する。
【００６６】
第２制限判定部５６は、アーム７を制限する為の条件判定部であり、第２制限条件が満たされているか否かを判定する。第２制限条件は、刃先Ｐ４と設計面４１との間の距離ｄが、第２所定値より小さいこと、及び、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔがブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも大きいことを含む。第２所定値は、０である。従って、刃先Ｐ４が設計面４１の外方に位置しているときには、第２制限判定部５６は、第２制限条件が満たされていないと判定する。すなわち、刃先Ｐ４が設計面４１の上方に位置しているときには、第２制限判定部５６は、第２制限条件が満たされていないと判定する。刃先Ｐ４が設計面４１の内方に位置しているときには、第２制限判定部５６は、第２制限条件が満たされていると判定する。すなわち、刃先Ｐ４が設計面４１の下方に位置しているときには、第２制限判定部５６は、第２制限条件が満たされていると判定する。
【００６７】
また、第２制限条件は、現在の偏差量が前回の偏差量よりも大きいことをさらに含む。図１４に示すように、距離取得部５３は、所定時間間隔ごとに設計面４１に対するバケット８の刃先Ｐ４の偏差量を取得する。現在の偏差量ｄｎは、設計面４１の内方におけるバケット８の刃先Ｐ４と設計面４１との間の距離ｄの絶対値である。図１４において、バケット８’は、前回の偏差量ｄｎ−１のサンプリング時のバケット８の位置を示している。現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１よりも大きいことは、刃先Ｐ４による設計面４１の浸食が拡大していることを意味する。第２制限判定部５６は、刃先Ｐ４と設計面４１との間の距離ｄが０より小さい侵食中であり、且つ、現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１よりも大きいときに、第２制限条件が満たされていると判定する。
【００６８】
現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１以下であるときには、第２制限判定部５６は、第２制限条件が満たされていないと判定する。従って、刃先Ｐ４が設計面４１より下方に位置していても、刃先Ｐ４による設計面４１の浸食が拡大していないときには、第２制限判定部５６は、第２制限条件が満たされていないと判定する。
【００６９】
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バケット指令信号とを制御弁２７に送ることによって、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。
【００７０】
第１制限条件と第２制限条件とのいずれも満たされていない通常運転時には、作業機制御部５７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とのそれぞれを、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して選択する。すなわち、通常運転時には、作業機制御部５７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とを動作させる。従って、ブームシリンダ１０はブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍにて動作し、アームシリンダ１１はアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍにて動作し、バケットシリンダ１２はバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔにて動作する。
【００７１】
第１制限条件が満たされているときには、作業機制御部５７は、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔにてブーム６を動作させると共に、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍにてアーム７を動作させる。また、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔにてバケット８を動作させる。
【００７２】
上述したように、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。従って、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。
【００７３】
従って、ブーム６の制限速度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が設計面４１を浸食すること防止することができる。
【００７４】
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。従って、ブーム６の制限速度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、作業機制御部５７は、ブーム６を上昇させる。このため、設計面４１の浸食の拡大を迅速に抑えることができる。
【００７５】
なお、刃先Ｐ４が設計面４１より上方に位置しているときには、刃先Ｐ４が設計面４１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共に、設計面４１に平行な方向へのブーム６の制限速度の速度成分（以下、「制限水平速度成分」と呼ぶ）Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値も小さくなる。従って、刃先Ｐ４が設計面４１より上方に位置しているときには、刃先Ｐ４が設計面４１に近づくほど、ブーム６の設計面４１に垂直な方向への速度と、ブーム６の設計面４１に平行な方向への速度とが共に減速される。
【００７６】
オペレータによって第１操作部２８および第２操作部２９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上記の制御を説明すると次のとおりである。図１５は、設計面４１とバケット刃先Ｐ４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Ｐ４と設計面４１との間の距離は、位置Ｐｎ１での刃先Ｐ４と設計面４１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。従って、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限速度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。但し、このとき、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍおよ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。
【００７７】
上記のように、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Ｐ４の速度変化として反映される。これにより、設計面４１の侵食の拡大を防止しながらオペレータの掘削時の操作の違和感を抑えることができる。
【００７８】
第２制限条件が満たされているときには、作業機制御部５７は、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔにてブーム６を制御すると共に、アーム制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔにてアーム７を制御する。制限速度決定部５４は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍにアーム減速係数を乗じることで、アーム制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔを算出する。制限速度決定部５４は、以下の数式（１）により、アーム減速係数ａを算出する。
【００７９】
ａ＝１＋０．００１×（Ｄｎ＋（Ｄｎ−Ｄｎ−１）×ｂ）・・・（数式１）
ｂは所定の定数である。Ｄｎは現在の掘り込み量である。Ｄｎ−１は前回取得された掘り込み量である。掘り込み量Ｄｎの絶対値は、上述した偏差量ｄｎに相当し、掘り込み量Ｄｎは、設計面４１の内方において負の値である。数式１中の“Ｄｎ−Ｄｎ−１”は、バケット８の刃先Ｐ４の前回の位置と現在の位置との変位量Δｄに相当する。従って、制限速度決定部５４は、バケット８の刃先Ｐ４の前回の位置と現在の位置との変位量Δｄと、現在の偏差量ｄｎと、に基づいて、アーム減速係数を算出する。
【００８０】
アーム減速係数は０より大きく且つ１より小さい値である。従って、アーム制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔの絶対値は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍの絶対値よりも小さい。すなわち、第２制限条件が満たされているときには、作業機制御部５７は、アーム７をアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍよりも減速させる。従って、第２制限条件が満たされているときには、作業機制御部５７は、ブーム６をブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも減速させる又はブーム６を上昇させると共に、アーム７をアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍよりも減速させる。
【００８１】
図１６は、制御システム３００による制御を示すフローチャートである。なお、フローチャートの各処理の順序は、以下に説明する順序に限らず、変更されてもよい。
【００８２】
ステップＳ１では、設計面４１を設定する。ステップＳ２では、ブーム操作量とアーム操作量とバケット操作量とにより、それぞれブーム目標速度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。ステップＳ３では、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とのそれぞれを、垂直速度成分に変換する。
【００８３】
ステップＳ４では、バケット８の刃先Ｐ４と設計面４１との間の距離ｄを取得する。ステップＳ５では、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Ｓ６では、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の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを決定する。ステップＳ７では、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Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。
【００８４】
ステップＳ８では、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔがブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも大きいか否かを判定する。ステップＳ８での判定がＹｅｓである場合、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔがブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも大きいときには、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、ブーム指令速度として、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔを選択する。
【００８５】
ステップＳ１０では、距離ｄが第２所定値ｄｔｈ２より小さいか否かを判定する。第２所定値ｄｔｈ２は、上述した第１所定値ｄｔｈ１よりも小さい。距離ｄが第２所定値ｄｔｈ２より小さいときには、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１よりも大きいか否かを判定する。現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１よりも大きいときには、ステップＳ１２に進む。
【００８６】
ステップＳ１２では、アーム指令速度としてアーム７の制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔを選択する。なお、ステップＳ１０において、距離ｄが第２所定値ｄｔｈ２以上であるときには、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１１において、現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１以下であるときには、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、アーム指令速度としてアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを選択する。
【００８７】
ステップＳ１４では、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対応する指令信号を制御弁２７に出力する。この場合、ブーム指令速度は、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔである。バケット指令速度は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔである。ステップＳ１０及びＳ１１の少なくとも１つの判定がＮｏであるときには、アーム指令速度は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍである。一方、ステップＳ１０及びＳ１１の両方の判定がＹｅｓであるときには、アーム指令速度は、アーム７の制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔである。
【００８８】
従って、第１制限条件が満たされているときには、ブーム６はブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに制限されるが、アーム７は制限されずに、アーム操作量に応じて動作する。一方、第２制限条件が満たされているときには、ブーム６はブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに制限され、アーム７はアーム７の制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔに制限される。
【００８９】
ステップＳ８での判定がＮｏである場合、すなわち、ブーム６の制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔがブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍ以下であるときには、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、ブーム指令速度として、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを選択する。ステップＳ１６では、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対応する指令信号を制御弁２７に出力する。この場合、ブーム指令速度は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍである。バケット指令速度は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔである。アーム指令速度は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍである。従って、第１制限条件及び第２制限条件の両方が満たされていないときには、ブーム６とアーム７とのいずれも制限されずに、それぞれブーム操作量とアーム操作量とに応じて動作する。
【００９０】
本実施形態に係る制御システム３００の特徴は次の通りである。第１制限条件が満たされているときには、ブーム６は、制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔにて制御されると共に、アーム７は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍにて制御される。従って、バケット８の刃先Ｐ４が設計面４１の上方に位置しているときには、ブーム６の制限のみが行われ、アーム７の制限は行われない。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が設計面４１を浸食すること防止することができる。
【００９１】
また、第２制限条件が満たされているときには、ブーム６が制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔにて制御されると共に、アーム７は制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔにて制御される。従って、バケット８の刃先Ｐ４が設計面４１を浸食しているときには、ブーム６の制限とアーム７の制限との両方が行われる。これにより、設計面４１の浸食の拡大を迅速に抑えることができる。
【００９２】
第２制限条件は、現在の偏差量ｄｎが前回の偏差量ｄｎ−１よりも大きいことを含む。このため、バケット８による設計面４１の浸食が拡大しそうなときに、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。言い換えれば、バケット８の刃先Ｐ４が設計面４１の下方に位置していても、設計面４１の浸食が拡大しそうではないときには、ブーム６の制限のみが行われ、アーム７の制限が行われない。これにより、オペレータの違和感を抑えることができる。
【００９３】
アーム減速係数は、バケット８の刃先Ｐ４の前回の位置と現在の位置との変位量Δｄと、現在の偏差量ｄｎと、に基づいて決定される。このため、バケット８による設計面４１の浸食が拡大しそうなときに、アーム７を大きく減速させることができる。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
刃先Ｐ４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Ｐ４と設計面４１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。
【００９７】
ブーム操作量とアーム操作量とバケット操作量とは、操作部材の位置を示す電気的な信号に限らず、操作装置２５の操作に応じて出力されるパイロット圧によって取得されてもよい。
【００９８】
第２制限条件は、距離ｄが第２所定値ｄｔｈ２より小さいことのみであってもよい。或いは、第２制限条件は、他の条件をさらに含んでもよい。上記の実施形態において、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は、第２制限条件に含まれているが、第１制限条件に含まれてもよい。或いは、第２制限条件の判定は行われず、第１制限条件のみが判定されてもよい。第１制限条件は、他の条件をさらに含んでもよい。例えば、第１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。或いは、第１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、第１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。
【００９９】
第２所定値ｄｔｈ２は、第１所定距離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Ｐ４が設計面４１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Ｐ４が設計面４１に到達する前であっても、ブーム６の刃先Ｐ４が設計面４１を越えそうなときに、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。
【０１００】
アーム減速係数は、上述した方法に限らず、他の方法によって決定されてもよい。例えば、アーム減速係数は、刃先Ｐ４と設計面４１との間の距離ｄに応じて決定されてもよい。或いは、アーム減速係数は一定値であってもよい。
【０１０１】
上述したアーム７の制限に代えてバケット８の制限が行われてもよい。この場合、図１７に示すように、コントローラ２６は、第２制限判定部５６に代えて第３制限判定部５８を有する。第３制限判定部５８は、バケット８を制限する為の制限判定部であり、第３制限条件が満たされるか否かを判定する。第３制限条件が満たされているときには、作業機制御部５７は、ブーム制限速度にてブーム６を制御すると共に、バケット制限速度にてバケット８を制御する。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、例えば上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。第３制限条件は、上述した第２制限条件と同じ条件であってもよい。なお、アーム７の制限と共にバケット８の制限が行われてもよい。すなわち、コントローラ２６は、第２制限判定部５６と第３制限判定部５８との両方を有してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によれば、建設機械において、オペレータの違和感を小さく抑えながらバケットが設計面を浸食することを防止することができる。
【要約】
制限速度決定部は、作業機全体の制限速度とアーム目標速度とバケット目標速度とからブームの制限速度を決定する。バケットの刃先が設計面の外方に位置しているときの距離を正の値とし、設計面の内方から外方に向かう方向の速度を正の値として、第１制限条件は、ブームの制限速度がブーム目標速度よりも大きいことを含む。第１制限条件が満たされているときには、作業機制御部は、ブームの制限速度にてブームを制御すると共に、アーム目標速度にてアームを制御する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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