(57)【要約】  アームと、バケット軸及びバケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心にアームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御システムは、掘削対象の目標形状を示す目標施工地形とバケットの特定部位とが平行となるように、チルト軸を中心とするバケットの特定部位の角度を示すチルト角度を決定する角度決定部と、角度決定部で決定されたチルト角度に基づいて、チルト軸を中心にバケットを回転させるチルトシリンダを制御する作業機制御部と、を備える。
2018030220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームと、バケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御システムであって、
掘削対象の目標形状を示す目標施工地形と前記バケットの特定部位とが平行となるように、前記チルト軸を中心とする前記バケットの前記特定部位の角度を示すチルト角度を決定する角度決定部と、
前記角度決定部で決定された前記チルト角度に基づいて、前記チルト軸を中心に前記バケットを回転させるチルトシリンダを制御する作業機制御部と、
を備える建設機械の制御システム。
【請求項２】
前記角度決定部は、前記目標施工地形と前記バケットの前記特定部位とが平行となるように、前記バケット軸を中心とする前記バケットの前記特定部位の角度を示すバケット角度を決定し、
前記作業機制御部は、前記角度決定部で決定された前記チルト角度及び前記バケット角度に基づいて、前記チルトシリンダ及び前記バケット軸を中心に前記バケットを回転させるバケットシリンダを制御する、
請求項１に記載の建設機械の制御システム。
【請求項３】
前記バケットは、刃先と、前記刃先と接続される平坦な床面とを含み、
前記特定部位は、前記刃先及び前記床面を含む、
請求項２に記載の建設機械の制御システム。
【請求項４】
前記作業機制御部は、前記アームが作動する状態で、前記バケットの前記特定部位と前記目標施工地形との平行が維持されるように、前記チルトシリンダ及び前記バケットシリンダの少なくとも一方を制御する、
請求項２又は請求項３に記載の建設機械の制御システム。
【請求項５】
上部旋回体と、
前記上部旋回体を支持する下部走行体と、
前記アームと前記バケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の建設機械の制御システムと、
を備える建設機械。
【請求項６】
アームと、バケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御方法であって、
掘削対象の目標形状を示す目標施工地形と前記バケットの特定部位とが平行となるように、前記チルト軸を中心とする前記バケットの前記特定部位の角度を示すチルト角度を決定することと、
前記角度決定部で決定された前記チルト角度に基づいて、前記チルト軸を中心に前記バケットを回転させるチルトシリンダを制御することと、
を含む建設機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されているような、チルト式バケットを有する作業機を備える建設機械が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１８６１７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
建設機械の制御に係る技術分野において、建設機械の運転者による操作装置の操作よりも優先して作業機を制御する技術が知られている。本明細書においては、建設機械の運転者による操作装置の操作よりも優先して作業機を制御することを、介入制御、と呼ぶこととする。【０００５】
介入制御においては、掘削対象の目標形状を示す目標施工地形に対して、作業機のうちブーム、アーム、及びバケットの少なくとも一つの位置又は姿勢が制御される。介入制御が実施されることにより、目標施工地形に則った施工が実施される。【０００６】
チルト式バケットを有する建設機械においては、既存の介入制御に加えてチルト式バケットに固有の制御を実施しなければ、建設機械の作業効率が低下する。【０００７】
本発明の態様は、チルト式バケットを有する作業機を備える建設機械において、作業効率の低下を抑制できる建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に従えば、アームと、バケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御システムであって、掘削対象の目標形状を示す目標施工地形と前記バケットの特定部位とが平行となるように、前記チルト軸を中心とする前記バケットの前記特定部位の角度を示すチルト角度を決定する角度決定部と、前記角度決定部で決定された前記チルト角度に基づいて、前記チルト軸を中心に前記バケットを回転させるチルトシリンダを制御する作業機制御部と、を備える建設機械の制御システムが提供される。【０００９】
本発明の第２の態様に従えば、上部旋回体と、前記上部旋回体を支持する下部走行体と、前記アームと前記バケットとを含み、前記上部旋回体に支持される作業機と、第１の態様の建設機械の制御システムと、を備える建設機械が提供される。【００１０】
本発明の第３の態様に従えば、アームと、バケット軸及び前記バケット軸と直交するチルト軸のそれぞれを中心に前記アームに対して回転可能なバケットとを含む作業機を備える建設機械の制御方法であって、掘削対象の目標形状を示す目標施工地形と前記バケットの特定部位とが平行となるように、前記チルト軸を中心とする前記バケットの前記特定部位の角度を示すチルト角度を決定することと、前記角度決定部で決定された前記チルト角度に基づいて、前記チルト軸を中心に前記バケットを回転させるチルトシリンダを制御することと、を含む建設機械の制御方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の態様によれば、チルト式バケットを有する作業機を備える建設機械において、作業効率の低下を抑制できる建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施形態に係る建設機械の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るバケットの一例を示す側断面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るバケットの一例を示す正面図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る油圧ショベルを模式的に示す側面図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る油圧ショベルを模式的に示す背面図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る油圧ショベルを模式的に示す平面図である。
【図７】図７は、本実施形態に係るバケットを模式的に示す側面図である。
【図８】図８は、本実施形態に係るバケットを模式的に示す正面図である。
【図９】図９は、本実施形態に係る油圧システムの一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る油圧システムの一例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係る制御システムの一例を示す機能ブロック図である。
【図１２】図１２は、本実施形態に係るバケットに設定される規定点の一例を模式的に示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る目標施工データの一例を示す模式図である。
【図１４】図１４は、本実施形態に係る目標施工地形の一例を示す模式図である。
【図１５】図１５は、本実施形態に係るチルト動作平面の一例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、本実施形態に係るチルト動作平面の一例を示す模式図である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係るバケットの刃先と目標施工地形との関係を模式的に示す図である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係るチルト回転についての介入制御を説明するための模式図である。
【図１９】図１９は、本実施形態に係る動作距離と目標速度との関係の一例を示す図である。
【図２０】図２０は、本実施形態に係るバケットのチルト角度の調整方法の一例を示すフローチャートである。
【図２１】図２１は、本実施形態に係るバケットのチルト角度の調整方法の一例を説明するための模式図である。
【図２２】図２２は、本実施形態に係る作業機の動作の一例を模式的に示す図である。
【図２３】図２３は、本実施形態に係る作業機の動作の一例を模式的に示す図である。
【図２４】図２４は、本実施形態に係るバケットのチルト角度の調整方法の一例を示すフローチャートである。
【図２５】図２５は、本実施形態に係るバケットのチルト角度の調整方法の一例を説明するための模式図である。
【図２６】図２６は、本実施形態に係るバケットのチルト角度の調整方法の一例を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
【００１４】
以下の説明においては、３次元のグローバル座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）、及び３次元の車体座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を規定して、各部の位置関係について説明する。
【００１５】
グローバル座標系とは、地球に固定された原点を基準とする座標系をいう。グローバル座標系は、ＧＮＳＳ（Global  Navigation  Satellite  System）によって規定される座標系である。ＧＮＳＳとは、全地球航法衛星システムをいう。全地球航法衛星システムの一例として、ＧＰＳ（Global  Positioning  System）が挙げられる。ＧＮＳＳは、複数の測位衛星を有する。ＧＮＳＳは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される位置を検出する。
【００１６】
グローバル座標系は、水平面内のＸｇ軸と、水平面内においてＸｇ軸と直交するＹｇ軸と、Ｘｇ軸及びＹｇ軸と直交するＺｇ軸とによって規定される。Ｘｇ軸と平行な方向をＸｇ軸方向とし、Ｙｇ軸と平行な方向をＹｇ軸方向とし、Ｚｇ軸と平行な方向をＺｇ軸方向とする。また、Ｘｇ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸｇ方向とし、Ｙｇ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹｇ方向とし、Ｚｇ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺｇ方向とする。Ｚｇ軸方向は鉛直方向である。
【００１７】
車体座標系とは、建設機械に固定された原点を基準とする座標系をいう。
【００１８】
車体座標系は、建設機械の車体に固定された原点を基準として一方向に延在するＸｍ軸と、Ｘｍ軸と直交するＹｍ軸と、Ｘｍ軸及びＹｍ軸と直交するＺｍ軸とによって規定される。Ｘｍ軸と平行な方向をＸｍ軸方向とし、Ｙｍ軸と平行な方向をＹｍ軸方向とし、Ｚｍ軸と平行な方向をＺｍ軸方向とする。また、Ｘｍ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸｍ方向とし、Ｙｍ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹｍ方向とし、Ｚｍ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺｍ方向とする。Ｘｍ軸方向は建設機械の前後方向であり、Ｙｍ軸方向は建設機械の車幅方向であり、Ｚｍ軸方向は建設機械の上下方向である。
【００１９】
第１実施形態．
［建設機械］
図１は、本実施形態に係る建設機械１００の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルである例について説明する。以下の説明においては、建設機械１００を適宜、油圧ショベル１００、と称する。
【００２０】
図１に示すように、油圧ショベル１００は、油圧により作動する作業機１と、作業機１を支持する車体である上部旋回体２と、上部旋回体２を支持する走行装置である下部走行体３と、作業機１を操作するための操作装置３０と、作業機１を制御する制御装置５０とを備える。上部旋回体２は、下部走行体３に支持された状態で旋回軸ＲＸを中心に旋回可能である。
【００２１】
上部旋回体２は、オペレータが搭乗する運転室４と、エンジン及び油圧ポンプが収容される機械室５とを有する。運転室４は、オペレータが着座する運転席４Ｓを有する。機械室５は、運転室４の後方に配置される。
【００２２】
下部走行体３は、一対の履帯３Ｃを有する。履帯３Ｃの回転により、油圧ショベル１００が走行する。なお、下部走行体３がタイヤを有してもよい。
【００２３】
作業機１は、上部旋回体２に支持される。作業機１は、ブームピンを介して上部旋回体２に連結されるブーム６と、アームピンを介してブーム６に連結されるアーム７と、バケットピン及びチルトピンを介してアーム７に連結されるバケット８とを有する。バケット８は、刃先９を有する。本実施形態において、バケット８の刃先９は、バケット８に設けられたストレート形状の刃の先端部である。なお、バケット８の刃先９は、バケット８に設けられた凸形状の刃の先端部でもよい。
【００２４】
ブーム６は、回転軸であるブーム軸ＡＸ１を中心に上部旋回体２に対して回転可能である。アーム７は、回転軸であるアーム軸ＡＸ２を中心にブーム６に対して回転可能である。バケット８は、回転軸であるバケット軸ＡＸ３及びバケット軸ＡＸ３と直交する回転軸であるチルト軸ＡＸ４のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能である。回転軸ＡＸ１と回転軸ＡＸ２と回転軸ＡＸ３とは平行である。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３と旋回軸ＲＸと平行な軸とは直交する。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３は、車体座標系のＹｍ軸と平行である。旋回軸ＲＸは、車体座標系のＺｍ軸と平行である。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３と平行な方向は、上部旋回体２の車幅方向を示す。旋回軸ＲＸと平行な方向は、上部旋回体２の上下方向を示す。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３及び旋回軸ＲＸの両方と直交する方向は、上部旋回体２の前後方向を示す。運転席４Ｓに着座したオペレータを基準として作業機１が存在する方向が前方である。
【００２５】
作業機１は、油圧シリンダ１０が発生する動力により作動する。油圧シリンダ１０は、ブーム６を作動させるブームシリンダ１１と、アーム７を作動させるアームシリンダ１２と、バケット８を作動させるバケットシリンダ１３及びチルトシリンダ１４とを含む。ブームシリンダ１１は、ブーム軸ＡＸ１を中心にブーム６を回転させる動力を発生可能である。アームシリンダ１２は、アーム軸ＡＸ２を中心にアーム７を回転させる動力を発生可能である。バケットシリンダ１３は、バケット軸ＡＸ３を中心にバケット８を回転させる動力を発生可能である。チルトシリンダ１４は、チルト軸ＡＸ４を中心にバケット８を回転させる動力を発生可能である。
【００２６】
以下の説明においては、バケット軸ＡＸ３を中心とするバケット８の回転を適宜、バケット回転、と称し、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の回転を適宜、チルト回転、と称する。
【００２７】
また、作業機１は、ブームシリンダ１１の駆動量を示すブームストロークを検出するブームストロークセンサ１６と、アームシリンダ１２の駆動量を示すアームストロークを検出するアームストロークセンサ１７と、バケットシリンダ１３の駆動量を示すバケットストロークを検出するバケットストロークセンサ１８と、チルトシリンダ１４の駆動量を示すチルトストロークを検出するチルトストロークセンサ１９とを有する。ブームストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１１に配置される。アームストロークセンサ１７は、アームシリンダ１２に配置される。バケットストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１３に配置される。チルトストロークセンサ１９は、チルトシリンダ１４に配置される。
【００２８】
操作装置３０は、運転室４に配置される。操作装置３０は、油圧ショベル１００のオペレータに操作される操作部材を含む。オペレータは、操作装置３０を操作して、作業機１を作動させる。本実施形態において、操作装置３０は、右作業機操作レバー３０Ｒと、左作業機操作レバー３０Ｌと、チルト操作レバー３０Ｔと、操作ペダル３０Ｆとを含む。
【００２９】
中立位置にある右作業機操作レバー３０Ｒが前方に操作されると、ブーム６が下げ動作し、後方に操作されると、ブーム６が上げ動作する。中立位置にある右作業機操作レバー３０Ｒが右方に操作されると、バケット８がダンプし、左方に操作されると、バケット８が掘削する。
【００３０】
中立位置にある左作業機操作レバー３０Ｌ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。中立位置にある左作業機操作レバー３０Ｌが右方に操作されると、上部旋回体２が右旋回し、左方に操作されると、上部旋回体２が左旋回する。
【００３１】
なお、右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌの操作方向と、作業機１の動作方向及び上部旋回体２の旋回方向との関係は、上述の関係でなくてもよい。
【００３２】
制御装置５０は、コンピュータシステムを含む。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）のようなプロセッサと、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random  Access  Memory）のような揮発性メモリを含む記憶装置と、入出力インターフェース装置とを有する。
【００３３】
［バケット］
次に、本実施形態に係るバケット８について説明する。図２は、本実施形態に係るバケット８の一例を示す側断面図である。図３は、本実施形態に係るバケット８の一例を示す正面図である。本実施形態において、バケット８は、チルト式バケットである。
【００３４】
図２及び図３に示すように、作業機１は、バケット軸ＡＸ３及びバケット軸ＡＸ３と直交するチルト軸ＡＸ４のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能なバケット８を有する。バケット８は、バケットピン８Ｂを介してアーム７に回転可能に連結される。また、バケット８は、チルトピン８Ｔを介してアーム７に回転可能に支持される。
【００３５】
バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７の先端部に接続される。バケットピン８Ｂは、アーム７と接続部材９０とを連結する。チルトピン８Ｔは、接続部材９０とバケット８とを連結する。バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７に回転可能に接続される。
【００３６】
バケット８は、底板８１と、背板８２と、上板８３と、側板８４と、側板８５とを含む。バケット８の開口部８６は、底板８１と上板８３と側板８４と側板８５とによって規定される。刃先９は、底板８１に設けられる。底板８１は、刃先９と接続される平坦な床面８９を有する。床面８９は、底板８１の底面である。床面８９は、実質的に平面である。
【００３７】
バケット８は、上板８３の上部に設けられたブラケット８７を有する。ブラケット８７は、上板８３の前後位置に設置される。ブラケット８７は、接続部材９０及びチルトピン８Ｔと連結される。
【００３８】
接続部材９０は、プレート部材９１と、プレート部材９１の上面に設けられたブラケット９２と、プレート部材９１の下面に設けられたブラケット９３とを有する。ブラケット９２は、アーム７及び第２リンクピン９５Ｐと連結される。ブラケット９３はブラケット８７の上部に設置され、チルトピン８Ｔ及びブラケット８７と連結される。
【００３９】
バケットピン８Ｂは、接続部材９０のブラケット９２とアーム７の先端部とを連結する。チルトピン８Ｔは、接続部材９０のブラケット９３とバケット８のブラケット８７とを連結する。接続部材９０及びバケット８は、アーム７に対してバケット軸ＡＸ３を中心に回転可能である。バケット８は、接続部材９０に対してチルト軸ＡＸ４を中心に回転可能である。
【００４０】
作業機１は、第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に回転可能に接続される第１リンク部材９４と、第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に回転可能に接続される第２リンク部材９５とを有する。第１リンク部材９４の基端部が第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に接続される。第２リンク部材９５の基端部が第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に接続される。第１リンク部材９４の先端部と第２リンク部材９５の先端部とが、バケットシリンダトップピン９６を介して連結される。
【００４１】
バケットシリンダ１３の先端部は、バケットシリンダトップピン９６を介して、第１リンク部材９４の先端部及び第２リンク部材９５の先端部と回転可能に接続される。バケットシリンダ１３が伸縮するように作動すると、接続部材９０はバケット８と一緒にバケット軸ＡＸ３を中心に回転する。
【００４２】
チルトシリンダ１４は、接続部材９０に設けられたブラケット９７及びバケット８に設けられたブラケット８８のそれぞれに接続される。チルトシリンダ１４のロッドがピンを介してブラケット９７に接続される。チルトシリンダ１４の本体部がピンを介してブラケット８８に接続される。チルトシリンダ１４が伸縮するように作動すると、バケット８はチルト軸ＡＸ４を中心に回転する。なお、本実施形態に係るチルトシリンダ１４の接続構造は一例でありこれに限定されない。
【００４３】
このように、バケット８は、バケットシリンダ１３の作動により、バケット軸ＡＸ３を中心に回転する。バケット８は、チルトシリンダ１４の作動により、チルト軸ＡＸ４を中心に回転する。バケット８がバケット軸ＡＸ３を中心に回転すると、チルトピン８Ｔはバケット８と一緒に回転する。
【００４４】
［検出システム］
次に、本実施形態に係る油圧ショベル１００の検出システム４００について説明する。図４は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す側面図である。図５は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す背面図である。図６は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す平面図である。図７は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す側面図である。図８は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す正面図である。
【００４５】
図４、図５、及び図６に示すように、検出システム４００は、上部旋回体２の位置を算出する位置演算装置２０と、作業機１の角度を算出する作業機角度演算装置２４とを有する。
【００４６】
位置演算装置２０は、上部旋回体２の位置を検出する車体位置演算器２１と、上部旋回体２の姿勢を検出する姿勢演算器２２と、上部旋回体２の方位を検出する方位演算器２３とを含む。
【００４７】
車体位置演算器２１は、ＧＰＳ受信機を含む。車体位置演算器２１は、上部旋回体２に設けられる。車体位置演算器２１は、グローバル座標系で規定される上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを検出する。上部旋回体２の絶対位置Ｐｇは、Ｘｇ軸方向の座標データ、Ｙｇ軸方向の座標データ、及びＺｇ軸方向の座標データを含む。
【００４８】
上部旋回体２に複数のＧＰＳアンテナ２１Ａが設けられる。ＧＰＳアンテナ２１Ａは、ＧＰＳ衛星から電波を受信して、受信した電波に基づいて生成した信号を車体位置演算器２１に出力する。車体位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナ２１Ａから供給された信号に基づいて、グローバル座標系で規定されるＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒを検出する。車体位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒに基づいて、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを検出する。
【００４９】
ＧＰＳアンテナ２１Ａは、車幅方向に２つ設けられる。車体位置演算器２１は、一方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒａ及び他方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒｂのそれぞれを検出する。車体位置演算器２１Ａは、位置Ｐｒａ及び位置Ｐｒｂの少なくとも一方に基づいて演算処理を実施して、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを算出する。本実施形態において、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇは、位置Ｐｒａである。なお、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇは、位置Ｐｒｂでもよいし、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとの間の位置でもよい。
【００５０】
姿勢演算器２２は、慣性計測装置（Inertial  Measurement  Unit：ＩＭＵ）を含む。姿勢演算器２２は、上部旋回体２に設けられる。姿勢演算器２２は、グローバル座標系で規定される水平面（ＸｇＹｇ平面）に対する上部旋回体２の傾斜角度を算出する。水平面に対する上部旋回体２の傾斜角度は、車幅方向における上部旋回体２の傾斜角度を示すロール角度θ１と、前後方向における上部旋回体２の傾斜角度を示すピッチ角度θ２とを含む。
【００５１】
方位演算器２３は、一方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒａと他方のＧＰＳアンテナ２１Ａが設置されている位置Ｐｒｂとに基づいて、グローバル座標系で規定される基準方位に対する上部旋回体２の方位を算出する。基準方位は、例えば北である。方位演算器２３は、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとに基づいて演算処理を実施して、基準方位に対する上部旋回体２の方位を算出する。方位演算器２３は、位置Ｐｒａと位置Ｐｒｂとを結ぶ直線を算出し、算出した直線と基準方位とがなす角度に基づいて、基準方位に対する上部旋回体２の方位を算出する。基準方位に対する上部旋回体２の方位は、基準方位と上部旋回体２の方位とがなす角度を示すヨー角度θ３を含む。
【００５２】
図４、図７、及び図８に示すように、作業機角度演算装置２４は、ブームストロークセンサ１６で検出されたブームストロークに基づいて、車体座標系のＺｍ軸に対するブーム６の傾斜角度を示すブーム角度αを算出する。作業機角度演算装置２４は、アームストロークセンサ１７で検出されたアームストロークに基づいて、ブーム６に対するアーム７の傾斜角度を示すアーム角度βを算出する。作業機角度演算装置２４は、バケットストロークセンサ１８で検出されたバケットストロークに基づいて、アーム７に対するバケット８の刃先９の傾斜角度を示すバケット角度γを算出する。作業機角度演算装置２４は、チルトストロークセンサ１９で検出されたチルトストロークに基づいて、車体座標系のＸｍＹｍ平面に対するバケット８の傾斜角度を示すチルト角度δを算出する。作業機角度演算装置２４は、ブームストロークセンサ１６で検出されたブームストローク、アームストロークセンサ１７で検出されたアームストローク、及びバケットストロークセンサ１８で検出されたチルトストロークに基づいて、車体座標系のＸｍＹｍ平面に対するチルト軸ＡＸ４の傾斜角度を示すチルト軸角度εを算出する。
【００５３】
なお、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εは、ストロークセンサを用いずに、例えば、作業機１０に設けられた角度センサにより検出されてもよい。また、ステレオカメラ又はレーザスキャナで作業機１０の角度が光学的に検出され、その検出結果を使って、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εが算出されてもよい。
【００５４】
［油圧システム］
次に、本実施形態に係る油圧ショベル１００の油圧システム３００の一例について説明する。図９及び図１０は、本実施形態に係る油圧システム３００の一例を示す模式図である。ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３、及びチルトシリンダ１４を含む油圧シリンダ１０は、油圧システム３００により駆動する。油圧システム３００は、油圧シリンダ１０に作動油を供給して、油圧シリンダ１０を駆動する。油圧システム３００は、流量制御弁２５を有する。流量制御弁２５は、油圧シリンダ１０に対する作動油の供給量及び作動油が流れる方向を制御する。油圧シリンダ１０は、キャップ側油室１０Ａ及びロッド側油室１０Ｂを有する。キャップ側油室１０Ａは、シリンダヘッドカバーとピストンとの間の空間である。ロッド側油室１０Ｂは、ピストンロッドが配置される空間である。油路３５Ａを介してキャップ側油室１０Ａに作動油が供給されることにより、油圧シリンダ１０が伸びる。油路３５Ｂを介してロッド側油室１０Ｂに作動油が供給されることにより、油圧シリンダ１０が縮む。
【００５５】
図９は、アームシリンダ１２を作動する油圧システム３００の一例を示す模式図である。油圧システム３００は、作動油を供給する可変容量型のメイン油圧ポンプ３１と、パイロット油を供給するパイロット圧ポンプ３２と、パイロット油が流れる油路３３Ａ，３３Ｂと、油路３３Ａ，３３Ｂに配置された圧力センサ３４Ａ，３４Ｂと、流量制御弁２５に作用するパイロット圧を調整する制御弁３７Ａ，３７Ｂと、流量制御弁２５に対するパイロット圧を調整する右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌを含む操作装置３０と、制御装置５０とを備える。操作装置３０の右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌは、パイロット油圧方式の操作装置である。
【００５６】
メイン油圧ポンプ３１から供給された作動油は、流量制御弁２５を介して、アームシリンダ１２に供給される。流量制御弁２５は、ロッド状のスプールを軸方向に移動して作動油が流れる方向を切り替えるスライドスプール方式の流量制御弁である。スプールが軸方向に移動することにより、アームシリンダ１２のキャップ側油室１０Ａに対する作動油の供給と、ロッド側油室１０Ｂに対する作動油の供給とが切り替わる。また、スプールが軸方向に移動することにより、アームシリンダ１２に対する単位時間当たりの作動油の供給量が調整される。アームシリンダ１２に対する作動油の供給量が調整されることにより、シリンダ速度が調整される。
【００５７】
流量制御弁２５は、操作装置３０によって操作される。パイロット圧ポンプ３２から送出されたパイロット油が操作装置３０に供給される。なお、メイン油圧ポンプ３１から送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が操作装置３０に供給されてもよい。操作装置３０は、パイロット圧調整弁を含む。操作装置３０の操作量に基づいて制御弁３７Ａ，３７Ｂが作動され、流量制御弁２５のスプールに作用するパイロット圧が調整される。パイロット圧によって、流量制御弁２５が駆動される。操作装置３０によりパイロット圧が調整されることによって、軸方向におけるスプールの移動量、移動速度、及び移動方向が調整される。
【００５８】
流量制御弁２５は、第１受圧室及び第２受圧室を有する。左作業機操作レバー３０Ｌが中立位置より一方側に傾動するように操作され、油路３３Ａのパイロット圧によってスプールが移動すると、メイン油圧ポンプ３１からの作動油が第１受圧室に供給され、油路３５Ａを介してキャップ側油室１０Ａに作動油が供給される。左作業機操作レバー３０Ｌが中立位置より他方側に傾動するように操作され、油路３３Ｂのパイロット圧によってスプールが移動すると、メイン油圧ポンプ３１からの作動油が第２受圧室に供給され、油路３５Ｂを介してロッド側油室１０Ｂに作動油が供給される。
【００５９】
圧力センサ３４Ａは、油路３３Ａのパイロット圧を検出する。圧力センサ３４Ｂは、油路３３Ｂのパイロット圧を検出する。圧力センサ３３Ａ，３３Ｂの検出信号は、制御装置５０に出力される。介入制御を実施するとき、制御装置５０は、制御弁３７Ａ，３７Ｂに制御信号を出力して、パイロット圧を調整する。
【００６０】
ブームシリンダ１１及びバケットシリンダ１３を作動する油圧システム３００は、アームシリンダ１２を作動する油圧システム３００と同様の構成である。ブームシリンダ１１及びバケットシリンダ１３を作動する油圧システム３００についての詳細な説明は省略する。なお、ブーム６について介入制御を実施するために、ブームシリンダ１１に接続される油路３３Ａに、ブーム６の上げ動作に介入する介入用制御弁が接続されてもよい。
【００６１】
なお、操作装置３０の右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌは、パイロット油圧方式でなくてもよい。右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌは、右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌの操作量（傾動角）に基づいて電気信号を制御装置５０に出力して、制御装置５０の制御信号に基づいて流量制御弁２５を直接的に制御する電子レバー方式でもよい。
【００６２】
図１０は、チルトシリンダ１４を作動する油圧システム３００の一例を模式的に示す図である。油圧システム３００は、チルトシリンダ１４に対する作動油の供給量を調整する流量制御弁２５と、流量制御弁２５に作用するパイロット圧を調整する制御弁３７Ａ，３７Ｂと、パイロット圧ポンプ３２と操作ペダル３０Ｆとの間に配置される制御弁３９と、操作装置３０のチルト操作レバー３０Ｔ及び操作ペダル３０Ｆと、制御装置５０とを備える。本実施形態において、操作装置３０の操作ペダル３０Ｆは、パイロット油圧方式の操作装置である。操作装置３０のチルト操作レバー３０Ｔは、電子レバー方式の操作装置である。チルト操作レバー３０Ｔは、右作業機操作レバー３０Ｒ及び左作業機操作レバー３０Ｌに設けられた操作ボタンを含む。
【００６３】
操作装置３０の操作ペダル３０Ｆは、パイロット圧ポンプ３２に接続される。また、操作ペダル３０Ｆは、制御弁３７Ａから送出されるパイロット油が流れる油路３８Ａにシャトル弁３６Ａを介して接続される。また、操作ペダル３０Ｆは、制御弁３７Ｂから送出されるパイロット油が流れる油路３８Ｂにシャトル弁３６Ｂを介して接続される。操作ペダル３０Ｆが操作されることにより、操作ペダル３０Ｆとシャトル弁３６Ａとの間の油路３３Ａの圧力、及び操作ペダル３０Ｆとシャトル弁３６Ｂとの間の油路３３Ｂの圧力が調整される。
【００６４】
チルト操作レバー３０Ｔが操作されることにより、チルト操作レバー３０Ｔの操作により生成された操作信号が制御装置５０に出力される。制御装置５０は、チルト操作レバー３０Ｔから出力された操作信号に基づいて制御信号を生成し、制御弁３７Ａ，３７Ｂを制御する。制御弁３７Ａ，３７Ｂは、電磁比例制御弁である。制御弁３７Ａは、制御信号に基づいて、油路３８Ａを開閉する。制御弁３７Ｂは、制御信号に基づいて、油路３８Ｂを開閉する。
【００６５】
バケット８のチルト回転について介入制御を実施しないとき、操作装置３０の操作量に基づいて、パイロット圧が調整される。バケット８のチルト回転について介入制御を実施するとき、制御装置５０は、制御弁３７Ａ，３７Ｂに制御信号を出力して、パイロット圧を調整する。
【００６６】
［制御システム］
次に、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御システム２００について説明する。図１１は、本実施形態に係る制御システム２００の一例を示す機能ブロック図である。
【００６７】
図１１に示すように、制御システム２００は、作業機１を制御する制御装置５０と、位置演算装置２０と、作業機角度演算装置２４と、制御弁３７（３７Ａ，３７Ｂ）と、目標施工データ生成装置７０とを備える。
【００６８】
位置演算装置２０は、車体位置演算器２１と、姿勢演算器２２と、方位演算器２３とを有する。位置演算装置２０は、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇ、ロール角度θ１及びピッチ角度θ２を含む上部旋回体２の姿勢、及びヨー角度θ３を含む上部旋回体２の方位を検出する。
【００６９】
作業機角度演算装置２４は、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εを含む作業機１の角度を検出する。
【００７０】
制御弁３７（３７Ａ，３７Ｂ）は、チルトシリンダ１４に対する作動油の供給量を調整する。制御弁３７は、制御装置５０からの制御信号に基づいて作動する。
【００７１】
目標施工データ生成装置７０は、コンピュータシステムを含む。目標施工データ生成装置７０は、施工エリアの目標形状である目標地形を示す目標施工データを生成する。目標施工データは、作業機１による施工後に得られる３次元の目標形状を示す。
【００７２】
目標施工データ生成装置７０は、油圧ショベル１００の遠隔地に設けられる。目標施工データ生成装置７０は、例えば施工管理会社の設備に設置される。なお、目標施工データ生成装置７０は、油圧ショベル１００の製造会社又はレンタル会社に保有されてもよい。目標施工データ生成装置７０と制御装置５０とは無線通信可能である。目標施工データ生成装置７０で生成された目標施工データは、無線で制御装置５０に送信される。
【００７３】
なお、目標施工データ生成装置７０と制御装置５０とが有線で接続され、目標施工データ生成装置７０から制御装置５０に目標施工データが送信されてもよい。なお、目標施工データ生成装置７０が目標施工データを記憶した記録媒体を含み、制御装置５０が、記録媒体から目標施工データを読み込み可能な装置を有してもよい。
【００７４】
なお、目標施工データ生成装置７０は、油圧ショベル１００に設けられてもよい。施工を管理する外部の管理装置から目標施工データが有線又は無線で油圧ショベル１００の目標施工データ生成装置７０に供給され、目標施工データ生成装置７０が供給された目標施工データを記憶してもよい。
【００７５】
制御装置５０は、車体位置データ取得部５１と、作業機角度データ取得部５２と、規定点位置データ算出部５３と、目標施工地形生成部５４と、チルトデータ算出部５５と、チルト目標地形算出部５６と、角度決定部５７と、作業機制御部５８と、目標速度決定部５９と、記憶部６０と、入出力部６１とを有する。
【００７６】
車体位置データ取得部５１、作業機角度データ取得部５２、規定点位置データ算出部５３、目標施工地形生成部５４、チルトデータ算出部５５、チルト目標地形算出部５６、角度決定部５７、作業機制御部５８、及び目標速度決定部５９のそれぞれの機能は、制御装置５０のプロセッサによって発揮される。記憶部６０の機能は、制御装置５０の記憶装置によって果たされる。入出力部６１の機能は、制御装置５０の入出力インターフェース装置によって果たされる。入出力部６１は、位置演算装置２０、作業機角度演算装置２４、制御弁３７、及び目標施工データ生成装置７０と接続され、車体位置データ取得部５１、作業機角度データ取得部５２、規定点位置データ算出部５３、目標施工地形生成部５４、チルトデータ算出部５５、チルト目標地形算出部５６、角度決定部５７、作業機制御部５８、目標速度決定部５９、及び記憶部６０との間でデータ通信する。
【００７７】
記憶部６０は、作業機データを含む油圧ショベル１００の諸元データを記憶する。
【００７８】
車体位置データ取得部５１は、位置演算装置２０から入出力部６１を介して車体位置データを取得する。車体位置データは、グローバル座標系で規定される上部旋回体２の絶対位置Ｐｇ、ロール角度θ１及びピッチ角度θ２を含む上部旋回体２の姿勢、及びヨー角度θ３を含む上部旋回体２の方位を含む。
【００７９】
作業機角度データ取得部５２は、作業機角度演算装置２４から入出力部６１を介して作業機角度データを取得する。作業機角度データは、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εを含む作業機１の角度を検出する。
【００８０】
規定点位置データ算出部５３は、車体位置データ取得部５１で取得された車体位置データと、作業機角度データ取得部５２で取得された作業機角度データと、記憶部６０に記憶されている作業機データとに基づいて、バケット８に設定される規定点ＲＰの位置データを算出する。
【００８１】
図４及び図７に示すように、作業機データは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット幅Ｌ５を含む。ブーム長さＬ１は、ブーム軸ＡＸ１とアーム軸ＡＸ２との距離である。アーム長さＬ２は、アーム軸ＡＸ２とバケット軸ＡＸ３との距離である。バケット長さＬ３は、バケット軸ＡＸ３とバケット８の刃先９との距離である。チルト長さＬ４は、バケット軸ＡＸ３とチルト軸ＡＸ４との距離である。バケット幅Ｌ５は、側板８４と側板８５との距離である。
【００８２】
図１２は、本実施形態に係るバケット８に設定される規定点ＲＰの一例を模式的に示す図である。図１２に示すように、バケット８には、チルトバケット制御に使用される規定点ＲＰが複数設定される。規定点ＲＰは、バケット８の刃先９及び床面８９を含むバケット８の外面に設定される。規定点ＲＰは、刃先９においてバケット幅方向に複数設定される。また、規定点ＲＰは、床面８９を含むバケット８の外面において複数設定される。
【００８３】
また、作業機データは、バケット８の形状及び寸法を示すバケット外形データを含む。バケット外形データは、バケット幅Ｌ５を示すバケット８の幅データを含む。また、バケット外形データは、バケット８の外面の輪郭データを含むバケット８の外面データを含む。また、バケット外形データは、バケット８の刃先９を基準としたバケット８の複数の規定点ＲＰの座標データを含む。
【００８４】
規定点位置データ算出部５３は、規定点ＲＰの位置データを算出する。規定点位置データ算出部５３は、車体座標系における上部旋回体２の基準位置Ｐ０に対する複数の規定点ＲＰそれぞれの相対位置を算出する。また、規定点位置データ算出部５３は、グローバル座標系における複数の規定点ＲＰそれぞれの絶対位置を算出する。
【００８５】
規定点位置データ算出部５３は、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット外形データを含む作業機データと、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、チルト角度δ、及びチルト軸角度εを含む作業機角度データに基づいて、車体座標系における上部旋回体２の基準位置Ｐ０に対するバケット８の複数の規定点ＲＰそれぞれの相対位置を算出することができる。図４に示すように、上部旋回体２の基準位置Ｐ０は、上部旋回体２の旋回軸ＲＸに設定される。なお、上部旋回体２の基準位置Ｐ０は、ブーム軸ＡＸ１に設定されてもよい。
【００８６】
また、規定点位置データ算出部５３は、位置演算装置２０で検出された上部旋回体２の絶対位置Ｐｇと、上部旋回体２の基準位置Ｐ０とバケット８との相対位置とに基づいて、グローバル座標系におけるバケット８の絶対位置Ｐａを算出可能である。絶対位置Ｐｇと基準位置Ｐ０との相対位置は、油圧ショベル１００の諸元データから導出される既知データである。規定点位置データ算出部５３は、上部旋回体２の絶対位置Ｐｇを含む車体位置データと、上部旋回体２の基準位置Ｐ０とバケット８との相対位置と、作業機データと、作業機角度データとに基づいて、グローバル座標系におけるバケット８の複数の規定点ＲＰそれぞれの絶対位置を算出することができる。
【００８７】
目標施工地形生成部５４は、目標施工データ生成装置７０から供給され記憶部６０に記憶された目標施工データに基づいて、掘削対象の目標形状を示す目標施工地形ＣＳを生成する。目標施工データ生成装置７０は、目標施工データとして、３次元目標地形データを目標施工地形生成部５４に供給してもよいし、目標形状の一部を示す複数のラインデータ又は複数のポイントデータを目標施工地形生成部５４に供給してもよい。本実施形態においては、目標施工データ生成装置７０は、目標施工データとして、目標形状の一部を示すラインデータを目標施工地形生成部５４に供給することとする。
【００８８】
図１３は、本実施形態に係る目標施工データＣＤの一例を示す模式図である。図１３に示すように、目標施工データＣＤは、施工エリアの目標地形を示す。目標地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の目標施工地形ＣＳを含む。複数の目標施工地形ＣＳのそれぞれは、作業機１による掘削対象の目標形状を示す。目標施工データＣＤにおいて、目標施工地形ＣＳのうちバケット８との垂直距離が最も近い点ＡＰが規定される。また、目標施工データＣＤにおいて、点ＡＰ及びバケット８を通りバケット軸ＡＸ３と直交する作業機動作平面ＷＰが規定される。作業機動作平面ＷＰは、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、及びバケットシリンダ１３の少なくとも一つの作動によりバケット８の刃先９が移動する動作平面であり、ＸＺ平面と平行である。規定点位置データ算出部５３は、目標施工地形ＣＳ及びバケット８の外形データに基づいて、目標施工地形ＣＳの点ＡＰに対して垂直距離が最も近くに規定される規定点ＲＰの位置データを算出する。規定点ＲＰを求めるとき、少なくともバケット８の幅に関係するデータが使用されればよい。また、規定点ＲＰはオペレータより指定されてもよい。
【００８９】
目標施工地形生成部５４は、作業機動作平面ＷＰと目標施工地形ＣＳとの交線であるラインＬＸを取得する。また、目標施工地形生成部５４は、点ＡＰを通り目標施工地形ＣＳにおいてラインＬＸと直交するラインＬＹを取得する。ラインＬＹは、横動作平面ＶＰと目標施工地形ＣＳとの交線を示す。横動作平面ＶＰとは、作業機動作平面ＷＰと直交し、点ＡＰを通過する平面である。
【００９０】
図１４は、本実施形態に係る目標施工地形ＣＳの一例を示す模式図である。目標施工地形生成部５４は、ラインＬＸ及びラインＬＹを取得して、ラインＬＸ及びラインＬＹに基づいて、掘削対象の目標形状を示す目標施工地形ＣＳを生成する。目標施工地形ＣＳをバケット８で掘削する場合、制御装置５０は、バケット８を通る作業機動作平面ＷＰと目標施工地形ＣＳとの交線であるラインＬＸに沿ってバケット８を移動させる。
【００９１】
チルトデータ算出部５５は、チルトデータとして、バケット８の規定点ＲＰを通りチルト軸ＡＸ４と直交するチルト動作平面ＴＰを算出する。
【００９２】
図１５及び図１６は、本実施形態に係るチルト動作平面ＴＰの一例を示す模式図である。図１５は、チルト軸ＡＸ４が目標施工地形ＣＳと平行であるときのチルト動作平面ＴＰを示す。図１６は、チルト軸ＡＸ４が目標施工地形ＣＳと非平行であるときのチルト動作平面ＴＰを示す。
【００９３】
図１５及び図１６に示すように、チルト動作平面ＴＰとは、バケット８に規定されている複数の規定点ＲＰから選択された規定点ＲＰｒを通りチルト軸ＡＸ４と直交する動作平面をいう。規定点ＲＰｒとして、複数の規定点ＲＰのうち、目標施工地形ＣＳとの距離が最も近い規定点ＲＰが選択される。
【００９４】
図１５及び図１６は、一例として、刃先９に設定された規定点ＲＰｒを通るチルト動作平面ＴＰを示す。チルト動作平面ＴＰは、チルトシリンダ１４の作動によりバケット８の規定点ＲＰｒ（刃先９）が移動する動作平面である。ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、及びバケットシリンダ１３の少なくとも一つが作動し、チルト軸ＡＸ４の向きを示すチルト軸角度εが変化すると、チルト動作平面ＴＰの傾きも変化する。
【００９５】
上述のように、作業機角度演算装置２４は、ＸＹ平面に対するチルト軸ＡＸ４の傾斜角度を示すチルト軸角度εを算出可能である。チルト軸角度εは、作業機角度データ取得部５２に取得される。また、規定点ＲＰｒの位置データは、規定点位置データ算出部５３によって算出される。チルトデータ算出部５５は、作業機角度データ取得部５２で取得されたチルト軸ＡＸ４のチルト軸角度εと、規定点位置データ算出部５３によって算出された規定点ＲＰｒの位置とに基づいて、チルト動作平面ＴＰを算出することができる。
【００９６】
チルト目標地形算出部５６は、複数の規定点ＲＰから選択された規定点ＲＰｒの位置データと目標施工地形ＣＳとチルトデータとに基づいて、目標施工地形ＣＳにおいてバケット８の側方方向に延在するチルト目標地形ＳＴを算出する。チルト目標地形算出部５６は、目標施工地形ＣＳとチルト動作平面ＴＰとの交差部により規定されるチルト目標地形ＳＴを算出する。図１５及び図１６に示すように、チルト目標地形ＳＴは、目標施工地形ＣＳとチルト動作平面ＴＰとの交線によって表される。チルト軸ＡＸ４の向きであるチルト軸角度εが変化すると、チルト目標地形ＳＴの位置が変化する。
【００９７】
角度決定部５７は、目標施工地形ＣＳとバケット８の特定部位とが平行となるように、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の特定部位の角度を示すチルト角度δを決定する。本実施形態において、バケット８の特定部位は、バケット８の刃先９である。
【００９８】
図１７は、本実施形態に係るバケット８の刃先９と目標施工地形ＣＳとの関係を模式的に示す図である。図１７（Ａ）は、バケット８を−Ｘｍ側から見た図である。図１７（Ｂ）は、バケット８を＋Ｙｍ側から見た図である。図１７に示すように、角度決定部５７は、目標施工地形ＣＳとバケット８の刃先９とが平行となるように、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の刃先９の角度を示すチルト角度δｒを決定する。すなわち、角度決定部５７は、バケット８の刃先９を目標施工地形ＣＳと平行にするための、チルト回転方向におけるバケット８の刃先９のチルト回転角度δｒを決定する。
【００９９】
本実施形態においては、角度決定部５７は、チルト目標地形ＳＴとバケット８の刃先９とが平行となるように、バケット８の刃先のチルト角度δｒを決定する。
【０１００】
作業機制御部５８は、油圧シリンダ１０を制御するための制御信号を出力する。作業機制御部５８は、角度決定部５７で決定されたチルト角度δｒに基づいて、目標施工地形ＣＳとバケット８の刃先９とが平行となるように、チルトシリンダ１４を制御する。
【０１０１】
また、作業機制御部５８は、バケット８の規定点ＲＰｒとチルト目標地形ＳＴとの距離を示す動作距離Ｄａに基づいて、バケット８が目標施工地形ＣＳを超えないように、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８のチルト回転を停止させる。すなわち、作業機制御部５８は、チルト回転するバケット８がチルト目標地形ＳＴを超えないように、チルト目標地形ＳＴでバケット８を停止させる。
【０１０２】
図１５に示すように、チルト軸ＡＸ４が目標施工地形ＣＳと平行であるとき、チルト目標地形ＳＴとラインＬＹとはほぼ一致する。したがって、チルト目標地形ＳＴを基準としたチルト回転についての介入制御とラインＬＹを基準としたチルト回転についての介入制御とは、実質的に同一である。
【０１０３】
作業機制御部５８は、バケット８に設定された複数の規定点ＲＰのうち動作距離Ｄａが最も短い規定点ＲＰｒに基づいて、チルト回転についての介入制御を実施する。すなわち、作業機制御部５８は、バケット８に設定された複数の規定点ＲＰのうちチルト目標地形ＳＴに最も近い規定点ＲＰｒがチルト目標地形ＳＴを超えないように、チルト目標地形ＳＴに最も近い規定点ＲＰｒとチルト目標地形ＳＴとの動作距離Ｄａに基づいて、チルト回転についての介入制御を実施する。
【０１０４】
目標速度決定部５９は、動作距離Ｄａに基づいて、バケット８のチルト回転速度についての目標速度Ｕを決定する。目標速度決定部５９は、動作距離Ｄａが閾値であるライン距離Ｈ以下のときに、チルト回転速度を制限する。
【０１０５】
図１８は、本実施形態に係るチルト回転についての介入制御を説明するための模式図である。図１８に示すように、目標施工地形ＣＳが規定されるとともに、速度制限介入ラインＩＬが規定される。速度制限介入ラインＩＬは、チルト軸ＡＸ４と平行であり、チルト目標地形ＳＴからライン距離Ｈだけ離れた位置に規定される。ライン距離Ｈは、オペレータの操作感が損なわれないように設定されることが望ましい。作業機制御部５８は、チルト回転するバケット８の少なくとも一部が速度制限介入ラインＩＬを超え、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下になったとき、バケット８のチルト回転速度を制限する。目標速度決定部５９は、速度制限介入ラインＩＬを超えたバケット８のチルト回転速度についての目標速度Ｕを決定する。図１８に示す例では、バケット８の一部が速度制限介入ラインＩＬを超え、動作距離Ｄａがライン距離Ｈよりも小さいため、チルト回転速度が制限される。
【０１０６】
目標速度決定部５９は、チルト動作平面ＴＰと平行な方向における規定点ＲＰｒとチルト目標地形ＳＴとの動作距離Ｄａを取得する。また、目標速度決定部５９は、動作距離Ｄａに応じた目標速度Ｕを取得する。作業機制御部５８は、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下であると判定された場合、チルト回転速度を制限する。
【０１０７】
図１９は、本実施形態に係る動作距離Ｄａと目標速度Ｕとの関係の一例を示す図である。図１９は、バケット８のチルト回転を動作距離Ｄａに基づいて停止させるための動作距離Ｄａと目標速度Ｕとの関係の一例を示す。図１９に示すように、目標速度Ｕは、動作距離Ｄａに応じて画一的に決められている速度である。目標速度Ｕは、動作距離Ｄａがライン距離Ｈよりも大きいときには設定されず、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下のときに設定される。動作距離Ｄａが小さくなるほど、目標速度Ｕは小さくなり、動作距離Ｄａが零になると、目標速度Ｕも零になる。なお、図１９では、目標施工地形ＣＳに近付く方向を負の方向として表している。
【０１０８】
目標速度決定部５９は、操作装置３０のチルト操作レバー３０Ｔの操作量に基づいて、規定点ＲＰが目標施工地形ＣＳ（チルト目標地形ＳＴ）に向かって移動するときの移動速度Ｖｒを算出する。移動速度Ｖｒは、チルト動作平面ＴＰと平行な面内における規定点ＲＰｒの移動速度である。移動速度Ｖｒは、複数の規定点ＲＰのそれぞれについて算出される。
【０１０９】
本実施形態においては、チルト操作レバー３０Ｔが操作された場合、チルト操作レバー３０Ｔから出力された電流値に基づいて、移動速度Ｖｒが算出される。チルト操作レバー３０Ｔが操作されると、チルト操作レバー３０Ｔの操作量に応じた電流がチルト操作レバー３０Ｔから出力される。記憶部６０には、チルト操作レバー３０Ｔの操作量に応じたチルトシリンダ１４のシリンダ速度を記憶することができる。なお、シリンダ速度は、シリンダストロークセンサの検出から求められてもよい。チルトシリンダ１４のシリンダ速度が算出された後、目標速度決定部５９は、ヤコビアン行列式を使って、チルトシリンダ１４のシリンダ速度をバケット８の複数の規定点ＲＰそれぞれの移動速度Ｖｒに変換する。
【０１１０】
作業機制御部５８は、動作距離Ｄａがライン距離Ｈ以下であると判定された場合、目標施工地形ＣＳに対する規定点ＲＰｒの移動速度Ｖｒを目標速度Ｕに制限する速度制限を実施する。作業機制御部５８は、バケット８の規定点ＲＰｒの移動速度Ｖｒを抑えるために、制御弁３７に制御信号を出力する。作業機制御部５８は、バケット８の規定点ＲＰｒの移動速度Ｖｒが動作距離Ｄａに応じた目標速度Ｕになるように、制御弁３７に制御信号を出力する。これにより、チルト回転するバケット８の規定点ＲＰｒの移動速度ＲＰは、規定点ＲＰｒが目標施工地形ＣＳ（チルト目標地形ＳＴ）に近付くほど遅くなり、規定点ＲＰｒ（刃先９）が目標施工地形ＣＤに到達したときに零になる。
【０１１１】
［角度調整方法］
次に、本実施形態に係るバケット８のチルト角度δの調整方法について説明する。図２０は、本実施形態に係るバケット８のチルト角度δの調整方法の一例を示すフローチャートである。図２１は、本実施形態に係るバケット８のチルト角度δの調整方法の一例を説明するための模式図である。
【０１１２】
規定点位置データ算出部５３は、刃先９に規定されている規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｂの位置データを算出する（ステップＳＡ１０）。
【０１１３】
図２１に示すように、規定点ＲＰａ及び規定点ＲＰｂは、刃先９におけるバケット８の幅方向両側の規定点である。規定点位置データ算出部５３は、車体座標系における規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｂの位置データを算出する。
【０１１４】
また、規定点位置データ算出部５３は、規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｂの位置データに基づいて、規定点ＲＰａと規定点ＲＰｂとを結ぶ方向ベクトルＶｅｃ＿ａｂを算出する。方向ベクトルＶｅｃ＿ａｂは、以下の（１）式で規定される。
【０１１５】
【数１】
2018030220.tif 000003
【０１１６】
目標施工地形生成部５４は、目標施工地形ＣＳの法線ベクトルＮｄを算出する（ステップＳＡ２０）。
【０１１７】
角度決定部５７は、チルト動作平面ＴＰと目標施工地形ＣＳとの交線ベクトルＳＴｒを算出する（ステップＳＡ３０）。
【０１１８】
角度決定部５７は、バケット８の刃先９と目標施工地形ＣＳとを平行にするためのバケット８の刃先９のチルト角度δｒを算出する（ステップＳＡ４０）。
【０１１９】
本実施形態において、角度決定部５７は、以下の（２）式を演算処理して、チルト角度δｒを算出する。
【０１２０】
【数２】
2018030220.tif 000004
【０１２１】
作業機制御部５８は、角度決定部５７で決定されたチルト角度δｒに基づいて、目標施工地形ＣＳとバケット８の刃先９とが平行となるように、チルトシリンダ１４を制御する（ステップＳＡ５０）。
【０１２２】
［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、チルト式バケットにおいて、目標施工地形ＣＳに対するバケット８の刃先９の相対角度に基づいて、目標施工地形ＣＳとバケット８の刃先９とが平行となるように、角度決定部５７においてチルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の刃先９のチルト角度δｒが決定される。作業機制御部５８は、角度決定部５７で決定されたチルト角度δｒに基づいて、チルト軸ＡＸ４を中心にバケット８を回転させるチルトシリンダ１４を制御する。これにより、チルト回転方向においてバケット８の刃先９と目標施工地形ＣＳとを平行にすることができる。したがって、施工時における油圧ショベル１の運転者の操作の負担が軽減されるとともに、運転者の習熟度に依存しない高品質な施工結果が得られる。
【０１２３】
第２実施形態．
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
【０１２４】
図２２及び図２３は、本実施形態に係る作業機１の動作の一例を模式的に示す図である。図２２及び図２３は、チルト式のバケット８を有する作業機１を用いて傾斜した目標施工地形ＣＳに基づいて施工が実施される例を示す。
【０１２５】
図２２に示すように、バケット８の刃先９と目標施工地形ＣＳとを平行にして刃先９と目標施工地形ＣＳとを一致させた状態で、アーム７を移動しながら施工を実施したい場合がある。また、図２３に示すように、バケット８の床面８９と目標施工地形ＣＳとを平行にして床面８９と目標施工地形ＣＳとを一致させた状態で、アーム７を移動しながら施工を実施したい場合がある。
【０１２６】
本実施形態においては、アーム７が作動する状態で、バケット８の刃先９及び床面８９の少なくとも一方と目標施工地形ＣＳとの平行が維持されるように、作業機制御部５８が、チルトシリンダ１４及びバケットシリンダ１３の少なくとも一方を制御する例について説明する。
【０１２７】
図２４は、本実施形態に係るバケット８の角度の調整方法の一例を示すフローチャートである。図２５及び図２６は、本実施形態に係るバケット８の角度の調整方法の一例を説明するための模式図である。図２５は、バケット８の刃先９と目標施工地形ＣＳとを平行にするときのバケット８の角度の調整方法の一例を模式的に示す。図２６は、バケット８の床面８９と目標施工地形ＣＳとを平行にするときのバケット８の角度の調整方法の一例を模式的に示す。
【０１２８】
以下の説明では、バケット８の刃先９及び床面８９を総称して適宜、バケット８の特定部位、と称する。
【０１２９】
規定点位置データ算出部５３は、刃先９に規定されている規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｂの位置データと、床面８９に規定されている規定点ＲＰｃの位置データとを算出する（ステップＳＢ１０）。
【０１３０】
図２５に示すように、規定点ＲＰａ及び規定点ＲＰｂは、刃先９におけるバケット８の幅方向両側の規定点である。規定点位置データ算出部５３は、車体座標系における規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｂの位置データを算出する。
【０１３１】
図２６に示すように、規定点ＲＰｃは、平坦な床面８９の一部の規定点である。バケット８の幅方向において、規定点ＲＰａの座標と規定点ＲＰｃの座標とは等しい。本実施形態において、規定点ＲＰａは、底板８１の一端部に規定され、規定点ＲＰｃは、底板８１の他端部に規定される。
【０１３２】
また、規定点位置データ算出部５３は、規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｂの位置データに基づいて、規定点ＲＰａと規定点ＲＰｂとを結ぶ方向ベクトルＶｅｃ＿ａｂを算出する。
【０１３３】
また、規定点位置データ算出部５３は、規定点ＲＰａの位置データ及び規定点ＲＰｃの位置データに基づいて、規定点ＲＰａと規定点ＲＰｃとを結ぶ方向ベクトルＶｅｃ＿ａｃを算出する。
【０１３４】
また、規定点位置データ算出部５３は、チルト軸ＡＸ４の法線ベクトルＶｅｃ＿ｔｉｌｔを算出する。
【０１３５】
角度決定部５７は、目標施工地形ＣＳと平行にするバケット８の特定部位の目標法線ベクトルＮｒｅｆを算出する（ステップＳＢ２０）。
【０１３６】
例えば、目標施工地形ＣＳとバケット８の刃先９とを平行にする場合、図２５に示すように、角度決定部５７は、バケット８の刃先９の方向ベクトルＶｅｃ＿ａｂと直交するバケット８の刃先９の目標法線ベクトルＮｒｅｆを算出する。バケット８の刃先９の目標法線ベクトルＮｒｅｆは、チルト動作平面ＴＰにおいて、バケット８の刃先９の方向ベクトルＶｅｃ＿ａｂと直交するように規定される。バケット８の刃先９の目標法線ベクトルＮｒｅｆは、チルト軸ＡＸ４の法線ベクトルＶｅｃ＿ｔｉｌｔとも直交する。
【０１３７】
また、目標施工地形ＣＳとバケット８の床面８９とを平行にする場合、図２６に示すように、角度決定部５７は、バケット８の床面８９の方向ベクトルＶｅｃ＿ａｃと直交するバケット８の床面８９の目標法線ベクトルＮｒｅｆを算出する。床面８９は実質的に平面である。したがって、バケット８の床面８９の目標法線ベクトルＮｒｅｆは一義的に定まる。
【０１３８】
方向ベクトルＶｅｃ＿ａｂは、上述の（１）式で規定される。方向ベクトルＶｅｃ＿ａｃは、以下の（３）式で規定される。
【０１３９】
【数３】
2018030220.tif 000005
【０１４０】
バケット８の刃先９の目標法線ベクトルＮｒｅｆは、以下の（４）式で規定される。
【数４】
2018030220.tif 000006
【０１４１】
バケット８の床面８９の目標法線ベクトルＮｒｅｆは、以下の（５）式で規定される。
【数５】
2018030220.tif 000007
【０１４２】
目標施工地形生成部５４は、目標施工地形ＣＳの法線ベクトルＮｄを算出する（ステップＳＢ３０）。
【０１４３】
角度検出部５７は、評価関数Ｑを算出する（ステップＳＢ４０）。
【０１４４】
評価関数Ｑは、目標法線ベクトルＮｒｅｆと法線ベクトルＮｄとの平行誤差を示す評価関数Ｑ１と、刃先９と目標施工地形ＣＳとの距離Ｄａを示す評価関数Ｑ２との和である。すなわち、以下の（６）式、（７）式、及び（８）式が成立する。
【０１４５】
【数６】
2018030220.tif 000008
【０１４６】
【数７】
2018030220.tif 000009
【０１４７】
【数８】
2018030220.tif 000010
【０１４８】
（６）式において、目標法線ベクトルＮｒｅｆと法線ベクトルＮｄとが平行となる条件は、互いに内積が１になることである。すなわち、以下の（９）式が成立することである。
【０１４９】
【数９】
2018030220.tif 000011
【０１５０】
なお、（８）式において、バケット８を目標施工地形ＣＳに接触させる必要が無い場合には、Ｑ＝Ｑ１でよい。
【０１５１】
角度検出部５７は、（８）の評価関数Ｑが最小になるように、所定の数値演算法により演算処理を実施する。演算処理には、例えばニュートン法、パウエル法、及びシンプレックス法などが利用可能である。
【０１５２】
角度検出部５７は、評価関数Ｑが最小になったか否かを判定する（ステップＳＢ５０）。すなわち、角度検出部５７は、所定の数値演算法により演算処理を実施して、評価関数が実質的に零になったか否かを判定する。
【０１５３】
ステップＳＢ５０において、評価関数Ｑが最小である判定された場合（ステップＳＢ５０：Ｙｅｓ）、角度検出部５７は、バケット８の特定部位と目標施工地形ＣＳとを平行にするためのバケット８の特定部位のチルト角度δｒ及びバケット角度γｒを算出する（ステップＳＢ６０）。すなわち、角度検出部５７は、評価関数Ｑを最小にするチルト角度δｒ及びバケット角度γｒを決定する。
【０１５４】
チルト角度δｒは、目標施工地形ＣＳとバケット８の特定部位とを平行にするための、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の特定部位の角度を示す。バケット角度γｒは、バケット軸ＡＸ３を中心とするバケット８の特定部位の角度を示す。
【０１５５】
作業機制御部５８は、角度決定部５７で決定されたチルト角度δｒ及びバケット角度γｒに基づいて、目標施工地形ＣＳとバケット８の特定部位とが平行となるように、チルトシリンダ１４及びバケットシリンダ１３を制御する（ステップＳＢ７０）。
【０１５６】
ステップＳＢ５０において、評価関数Ｑが最小でないと判定された場合（ステップＳＢ５０：Ｎｏ）、角度検出部５７は、チルト角度δｒ又はバケット角度γｒを更新し（ステップＳＢ８０）、ステップＳＢ４０の処理に戻る。
【０１５７】
その他の実施形態．
なお、上述の実施形態において、評価関数Ｑについて、評価関数Ｑ１及び評価関数Ｑ２に重み付けしてもよい。
【０１５８】
なお、上述の実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルであることとした。上述の実施形態で説明した構成要素は、油圧ショベルとは別の、作業機を有する建設機械に適用可能である。
【０１５９】
なお、上述の実施形態において、上部旋回体２は、油圧により旋回してもよいし、電動アクチュエータが発生する動力により旋回してもよい。また、作業機１は、油圧シリンダ１０ではなく、電動アクチュエータが発生する動力により作動してもよい。
【符号の説明】
【０１６０】
１  作業機、２  上部旋回体、３  下部走行体、３Ｃ  履帯、４  運転室、５  機械室、６  ブーム、７  アーム、８  バケット、８Ｂ  バケットピン、８Ｔ  チルトピン、９  刃先、１０  油圧シリンダ、１０Ａ  キャップ側油室、１０Ｂ  ロッド側油室、１１  ブームシリンダ、１２  アームシリンダ、１３  バケットシリンダ、１４  チルトシリンダ、１６  ブームストロークセンサ、１７  アームストロークセンサ、１８  バケットストロークセンサ、１９  チルトストロークセンサ、２０  位置演算装置、２１  車体位置演算器、２２  姿勢演算器、２３  方位演算器、２４  作業機角度演算装置、２５  流量制御弁、３０  操作装置、３０Ｆ  操作ペダル、３０Ｌ  左作業機操作レバー、３０Ｒ  右作業機操作レバー、３０Ｔ  チルト操作レバー、３１  メイン油圧ポンプ、３２  パイロット圧ポンプ、３３Ａ，３３Ｂ  油路、３４Ａ，３４Ｂ  圧力センサ、３５Ａ，３５Ｂ  油路、３６Ａ，３６Ｂ  シャトル弁、３７Ａ，３７Ｂ  制御弁、３８Ａ，３８Ｂ  油路、５０  制御装置、５１  車体位置データ取得部、５２  作業機角度データ取得部、５３  規定点位置データ算出部、５４  目標施工地形生成部、５５  チルトデータ算出部、５６  チルト目標地形算出部、５７  角度決定部、５８  作業機制御部、５９  目標速度決定部、６０  記憶部、６１  入出力部、７０  目標施工データ生成装置、８１  底板、８２  背板、８３  上板、８４  側板、８５  側板、８６  開口部、８７  ブラケット、８８  ブラケット、８９  床面、９０  接続部材、９１  プレート部材、９２  ブラケット、９３  ブラケット、９４  第１リンク部材、９４Ｐ  第１リンクピン、９５  第２リンク部材、９５Ｐ  第２リンクピン、９６  バケットシリンダトップピン、９７  ブラケット、１００  油圧ショベル（建設機械）、２００  制御システム、３００  油圧システム、４００  検出システム、ＡＰ  点、ＡＸ１  ブーム軸、ＡＸ２  アーム軸、ＡＸ３  バケット軸、ＡＸ４  チルト軸、ＣＤ  目標施工データ、ＣＳ  目標施工地形、Ｄａ  動作距離、Ｌ１  ブーム長さ、Ｌ２  アーム長さ、Ｌ３  バケット長さ、Ｌ４  チルト長さ、Ｌ５  バケット幅、ＬＸ  ライン、ＬＹ  ライン、ＲＰ  規定点、ＲＸ  旋回軸、ＳＴ  チルト目標地形、ＴＰ  チルト動作平面、α  ブーム角度、β  アーム角度、γ  バケット角度、δ  チルト角度、ε  チルト軸角度、θ１  ロール角度、θ２  ピッチ角度、θ３  ヨー角度。
【図１】
2018030220.tif 000012
【図２】
2018030220.tif 000013
【図３】
2018030220.tif 000014
【図４】
2018030220.tif 000015
【図５】
2018030220.tif 000016
【図６】
2018030220.tif 000017
【図７】
2018030220.tif 000018
【図８】
2018030220.tif 000019
【図９】
2018030220.tif 000020
【図１０】
2018030220.tif 000021
【図１１】
2018030220.tif 000022
【図１２】
2018030220.tif 000023
【図１３】
2018030220.tif 000024
【図１４】
2018030220.tif 000025
【図１５】
2018030220.tif 000026
【図１６】
2018030220.tif 000027
【図１７】
2018030220.tif 000028
【図１８】
2018030220.tif 000029
【図１９】
2018030220.tif 000030
【図２０】
2018030220.tif 000031
【図２１】
2018030220.tif 000032
【図２２】
2018030220.tif 000033
【図２３】
2018030220.tif 000034
【図２４】
2018030220.tif 000035
【図２５】
2018030220.tif 000036
【図２６】
2018030220.tif 000037
【国際調査報告】
2018030220.tif 000038
2018030220.tif 000039
2018030220.tif 000040
2018030220.tif 000041