(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体（1B）外部に設置される外部基準（R）に対して平行に目標掘削面（T）を設定し、この目標掘削面に対してフロント装置（1A）を制御し、目標掘削面に沿って連続的に掘削可能とする掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記目標掘削面（T）を設定するための入力手段（7）と、
前記フロント装置（1A）の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段（8a,8b）と、
前記入力手段及び検出手段の信号を用い、前記車体（1B）と外部基準（R）と目標掘削面（T）の位置関係を演算する第１演算手段（11b,11c;11b,11s,11t）と、
前記第１演算手段で演算した位置関係を用いて画像演算処理を行い、前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を表示する画像信号を生成・出力する第２演算手段（11e-11h,11j）とを備えることを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項２】
請求項１記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記第１演算手段は、
前記検出手段（8a,8b）の信号を用い、前記外部基準（R）に対する車体（1B）の位置関係を演算する第１手段（11b）と、
少なくとも前記入力手段（7）の信号を用い、前記外部基準（R）と目標掘削面（T）の位置関係を設定する第２手段（11c;11s,11t）とを有することを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項３】
請求項１記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記入力手段（7）は、前記外部基準（R）から前記目標掘削面（T）までの深さを入力する数値入力手段（7a,7b）を含み、
前記第１演算手段は、
前記フロント装置（1A）が前記外部基準に対し所定の位置関係にあるときの前記検出手段（8a,8b）の信号を用い、前記車体（1B）と外部基準（R）の位置関係を演算する第３演算手段（11b）と、
前記数値入力手段（7a,7b）の信号を用い、前記外部基準と目標掘削面の位置関係を設定する第１設定手段（11c）とを有することを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項４】
請求項３記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記第１演算手段は、更に、前記第３演算手段（11b）の演算値と前記第１設定手段（11c）の設定値を用い、前記車体（1B）と目標掘削面（T）の位置関係を演算する第４演算手段（11d）を有し、
前記第２演算手段は、
前記第３演算手段（11b）の演算値を、前記車体（1B）を基準として表示装置（12）の表示部（20）に設定されるモニタ座標系の値に変換し、前記車体と外部基準（R）との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第１変換手段（11e,11g）と、
前記第４演算手段（11d）の演算値を前記車体（1B）を基準として前記モニタ座標系の値に変換し、前記車体と目標掘削面との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第２変換手段（11f,11h）とを有することを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項５】
請求項１記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記入力手段（7）は、前記フロント装置（1A）に備えられる作業具（1c）が目標とする深さにあるときに操作されるダイレクトティーチ指示手段（7e）を含み、
前記第１演算手段は、
前記ダイレクトティーチ指示手段（7e）が操作されたときの前記検出手段（8a,8b,8c）の信号を用い、前記車体（1B）と目標掘削面（T）の位置関係を演算する第４演算手段（11a,11s）と、
前記フロント装置が前記外部基準（R）に対し所定の位置関係にあるときの前記検出手段（8a,8b）の信号を用い、前記車体と外部基準の位置関係を演算する第５演算手段（11b）と、
前記第４及び第５演算手段の演算値を用い、前記外部基準と目標掘削面の位置関係を演算する第６演算手段（11t）とを有することを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項６】
請求項５記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記第１演算手段は、更に、前記第５及び第６演算手段（11b,11t）の演算値を用い、前記車体（1B）と目標掘削面（T）の位置関係を演算する第７演算手段（11s）を有し、
前記第２演算手段は、
前記第５演算手段（11b）の演算値を、前記車体（1B）を基準として表示装置（12）の表示部（20）に設定されるモニタ座標系の値に変換し、前記車体と外部基準（R）との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第１変換手段（11e,11g）と、
前記第４演算手段（11a,11s）又は前記第７演算手段（11s）の演算値を前記車体を基準として前記モニタ座標系の値に変換し、前記車体（1B）と目標掘削面との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第２変換手段（11f,11h）とを有することを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項７】
請求項１記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記入力手段（7）は前記外部基準（R）の勾配を設定する手段（7c,7d）を含み、
前記第１演算手段（11b,11c;11b,11s,11t）は、前記勾配の設定値も含めて前記車体（1B）と外部基準（R）と目標掘削面（T）の位置関係を演算し、
前記第２演算手段（11e-11h,11j）は、前記勾配に応じた前記外部基準と目標掘削面とを表示するよう前記画像信号を生成することを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項８】
請求項１記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記第２演算手段（11e-11h,11j）の画像信号を用い、前記車体（1B）を示す画像（12c）と前記外部基準（R）及び目標掘削面（T）を示す直線（12a,12b）を前記位置関係で表示する表示装置（12,20）を更に備えることを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項９】
請求項１記載の掘削機械の目標掘削面設定装置において、
前記第１演算手段（11b,11c;11Fa）は第１制御ユニット（9F）に備えられ、前記第２演算手段（11e-11h,11j）は前記第１制御ユニットと別体の第２制御ユニット（11Fb）に備えられることを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置。
【請求項１０】
車体（1B）外部に設置される外部基準（R）に対して平行に目標掘削面（T）を設定し、この目標掘削面に対してフロント装置（1A）を制御し、目標掘削面に沿って連続的に掘削可能とする掘削機械の目標掘削面設定プログラムを記録した記録媒体（93）であって、
このプログラムは、コンピュータ（92）に、
前記目標掘削面（T）を設定するための入力手段（7）からの信号と、前記フロント装置（1A）の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段（8a,8b）からの信号とを用い、前記車体（1B）と外部基準（R）と目標掘削面（T）の位置関係を演算させ、
この演算した位置関係を用いて画像演算処理を行わせ、前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を表示する画像信号を生成・出力させることを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定プログラムを記録した記録媒体。
【請求項１１】
車体（1B）外部に設置される外部基準（R）に対して平行に目標掘削面（T）を設定し、この目標掘削面に対してフロント装置（1A）を制御し、目標掘削面に沿って連続的に掘削可能とする掘削機械の目標掘削面設定装置の表示装置（12）において、
予め演算された前記車体（1B）と外部基準（R）と目標掘削面（T）の位置関係を表示する画像信号を取り込み、前記車体を示す画像（12c）と前記外部基準及び目標掘削面を示す直線（12a,12b）とを前記位置関係で表示する表示部（20）を備えることを特徴とする掘削機械の目標掘削面設定装置の表示装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、油圧ショベル等の掘削機械の作業条件を設定する掘削機械の目標掘削面設定装置、掘削機械の目標掘削面設定プログラムを記録した記録媒体及び目標掘削面設定装置に用いる表示装置に関する。
背景技術
油圧ショベルでは、オペレータがブーム等のフロント部材をそれぞれの手動操作レバーによって操作しているが、フロント動作の目視だけから所定深さの溝もしくは所定勾配の法面を正確に掘削しているか否かを判断することは困難である。そこで、掘削面の深さや法面の勾配を予め設定し、この設定された深さや勾配となるように自動掘削制御するものが知られている。自動掘削制御をするには、目標掘削面を設定する必要がある。目標掘削面の設定のために２次元の表示装置を用いているものとして、特開昭６２−１８５９３２号公報に記載された掘削機械の監視装置や、特開平５−２８７７８２号公報に記載された掘削機械がある。  特開昭６２−１８５９３２号公報や、特開平５−２８７７８２号公報に記載された掘削機械では、車体と目標掘削面とをモニタに画像表示するとともに、車体から目標掘削面までの深さや勾配を表示するようにしている。
また、車体外部に設置されたレーザ灯台により形成されるレーザ基準面、水糸等の外部基準を利用して油圧ショベルと組み合わせて、外部基準から一定の深さ・勾配の面を長距離に渡って連続的に掘削する方式として、例えば、特開平９−５３２５３号公報に記載された建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置がある。
特開平９−５３２５３号公報に記載された掘削領域設定装置では、レーザ受光器をフロント部材に設置し、車体の移動に伴う上下方向のズレをレーザで補正して直線状の連続した掘削面を形成する構成となっている。この掘削領域設定装置では、レーザ基準面に対する目標掘削面を設定して、車体と目標掘削面との関係を設定するようにしている。
発明の開示
しかしながら、特開昭６２−１８５９３２号公報や、特開平５−２８７７８２号公報に記載された掘削機械では、外部基準を用いないものであり、従って、外部基準を表示することもできず、表示するという考えもないものである。
また、特開平９−５３２５３号公報に記載された掘削領域設定装置では、設定器により設定されたレーザ基準面（外部基準）から目標掘削面までの深さは、モニタ上に数値表示されるだけであるため、設定ミスが生じやすいという問題があった。
すなわち、レーザ基準面（外部基準）を用いる方式では、レーザ基準面等の外部基準から一定の深さの面について、長距離に亘って、連続的に掘削を行うが、そのためには外部基準を用いて目標掘削面の設定を繰り返す必要がある。従って、正確な設定をするためには、オペレータは、車体と目標掘削面の位置関係だけでなく、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係も把握、認識する必要がある。しかしながら、従来の数値だけ、又は、車体と目標掘削面との位置関係だけ表示する方式では、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係を視覚的に認識し難く、設定ミスが生じやすいものである。
本発明の目的は、外部基準を用い、所定の深さの面を長距離に亘って連続的に掘削する場合の目標掘削面の設定を容易に行え、外部基準に対し設定ミスを起こしにくい掘削機械の目標掘削面設定装置、その記録媒体及び表示装置を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、車体外部に設置される外部基準に対して平行に目標掘削面を設定し、この目標掘削面に対してフロント装置を制御し、目標掘削面に沿って連続的に掘削可能とする掘削機械の目標掘削面設定装置において、前記目標掘削面を設定するための入力手段と、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、前記入力手段及び検出手段の信号を用い、前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を演算する第１演算手段と、前記第１演算手段で演算した位置関係を用いて画像演算処理を行い、前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を表示する画像信号を生成・出力する第２演算手段とを備えるものとする。
かかる構成で画像表示手段に外部基準と目標掘削面と車体との位置関係を表示することにより、オペレータは、この表示を見ることにより、車体と目標掘削面の位置関係だけでなく、外部基準と目標掘削面の位置関係を視覚的に把握，認識して、設定状態が適切であるか否かを確認することができるので、外部基準を用いて、所定の深さの面まで長距離に亘って連続的に掘削する場合の目標掘削面の設定を容易に行え、設定ミスを起こしにくいものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１演算手段は、前記検出手段の信号を用い、前記外部基準に対する車体の位置関係を演算する第１手段と、少なくとも前記入力手段の信号を用い、前記外部基準と目標掘削面の位置関係を設定する第２手段とを有する。
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記入力手段は、前記外部基準から前記目標掘削面までの深さを入力する数値入力手段を含み、前記第１演算手段は、前記フロント装置が前記外部基準に対し所定の位置関係にあるときの前記検出手段の信号を用い、前記車体と外部基準の位置関係を演算する第３演算手段と、前記数値入力手段の信号を用い、前記外部基準と目標掘削面の位置関係を設定する第１設定手段とを有する。
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第１演算手段は、更に、前記第３演算手段の演算値と前記第１設定手段の設定値を用い、前記車体と目標掘削面の位置関係を演算する第４演算手段を有し、前記第２演算手段は、前記第３演算手段の演算値を、前記車体を基準として表示装置の表示部に設定されるモニタ座標系の値に変換し、前記車体と外部基準との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第１変換手段と、前記第４演算手段の演算値を前記車体を基準として前記モニタ座標系の値に変換し、前記車体と目標掘削面との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第２変換手段とを有する。
（５）また、上記（１）において、前記入力手段は、前記フロント装置に備えられる作業具が目標とする深さにあるときに操作されるダイレクトティーチ指示手段を含むものであってもよく、この場合、前記第１演算手段は、前記ダイレクトティーチ指示手段が操作されたときの前記検出手段の信号を用い、前記車体と目標掘削面の位置関係を演算する第４演算手段と、前記フロント装置が前記外部基準に対し所定の位置関係にあるときの前記検出手段の信号を用い、前記車体と外部基準の位置関係を演算する第５演算手段と、前記第４及び第５演算手段の演算値を用い、前記外部基準と目標掘削面の位置関係を演算する第６演算手段とを有するものとなる。
（６）上記（５）において、好ましくは、前記第１演算手段は、更に、前記第５及び第６演算手段の演算値を用い、前記車体と目標掘削面の位置関係を演算する第７演算手段を有し、前記第２演算手段は、前記第５演算手段の演算値を、前記車体を基準として表示装置の表示部に設定されるモニタ座標系の値に変換し、前記車体と外部基準との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第１変換手段と、前記第４演算手段又は前記第７演算手段の演算値を前記車体を基準として前記モニタ座標系の値に変換し、前記車体と目標掘削面との位置関係を前記表示部に表示させる処理を行う第２変換手段とを有する。
（７）更に、上記（１）において、好ましくは、前記入力手段は前記外部基準の勾配を設定する手段を含み、前記第１演算手段は、前記勾配の設定値も含めて前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を演算し、前記第２演算手段は、前記勾配に応じた前記外部基準と目標掘削面とを表示するよう前記画像信号を生成する。
（８）また、上記（１）において、目標掘削面設定装置は、前記第２演算手段の画像信号を用い、前記車体を示す画像と前記外部基準及び目標掘削面を示す直線を前記位置関係で表示する表示装置を更に備える。
（９）また、上記（１）において、好ましくは、前記第１演算手段は第１制御ユニットに備えられ、前記第２演算手段は前記第１制御ユニットと別体の第２制御ユニットに備えられる。
（１０）また、上記目的を達成するために、本発明は、車体外部に設置される外部基準に対して平行に目標掘削面を設定し、この目標掘削面に対してフロント装置を制御し、目標掘削面に沿って連続的に掘削可能とする掘削機械の目標掘削面設定プログラムを記録した記録媒体であって、このプログラムは、コンピュータに、前記目標掘削面を設定するための入力手段からの信号と、前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段からの信号とを用い、前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を演算させ、この演算した位置関係を用いて画像演算処理を行わせ、前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を表示する画像信号を生成・出力させるものとする。
（１１）更に、上記目的を達成するために、本発明は、車体外部に設置される外部基準に対して平行に目標掘削面を設定し、この目標掘削面に対してフロント装置を制御し、目標掘削面に沿って連続的に掘削可能とする掘削機械の目標掘削面設定装置の表示装置において、予め演算された前記車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を表示する画像信号を取り込み、前記車体を示す画像と前記外部基準及び目標掘削面を示す直線とを前記位置関係で表示する表示部を備えるものとする。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１〜図１０は、本発明の第１の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置及びその表示装置を示すもので、これらは本発明を油圧ショベルに適用した場合のものである。
図１において、油圧ショベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、これら操作レバー装置４ａ〜４ｆによって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２の吐出圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６と、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し流量制御弁５ａ〜５ｆを制御する制御ユニット９とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
本実施の形態では、操作レバー装置４ａ〜４ｆは、操作信号として電気信号を出力する電気レバー装置であり、流量制御弁５ａ〜５ｆは電気信号をパイロット圧に変換する電気油圧変換手段、例えば比例電磁弁を両端に備えた電気・油圧操作方式の弁である。制御ユニット９は、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し、入力信号に応じた流量制御弁駆動信号を生成して流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動・制御する。
また、図２に示すように、油圧ショベルは、垂直方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット（作業具）１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。
図２のブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅは、それぞれ、図１に示すブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆによりそれぞれ駆動され、それらの動作は操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。
以上のような油圧ショベルに本実施の形態に係わる目標掘削面設定装置が設けられている。この目標掘削面設定装置は、直線上に仕上げたい目標掘削面の設定に用いられる設定器７と、ブーム１ａ，アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと、車体外部に設置されたレーザ灯台１０ａによって形成されたレーザ光を受光する、アーム１ｂの側面に設置されたレーザ受光器１０ｂと、運転室内の運転席斜め前方のコーナー部に設置された２次元表示モニタ（表示装置）１２と、上記の制御ユニット９に含まれる後述する処理機能とで構成されている。レーザ灯台１０ａによって形成されたレーザ光はレーザ基準面（外部基準）Ｒを提供する。
図３に、制御ユニット９のハード構成を示す。制御ユニット９は、入力部９１と、マイクロコンピュータで構成される中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号、設定器７からの指示信号（設定信号及びメインスイッチ信号）、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃからの角度信号、レーザ受光器１０ｂからのレーザ受光信号を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ９３は、制御プログラム（後述）が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力部９１から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。ＲＡＭ９４は、演算途中の数値を一時的に記憶する。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、流量制御弁５ａ〜５ｆにその信号を出力し、また、モニタ１２に車体１Ｂやレーザ基準面Ｒや目標掘削面を表示させる。
図４に、制御ユニット９のＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムの概要を機能ブロック図を示す。制御ユニット９は、目標掘削面を設定すると共にモニタ１２への表示処理を行う設定・表示処理部１１と、領域制限掘削制御を行う掘削制御部１４とを有している。
設定・表示処理部１１は、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃの検出信号、設定器７からの信号、レーザ受光器１０ｂからの信号を入力し、油圧ショベルの車体１Ｂに関して設定されたｘ−ｚ座標系（後述）により目標掘削面及びレーザ基準面を演算し、目標掘削面を設定すると共に、２次元表示モニタ１２上に表示される油圧ショベルの模式図に関して固定的に設定されたｘｍ−ｚｍ座標系（後述）の値に目標掘削面及びレーザ基準面を座標変換し、それらを油圧ショベルの模式図に重ねて表示する合成処理を行う。また、レーザ基準面と目標掘削面との距離及び勾配データ、バケットとレーザ基準面との深さ方向の距離等の数値を表示する合成処理を行う。
掘削制御部１４は、設定・表示処理部１１で設定された目標掘削面に基づき、公知の領域制限掘削制御を行うよう流量制御弁５ａ〜５ｆに対する指令信号を生成する処理を行う。
設定器７は、図５に示すように、操作パネルあるいはグリップ上に設けられたスイッチ等の操作手段から構成され、レーザ基準面Ｒからの深さを設定するアップキー７ａ，ダウンキー７ｂと、勾配を設定するアップキー７ｃ，ダウンキー７ｄと、ダイレクトティーチボタン７ｅと、表示部７ｆ，７ｇとから構成される。数値入力方式の場合には、アップキー７ａ，ダウンキー７ｂを操作することにより、レーザ基準面Ｒからの深さを設定することができ、設定結果は、表示部７ｆに表示される。また、ダイレクトティーチ方式の場合には、ダイレクトティーチボタン７ｅが操作されると、そのときの車体１Ｂに対する目標掘削面が演算され、設定されるとともに、レーザ基準面Ｒに対するバケットの位置がレーザ基準面からの深さとして演算され、設定される。また、いずれの場合も、アップキー７ｃ，ダウンキー７ｄを操作することにより、レーザ基準面及び目標掘削面の勾配を設定することができ、設定結果は、表示部７ｇに表示される。設定器７は、オペレータによって入力された掘削面のダイレクトティーチ信号或いは掘削深さ信号、及び勾配信号を設定・表示処理部１１に出力する。
次に、図６を用いて、設定・表示処理部１１の処理機能について説明する。この処理機能は、数値入力方式による場合のもので、モニタ座標への変換を油圧ショベルの車体１Ｂを基準として行うものである。
図６は、設定・表示処理部１１の処理機能をブロック線図で表したものであり、設定・表示処理部１１は、バケット爪先の座標演算部１１ａと、車体とレーザ基準面の位置関係演算部１１ｂと、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）記憶部１１ｃと、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１１ｄと、車体とレーザ基準面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｅと、車体と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｆと、レーザ基準面の画像生成演算部１１ｇと、目標掘削面の画像生成演算部１１ｈと、設定値の表示演算部１１ｉと、車体の画像生成演算部１１ｊの各機能を有している。
バケット爪先の座標演算部１１ａは、図７に示す車体１Ｂに関して設定されたｘ−ｚ座標系及び各部寸法と角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃの検出信号に基づいて、バケット爪先のｘ−ｚ座標系の座標値（Ｐvx，Ｐvz）を、以下の式（１）及び式（２）より演算する。
Ｐvx＝ＬV×cos（αB＋αA＋αV）＋ＬA×cos（αB＋αA）
＋ＬB×cosαB＋ＬF1                          …（１）
Ｐvz＝−ＬV×sin（αB＋αA＋αV）−ＬA×sin（αB＋αA）
−ＬB×sinαB＋LF2                           …（２）
ＬV：バケット長さ（バケット回動中心とバケット爪先間距離）
ＬA：アーム長さ（アーム回動中心とバケット回動中心間距離）
ＬB：ブーム長さ（ブーム回動中心とアーム回動中心間距離）
ＬF1：ｘ−ｚ座標系におけるブーム回動中心のｘ座標値
ＬF2：ｘ−ｚ座標系におけるブーム回動中心のｚ座標値
αB：ブーム回動角
αA：アーム回動角
αV：バケット回動角
ここで、ｘ−ｚ座標系は油圧ショベルの車体１Ｂの所定位置、例えば車体１Ｂの底面中央部を原点とした直交座標系である。また、図７には、目標掘削面が符号Ｔにて示されている。
車体とレーザ基準面の位置関係演算部１１ｂは、レーザ受光器１０ｂによってレーザ光を受光した際のレーザ受光器１０ｂのｘ−ｚ座標系の座標値（ＰLx，ＰLz）と、設定器７によって設定された勾配βとから、ｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式を演算する。
ここで、レーザ受光器１０ｂによってレーザ光を受光した際のレーザ受光器１０ｂのｘ−ｚ座標系の座標値（ＰLx，ＰLz）は、各部寸法と角度検出器８ａ，８ｂの検出信号に基づいて、上記式（１）及び式（２）と同様に以下の式（１A）及び式（２A）より演算する。
ＰLx＝ＬF×cos（αB＋αA−αＬ）＋ＬB×cosαB＋ＬF1         …（１A）
ＰLz＝−ＬF×sin（αB＋αA−αＬ）−ＬB×sinαB＋LF2        …（２A）
ＬF：アーム回動中心とレーザ受光器１０ｂ間の距離
αＬ：アーム回動中心とバケット回動中心間直線に対するレーザ受光器              の取り付け角度
また、ｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式は、座標値（ＰLx，ＰLz）を通過する勾配βの直線なので、以下の式（３）となる。
ｚ＝tanβ・ｘ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）…（３）
レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）記憶部１１ｃは、設定器７によって設定されたレーザ基準面Ｒに対する深さ設定値Ｌｄを記憶する。
車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１１ｄは演算部１１ｂによって演算された車体とレーザ基準面との位置関係と、記憶部１１ｃに記憶された深さ設定値Ｌｄとから、ｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、以下の式（４）より演算する。例えば、レーザ基準面Ｒの一次式がｚ＝tanβ・ｘ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）、深さ設定値がＬｄならば、目標掘削面Ｔの一次式は、
ｚ＝tanβ・ｘ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）＋Ｌｄ…（４）
となる。
車体とレーザ基準面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｅは、レーザ基準面Ｒの一次式、例えばｚ＝tanβ・ｘ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）を図８に示すモニタ１２の表示部２０上のｘｍ−ｚｍ座標系の座標値に変換する。図８において、ｘｍ−ｚｍ座標系の座標面は２次元のドットマトリクスで構成されており、座標（ｘｍ１，ｚｍ１），（ｘｍ２，ｚｍ２）で囲まれた領域を表示範囲とする。また、表示部２０には油圧ショベルの模式図１２ｃが固定的に表示され、ｘｍ−ｚｍ座標系の原点Ｏｍは、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系の原点Ｏに合わせてその模式図１２ｃで示される油圧ショベルの底面中央に設定される。
ここで、ｘｍ１がｘ−ｚ座標系におけるｘ１に相当すると仮定すると、スケールＫ＝ｘｍ１／ｘ１となる。よって、レーザ基準面の一次式ｚ＝tanβ・ｘ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）は、ｘｍ−ｚｍ座標系においては、
ｚｍ＝tanβ・ｘｍ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）×Ｋ…（６）
となる。
車体と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｆは、演算部１１ｅと同様に、目標掘削面Ｔの一次式、例えば前述の式（４）、ｚ＝tanβ・ｘ＋（ＰLz−tanβ・ＰLx）＋Ｌｄを、図８に示す表示部２０上のｘｍ−ｚｍ座標系の座標値に変換する。この場合、演算部１１ｅと同様にスケールＫ＝ｘｍ１／ｘ１とすると、目標掘削面Ｔの一次式は、ｘｍ−ｚｍ座標系においては、
ｚｍ＝tanβ・ｘｍ＋｛（ＰLz−tanβ・ＰLx）＋Ｌｄ｝×Ｋ…（７）
となる。
レーザ基準面の画像生成演算部１１ｇは、演算部１１ｅにより得られたレーザ基準面Ｒの一次式を、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上に直線として表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、レーザ基準面Ｒの直線を図９に破線１２ａとして示すようにモニタ１２の表示部２０に表示させる。
目標掘削面の画像生成演算部１１ｈは、演算部１１ｆにより得られた目標掘削面Ｔの直線を、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上に表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、目標掘削面Ｔの直線を図９に実線１２ｂとして示すようにモニタ１２の表示部２０に表示させる。
油圧ショベルの車体の画像生成演算部１１ｊは、油圧ショベルの車体１Ｂの画像を模式図で生成し、生成された模式図を表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上に、油圧ショベルの底面中央が原点Ｏｍに一致するよう固定的に表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、その模式図を図９に１２ｃで示すように、モニタ１２の表示部２０に表示させる。
設定値の表示演算部１１ｉは、目標掘削面Ｔの勾配β、レーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔとの深さ方向の距離Ｌｄ及びレーザ基準面Ｒからバケット爪先までの距離ＬPvなどのデータを入力及び演算する。ここで、距離ＬPvの演算式は、以下の式（８）のようになる。
ＬPv＝Ｐvz−tanβ・Ｐvx−（ＰLz−tanβ・ＰLx）…（８）
そして、表示演算部１１ｉは、目標掘削面Ｔの勾配（設定勾配）β、レーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔとの深さ方向の距離（設定深さ）Ｌｄ及びレーザ基準面Ｒからバケット爪先までの距離（爪先深さ）ＬPvを、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上に数値で表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、それらを図９に示すように、例えば、モニタ１２の表示部２０の左上に表示させる。
以上のようにして、車体１Ｂと目標掘削面Ｔとレーザ基準面Ｒの位置関係及びそれに付属する数値が、モニタ１２の表示部２０上に、図９に示すように表示される。
次に、図６及び図１０を用いて、本実施の形態による目標掘削面の数値入力方式による設定手順及びその目標掘削面に基づきレーザ基準面（外部基準）Ｒから所定深さ・勾配の面を連続的に掘削する操作手順について説明する。
最初に、掘削開始位置での目標掘削面の設定作業及び掘削作業について説明する。
（手順１）
最初に、図１０に示すように、オペレータは、レーザ灯台１０ａを操作して、設定しようとする目標掘削面に対して平行になるようにレーザ基準面Ｒを設定する。
（手順２）
次に、オペレータは、図５に示した設定器７のキー７ａ，７ｂを用いて、レーザ基準面Ｒから目標掘削面Ｔまでの深さ（高さ）Ｌｄを入力し設定する。この設定操作によって、記憶部１１ｃは、設定器７によって設定されたレーザ基準面Ｒに対する目標掘削面Ｔの深さ設定値Ｌｄを記憶する。オペレータは、更に、設定器７のキー７ｃ，７ｄを用いて、勾配βを設定する。
（手順３）
次に、オペレータは、図１０に示すように、アーム１ｂに取り付けられたレーザ受光器１０ｂがレーザ光を受光するように、フロント装置１Ａを動かす。この設定操作により、演算部１１ｂは、レーザ受光器１０ｂによってレーザ光を受光した際のレーザ受光器１０ｂのｘ−ｚ座標系の座標値（ＰLx，ＰLz）と、設定器７によって設定された勾配βとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式を、式（３）より演算する。また、演算・記憶部１１ｄは、演算部１１ｂによって演算された車体１Ｂとレーザ基準面Ｒとの位置関係と、記憶部１１ｃに記憶された深さ設定値Ｌｄとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、式（４）より演算し、記憶する。
なお、手順２の操作と手順３のレーザ基準面Ｒの一次式を演算するまでの操作は、手順３の後、手順２を行うようにしてもよい。
（手順４）
手順２及び手順３の操作設定の結果、更に演算部１１ｅ〜１１ｊによる演算処理が行われ、図９に示したように、モニタ１２の表示部２０には、車体１Ｂとレーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔがそれぞれ模式図１２ｃと破線１２ａ及び実線１２ｂで表示されると共に、目標掘削面Ｔの勾配β、レーザ基準面Ｒに対する目標掘削面Ｔの設定深さＬｄ及びレーザ基準面Ｒからバケット爪先までの距離ＬPvが表示部２０の左上に表示される。
オペレータは、モニタ１２の表示を見ることにより、車体と目標掘削面の位置関係、及びレーザ基準面と目標掘削面の位置関係を視覚的に把握、認識して、設定状態が適切であるか否かを確認することができる。
（手順５）
オペレータは、フロント装置１Ａを操作し、領域制限掘削制御により演算・記憶部１１ｄに記憶された目標掘削面Ｔを自動掘削する。
（手順６）
所定範囲の目標掘削面の掘削が終了すると、図１０に示すように、車体１Ｂを移動する。
次に、移動後の目標掘削面の設定作業及び掘削作業について説明する。
（手順７）
車体の移動後、オペレータは、図１０に示すように、アーム１ｂに取り付けられたレーザ受光器１０ｂがレーザ光を受光するように、フロント装置１Ａを動かす。この操作により、演算部１１ｂは、車体１Ｂとレーザ基準面Ｒの位置関係を演算して、車体１Ｂの移動によって生じる車体位置の変化を補正する。
ここで、記憶部１１ｃに記憶されている設定時に設定器７によって設定されたレーザ基準面に対する深さ設定値Ｌｄは変更がないため、演算・記憶部１１ｄは、演算部１１ｂによって演算された車体１Ｂとレーザ基準面Ｒとの位置関係と、記憶部１１ｃに記憶された深さ設定値Ｌｄとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、上述の式（４）より演算して、更新記憶する。これによって、車体１Ｂが移動した後も、車体１Ｂの移動によるレーザ基準面Ｒに対する車体１Ｂの位置の変化は補正され、レーザ基準面Ｒに対して所定の位置関係にある目標掘削面Ｔに対して、領域制限掘削制御を継続して行うことができる。
（手順８）
オペレータは、フロント装置１Ａを操作し、領域制限掘削制御により演算・記憶部１１ｄに記憶された目標掘削面Ｔを自動掘削する。
（手順９）
以後、手順６〜手順８を繰り返すことにより、車体１Ｂを移動しながら、レーザ基準面Ｒを基準として、レーザ基準面Ｒに対して所定の深さ、勾配の面を自動掘削する。
以上のように構成した本実施の形態によれば、運転室内に設置されたモニタ１２上に、目標掘削面Ｔとレーザ基準面Ｒを示す線１２ａ，１２ｂを、車体１Ｂの模式図１２ｃに重ねて表示するので、車体１Ｂと目標掘削面Ｔの位置関係だけでなく、レーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔの位置関係も視覚的に認識できるようになり、所定の深さの面まで長距離に亘って連続的に掘削する場合の目標掘削面Ｔの設定ミスをすることなく、目標掘削面Ｔの設定を容易に行える。
また、外部基準面Ｒと目標掘削面Ｔとの距離及び勾配データ、作業具とレーザ基準面Ｒとの距離等を数値で表示することにより、車体１Ｂと目標掘削面Ｔ・レーザ基準面Ｒとの位置関係を分かり易くオペレータに表示し、目標掘削面Ｔの設定ミスを更に確実に防ぐことができる。
次に、図１１及び図１２を用いて、本発明の第２の実施の形態による設定・表示処理部１１Ａの処理機能について説明する。この処理機能は、数値入力方式による場合のもので、モニタ座標への変換を目標掘削面を基準として行うものである。なお、図１１において、図６と同一符号は、同一部分を示している。
本実施の形態に係わる油圧ショベルの構成は図１及び図２に示すものと同様であり、本実施の形態に係わる制御ユニットのハード構成も図３に示すものと同様である。
図１１において、設定・表示処理部１１Ａが、図６に示した設定・表示処理部１１と異なる点は、図６における演算部１１ｅ〜１１ｈ，１１ｊに代えて、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｋと、車体と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１Ａｆと、レーザ基準面の画像生成演算部１１Ａｇと、目標掘削面の画像生成演算部１１Ａｈと、車体の画像生成演算部１１Ａｊとを備えていることである。
レーザ基準面と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｋは、記憶部１１ｃに記憶されたレーザ基準面Ｒに対する目標掘削面Ｔの深さ設定値Ｌｄを用い、目標掘削面Ｔ上の所定位置（例えばｘ−ｚ座標系のｘ軸と目標掘削面Ｔとの交点）を原点として設定した中間の直交座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式を演算する。次いで、この一次式を、図１２に示すモニタ１２の表示部２０上のｘｍ−ｚｍ座標系の座標値に変換する。図１２において、表示部２０には目標掘削面Ｔの線１２ｂが表示され、ｘｍ−ｚｍ座標系の原点Ｏｍは、目標掘削面Ｔ上の上記所定位置に対応する線１２ｂ上の位置に固定的に設定される。ｘｍ−ｚｍ座標系へ座標変換する方法は、第１の実施の形態における演算部１１ｅで説明したのと同様である。
車体と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１Ａｆは、演算部１１ｄで演算した車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を用い、上記中間の座標系における車体１Ｂの位置を演算し、その値を図１２に示す表示部２０上のｘｍ−ｚｍ座標系の座標値に変換する。車体１Ｂの位置としてはｘ−ｚ座標系の原点Ｏの位置を用いる。
レーザ基準面の画像生成演算部１１Ａｇは、演算部１１ｋにより得られたレーザ基準面Ｒの一次式を、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上に直線として表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、レーザ基準面Ｒの直線をモニタ１２の表示部２０に表示させる。
車体の画像生成演算部１１Ａｊは、油圧ショベルの車体１Ｂの画像を模式図で生成し、生成された模式図を表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上の演算部１１Ａｆで演算された座標位置に表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、その模式図をモニタ１２の表示部２０に表示させる。
目標掘削面の画像生成演算部１１Ａｈは、設定器７によって設定された勾配βを用い、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標の原点Ｏｍを通る傾きβの直線の画像信号を生成・出力する処理を行い、目標掘削面Ｔの直線をモニタ１２の表示部２０に表示させる。
以上のようにして、車体１Ｂと目標掘削面Ｔとレーザ基準面Ｒの位置関係が、モニタ１２の表示部２０上に、図９に示すように表示される。
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、図１３及び図１４を用いて、本発明の第３の実施の形態による設定・表示処理部１１Ｂの処理機能について説明する。この処理機能は、数値入力方式による場合のもので、モニタ座標への変換をレーザ基準面を基準として行うものである。なお、図１３において、図６と同一符号は、同一部分を示している。
本実施の形態に係わる油圧ショベルの構成は図１及び図２に示すものと同様であり、本実施の形態に係わる制御ユニットのハード構成も図３に示すものと同様である。
図１３において、設定・表示処理部１１Ｂが、図６に示した設定・表示処理部１１と異なる点は、図６における演算部１１ｅ〜１１ｈ，１１ｊに代えて、車体とレーザ基準面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１Ｂｅと、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１Ｂｋと、車体の画像生成演算部１１Ｂｊと、目標掘削面の画像生成演算部１１Ｂｈと、レーザ基準面の画像生成演算部１１Ｂｇを備えていることである。
車体とレーザ基準面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１Ｂｅは、演算部１１ｂで演算した車体１Ｂのｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式を用い、レーザ基準面Ｒ上の所定位置（例えばｘ−ｚ座標系のｘ軸とレーザ基準面Ｒとの交点）を原点として設定した中間の直交座標系における車体１Ｂの位置を演算し、その値を図１４に示す表示部２０上のｘｍ−ｚｍ座標系の座標値に変換する。車体１Ｂの位置としてはｘ−ｚ座標系の原点Ｏの位置を用いる。また、図１４において、表示部２０にはレーザ基準面Ｒの線１２ａが表示され、ｘｍ−ｚｍ座標系の原点Ｏｍは、レーザ基準面Ｒ上の上記所定位置に対応する線１２ａ上の位置に固定的に設定される。ｘｍ−ｚｍ座標系へ座標変換する方法は、第１の実施の形態における演算部１１ｅで説明したのと同様である。
レーザ基準面と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１Ｂｋは、記憶部１１ｃに記憶されたレーザ基準面Ｒに対する目標掘削面Ｔの深さ設定値Ｌｄを用い、上記中間の直交座標系における目標掘削面Ｔの一次式を演算し、更にこの一次式を、図１４に示すモニタ１２の表示部２０上のｘｍ−ｚｍ座標系の座標値に変換する。
車体の画像生成演算部１１Ｂｊは、油圧ショベルの車体１Ｂの画像を模式図で生成し、生成された模式図を表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上の演算部１１Ｂｅで演算された座標位置に表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、その模式図をモニタ１２の表示部２０に表示させる。
目標掘削面の画像生成演算部１１Ｂｈは、演算部１１Ｂｋにより得られた目標掘削面Ｔの一次式を、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標面上に直線として表示する画像信号を生成・出力する処理を行い、目標掘削面Ｔの直線をモニタ１２の表示部２０に表示させる。
レーザ基準面の画像生成演算部１１Ｂｇは、設定器７によって設定された勾配βを用い、表示部２０のｘｍ−ｚｍ座標の原点Ｏｍを通る傾きβの直線の画像信号を生成・出力する処理を行い、レーザ基準面Ｒの直線をモニタ１２の表示部２０に表示させる。
以上のようにして、車体１Ｂと目標掘削面Ｔとレーザ基準面Ｒの位置関係が、モニタ１２の表示部２０上に、図９に示すように表示される。
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、図７及び図１５を用いて、本発明の第４の実施の形態による設定・表示処理部１１Ｃの処理機能について説明する。この処理機能は、ダイレクトティーチ方式による場合のものである。なお、図１５において、図６と同一符号は、同一部分を示している。
本実施の形態に係わる油圧ショベルの構成は図１及び図２に示すものと同様であり、本実施の形態に係わる制御ユニットのハード構成も図３に示すものと同様である。
図１５において、設定・表示処理部１１Ｃが、図６に示した設定・表示処理部１１と異なる点は、図６におけるレーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）記憶部１１ｃと、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１１ｄとに代えて、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１１ｓと、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）演算・記憶部１１ｔを備えていることである。
目標掘削面の位置関係演算・記憶部１１ｓは、設定器７からダイレクトティーチ信号が入力されたときにバケット爪先の座標演算部１１ａによって演算されたバケット爪先のｘ−ｚ座標系の座標値（Ｐcx，Ｐcz）と、設定器７により設定されたレーザ基準面Ｒの勾配βとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、以下の式（９）より演算し、記憶する。
ｚ＝tanβ・ｘ＋（Ｐcz−tanβ・Ｐcx）…（９）
レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）演算・記憶部１１ｔは、演算部１１ｂによって演算された車体１Ｂとレーザ基準面Ｒとの位置関係（レーザ受光器１０ｂによってレーザ光を受光した際のレーザ受光器１０ｂのｘ−ｚ座標系の座標値（ＰLx，ＰLz）と、設定器７によって設定された勾配βとから計算された、前述した式（３）で表されるｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式）と、演算・記憶部１１ｓに記憶された車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの上記式（９）の一次式とから、レーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔとの深さ方向の距離Ｌｄを演算し、記憶する。ここで、深さ方向の距離Ｌｄの演算式は、以下の式（１０）のようになる。
Ｌｄ＝(目標掘削面の一次式の切片)−(レーザ基準面の一次式の切片)…（１０）
また、図中破線は、車体移動後の処理の流れを示しており、車体の移動後は、演算部１１ｂによって演算された車体１Ｂのｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式（前述の式（３））と、演算・記憶部１１ｔに記憶されたレーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔの深さ方向の距離Ｌｄとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、前述の式（４）より演算する。
ｚ＝tanβ・ｘ＋（PＬz−tanβ・PＬx）＋Ｌｄ…（４）
演算部１１ｅ〜１１ｉの処理機能は図６に示す第１の実施の形態におけるものと同じである。ただし、演算部１１ｆは、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式として、車体移動前の最初の掘削位置では上記式（９）を用い、車体移動後は上記（４）式を用い、目標掘削面Ｔの一次式をモニタ１２上の座標系ｘｍ−ｚｍ座標に変換する。
以上のように処理された結果、車体と目標掘削面とレーザ基準面の位置関係及びそれに付属する数値が、モニタ１２上に、図９に示すように表示される。
次に、図１５及び図１０を用いて、本実施の形態による目標掘削面のダイレクトティーチ方式による設定手順及びその目標掘削面に基づきレーザ基準面（外部基準）Ｒから所定深さ・勾配の面を連続的に掘削する処理手順について説明する。
最初に、掘削開始位置での目標掘削面の設定作業及び掘削作業について説明する。
（手順１）
最初に、図１０に示すように、オペレータは、レーザ灯台１０ａを操作して、設定しようとする目標掘削面に対して平行になるようにレーザ基準面Ｒを設定する。
（手順２）
次に、オペレータは、図７で二点鎖線で示すように、フロント装置１Ａを動かして、バケット１ｃの爪先を掘削したい点に移動し、図５に示したダイレクトティーチキー７ｅを押す。また、この前後に、オペレータは、設定器７のキー７ｃ，７ｄを用いて、勾配βを設定する。
この設定操作によって、演算部１１ａは、図７に示す車体１Ｂのｘ−ｚ座標系及び各部寸法に基づいて、バケット爪先のｘ−ｚ座標系の座標値（Ｐcx，Ｐcz）を、式（１）及び式（２）を用いて演算する。また、演算・記憶部１１ｓは、そのバケット爪先のｘ−ｚ座標系の座標値（Ｐcx，Ｐcz）と、レーザ基準面の勾配βとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、式（９）により演算し、記憶する。
（手順３）
次に、オペレータは、図１０に示すように、アーム１ｂに取り付けられたレーザ受光器１０ｂがレーザ光を受光するように、フロント装置１Ａを動かす。この設定操作により、演算部１１ｂは、レーザ受光器１０ｂによってレーザ光を受光した際のレーザ受光器１０ｂのｘ−ｚ座標系の座標値（ＰLx，ＰLz）と、設定器７によって設定された勾配βとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式を、式（３）より演算する。また、演算・記憶部１１ｔは、演算部１１ｂによって演算された車体１Ｂとレーザ基準面Ｒとの位置関係と、演算・記憶部１１ｓに記憶された車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式とから、深さ設定値Ｌｄを式（１０）より演算し、記憶する。
なお、手順２と手順３のレーザ基準面Ｒの一次式を演算するまでの操作は、手順３の後、手順２を行うようにしてもよい。
（手順４）
手順２及び手順３の操作設定の結果、更に演算部１１ｅ〜１１ｊによる演算処理が行われ、図９に示したように、モニタ１２の表示部２０には、車体１Ｂとレーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔがそれぞれ模式図１２ｃと破線１２ａ及び実線１２ｂで表示されると共に、目標掘削面Ｔの勾配β、レーザ基準面Ｒに対する目標掘削面Ｔの設定深さＬｄ及びレーザ基準面Ｒからバケット爪先までの距離ＬPvが表示部２０の左上に表示される。
オペレータは、モニタ１２の表示を見ることにより、車体と目標掘削面の位置関係、及びレーザ基準面と目標掘削面の位置関係を視覚的に把握、認識して、設定状態が適切であるか否かを確認することができる。
（手順５）
オペレータは、フロント装置１Ａを操作し、領域制限掘削制御により演算・記憶部１１ｓに記憶された目標掘削面を自動掘削する。
（手順６）
所定範囲の目標掘削面の掘削が終了すると、図１０に示すように、車体１Ｂを移動する。
次に、移動後の目標掘削面の設定作業及び掘削作業について説明する。
（手順７）
車体の移動後、オペレータは、図１０に示すように、アーム１ｂに取り付けられたレーザ受光器１０ｂがレーザ光を受光するように、フロント装置１Ａを動かす。この操作により、演算部１１ｂは、車体１Ｂとレーザ基準面Ｒの位置関係を演算して、車体１Ｂの移動によって生じる車体位置の変化を補正する。
ここで、演算・記憶部１１ｔに記憶されているレーザ基準面に対する深さ設定値Ｌｄは変更がないため、演算・記憶部１１ｓは、演算部１１ｂによって演算された車体１Ｂとレーザ基準面Ｒとの位置関係と、演算・記憶部１１ｔに記憶された深さ設定値Ｌｄとから、車体１Ｂのｘ−ｚ座標系における目標掘削面Ｔの一次式を、上述の式（４）より演算して、更新記憶する。これによって、車体１Ｂが移動した後も、車体１Ｂの移動によるレーザ基準面Ｒに対する車体１Ｂの位置の変化は補正され、レーザ基準面Ｒに対して所定の位置関係にある目標掘削面Ｔに対して、領域制限掘削制御を継続して行うことができる。
（手順８）
オペレータは、フロント装置１Ａを操作し、領域制限掘削制御により演算・記憶部１１ｓに記憶された目標掘削面Ｔを自動掘削する。
（手順９）
以後、手順６〜手順８を繰り返すことにより、車体１Ｂを移動しながら、レーザ基準面Ｒを基準として、レーザ基準面Ｒに対して所定の深さ、勾配の面を自動掘削する。
以上のように構成した本実施の形態によれば、ダイレクトティーチ方式においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
図１５に示した実施の形態においては、演算部１１ｂ、演算・記憶部１１ｓ，１１ｔで車体１Ｂとレーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔの位置関係を演算した後のモニタ座標への変換を行い画像信号を生成・出力する処理は、図６に示す第１の実施の形態における演算部１１ｅ〜１１ｈ，１１ｊと同じであるとした。演算部１１ｅ〜１１ｈ，１１ｊは車体基準でモニタ座標への変換を行う場合のものである。しかし、モニタ座標への変換は、第２及び第３の実施の形態と同様、目標掘削面或いはレーザ基準面を基準として行ってもよい。
図１６及び図１７はそのような場合の設定・表示処理部の処理機能を示すブロック図である。つまり、図１６は、本発明の第５の実施の形態として、モニタ座標への変換を目標掘削面を基準として行う場合の設定・表示処理部１１Ｄの処理機能を示し、図１７は、本発明の第６の実施の形態として、モニタ座標への変換をレーザ基準面を基準として行う場合の設定・表示処理部１１Ｅの処理機能を示す。図１６において、図１１及び図１５と同一符号は、同一部分を示している。図１７において、図１３及び図１５と同一符号は、同一部分を示している。
これら実施の形態によっても、ダイレクトティーチ方式において、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、図１８を用いて、本発明の目標掘削面設定装置の表示装置における第２の表示例について説明する。
図９において説明したように、モニタ１２の表示部２０には、レーザ基準面Ｒの直線１２ａと、目標掘削面Ｔの直線１２ｂと、油圧ショベルの車体１Ｂの模式図１２ｃとが表示されているが、本例においては、さらに、目標掘削面とバケット先端の位置関係を明確にするために、表示部２０の画面上に現在のバケット先端位置１２ｄを重ねて表示し、かつ表示部２０の画面上の補助線として、車体１Ｂの下部走行体に沿って地面を表す線１２ｅを表示するようにしている。これにより、現在の作業具の位置や地面との関係を含め、現状をさらに正確に把握することができる。
次に、図１９を用いて、本発明の目標掘削面設定装置の表示装置における第３の表示例について説明する。
本例においては、図１８の表示例に対し、バケット等の作業具の位置をバケットの模式図１２ｆで表示し、かつ車体前後方向の傾斜を検出する傾斜計を備えることにより、車体１Ｂの下部走行体に沿って地面を表す線１２ｅ及び車体１Ｂの模式図１２ｃを、検出された傾斜に応じて傾けて表示するようにしている。従って、現在の作業具の位置や車体の傾斜、地面の状態を含め、現状をさらに正確に把握することができる。
本発明の更に他の実施の形態を図２０及び図２１により説明する。本実施の形態は、制御ユニットに設けられる設定・表示処理部から表示処理部を分離し、表示処理部を制御ユニットと別体の表示処理ユニットに設けたものである。図２０及び図２１において、それぞれ図４及び図６と同等の部材には同じ符号を付している。
図２０において、制御ユニット９Ｆは、目標掘削面Ｔを設定すると共に、車体１Ｂとレーザ基準面Ｒと目標掘削面Ｔの位置関係を演算する設定処理部１１Ｆａと、領域制限掘削制御を行う掘削制御部１４とを有している。また、制御ユニット９Ｆと別体の表示処理ユニット１１Ｆｂが備えられている。
図２１において、設定処理部１１Ｆａは、バケット爪先の座標演算部１１ａと、車体とレーザ基準面の位置関係演算部１１ｂと、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）記憶部１１ｃと、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部１１ｄの角機能を有している。表示処理ユニット１１Ｆｂは、車体とレーザ基準面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｅと、車体と目標掘削面の位置関係をモニタ座標に変換する演算部１１ｆと、レーザ基準面の画像生成演算部１１ｇと、目標掘削面の画像生成演算部１１ｈと、設定値の表示演算部１１ｉと、車体の画像生成演算部１１ｊの各機能を有している。
モニタ１２は運転室内の運転席斜め前方のコーナー部に設置され、制御ユニット９Ｆは例えば運転室内の運転席後方下部に設置され、表示処理ユニット１１Ｆｂは例えば運転席側方のコンソールボックスに設置される。
本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態によれば、画像信号を生成・出力する処理を専用の処理ユニット１１Ｆｂで行うようにしたので、表示処理ユニット１１Ｆｂに、通信衛星を介した保守・点検情報等、他の情報の画像信号を生成・出力する処理機能を持たせることが容易となり、表示装置の多目的使用が可能となる。
なお、本発明の目標掘削面設定装置及び表示装置は、その詳細が上述の例に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、上記の実施の形態では、外部基準としてレーザ光によるレーザ基準面を用いたが、水糸等、それ以外の外部基準であってもよい。水糸を外部基準とする場合は、バケットの爪先が水糸に接触するようフロント装置を動かし、その状態でトリガスイッチを押し、そのときの角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃの検出値を用いて演算部１１ｂで車体とレーザ基準面の位置関係を演算させればよい。また、レーザ基準面を用いる場合も、アーム側面にレーザ受光器１０ｂを設置したが、レーザ受光器１０ｂに代え、アーム側面にパネル、ペイント等でフロント基準の印を付け、その印にレーザ光が当たったときにトリガスイッチを押すことで、水糸の場合と同様に、演算部１１ｂで車体とレーザ基準面の位置関係を演算させることができる。
また、本発明は、目標掘削面の設定後の掘削に際しては、領域制限掘削制御に限らず、他の掘削制御を行うようにしてもよいものである。また、表示装置への表示例としては、図９、図１８若しくは図１９に示したものにおいて、目標掘削面と外部基準面を描画する際に表示色や線種を変えて視覚的に区別しやすくしてもよいものである。
更に、上記実施の形態では操作レバーは電気レバーとしたが、油圧パイロットレバーでもよい。また、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。
産業上の利用可能性
本発明によれば、外部基準を用いて、所定の深さの面まで長距離に亘って連続的に掘削する場合の目標掘削面の設定を容易に行うことができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置を油圧ショベルの油圧駆動装置と共に示す図である。
図２は、本発明が適用される油圧ショベルの外観をレーザ燈台及びそれにより形成されるレーザ基準面と共に示す図である。
図３は、図１に示した目標掘削面設定装置を制御ユニットのハード構成と共に示す図である。
図４は、図１に示した目標掘削面設定装置を制御ユニットの処理機能と共に示す図である。
図５は、図１に示した設定器の構成図である。
図６は、図４に示した数値入力方式による設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図７は、本発明の掘削機械の目標掘削面設定装置が適用される油圧ショベルの各部寸法、使用する座標系、及び車体とレーザ基準面と目標掘削面との関係を示す説明図である。
図８は、本発明の第１の実施の形態による表示装置（モニタ）に用いる座標系の説明図である。
図９は、本発明の目標掘削面設定装置の表示装置における第１の表示例の説明図である。
図１０は、本発明の目標掘削面設定装置及び表示装置を用いた掘削方法を示す説明図である。
図１１は、本発明の第２の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置に用いる、数値入力方式による設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図１２は、本発明の第２の実施の形態による表示装置（モニタ）に用いる座標系の説明図である。
図１３は、本発明の第３の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置に用いる、数値入力方式による設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図１４は、本発明の第３の実施の形態による表示装置（モニタ）に用いる座標系の説明図である。
図１５は、本発明の第４の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置に用いる、ダイレクトティーチ方式による設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図１６は、本発明の第５の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置に用いる、ダイレクトティーチ方式による設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図１７は、本発明の第６の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置に用いる、ダイレクトティーチ方式による設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図１８は、本発明の目標掘削面設定装置の表示装置における第２の表示例の説明図である。
図１９は、本発明の目標掘削面設定装置の表示装置における第３の表示例の説明図である。
図２０は、本発明の更に他の実施の形態による掘削機械の目標掘削面設定装置を制御ユニットの処理機能と共に示す図である。
図２１は、図２０に示した制御ユニットの設定処理部及び表示処理ユニットの処理機能を示すブロック線図である。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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