(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多関節型のフロント作業機を構成する上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットを含む複数のフロント部材と、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備える油圧ショベルに備えられ、前記フロント作業機に領域を制限した掘削を連続して行わせる油圧ショベルのフロント制御装置において、
（ａ）前記フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、
（ｂ）前記検出手段からの信号に基づき前記フロント作業機の位置と姿勢を演算する第１演算手段と、
（ｃ）前記検出手段からの信号に基づき前記アーム及びバケットの実動作速度を演算し、この動作速度から前記フロント作業機のバケット先端の速度ベクトルを演算する第２演算手段と、
（ｄ）前記フロント作業機のバケット先端が予め設定した領域内でその設定領域の境界の近傍にあるとき、前記第１及び第２演算手段の演算値に基づき、前記第２演算手段で演算した前記速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる減速ベクトルを演算する第３演算手段と、
（ｅ）前記第３演算手段で演算した前記減速ベクトルに対応する前記ブームの操作信号を演算しこれを対応する油圧制御弁に出力する第４演算手段と、
（ｆ）前記第３演算手段で演算した減速ベクトルに対応する前記ブームの目標動作速度を演算し、このブームの目標動作速度と前記検出手段で検出した前記フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量とから前記バケットの姿勢を一定に保持するための前記バケットの操作信号を演算し、このバケットの操作信号を対応する油圧制御弁に出力する第５演算手段とを備えることを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、前記第３演算手段は、前記減速ベクトルとして、そのときの設定領域の境界とバケット先端との距離に対応する第１減速ベクトルと、前記設定領域の境界と前記バケット先端との距離が０であると仮定した第２減速ベクトルとを演算し、前記第４演算手段は前記第１減速ベクトルを用いて前記ブームの操作信号を演算し、前記第５演算手段は前記第２減速ベクトルを用いて前記ブームの目標動作速度を演算することを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、前記第３演算手段は、設定領域の境界とバケット先端との距離の関数として減速係数を予め設定しておき、この予め設定した関数から前記設定領域の境界とバケット先端との距離に対応する減速係数を求め、前記第１及び第２減速ベクトルを演算することを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
【請求項４】
請求項２記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、前記第３演算手段は、前記設定領域の境界と前記バケット先端との距離が第１の値以下になると前記第１減速ベクトルの演算を開始し、前記設定領域の境界と前記バケット先端との距離が前記第１の値より小さい第２の値以下になると前記第２減速ベクトルの演算を開始することを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の油圧ショベルのフロント制御装置において、前記第２演算手段は、前記検出手段からの信号に基づき前記アーム及びバケットの実動作速度としてアーム及びバケットの実角速度を演算し、前記第５演算手段は、前記ブームの目標動作速度としてブームの目標角速度を演算し、このブームの目標角速度と前記第２演算手段で演算したアームの実角速度とから、バケットが一定の角度を保つ動作をするときブームの角速度とアームの角速度とバケットの角速度との和が０になる関係を用いて前記バケットの目標角速度を演算し、このバケットの目標角速度から前記バケットの操作信号を演算することを特徴とする油圧ショベルのフロント制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベルのフロント制御装置に係わり、特に、領域制限掘削制御によりフロント作業機の動き得る領域を制限した掘削を行う油圧ショベルのフロント制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルで掘削面の仕上げ作業や法面の成型作業を行うには、ブーム、アーム等の複数のフロント部材を同時に複合操作してバケット先端を直線状に動作させる必要がある。しかし、これらフロント部材はそれぞれが関節部によって連結され回動運動を行うものであるため、これらフロント部材を操作してフロント作業機のバケット先端を直線状に移動させることは、熟練を伴う非常に困難な作業である。また、上記のような作業ではバケットの姿勢を一定に保持しながらそのような動作を行わせることも望まれており、この作業は一層熟練を要する高度な作業となる。
【０００３】
そこで、このような作業を容易にするため、各種のフロント制御装置が従来提案されており、その種の技術を開示する公知例として例えば特開平８−３１１９１８号公報、特開昭６３−２３６８２７号公報、特許第１９７６６４７号公報等がある。
【０００４】
特開平８−３１１９１８号公報は領域制限掘削制御と称する、掘削領域の境界に沿ってフロント作業機のバケット先端を動かせるフロント制御装置を提案している。このフロント制御装置は、検出信号からの信号によりフロント作業機の位置を演算する手段と、フロント作業機の動き得る掘削領域を設定する手段と、フロント作業機の速度ベクトルを演算する手段とを有し、フロント作業機のバケット先端と掘削領域の境界との間の距離に応じて速度ベクトルのうち当該境界に垂直な成分を減じるよう速度ベクトルを補正し、この補正した速度ベクトルが得られるようフロント作業機を駆動することにより、掘削領域の境界に沿ってフロント作業機のバケット先端を動かすようにしたものである。
【０００５】
特開昭６３−２３６８２７号公報は、バケット角度を元にしたフィードバック制御とアームの操作量を元にしたフィードフォワード制御を組み合わせることにより、制御開始時の応答遅れによる偏差を少なくしてバケット角の制御精度を向上させる技術を提案している。
【０００６】
特許第１９７６６４７号公報は、バケット先端を直接制御点とし、ブーム・アーム・バケット回動速度の指令による速度フィードフォワード制御と目標角速度に関するフィードバック制御を行い、バケット爪先を直線状に動作させかつバケット対地角度を制御する技術を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の間題点がある。
【０００８】
特開平８−３１１９１８号公報に記載の領域制限掘削制御では、上記のようにフロント作業機のバケット先端の速度ベクトルを補正することにより、掘削領域の境界に沿ってフロント作業機のバケット先端を動かすことができ、バケット先端を直線状に動作させることができる。しかし、この制御ではバケットの姿勢を一定に保持することはできない。領域制限掘削制御でバケットの姿勢を一定に保持しながらバケット先端を直線状に動かすことが望まれている。
【０００９】
特開昭６３−２３６８２７号公報や特許第１９７６６４７号公報に記載の制御装置では、バケットの姿勢を一定に保持しながらバケット先端を直線状に動作させようとしている。しかし、特開昭６３−２３６８２７号公報に記載の制御装置では、アーム先端を直線的に動作させ、バケット角度はその制御とは独立に制御する方法であり、それぞれの制御による偏差が重なるとバケット先端の偏差が大きくなる恐れがある。特許第１９７６６４７号公報に記載の制御装置では、バケット先端を制御点とし、バケット爪先を直線状に動作させかつバケット対地角度を制御しているため、そのような問題は無いと考えられる。しかし、この従来技術は、負荷外乱等による影響について補償する手段については言及しておらず、幾何学的な原理原則の内容にとどまっており、実際にこの制御を行う場合は、外乱等の補償方法について考慮する必要がある。また、ブーム・アーム・バケット回動速度の指令による速度フィードフォワード制御と目標角速度に関するフィードバック制御を行い、バケット爪先を直線状に動作させかつバケット対地角度を制御する技術であるため、そのバケット爪先を直線状に動作させる制御とバケット対地角度の制御が一体不可分となっており、バケット対地角度の制御部分だけを分離し特開平８−３１１９１８号公報に記載のような領域制限掘削制御に適用することは困難である。
【００１０】
本発明の目的は、フロント作業機の動き得る領域を制限した掘削制御を行う領域制限掘削制御に際して、掘削時の負荷による影響を極力押さえるとともに、領域制限掘削制御の演算部分に干渉することなく、バケットの姿勢を一定に保持する制御を容易に組み込むことができる油圧ショベルのフロント制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、多関節型のフロント作業機を構成する上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットを含む複数のフロント部材と、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する複数の操作手段と、前記複数の操作手段の操作信号に応じて駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを備える油圧ショベルに備えられ、前記フロント作業機に領域を制限した掘削を連続して行わせる油圧ショベルのフロント制御装置において、（ａ）前記フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量を検出する検出手段と、（ｂ）前記検出手段からの信号に基づき前記フロント作業機の位置と姿勢を演算する第１演算手段と、（ｃ）前記検出手段からの信号に基づき前記アーム及びバケットの実動作速度を演算し、この動作速度から前記フロント作業機のバケット先端の速度ベクトルを演算する第２演算手段と、（ｄ）前記フロント作業機のバケット先端が予め設定した領域内でその設定領域の境界の近傍にあるとき、前記第１及び第２演算手段の演算値に基づき、前記第２演算手段で演算した前記速度ベクトルの前記設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分を減じる減速ベクトルを演算する第３演算手段と、（ｅ）前記第３演算手段で演算した前記減速ベクトルに対応する前記ブームの操作信号を演算しこれを対応する油圧制御弁に出力する第４演算手段と、（ｆ）前記第３演算手段で演算した減速ベクトルに対応する前記ブームの目標動作速度を演算し、このブームの目標動作速度と前記検出手段で検出した前記フロント作業機の位置と姿勢に関する状態量とから前記バケットの姿勢を一定に保持するための前記バケットの操作信号を演算し、このバケットの操作信号を対応する油圧制御弁に出力する第５演算手段とを備えるものとする。
【００１２】
このように第２演算手段でアーム及びバケットの実動作速度を演算し、この動作速度からフロント作業機のバケット先端の速度ベクトルを演算し、第３演算手段でその速度ベクトルに対する減速ベクトルを演算し、第４演算手段でその減速ベクトルに対応するブームの操作信号を演算し対応する油圧制御弁に出力することにより、バケット先端が設定領域を越えないフロント作業機の制御（領域制限掘削制御）を行うことができる。また、このとき、掘削時の負荷によってアーム及びバケットのアクチュエータ速度が操作信号の目標値と異なっていても、第２演算手段で演算される速度ベクトルは実動作速度に基づく実際の速度ベクトルであるため、第３演算手段で演算した減速ベクトルも実測値を反映した値となっており、掘削時の負荷に係わらず精度良く領域制限掘削制御を行うことができる。
【００１３】
また、第５演算手段で第３演算手段で演算した減速ベクトルに対応するブームの目標動作速度を演算し、このブームの目標動作速度と検出手段で検出したフロント作業機の位置と姿勢に関する状態量とからバケットの姿勢を一定に保持するバケットの操作信号を演算し対応する油圧制御弁に出力することにより、バケットが一定の姿勢を保持するようフロント作業機を制御することができる。また、このとき、領域制限掘削制御の演算に用いたのと同じ演算値或いは状態量を用いてバケットの姿勢を一定に保持する制御の演算を行うので、領域制限掘削制御の演算部分に干渉することなく、簡単なソフトの追加でバケットの姿勢を一定に保持する制御を容易に組み込むことができ、制御プログラムのデバッグを容易に行うことができる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第３演算手段は、前記減速ベクトルとして、そのときの設定領域の境界とバケット先端との距離に対応する第１減速ベクトルと、前記設定領域の境界と前記バケット先端との距離が０であると仮定した第２減速ベクトルとを演算し、前記第４演算手段は前記第１減速ベクトルを用いて前記ブームの操作信号を演算し、前記第５演算手段は前記第２減速ベクトルを用いて前記ブームの目標動作速度を演算する。
【００１５】
これにより第１減速ベクトルを用いてバケット先端が設定領域を越えないよう制御できるとともに、第２減速ベクトルを用いて設定領域の境界の手前から、バケット先端が設定領域の境界状に到達したときの角度と同じ角度でバケットの姿勢を一定にする制御を行える。
【００１６】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記第３演算手段は、設定領域の境界とバケット先端との距離の関数として減速係数を予め設定しておき、この予め設定した関数から前記設定領域の境界とバケット先端との距離に対応する減速係数を求め、前記第１及び第２減速ベクトルを演算する。
【００１７】
これにより同じ関数を用いて第１及び第２減速ベクトルを演算でき、ソフトを簡素化できる。
【００１８】
（４）また、上記（２）において、好ましくは、前記第３演算手段は、前記設定領域の境界と前記バケット先端との距離が第１の値以下になると前記第１減速ベクトルの演算を開始し、前記設定領域の境界と前記バケット先端との距離が前記第１の値より小さい第２の値以下になると前記第２減速ベクトルの演算を開始する。
【００１９】
これにより設定領域の境界の手前からバケットの姿勢を一定にする制御を行うとき、設定領域の境界に近い位置からバケット姿勢が一定となるよう制御され、操作性が良好となる。
【００２０】
（５）更に、上記（１）において、前記第２演算手段は、前記検出手段からの信号に基づき前記アーム及びバケットの実動作速度としてアーム及びバケットの実角速度を演算し、前記第５演算手段は、前記ブームの目標動作速度としてブームの目標角速度を演算し、このブームの目標角速度と前記第２演算手段で演算したアームの実角速度とから、バケットが一定の角度を保つ動作をするときブームの角速度とアームの角速度とバケットの角速度との和が０になる関係を用いて前記バケットの目標角速度を演算し、このバケットの目標角速度から前記バケットの操作信号を演算する。
【００２１】
これによりバケットの姿勢を一定とする操作信号を演算できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施の形態に係わるフロント制御装置を油圧ショベルに搭載される油圧駆動装置とともに示す図である。
【００２４】
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２から吐出される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、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と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６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。
【００２５】
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・油圧操作方式である。
【００２６】
図２に油圧ショベルの外観を示す。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１ｃからなる多関節型のフロント作業機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、フロント作業機１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に指示されている。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、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。
【００２７】
以上のような油圧ショベルに本実施の形態に係わるフロント制御装置が設けられている。この制御装置は、予め作業に応じてフロント作業機の所定部位、例えばバケット１ｃの先端が動き得る掘削領域の設定を指示するとともに、領域制限掘削制御の開始やバケット角一定保持制御の開始を指示する設定器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、フロント作業機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、設定器７の設定信号、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し、バケット１ｃの先端が動き得る掘削領域を設定すると共に操作信号の補正を行う制御ユニット９から構成されている。
【００２８】
設定器７は、操作パネルあるいは操作レバーのグリップ上に設けられたスイッチ等の入力手段により、制御の開始や設定の信号を制御ユニット９に出力し、制御の開始や掘削制限領域の設定を指示するものである。操作パネル上には表示装置等、他の補助手段があってもよい。図１に示す例では、設定器７に領域制限開始スイッチ７ａ、バケット角一定保持スイッチ７ｂ、ダイレクトティーチスイッチ７ｃが設けられている。
【００２９】
制御ユニット９は領域設定部と領域制限掘削制御部とを有し、領域設定部では、設定器７からの指示でバケット１ｃの先端が動き得る掘削領域の設定演算を行う。その一例を図３を用いて説明する。
【００３０】
まず初めに、掘削領域の初期値として、フロント作業機１Ａが届かない位深い値をセットしておく。なぜならば、設定器７の制御開始スイッチ７ａをＯＮにした時から領域制限掘削制御が有効になるとすれば、その後フロント作業機１Ａが動作し得る範囲で自由に動き、動作範囲内で掘削領域を自由に設定できるようにするためには、掘削領域の初期値は油圧ショベルのある位置からはるか下方に設定しておかなければならないからである。ここでは一例として、掘削領域の初期値は直線式でＹ＝−２０ｍとしておく。
【００３１】
次に、図３において、オペレータによる操作レバー装置の操作でバケット１ｃの先端を点Ｐ1の位置に動かした後、設定器７のダイレクトティーチスイッチ７ｃを押してそのときのバケット１ｃの先端位置を計算する。
【００３２】
制御ユニット９のＲＯＭ等の記憶部にはフロント作業機１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されており、領域設定部はこれらのデータと、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α，β，γの値を用いてＰ1の位置を計算する。このときＰ1の位置は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＹ座標系の座標値（Ｘ1，Ｙ1）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した直交座標系であり、垂直面内にあるとする。回動角α，β，γからＸＹ座標系の座標値（Ｘ1，Ｙ1）は、ブーム１ａの回動支点とアーム１ｂの回動支点との距離をＬ1、アーム１ｂの回動支点とバケット１ｃの回動支点の距離をＬ2、バケット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端との距離をＬ3とすれぱ、下記の式より求まる。
【００３３】
Ｘ1＝Ｌ1sinα＋Ｌ2sin（α＋β）＋Ｌ3sin（α＋β＋γ）
Ｙ1＝Ｌ1cosα＋Ｌ2cos（α＋β）＋Ｌ3cos（α＋β＋γ）
制御ユニット９の領域設定部では、Ｐ1のＹ座標値より、掘削領域の直線式を下記の式を用いて計算する。
【００３４】
Ｙ＝Ｙ1
このように計算した値は掘削領域の設定値として制御ユニット９のＲＡＭ等の記憶部に記憶される。
【００３５】
以上のように設定した掘削領域に関して、制御ユニット９の領域制限掘削制御部では、図４にフローチャートで示す処理手順によりフロント作業機１Ａの動き得る領域を制限する制御を行う。以下、その内容を図４に示すフローチャートにより説明する。
【００３６】
まず、手順１１０において、設定器７の領域制限開始スイッチ７ａがＯＮかどうかを判断する。設定器７の領域制限開始スイッチ７ａがＯＮであれば手順１２０に進む。
【００３７】
次に、手順１２０において、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し、手順１３０において、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃにより検出したブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動角を入力する。
【００３８】
次に手順１４０において、検出した回動角α，β，γと予め入力してあるフロント作業機１Ａの各部寸法とに基づきフロント作業機１Ａの位置と姿勢の計算を行い、フロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端位置を計算する。この時の計算は、先の領域設定部におけるバケット先端位置の計算と同じであり、この場合も、バケット先端の位置はＸＹ座標系の値として求める。
【００３９】
次に、手順１８０において、アーム角度検出器８ｂ及びバケット角度検出器８ｃの信号を微分してアーム１ｂ及びバケット１ｃの実際の角速度ωｂ，ωｃを求め、この角速度から油圧シリンダ３ｂ，３ｃの駆動速度を求め、この駆動速度とフロント作業機１Ａの各部寸法を用いてバケット先端の速度ベクトルＶｃを演算する。そして、速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行な方向のベクトル成分Ｖｃｘと垂直な方向のベクトル成分Ｖｃｙを求める。ここで、速度ベクトルＶｃのＸ座標成分Ｖｃｘは速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に平行な方向のベクトル成分となり、Ｙ座標成分Ｖｃｙは速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に垂直な方向のベクトル成分となる。
【００４０】
次に手順１９０において、バケット１ｃの先端が、上記のように設定した図５に示すような設定領域内の境界近傍の領域である減速領域にある場合か否かを判定し、減速領域にある場合には手順２００に進み、フロント作業機１Ａの減速制御演算を行い、減速領域にない時には手順２１０に進む。手順２００の減速制御演算では、アーム用操作レバー装置４ｂの操作信号自体を減速する（操作指令値を小さくする）処理（アーム減速制御処理）と、手順１８０で計算したフロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分（Ｖｃｙ）を減じる処理（減速方向変換処理；後述）とを行う。
【００４１】
次に手順２１０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図５に示すような設定領域外にある場合か否かを判定し、設定領域外にある場合には手順２２０に進み、フロント作業機１Ａの復元制御演算を行い、設定領域外にないときには手順２３０に進む。手順２２０の復元制御演算では、アーム用操作レバー装置４ｂの操作信号自体を減速する（操作指令値を小さくする）処理（アーム減速処理）と、手順１８０で計算したフロント作業機１Ａのバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分（Ｖｃｙ）を設定領域の協会に向かう方向の成分に変換する処理（復元方向変換処理；後述）とを行う。
【００４２】
ここで、手順１９０における減速領域にあるか否かの判定及び手順２００における減速方向変換処理、手順２１０における設定領域外に侵入したか否かの判定について、図５〜図７を用いて説明する。
【００４３】
制御ユニット９の記憶装置には、図６に示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ1と減速ベクトル係数ｈとの関係が演算・記憶されている。この距離Ｄ1と係数ｈとの関係は、距離Ｄ1が距離Ｙa1よりも大きいときはｈ＝０であり、Ｄ1がＹa1よりも小さくなると、距離Ｄ1が減少するにしたがって減速ベクトル係数ｈが増大し、距離Ｄ1＝０でｈ＝１となるように設定されている。
【００４４】
手順１９０では、手順１４０で演算されたバケット１ｃの先端位置と上記のように領域設定部９ａに設定された掘削領域の設定値とからバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ1を計算し、この距離Ｄ1が距離Ｙa1より小さくなると減速領域に侵入したと判定する。また、手順２１０では、距離Ｄ1が負の値になったら設定領域外に侵入したと判断する。
【００４５】
また、手順２００では、手順１８０で計算したバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分である設定領域の境界に対し垂直方向のベクトル成分、すなわちＸＹ座標系におけるＹ座標の成分Ｖｃｙを減じるための減速ベクトルＶRを求める。具体的には、記憶装置に記憶した図６に示す関係からそのときの設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ1に対応する減速ベクトル係数ｈを計算し、この減速ベクトル係数ｈを速度ベクトルＶｃのＹ座標の成分（垂直方向のベクトル成分）Ｖｃｙに乗じ、更に−１を乗じて滅速ベクトルＶR（＝−ｈＶｃｙ）を求める。ここで、減速ベクトルＶRはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ1がＹa1より小さくなるにしたがって大きくなり、Ｄ1＝０でＶR＝−ＶｃｙとなるＶｃｙの逆方向の速度ベクトルである。このため、減速ベクトルＶRを速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより（後述）、距離Ｄ1がＹa1より小さくなるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙの減少量が大きくなるようベクトル成分Ｖｃｙが減じられ、速度ベクトルＶｃは速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００４６】
バケット１ｃの先端が上記のように補正された速度ベクトルＶｃａの通りに減速制御されたときの軌跡の一例を図７に示す。速度ベクトルＶｃが斜め下方に一定であるときには、その平行成分Ｖｃｘは一定となり、垂直成分Ｖｃｙはバケット１ｃの先端が設定領域の境界に近づくにしたがって（距離Ｄ1がＹa1より小さくなるにしたがって）小さくなる。補正後の速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図７のように設定領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。また、Ｄ1＝０でｈ＝１、ＶR＝−Ｖｃｙとなるので、設定領域の境界上での補正後の速度ベクトルＶｃａは平行成分Ｖｃｘに一致する。
【００４７】
手順２２０における復元方向変換処理について、図８及び図９を用いて説明する。前述したようにこの処理はバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ1が負の値になったときのものであり、便宜上Ｄ1の絶対値をＤ2に置き換えて説明する。
【００４８】
手順２２０では、手順１８０で計算したバケット１ｃの先端の速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に対し垂直方向のベクトル成分、すなわちＸＹ座標系のＹ座標の成分Ｖｃｙを設定領域の境界に接近する方向の垂直成分に変えるための復元ベクトルＶR2を求める。具体的には、垂直方向のベクトル成分ＶｃｙをキャンセルするためのＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙを求める。そして次に、記憶装置に記憶した図８に示す関係からそのときの設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ2の絶対値に相当する加算用復元ベクトルＡRを計算し、Ｖｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙと加算用復元ベクトルＡRの和を復元ベクトルＶR2とする（ＶR2＝Ａｃｙ＋ＡR）。ここで、加算用復元ベクトルＡRはバケット１ｃの先端と設定領域の境界との距離Ｄ2が小さくなるにしたがつて小さくなるよう設定されている。このため、復元ベクトルＶR2（＝Ａｃｙ＋ＡR）を速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより（後述）、距離Ｄ2が小さくなるにしたがって垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙが小さくなるよう、速度ベクトルＶｃは速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００４９】
バケット１ｃの先端が上記のように補正した速度ベクトルＶｃａの通りに復元制御されたときの軌跡の一例を図９に示す。速度ベクトルＶｃが斜め下方に一定であるときには、その平行成分Ｖｃｘは一定となり、また復元ベクトルＡRは距離Ｄ2に比例するので垂直成分Ｖｃｙはバケット１ｃの先端が設定領域の境界に近づくにしたがって（距離Ｄ2が小さくなるにしたがって）小さくなる。補正後の速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図９のように設定領域の境界に近づくにつれて平行となる曲線状となる。
【００５０】
図４に戻り、次に手順２３０において、手順２００又は２２０で得た滅速ベクトルＶRあるいは復元ベクトルＶR2（＝Ａｃｙ＋ＡR）に対応するブーム用流量制御弁５ａの操作信号を演算する。具体的には、まず、滅速ベクトルＶRあるいは復元ベクトルＶR2に対応するブーム１ａの角速度の目標値を演算し、それにリンク変換を行い、ブーム角速度の目標値に相当するブーム１ａの操作信号を演算する。
【００５１】
ここで、この操作信号を流量制御弁５ａに出力しブーム１ａを操作することは、滅速ベクトルＶRあるいは復元ベクトルＶR2が得られるようブーム上げを行うことであり、減速制御では、減速ベクトルＶRを速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することに相当し、復元制御では、復元ベクトルＶR2を速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することに相当する。
【００５２】
次に手順３００では、設定器７のバケット角一定保持スイッチ７ｂがＯＮかどうかを判断し、更に手順３１０で、上記のように手順１９０で計算されたバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ1が距離Ｙa2より小さくなったかどうかを判断する。ここで、距離Ｙa2は図６に示すようにＹa2＜Ｙa1であり、設定領域の境界近傍に設定する。なお、バケット角一定保持スイッチ７ｂを設けずに、フロント作業機１Ａの姿勢（例えばバケット１ｃの角度）でバケット角一定保持制御がＯＮかどうかを判断し、自動でバケット角一定保持制御を開始するようにしてもよい。
【００５３】
そして手順３００，３１０の両方で肯定されれば手順３２０に進み、バケット角一定保持制御のためのバケットに対する操作信号を演算する。
【００５４】
手順３２０の詳細を図１０に示す。
【００５５】
まず、手順３２２では手順２００で行ったように、図６に示すような設定領域の境界とバケット１ｃの先端との距離Ｄ1と減速ベクトル係数ｈとの関係を用い、減速制御における減速ベクトルＶRを演算するが、ここでは領域制限掘削制御によりバケット１ｃの先端は常に設定領域の境界上を移動していると仮定し、バケットと先端と設定領域の境界との距離Ｄ1は０として減速制御演算を行い、修正減速ベクトルＶARを演算する。
【００５６】
次に手順３２３において、修正減速ベクトルＶARに対応するブーム１ａの角速度の目標値（目標角速度）ωａを演算する。
【００５７】
次に手順３２４では、手順１８０でアーム角度検出器８ｂの信号を微分して求めたアーム１ｂの実際の角速度（アーム角速度の実測値）ωｂと、手順３２３で求めたブームの目標角速度ωａとからバケット１ｃの目標角速度ωｃを演算する。ここで、バケットと１ｃが車体１Ｂに対して一定の角度（姿勢）、つまり一定の対地角度を保つ動作をする場合、ωａ＋ωｂ＋ωｃ＝０の関係が成り立つ。手順３２４ではその関係を用いて以下の式よりバケット１ｃの目標角速度ωｃを演算する。
【００５８】
ωｃ＝−ωａ−ωｂ
手順３２５では、手順３２４で得たバケット１ｃの目標角速度ωｃにリンク変換を行い、ωｃに相当するバケット１ｃの操作信号を演算する。
【００５９】
図４に戻り、次に手順２４０では手順１１０，３００，３１０での判断結果に応じて操作信号を出力する。まず、手順１１０，３００，３１０の全て肯定された場合は、手順１２０で入力した旋回及び走行用操作レバー装置４ｄ〜４ｆの操作信号と、手順２００又は２２０で計算したアーム減速処理の操作信号と、手順２３０で計算したブームの操作信号と、手順３１０で計算したバケットの操作信号を出力する。手順１１０で肯定され、手順３００，３１０の少なくとも一方で否定された場合は、手順１２０で入力したバケット、旋回及び走行の操作信号と、手順２００又は２２０で計算したアーム減速処理の操作信号と、手順２３０で計算したブームの操作信号を出力する。更に、手順１１０で否定された場合は、手順２５０で操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号を入力し、手順２４０では、それらの操作信号を出力する。
【００６０】
領域制限掘削制御を終了させる場合は、設定器７の領域制限開始スイッチ７ａをもう一度押して、０ＦＦにする。この時、それまで設定されていた掘削領域の設定値（掘削領域の直線式）は初期値のＹ＝−２０ｍにリセットされる。
【００６１】
以上によりバケット１ｃの先端を設定領域の境界に沿って移動させる領域制限掘削制御を行いながら、アーム１ｂの動作及びブーム１ａの制御目標値を元にしてバケット１ｃを制御することにより、バケットの対地角度が一定に保持されるバケット角一定保持制御を行うことができる。
【００６２】
図１１に本実施の形態に係わる領域制限掘削制御とバケット角一定保持制御の関係を機能ブロック図で示す。図中、実線は領域制限掘削制御に係わる部分を示し、破線はバケット角一定保持制御に係わる部分を示している。
【００６３】
図１１において、本実施の形態のフロント制御装置は、アーム速度指令値の演算部５０、アーム減速制御演算部５１、アーム出力指令値演算部５２、アーム各速度の実測値演算部５３、ブーム速度指令値の演算部５９、フロント姿勢演算部６０、速度ベクトル演算部６１、減速ベクトル演算部６２、ブーム角速度の目標値演算部６３、リンク変換部６４、ブーム出力指令値演算部６５、偏差を０と改定した修正減速ベクトル演算部７０、ブーム角速度の目標値演算部７１、バケット速度指令値演算部７２、バケット角速度の目標値演算部７３、リンク変換部７４、バケット出力指令値演算部７５、バケット角速度の実測値演算部７６を有している。これら各演算部と図４及び図１０に示したフローチャートの手順との対応は次のようである。
【００６４】
アーム速度指令値の演算部５０：手順１２０
アーム減速制御演算部５１：手順２００，２２０
アーム出力指令値演算部５２：手順２００，２２０，２４０
アーム各速度の実測値演算部５３：手順１８０，３２０（３２１）
ブーム速度指令値の演算部５９：手順１２０
フロント姿勢演算部６０：手順１４０
速度ベクトル演算部６１：手順１８０
減速ベクトル演算部６２：手順２００，２２０
ブーム角速度の目標値演算部６３：手順２３０
リンク変換部６４：手順２３０
ブーム出力指令値演算部６５：手順２３０，２４０
偏差を０と改定した修正減速ベクトル演算部７０：手順３２０（３２２）
ブーム角速度の目標値演算部７１：手順３２０（３２３）
バケット速度指令値演算部７２：手順１２０
バケット角速度の目標値演算部７３：手順３２０（３２４）
リンク変換部７４：手順３２０（３２５）
バケット出力指令値演算部７５：手順３２０（３２５），２４０
バケット角速度の実測値演算部７６：手順１８０
以上のように構成した本実施の形態によれば、アーム１ｂ、バケット１ｃの実際の角速度を元にしてバケット先端の速度ベクトルＶｃを演算し、これから減速ベクトルＶRを演算してブーム１ａを制御することで、バケット先端が設定領域に沿って動作する領域制限掘削制御を行うので、掘削時の負荷などによりアーム、バケットが操作レバー装置４ｂ，４ｃの操作信号が指令する目標速度通りに動作しなくても、ブーム１ａはアーム１ｂ、バケット１ｃの実際の動作速度に応じて動作するため、バケット先端が設定領域外に侵入しないよう精度よく制御できる。
【００６５】
また、バケット１ｃの対地角度を一定に保持しながら領域制限掘削制御を行う際、バケットの目標角速度ωｃの演算には、領域制限掘削制御の演算で用いたのと同じ速度ベクトルＶｃや図６に示す関係を用いて演算したブームの目標角速度ωａと、やはり領域制限掘削制御の演算で用いたのと同じアームの実角速度ωｂとを用いているので、領域制限掘削制御の演算部分に干渉することなく、簡単なソフトの追加でバケットの姿勢を一定に保持する制御を容易に組み込むことができ、制御プログラムのデバッグが容易となり、プログラミングのミスを予防できる。
【００６６】
また、バケツト角一定保持制御の演算では、設定領域の境界とバケット先端との距離が０であると仮定して演算した修正減速ベクトルＶARからブーム１ａの目標角速度ωａを演算し、バケット１ｃの目標角速度ωｃを演算するので、設定領域の境界とバケット先端との距離がＹa2以下になればバケット先端が設定領域の境界に到達していなくても、設定領域の境界の手前から、バケット先端が設定領域の境界状に到達したときの角度と同じ角度でバケット１ｃの姿勢が一定となるよう制御されるとともに、この制御を開始する距離Ｙa2を領域制限掘削制御を開始する距離Ｙa1より小さい、設定領域の境界近傍の値に設定してあるので、設定領域の境界に近い位置からバケット姿勢が一定となるよう制御される。このため、バケツト角一定保持制御をスムーズに行うことができ、操作性を大幅に向上できる。
【００６７】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記の実施の形態では、バケツト角一定保持制御において、アームの実際の角速度ωｂとブームの目標角速度ωａに基づいて計算したバケットの目標角速度ωｃより直接バケット１ｃの操作信号を演算したが、バケットの目標対地角度と実際のバケット対地角度の偏差に応じたフィードバック制御を組み込み、ωｃの値を補正するような制御演算を加えてもよい。
【００６８】
また、上記の実施の形態では、バケツト角一定保持制御で、設定領域の境界とバケット先端との距離が０であると仮定して修正減速ベクトルＶAR演算し、この値を基にしてブーム１ａの目標角速度ωａを演算しバケット１ｃの目標角速度ωｃを演算したが、領域制限掘削制御で演算した減速ベクトルＶRをそのまま用いてもよく、この場合は距離Ｙa2でバケツト角一定保持制御を開始したときの角度でバケット１ｃの姿勢が一定となるよう制御することができる。また、上記の実施の形態では、バケット角一定保持制御を開始する距離Ｙa2を領域制限掘削制御を開始する距離Ｙa1より小さい値に設定したが、領域制限掘削制御と同じ距離に設定してもよく、この場合は、領域制限掘削制御と同時にバケツト角一定保持制御を行うことができるとともに、修正減速ベクトルＶARを演算する必要がないので、制御演算を簡素化できる。
【００６９】
更に、上記の実施の形態では、フロント作業機がブーム、アーム、バケットの３つのフロント部材を有する油圧ショベルに本発明を適用した場合について説明したが、ブームが第１ブームと第２ブームとからなる２ピースブーム式或いはオフセット式のフロント作業機を有する油圧ショベルに本発明を適用してもよく、この場合は、例えば車体に最も近い第１ブームを上記の実施の形態でのブームとして扱えばよい。
【００７０】
また、上記実施の形態では、操作レバー装置は電気レバー方式としたが、油圧パイロット方式であってもよい。また、フロント作業機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検出器を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、掘削時の負荷に係わらず精度良く領域制限掘削制御を行うことができるとともに、領域制限掘削制御の演算部分に干渉することなく、簡単なソフトの追加でバケットの姿勢を一定に保持する制御を容易に組み込むことができ、制御プログラムのデバッグが容易となり、プログラミングのミスを予防できる。
【００７２】
また、設定領域の境界の手前から、バケット先端が設定領域の境界状に到達したときの角度と同じ角度でバケット角一定保持制御を行え、操作性を向上できる。  更に、設定領域の境界に近い位置からバケット角一定保持制御を行え、この点でも操作性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による油圧ショベルのフロント制御装置を油圧駆動装置と共に示す図である。
【図２】本発明が適用される油圧ショベルの外観とその周囲の設定領域の形状を示す図である。
【図３】領域制限掘削制御で用いる座標系と領域の設定方法を示す図である。
【図４】領域制限掘削制御のための演算とバケット角一定保持制御のための演算を行う制御手順を示すフローチャートである。
【図５】領域制限掘削制御における減速領域及び復元領域での速度ベクトルの補正方法を示す図である。
【図６】領域制限掘削制御におけるバケットの先端と設定領域の境界との距離と減速ベクトルとの関係を示す図である。
【図７】領域制限掘削制御でバケットの先端が補正通りに減速制御されたときの軌跡の一例を示す図である。
【図８】領域制限掘削制御におけるバケットの先端と設定領域の境界との距離と復元ベクトルとの関係を示す図である。
【図９】領域制限掘削制御でバケットの先端が補正通りに復元制御されたときの軌跡の一例を示す図である。
【図１０】バケット角一定保持制御のためのバケットの操作信号を演算する処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１１】領域制限掘削制御とバケット角一定保持制御の関係を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１Ａ  フロント作業機
１Ｂ  車体
１ａ  ブーム
１ｂ  アーム
１ｃ  バケット
１ｄ  上部旋回体
１ｅ  下部走行体
２  油圧ポンプ
３ａ〜３ｆ  油圧アクチュエータ
４ａ〜４ｆ  操作レバー装置
５ａ〜５ｆ  流量制御弁
６  リリーフ弁
７  設定器
８ａ，８ｂ，８ｃ  角度検出器
９  制御ユニット
５０  アーム速度指令値の演算部
５１  アーム減速制御演算部
５２  アーム出力指令値演算部
５３  アーム各速度の実測値演算部
５９  ブーム速度指令値の演算部
６０  フロント姿勢演算部
６１  速度ベクトル演算部
６２  修正速度ベクトル演算部
６３  ブーム角速度の目標値演算部
６４  リンク変換部
６５  ブーム出力指令値演算部
７０  偏差を０と改定した修正速度ベクトル演算部
７１  ブーム角速度の目標値演算部
７２  バケット速度指令値演算部
７３  バケット角速度の目標値演算部
７４  リンク変換部
７５  バケット出力指令値演算部
７６  バケット角速度の実測値演算部
【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】
0004215944.tif 000009
【図９】
0004215944.tif 000010
【図１０】
0004215944.tif 000011
【図１１】
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