(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機本体と、
この作業機本体に回動可能に支持される複数のアームからなる多関節アームと、
これら各アームを回動する回動装置と、
前記多関節アームの特定の２本を駆動し、前記多関節アーム先端が現在位置から予め設定された目標軌跡に沿って移動するように前記回動装置を駆動制御する軌跡制御装置と、
前記特定の２本のアームのうち、一方のアームが回動可能な両方向それぞれの限界値まで回動し、該それぞれの限界値に対し前記多関節アーム先端が前記目標軌跡上に位置することが可能な場合の他方のアームのアーム角を演算するとともに、他方のアームが回動可能な両方向それぞれの限界値まで回動し、該それぞれの限界値に対し前記多関節アーム先端が前記目標軌跡上に位置することが可能な場合の一方のアームのアーム角を演算し、これら演算されたアーム角と限界値のアーム角とのそれぞれの組み合わせのうち、アーム角の回動範囲を超えるもの及び軌跡制御途中で目標軌跡を外れるものを除外し、その結果残る２組のアーム角の組み合わせにより演算された２つの座標を最大作業範囲とする演算装置とを備えることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項２】
請求項１に記載のアーム式作業機において、
前記演算装置で演算された最大作業範囲を表示する表示装置をさらに備えることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアーム式作業機において、
前記目標軌跡は、作業半径が一定となるように設定されることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項４】
請求項３に記載のアーム式作業機において、
前記軌跡制御途中で目標軌跡を外れるものは、前記特定の２本のアームのうち、一方のアームを回動可能な限界値に設定した場合の限界作業半径未満の目標軌跡の設定に際し、前記演算された解から、他方のアームの現在のアーム角に対し対地角０゜を越えて存在するものであることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項５】
請求項１または２に記載のアーム式作業機において、
前記目標軌跡は、作業高さが一定となるように設定されることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項６】
請求項５に記載のアーム式作業機において、
前記軌跡制御途中で目標軌跡を外れるものは、前記特定の２本のアームのうち、一方のアームを回動可能な限界値に設定した場合の限界作業高さを超える目標軌跡の設定に際し、前記演算された解から、他方のアームの現在のアーム角に対し対地角−９０゜を越えて存在するものであることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、
最大作業範囲の制限値を設定する制限値設定装置を備え、
前記演算装置は、この設定された制限値で最大作業範囲を制限することを特徴とするアーム式作業機。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、
前記演算装置は、前記多関節アーム先端の現在位置からの最大作業範囲を演算することを特徴とするアーム式作業機。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、
目標作業範囲を設定する作業範囲設定装置と、
前記演算装置により演算された最大作業範囲が前記目標作業範囲に達しないときに警報を発する警報装置とを備えることを特徴とするアーム式作業機。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、
目標作業範囲を設定する作業範囲設定装置と、
前記演算装置により演算された最大作業範囲が前記目標作業範囲に達しないときに前記回動装置を停止する停止装置とを備えることを特徴とするアーム式作業機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌跡制御可能な複数のアームを有するアーム式作業機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軌跡制御可能なアーム式作業機による杭打ち作業や地盤改良作業等が広く行われている。軌跡制御式のアーム式作業機はリーダが不要であるため、高い機動性、操縦性が得られるばかりか、姿勢選択の自由度が高いので高さ制限等のある現場での作業が容易になる。この種のアーム式作業機は、例えば特公平７−７６４５３号公報に開示されている。この公報記載の作業機では、第１アーム、第２アーム、第３アームの各検出角度に基づいて第３アーム先端の位置を算出し、この第３アーム先端位置が目標軌跡に沿って移動するように第２アームおよび第３アームを駆動制御（フィードバック制御）する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載の作業機において、例えば杭打ち作業時の途中で作業範囲が不足した場合、作業の途中で第１アームを姿勢変化させる必要があり、これによりスムーズな作業が中断される。したがって、作業を中断なくスムーズに行うためには、予めアーム先端の最大作業範囲を把握し、例えば目標とする杭打ち作業を第２アームと第３アームの駆動のみで行えるように第１アームをセットしておく必要がある。この場合、第１アームの角度に応じて段階的に描かれた作業範囲図を参照しながら第１アームをセットしたのでは、最大作業範囲の把握に時間がかかり、面倒である。
【０００４】
本発明の目的は、アーム先端の最大作業範囲を容易に把握することができるアーム式作業機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図面を参照して説明する。
（１）請求項１の発明によるアーム式作業機は、作業機本体２と、この作業機本体２に回動可能に支持される複数のアーム３〜５からなる多関節アームＭＡと、これら各アーム３〜５を回動する回動装置３Ａ,４Ａ,５Ａと、多関節アームＭＡの特定の２本４,５を駆動し、多関節アーム先端が現在位置から予め設定された目標軌跡に沿って移動するように回動装置３Ａ,４Ａ,５Ａを駆動制御する軌跡制御装置２０Ａ,３１,３２と、特定の２本のアーム４，５のうち、一方のアーム４が回動可能な両方向それぞれの限界値まで回動し、該それぞれの限界値に対し多関節アーム先端が目標軌跡上に位置することが可能な場合の他方のアーム５のアーム角を演算するとともに、他方のアーム５が回動可能な両方向それぞれの限界値まで回動し、該それぞれの限界値に対し多関節アーム先端が目標軌跡上に位置することが可能な場合の一方のアーム４のアーム角を演算し、これら演算されたアーム角と限界値のアーム角とのそれぞれの組み合わせのうち、アーム角の回動範囲を超えるもの及び軌跡制御途中で目標軌跡を外れるものを除外し、その結果残る２組のアーム角の組み合わせにより演算された２つの座標を最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2とする演算装置２０Ｂとを備えることにより上述した目的は達成される。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のアーム式作業機において、演算装置２０Ｂで演算された最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2を表示する表示装置３４をさらに備えるものである。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のアーム式作業機において、作業半径ｒが一定となるように目標軌跡を設定するものである。
（４）請求項４の発明は、請求項３に記載のアーム式作業機において、軌跡制御途中で目標軌跡を外れるものは、特定の２本のアーム４,５のうち、一方のアーム４を回動可能な限界値に設定した場合の限界作業半径ｒLMT未満の目標軌跡の設定に際し、演算された解から、他方のアーム５の現在のアーム角Ａ3に対し対地角０゜を越えて存在するものである。
（５）請求項５の発明は、請求項１または２に記載のアーム式作業機において、作業高さＨが一定となるように目標軌跡を設定するものである。
（６）請求項６の発明は、請求項５に記載のアーム式作業機において、軌跡制御途中で目標軌跡を外れるものは、特定の２本のアーム４,５のうち、一方のアーム４を回動可能な限界値に設定した場合の限界作業高さＨLMTを超える目標軌跡の設定に際し、演算された解から、他方のアーム５の現在のアーム角Ａ3に対し対地角−９０゜を越えて存在するものである。
（７）請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2の制限値Ｈs1,Ｈs2,ｒs1,ｒs2を設定する制限値設定装置２２を備え、演算装置２０Ｂが、この設定された制限値Ｈs1,Ｈs2,ｒs1,ｒs2で最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2を制限するものである。
（８）請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、演算装置２０Ｂが、多関節アーム先端の現在位置からの最大作業範囲を演算するものである。
（９）請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、目標作業範囲Ａを設定する作業範囲設定装置２７と、演算装置２０Ｂにより演算された最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2が目標作業範囲Ａに達しないときに警報を発する警報装置３５とを備えるものである。
（１０）請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載のアーム式作業機において、目標作業範囲Ａを設定する作業範囲設定装置２７と、演算装置２０により演算された最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2が目標作業範囲Ａに達しないときに回動装置４Ａ,５Ａを停止する停止装置２０Ｂとを備えるものである。
【０００６】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
−第１の実施の形態−
以下、図１〜図１３を参照して本発明によるアーム式作業機の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるアーム式作業機を示す側面図である。アーム式作業機は、走行体１と、走行体１上に旋回可能に搭載された旋回体２と、旋回体２に回動可能に枢支された第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５からなる多関節アームＭＡとを有する。第１アーム３,第２アーム４,第３アーム５はそれぞれ第１シリンダ３Ａ,第２シリンダ４Ａ,第３シリンダ５Ａの伸縮により鉛直面内を回動する。図示（ａ）,（ｂ）に示すように、第３アーム５の先端には着脱可能なアタッチメント６Ａや６Ｂが装着され、このアタッチメント６Ａ,６Ｂを介して矢板ＰＬやドリルＤＲなどの作業装置が取り付けられる。
【０００８】
第１アーム３の基端部には第１アーム３の対地角Ａ1を検出する角度検出器７が設けられ、第２アーム４の基端部には第１アーム３に対する第２アーム４の相対角Ｔ2を検出する角度検出器８が設けられ、第３アーム５の基端部には第２アーム４に対する第３アーム５の相対角Ｔ3を検出する角度検出器９が設けられている。角度検出器８は例えば振り子式の検出器であり、旋回体２が傾斜しているときは、対地角Ａ1は旋回体２の傾斜角ＰＡと旋回体２に対する第１アーム３の相対角Ｔ1との差（Ｔ1−ＰＡ）に相当する。相対角Ｔ2,Ｔ3の上限値Ｔ2U,Ｔ3Uはそれぞれシリンダ４Ａ,５Ａの最大伸長時の値であり、下限値Ｔ2L,Ｔ3Lはそれぞれシリンダ４Ａ,５Ａの最大縮退時の値である。アーム４,５は、それぞれＴ2L≦Ｔ2≦Ｔ2U,Ｔ3L≦Ｔ3≦Ｔ3Uの範囲内で回動可能である。第２アーム４の対地角Ａ2はＡ1−Ｔ2、第３アーム５の相対角Ａ3はＡ1−Ｔ2−Ｔ3である。
【０００９】
このようなアーム式作業機を用いた本実施の形態では、第１アーム３の固定、第２アーム４,第３アーム５の駆動により、第１アーム基端部からの作業半径ｒまたは作業高さＨが一定（ｒ＝ｒa,Ｈ＝Ｈa）となるような軌跡制御を実行する。図２は、軌跡制御装置の全体構成を示す図である。図２に示すように、コントローラ２０には、角度検出器７〜９と、作業モード（作業半径一定モードまたは作業高さ一定モード）を選択する選択スイッチ２１と、第３アーム先端の位置制限値（高さ制限値Ｈs1、深さ制限値Ｈs2,最大作業半径制限値ｒs1,最小作業半径制限値ｒs2）を設定する設定器２２と、第３アーム先端の駆動方向と速度を指令する操作レバー（電気レバー）２３とがそれぞれ接続されている。コントローラ２０は、軌跡制御回路２０Ａと作業範囲演算回路２０Ｂを有する。コントローラ２０内のメモリには、予めアーム角Ｔ2,Ｔ3の上限値Ｔ2U,Ｔ3Uと下限値Ｔ2L,Ｔ3Lが記憶されている。
【００１０】
軌跡制御回路２０Ａは、角度検出器７〜９と選択スイッチ２１と操作レバー２３からの信号に基づいて所定の処理を実行し、第２シリンダ駆動用制御弁３１および第３シリンダ駆動用制御弁３２にそれぞれ制御信号を出力してシリンダ４Ａ,５Ａを駆動制御する。すなわち、アーム３〜５のそれぞれの長さＬ1,Ｌ2,Ｌ3と角度検出器７〜９からの信号に基づいて第３アーム先端の位置（作業半径ｒ,作業高さＨ）を演算し、操作レバー２３の操作量に応じた方向,速度で第３アーム先端が作業半径一定または作業高さ一定の状態で移動するようにシリンダ４Ａ,５Ａを駆動制御（フィードバック制御）する。制御弁３１,３２には操作レバー２４,２５からの信号も入力され、第２シリンダ４Ａおよび第３シリンダ５Ａは操作レバー２４,２５の操作によっても駆動可能である。なお、第１アーム駆動用制御弁３３は操作レバー２６からの信号によって駆動され、これにより第１シリンダ３Ａが駆動する。以上の軌跡制御回路２０Ａにおける処理内容は、本発明に直接係わりがないため、その詳細な説明は省略する。
【００１１】
作業範囲演算回路２０Ｂは、角度検出器７〜９と設定器２２からの信号に基づいて第３アーム先端の最大作業範囲を演算し、運転室内のモニタ３４に制御信号を出力する。これによりモニタ３４に最大作業範囲が表示される。以下、この演算回路２０Ｂでの処理内容について説明する。
【００１２】
図３は、作業範囲演算回路２０Ｂでの処理の一例（メインフロー）を示すフローチャートである。このフローチャートは、例えば図示しない軌跡制御開始スイッチのオン操作によりスタートする。まず、ステップＳ１で角度検出器７〜９で検出されたアーム角Ａ1,Ｔ2,Ｔ3を読み込み、ステップＳ２でこの検出値を用いて現在の第３アーム５の対地角Ａ3（＝Ａ1−Ｔ2−Ｔ3）を演算する。次いで、ステップＳ３で、図６（ａ）に示すように第３シリンダ５Ａを最大縮退させたとき、すなわち第３アーム５を下限ストロークエンド（相対角Ｔ3を下限Ｔ3L）としたときの第２アーム基端部から第３アーム先端部までの長さＬ23L（等価長さ）とそのときの第２アーム４とのなす角Ｃ23L（補正角）を次式(I),(II)により演算する。
Ｌ23L＝√((Ｌ2＋Ｌ3×cos(Ｔ3L))2＋(Ｌ3×sin(Ｔ3L))2)       (I)
Ｃ23L＝tan-1(Ｌ3×sin(Ｔ3L)／(Ｌ2＋Ｌ3×cos(Ｔ3L)))        (II)
【００１３】
次いで、ステップＳ４で、図６（ｂ）に示すように第３シリンダ５Ａを最大伸長させたとき、すなわち第３アーム５を上限ストロークエンド（相対角Ｔ3を上限Ｔ3U）としたときの第２アーム基端部から第３アーム先端部までの長さＬ23U（等価長さ）とそのときの第２アーム４とのなす角Ｃ23U（補正角）を次式(III),(IV)により演算する。
Ｌ23U＝√((Ｌ2＋Ｌ3×cos(Ｔ3U))2＋(Ｌ3×sin(Ｔ3U))2)       (III)
Ｃ23U＝tan-1(Ｌ3×sin(Ｔ3U)／(Ｌ2＋Ｌ3×cos(Ｔ3U)))        (IV)
【００１４】
続いて、ステップＳ５で作業半径一定（ｒ＝ｒa）を満たす垂直方向の作業範囲（最大作業高さＨ1,最大作業深さＨ2）を演算し、ステップＳ６で作業高さ一定（Ｈ＝Ｈa）を満たす水平方向の作業範囲（最大作業半径ｒ1,最小作業半径ｒ2）を演算する。このステップＳ５,６の処理については後述する。ステップＳ５,６で作業範囲が演算されるとステップＳ７に進み、モニタ３４に制御信号を出力して作業範囲を表示する。この場合のモニタ３４の出力表示の一例を図７に示す。図７では最大作業高さ（Ｈ1＝４．６）、最大作業深さ（Ｈ2＝５．７）、最大作業半径（ｒ1＝０．３）、最小作業半径（ｒ2＝３．１）がそれぞれデジタル表示されている。ステップＳ７が終了するとステップＳ１に戻り、同様な処理を繰り返す。
【００１５】
ステップＳ５の処理について説明する。図４はステップＳ５の演算内容を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１１で図８（ａ）に示すように、第２シリンダ４Ａを最大伸長させたとき、つまり第２アーム４が下限ストロークエンド（相対角Ｔ2を下限Ｔ2L）のときに、第１アーム３基端部からの作業半径ｒが所定値ｒaとなるような第３アーム５のアーム角Ａ3を求める。この場合、水平線を対称にして２つの解が存在し（Ａ3＝Ａ31,Ａ32）、それらはそれぞれ次式(V),(VI)で演算される。なお、所定値ｒaとは現在の第３アーム先端の作業半径ｒであり、レバー操作によってアームＭＡを駆動すると所定値ｒaも自動的に変化する。
Ａ31＝cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1)−Ｌ2×cos(Ａ1−Ｔ2L))／Ｌ3)     (V)
Ａ32＝−cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1)−Ｌ2×cos(Ａ1−Ｔ2L))／Ｌ3)   (VI)
【００１６】
次に、ステップＳ１２に進み、第２シリンダ４Ａを最大に縮退させたとき、つまり第２アーム４が上限ストロークエンド（相対角Ｔ2を上限Ｔ2U）のときに、作業半径ｒが所定値ｒaとなるような第３アーム５のアーム角Ａ3を求める。この場合、図示は省略するが水平線を対称にして計算上２つの解が存在し（Ａ3＝Ａ33,Ａ34）、それらはそれぞれ次式(VII),(VIII)で演算される。
Ａ33＝cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1)−Ｌ2×cos(Ａ1−Ｔ2U))／Ｌ3)     (VII)
Ａ34＝−cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1)−Ｌ2×cos(Ａ1−Ｔ2U))／Ｌ3)   (VIII)
【００１７】
次いで、ステップＳ１３で図８（ｂ）に示すように、第３シリンダ５Ａを最大に縮退させたとき、つまり第３アーム５が下限ストロークエンド（Ｔ3L）のときに、第１アーム３基端部からの作業半径ｒが所定値ｒaとなるような第２アーム４のアーム角Ａ2を求める。この場合、水平線を挟んで２つの解が存在し（Ａ2＝Ａ21,Ａ22）、それらは(I),(II)で求めた等価長さＬ23L,補正角Ｃ23Lを用いてそれぞれ次式(IX),(X)で演算される。
Ａ21＝cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1))／Ｌ23L)＋Ｃ23L              (IX)
Ａ22＝−cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1))／Ｌ23L)＋Ｃ23L             (X)
【００１８】
ステップＳ１４では、第３シリンダ５Ａを最大に伸長させたとき、つまり第３アーム５が上限ストロークエンド（Ｔ3U）のときに、作業半径ｒが所定値ｒaとなるような第２アーム４のアーム角Ａ2を求める。この場合、図示は省略するが水平線を挟んで計算上２つの解が存在し（Ａ2＝Ａ23,Ａ24）、それらは(III),(IV)で求めた等価長さＬ23U,補正角Ｃ23Uを用いてそれぞれ次式(XI),(XII)で演算される。
Ａ23＝cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1))／Ｌ23U)＋Ｃ23U               (XI)
Ａ24＝−cos-1((ｒ−Ｌ1×cos(Ａ1))／Ｌ23U)＋Ｃ23U             (XII)
【００１９】
このように合計８個のアーム角Ａ2,Ａ3の解Ａ21,Ａ22,Ａ23,Ａ24,Ａ31,Ａ32,Ａ33,Ａ34が求まるとステップＳ１５に進み、これらの解をそれぞれ相対角Ｔ2,Ｔ3に変換する。そして、これら相対角Ｔ2,Ｔ3が、回動可能な範囲内Ｔ2L≦Ｔ2≦Ｔ2U,Ｔ3L≦Ｔ3≦Ｔ3Uにあるか否かを判定し、範囲外のものを除外する。次いで、ステップＳ１６に進み、図９に示すように第２アーム４が下限ストロークエンドＴ2Lで、かつ、第３アーム５の対地角Ａ3＝０゜のときの限界作業半径ｒLMTを求める。
【００２０】
次いで、ステップＳ１７に進み、作業半径ｒが限界作業半径ｒLMTよりも小さいか否かを判定する。ステップＳ１７が肯定されるとステップＳ１８に進み、ステップＳ１７が否定されるとステップＳ１８をパスしてステップＳ１９に進む。ステップＳ１８では、ステップＳ１１〜ステップＳ１４で求めた解のうち、現在の第３アーム対地角Ａ3（ステップＳ２）と符号の異なるものを除外する。すなわち、作業半径ｒが限界作業半径ｒLMTより小さいときは、第３アーム５が対地角０゜を通過する際に作業半径ｒをオーバーしてしまい、作業半径ｒ一定の軌跡制御を行うことができない。そこで、ステップＳ１８では符号の異なる解を除外し、軌跡制御可能な解のみを残す。以上のステップＳ１５〜ステップＳ１８の処理によりアーム角Ａ2,Ａ3の解が８つから２つに絞られる。なお、第２アーム４がストロークエンドの条件で、第３アーム５の先端が軌跡に届かない場合は、解は存在しない。
【００２１】
ステップＳ１９では確定した２つの解から作業高さの上限値ＨUおよび下限値ＨLを演算する。次いで、ステップＳ２０で、演算された上限値ＨUが予め設定器２２で設定された高さ制限値Ｈs1より大きいか否かを判定する。ステップＳ２０が肯定されるとステップＳ２１に進み、制限値Ｈs1を最大作業高さＨ1に設定する。ステップＳ２０が否定されるとステップＳ２２に進み、演算された上限値ＨUを最大作業高さＨ1に設定する。
【００２２】
次のステップＳ２３では、演算された下限値ＨLが予め設定器２２で設定された深さ制限値Ｈs2より小さいか否かを判定する。ステップＳ２３が肯定されるとステップＳ２４に進み、制限値Ｈs2を最大作業深さＨ2に設定する。ステップＳ２３が否定されるとステップＳ２５に進み、演算された下限値ＨLを最大作業深さＨ2に設定する。以上のようにして、作業半径一定（ｒ＝ｒa）としたときの最大作業高さＨ1および最大作業深さＨ2が求まる。
【００２３】
ステップＳ５の処理を具体例を挙げて説明する。図１０は演算結果の一例を示す図である。この場合の初期条件は次の通りである。
Ｌ1＝２６００mm、Ｌ2＝３０００mm、Ｌ3＝２９１２mm
Ａ1＝９３゜、Ｔ2＝１０゜、Ｔ3＝４９゜、ｒ＝２６４４mm
Ｔ2L＝１゜,Ｔ2U＝９５.２５゜,Ｔ3L＝１８゜,Ｔ3U＝１３５゜
これらを上式(I)〜(XII)にあてはめて、第２アーム４,第３アーム５をそれぞれ上限ストロークエンド、下限ストロークエンドとしたときのアーム角Ａ2,Ａ3の解Ａ21,Ａ22,Ａ23,Ａ24,Ａ31,Ａ32,Ａ33,Ａ34、およびこの解に対応する他のアーム角Ａ2,Ａ3,Ｔ2,Ｔ3を求めると、それぞれ図１０に示すようになる（ステップＳ１１〜ステップＳ１４）。なお、この例では、作業半径ｒは限界作業半径ｒLMTよりも小さく設定されている。また、現在の第３アーム５の対地角Ａ3（＝Ａ1−Ｔ2−Ｔ3）は３４゜である。
【００２４】
図１０において、Ａ22（＝-52.71）に対応するアーム相対角Ｔ2（＝145.71）、およびＡ33（＝94.29）に対応するアーム相対角Ｔ3（＝-96.54）は、アーム４,５の回動可能範囲を超えているため、除外される（ステップＳ１５）。また、Ａ23,Ａ24は計算上、解が存在しないため、除外される。さらに、Ａ32（−7.89）およびＡ34（＝-94.29）は、現在の第３アーム５のアーム対地角Ａ3と符号が異なるため除外される（ステップＳ１８）。そして、残った解Ａ31,Ａ21と、この解Ａ31,Ａ21に対応する他のアーム角、すなわち、（Ａ1,Ａ2,Ａ3）＝（93,92.00,7.89）および（Ａ1,Ａ2,Ａ3）＝（93,70.44,52.44）によりそれぞれ作業高さの上限値Ｈuおよび下限値ＨLが演算される（ステップＳ１９）。設定器２２により高さ制限値Ｈs1および深さ制限値Ｈs2が設定されている場合には、作業高さＨu,ＨLと制限値Ｈs1,Ｈs2との大小関係を比較し、これにより垂直方向の最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2が求められる（ステップＳ２０〜ステップＳ２５）。
【００２５】
次に、ステップＳ６の処理について説明する。図５はステップＳ６の演算内容を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ３１で図１１（ａ）に示すように、第２アーム４が下限ストロークエンド（Ｔ2L）のときに、第１アーム３基端部からの作業高さＨが所定値Ｈaとなるような第３アーム５のアーム角Ａ3を求める。この場合、沿直線を挟んで２つの解が存在し（Ａ３＝Ａ35,Ａ36）、それらはそれぞれ次式(XIII),(XIV)で演算される。なお、所定値Ｈaとは現在の第３アーム先端の作業高さＨであり、レバー操作によってアームＭＡを駆動すると所定値Ｈaも自動的に変化する。
Ａ35＝sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1)−Ｌ2×sin(Ａ1−Ｔ2L))／Ｌ3)      (XIII)
Ａ36＝−180-sin-1((Ｈ-Ｌ1×sin(Ａ1)−Ｌ2×sin(Ａ1−Ｔ2L)／Ｌ3)) (XIV)
【００２６】
次に、ステップＳ３２に進み、第２アーム４が上限ストロークエンド（Ｔ2U）のときに、作業高さＨが所定値Ｈaとなるような第３アーム５のアーム角Ａ3を求める。この場合、図示は省略するが垂直線を挟んで計算上２つの解が存在し（Ａ3＝Ａ37,Ａ38）、それらはそれぞれ次式(XV),(XV!)で演算される。
Ａ37＝sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1)−Ｌ2×sin(Ａ1−Ｔ2U))／Ｌ3)       (XV)
Ａ38＝−180-sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1)−Ｌ2×sin(Ａ1−Ｔ2U))／Ｌ3) (XVI)
【００２７】
次いで、ステップＳ３３で図１１（ｂ）に示すように、第３アーム５が下限ストロークエンド（Ｔ3L）のときに、第１アーム３基端部からの作業高さＨが所定値Ｈaとなるような第２アーム４のアーム角Ａ2を求める。この場合、垂直線を挟んで２つの解が存在し（Ａ2＝Ａ25,Ａ26）、それらは等価長さＬ23L,補正角Ｃ23Lを用いてそれぞれ次式(XVII,XVIII)で演算される。
Ａ25＝sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1))／Ｌ23L)＋Ｃ23L              (XVII)
Ａ26＝−180−sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1))／Ｌ23L)＋Ｃ23L       (XVIII)
【００２８】
ステップＳ３４では、第３アーム５が上限ストロークエンド（Ｔ3L）のときに、作業高さＨが所定値Ｈaとなるような第２アーム４のアーム角Ａ2を求める。この場合、図示は省略するが垂直線を挟んで計算上２つの解が存在し（Ａ2＝Ａ27,Ａ28）、それらはそれぞれ次式(XIX,XX)で演算される。
Ａ27＝sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1))／Ｌ23U)＋Ｃ23U               (XIX)
Ａ28＝−180−sin-1((Ｈ−Ｌ1×sin(Ａ1))／Ｌ23U)＋Ｃ23U         (XX)
【００２９】
このように合計８個のアーム角Ａ2,Ａ3の解Ａ25,Ａ26,Ａ27,Ａ28,Ａ35,Ａ36,Ａ37,Ａ38が求まるとステップＳ３５に進み、これらの解をそれぞれ相対角Ｔ2,Ｔ3に変換する。そして、これら相対角Ｔ2,Ｔ3が、回動可能な範囲内Ｔ2L≦Ｔ2≦Ｔ2U,Ｔ3L≦Ｔ3≦Ｔ3Uにあるか否かを判定し、範囲外のものを除外する。次いで、ステップＳ３６に進み、図１２に示すように第２アーム４が下限ストロークエンドＴ2Lで、かつ、第３アーム５の対地角Ａ3＝−９０゜のときの限界作業高さＨLMTを求める。
【００３０】
次いで、ステップＳ３７に進み、作業高さＨが限界作業高さＨLMTよりも大きいか否かを判定する。ステップＳ３７が肯定されるとステップＳ３８に進み、ステップＳ３７が否定されるとステップＳ３８をパスしてステップＳ３９に進む。ステップＳ３８では、ステップＳ３１〜ステップＳ３４で求めた解のうち、現在の第３アーム対地角Ａ3（ステップＳ２）に対して−９０゜を越えて存在する解を除外する。すなわち、作業高さＨがこの限界作業高さＨLMTより大きいときは、第３アーム５が対地角−９０゜を通過する際に作業高さＨをオーバーしてしまい、作業高さＨ一定の軌跡制御を行うことができない。そこで、ステップＳ３８で−９０゜を越えて存在する解を除外し、軌跡制御可能な解のみを残す。以上のステップＳ３５〜ステップＳ３８の処理によりアーム角Ａ2,Ａ3の解が２つに絞られる。
【００３１】
ステップＳ３９では確定した２つの解から作業半径の上限値ｒUおよび下限値ｒLを演算する。次いで、ステップＳ４０で、演算された上限値ｒUが予め設定器２２で設定された最大作業半径制限値ｒs1より大きいか否かを判定する。ステップＳ４０が肯定されるとステップＳ４１に進み、制限値ｒs1を最大作業半径ｒ1に設定する。ステップＳ４０が否定されるとステップＳ４２に進み、演算された上限値ＨUを最大作業半径ｒ1に設定する。
【００３２】
次のステップＳ４３では、演算された下限値ｒLが予め設定器２２で設定された最小作業半径制限値ｒs2より小さいか否かを判定する。ステップＳ４３が肯定されるとステップＳ４４に進み、制限値ｒs2を最小作業半径ｒ2に設定する。ステップＳ４３が否定されるとステップＳ４５に進み、演算された下限値ｒLを最小作業半径ｒ2に設定する。以上のようにして、作業高さ一定（Ｈ＝Ｈa）としたときの最大作業半径ｒ1および最小作業半径ｒ2が求まる。
【００３３】
ステップＳ６の処理を具体例を挙げて説明する。図１３は演算結果の一例を示す図である。この場合の初期条件は次の通りである。
Ｌ1＝２６００mm、Ｌ2＝３０００mm、Ｌ3＝２９１２mm
Ａ1＝１８゜、Ｔ2＝１゜、Ｔ3＝１０７゜、Ｈ＝１０６５mm
Ｔ2L＝１゜,Ｔ2U＝９５.２５゜,Ｔ3L＝１８゜,Ｔ3U＝１３５゜
これらを上式(XIII)〜(XX)にあてはめ、第２アーム４,第３アーム５をそれぞれ上限ストロークエンド、下限ストロークエンドとしたときのアーム角Ａ2,Ａ3の解Ａ25,Ａ26,Ａ27,Ａ28,Ａ35,Ａ36,Ａ37,Ａ38、およびこの解に対応する他のアーム角Ａ2,Ａ3,Ｔ2,Ｔ3を求めると、それぞれ図１３に示すようになる（ステップＳ３１〜ステップＳ３４）。なお、この例では、作業高さＨは限界作業高さＨLMTよりも大きく設定されている。また、現在の第３アーム５の対地角Ａ3（＝Ａ1−Ｔ2−Ｔ3）は−９０゜であり、ここから作業半径ｒが小さくなる方向にアーム４,５を駆動する。
【００３４】
図１３において、Ａ36（＝-125.52）に対応するアーム相対角Ｔ3（＝145.71）、Ａ26（＝-156.32）に対応するアーム相対角Ｔ2（＝-174.32）、Ａ37（＝29.48）に対応するアーム相対角Ｔ3（＝-106.73）、およびＡ27（＝24.18）に対応するアーム相対角Ｔ2（＝-6.18）は、それぞれアーム４,５の回動可能範囲を超えているため、除外される（ステップＳ３５）。また、A38（＝-209.48）およびＡ28（＝-208.30）は、現在の第３アーム５のアーム対地角Ａ3に対して−９０゜を越えて存在するため除芸される（ステップＳ３８）。残った解Ａ35,Ａ25と、この解Ａ35,Ａ25に対応する他のアーム角、すなわち、（Ａ1,Ａ2,Ａ3）＝（18,17.00,-54.48）および（Ａ1,Ａ2,Ａ3）＝（18,-5.95,-23.95）によりそれぞれ作業半径の上限値ｒuおよび下限値ｒLが演算される（ステップＳ３９）。設定器２２により最大作業半径制限値ｒs1および最小作業半径制限値ｒs2が設定されている場合には、作業半径ｒu,ｒLと制限値ｒs1,ｒs2との大小関係を比較し、これにより水平方向の最大作業範囲ｒ1,ｒ2が求められる（ステップＳ４０〜ステップＳ４５）。
【００３５】
本実施の形態に係わるアーム式作業機による作業の一例を説明する。
例えば作業半径一定の垂直軌跡制御により穿設作業を行う場合には、第３アーム５の先端にアタッチメント６Ｂを介してドリルＤＲをセットし、選択スイッチに２１より作業半径一定モードを選択する。そして、操作レバー２４〜２６の操作によりアームシリンダ３Ａ〜５Ａを駆動し、ドリルＤＲを所定の作業位置に垂直方向に立設させる。このとき、作業範囲演算回路２０Ｂでは上述したような演算が実行され、その演算結果が図７に示すようにモニタ３４に表示される。これにより作業者は現在のアーム姿勢における最大作業範囲を認識し、第１アーム３の姿勢を固定した状態でドリルＤＲが目標とする作業深さまで到達するか否かを把握することができる。穿設深さが不足する場合には、操作レバー２４〜２６を操作してアームＭＡを駆動し、初期条件を変更する。このアームＭＡの姿勢変化に応じて最大作業範囲が変化し、モニタ３４の表示値はリアルタイムで更新される。表示値が目標とする作業深さに達すると、操作レバー２６の操作を停止し、その状態にアームＭＡの位置を固定する。
【００３６】
次いで、操作レバー２３を操作し、ドリルＤＲの下降指令を出力する。軌跡制御回路２０Ａはこの信号に基づいて制御弁３１,３２に制御信号を出力する。これにより、操作レバー２３の操作量に応じて第２アーム４、第３アーム５が駆動され、ドリルＤＲが作業半径一定のまま垂直方向に押し込まれる。このとき、ドリルＤＲの下降に伴い、モニタ３４に表示される最大作業範囲が更新されるので、作業員はドリルＤＲの現在位置と下降速度を把握することができる。
【００３７】
ドリルＤＲが目標深さに達すると、操作レバー２３の操作によりドリルＤＲの上昇を指令する。これにより操作レバー２３の操作量に応じてシリンダ４Ａ,５Ａが駆動され、ドリルＤＲが上昇するとともに、ドリルＤＲの上昇に伴いモニタ３４の表示値も更新される。以上で垂直軌跡制御による穿設作業を終了する。なお、水平軌跡制御による穿設作業はドリルＤＲの進行水平方向が異なるだけであり、基本的な動作は同様であるため、説明を省略する。
【００３８】
このように本実施の形態によると、第１アーム３固定、第２アーム４および第３アーム５駆動の軌跡制御において、第２アーム４および第３アーム５がそれぞれストロークエンドのときに作業半径一定または作業高さ一定の条件を満たすアーム角Ａ2,Ａ3の解を演算し、これらの解から最適な２つの解を選択して最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2を求め、それをモニタ３４に表示するようにした。これにより現在のアーム姿勢に対応した作業範囲を容易に把握することができ、作業途中でシリンダ４Ａ,５Ａがストロークエンドになることのない作業姿勢にアームＭＡをセットすることができる。その結果、作業範囲の不足によって作業が中断されることなく、効率的な作業を行うことができる。また、作業範囲の制限値Ｈs1,Ｈs2,ｒs1,ｒs2を設定し、この制限値Ｈs1,Ｈs2,ｒs1,ｒs2で最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2を制限するようにしたので、高さ制限等がある作業現場にも対応することができる。さらに、選択スイッチ２１の操作に応じて作業半径一定または作業高さ一定の作業モードを選択し、その作業モードに応じた演算式により作業範囲を求めるようにしたので、作業モードが異なる場合にも最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2を容易に把握することができる。
【００３９】
−第２の実施の形態−
図１４,１５を参照して本発明によるアーム式作業機の第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態では、予め目標作業量Ａを求め、最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2がその目標作業量Ａに達しない場合に警報を発生させる。図１４は第２の実施の形態に係わる軌跡制御装置の全体構成を示す図である。なお、図２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。図１４に示すように、第２の実施の形態では、目標作業量Ａを設定する設定器２７と、警報を発する警報装置３５が図２に追加して設けられている。設定器２７からの信号は作業範囲演算回路２０Ｂに入力される。作業範囲演算回路２０Ｂでは、角度検出器７〜９と設定器２２,２７からの信号に基づいて後述するような処理を実行し、モニタ３４と警報装置３５に制御信号を出力する。
【００４０】
図１５は、第２の実施の形態に係わる演算装置内での処理の一例を示すフローチャートである。なお、図３と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。ステップＳ７で作業範囲の表示がなされるとステップＳ８に進み、作業モードに対応した最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2またはｒ1,ｒ2が設定器２７で予め設定された目標作業量Ａより大きいか否かを判定する。ステップＳ８が否定されるとステップＳ９に進み、肯定されるとステップＳ１に戻る。ステップＳ９では警報装置３５に制御信号を出力して、警報装置３５を作動させる。これにより、例えばアラーム音が発生する。
【００４１】
このように第２の実施の形態では、作業範囲が目標作業量Ａに満たないときに警報装置３５を作動させるようにしたので、作業範囲が不足した状態で誤って作業を開始することを防止できる。これにより、例えば、地盤改良のように所定深さまでの連続施工が必須である作業において、施工範囲不足による施工品質低下を招くことを未然に防止できる。なお、作業範囲が目標作業量Ａに満たない場合に、演算回路２０Ｂからの制御信号によってシリンダ４Ａ,５Ａへの操作レバー２３による駆動指令を停止するようにしてもよい。これにより制御弁３１,３２の駆動が阻止され、作業範囲が不足した状態で軌跡制御を行うことを確実に防止できる。また、地盤改良等のようにある深さまでの施工が必要な作業においては、目標作業量Ａの設定器２７は、深さ方向の制限値Ｈｓ2を用いてもよい。アラーム音ではなく、モニタ３４に警報を表示するようにしてもよい。警報装置３５は図示しないリセットスイッチの操作によりリセットすればよい。警報装置３５はアームＭＡをセットする際に作動させればよく、軌跡制御の最中には警報装置３５を無効化すればよい。また、最大作業範囲Ｈ1,Ｈ2,ｒ1,ｒ2をモニタ３４に表示させずに、警報装置３５を作動させたり、操作レバー２３による駆動指令を停止するようにしてもよい。
【００４２】
操作レバー２３の操作開始時の第３アーム５の先端位置と現在の第３アーム５の先端位置との差により軌跡制御による作業量を演算し、目標作業量Ａと軌跡制御による作業量との差をモニタ３４に表示するようにしてもよい。これにより残りの作業量を容易に把握することができ、確実に目標作業量Ａまで作業することができる。また、モニタ３４に現在位置からの作業可能範囲を表示するようにしたが、作業可能範囲を座標で表示するようにしてもよい。これにより軌跡制御時にはモニタ表示値が更新されないように構成できる。
【００４３】
なお、以上では、３段式のアーム３〜５を用いたが、２本のアームの駆動により軌跡制御を行うのであれば、アームの数はそれ以上あってもよい。また、作業方向を垂直方向および水平方向の２方向としたが、他の方向に作業を行うようにしてもよい。
【００４４】
以上の実施の形態と請求項との対応において、アームシリンダ３Ａ,４Ａ,５Ａが回動装置を、軌跡制御回路２０Ａと制御弁３１,３２が軌跡制御装置を、角度検出器７〜９と作業範囲演算回路２０Ｂが演算装置を、モニタ３４が表示装置を、設定器２２が制限値設定装置を、設定器２７が作業範囲設定装置を、作業範囲演算回路２０Ｂが停止装置を、それぞれ構成する。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、軌跡制御される多関節アーム先端の最大作業範囲を演算するようにしたので、作業範囲図を参照することなくアーム先端の最大作業範囲を把握することができる。
【００４６】
また、アームを回動可能な限界値まで回動した場合のアーム角に基づき最大作業範囲を演算するようにしたので、最大作業範囲を容易に求めることができる。また、請求項３、５の発明によれば、作業半径一定の軌跡制御や作業高さ一定の軌跡制御に用いるようにしたので、穿設作業等を効率的に行うことができる。さらに、請求項７の発明によれば、作業範囲に制限値を設定し、最大作業範囲をこの制限値で制限するようにしたので、高さ制限等がある現場での作業も容易に行える。さらにまた、請求項８の発明によれば、現在位置を基準にして最大作業範囲を演算するようにしたので、残りの作業量を容易に把握することができる。また、請求項９、１０の発明によれば、最大作業範囲が目標作業範囲に達しないとき、警報を発生あるいはアームの駆動を停止させるようにしたので、作業範囲が不足した状態で誤って作業を開始することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るアーム式作業機を示す側面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る軌跡制御装置の全体構成を示す図。
【図３】図２の作業範囲演算回路での処理の一例を示すフローチャート。
【図４】図３の一部であり、垂直方向の作業範囲の演算を示すフローチャート。
【図５】図３の一部であり、水平方向の作業範囲の演算を示すフローチャート。
【図６】図３のフローチャート（ステップＳ３,ステップＳ４）を説明する図。
【図７】第１の実施の形態に係わるアーム式作業機による作業範囲の演算結果をモニタに表示した一例を示す図。
【図８】図４のフローチャート（ステップＳ１１,ステップＳ１３）を説明する図。
【図９】図４のフローチャート（ステップＳ１６）を説明する図。
【図１０】図４のフローチャートによる計算結果の一例を示す図。
【図１１】図５のフローチャート（ステップＳ３１,ステップＳ３３）を説明する図。
【図１２】図５のフローチャート（ステップＳ３６）を説明する図。
【図１３】図５のフローチャートによる計算結果の一例を示す図。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る軌跡制御装置の全体構成を示す図。
【図１５】図１４の作業範囲演算回路での処理の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
２  旋回体                          ３  第１アーム
４  第２アーム                      ５  第３アーム
３Ａ  第１シリンダ                  ４Ａ  第２シリンダ
５Ａ  第３シリンダ                  ７〜９  角度検出器
２０  コントローラ                ２０Ａ  軌跡制御回路
２０Ｂ  作業範囲演算回路            ２１  選択スイッチ
２２  設定器                        ２３  操作レバー
２７  設定器                    ３１,３２  制御弁
３４  モニタ                        ３５  警報装置
【図１】
0003782337.tif 000002
【図２】
0003782337.tif 000003
【図３】
0003782337.tif 000004
【図４】
0003782337.tif 000005
【図５】
0003782337.tif 000006
【図６】
0003782337.tif 000007
【図７】
0003782337.tif 000008
【図８】
0003782337.tif 000009
【図９】
0003782337.tif 000010
【図１０】
0003782337.tif 000011
【図１１】
0003782337.tif 000012
【図１２】
0003782337.tif 000013
【図１３】
0003782337.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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