(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体（99）と、掘削機本体に回動可能に取り付けられた第１アーム（3）、第１アームに回動可能に取り付けられた第２アーム（4）、第２アームに回動可能に取り付けられた第３アーム（5）を有する３関節型作業フロント（2）と、第１アームを駆動する第１アームアクチュエータ（7）、第２アームを駆動する第２アームアクチュエータ（8）、第３アームを駆動する第３アームアクチュエータ（9）を有する油圧駆動装置（260,261）とを有する３関節型掘削機（1）の操作制御装置において、
第１アーム（3）、第２アーム（4）、第３アーム（5）を操作するための２つの操作手段（11,12）と、
仮想第１アーム（13又は13A）及び仮想第２アーム（14）を有する２関節型作業フロントを仮想的に設け、この仮想第２アーム（14）と前記実際の第３アーム（5）との動きの関係を予め定めておき、前記２つの操作手段（11,12）を前記仮想第１アーム（13又は13A）の第１操作手段（11）及び仮想第２アーム（14）の第２操作手段（12）としてそれぞれ機能させたときの仮想第２アーム（14）の動きに対応した動きが実際の第３アーム（5）の動きとして得られるよう、前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームのそれぞれの指令値を求め、これを前記油圧駆動装置（260,261）の駆動指令信号として出力する指令演算手段（131）とを備えることを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の３関節型掘削機の操作制御装置において、前記指令演算手段（131）は、前記仮想第２アーム（14）と前記実際の第３アーム（5）が剛体を形成するかのように動くように前記仮想第２アームと前記実際の第３アームとの動きの関係を定めたことを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の３関節型掘削機の操作制御装置において、前記指令演算手段（131）は、前記仮想第２アーム（14）の回転角速度（ωbr，ωar）が前記実際の第３アーム（5）の回転角速度として得られるように、前記仮想第２アームと前記実際の第３アームとの動きの関係を定めたことを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の３関節型掘削機の操作制御装置において、前記指令演算手段（131）は、前記仮想第１アーム（13）に対する第１操作手段（11）の角速度指令（ωbr）から前記仮想第２アーム（14）と実際の第３アーム（5）との動きの関係に基づき前記実際の第１アーム（3）、第２アーム（4）及び第３アーム（5）の第１角速度指令（ωb1，ωb2，ωb3）をそれぞれ計算し、前記仮想第２アーム（14）に対する第２操作手段（12）の角速度指令（ωar）から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令（ωa1，ωa2，ωa3）をそれぞれ計算し、前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第１角速度指令（ωb1，ωb2，ωb3）及び第２角速度指令（ωa1，ωa2，ωa3）を合成して前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの指令値（ω1，ω2，ω3）をそれぞれ求めることを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の３関節型掘削機の操作制御装置において、前記仮想的に設けた２関節型作業フロントの仮想第１アーム（13A）の基端（15）は前記実際の第１アーム（3）の基端（15）に一致しており、前記指令演算手段（131）は、前記仮想第１アーム（13A）に対する第１操作手段（11）の角速度指令（ωbr）を前記実際の第１アーム（3）の第１角速度指令（ωb1）として求め、前記仮想第２アーム（14）に対する第２操作手段（12）の角速度指令（ωar）から前記仮想第２アーム（14）と実際の第３アーム（5）との動きの関係に基づき前記実際の第１アーム（3）、第２アーム（4）及び第３アーム（5）の第２角速度指令（ωa1，ωa2，ωa3）をそれぞれ計算し、前記実際の第１アームの第１角速度指令（ωb1）及び前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令（ωa1，ωa2，ωa3）を合成して前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの指令値（ω1，ω2，ω3）をそれぞれ求めることを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【請求項６】
請求項１記載の３関節型掘削機の操作制御装置において、前記指令演算手段（131）は、
前記仮想第１アーム（13）に対する第１操作手段（11）の角速度指令（ωbr）から前記仮想第２アーム（14）と実際の第３アーム（5）との動きの関係に基づき前記実際の第３アーム（5）の基端（16）の目標速度（Ｖb2）を計算し、この第３アームの基端の目標速度と前記第１操作手段の角速度指令とから前記実際の第１アーム（3）、第２アーム（4）及び第３アーム（5）の第１角速度指令（ωb1，ωb2，ωb3）をそれぞれ計算する手段（160,161,163,164,166）と、
前記仮想第２アーム（14）に対する第２操作手段（12）の角速度指令（ωar）から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第３アーム（5）の基端（16）の目標速度（Ｖa2）を計算し、この第３アームの基端の目標速度と前記第２操作手段の角速度指令とから前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令（ωa1，ωa2，ωa3）をそれぞれ計算する手段（139,140,145,146,148,149）と、
前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第１角速度指令（ωb1，ωb2，ωb3）及び第２角速度指令（ωa1，ωa2，ωa3）を合成して前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの指令値（ω1，ω2，ω3）をそれぞれ求める手段（171,172,173）とを有することを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【請求項７】
請求項１記載の３関節型掘削機の操作制御装置において、前記指令演算手段は、前記３関節型作業フロント（2）の姿勢を検出する姿勢検出手段（142,143,144又は134,136,137,138）を有し、この姿勢検出手段からの姿勢情報と前記第１及び第２操作手段（11,12）の角速度指令とから前記指令値（ω1，ω2，ω3）を計算することを特徴とする３関節型掘削機の操作制御装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、３関節型、すなわち掘削用バケットを除いて３個の関節とアームとを有する掘削機の操作制御装置に係わり、特に、従来の２関節型の掘削機と同様の操作手段を用いて操作可能な３関節型掘削機の操作制御装置に関する。
背景技術
従来の一般的な掘削機の構造を図１１に示す。作業フロント１００はブーム１０１及びアーム１０２の２つで構成され、掘削作業を行うバケット１０３がこの先端に設けられている。作業の主体であるバケット１０３の位置決めか、ブーム１０１、アーム１０２という回動可能な２つの構造要素によって行われているので、作業フロント１００を２関節型作業フロントと呼び、この作業フロント１００を備えた掘削機を２関節型の掘削機と称する。
これに対し、近年２ピースブーム型と呼ばれる掘削機が使われている。これを図１２に示す。２ピースブーム型の掘削機は、図１１に示した一般的な掘削機に対して、作業フロント１００Ａのブーム１０１を２分割して第１ブーム１０４及び第２ブーム１０５としたもので、バケット１０３の位置決めに関与する関節の数から作業フロント１００Ａを３関節型作業フロントと呼び、この作業フロント１００Ａを備えた掘削機を３関節型の掘削機と呼ぶこととする。
３関節型の掘削機は、２関節型の掘削機では難しかった掘削機の足元の作業を行えるという利点を持っている。即ち、２関節型の掘削機でも、図１１に示すような姿勢をとることで足元迄バケット１０３を持ってくることが可能であるが、このようにアーム１０２が水平になった状態では掘削作業はできない。これに対し、３関節型の掘削機では、図１２に示すようにアーム１０２をほぼ垂直にした状態でバケット１０３を足元に持ってくることができ、これによって足元の作業が可能となる。また、足元から遠く離れた位置の作業に対しても、第１ブーム１０４と第２ブーム１０５とを直線に近く伸ばすことによって、２関節型の掘削機に比べてより遠くまで作業することが可能である。
３関節型の掘削機の別の利点として、旋回半径を小さくできることがある。掘削した土砂をダンプカー等に積み込むために上部旋回体１０６を旋回して作業フロント１００Ａの向きを変えるが、この時、２関節型の掘削機ではブーム１０１の全長がネックとなって旋回に必要な半径を小さくすることが難しい。３関節型の掘削機の場合には、第１ブーム１０４をほぼ垂直に起こし、第２ブーム１０５をほぼ水平に寝かせることで、旋回に必要な半径を小さくすることが可能で、狭溢な工事現場での作業に有利となる。
次に、従来の操作方式について述べる。図１３に、一般的な２関節型の掘削機の操作レバーの例を示す。通常の掘削作業においては、ブーム・アーム・バケット・旋回の４動作が頻繁に、かつ複合的に操作される。これらの４動作が２本の操作レバー１０７，１０８に２動作ずつ割り当てられており、オペレータは左右の手でそれぞれのレバーを操作することで掘削作業を行う。この他の操作レバーとして、（図示しない）走行用のレバー（通常ペダルも付加されている）がある。走行用のレバーは、他のレバー１０７，１０８とは独立に使用されることが多く、ここでは考慮しない。
図１４は、３関節型の掘削機の操作レバーの例である。前述したように、３関節型の掘削機では、遠くから足元まで広範囲の作業か可能であるが、これを実現するためには２関節型掘削機のブーム１０１に相当する第１ブーム１０４の他に、更に第２ブーム１０５を操作しなければならない。既に２本の操作レバー１０７，１０８には４動作が割り当てられていることから、シーソー型のペダル１０９を新設して第２ブーム１０５の操作を行っている。
また、３関節型の掘削機の制御装置として特開平７−１８０１７３号公報の提案がある。この提案では、２本の操作レバーをバケット先端のＸ方向及びＹ方向の移動速度をそれぞれ指示するものとし、これらの移動速度を合成した速度ベクトル信号に基づき所定の演算処理を行い、水平引き作業を行う際に、バケット先端の移動を幅広い範囲にわたって連続して制御でき、しかも所望の軌跡に沿って精度良くバケットを移動させることができるようにしている。
発明の開示
前述のように構成された３関節型掘削機の操作系では、３関節化することによって広い作業領域が得られる。しかし、この領域を連続的に操作することが難しいという不具合がある。つまり、第２ブーム１０５の操作をペダル１０９によって足で行っているために、レバーを手で操作するような微妙な調整が難しく、他の第１ブーム１０４やアーム１０２、バケット１０３の操作と協調して動作させることができない。従って、ほとんどの場合、遠くの作業を行う時には第２ブーム１０５を伸ばした状態に固定し、また、近くの作業を行う時には第２ブーム１０５を縮めた状態に固定して作業を行っているのが通常である。
また、特開平７−１８０１７３号公報の制御装置では、２本の操作レバーで３関節型掘削機の第１ブーム、第２ブーム、アーム、バケットを操作できるようにしているか、操作レバーはバケット先端のＸ方向及びＹ方向の移動速度をそれぞれ指示する特殊なものとなっており、通常の操作レバーとは大幅に操作性が異なるだけでなく旋回動作を指示する機能もない。しかも、水平引き等の特殊な作業に特化されており、掘削作業等、通常の作業を行うことはできない。
本発明の目的は、３関節型作業フロントを、オペレータの通常の技量の範囲で従来の２関節型の作業フロントと同等の操作感覚で操作可能とする３関節型掘削機の操作制御装置を提供することである。
なお、従来技術について、ブームを２分割した２ピースブーム型の掘削機を例に記述を進めてきたが、アームを２分割した場合にも３関節型掘削機としての機能は同一である。そこで、説明を一般化する意味で、以下の説明では３個の関節でそれぞれ回動する部材を、第１アーム、第２アーム、第３アームと呼ぶこととする。
（１）上記目的を達成するため、本発明は、掘削機本体と、掘削機本体に回動可能に取り付けられた第１アーム、第１アームに回動可能に取り付けられた第２アーム、第２アームに回動可能に取り付けられた第３アームを有する３関節型作業フロントと、第１アームを駆動する第１アームアクチュエータ、第２アームを駆動する第２アームアクチュエータ、第３アームを駆動する第３アームアクチュエータを有する油圧駆動装置とを有する３関節型掘削機の操作制御装置において、第１アーム、第２アーム、第３アームを操作するための２つの操作手段と、仮想第１アーム及び仮想第２アームを有する２関節型作業フロントを仮想的に設け、この仮想第２アームと前記実際の第３アームとの動きの関係を予め定めておき、前記２つの操作手段を前記仮想第１アームの第１操作手段及び仮想第２アームの第２操作手段としてそれぞれ機能させたときの仮想第２アームの動きに対応した動きが実際の第３アームの動きとして得られるよう、前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームのそれぞれの指令値を求め、これを前記油圧駆動装置に駆動指令信号として出力する指令演算手段とを備えるものとする。
本発明は、上記のように、３関節作業フロントを、オペレータの通常の技量の範囲て操作可能とする３関節型掘削機の操作制御装置を提供するものであり、そのため、本発明では２関節型の掘削機と同様の２つの操作手段だけで、３つの関節を操作できるようにするものである。
従来、一般的に使われてきた２関節型の掘削機は、掘削機本体に対し回動する第１アーム、第１アームに対して回動する第２アームとがあり、第１アーム・第２アームの回動によって第２アーム先端に取り付けられた作業具、例えば掘削用バケットを必要な場所に移動させ掘削等の作業を行っている。２関節型の掘削機であればオペレータは容易に操作可能であると考えられる。また、掘削等の作業において、オペレータは作業具（バケット）の周辺だけを注視していることも容易に観察される事実である。本発明はこのような従来の作業フロントの使われ方及び機構学的な自由度の考え方に着目してなされたものである。
つまり、従来から掘削作業においてオペレータがバケット周辺のみを注視していて作業を行うことが可能であるということは、２関節型作業フロントの第１アーム・第２アームが、それぞれ第１アーム・第２アームの回転角速度を与える２つの操作手段によって駆動されるなら、操作手段を操作した結果のバケットが移動する方向や姿勢を、バケット周辺の視覚情報を得ることで操作可能であることを意味している。従って、３関節型作業フロントにおいても、仮想第１アーム及び仮想第２アームを有する２関節型作業フロントを想定し、２つの操作手段がそれぞれ仮想第１アーム及び仮想第２アームの回転角速度を与えるかのような仮想的な動作を想定したときの仮想第２アームの動作に対応した動作を実際の第３アームの動作として与えれば、バケット周辺を見て作業している限り、２関節型作業フロントと同様に容易に掘削作業を行うことが可能となる。
次に、上記した動作が３関節型掘削機で可能であることを、機構学的に裏付ける。
旋回動作を考えなければ、２関節型作業フロントの場合、２次元平面上の任意の点に第２アーム先端を位置させることができる。これは、２関節型作業フロントが２つの関節、つまり２つの自由度を持っているからである。また、２関節型作業フロントでは、第２アーム先端を特定の位置に位置させたときの第２アームの姿勢（傾き）は一義的に決まってしまう。これは、２次元空間内の位置決めに２つの自由度を使ってしまうからである。これに対し、３関節型作業フロントの場合、自由度が３つあるので、第３アーム先端位置の他、第３アームの姿勢（傾き）も自由に選ぶことが可能となる。よって、仮想第２アームと前記実際の第３アームとの動きの関係を予め定めておき、仮想第２アームの動作に対応した動作を実際の第３アームの動作として与えることが可能となる。
本発明は以上の知見に基づいており、指令演算手段で上記のように仮想第２アームの動作に対応した動作が実際の第３アームの動作として得られるよう実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームのそれぞれの指令値を求めることにより、３関節型作業フロントを、オペレータの通常の技量の範囲で従来の２関節型の作業フロントと同等の操作感覚で操作可能となる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記指令演算手段は、前記仮想第２アームと前記実際の第３アームが剛体を形成するかのように動くように前記仮想第２アームと前記実際の第３アームとの動きの関係を定める。
このように仮想第２アームと実際の第３アームが剛体を形成するかのように動かすと仮想第２アームの回転角速度と実際の第３アームの回転角速度は同じとなるため、仮想第２アームの回転角速度が実際の第３アームの回転角速度として与えられることとなり、２関節型作業フロントと同様に容易に掘削作業を行うことが可能となる。
（３）また、上記（１）において、前記指令演算手段は、前記仮想第２アームの回転角速度が前記実際の第３アームの回転角速度として得られるように、前記仮想第２アームと前記実際の第３アームとの動きの関係を定めてもよい。
これにより仮想第２アームの回転角速度が実際の第３アームの回転角速度として与えられることとなり、２関節型作業フロントと同様に容易に掘削作業を行うことが可能となる。
（４）更に、上記（１）において、好ましくは、前記指令演算手段は、前記仮想第１アームに対する第１操作手段の角速度指令から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第１角速度指令をそれぞれ計算し、前記仮想第２アームに対する第２操作手段の角速度指令から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令をそれぞれ計算し、前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第１角速度指令及び第２角速度指令を合成して前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの指令値をそれぞれ求める。
これにより上記（１）のように、２つの操作手段を仮想第１アームの第１操作手段及び仮想第２アームの第２操作手段としてそれぞれ機能させたときの仮想第２アームの動作に対応した動作が実際の第３アームの動作として得られるよう実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームのそれぞれの指令値を求めることができる。
（５）また、上記（１）において、一実施形態では前記仮想的に設けた２関節型作業フロントの仮想第１アームの基端は前記実際の第１アームの基端に一致しており、この場合、前記指令演算手段は、前記仮想第１アームに対する第１操作手段の角速度指令を前記実際の第１アームの第１角速度指令として求め、前記仮想第２アームに対する第２操作手段の角速度指令から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令をそれぞれ計算し、前記実際の第１アームの第１角速度指令及び前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令を合成して前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの指令値をそれぞれ求める。
このように仮想第１アームの基端が実際の第１アームの基端に一致するよう仮想的な２関節型作業フロントを設けた場合は、そうでない場合よりも少ない演算量で実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームのそれぞれの指令値を求めることができる。
（６）また、上記（１）において、好ましくは、前記指令演算手段は、前記仮想第１アームに対する第１操作手段の角速度指令から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第３アームの基端の目標速度を計算し、この第３アームの基端の目標速度と前記第１操作手段の角速度指令とから前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第１角速度指令をそれぞれ計算する手段と、前記仮想第２アームに対する第２操作手段の角速度指令から前記仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係に基づき前記実際の第３アームの基端の目標速度を計算し、この第３アームの基端の目標速度と前記第２操作手段の角速度指令とから前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第２角速度指令をそれぞれ計算する手段と、前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの第１角速度指令及び第２角速度指令を合成して前記実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームの指令値をそれぞれ求める手段とを有する。
これにより上記（４）のように、仮想第２アームの動作に対応した動作が実際の第３アームの動作として得られるよう実際の第１アーム、第２アーム及び第３アームのそれぞれの指令値を求めることができる。
（７）更に、上記（１）において、前記指令演算手段は、前記３関節型作業フロントの姿勢を検出する姿勢検出手段を有し、この姿勢検出手段からの姿勢情報と前記第１及び第２操作手段の角速度指令とから前記指令値を計算する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の適用対象である３関節型掘削機の構造を説明する図である。
図２は、本発明の一実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置のシステム構成を油圧回路と共に示す図である。
図３は、本発明の一実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置の操作系を説明する図である。
図４は、本発明の一実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置の動作原理を説明する図である。
図５は、本発明の一実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置の動作原理を説明する図である。
図６は、本発明の一実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置の動作原理を説明する図である。
図７は、本発明の一実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置の動作原理を説明する図である。
図８は、本発明の第１の実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置のコントローラの機能を示すブロック線図である。
図９は、本発明の第２の実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置のコントローラの機能を示すブロック線図である。
図１０は、本発明の第３の実施形態による３関節型掘削機の操作制御装置のコントローラの機能を示すブロック線図である。
図１１は、従来の２関節型掘削機の構造を説明する図である。
図１２は、従来の３関節型掘削機の一例としての、２ピースブーム型掘削機の構造を説明する図である。
図１３は、従来の２関節型掘削機の操作系を説明する図である。
図１４は、従来の２ピースブーム型掘削機の操作系を説明する図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図６により説明する。本実施形態は仮想の第１アームの基端を実際の第１アームの基端より後方に設定した場合のものである。
図１において、掘削機１の持つ作業フロント２は、それぞれ第１関節１５、第２関節２０、第３関節１６にて上下方向に回動可能に取り付けられた第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５からなる３関節型であり、その基端（第１関節１５）は掘削機本体９９（上部旋回体）に支持され、その先端、即ち第４関節１７に掘削用バケット６が上下方向に回動可能に取り付けられている。第１アーム３は第１アームシリンダ７、第２アーム４は第２アームシリンダ８、第３アーム５は第３アームシリンダ９でそれぞれ駆動され、バケット６はバケットシリンダ１０で駆動される。
図２に油圧回路の一例を示す。図中、２６０は第１アームシリンダ７、第２アームシリンダ８、第３アームシリンダ９、バケットシリンダ１０を含む油圧駆動回路であり、油圧ポンプ１２０から吐出された作動油は流量制御弁１２１，１２２，１２３，１２４を介して、第１アームシリンダ７、第２アームシリンダ８、第３アームシリンダ９、バケットシリンダ１０に供給される。この他に、図示しない旋回用油圧モータ、走行用油圧モータがあり、これらも同様に接続されている。ここでは、第１アームシリンダ７について動作を説明するか、他のシリンダについても同様に動作する。
また、２６１は流量制御弁１２１，１２２，１２３，１２４に操作用のパイロット圧力を導くパイロット回路であり、パイロット油圧源２６２と、流量制御弁１２１に設けられた１対のパイロットライン２６３ａ，２６３ｂ及び流量制御弁１２２，１２３，１２４に設けられた同様なパイロットライン２６４ａ，２６４ｂ；２６５ａ，２６５ｂ；２６６ａ，２６６ｂ（一部のみ図示）と、パイロットライン２６３ａ，２６３ｂに配置された比例減圧弁１２９，１３０及びパイロットライン２６４ａ，２６４ｂ；２６５ａ，２６５ｂ；２６６ａ，２６６ｂに設けられた同様な比例減圧弁（図示せず）とで構成されている。
流量制御弁１２１は、非作動時にはスプリング１２７，１２８に支えられて中立位置にあり、各ポートはブロックされるので、第１アームシリンダ７は動かない。比例減圧弁１２９，１３０によって調整されたパイロット圧力が流量調整弁１２１のパイロット圧力室１２５，１２６に導かれており、いずれかにパイロット圧力がたつと、この圧力による力とスプリング１２７，１２８との釣り合いの位置に弁体は変位し、その変位量に応じた流量が第１アームシリンダ７に送られ、第１アームシリンダ７は伸縮する。流量制御弁１２２，１２３，１２４についても同様である。
比例減圧弁１２９，１３０及び図示しない他の比例電磁弁はコントローラ１３１からの駆動指令信号によって調整され、更にコントローラ１３１には操作レバー装置１１，１２からの操作信号及び角度検出器１４２，１４３，１４４からの検出信号が入力されている。操作レバー装置１１，１２は操作信号として電気信号を出力する電気レバー方式であり、操作レバー装置１１，１２の操作レバー１１ａ，１２ａが操作されると、その操作量に応じて第１アームシリンダ７、第２アームシリンダ８、第３アームシリンダ９、バケットシリンダ１０を任意の速度で駆動することができる。角度検出器１４２，１４３，１４４は第１関節１５、第２関節２０、第３関節１６にそれぞれ取り付けられ、第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５の回転角度θ1，θ2，θ3を検出する。角度検出器としては各関節の角度を直接検出するポテンショメータであってもよいし、第１シリンダ７、第２シリンダ８、第３シリンダ９の変位量を検出し、回転角度を幾何学的に演算するものであってもよい。
操作レバー装置１１，１２の操作方法の詳細を図３に示す。
図３において、バケット及び旋回に関する操作は従来の掘削機と全く同じで、右側に配置された操作レバー装置１１の操作レバー１１ａを右（ａ）方向に操作すると、操作量に応じた速度でバケット６はダンプ側（開く側）に動作する。同様に、操作レバー１１ａを左（ｂ）方向に操作すると、操作量に応じた速度でバケット６はクラウド側（掻き込む側）に動作する。本体９９を構成する上部旋回体の旋回動作に対しては、左側に配置された操作レバー装置１２の操作レバー１２ａを前（ｇ）又は後（ｈ）に操作することで、操作量に応じた速度で上部旋回体９９は右旋回又は左旋回を行う。
一方、従来、第１アーム３だけを動作させていた操作レバー装置１１の操作レバー１１ａの前後方向（ｃ，ｄ方向）は、本発明では、その操作量に応じた速度で、図１に一点鎖線で示す仮想的に設けた２関節型作業フロントの仮想の第１アーム１３を上下させる。また、従来、第２アーム４だけを動作させていた操作レバー装置１２の操作レバー１２ａの左右方向（ｅ，ｆ方向）は、本発明では、その操作量に応じた速度で、図１に一点鎖線で示す仮想の第２アーム１４を引き込み（クラウド）又は押し出し（ダンプ）させる。
上記のように操作レバー１１ａを前後方向（ｃ，ｄ方向）に、操作レバー１２ａを左右方向（ｅ，ｆ方向）に操作することにより第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５を動かす本発明の基本原理及びこの基本原理に基づく第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５の指令値の求め方を説明する。
まず、本発明の基本原理は、上記のように仮想の第１アーム１３及び仮想の第２アーム１４を有する２関節型作業フロントを仮想的に設け、仮想第２アーム１４と実際の第３アーム５との動きの関係を予め定めておくことで、操作レバー１１ａ，１２ａを操作したときの仮想第２アーム１４の動作に対応した動作が実際の第３アーム５の動作として得られるよう、第１アーム３、第２アーム４及び第３アーム５の指令値を求めるものである。
ここで、仮想第２アーム１４と実際の第３アーム５との動きの関係としては、本実施形態では、仮想第２アーム１４と実際の第３アーム５とが剛体を形成するかのように動くように定める。このように仮想第２アームと実際の第３アームとの動きの関係を定めることにより仮想第２アームの回転角速度と実際の第３アームの回転角速度は同じとなり、仮想第２アームの回転角速度が実際の第３アームの回転角速度として与えられることとなる。
また、仮想的に設けた２関節型作業フロントの仮想の第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９は車体９９に対して任意の位置に設定可能であり、図１に示す実施形態では、仮想の第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９を実際の第１アーム３の基端（第１関節）１５より後方の位置に設定している。また、図１では、実際の第１アーム３の基端（第１関節）１５に仮想の第１関節１９を一致させた場合の仮想の第１アームを符号１３Ａで示している。
更に、仮想の第１アーム１３の長さ（仮想の第１関節１９と仮想の第２関節１８とを結ぶ線分の長さＬ0）及び仮想の第２アーム１４の長さ（仮想の第２関節１８と仮想の第３関節（バケット関節）１７を結ぶ線分の長さＬ1）も、任意に設定可能である。本実施形態では、Ｌ0，Ｌ1を通常の２関節型掘削機よりも長くなるように設定している。
以下、図４〜図７を用い、第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５の指令値の求め方を説明しつつ本発明の基本原理を更に詳しく説明する。
（Ａ）操作レバー１１ａで仮想第１アームを操作する場合
（Ａ１）図４において、操作レバー１１ａの操作信号により仮想第１アーム１３に与えられた上げ方向の指令角速度をωbrとすると、操作レバー１２ａが操作されていなければ仮想第２アーム１４は仮想第１アーム１３と同じ角速度で仮想の第１関節１９回りを回転するので、バケット関節１７が移動すべき速度（目標速度）Ｖb1は、仮想の第１関節１９とバケット関節１７を結ぶ線分（長さＳb1）に対して垂直方向に、
Ｖb1＝Ｓb1×ωbr                            …（１）
の大きさを持つ。
また、第３関節１６が移動すべき速度（目標速度）Ｖb2は、仮想第２アーム１４と実際の第３アーム５とが剛体（図示斜線部参照）を形成するかのように動くので、仮想の第１関節１９と第３関節１６を結ぶ線分（長さＳb2）に対して垂直方向に、
Ｖb2＝Ｓb2×ωbr                            …（２）
の大きさを持つ。
（Ａ２）まず、第３関節１６にＶb2の速度を与えるのに必要な第１関節１５回りの回転角速度及び第２関節２０回りの回転角速度を検討する。
（A2-1）図５において、目標速度Ｖb2を、第１関節１５と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＳ1）に垂直な方向の成分と、第２関節２０と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＭ2）に垂直な方向の成分とに分解して、Ｖbs1，Ｖbs2を得る。
線分Ｓb2と線分Ｍ2とのなす角度をＡ、線分Ｓb2と線分Ｓ1とのなす角度をＢとすれば、
0003822646.tif 000002
これにより、第１アーム３の角速度指令ωb1と第２アーム４の角速度指令ωb2は次のように求めることができる。
なお、第１アーム３の角速度指令ωb1は上げ方向を正、第２アーム４の角速度指令ωb2はダンプ方向を正としている。
0003822646.tif 000003
ここで、仮想の第１関節１９を実際の第１関節１５に一致させた仮想の第１アーム１３Ａを用いる実施形態では、角度Ｂ＝０、Ｓ1＝Ｓb2となるため、速度Ｖbs1，Ｖbs2は、
0003822646.tif 000004
となる。よって、角速度指令ωb1，ωb2も、
0003822646.tif 000005
となる。
（A2-2）次に、第３アーム５の角速度指令ωb3を求める。バケット関節１７に与えるべき速度Ｖb1は、絶対座標系（第１関節１５を原点とした座標系）における値であり、この速度Ｖb1は第３関節１６の速度Ｖb2を含んでいる。よって、速度Ｖb1を速度Ｖb2と、第３関節１６とバケット関節１７を結ぶ線分（長さＭ3）に垂直な方向の成分Ｖbrとに分解する。
線分Ｓb1と線分Ｓb2とのなす角度をＣ、線分Ｓb1と線分Ｍ3とのなす角度をＤとすれば、
0003822646.tif 000006
という関係が得られ、速度Ｖbrを求めることができる。
また、上式の関係と、３つの線分Ｓb1、Ｓb2，Ｍ3で形成される３角形の関係式、
0003822646.tif 000007
から、速度Ｖbrは以下のように求められる。
0003822646.tif 000008
この速度Ｖbrを用いて、第３関節１６回りの第３アーム５の角速度ωb3rは、
0003822646.tif 000009
となる。即ち、仮想第１アーム１３に与えられた指令角速度ωbrで第３アーム５も回転するので、結局、その指令角速度ωbrが第３関節１６回りの第３アーム５の角速度b3rとなることが分かる。
ところで、この角速度ωb3rは、絶対座標系における第３関節１６回りの第３アーム５の回転角速度を意味しており、第３アーム５を駆動するための角速度指令ωb3を求めるためには、第３関節１６回りの第２アーム４の回転角速度を考慮する必要がある。この第３関節１６回りの第２アーム４の回転角速度は、上記で求めた角速度指令ωb1，ωb2を用いてωb1＋ωb2で表せることから、第３アーム５の角速度指令ωb3は、ダンプ方向を正として、
ωb3＝ωb3r−（ωb1＋ωb2）＝ωbr−（ωb1＋ωb2）      …（１０）
として求められる。
ここで、仮想の第１関節１９を実際の第１関節１５に一致させた仮想の第１アーム１３Ａを用いる実施形態では、上記のようにωb1＝ωbr、ωb2＝０であるから、
ωb3＝０                                  …（１０′）
となる。即ち、操作レバー１１ａのみで仮想第１アーム１３を操作する場合は、仮想第１アーム１３に与えられる指令角速度ωbrをそのまま第１アーム３の角速度指令ωb1とすればよい。
（Ｂ）操作レバー１２ａで仮想第２アームを操作する場合
（Ｂ１）図６において、操作レバー１２ａの操作信号により仮想第２アーム１４に与えられた押し出し方向の指令角速度をωarとすると、バケット関節１７が移動すべき速度Ｖa1は、仮想の第２関節１８とバケット関節１７を結ぶ線分（長さＬ1）に対して垂直方向に、
Ｖa1＝Ｌ×ωar                            …（１１）
の大きさを持つ。
また、第３関節１６が移動すべき速度Ｖa2は、仮想第２アーム１４と実際の第３アーム５とが剛体（図示斜線部参照）を形成するかのように動くので、仮想の第２関節１８と第３関節１６を結ぶ線分（長さＬ2）に対して垂直方向に、
Ｖa2＝Ｌ2×ωar                            …（１２）
の大きさを持つ。
（Ｂ２）まず、第３関節１６にＶa2の速度を与えるのに必要な第１関節１５回りの回転角速度及び第２関節２０回りの回転角速度を検討する。
（B2-1）図７において、目標速度Ｖa2を、第１関節１５と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＳ1）に垂直な方向の成分と、第２関節２０と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＭ2）に垂直な方向の成分とに分解して、Ｖas1，Ｖas2を得る。
線分Ｌ2と線分Ｍ2とのなす角度をＥ、線分Ｍ2と線分Ｓ1とのなす角度をＦとすれば、
0003822646.tif 000010
これにより、第１アーム３の角速度指令ωa1と第２アーム４の角速度指令ωa2は次のように求めることができる。
なお、第１アーム３の角速度指令ωa1は上げ方向を正、第２アーム４の角速度指令ωa2はダンプ方向を正としている。
0003822646.tif 000011
（B2-2）次に、第３アーム５の角速度指令ωa3を求める。バケット関節１７に与えるべき速度Ｖa1は、絶対座標系（第１関節１５を原点とした座標系）における値であり、この速度Ｖa1は第３関節１６の速度Ｖa2を含んでいる。よって、速度Ｖa1を速度Ｖa2と、第３関節１６とバケット関節１７を結ぶ線分（長さＭ3）に垂直な方向の成分Ｖarとに分解する。
線分Ｌ2と線分Ｌ1とのなす角度をＧ、線分Ｌ1と線分Ｍ3とのなす角度をＨとすれば、
0003822646.tif 000012
という関係が得られ、速度Ｖarを求めることができる。
また、上式の関係と、３つの線分Ｌ1，Ｌ2，Ｍ3で形成される３角形の関係式、
0003822646.tif 000013
から、速度Ｖarは以下のように求められる。
0003822646.tif 000014
この速度Ｖarを用いて、第３関節１６回りの第３アーム５の角速度ωa3rは、
0003822646.tif 000015
となる。即ち、仮想第２アーム１４に与えられた指令角速度ωarで第３アーム５も回転するので、結局、その指令角速度ωarが第３関節１６回りの第３アーム５の角速度ωa3rとなることが分かる。
ところで、この角速度ωa3rは、絶対座標系における第３関節１６回りの第３アーム５の回転角速度を意味しており、第３アーム５を駆動するための角速度指令ωa3を求めるためには、第３関節１６回りの第２アーム４の回転角速度を考慮する必要がある。この第３関節１６回りの第２アーム４の回転角速度は、上記で求めた角速度指令ωa1，ωa2を用いてωa1＋ωa2で表せることから、第３アーム５の角速度指令ωa3は、ダンプ方向を正として、
ωa3＝ωa3r−（ωa1＋ωa2）＝ωar−（ωa1＋ωa2）      …（２０）
として求められる。
（Ｃ）各アームの角速度指令値
各アーム３，４，５の角速度指令値ω1，ω2，ω3は、上記で求めた仮想第１アーム１３を操作した場合の角速度指令ωb1，ωb2，ωb3と、仮想第２アーム１４を操作した場合の角速度指令ωa1，ωa2，ωa3のそれぞれを加えたものとなるから、
ω1＝ωb1＋ωa1
ω2＝ωb2＋ωa2
ω3＝ωb3＋ωa3＝ωbr＋ωar−（ωb1＋ωb2＋ωa1＋ωa2  …（２１）
となる。
ここで、仮想の第１関節１９を第１関節１５に一致させた仮想の第１アーム１３Ａを用いる実施形態では、上記のようにωb1＝ωbr、ωb2＝０、ωb3＝０であるから、
ω1＝ωbr＋ωa1
ω2＝ωa2
ω3＝ωa3＝ωar−（ωa1＋ωa2）            …（２１）
となる。
上記のように角速度指令ω1，ω2，ω3が求まれば、第１アーム３が角速度ω1、第２アーム４が角速度ω2、第３アーム５が角速度ω3で回動するよう第１アームシリンダ７、第２アームシリンダ８、第３アームシリンダ９を伸縮させればよい。
これにより、従来の２関節型作業フロントを有する掘削機と同様の２本の操作レバー１１ａ，１２ａを用いて第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５を有する３関節作業フロント２を、オペレータに違和感を与えずに連続的に動作させることが可能であり、特にオペレータがバケット６の周辺を注視して作業する限り、オペレータの通常の技量の範囲で２関節型作業フロントと同じ操作感覚で操作可能となる。
また、本実施形態では、仮想の第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９を実際の第１アーム３の基端（第１関節）１５より後方の位置に設定したので、バケット６を車体９９に向けて水平方向に引くとき、車体９９に近接した位置まで第１アームシリンダ７、第２アームシリンダ８、第３アームシリンダ９のいずれもストロークエンドに達することなく、各シリンダの有効ストロークを有効に利用できるようになり、水平引き作業で車体９９に近接した位置までバケット６を動かすことができ、広い作業範囲を確保できる。
更に、仮想の第１アーム１３長さＬ0及び仮想の第２アーム１４の長さＬ1を通常の２関節型掘削機よりも長くなるように設定したので、バケット６を車体９９の近くまで持って来たときに仮想の第２アーム１４が垂直に近い姿勢を保てるようになり、これにより実際の第３アーム５も垂直に近い姿勢となり、良好な作業性が得られる。
図８に、上述した動作を実現するためのコントローラ１３１によって処理されるアルゴリズムを示す。
コントローラ１３１には、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2、第３アーム５の長さＭ3、仮想第１アーム１３の長さＬ0、仮想第２アーム１４の長さＬ1、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）があらかじめ定められ、記憶されている。
そしてコントローラ１３１には、仮想第１アーム１３の角速度ωbrを指令する仮想第１アーム信号１３２と、仮想第２アーム１４の角速度ωarを指令する仮想第２アーム信号１３３とが入力される。
まず、仮想第１アーム信号１３２に関する処理について説明する。仮想第１アーム信号１３２（ωbr）は、前記（２）式の演算を行って第３関節１６の目標速度Ｖb2を得る第１演算ブロック１６０に入力される。この演算では仮想の第１関節１９と第３関節１６を結ぶ線分の長さＳb2を用いるので、この長さＳb2を計算する必要がある。この計算には刻々と変化する第３関節１６の位置情報と仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９に関する情報とが必要となる。第３関節１６の位置情報としては第１アーム３の回転角度θ1と第２アーム４の回転角度θ2が必要となる。このため、前述したように角度検出器１４２，１４３が設けられ、第１アーム３の回転角度θ1と第２アーム４の回転角度θ2が第１演算ブロック１６０に入力される。また、第３関節１６の位置情報としては第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2も必要であり、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９に関する情報としては当該基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）が必要であり、これらはコントローラ１３１内に記憶しておいた上記の値が用いられる。
第１演算ブロック１６０で計算された第３関節１６の目標速度Ｖb2は第２演算ブロック１６１に入力され、前述の（３）式及び（４）式により目標速度Ｖb2の第１関節１５と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＳ1）に垂直な方向の成分Ｖbs1と、第２関節２０と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＭ2）に垂直な方向の成分Ｖbs2とを計算する。ここでは、線分Ｓb2と線分Ｍ2とのなす角度Ａ、線分Ｓb2と線分Ｓ1とのなす角度Ｂを用いるので、この角度Ａ及びＢを計算する必要がある。この計算には刻々と変化する第３関節１６の位置情報及び第２関節２０の位置情報と仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９に関する情報とが必要となる。第３関節１６の位置情報については前述した。第２関節２０の位置情報としては第１アーム３の回転角度θ1と第１アーム３の長さＭ1が必要となる。従って、第２演算ブロック１６１においても、上記第１演算ブロック１６０と同様に第１アーム３の回転角度θ1と第２アーム４の回転角度θ2が入力されると共に、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられる。
第２演算ブロック１６１で計算された速度成分Ｖbs1，Ｖbs2はそれぞれ第３及び第４演算ブロック１６３，１６４に入力され、上記（５）式及び（６）式により第１アーム３の角速度指令ωb1と第２アーム４の角速度指令ωb2を計算する。第３演算ブロック１６３の計算では第１関節１５と第３関節１６とを結ぶ線分の長さＳ1を用いるので、これを計算する必要がある。この計算には第３関節１６の位置情報が必要である。このため、第３演算ブロック１６３には第１アーム３の回転角度θ1と第２アーム４の回転角度θ2が入力されると共に、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられる。第４演算ブロック１６４の計算では第２アーム４の長さＭ2としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられる。
第３及び第４演算ブロック１６３，１６４で計算された第１アーム３の角速度指令ωb1と第２アーム４の角速度指令ωb2は仮想第１アーム信号１３２（ωbr）と共に第５演算ブロック１６６に入力され、上記（１０）式により第３アーム５の角速度指令ωb3を計算する。ここで、仮想第１アーム信号１３２の指令角速度ωbrは、上記（９）式で説明したように第１関節１５を原点とした絶対座標系における第３関節１６回りの第３アーム５の回転角速度ωb3rとして用いられる。
次に、仮想第２アーム信号１３３に関する処理について説明する。仮想第２アーム信号１３３（ωar）は、前記（１２）式の演算を行って第３関節１６の目標速度Ｖa2を得る第６演算ブロック１３９に入力される。この演算では仮想の第２関節１８と第３関節１６を結ぶ線分の長さＬ2を用いるので、この長さＬ2を計算する必要がある。この計算には刻々と変化する第３関節１６の位置情報と仮想第２アーム１４の基端（仮想の第２関節）１８の位置情報が必要となる。第３関節１６の位置情報としては、前述したように、第１アーム３の回転角度θ1、第２アーム４の回転角度θ2、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2が必要となる。仮想第２アーム１４の基端（仮想の第２関節）１８の位置情報としては、仮想第１アーム１３の回転角度θbと仮想第１アーム１３の長さＬ0と仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）が必要となる。このため、第６演算ブロック１３９には、上記第１演算ブロック１６０と同様に第１アーム３の回転角度θ1と第２アーム４の回転角度θ2が入力され、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられると共に、更に仮想第１アーム１３の回転角度θbが入力され、仮想第１アーム１３の長さＬ0としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられる。
ここで、仮想第１アーム１３の回転角度θbは角度演算ブロック１４８で計算される。この計算では、仮想第１アーム１３の回転角度θbと仮想第２アーム１４の回転角速度θaを未知数とし、第３アーム５の先端（第４関節）１７と仮想第２アーム１４の先端が一定の位置関係、この実施形態では両者の位置が等しいという関係を用いて連立方程式を立て、回転角度θb，θaを求める。第３アーム５の先端（第４関節）１７の位置情報としては、第１アーム３の回転角度θ1、第２アーム４の回転角度θ2、第３アーム５の回転角度θ3と、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2、第３アーム５の長さＭ3とが必要となり、仮想第２アーム１４の先端（第３アーム５の先端の第４関節）１７の位置情報としては、未知数としての回転角度θb，θaと、仮想第１アーム１３の長さＬ0、仮想第２アーム１４の長さＬ1、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）とが必要となる。このため、前述したように角度検出器１４２，１４３，１４４が設けられ、第１アーム３の回転角度θ1、第２アーム４の回転角度θ2、第３アーム５の回転角度θ3が角度演算ブロック１４８に入力されると共に、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2、第３アーム５の長さＭ3、仮想第１アーム１３の長さＬ0、仮想第２アーム１４の長さＬ1、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）としてコントローラ１３１内に記憶しておいた上記の値が用いられる。
第６演算ブロック１３９で計算された第３関節１６の目標速度Ｖa2は第７演算ブロック１４０に入力され、前述の（１３）式及び（１４）式により目標速度Ｖa2の第１関節１５と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＳ1）に垂直な方向の成分Ｖas1と、第２関節２０と第３関節１６とを結ぶ線分（長さＭ2）に垂直な方向の成分Ｖas2とを計算する。ここでは、線分Ｌ2と線分Ｍ2とのなす角度Ｅ、線分Ｍ2と線分Ｓ1とのなす角度Ｆを用いるので、この角度Ｅ及びＦを計算する必要がある。この計算には第３関節１６の位置情報、第２関節２０の位置情報、仮想第２アーム１４の基端（仮想の第２関節）１８の位置情報が必要となる。このため、第７演算ブロック１４０には、第６演算ブロック１３９と同様に第１アーム３の回転角度θ1、第２アーム４の回転角度θ2、仮想第１アーム１３の回転角度θbが入力されると共に、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2、仮想第１アーム１３の長さＬ0、仮想第１アーム１３の基端（仮想の第１関節）１９の位置情報（Ｘ0，Ｙ0）としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられる。
第７演算ブロック１４０で計算された速度成分Ｖas1，Ｖas2はそれぞれ第８及び第９演算ブロック１４５，１４６に入力され、上記（１５）式及び（１６）式により第１アーム３の角速度指令ωa1と第２アーム４の角速度指令ωa2を計算する。第８演算ブロック１４５の計算では第１関節１５と第３関節１６とを結ぶ線分の長さＳ1を用いるので、第３演算ブロック１６３と同様に角度検出器１４２，１４３で検出した第１アーム３の回転角度θ1と第２アーム４の回転角度θ2が入力されると共に、第１アーム３の長さＭ1、第２アーム４の長さＭ2としてコントローラ１３１に記憶しておいた値が用いられる。第９演算ブロック１４６の計算では第４演算ブロック１６４と同様に第２アーム４の長さＭ2としてコントローラ１３１内に記憶しておいた値が用いられる。
第８及び第９演算ブロック１４５，１４６で計算された第１アーム３の角速度指令ωa1と第２アーム４の角速度指令ωa2は仮想第２アーム信号１３３（ωar）と共に第１０演算ブロック１４９に入力され、上記（２０）式により第３アーム５の角速度指令ωa3を計算する。ここで、仮想第２アーム信号１３３の指令角速度ωarは、上記（１９）式で説明したように第１関節１５を原点とした絶対座標系における第３関節１６回りの第３アーム５の回転角速度ωa3rとして用いられる。
以上のようにして計算された仮想第１アーム信号１３２による第１アーム３の角速度指令ωb1、第２アーム４の角速度指令ωb2、第３アーム５の角速度指令ωb3と仮想第２アーム信号１３３による第１アーム３の角速度指令ωa1、第２アーム４の角速度指令ωa2、第３アーム５の角速度指令ωa3は、上記（２１）式に従って加算部１７１，１７２，１７３でそれぞれ加算され、各アーム３，４，５の角速度指令値ω1，ω2，ω3が求められる。これらの指令値ω1，ω2，ω3は、それぞれ、飽和関数１５０，１５１，１５２，１５３，１５４，１５５に入力され、それらの正負に応じた駆動指令信号（電気信号）が出力される。即ち、指令値ω1が正の場合は飽和関数１５０によりω1に応じた駆動指令信号（電気信号）が比例減圧弁１３０に出力され、負の場合は飽和関数１５１によりω1に応じた駆動指令信号（電気信号）が比例減圧弁１２９に出力される。指令値ω2，ω3の場合も同様である。
以上のような本実施形態によれば、従来の２関節型作業フロントを有する掘削機と同様の２本の操作レバー１１ａ，１２ａを用いて第１アーム３、第２アーム４、第３アーム５を有する３関節作業フロント２を、オペレータの通常の技量の範囲で従来の２関節型の作業フロントと同等の操作感覚で動作させることが可能であり、３関節型掘削機の特徴である広い作業範囲を従来の２関節型の掘削機と同等の操作感覚で連続的に操作することができる。
本発明の第２の実施形態を図９を用いて説明する。本実施形態は、仮想の第１関節１９を第１アーム３の第１関節１５に一致させた仮想の第１アーム１３Ａ（図１参照）を用いた場合のものである。図中、図８に示した部分と同等の部分には同じ符号を付している。
前述したように仮想の第１アーム１３Ａの第１関節１９が実際の第１アーム３の第１関節１５に一致させた場合は、仮想第１アーム信号１３２による第１、第２、第３アーム３，４，５の角速度指令ωb1，ωb2，ωb3は、上記（５′）式、（６′）式、（１０′）式より、ω1＝ωbr、ωb2＝０、ωb3＝０であり、第１、第２、第３アーム３，４，５の角速度指令値ω1，ω2，ω3は、上記（２１′）式より、ω1＝ωbr＋ωa1、ω2＝ωa2、ω3＝ωar−（ωa1＋ωa2）となる。よって、本実施形態では、図８の第１演算ブロック１６０〜第５演算ブロック１６６、加算部１７２，１７３は不要となり、図９に示すように、仮想第１アーム信号１３２の指令角速度ωbrは第８演算ブロック１４５で求めた第１アーム３の角速度指令ωa1と加算部１７１で直接加算され、第１アームの角速度指令値ω1が計算される。また、第９演算ブロック１４６及び第１０演算ブロック１４９で計算された第２アーム４の角速度指令ωa2及び第３アーム５の角速度指令ωa3は、それぞれ、そのまま第２、第３アーム４，５の角速度指令値ω2，ω3として用いられる。
本実施形態によれば、図８に示した第１の実施形態に比べてコントローラ１３１Ａでの計算量を減らすことができ、コントローラ１３１Ａの限られた処理能力及びメモリ容量の範囲内で応答の良い制御が可能となる。
本発明の第３の実施形態を図１０を用いて説明する。本実施形態は、図９に示した実施形態において、各アームの回転角度を角度検出器を用いずに、各アームへの回転角速度指令値を積分演算することで求めたものである。図中、図８、図９に示した部分と同等の部分には同じ符号を付している。
第１、第２、第３アーム３，４，５の回転角度θ1，θ2，θ3は、それぞれ第１、第２、第３アーム３，４，５への角速度指令値ω1，ω2，ω3を積分した値に対応し、仮想第１アーム１３の回転角度θbは操作信号１３２の指令角速度ωbrを積分した値に対応する。このため、本実施形態では、図１０に示すように積分器１３４，１３６，１３７，１３８を設け、第１、第２、第３アーム３，４，５への角速度指令値ω1，ω2，ω3を積分器１３６，１３７，１３８で積分することで回転角度θ1，θ2，θ3に変換し、操作信号１３２の指令角速度ωbrを積分器１３４で積分することで回転角度θbに変換し、第６〜第８演算ブロック１３９，１４０，１４５で用いる。
角度検出器１４２，１４３，１４４を用いた第１及び第２の実施形態では、刻々と変化する各アームの回転角度θ1，θ2，θ3を、演算の誤差を含むことなく直接に利用することができるので、精度の高い制御を実現することができる。これに対し、本実施形態では、制御精度は多少劣るが、角度検出器１４２，１４３，１４４を用いる必要がないので、その分安価にシステムを構築することができる。
なお、以上の実施形態では、各アームの角速度指令を別々に求めて、それぞれの和を求めて各アームの角度指令値とする構成としているが、まず、各関節の合成された速度Ｖ1，Ｖ2を求め、それから各アームの角速度指令を求める構成としてもよい。
また、上記実施形態では、各関節の速度を計算する演算ブロック１３９，１４０を備える構成としているが、その計算は１つの関係式で求めることができるので、これらは１つも演算ブロックにまとめてもよい。
更に、上記実施形態では、仮想の２関節型作業フロントの第１アーム１３及び仮想の第２アーム１４の長さＬ0，Ｌ1に関し、広い作業範囲を操作可能とするためにこれらＬ0，Ｌ1を長く設定したが、この長さは目的に応じて任意に設定可能である。また、仮想の２関節型作業フロントの仮想第１関節と３関節型作業フロントの第１関節１５とが一致しない場合の両者の位置関係も、要求される動作特性に応じて任意に設定可能である。
また、上記実施形態では、仮想の２関節型作業フロントの仮想第２アームの先端（バケット関節）と３関節型作業フロントの第３アームの先端（バケット関節）を完全に一致させたが、これは多少ずれていても構わない。また、この場合も、両者の位置関係さえ決まっていれば、両者の位置を一致させた場合と同様の演算処理が可能である。
産業上の利用可能性
本発明によれば、３関節型作業フロントを、従来の２関節型の作業フロントと同様の２本の操作レバーを用いてオペレータの通常の技量の範囲で従来の２関節型の作業フロントと同等の操作感覚で操作することができる。
【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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