JP7739489B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関する。

道路工事、建設工事、土木工事、浚渫工事等に使用される作業機械として、動力系により走行する走行体の上部に旋回体を旋回自在に取り付けた作業機械本体に多関節型の作業フロントを上下方向に揺動自在に取り付け、作業フロントを構成する各フロント部材をシリンダにて駆動するものが知られている。その一例としては、ブーム、アーム、バケット等から構成される作業フロントを有する、いわゆる油圧ショベルがある。また、この種の油圧ショベルには、掘削する施工目標面を予め設定し、バケットが施工目標面に沿って掘削できるように、オペレータのアーム動作の操作量に応じてブーム動作などを自動で制御する、いわゆるマシンコントロールを行うものがある。

マシンコントロールは、コントローラがフロント動作を制御するとともに、オペレータが手動で操作をする半自動制御の機能であるため、制御精度に加え、オペレータ操作性も重要視されるものである。マシンコントロールに係る従来技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載のものが知られている。

特許文献１には、目標面距離と作業具の目標速度とから、作業装置の制限速度を演算する際に、アームよりもブームの速度を制限することで、掘削の場面でオペレータの操作意思が強く表れるアームの速度制限を緩和し、オペレータの違和感を小さく抑える建設機械の制御システムが開示されている。

特許文献２には、設定された目標面と位置センサおよび姿勢センサからの信号とに基づいて、アーム操作時に作業具が目標面に侵入する可能性があるか否かを判定し、作業具が目標面に侵入する可能性がないと判定された場合は、作業具の位置が目標面に近い状態であっても速度を減速しないように制御し、掘削面近傍において作業具を速く動かしたいというオペレータの操作意思をくみ取り、アームに対する制限を回避し、オペレータの違和感を小さく抑える作業機械が開示されている。

国際公開第２０１４／１６７７１８号 国際公開第２０２１／０６４３８５号

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術は、目標面に対する作業具の距離に応じて制限速度が演算されているため、目標面近傍においては、移動する爪先の軌跡が目標面を逸脱し得ないものであったとしても、動作速度が制限されてしまい、オペレータが速く動かしたいという意図と反した状態になることで操作性が悪化してしまうおそれがある。

特許文献２に記載された従来技術は、侵入可否を姿勢状態や操作レバーの入力状態を基に判断し、作業装置の制限の可否を判断しているため、侵入しないと判断されて速度が制限されていない状態において、急に侵入可能性がある入力をされた場合は、急激な減速動作が必要になり、動作を止めきれずに目標面を逸脱したり、或いは、急激な減速によるショックが発生し、オペレータの操作性や作業性を損なうおそれがある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、目標面を逸脱する可能性が無い場合は、不必要な速度制限を行わず、かつ、目標面への逸脱が想定されるような状態に変化しても適切に減速・停止制御を行うことで良好な操作性を確保できる作業機械を提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、走行体と、前記走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、少なくとも上下方向に揺動自在なバケットを有する作業装置と、前記上部旋回体と前記作業装置とをそれぞれ駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを操作する操作装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出装置と、前記上部旋回体と前記作業装置の姿勢を検出する姿勢検出装置と、前記バケットにより掘削する目標面を設定するための目標面設定装置と、前記操作量検出装置により検出された操作量に基づいて前記バケットに対する要求動作方向を演算し、前記要求動作方向に基づいて前記バケットが前記目標面を超えないように前記アクチュエータの動作指令値を演算する制御装置と、前記制御装置の動作指令値に基づいて前記アクチュエータを駆動させる駆動装置と、を有する作業機械において、前記制御装置は、前記作業装置の姿勢と前記要求動作方向とに基づき、前記バケットの爪先の推定移動軌跡を演算するとともに前記目標面と前記推定移動軌跡との位置関係を演算し、演算された位置関係により前記推定移動軌跡が前記目標面と交わると判定された場合は、要求動作方向を維持したまま、前記バケットの爪先速度を制限し、演算された位置関係により前記推定移動軌跡が前記目標面と交わらないと判定された場合は、前記操作装置により出力された操作信号に基づいた爪先速度により前記バケットの爪先速度を制御するものとする。

本発明によれば、目標面を逸脱する可能性が無い場合は、不必要な速度制限を行わず、かつ、目標面への逸脱が想定されるような状態に変化しても、適切に減速・停止制御を行うことができ、良好な操作性を確保できる。

作業機械の一例である油圧ショベルの全体構成を概略的に示す側面図である。 メインコントローラを関連構成とともに抜き出して示す図である。 メインコントローラの処理内容を示す機能ブロック図である。 目標面と推定爪先移動軌跡の関係を示す図である。 目標面と推定爪先移動軌跡の関係を示す図である。 メインコントローラの処理内容を示すフローチャートである。 メインコントローラの処理内容を示すフローチャートである。 目標面と推定爪先移動軌跡の関係を示す図である。 目標面と推定爪先移動軌跡の関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜対象装置＞
本実施の形態の対象は、作業機械１および施工目標面から構成される。施工目標面は、作業機械１の前後方向に加え、左右方向にも情報を有する、いわゆる３次元の情報を有する施工目標面である。施工目標面は、作業機械１に対して相対的に設定されても良いし、施工現場ないし地球を基準としたグローバル座標系で設定されても良い。

＜装置の構成＞
図１は、本実施の形態の作業機械の一例である油圧ショベルの全体構成を概略的に示す側面図である。

図１に示すように、作業機械１は、作業フロント２（作業装置）と、旋回体３（上部旋回体）と、走行体４とを備えている。なお、旋回体３（上部旋回体）と走行体４とは、作業機械本体を構成している。

作業フロント２は旋回体３に対して、旋回体３は走行体４に対して、それぞれ連結部分を中心に回動する構成となっている。作業フロント２は、一端が旋回体３に連結されたブーム２０と、一端がブーム２０に連結されたアーム２１と、一端がアーム２１に連結されたバケット２２と、両端をブーム２０と旋回体３にそれぞれ連結されたブームシリンダ２０Ａと、アーム２１とブーム２０にそれぞれ連結されたアームシリンダ２１Ａと、リンクＡ２２Ｂと、リンクＢ２２Ｃと、リンクＢ２２Ｃとアーム２１に連結されたバケットシリンダ２２Ａを備えている。これらの部材はそれぞれ連結部分を中心に、上下方向に回動するように構成されている。走行体４は、走行用モータ４１と、履帯４５を備えている。

ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａは、油圧によりそれぞれ伸縮する構造となっており、伸縮によりそれぞれブーム２０、アーム２１、バケット２２を回動させることができる。バケット２２は、グラップル、ブレーカ、リッパ、マグネット、ロータリチルト付きバケット等の図示しないアタッチメントに任意に交換可能である。

ブーム２０、アーム２１はそれぞれ、ブーム２０とアーム２１の姿勢を検出するためのＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）（ブーム）２０ＳおよびＩＭＵ（アーム）２１Ｓを備えている。リンクＡ２２Ｂには、バケット２２の姿勢を検出するためのＩＭＵ（バケット）２２Ｓを備えている。ＩＭＵ（ブーム）２０Ｓ、ＩＭＵ（アーム）２１Ｓ、およびＩＭＵ（バケット）２２Ｓは、それぞれ角速度センサと加速度センサから構成される。

ブームシリンダ２０Ａは、負荷を検出するための圧力センサ（ブームロッド）２０ＲＰと圧力センサ（ブームボトム）２０ＢＰを備えている。アームシリンダ２１Ａは、負荷を検出するための圧力センサ（アームロッド）２１ＲＰと圧力センサ（アームボトム）２１ＢＰを備えている。バケットシリンダ２２Ａは、負荷を検出するための圧力センサ（バケットロッド）２２ＲＰと圧力センサ（バケットボトム）２２ＢＰを備えている。

旋回体３は、旋回角度センサ２Ｓ、ＩＭＵ（旋回体）３０Ｓ、メインフレーム３１、運転室３２、メインコントローラ３４、駆動装置３５、原動装置３６、旋回負荷計測装置３７、位置計測装置２５０を備えている。

旋回角度センサ２Ｓは、走行体４と旋回体３の相対角度を検出することができるように取り付けられている。

ＩＭＵ（旋回体）３０Ｓは、加速度センサと角速度センサを備え、旋回体３の傾斜角度を検出することができるように取り付けられている。

運転室３２は、操作装置３３、設定入力・表示装置１００、施工面管理装置２０００を備えている。

操作装置３３は、操作レバーにより構成され、操作レバーが倒された量を検出する操作量検出装置が設けられている。操作量検出装置は、操作レバーに設けられた角度センサ等の操作量検出センサにより構成され、オペレータが操作レバーを倒す量を検出することで、オペレータが要求する各可動部の目標動作をそれぞれ電気信号に変換することができるように取り付けられている。

施工面管理装置２０００は、設定入力・表示装置１００と接続し、作業フロント２が掘削する目標となる施工目標面を管理および記憶できるように取り付けられている。

設定入力・表示装置１００は、表示モニタとタッチパネルから構成され、作業機械１の姿勢、施工目標面の情報、施工目標面と作業フロント２までの位置関係と距離などを表示したり、作業フロント２の各種寸法や質量を設定できるように取り付けられている。

図２は、メインコントローラを関連構成とともに抜き出して示す図である。

図２に示すように、駆動装置３５は、電磁制御弁と方向切替弁から構成され、メインコントローラ３４から指示された動作指令値に従って、電磁制御弁と方向切替弁を駆動させることで、駆動アクチュエータであるブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａを動作させるように取り付けられている。

動力源である原動装置３６は、エンジン３６ａと、このエンジン３６ａの出力軸に連結された油圧ポンプ３６ａとから構成されている。より詳しくは、エンジン３６ａの動力により油圧ポンプ３６ｂが駆動され、油圧ポンプ３６ｂにより吐出される圧油により作業機械１の運転に必要な動力を発生させるように取り付けられている。

旋回負荷計測装置３７は、圧力センサから成り、旋回体３の旋回方向への負荷を計測できるように取り付けられている。

走行体４は、履帯を備えており、オペレータは操作装置３３を操作することにより、作業機械１を走行させることができる。走行体４は、履帯を備えたものに限定されることなく、タイヤから成る走行輪を備えたものであってもよい。なお、本実施の形態では走行体４を備えて移動可能な作業機械を例示して説明したが、これに限られず、例えば、施工現場に固定されたものでも良い。

作業機械１の構成は一例であり、同様の装置や構成を有するものであってもよい。

図３は、メインコントローラの処理内容を示す機能ブロック図である。

図３に示すように、作業機械１に備えられたメインコントローラ３４には、操作装置３３、姿勢検出装置２００、負荷計測装置２１０、位置計測装置２５０、駆動装置３５、施工面管理装置２０００、設定入力・表示装置１００が接続されている。

施工面管理装置２０００は、設定入力・表示装置１００と接続されている。

駆動装置３５には、原動装置３６、アクチュエータ２ＡＣＴが接続されている。

＜装置の詳細構成および機能＞
＜操作装置３３＞
操作装置３３は、操作レバーにより構成され、操作レバーが倒された量を検出する操作量検出装置が設けられている。オペレータによる操作レバーの操作量（すなわち、傾倒量）は、操作量検出装置により検出されて電気信号に変換される。油圧ショベルでは一般にレバーが倒された量が大きくなると、アクチュエータの動作速度が速くなるように設定されており、オペレータはレバーを倒す量を変更することにより、各アクチュエータの動作速度を変更して作業機械を動作させる。なお操作装置３３は、同等の機能を有していれば、油圧パイロット方式や遠隔操作できる方式のものでもよい。

＜姿勢検出装置２００＞
姿勢検出装置２００は、ＩＭＵ（旋回体）３０Ｓ、ＩＭＵ（ブーム）２０Ｓ、ＩＭＵ（アーム）２１Ｓ、およびＩＭＵ（バケット）２２Ｓにそれぞれ角速度センサと加速度センサを備え、さらに旋回角度センサ２Ｓを備える。これらのＩＭＵ及び角度センサから作業機械１の姿勢情報を得ることができる。ブーム２０、アーム２１、バケット２２、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、リンクＡ２２Ｂ、リンクＢ２２Ｃ、および旋回体３は、それぞれ揺動できるように取り付けられているので、機械的なリンク関係から、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、および旋回体３の姿勢を推定することができる。なお、ここで示した姿勢の検出方法は一例であり、作業フロント２の各部の相対角度を直接計測するものや、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａのストロークを検出して作業機械１の各部の姿勢を算出してもよい。

＜位置計測装置２５０＞
位置計測装置２５０は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System：全球測位衛星システム）や、レーザ測位計、トータルステーションがある。作業機械１の位置を特定できるものであれば、上記以外の位置計測装置を備えていても良い。

＜駆動装置３５＞
駆動装置３５は電磁制御弁と方向切替弁によって構成され、メインコントローラ３４から指令された動作指令値に従って、作業機械の各部を駆動するシリンダおよび油圧モータに供給される圧油の量を制御する。メインコントローラ３４から出力された動作指令値は電磁制御弁によってパイロット圧に変換され、パイロット圧によってアクチュエータの動作量を制御する方向切替弁が駆動される。方向切替弁によって流量が調整された作動油は、作業機械の各部を駆動するシリンダおよび油圧モータに供給されて各可動部を駆動する。また、構成を追加または変更することで上記に含まれないアタッチメントや機器を追加で駆動できる。

＜原動装置３６＞
原動装置３６は、エンジンと油圧ポンプから構成され、作業機械１の運転に必要な油圧を動力として発生させる。上記の他に電気で駆動するモータにより、油圧原を取り出すものでも良い。

＜アクチュエータ２ＡＣＴ＞
アクチュエータ２ＡＣＴは、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回用油圧モータ、走行用油圧モータなどを含む、アクチュエータの総称である。

＜施工面管理装置２０００＞
施工面管理装置２０００は、設定入力・表示装置１００を用いて作業機械１に対する施工目標面の設定および管理ができる。施工目標面は単一な平面に加え、複数の平面を持つように設定でき、作業フロント２が掘削可能な範囲を設定できる。施工目標面は、作業機械１を基準として相対的に設定してもよいし、施工現場や地球を基準とする座標系で設定してもよい。

＜設定入力・表示装置１００＞
設定入力・表示装置１００は、作業機械１の姿勢や、施工面管理装置２０００で設定した施工目標面の領域情報や、作業フロント２と施工目標面までの距離などをオペレータに向けて表示できる。

＜メインコントローラ３４＞
図３に示すように、メインコントローラ３４は、操作装置３３、施工面管理装置２０００、設定入力・表示装置１００、姿勢検出装置２００、位置計測装置２５０、駆動装置３５に接続されており、姿勢演算部３１０、目標面距離演算部３２０、要求速度演算部３３０、推定爪先移動軌跡演算部３４０、目標面干渉判定部３５０、要求速度保持部３６０、記憶部３７０、速度制限係数演算部４００、目標速度演算部４１０、動作指令値演算部４３０により構成される。

姿勢演算部３１０は、姿勢検出装置２００からの情報を基に作業機械１の姿勢を演算する。

目標面距離演算部３２０は、作業機械１の姿勢および位置情報を用いて、施工目標面との距離（以下、目標面距離）を演算する。

要求速度演算部３３０は、作業機械１の姿勢およびオペレータの操作量を用いて、作業機械１に要求される動作速度を演算する。

推定爪先移動軌跡演算部３４０は、作業機械１の姿勢および要求速度を用いて、バケットの爪先の動作を推定することで、推定爪先移動軌跡（以下、移動軌跡）を演算する。

目標面干渉判定部３５０は、施工目標面情報および移動軌跡を用いて、バケットの爪先が施工目標面と干渉が推定されるか否かを判定する。

要求速度保持部３６０は、要求速度、目標面干渉判定結果および速度制限係数を用いて要求速度を保持し、保持要求速度を速度制限係数演算部に適用する。

記憶部３７０は、設定入力・表示装置１００により入力される各種設定や情報を記憶するメモリから成り、メインコントローラ３４の各機能部に送信する。

速度制限係数演算部４００は、作業機械１の姿勢情報、目標面距離、保持要求速度および目標面干渉判定結果に従って要求速度を補正する速度制限係数を演算する。

目標速度演算部４１０は、作業機械１の姿勢情報、目標面距離、要求速度および速度制限係数に従ってアクチュエータ２ＡＣＴの目標速度を演算する。

動作指令値演算部４３０は、目標速度演算部４１０が演算したアクチュエータ２ＡＣＴの目標速度に基づいて、駆動装置３５を制御するための動作指令値を生成する。

＜装置の動作および演算方法＞
＜マシンコントロールの動作＞
マシンコントロールでは、オペレータの操作を基に駆動される作業機械１の作業具が施工目標面に潜ることなく動作するように、コントローラが作業機械の動作を制御する。例えば、目標面に向かってフロントを操作し、バケットによる掘削を実施しようとした場合、バケット爪先位置が目標面を逸脱しないように、目標面に爪先を近づけようとアプローチする段階からフロント速度を減速する、目標面上に爪先がある場合はそれ以上目標面よりも下方へは動かないようにフロント動作を制限する。この制御は、オペレータが要求する動作を定量的に与えるオペレータの要求速度を演算し、速度制限係数の演算結果を基に目標速度を演算することにより実施される。

＜要求速度の演算方法：要求速度演算部３３０＞
オペレータの要求動作を演算する方法の一つとして、レバー操作量に基づいて要求速度ベクトルを演算する方法がある。作業機械１は全て機械的に接続しており、オペレータが操作するレバーに対して、アクチュエータの動作が１対１で対応しているため、レバー操作量は各アクチュエータの速度、つまり要求速度として取得できる。そこで、例えば、レバー操作量に対してバケット２２の爪先（以下、単に爪先と称する）がどの方向にどの程度移動するかをベクトルとして表現することが可能である。

図４及び図５は、目標面と推定爪先移動軌跡の関係を示す図である。

図４に示すような場合には、ベクトルは爪先より右斜め下方向に伸びる点線矢印を指す。さらに、上記のように定義される要求速度をＶと定義すると、要求速度Ｖは、爪先より右方向に伸びる点線矢印で定義される、施工目標面に対して平行な速度成分Ｖ＿ｘと、爪先より下方向に伸びる点線矢印で定義される、施工目標面に対して垂直な速度成分Ｖ＿ｚに分解される。以下、施工目標面に対して平行な成分をｘ成分、施工目標面に対して垂直な成分をｚ成分と定義する。

なお、以上の説明においては、オペレータの要求動作を演算する方法の一つとして、レバー操作量に基づいて要求動作ベクトルを演算する方法を示したが、オペレータの要求動作を演算ないし判定することができれば、上記以外の方法を用いても良い。また、作業機械の質量に基づいて、ある補正値αによってＶ＿ｘおよびＶ＿ｚを補正しても良い。補正値αの例としては、例えば、急なレバー操作が入った場合は、緊急時以外は無理なく加減速できるように、要求速度の時間変化量に最大値を設け、これを超えないようにするような値とすることにより、質量が大きいものは加減速しづらいというオペレータの直感に沿う操作（これは、物理的性質に沿った操作でもある）を行うことができる。

＜目標面距離の演算方法：目標面距離演算部３２０＞
図４に示すように、目標面距離は、爪先と施工目標面までの最短距離ｄにて定義および演算される。なお、作業機械１と施工目標面までの距離が近くなるほど値が小さくなるような変数を定義および演算できれば、上記以外の方法を用いても良い。

＜ｚ成分の速度制限係数の演算方法：速度制限係数演算部４００＞
ｚ成分の速度制限係数は、施工目標面に対して垂直な要求速度成分Ｖ＿ｚおよび目標面距離ｄにより演算され、ｂ＿ｚで定義される無次元量である。ここで、ｂ＿ｚが０に近い値をとるほど強い速度制限が作用し、ｂ＿ｚが１に近い値をとるほど弱い速度制限が作用し、ｂ＿ｚが１をとる場合速度制限が作用しないことを意味する。さらに、下記の（式１）、（式２）および（式３）に示すように、ｄ＝０においてはｂ＿ｚ＝０、ある目標面距離ｄ１においてはｂ＿ｚ＝１の各値を持ち、ｄが０を超えｄ１未満である場合は、ｄが大きくなるにつれてｂ＿ｚも０を超え１未満となる範囲でより大きな値を持ち（すなわち、ｂ＿ｚのｄに対する変化率ｂ＿ｚ‘が正の値を持つ）、ｄがｄ１以上となる場合は、ｂ＿ｚ＝１の一定値を持つことを特徴とする。なお、一般に、Ｖ＿ｚが大きくなるにつれてｄ１は大きな値をとるが、作業機械１の作業具が施工目標面に潜ることなく動作するのであれば、ｄ１はどのような値をとっても良い。上記の手法によって演算されるｂ＿ｚが、最終的に目標速度演算に伝達された場合、すなわち、速度制限係数を採用して適用する制御を「制限適用制御」と呼称する。

ｄ＝０；ｂ＿ｚ＝０ …（式１）
０＜ｄ＜ｄ１；０＜ｂ＿ｚ＜１ かつ ｂ＿ｚ‘＞０ …（式２）
ｄ＞＝ｄ１；ｂ＿ｚ＝１ …式（３）
なお制限適用制御により演算されるｂ＿ｚは、後述する目標面と移動軌跡との位置関係によっては棄却され、０以上１以下となるような別の値で定義される場合がある。

＜制限適用制御におけるｘ成分の速度制限係数の演算方法：速度制限係数演算部４００＞
ｘ成分の速度制限係数ｂ＿ｘは、上記の手法によって演算されたｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚにより、下記の（式４）のように演算される。

ｂ＿ｘ＝ｂ＿ｚ …（式４）
なお、制限適用制御により演算されるｂ＿ｚは、後述する目標面と移動軌跡との位置関係によっては棄却され、０以上１以下となるような別の値で定義される場合がある。

＜移動軌跡の演算方法：推定爪先移動軌跡演算部３４０＞
移動軌跡は、作業機械１の現在の姿勢および要求速度のｘ成分Ｖ＿ｘ、ｚ成分Ｖ＿ｚによって定義される。まず、図４および式（５）に示すように、Ｖ＿ｘおよびＶ＿ｚによって、要求速度のベクトル方向θが定義される。

θ＝Ｔａｎ＾（－１）（Ｖ＿ｘ／Ｖ＿ｚ） …（式５）
次に、要求速度が作業機械１のブームおよびアームによって与えられた速度であると仮定すると、θを実現するためのブームおよびアームの動作量比は一意に定まる。ここで、このあと動作量比を一定に保ったまま作業機械１が動作すると仮定した場合、図４に示すように、現在のバケットの爪先を通って下に凸となるような軌跡を描く。このような軌跡を「推定移動軌跡」と定義する。

なお、移動軌跡は作業機械１のブームおよびアームの可動域全体に亘って定義しても良いし、ある有効長βを別途定義し、その範囲内で定義しても良い。また上記の手法以外で、より精度よく移動軌跡を推定できるのであれば、その手法によって移動軌跡を定義しても良い。有効長βとしては、例えば、所定時間後まで予測したときの長さと、可動域端部まで予測したときの長さのうち、短い方を定義することが考えられる。また、予測時の周辺環境や演算コストを加味して有効長β決定することも考えられる。

＜施工目標面と移動軌跡との位置関係の演算方法：目標面干渉判定部３５０＞
移動軌跡は、図４に示すように、施工目標面との交点を有しない場合もあるし、図５に示すように、施工目標面との交点を有する場合もある。このような施工目標面と移動軌跡との位置関係は、例えば２次元平面モデルを仮定し、施工目標面をｚ＝０の直線であると定義すれば、移動軌跡全体のｚ座標の正負が常に一定であれば、施工目標面との交点を有しない関係にあり、正負が切り替わるのであれば、施工目標面との交点を有する関係であると判定できる。

なお判定が可能であれば、他の数値モデルを定義して演算しても良い。

＜制限解除制御の定義および演算方法＞
位置関係の演算によって、図４に示すように、施工目標面と移動軌跡が互いに交点を有しない関係であると判定された場合、制限適用制御によって演算されたｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚの値は棄却され、代わりにｂ＿ｚ＝１として適用する。同時に、ｘ成分の速度制限係数ｂ＿ｘの値もｂ＿ｘ＝１として適用する。

ここで、ｂ＿ｘ＝ｂ＿ｚ＝１となる状況は、以下に示す（状態１）および（状態２）によって生じると想定される。

状態１：施工目標面と移動軌跡との関係性によらず、ｄ＞＝ｄ１であるとき
状態２：施工目標面と移動軌跡が互いに交点を有しない関係にあり、かつ、ｄ＜ｄ１であるとき
（状態１）においては、「制限適用制御」状態にあるとし、（状態２）においては、「制限解除制御」状態であると定義する。「制限解除制御」は、目標面距離ｄの大きさのみによってバケットの爪先速度が制御されていたならば、要求速度よりも小さな目標速度が演算されていたところを、施工目標面と移動軌跡の位置関係に基づいて演算結果を棄却し、目標速度を要求速度と同一の値に設定することを特徴とする。

さらに、（状態３）を以下のように定義する。

状態３：施工目標面と移動軌跡が互いに交点を有する関係にあり、かつ、ｄ＜ｄ１であるとき
（状態１）から（状態３）に切り替わる状況では、制限適用制御を継続して実施すれば良いが、（状態２）から（状態３）に切り替わる状況では、図８に示すようにｂ＿ｘおよびｂ＿ｚの時間変化が著しく大きくなり、制御が間に合わずに制御目標面とバケットが干渉するリスクが懸念される。そこで、リスクを低減するための演算を、後述の手法によって実施する。

＜保持爪先速度ベクトルの定義：要求速度保持部３６０＞
制限解除制御状態において、（状態２）から（状態３）に切り替わる状況を想定し、後述の演算手法に対応するため、現在の要求速度を要求速度保持部に記録する。記録された要求速度に基づき、速度ベクトルとして構成したものを、保持爪先速度ベクトルＶ＿ｈｏｌｄと呼称する。

＜制限解除制御状態から移動軌跡が目標面と干渉する状態に切り替わった場合の演算方法＞
制限解除制御状態において、（状態２）から（状態３）に切り替わったとき、「制限解除逸脱」と定義する。「制限解除逸脱」状態においては、図９に示すように、現在の爪先速度ベクトルＶと、要求速度保持部に保持されている保持爪先速度ベクトルＶ＿ｈｏｌｄを合成したベクトルＶ＋Ｖ＿ｈｏｌｄによって定義される、合成ベクトル方向Φを演算する。さらに、ｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚを、例えば、上記の（式１）、（式２）、及び（式３）のいずれかによって決定し、ｘ成分の速度制限係数ｂ＿ｘを、Φおよびｘ成分の要求速度Ｖ＿ｘに基づき演算する。なおｂ＿ｚは、施工目標面とバケットが干渉しないのであれば別の手法によって決定しても良い。

＜目標速度の演算方法＞
目標速度Ｖ＿ｌｉｍのｘ成分Ｖ＿ｘｌｉｍは、ｘ成分の速度制限係数ｂ＿ｘ、および要求速度Ｖのｘ成分Ｖ＿ｘにより下記の（式６）のように演算され、目標速度Ｖ＿ｌｉｍのｚ成分Ｖ＿ｚｌｉｍは、ｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚ、および要求速度Ｖのｚ成分Ｖ＿ｚにより下記の（式７）のように演算される。

Ｖ＿ｘｌｉｍ＝ｂ＿ｘ×Ｖ＿ｘ …（式６）
Ｖ＿ｚｌｉｍ＝ｂ＿ｚ×Ｖ＿ｚ …（式７）
演算および動作例を図９に示す。例えば、移動軌跡が施工目標面と交点を有しない位置関係にあるとき、上記の（式４）が成り立ち、Ｖ＿ｘｌｉｍはＶ＿ｘと、Ｖ＿ｚｌｉｍはＶ＿ｚとそれぞれ等しくなる。また、（状態２）に該当するならば、目標面距離ｄの大きさのみによってバケットの爪先速度が制御されていたと仮定した場合の目標速度Ｖ＿ｘｌｉｍ‘およびＶ＿ｚｌｉｍ’も併せて潜在的に演算されているが、実際には棄却されている。

次に、要求速度Ｖが変化して（状態３）に切り替わった場合を考える。従来技術では、要求速度ベクトルと等しいベクトル方向に目標速度が与えられていたため、移動軌跡が制御により変化することはない。したがって、目標面距離ｄが小さい状態で（状態３）に切り替わった場合、制御が間に合わずに施工目標面とバケットが干渉するリスクがある。これに対して、本発明においては、現在の爪先速度ベクトルＶと、要求速度保持部に保持されている保持爪先速度ベクトルＶ＿ｈｏｌｄを合成したベクトルＶ＋Ｖ＿ｈｏｌｄにより定義されるベクトル方向Φと等しいベクトル方向に目標速度Ｖ＿ｘｌｉｍおよびＶ＿ｚｌｉｍが与えられることで、移動軌跡を変化させてリスクを低減している。

＜制御手順＞
図６及び図７は、メインコントローラの処理内容を示すフローチャートである。

図６及び図７に示すように、まず、メインコントローラ３４は、作業機械の姿勢を取得および演算し（ステップＳ１００）、施工目標面の情報を取得・演算し（ステップＳ１１０）、オペレータによる操作量を取得・演算し（ステップＳ１２０）、オペレータによる要求速度を演算し（ステップＳ１３０）、推定爪先移動軌跡を演算し（ステップＳ１４０）、施工目標面と推定爪先移動軌跡との位置関係を演算し（ステップＳ１５０）、ｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚを目標面距離ｄによって仮演算し（ステップＳ１６０）。

ここで、施工目標面と推定爪先移動軌跡との交点が有るか否かを判定する（ステップＳ１７０）。

ステップＳ１７０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、交点が存在すると判定された場合には、続いて、ステップＳ１６０において仮演算したｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚが１であるか否かを判定する（ステップＳ１８０）。

ステップＳ１８０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、速度制限係数ｂ＿ｚが１以外である場合には、続いて、図６及び図７に示す処理を前回実施した時の制御形態が制限適用制御であったか否かを判定する（ステップＳ２００）。なお、同開始時など演算の実施が直前になされていない場合には、制限適用制御であったとみなして判定を行う。

ステップＳ２００での判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１６０において仮演算したｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚを、目標演算部に受け渡す数値として適用し、さらに、ｘ成分の速度制限係数ｂ＿ｘをｂ＿ｚと同一の値に設定し（ステップＳ２２０）、続いて、マシンコントロール制御中（制限適用制御中）であると判断する（ステップＳ２３０）。

また、ステップＳ２００での判定結果がＮＯの場合、すなわち、前回演算時は制限適用制御ではなかった場合には、保持爪先速度ベクトルと現在の爪先速度ベクトルを合成し、そのベクトル方向Φを演算し（ステップＳ２４０）、ステップＳ１６０において仮演算したｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚを、目標演算部に受け渡す数値として適用し、さらに、ベクトル方向がΦとなるようにｘ成分の速度制限係数ｂ＿ｘを演算し（ステップＳ２５０）、制限解除逸脱処理中であると判断する（ステップＳ２６０）。

また、ステップＳ１７０での判定結果がＮＯの場合（すなわち、交点が存在しないと判定された場合）、又は、ステップＳ１８０での判定結果がＹＥＳの場合（すなわち、速度制限係数ｂ＿ｚが１である場合）には、ｘ，ｚ各成分の速度制限係数ｂ＿ｘ，ｂ＿ｚを１に設定し（ステップＳ１９０）、続いて、仮演算したｚ成分の速度制限係数ｂ＿ｚが１であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。

ステップＳ２１０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、速度制限係数ｂ＿ｚが１である場合には、マシンコントロール制御中（通常制御）であると判断する（ステップＳ２７０）。

また、ステップＳ２１０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、速度制限係数ｂ＿ｚが１以外である場合には、保持爪先速度ベクトルを、現在の爪先速度ベクトルに更新し（ステップＳ２８０）、制限解除制御中であると判断する（ステップＳ２９０）。

ステップＳ２３０，Ｓ２６０，Ｓ２７０，Ｓ２９０の何れかの処理が終了すると、続いて、ステップＳ１９０および、ステップＳ２２０またはステップＳ２５０で演算した速度制限係数に基づいて目標速度を演算する（ステップＳ３００）。

続いて、作業機械を動作させるための動作指令値を演算し（ステップＳ３１０）、動作指令値を駆動装置に伝達して（ステップＳ３２０）、処理を終了する。

＜本実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、目標面近傍においても目標面を逸脱する可能性が無い場合は、不必要な速度制限を行わずオペレータの意図する方向へバケットを移動でき、かつ、目標面への逸脱が想定されるような状態に切り替わった場合においても、適切に減速・停止制御状態に移行することができるため、良好な操作性を確保することができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。また、例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。また、上記の制御装置に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の制御装置に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

１…作業機械、２…作業フロント、２ＡＣＴ…アクチュエータ、２Ｓ…旋回角度センサ、３…旋回体、４…走行体、２０…ブーム、２０Ａ…ブームシリンダ、２０ＢＰ…圧力センサ（ブームボトム）、２０ＲＰ…圧力センサ（ブームロッド）、２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓ，３０Ｓ…ＩＭＵ（慣性計測装置）、２１…アーム、２１Ａ…アームシリンダ、２１ＢＰ…圧力センサ（アームボトム）、２１ＲＰ…圧力センサ（アームロッド）、２２…バケット、２２Ａ…バケットシリンダ、２２ＢＰ…圧力センサ（バケットボトム）、２２ＲＰ…圧力センサ（バケットロッド）、３１…メインフレーム、３２…運転室、３３…操作装置、３４…メインコントローラ、３５…駆動装置、３６…原動装置（３６ａ…エンジン、３６ｂ…油圧ポンプ）、３７…旋回負荷計測装置、４１…走行用モータ、４５…履帯、１００…設定入力・表示装置、２００…姿勢検出装置、２５０…位置計測装置、３１０…姿勢演算部、３２０…目標面距離演算部、３３０…要求速度演算部、３４０…推定爪先移動軌跡演算部、３５０…目標面干渉判定部、３６０…要求速度保持部、３７０…記憶部、４００…速度制限係数演算部、４１０…目標速度演算部、４３０…動作指令値演算部、２０００…施工面管理装置、Ａ２２Ｂ，Ｂ２２Ｃ…リンク

Claims (3)

1. 走行体と、
   前記走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、少なくとも上下方向に揺動自在なバケットを有する作業装置と、
   前記上部旋回体と前記作業装置とをそれぞれ駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを操作する操作装置と、
   前記操作装置の操作量を検出する操作量検出装置と、
   前記上部旋回体と前記作業装置の姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   前記バケットにより掘削する目標面を設定するための目標面設定装置と、
   前記操作量検出装置により検出された操作量に基づいて前記バケットに対する要求動作方向及び要求動作速度を演算し、前記要求動作方向に基づいて前記バケットが前記目標面を超えないように前記アクチュエータの動作指令値を演算する制御装置と、
   前記制御装置の動作指令値に基づいて前記アクチュエータを駆動させる駆動装置と、を有する作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記作業装置の姿勢と前記要求動作方向とに基づき、前記バケットの爪先の推定移動軌跡を演算するとともに前記目標面と前記推定移動軌跡との位置関係を演算し、
   演算された位置関係により前記推定移動軌跡が前記目標面と交わると判定された場合であって、前記要求動作速度の前記目標面に対する垂直な成分および前記バケットの爪先の前記目標面との距離とに基づく値が特定の値に満たない場合は、要求動作方向を維持したまま、前記バケットの爪先速度を制限する制御を実行、もしくは、前記要求動作方向と前記姿勢検出装置から取得した値により演算される実爪先速度ベクトルとの合成ベクトル方向に基づき爪先目標速度を演算する制御を実行し、
   演算された位置関係により前記推定移動軌跡が前記目標面と交わらないと判定された場合は、前記操作装置により出力された操作信号に基づいた爪先速度により前記バケットの爪先速度を制御することを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記作業装置の質量を基に演算される補正値を用いて、前記実爪先速度ベクトルを補正する、ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記推定移動軌跡の有効長を、前記バケットの爪先を起点として予め定められる所定の値に設定し、
   前記有効長の範囲で、前記目標面と前記推定移動軌跡との位置関係を演算する、ことを特徴とする作業機械。