JP2021152290A - ショベル及びショベルの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操作者の負担をより低減できるショベルを提供すること。【解決手段】本発明の実施形態に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、バケットを含むアタッチメントと、前記アタッチメントの動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、作業対象物の硬さ情報に基づいて、前記作業対象物に前記バケットが当接する前にバケット速度を低減するようにアタッチメントを制限制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、ショベル及びショベルの制御方法に関する。

従来、アタッチメントの姿勢の推移と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とアタッチメントに関する操作装置の操作内容とに基づいて掘削対象地面に対するバケットの爪先角度を制御するショベルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／０４７６９５号

上述のショベルでは、制御装置により掘削対象地面に対するバケットの爪先角度が制御されるため、ショベルの操作者の負担が軽減される。しかしながら、ショベルの操作者はアタッチメントの損傷を低減するため、バケットの爪先角度以外にも細かい操作を行っており、操作者の負担となっている。

そこで、操作者の負担をより低減できるショベルを提供することが望ましい。

本発明の実施形態に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、バケットを含むアタッチメントと、前記アタッチメントの動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、作業対象物の硬さ情報に基づいて、前記作業対象物に前記バケットが当接する前にバケット速度を低減するようにアタッチメントを制限制御する。

上述のショベルは、操作者の負担をより低減できる。

本発明の実施形態のショベルの側面図 ショベルの駆動制御系の構成例を示す図 ショベルに搭載される油圧システムの構成例を示す概略図 アタッチメント制限設定部が有するテーブルの一例を示す図 掘削動作におけるバケットの動きを説明するための側面図 掘削支援処理の一例を示すフローチャート レバー操作量、バケット爪先下げ速度及び応力の時間推移の一例を示す図

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

最初に、図１を参照して、本発明の実施形態のショベルＰＳの全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態のショベルＰＳの側面図である。

ショベルＰＳの下部走行体１には、旋回機構２を介して旋回可能に上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端には、アーム５が取り付けられている。アーム５の先端には、エンドアタッチメント（作業部位）としてバケット６が取り付けられている。エンドアタッチメントとしては、法面用バケット、浚渫用バケット、ブレーカ等が取り付けられてもよい。

ブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例として掘削アタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。

ブーム４にはブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５にはアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６にはバケット角度センサＳ３が取り付けられている。ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３を集合的に「姿勢センサ」と称する。また、ブーム４には歪みセンサＳ４が取り付けられている。

ブーム角度センサＳ１は、ブーム４の回動角度を検出する。ブーム角度センサＳ１は、例えば、水平面に対するブーム４の傾斜を検出することで上部旋回体３に対するブーム４の回動角度を検出する加速度センサである。

アーム角度センサＳ２は、アーム５の回動角度を検出する。アーム角度センサＳ２は、例えば、水平面に対するアーム５の傾斜を検出することでブーム４に対するアーム５の回動角度を検出する加速度センサである。

バケット角度センサＳ３は、バケット６の回動角度を検出する。バケット角度センサＳ３は、例えば、水平面に対するバケット６の傾斜を検出することでアーム５に対するバケット６の回動角度を検出する加速度センサである。

ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３は、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、連結ピン回りの回動角度を検出するロータリエンコーダ等であってもよく、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせで構成されていてもよい。

歪みセンサＳ４は、アタッチメントの歪みを検出する。本実施形態では、歪みセンサＳ４は、ブーム４の内部に取り付けられてブーム４の伸張又は圧縮による歪みを検出する１軸歪みゲージである。但し、歪みセンサＳ４は、３軸歪みゲージであってもよく、アタッチメントの内部の複数箇所に取り付けられる複数の１軸歪みゲージであってもよい。また、歪みセンサＳ４は、複数の３軸歪みゲージであってもよく、１又は複数の１軸歪みゲージと１又は複数の３軸歪みゲージの組み合わせであってもよい。また、歪みセンサＳ４は、アタッチメントの歪みを検出できる位置に取り付けられていればよく、例えば、ブーム４の外面に取り付けられていてもよく、アーム５やバケット６に取り付けられていてもよい。

上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０が設けられ、且つ、カバー３ａにより覆われたエンジン１１等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体３には、車体傾斜センサＳ５、旋回角度センサＳ６、空間認識装置７０等が搭載されている。キャビン１０内には、コントローラ３０、表示装置４０、音声出力装置４３、入力装置４５、記憶装置４７、及びゲートロックレバー４９が設けられている。キャビン１０の頂部には、ＧＰＳ装置（ＧＮＳＳ受信機）Ｐ１、及び送信装置Ｔ１が設けられている。

車体傾斜センサＳ５は、ショベルＰＳの車体の傾斜角度を検出する。本実施形態では、車体傾斜センサＳ５は、水平面に対する車体の傾斜角度を検出する加速度センサである。

旋回角度センサＳ６は、下部走行体１に対する上部旋回体３の旋回角度を検出する。本実施形態では、旋回角度センサＳ６は、例えば旋回機構２の旋回角度を検出するレゾルバである。

コントローラ３０は、ショベルＰＳの駆動制御を行う主制御部として機能する制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置で構成されている。コントローラ３０の各種機能は、ＣＰＵが内部メモリに格納されているプログラムを実行することで実現される。

表示装置４０は、コントローラ３０からの指令に応じて各種の作業情報を含む画像を表示する。表示装置４０は、例えば、コントローラ３０に接続される車載液晶ディスプレイである。

音声出力装置４３は、コントローラ３０からの音声出力指令に応じて各種音声情報を出力する。音声出力装置４３は、例えば、コントローラ３０に接続される車載スピーカである。音声出力装置４３は、ブザー等の警報器であってもよい。

入力装置４５は、ショベルＰＳの操作者がコントローラ３０に各種情報を入力するための装置である。入力装置４５は、例えば、表示装置４０の表面に設けられるメンブレンスイッチを含む。入力装置４５は、タッチパネル等であってもよい。

記憶装置４７は、各種情報を記憶する。記憶装置４７は、例えば、半導体メモリ等の不揮発性記憶媒体である。本実施形態では、記憶装置４７は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３、歪みセンサＳ４、車体傾斜センサＳ５等の検出値、コントローラ３０の出力値等を記憶する。

ゲートロックレバー４９は、キャビン１０のドアと運転席との間に設けられ、ショベルＰＳが誤って操作されるのを防止する機構である。操作者が運転席に乗り込んでゲートロックレバー４９を引き上げると、コントローラ３０によりゲートロック弁４９ａ（後述する図２参照）が開状態に制御され、操作者はキャビン１０から退出できなくなると共に各種操作装置が操作可能になる。操作者がゲートロックレバー４９を押し下げると、コントローラ３０によりゲートロック弁４９ａが閉状態に制御され、操作者はキャビン１０から退出可能になると共に、各種操作装置は操作不能になる。

ＧＰＳ装置Ｐ１は、ショベルＰＳの位置をＧＰＳ機能により検出し、位置データをコントローラ３０に供給する。

送信装置Ｔ１は、ショベルＰＳの外部に向けて情報を発信する。

空間認識装置７０は、ショベルＰＳの周囲の三次元空間に存在する物体を認識するように構成されている。また、空間認識装置７０は、空間認識装置７０又はショベルＰＳから認識された物体までの距離を算出するように構成されている。空間認識装置７０は、例えば、超音波センサ、ミリ波レーダ、単眼カメラ、ステレオカメラ、ＬＩＤＡＲ、距離画像センサ、又は赤外線センサ等である。本実施形態では、空間認識装置７０は、ＬＩＤＡＲであり、多数のレーザ光を多数の方向に発し、その反射光を受光することで、反射光から物体の距離及び方向を算出するように構成されている。空間認識装置７０としてのミリ波レーダ等が電磁波を物体に向けて発する場合についても同様である。具体的には、空間認識装置７０は、キャビン１０の上面前端に取り付けられた前方センサ７０Ｆ、上部旋回体３の上面後端に取り付けられた後方センサ７０Ｂ、上部旋回体３の上面左端に取り付けられた左方センサ７０Ｌ、及び、上部旋回体３の上面右端に取り付けられた右方センサ７０Ｒを含む。上部旋回体３の上方の空間に存在する物体を認識する上方センサがショベルＰＳに取り付けられていてもよい。

空間認識装置７０は、ショベルＰＳの周囲を撮像するように構成されていてもよい。この場合、空間認識装置７０は、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の撮像素子を有する単眼カメラであり、撮像した画像を表示装置４０に出力する。

空間認識装置７０は、ショベルＰＳの周囲に設定された所定領域内の所定物体を検知するように構成されていてもよい。すなわち、空間認識装置７０は、物体の種類、位置、及び形状等の少なくとも１つを識別できるように構成されていてもよい。例えば、空間認識装置７０は、人と人以外の物体とを区別できるように構成されていてもよい。更に、空間認識装置７０は、ショベルＰＳの周囲の地形の種類を特定できるように構成されていてもよい。地形の種類は、例えば、穴、傾斜面、又は河川等である。更に、空間認識装置７０は、障害物の種類を特定できるように構成されていてもよい。障害物の種類は、例えば、電線、電柱、人、動物、車両、作業機材、建設機械、建造物、又は柵等である。更に、空間認識装置７０は、車両としてのダンプトラックの種類又はサイズ等を特定できるように構成されていてもよい。更に、空間認識装置７０は、ヘルメット、安全ベスト、若しくは作業服等を認識することにより、或いは、ヘルメット、安全ベスト、若しくは作業服等にある所定のマーク等を認識することにより、人を検知するように構成されていてもよい。更に、空間認識装置７０は、路面の状態を認識するように構成されていてもよい。具体的には、空間認識装置７０は、例えば、路面上に存在する物体の種類を特定するように構成されていてもよい。路面上に存在する物体の種類は、例えば、煙草、缶、ペットボトル、又は石等である。

次に、図２を参照して、ショベルＰＳの駆動制御系の構成例について説明する。図２は、ショベルＰＳの駆動制御系の構成例を示す図である。図２中、機械的動力系、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気駆動・制御系をそれぞれ二重線、太実線、破線、及び細実線で示す。

エンジン１１は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に接続され、エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４により制御される。ＥＣＵ７４からは、エンジン１１の状態を示す各種のデータ（例えば、水温センサ１１ｃで検出される冷却水温（物理量）を示すデータ等）がコントローラ３０に常時送信される。コントローラ３０は内部の記憶部３０ａにこのデータを蓄積し、適宜、表示装置４０に送信できる。

メインポンプ１４は、高圧油圧ラインを介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するための油圧ポンプである。メインポンプ１４は、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。

可変容量式油圧ポンプであるメインポンプ１４のレギュレータ１４ａは、斜板角度を示すデータをコントローラ３０に送る。また、吐出圧力センサ１４ｂは、メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータをコントローラ３０に送る。これらのデータ（物理量を表すデータ）は記憶部３０ａに格納される。また、メインポンプ１４が吸入する作動油が貯蔵されたタンクとメインポンプ１４との間の管路に設けられている油温センサ１４ｃは、管路を流れる作動油の温度を表すデータをコントローラ３０に送る。

パイロットポンプ１５は、パイロットラインを介して各種油圧制御機器に作動油を供給するための油圧ポンプである。パイロットポンプ１５は、例えば、固定容量型油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、ショベルＰＳにおける油圧システムを制御する油圧制御装置である。コントロールバルブ１７は、例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ｌ、１Ｒ（後述する図３参照）、及び旋回用油圧モータ２Ａ（後述する図３参照）等に、メインポンプ１４が吐出する作動油を選択的に供給する。なお、以下では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ｌ、１Ｒ、及び旋回用油圧モータ２Ａを、「油圧アクチュエータ」という場合がある。

操作レバー２６は、キャビン１０内に設けられ、操作者によって油圧アクチュエータの操作に用いられる。操作レバー２６が操作されると、パイロットポンプ１５から油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに作動油が供給される。各パイロットポートには、対応する操作レバー２６の操作方向及び操作量に応じた圧力の作動油が供給される。

本実施形態では、操作レバー２６は、ブーム操作レバーである。操作者が操作レバー２６を操作すると、ブームシリンダ７（後述する図３参照）を油圧駆動させて、ブーム４を操作させることができる。なお、ショベルＰＳには、操作レバー２６の他に、アームシリンダ８を油圧駆動させてアーム５を操作できるアーム操作レバー、バケットシリンダ９を油圧駆動させてバケット６を操作できるバケット操作レバー、走行用油圧モータ１Ｌ、１Ｒ等を駆動させる操作レバー、旋回機構２の旋回用油圧モータ２Ａを油圧駆動させて上部旋回体３を旋回させる操作レバー、操作ペダル等が設けられてもよい。

圧力センサ１５ａ，１５ｂは、操作レバー２６が操作された際にコントロールバルブ１７に送られるパイロット圧を検出し、検出したパイロット圧を示すデータをコントローラ３０に送る。操作レバー２６には、スイッチボタン２７が設けられている。操作者は、操作レバー２６を操作しながらスイッチボタン２７を操作することで、コントローラ３０に指令信号を送ることができる。

また、操作レバー２６は、パイロット圧を出力する油圧パイロット式ではなく、操作内容に対応する電気信号（以下、「操作信号」）を出力する電気式であってもよい。この場合、操作レバー２６からの電気信号は、コントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、入力される電気信号に応じて、コントロールバルブ１７内の各制御弁１７１〜１７６を制御することにより、操作レバー２６に対する操作内容に応じた、各種油圧アクチュエータの動作を実現してよい。例えば、コントロールバルブ１７内の制御弁１７１〜１７６は、コントローラ３０からの指令により駆動される電磁ソレノイド式スプール弁であってよい。また、例えば、パイロットポンプ１５と各制御弁１７１〜１７６のパイロットポートとの間には、コントローラ３０からの電気信号に応じて動作する油圧制御弁（以下、「操作用制御弁」）が配置されてもよい。操作用制御弁は、例えば、比例弁であってよく、シャトル弁は、省略される。この場合、電気式の操作レバー２６を用いた手動操作が行われると、コントローラ３０は、その操作量（例えば、レバー操作量）に対応する電気信号によって、操作用油圧制御弁を制御しパイロット圧を増減させる。これにより、コントローラ３０は、操作レバー２６に対する操作内容に合わせて、各制御弁１７１〜１７６を動作させることができる。以下、操作用制御弁は、比例弁（減圧弁）である前提で説明を進める。

コントローラ３０は、各種のデータを取得する。コントローラ３０が取得したデータは、記憶部３０ａに格納される。

表示装置４０は、コントローラ３０から供給される作業情報等を含む画像を表示する。表示装置４０は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）等の通信ネットワーク、専用線等を介してコントローラ３０に接続されている。また、表示装置４０は、画像表示部４１に表示する画像を生成する変換処理部４０ａと、入力部としてのスイッチパネル４２とを有する。

変換処理部４０ａは、空間認識装置７０から得られる画像データ等のデータに基づいて画像表示部４１上に表示する撮影画像を含む画像を生成する。表示装置４０には、前方センサ７０Ｆ、後方センサ７０Ｂ、左方センサ７０Ｌ、及び右方センサ７０Ｒのそれぞれから画像データ等のデータが入力される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０から表示装置４０に入力される各種のデータのうち画像表示部４１に表示させるデータを画像信号に変換する。コントローラ３０から表示装置４０に入力されるデータは、例えば、エンジン冷却水の温度を示すデータ、作動油の温度を示すデータ、尿素水の残量を示すデータ、燃料の残量を示すデータ等を含む。変換処理部４０ａは、変換した画像信号を画像表示部４１に出力し、撮影画像や各種のデータに基づいて生成した画像を画像表示部４１に表示させる。なお、変換処理部４０ａは、表示装置４０ではなく、例えば、コントローラ３０に設けられてもよい。

スイッチパネル４２は、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。スイッチパネル４２は、ライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ、及びウィンドウォッシャスイッチ４２ｃを有する。

ライトスイッチ４２ａは、キャビン１０の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り替えるためのスイッチである。ワイパースイッチ４２ｂは、ワイパーの作動・停止を切り替えるためのスイッチである。ウィンドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウィンドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。

表示装置４０は、蓄電池８０から電力の供給を受けて動作する。蓄電池８０は、エンジン１１のオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池８０の電力は、コントローラ３０及び表示装置４０以外のショベルＰＳの電装品７２等にも供給される。また、エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池８０からの電力で駆動されてエンジン１１を始動させる。

ショベルＰＳのキャビン１０内には、エンジン回転数調整ダイヤル７５が設けられている。エンジン回転数調整ダイヤル７５は、エンジン回転数を調整するためのダイヤルであり、例えば、エンジン回転数を段階的に切り替えることができる。本実施形態では、エンジン回転数調整ダイヤル７５は、ＳＰモード、Ｈモード、Ａモード、及びアイドリング（ＩＤＬＥ）モードの４段階にエンジン回転数を切り替えることができるように設けられている。エンジン回転数調整ダイヤル７５は、エンジン回転数の設定状態を示すデータをコントローラ３０に送る。なお、図２には、エンジン回転数調整ダイヤル７５によりＨモードが選択された状態が示されている。

ＳＰモードは、作業量を優先したい場合に選択される回転数モードであり、最も高いエンジン回転数を利用する。Ｈモードは、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される回転数モードであり、２番目に高いエンジン回転数を利用する。Ａモードは、燃費を優先させながら低騒音でショベルＰＳを稼働させたい場合に選択される回転数モードであり、３番目に高いエンジン回転数を利用する。アイドリングモードは、エンジンをアイドリング状態にしたい場合に選択される回転数モードであり、最も低いエンジン回転数を利用する。エンジン１１は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定された回転数モードのエンジン回転数で一定回転数に制御される。

次に図３を参照し、ショベルＰＳに搭載される油圧システムの詳細について説明する。図３は、図１のショベルＰＳに搭載される油圧システムの構成例を示す概略図である。図３において、機械的動力系、高圧油圧ライン、パイロットライン、電気制御系をそれぞれ二重線、太実線、破線、点線で示す。

図３において、油圧システムは、エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒから、センターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒ、パラレル管路５２Ｌ、５２Ｒを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、図２のメインポンプ１４に対応する。

センターバイパス管路５０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された制御弁１７１Ｌ〜１７５Ｌを通る高圧油圧ラインである。センターバイパス管路５０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された制御弁１７１Ｒ〜１７５Ｒを通る高圧油圧ラインである。

制御弁１７１Ｌは、メインポンプ１４Ｌが吐出する作動油を左側走行用油圧モータ１Ｌへ供給し、且つ、左側走行用油圧モータ１Ｌが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

制御弁１７１Ｒは、走行直進弁としてのスプール弁である。制御弁１７１Ｒは、下部走行体１の直進性を高めるべくメインポンプ１４Ｌから左側走行用油圧モータ１Ｌ及び右側走行用油圧モータ１Ｒのそれぞれに作動油が供給されるように作動油の流れを切り換える。具体的には、左側走行用油圧モータ１Ｌ及び右側走行用油圧モータ１Ｒと他の何れかの油圧アクチュエータとが同時に操作された場合、メインポンプ１４Ｌは、左側走行用油圧モータ１Ｌ及び右側走行用油圧モータ１Ｒの双方に作動油を供給する。他の油圧アクチュエータが何れも操作されていない場合には、メインポンプ１４Ｌが左側走行用油圧モータ１Ｌに作動油を供給し、メインポンプ１４Ｒが右側走行用油圧モータ１Ｒに作動油を供給する。

制御弁１７２Ｌは、メインポンプ１４Ｌが吐出する作動油をオプションの油圧アクチュエータへ供給し、且つ、オプションの油圧アクチュエータが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。オプションの油圧アクチュエータは、例えば、グラップル開閉シリンダである。

制御弁１７２Ｒは、メインポンプ１４Ｒが吐出する作動油を右側走行用油圧モータ１Ｒへ供給し、且つ、右側走行用油圧モータ１Ｒが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

制御弁１７３Ｌは、メインポンプ１４Ｌが吐出する作動油を旋回用油圧モータ２Ａへ供給し、且つ、旋回用油圧モータ２Ａが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

旋回用油圧モータ２Ａは、上部旋回体３を旋回させることができる。旋回用油圧モータ２Ａのポート２１Ｌはリリーフ弁２２Ｌを介して作動油タンクに接続されている。旋回用油圧モータ２Ａのポート２１Ｒはリリーフ弁２２Ｒを介して作動油タンクに接続されている。リリーフ弁２２Ｌは、ポート２１Ｌ側の圧力が所定のリリーフ圧に達した場合に開き、ポート２１Ｌ側の作動油を作動油タンクに排出する。リリーフ弁２２Ｒは、ポート２１Ｒ側の圧力が所定のリリーフ圧に達した場合に開き、ポート２１Ｒ側の作動油を作動油タンクに排出する。

制御弁１７３Ｒは、メインポンプ１４Ｒが吐出する作動油をバケットシリンダ９へ供給し、且つ、バケットシリンダ９内の作動油を作動油タンクへ排出するためのスプール弁である。

制御弁１７４Ｌ、１７４Ｒは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油をブームシリンダ７へ供給し、且つ、ブームシリンダ７内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。本実施例では、制御弁１７４Ｌは、ブーム４の上げ操作が行われた場合にのみ作動し、ブーム４の下げ操作が行われた場合には作動しない。

制御弁１７５Ｌ、１７５Ｒは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油をアームシリンダ８へ供給し、且つ、アームシリンダ８内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

パラレル管路５２Ｌは、センターバイパス管路５０Ｌに並行する高圧油圧ラインである。パラレル管路５２Ｌは、制御弁１７１Ｌ〜１７４Ｌの何れかによってセンターバイパス管路５０Ｌを通る作動油の流れが制限或いは遮断された場合に、より下流の制御弁に作動油を供給できる。パラレル管路５２Ｒは、センターバイパス管路５０Ｒに並行する高圧油圧ラインである。パラレル管路５２Ｒは、制御弁１７２Ｒ〜１７４Ｒの何れかによってセンターバイパス管路５０Ｒを通る作動油の流れが制限或いは遮断された場合に、より下流の制御弁に作動油を供給できる。

レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出圧に応じてメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの斜板傾転角を調節することによって、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を制御する。レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、図２のレギュレータ１４ａに対応する。レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、例えば、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出圧が所定値以上となった場合にメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの斜板傾転角を調節して吐出量を減少させる。吐出圧と吐出量との積で表されるメインポンプ１４の吸収馬力がエンジン１１の出力馬力を超えないようにするためである。

吐出圧力センサ１４ｂＬ、１４ｂＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出圧を検出するためのセンサであり、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。吐出圧力センサ１４ｂＬ、１４ｂＲは、図２の吐出圧力センサ１４ｂに対応する。

操作レバー２６は、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を利用して、レバー操作量に応じたパイロット圧を制御弁１７４Ｌ、１７４Ｒのパイロットポートに作用させる。具体的には、操作レバー２６は、ブーム上げ方向に操作された場合には、制御弁１７４Ｌの右側パイロットポート及び制御弁１７４Ｒの左側パイロットポートにパイロット圧を作用させる。一方、操作レバー２６は、ブーム下げ方向に操作された場合には、制御弁１７４Ｒの右側パイロットポートにパイロット圧を作用させる。

減圧弁２５Ｌ，２５Ｒは、コントローラ３０からの指令電流に応じてパイロット圧を増減させる。減圧弁２５Ｌは、操作レバー２６がブーム上げ方向に操作されたときに生成したパイロット圧を減圧して制御弁１７４Ｌの右側パイロットポート及び制御弁１７４Ｒの左側パイロットポートに作用させる。減圧弁２５Ｒは、操作レバー２６がブーム下げ方向に操作されたときに生成したパイロット圧を減圧して制御弁１７４Ｒの右側パイロットポートに作用させる。

圧力センサ１５ａｂは、図２の圧力センサ１５ａ，１５ｂに対応する。圧力センサ１５ａｂは、操作レバー２６に対する操作者の操作内容を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作内容は、例えば、レバー操作方向、レバー操作量（レバー操作角度）等である。

ここで、図３の油圧システムで採用されるネガティブコントロール制御（以下、「ネガコン制御」とする。）について説明する。

センターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒは、最も下流にある制御弁１７５Ｌ、１７５Ｒのそれぞれと作動油タンクとの間にネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒを備える。メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出した作動油の流れは、ネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒで制限される。そして、ネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒは、レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲを制御するための制御圧（以下、「ネガコン圧」とする。）を発生させる。

ネガコン圧センサ１９Ｌ、１９Ｒは、ネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒの上流で発生させたネガコン圧を検出するセンサである。本実施例では、ネガコン圧センサ１９Ｌ、１９Ｒは、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。

コントローラ３０は、ネガコン圧に応じた指令をレギュレータ１４ａＬ、１４ａＲに対して出力する。レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、指令に応じてメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの斜板傾転角を調節することによって、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を制御する。具体的には、レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、ネガコン圧が大きいほどメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を減少させ、ネガコン圧が小さいほどメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を増大させる。

油圧アクチュエータが何れも操作されていない場合（以下、「待機モード」とする。）、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油は、センターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒを通ってネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒに至る。そして、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れは、ネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒの上流で発生するネガコン圧を増大させる。その結果、レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を許容最小吐出量まで減少させ、吐出した作動油がセンターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒを通過する際の圧力損失（ポンピングロス）を抑制する。

一方、何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する制御弁を介して、操作対象の油圧アクチュエータに流れ込む。そして、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れは、ネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒに至る量を減少或いは消失させ、ネガティブコントロール絞り１８Ｌ、１８Ｒの上流で発生するネガコン圧を低下させる。その結果、レギュレータ１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を増大させ、操作対象の油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、操作対象の油圧アクチュエータの駆動を確かなものとする。

上述のような構成により、図３の油圧システムは、待機モードにおいては、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒにおける無駄なエネルギ消費を抑制できる。なお、無駄なエネルギ消費は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油がセンターバイパス管路５０Ｌ、５０Ｒで発生させるポンピングロスを含む。

また、図３の油圧システムは、油圧アクチュエータを作動させる場合には、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒから必要十分な作動油を作動対象の油圧アクチュエータに確実に供給できるようにする。

次に、図２に戻り、コントローラ３０の機能構成について説明する。図２に示されるように、コントローラ３０は、制御レベル推定部３１と、ブーム下げ制限設定部３２と、動作制御部３３と、を有する。

制御レベル推定部３１は、例えば後述する掘削作業を行う際、土砂等の作業対象物によってバケット６に加わる衝撃の大きさを示す制御レベルを推定する。なお、制御レベルとは、衝撃の大きさを示す指標であり、以下の説明においては、衝撃が大きいほど制御レベルの値が高くなるものとして説明する。制御レベル推定部３１は、作業対象物の硬さに基づいて、制御レベルを推定する。

例えば、制御レベル推定部３１は、所定の姿勢でバケット６により作業対象物に所定の圧力を加えたときの作業対象物への沈み込み量に基づいて、作業対象物の硬さを推定することにより、その制御レベルを推定する。作業対象物への沈み込み量は、例えばショベルＰＳの姿勢センサの検出値、空間認識装置７０が認識した作業対象物に関する情報に基づいて求めることができる。具体的には、作業対象物への沈み込み量は、ショベルＰＳの姿勢センサの検出値により算出されるショベルＰＳの姿勢変化に基づいて求めることができる。また、作業対象物への沈み込み量は、空間認識装置７０が認識した空間認識装置７０又はショベルＰＳから作業対象物までの距離、空間認識装置７０が撮像した作業対象物の画像等に基づいて求めることができる。

また、例えば、制御レベル推定部３１は、過去の作業履歴に基づいて、作業対象物の硬さを推定することにより、その制御レベルを推定する。制御レベル推定部３１は、ＧＰＳ装置Ｐ１によるショベルＰＳの位置情報、各種センサＳ１〜Ｓ６等によるショベルＰＳの各部の動作履歴等から作業対象物の形成状態を推定する。ここで、作業対象物の形成状態としては、例えば、掘削した土砂等を盛ったままの盛り土、ショベルＰＳが乗って作業するために踏み固められた土台、掘削されていない地山（元からある地表形状）等がある。例えば、掘削時における各種シリンダ７〜９のシリンダ圧の圧力波形や歪ゲージの検出値等から土の状態を取得する。また、ショベルＰＳの軌跡、バケット６の軌跡等に基づいて、作業対象物が盛り土であるか、土台であるかを推定する。また、コントローラ３０の記憶部３０ａには、地形情報として施工図が入力されており、制御レベル推定部３１は地形情報から地山の情報を取得してもよい。そして、制御レベル推定部３１は、推定された作業対象物の形成状態（盛り土、土台、地山等）に基づいて、作業対象物の硬さを推定し、制御レベルを決定する。なお、制御レベル推定部３１が用いる作業履歴は、自身のショベルＰＳが作業した履歴のみならず、他のショベルＰＳが作業した履歴を送信装置Ｔ１を介して取得して、作業対象物の硬さの推定に用いてもよい。

また、例えば、制御レベル推定部３１は、空間認識装置７０が撮像した画像に基づいて、当接する土砂等の作業対象物の硬さを推定することにより、その制御レベルを推定する。硬さの推定には、各種シリンダ７〜９や歪ゲージ等の検出値を用いてもよい。また、硬さの推定には、伝搬速度、吸水率等の岩質情報や水脈等の地質情報等の土質情報を用いてもよい。制御レベル推定部３１は、作業対象物を撮像した画像を表示装置４０を介して取得し、作業対象物の形状、表面の状態等から作業対象物の形成状態（盛り土、土台、地山等）を推定する。なお、画像から作業対象物の形成状態を推定する手法としては、パターン学習等のＡＩ技術を用いてもよい。パターン学習には画像と負荷（各種シリンダの検出値等）とを組み合わせてもよい。そして、制御レベル推定部３１は、推定された作業対象物の形成状態（盛り土、土台、地山等）に基づいて、作業対象物の硬さを推定し、制御レベルを推定する。ここで、作業対象物の形成状態にはショベルＰＳの作業内容に基づいて判断できる。作業内容は、空間認識装置７０、ショベルＰＳの姿勢センサやブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９の圧力センサ等の検出値に基づいて求めることができる。なお、制御レベル推定部３１が用いる画像は、自身のショベルＰＳの空間認識装置７０が撮像した画像のみならず、他のショベルＰＳの空間認識装置７０が撮像した画像を、送信装置Ｔ１を介して取得して、硬さの推定に用いてもよい。

ところで、ショベル１００のアタッチメント（ブーム４、アーム５、バケット６）は、被掘削物をダンプトラックに積み込む際、被積載物の重量により疲労ダメージが蓄積する。ここで、アタッチメントの寿命は、アタッチメントに作用する応力の逆数の３乗に比例する。即ち、アタッチメントに作用する応力が１／２となると、アタッチメントの寿命は８倍となる。また、アタッチメントに作用する応力は、被積載物の重量に比例する。また、必ずしも３．０乗でなくともよく、３．５乗を寿命計算の指針として判断してもよい。

ブーム下げ制限設定部３２は、制御レベル推定部３１が推定した制御レベルに基づいて、ブーム４の制限値を設定する。図４は、ブーム下げ制限設定部３２が有するテーブルの一例である。ブーム下げ制限設定部３２は、図４に示すような、制限値のテーブルを有している。テーブルは、制御レベルに対して、ブーム下げ動作を行うときのバケット６の爪先の移動速度（バケット爪先下げ速度）の制限値が設定されている。具体的には、制御レベルが高いほど、換言すれば、作業対象物の硬さが硬いほど、制限値が小さくなるように設定されている。ブーム下げ制限設定部３２は、制御レベル推定部３１が推定した制御レベル及び制限値のテーブルに基づいて、バケット爪先下げ速度の制限値を設定する。

動作制御部３３は、ブーム下げ制限設定部３２が設定した制限値に基づいて、ブーム４の下げ動作時のバケット爪先下げ速度を制限する。具体的には、コントローラ３０は、図３に示す減圧弁２５Ｒを制御することにより、制御弁１７４Ｒのパイロット圧を制御して、ブームシリンダ７のロッド側油室に流れる作動油を制御することで、ブーム４の下げ速度（バケット爪先下げ速度）を制限する。

次に、図５を参照し、本実施形態のショベルＰＳが行う掘削動作の一例について説明する。図５は、掘削動作におけるバケット６の動きを説明するための側面図である。図５では、バケット６の爪先が作業対象物の一例である地面と接触したときのアーム５及びバケット６の位置を実線で示し、バケット６の爪先が地面と接触する直前のアーム５及びバケット６の位置を破線で示す。

図５に示されるように、掘削動作では、ブーム４、アーム５及びバケット６を操作することにより、ショベルＰＳの前下方の掘削対象である地面にバケット６の爪先を接触させる。そして、バケット６の爪先が地面に接触した後もバケット６の爪先を下方に移動させることにより、地面にバケット６を進入させて地面を掘削する。このとき、バケット６が地面に当接する度に掘削アタッチメントが衝撃荷重を受けることにより、掘削アタッチメントの寿命が低下する。特に、地面が硬い地盤であるほど掘削アタッチメントが受ける衝撃荷重が大きく、掘削アタッチメントの寿命の低下が顕著になる。また、地面が硬い地盤である場合、バケット６の爪先も損傷しやすい。

そのため、熟練のショベルＰＳの操作者は、このような掘削アタッチメントの損傷を低減するため、バケット６の爪先が地面に当接する際のバケット６の移動速度や爪先角度等を微調整しながら掘削動作を行っている。しかし、この微調整しながらの掘削動作はショベルＰＳの操作者の負担となっている。また、非熟練のショベルＰＳの操作者は、熟練のショベルＰＳの操作者が行っている微調整を行うことが困難である。

そこで、本実施形態では、コントローラ３０が、作業対象物の硬さ情報に基づいて、作業対象物にバケット６が当接する前にバケット速度を低減するようにアタッチメントを制限制御する。これにより、アタッチメントの損傷を抑制すると共に、ショベルＰＳの操作者の負担を低減できる。

また、コントローラ３０は、バケット６が作業対象物に当接した後、アタッチメントの制限制御を継続してもよく、解除してもよい。アタッチメントの制限制御を解除する場合、バケット６が作業対象物に当接した後、緩やかに解除することが好ましい。これにより、ショベルＰＳの操作者が感じる違和感を低減できる。

また、コントローラ３０は、アタッチメントの制限制御に加えて、作業対象物の硬さ情報に基づいて、作業対象物にバケット６が当接する際のバケット角度やショベルＰＳの姿勢を調整してもよい。

次に、図６を参照し、コントローラ３０が掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する処理（以下「掘削支援処理」という。）の一例について説明する。図６は、掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。

ステップＳＴ１において、動作制御部３３は、現在のバケット爪先下げ速度が閾値速度以上であるか否かを判定する。ここで、閾値速度は、例えばブーム下げ制限設定部３２で設定されたバケット爪先下げ速度の制限値であってよい。現在のバケット爪先下げ速度が閾値速度以上である場合、ステップＳＴ２へ進む。一方、現在のバケット爪先下げ速度が閾値速度未満である場合、ステップＳＴ４へ進む。

ステップＳＴ２において、動作制御部３３は、バケット６（例えば、バケット６の爪先）から作業対象物までの距離が閾値距離以下であるか否かを判定する。バケット６から作業対象物までの距離は、例えば空間認識装置７０により検出される。バケット６から作業対象物までの距離が閾値以下である場合、ステップＳＴ３へ進む。一方、バケット６から作業対象物までの距離が閾値未満である場合、ステップＳＴ４へ進む。

ステップＳＴ３において、動作制御部３３は、ブーム下げ制限設定部３２で設定された制限値に基づいて、バケット爪先下げ速度を制限制御する。そして、処理を終了する。

一方、ステップＳＴ４において、動作制御部３３は、バケット爪先下げ速度を制限しないと判定する。そして、処理を終了する。

本実施形態では、操作者がバケット操作する際に、コントローラ３０がバケット６と対象物との距離を算出し速度制限を行うことを説明したが、予め設定された目標軌道に基づいてバケット６を制御する半自動ショベルや自律ショベルにも適用できる。

次に、図７を参照し、掘削支援処理の動作例について説明する。図７では、掘削支援処理を行った場合（実施例）の波形を実線で示し、掘削支援処理を行わない場合（参考例）の波形を破線で示す。

まず、参考例の場合について説明する。時刻ｔ０において、図７（ａ）に示されるように、操作レバー２６が操作されると、図７（ｂ）に示されるように、バケット爪先下げ速度も上昇して所定の速度で一定となる。そして、時刻ｔ１において、バケット６が作業対象物に当接する。この際、図７（ｃ）に示されるように、参考例においては、大きな応力が発生する。このため、掘削アタッチメントは大きな衝撃荷重を受ける。そして、応力が生じながらバケット６が作業対象物を掘削する。

これに対し、実施例では、時刻ｔ０において、図７（ａ）に示されるように、操作レバー２６が操作されると、図７（ｂ）に示されるように、バケット爪先下げ速度も上昇して所定の速度で一定となる。そして、条件を満たすことにより（ステップＳＴ１：ＹＥＳかつステップＳＴ２：ＹＥＳ）、作業対象物に当接する前に、動作制御部３３はバケット爪先下げ速度を制限する。そして、時刻ｔ３において、バケット６が作業対象物に当接する。この際、図７（ｃ）に示されるように、当接する際の応力は参考例と比較して小さくなる。これにより、実施例の制御は、参考例と比較して、当接時の衝撃を低減し、掘削アタッチメントの損傷を低減できる。

以上に説明したように、本実施形態のショベルＰＳによれば、コントローラ３０が、作業対象物の硬さ情報に基づいて、作業対象物にバケット６が当接する前にバケット速度を低減するように掘削アタッチメントを制限制御する。これにより、バケット６が作業対象物に当接する際の衝撃を低減し、掘削アタッチメントの損傷を低減できる。また、ショベルＰＳの操作者の負担を低減できる。

また、コントローラ３０は、作業対象物によってバケット６に加わる衝撃の大きさを示す制御レベルに基づいて、掘削動作の制限値を設定する。これにより、制限過多となり、操作性が低下することを防止できる。

また、コントローラ３０は、所定の姿勢でバケット６により作業対象物に所定の圧力を加えたときの作業対象物への沈み込み量、空間認識装置７０が撮像した画像、ショベルＰＳの作業履歴に基づいて、制御レベルを推定する。これにより、ショベルＰＳの操作者の熟練度によらず、好適にショベルＰＳを制御できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変更及び置換を加えることができる。

上記の実施形態では、パイロット圧にて、制御弁１７４Ｌ、１７４Ｒを動作させる構成において、コントローラ３０が減圧弁２５Ｌ，２５Ｒを制御することにより、掘削アタッチメントの動作を制限するものとして説明したが、このような構成に限定されない。例えば、コントローラ３０が制御弁１７４Ｌ、１７４Ｒを電気的に操作する構成においても同様に適用できる。

ＰＳ ショベル
１ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
３１ 制御レベル推定部
３２ ブーム下げ制限設定部
３３ 動作制御部
７０ 空間認識装置

Claims (6)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、バケットを含むアタッチメントと、
   前記アタッチメントの動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、作業対象物の硬さ情報に基づいて、前記作業対象物に前記バケットが当接する前にバケット速度を低減するようにアタッチメントを制限制御する、
   ショベル。
2. 前記作業対象物の硬さ情報は、操作者により入力される、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記作業対象物の硬さ情報は、前記作業対象物に前記バケットを押し付けたときに取得される圧力に基づいて推定される、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記作業対象物の硬さ情報は、前記作業対象物を撮像した画像により推定される、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のショベル。
5. 前記作業対象物の硬さ情報は、過去の作業履歴に基づいて推定される、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のショベル。
6. 下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、バケットを含むアタッチメントと、を備えるショベルのアタッチメントの動作を制御する方法であって、
   作業対象物の硬さ情報に基づいて、前記作業対象物に前記バケットが当接する前にバケット速度を低減するようにアタッチメントを制限制御する、
   ショベルの制御方法。

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