JP3682352B2 - 建設機械のフロント制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多関節型のフロント装置を備えた建設機械、特にアーム，ブーム，バケット等のフロント部材からなるフロント装置を備えた油圧ショベル等の建設機械において、フロント装置の動き得る領域を制限した掘削を行う領域制限掘削制御等のフロント制御を行うフロント制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の代表例として、油圧ショベルがある。油圧ショベルにおいては、フロント装置を構成するブーム，アームなどのフロント部材の操作は、オペレータが、それぞれの手動操作レバーを操作することによって行われる。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所定の領域を掘削したり、所定の平面を掘削することは、非常に困難な作業である。
【０００３】
そこで、掘削作業を容易にするための種々の提案がなされている。
例えば、特開平４−１３６３２４号公報に記載されている方法では、侵入不可領域の手前に減速領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、バケットが減速領域に侵入すると、操作レバーの操作信号を小さくしてフロント装置を減速し、バケットが侵入不可領域の境界に達すると停止するようにしている。
【０００４】
また、国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に記載されている方法では、掘削可能領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、バケットが掘削可能領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方向の動きのみを減速し、バケットが掘削可能領域の境界に達すると、バケットは掘削可能領域の外には出ないが掘削可能領域の境界に沿っては動けるようにしている。
【０００５】
侵入不可領域若しくは掘削可能領域の設定の方法としては、数値入力設定方法と、ダイレクトティーチ方法とが知られている。
数値入力設定方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第１０図に示されるように、数値入力キーを用いて必要な数値を入力し、領域を設定する方法である。数値入力設定方法は、油圧ショベルのある地面上から何ｍの深さだけ掘削するという指定がある場合等のように、予め掘削可能領域を実際の数値で設定できる場合に便利な方法である。
【０００６】
一方、ダイレクトティーチ方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第５図や国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に示されるように、オペレータが、バケットの刃先を目標境界線上に持っていき、スイッチを押して領域を設定する方法である。ダイレクトティーチ方法は、掘削を行う範囲が特に図面等によって数字で規定されていないようなラフな掘削を行う作業現場において、おおざっぱに均し作業を行う場合等に便利な方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ダイレクトティーチによって領域を設定する場合、油圧ショベルが水平な地面上に位置し、その位置にとどまって作業するならば、一旦掘削領域を設定すれば再度掘削領域を設定しなくても少しずつ油圧ショベルを旋回させて一定の深さまでショベルまわりの掘削を行うことが可能である。しかし、多少なりとも油圧ショベルが傾いた状態で位置しているときは、掘削領域の設定は油圧ショベルの車体基準で行われているため、旋回していくうちに設定面が上下方向に変化し、一定の深さに掘削するためには、再度領域を設定する必要が生じる。また、走行することによって油圧ショベルの設置場所の高さが変わった場合も、同様にその度に掘削領域を再設定する必要が生じる。
【０００８】
掘削領域の再設定は、設定済みの掘削領域を解除するボタン操作と、新たな掘削領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作が必要であり、上記のように旋回の都度又は設置場所が変わる都度このようなボタン操作による再設定操作を行うことは極めて面倒である。
【０００９】
本発明の目的は、ボタン操作なしでダイレクトティーチを行えるようにし、所望の掘削領域を簡単に設定できる建設機械のフロント制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、第１の発明は、上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、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有する建設機械に備えられ、前記フロント装置の各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定演算された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、アームクラウドの動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定開始を指示するアームクラウド設定スイッチと、前記アームクラウド設定スイッチが選択された状態において、前記操作レバー手段によるブーム操作後のアームクラウド操作時におけるバケットの先端位置を掘削可能領域の境界として設定するアームクラウド設定モードの領域設定演算部とを備えたことを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記アームクラウド設定モードの領域設定演算部は、前記操作レバーによるアームクラウドの操作信号が、予め設定した基準操作信号を超えた場合には、その時のバケット先端の位置を、ダイレクトティーチにおけるアームクラウド操作時の掘削可能領域の境界として設定し、前記操作レバーによるアームクラウドの操作信号が、予め設定した基準操作信号よりも小さくなった場合には、アームクラウド動作が停止したものと判断して、掘削領域の境界を予め設定した初期値に変更することを特徴とする。
【００１１】
更に、第３の発明は、上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、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有する建設機械に備えられ、前記フロント装置の各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定演算された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、アームダンプの動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定開始を指示するアームダンプ設定スイッチと、前記アームダンプ設定スイッチが選択された状態において、前記操作レバー手段によるブーム操作後のアームダンプ操作時におけるバケットの先端位置を掘削可能領域の境界として設定するアームダンプ設定モードの領域設定演算部とを備えたことを特徴とする。
また、第４の発明は、第３の発明において、前記アームダンプ設定モードの領域設定演算部は、前記操作レバーによるアームダンプの操作信号が、予め設定した基準操作信号を超えた場合には、その時のバケット先端の位置を、アームダンプ可能領域の境界として設定し、前記操作レバーによるアームダンプの操作信号が、予め設定した基準操作信号よりも小さくなった場合には、アームダンプ動作が停止したものと判断して、掘削領域の境界を予め設定した初期値に変更することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を、図面を用いて説明する。
まず、本発明の第１の実施形態による油圧ショベルのフロント制御装置を図１〜図１２により説明する。
【００１４】
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からの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とを有している。
【００１５】
本実施形態では、操作レバー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・油圧操作方式の弁である。
【００１６】
また、操作レバー装置４ａ〜４ｄについては、ブーム，アーム，バケット，旋回に対応して別々の符号を付したが、実際には、ブーム用操作レバー装置４ａとバケット用操作レバー装置４ｃ、アーム用操作レバー装置４ｂと旋回用操作レバー装置４ｄは、それぞれ、１つの操作レバー装置を共用する構成とされ、この１つの操作レバーを二次元的に動かすことにより、それぞれの操作信号を出力するものである。
【００１７】
油圧ショベルは、図２に示すように、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から成る多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回対１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。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、図１に示したブームシリンダ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、図１に示した操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。また、上部旋回体１ｄには運転室１ｆが設けられ、操作レバー装置４ａ〜４ｆはこの運転室１ｆ内に配置される。
【００１８】
以上のような油圧ショベルに本実施形態によるフロント制御装置が設けられている。このフロント制御装置は、領域制限掘削制御の開始や、当該制御における掘削領域の設定を指示する設定器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、フロント装置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、ブーム操作レバー装置４ａに備えられた力検出センサ１０と、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4f、設定器７の信号、力検出センサ１０の検出信号を入力し、流量制御弁５ａ〜５ｆに駆動信号（電気信号）を出力する制御ユニット９とを備えている。
【００１９】
設定器７は、図３に示すように、領域制限掘削制御の開始を指示する制御開始スイッチ７ａと、ダイレクトティーチによる掘削領域の設定を指示するダイレクト設定スイッチ７ｂと、数値入力による掘削領域の設定を指示する数値設定スイッチ７ｃと、アームクラウド動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定を指示し、アームクラウド動作の停止により掘削領域の設定を解除するためのアームクラウド設定スイッチ７ｄと、表示画面７ｅとを備えている。
【００２０】
制御開始スイッチ７ａを押すと、通常モードから領域制限掘削制御モードへ切り換える制御開始信号が制御ユニット９に出力され、掘削領域の設定及び領域制限掘削制御を可能にする。また、スイッチ７ａの右上のランプが点灯し、掘削制限制御モードにあることをオペレータに知らせる。
【００２１】
ダイレクト設定スイッチ７ｂを押すと、ダイレクトティーチ設定信号が制御ユニット９に出力され、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位、例えば、バケット１ｃの先端位置で、掘削領域が設定される。また、スイッチ７ｂの右上のランプが点灯し、ダイレクトティーチによる設定モードにあることをオペレータに知らせる。
数値設定スイッチ７ｃを押すと、表示画面７ｅ上に数値が表示され、かつ、スイッチ７ｃの右上のランプが点灯する。また、表示画面７ｅに表示された数値が数値入力設定信号として制御ユニット９に出力され、数値により掘削領域が設定される。数値設定スイッチ７ｃはアップとダウンの２つのボタンからなり、２つのボタンのいずれを押すことにより設定される数値を増減する。
【００２２】
アームクラウド設定スイッチ７ｄを押すと、設定モード切換え信号が制御ユニット９に出力され、アームクラウド動作の開始により、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位，例えば、バケット１ｃの先端で、ダイレクトティーチによる掘削領域が設定される。また、スイッチ７ｄの右上のランプが点灯する。アームクラウド設定モードの詳細については、図６を用いて後述する。
【００２３】
制御ユニット９は、設定器７の制御開始スイッチ７ａが押されていないときは、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4fに応じた駆動信号（電気信号）を生成し、これを流量制御弁５ａ〜５ｆに出力し、設定器７の制御開始スイッチ７ａが押されると、設定器７のダイレクト設定スイッチ７ｂ，数値設定スイッチ７ｃ又はアームクラウド設定スイッチ７ｄからの設定信号により、バケット１ｃの先端が動き得る掘削領域を設定可能とすると共に、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに対し領域制限掘削制御のための補正を行い、その補正した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。
【００２４】
以下、図４〜図１２を用いて、制御ユニット９の操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに係わる部分の機能の詳細について説明する。
制御ユニット９は、図４に示すように、領域設定部９０と領域制限掘削制御部９２の各機能を有している。領域設定部９０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制限領域の設定演算を行うものであり、通常設定モードの領域設定演算部９０ａと、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂと、設定モード切換え部９０ｃの各機能から構成されている。領域制限掘削制御部９２は、領域設定部９０において設定演算された掘削領域内にバケット１ｃの先端の動きを制限するように、バケット１ｃの動きを制御するものである。領域制限掘削制御部９２は、制御切換部９２ａと、フロント姿勢演算部９２ｂと、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃと、バルブ指令演算部９２ｄとの各機能から構成されている。
【００２５】
最初に、領域設定部９０の通常設定モードの領域設定演算部９０ａの領域設定機能及び領域制限掘削制御部９２のフロント姿勢演算部９２ｂの姿勢演算機能について説明する。なお、本実施形態は、図５に示したＸ軸に平行に掘削制限領域を設定するものである。
領域設定部９０の通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、制御開始スイッチ７ａがＯＮして（押されて）制御開始信号が入力すると、掘削可能領域の境界Ｌの初期値として、バケットが届かないくらい深い位置の値を設定する。これにより、制御開始スイッチ７ａをＯＮした直後では、フロント装置１Ａはそれが動作し得る範囲で自由に動くことができ、その動作範囲内でダイレクトティーチ若しくは数値入力設定により掘削可能領域を自由に設定することができる。一例として、初期値はＹ＝−２０ｍとしておく。
【００２６】
一方、領域制限掘削制御部９２の中のフロント姿勢演算部９２ｂは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角に基づいてフロント装置１Ａのバケットの爪先（先端）の位置を計算する。
【００２７】
すなわち、制御ユニット９の記憶装置には、図５に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されており、フロント姿勢演算部９２ｂで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の各値を用いてバケット先端の位置を計算する。このとき先端の位置は、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（Ｘ，Ｙ）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直行座標系である。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とすれば、回動角α，β，γからＸＹ座標系の座標値（Ｘ，Ｙ）は、下記の式より求まる。
Ｘ＝Ｌ1ｓｉｎα＋Ｌ2ｓｉｎ（α+β）＋Ｌ3ｓｉｎ（α＋β＋γ）
Ｙ＝Ｌ1ｃｏｓα＋Ｌ2ｃｏｎ（α+β）＋Ｌ3ｃｏｓ（α＋β＋γ）
通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、ダイレクト設定スイッチ７ｂからの指示で、ダイレクトティーチにより、フロント姿勢演算部９２ｂの上記データを利用してバケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。即ち、図５において、オペレータの操作レバー装置の操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かした後、ダイレクト設定スイッチ７ｂを押す。通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、このダイレクト設定スイッチ７ｂから設定信号により、その時のフロント姿勢演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、
設定値＝Ｙ座標値Ｙ1
と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００２８】
また、設定器７のダイレクト設定スイッチ７ｂをもう１度押すと上記のダイレクトティーチによる設定が解除され、初期値にリセットされる。
【００２９】
一方、設定器７の数値設定スイッチ７ｃが押されると、通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、数値設定スイッチ７ｃによって設定された数値入力により、バケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。
【００３０】
次に、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂの領域設定機能について説明する。
【００３１】
アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂは、図３に示したアームクラウド設定スイッチ７ｄが押されてアームクラウド設定モードが選択されている場合に、図５に示すように、オペレータのブーム下げ操作でバケット１ｃの先端を点Ｐ1の位置に動かし、この状態でアーム用操作レバー装置４ｂを操作してアームクラウド動作をさせると、ダイレクトティーチにより、このアームクラウド動作をさせた時のバケット１ｃの先端の位置を掘削可能領域の境界として設定する。
【００３２】
アームクラウド操作をすると、アームクラウドの操作信号Ｓ4cが上昇し、予め設定された基準操作信号Ｓ4coとなる。アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂは、アームクラウドの操作信号Ｓ4cがＳ4coを越えたなら、そのときのバケット１ｃの先端位置Ｐ１を計算し、Ｐ１のｚ座標値を掘削制限領域とする。
【００３３】
先端位置Ｐ１の計算方法は、図５を用いて説明したとおりであり、フロント姿勢演算部９２ｂが、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角からフロント装置１Ａの位置と姿勢を演算した結果を用いて、アームクラウド操作が行われた時のバケット１ｃの先端Ｐ１のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、
設定値＝Ｙ座標値Ｙ1
と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００３４】
ここで、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂの演算処理機能について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
ステップ０１０において、予め設定しておいた内部のカウンタを「０」に初期設定する。
【００３６】
次にステップ０２０において、アームクラウドの操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより大きいか否かを判断する。ここで、基準操作信号Ｓ4coは、アームクラウド操作信号Ｓ4cを徐々に上げていき、アーム１ｂがアームクラウド動作を始める直前の操作信号を設定する。操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより大きい場合は、アームクラウド動作が行われたものと判断して、ステップ０３０において、カウンタを１つインクリメントする。操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより小さくなった場合は、アームクラウド動作が停止したものと判断して、ステップ０８０において、掘削領域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとする。
【００３７】
ステップ０４０において、カウンタが「１」か否かを判断する。アームクラウド動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ０５０において、前述したようにバケット１ｃの先端のＹ座標より掘削領域の設定を行う。即ち、アームクラウド動作を開始して、カウンタが「１」となった時に、その時のバケット１ｃの先端の位置Ｐ１を用いて、掘削領域を設定する。
【００３８】
アームクラウド動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ０６０において、カウンタが「２」以上か判断する。アームクラウド動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ０２０に戻る。アームクラウド動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ０７０において、カウンタに「２」をセットする。
【００３９】
ここで、アームクラウド動作が継続している場合について説明する。カウンタは「１」となっており、アームクラウド動作が継続している場合には、ステップ０３０に進み、カウンタを１つインクリメントして、「２」となり、ステップ０４０の判断処理により、ステップ０６０に進む。ステップ０６０において、カウンタは「２」であるため、ステップ０７０において、領域設定演算部９０ｂは、カウンタに「２」をセットして、ステップ０１０に戻る。
【００４０】
さらに、アームクラウド動作が継続している場合には、ステップ０２０からステップ０３０に進み、カウンタがインクリメントされて、「３」になる。そして、ステップ０４０からステップ０６０を経て、ステップ０７０において、カウンタが「２」にセットされる。即ち、カウンタは、アームクラウド動作の開始時は「１」であり、アームクラウド動作が継続している間は「２」に保持されている。
【００４１】
そして、アームクラウド動作が停止すると、ステップ０２０において、アームクラウドの操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより小さくなり、アームクラウド動作が停止したものと判断して、ステップ０８０に進む。
【００４２】
ステップ０８０において、掘削領域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとし、初期値に戻した上で、ステップ０１０に戻る。ステップ０８０の処理によって、アームクラウド設定モードで設定された設定値が解除される。
【００４３】
さらに、ステップ０１０において、カウンタを「０」に初期設定するため、次にアームクラウド動作に備えることになる。
【００４４】
以上のようにして、ブーム下げ操作によりバケットを下げ、その後、アームクラウド動作を行うことにより、その時のバケット先端座標を用いてダイレクトティーチにより掘削領域を設定し、以後その設定値で領域制限掘削が行われる。そして、アームクラウド動作が止まれば、カウンタが「０」にリセットされるので、再びアームクラウド動作を行うことにより、掘削領域が再設定される。
【００４５】
設定モード切換え部９０ｃは、アームクラウド設定スイッチ７ｄの状態に応じて、通常モードの領域設定演算部９０ａとアームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂを切り換えることにより、設定モードを切り換える。
【００４６】
次に、領域制限掘削制御部９２の全体の制御機能について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。図中、ステップ１００，１１０は、制御切換部９２ａの機能であり、ステップ１１５，１２０は、フロント姿勢演算部９２ｂの機能であり、ステップ１２５〜１５０は、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃの機能であり、ステップ１５５は、バルブ指令演算部９２ｄの機能である。
【００４７】
ステップ１００において、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを入力する。
【００４８】
次いで、ステップ１１０において、制御開始スイッチ７ａがＯＮか否かに応じて制御方法を切り換える。制御開始スイッチ７ａがＯＦＦの場合には、ステップ１５５において、図４に示した操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。これにより、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作量に応じた通常の掘削作業が行こなわれる。
【００４９】
制御開始スイッチ７ａがＯＮの場合には、ステップ１１０〜１５０に進み、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを補正する。
【００５０】
以下、ステップ１１５〜１５０の処理内容について説明する。
ステップ１１５において、フロント姿勢演算部９２ｂに、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角を入力する。
【００５１】
ステップ１２０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装置１Ａの各部寸法とに基づき、フロント装置１Ａの所定部位の位置、例えばバケット１ｃの先端位置を計算する。このときの計算は、上述した掘削領域の設定時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。
【００５２】
次に、ステップ１２５において、フロント装置１Ａ用の操作レバー装置，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bが指令するバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶｃを計算する。ここで、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bと流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量との関係及びフロント装置１Ａの各部寸法を制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておき、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bから対応する流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量を求め、この供給流量の値から油圧シリンダ３ａ，３ｂの目標駆動速度を求め、この目標駆動速度とフロント装置１Ａの各部寸法を用いてバケット先端の目標速度ベクトルＶｃを演算する。そして、目標速度ベクトル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、目標速度ベクトルＶｃのＸ座標成分Ｖｃｘは、目標速度ベクトル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は目標速度ベクトル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。
【００５３】
次に、ステップ１３０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図８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にあるか否かを判定し、減速領域にある場合には、ステップ１３５に進みフロント装置１Ａの減速を行うよう目標速度ベクトルＶｃを補正し、減速領域にない時には、ステップ１４０に進む。
【００５４】
ここで、ステップ１３０における減速領域にあるか否かの判定及びステップ１３５における減速領域での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図９及び図１０を用いて説明する。
【００５５】
制御ユニット９の記憶装置には、図８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と減速ベクトル計数ｈとの関係が記憶されている。この距離Ｄ１と計数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計数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。ここで、設定領域の境界から距離Ｙa1の範囲が減速領域に相当する。
【００５６】
ステップ１３０では、ステップ１２０で得たバケット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。
【００５７】
また、ステップ１３５では、ステップ１２５で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトル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を減じるように目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的には、記憶装置に記憶した図９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を目標速度ベクトルＶｃのＹａ座標の成分（垂直方向のベクトル成分）Ｖｃｙに乗じ、更に−１を乗じて減速ベクトルＶR（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶRを加算する。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を目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、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、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００５８】
ここで、図１０を用いて、バケット１ｃの先端が上記のような補正後の目標速度ベクトルＶｃａの通りに減速制御されたときの軌跡の一例を説明する。目標速度ベクトル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。補正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図１０に示す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目標速度ベクトルＶｃａは平行成分Ｖｃｘに一致する。
【００５９】
このようにステップ１３５における減速制御では、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接近する方向の動きが減速されることにより、結果としてバケット１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿った方向に変換され、この意味でステップ１３５の減速制御は方向変換制御ということもできる。
【００６０】
次に、ステップ１４０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図８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、ステップ１４５に進み、バケット１ｃの先端が設定領域に戻るように目標速度ベクトルＶｃを補正し、設定領域外にないときには、ステップ１５５に進む。
【００６１】
ここで、ステップ１４０における設定領域外にあるか否かの判定及びステップ１４５における設定領域外での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図１１及び図１２を用いて説明する。
【００６２】
制御ユニット９の記憶装置には、図１１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Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係が記憶されている。この距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係は、距離Ｄ２の絶対値が減少するにしたがって復元ベクトルＡＲが増大するように設定されている。
【００６３】
ステップ１４０においては、ステップ１２０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ２を計算し、この距離が負の値になったら設定領域外に侵入したと判断する。
【００６４】
また、ステップ１４５では、ステップ１２５で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトル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が設定領域の境界に接近する方向の垂直成分に変わるよう目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的には、垂直方向のベクトル成分ＶｃｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙを加算して、平行成分Ｖｃｘを抽出する。この補正によってバケット１ｃの先端は設定領域外を更に進もうとする動作が阻止される。
【００６５】
そして、次に、記憶装置に記憶した図１１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復元ベクトルＡＲを計算し、この復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃ垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに更に加算する。ここで、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って小さくなる逆方向の速度ベクトルである。このため、復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、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、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００６６】
ここで、図１２を用いて、バケット１ｃの先端が上記のような補正後の目標速度ベクトルＶｃａの通りに復元制御されたときの軌跡の一例について説明する。目標速度ベクトル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。補正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図１２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。
【００６７】
このように、ステップ１４５における復元制御では、バケット１ｃの先端が設定領域に戻るように制御されるため、設定領域外に復元領域が得られることになる。また、この復元制御でも、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接近する方向の動きが減速されることにより、結果としてバケット１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿った方向に変換され、この意味でこの復元制御も方向変換制御ということができる。
【００６８】
次に、ステップ１５０において、ステップ１３５または１４５で得た補正後の目標速度ベクトルＶｃａに対応する流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算する。これは、ステップ１２５における目標速度ベクトルＶｃの計算の逆演算である。
【００６９】
そして、ステップ１５５において、ステップ１５０で計算した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂを出力し、はじめに戻る。
【００７０】
領域制限掘削制御を終了させる場合は、設定器７の制御開始スイッチ７ａをもう一度押して、ＯＦＦにする。
【００７１】
以上のようにして、本実施形態によれば、ブーム下げ操作によりバケットを下げ、その後、アームクラウド動作を行うことにより、その時のバケットの先端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を容易に設定することができる。また、アームクラウド動作の停止により、設定された掘削領域の設定を解除することができ、次に、アームクラウド動作が起こると、そのときのバケットの先端の座標から掘削領域を容易に再設定することができる。従って、従来のように、掘削領域の再設定のために、設定済みの領域を解除するボタン操作と、新たな領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作を行う必要がなくなり、所望の掘削領域を簡単に設定できる。
【００７２】
また、掘削制限領域を設定する手段としてアームクラウド動作に連動してダイレクトティーチ設定を行うように構成したため、目的の設定領域を迅速に設定することができる。
【００７３】
さらに、バケット１ｃの先端が設定領域の境界から離れているときは、目標速度ベクトルＶｃは補正されず、通常作業と同じように作業できるとともに、バケット１ｃの先端が設定領域内でその境界近傍に近づくと、目標速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分（境界に対して垂直方向のベクトル成分）を減じるように補正されるので、設定領域の境界に対して垂直方向の動きが減速制御され、設定領域の境界に沿った方向の速度成分は減じられ、このため図１０に示すように設定領域の境界に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。このため、バケット１ｃの先端の動き得る領域を制限した掘削を効率良く行うことができる。
【００７４】
次に、本発明の第２の実施形態について、図１３及び図１４を用いて説明する。
上述した実施形態においては、アームクラウド動作を検出してダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行っているのに対して、本実施形態においては、アームダンプ動作を検出してダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行うことも可能にしている。即ち、均し掘削を行う場合には、アームクラウドにより均し掘削を行う場合の他に、アームダンプにより均し掘削を行う場合もあるので、かかる場合にも、同様にして、ダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行うようにしている。
【００７５】
最初に、設定器７’について、図１３を用いて説明する。設定器７’は、操作パネル上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット９に出力し、掘削制限領域の設定を指示するものである。操作パネル形式の設定器７’は、制御開始スイッチ７ａと、ダイレクト設定スイッチ７ｂと、数値設定スイッチ７ｃとアームクラウド設定スイッチ７ｄと、表示画面７ｅを備えている。これらのスイッチ７ａ〜７ｄ及び表示画面７ｅの機能は、図３において説明したものと同様である。
【００７６】
さらに、本実施形態においては、アームダンプ動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定を行い、アームダンプ動作の停止により掘削領域の設定の解除を行うためのアームダンプ設定スイッチ７ｆを備えている。
【００７７】
アームダンプ設定スイッチ７ｆを押すと、設定モード切換え信号が制御ユニット９に出力され、アームダンプ動作の開始により、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位，例えば、バケット１ｃの先端で、ダイレクトティーチによる掘削領域が設定される。また、スイッチ７ｆの右上のランプが点灯する。アームダンプ設定モードの詳細については、図１４を用いて後述する。
【００７８】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、図４に示した各機能構成に加えて、さらに、アームダンプ設定モードの領域設定演算部を備えている。そして、図４に示した設定モード切換部９０ｃには、図１３に示したアームダンプ設定スイッチ７ｆからの設定モード切換え信号も入力し、通常設定モードの領域設定演算部９０ａと、アームクラウドモードの領域設定演算部９０ｂと、アームダンプ設定モードの領域設定演算部とを切換使用するようになっている。
【００７９】
ここで、アームダンプ設定モードの領域設定演算部の演算処理機能について、図１４のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図６に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ２２０である。
【００８０】
ステップ２１０において、予め設定しておいた内部のカウンタを「０」に初期設定する。
【００８１】
次にステップ２２０において、アームダンプの操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより大きいか否かを判断する。ここで、基準操作信号Ｓ4doは、アームダンプ操作信号Ｓ4dを徐々に上げていき、アーム１ｂがアームダンプ動作を始める直前の操作信号を設定する。操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより大きい場合は、アームダンプ動作が行われたものと判断して、ステップ２３０に進み、操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより小さくなった場合は、アームダンプ動作が停止したものと判断して、ステップ２８０に進む。
【００８２】
ステップ２３０において、カウンタを１つインクリメントする。
【００８３】
ステップ２４０において、カウンタが「１」か否かを判断する。アームダンプ動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ２５０において、前述したようにバケット１ｃの先端のＹ座標より掘削領域の設定を行う。即ち、アームダンプ動作を開始して、カウンタが「１」となった時に、その時のバケット１ｃの先端の位置Ｐ１を用いて、掘削領域を設定する。
【００８４】
アームダンプ動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ２６０において、カウンタが「２」以上か判断する。アームダンプ動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ２２０に戻り、アームダンプ動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ２７０に進む。
【００８５】
そして、アームダンプ動作が停止すると、ステップ２２０において、アームダンプ設定モードの領域設定演算部は、アームダンプの操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより小さくなり、アームダンプ動作が停止したものと判断する。
【００８６】
そして、ステップ２８０において、掘削領域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとし、初期値に戻した上で、ステップ２１０に戻る。ステップ２８０の処理によって、アームダンプ設定モードで設定された設定値が解除される。
【００８７】
さらに、ステップ２１０において、カウンタを「０」に初期設定するため、次にアームダンプ動作に備えることになる。
【００８８】
以上のようにして、アームダンプ動作を行うことにより、その時のバケットの先端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を設定し、以後その設定値で領域制限掘削が行われる。そして、アームダンプ動作が止まれば、カウンタが「０」にリセットされるので、再びアームダンプ動作を行うことにより、掘削領域が再設定される。
【００８９】
設定モード切換え部９０ｃは、アームダンプ設定スイッチ７ｆの状態に応じて、通常モードの領域設定演算部９０ａと、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂと、アームダンプ設定モードの領域設定演算部を切り換えることにより、設定モードを切り換えることができる。
【００９０】
以上説明したように、本実施形態においても、アームクラウド動作若しくはアームダンプ動作によって、簡単に掘削領域の設定を行うことができるものである。
【００９１】
また、掘削制限領域を設定する手段としてアームクラウド動作若しくはアームダンプ動作に連動してダイレクトティーチを行うように構成したため、目的の掘削の領域を迅速に設定することができる。
【００９２】
なお、本発明にかかるフロント制御装置は、上述の各実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、本実施形態では操作レバーは電気レバーとしたが、油圧パイロットレバーでもよい。また、フロント装置１Ａ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計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、建設機械のフロント制御装置におけるダイレクトティーチによる掘削領域の設定をボタン操作なしで行え、所望の掘削領域を簡単に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態による建設機械のフロント制御装置をその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の形状を示す図である。
【図３】本実施形態における掘削制限領域の設定を指示する操作パネル形式の設定器を示す図である。
【図４】制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図５】本実施形態の領域制限掘削制御で用いる座標系と掘削領域の設定方法を示す図である。
【図６】アームクラウド操作によって掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【図７】制御ユニットにおける制御手順を示すフローチャートである。
【図８】バケット先端が設定領域内にある場合と、設定領域の境界上にある場合と、設定領域外にある場合のブームによるバケット先端速度の補正動作の違いを示す図である。
【図９】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１０】バケット先端が設定領域内にあるときの補正動作軌跡の一例を示す図である。
【図１１】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１２】バケットの先端が設定領域外にあるときの補正動作軌跡の一例を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態における掘削制限領域の設定を指示する操作パネル形式の設定器を示す図である。
【図１４】アームダンプ操作によって掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
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
７ａ 制御開始スイッチ
７ｂ ダイレクト設定スイッチ
７ｃ 数値設定スイッチ
７ｄ アームクラウド設定スイッチ
７ｅ 表示画面
７ｆ アームダンプ設定スイッチ
８ａ，８ｂ，８ｃ 角度検出器
９ 制御ユニット
９０ 領域設定部
９０ａ 通常モードの領域設定演算部
９０ｂ アームクラウド設定モードの領域設定演算部
９０ｃ 設定モード切換え部
９２ 領域制限掘削制御部
９２ａ 制御切換部
９２ｂ フロント姿勢演算部
９２ｃ 減速・復元制御用補正操作信号演算部
９２ｄ バルブ指令演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、多関節型のフロント装置を備えた建設機械、特にアーム，ブーム，バケット等のフロント部材からなるフロント装置を備えた油圧ショベル等の建設機械において、フロント装置の動き得る領域を制限した掘削を行う領域制限掘削制御等のフロント制御を行うフロント制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の代表例として、油圧ショベルがある。油圧ショベルにおいては、フロント装置を構成するブーム，アームなどのフロント部材の操作は、オペレータが、それぞれの手動操作レバーを操作することによって行われる。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所定の領域を掘削したり、所定の平面を掘削することは、非常に困難な作業である。
【０００３】
そこで、掘削作業を容易にするための種々の提案がなされている。
例えば、特開平４−１３６３２４号公報に記載されている方法では、侵入不可領域の手前に減速領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、バケットが減速領域に侵入すると、操作レバーの操作信号を小さくしてフロント装置を減速し、バケットが侵入不可領域の境界に達すると停止するようにしている。
【０００４】
また、国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に記載されている方法では、掘削可能領域を設定し、フロント装置の一部，例えば、バケットが掘削可能領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方向の動きのみを減速し、バケットが掘削可能領域の境界に達すると、バケットは掘削可能領域の外には出ないが掘削可能領域の境界に沿っては動けるようにしている。
【０００５】
侵入不可領域若しくは掘削可能領域の設定の方法としては、数値入力設定方法と、ダイレクトティーチ方法とが知られている。
数値入力設定方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第１０図に示されるように、数値入力キーを用いて必要な数値を入力し、領域を設定する方法である。数値入力設定方法は、油圧ショベルのある地面上から何ｍの深さだけ掘削するという指定がある場合等のように、予め掘削可能領域を実際の数値で設定できる場合に便利な方法である。
【０００６】
一方、ダイレクトティーチ方法は、例えば、特開平４−１３６３２４号公報の第５図や国際公開公報ＷＯ９５／３００５９号公報に示されるように、オペレータが、バケットの刃先を目標境界線上に持っていき、スイッチを押して領域を設定する方法である。ダイレクトティーチ方法は、掘削を行う範囲が特に図面等によって数字で規定されていないようなラフな掘削を行う作業現場において、おおざっぱに均し作業を行う場合等に便利な方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ダイレクトティーチによって領域を設定する場合、油圧ショベルが水平な地面上に位置し、その位置にとどまって作業するならば、一旦掘削領域を設定すれば再度掘削領域を設定しなくても少しずつ油圧ショベルを旋回させて一定の深さまでショベルまわりの掘削を行うことが可能である。しかし、多少なりとも油圧ショベルが傾いた状態で位置しているときは、掘削領域の設定は油圧ショベルの車体基準で行われているため、旋回していくうちに設定面が上下方向に変化し、一定の深さに掘削するためには、再度領域を設定する必要が生じる。また、走行することによって油圧ショベルの設置場所の高さが変わった場合も、同様にその度に掘削領域を再設定する必要が生じる。
【０００８】
掘削領域の再設定は、設定済みの掘削領域を解除するボタン操作と、新たな掘削領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作が必要であり、上記のように旋回の都度又は設置場所が変わる都度このようなボタン操作による再設定操作を行うことは極めて面倒である。
【０００９】
本発明の目的は、ボタン操作なしでダイレクトティーチを行えるようにし、所望の掘削領域を簡単に設定できる建設機械のフロント制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、第１の発明は、上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、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有する建設機械に備えられ、前記フロント装置の各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定演算された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、アームクラウドの動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定開始を指示するアームクラウド設定スイッチと、前記アームクラウド設定スイッチが選択された状態において、前記操作レバー手段によるブーム操作後のアームクラウド操作時におけるバケットの先端位置を掘削可能領域の境界として設定するアームクラウド設定モードの領域設定演算部とを備えたことを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記アームクラウド設定モードの領域設定演算部は、前記操作レバーによるアームクラウドの操作信号が、予め設定した基準操作信号を超えた場合には、その時のバケット先端の位置を、ダイレクトティーチにおけるアームクラウド操作時の掘削可能領域の境界として設定し、前記操作レバーによるアームクラウドの操作信号が、予め設定した基準操作信号よりも小さくなった場合には、アームクラウド動作が停止したものと判断して、掘削領域の境界を予め設定した初期値に変更することを特徴とする。
【００１１】
更に、第３の発明は、上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、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有する建設機械に備えられ、前記フロント装置の各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定演算された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、アームダンプの動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定開始を指示するアームダンプ設定スイッチと、前記アームダンプ設定スイッチが選択された状態において、前記操作レバー手段によるブーム操作後のアームダンプ操作時におけるバケットの先端位置を掘削可能領域の境界として設定するアームダンプ設定モードの領域設定演算部とを備えたことを特徴とする。
また、第４の発明は、第３の発明において、前記アームダンプ設定モードの領域設定演算部は、前記操作レバーによるアームダンプの操作信号が、予め設定した基準操作信号を超えた場合には、その時のバケット先端の位置を、アームダンプ可能領域の境界として設定し、前記操作レバーによるアームダンプの操作信号が、予め設定した基準操作信号よりも小さくなった場合には、アームダンプ動作が停止したものと判断して、掘削領域の境界を予め設定した初期値に変更することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を、図面を用いて説明する。
まず、本発明の第１の実施形態による油圧ショベルのフロント制御装置を図１〜図１２により説明する。
【００１４】
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からの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とを有している。
【００１５】
本実施形態では、操作レバー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・油圧操作方式の弁である。
【００１６】
また、操作レバー装置４ａ〜４ｄについては、ブーム，アーム，バケット，旋回に対応して別々の符号を付したが、実際には、ブーム用操作レバー装置４ａとバケット用操作レバー装置４ｃ、アーム用操作レバー装置４ｂと旋回用操作レバー装置４ｄは、それぞれ、１つの操作レバー装置を共用する構成とされ、この１つの操作レバーを二次元的に動かすことにより、それぞれの操作信号を出力するものである。
【００１７】
油圧ショベルは、図２に示すように、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から成る多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回対１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。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、図１に示したブームシリンダ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、図１に示した操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。また、上部旋回体１ｄには運転室１ｆが設けられ、操作レバー装置４ａ〜４ｆはこの運転室１ｆ内に配置される。
【００１８】
以上のような油圧ショベルに本実施形態によるフロント制御装置が設けられている。このフロント制御装置は、領域制限掘削制御の開始や、当該制御における掘削領域の設定を指示する設定器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、フロント装置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、ブーム操作レバー装置４ａに備えられた力検出センサ１０と、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4f、設定器７の信号、力検出センサ１０の検出信号を入力し、流量制御弁５ａ〜５ｆに駆動信号（電気信号）を出力する制御ユニット９とを備えている。
【００１９】
設定器７は、図３に示すように、領域制限掘削制御の開始を指示する制御開始スイッチ７ａと、ダイレクトティーチによる掘削領域の設定を指示するダイレクト設定スイッチ７ｂと、数値入力による掘削領域の設定を指示する数値設定スイッチ７ｃと、アームクラウド動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定を指示し、アームクラウド動作の停止により掘削領域の設定を解除するためのアームクラウド設定スイッチ７ｄと、表示画面７ｅとを備えている。
【００２０】
制御開始スイッチ７ａを押すと、通常モードから領域制限掘削制御モードへ切り換える制御開始信号が制御ユニット９に出力され、掘削領域の設定及び領域制限掘削制御を可能にする。また、スイッチ７ａの右上のランプが点灯し、掘削制限制御モードにあることをオペレータに知らせる。
【００２１】
ダイレクト設定スイッチ７ｂを押すと、ダイレクトティーチ設定信号が制御ユニット９に出力され、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位、例えば、バケット１ｃの先端位置で、掘削領域が設定される。また、スイッチ７ｂの右上のランプが点灯し、ダイレクトティーチによる設定モードにあることをオペレータに知らせる。
数値設定スイッチ７ｃを押すと、表示画面７ｅ上に数値が表示され、かつ、スイッチ７ｃの右上のランプが点灯する。また、表示画面７ｅに表示された数値が数値入力設定信号として制御ユニット９に出力され、数値により掘削領域が設定される。数値設定スイッチ７ｃはアップとダウンの２つのボタンからなり、２つのボタンのいずれを押すことにより設定される数値を増減する。
【００２２】
アームクラウド設定スイッチ７ｄを押すと、設定モード切換え信号が制御ユニット９に出力され、アームクラウド動作の開始により、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位，例えば、バケット１ｃの先端で、ダイレクトティーチによる掘削領域が設定される。また、スイッチ７ｄの右上のランプが点灯する。アームクラウド設定モードの詳細については、図６を用いて後述する。
【００２３】
制御ユニット９は、設定器７の制御開始スイッチ７ａが押されていないときは、操作レバー装置４ａ〜４ｆからの操作信号Ｓ4a〜Ｓ4fに応じた駆動信号（電気信号）を生成し、これを流量制御弁５ａ〜５ｆに出力し、設定器７の制御開始スイッチ７ａが押されると、設定器７のダイレクト設定スイッチ７ｂ，数値設定スイッチ７ｃ又はアームクラウド設定スイッチ７ｄからの設定信号により、バケット１ｃの先端が動き得る掘削領域を設定可能とすると共に、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに対し領域制限掘削制御のための補正を行い、その補正した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。
【００２４】
以下、図４〜図１２を用いて、制御ユニット９の操作信号Ｓ4a，Ｓ4bに係わる部分の機能の詳細について説明する。
制御ユニット９は、図４に示すように、領域設定部９０と領域制限掘削制御部９２の各機能を有している。領域設定部９０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制限領域の設定演算を行うものであり、通常設定モードの領域設定演算部９０ａと、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂと、設定モード切換え部９０ｃの各機能から構成されている。領域制限掘削制御部９２は、領域設定部９０において設定演算された掘削領域内にバケット１ｃの先端の動きを制限するように、バケット１ｃの動きを制御するものである。領域制限掘削制御部９２は、制御切換部９２ａと、フロント姿勢演算部９２ｂと、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃと、バルブ指令演算部９２ｄとの各機能から構成されている。
【００２５】
最初に、領域設定部９０の通常設定モードの領域設定演算部９０ａの領域設定機能及び領域制限掘削制御部９２のフロント姿勢演算部９２ｂの姿勢演算機能について説明する。なお、本実施形態は、図５に示したＸ軸に平行に掘削制限領域を設定するものである。
領域設定部９０の通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、制御開始スイッチ７ａがＯＮして（押されて）制御開始信号が入力すると、掘削可能領域の境界Ｌの初期値として、バケットが届かないくらい深い位置の値を設定する。これにより、制御開始スイッチ７ａをＯＮした直後では、フロント装置１Ａはそれが動作し得る範囲で自由に動くことができ、その動作範囲内でダイレクトティーチ若しくは数値入力設定により掘削可能領域を自由に設定することができる。一例として、初期値はＹ＝−２０ｍとしておく。
【００２６】
一方、領域制限掘削制御部９２の中のフロント姿勢演算部９２ｂは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角に基づいてフロント装置１Ａのバケットの爪先（先端）の位置を計算する。
【００２７】
すなわち、制御ユニット９の記憶装置には、図５に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法が記憶されており、フロント姿勢演算部９２ｂで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の各値を用いてバケット先端の位置を計算する。このとき先端の位置は、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（Ｘ，Ｙ）として求める。ＸＹ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直行座標系である。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とすれば、回動角α，β，γからＸＹ座標系の座標値（Ｘ，Ｙ）は、下記の式より求まる。
Ｘ＝Ｌ1ｓｉｎα＋Ｌ2ｓｉｎ（α+β）＋Ｌ3ｓｉｎ（α＋β＋γ）
Ｙ＝Ｌ1ｃｏｓα＋Ｌ2ｃｏｎ（α+β）＋Ｌ3ｃｏｓ（α＋β＋γ）
通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、ダイレクト設定スイッチ７ｂからの指示で、ダイレクトティーチにより、フロント姿勢演算部９２ｂの上記データを利用してバケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。即ち、図５において、オペレータの操作レバー装置の操作でバケット１ｃの先端を目的位置Ｐ1に動かした後、ダイレクト設定スイッチ７ｂを押す。通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、このダイレクト設定スイッチ７ｂから設定信号により、その時のフロント姿勢演算部９２ｂで計算されたバケット先端のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、
設定値＝Ｙ座標値Ｙ1
と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００２８】
また、設定器７のダイレクト設定スイッチ７ｂをもう１度押すと上記のダイレクトティーチによる設定が解除され、初期値にリセットされる。
【００２９】
一方、設定器７の数値設定スイッチ７ｃが押されると、通常設定モードの領域設定演算部９０ａは、数値設定スイッチ７ｃによって設定された数値入力により、バケット１ｃの先端が動き得る掘削可能領域の設定を行う。
【００３０】
次に、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂの領域設定機能について説明する。
【００３１】
アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂは、図３に示したアームクラウド設定スイッチ７ｄが押されてアームクラウド設定モードが選択されている場合に、図５に示すように、オペレータのブーム下げ操作でバケット１ｃの先端を点Ｐ1の位置に動かし、この状態でアーム用操作レバー装置４ｂを操作してアームクラウド動作をさせると、ダイレクトティーチにより、このアームクラウド動作をさせた時のバケット１ｃの先端の位置を掘削可能領域の境界として設定する。
【００３２】
アームクラウド操作をすると、アームクラウドの操作信号Ｓ4cが上昇し、予め設定された基準操作信号Ｓ4coとなる。アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂは、アームクラウドの操作信号Ｓ4cがＳ4coを越えたなら、そのときのバケット１ｃの先端位置Ｐ１を計算し、Ｐ１のｚ座標値を掘削制限領域とする。
【００３３】
先端位置Ｐ１の計算方法は、図５を用いて説明したとおりであり、フロント姿勢演算部９２ｂが、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角からフロント装置１Ａの位置と姿勢を演算した結果を用いて、アームクラウド操作が行われた時のバケット１ｃの先端Ｐ１のＹ座標値の値Ｙ＝Ｙ1を用いて、
設定値＝Ｙ座標値Ｙ1
と掘削可能領域の境界Ｌを設定する。
【００３４】
ここで、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂの演算処理機能について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
ステップ０１０において、予め設定しておいた内部のカウンタを「０」に初期設定する。
【００３６】
次にステップ０２０において、アームクラウドの操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより大きいか否かを判断する。ここで、基準操作信号Ｓ4coは、アームクラウド操作信号Ｓ4cを徐々に上げていき、アーム１ｂがアームクラウド動作を始める直前の操作信号を設定する。操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより大きい場合は、アームクラウド動作が行われたものと判断して、ステップ０３０において、カウンタを１つインクリメントする。操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより小さくなった場合は、アームクラウド動作が停止したものと判断して、ステップ０８０において、掘削領域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとする。
【００３７】
ステップ０４０において、カウンタが「１」か否かを判断する。アームクラウド動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ０５０において、前述したようにバケット１ｃの先端のＹ座標より掘削領域の設定を行う。即ち、アームクラウド動作を開始して、カウンタが「１」となった時に、その時のバケット１ｃの先端の位置Ｐ１を用いて、掘削領域を設定する。
【００３８】
アームクラウド動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ０６０において、カウンタが「２」以上か判断する。アームクラウド動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ０２０に戻る。アームクラウド動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ０７０において、カウンタに「２」をセットする。
【００３９】
ここで、アームクラウド動作が継続している場合について説明する。カウンタは「１」となっており、アームクラウド動作が継続している場合には、ステップ０３０に進み、カウンタを１つインクリメントして、「２」となり、ステップ０４０の判断処理により、ステップ０６０に進む。ステップ０６０において、カウンタは「２」であるため、ステップ０７０において、領域設定演算部９０ｂは、カウンタに「２」をセットして、ステップ０１０に戻る。
【００４０】
さらに、アームクラウド動作が継続している場合には、ステップ０２０からステップ０３０に進み、カウンタがインクリメントされて、「３」になる。そして、ステップ０４０からステップ０６０を経て、ステップ０７０において、カウンタが「２」にセットされる。即ち、カウンタは、アームクラウド動作の開始時は「１」であり、アームクラウド動作が継続している間は「２」に保持されている。
【００４１】
そして、アームクラウド動作が停止すると、ステップ０２０において、アームクラウドの操作信号Ｓ4cが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4coより小さくなり、アームクラウド動作が停止したものと判断して、ステップ０８０に進む。
【００４２】
ステップ０８０において、掘削領域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとし、初期値に戻した上で、ステップ０１０に戻る。ステップ０８０の処理によって、アームクラウド設定モードで設定された設定値が解除される。
【００４３】
さらに、ステップ０１０において、カウンタを「０」に初期設定するため、次にアームクラウド動作に備えることになる。
【００４４】
以上のようにして、ブーム下げ操作によりバケットを下げ、その後、アームクラウド動作を行うことにより、その時のバケット先端座標を用いてダイレクトティーチにより掘削領域を設定し、以後その設定値で領域制限掘削が行われる。そして、アームクラウド動作が止まれば、カウンタが「０」にリセットされるので、再びアームクラウド動作を行うことにより、掘削領域が再設定される。
【００４５】
設定モード切換え部９０ｃは、アームクラウド設定スイッチ７ｄの状態に応じて、通常モードの領域設定演算部９０ａとアームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂを切り換えることにより、設定モードを切り換える。
【００４６】
次に、領域制限掘削制御部９２の全体の制御機能について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。図中、ステップ１００，１１０は、制御切換部９２ａの機能であり、ステップ１１５，１２０は、フロント姿勢演算部９２ｂの機能であり、ステップ１２５〜１５０は、減速・復元制御用補正操作信号演算部９２ｃの機能であり、ステップ１５５は、バルブ指令演算部９２ｄの機能である。
【００４７】
ステップ１００において、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを入力する。
【００４８】
次いで、ステップ１１０において、制御開始スイッチ７ａがＯＮか否かに応じて制御方法を切り換える。制御開始スイッチ７ａがＯＦＦの場合には、ステップ１５５において、図４に示した操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂに出力する。これにより、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作量に応じた通常の掘削作業が行こなわれる。
【００４９】
制御開始スイッチ７ａがＯＮの場合には、ステップ１１０〜１５０に進み、操作レバー装置４ａ，４ｂからの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bを補正する。
【００５０】
以下、ステップ１１５〜１５０の処理内容について説明する。
ステップ１１５において、フロント姿勢演算部９２ｂに、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動角を入力する。
【００５１】
ステップ１２０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装置１Ａの各部寸法とに基づき、フロント装置１Ａの所定部位の位置、例えばバケット１ｃの先端位置を計算する。このときの計算は、上述した掘削領域の設定時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。
【００５２】
次に、ステップ１２５において、フロント装置１Ａ用の操作レバー装置，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bが指令するバケット１ｃの先端の目標速度ベクトルＶｃを計算する。ここで、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bと流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量との関係及びフロント装置１Ａの各部寸法を制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておき、操作レバー装置４ａ，４ｂの操作信号Ｓ4a，Ｓ4bから対応する流量制御弁５ａ，５ｂの供給流量を求め、この供給流量の値から油圧シリンダ３ａ，３ｂの目標駆動速度を求め、この目標駆動速度とフロント装置１Ａの各部寸法を用いてバケット先端の目標速度ベクトルＶｃを演算する。そして、目標速度ベクトル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、目標速度ベクトルＶｃのＸ座標成分Ｖｃｘは、目標速度ベクトル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は目標速度ベクトル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。
【００５３】
次に、ステップ１３０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図８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にあるか否かを判定し、減速領域にある場合には、ステップ１３５に進みフロント装置１Ａの減速を行うよう目標速度ベクトルＶｃを補正し、減速領域にない時には、ステップ１４０に進む。
【００５４】
ここで、ステップ１３０における減速領域にあるか否かの判定及びステップ１３５における減速領域での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図９及び図１０を用いて説明する。
【００５５】
制御ユニット９の記憶装置には、図８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と減速ベクトル計数ｈとの関係が記憶されている。この距離Ｄ１と計数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計数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。ここで、設定領域の境界から距離Ｙa1の範囲が減速領域に相当する。
【００５６】
ステップ１３０では、ステップ１２０で得たバケット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。
【００５７】
また、ステップ１３５では、ステップ１２５で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトル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を減じるように目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的には、記憶装置に記憶した図９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を目標速度ベクトルＶｃのＹａ座標の成分（垂直方向のベクトル成分）Ｖｃｙに乗じ、更に−１を乗じて減速ベクトルＶR（＝−ｈ・Ｖｃｙ）を求め、ＶｃｙにＶRを加算する。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を目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、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、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００５８】
ここで、図１０を用いて、バケット１ｃの先端が上記のような補正後の目標速度ベクトルＶｃａの通りに減速制御されたときの軌跡の一例を説明する。目標速度ベクトル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。補正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図１０に示す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目標速度ベクトルＶｃａは平行成分Ｖｃｘに一致する。
【００５９】
このようにステップ１３５における減速制御では、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接近する方向の動きが減速されることにより、結果としてバケット１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿った方向に変換され、この意味でステップ１３５の減速制御は方向変換制御ということもできる。
【００６０】
次に、ステップ１４０において、バケット１ｃの先端が上記のように設定した図８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、ステップ１４５に進み、バケット１ｃの先端が設定領域に戻るように目標速度ベクトルＶｃを補正し、設定領域外にないときには、ステップ１５５に進む。
【００６１】
ここで、ステップ１４０における設定領域外にあるか否かの判定及びステップ１４５における設定領域外での目標速度ベクトルＶｃの補正について、図１１及び図１２を用いて説明する。
【００６２】
制御ユニット９の記憶装置には、図１１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Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係が記憶されている。この距離Ｄ２の絶対値と復元ベクトルＡＲとの関係は、距離Ｄ２の絶対値が減少するにしたがって復元ベクトルＡＲが増大するように設定されている。
【００６３】
ステップ１４０においては、ステップ１２０で得たバケット１ｃの先端位置と設定領域の境界との距離Ｄ２を計算し、この距離が負の値になったら設定領域外に侵入したと判断する。
【００６４】
また、ステップ１４５では、ステップ１２５で計算したバケット１ｃの先端の目標速度ベクトル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が設定領域の境界に接近する方向の垂直成分に変わるよう目標速度ベクトルＶｃを補正する。具体的には、垂直方向のベクトル成分ＶｃｙをキャンセルするようにＶｃｙの逆方向ベクトルＡｃｙを加算して、平行成分Ｖｃｘを抽出する。この補正によってバケット１ｃの先端は設定領域外を更に進もうとする動作が阻止される。
【００６５】
そして、次に、記憶装置に記憶した図１１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復元ベクトルＡＲを計算し、この復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃ垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに更に加算する。ここで、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って小さくなる逆方向の速度ベクトルである。このため、復元ベクトルＡＲを目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃｙに加算することにより、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、目標速度ベクトルＶｃは目標速度ベクトルＶｃａに補正される。
【００６６】
ここで、図１２を用いて、バケット１ｃの先端が上記のような補正後の目標速度ベクトルＶｃａの通りに復元制御されたときの軌跡の一例について説明する。目標速度ベクトル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。補正後の目標速度ベクトルＶｃａはその合成であるので、軌跡は図１２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。
【００６７】
このように、ステップ１４５における復元制御では、バケット１ｃの先端が設定領域に戻るように制御されるため、設定領域外に復元領域が得られることになる。また、この復元制御でも、バケット１ｃの先端の設定領域の境界に接近する方向の動きが減速されることにより、結果としてバケット１ｃの先端の移動方向が設定領域の境界に沿った方向に変換され、この意味でこの復元制御も方向変換制御ということができる。
【００６８】
次に、ステップ１５０において、ステップ１３５または１４５で得た補正後の目標速度ベクトルＶｃａに対応する流量制御弁５ａ〜５ｃの操作信号を計算する。これは、ステップ１２５における目標速度ベクトルＶｃの計算の逆演算である。
【００６９】
そして、ステップ１５５において、ステップ１５０で計算した操作信号に応じた駆動信号を生成し、流量制御弁５ａ，５ｂを出力し、はじめに戻る。
【００７０】
領域制限掘削制御を終了させる場合は、設定器７の制御開始スイッチ７ａをもう一度押して、ＯＦＦにする。
【００７１】
以上のようにして、本実施形態によれば、ブーム下げ操作によりバケットを下げ、その後、アームクラウド動作を行うことにより、その時のバケットの先端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を容易に設定することができる。また、アームクラウド動作の停止により、設定された掘削領域の設定を解除することができ、次に、アームクラウド動作が起こると、そのときのバケットの先端の座標から掘削領域を容易に再設定することができる。従って、従来のように、掘削領域の再設定のために、設定済みの領域を解除するボタン操作と、新たな領域を設定するボタン操作の２回のボタン操作を行う必要がなくなり、所望の掘削領域を簡単に設定できる。
【００７２】
また、掘削制限領域を設定する手段としてアームクラウド動作に連動してダイレクトティーチ設定を行うように構成したため、目的の設定領域を迅速に設定することができる。
【００７３】
さらに、バケット１ｃの先端が設定領域の境界から離れているときは、目標速度ベクトルＶｃは補正されず、通常作業と同じように作業できるとともに、バケット１ｃの先端が設定領域内でその境界近傍に近づくと、目標速度ベクトルＶｃの設定領域の境界に接近する方向のベクトル成分（境界に対して垂直方向のベクトル成分）を減じるように補正されるので、設定領域の境界に対して垂直方向の動きが減速制御され、設定領域の境界に沿った方向の速度成分は減じられ、このため図１０に示すように設定領域の境界に沿ってバケット１ｃの先端を動かすことができる。このため、バケット１ｃの先端の動き得る領域を制限した掘削を効率良く行うことができる。
【００７４】
次に、本発明の第２の実施形態について、図１３及び図１４を用いて説明する。
上述した実施形態においては、アームクラウド動作を検出してダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行っているのに対して、本実施形態においては、アームダンプ動作を検出してダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行うことも可能にしている。即ち、均し掘削を行う場合には、アームクラウドにより均し掘削を行う場合の他に、アームダンプにより均し掘削を行う場合もあるので、かかる場合にも、同様にして、ダイレクトティーチにより掘削領域の設定を行うようにしている。
【００７５】
最初に、設定器７’について、図１３を用いて説明する。設定器７’は、操作パネル上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット９に出力し、掘削制限領域の設定を指示するものである。操作パネル形式の設定器７’は、制御開始スイッチ７ａと、ダイレクト設定スイッチ７ｂと、数値設定スイッチ７ｃとアームクラウド設定スイッチ７ｄと、表示画面７ｅを備えている。これらのスイッチ７ａ〜７ｄ及び表示画面７ｅの機能は、図３において説明したものと同様である。
【００７６】
さらに、本実施形態においては、アームダンプ動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定を行い、アームダンプ動作の停止により掘削領域の設定の解除を行うためのアームダンプ設定スイッチ７ｆを備えている。
【００７７】
アームダンプ設定スイッチ７ｆを押すと、設定モード切換え信号が制御ユニット９に出力され、アームダンプ動作の開始により、そのときのフロント装置１Ａの所定の部位，例えば、バケット１ｃの先端で、ダイレクトティーチによる掘削領域が設定される。また、スイッチ７ｆの右上のランプが点灯する。アームダンプ設定モードの詳細については、図１４を用いて後述する。
【００７８】
本実施形態に用いるフロント制御装置及びその油圧駆動装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、制御ユニット９の構成は、図４に示したものと同様であり、図４に示した各機能構成に加えて、さらに、アームダンプ設定モードの領域設定演算部を備えている。そして、図４に示した設定モード切換部９０ｃには、図１３に示したアームダンプ設定スイッチ７ｆからの設定モード切換え信号も入力し、通常設定モードの領域設定演算部９０ａと、アームクラウドモードの領域設定演算部９０ｂと、アームダンプ設定モードの領域設定演算部とを切換使用するようになっている。
【００７９】
ここで、アームダンプ設定モードの領域設定演算部の演算処理機能について、図１４のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートにおいて、図６に示したフローチャートと特に異なるのは、ステップ２２０である。
【００８０】
ステップ２１０において、予め設定しておいた内部のカウンタを「０」に初期設定する。
【００８１】
次にステップ２２０において、アームダンプの操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより大きいか否かを判断する。ここで、基準操作信号Ｓ4doは、アームダンプ操作信号Ｓ4dを徐々に上げていき、アーム１ｂがアームダンプ動作を始める直前の操作信号を設定する。操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより大きい場合は、アームダンプ動作が行われたものと判断して、ステップ２３０に進み、操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより小さくなった場合は、アームダンプ動作が停止したものと判断して、ステップ２８０に進む。
【００８２】
ステップ２３０において、カウンタを１つインクリメントする。
【００８３】
ステップ２４０において、カウンタが「１」か否かを判断する。アームダンプ動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ２５０において、前述したようにバケット１ｃの先端のＹ座標より掘削領域の設定を行う。即ち、アームダンプ動作を開始して、カウンタが「１」となった時に、その時のバケット１ｃの先端の位置Ｐ１を用いて、掘削領域を設定する。
【００８４】
アームダンプ動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ２６０において、カウンタが「２」以上か判断する。アームダンプ動作を開始した時は、カウンタは「１」であるため、ステップ２２０に戻り、アームダンプ動作が継続している場合には、後述する処理によってカウンタは「２」となっており、ステップ２７０に進む。
【００８５】
そして、アームダンプ動作が停止すると、ステップ２２０において、アームダンプ設定モードの領域設定演算部は、アームダンプの操作信号Ｓ4dが予め設定しておいた基準操作信号Ｓ4doより小さくなり、アームダンプ動作が停止したものと判断する。
【００８６】
そして、ステップ２８０において、掘削領域の境界の直線式をＹ＝−２０ｍとし、初期値に戻した上で、ステップ２１０に戻る。ステップ２８０の処理によって、アームダンプ設定モードで設定された設定値が解除される。
【００８７】
さらに、ステップ２１０において、カウンタを「０」に初期設定するため、次にアームダンプ動作に備えることになる。
【００８８】
以上のようにして、アームダンプ動作を行うことにより、その時のバケットの先端の座標からダイレクトティーチにより掘削領域を設定し、以後その設定値で領域制限掘削が行われる。そして、アームダンプ動作が止まれば、カウンタが「０」にリセットされるので、再びアームダンプ動作を行うことにより、掘削領域が再設定される。
【００８９】
設定モード切換え部９０ｃは、アームダンプ設定スイッチ７ｆの状態に応じて、通常モードの領域設定演算部９０ａと、アームクラウド設定モードの領域設定演算部９０ｂと、アームダンプ設定モードの領域設定演算部を切り換えることにより、設定モードを切り換えることができる。
【００９０】
以上説明したように、本実施形態においても、アームクラウド動作若しくはアームダンプ動作によって、簡単に掘削領域の設定を行うことができるものである。
【００９１】
また、掘削制限領域を設定する手段としてアームクラウド動作若しくはアームダンプ動作に連動してダイレクトティーチを行うように構成したため、目的の掘削の領域を迅速に設定することができる。
【００９２】
なお、本発明にかかるフロント制御装置は、上述の各実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、本実施形態では操作レバーは電気レバーとしたが、油圧パイロットレバーでもよい。また、フロント装置１Ａ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計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、建設機械のフロント制御装置におけるダイレクトティーチによる掘削領域の設定をボタン操作なしで行え、所望の掘削領域を簡単に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態による建設機械のフロント制御装置をその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の形状を示す図である。
【図３】本実施形態における掘削制限領域の設定を指示する操作パネル形式の設定器を示す図である。
【図４】制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図５】本実施形態の領域制限掘削制御で用いる座標系と掘削領域の設定方法を示す図である。
【図６】アームクラウド操作によって掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【図７】制御ユニットにおける制御手順を示すフローチャートである。
【図８】バケット先端が設定領域内にある場合と、設定領域の境界上にある場合と、設定領域外にある場合のブームによるバケット先端速度の補正動作の違いを示す図である。
【図９】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１０】バケット先端が設定領域内にあるときの補正動作軌跡の一例を示す図である。
【図１１】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１２】バケットの先端が設定領域外にあるときの補正動作軌跡の一例を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態における掘削制限領域の設定を指示する操作パネル形式の設定器を示す図である。
【図１４】アームダンプ操作によって掘削領域を設定する演算内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
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
７ａ 制御開始スイッチ
７ｂ ダイレクト設定スイッチ
７ｃ 数値設定スイッチ
７ｄ アームクラウド設定スイッチ
７ｅ 表示画面
７ｆ アームダンプ設定スイッチ
８ａ，８ｂ，８ｃ 角度検出器
９ 制御ユニット
９０ 領域設定部
９０ａ 通常モードの領域設定演算部
９０ｂ アームクラウド設定モードの領域設定演算部
９０ｃ 設定モード切換え部
９２ 領域制限掘削制御部
９２ａ 制御切換部
９２ｂ フロント姿勢演算部
９２ｃ 減速・復元制御用補正操作信号演算部
９２ｄ バルブ指令演算部
Claims (4)
- 上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、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有する建設機械に備えられ、前記フロント装置の各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定演算された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、アームクラウドの動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定開始を指示するアームクラウド設定スイッチと、前記アームクラウド設定スイッチが選択された状態において、前記操作レバー手段によるブーム操作後のアームクラウド操作時におけるバケットの先端位置を掘削可能領域の境界として設定するアームクラウド設定モードの領域設定演算部とを備えたことを特徴とする建設機械のフロント制御装置。
- 前記アームクラウド設定モードの領域設定演算部は、前記操作レバーによるアームクラウドの操作信号が、予め設定した基準操作信号を超えた場合には、その時のバケット先端の位置を、ダイレクトティーチにおけるアームクラウド操作時の掘削可能領域の境界として設定し、前記操作レバーによるアームクラウドの操作信号が、予め設定した基準操作信号よりも小さくなった場合には、アームクラウド動作が停止したものと判断して、掘削領域の境界を予め設定した初期値に変更することを特徴とする請求項１記載の建設機械のフロント制御装置。
- 上下方向に回動可能なブーム、アーム、バケットからなる複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、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有する建設機械に備えられ、前記フロント装置の各回転角に基づいてフロント装置の姿勢を演算するフロント姿勢演算部と、前記フロント姿勢演算部からのフロント姿勢演算値を制御して前記フロント装置が設定演算された掘削領域内を動くようにそのバケットの動きを制御する領域制限掘削制御部と、アームダンプの動作の開始によりダイレクトティーチによる掘削領域の設定開始を指示するアームダンプ設定スイッチと、前記アームダンプ設定スイッチが選択された状態において、前記操作レバー手段によるブーム操作後のアームダンプ操作時におけるバケットの先端位置を掘削可能領域の境界として設定するアームダンプ設定モードの領域設定演算部とを備えたことを特徴とする建設機械のフロント制御装置。
- 前記アームダンプ設定モードの領域設定演算部は、前記操作レバーによるアームダンプの操作信号が、予め設定した基準操作信号を超えた場合には、その時のバケット先端の位置を、アームダンプ可能領域の境界として設定し、前記操作レバーによるアームダンプの操作信号が、予め設定した基準操作信号よりも小さくなった場合には、アームダンプ動作が停止したものと判断して、掘削領域の境界を予め設定した初期値に変更することを特徴とする請求項３記載の建設機械のフロント制御装置。
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