JP6912356B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関する。

近年、情報化施工への対応に伴い、油圧ショベル等の建設機械には、ブーム、アーム、バケットなどの作業機構の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや、作業機構の位置を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロールの機能を有するものがある。その代表的なものとしては、油圧ショベルのバケット先端位置とバケット角度をモニタへ表示したり、バケット先端が目標施工面に近づくと、それ以上進まないように動作に制限をかけたりするものが知られている。

ところで、土木・施工作業においては、整地作業後の仕上げ工程として、バケット背面で地面を叩いて押し固める転圧作業（「土波打ち」とも呼ばれる）が行われる。転圧作業を支援する技術として、例えば特許文献１，２が挙げられる。

特許文献１には、作業機を操作するための操作部材（操作レバーなど）からの操作信号に基づいて、整地作業時と転圧作業時の制御を切り替え、かつ、転圧作業時には作業機と設計地形との間の距離に応じて設計地形に向かう作業機の速度を制限する技術が開示されている。

また、特許文献２には、フロント作業機のリーチを検出し、リーチの大小に応じて、ポンプ流量、もしくは、コントロールバルブの開度を調整する制御を行うことで、レバー操作量とバケット（アタッチメント）移動量の関係をリーチの変化に関係なく一定とする技術が開示されている。

ＷＯ２０１６／１２５９１６号公報 特開２０１２−２２５０８４号公報

転圧作業では、バケット背面を地面に打ち付けるときの強さ（押しつけ力）が仕上がり面の出来映えの良し悪しを決める要因になる。これは、バケット背面による押しつけ力の強弱のばらつきが、仕上がり面の凹凸として現れるためである。このため、高品質な仕上がり面を作るには、いかにして押しつけ力を均一に保つかが課題になる。ここで、押しつけ力はバケット速度とフロント作業機の慣性（フロント慣性）の積で定義され、フロント慣性はフロント作業機の姿勢に応じて変化する。

これに対し、特許文献１の技術では、転圧作業時に作業機と設計地形との間の距離に応じてバケット速度が一定以下に制限されるものの、フロント作業機の姿勢に応じてフロント慣性が変化することにより押しつけ力が変動する。一方、特許文献２の技術では、フロント作業機のリーチによらずブーム操作量に対するバケット速度が一定になるものの、押しつけ力を一定にするためには、フロント作業機の姿勢に応じてブーム操作量をオペレータが調整しなくてはならないため、押しつけ力の均一化には高い熟練度が求められる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オペレータに複雑な操作を要求することなく、転圧作業時のバケットの押しつけ力を均一にできる建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、車体と、前記車体の前方に取り付けられ、ブーム、アームおよびバケットを有する多関節型のフロント作業機と、前記ブームを駆動するブームシリンダ、前記アームを駆動するアームシリンダ、および前記バケットを駆動するバケットシリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、オペレータによって操作され、前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの各動作を指示する操作装置と、前記ブームの姿勢を検出するブーム姿勢検出装置と、前記アームの姿勢を検出するアーム姿勢検出装置と、前記バケットの姿勢を検出するバケット姿勢検出装置と、前記操作装置の操作に応じて前記複数の油圧アクチュエータの駆動を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、整地目標面を設定する整地目標面設定部と、前記バケットが前記整地目標面よりも下方に侵入しないような前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの目標速度を決定するフロント目標速度決定部とを有し、前記制御装置は、整地作業時に、前記フロント目標速度決定部が決定した目標速度を達成するための前記操作装置の操作内容を前記オペレータに通知し、または、前記フロント目標速度決定部が決定した目標速度を達成するように前記複数の油圧アクチュエータの駆動を制御する建設機械において、前記制御装置は、転圧作業か否かを判断する転圧作業判断部と、前記ブームの回動支点から前記バケットの背面所定位置までの距離であるフロント距離を演算するバケット位置演算部と、前記フロント距離が大きくなるに従って前記バケットが前記整地目標面に接近する速度が小さくなるように前記バケットの目標速度を決定するバケット目標速度決定部とを有し、前記制御装置は、転圧作業時に、前記バケット目標速度決定部が決定した目標速度を達成するための前記操作装置の操作内容を前記オペレータに通知し、または、前記バケット目標速度決定部が決定した目標速度を達成するように前記複数の油圧アクチュエータを制御するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、転圧作業時に、フロント距離が大きくなるに従ってバケットが整地目標面に接近する速度が小さくなるようにバケット目標速度が決定され、当該バケット目標速度を達成するための操作装置の操作内容がオペレータに通知され、または、当該バケット目標速度を達成するように複数の油圧アクチュエータが制御される。これにより、オペレータは、複雑な操作を行うことなく、転圧作業時のバケットの押しつけ力を均一にできる。

本発明によれば、オペレータに複雑な操作を要求することなく、転圧作業時のバケットの押しつけ力を均一にできる。

本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るコントローラの処理機能の一部を概略的に示す機能ブロック図である。 第１の実施例に係るコントローラの詳細な機能ブロック図である。 バケットの背面所定位置およびフロント距離（リーチ）の演算方法を示す図である。 車体接地面と整地目標面とが同一平面上にない場合のフロント距離を示す図である。 第１の実施例に係るバケット目標速度決定部の演算結果の一例を示す図である。 第１の実施例に係る操作指示決定部の演算結果の一例を示す図である。 従来技術を適用した場合のフロント距離に対する押しつけ力の変化を示す図である。 油圧ショベルの車体がピッチ方向に振動している状態で転圧作業を行った場合の押しつけ力の変化の一例を示した図である。 第２および第３の実施例に係るコントローラの詳細な機能ブロック図である。 第２の実施例に係るバケット目標速度決定部の演算結果の一例を示す図である。 第３の実施例に係るバケット目標速度決定部の演算結果の一例を示す図である。 車体ピッチ速度とバケット速度とを同期させた場合のフロント距離に対するバケット目標速度および押しつけ力の変化を示す図である。 第３の実施例に係るコントローラの制御演算フローを示す図である。 車体接地面と整地目標面とが同一平面上にない場合の目標面角度を示す図である。 第４の実施例に係るコントローラの詳細な機能ブロック図である。 第４の実施例に係るバケット目標速度決定部の演算結果の一例を示す図である。 第４の実施例におけるフロント距離に対するバケット目標速度の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る建設機械として、フロント装置（フロント作業機）の先端に作業具としてバケットを備える油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

図１は、本実施の形態に係る油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。

図１において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム４、アーム５、バケット（作業具）６）を連結して構成された多関節型のフロント装置（フロント作業機）１と、車体を構成する上部旋回体２及び下部走行体３とを備え、上部旋回体２は下部走行体３に対して旋回可能に設けられている。また、フロント装置１のブーム４の基端は上部旋回体２の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の一端はブーム４の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の他端にはバケット６が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム４、アーム５、バケット６、上部旋回体２及び下部走行体３は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａ、及び左右の走行モータ３ａ（一方の走行モータのみ図示）によりそれぞれ駆動される。

ブーム４、アーム５及びバケット６は、単一の平面（以下、動作平面）上で動作する。動作平面は、ブーム４、アーム５及びバケット６の回動軸に直交する平面であり、ブーム４、アーム５及びバケット６の幅方向の中心を通るように設定することができる。

オペレータが搭乗する運転室９には、油圧アクチュエータ２ａ〜６ａを操作するための操作信号を出力する左右の操作レバー装置（操作装置）９ａ，９ｂが設けられている。左右の操作レバー装置９ａ，９ｂは、それぞれ、前後左右に傾倒可能な操作レバーと、この操作レバーの傾倒量（レバー操作量）に相当する操作信号を電気的に検出する検出装置とを含み、この検出装置が検出したレバー操作量を制御装置であるコントローラ１８（図２に示す）に電気配線を介して出力する。つまり、左右の操作レバー装置９ａ，９ｂの各操作レバーの前後方向または左右方向に、油圧アクチュエータ２ａ〜６ａの操作がそれぞれ割り当てられている。

ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａ及び左右の走行モータ３ａの動作制御は、図示しないエンジンや電動モータなどの原動機によって駆動される油圧ポンプ装置７から各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａに供給される作動油の方向及び流量をコントロールバルブ８で制御することにより行う。コントロールバルブ８の制御は、図示しないパイロットポンプから電磁比例弁を介して出力される駆動信号（パイロット圧）により行われる。左右の操作レバー装置９ａ，９ｂからの操作信号に基づいてコントローラ１８で電磁比例弁を制御することにより、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａの動作が制御される。

なお、左右の操作レバー装置９ａ，９ｂは油圧パイロット方式であってもよく、それぞれオペレータにより操作される操作レバーの操作方向及び操作量に応じたパイロット圧をコントロールバルブ８に駆動信号として供給し、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａを駆動するように構成しても良い。

上部旋回体２、ブーム４、アーム５、及びバケット６には、それぞれ、姿勢センサとして慣性計測装置（ＩＭＵ： Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）１２，１４〜１６が配置されている。以降、これらの慣性計測装置を区別する必要が有る場合は、それぞれ、車体慣性計測装置１２、ブーム慣性計測装置１４、アーム慣性計測装置１５、及びバケット慣性計測装置１６と称する。

慣性計測装置１２，１４〜１６は、角速度及び加速度を計測するものである。慣性計測装置１２，１４〜１６が配置された上部旋回体２や各被駆動部材４〜６が静止している場合を考えると、各慣性計測装置１２，１４〜１６に設定されたＩＭＵ座標系における重力加速度の方向（つまり、鉛直下向き方向）と、各慣性計測装置１２，１４〜１６の取り付け状態（つまり、各慣性計測装置１２，１４〜１６と上部旋回体２や各被駆動部材４〜６との相対的な位置関係）とに基づいて、上部旋回体２や各被駆動部材４〜６の向き（姿勢：後述の姿勢角度θ）を検出することができる。ここで、ブーム慣性計測装置１４はブーム４の姿勢に関する情報（以下、姿勢情報と称する）を検出するブーム姿勢検出装置を構成し、アーム慣性計測装置１５はアーム５の姿勢情報を検出するアーム姿勢検出装置を構成し、バケット慣性計測装置１６はバケット６の姿勢情報を検出するバケット姿勢検出装置を構成している。

なお、姿勢情報検出装置は慣性計測装置に限られるものではなく、例えば、傾斜角センサを用いても良い。また、各被駆動部材４〜６の連結部分にポテンショメータを配置し、上部旋回体２や各被駆動部材４〜６の相対的な向き（姿勢情報）を検出し、検出結果から各被駆動部材４〜６の姿勢を求めても良い。また、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、及びバケットシリンダ６ａにそれぞれストロークセンサを配置し、ストローク変化量から上部旋回体２や各被駆動部材４〜６の各接続部分における相対的な向き（姿勢情報）を算出し、その結果から各被駆動部材４〜６の姿勢（姿勢角度θ）を求めるように構成しても良い。

図２は、油圧ショベル１００に搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。

図２において、コントローラ１８は、油圧ショベル１００の動作を制御するための種々の機能を有するものであり、その一部として転圧作業支援制御部１８ａ、操作指示表示制御部１８ｂ、油圧システム制御部１８ｃ、及び整地目標面設定部１８ｄの各機能部を有している。

転圧作業支援制御部１８ａは、慣性計測装置１２，１４〜１６からの検出結果、及び、整地目標面設定部１８ｄ（後述）からの入力に基づいて、ブーム４の回転中心となる、ブームフートピンからバケット６の背面所定位置まで距離であるフロント距離（リーチ）や、車体座標系におけるバケット位置の演算を行う。さらに、上記のフロント距離とバケット位置などの車体情報に基づいて、転圧作業時のバケット６の目標速度を演算する。詳細な演算内容は後述する。

操作指示表示制御部１８ｂは、運転室９に設けられた図示しないモニタの表示や、図示しないスピーカの音声を制御するものであり、転圧作業支援制御部１８ａで演算されたフロント装置１の姿勢情報やバケット目標速度に基づいて、オペレータに対する操作支援の指示内容を演算し、運転室９のモニタに表示、もしくは、音声による通知を行う。

すなわち、操作指示表示制御部１８ｂは、例えば、ブーム４、アーム５、バケット６などの被駆動部材を有するフロント装置１の姿勢や、バケット６の先端位置、角度、速度などをモニタに表示してオペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能の一部を担っている。

油圧システム制御部１８ｃは、油圧ポンプ装置７やコントロールバルブ８、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａ等からなる油圧ショベル１００の油圧システムを制御するものであり、転圧作業支援制御部１８ａで演算されたフロント装置１の姿勢情報やバケット目標速度に基づいて、フロント装置１の動作を演算し、その動作を実現するように油圧ショベル１００の油圧システムを制御する。すなわち、油圧システム制御部１８ｃは、例えば、バケット６の背面が整地目標面を過大な力で叩かないように、あるいは、バケット６の背面以外が整地目標面に接触しないようにフロント作業機１の動作を制限する制御を行うマシンコントロールシステムとしての機能の一部を担っている。

整地目標面設定部１８ｄは、図示しない記憶装置などに施工管理者によって予め記憶されている３次元施工図面などの設計地形データ１７に基づいて、整地対象の目標形状を定義する整地目標面を演算する。

本発明の第１の実施例に係る油圧ショベル１００について、図３〜図７を用いて説明する。

図３は、本実施例に係るコントローラ１８の詳細な機能ブロック図である。なお、図３において、図２と同様に本発明に直接関わらない機能は省略している。

図３において、転圧作業支援制御部１８ａは、バケット位置演算部１８ａ１と、バケット目標速度決定部１８ａ２と、制御切替部１８ａ３とを備えている。

バケット位置演算部１８ａ１は、ブーム４、アーム５、バケット６の各姿勢検出装置（各慣性計測装置１４〜１６に相当する）の出力に従って、バケット６の背面所定位置の座標とフロント距離（リーチ）とを計算する。

バケット６の背面所定位置およびフロント距離の演算方法を図４を用いて説明する。

バケット位置演算部１８ａ１は、ブーム４の回動支点であるブームフートピンの位置Ｏを座標原点とし、バケット６の背面所定位置Ｂの座標を計算する。ここで、背面所定位置Ｂは、転圧作業時に整地目標面と接触するバケット背面上のいずれの位置に設定しても良い。

ブームフートピンの位置Ｏとアーム５の回動支点（ブーム４とアーム５の連結部）との距離をブーム長さＬｂｍ、アーム５の回動支点とバケット６の回動支点（アーム５とバケット６の連結部）の距離をアーム長さＬａｍ、バケット６の回動支点とバケット６の背面所定位置Ｂとの距離をバケット長さＬｂｋとすれば、バケット６の背面所定位置Ｂのフロント座標系における座標値（ｘ，ｙ）は、ブーム４、アーム５、バケット６（正確には、ブーム長さＬｂｍ、アーム長さＬａｍ、及びバケット長さＬｂｋの向き）の水平方向との成す角（姿勢角度）をそれぞれθｂｍ，θａｍ，θｂｋとして下記の式（１）及び式（２）から求めることができる。

フロント距離Ｒは、ブームフートピンの位置Ｏからバケット６の背面所定位置Ｂまでの距離であり、下記の式（３）から求めることができる。

なお、図４に示すように、油圧ショベル１００の車体接地面と整地目標面とが同一平面上にある場合は、フロント距離Ｒを背面所定位置Ｂのｘ座標で近似しても良い。一方、図５に示すように、車体接地面と整地目標面とが同一平面上になく、フロント距離Ｒと背面所定位置Ｂのｘ座標とが大きく異なる場合は、原則通り、座標原点Ｏから背面所定位置Ｂまでの距離をフロント距離Ｒとすることが望ましい。

バケット目標速度決定部１８ａ２は、バケット位置演算部１８ａ１で算出したフロント距離Ｒに基づいて、転圧作業時のバケット６の目標速度を演算する。バケット目標速度は、整地目標面にバケット６が接近するときに正の値をとるように定義する。

バケット目標速度決定部１８ａ２の演算内容の一例を図６を用いて説明する。

図６（ａ）はフロント距離Ｒに対応するフロント慣性を示し、図６（ｂ）はバケット目標速度決定部１８ａ２で演算されるバケット目標速度を示している。図６（ｃ）は、図６（ａ）のフロント慣性に対して、バケット６の速度を図６（ｂ）のバケット目標速度と一致させた場合に生じる押しつけ力を示している。

図６（ａ）に示したフロント慣性とフロント距離Ｒの関係は、ブーム４、アーム５、バケット６の角度によって異なるが、フロント距離Ｒが大きくなるほどフロント慣性が大きくなるという傾向は維持される。

バケット目標速度決定部１８ａ２は、フロント距離Ｒが大きくなる、つまり、フロント慣性が大きくなるほど、バケット目標速度を小さくすることで、フロント慣性とバケット速度の積の次元で表される押しつけ力をフロント距離Ｒによらずに一定にすることに特徴がある。

制御切替部１８ａ３は、転圧作業か否かを判断する転圧作業判断部１８ｆの出力に従って、本制御の有効、無効を切り替える。転圧作業判断部１８ｆはオペレータの操作によって、任意のタイミングで切り替えを有効にしてもよいし、特定の作業条件から自動的に切り替えを判断してもよい。また、転圧作業支援を停止する（制御切替部１８ａ３を無効側にする）際に、整地作業支援制御部１８ｅの信号が有効になる構成にしてもよい。

整地作業支援制御部１８ｅは、バケット位置演算部１８ａ１で求めたバケット６の所定位置（例えば爪先位置）が整地目標面設定部１８ｄで求めた整地目標面よりも下方に侵入しないように、ブーム４、アーム５、バケット６の各目標速度を決定するフロント目標速度決定部１８ｅ１を備えている。なお、フロント目標速度決定部１８ｅ１の詳細は本発明の範囲外になるため、説明は省略する。

操作指示表示制御部１８ｂは、操作指示決定部１８ｂ１と、操作指示表示装置１８ｂ２とを備えている。

操作指示決定部１８ｂ１は、整地作業時は、フロント目標速度決定部１８ｅ１で決定したブーム４、アーム５、バケット６の各目標速度を実現するようなレバー操作を演算する。一方、転圧作業時は、バケット目標速度決定部１８ａ２で演算されたバケット目標速度を実現するようなレバー操作を演算する。

ブーム下げ操作のみでバケット６を整地面に叩きつける転圧作業時の操作指示決定部１８ｂ１の演算内容の一例を図７に示す。図７（ａ）および図７（ｂ）は図６（ａ）および図６（ｂ）と同じく、フロント距離Ｒに応じたフロント慣性とバケット目標速度の変化を示したグラフである。操作指示決定部１８ｂ１は図７（ｂ）のバケット目標速度を実現するようにブーム下げ操作量（例えば、レバーの傾き量）を図７（ｃ）のように決定する。

操作指示表示装置１８ｂ２は、操作指示決定部１８ｂ１で決定した作業内容（レバー操作量など）を運転室９内のモニタに表示したり、同じく運転室９内のスピーカから音声で指示を伝達したりするための情報処理を行う。

油圧システム制御部１８ｃは、制御量決定部１８ｃ１と、作業機速度調整装置１８ｃ２とを備えている。

制御量決定部１８ｃ１は、整地作業時は、フロント目標速度決定部１８ｅ１で決定したブーム４、アーム５、バケット６の各目標速度を実現するように各シリンダ４ａ〜６ａの目標速度や、そのシリンダ目標速度を実現するために各シリンダ４ａ〜に供給しなくてはならない作動油量の目標値を演算する。一方、転圧作業時は、バケット目標速度決定部１８ａ２で演算されたバケット目標速度を実現するように各シリンダ４ａ〜６ａの目標速度や、そのシリンダ目標速度を実現するために各シリンダに供給しなくてはならない作動油量の目標値を演算する。

作業機速度調整装置１８ｃ２は、油圧ポンプ装置７およびコントロールバルブ８を制御することで、制御量決定部１８ｃ１で演算された各シリンダ４ａ〜６ａに供給する作動油量の目標値を実現する。

油圧システム制御部１８ｃによれば、オペレータのレバー操作量によらずに、所望のバケット目標速度が実現される。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００により達成される効果を従来技術と比較して説明する。

図８は、フロント作業機のリーチ（フロント距離Ｒ）によらずブーム操作量に対するバケット速度を一定とする従来技術（特許文献２に記載）の制御を適用した場合のフロント距離Ｒに対する押しつけ力の変化を示す図である。図８は、フロント距離Ｒによらずに一定のレバー操作量（たとえば、レバーストローク５０％）でブーム下げ操作を行った場合に、フロント距離Ｒに応じてバケット下降速度、フロント慣性および押しつけ力がどのように変化するかを示している。

特許文献２の技術によれば、レバー操作量を一定にすることにより、フロント距離Ｒによらずにバケット下降速度を一定とすることができる。ここで、押しつけ力はバケット下降速度とフロント慣性の積で定義され、フロント慣性はフロント距離Ｒに応じて増加するため、バケット下降速度が一定の場合、フロント距離Ｒが大きくなるほど押しつけ力が増加してしまう。よって、特許文献２の技術では、押しつけ力を一定にするために、フロント距離Ｒに応じてレバー操作量をオペレータが調整しなくてはならないため、押しつけ力の均一化には高い熟練度が求められる。

これに対し、本実施例に係る油圧ショベル１００では、転圧作業時に、フロント距離Ｒが大きくなるに従ってバケット６が整地目標面に接近する速度が小さくなるようにバケット目標速度が決定され、当該バケット目標速度を達成するための操作レバー装置９ａ，９ｂの操作内容がオペレータに通知され、または、当該バケット目標速度を達成するように油圧アクチュエータ４ａ〜６ａの駆動が制御される。これにより、オペレータは、複雑な操作を行うことなく、転圧作業時のバケット６の押しつけ力を均一にできる。

本発明の第２の実施例に係る油圧ショベル１００について、図９〜図１１を用いて説明する。

軟土の上などの不安定な場所でフロント作業機１を急激に動かした場合には、油圧ショベル１００の車体（下部走行体３および上部旋回体２）がフロント作業機１の回動に合わせてピッチ方向に振動してしまう。

このように車体がピッチ方向に振動している場合の押しつけ力の変化を図９を用いて説明する。

図９（ａ）は車体のピッチ速度を示しており、車体ピッチ速度が正の時は車体前方が地面から離れる方向の速度を有していることを表している。図９（ｂ）はフロント作業機１による押しつけ力を示している。ここで、フロント作業機１に対しては第１の実施例と同様の制御が実行されており、フロント作業機１による押しつけ力は均一であるとする。しかし、整地面に作用する最終的な押しつけ力は、図９（ｃ）に示すように、フロント作業機１による押しつけ力に、車体のピッチ振動による車体重量の影響を加味したものとなる。なお、図９（ｃ）において、図９（ｂ）に示したフロント作業機１による押しつけ力を破線で示している。

時刻Ａでは車体前方が地面から浮き上がる方向の速度を持っているため、最終的な押しつけ力はフロント作業機１による押しつけ力よりも小さくなる。時刻Ｂでは車体が静止しているため、フロント作業機１による押しつけ力がそのまま最終的な押しつけ力になる。そして、時刻Ｃでは車体前方が地面に接近する方向の速度を持っているため、最終的な押しつけ力はフロント作業機１による押しつけ力よりも大きくなる。

以上のように、第１の実施例では、車体がピッチ方向に振動している状態で転圧作業を行った場合に、バケット６の押しつけ力が不均一となるおそれがある。本実施例は、以上の課題を解消する手段を提供するものである。

図１０は、本実施例に係るコントローラ１８の処理機能を詳細に示す機能ブロック図である。本実施例は、バケット目標速度決定部１８ａ２にて、車体速度検出装置（車体慣性計測装置）１２で検出した車体のピッチ方向の速度情報を利用する点が第１の実施例（図３に示す）と異なる。

本実施例に係るバケット目標速度決定部１８ａ２の演算内容の一例を図１１を用いて説明する。

図１１（ａ）は、各時刻におけるフロント慣性を示している。時刻ｔ１〜ｔ３においてフロント作業機１は同一姿勢を維持し、時刻ｔ３と時刻ｔ４の間に姿勢を変化させ、時刻ｔ４〜ｔ６で再び同一姿勢を維持することを示している。

図１１（ｂ）は、各時刻における車体のピッチ速度を示している。時刻ｔ１，ｔ４は車体が静止している状態、時刻ｔ２，ｔ５は車体前方が地面から浮き上がる状態、時刻ｔ３，ｔ６は車体前方が地面に接近する状態を示している。

図１１（ｃ）は、各時刻においてバケット目標速度決定部１８ａ２で演算されるバケット目標速度である。

時刻ｔ１はフロント慣性が小さく、かつ、車体が静止している状態であり、この時に演算されたバケット目標速度をｖｂ１として、各時刻のバケット目標速度の比較を行う。

時刻ｔ２はフロント慣性が時刻ｔ１と同じであるが、車体前方が地面から浮き上がる方向の速度を持っているため、バケット目標速度をｖｂ１よりも大きくすることで押しつけ力を維持する。

時刻ｔ３はフロント慣性が時刻ｔ１と同じであるが、車体前方が地面に接近する方向の速度を持っているため、バケット目標速度をｖｂ１よりも小さくすることで押しつけ力を維持する。

時刻ｔ４はフロント慣性が時刻ｔ１より大きいが、車体が静止状態であるため、バケット目標速度をｖｂ１よりも小さいｖｂ２にすることで押しつけ力を維持する。

時刻ｔ５はフロント慣性が時刻ｔ４と同じであるが、車体前方が地面から浮き上がる方向の速度を持っているため、バケット目標速度をｖｂ２よりも大きくすることで押しつけ力を維持する。なお、図１１（ｃ）で時刻ｔ５のバケット目標速度はｖｂ１より小さい値となっているが、フロント慣性および車体ピッチ速度の大きさによっては、時刻ｔ５のバケット目標速度はｖｂ１よりも大きくなる場合がある。

時刻ｔ６はフロント慣性が時刻ｔ４と同じであるが、車体前方が地面に接近する方向の速度を持っているため、バケット目標速度をｖｂ２よりも小さくすることで押しつけ力を維持する。時刻ｔ６の組み合わせにおいてバケット目標速度は最小となる。

図１１では、説明を簡略化するため、各時刻ｔ１〜ｔ６における離散的な振る舞いを扱っているが、連続的に作業を行っている場合にも同じ考え方で制御を実施できる。

特に、車体ピッチ速度の周期とバケット速度を同期させると大きな押しつけ力が発生するため、フロント慣性が小さな姿勢の時に押しつけ力を確保するのに有効である。

ただし、フロント慣性が大きな姿勢で車体ピッチ速度の周期とバケット速度を同期させると、過剰な押しつけ力が発生し、フロント慣性が小さな姿勢時にバケット速度を最大にしても、同等の押しつけ力を発生させることができない恐れがある。このため、フロント距離Ｒが大きいときは、車体ピッチ速度の周期とバケット速度を同期させないようにバケット目標速度を決定することが望ましい。

なお、車体ピッチ速度の周期は車体速度検出装置１２の検出値を一定時間記憶し、その記録データを分析することで決定することができる。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、フロント距離Ｒに応じて決定したバケット６の目標速度が車体ピッチ速度に応じて補正されるため、車体がピッチ方向に振動している状態で転圧作業を行った場合でも、バケット６の押しつけ力を均一にできる。

本発明の第３の実施例に係る油圧ショベル１００について、図１２〜図１４を用いて説明する。

油圧ショベル１００の各シリンダ４ａ〜６ａの伸縮速度には上限があるため、バケット速度には物理的に上限が存在する。第２の実施例では、バケット目標速度の演算にこの上限値を鑑みていなかった。本実施例は、バケット速度の上限値を考慮した効率的な転圧作業の支援を可能とするものである。

本実施例に係るコントローラ１８の構成は第２の実施例（図１０に示す）と同様である。ただし、バケット目標速度決定部１８ａ２の演算内容に差異がある。

本実施例に係るバケット目標速度決定部１８ａ２の演算内容の一例を図１２を用いて説明する。

時刻ｔ７は、フロント慣性が最大Ｉｍａｘでかつ車体前方が地面に接近する速度が最大Ｍｍｉｎ（負値なので“ｍｉｎ”）の時の挙動を示している。この時に実現される押しつけ力をＦ１とする。

時刻ｔ８は、フロント慣性が最小Ｉｍｉｎでかつ車体前方が地面に接近する速度が最大Ｍｍｉｎの時の挙動を示している。この条件においては、バケット速度を時刻ｔ７よりも大きくしないと押しつけ力Ｆ１を維持することはできない。そこで、時刻ｔ８のバケット目標速度をフロント作業機１が実現し得るバケット速度の最大値ｖｍａｘにすることにより、押しつけ力Ｆ１を維持している。

時刻ｔ９，ｔ１０では、フロント慣性が最小Ｉｍｉｎであり、車体が静止しているか、車体前方が地面から浮き上がる方向の速度を持っているため、押しつけ力Ｆ１を確保するために必要なバケット目標速度は最大値ｖｍａｘよりも大きくなる。しかし、フロント作業機１は最大値ｖｍａｘよりも大きなバケット速度を実現できないため、時刻ｔ９，ｔ１０では押しつけ力Ｆ１を確保できない。

このように押しつけ力Ｆ１を確保するために必要なバケット目標速度がフロント作業機１が達成し得るバケット速度の最大値ｖｍａｘよりも大きい場合は、操作指示表示制御部１８ｂによって、オペレータに押しつけ力が不足することを通知するか、地面を叩く回数を増やすように促すことが望ましい。

もしくは、時刻ｔ７と同じフロント慣性、車体ピッチ速度である時刻ｔ１１のように、最小の押しつけ力Ｆ２までしか出ないようにバケット目標速度をｖｍｉｎに設定しても良い。ただし、この場合には仕上げ面の出来映えは良いが押しつけ力が不足するため、叩きつけを行う回数が増えることに注意が必要である。

図１２の制御内容を連続的にとらえるため、横軸をフロント距離Ｒとし、車体ピッチ速度が０のとき（車体のピッチ角が整地面に対して変化していないとき）と、フロント距離ＲがＲ１であるに姿勢おいて、車体ピッチ速度とバケット速度とを同期させた場合のフロント距離Ｒに対するバケット目標速度および押しつけ力の変化を図１３に示す。

図１３（ａ）は、フロント距離Ｒに対するバケット目標速度の変化を示す図である。車体ピッチ速度が０の時は、第１の実施例（図６（ｂ）に示す）と同様に、フロント距離Ｒの増加に応じてバケット目標速度が減少する「ピッチ速度なしｌ０」の制御特性を持つものとする。一方、車体ピッチ速度とバケット速度が同期した場合、車体重量分の押しつけ力が加算されるため、ピッチ速度なしの場合に比べて、これを補償するようにバケット目標速度をΔｖだけ増加させる。この時のバケット目標速度を「同期補償ｌ１」とする。

図１３（ｂ）は、ピッチ速度なしｌ０と同期補償ｌ１によって得られる押しつけ力の変化を示す図である。フロント距離ＲがＲ０よりも大きければ、ピッチ速度なしｌ０の特性にΔｖを追加したバケット目標速度を与えることで、押しつけ力Ｆ１を維持することができる。しかし、フロント距離ＲがＲ０よりも小さくなると油圧アクチュエータ４ａ〜６ａが実現できる最大速度ｖｍａｘよりもバケット目標速度を上げなくては押しつけ力Ｆ１を維持することができないことが分かる。このような状況においては一定の押しつけ力Ｆ１を維持できないため、高品質な仕上げ面を作成できなくなる。

以上の状況を回避するための制御演算フローを図１４に示す。

まず、ステップＦＣ１にて車体ピッチ速度が０のときの押しつけ力Ｆ２を設定する。図１４では、このＦ２の設定をフローチャートの初期に毎回実行する表記になっているが、事前にＦ２を設定しておいて、これを呼び出すような形にしても良い。

ステップＦＣ２にて、バケット位置演算部１８ａ１で演算したフロント距離と車体速度検出装置１２で計測した車体ピッチ速度を利用して、バケット速度と車体ピッチ速度が同期した場合に生じる押しつけ力Ｆ１を演算する。

ステップＦＣ３では、ステップＦＣ１，ＦＣ２で演算した押しつけ力Ｆ１，Ｆ２の差を取り、この差を補償するために必要なバケット速度の増分Δｖを演算する。

ステップＦＣ４では、車体ピッチ速度が０、つまり、Ｆ２の押しつけ力を生じる特性において、フロント姿勢が最小距離時、つまり、フロント慣性がＩｍｉｎの際のときに、演算されるバケット目標速度ｖ２に、ステップＦＣ３で演算した速度増Δｖを加算した値（ｖ２＋Δｖ）と最大速度ｖｍａｘの大小関係を比較する。

「ｖ２＋Δｖ≦ｖｍａｘ」であれば、押しつけ力Ｆ１を実現できるため、ステップＦＣ５に移行し、バケット接近速度と車体ピッチ速度との同期を許可する。

一方、「ｖ２＋Δｖ＞ｖｍａｘ」であると、速度上限により、押しつけ力Ｆ１を実現することができないため、ステップＦＣ６に移行し、バケット接近速度と車体ピッチ速度との同期を許可しない。

以上の制御フローをコントローラ１８の演算周期ごとに実行する。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第２の実施例と同様の効果が得られる。

また、フロント距離Ｒの全範囲で均一の押しつけ力Ｆ１を実現できる場合に限ってバケット接近速度と車体ピッチ速度との同期が許可されるため、フロント距離Ｒを最小距離から最大距離まで変化させて転圧作業を行う場合でもバケットの押しつけ力を均一にできる。

本発明の第４の実施例に係る油圧ショベルについて、図１５〜図１８を用いて説明する。

図１５に示すように、油圧ショベル１００の車体接地面と整地目標面とが異なる場合は、アーム５を巻き込んだ姿勢で転圧作業を行うことが多い。この場合、アーム５の長手方向と整地面の法線方向とが成す角度（以下、目標面角度と称する）θｓｕｒｆが小さくなることにより、バケット６を介して整地目標面に作用するアーム荷重が大きくなる。例えば、図１５（ｂ）の姿勢は、図１５（ａ）の姿勢よりもフロント距離Ｒが小さいが、目標面角度θｓｕｒｆが小さくなることにより大きな押しつけ力が得られる。従って、第１の実施例のようにフロント距離Ｒのみに基づいてバケット目標速度を決定した場合、目標面角度θｓｕｒｆが大きく変化させながら転圧作業を行った場合に、押しつけ力が不均一となるおそれがある。本実施例は、以上の課題を解消する手段を提供するものである。

図１６は、本実施例におけるコントローラ１８の処理機能を詳細に示す機能ブロック図である。図１５において、第２，３の実施例におけるコントローラ１８（図１０に示す）の構成に車体角度検出装置が追加されているが、姿勢センサに慣性計測装置を利用する場合、静止時の加速度から角度情報を検出することができるため、車体角度検出装置と車体速度検出装置とを車体慣性計測装置１２でまとめることができる。

本実施例におけるバケット位置演算部１８ａ１は、車体角度検出装置で検出された車体の傾きを含めて、バケット６の背面所定位置Ｂの座標を計算する。具体的には（１），（２）式で計算した座標に車体角度θｂｏｄｙを考慮した回転行列をかければよい。

また、バケット位置演算部１８ａ１にて、ブーム４とアーム５の回動支点とアーム５とバケット６の回転支点を結ぶ直線（アーム５の長手方向）と整地目標面に対する法線が成す角度θｓｕｒｆ（以降、目標面角度と呼ぶ）の演算も実施する。目標面角度θｓｕｒｆは図１５に示した通りであり、目標面角度θｓｕｒｆは絶対値で定義する。

本実施例におけるバケット目標速度決定部１８ａ２は、バケット目標速度の演算に目標面角度θｓｕｒｆを利用することに特徴がある。

まず、図１６を用いて、目標面角度θｓｕｒｆによる押しつけ力の変化を説明する。図１６（ａ）では、バケット位置演算部１８ａ１で計算されるフロント距離Ｒが大きいため、フロント慣性は大きくなる。ただし、目標面角度θｓｕｒｆも大きいため、整地時にアーム荷重を効率的に地面に伝えることができない。一方、図１６（ｂ）では、フロント距離Ｒが小さいためフロント慣性は小さいが、目標面角度θｓｕｒｆが０であるため、アーム荷重とバケット荷重で整地面を効率的に押し付けることができる。

以上を踏まえて、本実施例に係るバケット目標速度決定部１８ａ２の演算内容を図１７を用いて説明する。なお、説明の簡略化のため、図１７では車体ピッチ速度が０であると仮定するが、車体ピッチ速度が生じる場合は、第２または第３の実施例の演算と組み合わせても良い。

時刻ｔ１２はフロント慣性が小さく、かつ、目標面角度が大きい場合である。この時のバケット目標速度ｖｂ３を基準として、時刻ｔ１３〜ｔ１７でバケット目標速度がどう変化するかを説明する。

時刻ｔ１３はフロント慣性が時刻ｔ１２と同じであるが、目標面角度の絶対値が時刻ｔ１２よりも小さいため、バケット目標速度はｖｂ３よりも小さくなる。時刻ｔ１４は目標面角度が時刻ｔ１３よりもさらに小さくなるため、バケット目標速度も目標面角度が時刻ｔ１３よりも小さくなる。

時刻ｔ１５は目標面角度が時刻ｔ１２と同じであるが、フロント慣性が時刻ｔ１２よりも大きな場合である。この場合は、第１の実施形態の制御に従って、フロント慣性の増分に応じて、バケット目標速度が小さくなる。

時刻ｔ１６，ｔ１７は、時刻ｔ１５とフロント慣性が同じで、目標面角度のみが変化した場合である。フロント慣性が大きい場合も、目標面角度が小さくなるほど、バケット目標速度が大きくなる。

図１７の制御内容を連続的にとらえるために、図１３に示した整地目標面の転圧作業を例として、横軸をフロント距離Ｒとしたときのバケット目標速度の変化を図１８を用いて説明する。なお、図１８では、説明を簡略化するため、アーム５を巻込み姿勢（フルクラウド）から伸長姿勢（フルダンプ）姿勢へと変化させた場合のみを扱っている。

図１８（ａ）はフロント距離Ｒに応じたフロント慣性の変化を示している。慣性モーメントは回転軸（油圧ショベル１００の場合はブームフートピン）に対して、距離の２乗に比例するため曲線になることに注意されたい（図６〜図８では、説明を簡略化するため、一次関数の形で示した）。

図１８（ｂ）はフロント距離Ｒに応じたアーム荷重の影響の変化を示している。アーム荷重の影響は図１３（ｂ）に示したようにθｓｕｒｆが０で最大になり、この姿勢から離れるほどアーム荷重の影響は小さくなる。

図１８（ｃ）はフロント距離Ｒによらずに一定速度でバケット６の打ち付けを行った場合の押しつけ力の変化を示した図である。押しつけ力は、フロント慣性とアーム荷重の影響の両方を受けるため、図１８（ｃ）は図１８（ａ）と図１８（ｂ）の積のような形で与えることができる。

図１８（ｄ）は本発明のバケット目標速度決定部１８ａ２によって演算されるバケット目標速度の変化を示した図である。本発明はバケット目標速度の増減を、押しつけ力の変化に影響を与える項の増減と逆転させるように演算することでフロント距離Ｒによらずに一定の押しつけ力を実現するものであるので、図１８（ｄ）は図１８（ｃ）を反転させたような形状になることに特徴がある。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、アーム３の長手方向と整地目標面の法線方向とが成す角度（目標面角度）θｓｕｒｆが０に近づくほどバケット６が整地目標面に接近する速度が小さくなるように、フロント距離Ｒに応じて決定したバケット６の目標速度が補正される。これにより、目標面角度θｓｕｒｆを大きく変化させて転圧作業を行う場合でも、バケット６の押しつけ力を均一にすることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

１…フロント装置（フロント作業機）、２…上部旋回体、２ａ…旋回モータ（油圧アクチュエータ）、３…下部走行体、３ａ…走行モータ、４…ブーム（被駆動部材）、４ａ…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）、５…アーム（被駆動部材）、５ａ…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）、６…バケット（被駆動部材）、６ａ…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）、７…油圧ポンプ装置、８…コントロールバルブ、９…運転室、９ａ…操作レバー装置（操作装置）、９ｂ…操作レバー装置（操作装置）、１２…車体慣性計測装置、１４…ブーム慣性計測装置（ブーム姿勢検出装置）、１５…アーム慣性計測装置（アーム姿勢検出装置）、１６…バケット慣性計測装置（バケット姿勢検出装置）、１７…設計地形データ、１８…コントローラ（制御装置）、１８ａ…転圧作業支援制御部、１８ａ１…バケット位置演算部、１８ａ２…バケット目標速度決定部、１８ａ３…制御切替部、１８ｂ…操作指示表示制御部、１８ｂ１…操作指示決定部、１８ｂ２…操作指示表示装置、１８ｃ…油圧システム制御部、１８ｃ１…制御量決定部、１８ｃ２…作業機速度調整装置、１８ｄ…整地目標面設定部、１８ｅ…整地作業支援制御部、１８ｅ１…フロント目標速度決定部、１８ｆ…転圧作業判断部、１００…油圧ショベル。

Claims (4)

1. 車体と、前記車体の前方に取り付けられ、ブーム、アームおよびバケットを有する多関節型のフロント作業機と、前記ブームを駆動するブームシリンダ、前記アームを駆動するアームシリンダ、および前記バケットを駆動するバケットシリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、オペレータによって操作され、前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの各動作を指示する操作装置と、前記ブームの姿勢を検出するブーム姿勢検出装置と、前記アームの姿勢を検出するアーム姿勢検出装置と、前記バケットの姿勢を検出するバケット姿勢検出装置と、前記操作装置の操作に応じて前記複数の油圧アクチュエータの駆動を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、整地目標面を設定する整地目標面設定部と、前記バケットが前記整地目標面よりも下方に侵入しないような前記ブーム、前記アームおよび前記バケットの目標速度を決定するフロント目標速度決定部とを有し、
   前記制御装置は、整地作業時に、前記フロント目標速度決定部が決定した目標速度を達成するための前記操作装置の操作内容を前記オペレータに通知し、または、前記フロント目標速度決定部が決定した目標速度を達成するように前記複数の油圧アクチュエータの駆動を制御する建設機械において、
   前記制御装置は、
   転圧作業か否かを判断する転圧作業判断部と、
   前記ブームの回動支点から前記バケットの背面所定位置までの距離であるフロント距離を演算するバケット位置演算部と、
   前記フロント距離が大きくなるに従って前記バケットが前記整地目標面に接近する速度が小さくなるように前記バケットの目標速度を決定するバケット目標速度決定部とを有し、
   前記制御装置は、転圧作業時に、前記バケット目標速度決定部が決定した目標速度を達成するための前記操作装置の操作内容を前記オペレータに通知し、または、前記バケット目標速度決定部が決定した目標速度を達成するように前記複数の油圧アクチュエータを制御する
   ことを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記バケット位置演算部は、前記バケットが前記整地目標面に接触するときに前記アームの長手方向と前記整地目標面の法線方向とが成す角度である目標面角度を演算し、
   前記バケット目標速度決定部は、前記目標面角度が小さくなるほど前記バケットが前記整地目標面に接近する速度が小さくなるように、前記フロント距離に応じて決定した前記バケットの目標速度を補正する
   ことを特徴とする建設機械。
3. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記車体のピッチ速度を検出する車体速度検出装置を更に備え、
   前記バケット目標速度決定部は、前記フロント距離に応じて決定した前記バケットの目標速度を前記ピッチ速度に応じて補正する
   ことを特徴とする建設機械。
4. 請求項３に記載の建設機械において、
   前記制御装置は、前記バケット目標速度決定部で演算した目標速度が前記フロント作業機が達成し得るバケット速度の最大値よりも大きい場合に、前記整地目標面に対する押しつけ力が不足することを前記オペレータに通知する
   ことを特徴とする建設機械。

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