JPH10317417A - 多関節作業機械の姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多関節作業機械において、掘削作業を行いなが
ら簡単に作業範囲を変更することができ、能率的に掘削
作業を行えるようにする。 【解決手段】第２ブーム１ｂの角度θ２とアーム１ｃの
角度θ３を同じに保つようにアーム１ｃの操作レバー装
置５ｃの信号で第２ブーム１ｂの信号を作り、アームの
操作レバー装置５ｃのみの操作によって第２ブーム１ｂ
とアーム１ｃの姿勢を一定の関係で同時に操作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２ピースブームを
含む多関節型のフロント装置を備えた２ピースブーム型
作業機と呼ばれる多関節作業機械に係わり、特に２ピー
スブームの第２ブームの姿勢の制御を容易にし、フロン
ト装置の姿勢の変更を容易にする多関節作業機械の姿勢
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に油圧ショベルはフロント装置とし
て、ブーム、アーム、バケット、旋回という４つの作業
部材を有している。これらの作業部材はそれぞれのアク
チュエータにより駆動され、これらのアクチュエータは
操作レバーを動かすことによって操作される。

【０００３】ところで、１本のレバーは前後方向及び左
右方向に動かすことができ、同時に２つのアクチュエー
タを操作できるようになっている。このため、油圧ショ
ベルにおいてはフロント装置の３つのアクチュエータと
旋回モータの４つのアクチュエータを操作するために２
本の操作レバーを備えている。これらを手で操作するこ
とにより、４つのアクチュエータを同時に操作すること
ができる。

【０００４】また、走行を行うために右側及び左側の走
行装置を駆動する２つのアクチュエータも有している。
これらを操作するためにも２本の操作レバーを備えてお
り、これらを両手で操作するようになっている。しか
し、前述のようにフロントアクチュエータを操作してい
る場合は両手がふさがっているため、走行装置用のレバ
ー操作を行うことができない。このために、走行装置用
の操作レバーについてはペダルが併設されており、両足
でも２つの走行装置を操作できるようになっている。こ
のようにして、油圧ショベルにおいては、両手・両足を
使うことにより同時に６つのアクチュエータを操作して
作業を行うことができる。

【０００５】ところで、近年油圧ショベルの用途がさら
に拡大し、作業範囲の拡大等により一層の作業性向上を
求める声が強くなってきている。そのための新たなフロ
ント構造を備えた作業機械として２ピースブーム型の油
圧ショベルがある。これは、例えば実開昭６２−１７２
７５２公報に示すように、ブームを第１ブームと第２ブ
ームに分割し、第２ブームを第１ブームに対して上下方
向に回動可能に取り付け、この第２ブームを動かし、第
１ブームに対する第２ブームの取り付け角度を変更する
ことにより作業範囲を拡大できるようにしたものであ
る。

【０００６】この２ピースブーム型の油圧ショベルで
は、第２ブームのアクチュエータを操作するための新た
な操作装置が必要となる。しかし、第２ブーム用に新た
に操作装置を設けた場合、オペレータは合計７つのアク
チュエータを５個の操作装置で操作することになる。前
述のようにオペレータの両手・両足は従来の６つのアク
チュエータを操作するためにふさがっている。このた
め、この第２ブームのアクチュエータを操作するために
はどれか他のアクチュエータの操作を止め、それにより
空いた手もしくは足で第２ブーム用の操作装置を操作し
なければならない。

【０００７】ここで、第２ブーム用の操作装置として操
作レバーを採用した場合、この第２ブームを操作するた
めに他の１本の操作レバーの操作を止めることになり、
このため２つのアクチュエータが操作ができなくなる。
その結果、フロント装置の複合動作が不可能となり、そ
の作業能率が大幅に減少する。このため、実機の２ピー
スブーム型油圧ショベルでは、第２ブーム用の操作装置
として足で操作するペダルが採用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の２ピースブーム型の油圧ショベルにおいては、次の
ような問題がある。

【０００９】２ピースブーム型油圧ショベルでは、車体
から離れた遠方での掘削作業を行うときは、第１ブーム
と第２ブームとの角度が大きくなるように第２ブームを
操作し、合わせて第１ブームを下げることによりバケッ
トを車体から遠方に位置づけ、車体近辺での掘削作業を
行うときには、第１ブームと第２ブームとの角度が小さ
くなるように第２ブームを操作し、合わせて第１ブーム
を上げることによりバケットを車体近辺に位置づけ、こ
れによりフロント装置の姿勢を変え、車体遠方から近辺
まで作業範囲を変えている。

【００１０】ところで、第２ブームを用いて作業範囲を
変えるとき、作業能率を上げるためには作業範囲の変更
（第２ブームの操作）と掘削作業（第１ブームとアーム
の操作）を並行又は同時に行えるのが好ましい。しか
し、第２ブームの操作は上記のように足でペダルを操作
して行い、第１ブームとアームの操作は両手で操作レバ
ーを操作して行うので、これらの操作を同時に行うこと
は両手の操作レバーと足のペダルを同時に動かして３つ
のアクチュエータを複合操作することであり、これは熟
練を要する非常に難しい操作である。このため、従来
は、作業範囲を変更するための第２ブームの操作は掘削
作業を中断して単独で行っており、能率的に掘削作業を
行うことができなかった。

【００１１】本発明の目的は、掘削作業を行いながら簡
単に作業範囲を変更することができ、能率的に掘削作業
を行える多関節作業機械の姿勢制御装置を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するために、本発明は、上部旋回
体に回動可能に取り付けられた第１ブーム、この第１ブ
ームに回動可能に取り付けられた第２ブーム、この第２
ブームに回動可能に取り付けられたアームを含む複数の
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しフロント装置を動
かす複数の油圧アクチュエータと、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流
量制御弁と、前記フロント装置の動作を指示する操作手
段とを備えた多関節作業機械の姿勢制御装置において、
（ａ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出す
る状態量検出手段と、（ｂ）少なくともこの状態量検出
手段で検出した状態量に基づき、前記第２ブームの姿勢
とアームの姿勢が一定の関係に保たれるよう少なくとも
第２ブームの指令信号を演算し、第２ブームの流量制御
弁に出力する演算制御手段とを備えるものとする。

【００１３】このように第２ブームの姿勢とアームの姿
勢が一定の関係に保たれるように指令信号を演算し、出
力することにより、掘削作業を行うべくアームを手前に
引けば、これに応じて第２ブームの姿勢も変わり、掘削
作業を行いながら簡単に作業範囲を変更することができ
る。

【００１４】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記演算制御手段は、第２ブームに対するアームの角度
が増減すると、これに応じて第１ブームに対する第２ブ
ームの角度も増減するよう前記指令信号を演算する。

【００１５】これによりアームを手前に引きアームの角
度が小さくなれば、これに応じて第２ブームの角度も小
さくなるので、車体近辺（手前）の作業範囲で掘削作業
に適したアームの姿勢が得られる。

【００１６】（３）また、上記（１）において、好まし
くは、前記演算制御手段は、第２ブームに対するアーム
の角度と第１ブームに対する第２ブームの角度がほぼ同
じに保たれるよう前記指令信号を演算する。

【００１７】これによりアームを手前に引きアームの角
度が小さくなれば、これに応じて第２ブームの角度も小
さくなるので、車体近辺の作業範囲で掘削作業に適した
アームの姿勢が得られる。

【００１８】（４）更に、上記（１）において、好まし
くは、前記演算制御手段は、更に第１ブームの姿勢と第
２ブームの姿勢が一定の関係に保たれるよう前記指令信
号を演算する。

【００１９】このように第１ブームの姿勢と第２ブーム
の姿勢が一定の関係に保たれるように指令信号を演算
し、出力することにより、第１ブームを上げれば、これ
に応じて第２ブームの姿勢も変わるので、積み込み作業
等上方への作業も容易に行えるようになる。

【００２０】（５）上記（４）において、好ましくは、
前記演算制御手段は、第１ブームの上げエンド付近で上
部旋回体に対する第１ブームの角度が増減すると、これ
に応じて第１ブームに対する第２ブームの角度が増減す
るよう前記指令信号を演算する。

【００２１】これにより第１ブームを上げれば、その上
げエンド付近で第２ブームの角度も大きくなり、アーム
先端が上方に移動するので、車体近辺での掘削作業後、
積み込み作業に適した姿勢が容易に得られる。

【００２２】（６）また、上記（１）において、好まし
くは、前記演算制御手段は、前記状態量検出手段で検出
した状態量に基づくフィードバック制御の演算により前
記指令信号を演算する。

【００２３】このようにフィードバック制御の演算を行
うことにより、再現性のある姿勢制御を行える。

【００２４】（７）更に、上記（１）において、好まし
くは、前記演算制御手段は、前記状態量検出手段で検出
した状態量に基づく位置フィードバック制御の演算と前
記操作手段の信号に基づくフィードフォワード制御の演
算とにより前記指令信号を演算する。

【００２５】このようにフィードフォワード制御の演算
を加えることにより、応答性に優れた姿勢制御が行え
る。

【００２６】（８）また、上記（１）において、好まし
くは、前記操作手段は、前記第１ブームの動作を指示す
る操作レバー装置と、前記アームの動作を指示する操作
レバー装置とを有し、前記演算制御手段は前記第２ブー
ムの指令信号のみを演算する。

【００２７】これにより通常の操作レバー装置を有する
２ピースブーム型の油圧ショベルにおいて、掘削作業を
行いながら簡単に作業範囲を変更することができる。

【００２８】（９）上記（１）において、前記操作手段
は、前記フロント装置の所定部位の移動ベクトルを指示
する操作レバー装置を有するものであってもよく、この
場合、前記演算制御手段は、この操作レバー装置の信号
を入力し、更に前記第１ブーム及びアームの指令信号を
演算する。

【００２９】これにより移動ベクトルを指示する操作レ
バー装置を用いてフロント装置の軌跡制御が可能となる
と共に、この軌跡制御を行う２ピースブーム型の油圧シ
ョベルにおいて、掘削作業を行いながら簡単に作業範囲
を変更することができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態を図１〜
図５により説明する。

【００３１】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第１ブームシリンダ３ａ、第２ブー
ムシリンダ３ｂ、アームシリンダ３ｃ、バケットシリン
ダ３ｄを含む複数の油圧アクチュエータと、油圧アクチ
ュエータ３ａ〜３ｄに供給される圧油の流量を制御する
複数の流量制御弁４ａ〜４ｄとを有している。流量制御
弁４ａ〜４ｄはそれぞれ電磁駆動部９ａ〜９ｄを有する
電磁切換弁である。

【００３２】また、油圧ショベルは、図２に示すよう
に、上下方向にそれぞれ回動する第１ブーム１ａ、第２
ブーム１ｂ、アーム１ｃ及びバケット１ｄからなる多関
節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｅ、下部走行
体１ｆからなる車体１Ｂとで構成される２ピースブーム
型の油圧ショベルであり、フロント装置１Ａの第１ブー
ム１ａの基端は上部旋回体１ｅの前部に上下方向に回動
可能に支持されている。また、第１ブーム１ａ、第２ブ
ーム１ｂ、アーム１ｃ及びバケット１ｄは、それぞれ、
第１ブームシリンダ３ａ、第２ブームシリンダ３ｂ、ア
ームシリンダ３ｃ、バケットシリンダ３ｄにより駆動さ
れる。

【００３３】以上のような油圧ショベルに本実施形態の
姿勢制御装置が設けられている。この姿勢制御装置は、
第１ブーム１ａ、アーム１ｃ、バケット１ｄの動作を各
々指示する操作レバー装置５ａ，５ｃ，５ｄと、第２ブ
ーム１ｂ、アーム１ｃのそれぞれ回動支点に設けられ、
フロント装置１Ａの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６ｂ，６ｃと、角度検出
器６ｂ，６ｃの信号とアーム用の操作レバー装置５ｃの
信号を入力し、フロント装置１Ａの姿勢制御を行うため
の電気信号を出力する制御ユニット７とで構成されてい
る。

【００３４】制御ユニット７における処理内容を図３〜
図５により説明する。

【００３５】本実施形態では、図３に示すように、第１
ブーム１ａに対する第２ブーム１ｂの角度θ２（以下、
単に第２ブーム１ｂの角度θ２と言う）と第２ブーム１
ｂに対するアーム１ｃの角度θ３（以下、単にアーム１
ｃの角度θ３と言う）を同じに保つことにより、アーム
１ｃの角度θ３が増減すると、これに応じて第２ブーム
１ｂの角度θ２を増減し、アーム１ｃの操作レバー装置
５ｃのみの操作によって第２ブーム１ｂとアーム１ｃの
姿勢を一定の関係で同時に操作するものである。

【００３６】図４に制御ユニット７の処理内容を機能ブ
ロック図で示し、図５に制御ユニット７の処理内容をフ
ローチャートで示す。以下、図５に示すフローチャート
の手順に従い処理内容を説明する。

【００３７】図５において、はじめに手順１００におい
て、第２ブーム１ｂ・アーム１ｃの角度θ２，θ３を対
応する角度検出器６ｂ，６ｃより読み込む。

【００３８】次に手順１１０において、アーム１ｃの操
作信号ｕ３を対応する操作レバー装置５ｃより読み込
む。この操作信号ｕ３はアームシリンダ３ｃの目標シリ
ンダ速度に相当するものとなる。

【００３９】次に手順１２０において、図４に示すブロ
ック７０ａにより、アームシリンダ３ｃの目標シリンダ
速度ｕ３をアーム１ｃの目標角度速度ｖ３に変換する。
この変換は、アーム１ｃの角度θ３を用い、アームシリ
ンダ３ｃとアーム１ｃのリンク構成に基づいた幾何学演
算により行う。

【００４０】次に手順１３０において、第２ブームのフ
ィードフォワード制御信号ｖ２ffを、 ｖ２ff＝ｖ３ により計算する。

【００４１】次に手順１４０において、図４に示す加算
部７０ｂ及びブロック７０ｃにより、アーム１ｃの角度
θ３と第２ブームの実際の角度θ２との偏差に制御ゲイ
ンＫ２を乗じ、 ｖ２fb＝Ｋ２・（θ３−θ２） と第２ブーム１ｂのフィードバック制御信号ｖ２fbを求
める。

【００４２】次に手順１５０において、図４に示す加算
部７０ｄにより、フィードフォーワード制御信号ｖ２ff
とフィードバック制御信号ｖ２fbとを加算して、 ｖ２＝ｖ２ff＋ｖ２fb と第２ブーム制御信号ｖ２を求める。この第２ブーム制
御信号ｖ２は第２ブーム１ｂの目標角速度に相当するも
のとなる。

【００４３】次に手順１６０において、図４に示すブロ
ック７０ｅにより、第２ブーム１ｂの目標角速度ｖ２を
第２ブームシリンダ３ｂの目標シリンダ速度ｕ２に変換
し、これを第２ブーム１ｂの指令値とする。この変換
は、第２ブーム１ｂの角度θ２を用い、第２ブームシリ
ンダ３ｂと第２ブーム１ｂのリンク構成に基づいた逆幾
何学演算により行う。

【００４４】次に手順１８０において、この指令値ｕ２
を第２ブーム１ｂの流量制御弁４ｂの電磁駆動部９ｂに
出力し、はじめに戻る。

【００４５】以上のように構成した本実施形態では、ア
ーム１ｃの姿勢変化に対応して第２ブーム１ｂの姿勢が
決定されるので、フロント装置の自由度４より１つ少な
い入力数３でフロント装置１Ａの操作が行える。

【００４６】また、アーム１ｃの角度θ３と第２ブーム
１ｂの角度θ２が同じに保たれるようにアーム１ｃの姿
勢変化に対応して第２ブーム１ｂの姿勢が決定されるの
で、掘削作業を行いながら簡単に作業範囲を変更するこ
とができる。

【００４７】すなわち、車体１Ｂから離れた遠方で掘削
作業を行うべくアーム１ｃを前方に伸ばすと、アーム１
ｃの角度θ３の増加に比例して第２ブーム１ｂの角度θ
２も増加し、合わせて第１ブーム１ａを下げることによ
り、図３に細線で示すようにバケット１ｄが車体１Ｂか
ら遠方に位置づけられ、遠方での掘削作業を行うことが
可能となる。逆に、車体近辺での掘削作業を行うべくア
ーム１ｃを手前に引くと、アーム１ｃの角度θ３の減少
に比例して第２ブーム１ｂの角度θ２も減少し、合わせ
て第１ブーム１ａを上げることにより図３に太線で示す
ようにバケット１ｄが車体近辺に位置づけられる。

【００４８】ここで、アームを手前に引いたとき、従来
のモノブームを用いた油圧ショベルでは、図６に示すよ
うにアームの地面に対する角度φは小さくなり、アーム
は掘削作業に適さない姿勢となる。これに対して、本発
明では、図７に示すように第２ブームの角度θ２が小さ
くなるので、アームの地面に対する角度φは大きくな
り、アームは掘削に適した姿勢となる。すなわち、車体
近辺での手前の作業領域においては１クラス下のマシン
の作業性が得られる。

【００４９】以上のように本実施形態によれば、掘削作
業を行いながら難しい複合操作をすること無しに簡単に
作業範囲を変更することができ、２ピースブーム型の油
圧ショベルのフロント装置のリーチを最大限に利用し
て、能率的に掘削作業を行うことができる。

【００５０】本発明の第２の実施形態を図８〜図１４に
より説明する。図中、図１、図２等に示す部材と同等の
部材には同じ符号を付している。本実施形態は、操作レ
バー装置としてフロント装置先端の動作方向をベクトル
教示するものに本発明を適用したものである。

【００５１】図８及び図９において、本発明が適用され
る油圧ショベルは、操作レバー装置として、アーム先端
の移動ベクトル（速度ベクトル）と回転動作を教示する
操作レバー装置８を有し、この操作レバー装置８の信号
は軌跡制御を行うための電気信号を出力する制御ユニッ
ト７Ａに入力される。

【００５２】操作レバー装置８は１本の操作レバー８ａ
を有し、図１０に示すように、この操作レバー８ａを倒
すことでアーム先端の移動ベクトル（速度ベクトル）を
教示し、操作レバー８ａを回転させることでバケット１
ｄの回転動作（角速度ベクトル）を教示する。操作レバ
ー装置８の本体８ｂ内には、例えば操作レバー８ａのＸ
方向の倒れ量、Ｙ方向の倒れ量をそれぞれ検出するポテ
ンショメータ及び操作レバーの回転角を検出するポテン
ショメータが内蔵され、操作レバー８ａのＸ方向の倒れ
量はアーム先端のＸ方向の教示速度成分Ｕxとして検出
され、操作レバー８ａのＹ方向の倒れ量はアーム先端の
Ｙ方向の教示速度成分Ｕyとして検出され、操作レバー
の回転角はバケット１ｄの回転動作の教示角速度Ｕzと
して検出され、これらの教示速度成分Ｕx，Ｕy及び回転
の教示角速度Ｕzはそれぞれアーム先端の操作信号及び
バケットの操作信号として制御ユニット７Ａに入力され
る。

【００５３】本実施形態の姿勢制御装置はこのような油
圧ショベルに設けられるもので、第１の実施形態で設け
られた角度検出器６ｂ，６ｃに加え、第１ブーム１ａ、
バケット１ｄのそれぞれ回動支点に設けられ、フロント
装置１Ａの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６ａ，６ｄを更に有し、これらの
角度検出器６ａ，６ｄの信号も制御ユニット７Ａに入力
される。

【００５４】制御ユニット７Ａにおける処理内容を図１
１〜図１４により説明する。

【００５５】本実施形態では、図１１に示すように、軌
跡制御において第２ブーム１ｂの角度θ２とアーム１ｃ
の角度θ３を同じに保つことにより、アーム１ｃの角度
θ３が増減すると、これに応じて第２ブーム１ｂの角度
θ２を増減し、操作レバー装置８の教示に基づく目標軌
跡ｒ（図１２参照）に対してフロント装置１Ａの姿勢を
１つに決めるものである。

【００５６】図１２に制御ユニット７Ａの処理内容を機
能ブロック図で示し、図１３に制御ユニット７Ａの処理
内容をフローチャートで示す。以下、図１３に示すフロ
ーチャートの手順に従い処理内容を説明する。

【００５７】図１２において、はじめに手順２００にお
いて、第１ブーム１ａ・第２ブーム１ｂ・アーム１ｃ・
バケット１ｄの角度θ１〜θ４を対応する角度検出器６
ａ〜６ｄより読み込む。ここで、第２ブームの角度θ２
及びアームの角度θ３は前述した通りであり、第１ブー
ム１ａの角度θ１は上部旋回対１ｅに対する（水平方向
に対する）第１ブーム１ａの角度であり、バケット１ｄ
の角度θ４はアーム１ｃに対するバケット１ｄの角度で
ある。

【００５８】次に手順２１０において、アーム先端の操
作信号Ｕx，Ｕy及びバケットの操作信号Ｕzを操作レバ
ー装置８より読み込む。

【００５９】次に手順２２０において、図１２に示すブ
ロック７０ｈにより、アーム先端の操作信号Ｕx，Ｕyを
座標変換して教示されたアーム先端の速度ベクトルａを
求め、図１２に示すブロック７０ｉにより、速度ベクト
ルａにゲインＫffを乗じて、アーム先端が操作信号Ｕ
x，Ｕyに比例して動作するようなフィードフォワード制
御ベクトルＵffを、 Ｕff＝Ｋff・ａ と計算する。

【００６０】次に手順２３０において、図１２に示すブ
ロック７０ｊにより、図１４に示すようなアーム先端の
目標軌跡ｒとアーム先端の現在点との偏差ｄを計算し、
ブロック７０ｋにより、偏差ｄにゲインＫｆｂを乗じ
て、アーム先端が目標軌跡ｒに沿って移動するようなフ
ィードバック制御ベクトルＵfbを、 Ｕfb＝Ｋfb・ｄ と計算する。

【００６１】ここで、ブロック７０ｊでは、アーム先端
の操作信号Ｕx，Ｕyから求めたアーム先端の教示速度ベ
クトルａと第１ブームの角度θ１、第２ブームの角度θ
２、アームの角度θ３を用いて目標軌跡ｒを求めると共
に、同角度θ１〜θ３を用いてアーム先端の現在点の位
置を求め、目標軌跡ｒとアーム先端の現在点との距離を
偏差ｄとして求める。

【００６２】次に手順２４０において、図１２に示す加
算部７０ｌにより、手順２２０で求めたフィードフォワ
ード制御ベクトルＵffと手順２３０で求めたフィードバ
ック制御ベクトルＵfbを、 Ｖ＝Ｕff＋Ｕｆｂ と加算して、図１４に示すようなアーム先端制御ベクト
ルＶを求める。

【００６３】次に手順２５０において、図１２のブロッ
ク７０ｍにより、上記のように第２ブーム１ｂの角度θ
２とアーム１ｃの角度θ３の関係が一定に保たれる（第
２ブーム１ｂの角度θ２とアーム１ｃの角度θ３が同じ
に保たれる）という条件を与え、この条件下でアーム先
端制御ベクトルＶを得るための第１ブームシリンダ３
ａ、第２ブームシリンダ３ｂ、アームシリンダ３ｃの目
標シリンダ速度ｕ１，ｕ２，ｕ３を計算し、これを第１
ブーム、第２ブーム、アームの指令値とする。この計算
は、第１ブーム１ａ・第２ブーム１ｂ・アーム１ｃの角
度θ１〜θ３を用い、フロント装置１Ａの幾何学演算に
より行う。

【００６４】次に手順２６０において、図１２に示すブ
ロック７ｗ，７ｘ，７ｙにより、目標シリンダ速度ｕ１
〜ｕ３をバケット１ｄの角速度ｖ１〜ｖ３に変換する。
これらの変換は、それぞれ、第１ブームの角度θ１、第
２ブームの角度θ２、アームの角度θ３を用い、関連す
るリンク構成に基づいた幾何学演算より行う。

【００６５】次に手順２７０において、図１２に示すブ
ロック７０ｑにより、バケットの操作信号Ｕｚとバケッ
ト１ｄの角速度ｖ１〜ｖ３を用いてバケットのフィード
フォワード制御信号Ｖzffを、 Ｖzff＝Ｕz−（ｖ１＋ｖ２＋Ｖ３） により計算する。

【００６６】次に手順２７１において、図１２に示すブ
ロック７０ｒにより、バケットの操作信号Ｕzを積分し
てバケット角度の目標値Ｚrを求め、図１２に示すブロ
ック７０ｓにより、角度θ１〜θ４を用いてバケット角
度の実測値Ｚ（絶対角度）を計算し、図１２に示す加算
部７０ｔ及びブロック７０ｕにより、図１４に示すよう
な目標値Ｚrと実測値Ｚとのずれからバケットのフィー
ドバック制御信号Ｖzfbを、 Ｖzfb＝Ｋzfb・（Ｚr−Ｚ） により計算する。

【００６７】次に手順２７２において、これらのフィー
ドフォワード制御信号Ｖzffとフィードバック制御信号
Ｖzfbから全体としての目標バケット角速度Ｖzを、 Ｖz＝Ｖzff＋Ｖzfb により計算する。図１２では、この計算はブロック７０
ｑで上記手順２７０の計算と一緒に行っている。

【００６８】次に手順２８０において、図１２に示すブ
ロック７０ｖにより、バケットの目標角速度Ｖzをバケ
ットシリンダ３ｄの目標シリンダ速度ｕ４に変換し、こ
れをバケット１ｄの指令値とする。この変換は、バケッ
トとシリンダ３ｄとバケット１ｄのリンク構成に基づい
た逆幾何学演算により行う。

【００６９】次に手順２９０において、指令値ｕ１〜ｕ
４を流量制御弁４ａ〜４ｄの電磁駆動部９ａ〜９ｄに出
力し、はじめに戻る。

【００７０】以上のように構成した本実施形態では、ア
ーム先端の軌跡制御に関して、第２ブーム１ｂの角度θ
２とアーム１ｃの角度θ３を同じに保つことにより、ア
ーム１ｃの姿勢変化に対応して第２ブーム１ｂの姿勢を
決定し、目標軌跡ｒに対して第１ブーム・第２ブーム・
アームに関するフロント装置の姿勢を１つに決めること
ができる。

【００７１】また、アーム１ｃの角度θ３と第２ブーム
１ｂの角度θ２が同じに保たれるようにアーム１ｃの姿
勢変化に対応して第２ブーム１ｂの姿勢が決定されるの
で、第１の実施形態と同様、掘削作業を行いながら簡単
に作業範囲を変更することができ、２ピースブーム型の
油圧ショベルのフロント装置のリーチを最大限に利用し
て、能率的に掘削作業を行うことができる。

【００７２】本発明の第３の実施形態を図１５〜図１９
により説明する。図中、図１、図２等に示す部材と同等
の部材には同じ符号を付している。

【００７３】図１５において、本実施形態の姿勢制御装
置は第１ブーム１ａ、第２ブーム１ｂ、アーム１ｃのそ
れぞれ回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの姿勢に
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６ａ，６ｂ，６ｃを有し、これらの角度検出器６
ａ，６ｂ，６ｃの信号が制御ユニット７Ｂに入力され
る。

【００７４】制御ユニット７Ｂにおける処理内容を図１
６〜図１９により説明する。

【００７５】本実施形態では、図１６に示すように、第
１の実施形態と同様、第２ブーム１ｂの角度θ２とアー
ム１ｃの角度θ３を一定の関係に保つと共に、図１７に
示すように、第１ブーム１ａの上げエンド付近におい
て、第１ブーム１ａの角度θ１と第２ブーム１ｂの角度
θ２を一定の関係に保つことにより、第１ブーム１ａ、
アーム１ｃに対応する操作レバー装置５ａ，５ｃの操作
によって第２ブームを同時に操作するものである。

【００７６】図１８に制御ユニット７Ｂの処理内容を機
能ブロック図で示し、図１９に制御ユニット７Ｂの処理
内容をフローチャートで示す。以下、図１９に示すフロ
ーチャートの手順に従い処理内容を説明する。

【００７７】図１９において、はじめに手順３００にお
いて、第１ブーム１ａ・第２ブーム１ｂ・アーム１ｃの
角度θ１〜θ３を対応する角度検出器６ａ〜６ｃより読
み込む。

【００７８】次に手順３１０において、図１８に示す第
１ブームの姿勢に基づく第２ブームの姿勢の演算部７ａ
により、目標角度θ２ｒ１を求める。ここで、演算部７
ａには、第１ブームの上げエンド付近において、第１ブ
ームの角度θ１が増加すると、これに応じて第２ブーム
の目標角度θ２ｒ１が増加するように角度θ１と目標角
度θ２ｒ１の関係が設定されている。

【００７９】次に手順３２０において、図１８に示すア
ームの姿勢に基づく第２ブームの姿勢の演算部７ｂによ
り、目標角度θ２ｒ３を求める。演算部７ｂには、アー
ムの角度θ３が増加すると、これに応じて第２ブームの
目標角度θ２ｒ３が増加するように角度θ３と目標角度
θ２ｒ３の関係が設定されている。

【００８０】次に手順３３０において、図１８に示す最
大値演算部７ｃにより、これら目標角度の最大値θ２ｒ
を求め、第２ブームの目標角度とする。

【００８１】次に手順３４０において、図１８に示す加
算部７ｄと乗算部７ｅにより、第２ブームの目標角度θ
２ｒと測定した角度θ２の差にゲインを乗じ、第２ブー
ムの指令値ｕ２を求める。

【００８２】次に手順１５０において、この指令値ｕ２
を第２ブーム１ｂの流量制御弁４ｂの電磁駆動部９ｂに
出力し、はじめに戻る。

【００８３】以上のように構成した本実施形態では、第
１の実施形態と同様、アーム１ｃの姿勢変化に対応して
第２ブーム１ｂの姿勢が決定されるので、フロント装置
の自由度４より１つ少ない入力数３でフロント装置１Ａ
の操作が行え、またアーム１ｃの角度θ３に応じて第２
ブーム１ｂの角度θ２が決定されるので、掘削作業を行
いながら簡単に作業範囲を変更することができる。

【００８４】また、第１ブーム１ａの上げエンド付近で
第１ブームを上げれば、これに応じて第２ブームの角度
θ２も大きくなり、バケット１ｄが上方に移動するの
で、車体近辺での掘削作業後、積み込み作業に適した姿
勢を容易に得ることができる。

【００８５】本発明の第４の実施形態を図２０〜図２４
により説明する。図中、図１、図２、図１８等に示す部
材及び機能と同等のものには同じ符号を付している。本
実施形態は、操作レバー装置として、第２の実施形態の
操作レバー装置と異なるものを用いてフロント装置先端
の動作方向をベクトル教示するものを用いた場合であっ
て、第３の実施形態と同様に姿勢制御するものである。

【００８６】図２０において、本発明が適用される油圧
ショベルは、操作レバー装置として、バケット先端の移
動ベクトル（速度ベクトル）のＸ方向成分を教示する操
作レバー装置８０ａと、バケット先端の移動ベクトル
（速度ベクトル）のＹ方向成分を教示する操作レバー装
置８０ｃと、バケット１ｄの回転動作を教示する操作レ
バー装置８０ｄとを有し、これらの操作レバー装置８０
ａ，８０ｃ，８０ｄの信号は軌跡制御を行うための電気
信号を出力する制御ユニット７Ｃに入力される。

【００８７】本実施形態の姿勢制御装置はこのような油
圧ショベルに設けられるもので、第２の実施形態と同
様、第１ブーム１ａ、第２ブーム１ｂ、アーム１ｃ、バ
ケット１ｄのそれぞれ回動支点に設けられ、フロント装
置１Ａの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６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを有し、こ
れらの角度検出器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの信号も制御
ユニット７Ｃに入力される。

【００８８】制御ユニット７Ｃにおける処理内容を図２
１〜図２４により説明する。

【００８９】本実施形態では、図２１、図２２に示すよ
うに、第２の実施形態と同様な軌跡制御において、第３
の実施形態と同様に第２ブーム１ｂの角度θ２を第１ブ
ーム１ａの角度θ１とアーム１ｃの角度θ３から決定す
ることにより、目標軌跡ｒ（図１２参照）に対してフロ
ント装置１Ａの姿勢を１つに決めるものである。ただ
し、本実施形態では、上記したように、操作レバー装置
は速度成分を教示する２つの操作レバー装置８０ａ，８
０ｃを用い、移動ベクトルの教示位置はバケット先端で
ある点で、第２の実施形態と異なる。

【００９０】図２３に制御ユニット７Ｃの処理内容を機
能ブロック図で示し、図２４に制御ユニット７Ｃの処理
内容をフローチャートで示す。以下、図２４に示すフロ
ーチャートの手順に従い処理内容を説明する。

【００９１】図２４において、はじめに手順４００にお
いて、第１ブーム１ａ・第２ブーム１ｂ・アーム１ｃ・
バケット１ｄの角度θ１〜θ４を対応する角度検出器６
ａ〜６ｄより読み込む。

【００９２】次に手順４０２において、操作レバー装置
５ａ、５ｃにより教示されたバケット先端の移動ベクト
ル（速度ベクトル）のＸ方向成分ｕｘ，Ｙ方向成分ｕｙ
を読み込む。

【００９３】次に手順４０３において、図２３に示す積
算演算部７ｆ，７ｇにより、バケット先端の目標位置Ｘ
ｒ，Ｙｒを求める。

【００９４】次に手順４０４において、図２３に示す座
標変換部７ｈにより、第１ブーム１ａの目標角度θ１ｒ
とアーム１ｃの目標角度θ３ｒを求める。この計算は、
第２ブームの角度θ２、バケットの角度θ４を用い、関
連するリンク構成に基づいた幾何学演算により行う。

【００９５】次に手順４０５において、図２３に示す加
算部７ｉ，７ｊと乗算部７ｋ，７ｌにより、各目標角度
θ１ｒ，θ３ｒと測定角度θ１，θ３の差にゲインを乗
じ、第１ブームの指令値ｕ１及びアームの指令値ｕ３を
求める。

【００９６】次に手順４１０において、図２３に示す第
１ブームの姿勢に基づく第２ブームの姿勢の演算部７ａ
により、目標角度θ２ｒ１をを求める。

【００９７】次に手順４２０において、図２３に示すア
ームの姿勢に基づく第２ブームの姿勢の演算部７ｂによ
り、目標角度θ２ｒ３を求める。

【００９８】次に手順４３０において、図２３に示す最
大値演算部７ｃにより、これら目標角度の最大値θ２ｒ
を求め、第２ブームの目標角度とする。

【００９９】次に手順４４０において、図２３に示す加
算部７ｄと乗算部７ｅにより、第２ブームの目標角度θ
２ｒと測定した第２ブームの角度θ２の差にゲインを乗
じ、第２ブームの指令値ｕ２を求める。

【０１００】次に手順４５０において、指令値ｕ１，ｕ
２，ｕ３を流量制御弁４ａ〜４ｃの電磁駆動部９ａ〜９
ｃに出力し、はじめに戻る。

【０１０１】以上のように構成した本実施形態では、バ
ケット先端の軌跡制御に関して、第２ブーム１ｂの角度
θ２をアーム１ｃの角度θ３と第１ブーム１ａの角度θ
１とで決めることにより、目標軌跡ｒに対して第１ブー
ム・第２ブーム・アームに関するフロント装置の姿勢を
１つに決めることができる。

【０１０２】また、アーム１ｃの角度θ３に応じて第２
ブーム１ｂの角度θ２が決まり、かつ第１ブーム１ａの
上げエンド付近において、第１ブーム１ａを上げれば、
これに応じて第２ブーム１ｂの角度θ２も大きくなるの
で、第１の実施形態と同様、掘削作業を行いながら簡単
に作業範囲を変更することができ、能率的に掘削作業を
行うことができると共に、第３の実施形態と同様、車体
近辺での掘削作業後、第１ブームを上げることで積み込
み作業に適した姿勢を容易に得ることができる。

【０１０３】なお、以上の実施形態で、フロント装置の
姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段として角
度検出器６ａ〜６ｄを用いたが、第１ブームシリンダ、
第２ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリン
ダのストローク位置を検出するストローク計を用いても
良い。

【０１０４】

【発明の効果】本発明によれば、第２ブームの姿勢とア
ームの姿勢が一定の関係になるように制御されるので、
掘削作業を行いながら難しい複合操作をすること無しに
簡単に作業範囲を変更することができ、２ピースブーム
型の油圧ショベルのフロント装置のリーチを最大限に利
用し、能率的に掘削作業を行うことができる。

【０１０５】また、本発明によれば、第１ブームの姿勢
と第２ブームの姿勢も一定の関係になるように制御され
るので、車体近辺での掘削作業後、第１ブームを上げる
ことで積み込み作業に適した姿勢を容易に得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による２ピースブーム
型の油圧ショベルの姿勢制御装置をその油圧回路と共に
示す図である。

【図２】第１の実施形態に係わる２ピースブーム型の油
圧ショベルの外観を示す図である。

【図３】第１の実施形態の姿勢制御の動作を説明する図
である。

【図４】制御ユニットの処理内容を示す機能ブロック図
である。

【図５】制御ユニットの処理内容を示すフローチャート
である。

【図６】従来のモノブーム型の油圧ショベルの手前の作
業領域での掘削姿勢を説明する図である。

【図７】本発明の２ピースブーム型の油圧ショベルの手
前の作業領域での掘削姿勢を説明する図である。

【図８】本発明の第２の実施形態による２ピースブーム
型の油圧ショベルの姿勢制御装置を内蔵した軌跡制御装
置をその油圧回路と共に示す図である。

【図９】第２の実施形態に係わる２ピースブーム型の油
圧ショベルの外観を示す図である。

【図１０】第２の実施形態に係わる２ピースブーム型の
油圧ショベルにおける軌跡制御の操作入力とそれに対応
するバケットの動作との関係を説明する図である。

【図１１】第２の実施形態の姿勢制御の動作を説明する
図である。

【図１２】制御ユニットの処理内容を示す機能ブロック
図である。

【図１３】制御ユニットの処理内容を示すフローチャー
トである。

【図１４】第２の実施形態による軌跡制御の制御方法を
説明する図である。

【図１５】本発明の第３の実施形態による２ピースブー
ム型の油圧ショベルの姿勢制御装置をその油圧回路と共
に示す図である。

【図１６】第３の実施形態の姿勢制御の動作を説明する
図である。

【図１７】第３の実施形態の姿勢制御の動作を説明する
図である。

【図１８】制御ユニットの処理内容を示す機能ブロック
図である。

【図１９】制御ユニットの処理内容を示すフローチャー
トである。

【図２０】本発明の第４の実施形態による２ピースブー
ム型の油圧ショベルの姿勢制御装置を内蔵した軌跡制御
装置をその油圧回路と共に示す図である。

【図２１】第４の実施形態の姿勢制御の動作を説明する
図である。

【図２２】第４の実施形態の姿勢制御の動作を説明する
図である。

【図２３】制御ユニットの処理内容を示す機能ブロック
図である。

【図２４】制御ユニットの処理内容を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１Ａ フロント装置 １Ｂ 車体 １ａ 第１ブーム １ｂ 第２ブーム １ｃ アーム １ｄ バケット １ｅ 上部旋回体 １ｆ 下部走行体 ２ 油圧ポンプ ３ａ〜３ｄ 油圧アクチュエータ ４ａ〜４ｄ 流量制御弁 ５ａ〜５ｄ 操作レバー装置 ６ａ〜６ｄ 角度検出器 ７ 制御ユニット ９ａ〜９ｄ 電磁駆動部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部旋回体に回動可能に取り付けられた第
   １ブーム、この第１ブームに回動可能に取り付けられた
   第２ブーム、この第２ブームに回動可能に取り付けられ
   たアームを含む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
   動しフロント装置を動かす複数の油圧アクチュエータ
   と、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流量制御弁と、前記フロント装置
   の動作を指示する操作手段とを備えた多関節作業機械の
   姿勢制御装置において、 （ａ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出す
   る状態量検出手段と、 （ｂ）少なくともこの状態量検出手段で検出した状態量
   に基づき、前記第２ブームの姿勢とアームの姿勢が一定
   の関係に保たれるよう少なくとも第２ブームの指令信号
   を演算し、第２ブームの流量制御弁に出力する演算制御
   手段とを備えることを特徴とする多関節作業機械の姿勢
   制御装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記演算制御手段は、第２ブームに対す
   るアームの角度が増減すると、これに応じて第１ブーム
   に対する第２ブームの角度も増減するよう前記指令信号
   を演算することを特徴とする多関節作業機械の姿勢制御
   装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記演算制御手段は、第２ブームに対す
   るアームの角度と第１ブームに対する第２ブームの角度
   がほぼ同じに保たれるよう前記指令信号を演算すること
   を特徴とする多関節作業機械の姿勢制御装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記演算制御手段は、更に第１ブームの
   姿勢と第２ブームの姿勢が一定の関係に保たれるよう前
   記指令信号を演算することを特徴とする多関節作業機械
   の姿勢制御装置。
5. 【請求項５】請求項４記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記演算制御手段は、第１ブームの上げ
   エンド付近で上部旋回体に対する第１ブームの角度が増
   減すると、これに応じて第１ブームに対する第２ブーム
   の角度が増減するよう前記指令信号を演算することを特
   徴とする多関節作業機械の姿勢制御装置。
6. 【請求項６】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記演算制御手段は、前記状態量検出手
   段で検出した状態量に基づくフィードバック制御の演算
   により前記指令信号を演算することを特徴とする多関節
   作業機械の姿勢制御装置。
7. 【請求項７】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記演算制御手段は、前記状態量検出手
   段で検出した状態量に基づく位置フィードバック制御の
   演算と前記操作手段の信号に基づくフィードフォワード
   制御の演算とにより前記指令信号を演算することを特徴
   とする多関節作業機械の姿勢制御装置。
8. 【請求項８】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記操作手段は、前記第１ブームの動作
   を指示する操作レバー装置と、前記アームの動作を指示
   する操作レバー装置とを有し、前記演算制御手段は前記
   第２ブームの指令信号のみを演算することを特徴とする
   多関節作業機械の姿勢制御装置。
9. 【請求項９】請求項１記載の多関節作業機械の姿勢制御
   装置において、前記操作手段は、前記フロント装置の所
   定部位の移動ベクトルを指示する操作レバー装置を有
   し、前記演算制御手段は、この操作レバー装置の信号を
   入力し、更に前記第１ブーム及びアームの指令信号を演
   算することを特徴とする多関節作業機械の姿勢制御装
   置。