JPWO2017047695A1 - ショベル - Google Patents

Abstract

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体（１）と、下部走行体（１）に搭載される上部旋回体（３）と、上部旋回体（３）に取り付けられる掘削アタッチメントと、掘削アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置（Ｍ３）と、掘削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掘削アタッチメントに関する操作装置（２６）の操作内容とに基づいてバケット爪先角度（α）を制御するコントローラ（３０）と、を備える。

Description

本発明は、アタッチメントの姿勢を検出可能なショベルに関する。

バケットに作用する掘削反力を算出し、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きい場合にブームを上昇させてバケットの地面進入深さを低減するショベルが知られている（特許文献１参照。）。

特許５５１９４１４号公報 特許２８７２４５６号公報

しかしながら、上述のショベルは、ブームを上昇させてバケットの地面進入深さを低減することで掘削反力を低減させるため、掘削量を低減させてしまう場合がある。

上述に鑑み、掘削反力を低減させながらも掘削量の低下を抑制できるショベルを提供することが望まれる。

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、バケットを含む前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、前記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前記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前記掘削対象地面に対する前記バケットの爪先角度を制御する制御装置と、を備える。

上述の手段により、掘削反力を低減させながらも掘削量の低下を抑制できるショベルが提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される姿勢検出装置を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。 図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 地面形状情報取得部が取得する掘削対象地面の現在の形状に関する情報の概念図である。 掘削初期段階を説明する図である。 掘削中期段階を説明する図である。 掘削後期段階を説明する図である。 掘削中期段階におけるバケット爪先角度と掘削反力及び掘削量との関係を示す図である。 バケット姿勢調整処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１０のショベルの掘削アタッチメントに関連する各種物理量を示すショベルの側面図である。 図１０のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。 図１０のショベルに搭載される掘削制御システムの構成例を示す図である。 姿勢修正要否判定処理のフローチャートである。 正味掘削負荷算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。 正味掘削負荷算出処理の流れの別の一例を示すフローチャートである。 正味掘削負荷算出処理の流れの更に別の一例を示すフローチャートである。

最初に、図１を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベル（掘削機）について説明する。図１は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。作業要素としてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。アタッチメントは、床堀アタッチメント、均しアタッチメント、浚渫アタッチメント等の他のアタッチメントであってもよい。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、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。上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載される。上部旋回体３には通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、及び姿勢検出装置Ｍ３が取り付けられる。

通信装置Ｍ１は、ショベルと外部との間の通信を制御する。本実施例では、通信装置Ｍ１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベルとの間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置Ｍ１は、例えば１日１回の頻度で、ショベルの作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。ＧＮＳＳ測量システムは、例えばネットワーク型ＲＴＫ−ＧＮＳＳ測位方式を採用する。

測位装置Ｍ２は、ショベルの位置及び向きを測定する。本実施例では、測位装置Ｍ２は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベルの存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベルの向きを測定する。

姿勢検出装置Ｍ３は、アタッチメントの姿勢を検出する。本実施例では、姿勢検出装置Ｍ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する。

図２は、図１のショベルに搭載される姿勢検出装置Ｍ３を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。具体的には、姿勢検出装置Ｍ３は、ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、バケット角度センサＭ３ｃ、及び車体傾斜センサＭ３ｄを含む。

ブーム角度センサＭ３ａは、ブーム角度を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。ブーム角度センサＭ３ａは、例えば、ブーム角度θ１を取得する。ブーム角度θ１は、ＸＺ平面において、ブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｐ１−Ｐ２の水平線に対する角度である。

アーム角度センサＭ３ｂは、アーム角度を取得するセンサであり、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、アーム５の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。アーム角度センサＭ３ｂは、例えば、アーム角度θ２を取得する。アーム角度θ２は、ＸＺ平面において、アーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分Ｐ２−Ｐ３の水平線に対する角度である。

バケット角度センサＭ３ｃは、バケット角度を取得するセンサであり、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、バケット６の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。バケット角度センサＭ３ｃは、例えば、バケット角度θ３を取得する。バケット角度θ３は、ＸＺ平面において、バケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分Ｐ３−Ｐ４の水平線に対する角度である。

車体傾斜センサＭ３ｄは、ショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４、及び、ショベルのＸ軸回りの傾斜角θ５（図示せず。）を取得するセンサであり、例えば２軸傾斜（加速度）センサ等を含む。図２のＸＹ平面は水平面である。

次に、図３を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０、及びエンジン制御装置（ＥＣＵ）７４等を含む。

エンジン１１はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５の入力軸に接続される。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ１４は、斜板の角度（傾転角）を変更することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ１４の斜板は、レギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａは、電磁比例弁（不図示）に対する制御電流の変化に応じて斜板の傾転角を変化させる。例えば、制御電流の増加に応じ、レギュレータ１４ａは、斜板の傾転角を大きくして、メインポンプ１４の吐出流量を多くする。また、制御電流の減少に応じ、レギュレータ１４ａは、斜板の傾転角を小さくして、メインポンプ１４の吐出流量を少なくする。

パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５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り、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、油圧システムを制御する油圧制御バルブである。コントロールバルブ１７は、レバー又はペダル２６Ａ〜２６Ｃの操作方向及び操作量に対応するパイロットライン２５ａの作動油の圧力の変化に応じて動作する。コントロールバルブ１７には、メインポンプ１４から高圧油圧ライン１６を通じて作動油が供給される。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、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの一又は複数のものに対し、作動油を選択的に供給する。以下の説明では、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、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置２６は、パイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から作動油の供給を受ける。そして、パイロットライン２５ａを通じて、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その作動油を供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応するレバー又はペダル２６Ａ〜２６Ｃの操作方向及び操作量に対応する圧力とされる。

コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０のＣＰＵは、ショベルの動作や機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードし且つ実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する処理を実行させる。

具体的には、コントローラ３０は、メインポンプ１４の吐出流量の制御を行う。例えば、ネガティブコントロール圧に応じて上記制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出流量を制御する。

エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、エンジン１１を制御する。エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、例えば、コントローラ３０からの指令に基づき、エンジン回転数調整ダイヤル７５により操作者が設定したエンジン回転数（モード）に応じてエンジン１１の回転数を制御するための燃料噴射量等をエンジン１１に出力する。

エンジン回転数調整ダイヤル７５は、キャビン１０内に設けられる、エンジン回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施例では、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１の５段階でエンジン回転数を切り換えることができる。図４は、エンジン回転数調整ダイヤル７５でＲ４が選択された状態を示す。

Ｒｍａｘは、エンジン１１の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。Ｒ４は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。Ｒ３及びＲ２は、三番目及び四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ１は、最も低いエンジン回転数（アイドリング回転数）であり、エンジン１１をアイドリング状態にしたい場合に選択されるアイドリングモードにおけるエンジン回転数である。例えば、Ｒｍａｘ（最高回転数）を２０００ｒｐｍ、Ｒ１（アイドリング回転数）を１０００ｒｐｍとし、その間を２５０ｒｐｍ毎に、Ｒ４（１７５０ｒｐｍ）、Ｒ３（１５００ｒｐｍ）、Ｒ２（１２５０ｒｐｍ）と多段階に設定してよい。そして、エンジン１１は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定されたエンジン回転数で一定に回転数制御される。ここでは、エンジン回転数調整ダイヤル７５による５段階でのエンジン回転数調整の事例を示したが、５段階には限られず何段階であってもよい。

ショベルには、操作者による操作を補助するために表示装置４０がキャビン１０の運転席の近傍に配置されている。操作者は表示装置４０の入力部４２を利用して情報及び指令をコントローラ３０に入力できる。ショベルは、ショベルの運転状況及び制御情報を表示装置４０の画像表示部４１に表示させることで、操作者に情報を提供できる。

表示装置４０は、画像表示部４１及び入力部４２を含む。表示装置４０は、キャビン１０内のコンソールに固定される。一般的に、運転席に着座した操作者からみて右側にブーム４が配置されており、操作者はブーム４の先端に取り付けられたアーム５、及び、アーム５の先端に取り付けられたバケット６を視認しながらショベルを操作することが多い。キャビン１０の右側前方のフレームは操作者の視界の妨げとなる部分である。本実施例では、この部分を利用して表示装置４０が設けられている。もともと視界の妨げとなっていた部分に表示装置４０が配置されるので、表示装置４０自体が操作者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、表示装置４０全体がフレームの幅に入るように、表示装置４０は、画像表示部４１が縦長となるように構成されてもよい。

本実施例では、表示装置４０は、ＣＡＮ、ＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。表示装置４０は、専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。

表示装置４０は、画像表示部４１上に表示する画像を生成する変換処理部４０ａを含む。本実施例では、変換処理部４０ａは、ショベルに取り付けられた撮像装置Ｍ５の出力に基づいて画像表示部４１上に表示するカメラ画像を生成する。そのため、撮像装置Ｍ５は、例えば専用線を介して表示装置４０に接続される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成する。

変換処理部４０ａは、表示装置４０が有する機能としてではなく、コントローラ３０が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置Ｍ５は、表示装置４０ではなく、コントローラ３０に接続される。

表示装置４０は、入力部４２としてのスイッチパネルを含む。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施例では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ、及びウインドウォッシャスイッチ４２ｃを含む。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・消灯を切り換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・停止を切り換えるためのスイッチである。ウインドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウイ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７０から電力の供給を受けて動作する。蓄電池７０はオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、コントローラ３０及び表示装置４０以外のショベルの電装品７２等にも供給される。エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池７０からの電力で駆動され、エンジン１１を始動する。

エンジン１１は、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）がコントローラ３０に常時送信される。コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにこのデータを蓄積しておき、必要なときに表示装置４０に送信できる。

また、以下のように各種のデータがコントローラ３０に供給され、一時記憶部３０ａに格納される。

レギュレータ１４ａから斜板の傾転角を示すデータがコントローラ３０に供給される。また、メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータが、吐出圧力センサ１４ｂからコントローラ３０に送られる。これらのデータ（物理量を表すデータ）は一時記憶部３０ａに格納される。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との間の管路には、油温センサ１４ｃが設けられている。その管路を流れる作動油の温度を表すデータが、油温センサ１４ｃからコントローラ３０に供給される。

レバー又はペダル２６Ａ〜２６Ｃが操作されると、パイロットライン２５ａを通じてコントロールバルブ１７に送られるパイロット圧が、パイロット圧センサ１５ａ、１５ｂで検出される。そして、パイロット圧を示すデータがコントローラ３０に供給される。

エンジン回転数調整ダイヤル７５からは、エンジン回転数の設定状態を示すデータがコントローラ３０に常時送信される。

外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ５等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ３０に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。

図４は、図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。

ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、吐出流量調整装置１４ａＬ、１４ａＲ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、操作内容検出装置２９、コントローラ３０、外部演算装置３０Ｅ、及びパイロット圧調整装置５０を含む。

コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１〜１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１〜１７６を通じ、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、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を通じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を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供給する。

操作内容検出装置２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出する装置である。本実施例では、操作内容検出装置２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６としてのレバー又はペダルの操作方向及び操作量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。操作装置２６の操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。

エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。

センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る高圧油圧ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る高圧油圧ラインである。

流量制御弁１７１、１７２、１７３は、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、旋回用油圧モータ２Ａに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

流量制御弁１７４、１７５、１７６は、バケットシリンダ９、アームシリンダ８、ブームシリンダ７に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

吐出流量調整装置１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出流量を調整する機能要素である。本実施例では、吐出流量調整装置１４ａＬはレギュレータであり、コントローラ３０からの制御指令に応じてメインポンプ１４Ｌの斜板傾転角を増減させる。そして、斜板傾転角を増減させてメインポンプ１４Ｌの押し退け容積を増減させることでメインポンプ１４Ｌの吐出流量を調整する。具体的には、吐出流量調整装置１４ａＬは、コントローラ３０が出力する制御電流が大きくなるにつれて斜板傾転角を増大させて押し退け容積を増大させることでメインポンプ１４Ｌの吐出流量を増大させる。吐出流量調整装置１４ａＲによるメインポンプ１４Ｒの吐出流量の調整についても同様である。

パイロット圧調整装置５０は、流量制御弁のパイロットポートに供給されるパイロット圧を調整する機能要素である。本実施例では、パイロット圧調整装置５０は、コントローラ３０が出力する制御電流に応じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を用いてパイロット圧を増減させる減圧弁である。この構成により、パイロット圧調整装置５０は、操作者によるバケット操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてバケット６を開閉させることができる。また、操作者によるブーム操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム４を上昇させることができる。

次に、図５を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。図５は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３の出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を動作制御部Ｅ１に対して出力する。

動作制御部Ｅ１はアタッチメントの動きを制御するための機能要素であり、例えば、パイロット圧調整装置５０、流量制御弁１７１〜１７６等を含む。流量制御弁１７１〜１７６が電気信号に応じて動作する構成である場合、コントローラ３０は、流量制御弁１７１〜１７６に電気信号を直接的に送信する。

動作制御部Ｅ１は、アタッチメントの動きを自動調整した旨をショベルの操作者に知らせる情報通知装置を含んでいてもよい。情報通知装置は、例えば、音声出力装置、ＬＥＤランプ等を含む。

具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３、及び掘削反力導出部３４を含む。

地形データベース更新部３１は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部３１は、例えばショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは不揮発性メモリ等に記憶される。また、作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述される。地形データベース更新部３１は、撮像装置Ｍ５が撮像したショベル周辺の画像に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよい。

位置座標更新部３２は、ショベルの現在位置を表す座標及び向きを更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベルの位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。

地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベルの現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。また、地面形状情報取得部３３は、姿勢検出装置Ｍ３による掘削アタッチメントの姿勢の推移に関する情報を用いることなく、撮像装置Ｍ５が撮像したショベル周辺の画像に基づいて取得された作業現場の地形情報を用いて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。更に、姿勢検出装置Ｍ３による掘削アタッチメントの姿勢の推移に関する情報と撮像装置Ｍ５が撮像した画像に基づく地面形状に関する情報とを組み合わせて用いてもよい。この場合、作業中は姿勢検出装置Ｍ３による掘削アタッチメントの姿勢の推移に関する情報を用い、所定のタイミングで撮像装置Ｍ５が撮像した画像に基づく地面形状に関する情報を用いることで、姿勢検出装置Ｍ３に由来する情報を撮像装置Ｍ５に由来する情報で補正することもできる。

ここで、図６を参照し、地面形状情報取得部３３が掘削動作後の地面形状に関する情報を取得する処理について説明する。図６は、掘削動作後の地面形状に関する情報の概念図である。図６の破線で示す複数のバケット形状Ｘ０〜Ｘ８は、前回の掘削動作の際のバケット６の軌跡を表す。バケット６の軌跡は、姿勢検出装置Ｍ３が過去に検出した掘削アタッチメントの姿勢の推移から導き出される。また、図６の太実線は、地面形状情報取得部３３が把握している掘削対象地面の現在の断面形状を表し、太点線は、地面形状情報取得部３３が把握している前回の掘削動作が行われる前の掘削対象地面の断面形状を表す。すなわち、地面形状情報取得部３３は、前回の掘削動作が行われる前の掘削対象地面の形状から、前回の掘削動作の際にバケット６が通過した空間に対応する部分を取り除くことで掘削対象地面の現在の形状を導き出す。このようにして、地面形状情報取得部３３は、掘削動作後の地面形状を推定できる。図６の一点鎖線で示すＺ軸方向に伸びる各ブロックは３次元地形モデルの各要素を表す。各要素は例えばＸＹ平面に平行な単位面積の上面と−Ｚ方向に無限大の長さを有するモデルで表現される。３次元地形モデルは３次元メッシュモデルで表現されてもよい。

掘削反力導出部３４は掘削反力を導き出す機能要素である。掘削反力導出部３４は、例えば、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削反力を導き出す。掘削アタッチメントの姿勢は姿勢検出装置Ｍ３によって検出され、掘削対象地面の現在の形状に関する情報は地面形状情報取得部３３によって取得される。また、上述の如く、地面形状情報取得部３３は、撮像装置Ｍ５が撮像したショベル周辺の画像に基づいて取得された作業現場の地形情報を用いて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。更に、掘削反力導出部３４は、姿勢検出装置Ｍ３による掘削アタッチメントの姿勢の推移に関する情報と撮像装置Ｍ５が撮像した画像に基づく地面形状に関する情報とを組み合わせて用いてもよい。

本実施例では、掘削反力導出部３４は、所定の計算式を用いて所定の演算周期で掘削反力を導き出す。例えば、掘削深さが深いほど、すなわち、ショベルの接地面とバケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）との鉛直距離が大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、例えば、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する地面挿入深さが大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。掘削反力導出部３４は、土砂密度等の土砂特性を考慮して掘削反力を導き出してもよい。土砂特性は、車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよく、シリンダ圧センサ等の各種センサの出力に基づいて自動的に算出される値であってもよい。

掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削中であるか否かを判定し、その判定結果をコントローラ３０に対して出力してもよい。掘削反力導出部３４は、例えば、バケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）と掘削対象地面との間の鉛直距離が所定値以下となった場合に掘削中であると判定する。掘削反力導出部３４は、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する前に掘削中であると判定してもよい。

コントローラ３０は、掘削反力導出部３４により掘削中であると判定されると、操作者の操作内容に基づいて現在の掘削段階を決定する。コントローラ３０自身が、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削中であるか否かを判定してもよい。本実施例では、コントローラ３０は、操作装置２６が出力する操作内容に基づいて現在の掘削段階を決定する。

また、コントローラ３０は、姿勢検出装置Ｍ３の出力と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット爪先角度αを算出する。バケット爪先角度αは、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度である。

ここで、図７Ａ〜図７Ｃを参照し、掘削初期段階、掘削中期段階、及び掘削後期段階の３段階を含む掘削段階について説明する。図７Ａ〜図７Ｃは掘削段階を説明する図であり、図７Ａが掘削初期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示し、図７Ｂが掘削中期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示し、図７Ｃが掘削後期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示す。

掘削初期段階は、図７Ａの矢印で示すようにバケット６を鉛直下方に移動させる段階を意味する。そのため、掘削初期段階における掘削反力は、主にバケット６の爪先を掘削対象地面に挿入する際の挿入抵抗で構成され、主に鉛直上方を向く。挿入抵抗はバケット６の爪先の地面挿入深さに比例する。また、挿入抵抗は、バケット６の爪先の地面挿入深さが同じであれば、バケット爪先角度αが略９０度のときに最小となる。コントローラ３０は、例えば、掘削中にブーム下げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階として掘削初期段階を採用する。

掘削中期段階は、図７Ｂの矢印で示すようにバケット６をショベルの機体側に引き寄せる段階を意味する。そのため、掘削中期段階における掘削反力は、主に掘削対象地面のすべり破壊に対するせん断抵抗力で構成され、主に機体から離れる方向を向く。コントローラ３０は、例えば、掘削中にアーム閉じ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階として掘削中期段階を採用する。或いは、コントローラ３０は、掘削中にブーム下げ操作が行われておらず且つアーム閉じ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階として掘削中期段階を採用してもよい。図６のＸ４ａは、掘削中期段階においてバケット爪先角度αが５０度の状態でショベルの機体側に引き寄せられるバケット６の形状を示す。

掘削中期段階における掘削反力は、バケット爪先角度αが小さいほど掘削対象地面のすべり破壊が発生し難くなるために大きくなる。反対に、掘削中期段階における掘削反力は、バケット爪先角度αが大きいほど掘削対象地面のすべり破壊が発生し易くなるために小さくなる。掘削量は、バケット爪先角度αが９０度より大きい場合には、バケット爪先角度αが大きいほど小さくなる。

図８は、掘削中期段階におけるバケット爪先角度αと掘削反力及び掘削量との関係の一例を示す。具体的には、横軸がバケット爪先角度αに対応し、左側の第１縦軸が掘削反力に対応し、右側の第２縦軸が掘削量に対応する。図８の掘削量は、バケット爪先角度αを任意の角度で維持した状態で、所定の深さ及び所定の引き寄せ距離で掘削を行った場合の掘削量を表す。掘削反力の推移は実線で表され、掘削量の推移は破線で表される。図８の例では、掘削中期段階における掘削反力は、バケット爪先角度αが小さいほど大きい。掘削量は、バケット爪先角度αが１００度付近で極大値となり、１００度付近から離れるにつれて減少する。図８のドットパターンで示すバケット爪先角度αの角度範囲（９０度以上１８０度以下の範囲）は、掘削反力と掘削量の適切なバランスをもたらす掘削中期段階に適したバケット爪先角度αの角度範囲の一例である。掘削初期段階から掘削中期段階に移行するときにも同様の傾向を示す。

掘削後期段階は、図７Ｃの矢印で示すようにバケット６を鉛直上方に持ち上げる段階を意味する。そのため、掘削後期段階における掘削反力は、主にバケット６内に取り込まれた土砂等の重量で構成され、主に鉛直下方を向く。コントローラ３０は、例えば、掘削中にブーム上げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階として掘削後期段階を採用する。或いは、コントローラ３０は、掘削中にアーム閉じ操作が行われておらず且つブーム上げ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階として掘削後期段階を採用してもよい。

また、コントローラ３０は、バケット爪先角度α及び掘削反力の少なくとも一方と現在の掘削段階とに基づいてバケット６の姿勢を自動的に調整する制御（以下、「バケット姿勢制御」とする。）を実行するか否かを判定する。

また、コントローラ３０は、掘削中期段階における掘削反力に基づいてブーム４を自動的に上昇させる制御（以下、「ブーム上げ制御」とする。）を実行するか否かを判定する。本実施例では、コントローラ３０は、掘削反力導出部３４が導出する掘削反力が所定値以上の場合にブーム上げ制御を実行する。

次に、図９を参照し、バケット姿勢制御を選択的に実行する処理（以下、「バケット姿勢調整処理」とする。）の流れについて説明する。図９は、バケット姿勢調整処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ３０は、掘削反力導出部３４により掘削中であると判定されると、所定周期で繰り返しこのバケット姿勢調整処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、掘削段階を決定する（ステップＳＴ１）。本実施例では、コントローラ３０は、操作装置２６が出力する操作内容に基づいて現在の掘削段階を決定する。

その後、コントローラ３０は、現在の掘削段階が掘削初期段階であるか否かを判定する（ステップＳＴ２）。本実施例では、コントローラ３０は、ブーム下げ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削初期段階であると判定する。

掘削初期段階であると判定した場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、現在のバケット爪先角度αと初期目標角度（例えば９０度）との角度差（絶対値）が所定の閾値ＴＨ１より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ３）。初期目標角度は予め登録されていてもよく、各種情報に基づいて動的に算出されてもよい。

角度差が閾値ＴＨ１以下であると判定した場合（ステップＳＴ３のＮＯ）、コントローラ３０は、バケット姿勢制御を実行することなく、今回のバケット姿勢調整処理を終了させ、通常制御の実行を継続する。すなわち、各種操作レバーのレバー操作量に応じた掘削アタッチメントの駆動を継続する。

一方、角度差が閾値ＴＨ１より大きいと判定した場合（ステップＳＴ３のＹＥＳ）、コントローラ３０は、バケット姿勢制御を実行する（ステップＳＴ４）。ここでは、コントローラ３０は、動作制御部Ｅ１としてのパイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整し、バケットシリンダ９に関連する流量制御弁１７４のパイロットポートに作用するパイロット圧を調整する。そして、コントローラ３０は、バケット爪先角度αが初期目標角度（例えば９０度）となるようにバケット６を自動的に開閉させる。

例えば、図７Ａに示すようにバケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する直前のバケット爪先角度αが５０度の場合、コントローラ３０は、初期目標角度（９０度）との角度差（４０度）が閾値ＴＨ１より大きいと判定する。そして、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整してバケット６を自動的に閉じさせ、バケット爪先角度αが初期目標角度（９０度）となるようにする。

このバケット姿勢制御により、コントローラ３０は、バケット６が掘削対象地面と接触するときのバケット爪先角度αを常に掘削初期段階に適した角度（略９０度）に調整できる。その結果、挿入抵抗を小さくして掘削反力を低減させることができる。

ステップＳＴ２において、掘削初期段階でないと判定した場合（ステップＳＴ２のＮＯ）、コントローラ３０は、現在の掘削段階が掘削中期段階であるか否かを判定する（ステップＳＴ５）。本実施例では、コントローラ３０は、アーム閉じ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定する。

掘削中期段階であると判定した場合（ステップＳＴ５のＹＥＳ）、コントローラ３０は、バケット爪先角度αが許容最小角度（例えば９０度）未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ６）。なお、許容最小角度は予め登録されていてもよく、各種情報に基づいて動的に算出されてもよい。

バケット爪先角度αが許容最小角度（９０度）未満であると判定した場合（ステップＳＴ６のＹＥＳ）、コントローラ３０は、掘削反力が過度に大きくなるおそれがあると判断し、バケット姿勢制御を実行する（ステップＳＴ７）。ここでは、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整し、流量制御弁１７４のパイロットポートに作用するパイロット圧を調整する。そして、コントローラ３０は、バケット爪先角度αが掘削中期段階に適した角度（例えば、９０度以上１８０度以下の角度）となるようにバケット６を自動的に閉じさせる。掘削中期段階に適した角度は予め登録されていてもよく、各種情報に基づいて動的に算出されてもよい。コントローラ３０は、許容最小角度の代わりに掘削中期段階に適した角度としての中期目標角度を用いてもよい。そして、許容最小角度未満であるかを判定する代わりに、現在のバケット爪先角度αと中期目標角度との角度差（絶対値）が所定の閾値より大きいかを判定してもよい。そして、その角度差が所定の閾値より大きいと判定した場合にバケット爪先角度αが中期目標角度となるようにバケット６を自動的に開閉させる。中期目標角度は予め登録されていてもよく、各種情報に基づいて動的に算出されてもよい。

例えば、図７Ｂに示すようにバケット６をショベルの機体側に引き寄せる直前のバケット爪先角度αが８５度の場合、コントローラ３０は、バケット爪先角度αが許容最小角度（９０度）未満であると判定する。そして、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整してバケット６を自動的に閉じさせ、バケット爪先角度αが掘削中期段階に適した角度（例えば１００度）となるようにする。

このバケット姿勢制御により、コントローラ３０は、掘削中期段階のバケット爪先角度αを常に掘削中期段階に適した角度（９０度以上１８０度以下の角度）に調整できる。その結果、掘削反力を低減させながらも掘削量の低下を抑制できる。

一方、バケット爪先角度αが許容最小角度（９０度）以上であると判定した場合（ステップＳＴ６のＮＯ）、コントローラ３０は、掘削反力が所定の閾値ＴＨ２より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ８）。本実施例では、コントローラ３０は、掘削反力導出部３４が導出した掘削反力が閾値ＴＨ２より大きいか否かを判定する。コントローラ３０は、アームシリンダ８のボトム側油室における作動油の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）、バケットシリンダ９のボトム側油室における作動油の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）等に基づいて掘削反力を算出してもよい。

掘削反力が閾値ＴＨ２以下であると判定した場合（ステップＳＴ８のＮＯ）、コントローラ３０は、バケット姿勢制御を実行することなく、今回のバケット姿勢調整処理を終了させ、通常制御の実行を継続する。現在のバケット爪先角度αで掘削作業を継続可能と判断できるためである。

掘削反力が閾値ＴＨ２より大きいと判定した場合（ステップＳＴ８のＹＥＳ）、コントローラ３０は、その掘削反力が所定の閾値ＴＨ３（＞ＴＨ２）以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ９）。

そして、掘削反力が閾値ＴＨ３以下であると判定した場合（ステップＳＴ９のＹＥＳ）、コントローラ３０は、現在のバケット爪先角度αでは掘削作業を継続できないおそれがあると判断し、バケット姿勢制御を実行する（ステップＳＴ１０）。ここでは、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整し、流量制御弁１７４のパイロットポートに作用するパイロット圧を調整する。そして、コントローラ３０は、掘削反力が閾値ＴＨ２以下となるようにバケット６を自動的に閉じさせてバケット爪先角度αを増大させる。掘削対象地面のすべり破壊が発生し易くなるようにして掘削反力を低減させるためである。

一方、掘削反力が閾値ＴＨ３より大きいと判定した場合（ステップＳＴ９のＮＯ）、コントローラ３０は、バケット姿勢制御を実行したとしても掘削作業を継続できないおそれがあると判断し、ブーム上げ制御を実行する（ステップＳＴ１１）。ここでは、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整し、ブームシリンダ７に関連する流量制御弁１７６のパイロットポートに作用するパイロット圧を調整する。そして、コントローラ３０は、掘削反力が閾値ＴＨ３以下となるようにブーム４を自動的に上昇させる。

ステップＳＴ５において、掘削中期段階でないと判定した場合（ステップＳＴ５のＮＯ）、コントローラ３０は、現在の掘削段階が掘削後期段階であると判定する。コントローラ３０は、ブーム上げ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削後期段階であると判定してもよい。

そして、コントローラ３０は、掘削反力が所定の閾値ＴＨ４より大きいか否かを判定する（ステップＳＴ１２）。

掘削反力が閾値ＴＨ４以下であると判定した場合（ステップＳＴ１２のＮＯ）、コントローラ３０は、バケット姿勢制御を実行することなく、今回のバケット姿勢調整処理を終了させ、通常制御の実行を継続する。現在のバケット爪先角度αで掘削作業を継続可能と判断できるためである。

一方、掘削反力が閾値ＴＨ４より大きいと判定した場合（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、バケット６を持ち上げることができないと判断し、バケット姿勢制御を実行する（ステップＳＴ１３）。ここでは、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整し、流量制御弁１７４のパイロットポートに作用するパイロット圧を調整する。そして、コントローラ３０は、掘削反力が閾値ＴＨ４以下となるようにバケット６を自動的に開かせてバケット爪先角度αを低減させる。バケット６に取り込まれた土砂等の重量を低減させるためである。

例えば、図７Ｃに示すようにバケット６を鉛直上方に持ち上げる直前のバケット爪先角度αが１８０度の場合、コントローラ３０は、パイロット圧調整装置５０に対する制御電流を調整してバケット６を自動的に開かせる。バケット爪先角度αを小さくして掘削反力を閾値ＴＨ４以下にするためである。

このような処理の流れにより、コントローラ３０は、操作者のレバー操作を補助する形で掘削作業を支援し、掘削反力を低減させながらも掘削量の低下を抑制できる。

例えば、コントローラ３０は、バケット爪先角度αが初期目標角度から顕著に逸脱した状態のまま掘削初期段階が開始されてしまうのを防止し、掘削初期段階で掘削反力が過度に大きくなるのを防止できる。

また、コントローラ３０は、バケット爪先角度αが掘削中期段階に適した角度範囲から顕著に逸脱した状態のまま掘削中期段階が行われてしまうのを防止し、掘削中期段階で掘削反力が過度に大きくなるのを防止できる。また、掘削量が過度に減少するのを防止できる。

また、コントローラ３０は、バケット６内の土砂等の重量が過度に大きい状態のまま掘削後期段階が行われてしまうのを防止し、掘削後期段階で掘削反力が過度に大きくなるのを防止できる。

また、コントローラ３０は、掘削中に所定周期で繰り返しこのバケット姿勢調整処理を実行するが、掘削初期段階の開始時、掘削中期段階の開始時、及び掘削後期段階の開始時を含む所定のタイミングに限ってこのバケット姿勢調整処理を実行してもよい。

次に、図１０〜図１７を参照し、掘削アタッチメントをより適切に制御できるショベル（掘削機）について説明する。

バケットシリンダにおける作動油の圧力に基づいてバケットを回転させる作用力を算出し、その作用力に基づいて掘削モーメントを算出するショベルが知られている（特許文献２参照。）。

このショベルは、算出した掘削モーメントの変化に応じてバケットシリンダ及びブームシリンダの伸縮を自動制御することで、手動操作の場合に比べて掘削モーメントを抑制している。

しかしながら、特許文献２のショベルは、バケットシリンダにおける作動油の圧力に基づいて掘削モーメントを算出するのみであり、掘削アタッチメントの姿勢に応じて変化する掘削アタッチメントの慣性モーメント（掘削モーメントのうち実際の掘削に寄与しないモーメント）を考慮していない。そのため、特許文献１のショベルが算出する掘削モーメントは実際の掘削モーメントから乖離しているおそれがあり、バケットシリンダ及びブームシリンダの伸縮を適切に制御できないおそれがある。

上述に鑑み、掘削アタッチメントをより適切に制御できるショベルを提供することが望まれる。

図１０は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１０に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が旋回可能に搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。作業要素としてのブーム４、アーム５、及びバケット６はアタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、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。上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載される。

掘削アタッチメントには姿勢検出装置Ｍ３が取り付けられる。姿勢検出装置Ｍ３は掘削アタッチメントの姿勢を検出する。本実施例では、姿勢検出装置Ｍ３は、ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、及びバケット角度センサＭ３ｃを含む。

ブーム角度センサＭ３ａは、ブーム角度を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。アーム角度センサＭ３ｂ及びバケット角度センサＭ３ｃについても同様である。

図１１は、掘削アタッチメントに関連する各種物理量を示すショベルの側面図である。ブーム角度センサＭ３ａは、例えば、ブーム角度（θ１）を取得する。ブーム角度（θ１）は、ＸＺ平面において、ブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｐ１−Ｐ２の水平線に対する角度である。アーム角度センサＭ３ｂは、例えば、アーム角度（θ２）を取得する。アーム角度（θ２）は、ＸＺ平面において、アーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分Ｐ２−Ｐ３の水平線に対する角度である。バケット角度センサＭ３ｃは、例えば、バケット角度（θ３）を取得する。バケット角度（θ３）は、ＸＺ平面において、バケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分Ｐ３−Ｐ４の水平線に対する角度である。

次に、図１２を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０、エンジン制御装置７４等を含む。

エンジン１１はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５の入力軸に接続される。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。斜板式可変容量型油圧ポンプは、斜板傾転角の変化に応じて押し退け容積を定めるピストンのストローク長が変化して１回転当たりの吐出流量が変化する。斜板傾転角はレギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａはコントローラ３０からの制御電流の変化に応じて斜板傾転角を変化させる。例えば、レギュレータ１４ａは制御電流の増加に応じて斜板傾転角を大きくしてメインポンプ１４の吐出流量を増大させる。或いは、レギュレータ１４ａは制御電流の減少に応じて斜板傾転角を小さくしてメインポンプ１４の吐出流量を低減させる。吐出圧力センサ１４ｂはメインポンプ１４の吐出圧力を検出する。油温センサ１４ｃはメインポンプ１４が吸入する作動油の温度を検出する。

パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して操作装置２６等の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り、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は油圧アクチュエータに関する作動油の流れを制御する流量制御弁のセットである。コントロールバルブ１７は、操作装置２６の操作方向及び操作量に対応するパイロットライン２５ａの作動油の圧力の変化に応じて動作する。コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４から高圧油圧ライン１６を通じて受け入れた作動油を１又は複数の油圧アクチュエータに選択的に供給する。油圧アクチュエータは、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、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、旋回用油圧モータ２Ａ等を含む。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置であり、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃ等を含む。操作装置２６はパイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から作動油の供給を受けてパイロット圧を生成する。そして、パイロットライン２５ａを通じ、対応する流量制御弁のパイロットポートにそのパイロット圧を作用させる。パイロット圧は操作装置２６の操作方向及び操作量に応じて変化する。操作装置２６は遠隔操作されてもよい。この場合、操作装置２６は、無線通信を介して受信した操作方向及び操作量に関する情報に応じてパイロット圧を生成する。

コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置である。本実施例では、コントローラ３０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０のＣＰＵは、各種機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードして実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する機能を実現させる。

例えば、コントローラ３０はメインポンプ１４の吐出流量を制御する機能を実現させる。具体的には、コントローラ３０はネガティブコントロール圧に応じてレギュレータ１４ａに対する制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出流量を制御する。

エンジン制御装置７４はエンジン１１を制御する。エンジン制御装置７４は、例えば、入力装置を介して設定されたエンジン回転数が実現されるように燃料噴射量等を制御する。

動作モード切替ダイヤル７６は、ショベルの動作モードを切り替えるためのダイヤルであり、キャビン１０内に設けられる。本実施例では、操作者はＭ（手動）モードとＳＡ（半自動）モードとを切り換えることができる。コントローラ３０は、例えば、動作モード切替ダイヤル７６の出力に応じてショベルの動作モードを切り替える。図１２は、動作モード切替ダイヤル７６でＳＡモードが選択された状態を示す。

Ｍモードは、操作者による操作装置２６に対する操作入力の内容に応じてショベルを動作させるモードである。例えば、操作者による操作装置２６に対する操作入力の内容に応じてブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９を動作させるモードである。ＳＡモードは、所定の条件が満たされた場合に、操作装置２６に対する操作入力の内容にかかわらず、ショベルを自動的に動作させるモードである。例えば、所定の条件が満たされた場合に、操作装置２６に対する操作入力の内容にかかわらず、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を自動的に動作させるモードである。動作モード切替ダイヤル７６は３つ以上の動作モードを切り替えできるように構成されてもよい。

表示装置４０は、各種情報を表示する装置であり、キャビン１０内の運転席の近傍に配置されている。本実施例では、表示装置４０は画像表示部４１及び入力部４２を有する。操作者は入力部４２を利用して情報及び指令をコントローラ３０に入力できる。また、画像表示部４１を見てショベルの運転状況及び制御情報を把握できる。表示装置４０は、ＣＡＮ、ＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。表示装置４０は専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。

表示装置４０は蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。蓄電池７０はオルタネータ１１ａで発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、ショベルの電装品７２等、コントローラ３０及び表示装置４０以外にも供給される。エンジン１１のスタータ１１ｂは蓄電池７０からの電力で駆動されてエンジン１１を始動させる。

エンジン１１はエンジン制御装置７４により制御される。エンジン制御装置７４は、エンジン１１の状態を示す各種データ（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）をコントローラ３０に送信する。コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにそれらデータを蓄積しておき、必要に応じて表示装置４０に送信できる。レギュレータ１４ａが出力する斜板傾転角を示すデータ、吐出圧力センサ１４ｂが出力するメインポンプ１４の吐出圧力を示すデータ、油温センサ１４ｃが出力する作動油温度を示すデータ、パイロット圧センサ１５ａ、１５ｂが出力するパイロット圧を示すデータ等についても同様である。

シリンダ圧センサＳ１は、掘削負荷に関する情報を検出する掘削負荷情報検出装置の一例であり、油圧シリンダのシリンダ圧を検出し、検出データをコントローラ３０に対して出力する。本実施例では、シリンダ圧センサＳ１は、シリンダ圧センサＳ１１〜Ｓ１６を含む。具体的には、シリンダ圧センサＳ１１は、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力であるブームボトム圧を検出する。シリンダ圧センサＳ１２は、ブームシリンダ７のロッド側油室における作動油の圧力であるブームロッド圧を検出する。同様に、シリンダ圧センサＳ１３はアームボトム圧を検出し、シリンダ圧センサＳ１４はアームロッド圧を検出し、シリンダ圧センサＳ１５はバケットボトム圧を検出し、シリンダ圧センサＳ１６はバケットロッド圧を検出する。

制御弁Ｅ２は、コントローラ３０からの指令に応じて動作する弁である。本実施例では、制御弁Ｅ２は、操作装置２６に対する操作入力の内容にかかわらず、所定の油圧シリンダに関する流量制御弁を強制的に動作させるために用いられる。

図１３は、図１０のショベルに搭載される掘削制御システムの構成例を示す図である。掘削制御システムは、主に、姿勢検出装置Ｍ３、シリンダ圧センサＳ１、コントローラ３０、及び制御弁Ｅ２で構成される。コントローラ３０は姿勢修正要否判定部３５を含む。

姿勢修正要否判定部３５は、掘削中の掘削アタッチメントの姿勢を修正すべきか否かを判定する機能要素である。例えば、姿勢修正要否判定部３５は、掘削負荷が過度に大きくなるおそれがあると判定した場合に、掘削中の掘削アタッチメントの姿勢を修正すべきと判定する。

本実施例では、姿勢修正要否判定部３５はシリンダ圧センサＳ１の出力に基づいて掘削負荷を導き出し、記録する。また、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢に対応する空掘削負荷（風袋掘削負荷）を導き出す。そして、姿勢修正要否判定部３５は、掘削負荷から空掘削負荷を差し引いて正味掘削負荷を算出し、正味掘削負荷に基づいて掘削アタッチメントの姿勢を修正すべきか否かを判定する。

「掘削」は掘削アタッチメントを土砂等の掘削対象に接触させながら掘削アタッチメントを動かすことを意味し、「空掘削」は掘削アタッチメントを何れの地物にも接触させることなく掘削アタッチメントを動かすことを意味する。

「掘削負荷」は掘削対象に接触させながら掘削アタッチメントを動かす際の負荷を意味し、「空掘削負荷」は何れの地物にも接触させずに掘削アタッチメントを動かす際の負荷を意味する。

「掘削負荷」、「空掘削負荷」、及び「正味掘削負荷」はそれぞれ、シリンダ圧、シリンダ推力、掘削トルク（掘削力のモーメント）、掘削反力等の任意の物理量で表される。例えば、正味掘削負荷としての正味シリンダ圧は、掘削負荷としてのシリンダ圧から、空掘削負荷としての空掘削シリンダ圧を差し引いた値として表される。シリンダ推力、掘削トルク（掘削力のモーメント）、掘削反力等を利用する場合についても同様である。

シリンダ圧としては、例えば、シリンダ圧センサＳ１の検出値が利用される。シリンダ圧センサＳ１の検出値は、例えば、シリンダ圧センサＳ１１〜Ｓ１６が検出するブームボトム圧（Ｐ１１）、ブームロッド圧（Ｐ１２）、アームボトム圧（Ｐ１３）、アームロッド圧（Ｐ１４）、バケットボトム圧（Ｐ１５）、バケットロッド圧（Ｐ１６）である。

シリンダ推力は、例えば、シリンダ圧とシリンダ内を摺動するピストンの受圧面積とに基づいて算出される。例えば、図１１に示すように、ブームシリンダ推力（ｆ１）は、ブームボトム圧（Ｐ１１）とブームボトム側油室におけるピストンの受圧面積（Ａ１１）との積（Ｐ１１×Ａ１１）であるシリンダ伸張力と、ブームロッド圧（Ｐ１２）とブームロッド側油室におけるピストンの受圧面積（Ａ１２）との積（Ｐ１２×Ａ１２）であるシリンダ収縮力との差（Ｐ１１×Ａ１１−Ｐ１２×Ａ１２）で表される。アームシリンダ推力（ｆ２）、及び、バケットシリンダ推力（ｆ３）についても同様である。

掘削トルクは、例えば、掘削アタッチメントの姿勢とシリンダ推力とに基づいて算出される。例えば、図１１に示すように、バケット掘削トルク（τ３）の大きさは、バケットシリンダ推力（ｆ３）の大きさに、そのバケットシリンダ推力（ｆ３）の作用線とバケット連結ピン位置Ｐ３との距離Ｇ３を乗じた値で表される。距離Ｇ３は、バケット角度（θ３）の関数であり、リンクゲインの一例とされる。ブーム掘削トルク（τ１）及びアーム掘削トルク（τ２）についても同様である。

掘削反力は、例えば、掘削アタッチメントの姿勢と掘削負荷とに基づいて算出される。例えば、掘削反力Ｆは、掘削アタッチメントの姿勢を表す物理量を引数とする関数（機構関数）と、掘削負荷を表す物理量を引数とする関数とに基づいて算出される。具体的には、掘削反力Ｆは、図１１に示すようにブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）を引数とする機構関数と、ブーム掘削トルク（τ１）、アーム掘削トルク（τ２）、及びバケット掘削トルク（τ３）を引数とする関数との積として算出される。ブーム掘削トルク（τ１）、アーム掘削トルク（τ２）、及びバケット掘削トルク（τ３）を引数とする関数は、ブームシリンダ推力（ｆ１）、アームシリンダ推力（ｆ２）、及びバケットシリンダ推力（ｆ３）を引数とする関数であってもよい。

ブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）を引数とする関数は、力のつり合い式に基づくものであってもよく、ヤコビアンに基づくものであってもよく、仮想仕事の原理に基づくものであってもよい。

このように、掘削負荷は各種センサの現時点における検出値に基づいて導き出される。例えば、シリンダ圧センサＳ１の検出値がそのまま掘削負荷として利用されてもよい。或いは、シリンダ圧センサＳ１の検出値に基づいて算出されるシリンダ推力が掘削負荷として利用されてもよい。或いは、シリンダ圧センサＳ１の検出値に基づいて算出されるシリンダ推力と、姿勢検出装置Ｍ３の検出値に基づいて導き出される掘削アタッチメントの姿勢とから算出される掘削トルクが掘削負荷として利用されてもよい。掘削反力についても同様である。

一方、空掘削負荷は、掘削アタッチメントの姿勢に対応付けて予め記憶されていてもよい。例えば、ブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）の組み合わせに対応付けて空掘削負荷としての空掘削シリンダ圧を参照可能に記憶する空掘削シリンダ圧テーブルが利用されてもよい。或いは、ブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）の組み合わせに対応付けて空掘削負荷としての空掘削シリンダ推力を参照可能に記憶する空掘削シリンダ推力テーブルが利用されてもよい。空掘削トルクテーブル、空掘削反力テーブルについても同様である。空掘削シリンダ圧テーブル、空掘削シリンダ推力テーブル、空掘削トルクテーブル、空掘削反力テーブルは、例えば、実際のショベルで空掘削を行ったときに取得されたデータに基づいて生成され、コントローラ３０のＲＯＭ等に予め記憶されていてもよい。或いは、ショベルシミュレータ等のシミュレータ装置が導出したシミュレーション結果に基づいて生成されてもよい。また、参照テーブルの代わりに重回帰分析に基づく重回帰式等の計算式が用いられてもよい。重回帰式を用いる場合、空掘削負荷は、例えば、現時点におけるブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）の組み合わせに基づいてリアルタイムに算出される。

また、空掘削シリンダ圧テーブル、空掘削シリンダ推力テーブル、空掘削トルクテーブル、及び空掘削反力テーブルは、高速、中速、低速といった掘削アタッチメントの動作速度毎に用意されてもよい。また、アーム閉じ時、アーム開き時、ブーム上げ時、ブーム下げ時といった掘削アタッチメントの動作内容毎に用意されてもよい。

現時点における正味掘削負荷が所定値以上となった場合、姿勢修正要否判定部３５は、掘削負荷が過大になるおそれがあると判定する。例えば、姿勢修正要否判定部３５は、正味掘削負荷としての正味シリンダ圧が所定のシリンダ圧以上となった場合に、掘削負荷としてのシリンダ圧が過大になるおそれがあると判定する。所定のシリンダ圧は、掘削アタッチメントの姿勢の変化に応じて変化する変動値であってもよく、掘削アタッチメントの姿勢の変化に応じて変化しない固定値であってもよい。

そして、動作モードがＳＡ（半自動）モードで駆動中に、掘削負荷が過大になるおそれがあると判定した場合、姿勢修正要否判定部３５は、掘削中の掘削アタッチメントの姿勢を修正すべきと判定し、制御弁Ｅ２に対して指令を出力する。

姿勢修正要否判定部３５からの指令を受けた制御弁Ｅ２は、操作装置２６に対する操作入力の内容にかかわらず、所定の油圧シリンダに関する流量制御弁を強制的に動作させて掘削深さを調整する。本実施例では、制御弁Ｅ２は、ブーム操作レバーが操作されていない場合であっても、ブームシリンダ７に関する流量制御弁を強制的に動かすことでブームシリンダ７を強制的に伸張させる。その結果、ブーム４を強制的に上昇させることで掘削深さを浅くすることができる。或いは、制御弁Ｅ２は、バケット操作レバーが操作されていない場合であっても、バケットシリンダ９に関する流量制御弁を強制的に動かすことでバケットシリンダ９を強制的に伸縮させてもよい。この場合、バケット６を強制的に開閉させることでバケット爪先角度を調整して掘削深さを浅くすることができる。バケット爪先角度は、例えば、水平面に対するバケット６の爪先の角度である。このように、制御弁Ｅ２はブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９のうちの少なくとも１つを強制的に伸縮させることで掘削深さを浅くすることができる。

次に図１４を参照し、アーム閉じ動作による掘削中に掘削アタッチメントの姿勢を修正する必要があるか否かをコントローラ３０が判定する処理（以下、「姿勢修正要否判定処理」とする。）の流れについて説明する。図１４は姿勢修正要否判定処理のフローチャートである。コントローラ３０は、動作モードがＳＡ（半自動）モードに設定されている場合にこの姿勢修正要否判定処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。

最初に、コントローラ３０の姿勢修正要否判定部３５は、掘削アタッチメントに関するデータを取得する（ステップＳＴ２１）。姿勢修正要否判定部３５は、例えば、ブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、バケット角度（θ３）、シリンダ圧（Ｐ１１〜Ｐ１６）等を取得する。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、正味掘削負荷算出処理を実行して正味掘削負荷を算出する（ステップＳＴ２２）。正味掘削負荷算出処理の詳細については後述する。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、バケット６が地面に接触しているか否かを判定する（ステップＳＴ２３）。姿勢修正要否判定部３５は、例えば、パイロット圧センサ１５ａ、１５ｂ、シリンダ圧センサＳ１１〜Ｓ１６等の出力に基づいてバケット６が地面に接触しているか否かを判定する。例えば、アーム閉じ操作中の膨張側油室における作動油の圧力であるアームボトム圧（Ｐ１３）が所定値以上となっている場合にバケット６が地面に接触していると判定する。アーム閉じ操作が行われているか否かはパイロット圧センサ１５ａ、１５ｂの出力に基づいて判定される。

バケット６が地面に接触していると判定した場合（ステップＳＴ２３のＹＥＳ）、姿勢修正要否判定部３５は、掘削負荷が過大になるおそれがあるか否かを判定する（ステップＳＴ２４）。姿勢修正要否判定部３５は、例えば、正味掘削負荷算出処理で算出した正味掘削負荷が所定値以上の場合に掘削負荷が過大になるおそれがあると判定する。

掘削負荷が過大になるおそれがあると判定した場合（ステップＳＴ２４のＹＥＳ）、姿勢修正要否判定部３５は、掘削アタッチメントの姿勢を修正する必要があるとして掘削深さ調整処理を実行する（ステップＳＴ２５）。姿勢修正要否判定部３５は、例えば、制御弁Ｅ２に対して指令を出力し、ブームシリンダ７に関する流量制御弁を強制的に動かすことでブームシリンダ７を強制的に伸張させる。その結果、ブーム操作レバーに対する操作入力の有無にかかわらず、ブーム４を強制的に上昇させることで掘削深さを浅くすることができる。或いは、姿勢修正要否判定部３５は、バケットシリンダ９に関する流量制御弁を強制的に動かすことでバケットシリンダ９を強制的に伸縮させてもよい。その結果、バケット操作レバーに対する操作入力の有無にかかわらず、バケット６を強制的に開閉させることで掘削深さを浅くすることができる。

バケット６が地面に接触していないと判定した場合（ステップＳＴ２３のＮＯ）、或いは、掘削負荷が過大になるおそれがないと判定した場合（ステップＳＴ２４のＮＯ）、姿勢修正要否判定部３５は、掘削深さ調整処理を実行することなく今回の姿勢修正要否判定処理を終了させる。

上述の実施例では、姿勢修正要否判定部３５は、掘削負荷が過大になるおそれがあるか否かを判定したが、掘削負荷が過小になるおそれがあるか否かを判定してもよい。

そして、掘削負荷が過小になるおそれがあると判定した場合にも、姿勢修正要否判定部３５は、掘削アタッチメントの姿勢を修正する必要があるとして掘削深さ調整処理を実行してもよい。

この場合、姿勢修正要否判定部３５は、例えば、制御弁Ｅ２に対して指令を出力し、ブームシリンダ７に関する流量制御弁を強制的に動かすことでブームシリンダ７を強制的に収縮させる。その結果、ブーム操作レバーに対する操作入力の有無にかかわらず、ブーム４を強制的に下降させることで掘削深さを深くすることができる。或いは、姿勢修正要否判定部３５は、バケットシリンダ９に関する流量制御弁を強制的に動かすことでバケットシリンダ９を強制的に伸縮させてもよい。その結果、バケット操作レバーに対する操作入力の有無にかかわらず、バケット６を強制的に開閉させることで掘削深さを深くすることができる。

また、姿勢修正要否判定部３５は、掘削中におけるアタッチメント制御だけでなく、図７、図８に示すようなバケットの爪先が地面に接触する掘削初期段階におけるバケット爪先角度の制御に用いられてもよい。

次に図１５を参照し、正味掘削負荷算出処理の流れについて説明する。図１５は正味掘削負荷算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。

最初に、姿勢修正要否判定部３５は、現時点における掘削負荷としてのシリンダ圧を取得する（ステップＳＴ３１）。現時点におけるシリンダ圧は、例えば、シリンダ圧センサＳ１１が検出するブームボトム圧（Ｐ１１）を含む。ブームロッド圧（Ｐ１２）、アームボトム圧（Ｐ１３）、アームロッド圧（Ｐ１４）、バケットボトム圧（Ｐ１５）、及びバケットロッド圧（Ｐ１６）についても同様である。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、現時点における掘削アタッチメントの姿勢に対応する空掘削負荷としての空掘削シリンダ圧を取得する（ステップＳＴ３２）。例えば、現時点におけるブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）を検索キーとして空掘削シリンダ圧テーブルを参照することで、予め記憶されている空掘削シリンダ圧を導き出す。空掘削シリンダ圧は、例えば、空掘削ブームボトム圧、空掘削ブームロッド圧、空掘削アームボトム圧、空掘削アームロッド圧、空掘削バケットボトム圧、及び空掘削バケットロッド圧のうちの少なくとも１つを含む。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、現時点におけるシリンダ圧から現時点における掘削アタッチメントの姿勢に対応する空掘削シリンダ圧を差し引いて正味シリンダ圧を算出する（ステップＳＴ３３）。正味シリンダ圧は、例えば、ブームボトム圧（Ｐ１１）から空掘削ブームボトム圧を差し引いた正味ブームボトム圧を含む。正味ブームロッド圧、正味アームボトム圧、正味アームロッド圧、正味バケットボトム圧、及び正味バケットロッド圧についても同様である。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、算出した正味シリンダ圧を正味掘削負荷として出力する（ステップＳＴ３４）。

姿勢修正要否判定部３５は、６つの正味シリンダ圧を正味掘削負荷として導き出した場合、６つの正味シリンダ圧のうちの少なくとも１つに基づいて掘削負荷が過大になるおそれがあるか否かを判定する。６つの正味シリンダ圧は、正味ブームボトム圧、正味ブームロッド圧、正味アームボトム圧、正味アームロッド圧、正味バケットボトム圧、及び正味バケットロッド圧である。例えば、姿勢修正要否判定部３５は、正味アームボトム圧が第１所定圧力値以上で、且つ、正味ブームボトム圧が第２所定圧力値以上の場合に、掘削負荷が過大になるおそれがあると判定してもよい。或いは、姿勢修正要否判定部３５は、正味アームボトム圧が第１所定圧力値以上の場合に掘削負荷が過大になるおそれがあると判定してもよい。

次に図１６を参照し、正味掘削負荷算出処理の別の一例について説明する。図１６は正味掘削負荷算出処理の流れの別の一例を示すフローチャートである。図１６の処理は、現時点における掘削負荷としてシリンダ推力を利用する点で、シリンダ圧を利用する図１５の処理と相違する。

最初に、姿勢修正要否判定部３５は、現時点におけるシリンダ圧から掘削負荷としてのシリンダ推力を算出する（ステップＳＴ４１）。現時点におけるシリンダ推力は、例えば、ブームシリンダ推力（ｆ１）である。ブームシリンダ推力（ｆ１）は、ブームボトム圧（Ｐ１１）とブームボトム側油室におけるピストンの受圧面積（Ａ１１）との積（Ｐ１１×Ａ１１）であるシリンダ伸張力と、ブームロッド圧（Ｐ１２）とブームロッド側油室におけるピストンの受圧面積（Ａ１２）との積（Ｐ１２×Ａ１２）であるシリンダ収縮力との差（Ｐ１１×Ａ１１−Ｐ１２×Ａ１２）である。アームシリンダ推力（ｆ２）及びバケットシリンダ推力（ｆ３）についても同様である。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、現時点における掘削アタッチメントの姿勢に対応する空掘削負荷としての空掘削シリンダ推力を取得する（ステップＳＴ４２）。例えば、現時点におけるブーム角度（θ１）、アーム角度（θ２）、及びバケット角度（θ３）を検索キーとして空掘削シリンダ推力テーブルを参照することで、予め記憶されている空掘削シリンダ推力を導き出す。空掘削シリンダ推力は、例えば、空掘削ブームシリンダ推力、空掘削アームシリンダ推力、及び空掘削バケットシリンダ推力のうちの少なくとも１つを含む。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、現時点におけるシリンダ推力から空掘削シリンダ推力を差し引いて正味シリンダ推力を算出する（ステップＳＴ４３）。正味シリンダ推力は、例えば、現時点におけるブームシリンダ推力（ｆ１）から空掘削ブームシリンダ推力を差し引いた正味ブームシリンダ推力を含む。正味アームシリンダ推力及び正味バケットシリンダ推力についても同様である。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、算出した正味シリンダ推力を正味掘削負荷として出力する（ステップＳＴ４４）。

姿勢修正要否判定部３５は、３つの正味シリンダ推力を正味掘削負荷として導き出した場合、３つの正味シリンダ推力のうちの少なくとも１つに基づいて掘削負荷が過大になるおそれがあるか否かを判定する。３つの正味シリンダ推力は、正味ブームシリンダ推力、正味アームシリンダ推力、及び正味バケットシリンダ推力である。例えば、姿勢修正要否判定部３５は、正味アームシリンダ推力が第１所定推力値以上で、且つ、正味ブームシリンダ推力が第２所定推力値以上の場合に、掘削負荷が過大になるおそれがあると判定してもよい。或いは、姿勢修正要否判定部３５は、正味アームシリンダ推力が第１所定推力値以上の場合に掘削負荷が過大になるおそれがあると判定してもよい。

或いは、姿勢修正要否判定部３５は、３つの正味掘削トルクを正味掘削負荷として導き出した場合、３つの正味掘削トルクのうちの少なくとも１つに基づいて掘削負荷が過大になるおそれがあるか否かを判定してもよい。３つの正味掘削トルクは、正味ブーム掘削トルク、正味アーム掘削トルク、及び正味バケット掘削トルクである。例えば、姿勢修正要否判定部３５は、正味アーム掘削トルクが第１所定トルク値以上で、且つ、正味ブーム掘削トルクが第２所定トルク値以上の場合に、掘削負荷が過大になるおそれがあると判定してもよい。或いは、姿勢修正要否判定部３５は、正味アーム掘削トルクが第１所定トルク値以上の場合に掘削負荷が過大になるおそれがあると判定してもよい。

次に図１７を参照し、正味掘削負荷算出処理の更に別の一例について説明する。図１７は正味掘削負荷算出処理の流れの更に別の一例を示すフローチャートである。図１７の処理は、掘削負荷から空掘削負荷に相当する部分をフィルタで除去して正味掘削負荷を導き出す点において、参照テーブルを用いて導き出される空掘削負荷を掘削負荷から差し引いて正味掘削負荷を導き出す図１５及び図１６の処理と相違する。

最初に、姿勢修正要否判定部３５は、現時点における掘削負荷を取得する（ステップＳＴ５１）。現時点における掘削負荷は、シリンダ圧、シリンダ推力、掘削トルク（掘削力のモーメント）、及び掘削反力の何れであってもよい。

その後、姿勢修正要否判定部３５は、現時点における掘削負荷から空掘削負荷に相当する部分をフィルタで除去して正味掘削負荷を出力する（ステップＳＴ５２）。姿勢修正要否判定部３５は、例えば、シリンダ圧センサＳ１が出力する電気信号を、空掘削負荷に由来する周波数成分とそれ以外の周波数成分とを含む電気信号として捉え、帯域除去フィルタを用いてその空掘削負荷に由来する周波数成分をその電気信号から除去する。

上述の構成により、コントローラ３０は、現時点における正味掘削負荷を高い精度で導き出すことで、掘削負荷が過度に大きくなるおそれがあるか否かを高い精度で判定できる。そして、掘削負荷が過度に大きくなるおそれがあると判定した場合には掘削深さが浅くなるよう掘削アタッチメントの姿勢を自動的に修正できる。その結果、掘削動作中の過負荷により掘削アタッチメントの動きが止まってしまうのを防止でき、効率の良い掘削動作を実現できる。

また、コントローラ３０は、現時点における正味掘削負荷を高い精度で導き出すことで、掘削負荷が過度に小さくなるおそれがあるか否かを高い精度で判定できる。そして、掘削負荷が過度に小さくなるおそれがあると判定した場合には掘削深さが深くなるよう掘削アタッチメントの姿勢を自動的に修正できる。その結果、１回の掘削動作による掘削量が過度に小さくなってしまうのを防止でき、効率の良い掘削動作を実現できる。

このように、コントローラ３０は、掘削反力が適切な大きさとなるよう、掘削動作中に掘削アタッチメントの姿勢を自動的に修正できる。そのため、バケット６の爪先の正確な位置決め制御を実現できる。

また、コントローラ３０は、バケット掘削トルクばかりでなく、ブーム掘削トルク及びアーム掘削トルクを考慮して掘削反力を算出できる。そのため、掘削反力をより高精度に導き出すことができる。

また、コントローラ３０は、掘削中におけるアタッチメント制御だけでなく、図７、図８に示すようなバケットの爪先が地面に接触する掘削初期段階におけるバケット爪先角度の制御に用いられてもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されてもよい。また、コントローラ３０の代わりに外部演算装置３０Ｅが動作制御部Ｅ１を直接的に制御してもよい。

また、上述の実施例では、地形データベース更新部３１は、ショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、地形データベース更新部３１は、アタッチメントの姿勢の推移に関する情報を用いることなく、撮像装置Ｍ５が撮像したショベル周辺の画像に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよい。

また、上述の実施例では、掘削負荷情報検出装置の一例としてシリンダ圧センサが採用されているが、トルクセンサ等の他のセンサが掘削負荷情報検出装置として採用されてもよい。

また、本願は、２０１５年９月１６日に出願した日本国特許出願２０１５−１８３３２１号、及び、２０１６年３月１８日に出願した日本国特許出願２０１６−０５５３６５号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。

１・・・下部走行体 １Ａ・・・左走行用油圧モータ １Ｂ・・・右走行用油圧モータ ２・・・旋回機構 ２Ａ・・・旋回用油圧モータ ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １１ａ・・・オルタネータ １１ｂ・・・スタータ １１ｃ・・・水温センサ １４、１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ １４ａ・・・レギュレータ １４ａＬ、１４ａＲ・・・吐出流量調整装置 １４ｂ・・・吐出圧力センサ １４ｃ・・・油温センサ １５・・・パイロットポンプ １５ａ、１５ｂ・・・パイロット圧センサ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ ２５、２５ａ・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ〜２６Ｃ・・・レバー又はペダル ２９・・・操作内容検出装置 ３０・・・コントローラ ３０ａ・・・一時記憶部 ３０Ｅ・・・外部演算装置 ３１・・・地形データベース更新部 ３２・・・位置座標更新部 ３３・・・地面形状情報取得部 ３４・・・掘削反力導出部 ３５・・・姿勢修正要否判定部 ４０・・・表示装置 ４０ａ・・・変換処理部 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路 ４１・・・画像表示部 ４２・・・入力部 ４２ａ・・・ライトスイッチ ４２ｂ・・・ワイパースイッチ ４２ｃ・・・ウインドウォッシャスイッチ ５０・・・パイロット圧調整装置 ７０・・・蓄電池 ７２・・・電装品 ７４・・・エンジン制御装置（ＥＣＵ） ７５・・・エンジン回転数調整ダイヤル ７６・・・動作モード切替ダイヤル １７１〜１７６・・・流量制御弁 Ｅ１・・・動作制御部 Ｅ２・・・制御弁 Ｍ１・・・通信装置 Ｍ２・・・測位装置 Ｍ３・・・姿勢検出装置 Ｍ３ａ・・・ブーム角度センサ Ｍ３ｂ・・・アーム角度センサ Ｍ３ｃ・・・バケット角度センサ Ｍ３ｄ・・・車体傾斜センサ Ｍ５・・・撮像装置 Ｓ１、Ｓ１１〜Ｓ１６・・・シリンダ圧センサ

Claims (13)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
   バケットを含む前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   前記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前記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前記掘削対象地面に対する前記バケットの爪先角度を制御する制御装置と、
   を備えるショベル。
2. 前記制御装置は、前記バケットの爪先と前記掘削対象地面とが接触する際に、前記爪先角度を前記掘削対象地面に対して略９０度にする、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、前記掘削対象地面に挿入された前記バケットを機体側に引き寄せる際に、前記爪先角度を所定角度範囲内の角度にする、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記制御装置は、前記掘削対象地面に挿入された前記バケットを機体側に引き寄せる際に、掘削反力が所定値より大きい場合、前記爪先角度を大きくする、
   請求項１乃至３の何れかに記載のショベル。
5. 前記制御装置は、前記掘削対象地面に挿入された前記バケットを持ち上げる際に、掘削反力が所定値より大きい場合、前記爪先角度を小さくする、
   請求項１乃至４の何れかに記載のショベル。
6. 前記制御装置は、掘削中の前記操作内容に基づいて複数の掘削段階のうちから現在の掘削段階を決定する、
   請求項１乃至５の何れかに記載のショベル。
7. 下部走行体と、
   前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられる掘削アタッチメントと、
   前記掘削アタッチメントの操作装置と、
   前記掘削アタッチメントを動作させる油圧シリンダと、
   前記掘削アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   掘削負荷に関する情報を検出する掘削負荷情報検出装置と、を有するショベルであって、
   前記ショベルの動作モードを切り替える制御装置を更に有し、
   前記動作モードは、
   前記操作装置に対する操作入力に応じて前記油圧シリンダを動作させる手動モードと、
   掘削負荷から空掘削負荷を差し引いた正味掘削負荷が所定値以上の場合に、前記操作装置に対する操作入力にかかわらず、前記油圧シリンダの動作を制御する半自動モードと、を含む、
   ショベル。
8. 下部走行体と、
   前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられる掘削アタッチメントと、
   前記掘削アタッチメントの操作装置と、
   前記掘削アタッチメントを動作させる油圧シリンダと、
   前記掘削アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   掘削負荷に関する情報を検出する掘削負荷情報検出装置と、
   前記姿勢検出装置が検出した前記掘削アタッチメントの姿勢に対応する空掘削負荷を導き出し、前記掘削負荷情報検出装置が検出した情報に基づいて導き出される掘削負荷から該空掘削負荷を差し引いて正味掘削負荷を算出し、該正味掘削負荷に基づいて前記掘削アタッチメントの姿勢を修正すべきか否かを判定する制御装置と、
   を有するショベル。
9. 前記掘削負荷に関する情報は、前記油圧シリンダのシリンダ圧であり、
   前記制御装置は、現時点におけるシリンダ圧を前記掘削負荷とし、現時点における前記掘削アタッチメントの姿勢での空掘削時のシリンダ圧に相当する空掘削シリンダ圧を前記空掘削負荷とする、
   請求項７又は８に記載のショベル。
10. 前記制御装置は、
    現時点におけるシリンダ圧に基づいて算出されるシリンダ推力から、前記空掘削シリンダ圧に基づいて算出される空掘削シリンダ推力を差し引いて正味シリンダ推力を算出し、
    前記正味シリンダ推力を引数とする関数と前記掘削アタッチメントの姿勢を表す物理量を引数とする関数とに基づいて掘削反力を算出し、
    前記掘削反力に基づいて前記掘削アタッチメントの姿勢を修正すべきか否かを判定する、
    請求項９に記載のショベル。
11. 前記掘削負荷に関する情報は、前記油圧シリンダのシリンダ圧であり、
    前記制御装置は、
    現時点におけるシリンダ圧から、現時点における前記掘削アタッチメントの姿勢での空掘削時のシリンダ圧に相当する前記空掘削負荷としての空掘削シリンダ圧を除去して前記正味掘削負荷としての正味シリンダ圧を出力するフィルタを有する、
    請求項７又は８に記載のショベル。
12. 前記掘削負荷に関する情報は、前記油圧シリンダのシリンダ圧であり、
    前記制御装置は、
    現時点におけるシリンダ圧に基づいて算出される前記掘削負荷としてのシリンダ推力から、現時点における前記掘削アタッチメントの姿勢での空掘削時のシリンダ推力に相当する前記空掘削負荷としての空掘削シリンダ推力を除去して前記正味掘削負荷としての正味シリンダ推力を出力するフィルタを有する、
    請求項７又は８に記載のショベル。
13. 前記空掘削負荷は、前記掘削アタッチメントの動作速度毎又は動作内容毎に参照可能に記憶されている、
    請求項７乃至１２の何れかに記載のショベル。

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