JP6576757B2

JP6576757B2 - ショベル

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Publication number: JP6576757B2
Application number: JP2015183822A
Authority: JP
Inventors: 健志岡田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: CN106545039A; JP2017057644A; CN106545039B

Description

本発明は、ショベルに関する。

ショベルは、クローラと呼ばれる走行体、上部旋回体、走行体に対して上部旋回体を回転させる旋回装置、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを備える。図１（ａ）はショベルの操縦席１００を示す図である。操縦席には、オペレータ（作業者）が操作する左操作レバー１０２、右操作レバー１０３が設けられる。図１（ｂ）は、左操作レバー１０２を示す図である。左操作レバー１０２の前後方向（i）、左右方向（ii）はそれぞれ、旋回軸、アーム軸、ブーム軸、バケット軸のひとつに割り当てられる。右操作レバー１０３の左右方向、前後方向についても同様である。なお、レバーの方向と軸の対応関係は、ショベルのメーカごとに異なる。

レバーの傾動角に対する制御指令（ひいては実動作）の対応関係（本明細書において感度特性と称する）は、機種（サイズ・メーカ）ごとに異なる。この感度特性はショベルの操作感に直結するところ、オペレータがこれまでに経験した操作感と異なる操作感を有するショベルを使用した場合、作業精度の低下や作業時間の増大等の問題が発生する。

特開２００２−３２２６８１号公報特開平８−１５１６６２号公報特開平１−１５６３００号公報特開平７−７７２０６号公報

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、オペレータごと、あるいは作業ごとに適した操作感を提供可能なショベルの提供にある。

本発明のある態様はショベルに関する。ショベルは、走行体と、走行体に対して旋回する上部旋回体と、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、上部旋回体の運転席に設けられ、所定方向への傾倒が、旋回軸、アタッチメントのブーム軸、アーム軸、バケット軸のうちひとつである制御軸の運動と対応付けられる操作レバーと、あらかじめ規定された操作レバーの傾倒角と指令値との対応関係を示す感度特性を保持し、傾倒角に応じた指令値を生成する感度補正部と、指令値に応じて制御軸を制御する駆動装置と、を備える。感度補正部は、オペレータにより事前に入力された少なくとも２座標を通るように感度特性を生成する。

オペレータが感度特性を設定可能とすることで、オペレータごとあるいは作業ごとに適切な操作感を提供できる。また少なくとも２座標が指定可能であることから、ゲイン、感度、立ち上がり特性や飽和特性を独立して設定でき、操作感をオペレータの好みに近づけることが可能となる。

感度補正部は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を有し、表示手段に感度特性を表示しつつ、オペレータによる少なくとも２座標の入力を受け付ける。
これによりオペレータは直感的に感度特性を設定できる。

感度補正部は、複数の作業に対応して異なる複数の感度特性を保持してもよい。感度補正部は、オペレータが選択した作業に対応する感度特性にもとづき、指令値を生成してもよい。
本発明者が検討したところ、掘削作業、整地作業、積み込み作業など、作業の種類ごとに、好ましい感度特性は異なる。この態様によれば各作業の効率を高めることができる。

感度補正部は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を有し、表示手段に複数の作業を表示し、オペレータによる作業の選択を受け付けてもよい。

本発明の別の態様もショベルに関する。ショベルは、走行体と、走行体に対して旋回する上部旋回体と、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、上部旋回体の運転席に設けられ、所定方向への傾倒が、旋回軸、前記アタッチメントのブーム軸、アーム軸、バケット軸のうちひとつである制御軸の運動と対応付けられる操作レバーと、複数の作業に対応する複数の感度特性を保持し、感度特性は、操作レバーの傾倒角と指令値との対応関係を示すものであり、オペレータが選択した作業に対応する感度特性にもとづき、傾倒角に応じた指令値を生成する感度補正部と、指令値に応じて制御軸を制御する駆動装置と、を備える。
この態様によれば、作業に適した感度特性を提供でき、作業効率を高めることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、オペレータごとに、あるいは作業ごとに適した操作感を提供できる。

図１（ａ）はショベルの操縦席を示す図であり、図１（ｂ）は左操作レバーを示す図である。実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。実施の形態に係るショベルの制御ブロック図である。感度特性の一例を示す図である。ＧＵＩを示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るショベルの感度補正を説明する図である。図７（ａ）は、速度指令の波形図であり、図７（ｂ）は、感度特性を示す図である。図８（ａ）〜（ｅ）は、作業モードごとの感度特性の一例を示す図である。図９（ａ）は整地作業を、図９（ｂ）は掘削（深掘り）作業を行うショベルを示す図である。作業モード選択時の表示手段を示す図である。実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。変形例に係る感度特性を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行体（クローラ）２と、走行体２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に上部旋回体ともいう）４とを備えている。

上部旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、アタッチメント１２と総称され、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、上部旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作するオペレータを収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

図３は、実施の形態に係るショベル１の制御ブロック図である。図３には、ある特定の１軸のみが示される。ショベル１は、操作レバー５００、感度補正部５０２、駆動装置５０４、制御軸５０６を備える。

操作レバー５００は、上部旋回体の運転席に設けられる。操作レバー５００は、縦方向および横方向それぞれへ傾倒可能である。操作レバー５００は、ある方向への傾倒が、旋回軸、アタッチメントのブーム軸、アーム軸、バケット軸のうちひとつ（以下、制御軸という）の運動と対応付けられる。たとえば傾倒角θは、制御軸の速度に対応している。操作レバー５００の傾倒角θは電気信号に変換され、感度補正部５０２に入力される。

感度補正部５０２は、あらかじめ規定された操作レバー５００の傾倒角θと制御軸に対する指令値ω_ＲＥＦとの対応関係を示す感度特性５１１（傾倒角対指令値特性）を保持しており、傾倒角θに応じた指令値ω_ＲＥＦを生成する。

感度補正部５０２は、演算部５１０およびユーザインタフェース５１２を備える。ユーザインタフェース５１２は、ボタン、ボリュームノブ（つまみ）、ジョイスティック、タッチパネルなどの入力手段５１４と、液晶ディスプレイなどの表示手段を有するＧＵＩ（Graphical User Interface）であってもよい。オペレータは、作業に先立って、入力手段５１４を介して、感度特性５１１の少なくとも２座標を入力する。

演算部５１０は、オペレータにより事前に入力された少なくとも２座標を通るように感度特性５１１を生成する。この感度特性５１１は、テーブルあるいは演算式（近似式）の形式で、演算部５１０に保持される。演算部５１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコン、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェアとソフトウェアプログラムの組み合わせ、あるいは専用のコントローラにより実現しうる。

図４は、感度特性５１１の一例を示す図である。感度特性５１１は、レバーの傾倒角θに応じて、不感帯５２０、遷移域５２２、ピーク域５２４に分けられる。０＜θ＜θ_１は、速度ω_ＲＥＦがゼロの不感帯５２０であり、θ_１＜θ＜θ_２は傾倒角θに応じて速度が増加する遷移域であり、θ_２＜θ＜θ_ＭＡＸは速度が最大値ω_ＭＡＸとなるピーク域５２４である。感度補正部５０２は、不感帯５２０と遷移域５２２の境界の第１座標Ｐ１と、遷移域５２２とピーク域５２４の境界の第２座標Ｐ２の入力を受け付け、遷移域５２２は第１座標Ｐ１と第２座標Ｐ２を通過する１次関数で規定してもよい。境界のθ_１，θ_２は固定されていてもよいし、オペレータが変更可能であってもよい。不感帯５２０およびピーク域５２４付近は自動補正してもよく、たとえば垂線としてもよいし、スプライン補間で求めてもよい。

オペレータが第１座標Ｐ１、第２座標Ｐ２を入力する際には、遷移域５２２において傾きが正となるように拘束条件を課し、この条件を違反する入力は不能とし、あるいは違反であることをオペレータに喚起することが望ましい。また第１座標Ｐ１、第２座標Ｐ２を選択可能な許容範囲（ハッチングを付す）５２６を設定し、危険域や明らかに操作感が損なわれる領域を選択できないようにすることが望ましい。

感度補正部５０２は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を有し、表示手段５１６に図４の感度特性５１１を表示しつつ、オペレータによる少なくとも２座標Ｐ１，Ｐ２の入力を受け付ける。図５は、ＧＵＩを示す図である。ＧＵＩは、運転室内のマシンガイダンスを目的として設けられるディスプレイを流用することができる。オペレータは、指５３０で画面をタッチすることで、２つの座標Ｐ１、Ｐ２を視覚的、直感的に指定することができる。あるいはボリュームノブを回転させることで、座標Ｐ１，Ｐ２それぞれを上下（および／または左右）に移動させてもよい。

図３に戻る。駆動装置５０４は、感度補正部５０２が出力する指令値ω_ＲＥＦに応じて制御軸の制御軸５０６を制御する。制御軸５０６は、（i）ブーム軸のシリンダ、（ii）アーム軸のシリンダ、（iii）バケット軸のシリンダ、あるいは（iv）旋回モータに相当する。

以上がショベル１の構成である。続いてその動作を説明する。図６（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るショベル１の感度補正を説明する図である。図６（ａ）は感度特性が示され、特性Ａはデフォルトの感度特性を示す。縦軸のバルブ圧は、アーム軸の速度指令（あるいはトルク指令）に他ならない。図６（ｂ）は、デフォルトの感度特性Ａにもとづいて、熟練したプロのオペレータが整地作業を行ったときのアームレバーの傾倒角θの時間波形Ｘと、不慣れなアマチュアのオペレータが整地作業を行ったときのアームレバーの傾倒角θの時間波形Ｙを示す。波形Ｘから分かるようにプロのオペレータではアームレバーがスムースに操作される。これに対して、アマチュアのオペレータの波形Ｙでは、アームレバーの傾動角θが上下に変動している。これは、傾動角θが大きな領域において、感度が高すぎることに起因している。

このような場合、オペレータは、図６（ａ）の特性Ｂに示すように、傾動角θが大きな領域において感度が低くなるように、言い換えれば傾きが小さくなるように、２つの座標Ｐ１，Ｐ２を指定すればよい。具体的には、第１座標Ｐ１のバルブ圧（速度指令）を増加させることで、アマチュアのオペレータに適した操作感を提供することができる。ここではアーム軸について説明したが、ブーム軸についても、補正を行うことができる。反対に、特性Ｃのように座標Ｐ１，Ｐ２を指定すれば、感度を高めることができる。

このように実施の形態に係るショベル１によれば、オペレータが感度特性を設定することで、オペレータごとに適切な操作感を提供できる。

とりわけ、感度特性に対して少なくとも２座標が指定可能であることから、ゲイン、感度、不感帯と遷移域の境界付近の立ち上がり特性や、遷移域からピーク域の境界付近の飽和特性を、オペレータの好みに近づけることが可能となる。

図７（ａ）は、速度指令の波形図であり、図７（ｂ）は、感度特性を示す図である。図７（ｂ）の感度特性（i）に関して、図７（ａ）の波形（i）が得られるとする。レバーの感度が高すぎると、オペレータはレバーを倒し、行き過ぎを感じるとレバーを戻す操作を繰り返すため、波形（i）にはリンギングが生じることとなる。

図７（ｂ）の感度特性（ii）は、感度特性(i)のゲイン補正（傾き補正）を行ったものである。感度特性（i）から（ii）への補正により、傾動角θが大きな領域において速度が高くなるとともに、感度（傾き）も一緒に高くなっている。その結果、図７（ａ）の波形（ii）に示すように、速度は高くなるが、リンギングは収まっていない。

図７（ｂ）の感度特性（iii）は、感度特性(i)のゲイン補正（傾き補正）に加えて、感度を補正したものである。感度特性（i）から（iii）への補正により、傾動角θが大きな領域において速度が高くなるが、感度（傾き）は小さくなっている。その結果、図７（ａ）の波形（iii）に示すように、速度を高めつつ、リンギングを抑制することができる。

ショベル１は、掘削作用、整地作業、積み込み作業などさまざまな形態で使用されうる。そして、ある作業に適した感度特性は、別の作業に適しているとは限らない。そこで感度補正部５０２は、複数の作業に対応して異なる複数の感度特性を保持可能とすることが望ましい。そして感度補正部５０２は、オペレータが選択した作業に対応する感度特性にもとづき、指令値ω_ＲＥＦを生成する。これにより、作業の種類が変わるごとに、オペレータがわざわざ第１座標Ｐ１、第２座標Ｐ２を再設定する必要がなくなるため、作業効率を一層高めることができる。複数の感度特性すべてについて、図４に示したように複数の座標Ｐ１，Ｐ２がオペレータにより設定可能であってもよいし、一部の作業に対応する感度特性は固定とし、残りの作業に対応する感度特性についてのみ、オペレータが座標を設定可能であってもよい。

図８（ａ）〜（ｅ）は、作業モードごとの感度特性の一例を示す図である。上段はアーム軸の感度特性を、下段はブーム軸の感度特性を示す。図９（ａ）は、整地作業を行うショベル１を示す図である。効率的な整地作業のためには、アーム６を相対的に大きく（速く）、ブーム５を相対的に小さく（遅く）動かすことが望ましい。したがって図８（ｂ）に示すように、アーム軸に関しては相対的に大きな速度域で動作するようにし、ブーム軸に関しては相対的に小さな速度域で動作するようにしてもよい。また整地作業では、緻密な制御が要求されることから、ブーム軸、アーム軸ともに、図８（ａ）のデフォルトモードよりも感度が小さく設定される。

より緻密な作業を要求される場合、図８（ｃ）の微操作モードが好適である。微操作モードでは、アーム軸、ブーム軸がともに小さな速度域で、低い感度で動作するように設定される。

図９（ｂ）は、深掘り作業を行うショベルを示す図である。この作業では、ブームの可動範囲が、アームの可動範囲に比べて大きくなる。したがってブーム軸がアーム軸より高速に動かせることが望ましい。そこで図８（ｄ）に示すように、アーム軸は低い速度域に、ブーム軸は高い速度域に設定される。

単純作業においては精度は要求されず、高速な動作が要求されるため、図８（ｅ）のように、ブーム軸、アーム軸ともに高い速度域で変化する感度特性が好ましいと言える。

図１０は、作業モード選択時の表示手段５１６を示す図である。作業モードは、上述のユーザインタフェース５１２により簡易に切換可能とすることが好ましい。

図１１は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図１１では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。また図１１では、ブーム軸の駆動に関連する構成が代表して示される。

エンジン１１は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。なお、油圧アクチュエータに油圧を供給する油圧回路は２系統設けられることがあり、その場合にはメインポンプ１４は２つの油圧ポンプを含む。本明細書では理解の容易化のため、メインポンプが１系統の場合を説明する。

コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置であり、複数のコントロールバルブの集合体である。コントロールバルブ１７には、図２に示した走行体２を駆動するための油圧モータ（走行油圧モータ）２Ａ及び２Ｂの他、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が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧をオペレータの操作入力に応じて制御する。コントロールバルブ１７は図３の駆動装置５０４に相当する。

また、旋回機構３を駆動するための旋回油圧モータ１３がコントロールバルブ１７に接続される。旋回油圧モータ１３は、旋回制御装置の油圧回路を介してコントロールバルブ１７に接続されるが、図１１には旋回制御装置の油圧回路は示されず、簡略化されている。

パイロットポンプ１５には、パイロットライン１８および後述の切換弁３２を介してパイロットバルブ２７が接続される。パイロットバルブ２７は、操作レバー２６と接続されており、パイロットライン１８を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を、操作レバー２６の傾動角θに応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作レバー２６は、走行体２、旋回機構３、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作手段であり、オペレータによって操作される。パイロットバルブ２７から出力される２次側の油圧は、パイロットライン２８、クッションバルブ２９、および後述のシャトル弁３８を介してコントロールバルブ１７に供給される。

以上が、ショベル１の基本構成である。続いて、実施の形態に係る感度補正に関する構成を説明する。ショベル１は、上述した構成に加えて運転支援システム３０を備える。運転支援システム３０は、図３の感度補正部５０２に対応しており、切換弁３２、ＣＰＵ３４、電磁比例弁３６、シャトル弁３８を備える。切換弁３２およびシャトル弁３８は、感度補正が無効な制御系と、感度補正が有効な制御系を切り替えるために設けられる。具体的には切換弁３２は、感度補正を無効とする場合、パイロットライン１８を、パイロットライン１９と接続し、感度補正を有効とする場合、パイロットライン１８を、パイロットライン２０と接続する。

ＣＰＵ３４は、図３の演算部５１０に相当する。ＣＰＵ３４には、操作レバー２６の傾動角θを示す電気信号Ｓ１が入力される。たとえばパイロットバルブ２７の２次側の圧油を検出する圧力センサを用いて、傾動角θを検出してもよい。あるいは傾動角θを直接検出する角度センサを用いてもよい。ＣＰＵ３４は、傾動角θを受け、感度特性に応じた指令値ω_ＲＥＦに対応する制御信号Ｓ２を生成する。

パイロットライン２０の経路上には、電磁比例弁３６が設けられる。電磁比例弁３６は、ＣＰＵ３４からの制御信号Ｓ２に応じて、出力側のパイロットライン２１の油圧を変化させる。パイロットライン２１の油圧は、速度指令値ω_ＲＥＦに相当する。パイロットライン２１は、シャトル弁３８を介してコントロールバルブ１７に供給される。

このショベル１によれば、傾動角θと制御軸の速度指令の関係を補正することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、第１座標Ｐ１、第２座標Ｐ２の２座標を指定可能としたが、３つ以上の座標を指定可能としてもよい。図１２は、変形例に係る感度特性を示す図である。この変形例では、第１座標Ｐ１，第２座標Ｐ２に加えて、中間的な第３座標Ｐ３が指定可能となっている。Ｐ１とＰ３間、Ｐ３とＰ２間は１次関数であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ショベル、２…走行体、２Ａ，２Ｂ…走行油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、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…バケット、１１…エンジン、１２…アタッチメント、１４…メインポンプ、１５…パイロットポンプ、１６…パイロットライン、１７…コントロールバルブ、１８，１９，２０…パイロットライン、２６…操作レバー、２７…パイロットバルブ、２８…パイロットライン、２９…クッションバルブ、３０…運転支援システム、３２…切換弁、３４…ＣＰＵ、３６…電磁比例弁、３８…シャトル弁、５００…操作レバー、５０２…感度補正部、５０４…駆動装置、５０６…制御軸、５１０…演算部、５１１…感度特性、５１２…ユーザインタフェース、５２０…不感帯、５２２…遷移域、５２４…ピーク域。

Claims

走行体と、
走行体に対して旋回する上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
前記上部旋回体の運転席に設けられ、所定方向への傾倒が、旋回軸、前記アタッチメントのブーム軸、アーム軸、バケット軸のうちひとつである制御軸の運動と対応付けられる操作レバーと、
あらかじめ規定された前記操作レバーの傾倒角と前記制御軸への指令値との対応関係を示す感度特性を保持し、傾倒角に応じた前記指令値を生成する感度補正部と、
前記指令値に応じて前記制御軸を制御する駆動装置と、
を備え、
前記感度補正部は、オペレータにより事前に入力された少なくとも２座標を通るように前記感度特性を生成することを特徴とするショベル。
前記感度補正部は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を有し、表示手段に前記感度特性を表示しつつ、前記オペレータによる前記少なくとも２座標の入力を受け付けることを特徴とする請求項１に記載のショベル。
前記感度補正部は、複数の作業に対応して異なる複数の感度特性を保持し、オペレータが選択した作業に対応する感度特性にもとづき、前記指令値を生成することを特徴とする請求項１または２に記載のショベル。
前記感度補正部は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を有し、表示手段に前記複数の作業を表示し、前記オペレータによる作業の選択を受け付けることを特徴とする請求項３に記載のショベル。
走行体と、
走行体に対して旋回する上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
前記上部旋回体の運転席に設けられ、所定方向への傾倒が、旋回軸、前記アタッチメントのブーム軸、アーム軸、バケット軸のうちひとつである制御軸の運動と対応付けられる操作レバーと、
複数の作業に対応する複数の感度特性を保持し、前記感度特性は、前記操作レバーの傾倒角と前記制御軸への指令値との対応関係を示すものであり、前記複数の感度特性はそれぞれ事前に入力された少なくとも２座標を通るように規定され、オペレータが選択した作業に対応する前記感度特性にもとづき、傾倒角に応じた前記指令値を生成する感度補正部と、
前記指令値に応じて前記制御軸を制御する駆動装置と、
を備えることを特徴とするショベル。