JPH0953253A - 建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】建設機械の掘削領域設定装置において、車体の
移動により車体高さが変化しても掘削領域の設定が変化
せずかつ車体の製作公差、センサの精度、取り付け公差
などの誤差の影響が少なく、設定した掘削領域との差を
少なく掘削できるようにする。 【解決手段】油圧ショベル本体の外部に水平な方向に外
部基準８０を設置し、操作器７を用いて外部基準から掘
削領域の境界までの深さｈｒを設定する。次に、フロン
ト装置１Ａを動かしてフロント基準７０が外部基準と位
置が一致した時に外部基準設定スイッチ７１を押すと、
制御ユニット９は車体中心Ｏから外部基準までの高さｈ
ｆを演算し、この高さｈｆを補正値として、深さｈｒか
ら車体中心Ｏに対する掘削領域の境界面の深さｈｓを演
算し、この深さｈｓにより車体１Ｂを基準とした掘削領
域を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は建設機械の領域制限掘削
制御に係わり、特に、多関節型の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領域制限掘削制御の掘削領域設定
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。油圧ショベルは垂直方向にそれぞれ回動可能なブ
ーム、アーム及びバケットからなるフロント装置と、上
部旋回体及び下部走行体からなる車体とで構成され、フ
ロント装置のブームの基端は上部旋回体の前部に支持さ
れている。このような油圧ショベルはフロント装置の動
作範囲が広いことを特徴とする建設機械であり、そのこ
とが便利である半面、特定の掘削形状よりフロントが突
出しては困る作業などに使われる場合にはオペレータに
慎重な操作を要求することになる。このため例えば特開
平４−１３６３２４号公報に示されるようにフロント装
置の作業範囲の制限を行うことが考えられている。この
特開平４−１３６３２４号公報には、制限領域（侵入不
可領域）の設定方法として、フロント装置の先端（バケ
ットの爪先）を制限領域（侵入不可領域）に動かし、そ
の位置を記憶するか、あるいは操作パネルから制限領域
を数値で入力設定する方法が示されている。

【０００３】また、油圧ショベルではブームなどのフロ
ント部材をそれぞれの手動操作レバーによって操作して
いるが、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、特に直線状に設定された領域を掘削すること
は非常に困難な作業であり、自動化が望まれている。そ
のような作業を自動化して行う構成とした場合、車体が
移動すると作業現場の地形の変化で油圧ショベル自身の
姿勢、高さが変化し、車体に関して設定していた領域を
車体が移動するごとに設定し直さなくてはならない。そ
こで、このような作業を容易にするための自動掘削方法
が特開平３−２９５９３３号公報に提案されている。こ
の自動掘削方法では、掘削地表面に設置したレーザ発振
器のレーザ光により車体に設置したセンサにて車体の高
さを検出し、その検出した車体高さに基づいて掘削深さ
（前者の例の制限領域に相当する）を決定して車体を停
止した状態で所定長さだけ直線掘削し、その後に車体を
所定距離走行させて停止状態で再び直線掘削する際に前
記レーザ光により車体高さ変位量を検出し、その高さ変
位量によって掘削深さを補正するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題がある。

【０００５】まず、特開平４−１３６３２４号公報に記
載の従来技術では、車体を基準として制限領域（侵入不
可領域）を設定するので、車体が移動し作業現場の地形
の変化で油圧ショベル自身の姿勢、高さが変化すると、
それに応じて制限領域の設定深さが変化してしまう。例
えば地面が傾斜していれば、車体の移動とともに設定深
さも地面の傾斜面に沿って変化し、制限領域の設定面も
傾斜してしまう。

【０００６】また、特開平３−２９５９３３号公報に記
載の従来技術では、車体の移動に伴う車体高さの変化の
補正は行えるものの、操作パネルにより掘削深さを設定
する場合、車体を基準に掘削深さを設定するので、掘削
制御でバケットの先端位置を演算するとき、車体の製作
公差、あるいは制御に使用するフロント装置の位置、姿
勢を計測する角度センサの精度、取り付け公差などが誤
差として集積し、実際に掘削した深さが設定した掘削深
さと違ってしまい、設定通りに掘削することができな
い。

【０００７】また、車体の移動により車体高さが変化す
ると車体からの掘削深さが変化することから、掘削深さ
の変化量に対してもフロント装置の位置、姿勢を計測す
るセンサの誤差が影響し、車体高さが変化する前後で掘
削深さが変化してしまう。

【０００８】更に、車体高さが変化してもレーザ光が確
実にセンサに当たりレーザ光を検出できるようにするた
めには、車体に多数のセンサを高さ方向に並べて設置す
る必要があり、センサの装備が大がかりで複雑になる。

【０００９】同様に、車体に備えられたセンサにより高
さを補正することから、センサの大きさの制約から補正
できる高さは限られた範囲となる。

【００１０】本発明の第１の目的は、車体の移動により
車体高さが変化しても掘削領域の設定が変化することの
ない建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置を
提供することである。

【００１１】本発明の第２の目的は、車体の製作公差、
あるいは制御に使用するフロント装置の位置、姿勢を計
測するセンサの精度、取り付け公差などの誤差の影響が
少なく、設定した掘削領域との差を少なく掘削すること
ができる建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装
置を提供することである。

【００１２】本発明の第３の目的は、車体の移動により
車体高さが変化しても掘削領域の設定が変化することが
なくかつフロント装置の位置、姿勢を計測するセンサの
誤差の影響による掘削深さの変化の少ない建設機械の領
域制限掘削制御の掘削領域設定装置を提供することであ
る。

【００１３】本発明の第４の目的は、大がかりで複雑な
センサを要せずに車体の移動を補正できる建設機械の領
域制限掘削制御の掘削領域設定装置を提供することであ
る。

【００１４】本発明の第５の目的は、車体の移動を広い
範囲で補正できる建設機械の領域制限掘削制御の掘削領
域設定装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第１〜第５の目的を
達成するために、本発明による建設機械の領域制限掘削
制御装置は次の構成を採用する。すなわち、多関節型の
フロント装置を構成する上下方向に回動可能な複数のフ
ロント部材と、前記フロント装置を支持する車体とを備
え、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動制御してフ
ロント部材の動作範囲を制限制御する建設機械の領域制
限掘削制御の掘削領域設定装置において、（ａ）前記建
設機械の外部に設置され、掘削領域に対する基準位置を
示す外部基準を与える外部基準部材と；（ｂ）前記フロ
ント装置に備えられ、前記外部基準に前記フロント装置
を合わせる目標となるフロント基準を与えるフロント基
準部材と；（ｃ）前記フロント装置の位置と姿勢に関す
る状態量を検出する検出手段と；（ｄ）前記検出手段の
信号に基づき前記フロント装置の位置と姿勢を演算する
第１演算手段と；（ｅ）前記外部基準と掘削領域の位置
関係を設定する第１設定手段と；（ｆ）前記フロント基
準が前記外部基準と一致したときに操作される外部基準
設定スイッチと；（ｇ）前記外部基準設定スイッチが操
作されたときの前記第１演算手段で演算した前記フロン
ト装置の位置と姿勢の情報に基づき前記車体と前記外部
基準との位置関係を演算し、この車体と外部基準との位
置関係と前記第１設定手段で設定した外部基準と掘削領
域の位置関係とから前記車体と掘削領域との位置関係を
演算する第２演算手段と；（ｈ）前記第２演算手段で演
算した前記車体と掘削領域の位置関係から前記車体を基
準とした掘削領域を設定する第２設定手段と；を備える
構成とする。

【００１６】以上のように構成した本発明においては、
フロント基準が外部基準と一致し、外部基準設定スイッ
チが操作されたときに、第２演算手段にて第１設定手段
で設定した外部基準と掘削領域の位置関係を補正して車
体と掘削領域の位置関係を演算し、第２設定手段で車体
を基準として掘削領域を設定するため、車体の移動によ
る高さ変化を毎回補正して掘削作業が行える。このた
め、車体が移動し車体高さが変化しても掘削領域の設定
は変化せず、常に外部基準を基準とした所定の深さを掘
削することができる。

【００１７】また、フロント基準部材を実際に地面に作
用するフロント装置に設置し、フロント基準が外部基準
と一致したときのフロント装置の位置と姿勢に基づき車
体を基準とした掘削領域を設定するので、この掘削領域
の設定に際して掘削領域設定演算と掘削制御演算とで車
体の製作公差やフロント基準、検出手段等の精度、取付
け公差などの誤差の影響が相殺されることとなる。この
ため、掘削制御でフロント装置の位置を演算するとき、
基準光を車体に設置したセンサで検出する方法に比較し
て上記公差や精度の誤差の影響が少なくなり、設定した
掘削領域との差を少なく設定通りに正確に掘削すること
ができる。

【００１８】また、フロント装置の位置、姿勢を計測す
る検出手段の誤差の影響を受け難いので、車体が移動し
て車体高さが変化することにより車体からの掘削深さが
変化しても、その掘削深さの変化量に対する検出手段の
誤差の影響が少なくなり、車体高さが変化する前と後で
掘削深さが変化することが防止される。

【００１９】更に、フロント装置を動かしフロント基準
が外部基準と一致したときに、外部基準設定スイッチを
操作することで外部基準を検出するので、フロント装置
に小型でシンプルなフロント基準を設置するだけで車体
の移動を補正できる。

【００２０】同様に、フロント装置を操作してフロント
基準を外部基準に一致させ、外部基準設定スイッチを操
作するので、フロント装置の広い可動範囲を考えれば車
体の移動を広い範囲で補正できる。

【００２１】以上の掘削領域設定装置において、好まし
くは、前記第１設定手段は、前記外部基準から掘削領域
と制限領域の境界までの深さを設定する手段である。こ
のように第１設定手段を構成することにより、制限領域
との境界を水平面とした掘削領域を設定できる。

【００２２】また、前記第１設定手段は、前記外部基準
から前記掘削領域の基準点までの深さ、前記車体から前
記基準点までの距離、前記掘削領域の境界の傾斜角度を
設定する手段であってもよい。このように第１設定手段
を構成することにより、勾配を付けた掘削領域を設定で
きる。

【００２３】また、好ましくは、前記第１設定手段は、
設定器により入力されたデータを基に前記外部基準と設
定領域の位置関係を設定する手段である。このように第
１設定手段を構成することにより、作業の初めに第１設
定手段の設定を行っておけば、作業開始時、あるいは車
体を走行して移動するごとにフロント装置を掘削領域の
境界に位置決めするための補助員が不要となる。また、
補助員の指示による設定にかかる時間を無くすことがで
き、作業時間を短縮できる。

【００２４】前記第１設定手段は、前記第１演算手段で
演算した前記フロント装置の位置と姿勢の情報に基づ
き、前記フロント装置を動かしフロント装置の先端が設
定領域の境界に来たときの前記フロント装置の先端の位
置を演算する手段と、前記第１演算手段で演算した前記
フロント装置の位置と姿勢の情報に基づき、前記フロン
ト装置を動かし前記フロント基準が前記外部基準に一致
したときの前記フロント基準の位置を演算する手段と、
前記フロント装置の先端位置と前記フロント基準の位置
とから前記外部基準と掘削領域の位置関係を演算し、記
憶する手段とを含む構成であってもよい。このように第
１設定手段を構成することにより、フロント装置の先端
が設定領域の境界に来たときのフロント装置の先端の位
置と、フロント基準が外部基準と一致したときのフロン
ト基準の位置とから外部基準と設定領域の位置関係を演
算し、記憶することとなり、ダイレクトティーチングに
より掘削領域を設定でき、作業状況に合わせて所望の掘
削領域を正確に設定することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。まず、本発明の第１の実施形態を図１
〜図１０により説明する。

【００２６】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〜４
ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜
３ｆ間に接続され、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、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧
駆動装置を構成している。

【００２７】また、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１
ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１
Ａと、上部旋回体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１
ａ、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
る被駆動部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー
装置４ａ〜４ｆにより指示される。

【００２８】図１に戻り、操作レバー装置４ａ〜４ｆは
パイロット圧により対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆
動する油圧パイロット方式であり、それぞれ、オペレー
タにより操作される操作レバー４０と、操作レバー４０
の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する１
対の減圧弁（図示せず）とにより構成され、各減圧弁の
一次ポートはパイロットポンプ４３に接続され、二次ポ
ートはパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５
ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８
ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧
駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２
ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂ
に接続されている。

【００２９】以上のような油圧ショベルに本実施形態に
よる掘削領域設定装置を含む領域制限掘削制御装置が搭
載されている。この制御装置は、予め作業に応じてフロ
ント装置の所定部位、例えばバケット１ｃの先端が動き
得る掘削領域の設定を指示する設定器７と、ブーム１
ａ、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計８ａ，８
ｂ，８ｃと、車体１Ｂの前後方向の傾斜角θを検出する
傾斜計８ｄと、ブーム用及びアーム用の操作レバー装置
４ａ，４ｂのパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５
ａ，４５ｂに設けられ、操作レバー装置４ａ，４ｂから
のパイロット圧を検出する圧力検出器６０ａ，６０ｂ；
６１ａ，６１ｂと、油圧ショベルの外部に設置され掘削
領域に対する基準位置を示す外部基準を与える外部基準
部材８０（図２参照；以下、適宜、「外部基準部材」を
単に「外部基準」という）と、フロント装置１ａのアー
ム１ｂの側部に取り付けられ、外部基準８０にフロント
装置１Ａを合わせる目標となるフロント基準を与えるフ
ロント基準部材７０（図４参照；以下、適宜、「フロン
ト基準部材」を単に「フロント基準」と称する）と、フ
ロント装置１Ａを操作してフロント基準７０が外部基準
８０に一致したときに押される外部基準設定スイッチ７
１と、設定器７の設定信号、角度計８ａ，８ｂ，８ｃ及
び傾斜計８ｄの検出信号、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；
６１ａ，６１ｂの検出信号、及び外部基準設定スイッチ
７１の操作信号を入力し、バケット１ｃの先端が動き得
る掘削領域を設定すると共に、領域を制限した掘削制御
を行うための電気信号を出力する制御ユニット９と、前
記電気信号により駆動される比例電磁弁１０ａ，１０
ｂ，１１ａ，１１ｂと、シャトル弁１２とで構成されて
いる。シャトル弁１２はパイロットライン４４ａに設置
され、パイロットライン４４ａ内のパイロット圧と比例
電磁弁１０ａから出力される制御圧の高圧側を選択し、
流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに導く。比例電磁弁
１０ｂ，１１ａ，１１ｂはそれぞれパイロットライン４
４ｂ，４５ａ，４５ｂに設置され、それぞれの電気信号
に応じてパイロットライン内のパイロット圧を減圧して
出力する。

【００３０】以上の構成において、本実施形態の掘削領
域設定装置は、設定器７、外部基準部材８０、フロント
基準部材７０、外部基準設定スイッチ７１、角度計８
ａ，８ｂ，８ｃ及び傾斜計８ｄと、制御ユニット９の下
記する機能により構成されている。

【００３１】設定器７は、図３に示すように、掘削領域
の深さを入力するためのアップボタン７ａ，７ｂ、入力
した深さを表示する表示装置７ｅ及び入力した深さを設
定信号として制御ユニット９に出力し掘削領域を設定す
る領域設定スイッチ７ｆとで構成されている。なお、設
定器７のボタン類は適当な操作レバーのグリップ上に設
けてもよい。また、ＩＣカードによる方法、バーコード
による方法、無線通信による方法等、他の方法を用いて
もよい。

【００３２】外部基準部材８０は例えば図２に示すよう
にクイ８０ａに水平に張り渡した水糸である。水糸８０
は工事現場で基準を示すために良く使用されるものであ
る。外部基準部材８０は単なるクイ等、油圧ショベルの
オペレータから外部基準の確認の取れるものであれば何
でも良い。

【００３３】フロント基準部材７０は図４に示すように
フロント装置１Ａのオペレータから確認できる位置に設
置された印である。この印７０としては例えば矢印のよ
うなものを鋼材で製作してそれをフロント装置の決めら
れた位置に溶接で取り付ければよい。

【００３４】外部基準設定スイッチ７１は、上記の場
合、フロント装置１Ａを動かして外部基準８０である水
糸にフロント基準７０である矢印があった位置で操作さ
れるもので、この操作により外部基準８０の位置が検出
され、油圧ショベルの車体１Ｂと外部基準８０との位置
関係（車体に対する外部基準８０の位置）が演算設定さ
れる（後述）。

【００３５】なお、外部基準部材８０として工事現場の
測量などで使用するレーザ基準光発生器（レーザ燈台）
を使用し、フロント基準部材７０にそのレーザ光を検出
するレーザ検出器を使用しても良い。この場合、レーザ
燈台の光をレーザ検出器が検出したときにランプを点灯
させ、オペレータがこのランプの点灯を確認して外部基
準設定スイッチ７１を操作することで同等の機能が果た
せる。

【００３６】また、掘削領域の設定演算に際して車体の
製作公差の影響をできるだけ少なくするには、フロント
基準部材７０は作業に支障ない程度にできるだけアーム
１ｂの先端近くに設置され、実際に土に作用するバケッ
ト１ｃの先端の近いところで外部基準８０と一致させる
ようにすることが望ましい。外部基準設定スイッチ７１
は設定器７の中に組み込んでも良い。

【００３７】制御ユニット９は、上記の設定器７の設定
信号と、外部基準設定スイッチ７１、角度計８ａ，８
ｂ，８ｃ及び傾斜計８ｄの検出信号を用いて掘削領域を
設定する。この制御ユニット９による掘削領域の設定方
法及び制御ユニット９の処理機能の概要を図４及び図５
を用いて説明する。なお、掘削領域は掘削領域と制限領
域の境界（以下、単に掘削領域の境界という）を設定す
ることにより設定され、本実施形態はこの掘削領域の境
界として水平面を設定するものである。

【００３８】掘削領域の設定に際しては、まず、図４に
示すように、油圧ショベル本体の外部に外部基準部材８
０として上記のように例えば水糸を設置する。

【００３９】次に、オペレータは操作器７を用いて外部
基準８０から設定したい掘削領域の境界までの深さｈｒ
を入力し、この深さｈｒにより外部基準８０と掘削領域
の位置関係を設定する。すなわち、外部基準８０の位置
を基準とした掘削領域を設定する。この設定は図５に示
す制御ユニット９の第１設定手段１００の処理機能によ
り行われる。

【００４０】次に、現在の油圧ショベルの車体位置を基
準とした掘削領域を設定する。このために、まずオペレ
ータがフロント装置１Ａを動かして、フロント装置１Ａ
のアーム１ｂに備えられたフロント基準７０を外部基準
８０に一致させ、オペレータが外部基準設定スイッチ７
１を操作する。ここで、フロント装置１Ａを動かしてい
るとき、図５に示す第１演算手段１２０の処理機能によ
り角度計８ａ，８ｂ，８ｃ及び傾斜計８ｄの信号に基づ
き制御ユニット９内でフロント装置１Ａの位置と姿勢が
演算されており、フロント装置１Ａのアーム１ｂに備え
られたフロント基準７０が外部基準８０に一致し、オペ
レータが外部基準設定スイッチ７１が操作されると、第
１演算手段１２０から得られるそのときのフロント装置
１Ａの位置と姿勢の情報に基づき、図５に示す第２演算
手段１４０の処理機能により車体１Ｂと外部基準８０と
の位置関係として車体中心Ｏから外部基準８０までの高
さｈｆが演算され、この高さｈｆを補正値として、先に
設定した深さｈｒ（外部基準８０と掘削領域の位置関
係）から車体中心Ｏに対する掘削領域の境界面の深さｈ
ｓを演算する。そして、図５に示す第２設定手段１６０
の処理機能により、深さｈｓを油圧ショベルの車体１Ｂ
を基準とした掘削領域として設定する。油圧ショベルの
車体１Ｂを基準とした掘削領域の設定が終了すると図５
にブロック１８０として示すように領域制限掘削制御に
移行する。

【００４１】油圧ショベルの車体１Ｂを基準とした掘削
領域の設定は外部基準設定スイッチ７１が操作されるご
とに行われ、油圧ショベルが走行して位置を変えてもそ
の場所で新たな掘削領域の設定が行われる。

【００４２】上記第１設定手段１００における外部基準
８０と掘削領域の位置関係を設定する機能の詳細を図６
に処理フローで示す。図中、破線で囲んだ部分は油圧シ
ョベルのオペレータが行わなくてはならない操作を示
す。

【００４３】まず、オペレータは地表から設定したい掘
削領域の境界までの深さｈｄを設計施工図面等により決
め、その数値を設定器７のボタン７ａ，７ｂを用いて入
力し、その数値が入力されたことを表示装置７ｅで確認
すると領域設定スイッチ７ｆを押す。制御ユニット９で
は、処理１０１にて領域設定スイッチ７ｆが押されたか
どうかを判定し、押されていない場合は処理１０１を続
行し、押されると処理１０２へ移る。処理１０２では、
外部基準８０から設定したい掘削領域の境界までの深さ
ｈｒを次の（１）式で演算する。

【００４４】 ｈｒ＝ｈｄ＋ｈｏ …（１） 上記（１）式において、ｈｏは外部基準８０の高さ（地
表から外部基準８０までの高さ）であり、この値ｈｏは
既知であり、予め制御ユニット９に記憶させておく。そ
して、処理１０３に移り、深さｈｒを記憶する。なお、
外部基準８０の高さｈｏをオペレータが覚えておき、こ
の高さｈｏを含めた高さｈｒを設定器７を用いてオペレ
ータが直接入力してもよい。また、設定器７に外部基準
８０の高さｈｏを入力するためのボタンを設け、オペレ
ータの操作でこの高さｈｏの設定を変えれるようにして
もよい。

【００４５】第２演算手段１４０及び第２設定手段１６
０における車体と掘削領域との位置関係を設定する機能
の詳細を図７に処理フローで示す。

【００４６】まず、破線で囲んだ部分で示すように、オ
ペレータが操作レバー４０（図１参照）を操作してフロ
ント装置１Ａを動かし、フロント基準点７０を外部基準
８０に一致させる。そして、処理１４１においてオペレ
ータにより外部基準設定スイッチ７１が押されたかどう
かを判定する。押されていない場合は掘削領域の設定を
変えずに設定処理を終了する。処理１４１において外部
基準設定スイッチ７１が押されたと判定されると処理１
４２へ行く。

【００４７】処理１４２ではフロント装置１Ａに備えら
れた角度計８ａ，８ｂ及び傾斜計８ｄによりブーム１
ａ、アーム１ｂの角度α，β及び車体１Ｂの傾斜角θを
読み込む。次に処理１４３においてブーム、アームの角
度α，β及び傾斜角θを用いて外部基準設定スイッチ７
１が押されたとき（フロント基準点７０が外部基準８０
に一致したとき）の車体中心Ｏからフロント基準点７０
までの高さｈｆを演算する。

【００４８】演算はまず次の（２）式により車体中心Ｏ
からブームとアームの接合点（アーム角度計８ｂの設置
点）の高さｈｂを求める。

【００４９】 ｈｂ＝Ｌ１×ｃｏｓ（α−θ） …（２） 上記（２）式においてＬ１はブーム１ａと車体１Ｂの接
合点（ブーム角度計８ａの設置点）とブームとアームの
接合点との距離であり、この値は既知であり、予め制御
ユニット９に記憶しておく。

【００５０】次にブームとアームの接合点からフロント
基準７０までの高さｈｆｌを（３）式により求める。

【００５１】 ｈｆｌ＝Ｌｆ×ｃｏｓ（（α−θ）＋（β−θｆ））…（３） 上記（３）式においてＬｆはブームとアームの接合点か
らフロント基準７０の設置点までの距離であり、θｆは
ブームとアームの接合点とアームとバケットの接合点
（バケット角度計８ｃの設置点）とを結ぶ直線に対する
フロント基準部材７０の取り付け角度であり、これらの
値はそれぞれ既知であり、予め制御ユニット９に記憶し
ておく。

【００５２】次に高さｈｂとｈｆｌから式（４）により
車体中心Ｏからフロント基準７０までの高さｈｆを演算
する。

【００５３】 ｈｆ＝ｈｂ＋ｈｆｌ …（４） 次は、処理１４４に移り、設定器７で設定した外部基準
８０から掘削領域の境界までの深さｈｒを読み込む。

【００５４】次に、処理１４５において、先ほど演算し
た車体中心Ｏからフロント基準７０までの高さｈｆを補
正値として、この値ｈｆと設定器７で設定した外部基準
８０から掘削領域の境界までの深さｈｒとから、式
（５）により車体中心Ｏから掘削領域の境界までの深さ
ｈｓを演算する。

【００５５】 ｈｓ＝ｈｒ＋ｈｆ …（５） 最後に、処理１６１において処理１４５で演算した掘削
領域の境界の深さｈｓを記憶し、車体を基準とした掘削
領域を設定する。

【００５６】以上において、処理１４１〜１４５は図５
に示す第２演算手段の処理機能に相当し、処理１６１は
図５に示す第２設定手段１６０の処理機能に相当する。

【００５７】以上を終了し、掘削作業を開始すると、領
域制限掘削制御の演算へ処理が移る。

【００５８】次に、上記の掘削領域設定機能を含む制御
ユニット９の全体制御機能を図８により説明する。図８
において、制御ユニット９は、第１掘削領域設定部９
ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、目標シリンダ速度演算部
９ｃ、目標先端速度ベクトル演算部９ｄ、方向変換制御
部９ｅ、補正後目標シリンダ速度演算部９ｆ、復元制御
演算部９ｇ、補正後目標シリンダ速度演算部９ｈ、目標
シリンダ速度選択部９ｉ、目標パイロット圧演算部９
ｊ、バルブ指令演算部９ｋ、位置関係演算部９ｍ及び第
２掘削領域設定部９ｎの各機能を有している。

【００５９】第１掘削領域設定部９ａは図５の第１設定
手段１００に相当するもので、図６に示す処理フローの
処理１０１〜１０３により外部基準８０から掘削領域の
境界までの深さｈｒにより外部基準８０と掘削領域との
位置関係を設定する。

【００６０】フロント姿勢演算部９ｂは図５の第１演算
手段１２０に相当するもので、制御ユニット９に記憶し
たフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法と、角度計
８ａ，８ｂ，８ｃで検出した回動角α、β、γ及び傾斜
計で検出した傾斜角θを用いて設定及び制御に必要なフ
ロント装置１Ａの位置及び姿勢を演算する。

【００６１】位置関係演算部９ｍは図５の第２演算手段
１４０に相当するもので、図７に示す処理フローの処理
１４１〜１４５により車体中心Ｏから掘削領域の境界ま
での深さｈｓを演算する。

【００６２】第２掘削領域設定部９ｎは図５の第２設定
手段１６０に相当するもので、図７に示す処理フローの
処理１６１により上記の深さｈｓにより油圧ショベルの
車体１Ｂを基準とした掘削領域を設定する。

【００６３】フロント姿勢演算部９ｂにおいて、フロン
ト装置１Ａの位置と姿勢はブーム１ａの回動支点を原点
としたＸＹ座標系で演算される。このＸＹ座標系は本体
１Ｂに固定した直交座標系であり、垂直面内にあるもの
とする。例えば、フロント装置１Ａのバケット１ｃの先
端位置は、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１
ｃの回動支点との距離を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、ＸＹ座
標系により下記の式より求まる。

【００６４】Ｘ＝Ｌ１ｓｉｎα＋Ｌ２ｓｉｎ（α＋β）
＋Ｌ３ｓｉｎ（α＋β＋γ） Ｙ＝Ｌ１ｃｏｓα＋Ｌ２ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ３ｃｏｓ
（α＋β＋γ） ただし、図４に示すように車体１Ｂが傾いたときは、バ
ケットと先端と地面との相対位置関係が変化するので、
掘削領域の設定が正しく行えなくなる。そこで本実施形
態では、車体１Ｂの傾斜角θを傾斜計８ｄで検出し、フ
ロント姿勢演算部９ｂでその傾斜角θの値を入力し、Ｘ
Ｙ座標系を角度θ回転させたＸｂＹｂ座標系でバケット
先端の位置を計算している。これにより、車体１Ｂが傾
いていても正しい領域設定が行える。なお、車体が傾い
たときには車体の傾きを修正してから作業するとか、車
体が傾斜しないような作業現場で用いる場合には、必ず
しも傾斜計は必要としない。

【００６５】第１掘削領域設定部９ａ、補正値演算部９
ｍ及び第２掘削領域設定部９ｎでは、深さｈｒ，ｈｓ、
高さｈｆ等をＸｂＹｂ座標系の値に変換して処理する。

【００６６】目標シリンダ速度演算部９ｃでは操作レバ
ー装置４ａ，４ｂの操作信号として圧力検出器６０ａ，
６０ｂ；６１ａ，６１ｂの検出信号を入力する。その操
作信号（パイロット圧）から流量制御弁５ａ，５ｂの目
標吐出流量（ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３
ｂの目標速度）を計算する。

【００６７】目標先端速度ベクトル演算部９ｄでは、フ
ロント姿勢演算部９ｂで求めたバケットの先端位置及び
目標シリンダ速度演算部９ｃで求めた目標シリンダ速度
と、制御ユニット９に記憶してある先のＬ１，Ｌ２，Ｌ
３等の各部寸法とからバケット１ｃの先端の目標速度ベ
クトルＶｃを求める。このとき、目標速度ベクトルＶｃ
は図４に示すＸａＹａ座標系の値として求める。このＸ
ａＹａ座標系は、第２掘削領域設定部９ｎで求めた車体
中心Ｏに対する掘削領域の境界面の深さｈｓだけＸｂＹ
ｂ座標系をＹｂ方向に平行移動した座標系である。ここ
で、ＸａＹａ座標系での目標速度ベクトルＶｃのＸａ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、Ｙａ座標成分Ｖｃ
ｙ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。

【００６８】方向変換制御部９ｅでは、バケット１ｃの
先端が設定領域内でその境界近傍にあり、目標速度ベク
トルＶｃが設定領域の境界に接近する方向の成分を持つ
場合、垂直なベクトル成分を設定領域の境界に近づくに
つれて減じるように補正する。換言すれば、垂直方向の
ベクトル成分Ｖｃｙにそれよりも小さい設定領域から離
れる方向のベクトル（逆方向ベクトル）を加える。

【００６９】以上のように目標速度ベクトルＶｃの垂直
方向のベクトル成分Ｖｃｙを補正することにより、距離
Ｙａが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Ｖ
ｃａに補正される。ここで、設定領域の境界から距離Ｙ
ａ１の範囲は方向変換領域または減速領域と呼ぶことが
できる。

【００７０】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の通りに方向変換制御された
ときの軌跡の一例を図９に示す。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Ｙａ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、軌跡は図示のごと
く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。

【００７１】補正後目標シリンダ速度演算部９ｆでは、
方向変換制御部９ｅで求めた補正後の目標速度ベクトル
からブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの目標
シリンダ速度を演算する。これは目標先端速度ベクトル
演算部９ｄでの演算の逆演算である。

【００７２】復元制御部９ｇでは、バケット１ｃの先端
が設定領域の外に出たとき、設定領域の境界からの距離
に関係して、バケット先端が設定領域に戻るように目標
速度ベクトルを補正する。換言すれば、垂直方向のベク
トル成分Ｖｃｙにそれよりも大きな設定領域に接近する
方向のベクトル（逆方向ベクトル）を加える。このよう
に目標速度ベクトルＶｃの垂直方向のベクトル成分Ｖｃ
ｙを補正することにより、距離Ｙａ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。

【００７３】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
の軌跡の一例を図１０に示す。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−ＫＹａは距離Ｙａ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Ｙａ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Ｖｃ
ａはその合成であるので、軌跡は図１０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。

【００７４】このように復元制御部９ｇではバケット１
ｃ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。

【００７５】補正後目標シリンダ速度演算部９ｈでは、
復元制御部９ｇで求めた補正後の目標速度ベクトルから
ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの目標シリ
ンダ速度を演算する。これは目標先端速度ベクトル演算
部９ｄでの演算の逆演算である。

【００７６】ここで、復元制御を行う場合は、その復元
制御に必要なブームシリンダ及びアームシリンダの動作
方向を選択し、その動作方向における目標シリンダ速度
を演算する。ただし、復元制御ではブーム１ａを上げる
ことでバケット先端を設定領域に戻すため、ブーム１の
上げ方向が必ず含まれる。その組み合わせも制御ソフト
で決まる。

【００７７】目標シリンダ速度選択部９ｉでは目標シリ
ンダ速度演算部９ｆで得た方向変換制御による目標シリ
ンダ速度と目標シリンダ速度演算部９ｈで得た復元制御
による目標シリンダ速度の値の大きい方（最大値）を選
択し、出力用の目標シリンダ速度とする。

【００７８】目標パイロット圧演算部９ｊでは、目標パ
イロット圧としてパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４
５ａ，４５ｂの目標パイロット圧を計算する。

【００７９】バルブ指令演算部９ｋでは、目標パイロッ
ト圧演算部９ｊで計算した目標パイロット圧に応じた指
令値を演算し、対応する電気信号が比例電磁弁１０ａ，
１０ｂ，１１ａ，１１ｂに出力される。

【００８０】以上の本実施形態においては、オペレータ
の意志でフロント基準７０を外部基準８０に一致させ、
外部基準設定スイッチ７１を押すごとに外部基準８０と
車体１Ｂの位置関係を補正して車体と掘削領域の位置関
係を演算し、車体を基準とした掘削領域を設定するた
め、車体の移動による高さ変化をオペレータの意志で補
正して掘削作業が行える。このため、車体が移動し車体
高さが変化しても掘削領域の設定は変化せず、常に外部
基準８０を基準とした所定の深さを掘削することができ
る。

【００８１】また、フロント基準７０を実際に地面に作
用する部材であるバケットを備えたフロント装置１Ａの
バケット先端に近いところであるアーム１ｂに設定し、
このフロント基準７０と外部基準８０が一致し、外部基
準設定スイッチ７１が押されたときのフロント装置１Ａ
の位置と姿勢に基づき車体１Ｂを基準とした掘削領域を
設定するので、この掘削領域の設定に際して掘削領域設
定演算と掘削制御演算とで車体１Ｂの製作公差や、フロ
ント基準部材７０、角度センサ８ａ〜８ｃ等の精度、取
付け公差の誤差の影響が相殺される。このため、掘削制
御に際してバケット１ｃの先端の位置を演算するとき、
基準光を車体に設置したセンサで検出する従来方法に比
較して、上記公差や精度の誤差の影響が少なくなり、設
定した掘削領域との差を少なく設定通りに正確に掘削す
ることができる。

【００８２】今、このことを更に説明する。特開平３−
２９５９３３号公報に記載の従来技術では、前述したよ
うに基準光による車体高さの補正は行える。掘削を行う
ときには車体高さを補正し、車体中心から設定された深
さｈｓにバケット先端を動かすように制御する。このと
き、制御装置は記憶装置に記憶されているブーム、アー
ム、バケットの寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３及び角度センサか
ら検出された各フロント部材の角度α，β，γを用いバ
ケット先端がｈｓの位置になるように制御演算を行う。
しかし、実際のフロント部材には製作誤差があり、例え
ばブームはＬ１＋εL1、アームはＬ２＋εL2、バケット
はＬ３＋εL3の寸法になっている。また、センサから検
出した角度α，β，γは真の角度α′，β′，γ′に対
してセンサ取り付け誤差、センサ自身の検出誤差等によ
りεα，εβ，εγの誤差を含んでいる。そのため、制
御装置が、 ｈｓ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，α(hs)，β(hs)，γ(hs)） にバケット先端を制御しようとしても、実際には ｈｓ′（Ｌ１′，Ｌ′，Ｌ３′，α′(hs)，β′(hs)，γ′(hs)） ＝ｈｓ′（Ｌ１＋εL1，Ｌ２＋εL2，Ｌ３＋εL3，α(hs)＋εα， β(hs)＋εβ，γ(hs)＋εγ） …（６） の位置になってしまう。

【００８３】ここで、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：設計値 α，β，γ：検出値 Ｌ１′Ｌ２′Ｌ３′，α′，β′，γ′：実際値 εL1，εL2，εL3，εα，εβ，εγ：誤差 また、Ｌ１′＝Ｌ１＋εＬ１ Ｌ２′＝Ｌ２＋εＬ２ Ｌ３′＝Ｌ３＋εL3 α＝α′＋εα β＝β′＋εβ γ＝γ′＋εγ ただし、α(hs)，β(hs)，γ(hs)，α′(hs)，β′(h
s)，γ′(hs)はフロント装置が深さｈｓ検出の姿勢をと
ったときの角度の検出値と実際値。

【００８４】例えば、目標のブーム角が３０°とする
と、制御装置は検出値α(hs)＝３０°になるようにフロ
ント装置を制御する。このとき、検出値αと実際の角度
α′にεα＝０．５°の誤差が合った場合には、実際に
はα′＝３０．５°の位置に制御されてしまう。

【００８５】一方、本実施形態ではフロント装置（アー
ム）にフロント基準７０を設けているので、フロント基
準７０が外部基準８０と一致したときの位置ｈｆは制御
ユニット９の内部では、 ｈｆ（Ｌ１，Ｌｆ，α(hf)，β(hf)，θｆ） で演算された位置と認識される。その時の実際のフロン
ト基準７０は、 ｈｆ′（Ｌ１′，Ｌｆ′，α′(hf)，β′(hf)，θｆ′） ＝ｈｆ′（Ｌ１＋εL1，Ｌｆ＋εLf，α(hf)＋εα，β(hf)＋εβ， θｆ＋εθｆ） の位置にある。このときのバケット先端の位置は、 （Ｌ１′，Ｌ２′，Ｌ３′，α′(hf)，β′(hf)，γ′(hf)） ＝（Ｌ１＋εL1，Ｌ２＋εLf，Ｌ３＋εL3，α(hf)＋εα(hf)， β(hf)＋εβ(hf)，γ(hf)＋εγ(hf)） …（７） の位置になっている。

【００８６】ここで、εθｆ：フロント基準７０の取り
付け誤差 α(hf)，β(hf)，γ(hf)：フロント装置がｈｆ検出の姿
勢をとったときの角度の検出値 α′(hf)，β′(hf)，γ′(hf)：フロント装置がｈｆ検
出の姿勢をとったときの角度の実際値 このとき、フロント基準７０は真の外部基準８０の位置
にあるので、制御ユニット９は誤差を含んだ形で真の外
部基準８０の位置を検出したことになる。このｈｆを領
域制限制御に用いれば、制御ユニット９内の検出位置ｈ
ｆと実際の位置ｈｆ′の誤差はｈｆを検出したときと同
じ誤差を含んでいるので、実際には相殺されて真のｈ
ｆ′の位置に一致する。

【００８７】例えば、外部基準８０を検出したときに実
際のブーム角α′＝３０°であったとし、センサ８ａに
よる検出値にεα＝０．５°の誤差があるとすると、α
＝２９．５°で検出される。この検出値α＝２９．５°
を用いれば、実際にはα′＝３０°の位置、つまり外部
基準８０の真の位置と一致するので、誤差は相殺され
る。

【００８８】次に、領域制限制御を行うときにこのｈｆ
を用いて補正されたｈｓを目標にバケット先端位置を制
御すると、少なくともｈｆに内在されている誤差は先に
述べたように実際の外部基準位置から考えると相殺さ
れ、残りはｈｆを検出したときの姿勢からバケット先端
をｈｓに移動するまでのセンサの誤差によるものにな
る。このとき実際には、バケット先端は、 ｈｓ′（Ｌ１′，Ｌ２′，Ｌ３′，α′，β′(hs)，γ′(hs)） ＝ｈｓ′（Ｌ１＋εL1，Ｌ２＋εLf，Ｌ３＋εL3，α(hs)＋εα(hs)， β(hs)＋εβ(hs)，γ(hs)＋εγ(hs)） …（８） にある。

【００８９】ここで、α(hs)，β(hs)，γ(hs)：フロン
ト装置がｈｓの制御姿勢をとったときの角度の検出値 α′(hs)，β′(hs)，γ′(hs)：フロント装置がｈｓの
制御姿勢をとったときの角度の実際値 このとき、本実施形態では（７）式に従いｈｆ検出時の
位置は外部基準８０の真の位置であるので、従来技術と
異なり、ｈｆ検出時からｈｓへ姿勢を制御したときの偏
差α(hs)−α(hf)，β(hs)−β(hf)，γ(hs)−γ(hf)に
係わる誤差、 Δεα＝εα(hs)−εα(hf) …（９） Δεβ＝εβ(hs)−εβ(hf) …（１０） Δεγ＝εγ(hs)−εγ(hf) …（１１） が実際に領域制限制御を行ったときの誤差に係わり、軽
微なものとなる。また、本実施形態では、フロント基準
７０をフロント装置１Ａに備えて、外部基準位置設定時
と掘削時の姿勢変化を極力少なくすることができ、その
場合は（９）〜（１１）式に係わる誤差は更に少なくす
ることができる。

【００９０】なお、後述するダイレクトティーチングに
よる場合は、ｈｒを設定する場合の誤差も設定時に取り
込み、制御時に操作できることからより正確な掘削の制
御ができる。

【００９１】次に、本実施形態では、フロント装置１Ａ
の位置と姿勢を検出する角度センサ８ａ〜８ｃの誤差の
影響を受け難いので、車体が移動して車体高さが変化す
ることにより車体からの掘削深さが変化しても、その掘
削深さの変化量に対する角度センサ８ａ〜８ｃの誤差の
影響が少なくなり、車体高さが変化する前と後で掘削深
さが変化することが防止される。

【００９２】更に、特開平３−２９５９３３号公報に記
載の従来技術では、車体に備えられた基準光検出器が基
準光を検出できる広い範囲にあることが必要である。本
実施形態では、フロント装置１Ａを操作しフロント基準
７０を外部基準８０と一致させ、外部基準設定スイッチ
７１を押して設定するので、フロント装置１Ａに備えら
れるフロント基準部材７０は矢印鋼板等、小型でシンプ
ル部材でよく、大がかりで複雑なセンサを要することな
く車体の移動を補正できる。

【００９３】同様に、フロント装置１Ａを操作しフロン
ト基準７０を外部基準８０と一致させ、外部基準設定ス
イッチ７１を押して設定するので、フロント装置１Ａの
広い可動範囲を考えれば車体の移動を広い範囲で補正で
きる。

【００９４】また、特開平３−２９５９３３号公報に記
載の従来技術では、上記のように車体に備えられた基準
光検出器が基準光を検出できる範囲にあることが必要で
あり、基準光検出器の大きさを考えれば大きな制約とな
る。本実施形態では、フロント基準部材７０はフロント
装置１Ａ、特にアームに備えられるので、フロント装置
の広い可動範囲を考えれば外部基準部材８０の設置場所
は大きな制約を受ない。このことは、例えば図１１に示
すように、車体１Ｂと同じ高さの地面に適当な外部基準
部材の設置場所がない場合に、溝Ｇの中に外部基準部材
８０を設置することができるなどのメリットがある。ま
た、このことにより先の誤差の問題から外部基準に位置
合わせするときの姿勢と掘削時の姿勢との間の変化を少
なくするように外部基準部材８０を設置することがで
き、掘削の精度を向上することができる。

【００９５】更に、本実施形態によれば、作業の初めに
外部基準部材８０（水糸、クイ、レーザ燈台など）を設
置し、設定器７を用いて設定を行っておけば、作業開始
時、あるいは油圧ショベル本体を走行して移動するごと
にバケット１ｃの先端を掘削領域の境界に位置決めする
ための補助員が不要となる。また、補助員の指示による
設定にかかる時間を無くすことができ、作業時間を短縮
できる。

【００９６】また、外部基準部材８０は車体の外部に設
置され、一度設置されればその位置を変える必要がな
く、車体が移動しても掘削領域の基準として継続的に使
用できる。

【００９７】なお、本実施形態では外部基準部材を水平
に設置する場合を述べたが、外部基準部材は必ずしも水
平に設置する必要はなく、工事の必要性で傾きを持たせ
て段々に掘削をし、大まかに勾配をつけた掘削をしても
良い。

【００９８】本発明の第２の実施形態を図１２〜図１５
により説明する。本実施形態は領域制限掘削制御の掘削
領域設定装置において、掘削領域として角度を持った掘
削領域を設定するものである。

【００９９】図１２において、本実施形態の第１掘削領
域設定部９ａ（図８参照；図５の第１設定手段１００に
相当）では図１３に示す設定器７Ａを用いて、外部基準
８０から掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈｒと、車体中
心Ｏから基準点Ｐまでの距離ｈｒｘ、掘削領域の境界の
傾斜角度θｒを入力し設定する。従って、この場合は、
設定器７Ａを地表から掘削領域の基準点Ｐまでの深さｈ
ｄ、車体中心Ｏから基準点Ｐまでの距離ｈｒｘ、掘削領
域の境界の傾斜角度θｒのいずれを入力するかを選択す
る選択ボタン７ｃ，７ｇ，７ｄを有する構造とする。

【０１００】図１４に第１掘削領域設定部９ａの処理フ
ローを示す。オペレータが深さｈｄ、距離ｈｒｘ、角度
θｒを入力すると、処理１０１，１０２では先の実施形
態と同様に領域設定スイッチ７ｆが押されたがどうかを
確認し、外部基準８０から設定領域の基準点Ｐまでの深
さｈｒ先の（１）式で演算し、処理１０３で深さｈｒ、
距離ｈｒｘ、角度θｒを記憶する。

【０１０１】また、第２掘削領域設定部９ｎ（図８参
照；図５の第２設定手段１６０に相当）では、図１５に
示した掘削領域設定の処理フローの処理１４１〜１４５
において先の実施形態と同様にフロント基準７０と外部
基準８０の位置を一致させ、外部基準設定スイッチ７１
を押したときに車体中心Ｏから掘削領域の基準点Ｐまで
の深さｈｓを演算し、処理１６１Ａにおいて距離ｈｒｘ
及び角度θｒを読み込み、深さｈｓとこれらの値を記憶
し、図１２に示すような車体を基準とした掘削領域の設
定を行う。

【０１０２】この実施形態によれば、紙面垂直方向に油
圧ショベルを移動させつつ領域制限掘削制御をするとき
第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、勾配を
付けた掘削領域を設定して領域制限掘削制御を行うこと
により上下水道管の埋設用の溝掘りのような作業が容易
に行えるようになる。

【０１０３】本発明の第３の実施形態を図１６〜図１８
により説明する。本実施形態は第１及び第２実施形態の
第１設定手段１００（図５参照）における外部基準８０
と掘削領域との位置関係の設定をダイレクトティーチン
グで行うものである。

【０１０４】すなわち、第１及び第２の実施形態では、
第１設定手段１００において外部基準８０から掘削領域
の境界までの深さｈｒあるいは車体中心点Ｏから掘削領
域の基準点Ｐまでの距離ｈｒｘを設定器７のアップボタ
ン７ａ，７ｂ（図３参照）を使用して設定した。本実施
形態では、オペレータの操作レバーの操作でバケット１
ｃの先端を図１６に二点鎖線で示すように設定したいと
ころに動かして、その場所をダイレクトティーチングす
ることにより深さｈｒあるいは距離ｈｒｘを設定する。

【０１０５】図１７に掘削領域のダイレクトティーチン
グによる設定方法の処理フローを示す。図中、破線で囲
んだ部分，は油圧ショベルのオペレータが行わなく
てはならない操作を示す。

【０１０６】まず、オペレータは図１７のに示すよう
に、操作レバーを操作してバケット１ｃの先端を掘削領
域の設定点Ｐに来るようにフロント装置１Ａを動かす。
バケット１ｃの先端が基準点Ｐに来ると、オペレータは
設定器７の領域設定スイッチ７ｆ（図３参照）を押す。

【０１０７】制御ユニット９（図１参照）では、処理１
９０において領域設定スイッチ７ｆが押されたかどうか
を判定し、押されていない場合は処理１９０を継続す
る。領域設定スイッチ７ｆが押されると処理１９１へ移
る。

【０１０８】処理１９１ではその時のフロント装置１Ａ
の姿勢から、車体中心Ｏからのバケット１ｃの先端まで
の深さｈｓ、距離ｈｒｘを演算する。

【０１０９】次に、オペレータは図１７のに示すよう
に、再び操作レバーを操作してフロント基準７０が外部
基準８０に一致するようにフロント装置１Ａを動かす。

【０１１０】制御ユニットはその間に処理１９２におい
て外部基準設定スイッチ７１が押されたかどうかの判定
を継続する。ここで、フロント基準７０と外部基準８０
が一致して、オペレータにより外部基準設定スイッチ７
１が押されると処理１９３へ移る。

【０１１１】処理１９３では、その時のフロント装置１
Ａの姿勢から車体中心Ｏからフロント基準７０までの高
さｈｆｏを演算する。

【０１１２】次に処理１９４において外部基準８０から
掘削領域の境界までの深さｈｒを、 ｈｒ＝ｈｓ−ｈｆｏ …（１２） の演算により求める。

【０１１３】最後に、処理１９５において、上記のよう
にして求めた深さｈｒを記憶し、設定を完了する。ま
た、第２の実施形態のように勾配を持つ掘削領域を設定
を設定する場合には、更に操作器７でを用いて角度θｒ
を入力し、深さｈｒと距離ｈｒｘと角度θｒとを記憶
し、図１６に二点鎖線で示すような掘削領域を設定す
る。

【０１１４】以上のように外部基準８０を基準とした掘
削領域の設定が完了すると、掘削制御を開始する。本実
施形態の第１設定手段以外の構成は第１の実施形態と同
じであり、掘削作業に際しては図５に示す第１演算手段
１２０、第２演算手段１４０及び第２設定手段１６０に
より、図１８に示すように処理１９４で求めたｈｒまた
は処理１９１，１９４で求めたｈｒｘ，ｈｒと角度θｒ
を使用し、車体が移動してオペレータによりフロント基
準７０と外部基準８０の位置が一致して外部設定スイッ
チ７１が押されるごとに補正値ｈｆを求めて深さｈｓを
更新し、車体を基準とした掘削領域を設定しつつ領域制
限掘削制御を行う。

【０１１５】本実施形態によればダイレクトティーチン
グにより掘削領域を設定するので、作業状況に合わせて
所望の掘削領域を正確に設定することができる。

【０１１６】

【発明の効果】本発明によれば、車体が移動し作業現場
の地形の変化で油圧ショベルの高さが変化しても、常に
外部基準を基準とした所定の深さを掘削することがで
き、例えば水平な掘削面を設定した場合には、地面が傾
斜していても、車体を移動しつつ水平な面を掘削するこ
とができる。

【０１１７】また、掘削時に、基準光を車体に設置した
センサで検出する方法に比較して、車体の製作公差やセ
ンサ等の精度、取付け公差の誤差の影響を受難く、設定
した掘削領域との差を少なく掘削することができる。

【０１１８】また、センサの誤差の影響を受け難いの
で、車体の移動により車体からの掘削深さが変化して
も、掘削するバケット先端点に近い所で外部基準とフロ
ント基準を一致させ、設定を更新するので、車体高さが
変化する前と後で掘削深さが変化することが防止でき
る。

【０１１９】更に、フロント基準部材は矢印マークのよ
うに小型でシンプルな部材でよいので、大がかりで複雑
な光センサを要することなく車体の移動を補正できる。

【０１２０】また、フロント基準部材を設置したフロン
ト装置の広い可動範囲を考えれば車体の移動を広い範囲
で補正できる。

【０１２１】また、本発明によれば、制限領域との境界
を水平面とした掘削領域を設定できる。

【０１２２】更に、本発明によれば、勾配を付けた掘削
領域を設定して領域制限掘削制御を行うことにより上下
水道管の埋設用の溝掘りのような作業が容易に行えるよ
うになる。

【０１２３】また、本発明によれば、操作器を用いて作
業の初めに第１設定手段の設定を行っておけば、作業開
始時、あるいは車体を走行して移動するごとにフロント
装置を掘削領域の境界に位置決めするための補助員が不
要となる。また、補助員の指示による設定にかかる時間
を無くすことができ、作業時間を短縮できる。

【０１２４】更に、本発明によれば、ダイレクトティー
チングにより第１設定手段の設定を行うので、作業状況
に合わせて所望の掘削領域を正確に設定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による掘削領域設定装
置を備えた建設機械の領域制限掘削制御装置を油圧駆動
装置と共に示す図である。

【図２】本発明が適用された油圧ショベルの外観とその
周囲の設定領域の形状を示す図である。

【図３】設定器の外観を示す図である。

【図４】第１の実施形態の掘削領域設定装置により掘削
領域を設定する際の外部基準との関係を示す図である。

【図５】第１の実施形態の掘削領域設定装置の全体の構
成を示す図である。。

【図６】第１の実施形態の掘削領域設定装置における第
１設定手段の処理フローを示す図である。

【図７】第１の実施形態の掘削領域設定装置における第
２演算手段及び第２設定手段の処理フローを示す図であ
る。

【図８】制御ユニットの全体の制御機能を示す機能ブロ
ック図である。

【図９】領域制限掘削制御においてバケットの先端が演
算通りに方向変換制御されたときの軌跡の一例を示す図
である。

【図１０】領域制限掘削制御においてバケットの先端が
演算通りに復元制御されたときの軌跡の一例を示す図で
ある。

【図１１】車体と同じ高さに適当な外部基準部材の設置
場所がない場合に、溝の中に外部基準部材を設置した状
態を示す図である。

【図１２】本発明の第２の実施形態の掘削領域設定装置
により掘削領域を設定する際の外部基準との関係を示す
図である。

【図１３】第２の実施形態で用いる設定器の外観を示す
図である。

【図１４】第２の実施形態の掘削領域設定装置における
第１演算手段の処理フローを示す図である。

【図１５】第２の実施形態の掘削領域設定装置における
第２演算手段及び第２設定手段の処理フローを示す図で
ある。

【図１６】本発明の第３の実施形態の掘削領域設定装置
により掘削領域を設定する際の外部基準との関係を示す
図である。

【図１７】第３の実施形態の掘削領域設定装置における
第１設定手段の処理フローを示す図である。

【図１８】第３の実施形態の掘削領域設定装置による掘
削領域を設定したときの最初の設定時とその後の移動時
の関係を示す図である。

【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 １ｄ 上部旋回体 １ｅ 下部走行体 ２ 油圧ポンプ ３ａ〜３ｆ 油圧アクチュエータ ４ａ〜４ｆ；２０４ａ〜２０４ｆ 操作レバー装置 ５ａ〜５ｆ 流量制御弁 ６ リリーフ弁 ７ 設定器 ８ａ，８ｂ，８ｃ 角度計（検出手段） ８ｄ 傾斜計（検出手段） ９ 制御ユニット ９ａ 第１掘削領域設定部（第１設定手段） ９ｂ フロント姿勢演算部（第１演算手段） ９ｃ 目標シリンダ速度演算部 ９ｄ 目標先端速度ベクトル演算部 ９ｅ 方向変換制御部 ９ｆ 補正後目標シリンダ速度演算部 ９ｇ 復元制御部 ９ｈ 補正後目標シリンダ速度演算部 ９ｉ 目標シリンダ速度選択部 ９ｊ 目標パイロット圧演算部 ９ｋ バルブ指令演算部 ９ｍ 位置関係演算部（第２演算手段） ９ｎ 第２掘削領域設定部（第２設定手段） １０ａ 比例電磁弁 １０ｂ，１１ａ，１１ｂ 比例電磁弁 １２ シャトル弁 ４４ａ，４４ｂ〜４９ａ，４９ｂ パイロットライン ６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ 圧力検出器 ７０ フロント基準部材（フロント基準） ７１ 外部基準設定スイッチ ８０ 外部基準部材（外部基準） １００ 第１設定手段 １２０ 第１演算手段 １４０ 第２演算手段 １６０ 第２設定手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤島 一雄 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多関節型のフロント装置を構成する上下
   方向に回動可能な複数のフロント部材と、前記フロント
   装置を支持する車体とを備え、前記複数のフロント部材
   をそれぞれ駆動制御してフロント部材の動作範囲を制限
   制御する建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装
   置において、 （ａ）前記建設機械の外部に設置され、掘削領域に対す
   る基準位置となる外部基準を与える外部基準部材と； （ｂ）前記フロント装置に備えられ、前記外部基準に前
   記フロント装置を合わせる目標となるフロント基準を与
   えるフロント基準部材と； （ｃ）前記フロント装置の位置と姿勢に関する状態量を
   検出する検出手段と； （ｄ）前記検出手段の信号に基づき前記フロント装置の
   位置と姿勢を演算する第１演算手段と； （ｅ）前記外部基準と掘削領域の位置関係を設定する第
   １設定手段と； （ｆ）前記フロント基準が前記外部基準と一致したとき
   に操作される外部基準設定スイッチと； （ｇ）前記外部基準設定スイッチが操作されたときの前
   記第１演算手段で演算した前記フロント装置の位置と姿
   勢の情報に基づき前記車体と前記外部基準との位置関係
   を演算し、この車体と外部基準との位置関係と前記第１
   設定手段で設定した外部基準と掘削領域の位置関係とか
   ら前記車体と掘削領域との位置関係を演算する第２演算
   手段と； （ｈ）前記第２演算手段で演算した前記車体と掘削領域
   との位置関係から前記車体を基準とした掘削領域を設定
   する第２設定手段と；を備えることを特徴とする建設機
   械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の建設機械の領域制限掘削
   制御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段
   は、前記外部基準から掘削領域と制限領域の境界までの
   深さを設定する手段であることを特徴とする建設機械の
   領域制限掘削制御の掘削領域設定装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の建設機械の領域制限掘削
   制御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段
   は、前記外部基準から前記掘削領域と制限領域の基準点
   までの深さ、前記車体から前記基準点までの距離、前記
   掘削領域の境界の傾斜角度を設定する手段であることを
   特徴とする建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の建設機械の領域制限掘削
   制御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段
   は、設定器により入力されたデータを基に前記外部基準
   と設定領域の位置関係を設定する手段であることを特徴
   とする建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の建設機械の領域制限掘削
   制御の掘削領域設定装置において、前記第１設定手段
   は、前記第１演算手段で演算した前記フロント装置の位
   置と姿勢の情報に基づき、前記フロント装置を動かしフ
   ロント装置の先端が設定領域の境界に来たときの前記フ
   ロント装置の先端の位置を演算する手段と、前記第１演
   算手段で演算した前記フロント装置の位置と姿勢の情報
   に基づき、前記フロント装置を動かし前記フロント基準
   が前記外部基準に一致したときの前記フロント基準の位
   置を演算する手段と、前記フロント装置の先端位置と前
   記フロント基準の位置とから前記外部基準と掘削領域の
   位置関係を演算し、記憶する手段とを含むことを特徴と
   する建設機械の領域制限掘削制御の掘削領域設定装置。