WO2022124008A1 - 作業機械 - Google Patents

Abstract

操作レバー２４から出力された操作信号と、慣性計測装置２７～３０から出力された姿勢情報と、圧力センサ３２，３３から出力された負荷情報と、表示入力装置２６によって設定された作業領域とに基づいて、油圧ショベル１の現在の作業に係る状況を示す作業状況を判別し、判別した作業状況に応じて、フロント作業機１２の操作補正制御における動作の内容を示す動作形態を予め設定された複数の動作形態から決定し、動作形態に応じてフロント作業機が動くように操作補正制御を実行する。これにより、マシンコントロールにおいて適切な支援動作を行うことができ、作業精度を向上することができる。

Description

作業機械

　本発明は、作業機械に関する。

　油圧ショベルに代表される作業機械の作業効率を向上する技術として、作業装置（例えば、ブーム、アーム、及びバケットから成る作業装置）のオペレータによる操作装置の操作と、予め定めた条件とに従って作業装置の動作を半自動的に制御するマシンコントロール（ＭＣ：Machine Control）が知られている。マシンコントロール（以下、単にＭＣと称する）では、例えば、作業装置におけるバケットの先端位置を目標面に対して予め定めた距離に維持したり、バケットの姿勢（角度）を目標面に対して予め定めた角度に維持したりすることで、オペレータの操作支援を行う。

　ＭＣの設定に関する技術として、例えば、特許文献１には、作業機（作業装置）を有する作業車両の制御システムであって、前記作業機の第１操作レバーと、前記第１操作レバーに設けられた第１操作部材と、前記作業機の自動制御を行うコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第１操作レバーが中立位置にあることを含む実行条件が満たされているときに、前記第１操作部材の操作に応じて、前記第１操作部材に割り当てられた前記自動制御の機能を実行する、作業車両の制御システムが開示されている。

国際公開第２０１６／１４８３１１号

　ＭＣにおいて適切な操作支援を実現するためには、作業内容や作業環境に応じてＭＣの有効化と無効化とを切り換えたり、適切な支援内容を設定したりする必要がある。しかしながら、従来技術のように、操作レバーに設けられた操作部材の操作によって自動制御の有効化と無効化とを交互に切り換える場合には、オペレータの操作忘れによって自動制御が無効化されたまま作業を行ってしまい、設計面を超えて掘削してしまうことが考えられる。また、オペレータの操作によって作業内容を設定する場合には、作業内容や支援内容の設定を誤ってしまい、作業装置が所望の姿勢とならずに施工面を誤って掘削しすぎたり、施工面に運搬した土砂をこぼしたりして、十分な作業精度を得られないことが考えられる。すなわち、上記のような場合には、適切なＭＣ動作を実現することができず、作業精度が低下してしまうおそれがある。

　本発明は上記に鑑みてなされたものであり、マシンコントロールにおいて適切な支援動作を行うことができ、作業精度を向上することができる作業機械を提供することを目的とする。

　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能な上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、オペレータによる操作量に応じて、前記上部旋回体及び前記フロント作業機を駆動するための操作信号を出力する操作装置と、前記操作装置から出力された操作信号に応じて生成される駆動信号に基づいて、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のフロント作業機アクチュエータと、前記操作装置から出力された操作信号に基づいて、前記上部旋回体を旋回駆動する旋回アクチュエータと、前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、前記操作装置から出力された操作信号と、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報とに基づいて、予め定めた目標面上および前記目標面に対する一方の領域内で前記フロント作業機が予め定めた位置または姿勢となるように、前記複数のフロント作業機アクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力する操作補正制御を実行する制御装置とを備えた作業機械において、複数の前記フロント作業機アクチュエータのうちの少なくとも１つの油圧アクチュエータの負荷に関する情報である負荷情報を検出する負荷情報検出装置と、予め定めた目標面の上方に作業領域を設定する作業領域設定装置とをさらに備え、前記制御装置は、前記操作装置から出力された操作信号と、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と、前記負荷情報検出装置で検出された負荷情報と、前記作業領域設定装置によって設定された前記作業領域とに基づいて、前記作業機械の現在の作業に係る状況を示す作業状況を判別し、判別した作業状況に応じて、前記フロント作業機の前記操作補正制御における動作の内容を示す動作形態を予め設定された複数の動作形態から決定し、前記動作形態に応じて前記フロント作業機が動くように前記操作補正制御を実行するものとする。

　本発明によれば、マシンコントロールにおいて適切な支援動作を行うことができ、作業精度を向上することができる。

作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 油圧ショベルの駆動機構に係る油圧回路の要部を抜き出して示す図である。 コントローラの本実施の形態に係る機能部を示す機能ブロック図である。 油圧ショベルが行う作業の一例を示す概観図であり、法面整形作業を示す図である。 油圧ショベルが行う作業の一例を示す概観図であり、溝掘削作業を示す図である。 油圧ショベルの姿勢演算について示す図であり、油圧ショベルの全体を側面図により概略的に示している。 作業対象の一例を示す図であり、法面整形作業における作業対象を示す図である。 作業対象の一例を示す図であり、溝掘削作業における作業対象を示す図である。 表示入力装置に表示される入力画面の一例を示す図であり、作業領域設定画面を示す図である。 表示入力装置に表示される入力画面の一例を示す図であり、作業領域内バケット設定画面が表示された様子を示す図である。 作業種別判別処理の内容を示すフローチャートである。 バケットの爪先位置が作業領域内にあるか否かの判定方法を説明する図である。 作業具状態判別処理の内容を示すフローチャートである。 圧力センサの検出結果の一例を示す図であり、アームシリンダのボトム圧の検出結果を示す図である。 圧力センサの検出結果の一例を示す図であり、ブームシリンダのボトム圧の検出結果を示す図である。 バケットの姿勢について説明する図である。 バケットの姿勢について説明する図である。 動作形態読出処理の内容を示すフローチャートである。 バケットの支援動作量の演算方法を説明する図であり、バケットの目標面との関係を示す側面図である。 支援動作中のバケットの状態表示を示す外観図である。 ロータリーチルトバケットを拡大して示す図である。 ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルの作業の一例を示す概観図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、作業機械の一例として、多関節型のフロント作業機を搭載した油圧ショベルを例示して説明するが、フロント作業機を備える他の作業機械においても本発明を適用することも可能である。

　＜第１の実施の形態＞
  本発明の第１の実施の形態を図１～図１７を参照しつつ説明する。

　図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。

　図１において、油圧ショベル１は、下部走行体１０と、下部走行体１０に旋回可能に設けられた上部旋回体１１と、上部旋回体１１に回動可能に設けられたフロント作業機１２と、操作者（オペレータ）が搭乗する操作室２２とから概略構成されている。

　フロント作業機１２は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム１３、アーム１４、バケット（作業具）１５）を連結して構成された多関節型であり、ブーム１３の基端は上部旋回体１１の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１４の一端はブーム１３の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１４の他端には作業具としてのバケット１５が垂直方向に回動可能に支持されている。

　ブーム１３、アーム１４、及び、バケット１５は、油圧アクチュエータ（フロント作業機アクチュエータ）であるブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、及び、バケットシリンダ１９によりそれぞれ回動駆動される。また、上部旋回体１１は、油圧アクチュエータ（旋回アクチュエータ）である旋回油圧モータ１６により旋回駆動される。また、下部走行体１０は、油圧アクチュエータ（走行アクチュエータ）である図示しない左右の走行油圧モータにより走行駆動される。

　ブームシリンダ１７には、油圧アクチュエータの負荷に関する情報である負荷情報を検出する負荷情報検出装置として、ロッド側の油圧を検出する圧力センサ３２ａと、ボトム側の油圧を検出する圧力センサ３２ｂとが設けられている。同様に、アームシリンダ１８には、負荷情報検出装置として、ロッド側の圧力を検出する圧力センサ３３ａと、ボトム側の圧力を検出する圧力センサ３３ｂとが設けられている。以降、圧力センサ３２ａ，３２ｂ及び圧力センサ３３ａ，３３ｂをそれぞれまとめて圧力センサ３２及び圧力センサ３３と記載する場合がある。

　操作室２２内には、操作装置である操作レバー２４ａ，２４ｂ（図２参照）と、油圧ショベル１の全体の動作を制御する制御装置であるコントローラ２３と、操作者への情報を表示するとともに、操作者の指示を入力する表示入力装置２６とが配置されている。以降、２つの操作レバー２４ａ，２４ｂをまとめて操作レバー２４と記載する場合がある。

　コントローラ２３は中央演算装置（ＣＰＵ）、メモリ、インタフェースによって構成され、メモリ内に予め保存されているプログラムを中央演算装置（ＣＰＵ）で実行し、メモリ内に保存されている設定値とインタフェースから入力された信号に基づいて中央演算装置（ＣＰＵ）が処理を行い、インタフェースから信号を出力する。

　表示入力装置２６は、例えば、タッチパネル等のポインティングデバイスであり、画面上に表示されるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）により情報の表示と操作者からの指示を入力する構成となっている。

　上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、及び、バケット１５には、それぞれの姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置としての慣性計測装置（ＩＭＵ: Inertial Measurement Unit）２７，２８，２９，３０がそれぞれ配置されている。以降、これらの慣性計測装置を区別する必要が有る場合は、それぞれ、車体慣性計測装置２７、ブーム慣性計測装置２８、アーム慣性計測装置２９、及びバケット慣性計測装置３０と称する。慣性計測装置２７，２８，２９，３０の各部材に対する相対的な取り付け位置は設計情報などから求められるので、慣性計測装置２７，２８，２９，３０の検出結果（角速度と加速度）に基づいて、上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、及び、バケット１５の相対的な回動角度を推定することができる。

　また、上部旋回体１１の上部には、位置情報を検出する位置情報検出装置としての２つのＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）アンテナ３１ａ，３１ｂが取り付けられている。ＧＮＳＳアンテナ３１ａ，３１ｂは、人工衛星から受信した信号を演算することで位置情報を演算する位置演算機能を含んでおり、２つのＧＮＳＳアンテナ３１ａ，３１ｂでそれぞれ得られる位置情報の差分から上部旋回体１１の方位（向き）を推定することができる。以降、２つのＧＮＳＳアンテナ３１ａ，３１ｂをまとめてＧＮＳＳアンテナ３１と記載する場合がある。

　操作室２２に配置された操作レバー２４は、前後左右に揺動可能な２つの操作レバー２４ａ，２４ｂによって構成されている。操作レバー２４は、２つの操作レバー２４ａ，２４ｂのそれぞれについて、前後左右方向の計４軸の揺動の操作量を入力可能に構成されている。操作レバー２４の揺動操作により操作量に応じて生成される操作信号に基づいて、コントローラ２３で駆動信号を生成することにより、操作レバー２４における操作に対応して、旋回油圧モータ１６、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、及び、バケットシリンダ１９をそれぞれ駆動することができる。また、操作レバー２４ａ，２４ｂ上には、オペレータによる押下により操作入力が可能な操作ボタン２５ａ，２５ｂ（図２参照）が設けられている。以降、２つの操作ボタン２５ａ，２５ｂをまとめて操作ボタン２５と記載する場合がある。

　図２は、油圧ショベルの駆動機構に係る油圧回路の要部を抜き出して示す図である。

　図２において、油圧ショベル１の駆動機構は、例えば、ディーゼルエンジンなどの原動機４１により駆動される油圧ポンプ３９及びパイロットポンプ４０と、油圧ポンプ３９から油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９へ供給される圧油の流量および方向を制御するコントロールバルブ３４，３５，３６，３７と、油圧ポンプ３９及びパイロットポンプ４０への作動油の供給と油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９から排出された作動油を貯蔵する作動油タンク４２と、油圧ポンプ３９から吐出された圧油の一部を作動油タンク４２へ排出するためのブリードオフユニット４３とにより概略構成されている。

　コントロールバルブ３４，３５，３６，３７は、パイロットポンプ４０から吐出された圧油の油圧（パイロット圧）により駆動される。パイロットポンプ４０から吐出された圧油は、コントロールバルブ３４，３５，３６，３７の電磁比例減圧弁３４ｂ，３４ｃ，３５ｂ，３５ｃ，３６ｂ，３６ｃ、３７ｂ，３７ｃを介して方向制御弁３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａに導かれている。コントローラ２３から出力される電流指令に基づいて電磁比例減圧弁３４ｂ，３４ｃ，３５ｂ，３５ｃ，３６ｂ，３６ｃ、３７ｂ，３７ｃが制御されることにより、方向制御弁３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａの駆動が制御される。油圧ポンプ３９から方向制御弁３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａに供給された圧油は、電磁比例減圧弁３４ｂ，３４ｃ，３５ｂ，３５ｃ，３６ｂ，３６ｃ、３７ｂ，３７ｃの動作に応じて、対応する油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９に分配される量が調整される。

　油圧ポンプ３９は、可変容量式であり、コントローラ２３から出力される電流指令に基づいてレギュレータ３９ａが動作することにより油圧ポンプ３９の容量が調整され、油圧ポンプ３９の吐出流量が制御される。

　ブリードオフユニット４３は、油圧ポンプ３９から吐出された圧油の一部を作動油タンク４２に逃すブリードオフ弁４３ａと、ブリードオフ弁４３ａによる逃し量を調整するブリードオフ弁用電磁比例減圧弁４３ｂとから構成されている。油圧ポンプ３９から吐出された圧油の一部は、ブリードオフ弁４３ａが作動油タンク４２への油路を連通させることにより排出される。ブリードオフ弁４３ａは、ブリードオフ弁用電磁比例減圧弁４３ｂで調整されたパイロット圧により駆動される。すなわち、ブリードオフ弁４３ａを介して作動油タンク４２へ戻る圧油の流量は、コントローラ２３から出力される電流指令に基づいてブリードオフ弁用電磁比例減圧弁４３ｂで調整されたパイロット圧により制御される。

　コントローラ２３は、操作レバー２４、操作ボタン２５、表示入力装置２６、慣性計測装置２７，２８，２９，３０、及び、ＧＮＳＳアンテナ３１に接続されており、それぞれからの入力信号に基づいて電磁比例減圧弁３４ｂ，３４ｃ，３５ｂ，３５ｃ，３６ｂ，３６ｃ、３７ｂ，３７ｃ，４３ｂ、及び、レギュレータ３９ａを駆動する電流指令信号を出力し、油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９、油圧ポンプ３９、及び、ブリードオフユニット４３を駆動することで油圧ショベル１の動作を制御する。

　図３は、コントローラの本実施の形態に係る機能部を示す機能ブロック図である。

　本実施の形態において、コントローラ２３内部のシステムはいくつかのプログラムの組み合わせとして実行され、インタフェースを介して操作レバー２４、操作ボタン２５、及び表示入力装置２６の指示信号と、慣性計測装置２７，２８，２９，３０、ローテート角度計４７、及びＧＮＳＳアンテナ３１の検出信号とを入力し、中央演算装置（ＣＰＵ）で処理を実施した後、インタフェースを介してコントロールバルブ３４，３５，３６，３７、油圧ポンプ３９、及びブリードオフユニット４３をそれぞれ駆動するための駆動信号を出力するように構成されている。

　図３において、コントローラ２３は、
　慣性計測装置２７，２８，２９，３０、及び、ＧＮＳＳアンテナ３１の検出結果に基づいて、フロント作業機１２の位置および姿勢（例えば、バケット１５の爪先位置や水平面に対する角度、など）を演算する作業具位置姿勢演算部５０と、表示入力装置２６に入力される操作者の指示内容に基づいて、油圧ショベル１による作業対象の位置や形状に関する情報である作業対象（例えば、目標面や作業領域）を設定する作業対象設定部５１と、操作レバー２４から出力された操作信号と、圧力センサ３２，３３の検出結果と、作業具位置姿勢演算部５０から出力された演算結果と、作業対象設定部５１の設定内容とに基づいて、油圧ショベル１の現在の作業に係る状況である作業状況を判別する作業状況判別部５４と、表示入力装置２６に入力される操作者の指示内容に基づいて、操作補正制御（支援動作時）におけるバケット１５（作業具）の動作の内容である複数の動作形態を設定する作業具動作形態設定部５２と、作業具動作形態設定部５２で設定されたバケット１５（作業具）の複数の動作形態を記憶する作業具動作形態記憶部５３と、作業状況判別部５４の判別結果（すなわち、判別した作業状況）に基づいて、作業具動作形態記憶部５３に記憶された複数の動作形態から作業形態を呼び出す作業具動作形態呼出部５５と、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果と、作業対象設定部５１で設定された作業対象と、作業具動作形態呼出部５５により決定された動作形態とに基づいて、バケット１５（作業具）が所定の動作となるための動作補正量を演算する作業具動作補正量演算部５６と、作業対象設定部５１の設定内容と、操作レバー２４から出力された操作信号（操作者の操作指示）と、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果と、作業具動作補正量演算部５６の演算結果（動作補正量）とに基づいて、油圧ショベル１の各油圧アクチュエータ１６，１７，１８，１９の制御量を演算し電流指令（駆動信号）をコントロールバルブ３４，３５，３６，３７、油圧ポンプ３９（レギュレータ３９ａ）、及びブリードオフユニット４３に出力する作業機制御量演算部５７とから構成されている。

　次に、本発明の実施の形態における油圧ショベルが操作補正制御（支援動作）等により行う作業の内容を例示して説明する。

　図４及び図５は、油圧ショベルが行う作業の一例を示す概観図であり、図４は法面整形作業を、図５は溝掘削作業をそれぞれ示す図である。

　図４に示すように、法面整形作業においては、油圧ショベル１は目標面５を掘削して平らに整形する作業を行う。具体的には、油圧ショベル１はバケット１５の爪先を目標面５に一致させたまま掘削する動作と、ある程度掘削を進めた後に掘削した土砂をバケット１５で掬ってストック４に運搬する動作とを繰り返す。また、掘削した目標面５をさらに平らにするため、ストック４の土砂をバケット１５で掬って目標面５の上方から僅かに落とすことで目標面５の全体に撒き、さらにバケット１５の底面を押し付ける動作を行う。

　このような法面整形作業の場合、操作補正制御（支援動作）では、目標面５上での掘削動作において、バケット１５の爪先が目標面５の下方に到達しないように、言い換えると、目標面５に沿って移動させるように動作を支援する。また、目標面５の押しつけ動作において、バケット１５の爪先を目標面５に沿うように移動させつつ、さらにバケット１５の底面が目標面５と一致するようにバケット１５の角度調整を支援する。このように支援動作を行うことで、法面整形作業精度を向上することができる。

　また、目標面５で掘削した土砂をストック４へ運搬する動作、およびストック４で掬った土砂を目標面５へ運搬する動作では、バケット１５の開口面を水平となるようにバケット１５の角度調整を支援することで、運搬している土砂がバケット１５からこぼれてしまうことを抑制することができるので、清掃などの余分な作業を削減することができ、作業精度および作業効率を向上することができる。

　図５に示すように、溝掘削作業（例えば、資材６の埋設作業）においては、地面を掘削して溝３を形成し、資材６を溝に設置した後、溝３を埋め戻す作業を行う。具体的には、資材６を設置する適切な高さとして溝３の底面を目標面５に設定し、油圧ショベル１のバケット１５の爪先を目標面５に一致させたまま掘削する動作と、ある程度掘削を進めた後に掘削した土砂をバケット１５で掬ってストック４に運搬する動作とを繰り返す。また、溝３を埋め戻すため、ストック４の土砂をバケット１５で掘削して掬う動作と、溝３の上まで運搬して落とす動作とを繰り返す。

　このような溝掘削作業の場合、操作補正制御（支援動作）では、目標面５上での掘削動作において、バケット１５の爪先が目標面５の下方に到達しないように、言い換えると、目標面５に沿って移動させるように動作を支援することで、作業の精度を向上することができる。

　また、溝３の形成で掘削した土砂をストック４へ運搬する動作、およびストック４で掬った土砂を溝３へ運搬する動作では、バケット１５の開口面を水平となるようにバケット１５の角度調整を支援することで、運搬している土砂がバケット１５からこぼれてしまうことを抑制することができるので、清掃などの余分な作業を削減することができ、作業精度および作業効率を向上することができる。

　すなわち、図４及び図５に示したように、作業精度および作業効率を向上させるためには、バケット１５の位置や姿勢を補正する支援動作を作業の進捗等の状況に応じて変更することが望ましい。

　図６は、油圧ショベルの姿勢演算について示す図であり、油圧ショベルの全体を側面図により概略的に示す図である。

　作業具位置姿勢演算部５０は、図６に定義する変数を用いることで、油圧ショベル１の姿勢情報として、バケット１５の先端位置（爪先位置）や姿勢（角度）を演算する。油圧ショベル１には、上部旋回体１１の旋回軸と下部走行体１０の下側に接する平面との交点をショベル座標系の原点Ｏｇとして定義する。油圧ショベル１の外部に設定されたグローバル座標系におけるショベル座標系の原点Ｏｇの位置は、ＧＮＳＳアンテナ３１で検出したＧＮＳＳアンテナ３１のグローバル座標系における位置と、ショベル座標系の原点Ｏｇに対するＧＮＳＳアンテナ３１の取り付け高さＬｇ１および前後方向取付け長さＬｇ２から求めることができる。また、グローバル座標系に対するショベル座標系の向きは、ショベル座標系を水平面に鉛直な軸を中心に、ＧＮＳＳアンテナ３１で検出した油圧ショベル１のグローバル座標系の向き（方位角）に向けることで求めることができる。ここで、グローバル座標系からショベル座標系への同時変換行列をＴｓｈと定義する。

　ショベル座標系の原点Ｏｇに対するバケット１５の先端位置（爪先位置）Ｐｂｋは、上部旋回体１１の旋回角度θｓｗ、ブーム１３の揺動角θｂｍ、アーム１４の揺動角θａｍ、バケット１５の揺動角θｂｋと、各部材の長さＬｆ１，Ｌｆ２，Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｂｋとを用い、油圧ショベル１を４リンクから構成されるリンク構造としてＤ－Ｈ法（Ｄｅｎａｖｉｅｔ－Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇの記法）等を適用する、すなわち、リンク毎に定義される同時変換行列の積を取ることで得ることができる。

　ここで、バケット１５の先端位置Ｐｂｋ＝（Ｘｂｋ，Ｙｂｋ，Ｚｂｋ）と、水平面（グローバル座標系）とショベル座標系との成す角（Ｐｉｔｃｈ＿ｂｋ）と、各部材間の角度（θｓｗ，θｂｍ，θａｍ，θｂｋ）との関係は、以下のベクトル式（式１）～（式３）で表すことができる。なお、下記の（式１）及び（式２）における「＾Ｔ」は転置を表す。
  ｒ＝［Ｘｂｋ，Ｙｂｋ，Ｚｂｋ，Ｐｉｔｃｈ＿ｂｋ］＾Ｔ　…（式１）
  ｑ＝［θｓｗ，θｂｍ，θａｍ，θｂｋ］＾Ｔ　…（式２）
  ｒ＝Ｆ（ｑ）　…（式３）

　図７及び図８は、作業対象の一例を示す図であり、図７は法面整形作業における作業対象を、図８は溝掘削作業における作業対象をそれぞれ示す図である。なお、図７及び図８においては、作業対象の位置や形状に関する情報である作業対象として、目標面５および作業領域７を例示して説明している。

　図７及び図８に示すように、作業対象設定部５１では、法面整形作業（図４参照）及び溝掘削作業（図５参照）における作業対象の一つである目標面５は、４つの代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４を頂点として構成される長方形状の平面で定義される。目標面５の法線ベクトルｎ＝［ｎｘ、ｎｙ、ｎｚ］＾Ｔはベクトル（Ｐｔ３－Ｐｔ２）とベクトル（Ｐｔ１－Ｐｔ２）の外積を正規化することで得ることができる。また、作業対象の一つである作業領域７は、目標面５を定義する代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４とは異なる代表点Ｐｔ１’～Ｐｔ４’を目標面５の上方に仮定した場合に、目標面５を面の１つとした３次元空間上の立体として定義される。すなわち、作業対象設定部５１では、表示入力装置２６に入力される操作者の指示内容（代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４）に基づいて作業対象である目標面５を設定し、また、指示内容（代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４，Ｐｔ１’～Ｐｔ４’）に基づいて作業対象である作業領域７を設定する。

　図９及び図１０は、表示入力装置に表示される入力画面の一例を示す図であり、図９は作業領域設定画面を、図１０は作業領域内バケット設定画面が表示された様子をそれぞれ示す図である。

　図９に示すように、表示入力装置２６では、入力画面（作業領域設定画面）に予め設定している施工図面の情報から作業対象の全体像である作業対象表示９０を表示し、目標面５として設定する作業対象表示９０上の任意の面の選択状況を表示するようにＧＵＩを構成する。また、決定ボタン９５、及び、戻るボタン９６を画面上に表示し、油圧ショベル１の操作者による選択入力を受付けるようにＧＵＩを構成し、任意の面が選択されている状態で決定ボタン９５を押下することにより、作業領域７を設定する対象となる目標面５を設定する。決定ボタン９５の押下により目標面５を設定すると、作業領域７を設定するための作業領域調整表示９１を表示し、油圧ショベル１の操作者による作業領域７の大きさ、すなわち、目標面５から作業領域７の上面（図７及び図８に代表点Ｐｔ１’～Ｐｔ４’で定義される面）までの距離の設定を受付けるように構成する。

　なお、本実施の形態においては、作業領域７の目標面５と上面とが平行となるように定義し、上面を構成する４つの代表点のうちの一つを作業領域調整表示９１によって示すことで作業領域７の大きさを設定する場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、作業領域７の上面を構成する４つの代表点のうちの複数の点の目標面５からの距離を個別に調整可能なように構成しても良い。

　また、表示入力装置２６の作業領域設定画面において、決定ボタン９５の押下によって作業領域７の大きさが設定されると、続いて、表示入力装置２６に作業領域内バケット設定画面９２が表示される。作業領域内バケット設定画面９２では、作業領域７内におけるバケット１５の支援動作内容（動作形態）を設定する。作業領域内バケット設定画面９２では、バケット高さ調整表示９３を表示して操作者によるバケット１５の爪先位置（目標面５からの距離）の設定を受け付け、バケット姿勢調整表示９４を表示して操作者によるバケット１５の姿勢（水平面に対する角度）の設定を受付けるように構成する。なお、作業領域内バケット設定画面９２では、複数種類の動作形態のそれぞれに対応するようにバケット１５の爪先位置および姿勢の設定を行う。

　支援動作の動作形態の種類としては、「バケット姿勢保持モード」、「爪先位置指定モード」、「バケット水平保持モード」がある。「バケット姿勢保持モード」は、バケット１５の底面を目標面５に一致させるようにバケット１５の角度制御を行う動作形態である。また、「爪先位置指定モード」は、バケット１５の爪先を目標面５に一致させるようにバケット１５の位置制御を行う動作形態である。また、「バケット水平保持モード」は、バケット１５の開口面を水平に保持させるようにバケット１５の角度制御を行う動作形態である。

　作業具動作形態設定部５２では、表示入力装置２６に入力される操作者の指示内容に基づいて動作形態を設定し、作業具動作形態記憶部５３に記憶させる。

　次に、作業状況判別部５４における作業状況判別処理について説明する。作業状況判別部５４では、油圧ショベル１の作業の状況を示す作業状況を判別する作業状況判別処理として、作業種別判別処理と作業具状態判別処理とを行う。作業種別判別処理では、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果と、作業対象設定部５１の設定内容とに基づいて、油圧ショベル１が実施している作業の状態を示す分類である作業種別を判別する。また、作業具状態判別処理では、圧力センサ３２，３３の検出結果と、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果とに基づいて、バケット１５の状態である作業具状態を判別する作業具状態判別処理を行う。なお、コントローラ２３における作業状況判別処理（作業種別判別処理、作業具状態判別処理）は、予め定めた単位処理時間（例えば、サンプリング時間）毎に繰り返し実行される。

　作業種別判別処理では、油圧ショベル１が実施している作業の状態を示す分類である作業種別を、フロント作業機１２（具体的には、バケット１５）の位置および動作方向に基づいて設定する。

　図１１は、作業種別判別処理の内容を示すフローチャートである。

　図１１に示すように、作業種別判別処理において、コントローラ２３はまず、作業対象設定部５１で設定された、グローバル座標系で表されている作業領域７の代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４，Ｐｔ１’～Ｐｔ４’（図７及び図８参照）と法線ベクトルｎとを、グローバル座標系から油圧ショベル１の座標系（車体座標系）に変換する（ステップＳ１００）。

　代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４，Ｐｔ１’～Ｐｔ４’と法線ベクトルｎとのグローバル座標系から車体座標系への変換は、同時変換行列Ｔｓｈを用いて以下の（式４）～（式６）のように行うことができる（ここで、ｌは番号を表す正の整数とする）。
  Ｐｔｌ＝（Ｔｓｈ＾－１）×Ｐｔ　…（式４）
  Ｐｔｌ’＝（Ｔｓｈ＾－１）×Ｐｔ’　…（式５）
  ｎｌ＝（Ｔｓｈ＾－１）×（Ｐｔ＋ｎ）－Ｐｔｌ　…（式６）

　続いて、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果と作業対象設定部５１の設定内容とに基づいて、バケット１５の爪先位置Ｐｓｔが作業領域７内にあるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。

　バケット１５の爪先位置Ｐｓｔが作業領域７内にあるか否かの判定は、例えば、代表点Ｐｔ１～Ｐｔ４，Ｐｔ１’～Ｐｔ４’で構成される６面体の各面の領域方向への法線と、各代表点とバケット１５の爪先位置Ｐｓｔを結ぶベクトルの内積の大きさを使って判定することができる。例えば、図１２に示すように、目標面５の法線ベクトルｎｌと代表点Ｐｔ２とバケット１５の爪先位置Ｐｓｔを結ぶベクトルｖｐｔｌ２との内積が０（ゼロ）以上の場合には、爪先位置Ｐｓｔは目標面５より上側、すなわち作業領域７側に存在すると判定でき、０（ゼロ）未満の場合には、爪先位置Ｐｓｔは目標面５より下側、すなわち作業領域７外に存在すると判定することができる。同様の処理を作業領域７を構成する全ての面について実施し、全ての内積が０（ゼロ）以上であった場合には、バケット１５の爪先位置Ｐｓｔが作業領域７内に存在すると判定することができる。

　続いて、操作レバー２４から出力された操作信号に基づいて、油圧ショベル１の操作者の操作によるバケット１５の爪先位置Ｐｓｔの移動先、すなわち、操作者による要求爪先位置Ｐｅｓｔを予測し、その予測結果（要求爪先位置Ｐｅｓｔ）が作業領域７内にあるかどうかを判定する（ステップＳ１３０）。

　要求爪先位置Ｐｅｓｔは、操作レバー２４の操作量（操作信号）に比例する旋回油圧モータ１６、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、及び、バケットシリンダ１９の速度目標値を幾何変換して得られる各部の角度θｓｗ，θｂｍ，θａｍ，θｂｋの角速度目標値をωｌｅｖとし、予め定められている推定時間Δｔｅｓｔを用いて下記の（式７）及び（式８）により求めることができる。
  Ｊ（ｑ）＝∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ　…（式７）
  Ｐｅｓｔ＝Ｐｓｔ＋Ｊ（ｑ）×ωｌｅｖ×Δｔｅｓｔ　…（式８）

　得られた要求爪先位置Ｐｅｓｔに対して、ステップＳ１２０と同様の演算を行うことにより、要求爪先位置Ｐｅｓｔが作業領域７内に存在するか否かを判定することができる。

　次に、現在のバケット１５の爪先位置Ｐｓｔが作業領域７内であるかどうかをステップＳ１２０の演算結果に基づいて判定し（ステップＳ１４０）、判定結果がＹＥＳの場合には、続いて、要求爪先位置Ｐｅｓｔが作業領域７内であるかどうかをステップＳ１３０の演算結果に基づいて判定する（ステップＳ１５０）。

　ステップＳ１５０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、バケット１５の爪先位置Ｐｓｔ及び要求爪先位置Ｐｅｓｔが両方ともに作業領域７内である場合には、油圧ショベル１の作業の状態を表す作業種別を、作業領域７内で作業を行っていることを示す「目標内作業」に設定し（ステップＳ１５１）、処理を終了する。

　また、ステップＳ１５０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、バケット１５の現在の爪先位置Ｐｓｔは作業領域７内であるが、要求爪先位置Ｐｅｓｔは作業領域７外である場合には、作業種別を、作業領域７内から作業領域７外へ離脱しようとしていることを示す「目標離脱作業」に設定し（ステップＳ１５２）、処理を終了する。

　また、ステップＳ１４０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、バケット１５の現在の爪先位置Ｐｓｔが作業領域７外である場合には、続いて、要求爪先位置Ｐｅｓｔが作業領域７外であるか否かをステップＳ１３０の演算結果に基づいて判定する（ステップＳ１６０）。

　ステップＳ１６０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、バケット１５の現在の爪先位置Ｐｓｔ及び要求爪先位置Ｐｅｓｔが両方ともに作業領域７外である場合には、油圧ショベル１の作業の状態を表す作業種別を、作業領域７外で作業を行っていることを示す「目標外作業」に設定し（ステップＳ１６１）、処理を終了する。

　また、ステップＳ１６０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、バケット１５の現在の爪先位置Ｐｓｔは作業領域７内であるが、要求爪先位置Ｐｅｓｔは作業領域７内である場合には、作業種別を、作業領域７外から作業領域７内の目標面５に接近しようとしていることを示す「目標接近作業」に設定し（ステップＳ１６２）、処理を終了する。

　作業具状態判別処理では、バケット１５（作業具）の状態を示す分類である作業具状態を、バケット１５の目標面５に対する姿勢（角度）及びフロント作業機１２の負荷に基づいて設定する。

　図１３は、作業具状態判別処理の内容を示すフローチャートである。

　なお、作業具状態判別処理において、作業具状態は、バケット１５の充填状態（バケット１５内に土砂が充填されているか否かを示す判定結果）と、バケット１５の合致状態（バケット１５の底面が目標面５と一致している状態に近いか否かを示す判定結果）の両方の状態を持ち、それぞれの状態が独立に格納されている。なお、作業具状態としては前回の処理サイクル時のものを引き継いで格納されているが、初期値としては、例えば、充填状態は「土砂非充填状態」とし、合致状態は「姿勢合致状態」とする。

　図１３に示すように、作業具状態判別処理において、コントローラ２３はまず、圧力センサ３３の検出結果と、作業具状態（充填状態）の格納内容とに基づいて、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが予め定めた閾値Ｐｔｈ＿ａｍよりも小さく、かつ、作業具状態（充填状態）が、バケット１５の内部に土砂を有していない状態を示す「土砂非充填状態」であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。

　ステップＳ２００の判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが閾値Ｐｔｈ＿ａｍよりも大きく、かつ、作業具状態（充填状態）が「土砂非充填状態」である場合には、掘削動作が開始されたことを示す掘削開始フラグを「ＯＮ」に設定する（ステップＳ２１０）。

　図１４は、圧力センサの検出結果の一例を示す図であり、アームシリンダのボトム圧の検出結果を示す図である。

　油圧ショベル１による掘削動作では、アーム１４をクラウド方向に駆動する、すなわち、アームシリンダ１８を伸長するため、図１４に示すように、掘削中はアームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが大きくなり、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが掘削開始閾値（Ｐｔｈ＿ａｍ）以上となった場合に掘削動作を開始したと判断することができる。すなわち、ステップＳ２００の判定によって、掘削動作が開始されたか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ２００の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ２１０の処理が終了した場合には、続いて、圧力センサ３３の検出結果と、作業具状態（充填状態）の格納内容とに基づいて、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが予め定めた閾値Ｐｔｈ＿ａｍ以下であり、かつ、掘削開始フラグが「ＯＮ」であるか否かを判定する（ステップＳ２２０）。

　ステップＳ２２０の判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが閾値Ｐｔｈ＿ａｍ以下であり、かつ、掘削開始フラグが「ＯＮ」である場合には、掘削開始フラグを「ＯＦＦ」に設定し、掘削動作が終了されたことを示す掘削終了フラグを「ＯＮ」に設定する（ステップＳ２３０）。

　油圧ショベル１による掘削動作が終了すると、図１４に示すように、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍは小さくなるので、掘削動作が開始された後、すなわち、掘削開始フラグが「ＯＮ」である状態で、アームシリンダ１８のボトム圧Ｐａｍが掘削開始閾値（Ｐｔｈ＿ａｍ）以下となった場合に掘削動作を終了したと判断することができる。すなわち、ステップＳ２２０の判定によって、掘削動作が終了したか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ２２０の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ２３０の処理が終了した場合には、続いて、圧力センサ３２の検出結果と、掘削終了フラグの内容と、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果とに基づいて、ブームシリンダ１７のボトム圧Ｐｂｍが予め定めた閾値Ｐｔｈ＿ｂｍよりも大きく、かつ、バケット１５の底面の水平面に対する角度θｓｔが予め定めた閾値θｔｈ＿ｈｒよりも小さく、かつ、掘削終了フラグが「ＯＮ」であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。なお、角度θｓｔは、角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋと、バケット１５の開口面と底面とが成す角との和として演算できる。

　ステップＳ２４０の判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、ブームシリンダ１７のボトム圧Ｐｂｍが閾値Ｐｔｈ＿ｂｍよりも大きく、かつ、角度θｓｔが閾値ｔｈ＿ｈｒよりも小さく、かつ、掘削終了フラグが「ＯＮ」である場合には、掘削終了フラグを「ＯＦＦ」に設定し、作業具状態（充填状態）を、バケット１５内に土砂を充填していることを示す「土砂充填状態」に設定する（ステップＳ２５０）。

　図１５は、圧力センサの検出結果の一例を示す図であり、ブームシリンダのボトム圧の検出結果を示す図である。また、図１６及び図１７は、バケットの姿勢について説明する図である。

　油圧ショベル１による掘削動作後の運搬動作では、バケット１５内に土砂を充填しており重量が大きくなるため、図１５に示すように、バケット１５を含むフロント作業機１２の全体の重量を支えるブームシリンダ１７のボトム圧Ｐｂｍが大きくなり、ブームシリンダ１７のボトム圧Ｐｂｍが土砂充填判定閾値（Ｐｔｈ＿ｂｍ）以上となった場合に、バケット１５が土砂を充填した状態であると判断することができる。また、土砂の運搬動作では、図１７に示すように、バケット１５の開口面を水平に近い状態にする必要がある。すなわち、ブームシリンダ１７のボトム圧Ｐｂｍが大きく、バケット１５の開口面が水平に近く、掘削動作が終了している（掘削終了フラグが「ＯＮ」である）場合に、土砂の運搬動作を開始したと判断することができる。すなわち、ステップＳ２４０の判定によって、運搬動作が開始されたか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ２４０の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ２５０の処理が終了した場合には、続いて、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果に基づいて、バケット１５の底面の水平面に対する角度θｓｔが予め定めた閾値θｔｈ＿ｈｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２６０）。

　ステップＳ２６０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、バケット１５の開口面が水平ではない場合には、作業具状態（充填状態）を、バケット１５内に土砂を充填していないことを示す「土砂非充填状態」に設定する（ステップＳ２７０）。

　図１７に示すように、バケット１５の開口面が水平では無い状態であれば内容物がこぼれるので、土砂がバケット１５の内部に存在しないと判断することができる。すなわち、ステップＳ２６０の判定によって、バケット１５の内部に土砂有していない状態であるか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ２６０の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ２７０の処理が終了した場合には、続いて、バケット１５の底面の水平面に対する角度θｓｔが目標面５の水平面と成す角θｔｇｔと予め定めた閾値θｔｈとの和よりも小さく、かつ、角度θｓｔが角度θｔｇｔと閾値θｔｈとの差（θｔｇｔ－θｔｈ）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２８０）。

　ステップＳ２８０での判定結果がＹＥＳの場合には、作業具状態（合致状態）を、バケット１５の底面と目標面５との向きがほぼ一致していることを示す「姿勢合致状態」に設定し（ステップＳ２８１）、処理を終了する。また、ステップＳ２８０での判定結果がＮＯの場合には、作業具状態（合致状態）を、バケット１５の底面の角度と目標面５の角度とが一致していないことを示す「姿勢非合致状態」に設定し（ステップＳ２８２）、処理を終了する。

　図１６に示すように、バケット１５の底面の水平面に対する角度θｓｔが目標面５と水平面との成す角θｔｇｔに対して、予め設定されている閾値θｔｈの範囲に収まっている場合には、バケット１５の底面と目標面５との向きがほぼ一致していると判断することができる。すなわち、ステップＳ２８０の判定によって、バケット１５の底面と目標面５との向きが合致しているか否かを判定することができる。

　次に、作業具動作形態呼出部５５における動作形態呼出処理について説明する。作業具動作形態呼出部５５では、作業状況判別部５４での作業状況判別処理（作業種別判別処理、作業具状態判別処理）の処理結果に基づいて、作業具動作形態記憶部５３に記憶された動作形態を読み出す動作形態読出処理を行う。なお、コントローラ２３における動作形態読出処理は、予め定めた単位処理時間（例えば、サンプリング時間）毎に繰り返し実行される。

　図１８は、動作形態読出処理の内容を示すフローチャートである。

　図１８に示すように、動作形態読出処理において、コントローラ２３は、まず、作業状況判別部５４の作業種別判別処理で判別した作業種別が目標外作業から目標接近作業に変化したか否かを判定する（ステップＳ３００）。また、ステップＳ３００での判定結果がＹＥＳの場合には、続いて、作業状況判別部５４の作業種別判別処理で判別した作業種別が姿勢合致状態であるか否かを判定する（ステップ３１０）。

　ステップＳ３１０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、作業種別が目標接近作業に変化し、かつ、作業具状態が姿勢合致状態である場合には、作業具動作形態記憶部５３から動作形態として「バケット姿勢保持モード」を読み出して設定する（ステップＳ３２０）。

　作業種別が目標外作業から目標接近状態に変化する状態は、バケット１５が作業領域７に侵入しようとしている状態であると考えられるため、油圧ショベル１の操作者が目標付近での作業に移行しようとしている作業状況であると判断できる。また、このときに、作業具状態が姿勢合致状態の場合には、バケット１５の底面を目標面５と一致させようとしている作業状況であると判断できる。すなわち、ステップＳ３００，Ｓ３１０の判定によって、現在の作業状況に対する適切な支援動作が、バケット１５の底面を目標面５に一致させるようにバケット１５の角度制御を行う動作形態である「バケット姿勢保持モード」であるか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ３００又はＳ３００の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ３２０の処理が終了した場合には、続いて、作業種別が目標内作業に変化したか否かを判定する（ステップＳ３３０）。また、ステップＳ３３０での判定結果がＹＥＳの場合には、作業具状態が土砂充填状態であるか否かを判定する（ステップＳ３４０）。

　ステップＳ３４０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、作業種別が目標内作業に変化し、かつ、作業具状態が土砂充填状態ではない場合には、作業具動作形態記憶部５３から動作形態として「爪先位置指定モード」を読み出して設定する（ステップＳ３４１）。

　作業種別が目標内作業に変化した状態は、作業領域７内で作業を実施している状態であると考えられる。また、このときに、作業具状態が土砂充填状態ではない場合には、作業領域内で掘削を実施しようとしている作業状況であると判断できる。すなわち、ステップＳ３３０，Ｓ３４０の判定によって、現在の作業状況に対する適切な支援動作が、バケット１５の爪先を目標面５に一致させるようにバケット１５の位置制御を行う動作形態である「爪先位置指定モード」であるか否かを判定することができる。なお、ステップＳ３４０において、判定結果がＹＥＳである場合、すなわち、作業具状態が土砂充填状態である場合には、作業領域７内で敷均し等の土砂を撒く作業であると推定できるため、バケット１５の爪先を目標面５に一致させる制御は行わない。

　次に、ステップＳ３３０の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ３４０の判定結果がＹＥＳの場合、又は、ステップＳ３４１の処理が終了した場合には、続いて、作業種別が目標離脱作業に変化したか否かを判定する（ステップＳ３５０）。ステップＳ３５０での判定結果がＹＥＳの場合には、バケット姿勢保持モードを解除し（ステップＳ３６０）、さらに、爪先位置指定モードを解除する（ステップＳ３７０）。

　作業種別が目標離脱作業に変化した状態は、バケット１５が作業領域７から離脱しようとしている状態であり、油圧ショベル１の操作者が目標面５から離れた場所での作業に移行しようとしている作業状況であると判断できる。すなわち、ステップＳ３５０の判定によって、目標面５に対する作業の支援動作を解除するか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ３５０での判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ３６０，Ｓ３７０の処理が終了した場合には、続いて、作業種別が目標外作業および目標内作業の何れか一方であるか否かを判定する（ステップＳ３８０）。また、ステップＳ３９０での判定結果がＹＥＳの場合には、続いて、作業具状態が土砂充填状態に変化したか否かを判定する（ステップＳ３９０）。

　ステップＳ３９０での判定結果がＹＥＳお場合、すなわち、作業種別が目標外作業または目標内作業であり、かつ、作業具状態が土砂充填状態に変化した場合には、作業具動作形態記憶部５３から動作形態として「バケット水平保持モード」を読み出して設定する（ステップＳ４００）。

　目標外作業の場合は目標面５と離れた位置で、または目標内作業の場合は作業領域内で、作業具状態が土砂充填状態に変化した状態は、土砂を掘削し、運搬を開始した作業状況であると判断できる。すなわち、ステップＳ３８０，Ｓ３９０の判定によって、バケット１５の開口面を水平に保持させるようにバケット１５の角度制御を行う動作形態である「バケット水平保持モード」であるか否かを判定することができる。

　次に、ステップＳ３８０又はＳ３９０の判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ４００の処理が終了した場合には、続いて、作業具状態が土砂充填状態であるか否かを判定する（ステップＳ４１０）。また、ステップＳ４１０での判定結果がＹＥＳの場合には、続いて、作業種別が目標内作業および目標外作業の何れか一方に変化したか否かを判定する（ステップＳ４２０）。

　ステップＳ４２０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、作業具状態が土砂充填状態であり、かつ、作業種別が目標内作業または目標外作業である場合には、バケット水平モードを解除し（ステップＳ４３０）、処理を終了する。また、ステップＳ４１０，Ｓ４１０の何れかの判定結果がＮＯの場合には、処理を終了する。

　作業具状態が土砂充填状態であり、作業種別が目標内作業または目標外作業に切り替わった状態は、作業領域７内の目標面５から離れた位置、または、作業領域７外の目標面５の上方に土砂を運搬してきた作業状況であると判断できる。すなわち、ステップＳ４１０，Ｓ４２０の判定によって、放土動作を実施できるようにバケット水平保持モードを解除するか否かを判定することができる。

　次に、作業具動作補正量演算部５６における演算処理について説明する。作業具動作補正量演算部５６では、作業具位置姿勢演算部５０の演算結果と、作業対象設定部５１の設定内容と、作業具動作形態呼出部５５で呼び出された作業種別と、操作ボタン２５の操作状態とに基づいて、支援動作を実現するための制御量（動作補正量）を演算する。

　図１９は、バケットの支援動作量の演算方法を説明する図であり、バケットの目標面との関係を示す側面図である。

　作業具動作補正量演算部５６はまず、目標面５に対するバケット１５の先端位置Ｐｓｔの最近傍点Ｐｎを下記の（式９）を用いて算出する。
  Ｐｎ＝Ｐｔｌ－ｎ・（Ｐｓｔ－Ｐｔｌ）／｜ｎ｜＾２×ｎ　…（式９）
　なお、上記（式９）中の「｜ｎ｜」はベクトルのノルムを示す。

　また、バケット１５の底面の水平面に対する角度θｓｔと目標面５の角度、または水平との角度の差分ｄθを演算する。これより、予め定められているゲインＫａｄｊｐ、Ｋａｄｊθを用いてバケット１５の先端位置Ｐｓｔに対する移動修正速度ｖａｄｊを下記の（式１０）で算出する。
  ｖａｄｊ＝［Ｋａｄｊｐ×（Ｐｓｔ－Ｐｎ）、Ｋａｄｊθ×ｄθ］＾Ｔ　…（式１０）

　そして、移動修正速度ｖａｄｊを変換し油圧ショベル１の各揺動角速度を演算する。また、（式１）～（式３）の関係に対応するヤコビ行列Ｊを用いると、油圧ショベル１の補正揺動角速度ωａｄｊはバケット１５の先端位置Ｐｓｔの速度ｖａｄｊを用いて、下記の（式１１）及び（式１２）のように表現できる。
  Ｊ（ｑ）＝∂Ｆ（ｑ）／∂ｑ　…（式１１）
  ωａｄｊ＝（Ｊ（ｑ）＾－１）×ｖａｄｊ　…（式１２）

　そして、作業具動作補正量演算部５６は作業具動作形態呼出部５５の設定に基づいて、ωａｄｊを適用するアクチュエータを選択する。例えばバケット１５の姿勢を補正するバケット水平保持モード、またはバケット姿勢保持モードの場合は、ωａｄｊのバケット１５の回動に関する成分のみを抽出する。爪先位置指定モードの場合はωａｄｊのブーム１３、アーム１４の回動に関する成分のみを抽出するように構成する。また、操作ボタン２５が押下されているときはωａｄｊを０（ゼロ）にするように構成しており、油圧ショベル１が操作者の意思と異なる動作をした場合は強制的に支援動作を実施しないようにしている。

　作業機制御量演算部５７は、操作レバー２４から出力される操作信号により指示される操作指示量、及び、作業具動作補正量演算部５６が出力する補正揺動角速度ωａｄｊに基づいて、コントロールバルブ３４，３５，３６，３７、油圧ポンプ３９、及び、ブリードオフユニット４３を駆動する電流指令（駆動信号）を演算し出力する。すなわち、作業機制御量演算部５７は操作レバー２４の操作量を、操作量に比例した油圧ショベル１の揺動角速度指令値ωｏｐｅに変換し、補正揺動角速度ωａｄｊと、予め定められた揺動角速度と電流指令の変換マップＫｃｔｒｌ（ｑ）とを用いて、電流指令Ｃｃｔｒｌを下記の（式１３）により算出する。
  Ｃｃｔｒｌ＝Ｋｃｔｒｌ（ｑ）×（ωｏｐｅ＋ωａｄｊ）　…（式１３）

　次に、操作者への支援動作の状態を表示する方法を説明する。

　図２０は、支援動作中のバケットの状態表示を示す外観図である。コントローラ２３は表示入力装置２６上に、バケット１５と目標面５との位置関係を示すためのバケット１５の正面図、および側面図であるバケット状態表示９７と、油圧ショベル１と目標面５との位置関係を示すための油圧ショベル１の俯瞰図であるショベル状態表示９８を表示するとともに、支援動作内容表示９９を表示することで、作業状況の推定結果、ならびに支援動作内容を油圧ショベル１の操作者に通知する。このように、油圧ショベル１の作業状況を判定し、支援動作形態を変更して支援動作を制御することで、油圧ショベル１の作業内容や作業対象に応じて適切なバケット１５の動作を実現でき、作業精度を向上することができる。

　以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

　ＭＣにおいて適切な操作支援を実現するためには、作業内容や作業環境に応じてＭＣの有効化と無効化とを切り換えたり、適切な支援内容を設定したりする必要がある。しかしながら、従来技術のように、操作レバーに設けられた操作部材の操作によって自動制御の有効化と無効化とを交互に切り換える場合には、オペレータの操作忘れによって自動制御が無効化されたまま作業を行ってしまい、設計面を超えて掘削してしまうことが考えられる。また、オペレータの操作によって作業内容を設定する場合には、作業内容や支援内容の設定を誤ってしまい、作業装置が所望の姿勢とならずに施工面を誤って掘削しすぎたり、施工面に運搬した土砂をこぼしたりして、十分な作業精度を得られないことが考えられる。例えば、施工対象の地形を所望の形状に成形する作業では、バケットの位置と姿勢を合わせてバケット底面と成形する施工面を一致させながら掘削する成形動作と、成形した面に土砂をこぼさないようにバケット開口面が水平となる姿勢を取りながら成形の際に余分となった土を移動する運搬動作などを交互に実施することがある。このとき、バケットの姿勢が予め定められた角度となる自動制御を実施した場合、操作部材の操作を誤ってしまい成形動作と運搬動作の自動制御を逆に実施してしまうとバケットが所望の姿勢とならず、施工面を誤って掘削しすぎたり、施工面に運搬した土砂をこぼしたりして、十分な作業精度を得られないことがある。すなわち、上記のような場合には、適切なＭＣ動作を実現することができず、作業精度が低下してしまうおそれがある。

　これに対して本実施の形態においては、下部走行体１０と、下部走行体１０に対して旋回可能な上部旋回体１１と、上部旋回体１１に取り付けられ、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材（ブーム１３、アーム１４、バケット１５）からなる多関節型のフロント作業機１２と、オペレータによる操作量に応じて、上部旋回体１１及びフロント作業機１２を駆動するための操作信号を出力する操作装置（操作レバー２４）と、操作装置から出力された操作信号に応じて生成される駆動信号に基づいて、複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のフロント作業機アクチュエータ（ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、バケットシリンダ１９）と、操作装置から出力された操作信号に基づいて、上部旋回体１１を旋回駆動する旋回アクチュエータ（旋回油圧モータ１６）と、上部旋回体１１及びフロント作業機１２の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置（慣性計測装置２７～３０）と、操作装置から出力された操作信号と、姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報とに基づいて、予め定めた目標面５上および目標面に対する一方の領域内でフロント作業機１２が予め定めた位置または姿勢となるように、複数のフロント作業機アクチュエータの少なくとも１つに駆動信号を出力する操作補正制御を実行する制御装置（コントローラ２３）とを備えた作業機械（油圧ショベル１）において、複数のフロント作業機アクチュエータのうちの少なくとも１つのフロント作業機アクチュエータの負荷に関する情報である負荷情報を検出する負荷情報検出装置（圧力センサ３２，３３）と、予め定めた目標面５の上方に作業領域７を設定する作業領域設定装置（表示入力装置２６）とをさらに備え、制御装置は、操作装置から出力された操作信号と、姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と、負荷情報検出装置で検出された負荷情報と、作業領域設定装置によって設定された作業領域とに基づいて、作業機械の現在の作業に係る状況を示す作業状況を判別し、判別した作業状況に応じて、フロント作業機の操作補正制御における動作の内容を示す動作形態を予め設定された複数の動作形態から決定し、動作形態に応じてフロント作業機が動くように操作補正制御を実行するように構成したので、マシンコントロールにおいて適切な支援動作を行うことができ、作業精度を向上することができる。

　＜第２の実施の形態＞
  本発明の第２の実施の形態を図２１及び図２２を参照しつつ説明する。

　本実施の形態は、第１の実施の形態で作業具として用いたバケット１５に代えて、ロータリーチルトバケット４４を用いる場合を示すものである。

　図２１は、ロータリーチルトバケットを拡大して示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

　図２１において、ロータリーチルトバケット４４は、フロント作業機１２をフロント部材として構成するアーム１４の先端に回動軸Ａ４を中心に回動可能に設けられている。また、ロータリーチルトバケット４４は、フロント作業機１２に対する回動軸Ａ４に垂直な２つの回動軸であって互いに垂直なロータリー回動軸Ａ６とチルト回動軸Ａ５を中心にそれぞれ回動可能に構成されている。ロータリーチルトバケット４４は、ロータリーチルトバケット４４を回動軸Ａ６を中心に回動駆動するロータリーアクチュエータとしてのローテートモータ４６と、回動軸Ａ５を中心に回動駆動するチルトアクチュエータとしてのチルトシリンダ４５ａ，４５ｂとを備えている。すなわち、ロータリーチルトバケット４４は、バケットシリンダ１９によってアーム１４の先端の回動軸Ａ４を中心に回動し、ロータリーチルトバケット４４の連結部材においてチルトシリンダ４５ａ，４５ｂによって回動軸Ａ４と直交する回動軸Ａ５を中心に回動し、ロータリーチルトバケット４４の連結部材においてローテートモータ４６によって回動軸Ａ４，Ａ５と直交する回動軸Ａ６を中心に回動するように構成されている。

　ロータリーチルトバケット４４には、姿勢情報検出装置としてのローテート角度計４７が取り付けられており、ロータリーチルトバケット４４の回動軸Ａ６における回動角度（ロータリー角度）を検出することができる。また、姿勢情報検出装置としての慣性計測装置３０により、回動軸Ａ４における回動角度に加え、回動軸Ａ５における回動角度（チルト角度）を検出することができる。すなわち、慣性計測装置３０とローテート角度計４７との検出結果に基づいて、ロータリーチルトバケット４４の向きを算出することができる。

　このような作業機械では、油圧ショベル１の車体に対してロータリーチルトバケットの位置と姿勢をそれぞれ３つの自由度で独立に調整することが可能となり、複雑な動作を実現できる。このような油圧ショベル１の場合、作業具動作形態設定部５２における作業具の動作形態は第１の実施の形態に示したようなバケット１５の姿勢と爪先の位置に限定されるものではなく、例えば、ロータリーチルトバケット４４が移動する方向やロータリーチルトバケット４４のＡ４軸回りの姿勢と合わせて、Ａ５軸、Ａ６軸回りの姿勢を個別に複数設定することができる。

　図２２は、ロータリーチルトバケットを備えた油圧ショベルの作業の一例を示す概観図である。

　図２２においては、ロータリーチルトバケット４４でストック４から掬った土砂を擁壁の下の地面上に僅かに落とし、均一に土砂を撒く敷均し作業を例示している。このとき、鉛直な壁面付近に対して均一に土砂を撒くためには、壁面から適切な距離を取った位置に目標面５を設定し、目標面５に正対する向きになるようにロータリーチルトバケット４４の姿勢を取った状態のまま、目標面５に正対する方向と直角な方向へロータリーチルトバケット４４を返しながら移動可能なことが望ましく、作業具動作形態設定部５２における作業具の動作形態を上記のように設定しても良い。

　また、作業状況判別部５４による作業状況の判定方法は異なる方法によって実施されても良く、例えばフロント作業機１２の姿勢と、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８、バケットシリンダ１９の圧力に基づいて演算した各シリンダの推力に基づいてロータリーチルトバケット４４に作用する反力を用いて演算しても良く、また、ロータリーチルトバケット４４内部の土砂のペイロードの推定結果を用いても良いことは明白である。

　また、作業対象設定部５１と作業具動作形態設定部５２によって設定する作業領域と作業具の動作形態の組み合わせは、第１の実施の形態のように１つのみに限定されるものではない。例えば、図２２に示すロータリーチルトバケット４４を備えた油圧ショベル１の敷均し作業のように、擁壁毎に作業領域を設定し、異なる動作形態で支援動作を実施するように構成しても良い。

　なお、作業機制御量演算部５７において、電流指令Ｃｃｔｒｌを揺動角速度と電流指令の変換マップＫｃｔｒｌ（ｑ）を用いて算出する方法を例示したが、電流指令のＣｃｔｒｌの演算方法は異なる方法であってもよく、油圧回路の圧力を用いたマップや、モデル予測制御等の制御則を用いて制御指令を生成しても良いことは言うまでもない。

　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

　以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

　＜付記＞
　なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や実施の形態の組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

　１…油圧ショベル、３…溝、４…ストック、５…目標面、６…資材、７…作業領域、１０…下部走行体、１１…上部旋回体、１２…フロント作業機、１３…ブーム、１４…アーム、１５…バケット、１６…旋回油圧モータ、１７…ブームシリンダ、１８…アームシリンダ、１９…バケットシリンダ、２２…操作室、２３…コントローラ、２４…操作レバー、２５…操作ボタン、２６…表示入力装置、２７～３０…車体慣性計測装置、３１…ＧＮＳＳアンテナ、３２，３３…圧力センサ、３４～３７…コントロールバルブ、３７ａ…方向制御弁、３７ｂ…電磁比例減圧弁、３７ｃ…電磁比例減圧弁、３９…油圧ポンプ、４０…パイロットポンプ、４１…原動機、４２…作動油タンク、４３…ブリードオフユニット、４４…ロータリーチルトバケット、４５ａ，４５ｂ…チルトシリンダ、４６…ローテートモータ、４７…ローテート角度計、５０…作業具位置姿勢演算部、５１…作業対象設定部、５２…作業具動作形態設定部、５３…作業具動作形態記憶部、５４…作業状況判別部、５５…作業具動作形態呼出部、５６…作業具動作補正量演算部、５７…作業機制御量演算部、９０…作業対象表示、９１…作業領域調整表示、９２…作業領域内バケット設定画面、９３…調整表示、９４…バケット姿勢調整表示、９５…決定ボタン、９６…ボタン、９７…バケット状態表示、９８…ショベル状態表示、９９…支援動作内容表示、３１０…ステップ、Ａ４…回動軸、Ａ５…チルト回動軸、Ａ６…ロータリー回動軸

Claims (5)

1. 　下部走行体と、
   　前記下部走行体に対して旋回可能な上部旋回体と、
   　前記上部旋回体に取り付けられ、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、
   　オペレータによる操作量に応じて、前記上部旋回体及び前記フロント作業機を操作するための操作信号を出力する操作装置と、
   　前記操作装置から出力された操作信号に応じて生成される駆動信号に基づいて、前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のフロント作業機アクチュエータと、
   　前記操作装置から出力された操作信号に基づいて、前記上部旋回体を旋回駆動する旋回アクチュエータと、
   　前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
   　前記操作装置から出力された操作信号と、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報とに基づいて、予め定めた目標面上および前記目標面に対する一方の領域内で前記フロント作業機が予め定めた位置または姿勢となるように、前記複数のフロント作業機アクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力する操作補正制御を実行する制御装置とを備えた作業機械において、
   　複数の前記フロント作業機アクチュエータのうちの少なくとも１つのフロント作業機アクチュエータの負荷に関する情報である負荷情報を検出する負荷情報検出装置と、
   　予め定めた目標面の上方に作業領域を設定する作業領域設定装置とをさらに備え、
   　前記制御装置は、
   　前記操作装置から出力された操作信号と、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と、前記負荷情報検出装置で検出された負荷情報と、前記作業領域設定装置によって設定された前記作業領域とに基づいて、前記作業機械の現在の作業に係る状況を示す作業状況を判別し、
   　判別した作業状況に応じて、前記フロント作業機の前記操作補正制御における動作の内容を示す動作形態を予め設定された複数の動作形態から決定し、
   　前記動作形態に応じて前記フロント作業機が動くように前記操作補正制御を実行することを特徴とする作業機械。
2. 　請求項１記載の作業機械において、
   　前記制御装置は、前記作業機械が実施している作業の状態を示す分類であって、前記フロント作業機の位置、動作方向、及び前記作業領域に基づいて設定される作業種別と、前記フロント作業機の先端に、複数の前記フロント部材の１つとして設けられた作業具の状態を示す分類であって、前記作業具の前記目標面に対する姿勢及び前記フロント作業機の負荷に基づいて設定される作業具状態とに基づいて、前記作業状況を判別することを特徴する作業機械。
3. 　請求項２記載の作業機械において、
   　前記制御装置は、
   　前記作業種別として、前記フロント作業機が前記作業領域外で動作する状態を示す目標外作業、前記フロント作業機が前記作業領域外から前記作業領域内へ移動して前記目標面へ接近する状態を示す目標接近作業、前記フロント作業機が前記作業領域内で動作する状態を示す目標付近作業、及び、前記フロント作業機が前記目標面から離れて前記作業領域内から前記作業領域外へ移動する状態を示す目標離脱作業を予め定義し、
   　前記フロント作業機と前記目標面の位置関係、前記フロント作業機の前記目標面に対する動作方向、及び、前記作業領域に基づいて、前記作業種別を判別することを特徴とする作業機械。
4. 　請求項２記載の作業機械において、
   　前記フロント作業機は、前記複数のフロント部材のうちの先端に設けられたフロント部材として、土砂を充填可能な作業具を有し、
   　前記制御装置は、
   　前記作業具状態として、前記作業具内に土砂があるか否かを示す作業具土砂充填状態、及び、前記作業具が前記目標面に対して予め定めた相対角度の範囲内にあるか否かを示す作業具姿勢状態を予め定義し、
   　前記作業具の前記目標面に対する姿勢、及び、前記フロント作業機の負荷に基づいて、前記作業具状態を判別することを特徴とする作業機械。
5. 　請求項１記載の作業機械において、
   　前記フロント作業機は、前記複数のフロント部材のうちの先端に設けられたフロント部材として、土砂を充填可能な作業具を有し、
   　前記制御装置は、
   　前記動作形態のモードとして、前記作業具の前記目標面に対する姿勢を現在の姿勢に保持する姿勢保持モード、前記作業具の前記目標面に対する姿勢を水平に保持する水平保持モード、及び、前記作業具の位置を前記目標面に一致させる位置指定モードを予め定義し、
   　前記動作形態に応じて前記フロント作業機が動くように操作補正制御を実行することを特徴とする作業機械。

Images