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WO1998036131A1 - Slope excavation controller of hydraulic shovel, target slope setting device and slope excavation forming method - Google Patents

Slope excavation controller of hydraulic shovel, target slope setting device and slope excavation forming method Download PDF

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Publication number
WO1998036131A1
WO1998036131A1 PCT/JP1998/000559 JP9800559W WO9836131A1 WO 1998036131 A1 WO1998036131 A1 WO 1998036131A1 JP 9800559 W JP9800559 W JP 9800559W WO 9836131 A1 WO9836131 A1 WO 9836131A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
slope
target
setting
external reference
excavation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP1998/000559
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroshi Watanabe
Kazuo Fujishima
Masakazu Haga
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to EP98902193A priority Critical patent/EP0902131A4/en
Priority to US09/155,887 priority patent/US6076029A/en
Publication of WO1998036131A1 publication Critical patent/WO1998036131A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • E02F9/2278—Hydraulic circuits
    • E02F9/2285—Pilot-operated systems
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    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • E02F9/2278—Hydraulic circuits
    • E02F9/2296—Systems with a variable displacement pump
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)

Definitions

  • the present invention relates to a slope excavation control device for a hydraulic excavator, a target slope setting device, and a method for forming a slope excavation using a hydraulic excavator.
  • the front device approaches a preset target excavation surface, the front device is activated.
  • the present invention relates to a slope excavation control device for a hydraulic shovel, a target slope setting device, and a method for forming a slope excavation using the hydraulic excavator, which performs region-limited excavation control so as to move along a target excavation surface.
  • a typical example of construction equipment is a hydraulic excavator.
  • front members such as a boom and an arm that constitute a front device are operated by respective manual operation levers, but each of them is connected by joints to perform a rotating motion. Therefore, it is extremely difficult to excavate a predetermined area, particularly a linearly set area, by operating these front members, and automation is desired. Therefore, various proposals have been made for performing such operations in an automated manner.
  • International Publication No. WO 95/30959 describes that an excavation area is set on the basis of a vehicle body, and when a part of a front device, for example, a bucket approaches a boundary of the excavation area, a bucket is formed.
  • the height of the vehicle body is detected by a sensor installed on the vehicle body using the laser light of a laser oscillator installed on the surface of the excavation site, and the detected vehicle body height
  • the excavation depth (equivalent to the restricted area in the former example) is determined based on this, and a straight excavation is performed for a predetermined length in a state where the vehicle is stopped, and then the vehicle is driven a predetermined distance and the excavation is performed again in a stopped state.
  • the vehicle body height displacement is detected by the laser light, and the excavation depth is corrected based on the height displacement.
  • a desired excavation depth (HTTRGT) is set based on the laser beam, a laser receiver is attached to the arm, and the laser beam is detected at the moment the laser receiver detects the laser beam during excavation.
  • the distance to the bucket edge of the front device (HTACT) is calculated, and HTTRGT and HTACT are compared to control the related actuator so that the bucket edge moves near the desired excavation depth. Disclosure of the invention
  • Hydraulic excavator work includes slope excavation work.
  • the excavator works to make a long slope along the river or road, such as river revetment work or road side wall work.
  • the excavator takes a posture that can run parallel to the river or road.
  • the vehicle is moved laterally (in a direction parallel to the river or road) with respect to the existing slope.
  • a long distance slope slope
  • An object of the present invention is to change the positional relationship between the vehicle body and the existing slope by moving the vehicle body in the lateral direction.
  • An object of the present invention is to provide a slope excavation control device for a hydraulic excavator, a target slope setting device, and a method for excavating a slope using a hydraulic excavator, which can excavate and form a slope without any step.
  • the present invention comprises a plurality of vertically rotatable front members constituting a multi-joint type front device, and a vehicle body supporting the front device.
  • a slope excavation control device for a hydraulic shovel comprising excavation surface setting means for setting a target excavation surface to be excavated by the front device, wherein when the front device approaches the target excavation surface, the front device
  • the excavation surface setting means includes: (B) a front reference which is a target for adjusting the front device to an external reference set along the direction of progress of the target slope; (C) first calculating means for calculating the position and orientation of the front device with reference to the vehicle body based on the signal of the detecting means; and (d) positional relationship between the external reference and a target slope.
  • the positional relationship between the vehicle body and the external reference is calculated based on the information on the position and orientation of the contact device calculated by the first calculating means, and the positional relationship between the vehicle body and the external reference and the first setting means are calculated.
  • the target slope with respect to the vehicle body It shall comprise; set in the positional relationship, and the second set means and said target excavation plane.
  • the external reference and the target method set by the first setting means by the second calculation means are operated.
  • the position relationship between the vehicle surface and the target slope is calculated by correcting the surface relationship, and the second setting means sets the target slope based on the positional relationship with respect to the vehicle body. Even if the height of the vehicle changes with respect to the existing slope, excavation work can be performed by correcting the height change every time.
  • the above calculation is performed and the target slope is set. Even if the position in the front-rear direction changes, this change in the position in the front-rear direction can be corrected each time to perform excavation work. For this reason, even if the positional relationship between the vehicle body and the existing slope changes due to the lateral movement of the vehicle body, the slope can be excavated and formed without any level difference.
  • the first setting means includes, as a positional relationship between the external reference and a target slope, a vertical distance from the external reference to a reference point on the target slope. It is a means to set the horizontal distance and the angle information of the target slope.
  • the first setting means is a means for setting a positional relationship between the external reference and a target slope based on data input by a setting device. .
  • the first setting means sets the tip of the front device to a target method based on the information on the position and orientation of the front device calculated by the first calculation means.
  • the first setting means sets the front end of the front device on a target slope based on the information on the position and orientation of the front device calculated by the first calculation means.
  • the position of the tip of the front device when aligned with a first reference point and the position of the tip of the front device when aligned with the second reference point on the target slope Means for calculating the following, and the opening at the first and second reference points Means for calculating the angle information of the target slope from the position of the tip of the control device, and adjusting the front reference to the external reference based on the information on the position and orientation of the front device calculated by the first calculation means.
  • the configuration may include means for calculating a relationship, and means for storing the positional relationship obtained by this calculation and the angle information.
  • the present invention provides a multi-joint type front device comprising a plurality of vertically rotatable front members, and a vehicle body supporting the front device,
  • the front device When the front device approaches a preset target excavation surface, the front device performs region-limited excavation control so as to move along the target excavation surface, and a target slope setting device for a hydraulic shovel that excavates a target excavation surface position.
  • a front reference provided in the front device and serving as a target for adjusting the front device to the external reference; and
  • the front is provided in order to achieve the above object.
  • Detecting means for detecting a state quantity relating to the position and orientation of the device; (d) a first operation for calculating the position and orientation of the front device with reference to the vehicle body based on a signal from the detecting device; (E) first setting means for setting a positional relationship between the external reference and the target slope; and (f) an external reference setting switch operated when the front reference matches the external reference.
  • (G) calculating the positional relationship between the vehicle body and the external reference based on the position and orientation information of the front device calculated by the first calculating means when the external reference setting switch is operated; (H) second calculating means for calculating a positional relationship between the vehicle body and the target slope from the positional relationship between the vehicle body and the external reference and the positional relationship between the external reference and the target slope set by the first setting means; A second setting means for setting the target slope on the basis of the vehicle body based on the positional relationship between the vehicle body and the target slope calculated by the second calculating means, and setting the target slope as the target excavation surface; Shall be provided.
  • the step The slope can be excavated without forming.
  • the external standard is a water thread stretched along the development direction of the target slope.
  • the external reference may be a plurality of guises juxtaposed along a development direction of a target slope.
  • the external reference may be a laser beam projected along a development direction of a target slope.
  • the present invention provides a multi-joint type front device comprising a plurality of vertically rotatable front members, and a vehicle body supporting the front device.
  • the front device When the front device approaches a preset target excavation surface, the front device performs area-limited excavation control so that the front device moves along the target excavation surface.
  • the excavation forming method (a) setting an external reference along a development direction of a target slope; (b) setting a positional relationship between the external reference and the target slope; (c) the front device The front reference provided on the vehicle is adjusted to the external reference, and the positional relationship between the vehicle body and the external reference is calculated.
  • the target method Calculating the positional relationship between the vehicle body and the target slope, and setting the target slope in a positional relationship with respect to the vehicle body as the target excavation surface; and (d) hydraulic pressure.
  • (F) Perform the same procedure as in (c) and (d) above at the vehicle position after moving in the lateral direction; (g) Above (e) and
  • Step (f) shall be repeated.
  • the slope surface can be excavated and formed by such a slope excavation forming method.
  • the body of the excavator is made of Freon.
  • An upper revolving unit that supports the swinging device, and a lower traveling unit that rotatably mounts the upper revolving unit.
  • the lower traveling unit is moved in the direction of progress in the target direction.
  • the excavation is performed in a posture oriented parallel to the vehicle, and the lateral movement of the vehicle body in the above (e) is performed by moving the lower traveling body in the same posture as in the above (d).
  • the vehicle body of the hydraulic shovel has an upper revolving body for supporting a front device, and a lower traveling body on which the upper revolving body is rotatably mounted.
  • the excavation is performed in a posture in which the lower traveling body is directed in a direction intersecting with the direction of progress of the target direction, and when the vehicle body moves laterally in (e), the lower traveling body
  • the lateral movement may be performed by repeatedly moving forward and backward in the same posture as in the above (d) and moving in the width direction.
  • FIG. 1 is a diagram showing a slope excavation control device for a hydraulic shovel according to a first embodiment of the present invention, together with a hydraulic drive device.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an external appearance of a hydraulic shovel to which the present invention is applied, an example of an external standard, and an example of a state of excavation on a slope.
  • FIG. 3 is a diagram showing the appearance of the setting device.
  • FIG. 4 is a diagram similar to FIG. 2 showing another example of the external standard.
  • FIG. 5 is a view similar to FIG. 2 showing still another example of the external reference.
  • FIG. 6 is a view similar to FIG. 2 showing another example of a state of excavation on a slope.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a case where the excavation is not flat but bent in the direction of the slope force to be excavated.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the principle of setting a target slope according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing the entire configuration of the slope excavation control device according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a processing flow of the second calculating means and the second setting means of the first embodiment.
  • FIG. 11 is a functional block diagram showing the overall control functions of the control unit.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a trajectory when the tip of the bucket is direction-change-controlled as calculated in the area-limited excavation control.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a trajectory when the tip of the bucket is subjected to restoration control as calculated in the area-limited excavation control.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the initial setting when the target slope is set and the subsequent movement.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram showing the principle of setting a target slope according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram depicting a processing flow of the first setting means of the second embodiment
  • FIG. 17 is an explanatory diagram showing the principle of setting a target slope according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram depicting a processing flow of the first setting means of the third embodiment; BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • a hydraulic shovel in FIG. 1, includes a hydraulic pump 2, a brake cylinder 3a, a brake cylinder 3b, a bucket cylinder 3c, and a swing motor 3 driven by hydraulic oil from the hydraulic pump 2.
  • d and a plurality of hydraulic actuators including the left and right traveling motors 3e and 3f, and a plurality of operating lever devices 4a to 4 provided corresponding to the hydraulic actuators 3a to 3f, respectively.
  • a plurality of flow control valves 5a connected between the hydraulic pump 2 and the plurality of hydraulic actuators 3a to 3f to control the flow rate of the pressure oil supplied to the hydraulic actuators 3a to 3f. Open when the pressure between the hydraulic pump 2 and the flow control valve 5a to 5f exceeds the set value. It has a valve 6.
  • the hydraulic excavator includes a multi-joint type front device 1A including a vertically rotating boom 1a, an arm 1b, and a bucket 1c.
  • the upper revolving unit 1d supporting A and the vehicle body 1B composed of a lower traveling unit 1e on which the upper revolving pair 1d is rotatably mounted, and the base end of the boom 1a of the front device 1A is an upper part. It is supported at the front of the revolving superstructure 1d.
  • the boom 1a, arm 1b, bucket 1c, upper revolving unit 1d, and lower traveling unit 1e are respectively composed of the boom cylinder 3a, the arm cylinder 3b, the bucket cylinder 3, the swivel motor 3d, and the left and right Driven members driven by the traveling motors 3e and 3f are respectively constituted, and their operations are instructed by the operation lever devices 4a to 4f.
  • the operating lever ⁇ one device 4a to 4f is a hydraulic pilot type that drives the corresponding flow control valves 5a to 5f by pilot pressure, and each is operated by an operator. And a pair of pressure reducing valves (not shown) that generate a pilot pressure according to the operation amount and operation direction of the operation lever 40.
  • the primary port of each pressure reducing valve is a pilot pump 43.
  • the secondary ports are connected via pilot lines 44a, 44b; 45a, 45b; 46a, 46b; 47a, 47b; 48a, 48b; 49a, 49b. 51a, 51b; 52a, 52b; 53a, 53b; 54a, 54b; 55a, 55b ing.
  • the hydraulic excavator as described above is provided with the slope excavation control device of the present invention.
  • This device is provided at the setting device 7 for instructing the setting of the target excavation surface, and at each of the rotation fulcrums of the boom 1a, the arm 1b, and the bucket 1c, and the position and posture of the front device 1A.
  • Angle meters 8a, 8b, 8c that detect the respective rotation angles as state quantities related to the vehicle, Inclinometer 8d that detects the inclination angle ⁇ of the vehicle body 1B in the front-rear direction, and operation for the boom and arm Pressure detectors 60a, which are provided at the pilot lines 44a, 44b; 45a, 45b of the lever devices 4a, 4b and detect the pilot pressure from the operation lever devices 4a, 4b.
  • the control unit 9 includes a proportional solenoid valve 10 a, 10 b, 11 a, 11 b driven by the electric signal, and a shuttle valve 12.
  • the shuttle valve 12 is installed on the pilot line 44a, selects the pilot pressure in the pilot line 44a and the high pressure ⁇ ⁇ of the control pressure output from the proportional solenoid valve 10a, and selects the flow control valve 5a. Guide to hydraulic drive 50a.
  • the proportional solenoid valves 10b, 11a, and lib are installed on the pilot lines 44b, 45a, and 45b, respectively, and reduce the pilot pressure in the pilot lines according to their electrical signals. Output.
  • An external reference 80 indicating a reference position when setting a target excavation surface is provided outside the excavator.
  • the external reference 80 is set along the direction in which the target slope extends.
  • the setting unit 7, front reference 70, external reference setting switch 71, goniometers 8a, 8b, 8c and inclinometer 8d, external reference 80, and control unit 9 are described below. This function constitutes a target slope setting device.
  • the setting device 7 is a switching switch 7c that switches between setting a vertical distance, a horizontal distance, and an angle (described later) of the reference point on the target slope, and a reference point on the target slope.
  • the buttons of the setting device 7 may be provided on the grip of an appropriate operation lever.
  • the external reference 80 may be, for example, along the progress direction of the target slope as shown in FIG. This is a water thread stretched horizontally over the kui 80a. Water thread 80 is often used to indicate standards at construction sites. As shown in Fig. 4, the external reference is a simple quill installed along the target slope direction. Anything is fine.
  • the front reference 70 is set at the tip of the bucket 1c of the front device 1A as shown in FIG.
  • the front standard is preferably set at the tip of the bucket 1c. However, it is easy to confirm the coincidence with the external standard, and if it is a fixed place, other places of the front device 1A may be used. .
  • the external reference setting switch 71 is operated at the position where the front reference 70 is aligned with the water thread which is the external reference 80 by moving the front device 1A.
  • the position of 80 is detected, and the positional relationship between the vehicle 1B of the excavator and the external reference 80 (the position of the external reference 80 with respect to the vehicle) is calculated and set (described later).
  • a laser reference light generator (laser lighthouse) 82 that projects spot-shaped laser light 84 and is used for surveying at construction sites is used as an external reference.
  • a laser detector 83 that detects the laser beam 84 may be used at 70.
  • the laser lighthouse 82 is installed such that the laser light 84 is projected horizontally along the direction of development of the target slope.
  • the same function can be performed by turning on the lamp and operating the external reference setting switch 71 after confirming that the lamp has turned on.
  • Figs. 4 and 5 an example is shown in which the vehicle body is placed above the slope and the bucket is constructed by raising the bucket from below, but as shown in Fig. 6, the vehicle body is The slope may be constructed by placing it below the slope and lowering the bucket from above.
  • the water thread 80 which is the external reference, is installed above the slope, but when it is installed below or when laser spot light is used, the slope is used as described above. It may be installed in the middle.
  • the slope to be excavated may not be flat but bend in the direction of progress.
  • Fig. 7 shows an example.
  • a slope is formed on a bank located along the river.
  • the bank is also curved in accordance with the curve of the river, and the slope to be excavated must be bent in the direction of progress to match the curve of the bank.
  • the external reference 80 is also bent along the direction in which the bent target slope extends. If the external reference 80 is a water thread, an appropriate bend is selected as shown in the figure, and a quill 80a is driven in to spread the water thread.
  • the front reference 70 When setting the front reference for the arm 1 b and the boom 1 a, the front reference 70 should be set to a level that does not interfere with the work in order to minimize the influence of the manufacturing tolerance of the vehicle body when calculating the target slope setting. It is desirable to install as close as possible to the tip of the bucket 1c and to match the external standard 80 near the tip of the bucket 1c that actually acts on the soil.
  • the external reference setting switch 71 may be incorporated in the setting device 7.
  • the control unit 9 sets a target slope using the setting signal of the setting unit 7 and the detection signals of the external reference setting switch 71, the angle meters 8a, 8b, 8c, and the inclinometer 8d. c
  • the method of setting the target slope by the control unit 9 and the outline of the processing function of the control unit 9 will be described with reference to FIGS.
  • an external reference 80 is provided outside the excavator body, and for example, the water thread is drawn along the direction of development of the target slope as described above. Install horizontally.
  • the operator uses the operating device 7 to input the vertical distance hry, the horizontal distance hrx from the external reference 80 to the reference point Ps of the target slope to be set, and the angle Sr of the target slope with respect to the horizontal.
  • the positional relationship between the external reference 80 and the target slope is set. That is, the target slope is set in a positional relationship with the external reference 80 as a reference. This setting is performed by the processing function of the first setting means 100 of the control unit 9 shown in FIG.
  • the vertical distance, horizontal distance, and angle from the external reference 80 in the first setting means 100 to the reference point of the target slope are determined in advance by setting the installation location of the external reference and setting the target from the enforcement drawing etc. Find the vertical distance, horizontal distance, and angle to the reference point on the slope.
  • the numerical value is input using the switching switch 7c of the setting device 7 and the buttons 7a and 7b. C When the numerical value is confirmed on the display 7e, the region setting switch 7f is pressed to confirm.
  • the control device 9 determines that the setting switches 7f have been pressed, their vertical distance,
  • the horizontal distance and angle are stored as hry, hrx, and Sr.
  • the target slope is set based on the positional relationship based on the current excavator body position.
  • the operator first moves the front device 1A, matches the front reference 70 set on the toe of the bucket 1c of the front device 1A with the external reference 80, and sets the external reference. Operate switch 7 1.
  • the control unit is operated based on the signals of the angle meters 8a, 8b, 8c and the inclinometer 8d by the processing function of the first calculation means 120 shown in FIG. 9, the position and orientation of the front device 1A are calculated, and the front reference 70 set on the toe of the bucket 1c of the front device 1A matches the external reference 80, and the operator is notified.
  • the second computing means 14 shown in FIG. 9 is obtained based on information on the position and orientation of the front device 1A obtained from the first computing means 120 at that time.
  • the processing function of 0 calculates the height hfy and the horizontal distance hfx from the center 0 of the vehicle body to the external reference 80 as the positional relationship between the vehicle body 1 B and the external reference 80, and further calculates the height hfy and the horizontal distance hfx.
  • the vertical distance hry and the horizontal distance hrx (the external reference 80 and the position of the It calculates a vertical distance hsy and the horizontal distance hsx reference point P s of the target slope face with respect to the vehicle body center ⁇ from the relationship).
  • the processing function of the second setting means 160 shown in FIG. 9 is used to set the vertical distance hsy and the horizontal distance hs X and the angle 0 r input by the setting device 7 with the target method based on the body 1 B of the excavator. Set as face.
  • the operator operates the operation lever 40 (see FIG. 1) to move the front device 1A so that the front reference point 70 coincides with the external reference 80. Then, it is determined whether or not the external reference setting switch 71 is pressed by the operator in the process 141. If it is not pressed, the setting process ends without changing the target slope setting. If it is determined that the external reference setting switch 7 1 has been pressed in the processing 1 41, the processing proceeds to the processing 1 42.
  • the vertical distance hby and the horizontal distance hbx of the joint point of the boom and the arm (the installation point of the arm angle meter 8b) P1 from the vehicle center 0 are calculated by the following equations (2) and (3).
  • L 1 is the junction between the boom 1 a and the body 1 B (The installation point of the boom goniometer 8a), that is, the distance between the vehicle body center 0 and the junction point P1 of the boom and the arm. This value is known and is stored in the control unit 9 in advance.
  • the vertical distance h ay and the horizontal distance h ax from the joint point P1 between the boom and the arm to the joint point P2 between the arm and the bucket are determined by the following equations (4) and (5).
  • L 2 is the length from the joint point P1 between the boom and the arm to the joint point P2 between the arm and the bucket, and is stored in advance in the control unit 9.
  • the vertical distance hcy and the horizontal distance hcX to the three points of the bucket tip P are obtained by the following equations (6) and (7).
  • L 3 L 3 xcos (( ⁇ - ⁇ ) + ⁇ + ⁇ ) (6)
  • hcy L 3 xsin (( ⁇ ⁇ ⁇ ) + ⁇ + ⁇ (7)
  • L 3 is the length from the joint point p 2 between the arm and the bucket to the bucket tip P 3, and is stored in the control unit 9 in advance.
  • the hay, hax, hby, hbx, hcy, hex forces, and the equations (8) and (9) are used to calculate the vertical distance hfy from the vehicle center ⁇ to the front reference 70 (the baguette tip P3), Calculate the horizontal distance hfx.
  • processing 1 45 the vertical distance hfy and the horizontal distance hfx from the vehicle body center 0 to the front reference 70 calculated as described above are used as correction values, and these values hfy and hfx and the external reference 80 set by the setting unit 7 are used. From the vertical distance hry to the reference point of the target slope and the horizontal distance hrx, the vertical distance hsy and the horizontal distance hsx from the center 0 of the body to the reference point of the target slope by the formulas (10) and (11). Calculate.
  • the processings 14 1 to 14 45 correspond to the processing functions of the second calculating means 140 shown in FIG. 9, and the processings 16 1 are the processing functions of the second setting means 16 0 shown in FIG. Is equivalent to
  • the excavation operation is started by the area-limited excavation control as shown by a block 180 in FIG.
  • the slope is excavated and formed at the target slope position at the position.
  • the excavator body moves laterally with respect to the existing slope from which the excavator was excavated, as indicated by the arrows in Figs. 4 to 7. Then, the procedure by the second calculating means 140 and the second setting means 160 is performed at the new position. That is, by aligning the front reference 70 with the external reference 80 and pressing the external reference setting switch 71, a target slope is set based on the vehicle body 1B at the new position after the movement, and the position The slope is excavated and formed at the target slope position by area limited excavation control.
  • the excavator usually takes a posture directed parallel to a slope (target slope) on which the lower traveling body 1e is to be formed as shown in FIGS. Excavate.
  • the lateral movement of the vehicle body is performed by traveling in the same posture.
  • the lower vehicle 1 e is oriented perpendicular to the slope, and the slope is excavated in this posture.
  • the lateral movement of the vehicle is adjusted to the width (the lower vehicle 1 e is oriented perpendicular to the slope). Advance in And widthwise movement in which reverse movement is repeated).
  • a slope is formed at the target slope position along the external reference 80.
  • the control unit 9 includes a first target slope setting section 9a, a front attitude calculation section 9b, a target cylinder speed calculation section 9c, a target tip speed vector calculation section 9d, and a direction conversion control.
  • the first target slope setting section 9a is equivalent to the first setting means 100 in FIG. 9, and the vertical distance hry from the external reference 80 to the reference point on the target slope by operating the setting device 7.
  • the positional relationship between the external reference 80 and the target slope is set by the horizontal distance hrx and the angle of the target slope Sr.
  • the front attitude calculation unit 9b corresponds to the first calculation means 120 in FIG. 9, and includes the dimensions of each part of the front device 1A and the body 1B stored in the control unit 9 and the angle meters 8a and 8b. , 8c and the inclination angle S detected by the inclinometer are used to calculate the position and orientation of the front device 1A required for setting and control.
  • the positional relationship calculation unit 9m corresponds to the second calculation means 140 in FIG. 9, and the processing on the processing flow shown in FIG. Calculate the vertical distance hsy and the horizontal distance hsx to the point.
  • the second target slope setting unit 9 n corresponds to the second setting means 16 60 in FIG. 9, and performs the above-described vertical distance hsy, horizontal distance hsx, and angle by the processing 1 61 of the processing flow shown in FIG. ⁇ Set the target slope with r based on the positional relationship with respect to the excavator body 1B.
  • the position and posture of the front device 1A are calculated in the XY coordinate system with the origin of the rotation fulcrum of the boom 1a.
  • This XY coordinate system is main body 1 B It is a rectangular coordinate system fixed to, and is assumed to be in the vertical plane.
  • the position of the tip of the bucket 1c of the front device 1A is represented by L1, the distance between the pivot point of the boom 1a and the pivot point of the arm 1b, and the pivot point of the arm 1b and the bucket 1 If the distance between the rotation fulcrum of c and the tip of the bucket 1c is L2, the distance between the rotation fulcrum of the baggage 1c and the tip of the bucket 1c is L3.
  • the first target slope setting unit 9a, the positional relationship calculation unit 9m, and the second target slope setting unit 9n calculate the vertical distances hry, hsy, 11, the horizontal distances 1, hsx, hfx, etc. Convert to b coordinate system value and process.
  • detection signals of the pressure detectors 60a, 60b; 61a, 61b are input as operation signals of the operation lever devices 4a, 4b. From the operation signal (pilot pressure), the target discharge flow rate of the flow control valves 5a and 5b (the target speed of the boom cylinder 3a and the arm cylinder 3b) is calculated.
  • the target tip speed vector calculation unit 9d stores the tip position of the baggage obtained by the front attitude calculation unit 9b and the target cylinder speed obtained by the target cylinder speed calculation unit 9c in the control unit 9.
  • the target velocity vector Vc at the tip of the bucket 1c is obtained from the dimensions of the parts such as L1, L2, L3, etc. at the end.
  • the target speed vector Vc is obtained as a value in the XaYa coordinate system shown in FIG.
  • the XaYa coordinate system is defined as a point having a horizontal distance hsx and a vertical distance hsy of a reference point on the target surface with respect to the vehicle center 0 obtained by the second target surface setting unit 9 n in the XbYb coordinate system.
  • the Xa coordinate component Vc of the target speed vector Vc in the XaYa coordinate system VcX is the vector component of the target speed vector Vc in the direction parallel to the target slope
  • the a-coordinate component Vcy is a vector component of the target speed vector Vc in a direction perpendicular to the target slope.
  • the tip of the bucket 1c is located inside the target slope (excavation area) and near the target slope, and the component of the direction in which the target speed vector Vc approaches the target slope is calculated. If so, correct so that the vertical vector component decreases as it approaches the target slope. In other words, a smaller vector (reverse vector) away from the target slope is added to the vertical vector component Vcy.
  • the range of the distance Ya1 from the target slope can be called a direction change area or a deceleration area.
  • FIG. 12 shows an example of a trajectory when the tip of the bucket 1c is subjected to the direction change control according to the corrected target speed vector Vca as described above.
  • the target speed vector Vc is constant obliquely downward
  • the parallel component VcX is constant
  • the vertical component Vcy is calculated as the tip of the bucket 1c approaches the target slope (distance Ya Becomes smaller).
  • the corrected target speed vector V ca is a composite of the corrected target speed vector
  • the trajectory becomes a curve that becomes parallel as it approaches the target slope, as shown in the figure.
  • the corrected target cylinder speed calculator 9f calculates the target cylinder speed of the boom cylinder 3a and the arm cylinder 3b from the corrected target speed vector obtained by the direction change controller 9e. This is the inverse operation of the operation in the target tip speed vector operation unit 9d.
  • the bucket tip when the tip of the bucket 1c goes beyond the target slope and goes outside (restricted area), the bucket tip is related to the distance from the target slope, and The target speed vector is corrected so as to return to the inside.
  • a vector in the direction approaching the target slope (reverse vector) is added to the vertical vector component Vcy.
  • the target speed Vcy is reduced so that the vertical vector component Vcy decreases as the distance Ya decreases.
  • the vector Vc is corrected to the target speed vector Vca.
  • FIG. 13 shows an example of a trajectory when the tip of the bucket 1c is subjected to the restoration control according to the corrected target speed vector Vca as described above.
  • the target speed vector Vc is constant obliquely downward
  • the parallel component VcX is constant
  • the restoration vector KYa is proportional to the distance Ya
  • the vertical component is bucket 1c.
  • the corrected target speed vector V ca is a composite of the corrected target speed vector V ca
  • the trajectory becomes a curve that becomes parallel as it approaches the target slope, as shown in Fig. 13.
  • Cotonoré V ca matches V c X.
  • the restoration control unit 9g controls the tip of the bucket 1c so as to return to the inside of the target slope, so that a restoration area is obtained outside the target slope. Also in this restoration control, the movement of the tip of the bucket 1c in the direction approaching the target slope is decelerated, so that the movement direction of the tip of the bucket 1c is in the direction along the target slope. In this sense, this restoration control can also be called direction conversion control.
  • the corrected target cylinder speed calculator 9h calculates the target cylinder speeds of the boom cylinder 3a and the arm cylinder 3b from the corrected target speed vector obtained by the restoration controller 9g. This is the inverse operation of the operation in the target tip speed vector operation unit 9d.
  • the operation direction of the bump cylinder and the arm cylinder necessary for the restoration control is selected, and the target cylinder speed in the operation direction is calculated.
  • raising the boom 1a returns the bucket tip to the set area, so the boom 1 raising direction is always included.
  • the combination is also determined by the control software.
  • the target cylinder speed selector 9 i converts the direction obtained by the target cylinder speed calculator 9 f Select the larger value (maximum value) of the target cylinder speed by the control and the target cylinder speed by the restoration control obtained by the target cylinder speed calculator 9h (maximum value), and use it as the target cylinder speed for output.
  • the target pilot pressure calculation section 9j calculates the target pilot pressures of the pilot lines 44a, 44b; 45a, 45b as the target pilot pressures.
  • the valve command calculation unit 9k calculates a command value corresponding to the target pilot pressure calculated by the target pilot pressure calculation unit 9j, and the corresponding electric signal is used as a proportional solenoid valve 10a, 10b, 1b. Output to 1 a and 1 1 b.
  • the front reference 70 is matched with the external reference 80, and each time the external reference setting switch 71 is pressed, the positional relationship between the external reference 80 and the vehicle 1B is corrected to position the vehicle and the target slope. Is calculated, and the target slope is set based on the positional relationship with respect to the vehicle body, so even if the vehicle height changes with respect to the existing slope due to the lateral movement of the vehicle, the height change is corrected every time Excavation work.
  • the external reference 80 is set horizontally along the direction of development of the target slope, and the above calculation is performed when the front reference matches the external reference 80.
  • FIG. 14 shows the positional relationship when the target slope is set, and (b) shows the positional relationship when the vehicle body moves.
  • the vertical distance hry and the horizontal distance hrx input by the first setting means 100 of FIG. 9 and the second arithmetic means 140 of FIG. 9 and the processing 1 43 of FIG. Using the vertical distance hfy and the horizontal distance hfx obtained as the correction values, the vertical distance hsy and the horizontal distance hsx from the vehicle center 0 to the reference point Ps of the target slope are obtained in the processing 1 45 of Fig. 10.
  • the target slope is set by the vertical distance hsy, the horizontal distance hsx, and the angle 0 r input by the setting unit 7 in the processing 16 1 of FIG. 10 and the setting data hsx, hsy, ⁇ r
  • the slope is excavated by the excavation limit control using.
  • External reference 80 is set horizontally along the direction of development of the target slope, and the slope is excavated and formed at the target slope position using this external reference 80 as a medium.
  • the slope will be formed parallel to the external reference 80. Therefore, by adjusting the installation direction of the external reference 80, the direction of the slope can be freely set and formed according to the topography. For example, when forming a slope on a bank that is curved along the river mentioned above, a quill 80a is hit at the curve of the bank, and a water thread (external standard) 80 is stretched over.
  • the target slope can be set parallel to 0, and the curved slope can be easily formed to fit the curve of the bank.
  • the vehicle height can be corrected by the reference light as described above.
  • excavation is performed, the height of the vehicle body is corrected, and the bucket tip is moved to the vertical distance hs set from the center of the vehicle body.
  • the control device transmits the boom, arm, and baggage dimensions L1, L2, and L3 stored in the storage device and each flow detected from the angle sensor.
  • the control operation is performed using the angles ⁇ , ⁇ , and 7 of the component so that the tip of the baguette is at the position of hs. There is a manufacturing error in the actual front member.
  • the boom has dimensions of L1 + eLK arm
  • the L2 + eL2 bucket has dimensions of L3 + ⁇ L3.
  • the angle ⁇ 'a detected from the sensor includes the errors of ⁇ , ⁇ , and ⁇ a due to the sensor mounting error and the detection error of the sensor itself with respect to the true angles ⁇ ', ⁇ ', and ⁇ '. It is. Therefore, the control device
  • hs' (L1 ', j, L3', a '(hs), ⁇ ' (hs), ⁇ '(hs)) hs' (L1 + eLL L2 + ⁇ L2, L3 + ⁇ L3 , a (hs) + ea,
  • a front reference 70 is set in the front device (the end of the bucket).
  • the position hf (hfx, hfy) when the front reference 70 matches the external reference 80 is inside the control unit 9,
  • hf '(LI', L 2 ', L 3', a '(hf), ⁇ ' (hf), ⁇ '(hf)) ⁇ f' ') hf' (L 1 + eLl, L 2 + ⁇ L2, L 3 + e L3, a (hf) + e ⁇ , ⁇ (hf)
  • a (hf), ⁇ (hf), a (hf) are the angle detection values when the front device takes the hf detection posture.
  • the control unit 9 since the front reference 70 is located at the position of the true external reference 80, the control unit 9 has detected the position of the true external reference 80 in a form including an error. If this h ⁇ is used for region-limited excavation control, the error between the detected position hf in the control unit 9 and the actual position hf ′ contains the same error as when hf was detected, so it is actually canceled out. Matches true hf 'position.
  • hs '(L 1', L 2 ', L 3', ⁇ ', ⁇ ' (hs), ⁇ '(hs)) hs' (L l + eLl, L 2 + ⁇ Lf, L 3 + ⁇ L3 , a (hs) + ⁇ a (hs), / 3 (hs) + ⁇ y3 (hs), ⁇ (hs) + ⁇ ⁇ (hs)) "-(1 3)
  • a (hs), 3 (hs), a (hs) are the detected angle values when the front device takes the hs control attitude.
  • the front reference 70 is provided in the front device 1A to minimize the change in the attitude when setting the external reference position and when excavating. In that case, (14) to (16) The error related to the expression (3) is further reduced.
  • an error in setting h r (hr x, h r y) is also taken in at the time of setting, and can be operated during control, so that more accurate excavation control can be performed.
  • the reference light detector provided in the vehicle body is in a wide L range within which the reference light can be detected.
  • the front device 1A is operated to make the front reference 70 coincide with the external reference 80, and the external reference setting switch 71 is set by pressing the switch. Therefore, the front reference 70 provided in the front device 1A is set.
  • the front device 1A is operated to make the front reference 70 coincide with the external reference 80, and the external reference setting switch 71 is pressed to set the value.Therefore, considering the wide movable range of the front device 1A, Movement can be corrected in a wide range.
  • the reference photodetector provided in the device be within a range in which the reference light can be detected, which is a great limitation in view of the size of the reference photodetector.
  • the front reference 70 is set on the front device 1A, especially on the bucket tip, so that the installation location of the external reference 80 is not greatly restricted in view of the wide movable range of the front device.
  • the external reference 80 when there is no suitable external reference installation location on the ground at the same height as the vehicle body 1B, the external reference It has the advantage that 0 can be set.
  • this makes it possible to set the external reference 80 so as to reduce the change between the attitude at the time of alignment with the external reference and the attitude at the time of excavation due to the problem of the previous error. Accuracy can be improved.
  • a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the setting of the positional relationship between the external reference 80 and the target slope in the first setting means 100 (see FIG. 9) of the first embodiment is performed by direct pointing.
  • the target slope angle is set and input by the setting device 7.
  • the vertical distance hry and the horizontal distance hrx from the external reference 80 to the reference point Ps on the target slope are set by the up button 7a of the setting device 7. , 7b (see Fig. 3).
  • the tip of the bucket 1c is moved to a position to be set as shown by a two-dot chain line in FIG. 15 by operating the operation lever of the operation, and direct teaching is performed at that position. Sets the vertical distance hry or the horizontal distance hrx.
  • Figure 16 shows the processing flow of the setting method by direct teaching of the target slope.
  • parts (1) and (2) surrounded by broken lines indicate operations that must be performed by the operator of the excavator.
  • the operator operates the operation lever to move the front device 1A so that the tip of the bucket 1c comes to the reference point Ps of the target slope, as shown in (1) of Fig. 16.
  • the operator presses the area setting switch 7f (see FIG. 3) of the setting unit 7.
  • control unit 9 it is determined whether or not the area setting switch 7f is pressed in the processing 190, and if not, the processing 190 is continued.
  • the process proceeds to step 1 91.
  • the vertical distance h sy and the horizontal distance h s x from the body center 0 to the tip of the baguette 1c are calculated from the attitude of the front device 1A at that time.
  • control unit continues to judge whether or not the external reference setting switch 71 has been moved in process 192.
  • the processing shifts to processing 193.
  • a vertical distance h fy and a horizontal distance h fx from the vehicle body center 0 to the front reference 70 are calculated from the attitude of the front device 1A at that time.
  • h r y h s y -h f y "-(1 2)
  • h r x h s x -h f x ... (1 2)
  • the target slope is set by direct teaching, a desired target slope can be accurately set according to the work situation.
  • the first setting means 100 shown in FIG. By moving the tip of bucket 1C to the reference point on the target slope by operating the lever, the vertical distance hry or the horizontal distance hrx of the reference point is set by directing the location, and the target slope is set.
  • the angle was set with the angle entered on the setting device 7.
  • the angle 0r of the target slope is also set by direct teaching. Is what you do.
  • the control unit calculates and stores those positions (coordinates Xps1, Yps1) and (coordinates Xps2, Yps2) in processes 200 to 203 shown in FIG. Thereafter, in a process 203, a boundary expression at the Xb Yb coordinate is calculated from the values of P s 1 (coordinates Xp s i, Yp s 1) and P s 2 (coordinates X ps 2, Yp s 2)
  • To set the target slope that is, with respect to the external reference 80, the same processing 205 to 207 as in the case where the angle is set by the setting device 7 is performed, and the horizontal distance hrx and the vertical distance hry from the external reference 80 to the point Ps1 are calculated.
  • the direction of the slope to be formed can be freely set according to the topography by adjusting the installation direction of the external reference.
  • the target slope that is set is less affected by errors in vehicle manufacturing tolerances, sensor accuracy, and mounting tolerances. Excavation can be performed with little difference.
  • the front reference may be a small and simple member like the arrow mark, the movement of the vehicle body can be corrected without requiring a large and complicated optical sensor.
  • the movement of the vehicle body can be corrected over a wide range, given the wide range of movement of the front device with the front reference.

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Description

明細書 油圧ショベルの法面掘削制御装置、 目標法面設定装置及び法面掘削形成方法 技術分野
本発明は油圧ショベルの法面掘削制御装置、 目標法面設定装置及び油圧ショベ ルを用いた法面掘削形成方法に係わり、 特に、 フロント装置が予め設定した目標 掘削面に近づくとフロン卜装置が目標掘削面に沿って動くよう領域制限掘削制御 を行い、 目標掘削面を掘削する油圧ショベルの法面掘削制御装置、 目標法面設定 装置及びその油圧ショベルを用 、た法面掘削形成方法に関する。 背景技術
建設機械の代表例として、 油圧ショベルがある。 油圧ショベルでは、 フロント 装置を構成するブーム、 アームなどのフロント部材を、 それぞれの手動操作レバ 一によつて操作しているが、 それぞれが関節部によつ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。 そこで、 このような作業を自動化して行うための種々の提案がなされている。 例えば、 国際公開公報 WO 9 5 / 3 0 0 5 9号公報には、 車体基準で掘削可能 領域を設定し、 フロント装置の一部、 例えば、 バケツ 卜が掘削可能領域の境界に 近づくと、 バケツ 卜の当該境界に向かう方向の動きのみを減速し、 バケツ 卜が掘 削可能領域の境界に達すると、 バケツ 卜は掘削可能領域の外には出ないが掘削可 能領域の境界に沿っては動けるようにしている。
また、 そのような作業を自動化して行う場合、 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、 車体基準で設定していた領 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、 このような不 具合を解決するための自動掘削方法が特開平 3 - 2 9 5 9 3 3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 位量によつて掘削深さを補正するようにしている。
更に、 レーザ光を用いて掘削深さを補正する他の自動掘削方法として米国特許 4, 829, 418号に提案のものがある。 この自動掘削方法では、 レーザ光を 基準として所望の掘削深さ （HTTRGT) を設定し、 アームにレーザ受光器を 取り付け、 掘削中にレーザ受光器がレーザ光を検知する瞬間に、 レーザ光からフ ロン卜装置のバケツ ト刃先までの距離 （HTACT) を計算し、 HTTRGTと HTACTを比較してバケツ 卜刃先が所望の掘削深さ付近で動くよう関連するァ クチユエ一夕を制御している。 発明の開示
油圧ショベルの作業には法面掘削作業がある。 例えば、 河川の護岸工事や道路 側壁工事のように河川、 道路に沿って長い距離の斜面 （法面） を作る作業である この作業では、 油圧ショベルは河川又は道路に平行に走行できる姿勢をとり、 バ ケッ 卜幅で掘削可能な斜面を作る毎に、 車体を既設の斜面に対し横方向 （河川又 は道路に平行な方向） に移動させて行く。 これを続けることで長い距離の斜面 (法面） を形作っていく。
ところで、 このような法面の掘削を自動で行う場合、 国際公開公報 W095Z 30059号公報に記載のように形成したい法面 （目標法面） を車体基準で設定 すると、 車体の横移動に伴って走行する地面の高低差、 走行時の曲がりなどで車 体と既設の斜面との位置関係が変化しまって、 斜面間に段差ができてしまう。 また、 特開平 3— 295933号公報や米国特許 4， 829, 4 18号に示さ れた方法で法面を掘削した場合は、 車体の横移動により車体と既設の斜面との位 置関係が変化しても、 既設の斜面に対する車体の高さ方向の変化は補正できるが、 前後方向の変化は補正できず、 車体と既設の斜面との位置関係が前後方向にズレ てしまい、 やはり斜面間に段差ができてしまう。
本発明の目的は、 車体の横方向の移動により車体と既設の斜面との位置関係が 変化しても、 段差無く法面を掘削形成できる油圧ショベルの法面掘削制御装置、 目標法面設定装置及び油圧ショベルを用いた法面掘削形成方法を提供することで ある。
( 1 ) 上記目的を達成するために、 本発明は、 多関節型のフロン卜装置を構成す 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 体とを備えた油圧ショベルの法面掘削制御装置であって、 前記フロント装置によ り掘削すべき目標掘削面を設定する掘削面設定手段を有し、 前記フロント装置が 前記目標掘削面に近づくとフロント装置が目標掘削面に沿って動くよう領域制限 掘削制御を行い、 目標掘削面位置を掘削する油圧ショベルの法面掘削制御装置に おいて、 前記掘削面設定手段は、 （a ) 前記フロント装置に備えられ、 目標法面 の進展方向に沿って設置された外部基準に前記フロント装置を合わせる目標とな るフロント基準と ； （b ) 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 ； （c ) 前記検出手段の信号に基づき前記車体を基準としたフロ ン卜装置の位置と姿勢を演算する第 1演算手段と ； （ d ) 前記外部基準と目標法 面との位置関係を設定する第 1設定手段と； （ e ) 前記フ口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ィッチと ； （g ) 前記外部基準 設定スィ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口ント装置 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目標法 面との位置関係とから前記車体と目標法面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車体と目標法面との位置関係により、 前 記目標法面を車体を基準とした位置関係で設定し、 前記目標掘削面とする第 2設 定手段と ；を備えるものとする。
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、 外部基準設定スィツ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 定した外部基準と目標法面の位置関係を補正して車体と目標法面の位置関係を演 算し、 第 2設定手段で車体を基準とした位置関係で目標法面を設定するため、 車 体の横方向の移動により既設の斜面に対し車体の高さが変化しても、 その高さ変 化を毎回補正して掘削作業力行える。 また、 外部基準として目標法面の進展方向 に沿って設置されたものを用い、 この外部基準にフロント基準が一致したときに 上記の計算をし、 目標法面を設定するため、 車体の横方向の移動により既設の法 面に対し車体の前後方向の位置が変化しても、 この前後方向の位置の変化も毎回 補正して掘削作業が行える。 このため、 車体の横移動により車体と既設の斜面と の位置関係が変化しても、 段差無く法面を掘削形成できる。
( 2 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記第 1設定手段は、 前記外部基準と 目標法面との位置関係として、 前記外部基準から目標法面上の基準点までの垂直 方向の距離及び水平方向の距離と、 目標法面の角度情報を設定する手段である。
( 3 ) また、 上記 （1 ) において、 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目標法面との位置関係を設定する手 段である。
これにより、 設定器の操作で外部基準と目標法面との位置関係の全てを設定で きる。
( 4 ) 更に、 上記 （ 1 ) において、 好ましくは、 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 卜装置の先端を目標法面上の基準点に合わせ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、 前記フロント基準を前記外部基準に合わせたときの前記フ 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目標法面上の基準点との位置関係を演算する 手段と、 この演算で求めた位置関係と設定器により入力された角度データを記憶 する手段とを含む。
これにより、 ダイレク 卜ティ一チングにより角度データ以外について外部基準 と目標法面との位置関係を設定できる。
( 5 ) また、 上記 （ 1 ) 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、 前記フロント装置の先端 を目標法面上の第 1基準点に合わせたときの前記フロン卜装置の先端の位置と、 前記フロン卜装置の先端を目標法面上の第 2基準点に合わせたときの前記フ口ン 卜装置の先端の位置とを演算する手段と、 前記第 1及び第 2基準点での前記フ口 ント装置の先端位置から目標法面の角度情報を演算する手段と、 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、 前記フロント基準 を前記外部基準に合わせ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目標 法面上の第 1及び第 2基準点のいずれか一方との位置関係を演算する手段と、 こ の演算で求めた位置関係と前記角度情報を記憶する手段とを含む構成であつても 良い。
これにより、 ダイレク トティ一チングにより角度データも含め外部基準と目標 法面との位置関係を設定できる。
( 6 ) また、 上記目的を達成するために、 本発明は、 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、 前記フロント装置が予め設定した目標掘削面に近づくとフロ ント装置がその目標掘削面に沿って動くよう領域制限掘削制御を行い、 目標掘削 面位置を掘削する油圧ショベルの目標法面設定装置において、 （a ) 目標法面の 進展方向に沿って設置された外部基準と ； （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車体を基準とした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 ) 前記外部基準と前記目標法面との位置関係を設定 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ィッチと ； （g ) 前記外部基準設定スィッチが操作さ 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目標法面との位置関係とから 前記車体と目標法面との位置関係を演算する第 2演算手段と ； （h ) 前記第 2演 算手段で演算した車体と目標法面との位置関係により、 前記目標法面を車体を基 準とした位置関係で設定し、 前記目標掘削面とする第 2設定手段と ；を備えるも のとする。
このような目標法面設定装置を用い、 フロント装置が目標掘削面に近づくとフ ロント装置が目標掘削面に沿って動くよう領域制限掘削制御を行えば、 上記 （ 1 ) で述べたように、 車体の横移動により車体と既設の斜面との位置関係が変化して も、 段差無く法面を掘削形成できる。
(7) 上記 （6) において、 例えば、 前記外部基準は、 目標法面の進展方向に沿 つて張り渡した水糸である。
(8) また、 上記 （6) において、 前記外部基準は、 目標法面の進展方向に沿つ て並置した複数のクイであってもよい。
(9) 更に、 上記 （6) において、 前記外部基準は、 目標法面の進展方向に沿つ て投射したレーザ光であってもよい。
(1 0) また、 上記目的を達成するために、 本発明は、 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卜部材と、 前記フロント装置を支 持する車体とを備え、 前記フロント装置が予め設定した目標掘削面に近づくとフ ロン卜装置が目標掘削面に沿って動くよう領域制限掘削制御を行い、 目標掘削面 位置を掘削する油圧ショベルを用いた法面掘削形成方法において、 （a) 目標法 面の進展方向に沿って外部基準を設置すること ； （b) 前記外部基準と前記目標 法面との位置関係を設定すること； （c) 前記フロント装置に設けたフロント基 準を前記外部基準に合わせ、 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外部基準と目標法面との位置関係とから前 記車体と目標法面との位置関係を演算し、 この車体と目標法面との位置関係によ り、 前記目標法面を車体を基準とした位置関係で設定し、 前記目標掘削面とする こと ； （d) 油圧ショベルの現在の車体位置で前記領域制限掘削制御により前記 目標法面位置に斜面を掘削形成すること ； （ e ) 油圧ショベルの車体を前記 （ d ) で掘削した斜面に対し横方向に移動しすること ； （f ) 上記 （c) 及び （d) と 同じ手順を横方向に移動後の車体位置で実施すること ； （g) 上記 （e) 及び
( f ) の手順を繰り返し実施することとする。
このような法面掘削形成方法により、 上記 （ 1) で述べたように、 車体の横移 動により車体と既設の斜面との位置関係が変化しても、 段差無く法面を掘削形成 できる。
(1 1) 上記 （1 0) において、 好ましくは、 前記油圧ショベルの車体はフロン 卜装置を支持する上部旋回体と、 この上部旋回体を旋回可能に搭載する下部走行 体を有し、 前記 （d ) の斜面の掘削形成に際しては、 前記下部走行体を前記目標 方面の進展方向に平行に向けた姿勢で掘削形成を行い、 前記 （e ) の車体の横方 向移動に際しては、 前記下部走行体を前記 （d ) と同じ姿勢で走行させることに より横方向移動を行う。
( 1 2 ) また、 上記 （1 0 ) において、 前記油圧ショベルの車体はフロント装置 を支持する上部旋回体と、 この上部旋回体を旋回可能に搭載する下部走行体を有 し、 前記 （d ) の斜面の掘削形成に際しては、 前記下部走行体を前記目標方面の 進展方向に交差する方向に向けた姿勢で掘削形成を行い、 前記 （e ) の車体の横 方向移動に際しては、 前記下部走行体を前記 （d ) と同じ姿勢で前進及び後進を 繰り返して幅方向移動を行うことにより横方向移動を行つてもよい。
( 1 3 ) 更に、 上記 （ 1 0 ) において、 前記 （a ) の外部基準の設置に際して、 前記目標法面が進展方向に屈曲している場合は、 その屈曲した目標平面の進展方 向に沿つて外部基準も屈曲して設置する。
このように外部基準の設置方向を調整することで形成しょうとする法面の方向 を地形に合わせて自由に設定できる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施形態による油圧ショベルの法面掘削制御装置を油 圧駆動装置と共に示す図である。
図 2は、 本発明が適用された油圧ショベルの外観と外部基準の一例及び法面の 掘削状況の一例を示す図である。
図 3は、 設定器の外観を示す図である。
図 4は、 外部基準の他の例を示す図 2と同様な図である。
図 5は、 外部基準の更に他の例を示す図 2と同様な図である。
図 6は、 法面の掘削状況の他の例を示す図 2と同様な図である。
図 7は、 掘削したい法面力進展方向に一平面でなく、 屈曲している場合の一例 を示す図である。
図 8は、 第 1の実施形態による目標法面の設定原理を示す説明図である。 図 9は、 第 1の実施形態による法面掘削制御装置の全体構成を示す概念図であ る。
図 1 0は、 第 1の実施形態の第 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 1 1は、 制御ュニッ 卜の全体の制御機能を示す機能ブロック図である。 図 1 2は、 領域制限掘削制御においてバケツ 卜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 1 3は、 領域制限掘削制御においてバケツ 卜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 1 4は、 目標法面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。
図 1 5は、 本発明の第 2の実施形態による目標法面の設定原理を示す説明図で ある。
図 1 6は、 第 2の実施形態の第 1設定手段の処理フローを示す図である。 図 1 7は、 本発明の第 3の実施形態による目標法面の設定原理を示す説明図で ある。
図 1 8は、 第 3の実施形態の第 1設定手段の処理フローを示す図である。 発明を実施するための最良の形態
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 1 2により説明する。
図 1において、 本発明が係わる油圧ショベルは、 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一ムシリンダ 3 a、 ァ一ムシリンダ 3 b、 バケツ トシリンダ 3 c、 旋回モータ 3 d及び左右の走行モータ 3 e， 3 f を含む 複数の油圧ァクチユエ一夕と、 これら油圧ァクチユエ一夕 3 a〜3 f のそれぞれ に対応して設けられた複数の操作レバ一装置 4 a〜4 f と、 油圧ポンプ 2と複数 の油圧ァクチユエ一タ 3 a〜3 f 間に接続され、 油圧ァクチユエ一夕 3 a〜3 f に供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁 5 a〜5 f と、 油圧ポンプ 2と流量制御弁 5 a〜 5 f の間の圧力が設定値以上になつた場合に開く リリーフ 弁 6とを有している。
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一 ム 1 a、 アーム 1 b及びバケツ ト 1 cからなる多関節型のフロント装置 1 Aと、 このフロント装置 1 Aを支持する上部旋回体 1 d及びこの上部旋回対 1 dを旋回 可能に搭載する下部走行体 1 eからなる車体 1 Bとで構成され、 フロント装置 1 Aのブーム 1 aの基端は上部旋回体 1 dの前部に支持されている。 ブーム 1 a、 アーム 1 b、 バケツ ト 1 c、 上部旋回体 1 d及び下部走行体 1 eはそれぞれブ一 ムシリンダ 3 a、 ァ一ムシリンダ 3 b、 バケツ トシリンダ 3じ 、 旋回モータ 3 d 及び左右の走行モータ 3 e, 3 f 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一装置 4 a〜4 f により指示される。
図 1に戻り、 操作レノ <一装置 4 a〜 4 f はパイ ロ ッ ト圧により対応する流量制 御弁 5 a〜5 f 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一 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、 二次ポ一トはパイロッ トライ ン 44 a, 44 b ； 45 a, 45 b ； 46 a, 46 b ； 47 a, 47 b ； 48 a, 48 b ; 49 a, 49 bを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部 50 a, 50 b ； 5 1 a, 5 1 b ； 52 a, 52 b ； 53 a, 53 b ； 54 a, 54 b ; 55 a, 55 bに接続されている。
以上のような油圧ショベルに本発明の法面掘削制御装置が設けられている。 こ の装置は、 目標掘削面の設定を指示する設定器 7と、 ブーム 1 a、 アーム 1 b及 びバケツ ト 1 cのそれぞれの回動支点に設けられ、 フロント装置 1 A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 8 a, 8 b， 8 cと、 車体 1 Bの前後方向の傾斜角 Θを検出する傾斜計 8 dと、 ブーム用及びアーム用 の操作レバ一装置 4 a， 4 bのパイロッ トライン 44 a, 44 b ； 45 a, 45 bに設けられ、 操作レバ一装置 4 a, 4 bからのパイロッ ト圧を検出する圧力検 出器 60 a, 60 b ; 6 1 a， 6 1 bと、 バケツ ト 1 cの先端 （爪先） に設けら れたフロント基準 70と、 フロン卜装置 1 Aを操作してフロント基準 70が外部 基準 80 (後述） に一致したときに押される外部基準設定スィツチ 7 1と、 設定 T JP
10 器 7の設定信号、 角度計 8 a , 8 b , 8 c及び傾斜計 8 dの検出信号、 圧力検出 器 6 0 a , 6 0 b ； 6 1 a , 6 1 bの検出信号、 及び外部基準設定スィツチ 7 1 の操作信号を入力し、 油圧ショベルの目標掘削面として目標とする法面 （以下、 目標法面という） を設定すると共に、 領域制限掘削制御を行うための電気信号を 出力する制御ュニッ ト 9と、 前記電気信号により駆動される比例電磁弁 1 0 a， 1 0 b , 1 1 a , 1 1 bと、 シャトル弁 1 2とで構成されている。
シャトル弁 1 2はパイロッ トライン 4 4 aに設置され、 パイロッ トライン 4 4 a内のパイロッ ト圧と比例電磁弁 1 0 aから出力される制御圧の高圧侧を選択し、 流量制御弁 5 aの油圧駆動部 5 0 aに導く。 比例電磁弁 1 0 b， 1 1 a , l i b はそれぞれパイロッ トライン 4 4 b , 4 5 a , 4 5 b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。
また、 油圧ショベルの外部には、 目標掘削面を設定するときの基準位置を示す 外部基準 8 0が設けられる。 本発明では、 目標掘削面として法面を設定するので、 外部基準 8 0は目標法面の進展方向に沿って設置される。
以上において、 設定器 7、 フロント基準 7 0、 外部基準設定スィッチ 7 1、 角 度計 8 a， 8 b , 8 c及び傾斜計 8 dと、 外部基準 8 0と、 制御ュニッ ト 9の下 記する機能は目標法面設定装置を構成する。
設定器 7は、 図 3に示すように、 目標法面上の基準点の垂直距離、 水平距離、 角度 （後述） のいずれを設定するかを切り換える切換スィッチ 7 c、 目標法面上 の基準点の垂直距離、 水平距離、 角度を入力するためのアップダウンボタン 7 a， 7 b、 入力した垂直距離、 水平距離、 角度を表示する表示装置 7 e及び入力した 垂直距離、 水平距離、 角度を設定信号として制御ュニッ ト 9に出力し、 目標法面 の設定を指示する設定スィッチ 7 f 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、 I C力一ドによる 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 c 外部基準 8 0は、 例えば図 2に示すように目標法面の進展方向に沿ってクイ 8 0 aに水平に張り渡した水糸である。 水糸 8 0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。 図 4に示すように、 外部基準は目標法面の進展方向に 沿って設置された単なるクイ 8 1等、 油圧ショベルのオペレータから確認の取れ るものであれば何でも良い。
フロント基準 7 0は、 図 2に示すようにフロント装置 1 Aのバケツ ト 1 cの爪 先に設定されている。 なお、 フロン卜基準はバケツト 1 cの爪先に設定するのが 好ましいが、 外部基準との一致を確認し易く、 一定の決められた場所であれば、 フロント装置 1 Aの他の箇所でも良 、。
外部基準設定スィッチ 7 1は、 上記の場合、 フロント装置 1 Aを動かして外部 基準 8 0である水糸にフロント基準 7 0がー致した位置で操作されるもので、 こ の操作により外部基準 8 0の位置が検出され、 油圧ショベルの車体 1 Bと外部基 準 8 0との位置関係 （車体に対する外部基準 8 0の位置） が演算設定される （後 述） 。
なお、 図 5に示すように、 外部基準として、 工事現場の測量などで使用しスポ ッ ト状のレーザ光 8 4を投射するレーザ基準光発生器 （レーザ燈台） 8 2を使用 し、 フロント基準 7 0にそのレーザ光 8 4を検出するレーザ検出器 8 3を使用し ても良い。 この場合、 レーザ燈台 8 2はレーザ光 8 4が目標法面の進展方向に沿 つて水平に投射されるように設置される。 また、 レーザ光 8 4が法面中位の位置 に位置するようにレーザ燈台 8 2を設置するのが便利であり、 レーザ燈台 8 2の レーザ光 8 4をレーザ検出器 8 3が検出したときにランプを点灯させ、 オペレー 夕がこのランプの点灯を確認して外部基準設定スィツチ 7 1を操作することで同 等の機能が果たせる。
また、 図 4、 図 5では、 車体を法面の上方に置き、 バケツ トを下方より搔き上 げる方法で法面を工事する例を示したが、 図 6に示すように、 車体を法面の下方 に置き、 バケツ トを上方より搔き降ろす方法で法面を工事しても良い。 この場合、 図 6では、 外部基準である水糸 8 0を法面上方に設置しているが、 これを下方に 設置したり、 レーザスポッ ト光を使用する場合には、 上記のように法面中位に設 置しても良い。
更に、 実際の施工現場では、 掘削したい法面が進展方向に一平面でなく、 屈曲 している場合がある。 図 7にその一例を示す。 この例は、 川沿いに位置する土手 に法面を形成する場合のものである。 川のカーブに対応して土手もカーブしてお り、 掘削しょうとする法面も土手のカーブに合わせて進展方向に屈曲させる必要 がある。 このように目標法面を屈曲させる場合は、 その屈曲した目標法面の進展 方向に沿って外部基準 8 0も屈曲して設置する。 外部基準 8 0が水糸の場合は、 図示のように適当な屈曲部を選んでクイ 8 0 aを打ち込み、 水糸を張り渡せばよ い。
また、 アーム 1 b、 ブーム 1 aにフロント基準を設定する場合、 目標法面の設 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 7 0は作業に支障ない程度にできるだけバケツ 卜 1 cの先端近くに設置され、 実際に土に作用するバケツ ト 1 cの先端の近いところで外部基準 8 0と一致させ るようにすることが望ましい。 外部基準設定スィッチ 7 1は設定器 7の中に組み 込んでも良い。
制御ュニッ ト 9は、 上記の設定器 7の設定信号と、 外部基準設定スィッチ 7 1、 角度計 8 a , 8 b , 8 c及び傾斜計 8 dの検出信号を用いて目標法面を設定する c この制御ュニッ ト 9による目標法面の設定方法及び制御ュニッ ト 9の処理機能の 概要を図 8及び図 9を用いて説明する。
目標法面の設定に際しては、 まず、 図 2及び図 8に示すように、 油圧ショベル 本体の外部に外部基準 8 0として、 上記のように例えば水糸を目標法面の進展方 向に沿って水平に設置する。
次に、 オペレータは操作器 7を用いて外部基準 8 0から設定したい目標法面の 基準点 P sまでの垂直距離 h r y、 水平距離 h r x及び目標法面の水平に対する 角度 S rを入力し、 これらの垂直距離 h r y、 水平距離 h r x及び角度 0 rによ り外部基準 8 0と目標法面との位置関係を設定する。 すなわち、 外部基準 8 0を 基準とした位置関係で目標法面を設定する。 この設定は図 9に示す制御ュニッ 卜 9の第 1設定手段 1 0 0の処理機能により行われる。
第 1設定手段 1 0 0における外部基準 8 0から目標法面の基準点までの垂直距 離、 水平距離、 角度の設定は、 予め外部基準の設置場所を決めておき、 施行図な どから目標法面上の基準点までの垂直距離、 水平距離、 角度を求めておく。 その 数値を設定器 7の切り替えスィツチ 7 c及びボタン 7 a , 7 bを用いて入力する c その数値を表示器 7 eで確認すると領域設定スィッチ 7 f を押して確定する。 制 御装置 9は設定スィッチ 7 f が押されたことを判定すると、 それらの垂直距離、 水平距離、 角度を h r y、 h r x , S rとして記憶する。
次に、 現在の油圧ショベルの車体位置を基準とした位置関係で目標法面を設定 する。 このために、 まずオペレータがフロント装置 1 Aを動かして、 フロント装 置 1 Aのバケツ ト 1 cの爪先に設定されたフロント基準 7 0を外部基準 8 0に一 致させ、 オペレータが外部基準設定スィッチ 7 1を操作する。 ここで、 フロント 装置 1 Aを動かしているとき、 図 9に示す第 1演算手段 1 2 0の処理機能により 角度計 8 a， 8 b , 8 c及び傾斜計 8 dの信号に基づき制御ュニッ ト 9内でフ口 ント装置 1 Aの位置と姿勢が演算されており、 フロント装置 1 Aのバケツ ト 1 c の爪先に設定されたフロン卜基準 7 0が外部基準 8 0に一致し、 オペレータによ り外部基準設定スィツチ 7 1が操作されると、 第 1演算手段 1 2 0から得られる そのときのフロント装置 1 Aの位置と姿勢の情報に基づき、 図 9に示す第 2演算 手段 1 4 0の処理機能により車体 1 Bと外部基準 8 0との位置関係として車体中 心 0から外部基準 8 0までの高さ h f yと水平距離 h f xが演算され、 更にこの 高さ h f yと水平距離 h f xを補正値として、 先に設定した垂直距離 h r y及び 水平距離 h r x (外部基準 8 0と掘削領域の位置関係） から車体中心◦に対する 目標法面の基準点 P sの垂直距離 h s y及び水平距離 h s xを演算する。 そして、 図 9に示す第 2設定手段 1 6 0の処理機能により、 垂直距離 h s y及び水平距離 h s Xと設定器 7で入力した角度 0 rを油圧ショベルの車体 1 Bを基準とした目 標法面として設定する。
第 2演算手段 1 4 0及び第 2設定手段 1 6 0における車体と目標法面との位置 関係を設定する機能の詳細を図 1 0に処理フローで示す。
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 4 0 (図 1参 照） を操作してフロント装置 1 Aを動かし、 フロント基準点 7 0を外部基準 8 0 に一致させる。 そして、 処理 1 4 1においてオペレータにより外部基準設定スィ ツチ 7 1が押されたかどうかを判定する。 押されていない場合は目標法面の設定 を変えずに設定処理を!^了する。 処理 1 4 1において外部基準設定スィツチ 7 1 が押されたと判定されると処理 1 4 2へ行く。
処理 1 4 2ではフロント装置 1 Aに備えられた角度計 8 a , 8 b , 8 c及び倾 斜計 8 dによりブーム 1 a、 アーム 1 b、 ノ ケッ トの角度 β , ァ及び車体 1 Bの傾斜角 0を読み込む。 次に処理 1 4 3においてブーム、 アーム、 バケツ 卜の 角度 β, 7及び傾斜角 0を用いて外部基準設定スィッチ 7 1が押されたとき (フロント基準点 7 0が外部基準 8 0に一致したとき） の車体中心 0からフロン ト基準 7 0までの垂直距離 h f y、 水平距離 h f xを演算する。
演算はまず次の （2) 、 (3) 式により車体中心 0からブームとアームの接合 点 （アーム角度計 8 bの設置点） P 1の垂直距離 h b y、 水平距離 h b xを求め る。
h b y = L l x c o s (α - θ) … （2) h b χ = L 1 x s i η ( — … （3) 上記 （2) 、 (3) 式において、 L 1はブーム 1 aと車体 1 Bの接合点 （ブーム 角度計 8 aの設置点） 、 即ち車体中心 0とブームとアームの接合点 P 1 との距離 であり、 この値は既知であり、 予め制御ュニッ ト 9に記憶しておく。
次にブームとアームの接合点 P 1からアームとバケツ 卜の接合点 P 2までの垂 直距離 h a yと水平距離 h a xを次の （4) 、 （5) 式により求める。
h a y = L 2 x c o s ( (α - θ + β) -- (4) h a = L 2 x s i n ( (a - 0) +/3) ··· (5) 上記 （4) 、 (5) 式において L 2がブームとアームの接合点 P 1からアームと バケッ トの接合点 P 2までの長さであり、 予め制御ュニッ ト 9に記憶しておく。 次にアームとバケツ 卜の接合点 P 2からバケツ ト爪先 P 3点までの垂直距離 h c yと水平距離 h c Xを次の （6) 、 (7) 式により求める。
h c y = L 3 x c o s ( (α - θ ) + β + γ ) ■■■ (6) h c y = L 3 x s i n ( (α ~ θ) + β + γ ■·· (7) 上記 （6) 、 (7) 式において L 3はアームとバケツ 卜の接合点 p 2からバケツ ト爪先 P 3までの長さであり、 予め制御ュニッ ト 9に記憶しておく。
次にこれらの h a y, h a x , h b y， h b x , h c y , h e x力、ら式 (8) 、 (9) により車体中心〇からフロント基準 7 0 (バゲッ ト爪先 P 3点） までの垂 直距離 h f y、 水平距離 h f xを演算する。
h f y = h a y + h b y + h c y ·'· (8) h f x = h a x - h b x + h c x ··· ( 9 ) 次は、 処理 1 4 4に移り、 設定器 7で設定した外部基準 8 0力、ら目標法面の基 準点までの垂直距離 h r y、 水平距離 h r xを読み込む。
次に、 処理 1 4 5において、 先ほど演算した車体中心 0からフロント基準 7 0 までの垂直距離 h f y、 水平距離 h f xを補正値として、 この値 h f y , h f x と設定器 7で設定した外部基準 8 0から目標法面の基準点までの垂直距離 h r y 、 水平距離 h r xとから、 式 （1 0 ) 、 （1 1 ) により車体中心 0から目標法面の 基準点までの垂直距離 h s y、 水平距離 h s xを演算する。
h s y 二 h r y + h f y "- ( 1 0 ) h s X = h r X + h f X ··· ( 1 1 ) 最後に、 処理 1 6 1において処理 1 4 5で演算した目標法面の基準点の垂直距 離 h s y、 距離 h s xを記憶し、 この距離 h s y ， h s xと設定器 7で入力した 角度 S rとで車体を基準とした目標法面を設定する。
以上において、 処理 1 4 1 〜 1 4 5は図 9に示す第 2演算手段 1 4 0の処理機 能に相当し、 処理 1 6 1は図 9に示す第 2設定手段 1 6 0の処理機能に相当する。 以上のように油圧ショベルの車体 1 Bを基準とした目標法面の設定が終了する と図 9にブロック 1 8 0として示すように領域制限掘削制御による掘削作業に移 行し、 現在の油圧ショベルの位置で目標法面位置に斜面を掘削形成する。
このように現在の油圧ショベルの位置で目標法面位置に斜面を掘削形成した後、 図 4〜図 7に矢印で示すように油圧ショベルの車体を掘削した既設の斜面に対し て横方向に移動し、 この新たな位置で上記第 2演算手段 1 4 0及び第 2設定手段 1 6 0による手順を実施する。 すなわち、 フロント基準 7 0を外部基準 8 0に合 わせ、 外部基準設定スィッチ 7 1を押すことで、 移動後の新たな位置での車体 1 Bを基準とした目標法面を設定し、 その位置で領域制限掘削制御により目標法面 位置に斜面を掘削形成する。
ここで、 油圧ショベルは、 通常、 図 4〜図 7に示すように下部走行体 1 eを形 成しようとする法面 （目標法面） に平行に向けた姿勢を取り、 この姿勢で斜面を 掘削する。 また、 車体の横方向の移動は、 同じ姿勢で走行することにより行う。 なお、 下部走行体 1 eを法面に直角に向けた姿勢にし、 この姿勢で斜面を掘削し、 車体の横方向の移動は幅寄せ （下部走行体 1 eを法面に直角に向けた姿勢で前進 及び後進を繰り返して行う幅方向移動） により行っても良い。
以上のような油圧ショベルの横方向の移動、 新たな位置での車体を基準とした 目標法面の設定、 その位置での領域制限掘削制御による斜面の形成の手順を繰り 返し実行することで、 外部基準 8 0に沿って目標法面位置に法面が形成される。 次に、 上記の目標法面設定機能を含む制御ュニッ 卜 9の全体制御機能を図 1 1 により説明する。
図 1 1において、 制御ュニッ ト 9は、 第 1目標法面設定部 9 a、 フロント姿勢 演算部 9 b、 目標シリンダ速度演算部 9 c、 目標先端速度べク トル演算部 9 d、 方向変換制御部 9 e、 補正後目標シリンダ速度演算部 9 f 、 復元制御演算部 9 g、 補正後目標シリンダ速度演算部 9 h、 目標シリンダ速度選択部 9 i、 目標パイ口 ッ ト圧演算部 9 j、 バルブ指令演算部 9 k、 位置関係演算部 9 m及び第 2目標法 面設定部 9 nの各機能を有している。
第 1目標法面設定部 9 aは図 9の第 1設定手段 1 0 0に相当するもので、 設定 器 7の操作により外部基準 8 0から目標法面上の基準点までの垂直距離 h r y、 水平距離 h r x、 目標法面の角度 S rにより外部基準 8 0と目標法面との位置関 係を設定する。
フロント姿勢演算部 9 bは図 9の第 1演算手段 1 2 0に相当するもので、 制御 ュニッ 卜 9に記憶したフロント装置 1 A及び車体 1 Bの各部寸法と、 角度計 8 a , 8 b , 8 cで検出した回動角 α、 β、 7及び傾斜計で検出した傾斜角 Sを用いて 設定及び制御に必要なフロント装置 1 Aの位置及び姿勢を演算する。
位置関係演算部 9 mは図 9の第 2演算手段 1 4 0に相当するもので、 図 1 0に 示す処理フローの処理 1 4 1〜1 4 5により車体中心 0から目標法面上の基準点 までの垂直距離 h s y、 水平距離 h s xを演算する。
第 2目標法面設定部 9 nは図 9の第 2設定手段 1 6 0に相当するもので、 図 1 0に示す処理フローの処理 1 6 1により上記の垂直距離 h s y、 水平距離 h s x、 角度 Θ rにより油圧ショベルの車体 1 Bを基準とした位置関係で目標法面を設定 する。
フロン卜姿勢演算部 9 bにおいて、 フロント装置 1 Aの位置と姿勢はブーム 1 aの回動支点を原点とした X Y座標系で演算される。 この X Y座標系は本体 1 B 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 1 Aのバケツ ト 1 cの先端位置は、 ブーム 1 aの回動支点とアーム 1 bの回動 支点との距離を L 1、 アーム 1 bの回動支点とバケツ ト 1 cの回動支点との距離 を L 2、 バゲッ ト 1 cの回動支点とバケツ ト 1 cの先端との距離を L 3とすれば、
XY座標系により下記の式より求まる。
X = L 1 s i η α + L 2 s i n ( α + j3 ) + L 3 s i n ( a + j3 + γ ) Y= L l c o s a + L 2 c o s { α + β') + L 3 c o s + +ァ） ただし、 図 8に示すように車体 1 Bが傾いたときは、 バケツ 卜と先端と地面と の相対位置関係が変化するので、 目標法面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 1 Bの傾斜角 Θを傾斜計 8 dで検出し、 フロント姿勢演算 部 9 b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 X b Y b座 標系でバケツ ト先端の位置を計算している。 これにより、 車体 1 Bが傾いていて も正しい設定が行える。 なお、 車体が傾いたときには車体の倾きを修正してから 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。
第 1目標法面設定部 9 a、 位置関係演算部 9 m及び第 2目標法面設定部 9 nで は、 垂直距離 h r y， h s y, 11 、 水平距離1 乂， h s x, h f x等を X b Y b座標系の値に変換して処理する。
目標シリンダ速度演算部 9 cでは操作レバー装置 4 a, 4 bの操作信号として 圧力検出器 6 0 a, 6 0 b ； 6 1 a, 6 1 b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 5 a, 5 bの目標吐出流量 （ブームシリンダ 3 a及びァ一ムシリンダ 3 bの目標速度） を計算する。
目標先端速度べクトル演算部 9 dでは、 フロント姿勢演算部 9 bで求めたバゲ ッ 卜の先端位置及び目標シリンダ速度演算部 9 c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 L 1， L 2, L 3等の各部寸法とからバケツ ト 1 cの先端の目標速度ベク トル V cを求める。 このとき、 目標速度ベク トル V cは図 8に示す X a Y a座標系の値として求める。 この X a Y a座標系は、 X b Y b座標系において第 2目標法面設定部 9 nで求めた車体中心 0に対する目標法 面上の基準点の水平距離 h s x、 垂直距離 h s yの点を原点とし、 X b Y b座標 W T J
18 系に対して目標法面の角度 0 r分傾けて X a座標軸が法面に沿うように設定した 座標系である。 ここで、 X a Y a座標系での目標速度ベク トル V cの X a座標成 分 V c Xは目標速度べク トル V cの目標法面に平行な方向のべク トル成分となり、 Y a座標成分 V c yは目標速度べク トル V cの目標法面に垂直な方向のべク トル 成分となる。
方向変換制御部 9 eでは、 バケツ ト 1 cの先端が目標法面より内側 （掘削領域） で目標法面近傍にあり、 目標速度べク トル V cが目標法面に接近する方向の成分 を持つ場合、 垂直なべク トル成分を目標法面に近づくにつれて減じるように補正 する。 換言すれば、 垂直方向のべク トル成分 V c yにそれよりも小さい目標法面 から離れる方向のべク トル （逆方向べク トル） を加える。
以上のように目標速度べクトル V cの垂直方向のべク トル成分 V c yを補正す ることにより、 距離 Y aが小さくなるにしたがって垂直方向のべク トル成分 V c yの減少量が大きくなるようべク トル成分 V c yが減じられ、 目標速度べク トル V cは目標速度べク トル V c aに補正される。 ここで、 目標法面から距離 Y a 1 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。
バケツ 卜 1 cの先端が上記のような補正後の目標速度べク トル V c aの通りに 方向変換制御されたときの軌跡の一例を図 1 2に示す。 目標速度べク トル V c力く 斜め下方に一定であるときには、 その平行成分 V c Xは一定となり、 垂直成分 V c yはバケツ ト 1 cの先端が目標法面に近づくにしたがって （距離 Y aが小さく なるにしたがって） 小さくなる。 補正後の目標速度べク トル V c aはその合成で あるので、 軌跡は図示のごとく目標法面に近づくにつれて平行となる曲線状とな り、 目標法面に一致したところでは目標速度べク トル V cの垂直方向のべク トル V c y = 0とし、 補正後の目標速度べクトル V c aは V c xに一致する。
補正後目標シリンダ速度演算部 9 f では、 方向変換制御部 9 eで求めた補正後 の目標速度べク トルからブームシリンダ 3 a及びアームシリンダ 3 bの目標シリ ンダ速度を演算する。 これは目標先端速度べク トル演算部 9 dでの演算の逆演算 である。
復元制御部 9 gでは、 バケツ ト 1 cの先端が目標法面を越えてその外側 （制限 領域） に出たとき、 目標法面からの距離に関係して、 バケツ ト先端が目標法面の 内側に戻るように目標速度べクトルを補正する。 換言すれば、 垂直方向のべク 卜 ル成分 V c yにそれよりも大きな目標法面に接近する方向のべク トル （逆方向べ クトル） を加える。 このように目標速度べク トル V cの垂直方向のべク トル成分 V c yを補正することにより、 距離 Y aが小さくなるにしたがって垂直方向のベ ク トル成分 V c yが小さくなるよう、 目標速度べクトル V cは目標速度べク トル V c aに補正される。
バケツ ト 1 cの先端が上記のような補正後の目標速度べク トル V c aの通りに 復元制御されたときの軌跡の一例を図 1 3に示す。 目標速度べク トル V cが斜め 下方に一定であるときには、 その平行成分 V c Xは一定となり、 また復元べク 卜 ル— K Y aは距離 Y aに比例するので垂直成分はバケツ 卜 1 cの先端が目標法面 に近づくにしたがって （距離 Y aが小さくなるにしたがって） 小さくなる。 補正 後の目標速度べク トル V c aはその合成であるので、 軌跡は図 1 3のように目標 法面に近づくにつれて平行となる曲線状となり、 目標法面上では補正後の目標速 度べク卜ノレ V c aは V c Xに一致する。
このように復元制御部 9 gではバケツ ト 1 cの先端が目標法面の内側に戻るよ うに制御されるため、 目標法面の外側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、 バケツ ト 1 cの先端の目標法面に接近する方向の動きが減速 されることにより、 結果としてバケツ ト 1 cの先端の移動方向が目標法面に沿つ 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。 補正後目標シリンダ速度演算部 9 hでは、 復元制御部 9 gで求めた補正後の目 標速度べク トルからブームシリンダ 3 a及びアームシリンダ 3 bの目標シリンダ 速度を演算する。 これは目標先端速度べク トル演算部 9 dでの演算の逆演算であ る。
ここで、 復元制御を行う場合は、 その復元制御に必要なブ一ムシリンダ及びァ —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 1 aを上げることでバケツ 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 卜で決まる。
目標シリンダ速度選択部 9 iでは目標シリンダ速度演算部 9 f 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 9 h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。
目標パイロッ ト圧演算部 9 jでは、 目標パイロッ 卜圧としてパイロッ トライン 4 4 a , 4 4 b ； 4 5 a , 4 5 bの目標パイロッ ト圧を計算する。
バルブ指令演算部 9 kでは、 目標パイロッ ト圧演算部 9 j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 1 0 a , 1 0 b , 1 1 a , 1 1 bに出力される。
以上のように構成した本実施形態によれば、 次の効果が得られる。
( 1 ) フロント基準 7 0を外部基準 8 0に一致させ、 外部基準設定スィッチ 7 1 を押すごとに外部基準 8 0と車体 1 Bの位置関係を補正して車体と目標法面の位 置関係を演算し、 車体を基準とした位置関係で目標法面を設定するため、 車体の 横方向の移動により既設の斜面に対し車体の高さが変化しても、 その高さ変化を 毎回補正して掘削作業が行える。 また、 外部基準 8 0を目標法面の進展方向に沿 つて水平設置し、 この外部基準 8 0にフロント基準が一致したときに上記の計算 をし、 目標法面を設定するため、 車体の横方向の移動により既設の法面に対し車 体の前後方向の位置が変化しても、 この前後方向の位置の変化も毎回補正して掘 削作業が行える。 このため、 車体の横移動により車体と既設の斜面との位置関係 が変化しても、 段差の無い連続した滑らかな法面を掘削形成できる。
このことを図 1 4により説明する。 図 1 4において、 （a ) は目標法面の設定 時の位置関係を示し、 （b ) は車体の移動時の位置関係を示す。
図 1 4 ( a ) では、 図 9の第 1設定手段 1 0 0で入力された垂直距離 h r y、 水平距離 h r xと図 9の第 2演算手段 1 4 0及び図 1 0の処理 1 4 3で補正値と して求めた垂直距離 h f y、 水平距離 h f xを用いて、 図 1 0の処理 1 4 5で車 体中心 0から目標法面の基準点 P sまでの垂直距離 h s y、 水平距離 h s xが求 められ、 図 1 0の処理 1 6 1でその垂直距離 h s y、 水平距離 h s xと設定器 7 で入力した角度 0 rで目標法面が設定されており、 この設定データ h s x， h s y， Θ rを用いて掘削制限制御により法面が掘削される。
図 1 4 ( a ) の位置で法面の掘削が完了すると、 車体を横方向に移動し掘削位 置を変える。 このとき、 図 1 4 ( b ) に示すように車体中心 0から目標法面の基 準点 P sまでの垂直距離 h s y、 水平距離 h s xは h s y ' , h s x ' に変化す る。 し力、し、 フロント基準 7 0と外部基準 8 0の位置が一致してオペレータによ り外部設定スィッチ 7 1が押される毎にそのときの補正値 h f x ' , h f y ' を 求めて車体中心 0から目標法面の基準点 P sまでの垂直距離、 水平距離は h s y ' ' h s x ' に更新される。 このため、 外部基準 8 0に対し常に同じ位置に目標 法面が設定され、 段差の無い連続した滑らかな法面が形成される。
( 2 ) 外部基準 8 0を目標法面の進展方向に沿って水平に設置し、 この外部基準 8 0を媒介として目標法面位置に法面を掘削形成してゆくので、 結局、 形成され る法面は外部基準 8 0に平行に形成されることになる。 このため、 外部基準 8 0 の設置方向を調整することで法面の方向を地形に合わせて自由に設定し、 形成す ることができる。 例えば、 前述した川沿いにカーブした土手に法面を形成する場 合、 土手のカーブに合わせてクイ 8 0 aを打ち、 水糸 （外部基準） 8 0を張り渡 すことで、 水糸 8 0に平行に目標法面を設定でき、 屈曲した法面を土手のカーブ に合わせて容易に形成することができる。
( 3 ) フロント基準 7 0を実際に地面に作用する部材であるバケツ ト先端に設定 し、 このフロント基準 7 0と外部基準 8 0がー致し、 外部基準設定スィツチ 7 1 が押されたときのフロン卜装置 1 Aの位置と姿勢に基づき車体 1 Bを基準とした 目標法面を設定するので、 この目標法面の設定に際して目標法面設定演算と掘削 制御演算とで車体 1 Bの製作公差や、 フロン卜基準 7 0、 角度センサ 8 a〜 8 c 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 バケツ 卜 1 c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 た目標法面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。
今、 このことを更に説明する。 特開平 3— 2 9 5 9 3 3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垂直距離 h sにバケツ 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、 バゲッ トの寸法 L 1 , L 2 , L 3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, 7を用いバゲッ ト先端が h sの位置になるように制御演 算を行う。 し力、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 L 1 + eLK アームは L 2 + eL2 バケツ トは L 3 + ε L3の寸法になっている。 ま た、 センサから検出した角度 β' ァは真の角度 α' ， β' , Ί ' 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 ε α， ε β、 ε ァの誤差を含 んでいる。 そのため、 制御装置が、
h s (L 1 , L 2, L 3, a(hs), /3(hs), γ (hs))
にバケツ 卜先端を制御しょうとしても、 実際には
h s ' (L 1 ' ， じ ， L 3' , a' (hs), β' (hs), γ' (hs)) = h s ' (L 1 + eLL L 2 + ε L2, L 3 + ε L3, a(hs)+ e a,
/3(hs)+ ε β, γ (hs) + ε γ ) ■■■ (6) の位置になってしまう。
ここで、 L 1， L 2, L 3 ：設計値
α, β, γ 検出値
L 1 ' L 2' L 3' , α' , β' , γ' ：実際値
eLl, ε12, ε L3, ε α, ε β， ε γ ：誤差 また、 L I' = L 1 + eLl
L 2' - L 2 + e L2
L 3' = L 3 + ε L3
a = a' + ε a
β = β' + ε β
7— 7 ' + ε
ただし、 a(hs), y3(hs), γ (hs), a' (hs), β' (hs), Ί' (hs)は フロント装置が垂直距離 h s検出の姿勢をとったときの角度の検出値と実際値。 例えば、 目標のブーム角が 3 0° とすると、 制御装置は検出値 （hs)= 3 0° になるようにフロント装置を制御する。 このとき、 検出値 と実際の角度 に £ひ = 0. 5。 の誤差が合った場合には、 実際には α' = 3 0. 5。 の位置に制 御されてしまう。
一方、 本実施形態ではフロント装置 （バケツ ト先端） にフロント基準 7 0を設 けているので、 フロント基準 7 0が外部基準 8 0と一致したときの位置 h f (h f x, h f y ) は制御ュニッ ト 9の内部では、
h f (L 1 , L 2, L 3, a(hf), /3(hf), ァ（hf))
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 7 0は、
h f ' (L I ' , L 2' , L 3' , a' (hf), β' (hf), γ ' (hf)) Θ f ' ') = h f ' (L 1 + eLl, L 2 + ε L2, L 3 + e L3, a(hf)+ e α, β (hf)
+ ε β, r(hf) + £ r ) ■■■ ( 1 2 ) の位置にある。 このときのバケツ ト先端の位置も同じである。
ここで、 a(hf)， ^(hf), ァ（hf) ： フロント装置が h f 検出の姿勢をと つたときの角度の検出値
a' (hf), β' (hf), r' (hf)： フロント装置が h f検出の姿 勢をとつたときの角度の実際値
このとき、 フロント基準 7 0は真の外部基準 8 0の位置にあるので、 制御ュニ ッ ト 9は誤差を含んだ形で真の外部基準 8 0の位置を検出したことになる。 この h ίを領域制限掘削制御に用いれば、 制御ュニッ ト 9内の検出位置 h f と実際の 位置 h f ' の誤差は h f 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。
例えば、 外部基準 8 0を検出したときに実際のブーム角 a' = 3 0° であった とし、 センサ 8 aによる検出値に £ α = 0. 5° の誤差があるとすると、 α = 2 9. 5° で検出される。 この検出値 α = 2 9. 5° を用いれば、 実際には ' = 3 0° の位置、 つまり外部基準 8 0の真の位置と一致するので、 誤差は相殺され る。
次に、 領域制限掘削制御を行うときにこの h f を用いて補正された h s (h s x, h s y) を目標にバケツ 卜先端位置を制御すると、 少なくとも h f 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 h f を検出したどきの姿勢からバケツ 卜先端を h s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、 バケツ ト先端は、
h s ' (L 1 ' , L 2' , L 3' , α' , β' (hs), γ' (hs)) = h s ' (L l + eLl, L 2 + ε Lf , L 3 + ε L3, a(hs) + ε a(hs), /3(hs) + ε y3(hs), γ (hs)+ ε γ (hs)) "- ( 1 3)
にある。
ここで、 a(hs)， 3(hs), ァ（hs) ： フロント装置が h sの制御姿勢をと つたときの角度の検出値
a' (hs), β' (hs), r' (hs) ： フロント装置が h sの制御姿 勢をとつたときの角度の実際値
このとき、 本実施形態では （1 2) 式に従い h f検出時の位置は外部基準 8 0 の真の位置であるので、 従来技術と異なり、 h f検出時から h sへ姿勢を制御し たときの偏差 a(hs)— a(hf), /3(hs)-^(hf), ァ（hs)—ァ（hf )に係わる誤差、 λ ε a = ε a (hs)— ε a (hf ) … 、 1 4)
Figure imgf000026_0001
△ £ァ = £ 7(hs)— ε ァ（hf) … ( 1 6)
が実際に領域制限掘削制御を行つ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 7 0をフロント装置 1 A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 ( 1 4) 〜 （1 6) 式に係わる誤差は更に少なくなる。
なお、 後述するダイレク トティ一チングによる場合は、 h r (h r x, h r y) 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。
(4) 特開平 3 2 9 5 9 3 3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 L、範囲にあることが必要である。 本実施形 態では、 フロン卜装置 1 Aを操作しフロント基準 70を外部基準 8 0と一致させ、 外部基準設定スィッチ 7 1を押して設定するので、 フロント装置 1 Aに備えられ るフロント基準 7 0はバケツ ト爪先あるいは矢印鋼板等、 小型でシンプルな部材 でよく、 犬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。 同様に、 フロント装置 1 Aを操作しフロント基準 7 0を外部基準 8 0と一致さ せ、 外部基準設定スィッチ 7 1を押して設定するので、 フロン卜装置 1 Aの広い 可動範囲を考えれば車体の移動を広 、範囲で補正できる。
(5) 特開平 3 - 2 9 5 9 3 3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 7 0はフロント装置 1 A、 特にバケツ ト爪先に設定されるので、 フロント装 置の広い可動範囲を考えれば外部基準 8 0の設置場所は大きな制約を受ない。 こ のことは、 例えば図 8に示すように、 車体 1 Bと同じ高さの地面に適当な外部基 準の設置場所がない場合に、 溝の中の様に車体より低い場所に外部基準 8 0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 8 0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。
( 6 ) 外部基準 8 0は車体の外部に目標法面の進展方向に沿って水平に設置され ているので、 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 目標法面の基準として継続的に使用できる。
( 7 ) 外部基準を用いることで車体が移動する毎に車体移動に伴うズレを補正す るために、 このズレを計測し、 掘削制御を切って設定し直す作業員の手間と、 時 間が省ける。
本発明の第 2の実施形態を図 1 5及び図 1 6により説明する。 本実施形態は第 1の実施形態の第 1設定手段 1 0 0 (図 9参照） における外部基準 8 0と目標法 面との位置関係の設定をダイレク トティ一チングで行うものである。 ただし、 目 標法面角度は設定器 7により設定入力する。
すなわち、 第 1の実施形態では、 第 1設定手段 1 0 0において外部基準 8 0か ら目標法面上の基準点 P sまでの垂直距離 h r yや水平距離 h r xを設定器 7の アップボタン 7 a , 7 b (図 3参照） を使用して設定した。 本実施形態では、 ォ ペレ一夕の操作レバーの操作でバケツ ト 1 cの先端を図 1 5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 卜ティ一チングすること により垂直距離 h r yあるいは水平距離 h r xを設定する。
図 1 6に目標法面のダイレク 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①， ②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。 まず、 オペレータは図 1 6の①に示すように、 操作レバーを操作してバケツ ト 1 cの先端を目標法面の基準点 P sに来るようにフロント装置 1 Aを動かす。 ケッ ト 1 cの先端が基準点 P sに来ると、 オペレータは設定器 7の領域設定スィ ツチ 7 f (図 3参照） を押す。
制御ュニッ ト 9 (図 1参照） では、 処理 1 9 0において領域設定スィツチ 7 f 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 1 9 0を継続する。 領 域設定スィッチ 7 f が押されると処理 1 9 1へ移る。
処理 1 9 1ではその時のフロント装置 1 Aの姿勢から、 車体中心 0からのバゲ ッ ト 1 cの先端までの垂直距離 h s y、 水平距離 h s xを演算する。
次に、 オペレータは図 1 6の②に示すように、 再び操作レバ一を操作してフロ ン ト基準 7 0 (ノ <ケッ 卜爪先） が外部基準 8 0に一致するようにフロン卜装置 1 Aを動かす。
制御ュニッ 卜はその間に処理 1 9 2において外部基準設定スィツチ 7 1カ 甲さ れたかどうかの判定を継続する。 ここで、 フロント基準 7 0と外部基準 8 0がー 致して、 オペレータにより外部基準設定スィツチ 7 1が押されると処理 1 9 3へ 移る。
処理 1 9 3では、 その時のフロント装置 1 Aの姿勢から車体中心 0からフロン ト基準 7 0までの垂直距離 h f y、 水平距離 h f xを演算する。
次に処理 1 9 4において外部基準 8 0から目標法面上の基準点までの垂直距離 h r y及び水平距離 h r xを、
h r y = h s y - h f y "- ( 1 2 ) h r x = h s x - h f x … （1 2 ) の演算により求める。
最後に、 処理 1 9 5において、 上記のようにして求めた垂直距離 h r y、 水平 距離 h r xと操作器 7で入力した角度 S rを記憶し、 設定を完了する。
本実施形態によればダイレク トティ一チングにより目標法面を設定するので、 作業状況に合わせて所望の目標法面を正確に設定することができる。
本発明の第 3の実施形態を図 1 7及び図 1 8により説明する。
第 2の実施形態では、 図 9に示す第 1設定手段 1 0 0におい、 オペレータの操 作レバーの操作でバケツ ト 1 Cの先端を目標法面の基準点に動かして、 その場所 をダイレク トティ一チングすることにより基準点の垂直距離 h r yあるいは水平 距離 h r xを設定し、 目標法面の角度は、 設定器 7で入力した角度で設定した。 本実施形態では、 図 1 7に示すように目標法面上の 2点 P s 1, P s 2をダイレ ク トティ一チングすることにより目標法面の角度 0 rもダイレク 卜ティ一チング で設定するものである。
すなわち、 図 1 7に示すように、 最初の法面を手動で掘削した後、 バケツ ト先 端を法面上の P s 1， P s 2の 2点に置き、 それぞれの点で領域設定スィツチ 7 f を押す。 制御ュニッ 卜では図 1 8に示す処理 200〜203でそれらの位置 (座標 X p s 1, Y p s 1 ) 、 （座標 X p s 2, Yp s 2) を計算し記憶する。 その後、 処理 203で、 P s 1 (座標 Xp s i, Yp s 1 ) 、 P s 2 (座標 X p s 2， Yp s 2) の値から Xb Yb座標における境界の式、
Y = a X + b
ただし、
a = (Yp s 1 -Yp s 2) / (Xp s 1 -X p s 2 )
b = (Y p s 1 (Xp s 1 -Xp s 2) ) -Xp s 1 (Yp s l—
Yp s 2) ) / (Xp s l -Xp s 2)
を求める。
そして、 先に示した設定器 7により水平距離、 垂直距離、 角度の設定をしたと きと同様に、 水平距離 X p s 1、 垂直距離 Y p s l、 角度 0 r = t a n— 1 (a) を用いて目標法面を設定する。 即ち、 外部基準 80に関し、 先の設定器 7で角度 を設定する場合と同様の処理 205〜207を行い、 外部基準 80から点 P s 1 までの水平距離 h r x、 垂直距離 h r yが計算される。 この水平距離 h r x、 垂 直距離 h r yと上記の角度 0 r = t a n- 1 (a) は処理 208で記憶され、 設 定を完了する。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 次の効果が得られる。
(1) 車体の横移動により車体と既設の斜面との位置関係が変化しても、 段差の 無い連続した滑らかな法面を掘削形成できる。
( 2 ) 外部基準の設置方向を調整することで形成しようとする法面の方向を地形 に合わせて自由に設定できる。
( 3 ) 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、 設定した目 標法面との差を少なく掘削することができる。
( 3 ) フロント基準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。
( 4 ) フロント基準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。
( 5 ) 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 に合わせて所望の目標法面を正確に設定することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 多関節型のフロント装置 （1A) を構成する上下方向に回動可能な複数のフ ロント部材 （la， lb, lc) と、 前記フロント装置を支持する車体 （IB) とを備えた 油圧ショベルの法面掘削制御装置であつて、
前記フ口ン卜装置により掘削すべき目標掘削面を設定する掘削面設定手段を有 し、 前記フロント装置が前記目標掘削面に近づくとフロント装置が目標掘削面に 沿って動くよう領域制限掘削制御を行い、 目標掘削面位置を掘削する油圧ショべ ルの法面掘削制御装置において、
前記掘削面設定手段は、
( a ) 前記フロント装置 （1A) に備えられ、 目標法面の進展方向に沿って設置 された外部基準 （80) に前記フロント装置を合わせる目標となるフロン卜基準
(70) と ；
( b ) 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 （8a， 8b, 8c, 8d) と ；
( c ) 前記検出手段の信号に基づき前記車体 （1B) を基準としたフロント装置 の位置と姿勢を演算する第 1演算手段 （120， 9b) と；
( d ) 前記外部基準と前記目標法面との位置関係を設定する第 1設定手段 （10 0, 7, 9a) と ；
( e ) 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 設定スィッチ （71) と ；
( f ) 前記外部基準設定スィ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 した外部基準と目標法面との位置関係とから前記車体と目標法面との位置関係を 演算する第 2演算手段 (140， 9m) と ；
( g ) 前記第 2演算手段で演算した車体と目標法面との位置関係により、 前記 目標法面を車体を基準とした位置関係で設定し、 前記目標掘削面とする第 2設定 手段 （160, 9η) と ；を備えることを特徴とする油圧ショベルの法面掘削制御装置 c
2 . 請求項 1記載の油圧ショベルの法面掘削制御装置において、 前記第 1設定 手段 （100, 7, 9a) は、 前記外部基準 （80) と目標法面との位置関係として、 前記 外部基準から目標法面上の基準点 （Ps) までの垂直方向の距離 （hry) 及び水平方 向の距離 （hrx) と、 目標法面の角度情報 （ r) を設定する手段であることを特 徴とする油圧ショベルの法面掘削制御装置。
3 . 請求項 1記載の油圧ショベルの法面掘削制御装置において、 前記第 1設定 手段 （100, 7, 9a) は、 設定器 （7) により入力されたデータを基に前記外部基準
(80) と目標法面との位置関係を設定する手段であることを特徴とする油圧ショ ベルの法面掘削制御装置。
4 . 請求項 1記載の油圧ショベルの法面掘削制御装置において、 前記第 1設定 手段 （100, 7, 9a) は、 前記第 1演算手段 （120, 9b) で演算した前記フロント装置
(1A) の位置と姿勢の情報に基づき、 前記フロント装置の先端を目標法面上の基 準点 （Ps) に合わせたときの前記フロン卜装置の先端の位置を演算する手段 ( 19 0, 191) 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、 前記フロント基準 （70) を前記外部基準 （80) に合わせたときの前記フ ロント基準の位置を演算する手段 （192, 193) 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目標法面上の基準点との位置関係 を演算する手段 （194) と、 この演算で求めた位置関係と設定器により入力された 角度データを記憶する手段 （195) とを含むことを特徴とする油圧ショベルの法面 掘削制御装置。
5 . 請求項 1記載の油圧ショベルの法面掘削制御装置において、 前記第 1設定 手段 （100，7，9a) は、 前記第 1演算手段 （120， 9b) で演算した前記フロント装置
(1A) の位置と姿勢の情報に基づき、 前記フロント装置の先端を目標法面上の第 1基準点 （Psl) に合わせたときの前記フロント装置の先端の位置と、 前記フロン 卜装置の先端を目標法面上の第 2基準点 （Ps2) に合わせたときの前記フロント装 置の先端の位置とを演算する手段 （200-203) と、 前記第 1及び第 2基準点での前 記フロント装置の先端位置から目標法面の角度情報を演算する手段と （204) 、 前 記第 1演算手段で演算した前記フ口ン卜装置の位置と姿勢の情報に基づき、 前記 フロント基準 （70) を前記外部基準 （80) に合わせたときの前記フロン卜基準の 位置を演算する手段 （205, 206) 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目標法面上の第 1及び第 2基準点のいずれか一 方との位置関係を演算する手段 (207) と、 この演算で求めた位置関係と前記角度 情報を記憶する手段 (208) とを含むことを特徴とする油圧ショベルの法面掘削制
6 . 多関節型のフロン卜装置 ( 1A) を構成する上下方向に回動可能な複数のフ ロント部材 （la，lb, lc) と、 前記フロント装置を支持する車体 （IB) とを備え、 前記フロント装置が予め設定した目標掘削面に近づくとフロント装置がその目標 掘削面に沿って動くよう領域制限掘削制御を行い、 目標掘削面位置を掘削する油 圧ショベルの目標法面設定装置において、
( a ) 目標法面の進展方向に沿って設置された外部基準 （80) と ；
( b ) 前記フロント装置 （1A) 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 （70) 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 （8a， 8b, 8c, 8d) と ；
( d ) 前記検出手段の信号に基づき前記車体 （IB) を基準としたフロント装置 の位置と姿勢を演算する第 1演算手段 （120， 9b) と；
( e ) 前記外部基準と前記目標法面との位置関係を設定する第 1設定手段 （10 0， 7, 9a) 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 設定スィッチ （71) と；
( g ) 前記外部基準設定スィッチが操作されたときの前記第 1演算手段で演算 した前記フ口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 した外部基準と目標法面との位置関係とから前記車体と目標法面との位置関係を 演算する第 2演算手段 （140， 9m) と ；
( h ) 前記第 2演算手段で演算した車体と目標法面との位置関係により、 前記 目標法面を車体を基準とした位置関係で設定し、 前記目標掘削面とする第 2設定 手段 （160, 9η) と ；を備えることを特徴とする油圧ショベルの目標法面設定装置。
7 . 請求項 6記載の油圧ショベルの目標法面設定装置において、 前記外部基準 は、 目標法面の進展方向に沿って張り渡した水糸 （80) であることを特徴とする 油圧ショベルの目標法面設定装置。
8 . 請求項 6記載の油圧ショベルの目標法面設定装置において、 前記外部基準 は、 目標法面の進展方向に沿って並置した複数のクイ （81) であることを特徴と する油圧ショベルの目標法面設定装置。
9 . 請求項 6記載の油圧ショベルの目標法面設定装置において、 前記外部基準 は、 目標法面の進展方向に沿って投射したレーザ光 （84) であることを特徴とす る油圧ショベルの目標法面設定装置。
1 0 . 多関節型のフロン卜装置 （ ） を構成する上下方向に回動可能な複数の フロント部材 （la, lb, lc) と、 前記フロント装置を支持する車体 （1B) とを備え、 前記フロント装置が予め設定した目標掘削面に近づくとフロント装置が目標掘削 面に沿って動くよう領域制限掘削制御を行い、 目標掘削面位置を掘削する油圧シ ョベルを用いた法面掘削形成方法にお t、て、
( a ) 目標法面の進展方向に沿って外部基準 （80) を設置すること ；
( b ) 前記外部基準と前記目標法面との位置関係を設定すること ；
( c ) 前記フロント装置 （1A) に設けたフロント基準 （70) を前記外部基準に 合わせ、 前記車体 （IB) と前記外部基準 （80) 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外部基準と目標法面との位置関係とから前記車体 と目標法面との位置関係を演算し、 この車体と目標法面との位置関係により、 前 記目標法面を車体を基準とした位置関係で設定し、 前記目標掘削面とすること ；
(d) 油圧ショベルの現在の車体位置で前記領域制限掘削制御により前記目標 法面位置に斜面を掘削形成すること ；
(e) 油圧ショベルの車体を前記 （d) で掘削した斜面に対し横方向に移動す ること；
( f ) 上記 （c) 及び （d) と同じ手順を横方向に移動後の車体位置で実施す ること；
(g) 上言己 （e) 及び （f ) の手順を繰り返し実施すること ；を特徴とする法 面掘削形成方法。
1 1. 請求項 10記載の法面掘削形成方法において、 前記油圧ショベルの車体 (1B) はフロント装置 （1A) を支持する上部旋回体 （Id) と、 この上部旋回体を 旋回可能に搭載する下部走行体 （le) を有し、 前記 （d) の斜面の掘削形成に際 しては、 前記下部走行体を前記目標方面の進展方向に平行に向けた姿勢で掘削形 成を行い、 前記 （e) の車体の横方向移動に際しては、 前記下部走行体を前記
(d) と同じ姿勢で走行させることにより横方向移動を行うことを特徴とする法 面掘削形成方法。
12. 請求項 10記載の法面掘削形成方法において、 前記油圧ショベルの車体 (IB) はフロント装置 （1A) を支持する上部旋回体 （Id) と、 この上部旋回体を 旋回可能に搭載する下部走行体 (le) を有し、 前記 （d) の斜面の掘削形成に際 しては、 前記下部走行体を前記目標方面の進展方向に交差する方向に向けた姿勢 で掘削形成を行い、 前記 （e) の車体の横方向移動に際しては、 前記下部走行体 を前記 （d) と同じ姿勢で前進及び後進を繰り返して幅方向移動を行うことによ り横方向移動を行うことを特徴とする法面掘削形成方法。
13. 請求項 10記載の法面掘削形成方法において、 前記 （a) の外部基準 （80) の設置に際して、 前記目標法面が進展方向に屈曲している場合は、 その屈曲した 目標平面の進展方向に沿って外部基準 （80) も屈曲して設置することを特徴とす る法面掘削形成方法。
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