特開 2024-168945 建設機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024168945

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】建設機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20241128BHJP

【ＦＩ】

E02F3/43 C

E02F3/43 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023086023

(22)【出願日】2023-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100120400

【弁理士】

【氏名又は名称】飛田 高介

(74)【代理人】

【識別番号】100124110

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 大介

(72)【発明者】

【氏名】向井 誠嗣朗

【テーマコード（参考）】

2D003

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB03

2D003AB04

2D003BA01

2D003BA02

2D003BB07

2D003BB08

2D003BB11

2D003FA02

(57)【要約】

【課題】作業時間の増大を抑制しつつ、作業装置の制限領域への進入を回避することができる建設機械を提供する。
【解決手段】建設機械１００は、被駆動部材１１４、１１６、１１８を連結した作業装置１０４と、被駆動部材を駆動する油圧アクチュエータ１２０、１２２、１２４と、油圧アクチュエータの動作を操作する複数の操作装置１１２と、被駆動部材の進入を制限する制限領域α、制限領域に隣接する減速領域β、被駆動部材上に設定された進入検知点を記憶する記憶装置１２８と、油圧アクチュエータの動作を制御する制御装置１３０とを備え、制御装置は、操作装置が操作されて進入検知点が減速領域内に進入すると、進入検知点の移動速度を、制限領域と減速領域との境界面である制限領域境界面Ｐの法線方向成分と接線方向成分とに分解し、法線方向成分が制限領域に向かっている場合にのみ、法線方向成分を減速させるように油圧アクチュエータの動作を制御する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の被駆動部材を連結して構成された多関節型の作業装置と、
前記複数の被駆動部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、
前記複数の油圧アクチュエータの動作を操作する複数の操作装置と、
前記被駆動部材の進入を制限する制限領域と、該制限領域に隣接する減速領域と、前記複数の被駆動部材上に設定された進入検知点とを記憶する記憶装置と、
前記複数の油圧アクチュエータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記操作装置が操作されて前記進入検知点が前記減速領域内に進入すると、前記進入検知点の移動速度を、前記制限領域と前記減速領域との境界面である制限領域境界面の法線方向成分と接線方向成分とに分解し、
前記法線方向成分が前記制限領域に向かっている場合にのみ、該法線方向成分を減速させるように前記複数の油圧アクチュエータの動作を制御することを特徴とする建設機械。

【請求項2】

前記制御装置は、前記複数の油圧アクチュエータのうち、作業員が操作していない油圧アクチュエータの動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の建設機械。

【請求項3】

前記制御装置は、前記進入検知点が前記制限領域に進入した場合は、該進入検知点の移動速度の法線方向成分を、前記進入検知点が前記制限領域から出る方向に補正することを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多関節型の作業装置を備えた建設機械に関する。

【背景技術】

【0002】

建設機械である油圧ショベルは、多関節型の作業装置（フロント装置）と操作装置とを備える。フロント装置は、ブームやアームなどの回転運動を行う複数の剛体で構成されている。また操作装置は、フロント装置の各剛体の回転運動に対応した操作レバーなどである。作業員（オペレータ）は、例えば操作レバーを自由に操作することによって、法面整形や整地などの作業を行う。

【0003】

オペレータには、これらの作業を行うための高度な技術が要求される。一例として、市街地などで作業をする場合は、フロント装置が周囲の物体（地中の電線や壁など）に干渉しないように注意しなければならない。そこで建設機械の分野では、フロント装置と周囲の物体との干渉を防止するための種々の提案がなされている。

【0004】

特許文献１には、掘削作業機の作業領域制御装置が記載さされている。この作業領域制御装置では、制限領域の手前に減速領域を設定し、フロント装置を構成するフロント部品（例えばバケット）が減速領域に進入すると、操作レバーの操作信号に減衰係数を乗じることでフロント装置を減速し、バケットが禁止領域の境界に達すると停止するようにしている。

【0005】

特許文献１の作業領域制御装置によれば、各フロント部品の任意の位置に制限領域への進入を判定する点を設けることによって、全てのフロント部品の制限領域への進入を監視することができる。

【0006】

特許文献２には、建設機械の領域制限掘削制御装置が記載されている。この領域制限掘削制御装置では、掘削可能領域を設定し、フロント装置の一部（例えばバケット）が掘削可能領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方向の動きを減速し、バケットが掘削可能領域の境界に達すると、バケット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動けるようにしている。

【0007】

さらに建設機械の分野に限らず、ロボットの分野においても、ロボットアームがほかの物体と衝突することを防止する技術の開発が活発に行われている（例えば特許文献３）。特許文献３には、減衰領域と制限領域を設け、ロボットが減衰領域に進入すると減速させて、制限領域内に進入する危険性を低下させるロボット制御装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平４－１３６３２４号公報

【特許文献2】国際公開公報第９５／３００５９号

【特許文献3】特開２０２２－１３１４２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし特許文献１の作業領域制御装置および特許文献３のロボット制御装置では、減衰領域内で領域を離れる方向に移動させる場合においても、減衰が適応されるため、余計な作業時間が増えてしまう。特許文献２は、バケット先端を基準とした制限領域への進入を制限することについて記載しているに過ぎず、他のフロント部品が制限領域に進入した際の動作について対策が講じられていない。

【0010】

また油圧ショベルの作業において、バケットシリンダやアームシリンダを最長または最短になるように操作し、バケットとアームの姿勢を設定する動作を行う場合がある。この場合、特許文献１、２の技術を用いて、狭い作業空間で上記の動作を行うと、フロント部品が制限領域境界面に接触し、停止動作を繰り返して、操作性を大きく損なうことが有り得る。

【0011】

本発明は、このような課題に鑑み、作業時間の増大を抑制しつつ、作業装置の制限領域への進入を回避することができる建設機械を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明にかかる建設機械の代表的な構成は、複数の被駆動部材を連結して構成された多関節型の作業装置と、複数の被駆動部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の油圧アクチュエータの動作を操作する複数の操作装置と、被駆動部材の進入を制限する制限領域と、制限領域に隣接する減速領域と、複数の被駆動部材上に設定された進入検知点とを記憶する記憶装置と、複数の油圧アクチュエータの動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、操作装置が操作されて進入検知点が減速領域内に進入すると、進入検知点の移動速度を、制限領域と減速領域との境界面である制限領域境界面の法線方向成分と接線方向成分とに分解し、法線方向成分が制限領域に向かっている場合にのみ、法線方向成分を減速させるように複数の油圧アクチュエータの動作を制御することを特徴とする。

【0013】

上記構成の制御装置は、作業装置の被駆動部材が減速領域内に進入した場合であっても、被駆動部材（進入検知点）が制限領域に向かう方向の速度を減速させるため、制限領域への進入を回避することができる。したがって、被駆動部材が減速領域内にある場合であっても、制限領域から離れる方向の速度や、制限領域境界面に平行な方向の速度は減速させないため、作業時間の増大を抑制することができる。また、バケット先端のみならず複数の被駆動部材上（特に軸の位置）に進入検知点を設定することにより、バケット以外のフロント部品が減速領域内に入った場合にも同様に制限領域に向かう方向の速度を減速し、制限領域への進入を確実に回避することができる。

【0014】

上記の制御装置は、複数の油圧アクチュエータのうち、作業員が操作していない油圧アクチュエータの動作を制御するとよい。

【0015】

これにより、作業員による操作装置の操作によって、作業装置の被駆動部材が制限領域に進入しそうになった場合でも、作業員が操作していない油圧アクチュエータを動作させることによって、被駆動部品の制限領域への進入を回避することができる。つまり、被駆動部材が制限領域に進入しそうになると、急停止動作を行うのではなく、自動操作によって滑らかに回避動作を取ることができる。

【0016】

上記の制御装置は、進入検知点が制限領域に進入した場合は、進入検知点の移動速度の法線方向成分を、進入検知点が制限領域から出る方向に補正するとよい。

【0017】

これにより、作業装置の被駆動部材が制限領域に進入した場合であっても、油圧アクチュエータの動作を制御して被駆動部材を制限領域から追い出すことができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、作業時間の増大を抑制しつつ、作業装置の制限領域への進入を回避することができる建設機械を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態における建設機械の構成および座標系を説明する図である。

【図2】図１（ａ）の建設機械の機能ブロックを示す図である。

【図3】図２の制御装置の処理を示すフローチャートである。

【図4】図３のステップＳ１１０、Ｓ１１２の処理に対応するフローチャートである。

【図5】進入検知点と制限領域境界面上の点との関係を示す図である。

【図6】図３のステップＳ１１４の処理を示すフローチャートである。

【図7】図１（ａ）の作業装置の制限領域および減衰領域での動作を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0021】

図１は、本発明の実施形態における建設機械１００の構成および座標系を説明する図である。建設機械１００は、図１（ａ）に示すように車両本体１０２と多関節型の作業装置１０４を備えた油圧ショベルである。なお作業装置１０４はフロント装置とも称される。

【0022】

車両本体１０２は、旋回体１０６と運転室１０８と走行装置１１０とを有する。旋回体１０６は、走行装置１１０上に配置されていて、上下方向に沿った旋回軸を中心として旋回可能である。運転室１０８は、旋回体１０６上に載置されている。運転室１０８内には、操作装置１１２（図２参照）が配置されている。走行装置１１０は、一対のクローラー１１０ａ、１１０ｂを有する。建設機械１００は、走行装置１００の一対のクローラー１１０ａ、１１０ｂがそれぞれ回転することによって走行する。

【0023】

作業装置１０４は、旋回体１０６上に取り付けられている。作業装置１０４は、複数の被駆動部材であるブーム１１４と、アーム１１６と、バケット１１８とを有し、これらを連結して構成されている。ブーム１１４は、旋回体１０６に揺動可能に取り付けられている。アーム１１６は、ブーム１１４の先端に揺動可能に取り付けられている。バケット１１８は、アーム１１６の先端に揺動可能に取り付けられている。

【0024】

作業装置１０４はさらに、作動油によって駆動される複数の油圧アクチュエータであるブームシリンダ１２０と、アームシリンダ１２２と、バケットシリンダ１２４とを有する。ブームシリンダ１２０、アームシリンダ１２２およびバケットシリンダ１２４はそれぞれ、ブーム１１４、アーム１１６およびバケット１１８を駆動する。

【0025】

図１（ｂ）は、建設機械１００を基準にして設定した各座標系を示している。まず、Σｘは、ｘに関する座標系を意味する。Σｐは、制限領域境界面Ｐ上の点の座標系の１つであって、無数に存在するうちの１つの例示である。制限領域境界面Ｐとは、後述するが、複数の被駆動部材の進入を制限する制限領域αと、制限領域αに隣接する減衰領域（減速領域β）との境界面である（図５および図７参照）。Σｗは、作業空間上における基準であるワールド座標系を示している。さらに図１（ｂ）では、Σｂをブーム座標系、Σａをアーム座標系、Σｋをバケット座標系、Σｔをバケット先端１１８ａ（図１（ａ）参照）のバケット先端座標系として示している。

【0026】

つぎに、ｘＴｙは、Ｘ座標系からｙ座標系への同時変換行列を意味する。このため、ｗＴｐは、ワールド座標系から制限領域境界面上点の座標系への同時変換行列を示している。さらに図１（ｂ）では、ｗＴｂをワールド座標系からブーム座標系への同時変換行列、ｂＴａをブーム座標系からアーム座標系への同時変換行列、ａＴｋをアーム座標系からバケット座標系への同時変換行列、ｋＴｔをバケット座標系からバケット先端座標系への同時変換行列、ｐＴｔを制限領域境界面上点の座標系からバケット先端座標系への同時変換行列として示している。

【0027】

図２は、図１（ａ）の建設機械１００の機能ブロックを示す図である。建設機械１００は、複数の操作装置１１２と、計測装置１２６と、記憶装置１２８と、制御装置１３０と、複数の流量制御弁１３２とを備える。操作装置１１２は、建設機械１００の運転室１０８内に配置され、作業員によって操作される操作レバーなどである。操作装置１１２は、操作量に応じた操作信号を出力し、複数の油圧アクチュエータであるブームシリンダ１２０、アームシリンダ１２２およびバケットシリンダ１２４の動作を操作する。

【0028】

計測装置１２６は、複数の被駆動部材であるブーム１１４、アーム１１６およびバケット１１８の姿勢を計測する。記憶装置１２８は、図５および図７に示す制限領域αおよび減速領域βを点群データで記憶し、さらに複数の被駆動部材上に設定された進入検知点を記憶している。なお制限領域境界面Ｐは、制限領域αと減速領域βとの境界面であるため、点群データに基づいて算出可能である。ただしこれに限らず、制限領域境界面Ｐを、点群データとして予め設定してもよい。また進入検知点は、ブーム１１４、アーム１１６およびバケット１１８の例えば軸の位置や、バケット先端１１８ａの位置に設定される。これらの進入検知点は、各被駆動部材上の任意位置に複数個設定してもよい。

【0029】

制御装置１３０は、複数の油圧アクチュエータであるブームシリンダ１２０、アームシリンダ１２２およびバケットシリンダ１２４の動作を制御する制御信号を、複数の流量制御弁１３２に出力する。流量制御弁１３２は、ブームシリンダ１２０、アームシリンダ１２２およびバケットシリンダ１２４に供給される油圧の流量および方向を制御する。また流量制御弁１３２は、複数の操作装置１１２の操作量に応じて出力される操作信号および制御装置１３０からの制御信号に応じて駆動される。

【0030】

制御装置１３０は、図示のように仮目標シリンダ速度演算部１３４と、シリンダ速度－関節角速度変換部１３６と、フロント姿勢演算部１３８と、最近傍点探査部１４０と、領域制御演算部１４２と、関節角速度－シリンダ速度変換部１４４と、バルブ指令演算部１４６とを備える。

【0031】

仮目標シリンダ速度演算部１３４は、操作装置１１２から出力された操作量を、任意の法則に基づいてシリンダの仮の目標速度（仮目標シリンダ速度）に変換する。シリンダ速度－関節角速度変換部１３６は、仮目標シリンダ速度演算部１３４で変換された仮目標シリンダ速度を関節速度（仮目標関節角速度）に変換する。フロント姿勢演算部１３８は、計測装置１２６から出力されたブーム１１４、アーム１１６およびバケット１１８の角度情報と予め設定された幾何学的情報とに基づいて、フロント姿勢を演算する。

【0032】

最近傍点探査部１４０は、記憶装置１２８から点群データと、作業装置１０４を構成するフロント部品すなわちブーム１１４、アーム１１６およびバケット１１８にそれぞれ設定された進入検知点とを読み出して、最近傍点を探査する。最近傍点とは、フロント部品の進入検知点と、点群データに基づく制限領域境界面Ｐとの最短直線距離を持つ点である。また１つのフロント部品上に設定された進入検知点が複数ある場合には、最近傍点探査部１４０は、記憶装置１２８の点群データと１つのフロント部品上の複数の進入検知点で最短直線距離を持つ組み合わせを探査する。

【0033】

領域制御演算部１４２は、シリンダ速度－関節角速度変換部１３６で演算された仮目標関節角速度を、進入検知点の位置情報および速度情報に基づいて補正することにより、補正した目標関節角速度を演算する。ここで進入検知点の位置情報とは、最近傍点探査部１４０で探査された進入検知点であって、制限領域境界面Ｐの法線ベクトルをｚ軸とする領域制限境界Ｐ上の点の座標系上での対応する侵入検知点の位置情報である。また進入検知点の速度情報は、シリンダ速度－関節角速度変換部１３６で演算された仮目標関節角速度を実行した際に生じる進入検知点の速度情報である。

【0034】

関節角速度－シリンダ速度変換部１４４は、領域制御演算部１４２で演算された補正した目標角速度を目標シリンダ速度に変換する。バルブ指令演算部１４６は、目標シリンダ速度が実現できるようなバルブ指令を演算し、複数の流量制御弁１３２にバルブ指令を出力する。

【0035】

図３は、図２の制御装置１３０の処理を示すフローチャートである。まず制御装置１３０は、計測装置１２６から作業装置１０４の関節角度情報を取得し（ステップＳ１００）、さらにブームシリンダ１２０、アームシリンダ１２２およびバケットシリンダ１２４の操作量を操作装置１１２から取得する（ステップＳ１０２）。

【0036】

つぎに制御装置１３０は、アーム座標系Σａ、バケット座標系Σｋ、バケット先端座標系Σｔを進入検知点として、それぞれの座標系に対する制限領域境界面Ｐ上の点群から最近傍点を探査する（ステップＳ１０４）。

【0037】

制御装置１３０は、ステップＳ１０４で探査した最近傍点を基準座標系とした進入検知点の位置とヤコビ行列を計算する（ステップＳ１０６）。一例として、Σｔの関節位置は、以下の式（１）を用いて演算することができる。

【数1】

【0038】

またステップＳ１０６において、ヤコビ行列は、上記式（１）の関節角度を時間微分することで演算される。ここで、Ｘ＾（－１）は行列Ｘの逆行列を意味する。つぎに、制御装置１３０は、ステップＳ１０２で取得した各油圧アクチュエータの操作量を、任意の法則に基づいて目標シリンダ速度に変換し、さらに変換した目標シリンダ速度を、ステップＳ１０６で演算したヤコビ行列を用いて、最近傍点座標系上の進入検知点の速度を求める（ステップＳ１０８）。

【0039】

続いて制御装置１３０は、最近傍点座標系上のアーム座標系Σａの位置と速度が領域制御の対象であるか否かを判定し（ステップＳ１１０）、領域制御の対象であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１２の処理を行う（図４参照）。これらのステップは、最もワールド座標系Σｗに近い根本の被駆動部材上の座標系Σから順次計算される。

【0040】

図４は、図３のステップＳ１１０、Ｓ１１２の処理に対応するフローチャートである。図５は、進入検知点と制限領域境界面上の点との関係を示す図である。なお図５に示すΣａ０、Σａ１、Σａ２、Σａ３はそれぞれ、アーム座標系Σａのパターン０、１、２、３を示している。また、全てのパターンにおけるアーム座標系Σａの最近傍点はｐである。

【0041】

制御装置１３０は、図４に示すステップＳ２００において、以下の式（２）を用いて、最近傍点Ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ位置であるｐΣａ（ｚ）が０以上であるか否を判定する。図５では、Σａ０、Σａ１、Σａ２が０以上であり、Σａ３が０より小さいことが示されている。つまりΣａ３は、制限領域α内に位置している。

【数2】

【0042】

ステップＳ２００でアーム座標系のＺ位置が０以上であれば（Ｎｏ）、制御装置１３０は、以下の式（３）を用いて、最近傍点ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ位置であるｐΣａ（ｚ）が減衰領域β内であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。図５では、Σａ１、Σａ２がｌｍｉｎ（減速領域β）内に位置し、Σａ０がｌｍｉｎ内に位置しないことが示されている。なおｌｍｉｎは、任意で設定された減衰領域の範囲である。

【数3】

【0043】

ステップＳ２０２でアーム座標系のＺ位置が減衰領域内に位置すれば（Ｙｅｓ）、制御装置１３０は、以下の式（４）を用いて、最近傍点ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ速度ｄｏｔ（ｐΣａ（ｚ））が境界面Ｐへ接近する方向の速度成分を有するか否かを判定する（ステップＳ２０４）。

【数4】

【0044】

ステップＳ２０４でアーム座標系のＺ速度が境界面へ接近する方向の速度成分を有する場合（Ｙｅｓ）、制御装置１３０は、以下の式（５）を用いて、アーム座標系のＺ速度を、制限領域境界面Ｐとの距離に応じた減衰係数ｋによって減衰（減速）する（ステップＳ２０６）。なお減衰係数ｋは、自由に設定される任意値である。

【数5】

【0045】

一方、ステップＳ２００でアーム座標系のＺ位置が０より小さい場合すなわち制限領域α内に位置する場合（Ｙｅｓ）、制御装置１３０は、最近傍点ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ速度ｄｏｔ（ｐΣａ（ｚ））を、進入検知点が制限領域境界面Ｐ上にのるような速度に更新する（ステップＳ２０８）。図５では、Σａ３が制限領域α内に位置することが示されている。

【数6】

【0046】

このようにして制御装置１３０は、ステップＳ１１２に示すように、アーム１１６が制限領域αに位置する場合、制限領域αから出るように（制限領域αに進入しないように）、目標速度を更新し、アーム１１６が減衰領域βに位置する場合、境界Ｐに接近する法線方向成分の目標速度を更新する。なお図１（ａ）に示す作業装置１０４の制限領域αおよび減衰領域βでの具体的な動作は後述する（図７参照）。

【0047】

制御装置１３０は、ステップＳ２０６、Ｓ２０８の後、図３に示す目標回避速度ｄｏｔ（θａ）、零空間射影行列Ｎの更新を行う（ステップＳ１１４）。またステップＳ２０２で減衰領域内に位置しない場合（Ｎｏ）、あるいはステップＳ２０４で境界面Ｐへ接近する方向の速度成分を有していない場合（Ｎｏ）には、制御装置１３０は、図３に示すステップＳ１１６の処理を行う。

【0048】

図６は、図３のステップＳ１１４の処理を示すフローチャートである。制御装置１３０は、目標回避速度ｄｏｔ（θａ）と零空間射影行列Ｎが一度も計算されていないか否かを判定する（ステップＳ３００）。ステップＳ３００で目標回避速度ｄｏｔ（θａ）と零空間射影行列Ｎが一度も計算されていない場合（Ｙｅｓ）、制御装置１３０は、以下の式（７）に示すように、目標回避速度ｄｏｔ（θａ）を[０００]^Ｔに初期化し、零空間射影行列Ｎを、３行３列の単位行列Ｉ（３）に初期化する（ステップＳ３０２）。なお要素数は、ヤコビ行列の行数に応じて変化する。ただし、ここでのヤコビ行列は、二次平面上の位置・姿勢となるため、３要素となる。

【数7】

【0049】

一方、ステップＳ３００で目標回避速度ｄｏｔ（θａ）と零空間射影行列Ｎが一度は計算されている場合（Ｎｏ）、あるいはステップＳ３０２の初期化の後、制御装置１３０は、以下の式（８）を用いて、作業装置１０４の関節角速度を、ｐ座標系におけるアーム座標系の速度に変換するヤコビ行列ｐＪａからＺ軸に関する要素のみを抜き出す操作を行う（ステップＳ３０４）。

【数8】

【0050】

つぎに制御装置１３０は、以下の式（９）を用いて、目標回避速度ｄｏｔ（θａ）を更新し（ステップＳ３０６）、最近傍点ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ速度ｄｏｔ（ｐΣａ（ｚ））の２乗和が最小となるような作業装置１０４の関節の目標角速度を演算する。Ｘ＾＋は非正方行列Ｘの疑似逆行列を意味する。ここで、目標回避速度ｄｏｔ（θａ）と零空間射影行列Ｎが既に一度でも計算されていた場合、最近傍点ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ速度ｄｏｔ（ｐΣａ（ｚ））は、実現される速度との間に偏差を生じる場合が多い。そのような場合には偏差を考慮した目標速度としてアーム座標系のＺ速度ｄｏｔ（ｐΣａ（ｚ））を与えても良い。

【数9】

【0051】

以下、式（１０）で示される実装例を例示する。

【数10】

【0052】

続いて制御装置１３０は、以下の式（１１）を用いて、零空間射影行列Ｎを更新する（ステップＳ３０８）。なお式（１１）において零空間射影行列Ｎに乗じた値は、最近傍点Ｐ座標系におけるアーム座標系のＺ速度ｄｏｔ（ｐΣａ（ｚ））に影響を与えない空間に射影される。このようにして制御装置１３０は、目標回避速度ｄｏｔ（θａ）、零空間射影行列Ｎの更新を行う。

【数11】

【0053】

また、図３に示すステップＳ１１６、Ｓ１１８、Ｓ１２０はバケット座標系Σｋに関する処理であって、上記のステップＳ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１４の各処理にそれぞれ対応している。このため、制御装置１３０は、アーム座標系Σａに代えてバケット座標系Σｋに関して、上記のステップＳ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１４の各処理を行うことで、ステップＳ１１６、Ｓ１１８、Ｓ１２０を実行可能である。

【0054】

さらにステップＳ１２２、Ｓ１２４、Ｓ１２６はバケット先端座標系Σｔに関する処理であって、上記のステップＳ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１４の各処理にそれぞれ対応している。このため、制御装置１３０は、アーム座標系Σａに代えてバケット先端座標系Σｔに関して、上記のステップＳ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１４の各処理を行うことで、ステップＳ１２２、Ｓ１２４、Ｓ１２６を実行可能である。

【0055】

ステップＳ１２６の後、すなわち作業装置１０４のフロント部品に関する計算を終了した後、制御装置１３０は、以下の式（１２）に示すように、目標回避速度ｄｏｔ（θａ）と零空間射影行列Ｎを用いて最終的な各関節の目標角速度を計算する（ステップＳ１２８）。

【数12】

【0056】

上記式（１２）において、ｄｏｔ（θ）は最終的な作業装置１０４の各関節の目標角速度である。ｄｏｔ（θａ）は進入検知点が減衰領域内あるいは制限領域内に位置した際に強制的に実施される目標回避速度である。Ｎは、零空間射影行列である。ｄｏｔ（θｒ）は操作装置１１２の操作量によって決まる作業装置１０４の各関節の目標角速度である。なおｄｏｔ（θｒ）についても上記の実装例のように、偏差を考慮した目標速度を与えても良い。

【0057】

以上により、操作装置１１２の操作量によって決まる作業装置１０４の各関節の角速度が、制限領域α内に進入検知点が進入しないような作業装置１０４の各関節の目標角速度を満たす範囲で実現される。

【0058】

つぎに制御装置１３０は、ステップＳ１２８で算出された最終的な作業装置１０４の各関節の目標角速度ｄｏｔ（θ）を目標シリンダ速度に変換し（ステップＳ１３０）、さらに油圧アクチュエータであるブームシリンダ１２０、アームシリンダ１２２およびバケットシリンダ１２４が目標シリンダ速度を追従するように流量制御弁１３２を制御する。

【0059】

図７は、図１（ａ）の作業装置１０４の制限領域αおよび減衰領域βでの動作を示す図である。まず建設機械１００において、作業員によってブームシリンダ１２０が操作されて、図７（ａ）の矢印ＱＡに示すオペレータ指示速度でブーム１１４が動き、バケット先端１１８ａに設定された進入検知点が減速領域β内に進入した場合について説明する。

【0060】

進入検知点が減速領域β内に進入すると、制御装置１３０は、進入検知点の移動速度を制限領域境界面Ｐの法線方向成分Ｚ_ｔと接線方向成分ｘ_ｔとに分解する。図７（ａ）に示すように法線方向成分Ｚ_ｔは、制限領域αに向かっている。そこで制御装置１３０は、作業者が操作していないアームシリンダ１２２とバケットシリンダ１２４の動作を制御する。制御装置１３０は、矢印ＲＡ方向にアームシリンダ１２２の動作を制御し、さらに矢印ＳＡ方向にバケットシリンダ１２４の動作を制御することにより、法線方向成分Ｚ_ｔをＺ_ｔ＋１に減速する。なお接線方向成分ｘ_ｔはｘ_ｔ＋１に補正されるが、減速されていない。

【0061】

また図４のステップＳ２０４で説明したように、減衰領域内に位置していても、境界面から離れる方向の速度である場合には減衰（減速）しない。

【0062】

このように建設機械１００では、作業装置１０４のバケット先端１１８ａが減速領域β内に進入した場合であっても、制御装置１３０が進入検知点が制限領域αに向かう方向のみの速度を減速させるため、制限領域αへの進入を回避することができる。

【0063】

したがって建設機械１００によれば、作業装置１０４の被駆動部材が減速領域β内にある場合であっても、制限領域αから離れる方向の速度や、制限領域境界面Ｐに平行な方向の速度は減速させないため、作業時間の増大を抑制することができる。また、バケット先端１１８ａのみならず複数の被駆動部材上（特に軸の位置）に進入検知点を設定することにより、バケット１１８以外のフロント部品が減速領域β内に入った場合にも同様に制限領域αに向かう方向の速度を減速し、制限領域αへの進入を確実に回避することができる。

【0064】

また制御装置１３０は、作業者がブームシリンダ１２０を操作したとき、作業者が操作していないアームシリンダ１２２やバケットシリンダ１２４の動作を優先的に制御している。これにより、作業員による操作装置１１２の操作によって、作業装置１０４の被駆動部材が制限領域αに進入しそうになった場合でも、作業員が操作していない油圧アクチュエータを動作させることによって、被駆動部品の制限領域αへの進入を回避することができる。したがって建設機械１００によれば、作業装置１０４の被駆動部材が制限領域αに進入しそうになると、急停止動作を行うのではなく、自動操作によって滑らかに回避動作を取ることができる。

【0065】

つぎに、建設機械１００において、作業員によってブームシリンダ１２０が操作されて、図７（ｂ）の矢印ＱＢに示すオペレータ指示速度でブーム１１４が動き、バケット先端１１８ａに設定された進入検知点が制限領域α内に進入した場合について説明する。

【0066】

進入検知点が制限領域α内に進入した場合、制御装置１３０は、進入検知点の移動速度を制限領域境界面Ｐの法線方向成分Ｚ_ｔと接線方向成分ｘ_ｔとに分解する。そして制御装置１３０は、矢印ＲＢに示すアーム補正速度でアームシリンダ１２２の動作を制御し、さらに矢印ＳＢに示すバケット補正速度でバケットシリンダ１２４の動作を制御する。このようにして制御装置１３０は、進入検知点の移動速度の法線方向成分Ｚ_ｔをＺ_ｔ＋１に補正する。補正された法線方向成分Ｚ_ｔ＋１は、進入検知点が制限領域αから出る方向の速度成分となっている。なお接線方向成分ｘ_ｔはｘ_ｔ＋１に補正されるが、減速されていない。

【0067】

これにより建設機械１００によれば、作業装置１０４の被駆動部材が制限領域αに進入した場合であっても、油圧アクチュエータの動作を制御して被駆動部材を制限領域αから追い出すことができる。

【0068】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明は、多関節型の作業装置を備えた建設機械として利用することができる。

【符号の説明】

【0070】

１００…建設機械、１０２…車両本体、１０４…作業装置、１０６…旋回体、１０８…運転室、１１０…走行装置、１１０ａ、１１０ｂ…クローラー、１１２…操作装置、１１４…ブーム、１１６…アーム、１１８…バケット、１１８ａ…バケット先端、１２０…ブームシリンダ、１２２…アームシリンダ、１２４…バケットシリンダ、１２６…計測装置、１２８…記憶装置、１３０…制御装置、１３２…流量制御弁、１３４…仮目標シリンダ速度演算部、１３６…シリンダ速度－関節角速度変換部、１３８…フロント姿勢演算部、１４０…最近傍点探査部、１４２…領域制御演算部と、１４４…関節角速度－シリンダ速度変換部、１４６…バルブ指令演算部、α…制限領域、β…減衰領域（減速領域）、Ｐ…制限領域境界面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】