(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-14
(45)【発行日】2022-09-26
(54)【発明の名称】作業機械
(51)【国際特許分類】
E02F 3/43 20060101AFI20220915BHJP
E02F 9/20 20060101ALI20220915BHJP
【ＦＩ】
E02F3/43 B
E02F9/20 N
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018166397
(22)【出願日】2018-09-05
(65)【公開番号】P2020037837
(43)【公開日】2020-03-12
【審査請求日】2021-09-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000005522
【氏名又は名称】日立建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】田中 宏明
(72)【発明者】
【氏名】中野 寿身
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 悠介
(72)【発明者】
【氏名】坂本 博史
【審査官】亀谷 英樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１６９５７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１３５６８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１５８１０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－１９４０３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１２３４７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２５２３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１８０７１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１６０７１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０４７６９５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特許第３７０４０９２（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１３０５９９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０２Ｆ ９／２０－９／２２
Ｅ０２Ｆ ３／４２－３／４３
Ｅ０２Ｆ ３／８４－３／８５
Ｆ１５Ｂ １１／００－１１／２２
Ｆ１５Ｂ ２１／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ブームとアームとバケットとを有する作業機と、前記作業機の動作を指示する操作装置と、
前記操作装置から出力される操作信号に応じて前記作業機の動作を制御する動作指令を出力するコントローラと、
設計面を入力する施工目標決定装置と、
前記バケットの爪先位置を測定するバケット位置測定装置とを備え、
前記コントローラは、前記バケットによる掘り過ぎを防止するために、前記施工目標決定装置に入力された前記設計面と前記バケット位置測定装置から測定された前記バケットの爪先位置との偏差が小さくなるほど前記バケットの動作速度が制限されるように前記バケットの爪先目標位置を演算すると共に、前記作業機に対する動作指令を補正する作業機械において、
前記作業機の駆動負荷を計測する負荷計測装置を備え、
前記コントローラには、前記バケットによる前回掘削時に前記バケット位置測定装置により測定された前記バケットの爪先位置と前記負荷計測装置により計測された前記駆動負荷とを基に生成されたバケットの爪先位置と地表高さとの関係を示す高さマップおよび、バケットの爪先位置と単位掘削深さあたりの負荷である単位負荷との関係を示す負荷マップを有する土質マップが記憶されており、
前記コントローラは、前記バケットの爪先目標位置と前記土質マップの前記高さマップと前記土質マップの前記負荷マップとを基に演算される掘削負荷の推定値である推定負荷が大きくなるに従って、前記作業機の掘削力が増大するように前記動作指令を補正すると共に、前記バケット位置測定装置により測定された前記バケットの爪先位置と前記負荷計測装置により計測された前記駆動負荷とに基づいて前記土質マップの前記高さマップと前記土質マップの前記負荷マップを更新する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項2】
請求項１に記載の作業機械において、
前記コントローラは、
前記土質マップの前記高さマップと前記バケット爪先位置に含まれるバケット爪先前後左右位置とを基に、前記バケット爪先前後左右位置における地表高さを演算し、
前記地表高さから前記バケット爪先位置に含まれるバケット爪先高さを差し引くことにより掘削深さを演算し、
前記動作指令と前記駆動負荷とを基に前記掘削負荷を演算し、
前記掘削負荷を前記掘削深さで除算することにより前記単位負荷を演算する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項3】
請求項１に記載の作業機械において、前記コントローラは、
前記土質マップの前記高さマップと前記バケット爪先位置に含まれるバケット爪先前後左右位置とを基に、前記バケット爪先前後左右位置における地表高さを演算し、
前記バケット爪先位置に含まれるバケット爪先高さが前記地表高さを下回った場合に、前記土質マップを更新する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項１に記載の作業機械において、前記コントローラは、
前記土質マップの前記高さマップに含まれる地表高さの初期値を前記作業機の最大到達高さよりも大きい値に設定し、
前記土質マップの前記負荷マップに含まれる単位負荷の初期値をゼロ以下の値に設定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項１に記載の作業機械において、前記コントローラは、
前記土質マップの前記負荷マップと前記バケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標前後左右位置とを基に、前記バケット爪先目標前後左右位置における単位掘削深さ当たりの掘削負荷である単位負荷を演算し、
前記土質マップの前記高さマップに含まれる地表高さ情報と前記バケット爪先目標前後左右位置とを基に、前記バケット爪先目標前後左右位置における地表高さを演算し、
前記地表高さから前記バケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標高さを差し引くことにより掘削深さを演算し、
前記単位負荷と前記掘削深さとを掛け合わせることにより前記推定負荷を演算する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項１に記載の作業機械において、前記コントローラは、前記推定負荷が大きくなるに従って前記動作指令に含まれるブーム動作指令をブーム下げ側に補正する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項7】
請求項１に記載の作業機械において、表示装置を更に備え、
前記コントローラは、
前記土質マップの前記高さマップと前記バケット爪先位置とを基に高さマップ表示情報を生成し、
前記土質マップの前記負荷マップと前記バケット爪先位置に含まれるバケット爪先前後左右位置とを基に負荷マップ表示情報を生成し、
前記高さマップ表示情報と前記負荷マップ表示情報とを前記表示装置に出力する
ことを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の油圧ショベル等の作業機械に搭載された油圧システムとしては、エンジン等の原動機と、原動機により駆動される油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出された圧油により駆動されるアクチュエータと、油圧ポンプからアクチュエータに供給される圧油の方向および流量を制御する方向制御弁とで構成されたものが知られている。アクチュエータの動作方向と動作速度は、操縦者が作業機械に備えられた操作レバー等の操作装置を操作することで決定される。
【0003】
設計面通りに地面を掘削する作業で操縦者の操作を補助できる半自動制御を搭載したショベル（半自動ショベル）を開示するものとして、例えば特許文献１，２がある。
【0004】
特許文献１には、施工対象を施工するために作業機械が有する作業機を制御する装置において、前記作業機が有する作業具が予め定められた目標の形状に侵入しないように前記作業機を制御する制御部と、前記施工対象の仕上がりの目標となる形状である目標施工地形に対する前記作業具の姿勢に基づいて、前記目標の形状を、前記目標施工地形から予め定められた距離だけ離れたオフセット地形又は前記目標施工地形とする切替部と、を含む、作業機械の制御装置が記載されている。
【0005】
特許文献２には、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメント（作業機）と、前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、制御装置と、を備えるショベルであって、前記制御装置は、前記姿勢検出装置が検出した前記アタッチメントの姿勢の推移に基づいて作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得し、前記姿勢検出装置が検出する前記アタッチメントの姿勢と、前記取得した作業対象の地面の現在の形状に関する情報とに基づいて前記アタッチメントが作業対象の地面に接触しているかを判定し、前記アタッチメントが作業対象の地面に接触していると判定した場合、前記アタッチメントによる駆動力を増大させるショベルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】ＷＯ２０１６／１２９７０８号公報
【0007】
【文献】特開２０１６－１６９５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところで、半自動ショベルではないショベルを用いて地面を掘削を行う場合、操縦者は掘削深さや地中の土質（主に地盤の硬さ）を考慮し、意図通りにショベルが動作するように操作を行っている。例えば、地面を掘り下げていくような施工であれば、前回の掘削時の操作感から土質を推定し、それに応じて操作量を加減している。
【0009】
しかしながら、特許文献１，２に記載の半自動ショベルでは、作業機（アタッチメント）を制御する際に土質を考慮していないため、同じように作業機を制御した場合でも土質に応じて作業機の動作が変動する。その結果、土質が一定でない地面に対して設計面通りに掘削することが困難となる。
【0010】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、掘削深さや土質の違いに関わらず半自動制御の施工精度を維持することができる作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために、本発明は、ブームとアームとバケットとを有する作業機と、前記作業機の動作を指示する操作装置と、前記操作装置から出力される操作信号に応じて前記作業機の動作を制御する動作指令を出力するコントローラと、設計面を入力する施工目標決定装置と、前記バケットの爪先位置を測定するバケット位置測定装置とを備え、前記コントローラは、前記バケットによる掘り過ぎを防止するために、前記施工目標決定装置に入力された前記設計面と前記バケット位置測定装置から測定された前記バケットの爪先位置との偏差が小さくなるほど前記バケットの動作速度が制限されるように前記バケットの爪先目標位置を演算すると共に、前記作業機に対する動作指令を補正する作業機械において、前記作業機の駆動負荷を計測する負荷計測装置を備え、前記コントローラには、前記バケットによる前回掘削時に前記バケット位置測定装置により測定された前記バケットの爪先位置と前記負荷計測装置により計測された前記駆動負荷とを基に生成されたバケットの爪先位置と地表高さとの関係を示す高さマップおよび、バケットの爪先位置と単位掘削深さあたりの負荷である単位負荷との関係を示す負荷マップを有する土質マップが記憶されており、前記コントローラは、前記バケットの爪先目標位置と前記土質マップの前記高さマップと前記土質マップの前記負荷マップとを基に演算される掘削負荷の推定値である推定負荷が大きくなるに従って、前記作業機の掘削力が増大するように前記動作指令を補正すると共に、前記バケット位置測定装置により測定された前記バケットの爪先位置と前記負荷計測装置により計測された前記駆動負荷とに基づいて前記土質マップの前記高さマップと前記土質マップの前記負荷マップを更新するものとする。
【0012】
以上のように構成した本発明によれば、作業機に対する動作指令とバケット位置測定装置から出力されるバケット爪先位置と負荷計測装置から出力される駆動負荷とを基に土質情報が取得され、バケット爪先位置と土質情報とを基に土質マップが生成され、土質マップとバケット爪先目標位置とを基に掘削負荷の推定値である推定負荷が演算され、推定負荷に応じて前記動作指令が補正される。これにより、半自動制御による動作指令が掘削深さや土質の違いに応じて補正されるため、掘削深さや土質の違いに関わらず半自動制御の施工精度を維持することが可能となる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、半自動制御を搭載した作業機械において、掘削深さや土質の違いに関わらず半自動制御の施工精度を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。
【図6】バケット爪先位置と地表高さと掘削深さとの関係を示す図である。
【図12】本発明の第２の実施例におけるコントローラの機能ブロック図である。
【図14】表示装置の表示画面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施の形態に係る作業機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。
【実施例1】
【0016】
図１は、本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。
【0017】
図１に示すように、油圧ショベル２００は、走行体１と、この走行体１上に旋回装置８を介して旋回可能に搭載された旋回体２と、この旋回体２の前側に上下方向に回動可能に連結されたフロント作業機２１０とを備えている。
【0018】
旋回体２は、基礎下部構造をなす旋回フレーム２ａを有する。旋回フレーム２ａの前側には、フロント作業機２１０が上下方向に回動可能に連結されている。旋回フレーム２ａの後側には、フロント作業機２１０との重量バランスを取るためのカウンタウェイト３が取り付けられている。旋回フレーム２ａの左側前部には、運転室４が設けられている。運転室４内には、フロント作業機２１０および旋回体２を操作するための操作装置としての左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒ（図２に示す）等が配置されている。旋回フレーム２ａ上には、原動機としてのエンジン（図示せず）、エンジンによって駆動される１つまたは複数の油圧ポンプからなるポンプ装置９、旋回装置８を駆動する旋回モータ８ａ、ポンプ装置９から旋回モータ８ａおよび後述するブームシリンダ５ａ、アームシリンダ６ａ、バケットシリンダ７ａを含む複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する複数の方向制御弁からなるコントロールバルブユニット１０等が搭載されている。
【0019】
フロント作業機２１０は、基端部が旋回フレーム２ａの右側前部に上下方向に回動可能に連結されたブーム５と、このブーム５の先端部に上下、前後方向に回動可能に連結され、ブーム５によって昇降されるアーム６と、このアーム６の先端部に上下、前後方向に回動可能に連結され、ブーム５またはアーム６によって昇降される作業具としてのバケット７と、ブーム５を駆動するブームシリンダ５ａと、アーム６を駆動するアームシリンダ６ａと、バケット７を駆動するバケットシリンダ７ａとを備えている。バケット７には、バケット位置測定装置１１が取り付けられている。なお、図１では、バケット位置測定装置１１を直接バケット爪先位置を測るようなものとして図示しているが、旋回体２、ブーム５、アーム６およびバケット７のそれぞれの位置関係からバケット爪先位置を演算するようなものでもよい。
【0020】
図２は、油圧ショベル２００に搭載される油圧制御システムの概略構成図である。
【0021】
図２に示すように、油圧制御システム３００は、コントローラ２０と、施工目標を決定するための施工目標決定装置２１と、コントローラ２０から出力される情報を表示する表示装置２２と、油圧ショベル２００の動作をコントローラ２０に指示するための左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒと、バケット位置測定装置１１と、圧力センサ２４と、油圧装置２３とを備えている。
【0022】
左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒは、操縦者によるレバー操作に応じた操作信号を出力する。圧力センサ２４は、アクチュエータ５ａ，６ａ，７ａの負荷圧を圧力信号（圧力情報）に変換して出力する。
【0023】
コントローラ２０は、左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒからの操作信号と、施工目標決定装置２１からの施工目標情報と、バケット位置測定装置１１からのバケット爪先位置と、圧力センサ２４からの圧力情報とに応じて、油圧装置２３に動作指令を出力する。
【0024】
油圧装置２３は、コントローラ２０からの動作指令に応じて、ブームシリンダ５ａ、アームシリンダ６ａ、バケットシリンダ７ａ等に圧油を供給し、ブーム５、アーム６、バケット７等を駆動する。
【0025】
図３は、コントローラ２０の機能ブロック図である。
【0026】
図３に示すように、コントローラ２０は、動作指令部３０と、半自動制御部３１と、土質取得部３２と、土質マップ更新判断部３３と、土質マップ生成部３４と、負荷推定部３５と、指令補正部３６とを有する。
【0027】
動作指令部３０は、左右の操作レバー装置１５Ｌ，１５Ｒから入力される操作信号（左右のレバー操作量）を基に、アクチュエータ５ａ，６ａ，７ａの目標動作速度を決定し、目標動作速度に応じた動作指令を半自動制御部３１に出力する。
【0028】
半自動制御部３１には、動作指令部３０から動作指令が入力され、バケット位置測定装置１１からバケット爪先位置が入力され、施工目標決定装置２１から施工目標情報が入力される。半自動制御部３１は、バケット７による掘り過ぎを防止するため、施工目標情報に含まれる設計面とバケット爪先位置との偏差が小さくなるほどアクチュエータの目標動作速度が制限されるように、動作指令部３０から入力される動作指令を補正し、土質取得部３２と指令補正部３６とに出力する。また、半自動制御部３１は、施工目標情報に含まれる設計面とバケット爪先位置とを基にバケット爪先目標位置を演算し、負荷推定部３５に出力する。
【0029】
土質取得部３２には、バケット位置測定装置１１からバケット爪先位置が入力され、圧力センサ２４から圧力情報が入力され、半自動制御部３１から動作指令が入力され、後述する土質マップ生成部３４から土質マップが入力される。土質取得部３２は、これらの入力を基にバケット爪先位置における土質情報を取得し、土質マップ生成部３４に出力する。また、土質取得部３２は、バケット位置測定装置１１からバケット爪先位置を土質マップ更新判断部３３および土質マップ生成部３４に出力する。
【0030】
土質マップ更新判断部３３には、土質取得部３２からバケット爪先位置が入力され、土質マップ生成部３４から土質マップが入力される。土質マップ更新判断部３３は、これらの入力を基に土質マップの更新要否を判断し、更新要否を示す更新フラグを土質マップ生成部３４に出力する。
【0031】
土質マップ生成部３４には、土質取得部３２からバケット爪先位置および土質情報が入力され、土質マップ更新判断部３３から更新フラグが入力される。土質マップ生成部３４は、更新フラグがＯＦＦの場合は土質マップを保持し（更新せず）、更新フラグが１の場合はバケット爪先位置における土質情報で土質マップを更新する。土質マップ生成部３４は、土質マップを土質取得部３２と土質マップ更新判断部３３と負荷推定部３５とに出力する。
【0032】
負荷推定部３５は、半自動制御部３１から入力されるバケット爪先目標位置情報と土質マップ生成部３４から入力される土質マップとを基に掘削負荷の推定値（推定負荷）を演算し、指令補正部３６に出力する。
【0033】
指令補正部３６は、半自動制御部３１から入力される動作指令を負荷推定部３５から入力される推定負荷に応じて補正し、油圧装置２３に出力する。
【0034】
図４は、バケット位置測定装置１１から出力されるバケット爪先位置を３次元空間上で表すための座標系を示す図である。
【0035】
図４において、Ｘ方向が車体の前後方向に対応し、Ｙ方向が車体の左右方向に対応し、Ｚ方向が車体の高さ方向に対応する。本実施例では、車体前後左右方向におけるバケット爪先位置をバケット爪先ＸＹ位置と称し、車体高さ方向におけるバケット爪先位置をバケット爪先Ｚ位置と称する。
【0036】
図５は、土質取得部３２の演算ロジックを示す図である。
【0037】
図５において、土質取得部３２は、入力処理部４０と、地表高さ演算部４１と、掘削深さ演算部４２と、掘削深さ補正部４３と、掘削負荷演算部４４と、負荷補正部４５と、単位負荷演算部４６と、出力処理部４７とを有する。
【0038】
入力処理部４０は、土質マップ生成部３４から入力される土質マップから地表高さ情報を抽出し、地表高さ演算部４１に出力する。ここで、地表高さ情報とは、施工対象である地表面の各水平位置に地表高さを対応づけたものである。
【0039】
地表高さ演算部４１は、入力処理部４０から入力される地表高さ情報とバケット爪先情報に含まれるバケット爪先ＸＹ位置とを基にバケット爪先ＸＹ位置における地表高さを演算し、掘削深さ演算部４２に出力する。
【0040】
掘削深さ演算部４２は、地表高さ演算部４１から入力される地表高さからバケット位置測定装置１１から入力されるバケット爪先情報に含まれるバケット爪先Ｚ位置を差し引くことにより掘削深さを演算し、掘削深さ補正部４３に出力する。バケット爪先位置と地表高さと掘削深さとの関係を図６に示す。
【0041】
図５に戻り、掘削深さ補正部４３は、掘削深さ演算部４２から入力される掘削深さが０以下の値とならないように補正し、単位負荷演算部４６に出力する。具体的には、掘削深さ演算部４２から入力される掘削深さが０より僅かに大きく設定された閾値ａを下回った場合に、掘削深さとしてａを出力する。このように掘削深さ補正部４３で補正を行うのは、後述する単位負荷演算部４６の演算結果が発散するのを防ぐためである。
【0042】
掘削負荷演算部４４には、半自動制御部３１から動作指令が入力され、圧力センサ２４から圧力情報が入力される。掘削負荷演算部４４は、動作指令に含まれるブーム動作指令値Ｓｐｂｍと圧力情報に含まれるブーム圧力Ｐｂｍとを基に掘削負荷を演算し、負荷補正部４５に出力する。例えば、ブーム上げ方向（Ｓｐｂｍ＞０）ならば－Ｐｂｍ＋Ｐｂｍｓｅｔ１を掘削負荷として演算し、ブーム上げ方向でないならばＰｂｍ－Ｐｂｍｓｅｔ２を掘削負荷として演算する。ここで、Ｐｂｍｓｅｔ１とＰｂｍｓｅｔ２は固定値であり、例えば、Ｐｂｍｓｅｔ１はブーム５を空中で保持している時のブーム圧力と同程度の値に設定され、Ｐｂｍｓｅｔ２はバケット７を地面に接触させた状態でブーム下げ操作を開始した直後のブーム圧力と同程度の値に設定される（すなわち、Ｐｂｍｓｅｔ２は微小な値であり、Ｐｂｍｓｅｔ１よりもずっと小さい）。
ブーム上げ方向か否かで掘削負荷の演算式を変えているのは、ブーム動作方向によってポンプ装置９から吐出される油がブームシリンダ５ａのボトム側に入流するかロッド側に流入するかが変わり、ブーム５に加わる油の力の方向と大きさが変わるためである。
ブーム上げ方向か否かで掘削負荷の演算式を変えているのは、ブーム動作方向によってポンプ装置９から吐出される油がブームシリンダ５ａのボトム側に入流するかロッド側に流入するかが変わり、ブーム５に加わる油の力の方向と大きさが変わるためである。
【0043】
負荷補正部４５は、掘削負荷演算部４４から入力される掘削負荷が０以上の値となるように補正し、単位負荷演算部４６に出力する。このように負荷補正部４５で補正を行うのは、掘削負荷が負の値になるのを防ぐためである。
【0044】
単位負荷演算部４６は、負荷補正部４５から入力される掘削負荷を掘削深さ補正部４３から入力される掘削深さで割ることにより単位掘削深さ当たりの負荷（単位負荷）を演算し、出力処理部４７に出力する。
【0045】
出力処理部４７は、バケット位置測定装置１１から入力されるバケット爪先位置を土質マップ更新判断部３３および土質マップ生成部３４に出力し、単位負荷演算部４６から入力される単位負荷を土質マップ生成部３４に出力する。
【0046】
このように土質取得部３２を構成することで、掘削深さとブーム５に加わる負荷を基に、単位掘削深さ当たりの掘削負荷（単位負荷）を求めることができる。
【0047】
図７は、土質マップ更新判断部３３の演算ロジックを示す図である。
【0048】
図７において、土質マップ更新判断部３３は、入力処理部５０，５１と、地表高さ演算部５３と、掘削深さ演算部５５と、更新フラグ出力部５７とを有する。
【0049】
入力処理部５０は、土質取得部３２から入力されるバケット爪先位置からバケット爪先ＸＹ位置およびバケット爪先Ｚ位置を抽出し、地表高さ演算部５３および掘削深さ演算部５５にそれぞれ出力する。
【0050】
入力処理部５１は、土質マップ生成部３４から入力される土質マップから地表高さ情報を抽出し、地表高さ演算部５３に出力する。
【0051】
地表高さ演算部５３は、入力処理部５０から入力されるバケット爪先ＸＹ位置と入力処理部５１から入力される地表高さ情報とを基にバケット爪先ＸＹ位置における地表高さを演算し、掘削深さ演算部５５に出力する。
【0052】
掘削深さ演算部５５は、地表高さ演算部５３から入力される地表高さから入力処理部５０から入力されるバケット爪先Ｚ位置を差し引くことにより掘削深さを演算し、更新フラグ出力部５７に出力する。
【0053】
更新フラグ出力部５７は、掘削深さ演算部５５から入力される掘削深さが０よりも大きい（すなわち、バケット爪先位置が地表高さよりも低い）場合に更新フラグの値を１に設定し、そうでない場合に更新フラグの値を０に設定する。更新フラグ出力部５７は、更新フラグを土質マップ生成部３４に出力する。
【0054】
このように土質マップ更新判断部３３を構成することで、バケット爪先Ｚ位置で示されるバケット爪先の高さが土質マップにおける地表高さ（前回掘削時のバケット爪先の高さ）を下回った場合に限り、土質マップの更新を行うという判断がなされる。
【0055】
図８は、土質マップ生成部３４の演算ロジックを示す図である。
【0056】
土質マップ生成部３４は、入力処理部７０と、出力切替部７２と、地表高さ情報格納部７３と、単位負荷情報格納部７４と、高さマップ生成部７５と、負荷マップ生成部７６と、出力処理部７７，７８と、地表高さ演算部７９と、単位負荷演算部８０とを有する。
【0057】
入力処理部７０は、土質取得部３２から入力されるバケット爪先位置（バケット爪先ＸＹ位置、バケット爪先Ｚ位置）および単位負荷を出力切替部７２に出力し、バケット爪先ＸＹ位置を出力処理部７８、地表高さ演算部７９、および単位負荷演算部８０に出力する。
【0058】
以下、土質マップ更新判断部３３から入力される更新フラグの値に応じた動作を説明する。
・更新フラグが１の場合
出力切替部７２は、入力処理部７０から入力されるバケット爪先位置（バケット爪先ＸＹ位置、バケット爪先Ｚ位置）および単位負荷を選択し、地表高さ情報格納部７３および単位負荷情報格納部７４に出力する。
・更新フラグが１の場合
出力切替部７２は、入力処理部７０から入力されるバケット爪先位置（バケット爪先ＸＹ位置、バケット爪先Ｚ位置）および単位負荷を選択し、地表高さ情報格納部７３および単位負荷情報格納部７４に出力する。
【0059】
地表高さ情報格納部７３は、出力切替部７２から入力されるバケット爪先Ｚ位置を、出力切替部７２から入力されるバケット爪先ＸＹ位置における地表高さとして記憶する。
【0060】
単位負荷情報格納部７４は、出力切替部７２から入力される単位負荷を、出力切替部７２から入力されるバケット爪先ＸＹ位置における単位負荷として記憶する。なお、図８において、地表高さ情報格納部７３と単位負荷情報格納部７４は４点記憶するように記載しているが、記憶する点数は適宜変更して構わない。
【0061】
高さマップ生成部７５は、地表高さ情報格納部７３が記憶している情報を基に、バケット爪先ＸＹ位置と地表高さとの関係を示す高さマップを生成し、出力処理部７７に出力する。
【0062】
負荷マップ生成部７６は、単位負荷情報格納部７４が記憶している情報を基に、バケット爪先ＸＹ位置と単位負荷との関係を示す負荷マップを生成し、出力処理部７７に出力する。
【0063】
高さマップ生成部７５および負荷マップ生成部７６におけるマップ生成にあたっては、適当な処理が行われる。例えば、記憶した点と点の間は線形補間がなされ、線形補完ができない区間（施工対象の地表面の外縁の最も近くに位置する点から当該外縁までの区間）は、その外縁の最も近くに位置する点の地表高さと単位負荷が保持される。
【0064】
出力処理部７７は、高さマップ生成部７５で生成された高さマップと負荷マップ生成部７６で生成された負荷マップとを合わせて負荷推定部３５に出力する。
・更新フラグが０の場合
地表高さ演算部７９は、入力処理部７０から入力されるバケット爪先ＸＹ位置と地表高さ情報格納部７３から入力される地表高さ情報とを基に、バケット爪先ＸＹ位置におけるバケット爪先Ｚ位置を演算し、出力処理部７８に出力する。
・更新フラグが０の場合
地表高さ演算部７９は、入力処理部７０から入力されるバケット爪先ＸＹ位置と地表高さ情報格納部７３から入力される地表高さ情報とを基に、バケット爪先ＸＹ位置におけるバケット爪先Ｚ位置を演算し、出力処理部７８に出力する。
【0065】
単位負荷演算部８０は、入力処理部７０から入力されるバケット爪先ＸＹ位置と単位負荷情報格納部７４から入力される単位負荷情報とを基に、バケット爪先ＸＹ位置における単位負荷情報を演算し、出力処理部７８に出力する。
【0066】
出力処理部７８は、地表高さ演算部７９から入力される地表高さと単位負荷演算部８０から入力される単位負荷情報とを合わせて出力切替部７２に出力する。
【0067】
出力切替部７２は、出力処理部７８の出力を選択し、地表高さ情報格納部７３および単位負荷情報格納部７４に出力する。地表高さ情報格納部７３および単位負荷情報格納部７４においては、出力切替部７２から自身が保持している値と同一の値が入力されるので、値の更新は行われない。高さマップ生成部７５と負荷マップ生成部７６においても、地表高さ情報格納部７３と単位負荷情報格納部７４の値が更新されないため、マップの更新は行われない。
【0068】
このように土質マップ生成部３４を構成することで、更新フラグが１（バケット爪先が前回掘削時のバケット爪先より下に位置）の場合は地表高さ情報と単位負荷情報が更新され、更新フラグが０（バケット爪先が前回掘削時のバケット爪先と同じかそれより上に位置）の場合は地表高さ情報と単位負荷情報が更新されずに前回値が保持される。つまり、バケット７で地面を掘り進めている時のみ土質マップが更新され、バケット７の空中移動時などは土質マップは更新されない。
【0069】
図９は、土質マップ生成部３４の演算ロジックの初期状態を示す図である。地表高さ情報格納部７３には、油圧ショベル２００の作業範囲より計算できるバケット最大高さより大きい地表高さが（例えば９９９９）が入力されている。単位負荷情報格納部７４には、単位負荷として０が入力されている。
【0070】
このように構成することで、高さマップ生成部７５と負荷マップ生成部７６が不定となることを防止することができる。また、地表高さ情報格納部７３には、油圧ショベル２００の作業範囲より計算できるバケット最大高さより大きい地表高さが入力されているので、油圧ショベル２００が動作すれば土質マップ更新判断部３３の掘削深さ演算部５５で演算される掘削深さが０より大きくなり、更新フラグ出力部５７から出力される更新フラグが１となる。そして土質マップ生成部３４において、土質取得部３２から入力される土質情報を基にして地表高さ情報格納部７３と単位負荷情報格納部７４の値が更新される。つまり、油圧ショベル２００の動作に応じて土質マップを確実に生成することができる。
【0071】
図１０は、負荷推定部３５の演算ロジックを示す図である。
【0072】
図１０において、負荷推定部３５は、入力処理部９０と、単位負荷演算部９１と、地表高さ演算部９２と、掘削深さ演算部９３と、掘削深さ補正部９４と、負荷演算部９５とを有する。
【0073】
入力処理部９０は、土質マップ生成部３４から入力される土質マップから単位負荷情報および地表高さ情報を抽出し、単位負荷演算部９１および地表高さ演算部９２にそれぞれ出力する。ここで、単位負荷情報とは、施工対象である地表面の各水平位置に単位負荷を対応付けたものである。
【0074】
単位負荷演算部９１は、入力処理部９０から入力される単位負荷情報とバケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標ＸＹ位置とを基にバケット爪先目標ＸＹ位置における単位負荷を演算し、負荷演算部９５に出力する。
【0075】
地表高さ演算部９２は、入力処理部９０から入力される地表高さ情報と半自動制御部３１から入力されるバケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標ＸＹ位置とを基にバケット爪先目標ＸＹ位置における地表高さを演算し、掘削深さ演算部９３に出力する。
【0076】
掘削深さ演算部９３は、地表高さ演算部９２から入力される地表高さからバケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標Ｚ位置を差し引くことにより掘削深さを演算し、掘削深さ補正部９４に出力する。
【0077】
掘削深さ補正部９４は、掘削深さ演算部９３から入力される掘削深さが０以下の値とならないように補正し、負荷演算部９５に出力する。このように掘削深さ補正部９４で補正を行うのは、後述する負荷演算部９５の演算結果が負の値とならないようにするためである。
【0078】
負荷演算部９５は、単位負荷演算部９１から入力される単位負荷と掘削深さ補正部９４から入力される掘削深さとを掛け合わせることにより推定負荷を演算し、指令補正部３６に出力する。
【0079】
このように負荷推定部３５を構成することで、バケット爪先目標位置における掘削負荷を推定することができる。
【0080】
図１１は、指令補正部３６の演算ロジックを示すである。
【0081】
図１１において、指令補正部３６は、ブーム動作指令補正部１００を有する。
【0082】
ブーム動作指令補正部１００は、半自動制御部３１から入力されるブーム動作指令を負荷推定部３５から入力される推定負荷に応じて補正し、油圧装置２３に出力する。ブーム動作指令補正部１００は、推定負荷が大きいほどブーム動作指令をブーム下げ側に補正する。
【0083】
このように指令補正部３６を構成することで、推定負荷に応じてフロント作業機２１０の掘削力が大きくなるように油圧装置２３に対する動作指令を補正することができる。なお、図示は省略するが、アーム動作指令補正部およびバケット指令補正部を更に設け、推定負荷に応じてアーム動作指令およびバケット動作指令をクラウド側に補正しても良い。
【0084】
本実施例では、ブーム５とアーム６とバケット７とを有する作業機２１０と、作業機２１０の動作を指示する操作装置１５Ｌ，１５Ｒと、操作装置１５Ｌ，１５Ｒから出力される操作信号に応じて作業機２１０の動作を制御するコントローラ２０と、施工目標を決定する施工目標決定装置２１と、バケット７の爪先位置を測定するバケット位置測定装置１１とを備え、コントローラ２０は、操作装置１５Ｌ，１５Ｒから出力される操作信号を作業機２１０に対する動作指令に変換し、前記動作指令を施工目標決定装置２１から出力される施工目標に応じて補正する作業機械２００において、作業機２１０の駆動負荷を計測する負荷計測装置２４を備え、コントローラ２０は、施工目標決定装置２１から出力される施工目標とバケット位置測定装置１１から出力されるバケット爪先位置とを基にバケット爪先目標位置を演算し、前記動作指令とバケット位置測定装置１１から出力されるバケット爪先位置と負荷計測装置２４から出力される駆動負荷とを基に土質情報を取得し、前記バケット爪先位置と前記土質情報とを基に土質マップを生成し、前記土質マップと前記バケット爪先目標位置とを基に掘削負荷の推定値である推定負荷を演算し、前記推定負荷に応じて前記動作指令を補正する。
【0085】
以上のように構成した本実施例によれば、作業機２１０に対する動作指令とバケット位置測定装置１１から出力されるバケット爪先位置と負荷計測装置２４から出力される駆動負荷とを基に土質情報が取得され、バケット爪先位置と土質情報とを基に土質マップが生成され、土質マップとバケット爪先目標位置とを基に掘削負荷の推定値である推定負荷が演算され、推定負荷に応じて前記動作指令が補正される。これにより、半自動制御による動作指令が掘削深さや土質の違いに応じて補正されるため、掘削深さや土質の違いに関わらず半自動制御の施工精度を維持することが可能となる。
【0086】
また、本実施例における土質情報には、単位掘削深さ当たりの掘削負荷である単位負荷が含まれ、コントローラ２０は、土質マップに含まれる地表高さ情報とバケット爪先位置に含まれるバケット爪先前後左右位置とを基に、バケット爪先前後左右位置における地表高さを演算し、前記地表高さからバケット爪先位置に含まれるバケット爪先高さを差し引くことにより掘削深さを演算し、作業機２１０に対する動作指令と作業機２１０の駆動負荷とを基に掘削負荷を演算し、前記掘削負荷を前記掘削深さで除算することにより単位負荷を演算する。これにより、掘削動作中に土質情報（単位負荷）を取得することが可能となる。
【0087】
また、コントローラ２０は、土質マップに含まれる地表高さ情報とバケット爪先位置に含まれるバケット爪先前後左右位置とを基に、バケット爪先前後左右位置における地表高さを演算し、バケット爪先位置に含まれるバケット爪先高さが前記地表高さを下回った場合に、前記土質マップを土質情報で更新する。これにより、掘削を行っていない場合に土質マップが更新されてしまうことを防ぐことができる。
【0088】
また、コントローラ２０は、土質マップに含まれる地表高さ情報を構成する地表高さの初期値を作業機２１０の最大到達高さよりも大きい値に設定し、土質マップに含まれる単位高さ情報を構成する単位負荷の初期値をゼロ以下の値に設定する。これにより、掘削作業中に取得した土質情報を地表高さ情報および単位負荷情報に確実に反映させることが可能となる。
【0089】
また、コントローラ２０は、土質マップに含まれる単位負荷情報とバケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標前後左右位置とを基に、バケット爪先目標前後左右位置における単位掘削深さ当たりの掘削負荷である単位負荷を演算し、土質マップに含まれる地表高さ情報とバケット爪先目標前後左右位置とを基に、バケット爪先目標前後左右位置における地表高さを演算し、地表高さからバケット爪先目標位置に含まれるバケット爪先目標高さ（Ｚ位置）を差し引くことにより掘削深さを演算し、単位負荷と掘削深さとを掛け合わせることにより推定負荷を演算する。これにより、掘削深さと土質の違いに応じて掘削負荷を推定することが可能となる。
【0090】
また、コントローラ２０は、推定負荷が大きくなるに従って動作指令に含まれるブーム動作指令をブーム下げ側に補正する。これにより、推定負荷が大きくなるに従って作業機２１０の掘削力が増大させることが可能となる。
【実施例2】
【0091】
本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。
【0092】
図１２は、本実施例におけるコントローラ２０の機能ブロック図である。
【0093】
図１２において、コントローラ２０は、土質マップ表示指令部３７を更に有する。土質マップ表示指令部３７は、土質マップ生成部３４から入力される土質マップとバケット位置測定装置１１から入力されるバケット爪先位置とを基に表示情報を生成し、表示装置２２に出力する。
【0094】
図１３は、土質マップ表示指令部３７の演算ロジックを示す図である。
【0095】
図１３において、土質マップ表示指令部３７は、入力処理部１１０と、高さマップ表示指令部１１１と、負荷マップ表示指令部１１２と、出力処理部１１３とを有する。
【0096】
入力処理部１１０は、土質マップ生成部３４から入力される土質マップから地表高さ情報および単位負荷情報を抽出し、高さマップ表示指令部１１１および負荷マップ表示指令部１１２にそれぞれ出力する。
【0097】
高さマップ表示指令部１１１は、バケット位置測定装置１１から入力されるバケット爪先位置を入力処理部１１０から入力される地表高さ情報に重ね合わせて高さマップ表示情報を生成し、出力処理部１１３に出力する。
【0098】
負荷マップ表示指令部１１２は、バケット位置測定装置１１から入力されるバケット爪先位置に含まれるバケット爪先ＸＹ位置を入力処理部１１０から入力される単位負荷情報に重ね合わせて負荷マップ表示情報を生成し、出力処理部１１３に出力する。
【0099】
出力処理部１１３は、高さマップ表示指令部１１１から入力される地表高さ表示情報と負荷マップ表示指令部１１２から入力される単位負荷表示情報とを合わせた表示情報を表示装置２２に出力する。
【0100】
図１４は、表示装置２２の表示画面の一例を示す図である。
【0101】
図１４において、表示装置２２の表示画面１２０には、土質マップ表示指令部３７から入力される高さマップ表示情報１２１と負荷マップ表示指令部１１２から入力される負荷マップ表示情報１２２とが表示される。なお、図１４に示す例では、高さマップ表示情報１２１と負荷マップ表示情報１２２を分けて表示しているが、高さマップ表示情報１２１と負荷マップ表示情報１２２に色分けを施すなどして、まとめて表示しても良い。
【0102】
本実施例におけるコントローラ２０は、土質マップに含まれる地表高さ情報とバケット爪先位置とを基に高さマップ表示情報１２１を生成し、前記土質マップに含まれる単位負荷情報と前記バケット爪先位置に含まれるバケット爪先前後左右位置とを基に負荷マップ表示情報１２２を生成し、高さマップ表示情報１２１と負荷マップ表示情報１２２とを表示装置２２に出力する。これにより、油圧ショベル２００の操縦者は、表示装置２２の表示画面１２０でバケット爪先位置と地表面との位置関係および土質情報（単位負荷）を確認しながら掘削作業を行うことができる。
【0103】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。
【符号の説明】
【0104】
１…走行体、２…旋回体、２ａ…旋回フレーム、３…カウンタウェイト、４…運転室、５…ブーム、５ａ…ブームシリンダ、６…アーム、６ａ…アームシリンダ、７…バケット、７ａ…バケットシリンダ、８…旋回装置、８ａ…旋回モータ、９…ポンプ装置、１０…コントロールバルブユニット、１１…バケット位置測定装置、１５Ｌ…左操作レバー装置、１５Ｒ…右操作レバー装置、２０…コントローラ、２１…施工目標決定装置、２２…表示装置、２３…油圧装置、２４…圧力センサ（負荷計測装置）、３０…動作指令部、３１…半自動制御部、３２…土質取得部、３３…土質マップ更新判断部、３４…土質マップ生成部、３５…負荷推定部、３６…指令補正部、３７…土質マップ表示指令部、４０…入力処理部、４１…地表高さ演算部、４２…掘削深さ演算部、４３…掘削深さ補正部、４４…掘削負荷演算部、４５…負荷補正部、４６…単位負荷演算部、４７…出力処理部、５０…入力処理部、５１…入力処理部、５３…地表高さ演算部、５５…掘削深さ演算部、５７…更新フラグ出力部、７０…入力処理部、７２…出力切替部、７３…地表高さ情報格納部、７４…単位負荷情報格納部、７５…高さマップ生成部、７６…負荷マップ生成部、７７…出力処理部、７８…出力処理部、７９…地表高さ演算部、８０…単位負荷演算部、９０…入力処理部、９１…単位負荷演算部、９２…地表高さ演算部、９３…掘削深さ演算部、９４…掘削深さ補正部、９５…負荷演算部、１００…ブーム動作指令補正部、１１０…入力処理部、１１１…高さマップ表示指令部、１１２…負荷マップ表示指令部、１１３…出力処理部、１２０…表示画面、１２１…高さマップ表示情報、１２２…負荷マップ表示情報、２００…油圧ショベル（作業機械）、２１０…フロント作業機、３００…油圧制御システム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】