(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】2022-09-29
(45)【発行日】2022-10-07
(54)【発明の名称】作業機械
(51)【国際特許分類】
E02F 3/43 20060101AFI20220930BHJP
E02F 9/20 20060101ALI20220930BHJP
E02F 9/22 20060101ALI20220930BHJP
E02F 9/26 20060101ALI20220930BHJP
【ＦＩ】
E02F3/43 B
E02F9/20 M
E02F9/22 K
E02F9/26 A
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019174611
(22)【出願日】2019-09-25
(65)【公開番号】P2021050541
(43)【公開日】2021-04-01
【審査請求日】2021-11-29
(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】鈴木 悠介
(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】坂本 博史
(72)【発明者】
【氏名】楢▲崎▼ 昭広
【審査官】荒井 良子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－００７１７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－００３２８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１７８１６６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０２Ｆ ３／４３
Ｅ０２Ｆ ９／２０
Ｅ０２Ｆ ９／２２
Ｅ０２Ｆ ９／２６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
走行体及びその上部に取り付けられた旋回体を有する車両本体と，前記旋回体に取り付けられた多関節型の作業装置と，
油圧ポンプから吐出される作動油によって駆動され，前記作業装置を動作させる複数の油圧シリンダと，
オペレータの操作に応じて前記作業装置の動作を指示する操作レバーと，
前記操作レバーが操作されている間，所定の施工目標面上またはその上方に前記作業装置の位置が保持されるように前記作業装置の目標速度ベクトルを演算し，演算した前記目標速度ベクトルに従って前記作業装置が動作するように前記複数の油圧シリンダのうち少なくとも１つの油圧シリンダを制御する領域制限制御を実行し得るコントローラとを備えた作業機械において，
前記コントローラは，車体座標系における前記作業装置の動作速度と重力座標系における前記車両本体の移動速度とを演算し，演算した前記作業装置の動作速度と演算した前記車両本体の移動速度とに基づいて前記領域制限制御の実行中に引き摺りの発生が検出された場合，演算した前記目標速度ベクトルの方向を前記施工目標面から上方へ離れる方向に補正する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項2】
請求項１の作業機械において，前記コントローラは，
前記走行体の動作によって前記車両本体が走行している場合には，前記車両本体の移動速度を零とし，
前記作業装置の動作速度に対する前記車両本体の移動速度の割合である引き摺り割合を演算し，演算した前記引き摺り割合が零でないとき前記引き摺りの発生を検出する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項3】
請求項２の作業機械において，前記コントローラは，前記引き摺り割合に基づいて前記目標速度ベクトルの補正量を演算し，
その演算における前記引き摺り割合と前記目標速度ベクトルの補正量との関係は，前記引き摺り割合の増加とともに前記目標速度ベクトルの補正量が増加する単調増加の関係が成り立つ
ことを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項１の作業機械において，前記コントローラは，前記施工目標面と前記作業装置との距離を演算し，その演算した前記距離に基づいて前記目標速度ベクトルの補正量を演算し，
前記目標速度ベクトルの補正量の演算における前記距離と前記目標速度ベクトルの補正量との関係は，前記距離の増加とともに前記目標速度ベクトルの補正量が増加する単調増加の関係が成り立つ
ことを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項１の作業機械において，前記コントローラは，前記目標速度ベクトルの大きさに基づいて前記目標速度ベクトルの補正量を演算し，
その演算における前記目標速度ベクトルの大きさと前記目標速度ベクトルの補正量との関係は，前記目標速度ベクトルの大きさの増加とともに前記目標速度ベクトルの補正量が増加する単調増加の関係が成り立つ
ことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項１の作業機械において，前記作業装置の姿勢と，前記車両本体の姿勢と，前記施工目標面と前記作業装置との距離とのうち少なくとも１つを表示するモニタをさらに備え，
前記コントローラは，前記目標速度ベクトルが補正されているとき，前記目標速度ベクトルが補正されていることを示す情報を前記モニタに表示する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項7】
請求項１の作業機械において，前記作業装置を構成する複数のフロント部材のそれぞれに取り付けられた複数の慣性計測装置を備え，
前記コントローラは，前記複数の慣性計測装置の出力値に基づいて，前記車体座標系における前記作業装置の動作速度を演算する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項8】
請求項１の作業機械において，特定の場所と前記車両本体との距離変化を計測する測距センサと，前記旋回体に取り付けられた慣性計測装置と，前記車両本体の移動速度を検出する速度センサと，複数の測位衛星からの測位信号を受信して前記車両本体の位置を計測する受信機とのうち少なくとも１つを備え，
前記コントローラは，前記測距センサ，前記慣性計測装置，前記速度センサ及び前記受信機のうち少なくとも１つの出力値に基づいて重力座標系における前記車両本体の移動速度を演算する
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，道路工事，建設工事，土木工事，浚渫工事等に使用される作業機械に関する。
【背景技術】
【0002】
道路工事，建設工事，土木工事，浚渫工事等に使用される作業機械として，動力系により走行する走行体の上部に旋回体を旋回自在に取り付けると共に，旋回体に多関節型のフロント作業装置を上下方向に揺動自在に取り付け，フロント作業装置を構成する各フロント部材をシリンダにて駆動するものが知られている。その一例にブーム，アーム，バケット等から構成されるフロント作業装置を有する油圧ショベルがある。この種の油圧ショベルには，フロント作業装置が稼働可能な領域を施工目標面に関連付けて設けて，オペレータからの操作入力があったときにその領域内でフロント作業装置を半自動的に動作させる，いわゆる領域制限制御（広義にはマシンコントロールや半自動制御と称される）を行う油圧ショベルがある。この種のマシンコントロールには，ブーム操作をしても施工目標面の下方にバケットが侵入しないように施工目標面とバケットの距離に応じてブームの動作速度を制限（減速）し，最終的に施工目標面上でブームが停止するものがある。また，掘削作業中にオペレータがアーム操作を入力すると，それに合わせてブームやバケットが半自動的に動作して，バケットの爪先が施工目標面に沿って移動するものや，その際のバケットの角度が一定に保持されるものがある。
【0003】
ところで油圧ショベルを用いて掘削を行うときに，走行体が滑りやすい路面に設置されていたり，岩などの掘削障害物によって掘削する地面の掘削反力が大きくなっていたりする場合がある。このような場合にフロント作業装置の掘削力が車体のけん引力（最大静止摩擦力）を超えると，作業機械本体（旋回体及び走行体）がフロント作業装置の方向に引き摺れられてしまうことがある（以下，この現象を「引き摺り」と称することがある）。作業機械本体が引き摺られてしまうと走行体の位置を修正する（例えば走行体を元の位置に戻す）ために，オペレータは掘削作業を一旦中止して修正操作をする必要がある。そのため掘削作業の効率が低下してしまう。引き摺られやすい条件で掘削を行うとき，例えばオペレータがバケットの掘削量を少なめに調整することで引き摺りを防止できるが，それには熟練した操作が必要である。
【0004】
これを解決するため，特許文献１および特許文献２には油圧ショベルの姿勢に基づいて掘削反力を推定し，その掘削反力に相当する圧力値を超えないようにアームシリンダの圧力を制御する油圧ショベルの仕組みが開示されている。この技術によれば作業機械本体が引き摺られないようにアームシリンダの圧力が制限され，引き摺りが発生する前にアームシリンダの動作が停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１４－１２２５１１号公報
【文献】特開２０１６－１７３０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ここで，オペレータのアーム操作に対してブームやバケットが自動的に動作することで施工目標面に沿った掘削が行われる領域制限制御を実行可能な油圧ショベルに対して特許文献１及び特許文献２の技術を適用することを考える。この場合，アーム操作に基づく領域制限制御の発動中にアームシリンダの圧力が推定した掘削反力に相当する圧力値に達するとアームシリンダの動作が停止して引き摺り発生が防止される。しかし，その状態ではアーム操作による掘削作業の継続が不可能であるため，オペレータはブーム操作やバケット操作によってフロント作業装置の姿勢を変更することでアームシリンダの圧力が上記の圧力値に達し得る状況から脱する必要がある。ゆえに領域制限制御（マシンコントロール）を実行可能な油圧ショベルに対して特許文献１及び特許文献２の技術を適用すると，マシンコントロールの利点である半自動的な動作が一時中断する可能性があり，オペレータの操作性や作業性が低下するおそれがある。
【0007】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり，その目的は，領域制限制御（マシンコントロール）の実行可能な作業機械において，領域制限制御（マシンコントロール）の発動中にアームシリンダを停止させることなく車両本体の引き摺りの発生を防止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】
【0008】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが，その一例を挙げるならば，走行体及びその上部に取り付けられた旋回体を有する車両本体と，前記旋回体に取り付けられた多関節型の作業装置と，油圧ポンプから吐出される作動油によって駆動され，前記作業装置を動作させる複数の油圧シリンダと，オペレータの操作に応じて前記作業装置の動作を指示する操作レバーと，前記操作レバーが操作されている間，所定の施工目標面上またはその上方に前記作業装置の位置が保持されるように前記作業装置の目標速度ベクトルを演算し，演算した前記目標速度ベクトルに従って前記作業装置が動作するように前記複数の油圧シリンダのうち少なくとも１つの油圧シリンダを制御する領域制限制御を実行し得るコントローラとを備えた作業機械において，前記コントローラは，車体座標系における前記作業装置の動作速度と重力座標系における前記車両本体の移動速度とを演算し，演算した前記作業装置の動作速度と演算した前記車両本体の移動速度とに基づいて前記領域制限制御の実行中に引き摺りの発生が検出された場合，演算した前記目標速度ベクトルの方向を前記施工目標面から上方へ離れる方向に補正することとする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば，領域制限制御（マシンコントロール）の発動中にアームシリンダを停止させることなく車両本体の引き摺りの発生を防止できるため，オペレータの操作性や作業性を大きく損なうことがない。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係る油圧ショベル（作業機械）の側面図である。
【図2】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係るメインコントローラの構成（機能ブロック図）を示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係る油圧ショベルの目標速度ベクトルＶｔの説明図である。
【図5】本発明の実施形態に係る油圧ショベルに発生し得る引き摺りの説明図である。
【図6】本発明の実施形態に係る油圧ショベルの引き摺り速度を油圧ショベルの側面から示す説明図である。
【図7】本発明の実施形態に係る油圧ショベルの引き摺り速度を油圧ショベルの上面から示す説明図である。
【図8】本発明の実施形態に係るフロント作業装置の目標速度ベクトルの補正方法を示す説明図である。
【図9】本発明の実施形態に係るフロント作業装置の比例定数の補正方法を示す説明図である。
【図10】本発明の実施形態に係るモニタの表示画面例を示す図である。
【図11】本発明の実施形態に係るメインコントローラの制御手順を示すフローチャートである。
【図12】本発明の実施形態における，動作速度Ｖｆｘと，引き摺り速度Ｖｕと，引き摺り割合εと，補正量θとの模式的な関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下，本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【0012】
＜対象装置＞
図１に示すように，本実施形態に係る油圧ショベル（作業機械）１は，走行体４及びその上部に取り付けられた旋回体３を有する車両本体５と，複数のフロント部材２０，２１，２２を連結して構成され旋回体３に回動可能に取り付けられた多関節型のフロント作業装置２とを備えている。
図１に示すように，本実施形態に係る油圧ショベル（作業機械）１は，走行体４及びその上部に取り付けられた旋回体３を有する車両本体５と，複数のフロント部材２０，２１，２２を連結して構成され旋回体３に回動可能に取り付けられた多関節型のフロント作業装置２とを備えている。
【0013】
旋回体３は，走行体４に対して左右方向に旋回可能に取り付けられており，旋回油圧モータ（図示せず）によって旋回駆動される。
【0014】
フロント作業装置２は，基端側が旋回体３に回動可能に連結されたブーム２０と，基端側がブーム２０の先端側に回動可能に連結されたアーム２１と，基端側がアーム２１の先端側に回動可能に連結されたバケット２２と，先端側がブーム２０に連結され，基端側が旋回体３に連結されたブームシリンダ２０Ａと，先端側がアーム２１に連結され，基端側が旋回体３に連結されたアームシリンダ２１Ａと，先端側がバケット２２に回動可能に連結された第１リンク部材２２Ｂと，先端側が第１リンク部材２２Ｂの基端側に回動可動に連結された第２リンク部材２２Ｃと，２つのリンク部材２２Ｂ，２２Ｃの連結部とアーム２１との間に掛け渡されたバケットシリンダ２２Ａを備えている。これらの油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａはそれぞれ連結部分を中心に，上下方向に回動可能に構成されている。
【0015】
ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａは，油圧ポンプ３６ｂ（図２参照）から吐出される作動油を給排することによりそれぞれ伸縮可能な構造となっており，伸縮することによりそれぞれブーム２０，アーム２１，バケット２２を回動（動作）させることができる。バケット２２は，グラップル，ブレーカ，リッパ，マグネット等の図示しないアタッチメントに任意に交換可能である。
【0016】
ブーム２０にはブーム２０の姿勢を検出するための慣性計測ユニットセンサ（以下，ＩＭＵセンサと称する）（ブーム）２０Ｓが取り付けられており，アーム２１にはアーム２１の姿勢を検出するためのＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓが取り付けられている。第２リンク部材２２Ｃには，バケット２２の姿勢を検出するためのＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓが取り付けられている。ＩＭＵセンサ（ブーム）２０Ｓ，ＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓ，ＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓは，それぞれ角速度センサと加速度センサから構成されており，各フロント部材２０，２１，２２の傾斜角度，角速度及び加速度の検出が可能である。
【0017】
旋回体３はメインフレーム３１を有する。メインフレーム３１上には，旋回体３の傾斜角度を検出するためのＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓと，オペレータが搭乗する運転室３２と，油圧ショベル１内の複数の油圧アクチュエータの駆動制御を司るメインコントローラ（駆動制御用コントローラ）３４と，エンジン３６ａ及びエンジン３６ａによって駆動される油圧ポンプ３６ｂを有する原動装置３６と，メインコントローラ３４からの信号に応じて油圧ポンプ３６ｂから油圧アクチュエータ（例えば，油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ）に供給される作動油（油圧）の流量及び流通方向を制御する複数の方向切替弁３５ｂを有する油圧制御装置３５と，地上に設定された重力座標系（地理座標系，グローバル座標系等とも言う）における車両本体５の移動速度を検出するための測距センサ（車体状態検出装置）３７とが搭載されている。
【0018】
ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓは，加速度センサと角速度センサから構成されており，旋回体３の水平面に対する傾き（傾斜角）や，角速度及び加速度を検出することができる。
【0019】
運転室３２には，オペレータが操作を入力するための操作入力装置３３と，地形の完成形状を規定する施工目標面データの設定や記憶を行うための目標面管理装置１００と，油圧ショベル１に関する各種情報が表示されるモニタ（表示装置）１１０とが備えられている。
【0020】
操作入力装置３３は，オペレータの操作に応じてフロント作業装置２（ブーム２０，アーム２１，バケット２２）の回動動作と旋回体３の旋回動作を指示するための２本の操作レバー３３ａ（図示は１本にまとめている）と，オペレータの操作に応じて走行体４に係る左右の履帯４５の走行動作を指示するための２本の走行操作レバー３３ｃ（図示は１本にまとめている）と，各操作レバー３３ａ，３３ｃが倒された量（操作量）を検出する複数の操作センサ３３ｂ（図示は１つにまとめている）により構成されている。複数の操作センサ３３ｂは，オペレータが４本操作レバー３３ａ，３３ｃを倒す量を検出することで，オペレータが各フロント部材２０，２１，２２，旋回体３及び走行体４に要求する動作速度を電気信号（操作信号）に変換してメインコントローラ３４に出力する。なお，操作入力装置３３（操作レバー３３ａ,３３ｂ）は，操作量に応じた圧力に調整された作動油を操作信号として出力する油圧パイロット方式によるものでもよい。その場合には，操作センサ３３ｂとして圧力センサを利用して，当該圧力センサで検出した信号をメインコントローラ３４に出力して操作量を検出する。
【0021】
油圧制御装置３５は，メインコントローラ３４から出力される動作指令値（指令電流）に応じた圧力の作動油（パイロット圧）を発生させる複数の電磁制御弁３５ａと，対応する電磁制御弁３５ａから出力される作動油（パイロット圧）によって駆動され，油圧ショベル１に搭載された複数の油圧アクチュエータに供給される作動油の流量と流通方向をそれぞれ制御する複数の方向切替弁３５ｂとから構成される。コントローラ３４から出力される動作指令値は，操作レバー３３ａ，３３ｂに入力されるオペレータ操作を基に生成されるが，後述する領域制限制御が機能している場合には，その条件に従ってオペレータ操作の無い油圧アクチュエータに関する動作指令値も生成され得る。メインコントローラ３４から電磁制御弁３５ａに対して動作指令値を出力すると，それに対応する方向切替弁３５ｂが動作して，当該方向切替弁３５ｂに対応する油圧アクチュエータ（例えば，油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ）が動作する。油圧アクチュエータには，上記に含まれないアタッチメントや機器を駆動するものも含めてもよい。
【0022】
原動装置３６は，エンジン（原動機）３６ａと，エンジン３６ａによって駆動される少なくとも１台の油圧ポンプ３６ｂとから構成され，油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａと，旋回体３及び走行体４を駆動させる３つの油圧モータとを駆動するために必要な圧油（作動油）を供給する。原動装置３６はこの構成に限らず，電動ポンプなどの他の動力源を用いても良い。
【0023】
測距センサ（車体状態検出装置）３７は，地上に設定した任意の位置から車両本体５（旋回体３及び走行体４）までの距離（すなわち，当該任意の位置を基準とした車両本体５の位置）を検出するセンサであり，例えば，ミリ波レーダ，ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging），ステレオカメラ，トータルステーションなどが利用できる。測距センサ３７で検出された距離（位置）はメインコントローラ３４に出力され，メインコントローラ３４は入力された距離（位置）を時間微分することで，地上に設定された重力座標系における車両本体５の移動速度を演算する。車両本体５の移動速度の計測には，上記のように油圧ショベル１の位置データを微分して演算するほかに，ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓで取得された加速度データを積分する方法や，ドップラー速度計などの速度センサを用いて車両本体５の移動速度を直接的に計測する方法を用いても良い。またこれらを組み合わせて車両本体５の移動速度を演算しても良い。
【0024】
走行体４は，トラックフレーム４０と，トラックフレーム４０に取り付けられた左右の履帯４５を備えている。オペレータは２本の走行操作レバー３３ｃを適宜操作することにより，左右の履帯４５を駆動させる左右の走行油圧モータ（油圧アクチュエータ）の回転速度を調整することで油圧ショベル１を走行させることができる。走行体４は，履帯４５を備えたものに限定されることなく，走行輪や脚（アウトリガー）を備えたものであってもよい。
【0025】
＜システム構成＞
図２は本実施形態の油圧ショベル１に搭載された油圧制御システムのシステム構成図である。なお，上記で既に説明した部分については適宜説明を省略することがある。
図２は本実施形態の油圧ショベル１に搭載された油圧制御システムのシステム構成図である。なお，上記で既に説明した部分については適宜説明を省略することがある。
【0026】
この図に示すように，メインコントローラ３４は，目標面管理装置（目標面管理コントローラ）１００と，モニタ１１０と，複数の操作センサ３３ｂと，複数のＩＭＵセンサ３０Ｓ，２０Ｓ，２１Ｓ，２２Ｓと，測距センサ３７と，複数の電磁制御弁３５ａと電気的に接続されており，これらと通信可能に構成されている。
【0027】
目標面管理装置１００は，地形（作業対象物）の完成形状を規定する施工目標面（設計面）の設定や，設定された施工目標面の位置データ（施工目標面データ）の記憶に利用される装置（例えば，コントローラ（目標面管理コントローラ））であり，施工目標面データをメインコントローラ３４に出力する。施工目標面データは施工目標面の３次元形状を規定するデータであり，本実施形態では施工目標面の位置情報や角度情報が含まれている。本実施形態においては，施工目標面の位置は旋回体３（油圧ショベル１）との相対距離情報（すなわち，旋回体３（油圧ショベル１）に設定された座標系（車体座標系）における施工目標面の位置データ），施工目標面の角度は重力方向に対する相対角度情報として定義されているものとするが，位置を地球上での位置座標（すなわち，重力座標系での位置座標），角度を車体との相対角度などとする場合も含め，適当な変換を行ったデータを利用しても良い。
【0028】
なお，目標面管理装置１００は，予め設定した施工目標面データの記憶機能を具備していれば良く，例えば半導体メモリ等の記憶装置にも代替可能である。そのため施工目標面データを例えばメインコントローラ３４内の記憶装置や油圧ショベルに搭載された記憶装置に記憶した場合には省略可能である。
【0029】
モニタ１１０は，油圧ショベル１の姿勢（フロント作業装置２やバケット２２の姿勢も含む）や，施工目標面とバケット２２との距離や位置関係などの情報をオペレータに提供可能な表示装置である。
【0030】
メインコントローラ３４は，油圧ショベル１に関する各種制御を司るコントローラである。本実施形態のメインコントローラ３４が実行可能な特徴的な制御は２つある。
【0031】
まず第１に，メインコントローラ３４は，オペレータによって操作レバー３３ａが操作されている間（例えばアーム操作が入力されている間），フロント作業装置２の動作平面上に規定された所定の施工目標面上またはその上方にフロント作業装置２（例えばバケット２２の爪先）の位置（作業点）が保持されるようにフロント作業装置２の目標速度ベクトル（例えばバケット爪先に生じる速度ベクトルの目標値）を演算し，その演算した目標速度ベクトルに従ってフロント作業装置２が動作するように複数の油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａのうち少なくとも１つの油圧シリンダを制御するため動作指令値を演算及び出力することで領域制限制御を実行できる。すなわちこの領域制限制御において例えば作業点としてバケット２２の爪先を選択してオペレータがアームクラウド操作を入力すれば，他のフロント部材を特に操作しなくてもバケット爪先（バケット先端）が施工目標面に沿って移動するように作業装置２が半自動的に制御されるため，オペレータの技量に依らず施工設計面に沿った掘削が可能となる。本稿では，バケット２２の爪先に作業点を設定した場合を例に挙げて説明を続ける。
【0032】
第２に，メインコントローラ３４は，車体座標系におけるフロント作業装置２の動作速度と重力座標系における車両本体５の移動速度とを演算し，その演算したフロント作業装置２の動作速度と車両本体５の移動速度とに基づいて，領域制限制御（マシンコントロール）の実行中に引き摺りの発生が検出された場合には，領域制限制御（マシンコントロール）のために演算した目標速度ベクトルの方向を施工目標面から上方に向かって離れる方向に補正する処理（引き摺り抑制制御）を実行できる。
【0033】
なお，フロント作業装置２の動作平面とは，各フロント部材２０，２１，２２が動作する平面，すなわち，３つのフロント部材２０，２１，２２の全てに直交する平面であり，そのような平面のうち例えばフロント作業装置２の幅方向の中心（ブーム２０の基端側の回動軸となるブームピンにおける軸方向の中心）を通過する平面が選択できる。
【0034】
＜操作入力装置＞
一般に油圧ショベルでは操作レバー３３ａ，３３ｃが倒された量（傾倒量）が大きくなると，各油圧アクチュエータの動作速度が速くなるように設定されており，オペレータは操作レバー３３ａ，３３ｃを倒す量を変更することにより，各油圧アクチュエータの動作速度を変更して油圧ショベル１を動作させる。
一般に油圧ショベルでは操作レバー３３ａ，３３ｃが倒された量（傾倒量）が大きくなると，各油圧アクチュエータの動作速度が速くなるように設定されており，オペレータは操作レバー３３ａ，３３ｃを倒す量を変更することにより，各油圧アクチュエータの動作速度を変更して油圧ショベル１を動作させる。
【0035】
操作センサ３３ｂには，ブーム２０，アーム２１，バケット２２（ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａ）に対する操作レバー３３ａの操作量（傾倒量）を電気的に検出するセンサが含まれており，操作センサ３３ｂの検出信号に基づいて，オペレータが要求するブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの動作速度をそれぞれ検出することができる。操作センサとしては，操作レバー３３ａ，３３ｃが倒された量を直接検出するものに限らず，操作レバー３３ａ，３３ｃの操作によって出力される作動油の圧力（操作パイロット圧）を検出する方式であってもよい。
【0036】
＜姿勢センサ＞
ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓ，ＩＭＵセンサ（ブーム）２０Ｓ，ＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓ，ＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓは，それぞれ角速度センサと加速度センサを備える。これらのＩＭＵセンサによりそれぞれの設置位置における角速度と加速度データを得ることができる。ブーム２０，アーム２１，バケット２２，ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａ，第１リンク部材２２Ｂ，第２リンク部材２２Ｃ，および旋回体３は，それぞれ回動（旋回）できるように取り付けられているので，各部の寸法と機械的なリンク関係とから，ブーム２０，アーム２１，バケット２２，および旋回体３の車体座標系における姿勢や位置を算出することができる。なお，ここで示した姿勢及び位置の検出方法は一例であり，フロント作業装置２の各部の相対角度を直接計測するものや，ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａのストロークを検出して油圧ショベル１の各部の姿勢及び位置を算出してもよい。
ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓ，ＩＭＵセンサ（ブーム）２０Ｓ，ＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓ，ＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓは，それぞれ角速度センサと加速度センサを備える。これらのＩＭＵセンサによりそれぞれの設置位置における角速度と加速度データを得ることができる。ブーム２０，アーム２１，バケット２２，ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａ，第１リンク部材２２Ｂ，第２リンク部材２２Ｃ，および旋回体３は，それぞれ回動（旋回）できるように取り付けられているので，各部の寸法と機械的なリンク関係とから，ブーム２０，アーム２１，バケット２２，および旋回体３の車体座標系における姿勢や位置を算出することができる。なお，ここで示した姿勢及び位置の検出方法は一例であり，フロント作業装置２の各部の相対角度を直接計測するものや，ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａのストロークを検出して油圧ショベル１の各部の姿勢及び位置を算出してもよい。
【0037】
＜メインコントローラ＞
図３はメインコントローラ３４の構成図である。メインコントローラ３４は，例えば図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と，ＣＰＵによる処理を実行するための各種プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）などの記憶装置と，ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを含むハードウェアを用いて構成されている。このように記憶装置に格納されたプログラムを実行することで，フロント姿勢・速度演算部７１０，傾斜角度演算部７２０，目標速度ベクトル演算部８１０，目標動作速度演算部８２０，動作指令値演算部８３０，引き摺り速度演算部９１０，及び引き摺り割合演算部９２０として機能する。次に各部が行う処理の詳細について説明する。
図３はメインコントローラ３４の構成図である。メインコントローラ３４は，例えば図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と，ＣＰＵによる処理を実行するための各種プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）などの記憶装置と，ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを含むハードウェアを用いて構成されている。このように記憶装置に格納されたプログラムを実行することで，フロント姿勢・速度演算部７１０，傾斜角度演算部７２０，目標速度ベクトル演算部８１０，目標動作速度演算部８２０，動作指令値演算部８３０，引き摺り速度演算部９１０，及び引き摺り割合演算部９２０として機能する。次に各部が行う処理の詳細について説明する。
【0038】
（フロント姿勢・速度演算部７１０）
フロント姿勢・速度演算部７１０は，ＩＭＵセンサ（ブーム）２０Ｓ，ＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓ，ＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓから得られる加速度信号と角速度信号に基づいて，車体座標系におけるブーム２０，アーム２１，バケット２２（フロント作業装置２）の姿勢と，フロント作業装置２の先端（バケット２２の爪先）の車体座標系における動作速度Ｖｆ（図５参照）とをそれぞれ演算する。フロント姿勢・速度演算部７１０は演算した姿勢及び動作速度を，姿勢データ及び動作速度データとして目標速度ベクトル演算部８１０と引き摺り割合演算部９２０に出力する。
フロント姿勢・速度演算部７１０は，ＩＭＵセンサ（ブーム）２０Ｓ，ＩＭＵセンサ（アーム）２１Ｓ，ＩＭＵセンサ（バケット）２２Ｓから得られる加速度信号と角速度信号に基づいて，車体座標系におけるブーム２０，アーム２１，バケット２２（フロント作業装置２）の姿勢と，フロント作業装置２の先端（バケット２２の爪先）の車体座標系における動作速度Ｖｆ（図５参照）とをそれぞれ演算する。フロント姿勢・速度演算部７１０は演算した姿勢及び動作速度を，姿勢データ及び動作速度データとして目標速度ベクトル演算部８１０と引き摺り割合演算部９２０に出力する。
【0039】
（傾斜角度演算部７２０）
傾斜角度演算部７２０は，ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓが出力する信号に基づいて所定の面（例えば水平面）に対する旋回体３の傾斜角度を演算し，その演算結果を傾斜角度データとして引き摺り速度演算部９１０に出力する。
傾斜角度演算部７２０は，ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓが出力する信号に基づいて所定の面（例えば水平面）に対する旋回体３の傾斜角度を演算し，その演算結果を傾斜角度データとして引き摺り速度演算部９１０に出力する。
【0040】
（目標速度ベクトル演算部８１０）
目標速度ベクトル演算部８１０は，フロント姿勢・速度演算部７１０から入力される姿勢データと，予め記憶された各フロント部材２０，２１，２２の寸法データと，操作センサ３３ｂから入力される操作量データと，目標面管理装置１００から入力される施工目標面データ（施工目標面の位置データ）とに基づいて，フロント作業装置２に設定した任意の点（この点を「作業点」と称することがある。本実施形態ではバケット２２の爪先に作業点を設定する）の移動範囲が施工目標面上または施工目標面の上方に保持されるように，作業点（バケット爪先）に発生すべき目標速度ベクトルＶｔ（図４参照）を演算し，それを目標速度ベクトルデータとして目標速度ベクトル補正部９３０に出力する。
目標速度ベクトル演算部８１０は，フロント姿勢・速度演算部７１０から入力される姿勢データと，予め記憶された各フロント部材２０，２１，２２の寸法データと，操作センサ３３ｂから入力される操作量データと，目標面管理装置１００から入力される施工目標面データ（施工目標面の位置データ）とに基づいて，フロント作業装置２に設定した任意の点（この点を「作業点」と称することがある。本実施形態ではバケット２２の爪先に作業点を設定する）の移動範囲が施工目標面上または施工目標面の上方に保持されるように，作業点（バケット爪先）に発生すべき目標速度ベクトルＶｔ（図４参照）を演算し，それを目標速度ベクトルデータとして目標速度ベクトル補正部９３０に出力する。
【0041】
目標速度ベクトル演算部８１０による目標速度ベクトルＶｔの演算方法の具体例として，アーム操作量に基づいて目標速度ベクトルＶｔの施工目標面に沿う方向の成分を定め，バケット爪先（作業点）と施工目標面の距離（目標面距離）に基づいて当該目標速度ベクトルの施工目標面に垂直な方向の成分を定める方法がある。これと異なる方法としては，アーム２１が操作量通りに動作しつつ，バケット爪先の施工目標面に垂直な方向の速度がバケット爪先と施工目標面の距離（目標面距離）に基づいた値となるような目標速度ベクトルＶｔを定める方法がある。
【0042】
ここでは前者の方法の一例について図４を用いて詳細に説明する。まず，（１）操作量データに含まれるアーム操作量に基づいてアーム動作によってバケット爪先（作業点）に生じる速度ベクトルを演算し，その演算した速度ベクトルにおいて施工目標面に沿う方向の成分を，目標速度ベクトルにおいて施工目標面に沿う方向の速度成分（水平成分Ｖｔｘ）とする。（２）姿勢データと施工目標面データに基づいてバケット爪先と施工目標面の距離（目標面距離Ｄ）を演算し，その目標面距離Ｄに基づいて，当該目標速度ベクトルにおいて施工目標面に垂直な方向の速度成分（垂直成分Ｖｔｙ）を算出する。ただし，目標面距離Ｄと垂直成分Ｖｔｙの関係は予め定めておく。具体的には，目標面距離Ｄが零のとき垂直成分Ｖｔｙも零で，目標面距離Ｄが零から増加すると垂直成分Ｖｔｙ（当該成分は施工目標面を基準として下向きの方向を有するものとする）の大きさも単調に増加するような関係を設定しておく。（３）上記（１）および（２）で演算した２つの速度成分Ｖｔｘ，Ｖｔｙを加算して目標速度ベクトルＶｔとする。この場合，オペレータのアーム２１に対する操作量が大きいと目標速度ベクトルＶｔは大きくなり，目標面距離Ｄが小さいと目標速度ベクトルＶｔは施工目標面に対して平行な向き（水平成分）のみとなる。このように目標速度ベクトルＶｔを演算すると，バケット爪先の移動範囲が施工目標面上または施工目標面の上方に保持される。特にバケット爪先が施工目標面上に位置する場合（目標面距離が零の場合）には垂直成分が零に保持されて水平成分のみとなるので，例えばアーム２１を操作するだけでバケット爪先を施工目標面に沿って移動させることができる。
【0043】
なお，目標速度ベクトル補正部９３０が後述する図９のように目標速度ベクトル（比例定数Ｋ）の補正に目標速度ベクトル演算部８１０が演算した目標面距離を利用する場合には，目標速度ベクトル演算部８１０がそのデータ（目標面距離データ）を目標速度ベクトル補正部９３０に出力するようにしても良い。
【0044】
（引き摺り速度演算部９１０）
引き摺り速度演算部９１０は，測距センサ３７（車両状態検出装置）から取得したデータ（距離データ）に基づいて，引き摺りが発生した場合に車両本体５（旋回体３および走行体４）がフロント作業装置２に向かって移動する際の重力座標系における車両本体５の移動速度（引き摺り速度）Ｖｕを演算する。なお，旋回体３は走行体４に対して左右方向のみに旋回可能なように取り付けられているため，旋回体３と走行体４の引き摺り速度は一致する。
引き摺り速度演算部９１０は，測距センサ３７（車両状態検出装置）から取得したデータ（距離データ）に基づいて，引き摺りが発生した場合に車両本体５（旋回体３および走行体４）がフロント作業装置２に向かって移動する際の重力座標系における車両本体５の移動速度（引き摺り速度）Ｖｕを演算する。なお，旋回体３は走行体４に対して左右方向のみに旋回可能なように取り付けられているため，旋回体３と走行体４の引き摺り速度は一致する。
【0045】
車体状態検出装置として測距センサ３７を利用した場合，油圧ショベル１の周辺の特定の地点に対する旋回体３の相対位置（すなわち距離）を定期的に測定し，その測定結果を時間微分することによって車両本体５の移動速度Ｖｕを演算できる。この他に，ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓの加速度情報を積分して移動速度Ｖｕを演算する方法や，ドップラー速度計などの速度センサを用いて旋回体３の移動速度Ｖｕを直接計測する方法や，複数の測位衛星からの測位信号を旋回体３に設置したアンテナで受信して当該測位信号に基づいて車両本体５（旋回体３）の位置を計測する受信機（例えば全球測位衛星システム受信機）の測位結果を時間微分して移動速度Ｖｕを演算する方法を用いても良い。またこれらを組み合わせてより正確に旋回体３および走行体４の移動速度Ｖｕを推定しても良い。
【0046】
（引き摺り速度の演算方法）
図５－７を用いて引き摺り速度について説明する。図５に示すようにフロント作業装置２を駆動して掘削を行うと，地面からの掘削反力によって旋回体３がフロント作業装置２の方向に引き摺られることがある。旋回体３がフロント作業装置２の方向に移動する速度成分（旋回体３の前後方向に沿った速度成分）を，測距センサ３７の検出値を用いることで引き摺り速度Ｖｕとして演算する。ここで言う引き摺り速度Ｖｕとは，図７に示すように油圧ショベル１を上方（上面）からみたときに旋回体中心軸Ｓｃがフロント作業装置２に向かう速度成分であり，図６に示すように油圧ショベル１を側方（側面）からみたときに走行体４が載っている地面（平面）と平行に旋回体３がフロント作業装置２に向かう速度成分を示す。
図５－７を用いて引き摺り速度について説明する。図５に示すようにフロント作業装置２を駆動して掘削を行うと，地面からの掘削反力によって旋回体３がフロント作業装置２の方向に引き摺られることがある。旋回体３がフロント作業装置２の方向に移動する速度成分（旋回体３の前後方向に沿った速度成分）を，測距センサ３７の検出値を用いることで引き摺り速度Ｖｕとして演算する。ここで言う引き摺り速度Ｖｕとは，図７に示すように油圧ショベル１を上方（上面）からみたときに旋回体中心軸Ｓｃがフロント作業装置２に向かう速度成分であり，図６に示すように油圧ショベル１を側方（側面）からみたときに走行体４が載っている地面（平面）と平行に旋回体３がフロント作業装置２に向かう速度成分を示す。
【0047】
ただし，走行体４の駆動によって油圧ショベル１が自走している場合は，引き摺り速度演算部９１０は，引き摺りが発生しないので引き摺り速度Ｖｕを零とする。走行体４により自走しているか否かは，例えば，走行操作レバー３３ｃに対する操作入力の有無（すなわち操作センサ３３ｂの出力信号）から判定できる。
【0048】
なお，走行体４が載っている地面が水平面に対して傾斜している場合には，引き摺り速度演算部９１０は，ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓの出力信号から演算した傾斜角度データを入力し，その傾斜角度を考慮して引き摺り速度Ｖｕを演算する。具体的には，測距センサ３７を利用して演算した重力座標系における旋回体３の移動速度から，その移動速度における車体座標系の前後方向（Ｘ軸）と平行な速度成分を傾斜角度を利用して演算し，それを引き摺り速度Ｖｕとする。
【0049】
（引き摺り割合演算部９２０）
引き摺り割合演算部９２０は，フロント姿勢・速度演算部７１０から出力される動作速度データと，引き摺り速度演算部９１０から出力される引き摺り速度データとに基づいて，フロント作業装置２の先端（バケット爪先）の動作速度に対する車両本体５の移動速度（引き摺り速度）の割合を引き摺り割合εとして演算し，演算した引き摺り割合εを引き摺り割合データとして目標速度ベクトル補正部９３０とモニタ１１０に出力する。
引き摺り割合演算部９２０は，フロント姿勢・速度演算部７１０から出力される動作速度データと，引き摺り速度演算部９１０から出力される引き摺り速度データとに基づいて，フロント作業装置２の先端（バケット爪先）の動作速度に対する車両本体５の移動速度（引き摺り速度）の割合を引き摺り割合εとして演算し，演算した引き摺り割合εを引き摺り割合データとして目標速度ベクトル補正部９３０とモニタ１１０に出力する。
【0050】
ただし，引き摺り割合εの算出に際し，フロント作業装置２の先端の動作速度と，車両本体５の移動速度（引き摺り速度）とは同じ方向に揃えることが好ましい。詳細は後述するが，本実施形態では図６及び図７に示すように旋回体中心軸に直交し旋回体３の前後方向に延びる直線の方向（車体座標系におけるＸ軸方向）に両速度（フロント作業装置２の先端の動作速度と車両本体５の移動速度）を揃えており，フロント作業装置２の先端の動作速度Ｖｆにおける水平成分Ｖｆｘを利用して引き摺り割合εを算出している。
【0051】
（引き摺り割合の演算方法）
図６及び図７に示すようにフロント作業装置２の先端（バケット爪先）の動作速度Ｖｆに関して，旋回体３の旋回中心軸に向かう速度成分（水平成分）をＶｆｘとすると，引き摺り割合εはＶｆｘとＶｕを利用して下記の式（１）で示される。
図６及び図７に示すようにフロント作業装置２の先端（バケット爪先）の動作速度Ｖｆに関して，旋回体３の旋回中心軸に向かう速度成分（水平成分）をＶｆｘとすると，引き摺り割合εはＶｆｘとＶｕを利用して下記の式（１）で示される。
【0052】
【数1】
【0053】
引き摺り割合εが零のとき（すなわち，引き摺り速度Ｖｕが零のとき）は引き摺りが発生しておらず，バケット２２による掘削ができている状況を示す。一方，引き摺り割合εが零でないとき（零より大きいとき）は引き摺りが発生している状況を示す。ただし，引き摺り割合εが１のときは油圧ショベル１が完全に引き摺られ，バケット２２による掘削ができていない状況を示す。なお，ＶｆｘとＶｕは図６及び図７に示すよう正負が異なり，引き摺り割合εを零以上の値にしたいため，式（１）ではＶｆｘとＶｕの比にマイナスを付している。
【0054】
（目標速度ベクトル補正部９３０）
目標速度ベクトル補正部９３０は，引き摺り割合演算部９２０から出力される引き摺り割合データと，目標速度ベクトル演算部８１０から出力される目標速度ベクトルデータとに基づいて，引き摺り割合εに応じて目標速度ベクトルを補正し，補正後の目標速度ベクトルを演算する。目標速度ベクトル補正部９３０は，目標速度ベクトルの方向を施工目標面から上方へ離れる方向に補正することで補正後の目標速度ベクトルを演算し，演算した補正後の目標速度ベクトルデータを目標動作速度演算部８２０に出力する。続いて目標速度ベクトルの補正方法の詳細について説明する。
目標速度ベクトル補正部９３０は，引き摺り割合演算部９２０から出力される引き摺り割合データと，目標速度ベクトル演算部８１０から出力される目標速度ベクトルデータとに基づいて，引き摺り割合εに応じて目標速度ベクトルを補正し，補正後の目標速度ベクトルを演算する。目標速度ベクトル補正部９３０は，目標速度ベクトルの方向を施工目標面から上方へ離れる方向に補正することで補正後の目標速度ベクトルを演算し，演算した補正後の目標速度ベクトルデータを目標動作速度演算部８２０に出力する。続いて目標速度ベクトルの補正方法の詳細について説明する。
【0055】
（目標速度ベクトルの補正方法）
既述の通り，油圧ショベル１の引き摺りは，走行体４のけん引力より引き摺られる方向の掘削反力が大きくなっていることによって発生する。そこで本実施形態では引き摺りが発生し難くなるように，フロント作業装置２の掘削反力が小さくなるように目標速度ベクトルを補正する。
既述の通り，油圧ショベル１の引き摺りは，走行体４のけん引力より引き摺られる方向の掘削反力が大きくなっていることによって発生する。そこで本実施形態では引き摺りが発生し難くなるように，フロント作業装置２の掘削反力が小さくなるように目標速度ベクトルを補正する。
【0056】
本実施形態では，目標速度ベクトル演算部８１０で演算した目標速度ベクトルを引き摺り割合εの大きさに応じて回転させることで目標速度ベクトルを補正する。ここで，目標速度ベクトルを[Ｘ Ｚ]Tとすると（右上の添え字（上付き文字）のＴは転置行列を示す），補正後の目標速度ベクトル[Ｘ’ Ｚ’]Tは，下記の式（２）で示される。
【0057】
【数2】
【0058】
ただし，θは，補正による目標速度ベクトルの回転角度（補正量）を表し，比例定数Ｋを用いて下記の式（３）によって定義される。
【0059】
【数3】
【0060】
すなわち，目標速度ベクトル演算部８１０は引き摺り割合εに基づいて目標速度ベクトルの回転角度（補正量）を演算しており，上記式（３）が規定する引き摺り割合εと目標速度ベクトルの補正量（回転角度θ）との関係は，引き摺り割合εの増加とともに回転角度θが増加する単調増加の関係となっている。なお，この単調増加の関係には，引き摺り割合εが増加しても回転角度θが減少せず所定の値を保持する単調非減少の区間が含まれても良い。
【0061】
比例定数Ｋは，実験等によって予め定めておいても良いし，油圧ショベル１の作業環境に応じてオペレータが設定できるようにしても良い。
【0062】
（目標速度ベクトルの補正例）
図８を用いて目標速度ベクトルの補正例を説明する。引き摺り割合εが零のときは引き摺りが発生していないので，式（３）より回転角度θは零となり図８（ａ）のように目標速度ベクトルを補正しない。
図８を用いて目標速度ベクトルの補正例を説明する。引き摺り割合εが零のときは引き摺りが発生していないので，式（３）より回転角度θは零となり図８（ａ）のように目標速度ベクトルを補正しない。
【0063】
引き摺り割合εが零でないときは引き摺りが発生しているので，式（３）と引き摺り割合εから演算される回転角度θに基づいて，図８（ｂ）のように目標速度ベクトルを補正する。すなわち，バケット爪先を中心にして目標速度ベクトルを施工目標面から上方へ向かって離れる方向にθだけ回転し，その回転後のベクトルを補正後の目標速度ベクトルとする。
【0064】
【0065】
なお，図８（ｂ）及び図８（ｃ）の例ではいずれの場合も，補正後の目標速度ベクトルにおいて施工目標面に垂直なＺ軸方向の成分（垂直成分）が上向きになるように回転角度θを加えている。すなわち，補正前の目標速度ベクトルＶｔの垂直成分は下向きであるが，これが補正により上向きに変更されている。このように目標速度ベクトルＶｔを補正すると，引き摺りを発生させるような掘削反力を受けることが無くなるので，引き摺りの発生を速やかに解消できる。
【0066】
（比例定数Ｋの補正）
ところで，バケット２２と施工目標面の距離（目標面距離）が比較的近いときや，目標速度ベクトルの大きさが比較的小さいとき（すなわち操作レバー３３ａの操作量が比較的小さいとき）には，掘削面の形状を施工目標面の形状に近づける仕上げ作業が行われる可能性が高いので，掘削面上の凹凸を小さくして掘削面の表面を滑らかに仕上げる領域制限制御がされることが好ましい。そこで，目標面距離や目標速度ベクトルの大きさに応じて，式（３）における比例定数Ｋを変化させてもよい。
ところで，バケット２２と施工目標面の距離（目標面距離）が比較的近いときや，目標速度ベクトルの大きさが比較的小さいとき（すなわち操作レバー３３ａの操作量が比較的小さいとき）には，掘削面の形状を施工目標面の形状に近づける仕上げ作業が行われる可能性が高いので，掘削面上の凹凸を小さくして掘削面の表面を滑らかに仕上げる領域制限制御がされることが好ましい。そこで，目標面距離や目標速度ベクトルの大きさに応じて，式（３）における比例定数Ｋを変化させてもよい。
【0067】
図９は目標面距離や目標速度ベクトルの大きさに応じた比例定数Ｋの変化の例を示す図である。図９（ａ）では，目標速度ベクトル演算部８１０は，目標面距離に基づいて比例定数Ｋ（換言すると目標速度ベクトルの補正量（回転角度θ））を演算しており，図９（ａ）の関数が規定する目標面距離と比例定数Ｋ（すなわち回転角度θ）との関係は，目標面距離の増加とともに比例定数Ｋ（すなわち回転角度θ）が増加する単調増加の関係となっている。なお，この単調増加の関係には，図９（ａ）に示すように，目標面距離が増加しても比例定数Ｋ（回転角度θ）が減少せず所定の値を保持する単調非減少の区間が含まれても良い。
【0068】
図９（ｂ）では，目標速度ベクトル演算部８１０は，目標速度ベクトルの大きさ（スカラー）に基づいて比例定数Ｋ（換言すると目標速度ベクトルの補正量（回転角度θ））を演算しており，図９（ｂ）の関数が規定する目標速度ベクトルの大きさと比例定数Ｋ（すなわち回転角度θ）との関係は，目標速度ベクトルの大きさの増加とともに比例定数Ｋ（すなわち回転角度θ）が増加する単調増加の関係となっている。なお，この単調増加の関係には，図９（ｂ）に示すように，目標速度ベクトルの大きさが増加しても比例定数Ｋ（回転角度θ）が減少せず所定の値を保持する単調非減少の区間が含まれても良い。
【0069】
（目標動作速度演算部８２０）
目標動作速度演算部８２０は，寸法データと，姿勢データと，目標速度データとに基づいて，作業点（バケット爪先）の速度である目標速度を，バケット爪先に目標速度を生じさせるのに必要なブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度（目標アクチュエータ速度）を運動学的な演算により算出する。目標動作速度演算部８２０は，算出した目標動作速度を目標動作速度データとして動作指令値演算部８３０に出力する。なお，ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度は，それぞれ，ブーム速度，アーム速度，バケット速度とも称することがある。
目標動作速度演算部８２０は，寸法データと，姿勢データと，目標速度データとに基づいて，作業点（バケット爪先）の速度である目標速度を，バケット爪先に目標速度を生じさせるのに必要なブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度（目標アクチュエータ速度）を運動学的な演算により算出する。目標動作速度演算部８２０は，算出した目標動作速度を目標動作速度データとして動作指令値演算部８３０に出力する。なお，ブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度は，それぞれ，ブーム速度，アーム速度，バケット速度とも称することがある。
【0070】
（動作指令値演算部８３０）
動作指令値演算部８３０は，目標動作速度演算部８２０で演算されたブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度に従って，各電磁制御弁３５ａの駆動に必要な動作指令値を生成し，生成した動作指令値を対応する電磁制御弁３５ａに出力することで，対応する方向切替弁（コントロールバルブ）３５ｂを駆動する。
動作指令値演算部８３０は，目標動作速度演算部８２０で演算されたブームシリンダ２０Ａ，アームシリンダ２１Ａ，バケットシリンダ２２Ａの目標動作速度に従って，各電磁制御弁３５ａの駆動に必要な動作指令値を生成し，生成した動作指令値を対応する電磁制御弁３５ａに出力することで，対応する方向切替弁（コントロールバルブ）３５ｂを駆動する。
【0071】
＜モニタ＞
モニタ１１０は，油圧ショベル１の姿勢（すなわちフロント作業装置２や車両本体５の姿勢），施工目標面とバケット２２の距離（目標面距離），現在のマシンコントロールの発動状態（引き摺り抑制制御の実行の有無）などを表示することが可能な表示装置である。
モニタ１１０は，油圧ショベル１の姿勢（すなわちフロント作業装置２や車両本体５の姿勢），施工目標面とバケット２２の距離（目標面距離），現在のマシンコントロールの発動状態（引き摺り抑制制御の実行の有無）などを表示することが可能な表示装置である。
【0072】
（表示画像）
本実施形態におけるモニタ１１０では，車両本体５の引き摺りの発生が無い場合は図１０（ａ）のように油圧ショベル１を模した画像と施工目標面が表示される。なお，この画面には目標面距離を数値で表示しても良い。
本実施形態におけるモニタ１１０では，車両本体５の引き摺りの発生が無い場合は図１０（ａ）のように油圧ショベル１を模した画像と施工目標面が表示される。なお，この画面には目標面距離を数値で表示しても良い。
【0073】
その一方で，領域制限制御を利用して掘削作業を行っている間に，目標速度ベクトルを補正（回転）することで引き摺りの発生を抑制する制御（引き摺り抑制制御）が発動しているときには，図１０（ｂ）のように文字（「引き摺り抑制中」）や図形を用いて，目標速度ベクトルが補正されて領域制限制御とは異なる制御がされていることをモニタ１１０に表示することができる。この表示を見たオペレータは，フロント作業装置２に対して領域制限制御に優先して引き摺り抑制制御がなされていることを認識でき，フロント作業装置２の動作が自身の認識と異なることに起因して生じる違和感の程度を軽減できる。
【0074】
＜メインコントローラの制御手順＞
図１１は，図３でメインコントローラ３４内に示した各部による演算の流れを説明したメインコントローラ３４が実行する処理のフローチャートである。以下では、図３に示したメインコントローラ３４内の各部を主語として各処理（ステップＳ１１０－Ｓ２１０）を説明する場合があるが、各処理を実行するハードウェアはメインコントローラ３４である。また，各部の処理の詳細な説明は各部の説明箇所に記載されていることがある。
図１１は，図３でメインコントローラ３４内に示した各部による演算の流れを説明したメインコントローラ３４が実行する処理のフローチャートである。以下では、図３に示したメインコントローラ３４内の各部を主語として各処理（ステップＳ１１０－Ｓ２１０）を説明する場合があるが、各処理を実行するハードウェアはメインコントローラ３４である。また，各部の処理の詳細な説明は各部の説明箇所に記載されていることがある。
【0075】
ステップＳ１１０では，フロント姿勢・速度演算部７１０は，車体座標系におけるブーム２０，アーム２１，バケット２２の姿勢（フロント姿勢）と，フロント作業装置２の先端（バケット２２の爪先）の車体座標系における動作速度Ｖｆ（図５参照）とをそれぞれ演算する。
【0076】
ステップＳ１２０では，目標速度ベクトル演算部８１０は，姿勢データと，寸法データと，操作量データと，施工目標面データとに基づいて，フロント作業装置２に設定した作業点（本実施形態ではバケット２２の爪先）の移動範囲が施工目標面上または施工目標面の上方に保持されるように，作業点（バケット爪先）に発生すべき目標速度ベクトルＶｔ（図４参照）を演算する。
【0077】
ステップＳ１３０では，引き摺り速度演算部９１０は，走行体４を自走させる操作（走行操作）が操作レバー３３ｃに入力されていないかを操作センサ３３ｂからの出力信号に基づいて判定する。ここで走行操作が入力されていないと判定された場合（走行体４の自走が無い場合）には，ステップＳ１４０に進む。一方，走行操作がされていると判定された場合には，引き摺り速度Ｖｕを零と算出して，ステップＳ２００に進む。
【0078】
ステップＳ１４０では，傾斜角度演算部７２０は，ＩＭＵセンサ（旋回体）３０Ｓの出力信号に基づいて車両本体５（旋回体３及び走行体４）の傾斜角度を演算する。
【0079】
ステップＳ１５０では，引き摺り速度演算部９１０は，測距センサ３７から取得したデータ（距離データ）とステップＳ１４０で演算した車両本体５の傾斜角度とに基づいて，引き摺り発生時に車両本体５がフロント作業装置２の動作に引き摺られてフロント作業装置２に向かって移動する速度（引き摺り速度）Ｖｕを演算する。
【0080】
ステップＳ１６０では，引き摺り割合演算部９２０は，ステップＳ１１０で演算した動作速度Ｖｆと，ステップＳ１５０で演算した引き摺り速度Ｖｕとに基づいて，フロント作業装置２の先端（バケット爪先）の動作速度の水平成分（Ｖｆｘ）に対する車両本体５の移動速度（引き摺り速度）Ｖｕの割合である引き摺り割合εを演算する。
【0081】
ステップＳ１７０では，引き摺り割合演算部９２０は，ステップＳ１６０で演算した引き摺り割合εの値から引き摺りが発生しているか否かを判定する。ここで引き摺り割合εが零より大きく，引き摺りが発生していると判定された場合にはステップＳ１８０に進む。一方，引き摺り割合εが零で引き摺りが発生していないと判定された場合にはステップＳ２００に進む。
【0082】
ステップＳ１８０（引き摺り有りの場合）では，目標速度ベクトル補正部９３０は，ステップＳ１６０で演算した引き摺り割合εと上記の式（３）を用いて，目標速度ベクトルＶｔの補正量θを演算する。その際，上記で説明したように目標面距離や目標速度ベクトルＶｔの大きさに応じて，式（３）中の比例定数Ｋを補正しても良い。
【0083】
ステップＳ１９０では，メインコントローラ３４は，引き摺り発生抑制制御が実行されることをモニタ１１０に表示することで，目標速度ベクトルが補正されることをオペレータに報知する。
【0084】
ステップＳ２００では，目標動作速度演算部８２０は，引き摺りの発生が無いと判定された場合にはステップＳ１２０で演算された目標速度ベクトルに，引き摺りの発生があると判定された場合にはステップＳ１８０で補正された目標速度ベクトルに従って，フロント作業装置２の各油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａを駆動する目標動作速度を演算する。
【0085】
ステップＳ２１０では，ステップＳ２００で演算した目標動作速度に従って動作指令値を演算し，その動作指令値を対応する電磁制御弁３５ａに出力する。これにより目標速度ベクトルに従ってフロント作業装置２が半自動的に動作し，領域制限制御か引き摺り抑制制御が実行される。
【0086】
＜効果＞
（１）上記のように構成された本実施形態に係る油圧ショベル１では，オペレータのアーム操作に基づく領域制限制御の実行中に引き摺りが発生した場合に，メインコントローラ３４が領域制限制御のための目標速度ベクトルＶｔの方向を施工目標面から上方に向かって離れる方向に補正する（例えば，図８に示すように，補正後の目標速度ベクトルにおける施工目標面に垂直な速度成分の向きが少なくとも上向きになるまで目標速度ベクトルを回転させる）。これにより掘削反力の大きさが目標速度ベクトルを補正する前に比して低減するため，引き摺りの発生を防止できる。その際，補正後の目標速度ベクトルにおける施工目標面に平行な速度成分の大きさは補正前の同速度成分の大きさから変化する可能性があるものの，施工目標面に平行な速度成分は残存するためアームシリンダ２１Ａの動作（例えば掘削動作）は継続できる。すなわち本実施形態によれば領域制限制御の発動中にアームシリンダ２１Ａを停止させることなく車両本体５の引き摺り発生を防止できるため，オペレータの操作性や作業性が低下することを抑制できる。
（１）上記のように構成された本実施形態に係る油圧ショベル１では，オペレータのアーム操作に基づく領域制限制御の実行中に引き摺りが発生した場合に，メインコントローラ３４が領域制限制御のための目標速度ベクトルＶｔの方向を施工目標面から上方に向かって離れる方向に補正する（例えば，図８に示すように，補正後の目標速度ベクトルにおける施工目標面に垂直な速度成分の向きが少なくとも上向きになるまで目標速度ベクトルを回転させる）。これにより掘削反力の大きさが目標速度ベクトルを補正する前に比して低減するため，引き摺りの発生を防止できる。その際，補正後の目標速度ベクトルにおける施工目標面に平行な速度成分の大きさは補正前の同速度成分の大きさから変化する可能性があるものの，施工目標面に平行な速度成分は残存するためアームシリンダ２１Ａの動作（例えば掘削動作）は継続できる。すなわち本実施形態によれば領域制限制御の発動中にアームシリンダ２１Ａを停止させることなく車両本体５の引き摺り発生を防止できるため，オペレータの操作性や作業性が低下することを抑制できる。
【0087】
（２）本実施形態では，フロント作業装置２の動作速度に対する車両本体５の移動速度（引き摺り速度）Ｖｕの割合である引き摺り割合εを演算し，その引き摺り割合εの大きさに基づいて目標速度ベクトルの補正量（回転角度θ）を決定している。ここで引き摺り割合εは車体けん引力（滑りやすさ）と掘削負荷との関係を擬似的に表現できる指標であるため，例えば引き摺り速度Ｖｕのみの大きさに基づいて目標速度ベクトルＶｔの補正量を決定する場合と比較して，車体けん引力の状態に応じた掘削負荷の低減が可能で引き摺りの発生を適切に防止できる。この点について図１２を用いて説明を補足する。
【0088】
図１２は，フロント作業装置２の動作速度の水平成分Ｖｆｘと引き摺り速度Ｖｕがそれぞれ速いときと遅いときの合計３パターンの場合（状態１－３）における引き摺り割合εの大きさと，各場合に必要な補正量（回転角度θ）の大きさを模式的に示した図である。
【0089】
まず，バケット２２の掘削負荷が大きいときまたは車両本体５が滑りやすいとき（状態２，３）には，掘削負荷を大きく減らさないと引き摺りが解消しないため，目標速度ベクトルＶｔを上向きに大きく補正する必要がある。本実施形態では，これらの場合に演算される引き摺り割合εは大きくなり，それに伴って補正量θも大きく演算される。すなわち各状態が要求する補正量に合致するので，引き摺りの発生を適切に解消できる。
【0090】
一方，バケット２２の掘削負荷が中くらいのときまたは車両本体５がやや滑りにくいとき（状態１）には，目標速度ベクトルＶｔを上向きに少し補正するだけで掘削負荷が十分に減るので引き摺りが解消する。本実施形態では，この場合に演算される引き摺り割合εは小さくなり，それに伴って補正量θも小さく演算される。すなわちこの状態が要求する補正量に合致するので，引き摺りの発生を適切に解消できる。
【0091】
なお，引き摺り割合εではなく，引き摺り速度Ｖｕの大きさに比例して補正量θを決定した場合には，本来大きな補正量θが必要な状態３で，小さい補正量θが演算されてしまうため，適切な補正ができず引き摺りが速やかに解消しないおそれがある。
【0092】
＜その他＞
上記の実施形態では目標速度ベクトルＶｔを引き摺り割合εの大きさに応じた回転角度θだけ回転することで補正したが，目標速度ベクトルＶｔの補正の方法はこれだけに限られず，掘削反力を低減する補正であれば他の方法でも構わない。例えば，目標速度ベクトルＶｔの方向に応じて回転角度θの大きさ（すなわち補正後の目標速度ベクトルの方向）を変更させても良い。また，引き摺り割合εの大きさに応じて補正後の目標速度ベクトルＶｔの方向（角度）を決めておき，その方向に達するまでに必要な回転角度を目標速度ベクトルＶｔに加えることで補正しても良い。さらに，目標速度ベクトルの垂直成分（施工目標面に垂直な成分）に着目し，当該垂直成分（通常の方向は下向き）に上向きのベクトルを加えることで目標速度ベクトルを補正しても良い。
上記の実施形態では目標速度ベクトルＶｔを引き摺り割合εの大きさに応じた回転角度θだけ回転することで補正したが，目標速度ベクトルＶｔの補正の方法はこれだけに限られず，掘削反力を低減する補正であれば他の方法でも構わない。例えば，目標速度ベクトルＶｔの方向に応じて回転角度θの大きさ（すなわち補正後の目標速度ベクトルの方向）を変更させても良い。また，引き摺り割合εの大きさに応じて補正後の目標速度ベクトルＶｔの方向（角度）を決めておき，その方向に達するまでに必要な回転角度を目標速度ベクトルＶｔに加えることで補正しても良い。さらに，目標速度ベクトルの垂直成分（施工目標面に垂直な成分）に着目し，当該垂直成分（通常の方向は下向き）に上向きのベクトルを加えることで目標速度ベクトルを補正しても良い。
【0093】
上記の実施形態では，傾斜角度演算部７２０で車両本体５の傾斜角度を演算して引き摺り速度Ｖｕを補正する場合について説明したが，車両本体５が所定の傾斜角の平面を移動すると仮定できる場合には当該所定の傾斜角を利用して引き摺り速度Ｖｕを演算することができるため，傾斜角度演算部７２０による傾斜角の演算は省略可能である。すなわち，傾斜角度演算部７２０の省略や，図１１のステップＳ１４０の演算の省略が可能である。
【0094】
図１１のステップＳ１３０の走行操作の有無の判定は，ステップＳ１２０やステップＳ１１０の前に行っても良い。
【0095】
上記の実施形態では，引き摺り割合εの演算にバケット爪先の実際の動作速度を利用したが，バケット爪先の目標動作速度を利用しても良い。バケット爪先の目標動作速度は，目標速度ベクトル演算部８１０で演算される目標速度ベクトルか，目標速度ベクトル補正部９３０で演算される補正後の目標速度ベクトルから演算できる。
【0096】
なお，本発明は，上記の実施の形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば，本発明は，上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず，その構成の一部を削除したものも含まれる。また，ある実施の形態に係る構成の一部を，他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
【0097】
また，上記のコントローラ３４に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は，それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また，上記のコントローラ３４に係る構成は，演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該コントローラ３４の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は，例えば，半導体メモリ（フラッシュメモリ，ＳＳＤ等），磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク，光ディスク等）等に記憶することができる。
【0098】
また，上記の各実施の形態の説明では，制御線や情報線は，当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが，必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
【符号の説明】
【0099】
１…油圧ショベル（作業機械），２…フロント作業装置，３…旋回体，４…走行体，５…車両本体，２０…ブーム，２０Ａ…ブームシリンダ，２０Ｓ…ＩＭＵセンサ（ブーム），２１…アーム，２１Ａ…アームシリンダ，２１Ｓ…ＩＭＵセンサ（アーム），２２…バケット，２２Ａ…バケットシリンダ，２２Ｂ…第１リンク部材，２２Ｃ…第２リンク部材，２２Ｓ…ＩＭＵセンサ（バケット），３０Ｓ…ＩＭＵセンサ（旋回体），３１…メインフレーム，３２…運転室，３３…操作入力装置，３３ａ…操作レバー，３３ｂ…操作センサ，３３ｃ…走行操作レバー，３４…メインコントローラ，３５…油圧制御装置，３５ａ…電磁制御弁，３５ｂ…方向切替弁（コントロールバルブ），３６ａ…エンジン（原動機），３６ｂ…油圧ポンプ，３７…測距センサ，４０…トラックフレーム，４５…履帯，１００…目標面管理装置（目標面管理コントローラ），１１０…モニタ（表示装置），７１０…フロント姿勢・速度演算部，７２０…傾斜角度演算部，８１０…目標速度ベクトル演算部，８２０…目標動作速度演算部，８３０…動作指令値演算部，９１０…速度演算部，９２０…割合演算部，９３０…目標速度ベクトル補正部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】