特許 7179688 作業機械

(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】2022-11-18

(45)【発行日】2022-11-29

(54)【発明の名称】作業機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20221121BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20221121BHJP

   E02F 9/26 20060101ALI20221121BHJP

   E02F 9/22 20060101ALI20221121BHJP

【ＦＩ】

E02F3/43 A

E02F9/20 M

E02F9/26 A

E02F9/22 K

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019114014

(22)【出願日】2019-06-19

(65)【公開番号】P2021001439

(43)【公開日】2021-01-07

【審査請求日】2022-02-10

(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】成川 理優

(72)【発明者】

【氏名】森木 秀一

(72)【発明者】

【氏名】坂本 博史

(72)【発明者】

【氏名】田中 宏明

【審査官】石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２２６９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１６８６８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１８１９９０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｆ ３／４３

Ｅ０２Ｆ ９／２０

Ｅ０２Ｆ ９／２６

Ｅ０２Ｆ ９／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械本体に取り付けられ作業具を含む複数のフロント部材を有する作業装置と，
前記機械本体及び前記複数のフロント部材を駆動する複数のアクチュエータと，
前記複数のアクチュエータを操作する操作装置と，
前記機械本体及び前記作業装置の姿勢情報を検出する姿勢センサと，
前記操作装置の操作情報を検出する操作センサと，
所定の目標掘削面に沿って前記作業具が移動するように前記作業装置を制御する掘削支援制御，及び，前記複数のフロント部材のうち前記作業装置を所定の作業領域から逸脱させ得る対象のフロント部材の動作を減速又は停止して前記作業領域からの前記作業装置の逸脱を防止する逸脱防止制御を利用して前記作業装置を制御可能なコントローラとを備え，
前記コントローラは，前記掘削支援制御と前記逸脱防止制御の両方で前記作業装置を制御する場合には，前記作業具の動作方向が，前記掘削支援制御のみを利用して前記作業装置を制御した場合の前記作業具の動作方向に近づくように前記作業装置を制御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，
前記掘削支援制御を利用する際，前記作業具が前記目標掘削面に沿って動作するように前記複数のフロント部材のうち少なくとも２つのフロント部材に関する目標速度を前記姿勢情報および前記操作情報に基づいて演算し，
前記逸脱防止制御を利用する際，前記作業装置が前記作業領域から逸脱しないように前記対象のフロント部材に関する制限速度を前記姿勢情報に基づいて演算し，
前記目標速度が演算された前記少なくとも２つのフロント部材に前記対象のフロント部材が含まれており，かつ，前記対象のフロント部材に関する目標速度が前記対象のフロント部材に関する制限速度を超えるとき，前記目標速度が演算された前記少なくとも２つのフロント部材から前記対象のフロント部材を除いた残りのフロント部材に関する制限速度を前記対象のフロント部材に関する制限速度に基づいて演算し，
前記対象のフロント部材に関する制限速度と前記残りのフロント部材に関する制限速度に基づいて前記少なくとも２つのフロント部材の動作を制御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，
前記残りのフロント部材に関する制限速度は，前記対象のフロント部材に関する制限速度と前記残りのフロント部材に関する制限速度とによって規定される前記作業具の動作方向が，前記少なくとも２つのフロント部材に関する目標速度によって規定される前記作業具の動作方向に近づくように演算されることを特徴とする作業機械。

【請求項4】

請求項２の作業機械において，
前記残りのフロント部材に関する制限速度は，前記対象のフロント部材に関する制限速度と前記残りのフロント部材に関する制限速度とによって規定される前記作業具の動作方向が，前記少なくとも２つのフロント部材に関する目標速度によって規定される前記作業具の動作方向と一致するように演算されることを特徴とする作業機械。

【請求項5】

請求項２の作業機械において，
前記コントローラは，
前記対象のフロント部材に関する目標速度に対する前記対象のフロント部材に関する制限速度の速度割合である基準速度割合を演算し，
前記目標速度が演算された前記少なくとも２つのフロント部材から前記対象のフロント部材を除いた残りのフロント部材に関する制限速度を，前記残りのフロント部材に関する目標速度に対する前記残りのフロント部材に関する制限速度の速度割合が前記基準速度割合に一致するように演算し，
前記対象のフロント部材に関する制限速度と前記残りのフロント部材に関する制限速度に基づいて前記少なくとも２つのフロント部材の動作を制御することを特徴とする作業機械。

【請求項6】

請求項５の作業機械において，
前記コントローラは，
前記対象のフロント部材が２つ以上の場合，その２つ以上の対象のフロント部材ごとに速度割合を算出し，算出した複数の速度割合の中で最小の速度割合を前記基準速度割合とすることを特徴とする作業機械。

【請求項7】

請求項２の作業機械において，
前記コントローラが前記残りのフロント部材に関する制限速度を前記対象のフロント部材に関する制限速度に基づいて演算したとき，前記対象のフロント部材及び前記残りのフロント部材に関する速度が前記目標速度から低減されていることをオペレータに報知する報知装置を備えることを特徴とする作業機械。

【請求項8】

請求項７の作業機械において，
前記報知装置は，前記残りのフロント部材に関する制限速度を前記対象のフロント部材に関する制限速度に基づいて演算したとき，前記対象のフロント部材及び前記残りのフロント部材をオペレータに報知することを特徴とする作業機械。

【請求項9】

請求項７の作業機械において，
前記報知装置は，前記コントローラが前記対象のフロント部材に関する制限速度としてゼロを算出して前記対象のフロント部材の動作が停止したとき，前記対象のフロント部材の動作が停止していることをオペレータに報知することを特徴とする作業機械。

【請求項10】

請求項２の作業機械において，
前記コントローラは，前記対象のフロント部材に関する制限速度を，前記対象のフロント部材に設定された減速度に基づいて算出しており，
前記減速度は変更可能であることを特徴とする作業機械。

【請求項11】

請求項１の作業機械において，
前記コントローラが前記掘削支援制御と前記逸脱防止制御の両方で前記作業装置を制御する場合，その旨を報知する報知装置を備えることを特徴とする作業機械。

【請求項12】

請求項２の作業機械において，
前記少なくとも２つのフロント部材に関する目標速度は，前記少なくとも２つのフロント部材を駆動する少なくとも２つのアクチュエータの目標速度であり，
前記対象のフロント部材に関する制限速度は，前記対象のフロント部材を駆動するアクチュエータの制限速度であり，
前記残りのフロント部材に関する制限速度は，前記残りのフロント部材を駆動するアクチュエータの制限速度であり，
前記コントローラは，前記対象のフロント部材を駆動するアクチュエータの制限速度と前記残りのフロント部材を駆動するアクチュエータの制限速度とに基づいて，前記少なくとも２つのアクチュエータの速度を制御することを特徴とする作業機械。

【請求項13】

請求項２の作業機械において，
前記少なくとも２つのフロント部材に関する目標速度は，前記少なくとも２つのフロント部材の目標速度であり，
前記対象のフロント部材に関する制限速度は，前記対象のフロント部材の制限速度であり，
前記残りのフロント部材に関する制限速度は，前記残りのフロント部材の制限速度であり，
前記コントローラは，前記対象のフロント部材の制限速度と前記残りのフロント部材の制限速度に基づいて，前記少なくとも２つのフロント部材の速度を制御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】

本発明は作業機械に関する。

【背景技術】

【0002】

油圧アクチュエータで駆動される作業装置（例えばブーム，アーム，及び作業具（アタッチメント）等の複数のフロント部材を有する多関節型のフロント作業装置）を備える作業機械（例えば油圧ショベル）の作業効率を向上する技術としてマシンコントロール（Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＭＣ）がある。ＭＣは，操作装置がオペレータに操作された場合に，予め定めた条件に従って作業装置を動作させる半自動制御を実行することでオペレータの操作支援を行う技術である。

【0003】

ＭＣの例として，オペレータが現況地形を所望の形状に整形することを支援する技術がある。この技術に関して，特許文献１には，バケットの刃先が設計面の外方（上方）に位置しているときの距離を正の値とし，設計面（以下では，「目標掘削面」とも称する）の内方（下方）から外方（上方）に向かう方向の速度を正の値として，作業装置全体の制限速度とアーム目標速度とバケット目標速度とからブームの制限速度を決定し，ブームの制限速度がブーム目標速度よりも大きいことを含む第１制限条件が満たされているときには，ブームの制限速度にてブームを制御すると共に，アーム目標速度にてアームを制御する，建設機械の制御装置が開示されている。

【0004】

また，異なるＭＣの例として，予め設定された領域（以下では「作業領域」とも称する）から，ショベルの逸脱を防止する技術がある。この技術に関連して，特許文献２には，作業装置（フロント作業装置）の動作範囲空間に危険域（以下では，「侵入禁止領域」とも称する）を設け，その危険域の手前で作業装置の速度を減速させ，危険域の直前で作業装置を停止させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１４／１６７７１８号公報

【文献】特開平０５－３２１２９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では，オペレータの違和感を小さく抑えながらバケットが設計面を侵食することを防止するために，ブームの制限速度が算出される。具体的には，すべてのフロント部材の動作によって生じる垂直方向速度が，設計面とバケット刃先の距離によって定められる垂直方向の制限速度を超えないよう，ブームの制限速度を算出する。このときアームとバケットの垂直方向速度は，オペレータの操作によって生じる速度としている。その結果，オペレータの掘削時の操作の違和感を抑制することができる。

【0007】

特許文献２では，危険域の手前に減速域を設け，オペレータ操作によって生じる作業装置速度が減速域内に定義される上限値を超過しないように，制御される。そのため，オペレータは掘削作業に専念できるため，ショベル操作時のオペレータの負担を軽減できる。

【0008】

一方，実際の現場においては，設計面と危険域の双方が設定されている状況がある。例えば，設計面の下方に危険域がある状況において，特許文献１と特許文献２に開示の技術を用いて掘削を行ったとき，設計面に沿った掘削が行えない可能性がある。例えば直線状の設計面に沿った掘削を行う場合には，アームのクラウド動作とブームの上げ動作を組み合わせて，バケットの先端に生じる速度ベクトルを設計面に沿わせる必要がある。このとき，特許文献１の制御（本稿では「掘削支援制御」と称する）によれば，オペレータ操作によるアームクラウド動作に対して，バケット先端を設計面に沿って移動させるためのブームの制限速度が算出される。しかし，バケット先端が減速域に入った場合には，特許文献２の制御（本稿では「逸脱防止制御」と称することがある）が発動し，実際に生じるアームクラウド動作が掘削支援制御で想定していたものよりも減速されるため，ブーム上げ動作が過剰になる。そのため，設計面に対してバケット先端は浮き上がることになり，設計面に沿った掘削動作を行うことができない虞がある。

【0009】

また，設計面の上方に危険域（例えば構造物など）があり，設計面と危険域の間に作業装置が位置する状況もある。そのような状況において，特許文献１と特許文献２に開示の技術を用いて掘削を行ったときは，設計面にバケットが侵入する可能性がある。例えば，特許文献１の掘削支援制御によってアームのクラウド動作とブームの上げ動作によって設計面に沿った直線状の掘削を行っているときに，アームの後端部が上方の危険域に近づいたために特許文献２の逸脱防止制御が発動してブーム上げが減速又は停止されると，掘削支援制御で想定した量よりもブーム上げが不足し，設計面に対してバケット先端が侵入し，設計面に沿った掘削動作を行うことができない虞がある。

【0010】

これらのように，設計面（目標掘削面）と危険域（作業領域，侵入禁止領域）の双方が設定されている状況では，特許文献１の掘削支援制御と特許文献２の逸脱防止制御の機能が干渉する虞がある。

【0011】

そこで本発明の目的は，掘削支援制御による目標掘削面の掘削中に作業装置が作業領域と危険域（侵入禁止領域）の境界である作業領域境界に近接する状況においても，目標掘削面に沿った掘削が可能となる作業機械を提供することにある。なお，上述のとおり，逸脱防止制御とは，侵入禁止領域への侵入を防ぐ制御のこと，換言すると，作業領域からの逸脱を防ぐ制御のことである。また，掘削支援制御とは，所望の目標掘削面が規定する形状になるように現況地形を整形する制御のことである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

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、機械本体に取り付けられ作業具を含む複数のフロント部材を有する作業装置と，前記機械本体及び前記複数のフロント部材を駆動する複数のアクチュエータと，前記複数のアクチュエータを操作する操作装置と，前記機械本体及び前記作業装置の姿勢情報を検出する姿勢センサと，前記操作装置の操作情報を検出する操作センサと，所定の目標掘削面に沿って前記作業具が移動するように前記作業装置を制御する掘削支援制御，及び，前記複数のフロント部材のうち前記作業装置を所定の作業領域から逸脱させ得る対象のフロント部材の動作を減速又は停止して前記作業領域からの前記作業装置の逸脱を防止する逸脱防止制御を利用して前記作業装置を制御可能なコントローラとを備え，前記コントローラは，前記掘削支援制御と前記逸脱防止制御の両方で前記作業装置を制御する場合には，前記作業具の動作方向が，前記掘削支援制御のみを利用して前記作業装置を制御した場合の前記作業具の動作方向に近づくように前記作業装置を制御するものとする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば，作業機械が作業領域境界に近接する状況において，目標掘削面に沿った掘削が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る油圧ショベルの構成図。

【図2】図１の油圧ショベルのコントローラを油圧駆動装置とともに示す図。

【図3】油圧ショベルにおける座標系（ショベル基準座標系）を示す図。

【図4】コントローラの機能ブロック図。

【図5】掘削支援制御による水平掘削動作の一例を示す図。

【図6】逸脱防止制御により作業領域からの逸脱を防ぐ一例を示す図。

【図7】目標掘削面と作業領域境界が近接する状況での掘削動作を示す図。

【図8】目標掘削面と作業領域境界が近接する状況での掘削動作を示す図。

【図9】掘削支援制御による制御のフローチャートの一例を示す図。

【図10】フローチャートの補助図。

【図11】逸脱防止制御による制御のフローチャートの一例を示す図。

【図12】停止部位の算出の一例を示す図。

【図13】逸脱防止制御による制御のフローチャートの一例を示す図。

【図14】目標停止角度とフロント部材の回動角度との差と，減速係数との関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下，本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお，以下では，作業機械として，作業装置（フロント作業装置）の先端の作業具（アタッチメント）としてバケットを備える油圧ショベルを例示するが，バケット以外のアタッチメントを備える作業機械に本発明を適用してもよい。また，旋回可能な構造物の上に，複数のフロント部材（作業具，ブーム，アーム等）を連結して構成される多関節型の作業装置を有するものであれば，油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

【0016】

また，以下の説明では，同一の構成要素が複数存在する場合，符号の末尾にアルファベットの小文字を付すことがあるが，当該アルファベットの小文字を省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば，同一の３つのポンプ１９０ａ，１９０ｂ，１９０ｃが存在するとき，これらをまとめてポンプ１９０と表記することがある。

【0017】

また，予め設定された，ショベルが作業可能な領域を作業領域，作業領域を定義する境界部分を，作業領域境界と称する。

【0018】

なお，以下に示す実施形態においては，先述した掘削支援制御や逸脱防止制御といった，操作装置がオペレータに操作された場合に予め定めた条件に従って作業装置を動作させる半自動制御を，「ＭＣ」と総称する。

【0019】

＜第１実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係る油圧ショベルの構成図であり，図２は本発明の実施形態に係る油圧ショベルのコントローラ（制御装置）４０を油圧駆動装置と共に示す図である。

【0020】

図１において，油圧ショベル１は，多関節型のフロント作業装置（作業装置）１Ａと，車体（機械本体）１Ｂで構成されている。車体（機械本体）１Ｂは，左右の走行油圧モータ３ａ，３ｂにより走行する下部走行体１１と，下部走行体１１の上に取り付けられ，旋回油圧モータ４によって駆動され左右方向に旋回可能な上部旋回体１２とからなる。

【0021】

フロント作業装置１Ａは，垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム８，アーム９及びバケット（作業具）１０）を連結して構成されており，上部旋回体１２（機械本体１Ｂ）に取り付けられている。ブーム８の基端は上部旋回体１２の前部においてブームピン８ａ（図３参照）を介して回動可能に支持されている。ブーム８の先端にはアームピン９ａを介してアーム９が回動可能に連結されており，アーム９の先端にはバケットピン１０ａを介してバケット１０が回動可能に連結されている。ブーム８はブームシリンダ５によって駆動され，アーム９はアームシリンダ６によって駆動され，バケット１０はバケットシリンダ７によって駆動される。

【0022】

ブーム８，アーム９，バケット１０の回動角度α，β，γ（図３参照）を測定可能なように，ブームピン８ａにブーム角度センサ３０，アームピン９ａにアーム角度センサ３１，バケットリンク１４にバケット角度センサ３２が取付けられ，上部旋回体１２には基準面（例えば水平面）に対する上部旋回体１２（車体１Ｂ）の傾斜角θ（図３参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。なお，角度センサ３０，３１，３２はそれぞれ基準面（例えば水平面）に対する角度を検出する角度センサ（例えば，慣性計測装置（ＩＭＵ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ））に代替可能である。または各油圧シリンダ５，６，７のストロークを検出するシリンダストロークセンサに代替し，得られたシリンダストロークを角度に換算しても良い。 また，上部旋回体１２と下部走行体１１の回転中心近傍に，上部旋回体１２と下部走行体１１の相対角度（旋回角度θｓｗ）を検出可能な旋回角度センサ１７が取り付けられている。また，旋回の角速度を検出可能な旋回角速度センサ１９が上部旋回体１２に取り付けられている。

【0023】

５つの角度センサ３０，３１，３２，３３，１７を上部旋回体（機械本体）１２及びフロント作業装置１Ａの姿勢情報を検出する姿勢センサ５３（図４参照）と総称することがある。

【0024】

上部旋回体１２に設けられた運転室内には複数の油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，４，５，６，７を操作する操作装置が設置されている。具体的には操作装置として，走行右油圧モータ３ａ（下部走行体１１）を操作するための走行右レバー２３ａと，走行左油圧モータ３ｂ（下部走行体１１）を操作するための走行左レバー２３ｂと，ブームシリンダ５（ブーム８）及びバケットシリンダ７（バケット１０）を操作するための操作右レバー２２ａと，アームシリンダ６（アーム９）及び旋回油圧モータ４（上部旋回体１２）を操作するための操作左レバー２２ｂが設置されている。以下では，これらを操作レバー２２，２３と総称することがある。

【0025】

上部旋回体１２に搭載された原動機であるエンジン１８は，油圧ポンプ２とパイロットポンプ４８を駆動する。油圧ポンプ２は可変容量型ポンプであり，パイロットポンプ４８は固定容量型ポンプである。

【0026】

本実施形態においては，図２に示すように，操作レバー２２，２３は電気レバー方式である。コントローラ４０は，オペレータによる操作レバー２２，２３の操作情報（例えば，操作量，操作方向）をロータリエンコーダやポテンショメータ等の操作センサ（オペレータ操作検出装置）５２ａ－５２ｆで検出し，検出された操作情報に応じた電流指令を電磁比例弁４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄ，４７ｅ，４７ｆ，４７ｇ，４７ｈ，４７ｉ，４７ｊ，４７ｋ，４７ｌ（以下では，電磁比例弁４７ａ－ｌと総称することがある。）に送る。電磁比例弁４７ａ－ｌは，パイロットライン１５０に設けられており，コントローラ４０からの指令が入力された場合に駆動され，流量制御弁（コントロールバルブ）１５にパイロット圧を出力し，これにより流量制御弁１５が駆動する。流量制御弁１５は，旋回油圧モータ４，アームシリンダ６，ブームシリンダ５，バケットシリンダ７，走行右油圧モータ３ａ，走行右油圧モータ３ｂのそれぞれに，操作レバー２２，２３の操作情報（電磁比例弁４７ａ－４７ｆから流量制御弁１５へのパイロット圧）に応じたポンプ２からの圧油を供給できるよう構成されている。なお，電磁比例弁４７ａ－ｂは旋回油圧モータ４に，電磁比例弁４７ｃ－ｄはアームシリンダ６に，電磁比例弁４７ｅ－ｆはブームシリンダ５に，電磁比例弁４７ｇ－ｈはバケットシリンダ７に，電磁比例弁４７ｉ－ｊは走行右油圧モータ３ａに，電磁比例弁４７ｋ－ｌは走行右油圧モータ３ｂに圧油を供給する流量制御弁１５にパイロット圧を供給する。

【0027】

パイロットライン１５０において，パイロットポンプ４８と電磁比例弁４７ａ－ｌの間には，コントローラ４０と接続されたロック弁３９が備わる。運転室内のゲートロックレバー（図示しない）の位置検出器がコントローラ４０と接続され，ゲートロックレバーがロック位置にある場合にはロック弁３９がロックされパイロットライン１５０に圧油は供給されず，ロック解除位置にある場合には，ロック弁３９は解除され，パイロットライン１５０に圧油が供給される。

【0028】

油圧ポンプ２から吐出された圧油は，パイロット圧によって駆動される流量制御弁１５を介して，走行右油圧モータ３ａ，走行左油圧モータ３ｂ，旋回油圧モータ４，ブームシリンダ５，アームシリンダ６，バケットシリンダ７に供給される。供給された圧油によってブームシリンダ５，アームシリンダ６，バケットシリンダ７が伸縮することで，ブーム８，アーム９，バケット１０がそれぞれ回動し，バケット１０の位置及び姿勢が変化する。また，供給された圧油によって旋回油圧モータ４が回転することで，下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。そして，供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ，走行左油圧モータ３ｂが回転することで，下部走行体１１が走行する。以下では，走行油圧モータ３，旋回油圧モータ４，ブームシリンダ５，アームシリンダ６，バケットシリンダ７を，油圧アクチュエータ３－７と総称することがある。

【0029】

（システム構成）
図４は本実施形態の油圧ショベルが備える，ＭＣシステムの構成図である。図４のＭＣシステムは，コントローラ４０，目標掘削面６０を設定するインターフェースである目標掘削面設定装置５１と，操作レバー２２，２３に対するオペレータの操作情報を検出する操作センサ（オペレータ操作検出装置）５２と，旋回角度センサ１７や角度センサ３０―３３から構成される姿勢センサ（ショベル姿勢検出装置）５３と，作業領域６２（作業領域境界６１）を設定するためのインターフェースである作業領域設定装置５４と，上部旋回体１２の測位に利用される衛星信号を受信するための２つのＧＮＳＳアンテナ５５と，オペレータに掘削支援制御や逸脱防止制御の状態を含む各種情報を報知する報知装置４６と，流量制御弁１５を制御するパイロット圧を出力する電磁比例弁４７とを備えている。

【0030】

（コントローラ４０）
コントローラ４０は，（１）掘削支援制御を単独で利用してフロント作業装置１Ａを制御する場合と，（２）逸脱防止制御を単独で利用してフロント作業装置１Ａを制御する場合と，（３）掘削支援制御と逸脱防止制御の両方を利用してフロント作業装置１Ａを制御する場合がある。このうち（３）掘削支援制御と逸脱防止制御の両方でフロント作業装置１Ａを制御する場合には，コントローラ４０は，バケット１０の動作方向が，掘削支援制御のみを利用してフロント作業装置１Ａを制御した場合（すなわち（１）の場合）のバケット１０の動作方向に近づくようにフロント作業装置１Ａを制御する。

【0031】

「掘削支援制御」は，作業装置１Ａの先端に位置するバケット１０が所定の目標掘削面６０（図５参照）に沿って移動するように複数のフロント部材８，９，１０のうち少なくとも２つのフロント部材に関する目標速度を姿勢センサ５３による姿勢情報および操作センサ５２による操作情報に基づいて演算し，演算した目標速度に基づいて当該少なくとも２つのフロント部材，すなわちフロント作業装置１Ａを制御するものである。

【0032】

「逸脱防止制御」は，複数のフロント部材８，９，１０のうちフロント作業装置１Ａを所定の作業領域６２（作業領域境界６１（図６参照））から逸脱させる可能性のあるフロント部材（対象フロント部材）に関する制限速度を姿勢センサ５３による姿勢情報に基づいて演算し，その逸脱する可能性のあるフロント部材の速度が演算した制限速度を超えないように制御することで作業領域６２からのフロント作業装置１Ａの逸脱を防止するものである。

【0033】

なお，「フロント部材に関する目標速度」には，フロント部材自身の目標速度と，そのフロント部材を駆動する油圧シリンダ（アクチュエータ）の目標速度が含まれる。同様に，「フロント部材に関する制限速度」には，フロント部材自身の制限速度と，そのフロント部材を駆動する油圧シリンダ（アクチュエータ）の制限速度が含まれる。

【0034】

コントローラ４０は，コントローラ４０内の記憶装置（例えばハードディスクドライブやフラッシュメモリ）に記憶されたプログラムを処理装置（例えばＣＰＵ）が実行することで，目標掘削面演算部７４，オペレータ操作速度推定部７３，ショベル姿勢演算部７２，作業領域演算部７５，掘削支援要求速度算出部７６，逸脱防止要求速度算出部７７，報知制御部７８，及びアクチュエータ制御部７９として機能する。

【0035】

（目標掘削面演算部７４）
目標掘削面演算部７４は，２つのＧＮＳＳアンテナ５５で受信した衛星信号を基に上部旋回体（機械本体）１２の位置と方位を計測し，その計測結果と目標掘削面設定装置５１からの情報に基づいて目標掘削面６０を演算し，演算した目標掘削面６０の位置情報を図３に示すショベル基準座標系に変換する演算を実行する。なお，変換前の座標系は，グローバル座標系（地理座標系）や，現場基準座標系である。なお，上部旋回体１２の方位は，或る時刻に計測した上部旋回体１２の方位と，旋回角センサ１７の検出値とを利用して演算しても良い。

【0036】

（オペレータ操作速度推定部７３）
オペレータ操作速度推定部７３は，操作センサ５２によって検出された操作レバー２２ａ，２２ｂのオペレータ操作量をもとに，予めコントローラ４０の記憶装置内に保持している操作量と各油圧アクチュエータ５，６，７の速度（アクチュエータ速度）の相関テーブルを用いて，オペレータ操作による油圧アクチュエータ５，６，７の速度（オペレータ操作速度）を推定する。本実施形態では，さらに，演算した油圧アクチュエータ５，６，７の速度をショベル姿勢演算部７２（後述）が演算するショベル１の姿勢情報を用いて，各フロント部材８，９，１０の速度（角速度）に変換する。なお，角度センサ３０～３２の検出値から各角度の時間変化を演算し，その演算した時間変化をもとに各フロント部材８，９，１０の速度を算出してもよい。

【0037】

（ショベル姿勢演算部７２）
ショベル姿勢演算部７２は，旋回角度センサ１７から，ショベル基準座標系における上部旋回体１２の旋回角度を演算する。また，ブーム角度センサ３０，アーム角度センサ３１，バケット角度センサ３２から，ショベル基準座標系におけるフロント作業装置１Ａ（各フロント部材８，９，１０）の姿勢を演算する。油圧ショベル１の姿勢は，図３のショベル基準座標系（ローカル座標系）上に定義できる。図３のショベル基準座標系は，旋回中心軸のうち，下部走行体１１が地面と接する点を原点としている。ショベル基準座標系のＸ軸は，下部走行体１１が直進する際の進行方向と，フロント作業装置１Ａの動作平面とが平行となり，かつ，フロント作業装置１Ａの伸ばし方向の動作方向と，下部走行体１１を前進させたときの動作方向とが一致する向きとする。Ｚ軸は，下部走行体１１の下面（地面との接地面）に固定し，Ｙ軸は，上部旋回体１２における旋回中心をＺ軸と右手座標系を構成するように定めた。また，上部旋回体１２の旋回角度については，フロント作業装置１ＡがＸ軸と平行になる状態を０度とした。Ｘ軸に対するブーム８の回転角をブーム角α，ブーム８に対するアーム９の回転角をアーム角β，アーム９に対するバケット１０爪先の回転角をバケット角γ，下部走行体１１に対する上部旋回体１２の旋回角を旋回角δとした。ブーム角αはブーム角度センサ３０により，アーム角βはアーム角度センサ３１により，バケット角γはバケット角度センサ３２により，旋回角δは旋回角度センサ３４により検出される。これらの角度情報と，各フロント部材８，９，１０の寸法情報Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｂｋ（図３参照）を用いる事で，ショベル基準座標系における油圧ショベル１の各部（フロント部材８，９，１０を含む）の姿勢と位置を演算できる。また，重力方向に対して直角な水平面（基準面）に対する車体１Ｂの傾斜角θは，車体傾斜角センサ３３で検出可能である。なお，コントローラ４０にＧＮＳＳアンテナ５５を接続し，グローバル座標系における，目標掘削面６０，作業領域６２，ショベル１の位置及び方位を算出し，制御を行う構成としてもよい。

【0038】

（作業領域演算部７５）
作業領域演算部７５は，作業領域設定装置５４からの情報に基づき，オペレータが任意に設定可能な作業領域境界６１（作業領域６２）の位置情報を，ショベル基準座標系に変換する演算を実行する。作業領域境界６１（作業領域６２）は，グローバル座標系や現場基準座標系において定義されてもよい。

【0039】

（掘削支援制御）
ここで，掘削支援制御による，水平掘削動作の例を図５に示す。オペレータが操作レバー２２を操作して，矢印Ａ方向へのアーム９の引き動作によって水平掘削を行う場合に，バケット１０の先端が目標掘削面６０の下方に侵入しないようにコントローラ４０から適宜ブーム上げ指令が出力され，ブーム８の上げ動作が自動的に行われるよう電磁比例弁４７ｅが制御される。また，オペレータが要求するバケット１０の先端の速度である掘削速度，あるいはバケット１０の先端の位置精度である掘削精度を実現するように，電磁比例弁４７ｃが制御されアーム９の引き動作が行われる。このとき，掘削精度向上のため，アーム９の速度を必要に応じて減速させても良い。また，バケット１０背面の目標掘削面６０に対する角度Ｂが一定値となり，均し作業が容易となるように，アーム９の引き動作に応じてバケット１０が自動で矢印Ｃ方向（ダンプ方向）に適宜回動するように電磁比例弁４７ｈを制御しても良い。このように，オペレータによるフロント作業装置１Ａの操作に対して，自動または半自動で油圧シリンダ５，６，７を制御し，所望の掘削形状（目標掘削面６０）を整形するようブーム８，アーム９，バケット１０，といったフロント部材を動作させる制御が掘削支援制御である。

【0040】

（逸脱防止制御）
逸脱防止制御においては，フロント作業装置１Ａや上部旋回体１２の動作が操作装置２２によって指示された場合，予め定められた作業領域境界６１と，ショベル各部の位置と，操作装置２２の操作情報とに基づいて，作業領域６２からの逸脱を防止するように，油圧シリンダ５，６，７の動作を減速または停止する。

【0041】

ここで逸脱防止制御による，アクチュエータ動作の制限の例を図６に示す。図６には，繰り返し行われる掘削作業の１サイクルにおいて，掘削作業が終了しフロント作業装置１Ａが巻き込まれている状態Ｓ１と，次の掘削作業のためのリーチング作業を行っている状態Ｓ２を示している。状態Ｓ１からＳ２に遷移する際，バケット１０と目標掘削面６０の接触を防ぐためにブーム８の上げ動作をオペレータは実施するが，そのブーム８の上げ動作が過剰である場合，例えばアーム９の後端部３７が作業領域境界６１を超過し作業領域６２から逸脱する可能性がある。そこで逸脱防止制御は，図６に示すような状態Ｓ１からＳ２に遷移する状況でブーム８の上げ操作が過剰なとき，アーム９の後端部３７の作業領域６２からの逸脱を防止するために，ブーム８の上げ動作（すなわちブームシリンダ５の伸び動作）を減速させる指令を演算する。このように，オペレータの操作に対して，アクチュエータを減速または停止させ，作業領域６２からの逸脱を防止する制御が逸脱防止制御である。

【0042】

（掘削支援要求速度算出部７６）
図４に戻り，掘削支援要求速度算出部（目標速度算出部）７６は，オペレータの操作レバー操作（例えばアーム９に対する操作）があるとき，バケット１０が所定の目標掘削面６０に沿って動作するように３つのフロント部材８，９，１０のうち少なくとも２つのフロント部材（例えば，アーム９とブーム８）に関する目標速度である掘削支援要求速度を演算する。例えば，掘削支援要求速度算出部７６は，姿勢センサ５３の検出値から演算されるフロント作業装置１Ａの姿勢情報と，操作センサ５２の検出値から演算される操作レバー２２の操作情報（操作量）と，目標掘削面演算部７４で演算される目標掘削面６０の位置情報と，ＧＮＳＳアンテナ５５の受信した衛星信号から演算される上部旋回体１２の位置情報とに基づいて掘削支援要求速度（目標速度）を演算する。

【0043】

（逸脱防止要求速度算出部７７）
逸脱防止要求速度算出部（制限速度算出部）７７は，フロント作業装置１Ａが作業領域境界６１を超えて所定の作業領域６２から逸脱しないように（すなわち侵入禁止領域への侵入が防止されるように）３つの複数のフロント部材８，９，１０のうち作業領域６２から逸脱する可能性のあるフロント部材に関する制限速度である逸脱防止要求速度を演算する。例えば，逸脱防止要求速度算出部７７は，作業領域演算部７５で演算される作業領域境界６１の位置情報と，姿勢センサ５３の検出値から演算されるフロント作業装置１Ａの姿勢情報と，オペレータ操作速度推定部７３で演算されるオペレータ操作速度と，掘削支援要求速度算出部７６で演算される掘削支援要求速度とに基づいて逸脱防止要求速度（制限速度）を演算する。逸脱防止要求速度はフロント作業装置１Ａと作業領域境界６１の距離がゼロに近づくほどゼロに近づく。逸脱防止要求速度は，掘削支援制御の実行中，掘削支援要求速度算出部７６で演算される掘削支援要求速度（目標速度）の制限速度となり得る。一方，掘削支援制御の介入がないときや，掘削支援制御が無効化されているときは，オペレータ操作速度推定部７３で演算されるオペレータ操作速度の制限速度となり得る。フロント部材の掘削支援要求速度又はオペレータ操作速度が逸脱防止要求速度を超える場合には，そのフロント部材に関する速度が逸脱防止要求速度に制限され，そのフロント部材は強制的に減速又は停止される。反対に，フロント部材の掘削支援要求速度又はオペレータ操作速度が逸脱防止要求速度以下の場合には，そのフロント部材に関する速度は制限されず，掘削支援要求速度又はオペレータ操作速度に即して制御される。

【0044】

さらに，本実施形態の逸脱防止要求速度算出部７７は，掘削支援要求速度算出部７６で掘削支援要求速度（目標速度）が演算された少なくとも２つのフロント部材の中に逸脱防止要求速度算出部７７で逸脱防止要求速度（制限速度）が演算されたフロント部材（「対象フロント部材」と称することがある）が存在し，その対象フロント部材に関する掘削支援要求速度（目標速度）がその対象フロント部材に関する逸脱防止要求速度（制限速度）を超えるか否かを判定する。そして，対象フロント部材に関する掘削支援要求速度（目標速度）が逸脱防止要求速度（制限速度）を超えた場合には，掘削支援要求速度算出部７６で掘削支援要求速度（目標速度）が演算された少なくとも２つのフロント部材から対象フロント部材を除いた残りのフロント部材に関する逸脱防止要求速度を対象フロント部材に関する逸脱防止要求速度に基づいて演算する。ただし，残りのフロント部材の逸脱防止要求速度の演算に際しては，対象フロント部材の逸脱防止要求速度と残りのフロント部材の逸脱防止要求速度が規定するバケット１０の動作方向（バケット先端の速度ベクトルの方向）が，前記少なくとも２つのフロント部材の掘削支援要求速度（目標速度）が規定するバケットの動作方向に近づくように又は一致するように残りのフロント部材の逸脱防止要求速度を算出するものとする（演算の具体例は図１１や図１３を用いて後述する）。そして対象フロント部材と残りのフロント部材の逸脱防止要求速度をアクチュエータ制御部７９に出力する。これにより，フロント作業装置１Ａが作業領域境界６１に接近して逸脱防止制御が介入しても，掘削支援制御によって規定されたバケット１０の動作方向が大きく変更されることが抑制される。

【0045】

（報知制御部７８）
報知制御部７８は，報知装置４６が作業支援情報を出力するように報知装置４６に対して指令信号を出力する。報知装置４６が出力する作業支援情報としては，例えば，逸脱防止制御によるフロント部材８，９，１０の減速の有無や，同制御により減速されたフロント部材の識別情報（例えば名称，画像）や，逸脱防止制御と掘削支援制御の発動状況や，バケット１０と目標掘削面６０の位置関係や，作業装置１Ａと作業領域６２（作業領域境界６１）の位置関係がある。報知装置４６としては，例えば，モニタ，スピーカ及び警告灯があり，報知装置４６はこれらのいずれか１つ又は複数の組合せから構成可能である。

【0046】

（アクチュエータ制御部７９）
アクチュエータ制御部７９は，逸脱防止要求速度算出部７７から出力される速度（「制御要求速度」と称することがある）に即してフロント部材８，９，１０の動作を制御すために必要な指令信号を電磁比例弁に出力する。制御要求速度としては，オペレータ操作速度，補正前の掘削支援要求速度，逸脱防止要求速度，補正後の掘削支援要求速度がある。

【0047】

（掘削支援要求速度算出部７６の処理の詳細）
ここでは，掘削支援制御の例として，オペレータのアーム９の操作に対して自動でブーム８を上昇させる動作を加えることで目標掘削面６０上またはその上方にバケット１０の先端（制御点）が位置するようにフロント作業装置１Ａを制御する例について，図９及び図１０を用いて説明する。

【0048】

図９はコントローラ４０における掘削支援要求速度算出部７６が実行する処理のフローチャートである。ここでは，図９の右上の凡例に示すように，オペレータのアーム操作によりバケット１０の先端に速度ベクトルＢが発生した場合を想定し，バケット１０の先端に実際に発生する速度ベクトルにおける目標掘削面６０と垂直な成分（垂直成分）が図１０で規定される制限値ａｚに制限されるように，速度ベクトルＢを発生するアーム操作に対して，速度ベクトルＣを発生させるブーム上げ動作を自動的に加える場合を考える。

【0049】

ステップＳ２００で，掘削支援要求速度算出部７６は，オペレータ操作速度推定部７３からのフロント作業装置１Ａの動作速度情報（オペレータ操作から推定される各フロント部材８，９，１０の速度情報（角速度情報））と，ショベル姿勢演算部７２からのフロント作業装置１Ａの姿勢情報とに基づいて，オペレータ操作によって生じるバケット１０の先端の速度ベクトルＢを演算する。

【0050】

ステップＳ２０１で，掘削支援要求速度算出部７６は，ショベル姿勢演算部７２で演算したバケット１０の先端の位置（座標）と，目標掘削面演算部７４からの目標掘削面６０を含む直線の距離から，バケット１０の先端から目標掘削面６０までの距離Ｄを算出する。そして，距離Ｄと図１０のグラフを基にバケット１０の先端の速度ベクトルの目標掘削面６０に垂直な成分の制限値ａｚを算出する。

【0051】

ステップＳ２０２で，掘削支援要求速度算出部７６は，ステップＳ２００で算出したオペレータ操作によるバケット１０の先端の速度ベクトルＢにおいて，目標掘削面６０に垂直な成分ｂｚを取得する。

【0052】

Ｓ２０３では，掘削支援要求速度算出部７６は，Ｓ２０１で算出した制限値ａｚが０以上か否かを判定する。なお，図９の右上に示したようにｘｚ座標を設定する。当該ｘｚ座標では，ｘ軸は目標掘削面６０と平行で図中右方向を正とし，ｚ軸は目標掘削面６０に垂直で図中上方向を正とする。図９中の凡例では垂直成分ｂｚ及び制限値ａｚは負であり，水平成分ｂｘ及び水平成分ｃｘ及び垂直成分ｃｚは正である。また図９中の凡例においては，目標掘削面がバケット１０の先端の下方にある状況を示している。そして図１０から，制限値ａｚが０のときは距離Ｄが０，すなわちバケット１０の先端が目標掘削面６０上に位置する場合であり，制限値ａｚが正のときは距離Ｄが負，すなわちバケット１０の先端が目標掘削面６０より下方に位置する場合であり，制限値ａｚが負のときは距離Ｄが正，すなわちバケット１０の先端が目標掘削面６０より上方に位置する場合である。Ｓ２０３で制限値ａｚが０以上と判定された場合（すなわち，バケット１０の先端が目標掘削面６０上またはその下方に位置する場合）にはＳ２０４に進み，制限値ａｚが０未満の場合にはＳ２０６に進む。

【0053】

Ｓ２０４では，掘削支援要求速度算出部７６は，オペレータ操作によるバケット１０の先端の速度ベクトルＢの垂直成分ｂｚが０以上か否かを判定する。ｂｚが正の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｚが上向きであることを示し，ｂｚが負の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｚが下向きであることを示す。Ｓ２０４で垂直成分ｂｚが０以上と判定された場合（すなわち，垂直成分ｂｚが上向きの場合）にはＳ２０５に進み，垂直成分ｂｚが０未満の場合にはＳ２０８に進む。

【0054】

Ｓ２０５では，掘削支援要求速度算出部７６は，制限値ａｚと垂直成分ｂｚの絶対値を比較し，制限値ａｚの絶対値が垂直成分ｂｚの絶対値以上の場合にはＳ２０８に進む。一方，制限値ａｚの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ２１１に進む。

【0055】

Ｓ２０８では，掘削支援要求速度算出部７６は，掘削支援制御によるブーム８の動作で発生すべきバケット１０の先端の速度ベクトルＣの目標掘削面６０に垂直な成分ｃｚを算出する式として「ｃｚ＝ａｚ－ｂｚ」を選択し，その式とＳ２０１の制限値ａｚとＳ２０２の垂直成分ｂｚを基に垂直成分ｃｚを算出する。そして，ステップＳ２０９では算出した垂直成分ｃｚを出力可能な速度ベクトルＣを算出し，その水平成分をｃｘとする。

【0056】

Ｓ２１０では，掘削支援要求速度算出部７６は目標速度ベクトルＴを算出する。目標速度ベクトルＴの目標掘削面６０に垂直な成分をｔｚ，水平な成分ｔｘとすると，それぞれ「ｔｚ＝ｂｚ＋ｃｚ，ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」と表すことができる。これにＳ２０８の式（ｃｚ＝ａｚ－ｂｚ）を代入すると目標速度ベクトルＴは結局「ｔｚ＝ａｚ，ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」となる。つまり，Ｓ２１０に至った場合の目標速度ベクトルの垂直成分ｔｚは制限値ａｚに制限され，掘削支援制御による自動ブーム上げが発動される。

【0057】

Ｓ２０６では，掘削支援要求速度算出部７６は，オペレータ操作による爪先の速度ベクトルＢの垂直成分ｂｚが０以上か否かを判定する。Ｓ２０６で垂直成分ｂｚが０以上と判定された場合（すなわち，垂直成分ｂｚが上向きの場合）にはＳ２１１に進み，垂直成分ｂｚが０未満の場合にはＳ２０７に進む。

【0058】

Ｓ２０７では，掘削支援要求速度算出部７６は，制限値ａｚと垂直成分ｂｚの絶対値を比較し，制限値ａｚの絶対値が垂直成分ｂｚの絶対値以上の場合にはＳ２１１に進む。一方，制限値ａｚの絶対値が垂直成分ｂｚの絶対値未満の場合にはＳ２０８に進む。

【0059】

Ｓ２１１に至った場合，掘削支援制御によりブーム８を動作させる必要が無いので，速度ベクトルＣをゼロとする。この場合，ステップＳ２１２で算出する目標速度ベクトルＴは，Ｓ２１０で利用した式（ｔｚ＝ｂｚ＋ｃｚ，ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ）に基づくと「ｔｚ＝ｂｚ，ｔｘ＝ｂｘ」となり，オペレータ操作による速度ベクトルＢと一致する。

【0060】

Ｓ２１３では，掘削支援要求速度算出部７６は，Ｓ２１０またはＳ２１２で決定した目標速度ベクトルＴ（ｔｚ，ｔｘ）に基づいて各フロント部材８，９，１０の掘削支援要求速度を演算し，それを逸脱防止要求速度算出部７７に出力する。本実施形態ではブーム８とアーム９について掘削支援要求速度が演算されるものとする。

【0061】

以上の処理により，速度ベクトルＢの垂直成分が制限値ａｚを超える場合には速度ベクトルＣを発生させるブーム動作が自動的に加えられ，これによりバケット１０の先端の速度ベクトルの垂直成分が制限値ａｚに保持される。制限値ａｚはバケット１０の先端が目標掘削面６０に近づくほどゼロに近づくように設定されているが，バケット１０の先端の速度ベクトルの水平成分は速度ベクトルＢとＣの水平成分の和であり制限されないので，目標掘削面６０上ではバケット１０の先端を目標掘削面６０に沿って移動させることができる。

【0062】

（逸脱防止要求速度算出部７７の処理の詳細）
図１１はコントローラ４０における逸脱防止要求速度算出部７７が実行する処理のフローチャートである。なお，図示したステップＳ１００－Ｓ１０８の処理のうちステップＳ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０７が掘削支援制御と逸脱防止制御が同時に実行される場合に行われる処理となる。

【0063】

ステップＳ１００で，逸脱防止要求速度算出部７７は，作業領域演算部７５から情報を取得し，作業領域６２（または作業領域境界６１）の設定があるか否かを判断する。作業領域６２の設定があると判断された場合にはステップＳ１０１へ進み，作業領域６２の設定がないと判断された場合にはステップＳ１０８へ進む。

【0064】

ステップＳ１０１では，逸脱防止要求速度算出部７７は，現状の姿勢からフロント部材８，９，１０を動作させた場合に，フロント作業装置１Ａを作業領域６２から逸脱させる可能性のあるフロント部材が存在するか否かを判断する。本実施形態では，ブーム８，アーム９，バケット１０それぞれを現状の姿勢から単独で可動範囲の限界まで動作させた場合に，フロント作業機１Ａが作業領域境界６１に到達するか否かで前述の判断を行う。３つのフロント部材８，９，１０のうち少なくとも１つのフロント部材がフロント作業装置１Ａを作業領域６２から逸脱させ得ると判断された場合にはステップＳ１０２へ進み，いずれのフロント部材８，９，１０もフロント作業装置１Ａを作業領域６２から逸脱させないと判断された場合にはステップＳ１０８へ進む。

【0065】

ステップＳ１０２では，逸脱防止要求速度算出部７７は，フロント作業装置１Ａの姿勢と，作業領域境界６１の位置情報とに基づいて，ブーム８，アーム９，バケット１０それぞれを現状の姿勢から単独で可動範囲の限界まで動作させた場合にフロント作業装置１Ａが作業領域境界６１に到達するときの角度である目標停止角度θｔを算出する。目標停止角度θｔは各フロント部材８，０，１０の回動角度α，β，γと同様に規定される。目標停止角度θｔの算出について，図１２を用いて詳述する。

【0066】

まず，図１２において，アーム後端部９ｂの位置（高さ）Ｚａｍｒは以下の式（１）で算出できる。ただし，図１２に示すように，Ｌｂｍはブームピン８ａとアームピン９ａの距離であり，Ｌｂｓはアームピン９ａからアーム後端部９ｂまでの距離であり，τはアーム９に関する幾何学情報（角度）である。

【0067】

【数1】

【0068】

このようにして，フロント作業装置１Ａを含む油圧ショベル１の幾何学情報を用いることで，フロント作業装置１Ａの他の部位も同様に，位置を算出することが可能である。目標停止角度θｔの算出は，ステップＳ１０１でＹｅｓと判定されたフロント部材それぞれについて実施し，Ｎｏと判定されたフロント部材については，目標停止角度θｔの算出を実施しない。

【0069】

ここで，ショベル１の座標系原点から上側の作業領域境界６１までの距離をＤｉｓｔとし，ショベル１の座標系原点からブームピン８ａまでのＺ軸方向距離をＬｏｚとすると，現在の姿勢を基準にしてブーム８のみが動作するとした場合の，ブーム８の目標停止角度θｔｂｍは，以下の式（２）で表される。なお，Ａ，Ｂは，三角関数の合成に関する値である。

【0070】

【数2】

【0071】

ステップＳ１０３では，逸脱防止要求速度算出部７７は，現在のフロント作業装置１Ａの姿勢と，ステップＳ１０２で演算した目標停止角度θｔとから，対象フロント部材の逸脱防止要求速度ωａを算出する。逸脱防止要求速度ωａの算出は，例えば以下の式（３）のように実施することができる。ただし，ωａ：対象フロント部材の逸脱防止要求速度，ｄａ：対象フロント部材の減速度，θｔ：対象フロント部材の目標停止角度，θｃ：対象フロント部材の現在の角度，である。

【0072】

【数3】

【0073】

ステップＳ１０３による逸脱防止要求速度ωａの算出は，ステップＳ１０１でＹｅｓと判定されたフロント部材それぞれについて実施し，Ｎｏと判定されたフロント部材については，逸脱防止要求速度ωａは，掘削支援要求速度とする。

【0074】

ステップＳ１０４では，逸脱防止要求速度算出部７７は，ステップＳ１０３で逸脱防止要求速度ωａを算出したフロント部材（対象フロント部材）の掘削支援要求速度が，その対象フロント部材の逸脱防止要求速度ωａを超過しているか否かを判断する。超過している場合には掘削支援要求速度は逸脱防止要求速度にまで低減され，超過していない場合には掘削支援要求速度の速度制限は行われない。ここで，掘削支援要求速度が演算された少なくとも２つのフロント部材（ここではアーム９及びブーム８）のうち少なくとも１つのフロント部材で，掘削支援要求速度が，逸脱防止要求速度ωａを超過していると判断された場合にはステップＳ１０５へ進む。一方，超過していないと判断された場合にはステップＳ１０８へ進む。

【0075】

ステップＳ１０５では，逸脱防止要求速度算出部７７は，ステップＳ１０４で掘削支援要求速度が逸脱防止要求速度ωａを超過していると判定したフロント部材について、掘削支援要求速度に対して減速されるアクチュエータ（油圧シリンダ）の減速割合Ｄｒを算出する。ここで，掘削支援要求速度をωｍｃ，逸脱防止要求速度をωａとすると，減速割合Ｄｒは次のように算出できる。なお，掘削支援要求速度をωｍｃに対する逸脱防止要求速度をωａの割合（ωａ／ωｍｃ）を速度割合と称することがある。

【0076】

【数4】

【0077】

上記の式（４）では，対象フロント部材が最も減速される場合である逸脱防止要求速度ωａがゼロであるときに，速度割合（ωａ／ωｍｃ）はゼロ（最小値）で減速割合Ｄｒは１（最大値）となる。逸脱防止要求速度ωａが演算されなかったフロント部材については，逸脱防止要求速度ωａは掘削支援要求速度ωｍｃとし，この場合の速度割合（ωａ／ωｍｃ）は１（最大値）で減速割合Ｄｒはゼロ（最小値）になる。

【0078】

ステップＳ１０５による速度割合（ωａ／ωｍｃ）及び減速割合Ｄｒの算出は，掘削支援要求速度が演算された少なくとも２つのフロント部材（ここではブーム８，アーム９）の全てについて実施する。

【0079】

ステップＳ１０６では，逸脱防止要求速度算出部７７は，ステップＳ１０５で減速割合Ｄｒを算出した全てのフロント部材のうち減速割合Ｄｒが最も大きいフロント部材の減速割合（基準減速割合）に残りのフロント部材の減速割合が一致するように，残りのフロント部材の逸脱防止要求速度ωａを改めて算出する。これにより，対象フロント部材に関する逸脱防止要求速度ωａと残りのフロント部材に関する逸脱防止要求速度ωａとによって規定されるバケット１０の動作方向は，掘削支援要求速度ωｍｃが演算された少なくとも２つのフロント部材に関する掘削支援要求速度ωｍｃによって規定されるバケット１０の動作方向に一致することとなる。例えば，ブーム８の逸脱防止要求速度ωａｂｍがゼロ，つまり，速度割合がゼロで減速割合が１となる場合は，ステップＳ１０５で演算されたアーム９やバケット１０の減速割合Ｄｒが例え１未満であったとしても，ステップＳ１０６の処理によりアーム９やバケット１０の逸脱防止要求速度ωａａｍ，ωａｂｋはゼロに補正される。

【0080】

ステップＳ１０７では，逸脱防止要求速度算出部７７は，ステップＳ１０６で算出した各フロント部材の逸脱防止要求速度ωａを，各フロント部材の制御要求速度として出力する。

【0081】

ステップＳ１０８に到達した場合は，逸脱防止要求速度算出部７７は，掘削支援要求速度を，制御要求速度として出力する。

【0082】

ステップＳ１０７とＳ１０８で逸脱防止要求速度算出部７７が出力した制御要求速度は，図４に示すアクチュエータ制御部７９に入力される。アクチュエータ制御部７９は，各フロント部材の角速度である制御要求速度を，それぞれのフロント部材に対応したアクチュエータの速度である，制御要求アクチュエータ速度に変換する。そして，アクチュエータ制御部７９は，制御要求アクチュエータ速度を実現するような指令値を対応する電磁比例弁４７に出力する。これにより電磁比例弁４７が動作して流量制御弁１５にパイロット圧が印加され，該当する油圧シリンダが制御要求アクチュエータ速度に従って動作し，掘削支援制御や逸脱防止制御が実現される。

【0083】

なお，図１１に示す各ステップにおいて，ＭＣ（掘削支援制御および逸脱防止制御）が有効となっていない場合は，掘削支援要求速度を，オペレータ操作速度と読み替えて，各ステップを実行してもよい。

【0084】

また，図１１の例では，ステップＳ１０５，Ｓ１０６では減速割合Ｄｒを利用して残りのフロント部材の逸脱防止要求速度を演算したが，速度割合（ωａ／ωｍｃ）を利用しても良い。この場合，対象フロント部材の速度割合（ωａ／ωｍｃ）を基準速度割合とし，掘削支援要求速度が演算された少なくとも２つのフロント部材から対象フロント部材を除いた残りのフロント部材に関する逸脱防止速度を，その残りのフロント部材の速度割合（ωａ／ωｍｃ）が基準速度割合に一致するように演算することとなる。なお，対象フロント部材が２つ以上存在する場合には，その２つ以上の対象フロント部材ごとに速度割合（ωａ／ωｍｃ）を算出し，算出した複数の速度割合（ωａ／ωｍｃ）の中で最小の速度割合を基準速度割合として残りのフロント部材の逸脱防止要求速度を演算すれば良い。

【0085】

（動作）
次に，コントローラ４０が掘削支援制御と逸脱防止制御の両方でフロント作業装置１Ａを制御する状況について説明する。

【0086】

まず，図７の例では，目標掘削面６０の下方に作業領域境界６１が設定されている。図７の状況でオペレータが操作レバー２２に対してアームクラウド操作を入力すると，コントローラ４０の掘削支援制御により，オペレータのアームクラウド操作から演算されるアーム９のオペレータ操作速度（アーム９の掘削支援要求速度）に対して，バケット先端を目標掘削面６０に沿って移動させるためのブーム上げの掘削支援要求速度（ブーム８の掘削支援要求速度）が算出される（すなわち，アーム９とブーム８について掘削支援要求速度が演算される）。その一方で，オペレータのアームクラウド操作によってフロント作業装置１Ａが作業領域境界６１に近づいたため，コントローラ４０の逸脱防止制御により，アーム９についてオペレータ操作速度（アーム９の掘削支援要求速度）よりも小さい逸脱防止要求速度が演算されたとする（すなわち，掘削支援要求速度が演算されたアーム９及びブーム８のうちアーム９について逸脱防止要求速度が演算されたとする）。

【0087】

上記の状況において，従来技術では，アームクラウドは掘削支援要求速度（オペレータ操作速度）から逸脱防止要求速度まで低減されるものの，ブーム上げについては掘削支援要求速度のままで低減されない。そのため，アームクラウドに対してブーム上げが過剰になり，バケット先端が目標掘削面６０から浮き上がって目標掘削面６０に沿った掘削が不可能になる虞がある。

【0088】

しかし，本実施形態のコントローラ４０（逸脱防止要求速度算出部７７）は，逸脱防止制御が実行されることでバケット先端の速度ベクトルの大きさは低減してもその方向は変化しないように，算出したアームクラウドの逸脱防止要求速度に応じてブーム上げの逸脱防止要求速度も演算される。そのため掘削支援制御と逸脱防止制御が同時に機能してもバケット先端が目標掘削面６０に沿って移動することになるので目標掘削面６０に沿った掘削が可能となる。

【0089】

次に，図８の例では，ショベル１の下方に目標掘削面６０が，ショベル１の前方に作業領域境界６１が設定されている。図８の状況でオペレータが操作レバー２２に対してアームダンプ操作（押し操作）を入力すると，コントローラ４０の掘削支援制御により，オペレータのアームダンプ操作から演算されるアーム９のオペレータ操作速度（アーム９の掘削支援要求速度）に対して，バケット先端を目標掘削面６０に沿って移動させるためのブーム下げの掘削支援要求速度（ブーム８の掘削支援要求速度）が算出される（すなわち，アーム９とブーム８について掘削支援要求速度が演算される）。その一方で，オペレータのアームダンプ操作によってフロント作業装置１Ａが作業領域境界６１に近づいたため，コントローラ４０の逸脱防止制御により，アーム９についてオペレータ操作速度（アーム９の掘削支援要求速度）よりも小さい逸脱防止要求速度が演算されたとする（すなわち，掘削支援要求速度が演算されたアーム９及びブーム８のうちアーム９について逸脱防止要求速度が演算されたとする）。

【0090】

この状況においても，従来技術では，アームダンプは掘削支援要求速度（オペレータ操作速度）から逸脱防止要求速度まで低減されるものの，ブーム下げについては掘削支援要求速度のままで低減されない。そのため，アームダンプに対してブーム下げが過剰になり，バケット先端が目標掘削面６０の下方に潜り込んでしまい目標掘削面６０に沿った掘削が不可能になる虞がある。

【0091】

しかし，本実施形態のコントローラ４０（逸脱防止要求速度算出部７７）は，逸脱防止制御が実行されることでバケット先端の速度ベクトルの大きさは低減してもその方向は変化しないように，算出したアームダンプの逸脱防止要求速度に応じてブーム下げの逸脱防止要求速度も演算される。そのため掘削支援制御と逸脱防止制御が同時に動作してもバケット先端が目標掘削面６０に沿って移動することになるので目標掘削面６０に沿った掘削が可能となる。

【0092】

（まとめ）
上記のように構成した油圧ショベル１によれば，フロント作業装置１Ａが作業領域６２から逸脱する可能性があるときに，掘削支援要求速度算出部７６によって演算されたバケット１０の先端の速度ベクトルの向きを保持したまま，フロント部材の速度が所定の減速度で減速あるいは停止する逸脱防止制御を実現できる。つまり，現在の姿勢でフロント作業装置１Ａが作業領域境界６１に到達する可能性の無いときには，逸脱防止制御は機能せず，掘削支援要求速度あるいはオペレータ操作速度に従ってフロント作業装置１Ａが動作する。また，少なくとも１つのフロント部材において掘削支援要求速度が逸脱防止要求速度を上回る場合には，掘削支援要求速度が演算された他のフロント部材も同じ減速割合で減速される。このように構成すると，複数のフロント部材（例えば，アーム９とブーム８）が掘削支援制御に従って動作している状況で，その中の少なくとも１つのフロント部材が逸脱防止制御により減速あるいは停止しても，それに合わせて残りのフロント部材も同様に減速あるいは停止するため，バケット先端の速度ベクトルが逸脱防止要求速度の発動前後で変動することを防止できる。

【0093】

また，ステップＳ１０３の逸脱防止要求速度の算出において，対象フロント部材の減速度ｄａの値はオペレータによって変更可能にしてもよいし，フロント部材ごと（すなわち油圧シリンダごと）に変更可能にしてもよい。これにより，例えば，ショベル１の操作に不慣れなオペレータに対しては，減速度の絶対値を相対的に小さい値とすることで，当該絶対値が相対的に大きい場合よりも逸脱防止制御が早めに介入し，緩やかな減速と停止が実施される。

【0094】

＜第２実施形態＞
本実施形態に係る油圧ショベル１は，第１実施形態とは異なる演算処理を行う逸脱防止要求速度算出部７７を有するコントローラ４０を備えている。その他の部分については第１実施形態と同じであり，以下では逸脱防止要求速度算出部７７が行う処理について，図１３を用いて説明する。なお，図１３の処理であっても第１実施形態の図１１と同じ処理（ステップＳ１００，Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０８）については同じ符号を付して説明を省略する。

【0095】

ステップＳ３０３では，逸脱防止要求速度算出部７７は，ステップＳ１０１でフロント作業装置１Ａを作業領域６２から逸脱する可能性があると判定されたフロント部材毎に，現在の姿勢（各フロント部材の回動角度α，β，γ）と目標停止角度θｔとに基づいて減速係数を算出する。減速係数は，図１４に示すように０から１の範囲で定義される。目標停止角度θｔと現在の回動角度の差が小さいほど減速係数は小さい値となり，減速係数０のときフロント部材の速度は０となり，減速係数１のときは減速されないものとする。減速係数と目標停止角度と現在の姿勢（回動角度）との関係は，実線で示すように，ｄｔｈ１以下となったところから直線状に定義されていてもよいし，破線で示すように，ｄｔｈ２以下となったところから多項式で表現される曲線で定義されていてもよい。

【0096】

ステップＳ３０４では，ステップＳ３０３で減速係数を演算したフロント部材の中で少なくとも１つのフロント部材で減速係数が１ではないか，換言すると，少なくとも１つのフロント部材を掘削支援要求速度から減速する必要があるか，を判断する。ここで少なくとも１つのフロント部材で減速係数が１ではないと判断された場合にはステップＳ３０５へ進み，そのように判断されない場合にはステップＳ１０８へ進む。

【0097】

ステップＳ３０５では，ステップＳ３０３で演算した中で最も小さい減速係数で，掘削支援要求速度が演算されたすべてのアクチュエータ（油圧シリンダ）の掘削支援要求速度を減速する。例えば，ステップＳ３０３で算出した減速係数について，ブームの減速係数が０．２で，アームとバケットの減速係数が１である場合，ステップＳ３０５では，アームとバケットも，減速係数０．２で減速する。

【0098】

ステップＳ３０６では，ステップＳ３０５で減速された掘削支援要求速度（逸脱防止要求速度）を，制御要求速度として出力する。

【0099】

以上のように機能するコントローラ４０（逸脱防止要求速度算出部７７）を備える油圧ショベルによれば，掘削支援要求速度が最も大きく減速されるフロント部材の減速係数によって他のフロント部材の掘削支援要求速度も減速される。これにより，減速係数により低減された各フロント部材の掘削支援要求速度によって規定されるバケット１０の動作方向は，第１実施形態と同様に，各フロント部材の掘削支援要求速度によって規定されるバケット１０の動作方向に一致することとなる。そのため掘削支援制御と逸脱防止制御が同時に機能してもバケット先端が目標掘削面６０に沿って移動することになるので目標掘削面６０に沿った掘削が可能となる。

【0100】

＜その他＞
なお，上記の各実施形態では，コントローラが掘削支援制御と逸脱防止制御の両方でフロント作業装置１Ａを制御する場合には，バケット１０の動作方向が，掘削支援制御のみを利用してフロント作業装置１Ａを制御した場合のバケット１０の動作方向に一致するようにフロント作業装置１Ａを制御する場合について説明したが，掘削支援制御のみを利用してフロント作業装置１Ａを制御した場合のバケット１０の動作方向に近づくようにフロント作業装置１Ａを制御しても良い。すなわち，両場合におけるバケット１０の動作方向が完全に一致する必要は無く，目標掘削面６０の要求施工精度が充足される範囲で異なっていても良い。

【0101】

また，上記の各実施形態において，操作レバー２２，２３として，電気レバーを備えた作業機械を例に挙げて構成を説明してきたが，油圧レバーを備えた作業機械にも本発明は適用可能である。

【0102】

また，掘削支援制御と逸脱防止制御の両方が実行されていることを，報知装置４６を用いてオペレータに報知する構成としても良い。その構成として，例えば，コントローラ４０の掘削支援要求速度算出部７６が演算した少なくとも２つのフロント部材（すなわち対象フロント部材及び残りのフロント部材）に関する掘削支援要求速度が，逸脱防止要求速度算出部７７が演算した逸脱防止要求速度に基づいて補正（減速）されたことを報知装置４６で報知する構成がある。さらに，掘削支援要求速度が補正（減速）された少なくとも２つのフロント部材を識別可能な情報（識別情報（例えば，フロント部材の名称，画像））を報知装置４６により報知しても良い。そして，逸脱防止制御によって掘削支援要求速度算出部７６が演算した少なくとも２つのフロント部材が停止された場合にはその旨や当該少なくとも２つのフロント部材の識別情報を報知装置４６で報知しても良い。また，逸脱防止制御によって，対象フロント部材が減速された場合にはその旨や対象フロント部材の識別情報を，対象フロント部材が停止された場合にはその旨や対象フロント部材の識別情報を報知装置４６で報知してもよい。減速か停止かの判定は，図１１のステップＳ１０５で算出される減速割合Ｄｒを用いてよい。また，報知の際には，逸脱防止制御により停止したフロント部材を識別可能な情報（識別情報）や，減速割合Ｄｒが最も大きいフロント部材（油圧シリンダ）を特定可能な情報をオペレータに提供してもよい。以上のように，逸脱防止制御によりフロント作業装置１Ａの挙動が変わる理由をオペレータに報知することで，オペレータに与える違和感を小さくすることができる。なお，報知の形態としては，モニタのディスプレイへの表示に限らず，例えば，連続するブザー音による警告音をスピーカから出力しても良いし，警告灯を点灯しても良い。

【0103】

また，コントローラ４０の構成として，掘削支援要求速度を掘削支援要求速度算出部７６で，逸脱防止要求速度を逸脱防止要求速度算出部７７でそれぞれ算出し，それぞれの要求速度を調停する処理（具体的には，図１１のステップＳ１０４－１０７の処理や，図１３のステップＳ３０４，３０５，３０６の処理）を実行する調停部を追加設置した構成とし，その調停後の要求速度をアクチュエータ制御部７９に出力する構成を採用しても良い。

【0104】

なお，上記では，掘削支援要求速度算出部７６と逸脱防止要求速度算出部７７で演算される各フロント部材に関する速度（掘削支援要求速度及び逸脱防止要求速度）として，各フロント部材の「角速度」を演算し，その後にアクチュエータ制御部７９で各フロント部材の角速度を対応する油圧シリンダの速度（アクチュエータ速度）に変換する場合について説明した。しかし，掘削支援要求速度算出部７６と逸脱防止要求速度算出部７７で各フロント部材に関する速度（掘削支援要求速度及び逸脱防止要求速度）として，各フロント部材に対応する「油圧シリンダの速度」（アクチュエータ速度）を演算し，それをアクチュエータ制御部７９に出力する構成を採用しても良い。

【0105】

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。

【0106】

また、上記の制御装置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、上記の制御装置に係る構成は、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制御装置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。

【0107】

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】

【0108】

１…油圧ショベル，１Ａ…フロント作業装置（作業装置），１Ｂ…車体（機械本体），５…ブームシリンダ，６…アームシリンダ，７…バケットシリンダ，８…ブーム，９…アーム，１０…バケット（作業具），１１…下部走行体，１２…上部旋回体，１４…バケットリンク，１５…流量制御弁（コントロールバルブ），１７…旋回角度センサ，１９…旋回角速度センサ，２２…操作レバー，２３…操作レバー，３０…ブーム角度センサ，３１…アーム角度センサ，３２…バケット角度センサ，３３…車体傾斜角センサ，３４…旋回角度センサ，４０…コントローラ（制御装置），４６…報知装置，４７ａ－ｌ…電磁比例弁，５２…操作センサ（オペレータ操作検出装置），５３…姿勢センサ（ショベル姿勢検出装置），５５…ＧＮＳＳアンテナ，６０…目標掘削面，６１…作業領域境界，６２…作業領域，７２…ショベル姿勢演算部，７３…オペレータ操作速度推定部，７４…目標掘削面演算部，７５…作業領域演算部，７６…掘削支援要求速度算出部（目標速度算出部），７７…逸脱防止要求速度算出部（制限速度算出部），７８…報知制御部，７９…アクチュエータ制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】