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(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】2023-07-14
(45)【発行日】2023-07-25
(54)【発明の名称】作業機械
(51)【国際特許分類】
E02F 3/43 20060101AFI20230718BHJP
E02F 9/22 20060101ALI20230718BHJP
E02F 9/20 20060101ALI20230718BHJP
【ＦＩ】
E02F3/43 C
E02F9/22 E
E02F9/20 M
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022578121
(86)(22)【出願日】2021-12-10
(86)【国際出願番号】 JP2021045582
(87)【国際公開番号】W WO2022163168
(87)【国際公開日】2022-08-04
【審査請求日】2023-02-21
(31)【優先権主張番号】P 2021013157
(32)【優先日】2021-01-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】金成 靖彦
(72)【発明者】
【氏名】坂本 博史
(72)【発明者】
【氏名】五十嵐 輝樹
(72)【発明者】
【氏名】楢▲崎▼ 昭広
【審査官】湯本 照基
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－００２７５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３３７８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１１２９０１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０２Ｆ ３／４３
Ｅ０２Ｆ ９／２２
Ｅ０２Ｆ ９／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
機械本体と、前記機械本体に上下方向に揺動自在に取り付けられた、作業具を有する作業フロントと、
前記作業フロントを駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動する駆動装置と、
前記アクチュエータの動作を指示する操作入力装置と、
前記機械本体および前記作業フロントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
前記作業具の掘削対象となる目標面を設定する目標面情報設定装置と、
前記作業具が前記目標面に沿って移動するように前記操作入力装置、前記姿勢検出装置、および前記目標面情報設定装置から入力される情報に基づいて、前記アクチュエータの動作指令値を演算し、前記駆動装置に出力す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、
前記操作入力装置から入力された操作入力量と前記目標面に対する前記作業具の姿勢とに基づいて前記作業具の作業状態を判定すると共に、判定された前記作業状態が維持される前記アクチュエータの動作指令値の範囲を演算し、前記範囲の中で前記アクチュエータの動作指令値を、前記作業具と前記目標面との距離が小さくなるように補正する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項2】
請求項１に記載の作業機械において、前記コントローラは、前記作業具と前記目標面との距離が所定値以下となり、かつ、前記操作入力量に基づいて演算した前記作業具の目標速度のうち前記目標面に平行な速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きくなったタイミングで前記作業具の作業状態を判定する
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、前記目標面に対する前記作業具の姿勢および進行方向に基づいて前記作業具の作業状態を判定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項３に記載の作業機械において、前記コントローラは、前記作業具上に予め設定された２点と前記目標面との距離に基づいて、前記目標面に対する前記作業具の姿勢を検出する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項４に記載の作業機械において、前記作業具はバケットであり、
前記コントローラは、
前記目標面を基準として前記バケットの爪先が前記バケットの後端側よりも下方に位置し、かつ前記バケットの動作速度のうち前記目標面に平行でかつ前記爪先側に向かう速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合は、前記バケットの作業状態を掘削状態と判定し、
前記目標面を基準として前記爪先が前記後端側よりも下方に位置し、かつ前記バケットの動作速度のうち前記目標面に平行でかつ前記後端側に向かう速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合、または、前記目標面を基準として前記後端側が前記爪先よりも下方に位置し、かつ前記バケットの動作速度のうち前記目標面に平行な速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合は、前記バケットの作業状態を擦り付け状態と判定する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項５に記載の作業機械において、前記コントローラは、
前記バケットの作業状態を掘削状態と判定した場合は、前記目標面を基準として前記爪先が前記後端側よりも下方に位置する状態が維持される動作指令値の範囲内で、前記爪先から前記目標面までの距離が小さくなるように前記アクチュエータの動作指令値を補正し、
前記バケットの作業状態を擦り付け状態と判定した場合は、前記目標面を基準として前記後端側が前記爪先よりも下方に位置する状態が維持される動作指令値の範囲内で、前記爪先から前記目標面までの距離が小さくなるように前記アクチュエータの動作指令値を補正する
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、前記コントローラは、前記作業具の角度変化量が予め設定された角度補正制限値を超えないように、または、前記作業具の角速度変化量が予め設定された角速度補正制限値を超えないように、前記アクチュエータの動作指令値を補正する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項8】
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、
前記作業フロントの動作速度に基づいて前記作業具の角度補正制限値または角速度補正制限値を演算し、
前記作業具の角度変化量が前記角度補正制限値を超えないように、または、前記作業具の角速度変化量が前記角速度補正制限値を超えないように、前記アクチュエータの動作指令値を補正する
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、解体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た作業機械本体に多関節型の作業フロントを上下方向に揺動自在に取り付け、作業フロント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作業フロントを有する、いわゆる油圧ショベルがある。
【0003】
この種の油圧ショベルには、掘削する施工目標面を予め設定し、バケットが施工目標面に沿って掘削できるように、オペレータのアーム動作の操作に応じてブーム動作を自動で制御する、いわゆるマシンコントロールを行うものがある。
【0004】
ところで、この種の油圧ショベルでは、バケットの動作を自動的に制御するショベルが広く知られている。ところが、オペレータの作業意図に反したバケット角度の自動制御が行われると、オペレータは意図したバケット作業ができないため油圧ショベルの作業性が低下してしまうことがある。
【0005】
例えば特許文献１には、オペレータによるバケットの操作状態とバケットと施工目標面との距離に応じてバケットの角度を一定に維持するバケット制御を行うことで、オペレータの意図に即したバケット制御を行う建設機械の制御装置及び建設機械の制御方法に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１７／０８６４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
いわゆるマシンコントロールを行うショベルでは、施工目標面にバケットを正確に追従させることが重要である。ところで、アームとブームの動作に加えてバケットと施工目標面の距離が小さくなるようにバケットの動作を制御すれば、より正確にバケットを施工目標面に追従させることができる。
【0008】
ところが、バケットの爪先が施工目標面に常に近づくようにバケット動作を制御すると、オペレータが意図するバケット作業状態から逸脱するおそれがある。例えば、バケットの爪先側で掘削中に、施工目標面に対してバケットの爪先と反対のバケット底面の後端側がバケットの爪先側より下方に位置してしまうと、バケットの底面が地面に接してしまってバケットの爪先側で掘削作業を継続することができない。また反対に、バケット底面の後端側で地面への擦り付け作業を行っているときに、施工目標面に対してバケットの爪先側がバケットの後端側より下方に位置してしまうと、バケットの爪先側で地面を掘削してしまうためバケットでの擦り付け作業ができない。
【0009】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、作業具を施工目標面に追従させるマシンコントロールにおいて、オペレータの意図に即した作業具の作業状態を維持することにより、作業性を向上させることが可能な作業機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、本発明は、機械本体と、前記機械本体に上下方向に揺動自在に取り付けられた、作業具を有する作業フロントと、前記作業フロントを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動装置と、前記アクチュエータの動作を指示する操作入力装置と、前記機械本体および前記作業フロントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、前記作業具の掘削対象となる目標面を設定する目標面情報設定装置と、前記作業具が前記目標面に沿って移動するように前記操作入力装置、前記姿勢検出装置、および前記目標面情報設定装置から入力される情報に基づいて、前記アクチュエータの動作指令値を演算し、前記駆動装置に出力す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、前記操作入力装置から入力された操作入力量と前記目標面に対する前記作業具の姿勢とに基づいて前記作業具の作業状態を判定すると共に、判定された前記作業状態が維持される前記アクチュエータの動作指令値の範囲を演算し、前記範囲の中で前記アクチュエータの動作指令値を、前記作業具と前記目標面との距離が小さくなるように補正するものとする。
【0011】
以上のように構成した本発明によれば、作業具を施工目標面に追従させるマシンコントロールにおいて、オペレータの意図に即した作業具の作業状態を維持することにより、作業機械の作業性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、作業具を施工目標面に追従させるマシンコントロールにおいて、オペレータの意図に即した作業具の作業状態を維持することにより、作業機械の作業性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の実施形態における油圧ショベルの側面図である。
【図4】マシンコントールによる作業フロントの動作を示す図である。
【図5】マシンコントロールで達成しようとするバケットの動作軌跡を示す図である。
【図6】マシンコントロールによる実際のバケットの動作軌跡を示す図である。
【図7】掘削作業中のバケットの目標動作軌跡を示す図である。
【図8】擦り付け作業中のバケットの目標動作軌跡を示す図である。
【図9】法面バケットの側面図である。
【図10A】従来技術におけるマシンコントロールによるバケットの動作軌跡を示す図である。
【図10B】本発明の実施形態におけるマシンコントロールによるバケットの動作軌跡を示す図である。
【図11】本発明の実施形態における情報処理装置の処理内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態におけ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。
【0015】
【0016】
作業フロント２は旋回体３に対して、旋回体３は走行体４に対して、それぞれ連結部分を中心に回動する構成となっている。作業フロント２は、一端が旋回体３に連結されたブーム２０と、一端がブーム２０に連結されたアーム２１と、一端がアーム２１に連結されたバケット２２と、両端がブーム２０と旋回体３にそれぞれ連結されたブームシリンダ２０Ａと、両端がアーム２１とブーム２０にそれぞれ連結されたアームシリンダ２１Ａと、一端がアーム２１に連結された第１リンク２２Ｂと、一端がバケット２２に連結された第２リンク２２Ｃと、一端が第１リンク２２Ｂおよび第２リンク２２Ｃの他端に連結され、他端がアーム２１に連結されたバケットシリンダ２２Ａとを備えている。これらの部材はそれぞれ連結部分を中心に、上下方向に回動するように構成されている。走行体４は、走行用モータ４１と、履帯４５とを備えている。
【0017】
ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、およびバケットシリンダ２２Ａは、油圧によりそれぞれ伸縮する構造となっており、伸縮によりそれぞれブーム２０、アーム２１、およびバケット２２を回動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。
【0018】
ブーム２０には、ブーム２０の姿勢を検出するためのブームＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）２０Ｓが取り付けられている。アーム２１には、アーム２１の姿勢を検出するためのアームＩＭＵ２１Ｓが取り付けられている。第１リンク２２Ｂには、バケット２２の姿勢を検出するためのバケットＩＭＵが取り付けられている。ブームＩＭＵ２０Ｓ、アームＩＭＵ２１Ｓ、およびバケットＩＭＵ２２Ｓは、それぞれ角速度センサと加速度センサで構成される。
【0019】
旋回体３は、旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、メインフレーム３１、運転室３２、情報処理装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、カウンタウェイト３７、および旋回用モータ３８を備えている。旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、運転室３２、情報処理装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、カウンタウェイト３７、および旋回用モータ３８は、メインフレーム３１上に配置されている。旋回体ＩＭＵ３０Ｓは、加速度センサと角速度センサとを備えており、旋回体３の傾斜角度を検出することができる。
【0020】
運転室３２には、操作入力装置３３、目標面情報設定装置１００、および表示設定装置１１０が配置されている。操作入力装置３３は、操作レバー３３ａとオペレータによる操作レバー３３ａの操作量を検出する操作入力量センサ３３ｂ（いずれも図２に示す）により構成されている。操作入力量センサ３３ｂは、操作レバー３３ａの操作量を検出することで、オペレータが要求する各可動部の目標動作をそれぞれ電気信号に変換することができる。なお、操作入力装置３３は、油圧パイロット方式や遠隔地から操作できる方式のものでもよい。目標面情報設定装置１００は、作業フロント２が掘削する目標となる施工目標面を設定することができる。
【0021】
表示設定装置１１０は、表示モニタとタッチパネルで構成され、油圧ショベル１の姿勢、施工目標面の情報、施工目標面と作業フロント２の位置関係や距離などを表示したり、作業フロント２の各種寸法や質量を設定できる。また、バケット２２の角度保持に関する作動モードを設定することができる。
【0022】
情報処理装置３４については、後に図３を参照して説明する。
【0023】
駆動装置３５は、油圧ポンプ３５ａ、方向切替弁３５ｂ、および電磁制御弁３５ｃで構成される。油圧ポンプ３５ａは、油圧ショベル１の運転に必要な油圧を発生させる。電磁制御弁３５ｃは、情報処理装置３４から入力された動作指令値に従って方向切替弁３５ｂを駆動する。方向切替弁３５ｂは、油圧ポンプ３５ａからアクチュエータであるブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回用モータ３８、および走行用モータ４１に供給される圧油の流量と方向を制御する。
【0024】
原動装置３６は、油圧ポンプ３５ａの動力源であり、エンジン３６ａで構成される。
【0025】
走行体４は、トラックフレーム４０と、走行用モータ４１と、履帯４５とを備えている。履帯４５は、走行用モータ４１によりトラックフレーム４０を周回できるように設置されている。オペレータは、操作入力装置３３を操作して走行用モータ４１の回転速度を変化させることにより、油圧ショベル１の走行速度を調整することができる。走行体４は、履帯４５を備えたものに限定されることなく、走行輪や脚を備えたものであってもよい。
【0026】
＜制御システムの構成＞
図２に油圧ショベル１の制御システムの構成を示す。図２において、制御システム１０は、操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、目標面情報設定装置１００、表示設定装置１１０、情報処理装置３４、駆動装置３５、および原動装置３６により構成される。
図２に油圧ショベル１の制御システムの構成を示す。図２において、制御システム１０は、操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、目標面情報設定装置１００、表示設定装置１１０、情報処理装置３４、駆動装置３５、および原動装置３６により構成される。
【0027】
操作入力装置３３は、操作レバー３３ａと操作入力量センサ３３ｂとで構成される。操作レバー３３ａの操作量は、操作入力量センサ３３ｂにより電気信号に変換され、情報処理装置３４に入力される。
【0028】
姿勢検出装置３０は、角速度センタ３０ａと加速度センサ３０ｂとを備えており、作業フロント２の各部材と旋回体３の角度を計測できる。
【0029】
目標面情報設定装置１００は、目標面情報設定用コントローラ１００ａを備えており、施工目標面を設定し管理することができる。
【0030】
表示設定装置１１０は、表示モニタ１１０ａとタッチパネル１１０ｂとを備えており、油圧ショベル１の姿勢、目標面情報設定装置１００で設定した施工目標面の領域情報、作業フロント２と施工目標面までの距離などをオペレータに向けて表示できる。表示設定装置１１０は、また、正確なマシンコントロールを実施するために、ブーム２０、アーム２１、およびバケット２２の各寸法を設定することができる。表示設定装置１１０は、さらに、バケット２２の角度制御に関して、施工目標面に対するバケット２２の角度を自動的に維持するモード、アーム２１とブーム２０の動作に合わせて旋回体３の旋回平面に対するバケット２２の角度を自動的に維持するモード、アーム２１に対するバケット２２の角度を維持するモードなどを選択することができる。
【0031】
情報処理装置３４は、情報処理用コントローラ３４ａを備えており、各装置からの制御信号や検出信号を処理する。操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、目標面情報設定装置１００、および表示設定装置１１０は、情報処理装置３４に接続されている。また、情報処理装置３４は、駆動装置３５に油圧ショベル１を駆動させるための指令を出力する。
【0032】
駆動装置３５は、油圧ポンプ３５ａ、方向切替弁３５ｂ、および電磁制御弁３５ｃにより構成される。油圧ポンプ３５ａは、油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａおよび油圧モータ３８，４１を駆動するために必要な圧油を生成する。方向切替弁３５ｂは、油圧ポンプ３５ａから供給される圧油の流量と方向を調整することにより、油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａおよび油圧モータ３８，４１を駆動する。駆動装置３５は、また、上記に含まれないアタッチメントや機器を駆動することができる。
【0033】
原動装置３６は、エンジン３６ａにより構成されている。エンジン３６ａは、油圧ポンプ３５ａを駆動する。原動装置３６はこの構成に限らず、電動モータなどの他の動力源を用いてもよい。
【0034】
＜操作入力装置＞
油圧ショベル１は一般に、操作レバー３３ａの操作量が大きくなると、アクチュエータの動作速度が速くなるように構成されている。オペレータは、操作レバー３３ａの操作量を調節することにより、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１の動作速度を変化させることができる。
油圧ショベル１は一般に、操作レバー３３ａの操作量が大きくなると、アクチュエータの動作速度が速くなるように構成されている。オペレータは、操作レバー３３ａの操作量を調節することにより、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１の動作速度を変化させることができる。
【0035】
操作入力装置３３は、操作レバー３３ａの操作量（操作入力量）を電気的に検出する操作入力量センサ３３ｂを備えており、オペレータが要求するアクチュエータの目標動作を情報処理装置３４に送信することができる。操作入力量センサ３３ｂは、操作レバー３３ａの操作量を直接検出するものに限らず、操作パイロット圧を検出する方式であってもよい。
【0036】
＜姿勢検出装置＞
姿勢検出装置３０は、旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、ブームＩＭＵ２０Ｓ、アームＩＭＵ２１Ｓ、およびバケットＩＭＵ２２Ｓにそれぞれ角速度センサと加速度センサとを備える。これらのＩＭＵによりそれぞれの位置における角速度と加速度情報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２２Ｂ、第２リンク２２Ｃ、および旋回体３は、それぞれ揺動できるように取り付けられているので、機械的なリンク関係から、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、および旋回体３の姿勢を推定することができる。なお、ここで示した姿勢の検出方法は一例であり、作業フロント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の各部の姿勢を算出してもよい。
姿勢検出装置３０は、旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、ブームＩＭＵ２０Ｓ、アームＩＭＵ２１Ｓ、およびバケットＩＭＵ２２Ｓにそれぞれ角速度センサと加速度センサとを備える。これらのＩＭＵによりそれぞれの位置における角速度と加速度情報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２２Ｂ、第２リンク２２Ｃ、および旋回体３は、それぞれ揺動できるように取り付けられているので、機械的なリンク関係から、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、および旋回体３の姿勢を推定することができる。なお、ここで示した姿勢の検出方法は一例であり、作業フロント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の各部の姿勢を算出してもよい。
【0037】
＜目標面情報設定装置＞
目標面情報設定装置１００は、作業フロント２が掘削目標とする施工目標面を設定することができる。施工目標面は単一な平面に加え、複数の平面を持つように設定してもよく、作業フロント２が掘削可能な範囲を設定できるようにしてもよい。施工目標面は、作業機械１を基準とする座標系で設定してもよいし、地球を基準とする座標系で設定してもよい。施工目標面の設定方法は、３Dデータなどのモデルデータを読み込ませることでもよい。
目標面情報設定装置１００は、作業フロント２が掘削目標とする施工目標面を設定することができる。施工目標面は単一な平面に加え、複数の平面を持つように設定してもよく、作業フロント２が掘削可能な範囲を設定できるようにしてもよい。施工目標面は、作業機械１を基準とする座標系で設定してもよいし、地球を基準とする座標系で設定してもよい。施工目標面の設定方法は、３Dデータなどのモデルデータを読み込ませることでもよい。
【0038】
＜駆動装置＞
駆動装置３５は、油圧ポンプ３５ａと、方向切替弁３５ｂと、電磁制御弁３５ｃとにより構成され、情報処理装置３４から入力された動作指令値に従って、油圧ショベル１の各部を駆動するアクチュエータ（油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａおよび油圧モータ３８，４１）に供給される作動油（圧油）の流量を制御する。情報処理装置３４から入力された動作指令値は電磁制御弁３５ｃによってパイロット圧に変換され、このパイロット圧によって方向切替弁３５ｂが駆動される。方向切替弁３５ｂは、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１に供給される作動油の流量を調整することにより、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１の動作速度を制御する。
駆動装置３５は、油圧ポンプ３５ａと、方向切替弁３５ｂと、電磁制御弁３５ｃとにより構成され、情報処理装置３４から入力された動作指令値に従って、油圧ショベル１の各部を駆動するアクチュエータ（油圧シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａおよび油圧モータ３８，４１）に供給される作動油（圧油）の流量を制御する。情報処理装置３４から入力された動作指令値は電磁制御弁３５ｃによってパイロット圧に変換され、このパイロット圧によって方向切替弁３５ｂが駆動される。方向切替弁３５ｂは、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１に供給される作動油の流量を調整することにより、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１の動作速度を制御する。
【0039】
＜情報処理装置＞
図３は情報処理装置３４の機能ブロック図である。図３に示すように、情報処理装置３４は、姿勢検出装置３０と、操作入力装置３３と、目標面情報設定装置１００と、表示設定装置１１０と、駆動装置３５とに接続されている。情報処理装置３４は、姿勢演算部２１０と、目標面距離演算部２２０と、目標速度演算部３１０と、バケット角度制御決定部４１０と、バケット進行方向判定部４２０と、バケット作業状態判定部４３０と、バケット補正制限値演算部４４０と、バケット目標速度補正部４５０と、動作指令値演算部６１０とにより構成される。
図３は情報処理装置３４の機能ブロック図である。図３に示すように、情報処理装置３４は、姿勢検出装置３０と、操作入力装置３３と、目標面情報設定装置１００と、表示設定装置１１０と、駆動装置３５とに接続されている。情報処理装置３４は、姿勢演算部２１０と、目標面距離演算部２２０と、目標速度演算部３１０と、バケット角度制御決定部４１０と、バケット進行方向判定部４２０と、バケット作業状態判定部４３０と、バケット補正制限値演算部４４０と、バケット目標速度補正部４５０と、動作指令値演算部６１０とにより構成される。
【0040】
姿勢演算部２１０は、姿勢検出装置３０が検出した信号を基に作業フロント２と旋回体３の姿勢を演算する。姿勢演算部２１０の演算結果は、目標面距離演算部２２０、バケット角度制御決定部４１０、および目標速度演算部３１０に出力される。
【0041】
目標面距離演算部２２０は、目標面情報設定装置１００と姿勢演算部２１０の演算結果に基づいて、バケット２２上に設定された任意の複数点と施工目標面との距離を演算する。目標面距離演算部２２０の演算結果は、表示設定装置１１０、バケット角度制御決定部４１０、目標速度演算部３１０、バケット進行方向判定部４２０、バケット作業状態判定部４３０、バケット補正制限値演算部４４０、およびバケット目標速度補正部４５０に出力される。
【0042】
バケット角度制御決定部４１０は、表示設定装置１１０に設定されたバケット２２の角度制御に関して、操作入力装置３３からの操作入力量と、姿勢演算部２１０および目標面距離演算部２２０の演算結果とに基づいて、バケット２２の角度制御に関する制御状態を決定し、その結果を目標速度演算部３１０、バケット作業状態判定部４３０、およびバケット目標速度補正部４５０に出力する。
【0043】
目標速度演算部３１０は、操作入力装置３３の操作量情報、目標面距離演算部２２０が演算したバケット２２と施工目標面の距離、バケット角度制御決定部４１０の演算結果、および姿勢演算部２１０の演算結果に基づいて、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの目標速度を演算する。目標速度演算部３１０の演算結果は、バケット進行方向判定部４２０、バケット目標速度補正部４５０、および動作指令値演算部６１０に出力される。
【0044】
バケット進行方向判定部４２０は、目標面距離演算部２２０と目標速度演算部３１０の演算結果に基づいて、バケット２２が進行する方向、すなわち、バケット２２の爪先側に進行するか、爪先と反対側（後端側）に進行するかを判定し、その結果をバケット作業状態判定部４３０に出力する。
【0045】
バケット作業状態判定部４３０は、目標面距離演算部２２０、バケット角度制御決定部４１０、およびバケット進行方向判定部４２０の演算結果に基づいて、バケット２２の作業状態、すなわち、バケット２２の爪先側で掘削している状態（掘削状態）、バケット２２の爪先と反対側で擦り付けしている状態（擦り付け状態）、バケット２２の爪先側で擦り付けしている状態（擦り付け状態）のいずれかであるかを判定し、その結果をバケット補正制限値演算部４４０に出力する。
【0046】
バケット補正制限値演算部４４０は、目標面距離演算部２２０、およびバケット作業状態判定部４３０の演算結果に基づいて、バケット２２の作業状態が維持される角度補正量の上限値（バケット補正制限値）を演算する。また、バケット補正制限値演算部４４０は、オペレータに違和感を与えないバケット２２の角速度補正量の上限値（バケット補正制限値）を演算する。バケット補正制限値演算部４４０の演算結果（バケット補正制限値）は、バケット目標速度補正部４５０に出力される。
【0047】
バケット目標速度補正部４５０は、バケット角度制御決定部４１０、目標面距離演算部２２０、バケット補正制限値演算部４４０、および目標速度演算部３１０の演算結果に基づいて、バケット２２の目標速度を補正する。
【0048】
動作指令値演算部６１０は、目標速度演算部３１０、およびバケット目標速度補正部４５０の演算結果に基づいて、駆動装置３５を制御するのに必要な動作指令値を演算し、駆動装置３５に出力する。
【0049】
＜マシンコントロールの動作＞
図４にマシンコントールによる作業フロント２の動作を示す。図４に示すように、マシンコントロールでは設定された施工目標面に沿ってバケット２２が動作するように、アーム２１の動作速度に応じてブーム２０を自動的に制御する。例えば、図４に示す状態においてオペレータがアーム２１のクラウド操作を行うと、バケット２２の爪先が施工目標面に沿って移動するように、ブーム２０が自動的に上昇または下降する。これによりオペレータは、熟練の操作を要することなく施工目標面に沿って掘削作業を行うことができる。
図４にマシンコントールによる作業フロント２の動作を示す。図４に示すように、マシンコントロールでは設定された施工目標面に沿ってバケット２２が動作するように、アーム２１の動作速度に応じてブーム２０を自動的に制御する。例えば、図４に示す状態においてオペレータがアーム２１のクラウド操作を行うと、バケット２２の爪先が施工目標面に沿って移動するように、ブーム２０が自動的に上昇または下降する。これによりオペレータは、熟練の操作を要することなく施工目標面に沿って掘削作業を行うことができる。
【0050】
図５にマシンコントロールで達成しようとするバケット２２の動作軌跡（目標動作軌跡）を示す。図５に示すように、マシンコントロールではバケット２２の角度制御を自動で行うことができる。バケット２２の角度制御には、施工目標面に対してバケット２２の角度を一定に保つようにバケット２２の動作を制御するもの、ブーム２０とアーム２１の動作に合わせてバケット２２の角度を旋回体３の旋回平面に対して一定に保つようにバケット２２の動作を制御するもの、アーム２１に対するバケット２２の角度を一定に保つようにバケット２２の動作を制御するものがある。これらのバケット２２の角度制御は、オペレータの選択操作に応じて切り替えたり、オペレータのバケット２２の操作量、バケット２２と施工目標面の距離、施工目標面に対するバケット２２の姿勢などに基づいて自動的に切り替えることができる。例えば本実施形態では、通常時はアーム２１に対するバケット２２の角度を一定に保つようにバケット２２の動作を制御するようにしておき、オペレータが表示設定装置１１０を介してバケット２２の角度を保持するモードに設定し、マシンコントロールが要求するバケット２２の動作速度よりオペレータが要求するバケット２２の動作速度が小さい場合は、バケット２２と施工目標面の距離が所定値より小さく、かつ施工目標面に対してバケット２２の底面が平行になったら、バケット２２の角度を旋回体３の旋回平面に対して一定に保つようにバケット２２の動作を制御する。
【0051】
＜バケットの動作軌跡＞
図６にマシンコントロールによる実際のバケット２２の動作軌跡を示す。一般に油圧ショベル１では、強度の観点から作業フロント２は重厚に作られているため質量が比較的大きく、慣性が大きい。また、油圧システムの場合、作業フロント２を駆動する作動油が圧縮性のある流体であるため、作業フロント２の動作を正確に制御することは難しい。そのため、実際にアーム２１とブーム２０の動作を制御してバケット２２を施工目標面に追従させようとすると、図６に示すようにバケット２２と施工目標面には偏差が生じる。その結果、掘削した地面に凹凸が生じてしまう。なお、図６の動作軌跡は説明用のイメージであり、実際の縮尺とは異なる。
図６にマシンコントロールによる実際のバケット２２の動作軌跡を示す。一般に油圧ショベル１では、強度の観点から作業フロント２は重厚に作られているため質量が比較的大きく、慣性が大きい。また、油圧システムの場合、作業フロント２を駆動する作動油が圧縮性のある流体であるため、作業フロント２の動作を正確に制御することは難しい。そのため、実際にアーム２１とブーム２０の動作を制御してバケット２２を施工目標面に追従させようとすると、図６に示すようにバケット２２と施工目標面には偏差が生じる。その結果、掘削した地面に凹凸が生じてしまう。なお、図６の動作軌跡は説明用のイメージであり、実際の縮尺とは異なる。
【0052】
＜バケットの作業状態＞
図７に掘削作業中のバケット２２の目標動作軌跡を示し、図８に擦り付け作業中のバケット２２の目標動作軌跡を示す。図７および図８に示すように、バケット２２が広く一般に用いられる掘削用バケットの場合、バケット２２の先端側にはツースと呼ばれる爪が取り付けられており、地面を掘削しやすくなっている。バケット２２の下部には鉄板が取り付けられており、地面を締め固めたり、バケット２２の底面や後端側を地面に擦り付けることで地面を滑らかに均す際に使用される。マシンコントロールで作業するときのバケット２２の作業状態としては、図７に示すようにバケット２２の爪先側で掘削する状態（掘削状態）と、図８に示すようにバケット２２の爪先と反対の後端側で擦り付けする状態（擦り付け状態）とがある。マシンコントロールによるバケット２２の作業（掘削作業または擦り付け作業）は作業フロント２の一連の動作により行われるため、その間はバケット２２の作業状態を維持する必要がある。
図７に掘削作業中のバケット２２の目標動作軌跡を示し、図８に擦り付け作業中のバケット２２の目標動作軌跡を示す。図７および図８に示すように、バケット２２が広く一般に用いられる掘削用バケットの場合、バケット２２の先端側にはツースと呼ばれる爪が取り付けられており、地面を掘削しやすくなっている。バケット２２の下部には鉄板が取り付けられており、地面を締め固めたり、バケット２２の底面や後端側を地面に擦り付けることで地面を滑らかに均す際に使用される。マシンコントロールで作業するときのバケット２２の作業状態としては、図７に示すようにバケット２２の爪先側で掘削する状態（掘削状態）と、図８に示すようにバケット２２の爪先と反対の後端側で擦り付けする状態（擦り付け状態）とがある。マシンコントロールによるバケット２２の作業（掘削作業または擦り付け作業）は作業フロント２の一連の動作により行われるため、その間はバケット２２の作業状態を維持する必要がある。
【0053】
バケット２２の作業状態の判定は、施工目標面に対するバケット２２の姿勢および進行方向に基づいて行うことができる。本実施形態では、バケット２２の爪先側と施工目標面の距離と、バケット２２の爪先側と反対の後端側と施工目標面の距離を演算し、これらの距離の大小関係とバケット２２の進行方向とに基づいて掘削状態か擦り付け状態かを判定している。バケット２２の進行方向は、アーム２１とブーム２０の目標速度から施工目標面に平行な方向成分を抽出することで演算することができる。図７および図８に示す作業フロント２の構成では、アーム引き動作によってバケット２２は爪先側に進行し、アーム押し動作によってバケット２２は爪先と反対の後端側に進行する。
【0054】
以下、掘削状態または擦り付け状態と判定するための条件の一例を示す。
（i）掘削状態と判定するための条件
施工目標面を基準としてバケット２２の爪先側が後端側より下方に位置する状態でバケット２２が爪先側に進行するとき。
（ii）擦り付け状態と判定するための条件
施工目標面を基準としてバケット２２の後端側が爪先側より下方に位置する状態でバケット２２が爪先側に進行するとき。または、施工目標面を基準としてバケット２２の後端側が爪先側より下方に位置しする状態でバケット２２が後端側に進行するとき。
（i）掘削状態と判定するための条件
施工目標面を基準としてバケット２２の爪先側が後端側より下方に位置する状態でバケット２２が爪先側に進行するとき。
（ii）擦り付け状態と判定するための条件
施工目標面を基準としてバケット２２の後端側が爪先側より下方に位置する状態でバケット２２が爪先側に進行するとき。または、施工目標面を基準としてバケット２２の後端側が爪先側より下方に位置しする状態でバケット２２が後端側に進行するとき。
【0055】
なお、バケット２２の作業状態を判定するための条件は上記に限られず、例えばバケット２２の底面と施工目標面のなす角度に基づいて掘削状態か擦り付け状態かを判定してもよい。また、バケット２２が後端側にエッジを有する法面バケット（図９に示す）の場合は、バケット２２の後端側で地面を掘削することもあるため、後端側が爪先側より下方に位置する姿勢でバケット２２が後端側に進行する状態を掘削状態と判定してもよい。
【0056】
＜バケット目標速度の補正方法＞
マシンコントロール作業をしている際にバケット２２と施工目標面の距離を小さくするようにバケット２２の目標速度を補正するときの補正方法について説明する。バケット２２の目標速度の補正は、バケット２２の作業状態と、バケット２２と施工目標面の距離に基づいて行う。本実施形態では、バケット２２の爪先側が後端側より下方にある状態でバケット２２が爪先側に進行するときに、バケット２２の爪先と施工目標面の距離が零になるようにバケットシリンダ２２Ａの変位を演算し、この変位を所定時間で除算して目標速度演算部３１０で演算されていたバケットシリンダ２２Ａの目標速度に加算する。ここでいう所定時間は、バケット２２の爪先と施工目標面の距離が零になるのに要する時間であり、油圧ショベル１の特性などを考慮して実験等により適切な値に決定される。
マシンコントロール作業をしている際にバケット２２と施工目標面の距離を小さくするようにバケット２２の目標速度を補正するときの補正方法について説明する。バケット２２の目標速度の補正は、バケット２２の作業状態と、バケット２２と施工目標面の距離に基づいて行う。本実施形態では、バケット２２の爪先側が後端側より下方にある状態でバケット２２が爪先側に進行するときに、バケット２２の爪先と施工目標面の距離が零になるようにバケットシリンダ２２Ａの変位を演算し、この変位を所定時間で除算して目標速度演算部３１０で演算されていたバケットシリンダ２２Ａの目標速度に加算する。ここでいう所定時間は、バケット２２の爪先と施工目標面の距離が零になるのに要する時間であり、油圧ショベル１の特性などを考慮して実験等により適切な値に決定される。
【0057】
バケット２２の後端側が爪先側より下方にある状態でバケット２２が爪先側に進行するときは、バケット２２の後端と施工目標面の距離が零になるようにバケットシリンダ２２Ａの変位を演算し、前記所定時間で除算して目標速度演算部３１０で演算されていたバケットシリンダ２２Ａの目標速度に加算する。バケット２２の後端側が爪先側より下方にある状態でバケット２２が後端側に進行するときは、バケット２２の後端と施工目標面の距離が零になるようにバケットシリンダ２２Ａの変位を演算し、前記所定時間で除算して目標速度演算部３１０で演算されていたバケットシリンダ２２Ａの目標速度に加算する。バケット２２の爪先側が後端側より下方にある状態でバケット２２が後端側に進行するときは、バケット２２の爪先と施工目標面の距離が零になるようにバケットシリンダ２２Ａの変位を演算し、前記所定時間で除算して目標速度演算部３１０で演算されていたバケットシリンダ２２Ａの目標速度に加算する。
【0058】
以上により、バケット２２を動作することでバケット２２と施工目標面の距離を小さくし、バケット２２を施工目標面により追従させることができるが、実際のマシンコントロール作業では地面を掘削したり擦り付けて転圧したりするため、図６に示すように、バケット２２の爪先が施工目標面から離れたり施工目標面より下方に食い込むことで、掘削した地面に凹凸が生じる。そこで、従来のマシンコントロールでは、図１０Ａに示すように、バケット２２の爪先が施工目標面より下方に位置したときにバケット２２の爪先側が上方を向くようにバケット２２の動作指令値を補正することで、それ以上地面を深く掘り下げることを防いでいる。しかし、その結果、オペレータが掘削を意図した操作を行っているにも関わらず、その意図に反してバケット２２の掘削状態が解除され、掘削作業ができない区間が生じてしまう。
【0059】
＜バケット目標速度補正の制限方法＞
図１０Ａに示す「掘削作業ができない区間」においてバケット２２の掘削状態を維持するためには、施工目標面を基準としてバケット２２の後端が爪先より上方に位置している必要がある。そこで、図１０Ｂに示すように、施工目標面を基準としてバケット２２の爪先が後端より上方に位置しないようにバケットシリンダ２２Ａの動作指令値を補正する。これにより、施工目標面を基準としてバケット２２の後端が爪先より下方に位置することを無くなるため、バケット２２の掘削状態を維持することができる。なお、擦り付け状態を維持する場合は、バケット２２の後端と爪先の上下関係を逆にして上記と同様の処理を行えばよい。
図１０Ａに示す「掘削作業ができない区間」においてバケット２２の掘削状態を維持するためには、施工目標面を基準としてバケット２２の後端が爪先より上方に位置している必要がある。そこで、図１０Ｂに示すように、施工目標面を基準としてバケット２２の爪先が後端より上方に位置しないようにバケットシリンダ２２Ａの動作指令値を補正する。これにより、施工目標面を基準としてバケット２２の後端が爪先より下方に位置することを無くなるため、バケット２２の掘削状態を維持することができる。なお、擦り付け状態を維持する場合は、バケット２２の後端と爪先の上下関係を逆にして上記と同様の処理を行えばよい。
【0060】
上記とは別に、バケット２２の角度がバケット作業を開始するときの角度（初期角度）から大幅に変化してしまうと、オペレータに違和感を与えるおそれがある。そこで、予めバケット２２の初期角度に対する角度補正に制限値を設けておくことで、オペレータの違和感を小さくして、作業性を良くすることができる。また、バケット２２の角度が急峻に変わってしまう場合も、オペレータに違和感を与えるおそれがある。そこで、予めバケットシリンダ２２Ａの動作速度または角速度に上限値を設定しておいてもよい。さらに、作業フロント２の動作速度に応じてバケットシリンダ２２Ａの動作速度の上限値を変更するようにしてもよい。これらの値は、オペレータの違和感に関するものであるため、実験等により決定することが望ましい。
【0061】
また、施工目標面に対するバケット２２の角度を一定に保持しようとしているときは、バケット２２の目標保持角度に対して前述の角度制限や角速度の制限を設けることで、施工目標面に対するバケット２２の角度を一定範囲内に保ちつつ、バケット２２と施工目標面の距離を小さくすることができる。
【0062】
＜バケットの動作軌跡＞
従来技術におけるマシンコントロールを用いた場合、図１０Ａに示すように、施工目標面に対するバケット２２の姿勢を考慮せずにバケット２２の爪先が施工目標面に追従するようにバケット２２の動作が補正されるため、作業フロント２の一連の動作の途中でバケット２２の作業状態が変化してしまうことがある。例えば、図１０Ａのように掘削状態で作業を開始したにもかかわらず、一連の動作の途中でバケット２２の後端が爪先より下方に位置してしまうと、バケット２２の爪先による掘削作業ができなくなる。また、擦り付け状態で作業を開始したにもかかわらず、一連の動作の途中でバケット２２の爪先が後端より下方に位置してしまうと、バケット２２の後端による擦り付け作業ができなくなる。
従来技術におけるマシンコントロールを用いた場合、図１０Ａに示すように、施工目標面に対するバケット２２の姿勢を考慮せずにバケット２２の爪先が施工目標面に追従するようにバケット２２の動作が補正されるため、作業フロント２の一連の動作の途中でバケット２２の作業状態が変化してしまうことがある。例えば、図１０Ａのように掘削状態で作業を開始したにもかかわらず、一連の動作の途中でバケット２２の後端が爪先より下方に位置してしまうと、バケット２２の爪先による掘削作業ができなくなる。また、擦り付け状態で作業を開始したにもかかわらず、一連の動作の途中でバケット２２の爪先が後端より下方に位置してしまうと、バケット２２の後端による擦り付け作業ができなくなる。
【0063】
一方、本実施形態におけるマシンコントロールを用いた場合は、図１０Ｂに示すように、バケット２２の爪先が施工目標面よりも下方に進入したときに、バケット２２の底面が爪先より下方に位置しないようにバケット２２の動作が制限された上でバケット２２の爪先が施工目標面に近づくようにバケット２２の動作が補正される。これにより、作業フロント２の一連の動作において、オペレータの意図に即したバケット２２の作業状態を維持しつつバケット２２を施工目標面に追従させることできるため、油圧ショベル１の作業性が向上する。
【0064】
【0065】
＜制御手順＞
図１１は、情報処理装置３４の処理内容を示すフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
図１１は、情報処理装置３４の処理内容を示すフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
【0066】
ステップＳ１１０では、姿勢検出装置３０から得られた信号を基に作業フロント２と旋回体３の姿勢を演算する。
【0067】
ステップＳ１２０では、バケット２２と施工目標面との距離を演算する。
【0068】
ステップＳ１３０では、作業フロント２と旋回体３の姿勢、バケット２２と施工目標面との距離、および操作入力装置３３からの操作入力量に基づいて、作業フロント２の目標速度を演算する。
【0069】
ステップＳ１４０では、作業フロント２と旋回体３の姿勢、バケット２２と施工目標面との位置関係、および操作入力装置３３からの操作入力量に基づいて、バケット角度保持条件に成立しているかを判定する。ここでいうバケット角度保持条件とは、施工目標面に対してバケット２２の角度を保持する必要があるかを判定するための条件であり、例えば、バケット２２と施工目標面との距離が所定値以下でかつ作業フロント２の動作が指示された場合である。バケット角度保持条件が成立していればステップＳ１５０に進み、バケット角度保持条件が成立していなければステップＳ１８５に進む。
【0070】
ステップＳ１５０では、作業フロント２の目標速度と目標面情報とに基づいてバケット２２の進行方向を判定する。具体的には、バケット２２の目標速度のうち施工目標面に平行でかつ爪先側に向かう速度成分が施工目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合にバケット２２の進行方向を爪先側と演算し、バケット２２の目標速度のうち施工目標面に平行でかつ後端側に向かう速度成分が施工目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合にバケット２２の進行方向を後端側と演算する。
【0071】
ステップＳ１６０では、ステップＳ１２０で演算したバケット２２と施工目標面との距離と、ステップＳ１５０で判定したバケット２２の進行方向とに基づいて、バケット２２の作業状態を判定する。バケット２２の作業状態が掘削状態であればステップＳ１７０に進み、擦り付け状態であればステップＳ１７５に進む。
【0072】
ステップＳ１７０では、バケット２２の掘削状態を維持するためのバケット補正制限値を演算する。
【0073】
ステップＳ１７５では、バケット２２の擦り付け状態を維持するためのバケット補正制限値を演算する。
【0074】
ステップＳ１８０では、バケット２２の動作補正量がステップＳ１７０またはステップＳ１７５で演算したバケット補正制限値を超えない範囲内で、バケット２２と施工目標面の距離が小さくなるようにバケット２２の目標速度を補正する。
【0075】
ステップＳ１８５では、バケット２２の目標速度を補正しない。
【0076】
ステップＳ１９０では、操作入力装置３３からの操作入力量に応じたバケット２２の目標速度がステップＳ１８０またはステップＳ１８５で演算した目標速度より小さいかを判定する。操作入力装置３３からの操作入力量がステップＳ１８０またはステップＳ１８５で演算した目標動作より小さい場合はステップＳ２１０に進み、操作入力装置３３からの操作入力量に応じた目標速度がステップＳ１８０またはステップＳ１８５で演算した目標速度以上である場合はステップＳ２００に進む。
【0077】
ステップＳ２００では、操作入力装置３３からの操作入力量に基づいてバケット２２の目標速度を補正する。
【0078】
ステップＳ２１０では、バケット２２の目標速度に基づいて動作指令値を演算し、駆動装置３５に出力する。
【0079】
（まとめ）
本実施形態では、機械本体３と、機械本体３に上下方向に揺動自在に取り付けられた、作業具２２を有する作業フロント２と、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａと、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａを駆動する駆動装置３５と、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作を指示する操作入力装置３３と、機械本体３および作業フロント２の姿勢を検出する姿勢検出装置３０と、作業具２２の掘削対象となる目標面を設定する目標面情報設定装置１００と、作業具２２が前記目標面に沿って移動するように操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、および目標面情報設定装置１００から入力される情報に基づいて、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を演算し、駆動装置３５に出力するコントローラ３４ａとを備えた作業機械１において、コントローラ３４ａは、操作入力装置３３から入力された操作入力量と前記目標面に対する作業具２２の姿勢とに基づいて作業具２２の作業状態を判定すると共に、判定された前記作業状態が維持されるアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値の範囲を演算し、前記範囲の中で前記アクチュエータの動作指令値を、作業具２２と前記目標面との距離が小さくなるように補正する。なお、本実施形態では、バケット２２の目標速度を補正することによりアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を間接的に補正する構成としたが、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を直接補正してもよい。
本実施形態では、機械本体３と、機械本体３に上下方向に揺動自在に取り付けられた、作業具２２を有する作業フロント２と、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａと、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａを駆動する駆動装置３５と、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作を指示する操作入力装置３３と、機械本体３および作業フロント２の姿勢を検出する姿勢検出装置３０と、作業具２２の掘削対象となる目標面を設定する目標面情報設定装置１００と、作業具２２が前記目標面に沿って移動するように操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、および目標面情報設定装置１００から入力される情報に基づいて、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を演算し、駆動装置３５に出力するコントローラ３４ａとを備えた作業機械１において、コントローラ３４ａは、操作入力装置３３から入力された操作入力量と前記目標面に対する作業具２２の姿勢とに基づいて作業具２２の作業状態を判定すると共に、判定された前記作業状態が維持されるアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値の範囲を演算し、前記範囲の中で前記アクチュエータの動作指令値を、作業具２２と前記目標面との距離が小さくなるように補正する。なお、本実施形態では、バケット２２の目標速度を補正することによりアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を間接的に補正する構成としたが、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を直接補正してもよい。
【0080】
以上のように構成した本実施形態によれば、作業具２２を施工目標面に追従させるマシンコントロールにおいて、オペレータの意図に即した作業具２２の作業状態を維持することにより、油圧ショベル１の作業性を向上させることが可能となる。
【0081】
また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、作業具２２と前記目標面との距離が所定値以下となり、かつ、前記操作入力量に基づいて演算した作業具２２の目標速度のうち前記目標面に平行な速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きくなったタイミングで作業具２２の作業状態を判定する。これにより、作業具２２による作業を開始するタイミングで作業具２２の作業状態を判定することが可能となる。
【0082】
また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、前記目標面に対する作業具２２の姿勢および進行方向に基づいて作業具２２の作業状態を判定する。これにより、作業具２２の作業状態の判定精度を向上させることが可能となる。
【0083】
また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、作業具２２上に予め設定された２点（爪先側の点および後端側の点）と前記目標面との距離に基づいて、前記目標面に対する作業具２２の姿勢を検出する。これにより、施工目標面に対する作業具２２の姿勢を簡易的に検出することが可能となる。
【0084】
また、本実施形態における作業具２２はバケットであり、コントローラ３４ａは、前記目標面を基準としてバケット２２の爪先がバケット２２の後端側よりも下方に位置し、かつバケット２２の目標速度のうち前記目標面に平行でかつ前記爪先側に向かう速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合は、バケット２２の作業状態を掘削状態と判定し、前記目標面を基準として前記爪先が前記後端側よりも下方に位置し、かつバケット２２の目標速度のうち前記目標面に平行でかつ前記後端側に向かう速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合、または、前記目標面を基準として前記後端側が前記爪先よりも下方に位置し、かつバケット２２の目標速度のうち前記目標面に平行な速度成分が前記目標面に垂直な速度成分よりも大きい場合は、バケット２２の作業状態を擦り付け状態と判定する。これにより、作業具としてバケット２２を装着した油圧ショベル１において、バケット２２の作業状態が掘削状態および擦り付け状態のいずれであるかを的確に判定することが可能となる。
【0085】
また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、バケット２２の作業状態を掘削状態と判定した場合は、前記目標面を基準として前記爪先が前記後端側よりも下方に位置する状態が維持される動作指令値の範囲内で、前記爪先から前記目標面までの距離が小さくなるようにアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を補正し、バケット２２の作業状態を擦り付け状態と判定した場合は、前記目標面を基準として前記後端側が前記爪先よりも下方に位置する状態が維持される動作指令値の範囲内で、前記爪先から前記目標面までの距離が小さくなるようにアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を補正する。これにより、バケット２２を施工目標面に追従させるマシンコントロールにおいて、オペレータの意図に即したバケット２２の作業状態（掘削状態または擦り付け状態）を維持することにより、油圧ショベル１の作業性を向上させることが可能となる。
【0086】
また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、作業具２２の角度変化量が予め設定された角度補正制限値を超えないように、または、作業具２２の角速度変化量が予め設定された角速度補正制限値を超えないように、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を補正する。これにより、作業中の作業具２２の姿勢の変動幅が一定以下に抑えられるため、オペレータに与える違和感を小さくすることが可能となる。
【0087】
また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、作業フロント２の動作速度に基づいて作業具２２の角度補正制限値または角速度補正制限値を演算し、作業具２２の角度変化量が前記角度補正制限値を超えないように、または、作業具２２の角速度変化量が前記角速度補正制限値を超えないように、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を補正する。これにより、作業中の作業具２２の姿勢の変動幅が作業フロント２の動作速度に応じて抑えられるため、オペレータに与える違和感をさらに小さくすることが可能となる。
【0088】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記した実施形態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、上記した実施形態は、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。
【符号の説明】
【0089】
１…油圧ショベル（作業機械）、２…作業フロント、３…旋回体（機械本体）、４…走行体、１０…制御システム、２０…ブーム、２０Ａ…ブームシリンダ（アクチュエータ）、２０Ｓ…ブームＩＭＵ、２１…アーム、２１Ａ…アームシリンダ（アクチュエータ）、２１Ｓ…アームＩＭＵ、２２…バケット（作業具）、２２Ａ…バケットシリンダ（アクチュエータ）、２２Ｂ…第１リンク、２２Ｃ…第２リンク、２２Ｓ…バケットＩＭＵ、３０Ｓ…旋回体ＩＭＵ、３１…メインフレーム、３２…運転室、３３…操作入力装置、３４…情報処理装置、３５…駆動装置、３６…原動装置、３７…カウンタウェイト、３８…旋回用モータ（アクチュエータ）、４０…トラックフレーム、４１…走行用モータ（アクチュエータ）、４５…履帯、１００…目標面情報設定装置、１００ａ…目標面情報設定用コントローラ、１１０…表示設定装置、１１０ａ…表示モニタ、１１０ｂ…タッチパネル、２１０…姿勢演算部、２２０…目標面距離演算部、３１０…目標速度演算部、４１０…バケット角度制御決定部、４２０…バケット進行方向判定部、４３０…バケット作業状態判定部、４４０…バケット補正制限値演算部、４５０…バケット目標速度補正部、６１０…動作指令値演算部。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】