JP2001098585A - 建設機械の掘削作業ガイダンス装置および掘削制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】建設機械が移動するに応じてまたバケット等の
掘削用作業機が移動するに応じて、その掘削すべき地形
の形状が変化する複雑な３次元地形であっても、目標と
する地形に精度よく掘削することができるようにする。 【解決手段】現在のバケット４４の３次元位置を通過す
る平面５７と、３次元目標地形５１との交線５８が演算
され、３次元目標地形５１を示す交線５８の位置とバケ
ット４４の位置とが同一画面２４ａ上に表示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、掘削用作業機を備
えた建設機械に関する。特にバケットなどの掘削用作業
機を作動させて３次元の地形を３次元の目標地形にする
掘削作業を行う際に掘削作業をガイダンスする装置に関
する。また上記掘削用作業機を制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】土木作業における法面の掘削は、作業者
の技量が最も要求される作業の一つである。たとえば傾
斜地に道路、鉄道またはビルなどの構造物を構築する場
合には、まず最初に切土または盛土などの作業を行って
必要な地盤を形成する。そしてその地盤の周囲の地面の
崩壊を防ぐために法面を形成する。

【０００３】この法面の加工をおこなう際には、高度な
加工精度が要求される。特に切土部分つまり掘削によっ
て得られる斜面に要求される加工精度は極めて高い。

【０００４】また掘削していない地山と掘削により掘り
起こされた地山とでは、その土の量が変化する。掘り起
こされた地山部分ではその密度が低くなっており、掘削
していない地山と比べてその強度が低下する。したがっ
て余分な掘削（これを余堀りと呼ぶ）を行ってしまうと
地盤の強度が低下する。このため法面の掘削をおこなう
際には、余堀りはできる限り避けねばならない。一旦、
余堀りを行ってしまうと、単に埋め戻すだけでは足り
ず、コンパクタなどを用いて法面を十分に締め固める必
要があり、その分作業の遅延を招くからである。このよ
うに法面の掘削作業は極めて精密に行わねばならず、む
やみに余堀りを行うことはできない。

【０００５】掘削前の原地盤は、掘削後の目標法面より
も当然高いところに位置している。このため目標の法面
を直接水糸などで指示することはできない。そこで従来
より法面の掘削作業は油圧ショベルによってつぎのよう
にして行われていた。

【０００６】すなわち、 １）原地盤の測量を行う。

【０００７】２）そして測量結果を記した杭と板を、原
地盤に設置する。これは帳張りと呼ばれる。

【０００８】３）そして油圧ショベルのオペレータは、
その板に記された角度と同様の角度の法面となるように
その板より一定距離下方まで（たとえば１メートル下ま
で）掘削する。つまり作業機用操作レバーを操作して油
圧ショベルの作業機を作動させる。

【０００９】しかし上記帳張りを構築するためには、目
標地形に沿って多数点の精密な測量が必要である。この
ため測量作業に多大な時間を要する。さらには、その帳
張りに従って油圧ショベルを操作するオペレータにも極
めて高度な操作技量が要求される。

【００１０】しかも法面は傾斜地や山間地に形成される
ことが多く、その形状が単純な平面となることは稀であ
る。構造物（道路など）の形状や地山の形状に合わせた
複雑な３次元的曲面となることが多い。このためたとえ
上記帳張りに従って正確に作業がなされたとしても目標
とする地形に、完全には一致しないという問題点があっ
た。

【００１１】３次元の目標地形にする土工作業を行う際
にこの土工作業を補助するガイダンス装置に関する発明
が従来より特許出願等され公知になっている。

【００１２】たとえば特開平２−２５２８２５号公報
（従来技術Ａ）には、現場全体を複数のブロックに区切
り、各ブロック毎に現在の地形と目標の地形との偏差を
求め、この偏差に応じた盛土量をそのブロックまで建設
機械に運搬させるという発明が記載されている。

【００１３】また特開平７−１８０１０７号公報（従来
技術Ｂ）には、道路工事の計画線データを記憶させ、ブ
ルドーザ、アスファルトフィニッシャー等のブレードの
現在の高さが上記工事計画線に沿った高さとなるように
ブレード高さを制御して道路に舗装材を敷設するという
発明が記載されている。

【００１４】さらに特開平６−７３７５５号公報（従来
技術Ｃ）には、バックホウのバケットの現在位置と、予
め決められた切土計画線とをディスプレイ上に表示する
という発明が記載されている。

【００１５】また特開平１０−１０３９２５号公報（従
来技術Ｄ）には、油圧ショベルの車体に対するバケット
の相対的な位置を計測し、バケットの位置を表示画面上
に表示するという発明が記載されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明が対象としてい
る作業は、道路などの構造物の法面を掘削する作業であ
る。この構造物の法面の形状は、場所に応じて変化す
る。つまり油圧ショベルの移動位置、上部旋回体により
バケットを旋回させたときのバケット位置が異なれば、
それに応じて掘削により得られるべき目標３次元地形は
異なる。

【００１７】これに対して上記従来技術Ａには、油圧シ
ョベルで掘削作業を行う場合の適応例については記載さ
れていない。

【００１８】また従来技術Ｂは、ブルドーザ、アスファ
ルトフィニッシャー等により、すでに掘削作業の終了し
た道路上に舗装材を敷設する敷設作業を対象としてい
る。しかもブレードの位置を計測しブレードの高さを計
測位置に合わせるならい制御であり、油圧ショベルには
適用することができない。よって現在の地形から目標地
形になるように地山を下方に掘削する掘削作業を対象と
する本発明とは本質的に異なる。

【００１９】また従来技術Ｃは、バックホウのバケット
の現在位置と、予め決められた切土計画線とをディスプ
レイ上に表示するものであり、表示内容から掘削作業を
ガイダンスすることができる。しかし従来技術Ｃは固定
的な切土計画線に沿って掘削することを前提としてい
る。本発明のように油圧ショベルが移動するに応じて、
バケットを旋回により移動させるに応じて、目標とする
法面の形状が変化する複雑な地形を掘削することを前提
とするものはない。目標とする法面の形状が逐次変化す
る複雑な地形を掘削させようとするには、油圧ショベル
が移動する毎に、バケットを旋回により移動させるに応
じて、法面の形状を入力し直す複雑な作業を要する。こ
のため従来技術Ｃは、場所に応じて法面の形状が変化す
る複雑な３次元地形の掘削に対しては、実用的ではない
という問題がある。

【００２０】また従来技術Ｄは車体との関係でバケット
の位置を表示するものであり、表示内容から掘削作業を
ガイダンスすることができる。しかし従来技術Ｄは目標
とする地形との関係でバケットを表示するものではな
い。よって単純な形状の法面の掘削作業に対しては有用
ではあろうが、場所によって形状が異なる複雑な形状の
法面の掘削に対しては有用ではない。

【００２１】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、建設機械が移動するに応じてまたバケット等
の掘削用作業機が移動するに応じて、その掘削すべき地
形の形状が変化する複雑な３次元地形であっても、目標
とする地形に精度よく掘削することができるようにする
ことを解決課題とするものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段および作用効果】上記解決
課題を達成するため、第１発明は、掘削用の作業機を作
動させて３次元の地形を３次元の目標地形にする掘削作
業を行う建設機械に適用され、当該掘削作業をガイダン
スする建設機械の掘削作業ガイダンス装置において、前
記掘削用作業機の３次元位置を計測する位置計測手段
と、前記位置計測手段により計測した掘削用作業機の位
置を通過する平面を演算する平面演算手段と、前記平面
演算手段によって演算された平面を示すデータと、前記
３次元目標地形を示すデータとに基づいて、前記平面と
前記３次元目標地形との交線を演算する交線演算手段
と、前記交線演算手段によって演算された前記３次元目
標地形を示す交線の位置と前記掘削用作業機の位置との
相対位置関係を提示する提示手段とを具えたことを特徴
とする。

【００２３】また第２発明は、作業機の先端部にバケッ
トが設けられ、当該作業機を作動させて３次元の地形を
３次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械に適用
され、当該掘削作業をガイダンスする建設機械の掘削作
業ガイダンス装置において、前記バケットの３次元位置
を計測する位置計測手段と、前記位置計測手段により計
測したバケット位置を通過する平面を演算する平面演算
手段と、前記平面演算手段によって演算された平面を示
すデータと、前記３次元目標地形を示すデータとに基づ
いて、前記平面と前記３次元目標地形との交線を演算す
る交線演算手段と、前記交線演算手段によって演算され
た前記３次元目標地形を示す交線の位置と前記バケット
の位置とを同一画面上に表示する表示手段とを具えたこ
とを特徴とする。

【００２４】第１発明、第２発明によれば、図６（ａ）
に示すように現在のバケット４４の３次元位置を通過す
る平面５７と、３次元目標地形５１との交線５８が演算
され、図６（ｂ）に示すように、３次元目標地形５１を
示す交線５８の位置とバケット４４の位置とが同一画面
２４ａ上に表示される。

【００２５】第１発明、第２発明によれば建設機械が移
動するに応じてまたバケット４４等の掘削用作業機が移
動するに応じて、掘削すべき地形の形状が変化する複雑
な３次元地形であっても、現在のバケット４４の位置に
対応する目標地形５１を示す交線５８の位置を、バケッ
ト４４の位置との関係で表示することができる。複雑な
形状の３次元地形をバケット４４との位置関係でオペレ
ータに分かりやすく表示することができる。よって本発
明によれば、場所によって掘削すべき地形の形状が異な
る複雑な３次元地形を、精度よく掘削することができ
る。

【００２６】なお第１発明の「掘削用作業機」はバケッ
ト以外のあらゆる掘削用作業機を含む概念である。また
第１発明の「提示手段」は表示手段以外のあらゆる情報
提示手段を含む概念である。たとえばグラフィック表示
に限ることなく、交線５８とバケット４４との相対的な
位置関係を、数値でオペレータに提示してもよい。また
交線５８とバケット４４との相対的な位置関係を音声に
よってオペレータに提示してもよい。

【００２７】第３発明は、第２発明において、前記位置
計測手段は、前記バケットの先端の３次元位置を計測す
るものであり、前記平面演算手段は、前記バケットの先
端位置を通過する平面を演算するものであることを特徴
とする。

【００２８】第３発明によれば、図６（ａ）に示すよう
に、バケット４４の先端４４ａの３次元位置が計測さ
れ、このバケット先端４４ａを通過する平面５７が演算
される。

【００２９】第４発明は、第１発明または第２発明にお
いて、前記掘削用作業機または前記バケットはアクチュ
エータが駆動されることにより作動するものであり、前
記平面演算手段は、前記アクチュエータが駆動されたと
きに前記掘削用作業機または前記バケットが作動する面
を含む平面を演算するものであることを特徴とする。

【００３０】第４発明によれば、図４（ａ）に示すよう
に掘削用作業機またはバケット４４はアクチュエータ
（油圧シリンダ）が駆動されることにより作動する。そ
して図４（ｂ）に示すようにアクチュエータが駆動され
たときに掘削用作業機またはバケット４４が作動する面
を含む平面５７′が演算される。

【００３１】このように建設機械４０の車体４１が地面
に対して傾斜している場合、バケット４４はオフセット
されている場合であったとしても、アクチュエータが駆
動されたときのバケット４４の移動軌跡に含む平面５
７′が確実に求められる。そしてこの平面５７′と３次
元目標地形５１との交線５８′が求められ、表示画面２
４ａ上に表示される。このためアクチュエータを駆動さ
せてバケット４４を交線５８′に沿って移動させれば、
傾斜、オフセット等のバケット位置の変化、ずれがあっ
たとしても、目標地形５１を常に精度よく掘削すること
ができる。

【００３２】第５発明は、第１発明または第２発明にお
いて、現在の３次元地形データと、目標構造物の縁部の
３次元形状を示すデータと、法面の形状データとに基づ
いて、前記目標構造物の縁部を法尻とする３次元目標地
形のデータを作成する３次元目標地形データ作成手段を
さらに具えたことを特徴とする。

【００３３】第５発明によれば、図５に示すように、現
在の３次元地形５０のデータと、目標構造物５２の縁部
５３の形状を示すデータと、法面５４の形状を示すデー
タとに基づいて、目標構造物５２の縁部５３を法尻とす
る３次元目標地形５１のデータが作成される。簡単なデ
ータを入力するだけで複雑な３次元目標地形５１を自動
的に作成することができる。

【００３４】第６発明は、掘削用の作業機を作動させて
３次元の地形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う
建設機械に適用され、前記掘削用作業機を制御する建設
機械の掘削制御装置において、前記掘削用作業機の３次
元位置を計測する位置計測手段と、前記位置計測手段に
より計測した掘削用作業機の位置を通過する平面を演算
する平面演算手段と、前記平面演算手段によって演算さ
れた平面を示すデータと、前記３次元目標地形を示すデ
ータとに基づいて、前記平面と前記３次元目標地形との
交線を演算する交線演算手段と、前記交線演算手段によ
って演算された前記３次元目標地形を示す交線を、目標
移動経路とし、当該目標移動経路に沿って前記掘削用作
業機が移動するように当該掘削用作業機を制御する制御
手段とを具えたことを特徴とする。

【００３５】第６発明によれば、図６（ａ）に示すよう
に現在のバケット４４の３次元位置を通過する平面５７
と、３次元目標地形５１との交線５８が演算される。

【００３６】そして図１０に示すように、３次元目標地
形５１を示す交線５８が目標移動経路Ｔcとされ、この
目標移動経路Ｔcに沿ってバケット４４が移動するよう
にバケット４４が制御される。

【００３７】よって本発明によれば、場所によって掘削
すべき地形の形状が異なる複雑な３次元地形を、精度よ
く掘削することができる。この場合オペレータがバケッ
ト４４を操作せずとも自動的に掘削作業がなされる。よ
って第１発明、第２発明の効果に加えて、オペレータの
労力が軽減されるという効果が得られる。

【００３８】第７発明は、掘削用の作業機を作動させて
３次元の地形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う
建設機械に適用され、掘削用操作手段の操作に応じて前
記掘削用作業機を制御する作業機コントローラを備えた
建設機械の掘削制御装置において、前記建設機械に外部
より装着自在であって、前記３次元目標地形のデータ
を、前記作業機コントローラに出力する外部コントロー
ラと、前記掘削用操作手段の操作に応じて前記掘削用作
業機を制御する第１の制御モードと、前記３次元目標地
形データに基づき当該３次元目標地形上の目標移動経路
に沿って前記掘削用作業機が移動するように当該掘削用
作業機を制御する第２の制御モードのいずれかの制御モ
ードを選択する制御モード選択手段と、前記外部コント
ローラが前記建設機械に装着されているか否かを判断す
る判断手段と、前記判断手段によって前記外部コントロ
ーラが前記建設機械に装着されていると判断された場合
には、前記制御モード選択手段の選択結果に応じた制御
モードを前記作業機コントローラで実行させ、前記判断
手段によって前記外部コントローラが前記建設機械に装
着されていないと判断された場合には、前記制御モード
選択手段の選択いかんにかかわらず前記第１の制御モー
ドを前記作業機コントローラで実行させることを特徴と
する。

【００３９】第７発明によれば、図１に示すように、外
部コントローラ２５が建設機械に装着されていると判断
された場合には、制御モード選択手段１３の選択結果に
応じた制御モードが作業機コントローラ２１で実行され
る。すなわち第１の制御モードが選択されると、掘削用
操作手段１１の操作に応じて掘削用作業機が制御され
る。また第２の制御モードが選択されると外部コントロ
ーラ２５から出力される３次元目標地形データに基づき
当該３次元目標地形上の目標移動経路に沿って掘削用作
業機が移動するように当該掘削用作業機が制御される。

【００４０】しかし外部コントローラ２５が建設機械に
装着されていないと判断された場合には、外部コントロ
ーラ２５からは３次元目標地形データが作業機コントロ
ーラ２１に出力されていない状態である。このため制御
モード選択手段１３の選択いかんにかかわらず第１の制
御モードが作業機コントローラ２１で実行される。すな
わち掘削用操作手段１１の操作に応じて掘削用作業機が
制御される。

【００４１】第７発明によれば、外部コントローラ２５
が装着されているときのみ、制御モードの切り替え選択
が有効であると判定し外部コントローラ２５が未装着な
場合には操作手段１１に応じた制御のみを実行させるよ
うしているので、外部コントローラ２５が未装着な場合
の誤動作を防止することができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明に係
る掘削作業ガイダンス装置および掘削制御装置の実施の
形態について説明する。

【００４３】図３は、実施形態の建設機械の幾何的関係
を示す図である。建設機械としては油圧ショベル４０を
想定している。図３（ａ）は油圧ショベル４０の側面図
であり、図３（ｂ）は油圧ショベル４０の後面図であ
る。

【００４４】同図３に示すように油圧ショベル４０の車
体４１の下部には履帯４９が設けられている。履帯４９
が回転することにより油圧ショベル４０は走行する。車
体４１の前方には、ブーム４２、アーム４３、バケット
４４からなる作業機４７が設けられている。ブーム４
２、アーム４３、バケット４４の長さはそれぞれ、Ｌ
1、Ｌ2、Ｌ3である。作業機４７は、車体４１に対して
ブーム４２、アーム４３、バケット４４が順次連結され
るように構成されている。ブーム４２の根元４２ｄは車
体４１の前方所定箇所に連結されている。作業機４７の
先端部には、土砂を掘削する掘削用作業機としてのバケ
ット４４が設けられている。バケット４４の先端は４４
ａで示される。車体４１（上部旋回体）は履帯４９（下
部旋回体）に対して相対的に旋回移動される。したがっ
て旋回に伴い作業機４７の位置、バケット４４の位置が
変化する。

【００４５】ブーム４２、アーム４３、バケット４４に
は、それぞれ傾斜角センサ２７、２８、２９が設けられ
ている。傾斜角センサ２７、２８、２９ではそれぞれ、
ブーム４２の重力方向（鉛直下方）に対する傾斜角θ
1、アーム４３の重力方向に対する傾斜角θ2、バケット
４４の重力方向に対する傾斜角θ3が検出される。

【００４６】車体４１には、２つのＲＴＫ−ＧＰＳ（Re
aＬ Time Kinematic-GＬobaＬ Positioning System）用
アンテナ４５、４６が車体座標系Ｘ1−Ｙ1−Ｚ1のＹ1軸
（水平軸）に沿って一定距離だけ離間して設けられてい
る。ＧＰＳアンテナ４５、４６で受信されたＧＰＳ電波
に応じた信号は３次元位置センサ３０（ＧＰＳ位置セン
サ）に入力される。３次元位置センサ３０では、ＧＰＳ
アンテナ４５、４６の設置位置Ｐ1、Ｐ2の位置が検出さ
れる。なお図３（ｂ）は車体４１が重力方向（鉛直線）
に対してθ0だけ傾斜した状態を示している。

【００４７】図４はオフセットブームを備えた油圧ショ
ベル４０を示している。図４（ａ）は側面図であり、図
４（ｂ）は図４（ａ）の矢視Ａ図である。この作業機
は、車体４１に対して第１ブーム４２ａ、第２ブーム４
２ｂ、オフセットブーム４２ｃ、アーム４３、バケット
４４が順次連結されるように構成されている。

【００４８】図４（ｂ）に示すようにオフセットブーム
４２ｃは車体４１に対して左右に回動（オフセット動
作）自在となっている。オフセットブーム４２ｃが第１
ブーム４２ａに対してオフセット角θ4だけ左右に傾斜
されると、このオフセット角θ4に応じたオフセット分
だけバケットは４４から４４′へと左右にオフセットさ
れる。オフセット動作前のバケット４４が移動する移動
経路を含む平面を５７とすると、オフセット動作後のバ
ケット４４′が移動する移動経路を含む平面は５７′と
なる。平面５７と平面５７′とはオフセット分だけずれ
ている。

【００４９】図１、図２は油圧ショベル４０に搭載され
る制御装置の構成を示すブロック図である。図１は角度
センサ２７、２８、２９が油圧ショベル４０に標準で装
着されていない場合に後からこれら角度センサを装着し
たときの構成を示すブロック図である。一方図２は角度
センサ２７、２８、２９が油圧ショベル４０に標準で装
着されている場合の構成を示すブロック図である。

【００５０】本実施形態では、掘削用操作レバー１１の
操作に応じて作業機４７を制御する第１の制御モード
と、後述するように目標移動経路に沿ってバケット先端
４４ａが移動するように作業機４７を制御する第２の制
御モードのいずれかが実行される。第１の制御モードお
よび第２の制御モードは作業機制御コントローラ２１で
実行される。目標移動経路を演算するために必要な３次
元目標地形データは外部コントローラ２５から出力され
る。

【００５１】油圧ショベル４０は汎用機械であり、常時
目標移動経路に沿ってバケット４４を自動的に移動させ
るという第２の制御モードを必要とするわけではない。
すなわち特に精度を要求されない掘削作業や、３次元Ｃ
ＡＤデータなしで行う掘削作業も同じ油圧ショベルで行
わせる必要がある。そこで本実施形態では、通常の油圧
ショベル４０に対して、第２の制御モードの機能を後付
けで装着できるように構成されている。

【００５２】第２の制御モードを作業機制御コントロー
ラ２１で実行させるのに必要な機能は、外部コントロー
ラ２５に分担させている。この外部コントローラ２５は
油圧ショベル４０の外部より装着自在となっている。

【００５３】図１に示すように、油圧ショベル４０の作
業機４７は油圧シリンダ２３が駆動されることにより作
動される。すなわちブーム４２、アーム４３、バケット
４４毎に油圧シリンダが設けられている。作業機４７は
作業機用操作レバー１１が操作されることに応じて作動
される。ブーム４２、アーム４３、バケット４４毎に操
作レバーが設けられている。操作レバー１２は後述する
ように移動経路をオフセットさせるために用いられるレ
バーである。操作切換スイッチ１３は第１の制御モード
と第２の制御モードのいずれかの制御モードを選択して
切り換えるスイッチである。操作レバー１１、１２、操
作切換スイッチ１３によって入力装置１０が構成されて
いる。

【００５４】外部コントローラ２５には後述するように
３次元目標地形を示すデータが所定のメモリに記憶され
ている。外部コントローラ２５にはグラフィックインタ
ーフェース（ＧＵＩ）２４とセンサ群２６が接続されて
いる。センサ群２６は角度センサ２７〜２９と３次元位
置センサ３０とからなる。外部コントローラ２５では、
３次元位置センサ３０の検出結果と角度センサ２７〜２
９の検出結果とに基づきバケット先端４４ａの位置Ｐgt
が演算される。そしてこのバケット先端４４ａの位置Ｐ
gtと上記メモリに記憶された３次元目標地形５１のデー
タとに基づいてバケット先端４４ａが移動すべき３次元
目標地形５１上の交線５８が演算される。そしてこれら
バケット４４（バケット先端４４ａ）と交線５８との相
対位置関係が、グラフィックインターフェース２４上に
設けられた表示画面２４ａに表示される（図６参照）。
またグラフィックインターフェース２４上には、自動掘
削開始ボタン２４ｂが設けられている。この自動掘削開
始ボタン２４ｂがオンされている間、移動指令が外部コ
ントローラ２５に入力される。グラフィックインターフ
ェース２４上には、目標移動経路Ｔc上の移動方法、移
動速度を指定するスイッチが設けられている。

【００５５】外部コントローラ２５から作業機制御コン
トローラ２１に対して、３次元目標地形５１のデータ、
３次元位置センサ３０で検出される車体４１上の位置デ
ータＰ1、Ｐ2、目標移動経路Ｔc上の移動方法および移
動速度を指示する移動方法/移動速度指令データ、自動
掘削開始ボタン２４ｂの操作に応じた移動指令データ、
角度センサ２７〜２９で検出されたブーム４２等の現在
角度データがそれぞれ出力される。

【００５６】作業機制御コントローラ２１では、入力装
置１０から入力された操作指示信号、外部コントローラ
２５から入力されたデータに基づき、作業機４７を作動
させるための制御信号が生成され、比例制御弁２２に出
力される。

【００５７】すなわち操作切換スイッチ１３により第１
の制御モードが選択操作されている場合には、操作レバ
ー１１の操作に応じて作業機４７を作動させるための制
御信号が生成、出力される。また操作切換スイッチ１３
により第２の制御モードが選択操作されている場合に
は、外部コントローラ２５から入力された３次元目標地
形データ等に基づいて目標移動経路Ｔcが作成され、目
標移動経路Ｔcに沿ってバケット先端４４ａを自動的に
移動させるための制御指令が生成、出力される。ただし
自動掘削開始ボタン２４ｂがオンされ移動指令が入力さ
れている間だけバケット先端４４ａが目標移動経路Ｔc
に沿って自動的に移動される（図１０参照）。つまり上
記交線５８を目標移動経路Ｔcとして掘削作業が自動的
に行われる。自動掘削開始ボタン２４ｂがオペレータの
手が離れ移動指令が入力されなくなると、かかる自動的
な掘削作業は行われない。

【００５８】作業機制御コントローラ２１から出力され
た制御指令は、比例制御弁２２に加えられる。比例制御
弁２２からは加えられた制御指令に応じた流量の圧油が
流出され、油圧シリンダ２３に供給される。油圧シリン
ダ２３は、比例制御弁２２から供給された圧油に応じて
駆動される。油圧シリンダ２３が駆動されるに応じて作
業機４７が作動される。

【００５９】なお外部コントローラ２５で目標移動経路
Ｔcを作成して、この目標移動経路Ｔcを示すデータを作
業機制御コントローラ２１に出力してもよい。

【００６０】ただし図２に示すように、角度センサ２７
〜２９が作業機制御コントローラ２１に接続されている
場合には、作業機制御コントローラ２１から外部コント
ローラ２５に対してブーム４２等の現在角度を示すデー
タが出力される。これにより外部コントローラ２５にお
いてバケット先端位置Ｐgtを求め交線５８を演算するこ
とが可能となる。

【００６１】なお外部コントローラ２５としては、上述
したように３次元データを記憶する高度なものだけでは
なく、スキャン式レーザなどを用いて２次元データを記
憶する単純なものでもよい。

【００６２】外部コントローラ２５が車体４１に装着さ
れているか否かは、外部コントローラ２５のコネクタに
接続されているか否かにより車体４１に設けた他のコン
トローラにより判断される。車体４１内の複数のコント
ローラは信号線によってシリアルに接続されており、信
号線上をフレーム信号が伝送されることにより、コント
ローラ間でデータが授受される。そしてフレーム信号が
信号線上を伝送することにより、各コントローラに接続
されたセンサ、アクチュエータのエラー等の異常判定が
行われる。したがって外部コントローラ２５が装着され
ているときには、この外部コントローラ２５に接続され
た角度センサ２７〜２９および３次元位置センサ３０な
どの異常判定が行われる。

【００６３】異常があった場合にはその旨がたとえば表
示画面２４ｂに表示される。そしてたとえオペレータが
第２の制御モードを選択操作した場合でも、第２の制御
モードを実行しないように作業機制御コントローラ２１
に対して指示される。角度センサ２７〜２９および３次
元位置センサ３０に異常があると第２の制御モードが異
常になるからである。ただし角度センサ２７〜２９およ
び３次元位置センサ３０に異常があったとしても操作レ
バー１１の操作に基づく第１の制御モードが可能であ
る。よって操作切換スイッチ１３の選択如何にかかわら
ず、第１の制御モードを実行するように作業機制御コン
トローラ２１に対して指示が出される。また外部コント
ローラ２５が装着されていないと判断された場合には、
外部コントローラ２５に関する異常判定はなされない。

【００６４】外部コントローラ２５が装着されていると
判断された場合には、操作切換スイッチ１３の選択結果
に応じた制御モードが作業機制御コントローラ２１で実
行される。すなわち操作切換スイッチ１３で第１の制御
モードが操作選択されている場合には、操作レバー１１
の操作に応じて作業機４７が制御される。また操作切換
スイッチ１３によって第２の制御モードが操作選択され
ている場合には、目標移動経路Ｔcに沿ってバケット先
端４４ａが移動するように作業機４７が制御される。

【００６５】しかし外部コントローラ２５が装着されて
いないと判断された場合には、外部コントローラ２５か
らは３次元目標地形データが作業機制御コントローラ２
１に出力されていない状態である。このため操作切換ス
イッチ１３の選択いかんにかかわらず第１の制御モード
が作業機制御コントローラ２１で実行される。すなわち
操作レバー１１の操作に応じて作業機４７が制御され
る。

【００６６】このように外部コントローラ２５が装着さ
れているときのみ、制御モードの切り替え選択が有効で
あると判定し外部コントローラ２５が未装着な場合には
操作レバー１１に応じた制御のみを実行させるようして
いる。このため外部コントローラ２５が未装着な場合の
誤動作を防止することができる。

【００６７】以下外部コントローラ２５、作業機制御コ
ントローラ２１で実行される演算内容について説明す
る。

【００６８】・３次元目標地形データの作成 道路という構造物５２を例にとり３次元目標地形データ
の作成方法について説明する。

【００６９】図５（ａ）に示すように現在地形５０から
３次元目標地形５１を得るためには、３次元の現在地形
５０のデータが必要である。たとえばＧＰＳやトータル
ステーションなどの一般的な測量装置を用いて地表の複
数の点の３次元座標位置データが計測される。そして各
点の３次元座標位置データが関連づけられ３次元現在地
形データとされる。なお本実施の形態では、近傍の３点
を選択し３角形ポリゴンとなしこの３角形ポリゴンの集
合が３次元現在地形データとされる。

【００７０】図１１は現在地形データから道路という構
造物５２を生成するまでの手順を概念的に示している。

【００７１】図１１（ａ）に示すように、まず３次元現
在地形データが入力され、上方より見た地形図が生成さ
れる。そして上方より見た地形図の上でＩＰ点と呼ばれ
る中間点７０が定められる。そしてこの中間点７０を結
ぶ直線がクロソイド、単曲線、ヘアピンなどの適当な曲
線で接続され、上方より見た道路の中心線（平面線形）
７１が定められる。

【００７２】さらに図１１（ｂ）に示すように３次元現
在地形データに基づき、平面線形７１に沿った高さ方向
Ｚの地形データ７２が求められる。これは縦断面と呼ば
れる。そしてこの縦断面７２上でＩＰ点７０が定めら
れ、曲線で補完することによって縦断面で見た道路の中
心線（縦断線形）７１′が定められる。こうして道路の
中心線７１′の３次元位置が最終的に決定される。

【００７３】つぎに図１１（ｃ）に示すように道路中心
線７１′に対して、道路の道幅、歩道の有無などを定め
ることによって、構造物５２の３次元形状が求められ
る。そして構造物５２の縁部５３の３次元形状が決定さ
れる。縁部５３の３次元形状は曲線を含む複雑な形状と
なる。

【００７４】図５（ａ）は現在地形５０を示すデータ
と、構造物５２の形状を示すデータと、法面５４の角度
等の形状を示すデータと、縁５３の形状を示すデータと
に基づき法面５４の３次元目標地形５１を示すデータを
作成する様子を概念的に示している。

【００７５】まず最初に法面５４の角度、法面５４、５
４間の小段５５を設ける間隔を示すデータが入力され
る。そして現在の３次元地形５０のデータと、構造物５
２の縁部５３の形状を示すデータと、法面５４の角度デ
ータとに基づいて、構造物５２の縁部５３を法尻とする
３次元目標地形５１のデータつまり法面５４の形状デー
タが作成される。法面５４の形状データを図５（ｂ）に
示す。このように簡単なデータを入力するだけで複雑な
３次元目標地形５１を自動的に作成することがで法面５
４の形状データは図５（ｃ）に示すように３角形ポリゴ
ン５６の集合として表される。３角形ポリゴン５６の集
合が３次元目標地形データとして外部コントローラ２５
のメモリに記憶される。

【００７６】・バケットの現在位置の演算 図３を参照して３次元位置センサ３０、傾斜角度センサ
２７〜２９の検出結果に基づきバケット先端４４ａの現
在位置を演算する処理の内容を説明する。

【００７７】まずブーム４２の根元４２ｄの座標位置を
求めるために、車体座標系｛Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１｝を求め
る。

【００７８】３次元位置センサ３０では座標位置Ｐ１、
Ｐ２が検出される。すると、 Ｙ１＝（Ｐ１−Ｐ２）／｜Ｐ１−Ｐ２｜ となる。

【００７９】そして傾斜角度センサ２７〜２９では、Ｙ
１を水平軸として重力方向に対する傾きθ1、θ2、θ3
が検出される。

【００８０】Ｙ１とＺの２つのベクトルで表される平面
を通り、Ｙ１と垂直なベクトルＺ’を導入すると、 （Ｚ’，Ｙ１）＝０ …（2.1） Ｚ’＝（１−ａ）Ｚ＋ａＹ１ …（2.2） という関係が成り立つ。

【００８１】（2.1）式および（2.2）式より、 Ｚ’＝Ｚ＋｛（Ｚ，Ｙ１）／（（Ｚ，Ｙ１）−１）｝
（Ｙ１−Ｚ） となり、さらに、Ｙ１およびＺ’と垂直なベクトルを
Ｘ’とすると、 Ｘ’＝Ｙ１⊥Ｚ’ となる。

【００８２】車体座標系は、これをＹ１軸周りにθ0だ
け回転させたものであるから、 となる。

【００８３】この車体座標系内でのバケット先端４４ａ
の位置座標（ｘＬt、ｙＬt、ｚＬt）は、傾斜角度セン
サ２７〜２９の検出角度θ1、θ2、θ3およびブーム４
２、アーム４３、バケット４４の長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3を
用いて、 ｘＬt＝０ …（2.4） ｚＬt＝−Ｌb2＋Ｌ１ｃｏｓθ1−Ｌ2ｃｏｓθ2−Ｌ3ｃｏｓθ3 …（2.5） ｙＬt＝Ｌb1＋Ｌ1ｓｉｎθ1＋Ｌ2ｓｉｎθ2＋Ｌ3ｓｉｎθ3 …（2.6） と演算することができる。よってグローバル座標系での
バケット先端４４ａの位置座標Ｐgtは、 Ｐgt＝ｘＬt・Ｘ１＋ｙＬt・Ｙ1＋ｚＬt・Ｚ1＋Ｐ1…
（2.7） となる。

【００８４】なお本実施の形態では、２つのＧＰＳアン
テナ４５、４６を車体４１に取り付けた場合を示してい
る。この場合車体４１の旋回等に伴うＧＰＳアンテナの
経路を計測して油圧ショベル４０の傾きおよび傾斜方向
を計測してもよい。また３つ以上のＧＰＳアンテナを用
いて車体４１の位置を計測することもできる。さらにＧ
ＰＳアンテナを、アーム４３やブーム４２に取り付けて
もよい。またＧＰＳの代わりにロボティックトータルス
テーションなど他の３次元位置計測装置を用いてもよ
い。

【００８５】また角度センサ２７〜２９としては、ブー
ム４２、アーム４３、バケット４４の重力方向に対する
傾きを検出する検出器に限ることなく、ポテンショメー
タなどの任意の角度センサを用いることができる。また
レーザ距離計測装置を用いて角度を検出してもよい。

【００８６】・平面と３次元目標地形との交線の演算 オペレータが操作レバー１１を操作したとき油圧シリン
ダ２３が駆動されバケット４４の先端４４ａは、Ｙ１−
Ｚ１平面内を移動することによって、掘削作業がなされ
る。すなわちバケット先端４４ａは上記演算された現在
の先端位置Ｐｇｔを通るＹ１−Ｚ１平面内を移動するこ
とによって掘削作業が行われる。

【００８７】そこで図６（ａ）に示すように現在のバケ
ット先端４４ａの位置Ｐgtを通過する平面５７が演算さ
れる。

【００８８】つぎにメモリに記憶された３次元目標地形
５１のデータが読み出され、平面５７と目標地形５１と
の交線５８が演算される。この交線５８が、バケット先
端４４ａが移動すべき目標移動経路Ｔcとなる。この交
線５８に沿ってバケット先端４４ａを移動させることに
よって、現在のバケット下方における現在地形５０を３
次元目標地形５１に掘削することができる。３次元目標
地形データは、三角形ポリゴン５６の集合として表現さ
れるので、交線５８は各三角形ポリゴン５６上の線分で
表現されることになる。

【００８９】そして図６（ｂ）に示すように、３次元目
標地形５１を示す交線５８の位置とバケット４４の位置
とが同一の表示画面２４ａ上に表示される。

【００９０】油圧ショベル４０の走行に伴う移動や車体
４１の旋回によってバケット４４の現在位置が変化した
としても、表示画面２４ａ上には、現在のバケット４４
の位置と現在のバケット４４の下方における３次元目標
地形５１を示す交線５８が表示されることになる。よっ
てオペレータは、この表示画面２４ａを見ることによっ
て、掘削すべき交線５８の位置を、バケット４４の位置
との関係で正確に把握することができる。そしてこの表
示画面２４ａを見ながら操作レバー１１を操作すれば現
在地形５０を目標地形５１に精度よく掘削することがで
きる。なおこのとき操作切換スイッチ１３は第１の制御
モードに選択されている。

【００９１】このように本実施形態によれば油圧ショベ
ル４０が移動するに応じてまたバケット４４が移動する
に応じて、そのバケット４４の下方の掘削すべき地形の
形状が変化する複雑な３次元地形であっても、現在のバ
ケット４４の位置に対応する目標地形５１を示す交線５
８の位置を、バケット４４の位置との関係で表示するこ
とができる。つまり複雑な形状の３次元地形をバケット
４４との位置関係でオペレータに分かりやすく表示する
ことができる。よって本実施形態によれば、場所によっ
て掘削すべき地形の形状が異なる複雑な３次元地形であ
っても、精度よく掘削することができる。

【００９２】なおバケット４４と交線５８の表示の仕方
は図４（ｂ）に示す表示の仕方に限定されるものではな
い。図６（ａ）に示すようにバケット４４と交線５８と
の位置関係を３次元的に表示してもよい。この場合図７
に示すように、バケット４４の幅Ｗを考慮して、バケッ
ト４４の幅Ｗ分の交線５８′を表示してもよい。バケッ
ト４４の幅Ｗ分の交線５８′が掘削すべき部分（これを
斜線にて示す）となる。

【００９３】またバケット４４のみを表示するのではな
くバケット４４を含む作業機４７全体を表示してもよ
い。さらには図８に示すように表示画面２４ａ上に油圧
ショベル４０全体を表示して、車体４１に対する作業機
４７の現在姿勢を画面２４ａから認識できるようにして
もよい。

【００９４】さらには図９（ａ）に示すようにバケット
先端４４ａの動作範囲を表示してもよい。この場合ブー
ム４２、アーム４３、バケット４４を動作させたときの
動作範囲５９を表示することができる。また特定の作業
機たとえばアーム４３、バケット４４を動作させたとき
の動作範囲６０を表示することができる。さらには図９
（ｂ）に示すようにバケット４４の姿勢を一定にしたと
きの動作範囲６１を表示してもよい。

【００９５】動作範囲５９、６０、６１を表示すること
で、交線５８との関係で油圧ショベル４０が掘削作業に
適した位置にいるか否かを判断することができる。

【００９６】なお目標地形５１を示す交線５８だけでは
なく、現在地形５０を示す交線、現在地形５０の下の土
や岩などの状態を併せて表示してもよい。

【００９７】なお本実施形態では、バケット４４と交線
５８を表示画面２４上にグラフィック表示している。し
かし本発明としては逐次変化する現在のバケット４４と
現在の交線５８との相対位置関係をオペレータに提示し
て掘削作業をガイダンスすることができればよい。たと
えば交線５８とバケット４４との相対的な位置関係を、
数値（たとえばバケット先端４４ａから交線５８までの
距離）でオペレータに提示してもよい。また交線５８と
バケット４４との相対的な位置関係を音声（たとえば
「バケット先端下方Ｘｍに交線あり」）によってオペレ
ータに提示してもよい。

【００９８】・掘削制御 上記表示画面２４ａに表示される交線５８は、操作切換
スイッチ１３で第２の制御モードが選択されて自動掘削
を行うときの目標移動経路Ｔcとなる。自動掘削開始ボ
タン２４ｂがオンされている間、作業機制御コントロー
ラ２１では自動掘削の制御が実行される。また自動掘削
開始ボタン２４ｂがオフされると、自動掘削制御が中止
される。

【００９９】目標移動経路Ｔcは車体座標系の２次元平
面Ｚ１−Ｙ１上の点列｛Ｐt1，Ｐt2，…，Ｐtm｝で表現
される。

【０１００】バケット４４の取り付け方法によって掘削
方向が定まる。たとえばバックホウの場合には車体４１
に対して遠方から手前に掘削される。このため車体座標
系で原点から遠い点から掘削が開始される。こうして掘
削の方向が求められる。

【０１０１】つぎに目標移動経路Ｔc上の開始点と終了
点が求められる。オペレータはグラフィックインターフ
ェース２４で水平掘削を行うか法面掘削を行うかを移動
方法を指示している。

【０１０２】法面掘削の場合には、図１０に示すように
バケット４４の現在高さと同じ高さから掘削が開始され
る。目標移動経路Ｔc中でバケット４４の現在のＺ１軸
上の座標値と同じ座標値になる点が求められ、これが掘
削開始点Ｐto1とされる。なお目標移動経路Ｔcがバケッ
ト４４の現在高さよりも低い場合には、目標移動経路Ｔ
c中で車体４１から最も遠い点が掘削開始点Ｐto1とされ
る。この掘削開始点が油圧ショベル４０の動作範囲内に
入らない場合には、動作範囲内で車体４１に最も遠い点
が掘削開始点Ｐto1とされる。

【０１０３】これに対して水平掘削の場合には、バケッ
ト４４の現在のＹ１軸上の座標値と同じ座標値になる点
が求められ、これを掘削開始点Ｐto1とされる。なお目
標移動経路Ｔc中に現在のＹ１軸上の座標値と同じ座標
値になる点が存在しない場合には、法面掘削の場合と同
様に車体４１から最も遠い点が掘削開始点Ｐto1とされ
る。この掘削開始点が油圧ショベル４０の動作範囲内に
入らない場合には、動作範囲内で車体４１に最も遠い点
が掘削開始点Ｐto1とされる。

【０１０４】次に終了点が求められる。法面掘削の場合
には図１０に示すように油圧ショベル４０の履帯４９が
接している地面の高さにて掘削が終了される。目標移動
経路Ｔc中で油圧ショベル４０の地面の現在のＺ１軸上
の座標値と同じ座標値となる点が求められ、これが掘削
終了点Ｐtomとされる。なお目標移動経路Ｔc中に地面の
現在のＺ１軸上の座標値と同じ座標値となる点が存在し
ない場合には、車体４１に最も近い点が掘削終了点Ｐto
mとされる。この掘削終了点が油圧ショベル４０の動作
範囲内に入らない場合には、動作範囲内で車体４１に最
も近い点が掘削終了点Ｐtomとされる。

【０１０５】これに対して水平掘削の場合には、油圧シ
ョベル４０の履帯４９の縁部の現在のＹ１軸上の座標値
と同じ座標値になる点が求められ、これを掘削終了点Ｐ
tomとされる。なお目標移動経路Ｔc中に現在の履帯縁部
のＹ１軸上の座標値と同じ座標値になる点が存在しない
場合には、法面掘削の場合と同様に車体４１に最も近い
点が掘削終了点Ｐtomとされる。この掘削終了点が油圧
ショベル４０の動作範囲内に入らない場合には、動作範
囲内で車体４１に最も近い点が掘削終了点Ｐtomとされ
る。

【０１０６】このようにしてバケット先端４４ａが実際
に移動可能な範囲で、移動開始点Ｐto1と移動終了点Ｐt
omが求められ、点列｛Ｐt1，Ｐt2，…，Ｐtm｝が点列Ｔ
ｃ＝｛Ｐto1，Ｐto2，…，Ｐtom｝に再構成される。

【０１０７】各目標点Ｐto1，Ｐto2，…，Ｐtomにおけ
るバケット４４の姿勢角度θ3はオペレータにより選択
される。たとえば各目標点におけるバケット４４の姿勢
角度θ3を、現在位置における角度に維持してもよい。
また初期の２つの目標点Ｐto1，Ｐto2で定まる直線の角
度にバケット４４の背面の角度が合うようにバケット姿
勢角度θ3を定めて、この姿勢角度を維持したまま各目
標点を移動させてもよい。なおバケット４４の背面の角
度に維持する方法は仕上げ作業に用いられる。

【０１０８】バケット先端４４ａの現在位置Ｐgtから目
標移動経路Ｔcの最初の点Ｐto1までは、各軸制御により
ブーム４２、アーム４３、バケット４４の各軸（各油圧
シリンダ２３）が駆動制御される。すなわち２点Ｐgt、
Ｐto1間における油圧シリンダのロッドの移動位置が演
算され、 （油圧シリンダの位置変化量）／（油圧シリンダの最大
移動速度） が最も大きい軸が最大速度で移動される。その他の軸
は、最大速度となる軸と同時に目標点Ｐto1に到達する
ように制御される。

【０１０９】このときバケット先端４４ａの移動経路は
非直線になる。２点間の制御は比較的簡単であり移動速
度は最大となる。油圧シリンダは２点間を等速度で移動
させてもよい。ただし振動を防止するために適当な加減
速パターンを設定して、２点間をこの加減速パターンに
したがって移動させてもよい。

【０１１０】各軸制御で移動させる場合に、バケット４
４あるいはアーム４３などが、目標移動経路Ｔcあるい
は現在地形５０と干渉する場合には、干渉を避けるよう
に補助点が自動的に作成され、この補助点を経由して目
標点Ｐto1まで移動される。

【０１１１】バケット先端４４ａが目標移動経路Ｔcの
移動開始点Ｐto1に到達されると、バケット４４の姿勢
角度θ3が維持されたまま、バケット先端４４ａが目標
移動経路Ｔc上に保って移動される。具体的にはバケッ
ト先端４４ａが、設定した目標移動速度で移動される。
目標移動速度はグラフィックインターフェース２４で設
定される。

【０１１２】以下目標移動経路Ｔcに沿ってバケット先
端４４ａの移動をサーボ制御する処理の内容について説
明する。

【０１１３】すなわちバケット先端４４ａの微少時間ご
との位置（ｙｔｏ，ｚｔｏ）および角度θｔｏが、目標
移動経路Ｔcのデータから求められる。そしてこのバケ
ット先端位置および角度に対応する各軸（ブーム４２、
アーム４３、バケット４４）の目標回転角度θ1、θ2、
θ3が求められる。そしてこの目標回転角度になるよう
にブーム４２、アーム４３、バケット４４の各油圧シリ
ンダ２３がサーボ制御される。

【０１１４】Ｙ１−Ｚ１平面上におけるバケット先端４
４ａの目標位置、角度を｛ｙto，ｚto ，θto ｝とす
ると、各軸の回転角度θ1、θ2、θ3が以下に示すよう
に一律に定まる。

【０１１５】｛θ1 ，θ2，θ3｝＝ｆｒ｛ｙto，ｚto，
θto｝ ただしｆrは所定の関数である。この関数ｆrの内容は以
下のとおりである。

【０１１６】θ3＝θto （4.1） また、（2.5）式および（2.6）式より ｙＬt−Ｌb1−Ｌ3ｓｉｎθto＝Ｌ1ｓｉｎθ1＋Ｌ2ｓｉｎθ2 ｚＬt＋Ｌb2＋Ｌ3ｃｏｓθto＝Ｌ1ｃｏｓθ1−Ｌ2ｃｏｓθ2 となる。

【０１１７】ここで、 ｙＬt−Ｌb1−Ｌ3ｓｉｎθto＝ｍ ｚＬt＋Ｌb2＋Ｌ3ｃｏｓθto＝ｎ とおくと、 ｍ＝Ｌ1ｓｉｎθ1＋Ｌ2ｓｉｎθ2 ｎ＝Ｌ1ｃｏｓθ1−Ｌ2ｃｏｓθ2 となる。

【０１１８】両辺を２乗して加算すると、 ｍ^2＋ｎ^2＝Ｌ1^2＋Ｌ2^2−２Ｌ1・Ｌ2ｃｏｓ（θ1＋
θ2） となる。なお^2は２乗を意味するものとする。

【０１１９】したがって、 θ1＋θ2＝ｃｏｓ-1｛（Ｌ1^2＋Ｌ2^2−ｍ^2−ｎ^2）／
２Ｌ1・Ｌ2｝ が得られる。

【０１２０】（2.5）式より ｍ＝Ｌ1ｓｉｎθ1＋Ｌ2ｓｉｎθ2 が得られる。これより、 ｍ＝（Ｌ1−Ｌ2ｃｏｓ（θ1＋θ2））ｓｉｎθ1＋Ｌ2ｓ
ｉｎ（θ1＋θ2）ｃｏｓθ1 となる。ここで、 とおくと、 １＝ｋ1ｓｉｎθ1＋ｋ2ｃｏｓθ1 となる。よってθ1は、 となる。θ2も同様にして求められる。こうして目標回
転角度θ１，θ２，θ３が演算される。

【０１２１】つぎに重力方向に対してなす角度θ１，θ
２，θ３が、車体４１に対してブーム４２がなす相対的
な角度θ′1、ブーム４２に対してアーム４３がなす相
対的な角度θ′2、アーム４３に対してバケット４４が
なす相対的な角度θ′3に変換される。これら相対角度
θ′1、θ′2、θ′3は、重力方向に対してなす角度θ
１，θ２，θ３の加減算によって容易に求められる。そ
して現在の相対角度θ′1、θ′2、θ′3が目標とする
相対角度θ′1、θ′2、θ′3となるように、ブーム４
２、アーム４３、バケット４４の各油圧シリンダ２３が
駆動制御される。こうしてバケット先端４４ａは目標移
動経路Ｔcに沿って移動され、現在地形５０が目標地形
５１に精度よく掘削される。

【０１２２】そして図１０に示すように、３次元目標地
形５１を示す交線５８が目標移動経路Ｔcとされ、この
目標移動経路Ｔcに沿ってバケット４４が移動するよう
にバケット４４が制御される。

【０１２３】このように第２の制御モードで自動掘削を
行った場合には、表示画面２４ａを確認しながら手動で
掘削作業を行う第１の制御モードの場合と同様に、現在
のバケット位置下方の目標地形５１に沿ってバケット先
端４４ａが自動的に移動するので、場所によって掘削す
べき地形の形状が異なる複雑な３次元地形であっても、
精度よく掘削することができる。さらに第２の制御の場
合にはオペレータがバケット４４を操作せずとも自動的
に掘削作業がなされる。このため第１の制御モードに比
べてオペレータの労力が軽減されるという効果が得られ
る。

【０１２４】なお上述した実施の形態では、地面に対し
て垂直なＹ１−Ｚ１平面内をバケット先端４４ａが移動
することを前提としている。しかし油圧ショベル４０の
車体４１は図３（ｂ）に示すように掘削作業の進行に伴
い地面に対して角度θ0だけ傾斜することもある。この
場合には作業機４７の油圧シリンダ２３が駆動されるこ
とによりバケット４４は地面に対して角度θ0だけ傾斜
した平面に沿って移動する。このため傾斜角度θ0に応
じた平面５７を新たに求め直して、交線５８つまり目標
移動経路Ｔcを再度演算してもよい。

【０１２５】具体的には図６（ａ）に示すように地面に
対して垂直な平面５７に対して角度θ0だけ傾斜されバ
ケット先端４４ａの現在位置を通過する平面５７″が新
たに演算される。そしてこの平面５７″と３次元目標地
形５１との交線５８″が求められ、表示画面２４ａ上に
表示される。また交線５８″が目標移動経路Ｔcとされ
この目標移動経路Ｔcに沿ってバケット先端４４ａが移
動されるように各油圧シリンダ２３が自動制御される。

【０１２６】また作業機が車体４１に対して左右に傾斜
することができる作業機を備えた建設機械の場合には、
作業機の傾斜に応じてバケット先端４４ａが移動する平
面が変化する。この場合にも同様にして油圧シリンダ２
３が駆動されたときにバケット先端４４ａが移動する面
を含む平面５７″を求め、この平面５７″に応じた交線
５８″を求めればよい。平面５７″としては主に掘削力
を負担する作業機（アームなど）の油圧シリンダの移動
によって定まる平面を求めればよい。

【０１２７】また図４に示すようにオフセットブーム４
２ｃを備えた油圧ショベル４０の場合にもオフセット動
作に応じて正確な交線５８つまり目標移動経路Ｔcを求
めることがきる。すなわち図４（ｂ）に示すように車体
４１に対してバケット４４がオフセットしていない場合
には平面５７が演算され、車体４１に対してバケット４
４がオフセットされている場合には平面５７′が演算さ
れる。オフセットされたときにはバケット先端４４ａの
現在位置を通過しかつ平面５７に対してオフセットされ
た平面５７′が新たに演算される。そしてこの平面５
７′と３次元目標地形５１との交線５８′が求められ、
表示画面２４ａ上に表示される。また交線５８′が目標
移動経路Ｔcとされこの目標移動経路Ｔcに沿ってバケッ
ト先端４４ａが移動されるように各油圧シリンダ２３が
自動制御される。

【０１２８】このように本実施形態によれば、傾斜、オ
フセット等のバケット位置の変化、ずれがあったとして
も、目標地形５１を常に精度よく掘削することができ
る。

【０１２９】・移動速度、移動経路の調整 第２の制御モードで自動掘削を行う場合上述した実施形
態では、移動速度が指定され、一定速度で目標移動経路
Ｔcに沿ってバケット先端４４ａが移動されるものとし
て説明した。しかし操作レバー１１の操作量に応じた速
度でバケット先端４４ａを目標移動経路Ｔcに沿って移
動させるとともに、操作レバー１２の操作量に応じた分
だけ目標移動経路Ｔcをオフセットさせてオフセットさ
れた移動経路Ｔ′c上に沿ってバケット先端４４ａを移
動させてもよい。

【０１３０】すなわち目標移動経路Ｔc上の目標点｛ｙt
o，ｚto｝は、目標移動経路Ｔcの移動開始点Ｐto1から
の移動距離Ｓに応じて定まる。これはｆｔを移動距離
Ｓ、目標移動経路Ｔcの関数としてつぎの式で表され
る。

【０１３１】 ｛ｙto，ｚto｝＝ｆｔ（Ｓ，Ｔc） …（５） のように求まる。

【０１３２】目標移動経路Ｔc上の移動速度ｖをｖ0一定
として移動距離Ｓを求めるとつぎのようになる。

【０１３３】Ｓ＝ｖ0・ｔ …（６） となる。ただしｖ0は定数である。

【０１３４】また移動速度ｖを一定とせずに操作レバー
１１の操作量（操作角度）φに応じてサンプリング時刻
ｎにおける移動距離Ｓnを求めると、ｆlever1（φ）を
操作角度φの関数としてつぎのようになる。

【０１３５】Ｓn＝Ｓn-1＋ｆlever1（φ） …（７） 移動速度ｖはｖ＝ｆlever1（φ）/ｔとなり操作レバー
１１の操作角度φに応じて変化する。

【０１３６】移動速度ｖ0が指定されている場合には上
記（６）式が（５）式に代入されて目標移動経路Ｔc上
の目標点｛ｙto，ｚto｝が演算される。操作レバー１１
が操作された場合には上記（７）式が（５）式に代入さ
れて目標点｛ｙto，ｚto｝が演算される。

【０１３７】また操作レバー１２の操作量（操作角度）
ηに応じて、目標移動経路Ｔcに対する逐次のオフセッ
ト量Ｆnを求めると、ｆlever2（η）を操作角度ηの関
数としてつぎのようになる。

【０１３８】Ｆn＝Ｆn-1＋ｆlever2（η） …（８） 操作レバー１２が操作された場合には上記（８）式で得
られたオフセット量Ｆnが次式に示すようにＹ１軸上の
座標値ｙtoに加えられて新たな目標移動経路Ｔ′cが生
成される。

【０１３９】ｙto＝ｙto＋Ｆn …（９） Ｙ１軸方向にオフセットする代わりにＺ１軸方向にオフ
セットさせてもよい。この場合には上記（８）式で得ら
れたオフセット量Ｆnが次式に示すようにＺ１軸上の座
標値ｚtoに加えられて新たな目標移動経路Ｔ′cが生成
される。

【０１４０】ｚto＝ｚto＋Ｆn …（１０） なおＹ１軸、Ｚ１軸のいずれにオフセットさせるかは、
目標経路Ｔcの角度によって自動的に決定される。

【０１４１】なおバケット４４の角度θtoに関しては一
定にすることができる。ただし移動終了点Ｐtomが動作
範囲内に入らない場合には、移動終了点Ｐtomが動作範
囲内に入るようにバケット４４の角度θtoを求め、移動
開始点Ｐto1から移動終了点Ｐtomまで一定の速度で補間
してもよい。

【０１４２】なお本実施形態ではブーム、アーム、バケ
ットといったリンク機構によって構成される作業機を備
えた建設機械に適用される場合について説明したが、こ
れに限定されることなく、あらゆる構造、形式の掘削用
作業機を備えた建設機械に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施形態の制御装置の構成例を示すブロ
ック図である。

【図２】図２は実施形態の制御装置の他の構成例を示す
ブロック図である。

【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、実施形態の油圧ショベ
ルの幾何的関係を示す図である。

【図４】図４（ａ）、（ｂ）はオフセットブームを備え
た油圧ショベルの構成を示す図である。

【図５】図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は法面の形状のデ
ータの内容を概念的に示す図である。

【図６】図６（ａ）、（ｂ）は表示画面に表示される内
容を説明する図である。

【図７】図７は表示画面に表示される内容を説明する図
である。

【図８】図８は表示画面に表示される内容を説明する図
である。

【図９】図９（ａ）、（ｂ）は表示画面に表示される内
容を説明する図である。

【図１０】図１０は掘削制御の内容を説明する図であ
る。

【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は現在地形デ
ータから道路という構造物を生成するまでの手順を概念
的に示す図である。

【符号の説明】

１１、１２ 操作レバー １３ 操作切換スイッチ ２１ 作業機制御コントローラ ２３ 油圧シリンダ ２５ 外部コントローラ ２４ グラフィックインターフェース ２４ａ 表示画面 ４４ バケット ４４ａ バケット先端 ５０ ３次元現在地形 ５１ ３次元目標地形 ５７ 平面 ５８ 交線

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削用の作業機を作動させて３次元の地
   形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械に
   適用され、当該掘削作業をガイダンスする建設機械の掘
   削作業ガイダンス装置において、 前記掘削用作業機の３次元位置を計測する位置計測手段
   と、 前記位置計測手段により計測した掘削用作業機の位置を
   通過する平面を演算する平面演算手段と、 前記平面演算手段によって演算された平面を示すデータ
   と、前記３次元目標地形を示すデータとに基づいて、前
   記平面と前記３次元目標地形との交線を演算する交線演
   算手段と、 前記交線演算手段によって演算された前記３次元目標地
   形を示す交線の位置と前記掘削用作業機の位置との相対
   位置関係を提示する提示手段とを具えたことを特徴とす
   る建設機械の掘削作業ガイダンス装置。
2. 【請求項２】 作業機の先端部にバケットが設けられ、
   当該作業機を作動させて３次元の地形を３次元の目標地
   形にする掘削作業を行う建設機械に適用され、当該掘削
   作業をガイダンスする建設機械の掘削作業ガイダンス装
   置において、 前記バケットの３次元位置を計測する位置計測手段と、 前記位置計測手段により計測したバケット位置を通過す
   る平面を演算する平面演算手段と、 前記平面演算手段によって演算された平面を示すデータ
   と、前記３次元目標地形を示すデータとに基づいて、前
   記平面と前記３次元目標地形との交線を演算する交線演
   算手段と、 前記交線演算手段によって演算された前記３次元目標地
   形を示す交線の位置と前記バケットの位置とを同一画面
   上に表示する表示手段とを具えたことを特徴とする建設
   機械の掘削作業ガイダンス装置。
3. 【請求項３】 前記位置計測手段は、前記バケットの先
   端の３次元位置を計測するものであり、 前記平面演算手段は、前記バケットの先端位置を通過す
   る平面を演算するものであることを特徴とする請求項２
   記載の建設機械の掘削作業ガイダンス装置。
4. 【請求項４】 前記掘削用作業機または前記バケットは
   アクチュエータが駆動されることにより作動するもので
   あり、 前記平面演算手段は、前記アクチュエータが駆動された
   ときに前記掘削用作業機または前記バケットが作動する
   面を含む平面を演算するものであることを特徴とする請
   求項１または２記載の建設機械の掘削作業ガイダンス装
   置。
5. 【請求項５】 現在の３次元地形データと、目標構造物
   の縁部の形状を示すデータと、法面の形状を示すデータ
   とに基づいて、前記目標構造物の縁部を法尻とする３次
   元目標地形のデータを作成する３次元目標地形データ作
   成手段をさらに具えたことを特徴とする請求項１または
   ２記載の建設機械の掘削作業ガイダンス装置。
6. 【請求項６】 掘削用の作業機を作動させて３次元の地
   形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械に
   適用され、前記掘削用作業機を制御する建設機械の掘削
   制御装置において、 前記掘削用作業機の３次元位置を計測する位置計測手段
   と、 前記位置計測手段により計測した掘削用作業機の位置を
   通過する平面を演算する平面演算手段と、 前記平面演算手段によって演算された平面を示すデータ
   と、前記３次元目標地形を示すデータとに基づいて、前
   記平面と前記３次元目標地形との交線を演算する交線演
   算手段と、 前記交線演算手段によって演算された前記３次元目標地
   形を示す交線を、目標移動経路とし、当該目標移動経路
   に沿って前記掘削用作業機が移動するように当該掘削用
   作業機を制御する制御手段とを具えたことを特徴とする
   建設機械の掘削制御装置。
7. 【請求項７】 掘削用の作業機を作動させて３次元の地
   形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械に
   適用され、掘削用操作手段の操作に応じて前記掘削用作
   業機を制御する作業機コントローラを備えた建設機械の
   掘削制御装置において、 前記建設機械に外部より装着自在であって、前記３次元
   目標地形のデータを、前記作業機コントローラに出力す
   る外部コントローラと、 前記掘削用操作手段の操作に応じて前記掘削用作業機を
   制御する第１の制御モードと、前記３次元目標地形デー
   タに基づき当該３次元目標地形上の目標移動経路に沿っ
   て前記掘削用作業機が移動するように当該掘削用作業機
   を制御する第２の制御モードのいずれかの制御モードを
   選択する制御モード選択手段と、 前記外部コントローラが前記建設機械に装着されている
   か否かを判断する判断手段と、 前記判断手段によって前記外部コントローラが前記建設
   機械に装着されていると判断された場合には、前記制御
   モード選択手段の選択結果に応じた制御モードを前記作
   業機コントローラで実行させ、前記判断手段によって前
   記外部コントローラが前記建設機械に装着されていない
   と判断された場合には、前記制御モード選択手段の選択
   いかんにかかわらず前記第１の制御モードを前記作業機
   コントローラで実行させることを特徴とする建設機械の
   掘削制御装置。