JP2011043002A - 掘削支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易、かつ、コストが安価な建設機械の掘削支援装置を提供する。
【解決手段】ブーム回動角度α、アーム回動角度β、バケット回動角度γをそれぞれ検出する各角度センサ７〜９と、バケット先端６０が目標掘削面Ｄに位置したときに操作される制御スイッチ１８と、制御スイッチ１８の操作を受けて、各回動角度に基づきブーム４の回動支点を基準としたバケット先端６０の位置を演算して目標掘削面Ｄに沿う掘削軌道を設定する演算手段と、ブーム４の動作を自動制御する制御手段とを備える。制御手段は、アーム５の掘削方向の動作時に、バケット先端６０が掘削軌道上を移動するようアーム回動角度βの変化に応じてブーム回動角度αを変化させ、アームの掘削方向とは逆方向の動作時に、バケット先端６０が掘削軌道よりも所定高さ上方を移動するようアーム回動角度βの変化に応じてブーム回動角度αを変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、掘削支援装置に関し、より詳しくは、バックホウなどの建設機械を用いた掘削作業を支援する掘削支援装置に関する。

建設機械の１つであるバックホウは、下部走行体と、下部走行体上に旋回可能に設けられる上部旋回体と、上部旋回体に接続されたそれぞれ上下方向に回動可能なブーム、アーム、およびバケットから成るフロント装置とで構成されている。ブーム、アーム、およびバケットは、一般に、ブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、およびバケット用油圧シリンダによりそれぞれ駆動される。各油圧シリンダは、ブームレバー、アームレバー、バケットレバーなどの各操作レバーの操作に応じて、油圧ポンプから制御弁を介して圧油が供給されて動作する。オペレータが運転室の各操作レバーを操作することで、対応する各油圧シリンダを駆動し、ブーム、アーム、およびバケットを所望の態様に動作させるようになっている。

バックホウなどの建設機械による作業は、ダンプトラックなどへの積み込み作業、掘削作業、盛土整形および整地作業に大きく分類される。積み込み作業は、資材、砕石、土などを掬ったバケットをトラックなどの荷台で返すことにより積み込む作業であり、オペレータに対して特段の技術は必要とされない。

これに対して、水路、管路、土留めコンクリートなどを設置するための掘削作業は、ブームを下降側に移動させるとともにアームを手前側に移動させ、バケットで地面の土砂を掻き取ることで、地面を所定の掘削深さ（目標掘削面）まで掘り下げた後、掘削面を直線的に掘削して水平にする直線掘削を行う必要がある。しかし、この直線掘削をスムーズに行うには熟練と高度な技術が要求される。

つまり、各操作レバーを同時に操作し、ブームおよびアームを複合的に動作させ、必要に応じてバケットを回動させてバケットの先端を直線状に移動させるのは、熟練および高度な技術を伴う非常に困難な作業であり、経験の少ないオペレータにとっては容易ではなく、このような直線掘削ができずに掘削面が波打ったり段差が生じたりするおそれがある他、直線掘削ができたとしても作業時間が長引く原因となる。さらに、熟練したオペレータであっても、掘削深さが深い場合には、掘削面を見る位置がかなり上方となるため、アーム操作に対するブーム操作の勘が狂いやすく、直線掘削ができずに勾配を生じることがある。

また、盛土整形や整地作業においても、ブルドーザを用いる代わりに、バックホウで土を盛ってバケットの動きで水平に整地することがあり、この場合も、整地面に沿ってバケットの先端を直線状に移動させて直線掘削を行う必要がある。

そこで、このような直線掘削作業を容易にするために、各種の掘削支援装置が提案されており、その一例として、バックホウのバケットの動きを自動制御して目標掘削面に沿ってバケットの先端を移動させるようにした掘削支援装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の掘削支援装置では、オペレータが目標掘削面の勾配、目標掘削面までの深さ、およびバケットの姿勢角などの条件をあらかじめ与えると、それらの条件の下で直線掘削を行うのに必要なブーム用油圧シリンダおよびアーム用油圧シリンダの操作量が演算回路を用いて演算される。そして、この演算結果が入力信号として各油圧シリンダに入力されることにより、バケットを自動的に直線状に動かして、目標掘削面に沿った直線掘削が行えるようになっている。

特公昭５４−３７４０６号公報

ここで、上記したような自動的な直線掘削を行う場合、作業指令部として電気ジョイスティックなどの電気的な指令機器を設け、その電気信号を解読して各油圧シリンダへ油圧指令を出力する制御装置が必要である。また、自動直線掘削が可能な制御装置を実用に供するためには、油圧シリンダにおける油圧を検知し、これを制御装置にフィードバックなどすることにより、油圧の補償を行って直線掘削制御の精度の向上を図る必要がある。したがって、従来の自動直線掘削が可能なバックホウは、制御装置を構成する構成要素が一般のバックホウに対して多く、個々の構成要素の精度、故障を考慮すると、制御装置として信頼性が低下し、また、制御装置が複雑でかつ高価なものとなってしまう。そのうえ、オペレータが操作レバーを操作して行う通常の作業指令による高精度の直線掘削を行うことが極めて困難となる。

そこで、本発明は、上記した問題に着目してなされたもので、オペレータによる通常の作業指令に近い良好な操作感覚で、高精度の直線掘削をすることができるとともに、複雑な制御装置などを要せずに簡易で、かつ、コストが安価なバックホウなどの建設機械の掘削支援装置を提供することを目的とする。

本発明の前記目的は、運転室を備える上部旋回体に上下方向に回動可能に連結されたブームと、前記ブームの先端に上下方向に回動可能に連結されたアームと、前記アームの先端に上下方向に回動可能に連結されたバケットとを備え、前記ブームおよびアームを動作させることにより前記バケットの先端で土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する掘削支援装置であって、前記上部旋回体に対するブームの回動角度を検出するブーム角度検出手段と、前記ブームに対するアームの回動角度を検出するアーム角度検出手段と、前記アームに対するバケットの回動角度を検出するバケット角度検出手段と、前記運転室に設けられ、前記バケットの先端が直線掘削すべき目標掘削面に位置したときにオペレータにより操作される制御スイッチと、前記制御スイッチの操作を受けて、前記ブーム角度検出手段、アーム角度検出手段およびバケット角度検出手段による検出値に基づいて、前記ブームの回動支点を基準とした前記バケットの先端の位置を演算して、前記バケットの先端が動き得る前記目標掘削面に沿う掘削軌道を設定する演算手段と、前記制御スイッチの操作を受けて、前記ブームの動作を自動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、オペレータが前記アームを掘削方向に動作させたときに、前記バケットの先端が前記掘削軌道に沿って移動するように、前記アームの回動角度の変化に応じて前記ブームの回動角度を変化させて前記ブームを動作させ、オペレータが前記アームを掘削方向とは逆の方向に動作させたときに、前記バケットの先端が前記掘削軌道よりも所定高さ上方を直線移動するように、前記アームの回動角度の変化に応じて前記ブームの回動角度を変化させて前記ブームを動作させることを特徴とする掘削支援装置により達成される。

本発明の好ましい実施態様は、掘削作業中において前記バケットの先端が動き得る前記掘削軌道の位置を上方側または下方側に補正することが可能な掘削軌道補正手段をさらに備えることを特徴としている。

本発明の掘削支援装置によれば、オペレータによる通常の作業指令に近い良好な操作感覚で、高精度の直線掘削をすることができるとともに、複雑な制御装置などを要せずに簡易な、かつ、コストが安価なバックホウなどの建設機械の掘削支援装置を提供することができる。

本発明の一実施例に係る掘削支援装置を備えたバックホウの側面図である。 掘削支援装置を用いた掘削作業を説明するための既略側面図である。 掘削支援装置の概略構成を示すブロック図である。 設定入力器を示す平面図である。 直線掘削におけるアーム回動角度とブーム回動角度との関係を示す図である。 掘削支援装置を用いた掘削作業の一工程を説明するための既略側面図である。 掘削作業の変形例を説明するための既略側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。本発明の掘削支援装置は、建設機械の中でも多く利用されるバックホウに好適に用いることができるが、例えば、ローディングショベルなどの他の重機に用いることも可能である。図１は、本発明の一実施例に係る掘削支援装置を備えたバックホウ１の構成を示す側面図である。

バックホウ１は、走行可能な下部走行体３上に運転室２０を有する上部旋回体２が旋回自在に搭載され、上部旋回体２にブーム４、アーム５およびバケット６からなる多関節型のフロント装置が設けられた構成となっている。ブーム４、アーム５およびバケット６は、それぞれ油圧式のブームシリンダ７、アームシリンダ８およびバケットシリンダ９により上下方向に回動可能に駆動される。

ブーム４は、その基端部が上部旋回体２の前部にブームフートピン（図示せず）を介して回動可能に取り付けられており、これにより、先端部が基端部を支点として上下方向に回動できるようになっている。ブームシリンダ７は、一方のボトム室側が上部旋回体２に、他方のピストンロッドがブーム４に、それぞれ回動自在に支持されており、図示は省略しているが、エンジンで駆動される油圧ポンプからの圧油を流量制御弁を介して受けることで伸縮してブーム４を駆動する。この流量制御弁は、油圧ポンプとブームシリンダ７との間に接続され、油圧ポンプからブームシリンダ７に供給される圧油の流量および方向を制御する。

アーム５は、その基端部がブーム４の先端部にアームフートピン（図示せず）を介して回動可能に取り付けられており、これにより、先端部が基端部を支点として上下方向に回動できるようになっている。アームシリンダ８は、一方のボトム室側がブーム４に、他方のピストンロッドがアーム５に、それぞれ回動自在に支持されており、図示は省略しているが、油圧ポンプからの圧油を流量制御弁を介して受けることで伸縮してアーム５を駆動する。この流量制御弁は、油圧ポンプとアームシリンダ８との間に接続され、油圧ポンプからアームシリンダ８に供給される圧油の流量および方向を制御する。

バケット６は、その基端部がアーム５の先端部にバケットフートピン（図示せず）を介して回動可能に取り付けられており、これにより、先端部が基端部を支点として上下方向に回動できるようになっている。バケットシリンダ９は、一方のボトム室側がアーム５に、他方のピストンロッドがバケット６に、それぞれ回動自在に支持されており、図示しない油圧ポンプからの圧油を流量制御弁１０（図３に示す）を介して受けることで伸縮してバケット６を駆動する。この流量制御弁１０は、油圧ポンプとバケットシリンダ９との間に接続され、油圧ポンプからバケットシリンダ９に供給される圧油の流量および方向を制御する。

上部旋回体２の運転室２０には、ブーム４、アーム５、バケット６をそれぞれ動作させたり、さらには、上部旋回体２および下部走行体３をそれぞれ旋回、走行させたりするための複数の操作レバーが設けられている。上部旋回体２とブーム４との間には、ブーム４を上方または下方に傾動させるブームシリンダ７が、ブーム４とアーム５との間には、アーム５を掘削方向（手前側）またはダンプ方向（奥側）に揺動させるアームシリンダ８が、アーム５とバケット４との間には、バケット４を掘削方向またはダンプ方向に回動させて掘削角度を調節するバケットシリンダ９が、それぞれ設けられているが、これらの各シリンダ７〜９は、運転室２０に設けられたブーム操作レバー、アーム操作レバー、バケット操作レバー（図示せず）の操作によって、それぞれ駆動される。

また、上部旋回体２と下部走行体３との間には旋回モータ（図示せず）が、下部走行体３には左右の走行モータ（図示せず）が、それぞれ設けられており、運転室２０に設けられた旋回操作レバーや走行操作ペダル（図示せず）の操作によって、これらのモータが駆動される。

なお、本実施例では、ブーム４、アーム５、バケット６および上部旋回体２は、それぞれに対応する各操作レバーの操作により動作するようになっているが、これに限らず、ブーム４、アーム５、バケット６および上部旋回体２の各操作を、例えば、左右に操作することで前記旋回モータを駆動して上部旋回体２を旋回させるとともに、前後に操作することでアームシリンダ８を駆動してアーム５を揺動させる十字操作式の旋回・アーム用操作レバーと、左右に操作することでバケットシリンダ９を駆動してバケット４を回動させるとともに、前後に操作することでブームシリンダ７を駆動してブーム４を上下動させる十字操作式のバケット・ブーム用操作レバーとにより行うように構成してもよい。

ブーム４、アーム５、バケット６を動作させる各操作レバーは、操作信号としてその操作量および操作方向に応じた電気信号を出力する電気レバー装置であり、各操作レバーからの操作信号（電気信号）はバックホウ１の動作を統括制御するコントローラ（図示せず）に入力される。コントローラは、各操作レバーからの操作信号を前記流量制御弁を駆動する制御信号（電気信号）に変換して、各流量制御弁に出力する。流量制御弁は、コントローラからの制御信号（電気信号）をパイロット圧に変換する電気油圧変換手段、例えば比例電磁弁を両端に備えた電気・油圧操作方式の弁であり、コントローラからの制御信号に応じて比例電磁弁が開閉動作することにより、各シリンダ７〜９に供給される圧油の流量などが制御され、ブーム４、アーム５、バケット６の動作が制御される。

以上のようなバックホウ１に、本実施例による掘削支援装置が設けられている。本実施例の掘削支援装置は、オペレータがバケット６の先端６０を直線状に移動させて地面を水平にする直線掘削作業を容易にかつ精度良く行えるように支援するためのものであって、フロント装置の位置と姿勢に関する状態量としてブーム４、アーム５およびバケット６のそれぞれの回動角度を検出する角度検出手段としての各角度センサ１３〜１５と、バックホウ１の前後方向の傾斜角度を検出する傾斜角度センサ１６と、掘削作業時においてバケット６の先端６０が動き得る掘削軌道の設定変更に用いられる設定入力器１７（図４に示す）と、オペレータによるアーム操作に応じてバケット６の先端６０が直線状に移動するようブーム４の動作を自動制御する制御装置１２とで構成されている。

ブーム４の基端部（回動支点Ａ）には、図１および図２に示すように、ブーム用の角度検出手段としてブーム角度センサ１３が設けられている。ブーム角度センサ１３は、ブーム４の上部旋回体２に対する回動角度（ブーム４の水平面に対する傾斜角度）αを検出して角度信号を制御装置１２に出力する。アーム５の基端部（回動支点Ｂ）には、アーム用の角度検出手段としてアーム角度センサ１４が設けられている。アーム角度センサ１４は、アーム５のブーム４に対する回動角度（アーム５とブーム４の相対角度）βを検出して角度信号を制御装置１２に出力する。バケット６の基端部（回動支点Ｃ）には、バケット用の角度検出手段としてバケット角度センサ１５が設けられている。バケット角度センサ１５は、バケット６のアーム５に対する回動角度（バケット６とアーム５の相対角度）γを検出して角度信号を制御装置１２に出力する。

また、上部旋回体２には、バックホウ１の前後方向の傾斜角度θを検出するための傾斜角度センサ１６が設けられている。この傾斜角度センサ１６としては、例えば、静電容量型など公知のものを使用することができ、傾斜角度θに比例した大きさの角度信号を制御装置１２に出力する。

運転室２０には、上記した各操作レバーやコントローラ、図示しない各種の表示器とともに、制御装置１２や設定入力器１７、制御スイッチ１８などが設けられている。設定入力器１７は、図４に示すように、テンキーや各種の設定・入力ボタン、表示部を備えており、フロント装置の寸法、すなわち、ブーム４の寸法（ブーム４の回動支点Ａからアーム５の回動支点Ｂまでの距離Ｌ１）、アーム５の寸法（アーム５の回動支点Ｂからバケット６の回動支点Ｃまでの距離Ｌ２）、バケット６の寸法（バケット６の先端６０から回動支点Ｃまでの距離Ｌ３）などの各種データを入力することが可能であるとともに、詳細は後述するが、直線掘削作業時にバックホウ１がジャッキアップした場合に、バケット先端６０が動き得る掘削軌道の上下位置の設定変更を指示するものである。

制御装置１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺回路などを有する演算処理装置により構成され、図３に示すように、ブーム４の動作を制御する前記流量制御弁１０が接続されている他、各角度センサ１３〜１６からの角度信号が入力されるとともに、設定入力器１７からのデータや設定信号が入力されるように構成されている。制御装置１２は、これらの各角度センサ１３〜１６からの角度信号と設定入力器１７からの入力データとに基づいて、バケット６の先端の位置を演算する。

ここで、バケット６の先端の位置は、図２に示すように、例えばブーム４の回動支点を原点としたＸＹ座標系で演算される。ＸＹ座標系はバックホウ１に固定した直交座標系であり、垂直面内にあるとする。このＸＹ座標系において、Ｄは、バケット６の先端６０により直線掘削されるべき掘削面（目標掘削面）を表しており、ブーム４の回動支点を含む水平な基準面を基準として、目標掘削面Ｄまでの深さが設定掘削深さＨ２として表されている。

バケット６の先端６０の位置は、ブーム４の回動支点Ａとアーム５の回動支点Ｂとの距離をＬ１、アーム５の回動支点Ｂとバケット６の回動支点Ｃとの距離をＬ２、バケット６の回動支点Ｃとバケット６の先端６０との距離をＬ３とすれば、ブーム４、アーム５、バケット６の各回動角度α，β，γとに基づいて、下記の式（１），（２）より求まる。

Ｘ１＝Ｌ１ｃｏｓα＋Ｌ２ｃｏｓ（１８０°−α−β）−Ｌ３ｃｏｓ（α＋β＋γ−１８０°）・・・（１）
Ｙ１＝Ｌ１ｓｉｎα−Ｌ２ｓｉｎ（１８０°−α−β）−Ｌ３ｓｉｎ（α＋β＋γ−１８０°）・・・（２）

なお、バックホウ１が傾いている場合には、バケット６の先端６０と地面との相対位置関係が変化するので、目標掘削面Ｄの設定が正しく行えなくなる。そこで本実施例では、バックホウ１の傾斜角度θを傾斜センサ１６で検出し、制御装置１２にその傾斜角度θの値が入力されると、制御装置１２はブーム回動角度αを傾斜角度θで補正してバケット６の先端６０の位置を演算する。これにより、バックホウ１が傾いていても正しい目標掘削面Ｄの設定が行える。なお、バックホウ１が傾いている場合には、バックホウ１の傾きを修正して姿勢を水平にしてから作業するのが望ましい。

制御装置１２は、上記の演算を行ってバケット６の先端位置を算出することにより、基準面からバケット６の先端６０までの掘削深さＹ１を導出する。制御スイッチ１８は、オペレータの掘削作業によりバケット先端６０が目標掘削面Ｄに位置したときに、オペレータにより操作されるものである。制御装置１２は、制御スイッチ１８が操作されると、押された時点での各回動角度α、β、γを読み取るなどしてバケット６の先端位置を算出し、そのときの基準面に対するバケット先端６０の掘削深さＹ１を設定掘削深さＨ２として目標掘削面Ｄの設定を行い、バケット６の先端６０を移動させる掘削軌道（Ｙ＝Ｈ２）を決定する。そして、オペレータのアーム５の引き込み操作に応じてブーム４の駆動を自動制御することによって、バケット先端６０を一定の深さ（設定掘削深さＨ２）に保持する制御を行い、これにより、バケット先端６０が目標掘削面Ｄに沿った直線状の掘削軌道上を移動するよう制御する。

以下、本実施例の掘削支援装置を適用したバックホウ１によりオペレータが掘削作業を行う方法を説明する。まず、掘削深さが設定掘削深さＨ２の目標掘削面Ｄに近づくまでは、オペレータは各操作レバーによりブーム４、アーム５およびバケット６を操作して通常の掘削作業を行って地面を掘り下げる。目標掘削面Ｄ近くまで掘削すると、オペレータは、バケット操作レバーを操作してバケット６を回動させることにより、バケット６の掘削角度（アーム５に対する回動角度）γを所望の角度（本実施例では、γ＝１８０°）にし、そして、バケット６を操作することなくその掘削角度γを１８０°に維持した状態で、バケット先端６０を目標掘削面Ｄに一致させる。

バケット先端６０を目標掘削面Ｄに一致させると、オペレータは、フロント装置の各部寸法、すなわち、ブーム４の回動支点Ａとアーム５の回動支点Ｂとの距離Ｌ１、アーム５の回動支点Ｂとバケット６の回動支点Ｃとの距離Ｌ２、バケット６の回動支点Ｃとバケット先端６０との距離Ｌ３を、それぞれ設定入力器１７から入力した後、制御スイッチ１８を押す。これにより、制御装置１２は、これらの入力データＬ１〜Ｌ３と、各角度センサ１３〜１５から検出される各回動角度α，β，γとに基づき、上記の式（２）より、基準面からバケット先端６０までの掘削深さＹ１、すなわち、目標掘削面Ｄの設定掘削深さＨ２を算出する。

制御装置１２は、このようにして算出した設定掘削深さＨ２を用いて、次にオペレータがアーム操作レバーを操作してアーム５を駆動すれば、ブーム４の駆動を自動制御して直線掘削制御を開始する。具体的には、オペレータが直線掘削のためにアーム５を手前側に引き込み動作させると、アーム５の姿勢が変化してアーム５の回動角度βが刻々と変化するが、制御装置１２は、アーム角度センサ１４によりアーム５の回動角度βを検出しながら、下記の式（３）を用いてリアルタイムでアーム５の回動角度βに応じたブーム４の回動角度αを算出する。

Ｈ２＝Ｌ１ｓｉｎα−Ｌ２ｓｉｎ（１８０°−α−β）−Ｌ３ｓｉｎ（α＋β＋γ−１８０°）・・・（３）

ここで、Ｌ１〜Ｌ３、Ｈ２の値は既知の値であり、βの値はアーム角度センサ１４により検出されるから、αの値は演算で求めることができる。なお、バケット６は操作されないので、本実施例では、バケット回動角度γはγ＝１８０°である。

そして制御装置１２は、算出されたブーム４の回動角度αに応じて、ブーム４の動作量を演算して、ブームシリンダ７の駆動を制御する流量制御弁１０への制御信号を変化させてその開度を調整する。これにより、アーム５の引き込み動作に応じてブーム４が上昇または下降動作するように、ブーム４の駆動が自動制御されて、バケット６の先端６０の深さが常に一定（設定掘削深さＨ２）となるように維持される。

ここで、アーム操作に対するブーム４の動作のダイナミックスを考えると、アーム角度センサ１４とブームシリンダ７の反応の遅れがある。これは、アーム５の引き込み動作に対しては直線掘削より下方に食い込んでしまう。ここで、掘削する場合、現実には下方に食い込む方向にブーム４を操作しないと、掘削反力に負けて削る量が少なくなってしまう。この掘削反力に対してブーム４の動作の遅れが働き、実際の掘削では、オペレータが、削る状態を見ながら、後述する補正ボタン２１を操作した後、アップ・ダウンキー２３，２４を操作することによって、バケット先端６０が、目標掘削面Ｄに沿う掘削軌道上を水平に移動するようになる。その結果、バケット先端６０が、目標掘削面Ｄに沿う掘削軌道上を水平に移動するので、オペレータは、ブーム４およびバケット６は操作せずにアーム５を操作するだけで、所望の設定掘削深さＨ２で直線掘削することができ、直線掘削をより容易かつ正確に行うことができる。

なお、オペレータが、引き込んだアーム４を奥側に戻るよう動作させると、制御装置１２は、ブーム４を上方に駆動して引き込み動作時のバケット６の先端位置よりも僅かに（例えば２０ｃｍ程度）上方にバケット６の先端６０を位置させながら、バケット６を上記とは反対方向に直線移動させる。そして、オペレータの再度のアーム５の引き込み動作に応じて、ブーム４を再び下方に駆動することでバケット６の先端６０を元の位置まで下降させて、再び直線掘削制御を行う。

図５は、例えば、０．２立方メートルサイズのバックホウによる直線掘削を行った際のブーム回動角度αとアーム回動角度βとの関係を示すグラフである。なお、バケット回動角度γは１８０°である。縦軸は「ブーム回動角度α」を、横軸は「１８０°−アーム回動角度γ」を、それぞれ示している。図中、Ｈ１は、地表面Ｇと目標掘削面Ｄとの高さの差を表している。また、図６に示されているように、Ｘ点は水平方向に対するアーム５の角度が４０度の場合に対応し、Ｙ点は水平方向に対するアーム５の角度が９０度の場合、Ｚ点は水平方向に対するアーム５の角度が１４０度（−４０度）の場合に、それぞれ対応している。

バックホウ１を操作して整地鋤とり作業などを行う場合、Ｘ点からＹ点までの直線掘削が多用され、この動作は地面を削る作業が主である。一方、Ｙ点からＺ点までの直線掘削動作は、削るよりも削った土砂をバケット６に掬いこむ作業が主である。このグラフのデータは、０．２立方メートルサイズのバックホウのデータであり、Ｈ１＝−２．０メートルの場合は、水平方向に対するアーム５の角度が５０度から１３０度（−５０度）までの場合に対応しており、水平面に対して４０度の場合は前記バックホウのサイズでは、作業範囲外となる。

Ｘ点からＹ点までの直線掘削は、アーム５の引き込み操作に対してブーム４を上昇させて掘削を行うもので、なお、Ｙ点からＺ点までの直線掘削は、アーム５の引き込み動作に対してブーム４を下降させて掘削を行うものである。

図６には、Ｈ１が０メートルでの直線掘削のサイクルが示されている。Ｘ点からバケット６の先端６０の高さを一定に維持するブーム４の自動駆動制御が始まり、Ｙ点まで直線掘削してＺ点までアーム５の引き込み動作が行われ、その後、アーム５の戻し動作に応じて、バケット６の先端６０を目標掘削面Ｄから２０ｃｍ（０．２ｍ）上方に位置させて、バケット先端６０の高さを一定に維持しながらＸ点まで戻し、再び、アーム５の引き込み動作に応じて、バケット６の先端６０を目標掘削面Ｄまで下げて、再度の直線掘削制御が行われる。整地鋤とり作業は、旋回操作とアーム操作のみであるため、オペレータは左手のみの作業でよく、作業負荷を軽減することができる。

制御スイッチ１８は、オペレータが１回操作すると、上記した制御装置１２によるブーム４の自動制御が開始し、２回連続して操作することで制御装置１２によるブーム４の自動制御が解除されるようになっている。また、このブーム４の自動制御の解除操作は、例えば、オペレータによるブーム操作レバーまたはバケット操作レバーの操作と連動させることもできる。

本発明の掘削支援装置によるブーム４の自動制御は、解除操作を行わない限り、アーム５の操作に伴い、バケット６が上記した掘削サイクル通りに動くようになっているが、その際、削る土量が多かったり地盤が固かったりする場合などには、負荷が大きすぎることでアーム５の動作が停止してバックホウ１がジャッキアップ状態となる場合が生じる。この場合、このままでは削れないので、本実施例では、ブーム４の自動制御を解除して手動操作により地面を削るか、あるいは、前記設定入力器１７によりバケット６の先端が動き得る前記掘削軌道を上方へ移動させた後、再度アーム５を戻して削るようにする。

設定入力器１７は、図４に示すように、掘削軌道補正ボタン２１と、補正量ΔＨおよび勾配Ｔ（詳細は後述）などを設定するアップ・ダウンキー２３，２４と、表示部２５とを備えている。バケット先端６０が動き得る前記掘削軌道を補正する場合には、掘削軌道補正ボタン２１を操作した後、アップ・ダウンキー２３，２４を操作することにより、その補正量ΔＨを設定することができ、設定された補正量ΔＨは表示部２５に表示されるとともに、制御装置１２に出力される。

バックホウ１が掘削作業中にジャッキアップする場合、掘削途中でアーム５の引き込み動作を止めた後、設定入力器１７の掘削軌道補正ボタン２１を入れて、アップキー２３を押す。そうすると、制御装置１２は、入力された補正量ΔＨを上述の式（３）の右辺に足し込み、下記の式（４）のようにする。

Ｈ２＝Ｌ１ｓｉｎα−Ｌ２ｓｉｎ（１８０°−α−β）−Ｌ３ｓｉｎ（α＋β＋γ−１８０°）＋ΔＨ・・・（４）

そうすると、バケット先端６０が動き得る掘削軌道が上方へ上がり、アーム５の掘削動作が可能となる。この補正した掘削軌道上で、同様にバケット６の先端６０を直線移動させることで適当に地面を削り、削れると次にダウンキー２４を押して、掘削軌道を多少下方に下げた後、同様にして地面を削り、掘削軌道が元の目標掘削面Ｄに沿う設定掘削深さＨ２の掘削軌道に戻るまで同様の操作を繰り返すことで、ジャッキアップが解消する。

なお、本実施例においては、目標掘削面Ｄが水平面である場合を例に説明したが、図７に示すように、目標掘削面Ｄが勾配を有する法面である場合であっても、本発明の適用が可能である。この場合は、目標掘削面Ｄに沿ったバケットの先端６が動き得る掘削軌道は、下記の式（５）で表すことができ、この掘削軌道に沿ってバケット６の先端を動作させることで、目標掘削面Ｄが水平な場合と同様に直線掘削を行うことができる。

Ｙ＝（１÷Ｔ）×Ｘ＋Ｃ・・・（５）

上記の式で、Ｔは法面（目標掘削面Ｄ）の勾配であり、法面の両端部に丁張り（図示せず）を設置し、丁張り間に法面の表面に沿って糸を張ることによって、法面の勾配Ｔが決定される。この勾配Ｔは、設定入力器１７により設定することができる。例えば、勾配Ｔが1割の場合には（土木建設業の勾配表示は、分、割表示）設定入力器１７に設けられた勾配ボタン２２を操作した後、表示部２５の下側に書かれたバックホウのパターンを見て、テンキーを使ってプラスおよびマイナス表示とともに勾配数値「１」を入力することにより、その勾配Ｔの値を「＋１」に設定することができ、設定された勾配Ｔは表示部２５に表示されるとともに、制御装置１２に出力される。

また、Ｃは定数であり、オペレータが設定入力器１７により法面の勾配を入力した後、バケット６の先端を目標掘削面Ｄに合わせて制御スイッチ１８を押すと、制御装置１２により、フロント装置の各寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、押された時点で各角度センサ１３〜１５から検出される各回動角度α，β，γとに基づき、上記の式（１），（２），（５）を用いて、定数Ｃが演算される。

そして、制御装置１２は、次にオペレータが直線掘削のためにアーム５を手前側に引き込み動作させると、アーム角度センサ１４によりアーム５の回動角度βを検出しながら、上記の式（１），（２），（５）を用いてリアルタイムでアーム５の回動角度βに応じたブームの回動角度αを算出する。そして、制御装置１２は、算出されたブームの回動角度αに応じて、ブーム４の動作量を演算して、ブームシリンダ７の駆動を制御する流量制御弁１０ａへの制御信号を変化させてその開度を調整する。これにより、アーム５の引き込み動作に応じてブーム４が上昇または下降動作して、バケット６の先端が目標掘削面Ｄに沿う掘削軌道上を移動する結果、直線掘削を行うことが可能となる。

なお、図４中、２６は、設定入力器１７で直線掘削（水平または勾配）を入力して直線掘削した場合に、地盤の固さや機械誤差などで出来上がりの掘削ラインが所望する掘削ラインよりずれる場合があり、例えば出来上がりのラインが所望するラインより手前側で上下する場合に、出来上がりの掘削ラインの勾配補正をして所望の勾配に仕上げるための勾配補正ボタンである。勾配補正ΔＴは、勾配補正ボタン２６を操作した後、アップ・ダウンキー２３，２４を操作することにより、プラス側３段階に、マイナス側も３段階に補正出来るようになっている。

上記のように、本実施例の掘削支援装置によれば、オペレータのアーム操作に対応してブーム４の駆動のみを制御するものであるから、従来のブーム、アーム、およびバケットをすべて制御する方法と比較して、オペレータによる通常の作業指令に近い良好な操作感覚で高精度の直線掘削をすることができるうえ、コストが安価な制御装置で直線掘削が可能である。また、ブーム４の駆動のみの制御であって、制御装置１２が複雑にならないので、誤差を少なく制御でき、信頼性が向上する。

以上、本発明の一実施例について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施例に限定されない。例えば、本実施例においては、直線掘削を行う際に、図２に示すように、バケット６を回動させてバケット回動角度γを１８０度に設定しているが、必ずしも１８０度とする必要はなく、任意の回動角度に設定してもよい。ただし、バケット回動角度γが小さな角度を取り過ぎた場合には、アーム５を手前に引きこんだ状態で、バケット６の底が地面と接触場合があるので、バケット回動角度γは多少大きく設定するのが好ましい。

また、上記した実施例では、ブーム４、アーム５およびバケット６の動作制御のために比例電磁弁を用いた構成のものを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ブーム４、アーム５およびバケット６（少なくともブーム４）の動作制御を精度良く行うために高速応答電磁弁や油圧サーボバルブを用いた構成としてもよく、さらに、ブーム４、アーム５およびバケット６の駆動機構として油圧シリンダ形式に代えて高精度な動作制御が可能なサーボモータを用いた形式とすることも可能である。

さらに、上記した実施例では、オペレータによる制御スイッチ１８の操作を受けたとき、バックホウ１に別途設けた制御装置１２により、ブーム４の駆動を自動制御する構成を例示したが、必ずしもこれに限られるものではなく、バックホウ１に予め設けられているバックホウ１の動作を統括制御する前記コントローラが、オペレータのアーム操作に応じて、アーム角度センサ１４によりアーム５の回動角度βを検出しながら、バケット６の先端６０が直線状に移動するようブーム４の動作量を演算して、ブーム４の動作を自動制御するような構成にしてもよい。

１ バックホウ
２ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
１２ 制御装置
１３ ブーム角度センサ
１４ アーム角度センサ
１５ バケット角度センサ
１７ 設定入力器
１８ 制御スイッチ
２０ 運転室
６０ バケット先端
Ｄ 目標掘削面

Claims (2)

1. 運転室を備える上部旋回体に上下方向に回動可能に連結されたブームと、前記ブームの先端に上下方向に回動可能に連結されたアームと、前記アームの先端に上下方向に回動可能に連結されたバケットとを備え、前記ブームおよびアームを動作させることにより前記バケットの先端で土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する掘削支援装置であって、
   前記上部旋回体に対するブームの回動角度を検出するブーム角度検出手段と、前記ブームに対するアームの回動角度を検出するアーム角度検出手段と、前記アームに対するバケットの回動角度を検出するバケット角度検出手段と、前記運転室に設けられ、前記バケットの先端が直線掘削すべき目標掘削面に位置したときにオペレータにより操作される制御スイッチと、前記制御スイッチの操作を受けて、前記ブーム角度検出手段、アーム角度検出手段およびバケット角度検出手段による検出値に基づいて、前記ブームの回動支点を基準とした前記バケットの先端の位置を演算して、前記バケットの先端が動き得る前記目標掘削面に沿う掘削軌道を設定する演算手段と、前記制御スイッチの操作を受けて、前記ブームの動作を自動制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、オペレータが前記アームを掘削方向に動作させたときに、前記バケットの先端が前記掘削軌道に沿って移動するように、前記アームの回動角度の変化に応じて前記ブームの回動角度を変化させて前記ブームを動作させ、オペレータが前記アームを掘削方向とは逆の方向に動作させたときに、前記バケットの先端が前記掘削軌道よりも所定高さ上方を直線移動するように、前記アームの回動角度の変化に応じて前記ブームの回動角度を変化させて前記ブームを動作させることを特徴とする掘削支援装置。
2. 請求項１に記載の掘削支援装置であって、
   掘削作業中において前記バケットの先端が動き得る掘削軌道の位置を上方側または下方側に補正することが可能な掘削起動補正手段をさらに備えることを特徴とする掘削支援装置。

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