JP2018080510A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】マシンコントロールによる掘削と通常の掘削をオペレータの意図通りに切り替え可能な作業機械を提供すること。【解決手段】操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａが操作されている間、任意に設定された目標面６０上またはその上方にバケット１０が位置するように、複数の油圧アクチュエータ５，６，７のうち少なくとも１つを制御する領域制限制御部４３を有する制御コントローラ４０を備える油圧ショベル１において、操作装置に設けられ、制御コントローラ４０による制御の有効及び無効を切り替え可能なコントロール状態変更要求スイッチ１７と、そのスイッチ１７により制御コントローラ４０による制御の有効及び無効が切り替わるタイミングで音声を発生する音声出力装置５３Ｂとを備える。【選択図】 図６

Description

本発明は作業機械に関する。

取り付けピンを中心にそれぞれ回動可能なブーム、アーム、及びバケットに代表される作業具からなる作業機（以下では「フロント作業機」とも称する）を備える作業機械として、油圧ショベルがある。油圧ショベルは、作業機と、上部旋回体及び下部走行体からなる車体とで構成される。ブームの基底部は、取り付けピンを中心に回動可能に上部旋回体に支持されている。

ブーム、アーム、及びバケットの３つのリンク（被駆動部材）は、ブーム用、アーム用、及びバケット用の各油圧シリンダに対して、上部旋回体に搭載されたエンジンにより駆動される油圧ポンプで発生した圧油を供給することで駆動される。オペレータが操作レバーを操作することによって、対象とするリンクを駆動させ、所望の作業機の動きを実現する。ここで、ブームを上げる動作をブーム上げ動作、下げる動作をブーム下げ動作、アームシリンダの伸長によりアームを回動させる動作をアームクラウド動作、アームシリンダの収縮によりアームを回動させる動作をアームダンプ動作、バケットシリンダの伸長によりバケットを回動させる動作をバケットクラウド動作、バケットシリンダの収縮によりバケットを回動させる動作をバケットダンプ動作と称する。なお、以下ではクラウド動作を掘削動作、ダンプ動作を放土動作とも称する。

このような油圧ショベルにおいて、オペレータによる操作レバーの操作に対してコンピュータ（制御装置）による作業機の動作制御が介入して（半自動制御）、または、コンピュータによる動作制御のみで（全自動制御）、掘削対象の目標形状を示す目標面（以下では「設計面」とも称する）に沿うよう作業機の動作を制御する機能がある（この機能を発揮する制御を「領域制限制御」と称することがある）。また、主にアームクラウド動作によって行われる掘削（以下では「成形」とも称する）時のみならず、掘削などの作業の開始位置に移動するために行う、ブームやバケットの動作による位置合わせ作業時に、目標面上でバケットを停止させる機能がある。このようにコンピュータによる制御が介入して自動または半自動で作業機の動作を制御する機能を、マシンコントロールと呼称する。

このようなマシンコントロールの機能に関する例として、特許文献１には、上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、複数の操作レバー手段からの操作信号により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁とを有する建設機械に備えられ、前記フロント装置が予め設定された領域内で動くよう前記操作信号を補正し、フロント装置の動作を制御（領域制限制御）する建設機械のフロント制御装置において、前記複数の操作レバー手段の１つのもののレバーグリップ上に設けられた一時解除スイッチと、前記一時解除スイッチが押されると前記フロント装置の領域制限制御を一時的に解除する制御解除手段と、前記レバーグリップ上に前記一時解除スイッチと別に設けられ、前記フロント装置が動き得る領域の設定を指示する領域設定スイッチとを備えることを特徴とする建設機械のフロント制御装置が記載されている。

特許第３１７２４４７号公報

前記特許文献１には、操作レバー上にフロント装置の領域制限制御を一時解除する一時解除スイッチを設けたフロント制御装置が記載されている。このように一時解除スイッチを配置することで、領域制限制御による掘削と通常掘削（領域制限制御によらない掘削）とを併用するような作業を、迅速かつスムーズに行うことができる。

しかし、特許文献１に記載されたフロント制御装置には、オペレータに対してフロント装置の領域制限制御が一時解除されたことを通達する通達手段については記載されていない。そのため、オペレータが操作レバーを操作中に、意図せずに一時解除スイッチを操作した場合、オペレータは領域制限制御が一時解除されたことを認識できず、意図せずに領域制限制御が一時解除されるという課題があった。

本発明の目的は、マシンコントロールによる掘削（例えば、領域制限制御による掘削）と通常の掘削とが容易に切り替え可能であり、かつマシンコントロールによる掘削と通常の掘削をオペレータの意図通りに切り替え可能な作業機械を提供することにある。

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、ブーム、アーム及び作業具を有する作業機と、前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、オペレータの操作に応じて前記作業機の動作を指示する操作装置と、前記操作装置が操作されている間、任意に設定された目標面上またはその上方に前記作業具が位置するように、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも１つを制御する領域制限制御部を有する制御装置とを備える作業機械において、前記操作装置に設けられ、前記領域制限制御部による制御の有効及び無効を切り替え可能な第１スイッチと、前記第１スイッチにより前記領域制限制御部による制御の有効及び無効が切り替わるタイミングで音声を発生する音声出力装置とを備えることとする。

本発明によれば、マシンコントロールによる掘削と通常の掘削の切り換えタイミングをオペレータが確実に認識できるので、マシンコントロールによる掘削と通常の掘削をオペレータの意図通りに切り替えることができる。

油圧ショベルの構成図。 油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図。 フロント制御用油圧ユニットの詳細図。 油圧ショベルの制御コントローラのハードウェア構成図。 図１の油圧ショベルにおける座標系および目標面を示す図。 図１の油圧ショベルの制御コントローラの機能ブロック図。 図６中の領域制限制御部の機能ブロック図。 バケット爪先速度の垂直成分の制限値ａｙと距離Ｄとの関係を示す図。 マシンコントロール（領域制限制御）による油圧ショベルの水平掘削動作の例を示す図。 マシンコントロール状態変更要求スイッチを備えた操作レバーの例を示す図。 マシンコントロール切り替えスイッチの例を示す図。 表示装置の表示内容例を示す図。 表示装置の表示内容例を示す図。 制御切替判定部の制御フローを示す図。 通達制御部の制御フローを示す図。 領域制限制御部及び電磁弁制御部の制御フローを示す図。

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、作業機の先端のアタッチメントとしてバケット１０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油圧ショベルで本発明を適用しても構わない。さらに、複数の被駆動部材（アタッチメント、アーム、ブーム等）を連結して構成され、所定の動作平面上で動作する多関節型の作業機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。

また、本稿では、或る形状を示す用語（例えば、目標面、設計面等）とともに用いられる「上」、「上方」又は「下方」という語の意味に関し、「上」は当該或る形状の「表面」を意味し、「上方」は当該或る形状の「表面より高い位置」を意味し、「下方」は当該或る形状の「表面より低い位置」を意味することとする。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（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベット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、３つのポンプ３００ａ、３００ｂ、３００ｃが存在するとき、これらをまとめてポンプ３００と表記することがある。

＜基本構成＞
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制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図であり、図３は図２中のフロント制御用油圧ユニット１６０の詳細図である。

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機１Ａと車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは、左右の走行モータ３ａ，３ｂにより走行する下部走行体１１と、下部走行体１１の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体１２とからなる。フロント作業機１Ａは、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム８、アーム９及びバケット１０）を連結して構成されており、フロント作業機１Ａのブーム８の基端は上部旋回体１２の前部に支持されている。

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はレギュレータ２ａによって容量が制御される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。本実施形態においては、パイロットライン１４４，１４５，１４６，１４７，１４８，１４９の途中にシャトルブロック１６２が設けられている。操作装置４５，４６，４７から出力された油圧信号が、このシャトルブロック１６２を介してレギュレータ２ａにも入力される。シャトルブロック１６２の詳細構成は省略するが、油圧信号がシャトルブロック１６２を介してレギュレータ２ａに入力されており、油圧ポンプ２の吐出流量が当該油圧信号に応じて制御される。

パイロットポンプ４８の吐出配管であるポンプライン１４８ａはロック弁３９を通った後、複数に分岐して操作装置４５，４６，４７及びフロント制御用油圧ユニット１６０内の各弁に接続している。ロック弁３９は本例では電磁切換弁であり、その電磁駆動部は運転室（図１）に配置されたゲートロックレバー（不図示）の位置検出器と電気的に接続している。ゲートロックレバーのポジションは位置検出器で検出され、その位置検出器からロック弁３９に対してゲートロックレバーのポジションに応じた信号が入力される。ゲートロックレバーのポジションがロック位置にあればロック弁３９が閉じてポンプライン１４８ａが遮断され、ロック解除位置にあればロック弁３９が開いてポンプライン１４８ａが開通する。つまり、ポンプライン１４８ａが遮断された状態では操作装置４５，４６，４７による操作が無効化され、旋回や掘削等の動作が禁止される。

ブーム８、アーム９、バケット１０及び上部旋回体１２はブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７及び旋回油圧モータ４（油圧アクチュエータ）によりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成する。これら被駆動部材８，９，１０，１２への動作指示は、上部旋回体１２上の運転室内に搭載された走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー１ａおよび操作左レバー１ｂ（これらを操作レバー１、２３と総称することがある）のオペレータによる操作に応じて出力される。

運転室内には、走行右レバー２３ａを有する操作装置４７ａと、走行左レバー２３ｂを有する操作装置４７ｂと、操作右レバー１ａを共有する操作装置４５ａ、４６ａと、操作左レバー１ｂを共有する操作装置４５ｂ、４６ｂが設置されている。操作装置４５，４６，４７は、油圧パイロット方式であり、パイロットポンプから吐出される圧油をもとに、それぞれオペレータにより操作される操作レバー１、２３の操作量（例えば、レバーストローク）と操作方向に応じたパイロット圧（操作圧と称することがある）を発生する。このように発生したパイロット圧は、コントロールバルブユニット２０内の対応する流量制御弁１５ａ〜１５ｆ（図２参照）の油圧駆動部１５０ａ〜１５５ｂにパイロットライン１４４ａ〜１４９ｂ（図２参照）を介して供給され、これら流量制御弁１５ａ〜１５ｆを駆動する制御信号として利用される。

油圧ポンプ２から吐出された圧油は、流量制御弁１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ（図２参照）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。さらに、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。

一方、ブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度α、β、γ（図５参照）を測定可能なように、ブームピンにブーム角度センサ３０、アームピンにアーム角度センサ３１、バケットリンク１３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）の前後方向の傾斜角θ（図５参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。

本実施形態の油圧ショベルには、オペレータの掘削操作を補助する制御システムが備えられている。具体的には、操作装置４５ｂ，４６ａを介して掘削操作（具体的には、アームクラウド、バケットクラウド及びバケットダンプの少なくとも１つの指示）が入力された場合、目標面６０（図５参照）と作業機１Ａの先端（本実施形態ではバケット１０の爪先とする）の位置関係を基に、作業機１Ａの先端の位置が目標面６０上及びその上方の領域内に保持されるように油圧アクチュエータ５，６，７のうち少なくとも１つを強制的に動作させる制御信号（例えば、ブームシリンダ５を伸ばして強制的にブーム上げ動作を行う）を該当する流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに出力する掘削制御システムが備えられている。本稿ではこの制御を「領域制限制御」または「マシンコントロール」と称することがある。この制御によりバケット１０の爪先が目標面６０の下方への侵入が防止されるので、オペレータの技量の程度に関わらず目標面６０に沿った掘削が可能となる。本実施形態では、領域制限制御に係る制御点を、油圧ショベルのバケット１０の爪先（作業機１Ａの先端）に設定している。制御点は作業機１Ａの先端部分の点であればバケット爪先以外にも変更可能である。例えば、バケット１０の底面や、バケットリンク１３の最外部も選択可能である。

＜スイッチ１７，３７１，３９３、表示装置５３Ａ、音声出力装置５３Ｂ＞
領域制限制御の実行が可能な掘削制御システムは、目標面６０と作業機１Ａの位置関係が表示可能な表示装置（例えば液晶ディスプレイ）５３Ａと、操作レバー１ａ（操作装置）に設けられ、マシンコントロールの有効及び無効を切り替え可能なマシンコントロール状態変更要求スイッチ（第１スイッチ）１７と、運転室内に設置され、マシンコントロールの許可及び禁止を択一的に選択可能なマシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１と、マシンコントロールの有効無効状態が変更になるタイミングで音声が出力可能な音声出力装置（例えばスピーカ）５３Ｂと、マシンコントロール状態変更要求スイッチ１７によってマシンコントロールの有効無効状態が変更になるタイミングで音声出力装置５３Ｂが音を発生するか否かを選択可能な音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３と、領域制限制御が実行可能なコンピュータである制御コントローラ（制御装置）４０とを備えている。

図１０はマシンコントロール状態変更要求スイッチ（第１スイッチ）１７を備えた操作レバー１ａの構成図である。マシンコントロール状態変更要求スイッチ１７は、ジョイスティック形状の操作レバー１ａにおける把持部の背面側に設けられており、例えば操作レバー１ａを握るオペレータの人差し指により押下される。マシンコントロール状態変更要求スイッチ１７は、押下されている間だけ信号を出力するモーメンタリスイッチであり、その信号の立ち上がりタイミングにおいて「マシンコントロール状態変更要求フラグ」を制御コントローラ４０（制御切替判定部３７３）へ制御１周期分だけ出力する。

図１１はマシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１の構成図である。マシンコントロール切替スイッチ３７１はシーソースイッチであり、マシンコントロール（ＭＣ）−ＯＮ（許可）か、マシンコントロール（ＭＣ）−ＯＦＦ（禁止）のいずれかが選択可能である。マシンコントロール切替スイッチ３７１は運転室内に備えることができ、例えば、運転室内の運転席の側面にあるアームレストの下部のスイッチパネルに設置できる。スイッチ３７１はシーソースイッチである必要性は無く、２位置を切り替え可能なものであれば他のものでも構わない。

音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３は、マシンコントロールの有効無効状態が変更になるタイミングで音声出力装置５３Ｂにより音を発生する位置（音声ＯＮ位置）と、同タイミングで音声出力装置５３Ｂにより音を発生しない位置（音声ＯＦＦ位置）のいずれかに切り替え可能である。音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３は、運転室内に備えることができる。音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３はハードウェアとして設置しても良いが、表示装置５３Ａのメニュー画面から表示装置用の入力装置を介して音声ＯＮ位置とＯＦＦ位置を切換可能にする等しても良い。

＜フロント制御用油圧ユニット１６０＞
図３に示すように、フロント制御用油圧ユニット１６０は、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ａ、１４４ｂに設けられ、操作レバー１ａの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）を検出する圧力センサ７０ａ、７０ｂ（図３参照）と、一次ポート側がポンプライン１４８ａを介してパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５４ａ（図３参照）と、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ａと電磁比例弁５４ａの二次ポート側に接続され、パイロットライン１４４ａ内のパイロット圧と電磁比例弁５４ａから出力される制御圧（第２制御信号）の高圧側を選択し、流量制御弁１５ａの油圧駆動部１５０ａに導くシャトル弁８２ａ（図３参照）と、ブーム８用の操作装置４５ａのパイロットライン１４４ｂに設置され、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロットライン１４４ｂ内のパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５４ｂ（図３参照）を備えている。

また、フロント制御用油圧ユニット１６０は、アーム９用のパイロットライン１４５ａ、１４５ｂに設置され、操作レバー１ｂの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）を検出して制御コントローラ４０に出力する圧力センサ７１ａ、７１ｂ（図３参照）と、パイロットライン１４５ｂに設置され、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５５ｂ（図３参照）と、パイロットライン１４５ａに設置され、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロットライン１４５ａ内のパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５５ａ（図３参照）が設けられている。

また、フロント制御用油圧ユニット１６０は、バケット１０用のパイロットライン１４６ａ、１４６ｂには、操作レバー１ａの操作量としてパイロット圧（第１制御信号）を検出して制御コントローラ４０に出力する圧力センサ７２ａ、７２ｂ（図３参照）と、制御コントローラ４０からの制御信号を基にパイロット圧（第１制御信号）を低減して出力する電磁比例弁５６ａ、５６ｂ（図３参照）と、一次ポート側がパイロットポンプ４８に接続されパイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧して出力する電磁比例弁５６ｃ，５６ｄ（図３参照）と、パイロットライン１４６ａ、１４６ｂ内のパイロット圧と電磁比例弁５６ｃ，５６ｄから出力される制御圧の高圧側を選択し、流量制御弁１５ｃの油圧駆動部１５２ａ，１５２ｂに導くシャトル弁８３ａ，８３ｂ（図３参照）とがそれぞれ設けられている。なお、図３では、圧力センサ７０、７１、７２と制御コントローラ４０との接続線は紙面の都合上省略している。

電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂは、非通電時には開度が最大で、制御コントローラ４０からの制御信号である電流を増大させるほど開度は小さくなる。一方、電磁比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄは、非通電時には開度をゼロ、通電時に開度を有し、制御コントローラ４０からの電流（制御信号）を増大させるほど開度は大きくなる。このように各電磁比例弁の開度５４，５５，５６は制御コントローラ４０からの制御信号に応じたものとなる。

フロント制御用油圧ユニット１６０の内部のパイロット配管１４８ａにおける電磁比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄの上流には、電磁遮断弁６１が備えられている。電磁遮断弁６１は非通電時には開度をゼロ、通電時には開度を全開にする。マシンコントロールを実行するときには、制御コントローラ４０からの制御指令により電磁遮断弁６１は通電し、マシンコントロールを実行しないときには、制御コントローラ４０からの制御指令により電磁遮断弁６１は非通電となる。

上記のように構成されるフロント制御用油圧ユニット１６０において、制御コントローラ４０から制御信号を出力して電磁遮断弁６１が全開の状態で電磁比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄを駆動すると、操作装置４５ａ，４６ａのオペレータ操作が無い場合にもパイロット圧（第２制御信号）を発生できるので、ブーム上げ動作、ブーム下げ動作、アームクラウド動作、バケットクラウド動作又はバケットダンプ動作を強制的に発生できる。また、これと同様に制御コントローラ４０により電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動すると、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａのオペレータ操作により発生したパイロット圧（第１制御信号）を減じたパイロット圧（第２制御信号）を発生することができ、ブーム下げ動作、アームクラウド／ダンプ動作、バケットクラウド／ダンプ動作の速度をオペレータ操作よりも強制的に低減できる。

本稿では、流量制御弁１５ａ〜１５ｃに対する制御信号のうち、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作によって発生したパイロット圧を「第１制御信号」と称することがある。そして、流量制御弁１５ａ〜１５ｃに対する制御信号のうち、制御コントローラ４０で電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動して第１制御信号を補正（低減）して生成したパイロット圧と、制御コントローラ４０で電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂを駆動して第１制御信号とは別に新たに生成したパイロット圧を「第２制御信号」と称することがある。なお、同一の流量制御弁１５ａ〜１５ｃにおける一方の油圧駆動部に対して第1制御信号が、他方の油圧駆動部に対して第２制御信号が生成される場合は、第２制御信号を優先的に油圧駆動部に作用させるものとし、第１制御信号を電磁比例弁で遮断し、第２制御信号を当該他方の油圧駆動部に入力する。このように第１制御信号と第２制御信号を定義すると、上記の「領域制限制御」または「マシンコントロール」は、第２制御信号に基づく流量制御弁１５ａ〜１５ｃの制御ということもできる。

＜油温センサ５９０、回転数センサ４９０＞
図３において、パイロット配管１４８ａにおけるロック弁３９の下流かつフロント制御用油圧ユニット１６０の上流の位置には、パイロットポンプ４８でタンクから汲み上げられた作動油の温度を検出する油温センサ５９０が設けられている。また、図２において、エンジン１８の出力軸には、エンジン１８の回転数を検出する回転数センサ４９０が設けられている。

＜制御コントローラ４０＞
図４に、制御コントローラ４０のハードウェア構成を示す。制御コントローラ４０は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、作業機姿勢検出装置５０である角度センサ３０〜３２及び傾斜角センサ３３からの信号と、目標面６０を設定するための装置である目標面設定装置５１からの信号と、マシンコントロール状態変更要求スイッチ（第１スイッチ）１７からの信号と、マシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１からの信号と、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａからの操作量を検出する圧力センサ（圧力センサ７０，７１，７２を含む）であるオペレータ操作検出装置５２ａからの信号と、音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３からの信号と、回転数センサ４９０及び油温センサ５９０の信号を入力し、ＣＰＵ９２が演算可能なように変換を行う。ＲＯＭ９３は、後述するフローチャートに係る処理を含め領域制限制御を実行するための制御プログラムと、当該フローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力部９１及びメモリ９３、９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を電磁比例弁５４〜５６、電磁遮断弁６１、表示装置５３Ａまたは音声出力装置５３Ｂに出力することで、油圧アクチュエータ５〜７を駆動・制御したり、車体１Ｂ、バケット１０及び目標面６０等の画像を表示装置５３Ａの表示画面上に表示させたり、マシンコントロールの有効無効状態が切り替わるタイミングで音声出力装置５３Ｂを介して音声を出力させたりする。

なお、図４の制御コントローラ４０は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、記憶装置であれば特に代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。

図６は、本発明の実施形態に係る制御コントローラ４０の機能ブロック図である。制御コントローラ４０は、領域制限制御部４３と、電磁弁制御部４４と、制御切替判定部３７３と、通達制御部３７４を備えている。

領域制限制御部４３には、作業機姿勢検出装置５０、目標面設定装置５１及びオペレータ操作検出装置５２ａが接続されている。

作業機姿勢検出装置５０は、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、車体傾斜角センサ３３、から構成される。

目標面設定装置５１は、目標面６０に関する情報（各目標面の位置情報や傾斜角度情報を含む）を入力可能なインターフェースである。目標面設定装置５１を介した目標面の入力は、オペレータが手動で行っても、ネットワーク等を介して外部から取り込んでも良い。また、目標面設定装置５１にはＧＮＳＳ受信機等の衛星通信アンテナ（図示せず）が接続されている。グローバル座標系（絶対座標系）上に規定された目標面の３次元データを格納した外部端末とショベルがデータ通信可能な場合には、当該衛星通信アンテナにより特定したショベルのグローバル座標を基にショベル位置に対応する目標面を当該外部端末の３次元データ内で探索して取り込むことができる。

オペレータ操作検出装置５２ａは、オペレータによる操作レバー１ａ、１ｂ（操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ）の操作によってパイロットライン１４４，１４５，１４６に生じる操作圧を取得する圧力センサ７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂから構成される。すなわち、作業機１Ａに係る油圧シリンダ５，６，７に対する操作を検出している。

＜制御切替判定部３７３＞
制御切替判定部３７３は、マシンコントロール状態変更要求スイッチ（第１スイッチ）１７、マシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１、回転数センサ４９０及び油温センサ５９０からの出力に基づいて、マシンコントロール（領域制限制御）の有効無効状態の切り替えを行うか否かを判定する処理を実行する部分である。制御切替判定部３７３は、判定結果に応じた制御指令を領域制限制御部４３及び電磁弁制御部４４に出力し、判定結果に応じたフラグ（マシンコントロール状態有効変更フラグ及びマシンコントロール状態無効変更フラグ）を通達制御部３７４に出力する。制御切替判定部３７３で行われる処理については図１４を用いて後述する。

＜通達制御部３７４＞
通達制御部３７４は、制御切替判定部３７３から出力されるフラグ（マシンコントロール状態有効変更フラグ及びマシンコントロール状態無効変更フラグ）と、音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３からの出力に基づいて、表示装置５３Ａ及び音声出力装置５３Ｂを制御する部分である。通達制御部３７４は、音声出力装置５３Ｂの制御を司る音声制御部３７４ｂと、表示装置５３Ａの制御を司る表示制御部３７４ａを備えている。

音声制御部３７４ｂには、音声データが多数格納されている音声ＲＯＭが備えられており、音声制御部３７４ｂが、制御切替判定部３７３からフラグ及びスイッチ３９３からの出力に基づいて所定のプログラムを読み出すとともに、音声出力装置５３Ｂにおける音声出力制御をする。音声制御部３７４ｂで行われる処理については図１５を用いて後述する。

表示制御部３７４ａには、アイコンを含む表示関連データが多数格納されている表示ＲＯＭが備えられており、表示制御部３７４ａが、制御切替判定部３７３からのフラグに基づいて所定のプログラムを読み出すとともに、表示装置５３Ａにおける表示制御をする。具体的には、制御切替判定部３７３からマシンコントロール状態有効変更フラグが入力された場合、表示制御部３７４ａは、図１２に示すように表示画面３９１上にマシンコントロール状態が有効であることを示すアイコン３９４を表示する。一方、制御切替判定部３７３からマシンコントロール状態無効変更フラグが入力された場合、表示制御部３７４ａは、図１３に示すように表示画面３９１上でアイコン３９４を非表示にする。図１２及び図１３の表示画面３９１には、目標面６０とバケット１０の位置関係をオペレータに通知するための、目標面６０の縦断面図（バケット１０の側面図）と、バケット１０の爪先位置における目標面６０の横断面図が表示されている。なお、図１２及び図１３の表示に代えて、マシンコントロール状態が無効であることを示すアイコン（図示せず）を図１３の画面３９１に表示し、当該アイコンを図１２の画面３９１では非表示にしても良い。

＜制御切替判定部３７３で行われる処理＞
図１４は、制御切替判定部３７３で行われる一連の処理のフローチャートであり、このフローチャートは、油圧ショベルの電源がＯＮの間、所定の制御周期で繰り返される。図１４のフローチャートが開始されると、制御切替判定部３７３は、まずステップＳ０１にて、マシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１がＯＮ状態（図１１の「ＭＣ−ＯＮ」の位置に切り替えられている状態）であるか否かを判定する。ＯＮ状態である場合、ステップＳ０２に進む。

ステップＳ０２では、マシンコントロール状態変更要求スイッチ（第１スイッチ）１７からマシンコントロール状態変更フラグが入力されているか否かを判定する。マシンコントロール状態変更フラグが入力されていると判定された場合にはステップＳ０３に進む。

ステップＳ０３では、制御切替判定部３７３に備えられた状態ＲＯＭ内に格納された現在のマシンコントロール状態が有効又は無効であるかを示す情報を読み出し、現時点のマシンコントロール状態が有効か無効であるかを判定する。なお、状態ＲＯＭにおける当該情報の初期値（ショベル電源ＯＮ時の値と、マシンコントロール切替スイッチ３７１の位置がＭＣ−ＯＦＦ時の値）は「無効」とし、以降は後述のステップＳ０６及びＳ１０にて書き換えられる。

ステップＳ０３でマシンコントロール状態が無効であると判定された場合、ステップＳ０４に進む。ステップＳ０４では、回転数センサ４９０からの入力値を基にエンジン回転数が所定値Ｎ１以上であるか否かを判定する。

所定値Ｎ１について説明する。図７に示す領域制限制御部４３の機能からも明らかであるが、マシンコントロールでは、パイロット圧（オペレータによる操作量）からオペレータ操作によるシリンダ速度を算出し（主に図７のシリンダ速度演算部４３ｄの処理）、それを基に算出したマシンコントロールによる目標シリンダ速度から目標パイロット圧を算出する（主に図７の目標パイロット圧演算部４３ｈの処理）。つまり、マシンコントロールでは、パイロット圧とシリンダ速度の相関関係が利用されるが、両者の関係は油圧ポンプ２の吐出流量に影響するエンジン回転数に依存し変動する。そこで、所定値Ｎ１は、その変動によりマシンコントロールの精度や応答性が影響を受けない程度の値に設定する。例えば、所定値Ｎ１の値は、マシンコントロールで利用するポンプ吐出流量の設計値を考慮し、当該設計値が達成可能なエンジン回転数の最小値またはそれ以上の任意の値をＮ１として利用できる。

ステップＳ０４でエンジン回転数が所定値Ｎ１以上であると判定された場合、ステップＳ０５に進む。ステップＳ０５では、油温センサ５９０からの入力値を基に作動油温が所定値Ｔ１以上であるか否かを判定する。

所定値Ｔ１について説明する。既述の通りマシンコントロールではパイロット圧とシリンダ速度の相関関係が利用されるが、両者の関係は油圧ポンプ２の吐出流量やパイロット圧の応答性に影響する作動油粘度にも依存し変動する。そこで、その変動によりマシンコントロールの精度が影響を受けない程度の作動油粘度の値を作動油温で表し、その作動油温の最小値またはそれ以上の任意の値を所定値Ｔ１とする。

ステップＳ０５で作動油温が所定値Ｔ１以上であると判定された場合、ステップＳ０６に進む。ステップＳ０６では、制御切替判定部３７３は、状態ＲＯＭ内のマシンコントロール状態を無効から「有効」に書き換え、現在のマシンコントロール状態が有効であることを領域制限制御部４３に出力し、ステップＳ０７に進む。ステップＳ０７では、制御切替判定部３７３は「マシンコントロール状態有効変更フラグ」を通達制御部３７４へ出力する。

一方、ステップＳ０１でマシンコントロール切替スイッチ３７１がＯＮ状態ではない（図１１の「ＭＣ−ＯＦＦ」の位置に切り替えられている状態）と判定された場合には、何もせず（ステップＳ０８）、ステップＳ０１に戻る。

ステップＳ０２で、マシンコントロール状態変更要求フラグが入力されていないと判定された場合には、ステップＳ０９に進み、現在のマシンコントロール状態を維持し、ステップＳ０１に戻る。また、ステップＳ０４でエンジン回転数が所定値Ｎ１以上ではないと判定された場合、及びステップＳ０５で油温が所定値Ｔ１以上ではないと判定された場合にも、ステップＳ０９に進み、現在のマシンコントロール状態を維持する。

ステップＳ０３で現在の状態がマシンコントロール有効と判定された場合には、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、制御切替判定部３７３は、状態ＲＯＭ内のマシンコントロール状態を有効から「無効」に書き換える。そして、制御切替判定部３７３は、領域制限制御部４３に対して、目標シリンダ速度演算部４３ｇがシリンダ速度演算部４３ｄの演算結果を目標パイロット圧演算部４３ｈに出力するように指令を出す。さらに、制御切替判定部３７３は、電磁弁制御部４４に対して電磁遮断弁６１の開度をゼロにするように指令を出して、ステップＳ１１に進む。ステップ１１では、制御切替判定部３７３は「マシンコントロール状態無効変更フラグ」を通達制御部３７４へ出力し、ステップＳ０１に戻る。

＜通達制御部３７４で行われる処理＞
図１５は、通達制御部３７４で行われる一連の処理のフローチャートであり、このフローチャートは、油圧ショベルの電源がＯＮの間、所定の制御周期で繰り返される。図１５のフローチャートが開始されると、通達制御部３７４は、まずステップＳＡ０１で、音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）３９３が、マシンコントロールの有効無効状態が変更になるタイミングで音声出力装置５３Ｂにより音を発生する位置（音声ＯＮ位置）に切り替えられているか否かを判定する。スイッチ３９３が音声ＯＮ位置にある場合には、ステップＳＡ０２に進む。

ステップＳＡ０２では、図１４のステップＳ０７で出力される「マシンコントロール状態有効変更フラグ」が制御切替判定部３７３から入力されているか否かを判定する。このフラグが入力されていると判定された場合、ステップＳＡ０３に進み、音声制御部３７４ｂはマシンコントロール状態有効変更を示す信号（音声）を音声出力装置５３Bから出力する。その際の信号の一例としては間欠音がある。このように音声出力装置５３Bから間欠音を出力することで、マシンコントロール状態が有効に変化したことをオペレータに確実に認識させることができる。ステップＳＡ０３が終了したらステップＳＡ０１に戻る。

ステップＳＡ０２でマシンコントロール状態有効変更フラグが入力されていないと判定された場合は、ステップＳＡ０４へ進む。ステップＳＡ０４では、図１４のステップＳ１１で出力される「マシンコントロール状態無効変更フラグ」が制御切替判定部３７３から入力されているか否かを判定する。このフラグが入力されていると判定された場合、ステップＳＡ０５へ進み、音声制御部３７４ｂはマシンコントロール状態無効変更を示す信号（音声）を音声出力装置５３Bから出力する。その際の信号の一例としては連続音がある。このように音声出力装置５３Bから連続音を出力することで、マシンコントロール状態が無効に変化したことをオペレータに確実に認識させることができる。ステップＳＡ０５が終了したらステップＳＡ０１に戻る。

ステップＳＡ０４でマシンコントロール状態無効変更フラグが入力されていないと判定された場合、及びステップＳＡ０１でスイッチ３９３が音声ＯＮ位置にないと判定された場合には、ステップＳＡ０６へ進む。ステップＳＡ０６では、音声出力装置５３Bから何も出力せず、ステップＳＡ０１に戻る。

＜領域制限制御部４３、電磁弁制御部４４＞
図７は図６中の領域制限制御部４３の機能ブロック図である。領域制限制御部４３は、操作量演算部４３ａと、姿勢演算部４３ｂと、目標面演算部４３ｃと、シリンダ速度演算部４３ｄと、バケット先端速度演算部４３ｅと、目標バケット先端速度演算部４３ｆと、目標シリンダ速度演算部４３ｇと、目標パイロット圧演算部４３ｈを備えている。

操作量演算部４３ａは、オペレータ操作検出装置５２ａからの入力を基に操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａ（操作レバー１ａ，１ｂ）の操作量を算出する。圧力センサ７０，７１，７２の検出値から操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作量が算出できる。

なお、圧力センサ７０，７１，７２による操作量の算出は一例に過ぎず、例えば各操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作レバーの回転変位を検出する位置センサ（例えば、ロータリーエンコーダ）で当該操作レバーの操作量を検出しても良い。また、操作量から動作速度を算出する構成に代えて、各油圧シリンダ５，６，７の伸縮量を検出するストロークセンサを取り付け、検出した伸縮量の時間変化を基に各シリンダの動作速度を算出する構成も適用可能である。

姿勢演算部４３ｂは作業機姿勢検出装置５０からの情報に基づき、作業機１Ａの姿勢およびバケット１０の爪先の位置を演算する。作業機１Ａの姿勢は図５のショベル座標系上に定義できる。図５のショベル座標系は、上部旋回体１２に設定された座標系であり、上部旋回体１２に回動可能に支持されているブーム８の基底部を原点とし、上部旋回体１２における垂直方向にＺ軸、水平方向にＸ軸を設定した。Ｘ軸に対するブーム８の傾斜角をブーム角α、ブーム８に対するアーム９の傾斜角をアーム角β、アームに対するバケット爪先の傾斜角をバケット角γとした。水平面（基準面）に対する車体１Ｂ（上部旋回体１２）の傾斜角を傾斜角θ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、傾斜角θは車体傾斜角センサ３３により検出される。図５中に規定したようにブーム８、アーム９、バケット１０の長さをそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３とすると、ショベル座標系におけるバケット爪先位置の座標および作業機１Ａの姿勢はＬ１，Ｌ２，Ｌ３，α，β，γで表現できる。

目標面演算部４３ｃは、目標面設定装置５１からの情報に基づき目標面６０の位置情報を演算し、これをＲＯＭ９３内に記憶する。本実施形態では、図５に示すように、３次元の目標面を作業機１Ａが移動する平面（作業機の動作平面）で切断した断面形状を目標面６０（２次元の目標面）として利用する。

シリンダ速度演算部４３ｄは、操作量演算部４３ａで演算された操作量（第１制御信号）を基に各油圧シリンダ５，６，７の動作速度（シリンダ速度）を演算する。各油圧シリンダ５，６，７の動作速度は、操作量演算部４３ａで演算された操作量と、流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの特性と、各油圧シリンダ５，６，７の断面積と、油圧ポンプ２の容量（傾転角）と回転数を乗じて得られるポンプ流量（吐出量）等から算出できる。

バケット先端速度演算部４３ｅは、シリンダ速度演算部４３ｄで演算された各油圧シリンダ５，６，７の動作速度と、姿勢演算部４３ｂで演算された作業機１Ａの姿勢とを基に、オペレータ操作（第１制御信号）によるバケット先端（爪先）の速度ベクトルＢを演算する。バケット先端の速度ベクトルＢは、目標面演算部４３ｃから入力される目標面６０の情報を基に、目標面６０に水平な成分ｂｘと垂直な成分ｂｙに分解できる。

目標バケット先端速度演算部４３ｆは、バケット先端（爪先）の目標速度ベクトルＴを演算する。そのために、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、まず、バケット先端から制御対象の目標面６０までの距離Ｄ（図５参照）と図８のグラフを基にバケット先端の速度ベクトルの目標面６０に垂直な成分の制限値ａｙを算出する。制限値ａｙの計算は、図８に示すような制限値ａｙと距離Ｄとの関係を定義した関数又はテーブル等の形式で制御コントローラ４０のＲＯＭ９３に記憶しておき、この関係を適宜読み出して行う。距離Ｄは、姿勢演算部４３ｂで演算したバケット１０の爪先の位置（座標）と、ＲＯＭ９３に記憶された目標面６０を含む直線の距離から算出できる。なお、制限値ａｙと距離Ｄとの関係は、距離Ｄの増加とともに制限値ａｙが単調減少する特性を有することが好ましいが、図８に示したものに限らない。例えば、距離Ｄが正の所定値以上または負の所定値以下で制限値ａｙが個別の所定値に保持されるようにしても良いし、制限値ａｙと距離Ｄの関係を曲線で定義しても良い。

次に目標バケット先端速度演算部４３ｆは、バケット先端の速度ベクトルＢの目標面６０に垂直な成分ｂｙを取得し、この垂直成分ｂｙと制限値ａｙの正負と絶対値の大小関係を基に、マシンコントロールによるブーム８の動作で発生すべきバケット先端の速度ベクトルＣの目標面６０に垂直な成分ｃｙを算出するために必要な式を選択する（式の選択過程については図１６を用いて後述する）。そして、その選択した式から垂直成分ｃｙを算出し、その垂直成分ｃｙを発生する際にブームに許容される動作から水平成分ｃｘを算出するとともに、速度ベクトルＢ，Ｃと制限値ａｙから目標速度ベクトルＴを算出する。以下では、目標速度ベクトルＴにおいて目標面６０に垂直な成分をｔｙ、水平な成分をｔｘとし、目標ベクトルＴの導出過程についても図１６を用いて後述する。

目標シリンダ速度演算部４３ｇは、目標バケット先端速度演算部４３ｆで算出された目標速度ベクトルＴ（ｔｘ，ｔｙ）を基に各油圧シリンダ５，６，７の目標速度を演算する。本実施形態では、目標速度ベクトルＴを、オペレータ操作による速度ベクトルＢと、マシンコントロールによる速度ベクトルＣの和で定義しているので、ブームシリンダ５の目標速度は速度ベクトルＣから演算できる。これにより、バケット先端の目標速度ベクトルＴは、各油圧シリンダ５，６，７を目標速度で動作させたときにバケット先端に表れる速度ベクトルの合成値となる。なお、マシンコントロールによる速度ベクトルＣの垂直成分ｃｙがゼロの場合、目標シリンダ速度演算部４３ｇは、バケット先端速度演算部４３ｅで算出したバケット先端の速度ベクトルＢを基に各油圧シリンダ５，６，７の目標速度を算出する。

制御切替判定部３７３にてマシンコントロール状態が「有効」の場合には、目標シリンダ速度演算部４３ｇは上記の演算結果を目標パイロット圧演算部４３ｈに出力する。一方、マシンコントロール状態が「無効」の場合には、制御切替判定部３７３は、領域制限制御部４３に対して、目標シリンダ速度演算部４３ｇがシリンダ速度演算部４３ｄの演算結果を目標パイロット圧演算部４３ｈに出力するように指令を出す。さらに、制御切替判定部３７３は、電磁弁制御部４４に対して電磁遮断弁６１の開度をゼロにするように指令を出す。

目標パイロット圧演算部４３ｈは、目標シリンダ速度演算部４３ｇで算出された各シリンダ５，６，７の目標速度を基に各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を演算する。そして、演算した各油圧シリンダ５，６，７の目標パイロット圧を電磁弁制御部４４に出力する。

電磁弁制御部４４は、目標パイロット圧演算部４３ｈで算出された各流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を基に、各電磁比例弁５４〜５６への指令を演算する。さらに、電磁弁制御部４４は、制御切替判定部３７３にてマシンコントロール状態が「無効」の場合、電磁遮断弁６１の開度をゼロにする指令を出力して、パイロットポンプ４８からロック弁３９を経由した圧油がフロント制御用油圧ユニット１６０に流入しないようにする。そして、非通電時に開度が全開となる電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂに対しては、非通電を保持して開度を全開する指令を出力し、これによりオペレータ操作によるパイロット圧に介入しないようにする。さらに、非通電時に開度がゼロとなる電磁比例弁５４ｂ，５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂに対しては、非通電を保持して開度をゼロとする指令を出力し、これによりオペレータ操作なしにフロント作業機１Ａが動作しないようにする。一方、制御切替判定部３７３にてマシンコントロール状態が「有効」の場合には、電磁遮断弁６１の開度を全開にする指令を出力する。

なお、オペレータ操作に基づくパイロット圧（第１制御信号）と、目標パイロット圧演算部４３ｈで算出された目標パイロット圧が一致する場合には、該当する電磁比例弁５４〜５６への電流値（指令値）はゼロとなり、該当する電磁比例弁５４〜５６の動作は行われない。

＜マシンコントロールのフローチャート＞
図１６は制御コントローラ４０で実行される領域制限制御（マシンコントロール）のフローチャートである。制御コントローラ４０は操作量演算部４３ａによりオペレータによる操作が検出されたら図１６のフローチャートを開始する。

Ｓ４１０では、シリンダ速度演算部４３ｄは、操作量演算部４３ａで演算された操作量を基に各油圧シリンダ５，６，７の動作速度（シリンダ速度）を演算する。

Ｓ４２０では、バケット先端速度演算部４３ｅは、シリンダ速度演算部４３ｄで演算された各油圧シリンダ５，６，７の動作速度と、姿勢演算部４３ｂで演算された作業機１Ａの姿勢とを基に、オペレータ操作によるバケット先端（爪先）の速度ベクトルＢを演算する。

Ｓ４３０では、バケット先端速度演算部４３ｅは、姿勢演算部４３ｂで演算したバケット１０の爪先の位置（座標）と、ＲＯＭ９３に記憶された目標面６０を含む直線の距離から、バケット先端から制御対象の目標面６０までの距離Ｄ（図５参照）を算出する。そして、距離Ｄと図８のグラフを基にバケット先端の速度ベクトルの目標面６０に垂直な成分の制限値ａｙを算出する。

Ｓ４４０では、バケット先端速度演算部４３ｅは、Ｓ４２０で算出したオペレータ操作によるバケット先端の速度ベクトルＢにおいて、目標面６０に垂直な成分ｂｙを取得する。

Ｓ４５０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、Ｓ４３０で算出した制限値ａｙが０以上か否かを判定する。なお、図１６の右上に示したようにｘｙ座標を設定する。当該ｘｙ座標では、ｘ軸は目標面６０と平行で図中右方向を正とし、ｙ軸は目標面６０に垂直で図中上方向を正とする。図１６中の凡例では垂直成分ｂｙ及び制限値ａｙは負であり、水平成分ｂｘ及び水平成分ｃｘ及び垂直成分ｃｙは正である。そして、図８から明らかであるが、制限値ａｙが０のときは距離Ｄが０、すなわち爪先が目標面６０上に位置する場合であり、制限値ａｙが正のときは距離Ｄが負、すなわち爪先が目標面６０より下方に位置する場合であり、制限値ａｙが負のときは距離Ｄが正、すなわち爪先が目標面６０より上方に位置する場合である。Ｓ４５０で制限値ａｙが０以上と判定された場合（すなわち、爪先が目標面６０上またはその下方に位置する場合）にはＳ４６０に進み、制限値ａｙが０未満の場合にはＳ４８０に進む。

Ｓ４６０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆ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ｂｙが０以上か否かを判定する。ｂｙが正の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが上向きであることを示し、ｂｙが負の場合は速度ベクトルＢの垂直成分ｂｙが下向きであることを示す。Ｓ４６０で垂直成分ｂｙが０以上と判定された場合（すなわち、垂直成分ｂｙが上向きの場合）にはＳ４７０に進み、垂直成分ｂｙが０未満の場合にはＳ５００に進む。

Ｓ４７０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ５００に進む。一方、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ５３０に進む。

Ｓ５００では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、マシンコントロールによるブーム８の動作で発生すべきバケット先端の速度ベクトルＣの目標面６０に垂直な成分ｃｙを算出する式として「ｃｙ＝ａｙ−ｂｙ」を選択し、その式とＳ４３０の制限値ａｙとＳ４４０の垂直成分ｂｙを基に垂直成分ｃｙを算出する。そして、算出した垂直成分ｃｙ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（Ｓ５１０）。

Ｓ５２０では、目標速度ベクトルＴを算出する。目標速度ベクトルＴの目標面６０に垂直な成分をｔｙ、水平な成分ｔｘとすると、それぞれ「ｔｙ＝ｂｙ＋ｃｙ、ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」と表すことができる。これにＳ５００の式（ｃｙ＝ａｙ−ｂｙ）を代入すると目標速度ベクトルＴは結局「ｔｙ＝ａｙ、ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ」となる。つまり、Ｓ５２０に至った場合の目標速度ベクトルの垂直成分ｔｙは制限値ａｙに制限され、マシンコントロールによる強制ブーム上げが発動される。

Ｓ４８０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆ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ｂｙが０以上か否かを判定する。Ｓ４８０で垂直成分ｂｙが０以上と判定された場合（すなわち、垂直成分ｂｙが上向きの場合）にはＳ５３０に進み、垂直成分ｂｙが０未満の場合にはＳ４９０に進む。

Ｓ４９０では、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、制限値ａｙと垂直成分ｂｙの絶対値を比較し、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値以上の場合にはＳ５３０に進む。一方、制限値ａｙの絶対値が垂直成分ｂｙの絶対値未満の場合にはＳ５００に進む。

Ｓ５３０に至った場合、マシンコントロールでブーム８を動作させる必要が無いので、目標バケット先端速度演算部４３ｆは、速度ベクトルＣをゼロとする。この場合、目標速度ベクトルＴは、Ｓ５２０で利用した式（ｔｙ＝ｂｙ＋ｃｙ、ｔｘ＝ｂｘ＋ｃｘ）に基づくと「ｔｙ＝ｂｙ、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（Ｓ５４０）。

Ｓ５５０では、目標シリンダ速度演算部４３ｇは、Ｓ５２０またはＳ５４０で決定した目標速度ベクトルＴ（ｔｙ，ｔｘ）を基に各油圧シリンダ５，６，７の目標速度を演算する。

Ｓ５６０では、目標パイロット圧演算部４３ｈは、Ｓ５５０で算出された各シリンダ５，６，７の目標速度を基に各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を演算する。

Ｓ５９０では、目標パイロット圧演算部４３ｈは、各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃへの目標パイロット圧を電磁弁制御部４４に出力する。電磁弁制御部４４は、各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃに目標パイロット圧が作用するように電磁比例弁５４，５５，５６を制御し、これにより作業機１Ａによる掘削が行われる。Ｓ５９０の処理が終了したら、操作量演算部４３ａでオペレータによるレバー操作が検出されるまで待機する。

上記の構成では、領域制限制御部４３によるマシンコントロールに際して、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａは、複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの少なくとも１つにオペレータの操作に応じた第１制御信号を出力する。制御コントローラ４０（制御装置）の目標パイロット圧演算部４３ｈ（制御信号演算部）は、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａが操作されている間、目標面６０上またはその上方にバケット１０が位置するように複数の油圧アクチュエータ５，６，７の少なくとも１つを動作させる第２制御信号を演算する。そして、制御コントローラ４０（制御装置）は、複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃのうち第２制御信号が演算された流量制御弁については第２制御信号を基に制御し、第２制御信号が演算されなかった流量制御弁については第１制御信号を基に制御することでマシンコントロールを発動し、目標面６０上またはその上方にバケット１０が位置するように作業機１Ａを動作させる。図１６のフローチャートのマシンコントロールによる水平掘削動作の例を図９に示す。例えば、オペレータが操作装置４５ｂを操作して、アーム９の矢印Ａ方向への引き動作によって水平掘削を行う場合には、バケット１０の先端が目標面６０に侵入しないように電磁比例弁５４ｃが制御され、ブーム８の上げ動作が自動的に行われる。

なお、図１６のフローチャートでは強制ブーム上げを行う場合の例を挙げたが、掘削精度向上のため、マシンコントロールにアーム９の速度を必要に応じて減速する制御を加えても良い。また、バケット１０の目標面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、電磁比例弁５６ｄを制御してバケット１０が自動で矢印Ｃ方向に回動する制御を加えても良い。

＜作用・効果＞
（１）上記の実施形態では、ブーム８、アーム９及びバケット（作業具）１０を有する作業機１Ａと、作業機１Ａを駆動する複数の油圧アクチュエータ５，６，７と、オペレータの操作に応じて作業機１Ａの動作を指示する操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａと、操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａが操作されている間、任意に設定された目標面６０上またはその上方にバケット１０が位置するように、複数の油圧アクチュエータ５，６，７のうち少なくとも１つを制御する領域制限制御部４３を有する制御コントローラ４０とを備える油圧ショベル１において、操作レバー１ａに設けられ、領域制限制御部４３による制御（すなわちマシンコントロール）の有効及び無効を切り替え可能なマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７（第１スイッチ）と、制御コントローラ４０による第２制御信号に基づく複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの制御の有効無効状態がマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７によって切り替わるタイミングで音を発生する音声出力装置５３Ｂとを備えることとした。

作業中のオペレータは、フロント作業機１Ａ、その中でも特にバケット１０を注視することが多く、表示装置５３Ａを見ることは多くない。そのため、マシンコントロール状態を表示装置５３Ａのみに表示した場合、作業中のオペレータがマシンコントロール状態を正確に把握することは容易ではない。しかし、上記の構成により、音声出力装置５３Ｂを介してオペレータにマシンコントロール状態が変更されたことを通達することで、オペレータは自身のスイッチ１７の操作によりマシンコントロール状態が変更されたことを、表示装置５３Ａを視認することなく確認することができる。そのためオペレータはフロント作業機１Ａから視線を外さずに作業を継続することができ、さらなる作業効率の向上が期待できる。

また、上記の実施形態では、操作レバー１ａにマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７が設けられているため、オペレータによる操作レバー１ａの操作中に、意図せずしてスイッチ１７を操作してしまい、意図しないマシンコントロール状態の変更が生じる可能性がある。その場合でも、上記の構成により、音声出力装置５３Ｂを介してマシンコントロール状態が変更されたことをオペレータに通達することで、オペレータはマシンコントロール状態が変更されたことを把握できるため、意図しないマシンコントロール状態でフロント作業機１Ａが動作することを防止できる。

また、上記の構成では、マシンコントロール状態変更要求スイッチ１７を操作レバー１ａに設けたので、オペレータは、マシンコントロールによる掘削と通常掘削を併用するような作業において、スイッチ１７を押下することで容易かつ迅速にマシンコントロールの有効・無効を選択することができる。

（２）また、上記の実施形態では、上記（１）の構成に加えてさらに、領域制限制御部４３による第２制御信号に基づく複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの制御の許可及び禁止を択一的に選択可能なマシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１を備え、制御コントローラ４０は、領域制限制御部４３による複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの制御の許可がマシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１により選択されている場合、マシンコントロール状態変更要求スイッチ１７（第１スイッチ）のスイッチ操作を受け付けることとした。

このようにマシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１を設けると、オペレータがマシンコントロールが不要と判断する場合には、マシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）３７１を禁止位置（ＭＣ−ＯＦＦ位置）に切り替えておけば、作業中にマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７（第１スイッチ）を誤って押下してもマシンコントロールが有効になることを防止できる。すなわち、マシンコントロールを有効にするオペレータの意思をより確実にくみ取ることができる。

（３）また、上記の実施形態では、上記（１）又は（２）の構成に加えてさらに、油圧ショベル１に搭載されたエンジン１８（原動機）の回転数を検出する回転数センサ４９０（回転数検出器）と、複数の油圧アクチュエータ５，６，７に供給される作動油の温度を検出する油温センサ５９０（油温検出器）とを備え、制御コントローラ４０は、エンジン１８の回転数と作動油の温度の少なくとも一方が所定値（Ｒ１，Ｔ１）以上である場合、領域制限制御部４３による複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの制御を有効するマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７（第１スイッチ）のスイッチ操作を受け付けることとした。

このように作業機械を構成すると、マシンコントロールを適切に行える車体状態にあるときのみにマシンコントロールを有効にできるので、エンジン回転数不足や油温不足でマシンコントロールの精度や応答性が低下することを防止できる。

（４）また、上記の実施形態では、上記（１）から（３）のいずれか１つの構成に加えてさらに、領域制限制御部４３による複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの制御の有効無効状態がマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７（第１スイッチ）によって変更になるタイミングで音声出力装置５３Ｂが音を発生するか否かを選択可能な音声通達選択スイッチ３９３をさらに備えることとした。

このように作業機械を構成すると、スイッチ１７の押下の度に音声通知があることをオペレータが煩わしく感じる場合には、その音声通知機能を無効化することができる。

（５）また、上記の実施形態では、上記（１）から（４）のいずれか１つの構成に加えてさらに、領域制限制御部４３による複数の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの制御がマシンコントロール状態変更要求スイッチ１７（第１スイッチ）により無効から有効に切り替わった場合と、有効から無効に切り替わった場合とで、音声出力装置５３Ｂが異なる音声を発生することとした。

このように作業機械を構成すると、マシンコントロール状態が有効と無効のどちらに切り替わったのかをオペレータに容易に認識させることができる。

なお、上記の実施形態では、表示装置５３Ａの画面上にマシンコントロール状態が有効であると表示されるアイコン３９４を表示させたので、表示装置５３Ａを見ればマシンコントロール状態が有効であることをオペレータは容易に認識できる。

＜付記＞
マシンコントロール状態変更要求スイッチ１７は、ショベル操作中のオペレータの手の届く範囲であれば図１０に示した以外の場所にも設置可能であり、例えば、他方の操作レバー１ｂの把持部の背面側や、オペレータの親指で押下されることを想定して操作レバー１ａ（１ｂ）の先端部に設けても良い。

図１４では、マシンコントロールの精度確保の観点からステップＳ０４（エンジン回転数のチェック）とＳ０５（作動油温のチェック）をフローチャートに含めたが、いずれか一方又は両者を省略しても音声出力装置５３Ｂによるマシンコントロール状態の切り替えタイミングの認識機能は損なわれない。また、マシンコントロール切替スイッチ３７１がＯＮ状態ではない場合には、ステップＳ０８に代えて、マシンコントロール状態を無効にする際のステップＳ１０及びＳ１１と同じ処理を行っても良い。

図１５におけるステップＳＡ０３及びステップＳＡ０５で出力する音声は上記の例（間欠音・連続音）に限らず、両ステップＳＡ０３，ＳＡ０５で出力される音声が区別可能なものであればどのようなものでも構わない。

上記の領域制限制御部４３（目標パイロット圧演算部４３ｈ）は、マシンコントロールに際して、任意に設定された目標面６０上またはその上方にバケット１０が位置するように油圧アクチュエータ５，６，７の少なくとも１つを動作させる目標パイロット圧（第２制御信号）を演算するように構成したが、これ以外の予め定めた設定（例えば、目標面６０上に爪先がある場合のバケット１０の角度を所定の値に維持する等）に基づいて作業機１Ａが動作するように油圧アクチュエータ５，６，７の少なくとも１つを動作させる目標パイロット圧（第２制御信号）を演算するように構成しても良い。

上記の制御コントローラ４０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、上記の制御コントローラ４０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コントローラ４０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。

１Ａ…フロント作業機、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１７…マシンコントロール状態変更要求スイッチ（第１スイッチ）、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、４０…制御コントローラ（制御装置）、４３…領域制限制御部、４３ａ…操作量演算部、４３ｂ…姿勢演算部、４３ｃ…目標面演算部、４３ｄ…シリンダ速度演算部、４３ｅ…バケット先端速度演算部、４３ｆ…目標バケット先端速度演算部、４３ｇ…目標シリンダ速度演算部、４３ｈ…目標パイロット圧演算部（制御信号演算部）、４４…電磁弁制御部、４５…操作装置（ブーム、アーム）、４６…操作装置（バケット、旋回）、４７…操作装置（走行）、５０…作業機姿勢検出装置、５１…目標面設定装置、５２ａ，５２ｂ…オペレータ操作検出装置、５３Ａ…表示装置、５３Ｂ…音声出力装置、５４，５５，５６…電磁比例弁、３７１…マシンコントロール切替スイッチ（第２スイッチ）、３７３…制御切替判定部、３７４…通達制御部、３９３…音声通達選択スイッチ（第３スイッチ）、４９０…回転数センサ（回転数検出器）、５９０…油温センサ（油温検出器）

Claims (5)

1. ブーム、アーム及び作業具を有する作業機と、
   前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、
   オペレータの操作に応じて前記作業機の動作を指示する操作装置と、
   前記操作装置が操作されている間、任意に設定された目標面上またはその上方に前記作業具が位置するように、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも１つを制御する領域制限制御部を有する制御装置とを備える作業機械において、
   前記操作装置に設けられ、前記領域制限制御部による制御の有効及び無効を切り替え可能な第１スイッチと、
   前記第１スイッチにより前記領域制限制御部による制御の有効及び無効が切り替わるタイミングで音声を発生する音声出力装置とを備えることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記領域制限制御部による制御の許可及び禁止を択一的に選択可能な第２スイッチをさらに備え、
   前記制御装置は、前記領域制限制御部による制御の許可が前記第２スイッチにより選択されている場合、前記第１スイッチのスイッチ操作を受け付けることを特徴とする作業機械。
3. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記作業機械に搭載された原動機の回転数を検出する回転数検出器と、
   前記複数の油圧アクチュエータに供給される作動油の温度を検出する油温検出器とをさらに備え、
   前記制御装置は、前記原動機の回転数と前記作動油の温度の少なくとも一方が所定値以上である場合、前記領域制限制御部による制御を有効する前記第１スイッチのスイッチ操作を受け付けることを特徴とする作業機械。
4. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記領域制限制御部による制御の有効無効状態が前記第１スイッチによって変更になるタイミングで前記音声出力装置が音を発生するか否かを選択可能な音声通達選択スイッチをさらに備えることを特徴とする作業機械。
5. 請求項１に記載の作業機械において，
   前記領域制限制御部による制御が無効から有効に切り替わった場合と、有効から無効に切り替わった場合とで、前記音声出力装置が異なる音声を発生することを特徴とする作業機械。

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