JP2018150771A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】バケットに代表される作業具が目標面となす角度を，できるだけオペレータに違和感を与えることなく，容易に所望の値に設定できる作業機械を提供すること。
【解決手段】バケット１０を作業開始位置に移動させた後にアーム９を動作させて作業を行う油圧ショベル１において，動作判定部８１ｃは，フロント作業装置１Ａがバケットを作業開始位置に移動させる作業準備動作にあるか否かを操作装置への操作を基に判定する。アクチュエータ制御部８１は，操作装置の操作時に動作判定部で作業準備動作にあると判定されたとき，目標面に対する作業具の角度が予め設定した目標角度θＴＧＴとなるようにバケットシリンダ７を制御する。
【選択図】 図７

Description

本発明は，操作装置の操作時に，予め定めた条件に従って複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御する作業機械に関する。

油圧アクチュエータで駆動される作業装置（例えばフロント作業装置）を備える作業機械（例えば油圧ショベル）の作業効率を向上する技術としてマシンコントロール（Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＭＣ）がある。ＭＣは，操作装置がオペレータに操作された場合に，予め定めた条件に従って作業装置を動作させる半自動制御を実行することでオペレータの操作支援を行う技術である。なお，以下では「ＭＣを実行する」ことを単に「ＭＣする」と表現することがある。

例えば特開２０００−３０３４９２号公報には，バケット（作業具）の目標姿勢を設定し，その目標姿勢でバケットが目標掘削面（以下では目標面とも称する）に沿って移動するようにフロント作業装置をＭＣする技術が開示されている。この文献では，バケットの目標姿勢（対目標面バケット角度）の設定に関して，アーム用の操作レバー装置の操作レバー（アーム操作レバー）が中立である時，常にその時のバケット先端の位置及びバケット角を対目標面バケット角度としている。そして，ＭＣは，アーム操作レバーが中立位置から操作された時点をもって制御開始とし，アーム操作レバーが中立に戻った時点をもって制御終了としている。つまり，アーム操作が開始された時点でのバケットの姿勢がバケットの目標姿勢（対目標面バケット角度）として設定され，アーム操作中はバケットをその目標姿勢に保持するＭＣが行われる。

特開２０００−３０３４９２号公報

上記文献では，オペレータによりアーム操作が開始された時点のバケットの姿勢がＭＣ中の対目標面バケット角度として設定される。つまり，ＭＣに際して，対目標面バケット角度（特許文献１では「バケット対地角度」と称されている）を所定値に制御することはなされていない。そのため，ＭＣ中の対目標面バケット角度を所望の値に設定するためには，アーム操作を開始する直前までに対目標面バケット角度をオペレータ操作で調整する必要がある。この角度調整に際してオペレータが対目標面バケット角度を目視することは困難であるため，対目標面バケット角度を所望の値にするには熟練を要する。

また，ＭＣは，オペレータ操作による動作に対してそれと異なる動作を介入させる制御であるため，オペレータに違和感を与えるおそれがある。そのため，できるだけオペレータに違和感を与えないタイミングでＭＣを発動させることが好ましい。

本発明の目的は，バケットに代表される作業具が目標面となす角度を，できるだけオペレータに違和感を与えることなく，容易に所望の値に設定できる作業機械を提供することにある。

本発明は，上記目的を達成するために，ブーム，アーム及び作業具を有する作業装置と，前記作業装置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装置の動作を指示する操作装置と，前記操作装置の操作時に，予め定めた条件に従って前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部を有する制御装置とを備え，前記作業具を作業開始位置に移動させた後に前記アームを動作させて作業を行う作業機械において，前記制御装置は，前記作業装置が前記作業具を前記作業開始位置に移動させる作業準備動作にあるか否かを前記操作装置への操作に基づいて判定する動作判定部をさらに備え，前記アクチュエータ制御部は，前記操作装置の操作時に，前記動作判定部において前記作業装置が前記作業準備動作にあると判定されたとき，前記目標面に対する前記作業具の角度が予め設定した目標角度となるように前記複数の油圧アクチュエータのうち前記作業具に係る油圧アクチュエータを制御するマシンコントロール制御を実行することを特徴とする。

本発明によれば，掘削などの作業開始時に必要となる目標面と作業具の位置合わせ作業において，目標面と作業具の角度合わせを違和感なく素早くでき，作業効率を向上させることができる。

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ＭＣ制御部の機能ブロック図。 アームクラウドによるアーム作業のための作業準備動作（バケット位置合わせ作業）の説明図。 アームクラウドによるアーム作業のための作業準備動作（バケット位置合わせ作業）の説明図。 第１実施形態におけるバケット制御部及び動作判定部によるバケット角度制御のフローチャート。 ブーム制御部によるブーム上げ制御のフローチャート。 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。 オペレータ操作によってアーム先端に生じる速度ベクトルの説明図。 第２実施形態におけるバケット制御部及び動作判定部によるバケット角度制御のフローチャート。 オペレータ操作によってアーム先端に生じる速度ベクトルの説明図。 第３実施形態におけるバケット制御部及び動作判定部によるバケット角度制御のフローチャート。 図１０，１４，１６におけるステップ１０５の具体的処理内容の一例。 バケットの回動角度の目標値γＴＧＴの算出フローチャート。 角度δの説明図。 バケット角度制御が実行され，バケットが作業開始位置で最終的な姿勢となった油圧ショベルの状態図。 バケットの回動角度の目標値γＴＧＴの算出フローチャート。 吹き付け機を作業具として備えた作業機械の概略構成図。 第１実施形態の変形例におけるバケット制御部及び動作判定部によるバケット角度制御のフローチャート。

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，作業装置の先端の作業具（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作業機械で本発明を適用しても構わない。さらに，複数のリンク部材（アタッチメント，アーム，ブーム等）を連結して構成される多関節型の作業装置を有するものであれば油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

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。

＜第１実施形態＞
＜基本構成＞
図１は本発明の第１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装置１Ａと，車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは，左右の走行油圧モータ３ａ，３ｂにより走行する下部走行体１１と，下部走行体１１の上に取り付けられ，旋回油圧モータ４により旋回する上部旋回体１２とからなる。

フロント作業装置１Ａは，垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（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いる。ブーム８の基端は上部旋回体１２の前部においてブームピンを介して回動可能に支持されている。ブーム８の先端にはアームピンを介してアーム９が回動可能に連結されており，アーム９の先端にはバケットピンを介してバケット１０が回動可能に連結されている。ブーム８はブームシリンダ５によって駆動され，アーム９はアームシリンダ６によって駆動され，バケット１０はバケットシリンダ７によって駆動される。

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。なお，角度センサ３０，３１，３２はそれぞれ基準面（例えば水平面）に対する角度センサに代替可能である。

上部旋回体１２に設けられた運転室内には，走行右レバー２３ａ（図１）を有し走行右油圧モータ３ａ（下部走行体１１）を操作するための操作装置４７ａ（図２）と，走行左レバー２３ｂ（図１）を有し走行左油圧モータ３ｂ（下部走行体１１）を操作するための操作装置４７ｂ（図２）と，操作右レバー１ａ（図１）を共有しブームシリンダ５（ブーム８）及びバケットシリンダ７（バケット１０）を操作するための操作装置４５ａ，４６ａ（図２）と，操作左レバー１ｂ（図１）を共有しアームシリンダ６（アーム９）及び旋回油圧モータ４（上部旋回体１２）を操作するための操作装置４５ｂ，４６ｂ（図２）図が設置されている。以下では，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を操作レバー１，２３と総称することがある。

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，図３に示すように，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，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，掘削等の動作が禁止される。

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４８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又は図３参照）の油圧駆動部１５０ａ〜１５５ｂにパイロットライン１４４ａ〜１４９ｂ（図３参照）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３参照）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。そして，供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ，走行左油圧モータ３ｂが回転することで，下部走行体１１が走行する。

図４は本実施形態に係る油圧ショベルが備えるマシンコントロール（ＭＣ）システムの構成図である。図４のシステムは，ＭＣとして，操作装置４５，４６がオペレータに操作されたとき，フロント作業装置１Ａを予め定められた条件に基づいて制御する処理を実行する。本稿ではマシンコントロール（ＭＣ）を，操作装置４５，４６の非操作時に作業装置１Ａの動作をコンピュータにより制御する「自動制御」に対して，操作装置４５，４６の操作時にのみ作業装置１Ａの動作をコンピュータにより制御する「半自動制御」と称することがある。次に本実施形態におけるＭＣの詳細を説明する。

フロント作業装置１ＡのＭＣとしては，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）と作業装置１Ａの先端（本実施形態ではバケット１０の爪先とする）の位置関係に基づいて，作業装置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。

このＭＣによりバケット１０の爪先が目標面６０の下方に侵入することが防止されるので，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。なお，本実施形態では，ＭＣ時のフロント作業装置１Ａの制御点を，油圧ショベルのバケット１０の爪先（作業装置１Ａの先端）に設定しているが，制御点は作業装置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。

図４のシステムは，作業装置姿勢検出装置５０と，目標面設定装置５１と，オペレータ操作検出装置５２ａと，運転室内に設置され，目標面６０と作業装置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）５３と，ＭＣによるバケット角度制御（作業具角度制御とも称する）の許可・禁止（ＯＮ・ＯＦＦ）を択一的に選択するための制御選択スイッチ（制御選択装置）９７と，ＭＣによるバケット角度制御における目標面６０に対するバケット１０の角度（目標角度）を設定するための目標角度設定装置９６と，ＭＣを司る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。

作業装置姿勢検出装置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。これらの角度センサ３０，３１，３２，３３は作業装置１Ａの姿勢センサとして機能している。

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は，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（図示せず）と接続されている。なお，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良い。

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（第１制御信号）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，作業装置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。

制御選択スイッチ９７は，例えばジョイスティック形状の操作レバー１ａにおける前面の上端部に設けられており，操作レバー１ａを握るオペレータの親指により押下され制御選択スイッチ９７は，モーメンタリスイッチであり，押下される度にバケット角度制御（作業具角度制御）の有効（ＯＮ）と無効（ＯＦＦ）が切り替えられる。制御選択スイッチ９７の切替位置（ＯＮ／ＯＦＦ）は制御コントローラ４０に入力される。なお，スイッチ９７の設置箇所は操作レバー１ａ（１ｂ）に限らず，その他の場所に設けても良い。

目標角度設定装置９６は，バケット１０の底面１０ａと目標面６０がなす角度（以下では「対目標面バケット角度θＴＧＴ」とも称する）を入力可能なインターフェースであり，例えば複数段階に区分された角度から所望の角度を選択するロータリ式スイッチ（ダイヤル式スイッチ）が利用できる。対目標面バケット角度θＴＧＴの設定は，目標角度設定装置９６でオペレータが手動で行っても良いし，初期値を持っていても良いし，外部から取り込んでも良い。目標角度設定装置９６で設定された対目標面バケット角度θＴＧＴは制御コントローラ４０に入力される。

なお，制御選択スイッチ９７や目標角度設定装置９６は，ハードウェアで構成する必要は無く，例えば表示装置５３をタッチパネル化し，その表示画面上に表示されるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）で構成しても良い。

＜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。

上記のように構成される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比例弁５４ａ，５６ｃ，５６ｄを駆動すると，対応する操作装置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，バケットクラウド動作，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の値から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。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５４ａ，５６ｃ，５６ｄ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。

第２制御信号は，第１制御信号によって発生される作業装置１Ａの制御点の速度ベクトルが所定の条件に反するときに生成され，当該所定の条件に反しない作業装置１Ａの制御点の速度ベクトルを発生させる制御信号として生成される。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。したがって，流量制御弁１５ａ〜１５ｃのうち第２制御信号が演算されたものについては第２制御信号を基に制御され，第２制御信号が演算されなかったものについては第１制御信号を基に制御され，第１及び第２制御信号の双方が発生しなかったものについては制御（駆動）されないことになる。上記のように第１制御信号と第２制御信号を定義すると，ＭＣ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。

＜制御コントローラ４０＞
図４において制御コントローラ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，作業装置姿勢検出装置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，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，制御選択スイッチ９７の切替位置（許可・禁止）を示す信号と，目標角度設定装置９６からの目標角度を示す信号を入力し，ＣＰＵ９２が演算可能なように変換する。ＲＯＭ９３は，後述するフローチャートに係る処理を含めＭＣ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または表示装置５３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５３の画面上に表示させたりする。

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，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，ＭＣ制御部４３と，電磁比例弁制御部４４と，表示制御部３７４を備えている。

表示制御部３７４は，ＭＣ制御部４３から出力される作業装置姿勢及び目標面を基に表示装置５３を制御する部分である。表示制御部３７４には，作業装置１Ａの画像及び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３７４が，入力情報に含まれる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５３における表示制御をする。

図７は図６中のＭＣ制御部４３の機能ブロック図である。ＭＣ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，ブーム制御部８１ａと，バケット制御部８１ｂと，動作判定部８１ｃ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は作業装置姿勢検出装置５０からの情報に基づき，ローカル座標系におけるフロント作業装置１Ａの姿勢と，バケット１０の爪先の位置を演算する。

フロント作業装置１Ａの姿勢は図５のショベル座標系（ローカル座標系）上に定義できる。図５のショベル座標系（ＸＺ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装置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装置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。

なお，図５の例では目標面６０は１つだが，目標面が複数存在する場合もある。目標面が複数存在する場合には，例えば，作業装置１Ａから最も近いものを目標面と設定する方法や，バケット爪先の下方に位置するものを目標面とする方法や，任意に選択したものを目標面とする方法等がある。

ブーム制御部８１ａとバケット制御部８１ｂは，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作時に，予め定めた条件に従って複数の油圧アクチュエータ５，６，７の少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部８１を構成する。アクチュエータ制御部８１は，各油圧シリンダ５，６，７の流量制御弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃの目標パイロット圧を演算し，その演算した目標パイロット圧を電磁比例弁制御部４４に出力する。

動作判定部８１ｃは，アーム９（アームシリンダ６）をクラウド動作又はダンプ動作させて行う作業（「アーム作業」と称する）の開始位置（「作業開始位置」と称する）にバケット１０を移動させる動作（「作業準備動作」と称する）にフロント作業装置１Ａがあるか否かを操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａへの操作を基に判定する部分である。なお，「作業準備動作」は，作業開始位置へのバケット１０の位置合わせ動作又は位置合わせ作業とも称される。

ここでアームクラウドによるアーム作業のための作業準備動作（バケット位置合わせ作業）の例を図８及び図９に示す。図８及び図９では，法面掘削の仕上げ作業時において，作業準備動作を実施する例を示す。

例えば，法面掘削の仕上げ作業においては，バケット１０の底面１０ａの角度と目標面６０の角度を略平行にし（すなわち対目標面バケット角度θはゼロ），略平行の状態を保ったまま目標面６０に沿ってバケット１０を直線的に動かすことにより，目標面６０の表面を滑らかな状態とすることが望ましい。そのため，作業開始位置において，バケット１０の底面１０ａの角度と目標面６０の角度が略平行となっていることが望ましい。ここで，バケット１０の底面１０ａとはバケット１０の前端部と後端部を結ぶ直線に相当するバケット１０の面のことである。

この場合の作業準備動作（バケット位置合わせ作業）は，アーム９がフルクラウド状態でバケット１０が目標面６０から離れている状態Ｓ１（図８参照）から開始し，アーム９がダンプ方向に動かされバケット１０が目標面６０に近づきつつある状態Ｓ２（図８，９参照）を経て，目標面６０を基準とする所定位置で対目標面バケット角度が設定値θＴＧＴ（＝ゼロ）となるようバケット１０が停止した状態Ｓ３（図９参照）となるまでの一連の動作である。図８は状態Ｓ１から状態Ｓ２へ遷移する状況を，図９は状態Ｓ２から状態Ｓ３へ遷移する状況を示している。

なお，作業準備動作を開始する状態Ｓ１におけるアーム９の姿勢は，図８のようにフルクラウド姿勢である必要はなく任意の姿勢でよい。また，アームダンプによりアーム作業が可能な場合（例えば，後述する図２２の吹き付け作業）にも本発明は適用可能である。この場合は状態Ｓ１のようにアームをクラウドさせた状態が作業開始位置となる。

ブーム制御部８１ａは，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作時に，目標面６０の位置と，フロント作業装置１Ａの姿勢及びバケット１０の爪先の位置と，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作量とに基づいて，目標面６０上またはその上方にバケット１０の爪先（制御点）が位置するようにブームシリンダ５（ブーム８）の動作を制御するＭＣを実行するための部分である。ブーム制御部８１ａでは，ブームシリンダ５の流量制御弁１５ａの目標パイロット圧が演算される。ブーム制御部８１ａによるＭＣの詳細は図１１及び図１２を用いて後述する。

バケット制御部８１ｂは，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａの操作時に，ＭＣによるバケット角度制御を実行するための部分である。具体的には，動作判定部８１ｃでフロント作業装置１Ａが作業準備動作にあると判定され，かつ，目標面６０とバケット１０の爪先の距離が所定値以下のとき，目標面６０に対するバケット１０の角度θが目標角度設定装置９６で予め設定した対目標面バケット角度θＴＧＴとなるようにバケットシリンダ７（バケット１０）の動作を制御するＭＣ（バケット角度制御）が実行される。バケット制御部８１ｂでは，バケットシリンダ７の流量制御弁１５ｃの目標パイロット圧が演算される。バケット制御部８１ｂによるＭＣの詳細は図１０を用いて後述する。

電磁比例弁制御部４４は，アクチュエータ制御部８１から出力される各流量制御弁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。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，アクチュエータ制御部８１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。

＜バケット制御部８１ｂ及び動作判定部８１ｃによるバケット角度制御のフロー＞
バケット制御部８１ｂ及び動作判定部８１ｃによるバケット角度制御のフローを図１０に示す。まず，バケット制御部８１ｂは，ステップ１００で制御選択スイッチ９７がＯＮ（すなわちバケット角度制御は有効）に切り替えられているか否かを判定する。制御選択スイッチ９７がＯＮの場合，ステップ１０１へ進む。

ステップ１０１では，動作判定部８１ｃは，アーム９の回動速度が所定値ω１以下か否かを判定することで，作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを判定する。所定値ω１は，状態Ｓ２でのアーム操作が間もなく又は既に終了し，間もなく状態Ｓ３でのブーム下げ操作が開始されるタイミングを検出するために設定している。アーム回動速度が所定値ω１以下である場合，作業装置１Ａが作業準備動作にあると判定してステップ１０２へ進む。ステップ１０１で利用するアームの回動速度は，流量制御弁１５ｂへのパイロット圧とアーム回動速度の関係を定義した相関テーブルを予め設定しておき，その相関テーブルとオペレータ操作検出装置５２ａにより検出される流量制御弁１５ｂへのパイロット圧から求めることができる。また，作業装置姿勢検出装置５０で検出されたアーム９の角度を時間微分することでアーム回動速度を求めても良い。

なお，アーム回動速度の所定値ω１は，状態Ｓ２から状態Ｓ３に移行するためにオペレータがアーム９を操作している際に，バケット１０又はブーム８のＭＣが発動することでバケット１０又はブーム８がアーム９と同時に動いても，アーム９の速度が低下しない程度に十分小さい値に設定することが好ましい。このようにω１を設定するとアーム操作中にＭＣが発動してもオペレータに違和感を与えることがない。また，所定値ω１はゼロに設定することもできる。所定値ω１をゼロにすると，オペレータのアーム操作中に，バケット角度制御によりバケット１０が動作することが防止されるので，複合動作による違和感は発生しない。

ステップ１０２では，バケット制御部８１ｂは，バケット１０の爪先と目標面６０の距離Ｄが所定値Ｄ１以下か否かを判定する。バケット１０と目標面６０の距離が所定値Ｄ１以下である場合，ステップ１０３へ進む。

本実施形態でのバケット１０と目標面６０の距離の所定値Ｄ１は，ＭＣであるバケット角度制御の開始タイミングを決定する値である。所定値Ｄ１は，バケット角度制御の発動がオペレータに与える違和感を低減する観点からはできるだけ小さい値に設定することが好ましく，例えばバケット１０の底面１０ａの長さとすることができる。また，ステップ１０２で利用するバケット１０の爪先から目標面６０までの距離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，距離Ｄを算出する際のバケット１０の基準点はバケット爪先（バケット１０の前端）である必要は無く，バケット１０のうち目標面６０との距離が最小となる点であってもよく，バケット１０の後端であっても良い。

ステップ１０３では，バケット制御部８１ｂは，操作量演算部４３ａから信号を基にオペレータによるバケット１０の操作信号があるか否かを判定する。バケット１０の操作信号があると判定された場合には，一旦ステップ１０４へ進んだ後ステップ１０５へ進む。一方，バケット１０の操作信号がないと判定された場合にはステップ１０５へ進む。

ステップ１０４では，バケット制御部８１ｂは，バケット１０のパイロットライン１４６ａ，１４６ｂにある電磁比例弁（バケット減圧弁）５６ａ，５６ｂを閉じるように指令を出力する。これにより操作装置４６ａを介したオペレータ操作によってバケット１０が回動することが防止される。

ステップ１０５では，バケット制御部８１ｂは，バケット１０のパイロットライン１４８ａにある電磁比例弁（バケット増圧弁）５６ｃ，５６ｄを開くよう指令を出し，対目標面バケット角度が設定値θＴＧＴとなるようバケットシリンダ７を制御する。なお，バケット角度制御は，距離Ｄが所定値Ｄ１に達した時点で開始されるが，その後，距離Ｄがゼロに達する以前に完了するように制御アルゴリズムを構築することが好ましい。

ステップ１００，ステップ１０１，ステップ１０２のいずれかにおいて，条件を満たさないと判定された場合（ＮＯと判定された場合）にはステップ１０６に進む。ステップ１０６ではバケット１０の角度（対目標面バケット角度）を制御しないため，４つの電磁比例弁５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄのいずれにも指令は送られない。

＜ブーム制御部８１ａによるブーム上げ制御のフロー＞
本実施の形態の制御コントローラ４０は，上記のバケット制御部８１ｂによるバケット角度制御に加えて，ブーム制御部８１ａによるブーム上げ制御もマシンコントロールとして実行する。このブーム制御部８１ａによるブーム上げ制御のフローを図１１に示す。図１１はブーム制御部８１ａで実行されるＭＣのフローチャートであり，操作装置４５ａ，４５ｂ，４６ａがオペレータにより操作されると処理が開始される。

Ｓ４１０では，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａは，Ｓ４１０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で演算された作業装置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，ブーム制御部８１ａ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１２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，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａ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１１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１１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１２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，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａｄ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，フロント制御装置８１ｄ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，フロント制御装置８１ｄ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。なお，上記説明から明らかであるが，図１１の場合に目標速度ベクトルＴが速度ベクトルＢに一致しないときには，マシンコントロールによるブーム８の動作で発生する速度ベクトルＣを速度ベクトルＢに加えることで目標速度ベクトルＴを実現する。

Ｓ５６０では，ブーム制御部８１ａ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，ブーム制御部８１ａ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比例弁制御部４４に出力する。

電磁比例弁制御部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，これにより作業装置１Ａによる掘削が行われる。例えば，オペレータが操作装置４５ｂを操作して，アームクラウド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５５ｃ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，本実施形態では，ブーム制御部８１ａによるアーム制御（強制ブーム上げ制御）と，バケット制御部８１ｂによるバケット制御（バケット角度制御）がＭＣとして実行されるが，バケット１０と目標面６０の距離Ｄに応じたアーム制御をＭＣとして実行しても良い。

＜動作・効果＞
上記のように構成される油圧ショベルにおいて，状態Ｓ１（図８）から状態Ｓ２（図８，９）を経由して状態Ｓ３（図９）に遷移する場合のオペレータ操作と，制御コントローラ４０（ブーム制御部８１ａ及びバケット制御部８１ｂ）によるＭＣについて説明する。

まず，図８の状態Ｓ１から状態Ｓ２への遷移時のオペレータ操作と，制御コントローラ４０によるＭＣについて説明する。オペレータは，アーム９のダンプ操作と，そのダンプ操作により目標面６０の下方にバケット１０が侵入しないようにブーム８の上げ操作を組み合わせて，フロント作業装置１Ａを状態Ｓ１から状態Ｓ２へ遷移させる。このとき制御コントローラ４０はバケット制御部８１ｂによるバケット角度制御（ＭＣ）を行わない。一方で，アーム９のダンプ操作によりバケット１０が目標面６０に侵入すると判断するときには，ブーム制御部８１ａから電磁弁５４ａに指令を出し，ブーム８を上昇させる制御（ＭＣ）が実行される。

次に，図９の状態Ｓ２から状態Ｓ３への遷移時のオペレータ操作と，制御コントローラ４０によるＭＣについて説明する。状態Ｓ２から状態Ｓ３への遷移時に，オペレータはブーム８の下げ操作によってバケット１０を目標面６０へ近づける。このとき，作業装置１Ａが作業準備動作にあるという判定を動作判定部８１ｃから受けた場合には，バケット制御部８１ｂは，バケット１０の底面１０ａと目標面６０が略平行となるよう（対目標面バケット角度が設定値θＴＧＴ（＝ゼロ）となるように），電磁弁５６ｃあるいは５６ｄに指令を出し，バケット１０をクラウド方向あるいはダンプ方向に回動させる。

つまり，上記のようにバケット制御部８１ｂを構成すると，フロント作業装置１Ａが作業準備動作にある場合（例えば，状態Ｓ２から状態Ｓ３に至るまでの間において），バケット１０から目標面６０までの距離Ｄが所定値Ｄ１以下に達した時点（つまりバケット１０が目標面６０に近接した時点）でバケット角度制御が実行され，バケット１０の爪先が目標面６０に到達するまでの間に対目標面バケット角度を目標角度設定装置９６で設定した値θＴＧＴに設定することができる。そのため，バケット角度制御の発動により対目標面バケット角度が容易に設定値θＴＧＴに制御されるとともに，目標面６０から遠く離れている状況での当該バケット角度制御の発動が防止され，オペレータに違和感を与える期間を比較的短期間に抑えることができる。

また，一般に，同一の油圧ポンプの作動油で駆動する複数の油圧アクチュエータを同時に動かす場合，１つの油圧アクチュエータを動かす場合よりも油圧アクチュエータの動作速度が低下する傾向がある。作業準備動作では，車体前後方向におけるバケット１０の位置決めは主にアーム９によって行う。そのため，アーム９の操作中に，アーム９と同一の油圧ポンプの作動油で駆動される他の油圧アクチュエータに対してＭＣが実行されると，オペレータの意図に反してアーム９の動作速度が低減して違和感を与えるおそれがある。この点に関し，本実施形態では，アーム９の操作量が大きい間（アーム回動速度が大きい間）はバケット角度制御が実行されないので，オペレータ操作に対してアーム９の速度低下はなくオペレータは違和感なくアーム９を動かすことができる。

したがって，上記のように構成した油圧ショベルによれば，アーム作業時の作業準備動作において，対目標面バケット角度を設定値θＴＧＴに調節する作業をオペレータに違和感を与えることなく素早く実行でき，作業効率を向上させることができる。

なお，図９に示すように状態Ｓ２から状態Ｓ３へ遷移する際に，オペレータによるバケット１０のクラウド操作またはダンプ操作がある場合には，電磁比例弁５６ａまたは電磁比例弁５６ｂに指令を出し，オペレータによるバケット１０のクラウド操作またはダンプ操作を停止させ，電磁比例弁５６ａまたは電磁比例弁５６ｂの動作のみでバケット１０が回動するようにしても良い。また，電磁比例弁５６ｃまたは電磁比例弁５６ｄに指令を出してバケット１０を回動させる代わりに，電磁比例弁５６ａまたは電磁比例弁５６ｂに指令を出しオペレータによるバケット１０のクラウド操作またはダンプ操作のパイロット圧を低減することで，所望の角度θＴＧＴとなるようバケット１０を制御しても良い。またこのとき，所望の対目標面バケット角度θＴＧＴとなるように，バケット１０のクラウド操作（例えばフルクラウド操作）またはダンプ操作（例えばフルダンプ操作）を行うよう，油圧ショベル１の運転室内に設けられた表示装置５３にオペレータへの指示を表示させてもよい。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では，動作判定部８１ｃは，アーム回動速度が所定値ω１以下のときに作業装置１Ａが作業準備動作にあると判定したが，本実施形態では，アーム９の先端の速度ベクトルにおける目標面６０に垂直な成分が目標面６０に向かっているときに，作業装置１Ａが作業準備動作にあると判定するように変更した。

つまり，本実施形態では，所望の対目標面バケット角θＴＧＴとなるようバケット１０の角度をＭＣするか否かを，オペレータ操作によって生じる速度ベクトル１００（図１３参照）の方向から判断するようにし，その速度ベクトル１００が，目標面６０に向かう成分を持つと判断される時にバケット角度制御を実行する。ここで速度ベクトル１００とは，図１３に示すように，オペレータ操作によって生じる，フロント作業装置１Ａのもつ速度ベクトルである。なお，先の実施形態と同じ部分は説明を省略し，これは他の実施形態の説明でも同様とする。

＜バケット制御部８１ｂ及び動作判定部８１ｃによるバケット角度制御のフロー＞
本実施形態におけるバケット制御部８１ｂ及び動作判定部８１ｃによるバケット角度制御のフローを図１４に示す。図１４における，ステップ１００，ステップ１０２，ステップ１０３，ステップ１０４，ステップ１０５，ステップ１０６の処理は，図１０に示したフローチャートと同様なので説明を省略する。

図１４のステップ２０１において，動作判定部８１ｃは，オペレータ操作によって生じるバケットピンの速度ベクトル１００が，目標面６０を向いているか否かを判断する。速度ベクトル１００は，目標面６０に水平な成分（水平方向成分）１００Ａと，目標面６０に垂直な成分（鉛直方向成分）１００Ｂに分解でき，鉛直方向成分１００Ｂが目標面６０を向いている場合，速度ベクトル１００は目標面６０に向かっていると判断できる。速度ベクトル１００が目標面６０を向いていると判定された場合には，フロント作業装置１Ａがバケット１０を作業開始位置に移動させる作業準備動作にあると判定してステップ１０２に進み，目標面６０を向いていないと判定された場合には，フロント作業装置１Ａは作業準備動作をしていないと判定してステップ１０６へ進む。

ステップ２０１の判定に利用する速度ベクトル１００は，オペレータ操作検出装置５２ａから取得されるパイロット圧を，制御コントローラ４０内部に保存されているパイロット圧対シリンダ速度の相関テーブルでもってシリンダ速度に変換し，そのシリンダ速度をフロント作業装置１Ａの角速度に幾何学的に変換することで，算出可能である。

図１５に示すように，速度ベクトル１００の鉛直成分１００Ｂが目標面６０に向かっていていないときは，オペレータは作業準備動作（バケットの位置合わせ作業）を目的に作業装置１Ａを操作していないと考えられる。そのため，図１４のようにオペレータ操作によって生じる速度ベクトル１００が目標面６０に向かっていると判断される時のみ，オペレータの位置合わせ作業の意図を反映させてバケット角度制御を実行することで，第１実施形態同様に違和感なくバケット角度制御を実行できる。

なお，ここでは例としてバケットピン（アーム９の先端）に生じる速度ベクトル１００を示して説明したが，バケット１０の先端又はその他のバケット上の基準点に生じる速度ベクトルを算出し，そのベクトルにおける目標面への鉛直成分を制御に用いても良い。

＜第３実施形態＞
本実施形態は，第１実施形態のバケット制御部８１ｂの図１０のフローにステップ３０１やステップ３０２を加えることでブーム下げやアームダンプ操作の発生を検出し，これにより作業準備動作（バケットの位置合わせ作業）の検出精度を向上させている点に特徴がある。

本実施形態におけるバケット制御部８１ｂ及び動作判定部８１ｃによるバケット角度制御のフローを図１６に示す。先の図と同じ処理は同じ符号を付して説明を省略する。

ステップ３０１では，動作判定部８１ｃは，オペレータによるアーム９の操作がないこと又はアームダンプ操作があるかを操作量演算部４３ａからの信号を基に判定する。言い換えれば，アームクラウド操作が無いことを判定する。作業準備動作では，アーム９は主にダンプ動作をし，その後ブーム下げ動作によりバケット１０が目標面６０に近づく。そのため，このステップ３０１においてアームクラウド操作が無いか否かを検出することで，フロント作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを第１実施形態よりも正確に判定できる。そして，ステップ３０１でＹＥＳの判定がされた場合には，ステップ１０１のアーム回動速度はアームダンプ動作における回動速度であることが判明する。ステップ３０１でアームクラウド操作が無いと判定された場合には，フロント作業装置１Ａがこの時点では作業準備動作にあると判定してステップ１０２へ進み，アームクラウド操作が有ると判定された場合には，フロント作業装置１Ａは作業準備動作にはないと判定してステップ１０６に進む。

ステップ１０２に続くステップ３０２では，動作判定部８１ｃは，オペレータによりブーム下げが操作されているか否かを操作量演算部４３ａからの信号を基に判定する。既述の通り，作業準備動作ではブーム下げ動作によりバケット１０が目標面に近づく。そのため，ステップ３０２でブーム下げ操作がされているか否かを検出することで，フロント作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを第1実施形態よりもさらに正確に検出できる。ステップ３０２でブーム下げ操作されていると判定された場合，ステップ１０３へ進む。

本実施形態のように構成した油圧ショベルによれば，ステップ３０１及びステップ３０２がバケット角度制御に追加されることにより，作業準備動作の検出精度が第1実施形態よりも向上するので，オペレータに与える違和感を更に低減できる。

なお，図１６のフローにおけるステップ１００，１０１，３０１，１０２，３０２の順番は適宜変更可能である。また，図１４のフローにステップ３０１，３０２の一方又は両方を追加しても良い。

＜第４実施形態＞
本実施形態は図１０，１４，１６におけるステップ１０５の具体的処理内容の一例に該当する。ステップ１０５の処理内容の詳細を図１７に示す。

図１０，１４，１６のいずれかでステップ１０５が開始されると，バケット制御部８１ｂは図１７のフローを開始する。まずステップ１０５−１において，バケット制御部８１ｂはアーム９に対するバケット１０の回動角度γ（図５参照）を姿勢演算部４３ｂから取得する。

次にステップ１０５−２において，バケット制御部８１ｂはバケット１０の回動角度γの目標値γＴＧＴを算出する。γＴＧＴは，α，β，δ，θＴＧＴ，γＴＧＴの合計が１８０度であることを利用して以下の式（１）で算出でき，具体的には図１８のフローにより算出される。
γＴＧＴ＝１８０−（α＋β＋δ＋θＴＧＴ） …式（１）

上記式におけるδは，図１９に示すように，アーム９とバケット１０の接続点（連結点）９Ｆとバケット１０の先端１０Ｆを結んだ直線と，バケット１０の先端１０Ｆとバケット１０の後端１０Ｔを結んだ直線とがなす角度である。δはバケット１０の形状で決まる一定の値でありＲＯＭ９３に記憶されている。また，既述のとおり，αはブーム８の回動角度（図５参照），βはアーム９の回動角度（図５参照），θＴＧＴは目標角度設定装置９６で決定される対目標面バケット角度の設定値θＴＧＴである。なお，図５においてはショベルの座標系に対して目標面６０が傾斜していない場合を記しているが，目標面６０が傾斜していても良い。

図１８のフローにおいて，バケット制御部８１ｂは，姿勢演算部４３ｂからβとαを取得し（ステップ１０５１，１０５２），ＲＯＭ９３内のδと，目標角度設定装置９６からのθＴＧＴと，上記式（１）から，γＴＧＴを算出し（ステップ１０５３），ステップ１０５−３に移行する。

ステップ１０５−３では，バケット制御部８１ｂは，現在のバケット回動角度γとステップ１０５−２のγＴＧＴを比較する。ステップ１０５−３の比較の結果，γの方が大きい場合は，ステップＳ１０５−４へ進み，それ以外の場合ステップＳ１０５−５へ進む。

ステップＳ１０５−４では，バケット制御部８１ｂは，バケット１０をダンプ方向に回動させ回動角度γを減少させるために，バケット制御部８１ｂは電磁比例弁５６ｄへの指令を電磁比例弁制御部４４に出し，ステップ１０５−１に戻る。

ステップＳ１０５−５では，バケット制御部８１ｂは，γとγＴＧＴを比較し，γが小さい場合はステップＳ１０５−６へ，それ以外の場合ステップＳ１０５−７へ進む。

ステップＳ１０５−６では，バケット制御部８１ｂは，バケットをクラウド方向に回動させ回動角度γを増加させるため，電磁比例弁５６ｃへの指令を電磁比例弁制御部４４に出し，ステップ１０５−１に戻る。

ステップＳ１０５−７では，バケットの回動角度γと，回動角度γの目標値γＴＧＴとが等しいため，バケット制御部８１ｂはバケットの回動制御を実行することなくステップ１０５を終了する。

以上の処理によりバケット回動角度γを目標値γＴＧＴに制御することができるので，対目標面バケット角度を設定値θＴＧＴに制御できる。

また，ステップ１０５−２におけるバケットの回動角度γＴＧＴの算出は，次のように実行しても良い。図２０に，バケット角度制御が実行され，バケット１０が作業開始位置で最終的な姿勢となった油圧ショベルの状態を示す。また図２０内に，位置合わせ時のバケット１０の位置合わせ目標となる目標面６０と，位置合わせ時の接続点９Ｆの目標位置となる，目標面６０に対してオフセット量ＯＦ分だけオフセットさせたオフセット目標面６０Ａを示す。

γＴＧＴは下記の式（２）で算出できる。式（２）のうち，β，δ，θＴＧＴはそれぞれ既知の値であり，αＴＧＴが算出できればγＴＧＴが算出できる。オフセット量ＯＦは，対目標面バケット角度の設定値θＴＧＴが指定されると，バケット１０の寸法情報から一意に定まる。例えば，オフセット量ＯＦ＝Ｌ３ｓｉｎ（θＴＧＴ＋δ），となる。このとき，位置合わせ時の接続点９Ｆの目標位置の高さ方向の座標Ｚａも一意に定まり，同目標位置の長手方向の座標Ｘａはアーム９の回動角度βとブーム８の回動角度の目標値αＴＧＴに応じて定まる。アーム９の回動角度βはオペレータ操作により定まるため，最終的に位置合わせ時に取るべきブーム８の回動角度αＴＧＴを演算できる。ここではγＴＧＴを図２１のフローにより算出する。
γＴＧＴ＝１８０−（αＴＧＴ＋β＋δ＋θＴＧＴ） …式（２）

図２１のフローにおいて，バケット制御部８１ｂは，まずステップ１０６１で，アーム９の回動角度βを取得する。ステップ１０６２では，オフセット量ＯＦと目標面６０の高さ情報から，位置合わせ完了時の接続点９Ｆの高さ方向の座標Ｚａを算出する。ステップ１０６３では，位置合わせ完了時の接続点９Ｆの長手方向の座標Ｘａを算出する。ステップ１０６４では，ステップ１０６２のＺａとステップ１０６３のＸａを用いて位置合わせ完了時のブーム８の回動角度の目標値αＴＧＴを幾何学的に算出する。この算出したαＴＧＴと，既知のβ，δ，θＴＧＴと，式（２）とにより，最終的に位置合わせ完了時のバケット１０の回動角度の目標値γＴＧＴを算出できる（ステップ１０６５）。

このようにバケット１０の回動角度の目標値γＴＧＴを算出すると，バケット１０の回動制御量を抑えることができ，オペレータに違和感を与え得る時間を短縮できる。

＜第１実施形態の変形例＞
第１実施形態では，動作判定部８１ｃによってフロント作業装置１Ａが作業準備動作にあり，かつ，バケット１０から目標面６０までの距離Ｄが所定値Ｄ１以下に達した時点でバケット角度制御を実行したが，本変形例では，動作判定部８１ｃによってフロント作業装置１Ａが作業準備動作にあると判定された時点でバケット角度制御を実行するように変更した。他の部分の構成は第１実施形態と同じであり説明は省略する。

本変形例におけるバケット制御部８１ｂ及び動作判定部８１ｃによるバケット角度制御のフローを図２３に示す。この図に示すフローは図１０のフローからステップ１０２を削除したものに相当する。図１０と同じステップの説明は適宜省略する。

ステップ１０１では，第１実施形態同様に，動作判定部８１ｃが，アーム９の回動速度が所定値ω１以下か否かを判定することで，作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを判定している。アーム回動速度が所定値ω１以下である場合，作業装置１Ａが作業準備動作にあると判定してステップ１０３へ進む。

ステップ１０３では，バケット制御部８１ｂは，操作量演算部４３ａから信号を基にオペレータによるバケット１０の操作信号があるか否かを判定する。バケット１０の操作信号がないと判定された場合にはステップ１０５へ進む。

ステップ１０５では，バケット制御部８１ｂは，バケット１０のパイロットライン１４８ａにある電磁比例弁（バケット増圧弁）５６ｃ，５６ｄを開くよう指令を出し，対目標面バケット角度が設定値θＴＧＴとなるようバケットシリンダ７を制御する。

上記のようにバケット制御部８１ｂを構成すると，ステップ１０１でフロント作業装置１Ａが作業準備動作にある場合と判定されたことをトリガーにバケット角度制御が実行され，対目標面バケット角度を目標角度設定装置９６で設定した値θＴＧＴに設定することができる。そのため，バケット角度制御の発動により対目標面バケット角度を容易に設定値θＴＧＴに制御できる。

なお，本変形例では，動作判定部８１ｃが，アーム９の回動速度が所定値ω１以下か否かを判定することで，作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを判定する構成を採用したが，その他の条件で作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを判定しても良い。例えば，ブームの下げ方向の回動速度が所定値ω２以下か否かを判定することで，作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを判定しても良いし，図１４のステップ２０１で判定しても良い。また，図１６のステップ３０１及びステップ３０２の少なくとも一方をステップ１０１の条件に加えて，作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを判定しても良い。

＜付記＞
なお，本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく，さまざま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やすく説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば，上記の各実施形態では，フロント作業装置１Ａが作業準備動作にあるか否かを，主に，アーム９の回動速度が所定値ω１以下か否か，または，アーム９若しくはバケット１０の速度ベクトルにおける目標面６０に垂直な成分が目標面６０に向かっているか否か，に基づいて判定したが，これ以外の要素（例えば，油圧シリンダ５，６，７の負荷の時間変化等）に基づいて判定を行っても良い。

上記の各実施形態においては作業具としてバケット１０を備えた油圧ショベルについて説明したが，作業具はこれに限るものではなく，例えば図２２に示すような，コンクリートやモルタル等を所定の吹き付け面（目標面）６０Ｘに対して吹き付ける吹き付け機１０Ｘを作業具として備えた作業機械にも適用可能である。

また，対目標面バケット角として，バケット１０の底面の角度と目標面６０の角度を略平行にする場合（すなわち，θＴＧＴ＝０の場合）を説明したが，対目標面バケット角度の設定値はこれに限るものではない。例えば，θＴＧＴを０より大きい値にすることでバケット１０の先端を目標面６０に対して食い込ませるような初期姿勢にして掘削作業を容易にしても良い。また，図２２の吹き付け機１０Ｘを作業具として作業機械に取り付けた場合には，吹き付け面６０Ｘとノズル１０Ｙの長軸方向が直交する角度をθＴＧＴ（＝９０度）に設定しても良い。

また，対目標面バケット角度が設定値θＴＧＴに保持されるバケット位置は，目標面６０上のみならず，目標面６０と同形状の面上であって，目標面６０を任意の量だけオフセットさせた面上であっても良い。このようにオフセットさせた面上で作業具の角度をθＴＧＴに制御すると，例えば図２２の吹き付け機１０Ｘによる吹き付け作業において，吹き付け面６０Ｘから所望の量だけ離れた位置にノズル１０Ｙの噴出口を位置させ続けることができる。なお，目標面６０をオフセットさせる量（目標面６０からのオフセット距離）をオペレータが設定可能な入力装置をインターフェース部分として備えても良い。

上記の各実施形態ではブーム８，アーム９，バケット１０の角度を検出する角度センサを用いたが，角度センサではなくシリンダストロークセンサによりショベルの姿勢情報を算出するとしても良い。また，油圧パイロット式のショベルを例として説明したが，電気レバー式のショベルであれば電気レバーから生成される指令電流を制御するような構成としても良い。フロント作業装置１Ａの速度ベクトルの算出方法について，オペレータ操作によるパイロット圧ではなく，ブーム８，アーム９，バケット１０の角度を微分することで算出される角速度から求めても良い。

上記の各実施形態で図９の状態Ｓ２から状態Ｓ３に遷移させる場合，オペレータがブーム８の下げ操作によってバケット１０を目標面６０へ近づけるときに，ブーム制御部８１ａにより，オペレータのブーム８の下げ操作によって目標面６０にバケット１０が侵入しないよう，ブーム制御部８１ａはブーム８の下げ操作を減速，あるいは停止させるよう必要に応じて電磁弁５４ｂに指令を出しても良い。

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。

Ｄ１…目標面と作業具の距離の所定値，θＴＧＴ…対目標面バケット角度の設定値（作業具の目標角度），ω１…アーム回動速度の所定値，１Ａ…フロント作業装置，８…ブーム，９…アーム，１０…バケット，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…ＭＣ制御部，４３ａ…操作量演算部，４３ｂ…姿勢演算部，４３ｃ…目標面演算部，４４…電磁比例弁制御部，４５…操作装置（ブーム，アーム），４６…操作装置（バケット，旋回），５０…作業装置姿勢検出装置，５１…目標面設定装置，５２ａ…オペレータ操作検出装置，５３…表示装置，５４，５５，５６…電磁比例弁，８１…アクチュエータ制御部，８１ａ…ブーム制御部，８１ｂ…バケット制御部，８１ｃ…動作判定部，９６…目標角度設定装置，９７…制御選択スイッチ（制御選択装置），３７４…表示制御部

Claims (8)

1. ブーム，アーム及び作業具を有する作業装置と，
   前記作業装置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装置の動作を指示する操作装置と，
   前記操作装置の操作時に，予め定めた条件に従って前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部を有する制御装置とを備え，
   前記作業具を作業開始位置に移動させた後に前記アームを動作させて作業を行う作業機械において，
   前記制御装置は，前記作業装置が前記作業具を前記作業開始位置に移動させる作業準備動作にあるか否かを前記操作装置への操作に基づいて判定する動作判定部をさらに備え，
   前記アクチュエータ制御部は，前記操作装置の操作時に前記動作判定部において前記作業装置が前記作業準備動作にあると判定されたとき，前記目標面に対する前記作業具の角度が予め設定した目標角度となるように前記複数の油圧アクチュエータのうち前記作業具に係る油圧アクチュエータを制御するマシンコントロール制御を実行す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，
   前記アクチュエータ制御部は，前記操作装置の操作時に前記動作判定部において前記作業装置が前記作業準備動作にあると判定され，さらに，前記作業装置による作業対象の目標形状を示す目標面と前記作業具の距離が所定値以下のとき，前記マシンコントロール制御を実行す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，
   前記動作判定部は，前記アームの回動速度が所定値以下のとき，または，前記アーム若しくは前記作業具の速度ベクトルにおける前記目標面に垂直な成分が前記目標面に向かっているとき，前記作業装置が前記作業準備動作にあると判定することを特徴とする作業機械。
4. 請求項３に記載の作業機械において，
   前記動作判定部は，前記アームの回動速度がゼロであるとき，前記作業装置が前記作業準備動作にあると判定することを特徴とする作業機械。
5. 請求項３に記載の作業機械において，
   前記アームの回動速度は，前記アームのダンプ動作における回動速度であることを特徴とする作業機械。
6. 請求項３に記載の作業機械において，
   前記動作判定部は，前記アームの回動速度が前記所定値以下かつ前記ブームの下げ動作があるとき，前記作業装置が前記作業準備動作にあると判定することを特徴とする作業機械。
7. 請求項１に記載の作業機械において，
   前記アクチュエータ制御部による前記マシンコントロール制御の実行の許可・禁止を択一的に選択する制御選択装置をさらに備えることを作業機械。
8. 請求項１に記載の作業機械において，
   前記アクチュエータ制御部は，前記目標面を基準とする所望の位置で前記目標面に対する前記作業具の角度が前記目標角度となるように，前記マシンコントロール制御を実行することを特徴とする作業機械。

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