[0001] 本发明涉及一种施工(construction)机械。更具体地是，本发明涉及一种具有工作区域限制功能的施工设备，其能够通过考虑沿着铲斗的端部移动的方向(铲斗的端部的速度方向)从铲斗的端部到工作区域的距离来控制铲斗的速度而提高工作速度和工作效率。

[0002] 通常，挖掘机是执行各种任务的施工设备，各种任务诸如用于在施工现场等处挖掘地面的挖掘、用于运送土壤的装载、用于制造地基的挖掘、用于拆除建筑物的破碎、用于清洁地面的放坡(grading)以及用于平整地面的平整。

[0003] 参照图1，诸如挖掘机的施工设备1包括下部行驶体2、被可旋转地支撑在下部行驶体2上的上部回转(swing)体3、以及安装成在上部回转体3上竖直操作的工作装置4。

[0004] 另外，工作装置4由多关节构成，并且具备后端被可旋转地支承在上部回转体3上的动臂4a、后端被可旋转地支撑在动臂4a的末梢上的斗杆4b、以及被可旋转地安装在斗杆4b的末梢侧的铲斗4c。另外，在使用者操作杆时供给液压油，并且动臂液压缸5(工作用致动器)、斗杆液压缸6(工作用致动器)和铲斗液压缸7(工作用致动器)分别操作动臂4a、斗杆
4b、铲斗4c。

[0005] 这种施工设备1通过其相应的手动操作杆来操作诸如动臂4a、斗杆4b、铲斗4c等的工作装置4。然而，由于工作装置4通过连接到每个关节部而执行旋转运动，所以对于驾驶员来说需要相当大的努力来单独地操作每个工作装置4并且在预定区域内工作。

[0006] 因此，为了便于这种工作，日本专利No.平成7‑94735公开一种用于控制挖掘机的工作区域的设备。用于控制挖掘机的工作区域的该设备控制铲斗沿铲斗的端部和非侵入区域的边界线之间的距离的运动。因此，即使驾驶员意外地将铲斗的端部移动到非侵入区域，铲斗也将自动停在非侵入区域的边界线处。另外，驾驶员可以根据工作装置的速度在工作期间正在降低的事实而认识到工作装置正在接近非侵入区域，并且将铲斗的末梢收回。

[0007] 图2示出铲斗13c的姿态不同但是铲斗的端部P1与工作区域之间的距离在驾驶员设定工作区域并且然后移除堆积在该工作区域中的工作材料的情况下相同的情况(a)～(c)。

[0008] 在这种情况下，驾驶员为了移除堆积在所设定的工作区域中的工作材料而需要操作铲斗13c。根据现有技术，铲斗13c的速度仅由铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d限制。即使铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d相同，仍可以存在铲斗13c根据铲斗13c的姿态而未侵入工作区域或者具有额外时间侵入工作区域的情况。即使在这样的情况下，根据现有技术，铲斗13c的速度仍完全相同地受到限制。

[0009] 换言之，与情况(a)和(b)不同，即使情况(c)是在驾驶员操作铲斗13c时铲斗13c未侵入工作区域的情况，仍能识别到铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d相同，因此，以与情况(a)和(b)中的相同的方式限制铲斗13c的速度。因此，存在工作速度和效率可能在使用铲斗13c进行挖掘工作期间降低的问题。

[0036] 以下，将参照图1至图6详细解释本发明的实施例。

[0037] 根据本发明的实施例的施工设备10包括下部行驶体11、被可旋转地支撑在下部行驶体11上的上部回转体12、以及由上部回转体12支撑的工作装置13。工作装置13包括通过相应的液压缸操作的动臂13a、斗杆13b、以及铲斗13c。

[0038] 此外，根据本发明的实施例的施工设备10具有工作区域限制功能，其通过基于铲斗的端部与工作表面之间的距离来限制驾驶员的工作装置13的操作所需的量而控制工作装置13不侵入工作表面。

[0039] 图3是示出根据本发明的实施例的施工设备的工作区域限制功能的示意图，并且图4是示出根据本发明的实施例的用于在铲斗处于操作期间控制工作装置的速度的方法的示意图。

[0040] 参照图3和图4，根据本发明的实施例的具有工作区域限制功能的施工设备10包括：下部行驶体11；被可旋转地支撑在下部行驶体11上的上部回转体12；包括通过向的液压缸移动并且由上部回转体12支撑的动臂13a、斗杆13b和铲斗13c的工作装置13；用于控制液压缸的控制阀100；用于输出与驾驶员的操作量对应的操作信号的操作杆200；能够设定和/或选择工作装置的工作区域的工作设定单元400；用于收集和/或计算工作装置的位置信息和/或工作区域的位置信息提供单元300；以及用于根据从操作杆200、工作设定单元400和位置信息提供单元300中的至少一个来输入的信号输出用于控制阀100的控制信号的电子控制单元500。

[0041] 此时，根据本发明的实施例的电子控制单元500被配置用以计算工作区域与工作装置之间的距离，并且基于计算出的距离来控制工作装置的速度。

[0042] 控制阀100是用于通过在压力下沿轴向方向移动的阀芯来打开和关闭流动路径的构件。换言之，控制阀100用于切换由作为液压源的液压泵向液压缸侧供给的液压油的供给方向。控制阀100通过液压管连接到液压泵，并且引起从液压泵向液压缸供应液压油。

[0043] 操作杆200可以是液压操纵杆或电动操纵杆，并且优选地是，其可以是产生与驾驶员的操作量成比例的电信号并且将该电信号提供给电子控制单元500的电动操纵杆。

[0044] 根据工作装置13的当前位置和操作杆200的操作方向来确定工作装置13是接近所设定的工作区域还是移动远离所设定的工作区域。

[0045] 当工作装置13移动远离工作区域时，工作装置13的速度可以不受限制。

[0046] 位置信息提供单元300可以包括以下中的至少一个：位置测量单元，用于通过接收由全球定位系统(GPS)卫星所发送的信号来测量施工设备10的位置信息；姿态测量单元，用于测量施工设备10的姿态信息以及动臂13a、斗杆13b和铲斗13c中的至少一个的位置；以及坐标计算单元，用于基于从位置测量单元和姿态测量单元所测量得到的位置信息来计算施工设备10的坐标。

[0047] 位置测量单元310可以包括能够接收由GPS卫星所发送的信号的接收器，并且从接收到的信号测量施工设备10的位置信息。

[0048] 姿态测量单元320使用多个惯性测量单元(IMU)和角度传感器等测量动臂13a、斗杆20和铲斗13c中的至少一个的位置和/或姿态以及施工设备100的本体的倾斜度。

[0049] 坐标计算单元330使用从位置测量单元310和姿态测量单元320所测量得到的位置信息，计算动臂13a、斗杆20以及铲斗13c中的至少一个的坐标(x，y，z)。

[0050] 另外，位置信息提供单元300还可以包括映射单元，用于将工作位置周围的地理信息和关于工作位置的施工信息映射到计算出的坐标。映射单元通过根据由坐标计算单元计算出的每条轴线来调整由姿态测量单元所测量得到的相应工作装置13的位置和/或姿态以及施工设备10的形体的倾斜度来进行映射。

[0051] 工作设定单元400可以设定和/或选择工作装置13的工作区域。另外，工作设定单元400可以提供可以根据驾驶员的需要以各种方式设定和/或选择的工作模式功能，例如工作区域限制模式、回转位置控制模式。

[0052] 工作设定单元400根据工作区域和/或工作模式的设定和/或选择，在显示器410的屏幕上显示从位置信息提供单元300所提供的施工设备10的地理信息、位置信息和姿态信息中的至少一个。换言之，驾驶员可以在显示器410的屏幕上设定和/或选择工作区域和/或工作模式，并且因此使用所显示的信息来容易地工作。在这种情况下，工作区域是指由驾驶员所瞄准的设计表面。

[0053] 电子控制单元500确定，在从操作杆200输入操作信号时，当前工作装置13是接近还是远离设定的工作区域。在确定了工作装置13正在接近设定的工作区域时，计算工作装置13与设定的工作区域之间的距离。然后，将计算出的距离与预定参照值进行比较，以确定工作装置13的速度限制，最后，将控制信号输出到控制阀100，以用于基于所述速度限制控制液压缸。

[0054] 换言之，当根据本发明的工作区域限制功能是起作用的时，操作杆200的操作信号和/或位置信息提供单元300的各种位置信息被输入到电子控制单元500。另外，电子控制单元500基于所收集的信息来确定工作装置13的速度限制量，并且因此控制工作装置13的移动。

[0055] 参照图3和图4，根据本发明的实施例的具有工作区域限制功能的施工设备如下所示地操作。

[0056] 首先，驾驶员在工作设定单元400上选择主动控制模式，并且设定目标工作区域。另外，驾驶员操作铲斗处于操作杆200以用于在工作区域上进行铲斗挖掘工作。

[0057] 此时，工作装置13是接近还是远离设定的工作区域由工作装置13的当前位置和操作杆200的操作方向确定。仅当工作装置13接近工作区域时，工作装置13的速度才可以受到限制。

[0058] 然后，位置信息提供单元300收集和/或计算工作装置13的位置信息和/或设定的工作区域的位置信息，并且将其提供给电子控制单元500。

[0059] 电子控制单元500基于从位置信息提供单元300所提供的工作装置13的位置信息和/或设定的工作区域的位置信息，计算沿着铲斗的端部P1移动的方向(铲斗的端部的速度方向)从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds。

[0060] 这里，铲斗的端部P1移动的方向可以是将铲斗的端部P1与铲斗的销相连接的虚拟线(线1)垂直于铲斗的端部P1所沿的方向。换言之，它可以是面向从具有将铲斗的端部P1与铲斗的销P2相连接的虚拟线作为直径的圆在铲斗的端部P1处的切线的方向。

[0061] 接着，电子控制单元500将沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的计算出的距离ds与预定参照值dt进行比较。

[0062] 当沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds大于预定参照值dt时，电子控制单元500确定铲斗13c的速度不需要被限制。换言之，电子控制单元500此时不限制铲斗13c的速度。

[0063] 然而，当沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds小于参照值dt时，电子控制单元500确定铲斗处于速度限制范围内。

[0064] 然后，电子控制单元500将铲斗13c的减速速率设定在速度限制范围内。此时，铲斗13c的减速速率可以根据沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds而线性设定，但不限于此。

[0065] 因此，基于速度限制范围内的减速速率来控制铲斗13c的速度。

[0066] 换言之，电子控制单元500根据沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds基于减速速率来输出控制信号到控制阀100，并且控制阀100基于该控制信号控制液压缸。

[0067] 参照图4，如下面所示，将描述用于根据铲斗在铲斗挖掘期间的姿态进行控制的方法。

[0068] 铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d在姿态(a)、(b)和(c)中全部相同，但是在操作铲斗13c时每个姿态侵入工作区域所花费的时间不同。

[0069] 虽然如此，但是如果基于铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d限制铲斗13c的速度，则在姿态(a)～(c)中铲斗13c的速度也被限制为全部相同。因此，在使用铲斗13c进行挖掘工作期间，工作速度和效率可能会降低。

[0070] 因此，需要基于沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds来控制铲斗13c的速度。

[0071] 此时，在姿态(a)中，沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds是最小的d1，在姿态(b)中，沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds是第二小的d2，并且在姿态(c)中，沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds是最大的d3。

[0072] 换言之，根据本发明，在姿态(a)中，铲斗13c的速度降低得最多，在姿态(b)中，铲斗13c的速度降低得第二多，并且在姿态(c)中，铲斗13c的速度降低得最少。

[0073] 这样，当电子控制单元500基于沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds控制铲斗13c的速度时，与在铲斗13c未侵入工作区域时或在根据铲斗13c在铲斗挖掘期间的姿态存在大量时间侵入工作区域时相比，可以更有效地操作铲斗
13c。

[0074] 图5是示出根据本发明的另一实施例的用于在施工设备的斗杆处于操作期间控制工作装置的速度的方法的示意图。

[0075] 参照图3和图5，根据本发明的另一实施例的用于操作具有工作区域限制功能的施工设备的方法如下所示。

[0076] 首先，驾驶员在工作设定单元400上选择主动控制模式，并且设定目标工作区域。另外，驾驶员操作斗杆处于操作杆200，以用于在工作区域上进行挖掘工作。此时，也可以不操作铲斗13c的操作杆200。

[0077] 此时，工作装置13是接近还是移动远离设定的工作区域由工作装置13的当前位置和操作杆200的操作方向确定。仅当工作装置13接近工作区域时，工作装置13的速度才可以受到限制。

[0078] 然后，位置信息提供单元300收集和/或计算工作装置13的位置信息和/或设定的工作区域的位置信息，并且将其提供给电子控制单元500。

[0079] 电子控制单元500基于从位置信息提供单元300所提供的工作区域13的位置信息和/或设定的工作区域的位置信息，计算沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds。

[0080] 在此，铲斗的端部P1移动的方向可以是将铲斗的端部P1与斗杆的销P3相连接的虚拟线(线2)垂直于铲斗的端部P1所沿的方向。换言之，它可以是面向从具有将铲斗的端部P1与斗杆的销P3相连接的虚拟线作为直径的圆在铲斗的端部P1处的切线的方向。

[0081] 接着，电子控制单元500将沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的计算出的距离ds与预定参照值dt进行比较。

[0082] 当沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds大于预定参照值dt时，电子控制单元500确定铲斗13c的速度不需要被限制。换言之，电子控制单元500此时不限制铲斗13c的速度。

[0083] 然而，当沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds小于参照值dt时，电子控制单元500确定铲斗处于速度限制范围内。

[0084] 然后，电子控制单元500将铲斗13c的减速速率设定在速度限制范围内。此时，铲斗13c的减速速率可以根据沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds而线性设定，但不限于此。

[0085] 因此，基于速度限制范围内的减速速率来控制铲斗13c的速度。

[0086] 换言之，电子控制单元500根据沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds基于减速速率来输出控制信号到控制阀100，并且控制阀100基于该控制信号控制液压缸。

[0087] 参照图5，如下面所示，将描述用于根据斗杆在挖掘期间的姿态进行控制的方法。

[0088] 铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d在姿态(a)、(b)、(c)中全部相同，但是在操作斗杆13b时每个姿态侵入工作区域所花费的时间不同。

[0089] 虽然如此，但是如果基于铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d限制斗杆13b的速度，则在姿态(a)～(c)中斗杆13b的速度也被限制为全部相同。因此，在使用斗杆13b进行挖掘工作期间，工作速度和效率可能会降低。

[0090] 因此，需要基于沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds来控制斗杆13b的速度。

[0091] 此时，在姿态(a)中，沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds是最小的d1，在姿态(b)中，沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds是第二小的d2，并且在姿态(c)中，沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds是最大的d3。

[0092] 换句话说，在姿态(a)中，铲斗13c的速度降低得最多，在姿态(b)中，铲斗13c的速度降低得第二多，并且在姿态(c)中，铲斗13c的速度降低得最少。

[0093] 这样，当电子控制单元500基于沿着铲斗的端部P1的速度方向从铲斗的端部P1到工作区域的距离ds控制斗杆13b的速度时，与在铲斗13c未侵入工作区域时或在根据斗杆13b在铲斗挖掘期间的姿态存在大量时间侵入工作区域时相比，可以更有效地操作斗杆
13b。

[0094] 图6是示出根据本发明的又一实施例的用于在施工设备的铲斗处于操作期间控制工作装置的速度的方法的示意图。

[0095] 参照图3和图6，根据本发明的又一实施例的用于操作具有工作区域限制功能的施工设备的方法如下所示。

[0096] 首先，驾驶员在工作设定单元400上选择主动控制模式，并且设定目标工作区域。另外，驾驶员操作铲斗处于操作杆200，以用于在工作区域上进行挖掘工作。

[0097] 此时，工作装置13是接近还是移动远离设定的工作区域由工作装置13的当前位置和操作杆200的操作方向确定。仅当工作装置13接近工作区域时，工作装置13的速度才可以受到限制。

[0098] 然后，位置信息提供单元300收集和/或计算工作装置13的位置信息和/或设定的工作区域的位置信息，并且将其提供给电子控制单元500。

[0099] 电子控制单元500基于从位置信息提供单元300所提供的工作装置13的位置信息和/或预定的工作区域的位置信息来设定基准铲斗销P2位置。另外，速度限制范围和/或减速速率基于基准铲斗销P2位置处的工作区域与铲斗的端部P1之间的最短距离d来设定。

[0100] 电子控制单元500在铲斗的端部P1进入速度限制范围时基于铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d根据设定的减速速率来控制铲斗13c的速度。

[0101] 这里，当铲斗的销P2的位置从基准铲斗销P2位置移动时，电子控制单元500确定铲斗的销P2的位置相比基准铲斗销P2位置是升高还是降低。

[0102] 当确定铲斗的销P2的位置升高得高于基准铲斗销P2位置时，电子控制单元500可以与铲斗的销P2升高的距离成比例地减小铲斗13c的速度限制。

[0103] 当确定铲斗的销P2的位置降低得低于基准铲斗销P2位置时，电子控制单元500可以与铲斗的销P2降低的距离成比例地增加铲斗13c的速度限制。

[0104] 换言之，电子控制单元500可以设定基准铲斗销P2位置处的速度限制范围和减速速率，并且通过将铲斗的销P2的高度方向上的位置变化量反映到速度限制范围和减速速率来控制铲斗13c的速度。

[0105] 参照图6，如下所示，将描述用于根据铲斗的销P2在铲斗挖掘期间的位置进行控制的方法。

[0106] 铲斗的端部P1与工作区域的最短距离d在姿态(a)和(b)中全部相同，但在操作铲斗13c时每个姿态侵入工作区域所花费的时间不同。

[0107] 虽然如此，但是如果基于铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d限制铲斗13c的速度，则在姿态(a)和(b)中铲斗13c的速度也被限制为全部相同。因此，在使用铲斗13c进行挖掘工作期间，工作速度和效率可能会降低。

[0108] 因此，即使铲斗的端部P1与工作区域的最短距离d相同，也需要通过反映铲斗的销P2的高度方向上的位置变化量来控制铲斗13c的速度。

[0109] 例如，在解释电子控制单元500识别铲斗的销P2在姿态(a)中的位置作为基准位置的情况时，电子控制单元500基于姿态(a)中的工作区域与铲斗的端部P1之间的最短距离d来设定速度限制范围和/或减速速率。

[0110] 另外，在铲斗13c的姿态从姿态(a)改变为姿态(b)的情况下，姿态(b)是指当存在大量时间侵入工作区域时或者当与姿态(a)相比铲斗未侵入工作区域时的情况。换言之，它是指铲斗的端部P1与工作区域之间的距离相同、但是铲斗的销P2的位置被升高得高于基准位置多达da的情况。

[0111] 此时，电子控制单元500与升高得高于基准位置的距离da成比例地减少铲斗13c的速度限制量。换言之，在图6中，铲斗13c在姿态(a)中的减速曲线平行于铲斗13c在姿态(b)中的减速曲线移动，距离多达被升高得高于基准位置的距离da。

[0112] 因此，即使铲斗的端部P1与工作区域之间的最短距离d在姿态(a)和(b)中相同，但是与基准位置，即姿态(a)相比，铲斗13c在姿态(b)中的速度限制量减少得甚至更多。另外，与基准位置，即姿态(a)相比，铲斗13c在姿态(b)中的速度限制范围减小得甚至更多。

[0113] 这样，当电子控制单元500设定基准铲斗销P2位置并且通过反映基准铲斗销P2在高度方向上的位置变化量来控制铲斗13c的速度时，与在铲斗13c未侵入工作区域时或在根据铲斗13c在铲斗挖掘期间的姿态存在大量时间侵入工作区域时相比，可以更有效地操作铲斗13c。

[0114] 此外，驾驶员可以容易地操作工作装置，而不管驾驶经验如何。

[0115] 为了说明的目的，已经呈现本发明的上述描述，并且对于本领域的普通技术人员来说，很明显，在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下，能够容易地将本发明修改为其它详细形式。

[0116] 本发明的范围由所附权利要求书呈现，并且应当理解，从权利要求书的定义和范围及其等同物导出的所有改变或修改都落入本发明的范围内。

[0117] 附图标记的描述

[0118] 10：施工设备

[0119] 11：下部行驶体

[0120] 12：上部回转体

[0121] 13：工作装置

[0122] 13a：动臂

[0123] 13b：斗杆

[0124] 13c：铲斗

[0125] 14：动臂液压缸(工作致动器)

[0126] 15：斗杆液压缸(工作致动器)

[0127] 16：铲斗液压缸(工作致动器)

[0128] 100：控制阀

[0129] 200：操作杆

[0130] 300：位置信息提供单元

[0131] 310：位置测量单元

[0132] 320：姿态测量单元

[0133] 330：坐标计算单元

[0134] 400：工作设定单元

[0135] 410：显示器

[0136] 500：电子控制单元

[0137] P1：铲斗的端部

[0138] P2：铲斗的销

[0139] P3：斗杆的销

[0140] d:铲斗的端部与工作区域之间的最短距离

[0141] ds:沿着铲斗的端部移动的方向(铲斗的端部的速度方向)从铲斗的端部到工作区域的距离