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本发明提供一种能够进行作业机的自由操作的作业车辆。作业车辆具备：获取表示作业机的作业对象的目标形状的设计面的数据的设计面信息获取部(202)；计算铲斗的刃尖的位置的刃尖位置运算部(204)；在铲斗的刃尖接近设计面时、在铲斗的刃尖即将到达设计面之前执行使作业机的动作停止的动作限制控制的动作限制部(211)。动作限制部(211)在刃尖从设计面向铅垂方向下方离开了规定距离以上的情况下不执行动作限制控制。

1.  一种作业车辆，其具备：
作业机，其具有动臂、安装于所述动臂的前端部的斗杆和安装于所述斗杆的前端部的铲斗；
设计面信息获取部，其获取表示所述作业机的作业对象的目标形状的设计面的数据；
刃尖位置运算部，其计算所述铲斗的刃尖的位置；
动作限制部，其在所述铲斗的刃尖接近所述设计面时、在所述铲斗的刃尖即将到达所述设计面之前执行使所述作业机的动作停止的动作限制控制，
所述动作限制部在所述刃尖从所述设计面向铅垂方向下方离开了规定距离以上的情况下不执行所述动作限制控制。

2.  根据权利要求1所述的作业车辆，其中，
所述动作限制部以避免所述刃尖的位置低于所述设计面的方式对所述动臂进行控制。

3.  根据权利要求1或2所述的作业车辆，其中，
该作业车辆与外部之间经由卫星通信来收发信息。

作业车辆
技术领域
本发明涉及一种作业车辆。
背景技术
在以往的作业车辆中，具有将前部作业装置的动作范围限制在预先设定的规定区域内的技术。例如，在专利文献1中公开了如下结构：在将前部作业装置的动作范围限制在规定区域内的控制装置中，若检测到下部行驶体及上部回旋体的至少一方的动作，则解除前部作业装置的动作限制。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-32331号公报
发明内容
发明要解决的课题
此外，正在研究一种如下的作业车辆：在从外部获取设计面信息之后，进行作业机的位置检测，基于检测到的作业机的位置来自动控制作业机。
在作为作业车辆的液压挖掘机中，在将铲斗的刃尖与设计面进行对位的情况下，为了避免铲斗的刃尖陷入设计面，进行在刃尖与设计面接触的位置使作业机的动作自动停止的控制。
在修造土地或者道路时的填土作业中，在将要进行填土的预定的区域(填土预定区域)，填土的上表面成为设计面。由此，在填土作业中，若上述的控制有效，则在填土前铲斗进入比设计面靠下方的区域时，作业机自动停止，因此操作者无法进行动臂的下降操作。
本发明的目的在于提供一种在铲斗的刃尖处于比设计面靠铅垂方向下方的状态下能够进行作业机的自由操作的技术。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的作业车辆具备作业机、设计面信息获取部、刃尖位置运算部和动作限制部。作业机具有动臂、安装于动臂的前端部的斗杆和安装于斗杆的前端部的铲斗。设计面信息获取部获取表示作业机的作业对象的目标形状的设计面的数据。刃尖位置运算部计算铲斗的刃尖的位置。动作限制部执行动作限制控制。动作限制控制是在铲斗的刃尖接近设计面时、在铲斗的刃尖即将到达设计面之前使作业机的动作停止的控制。动作限制部在刃尖从设计面向铅垂方向下方离开了规定距离以上的情况下不执行动作限制控制。
根据本发明的作业车辆，在刃尖在铅垂方向上位于设计面以下的位置的状态下，能够自由地对作业机进行操作。
在上述的作业车辆中，动作限制部以避免刃尖的位置低于设计面的方式对动臂进行控制。如此，能够防止作业机对设计面的侵入，因此能够提高使用了液压挖掘机的平整土地作业的品质及效率。
上述的作业车辆与外部之间经由卫星通信来收发信息。如此，能够基于与外部之间收发的信息来进行施工，能够实现使用了作业车辆的高效率且高精度的平整土地作业。
发明效果
如以上说明那样，根据本发明，在铲斗的刃尖位于比设计面靠铅垂方向下方的状态下，能够自由地对作业机进行操作。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的液压挖掘机的结构的简要立体图。
图2是液压挖掘机的驾驶室内部的立体图。
图3是表示相对于液压挖掘机进行信息的收发的结构的简要情况的示意图。
图4是示意性地表示从侧方观察到的液压挖掘机的图。
图5是表示液压挖掘机的控制系统的功能结构的框图。
图6是使用液压挖掘机的平整土地作业中的、作业机的对位前的简要图。
图7是使用液压挖掘机的平整土地作业中的、作业机的对位后的简要 图。
图8是用于说明液压挖掘机的控制系统的动作的流程图。
图9是表示铲斗与设计面的位置关系的一个例子的示意图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
首先，对作为能够应用本发明的技术思想的作业车辆的一个例子的液压挖掘机的结构进行说明。
图1是表示本发明的一实施方式的液压挖掘机1的结构的简要立体图。如图1所示，液压挖掘机1主要具备下部行驶体2、上部回旋体3和作业机5。由下部行驶体2和上部回旋体3构成作业车辆主体。
下部行驶体2具有左右一对的履带。通过一对履带旋转，从而液压挖掘机1能够自行。上部回旋体3相对于下部行驶体2设置成能够回旋。
上部回旋体3包括作为用于供操作者对液压挖掘机1进行操作的空间的驾驶室4。驾驶室4包含于作业车辆主体。上部回旋体3在后方侧B包括收纳发动机的发动机室以及平衡重。需要说明的是，在本实施方式中，在操作者落座于驾驶室4内时，将操作者的前方侧(正面侧)称为上部回旋体3的前方侧F，将其相反侧、即操作者的后方侧称为上部回旋体3的后方侧B，将落座状态下的操作者的左侧称为上部回旋体3的左侧L，将落座状态下的操作者的右侧称为上部回旋体3的右侧R。以下，设上部回旋体3的前后左右与液压挖掘机1的前后左右一致。
进行砂土的挖掘等作业的作业机5通过上部回旋体3轴支承为能够沿上下方向动作。作业机5具有：能够沿上下方向动作地安装于上部回旋体3的前方侧F的大致中央部的动臂6；能够沿前后方向动作地安装于动臂6的前端部的斗杆7；能够沿前后方向动作地安装于斗杆7的前端部的铲斗8。铲斗8在其前端具有刃尖8a。动臂6、斗杆7及铲斗8构成为分别被作为液压缸的动臂工作缸9、斗杆工作缸10及铲斗工作缸11驱动。
驾驶室4配置在上部回旋体3的前方侧F的左侧L。作业机5相对于驾驶室4设置在作为驾驶室4的一方的侧部侧的右侧R。需要说明的是，驾驶室4与作业机5的配置不局限于图1所示的例子，例如也可以在配置 于上部回旋体3的前方右侧的驾驶室4的左侧设置作业机5。
图2是液压挖掘机1的驾驶室4内部的立体图。如图2所示，在驾驶室4的内部配置有供操作者朝向前方侧F落座的驾驶席24。驾驶室4包括覆盖驾驶席24地配置的屋顶部分和支承屋顶部分的多个支柱。多个支柱具有：相对于驾驶席24配置在前方侧F的前支柱；相对于驾驶席24配置在后方侧B的后支柱；配置在前支柱与后支柱之间的中间支柱。各支柱沿着相对于水平面正交的铅垂方向延伸，与驾驶室4的底板部和屋顶部分连结。
由各支柱和驾驶室4的底板部及屋顶部分围成的空间形成驾驶室4的室内空间。驾驶席24收容在驾驶室4的室内空间中，配置在驾驶室4的底板部的大致中央部。在驾驶室4的左侧L的侧面设有用于供操作者上下驾驶室4的门。
相对于驾驶席24而言在前方侧F配置有前窗。前窗由透明材料形成，落座于驾驶席24的操作者通过前窗能够视觉确认到驾驶室4的外部。例如，如图2所示，落座于驾驶席24的操作者能够通过前窗直接看到挖掘砂土的铲斗8。
在驾驶室4内部的前方侧F设置有监视装置26。监视装置26配置在驾驶室4内的右前侧的角部，通过从驾驶室4的底板部延伸的支承台支承。监视装置26相对于前支柱而言配置在驾驶席24侧。从落座于驾驶席24的操作者观察，监视装置26配置在前支柱的跟前侧。
监视装置26用于多种目的，因而具备：具有各种监视功能的平面状的显示面26d；具有被分派了多功能的多个开关的开关部27；以声音来表现在显示面26d上显示的内容的声音产生器28。该显示面26d由液晶显示器、有机EL显示器等图像显示器构成。开关部27由多个按键开关构成，但并不局限于此，也可以是触摸面板式的触摸开关。
在驾驶席24的前方侧F设有左右各履带的行驶操作杆(左右行驶操作杆)22a、22b。左右行驶操作杆22a、22b构成用于操作下部行驶体2的行驶操作部22。
在驾驶席24的右侧R设置有第一操作杆44，该第一操作杆44用于供搭乘于驾驶室4的操作者操作作业机5中的动臂6及铲斗8的驱动。在驾 驶席24的右侧R还设置有供各种开关类安装的开关面板29。在驾驶席24的左侧L设置有第二操作杆45，该第二操作杆45用于供操作者操作作业机5中的斗杆7的驱动及上部回旋体3的回旋。
在监视装置26的上方配置有监视器21。监视器21具有平面状的显示面21d。监视器21安装于一对前支柱中的接近作业机5的一侧的右侧R的前支柱上。监视器21在落座于驾驶席24的操作者的向右前方的视线中配置在前支柱的跟前侧。在驾驶室4的右侧R具备作业机5的液压挖掘机1中，通过将监视器21安装在右侧R的前支柱上，操作者能够以小的视线移动量看到作业机5和监视器21这两方。
图3是表示相对于液压挖掘机进行信息的收发的结构的简要情况的示意图。液压挖掘机1具备控制器20。控制器20具有控制作业机5的动作、上部回旋体3的回旋以及下部行驶体2的行驶驱动等的功能。控制器20和监视器21经由双向的网络通信电缆23连接，形成液压挖掘机1内的通信网络。监视器21及控制器20经由网络通信电缆23而能够相互收发信息。需要说明的是，监视器21及控制器20分别以微型计算机等的计算机装置为主体而构成。
在控制器20与外部的监视台96之间能够进行信息的收发。在本实施方式中，控制器20和监视台96经由卫星通信进行通信。在控制器20上连接有具有卫星通信天线92的通信终端91。如图1所示，卫星通信天线92沿左右方向空开间隔地搭载于上部回旋体3。在地上的监视台96中经由互联网等连接有网络管制站95，该网络管制站95通过专用线路与利用专用通信线路同通信卫星93进行通信的通信地球站94连接。由此，经由通信终端91、通信卫星93、通信地球站94及网络管制站95而在控制器20与规定的监视台96之间收发数据。
用三维CAD(ComputerAidedDesign)制成的施工设计数据预先保存于控制器20。监视器21在画面上实时地更新显示从外部接收到的液压挖掘机1的当前位置，操作者能够始终确认液压挖掘机1的作业状态。
控制器20实时地对施工设计数据与作业机5的位置及姿势进行比较，基于该比较结果来驱动液压回路，由此控制作业机5。更具体地说，对按照作业对象的施工设计数据的目标形状(设计面)与铲斗8的位置进行比 较，控制为铲斗8的刃尖8a不会位于比设计面低的位置，从而避免挖入设计面以上。由此，能够提高施工效率及施工精度，能容易进行高品质的建设施工。
图4是示意性地表示从侧方观察到的液压挖掘机1的图。如图4所示，动臂6的基端部经由动臂销13安装于上部回旋体3的前部。斗杆7的基端部经由斗杆销14安装于动臂6的前端部。铲斗8经由铲斗销15安装于斗杆7的前端部。
在动臂工作缸9、斗杆工作缸10及铲斗工作缸11上分别设有第一～第三行程传感器16～18。第一行程传感器16检测动臂工作缸9的行程长度。第二行程传感器17检测斗杆工作缸10的行程长度。第三行程传感器18检测铲斗工作缸11的行程长度。关于图4中所示的倾斜角θ1～θ3见后述。
在上部回旋体3上设有全球坐标运算器25。通过卫星通信天线92接收到的信号输入全球坐标运算器25。全球坐标运算器25计算卫星通信天线92的位置。
图5是表示液压挖掘机1的控制系统200的功能结构的框图。如图5所示，用于控制本实施方式的液压挖掘机1的控制系统200具备操作装置40、控制器20和输入部90。输入部90具有上述的全球坐标运算器25和通信终端91。
操作装置40接受驱动作业机5的操作者的操作，输出与操作者的操作相应的操作信号。操作装置40具有第一操作杆装置41和第二操作杆装置42。第一操作杆装置41具有由操作者操作的第一操作杆44以及动臂操作检测部41A及铲斗操作检测部41B。第二操作杆装置42具有由操作者操作的第二操作杆45以及回旋操作检测部42A及斗杆操作检测部42B。
第一操作杆44接受操作者进行的动臂6的操作和操作者进行的铲斗8的操作。动臂操作检测部41A根据第一操作杆44的操作输出动臂操作信号。铲斗操作检测部41B根据第一操作杆44的操作输出铲斗操作信号。
第二操作杆45接受操作者进行的上部回旋体3的回旋操作和操作者进行的斗杆7的操作。回旋操作检测部42A根据第二操作杆45的操作输出回旋操作信号。斗杆操作检测部42B根据第二操作杆45的操作输出斗 杆操作信号。
控制器20具有存储部201、设计面信息获取部202、作业机角度运算部203、刃尖位置运算部204、距离运算部205、设计面角度运算部206、运算处理部210。
在存储部201中存储有各种信息、程序、阈值、对应关系等。控制器20根据需要从存储部201读出数据或向存储部201存储数据。
设计面信息获取部202获取表示作业机5的作业对象的三维的目标对象的设计面的数据。设计面的数据预先输入于存储部201中，在存储部201存储有设计面的数据的情况下，设计面信息获取部202从存储部201读出设计面的数据。或者，设计面信息获取部202也可以经由通信终端91从外部获取随时更新的设计面的数据。
作业机角度运算部203从第一～第三行程传感器16～18获取与动臂工作缸长度、斗杆工作缸长度及铲斗工作缸长度相关的数据。作业机角度运算部203还根据第一行程传感器16检测到的动臂工作缸长度算出动臂6相对于作业车辆主体的坐标系的铅垂方向的倾斜角θ1。作业机角度运算部203还根据第二行程传感器17检测到的斗杆工作缸长度算出斗杆7相对于动臂6的倾斜角θ2。作业机角度运算部203还根据第三行程传感器18检测到的铲斗工作缸长度算出铲斗8的刃尖8a相对于斗杆7的倾斜角θ3。
刃尖位置运算部204从作业机角度运算部203获取倾斜角θ1～θ3而计算铲斗8的刃尖8a相对于作业车辆主体的相对位置。刃尖位置运算部204还从全球坐标运算器25获取卫星通信天线92的位置。刃尖位置运算部204基于卫星通信天线92的位置及铲斗8的刃尖8a相对于作业车辆主体的相对位置计算刃尖8a的当前位置。
距离运算部205从刃尖位置运算部204获取铲斗8的刃尖8a的当前位置，并且从设计面信息获取部202获取设计面的数据。距离运算部205计算刃尖8a相对于设计面的相对位置。更详细而言，距离运算部205计算刃尖8a相对于设计面而言位于上方或者下方以及与设计面垂直的垂直方向上的设计面与刃尖8a之间的距离。
设计面角度运算部206从设计面信息获取部202获取设计面的数据，算出设计面相对于水平方向的倾斜角度。
运算处理部210从操作装置40获取回旋操作信号、动臂操作信号、斗杆操作信号及铲斗操作信号，基于这些信息向比例电磁阀63输出控制信号，由此进行回旋体的回旋动作及作业机5的驱动。
比例电磁阀63设置在将第一操作杆装置41及第二操作杆装置42与液控切换阀连接的液控回路中，该液控切换阀控制分别向动臂工作缸9、斗杆工作缸10及铲斗工作缸11的工作油的供给及排出。比例电磁阀63根据来自控制器20的控制信号调整其开度。通过向各液控切换阀的液控口施加与比例电磁阀63的开度相应的液控压力，由此驱动动臂6、斗杆7及铲斗8。
运算处理部210具有表示通过计算处理实现的控制功能的多个功能模块。运算处理部210具有动作限制部211和限制解除部212。
运算处理部210基于从设计面信息获取部202获取的设计面的数据及从刃尖位置运算部204获取的刃尖8a的当前位置来计算当前的刃尖8a与设计面的位置关系。动作限制部211在液压挖掘机1的动作满足规定的条件的情况下指示动作限制控制的执行。
具体地说，动作限制部211在预料到铲斗8的刃尖8a侵入设计面时执行使作业机5强制停止的动作限制控制。由此，进行防止铲斗8的刃尖8a侵入设计面的自动控制(停止控制)。
限制解除部212在液压挖掘机1的动作满足规定的条件的情况下对动作限制部211指示解除作为动作限制控制的停止控制。具体地说，即使在刃尖8a在铅垂方向上位于设计面以下的位置的状态下，当刃尖8a从设计面向铅垂方向下方离开了规定距离以上时，也解除动作限制控制。由此，动作限制部211在刃尖8a从设计面向铅垂方向下方离开了规定距离以上的情况下不指示动作限制控制的执行。
在动作限制部211不指示动作限制控制的执行的情况下，运算处理部210不修正向比例电磁阀63的输出，而照原样向比例电磁阀63输出。由此，根据操作者对操作装置40的操作，按照操作者的意图使作业机5动作。
需要说明的是，在图5中仅代表性地示出了通过使用了控制系统200的液压挖掘机1的控制来实现的控制功能中的、与本实施方式所涉及的液 压挖掘机1的控制相关的一部分功能所对应的功能模块。图示的各功能模块均可以以通过控制器20执行程序来实现的软件的方式发挥功能，也可以通过硬件来实现。需要说明的是，这样的程序可以记录于存储介质而搭载于液压挖掘机1，也可以经由通信终端91向液压挖掘机1输入。
以下对使用了具备以上结构的液压挖掘机1的平整土地作业进行说明。图6是使用了液压挖掘机1的平整土地作业中的、作业机5的对位前的简要图。图7是使用了液压挖掘机1的平整土地作业中的、作业机5的对位后的简要图。图6、图7所示的设计面S表示按照预先保存于控制器20的存储部201(图5)中的施工设计数据的、作业机5的作业对象的目标形状。控制器20基于施工设计数据和作业机5的当前位置信息而使上述的停止控制起作用。
在从图6所示的作业机5存在于设计面S的上方的状态使铲斗8的刃尖8a与设计面S对位的情况下，操作作业机5的操作者进行使动臂6下降的操作。根据该操作者的操作，如图6中的箭头所示，动臂6下降，铲斗8的刃尖8a接近设计面S。
在液压挖掘机1中，为了避免铲斗8的刃尖8a向比设计面S靠下方移动而铲斗8的刃尖8a陷入设计面S，进行在刃尖8a与设计面S接触的位置使作业机5的动作自动停止的控制。控制器20在铲斗8的刃尖8a要向比设计面S靠下方移动时，进行使动臂6自动停止的控制，从而避免铲斗8的刃尖8a低于设计面S。如此，如图7所示，进行铲斗8的刃尖8a向设计面S的对位。
图8是用于说明液压挖掘机1的控制系统200的动作的流程图。在图8中示出控制系统200执行停止控制时的动作。首先，在步骤S10中，控制系统200判断是否选择了自动模式和手动模式中的自动模式。自动模式和手动模式的切换通过操作者的操作来进行。在选择了手动模式的情况下(步骤S10中为NO)，以手动模式来驱动作业机5。
在选择了自动模式的情况下(步骤S10中为YES)，处理向步骤S20进行，在停止控制起作用的状态下驱动作业机5。图5所示的动作限制部211在预料到铲斗8的刃尖8a会侵入设计面时执行停止控制，防止刃尖8a对设计面的侵入。
接着，在步骤S30中，控制系统200判断铲斗8的刃尖8a是否位于比设计面靠下方规定距离以上。图5所示的运算处理部210从设计面信息获取部202获取设计面S的数据，并从刃尖位置运算部204获取刃尖8a的当前位置。运算处理部210比较设计面S和刃尖8a的当前位置，算出设计面S与刃尖8a之间的距离。运算处理部210还从存储部201读出设计面S与刃尖8a之间的距离的阈值，对设计面S与刃尖8a之间的距离和该阈值进行比较，判断刃尖8a是否从设计面S离开了规定距离以上。
如图8所示，设计面S与刃尖8a之间的距离的阈值可以为例如500mm。在停止控制正常起作用的情况下，刃尖8a的移动范围应被限制在比设计面S靠上方的区域，在刃尖8a从设计面S向铅垂方向下方离开了500mm的状况下，认为发生了断线或者传感器异常等现象。在刃尖8a从设计面S离开500mm时，认为是停止控制失效的状况，停止控制被解除。
当在步骤S30的判断中判断为设计面S与刃尖8a之间的距离小于500mm的情况下，继续停止控制，在停止控制起作用的状态下驱动作业机5。动作限制部211在刃尖8a从铅垂方向上方接近设计面S时，在刃尖8a到达设计面S的位置停止作业机5的动作。
当在步骤S30的判断中判断为设计面S与刃尖8a之间的距离为500mm以上的情况下，解除停止控制。由此，以手动模式驱动作业机5。这种情况下，即使在铲斗8的刃尖8a位于比设计面S靠铅垂方向下方的状态下，也不禁止动臂的下降动作，可以输出使动臂6进行下降动作的指令信号。
接下来，对本实施方式的作用效果进行说明。
如图5所示，本实施方式的液压挖掘机1具备：获取设计面S的数据的设计面信息获取部202；计算铲斗8的刃尖8a的位置的刃尖位置运算部204；在铲斗8的刃尖8a接近设计面S时、在铲斗8的刃尖8a即将到达设计面S之前执行使作业机5的动作停止的动作限制控制的动作限制部211。如图8所示，动作限制部211在刃尖8a从设计面S向铅垂方向下方离开了规定距离以上的情况下不执行动作限制控制。
图9是表示铲斗8与设计面S的位置关系的一个例子的示意图。图9中的附图标记G表示当前地形下的地面。图9中的附图标记S为上述的设 计面。在图9中示出将要进行填土作业的预定的洼地的地形，图9所示的设计面S相当于填土的上表面。图9中的附图标记D表示铅垂方向上的设计面S与铲斗8的刃尖8a之间的距离。
图9中所示的液压挖掘机1配置在洼地的底面上，进入比设计面S靠下方的区域。在这样的状态下，若防止铲斗8的刃尖8a向设计面S侵入的动作限制控制有效，则图9所示的液压挖掘机1无法使作业机5动作。
如本实施方式这样，通过以在刃尖8a从设计面S向铅垂方向下方离开了规定距离以上时不执行动作限制控制的方式进行控制，从而操作液压挖掘机1的操作者能够操作作业机5。在铲斗8位于比设计面S靠下方的状态下能够使操作者的操作反映在作业机5的动作中，能够避免作业机5在比设计面S靠下方不进行动作的情况。由此，能够防止操作者将作业机5不进行动作的现象误识别为作业机5的故障。
以往，为了在铲斗8位于比设计面S靠下方的状态下能够自由地对作业机5进行操作，操作者必须关闭自动控制而切换成手动模式，切换操作繁琐。在本实施方式的液压挖掘机1中，无需关闭自动控制，在铲斗8位于比设计面S靠下方的状态下能够自由地对作业机5进行操作，因此无需向手动模式进行切换，能够消除繁琐性。
如上所述地对本发明的实施方式进行了说明，但应认为本次公开的实施方式的所有方面均为例示而不是限制性的说明。本发明的范围由权利要求书而非上述说明示出，意图包括与权利要求书等同意义及范围内的全部变更。
符号说明
1液压挖掘机，2下部行驶体，3上部回旋体，5作业机，6动臂，7斗杆，8铲斗，8a刃尖，9动臂工作缸，10斗杆工作缸，11铲斗工作缸，16第一行程传感器，17第二行程传感器，18第三行程传感器，20控制器，40操作装置，41第一操作杆装置，41A动臂操作检测部，41B铲斗操作检测部，42第二操作杆装置，42A回旋操作检测部，42B斗杆操作检测部，44第一操作杆，45第二操作杆，63比例电磁阀，90输入部，91通信终端，200控制系统，201存储部，202设计面信息获取部，203作业机角度运算部，204刃尖 位置运算部，205距离运算部，206设计面角度运算部，210运算处理部，211动作限制部，212限制解除部，S设计面。