KR101285354B1 - Operation Interface of Hydraulic Backhoe with Cylindrical Coordinate Control - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유압 구동 방식의 백호작업기에 사용자 직관적인 조작을 허용하기 위해 암 끝단의 병진움직임 및 버켓의 피치운동을 2개의 전기식 2축 조이스틱 조작을 통해 직관적으로 움직이도록 하고 이때 조이스틱 조작에 대응하여 작업기 끝단이 원통 좌표계에서 움직일 수 있도록 유압 실린더의 위치제어기반 속도 제어 방법을 제공하여 초보자도 숙련된 연습 없이 효율적이고 정밀하게 작업기 제어가 가능 하게 하는 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스에 관한 것이다.The present invention is to intuitively move the translational movement of the end of the arm and the pitch movement of the bucket to operate the two electric two-axis joystick operation in order to allow the user intuitive operation on the hydraulic back-type backhoe work machine and in response to the joystick operation The present invention relates to a cylindrical coordinate system interlocking backhoe operator operating interface that provides a position control-based speed control method of a hydraulic cylinder so that an end can move in a cylindrical coordinate system.
Description
본 발명은 트랙터나 로더 등에 탈부착이 가능한 유압 구동식 백호작업기에 사용자 직관적인 조작을 허용하기 위해 작업기 끝단의 움직임을 조이스틱들을 통해 직관적으로 움직이도록 하고 조이스틱 조작에 대응하여 작업기가 원통좌표계에서 움직일 수 있도록 유압 실린더의 위치기반 속도 제어를 통해서 초보자도 숙련된 연습 없이 효율적이고 정밀하게 작업기 제어가 가능하게 하는 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스를 제공하는 것이다.
The present invention allows the user to move the end of the work machine intuitively through the joysticks and allow the work machine to move in the cylindrical coordinate system in order to allow the user intuitive operation to the hydraulically driven backhoe work that can be attached to or detached from the tractor or loader. The position-based speed control of the hydraulic cylinder provides a cylindrical coordinate system interlocking backhoe machine operation interface that enables the beginner to control the machine efficiently and precisely without skilled practice.
농업용 트랙터에 탈·부착이 가능한 백호(backhoe)작업기는 조작밸브, 붐, 아암, 버켓, 아웃터리거장치로 구성되어 토양관리, 밭작물수확, 소규모의 건축, 토목등 농·축산업의 다목적 작업에 사용하기 위한 첨단 농기계용 작업기이다. 기존의 중장비 굴삭기와 같은 구조로 붐(boom), 아암(arm), 버켓(bucket)을 구동하는 3개의 유압 실린더의 변위를 운전 좌석의 조작레버를 조절하여 최종적으로 버켓의 위치 및 피치각을 제어하게 하고, 메인프레임에 부착된 스윙(swing) 실린더의 조작에 작업기 전체의 선회동작을 구현하는 총 4자유도 운동 발생구조를 가져 다양한 굴삭 작업을 수행할 수 있게 한다. 하지만, 오랜 운전 경험을 가진 전문 굴삭기 자격자는 백호 작어기 조작에 어려움이 없지만, 능숙한 굴삭기 작업 기술 습득에 오랜 시간이 걸리고, 평탄화 작업등을 위해 유압 조작밸브 조작 레버를 동시에 작동시켜야 할 경우 피로도가 증대되는 어려움이 있다. 특히, 체계적이고 오랜 훈련을 받지 않은 경우 백호작업기의 효율적인 사용이 거의 불가능하고, 토양관리, 밭작물수확, 소규모의 건축, 토목등 농ㅇ축산업의 다목적 작업에 사용하기 위한 요구가 증대됨에 따라 단순 교육을 마친 일반인들의 백호작업기 굴삭 작업의 사용이 증대되고 있어 기존의 굴삭기 조작 인터페이스로는 백호작업기를 이용하여 효율적인 굴삭 작업을 수행하는데 한계를 가지고 있다. The backhoe working machine, which can be attached to or detached from an agricultural tractor, consists of a control valve, a boom, an arm, a bucket, and an outrigger, so that it can be used for multi-purpose work in the agricultural and livestock industry such as soil management, field crop harvesting, small scale construction, and civil engineering. It is an advanced agricultural machinery work machine. With the same structure as the existing heavy equipment excavator, the displacement of the three hydraulic cylinders that drive the boom, arm, and bucket is controlled by adjusting the operating lever of the driving seat to finally control the position and pitch angle of the bucket. In addition, it has a total of four degrees of freedom movement generating structure that implements the swing operation of the whole machine to the operation of the swing cylinder attached to the main frame to perform a variety of excavation work. However, a professional excavator qualified person with long driving experience has no difficulty in manipulating the backhoe compactor, but it takes a long time to acquire skillful excavator working skills, and the fatigue is increased when the hydraulic control valve operating levers must be operated at the same time for flattening work. There is difficulty. In particular, it is almost impossible to use backhoe work without systematic and long-time training, and simple education is needed due to the increasing demand for multipurpose work in agriculture and agriculture such as soil management, field crop harvesting, small scale construction, and civil engineering. As the use of backhoe workers excavation work has been increased by the general public, the existing excavator operation interface has a limitation in performing an efficient excavation work using a backhoe worker.
유압구동식 백호작업기 굴삭 조작을 위해서 기계식 레버장치가 전통적으로 사용되었으나, 여러 개의 레버 및 발판의 복잡한 인터페이스로 인해 작업자의 불편함이 크고 쉽게 피곤함을 느껴 최근에는 대부분 유압식 조이스틱 타입을 도입하고 있다. Caterpillar 사에서 개발한 조이스틱타입은 2개의 조이스틱을 이용하여 우측 조이스틱의 상하방향은 붐 상승하강으로, 좌우방향은 버켓 방향조절과 매칭되고, 좌측 조이스틱의 상하 방향은 암의 상승하강 및 좌우방향은 선회동작조절에 매칭되어 사용되었다. 최근에 나온 미니굴삭기를 포함한 대부분의 작업기는 조이스틱타입을 채용하여 작업기의 조작 조건을 많이 향상시키고 있지만, 역시 조이스틱의 움직임이 각 실린더의 운동과 매칭되어, 사용자 직관적이라고 하기엔 많은 훈련이 필요하다. Mechanical lever device has been traditionally used for excavation operation of hydraulically driven backhoe work machine. However, due to the complicated interface of several levers and scaffolding, the operator's discomfort is large and easily felt. The joystick type developed by Caterpillar Co., Ltd. uses two joysticks, the up and down direction of the right joystick is boom up and down, and the left and right directions are matched with the bucket direction control, and the left joystick is up and down and the left and right directions are turning up and down. It was used to match the motion control. Most of the work machines including the recent mini excavator have adopted the joystick type to improve the operating conditions of the work machine a lot, but the movement of the joystick is matched with the motion of each cylinder, so much training is required to be intuitive.
최근 관련연구동향을 살펴보면, 굴삭기용 자동제어장치 개발에 힘을 기울여 굴삭각등 기본정보를 입력하면 자동으로 굴삭작업을 수행하도록 하여 작업자의 피로도를 줄이기 위한 방법(건설기계의 자동 평탄작업장치 및 방법, 특2000-0021934; 굴삭기의 제어방법, 특1997-0021547)들이 제시되고 있으나 굴삭기의 특성상 굴삭 작업의 복잡성, 작업 내용의 변화성, 작업 환경의 다양성 등으로 굴삭기의 자동화를 실제 작업 환경에 적용하기는 쉽지 않다.Looking at the recent research trend, the method to reduce the fatigue of the operator by performing the excavation work automatically by inputting basic information, such as the excavation angle, by focusing on the development of the automatic control device for excavators (automatic flat work equipment and methods of construction machinery) Although the control method of excavators has been proposed, it is proposed to apply the automation of excavators to the actual working environment due to the complexity of the excavation work, the change of work contents, and the diversity of working environment. Is not easy.
기존 굴삭 작업기의 작업 방법은 작업기 끝단에 있는 버켓이 상하, 좌우, 전후의 병진(translation) 운동 및 버켓의 피치운동이 가능하도록 붐, 암, 버켓, 메인프레임을 적절히 조작해야 한다. 따라서, 작업기 역기구학을 임베디드 제어기에 삽입하여 조작 레버의 각 방향 운동을 작업기 각 실린더의 운동으로 매칭하는 것이 아니라 작업기 아암 끝단의 직교좌표운동과 작업레버를 바로 연결시켜 주는 개념의 특허(유압굴삭기용 직교좌표형 조작시스템, 특1995-0011780)가 이미 발표되었다. 하지만, 일반 유압굴삭기는 작업기를 포함하고 있는 베이스가 회전하여 작업자는 항상 작업기를 정면으로 바라보고 있지만, 트랙터 등에 부착되는 소형굴삭용 백호작업기는 소형화 및 장착의 편의성 등을 고려하여 사용자 및 베이스를 제외하고 작업기만 회전하는 방식이다. 따라서, 작업자가 항상 작업기 정면을 바로 보는 것이 아니라서 직교좌표 방식으로는 선회동작 이후의 굴삭작업을 직관적으로 작업하기에는 어려움이 있다. 또한, 실제 조작 장치와 끝단을 연동시키기 위해서는 조작 장치의 입력 값에 따르는 각 유압 실린더의 정밀한 속도제어가 구현되어야 조작기의 입력과 굴삭작업기 끝단이 효율적으로 연동될 수 있지만, 관련 유압 장치의 제어기 구현 내용이 제시되고 있지 않다.The existing working method of the excavator is to properly manipulate the boom, arm, bucket, and mainframe so that the bucket at the end of the excavator can perform the translation movement of the bucket up and down, left and right, front and rear, and the pitch movement of the bucket. Therefore, the patent of the concept of inserting the work machine inverse kinematics into the embedded controller to directly connect the work lever with the orthogonal coordinate movement of the work machine arm end, rather than matching the directional motion of the control lever to the motion of each cylinder of the work machine (for hydraulic excavators). Cartesian coordinate control system, in particular 1995-0011780, has already been published. However, the general hydraulic excavator rotates the base including the work machine, and the operator always looks at the front of the work machine, but the backhoe work for small excavators attached to the tractor is excluded from the user and the base in consideration of the miniaturization and convenience of mounting. Only the work machine rotates. Therefore, the operator does not always directly look at the front of the work machine, it is difficult to intuitively work the excavation work after the turning operation in the rectangular coordinate method. In addition, in order to link the end with the actual operating device, the precise speed control of each hydraulic cylinder according to the input value of the operating device must be implemented so that the input of the manipulator and the end of the excavator can be efficiently linked, but the controller implementation of the related hydraulic device This is not being presented.
최근, 원격작업 시 햅틱장치를 통하여 굴삭기 조종을 위한 입력장치(병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조정장치, 특2009-0061508)가 공개되었으며 3자유도 병진 병렬기구를 이용한 햅틱장치 및 버켓조종을 위한 1자유도 햅틱장치의 혼합으로 한 손으로 4자유도의 굴삭기를 제어하고자 하였다. 하지만 원격조작이 아니라 실제 유압굴삭기에 장착할 경우 기존 조작 시스템 개념을 완전히 바꿔야 하는 문제점이 발생하고, 굴삭 작업의 경우 원격조작으로는 다양하고 복잡한 환경 및 굴삭 작업을 수행하는데 제한 사항이 많은 단점이 있다.
Recently, an input device for excavator control through a haptic device for remote operation (excavator adjusting device using a parallel haptic device, special 2009-0061508) has been disclosed, and for haptic device and bucket control using a three degree of freedom translation parallel mechanism. We tried to control a four degree of freedom excavator with one hand by mixing the degree of freedom haptic device. However, when mounted on an actual hydraulic excavator, rather than remote operation, there is a problem that the concept of the existing operating system must be completely changed, and in the case of an excavation operation, remote operation has various disadvantages in performing various and complex environments and excavation operations. .
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유압식 백호작업기의 끝단의 움직임을 2개의 전자식 조이스틱을 통해 기존 방식과 유사한 조작 방식을 유지하도록 하면서 원통좌표계(Cylindrical Coordinate) 매칭을 통하여 우측 조이스틱의 전후운동은 작업기 끝단의 상하운동으로 조이스틱 좌우운동은 버켓의 피치운동으로 매칭되고, 좌측 조이스틱의 전후 운동은 작업기 끝단의 전후운동으로, 조이스틱 좌우운동은 선회운동으로 매칭 되도록 하고 조이스틱과 실린더 제어 밸브사이에 기구학 및 밸브제어기를 포함하는 조작 인터페이스회로가 삽입되어 각각 붐, 아암, 버켓 실린더 및 선회운동 실린더를 조절할 수 있도록 하는 직관적 굴삭작업기 조작 방식을 구현할 수 있는 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명에서는 이와 같은 인터페이스를 이용하여 조이스틱 입력에 대응하는 끝단의 속도제어가 유압장치 및 각 링크에 연성에 의한 비선형성에 강건 할 수 있도록 위치제어기반 속도제어(rate control) 방식의 유압굴삭기 조작제어기를 제시하고자 한다.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to match the cylindrical coordinate system (Cylindrical Coordinate) while maintaining the operation of the end of the hydraulic backhoe working machine similar to the conventional method through the two electronic joysticks Through the right and left movement of the right joystick is the up and down movement of the work machine end, the joystick left and right movement is matched with the pitch movement of the bucket, the left and right joystick is the forward and backward movement of the work machine end, and the joystick left and right movement is matched with the turning movement and the joystick An operation interface circuit including kinematics and a valve controller is inserted between the cylinder control valve and the cylinder control valve to operate an intuitive excavator operation method that can adjust the boom, arm, bucket cylinder and swing cylinder, respectively. Article interface It is in the ball. In addition, in the present invention, the speed control of the end corresponding to the joystick input by using the interface such that the hydraulic excavator of the position control-based speed control (rate control) method to be robust to the nonlinearity of the hydraulic device and each link by ductility I would like to present a controller.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스는, 유압식 실린더의 구동기 및 붐, 암, 버켓, 선회동작 베이스의 본체로 구성된 백호작업기를 조작하기 위한 백호작업기 조작 인터페이스에 있어서, 백호작업기 끝단(2-End-Effector)을 원통좌표계 연동으로 조작하도록 좌측 전자식 조이스틱(1a), 우측 전자식 조이스틱(1b), 좌표계 변환제어기 인터페이스(4), 붐, 암, 버켓, 선회 실린더밸브들(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)를 포함하여 구성되며, 상기 전자식 조이스틱(1a, 1b)으로부터 입력되는 전기신호에 따라 상기 백호작업기 끝단(2-End-Effector)이 원통좌표계 상에서 작동하도록, 상기 좌표계 변환제어기 인터페이스(4)에서 상기 전자식 조이스틱(1a, 1b)의 변위를 입력받고 변위에 비례해서 상기 백호작업기 끝단(2-End-Effector)에 원통좌표계 속도지령을 발생시켜 이에 대응하는 백호작업기 각각의 유압 실린더가 구동되도록 붐, 암, 버켓, 선회 실린더밸브(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)를 제어하는 것을 특징으로 한다.Cylindrical coordinate system interlocking backhoe worker operation interface according to the present invention for achieving the above object is a backhoe worker operation interface for operating a backhoe work consisting of the actuator of the hydraulic cylinder and the main body of the boom, arm, bucket, pivoting base , The left electronic joystick (1a), the right electronic joystick (1b), coordinate system controller controller (4), boom, arm, bucket, swing cylinder to operate the back-end work machine end (2-End-Effector) with the cylindrical coordinate system. Valves 3-1, 3-2, 3-3, and 3-4, and end of the backhoe work machine according to an electrical signal input from the
이 때, 좌측 조이스틱 좌우방향(1-1)은 백호작업기 원통좌표계 회전방향(2-1)을, 좌측 조이스틱 전후방향(1-2)은 백호작업기 원통좌표계 반경방향(2-2)을, 우측 조이스틱 좌우방향(1-3)은 백호작업기 버켓 회전방향(2-3)을, 우측 조이스틱 전후방향(1-4)은 백호작업기 원통좌표계 높이방향(2-4)을 각각 제어하도록 매칭되는 것을 특징으로 한다.At this time, the left joystick left and right direction (1-1) is the backhoe machine cylindrical coordinate system rotation direction (2-1), the left joystick front and rear direction (1-2) is the backhoe worker cylindrical coordinate system radial direction (2-2), right The joystick left and right directions (1-3) are matched to control the backhoe working bucket rotation direction (2-3), and the right joystick front and rear directions (1-4) control the backhoe working cylinder coordinate system height directions (2-4), respectively. It is done.
또한, 상기 좌표계 변환제어기 인터페이스(4)는 두 개의 상기 전자식 조이스틱(1a, 1b)으로부터 변위 신호들(1-1, 1-2, 1-3, 1-4)을 아날로그/디지털(A/D) 변환보드를 통해 입력받되, 입력된 조이스틱 변위에 비례해서 작업기 끝단의 속도지령 값을 발생시키는 레이트제어기(4-1), 변위에 비례해서 원통좌표계 각 축에 대한 속도의 크기를 결정할 수 있는 원통좌표계 속도게인들(4-1a, 4-1b, 4-1c, 4-d), 레이트제어기(4-1)에서 발생된 끝단(2-End-Effector) 이동 지령 값을 피드백 제어하는 원통좌표계 기반제어(4-2), 원통좌표계 기반제어를 유압 실린더 제어모드로 변환하는 구동기제어기(4-3), 구동기 피드백제어를 위한 각 실린더 변위센서값들(4-DS1, 4-DS2, 4-DS3, 4-DS4)의 입력, 구동기제어기(4-3)의 결과 값을 이용해 전자식 유압비례제어밸브들(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)을 구동하기 위한 디지털/아날로그(D/A) 변환기로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the
이 때, 조이스틱 입력변위(1-a, 1-b)에 따라 좌표계 기반 속도제어를 발생시키는 레이트제어기(4-1)의 출력값과 제어를 시작할 때의 작업기끝단초기값(4-1-Initial)과 합해져서 좌표계명령값(4-2-Command)이 발생되고, 상기 좌표계명령값(4-2-Command)은 원통좌표계 기반제어기(4-2) 입력 값으로 들어가며, 상기 좌표계명령값(4-2-Command)과 좌표계피드백제어와 합친 값은 좌표계제어입력값(4-2-Desired)으로 되어 백호작업기역기구학(4-IK)를 통하여 구동기제어입력값(4-3-Desired)로 바꿔 구동기제어기(4-3)로 들어가며, 실린더변위센서(4-DS1, 4-DS2, 4-DS3, 4-DS4)에서 측정된 구동기변위값(4-3-Actual)은 백호작업기순기구학(4-FK)를 통해서 좌표계측정값(4-2-Actual)로 변환되어 원통좌표계 기반제어기(4-2)의 피드백 제어 값으로 입력되는 것을 특징으로 한다.
At this time, the output value of the rate controller 4-1 which generates coordinate system-based speed control according to the joystick input displacements (1-a, 1-b) and the work machine end initial value at the start of control (4-1-Initial) And a coordinate system command value (4-2-Command) is generated, the coordinate system command value (4-2-Command) enters an input value of the cylindrical coordinate system-based controller 4-2, and the coordinate system command value (4- The value combined with 2-command) and coordinate feedback control becomes the coordinate system control input value (4-2-desired) and changes to actuator control input value (4-3-desired) through backhoe working area kinematics (4-IK). The actuator displacement value (4-3-Actual) measured by the cylinder displacement sensors (4-DS1, 4-DS2, 4-DS3, 4-DS4) is entered into the controller (4-3). FK) is converted into a coordinate system measurement value (4-2-Actual) and is input as a feedback control value of the cylindrical coordinate system-based controller (4-2).
본 발명에 의하면, 본 발명에 따라 제안된 원통좌표계(Cylindrical Coordinate) 매칭을 통한 2개의 전자식 조이스틱을 통한 직관적 백호작업기 조작 방식의 구현을 통해, 기존 수동밸브 방식으로는 평탄화 작업과 같은 작업 시 동시에 여러 축의 작업을 수행해야만 작업이 가능했기 때문에 사용자에게 불편을 야기했던 문제점을 해결하여, 한 축의 조이스틱 조작만으로도 작업 수행이 가능하게 해 주는 큰 효과가 있다.According to the present invention, through the implementation of the intuitive backhoe operating method through the two electronic joysticks through the proposed cylindrical coordinate matching according to the present invention, the existing manual valve method at the same time during the operation such as flattening operation Since the work was possible only by performing the work of the axis, it solved the problem that caused inconvenience to the user, and there is a big effect of enabling the work to be performed by only one joystick operation.
이와 같이 본 발명에 의하면, 조작성 증대로 사용자 편의성 증대 및 이로 인한 작업 효율성을 향상시킬 수 있고, 작업 조건의 개선 및 인건비 절감, 고능률화·고정밀도화로 생산의 안정성을 달성할 수 있으며, 효율적인 조작 인터페이스를 작업기에 부착하여 사용함으로써 사용자의 만족성을 배가시킬 수 있는 다양한 효과들이 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to increase the user convenience and increase the work efficiency by increasing the operability, and to achieve the stability of the production by improving the working conditions and reducing the labor cost, high efficiency and high precision, and an efficient operation interface. There are various effects that can double the user's satisfaction by attaching to the work machine.
또한, 본 발명의 인터페이스는 기존 조작 방식과 유사하기 때문에, 기존 사용자에게 있어 친숙하기 때문에 적응 및 숙련이 매우 용이하다는 장점 또한 있다.
In addition, since the interface of the present invention is similar to the existing operation method, it is also easy to adapt and skilled because it is familiar to existing users.
도 1은 본 발명에 따른 원통좌표계 연동형 백호작업기 조작 인터페이스 방법.
도 2는 본 발명에 따른 직교좌표계 및 원통좌표계 작동도.
도 3은 본 발명에 따른 백호작업기 원통좌표계 변수 구성도.
도 4은 본 발명에 따른 조이스틱과 백호작업기 원통좌표계 매칭 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 원통좌표계 변환제어기 하드웨어 구성도.
도 6는 본 발명에 따른 조이스틱 연동 원통 좌표계 제어기 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 유압 제어기 구성도 1 is a cylindrical coordinate system interlocking backhoe working interface method according to the present invention.
Figure 2 is an operation of the rectangular coordinate system and cylindrical coordinate system according to the present invention.
3 is a configuration diagram of the cylindrical coordinate system of the backhoe working machine according to the present invention.
Figure 4 is a joystick and backhoe working cylinder coordinate system matching configuration in accordance with the present invention.
5 is a hardware configuration diagram of a cylindrical coordinate system conversion controller according to the present invention.
Figure 6 is a joystick interlocking cylindrical coordinate system controller configuration in accordance with the present invention.
7 is a hydraulic controller configuration diagram according to the present invention
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스를 상세히 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a cylindrical coordinate system interlocking backhoe working interface.
도 1은 본 발명에 따른 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스 방법의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 직교좌표계 및 원통좌표계 작동도이고, 도 3은 본 발명에 따른 백호작업기 원통좌표계 변수 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 조이스틱과 백호작업기 원통좌표계 매칭 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 원통좌표계 변환제어기 하드웨어 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 조이스틱 연동 원통 좌표계 제어기 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 유압 제어기 구성도이다.
1 is a configuration diagram of a cylindrical coordinate system interlocking backhoe working interface method according to the present invention, Figure 2 is an operation of the Cartesian coordinate system and the cylindrical coordinate system according to the present invention, Figure 3 is a configuration diagram of the backhoe working cylinder coordinate system according to the
본 발명의 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스는 도 1 및 도 5를 참조하면 크게 좌측 전자식 조이스틱(1a), 우측 전자식 조이스틱(1b), 좌표계 변환제어기 인터페이스(4), 붐, 암, 버켓, 선회 실린더밸브들(3-1, 3-2, 3-3, 3-4) 및 유압식 실린더의 구동기 및 붐, 암, 버켓, 선회동작 베이스의 본체로 구성된 백호작업기로 구성된다.Referring to FIGS. 1 and 5, the cylindrical coordinate system interlocking backhoe working interface of the present invention is largely referred to as a left
좌측 조이스틱 좌우방향(1-1)은 원통좌표계 회전방향(2-1)을, 좌측 조이스틱 전후방향(1-2)은 백호작업기 원통좌표계 반경방향(2-2)을, 우측 조이스틱 좌우방향(1-3)은 백호작업기 버켓 회전방향(2-3)을, 우측 조이스틱 전후방향(1-4)은 백호작업기 원통좌표계 높이방향(2-4)을 각각 제어하도록 매칭되고, 작업자의 전자식 조이스틱 입력 전기신호에 따라 백호작업기의 끝단(2-End-Effector)이 원통좌표계 상에서 작동하도록 좌표계 변환제어기 인터페이스(4)에서 조이스틱의 변위를 입력 받고 변위에 비례해서 백호작업기 끝단 원통좌표계 속도지령을 발생시켜 이에 대응하는 백호작업기 각각의 유압 실린더가 구동되도록 붐, 암, 버켓, 선회 실린더밸브(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)를 제어하는 방식으로 전자식 조이스틱을 이용한 백호작업기의 원통좌표계 연동 제어기를 구현하였다.Left joystick left and right direction (1-1) is the cylindrical coordinate system rotation direction (2-1), left joystick forward and backward direction (1-2) is the backhoe working cylinder coordinate system radial direction (2-2), right joystick left and right direction (1) -3) is matched to control the backhoe worker bucket rotation direction (2-3), the right joystick front and rear direction (1-4) respectively control the backhoe worker cylindrical coordinate system height direction (2-4), the operator's electronic joystick input electrical In response to the signal, the joystick's displacement is input from the coordinate
이를 위해 좌표계 변환제어기 인터페이스(4)는 두 개의 전자식 조이스틱으로부터 변위 신호들(1-1, 1-2, 1-3, 1-4)을 아날로그/디지털(A/D) 변환보드를 통해 입력받고, 입력된 조이스틱 변위에 비례해서 작업기 끝단의 속도지령 값을 발생시키는 레이트제어기(4-1), 변위에 비례해서 원통좌표계 각 축에 대한 속도의 크기를 결정할 수 있는 원통좌표계 속도게인들(4-1a, 4-1b, 4-1c, 4-d), 레이트제어기(4-1)에서 발생된 끝단(2-End-Effector) 이동 지령 값을 피드백 제어하는 원통좌표계 기반제어기(4-2), 원통좌표계 기반제어를 유압 실린더 제어모드로 변환하는 구동기제어기(4-3), 구동기 피드백제어를 위한 각 실린더 변위센서값들(4-DS1, 4-DS2, 4-DS3, 4-DS4)의 입력, 구동기제어기(4-3)의 결과 값을 이용해 전자식 유압비례제어밸브들(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)을 구동하기 위한 디지털/아날로그(D/A) 변환기로 구성된다.
To this end, the coordinate
도 2에 나타난 것과 같이 트랙터/로더 등에 부착되는 백호작업기는 자석과 굴삭작업기가 일체로 되어 선회동작이 동시에 발생하는 경우와는 다르게 백호작업기 선회 동작시 좌석은 고정되어 있고 작업기만 선회동작으로 회전하기 때문에 한 축을 중심으로 대칭해서 움직이는 동작을 발생시키는 원통좌표계(A)가 적합하다. 백호작업기의 경우 직교좌표계(B)를 사용할 경우 선회동작 이후에 굴삭작업을 위해 작업기 팔이 굽는 형태가 아니라 굴삭작업에서는 거의 사용이 되지 않는 직교좌표 이동을 도 2(B)와 같이 하게 되어 굴삭작업에는 적합하지 않게 된다.
As shown in FIG. 2, the backhoe work attached to the tractor / loader has a magnet and an excavator work unit, and the seat is fixed at the time of the backhoe work turning operation unlike the case where the turning motion occurs at the same time. For this reason, a cylindrical coordinate system A that generates a symmetrical movement around one axis is suitable. In the case of the backhoe working machine, when the Cartesian coordinate system (B) is used, the movement of the Cartesian coordinates, which are rarely used in the excavation work, is not carried out for the excavation work after the pivoting operation, as shown in FIG. It is not suitable for.
따라서, 도 3과 같이 백호작업기 끝단 운동을 원통좌표계 변수들로 표현하고 하나의 실시예로서 4와 같이 원통좌표계 백호작업기 끝단 변수 방향과 조이스틱 방향을 일치시켰다. 도 3에서 원통좌표계 원점(2-0)을 중심으로 원통좌표계 회전방향(2-1), 원통좌표계 반경방향(2-2), 원통좌표계 높이방향(2-4)은 원통좌표계구성 변수(r, θ, z)를 나타내고 있다. 이때 도 4에 나타난 것 같이 원통좌표계 반경전진방향(2-2F)은 좌측 조이스틱 전진방향으로, 원통좌표계 반경후진방향(2-2B)은 좌측 조이스틱 후진방향으로, 원통좌표계 우측회전방향(2-1R) 은 좌측 조이스틱 우측방향으로, 원통좌표계 좌측회전방향(2-1L)은 좌측 조이스틱 좌측방향으로, 원통좌표계 높이상측방향(2-4U)은 우측 조이스틱 후진방향으로, 원통좌표계 높이하측방향(2-4D)은 우측 조이스틱 전진방향으로 매칭할 수 있다. 또한, 버켓의 열림(2-3O)은 우측 조이스틱 좌측방향으로, 버켓의 닫힘(2-3C)은 우측 조이스틱 우측방향으로 매칭할 수 있다. 여기서 주의할 점으로 버켓은 상대적으로 선회동작에 비해서 많이 사용됨으로 보다 능숙하게 작업기를 효율적으로 사용하기 위해서 우측 조이스틱에 배치되었다.
Therefore, as shown in FIG. 3, the end movement of the backhoe working machine is represented by the cylindrical coordinate system variables, and as an example, the direction of the end coordinate variable of the cylindrical coordinate system backhoe working machine is matched with the joystick direction. In FIG. 3, the cylindrical coordinate system rotation direction (2-1), the cylindrical coordinate system radial direction (2-2), and the cylindrical coordinate system height direction (2-4) are defined by the cylindrical coordinate system origin (2-0). , θ, z). In this case, as shown in FIG. 4, the radial forward direction (2-2F) of the cylindrical coordinate system is in the forward direction of the left joystick, and the radial forward direction (2-2B) of the cylindrical coordinate system is in the backward direction of the left joystick, and the right direction of rotation of the cylindrical coordinate system (2-1R). ) Is to the left joystick to the right, to the left of the cylindrical coordinate system (2-1L) to the left of the joystick to the left, to the height of the cylindrical coordinate system (2-4U) to the right of the joystick backward, to the height of the cylindrical coordinate system (2- 4D) may match in the right joystick forward direction. In addition, the opening 2-3 of the bucket can be matched to the left of the right joystick, and the closing of the bucket 2-3C can be matched to the right of the right joystick. It should be noted here that the bucket is relatively more used than the turning motion, so it is arranged on the right joystick to be more proficient in using the work machine.
도 6은 조이스틱 입력변위에 따른 백호작업기 끝단의 원통좌표계 연동 속도제어를 구현하기 위한 제어기 블록선도를 나타내고 있다. 조이스틱 입력변위(1-a, 1-b)에 따라 좌표계 기반 속도제어를 발생시키는 레이트제어기(4-1)의 출력값과 제어를 시작할 때의 작업기끝단초기값(4-1-Initial)과 합해져서 좌표계명령값(4-2-Command)이 발생되고 이 값은 원통좌표계 기반제어기(4-2) 입력 값으로 들어간다. 좌표계명령값(4-2-Command)과 좌표계피드백제어와 합친 값은 실제 좌표계제어입력값(4-2-Desired)로 되어 백호작업기역기구학(4-IK)를 통하여 구동기제어입력값(4-3-Desired)로 바꿔 구동기제어기(4-3)로 들어간다. 이때 실린더변위센서(4-DS1, 4-DS2, 4-DS3, 4-DS4)에서 측정된 구동기변위값(4-3-Actual)은 백호작업기순기구학(4-FK)를 통해서 좌표계측정값(4-2-Actual)로 변환되어 원통좌표계 기반제어기(4-2)의 피드백제어값으로 입력된다. 유의할 점으로 끝단의 움직임을 작업자가 시각적으로 피드백해서 조이스틱을 통한 입력 값을 재생함으로 유압시스템의 제어 오차를 충분히 극복하면서 직관적으로 원통좌표계 끝단 작업을 수행 할 수가 있다.6 is a controller block diagram for implementing a cylindrical coordinate system interlocking speed control at the end of a backhoe machine according to the joystick input displacement. The output value of the rate controller 4-1, which generates coordinate system-based speed control according to the joystick input displacements (1-a, 1-b), and the work machine end initial value (4-1-Initial) at the start of control, Coordinate system command value (4-2-Command) is generated and this value is entered into the cylindrical coordinate system based controller (4-2) input value. The combined value of the coordinate system command value (4-2-Command) and the coordinate system feedback control becomes the actual coordinate system control input value (4-2-Desired), and the driver control input value (4-IK) is performed through the backhoe working area kinematics (4-IK). Switch to 3-Desired) and enter the driver controller (4-3). At this time, the actuator displacement value (4-3-Actual) measured by the cylinder displacement sensors (4-DS1, 4-DS2, 4-DS3, 4-DS4) is measured by the coordinate system measurement value (4-FK) through the backhoe working forward kinematics (4-FK). 4-2-Actual) is inputted as a feedback control value of the cylindrical coordinate system-based controller 4-2. It is important to note that the operator can visually feed back the end movement and replay the input value through the joystick to overcome the control error of the hydraulic system and to intuitively perform the end of the cylindrical coordinate system.
여기서 레이트제어기(4-1)는 구체적으로 다음과 같이 구현된다. Here, the rate controller 4-1 is specifically implemented as follows.
여기서, 
here,
도 7은 제안된 원통좌표계 연동 유압식 백호작업기를 제어하기 위한 유압제어구성도를 나타내고 있다. 엔진과 펌프 및 컨트롤 밸브는 기존의 백호작업기 유압식 구조를 그대로 유지하면서 컨트롤 밸브의 스풀을 제어하는 방식에서 전기식 구조의 컨트롤 밸브의 스풀을 제어하는 방식을 구현하였다. 파일롯 펌프로부터의 유량 비례제어 밸브(3)로 입력되고, 좌표계 변환 제어인터페이스(4) 및 조이스틱을 포함하는 백호작업기 조작 인터페이스장치가 비례밸브를 제어함으로써 컨트롤 밸브의 스풀을 조절하는 파일롯 유량을 제어하게 됨에 따라 원하는 액츄에이터 위치를 얻을 수 있다. 제안된 유압제어방식은 기존의 유압시스템의 변경 없이 추가적인 유량비례밸브제어의 삽입으로 제안된 백호작업기 끝단 원통좌표계제어용 조작 인터페이스장치를 구현할 수 있다.
Figure 7 shows the hydraulic control configuration for controlling the proposed cylindrical coordinate system hydraulic backhoe work. The engine, the pump and the control valve implement the method of controlling the spool of the electric control valve in the manner of controlling the spool of the control valve while maintaining the hydraulic structure of the existing backhoe worker. A backhoe machine operation interface device, which is input from the pilot pump to the flow
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.
좌측 전자식 조이스틱(1a) 우측 전자식 조이스틱(1b)
좌측 조이스틱 좌우방향(1-1) 좌측 조이스틱 전후방향(1-2)
우측 조이스틱 좌우방향(1-3) 우측 조이스틱 전후방향(1-4)
원통좌표계 원점(2-0)
백호작업기의 끝단(2-End-Effector)
원통좌표계 회전방향(2-1) 원통좌표계 우측회전방향(2-1R),
원통좌표계 좌측회전방향(2-1L)
원통좌표계 반경방향(2-2) 원통좌표계 반경전진방향(2-2F),
원통좌표계 반경후진방향(2-2B)
버켓 회전방향(2-3) 버켓 개방방향(2-3O)
버켓 닫힘방향(2-3C)
원통좌표계 높이방향(2-4) 원통좌표계 높이상측방향(2-4U),
원통좌표계 높이하측방향(2-4D)
붐 실린더밸브(3-1) 암 실린더밸브(3-2)
버켓 실린더밸브(3-3) 선회 실린더밸브(3-4)
좌표계 변환제어기 인터페이스(4)
레이트제어기(rate control)(4-1)
버켓 회전방향 속도게인(4-1a)
원통좌표계 반경방향 속도게인(4-1b)
원통좌표계 회전방향 속도게인(4-1c)
원통좌표계 높이방향 속도게인(4-1d)
원통좌표계 기반제어기(4-2)
작업기끝단초기값(4-1-Initial) 좌표계명령값(4-2-Command),
좌표계제어입력값(4-2-Desired) 구동기제어입력값(4-3-Desired),
구동기변위값(4-3-Actual) 좌표계측정값(4-2-Actual)
구동기제어기(4-3) 작업기순기구학(4-FK)
작업기역기구학(4-IK)
붐 실린더 변위센서(4-DS1) 암 실린더변위센서(4-DS2),
버켓 실린더변위센서(4-DS3) 선회 실린더변위센서(4-DS4)
전자식유량비례제어밸브(5)Left Electronic Joystick (1a) Right Electronic Joystick (1b)
Left joystick left / right direction (1-1) Left joystick forward and backward direction (1-2)
Right joystick left / right direction (1-3) Right joystick back and forth direction (1-4)
Cylindrical coordinate origin (2-0)
2-End-Effector of backhoe work
Cylindrical coordinate system rotation direction (2-1) Cylindrical coordinate system right rotation direction (2-1R),
Left rotation direction of cylindrical coordinate system (2-1L)
Cylindrical coordinate system radial direction (2-2) Cylindrical coordinate system radial direction (2-2F),
Cylindrical Coordinate System Radius Reverse Direction (2-2B)
Bucket rotation direction (2-3) Bucket opening direction (2-3O)
Bucket closing direction (2-3C)
Cylindrical coordinate system height direction (2-4) Cylindrical coordinate system height direction (2-4U),
Cylindrical Coordinate System Height-Downward (2-4D)
Boom Cylinder Valve (3-1) Female Cylinder Valve (3-2)
Bucket Cylinder Valve (3-3) Swing Cylinder Valve (3-4)
Coordinate System Conversion Controller Interface (4)
Rate control (4-1)
Bucket Rotation Speed Gain (4-1a)
Cylindrical Coordinate System Radial Speed Gain (4-1b)
Cylindrical Coordinate System Rotational Speed Gain (4-1c)
Cylindrical Coordinate System Height Gain (4-1d)
Cylindrical coordinate system-based controller (4-2)
Work Machine End Initial Value (4-1-Initial) Coordinate System Command Value (4-2-Command),
Coordinate system control input value (4-2-Desired) Driver control input value (4-3-Desired),
Driver displacement value (4-3-Actual) Coordinate system measured value (4-2-Actual)
Actuator Controller (4-3) Work Order Kinematics (4-FK)
Working Area Kinematics (4-IK)
Boom Cylinder Displacement Sensor (4-DS1) Arm Cylinder Displacement Sensor (4-DS2),
Bucket Cylinder Displacement Sensor (4-DS3) Swing Cylinder Displacement Sensor (4-DS4)
Electronic flow proportional control valve (5)
Claims (3)
상기 레이트제어기(4-1)에서 발생된 상기 백호작업기 끝단(2-End-Effector) 이동 지령 값을 피드백 제어하는 원통좌표계 기반제어기(4-2)와,
상기 원통좌표계 기반제어기(4-2)의 출력 값을 받아 유압 실린더 제어 신호를 발생시키는 구동기제어기(4-3)와,
구동기 피드백제어를 위해 붐 실린더 변위센서(4-DS1), 암 실린더 변위센서(4-DS2), 버켓 실린더 변위센서(4-DS3), 선회 실린더 변위 센서(4-DS4)값들의 입력에 따른 상기 구동기제어기(4-3)에서의 출력 값을 이용해 전자식 유압비례제어밸브들(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)을 구동하는 디지털/아날로그(D/A) 변환기를 포함하고, 상기 전자식 조이스틱(1a, 1b)으로부터 입력되는 변위에 따른 전기신호를 원통좌표계 속도지령으로 변환하여, 상기 백호작업기 끝단(2-End-Effector)이 원통좌표계 상에서 작동하도록 하는 좌표계 변환제어기 인터페이스(4);
를 포함하여 구성되어,
상기 레이트제어기(4-1)의 출력값과 상기 백호작업기 끝단(2-End-Effector) 초기값(4-1-Initial)이 합해진 좌표계명령값(4-2-Command)이 상기 원통좌표계 기반제어기(4-2)의 입력 값으로 들어가며,
상기 좌표계명령값(4-2-Command)과 좌표계 피드백 제어값이 합해진 좌표계제어입력값(4-2-Desired)이 백호작업기역기구학(4-IK)을 통해 구동기제어입력값(4-3-Desired)으로 변환되어 상기 구동기제어기(4-3)의 입력 값으로 들어가며,
상기 붐 실린더 변위센서(4-DS1), 암 실린더 변위센서(4-DS2), 버켓 실린더 변위센서(4-DS3), 선회 실린더 변위센서(4-DS4)에서 측정된 구동기변위값(4-3-Actual)이 백호작업기순기구학(4-FK)을 통해 좌표계측정값(4-2-Actual)으로 변환되어 상기 원통좌표계 기반제어기(4-2)의 피드백 제어값으로 입력되는 것을 특징으로 하는 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스.
Generates the speed command value of the 2-End-Effector in proportion to the displacement signals 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 from the two electronic joysticks 1a, 1b. Rate controller 4-1,
Cylindrical coordinate system-based controller (4-2) for feedback-controlling the value of the 2-End-Effector movement command generated by the rate controller (4-1),
A driver controller 4-3 which receives the output value of the cylindrical coordinate system-based controller 4-2 and generates a hydraulic cylinder control signal;
In response to the input of the values of the boom cylinder displacement sensor (4-DS1), the arm cylinder displacement sensor (4-DS2), the bucket cylinder displacement sensor (4-DS3), and the swing cylinder displacement sensor (4-DS4) for the driver feedback control. Digital / analog (D / A) converter for driving electronic hydraulic proportional control valves 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 using the output value from the driver controller 4-3. And converting an electrical signal according to the displacement input from the electronic joysticks 1a and 1b into a cylindrical coordinate system speed command, so that the two-end-efector operates on the cylindrical coordinate system. 4);
, ≪ / RTI >
The coordinate system command controller 4-2-Command, in which the output value of the rate controller 4-1 and the initial value 4-1-Initial of the back-end work machine, is added to the cylindrical coordinate system-based controller ( Enter the input value of 4-2),
The coordinate system control input value (4-2-desired), which is the sum of the coordinate system command value (4-2-command) and the coordinate system feedback control value, is driven by the backhoe working area kinematics (4-IK). Desired) is entered into the input value of the driver controller (4-3),
Actuator displacement value (4-3) measured by the boom cylinder displacement sensor (4-DS1), arm cylinder displacement sensor (4-DS2), bucket cylinder displacement sensor (4-DS3), swing cylinder displacement sensor (4-DS4) -Actual) is converted into a coordinate system measurement value (4-2-Actual) through the backhoe work order kinematics (4-FK) is input as a feedback control value of the cylindrical coordinate system-based controller (4-2) Coordinate system linked backhoe operator interface.
상기 두 개의 전자식 조이스틱(1a, 1b) 중 하나의 전자식 조이스틱(1a)의 좌우방향(1-1)은 백호작업기 끝단(2-End-Effector)의 원통좌표계 회전방향(2-1)을 제어하고, 전후방향(1-2)은 백호작업기 끝단(2-End-Effector)의 원통좌표계 반경방향(2-2)을 제어하며,
상기 두 개의 전자식 조이스틱(1a, 1b) 중 하나의 전자식 조이스틱(1b)의 좌우방향(1-3)은 백호작업기 끝단(2-End-Effector)의 버켓 회전방향(2-3)을 제어하고, 전후방향(1-4)은 백호작업기 끝단(2-End-Effector)의 원통좌표계 높이방향(2-4)을 각각 제어하도록 매칭되는 것을 특징으로 하는 원통좌표계 연동 백호작업기 조작 인터페이스.The method of claim 1,
The left and right directions 1-1 of one of the two electronic joysticks 1a and 1b control the rotational direction 2-1 of the cylindrical coordinate system of the end of the backhoe machine (2-End-Effector). , The front and rear direction (1-2) controls the cylindrical coordinate system (2-2) of the end of the backhoe machine (2-End-Effector),
Left and right directions (1-3) of the electronic joystick (1b) of one of the two electronic joystick (1a, 1b) controls the bucket rotation direction (2-3) of the end of the backhoe machine (2-End-Effector), The front and rear directions (1-4) are matched to control the cylindrical coordinate system height direction (2-4) of the end of the backhoe machine (2-End-Effector), respectively.
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| JPH08305489A (en) * | 1995-05-02 | 1996-11-22 | Mitsutoyo Corp | Joy stick driving device |
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