KR101547586B1

KR101547586B1 - 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템

Info

Publication number: KR101547586B1
Application number: KR1020147009440A
Authority: KR
Inventors: 도루 마쓰야마; 요시키 가미; 신 가시와바라; 마사시 이치하라
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2015-08-26
Also published as: JP2013217138A; US20150050110A1; CN104358280B; DE112013000144T5; CN103827400B; KR20140064942A; CN103827400A; JP5597222B2; WO2013153906A1; US8909439B2; CN104358280A; US9410305B2; US20140200776A1; DE112013000144B4

Abstract

굴삭 제어 시스템(200)은, 설계 지형 데이터 Dg와 버킷(bucket) 위치 데이터 Dp에 기초하여, 버킷(8)에 가장 가까운 제1 설계면(S1)을 나타내는 제1 설계면 데이터 D_S1과, 제1 설계면(S1)에 이어지는 제2 내지 제5 설계면(S2~S5)을 나타내는 제2 내지 제5 설계면 데이터 D_S2~D_S5를 생성하고, 제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1~D_S5에 기초하여, 제1 내지 제5 설계면(S1~S5)의 형상을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성하는 설계면 데이터 생성부(284)를 구비한다.

Description

유압 셔블의 굴삭 제어 시스템{EXCAVATION CONTROL SYSTEM FOR HYDRAULIC EXCAVATORS}

본 발명은, 작업기를 구비하는 유압 셔블(hydraulic shovel)의 굴삭 제어 시스템에 관한 것이다.

종래, 버킷(bucket)을 포함하는 프론트 장치를 구비한 건설 기계에 있어서, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 경계면을 따라 버킷을 이동시키기 위한 굴삭 영역 제한 제어가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

또한, 사무소측 컴퓨터로부터 송신되는 치수 및 구배(勾配) 데이터에 기초하여, 유압 셔블 측 컴퓨터에 있어서 설계면 데이터를 산출하는 방법도 알려져 있다(특허 문헌 2 참조).

국제 공개 WO95/30059호 일본 공개특허 제2006-265954호 공보

그러나, 특허 문헌 2에서는, 유압 셔블의 버킷이 굴삭 가능한 범위에 위치하는지의 여부에 관계없이, 유압 셔블 측 컴퓨터는 설계면 데이터를 산출한다. 그러므로, 유압 셔블 측 컴퓨터에서의 처리 부하가 크고, 또한 산출한 설계면 데이터를 이용하지 않고 파기하지 않으면 안되는 경우도 있다.

본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 원하는 설계면 데이터를 간편하게 취득 가능한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1 태양에 관한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템은, 작업기와, 설계 지형 데이터 저장부와, 버킷 위치 데이터 생성부와, 설계면 데이터 생성부와, 굴삭 제한 제어부를 구비한다. 작업기는, 붐(boom)과, 암(arm)과, 버킷을 가진다. 붐은, 차량 본체에 대하여 요동(搖動) 가능하게 장착된다. 암은, 붐의 선단부에 요동 가능하게 장착된다. 버킷은, 암의 선단부에 요동 가능하게 장착된다. 설계 지형 데이터 저장부는, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 설계 지형 데이터를 저장한다. 버킷 위치 데이터 생성부는, 버킷의 현재 위치를 나타내는 버킷 위치 데이터를 생성한다. 설계면 데이터 생성부는, 설계 지형 데이터와 버킷 위치 데이터에 기초하여, 주(主)설계면 데이터와 종(從)설계면 데이터를 생성한다. 주설계면 데이터는, 버킷 상의 규정된 위치에 따른 주설계면을 나타낸다. 종설계면 데이터는, 주설계면으로 이어지는 복수의 종설계면을 나타낸다. 설계면 데이터 생성부는, 주설계면 데이터 및 종설계면 데이터에 기초하여, 주설계면 및 복수의 종설계면의 형상을 나타내는 형상 데이터를 생성한다. 굴삭 제한 제어부는, 형상 데이터와 버킷 위치 데이터에 기초하여, 주설계면 및 복수의 종설계면에 대한 버킷의 위치를 자동 조정한다.

제1 태양에 관한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템에 의하면, 주설계면이 버킷의 위치를 기준으로 하여 설정되므로, 굴삭 작업에 필요로 하는 원하는 설계면 데이터를 간편하게 취득할 수 있다. 따라서, 설계면 데이터의 생성에 관한 처리 부하를 저감할 수 있는 동시에, 굴삭 작업에 필요하지 않은 설계면 데이터를 생성하여 버리는 것을 억제할 수 있다.

제2 태양에 관한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템은, 제1 태양에 관한 것이며, 버킷 위치 데이터 생성부는, 버킷 위치 데이터를 수시로 갱신한다. 설계면 데이터 생성부는, 버킷 위치 데이터 생성부에 의한 버킷 위치 데이터의 갱신에 따라, 주설계면 데이터, 종설계면 데이터 및 형상 데이터를 갱신한다.

제2 태양에 관한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템에 의하면, 예를 들면, 제1 설계면으로부터 제2 설계면의 굴삭으로 이행했을 때, 신속하게 제2 설계면이 제1 설계면으로 갱신되고, 또한 제3 설계면으로 이어지는 다른 설계면이 종설계면으로서 새롭게 설정된다. 그러므로, 버킷이 뜻하지 않은 방향으로 구동되는 것을 억제할 수 있다.

제3 태양에 관한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템은, 제1 또는 제2 태양에 관한 것이며, 설계면 데이터 생성부는, 주설계면의 차량 본체 측으로 순차적으로 이어지도록 2개의 설계면을 설정한다. 또한, 설계면 데이터 생성부는, 주설계면의 차량 본체와는 반대측으로 순차적으로 이어지도록 2개의 설계면을 설정한다.

제3 태양에 관한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템에 의하면, 제1 설계면의 양측에 2개의 설계면이 설정되므로, 홈으로부터 굴삭한 흙을 홈의 바로 앞쪽 또는 홈의 안쪽에 배토(排土)할 때, 버킷이 뜻하지 않은 방향으로 구동되는 것을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 제1 설계면이 홈의 바닥면에서, 제1 설계면의 양단으로 연속되는 2개의 설계면이 홈의 양 벽면이며, 또한 작업기의 가동 범위 내에 위치하고 있는 경우, 굴삭한 흙을 홈의 바로 앞쪽 및 홈의 안쪽 어딘가에 배토할 것인지는 오퍼레이터에 의해 그 때마다 결정된다. 그래서, 미리 제1 설계면의 양측에 2개의 설계면을 설정하여 두는 것에 의해, 홈의 바로 앞쪽 및 홈의 안쪽의 어딘가에 배토되는 경우에도 대응할 수 있다.

본 발명에 의하면, 원하는 설계면 데이터를 간편하게 취득 가능한 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 유압 셔블의 사시도이다.
도 2a는 유압 셔블(100)의 측면도이다.
도 2b는 유압 셔블(100)의 배면도이다.
도 3은 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템의 기능 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 표시 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 후보면을 나타내는 모식도이다.
도 6은 설계면을 나타내는 모식도이다.
도 7은 작업기 컨트롤러의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 버킷과 설계면(S)과의 위치 관계를 나타내는 모식도이다.
도 9는 제한 속도와 거리와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 버킷의 동작에 대하여 설명하기 위한 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

[유압 셔블(100)의 전체 구성]

도 1은, 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 사시도이다. 유압 셔블(100)은, 차량 본체(1)와, 작업기(2)를 가진다. 또한, 유압 셔블(100)에는, 굴삭 제어 시스템(200)이 탑재되어 있다. 굴삭 제어 시스템(200)의 구성 및 동작에 대하여는 후술한다.

차량 본체(1)는, 선회체(旋回體)(3)와, 운전실(4)과, 주행 장치(5)를 가진다. 선회체(3)는, 주행 장치(5) 상에 배치되어 있고, 상하 방향에 따른 선회축(旋回軸)을 중심으로 하여 선회 가능하다. 선회체(3)는, 도시하지 않은 엔진이나 유압 펌프 등을 수용하고 있다.

선회체(3)의 후단부 상에는, 제1 GNSS 안테나(21)와 제2 GNSS 안테나(22)가 배치되어 있다. 제1 GNSS 안테나(21)와 제2 GNSS 안테나(22)는, RTK-GNSS(Real Time Kinematic -Global Navigation Satellite Systems, GNSS는 전지구 항법 위성 시스템을 말함)용의 안테나이다.

운전실(4)은, 선회체(3)의 앞부분 상에 탑재되어 있다. 운전실(4) 내에는, 각종 조작 장치가 배치된다. 주행 장치(5)는 한 쌍의 크롤러 트랙(crawler track)(5a, 5b)을 가지고 있고, 한 쌍의 크롤러 트랙(5a, 5b) 각각의 회전에 의해 유압 셔블(100)은 주행한다.

작업기(2)는, 선회체(3) 상에 장착되어 있다. 작업기(2)는, 붐(6)과, 암(7)과, 버킷(8)과, 붐 실린더(10)와, 암 실린더(11)와, 버킷 실린더(12)를 가진다.

붐(6)의 기단부(基端部)는, 붐 핀(13)을 통하여 선회체(3)의 앞부분에 요동 가능하게 장착된다. 암(7)의 기단부는, 암 핀(14)을 통하여 붐(6)의 선단부에 요동 가능하게 장착된다. 버킷(8)은, 버킷 핀(15)을 통하여 암(7)의 선단부에 요동 가능하게 장착된다. 또한, 붐 실린더(10)와, 암 실린더(11)와, 버킷 실린더(12)는, 각각 작동유에 의해 구동되는 유압 실린더이다. 붐 실린더(10)는 붐(6)을 구동한다. 암 실린더(11)는, 암(7)을 구동한다. 버킷 실린더(12)는, 버킷(8)을 구동한다.

여기서, 도 2a는 유압 셔블(100)의 측면도이며, 도 2b는 유압 셔블(100)의 배면도이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 붐(6)의 길이, 즉 붐 핀(13)으로부터 암 핀(14)까지의 길이는, L1이다. 암(7)의 길이, 즉 암 핀(14)으로부터 버킷 핀(15)까지의 길이는, L2이다. 버킷(8)의 길이, 즉 버킷 핀(15)으로부터 버킷(8)의 투스(tooth)의 선단[이하, 「버킷 날끝(cutting edge)(8a)」이라고 함]까지의 길이는, L3이다.

또한, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더(10)와, 암 실린더(11)와, 버킷 실린더(12)에는, 각각 제1 ∼제3 스트로크 센서(16∼18)가 설치되어 있다. 제1 스트로크 센서(16)는, 붐 실린더(10)의 스트로크 길이(이하, 「붐 실린더 길이 N1」라고 함)를 검출한다. 후술하는 표시 컨트롤러(28)(도 4 참조)는, 제1 스트로크 센서(16)가 검출한 붐 실린더 길이 N1으로부터, 차량 본체 좌표계의 수직 방향에 대한 붐(6)의 경사각 θ1을 산출한다.

제2 스트로크 센서(17)는, 암 실린더(11)의 스트로크 길이(이하, 「암 실린더 길이 N2」라고 함)를 검출한다. 표시 컨트롤러(28)는, 제2 스트로크 센서(17)가 검출한 암 실린더 길이 N2로부터, 붐(6)에 대한 암(7)의 경사각 θ2을 산출한다.

제3 스트로크 센서(18)는, 버킷 실린더(12)의 스트로크 길이(이하, 「버킷 실린더 길이 N3」라고 함)를 검출한다. 표시 컨트롤러(28)는, 제3 스트로크 센서(18)가 검출한 버킷 실린더 길이 N3로부터, 암(7)에 대한 버킷(8)이 가지는 버킷 날끝(8a)의 경사각 θ3을 산출한다.

차량 본체(1)에는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 위치 검출부(19)가 구비되어 있다. 위치 검출부(19)는, 유압 셔블(100)의 현재 위치를 검출한다. 위치 검출부(19)는, 전술한 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)와, 글로벌 좌표 연산기(23)와, IMU(Inertial Measurement Unit)(24)를 가진다.

제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)는, 차폭 방향에 있어서 서로 이격되어 있다. 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)에서 수신된 GNSS 전파에 따른 신호는 글로벌 좌표 연산기(23)에 입력된다.

글로벌 좌표 연산기(23)는, 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)의 설치 위치를 검출한다. IMU(24)는, 중력 방향(연직선)에 대한 차량 본체(1)의 차폭 방향에서의 경사각 θ4(도 2b 참조)와, 차량 본체(1)의 전후 방향에서의 경사각 θ5(도 2a 참조)를 검출한다.

글로벌 좌표 연산기(23)는, 유압 셔블(100)의 이동이나 선회 등에 따라 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)의 현재 위치 정보를 갱신한다.

[굴삭 제어 시스템(200)의 구성]

도 3은, 굴삭 제어 시스템(200)의 기능 구성을 나타낸 블록도이다. 굴삭 제어 시스템(200)은, 조작 장치(25)와, 작업기 컨트롤러(26)와, 비례 제어 밸브(27)와, 표시 컨트롤러(28)와, 표시부(29)를 구비한다.

조작 장치(25)는, 작업기(2)를 구동하는 오퍼레이터 조작을 받아들이고, 오퍼레이터 조작에 따른 조작 신호를 출력한다. 구체적으로, 조작 장치(25)는, 붐 조작구(31)와, 암 조작구(32)와, 버킷 조작구(33)를 가진다.

붐 조작구(31)는, 붐 조작 레버(31a)와, 붐 조작 검출부(31b)를 포함한다. 붐 조작 레버(31a)는, 오퍼레이터에 의한 붐(6)의 조작을 받아들인다. 붐 조작 검출부(31b)는, 붐 조작 레버(31a)의 조작에 따라 붐 조작 신호 M1를 출력한다.

암 조작 레버(32a)는, 오퍼레이터에 의한 암(7)의 조작을 받아들인다. 암 조작 검출부(32b)는, 암 조작 레버(32a)의 조작에 따라 암 조작 신호 M2를 출력한다.

버킷 조작구(33)는, 버킷 조작 레버(33a)와, 버킷 조작 검출부(33b)를 포함한다. 버킷 조작 레버(33a)는, 오퍼레이터에 의한 버킷(8)의 조작을 받아들인다. 버킷 조작 검출부(33b)는, 버킷 조작 레버(33a)의 조작에 따라 버킷 조작 신호 M3를 출력한다.

작업기 컨트롤러(26)는, 조작 장치(25)로부터 붐 조작 신호 M1, 암 조작 신호 M2 및 버킷 조작 신호 M3(이하, 적절히 「조작 신호 M」라고 총칭함)를 취득한다. 또한, 작업기 컨트롤러(26)는, 제1 ∼제3 스트로크 센서(16∼18)로부터 붐 실린더 길이 N1, 암 실린더 길이 N2 및 버킷 실린더 길이 N3를 취득한다. 작업기 컨트롤러(26)는, 이들 정보에 기초하여 비례 제어 밸브(27)에 제어 신호를 출력함으로써, 작업기(2)의 구동을 행한다. 작업기 컨트롤러(26)의 기능에 대하여는 후술한다.

비례 제어 밸브(27)는, 붐 실린더(10), 암 실린더(11) 및 버킷 실린더(12) 각각과 도시하지 않은 유압 펌프와의 사이에 배치된다. 비례 제어 밸브(27)는, 작업기 컨트롤러(26)로부터의 제어 신호에 따라 밸브의 개구도를 조정하면서, 붐 실린더(10), 암 실린더(11) 및 버킷 실린더(12) 각각에 작동유를 공급한다.

표시 컨트롤러(28)는, 제1 ∼제3 스트로크 센서(16∼18)로부터 붐 실린더 길이 N1, 암 실린더 길이 N2 및 버킷 실린더 길이 N3를 취득한다. 또한, 표시 컨트롤러(28)는, IMU(24)로부터 경사각 θ4을 취득하고, 글로벌 좌표 연산기(23)로부터 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)의 설치 위치(도 3에서는, 안테나 설치 위치와 표시)를 취득한다.

그리고, 표시 컨트롤러(28)는, 이들의 정보로부터 산출되는 버킷(8)의 현재 위치와 굴삭 대상의 목표 형상인 설계 지형에 기초하여, 후술하는 후보면(S0)(도 5 참조)과, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)(도 6 참조)을 생성한다. 표시 컨트롤러(28)는, 후보면(S0)을 표시부(29)에 표시하게 하는 동시에, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)을 작업기 컨트롤러(26)에 송신한다. 표시 컨트롤러(28)의 기능에 대하여는 후술한다.

[표시 컨트롤러(28)의 구성]

도 4는, 표시 컨트롤러(28)의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 5는, 후보면(S0)의 일례를 나타낸 모식도이다. 도 6은, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)의 일례를 나타낸 모식도이다.

표시 컨트롤러(28)는, 설계 지형 데이터 저장부(281)와, 버킷 위치 데이터 생성부(282)와, 후보면 데이터 생성부(283)와, 설계면 데이터 생성부(284)를 구비한다.

1. 설계 지형 데이터 저장부(281)

설계 지형 데이터 저장부(281)는, 작업 영역 내에서의 굴삭 대상의 목표 형상(이하, 「설계 지형」이라고 함)을 나타내는 설계 지형 데이터 Dg를 저장하고 있다. 설계 지형 데이터 Dg는, 후보면(S0)과, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)의 3차원 형상을 생성하기 위해 필요로 하는 좌표 데이터나 각도 데이터를 포함하고 있으면 된다.

2. 버킷 위치 데이터 생성부(282)

버킷 위치 데이터 생성부(282)는, 제1 ∼제3 스트로크 센서(16∼18)로부터 붐 실린더 길이 N1, 암 실린더 길이 N2 및 버킷 실린더 길이 N3를 취득하고, IMU(24)로부터 경사각 θ4을 취득하고, 글로벌 좌표 연산기(23)로부터 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)의 설치 위치를 취득한다. 버킷 위치 데이터 생성부(282)는, 붐 실린더 길이 N1, 암 실린더 길이 N2 및 버킷 실린더 길이 N3에 기초하여, 경사각 θ1∼θ3을 산출한다.

그리고, 버킷 위치 데이터 생성부(282)는, 경사각 θ1∼θ4와, 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)의 설치 위치에 기초하여, 버킷(8)의 현재 위치를 나타내는 버킷 위치 데이터 Dp를 생성한다. 버킷 위치 데이터 생성부(282)는, 생성한 버킷 위치 데이터 Dp를 작업기 컨트롤러(26)에 송신한다.

또한, 버킷 위치 데이터 생성부(282)는, 글로벌 좌표 연산기(23)에 의한 제1 및 제2 GNSS 안테나(21, 22)의 현재 위치 정보의 갱신에 따라, 버킷 위치 데이터 Dp를 수시로 갱신한다.

3. 후보면 데이터 생성부(283)

후보면 데이터 생성부(283)는, 설계 지형 데이터 저장부(281)에 저장된 설계 지형 데이터 Dg와, 버킷 위치 데이터 생성부(282)에 의해 생성된 버킷 위치 데이터 Dp를 취득한다. 후보면 데이터 생성부(283)는, 설계 지형 데이터 Dg 및 버킷 위치 데이터 Dp에 기초하여, 설계 지형 중 버킷 날끝(8a) 근방의 영역을 나타내는 버킷 근방 설계 지형을 취득한다.

다음에, 후보면 데이터 생성부(283)는, 버킷 근방 설계 지형과 작업기(2)의 동작 평면[즉, 차폭 방향에서의 작업기(2)의 중심을 지나는 평면]과의 교선(交線)을 설계면의 후보로 되는 후보면(S0)으로 결정하고, 후보면(S0)을 나타내는 후보면 데이터 DS0를 생성한다.

후보면 데이터 생성부(283)는, 후보면 데이터 DS0를 표시부(29)에 송신하여, 오퍼레이터에 대하여 후보면(S0)을 표시하게 한다. 또한, 후보면 데이터 생성부(283)는, 후보면 데이터 DS0를 설계면 데이터 생성부(284)에 송신한다.

그리고, 후보면 데이터 생성부(283)는, 버킷 위치 데이터 생성부(282)에 의한 버킷 위치 데이터 Dp의 갱신에 따라, 후보면 데이터 DS0를 수시로 갱신한다.

4. 설계면 데이터 생성부(284)

설계면 데이터 생성부(284)는, 버킷 위치 데이터 생성부(282)에 의해 생성된 버킷 위치 데이터 Dp와, 후보면 데이터 생성부(283)에 의해 생성된 후보면 데이터 DS0를 취득한다.

설계면 데이터 생성부(284)는, 버킷 위치 데이터 Dp와 후보면 데이터 DS0에 기초하여, 도 6에 나타낸 바와 같이, 후보면(S0) 중 버킷(8)이 가장 가까운 면을 제1 설계면(S1)으로서 결정하고, 제1 설계면(S1)을 나타내는 제1 설계면 데이터 D_S1을 생성한다.

또한, 설계면 데이터 생성부(284)는, 제1 설계면(S1)에 이어지는 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)을 나타내는 제2 내지 제5 설계면 데이터 D_S2∼D_S5를 생성한다.

구체적으로, 설계면 데이터 생성부(284)는, 제1 설계면(S1)의 차량 본체(1) 측의 단부(端部)에 이어지는 제2 설계면(S2)과, 제2 설계면(S2)의 차량 본체(1) 측의 단부로 다시 연속되는 제3 설계면(S3)을 설정한다. 또한, 제1 설계면(S1)의 차량 본체(1)와 반대측의 단부에 이어지는 제4 설계면(S4)과, 제4 설계면(S4)의 차량 본체(1)와 반대측으로 다시 연속되는 제5 설계면(S5)을 설정한다.

그리고, 본 실시형태에 있어서, 제1 설계면(S1)은 "주설계면"의 일례이며, 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)은, "복수의 종설계면"의 일례이다. 또한, 제1 설계면(S1)을 나타내는 제1 설계면 데이터 D_S1은, "주설계면 데이터"의 일례이며, 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)을 나타내는 제2 내지 제5 설계면 데이터 D_S2∼D_S5는, "종설계면 데이터"의 일례이다.

또한, 설계면 데이터 생성부(284)는, 생성한 제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1∼D_S5에 기초하여, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)의 형상을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성한다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 설계면 데이터 D_S1에는, 좌표 데이터 P1와 좌표 데이터 P2와 각도 데이터 θ1가 포함되어 있고, 이들 정보에 의해 제1 설계면(S1)이 규정된다. 구체적으로는, 좌표 데이터 P1 및 좌표 데이터 P2에 의해 제1 설계면(S1)의 치수가 규정되고, 각도 데이터 θ1에 의해 제1 설계면(S1)의 수평선에 대한 구배가 규정된다.

또한, 제2 설계면 데이터 D_S2에는, 좌표 데이터 P3와, 각도 데이터 θ2가 포함되어 있고, 이들 정보에 의해 제2 설계면(S2)이 규정된다. 구체적으로는, 좌표 데이터 P1 및 좌표 데이터 P3에 의해 제2 설계면(S2)의 치수가 규정되고, 각도 데이터 θ2에 의해 제2 설계면(S2)의 수평선에 대한 구배가 규정된다.

또한, 제3 설계면 데이터 D_S3에는, 각도 데이터 θ3(도 6의 예에서는, θ3= 0°)가 포함되어 있고, 이 정보에 의해 제3 설계면(S3)이 규정된다. 구체적으로는, 각도 데이터 θ3에 의해, 좌표 데이터 P3를 기점(起点)으로 하는 제3 설계면(S3)의 수평선에 대한 구배가 규정되어 있다. 그리고, 제3 설계면(S3)의 치수는 규정되어 있지 않아도 된다.

또한, 제4 설계면 데이터 D_S4에는, 좌표 데이터 P4와 각도 데이터 θ4가 포함되어 있고, 이들의 정보에 의해 제4 설계면(S4)이 규정된다. 구체적으로는, 좌표 데이터 P4 및 좌표 데이터 P2에 의해 제4 설계면(S4)의 치수가 규정되고, 각도 데이터 θ4에 의해 제4 설계면(S4)의 수평선에 대한 구배가 규정된다.

또한, 제5 설계면 데이터 D_S5에는, 각도 데이터 θ5가 포함되어 있고, 이 정보에 의해 제5 설계면(S5)이 규정된다. 구체적으로는, 각도 데이터 θ5에 의해, 좌표 데이터 P4를 기점으로 하는 제5 설계면(S5)의 수평선에 대한 구배가 규정되어 있다. 그리고, 제5 설계면(S5)의 치수는 규정되어 있지 않아도 된다.

설계면 데이터 생성부(284)는, 이상과 같이 생성한 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)을 나타내는 형상 데이터 Df를 작업기 컨트롤러(26)에 송신한다. 또한, 설계면 데이터 생성부(284)는, 버킷 위치 데이터 생성부(282)에 의한 버킷 위치 데이터 Dp의 갱신, 또는 후보면 데이터 생성부(283)에 의한 후보면 데이터 DS0의 갱신에 따라, 제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1∼D_S5 및 형상 데이터 Df를 갱신한다.

[작업기 컨트롤러(26)의 구성]

도 7은, 작업기 컨트롤러(26)의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 8은, 버킷(8)과 설계면(S)[제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)을 포함함]과의 위치 관계를 나타내는 모식도이다.

작업기 컨트롤러(26)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상대 거리 취득부(261)와, 제한 속도 결정부(262)와, 상대 속도 취득부(263)와, 굴삭 제한 제어부(264)를 구비한다.

1. 상대 거리 취득부(261)

상대 거리 취득부(261)는, 버킷 위치 데이터 생성부(282)로부터 버킷 위치 데이터 Dp를 취득하고, 설계면 데이터 생성부(284)로부터 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)의 형상 데이터 Df를 취득한다.

상대 거리 취득부(261)는, 버킷 위치 데이터 Dp와 형상 데이터 Df에 기초하여, 제1 설계면(S1)에 수직인 방향에서의 버킷 날끝(8a)과 제1 설계면(S1)의 거리 d를 취득한다. 상대 거리 취득부(261)는, 거리 d를 제한 속도 결정부(262)에 출력한다.

그리고, 도 8에 나타낸 예에 있어서, 거리 d는, 굴삭 제한 제어 개입 라인 C까지의 라인 거리 h보다 작고, 버킷 날끝(8a)은 굴삭 제한 제어 개입 라인 C의 내측으로 침입하고 있다. 굴삭 제한 제어 개입 라인 C는, 제1 설계면(S1)으로부터 임의의 거리에 적절히 설정되어 있으면 된다.

2. 제한 속도 결정부(262)

제한 속도 결정부(262)는, 거리 d에 따른 제한 속도 V를 취득한다. 제한 속도 결정부(262)는, 거리 d와 라인 거리 h를 비교하여, 버킷 날끝(8a)이 굴삭 제한 제어 개입 라인 C를 초과한 것으로 판정한 경우에는, 버킷 날끝(8a)의 설계면(S)에 대한 상대 속도 Q1의 제한 속도 V를 취득한다.

여기서, 도 9는, 상대 속도 Q1의 제한 속도 V와 거리 d와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 제한 속도 V는, 거리 d가 라인 거리 h 이상에서 최대로 되고, 거리 d가 라인 거리 h보다 작아질수록 지연된다. 그리고, 거리 d가 "0"일 때 제한 속도 V도 "0"로 된다. 제한 속도 결정부(262)는, 제한 속도 V를 굴삭 제한 제어부(264)에 출력한다.

3. 상대 속도 취득부(263)

상대 속도 취득부(263)는, 조작 장치(25)로부터 취득하는 조작 신호 M에 기초하여, 버킷 날끝(8a)의 속도 Q를 산출한다. 또한, 상대 속도 취득부(263)는, 속도 Q에 기초하여, 버킷 날끝(8a)의 설계면(S)에 대한 상대 속도 Q1(도 8 참조)를 취득한다.

상대 속도 취득부(263)는, 상대 속도 Q1을 굴삭 제한 제어부(264)에 출력한다. 도 8에 나타낸 예에 있어서, 상대 속도 Q1은, 제한 속도 V보다 크다.

4. 굴삭 제한 제어부(264)

굴삭 제한 제어부(264)는, 버킷 날끝(8a)의 설계면(S)에 대한 상대 속도 Q1이 제한 속도 V를 넘고 있는지의 여부를 판정한다.

굴삭 제한 제어부(264)는, 상대 속도 Q1이 제한 속도 V를 넘고 있는 것으로 판정한 경우, 상대 속도 Q1을 제한 속도 V로 억제함으로써, 설계면(S)에 대한 버킷 날끝(8a)의 위치를 자동 조정하기 위한 굴삭 제한 제어를 실행한다.

한편, 굴삭 제한 제어부(264)는, 상대 속도 Q1이 제한 속도 V를 초과하고 있지 않은 것으로 판정한 경우, 비례 제어 밸브(27)로의 출력을 보정하지 않고 그대로 비례 제어 밸브(27)에 출력함으로써, 오퍼레이터의 의도대로 작업기(2)를 구동시킨다.

[작용 및 효과]

(1) 본 실시형태에 관한 굴삭 제어 시스템(200)은, 버킷 위치 데이터 Dp와 후보면 데이터 DS0에 기초하여, 버킷(8)에 가장 가까운 제1 설계면(S1)을 나타내는 제1 설계면 데이터 D_S1과, 제1 설계면(S1)에 이어지는 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)을 나타내는 제2 내지 제5 설계면 데이터 D_S2∼D_S5를 생성하고, 제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1∼D_S5에 기초하여, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)의 형상을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성한다.

이와 같이, 제1 설계면(S1)이 버킷(8)의 위치를 기준으로 하여 설정되므로, 굴삭 작업에 필요로 하는 원하는 설계면 데이터 DS(제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1∼D_S5를 포함함)를 간편하게 취득할 수 있다. 따라서, 설계면 데이터 DS의 생성에 관한 처리 부하를 저감할 수 있는 동시에, 굴삭 작업에 필요하지 않은 설계면 데이터 DS를 생성하여 버리는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 설계면(S1)을 기준으로 하여 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)이 설정되어 있으므로, 예를 들면, 제1 설계면(S1)을 기준으로 하여 제2 및 제4 설계면(S2, S4)만이 설정되는 경우와 비교하여, 오퍼레이터가 뜻하지 않은 방향으로 버킷(8)이 구동되는 것을 억제할 수 있다.

구체적으로는, 제2 및 제4 설계면(S2, S4)만이 설정되어 있는 경우에, 제1 설계면(S1)으로부터 제2 설계면(S2)의 굴삭으로 이행했을 때를 상정하면 다음과 같다. 먼저, 제2 설계면(S2)의 굴삭이 완료할 때까지 제3 설계면(S3)의 데이터를 취득할 수 없으면, 작업기 컨트롤러(26)는 제2 설계면(S2)이 연장되어 있는 것으로 인식하고, 버킷(8)은, 도 10에 나타낸 바와 같이 제2 설계면(S2)에 따른 동작인 채 위쪽을 향해 구동된다. 그리고, 제3 설계면(S3)의 데이터가 취득된 시점에서, 버킷(8)은 제3 설계면(S3)으로 유도되므로, 목표 형상에 따른 굴삭을 실행할 수 없게 될 우려가 있다.

한편, 본 실시형태에서는, 제1 설계면(S1)을 기준으로 하는 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)이 설정되어 있으므로, 제1 설계면(S1)으로부터 제2 설계면(S2)의 굴삭으로 이행했을 때는 이미 제3 설계면(S3)이 설정되어 있으므로, 버킷(8)을 제2 설계면(S2)으로부터 제3 설계면(S3)으로 유도할 수 있다.

(2) 설계면 데이터 생성부(284)는, 버킷 위치 데이터 생성부(282)가 버킷 위치 데이터 Dp를 갱신함에 따라서, 제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1∼D_S5 및 형상 데이터 Df를 갱신한다.

따라서, 예를 들면, 제1 설계면(S1)의 굴삭으로부터 제2 설계면(S2)의 굴삭으로 이행했을 때, 신속하게 제2 설계면(S2)이 제1 설계면(S1)으로 갱신되고, 또한 제3 설계면(S3)에 이어지는 다른 설계면이 새롭게 설정된다. 그러므로, 버킷(8)이 뜻하지 않은 방향으로 구동되는 것을 더욱 억제할 수 있다.

(3) 설계면 데이터 생성부(284)는, 제2 및 제3 설계면(S2, S3)을 제1 설계면(S1)의 차량 본체(1) 측으로 순차적으로 이어지도록 설정하고, 제4 및 제5 설계면(S4, S5)을 제1 설계면(S1)의 차량 본체(1)와는 반대측으로 순차적으로 이어지도록 설정한다.

이와 같이, 제1 설계면(S1)의 양측에 2개의 설계면이 설정되므로, 홈으로부터 굴삭한 흙을 홈의 바로 앞쪽 또는 홈의 안쪽에 배토할 때, 버킷(8)이 뜻하지 않은 방향으로 구동되는 것을 억제할 수 있다.

구체적으로는, 제1 설계면(S1)이 홈의 바닥면에서, 제1 설계면(S1)의 양단으로 연속되는 2개의 설계면(S2, S4)이 홈의 양 벽면이다. 또한, 작업기(2)의 가동 범위 내에 위치하고 있는 경우, 굴삭한 흙을 홈의 바로 앞쪽 및 홈의 안쪽 중 어딘가에 배토할 것인지는 오퍼레이터에 의해 그 때마다 결정된다. 그래서, 미리 제1 설계면(S1)의 양측에 2개의 설계면을 설정하여 두는 것에 의해, 홈의 바로 앞쪽 및 홈의 안쪽 중 어딘가에 배토되는 경우에도 대응할 수 있다.

[그 외의 실시형태]

이상, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 각종 변경이 가능하다.

(A) 상기 실시형태에 있어서, 표시 컨트롤러(28)는, 제1 내지 제5 설계면 데이터 D_S1∼D_S5에 기초하여, 제1 내지 제5 설계면(S1∼S5)의 형상을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성하는 것으로 했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 표시 컨트롤러(28)는, 6개 이상의 설계면 데이터 DS에 기초하여, 6개 이상의 설계면(S)의 형상을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성해도 된다.

한편, 설계 지형 데이터 Dg에 의해 나타내는 영역이 좁은 경우에는, 4개 이하의 설계면만이 설정되는 경우도 있다. 이와 같은 경우, 표시 컨트롤러(28)는, 4개 이하의 설계면 데이터 DS에 기초하여, 4개 이하의 설계면(S)의 형상을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성해도 된다.

(B) 상기 실시형태에 있어서, 표시 컨트롤러(28)는, 제1 설계면(S1)의 한쪽에 제2 및 제3 설계면(S2 S3)가 순차적으로 이어지도록 설정하고, 제1 설계면(S1)의 다른 쪽에 제4 및 제5 설계면(S4, S5)이 순차적으로 이어지도록 설정함으로써 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 표시 컨트롤러(28)는, 제1 설계면(S1)의 양단으로 이어지는 설계면의 수를 적절히 설정 가능하다. 예를 들면, 표시 컨트롤러(28)는, 제1 설계면(S1)의 한쪽에 제2 내지 제5 설계면(S2∼S5)이 순차적으로 이어지도록 설정해도 되고, 제1 설계면(S1)의 한쪽에 제2 내지 제4 설계면(S2∼S4)이 순차적으로 연속되고, 또한 제1 설계면(S1)의 다른 쪽에 제5 설계면(S5)이 이어지도록 설정해도 된다.

(C) 상기 실시형태에서는, 특히 접촉되어 있지 않지만, 표시 컨트롤러(28)는, 버킷(8)의 가동 범위 내에 포함되는 설계면을 나타내는 형상 데이터 Df를 생성해도 된다. 이 경우에는, 버킷(8)에 의한 굴삭 작업이 행해지지 않는 것이 명백한 설계면(S)을 설정하기 위한 표시 컨트롤러(28)의 처리 부하를 감소시킬 수 있다.

(D) 상기 실시형태에 있어서, 작업기 컨트롤러(26)는, 버킷(8) 중 버킷 날끝(8a)의 위치에 기초하여 속도 제한을 실행함으로써 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 작업기 컨트롤러(26)는, 버킷(8) 중 임의의 위치[예를 들면, 버킷(8)의 최하점]에 기초하여 속도 제한을 실행할 수 있다.

(E) 상기 실시형태에 있어서, 버킷 날끝(8a)이 정지하는 소정 위치는, 설계면(S) 상에 설정되는 것으로 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 소정 위치는, 설계면(S)으로부터 유압 셔블(100) 측으로 이격된 임의의 위치에 설정되어도 된다.

(F) 상기 실시형태에서는 특히 접촉되어 있지 않지만, 굴삭 제어 시스템(200)은, 붐(6)의 회전 속도의 감속에만 따라서 상대 속도 Q1을 제한 속도 V로 억제해도 되고, 붐(6)뿐 아니라 암(7) 및 버킷(8)의 회전 속도를 조정함으로써 상대 속도 Q1을 제한 속도 V로 억제해도 된다.

(G) 상기 실시형태에 있어서, 굴삭 제어 시스템(200)은, 조작 장치(25)로부터 취득하는 조작 신호 M에 기초하여 버킷 날끝(8a)의 속도 Q를 산출함으로써 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 굴삭 제어 시스템(200)은, 제1 ∼제3 스트로크 센서(16∼18)로부터 취득되는 각각의 실린더 길이 N1∼N3의 시간당 변화량에 기초하여, 속도 Q를 산출할 수 있다. 이 경우, 조작 신호 M에 기초하여 속도 Q를 산출하는 경우와 비교하여, 보다 양호한 정밀도로 속도 Q를 산출할 수 있다.

(H) 상기 실시형태에 있어서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제한 속도와 수직 거리와는 선형적인 관계에 있는 것으로 했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제한 속도와 수직 거리와의 관계는 적절히 설정할 수 있고, 선형적이지 않아도 되고, 원점을 통하지 않아도 된다.

(I) 상기 실시형태에 있어서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 설계면 데이터 D_S1에는, 좌표 데이터 P1와 좌표 데이터 P2와 각도 데이터 θ1가 포함되는 것으로 하였으나, 제1 설계면 데이터 D_S1에는, 각도 데이터 θ1은 포함되어 있지 않아도 된다. 이 경우에도, 좌표 데이터 P1와 좌표 데이터 P2에 의해 제1 설계면(S1)을 규정할 수 있다.

(J) 상기 실시형태에 있어서, 굴삭 제어 시스템(200)은, 후보면(S0) 중 버킷(8)이 가장 가까운 면을 제1 설계면(S1)으로서 결정했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 설계면(S1)은, 버킷(8) 상에서 규정한 위치에 기초하여 결정되게 된다. 따라서, 굴삭 제어 시스템(200)은, 예를 들면, 후보면(S0) 중 버킷(8)의 연직 방향 아래쪽에 위치하는 면을 제1 설계면(S1)으로서 결정해도 된다.

[산업 상의 이용 가능성]

본 발명은, 유압 셔블 분야에 있어서 이용 가능하다.

1…차량 본체, 2…작업기, 3…선회체, 4…운전실, 5…주행 장치, 5a, 5b…크롤러 트랙, 6…붐, 7…암, 8…버킷, 8a…버킷 날끝, 10…붐 실린더, 11…암 실린더, 12…버킷 실린더, 13…붐 핀, 14…암 핀, 15…버킷 핀, 16…제1 스트로크 센서, 17…제2 스트로크 센서, 18…제3 스트로크 센서, 19…위치 검출부, 21…제1 GNSS 안테나, 22…제2 GNSS 안테나, 23…글로벌 좌표 연산기, 24…IMU, 25…조작 장치, 26…작업기 컨트롤러, 261…상대 거리 취득부, 262…제한 속도 결정부, 263…상대 속도 취득부, 264…굴삭 제한 제어부, 27…비례 제어 밸브, 28…표시 컨트롤러, 281…설계 지형 데이터 저장부, 282…버킷 위치 데이터 생성부, 284…설계면 데이터 생성부, 29…표시부, 31…붐 조작구, 32…암 조작구, 33…버킷 조작구, 100…유압 셔블, 200…굴삭 제어 시스템, S…설계면, T…경사면, U…법면, C…굴삭 제한 제어 개입 라인, h…라인 거리

Claims

차량 본체에 대하여 요동(搖動) 가능하게 장착된 붐(boom)과, 상기 붐의 선단부에 요동 가능하게 장착되는 암(arm)과, 상기 암의 선단부에 요동 가능하게 장착되는 버킷(bucket)을 가지는 작업기;
굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 설계 지형 데이터를 저장하는 설계 지형 데이터 저장부;
상기 버킷의 현재 위치를 나타내는 버킷 위치 데이터를 생성하는 버킷 위치 데이터 생성부;
상기 설계 지형 데이터와 상기 버킷 위치 데이터에 기초하여, 상기 버킷 상의 규정된 위치에 따른 주(主)설계면을 나타내는 주설계면 데이터와, 상기 주설계면으로 이어지는 복수의 종(從)설계면을 나타내는 종설계면 데이터를 생성하고, 상기 주설계면 데이터 및 상기 종설계면 데이터에 기초하여, 상기 주설계면 및 상기 복수의 종설계면의 형상을 나타내는 형상 데이터를 생성하는 설계면 데이터 생성부; 및
상기 형상 데이터와 상기 버킷 위치 데이터에 기초하여, 상기 주설계면 및 상기 복수의 종설계면에 대한 상기 버킷의 위치를 자동 조정하는 굴삭 제한 제어부;
를 포함하는 유압 셔블(hydraulic shovel)의 굴삭 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 버킷 위치 데이터 생성부는, 상기 버킷 위치 데이터를 수시로 갱신하고,
상기 설계면 데이터 생성부는, 상기 버킷 위치 데이터 생성부에 의한 상기 버킷 위치 데이터의 갱신에 따라, 상기 주설계면 데이터, 상기 종설계면 데이터 및 상기 형상 데이터를 갱신하는, 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 설계면 데이터 생성부는, 상기 주설계면의 상기 차량 본체 측으로 순차적으로 이어지도록 2개의 설계면을 설정하고, 상기 주설계면의 상기 차량 본체와는 반대측으로 순차적으로 이어지도록 2개의 설계면을 설정하는, 유압 셔블의 굴삭 제어 시스템.