KR101696292B1 - 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 출원은 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버켓이 지면에 약한 힘으로 접촉하거나 접촉이 없도록 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
그 기술적 구성은 휠로더의 붐 및 버켓의 압력 및 각도를 감지하는 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서; 상기 붐 및 버켓의 압력 및 각도로 산출된 상기 버켓에 가해지는 외력의 문턱값이 입력되는 사용자 인터페이스 조작부; 각 구성 요소를 제어하고, 상기 버켓에 가해지는 외력이 상기 문턱값을 초과하는 경우, 상기 초과된 데이터만큼의 신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부에서 출력된 신호를 입력받는 전자비례밸브; 상기 전자비례밸브에서 상기 신호에 비례하는 크기로, 상기 외력을 소거하기 위해, 상기 붐 및 버켓을 제어하는 신호를 출력하면 이를 입력받는 메인 제어 밸브; 상기 메인 제어 밸브의 제어에 따라 상기 외력을 소거하는 크기의 힘, 방향으로 상기 붐 및 버켓이 이동되도록 작동하는 붐 및 버켓 실린더; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법{APPARATUS FOR PREVENTING GROUND CONTACT OF A BUCKET FOR AN WHEEL LOADER AND METHOD THEREOF}

본 출원은 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 버켓이 지면에 약한 힘으로 접촉하거나 접촉이 없도록 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 건설장비 중 적재기계는 바퀴의 형태에 따라 무한 궤도식, 타이어식, 반 무한 궤도식, 궤조식(軌條式)으로 구분되며, 무한 궤도식은 트랙터셔블, 도저셔블, 크롤러 로더 등으로 불리고 있으며, 불도저를 모체(母體)로 하여 도저 대신에 버켓(Bucket)을 장치한 적재기계이다.

타이어식은 일반적으로 셔블 로더, 트랙터셔블, 휠 로더, 페이 로더 등으로 불리고 있으며, 앞 부분에 버켓을 장치한 기계이며, 반 무한 궤도식은 앞바퀴는 무한 궤도식이고, 뒷 바퀴는 타이어식으로 하여 견인력을 보강한 적재 기계이다.

궤조식은 광산 또는 탄광의 갱 내에서 광석이나 석탄을 적재하는 데 사용하는 기계로서, 궤도 위를 달리면서 작업하며, 이 밖에 적재 방식에 의한 분류, 작ㅇ버 장치에 의해 분류하는 방법도 있다.

적재 기계 중 타이어식에 속하는 휠로더(Wheel Loader)는 장비 앞쪽에 설치된 붐이 장착되고, 링키지에 버켓이 장착되어 버켓에 흙, 모래, 자갈, 암석, 광석 등의 작업 물질을 담아, 상차, 수송, 적재, 하역할 수 있는 장비로써, 덤프 트럭에 작업 물질을 적재하는 상차 작업이 주임무이다.

이러한 작업은 붐의 위치를 지면에 닿도록 한 다음, 장비 버켓에 작업 물질을 담는 굴삭 작업과, 적재된 작업 물질을 이동함과 동시에 붐을 상승시켜 버켓이 적재함 높이까지 오도록 조작하는 상차 작업으로 구분될 수 있다.

이와 같이, 휠로더 주행과 작업 레버 상승의 두 가지 조작을 동시에 이루기 위해서는 붐이 기 설정된 위치까지 자동으로 작동되도록 하는 시스템의 구성이 요구되며, 하기에서 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 휠로더의 측면도이다. 도 1을 참조하면, 휠로더는 운전자가 붐(7) 및 버켓(6)의 구동을 제어하기 위한 작업 레버(1), 붐(7)의 위치를 전기적 신호로 검출하는 붐 위치 센서(2), 버켓(60)의 위치를 전기적 신호로 검출하는 버켓 위치 센서(3), 사용자가 조작하는 작업 레버(1)의 위치 변화에 대응하여 제어부에서 출력된 신호에 따라 붐(7)을 승, 하강하도록 작동시키는 붐 실린더(4), 사용자가 조작하는 작업 레버(1)의 위치 변화에 따라 제어부에서 출력된 신호에 따라 버켓(7)의 각도를 제어하는 버켓 실린더(5), 버켓(6)을 직접적으로 승, 하강시키는 붐(7), 붐(7)의 단부에 회동 가능하게 결합되어 흙, 모래, 자갈, 암석, 광석 등과 같은 작업 물질을 담아 상차 및 하차시켜주는 버켓(6), 경보음 발생용 부저(8)를 구비한다.

이러한 휠로더의 프론트 작업 중 벌목 작업을 하는 경우, 버켓이 수평이 유지되어야만 하는데, 이와 같이 수평으로 유지한 상태로 작업을 하는 경우에는 버켓 교체 뿐만 아니라, 붐 링크의 구조도 변경해야 하므로, 붐 링크의 구조 변경없이 보다 쉽게 작업 조건을 바꿀 수 있는 휠로더의 버켓 위치 제어 장치가 한국공개특허 제10-2010-0072432호에 개시되어 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 휠로더의 버켓 위치 제어 장치의 내부 구성도를 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 버켓 위치 제어 장치는 장비 제어부(100), 표시부(101), 붐 제어 밸브(102), 버켓 제어 밸브(103), 메모리부(104), 버켓 수평 유지 스위치(205), 붐 조이스틱(106), 버켓 조이스틱(107), 붐 각도 센서(Boom Angle Sensor, 108), 버켓 각도 센서(Bucket Angle Sensor, 109)를 포함한다.

표시부(Gauge Panel, 101)는 그래픽을 표시할 수 있는 LCD(Liqud Crystal Dispaly)로 구성될 수 있고, 장비 제어부(100)로부터 입력된 데이터(예를 들어, 휠로더의 동작 상태)를 표시한다.

붐 제어 밸브(102)와 버켓 제어 밸브(103)는 장비 제어부(100)로부터 인가되는 전류에 따라 밸브 개도량이 비례하게 제어되며, 붐 제어 밸브(102)는 붐 상승(raise) 및 하강(float)을 제어하고, 버켓 제어 밸브(103)는 버켓의 클라우드(crowd)와 덤프(dump)를 제어한다.

메모리부(104)는 붐 각도에 따라 버켓이 수평으로 위치하기 위한 버켓 수평 유지값을 저장하는데, 붐 하강 속도가 너무 빠르면 버켓의 수평 유지 제어가 어려워지므로, 붐 하강 속도를 제한하기 위한 하강 제한 속도를 미리 설정하고, 이를 메모리부(104)에 저장한다.

버켓 수평 유지 스위치(105)는 본 발명의 실시 예에 따른 버켓 위치를 수평으로 유지하기 위한 모드를 선택하기 위한 스위치로서, 작업자의 스위치 조작에 따라 스위치 온/오프 신호를 장비 제어부(200)로 출력한다.

붐 조이스틱(106)은 붐을 상승 및 하강 동작을 위한 입력장치이고, 버켓 조이스틱(107)은 버켓을 덤프 및 클라우드 동작을 위한 입력장치이다.

붐 각도 센서(108)는 붐의 자세를 감지하기 위한 센서로서, 붐의 각도 센싱 신호를 출력하고, 버켓 각도 센서(109)는 버켓의 자세를 감지하기 위한 센서로서, 버켓의 각도 센싱 신호를 출력한다.

장비 제어부(100)는 버켓 수평 유지 스위치(105)의 온 상태에 따라 버켓 수평 유지 모드로 동작하여 버켓 위치가 수평으로 유지되도록 제어한다.

그러나, 붐 하강 속도를 조절로 버켓 각도를 조절하는 데에는, 중량이 큰 버켓, 실린더, 붐을 중력이 작용한 상태에서 중력 반대 방향으로 잡아당기는 상태가 되므로, 하강하는 거리만큼의 각 중량이 각 구성 요소에 걸리게 되고, 이에 따라 붐을 하강시키는데 시간도 많이 소요될 뿐만 아니라, 중량을 그만큼 들어올려야 하므로, 상차하는데 소모하는 연료도 많은데 설상가상으로 붐이 하강하는 거리만큼의 중력에 반대하는 힘을 걸어줘야 하므로, 연료의 소모를 급증시키는 원인으로 작용하는 등의 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2010-0072432호

본 출원은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 버켓의 외력을 붐 각도, 버켓 각도, 붐 압력, 버켓 압력으로 계산하여 중력방향의 외력이 기 설정된 문턱값 보다 큰 경우, 이를 중력 반대 방향으로 버켓을 들어올리도록 제어함으로써, 버켓이 땅에 박히거나 수평을 유지하지 못하는 현상을 제거할 수 있는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 출원은 버켓이 땅에 박힌 상태에서 휠로더가 앞으로 진행하게 되는 경우, 앞바퀴가 뜨게 되는 현상을 방지하고, 이에 따라 앞바퀴의 지면 마찰력이 증가하여 적재 작업물에 깊이 진입할 수 있으며, 적재량도 높일 수 있어 이동 및 상차에 드는 연료까지 절약할 수 있는 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 출원은 운전자가 직접 조작하는 수동 굴삭이나 자동 굴삭 모두 굴삭을 위해 적재 작업물에 진입 시, 버켓은 지면에 약한 힘으로 접촉하거나 접촉이 없어야 작업량이 많아지므로, 이러한 버켓이 지면에 대해 주는 힘을 최소화할 수 있도록 자동적으로 제어할 수 있는 버켓 지면접촉 방지장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 출원은 실시예들 중에서, 휠로더의 붐 및 버켓의 압력 및 각도를 감지하는 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서; 상기 붐 및 버켓의 압력 및 각도로 산출된 상기 버켓에 가해지는 외력의 문턱값이 입력되는 사용자 인터페이스 조작부; 각 구성 요소를 제어하고, 상기 버켓에 가해지는 외력이 상기 문턱값을 초과하는 경우, 상기 초과된 데이터만큼의 신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부에서 출력된 신호를 입력받는 전자비례밸브; 상기 전자비례밸브에서 상기 신호에 비례하는 크기로, 상기 외력을 소거하기 위해, 상기 붐 및 버켓을 제어하는 신호를 출력하면 이를 입력받는 메인 제어 밸브; 상기 메인 제어 밸브의 제어에 따라 상기 외력을 소거하는 크기의 힘, 방향으로 상기 붐 및 버켓이 이동되도록 작동하는 붐 및 버켓 실린더; 를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

실시예 중에서, 휠로더의 붐 및 버켓의 압력 및 각도를 감지하는 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서; 상기 붐 및 버켓의 압력 및 각도로 산출된 상기 버켓에 가해지는 외력의 문턱값이 입력되는 사용자 인터페이스 조작부; 각 구성 요소를 제어하고, 상기 버켓에 가해지는 외력이 상기 문턱값을 초과하는 경우, 상기 초과된 데이터만큼의 신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부에서 출력된 신호를 입력받는 전자비례밸브; 상기 전자비례밸브에서 상기 신호에 비례하는 크기로, 상기 외력을 소거하기 위해, 상기 붐 및 버켓을 제어하는 신호를 출력하면 이를 입력받는 쓰로틀 밸브; 상기 쓰로틀 밸브의 작용에 의해 제어되는 메인 제어 밸브; 상기 메인 제어 밸브의 제어에 따라 상기 외력을 소거하는 크기의 힘, 방향으로 상기 붐 및 버켓이 이동되도록 작동하는 붐 및 버켓 실린더; 를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서의 아날로그 데이터를 디지털로 변환하기 위한 A/D 컨버터; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 휠로더를 사용자가 조작하기 위한 조이스틱;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 조이스틱은 상기 사용자가 상기 휠로더를 조작중인지의 여부에 대한 데이터를 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 조이스틱으로부터 상기 사용자가 상기 휠로더를 조작중인 경우, 상기 버켓에 가해지는 외력과 문턱값과의 차이를 계산하여 지면에 상기 버켓이 접촉하지 않도록 하는 제어를 실시하지 않는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

실시예 중에서, 휠로더의 버켓이 굴삭 초기 위치인 경우, 제어부에서 상기 버켓이 동작중인지의 여부를 파악하는 제1 단계; 상기 버켓이 정지중이면, 제어부에서 버켓의 외력을 계산하는 제2 단계; 상기 버켓에 가해지는 중력 방향의 외력이 기 설정된 문턱값을 초과하면, 상기 제어부는 상기 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 제어하는 제3 단계; 를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법를 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

실시예 중에서, 휠로더의 버켓이 굴삭 초기 위치인 경우, 제어부에서 상기 버켓이 동작중인지의 여부를 파악하는 제1 단계; 상기 버켓이 정지중이면, 제어부에서 버켓의 외력을 계산하는 제2 단계; 상기 버켓에 가해지는 중력 방향의 외력이 기 설정된 문턱값을 초과하면, 상기 제어부는 상기 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 제어하는 제3 단계; 를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법을 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 제2 단계는 상기 붐 및 버켓의 각도 및 압력과 각 링크의 길이, 무게를 이용하여, 상기 중력 방향으로 가해지는 연직 방향 힘의 크기인 외력을 산출하되, 상기 버켓의 무게중심에 가해지는 외력을 산출하도록 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법을 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 제1 단계는 상기 버켓이 동작중인 경우, 제어부는 정지될 때까지 루프를 도는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법을 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

일 실시예에서, 상기 제1 단계는 상기 버켓이 굴삭 초기 위치가 아닌 경우, 제어부는 상기 버켓이 초기 위치로 위치될 때까지 루프를 도는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법을 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 갖는 본 출원의 개시된 기술은 ① 버켓의 외력을 붐 각도, 버켓 각도, 붐 압력, 버켓 압력으로 계산하여 중력방향의 외력이 기 설정된 문턱값 보다 큰 경우, 이를 중력 반대 방향으로 버켓을 들어올리도록 제어함으로써, 버켓이 땅에 박히거나 수평을 유지하지 못하는 현상을 제거할 수 있으며, ② 버켓이 땅에 박힌 상태에서 휠로더가 앞으로 진행하게 되는 경우, 앞바퀴가 뜨게 되는 현상을 방지하고, 이에 따라 앞바퀴의 지면 마찰력이 증가하여 적재 작업물에 깊이 진입할 수 있으며, 적재량도 높일 수 있어 이동 및 상차에 드는 연료까지 절약할 수 있고, ③ 운전자가 직접 조작하는 수동 굴삭이나 자동 굴삭 모두 굴삭을 위해 적재 작업물에 진입 시, 버켓은 지면에 약한 힘으로 접촉하거나 접촉이 없어야 작업량이 많아지므로, 이러한 버켓이 지면에 대해 주는 힘을 최소화할 수 있도록 자동적으로 제어할 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 휠로더의 측면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 휠로더의 버켓 위치 제어 장치의 내부 구성도를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 출원에 개시된 기술에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 출원에 개시된 기술에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 출원에 개시된 기술에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 제어방법을 도시한 흐름도이다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하, 본 출원에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 출원에 개시된 기술에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 도시한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치(1)는 사용자 인터페이스 조작부(10), 유압 조이스틱(20), 제어부(30), 전자비례밸브(40), 메인제어밸브(50), 붐 업 실린더(61), 붐 다운 실린더(62), 버켓 업 실린더(63), 버켓 다운 실린더(64), 붐 압력 센서(71), 버켓 압력 센서(72), 붐 각도 센서(73), 버켓 각도 센서(74), 제1 A/D 컨버터(81), 제2 A/D 컨버터(83), 쓰로틀 밸브(90)를 포함한다.

버켓이 굴삭의 초기 위치에 위치하고 있을 때에만, 즉 버켓이 휠로더 바닥에 내려진 상태인지, 붐과 버켓의 각도로 확인을 하므로, 버켓 및 붐의 각도를 감지하는 붐 각도 센서(73), 버켓 각도 센서(74)의 값을 감지하면서 시작한다.

유압 조이스틱(20)의 입력이 있어서 휠로더가 구동되는 경우에는, 본 출원에 따른 제어를 실시하지 않고, 유압 조이스틱(20)의 입력이 없는 경우를 탐지한 경우에만 본 출원에 따른 제어를 실시한다.

버켓의 외력을 계산하는데, 이는 하기 수학식 1과 같다.

여기서, θb는 붐의 각도, θk는 버켓의 각도, Pb는 붐의 압력, Pk는 버켓의 압력을 나타내며, 각 링크의 길이, 무게, 붐 및 버켓의 각도, 압력으로 기구학과 동역학을 이용해 버켓의 무제 중심에 가해지는 외력을 계산할 수 있다.

즉, 버켓이 땅에 박힌 경우를 가정하면, 버켓의 무게중심에 가해지는 외력은 붐의 압력, 버켓의 압력을 붐의 각도, 버켓의 각도에 따라 수평 및 수직으로 벡터 분해를 실시하게 되면, 수직방향, 즉 중력 방향으로 가해지는 수직 방향의 외력을 구할 수가 있다.

물론, 이러한 변수만이 있는 것이 아니고, 각 링크의 길이와 무게가 합산되어야 하지만, 이는 당업자가 기구학과 동역학을 이용하여 쉽게 산출할 수 있으므로, 본 출원에서는 기술하지 않는다.

이에 따라, 외력을 산출하게 되면, 사용자 인터페이스 조작부(10)에 저장된 값인 문턱값(Threshold Value)을 초과하는지의 여부를 제어부(30)에서 계산하고, 이를 초과하는 경우, 버켓에 가해지는 외력이 심하여 버켓이 땅을 뚫고 들어갈만한 각도로 위치하고 있는 것이므로, 제어부(30)는 전자비례밸브(40)에 문턱값과 외력의 차만큼의 신호를 출력하게 된다.

즉, 외력이 클수록 연직방향으로 들어올려야 하는 힘이 클 것이고, 외력이 작을수록 연직방향으로 들어올려야 하는 힘이 줄어들 것이므로, 이를 이용하여 단계적으로 또는 선형적으로 비례하는 값에 따라 연직 방향으로 버켓을 들어올리도록 제어를 하는 것이다.

전자비례밸브(40)는 이러한 신호를 입력받고, 유압 조이스틱(20)에 의해 구동되는 휠로더를 설명하고 있으므로, 쓰로틀 밸브(90)로 이러한 값을 전달하게 된다.

쓰로틀 밸브(90)는 유체의 유량을 조절하기 위한 밸브일 수 있고, 밸브 전후의 압력을 요구에 맞추기 위해 사용되는 밸브일 수도 있으며, 이러한 밸브의 열림 정도를 조절함으로써, 원하는 유량, 압력을 얻을 수 있게 된다.

수동 밸브와 자동 밸브가 있는데, 본 출원에서는 자동 밸브의 경우를 설명하면, 공기압, 유압, 스프링 등에 의해 열림 정도가 조절되고, 시스템 전체를 자동 제어하는 경우에는 이러한 쓰로틀 밸브(90)가 필요할 수 있다.

따라서, 쓰로틀 밸브(90)에 의한 유량, 유압으로 메인 제어 밸브(50)는 각각의 붐 업 실린더(61), 붐 다운 실린더(62), 버켓 업 실린더(63), 버켓 다운 실린더(64)를 이용하여 버켓의 위치를 연직 방향으로 들어올림으로써, 버켓이 지면에 접촉하는 것을 방지하거나 거의 수평에 가깝게 유지시킬 수 있다.

도 4는 본 출원에 개시된 기술에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치를 도시한 블록도이다. 도 4를 참조하면, 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치(1)는 사용자 인터페이스 조작부(10), 전자 조이스틱(25), 제어부(30), 전자비례밸브(40), 메인제어밸브(50), 붐 업 실린더(61), 붐 다운 실린더(62), 버켓 업 실린더(63), 버켓 다운 실린더(64), 붐 압력 센서(71), 버켓 압력 센서(72), 붐 각도 센서(73), 버켓 각도 센서(74), 제1 A/D 컨버터(81), 제2 A/D 컨버터(83)를 포함한다.

버켓이 굴삭의 초기 위치에 위치하고 있을 때에만, 즉 버켓이 휠로더 바닥에 내려진 상태인지, 붐과 버켓의 각도로 확인을 하므로, 버켓 및 붐의 각도를 감지하는 붐 각도 센서(73), 버켓 각도 센서(74)의 값을 감지하면서 시작한다.

전자 조이스틱(25)의 입력이 있어서 휠로더가 구동되는 경우에는, 본 출원에 따른 제어를 실시하지 않고, 전자 조이스틱(25)의 입력이 없는 경우를 탐지한 경우에만 본 출원에 따른 제어를 실시한다.

버켓의 외력을 계산하는데, 이는 하기 수학식 2와 같다.

여기서, θb는 붐의 각도, θk는 버켓의 각도, Pb는 붐의 압력, Pk는 버켓의 압력을 나타내며, 각 링크의 길이, 무게, 붐 및 버켓의 각도, 압력으로 기구학과 동역학을 이용해 버켓의 무제 중심에 가해지는 외력을 계산할 수 있다.

즉, 버켓이 땅에 박힌 경우를 가정하면, 버켓의 무게중심에 가해지는 외력은 붐의 압력, 버켓의 압력을 붐의 각도, 버켓의 각도에 따라 수평 및 수직으로 벡터 분해를 실시하게 되면, 수직방향, 즉 중력 방향으로 가해지는 수직 방향의 외력을 구할 수가 있다.

물론, 이러한 변수만이 있는 것이 아니고, 각 링크의 길이와 무게가 합산되어야 하지만, 이는 당업자가 기구학과 동역학을 이용하여 쉽게 산출할 수 있으므로, 본 출원에서는 기술하지 않는다.

이에 따라, 외력을 산출하게 되면, 사용자 인터페이스 조작부(10)에 저장된 값인 문턱값(Threshold Value)을 초과하는지의 여부를 제어부(30)에서 계산하고, 이를 초과하는 경우, 버켓에 가해지는 외력이 심하여 버켓이 땅을 뚫고 들어갈만한 각도로 위치하고 있는 것이므로, 제어부(30)는 전자비례밸브(40)에 문턱값과 외력의 차만큼의 신호를 출력하게 된다.

즉, 외력이 클수록 연직방향으로 들어올려야 하는 힘이 클 것이고, 외력이 작을수록 연직방향으로 들어올려야 하는 힘이 줄어들 것이므로, 이를 이용하여 단계적으로 또는 선형적으로 비례하는 값에 따라 연직 방향으로 버켓을 들어올리도록 제어를 하는 것이다.

전자비례밸브(40)는 이러한 신호를 입력받고, 전자 조이스틱(25)에 의해 구동되는 휠로더를 설명하고 있으므로, 바로 메인 제어 밸브(50)로 이러한 값을 전달하게 된다.

따라서, 메인 제어 밸브(50)는 각각의 붐 업 실린더(61), 붐 다운 실린더(62), 버켓 업 실린더(63), 버켓 다운 실린더(64)를 이용하여 버켓의 위치를 연직 방향으로 들어올림으로써, 버켓이 지면에 접촉하는 것을 방지하거나 거의 수평에 가깝게 유지시킬 수 있다.

도 5는 본 출원에 개시된 기술에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치 제어방법을 도시한 흐름도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 휠로더의 버켓이 굴삭 초기 위치인 경우(S10), 제어부에서 상기 버켓이 동작중인지의 여부를 파악하고(S20), 버켓이 정지중이면, 제어부에서 버켓의 외력을 계산한다(S30).

버켓에 가해지는 중력 방향의 외력이 기 설정된 문턱값을 초과하면(S50), 상기 제어부는 상기 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 제어하며(S40), 버켓의 외력은 상기 붐 및 버켓의 각도 및 압력과 각 링크의 길이, 무게를 이용하여, 상기 중력 방향으로 가해지는 연직 방향 힘의 크기인 외력을 산출하되, 상기 버켓의 무게중심에 가해지는 외력을 산출하도록 하기 수학식 1 및 2에 의해 산출되며, 상세한 내용은 중복되므로 생략한다.

버켓이 동작중인 경우, 제어부는 정지될 때까지 루프를 돌고, 버켓이 굴삭 초기 위치가 아닌 경우, 제어부는 상기 버켓이 초기 위치로 위치될 때까지 루프를 돌게 된다.

사용자는 사용자 인터페이스 조작부를 이용하여 문턱값을 조정할 수 있으며, 버켓과 지면의 접촉력을 결정할 수 있고, 휠로더의 유압 조이스틱 시스템과 전자 조이스틱 시스템에 모두 적용이 간으하다.

정리하면, 버켓이 휠로더 바닥에 내려진 상태인지, 붐 및 버켓의 각도로 확인을 하고, 버켓이 현재 운전자 조작중인지의 여부를 조이스틱 정보로 확인을 한 다음에, 버켓의 외력을 붐 및 버켓의 각도, 압력 등으로 산출한 뒤, 기 설정된 문턱값을 초과하는 경우, 버켓의 외력을 소거하기 위한 방향 및 힘으로, 즉 연직 방향으로 버켓을 움직이기 위해, 붐 및 버켓의 유압 밸브를 전자비례밸브를 통해 자동으로 작동하도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법을 구현한 프로그램은, 휠로더의 버켓이 굴삭 초기 위치인 경우, 제어부에서 상기 버켓이 동작중인지의 여부를 파악하는 기능; 상기 버켓이 정지중이면, 제어부에서 버켓의 외력을 계산하는 기능; 상기 버켓에 가해지는 중력 방향의 외력이 기 설정된 문턱값을 초과하면, 상기 제어부는 상기 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 제어하는 기능; 등을 구현한다.

이러한 프로그램은 컴퓨터에 의해 읽힐 수 있는 기록매체에 기록되고 컴퓨터에 의해 실행됨으로써 전술한 기능들이 실행될 수 있다.

이와 같이, 컴퓨터가 기록매체에 기록된 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 콘텐츠 리스트에 대한 그룹 감상 서비스를 제공하는 방법을 실행시키기 위하여, 전술한 프로그램은 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 읽힐 수 있는 C,C++, JAVA, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다.

이러한 코드는 전술한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Function Code)를 포함할 수 있고, 전술한 기능들을 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수도 있다.

이러한 코드는 전술한 기능들을 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조 되어야 하는지에 대한 메모리 참조 관련 코드를 더 포함할 수 있다.

컴퓨터의 프로세서가 전술한 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 컴퓨터의 프로세서가 컴퓨터의 통신 모듈(예: 유선 및/또는 무선 통신 모듈)을 이용하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야만 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수도 있다.

본 발명을 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램과 이와 관련된 코드 및 코드 세그먼트 등은, 기록매체를 읽어서 프로그램을 실행시키는 컴퓨터의 시스템 환경 등을 고려하여, 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론되거나 변경될 수도 있다.

이상에서 전술한 바와 같은 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽힐 수 있는 기록매체는, 일 예로, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 미디어 저장장치 등이 있다.

전술한 바와 같은 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽힐 수 있는 기록매체는 네트워크로 커넥션된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 이 경우, 다수의 분산된 컴퓨터 중 어느 하나 이상의 컴퓨터는 상기에 제시된 기능들 중 일부를 실행하고, 그 결과를 다른 분산된 컴퓨터들 중 하나 이상에 그 실행 결과를 전송할 수 있으며, 그 결과를 전송받은 컴퓨터 역시 상기에 제시된 기능들 중 일부를 실행하여, 그 결과를 역시 다른 분산된 컴퓨터들에 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 파일 데이터, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(Floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

본 출원은 ① 버켓의 외력을 붐 각도, 버켓 각도, 붐 압력, 버켓 압력으로 계산하여 중력방향의 외력이 기 설정된 문턱값 보다 큰 경우, 이를 중력 반대 방향으로 버켓을 들어올리도록 제어함으로써, 버켓이 땅에 박히거나 수평을 유지하지 못하는 현상을 제거할 수 있으며, ② 버켓이 땅에 박힌 상태에서 휠로더가 앞으로 진행하게 되는 경우, 앞바퀴가 뜨게 되는 현상을 방지하고, 이에 따라 앞바퀴의 지면 마찰력이 증가하여 적재 작업물에 깊이 진입할 수 있으며, 적재량도 높일 수 있어 이동 및 상차에 드는 연료까지 절약할 수 있고, ③ 운전자가 직접 조작하는 수동 굴삭이나 자동 굴삭 모두 굴삭을 위해 적재 작업물에 진입 시, 버켓은 지면에 약한 힘으로 접촉하거나 접촉이 없어야 작업량이 많아지므로, 이러한 버켓이 지면에 대해 주는 힘을 최소화할 수 있도록 자동적으로 제어할 수 있다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 출원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치
10: 사용자 인터페이스 조작부 20: 유압 조이스틱
30: 제어부 40: 전자비례밸브
50: 메인제어밸브 61: 붐 업 실린더
62: 붐 다운 실린더 63: 버켓 업 실린더
64: 버켓 다운 실린더 71: 붐 압력 센서
72: 버켓 압력 센서 73: 붐 각도 센서
74: 버켓 각도 센서 81: 제1 A/D 컨버터
83: 제2 A/D 컨버터 90: 쓰로틀 밸브
2: 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치
10: 사용자 인터페이스 조작부 25: 전자 조이스틱
30: 제어부 40: 전자비례밸브
50: 메인제어밸브 61: 붐 업 실린더
62: 붐 다운 실린더 63: 버켓 업 실린더
64: 버켓 다운 실린더 71: 붐 압력 센서
72: 버켓 압력 센서 73: 붐 각도 센서
74: 버켓 각도 센서 81: 제1 A/D 컨버터
83: 제2 A/D 컨버터

Claims (10)

1. 휠로더의 붐 및 버켓의 압력 및 각도를 감지하는 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서;
   상기 버켓에 가해지는 외력의 문턱값이 입력되는 사용자 인터페이스 조작부;
   상기 붐 및 버켓의 각도에 따라서 수평 및 수직으로 벡터 분해된 상기 붐 및 버켓의 압력을 기초로 산출된 상기 버켓에 중력 방향으로 가해지는 외력이 상기 문턱값을 초과하는 경우, 상기 초과된 데이터만큼의 신호를 출력하는 제어부;
   상기 제어부에서 출력된 신호를 입력받는 전자비례밸브;
   상기 전자비례밸브에서 상기 신호에 비례하는 크기로, 상기 외력을 소거하기 위해, 상기 붐 및 버켓을 제어하는 신호를 출력하면 이를 입력받는 메인 제어 밸브; 및
   상기 메인 제어 밸브의 제어에 따라 상기 외력에 비례하는 크기의 힘으로 상기 붐 및 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 작동하는 붐 및 버켓 실린더;
   를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치.
   
2. 휠로더의 붐 및 버켓의 압력 및 각도를 감지하는 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서;
   상기 버켓에 가해지는 외력의 문턱값이 입력되는 사용자 인터페이스 조작부;
   상기 붐 및 버켓의 각도에 따라서 수평 및 수직으로 벡터 분해된 상기 붐 및 버켓의 압력을 기초로 산출된 상기 버켓에 중력 방향으로 가해지는 외력이 상기 문턱값을 초과하는 경우, 상기 초과된 데이터만큼의 신호를 출력하는 제어부;
   상기 제어부에서 출력된 신호를 입력받는 전자비례밸브;
   상기 전자비례밸브에서 상기 신호에 비례하는 크기로, 상기 외력을 소거하기 위해, 상기 붐 및 버켓을 제어하는 신호를 출력하면 이를 입력받는 쓰로틀 밸브;
   상기 쓰로틀 밸브의 작용에 의해 제어되는 메인 제어 밸브; 및
   상기 메인 제어 밸브의 제어에 따라 상기 외력에 비례하는 크기의 힘으로 상기 붐 및 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 작동하는 붐 및 버켓 실린더;
   를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 붐 및 버켓의 압력 및 각도 센서의 아날로그 데이터를 디지털로 변환하기 위한 A/D 컨버터;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 휠로더를 사용자가 조작하기 위한 조이스틱;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 조이스틱은
   상기 사용자가 상기 휠로더를 조작중인지의 여부에 대한 데이터를 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 조이스틱으로부터 상기 사용자가 상기 휠로더를 조작중인 경우, 상기 버켓에 가해지는 외력과 문턱값과의 차이를 계산하여 지면에 상기 버켓이 접촉하지 않도록 하는 제어를 실시하지 않는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치.
   
7. 휠로더의 버켓이 굴삭 초기 위치인 경우, 제어부에서 상기 버켓이 동작중인지의 여부를 파악하는 제1 단계;
   상기 버켓이 정지중이면, 제어부에서 버켓의 외력을 계산하는 제2 단계;
   상기 버켓에 가해지는 중력 방향의 외력이 기 설정된 문턱값을 초과하면, 상기 제어부는 상기 버켓을 중력 반대 방향으로 이동시키도록 제어하는 제3 단계;
   를 포함하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 단계는
   상기 버켓 및 상기 버켓과 연결되는 붐의 각도 및 압력과 각 링크의 길이, 무게를 이용하여, 상기 중력 방향으로 가해지는 연직 방향 힘의 크기인 외력을 산출하되, 상기 버켓의 무게중심에 가해지는 외력을 산출하도록 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법.
   

   

   
   (여기서, θb는 상기 붐의 각도, θk는 상기 버켓의 각도, Pb는 상기 붐의 압력, Pk는 상기 버켓의 압력을 나타냄)
   
9. 제7항에 있어서, 상기 제1 단계는
   상기 버켓이 동작중인 경우, 제어부는 정지될 때까지 루프를 도는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법.
   
10. 제7항에 있어서, 상기 제1 단계는
    상기 버켓이 굴삭 초기 위치가 아닌 경우, 제어부는 상기 버켓이 초기 위치로 위치될 때까지 루프를 도는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 버켓 지면접촉 방지장치의 제어방법.

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