KR101854065B1 - 작업기의 작동 상태 검출 시스템 및 작업기 - Google Patents

작업기의 작동 상태 검출 시스템 및 작업기 Download PDF

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Abstract

작업기의 작동 상태 검출 시스템(100)은, 작업부(5)에 설치되는 인식부(11, 12, 13)와, 작업기 본체부(3)에 설치되어 작업부(5)를 촬상하는 촬상 장치(10)와, 촬상 장치(10)에 의해 촬상된 인식부(11, 12, 13)의 형상이 작업부(5)의 동작에 수반하여 변화될 때의 변화량을 연산하는 연산부(22)와, 연산부(22)에 의해 연산된 변화량에 기초하여 작업부(5)의 작동 상태를 검출하는 검출부(23)를 구비한다.

Description

작업기의 작동 상태 검출 시스템 및 작업기{OPERATION STATE DETECTION SYSTEM OF WORK MACHINE AND WORK MACHINE}
본 발명은, 작업기의 작동 상태를 검출하는 작동 상태 검출 시스템 및 작동 상태 검출 시스템을 구비하는 작업기에 관한 것이다.
일반적으로, 유압 셔블 등의 작업기는, 작업자가 육안에 의해 버킷 등의 작업부의 작동 상태를 확인하면서 운전된다.
JP2009-287298A에는, 건설 기계의 날끝에 마커를 설치하고, 2대의 카메라를 사용하여 마커를 촬영한 화상으로부터 삼각 측량법에 의해 건설 기계의 날끝 위치를 계측하는 계측 장치가 개시되어 있다.
그러나, JP2009-287298A의 계측 장치에서는, 삼각 측량법이 사용되므로, 날끝 위치를 계측하기 위해 2대 이상의 카메라가 필요하여, 구성이 복잡하였다.
본 발명은, 간소한 구성으로 작업기의 작동 상태를 검출 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 작업기 본체부에 대해 동작하는 작업부의 작동 상태를 검출하는 작업기의 작동 상태 검출 시스템은, 상기 작업부에 설치되는 인식부와, 상기 작업기 본체부에 설치되어 상기 작업부를 촬상하는 촬상 장치와, 상기 촬상 장치에 의해 촬상된 상기 인식부의 형상이 상기 작업부의 동작에 수반하여 변화될 때의 변화량을 연산하는 연산부와, 상기 연산부에 의해 연산된 변화량에 기초하여 상기 작업부의 작동 상태를 검출하는 검출부를 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 작업기의 작동 상태 검출 시스템이 적용되는 작업기의 구성도이다.
도 2는 작업기의 작동 상태 검출 시스템의 블록도이다.
도 3은 촬상 장치에 의해 촬상된 화상의 예를 도시하는 도면이다.
도 4a는 붐에 장착되는 인식부의 예를 도시하는 도면이다.
도 4b는 아암에 장착되는 인식부의 예를 도시하는 도면이다.
도 4c는 버킷에 장착되는 인식부의 예를 도시하는 도면이다.
도 5a는 인식부의 축척의 변화를 설명하는 도면이다.
도 5b는 인식부의 기울기의 변화를 설명하는 도면이다.
도 5c는 인식부의 스트레인의 변화를 설명하는 도면이다.
도 6은 작업기의 작동 상태 검출 시스템에 있어서의 작동 상태 검출 제어의 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 작업기의 작동 상태 검출 시스템(이하, 단순히 「작동 상태 검출 시스템」이라 칭함)(100) 및 작동 상태 검출 시스템(100)을 구비하는 작업기로서의 유압 셔블(1)에 대해 설명한다.
우선, 도 1을 참조하여, 유압 셔블(1)의 구성에 대해 설명한다. 여기서는, 작업기가 유압 셔블(1)인 경우에 대해 설명하지만, 작동 상태 검출 시스템(100)은 하이브리드 셔블이나 휠 로더 등의 다른 작업기에도 적용 가능하다. 또한, 여기서는, 작동 유체로서 작동유가 사용되지만, 작동수 등의 다른 유체를 작동 유체로서 사용해도 된다.
유압 셔블(1)은, 크롤러식 주행부(2)와, 주행부(2)의 상부에 선회 가능하게 설치되는 작업기 본체부로서의 선회부(3)와, 선회부(3)의 전방 중앙부에 설치되는 작업부로서의 굴삭부(5)를 구비한다. 선회부(3)는, 작업자가 탑승하는 캐빈(3a)을 갖는다.
주행부(2)는, 주행 모터(도시 생략)에 의해 좌우 한 쌍의 크롤러(2a)를 구동함으로써 유압 셔블(1)을 주행시킨다. 선회부(3)는, 선회 모터(도시 생략)에 의해 구동되고, 주행부(2)에 대해 좌우 방향으로 선회한다.
굴삭부(5)는, 선회부(3)의 좌우 방향으로 연장되는 수평축 주위로 요동 가능하게 장착되는 붐(6)과, 붐(6)의 선단에 요동 가능하게 장착되는 아암(7)과, 아암(7)의 선단에 요동 가능하게 장착되어 토사 등을 굴삭하는 버킷(8)을 구비한다. 또한, 굴삭부(5)는, 붐(6)을 상하로 회전시키는 붐 실린더(6a)와, 아암(7)을 상하로 회전시키는 아암 실린더(7a)와, 버킷(8)을 회전시키는 버킷 실린더(8a)를 구비한다.
다음으로, 도 1 내지 도 4c를 참조하여, 작동 상태 검출 시스템(100)에 대해 설명한다.
작동 상태 검출 시스템(100)은, 선회부(3)에 대해 동작하는 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출하는 것이다. 작동 상태 검출 시스템(100)은, 굴삭부(5)에 설치되는 인식부로서의 인식 마커(11∼13)와, 선회부(3)에 설치되어 굴삭부(5)를 촬상하는 촬상 장치로서의 카메라(10)와, 카메라(10)에 의해 촬상된 화상으로부터 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출하는 컨트롤러(20)와, 굴삭부(5)의 작동 상태를 작업자에게 전달하기 위한 정보 전달부로서의 모니터(30)를 구비한다.
카메라(10)는, 굴삭부(5)를 경사 가로 방향으로부터 촬상 가능한 위치에 설치된다. 카메라(10)의 촬상 방향은, 굴삭부(5)가 요동하는 평면과는 다르다. 이에 의해, 예를 들어 버킷(8)에 장착된 인식 마커(13)가 아암(7)의 사각으로 되어 가려지는 것을 억제할 수 있다. 카메라(10)는 캐빈(3a)의 상부에 설치된다. 이것에 한정되지 않고, 카메라(10)를 캐빈(3a) 내부 등 다른 위치에 설치해도 된다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 카메라(10)는, 촬상 가능 범위 내에 굴삭부(5)의 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)이 모두 들어가도록 설정된다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 인식 마커(11)는, 붐(6)의 측면에 장착된다. 인식 마커(12)는, 아암(7)의 하면에 장착된다. 인식 마커(13)는, 버킷(8)의 측면에 장착된다. 인식 마커(11∼13)는, 카메라(10)에 의해 촬상 가능한 위치에 설치된다.
도 4a 내지 도 4c에 도시하는 바와 같이, 인식 마커(11∼13)는, 정사각형 내에 백색과 흑색으로 구분 도포된 영역을 갖도록 형성된다. 인식 마커(11∼13)는, 정사각형이 아니라 직사각형이어도 되고, 2색 이상의 색으로 구분 도포되어 형성되는 직각인 기준선이 인식 가능하면 사각형이 아니어도 된다.
인식 마커(11∼13)는, 각각 서로 다른 형상으로 설정된다. 이에 의해, 카메라(10)가 촬상한 화상으로부터 인식 마커(11∼13)의 형상을 식별하여, 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치를 개별로 검출하는 것이 가능하다. 따라서, 복수의 부위의 작동 상태를 동시에 검출할 수 있다.
이것에 한정되지 않고, 인식 마커(11∼13)를 동일한 형상으로 해도 된다. 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 가동 범위는 각각 다르기 때문에, 인식 마커(11∼13)를 동일한 형상으로 해도, 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치 및 자세를 개별로 검출하는 것은 가능하다. 또한, 인식 마커(11∼13)를 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)에 장착하는 것이 아니라, 각각의 화상 인식 가능한 부분을 인식 마커로서 사용해도 된다.
컨트롤러(20)는, CPU(중앙 연산 처리 장치), ROM(리드 온리 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리) 및 I/O 인터페이스(입출력 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다. RAM은 CPU의 처리에 있어서의 데이터를 기억하고, ROM은 CPU의 제어 프로그램 등을 미리 기억하고, I/O 인터페이스는 접속된 기기와의 정보의 입출력에 사용된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 컨트롤러(20)는, 굴삭부(5)가 기준 위치에 있는 경우의 인식 마커(11∼13)의 기준 형상이 미리 저장되는 기준 형상 기억부(21)와, 카메라(10)에 의해 촬상된 화상에 있어서의 인식 마커(11∼13)의 형상이 굴삭부(5)의 동작에 수반하여 변화될 때의 변화량을 연산하는 연산부(22)와, 연산부(22)에 의해 연산된 인식 마커(11∼13)의 형상의 변화량에 기초하여 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출하는 검출부(23)를 구비한다.
기준 형상 기억부(21)에는, 굴삭부(5)가 기준 위치에 있는 상태에서 카메라(10)에 의해 촬상된 인식 마커(11∼13)의 위치 및 형상이 기준 형상으로서 저장된다. 기준 형상 기억부(21)는, 굴삭부(5)가 다른 작업부로 교환 가능한 경우에는, 장착 가능한 복수의 작업부에 있어서의 인식 마커의 기준 형상을 기억한다. 또한, 예를 들어 버킷(8)만 교환 가능한 경우와 같이, 작업부의 일부가 교환 가능한 경우도 마찬가지이다.
연산부(22)는, 굴삭부(5)가 기준 위치에 있는 경우의 인식 마커(11∼13)의 기준 형상에 대한 인식 마커(11∼13)의 위치, 축척, 기울기, 및 스트레인의 변화량 중 적어도 하나의 변화량을 연산한다. 구체적으로는, 이하와 같다. 또한, 도 5a 내지 도 5c에 이점 쇄선으로 나타내는 형상이, 인식 마커(11)의 기준 형상이다.
연산부(22)는, 도 5a에 도시하는 바와 같이, 인식 마커(11∼13)의 외형의 크기가 기준 형상으로부터 얼마만큼 변화되었는지에 의해, 굴삭부(5)의 원근의 변화량을 연산한다. 연산부(22)는, 도 5b에 도시하는 바와 같이, 인식 마커(11∼13)의 기준선이 기준 형상으로부터 얼마만큼 기울었는지에 의해, 카메라(10)의 촬상 방향을 축으로 한 굴삭부(5)의 회전 각도의 변화를 연산한다. 연산부(22)는, 도 5c에 도시하는 바와 같이, 인식 마커(11∼13)의 외형이 기준 형상으로부터 얼마만큼 변형되었는지에 의해, 카메라(10)의 촬상 방향에 대한 수직 방향을 축으로 한 굴삭부(5)의 회전 각도의 변화를 연산한다.
검출부(23)는, 인식 마커(11∼13)의 변화량으로부터 선회부(3)에 대한 굴삭부(5)의 위치를 연산한다. 유압 셔블(1)에 있어서의 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치의 변화와, 인식 마커(11∼13)의 변화량 사이에는 상관 관계가 있다. 따라서, 인식 마커(11∼13)의 변화량을 알면, 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치의 변화를 연산할 수 있다.
모니터(30)는, 선회부(3)에 있어서의 작업자가 탑승하는 캐빈(3a) 내에 설치된다. 모니터(30)는, 굴삭부(5)에 있어서의 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 작동 상태를 화상으로 표시하는 표시 패널이다. 이에 의해, 작업자가 모니터(30)를 보면서 유압 셔블(1)을 조작하는, 이른바 정보화 시공이 가능해진다. 또한, 모니터(30) 대신에 음성 가이드부를 설치하여, 굴삭부(5)의 작동 상태를 음성으로 작업자에게 알려도 된다.
이 밖에도, 모니터(30)를 유압 셔블(1)과는 별체로 설치하여, 외부로부터 유압 셔블(1)을 원격 조작 가능하게 해도 된다. 또한, 모니터(30)에 표시되는 데이터를 사용한 피드백 제어에 의해, 유압 셔블(1)을 자동 운전 가능하게 해도 된다.
다음으로, 주로 도 6을 참조하여, 작동 상태 검출 시스템(100)에 의한 유압 셔블(1)의 작동 상태 검출 제어에 대해 설명한다. 컨트롤러(20)는, 도 6에 나타내는 루틴을, 유압 셔블(1)의 운전 중에, 예를 들어 10밀리초마다의 일정 시간격으로 반복하여 실행한다.
스텝 S101에서는, 카메라(10)에 의해 화상을 촬영한다. 이때, 정지 화상을 촬영해도 되고, 또한 동화상 중으로부터 하나의 프레임을 정지 화상으로서 뽑아내도 된다.
스텝 S102에서는, 스텝 S101에서 촬영된 화상으로부터, 화상 인식에 의해 인식 마커(11∼13)를 검출한다.
스텝 S103에서는, 기준 형상 기억부(21)로부터, 인식 마커(11∼13)의 기준 형상을 판독한다.
스텝 S104에서는, 연산부(22)가, 스텝 S102에서 검출된 인식 마커(11∼13)와, 스텝 S103에서 판독한 인식 마커(11∼13)의 기준 형상을 비교하여, 인식 마커(11∼13)의 위치, 축척, 기울기, 및 스트레인의 변화량을 연산한다.
스텝 S105에서는, 검출부(23)가, 스텝 S104에서 연산된 인식 마커(11∼13)의 변화량으로부터, 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치를 연산한다. 이 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치가, 굴삭부(5)의 작동 상태이다.
이와 같이, 작동 상태 검출 시스템(100)에서는, 카메라(10)에 의해 촬상된 화상으로부터, 굴삭부(5)에 형성된 인식 마커(11∼13)의 형상의 변화량을 연산하고, 인식 마커(11∼13)의 형상의 변화량에 기초하여 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출한다. 따라서, 단일의 카메라(10)와 인식 마커(11∼13)에만 의해 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출할 수 있다. 따라서, 간소한 구성으로 유압 셔블(1)의 작동 상태를 검출하는 것이 가능하다.
또한, 굴삭부(5)의 붐 실린더(6a), 아암 실린더(7a), 및 버킷 실린더(8a)에 각각 설치되어 있었던 스트로크 센서 등 각종 센서류나, 각종 센서류와 컨트롤러(20)를 전기적으로 접속하는 전기 배선 등이 불필요하므로, 저비용의 구성으로 유압 셔블(1)의 작동 상태를 검출하는 것이 가능하다.
스텝 S106에서는, 스텝 S105에서 연산된 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 위치를 모니터(30)에 출력한다. 모니터(30)에는, 굴삭부(5)에 있어서의 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 작동 상태가 화상으로 표시된다. 이에 의해, 작업자가 모니터(30)를 보면서 유압 셔블(1)을 조작하는, 이른바 정보화 시공이 가능해진다.
또한, 인식 마커(11∼13)를 카메라(10)에 의해 촬상된 화상으로부터 식별 가능한 2차원 코드로 해도 된다. 또한, 인식 마커(11∼13)와는 별도로, 2차원 코드를 굴삭부(5)에 장착해도 된다. 이 경우, 굴삭부(5)에 있어서의 붐(6) 및 아암(7)의 길이나 버킷(8)의 크기 등, 굴삭부(5)의 고유의 데이터를 2차원 코드에 저장할 수 있다.
이에 의해, 굴삭부(5) 또는 굴삭부(5)의 일부를 교환한 경우에도, 2차원 코드에 저장된 데이터로부터 컨트롤러(20)가 자동적으로 설정을 변경하는 것이 가능하다. 그 밖에도, 2차원 코드에, 카메라(10)의 장착 위치의 데이터를 저장해 두면, 예를 들어 카메라(10)를 이후 10㎜ 우측으로 이동시킨다는 취지의 지시를 모니터(30)에 표시하는 등, 카메라(10)의 장착 위치의 설정에 사용하는 것이 가능하다.
또한, 2차원 코드에는, 일부에 오염이 있어도 7％∼30％ 정도의 오류이면 복원 가능한 오류 정정 기능이 있다. 따라서, 인식 마커(11∼13)에 2차원 코드를 적용한 경우에는, 어느 정도의 오염이나 파손을 허용할 수 있어, 검출 정밀도의 향상이 가능하다.
이상의 실시 형태에 의하면, 이하에 나타내는 효과를 발휘한다.
작동 상태 검출 시스템(100)에서는, 카메라(10)에 의해 촬상된 화상으로부터, 굴삭부(5)에 형성된 인식 마커(11∼13)의 형상의 변화량을 연산하고, 인식 마커(11∼13)의 형상의 변화량에 기초하여 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출한다. 따라서, 단일의 카메라(10)와 인식 마커(11∼13)에만 의해 굴삭부(5)의 작동 상태를 검출할 수 있다. 따라서, 간소한 구성으로 유압 셔블(1)의 작동 상태를 검출하는 것이 가능하다.
또한, 모니터(30)에는, 굴삭부(5)에 있어서의 붐(6), 아암(7), 및 버킷(8)의 작동 상태가 화상으로 표시된다. 이에 의해, 작업자가 모니터(30)를 보면서 유압 셔블(1)을 조작하는 이른바 정보화 시공이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.
본원은 2014년 5월 26일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2014-107755호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (6)

  1. 작업기 본체부에 대해 동작하는 작업부의 작동 상태를 검출하는 작업기의 작동 상태 검출 시스템이며,
    상기 작업부에 설치되는 인식부와,
    상기 작업기 본체부에 설치되어 상기 작업부를 촬상하는 촬상 장치와,
    상기 촬상 장치에 의해 촬상된 상기 인식부의 형상이 상기 작업부의 동작에 수반하여 변화될 때의 변화량을 연산하는 연산부와,
    상기 연산부에 의해 연산된 변화량에 기초하여 상기 작업부의 작동 상태를 검출하는 검출부를 구비하는, 작업기의 작동 상태 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 인식부의 축척, 기울기, 및 스트레인 중 적어도 하나의 변화량을 연산하는, 작업기의 작동 상태 검출 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 작업부가 기준 위치에 있는 경우의 상기 인식부의 기준 형상에 대한 상기 인식부의 변화량을 연산하고,
    상기 검출부는, 상기 연산부에 의해 연산된 상기 변화량으로부터 상기 작업기 본체부에 대한 상기 작업부의 위치를 검출하는, 작업기의 작동 상태 검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작업기는, 셔블이고,
    상기 작업부는, 상기 작업기 본체부에 대해 요동 가능하게 장착되는 붐과, 상기 붐의 선단부에 요동 가능하게 장착되는 아암과, 상기 아암의 선단부에 요동 가능하게 장착되는 버킷을 구비하고,
    상기 인식부는, 상기 붐과 상기 아암과 상기 버킷에 각각 설치되고, 형상이 각각 다른, 작업기의 작동 상태 검출 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 작업기 본체부는, 캐빈을 갖고,
    상기 촬상 장치는, 상기 셔블의 캐빈에 설치되고, 상기 작업부가 요동하는 평면과는 촬상 방향이 다른, 작업기의 작동 상태 검출 시스템.
  6. 제1항에 기재된 작업기의 작동 상태 검출 시스템을 구비하는, 작업기.
KR1020167024683A 2014-05-26 2015-05-20 작업기의 작동 상태 검출 시스템 및 작업기 KR101854065B1 (ko)

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