KR101907938B1

KR101907938B1 - 건설 기계의 제어 장치 및 건설 기계의 제어 방법

Info

Publication number: KR101907938B1
Application number: KR1020177010635A
Authority: KR
Inventors: 도루 마쓰야마; 진 기타지마; 유키 시마노
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-10-15
Also published as: JP6271771B2; US10584463B2; DE112016000156T5; JPWO2017086488A1; KR20180062967A; DE112016000156T8; DE112016000156B4; US20180230672A1; CN107109818A; WO2017086488A1

Abstract

건설 기계의 제어 장치는, 작업기의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득하는 조작량 데이터 취득부와, 조작량 데이터에 기초하여 버킷의 비조작 상태를 판정하는 조작 판정부와, 비조작 상태의 판정에 따라 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정하는 버킷 제어 판정부와, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 것으로 판정된 경우 작업기 상태가 유지되도록 버킷을 제어하는 제어 신호를 출력하는 작업기 제어부를 구비한다.

Description

건설 기계의 제어 장치 및 건설 기계의 제어 방법{CONTROL DEVICE FOR CONSTRUCTION MACHINE AND METHOD OF CONTROLLING CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은, 건설 기계의 제어 장치 및 건설 기계의 제어 방법에 관한 것이다.

유압 셔블과 같은 건설 기계에 관한 기술 분야에 있어서, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형을 따라 버킷(bucket)이 이동하도록 작업기를 제어하는 건설 기계가 알려져 있다.

국제 공개 제2014/167718호

예를 들면, 굴삭 대상을 마무리 굴삭하는 경우, 목표 굴삭 지형에 대한 버킷의 각도를 일정 각도로 유지하여 작업기를 구동시키는 것이 요망된다. 한편, 버킷의 각도가 항상 일정 각도로 제어되어버리면, 오퍼레이터에 의한 조작 장치의 조작이 버킷의 구동에 반영되지 않아, 오퍼레이터에게 위화감(feeling of strangeness)을 주게 된다.

본 발명의 태양(態樣)은, 버킷의 각도의 제어를 적절한 타이밍에서 개시할 수 있는 건설 기계의 제어 장치 및 건설 기계의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 적어도 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 장치로서, 상기 작업기의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득하는 조작량 데이터 취득부와, 상기 조작량 데이터에 기초하여 상기 버킷의 비조작 상태를 판정하는 조작 판정부와, 상기 비조작 상태의 판정에 따라 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정하는 버킷 제어 판정부와, 상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 것으로 판정된 경우 상기 작업기 상태가 유지되도록 상기 버킷을 제어하는 제어 신호를 출력하는 작업기 제어부를 구비하는 건설 기계의 제어 장치가 제공된다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 적어도 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 방법으로서, 상기 작업기의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득하는 것과, 상기 조작량 데이터에 기초하여 상기 버킷의 비조작 상태를 판정하는 것과, 상기 비조작 상태의 판정에 따라 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정하는 것과, 상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 것으로 판정된 경우 상기 작업기 상태가 유지되도록 상기 버킷을 제어하는 제어 신호를 출력하는 것을 포함하는 건설 기계의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 태양에 의하면, 버킷의 각도의 제어를 적절한 타이밍에서 개시할 수 있는 건설 기계의 제어 장치 및 건설 기계의 제어 방법이 제공된다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블의 일례를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 작업기 제어에 따라 구동되는 작업기의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 유압(油壓) 시스템의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본 실시형태에 관한 유압 시스템의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 6은, 본 실시형태에 관한 제어 장치의 일례를 나타낸 기능 블록도이다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 정지(整地; leveling) 어시스트 제어 및 버킷 제어를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은, 본 실시형태에 관한 거리와 작업기 제한 속도와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블의 제어 방법의 일례를 나타낸 플로우차트이다.
도 10은, 본 실시형태에 관한 제어 장치의 효과를 설명하기 위한 모식도이다.

이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이하에서 설명하는 각각의 실시형태의 구성 요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또한, 일부의 구성 요소를 사용하지 않는 경우도 있다.

[건설 기계]

도 1은, 본 실시형태에 관한 건설 기계(100)의 일례를 나타낸 사시도이다. 본 실시형태에 있어서는, 건설 기계(100)가 유압 셔블인 예에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 건설 기계(100)를 적절히, 유압 셔블(100)이라고 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 유압에 의해 작동하는 작업기(1)와, 작업기(1)를 지지하는 차체(2)와, 차체(2)를 지지하는 주행 장치(traveling unit)(3)와, 작업기(1)를 조작하기 위한 조작 장치(40)와, 작업기(1)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다. 차체(2)는, 주행 장치(3)에 지지된 상태로 선회축(RX)을 중심으로 선회할 수 있다. 차체(2)는, 주행 장치(3) 상에 배치된다. 이하의 설명에 있어서는, 차체(2)를 적절히, 상부 선회체(旋回體)(2)라고 하고, 주행 장치(3)를 적절히, 하부 주행체(3)라고 한다.

상부 선회체(2)는, 오퍼레이터가 탑승하는 운전실(4)과, 엔진 및 유압 펌프 등이 수용되는 기계실(5)과, 난간(6)을 가진다. 운전실(4)은, 오퍼레이터가 착석하는 운전석(4S)을 가진다. 기계실(5)은, 운전실(4)의 후방에 배치된다. 난간(6)은, 기계실(5)의 전방에 배치된다.

하부 주행체(3)는, 한 쌍의 크롤러(crawlers)(7)를 가진다. 크롤러(7)의 회전에 의해, 유압 셔블(100)이 주행한다. 그리고, 하부 주행체(3)가 차륜(타이어)이라도 된다.

작업기(1)는, 상부 선회체(2)에 지지된다. 작업기(1)는, 날끝(cutting edge)(10)을 가지는 버킷(11)과, 버킷(11)에 연결되는 암(arm)(12)과, 암(12)에 연결되는 붐(boom)(13)을 가진다. 버킷(11)의 날끝(10)은, 버킷(11)에 형성된 볼록형상의 날의 선단부라도 된다. 버킷(11)의 날끝(10)은, 버킷(11)에 설치된 스트레이트 형상의 날의 선단부라도 된다.

버킷(11)은, 암(12)의 선단부와 연결된다. 암(12)의 기단부(基端部)는, 붐(13)의 선단부와 연결된다. 붐(13)의 기단부는, 상부 선회체(2)와 연결된다.

버킷(11)과 암(12)은 버킷 핀(bucket pin)을 통하여 연결된다. 버킷(11)은, 회전축(AX1)을 중심으로 회전 가능하게 암(12)에 지지된다. 암(12)과 붐(13)은 암 핀(arm pin)을 통하여 연결된다. 암(12)은, 회전축(AX2)을 중심으로 회전 가능하게 붐(13)에 지지된다. 붐(13)과 상부 선회체(2)는 붐 핀(boom pin)을 통하여 연결된다. 붐(13)은, 회전축(AX3)을 중심으로 회전 가능하게 차체(2)에 지지된다.

회전축(AX1)과, 회전축(AX2)과, 회전축(AX3)은, 평행하다. 회전축(AX1, AX2, AX3)과, 선회축(RX)과 평행한 축은, 직교한다. 이하의 설명에 있어서는, 회전축(AX1, AX2, AX3)의 축 방향을 적절히, 상부 선회체(2)의 차폭 방향이라고 하고, 회전축(AX1, AX2, AX3) 및 선회축(RX)의 양쪽과 직교하는 방향을 적절히, 상부 선회체(2)의 전후 방향이라고 한다. 운전석(4S)에 착석한 오퍼레이터를 기준으로 하여 작업기(1)가 존재하는 방향이 전방향(前方向)이다.

그리고, 버킷(11)은, 틸트 버킷(tilt bucket)이라도 된다. 틸트 버킷이란, 버킷 틸트 실린더의 작동에 의해, 차폭 방향으로 틸트 경사 가능한 버킷이다. 경사지에 있어서 유압 셔블(100)이 가동(稼動)하는 경우, 버킷(11)이 차폭 방향으로 틸트 경사지는 것에 의해, 경사면 또는 평지를 자유롭게 성형 또는 정지(leveling)할 수 있다.

조작 장치(40)는, 운전실(4)에 배치된다. 조작 장치(40)는, 유압 셔블(100)의 오퍼레이터에 의해 조작되는 조작 부재를 포함한다. 조작 부재는, 조작 레버 또는 죠이스틱을 포함한다. 조작 부재가 조작됨으로써, 작업기(1)가 조작된다.

제어 장치(50)는, 컴퓨터 시스템을 포함한다. 제어 장치(50)는, CPU(Central Processing Unit)와 같은 프로세서와, ROM(Read Only Memory) 또는 RAM(Random Access Memory)과 같은 기억 장치와, 입출력 인터페이스 장치를 가진다.

도 2는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)을 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 작업기(1)를 구동시키는 유압 실린더(20)를 가진다. 유압 실린더(20)는, 작동유에 의해 구동된다. 유압 실린더(20)는, 버킷(11)을 구동시키는 버킷 실린더(21)와, 암(12)을 구동시키는 암 실린더(22)와, 붐(13)을 구동시키는 붐 실린더(23)를 포함한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 버킷 실린더(21)에 배치된 버킷 실린더 스트로크 센서(14)와, 암 실린더(22)에 배치된 암 실린더 스트로크 센서(15)와, 붐 실린더(23)에 배치된 붐 실린더 스트로크 센서(16)를 가진다. 버킷 실린더 스트로크 센서(14)는, 버킷 실린더(21)의 스트로크 길이인 버킷 실린더 길이를 검출한다. 암 실린더 스트로크 센서(15)는, 암 실린더(22)의 스트로크 길이인 암 실린더 길이를 검출한다. 붐 실린더 스트로크 센서(16)는, 붐 실린더(23)의 스트로크 길이인 붐 실린더 길이를 검출한다.

유압 셔블(100)은, 상부 선회체(2)의 위치를 검출하는 위치 검출 장치(30)를 구비한다. 위치 검출 장치(30)는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 위치를 검출하는 차체 위치 검출기(31)와, 상부 선회체(2)의 자세를 검출하는 자세 검출기(32)와, 상부 선회체(2)의 방위를 검출하는 방위 검출기(33)를 포함한다.

글로벌 좌표계(XgYgZg 좌표계)는, GPS(Global Positioning System: 전지구 측위 시스템)에 의해 규정되는 절대 위치를 나타내는 좌표계이다. 로컬 좌표계(XYZ좌표계)는, 유압 셔블(100)의 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)로 한 상대(相對) 위치를 나타내는 좌표계이다. 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)는, 예를 들면, 상부 선회체(2)의 선회축(RX)에 설정된다. 그리고, 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)는, 회전축(AX3)에 설정되어도 된다. 위치 검출 장치(30)에 의해, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 3차원 위치, 수평면에 대한 상부 선회체(2)의 자세각(姿勢角), 및 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위가 검출된다.

차체 위치 검출기(31)는, GPS 수신기를 포함한다. 차체 위치 검출기(31)는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 3차원 위치를 검출한다. 차체 위치 검출기(31)는, 상부 선회체(2)의 Xg 방향의 위치, Yg 방향의 위치, 및 Zg 방향의 위치를 검출한다.

상부 선회체(2)에 복수의 GPS 안테나(31A)가 설치된다. GPS 안테나(31A)는, GPS 위성으로부터 전파를 수신하여, 수신한 전파에 기초한 신호를 차체 위치 검출기(31)에 출력한다. 차체 위치 검출기(31)는, GPS 안테나(31A)로부터 공급된 신호에 기초하여, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1을 검출한다. 차체 위치 검출기(31)는, GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1에 기초하여, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)를 검출한다.

차체 위치 검출기(31)는, 2개의 GPS 안테나(31A) 중 한쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치(P1a) 및 다른 쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치(P1b)의 각각을 검출한다. 차체 위치 검출기(31)는, 설치 위치(P1a)와 설치 위치(P1b)에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg) 및 방위를 검출한다. 본 실시형태에 있어서, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)는, 설치 위치(P1a)이다. 그리고, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)는, 설치 위치(P1b)라도 된다.

자세 검출기(32)는, IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함한다. 자세 검출기(32)는, 상부 선회체(2)에 설치된다. 자세 검출기(32)는, 운전실(4)의 하부에 배치된다. 자세 검출기(32)는, 수평면(XgYg 평면)에 대한 상부 선회체(2)의 자세각을 검출한다. 수평면에 대한 상부 선회체(2)의 자세각은, 차폭 방향에서의 상부 선회체(2)의 자세각(θa)과 전후 방향에서의 상부 선회체(2)의 자세각(θb)을 포함한다.

방위 검출기(33)는, 한쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치(P1a)와 다른 쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치(P1b)에 기초하여, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 검출하는 기능을 가진다. 기준 방위는, 예를 들면, 북쪽이다. 방위 검출기(33)는, 설치 위치(P1a)와 설치 위치(P1b)에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 검출한다. 방위 검출기(33)는, 설치 위치(P1a)와 설치 위치(P1b)를 연결하는 직선을 산출하고, 산출한 직선과 기준 방위가 이루는 자세각(θc)에 기초하여, 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 검출한다.

그리고, 방위 검출기(33)는, 위치 검출 장치(30)는 별체라도 된다. 방위 검출기(33)는, 자기(磁氣) 센서를 사용하여 상부 선회체(2)의 방위를 검출해도 된다.

유압 셔블(100)은, 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 검출하는 날끝 위치 검출기(34)를 구비한다.

본 실시형태에 있어서, 날끝 위치 검출기(34)는, 버킷 실린더 스트로크 센서(14)의 검출 결과와, 암 실린더 스트로크 센서(15)의 검출 결과와, 붐 실린더 스트로크 센서(16)의 검출 결과와, 버킷(11)의 길이 L11과 암(12)의 길이 L12와 붐(13)의 길이 L13에 기초하여, 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 산출한다.

날끝 위치 검출기(34)는, 버킷 실린더 스트로크 센서(14)에 의해 검출된 버킷 실린더 길이에 기초하여, 암(12)에 대한 버킷(11)의 날끝(10)의 자세각(θ11)을 산출한다. 날끝 위치 검출기(34)는, 암 실린더 스트로크 센서(15)에 의해 검출된 암 실린더 길이에 기초하여, 붐(13)에 대한 암(12)의 자세각(θ12)을 산출한다. 날끝 위치 검출기(34)는, 붐 실린더 스트로크 센서(16)에 의해 검출된 붐 실린더 길이에 기초하여, 상부 선회체(2)의 Z축에 대한 붐(13)의 자세각(θ13)을 산출한다.

버킷(11)의 길이 L11은, 버킷(11)의 날끝(10)과 회전축(AX1)(버킷 핀)과의 거리이다. 암(12)의 길이 L12는, 회전축(AX1)(버킷 핀)과 회전축(AX2)(암 핀)과의 거리이다. 붐(13)의 길이 L13은, 회전축(AX2)(암 핀)와 회전축(AX3)(붐 핀)과의 거리이다.

날끝 위치 검출기(34)는, 자세각(θ11), 자세각(θ12), 자세각(θ13), 길이 L11, 길이 L12, 및 길이 L13에 기초하여, 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 산출한다.

또한, 날끝 위치 검출기(34)는, 위치 검출 장치(30)에 의해 검출된 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)와 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)와 날끝(10)과의 상대 위치에 기초하여, 날끝(10)의 절대 위치(Pb)를 산출한다. 절대 위치(Pg)와 기준 위치(Ps)와의 상대 위치는, 유압 셔블(100)의 제원 데이터로부터 도출되는 기지(旣知) 데이터이다. 따라서, 날끝 위치 검출기(34)는, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)와, 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)와 날끝(10)과의 상대 위치와, 유압 셔블(100)의 제원 데이터에 기초하여, 날끝(10)의 절대 위치(Pb)를 산출할 수 있다.

그리고, 본 실시형태에 있어서는, 자세각(θ11, θ12, θ13)의 검출에 실린더 스트로크 센서(14, 15, 16)가 사용되지만, 실린더 스트로크 센서(14, 15, 16)가 사용되지 않아도 된다. 예를 들면, 날끝 위치 검출기(34)는, 포텐셔미터(potentiometer) 등의 각도 센서 또는 수준기(水準器) 등을 사용하여, 버킷(11)의 자세각(θ11), 암(12)의 자세각(θ12), 및 붐(13)의 자세각(θ13)을 검출해도 된다.

[작업기의 동작]

조작 장치(40)가 조작됨으로써, 버킷(11)의 덤핑 동작(dumping operation), 버킷(11)의 굴삭 동작, 암(12)의 덤핑 동작, 암(12)의 굴삭 동작, 붐(13)의 상승 동작, 및 붐(13)의 하강 동작이 실행된다.

본 실시형태에 있어서, 조작 장치(40)는, 운전석(4S)에 착석한 오퍼레이터의 우측에 배치되는 우측 조작 레버와 좌측에 배치되는 좌측 조작 레버를 포함한다. 우측 조작 레버가 전후 방향으로 작동되면, 붐(13)은 하강 동작 및 상승 동작을 행한다. 우측 조작 레버가 좌우 방향(차폭 방향)으로 작동되면, 버킷(11)은 굴삭 동작 및 덤핑 동작을 행한다. 좌측 조작 레버가 전후 방향으로 작동되면, 암(12)은 덤핑 동작 및 굴삭 동작을 행한다. 좌측 조작 레버가 좌우 방향으로 작동되면, 상부 선회체(2)는 좌측 선회(旋回) 및 우측 선회한다. 그리고, 좌측 조작 레버가 전후 방향으로 작동되었을 경우에 상부 선회체(2)가 우측 선회 및 좌측 선회하고, 좌측 조작 레버가 좌우 방향으로 작동되었을 경우에 암(12)이 덤핑 동작 및 굴삭 동작을 행해도 된다.

[작업기 제어]

도 3은, 본 실시형태에 관한 작업기 제어에 따라 구동되는 작업기(1)의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다. 본 실시형태에 있어서, 작업기 제어는, 정지 어시스트 제어 및 버킷 제어를 포함한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 정지 어시스트 제어란, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형을 따라 버킷(11)이 이동하도록 작업기(1)를 제어하는 것을 말한다. 목표 굴삭 지형은, 면에 의해 규정되어도 되고, 선에 의해 규정되어도 된다. 정지 어시스트 제어에 있어서는, 버킷(11)이 목표 굴삭 지형을 초과하지 않도록, 붐(13)이 상승 동작하도록 붐 실린더(23)가 제어된다.

정지 어시스트 제어에 있어서는, 버킷(11) 및 암(12)은, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 구동된다. 붐(13)은, 제어 장치(50)에 의한 제어에 따라 구동된다.

버킷 제어란, 작업기(1) 상태가 일정 상태로 유지되도록 작업기(1)를 제어하는 것을 말한다. 본 실시형태에 있어서, 작업기(1) 상태는, 작업기(1)의 자세를 포함한다. 작업기(1)의 자세는, 버킷(11)의 자세각(θ11)과 암(12)의 자세각(θ12)과 붐(13)의 자세각(θ13)과의 총계를 포함한다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 버킷 제어란, 자세각(θ11)과 자세각(θ12)과 자세각(θ13)과의 총계를 나타낸 작업기(1)의 자세가 일정 각도로 유지되도록 작업기(1)를 제어하는 것을 말한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 버킷 제어에 있어서는, 목표 굴삭 지형에 대한 버킷(11)의 각도가 일정 각도로 유지되도록, 유압 실린더(20)가 제어된다.

버킷 제어에 있어서는, 암(12)은, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 구동된다. 버킷(11)은, 제어 장치(50)에 의한 제어에 따라 구동된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 버킷(11)의 날끝(10)이 목표 굴삭 지형을 따라 이동하고, 또한 버킷(11)의 바닥면(17)이 목표 굴삭 지형으로부터 이격되도록, 정지 어시스트제어 및 버킷 제어가 실시된다.

굴삭 대상을 굴삭할 때 버킷 제어가 실시되는 경우, 암(12)은 굴삭 동작되어 버킷(11)은 덤핑 동작된다. 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작에 의해 암(12)이 굴삭 동작되어 있는 상태에서, 목표 굴삭 지형을 따라 버킷(11)이 이동하도록, 버킷(11)을 덤핑 동작시키는 동시에, 붐(13)을 상승 동작시킨다.

본 실시형태에 있어서, 버킷 제어는, 버킷(11) 중 적어도 일부가 버킷 제어 범위에 존재할 때 실시된다. 버킷 제어 범위란, 목표 굴삭 지형을 기준으로 하는, 목표 굴삭 지형으로부터 소정 거리의 범위이다. 본 실시형태에 있어서는, 목표 굴삭 지형과 버킷(11)과의 거리 D가 제1 임계값 H1 이하일 때, 버킷 제어가 실시된다.

[유압 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 시스템(300)의 일례에 대하여 설명한다. 버킷 실린더(21), 암 실린더(22), 및 붐 실린더(23)를 포함하는 유압 실린더(20)는, 유압 시스템(300)에 의해 작동한다. 유압 실린더(20)는, 조작 장치(40) 및 제어 장치(50) 중 적어도 한쪽에 의해 조작된다.

도 4는, 버킷 실린더(21)를 작동시키는 유압 시스템(300)의 일례를 나타낸 모식도이다. 버킷(11)은, 굴삭 동작 및 덤핑 동작의 2종류의 동작을 실행한다. 버킷 실린더(21)가 신장되는 것에 의해, 버킷(11)이 굴삭 동작하고, 버킷 실린더(21)가 축소되므로, 버킷(11)이 덤핑 동작한다.

유압 시스템(300)은, 방향 제어 밸브(41)를 통하여 버킷 실린더(21)에 작동유를 공급하는 가변(可變) 용량형의 메인 유압 펌프(42)와, 파일럿 오일을 공급하는 서브 유압 펌프(43)와, 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(44A, 44B, 44C)와, 오일 통로(44A, 44B)에 배치되고, 방향 제어 밸브(41)에 대한 파일럿압을 조정하는 제어 밸브(45A, 45B)와, 조작 장치(40)에 접속되는 오일 통로(47A, 47B)와, 오일 통로(47A, 47B)에 배치된 압력 센서(49A, 49B)와, 오일 통로(47A, 47B)에 배치된 흐름 제한 장치(restrictor)와, 제어 밸브(45A, 45B)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다.

제어 밸브(45A, 45B)는, 전자(電磁) 비례 제어 밸브이다. 제어 밸브(45A, 45B)는, 오일 통로(44C)를 통하여 서브 유압 펌프(43)와 접속된다. 서브 유압 펌프(43)로부터 송출된 파일럿 오일은, 제어 밸브(45A, 45B)에 공급된다. 그리고, 메인 유압 펌프(42)로부터 송출되어 감압 밸브에 의해 감압된 파일럿 오일이 제어 밸브(45A, 45B)에 공급되어도 된다. 제어 밸브(45A, 45B)는, 제어 장치(50)로부터의 제어 신호에 기초하여, 방향 제어 밸브(41)에 대한 파일럿압을 조정한다. 제어 밸브(45A)는, 오일 통로(44A)의 파일럿압을 조정한다. 제어 밸브(45B)는, 오일 통로(44B)의 파일럿압을 조정한다. 본 실시형태에 있어서는, 서브 유압 펌프(43)는, 상시, 제어 밸브(45A, 45B)에 파일럿 오일을 공급한다. 따라서, 조작 장치(40)의 조작 레버가 중립 위치에 존재하고 있어도, 제어 밸브(45A, 45B)에는, 상시, 파일럿압이 작용한다.

방향 제어 밸브(41)는, 작동유가 흐르는 방향 및 작동유의 공급량을 제어한다. 메인 유압 펌프(42)로부터 공급된 작동유는, 방향 제어 밸브(41)를 통하여, 버킷 실린더(21)에 공급된다. 방향 제어 밸브(41)는, 버킷 실린더(21)의 캡측 오일실(20A)에 대한 작동유의 공급과 로드 측 오일실(20B)에 대한 작동유의 공급을 전환한다. 또한, 방향 제어 밸브(41)는, 작동유의 공급량을 조정한다. 캡측 오일실(20A)은, 실린더 헤드 커버와 피스톤과의 사이의 공간이다. 로드 측 오일실(20B)은, 피스톤 로드가 배치되는 공간이다.

조작 장치(40)는, 서브 유압 펌프(43)와 접속된다. 서브 유압 펌프(43)로부터 송출된 파일럿 오일이 조작 장치(40)에 공급된다. 그리고, 메인 유압 펌프(42)로부터 송출되고, 감압 밸브에 의해 감압된 파일럿 오일이 조작 장치(40)에 공급되어도 된다.

조작 장치(40)가 조작되면, 조작 장치(40)의 조작량에 기초하여, 오일 통로(47A)의 압력 및 오일 통로(47B)의 압력이 변화한다. 오일 통로(47A)의 압력은, 압력 센서(49A)에 의해 검출된다. 오일 통로(47B)의 압력은, 압력 센서(49B)에 의해 검출된다.

압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터는, 제어 장치(50)에 출력된다. 제어 장치(50)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터에 기초하여, 조작 장치(40)의 조작량 및 조작량을 검출한다. 제어 장치(50)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터에 기초하여, 제어 밸브(45A, 45B)에 제어 신호를 출력한다.

제어 장치(50)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터에 기초하여, 조작 장치(40)의 조작량 및 조작 방향을 따른 파일럿압이 방향 제어 밸브(41)에 작용하도록, 제어 밸브(45A, 45B)를 제어한다. 이로써, 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작량 및 조작 방향을 따라 파일럿압을 조정하여, 축 방향에 관한 스풀(spool)의 이동량 및 이동 속도를 조정할 수 있다.

예를 들면, 조작 장치(40)의 조작 레버가 중립 위치보다 한쪽 측으로 작동되면, 압력 센서(49A)는, 그 조작 레버의 조작량에 따른 압력을 검출한다. 제어 장치(50)는, 그 압력 센서(49A)의 검출 데이터에 따른 파일럿압이 방향 제어 밸브(41)에 작용하도록, 제어 밸브(45A)를 제어한다. 조작 장치(40)의 조작 레버가 중립 위치보다 다른 쪽 측으로 작동되면, 압력 센서(49B)는, 그 조작 레버의 조작량에 따른 압력을 검출한다. 제어 장치(50)는, 그 압력 센서(49B)의 검출 데이터에 따른 파일럿압이 방향 제어 밸브(41)에 작용하도록, 제어 밸브(45B)를 제어한다.

또한, 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작에 의하지 않고, 제어 밸브(45A, 45B)에 제어 신호를 출력하여, 방향 제어 밸브(41)에 작용하는 파일럿압을 조정할 수 있다. 예를 들면, 버킷 제어에 있어서는, 제어 장치(50)로부터 출력된, 버킷 제어에 관한 제어 신호에 기초하여 제어 밸브(45A) 및 제어 밸브(45B)가 제어된다. 제어 밸브(45A) 및 제어 밸브(45B)는, 버킷 제어를 실행하기 위해 제어 장치(50)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 제어된다. 한편, 버킷 제어를 실행하지 않을 때, 조작 장치(40)의 조작에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 밸브(45A) 및 제어 밸브(45B)가 제어된다.

그리고, 조작 장치(40)는, 전기 방식의 조작 장치라도 된다. 예를 들면, 조작 장치(40)가, 전기 레버와 같은 조작 부재와, 조작 부재의 경도량(傾倒量; tilting amount)을 전기적으로 검출하는 포텐셔미터 경사계와 같은 작동량 센서를 구비해도 된다. 작동량 센서의 검출 데이터는, 제어 장치(50)에 출력된다. 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작량으로서, 작동량 센서의 검출 데이터를 취득한다. 제어 장치(50)는, 작동량 센서의 검출 데이터에 기초하여, 방향 제어 밸브(41)를 구동시키기 위한 제어 신호를 출력해도 된다. 또한, 방향 제어 밸브(41)가 솔레노이드와 같은 전력으로 작동하는 액추에이터에 의해 구동되어도 된다.

도 5는, 붐 실린더(23)를 작동시키는 유압 시스템(300)의 일례를 나타낸 모식도이다. 조작 장치(40)의 조작에 의해, 붐(13)은, 상승 동작 및 하강 동작의 2종류의 동작을 실행한다. 붐 실린더(23)를 작동시키는 유압 시스템(300)은, 메인 유압 펌프(42)와, 파일럿압 펌프(43)와, 방향 제어 밸브(41)와, 방향 제어 밸브(41)에 대한 파일럿압을 조정하는 조작 장치(40)와, 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(44A, 44B, 44C)와, 오일 통로(44C)에 배치된 제어 밸브(45C)와, 오일 통로(44A, 44B, 44C)에 배치된 압력 센서(46A, 46B)와, 제어 밸브(45C)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다.

제어 밸브(45C)는, 전자 비례 제어 밸브이다. 제어 밸브(45C)는, 제어 장치(50)로부터의 지령 신호에 기초하여, 파일럿압을 조정한다. 제어 밸브(45C)는, 오일 통로(44C)의 파일럿압을 조정한다.

조작 장치(40)가 조작됨으로써, 조작 장치(40)의 조작량에 따른 파일럿압이 방향 제어 밸브(41)에 작용한다. 방향 제어 밸브(41)의 스풀은, 파일럿압에 따라 이동한다. 스풀의 이동량에 기초하여, 메인 유압 펌프(42)로부터 방향 제어 밸브(41)를 통하여 붐 실린더(23)에 공급되는 단위 시간당의 작동유의 공급량이 조정된다.

본 실시형태에 있어서는, 정지 어시스트 제어를 위해, 제어 장치(50)로부터 출력된, 정지 어시스트 제어에 관한 제어 신호에 기초하여 작동하는 제어 밸브(45C)가 오일 통로(44C)에 설치된다. 오일 통로(44C)에, 파일럿압 펌프(43)로부터 송출된 파일럿 오일이 흐른다. 오일 통로(44C) 및 오일 통로(44B)는, 셔틀 밸브(48)와 접속된다. 셔틀 밸브(48)는, 오일 통로(44B) 및 오일 통로(44C) 중, 파일럿압이 높은 쪽의 오일 통로의 파일럿 오일을, 방향 제어 밸브(41)에 공급한다. 제어 밸브(45C)는, 정지 어시스트 제어를 실행하기 위해 제어 장치(50)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 제어된다.

정지 어시스트 제어를 실행하지 않을 때, 조작 장치(40)의 조작에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 장치(50)는, 제어 밸브(45C)에 제어 신호를 출력하지 않는다. 예를 들면, 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 밸브(45C)에 의해 오일 통로(44C)를 폐쇄한다.

정지 어시스트 제어를 실행할 때, 제어 장치(50)는, 제어 밸브(45C)에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 밸브(45C)를 제어한다. 예를 들면, 붐(13)의 이동을 제한하는 정지 어시스트 제어를 실행하는 경우, 제어 장치(50)는, 붐 목표 속도에 따른 파일럿압으로 되도록, 제어 밸브(45C)를 전개(全開) 상태로 한다. 오일 통로(44C)의 파일럿압이 오일 통로(44B)의 파일럿압보다 커지게 되면 제어 밸브(45C)로부터의 파일럿 오일이 셔틀 밸브(48)를 통하여 방향 제어 밸브(41)에 공급된다. 이로써, 붐 실린더(23)가 신장하고, 붐(13)이 상승 동작한다.

암(12)은, 굴삭 동작 및 덤핑 동작의 2종류의 동작을 실행한다. 암 실린더(22)가 신장되는 것에 의해, 암(12)이 굴삭 동작하고, 암 실린더(22)가 축소되므로, 암(12)이 덤핑 동작한다. 암 실린더(22)를 작동시키는 유압 시스템(300)에 대한 설명은 생략한다.

[제어 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 시스템(200)에 대하여 설명한다. 도 6은, 본 실시형태에 관한 제어 시스템(200)의 일례를 나타낸 기능 블록도이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 제어 시스템(200)은, 작업기(1)를 제어하는 제어 장치(50)와, 위치 검출 장치(30)와, 날끝 위치 검출기(34)와, 조작 장치(40)와, 제어 밸브(45)[45A, 45B, 45C]와, 압력 센서(46)[46A, 46B]와 압력 센서(49)[49A, 49B]와 목표 시공 데이터 생성 장치(70)를 구비한다.

전술한 바와 같이, 차체 위치 검출기(31), 자세 검출기(32), 및 방위 검출기(33)를 포함하는 위치 검출 장치(30)는, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)를 검출한다. 이하의 설명에 있어서는, 상부 선회체(2)의 절대 위치(Pg)를 적절히, 차체 위치(Pg)라고 한다.

제어 밸브(45)[45A, 45B, 45C]는, 유압 실린더(20)에 대한 작동유의 공급량을 조정한다. 제어 밸브(45)는, 제어 장치(50)로부터의 제어 신호에 기초하여 작동한다. 압력 센서(46)[46A, 46B]는, 오일 통로(44)[44A, 44B]의 파일럿압을 검출한다. 압력 센서(49)[49A, 49B]는, 오일 통로(47)[47A, 47B]의 파일럿압을 검출한다. 압력 센서(46)의 검출 데이터 및 압력 센서(49)의 검출 데이터는, 제어 장치(50)에 출력된다.

목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 컴퓨터 시스템을 포함한다. 목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 시공 영역의 목표 형상인 입체 설계 지형을 나타내는 목표 시공 데이터를 생성한다. 목표 시공 데이터는, 작업기(1)에 의한 시공 후에 얻어지는 3차원의 목표 형상을 나타낸다.

그리고, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)와 제어 장치(50)가 유선으로 접속되고, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)로부터 제어 장치(50)에 목표 시공 데이터가 송신되어도 된다. 그리고, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)가 목표 시공 데이터를 기억한 기억 매체를 포함하고, 제어 장치(50)가, 그 기억 매체로부터 목표 시공 데이터를 읽어들임(reading) 가능한 장치를 가져도 된다.

제어 장치(50)는, 프로세서에 의해 실행되는 차체 위치 데이터 취득부(51)와, 버킷 위치 데이터 취득부(52)와, 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)와, 거리 데이터 취득부(54)와, 조작량 데이터 취득부(56)와, 작업기 목표 속도 결정부(57)와, 조작 판정부(58)와, 버킷 제어 판정부(59)와, 제어 개시 각도 데이터 취득부(60)를 가진다. 제어 장치(50)는, 기억 장치에 의해 실현되는, 유압 셔블(100)의 제원 데이터를 기억하는 기억부(62)를 포함한다. 제어 장치(50)는, 입출력 인터페이스 장치를 구성하는 입출력부(63)를 포함한다.

차체 위치 데이터 취득부(51)는, 위치 검출 장치(30)로부터, 입출력부(63)를 통하여, 차체 위치(Pg)를 나타내는 차체 위치 데이터를 취득한다. 차체 위치 검출기(31)는, GPS 안테나(31A)의 설치 위치(P1a) 및 설치 위치(P1b) 중 적어도 한쪽에 기초하여, 차체 위치(Pg)를 검출한다. 차체 위치 데이터 취득부(51)는, 차체 위치 검출기(31)로부터, 차체 위치(Pg)를 나타내는 차체 위치 데이터를 취득한다.

버킷 위치 데이터 취득부(52)는, 날끝 위치 검출기(34)로부터, 입출력부(56)를 통하여, 버킷(11)의 날끝 위치를 포함하는 버킷 위치 데이터를 취득한다. 버킷 위치 데이터 취득부(52)는, 날끝 위치 검출기(34)로부터, 상부 선회체(2)의 기준 위치(Ps)에 대한 날끝(10)의 상대 위치인 날끝 위치를 포함하는 버킷 위치 데이터를 취득한다. 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)는, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)로부터 공급되는 목표 시공 데이터와 버킷 위치 데이터를 사용하여, 버킷(11)의 위치에 대응하는, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형 데이터를 생성한다.

거리 데이터 취득부(54)는, 버킷 위치 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 버킷(11)의 위치와, 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)에 의해 생성된 목표 굴삭 지형에 기초하여, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D를 산출하여, 거리 D를 나타내는 거리 데이터를 취득한다.

그리고, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D는, 버킷(11)의 날끝(10)과 목표 굴삭 지형과의 거리라도 되고, 버킷(11)의 외형 치수 데이터를 사용하여 산출된, 버킷(11)의 외주면(外周面)을 포함하는 버킷(11)의 임의의 위치와 목표 굴삭 지형과의 거리라도 된다. 예를 들면, 버킷(11)의 바닥면(17)과 목표 굴삭 지형과의 거리가, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D라도 된다.

조작량 데이터 취득부(56)는, 작업기(1)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득한다. 버킷(11)의 조작량, 암(12)의 조작량, 및 붐(13)의 조작량은, 압력 센서(46)의 검출 데이터와 상관한다. 작업기(1)의 조작량과 압력 센서(46)의 검출 데이터와의 상관을 나타내는 상관 데이터는, 예비 실험 또는 시뮬레이션에 의해 사전에 구해져, 기억부(62)에 기억되어 있다. 그리고, 조작량의 취득은, 레버에 설치되는 포텐쇼 등의 각도 센서의 검출값이라도 된다.

조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터와, 기억부(62)에 기억되어 있는 상관 데이터에 기초하여, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터로부터, 버킷(11)을 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득한다. 마찬가지로, 조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(46A, 46B)의 검출 신호와, 기억부(62)에 기억되어 있는 상관 데이터에 기초하여, 압력 센서(46A, 46B)의 검출 신호(PPC압)로부터, 암(12) 및 붐(13) 중 적어도 한쪽을 조작하기 위한 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득한다.

작업기 목표 속도 결정부(57)는, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 기초하여, 작업기(1) 전체의 제한 속도를 나타내는 작업기 제한 속도를 결정한다. 작업기(1) 전체의 속도란, 버킷(11), 암(12), 및 붐(13)이 구동했을 때의, 버킷(11)의 실제의 동작 속도를 말한다. 또한, 작업기 목표 속도 결정부(57)는, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 기초하여, 붐 목표 속도를 결정한다. 본 실시형태에 있어서, 작업기 목표 속도 결정부(57)는, 작업기 제한 속도와 조작량 데이터 취득부(56)에 의해 취득된 적어도 암 조작량 및 버킷 조작량에 기초하여, 버킷(11) 및 암(12)의 조작에 기초한 작업기(1) 전체의 속도와 작업기 제한 속도와의 편차가 상쇄되도록, 붐 목표 속도를 산출한다. 정지 어시스트 제어에 있어서는, 버킷(11)의 동작 및 암(12)의 동작은, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초한다. 정지 어시스트 제어에 있어서, 조작 장치(40)에 의해 버킷(11) 및 암(12)이 조작되고 있는 상태에서, 목표 굴삭 지형을 따라 버킷(11)의 날끝(10)이 이동하도록, 작업기 목표 속도 결정부(57)는, 상승 동작하는 붐(10)의 붐 목표 속도를 결정한다.

조작 판정부(58)는, 버킷(11)을 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 버킷 조작량 데이터에 기초하여, 버킷(11)을 조작하는 조작 장치(40)가 비조작인 것을 판정한다. 버킷(11)을 조작하는 조작 장치(40)의 비조작은, 버킷(11)이 굴삭 동작 및 덤핑 동작의 양쪽을 실시하지 않는 중립 조작을 포함한다. 조작 판정부(58)는, 버킷 조작 레버가 중립 위치에 존재하는지의 여부를, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터에 기초하여, 판정한다.

버킷 제어 판정부(59)는, 조작 판정부(58)의 판정에 따라 버킷 제어를 실시하기 위한 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정한다. 본 실시형태에 있어서, 버킷 제어 판정부(59)는, 거리 데이터 취득부(54)에 의해 취득된 거리 데이터 및 조작 판정부(58)의 판정 데이터에 기초하여, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정한다. 본 실시형태에 있어서, 버킷 제어 조건은, 버킷(11)을 조작하기 위한 조작 장치(40)가 비조작이며, 거리 D가 제1 임계값 H1 이하이면서 또한 암(12)이 구동 상태인 것을 포함한다.

제어 개시 각도 데이터 취득부(60)는, 버킷 제어 조건이 만족된 것으로 판정되었을 때의 작업기(1)의 자세를 나타내는 버킷 제어 개시 각도 데이터를 취득한다. 즉, 제어 개시 각도 데이터 취득부(60)는, 거리 D가 제1 임계값 H1 이하이면서 또한 버킷(11)을 조작하기 위한 버킷 조작 레버가 중립 위치에 있는 것으로 판정된 시점에서의 작업기(1)의 자세 데이터를 취득한다.

작업기 제어부(61)는, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 상태에 있어서 작업기(1) 상태가 유지되도록 버킷(11)을 제어하는 제어 신호를 출력한다. 작업기 제어부(61)는, 정지 어시스트 제어 및 버킷 제어를 포함하는 작업기 제어를 실시하기 위한 제어 신호를 제어 밸브(45A, 45B)에 출력한다. 본 실시형태에 있어서, 작업기 제어부(61)는, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 상태에 있어서, 작업기(1)의 자세가 일정 각도로 유지되도록, 버킷 실린더(21)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하여, 버킷 제어를 실시한다.

본 실시형태에 있어서, 작업기 제어부(61)는, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 상태에 있어서, 작업기(1)의 자세인 붐(13)의 자세각(θ13)과 암(12)의 자세각(θ12)과 버킷(11)의 자세각(θ11)과의 총계가 유지되도록, 붐(13)의 자세각(θ13)과 암(12)의 자세각(θ12)과의 합의 변화분을 버킷(11)의 자세각(θ11)에 의해 상쇄하도록, 버킷(11)의 목표 각도를 결정하여, 제어 신호를 출력한다.

한편, 버킷 제어 조건이 만족되고 있지 않은 것으로 판정되었을 때, 버킷(11)은, 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 구동된다.

또한, 작업기 제어부(61)는, 거리 D가 제1 임계값 H1보다도 큰 제2 임계값 H2 이하인 것으로 판정되었을 때, 작업기(1)가 작업기 제한 속도에 기초하여 이동하도록, 붐(13)을 구동시키는 붐 실린더(23)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하여, 정지 어시스트 제어를 실시한다.

도 7은, 본 실시형태에 관한 정지 어시스트 제어 및 버킷 제어를 설명하기 위한 모식도이다. 먼저, 정지 어시스트 제어에 대하여 설명을 행한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 속도 제한 개입 라인 SH2가 규정된다. 속도 제한 라인 SH2는, 목표 굴삭 지형과 평행하며, 목표 굴삭 지형으로부터 거리 H2만큼 이격된 위치로 규정된다. 거리 H2는, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 대한 제2 임계값이다. 거리 H2는, 오퍼레이터의 조작감이 손상되지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.

거리 데이터 취득부(54)는, 목표 굴삭 지형의 법선 방향에서의 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 최단 거리인 거리 D를 취득한다. 도 7에 나타낸 예에서는, 버킷(11)의 바닥면의 목표 굴삭 지형과의 사이에 있어서 거리 D가 규정된다. 또한, 작업기 목표 속도 결정부(57)는, 거리 D에 따라 작업기(1) 전체의 정지 어시스트를 위한 제한 속도인 작업기 제한 속도 Vt를 결정한다.

도 8은, 본 실시형태에 있어서의 제2 임계값 H2과 거리 D의 관계와, 거리 D와 작업기 제한 속도 Vt와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다. 작업기 제한 속도 Vt는, 거리 D가 제2 임계값 H2보다도 클 때는 설정되지 않고, 거리 D가 제2 임계값 H2 이하일 때 설정된다. 거리 D가 작아지게 될수록, 작업기 제한 속도 Vt는 작아지고, 거리 D가 영으로 되면 작업기 제한 속도 Vt도 영으로 된다. 본 실시형태에 있어서는, 버킷(11)이 목표 굴삭 지형의 아래쪽으로부터 위쪽을 향할 때의 속도를 플러스의 값으로 하고, 버킷(11)이 목표 굴삭 지형의 상측으로부터 아래쪽을 향할 때의 속도를 마이너스의 값으로 한다. 작업기 목표 속도 결정부(57)는, 거리 D가 클수록 작업기 제한 속도 Vt의 절대값이 커지고, 거리 D가 작을수록 작업기 제한 속도 Vt의 절대값이 작아지도록, 작업기 제한 속도 Vt를 결정한다.

다음에, 버킷 제어에 대하여 설명한다. 버킷 제어 판정부(59)는, 거리 D가 제1 임계값 H1 이하이면서 또한 버킷 조작 레버가 중립 조작되고 있는지의 여부를 판정한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 버킷 제어를 위한 제1 임계값 H1은, 정지 어시스트 제어를 위한 제2 임계값 H2보다도 작다.

예를 들면, 조작 장치(40)의 조작에 의해 버킷(11)이 목표 굴삭 지형에 서서히 접근하고, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D가 제1 임계값 H1 이하로 되고, 또한 오퍼레이터가 버킷 조작 레버의 조작을 그만두어 버킷 조작 레버가 중립 조작된 시점에 있어서, 버킷 제어 판정부(59)는, 버킷 제어 조건이 만족된 것으로 판정한다. 작업기 제어부(61)는, 거리 D가 제1 임계값 H1 이하로 되고, 또한 오퍼레이터가 버킷 조작 레버의 조작을 중지하여 버킷 조작 레버가 중립 조작된 시점에 있어서, 버킷 제어를 개시한다.

제어 장치(50)에 있어서 전술한 바와 같은 정지 어시스트 제어 및 버킷 제어가 실시되는 것에 의해, 예를 들면, 버킷 조작 레버가 중립 위치에 배치되어 있는 상태에서, 암(12) 및 붐(13) 중 적어도 한쪽의 구동에 의해 버킷(11)이 목표 굴삭 지형에 서서히 접근하고, 거리 D가 제1 임계값 H1보다도 큰 상태로부터 제1 임계값 H1 이하로 되었을 때, 거리(D1)가 제1 임계값 H1 이하로 된 시점에서의 목표 굴삭 지형에 대한 버킷(11)의 각도가 유지된다.

또한, 예를 들면, 거리 D가 제1 임계값 H1 이하의 상태에서, 버킷 조작 레버가 조작되고 있는 상태로부터 중립 위치에 배치되었을 때, 버킷 조작 레버가 중립 위치에 배치된 시점에서의 목표 굴삭 지형에 대한 버킷(11)의 각도가 유지되도록, 버킷 제어 및 정지 어시스트 제어를 포함하는 작업기 제어가 실시된다.

본 실시형태에 있어서는, 작업기(1) 상태를 유지하기 위해, 작업기(1)의 자세에 기초하여 버킷 제어가 실시된다. 그리고, 작업기(1) 상태를 유지하기 위해, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 상대 각도가 유지되도록 버킷 제어가 실시되어도 된다. 이 경우, 버킷(11)의 형상에 기초하여 벡터를 규정하거나, 목표 굴삭 지형에 대한 법선 벡터를 규정하거나 함으로써, 상대 각도가 유지되도록 버킷 제어가 실시되어도 된다.

[유압 셔블의 제어 방법]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 방법에 대하여, 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 방법을 나타낸 플로우차트이다.

목표 시공 데이터 생성 장치(70)로부터 제어 장치(50)에 목표 시공 데이터가 공급된다. 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)는, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)로부터 공급되는 목표 시공 데이터를 취득한다(스텝 S10).

날끝 위치 검출기(34)로부터 제어 장치(50)에 버킷 위치 데이터가 공급된다. 버킷 위치 데이터 취득부(52)는, 날끝 위치 검출기(34)로부터 버킷 위치 데이터를 취득한다(스텝 S20).

거리 데이터 취득부(54)는, 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)에 의해 취득된 목표 굴삭 지형과 버킷 위치 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 버킷 위치 데이터에 기초하여, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D를 나타내는 거리 데이터를 산출한다(스텝 S30). 이로써, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 데이터가 취득된다.

작업기 목표 속도 결정부(57)는, 거리 데이터에 기초하여, 작업기 제한 속도 Vr을 결정한다. 도 8을 참조하여 설명한 바와 같은, 거리 D와 작업기 제한 속도 Vr과의 관계를 나타내는 맵 데이터가 기억부(62)에 기억되어 있다. 작업기 목표 속도 결정부(57)는, 거리 데이터 취득부(54)에 의해 취득된 거리 데이터와, 기억부(62)에 기억되어 있는 맵 데이터에 기초하여, 거리 D에 따른 작업기 제한 속도 Vr을 결정한다.

작업기 목표 속도 결정부(57)는, 결정된 작업기 제한 속도 Vr과 조작량 데이터 취득부(56)에 의해 취득된 암 조작량 및 버킷 조작량 중 적어도 한쪽에 기초하여, 정지 어시스트 제어하기 위한 붐 목표 속도 Vb를 산출한다.

거리 D가 제2 임계값 H2 이하일 때, 작업기 제어부(61)는, 붐(13)이 붐 목표 속도 Vb에 기초하여 이동하도록, 붐 실린더(23)를 제어하기 위한 제어 신호를 제어 밸브(45C)에 출력한다(스텝 S50). 이로써, 정지 어시스트 제어가 개시된다.

조작량 데이터 취득부(56)는, 작업기(1)를 구동시키는 유압 실린더(20)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득한다(스텝 S60). 본 실시형태에 있어서, 조작량 데이터 취득부(56)는, 조작 장치(40) 중 적어도 버킷 조작 레버의 조작량을 나타내는 버킷 조작량 데이터를 취득한다. 조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터에 기초하여, 버킷 조작 레버의 버킷 조작량 데이터를 취득할 수 있다.

조작 판정부(58)는, 조작량 데이터 취득부(56)에 의해 취득된 조작량 데이터에 기초하여, 조작 장치(40)가 소정 조작되고 있는지의 여부를 판정한다. 본 실시형태에 있어서, 조작 판정부(58)는, 조작 장치(40) 중 적어도 버킷(11)을 조작하는 조작 장치(40)인 버킷 조작 레버가 비조작인지의 여부를 판정한다.

버킷 제어 판정부(59)는, 스텝 S30에 의해 취득된 거리 데이터와, 버킷 조작 레버가 비조작인지의 여부에 대한 판정 데이터에 기초하여, 조작 장치(40)의 버킷 조작 레버가 비조작이며 거리 D가 제1 임계값 H1 이하이면서 또한 암(12)이 구동 상태인 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S70).

스텝 S70에 있어서, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 것으로 판정되었을 때(스텝 S70: Yes), 제어 개시 각도 데이터 취득부(60)는, 버킷 제어 조건이 만족된 것으로 판정된 시점에서의 작업기(1)의 자세를 나타내는 버킷 제어 개시 각도 데이터를 취득한다. 작업기 제어부(61)는, 제어 개시 각도 데이터 취득부(60)에 의해 취득된 버킷 제어 개시 각도 데이터에 기초하여, 버킷 제어에서의 버킷 제어 개시 각도를 결정한다(스텝 S80).

작업기 제어부(61)는, 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 상태에 있어서, 작업기(1)의 자세가 일정 각도로 유지되도록, 유압 실린더(20) 중 적어도 버킷(11)을 구동시키는 버킷 실린더(21)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다(스텝 S90). 본 실시형태에 있어서는, 작업기 제어부(61)는, 버킷 실린더(21)를 제어하기 위한 제어 밸브(45A, 45B)에 제어 신호를 출력하여, 버킷 제어를 실시한다.

그리고, 스텝 S70에 있어서, 버킷 제어 조건이 만족되고 있지 않은 것으로 판정되었을 때(스텝 S70: No), 스텝 S10으로 돌아온다. 유압 실린더(20)는, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 구동된다.

[작용 및 효과]

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 조작 장치(40)가 소정 조작되고 있는 버킷 제어 조건이 만족되고 있을 때, 작업기(1)의 자세를 일정 각도로 유지하는 버킷 제어가 자동적으로 개시된다. 이로써, 오퍼레이터가 특별한 조작을 실시하지 않아도, 목표 굴삭 지형에 대한 버킷(11)의 각도가 일정 각도로 유지되는 버킷 제어가 자동적으로 개시된다.

도 10은, 본 실시형태에 관한 제어 시스템(200)의 효과를 설명하기 위한 모식도이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 버킷 제어의 개시 직후에 있어서는, 화살표 y1로 나타낸 바와 같이, 버킷 제어에 따라 버킷(11)의 높이 및 버킷(11)의 자세각(θ11)의 제어가 행해져, 굴삭이 개시된다. 다음에, 오퍼레이터가 필요에 따라 버킷 조작함으로써, 버킷 제어가 해제되고, 화살표 y2로 나타낸 바와 같이, 버킷 각도가 조정된다. 예를 들면, 오퍼레이터가 목표 굴삭 지형과 버킷(11)의 바닥면(17)을 정대(正對)하고 싶은 경우, 오퍼레이터에 의한 버킷 조작이 실시된다. 다음에, 오퍼레이터에 의한 버킷 조작이 해제되는 것에 의해, 화살표 y3로 나타낸 바와 같이, 버킷 제어에 따라 굴삭이 실시된다. 마지막으로, 오퍼레이터가 버킷 조작함으로써, 버킷 제어가 해제되고, 화살표 y4로 나타낸 바와 같이, 버킷 각도가 조정된다. 예를 들면, 오퍼레이터가 버킷(11)에 의한 건져올림(scooping)을 실시하고자 한 경우, 오퍼레이터에 의한 버킷 조작이 실시된다. 이와 같이, 오퍼레이터는, 굴삭의 초기 기간 또는 굴삭의 종기(終期) 기간만큼, 버킷(11)의 조작을 행하면 된다. 굴삭 정밀도가 필요한 기간에 있어서는, 오퍼레이터에 의한 버킷(11)의 조작이 실시되지 않아도, 버킷 제어가 실시되는 것에 의해, 버킷(11)은 목표 굴삭 지형과의 상대 각도를 유지할 수 있다. 이로써, 조작성 및 시공 정밀도가 향상된다.

또한, 본 실시형태에 의하면, 버킷(11)을 조작하기 위한 조작 장치(40)가 비조작이며, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D가 제1 임계값 H1 이하이면서 또한 암(12)이 구동 상태인 버킷 제어 조건이 만족되고 있을 때, 버킷 제어가 자동적으로 개시된다. 이로써, 오퍼레이터가 특별한 조작을 실시하지 않아도, 목표 굴삭 지형에 대한 버킷(11)의 각도가 일정 각도로 유지되는 버킷 제어가 자동적으로 개시된다.

조작 장치(40)의 버킷 조작 레버가 비조작이며, 거리 D가 제1 임계값 H1 이하이면서 또한 암(12)이 구동 상태인 버킷 제어 조건이 만족되고 있을 때 버킷 제어가 자동적으로 개시되므로, 버킷 제어는, 마무리 굴삭하기 위해 적절한 타이밍에서 개시된다.

또한, 버킷 제어 조건이 만족되지 않은 것으로 판정되었을 때, 버킷 제어는 실시되지 않고, 유압 실린더(20)는, 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 구동된다. 따라서, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작을 버킷(11)의 구동에 반영시킬 수 있다.

또한, 버킷 제어 조건이 만족된 것으로 판정된 시점에서의 버킷(11)의 각도가 유지된 상태에서, 버킷 제어가 실시된다. 따라서, 오퍼레이터는, 예를 들면, 버킷 조작 레버를 중립 위치로 되돌리는 것만으로, 버킷 제어에서의 버킷(11)의 각도를 설정할 수 있다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서는, 조작 장치(40)가 유압 셔블(100)에 설치되는 것으로 하였다. 조작 장치(40)가 유압 셔블(100)로부터 이격된 원격지에 설치되고, 유압 셔블(100)이 원격 조작되어도 된다. 작업기(1)가 원격 조작되는 경우, 원격지에 설치된 조작 장치(40)로부터 작업기(1)의 조작량을 나타내는 지령 신호가 유압 셔블(100)에 무선 송신된다. 제어 장치(50)의 조작량 데이터 취득부(56)는, 무선 송신된 조작량을 나타내는 지령 신호를 취득한다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서는, 건설 기계(100)가 유압 셔블(100)인 것으로 하였다 전술한 실시형태에서 설명한 제어 장치(50) 및 제어 방법은, 유압 셔블(100) 이외에도, 작업기를 구비하는 건설 기계 전반에 적용할 수 있다.

1: 작업기, 2: 차체(상부 선회체), 3: 주행 장치(하부 주행체), 4: 운전실, 4S: 운전석, 5: 기계실, 6: 난간, 7: 크롤러, 10: 날끝, 11: 버킷, 12: 암, 13: 붐, 14: 버킷 실린더 스트로크 센서, 15: 암 실린더 스트로크 센서, 16: 붐 실린더 스트로크 센서, 17: 바닥면, 20: 유압 실린더, 20A: 캡측 오일실, 20B: 로드 측 오일실, 21: 버킷 실린더, 22: 암 실린더, 23: 붐 실린더, 30: 위치 검출 장치, 31: 차체 위치 검출기, 31A: GPS 안테나, 32: 자세 검출기, 33: 방위 검출기, 34: 날끝 위치 검출기, 40: 조작 장치, 41: 방향 제어 밸브, 42: 메인 유압 펌프, 43: 서브 유압 펌프, 44A, 44B, 44C: 오일 통로, 45A, 45B, 45C: 제어 밸브, 46A, 46B: 압력 센서, 47A, 47B: 오일 통로, 48: 셔틀 밸브, 49A, 49B: 압력 센서, 50: 제어 장치, 51: 차체 위치 데이터 취득부, 52: 버킷 위치 데이터 취득부, 53: 목표 굴삭 지형 데이터 취득부, 54: 거리 데이터 취득부, 56: 조작량 데이터 취득부, 57: 작업기 목표 속도 결정부, 58: 조작 판정부, 59: 버킷 제어 판정부, 60: 제어 개시 각도 데이터 취득부, 61: 작업기 제어부, 62: 기억부, 63: 입출력부, 70: 목표 시공 데이터 생성 장치, 100: 유압 셔블(건설 기계), 200: 제어 장치, 300: 유압 시스템, AX1: 회전축, AX2: 회전축, AX3: 회전축, L11: 길이, L12: 길이, L13: 길이, Pb: 날끝의 절대 위치, Pg: 차체의 절대 위치, RX: 선회축, θ11: 자세각, θ12: 자세각, θ13: 자세각.

Claims

적어도 버킷(bucket) 및 암을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 장치로서,
상기 작업기의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득하는 조작량 데이터 취득부;
상기 조작량 데이터에 기초하여 상기 버킷의 비조작 상태를 판정하는 조작 판정부;
상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리를 나타내는 거리 데이터를 취득하는 거리 데이터 취득부;
상기 비조작 상태의 판정에 따라, 상기 버킷을 조작하기 위한 조작 장치가 비조작이며, 상기 거리가 제1 임계값 이하이고 또한 상기 암이 구동 상태인 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정하는 버킷 제어 판정부; 및
상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 것으로 판정된 경우 상기 작업기 상태가 유지되도록 상기 버킷을 제어하는 제어 신호를 출력하는 작업기 제어부;
를 포함하는 건설 기계의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 작업기는, 붐(boom)을 더 포함하고,
상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 상태에 있어서 유지되는 상기 작업기 상태는, 상기 작업기의 자세인, 건설 기계의 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 버킷 제어 조건이 만족된 것으로 판정되었을 때의 상기 작업기의 자세를 나타내는 버킷 제어 개시 각도 데이터를 취득하는 제어 개시 각도 데이터 취득부를 더 포함하고,
상기 작업기 제어부는, 상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 상태에 있어서 상기 작업기의 자세가 상기 버킷 제어 개시 각도로 유지되도록 상기 버킷의 각도를 제어하는 제어 신호를 출력하는, 건설 기계의 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 거리에 기초하여 상기 작업기의 제한 속도를 결정하는 작업기 목표 속도 결정부를 포함하고,
상기 작업기 제어부는, 상기 거리가 상기 제1 임계값보다 큰 제2 임계값 이하인 것으로 판정되었을 때, 상기 작업기가 상기 제한 속도에 기초하여 이동하도록 상기 붐을 제어하는 제어 신호를 출력하는, 건설 기계의 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있지 않은 것으로 판정되었을 때, 상기 작업기는, 상기 조작 장치의 조작에 기초하여 구동되는, 건설 기계의 제어 장치.
적어도 버킷 및 암을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 방법으로서,
상기 작업기의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득하는 단계;
상기 조작량 데이터에 기초하여 상기 버킷의 비조작 상태를 판정하는 단계;
상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리를 나타내는 거리 데이터를 취득하는 단계;
상기 비조작 상태의 판정에 따라, 상기 버킷을 조작하기 위한 조작 장치가 비조작이며, 상기 거리가 제1 임계값 이하이고 또한 상기 암이 구동 상태인 버킷 제어 조건이 만족되고 있는지의 여부를 판정하는 버킷 제어를 판정하는 단계; 및
상기 버킷 제어 조건이 만족되고 있는 것으로 판정된 경우 상기 작업기 상태가 유지되도록 상기 버킷을 제어하는 제어 신호를 출력하는 단계;
를 포함하는 건설 기계의 제어 방법.
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