KR101934017B1

KR101934017B1 - 작업 기계

Info

Publication number: KR101934017B1
Application number: KR1020137032642A
Authority: KR
Inventors: 마리코 미즈오치; 아키노리 이시이; 진이치 야마구치
Original assignee: 히다치 겡키 가부시키 가이샤
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2018-12-31
Also published as: US9348327B2; JPWO2012169531A1; DE112012003346B4; JP6023053B2; CN103597147B; US20140121840A1; WO2012169531A1; CN103597147A; DE112012003346T5; KR20140058433A

Abstract

주행체, 선회체 및 작업 프론트의 급정지에 의한 영향을 고려한 동적인 밸런스를 용이하게 평가할 수 있어, 안정성이 높은 작업 기계를 제공한다.
작업 기계의 제어 장치(60)에, 안정화 제어 연산 수단(60a)과, 지령값 생성 수단(60i)을 구비한다. 안정화 제어 연산 수단(60a)은, 작업 프론트(6)를 포함하는 본체 및 주행체의 각 가동부의 위치 정보와 급정지 모델을 이용하여, 조작 레버(50)가 조작 상태로부터 순식간에 정지 지령 위치까지 되돌아간 경우의 완전히 정지에 이르기까지의 안정성 변화를 예측하고, 정지에 이르기까지의 어느 쪽의 시각에 있어서도 불안정화가 생기지 않기 위해 필요로 하는 동작 제한을 산출한다. 지령값 생성 수단(60i)은, 안정화 제어 연산 수단(60a)의 연산 결과를 바탕으로 구동 액추에이터로의 지령 정보를 보정한다.

Description

작업 기계{WORK MACHINE}

본 발명은, 구조물 해체 공사, 폐기물 처리, 스크랩 처리, 도로 공사, 건설 공사, 토목 공사 등에 사용되는 작업 기계에 관한 것이다.

구조물 해체 공사, 폐기물 처리, 스크랩 처리, 도로 공사, 건설 공사, 토목 공사 등에 사용되는 작업 기계로서, 동력계에 의해 주행하는 주행체의 상부에 선회체를 선회 가능하게 설치함과 함께, 선회체에 다관절형의 작업 프론트를 상하 방향으로 요동 가능하게 설치, 작업 프론트를 구성하는 각 프론트 부재를 액추에이터로 구동하는 것이 알려져 있다. 이와 같은 작업 기계의 일례로서, 유압 셔블을 베이스로 하여, 일단이 선회체에 요동 가능하게 연결된 붐과, 일단이 붐의 선단에 요동 가능하게 연결된 아암과, 아암의 선단에 장착된 그래플(grapple), 버킷, 브레이커, 크러셔(crusher) 등의 작업구를 구비하여, 원하는 작업을 행할 수 있도록 한 해체 작업 기계가 있다.

이 종류의 작업 기계는, 작업 프론트를 구성하는 붐, 아암 및 작업구를 선회체의 외방으로 내민 상태에서 여러 가지 자세를 바꾸면서 작업을 행하기 위해, 과도한 작업 부하를 걸거나, 혹은, 과부하 및 프론트를 편 상태에서 구 동작을 행하는 등의 무리한 조작을 행한 경우에 작업 기계가 밸런스를 무너뜨리는 경우가 있다. 따라서, 이 종류의 작업 기계에 대해서는, 종래 다양한 전도(轉倒) 방지 기술이 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 작업 기계의 붐 및 아암에 각각 각도 센서를 설치하고, 이들 각 각도 센서의 검출 신호를 제어 장치에 입력하고, 제어 장치가, 상기 검출 신호에 의거하여 작업 기계 전체의 중심 위치와, 주행체의 접지면에 있어서의 안정 지점의 지지력을 연산하고, 그 연산 결과에 의거하는 안정 지점에 있어서의 지지력 값을 표시 장치에 표시함과 함께, 후방 안정 지점에 있어서의 지지력이 안전 작업 확보상의 한계값 이하가 되었을 때에는 경보를 발하도록 한 기술이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 본체의 자세, 동작 및 작업 부하를 검출하는 센서를 구비하고, 이들 각 센서의 검출값에 의거하여, 또한 데이터베이스를 참조하면서, 건설 기계 본체의 자세에 관한 현재 및 미래의 역학적 거동을 나타내는 모델을 구축하고, 본체가 전도할 지의 여부를 판별하여, 전도가 예지된 경우에는 실행 중의 작업 동작을 정지시키고, 나아가서는 전도를 회피하기 위한 동작을 개시함으로써 전도를 방지하고, 전도를 예지한 경우에는 조작자에게도 그 뜻을 알리는 기술이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 작업 프론트의 붐각, 아암각, 버킷각 및 선회체의 선회각을 검출하는 각도 센서와, 차체의 전후 방향의 기울기를 검출하는 경사각 센서를 구비하여, 이들 각 각도 센서 및 경사각 센서의 검출값과 차체의 소정 부분의 치수로부터 작업 기계의 정적(靜的) 전도 모멘트를 연산하고, 또한, 선회체의 선회의 원심력에 의해 생기는 동적 전도 모멘트를 선회각 속도를 이용하여 연산하고, 나아가서는, 선회체의 급정지시에 생기는 동적 전도 모멘트를 선회의 최대각 가속도를 이용하여 연산하고, 이들의 한쪽 또는 큰 쪽을 정적 전도 모멘트에 가산한 것을 전도의 판정 조건으로 하여, 상기 판정 조건의 성립에 의해 선회각 속도를 제어하는 기술이 개시되어 있다.

특허 제 2871105호 공보 일본 공개특허 특개평5-319785호 공보 일본 공개특허 특개평7-180192호 공보

그런데, 상술한 해체 작업 기계와 같은 작업 기계는, 대질량의 주행체, 선회체 및 작업 프론트를 구동함으로써 작업을 행하므로, 어떠한 이유에 의해 조작자가 동작 중의 주행체, 선회체 또는 작업 프론트의 구동을 정지시키는 조작을 행한 경우, 작업 기계에 큰 관성력이 작용하여, 안정성에 큰 영향을 준다. 특히, 탑재된 경보 장치로부터 전도의 가능성을 통지하는 경보가 발생된 경우에, 당황하여 조작자가 동작 중의 주행체, 선회체 또는 작업 프론트의 구동을 정지시키는 조작을 행하면, 전도 방향에 큰 관성력이 중첩(重疊)되어, 오히려 전도의 가능성이 높아질 우려가 있다.

그러나, 특허문헌 1에 개시된 기술은, 정적인 밸런스만을 평가하는 구성이며, 관성력이 작용하는 환경하에서는 안정성을 정확하게 평가할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 기술은, 급정지에 의한 영향이 고려되어 있지 않아, 급정지에 의한 전도를 방지할 수 없다. 부가하여, 특허문헌 2에 개시된 기술은, 데이터베이스를 참조하면서 건설 기계 본체의 자세에 관한 현재 및 미래의 역학적 거동을 나타내는 모델을 구축하고, 본체가 전도할 지의 여부를 판별하는 구성이기 때문에, 계산 처리가 복잡하고, 실용상 리얼타임으로의 처리가 어렵다는 문제도 있다. 또한, 특허문헌 3에 개시된 기술은, 선회체의 급정지시에 대해서는 대응이 이루어지고 있으나, 선회체 이외의 동작에 의한 관성력의 영향이나, 프론트 동작의 급정지에 의한 영향이 고려되어 있지 않아, 대응 가능한 동작이 선회 동작에만 한정된다는 문제가 있다. 또한, 선회의 최대각 가속도로부터 산출된 모멘트와 선회각 속도로부터 산출된 모멘트 중 큰 쪽을 선택하는 구성이기 때문에, 조건에 따라서는 전도 가능성이 과도하게 추측되어, 과도한 동작 제한에 의해 작업 효율이 열화할 가능성이 있다.

본 발명은, 이와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 주행체, 선회체 및 작업 프론트의 급정지에 의한 영향을 고려한 동적인 밸런스를 용이하게 평가할 수 있어, 안정성이 높은 작업 기계를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 주행체와, 당해 주행체상에 설치한 작업 기계 본체와, 당해 작업 기계 본체에 대해 상하 방향으로 요동 가능하게 설치한 작업 프론트와, 이들 각 부의 구동을 제어하는 제어 장치를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트에 있어서의 각 가동부의 구동을 조작하는 조작 레버가 조작 상태로부터 정지 지령 위치까지 되돌아가는 상기 조작 레버의 조작 속도의 변화에 따라 상기 가동부가 정지할 때까지의 안정성 변화의 예측 및 상기 가동부가 정지할 때까지의 작업 기계가 안정되기 위해 필요로 하는 동작 제한의 산출을 행하는 안정화 제어 연산 수단과, 상기 안정화 제어 연산 수단의 연산 결과를 바탕으로 상기 가동부를 구동하는 액추에이터로의 지령 정보를 보정하는 지령값 생성 수단을 구비하고, 상기 조작 레버가 순식간에 조작 상태로부터 정지 위치에서 정지 위치까지 되돌아간 경우에도 기계의 안정성을 향상하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 중립 위치까지 되돌아간 경우에 있어서, 작업 기계의 각 가동부가 완전히 정지할 때까지의 안정성 변화의 예측 및 작업 기계의 각 가동부가 완전히 정지할 때까지의 어느 한쪽의 시각에 있어서도 작업 기계가 안정되기 위해 필요로 하는 동작 제한의 산출을 안정화 제어 연산 수단에서 행하고, 그 연산 결과를 바탕으로 지령값 생성 수단에서 액추에이터로의 지령 정보를 보정하므로, 관성력이 작용하는 환경하에 있어서의 작업 기계의 안정성을 정확하게 평가할 수 있어, 작업 기계의 정적 및 동적인 밸런스를 안정되게 유지할 수 있다. 또한, 조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 중립 위치까지 되돌아간 경우, 즉, 작업 기계의 각 가동부가 급정지된 경우의 영향을 고려하여 액추에이터의 구동을 제어하므로, 선회체 뿐만아니라 주행체나 프론트 부재의 급정지에 기인하는 작업 기계의 전도에 대해서도 방지할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서, 안정성 변화의 예측 및 동작 제한의 산출을 간이한 연산에 의해 행할 수 있어, 작업 기계의 안정화 처리를 리얼타임으로 행할 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 작업 기계에 있어서, 상기 안정화 제어 연산 수단은, 상기 동작 제한으로서, 상기 가동부의 감속도를 제한하여 상기 가동부를 완만하게 정지시키는 완(緩)정지 지령값 및 상기 액추에이터의 동작 속도를 제한하는 동작 속도 상한값 중 적어도 어느 한쪽을 산출하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 작업 기계의 각 가동부는, 조작 레버의 조작 내용에 따라 각 가동부를 구동하므로, 조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 중립 위치까지 되돌아가면, 당해 조작 레버의 조작에 따라 구동되는 가동부는 급정지하여, 그때의 감속도에 따른 관성력이 발생한다. 따라서, 조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 중립 위치까지 되돌아간 경우에, 가동부의 감속도를 제한하거나, 미리 액추에이터의 동작 속도를 제한한다면, 가동부에 작용하는 관성력을 완화할 수 있어, 작업 기계를 안정되게 유지할 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 작업 기계에 있어서, 상기 안정화 제어 연산 수단은, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트에 있어서의 각 가동부의 위치 정보, 가속도 정보 및 외력 정보로부터 산출되는 ZMP 좌표 및 작업 기계의 각 가동부의 위치 정보 및 속도 정보로부터 산출되는 역학적 에너지 중 적어도 한쪽을 이용하여 상기 동작 제한을 산출하는 것을 특징으로 한다.

ZMP(Zero Moment Point) 좌표는, 구조체의 지표면과의 접지부 전체에 분포되어 놓여 있는 플로어 반력(floor reaction force)의 법선 성분을, 어떤 한점에 놓여 있다고 하여 치환하였을 때의 작용점의 좌표이다. 또한, ZMP 안정 판별 규범은, 달랑베르(d'Alembert)의 원리에 의거하여, ZMP 좌표를 구조체의 안정성을 판정하기 위한 평가 지표로서 이용한 것이며, 구조체가 접지되어 있는 부분을 오목하게 되지 않도록 둘러쌈(볼록 껍질(convex hull)포함)으로써 그려지는 지지 다각형의 내측에 ZMP 좌표가 존재하는 경우에는, 구조체는 지표면에 안정되게 접지되어 있다고 판정하고, 지지 다각형의 변 위에 ZMP 좌표가 존재하는 경우에는, 구조체의 접지부의 일부가 지표면으로부터 부상하는 경계에 있다고 판정하는 것이다. 이 ZMP 안정 판별 규범에 의하면, 구조체의 안정도를 정량적으로 평가할 수 있음과 함께, 전도 가능성의 유무를 적확하게 판정할 수 있다. 한편, 역학적 에너지는, 구조체의 일부가 부상하고 있을 때, 구조체를 지지 다각형 상에 지점을 가지는 도립 진자로 간주하여, 구조체의 중심이 그 회전 중심(ZMP)의 연직선 상에 도달하면 중력의 작용에 의해 스스로 전도하는 것을 이용한 것이며, 구조체의 위치 에너지와 운동 에너지의 합이 최고위점에 있어서의 위치 에너지를 초과하고 있는지의 여부를 산출함으로써, 접지부의 일부가 지표면으로부터 부상하고 있는 구조체가 전도에 이를 지의 여부를 판정할 수 있다. 따라서, 이들의 방법을 이용함으로써, 작업 기계의 안정도 및 전도 가능성을 적확하게 판정할 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 작업 기계에 있어서, 상기 안정화 제어 연산 수단은, 상기 가동부의 감속도의 제한을 미리 기억하고 있고, 당해 감속도의 제한을 충족시키도록, 상기 액추에이터로의 지령 정보를 보정하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 안정화 제어 연산 수단은 가동부의 감속도의 제한을 미리 기억하고 있으므로, 이것에 의거하는 액추에이터로의 지령 정보의 보정을 용이하게 행할 수 있어, 작업 기계의 안정화 처리를 리얼타임으로 행할 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 작업 기계에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 정지 지령 위치까지 되돌아간 경우에 있어서의 작업 기계의 거동 예측을 행하는 거동 예측 수단을 구비하고, 상기 거동 예측 수단은, 속도가 변화하기 시작한 시각 및 그때의 속도에 의해 나타내어지는 속도 변화 개시점과 조작 레버 개방시로부터의 속도 변화량이 최대가 되는 시각 및 그때의 속도에 의해 나타내어지는 피크 도달점을 극값으로 하는 3차 함수를 모델로서 이용하고, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트의 동작마다 미리 동정(同定)한, 속도 변화 개시점과 피크 도달점의 속도의 비에 의해 산출되는 오버슈트율, 조작 레버 개방으로부터 속도 변화 개시점까지의 시간 및 속도 변화 개시점으로부터 피크 도달점까지의 시간을 이용하는 것을 특징으로 한다.

조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 정지 지령 위치까지 되돌아간 경우에 있어서, 당해 조작 레버에 의해 조작되는 가동부의 급정지시 거동 예측을 행하기 위해서는, 가동부가 완전히 정지에 이르기까지의 위치, 속도, 가속도 궤적을 산출할 필요가 있다. 이 경우에 있어서, 급정지시의 속도 궤적을 간이한 3차 함수 모델로 모델화하면, 급정지시의 위치, 속도, 가속도 궤적의 산출이 용이해져, 리얼타임으로 급정지시 거동 예측을 행하는 것이 가능해진다.

본 발명에 의하면, 작업 기계의 조작 레버가 조작 상태로부터 순식간에 정지 지령 위치까지 되돌아간 경우, 작업 기계에 구비된 제어 장치에서, 조작된 작업 기계의 가동부가 완전히 정지할 때까지의 안정성 변화의 예측과, 당해 가동부가 완전히 정지할 때까지의 어느 시각에 있어서도 작업 기계가 안정되기 위해 필요로 하는 동작 제한의 산출을 행하고, 또한 그 연산 결과를 바탕으로 가동부를 구동하는 액추에이터로의 지령 정보를 보정하므로, 관성력이 작용하는 환경하에 있어서의 작업 기계의 안정성을 정확하게 평가할 수 있음과 함께, 선회체, 주행체 또는 프론트 부재의 급정지에 기인하는 작업 기계의 전도를 방지할 수 있다. 또한, 안정성 변화의 예측 및 동작 제한의 산출을 간이한 연산에 의해 행할 수 있어, 작업 기계의 안정화 처리를 리얼타임으로 행할 수 있다.

도 1은, 본 발명이 적용되는 작업 기계의 측면도이다.
도 2는, 실시형태에 관련된 안정화 제어 연산에 이용되는 작업 기계 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명이 적용되는 작업 기계의 센서 구성을 나타낸 측면도이다.
도 4는, 실시형태에 관련된 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 5는, 실시형태에 관련된 완정지 방법의 예를 나타낸 그래프도이다.
도 6은, 실시형태에 관련된 급정지시 거동 예측 수단에 이용되는 급정지 모델의 일례를 나타낸 그래프도이다.
도 7은, 실시형태에 관련된 안정성 판정 수단에 의한 안정성 평가 방법의 순서를 나타낸 플로우 차트이다.
도 8은, 실시형태에 관련된 ZMP 연산·평가 수단에 있어서 행해지는 안정성 평가 방법의 설명도이다.
도 9는, 실시형태에 관련된 동작 제한 결정 수단에 있어서 행해지는 반복 연산 방법의 순서를 나타낸 플로우 차트이다.

이하, 본 발명에 관련된 작업 기계의 실시형태를, 도면을 참조하면서 각 항째마다 설명한다.

<대상 장치>

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 작업 기계(1)는, 주행체(2)와, 주행체(2)의 상부에 선회 가능하게 설치된 선회체(3)와, 일단이 선회체(3)에 연결된 다관절형의 링크 기구로 이루어지는 작업 프론트(6)를 구비하고 있다. 선회체(3)는 선회 모터(7)에 의해 중심축(3c)을 중심으로 선회 구동된다. 선회체(3) 상에는 운전실(4) 및 카운터 웨이트(8)가 설치되어 있다. 또한, 이 선회체(3) 상의 소요의 부분에는, 동력계를 구성하는 엔진(5)과, 작업 기계(1)의 기동 정지 및 동작 전반을 제어하는 운전 제어 장치가 구비되어 있다. 또한, 도면 중의 부호 30은 지표면을 나타내고 있다.

작업 프론트(6)는, 일단이 선회체(3)에 연결된 붐(10)과, 일단이 붐(10)의 타단에 연결된 아암(12)과, 일단이 아암(12)의 타단에 연결된 버킷(23)을 가지고 있고, 이들의 각 부재는, 각각 상하 방향으로 선회하도록 구성되어 있다. 붐 실린더(11)는, 붐(10)을 지점(40)의 주변으로 회전 운동하는 구동 액추에이터이며, 선회체(3)와 붐(10)에 연결되어 있다. 아암 실린더(13)는, 아암(12)을 지점(41)의 주변으로 회전 운동하는 구동 액추에이터이며, 붐(10)과 아암(12)에 연결되어 있다. 작업구 실린더(15)는 버킷(23)을 지점(42)의 주변으로 회전 운동하는 구동 액추에이터이며, 링크(16)를 개재하여 버킷(23)과 연결되며, 링크(17)를 개재하여 아암(12)에 연결되어 있다. 버킷(23)은, 그래플, 커터, 브레이커 등의, 도시하지 않은 기타의 작업구로 임의로 교환 가능하다.

운전실(4) 내에는, 오퍼레이터가 각 구동 액추에이터에 대한 움직임의 지시를 입력하기 위한 조작 레버(50)와, 오퍼레이터가 각종 설정을 행하기 위한 사용자 설정 입력 수단(55)이 설치되어 있다.

<좌표계의 설정>

도 2에, ZMP 산출용의 작업 기계 모델(측면)과, 당해 모델의 월드 좌표계(O-X' Y' Z') 및 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 나타낸다. 월드 좌표계(O-X' Y' Z') 및 기계 기준 좌표계(O-XYZ)는 모두 직교 좌표계이며, 월드 좌표계(O-X' Y' Z')는 도 2에 나타낸 바와 같이 중력 방향을 기준으로 하고, 중력과 역방향을 Z축으로 한 것이다. 한편, 기계 기준 좌표계(O-XYZ)는 주행체(2)를 기준으로 한 것이며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 원점을 상부 선회체(3)의 선회 중심선(3c) 상에서, 지표면(30)과 접하는 점 O를 원점으로 하여, 주행체(2)의 전후 방향에 X축, 좌우 방향에 Y축, 선회 중심선(3c) 방향에 Z축을 설정한다. 월드 좌표계와 기계 기준 좌표계의 관계는, 상부 선회체(3)에 설치된 자세 센서(3b)를 이용하여 검출한다. 이 자세 센서(3b)에 대해서는, 이하의 <상태량 검출 수단>의 란에서 보다 상세하게 설명한다.

<모델>

또한, 본 실시형태에서는, 실장의 간이성을 고려하고, 안정화 제어 연산에 있어서 작업 기계(1)를 각 구성 부재의 중심에 질량이 집중하고 있는 집중 질점(質點) 모델로서 취급한다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 주행체(2), 상부 선회체(3), 붐(10), 아암(12), 버킷(23)의 각각의 질점(2P, 3P, 10P, 12P, 23P)을 각 구성 부재의 중심 위치에 설정하고, 각각의 질점의 질량을 m2, m3, m10, m12, m23으로 한다. 그리고, 각각의 질점의 위치 벡터를 r2, r3, r10, r12, r23, 속도 벡터를 r'2, r'3, r'10, r'12, r'23, 가속도 벡터를 r''2, r''3, r''10, r''12, r''23으로 한다. 또한, 질점의 설정 방법은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 질량이 집중하고 있는 부위(도 1에 나타낸 엔진(5), 카운터 웨이트(8) 등)를 추가해도 된다.

<상태량 검출 수단>

작업 기계(1)의 각 부에 설치된 상태량 검출 수단(센서)에 대해, 도 3을 참조하면서 설명한다.

<자세 센서>

상부 선회체(3)에는, 후술하는 중력과 역방향을 Z축으로 한 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 검출하기 위한 자세 센서(3b)가 설치된다. 자세 센서(3b)는, 예를 들면 경사각 센서이며, 상부 선회체(3)의 경사각을 검출함으로써, 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 검출한다.

<각도 센서>

상부 선회체(3)의 선회 중심선(3c) 상에는, 주행체(2)와 상부 선회체(3)의 선회 각도를 검출하기 위한 선회 각도 센서(3s)가 설치된다. 또한, 상부 선회체(3)와 붐(10)의 지점(40)에는, 붐(10)의 회전 운동 각도를 계측하기 위한 붐 각도 센서(각도 센서)(40a)가 설치되고, 붐(10)과 아암(12)의 지점(41)에는, 아암(12)의 회전 운동 각도를 계측하기 위한 아암 각도 센서(각도 센서)(41a)가 설치되며, 아암(12)과 버킷(23)의 지점(42)에는, 버킷(23)의 회전 운동 각도를 계측하기 위한 버킷 각도 센서(42a)가 설치된다.

<핀력 센서>

아암(12)과 버킷(23)을 연결하는 핀(43), 링크(16)와 버킷(23)을 연결하는 핀(44)에는, 각각 핀력 센서(43a, 44a)가 설치된다. 핀력 센서(43a, 44a)는, 예를 들면 원통 형상의 내부에 스트레인 게이지(strain gauge)가 삽입되며, 이 스트레인 게이지에 발생하는 스트레인을 계측함으로써, 핀(43, 44)에 가하는 힘(외력)의 크기와 방향을 검출한다. 작업 중에는 버킷(23)을 이용하여 굴삭 등의 작업을 행함으로써, 버킷부의 질량이 변화한다. 버킷(23)은, 핀(43, 44)을 개재하여 작업 프론트(6)와 연결되어 있기 때문에, 핀(43)과 핀(44)에 가해지는 외력 벡터(F43과 F44)를 산출함으로써, 버킷(23)의 질량 변화를 산출할 수 있다. 또한, 핀(43)과 핀(44)의 위치 벡터를 s43, s44로 한다.

<레버 조작량 센서>

조작 레버(50)에는, 선회 모터(7)로의 입력 지령량을 검출하는 선회 레버 조작량 센서(51s)와, 붐 실린더(11)로의 입력 지령량을 검출하는 붐 레버 조작량 센서(5lb)와, 아암 실린더로의 입력 지령량을 검출하는 아암 레버 조작량 센서(51a)와, 작업구 실린더(15)로의 입력 지령량을 검출하는 버킷 레버 조작량 센서(51o)가 설치된다.

<제어 장치>

도 4는, 작업 기계(1)가 구비하는 제어 장치의 기능 블록도이다. 제어 장치(60)는, 작업 기계(1)의 각 부에 설치된 각 센서로부터의 신호가 입력되는 입력부(60x), 입력부(60x)에 입력되는 신호를 받아, 소정의 연산을 행하는 연산부(60z), 연산부(60z)로부터의 출력 신호를 받아, 작업 기계(1)의 각 구동 액추에이터로의 동작 지령을 출력하는 출력부(60y)를 구비한다.

연산부(60z)는, 도시하지 않은 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory) 및 플래시 메모리 등으로 이루어지는 기억부 및 이들을 구비하는 마이크로컴퓨터와 도시하지 않은 주변 회로 등으로 구성되며, 예를 들면 ROM에 저장되는 프로그램에 따라서 작동한다.

<안정성 평가 지표>

먼저, 연산부(60z)의 상세를 설명하기 전에, 실시형태에 있어서의 안정 판별 방식에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 작업 기계(1)의 안정성을 판정하기 위해, ZMP(Zero Moment Point)와, 역학적 에너지의 2개의 평가 지표를 이용한다. 이하에서는, 각 평가 지표에 대하여 설명한다.

<ZMP>

ZMP 안정 판별 규범은, 달랑베르의 원리에 의거한 것이다. 또한, ZMP의 개념 및 ZMP 안정 판별 규범에 대해서는, 「LEGGED LOCOMOTION ROBOTS:Miomir Vukobratovic저(「보행 로봇과 인공의 발:가토 이치로(加藤一郎) 역, 닛칸공업 신문사」)」에 기재되어 있다.

도 1에 나타낸 작업 기계(1)로부터 지표면(30)에는 중력, 관성력, 외력 및 이들의 모멘트가 작용하나, 달랑베르의 원리에 의하면, 이들은 지표면(30)으로부터 작업 기계(1)로의 반작용으로서의 플로어 반력 및 플로어 반력 모멘트와 균형을 이룬다. 따라서, 작업 기계(1)가 지표면(30)에 안정되게 접지되어 있는 경우에는, 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점을 오목하게 되지 않도록 연결한 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에, 피치축 및 롤축 방향의 모멘트가 제로가 되는 점(ZMP)이 존재한다. 반대로 말하면, ZMP가 지지 다각형 내에 존재하고, 작업 기계(1)로부터 지표면(30)에 작용하는 힘이 지표면(30)을 눌러, 즉 플로어 반력이 양(正)인 경우에는, 작업 기계(1)는 안정되게 접지되어 있다고 할 수 있다. 즉, ZMP가 지지 다각형의 중심에 가까울수록 안정성은 높고, 지지 다각형의 내측에 있으면 작업 기계(1)는 전도하지 않고 작업을 행할 수 있다, 한편, ZMP가 지지 다각형 상에 존재하는 경우에는, 작업 기계(1)는 전도를 개시할 가능성이 있다. 따라서, ZMP와 작업 기계(1)와 지표면(30)이 형성되는 지지 다각형을 비교함으로써 안정성을 판정할 수 있다.

ZMP 방정식은, 중력, 관성력, 외력에 의해 발생하는 모멘트의 균형으로부터, 이하의 식 (1)로 도출된다.

여기서,

r_zmp: ZMP 위치 벡터

m_i: i번째의 질점의 질량

r_i: i번째의 질점의 위치 벡터

r”_i: i번째의 질점에 가해지는 가속도 벡터(중력 가속도 포함)

M_j: j번째의 외력 모멘트

s_k: k번째의 외력 작용점 위치 벡터

F_k: k번째의 외력 벡터

또한, 벡터는 X성분, Y성분, Z성분으로 구성되는 3차원 벡터이다.

식 (1)의 좌변의 제 1항은, 각 질점(m_i)에 있어서 인가된 가속도 성분(중력 가속도를 포함)에 의해 생성되는 ZMP(70)(도 2 참조) 주변(반경r_i-r_zmp)의 모멘트의 총합을 나타낸다. 식 (1)의 좌변의 제 2항은, 작업 기계(1)에 작용하는 외력 모멘트(M_j)의 총합을 나타낸다. 식 (1)의 좌변의 제 3항은, 외력(F_k)(k번째의 외력 벡터(F_k)의 작용점을 s_k로 한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주변(반경s_k-r_zmp)의 모멘트의 총합을 나타낸다. 그리고, 식 (1)은, 각 질점(m_i)에 있어서 인가된 가속도 성분(중력 가속도를 포함)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주변(반경r_i-r_zmp)의 모멘트의 총합과, 외력 모멘트(M_j)의 총합과, 외력(F_k)(k번째의 외력(F_k)의 작용점을 s_k로 한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주변(반경s_k-r_zmp)의 모멘트의 총합이 균형을 이룬다는 것을 기술하고 있다. 식 (1)에 나타낸 ZMP 방정식으로부터, 지표면(30)에 있어서의 ZMP(70)를 산출하는 것이 가능해진다.

여기서, 대상물이 정지하고 있고, 중력만이 작용하는 경우의 ZMP 방정식은, 중력 가속도 벡터(g)를 이용하여 식 (2)와 같이 나타내어지며, 정적 중심의 지표면으로의 투영점과 일치한다.

따라서, ZMP는 동적 상태 및 정적 상태를 고려한 중심의 투영점으로서 취급하는 것이 가능하며, ZMP를 지표로서 이용함으로써 대상물이 정지하고 있는 경우와, 동작을 행하고 있는 경우의 양방을 통일적으로 취급할 수 있다.

<역학적 에너지>

본 실시형태에 있어서는, 작업 기계(1)의 안정성을 판정하기 위한 안정성 평가 지표로서, ZMP에 더해, 역학적 에너지를 이용하고 있다. 전술한 ZMP는 안정도의 정량적 평가나 전도 가능성의 유무의 판정에 유용하다. 그러나, ZMP가 지지 다각형의 변 위에 있는 경우에는 주행체(2)의 일부가 부상하나, 이것은 어디까지나 전도에 이르기 위한 필요 조건이며, ZMP가 지지 다각형의 변 위에 존재한다고 해서 반드시 전도하는 것은 아니다. 즉, ZMP에서는 주행체(2)의 부상의 유무를 판정할 수는 있으나, 실제로 전도에 이를 지의 여부를 판정할 수는 없다. 그래서, 주행체(2)의 일부가 부상 후, 전도에 이를 지의 여부를 역학적 에너지를 이용하여 판정한다. 주행체(2)의 일부가 부상하고 있을 때, 작업 기계(1)는 지지 다각형 상에 지점을 가지는 도립 진자로 간주할 수 있다. 작업 기계(1)의 중심이 회전 중심(ZMP)의 연직선 형상에 도달하면 중력의 작용에 의해 스스로 전도한다. 따라서, 중심이 최고위점에 도달할 지의 여부를 판정함으로써, 장래, 전도에 이를 지의 여부를 판정할 수 있다. 최고위점에 도달하는 것은, 기계의 위치 에너지(PE)와 운동 에너지(KE)의 합이 최고위점에 있어서의 위치 에너지(PEMAX)를 넘고 있는 경우이다. 따라서, 전도 판정은 이하의 식 (3)을 이용하여 행한다. 또한, 이 평가는 주행체의 일부가 부상하고 있는 경우에 있어서만 유효하다.

여기서,

θ: 도립 진자(작업 기계(1)의 중심)의 지표면으로부터의 기울기

ω: 도립 진자의 각(角) 속도

M: 작업 기계(1)의 질량

I: 회전 지점 주변의 관성 모멘트

l: 회전 반경

<완정지>

본 실시형태에서는, 안정화를 위한 동작 제한으로서, 동작 속도 제한과 완정지를 행한다. 여기에서는, 완정지에 대하여 설명한다.

완정지란, 정지시에 있어서의 가동부의 감속도를 제한하고, 가동부를 완만하게 정지시키는 것을 의미한다. 완정지를 행함으로써 급정지시의 가속도를 억제할 수 있기 때문에, 관성력의 영향이 작아져, 불안정화를 억제할 수 있다. 한편으로, 완정지를 행함으로써 제동 거리가 증대하기 때문에, 허용 제동 거리를 미리 정해, 허용 제동 거리 내에서 정지할 수 있도록 완정지를 행할 필요가 있다.

완정지의 방법은 여러 가지가 생각되어지나, 여기에서는 레버 조작량(또는 레버 조작 속도)을 도 5(a)와 같이 단조(單調) 감소시키는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 5(a)의 경우에는, 레버 조작량 변화의 기울기가 k로 제한된다. 즉, 보정 후의 레버 조작량은 이하가 된다.

여기서, O_i(t)는 시각(t)에 있어서의 레버 조작량 지령값, O_c(t)는 시각(t)에 있어서의 레버 조작량 보정값이다.

이 밖의 완정지의 방법으로서는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 레버 조작량 변화의 기울기의 제한값을 레버 조작량 또는 레버 조작 속도에 따라 전환하는 방법이 생각되어진다. 이 경우에는, 기울기를 전환하는 점 및 기울기를 적절하게 설정함으로써 제동 거리를 비교적 짧게 유지한 채 급정지시의 가속도를 작게 억제할 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여, 연산부(60z)의 구성에 대해 설명한다.

<연산부>

연산부(60z)는, 작업 기계(1)에 구비된 각 센서 및 사용자 설정 입력 수단(55)으로부터 받아들여지는 신호에 따라, 안정화를 위해 필요한 동작 제한을 산출하는 안정화 제어 연산 수단(60a)과, 안정화 제어 연산 수단(60a)으로부터의 출력을 바탕으로 각 구동 액추에이터로의 지령값을 보정하는 지령값 생성 수단(60i)으로 구성된다.

<안정화 제어 연산 수단>

안정화 제어 연산 수단(60a)에서는, 급정지를 행하더라도 전도에 이르지 않기 위한 동작 제한을 산출한다. 여기에서 급정지란, 조작 레버를 조작 상태로부터 순식간에 정지 지령 위치까지 되돌리는 조작을 의미한다. 돌발적인 장해물이나 경고 등에 대한 대응, 조작 미스 등에 의해 상기와 같은 조작이 행해지는 경우가 있으나, 이와 같은 경우에는 급격하게 속도가 감소하고, 그때에 발생하는 관성력의 영향에 의해, 작업 기계(1)의 안정 상태가 열화하기 쉬워진다. 안정 상태가 열화한 경우의 대처 방법으로서는, 불안정해진 상태로부터 어떠한 회피 동작을 행하는 방법이 생각되어진다. 그러나, 오퍼레이터의 의도와 다른 동작을 행함으로써, 조작의 위화감을 줌과 함께, 주위의 작업자나 물체에 위해를 줄 리스크가 있다. 그래서, 본 발명의 안정화 제어에서는, 미리 허용되는 제동 거리를 정해, 필요에 따라 완정지를 행하고, 또한, 어떠한 경우에 있어서도 소정의 허용 제동 거리 내에서 안전하게 정지할 수 있도록 미연에 동작 속도를 제한한다. 즉, 본 발명의 안정화 제어는 급정지시의 거동 예측 및 안정성 평가에 의거하여, 완정지와 동작 속도 제한에 의한 동작 제한을 행함으로써 불안정화를 미연에 방지하는 것이다. 또한, 안정화 제어 연산 수단(60a)에 있어서는, 기계 기준 좌표계에 의거하여 연산을 행한다.

안정화를 위한 동작 제한을 산출하는 방법은, 안정 조건으로부터 역(逆) 연산을 행하는 방법과, 동작 제한을 바꾸면서 거동 예측 및 안정성 평가를 복수회 반복하는 순(順) 연산에 의한 방법이 있다. 전자(前者)에서는, 한번의 연산으로 최적인 동작 제한을 산출할 수 있으나, 복잡한 연산식을 도출할 필요가 있다. 한편, 후자는, 복수회의 시행이 필요하나, 비교적 간이한 연산식을 이용할 수 있다. 이하에서는 후자의 방법을 예로 들어 설명한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 안정화 제어 연산 수단(60a)은, 속도 추정 수단(60b), 급정지시 거동 예측 수단(60c), 안정성 판정 수단(60d) 및 동작 제한 결정 수단(60h)의 각 기능 블록을 구비한다. 이하, 각 기능 블록의 상세에 대하여 설명한다.

<속도 추정>

일반적으로, 유압 셔블에 구비된 유압 실린더의 동작 속도는, 조작 레버의 조작량에 비례한다. 또한, 레버 조작과 동작 속도의 사이에는 유압 및 기구에 의한 지연이 존재하기 때문에, 레버 조작량 정보를 이용함으로써 가까운 미래의 상태를 예측할 수 있다. 속도 추정 수단(60b)에서는, 과거의 레버 조작량, 현재의 레버 조작량 및 현재의 동작 속도를 이용하여 가까운 미래의 동작 속도를 예측한다. 추정은, 이하의 2단계에서 행한다. 먼저, 과거의 레버 조작량과 현재의 동작 속도로부터 속도 산출 모델을 동정한다. 다음으로, 동정된 속도 산출 모델에 현재의 레버 조작량을 입력으로 하여 줌으로써, 가까운 미래의 동작 속도를 예측한다. 속도 산출 모델은 엔진 회전수, 부하의 크기, 자세, 유온(油溫) 등에 의해 시시각각으로 변화하는 것이 예상되어지나, 미소한 시각 간에서는 작업 상황의 변화가 작으므로, 모델의 변화도 작은 것으로 생각해도 된다. 속도 추정 수단(60b)의 보다 간이한 실현 수단으로서, 레버 조작으로부터 실린더가 움직이기 시작할 때까지의 낭비 시간(T_L)과, 아래에서 정의하는 비례 계수(α_v)를 이용하는 방법이 있다. 여기에서, 낭비 시간(T_L)은 변화하지 않는 것으로 가정하고, 실험에 의해 미리 구해 둔다. T_L초 후의 속도는, 이하의 순서로 산출한다.

단계 1: T_L초 전의 레버 조작량 O_i(t-T_L)와 현재의 속도 v(t)로부터 하기의 식 (5)를 이용하여 비례 계수(α_v)를 산출한다.

단계 2: 산출한 비례 계수(α_v)와 현재의 레버 조작량 O_i(t)로부터 하기의 식 (6)을 이용하여, T_L초 후의 속도의 추정값 v(t+T_L)를 산출한다.

<급정지시 거동 예측>

급정지시 거동 예측 수단(60c)에서는, 급정지 지령이 행해진 경우의 작업 기계(1)의 거동을 예측한다. 현재의 자세 정보와 속도 추정 수단(60b)의 속도 추정 결과와 급정지 모델로부터, 조작 레버가 개방되고 나서 완전히 정지에 이르기까지의 위치, 속도, 가속도 궤적을 산출한다. 급정지 모델로서는, 예를 들면, 급정지시의 속도 궤적을 모델화하고, 그 속도 궤적으로부터 위치 궤적 및 가속도 궤적을 산출하는 방법이 생각되어진다. 미리 급정지시의 속도 궤적을 모델화하고, 시각(t)에 있어서 급정지 동작이 개시(조작 레버 개방)되었을 때의 조작 레버 개방 시각으로부터 t_e초 후의 실린더 속도를 v_stop(t, t_e)으로 하였을 때, t_e초 후의 실린더 길이 l_stop(t, t_e)과 실린더 가속도 a_stop(t, t_e)은, 급정지 개시시의 실린더 길이 l_stop(t,0)을 이용하여 이하의 식 (7)로 산출한다.

리얼타임으로 급정지시 거동 예측을 행하기 위해서는, 급정지시의 속도 궤적을 간이한 모델로 모델화하면 된다. 급정지시의 속도 궤적의 간이 모델로서는 일반적으로 1차 지연계나 다차(多次) 지연계나 다항식 함수가 생각되어진다. 또한, 완정지를 행할 경우에는, 급정지 동작에 더해, 선택할 수 있는 완정지에 대해서도 각각 동일한 모델화를 행한다.

<3차 함수 모델에 의한 모델화>

이하에서는, 3차 함수 모델을 이용한 경우를 예로 들어, 모델화 및 급정지시 거동 예측 방법에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서 이용하는 3차 함수 모델을 도 6에 나타낸다. 3차 함수 모델은, 속도 변화 개시점과 피크 도달점을 극값으로 하는 3차 함수이며, 조작 레버 개방 시각을 t_i, 속도 변화 개시 시각을 t_s, 피크 도달 시각을 t_p, 속도 변화 개시시의 속도를 v_s, 피크 속도를 v_p로 한다. 급정지 개시 전의 레버 조작량이 일정하다고 가정하면 속도 변화 개시시의 속도(v_s)는, 조작 레버 개방시의 속도이기 때문에 v_s=v_i로서 취급한다. 모델화에 있어서는, 속도 변화 개시 속도에 대한 속도 최대 변화량을 오버슈트율(α_o), 조작 레버 개방 시각으로부터 속도 변화 개시 시각까지의 시간을 낭비 시간(T_L), 속도 변화 개시 시각으로부터 피크 도달 시각까지의 시간을 정지 완료 시간(T_c)으로 정의하고, 붐(10), 아암(12) 및 선회체(3)의 동작마다 상기의 3개의 파라미터를 동정한다.

또한, 완정지를 행할 경우에는, 급정지시에 더해 선택할 수 있는 각각의 설정의 완정지에 대해서도 각각 동일한 모델화를 행해, 설정마다 또한 동작마다 상기의 3개의 파라미터를 설정한다. 속도 궤적 v_stop(t_i, t_e)은, 오버슈트율, 낭비 시간, 정지 완료 시간 및 조작 레버 개방시의 속도를 이용하여 이하의 식 (9)와 같이 나타내어진다. 조작 레버 개방시의 속도에는 속도 추정 수단의 추정 결과를 이용한다.

이때, 실린더 길이 궤적 및 가속도 궤적은 이하의 식 (10)으로 산출할 수 있다.

여기서,

L_i: 조작 레버 개방시의 실린더 길이이다.

<안정성 판정 수단>

안정성 판정 수단(60d)에서는, 상술한 2개의 안정성 평가 지표에 의거하여, 급정지 거동 예측(60c)에 있어서 예측된 급정지시 궤적으로부터, ZMP나 역학적 에너지를 필요에 따라 산출하고, 어느 한쪽의 점에 있어서도 불안정화가 생기지 않을 지의 여부를 판정한다. 본 실시형태에서는, 상술한 ZMP와 역학적 에너지를 이용한 안정성 평가를 행한다.

이하, 안정성 평가의 플로우를, 도 7을 이용하여 설명한다. 상술한 바와 같이, ZMP는 작업 기계(1)가 안정되게 접지되어 있는 경우의 안정성 평가에 유효하나, 주행체(2)가 뜨기 시작한 후의 평가는 할 수 없다. 한편, 역학적 에너지에 의한 전도 판정은 주행체(2)의 일부가 부상한 상태에서만 유효하며, 기계가 안정되게 접지되어 있는 경우의 안정성 평가는 할 수 없다. 그래서, 항상 ZMP를 감시하여, ZMP가 지지 다각형 내에 설정된 통상 영역(J) 내인지의 여부를 판정하고, ZMP가 통상 영역(J) 내에 있는 경우에는 ZMP에 의한 안정성 평가를, ZMP가 통상 영역(J)의 외측에 있는 경우에는, 역학적 에너지에 의한 평가를 행한다. 역학적 에너지가 식 (3)을 충족시킬 때에는 「불안정」, 충족시키지 않을 때에는 「안정」으로 판정한다.

<링크 연산>

링크 연산 수단(60e)에서는, 급정지시 거동 예측 수단(60c)의 예측 결과를 이용하여, 각 링크에 대해, 순차 운동학 연산을 행한다. 그리고 도 2에 나타낸 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P, 23P)의 위치 벡터 궤적(r₂, r₃, r₁₀, r₁₂)과 속도 벡터 궤적(r'₂, r'₃, r'₁₀, r'₁₂, r'₂₃)과 가속도 벡터 궤적(r''₂, r''₃, r''₁₀, r''₁₂, r''₂₃)을 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환한다. 여기에서, 운동학 계산의 방법은 주지의 방법을 이용할 수 있으나, 예를 들면 「로봇 제어 기초론:요시카와 츠네오(吉川恒夫)저, 코로나사(1988)」에 기재되어 있는 방법을 이용할 수 있다.

ZMP 연산·평가 수단(60f)은, 링크 연산 수단(60e)에 의해 기계 기준 좌표계에 변환된 각 질점의 위치 벡터 궤적 및 가속도 벡터 궤적을 이용하여 ZMP(70)의 궤적을 산출하고(단계(S71)), 안정성 평가를 행한다(단계(S72)). 본 실시형태에서는, 기계 기준 좌표계의 원점(O)을 주행체(2)와 지표면(30)이 접하는 점에 설정하고 있기 때문에, ZMP의 Z좌표가 지표면(30) 상에 있다고 가정하면, r_zmpz=0이다. 또한, 작업 기계(1)에서는 통상, 버킷(23) 이외의 부분에는 외력이나 외력 모멘트는 대부분 작용하지 않기 때문에, 그 영향을 무시하고, 외력 모멘트 M=0으로 간주한다. 이와 같은 조건하에서 식 (1)을 풀어, ZMP(70)의 X좌표 r_zmpx를 이하의 식 (11)을 이용하여 산출한다.

또한, 이와 동일하게, ZMP(70)의 Y좌표 r_zmpy를 이하의 식 (12)를 이용하여 산출한다.

식 (11) 및 식 (12)에 있어서, m은 도 2에 나타낸 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P, 23P)의 질량이며, 각 질점의 질량(m₂, m₃, m₁₀, m₁₂, m₂₃)을 대입한다. 또한, 버킷(23)의 질량(m₂₃)은 작업에 의해 변화하는 것이 예상되기 때문에, 핀력 센서(43a, 44a)의 검출값으로부터 질량(m₂₃)을 산출하여 이용한다. r''는 각 질점의 가속도이며, 각 질점의 가속도(r''₂, r''₃, r''₁₀, r''₁₂, r''₂₃)를 대입한다. 이상과 같이, 급정지시 거동 예측 수단의 예측 결과를 이용함으로써, ZMP 연산·평가 수단(60f)은, ZMP(70)의 궤적을 산출할 수 있다.

다음으로, ZMP 연산·평가 수단(60f)이 ZMP(70)의 궤적에 의거하여 행하는 영역 판정에 의한 안정성 산출과 전도 가능성의 판정에 대해, 도 8을 이용하여 설명한다.

상기한 바와 같이, ZMP(70)가, 작업 기계(1)와 지표면(30)에서 형성되는 지지 다각형(L)의 충분히 내측의 영역에 존재하는 경우에는, 도 1에 나타낸 작업 기계(1)는 전도할 가능성은 거의 없어, 안전하게 작업을 행하는 것이 가능하다. 제 1 실시형태에 있어서의 ZMP 연산·평가 수단(60f)은, 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점에서 형성되는 지지 다각형(L)을 산출하고, 전도의 가능성이 충분히 낮은 통상 영역(J)과, 전도의 가능성이 보다 높은 전도 경고 영역(N)을 설정하여, ZMP(70)가 어느 쪽의 영역에 있을지에 의해 안정성을 판정한다. 주행체(2)가 지표면(30)에 정립(正立)하고 있는 경우, 지지 다각형(L)은, 주행체(2)의 평면 형상과 대략 동일하게 된다. 따라서, 주행체(2)의 평면 형상이 직사각형인 경우, 지지 다각형(L)은 도 8에 나타낸 바와 같이 직사각형이 된다. 보다 구체적으로는, 주행체(2)로서 크롤러를 가지고 있는 경우의 지지 다각형(L)은, 좌우의 스프로킷의 중심점을 연결한 선을 전방 경계선, 좌우의 아이들러의 중심점을 연결한 선을 후방 경계선, 좌우 각각의 트랙 링크 외측단을 좌우의 경계선으로 한 사각형이다. 또한, 전방 및 후방의 경계는 가장 전방의 하부 롤러 및 가장 후방의 하부 롤러의 접지점으로 해도 된다.

한편, 도 1에 나타낸 작업 기계(1)는, 블레이드(18)를 가지고 있고, 블레이드(18)가 지표면(30)에 접지되어 있는 경우에는, 지지 다각형(L)은, 블레이드 바닥부를 포함하도록 확대한다. 또한, 버킷(23)을 지표면에 눌러 주행체(2)를 들어올리는 잭 업 동작에 있어서는, 지지 다각형(L)은, 주행체(2)가 접지되어 있는 측의 2개의 가장자리 점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다. 이와 같이, 작업 기계(1)의 접지 상태에 의해 지지 다각형(L)의 형상이 불연속적으로 변화하기 때문에, ZMP 연산·평가 수단(60f)은 작업 기계(1)의 접지 상황을 감시하여, 접지 상황에 따라 지지 다각형(L)을 설정한다.

안정성 평가에 있어서는, 통상 영역(J)과 전도 경고 영역(N)의 경계(K)를, 지지 다각형(L)의 내측에 설정한다. 구체적으로는, 경계(K)는 지지 다각형(L)을 안전율에 따라서 결정되는 비율에 따라, 중심점 측에 축소된 다각형 혹은, 지지 다각형(L)을 안전율에 따라서 결정되는 길이만큼 내측으로 이동한 다각형에 설정된다. ZMP(70)가 통상 영역(J)에 있는 경우에는, 작업 기계(1)의 안정성은 충분히 높다고 판정된다. 이에 대하여, ZMP(70)가 전도 경고 영역(N)에 있는 경우에는, 작업 기계가 전도의 가능성 있음으로 판정한다.

상술한 바와 같이, ZMP가 통상 영역(J) 내에 존재하는 경우에는 「안정」으로 판단하고, 안정성 판정 수단(60d)의 출력으로 한다(단계(S75)). 한편, ZMP가 전도 경고 영역(N)에 존재하는 경우에는, 주행체의 일부가 부상할 가능성이 높다고 판단하여, 역학적 에너지를 산출하고(단계(S73)), 역학적 에너지에 의한 안정성 판정을 행한다(단계(S74)). 즉, 전도 경고 영역(N)이 클수록 조기에 역학적 에너지를 계산하게 된다. 전도 경고 영역(N)의 크기는, ZMP 궤적의 추정 오차 등을 고려하여 정하면 된다.

<역학적 에너지 산출·평가 수단(60g)>

ZMP 연산·평가 수단(60f)에 있어서, 주행체(2)의 부상이 예지된 경우에는, 링크 연산 수단(60e)에서 산출된 각 질점의 위치 벡터 궤적, 속도 벡터 궤적을 이용하여 작업 기계(1)의 중심 위치 궤적을 산출하고, 식 (3)에 나타낸 운동 에너지, 위치 에너지, 회전 반경을 산출하여, 역학적 에너지에 의거한 안정성 판정을 행한다. 즉, 식 (3)을 충족시킬 지의 여부를 판정함으로써 전도의 유무를 판정할 수 있다.

제 1 실시형태에서는, 계측 오차나 모델화 오차, 작업 환경 등의 영향을 고려하고, 또한, 오퍼레이터의 숙련도나 기호에 맞춘 제어 개입을 행하기 위해 안전율(S_e)을 설정한다. 안전율의 설정 방법으로서는, 예를 들면, 전도 판정에 이용하는 임계치에 대하여 안전율을 설정하는 것이 생각되어진다. 즉, 식 (3)을 이하의 식 (13)과 같이 변경하여 안정성 판정을 행한다.

식 (13)을 충족시키지 않는 경우에는, 전도의 가능성은 낮다고 판단하여, 안정성 판정 수단의 판정 결과를 「안정」으로 하고(단계(S76)), 식 (13)을 충족시키는 경우에는, 전도의 가능성이 높다고 판단하여, 판정 결과를 「불안정」으로 하여 출력한다(단계(S77)).

기타의 안전율 설정 방법으로서는, 운동 에너지 연산에 대하여 안전율을 반영시키는 방법이 생각되어진다. 이때, 운동 에너지는 이하의 식 (14)로 산출된다.

본 예의 경우, 안정성 판정은 KE 대신 KE'를 이용하고, 식 (3)에 의거하여 행하여, 「안정」 또는 「불안정」을 안정 판정 수단의 판정 결과로서 출력한다. 이와 같이 운동 에너지 연산에 안전율을 반영함으로써 안전율에 의한 속도 조정이 용이해진다.

또한, 안전율은, 미리 설정되는 소정의 값이어도 되고, 작업 기계(1)를 조작하는 오퍼레이터의 익숙도나 작업 내용 노면이나 주위의 상황 등에 의해 변경되는 값이어도 된다. 이 경우, 미리 주어진 정보나 각종 센서의 출력값 등으로부터 자동으로 설정되는 구성이나, 오퍼레이터나 작업 관리자가 사용자 설정 입력 장치(55)를 이용하여 안전율을 임의로 설정하는 구성 등이 생각되어진다.

또한, 안전율은, 작업 기계(1)의 작업 상태에 따라 작업 중에 변경되어도 되고, 전후 좌우에 대하여 다른 값을 이용하는 구성으로 해도 된다. 안전율의 설정 방법으로서, 오퍼레이터나 작업 관리자가 수시 수동으로 설정을 변경하는 것 이외에, GPS, 지도 정보, 작업의 CAD 도면 등을 이용하는 구성이 생각되어진다. 상기의 정보를 이용함으로써 전도가 발생하기 쉬운 방향이나 전도시의 피해가 큰 방향을 자동으로 판별하여, 그 방향의 안전율이 높아지도록 자동으로 변경을 할 수 있다. 이와 같이, 안전율을 적정한 값으로 함으로써, 작업 효율을 저하시키지 않고 안전한 작업을 행할 수 있다.

<동작 제한 결정 수단>

동작 제한 결정 수단(60h)에서는, 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과를 바탕으로 한층 더 반복 연산의 필요와 불필요를 판정하고, 지령값 보정 지령(60i)을 생성한다. 본 실시형태의 안정화 제어에서는, 불안정화를 회피하기 위해 완정지와 동작 속도 제한을 행한다. 따라서, 동작 제한 결정 수단(60h)은 지령값 생성 수단(60i)에 대해, 완정지 설정 및 동작 속도 제한 게인을 출력한다.

다음으로, 반복 연산의 플로우를, 도 9를 이용하여 설명한다. 제 1회째의 시행에 있어서는, 속도 추정 수단(60b)의 추정 결과 및 급정지 모델을 이용하는 설정으로 하여(단계(S91)), 거동 예측(단계(S92)) 및 안정성 판정(단계(S93))을 행한다. 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「안정」이었던 경우에는, 지령값의 보정은 행하지 않는다. 이 경우에는, 「완정지 없음」, 「동작 속도 제한 게인=1」을 출력한다(단계(S910)). 한편, 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「불안정」이었던 경우에는, 급정지 모델 대신 완정지 모델을 이용하는 설정으로 하여(단계(S94)), 거동 예측(단계(S95)) 및 안정성 판정(단계(S96))을 행한다. 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「안정」이었던 경우에는, 동작 속도 제한 게인은 1로 하여, 완정지만을 행하도록 지령값 보정 지령(60i)을 행한다(단계(S911)). 한편, 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「불안정」이었던 경우에는, 속도 추정값에 동작 속도 제한 게인(α(<1))을 곱한 것과, 완정지 모델을 이용하는 설정으로 하여(단계(S97)), 거동 예측(단계(S98)) 및 안정성 판정(단계(S99))을 행한다. 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「안정」이었던 경우에는, 완정지 지령 및 동작 속도 제한 게인(α)의 동작 제한을 행하도록 지령값 보정 지령을 행한다(단계(S912)). 한편, 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「불안정」이었던 경우에는, 동작 속도 제한 게인(α)을 서서히 작게 하여, 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「안정」이 될 때까지, 거동 예측(단계(S98))과 안정성 판정(단계(S99))을 반복한다.

또한, 상기 실시형태에서는, 완정지의 패턴이 한가지인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 완정지의 설정을 복수 설치해도 된다. 이 경우에는, 모든 완정지 설정에 있어서 안정성 판정 결과가 불안정해진 경우에 비로소 속도를 줄인다.

또한, 상기 실시형태에서는, 급정지 혹은 완정지의 궤적상의 정지에 이르기까지의 모든 점에 대하여 안정성 평가를 행하고, 어느 쪽의 점에 있어서도 「안정」이 될 때까지 차차적으로 속도를 줄여 안정성 평가를 반복하는 순 연산에 의해 안정 한계 속도를 산출하는 방법을 나타내었으나, 실용상은 컨트롤러의 연산 처리 능력을 고려하여, 정지 궤적상의 연산점의 개수 및 반복 연산의 시행 횟수를 결정한다. 또한, 연산점의 간격은 반드시 등간격일 필요는 없다.

<지령값 생성 수단>

지령값 생성 수단(60i)에서는, 동작 제한 결정 수단(60h)으로부터 출력된 지령값 보정 지령에 의거하여, 레버 조작량을 보정하고, 각 구동 액추에이터로의 입력값을 생성하여, 출력부(60y)에 출력한다. 보다 구체적으로는 동작 속도 제한 게인(α)을 레버 조작량에 곱한 것을 지령값으로 하고, 또한 완정지 지령이 있는 경우에는 상술한 식 (4)에 의거하여 레버 조작량을 보정하여 출력한다.

<사용자 설정 입력 수단>

사용자 설정 입력 수단(55)은, 복수 개의 입력 버튼 등으로 구성되며, 오퍼레이터는 사용자 설정 입력 수단(55)을 통하여 작업 내용이나 개개인의 기호에 따라 경고 방법이나 안전율 등의 설정을 행한다.

<경보 장치>

또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 운전실(4)에 경보 장치(63)를 설치하여, 안정화 제어 개입시나 안정도에 따라, 오퍼레이터에게 경보를 발하도록 구성해도 된다.

<표시 장치>

또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 운전실(4)에 표시 장치(61)를 설치하고, 현재의 안정 상태나, 안정 상태의 변동이나 현재의 설정을 표시하도록 구성해도 된다. 또한, 표시 장치(61)를 이용하여, 오퍼레이터에게 안정도에 따른 경고를 발하도록 해도 된다. 이와 같이, 운전실(4)에 설치된 표시 장치(61)나 경보 장치(63)를 통하여, 오퍼레이터에게 작업 기계(1)의 안정 상태를 통지함으로써, 오퍼레이터에 의한 조작 레버(50)의 조작을, 작업 기계(1)의 안전을 확보하고 보다 적절한 조작으로 유도하는 것이 가능해진다.

이하에, 본 발명에 관련된 작업 기계의 다른 실시형태를 열거한다.

(1)상기 실시형태에서는, 안정화 제어 연산 수단(60a)에 있어서, 주행체(2), 상부 선회체(3), 붐(10), 아암(12), 버킷(23)의 각각의 질점(2P, 3P, 10P, 12P, 23P)을 이용하는 예를 나타내었으나, 몇 개의 질점을 통합하거나, 혹은, 영향이 큰 질점을 추출하는 등에 의해, 연산에 사용하는 질점의 수를 줄여도 된다. 질점수를 줄임으로써, 연산량을 감소시킬 수 있다.

(2)상기 실시형태에서는, 작업 기계(1)를 각 구성 부재의 중심에 질량이 집중되고 있는 집중 질점 모델로서 취급하는 예를 나타내었으나, 강체(剛體) 모델 등의 다른 모델화 형식에 의거하여 실시하는 구성으로 해도 된다.

(3)상기 실시형태에서는, 급정지시 거동 예측 수단(60c)에 있어서, 속도 추정 수단(60b)의 추정 결과를 이용하는 예를 나타내었으나, 급정지시 거동 예측 수단(60c)에서 이용하는 속도는, 각도 센서의 출력값으로부터 산출되는 현재의 동작 속도여도 된다. 그 경우에는, 속도 추정 수단(60b)을 제외한 구성을 할 수 있다.

(4)상기 실시형태에서는, 안정성 평가 지표로서 ZMP와 역학적 에너지의 2개의 지표를 이용하는 예를 나타내었으나, ZMP 만을 지표로서 이용하는 구성이어도 된다. 그 경우, 안정성 판정 수단(60d)은, ZMP가 통상 영역(J)에 있는 경우에 「안정」, 전도 경고 영역(N)에 있는 경우에 「불안정」으로 판정하고, 동작 제한 결정 수단(60h)으로 출력한다. ZMP 만을 이용하는 구성으로 한 경우에는, 차체의 부상을 방지할 수 있어, 안전성이나 승차감이 보다 높아진다.

(5)상기 실시형태에서는, 불안정화를 회피하기 위한 동작 제한으로서 완정지와 동작 속도 제한을 행하는 예를 나타내었으나, 완정지를 행하지 않고, 동작 속도 제한만을 행하는 구성으로 해도 된다. 그 경우에는, 완정지 모델을 가질 필요는 없고, 급정지시 거동 예측 수단(60c)은 항상 급정지 모델을 이용하여 행한다. 또한, 동작 제한 결정 수단(60h)에 있어서는, 제 1회째의 시행에 있어서의 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「불안정」이었던 경우에는, 속도 추정값에 동작 속도 제한 게인(α(<1))을 곱하고, 또한, 동작 속도 제한 게인을 서서히 작게 하여 안정성 판정 수단(60d)의 판정 결과가 「안정」이 될 때까지, 거동 예측과 안정성 판정을 반복한다. 동작 제한 결정 수단(60h)의 출력은 동작 속도 제한 게인(α) 만으로 이루어진다. 이와 같이 완정지를 행하지 않는 경우에는, 안정화 제어에 의한 제동 거리 증대가 생기지 않는다.

(6)상기 실시형태에서는, 버킷에 가해지는 외력의 검출에 핀력 센서(43a, 44a)를 설치하는 예를 나타내었으나, 그 밖의 검출 방법으로서, 붐 실린더에 압력센서(11a, 1lb)를 설치하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 붐 실린더에 설치한 압력 센서(11a, 1lb)의 검출값으로부터 버킷 외력과 작업 프론트 자중을 포함한 모멘트(M_l)를 산출하고, 또한, 붐(10), 아암(12), 버킷(23)의 각 각도 센서의 검출값과, 붐(10), 아암(12), 버킷(23)의 각 중심 파라미터로부터 작업 프론트의 자중 모멘트(M_oc)를 산출한다. 이어서 상기 모멘트(M_l과 M_oc)의 차분 및 붐 회전 운동 지점(40)으로부터 버킷(23)까지의 거리로부터 버킷 외력을 산출한다. 또한, 작업 기계(1)가 작업구로서, 도시하지 않은 커터를 장비하고, 주로 절단 작업만을 행할 경우, 절단 작업은 커터의 내력을 이용하여 행하기 때문에, 작업중에 작업 프론트(6)에는 외력이 대부분 가해지지 않는다. 그래서, 작업중에 외력에 의해 안정성이 악화될 우려가 없다. 이와 같은 경우에는, 핀(43, 44)(도 1 참조)에 작용하는 외력을 검출하는 핀력 센서(43a, 44a)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.

(7)상기 실시형태에서는, 오퍼레이터가 작업 기계(1) 상에 갖춰지는 운전석(4)에 탑승하고, 작업 기계(1)의 조작을 행하는 것을 상정하여 설명하였다. 그런데, 작업 기계(1)의 조작은 무선 등을 이용한 원격 조작이 행해지는 케이스가 있다. 원격 조작시에는, 탑승시에 비해 작업 기계의 자세나 노면의 경사 등을 정확히 파악하는 것이 곤란하며, 또한, 숙련된 오퍼레이터라도 작업 기계의 안정성을 감각적으로 파악하는 것이 곤란하다. 따라서, 원격 조작시에 있어서는, 한층 우수한 효과를 나타낸다. 원격 조작형의 작업 기계에 있어서는, 오퍼레이터의 조작 장소 부근에 표시 장치, 경보 장치 등을 설치하여, 작업 기계의 정보를 부가적으로 주도록 구성해도 된다.

(8)상기 실시형태에서는, 조작 레버(50)로서, 전기 레버 방식을 상정하여 설명하였으나, 유압 파일럿 방식의 경우에는, 레버 조작량으로서 파일럿압을 계측하고, 안정화 제어 연산 결과를 바탕으로 파일럿압을 보정함으로써 안정화를 행할 수 있다.

1: 작업 기계 2: 주행체
3: 선회체 3b: 자세 센서(선회체)
3c: 중심선 3s: 선회각 센서
4: 운전실 5: 엔진
6: 작업 프론트 7: 선회 모터
8: 카운터 웨이트 10: 붐
11: 붐 실린더 12: 아암
13: 아암 실린더 15: 작업구 실린더
16: 링크(A) 17: 링크(B)
23: 버킷 30: 지표면
40: 붐 회전 운동 지점
40a: 각도 센서(붐 회전 운동 지점)
41: 아암 회전 운동 지점
41a: 각도 센서(아암 회전 운동 지점)
42: 버킷 회전 운동 지점
42a: 각도 센서(버킷 회전 운동 지점)
43: 핀(버킷-아암) 43a: 외력 센서(핀(43))
44: 핀(버킷-링크) 44a: 외력 센서(핀(44))
50: 조작 레버 51s: 선회 레버 조작량 센서
5lb: 붐 레버 조작량 센서 51a: 아암 레버 조작량 센서
51o: 버킷 레버 조작량 센서 55: 사용자 설정 입력 수단
60: 제어 장치 60a: 안정화 제어 연산 수단
60b: 속도 추정 수단 60c: 급정지시 거동 예측 수단
60d: 안정성 판정 수단 60e: 링크 연산 수단
60f: ZMP 연산·평가 수단
60g: 역학적 에너지 연산·평가 수단 60h: 동작 속도 제한 결정 수단
60i: 지령값 생성 수단 60x: 입력부
60y: 출력부 60z: 연산부
61: 표시 장치 63: 경보 장치
70: ZMP

Claims

주행체와, 당해 주행체 상에 설치한 작업 기계 본체와, 당해 작업 기계 본체에 대해 상하 방향으로 요동 가능하게 설치한 작업 프론트와, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트에 있어서의 각 가동부와, 상기 각 가동부를 구동하는 액추에이터와, 상기 액추에이터의 구동을 제어하는 제어 장치를 구비한 작업 기계에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트에 있어서의 상기 액추에이터을 조작하는 조작 레버의 조작량에 따라 상기 가동부의 속도를 추정하는 속도 추정 수단과,
상기 속도 추정 수단에 의해 추정된 추정 속도에 의거하여, 상기 조작 레버가 조작 상태로부터 정지 지령 위치까지 되돌아간 경우에, 상기 액추에이터가 구동 상태로부터 정지할 때가지의 동안의 상기 액추에이터 변위인 위치 궤적과 상기 액추에이터 속도 변화인 속도 궤적과 상기 액추에이터 가속도 변화인 가속도 궤적을 예측하는 거동 예측 수단과,
상기 거동 예측 수단에 의해 구해진 상기 위치 궤적과 상기 속도 궤적과 상기 가속도 궤적에 따라 상기 액추에이터가 정지할 때까지의 상기 작업 기계가 불안정하게 되는지 아닌지 여부의 예측과 상기 액추에이터가 정지할 때까지의 작업 기계를 안정시키는 동작 제한값의 산출을 행하는 안정화 제어 연산 수단과,
상기 안정화 제어 연산 수단의 연산 결과를 바탕으로 상기 가동부를 구동하는 액추에이터로의 지령 정보를 생성하는 지령값 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제 1항에 있어서,
상기 안정화 제어 연산 수단은, 상기 동작 제한값으로서, 상기 가동부의 감속도를 제한하여 상기 가동부를 완만하게 정지시키는 완(緩)정지 지령값 및 상기 액추에이터의 동작 속도를 제한하는 동작 속도 상한값 중 적어도 어느 한쪽을 산출하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 안정화 제어 연산 수단은, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트에 있어서의 각 가동부의 위치 정보, 가속도 정보 및 외력 정보로부터 산출되는 ZMP 좌표 및 작업 기계의 각 가동부의 위치 정보 및 속도 정보로부터 산출되는 역학적 에너지의 적어도 일방을 이용하여 상기 동작 제한을 산출하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제 2항에 있어서,
상기 안정화 제어 연산 수단은, 상기 가동부의 감속도의 제한을 미리 기억하고 있고, 당해 감속도의 제한을 충족시키도록, 상기 액추에이터로의 지령 정보를 보정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제 1항에 있어서,
상기 거동 예측 수단은, 상기 액추에이터의 속도가 변화하기 시작한 시각 및 그때의 상기 액추에이터의 속도에 의해 나타내어지는 속도 변화 개시점과 상기 조작 레버 개방시로부터의 상기 액추에이터의 속도 변화량이 최대가 되는 시각 및 그때의 상기 액추에이터의 속도에 의해 나타내어지는 피크 도달점을 극값으로 하는 3차 함수를 모델로서 이용하고, 상기 주행체, 상기 작업 기계 본체 및 상기 작업 프론트의 동작마다 미리 동정(同定)한, 상기 속도 변화 개시점과 상기 피크 도달점의 속도의 비에 의해 산출되는 오버슈트율, 상기 조작 레버 개방으로부터 상기 속도 변화 개시점까지의 시간 및 상기 속도 변화 개시점으로부터 상기 피크 도달점까지의 시간을 이용하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.