KR102165663B1

KR102165663B1 - 건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법

Info

Publication number: KR102165663B1
Application number: KR1020187033137A
Authority: KR
Inventors: 가즈키 다케하라; 마사시 이치하라; 요시로 이와사키
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2020-10-14
Also published as: DE112017002603T5; JPWO2018030220A1; CN109154150A; WO2018030220A1; CN109154150B; US20190292747A1; KR20180135939A; JP7129907B2

Abstract

암과, 버킷축 및 버킷축과 직교하는 틸트축의 각각을 중심으로 암에 대하여 회전 가능한 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 시스템은, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형과 버킷의 특정 부위가 평행하게 되도록, 틸트축을 중심으로 하는 버킷의 특정 부위의 각도를 나타내는 틸트 각도를 결정하는 각도 결정부와, 각도 결정부에서 결정된 틸트 각도에 기초하여, 틸트축을 중심으로 버킷을 회전시키는 틸트 실린더를 제어하는 작업기 제어부를 구비한다.

Description

건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법

본 발명은, 건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법에 관한 것이다.

특허문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은, 틸트식 버킷(bucket)을 구비하는 작업기를 구비하는 건설 기계가 알려져 있다.

국제 공개 제2015/186179호

건설 기계의 제어에 관한 기술 분야에 있어서, 건설 기계의 운전자에 의한 조작 장치의 조작보다 우선하여 작업기를 제어하는 기술이 알려져 있다. 본 명세서에 있어서는, 건설 기계의 운전자에 의한 조작 장치의 조작보다 우선하여 작업기를 제어하는 것을, 개입 제어(intervention control)라고 하기로 한다.

개입 제어에 있어서는, 굴삭(掘削; excavation) 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형에 대하여, 작업기 중 붐(boom), 암(arm), 및 버킷 중 1개 이상의 위치 또는 자세가 제어된다. 개입 제어가 실시되는 것에 의해, 목표 시공 지형에 준거한 시공이 실시된다.

틸트식 버킷을 구비하는 건설 기계에 있어서는, 기존의 개입 제어에 더하여 틸트식 버킷에 고유의 제어를 실시하지 않으면, 건설 기계의 작업 효율이 저하된다.

본 발명의 태양(態樣)은, 틸트식 버킷을 구비하는 작업기를 구비하는 건설 기계에 있어서, 작업 효율의 저하를 억제할 수 있는 건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 암과, 버킷축(bucket axis) 및 상기 버킷축과 직교하는 틸트축(tilt axis)의 각각을 중심으로 상기 암에 대하여 회전 가능한 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 시스템으로서, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형과 상기 버킷의 특정 부위가 평행하게 되도록, 상기 틸트축을 중심으로 하는 상기 버킷의 상기 특정 부위의 각도를 나타내는 틸트 각도(tilt angle)를 결정하는 각도 결정부와, 상기 각도 결정부에서 결정된 상기 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트축을 중심으로 상기 버킷을 회전시키는 틸트 실린더를 제어하는 작업기 제어부를 구비하는 건설 기계의 제어 시스템이 제공된다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 상부 선회체(旋回體)와, 상기 상부 선회체를 지지하는 하부 주행체와, 상기 암과 상기 버킷을 포함하고, 상기 상부 선회체에 지지되는 작업기와, 제1 태양의 건설 기계의 제어 시스템을 구비하는 건설 기계가 제공된다.

본 발명의 제3 태양에 따르면, 암과, 버킷축 및 상기 버킷축과 직교하는 틸트축의 각각을 중심으로 상기 암에 대하여 회전 가능한 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 방법으로서, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형과 상기 버킷의 특정 부위가 평행하게 되도록, 상기 틸트축을 중심으로 하는 상기 버킷의 상기 특정 부위의 각도를 나타내는 틸트 각도를 결정하는 것과, 상기 결정된 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트축을 중심으로 상기 버킷을 회전시키는 틸트 실린더를 제어하는 것을 포함하는 건설 기계의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 태양에 의하면, 틸트식 버킷을 구비하는 작업기를 구비하는 건설 기계에 있어서, 작업 효율의 저하를 억제할 수 있는 건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법이 제공된다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 건설 기계의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 본 실시형태에 관한 버킷의 일례를 나타낸 측단면도이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 버킷의 일례를 나타낸 정면도이다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 유압(油壓) 셔블을 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 5는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블을 모식적으로 나타낸 배면도이다.
도 6은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블을 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 버킷을 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 8은, 본 실시형태에 관한 버킷을 모식적으로 나타낸 정면도이다.
도 9는, 본 실시형태에 관한 유압(油壓) 시스템의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 10은, 본 실시형태에 관한 유압 시스템의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 11은, 본 실시형태에 관한 제어 시스템의 일례를 나타낸 기능 블록도이다.
도 12는, 본 실시형태에 관한 버킷에 설정되는 규정점의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은, 본 실시형태에 관한 목표 시공 데이터의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 14는, 본 실시형태에 관한 목표 시공 지형의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 15는, 본 실시형태에 관한 틸트 동작 평면의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 16은, 본 실시형태에 관한 틸트 동작 평면의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 17은, 본 실시형태에 관한 버킷의 날끝(cutting edge)과 목표 시공 지형과의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 18은, 본 실시형태에 관한 틸트 회전에 대한 개입 제어를 설명하기 위한 모식도이다.
도 19는, 본 실시형태에 관한 동작 거리와 목표 속도와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 20은, 본 실시형태에 관한 버킷의 틸트 각도의 조정 방법의 일례를 나타낸 플로우차트이다.
도 21은, 본 실시형태에 관한 버킷의 틸트 각도의 조정 방법의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 22는, 본 실시형태에 관한 작업기의 동작의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 23은, 본 실시형태에 관한 작업기의 동작의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 24는, 본 실시형태에 관한 버킷의 틸트 각도의 조정 방법의 일례를 나타낸 플로우차트이다.
도 25는, 본 실시형태에 관한 버킷의 틸트 각도의 조정 방법의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 26은, 본 실시형태에 관한 버킷의 틸트 각도의 조정 방법의 일례를 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.

이하의 설명에 있어서는, 3차원의 글로벌 좌표계(Xg, Yg, Zg), 및 3차원의 차체 좌표계(Xm, Ym, Zm)를 규정하여, 각 부의 위치 관계에 대하여 설명한다.

글로벌 좌표계란, 지구에 고정된 원점을 기준으로 하는 좌표계를 말한다. 글로벌 좌표계는, GNSS(Global Navigation Satellite System)에 의해 규정되는 좌표계이다. GNSS란, 전지구(全地球) 항법 위성 시스템을 말한다. 전지구 항법 위성 시스템의 일례로서, GPS(Global Positioning System)를 들 수 있다. GNSS는, 복수의 측위 위성을 가진다. GNSS는, 위도, 경도, 및 고도의 좌표 데이터로 규정되는 위치를 검출한다.

글로벌 좌표계는, 수평면 내의 Xg축과, 수평면 내에 있어서 Xg축과 직교하는 Yg축과, Xg축 및 Yg축과 직교하는 Zg축에 의해 규정된다. Xg축과 평행한 방향을 Xg축 방향이라고 하고, Yg축과 평행한 방향을 Yg축 방향이라고 하고, Zg축과 평행한 방향을 Zg축 방향이라고 한다. 또한, Xg축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 θXg 방향이라고 하고, Yg축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 Yg 방향이라고 하고, Zg축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 Zg 방향이라고 한다. Zg축 방향은 연직(沿直) 방향이다.

차체 좌표계란, 건설 기계에 고정된 원점을 기준으로 하는 좌표계를 말한다.

차체 좌표계는, 건설 기계의 차체에 고정된 원점을 기준으로 하여 일방향으로 연장되는 Xm축과, Xm축과 직교하는 Ym축과, Xm축 및 Ym축과 직교하는 Zm축에 의해 규정된다. Xm축과 평행한 방향을 Xm축 방향이라고 하고, Ym 축과 평행한 방향을 Ym 축 방향이라고 하고, Zm 축과 평행한 방향을 Zm 축 방향이라고 한다. 또한, Xm축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 Xm 방향이라고 하고, Ym축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 Ym 방향이라고 하고, Zm축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 Zm 방향이라고 한다. Xm축 방향은 건설 기계의 전후 방향이며, Ym 축 방향은 건설 기계의 차폭 방향이며, Zm 축 방향은 건설 기계의 상하 방향이다.

제1 실시형태.

[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 차체인 상부 선회체(2)와, 상부 선회체(2)를 지지하는 주행 장치(traveling device)인 하부 주행체(3)와, 작업기(1)를 조작하기 위한 조작 장치(30)와, 작업기(1)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다. 상부 선회체(2)는, 하부 주행체(3)에 지지된 상태로 선회축(旋回軸)(RX)을 중심으로 선회할 수 있다.

상부 선회체(2)는, 오퍼레이터가 탑승하는 운전실(4)과, 엔진 및 유압 펌프가 수용되는 기계실(5)을 구비한다. 운전실(4)는, 오퍼레이터가 착석하는 운전석(4S)을 구비한다. 기계실(5)은, 운전실(4)의 후방에 배치된다.

하부 주행체(3)는, 한 쌍의 크롤러(crawlers)(3C)를 구비한다. 크롤러(3C)의 회전에 의해, 유압 셔블(100)이 주행한다. 그리고, 하부 주행체(3)가 타이어를 구비해도 된다.

작업기(1)는, 상부 선회체(2)에 지지된다. 작업기(1)는, 붐 핀(boom pin)을 통하여 상부 선회체(2)에 연결되는 붐(6)과, 암 핀(arm pin)을 통하여 붐(6)에 연결되는 암(7)과, 버킷 핀(bucket pin) 및 틸트 핀을 통하여 암(7)에 연결되는 버킷(8)을 구비한다. 버킷(8)은, 날끝(9)을 구비한다. 본 실시형태에 있어서, 버킷(8)의 날끝(9)은, 버킷(8)에 설치된 스트레이트 형상의 날(刃)의 선단부이다. 그리고, 버킷(8)의 날끝(9)은, 버킷(8)에 형성된 볼록 형상의 날의 선단부라도 된다.

붐(6)은, 회전축인 붐축(boom axis)(AX1)을 중심으로 상부 선회체(2)에 대하여 회전 가능하다. 암(7)은, 회전축인 암축(arm axis)(AX2)을 중심으로 붐(6)에 대하여 회전 가능하다. 버킷(8)은, 회전축인 버킷축(AX3) 및 버킷축(AX3)과 직교하는 회전축인 틸트축(AX4)의 각각을 중심으로 암(7)에 대하여 회전 가능하다. 회전축(AX1)과 회전축(AX2)과 회전축(AX3)은 평행하다. 회전축(AX1), (AX2), (AX3)과 선회축(RX)과 평행한 축은 직교한다. 회전축(AX1), (AX2), (AX3)은, 차체 좌표계의 Ym 축과 평행이다. 선회축(RX)은, 차체 좌표계의 Zm 축과 평행이다. 회전축(AX1), (AX2), (AX3)과 평행한 방향은, 상부 선회체(2)의 차폭 방향을 나타낸다. 선회축(RX)과 평행한 방향은, 상부 선회체(2)의 상하 방향을 나타낸다. 회전축(AX1), (AX2), (AX3) 및 선회축(RX)의 양쪽과 직교하는 방향은, 상부 선회체(2)의 전후 방향을 나타낸다. 운전석(4S)에 착석한 오퍼레이터를 기준으로 하여 작업기(1)가 존재하는 방향이 전방이다.

작업기(1)는, 유압 실린더(10)가 발생하는 동력에 의해 작동한다. 유압 실린더(10)는, 붐(6)을 작동시키는 붐 실린더(11)와, 암(7)을 작동시키는 암 실린더(12)와, 버킷(8)을 작동시키는 버킷 실린더(13) 및 틸트 실린더(14)를 포함한다. 붐 실린더(11)은, 붐축(AX1)을 중심으로 붐(6)을 회전시키는 동력을 발생 가능하다. 암 실린더(12)는, 암축(AX2)를 중심으로 암(7)을 회전시키는 동력을 발생 가능하다. 버킷 실린더(13)은, 버킷축(AX3)을 중심으로 버킷(8)을 회전시키는 동력을 발생 가능하다. 틸트 실린더(14)는, 틸트축(AX4)을 중심으로 버킷(8)을 회전시키는 동력을 발생 가능하다.

이하의 설명에 있어서는, 버킷축(AX3)을 중심으로 하는 버킷(8)의 회전을 적절히, 버킷 회전이라고 하고, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 회전을 적절히, 틸트 회전이라고 한다.

또한, 작업기(1)는, 붐 실린더(11)의 구동량을 나타내는 붐 스트로크를 검출하는 붐 스트로크 센서(16)와, 암 실린더(12)의 구동량을 나타내는 암 스트로크를 검출하는 암 스트로크 센서(17)와, 버킷 실린더(13)의 구동량을 나타내는 버킷 스트로크를 검출하는 버킷 스트로크 센서(18)와, 틸트 실린더(14)의 구동량을 나타내는 틸트 스트로크를 검출하는 틸트 스트로크 센서(19)를 구비한다. 붐 스트로크 센서(16)는, 붐 실린더(11)에 배치된다. 암 스트로크 센서(17)는, 암 실린더(12)에 배치된다. 버킷 스트로크 센서(18)는, 버킷 실린더(13)에 배치된다. 틸트 스트로크 센서(19)는, 틸트 실린더(14)에 배치된다.

조작 장치(30)는, 운전실(4)에 배치된다. 조작 장치(30)는, 유압 셔블(100)의 오퍼레이터에 의해 조작되는 조작 부재를 포함한다. 오퍼레이터는, 조작 장치(30)를 조작하여, 작업기(1)를 작동시킨다. 본 실시형태에 있어서, 조작 장치(30)는, 우측 작업기 조작 레버(30R)와, 좌측 작업기 조작 레버(30L)와, 틸트 조작 레버(30T)와, 조작 페달(30F)을 포함한다.

중립 위치에 있는 우측 작업기 조작 레버(30R)가 전방으로 조작되면, 붐(6)이 하강 동작하고, 후방으로 조작되면, 붐(6)이 상승 동작한다. 중립 위치에 있는 우측 작업기 조작 레버(30R)가 우측으로 조작되면, 버킷(8)이 덤프하고, 좌측 방향으로 조작되면, 버킷(8)이 굴삭한다.

중립 위치에 있는 좌측 작업기 조작 레버(30L)가 전방으로 조작되면, 암(7)이 덤프하고, 후방으로 조작되면, 암(7)이 굴삭한다. 중립 위치에 있는 좌측 작업기 조작 레버(30L)가 우측으로 조작되면, 상부 선회체(2)가 우측 선회(旋回)하고, 좌측 방향으로 조작되면, 상부 선회체(2)가 좌측 선회한다.

그리고, 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)의 조작 방향과, 작업기(1)의 동작 방향 및 상부 선회체(2)의 선회 방향과의 관계는, 전술한 관계가 아니라도 된다.

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

[버킷]

다음에, 본 실시형태에 관한 버킷(8)에 대하여 설명한다. 도 2는, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 일례를 나타낸 측단면도이다. 도 3은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 일례를 나타낸 정면도이다. 본 실시형태에 있어서, 버킷(8)은, 틸트식 버킷이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 작업기(1)는, 버킷축(AX3) 및 버킷축(AX3)과 직교하는 틸트축(AX4)의 각각을 중심으로 암(7)에 대하여 회전 가능한 버킷(8)을 구비한다. 버킷(8)은, 버킷 핀(8B)을 통하여 암(7)에 회전 가능하게 연결된다. 또한, 버킷(8)은, 틸트 핀(8T)을 통하여 암(7)에 회전 가능하게 지지된다.

버킷(8)은, 접속 부재(90)를 통하여, 암(7)의 선단부에 접속된다. 버킷핀(8B)은, 암(7)과 접속 부재(90)를 연결한다. 틸트 핀(8T)은, 접속 부재(90)와 버킷(8)을 연결한다. 버킷(8)은, 접속 부재(90)를 통하여, 암(7)에 회전 가능하게 접속된다.

버킷(8)은, 바닥판(81)과, 배면판(82)과, 상판(83)과, 측판(84)과, 측판(85)을 포함한다. 버킷(8)의 개구부(86)는, 바닥판(81)과 상판(83)과 측판(84)과 측판(85)에 의해 규정된다. 날끝(9)은, 바닥판(81)에 설치된다. 바닥판(81)은, 날끝(9)과 접속되는 평탄한 바닥면(89)을 구비한다. 바닥면(89)은, 바닥판(81)의 바닥면이다. 바닥면(89)은, 실질적으로 평면이다.

버킷(8)은, 상판(83)의 상부에 설치된 브래킷(bracket)(87)을 구비한다. 브래킷(87)은, 상판(83)의 전후 위치에 설치된다. 브래킷(87)은, 접속 부재(90) 및 틸트 핀(8T)과 연결된다.

접속 부재(90)는, 플레이트 부재(91)와, 플레이트 부재(91)의 상면에 설치된 브래킷(92)과, 플레이트 부재(91)의 하면에 설치된 브래킷(93)을 구비한다. 브래킷(92)은, 암(7) 및 제2 링크 핀(95P)과 연결된다. 브래킷(93)은 브래킷(87)의 상부에 설치되고, 틸트 핀(8T) 및 브래킷(87)과 연결된다.

버킷핀(8B)은, 접속 부재(90)의 브래킷(92)과 암(7)의 선단부를 연결한다. 틸트 핀(8T)은, 접속 부재(90)의 브래킷(93)과 버킷(8)의 브래킷(87)을 연결한다. 접속 부재(90) 및 버킷(8)은, 암(7)에 대하여 버킷축(AX3)을 중심으로 회전할 수 있다. 버킷(8)은, 접속 부재(90)에 대하여 틸트축(AX4)을 중심으로 회전할 수 있다.

작업기(1)는, 제1 링크 핀(94P)을 통하여 암(7)에 회전 가능하게 접속되는 제1 링크 부재(94)와, 제2 링크 핀(95P)을 통하여 브래킷(92)에 회전 가능하게 접속되는 제2 링크 부재(95)를 구비한다. 제1 링크 부재(94)의 기단부(基端部)가 제1 링크 핀(94P)을 통하여 암(7)에 접속된다. 제2 링크 부재(95)의 기단부가 제2 링크 핀(95P)을 통하여 브래킷(92)에 접속된다. 제1 링크 부재(94)의 선단부와 제2 링크 부재(95)의 선단부가, 버킷 실린더 탑 핀(96)을 통하여 연결된다.

버킷 실린더(13)의 선단부는, 버킷 실린더 탑 핀(96)을 통하여, 제1 링크 부재(94)의 선단부 및 제2 링크 부재(95)의 선단부와 회전 가능하게 접속된다. 버킷 실린더(13)가 신축되도록 작동하면, 접속 부재(90)는 버킷(8)과 함께 버킷축(AX3)을 중심으로 회전한다.

틸트 실린더(14)는, 접속 부재(90)에 설치된 브래킷(97) 및 버킷(8)에 설치된 브래킷(88)의 각각에 접속된다. 틸트 실린더(14)의 로드가 핀을 통하여 브래킷(97)에 접속된다. 틸트 실린더(14)의 본체부가 핀을 통하여 브래킷(88)에 접속된다. 틸트 실린더(14)가 신축되도록 작동하면, 버킷(8)은 틸트축(AX4)을 중심으로 회전한다. 그리고, 본 실시형태에 관한 틸트 실린더(14)의 접속 구조는 일례이며, 이에 한정되지 않는다.

이와 같이, 버킷(8)은, 버킷 실린더(13)의 작동에 의해, 버킷축(AX3)을 중심으로 회전한다. 버킷(8)은, 틸트 실린더(14)의 작동에 의해, 틸트축(AX4)을 중심으로 회전한다. 버킷(8)이 버킷축(AX3)을 중심으로 회전하면, 틸트 핀(8T)은 버킷(8)과 함께 회전한다.

[검출 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 검출 시스템(400)에 대하여 설명한다. 도 4는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)을 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 5는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)을 모식적으로 나타낸 배면도이다. 도 6은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)을 모식적으로 나타낸 평면도이다. 도 7은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)을 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 8은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)을 모식적으로 나타낸 정면도이다.

도 4, 도 5, 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 검출 시스템(400)은, 상부 선회체(2)의 위치를 산출하는 위치 연산 장치(20)와, 작업기(1)의 각도를 산출하는 작업기 각도 연산 장치(24)를 구비한다.

위치 연산 장치(20)는, 상부 선회체(2)의 위치를 검출하는 차체 위치 연산기(21)와, 상부 선회체(2)의 자세를 검출하는 자세 연산기(22)와, 상부 선회체(2)의 방위를 검출하는 방위 연산기(23)를 포함한다.

차체 위치 연산기(21)는, GPS 수신기를 포함한다. 차체 위치 연산기(21)는, 상부 선회체(2)에 설치된다. 차체 위치 연산기(21)는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 검출한다. 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg는, Xg축 방향의 좌표 데이터, Yg축 방향의 좌표 데이터, 및 Zg축 방향의 좌표 데이터를 포함한다.

상부 선회체(2)에 복수의 GPS 안테나(21A)가 설치된다. GPS 안테나(21A)는, GPS 위성으로부터 전파를 수신하여, 수신한 전파에 기초하여 생성한 신호를 차체 위치 연산기(21)에 출력한다. 차체 위치 연산기(21)는, GPS 안테나(21A)로부터 공급된 신호에 기초하여, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 GPS 안테나(21A)가 설치되어 있는 위치 Pr을 검출한다. 차체 위치 연산기(21)는, GPS 안테나(21A)가 설치되어 있는 위치 Pr에 기초하여, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 검출한다.

GPS 안테나(21A)는, 차폭 방향으로 2개 설치된다. 차체 위치 연산기(21)는, 한쪽의 GPS 안테나(21A)가 설치되어 있는 위치 Pra 및 다른 쪽의 GPS 안테나(21A)가 설치되어 있는 위치 Prb의 각각을 검출한다. 차체 위치 연산기(21A)는, 위치 Pra 및 위치 Prb 중 적어도 한쪽에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 산출한다. 본 실시형태에 있어서, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg는, 위치 Pra이다. 그리고, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg는, 위치 Prb라도 되고, 위치 Pra와 위치 Prb와의 사이의 위치라도 된다.

자세 연산기(22)는, 관성 계측 장치(Inertial Measurement Unit: IMU)를 포함한다. 자세 연산기(22)는, 상부 선회체(2)에 설치된다. 자세 연산기(22)는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 수평면(XgYg 평면)에 대한 상부 선회체(2)의 경사 각도를 산출한다. 수평면에 대한 상부 선회체(2)의 경사 각도는, 차폭 방향에서의 상부 선회체(2)의 경사 각도를 나타내는 롤 각도 θ1과, 전후 방향에서의 상부 선회체(2)의 경사 각도를 나타내는 피치 각도 θ2를 포함한다.

방위 연산기(23)는, 한쪽의 GPS 안테나(21A)가 설치되어 있는 위치 Pra와 다른 쪽의 GPS 안테나(21A)가 설치되어 있는 위치 Prb에 기초하여, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 산출한다. 기준 방위는, 예를 들면, 북쪽이다. 방위 연산기(23)는, 위치 Pra와 위치 Prb에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 산출한다. 방위 연산기(23)는, 위치 Pra와 위치 Prb를 연결하는 직선을 산출하고, 산출한 직선과 기준 방위가 이루는 각도에 기초하여, 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 산출한다. 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위는, 기준 방위와 상부 선회체(2)의 방위가 이루는 각도를 나타내는 요 각도(yaw angle) θ3을 포함한다.

도 4, 도 7, 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 작업기 각도 연산 장치(24)는, 붐 스트로크 센서(16)에 의해 검출된 붐 스트로크에 기초하여, 차체 좌표계의 Zm 축에 대한 붐(6)의 경사 각도를 나타내는 붐 각도 α를 산출한다. 작업기 각도 연산 장치(24)는, 암 스트로크 센서(17)에 의해 검출된 암 스트로크에 기초하여, 붐(6)에 대한 암(7)의 경사 각도를 나타내는 암 각도 β를 산출한다. 작업기 각도 연산 장치(24)는, 버킷 스트로크 센서(18)에 의해 검출된 버킷 스트로크에 기초하여, 암(7)에 대한 버킷(8)의 날끝(9)의 경사 각도를 나타내는 버킷 각도 γ를 산출한다. 작업기 각도 연산 장치(24)는, 틸트 스트로크 센서(19)에 의해 검출된 틸트 스트로크에 기초하여, 차체 좌표계의 XmYm 평면에 대한 버킷(8)의 경사 각도를 나타내는 틸트 각도 δ를 산출한다. 작업기 각도 연산 장치(24)는, 붐 스트로크 센서(16)에 의해 검출된 붐 스트로크, 암 스트로크 센서(17)에 의해 검출된 암 스트로크, 및 버킷 스트로크 센서(18)에 의해 검출된 틸트 스트로크에 기초하여, 차체 좌표계의 XmYm 평면에 대한 틸트축(AX4)의 경사 각도를 나타내는 틸트축 각도 ε를 산출한다.

그리고, 붐 각도 α, 암 각도 β, 버킷 각도 γ, 틸트 각도 δ, 및 틸트축 각도 ε는, 스트로크 센서를 이용하지 않고, 예를 들면, 작업기(10)에 설치된 각도 센서에 의해 검출되어도 된다. 또한, 스테레오 카메라 또는 레이저 스캐너로 작업기(10)의 각도가 광학적으로 검출되고, 그 검출 결과를 사용하여, 붐 각도 α, 암 각도 β, 버킷 각도 γ, 틸트 각도 δ, 및 틸트축 각도 ε가 산출되어도 된다.

[유압 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 유압 시스템(300)의 일례에 대하여 설명한다. 도 9 및 도 10은, 본 실시형태에 관한 유압 시스템(300)의 일례를 나타낸 모식도이다. 붐 실린더(11), 암 실린더(12), 버킷 실린더(13), 및 틸트 실린더(14)를 포함하는 유압 실린더(10)는, 유압 시스템(300)에 의해 구동한다. 유압 시스템(300)은, 유압 실린더(10)에 작동유를 공급하여, 유압 실린더(10)를 구동한다. 유압 시스템(300)은, 유량(流量) 제어 밸브(25)를 구비한다. 유량 제어 밸브(25)는, 유압 실린더(10)에 대한 작동유의 공급량 및 작동유가 흐르는 방향을 제어한다. 유압 실린더(10)는, 캡측 오일실(10A) 및 로드측 오일실(10B)을 구비한다. 캡측 오일실(10A)은, 실린더 헤드 커버와 피스톤과의 사이의 공간이다. 로드측 오일실(10B)은, 피스톤 로드가 배치되는 공간이다. 오일 통로(35A)를 통하여 캡측 오일실(10A)에 작동유가 공급되는 것에 의해, 유압 실린더(10)가 신장된다. 오일 통로(35B)를 통하여 로드측 오일실(10B)에 작동유가 공급되는 것에 의해, 유압 실린더(10)가 수축된다.

도 9는, 암 실린더(12)를 작동시키는 유압 시스템(300)의 일례를 나타낸 모식도이다. 유압 시스템(300)은, 작동유를 공급하는 가변(可變) 용량형의 메인 유압 펌프(31)와, 파일럿 오일을 공급하는 파일럿압 펌프(32)와, 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(33A, 33B)와, 오일 통로(33A, 33B)에 배치된 압력 센서(34A, 34B)와, 유량 제어 밸브(25)에 작용하는 파일럿압을 조정하는 제어 밸브(37A, 37B)와, 유량 제어 밸브(25)에 대한 파일럿압을 조정하는 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)를 포함하는 조작 장치(30)와, 제어 장치(50)를 구비한다. 조작 장치(30)의 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)는, 파일럿 유압 방식의 조작 장치이다.

메인 유압 펌프(31)로부터 공급된 작동유는, 유량 제어 밸브(25)를 통하여, 암 실린더(12)에 공급된다. 유량 제어 밸브(25)는, 로드형(rod-shaped)의 스풀(spool)을 축 방향으로 이동하여 작동유가 흐르는 방향을 전환하는 슬라이딩 스풀(slide spool) 방식의 유량 제어 밸브이다. 스풀이 축 방향으로 이동함으로써, 암 실린더(12)의 캡측 오일실(10A)에 대한 작동유의 공급과, 로드측 오일실(10B)에 대한 작동유의 공급이 전환된다. 또한, 스풀이 축 방향으로 이동함으로써, 암 실린더(12)에 대한 단위 시간당의 작동유의 공급량이 조정된다. 암 실린더(12)에 대한 작동유의 공급량이 조정되는 것에 의해, 실린더 속도가 조정된다.

유량 제어 밸브(25)는, 조작 장치(30)에 의해 조작된다. 파일럿압 펌프(32)로부터 송출된 파일럿 오일이 조작 장치(30)에 공급된다. 그리고, 메인 유압 펌프(31)로부터 송출되고, 감압 밸브에 의해 감압된 파일럿 오일이 조작 장치(30)에 공급되어도 된다. 조작 장치(30)는, 파일럿압 조정 밸브를 포함한다. 조작 장치(30)의 조작량에 기초하여 제어 밸브(37A, 37B)가 작동되고, 유량 제어 밸브(25)의 스풀에 작용하는 파일럿압이 조정된다. 파일럿압에 의해, 유량 제어 밸브(25)가 구동된다. 조작 장치(30)에 의해 파일럿압이 조정되는 것에 의해, 축 방향에서의 스풀의 이동량, 이동 속도, 및 이동 방향이 조정된다.

유량 제어 밸브(25)는, 제1 수압실(受壓室) 및 제2 수압실을 가진다. 좌측 작업기 조작 레버(30L)가 중립 위치보다 한쪽 측으로 경사 이동하도록 조작되고, 오일 통로(33A)의 파일럿압에 의해 스풀이 이동하면, 메인 유압 펌프(31)로부터의 작동유가 제1 수압실에 공급되고, 오일 통로(35A)를 통하여 캡측 오일실(10A)에 작동유가 공급된다. 좌측 작업기 조작 레버(30L)가 중립 위치보다 다른 쪽 측으로 경사 이동하도록 조작되고, 오일 통로(33B)의 파일럿압에 의해 스풀이 이동하면, 메인 유압 펌프(31)로부터의 작동유가 제2 수압실에 공급되고, 오일 통로(35B)를 통하여 로드측 오일실(10B)에 작동유가 공급된다.

압력 센서(34A)는, 오일 통로(33A)의 파일럿압을 검출한다. 압력 센서(34B)는, 오일 통로(33B)의 파일럿압을 검출한다. 압력 센서(33A, 33B)의 검출 신호는, 제어 장치(50)에 출력된다. 개입 제어를 실시할 때, 제어 장치(50)는, 제어 밸브(37A, 37B)에 제어 신호를 출력하여, 파일럿압을 조정한다.

붐 실린더(11) 및 버킷 실린더(13)를 작동시키는 유압 시스템(300)은, 암 실린더(12)를 작동시키는 유압 시스템(300)과 동일한 구성이다. 붐 실린더(11) 및 버킷 실린더(13)를 작동시키는 유압 시스템(300)에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 붐(6)에 대하여 개입 제어를 실시하기 위해, 붐 실린더(11)에 접속되는 오일 통로(33A)에, 붐(6)의 상승 동작에 개입하는 개입용 제어 밸브가 접속되어도 된다.

그리고, 조작 장치(30)의 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)는, 파일럿 유압 방식이 아니라도 된다. 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)는, 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)의 조작량(경사이동각)에 기초하여 전기 신호를 제어 장치(50)에 출력하여, 제어 장치(50)의 제어 신호에 기초하여 유량 제어 밸브(25)를 직접적으로 제어하는 전자 레버 방식이라도 된다.

도 10은, 틸트 실린더(14)를 작동시키는 유압 시스템(300)의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다. 유압 시스템(300)은, 틸트 실린더(14)에 대한 작동유의 공급량을 조정하는 유량 제어 밸브(25)와, 유량 제어 밸브(25)에 작용하는 파일럿압을 조정하는 제어 밸브(37A, 37B)와, 파일럿압 펌프(32)와 조작 페달(30F)과의 사이에 배치되는 제어 밸브(39)와, 조작 장치(30)의 틸트 조작 레버(30T) 및 조작 페달(30F)과, 제어 장치(50)를 구비한다. 본 실시형태에 있어서, 조작 장치(30)의 조작 페달(30F)은, 파일럿 유압 방식의 조작 장치이다. 조작 장치(30)의 틸트 조작 레버(30T)는, 전자 레버 방식의 조작 장치이다. 틸트 조작 레버(30T)는, 우측 작업기 조작 레버(30R) 및 좌측 작업기 조작 레버(30L)에 설치된 조작 버튼을 포함한다.

조작 장치(30)의 조작 페달(30F)은, 파일럿압 펌프(32)에 접속된다. 또한, 조작 페달(30F)은, 제어 밸브(37A)로부터 송출되는 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(38A)에 셔틀 밸브(36A)를 통하여 접속된다. 또한, 조작 페달(30F)은, 제어 밸브(37B)로부터 송출되는 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(38B)에 셔틀 밸브(36B)를 통하여 접속된다. 조작 페달(30F)이 조작됨으로써, 조작 페달(30F)과 셔틀 밸브(36A)와의 사이의 오일 통로(33A)의 압력, 및 조작 페달(30F)과 셔틀 밸브(36B)와의 사이의 오일 통로(33B)의 압력이 조정된다.

틸트 조작 레버(30T)가 조작됨으로써, 틸트 조작 레버(30T)의 조작에 의해 생성된 조작 신호가 제어 장치(50)에 출력된다. 제어 장치(50)는, 틸트 조작 레버(30T)로부터 출력된 조작 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하고, 제어 밸브(37A, 37B)를 제어한다. 제어 밸브(37A, 37B)는, 전자(電磁) 비례 제어 밸브이다. 제어 밸브(37A)는, 제어 신호에 기초하여, 오일 통로(38A)를 개폐한다. 제어 밸브(37B)는, 제어 신호에 기초하여, 오일 통로(38B)를 개폐한다.

버킷(8)의 틸트 회전에 대하여 개입 제어를 실시하고 있지 않을 때, 조작 장치(30)의 조작량에 기초하여, 파일럿압이 조정된다. 버킷(8)의 틸트 회전에 대하여 개입 제어를 실시할 때, 제어 장치(50)는, 제어 밸브(37A, 37B)에 제어 신호를 출력하여, 파일럿압을 조정한다.

[제어 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 시스템(200)에 대하여 설명한다. 도 11은, 본 실시형태에 관한 제어 시스템(200)의 일례를 나타낸 기능 블록도이다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 제어 시스템(200)은, 작업기(1)를 제어하는 제어 장치(50)와, 위치 연산 장치(20)와, 작업기 각도 연산 장치(24)와, 제어 밸브(37)[37A, 37B]와, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)를 구비한다.

위치 연산 장치(20)는, 차체 위치 연산기(21)와, 자세 연산기(22)와, 방위 연산기(23)를 구비한다. 위치 연산 장치(20)는, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg, 롤 각도 θ1 및 피치 각도 θ2를 포함하는 상부 선회체(2)의 자세, 및 요 각도 θ3를 포함하는 상부 선회체(2)의 방위를 검출한다.

작업기 각도 연산 장치(24)는, 붐 각도 α, 암 각도 β, 버킷 각도 γ, 틸트 각도 δ, 및 틸트축 각도 ε를 포함하는 작업기(1)의 각도를 검출한다.

제어 밸브(37)[37A, 37B]는, 틸트 실린더(14)에 대한 작동유의 공급량을 조정한다. 제어 밸브(37)는, 제어 장치(50)로부터의 제어 신호에 기초하여 작동한다.

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

목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 유압 셔블(100)의 원격지에 설치된다. 목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 예를 들면, 시공 관리 회사의 설비에 설치된다. 그리고, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 유압 셔블(100)의 제조 회사 또는 렌탈 회사에 보유되어도 된다. 목표 시공 데이터 생성 장치(70)와 제어 장치(50)는 무선 통신 가능하다. 목표 시공 데이터 생성 장치(70)에 의해 생성된 목표 시공 데이터는, 무선으로 제어 장치(50)에 송신된다.

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 기록 매체를 포함하고, 제어 장치(50)가, 기록 매체로부터 목표 시공 데이터를 읽어들임(reading) 가능한 장치를 가져도 된다.

그리고, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 유압 셔블(100)에 설치되어도 된다. 시공을 관리하는 외부의 관리 장치로부터 목표 시공 데이터가 유선 또는 무선으로 유압 셔블(100)의 목표 시공 데이터 생성 장치(70)에 공급되고, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)가 공급된 목표 시공 데이터를 기억해도 된다.

제어 장치(50)는, 차체 위치 데이터 취득부(51)와, 작업기 각도 데이터 취득부(52)와, 규정점 위치 데이터 산출부(53)와, 목표 시공 지형 생성부(54)와, 틸트 데이터 산출부(55)와, 틸트 목표 지형 산출부(56)와, 각도 결정부(57)와, 작업기 제어부(58)와, 목표 속도 결정부(59)와, 기억부(60)와, 입출력부(61)를 구비한다.

차체 위치 데이터 취득부(51), 작업기 각도 데이터 취득부(52), 규정점 위치 데이터 산출부(53), 목표 시공 지형 생성부(54), 틸트 데이터 산출부(55), 틸트 목표 지형 산출부(56), 각도 결정부(57), 작업기 제어부(58), 및 목표 속도 결정부(59)의 각각의 기능은, 제어 장치(50)의 프로세서에 의해 발휘된다. 기억부(60)의 기능은, 제어 장치(50)의 기억 장치에 의해 완수된다. 입출력부(61)의 기능은, 제어 장치(50)의 입출력 인터페이스 장치에 의해 완수된다. 입출력부(61)는, 위치 연산 장치(20), 작업기 각도 연산 장치(24), 제어 밸브(37), 및 목표 시공 데이터 생성 장치(70)와 접속되고, 차체 위치 데이터 취득부(51), 작업기 각도 데이터 취득부(52), 규정점 위치 데이터 산출부(53), 목표 시공 지형 생성부(54), 틸트 데이터 산출부(55), 틸트 목표 지형 산출부(56), 각도 결정부(57), 작업기 제어부(58), 목표 속도 결정부(59), 및 기억부(60)와의 사이에서 데이터 통신한다.

기억부(60)는, 작업기 데이터를 포함하는 유압 셔블(100)의 제원 데이터를 기억한다.

차체 위치 데이터 취득부(51)는, 위치 연산 장치(20)로부터 입출력부(61)를 통하여 차체 위치 데이터를 취득한다. 차체 위치 데이터는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg, 롤 각도 θ1 및 피치 각도 θ2를 포함하는 상부 선회체(2)의 자세, 및 요 각도 θ3를 포함하는 상부 선회체(2)의 방위를 포함한다.

작업기 각도 데이터 취득부(52)는, 작업기 각도 연산 장치(24)로부터 입출력부(61)를 통하여 작업기 각도 데이터를 취득한다. 작업기 각도 데이터는, 붐 각도 α, 암 각도 β, 버킷 각도 γ, 틸트 각도 δ, 및 틸트축 각도 ε를 포함하는 작업기(1)의 각도를 검출한다.

규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 차체 위치 데이터 취득부(51)에 의해 취득된 차체 위치 데이터와, 작업기 각도 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 작업기 각도 데이터와, 기억부(60)에 기억되어 있는 작업기 데이터에 기초하여, 버킷(8)에 설정되는 규정점 RP의 위치 데이터를 산출한다.

도 4 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 작업기 데이터는, 붐 길이(boom length) L1, 암 길이(arm length) L2, 버킷 길이 L3, 틸트 길이(tilt length) L4, 및 버킷 폭 L5를 포함한다. 붐 길이 L1은, 붐축(AX1)과 암축(AX2)와의 거리이다. 암 길이 L2는, 암축(AX2)와 버킷축(AX3)와의 거리이다. 버킷 길이 L3은, 버킷축(AX3)와 버킷(8)의 날끝(9)과의 거리이다. 틸트 길이 L4는, 버킷축(AX3)과 틸트축(AX4)과의 거리이다. 버킷 폭 L5는, 측판(84)과 측판(85)과의 거리이다.

도 12는, 본 실시형태에 관한 버킷(8)에 설정되는 규정점 RP의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 버킷(8)에는, 틸트 버킷(tilt bucket) 제어에 사용되는 규정점 RP가 복수 설정된다. 규정점 RP는, 버킷(8)의 날끝(9) 및 바닥면(89)을 포함하는 버킷(8)의 외면에 설정된다. 규정점 RP는, 날끝(9)에 있어서 버킷 폭 방향으로 복수 설정된다. 또한, 규정점 RP는, 바닥면(89)를 포함하는 버킷(8)의 외면에 있어서 복수 설정된다.

또한, 작업기 데이터는, 버킷(8)의 형상 및 치수를 나타내는 버킷 외형 데이터를 포함한다. 버킷 외형 데이터는, 버킷 폭 L5를 나타내는 버킷(8)의 폭 데이터를 포함한다. 또한, 버킷 외형 데이터는, 버킷(8)의 외면의 윤곽 데이터를 포함하는 버킷(8)의 외면 데이터를 포함한다. 또한, 버킷 외형 데이터는, 버킷(8)의 날끝(9)을 기준으로 한 버킷(8)의 복수의 규정점 RP의 좌표 데이터를 포함한다.

규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 규정점 RP의 위치 데이터를 산출한다. 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 차체 좌표계에서의 상부 선회체(2)의 기준 위치 P0에 대한 복수의 규정점 RP 각각의 상대(相對) 위치를 산출한다. 또한, 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 글로벌 좌표계에서의 복수의 규정점 RP 각각의 절대 위치를 산출한다.

규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 붐 길이 L1, 암 길이 L2, 버킷 길이 L3, 틸트 길이 L4, 및 버킷 외형 데이터를 포함하는 작업기 데이터와, 붐 각도 α, 암 각도 β, 버킷 각도 γ, 틸트 각도 δ, 및 틸트축 각도 ε를 포함하는 작업기 각도 데이터에 기초하여, 차체 좌표계에서의 상부 선회체(2)의 기준 위치 P0에 대한 버킷(8)의 복수의 규정점 RP 각각의 상대 위치를 산출할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상부 선회체(2)의 기준 위치 P0는, 상부 선회체(2)의 선회축(RX)에 설정된다. 그리고, 상부 선회체(2)의 기준 위치 P0는, 붐축(AX1)에 설정되어도 된다.

또한, 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 위치 연산 장치(20)에 의해 검출된 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg와, 상부 선회체(2)의 기준 위치 P0와 버킷(8)과의 상대 위치에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 버킷(8)의 절대 위치 Pa를 산출할 수 있다. 절대 위치 Pg와 기준 위치 P0와의 상대 위치는, 유압 셔블(100)의 제원 데이터로부터 도출되는 기지(旣知) 데이터이다. 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 포함하는 차체 위치 데이터와, 상부 선회체(2)의 기준 위치 P0와 버킷(8)과의 상대 위치와, 작업기 데이터와, 작업기 각도 데이터에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 버킷(8)의 복수의 규정점 RP 각각의 절대 위치를 산출할 수 있다.

목표 시공 지형 생성부(54)는, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)로부터 공급되고 기억부(60)에 기억된 목표 시공 데이터에 기초하여, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형 CS를 생성한다. 목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 목표 시공 데이터로서, 3차원 목표 지형 데이터를 목표 시공 지형 생성부(54)에 공급해도 되고, 목표 형상의 일부를 나타내는 복수의 라인 데이터 또는 복수의 포인트 데이터를 목표 시공 지형 생성부(54)에 공급해도 된다. 본 실시형태에 있어서는, 목표 시공 데이터 생성 장치(70)는, 목표 시공 데이터로서, 목표 형상의 일부를 나타내는 라인 데이터를 목표 시공 지형 생성부(54)에 공급하는 것으로 한다.

도 13은, 본 실시형태에 관한 목표 시공 데이터 CD의 일례를 나타낸 모식도이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 목표 시공 데이터 CD는, 시공 영역의 목표 지형을 나타낸다. 목표 지형은, 삼각형 폴리곤(triangular polygon)에 의해 각각 표현되는 복수의 목표 시공 지형 CS를 포함한다. 복수의 목표 시공 지형 CS의 각각은, 작업기(1)에 의한 굴삭 대상의 목표 형상을 나타낸다. 목표 시공 데이터 CD에 있어서, 목표 시공 지형 CS 중 버킷(8)과의 수직 거리가 가장 가까운 점 AP가 규정된다. 또한, 목표 시공 데이터 CD에 있어서, 점 AP 및 버킷(8)을 지나 버킷축(AX3)과 직교하는 작업기 동작 평면 WP가 규정된다. 작업기 동작 평면 WP는, 붐 실린더(11), 암 실린더(12), 및 버킷 실린더(13) 중 1개 이상의 작동에 의해 버킷(8)의 날끝(9)이 이동하는 동작 평면이며, XZ 평면과 평행이다. 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 목표 시공 지형 CS 및 버킷(8)의 외형 데이터에 기초하여, 목표 시공 지형 CS의 점 AP에 대하여 수직 거리가 가장 가까이로 규정되는 규정점 RP의 위치 데이터를 산출한다. 규정점 RP를 구할 때, 적어도 버킷(8)의 폭에 관한 데이터가 사용되게 된다. 또한, 규정점 RP는 오퍼레이터에 의해 지정되어도 된다.

목표 시공 지형 생성부(54)는, 작업기 동작 평면 WP와 목표 시공 지형 CS와의 교선(交線)인 라인 LX를 취득한다. 또한, 목표 시공 지형 생성부(54)는, 점 AP를 지나고 목표 시공 지형 CS에 있어서 라인 LX에 직교하는 라인 LY를 취득한다. 라인 LY는, 가로 동작 평면 VP와 목표 시공 지형 CS와의 교선을 나타낸다. 가로 동작 평면 VP란, 작업기 동작 평면 WP와 직교하고, 점 AP를 통과하는 평면이다.

도 14는, 본 실시형태에 관한 목표 시공 지형 CS의 일례를 나타낸 모식도이다. 목표 시공 지형 생성부(54)는, 라인 LX 및 라인 LY를 취득하여, 라인 LX 및 라인 LY에 기초하여, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형 CS를 생성한다. 목표 시공 지형 CS를 버킷(8)으로 굴삭하는 경우, 제어 장치(50)는, 버킷(8)을 지나는 작업기 동작 평면 WP와 목표 시공 지형 CS와의 교선인 라인 LX를 따라 버킷(8)을 이동시킨다.

틸트 데이터 산출부(55)는, 틸트 데이터로서, 버킷(8)의 규정점 RP를 지나 틸트축(AX4)과 직교하는 틸트 동작 평면 TP를 산출한다.

도 15 및 도 16은, 본 실시형태에 관한 틸트 동작 평면 TP의 일례를 나타낸 모식도이다. 도 15는, 틸트축(AX4)이 목표 시공 지형 CS와 평행일 때의 틸트 동작 평면 TP를 나타낸다. 도 16은, 틸트축(AX4)이 목표 시공 지형 CS와 비평행일 때의 틸트 동작 평면 TP를 나타낸다

도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 틸트 동작 평면 TP란, 버킷(8)에 규정되어 있는 복수의 규정점 RP로부터 선택된 규정점 RPr을 지나 틸트축(AX4)와 직교하는 동작 평면을 말한다. 규정점 RPr로서, 복수의 규정점 RP 중, 목표 시공 지형 CS와의 거리가 가장 가까운 규정점 RP가 선택된다.

도 15 및 도 16은, 일례로서, 날끝(9)에 설정된 규정점 RPr을 지나는 틸트 동작 평면 TP를 나타낸다. 틸트 동작 평면 TP는, 틸트 실린더(14)의 작동에 의해 버킷(8)의 규정점 RPr[날끝(9)]이 이동하는 동작 평면이다. 붐 실린더(11), 암 실린더(12), 및 버킷 실린더(13) 중 1개 이상이 작동하고, 틸트축(AX4)의 방향을 나타내는 틸트축 각도 ε가 변화하면, 틸트 동작 평면 TP의 경사도 변화한다.

전술한 바와 같이, 작업기 각도 연산 장치(24)는, XY 평면에 대한 틸트축(AX4)의 경사 각도를 나타내는 틸트축 각도 ε를 산출할 수 있다. 틸트축 각도 ε는, 작업기 각도 데이터 취득부(52)에 취득된다. 또한, 규정점 RPr의 위치 데이터는, 규정점 위치 데이터 산출부(53)에 의해 산출된다. 틸트 데이터 산출부(55)는, 작업기 각도 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 틸트축(AX4)의 틸트축 각도 ε와, 규정점 위치 데이터 산출부(53)에 의해 산출된 규정점 RPr의 위치에 기초하여, 틸트 동작 평면 TP를 산출할 수 있다.

틸트 목표 지형 산출부(56)는, 복수의 규정점 RP로부터 선택된 규정점 RPr의 위치 데이터와 목표 시공 지형 CS와 틸트 데이터에 기초하여, 목표 시공 지형 CS에 있어서 버킷(8)의 측방 방향으로 연장되는 틸트 목표 지형 ST를 산출한다. 틸트 목표 지형 산출부(56)는, 목표 시공 지형 CS와 틸트 동작 평면 TP와의 교차부에 의해 규정되는 틸트 목표 지형 ST를 산출한다. 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 틸트 목표 지형 ST는, 목표 시공 지형 CS와 틸트 동작 평면 TP와의 교선에 의해 표현된다. 틸트축(AX4)의 방향인 틸트축 각도 ε가 변화하면, 틸트 목표 지형 ST의 위치가 변화한다.

각도 결정부(57)는, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 특정 부위가 평행하게 되도록, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 특정 부위의 각도를 나타내는 틸트 각도 δ를 결정한다. 본 실시형태에 있어서, 버킷(8)의 특정 부위는, 버킷(8)의 날끝(9)이다.

도 17은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS와의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 17의 (a)는, 버킷(8)을 ―Xm 측으로부터 본 도면이다. 도 17의 (b)는, 버킷(8)을 ＋Ym 측으로부터 본 도면이다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 각도 결정부(57)는, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 날끝(9)이 평행하게 되도록, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 날끝(9)의 각도를 나타내는 틸트 각도 δr을 결정한다. 즉, 각도 결정부(57)는, 버킷(8)의 날끝(9)을 목표 시공 지형 CS와 평행하게 하기 위한, 틸트 회전 방향에서의 버킷(8)의 날끝(9)의 틸트 회전 각도 δr을 결정한다.

본 실시형태에 있어서는, 각도 결정부(57)는, 틸트 목표 지형 ST와 버킷(8)의 날끝(9)이 평행하게 되도록, 버킷(8)의 날끝의 틸트 각도 δr을 결정한다.

작업기 제어부(58)는, 유압 실린더(10)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 작업기 제어부(58)는, 각도 결정부(57)와 결정된 틸트 각도 δr에 기초하여, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 날끝(9)이 평행하게 되도록, 틸트 실린더(14)를 제어한다.

또한, 작업기 제어부(58)는, 버킷(8)의 규정점 RPr과 틸트 목표 지형 ST와의 거리를 나타내는 동작 거리 Da에 기초하여, 버킷(8)이 목표 시공 지형 CS를 초과하지 않도록, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 틸트 회전을 정지시킨다. 즉, 작업기 제어부(58)는, 틸트 회전하는 버킷(8)이 틸트 목표 지형 ST를 초과하지 않도록, 틸트 목표 지형 ST로 버킷(8)을 정지시킨다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 틸트축(AX4)가 목표 시공 지형 CS와 평행일 때, 틸트 목표 지형 ST와 라인 LY와는 거의 일치한다. 따라서, 틸트 목표 지형 ST를 기준으로 한 틸트 회전에 대한 개입 제어와 라인 LY를 기준으로 한 틸트 회전에 대한 개입 제어는, 실질적으로 동일하다.

작업기 제어부(58)는, 버킷(8)에 설정된 복수의 규정점 RP 중 동작 거리 Da가 가장 짧은 규정점 RPr에 기초하여, 틸트 회전에 대한 개입 제어를 실시한다. 즉, 작업기 제어부(58)는, 버킷(8)에 설정된 복수의 규정점 RP 중 틸트 목표 지형 ST에 가장 가까운 규정점 RPr이 틸트 목표 지형 ST를 초과하지 않도록, 틸트 목표 지형 ST에 가장 가까운 규정점 RPr과 틸트 목표 지형 ST와의 동작 거리 Da에 기초하여, 틸트 회전에 대한 개입 제어를 실시한다.

목표 속도 결정부(59)는, 동작 거리 Da에 기초하여, 버킷(8)의 틸트 회전 속도에 대한 목표 속도 U를 결정한다. 목표 속도 결정부(59)는, 동작 거리 Da가 임계값인 라인 거리 H 이하일 때, 틸트 회전 속도를 제한한다.

도 18은, 본 실시형태에 관한 틸트 회전에 대한 개입 제어를 설명하기 위한 모식도이다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 목표 시공 지형 CS가 규정되고, 또한 속도 제한 개입 라인 IL이 규정된다. 속도 제한 개입 라인 IL은, 틸트축(AX4)과 평행하며, 틸트 목표 지형 ST로부터 라인 거리 H만큼 이격된 위치로 규정된다. 라인 거리 H는, 오퍼레이터의 조작감이 손상되지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 작업기 제어부(58)는, 틸트 회전하는 버킷(8) 중 적어도 일부가 속도 제한 개입 라인 IL을 초과하고, 동작 거리 Da가 라인 거리 H 이하로 되었을 때, 버킷(8)의 틸트 회전 속도를 제한한다. 목표 속도 결정부(59)는, 속도 제한 개입 라인 IL을 초과한 버킷(8)의 틸트 회전 속도에 대한 목표 속도 U를 결정한다. 도 18에 나타낸 예에서는, 버킷(8)의 일부가 속도 제한 개입 라인 IL을 초과하고, 동작 거리 Da가 라인 거리 H보다 작으므로, 틸트 회전 속도가 제한된다.

목표 속도 결정부(59)는, 틸트 동작 평면 TP와 평행한 방향에서의 규정점 RPr과 틸트 목표 지형 ST와의 동작 거리 Da를 취득한다. 또한, 목표 속도 결정부(59)는, 동작 거리 Da에 따른 목표 속도 U를 취득한다. 작업기 제어부(58)는, 동작 거리 Da가 라인 거리 H 이하인 것으로 판정된 경우, 틸트 회전 속도를 제한한다.

도 19는, 본 실시형태에 관한 동작 거리 Da와 목표 속도 U와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다. 도 19는, 버킷(8)의 틸트 회전을 동작 거리 Da에 기초하여 정지시키기 위한 동작 거리 Da와 목표 속도 U와의 관계의 일례를 나타낸다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 목표 속도 U는, 동작 거리 Da에 따라 획일적으로 결정되어 있는 속도이다. 목표 속도 U는, 동작 거리 Da가 라인 거리 H보다 클 때는 설정되지 않고, 동작 거리 Da가 라인 거리 H 이하일 때 설정된다. 동작 거리 Da가 작아지게 될수록, 목표 속도 U는 작아지고, 동작 거리 Da가 영으로 되면, 목표 속도 U도 영으로 된다. 그리고, 도 19에서는, 목표 시공 지형 CS에 가까워지는 방향을 마이너스의 방향으로서 나타내고 있다.

목표 속도 결정부(59)는, 조작 장치(30)의 틸트 조작 레버(30T)의 조작량에 기초하여, 규정점 RP가 목표 시공 지형 CS(틸트 목표 지형 ST)를 향해 이동할 때의 이동 속도 Vr을 산출한다. 이동 속도 Vr은, 틸트 동작 평면 TP와 평행한 면 내에서의 규정점 RPr의 이동 속도이다. 이동 속도 Vr은, 복수의 규정점 RP의 각각에 대하여 산출된다.

본 실시형태에 있어서는, 틸트 조작 레버(30T)가 조작된 경우, 틸트 조작 레버(30T)로부터 출력된 전류값에 기초하여, 이동 속도 Vr이 산출된다. 틸트 조작 레버(30T)가 조작되면, 틸트 조작 레버(30T)의 조작량에 따른 전류가 틸트 조작 레버(30T)로부터 출력된다. 기억부(60)에는, 틸트 조작 레버(30T)의 조작량에 따른 틸트 실린더(14)의 실린더 속도를 기억할 수 있다. 그리고, 실린더 속도는, 실린더 스트로크 센서의 검출로부터 구해져도 된다. 틸트 실린더(14)의 실린더 속도가 산출된 후, 목표 속도 결정부(59)는, 야코비안(Jacobian) 행렬식을 이용하여, 틸트 실린더(14)의 실린더 속도를 버킷(8)의 복수의 규정점 RP 각각의 이동 속도 Vr로 변환한다.

작업기 제어부(58)는, 동작 거리 Da가 라인 거리 H 이하인 것으로 판정된 경우, 목표 시공 지형 CS에 대한 규정점 RPr의 이동 속도 Vr을 목표 속도 U로 제한하는 속도 제한을 실시한다. 작업기 제어부(58)는, 버킷(8)의 규정점 RPr의 이동 속도 Vr을 억제하기 위해, 제어 밸브(37)에 제어 신호를 출력한다. 작업기 제어부(58)는, 버킷(8)의 규정점 RPr의 이동 속도 Vr이 동작 거리 Da에 따른 목표 속도 U로 되도록, 제어 밸브(37)에 제어 신호를 출력한다. 이로써, 틸트 회전하는 버킷(8)의 규정점 RPr의 이동 속도 RP는, 규정점 RPr이 목표 시공 지형 CS(틸트 목표 지형 ST)에 가까워질수록 늦어지게 되고, 규정점 RPr[날끝(9)]이 목표 시공 지형 CD에 도달했을 때 영으로 된다.

[각도 조정 방법]

다음에, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 틸트 각도 δ의 조정 방법에 대하여 설명한다. 도 20은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 틸트 각도 δ의 조정 방법의 일례를 나타낸 플로우차트이다. 도 21은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 틸트 각도 δ의 조정 방법의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.

규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 날끝(9)에 규정되어 있는 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPb의 위치 데이터를 산출한다(스텝 SA10).

도 21에 나타낸 바와 같이, 규정점 RPa 및 규정점 RPb는, 날끝(9)에서의 버킷(8)의 폭 방향 양측의 규정점이다. 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 차체 좌표계에서의 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPb의 위치 데이터를 산출한다.

또한, 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPb의 위치 데이터에 기초하여, 규정점 RPa와 규정점 RPb를 연결하는 방향 벡터 Vec_ab를 산출한다. 방향 벡터 Vec_ab는, 이하의 (1)식에 의해 규정된다.

[수식 1]

목표 시공 지형 생성부(54)는, 목표 시공 지형 CS의 법선 벡터 Nd를 산출한다(스텝 SA20).

각도 결정부(57)는, 틸트 동작 평면 TP와 목표 시공 지형 CS와의 교선 벡터 STr을 산출한다(스텝 SA30).

각도 결정부(57)는, 버킷(8)의 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS를 평행하게 하기 위한 버킷(8)의 날끝(9)의 틸트 각도 δr을 산출한다(스텝 SA40).

본 실시형태에 있어서, 각도 결정부(57)는, 이하의 2식을 연산 처리하여, 틸트 각도 δr을 산출한다.

[수식 2]

작업기 제어부(58)는, 각도 결정부(57)와 결정된 틸트 각도 δr에 기초하여, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 날끝(9)이 평행하게 되도록, 틸트 실린더(14)를 제어한다(스텝 SA50).

[효과]

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 틸트식 버킷에 있어서, 목표 시공 지형 CS에 대한 버킷(8)의 날끝(9)의 상대 각도에 기초하여, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 날끝(9)이 평행하게 되도록, 각도 결정부(57)에 있어서 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 날끝(9)의 틸트 각도 δr이 결정된다. 작업기 제어부(58)는, 각도 결정부(57)와 결정된 틸트 각도 δr에 기초하여, 틸트축(AX4)을 중심으로 버킷(8)을 회전시키는 틸트 실린더(14)를 제어한다. 이로써, 틸트 회전 방향에 있어서 버킷(8)의 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS를 평행하게 할 수 있다. 따라서, 시공 시에서의 유압 셔블(1)의 운전자의 조작의 부담이 경감되고, 또한 운전자의 익숙도에 의존하지 않는 고품질의 시공 결과가 얻어진다.

제2 실시형태.

제2 실시형태에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 전술한 실시형태와 동일하거나 또는 동등한 구성 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 간략 또는 생략한다.

도 22 및 도 23은, 본 실시형태에 관한 작업기(1)의 동작의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 22 및 도 23은, 틸트식의 버킷(8)을 가지는 작업기(1)를 사용하여 경사진 목표 시공 지형 CS에 기초하여 시공이 실시되는 예를 나타낸다

도 22에 나타낸 바와 같이, 버킷(8)의 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS를 평행하게 하여 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS를 일치시킨 상태에서, 암(7)을 이동시키면서 시공을 실시하려는 경우가 있다. 또한, 도 23에 나타낸 바와 같이, 버킷(8)의 바닥면(89)과 목표 시공 지형 CS를 평행하게 하여 바닥면(89)과 목표 시공 지형 CS를 일치시킨 상태에서, 암(7)을 이동시키면서 시공을 실시하려는 경우가 있다.

본 실시형태에 있어서는, 암(7)이 작동하는 상태에서, 버킷(8)의 날끝(9) 및 바닥면(89) 중 적어도 한쪽과 목표 시공 지형 CS와의 평행이 유지되도록, 작업기 제어부(58)가, 틸트 실린더(14) 및 버킷 실린더(13) 중 적어도 한쪽을 제어하는 예에 대하여 설명한다.

도 24는, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 각도의 조정 방법의 일례를 나타낸 플로우차트이다. 도 25 및 도 26은, 본 실시형태에 관한 버킷(8)의 각도의 조정 방법의 일례를 설명하기 위한 모식도이다. 도 25는, 버킷(8)의 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS를 평행하게 할 때의 버킷(8)의 각도의 조정 방법의 일례를 모식적으로 나타낸다. 도 26은, 버킷(8)의 바닥면(89)과 목표 시공 지형 CS를 평행하게 할 때의 버킷(8)의 각도의 조정 방법의 일례를 모식적으로 나타낸다

이하의 설명에서는, 버킷(8)의 날끝(9) 및 바닥면(89)을 총칭하여 적절히, 버킷(8)의 특정 부위라고 한다.

규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 날끝(9)에 규정되어 있는 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPb의 위치 데이터와, 바닥면(89)에 규정되어 있는 규정점 RPc의 위치 데이터를 산출한다(스텝 SB10).

도 25에 나타낸 바와 같이, 규정점 RPa 및 규정점 RPb는, 날끝(9)에서의 버킷(8)의 폭 방향 양측의 규정점이다. 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 차체 좌표계에서의 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPb의 위치 데이터를 산출한다.

도 26에 나타낸 바와 같이, 규정점 RPc는, 평탄한 바닥면(89)의 일부의 규정점이다. 버킷(8)의 폭 방향에 있어서, 규정점 RPa의 좌표와 규정점 RPc의 좌표는 같다. 본 실시형태에 있어서, 규정점 RPa는, 바닥판(81)의 일단부(一端部)로 규정되고, 규정점 RPc는, 바닥판(81)의 타단부로 규정된다.

또한, 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPb의 위치 데이터에 기초하여, 규정점 RPa와 규정점 RPb를 연결하는 방향 벡터 Vec_ab를 산출한다.

또한, 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 규정점 RPa의 위치 데이터 및 규정점 RPc의 위치 데이터에 기초하여, 규정점 RPa와 규정점 RPc를 연결하는 방향 벡터 Vec_ac를 산출한다.

또한, 규정점 위치 데이터 산출부(53)는, 틸트축(AX4)의 법선 벡터 Vec_tilt를 산출한다.

각도 결정부(57)는, 목표 시공 지형 CS와 평행하게 하는 버킷(8)의 특정 부위의 목표 법선 벡터 Nref를 산출한다(스텝 SB20).

예를 들면, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 날끝(9)을 평행하게 하는 경우, 도 25에 나타낸 바와 같이, 각도 결정부(57)는, 버킷(8)의 날끝(9)의 방향 벡터 Vec_ab와 직교하는 버킷(8)의 날끝(9)의 목표 법선 벡터 Nref를 산출한다. 버킷(8)의 날끝(9)의 목표 법선 벡터 Nref는, 틸트 동작 평면 TP에 있어서, 버킷(8)의 날끝(9)의 방향 벡터 Vec_ab와 직교하도록 규정된다. 버킷(8)의 날끝(9)의 목표 법선 벡터 Nref는, 틸트축(AX4)의 법선 벡터 Vec_tilt과도 직교한다.

또한, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 바닥면(89)을 평행하게 하는 경우, 도 26에 나타낸 바와 같이, 각도 결정부(57)는, 버킷(8)의 바닥면(89)의 방향 벡터 Vec_ac와 직교하는 버킷(8)의 바닥면(89)의 목표 법선 벡터 Nref를 산출한다. 바닥면(89)은 실질적으로 평면이다. 따라서, 버킷(8)의 바닥면(89)의 목표 법선 벡터 Nref는 일의적(一義的)으로 정해진다.

방향 벡터 Vec_ab는, 전술한(1)식에 의해 규정된다. 방향 벡터 Vec_ac는, 이하의 3식에 의해 규정된다.

[수식 3]

버킷(8)의 날끝(9)의 목표 법선 벡터 Nref는, 이하의 4식에 의해 규정된다.

[수식 4]

버킷(8)의 바닥면(89)의 목표 법선 벡터 Nref는, 이하의 5식에 의해 규정된다.

[수식 5]

목표 시공 지형 생성부(54)는, 목표 시공 지형 CS의 법선 벡터 Nd를 산출한다(스텝 SB30).

각도 검출부(57)는, 평가 함수 Q를 산출한다(스텝 SB40).

평가 함수 Q는, 목표 법선 벡터 Nref와 법선 벡터 Nd와의 평행 오차를 나타내는 평가 함수 Q1와, 날끝(9)과 목표 시공 지형 CS와의 거리 Da를 나타낸 평가 함수 Q2와의 합이다. 즉, 이하의 6식, 7식, 및 8식이 성립한다.

[수식 6]

[수식 7]

[수식 8]

6식에 있어서, 목표 법선 벡터 Nref와 법선 벡터 Nd가 평행하게 되는 조건은, 서로 내적(內積)이 1로 되는 것이다. 즉, 이하의 9식이 성립하는 것이다.

[수식 9]

그리고, 8식에 있어서, 버킷(8)을 목표 시공 지형 CS에 접촉시킬 필요가 없는 경우에는, Q=Q1로 된다.

각도 검출부(57)는, (8)의 평가 함수 Q가 최소로 되도록, 소정의 수치 연산법에 의해 연산 처리를 실시한다. 연산 처리에는, 예를 들면, 뉴턴법(Newton method), 파웰법, 및 단체법(團體法; simplex method) 등이 이용 가능하다.

각도 검출부(57)는, 평가 함수 Q가 최소로 되었는지의 여부를 판정한다(스텝 SB50). 즉, 각도 검출부(57)는, 소정의 수치 연산법에 의해 연산 처리를 실시하여, 평가 함수가 실질적으로 영(零; zero)으로 되었는지의 여부를 판정한다.

스텝 SB50에 있어서, 평가 함수 Q가 최소인 것으로 판정된 경우(스텝 SB50: Yes), 각도 검출부(57)는, 버킷(8)의 특정 부위와 목표 시공 지형 CS를 평행하게 하기 위한 버킷(8)의 특정 부위의 틸트 각도 δr 및 버킷 각도 γr을 산출한다(스텝 SB60). 즉, 각도 검출부(57)는, 평가 함수 Q를 최소로 하는 틸트 각도 δr 및 버킷 각도 γr을 결정한다.

틸트 각도 δr은, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 특정 부위를 평행하게 하기 위한, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 특정 부위의 각도를 나타낸다. 버킷 각도 γr은, 버킷축(AX3)을 중심으로 하는 버킷(8)의 특정 부위의 각도를 나타낸다.

작업기 제어부(58)는, 각도 결정부(57)에서 결정된 틸트 각도 δr 및 버킷 각도 γr에 기초하여, 목표 시공 지형 CS와 버킷(8)의 특정 부위가 평행하게 되도록, 틸트 실린더(14) 및 버킷 실린더(13)를 제어한다(스텝 SB70).

스텝 SB50에 있어서, 평가 함수 Q가 최소가 아닌 것으로 판정된 경우(스텝 SB50: No), 각도 검출부(57)는, 틸트 각도 δr 또는 버킷 각도 γr을 갱신하고(스텝 SB80), 스텝 SB40의 처리로 돌아온다.

그 외의 실시형태.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서, 평가 함수 Q에 대하여, 평가 함수 Q1 및 평가 함수 Q2에 가중치를 부여해도 된다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서는, 건설 기계(100)가 유압 셔블인 것으로 하였다. 전술한 실시형태에서 설명한 구성 요소는, 유압 셔블과는 다른, 작업기를 구비하는 건설 기계에 적용할 수 있다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서, 상부 선회체(2)는, 유압에 의해 선회해도 되고, 전동 액추에이터가 발생하는 동력에 의해 선회해도 된다. 또한, 작업기(1)는, 유압 실린더(10)가 아니고, 전동 액추에이터가 발생하는 동력에 의해 작동해도 된다.

1: 작업기, 2: 상부 선회체, 3: 하부 주행체, 3C: 크롤러, 4: 운전실, 5: 기계실, 6: 붐, 7: 암, 8: 버킷, 8B: 버킷 핀, 8T: 틸트 핀, 9: 날끝, 10: 유압 실린더, 10A: 캡측 오일실, 10B: 로드측 오일실, 11: 붐 실린더, 12: 암 실린더, 13: 버킷 실린더, 14: 틸트 실린더, 16: 붐 스트로크 센서, 17: 암 스트로크 센서, 18: 버킷 스트로크 센서, 19: 틸트 스트로크 센서, 20: 위치 연산 장치, 21: 차체 위치 연산기, 22: 자세 연산기, 23: 방위 연산기, 24: 작업기 각도 연산 장치, 25: 유량 제어 밸브, 30: 조작 장치, 30F: 조작 페달, 30L: 좌측 작업기 조작 레버, 30R: 우측 작업기 조작 레버, 30T: 틸트 조작 레버, 31: 메인 유압 펌프, 32: 파일럿압 펌프, 33A, 33B: 오일 통로, 34A, 34B: 압력 센서, 35A, 35B: 오일 통로, 36A, 36B: 셔틀 밸브, 37A, 37B: 제어 밸브, 38A, 38B: 오일 통로, 50: 제어 장치, 51: 차체 위치 데이터 취득부, 52: 작업기 각도 데이터 취득부, 53: 규정점 위치 데이터 산출부, 54: 목표 시공 지형 생성부, 55: 틸트 데이터 산출부, 56: 틸트 목표 지형 산출부, 57: 각도 결정부, 58: 작업기 제어부, 59: 목표 속도 결정부, 60: 기억부, 61: 입출력부, 70: 목표 시공 데이터 생성 장치, 81: 바닥판, 82: 배면판, 83: 상판, 84: 측판, 85: 측판, 86: 개구부, 87: 브래킷, 88: 브래킷, 89: 바닥면, 90: 접속 부재, 91: 플레이트 부재, 92: 브래킷, 93: 브래킷, 94: 제1 링크 부재, 94P: 제1 링크 핀, 95: 제2 링크 부재, 95P: 제2 링크 핀, 96: 버킷 실린더 탑 핀, 97: 브래킷, 100: 유압 셔블(건설 기계), 200: 제어 시스템, 300: 유압 시스템, 400: 검출 시스템, AP: 점, AX1: 붐축, AX2: 암축, AX3: 버킷축, AX4: 틸트축, CD: 목표 시공 데이터, CS: 목표 시공 지형, Da: 동작 거리, L1: 붐 길이, L2: 암 길이, L3: 버킷 길이, L4: 틸트 길이, L5: 버킷 폭, LX: 라인, LY: 라인, RP: 규정점, RX: 선회축, ST: 틸트 목표 지형, TP: 틸트 동작 평면, α: 붐 각도, β: 암 각도, γ: 버킷 각도, δ: 틸트 각도, ε: 틸트축 각도, θ1: 롤 각도, θ2: 피치 각도, θ3: 요 각도.

Claims

암과, 버킷축(bucket axis) 및 상기 버킷축과 직교하는 틸트축(tilt axis)의 각각을 중심으로 상기 암에 대하여 회전 가능한 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 건설 기계의 제어 시스템으로서,
굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형과 상기 버킷의 폭 방향으로 설정되는 복수의 규정점에 의해 특정되는 특정 부위가 틸트 회전 방향에 있어서 평행하게 되도록, 상기 틸트축을 중심으로 하는 상기 버킷의 상기 특정 부위의 각도를 나타내는 틸트 각도(tilt angle)를 결정하는 각도 결정부; 및
상기 각도 결정부에서 결정된 상기 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트축을 중심으로 상기 버킷을 회전시키는 틸트 실린더를 제어하는 작업기 제어부;
를 포함하는 건설 기계의 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 각도 결정부는, 상기 목표 시공 지형과 상기 버킷의 상기 특정 부위가 평행하게 되도록, 상기 버킷축을 중심으로 하는 상기 버킷의 상기 특정 부위의 각도를 나타내는 버킷 각도를 결정하고,
상기 작업기 제어부는, 상기 각도 결정부에서 결정된 상기 틸트 각도 및 상기 버킷 각도에 기초하여, 상기 틸트 실린더 및 상기 버킷축을 중심으로 상기 버킷을 회전시키는 버킷 실린더를 제어하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 버킷은, 날끝(cutting edge)과, 상기 날끝과 접속되는 평탄한 바닥면을 가지고,
상기 특정 부위는, 상기 날끝 및 상기 바닥면을 구비하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 작업기 제어부는, 상기 암이 작동하는 상태에서, 상기 버킷의 상기 특정 부위와 상기 목표 시공 지형과의 평행이 유지되도록, 상기 틸트 실린더 및 상기 버킷 실린더 중 적어도 한쪽을 제어하는, 건설 기계의 제어 시스템.
상부 선회체(旋回體);
상기 상부 선회체를 지지하는 하부 주행체;
제1항에 기재된 건설 기계의 제어 시스템; 및
상기 암과 상기 버킷을 구비하고, 상기 상부 선회체에 지지되는 작업기;
를 포함하는 건설 기계.
암과, 버킷축 및 상기 버킷축과 직교하는 틸트축의 각각을 중심으로 상기 암에 대하여 회전 가능한 버킷을 구비하는 작업기를 포함하는 건설 기계의 제어 방법으로서,
굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 지형과 상기 버킷의 폭 방향으로 설정되는 복수의 규정점에 의해 특정되는 특정 부위가 틸트 회전 방향에 있어서 평행하게 되도록, 상기 틸트축을 중심으로 하는 상기 버킷의 상기 특정 부위의 각도를 나타내는 틸트 각도를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 틸트 각도에 기초하여, 상기 틸트축을 중심으로 상기 버킷을 회전시키는 틸트 실린더를 제어하는 단계;
를 포함하는 건설 기계의 제어 방법.