KR102225940B1

KR102225940B1 - 작업 기계

Info

Publication number: KR102225940B1
Application number: KR1020197024499A
Authority: KR
Inventors: 히사미 나카노; 히로아키 다나카; 유스케 스즈키
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2021-03-10
Also published as: CN110520575B; JP6731557B2; US20200232186A1; EP3770332A4; US11384509B2; EP3770332A1; JPWO2019180894A1; CN110520575A; EP3770332B1; KR20190112024A; WO2019180894A1

Abstract

복수의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호를 저주파 성분과 고주파 성분으로 분리하는 신호 분리부(150)와, 분리된 고주파 성분을 관성 부하가 상대적으로 작은 프론트 부재에 우선적으로 할당하여 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 고변동 목표 속도 연산부(143)와, 그 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도로부터 복수의 액추에이터의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)와, 신호 분리부에서 분리된 저주파 성분으로부터 복수의 액추에이터의 저변동 목표 속도를 각각 연산하는 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)와, 고변동 목표 속도와 저변동 목표 속도를 복수의 액추에이터마다 가산한 값에 기초하여 복수의 액추에이터를 각각 제어하는 액추에이터 제어부(200)를 유압 셔블(1)의 컨트롤러(25)에 구비한다.

Description

작업 기계

본 발명은, 유압 셔블 등의 작업 기계에 관한 것이다.

유압 액추에이터에 의해 구동되는 작업 장치(예를 들어, 프론트 작업 장치)를 구비하는 작업 기계(예를 들어, 유압 셔블)의 작업 효율을 향상시키는 기술로서 머신 컨트롤(Machine Control: MC)이 있다. MC는, 조작 장치가 오퍼레이터에 의해 조작된 경우에, 미리 정한 조건에 따라서 작업 장치를 동작시키는 반자동 제어를 실행함으로써 오퍼레이터의 조작 지원을 행하는 기술이다.

작업 기계의 일 형태인 유압 셔블의 MC로서는, 프론트 작업 장치의 제어점(예를 들어, 버킷 클로 끝)이 목표면(설계면이라고도 칭함)으로 침입하는 것을 방지하도록 프론트 작업 장치의 제어를 행하는 반자동 굴삭 성형 제어(프론트 작업 장치의 이동 영역을 목표면의 상방으로 제한하는 제어라고 하는 의미에서 「영역 제한 제어」라고 칭하기도 함)가 알려져 있다. 예를 들어 특허문헌 1의 작업기 제어 시스템은, 프론트 작업 장치에 대한 오퍼레이터의 조작에 따라서 출력되는 조작 신호에 암 조작 신호가 포함되어 있는 경우, 목표면을 따라 버킷을 이동시키는 성형 작업을 행하려고 하고 있다고 판단한다. 그리고 암 동작에 의해 목표면에 대해 수직인 방향으로 발생하는 버킷 선단의 속도(이하, 수직 속도)를 상쇄하도록 붐을 자동으로 동작시키고, 이에 의해 반자동적으로 버킷을 목표면을 따라 이동시키는 작업을 실현하고 있다.

이와 같이 하면, 버킷을 목표면을 따라 이동시키는 수평 당김 작업에 있어서는, 오퍼레이터는 암을 조작하는 것만으로 목표면을 굴삭 성형할 수 있다. 또한, 오퍼레이터는, 암의 조작량에 의해 목표면에 대해 평행한 방향으로 발생하는 버킷 선단 속도(이하, 굴삭 속도)를 조정할 수 있으므로 의도하는 속도로 수평 당김 작업을 행할 수 있다. 이것은, 암 동작에 의한 굴삭 속도는 수직 속도에 비해 큰 경향이 있고, 붐 동작에 의한 굴삭 속도는 수직 속도에 비해 작은 경향이 있으므로, 굴삭 속도는 주로 암 동작 속도에 따라서 변동되기 때문이다.

국제 공개 제2012/127912호 팸플릿

그러나 특허문헌 1에 기재된 작업기의 제어 시스템을 사용한 작업 기계에서는, 굴삭 속도에 따라서는 안정적으로 목표면을 따라 버킷을 이동시키는 것이 곤란해져, 목표면의 성형 정밀도를 손상시킬 우려가 있다. 반자동 굴삭 성형 제어를 이용하여 수평 당김 작업을 행한 경우, 암은 오퍼레이터의 조작에 따라서 크라우드 동작(당김 동작)하고, 붐은 암 동작에 의해 발생하는 수직 속도를 상쇄하도록 자동으로 상승 동작한다. 만일, 토질 등의 외란의 영향에 의해 버킷 선단이 목표면의 하방에 침입한 경우는, 버킷 선단이 그 이상 목표면에 침입하지 않도록 붐 상승 속도가 증가한다. 그 후 버킷 선단이 목표면에 도달하면, 붐 상승 속도가 억제되어 버킷 선단을 목표면 상에 유지하려고 한다.

그러나 이때, 굴삭 속도가 어느 정도 고속이면, 붐 상승 속도의 증가가 제때 이루어지지 않아 버킷 선단이 목표면의 하방에 위치한 채 수평 방향으로 장거리 이동할 우려가 있다. 혹은, 버킷 선단이 목표면에 도달하였을 때의 붐 상승 속도의 억제가 제때 이루어지지 않아 버킷 선단이 목표면으로부터 부상할 우려가 있다. 즉, 암 동작이 고속이면 안정적으로 반자동 굴삭 성형 제어를 행하는 것이 곤란해져 굴삭 성형 정밀도가 손상될 우려가 있다. 이것은, 암에 비해 붐의 관성 부하가 커, 제어 시스템이 요구하는 붐 실린더의 속도 변화에 대해 실제의 속도 변화의 지연이 크기 때문에 일어난다.

본 발명은, 상기한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 굴삭 속도가 고속인 경우라도, 고정밀도로 반자동 굴삭 성형 제어를 행할 수 있는 작업 기계를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, 복수의 프론트 부재를 갖는 작업 장치와, 상기 복수의 프론트 부재를 구동하는 복수의 유압 액추에이터와, 오퍼레이터의 조작에 따라서 상기 복수의 유압 액추에이터의 동작을 지시하는 조작 장치와, 상기 조작 장치의 조작 시에 상기 작업 장치가 소정의 목표면의 상방으로 제한되도록, 상기 복수의 프론트 부재의 목표 속도를 각각 연산하는 목표 속도 연산부를 갖는 컨트롤러를 구비하는 작업 기계에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 프론트 부재의 목표 속도의 신호를 각각 소정의 역치보다 주파수가 낮은 저주파 성분과 상기 역치보다 주파수가 높은 고주파 성분으로 분리하는 신호 분리부와, 상기 신호 분리부에서 분리된 상기 고주파 성분을 상기 복수의 프론트 부재 중 관성 부하가 상대적으로 작은 프론트 부재에 우선적으로 할당하여 상기 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 고변동 목표 속도 연산부와, 상기 고변동 목표 속도 연산부에서 연산된 상기 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도와 상기 복수의 프론트 부재의 자세 정보에 기초하여, 상기 복수의 액추에이터의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부와, 상기 신호 분리부에서 분리된 상기 저주파 성분과 상기 복수의 프론트 부재의 자세 정보에 기초하여, 상기 복수의 액추에이터의 저변동 목표 속도를 각각 연산하는 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부와, 상기 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부의 연산 결과와 상기 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부의 연산 결과를 상기 복수의 액추에이터마다 가산한 값에 기초하여 상기 복수의 액추에이터를 각각 제어하는 액추에이터 제어부를 구비한다.

본 발명에 따르면, 굴삭 속도가 고속인 경우라도, 고정밀도로 반자동 굴삭 성형 제어를 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 작업 기계의 일례인 유압 셔블(1)의 측면도.
도 2는 글로벌 좌표계 및 로컬 좌표계에 있어서의 유압 셔블(1)의 측면도.
도 3은 유압 셔블(1)의 차체 제어 시스템(23)의 구성도.
도 4는 컨트롤러(25)의 하드웨어 구성의 개략도.
도 5는 유압 셔블(1)의 유압 회로(27)의 개략도.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 컨트롤러(25)의 기능 블록도.
도 7은 제1 실시 형태에 관한 목표 액추에이터 속도 연산부(100)의 기능 블록도.
도 8은 버킷 선단(P4)과 목표면(60)의 거리 D와 속도 보정 계수 k의 관계를 나타내는 그래프.
도 9는 버킷 선단(P4)에 있어서의 거리 D에 따른 보정 전후의 속도 벡터를 나타내는 모식도.
도 10은 제1 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도.
도 11은 도 10 상에 각 프론트 부재의 목표 속도 신호나 목표 액추에이터 속도의 일례를 중첩 표시한 도면.
도 12는 제1 실시 형태에 관한 컨트롤러(25)에 의한 제어 흐름을 나타내는 흐름도.
도 13은 제2 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도.
도 14는 제3 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도.
도 15는 버킷(10)이 특이 자세를 취하고 있는 상황의 설명도.
도 16은 암(9)이 특이 자세를 취하고 있는 상황의 설명도.
도 17은 제4 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도.
도 18은 제5 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 작업 기계에 대해 도면에 기초하여 설명한다. 이하에서는, 작업 장치의 선단의 작업구(어태치먼트)로서 버킷(10)을 구비하는 유압 셔블을 예시하지만, 버킷 이외의 어태치먼트를 구비하는 작업 기계에서 본 발명을 적용해도 상관없다. 또한, 복수의 프론트 부재(어태치먼트, 암, 붐 등)를 연결하여 구성되는 다관절형의 작업 장치를 갖는 것이면 유압 셔블 이외의 작업 기계에의 적용도 가능하다.

또한, 본 명세서에서는, 어느 형상을 나타내는 용어(예를 들어, 목표면, 설계면 등)와 함께 사용되는 「상」, 「상방」 또는 「하방」이라고 하는 단어의 의미에 관하여, 「상」은 당해 어느 형상의 「표면」을 의미하고, 「상방」은 당해 어느 형상의 「표면보다 높은 위치」를 의미하고, 「하방」은 당해 어느 형상의 「표면보다 낮은 위치」를 의미하는 것으로 한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 구성 요소가 복수 존재하는 경우, 부호(숫자)의 말미에 알파벳을 붙이는 경우가 있는데, 당해 알파벳을 생략하고 당해 복수의 구성 요소를 통합하여 표기하는 경우가 있다. 예를 들어, 2개의 펌프(2a, 2b)가 존재할 때, 이들을 통합하여 펌프(2)라고 표기하는 경우가 있다.

<제1 실시 형태>

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 작업 기계의 일례인 유압 셔블(1)의 측면도이다. 유압 셔블(1)은, 좌우 측부의 각각에 마련되는 크롤러 벨트를 유압 모터(도시하지 않음)에 의해 구동시켜 주행하는 주행체(하부 주행체)(2)와, 주행체(2) 상에 선회 가능하게 마련되는 선회체(상부 선회체)(3)를 구비하고 있다.

선회체(3)는, 운전실(4), 기계실(5), 카운터 웨이트(6)를 갖는다. 운전실(4)은, 선회체(3)의 전방부에 있어서의 좌측부에 마련되어 있다. 기계실(5)은, 운전실(4)의 후방에 마련되어 있다. 카운터 웨이트는, 기계실(5)의 후방, 즉 선회체(3)의 후단에 마련되어 있다.

또한, 선회체(3)는, 다관절형의 작업 장치(프론트 작업 장치)(7)를 장비하고 있다. 작업 장치(7)는, 선회체(3)의 전방부에 있어서의 운전실(4)의 우측, 즉 선회체(3)의 전방부에 있어서의 대략 중앙부에 마련되어 있다. 작업 장치(7)는, 붐(8)과, 암(9)과, 버킷(작업구)(10)과, 붐 실린더(11)와, 암 실린더(12)와, 버킷 실린더(13)를 갖는다. 붐(8)의 기단부는, 붐 핀(P1)(도 2 참조)을 통해, 선회체(3)의 전방부에 회동 가능하게 설치되어 있다. 암(9)의 기단부는, 암 핀(P2)(도 2 참조)을 통해, 붐(8)의 선단부에 회동 가능하게 설치되어 있다. 버킷(10)의 기단부는, 버킷 핀(P3)(도 2 참조)을 통해, 암(9)의 선단부에 회동 가능하게 설치되어 있다. 붐 실린더(11)와, 암 실린더(12)와, 버킷 실린더(13)는 각각 작동유에 의해 구동되는 유압 실린더이다. 붐 실린더(11)는 신축하여 붐(8)을 구동하고, 암 실린더(12)는 신축한 암(9)을 구동하고, 버킷 실린더(13)는 신축하여 버킷(10)을 구동한다. 또한, 이하에서는, 붐(8), 암(9) 및 버킷(작업구)(10)을 각각 프론트 부재라고 칭하는 경우가 있다.

기계실(5)의 내부에는 가변 용량형의 제1 유압 펌프(14) 및 제2 유압 펌프(15)(도 3 참조)와, 제1 유압 펌프(14) 및 제2 유압 펌프(15)를 구동하는 엔진(원동기)(16)(도 3 참조)이 설치되어 있다.

운전실(4)의 내부에는 차체 경사 센서(17), 붐(8)에는 붐 경사 센서(18), 암(9)에는 암 경사 센서(19), 버킷(10)에는 버킷 경사 센서(20)가 설치되어 있다. 예를 들어, 차체 경사 센서(17), 붐 경사 센서(18), 암 경사 센서(19), 버킷 경사 센서(20)는 IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 계측 장치)이다. 차체 경사 센서(17)는 수평면에 대한 상부 선회체(차체)(3)의 각도(대지 각도)를, 붐 경사 센서(18)는 붐의 대지 각도를, 암 경사 센서(19)는 암(9)의 대지 각도를, 버킷 경사 센서(20)는 버킷(10)의 대지 각도를 계측한다.

선회체(3)의 후방부의 좌우에 제1 GNSS 안테나(21)와 제2 GNSS 안테나(22)가 설치되어 있다. GNSS라 함은, Global Navigation Satellite System(전구 측위 위성 시스템)의 약칭이다. 제1 GNSS 안테나(21)와 제2 GNSS 안테나(22)가 각각 복수의 항법 위성(바람직하게는 4기 이상의 항법 위성)으로부터 수신한 항법 신호부터 글로벌 좌표계에 있어서의 소정의 2점(예를 들어, 안테나(21, 22)의 기단부 위치)의 위치 정보를 산출할 수 있다. 그리고 산출한 2점의 글로벌 좌표계에 있어서의 위치 정보(좌표값)에 의해, 유압 셔블(1)에 설정한 로컬 좌표계(차체 기준 좌표계)의 원점 P0(도 2 참조)의 글로벌 좌표계에 있어서의 좌표값과, 로컬 좌표계를 구성하는 3축의 글로벌 좌표계에 있어서의 자세(즉 도 2의 예에서는 주행체(2) 및 선회체(3)의 자세·방위)를 계산하는 것이 가능하다. 이러한 항법 신호에 기초하는 각종 위치의 연산 처리는 후술하는 컨트롤러(25)에 의해 행할 수 있다.

도 2는 유압 셔블(1)의 측면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 붐(8)의 길이, 즉, 붐 핀(P1)으로부터 암 핀(P2)까지의 길이를 L1로 한다. 또한, 암(9)의 길이, 즉, 암 핀(P2)으로부터 버킷 핀(P3)까지의 길이를 L2로 한다. 또한, 버킷(10)의 길이, 즉, 버킷 핀(P3)으로부터 버킷 선단(버킷(10)의 클로)(P4)까지의 길이를 L3으로 한다. 또한, 글로벌 좌표계에 대한 선회체(3)의 경사, 즉, 수평면 연직 방향(수평면에 수직인 방향)과 차체 연직 방향(선회체(3)의 선회 중심축 방향)이 이루는 각도를 θ4로 한다. 이하, 차체 전후 경사각(θ4)이라고 한다. 붐 핀(P1)과 암 핀(P2)을 연결한 선분과 차체 연직 방향이 이루는 각도를 θ1로 하고, 이하, 붐 각도(θ1)라고 한다. 암 핀(P2)과 버킷 핀(P3)을 연결한 선분과, 붐 핀(P1)과 암 핀(P2)으로 이루어지는 직선이 이루는 각도를 θ2로 하고, 이하, 암 각도(θ2)라고 한다. 버킷 핀(P3)과 버킷 선단(P4)을 연결한 선분과, 암 핀(P2)과 버킷 핀(P3)으로 이루어지는 직선이 이루는 각도를 θ3으로 하고, 이하, 버킷 각도(θ3)라고 한다.

도 3은 유압 셔블(1)의 차체 제어 시스템(23)의 구성도이다. 차체 제어 시스템(23)은, 작업 장치(7)를 조작하기 위한 조작 장치(24)와, 제1, 제2 유압 펌프(14, 15)를 구동하는 엔진(16)과, 제1, 제2 유압 펌프(14, 15)로부터 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)에 공급하는 작동유의 유량과 방향을 제어하는 유량 제어 밸브 장치(26)와, 유량 제어 밸브 장치(26)를 제어하는 제어 장치인 컨트롤러(25)를 구비하고 있다.

조작 장치(24)는, 붐(8)(붐 실린더(11))을 조작하기 위한 붐 조작 레버(24a)와, 암(9)(암 실린더(12))을 조작하기 위한 암 조작 레버(24b)와, 버킷(10)(버킷 실린더(13))을 조작하기 위한 버킷 조작 레버(24c)를 갖는다. 예를 들어, 각 조작 레버(24a, 24b, 24c)는 전기 레버이며, 각 레버의 경도량(조작량) 및 경도 방향(조작 방향)에 따른 전압값을 컨트롤러(25)에 출력한다. 붐 조작 레버(24a)는 붐 실린더(11)의 목표 동작량을 붐 조작 레버(24a)의 조작량에 따른 전압값으로서 출력한다(이하, 붐 조작량으로 함). 암 조작 레버(24b)는 암 실린더(12)의 목표 동작량을 암 조작 레버(24b)의 조작량에 따른 전압값으로서 출력한다(이하, 암 조작량으로 함). 버킷 조작 레버(24c)는 버킷 실린더(13)의 목표 동작량을 버킷 조작 레버(24c)에 따른 전압값으로서 출력한다(이하, 버킷 조작량으로 함). 또한, 각 조작 레버(24a, 24b, 24c)를 유압 파일럿 레버로 하고, 각 레버(24a, 24b, 24c)의 경도량에 따라서 생성되는 파일럿 압력을 압력 센서(도시하지 않음)에 의해 전압값으로 변환하여 컨트롤러(25)에 출력함으로써 각 조작량을 검출해도 된다.

컨트롤러(25)는, 조작 장치(24)로부터 출력된 조작량과, 작업 장치(7)에 미리 설정한 소정의 제어점인 버킷 선단(P4)의 위치 정보(제어점 위치 정보)와, 컨트롤러(25) 내에 미리 기억된 목표면(60)(도 2 참조)의 위치 정보(목표면 정보)에 기초하여 제어 지령을 연산하고, 그 제어 지령을 유량 제어 밸브 장치(26)에 출력한다. 본 실시 형태의 컨트롤러(25)는, 조작 장치(24)의 조작 시에, 작업 장치(7)의 동작 범위가 목표면(60) 상 및 그 상방으로 제한되도록 유압 실린더(11, 12, 13)의 목표 속도를 버킷 선단(P4)(제어점)과 목표면(60)의 거리(목표면 거리) D(도 2 참조)에 따라서 연산한다. 또한, 본 실시 형태에서는 작업 장치(7)의 제어점으로서 버킷 선단(P4)(버킷(10)의 클로 끝)을 설정하였지만, 작업 장치(7) 상의 임의의 점을 제어점으로 설정할 수 있고, 예를 들어 작업 장치(7)에 있어서 암(9)보다 앞의 부분에서 목표면(60)에 가장 가까운 점을 제어점으로 설정해도 된다.

도 4는 컨트롤러(25)의 하드웨어 구성의 개략도이다. 도 4에 있어서 컨트롤러(25)는, 입력 인터페이스(91)와, 프로세서인 중앙 처리 장치(CPU)(92)와, 기억 장치인 리드 온리 메모리(ROM)(93) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)(94)와, 출력 인터페이스(95)를 갖고 있다.

입력 인터페이스(91)에는, 작업 장치(7)의 자세를 검출하는 작업 장치 자세 검출 장치(50)인 경사 센서(17, 18, 19, 20)로부터의 신호와, 각 조작 레버(24a, 24b, 24c)의 조작량 및 조작 방향을 나타내는 조작 장치(24)로부터의 전압값(조작 신호)과, 작업 장치(7)에 의한 굴삭 작업이나 성토 작업의 기준이 되는 목표면(60)을 설정하기 위한 장치인 목표면 설정 장치(51)로부터의 신호와, 붐(8), 암(9), 및 버킷(10)의 질량이나 관성 모멘트 등의 관성 정보를 설정하기 위한 장치인 관성 정보 설정 장치(41)로부터의 신호가 입력되어, CPU(92)가 연산 가능하도록 변환한다.

ROM(93)은, 후술하는 흐름도에 관한 처리를 포함하여 컨트롤러(25)가 각종 제어 처리를 실행하기 위한 제어 프로그램과, 당해 각종 제어 처리의 실행에 필요한 각종 정보 등이 기억된 기록 매체이다. CPU(92)는, ROM(93)에 기억된 제어 프로그램에 따라서 입력 인터페이스(91) 및 ROM(93), RAM(94)으로부터 도입한 신호에 대해 소정의 연산 처리를 행한다. 출력 인터페이스(95)는, CPU(92)에서의 연산 결과에 따른 출력용 신호를 작성하여 출력한다. 출력 인터페이스(95)의 출력용의 신호로서는 전자기 밸브(32, 33, 34, 35)(도 5 참조)의 제어 지령이 있고, 전자기 밸브(32, 33, 34, 35)는 그 제어 지령에 기초하여 동작하여 유압 실린더(11, 12, 13)를 제어한다. 또한, 도 4의 컨트롤러(25)는, 기억 장치로서 ROM(93) 및 RAM(94)이라고 하는 반도체 메모리를 구비하고 있지만, 기억 장치라면 특히 대체 가능하고, 예를 들어 하드디스크 드라이브 등의 자기 기억 장치를 구비해도 된다.

유량 제어 밸브 장치(26)는, 전자기 구동 가능한 복수의 스풀을 구비하고 있고, 컨트롤러(25)에 의해 출력된 제어 지령에 기초하여 각 스풀의 개구 면적(스로틀 개방도)을 변화시킴으로써, 유압 실린더(11, 12, 13)를 포함하는 유압 셔블(1)에 탑재된 복수의 유압 액추에이터를 구동한다.

도 5는 유압 셔블(1)의 유압 회로(27)의 개략도이다. 유압 회로(27)는, 제1 유압 펌프(14)와, 제2 유압 펌프(15)와, 유량 제어 밸브 장치(26)와, 작동유 탱크(36a, 36b)를 구비하고 있다.

유량 제어 밸브 장치(26)는, 제1 유압 펌프(14)로부터 암 실린더(12)에 공급하는 작동유의 유량을 제어하는 제1 유량 제어 밸브인 제1 암 스풀(28)과, 제2 펌프(15)로부터 암 실린더(12)에 공급하는 작동유의 유량을 제어하는 제3 유량 제어 밸브인 제2 암 스풀(29)과, 제1 유압 펌프(14)로부터 버킷 실린더(13)에 공급하는 작동유의 유량을 제어하는 버킷 스풀(30)과, 제2 유압 펌프(15)로부터 붐 실린더(11)에 공급하는 작동유의 유량을 제어하는 제2 유량 제어 밸브인 붐 스풀(제1 붐 스풀)(31)과, 제1 암 스풀(28)을 구동하는 파일럿압을 발생시키는 제1 암 스풀 구동 전자기 밸브(32a, 32b)와, 제2 암 스풀(29)을 구동하는 파일럿압을 발생시키는 제2 암 스풀 구동 전자기 밸브(33a, 33b)와, 버킷 스풀(30)을 구동하는 파일럿압을 발생시키는 버킷 스풀 구동 전자기 밸브(34a, 34b)와, 붐 스풀(31)을 구동하는 파일럿압을 발생시키는 붐 스풀 구동 전자기 밸브(제1 붐 스풀 구동 전자기 밸브)(35a, 35b)를 구비하고 있다.

제1 암 스풀(28)과 버킷 스풀(30)은 제1 유압 펌프(14)에 병렬 접속되어 있고, 제2 암 스풀(29)과 붐 스풀(31)은 제2 유압 펌프(15)에 병렬 접속되어 있다.

유량 제어 밸브 장치(26)는, 이른바 오픈 센터식(센터 바이패스식)이다. 각 스풀(28, 29, 30, 31)은, 중립 위치로부터 소정의 스풀 위치에 도달할 때까지 유압 펌프(14, 15)로부터 토출된 작동유를 작동유 탱크(36a, 36b)로 유도하는 유로인 센터 바이패스부(28a, 29a, 30a, 31a)를 갖고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 유압 펌프(14)와, 제1 암 스풀(28)의 센터 바이패스부(28a)와, 버킷 스풀(30)의 센터 바이패스부(30a)와, 탱크(36a)는 이 순서로 직렬 접속되어 있고, 센터 바이패스부(28a)와 센터 바이패스부(30a)는 제1 유압 펌프(14)로부터 토출되는 작동유를 탱크(36a)로 유도하는 센터 바이패스 유로를 구성하고 있다. 또한, 제2 유압 펌프(15)와, 제2 암 스풀(29)의 센터 바이패스부(29a)와, 붐 스풀(31)의 센터 바이패스부(31a)와, 탱크(36b)는 이 순서로 직렬 접속되어 있고, 센터 바이패스부(29a)와 센터 바이패스부(31a)는 제2 유압 펌프(15)로부터 토출되는 작동유를 탱크(36b)로 유도하는 센터 바이패스 유로를 구성하고 있다.

각 전자기 밸브(32, 33, 34, 35)에는, 엔진(16)에 의해 구동되는 파일럿 펌프(도시하지 않음)가 토출한 압유가 유도되어 있다. 각 전자기 밸브(32, 33, 34, 35)는, 컨트롤러(25)로부터의 제어 지령에 기초하여 적절하게 동작하여 파일럿 펌프로부터의 압유(파일럿압)를 각 스풀(28, 29, 30, 31)의 구동부에 작용시키고, 이에 의해 각 스풀(28, 29, 30, 31)이 구동되어 유압 실린더(11, 12, 13)가 동작한다.

예를 들어, 컨트롤러(25)에 의해 암 실린더(12)의 신장 방향으로 지령이 내려진 경우는, 제1 암 스풀 구동 전자기 밸브(32a)와, 제2 암 스풀 구동 전자기 밸브(33a)에 지령이 출력된다. 암 실린더(12)의 단축 방향으로 지령이 내려진 경우는, 제1 암 스풀 구동 전자기 밸브(32b)와, 제2 암 스풀 구동 전자기 밸브(33b)에 지령이 출력된다. 버킷 실린더(13)의 신장 방향으로 지령이 내려진 경우는, 버킷 스풀 구동 전자기 밸브(34a)에 지령이 출력되고, 버킷 실린더(13)의 단축 방향으로 지령이 내려진 경우는, 버킷 스풀 구동 전자기 밸브(34b)에 지령이 출력된다. 붐 실린더(11)의 신장 방향으로 지령이 출력된 경우는, 붐 스풀 구동 전자기 밸브(35a)에 지령이 출력되고, 붐 실린더(11)의 단축 방향으로 지령이 출력된 경우는, 붐 스풀 구동 전자기 밸브(35b)에 지령이 출력된다.

도 6에 본 실시 형태에 관한 컨트롤러(25)가 실행하는 처리를 기능적 측면에서 복수의 블록으로 분류하여 정리한 기능 블록도를 나타낸다. 이 도면에 나타내는 바와 같이 컨트롤러(25)는, 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)를 연산하는 목표 액추에이터 속도 연산부(100)와, 목표 액추에이터 속도에 기초하여 전자기 밸브 구동 신호를 연산하고, 그 전자기 밸브 구동 신호를 해당되는 전자기 밸브(32, 33, 34, 35)에 출력하는 액추에이터 제어부(200)로서 기능한다.

목표 액추에이터 속도 연산부(100)는, 조작 장치(24a-24c)의 조작 신호(전압값)로부터 얻어지는 조작량 정보, 자세 검출 장치(50)로서의 경사 센서(13a-13d)의 검출 신호로부터 얻어지는 작업 장치(7)(프론트 부재(8, 9, 10))와 선회체(3)의 자세 정보, 목표면 설정 장치(51)로부터의 입력에 기초하여 규정되는 목표면(60)의 위치 정보(목표면 정보)와, 관성 정보 설정 장치(41)로부터의 입력에 기초하여 규정되는 프론트 부재(8, 9, 10)의 관성 정보에 기초하여, 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)의 목표 속도를 목표 액추에이터 속도로서 연산한다.

도 7은 목표 액추에이터 속도 연산부(100)의 기능 블록도이다. 목표 액추에이터 속도 연산부(100)는, 제어점 위치 연산부(53)와, 목표면 기억부(54)와, 거리 연산부(37)와, 목표 속도 연산부(38)와, 액추에이터 속도 연산부(130)와, 보정 속도 연산부(140)를 구비하고 있다.

제어점 위치 연산부(53)는, 글로벌 좌표계에 있어서의 본 실시 형태의 제어점인 버킷 선단(P4)의 위치와, 글로벌 좌표계에 있어서의 작업 장치(7)의 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 자세를 연산한다. 연산은 공지의 방법에 기초하면 되지만, 예를 들어, 먼저 제1, 제2 GNSS 안테나(21, 22)에서 수신된 항법 신호로부터, 로컬 좌표계(차체 기준 좌표계)의 원점 P0(도 2 참조)의 글로벌 좌표계에 있어서의 좌표값과, 글로벌 좌표계에 있어서의 주행체(2)와 선회체(3)의 자세 정보·방위 정보를 계산한다. 그리고 이 연산 결과와, 작업 장치 자세 검출 장치(50)로부터의 경사각 θ1, θ2, θ3, θ4의 정보와, 로컬 좌표계에 있어서의 붐 핀(P1)의 좌표값과, 붐 길이 L1 및 암 길이 L2 및 버킷 길이 L3을 이용하여, 글로벌 좌표계에 있어서의 본 실시 형태의 제어점인 버킷 선단(P4)의 위치와, 글로벌 좌표계에 있어서의 작업 장치(7)의 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 자세를 연산한다. 또한, 작업 장치(7)의 제어점의 좌표값은, 레이저 측량계 등의 외부 계측 기기에 의해 계측하고, 그 외부 계측 기기와의 통신에 의해 취득되어도 된다.

목표면 기억부(54)는, 운전실(4) 내에 있는 목표면 설정 장치(51)로부터의 정보에 기초하여 연산된 목표면(60)의 글로벌 좌표계에 있어서의 위치 정보(목표면 데이터)를 기억하고 있다. 본 실시 형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 작업 장치(7)의 각 프론트 부재(8, 9, 10)가 동작하는 평면(작업기의 동작 평면)에서 목표면의 3차원 데이터를 절단한 단면 형상을 목표면(60)(2차원의 목표면)으로서 이용한다. 또한, 도 2의 예에서는 목표면(60)은 하나이지만, 목표면이 복수 존재하는 경우도 있다. 목표면이 복수 존재하는 경우에는, 예를 들어 작업 장치(7)의 제어점으로부터 거리가 가장 가까운 것을 목표면으로 설정하는 방법이나, 버킷 선단(P4)의 연직 하방에 위치하는 것을 목표면으로 하는 방법이나, 임의로 선택한 것을 목표면으로 하는 방법 등이 있다. 또한, 목표면(60)의 위치 정보는, 글로벌 좌표계에 있어서의 작업 장치(7)의 제어점의 위치 정보에 기초하여, 유압 셔블(1)의 주변의 목표면(60)의 위치 정보를 외부 서버로부터 통신에 의해 취득하여 목표면 기억부(54)에 기억시켜도 된다.

거리 연산부(37)는, 제어점 위치 연산부(53)에서 연산된 작업 장치(7)의 제어점의 위치 정보와, 목표면 기억부(54)로부터 취득한 목표면(60)의 위치 정보로부터 작업 장치(7)의 제어점과 목표면(60)의 거리 D(도 2 참조)를 연산한다.

목표 속도 연산부(38)는, 조작 장치(24)의 조작 시에, 작업 장치(7)의 동작 범위가 목표면(60) 상 및 그 상방으로 제한되도록 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도(붐 목표 속도, 암 목표 속도, 버킷 목표 속도)를 거리 D에 따라서 각각 연산하는 부분이다. 본 실시 형태에서는 하기의 연산을 행한다.

먼저, 목표 속도 연산부(38)는, 조작 레버(24a)로부터 입력되는 전압값(붐 조작량)으로부터 붐 실린더(11)로의 요구 속도(붐 실린더 요구 속도)를 계산하고, 조작 레버(24b)로부터 입력되는 전압값(암 조작량)으로부터 암 실린더(12)로의 요구 속도(암 실린더 요구 속도)를 계산하고, 조작 레버(24c)로부터 입력되는 전압값(버킷 조작량)으로부터 버킷 실린더(13)로의 요구 속도(버킷 실린더 요구 속도)를 계산한다. 이 3개의 실린더 요구 속도와 제어점 위치 연산부(53)에서 연산된 작업 장치(7)의 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 자세로부터, 이 3개의 실린더 요구 속도가 버킷 선단(P4)에 발생시키는 3개의 속도 벡터를 각각 연산하고, 그 3개의 속도 벡터의 합을 버킷 선단(P4)에 있어서의 작업 장치(7)의 속도 벡터(요구 속도 벡터) V0으로 한다. 그리고 속도 벡터 V0의 목표면 연직 방향의 속도 성분 V0z와 목표면 수평 방향의 속도 성분 V0x도 계산한다.

다음으로, 목표 속도 연산부(38)는 거리 D에 따라서 결정되는 보정 계수 k를 연산한다. 도 8은 버킷 선단(P4)과 목표면(60)의 거리 D와 속도 보정 계수 k의 관계를 나타내는 그래프이다. 버킷 클로 끝 좌표 P4(작업 장치(7)의 제어점)가 목표면(60)의 상방에 위치하고 있을 때의 거리를 플러스, 목표면(60)의 하방에 위치하고 있을 때의 거리를 마이너스로 하여, 거리 D가 플러스일 때는 양의 보정 계수를, 거리 D가 마이너스일 때는 음의 보정 계수를, 1 이하의 값으로서 출력한다. 또한, 속도 벡터는 목표면(60)의 상방으로부터 목표면(60)에 근접하는 방향을 플러스로 하고 있다.

다음으로, 목표 속도 연산부(38)는, 거리 D에 따라서 결정되는 보정 계수 k를, 속도 벡터 V0의 목표면 연직 방향의 속도 성분 V0z에 곱함으로써 속도 성분 V1z를 계산한다. 이 속도 성분 V1z와, 속도 벡터 V0의 목표면 수평 방향의 속도 성분 V0x를 합성함으로써 합성 속도 벡터(목표 속도 벡터) V1을 계산한다. 그리고 3개의 유압 실린더(11, 12, 13)의 동작에 의해 이 합성 속도 벡터 V1을 버킷 선단(P4)에 발생시키기 위해, 3개의 유압 실린더(11, 12, 13)가 버킷 선단(P4)에 발생시켜야 할 속도 벡터를 3개의 유압 실린더에 대응하는 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도로서 각각 연산한다. 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도는, 각각 버킷 선단(P4)을 시점으로 하는 속도 벡터이며, 구체적으로는, 붐 실린더(11)에 의해 구동되는 붐(8)의 동작이 버킷 선단(P4)에 발생하는 속도(버킷 선단 속도)의 목표 속도(붐 목표 속도), 암 실린더(12)에 의해 구동되는 암(9)의 동작이 버킷 선단(P4)에 발생하는 목표 속도(암 목표 속도), 버킷 실린더(13)에 의해 구동되는 버킷(10)이 버킷 선단(P4)에 발생하는 목표 속도(버킷 목표 속도)의 3개가 있다. 목표 속도 연산부(38)는, 붐 목표 속도, 암 목표 속도, 버킷 목표 속도를 시시각각 연산하고 있고, 그것들의 시계열을 3개 1조로 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호로서 액추에이터 속도 연산부(130)와 보정 속도 연산부(140)에 출력한다.

도 9는 버킷 선단(P4)에 있어서의 거리 D에 따른 보정 전후의 속도 벡터를 나타내는 모식도이다. 요구 속도 벡터 V0의 목표면 연직 방향의 성분 V0z(도 9의 좌측의 도면 참조)에 속도 보정 계수 k를 곱함으로써, V0z 이하의 목표면 연직 방향의 속도 벡터 V1z(도 9의 우측의 도면 참조)가 얻어진다. V1z와 요구 속도 벡터 V0의 목표면 수평 방향의 성분 V0x의 합성 속도 벡터 V1을 계산하고, V1을 출력 가능한 암 목표 속도와, 붐 목표 속도와, 버킷 목표 속도가 계산된다.

합성 속도 벡터 V1로부터 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도(붐 목표 속도, 암 목표 속도, 버킷 목표 속도)를 연산하는 방법 중 하나로서는, 암 실린더 요구 속도와 버킷 실린더 요구 속도가 각각 버킷 선단(P4)에 발생시키는 속도 벡터를 암 목표 속도와 버킷 목표 속도로 하고, 이 암 목표 속도와 버킷 목표 속도의 합을 합성 속도 벡터 V1로부터 감산하고, 그것에 의해 얻어진 속도 벡터를 붐 목표 속도로 하는 경우가 있다. 단, 이 연산은 일례에 불과하며 결과적으로 합성 속도 벡터 V1이 얻어지는 것이면 다른 연산 방법이어도 상관없다.

액추에이터 속도 연산부(130)는, 목표 속도 연산부(38)로부터 입력되는 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도(붐 목표 속도, 암 목표 속도, 버킷 목표 속도)와 자세 검출 장치(50)로부터의 자세 정보에 기초하여, 그 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도를 발생시키기 위해 필요한 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 속도(붐 실린더 속도, 암 실린더 속도, 버킷 실린더 속도(액추에이터 속도))를 기하학적으로 연산하여 출력한다.

보정 속도 연산부(140)는, 자세 검출 장치(50)로부터의 자세 정보와, 목표 속도 연산부(38)로부터의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도의 정보와, 관성 정보 설정 장치(41)로부터의 관성 정보에 기초하여, 액추에이터 속도 연산부(130)에서 연산된 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 속도(붐 실린더 속도, 암 실린더 속도, 버킷 실린더 속도)를 보정하기 위한 보정 속도(붐 실린더 보정 속도, 암 실린더 보정 속도, 버킷 실린더 보정 속도)를 연산한다. 본 실시 형태에서는 액추에이터 속도 연산부(130)에서 연산된 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 속도에 보정 속도를 더함으로써 목표 액추에이터 속도를 산출하고 있지만, 보정의 방법은 이것에 한정되는 것은 아니다. 다음으로 도 14를 사용하여 보정 속도 연산부(140)의 상세에 대해 설명한다.

도 10은 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이 보정 속도 연산부(140)는, 신호 분리부(150)와, 고변동 목표 속도 연산부(143)와, 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)와, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)와, 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)를 구비하고 있다.

도 11에는, A) 목표 속도 연산부(38)로부터 입력되는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도의 신호와, B) 신호 분리부(150)로부터 출력되는 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 저주파 성분과, C) 신호 분리부(150)로부터 출력되는 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분과, D) 고변동 목표 속도 연산부(143)로부터 출력되는 버킷(10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분과, E) 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)로부터 출력되는 붐 실린더(11)의 목표 속도 신호의 저주파 성분(보정 후의 목표 속도 신호)과, F) 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)로부터 출력되는 암 실린더(12)의 목표 속도 신호의 저주파 성분(보정 후의 목표 속도 신호)과, G) 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)로부터 출력되는 버킷 실린더(13)의 목표 속도 신호의 저주파 성분과, H) 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)로부터 출력되는 버킷 실린더(13)의 목표 속도 신호의 고주파 성분과, I) 버킷 실린더(13)의 목표 속도 신호(보정 후의 목표 속도 신호)의 일례를 중첩 표시하였다. 이들 알파벳의 대문자는 도 11 중의 말풍선에 붙여진 것과 일치한다.

신호 분리부(150)는, 목표 속도 연산부(38)로부터 입력되는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도(붐 목표 속도, 암 목표 속도, 버킷 목표 속도)의 신호(도 11의 말풍선 A 참조)를 각각 소정의 역치(차폐 주파수)보다 주파수가 낮은 저주파 성분(도 11의 말풍선 B 참조)과 그 역치보다 주파수가 높은 고주파 성분(도 11의 말풍선 C 참조)으로 분리하는 부분이다. 본 실시 형태의 신호 분리부(150)는, 목표 속도로부터 저주파 성분을 분리하는 저역 통과 필터부(142)와, 목표 속도로부터 고주파 성분을 분리하는 고주파 성분 분리부(고역 통과 필터부)(151)를 구비하고 있다. 차폐 주파수는, 관성 부하가 상대적으로 큰 붐(8)이나 암(9)의 응답성 한계를 고려하여 결정할 수 있다.

저역 통과 필터부(142)는, 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도의 신호 중 소정의 역치(차폐 주파수)보다 낮은 주파수의 성분(저주파 성분)을 통과시키는 한편, 당해 역치보다 높은 주파수의 성분을 체감시킴으로써 각 목표 속도 신호로부터 저주파 성분(도 11의 말풍선 B 참조)을 분리하고 있다. 이에 의해 목표 속도 신호의 시간당의 변화에 큰 변화가 있는 경우는 차폐 주파수에 따라서 목표 속도 신호가 감쇠된다. 여기서 분리된 저주파 성분은, 목표 속도와 마찬가지로 프론트 부재(8, 9, 10)마다 존재하고 있고, 그것들은 고주파 성분 분리부(151)와 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에 출력된다.

고주파 성분 분리부(151)는, 목표 속도 연산부(38)로부터 입력되는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호로부터 저역 통과 필터부(142)로부터의 저주파 성분을 빼고 남은 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호를 고주파 성분(도 11의 말풍선 C 참조)으로서 출력한다. 이 고주파 성분은 고변동 목표 속도 연산부(143)에 출력된다. 또한, 고주파 성분 분리부(151)는 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호 중 저역 통과 필터부(142)의 역치(차폐 주파수)보다 높은 주파수의 성분(고주파 성분)을 통과시키는 한편, 당해 역치보다 낮은 주파수의 성분을 체감시킴으로써 각 목표 속도 신호로부터 고주파 성분을 분리하는 고역 통과 필터로 구성해도 된다. 단, 본 실시 형태와 같이 목표 속도 연산부(38)로부터 출력되는 목표 속도 신호로부터 저역 통과 필터부(142)로부터 출력되는 저주파 성분을 빼고 얻어지는 목표 속도 성분을 고주파 성분으로 하면, 신호 분리부(150)로부터 출력되는 저주파 성분과 고주파 성분의 합을 원래의 목표 속도로 유지할 수 있으므로, 신호 분리부(150)를 통과하는 전후에서 목표 속도가 변화되는 것을 방지할 수 있다.

고변동 목표 속도 연산부(143)는, 관성 정보 설정 장치(41)로부터 얻어지는 관성 정보를 참조하면서, 신호 분리부(150)에서 분리된 고주파 성분을 3개의 프론트 부재(8, 9, 10) 중 관성 부하가 상대적으로 작은 프론트 부재에 우선적으로 할당하여 3개의 프론트 부재의 고변동 목표 속도를 각각 연산한다. 본 실시 형태에서는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10) 중 관성 부하가 최소의 버킷(10)에 모든 고주파 성분을 할당하고 있어(도 11의 말풍선 D 참조), 붐(8) 및 암(9)의 고변동 목표 속도는 제로이다. 특히 본 실시 형태에서는, 신호 분리부(150)에서 분리된 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)마다의 고주파 성분이 규정하는 목표 속도에 대해 목표면(60)에 수직인 속도 성분을 각각 연산하고, 그 3개의 수직 속도 성분의 합계를 버킷(10)의 고변동 목표 속도로 하고 있다. 이와 같이 버킷(10)의 고변동 목표 속도를 수직 성분으로 한정하면, 보정 속도 연산부(140)의 속도 보정에 의해 합성 속도 벡터 V1의 수평 성분 V0x(도 9의 우측)가 변화될 가능성은 있지만 수직 성분 V1z(도 9 우측)은 유지된다. 그 때문에 목표면(60)의 하방으로의 버킷 선단(P4)의 침입을 방지하면서도 속도 벡터의 기하학 변환이 용이해진다.

보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)는, 목표 속도 연산부(38)로부터 입력되는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도(붐 목표 속도, 암 목표 속도, 버킷 목표 속도)의 신호와 그때의 자세 정보로부터 기하학 변환을 이용하여, 그 3개의 목표 속도(버킷 선단 속도)를 발생시키기 위해 필요한 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)의 속도(액추에이터 속도)를 연산한다. 이들 액추에이터 속도는, 액추에이터 속도 연산부(130)가 출력하는 것과 동치이며, 「보정 전 목표 액추에이터 속도」라고 칭하는 경우가 있다.

저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)는, 신호 분리부(150)로부터 입력되는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 저주파 성분과 그때의 자세 정보로부터 기하학 변환을 이용하여, 그 3개의 저주파 성분을 발생시키기 위해 필요한 액추에이터 속도, 즉 붐 실린더(11)의 속도(도 11의 말풍선 E 참조), 암 실린더(12)의 속도(도 11의 말풍선 F 참조), 및 버킷 실린더(13)의 속도(도 11의 말풍선 G 참조)를 각각 연산한다. 이들 액추에이터 속도를 「저변동 목표 액추에이터 속도」라고 칭하는 경우가 있다.

고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)는, 고변동 목표 속도 연산부(143)로부터 입력되는 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분과 그때의 자세 정보로부터 기하학 변환을 이용하여, 그 3개의 고주파 성분을 발생시키기 위해 필요한 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)의 속도(액추에이터 속도)를 연산한다. 이들 액추에이터 속도를 「고변동 목표 액추에이터 속도」라고 칭하는 경우가 있다. 단, 본 실시 형태에서는 전술한 바와 같이 고변동 목표 속도 연산부(143)로부터 입력되는 붐(8)과 암(9)의 목표 속도 신호의 고주파 성분은 제로이므로, 결과적으로 버킷 실린더(13)의 속도(도 11의 말풍선 H 참조)만이 연산되게 된다.

상기한 구성에 의해 보정 속도 연산부(140)는 유압 실린더(11, 12, 13)마다의 보정 속도를 출력한다. 붐 실린더 보정 속도와 암 실린더 보정 속도로서는, 각각, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산된 저변동 목표 액추에이터 속도로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)에서 연산된 보정 전 목표 액추에이터 속도를 감산한 것이 출력된다. 버킷 실린더 보정 속도로서는, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산된 저변동 목표 액추에이터 속도와 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)에서 연산된 고변동 목표 액추에이터 속도를 가산한 것으로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)에서 연산된 보정 전 목표 액추에이터 속도를 감산한 것이 출력된다.

이와 같이 하여 얻어진 각 액추에이터의 보정 속도는, 도 7에 도시되는 액추에이터 속도 연산부(130)가 출력하는 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 속도에 가산되고, 목표 액추에이터 속도 연산부(100)로부터 목표 액추에이터 속도(목표 붐 실린더 속도, 목표 암 실린더 속도, 목표 버킷 실린더 속도)로서 액추에이터 제어부(200)(도 6 참조)에 출력된다. 액추에이터 속도 연산부(130)와 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)의 연산값은 동치이므로, 결과적으로, 목표 액추에이터 속도 연산부(100)로부터 출력되는 목표 붐 실린더 속도는 저변동 목표 액추에이터 속도(도 11의 말풍선 E 참조)가 되고, 목표 암 실린더 속도는 저변동 목표 액추에이터 속도(도 11의 말풍선 F 참조)가 되고, 목표 버킷 실린더 속도는 저변동 목표 액추에이터 속도에 고변동 목표 액추에이터 속도를 가산한 속도(도 11의 말풍선 I 참조)가 된다.

도 6으로 돌아가, 액추에이터 제어부(200)는, 전자기 밸브(32, 33, 34, 35)의 전자기 밸브 구동 신호의 연산 시에, 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 목표 속도(목표 붐 실린더 속도, 목표 암 실린더 속도, 목표 버킷 실린더 속도)와, 각 유압 실린더(11, 12, 13)에 대응하는 스풀(31, 28, 29, 30)을 동작시키는 스풀 구동 전자기 밸브(35a, 35b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, 34b)의 전자기 밸브 구동 신호의 상관 관계가 일대일로 규정된 테이블을 이용한다.

이 테이블에는, 먼저, 붐 실린더(11)를 신장하는 경우에 이용되는 붐 스풀 구동 전자기 밸브(35a)용의 테이블과, 암 실린더(12)를 축단하는 경우에 이용되는 붐 스풀 구동 전자기 밸브(35b)용의 테이블이 있다. 또한, 암 실린더(12)를 신장하는 경우에 이용되는 2개의 테이블로서, 제1 암 스풀 구동 전자기 밸브(32a)용의 테이블과, 제2 암 스풀 구동 전자기 밸브(33a)용의 테이블이 있다. 또한, 암 실린더(12)를 축단하는 경우에 이용되는 2개의 테이블로서, 제1 암 스풀 구동 전자기 밸브(32b)용의 테이블과, 제2 암 스풀 구동 전자기 밸브(33b)용의 테이블이 있다. 또한, 버킷 실린더(13)를 신장하는 경우에 이용되는 버킷 스풀 구동 전자기 밸브(34a)용의 테이블과, 버킷 실린더(13)를 축단하는 경우에 이용되는 버킷 스풀 구동 전자기 밸브(34b)용의 테이블이 있다. 이들 8개의 테이블에서는, 미리 실험이나 시뮬레이션에서 구한 전자기 밸브(35a, 35b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, 34b)에의 전류값과 유압 실린더(11, 12, 13)의 실제 속도의 관계에 기초하여, 각 유압 실린더(11, 12, 13)의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)의 크기의 증가와 함께 전자기 밸브(35a, 35b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, 34b)에의 전류값이 단조롭게 증가하도록 목표 속도와 전류값의 상관 관계가 규정되어 있다.

액추에이터 제어부(200)는, 예를 들어 목표 암 실린더 속도와 목표 붐 실린더 속도의 지령이 있을 때는, 전자기 밸브(32, 33, 35)의 제어 지령을 생성하여, 제1 암 스풀(28)과 제2 암 스풀(29)과 붐 스풀(31)을 구동한다. 이에 의해 목표 암 실린더 속도와 목표 붐 실린더 속도에 기초하여 암 실린더(12)와 붐 실린더(11)가 동작한다.

도 12는 컨트롤러(25)에 의한 제어 흐름을 나타내는 흐름도이다. 컨트롤러(25)는 조작 장치(24)가 오퍼레이터에 의해 조작되면 도 12의 처리를 개시하고, 제어점 위치 연산부(53)는, 작업 장치 자세 검출 장치(50)로부터 경사각 θ1, θ2, θ3, θ4의 정보나, GNSS 안테나(21, 22)의 항법 신호로부터 연산되는 유압 셔블(1)의 위치 정보, 자세 정보(각도 정보) 및 방위 정보나, 미리 기억되어 있는 각 프론트 부재의 치수 정보 L1, L2, L3 등에 기초하여 글로벌 좌표계에 있어서의 버킷 선단(P4)(제어점)의 위치 정보를 연산한다(순서 S1).

순서 S2에서는, 거리 연산부(37)가, 제어점 위치 연산부(53)에서 연산된 글로벌 좌표계에 있어서의 버킷 선단(P4)의 위치 정보(유압 셔블(1)의 위치 정보를 이용해도 됨)를 기준으로 하여 소정의 범위에 포함되는 목표면의 위치 정보(목표면 데이터)를 목표면 기억부(54)로부터 추출·취득한다. 그리고 그 중에서 버킷 선단(P4)에 가장 가까운 위치에 있는 목표면을 제어 대상의 목표면(60), 즉 거리 D를 연산하는 목표면(60)으로서 설정한다.

순서 S3에서는, 거리 연산부(37)는, 순서 S1에서 연산한 버킷 선단(P4)의 위치 정보와 순서 S2에서 설정한 목표면(60)의 위치 정보에 기초하여 거리 D를 연산한다.

순서 S4에서는, 목표 속도 연산부(38)는, 순서 S3에서 연산한 거리 D와, 조작 장치(24)로부터 입력되는 각 조작 레버의 조작량(전압값)에 기초하여, 작업 장치(7)가 동작해도 버킷 선단(P4)이 목표면(60) 상, 또는 그 상방에 보유 지지되도록 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도를 연산한다.

순서 S5에서는, 액추에이터 속도 연산부(130)는, 순서 S4에서 연산한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도와, 자세 검출 장치(50)로부터 얻어지는 작업 장치(7)의 자세 정보에 기초하여, 순서 S4에서 연산한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도를 발생시키기 위해 필요한 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)의 속도(액추에이터 속도)를 연산한다.

순서 S6에서는, 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)는, 순서 S4에서 연산한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도와, 자세 검출 장치(50)로부터 얻어지는 작업 장치(7)의 자세 정보에 기초하여, 순서 S4에서 연산한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도를 발생시키기 위해 필요한 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)의 속도(보정 전 목표 액추에이터 속도)를 연산한다. 또한, 여기서 연산되는 보정 전 목표 액추에이터 속도는, 순서 S5에서 연산되는 액추에이터 속도와 동치이다.

순서 S7에서는, 신호 분리부(150)는, 순서 S4에서 연산한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도의 신호를 고주파 성분과 저주파 성분으로 분리한다. 이에 의해 예를 들어 도 11에 나타내는 바와 같이 말풍선 A의 목표 속도가, 시간당의 속도 변동이 상대적으로 적은 말풍선 B의 저주파 성분(저변동 성분)과, 시간당의 속도 변동이 상대적으로 큰 말풍선 C의 고주파 성분(고변동 성분)으로 분리된다.

순서 S8에서는, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)는, 순서 S7에서 분리한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 저주파 성분과, 자세 검출 장치(50)로부터 얻어지는 작업 장치(7)의 자세 정보에 기초하여, 순서 S7에서 분리한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 저주파 성분을 발생시키기 위해 필요한 붐 실린더(11), 암 실린더(12) 및 버킷 실린더(13)의 속도(저변동 목표 액추에이터 속도)를 연산한다.

순서 S9에서는, 고변동 목표 속도 연산부(143)는, 순서 S7에서 분리한 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분 중, 목표면(60)에 수직인 성분을 산출하고, 그들을 모두 더한 것을 버킷(10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분으로서 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)에 출력한다.

순서 S10에서는, 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)는, 순서 S9에서 연산한 버킷(10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분과, 자세 검출 장치(50)로부터 얻어지는 작업 장치(7)의 자세 정보에 기초하여, 순서 S9에서 연산한 버킷(10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분을 발생시키기 위해 필요한 버킷 실린더(13)의 속도(고변동 목표 액추에이터 속도)를 연산한다.

순서 S11에서는, 보정 속도 연산부(140)는, 각 액추에이터(11, 12, 13)의 보정 속도를 연산한다. 본 실시 형태에서는 각 액추에이터(11, 12, 13)의 보정 속도를, 도 12에 나타내는 바와 같이, 저변동 목표 액추에이터 속도(순서 S8)에 고변동 목표 액추에이터 속도(순서 S9)를 가산한 것으로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도(순서 S6)를 감산한 것으로 하고 있다. 이것을 각 액추에이터(11, 12, 13)에 대해 연산하여 보정 속도로 한다. 구체적으로는, 보정 속도 연산부(140)는, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 붐 실린더 속도(순서 S8)로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)에서 연산한 붐 실린더 속도(순서 S6)를 뺀 것을 붐 실린더 보정 속도로서 출력한다. 또한, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 암 실린더 속도(순서 S8)로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)에서 연산한 암 실린더 속도(순서 S6)를 뺀 것을 암 실린더 보정 속도로서 출력한다. 또한, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 버킷 실린더 속도(순서 S8)에 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)에서 연산한 버킷 실린더 속도(순서 S9)를 더한 것으로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)에서 연산한 버킷 실린더 속도(순서 S6)를 뺀 것을 버킷 실린더 보정 속도로서 출력한다.

순서 S12에서는, 목표 액추에이터 속도 연산부(100)는, 각 액추에이터(11, 12, 13)의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)를 연산한다. 본 실시 형태에서는 각 액추에이터(11, 12, 13)의 목표 속도를, 도 12에 나타낸 바와 같이, 순서 S5에서 연산한 각 액추에이터(11, 12, 13)의 속도에 순서 S11에서 연산한 각 액추에이터(11, 12, 13)의 보정 속도를 가산한 것으로 하고 있다. 순서 S5에서 연산한 각 액추에이터(11, 12, 13)의 속도는, 순서 S6에서 연산한 보정 전 목표 액추에이터 속도와 동치이므로, 각 액추에이터(11, 12, 13)의 목표 속도는, 결과적으로 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 저변동 목표 액추에이터 속도(순서 S8)에 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)에서 연산한 고변동 목표 액추에이터 속도(순서 S9)를 더한 것이 된다. 구체적으로는, 목표 액추에이터 속도 연산부(100)는, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 붐 실린더 속도(순서 S8)를 붐 실린더 목표 속도로서 출력한다. 또한, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 암 실린더 속도(순서 S8)를 암 실린더 망평 속도로서 출력한다. 또한, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에서 연산한 버킷 실린더 속도(순서 S8)에 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)에서 연산한 버킷 실린더 속도(순서 S9)를 더한 것을 버킷 실린더 목표 속도로서 출력한다.

순서 S13에서는, 액추에이터 제어부(200)가 붐 실린더 목표 속도에 기초하여 제2 유량 제어 밸브(붐 스풀)(31)를 구동하는 신호를 연산하고, 그 신호를 전자기 밸브(31a) 또는 전자기 밸브(31b)에 출력한다. 마찬가지로, 암 실린더 목표 속도에 기초하여 제1 유량 제어 밸브(제1 암 스풀)(28)와 제3 유량 제어 밸브(제2 암 스풀)(29)를 구동하는 신호를 연산하고, 그 신호를 전자기 밸브(32a) 및 전자기 밸브(33a) 또는 전자기 밸브(32b) 및 전자기 밸브(33b)에 출력한다. 또한, 버킷 실린더 목표 속도에 기초하여 유량 제어 밸브(버킷 스풀)(30)를 구동하는 신호를 연산하고, 그 신호를 전자기 밸브(34a) 또는 전자기 밸브(34b)에 출력한다. 이에 의해 각 액추에이터(11, 12, 13)의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)에 기초하여 각 액추에이터(11, 12, 13)가 구동하여 각 프론트 부재(8, 9, 10)가 동작한다.

순서 S13의 처리가 종료되면, 조작 장치(24)의 조작이 계속되고 있는 것을 확인하고 처음으로 되돌아가 순서 S1 이후의 처리를 반복한다. 또한, 도 12의 흐름 도중이라도 조작 장치(24)의 조작이 종료된 경우에는 처리를 종료하고 다음 번의 조작 장치(24)의 조작이 개시될 때까지 대기한다.

상기한 바와 같이 구성된 유압 셔블(1)에서는, 붐(8)과 암(9)은 시간당의 변동이 작은 목표 속도 신호(도 11의 말풍선 B에 나타내는 저주파 성분)에 따라서 동작하고, 붐(8)과 암(9)의 목표 속도 신호로부터 제외된 시간당의 변동이 큰 목표 속도 신호(도 11의 말풍선 C에 나타내는 고주파 성분)는 버킷(10)의 목표 속도 신호에 부가되어 버킷(10)의 동작으로 전화된다. 버킷(10)은, 붐(8)이나 암(9)과 비교하여 상대적으로 관성 부하가 작으므로, 시간당의 변동이 큰 목표 속도 신호에도 빠르게 응답할 수 있다. 즉, 예를 들어 목표면(60)의 마무리 작업 중에 버킷 선단(P4)이 목표면(60) 상에 있는 상태에서 오퍼레이터가 실수로 빠른 암 크라우드 조작을 입력해 버린 경우 등, 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호의 시간당의 변화가 관성 부하가 상대적으로 큰 붐(8)이나 암(9)의 응답성을 초과할 정도로 큰 경우라도, 그만큼에 대해서는 관성 부하가 상대적으로 작은 버킷(10)의 동작으로 보전된다. 이에 의해 실제의 버킷 선단의 속도 벡터의 적어도 수직 성분에 대해서는 목표 속도와 일치시킬 수 있으므로, 안정적으로 고정밀도의 반자동 굴삭 성형 제어를 행할 수 있다.

<제2 실시 형태>

상기한 제1 실시 형태에서는, 신호 분리부(150)에서 분리된 목표 속도 신호의 고주파 성분을 버킷(10)에만 할당하였지만, 버킷(10) 대신에 암(9)에만 할당해도 된다. 여기서는 이 경우를 본 발명의 제2 실시 형태로서 설명한다. 또한, 앞의 실시 형태와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다(이후의 실시 형태에서도 마찬가지로 함).

도 13은, 제2 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이 보정 속도 연산부(140)는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성을 구비하고 있다. 단, 본 실시 형태에서는 고변동 목표 속도 연산부(143)가, 3개의 프론트 부재(8, 9, 10) 중 암(9)에 모든 고주파 성분을 할당하고 있고, 붐(8) 및 버킷(10)의 고변동 목표 속도를 제로로 하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서도, 신호 분리부(150)에서 분리된 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)마다의 고주파 성분이 규정하는 목표 속도에 대해 목표면(60)에 수직인 속도 성분을 각각 연산하고, 그 3개의 수직 속도 성분의 합계를 암(9)의 고변동 목표 속도로 하고 있다.

제1 실시 형태에서는 오퍼레이터가 버킷(10)을 조작하고 있지 않은 경우라도 목표 속도 신호에 고주파 성분이 발생한 경우에는 반자동 굴삭 제어에 의해 버킷(10)이 동작하여 오퍼레이터에게 위화감을 줄 가능성이 있다. 그러나 상기한 바와 같이 구성된 본 실시 형태에서는, 목표 속도 신호에 발생한 고주파 성분을 암(9)에 할당하고 있으므로, 버킷(10)의 조작을 행하지 않는 한은 버킷(10)이 동작하지 않는다. 그 때문에, 오퍼레이터가 조작하고 있지 않은 프론트 부재(버킷(10))가 반자동 굴삭 제어에 의해 동작하는 것이 방지되어, 오퍼레이터에게 주는 위화감을 완화할 수 있다. 또한, 암(9)은 붐(8)과 비교하면 관성 부하가 작기 때문에, 시간당 목표 속도 신호의 변동이 많은 경우라도, 안정적으로 고정밀도의 반자동 굴삭을 행할 수 있다.

<제3 실시 형태>

상기한 2개의 실시 형태에서는, 신호 분리부(150)에서 분리된 목표 속도 신호의 고주파 성분을 버킷(10)과 암(9) 중 어느 한쪽에 할당하였다. 그러나 본 실시 형태에서는, 목표 속도 신호의 고주파 성분을 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 관성 부하를 고려하여 결정한 적당한 비율(분배 비율)로 각 프론트 부재(8, 9, 10)에 분배하여, 붐(8), 암(9), 버킷(10)의 저변동 목표 액추에이터 속도에 가산하도록 하고 있다.

도 14는, 제3 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도이다. 본 실시 형태의 고변동 목표 속도 연산부(143)는, 신호 분리부(150)에서 분리된 고주파 성분을 3개의 프론트 부재(8, 9, 10) 중 관성 부하가 상대적으로 작은 프론트 부재에 우선적으로 할당하여 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 고변동 목표 속도를 각각 연산하고 있다. 본 실시 형태에서는, 목표 속도 신호의 고주파 성분을 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 관성 부하를 고려하여 결정한 비율로 각 프론트 부재(8, 9, 10)에 분배하고 있다. 일반적으로 붐(8), 암(9), 버킷(10)의 관성 부하는 이 순서로 작아지므로, 응답성의 확보의 관점에서는 이 순서로 분배 비율을 크게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 분배 비율은, 관성 정보에 기초하여 붐(8), 암(9), 버킷(10)의 관성 부하를 수치화하고, 그 수치의 역수의 비율(즉, 역비)로 할 수 있지만, 다른 비율을 사용해도 된다. 이것에 추가하여, 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 자세 정보에 따라서 분배비를 보정하는 것과 같은 구성을 사용해도 된다.

도 14에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)로부터의 3개의 출력 전부에 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)의 출력이 가산되어 있다. 즉, 보정 속도 연산부(140)로부터의 3개의 출력은 모두, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)의 출력과 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)의 출력의 합으로부터 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)의 출력을 뺀 것으로 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태에 따르면, 고변동 목표 액추에이터 속도가, 버킷(10)이나 암(9)뿐만 아니라, 관성 정보에 기초하여 결정된 분배 비율에 따라서 각 프론트 부재(8, 9, 10)에 분배되므로, 예를 들어 고변동 목표 속도가 과대하여 버킷(10)의 최대 동작 속도를 초과하는 경우에는 그 나머지를 암(9)에 할당함으로써 대응할 수 있다. 그리고 버킷(10)과 암(9)에 분배해도 충당할 수 없는 경우에는 일부를 붐(8)에 부담시킬 수도 있다. 이에 의해 고변동 목표 속도가 과대한 경우라도 안정적으로 고정밀도의 반자동 굴삭을 행할 수 있다.

<제4 실시 형태>

3개의 프론트 부재(8, 9, 10) 중 암(9)이나 버킷(10)에는, 각각의 회동 축과 버킷 선단(P4)을 연결하는 직선이 목표면(60)에 대해 수직이 되는 자세(본 명세서에서는 이러한 자세를 「특이 자세」라고 칭함)를 취할 가능성이 있다. 도 15는 버킷(10)이 특이 자세를 취하고 있는 상황의 설명도이고, 도 16은 암(9)이 특이 자세를 취하고 있는 상황의 설명도이다. 암(9)이나 버킷(10)이 특이 자세를 취한 경우, 그 프론트 부재(9, 10)에 관한 유압 실린더(12, 13)가 동작해도, 버킷 선단(P4)에 수직 속도 성분을 발생시킬 수 없다. 이러한 상황에 있는 프론트 부재(9, 10)에 고변동 속도를 할당하면, 동작 불가능한 지령이 유압 실린더(12, 13)에 부여되게 되어 불안정한 동작을 초래할 수 있다. 그래서 본 실시 형태에서는 암(9)과 버킷(10) 중 적어도 한쪽이 특이 자세를 취한 경우에는 목표 속도의 배분의 실시를 중단하는 것으로 하였다.

도 17은 제4 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도이다. 본 실시 형태는, 제3 실시 형태에 자세 판정부(144)를 추가하고, 그 출력을 저역 통과 필터부(142)에 입력한 것에 상당한다.

자세 판정부(144)는, 작업 장치(7)의 동작 평면 상에서 버킷 선단과 암(9)의 회동 중심을 연결하는 제1 직선(L1)(도 16 참조)이 목표면(60)과 직교하는지 여부와, 마찬가지로 작업 장치(7)의 동작 평면 상에서 버킷 선단과 버킷(10)의 회동 중심을 연결하는 제2 직선(L2)(도 15 참조)이 목표면(60)과 직교하는지 여부를 작업 장치(7)의 자세 정보와 목표면의 위치 정보에 기초하여 판정하고, 그 판정 결과를 저역 통과 필터부(142)에 출력하고 있다. 구체적으로는, 제1 직선(L1) 및 제2 직선(L2) 중 어느 한쪽이 목표면(60)과 직교한다고 판정한 경우에는, 자세 판정부(144)는 리셋 신호를 출력한다.

저역 통과 필터부(142)(신호 분리부(150))는, 자세 판정부(144)에 의해 제1 직선(L1) 및 제2 직선(L2) 중 어느 한쪽이 목표면(60)과 직교한다고 판정된 경우(즉, 리셋 신호가 출력된 경우), 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도의 신호를 각각 상기 역치(차폐 주파수)보다 주파수가 낮은 저주파 성분과 상기 역치보다 주파수가 높은 고주파 성분으로 분리하는 처리를 실행하지 않고, 그 3개의 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도의 신호를 그대로 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)에 출력하고 있다. 즉, 저역 통과 필터부(142)는, 자세 판정부(144)로부터 리셋 신호를 입력하면 필터의 기능을 일시 정지시켜, 목표 속도 연산부(38)로부터 입력되는 각 프론트 부재(8, 9, 10)의 목표 속도 신호를 그대로 출력한다.

이와 같이 보정 속도 연산부(140)를 구성하면, 암(9) 및 버킷(10) 중 어느 한쪽이 특이 자세를 취하고 있는 경우는, 신호 분리부(150)로부터 고변동 목표 속도 연산부(143)에 출력되는 고주파 성분이 반드시 제로가 되어, 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)의 출력과 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)의 출력이 반드시 일치하므로, 결과적으로 보정 속도 연산부(140)로부터 출력되는 보정 속도는 모두 제로가 된다. 즉, 액추에이터 속도 연산부(130)만의 출력에 의한 종래와 같은 반자동 굴삭 제어가 행해지게 된다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 암(9) 및 버킷(10) 중 어느 한쪽이 특이 자세를 취하고 있는 경우에 반자동 굴삭 제어에 불안정한 동작이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

<제5 실시 형태>

도 18은 제5 실시 형태에 있어서의 보정 속도 연산부(140)의 기능 블록도이다. 본 실시 형태는, 제3 실시 형태에 자세 판정부(144)를 추가하고, 그 출력을 고변동 목표 속도 연산부(143)에 입력한 것에 상당한다.

자세 판정부(144)는, 제4 실시 형태의 것과 동일한 판정을 행하고, 그 판정 결과를 저역 통과 필터부(142)에 출력하고 있다. 구체적으로는, 제1 직선(L1) 및 제2 직선(L2) 중 어느 한쪽이 목표면(60)과 직교한다고 판정한 경우에는, 자세 판정부(144)는 리셋 신호를 출력한다. 단, 본 실시 형태의 리셋 신호에는 암(9)과 버킷(10) 중 어느 프론트 부재가 특이 자세를 취하고 있는지를 나타내는 정보가 포함되어 있다.

고변동 목표 속도 연산부(143)는, 자세 판정부(144)에 의해 제1 직선(L1)이 목표면(60)과 직교한다고 판정된 경우, 신호 분리부(150)에서 분리된 붐(8), 암(9) 및 버킷(10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분을 붐(8), 암(9) 및 버킷(10) 중 암(9)을 제외한 프론트 부재(즉, 붐(8)과 버킷(10))에 분배하여 붐(8), 암(9) 및 버킷(10)의 고변동 목표 속도를 각각 연산한다. 또한, 자세 판정부(144)에 의해 제2 직선(L2)이 목표면(60)과 직교한다고 판정된 경우, 신호 분리부(150)에서 분리된 붐(8), 암(9) 및 버킷(10)의 목표 속도 신호의 고주파 성분을 붐(8), 암(9) 및 버킷(10) 중 버킷(10)을 제외한 프론트 부재(즉, 붐(8)과 암(9))에 분배하여 붐(8), 암(9) 및 버킷(10)의 고변동 목표 속도를 각각 연산한다. 단, 어느 경우도 관성 부하의 관점에서 붐(8)으로의 분배 비율을 제로로 해도 상관없다. 또한, 제1 직선(L1)과 제2 직선(L2)의 양쪽이 목표면(60)과 직교하는 경우에는 붐(8)에만 고주파 성분을 분배하여 고변동 목표 속도를 연산하게 된다.

이와 같이 보정 속도 연산부(140)를 구성하면, 암(9)이나 버킷(10)이 특이 자세를 취하고 있는 경우는, 그 특이 자세를 취하고 있는 프론트 부재의 고변동 목표 속도가 반드시 제로가 되어, 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)의 출력과 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)의 출력이 반드시 일치하므로, 결과적으로 보정 속도 연산부(140)로부터 출력되는 그 프론트 부재의 액추에이터에 관한 보정 속도는 제로가 된다. 즉, 특이 자세를 취하고 있는 프론트 부재에 대해서는 액추에이터 속도 연산부(130)만의 출력에 의한 종래와 같은 반자동 굴삭 제어가 행해지게 된다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 암(9)이나 버킷(10)이 특이 자세를 취하고 있는 경우에 반자동 굴삭 제어에 불안정한 동작이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 리셋 신호가 출력된 경우 모든 프론트 부재에 관한 고변동 목표 액추에이터 속도를 제로로 하는 제4 실시 형태와 달리, 본 실시 형태에서는 특이 자세를 취하고 있지 않은 프론트 부재에는 고변동 목표 액추에이터 속도를 발생시킬 수 있으므로, 제4 실시 형태보다 고정밀도의 반자동 굴삭을 안정적으로 행할 수 있다.

<기타>

본 발명은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은 상기한 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되지 않고, 그 구성의 일부를 삭제한 것도 포함된다. 또한, 어느 실시 형태에 관한 구성의 일부를, 다른 실시 형태에 관한 구성에 추가 또는 치환하는 것이 가능하다.

상기한 각 실시 형태에서는, 액추에이터 속도 연산부(130)와 보정 속도 연산부(140)가 상이한 연산 부위로 되어 있지만, 동등한 기능을 갖는 하나의 연산 부위로 통합해도 된다.

상기한 각 실시 형태에서는, 액추에이터 속도 연산부(130)와 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)를 마련하였지만, 도 12의 순서 S12에 나타낸 바와 같이 각 액추에이터(11, 12, 13)의 목표 속도는, 저변동 목표 액추에이터 속도와 고변동 목표 액추에이터 속도의 합이 된다. 그 때문에, 액추에이터 속도 연산부(130)와 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부(141a)를 생략하고, 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141b)의 출력과 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부(141c)의 출력의 합을 목표 액추에이터 속도로서 액추에이터 제어부(200)에 출력하도록 컨트롤러(25)를 구성해도 된다.

상기한 컨트롤러(25)에 관한 각 구성이나 당해 각 구성의 기능 및 실행 처리 등은, 그것들의 일부 또는 전부를 하드웨어(예를 들어 각 기능을 실행하는 로직을 집적 회로로 설계하는 등)로 실현해도 된다. 또한, 상기한 컨트롤러(25)에 관한 구성은, 연산 처리 장치(예를 들어 CPU)에 의해 판독·실행됨으로써 당해 컨트롤러(25)의 구성에 관한 각 기능이 실현되는 프로그램(소프트웨어)으로 해도 된다. 당해 프로그램에 관한 정보는, 예를 들어, 반도체 메모리(플래시 메모리, SSD 등), 자기 기억 장치(하드디스크 드라이브 등) 및 기록 매체(자기 디스크, 광 디스크 등) 등에 기억시킬 수 있다.

1 : 유압 셔블(작업 기계)
2 : 주행체
3 : 선회체
4 : 운전실
5 : 기계실
6 : 카운터 웨이트
7 : 작업 장치
8 : 붐
9 : 암
10 : 버킷
11 : 붐 실린더
12 : 암 실린더
13 : 버킷 실린더
14 : 제1 유압 펌프
15 : 제2 유압 펌프
16 : 엔진(원동기)
17 : 차체 경사 센서
18 : 붐 경사 센서
19 : 암 경사 센서
20 : 버킷 경사 센서
21 : 제1 GNSS 안테나
22 : 제2 GNSS 안테나
23 : 차체 제어 시스템
24 : 조작 장치
25 : 컨트롤러
26 : 유량 제어 밸브 장치
27 : 유압 회로
28 : 제1 암 스풀(제1 유량 제어 밸브)
29 : 제2 암 스풀(제3 유량 제어 밸브)
30 : 버킷 스풀
31 : 붐 스풀(제2 유량 제어 밸브)
32a, 32b : 제1 암 스풀 구동 전자기 밸브
33a, 33b : 제2 암 스풀 구동 전자기 밸브
34a, 34b : 버킷 스풀 구동 전자기 밸브
35a, 35b : 붐 스풀 구동 전자기 밸브
36a, 36b : 작동유 탱크
37 : 거리 연산부
38 : 목표 속도 연산부
41 : 관성 정보 설정 장치
42 : 제2 붐 스풀(제4 유량 제어 밸브)
43a, 43b : 제2 붐 스풀 구동 전자기 밸브
44 : 작동유 탱크
50 : 작업 장치 자세 검출 장치
51 : 목표면 설정 장치
53 : 제어점 위치 연산부
54 : 목표면 기억부
60 : 목표면
100 : 목표 액추에이터 속도 연산부
130 : 액추에이터 속도 연산부
140 : 보정 속도 연산부
141a : 보정 전 목표 액추에이터 속도 연산부
141b : 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부
141c : 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부
142 : 저역 통과 필터부
143 : 고변동 목표 속도 연산부
144 : 자세 판정부
150 : 신호 분리부
151 : 고주파 성분 분리부
200 : 액추에이터 제어부

Claims

복수의 프론트 부재를 갖는 작업 장치와,
상기 복수의 프론트 부재를 구동하는 복수의 유압 액추에이터와,
오퍼레이터의 조작에 따라서 상기 복수의 유압 액추에이터의 동작을 지시하는 조작 장치와,
상기 조작 장치의 조작 시에 상기 작업 장치가 소정의 목표면의 상방으로 제한되도록, 상기 복수의 프론트 부재의 목표 속도를 각각 연산하는 목표 속도 연산부를 갖는 컨트롤러를 구비하는 작업 기계에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 복수의 프론트 부재의 목표 속도의 신호를 각각 소정의 역치보다 주파수가 낮은 저주파 성분과 상기 역치보다 주파수가 높은 고주파 성분으로 분리하는 신호 분리부와,
상기 신호 분리부에서 분리된 상기 고주파 성분을 상기 복수의 프론트 부재 중 관성 부하가 상대적으로 작은 프론트 부재에 우선적으로 할당하여 상기 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 고변동 목표 속도 연산부와,
상기 고변동 목표 속도 연산부에서 연산된 상기 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도와 상기 복수의 프론트 부재의 자세 정보에 기초하여, 상기 복수의 액추에이터의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부와,
상기 신호 분리부에서 분리된 상기 저주파 성분과 상기 복수의 프론트 부재의 자세 정보에 기초하여, 상기 복수의 액추에이터의 저변동 목표 속도를 각각 연산하는 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부와,
상기 고변동 목표 액추에이터 속도 연산부의 연산 결과와 상기 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부의 연산 결과를 상기 복수의 액추에이터마다 가산한 값에 기초하여 상기 복수의 액추에이터를 각각 제어하는 액추에이터 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 장치는, 붐, 암 및 작업구를 갖고,
상기 고변동 목표 속도 연산부는, 상기 신호 분리부에서 분리된 상기 붐, 암 및 작업구의 목표 속도의 고주파 성분을 상기 작업구에만 할당하여 상기 붐, 암 및 작업구의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 장치는, 붐, 암 및 작업구를 갖고,
상기 고변동 목표 속도 연산부는, 상기 신호 분리부에서 분리된 상기 붐, 암 및 작업구의 목표 속도의 고주파 성분을 상기 암에만 할당하여 상기 붐, 암 및 작업구의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 장치는, 붐, 암 및 작업구를 갖고,
상기 컨트롤러는, 상기 작업 장치의 동작 평면 상에서 상기 작업구의 선단과 상기 암의 회동 중심을 연결하는 제1 직선이 상기 목표면과 직교하는지 여부와, 상기 작업 장치의 동작 평면 상에서 상기 작업구의 선단과 상기 작업구의 회동 중심을 연결하는 제2 직선이 상기 목표면과 직교하는지 여부를 상기 작업 장치의 자세 정보에 기초하여 판정하는 자세 판정부를 구비하고,
상기 신호 분리부는, 상기 자세 판정부에 의해 상기 제1 직선 및 상기 제2 직선 중 어느 한쪽이 상기 목표면과 직교한다고 판정된 경우, 상기 복수의 프론트 부재의 목표 속도의 신호를 각각 상기 역치보다 주파수가 낮은 저주파 성분과 상기 역치보다 주파수가 높은 고주파 성분으로 분리하는 처리를 실행하지 않고, 상기 복수의 프론트 부재의 목표 속도의 신호를 그대로 상기 저변동 목표 액추에이터 속도 연산부에 출력하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 장치는, 붐, 암 및 작업구를 갖고,
상기 컨트롤러는, 상기 작업 장치의 동작 평면 상에서 상기 작업구의 선단과 상기 암의 회동 중심을 연결하는 제1 직선이 상기 목표면과 직교하는지 여부와, 상기 작업 장치의 동작 평면 상에서 상기 작업구의 선단과 상기 작업구의 회동 중심을 연결하는 제2 직선이 상기 목표면과 직교하는지 여부를 상기 작업 장치의 자세 정보에 기초하여 판정하는 자세 판정부를 구비하고,
상기 고변동 목표 속도 연산부는,
상기 자세 판정부에 의해 상기 제1 직선이 상기 목표면과 직교한다고 판정된 경우, 상기 신호 분리부에서 분리된 상기 붐, 암 및 작업구의 목표 속도의 고주파 성분을 상기 복수의 프론트 부재 중 상기 암을 제외한 프론트 부재에 분배하여 상기 붐, 암 및 작업구의 고변동 목표 속도를 각각 연산하고,
상기 자세 판정부에 의해 상기 제2 직선이 상기 목표면과 직교한다고 판정된 경우, 상기 신호 분리부에서 분리된 상기 붐, 암 및 작업구의 목표 속도의 고주파 성분을 상기 복수의 프론트 부재 중 상기 작업구를 제외한 프론트 부재에 분배하여 상기 붐, 암 및 작업구의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 고변동 목표 속도 연산부는,
상기 신호 분리부에서 분리된 상기 고주파 성분 중 상기 목표면에 수직인 성분의 합계를 산출하고, 그 합계를 상기 복수의 프론트 부재 중 관성 부하가 상대적으로 작은 프론트 부재에 우선적으로 분배하여 상기 복수의 프론트 부재의 고변동 목표 속도를 각각 연산하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.