KR102439721B1

KR102439721B1 - 자동화된 마스트 셋-업을 이용하는 대형 조작기

Info

Publication number: KR102439721B1
Application number: KR1020197021207A
Authority: KR
Inventors: 토르스텐 베르트람; 크리스토프 뢰스만; 프랑크 호프만; 프레이아 이리나 존; 요하네스 헤니클; 막시밀리안 크래머
Original assignee: 슈빙 게엠베하
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2022-09-02
Also published as: WO2018115248A1; US20200392746A1; DE102016125145A1; EP3559374B1; EP3559374A1; CN110337520A; US11655642B2; KR20190095434A

Abstract

본 발명은, 회전식 드라이브(2)를 이용하여 수직 축 둘레로 회전될 수 있으며 섀시(4) 상에 장착되는 붐(boom) 받침대(3) 및 2개 이상의 붐 암들(6a, 6b, 6c, 6d)을 포함하는 관절형 붐(5)을 포함하는, 특히 트럭-장착형 콘크리트 펌프인 대형 조작기(1)에 관한 것이다. 붐 암들(6, 6b, 6c, 6d)은 피봇 드라이브들(8a, 8b, 8c, 8d)을 이용하여 관절 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)을 통해 인접한 붐 받침대(3) 또는 붐 암(6 a, 6b, 6c, 6d)에 피봇가능하게 연결된다. 대형 조작기는 또한 붐의 움직임을 위하여 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 작동시키는 제어기(9)를 포함한다. 제어기(9)는, 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 작동시키기 위한 제어 시퀀스를 사용하여 관절형 붐(5)을 관절형 붐(5)의 시작 위치(A)로부터 관절형 붐(5)의 지정된 목표 위치(B)로 자율적으로 이동시키도록 설계된다. 본 발명은 추가적으로 대형 조작기(1)의, 특히 트럭-장착형 콘크리트 펌프의 관절형 붐(5)의 움직임을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

자동화된 마스트 셋-업을 이용하는 대형 조작기

본 발명은, 회전식 드라이브를 이용해 수직 축 둘레로 회전할 수 있는 마스트 받침대(mast pedestal)로서, 이러한 받침대는 섀시 상에 배열되는, 마스트 받침대, 2개 이상의 마스트 암(arm)들을 포함하는 관절형(articulated) 마스트로서, 마스트 암들은 각기 관절형 조인트(joint)들을 통해 각각의 경우에 하나의 피봇(pivot) 드라이브를 이용하여 인접한 마스트 받침대 또는 마스트 암에 피봇식으로-이동가능하게(pivotally-movably) 연결되는, 관절형 마스트, 및 마스트 움직임을 위하여 드라이브들을 작동시키는 제어 유닛을 갖는, 특히 트럭-장착형 콘크리트 펌프인 대형 조작기(manipulator)에 관한 것이다.

추가로, 본 발명은 대형 조작기, 특히 트럭-장착형 콘크리트 펌프의 관절형 마스트의 움직임을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

대형 조작기들은 종래 기술로부터 복수의 구성들로 알려져 있다. 예를 들어, WO 2014/166637 A1은 관절형 마스트를 갖는 대형 조작기를 개시한다. WO 2014/166637 A1은, 관절형 마스트를 증가된 속도로 희망되는 작업 위치로 회전시키기 위하여 제어 유닛이 마스트 받침대의 회전식 드라이브에 대한 빠른 이동을 제공하는 대형 조작기를 제안하며, 여기에서 빠른 이동은 오로지 마스트 또는 붐(boom)이 함께 완전히 접힌 경우에만 선택될 수 있다. 제어 유닛과 상호작동하는 단일 센서가 이전에 공지된 대형 조작기에 제공되며, 여기에서 관절형 마스트가 함께 완전히 접혔는지 여부가 센서를 통해 결정될 수 있다. 센서는, 관절형 마스트가 함께 접혔으며 그에 따라서 최소 반경을 갖는다는 것이 보장되는 한 제어 유닛으로 릴리즈(release) 신호를 생성한다. 이러한 상태에서, 관절형 마스트는 증가된 속도로 회전될 수 있다. 따라서, 마스트 팁(tip) 속도에 대한 법적 표준이, 조인트들의 개별적인 유압 드라이브들의 최대 속도가 최악의 시나리오에 따라 설정되는 통상적인 마스트 제어에 비하여 더 양호하게 활용된다. 이러한 최악의 시나리오는, 개별적인 조인트와 마스트 팁 사이에서 각기 가능한 최대 거리를 갖는 마스트 위치를 고려한다.

전술된 문서에서 이미 인식된 바와 같이, 현재 건설 현장에서 대형 조작기의 기동(start-up)을 위한 지속기간은 실질적으로, 마스트의 셋-업(set-up), 즉, 관절형 마스트를 펼치는 것을 위한 시간을 통해 결정된다. 마스트의 긴 셋-업 시간에 대한 이유들 중 하나는, 마스트 팁의 최대 속도에 대한 표준들과 관련하여 개별적인 드라이브들의 최대 속도들의 이상에서 언급된 통상적인 설계에서, 이러한 표준들이 작동 안전을 보장하며 이는 건설 현장에 있는 사람들을 위태롭게 하는 것을 방지할 것이기 때문이다. 다른 이유는, 고속에서 다수의 조인트들의 동시적인 제어는 운전자가 숙련된 기술을 가질 것을 필요로 한다. 따라서, 전형적으로, 수동으로 제어되는 움직임 시퀀스들은 오히려 가능한 충돌 물체들에 대하여 대응하는 안전 거리들을 가지고 순차적으로 일어난다. 그러나, 이는 셋-업 시간과 관련하여 비효율적이다.

셋-업 시간에 대한 추가적인 제한 요소는, 마스트 유압 장치의 유압 회로에 오일을 공급하는 유압 펌프들의 최대 운반 성능이다. 진행 중인 동작에서, 대형 드라이브 실린더들을 이용하여 다수의 조인트들의 동시적인 작동 시에, 공급 부족이 발생할 수 있으며, 그 결과 개별적인 드라이브들이 미리 지정된 속도로 이동될 수 없다.

이러한 배경기술에 대하여, 개선된 대형 조작기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 특히, 관절형 마스트는, 가능한 경우, 가능한 한 빠르게 완전히 접힌 상태로부터 그것의 희망되는 작업 위치로 보내지는 것이 가능하여야만 한다. 추가로, 관절형 마스트는 가능한 한 빠르게 작업 위치로부터 완전히 접힌 위치로 이동될 수 있어야만 한다. 이에 더하여, 관절형 마스트는, 셋-업 상태에서, 짧은 시간 내에 초기 위치로부터 상이한 목표 위치로 변위될 수 있어야만 한다.

본 발명은, 이상에서 언급된 유형의 대형 조작기로부터 시작하여, 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스에서, 제어 유닛이 관절형 마스트의 초기 위치로부터 관절형 마스트의 미리 지정된 목표 위치로 관절형 마스트를 자율적으로 이동시키도록 구성된다는 점에 있어서 목표를 달성한다.

특히 관절형 마스트의 셋-업 시간을 감소시키기 위하여, 관절형 마스트를 접힌 상태와 같은 관절형 마스트의 초기 위치로부터 상기 마스트가 도달하는 관절형 마스트의 미리 지정된 목표 위치, 예를 들어, 희망되는 콘크리트 타설 현장으로 자율적으로 이동시키는 제어 유닛을 통해 운전자를 지원하는 것이 제안된다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 제어 유닛은 이에 따라 드라이브들이 작동되는 제어 시퀀스를 자율적으로 수행한다. 다시 말해서, 제어 시퀀스는, 이에 의해 대형 조작기의 드라이브들이 작동되는 제어 신호들의 시퀀스이다. 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스는, 제어 유닛을 이용한 자율 작동을 통해, 수동 동작에서 보다 더 복잡해 질 수 있으며, 관절형 마스트의 다수의 드라이브들 또는 심지어 모든 드라이브들의 동시적인 작동을 가능하게 할 수 있다. 운전자는 단지 관절형 마스트의 목표 위치를 제어 유닛에 지정해 주기만 하면 된다. 안전 상의 이유들 때문에, 드라이브들의 자율 작동은, 제어 유닛을 통해, 예를 들어, 예상치 못하게 발생하는 장애물들과의 충돌을 회피하기 위하여, 제어 시퀀스 동안, 대형 조작기의 운전자에 의해 영구적으로 인에이블(enable)되어야만 한다. 여기에서, 시스템의 제한들이 마찬가지로 가능한 한 활용될 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 통상적인 마스트 제어에 비하여 더 높은 관절형 마스트의 개별적인 드라이브들의 속도는, 다른 것들 중에서도 특히, 규범들에 의해 규정된 마스트 팁의 최대 속도를 유지하면서 허용된다.

본 발명의 유익한 구성들 및 추가적인 개발들이 종속항들로부터 초래된다.

본 발명의 유익한 구성에 따르면, 관절형 마스트는 마스트 팁을 포함하며, 여기에서 관절형 마스트의 목표 위치는 마스트 팁의 미리 지정된 위치를 통해 정의된다는 것이 제공된다. 마스트 팁에 대한 목표 위치를 미리 지정하는 것은, 초기 위치로부터 미리 지정된 목표 위치로의 관절형 마스트의 자율 이동 이후에 관절형 마스트가 전개될 수 있게 만든다. 제어 유닛은 드라이브들의 작동을 위하여 미리 지정된 목표 위치를 자율적으로 작동시키며, 그 결과 마스트 팁이 목표 위치에 자동으로 도달한다.

유익한 실시예는, 관절형 마스트의 목표 위치의 지정은 그래픽적 표현 내에서 운전자를 통해 선택 시에 발생하며, 여기에서 그래픽적 표현은 관절형 마스트의 다수의 가능한 목표 위치들의 선택을 제공한다는 것이다. 그래픽적 표현에 기초하여, 운전자는 매우 간단하고 매우 선명하게 목표 위치를 지정할 수 있다. 바람직하게는, 그래픽적 표현은 조감도로부터 대형 조작기의 작업 영역을 보여주며, 그 결과 가능한 목표 위치들이 직관적으로 선택될 수 있다.

선호되는 실시예는, 제어 유닛이, 초기 위치로부터 미리 지정된 목표 위치로의 관절형 마스트를 이동시키기 위한 총 시간이 최소가 되게 하는 방식으로 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스를 결정한다는 것을 제공한다. 최소 총 시간에 기초하는 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스의 선택은 제어 유닛을 이용한 관절형 마스트의 자율 작동의 시간적 최적화를 보장한다.

추가적인 선호되는 변형예에 있어서, 관절형 마스트를 초기 위치로부터 미리 지정된 목표 위치로 이동시키기 위한 총 시간이 미리 정의된 최대 시간을 초과하지 않도록 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스를 수립하는 것이 제공된다. 이상에서 언급된 목표 위치로 접근하기 위한 총 시간의 최소화와 관련하여, 여기에서 이점은, 일부 상황들 하에서, 제어 시퀀스를 수립하는 것이 더 간단하며 빠르게 가능하다는 것이다.

적어도 하나의 관절형 조인트의 피봇 각도 또는 관절형 마스트의 적어도 하나의 포인트의 위치를 검출하기 위한 마스트 센서 시스템이 제공되며, 여기에서 제어 유닛은 마스트 센서 시스템의 시작 신호에 기초하여 관절형 마스트의 위치를 식별하도록 구성되는 추가적인 개발이 특히 유익하다. 마스트 센서 시스템의 이러한 방식은, 예를 들어, 제어 시퀀스의 맥락에서 작동 동안 관절형 마스트의 움직임을 모니터링 하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 그 후에 제어 시퀀스를 종료하기 위하여 관절형 마스트가 미리 지정된 목표 위치에 도달하였는지 여부가 마스트 센서 시스템을 사용하여 조사될 수 있다.

제어 유닛이 마스트 센서 시스템의 출력 신호에 기초하여 관절형 마스트의 초기 위치를 식별하도록 구성되는 구성이 추가로 유익하다. 초기 위치로서 현재 마스트 위치의 센서를 이용한 검출을 통해, 관절형 마스트는 수립된 제어 시퀀스를 통해서 임의의 마스트 위치로부터 미리 지정된 목표 위치로 자율적으로 이동될 수 있다.

본 발명의 유익한 실시예는, 제어 유닛이 마스트 센서 시스템의 출력 신호에 기초하여, 관절형 마스트의 미리 지정된 목표 위치로의 관절형 마스트의 자율 이동을 위해 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스를 수립하도록 구성되는 것을 제공한다. 이러한 구성은, 제어 유닛이 현재의 초기 위치에 따라서 독립적으로 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스를 계산하거나 또는 선택한다는 이점을 갖는다. 특정 제어 시퀀스들이 미리 제어 유닛 내에 저장될 수 있으며, 이러한 시퀀스들은 다수의 미리 지정된 가능한 초기 위치들로부터 다수의 미리 지정된 가능한 목표 위치들로 관절형 마스트를 이동시킨다. 그러면, 제어 유닛은 단지 적절한 제어 시퀀스를 선택한다. 대안적으로, 제어 유닛은, 예를 들어, 최기 위치로부터 목표 위치로의 이동을 위하여 요구되는 시간을 최적화하면서 제어 시퀀스의 계산을 수행한다. 여기에서 제어 시퀀스는, 예를 들어, 반복적 방법(iterative method)에 기초하여 수립될 수 있다. 가능한 시작 및 목표 위치들에 대하여 더 적은 제한들이 존재함에 따라 이에 의해 유연성이 증가된다. 2가지 경우들 모두에 있어서, 운전자는, 이들이 단지 초기 위치로부터 목표 위치로의 관절형 마스트를 이동시키는 것을 모니터링하기만 하면 된다는 효과에 의해 지원을 받는다.

본 발명의 선호되는 실시예는, 제어 유닛이 저장부를 포함하며, 여기에서 저장부는 드라이브들의 작동을 위한 판독가능 제어 시퀀스들을 포함한다는 것을 제공한다. 이러한 데이터 저장부는 드라이브들의 작동을 위한 다수의 제어 시퀀스들을 저장하도록 구성되며, 그 결과 이러한 시퀀스들이 반드시 제어 유닛에 의해 계산되거나 또는 새롭게 계산되어야 할 필요가 없다.

유익한 실시예는, 제어 유닛이 제약들을 갖는 동적 최적화 문제의 수치적 해결(numerical solving)을 통해 드라이브들의 작동을 위한 제어 시퀀스를 계산하도록 구성된다는 것이다. 제약들을 지키면서 신뢰할 수 있는 제어 시퀀스를 획득하기 위하여, 공지된 그리고 증명된 알고리즘들이 동적 최적화 문제의 수치적 해결을 위하여 사용될 수 있다.

개별적인 관절형 조인트들의 피봇 범위 및/또는 개별적인 관절형 조인트들의 최대 달성가능 피봇 속도들 및/또는 마스트 팁의 최대 속도 및/또는 관절형 마스트의 최대 허용 운동 에너지 및/또는 마스트 유압장치를 공급하는 유압 펌프의 운반 양 및/또는 대형 조작기의 무 충돌(freedom from collision) 및/또는 지탱(bracing) 구성이 동적 최적화 문제에 대한 제약들로서 제공되는 경우, 추가적인 개발이 특히 유익하다. 동적 최적화 문제의 수치적 해법에 대한 이러한 제약들을 부분적으로 또는 완전히 고려하는 것은, 각각의 경우에 있어서, 상황에 대하여 신뢰할 수 있고 적절한, 관절형 마스트를 초기 위치로부터 목표 위치로 이동시키기 위한 드라이브들의 작동을 위한 최적의 제어 시퀀스를 공급한다.

본 발명을 통해 이용할 수 있게 되는 마스트 움직임의 높은 속도들 때문에, 본 발명의 유익한 구성에 따른 제어 유닛은, 마스트 위치 및 마스트 속도를 고려하면서 마스트 움직임 시의 관절형 마스트의 운동 에너지를 수립하고, 그것의 움직임 동안 관절형 마스트의 최대 운동 에너지가 초과되지 않도록 드라이브들의 제어를 통해 마스트 속도를 제한한다. 이러한 조치를 이용하면, 마스트 움직임의 급격한 가속 또는 지연 시에, 관절형 마스트의 기계적인 과부하(overloading)의 발생이 방지된다.

본 발명은, 통상적인 마스트 제어에 비하여, 마스트의 개별적인 관절형 조인트들에서 더 높은 변위 속도들을 가능하게 하며, 이는 마스트 팁의 최대 허용 속도가 동적 최적화 문제의 해법에 대한 제약으로서 고려되기 때문이다. 따라서, 마스트 속도에 대해 법적으로 규정된 프레임워크가 종래 기술에 비하여 더 양호하게 활용될 수 있다.

또한, 회전식 드라이브를 이용해 수직 축 둘레로 회전할 수 있는 마스트 받침대로서, 이러한 받침대는 섀시 상에 배열되는, 마스트 받침대, 2개 이상의 마스트 암들을 포함하는 관절형 마스트로서, 마스트 암들은 각기 관절형 조인트들을 통해 각각의 경우에 하나의 피봇 드라이브를 이용하여 인접한 마스트 받침대 또는 마스트 암에 피봇식으로-이동가능하게 연결되는, 관절형 마스트, 및 마스트 움직임을 위하여 드라이브들을 작동시키는 제어 유닛으로서, 여기에서 드라이브들은 제어 유닛에 의해 제어 시퀀스를 가지고 작동되며, 이러한 제어 시퀀스에서 관절형 마스트는 관절형 마스트의 초기 위치로부터 관절형 마스트의 미리 지정된 목표 위치로 자율적으로 이동되는, 제어 유닛을 갖는, 특히 트럭-장착형 콘크리트 펌프인 대형 조작기의 관절형 마스트의 움직임을 제어하기 위한 방법이 본 발명의 주제이다.

이러한 방법을 통해, 관절형 마스트의 셋-업 프로세스는, 예를 들어, 그 자체가 상당히 간략화되는 것을 가능하게 한다. 여기에서 사용자는 제어 유닛을 통해 지원을 받으며, 이러한 제어 유닛은 관절형 마스트를 접힌 상태와 같은 관절형 마스트의 초기 위치로부터 콘크리트 타설 현장과 같은 관절형 마스트의 미리 지정된 목표 위치로 이동시킨다. 드라이브들의 자율 작동을 위한 제어 시퀀스는 더 복잡해 질 수 있으며 관절형 마스트의 다수의 드라이브들 또는 심지어 모든 드라이브들의 동시적인 작동을 제공할 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 운전자는 단지 관절형 마스트의 목표 위치를 지정해 주기만 하면 된다. 이러한 방법은, 예를 들어, 마스트 팁의 규범적으로 지정된 최대 속도를 유지하면서 관절형 마스트의 개별적인 드라이브들의 더 높은 속도가 허용된다는 점에 있어서, 시스템의 제한들을 아주 잘 활용한다.

방법들에 대하여, 유익한 구성들 및 추가적인 개발들이 종속항들로부터 초래된다.

본 발명의 추가적인 특징들, 세부사항들 및 이점들은 예시들에 기초할 뿐만 아니라 다음의 설명에 기인한다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 오로지 다음의 예시들에서 개략적으로 도시되며, 이하에서 상세하게 설명된다. 상호 대응하는 주제들 또는 엘리먼트들에는 모든 도면들에서 동일한 참조 문자들이 제공된다. 다음과 같이 도시된다.
도 1은 펼쳐진 위치의 관절형 마스트를 갖는 본 발명에 따른 대형 조작기이다.
도 2는 접힌 위치의 관절형 마스트를 갖는 본 발명에 따른 대형 조작기이다.
도 3은 대형 조작기의 관절형 마스트를 제어하기 위한 그래픽적 표현이다.

도 1은 전체로서 참조 문자 1에 의해 참조되는 본 발명에 따른 대형 조작기, 즉, 트럭-장착형 콘크리트 펌프를 개략적으로 도시한다. 본 개시의 범위 내에서, 작업 수단, 예를 들어, 암, 붐, 리프팅 메커니즘, 리프팅 프레임 또는 마스트는 대형 조작기(1) 용어와 관련하여 이해되어야 한다. 대형 조작기(1)는 수직 축 y₀ 둘레로 회전할 수 있는 마스트 받침대(3) 상에 배열되는 펼칠 수 있는 관절형 마스트(5)를 포함한다. 수직 축 둘레로의 마스트 받침대(3)의 이러한 회전은, 바람직하게는 비례 제어 밸브를 통해 작동되는, 유압 모터 및 트랜스미션으로 구성된 회전식 드라이브(2)를 통해 유도된다. 관절형 마스트(5)는 마스트 받침대(3) 상에서 관절화되며, 복수의, 예시적인 실시예에 있어서 총 4개의 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)을 포함하고, 이들은, 각각의 경우에 하나의 피봇 드라이브(8a, 8b, 8c, 8d)를 이용하여, 인접한 마스트 암(6a, 6b, 6c, 6d) 또는 마스트 받침대(3)에 대하여 관절형 축들 둘레로 개별적으로 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d) 상에서 피봇할 수 있다. 제 1 마스트 암(6a)은, 조인트를 통해, 관절형 조인트(7a)에서 수평 축 둘레로 피봇식으로 이동가능하게 마스트 받침대(3)에 부착된다. 제 1 마스트 암(6a)의 피봇 움직임은 제 1 피봇 드라이브(8a)를 통해 성취된다. 나머지 마스트 암들(6b, 6c 및 6d)은, 개별적인 인접한 마스트 암들에, 관절형 조인트들(7b, 7c, 7d)을 통해 서로 평행한 수평 축들 둘레로 피봇식으로-이동가능하게 연결된다. 피봇 움직임은 이러한 피봇 조인트들(7b, 7c, 7d)에서 피봇 드라이브들(8b, 8c, 8d) 중 하나를 통해 성취된다. 피봇 드라이브들은 각기 하나의(또는 다수의) 유압 실린더(들)를 포함하며, 이들은 유익하게는 비례적으로 기능하는 제어 밸브들을 통해 작동된다. 이들뿐만 아니라 회전식 드라이브(8)의 유압 모터에 대한 제어 밸브는, 결과적으로, 마스트 움직임을 위하여 전자 제어 유닛(9)(도 3)에 의해 제어된다. 예시적인 실시예에 있어서, 대형 조작기(1)의 섀시(4)는 지면 상에서 지탱하기 위한 4개의 연장가능 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)을 포함한다. 도 1에 따른 표현에서, 모든 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)이 완전히 연장되고/접어 내려지며(folded down), 따라서, 이러한 지탱 구성에서, 관절형 마스트(5)은, 대형 조작기(1)가 그것의 안정성을 상실하지 않으면서, 모든 방향으로 수직 축 둘레로 회전될 수 있다는 것이 용이하게 인식될 것이다. 이러한 방식으로, 마스트 팁(10)은 관절형 마스트(5)를 가지고 도달될 수 있는 임의의 목표 위치 B를 나타낼 수 있다.

대형 조작기(1)는, 예를 들어, 조인트들 및 마스트 받침대(3)의 회전에 대한 각도 센서, 개별적인 유압 실린더들의 피스톤 위치들을 검출하기 위한 경로 센서들 또는 측지(geodetic) 경사 센서들의 형태의 마스트 센서 시스템을 포함한다. 마스트 센서 시스템의 도움으로, 예를 들어, 마스트 받침대(3)의 회전의 회전 각도 φ_DW, 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 피봇 각도들 φ₁, φ₂, φ₃ 및 φ₄가 검출되며, 여기에서, 제어 유닛(9)은, 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 현재 피봇 각도들 φ₁, φ₂, φ₃ 및 φ₄에 따라, 바람직하게는 회전식 드라이브(2)의 유압 모터의 그리고 유압 실린더들의 밸브들의 대응하는 작동을 통해 마스트 움직임의 속도를 제어한다.

이하에서, 이러한 예에 있어서 본 발명에 따른 마스트 제어의 시간적 최적화를 위한 반복적 방법인 알고리즘의 예시적인 실시예가 대형 조작기(1)를 사용하여 상세하게 설명된다. 대형 조작기(1)는 임의의 수의 N개의 조인트들을 갖는 관절형 마스트(5)를 포함하며, 이러한 마스트는 마스트 받침대(3)를 가지고 섀시(4) 상의 고정된 포인트에 앵커링(anchor)된다.

도 1은 N = 4개의 조인트들을 포함하는 관절형 마스트(5)를 갖는 트럭-장착형 콘크리트 펌프(1)의 경우를 대표적으로 도시한다. 개별적인 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)의 탄성 변형은 무시되며, 따라서 이들은 강체들로서 간주된다. 알고리즘은, 요구 시에, 탄성 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)을 고려하기 위하여 그에 따라서 확장될 수 있다.

관절형 마스트(5)의 초기 위치 A(예를 들어, 도 2에 도시됨)로부터 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치 B(예를 들어, 도 3 참조)로의 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스를 식별하기 위하여, 시스템의 운동학의 설명이 요구된다. 이러한 예에서 시간적으로 최적화된 제어 시퀀스를 결정하는 것은, 일반적으로 오로지 반복적 방법을 가지고 수치적으로만 해결될 수 있는 동적 최적화 문제를 나타낸다. 그것의 제약들과 함께 시스템의 동적 거동의 적절한 수학적 모델이 이러한 최적화 문제의 수학적 공식화를 위하여 반드시 사용되어야만 한다. 강체 문제로서의 시스템의 간략화에 기초하여, 관절형 마스트(5)의 조인트 및 회전식 유닛 각속도(angle speed)들은 다음과 같이 시스템의 입력 변수들로서 취해질 수 있다:

여기에서, 벡터

는 시스템의 자유도들을 나타내며, 이들은 수직 축 둘레로의 마스트 받침대(3)의 회전 각도 및 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 각도를 통해 지정되고,

은 희망되는 각속도들의 입력 벡터를 나타내며,

는 초기 위치 A(예를 들어, 도 2에 따른 이송 위치)에서의 또는 궁극적으로는 시작 시점 t = t₀에서의 마스트의 임의적인 위치에서의 시스템의 각도를 나타낸다. 일반적으로, 유압 시스템은 유압 실린더들의 속도들을 미리 지정하도록 구성된다는 점을 주목해야만 한다. 그러나, 조인트 각도와 관련된 실린더의 피스톤 위치 사이의 운동학적 상관관계를 알면, 조인트 각속도들은 항상 실린더에 대한 대응하는 피스톤 속도로 변환될 수 있다. 마스트는 최소 시간

내에 목표 위치 B, 즉

로 이동되어야만 하며, 이러한 위치는 마지막 마스트 암(6d)의 실린더 좌표들

의 형태로 운전자를 통해 지정된다. 그것의 중복성(공간적 좌표들보다 더 많은 자유도)을 통해 시스템의 자유도들과 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)의 종점들의 좌표들 사이의 운동학적 상관관계

이 분명하지 않기 때문에,

가 목표 위치 B로서 어떻게 설정되어야만 하는지에 대한 추가적인 기준이 도입되어야만 한다. 이는, 예를 들어, 관절형 마스트(5)를 통해 가능한 한 균일한 아크의 형성에 대한 요구(call)일 수 있으며, 이는 관절형 조인트들(7b, 7c, 7d 및 경우에 따라서는 7a일 수도 있음)에 대한 가능한 한 동일한 피봇 각도를 통해 달성될 수 있다.

따라서, 동적 최적화 문제는, 그것의 가장 최소의 형태로, 다음을 통해 표현될 수 있다

여기에서 최소화될 종료 시간은 t_e로 지정된다. 따라서, 문제의 최적 해법은, 최소 종료 시간

내에, 시스템을 희망되는 종료 상태

로 이동시키는 드라이브들(drives 2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동

을 위한 최적 제어 시퀀스이다.

또한, 시스템은 최적화 문제를 통해 고려되어야만 하는 다양한 제약들을 받으며, 이는 다음과 같이 부등식들의 형태로 공식화될 수 있다:

우선 한가지 제약은, 관절 위치들의 제약들이 존재한다. 관절형 마스트(5)의 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d) 및 또한 마스트 받침대(3)의 회전식 메커니즘은 일반적으로 제한된 피봇 각도를 가지며, 따라서

에 대한 피봇 각도들

는 반드시 다음의 부등식을 충족시켜야만 한다

그리고 회전식 메커니즘 각도

은 반드시 다음 부등식을 충족시켜야만 한다

.

반면, 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 통해 성취되는 마스트 받침대(3)를 갖는 회전식 메커니즘의 그리고 개별적인 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 최대 달성가능 피봇 속도들이 시스템을 제한한다. 개별적인 마스트가 기능하는 피봇 속도, 즉, 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d) 및 마스트 받침대(3)를 갖는 회전식 메커니즘이 움직일 수 있는 피봇 속도는, 일반적으로, 다음의 형태로 상한 및 하한으로 제한된다

에 대하여, 그리고

.

이러한 제약들은 주로 회전식 메커니즘에 대한 회전식 드라이브(2) 또는 개별적인 관절형 조인트(7a, 7b, 7c, 7d)에 할당된 피봇 드라이브(8a, 8b, 8c, 8d)를 작동시키기 위한 유압 컴포넌트들을 통해 초래되며, 이는 이들이 반드시 특정 최대 체적측정(volumetric) 흐름 레이트들에 대하여 설계되어야만 하기 때문이다.

추가적인 제약은 법적 규범과 관련된 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)의 종점들 또는 마스트 팁(10)의 최대 허용 속도이다. 관절형 마스트(5)의 너무 빠른 움직임이 주변 영역에 있는 사람들에게 위험을 초래하기 때문에, 일반적으로 대형 조작기들에서의 변위 속도가 제한된다. 안전한 동작을 보장하기 위하여, 관절형 마스트의 팁의 허용되는 최대 속도를 정의하는 법적 규범이 존재한다. 규범들에 의해 요구되는 개별적인 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)의 종점들의 또는 관절형 마스트(5)의 움직임 속도의 제한은 다음의 형태로 관절형 마스트(5)의 운동학적 설명에 기초하여 기술될 수 있다

.

이에 더하여, 시스템의 최대 허용 운동 에너지의 제한은 기계적 구조의 너무 높은 부하들을 방지하는데 유용하다.

여기에서,

는 시스템의 일반화된 질량 매트릭스를 나타낸다. 이러한 제한은, 통상적인 마스트 제어에 비하여 증가된, 개별적인 마스트가 기능하는, 즉, 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 그리고 마스트 받침대(3)를 갖는 회전식 메커니즘의 최대 속도들의 설계 때문에 요구되며, 이는 관절형 마스트(5)의 상당히 더 높은 속도들이 발생할 수 있으며 그럼으로써 이러한 속도가 갑작스런 움직임 정지 시에 상당히 더 높은 힘들을 초래할 수 있기 때문이다.

이에 더하여, 바람직하게는 유압 구동형 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)이 유압 유체를 공급받는 마스트 유압 펌프의 제한된 운반 성능이 고려되어야만 한다. 마스트 펌프로부터 회전식 드라이브(2)의 유압 모터에 대한

뿐만 아니라

에 대하여 유압 실린더의 개별적인 소비자들로 흐르는, 체적 흐름들의 합계

는 마스트 펌프의 설계를 통해 제한된다.

여기에서 최대 값

는 마스트 유압장치를 공급하는 마스트 펌프의 운반 양으로부터 기인한다. 바람직하게는, 운반 양 및 그에 따른 최대 값

은, 예를 들어, 콘크리트 펌프들 내에 전형적으로 존재하는 어큐물레이터 차지 펌프(accumulator charge pump)의 연결을 통해 증가될 수 있다. 일반적으로, 어큐물레이터 차지 펌프는, 2-실린더 피스톤 펌프의 콘크리트 스위칭 밸브의 스위칭을 위한 유압 저장소를 공급한다. 마스트 유압장치를 공급하는 펌프의 더 높은 운반 양 및, 그에 따라서 특히 마스트를 펼치는데 있어서 마스트 움직임의 더 높은 속도를 달성하기 위하여, 어큐물레이터 차지 펌프의 연결이 유용하다. 운반 양이 대형 조작기(1) 내의 내연 엔진의 회전 속도에 의존한다는 것이 고려되어야 한다. 함수들

은, 피봇 드라이브들(8a, 8b, 8c, 8d)의 개별적인 실린더들의 피스톤 위치들

와 피봇 각도들 φ₁, φ₂, φ₃, φ₄사이의 일반적으로 비-선형적인 상관관계들

로부터 기인하거나 또는 다음과 같은 속도들의 상관관계

,

로부터 기인한다.

관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 움직임의 방향에 의존하여, 관련된 체적 흐름

은 피스톤 속도와 (움직임의 방향에 의존하여, 피스톤 또는 로드(rod) 측의) 실린더의 개별적인 유효 표면

의 곱(product)으로부터 계산될 수 있으며, 즉,

이다.

회전식 드라이브(2)에서, 유압 모터의 변위와 기어 메커니즘의 트랜스미션에 의존하여, 회전가능 마스트 받침대(3)에서 회전 각속도와 체적 흐름 사이의 선형적 상관관계가 발생한다.

(운전실(15) 및 섀시(4)로 이루어진) 차량, 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d), 및 지면과 관절형 마스트(5)의 충돌을 회피하기 위하여, 관절형 마스트(5)의 작업 공간이 제한되어야만 한다. 지면에 기인한 제한은 운동학에 기초하여 용이하게 표현될 수 있지만, (운전실(15) 및 섀시(4)로 이루어진) 차량 및 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)은 간략화된 3D 물체들로서 고려되어야만 한다. 여기에서, 관절형 마스트(5)는, 접힌 마스트가 차량의 섀시(4) 상에 놓이는 위치인 이송 위치(도 2에 도시됨)를 벗어나 연장되어야만 한다는 것을 주의해야 한다. 이에 더하여, 집들, 나무들 또는 전력 라인들과 같은 추가적인 3D 물체들과의 충들을 회피하는 것이 고려될 수 있다. 이러한 추가적인 물체들은, 예를 들어, 건설 현장의 레이저, 초음파, 또는 레이더 스캐닝을 이용하는 것과 같은 적절한 센서 시스템을 통해 검출될 수 있다. 이에 대하여 대안적으로, 가능한 충돌 물체들의 위치 및 기하구조를 식별하기 위하여 카메라 시스템이 또한 이용될 수 있다. 트럭-장착형 콘크리트 펌프의 일반적으로 큰 작업 공간을 측정하기 위하여, 센서 시스템은, 예를 들어, 하나 또는 다수의 자율 비행가능(volant) 드론들에 부착될 수 있다.

충돌 조건들의 수학적 설명을 위해, 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d), 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d) 및 (운전실(15) 및 섀시(4)로 이루어진) 차량은, 간략화된 방식으로, 개별적인 몸체(body)들이 전체적으로 인케이싱(encase)될 수 있는 기하학적 인케이싱 직육면체들로서 설명된다. 여기에서, 인케이싱 직육면체들의 치수들은 가능한 한 작게 선택되어야만 하며, 그 결과 너무-제한적이지-않은(not-too-restrictive) 충돌 조건들이 그로부터 야기된다. 바람직하게는 차량에 대하여 2개의 인케이싱 직육면체들이 선택되며, 여기에서 이들 중 하나는 운전실(15)을 포함하고 다른 하나는 차량의 후방 부분, 즉 섀시(4)를 포함한다. 충돌들의 회피를 위하여, 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)의 인케이싱 직육면체들과 (운전실(15) 및 섀시(4)로 이루어진) 차량뿐만 아니라 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)의 인케이싱 몸체들 사이에 최소 거리를 유지하는 것은 최적화 문제의 보조 조건의 형태로 구현된다. 이러한 보조 조건의 특별한 공식화를 위하여, 로봇 및 3D 시뮬레이션의 분야로부터 상이한 접근 방식들이 문헌에서 알려져 있다.

여기에서, 상정된 목적을 달성하기 위하여, 소위 거리 함수들이 바람직하게는 거리들의 계산을 위하여 사용된다. 여기에서 사용되는 거리 함수는 바람직하게는 린-캐니(Linn-Canny) 알고리즘들의 클래스에 속한다. 이는 트리 구조로 세부사항들의 상이한 계층구조를 가지고 인케이싱 몸체를 나타내며, 따라서 2개의 인케이싱 몸체들의 최근접 포인트들을 효율적으로 좁힐 수 있다. 인케이싱 몸체들 상의 2개의 최근접 포인트들은 소위 보로노이 영역(Voronoi region)들의 도움으로 시간적으로 추적되며, 이를 이용하여 포인트들의 옛날(ancient) 위치의 부근에서의 인케이싱 몸체들의 움직임 이후의 거리 계산이 반복될 수 있다. 서로 간에 개별적인 몸체들이 충돌하지 못하게 하는 것과 함께 개별적인 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)이 지면과 충동하지 못하게 하는 것이 확실하게 이루어져야만 한다. 각기 좌표들

의 엔트리(entry)를 나타내는 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)의

에 대한 높이들

이 최소 값

아래로 떨어지지 않을 수 있다는 점, 즉,

라는 점에 있어서, 이는 간단한 형태로 발생할 수 있다. 여기에서

에 대한 값이 대응적으로 크게 선택되는 경우, 부등식 조건을 유지하는 것이 전체 관절형 마스트(5)가 지면과 충돌하지 않는 것을 보장한다.

또한, 도 2에 도시된, 마스트 지지부(16) 내의 접힌 관절형 마스트(5)의 정상 동작 동안 허용되는 접촉이 매핑되어야만 한다. 관절형 마스트(5)가 마스트 지지부(16) 내에 위치되어 있는 경우, 이러한 마스트는 리프트(lift)될 수 있지만, 이는 오로지 관절형 조인트(7a)에 대한 특정 피봇 각도 이후에만 회전될 수 있다. 이는, 여기에서

로 명명된 관절형 조인트(7a)의 피봇 각도에 의존하여, 여기에서

로 지정된 회전식 메커니즘의 작동 변수의 제약

의 형태로 설명되며, 즉,

이다.

또한, 마찬가지로, 도 3에 도시된 부분적 지탱 시에 대형 조작기(1)의 안정성이 제공되어야만 한다. 소위 부분적 지탱 시에, 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)은, 반드시 완전히 연장되고/접어 내려지는 것이 아니라 단지 부분적으로만 연장되고/접어 내려진다. 도 3에 표시된 부분적 지탱에 대한 예에 있어서, 지지부들(14a, 14b)은 완전히 연장되고/접어 내려지며, 지지부(14c)는 단지 부분적으로만 연장되고/접어 내려지고, 지지부(14d)는 연장되고/접어 내려지지 않거나 또는 거의 연장되고/접어 내려지지 않는다. 이러한 부분적 지탱은, 건설 현장의 환경들이 대형 조작기(1)의 다른 셋-업 가능성들을 허용하지 않는 경우 요구될 수 있으며, 이는 연장되고/접어 내려지지 않거나 또는 부분적으로만 연장되고/접어 내려진 지지부들의 측면 상에서(예를 들어, 거리 상에서) 이용할 수 있는 공간이 없기 때문이다. 대형 조작기(1)가 부분적으로만 지탱되는 경우, 연장 프로세스를 계산하기 위한 알고리즘은 반드시 이를 고려해야만 하며, 따라서, 제어 시퀀스에서, 오로지 마스트 위치들만이 이동되며 이들은 마찬가지로 부분적 지탱 시에도 안정적이다. 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)의 연장/접어 내린 위치는 바람직하게는 적절한 센서 시스템을 통해 계량적으로 검출된다. 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)의 위치는, 알려진 질량 분포에서, 전체 대형 조작기(1)의 무게 중심이 섀시(4)의 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)의 종점들을 통해 형성되는 기울어진 사변형(tilt quadrilateral) 내에 위치되는 경우, 4개의 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)의

에 대한 무게 중심들

뿐만 아니라 알려지고 일정한 것으로 가정되는 차량의 무게 중심 c _F 및 이러한 무게 중심을 가지고, 평가하기 위하여, 관절형 마스트(5)의 무게 중심

이 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)에서 펼침 프로세스에서 발생하는 피봇 각도들 φ₁, φ₂, φ₃, φ₄에 의존하여 계산된다는 점에 있어서 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동이 고려될 수 있다. 여기에서, 개별적인 지지부(14a, 14b, 14c, 14d)의 무게 중심은 그것의 연장 상태

에 의존한다. 대형 조작기(1)의 안정성을 제공하기 위하여, 이제, 기울어진 사변형의 최근접 기울어진 에지에 대한 수평 거리

은 양의 최소 치수

을 갖는다는 것, 즉,

이 적용되어야만 한다. 여기에서, 팁핑(tipping) 사변형의 외부의 무게 중심의 거리는 음수로(negatively) 평가될 것임을 주의해야 한다.

드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 및 8d)의 작동을 위한 시간-최적화 제어 시퀀스를 계산하기 위하여, 적절한 성능 함수가 최소화되어야만 하며, 이러한 함수는 관절화 마스트(5)를 초기 위치 A로부터 벗어나 목표 위치 B로 이동시키는 접음(folding) 프로세스의 총 시간 또는 최적화 변수로서 이로부터 도출되는 변수를 포함한다. 여기에서 성능 함수는 반드시, 시스템의 제약들을 나타내는 이상에서 설명된 방정식 및 부등식 조건들을 고려하면서 최소화되어야만 한다. 성능 함수의 공식화뿐만 아니라 알고리즘의 구현과 관련하여, 동적 최적화의 주제에 대하여 일반적인 문헌에서 상이한 변형예들이 알려져 있으며, 이들이 목적을 달성하기 위하여 적용될 수 있다. 바람직하게는 본 목적을 달성하기 위하여 사용될 수 있는 특별한 접근 방식은 소위 TEB(Timed Elastic Band) 접근 방식이다. 이러한 접근 방식에 있어서, 관절형 마스트(5)의 궤적 및 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위하여 발견될 제어 시퀀스는, 최적 제어 문제를 수치적 최적화 문제로 다시 공식화하기 위하여, 고정된 수 n개의 스캐닝 포인트들을 가지고 시간적으로 이산화(discretize)된다. 2개의 스캐닝 포인트들 사이의 시간적 차이 Δt뿐만 아니라 총 시간에 걸쳐 이산화된 상태들 x _k(및 조작 변수들 u _k)이 최적화 변수들로서 정의된다. 이러한 변수들은 세트 β에서 요약된다. 따라서, 수치적 최적화 문제는 다음과 같이 정의된다:

여기에서 시작 위치 A를 갖는 시작 상태는 x _s를 가지고 지정되며, 목표 위치 B를 갖는 희망되는 최종 상태는 x _f를 가지고 지정된다. 시간적 최적성을 달성하기 위하여, 총 시간

또는 (n-1이 일정하기 때문에) 이와 동등한 시간 차이 Δt가 최소화된다. 각기 시점 k에서, 등식 보조 조건들은 h _k 하에서 요약되며, 부등식 보조 조건들은 g _k 하에서 요약된다. 이러한 최적화 문제를 해결하기 위하여, 일반적으로 소위 "순차 2차 프로그래밍 솔버(Sequential Quadratic Programming Solver)"뿐만 아니라 "내부 포인트 솔버(Interior Point Solver)"가 사용된다. 바람직하게는, "내부 포인트 솔버"는, 소위 장벽 함수(barrier function)들을 통해, 보조 조건들 g _k 및 h _k를 포함하는, 품질의 측정을 위한 용법을 발견한다.

대형 조작기(1)의 실제 시스템 상의 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위하여 동적 최적화 문제를 푸는 것을 통해 수립된 제어 시퀀스를 개시(launch)하는 것은, 모델에서 가정되는 이상적인 기계 거동(behavior)에 있어서, 최적화에서 계산된 정확한 궤적을 가지고 희망되는 상태, 즉 목표 위치 B로의 관절형 마스트(5)의 이동을 야기한다. 그러나, 실제 대형 조작기(1)에 있어서, 편차들이 필연적으로 발생하며, 이는, 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)에서 u_i를 통해 미리 지정된 각속도들이 피봇 드라이브들(8a, 8b, 8c, 8d)을 통해 정확하게 구현될 수 없으며 회전식 메커니즘에 대한 미리 지정된 회전 속도가 회전식 드라이브(2)를 통해 정확하게 구현될 수 없기 때문이다. 시스템의 동역학이 대략적으로 각각의 마스트 함수에 대한, 즉, 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)에 대한 그리고 마스트 받침대(3)를 갖는 회전식 메커니즘에 대한 개방 적분기(open integrator)와 유사하게 거동하기 때문에, 시스템은, 조절 개입이 없으면, 필연적으로 목표 궤적으로부터 벗어나 드리프트(drift)할 것이다. 이러한 이유로, 목표 궤적으로부터 너무 큰 편차들이 있는 경우에, 관절형 마스트(5)의 궤적을 유지하는 것을 모니터링하고 능동적으로 조절하는 방식으로 관여하는 것이 유용하다.

이러한 개입에 대한 간단한 변형예들은 각각의 개별적인 마스트 함수에 대한 위치 조절기의 구현이다. 여기에서 조절기에 대한 목표 값들은 목표 궤적으로부터 생성된다. 이러한 경우에 있어서, 조절기들은, 가능한 한, 움직임 경로에 대한 고수, 즉 시간적 할당 없이 궤적에 대한 고수를 보장하지만, 그러나, 반드시 시간적 명세(specification)들을 고수하는 것은 아니다. 이는, 예를 들어, 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 통해 제어 밸브들 상에 작용하는 유동력들에 기인하여 희망되는 속도들이 구현될 수 없는 경우 문제가 될 수 있다. 조절기는 오로지 이러한 편차들을 조건부로만 시간적으로 보상할 수 있다. 목표 궤적으로부터 이미 벗어난 실제 상태를 기반으로 하여, 계획된 나머지 궤적은 그에 따라서 더 이상 시간적으로 최적이 아닐 수 있다. 최악의 경우에 있어서, 너무 큰 편차가 있는 경우 조절기는 충돌이 없게 유지된다는 것을 더 이상 보장하지 않을 것이며, 초기 위치 A로부터 목표 위치 B로의 관절형 마스트(5)의 이동이 자동으로 또는 수동으로 중단되어야만 할 것이다.

궤적, 시간적 최적화 및 제약들에 대한 고수를 가능하게 하기 위한, 간단한 위치 조절기에 비하여 개선된 일 실시예는 소위 모델 예측 제어 조절기(Model Predictive Control regulator)의 사용이다. 이러한 조절기에 있어서, 시스템의 실제 상태는 고정된 시간 간격들로 검출되며, 따라서 새로운 초기 위치로서, 이러한 실제 상태를 기반으로 하여 시스템에 의해 예측되는 거동을 가지고 동적 최적화 문제가 다시 달성된다. 새로운 해법은, 제어 유닛(9)에 의해, 관절형 마스트(5)의 목표 궤적으로서 또는 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스로서 활성화된다. 따라서 나머지 궤적이 최적화되며, 임계적 제약들에 대한 고수, 예를 들어, 필수불가결한 무 충돌(freedom from collision)이 실질적으로 더 양호하게 보장될 수 있다.

건설 현장에서 대형 조작기(1)의 셋-업 프로세스에서 관절형 마스트(5)의 펼침 시에 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 시간적으로 최적화된 제어 시퀀스의 사용이 특히 적절하다. 도 2는 구동-준비(ready-for-drive) 구성의 대형 조작기(1)를 도시한다. 섀시(4)의 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d )이 집어넣어져 있으며, 관절형 마스트(5)가 마스트 지지부(16)에 놓여 있다. 건설 현장에 도착하면, 운전자는 반드시 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)을 수평으로 연장하고 지지 플레이트들을 펼쳐야만 한다. 그 다음, 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d)이 수직으로 연장되고/접어 내려지며, 섀시(4)의 수평이 맞추어진다. 그 다음에, 여전히 완전히 접힌 관절형 마스트(5)가 펼쳐져야만 한다. 여기에서, 운전자는 본 발명에 따라 구현된 제어 유닛(9)을 지원하며, 그럼으로써 도 1에 예시적으로 표현된 구성으로 대형 조작기(1)를 가지고 가기 위해 요구되는 셋-업 시간을 감소시킨다.

본 발명에 따른 마스트 제어는, 제어 유닛(9)이, 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 시간적으로 최적화된 제어 시퀀스를 가지고, 관절형 마스트(5)를 관절형 마스트(5)의 초기 위치 A로부터 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치 B로 자율적으로 이동시키도록 구성되는 이상에서 제공된 예시적인 실시예를 가지고 개시된다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 시간적 최적화는 초기 위치 A로부터 목표 위치 B로의 관절형 마스트(5)의 이동 시간의 최소화를 목표로 한다. 이러한 방식의 알고리즘이 아마도 상당한 양의 계산 시간을 필요로 할 것이기 때문에, 제시된 알고리즘에 있어서, 절대적인 최소 이동 시간은 반드시 "시간적으로-최적화된"을 의미하는 것은 아니라는 것을 주의해야만 한다. 대신에 이는 가능한 한 최소의 드라이빙 시간이라는 의미이며, 이는 여전히, 예를 들어, 대형 조작기(1) 상의 컴퓨터 또는 제어 유닛(9)의 이용가능한 계산 능력을 고려하여 실행할 수 있게 계산될 것이다. 계산 효율을 증가시키기 위하여, 예를 들어, 관절형 마스트(5)의 펼침 또는 셋-업 시의 특정 프로세스들을 저장부(12)에 균일한 프로세스로서 고정적으로 저장하는 것이 고려될 수 있으며, 이러한 프로세스들은 모든 시나리오들에서 대략적으로 동일한 흐름을 갖는다. 이는 마스트 지지부(16)로부터 이동 시의 처음의 약 10 내지 30 초일 수 있으며, 이러한 초들은, 온라인 계산에서 컴퓨터적으로 비용이 많이 들어갈 수 있는 지지부들(14a, 14b, 14c, 14d) 및 섀시(4)와의 가능한 자체-충돌들에 대하여 특히 중요하다. 그러나, 전체 펼침 프로세스의 이러한 세분은 절대적인 최소 이동 시간의 손실로 이어진다. 이는 단지 약간 더 느린 준최적(suboptimal) 해법일 것이다. 그러나, 본 발명의 아이디어는 그럼에도 불구하고 보존된 채로 남아 있을 것이다. 시간적 최적성을 요구하는 것에 대하여 대안적으로, 예를 들어, 이동 프로세스에 대하여 현실적인 것으로 간주되는 최대 시간(예를 들어, 1 분)이 또한 알고리즘에서 고정적으로 미리 지정될 수 있으며, 이는 반드시 계산된 제어 시퀀스에 의해 고수되어야만 한다. 여기에서, 동적 최적화 문제의 해법이 발견되는 즉시 이러한 명세를 고수하는 알고리즘이 깨질 것이다. 이러한 경우에 있어서도 마찬가지로, 전형적인 수동 동작에 비하여, 계산된 제어 시퀀스를 통해 마스트 셋-업을 위한 총 시간이 대폭 감소될 수 있으며, 이러한 감소는 본 발명에 따라 목표 위치 B로 자율적으로 이동시키는 것을 통해 달성될 수 있지만, 절대적 시간적 최적성은 더 이상 주어지지 않는다.

추가적인 설계 변형예에 있어서, 제어 시퀀스의 설명에서, 장애물들까지의 가능한 한 큰 거리를 달성하고 이러한 거리들을 멱함수(power function)에서 최적화될 변수들로서 통합하는 것이 고려될 수 있다. 시간적 최적성 및 최대 거리의 2개의 모순된 요건들은 상이하게 가중치가 부여되어야만 한다. 그러면, 최적 제어 문제를 해결하는 것은 이러한 2개의 요건들 사이의 절충을 나타내며, 이러한 해법은 가중치에 의존하여 상이한 결과를 갖는다. 이러한 경우에 있어서, 총 시간은 더 이상 절대적으로 최소가 아닐 것이지만, 제어 시퀀스는 시간과 관련하여 여전히 최적화될 것이다.

도 3은, 이의 도움으로 운전자가 그래픽적 표현(11) 상의 선택 버튼들을 통해 관절형 마스트(5)의 목표 위치 B를 식별할 수 있는, 그래픽적 예시(11)를 예시적으로 도시한다. 그래픽적 표현(11)은 대형 조작기(1)를 조감도로 도시한다. 도 3에서 식별될 수 있는 바와 같이, 그래픽적 표현(11)은, 섀시(4)의 지지부들(14a, 14b, 14c 및 14d)을 통해 부분적 지탱이 제공되고 있다는 것을 나타낸다. 이러한 지탱 구성에서, 단지 지지부들(14a, 14b 및 14c)만이 수평으로 연장되고/안으로 접힌다(folded-in). 여기에서 연장되지 않은/안으로 접히지 않은 지지부(14d)는 표현되지 않지만, 그럼에도 불구하고 섀시(4)를 지면 상에서 수직으로 지탱한다. 이러한 지탱 구성을 기반으로 하여, 오로지 특징 목표 위치들 B이 선택가능하며, 이는 접근된 섹터들에서 포인트들을 통해 표시된다. 가능한 목표 위치들 B 중 하나의 선택을 통해, 목표 위치 B가 제어 유닛(9)에 미리 지정되며, 이러한 위치는, 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 시간적으로 최적화된 제어 시퀀스를 가지고, 관절형 마스트(5)가 현재의 위치 또는 초기 위치 A(마스트 센서 시스템에 의해 계량적으로 검출됨), 예를 들어, 접힌 관절형 마스트(5)로부터 자율적으로 이동되어야 할 위치이다. 목표 위치 B의 선택 이후에, 지면으로부터의 마스트 팁(10)의 희망되는 높이가 추가적으로 입력될 수 있다. 도 3에 추가로 표시되는 바와 같이, 저장부(12) 및 컴퓨팅 유닛(13)을 갖는 제어 유닛과 그래픽적 표현(11) 사이에 연결이 존재하며, 그 결과, 사용자에 의한 그래픽적 표현(11)을 통한 선택은 제어기(9)에 의해 검출되고 프로세싱된다. 마스트 팁에 대한 목표 위치의 지정이 또한 목표 좌표들의 수치적 입력에 기초하여 사용자를 통해 일어날 수 있다.

각각의 이동 프로세스에 대하여 이상에서 설명된 최적화 알고리즘을 사용하는 대신에, 예를 들어, 도 3에 도시된 상이한 표준 시작 위치들 A(예를 들어, 지지부(16) 내의 관절형 마스트(5)) 및 표준 목표 위치들 B에 대한 가능한 한 바람직한 제어 시퀀스들을 간단하게 수동으로 수립하거나 또는, 예를 들어, 제공된 알고리즘을 가지고 오프라인으로 계산하고, 이러한 제어 시퀀스들을 데이터 저장부(12)에 검색이 가능하게 저장하는 것이 또한 고려될 수 있으며, 그 결과 표준 시나리오들에 대한 관절형 마스트(5)의 연장 프로세스 동안에 또는 그 이전에 어쩌면 오래 계속될 계산 프로세스를 반드시 수행해야만 할 필요는 없다.

대안적으로, 적절한 측정 시스템, 예를 들어, 라디오-삼각측량 측정 또는 위성-지원형 위치결정 시스템(GPS, 갈릴레오)를 이용하여 대형 조작기(1)에 대하여 목표 위치가 설정될 수 있다는 점에서, 사용자는 목표 위치에서의 다른 라디오 디바이스 또는 원격 제어 유닛의 위치결정을 통해 목표 위치를 지정할 수 있다.

1: 대형 조작기/트럭-장착형 콘크리트 펌프
2: 회전식 드라이브
3: 마스트 받침대
4: 섀시
5: 관절형 마스트
6a, 6b, 6c, 6d: 제 1 내지 제 4 마스트 암
7a, 7b, 7c, 7d: 제 1 내지 제 4 관절형 조인트
8a, 8b, 8c, 8d: 제 1 내지 제 4 피봇 드라이브
9: 제어 유닛
10: 마스트 팁
11: 그래픽적 표현
12: 저장부
13: 컴퓨팅 유닛
14a, 14b, 14c, 14d: 지지부들
15: 운전실
16: 마스트 지지부
A: 초기 위치
B: 목표 위치
θ: 회전 각도
φ₁, φ₂, φ₃, φ₄: 마스트 조인트들의 피봇 각도

Claims

회전식 드라이브(2)를 이용해 수직 축 둘레로 회전할 수 있는 마스트 받침대(mast pedestal)(3)로서, 상기 받침대는 섀시(4) 상에 배열되는, 상기 마스트 받침대, 2개 이상의 마스트 암(arm)들(6a, 6b, 6c, 6d)을 포함하는 관절형(articulated) 마스트(5)로서, 상기 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)은 각기 관절형 조인트(joint)들(7a, 7b, 7c, 7d)을 통해 각각의 경우에 하나의 피봇(pivot) 드라이브(8a, 8b, 8c, 8d)를 이용하여 인접한 마스트 받침대(3) 또는 마스트 암(6a, 6b, 6c, 6d)에 피봇식으로-이동가능하게(pivotally-movably) 연결되는, 상기 관절형 마스트, 및 마스트 움직임을 위하여 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 작동시키기 위한 제어 유닛(9)을 갖는, 트럭-장착형 콘크리트 펌프인 대형 조작기(manipulator)(1)에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은, 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스를 가지고, 상기 관절형 마스트(5)를 상기 관절형 마스트(5)의 초기 위치(A)로부터 상기 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치(B)로 자율적으로 그리고 시간적으로 최적화되게 이동시키도록 구성되며,
상기 제어 유닛(9)은, 제약들을 갖는 동적 최적화 문제의 수치적 해결을 통해 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 1에 있어서,
상기 관절형 마스트는 마스트 팁(tip)(10)을 포함하며, 상기 관절형 마스트(5)의 상기 목표 위치(B)는 상기 마스트 팁(10)의 미리 지정된 위치를 통해 정의되는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 관절형 마스트(5)의 상기 목표 위치(B)를 지정하는 것은 그래픽적 표현(11)에서의 선택을 통해 일어나며, 상기 그래픽적 표현(11)은 상기 관절형 마스트(5)의 가능한 목표 위치들(B)의 선택을 제공하는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은, 상기 관절형 마스트(5)를 초기 위치(A)로부터 미리 지정된 목표 위치(B)로 이동시키기 위한 총 시간이 최소가 되게 하는 방식으로 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 상기 제어 시퀀스를 수립하는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은, 상기 관절형 마스트(5)를 초기 위치(A)로부터 미리 지정된 목표 위치(B)로 이동시키기 위한 총 시간이 미리 정의된 최대 시간을 초과하지 않게 하는 방식으로 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 상기 제어 시퀀스를 수립하는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 1에 있어서,
적어도 하나의 관절형 조인트의 피봇 각도(φ₁, φ₂, φ₃, φ₄) 또는 상기 관절형 마스트의 적어도 하나의 포인트의 위치를 검출하기 위한 마스트 센서 시스템이 제공되며, 상기 제어 유닛(9)은 상기 마스트 센서 시스템의 출력 신호에 기초하여 상기 관절형 마스트(5)의 위치를 수립하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 6에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은 상기 마스트 센서 시스템의 상기 출력 신호에 기초하여 상기 관절형 마스트(5)의 상기 초기 위치(A)를 수립하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은, 상기 마스트 센서 시스템의 상기 출력 신호에 기초하여, 상기 관절형 마스트(5)를 상기 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치(B)로 자율적으로 이동시키기 위하여 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스를 수립하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은 저장부(12)를 포함하며, 상기 저장부(12)는 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 판독가능 제어 시퀀스들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 관절형 마스트는 마스트 팁(tip)(10)을 포함하며, 상기 개별적인 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 피봇 범위 또는 상기 개별적인 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 최대 달성가능 피봇 속도들 또는 상기 마스트 팁(10)의 최대 허용 속도 또는 상기 관절형 마스트(5)의 최대 허용 운동 에너지 또는 유압 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 공급하는 유압 펌프의 운반 양 또는 상기 대형 조작기(1)의 충돌의 회피 또는 지탱(bracing) 구성 중 적어도 하나가 상기 동적 최적화 문제에 대한 제약들로서 제공되는 것을 특징으로 하는, 대형 조작기(1).
회전식 드라이브(2)를 이용해 수직 축 둘레로 회전할 수 있는 마스트 받침대(3)로서, 상기 받침대는 섀시(4) 상에 배열되는, 상기 마스트 받침대, 2개 이상의 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)을 포함하는 관절형 마스트(5)로서, 상기 마스트 암들(6a, 6b, 6c, 6d)은 각기 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)을 통해 각각의 경우에 하나의 피봇 드라이브(8a, 8b, 8c, 8d)를 이용하여 인접한 마스트 받침대(3) 또는 마스트 암(6a, 6b, 6c, 6d)에 피봇식으로-이동가능하게 연결되는, 상기 관절형 마스트, 및 마스트 움직임을 위하여 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 작동시키기 위한 제어 유닛(9)을 갖는, 트럭-장착형 콘크리트 펌프인 대형 조작기(1)의 관절형 마스트(5)의 움직임을 제어하기 위한 방법으로서,
상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)은 상기 제어 유닛(9)에 의해 제어 시퀀스로 작동되며, 상기 관절형 마스트(5)는, 이러한 제어 시퀀스를 가지고, 상기 관절형 마스트(5)의 초기 위치(A)로부터 상기 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치(B)로 자율적으로 그리고 시간적으로 최적화되어 이동되고,
상기 제어 유닛(9)은 제약들을 갖는 동적 최적화 문제를 수치적으로 해결하는 것을 통해 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스를 계산하는 것을 특징으로 하는, 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제어 유닛(9)은, 상기 관절형 마스트(5)를 초기 위치(A)로부터 미리 지정된 목표 위치(B)로 자율적으로 이동시키기 위한 총 시간이 최소인 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스를 선택하는 것을 특징으로 하는, 방법.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
상기 관절형 마스트(5)를 상기 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치(B)로 이동시키기 위한 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스는, 적어도 하나의 관절형 조인트(7a, 7b, 7c, 7d)의 피봇 각도(φ₁, φ₂, φ₃, φ₄) 또는 상기 관절형 마스트(5)의 적어도 하나의 포인트의 위치를 검출하기 위한 마스트 센서 시스템의 출력 신호에 기초하여, 상기 제어 유닛(9)에 의해 수립되는 것을 특징으로 하는, 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 관절형 마스트(5)의 초기 위치(A)로부터 상기 관절형 마스트(5)의 미리 지정된 목표 위치(B)로의 상기 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)의 작동을 위한 제어 시퀀스는 상기 제어 유닛(9)에 의해 선택되거나 또는 계산되는 것을 특징으로 하는, 방법.
삭제
청구항 12에 있어서,
상기 관절형 마스트는 마스트 팁(10)을 포함하며, 상기 개별적인 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 피봇 범위 또는 상기 개별적인 관절형 조인트들(7a, 7b, 7c, 7d)의 최대 달성가능 피봇 속도들 또는 상기 마스트 팁(10)의 최대 허용 속도 또는 상기 관절형 마스트(5)의 최대 허용 운동 에너지 또는 유압 드라이브들(2, 8a, 8b, 8c, 8d)을 공급하는 유압 펌프의 운반 양 또는 상기 대형 조작기(1)의 충돌의 회피 또는 지탱 구성 중 적어도 하나가 상기 동적 최적화 문제에 대한 제약들로서 제공되는 것을 특징으로 하는, 방법.