KR102580728B1

KR102580728B1 - 작업 기계

Info

Publication number: KR102580728B1
Application number: KR1020217025263A
Authority: KR
Inventors: 유스케 스즈키; 히로아키 다나카; 히사미 나카노; 히로시 사카모토; 아키히로 나라자키
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2023-09-21
Also published as: KR20210114024A; JP2021050541A; EP4036319A4; JP7149912B2; EP4036319A1; CN113423894A; WO2021059749A1; US20220220694A1; US12012716B2; CN113423894B

Abstract

영역 제한 제어를 실행할 수 있는 메인 컨트롤러를 구비한 유압 셔블에 있어서, 메인 컨트롤러는, 차체 좌표계에 있어서의 프론트 작업 장치의 동작 속도 Vfx와 중력 좌표계에 있어서의 차량 본체의 이동 속도(드래그 속도) Vu를 연산하고, 연산한 프론트 작업 장치(2)의 동작 속도 Vfx와 연산한 차량 본체의 이동 속도 Vu에 기초하여 영역 제한 제어의 실행 중에 드래그의 발생이 검출된 경우, 연산한 목표 속도 벡터 Vt의 방향을 시공 목표면으로부터 상방으로 이격되는 방향으로 보정한다.

Description

작업 기계

본 발명은, 도로 공사, 건설 공사, 토목 공사, 준설 공사 등에 사용되는 작업 기계에 관한 것이다.

도로 공사, 건설 공사, 토목 공사, 준설 공사 등에 사용되는 작업 기계로서, 동력계에 의해 주행하는 주행체의 상부에 선회체를 선회 가능하게 설치함과 함께, 선회체에 다관절형 프론트 작업 장치를 상하 방향으로 요동 가능하게 설치하고, 프론트 작업 장치를 구성하는 각 프론트 부재를 실린더로 구동하는 것이 알려져 있다. 그 일례로 붐, 암, 버킷 등으로 구성되는 프론트 작업 장치를 갖는 유압 셔블이 있다. 이러한 종류의 유압 셔블에는, 프론트 작업 장치가 가동 가능한 영역을 시공 목표면에 관련지어 마련하여, 오퍼레이터로부터의 조작 입력이 있었을 때 그 영역 내에서 프론트 작업 장치를 반자동적으로 동작시키는, 소위 영역 제한 제어 (광의로는 머신 컨트롤이나 반자동 제어라 칭해짐)을 행하는 유압 셔블이 있다. 이러한 종류의 머신 컨트롤에는, 붐 조작을 해도 시공 목표면의 하방에 버킷이 침입하지 않도록 시공 목표면과 버킷의 거리에 따라서 붐의 동작 속도를 제한(감속)하고, 최종적으로 시공 목표면 상에서 붐이 정지하는 것이 있다. 또한, 굴삭 작업 중에 오퍼레이터가 암 조작을 입력하면, 그것에 맞추어 붐이나 버킷이 반자동적으로 동작하여, 버킷의 클로 끝이 시공 목표면을 따라서 이동하는 것이나, 그때의 버킷의 각도가 일정하게 유지되는 것이 있다.

그런데 유압 셔블을 사용하여 굴삭을 행할 때, 주행체가 미끄러지기 쉬운 노면에 설치되어 있거나, 바위 등의 굴삭 장해물에 의해 굴삭하는 지면의 굴삭 반력이 크게 되어 있거나 하는 경우가 있다. 이와 같은 경우에 프론트 작업 장치의 굴삭력이 차체의 견인력(최대 정지 마찰력)을 초과하면, 작업 기계 본체(선회체 및 주행체)가 프론트 작업 장치의 방향으로 질질 끌려가 버리는 경우가 있다(이하, 이 현상을 「드래그」라 칭하는 경우가 있음). 작업 기계 본체가 질질 끌려가 버리면 주행체의 위치를 수정하기(예를 들어 주행체를 원래의 위치로 복귀시키기) 위해, 오퍼레이터는 굴삭 작업을 일단 중지하고 수정 조작을 할 필요가 있다. 그 때문에 굴삭 작업의 효율이 저하되어 버린다. 질질 끌려가기 쉬운 조건에서 굴삭을 행할 때, 예를 들어 오퍼레이터가 버킷의 굴삭량을 약간 적게 조정함으로써 드래그를 방지할 수 있지만, 그것에는 숙련된 조작이 필요하다.

이것을 해결하기 위해, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 유압 셔블의 자세에 기초하여 굴삭 반력을 추정하고, 그 굴삭 반력에 상당하는 압력값을 초과하지 않도록 암 실린더의 압력을 제어하는 유압 셔블의 구조가 개시되어 있다. 이 기술에 의하면 작업 기계 본체가 질질 끌려가지 않도록 암 실린더의 압력이 제한되어, 드래그가 발생하기 전에 암 실린더의 동작이 정지된다.

일본 특허 공개 제2014-122511호 공보 일본 특허 공개 제2016-173032호 공보

여기에서, 오퍼레이터의 암 조작에 대하여 붐이나 버킷이 자동적으로 동작함으로써 시공 목표면을 따른 굴삭이 행해지는 영역 제한 제어를 실행 가능한 유압 셔블에 대하여 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 기술을 적용하는 것을 고려한다. 이 경우, 암 조작에 기초하는 영역 제한 제어의 발동 중에 암 실린더의 압력이 추정한 굴삭 반력에 상당하는 압력값에 도달하면 암 실린더의 동작이 정지되어 드래그 발생이 방지된다. 그러나, 그 상태에서는 암 조작에 의한 굴삭 작업의 계속이 불가능하기 때문에, 오퍼레이터는 붐 조작이나 버킷 조작에 의해 프론트 작업 장치의 자세를 변경함으로써 암 실린더의 압력이 상기 압력값에 도달할 수 있는 상황으로부터 벗어날 필요가 있다. 이 때문에 영역 제한 제어(머신 컨트롤)를 실행 가능한 유압 셔블에 대하여 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 기술을 적용하면, 머신 컨트롤의 이점인 반자동적인 동작이 일시 중단될 가능성이 있어, 오퍼레이터의 조작성이나 작업성이 저하될 우려가 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 영역 제한 제어(머신 컨트롤)의 실행 가능한 작업 기계에 있어서, 영역 제한 제어(머신 컨트롤)의 발동 중에 암 실린더를 정지시키지 않고 차량 본체의 드래그 발생을 방지할 수 있는 작업 기계를 제공하는 것에 있다.

본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 주행체 및 그 상부에 설치된 선회체를 갖는 차량 본체와, 상기 선회체에 설치된 다관절형 작업 장치와, 유압 펌프로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되어, 상기 작업 장치를 동작시키는 복수의 액추에이터와, 오퍼레이터의 조작에 따라서 상기 작업 장치의 동작을 지시하는 조작 레버와, 상기 조작 레버가 조작되고 있는 동안, 소정의 시공 목표면 상 또는 그 상방에 상기 작업 장치의 위치가 유지되도록 상기 작업 장치의 목표 속도 벡터를 연산하고, 연산한 상기 목표 속도 벡터에 따라서 상기 작업 장치가 동작하도록 상기 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터를 제어하는 영역 제한 제어를 실행하는 컨트롤러를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 컨트롤러는, 차체 좌표계에 있어서의 상기 작업 장치의 동작 속도와 중력 좌표계에 있어서의 상기 차량 본체의 이동 속도를 연산하고, 연산한 상기 작업 장치의 동작 속도와 연산한 상기 차량 본체의 이동 속도에 기초하여 상기 영역 제한 제어의 실행 중에 드래그의 발생이 검출된 경우, 연산한 상기 목표 속도 벡터의 방향을 상기 시공 목표면으로부터 상방으로 이격되는 방향으로 보정하는 것으로 한다.

본 발명에 따르면, 영역 제한 제어(머신 컨트롤)의 발동 중에 암 실린더를 정지시키지 않고 차량 본체의 드래그의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 오퍼레이터의 조작성이나 작업성을 크게 손상시키는 일이 없다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 유압 셔블(작업 기계)의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 제어 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 메인 컨트롤러의 구성(기능 블록도)을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 유압 셔블의 목표 속도 벡터 Vt의 설명도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 관한 유압 셔블에 발생할 수 있는 드래그의 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 유압 셔블의 드래그 속도를 유압 셔블의 측면으로부터 도시하는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 관한 유압 셔블의 드래그 속도를 유압 셔블의 상면으로부터 도시하는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 관한 프론트 작업 장치의 목표 속도 벡터의 보정 방법을 도시하는 설명도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 관한 프론트 작업 장치의 비례 상수의 보정 방법을 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 관한 모니터의 표시 화면예를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 관한 메인 컨트롤러의 제어 수순을 설명하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 있어서의, 동작 속도 Vfx와, 드래그 속도 Vu와, 드래그 비율 ε과, 보정량 θ의 모식적인 관계를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

<대상 장치>

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 유압 셔블(작업 기계)(1)은, 주행체(4) 및 그 상부에 설치된 선회체(3)를 갖는 차량 본체(5)와, 복수의 프론트 부재(20, 21, 22)를 연결하여 구성되며 선회체(3)에 회동 가능하게 설치된 다관절형 프론트 작업 장치(2)를 구비하고 있다.

선회체(3)는, 주행체(4)에 대하여 좌우 방향으로 선회 가능하게 설치되어 있고, 선회 유압 모터(도시하지 않음)에 의해 선회 구동된다.

프론트 작업 장치(2)는, 기단측이 선회체(3)에 회동 가능하게 연결된 붐(20)과, 기단측이 붐(20)의 선단측에 회동 가능하게 연결된 암(21)과, 기단측이 암(21)의 선단측에 회동 가능하게 연결된 버킷(22)과, 선단측이 붐(20)에 연결되고, 기단측이 선회체(3)에 연결된 붐 실린더(20A)와, 선단측이 암(21)에 연결되고, 기단측이 선회체(3)에 연결된 암 실린더(21A)와, 선단측이 버킷(22)에 회동 가능하게 연결된 제1 링크 부재(22B)와, 선단측이 제1 링크 부재(22B)의 기단측에 회동 가동하게 연결된 제2 링크 부재(22C)와, 2개의 링크 부재(22B, 22C)의 연결부와 암(21) 사이에 걸쳐진 버킷 실린더(22A)를 구비하고 있다. 이들 유압 실린더(20A, 21A, 22A)는 각각 연결 부분을 중심으로, 상하 방향으로 회동 가능하게 구성되어 있다.

붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A)는, 유압 펌프(36b)(도 2 참조)로부터 토출되는 작동유를 급배함으로써 각각 신축 가능한 구조로 되어 있고, 신축함으로써 각각 붐(20), 암(21), 버킷(22)을 회동(동작)시킬 수 있다. 버킷(22)은, 그래플, 브레이커, 리퍼, 마그네트 등의 도시하지 않은 어태치먼트로 임의로 교환 가능하다.

붐(20)에는 붐(20)의 자세를 검출하기 위한 관성 계측 유닛 센서(이하, IMU 센서라 칭함)(붐)(20S)가 설치되어 있고, 암(21)에는 암(21)의 자세를 검출하기 위한 IMU 센서(암)(21S)가 설치되어 있다. 제2 링크 부재(22C)에는, 버킷(22)의 자세를 검출하기 위한 IMU 센서(버킷)(22S)가 설치되어 있다. IMU 센서(붐)(20S), IMU 센서(암)(21S), IMU 센서(버킷)(22S)는, 각각 각속도 센서와 가속도 센서로 구성되어 있고, 각 프론트 부재(20, 21, 22)의 경사 각도, 각속도 및 가속도의 검출이 가능하다.

선회체(3)는 메인 프레임(31)을 갖는다. 메인 프레임(31) 상에는, 선회체(3)의 경사 각도를 검출하기 위한 IMU 센서(선회체)(30S)와, 오퍼레이터가 탑승하는 운전실(32)과, 유압 셔블(1) 내의 복수의 유압 액추에이터의 구동 제어를 담당하는 메인 컨트롤러(구동 제어용 컨트롤러)(34)와, 엔진(36a) 및 엔진(36a)에 의해 구동되는 유압 펌프(36b)를 갖는 원동 장치(36)와, 메인 컨트롤러(34)로부터의 신호에 따라서 유압 펌프(36b)로부터 유압 액추에이터(예를 들어, 유압 실린더(20A, 21A, 22A))에 공급되는 작동유(유압)의 유량 및 유통 방향을 제어하는 복수의 방향 전환 밸브(35b)를 갖는 유압 제어 장치(35)와, 지상에 설정된 중력 좌표계(지리 좌표계, 글로벌 좌표계 등이라고도 함)에 있어서의 차량 본체(5)의 이동 속도를 검출하기 위한 측거 센서(차체 상태 검출 장치)(37)가 탑재되어 있다.

IMU 센서(선회체)(30S)는, 가속도 센서와 각속도 센서로 구성되어 있고, 선회체(3)의 수평면에 대한 기울기(경사각)나, 각속도 및 가속도를 검출할 수 있다.

운전실(32)에는, 오퍼레이터가 조작을 입력하기 위한 조작 입력 장치(33)와, 지형의 완성 형상을 규정하는 시공 목표면 데이터의 설정이나 기억을 행하기 위한 목표면 관리 장치(100)와, 유압 셔블(1)에 관한 각종 정보가 표시되는 모니터(표시 장치)(110)가 구비되어 있다.

조작 입력 장치(33)는, 오퍼레이터의 조작에 따라서 프론트 작업 장치(2)(붐(20), 암(21), 버킷(22))의 회동 동작과 선회체(3)의 선회 동작을 지시하기 위한 2개의 조작 레버(33a)(도시는 1개로 통합되어 있음)와, 오퍼레이터의 조작에 따라서 주행체(4)에 관한 좌우의 크롤러 벨트(45)의 주행 동작을 지시하기 위한 2개의 주행 조작 레버(33c)(도시는 1개로 통합되어 있음)와, 각 조작 레버(33a, 33c)가 쓰러진 양(조작량)을 검출하는 복수의 조작 센서(33b)(도시는 하나로 통합되어 있음)에 의해 구성되어 있다. 복수의 조작 센서(33b)는, 오퍼레이터가 4개 조작 레버(33a, 33c)를 쓰러뜨리는 양을 검출함으로써, 오퍼레이터가 각 프론트 부재(20, 21, 22), 선회체(3) 및 주행체(4)에 요구하는 동작 속도를 전기 신호(조작 신호)로 변환하여 메인 컨트롤러(34)에 출력한다. 또한, 조작 입력 장치(33)(조작 레버(33a, 33b))는, 조작량에 따른 압력으로 조정된 작동유를 조작 신호로서 출력하는 유압 파일럿 방식에 의한 것이어도 된다. 그 경우에는, 조작 센서(33b)로서 압력 센서를 이용하여, 당해 압력 센서에서 검출한 신호를 메인 컨트롤러(34)에 출력하여 조작량을 검출한다.

유압 제어 장치(35)는, 메인 컨트롤러(34)로부터 출력되는 동작 지령값(지령 전류)에 따른 압력의 작동유(파일럿압)를 발생시키는 복수의 전자 제어 밸브(35a)와, 대응하는 전자 제어 밸브(35a)로부터 출력되는 작동유(파일럿압)에 의해 구동되며, 유압 셔블(1)에 탑재된 복수의 유압 액추에이터에 공급되는 작동유의 유량과 유통 방향을 각각 제어하는 복수의 방향 전환 밸브(35b)로 구성된다. 컨트롤러(34)로부터 출력되는 동작 지령값은, 조작 레버(33a, 33b)에 입력되는 오퍼레이터 조작을 기초로 생성되지만, 후술하는 영역 제한 제어가 기능하고 있는 경우에는, 그 조건에 따라서 오퍼레이터 조작이 없는 유압 액추에이터에 관한 동작 지령값도 생성될 수 있다. 메인 컨트롤러(34)로부터 전자 제어 밸브(35a)에 대하여 동작 지령값을 출력하면, 그것에 대응하는 방향 전환 밸브(35b)가 동작하고, 당해 방향 전환 밸브(35b)에 대응하는 유압 액추에이터(예를 들어, 유압 실린더(20A, 21A, 22A))가 동작한다. 유압 액추에이터에는, 상기에 포함되지 않는 어태치먼트나 기기를 구동하는 것도 포함시켜도 된다.

원동 장치(36)는, 엔진(원동기)(36a)과, 엔진(36a)에 의해 구동되는 적어도 1대의 유압 펌프(36b)로 구성되고, 유압 실린더(20A, 21A, 22A)와, 선회체(3) 및 주행체(4)를 구동시키는 3개의 유압 모터를 구동하기 위해 필요한 압유(작동유)를 공급한다. 원동 장치(36)는 이 구성에 한정되지 않고, 전동 펌프 등의 다른 동력원을 사용해도 된다.

측거 센서(차체 상태 검출 장치)(37)는, 지상에 설정한 임의의 위치로부터 차량 본체(5)(선회체(3) 및 주행체(4))까지의 거리(즉, 당해 임의의 위치를 기준으로 한 차량 본체(5)의 위치)를 검출하는 센서이며, 예를 들어, 밀리미터파 레이더, LIDAR(Light Detection and Ranging), 스테레오 카메라, 토털 스테이션 등을 이용할 수 있다. 측거 센서(37)로 검출된 거리(위치)는 메인 컨트롤러(34)에 출력되고, 메인 컨트롤러(34)를 입력된 거리(위치)를 시간 미분함으로써, 지상에 설정된 중력 좌표계에 있어서의 차량 본체(5)의 이동 속도를 연산한다. 차량 본체(5)의 이동 속도의 계측에는, 상기와 같이 유압 셔블(1)의 위치 데이터를 미분하여 연산하는 것 외에, IMU 센서(선회체)(30S)에서 취득된 가속도 데이터를 적분하는 방법이나, 도플러 속도계 등의 속도 센서를 사용하여 차량 본체(5)의 이동 속도를 직접적으로 계측하는 방법을 사용해도 된다. 또한 이들을 조합하여 차량 본체(5)의 이동 속도를 연산해도 된다.

주행체(4)는, 트랙 프레임(40)과, 트랙 프레임(40)에 설치된 좌우의 크롤러 벨트(45)를 구비하고 있다. 오퍼레이터는 2개의 주행 조작 레버(33c)를 적절히 조작함으로써, 좌우의 크롤러 벨트(45)를 구동시키는 좌우의 주행 유압 모터(유압 액추에이터)의 회전 속도를 조정함으로써 유압 셔블(1)을 주행시킬 수 있다. 주행체(4)는, 크롤러 벨트(45)를 구비한 것에 한정되지 않고, 주행륜이나 다리(아우트리거)를 구비한 것이어도 된다.

<시스템 구성>

도 2는 본 실시 형태의 유압 셔블(1)에 탑재된 유압 제어 시스템의 시스템 구성도이다. 또한, 상기에서 이미 설명한 부분에 대해서는 적절히 설명을 생략하는 경우가 있다.

이 도면에 도시한 바와 같이, 메인 컨트롤러(34)는, 목표면 관리 장치(목표면 관리 컨트롤러)(100)와, 모니터(110)와, 복수의 조작 센서(33b)와, 복수의 IMU 센서(30S, 20S, 21S, 22S)와, 측거 센서(37)와, 복수의 전자 제어 밸브(35a)와 전기적으로 접속되어 있고, 이들과 통신 가능하게 구성되어 있다.

목표면 관리 장치(100)는, 지형(작업 대상물)의 완성 형상을 규정하는 시공 목표면(설계면)의 설정이나, 설정된 시공 목표면의 위치 데이터(시공 목표면 데이터)의 기억에 이용되는 장치(예를 들어, 컨트롤러(목표면 관리 컨트롤러))이며, 시공 목표면 데이터를 메인 컨트롤러(34)에 출력한다. 시공 목표면 데이터는 시공 목표면의 3차원 형상을 규정하는 데이터이며, 본 실시 형태에서는 시공 목표면의 위치 정보나 각도 정보가 포함되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 시공 목표면의 위치는 선회체(3)(유압 셔블(1))와의 상대 거리 정보(즉, 선회체(3)(유압 셔블(1))에 설정된 좌표계(차체 좌표계)에 있어서의 시공 목표면의 위치 데이터), 시공 목표면의 각도는 중력 방향에 대한 상대 각도 정보로서 정의되어 있는 것으로 하지만, 위치를 지구 상에서의 위치 좌표(즉, 중력 좌표계에서의 위치 좌표), 각도를 차체와의 상대 각도 등으로 하는 경우도 포함시켜, 적당한 변환을 행한 데이터를 이용해도 된다.

또한, 목표면 관리 장치(100)는, 미리 설정한 시공 목표면 데이터의 기억 기능을 구비하고 있으면 되고, 예를 들어 반도체 메모리 등의 기억 장치로도 대체 가능하다. 그 때문에 시공 목표면 데이터를 예를 들어 메인 컨트롤러(34) 내의 기억 장치나 유압 셔블에 탑재된 기억 장치에 기억한 경우에는 생략 가능하다.

모니터(110)는, 유압 셔블(1)의 자세(프론트 작업 장치(2)나 버킷(22)의 자세도 포함함)나, 시공 목표면과 버킷(22)의 거리나 위치 관계 등의 정보를 오퍼레이터에 제공 가능한 표시 장치이다.

메인 컨트롤러(34)는, 유압 셔블(1)에 관한 각종 제어를 담당하는 컨트롤러이다. 본 실시 형태의 메인 컨트롤러(34)가 실행 가능한 특징적인 제어는 2개 있다.

먼저 첫번째로, 메인 컨트롤러(34)는, 오퍼레이터에 의해 조작 레버(33a)가 조작되고 있는 동안(예를 들어 암 조작이 입력되고 있는 동안), 프론트 작업 장치(2)의 동작 평면 상에 규정된 소정의 시공 목표면 상 또는 그 상방에 프론트 작업 장치(2)(예를 들어 버킷(22)의 클로 끝)의 위치(작업점)가 유지되도록 프론트 작업 장치(2)의 목표 속도 벡터(예를 들어 버킷 클로 끝에 발생하는 속도 벡터의 목표값)를 연산하고, 그 연산한 목표 속도 벡터에 따라서 프론트 작업 장치(2)가 동작하도록 복수의 유압 실린더(20A, 21A, 22A) 중 적어도 하나의 유압 실린더를 제어하기 위해 동작 지령값을 연산 및 출력함으로써 영역 제한 제어를 실행할 수 있다. 즉 이 영역 제한 제어에 있어서 예를 들어 작업점으로서 버킷(22)의 클로 끝을 선택하여 오퍼레이터가 암 크라우드 조작을 입력하면, 다른 프론트 부재를 특별히 조작하지 않아도 버킷 클로 끝(버킷 선단)이 시공 목표면을 따라서 이동하도록 작업 장치(2)가 반자동적으로 제어되기 때문에, 오퍼레이터의 기량에 상관없이 시공 설계면을 따른 굴삭이 가능해진다. 본 명세서에서는, 버킷(22)의 클로 끝에 작업점을 설정한 경우를 예로 들어 설명을 계속한다.

두번째로, 메인 컨트롤러(34)는, 차체 좌표계에 있어서의 프론트 작업 장치(2)의 동작 속도와 중력 좌표계에 있어서의 차량 본체(5)의 이동 속도를 연산하고, 그 연산한 프론트 작업 장치(2)의 동작 속도와 차량 본체(5)의 이동 속도에 기초하여, 영역 제한 제어(머신 컨트롤)의 실행 중에 드래그의 발생이 검출된 경우에는, 영역 제한 제어(머신 컨트롤)를 위해 연산한 목표 속도 벡터의 방향을 시공 목표면으로부터 상방을 향하여 이격되는 방향으로 보정하는 처리(드래그 억제 제어)를 실행할 수 있다.

또한, 프론트 작업 장치(2)의 동작 평면이란, 각 프론트 부재(20, 21, 22)가 동작하는 평면, 즉, 3개의 프론트 부재(20, 21, 22) 모두에 직교하는 평면이며, 그와 같은 평면 중 예를 들어 프론트 작업 장치(2)의 폭 방향의 중심(붐(20)의 기단측의 회동축이 되는 붐 핀에 있어서의 축 방향의 중심)을 통과하는 평면을 선택할 수 있다.

<조작 입력 장치>

일반적으로 유압 셔블에서는 조작 레버(33a, 33c)가 쓰러진 양(경도량)이 커지면, 각 유압 액추에이터의 동작 속도가 빨라지도록 설정되어 있고, 오퍼레이터는 조작 레버(33a, 33c)를 쓰러뜨리는 양을 변경함으로써, 각 유압 액추에이터의 동작 속도를 변경하여 유압 셔블(1)을 동작시킨다.

조작 센서(33b)에는, 붐(20), 암(21), 버킷(22)(붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A))에 대한 조작 레버(33a)의 조작량(경도량)을 전기적으로 검출하는 센서가 포함되어 있고, 조작 센서(33b)의 검출 신호에 기초하여, 오퍼레이터가 요구하는 붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A)의 동작 속도를 각각 검출할 수 있다. 조작 센서로서는, 조작 레버(33a, 33c)가 쓰러진 양을 직접 검출하는 것에 한정되지 않고, 조작 레버(33a, 33c)의 조작에 의해 출력되는 작동유의 압력(조작 파일럿압)을 검출하는 방식이어도 된다.

<자세 센서>

IMU 센서(선회체)(30S), IMU 센서(붐)(20S), IMU 센서(암)(21S), IMU 센서(버킷)(22S)는, 각각 각속도 센서와 가속도 센서를 구비한다. 이들 IMU 센서에 의해 각각의 설치 위치에 있어서의 각속도와 가속도 데이터를 얻을 수 있다. 붐(20), 암(21), 버킷(22), 붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A), 제1 링크 부재(22B), 제2 링크 부재(22C), 및 선회체(3)는 각각 회동(선회)할 수 있도록 설치되어 있으므로, 각 부의 치수와 기계적인 링크 관계로부터, 붐(20), 암(21), 버킷(22), 및 선회체(3)의 차체 좌표계에 있어서의 자세나 위치를 산출할 수 있다. 또한, 여기에서 나타낸 자세 및 위치의 검출 방법은 일례이며, 프론트 작업 장치(2)의 각 부의 상대 각도를 직접 계측하는 것이나, 붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A)의 스트로크를 검출하여 유압 셔블(1)의 각 부의 자세 및 위치를 산출해도 된다.

<메인 컨트롤러>

도 3은 메인 컨트롤러(34)의 구성도이다. 메인 컨트롤러(34)는, 예를 들어 도시하지 않은 CPU(Central Processing Unit)와, CPU에 의한 처리를 실행하기 위한 각종 프로그램을 저장하는 ROM(Read Only Memory)이나 HDD(Hard Disc Drive) 등의 기억 장치와, CPU가 프로그램을 실행할 때의 작업 영역이 되는 RAM(Random Access Memory)을 포함하는 하드웨어를 사용하여 구성되어 있다. 이와 같이 기억 장치에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 프론트 자세·속도 연산부(710), 경사 각도 연산부(720), 목표 속도 벡터 연산부(810), 목표 동작 속도 연산부(820), 동작 지령값 연산부(830), 드래그 속도 연산부(910), 및 드래그 비율 연산부(920)로서 기능한다. 다음에 각 부가 행하는 처리의 상세에 대하여 설명한다.

(프론트 자세·속도 연산부(710))

프론트 자세·속도 연산부(710)는, IMU 센서(붐)(20S), IMU 센서(암)(21S), IMU 센서(버킷)(22S)로부터 얻어지는 가속도 신호와 각속도 신호에 기초하여, 차체 좌표계에 있어서의 붐(20), 암(21), 버킷(22)(프론트 작업 장치(2))의 자세와, 프론트 작업 장치(2)의 선단(버킷(22)의 클로 끝)의 차체 좌표계에 있어서의 동작 속도 Vf(도 5 참조)를 각각 연산한다. 프론트 자세·속도 연산부(710)는 연산한 자세 및 동작 속도를, 자세 데이터 및 동작 속도 데이터로서 목표 속도 벡터 연산부(810)와 드래그 비율 연산부(920)에 출력한다.

(경사 각도 연산부(720))

경사 각도 연산부(720)는, IMU 센서(선회체)(30S)가 출력하는 신호에 기초하여 소정의 면(예를 들어 수평면)에 대한 선회체(3)의 경사 각도를 연산하고, 그 연산 결과를 경사 각도 데이터로서 드래그 속도 연산부(910)에 출력한다.

(목표 속도 벡터 연산부(810))

목표 속도 벡터 연산부(810)는, 프론트 자세·속도 연산부(710)로부터 입력되는 자세 데이터와, 미리 기억된 각 프론트 부재(20, 21, 22)의 치수 데이터와, 조작 센서(33b)로부터 입력되는 조작량 데이터와, 목표면 관리 장치(100)로부터 입력되는 시공 목표면 데이터(시공 목표면의 위치 데이터)에 기초하여, 프론트 작업 장치(2)에 설정한 임의의 점(이 점을 「작업점」이라 칭하는 경우가 있다. 본 실시 형태에서는 버킷(22)의 클로 끝에 작업점을 설정함)의 이동 범위가 시공 목표면 상 또는 시공 목표면의 상방에 유지되도록, 작업점(버킷 클로 끝)에 발생해야 할 목표 속도 벡터 Vt(도 4 참조)를 연산하고, 그것을 목표 속도 벡터 데이터로서 목표 속도 벡터 보정부(930)에 출력한다.

목표 속도 벡터 연산부(810)에 의한 목표 속도 벡터 Vt의 연산 방법의 구체예로서, 암 조작량에 기초하여 목표 속도 벡터 Vt의 시공 목표면을 따르는 방향의 성분을 정하고, 버킷 클로 끝(작업점)과 시공 목표면의 거리(목표면 거리)에 기초하여 당해 목표 속도 벡터의 시공 목표면에 수직인 방향의 성분을 정하는 방법이 있다. 이것과 다른 방법으로서는, 암(21)이 조작량대로 동작하면서, 버킷 클로 끝의 시공 목표면에 수직인 방향의 속도가 버킷 클로 끝과 시공 목표면의 거리(목표면 거리)에 기초한 값이 되는 목표 속도 벡터 Vt를 정하는 방법이 있다.

여기에서는 전자의 방법의 일례에 대하여 도 4를 사용하여 상세하게 설명한다. 먼저, (1) 조작량 데이터에 포함되는 암 조작량에 기초하여 암 동작에 의해 버킷 클로 끝(작업점)에 발생하는 속도 벡터를 연산하고, 그 연산한 속도 벡터에 있어서 시공 목표면을 따르는 방향의 성분을, 목표 속도 벡터에 있어서 시공 목표면을 따르는 방향의 속도 성분(수평 성분 Vtx)으로 한다. (2) 자세 데이터와 시공 목표면 데이터에 기초하여 버킷 클로 끝과 시공 목표면의 거리(목표면 거리 D)를 연산하고, 그 목표면 거리 D에 기초하여, 당해 목표 속도 벡터에 있어서 시공 목표면에 수직인 방향의 속도 성분(수직 성분 Vty)을 산출한다. 단, 목표면 거리 D와 수직 성분 Vty의 관계는 미리 정해 둔다. 구체적으로는, 목표면 거리 D가 0일 때 수직 성분 Vty도 0이고, 목표면 거리 D가 0으로부터 증가하면 수직 성분 Vty(당해 성분은 시공 목표면을 기준으로 하여 하향의 방향을 갖는 것으로 함)의 크기도 단조롭게 증가하는 관계를 설정해 둔다. (3) 상기 (1) 및 (2)에서 연산한 2개의 속도 성분 Vtx, Vty를 가산하여 목표 속도 벡터 Vt로 한다. 이 경우, 오퍼레이터의 암(21)에 대한 조작량이 크면 목표 속도 벡터 Vt는 커지고, 목표면 거리 D가 작으면 목표 속도 벡터 Vt는 시공 목표면에 대하여 평행한 방향(수평 성분)만이 된다. 이와 같이 목표 속도 벡터 Vt를 연산하면, 버킷 클로 끝의 이동 범위가 시공 목표면 상 또는 시공 목표면의 상방에 유지된다. 특히 버킷 클로 끝이 시공 목표면 상에 위치하는 경우(목표면 거리가 0인 경우)에는 수직 성분이 0으로 유지되어 수평 성분만이 되므로, 예를 들어 암(21)을 조작하는 것만으로 버킷 클로 끝을 시공 목표면을 따라서 이동시킬 수 있다.

또한, 목표 속도 벡터 보정부(930)가 후술하는 도 9와 같이 목표 속도 벡터(비례 상수 K)의 보정에 목표 속도 벡터 연산부(810)가 연산한 목표면 거리를 이용하는 경우에는, 목표 속도 벡터 연산부(810)가 그 데이터(목표면 거리 데이터)를 목표 속도 벡터 보정부(930)에 출력하도록 해도 된다.

(드래그 속도 연산부(910))

드래그 속도 연산부(910)는, 측거 센서(37)(차량 상태 검출 장치)로부터 취득한 데이터(거리 데이터)에 기초하여, 드래그가 발생한 경우에 차량 본체(5)(선회체(3) 및 주행체(4))가 프론트 작업 장치(2)를 향하여 이동할 때의 중력 좌표계에 있어서의 차량 본체(5)의 이동 속도(드래그 속도) Vu를 연산한다. 또한, 선회체(3)는 주행체(4)에 대하여 좌우 방향으로만 선회 가능하도록 설치되어 있기 때문에, 선회체(3)와 주행체(4)의 드래그 속도는 일치한다.

차체 상태 검출 장치로서 측거 센서(37)를 이용한 경우, 유압 셔블(1)의 주변의 특정 지점에 대한 선회체(3)의 상대 위치(즉 거리)를 정기적으로 측정하고, 그 측정 결과를 시간 미분함으로써 차량 본체(5)의 이동 속도 Vu를 연산할 수 있다. 이 밖에, IMU 센서(선회체)(30S)의 가속도 정보를 적분하여 이동 속도 Vu를 연산하는 방법이나, 도플러 속도계 등의 속도 센서를 사용하여 선회체(3)의 이동 속도 Vu를 직접 계측하는 방법이나, 복수의 측위 위성으로부터의 측위 신호를 선회체(3)에 설치한 안테나에서 수신하여 당해 측위 신호에 기초하여 차량 본체(5)(선회체(3))의 위치를 계측하는 수신기(예를 들어 전구 측위 위성 시스템 수신기)의 측위 결과를 시간 미분하여 이동 속도 Vu를 연산하는 방법을 사용해도 된다. 또한 이들을 조합하여 보다 정확하게 선회체(3) 및 주행체(4)의 이동 속도 Vu를 추정해도 된다.

(드래그 속도의 연산 방법)

도 5 내지 도 7을 사용하여 드래그 속도에 대하여 설명한다. 도 5에 도시한 바와 같이 프론트 작업 장치(2)를 구동하여 굴삭을 행하면, 지면으로부터의 굴삭 반력에 의해 선회체(3)가 프론트 작업 장치(2)의 방향으로 질질 끌려가는 경우가 있다. 선회체(3)가 프론트 작업 장치(2)의 방향으로 이동하는 속도 성분(선회체(3)의 전후 방향을 따른 속도 성분)을, 측거 센서(37)의 검출값을 사용함으로써 드래그 속도 Vu로서 연산한다. 여기에서 말하는 드래그 속도 Vu란, 도 7에 도시한 바와 같이 유압 셔블(1)을 상방(상면)으로부터 보았을 때 선회체 중심축 Sc가 프론트 작업 장치(2)를 향하는 속도 성분이며, 도 6에 도시한 바와 같이 유압 셔블(1)을 측방(측면)으로부터 보았을 때 주행체(4)가 놓여 있는 지면(평면)과 평행하게 선회체(3)가 프론트 작업 장치(2)를 향하는 속도 성분을 나타낸다.

단, 주행체(4)의 구동에 의해 유압 셔블(1)이 자주하고 있는 경우에는, 드래그 속도 연산부(910)는, 드래그가 발생하지 않기 때문에 드래그 속도 Vu를 0으로 한다. 주행체(4)에 의해 자주하고 있는지 여부는, 예를 들어, 주행 조작 레버(33c)에 대한 조작 입력의 유무(즉 조작 센서(33b)의 출력 신호)로부터 판정할 수 있다.

또한, 주행체(4)가 놓여 있는 지면이 수평면에 대하여 경사져 있는 경우에는, 드래그 속도 연산부(910)는, IMU 센서(선회체)(30S)의 출력 신호로부터 연산한 경사 각도 데이터를 입력하고, 그 경사 각도를 고려하여 드래그 속도 Vu를 연산한다. 구체적으로는, 측거 센서(37)를 이용하여 연산한 중력 좌표계에 있어서의 선회체(3)의 이동 속도로부터, 그 이동 속도에 있어서의 차체 좌표계의 전후 방향(X축)과 평행한 속도 성분을 경사 각도를 이용하여 연산하고, 그것을 드래그 속도 Vu로 한다.

(드래그 비율 연산부(920))

드래그 비율 연산부(920)는, 프론트 자세·속도 연산부(710)로부터 출력되는 동작 속도 데이터와, 드래그 속도 연산부(910)로부터 출력되는 드래그 속도 데이터에 기초하여, 프론트 작업 장치(2)의 선단(버킷 클로 끝)의 동작 속도에 대한 차량 본체(5)의 이동 속도(드래그 속도)의 비율을 드래그 비율 ε으로서 연산하고, 연산한 드래그 비율 ε을 드래그 비율 데이터로서 목표 속도 벡터 보정부(930)와 모니터(110)에 출력한다.

단, 드래그 비율 ε의 산출 시에, 프론트 작업 장치(2)의 선단의 동작 속도와, 차량 본체(5)의 이동 속도(드래그 속도)는 동일한 방향으로 정렬시키는 것이 바람직하다. 상세는 후술하지만, 본 실시 형태에서는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 선회체 중심축에 직교하고 선회체(3)의 전후 방향으로 연장되는 직선의 방향(차체 좌표계에 있어서의 X축 방향)으로 양쪽 속도(프론트 작업 장치(2)의 선단 동작 속도와 차량 본체(5)의 이동 속도)를 맞추고 있어, 프론트 작업 장치(2)의 선단 동작 속도 Vf에 있어서의 수평 성분 Vfx를 이용하여 드래그 비율 ε을 산출하고 있다.

(드래그 비율의 연산 방법)

도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 프론트 작업 장치(2)의 선단(버킷 클로 끝)의 동작 속도 Vf에 관하여, 선회체(3)의 선회 중심축을 향하는 속도 성분(수평 성분)을 Vfx로 하면, 드래그 비율 ε은 Vfx와 Vu를 이용하여 하기의 식 (1)로 표시된다.

드래그 비율 ε이 0일 때(즉, 드래그 속도 Vu가 0일 때)는 드래그가 발생하지 않고, 버킷(22)에 의한 굴삭이 가능한 상황을 나타낸다. 한편, 드래그 비율 ε이 0이 아닐 때(0보다 클 때)는 드래그가 발생한 상황을 나타낸다. 단, 드래그 비율 ε이 1일 때는 유압 셔블(1)이 완전히 질질 끌려가, 버킷(22)에 의한 굴삭을 할 수 없는 상황을 나타낸다. 또한, Vfx와 Vu는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 정부가 다르고, 드래그 비율 ε을 0 이상의 값으로 하고 싶기 때문에, 식 (1)에서는 Vfx와 Vu의 비에 마이너스를 부여하고 있다.

(목표 속도 벡터 보정부(930))

목표 속도 벡터 보정부(930)는, 드래그 비율 연산부(920)로부터 출력되는 드래그 비율 데이터와, 목표 속도 벡터 연산부(810)로부터 출력되는 목표 속도 벡터 데이터에 기초하여, 드래그 비율 ε에 따라서 목표 속도 벡터를 보정하고, 보정 후의 목표 속도 벡터를 연산한다. 목표 속도 벡터 보정부(930)는, 목표 속도 벡터의 방향을 시공 목표면으로부터 상방으로 이격되는 방향으로 보정함으로써 보정 후의 목표 속도 벡터를 연산하고, 연산한 보정 후의 목표 속도 벡터 데이터를 목표 동작 속도 연산부(820)에 출력한다. 계속해서 목표 속도 벡터의 보정 방법의 상세에 대하여 설명한다.

(목표 속도 벡터의 보정 방법)

이미 설명한 대로, 유압 셔블(1)의 드래그는, 주행체(4)의 견인력보다 질질 끌려가는 방향의 굴삭 반력이 크게 되어 있음으로써 발생한다. 그래서 본 실시 형태에서는 드래그가 발생하기 어려워지도록, 프론트 작업 장치(2)의 굴삭 반력이 작아지도록 목표 속도 벡터를 보정한다.

본 실시 형태에서는, 목표 속도 벡터 연산부(810)에서 연산한 목표 속도 벡터를 드래그 비율 ε의 크기에 따라서 회전시킴으로써 목표 속도 벡터를 보정한다. 여기에서, 목표 속도 벡터를 [X Z]^T라 하면(우측 상단의 첨자(윗첨자 문자)의 T는 전치 행렬을 나타냄), 보정 후의 목표 속도 벡터 [X' Z']^T는, 하기의 식 (2)로 표시된다.

단, θ는, 보정에 의한 목표 속도 벡터의 회전 각도(보정량)를 나타내고, 비례 상수 K를 사용하여 하기의 식 (3)에 의해 정의된다.

즉, 목표 속도 벡터 연산부(810)는 드래그 비율 ε에 기초하여 목표 속도 벡터의 회전 각도(보정량)를 연산하고 있고, 상기 식 (3)이 규정하는 드래그 비율 ε과 목표 속도 벡터의 보정량(회전 각도 θ)의 관계는, 드래그 비율 ε의 증가와 함께 회전 각도 θ가 증가하는 단조 증가의 관계로 되어 있다. 또한, 이 단조 증가의 관계에는, 드래그 비율 ε이 증가해도 회전 각도 θ가 감소하지 않고 소정의 값을 유지하는 단조 비감소의 구간이 포함되어도 된다.

비례 상수 K는, 실험 등에 의해 미리 정해 두어도 되고, 유압 셔블(1)의 작업 환경에 따라서 오퍼레이터가 설정할 수 있도록 해도 된다.

(목표 속도 벡터의 보정예)

도 8을 사용하여 목표 속도 벡터의 보정예를 설명한다. 드래그 비율 ε이 0일 때는 드래그가 발생하지 않으므로, 식 (3)으로부터 회전 각도 θ는 0으로 되어 도 8의 (a)와 같이 목표 속도 벡터를 보정하지 않는다.

드래그 비율 ε이 0이 아닐 때는 드래그가 발생하고 있으므로, 식 (3)과 드래그 비율 ε으로부터 연산되는 회전 각도 θ에 기초하여, 도 8의 (b)와 같이 목표 속도 벡터를 보정한다. 즉, 버킷 클로 끝을 중심으로 하여 목표 속도 벡터를 시공 목표면으로부터 상방을 향하여 이격되는 방향으로 θ만큼 회전하고, 그 회전 후의 벡터를 보정 후의 목표 속도 벡터로 한다.

도 8의 (b)의 상태보다도 드래그 비율 ε이 더 클 때는 도 8의 (c)와 같이 회전 각도 θ가 커져, 도 8의 (b)의 경우보다도 목표 속도 벡터를 크게 보정(회전)한다.

또한, 도 8의 (b) 및 도 8의 (c)의 예에서는 어느 경우도, 보정 후의 목표 속도 벡터에 있어서 시공 목표면에 수직인 Z축 방향의 성분(수직 성분)이 상향으로 되도록 회전 각도 θ를 가하고 있다. 즉, 보정 전의 목표 속도 벡터 Vt의 수직 성분은 하향이지만, 이것이 보정에 의해 상향으로 변경되어 있다. 이와 같이 목표 속도 벡터 Vt를 보정하면, 드래그를 발생시키는 굴삭 반력을 받는 일이 없어지므로, 드래그의 발생을 빠르게 해소할 수 있다.

(비례 상수 K의 보정)

그런데, 버킷(22)과 시공 목표면의 거리(목표면 거리)가 비교적 가까울 때나, 목표 속도 벡터의 크기가 비교적 작을 때(즉 조작 레버(33a)의 조작량이 비교적 작을 때)는, 굴삭면의 형상을 시공 목표면의 형상에 가깝게 하는 마무리 작업이 행해질 가능성이 높으므로, 굴삭면 상의 요철을 작게 하여 굴삭면의 표면을 매끄럽게 마무리하는 영역 제한 제어가 되는 것이 바람직하다. 그래서, 목표면 거리나 목표 속도 벡터의 크기에 따라서, 식 (3)에 있어서의 비례 상수 K를 변화시켜도 된다.

도 9는 목표면 거리나 목표 속도 벡터의 크기에 따른 비례 상수 K의 변화의 예를 도시하는 도면이다. 도 9의 (a)에서는, 목표 속도 벡터 연산부(810)는, 목표면 거리에 기초하여 비례 상수 K(환언하면 목표 속도 벡터의 보정량(회전 각도 θ))를 연산하고 있고, 도 9의 (a)의 함수가 규정하는 목표면 거리와 비례 상수 K(즉 회전 각도 θ)의 관계는, 목표면 거리의 증가와 함께 비례 상수 K(즉 회전 각도 θ)가 증가하는 단조 증가의 관계로 되어 있다. 또한, 이 단조 증가의 관계에는, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 목표면 거리가 증가해도 비례 상수 K(회전 각도 θ)가 감소하지 않고 소정의 값을 유지하는 단조 비감소의 구간이 포함되어도 된다.

도 9의 (b)에서는, 목표 속도 벡터 연산부(810)는, 목표 속도 벡터의 크기(스칼라)에 기초하여 비례 상수 K(환언하면 목표 속도 벡터의 보정량(회전 각도 θ))를 연산하고 있고, 도 9의 (b)의 함수가 규정하는 목표 속도 벡터의 크기와 비례 상수 K(즉 회전 각도 θ)의 관계는, 목표 속도 벡터의 크기의 증가와 함께 비례 상수 K(즉 회전 각도 θ)가 증가하는 단조 증가의 관계로 되어 있다. 또한, 이 단조 증가의 관계에는, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 목표 속도 벡터의 크기가 증가해도 비례 상수 K(회전 각도 θ)가 감소하지 않고 소정의 값을 유지하는 단조 비감소의 구간이 포함되어도 된다.

(목표 동작 속도 연산부(820))

목표 동작 속도 연산부(820)는, 치수 데이터와, 자세 데이터와, 목표 속도 데이터에 기초하여, 작업점(버킷 클로 끝)의 속도인 목표 속도를, 버킷 클로 끝에 목표 속도를 발생시키는 데 필요한 붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A)의 목표 동작 속도(목표 액추에이터 속도)를 운동학적인 연산에 의해 산출한다. 목표 동작 속도 연산부(820)는, 산출한 목표 동작 속도를 목표 동작 속도 데이터로서 동작 지령값 연산부(830)에 출력한다. 또한, 붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A)의 목표 동작 속도는, 각각, 붐 속도, 암 속도, 버킷 속도라고도 칭하는 경우가 있다.

(동작 지령값 연산부(830))

동작 지령값 연산부(830)는, 목표 동작 속도 연산부(820)에서 연산된 붐 실린더(20A), 암 실린더(21A), 버킷 실린더(22A)의 목표 동작 속도에 따라서, 각 전자 제어 밸브(35a)의 구동에 필요한 동작 지령값을 생성하고, 생성한 동작 지령값을 대응하는 전자 제어 밸브(35a)에 출력함으로써, 대응하는 방향 전환 밸브(컨트롤 밸브)(35b)를 구동한다.

<모니터>

모니터(110)는, 유압 셔블(1)의 자세(즉 프론트 작업 장치(2)나 차량 본체(5)의 자세), 시공 목표면과 버킷(22)의 거리(목표면 거리), 현재의 머신 컨트롤의 발동 상태(드래그 억제 제어의 실행의 유무) 등을 표시하는 것이 가능한 표시 장치이다.

(표시 화상)

본 실시 형태에 있어서의 모니터(110)에서는, 차량 본체(5)의 드래그의 발생이 없는 경우에는 도 10의 (a)와 같이 유압 셔블(1)을 본뜬 화상과 시공 목표면이 표시된다. 또한, 이 화면에는 목표면 거리를 수치로 표시해도 된다.

한편, 영역 제한 제어를 이용하여 굴삭 작업을 행하고 있는 동안에, 목표 속도 벡터를 보정(회전)함으로써 드래그의 발생을 억제하는 제어(드래그 억제 제어)가 발동되고 있을 때는, 도 10의 (b)와 같이 문자(「드래그 억제 중」)나 도형을 사용하여, 목표 속도 벡터가 보정되어 영역 제한 제어와는 다른 제어가 되고 있음을 모니터(110)에 표시할 수 있다. 이 표시를 본 오퍼레이터는, 프론트 작업 장치(2)에 대하여 영역 제한 제어에 우선하여 드래그 억제 제어가 이루어지고 있음을 인식할 수 있어, 프론트 작업 장치(2)의 동작이 자신의 인식과 다른 것에 기인하여 발생하는 위화감의 정도를 경감할 수 있다.

<메인 컨트롤러의 제어 수순>

도 11은 도 3에서 메인 컨트롤러(34) 내에 나타낸 각 부에 의한 연산의 흐름을 설명한 메인 컨트롤러(34)가 실행하는 처리의 흐름도이다. 이하에서는, 도 3에 나타낸 메인 컨트롤러(34) 내의 각 부를 주어로 하여 각 처리(스텝 S110 내지 S210)를 설명하는 경우가 있지만, 각 처리를 실행하는 하드웨어는 메인 컨트롤러(34)이다. 또한, 각 부의 처리의 상세한 설명은 각 부의 설명 개소에 기재되어 있는 경우가 있다.

스텝 S110에서는, 프론트 자세·속도 연산부(710)는, 차체 좌표계에 있어서의 붐(20), 암(21), 버킷(22)의 자세(프론트 자세)와, 프론트 작업 장치(2)의 선단(버킷(22)의 클로 끝)의 차체 좌표계에 있어서의 동작 속도 Vf(도 5 참조)를 각각 연산한다.

스텝 S120에서는, 목표 속도 벡터 연산부(810)는, 자세 데이터와, 치수 데이터와, 조작량 데이터와, 시공 목표면 데이터에 기초하여, 프론트 작업 장치(2)에 설정한 작업점(본 실시 형태에서는 버킷(22)의 클로 끝)의 이동 범위가 시공 목표면 상 또는 시공 목표면의 상방에 유지되도록, 작업점(버킷 클로 끝)에 발생해야 할 목표 속도 벡터 Vt(도 4 참조)를 연산한다.

스텝 S130에서는, 드래그 속도 연산부(910)는, 주행체(4)를 자주시키는 조작(주행 조작)이 조작 레버(33c)에 입력되어 있지 않은지를 조작 센서(33b)로부터의 출력 신호에 기초하여 판정한다. 여기서 주행 조작이 입력되어 있지 않다고 판정된 경우(주행체(4)의 자주가 없는 경우)에는, 스텝 S140으로 진행한다. 한편, 주행 조작이 되어 있다고 판정된 경우에는, 드래그 속도 Vu를 0으로 산출하고, 스텝 S200으로 진행한다.

스텝 S140에서는, 경사 각도 연산부(720)는, IMU 센서(선회체)(30S)의 출력 신호에 기초하여 차량 본체(5)(선회체(3) 및 주행체(4))의 경사 각도를 연산한다.

스텝 S150에서는, 드래그 속도 연산부(910)는, 측거 센서(37)로부터 취득한 데이터(거리 데이터)와 스텝 S140에서 연산한 차량 본체(5)의 경사 각도에 기초하여, 드래그 발생 시에 차량 본체(5)가 프론트 작업 장치(2)의 동작에 질질 끌려가 프론트 작업 장치(2)를 향하여 이동하는 속도(드래그 속도) Vu를 연산한다.

스텝 S160에서는, 드래그 비율 연산부(920)는, 스텝 S110에서 연산한 동작 속도 Vf와, 스텝 S150에서 연산한 드래그 속도 Vu에 기초하여, 프론트 작업 장치(2)의 선단(버킷 클로 끝)의 동작 속도의 수평 성분(Vfx)에 대한 차량 본체(5)의 이동 속도(드래그 속도) Vu의 비율인 드래그 비율 ε을 연산한다.

스텝 S170에서는, 드래그 비율 연산부(920)는, 스텝 S160에서 연산한 드래그 비율 ε의 값으로부터 드래그가 발생하였는지 여부를 판정한다. 여기에서 드래그 비율 ε이 0보다 커서, 드래그가 발생하였다고 판정된 경우에는 스텝 S180으로 진행한다. 한편, 드래그 비율 ε이 0이며 드래그가 발생하지 않았다고 판정된 경우에는 스텝 S200으로 진행한다.

스텝 S180(드래그 있음의 경우)에서는, 목표 속도 벡터 보정부(930)는, 스텝 S160에서 연산한 드래그 비율 ε과 상기 식 (3)을 사용하여, 목표 속도 벡터 Vt의 보정량 θ를 연산한다. 그때, 상기에서 설명한 바와 같이 목표면 거리나 목표 속도 벡터 Vt의 크기에 따라서, 식 (3) 중의 비례 상수 K를 보정해도 된다.

스텝 S190에서는, 메인 컨트롤러(34)는, 드래그 발생 억제 제어가 실행되는 것을 모니터(110)에 표시함으로써, 목표 속도 벡터가 보정되는 것을 오퍼레이터에게 통지한다.

스텝 S200에서는, 목표 동작 속도 연산부(820)는, 드래그의 발생이 없다고 판정된 경우에는 스텝 S120에서 연산된 목표 속도 벡터에, 드래그의 발생이 있다고 판정된 경우에는 스텝 S180에서 보정된 목표 속도 벡터에 따라서, 프론트 작업 장치(2)의 각 유압 실린더(20A, 21A, 22A)를 구동하는 목표 동작 속도를 연산한다.

스텝 S210에서는, 스텝 S200에서 연산한 목표 동작 속도에 따라서 동작 지령값을 연산하고, 그 동작 지령값을 대응하는 전자 제어 밸브(35a)에 출력한다. 이에 의해 목표 속도 벡터에 따라서 프론트 작업 장치(2)가 반자동적으로 동작하여, 영역 제한 제어나 드래그 억제 제어가 실행된다.

<효과>

(1) 상기와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 유압 셔블(1)에서는, 오퍼레이터의 암 조작에 기초하는 영역 제한 제어의 실행 중에 드래그가 발생한 경우에, 메인 컨트롤러(34)가 영역 제한 제어를 위한 목표 속도 벡터 Vt의 방향을 시공 목표면으로부터 상방을 향하여 이격되는 방향으로 보정한다(예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같이, 보정 후의 목표 속도 벡터에 있어서의 시공 목표면에 수직인 속도 성분의 방향이 적어도 상향으로 될 때까지 목표 속도 벡터를 회전시킨다). 이에 의해 굴삭 반력의 크기가 목표 속도 벡터를 보정하기 전에 비해 저감되기 때문에, 드래그의 발생을 방지할 수 있다. 그때, 보정 후의 목표 속도 벡터에 있어서의 시공 목표면에 평행한 속도 성분의 크기는 보정 전의 동 속도 성분의 크기로부터 변화될 가능성이 있지만, 시공 목표면에 평행한 속도 성분은 잔존하기 때문에 암 실린더(21A)의 동작(예를 들어 굴삭 동작)은 계속할 수 있다. 즉 본 실시 형태에 따르면 영역 제한 제어의 발동 중에 암 실린더(21A)를 정지시키지 않고 차량 본체(5)의 드래그 발생을 방지할 수 있기 때문에, 오퍼레이터의 조작성이나 작업성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

(2) 본 실시 형태에서는, 프론트 작업 장치(2)의 동작 속도에 대한 차량 본체(5)의 이동 속도(드래그 속도) Vu의 비율인 드래그 비율 ε을 연산하고, 그 드래그 비율 ε의 크기에 기초하여 목표 속도 벡터의 보정량(회전 각도 θ)을 결정하고 있다. 여기에서 드래그 비율 ε은 차체 견인력(미끄럼 용이성)과 굴삭 부하의 관계를 의사적으로 표현할 수 있는 지표이기 때문에, 예를 들어 드래그 속도 Vu만의 크기에 기초하여 목표 속도 벡터 Vt의 보정량을 결정하는 경우와 비교하여, 차체 견인력의 상태에 따른 굴삭 부하의 저감이 가능하여 드래그의 발생을 적절하게 방지할 수 있다. 이 점에 대하여 도 12를 사용하여 설명을 보충한다.

도 12는 프론트 작업 장치(2)의 동작 속도의 수평 성분 Vfx와 드래그 속도 Vu가 각각 빠를 때와 느릴 때의 합계 3패턴의 경우(상태 1 내지 3)에 있어서의 드래그 비율 ε의 크기와, 각 경우에 필요한 보정량(회전 각도 θ)의 크기를 모식적으로 도시한 도면이다.

먼저, 버킷(22)의 굴삭 부하가 클 때 또는 차량 본체(5)가 미끄러지기 쉬울 때(상태 2, 3)는, 굴삭 부하를 크게 저감시키지 않으면 드래그가 해소되지 않기 때문에, 목표 속도 벡터 Vt를 상향으로 크게 보정 할 필요가 있다. 본 실시 형태에서는, 이들 경우에 연산되는 드래그 비율 ε은 커지고, 그것에 수반하여 보정량 θ도 크게 연산된다. 즉 각 상태가 요구하는 보정량에 합치되므로, 드래그의 발생을 적절하게 해소할 수 있다.

한편, 버킷(22)의 굴삭 부하가 중 정도일 때 또는 차량 본체(5)가 약간 미끄러지기 어려울 때(상태 1)는, 목표 속도 벡터 Vt를 상향으로 약간 보정하는 것만으로 굴삭 부하가 충분히 감소되기 때문에 드래그가 해소된다. 본 실시 형태에서는, 이 경우에 연산되는 드래그 비율 ε은 작아지고, 그것에 수반하여 보정량 θ도 작게 연산된다. 즉 이 상태가 요구하는 보정량에 합치되므로, 드래그의 발생을 적절하게 해소할 수 있다.

또한, 드래그 비율 ε이 아니라, 드래그 속도 Vu의 크기에 비례하여 보정량 θ를 결정한 경우에는, 원래 큰 보정량 θ가 필요한 상태 3에서, 작은 보정량 θ가 연산되어 버리기 때문에, 적절한 보정을 할 수 없어 드래그가 빠르게 해소되지 않을 우려가 있다.

<기타>

상기 실시 형태에서는 목표 속도 벡터 Vt를 드래그 비율 ε의 크기에 따른 회전 각도 θ만큼 회전함으로써 보정하였지만, 목표 속도 벡터 Vt의 보정의 방법은 이것에만 한정되지 않고, 굴삭 반력을 저감하는 보정이면 다른 방법이어도 상관없다. 예를 들어, 목표 속도 벡터 Vt의 방향에 따라서 회전 각도 θ의 크기(즉 보정 후의 목표 속도 벡터의 방향)를 변경시켜도 된다. 또한, 드래그 비율 ε의 크기에 따라서 보정 후의 목표 속도 벡터 Vt의 방향(각도)을 정해 놓고, 그 방향에 도달할 때까지 필요한 회전 각도를 목표 속도 벡터 Vt에 가함으로써 보정해도 된다. 또한, 목표 속도 벡터의 수직 성분(시공 목표면에 수직인 성분)에 주목하여, 당해 수직 성분(통상의 방향은 하향)에 상향의 벡터를 가함으로써 목표 속도 벡터를 보정해도 된다.

상기 실시 형태에서는, 경사 각도 연산부(720)에서 차량 본체(5)의 경사 각도를 연산하여 드래그 속도 Vu를 보정하는 경우에 대하여 설명하였지만, 차량 본체(5)가 소정의 경사각의 평면을 이동한다고 가정할 수 있는 경우에는 당해 소정의 경사각을 이용하여 드래그 속도 Vu를 연산할 수 있기 때문에, 경사 각도 연산부(720)에 의한 경사각의 연산은 생략 가능하다. 즉, 경사 각도 연산부(720)의 생략이나, 도 11의 스텝 S140의 연산의 생략이 가능하다.

도 11의 스텝 S130의 주행 조작의 유무의 판정은, 스텝 S120이나 스텝 S110 전에 행해도 된다.

상기 실시 형태에서는, 드래그 비율 ε의 연산에 버킷 클로 끝의 실제의 동작 속도를 이용하였지만, 버킷 클로 끝의 목표 동작 속도를 이용해도 된다. 버킷 클로 끝의 목표 동작 속도는, 목표 속도 벡터 연산부(810)에서 연산되는 목표 속도 벡터나, 목표 속도 벡터 보정부(930)에서 연산되는 보정 후의 목표 속도 벡터로부터 연산할 수 있다.

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

또한, 상기 컨트롤러(34)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, 상기 컨트롤러(34)에 관한 구성은, 연산 처리 장치(예를 들어 CPU)에 의해 판독·실행됨으로써 당해 컨트롤러(34)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 기억할 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태의 설명에서는, 제어선이나 정보선은, 당해 실시 형태의 설명에 필요하다고 이해되는 것을 나타냈지만, 반드시 제품에 관한 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.

1: 유압 셔블(작업 기계)
2: 프론트 작업 장치
3: 선회체
4: 주행체
5: 차량 본체
20: 붐
20A: 붐 실린더
20S: IMU 센서(붐)
21: 암
21A: 암 실린더
21S: IMU 센서(암)
22: 버킷
22A: 버킷 실린더
22B: 제1 링크 부재
22C: 제2 링크 부재
22S: IMU 센서(버킷)
30S: IMU 센서(선회체)
31: 메인 프레임
32: 운전실
33: 조작 입력 장치
33a: 조작 레버
33b: 조작 센서
33c: 주행 조작 레버
34: 메인 컨트롤러
35: 유압 제어 장치
35a: 전자 제어 밸브
35b: 방향 전환 밸브(컨트롤 밸브)
36a: 엔진(원동기)
36b: 유압 펌프
37: 측거 센서
40: 트랙 프레임
45: 크롤러 벨트
100: 목표면 관리 장치(목표면 관리 컨트롤러)
110: 모니터(표시 장치)
710: 프론트 자세·속도 연산부
720: 경사 각도 연산부
810: 목표 속도 벡터 연산부
820: 목표 동작 속도 연산부
830: 동작 지령값 연산부
910: 속도 연산부
920: 비율 연산부
930: 목표 속도 벡터 보정부

Claims

주행체 및 그 상부에 설치된 선회체를 갖는 차량 본체와,
상기 선회체에 설치된 다관절형 작업 장치와,
상기 작업 장치를 동작시키는 복수의 액추에이터와,
오퍼레이터의 조작에 따라서 상기 복수의 액추에이터의 동작을 지시하는 조작 레버와,
상기 조작 레버가 조작되고 있는 동안, 소정의 시공 목표면 상 또는 그 상방에 상기 작업 장치의 위치가 유지되도록 상기 작업 장치의 목표 속도 벡터를 연산하고, 연산한 상기 목표 속도 벡터에 따라서 상기 작업 장치가 동작하도록 상기 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터를 제어하는 영역 제한 제어를 실행하는 컨트롤러를 구비한 작업 기계에 있어서,
상기 컨트롤러는, 차체 좌표계에 있어서의 상기 작업 장치의 동작 속도와 중력 좌표계에 있어서의 상기 차량 본체의 이동 속도를 연산하고, 연산한 상기 작업 장치의 동작 속도와 연산한 상기 차량 본체의 이동 속도에 기초하여, 상기 작업 장치의 동작 속도에 대한 상기 차량 본체의 이동 속도의 비율인 드래그 비율을 연산하고, 상기 영역 제한 제어의 실행 중에 드래그의 발생이 검출된 경우, 연산한 상기 드래그 비율에 기초하여, 연산한 상기 목표 속도 벡터의 방향을 상기 시공 목표면으로부터 상방으로 이격되는 방향으로 보정하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 주행체의 동작에 의해 상기 차량 본체가 주행하고 있는 경우에는, 상기 차량 본체의 이동 속도를 0으로 하고,
연산한 상기 드래그 비율이 0이 아닐 때 상기 드래그의 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 드래그 비율에 기초하여 상기 목표 속도 벡터의 보정량을 연산하고,
그 연산에 있어서의 상기 드래그 비율과 상기 목표 속도 벡터의 보정량의 관계는, 상기 드래그 비율의 증가와 함께 상기 목표 속도 벡터의 보정량이 증가하는 단조 증가의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 시공 목표면과 상기 작업 장치의 거리를 연산하고, 그 연산한 상기 거리에 기초하여 상기 목표 속도 벡터의 보정량을 연산하고,
상기 목표 속도 벡터의 보정량의 연산에 있어서의 상기 거리와 상기 목표 속도 벡터의 보정량의 관계는, 상기 거리의 증가와 함께 상기 목표 속도 벡터의 보정량이 증가하는 단조 증가의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 목표 속도 벡터의 크기에 기초하여 상기 목표 속도 벡터의 보정량을 연산하고,
그 연산에 있어서의 상기 목표 속도 벡터의 크기와 상기 목표 속도 벡터의 보정량의 관계는, 상기 목표 속도 벡터의 크기의 증가와 함께 상기 목표 속도 벡터의 보정량이 증가하는 단조 증가의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 장치의 자세와, 상기 차량 본체의 자세와, 상기 시공 목표면과 상기 작업 장치의 거리 중 적어도 하나를 표시하는 모니터를 더 구비하고,
상기 컨트롤러는, 상기 목표 속도 벡터가 보정되어 있을 때, 상기 목표 속도 벡터가 보정되어 있는 것을 나타내는 정보를 상기 모니터에 표시하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 장치를 구성하는 복수의 프론트 부재의 각각에 설치된 복수의 관성 계측 센서를 구비하고,
상기 컨트롤러는, 상기 복수의 관성 계측 센서의 출력값에 기초하여, 상기 차체 좌표계에 있어서의 상기 작업 장치의 동작 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
특정 장소와 상기 차량 본체의 거리 변화를 계측하는 측거 센서와, 상기 선회체에 설치된 관성 계측 센서와, 상기 차량 본체의 이동 속도를 검출하는 속도 센서와, 복수의 측위 위성으로부터의 측위 신호를 수신하여 상기 차량 본체의 위치를 계측하는 수신기 중 적어도 하나를 구비하고,
상기 컨트롤러는, 상기 측거 센서, 상기 관성 계측 센서, 상기 속도 센서 및 상기 수신기 중 적어도 하나의 출력값에 기초하여 중력 좌표계에 있어서의 상기 차량 본체의 이동 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.