KR20050072741A - 로봇 잔디 적재기 - Google Patents

Abstract

잔디 수확기에 장착된 수치 제어되는 로봇 매니퓰레이터 아암은 서로 피봇되게 결합된 2 개의 구획부를 구비한다. 하나의 구획부는 수확기에 있는 고정된 베이스에 회전 가능하게 결합되는 반면에, 제 2 의 구획부는 구획부에 대하여 회전할 수 있는 픽-업 헤드를 운반한다. 픽-업 헤드는 잔디 롤들을 집어올리고, 유지하고, 그리고 배출할 수 있다. 적재된 잔디 롤들의 다양한 구성들이 달성될 수 있도록 아암이 프로그램될 수 있다.

Description

로봇 잔디 적재기{Robotic sod stacker}

본 발명은 잔디 수확기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지면으로부터 잔디의 스트립을 절단하여 말린 잔디 스트립의 적재부를 자동적으로 형성하기 위한 장치에 관한 것이다.

잔디 수확기는 통상적으로 수평의 블레이드를 가지는데, 수평의 블레이드는 잔디를 소망하는 폭으로 절단하는 2 개의 수직 측면 블레이드와 조합되어 지면으로부터 잔디를 소망하는 두께로 절단한다. 따라서, 수확기가 그것의 절단 경로를 따라서 이동할 때 연속적인 잔디의 스트립이 형성된다. 횡방향의 수직 절단용 블레이드는 스트립을 길이로 절단하도록 하부 절단 블레이드에 근접하여 주기적으로 잔디 안으로 구동된다.

잔디의 스트립이 절단되면, 이것은 절단 블레이드로부터 이탈되어, 롤(roll)로 형성되도록 통상적으로 경사진 콘베이어로 상방향 이송된다. 미국 특허 제 3,509,944 호 (브로워(Brouwer) 등)는 그러한 경사진 콘베이어를 구비하는 종래 기술의 잔디 수확기를 개시하는데, 여기에서 잔디의 롤들은 콘베이어의 상단부에 근접하여 형성된다. 상기의 '944 특허에 개시된 잔디 수확기는 수확기를 추진시키는 동력 장치의 일측에 장착되도록 설계된다.

미국 특허 제 4,832,130 호 (브로워 등)는 자체 추진되는 잔디 수확기를 개시한다. 수확기는 잔디의 스트립을 분리된 롤-형성 엔크로져(enclosure) 안으로 전달하는 경사진 콘베이어를 구비하는데, 이것은 롤을 형성하기 위하여 전체적으로 서로 직각으로 배치된 한쌍의 콘베이어를 구비한다. 이렇게 형성된 롤들은 수확기의 단부에서 수레에 배출되는데, 수확기는 형성된 롤을 수레의 양측으로 이송시킬 수 있으며, 그것의 다음 통과시에 수확기를 비우게 된다. 상기 '130 특허는 또한 수확기 없이 그렇게 형성된 롤들을 배출시키기 위한 만곡된 콘베이어를 개시한다.

로봇은 산업 분야에서 반복적인 수작업을 하는 인간 작업자들을 대체하도록 오랫동안 사용되었다. 이들은 일관성, 정확성, 속도 및, 피로감이 없는 장점을 가지낟. 자동화된 공정 또는 자동 장치들은 이러한 장점들을 공유하지만, 로봇은 융통성이라는 부가적인 장점을 가진다. 즉, 자동 장치는 단순한 반복 작업을 수행할 수 있는 반면에, 로봇은 다양한 작업을 수행하도록 프로그램될 수 있다. 로봇은 두 가지 점으로부터 이러한 장점을 유도한다. 첫째, 제어 방법을 항상 컴퓨터로 프로그램할 수 있다. 둘째, 기계적인 매니퓰레이터(manipulator)는 다양한 운동을 할 수 있다.

가장 통상적으로, 로봇은 고정된 베이스를 가진다. 로봇은 항상 같은 위치에서 작업을 수행한다. 그러한 예는 용접, 페인팅, 작업물의 이동 또는 공구 작업 및, 그리고 재료를 운반대에 싣는 것을 포함한다. 또한 한 장소로부터 다른 장소로 움직일 수 있는 이동형 로봇도 존재한다. 이동형 로봇의 예는 공장내에서 재료를 움직이거나, 또는 창고 안에서 제품을 집어올려서 움직이기 위한 차량을 포함한다. 일반적으로, 이러한 로봇들의 융통성 있고, 프로그램 가능한 기능은 목적물을 하나의 장소로부터 다른 장소로 운반하거나 움직이는 것을 포함한다.

또한 농산품을 수집하여 적재하는 자동화된 기계들이 존재한다. 그러한 예는 사각형의 건초 화물을 수집하여 적재시키기 위한 화물용 자동 웨곤(wagon)과, 판지상자를 농업 용지에 부려서 쌓아올리기 위한 자동 장치들을 포함한다. 그러나, 이러한 선행 기술의 기계들은 로봇의 프로그램 가능성과 융통성 있는 매니퓰레이터가 결여되어 있다.

적어도 지난 20 년간 잔디를 수집 또는 수확의 지점에서 자동적으로 적재하기 위한 필요성에 대한 인식이 있었다. 그러한 기간 동안에, 산업용 로봇의 존재가 공지되었다. 또한 그러한 기간 동안에, 상이한 지역의 잔디 재배자들이 상이한 크기의 잔디 롤과 상이한 구성의 잔디 롤 적재를 이용하고 있다는 인식이 있었다. 그럼에도 불구하고, 그러한 기간 동안에, 상기의 목적을 위해서 개발된 기계들은 단지 상대적으로 크고, 프로그램될 수 없으며, 단일의 크기에만 전용될 수 있는 자동화된 적재기이거나, 또는 적재 방법이었다. 더욱이, 적재의 안정성을 향상시키기 위하여 적재의 상부층을 하부층보다 작게 하는 것이 수작업으로 잔디를 적재하는 있어서 통상적인 습관이었다. 그 어떤 기계적인 적재기들도 이러한 적재 방법을 달성하는 방법을 제공하지 않았다.

본 발명을 보다 명확하게 이해할 수 있도록 본 발명의 바람직한 구현예를 하나의 예로서 도시하는 첨부된 도면을 참조하기로 한다.

도 1 은 본 발명의 일 구현예에 따른 잔디 수확기를 뒤와 위로부터 도시한 단순화된 사시도이다.

도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 잔디 수확기를 사용하여 잔디 롤이 배치될 수 있는 다양한 구성을 도시하는 개략적인 평면도이다.

도 4 및 도 5 는 본 발명의 특징에 따라서 비례 밸브를 통한 유압 실린더의 작동을 도시하는 일련의 그래프와 개략적인 회로 다이아그램을 각각 도시한다.

도 6 은 도 1 에 도시된 유압 실린더들이 본 발명에 따라서 작동되는 방법을 나타내는 개략적인 회로 다이아그램이다.

도 7 및 도 8 은 도 1 에 도시된 본 발명에 따른 파지부 헤드(gripper head)를 도시하는 정면도이다. 도 8 은 본 발명에 따라서 작동된다.

도 9 및 도 10 은 위에서 도시된 바와 같은 실제의 파지부에 대한 사진 같은재생이다.

도 11 및 도 12 는 파지부 헤드를 도시하는 평면도와 정면도를 각각 나타낸다.

도 13 은 도 7 및 도 8 에 도시된 바와 같은 파지부 헤드의 개략적인 도면으로서, 파지부 헤드 디자인의 특징을 나타낸다.

도 14 는 본 발명에 따른 잔디 적재기를 사용하여 달성될 수 있는 것으로서 잔디의 상이한 적재층들의 다양한 배치를 도시하다.

도 15 는 픽-업 헤드에 대한 자체 레벨링 연결부(self-leveling linkage)를 도시하는 도면이다.

도 16 및 도 17 은 본 발명의 교시에 따른 대체되는 축적기에 대한 사시도이다.

도 18 은 보 발명의 원리에 따른 잔디 수확기의 사시도를 도시한다.

본 발명은 잔디를 수집 지점에서 적재부상에 축적하기 위한 이동형 로봇을 제공하도록 의도된다. 본 발명의 일 목적은 지역 시장의 선호에 기초한 다양한 적재 구성으로서 예를 들면 16" 폭과 24" 폭과 같은 다양한 크기의 잔디 롤들을 적재할 수 있는 단일 기계를 제공하는 것이다. 다른 목적은 적재부의 상부에 하부층 보다 작은 층들을 쌓을 수 있어서, 보다 안정된 적재를 초래하는 기계적인 잔디 적재기를 제공하는 것이다. 다른 목적은 이전에 개발된 자동 적재기 보다 기계적으로 단순하고 현저하게 작은 기계적인 잔디 적재기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 한쌍의 메카니즘이 잔디밭의 잔디를 절단하여 마는 통상적인 소형 잔디 롤 수확기나, 또는 다른 기계의 후방에 장착된다. 제 1 의 메카니즘은 잔디 롤의 하위 그룹(sub-group)들을 모으는 축적기이다. 제 2 의 메카니즘은 프로그램 가능한 컴퓨터에 의해서 제어되는, 픽-업 헤드(pick-up head)를 가지는 관절화된 아암이며, 이것은 미리 결정된 방식이기는 하지만 융통성이 있는 방식으로 잔디의 하위 그룹을 집어 올려서 그들을 적재부상에 배치한다. 선행 기술의 문제점들을 극복하는, 픽-업 헤드를 가진 축적기와 관절화된 아암의 디자인이 개시된다.

본 발명이 적용될 수 있는 다른 분야는 이후에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명과 특정의 예들은, 비록 본 발명의 바람직한 구현예들을 나타내지만, 단지 설명의 목적을 위하여 의도된 것이며 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다.

바람직한 구현예에 따른 다음의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며 결코 본 발명이나, 그것의 적용이나, 또는 용도를 제한하도록 의도되지 않는다.

도 1 은 픽업 헤드를 가진 관절화된 아암(24) 형태의 로봇과 축적기 장치(22)가 설치된 소형의 롤 잔디 수확기(20)에 대한 전체적으로 유사의 도면이다. 본 발명과 관련하여, 로봇은 디지털로 제어되는 아암(arm)인 것으로 한정된다. 말하자면, 기계는 사람인 조작자가 원격으로 제어한다 할지라도 로봇으로 불리울 수 있다.

도면 번호 28 은 잔디 수확기의 후방에 롤(roll)로 말린 잔디를 전달하는 콘베이어를 표시한다. 말린 잔디들은 콘베이어(28)로부터 트레이(309)로 적층된다. 센서는 롤의 존재를 검출하는데, 이것은 콘트롤러로 하여금 푸셔(pusher, 32)가 우측으로부터 좌측으로 측방향으로 움직여서, 잔디의 롤을 인덱싱(indexing) 가능한 축적기 콘베이어(34)상으로 움직인다. 잔디 롤의 하위 그룹이 축적될 때까지, 잔디 롤이 그 위로 움직일 때마다 인덱싱 돌기를 가진 고무로 제작된 축적기 콘베이어(accumulator conveyer, 34)가 전진한다. 이때, 컴퓨터(미도시)는 픽-업 헤드를 가진 관절화된 아암(24)을 제어하여 잔디 롤의 하위-그룹을 집어올려서 그들을 적층 공동(36) 안으로 배치한다. 이와 관련하여, 적층 공동(36)은 한쌍의 작동 포크(actuate forks)를 가지는데, 이것은 잔디 지지용 받침대나, 또는 받침대 없는 잔디 적층부를 지지한다.

트레이(30)와 푸셔(32)는 말린 잔디를 축적기 콘베이어(34)로 가져가도록 기능한다. 그러나 트레이(30)와 푸셔(32)는 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 이들은 관절화된 아암이 잔디 롤들을 집어올리기 위해 멀리 움직일 필요가 없도록 적층 공동(36)에 보다 근접한 위치로 잔디를 전달하는데 사용되며, 이것은 생산성을 향상시킨다. 콘베이어(28)를 적층기 콘베이어(34)와 함께 선형으로 위치시키는 것은 트레이(30)와 푸셔(32)에 대한 필요성을 회피시킨다.

도 15 를 간단히 참조하면, 관절화된 아암(24)은 수직의 축(X-X)을 중심으로 하는 회전을 위해 베이스(38) 상에 장착된다. 제 1 아암 구획부(40)의 일 단부는 수직 축(X-X)을 중심으로 하는 회전을 위해서 베이스(38)에 피봇되게 장착되며, 제 2 아암 구획부(42)의 일 단부는 수평 축 둘레에서 구획부(40)의 다른 단부에 피봇되게 장착된다. 유압 실린더들은 이들 4 개의 모든 피봇 작용을 구동한다. 전자적인 피드백은 각각의 실린더의 정확한 위치를 컴퓨터에 전송한다. 컴퓨터는 각각의 실린더의 위치와 속도를 모두 제어한다. 컴퓨터는 최대의 생산성을 위해서 픽-업 헤드의 이동 시간을 최적화시키는 방식으로 프로그램될 수 있다.

더욱이, 아암의 위치는 파지용 포크로부터의 압력 트랜스듀서 정보를 사용하여 컴퓨터에 의하여 제어된다. 압력 트랜스듀서는 롤들이 포크나 또는 이전의 열 위에 놓이기 시작할 때를 감지하는데 사용된다. 이러한 특징은 로봇이 가변적인 직경의 롤 위치를 보상할 수 있게 하는데, 이것은 상이한 두께인 층들을 초래한다. 적재부상에 잔디가 놓이기 시작할 때 압력의 감소를 감지함으로써 주기 시간이 감소된다.

도면 번호 46 은 유압 실린더를 표시하는데, 유압 실린더는 아암 베이스(38)상의 피봇 축(X-X)을 중심으로 전체적인 관절화 아암 조립체(24)를 진동시킨다. 도면 번호 48 은 실린더를 표시하며, 실린더는 아암 구획부(40)를 상승시키거나 하강시킨다. 도면 번호 50 은 실린더를 표시하며, 이것은 아암 구획부(42)를 신장시키고 수축시킨다. 도면 번호 52 는 실린더를 표시하며, 이것은 픽-업 헤드(44)를 피봇시킨다. 헤드(44)는 수평 축을 중심으로 아암 구획부(42)에 피봇되게 결합되지만, 자체-레벨 링크부(self-leveling linkage)에 의해서 레벨을 유지한다.

픽업 헤드(44)의 올바른 기능에 중요한 것은 픽-업 헤드(44)가 항상 수평이 되어야 한다는 것이다. 이것은 2 개의 자체 레벨 링크부에 의해서 달성되는데, 상기 자체 레벨 링크부는 도 15에서 도면 번호 116 과 118 로 표시되어 있다. 자체 레벨 링크부(116)는 관절화 아암의 피봇 베이스(112)에 대하여 저부에서 피봇 가능하게 연결된다. 상부에서, 이것은 링크부(114)에 피봇되게 연결된다. 자체 레벨 링크부(116)의 길이는 아암(40)의 길이와 같으며, 아암(40)의 피봇들에 대한 단부 피봇 지점의 배향은 같다. 이러한 4 개 바아의 링크부는 링크(114)를 수평에 대하여 일관된 각도로 유지하는 역할을 한다. 마찬가지로, 자체 레벨 링크부(118)는 아암 구획부(42)를 구비하는 4 개 바아의 링크부의 일 부재로서 구성되며, 픽-업 헤드(44)를 항상 수평으로 유지하는 역할을 한다. 자체 레벨 링크들이 없으면, 아암 구획부(42)가 그것의 상부 피봇 지점을 중심으로 움직일 때 헤드 레벨을 유지하도록 부가적인 실린더와 제어부가 필요할 것이다.

자체 레벨 링크부(116)는 2 개의 전체적으로 평행한 부재들로 형성된 제 1 의 아암 구조에 결합된다. 각각의 부재는 개별의 기단 단부(proximal end)에서 베이스(112)에 결합된다. 각각의 부재는 각각의 부재의 개별 부재 말단 단부(distal end)에서 제 1 의 링크부(114)에 회전 가능하게 결합된다. 이러한 구조는 제 1 링크부(114)의 각도상의 배향을 유지하는 기능을 하는 4 개 바아 링크부 구성을 형성한다.

제 1 링크부(114)에 결합된 것은 제 2 아암 구조인데, 이것은 부가적으로 한쌍의 전체적으로 평행한 부재(42,118)로 형성된다. 각각의 부재는 일 단부에서 제 1 링크부에 회전 가능하게 결합되고 제 2 단부에서 제 2 링크부에 회전 가능하게 결합된다. 제 1 액튜에이터(48)가 베이스(112)와 제 1 부재(40) 사이에 배치되는 반면에, 제 2 액튜에이터(50)는 제 1 부재(40)와 제 3 부재(42) 사이에 배치된다. 콘트롤러는 이러한 액튜에이터(48,50)들에 결합되어서 아암 구조의 작동을 제어한다.

도 2 와 도 3 은 로봇 적재기를 이용함으로써 가능한 다양한 적재 구성의 샘플을 도시하다. 적재의 베이스가 48" x 48 " 라고 가정하면, 도면 번호 54,56,58 및 60 은 베이스 치수를 채우는 층 구성(layer configuration)을 나타낸다. 도면 번호 54 및 56 은 폭이 24 인치인 잔디의 롤을 표시하는데, 층들은 5 개 롤의 2 개 열로 이루어진다. 서로에 대하여 90 도로 교대로 층들을 회전시켜서 배향시키는 것은 적재의 안정성에 기여한다. 적재의 높이가 증가할수록, 하부층 보다 연속적으로 작게 상부 층을 만듦으로써 안정성이 향상된다. 프로그램 가능한 로봇을 가지고 상기의 것이 몇 가지 방법으로 이루어질 수 있다.

예를 들면, 도면 번호 60 으로 표시된 구성을 고려하면, 5 개로 이루어진 하위 그룹내에 있는 2 개의 16 인치 롤들이 서로 근접하게 배치되어, 이러한 하위 그룹 사이에 배치되어야 하는 2 개의 부가적인 롤들을 위한 공간을 남긴다. 2 개의 부가적인 롤들이 다음의 5 개로 이루어진 2 개의 하위 그룹으로부터 떨어져서, 상부 층을 위한 4 개로 이루어진 2 개 열을 남긴다 ( 도 3 의 도면 번호 64).

도면 번호 66 은 각각 4 개의 롤로 이루어진 2 개의 하위 그룹으로 구성된, 폭이 24 인치인 롤들의 작은 층을 표시한다. 이것은 4 개 롤이 축적기 콘베이어 위에 놓인 이후에, 하위 그룹을 조기에 집어올림으로써 이루어진다. 도면 번호 68 은 상부 층을 도시하는데, 이것은 2 개 롤로 이루어진 하나의 하위 그룹으로 구성된다. 변화하는 수의 롤들을 집어올리고, 하위 그룹들중 하나를 독립적으로 내리고, 그리고 다양한 위치들에서 층들을 위치시키는 성능은 광범위의 적재 방법을 발생시킨다는 것을 알 수 있다.

관절화된 아암과 픽-업 헤드의 피봇 작용을 구동하는 유압 실린더들은 상용화된 비례 유압 밸브를 가진 상용화된 프로그램 가능 콘트롤러(컴퓨터)를 이용하여 제어된다.

콘트롤러가 비례 밸브 보다 훨씬 값비싼 서보 모터 또는 서보 밸브와 함께 작동되도록 설계된다는 점에 곤란성이 있다. 호환성의 결여는 상이한 응답 시간에 기인한다. 서보 모터와 서보 밸브는 비례 밸브에 비하여 매우 급속한 응답 시간을 가진다. 즉, 콘트롤러가 신호를 서보 모터에 송신할 때, 이것은 거의 순간적으로 응답한다. 마찬가지의 콘트롤러가 신호를 비례 밸브에 송신할 때, 약간의 응답 지연이 존재한다. 본 발명의 특징은 콘트롤러와 응답 밸브 사이의 증폭기에 대한 설명인데, 이것은 비례 밸브로부터 순간적인 응답을 얻는 방법을 포함한다.

도 4 와 도 5를 참조하면, 컴퓨터는 +10 볼트 내지 - 10 볼트의 신호를 출력한다. 제로 볼트의 출력은 밸브가 움직이지 말아야 한다는 것을 의미하고, 양(positive)의 전압은 일 방향으로의 운동을 의미하며, 음(negative)의 전압은 다른 방향으로의 운동을 의미한다. 밸브 입력 신호는 + 3 내지 + 9 볼트 사이에 있어야 하는데, 여기에서 + 6 볼트는 움직임이 없는 것을 초래하고, 6 볼트 초과는 일 방향으로의 운동을 초래하며, 6 볼트 미만은 다른 방향으로의 운동을 초래한다. 느린 응답은 대략 +/- 0.3 볼트 (5.7 볼트와 6.3 볼트 사이)의 데드밴드(deadband)에 기인한 것인데, 상기 데드밴드 안에서 밸브는 응답하지 않는다. 본 발명에 따르면 증폭기가 데드밴드의 밖으로 튜닝(tuning)하는 방법으로서 제공된다. 즉, 컴퓨터로부터 나오는 그 어떤 양(positive)의 전압에서도, 밸브에 대한 증폭기 출력은 즉각적으로 대략 6.3 볼트나, 또는 특정 밸브의 특성에 대하여 조절되었던 값으로 점프된다.

이것은 도 5 에 도시되어 있다. 블록 다이아그램은 + 10 V 의 컴퓨터 출력 제어 신호(A)가 증폭기로 공급된다는 점을 나타낸다. 증폭기는 이것을 + 3 V 내지 + 9 V 의 제어 신호(B)로 변환시킨다. 이러한 신호는 비례 밸브를 제어하는데, 비례 밸브는 유압 오일(C)을 로봇 실린더로 공급한다. 엔코더가 실린더에 물리적으로 결합되어서 컴퓨터에 피드백 위치 신호(D)를 제공한다.

이상적인 조건에서는 (도 4 의 제 1 열) 순간적인 응답이 있다. 컴퓨터로부터의 그 어떤 제어 신호도 즉각적으로 오일의 유동을 초래한다. 실제의 조건에서는 (제 2 열) 증폭기 출력이 6.3 볼트로부터 5.7 볼트로 가는 동안의 시간에 데드밴드가 발생한다. 이러한 데드밴드는 컴퓨터가 엔코더로부터 빠른 피드백 위치 신호를 고대하고 있기 때문에 소망스럽지 않은 것이다. 수정된 조건에서는(제 3 열) 제어 신호의 전환시에 하나의 스텝(step)을 부가하는 증폭기가 지정되었다. 신호(A)가 +10 V 로부터 제로로 접근할 때, 증폭기 출력 신호(B)는 6 보다는 6.3 에 접근한다. 신호(A)가 -10 V 로부터 제로에 접근할 때, 증폭기 출력 신호(B)는 6 보다는 5.7 에 접근한다. 이것은 컴퓨터 제어 신호에 대한 오일 유동의 선형 응답을 초래한다. 다시, 실제의 값은 6.3 으로부터 5.7 로 약간 변화할 수 있지만, 증폭기는 값들에 조화되도록 튜닝될 수 있다.

이상적인 조건(제 1 열)은 제어 신호를 송신하는 것과 피드백 신호를 수신하는 것 사이에 지연이 없다는 것을 의미할 것이다. 제어 루프는 완전한 평형이다. 로봇은 프로그램되는 대로 정확하게 움직일 것이다. (이상적인 원활한 작동)

실제의 조건(제 2 열)은 제어 신호를 송신하는 것과 피드백 신호를 수신하는 것 사이에 커다란 지연이 있다는 것을 의미한다. 제어 루프는 평형에서 벗어나 있다. 컴퓨터는 피드백 신호를 1 밀리초 이내에 기대한다. 이러한 피드백 신호는 대략 500 밀리초가 걸릴 것이다. 이것은 컴퓨터가 피드백 신호를 수신하지 못하는 시간 동안의 매 1 밀리초마다 미리 정의된 상수(P-게인(gain))를 가지고 그것의 제어 신호를 증가시킬 것이라는 점을 의미한다. 컴퓨터가 피드백 신호를 수신하는 시간이 되면, 제어 신호는 너무 멀리 있고, 컴퓨터는 다음의 500 밀리초 동안 다시 단계적으로 제어 신호를 감소시킬 것이다. 이것은 완전한 정지를 초래할 것이다. 로봇은 프로그램된 운동을 따라서 매우 격렬하게 운동을 시작하게 될 것이며 매우 격렬하게 정지하게 될 것이다. 정상적으로는 제어 루프에 대하여 보다 낮은 비례 설정 (P-게인)을 설정하게 될 것이다. 이러한 설정은 피드백 신호에서의 반응을 감쇠시키며, 컴퓨터 소프트웨어 안에서 설정될 수 있다. 그러나, 제어 루프의 응답 시간은 이러한 설정 방식이 로봇의 물리적인 행동에 거의 효과가 없을 정도로 크다 (부적당하다!).

이러한 변동은 값들이 제어 루프를 따르기에는 너무 느리기 때문에 예측 가능하다. 수정된 열에서 제어 루프 내의 응답 시간은 데드밴드 수정에 기인하여 대략 50 밀리초로 감소되었다. 소프트웨어에서의 비례적인 (P-게인) 설정으로써, 시스템의 격렬한 반응을 부드럽게 할 수 있고 로봇을 제어할 수 있다.

도 5 는 이전에 설명된 바와 같은 "데드밴드" 문제를 해결하도록 유압 회로안에 증폭기를 구비하는 원리를 나타낸다. 도 6 은 로봇 아암을 움직이도록 컴퓨터로 제어되는 비례 밸브를 위한 증폭기를 구비하는, 도 1 의 로봇 잔디 적재기의 전체적인 제어 회로를 도시하는 개략적인 다이아그램이다. 여기에는 실제적으로 2 개의 회로들이 도시되어 있는데, 하나는 유압 오일 회로이고, 다른 것은 전기 제어 회로라는 점이 주목되어야 한다. 파지부 핑거(gripper finger), 푸셔(pusher) 및, 축적기 콘베이어와 같은 다른 "온-오프(on-off)" 기능들은 상용화된 PLC (Programmable Logic Controls)로써 제어된다.

픽업 헤드(44)가 우선 도 7을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 헤드(44)는 공통의 프레임 또는 지지부(72)상에 장착된 5 개의 개별 파지부 모듈(70)을 구비한다. 각각의 파지부 모듈(70)은 프레임(74)과 2 개 세트의 파지부 핑거(76)를 가진다. 오목한 스트리퍼(stripper, 78)는 프레임(74)의 일부이다. 2 개 세트의 핑거(76)는 각각 핑거 프레임(80)에 장착되는데, 이것은 프레임(74) 위에서 피봇 샤프트(82)에 장착된다. 각각의 모듈 안에 있는 2 개의 핑거 프레임(80)은 지점(a)와 (b)에서 파지부 실린더(84)에 연결된다 (도 8). 파지부 실린더(84)가 연장될 때, 핑거(76)는 스트리퍼(78) 아래의 위치(76')로 회전한다. 이러한 움직임으로써, 잔디의 롤이 배출된다. 잔디의 롤이 제어된 방식으로 내려지는 것을 보장하는 준비가 이루어지는데, 즉, 롤이 위치를 벗어나서 움직이는 것을 초래할 수 있는, 핑거들의 한 세트가 다른 세트들 이전에 수축되는 것이 방지된다. 이러한 준비는 2 개의 핑거 프레임(80)을 링크(86)로 함께 묶어서 이루어진다 (도 11). 각각의 링크(86)는 일 단부에서 핑거 프레임에 연결되고, 다른 단부에서 디스크(88)에 연결되는데, 이것은 프레임(74)에 장착된 수직의 샤프트(90)상에서 피봇된다. 파지부 실린더(84)가 연장되고 수축될 때, 디스크(88)는 회전하고, 2 개의 핑거 프레임(80)은 같은 거리로 움직이도록 규제된다.

5 쌍의 파지부 핑거들이 동시에 작동되는 것이 소망스럽다. 이것은 5-웨이 유동 분리기(5-way flow devider)나 또는 직렬 연결에 의해서 달성될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 잔디 롤이 다른 것들과 독립적으로 내려질 수 있도록 하나 또는 그 이상의 파지부 실린더들이 선택기 밸브(selector valve)들로써 선택적으로 격리될 수 있다.

5 개의 파지부 모듈(70)들중 4 개는 서로를 향하고 그리고 서로로부터 이탈되게 그들을 미끄러뜨릴 수 있는 방식으로 프레임(72)에 장착된다. 이것은 기계가 잔디의 롤을 적재부상에 낮은 레벨에서는 하나의 (넓은) 간격으로, 그리고 상부 레벨에서는 상이한 (근접한) 간격으로 배치할 수 있게 한다. 이러한 적재 방법은 보다 안정된 적재가 이루어지도록 수작업으로 적재된 잔디에서 공통적으로 사용된다. 각각의 4 개의 미끄러지는 파지부 모듈 프레임(74)은 2 쌍의 선형 부싱(92)을 구비한다. 2 쌍 대신에, 2 개의 개별적인 (보다 긴) 부싱이 사용될 수도 있다. 부싱(92)은 2 개의 로드(94) 위에서 미끄러지는데, 하나는 픽-업 헤드 프레임(92)의 각각의 측에 견고하게 클램프된다. 제 5 의 파지부 모듈(96)은 픽-업 헤드 프레임(72)에 단단하게 연결된다.

도 13에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 제 5 파지부 모듈(96)의 미끄러짐은 2 개의 슬라이더 실린더(96)에 의해서 수행된다. 각각의 슬라이더 실린더(96)는 일 단부에서 픽-업 헤드 프레임(72)에 지점(C)에서 연결된다. 다른 단부에서, 슬라이더 실린더는 지점(d)에서 크랭크 프레임(98)에 연결된다. 크랭크 프레임(98)은 피봇 샤프트(100)에 의하여 픽-업 헤드 프레임에 장착된다. 크랭크 프레임(98)은 지점(e)와 (f)를 가지는데, 이것은 링크(102,104)에 대한 연결 지점들이다. 링크(102)는 크랭크 프레임의 지점(e)을 파지부 모듈(70)의 지점(g)에 연결한다. 링크(104)는 크랭크 프레임(98)의 지점(f)을 파지부 모듈(106)의 지점(h)에 연결한다.

실린더(96)가 수축할 때, 크랭크 프레임(98)은 피봇 샤프트(100)를 중심으로 시계 반대 방향으로 회전한다. 이것은 링크(102,104)를 끌어당겨서, 파지부 모듈(70)을 그들의 외측 위치로 움직이는데, 이것은 잔디 롤을 이격되게 한다. 실린더(96)가 연장될 때, 크랭크 프레임(98)은 피봇 샤프트(100)를 중심으로 시계 방향으로 회전한다. 이것은 링크(102,104)를 밀어서, 파지부 모듈을 그들의 내측 위치로 움직이는데, 이것은 잔디 롤을 서로 근접하게 한다. 지점(f)은 지점(e)이 피봇 샤프트(100)로부터 이격된 것의 2 배로 이격되어 있기 때문에, 파지부 모듈(106)은 파지부 모듈(70)을 2 배 멀리 움직인다. 따라서, 파지부 모듈(70)이 정지 상태의 파지부 모듈(96)로 움직일 때 파지부 모듈(106)은 파지부 모듈(70)에 근접하게 같은 거리로 움직인다. 내측과 외측의 위치들에서, 잔디 롤은 그렇게 균일하게 이격된다.

픽-업 헤드의 다른 단부에서는 다른 2 개의 파지부 모듈(70)에 같은 미끄럼 작용이 발생한다. 2 개 세트의 파지부 모듈의 움직임을 동기화시키도록, 다른 링크(108)가 제공된다. 링크(108)는 크랭크 프레임(98)상의 지점(i)을 모듈(110) 상의 지점(j)에 연결한다. 이것은 2 쌍의 파지부 모듈이 같은 속도로 안과 밖으로 미끄러지도록 규제한다. 이것은 미끄럼 운동이 최소한의 잔디 롤을 붕괴시키는 가속도의 양으로써 발생할 수 있게 한다.

도 16 과 도 17 은 본 발명의 다른 구현예에 따른 다른 축적기 콘베이어(94)를 나타낸다. 축적기 콘베이어(94)는 축적기 콘베이어 프레임(98)을 지지하도록 구성된 지지용 프레임(96)으로 형성된다. 프레임(98)에 결합된 것은 바이패스 메카니즘(100)이다. 바이패스 메카니즘은 작업자가 특정의 잔디 롤을 거부할 수 있게 하는 기능을 한다. 이와 관련하여, 작업자는 축적기 콘베이어(94)의 일부를 수축시키는 바이패스 메카니즘(100)을 작동시킨다. 축적기 콘베이어(94)를 수축시킴으로써, 작업자는 롤이 경사부(104)상으로 내려지게 하여 잔디 롤이 지면으로 떨어지게 할 수 있다.

수축 바이패스(100)는 3 개의 수축 가능한 지지용 아암(105)을 가지는데, 이것은 제 1 의 콘베이어 스프로켓(sprocket, 110)을 지지한다. 더욱이, 수축기 메카니즘은 수축 가능한 공전 유형(idler type)의 아암(112)을 가지는데, 이것은 작동되었을 때 스프로킷(110)을 차량의 후방을 향하여 민다. 작동시에, 공전 아암(112)은 제 1 의 피봇 지점을 중심으로 회전되어서, 스프로킷을 아래로 내리고 축적기 콘베이어(94)상의 장력을 증가시킨다. 적용된 장력은 바이어스된 수축 가능 아암(105)을 지지용 프레임(98) 안으로 당기는 기능을 한다. 바이패스 메카니즘(105)이 해제된 이후에, 해제 가능한 아암(105)에 결합된 바이어스 스프링 또는 에어 실린더(미도시)는 지지용 아암(105)을 미는 역할을 하며 따라서 제 1 의 콘베이어 스프로킷(110)은 최초의 배향으로 밀린다.

도 18 은 본 발명의 다른 시스템을 이용하는 차량을 도시한다. 이전에 언급된 바와 같이, 절단 조립체는 콘베이어 및 축적기 메카니즘(94)과 함께 선형이 될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 로봇 아암은 축적기(94)로부터 말린 잔디를 제거하여 그것을 받침대 위로 위치시킨다.

본 발명의 이러한 면들의 중요한 특징은 미끄럼 작용으로 롤들을 함께 압박하는 개념과, 하나의 롤을 다른 4 개의 롤로부터 분리시켜서 내릴 수 있는 성능이다. 이것은 8 개의 롤들이 상부층에 배치될 수 있게 하고, 아래의 다음 층에는 12 개가 배치될 수 있게 한다. 이것은 보다 안정된 적재에 기여한다.

적재기의 기본적인 작동을 요약하면 다음과 같다.

1) 잔디는 현재의, 확립된 방법을 사용하여 절단되고 말린다.

2) 롤은 주 콘베이어의 후방으로부터 배출된다. 그곳이 잔디가 확립된 방법으로 크로스 콘베이어(cross conveyer)나 또는 포획 바스켓(catcher basket)으로 내려지는 곳인데, 여기에서 잔디 롤은 손으로 집어 올려져서 팔레트 위로 적재된다. 여기에서, 잔디는 푸셔 앞에 떨어져서, 푸셔가 잔디를 좌측으로, 버퍼 콘베이어(buffer conveyer)로 민다.

3) 버퍼 또는 축적기 콘베이어는 그것이 최대 5 개의 잔디 롤을 포함할 때까지 인덱싱을 한다.

4) 로봇 아암은 버퍼 콘베이어로부터 5 개의 잔디 롤을 집어올려서, 그들을 적재부상에 배치한다.

5) 콘트롤러에 의하여 명령을 받은 로봇 아암은 적재가 완성될 때까지 잔디를 적재부상에 매번 상이한 위치와 배향으로 계속 배치한다.

6) 작업자는 수확기의 전방 운동을 정지시키고, 적재부를 내리도록 지원하며, 로봇을 재시동한다.

로봇의 자동 적재기는 다른 설계에 비하여 상업적인 장점을 가진다. 이것은 경량이고 작으며, 전통적인 트랙터 장착의 잔디 수확기의 엔벨로프 안에 대략 설치된다. 이것은 융통성이 있다. 로봇은 16 또는 24 인치 폭의 잔디 롤들을 상이한 높이의 적재부로 적재하도록 프로그램될 수 있다. 픽-업 헤드는 상부의 2 개 층을 "피라미드" 방식으로 적재하도록 사용될 수 있는 2 개의 특징부를 가진다. 픽-업 헤드 위의 5 개의 파지부(70)는 함께 압박될 수 있는데, 이것은 열이 적재부상에 배치될 때 열을 가압할 것이다. 또한, 5 개의 롤들중 하나는 독립적으로 내려질 수 있는데, 이것은 마지막 층의 다음에 5 개로 이루어진 2 개 열, 옆으로 향하도록 그 사이에서 회전된 2 개의 개별 롤, 그리고 각각 4 개의 롤을 가진 마지막 층을 적재할 수 있게 한다. 로봇은 이들 롤들중 하나를 처음에 배치한 이후에 그것을 실제로 집어올려서 재위치시킨다. 즉, 잔디를 적재하는 방법에는 고도의 융통성이 있으며, 안정된 적재가 가외의 포장 없이도 이루어 질 수 있다.

작은 크기와 융통성에 더하여, 장치는 현재 시장에 있는 다른 작동 적재기보다 저렴한 비용이 기대된다. 이것은 고가의 서보 밸브 대신에 저렴한 비례 밸브를 사용하기 때문이다. 이것은 콘트롤러와 밸브 사이의 독특한 인터페이스에 의해서 가능해지는 것이다.

본 발명의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 따라서 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 변형이 본 발명의 범위 안에서 의도된다. 그러한 변형은 본 발명의 사상과 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않는다. 실제로, 시스템은 로봇 아암을 사용하여 잔디 롤을 전달하기 위한 것으로 개시되었지만, 아암은 잔디의 적재된 판들을 전달하는데 사용될 수 있다는 점을 상상할 수 있다.

본 발명은 잔디 롤을 절단하여 말아서 전달하는데 사용될 수 있다.

Claims (29)

1. 잔디밭을 가로지르기 위한 바퀴 달린 섀시;

   복수개의 잔디 스트립을 절단하기 위한 수평의 절단 메카니즘;

   복수개의 잔디 스트립을 유지하도록 구성된 축적기;

   잔디를 축적기로 전달하기 전에 잔디 스트립을 말도록 구성된 잔디 롤러;

   잔디를 절단 메카니즘으로부터 축적기로 전달하도록 구성된 콘베이어; 및,

   축적기로부터 잔디 저장 위치로 복수개의 잔디 스트립을 들어올리도록 구성된 로봇 아암;을 구비하는 잔디 롤을 절단하여 적재하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   축적기는 구획화된 콘베이어인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   축적기는 작업자가 거부된 잔디 롤을 잔디밭으로 복귀시킬 수 있는 수축 가능한 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   수축 가능한 부분 아래에 배치된 경사부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   로봇 아암은 복수개의 파지부 모듈을 가진 수평의 픽-업 헤드를 구비하고, 각각의 파지부 모듈은 분리된 개별 잔디 롤과 맞물리도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   각각의 파지부 모듈은 한쌍의 맞물릴 수 있는 핑거들을 구비하고, 맞물릴 수 있는 핑거들은 축적기 안에 위치된 잔디 롤과 맞물리도록 회전 가능하게 위치되게끔 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   핑거들은 파지부 액튜에이터에 결합되고, 파지부 액튜에이터는 연장된 위치를 가짐으로써 핑거들이 오목한 스트리퍼(stripper)의 아래 위치로 회전되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   핑거들이 분리된 잔디 롤들과 동시에 맞물리도록 하기 위하여 핑거들은 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 6 항에 있어서,

   수평의 픽-업 헤드는 다른 파지부 모듈에 대하여 적어도 하나의 파지부 모듈의 운동을 야기하도록 구성된 분리기 메카니즘을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 6 항에 있어서,

    로봇 아암의 운동을 조절하도록 구성된 콘트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    로봇 아암은 유압으로 구동되고 콘트롤러는 적어도 하나의 유압 밸브를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 10 항에 있어서,

    콘트롤러는 파지부 모듈을 제어하도록 전자적으로 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 10 항에 있어서,

    콘트롤러는 수평의 픽-업 헤드를 수평으로 유지하도록 구성된 복수개의 액튜에이터에 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 10 항에 있어서,

    팔레트(pallet)를 잔디 저장 위치에 지지하도록 구성된 한쌍의 포크를 더 구비하고, 상기 콘트롤러는 제 1 의 팔레트 위치로부터 제 2 의 팔레트 위치로 포크들의 운동을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 받침대를 지지하도록 구성된 잔디 저장 위치를 가진 바퀴달린 섀시;

    섀시에 결합되는 로봇 아암으로서, 상기 로봇 아암은 수평의 픽-업 헤드를 가지고, 수평의 픽-업 헤드는 복수개의 파지기 모듈을 가지며, 각각의 파지부 모듈은 잔디 롤과 동시에 맞물리도록 구성된, 로봇 아암;을 구비하는, 잔디밭으로부터 잔디를 제거하여 말린 잔디(rolled sod)를 피라미드형 적재로 배치하기 위한 잔디 수확기.
16. 제 15 항에 있어서,

    로봇 아암은 복수개의 잔디 롤들을 축적기 안으로부터 팔레트화된 받침대로 동시에 움직이도록 구성된 것을 특징으로 하는 잔디 수확기.
17. 제 16 항에 있어서,

    잔디를 스트립으로 절단하도록 구성된 수평의 절단 메카니즘을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잔디 수확기.
18. 제 17 항에 있어서,

    수평의 절단 메카니즘과 축적기 사이에 배치된 콘베이어를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잔디 수확기.
19. 제 18 항에 있어서,

    잔디 스트립을 마는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잔디 수확기.
20. 제 19 항에 있어서,

    잔디를 콘베이어로부터 축적기로 전달하도록 구성된 메카니즘을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잔디 수확기.
21. 제 20 항에 있어서,

    축적기는 구획화되고(segmented), 인덱싱(indexing)되는 콘베이어인 것을 특징으로 하는 메카니즘.
22. 제 21 항에 있어서,

    축적기는 축적기의 일부를 제 1 의 위치로부터 제 2 의 위치로 수축시키는 수축기 메카니즘을 더 구비하고, 잔디 롤은 축적기의 일부가 그것의 제 1 위치에 있을 때 잔디밭으로 내려지게 되는 것을 특징으로 하는 메카니즘.
23. 서로 피봇 가능하게 부착된 2 개의 구획부;

    차량에 있는 고정된 베이스에 회전 가능하게 부착된 하나의 구획부; 및,

    픽-업 헤드에 회전 가능하게 부착된 제 2 의 구획부;를 구비하고, 상기 픽-업 헤드는 잔디 롤을 집어올리고, 유지하고 그리고 배출시킬 수 있으며, 다양한 적재상의 구성을 위해서 수치 제어가 프로그램될 수 있는 것을 특징으로 하는, 잔디 수확기에 장착된 수치-제어되는 로봇 매니퓰레이터 아암.
24. 베이스;

    제 1 부재의 기단 단부에서 베이스에 회전 가능하게 결합된 제 1 부재;

    제 2 부재의 기단 단부에서 베이스에 회전 가능하게 결합된 제 2 부재;

    제 1 부재의 제 1 말단 단부에 회전 가능하게 결합되고 제 2 부재의 제 2 말단 단부에 회전 가능하게 결합된 제 1 링크부 부재;

    제 3 부재의 기단 단부에서 제 1 링크부에 회전 가능하게 결합된 제 3 부재;

    제 4 부재의 기단 단부에서 제 1 링크부에 회전 가능하게 결합된 제 4 부재;

    제 3 부재의 말단 단부에서 제 3 부재에 회전 가능하게 결합된 제 2 의 링크부로서, 상기 링크부는 제 4 부재의 말단 단부에서 제 4 부재에 회전 가능하게 결합되는, 제 2 의 링크부; 및

    복수개의 파지부를 가지는 수평의 헤드 부재로서, 각각의 파지부는 적어도 한쌍의 수축 가능한 핑거를 가지는, 수평의 헤드 부재;를 구비하는, 복수개의 잔디 롤을 이송하기 위한 로봇 아암.
25. 제 24 항에 있어서,

    베이스와 제 1 부재 사이에 배치된 제 1 의 액튜에이터 및 제 1 부재와 제 3 부재 사이에 배치된 제 2 액튜에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 아암.
26. 제 24 항에 있어서,

    각각의 파지부는 핑거들의 쌍에 결합된 파지부 액튜에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 아암.
27. 제 24 항에 있어서,

    각각의 파지부는 핑거들 사이에 배치된 오목한 스트리퍼(stripper)를 더 가지는 것을 특징으로 하는 로봇 아암.
28. 제 24 항에 있어서,

    모든 핑거들은 동시에 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 아암.
29. 제 24 항에 있어서,

    수평의 헤드 부재는 제 2 의 링크부에 회전 가능하게 결합된 지지용 프레임과, 프레임과 차량 사이에 소정의 각도를 유지하도록 구성된 제 2 링크부와 프레임 사이에 결합된 액튜에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 아암.