KR20130090763A

KR20130090763A - 작업 기계의 안전 장치

Info

Publication number: KR20130090763A
Application number: KR1020127030464A
Authority: KR
Inventors: 마리코 미즈오치; 아키노리 이시이; 진이치 야마구치
Original assignee: 히다치 겡키 가부시키 가이샤
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2013-08-14
Also published as: EP2578757A1; JP5491627B2; EP2578757B1; JPWO2011148946A1; CN102906347B; WO2011148946A1; US8768581B2; US20130066527A1; EP2578757A4; KR101790150B1; CN102906347A

Abstract

작업 프론트 조작 및 선회를 포함하는 작업 시에 있어서 현재의 안정성을 오퍼레이터에게 순간적으로 용이하면서 또한 적확하게 인식시킨다. 작업 기계의 안전 장치에 있어서, 제어 장치는, 작업 프론트를 포함하는 본체 및 주행체의 각 가동부의 위치 정보, 가속도 정보, 외력 정보를 각각 이용하여 ZMP의 좌표를 산출하는 ZMP 산출 수단(60f)과, 상기 작업 기계의 지면과의 복수의 접지점이 형성하는 지지 다각형을 산출하고, 상기 ZMP가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발하는 안정성 연산 수단(60d)을 구비하고, 작업 기계의 상면도 및 지지 다각형에 대한 작업 기계의 ZMP 위치를 표시하는 표시 장치(61d)를 구비하고, 상기 ZMP 산출 수단 및 안정성 연산 수단은, 상기 ZMP 및 상기 경고 영역을 포함하는 지지 다각형을 연산하여 표시함과 함께, 산출한 ZMP 위치가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발한다.

Description

작업 기계의 안전 장치{WORK MACHINE SAFETY DEVICE}

본 발명은, 작업 기계의 안전 장치에 관한 것으로, 특히, 해체 공사, 건설 공사, 토목 공사 등에 사용되는 자주식(自走式)의 작업 기계에 있어서, 기계의 안정성에 관한 정보를 오퍼레이터에게 통지하는 안전 장치에 관한 것이다.

구조물 해체 공사, 폐기물 해체 공사, 토목 건설 공사 등에 사용되는 작업 기계로서, 동력계에 의해 주행하는 주행체의 상부에 선회체를 자유롭게 선회할 수 있도록 장착하고, 선회체에 다관절형의 작업 프론트를 자유롭게 상하 요동(搖動)할 수 있도록 장착하여 액추에이터로 구동하는 것이 알려져 있다. 이러한 작업 기계의 일례로서 유압 셔블을 베이스로 한 해체 작업 기계가 있다. 이 해체 작업 기계는, 선회체에 붐, 아암으로 이루어지는 작업 프론트를 자유롭게 상하 요동할 수 있도록 연결하고, 아암의 선단(先端)에 그래플, 버킷, 브레이커, 크러셔 등의 작업 도구를 장착하여, 구조물 해체 공사, 폐기물 해체 공사 등의 작업을 행할 수 있도록 하고 있다.

이러한 작업 기계는, 작업 프론트를 구성하는 붐, 아암, 작업 도구를 선회체의 외방으로 돌출시킨 상태로 다양하게 자세를 바꾸어서 작업을 행하기 때문에, 무리한 조작을 행한 경우에 작업 기계가 밸런스를 무너뜨려서 전도(轉倒)되는 경우가 있다. 이 때문에, 오퍼레이터는 작업 기계의 현재의 안정성 혹은 전도 가능성을 적확하게 파악하면서 안전하게 작업을 행할 필요가 있다. 여기서 안정성이란, 작업 기계가 전도되지 않고 안정적으로 작업면 상에서 작업을 계속할 수 있는 정도를 말한다.

이러한 요구에 대하여, 예를 들면 특허문헌 1에서는, 크롤러 크레인의 아웃리거부에 설치한 하중계와, 크롤러에 설치한 경사계의 출력값으로부터 크롤러 크레인의 중심(重心) 위치 및 부하 하중을 산출하고, 또한, 산출된 중심 위치가 미리 설정된 영역 중 어디에 있는지를 판정하여, 영역마다 정해진 색을 사용하여, 모니터 상에 중심 위치를 표시하도록 한 것이 나타내어져 있다.

또한, 그 외의 예로서는 특허문헌 2에, 아웃리거 돌출 폭 센서 및 아웃리거 반력 센서를 구비하고, 아웃리거 돌출 폭 센서의 출력값으로부터 전도 한계를 산출하며, 아웃리거 반력 센서의 출력값으로부터 전후좌우에 있어서의 전도에 이르는 위험도를 산출하고, 또한, 아웃리거 돌출 폭 센서와 아웃리거 반력 센서의 출력값으로부터 크레인의 합성 중심을 산출하여, 이들을 표시 장치에 표시하고, 전도의 위험성이 있는 경우에는 경고를 행함과 함께, 아웃리거의 수동 관절부를 고정함으로써 전도를 방지하는 장치가 나타내어져 있다.

일본 특허 공개 소61-287696호 공보 일본 특허 공개 평10-291779호 공보

여기서 실제의 작업을 감안하면, 작업 기계는 여러가지 작업에 사용되고 있고, 신속한 동작이 필요해진 경우, 혹은 동작의 전환이 발생하는 경우가 있다. 이러한 작업에 있어서는, 작업 프론트의 운동 혹은 작업 기계 자신의 운동에 의해 관성력이 발생하고 있어, 크레인 작업 등의 비교적 동작이 한정되고, 동작의 전환이 적은 준(準)정적인 작업에 비하여, 기계의 동적(급속)인 운동에 의한 관성력이 안정성에 미치는 영향이 크다. 그러나, 상기 종래 기술에 있어서는, 이러한 동적인 운동에 의한 영향은 고려되어 있지 않다.

또, 동적인 운동을 행하고 있는 경우에는, 안정성의 변동이 크기 때문에, 현재의 중심 위치를 표시하는 것만으로는, 오퍼레이터는 항상 표시 화면을 주시할 필요가 있어, 작업 효율이 열화될 가능성이 있다. 또, 오퍼레이터는 안정성을 정확하게 인식할 수 없는 경우가 있다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안한 것으로, 작업 프론트 조작 혹은 선회를 포함하는 작업 시에 있어서 현재의 안정성을 오퍼레이터에게 순간적으로 용이하면서 또한 적확하게 인식시키는 것이 가능한 작업 기계의 안전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 수단을 채용하였다.

주행체, 당해 주행체 상에 장착한 작업 기계 본체, 당해 작업 기계 본체에 대하여 상하 방향으로 자유롭게 요동할 수 있도록 장착한 작업 프론트, 및 이들을 제어하는 제어 장치를 구비한 작업 기계의 안전 장치에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 작업 프론트를 포함하는 상기 본체 및 주행체의 각 가동부의 위치 정보, 가속도 정보, 외력 정보를 각각 이용하여 ZMP의 좌표를 산출하는 ZMP 산출 수단과, 상기 작업 기계의 지면과의 복수의 접지점이 형성하는 지지(支持) 다각형을 산출하고, 상기 ZMP가 상기 지지 다각형의 주연(周緣)의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발하는 안정성 연산 수단을 구비하고, 작업 기계의 상면도 및 지지 다각형에 대한 작업 기계의 ZMP 위치를 표시하는 표시 장치를 구비하고, 상기 ZMP 산출 수단 및 안정성 연산 수단은, 상기 ZMP 위치, 및 상기 경고 영역을 포함하는 지지 다각형을 연산하여 표시함과 함께, 상기 산출한 ZMP 위치가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발한다.

본 발명은, 이상의 구성을 구비하기 때문에, 작업 프론트 조작 혹은 선회를 포함하는 작업 시에 있어서 현재의 안정성을 오퍼레이터에게 순간적으로 용이하면서 또한 적확하게 인식시키는 것이 가능한 작업 기계의 안전 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관련된 작업 기계를 나타내는 측면도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관련된 작업 기계의 안전 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관련된 작업 기계의 센서 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관련된 ZMP 연산용 작업 기계 모델을 나타내는 측면도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관련된 지지 다각형과 전도 경고 영역을 나타내는 모식도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관련된 안정성 연산 수단의 판정 방법의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
도 7은 제1 실시 형태에 관련된 안정성 산출 방법을 나타내는 모식도이다.
도 8은 제1 실시 형태에 관련된 표시 장치의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관련된 표시 장치의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 10은 제1 실시 형태에 관련된 표시 장치의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 11은 제1 실시 형태에 관련된 표시 장치의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 12는 제2 실시 형태에 관련된 표시 장치를 나타내는 설명도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 관련된 작업 기계의 안전 장치를 나타내는 블록도이다.
도 14는 제3 실시 형태에 관련된 안정성 연산 수단의 판정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 15는 제3 실시 형태에 관련된 표시 장치를 나타내는 설명도이다.
도 16은 제4 실시 형태에 관련된 작업 기계의 안전 장치를 나타내는 블록도이다.
도 17은 제4 실시 형태에 관련된 작업 기계의 표시 장치를 나타내는 설명도이다.
도 18은 제4 실시 형태에 관련된 작업 기계의 표시 장치를 나타내는 설명도이다.

(제1 실시 형태)

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

<대상 장치>

도 1은, 본 발명이 적용되는 작업 기계의 측면도이다. 작업 기계(1)에는, 주행체(2) 상부에 선회체(3)가 선회 가능하게 장착되고, 선회체(3)는 선회 모터(7)에 의해 중심축(3c)을 중심으로 선회 구동된다. 선회체(3)에는, 운전실(4)과 동력계를 구성하는 엔진(5)이 장착되어 있다. 또, 선회체(3)의 후방에는, 카운터 웨이트(8)가 설치되어 있다. 30은 지표면이다. 선회체(3)는 추가로 작업 기계(1)의 기동 정지 및 동작 전반을 제어하는 운전 제어 장치를 구비하고 있다.

작업 기계(1)의 전면(前面)에 설치된 작업 프론트(6)에 있어서, 붐 실린더(11)는, 붐(10)을 지지점(40)의 주위로 회전 운동시키는 구동 액추에이터이며, 선회체(3)와 붐(10)에 연결되어 있다. 아암 실린더(13)는, 아암(12)을 지지점(41)의 주위로 회전 운동시키는 구동 액추에이터이며, 붐(10)과 아암(12)에 연결되어 있다. 작업 도구 실린더(15)는 버킷(23)을 지지점(42)의 주위로 회전 운동시키는 구동 액추에이터이며, 링크(16)를 통하여 버킷(23)과 연결되고, 링크(17)를 통하여 아암(12)에 연결되어 있다. 버킷(23)은, 그래플, 커터, 브레이커 등의, 도시 생략한 다른 작업 도구로 임의로 교환 가능하다.

선회체(3)에 장착된, 작업 기계(1)를 조작하는 오퍼레이터용의 운전실(4) 안에는, 오퍼레이터로부터의 각 구동 액추에이터에 대한 움직임의 지시를 입력하기 위한 조작 레버(50), 작업 기계(1)의 안정성 정보나 전도 경고 정보 등을 표시하는 표시 장치(61d), 작업 기계(1)의 전도 경고음 등을 발하는 경보 장치(63d), 오퍼레이터가 안전 장치의 설정을 행하기 위한 사용자 설정 입력 수단(55)이 설치되어 있다.

<안전 장치>

도 2는, 안전 장치에 관한 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 안전 장치는, 작업 기계(1)의 자세 등을 검출하기 위하여 작업 기계(1)의 각 부에 장착된 상태량 검출 수단(센서)(49), 오퍼레이터가 안전 장치의 설정을 행하기 위한 사용자 설정 입력 수단(55), 상태량 검출 수단(49)의 검출값에 의해 소정의 연산을 행하는 제어 장치(60), 오퍼레이터에게 안정성의 정보를 제시하는 표시 장치(61d), 및 경보 장치(63d)를 구비한다.

제어 장치(60)는, 작업 기계(1)의 제어 장치 중 특히 안전 장치에 관계되는 부분을 나타내고 있다. 제어 장치(60)는, 또한 상태량 검출 수단(49) 및 사용자 설정 입력 수단(55)의 신호가 입력되는 입력부(60x), 입력부(60x)에 입력되는 신호를 받아서 ZMP 위치(70)의 산출을 행하는 ZMP 산출 수단(60f), ZMP 산출 수단(60f)의 산출 결과를 소정의 기간 기억하는 ZMP 기억 수단(60g), ZMP 산출 수단(60f)의 산출 결과로부터 안정성의 산출 및 전도 가능성의 판정을 행하는 안정성 연산 수단(60d), 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 출력 신호에 기초하여 각각 표시 장치(61d) 및 경보 장치(63d)로의 출력을 결정하는 표시 제어 수단(61c) 및 경보 제어 수단(63c), 그리고 표시 제어 수단(61c) 및 경보 제어 수단(63c)으로부터의 출력 신호를 각각 표시 장치(61d) 및 경보 장치(63d)에 출력하는 출력부(60y)를 구비한다. ZMP 산출 수단(60f)은 또한, 링크 연산 수단(60a)과 ZMP 연산 수단(60b)을 구비한다.

제어 장치(60)는, 도시 생략한 CPU, ROM, RAM, 및 플래시 메모리 등으로 이루어지는 기억부 등을 구비하는 마이크로 컴퓨터, 및 ROM에 저장되는 컴퓨터 프로그램 및 주변 회로를 가지고, CPU 상에서 컴퓨터 프로그램을 작동시켜서 연산 처리를 행한다.

본 발명은, 제어 장치(60)에서 연산한 ZMP 위치 산출 및 안정성 판정의 결과를, 표시 장치(61d) 및 경보 장치(63d)를 통하여 오퍼레이터가 순간적으로 적확하게 인식할 수 있도록 제시함으로써 안전한 작업을 지원하는 것이다.

<상태량 검출 수단>

작업 기계(1)의 각 부에 장착된 상태량 검출 수단(센서)(49)에 대하여 도 3을 참조하면서 설명한다.

<자세 센서>

상부 선회체(3)에는, 후술하는 중력과 역방향을 Z축으로 한 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 검출하기 위한 자세 센서(3b)가 설치되어 있다. 자세 센서(3b)는, 예를 들면 경사각 센서이며, 상부 선회체(3)의 경사각을 검출함으로써, 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 검출한다.

<각도 센서>

상부 선회체(3)의 선회 중심선(3c) 상에는, 하부 주행체(2)와 상부 선회체(3)의 선회 각도를 검출하기 위한 선회 각도 센서(3s)가 설치되어 있다.

상부 선회체(3)와 붐(10)의 지지점(40)에는, 붐(10)의 회전 운동 각도를 계측하기 위한 붐 각도 센서(각도 센서)(40a)가 설치되어 있다.

붐(10)과 아암(12)의 지지점(41)에는, 아암(12)의 회전 운동 각도를 계측하기 위한 아암 각도 센서(각도 센서)(41a)가 설치되어 있다.

아암(12)과 버킷(23)의 지지점(42)에는, 버킷(23)의 회전 운동 각도를 계측하기 위한 버킷 각도 센서(42a)가 설치되어 있다.

<가속도 센서>

하부 주행체(2), 상부 선회체(3), 붐(10), 및 아암(12)의 중심 근방에는, 각각 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 붐 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)가 설치되어 있다.

<핀력 센서>

아암(12)과 버킷(23)을 연결하는 핀(43), 링크(16)와 버킷(23)을 연결하는 핀(44)에는, 각각 핀력 센서(43a, 44a)가 설치되어 있다. 핀력 센서(43a, 44a)는, 예를 들면 원통 형상의 내부에 스트레인 게이지가 삽입되고, 이 스트레인 게이지에 발생하는 변형을 계측함으로써, 핀(43, 44)에 가하여지는 힘(외력)의 크기와 방향을 검출한다.

<좌표계의 설정>

도 4에 ZMP 산출용 작업 모델(측면), 월드 좌표계(O-X’Y’Z’), 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이 월드 좌표계(O-X’Y’Z’)는 중력 방향을 기준으로 하고, 중력과 역방향을 Z축으로 한 것이다. 한편, 기계 기준 좌표계(O-XYZ)는 하부 주행체(2)를 기준으로 한 것이며, 도 4에 나타내는 바와 같이, 원점을 상부 선회체(3)의 선회 중심선(3c) 상에서, 지표면(30)과 접하는 점 O로 하고, 하부 주행체(2)의 전후 방향으로 X축, 좌우 방향으로 Y축, 선회 중심선(3c) 방향으로 Z축을 설정한다. 월드 좌표계와 기계 기준 좌표계의 관계는 상기 서술한 자세 센서를 사용하여 검출하고, ZMP 산출 수단(60f)에 있어서는 기계 기준좌표계에 기초하여 연산을 행한다.

<모델>

또, 제1 실시 형태에서는, 실장의 간이성을 고려하여 ZMP(70)를 연산하기 위한 모델로서, 각 구성 부재의 중심에 질량이 집중되어 있는 집중 질점 모델을 사용한다. 하부 주행체(2), 상부 선회체(3), 붐(10), 아암(12)의 각각의 질점(2P, 3P, 10P, 12P)을 각 구성 부재의 중심 위치에 설정하고, 각각의 질점의 질량을 m2, m3, m10, m12라고 한다. 그리고, 각각의 질점의 위치 벡터를 r2, r3, r10, r12, 가속도 벡터를 r´´2, r´´3, r´´10, r´´12라고 한다.

또한, 질점의 설정 방법은 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 질량이 집중되어 있는 부위[도 1에 나타내는 엔진(5), 카운터 웨이트(8) 등]를 추가해도 된다.

또, 외력은, 버킷(23)으로 작업을 행함으로써, 버킷(23)의 선단에 가해진다. 버킷(23)은 핀(43, 44)을 통하여 작업 프론트(6)와 연결되어 있기 때문에, 버킷(23)의 중력 및 관성력과, 버킷(23)에 가해지는 X축 방향 및 Z축 방향의 외력의 전부를, 핀(43)과 핀(44)에 가해지는 외력 벡터 F43과 F44로서 산출하여, ZMP 좌표의 연산을 행한다. 여기서, 외력 작용점인 핀(43)과 핀(44)의 위치 벡터를 s43, s44라고 한다.

<안정성 평가 지표>

여기서, 안전 장치의 각 구성 요소의 상세를 설명하기 전에, 본 발명에 있어서의 안정성의 평가 방식에 대하여 설명한다. 제1 실시 형태에 있어서는 작업 기계(1)의 안정성을 판정하기 위한 안정성 평가 지표로서 ZMP(Zero Moment Point)를 이용한다.

ZMP 안정 판별 규범은 달랑베르 원리에 기초한 것이다. 또한, ZMP의 개념 및 ZMP 안정 판별 규범에 대해서는 「LEGGED LOCOMOTION ROBOTS: Miomir Vukobratovic저(「보행 로봇과 인공의 발: 가토 이치로 역, 일간공업신문사」)」에 기재되어 있다.

도 1에 나타내는 작업 기계(1)로부터 지표면(30)에는 중력, 관성력, 외력 및 이들의 모멘트가 작용하지만, 달랑베르 원리에 따르면 이들은 지표면(30)으로부터 작업 기계(1)에 대한 반작용으로서의 지면 반력 및 지면 반력 모멘트와 균형을 이룬다.

따라서, 작업 기계(1)가 지표면(30)에 안정적으로 접지하고 있는 경우, 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점을 오목하게 되지 않도록 연결한 지지 다각형의 변(邊) 상 혹은 그 내측에 피치 축 및 롤 축 방향의 모멘트가 제로가 되는 점(ZMP)이 존재한다. 반대로 말하면, ZMP가 지지 다각형 내에 존재하고, 작업 기계(1)로부터 지표면(30)에 작용하는 힘이 지표면(30)을 누르는 방향, 즉 지면 반력이 정(正)인 경우, 작업 기계(1)는 안정적으로 접지하고 있다고 할 수 있다.

즉, ZMP가 지지 다각형의 중심에 가까울수록 안정성은 높아, 지지 다각형의 내측에 있으면 작업 기계(1)는 전도되지 않고 작업을 행할 수 있다. 한편, ZMP가 지지 다각형 상에 존재하는 경우에는 작업 기계(1)는 전도를 개시할 가능성이 있다. 따라서, ZMP와 작업 기계(1)와 지표면(30)이 형성하는 지지 다각형을 비교함으로써 안정성을 판정할 수 있다.

ZMP 방정식은, 중력, 관성력, 외력에 의해 발생하는 모멘트의 균형으로부터, 이하와 같이 도출된다.

여기서

r_zmp: ZMP 위치 벡터

m_i: i번째의 질점의 질량

r_i: i번째의 질점의 위치 벡터

r”_i: i번째의 질점에 가해지는 가속도 벡터(중력 가속도를 포함)

M_j: j번째의 외력 모멘트

s_k: k번째의 외력 작용점 위치 벡터

F_k: k번째의 외력 벡터

또한, 벡터는 X 성분, Y 성분, Z 성분으로 구성되는 3차원 벡터이다.

상기 식 (1)의 좌변의 제1항은, 각 질점 m_i에 있어서 인가된 가속도 성분(중력 가속도를 포함)에 의해 생성되는 ZMP(70)(도 3 참조) 주위(반경 r_i-r_zmp)의 모멘트의 총합을 나타낸다. 상기 식 (1)의 좌변의 제2항은, 작업 기계(1)에 작용하는 외력 모멘트 M_j의 총합을 나타낸다. 상기 식 (1)의 좌변의 제3항은, 외력 F_k(k번째의 외력 벡터 F_k의 작용점을 s_k라고 한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주위(반경 s_k-r_zmp)의 모멘트의 총합을 나타낸다.

그리고, 식 (1)은, 각 질점 m_i에 있어서 인가된 가속도 성분(중력 가속도를 포함)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주위(반경 r_i-r_zmp)의 모멘트의 총합과, 외력 모멘트 M_j의 총합과, 외력 F_k(k번째의 외력 F_k의 작용점을 s_k라고 한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주위(반경 s_k-r_zmp)의 모멘트의 총 합이 균형을 이룬다는 것을 기술하고 있다.

식 (1)에 나타내는 ZMP 방정식으로부터, 지표면(30)에 있어서의 ZMP(70)를 산출하는 것이 가능해진다.

여기서, 대상물이 정지하고 있고, 중력만이 작용하는 경우의 ZMP 방정식은, 중력 가속도 벡터 g를 이용하여

로 나타내어지고, 정적 중심의 지표면으로의 투영점과 일치한다. 따라서, ZMP는 동적 상태 및 정적 상태를 고려한 중심의 투영점으로서 취급하는 것이 가능하고, ZMP를 지표로서 이용함으로써 대상물이 정지하고 있는 경우와, 동작을 행하고 있는 경우의 양방을 통일적으로 취급할 수 있다.

또, 지지 다각형은 작업 기계의 접지면 형상과 일치하기 때문에, 안정성이 확보되는 영역과 현재의 안정성(지지 다각형 내의 ZMP 위치)을 작업 기계의 윤곽을 지표면에 투영한 상면도 상에 나타낼 수 있어, 시각적으로 알기 쉽다.

<사용자 설정 입력 수단>

도 1에 있어서, 사용자 설정 입력 수단(55)은 복수 개의 입력 버튼 등으로 구성되고, 오퍼레이터는 사용자 설정 입력 수단(55)을 통하여 작업 내용이나 개개인의 기호에 따라 경고 방법이나 안전률 등의 설정을 행한다.

ZMP 산출 수단(60f)은, 상태량 검출 수단(49)의 검출값으로부터 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 각 질점의 위치 벡터, 가속도 벡터 및 외력 벡터를 산출하는 링크 연산 수단(60a)과, 기계 기준 좌표계로 변환된 각 질점의 위치 벡터, 가속도 벡터 및 외력 벡터를 이용하여 ZMP(70a)를 산출하는 ZMP 연산 수단(60b)으로 구성된다.

<링크 연산>

도 3에 있어서, 작업 기계(1)의 각 부에 배치된 자세 센서(3b), 선회 각도 센서(3s), 붐 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 주행체 가속도 센서(2a), 선회체 가속도 센서(3a), 붐 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a), 핀력 센서(43a, 44a)의 검출값이 ZMP 산출 수단(60f)의 링크 연산 수단(60a)으로 보내진다.

링크 연산 수단(60a)에서는, 도 3에 나타내는 선회체(3)에 설치한 자세 센서(3b)의 값과, 작업 기계(1) 각 부에 설치한 선회 각도 센서(3s), 붐 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a)의 검출값을 이용하여, 각 링크에 대하여 순차 운동학 계산을 행한다. 그리고, 도 4에 나타내는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P)의 위치 벡터(r2, r3, r10, r12), 및 주행체 가속도 센서(2a), 선회체 가속도 센서(3a), 붐 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)의 검출 결과로부터 산출되는 각 질점의 가속도 벡터(r´´2, r´´3, r´´10, r´´12), 핀(43, 44)에 대한 위치 벡터(s43, s44), 핀(43, 44)에 작용하는 각 외력 벡터(F43, F44)를, 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환한다. 여기서, 운동학 계산의 방법은 주지의 방법을 이용할 수 있지만, 예를 들면, 「로봇 제어 기초론: 요시카와 쯔네오저, 코로나사(1988)」에 기재되어 있는 방법을 이용할 수 있다. 링크 연산 수단(60a)으로부터 ZMP 연산 수단(60b)으로 보내지는 데이터는, 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 각 질점의 위치 벡터, 가속도 벡터 및 외력 벡터이다.

ZMP 연산 수단(60b)에서는, 기계 기준 좌표계로 변환된 각 질점의 위치 벡터, 가속도 벡터 및 외력 벡터를 이용하여 ZMP(70a)를 산출하고, ZMP(70a)를 ZMP 위치(70)로서 출력한다.

제1 실시 형태에서는, 기계 기준 좌표계의 원점 O를 하부 주행체(2)와 지표면(30)이 접하는 점으로 설정하고 있기 때문에, ZMP의 Z축 좌표가 지표면(30) 상에 있다고 가정하면, r_zmpz=0이다. 또, 작업 기계(1)에서는 통상, 버킷(23) 이외의 부분에는 외력이나 외력 모멘트는 거의 작용하지 않기 때문에, 그 영향을 무시하고, 외력 모멘트 M=0으로 간주한다. 이러한 조건 하에서 식 (1)을 풀어, ZMP(70a)의 X 좌표 r_zmpx를 이하와 같이 산출한다.

또, 마찬가지로 ZMP(70a)의 Y 좌표 r_zmpy는 이하와 같이 산출한다.

식 (3), (4)에 있어서, m은, 도 4에 나타내는 각 질점 2P, 3P, 10P, 12P의 질량이며, 각 질점의 질량 m2, m3, m10, m12를 대입한다. r´´는 각 질점의 가속도이며, 각 질점의 가속도 r´´2, r´´3, r´´10, r´´12를 대입한다. s는 외력 작용점인 핀(43, 44)의 위치 벡터를 나타내고 있고, s43, s44를 대입한다. F는 외력 작용점인 핀(43, 44)에 가해지는 외력 벡터를 나타내고 있고, F43, F44를 대입한다.

이상과 같이, 작업 기계(1)의 각 부에 설치한 각 센서의 검출값을 이용함으로써, ZMP 연산 수단(60b)은, ZMP(70a)의 좌표를 산출할 수 있다. 산출된 ZMP(70a)를 ZMP 위치(70)로 하여 안정성 연산 수단(60d) 및 ZMP 기억 수단(60g)으로 보낸다.

ZMP 기억 수단(60g)은, ZMP 산출 수단(60f)에 있어서 산출되는 ZMP 위치(70)를 소정의 기간, ZMP 위치 이력(72)으로서 보존하고, 소정의 기간이 지난 데이터는 파기한다.

<안정성 연산 수단>

다음으로, 안정성 연산 수단(60d)이 ZMP 위치(70)에 기초하여 행하는 영역 판정에 의한 안정성 산출과 전도 가능성의 판정에 대하여 도 5를 이용하여 설명한다.

상기한 바와 같이, ZMP 위치(70)가, 작업 기계(1)와 지표면(30)으로 형성하는 지지 다각형 L의 충분한 내측의 영역에 존재하는 경우, 도 1에 나타내는 작업 기계(1)는 전도될 가능성은 거의 없어, 안전하게 작업을 행하는 것이 가능하다.

제1 실시 형태에 있어서의 안정성 연산 수단(60d)은, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점으로 형성되는 지지 다각형 L을 산출하는 지지 다각형 산출 수단(60m)과, 지지 다각형 산출 수단(60m)에 의해 산출된 지지 다각형 L에 대하여, 전도의 가능성이 충분히 낮은 통상 영역 J와, 전도의 가능성이 보다 높은 전도 경고 영역 N을 설정하고, ZMP 위치(70)가 어느 영역에 있는지의 판정에 의해 안정성을 평가하는 안정성 평가 수단(60n)으로 구성된다.

주행체(2)가 지표면(30)에 정립(正立)하고 있는 경우, 지지 다각형 L은, 주행체(2)의 평면 형상과 대략 같아진다. 따라서, 주행체(2)의 평면 형상이 직사각형인 경우, 지지 다각형 L은 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 직사각형이 된다. 더 구체적으로는, 하부 주행체(2)로서 크롤러를 가지고 있는 경우의 지지 다각형 L은, 좌우의 스프로킷의 중심점을 연결한 선을 전방 경계선, 좌우의 아이들러의 중심점을 연결한 선을 후방 경계선, 좌우 각각의 트랙 링크 외측단(外側端)을 좌우의 경계선으로 한 사각형이다. 또한, 전방 및 후방의 경계는 가장 전방의 하부 롤러 및 가장 후방의 하부 롤러의 접지점으로 해도 된다.

한편, 도 1에 나타낸 작업 기계(1)에서는 블레이드(18)를 가지고 있고, 블레이드(18)가 지표면(30)에 접지하고 있는 경우에는, 지지 다각형 L은, 블레이드 바닥부를 포함하도록 확대한다. 또, 버킷(23)을 지표면에 눌러 주행체(2)를 들어올리는 잭 업 동작에 있어서는, 지지 다각형 L은, 주행체(2)가 접지하고 있는 측의 2개의 끝점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다. 이와 같이, 작업 기계(1)의 접지 상태에 따라 지지 다각형 L의 형상이 불연속으로 변화되기 때문에, 지지 다각형 산출 수단(60m)은 작업 기계(1)의 접지 상황을 감시하고, 접지 상황에 따라 지지 다각형 L을 설정한다.

안정성 평가 수단(60n)에 있어서 통상 영역 J와 전도 경고 영역 N의 경계 K를 지지 다각형 L의 내측에 설정한다. 구체적으로는, 경계 K는 지지 다각형 L을 안전률에 따라서 결정되는 비율에 따라, 중심점 측에 축소된 다각형 혹은, 지지 다각형 L을 안전률에 따라서 결정되는 길이만큼 내측으로 이동한 다각형으로 설정된다.

안정성 평가 수단(60n)에서는 ZMP 산출 수단(60f)에 있어서 산출되는 ZMP 위치(70)가 통상 영역 J에 있는 경우에는, 작업 기계(1)의 안정성은 충분히 높다고 판정하고, 한편, ZMP 위치(70)가 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는 작업 기계가 전도의 가능성 있음으로 판정한다.

ZMP 위치(70)가 전도 경고 영역 N에 있는 경우에 경고를 발하는 구성으로 하였기 때문에, 전도 경고 영역 N의 면적이 클수록, 조기에 경고를 발하게 된다. 따라서, 전도 경고 영역 N의 크기는, 작업 기계(1)에 요구되는 안전성 등을 고려하여 결정하면 된다. 또한, 안전률은, 미리 설정되는 소정의 값(예를 들면, 80% 등)이어도 되고, 작업 기계(1)를 조작하는 오퍼레이터의 숙달도나 작업 내용 노면이나 주위의 상황 등에 따라 변경되는 값이어도 된다. 이 경우, 미리 주어진 정보나 각종 센서의 출력값 등으로부터 자동으로 설정하는 구성이나 오퍼레이터나 작업 관리자가 사용자 설정 입력 장치(55)를 사용하여 안전률을 임의로 설정하는 구성 등을 생각할 수 있다.

또, 안전률은 작업 기계(1)의 작업 상태에 따라 작업 중에 변경되어도 되고, 전후좌우에 대하여 다른 값을 이용하는 구성으로 하여도 된다. 예를 들면, 경사 지에 있어서의 작업에서는, ZMP 위치(70)는 경사면의 골짜기 측으로 이동하기 쉽고, 산 측에 비하여 골짜기 측으로의 전락(轉落)이 발생하기 쉬운 경향이 있다. 그래서, 경사 각도에 따라, 도 5에 나타내는 바와 같이, 전도 경고 영역 N을 골짜기 측이 넓어지도록 설정한다. 경사 각도는 오퍼레이터에 의한 입력 이외에 자세 센서(3b)의 검출값을 이용하는 방법을 생각할 수 있다. 또, 전도가 발생한 경우, 작업 프론트(6)가 존재하는 방향 이외로의 전도는 작업 프론트(6)의 방향으로의 전도에 비하여, 더욱 중대한 사고로 이어지기 쉽다. 그래서, 작업 프론트(6)의 방향에 따라, 작업 프론트(6)의 방향에 대하여 그 이외의 방향이 넓어지도록 전도 경고 영역 N을 설정한다. 지지 다각형 L에 대한 작업 프론트(6)의 방향은 선회 각도 센서(3s)에 의해 검출하는 방법을 생각할 수 있다.

전도 경고 영역 N의 설정 방법으로서, 오퍼레이터나 작업 관리자가 수시로 수동으로 설정을 변경하는 것 이외에, GPS, 지도 정보, 작업의 CAD 도면 등을 이용하는 구성을 생각할 수 있다. 상기의 정보를 이용함으로써 전도가 발생하기 쉬운 방향이나 전도 시의 피해가 큰 방향을 자동으로 판별하여, 그 방향의 전도 경고 영역 N이 넓어지도록 통상 영역 J와 전도 경고 영역 N의 경계 K를 자동으로 변경할 수 있다.

이와 같이 안전률을 적정한 값으로 함으로써 작업 효율을 저하시키지 않고 안전한 작업을 행할 수 있다.

더욱 높은 안전성을 확보하기 위하여 ZMP 기억 수단(60g)에 기억되어 있는 ZMP 위치 이력(72)를 이용하여, ZMP 위치(70) 및 ZMP 위치 이력(72) 중 하나라도 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는 전도의 가능성 있음으로 판정하도록 구성해도 된다. 즉, 비교적 단시간에 ZMP 위치가 변동하는 작업에서는 오퍼레이터가 변동하는 정보를 하나하나 상세히 파악하는 것은 곤란하기 때문에, 몇 초간 정도의 이력 정보를 기록하여 이에 기초하여 판단한다.

또, 과도한 경고에 의한 작업 효율의 저하를 저감하고, 또한, 오퍼레이터에 의한 안정성 회복 동작을 지원하기 위하여, ZMP 위치(70)와 ZMP 위치 이력(72)의 위치 관계로부터 경고의 필요성을 판정하도록 구성해도 된다.

구체적인 전도 가능성의 판정 및 경고 방법에 대하여, 도 6의 플로우 차트를 사용하여 설명한다. ZMP 위치(70) 및 ZMP 이력값(72)이 함께 통상 영역 J에 있는 경우에는, 작업 기계(1)는 충분히 안정적이라고 판정하고, 경고 지령은 출력하지 않는다(단계 61, 62, 64). ZMP 위치(70)가 통상 영역 J에 있고, ZMP 이력값(72)이 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는, 안정성이 낮은 상태로부터의 복귀 완료라고 판정하고, 회복 완료를 나타내는 지령을 출력한다(단계 61, 62, 65). ZMP 위치(70)가 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는, ZMP 위치(70)와 ZMP 이력값(72)의 위치 관계에 의해 지령을 변경한다. ZMP 위치(70)가 ZMP 이력값(72)에 대하여 통상 영역 J에 가까운 경우에는 회복 동작을 시험해 보고 있는 중이라고 생각할 수 있다. 단, 여전히 전도의 가능성이 있는 상태이며, 안정성이 낮은 상태로부터의 복귀는 완료되어 있지 않기 때문에, 회복 동작 중을 나타내는 지령을 출력한다(단계 61, 63, 66). ZMP 위치(70)가 전도 경고 영역 N이면서 또한 ZMP 이력값(72)보다 지지 다각형 L에 가까운 경우에는 전도의 가능성이 높아져 있어, 경고의 필요성이 매우 높다. 그래서, 이 경우에는 긴급 경고 지령을 행한다(단계 61, 63, 67).

이와 같이 ZMP 위치(70)에 더하여, ZMP 이력값(72)을 평가 지표로서 이용함으로써, 현재의 작업 기계(1)의 동작이 안정성을 회복시키는 동작인지 혹은 열화시키는 동작인지를 판단할 수 있어, 더욱 적절한 지령에 의해 안전한 작업을 지원할 수 있다. 또, 안정성의 회복이 예상되는 경우를 판정하여, 경고 방법을 변경할 수 있기 때문에, 과도한 경보에 의한 불쾌감이나 작업 효율의 저하를 막을 수 있다.

통상 영역 J와 전도 경고 영역 N의 경계 K는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 경계 K를 단계적으로 2개 이상 설정함으로써 전도 경고 영역 N을 2개 이상의 영역으로 나누는 구성으로 하여도 된다. 도 5(b)와 같이 전도 경고 영역 N을 전도 경고 영역 N1과 전도 경고 영역 N2로 나눈 경우에 있어서는, 예를 들면, ZMP 위치(70)가, 전도 경고 영역 N2에 있는 경우에는 예비적인 경고를 행하도록 지령을 행하여, 리스크를 조기에 회피시킬 수 있다.

도 7은, 안정성 평가 수단(60n)에 있어서 영역 판정에 의한 전도 가능성의 판정에 더하여, 안정성을 수치화하고 산출하여 판정에 이용하는 방식을 설명하는 도면이다.

이 방식을 이용함으로써, 안정성을 정량적이면서 또한 연속적으로 파악할 수 있다. 지지 다각형이 직사각형인 경우를 예로 들어 설명한다. 지지 다각형 L의 중심 Lc(Xlc, Ylc)와 ZMP 위치(70)를 지나는 직선 Lz 및 직선 Lz와 지지 다각형의 변의 교점 C(Xc, Yc)를 산출한다. 안정도 α를 중심 Lc로부터 교점 C까지의 거리와 중심 Lc로부터 ZMP 위치(70)까지의 거리의 비율을 이용하여

로 정의한다[도 7(a) 참조]. 안정도 α는 0에서 1 사이의 값을 취하고, 값이 클수록 ZMP 위치가 지지 다각형의 중심에 가까운 것을 나타내어, 안정성이 높은 것을 의미한다.

더욱 간이한 연산으로 하기 위하여, 안정도 α를 X 좌표, Y 좌표 각각에 대하여 지지 다각형 내에서 취할 수 있는 최대값과 ZMP 위치(70)의 비율을 평가하는 것으로서 정의해도 된다[도 7(b) 참조]. 이때, X축 방향의 비율

과 Y축 방향의 비율

중 작은 값을 안정도 α로서 선정한다. 여기서, Xmax는 지지 다각형 내에서 취할 수 있는 X 좌표의 최대값이며, Ymax는 지지 다각형 내에서 취할 수 있는 Y 좌표의 최대값이다. 또, 이상에서는, 지지 다각형의 변부와 ZMP 위치의 거리의 비율을 이용하여 안정도를 산출하는 방법을 나타내었지만, 거리의 비율을 대수(對數)로 평가하여, 안정도를 산출해도 된다. 이렇게 함으로써, 지지 다각형 근방에 있어서의 안정성 변화를 더 상세하게 표현할 수 있다.

표시 장치 및 경보 수단에 대하여, 안정성 평가 수단(60n)은, 안정성이 충분히 높다고 판정된 경우에는 ZMP 위치(70), ZMP 위치 이력(72) 및 안정도 α를 출력하고, 전도의 가능성 있음으로 판정한 경우에는 ZMP 위치(70), ZMP 위치 이력(72) 및 안정도 α에 더하여, 경고 지령을 출력한다.

<표시 장치>

표시 수단(61)은, 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 지령에 의해 표시 내용을 결정하는 표시 제어 수단(61c)과, 브라운관이나 액정 패널 등으로 이루어지는 장치로서, 운전실(4) 내에 설치되고, 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 제어에 의해, 안정성 정보나 전도 가능성을 표시하는 표시 장치(61d)로 구성된다.

표시 장치(61d)에는, 도 8에 나타내는 바와 같이 작업 기계(1)의 상면도(61b)를 표시하고, 상면도(61b) 상에 전도 경고 영역 N과 ZMP 위치(70)와 ZMP 위치 이력(72)을 표시한다. ZMP 위치 이력(72)의 표시에 있어서는 도 8(a)에 나타내는 바와 같이 ZMP 위치(70)와 다른 형상이나 다른 색을 사용하거나, 혹은, 오래된 데이터를 새로운 데이터에 대하여 작게 표시하도록 구성해도 된다. ZMP 위치 이력이 복수 개 있는 경우에는, 가장 안정성이 낮은 값만을 표시해도 되고, 적절하게 선별하여 표시해도 된다. 또, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 ZMP 위치 이력(72)으로부터 ZMP 위치(70)로의 화살표를 표시하도록 구성해도 된다.

안정성 연산 수단(60d)에 있어서 산출되는 안정도 α는, 도 9에 나타내는 바와 같이 바(61h)를 이용하여 표시한다. 도 9에 있어서는 안정도 α를 나타내는 바(61h)를 표시 장치(61d)의 하부에 배치하고, 안정도가 작을수록 지시부를 오른쪽으로 이동시키는 예를 나타내었지만, 지시부가 안정도에 따라 상하 방향으로 이동하도록 나타내도 되고, 또한, 바(61h)를 표시하는 장소는 표시 장치(61d)의 상방, 좌방, 우방이어도 된다.

선회 시에는 도 9에 나타내는 바와 같이 상면도(61b)의 주행체(2)를 선회체(3)에 대하여 선회 각도만큼 역회전하여 표시한다. 이렇게 선회 자세를 도시함으로써 오퍼레이터의 시계(視界) 전방과 표시 장치(61d)의 상부를 항상 일치시킬 수 있고, 또한, 주행 방향의 확인도 용이하다.

표시 장치(61d)는 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 지령에 의해, 전도 가능성의 통지를 행한다. 표시 장치(61d)의 상부 혹은 하부에 문자나 일러스트도를 이용한 경고 메시지(61m)를 표시한다. 또, 도 10에 나타내는 바와 같이 상면도(61b) 대신 작업 기계(1)의 개관을 나타내는 3차원 일러스트를 표시하고, 전도 가능성이 있는 경우에는, 3차원 일러스트를 기울이는 등으로 하여 전도하는 모습을 도시하는 바와 같이 표시해도 된다. 다른 전도 가능성의 통지 방법으로서, 전도 가능성이 있는 경우에 표시 장치(61d)의 배경색을 변경한다. 예를 들면, 통상 시(안정 상태)의 배경색을 백색으로 하고, 경고 지령 시에는 적색으로 변경한다.

안정도 α를 이용하면 배경색을 몇 단계로 변화시키도록 구성할 수도 있다. 예를 들면, 통상 시를 백색으로, 안정도 α가 약간 낮은 경우에는 황색으로, 안정도α가 낮아짐에 따라서 적색에 가까운 주황색으로 하고, 경고 지령 시에는 적색으로 설정한다. 이와 같이 배경색을 변경함으로써, 오퍼레이터는 표시 화면을 주시하지 않아도 순간적으로 전도 가능성을 파악할 수 있다. 이상에서는 표시의 배경색을 변경하는 예를 나타내었지만, 배경색과 마찬가지로 전도 경고 영역 N, ZMP 위치(70), ZMP 위치 이력(72)의 표시 색을 변경해도 된다.

표시 장치(61d)는 오퍼레이터가 경고 레벨이나 알람 등의 설정을 행하기 위한 사용자 설정 입력 수단(55)을 겸하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우, 표시 장치(61d)는 터치 패널 등의 입력 수단을 가지는 것으로 하고, 도 9에 나타내는 바와 같이 설정 입력 아이콘(61k)의 표시를 행한다.

<경보 수단>

또한 제1 실시 형태에 관련된 작업 기계(1)에 있어서는, 안정도 α에 따라 경보를 발하는 경보 수단(63)을 가진다. 경보 수단(63)은 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 지령에 기초하여 경보의 방법을 결정하여 출력하는 경보 제어 수단(63c)과, 예를 들면 부저 등의 경고음을 발생하는 장치로서 경보 제어 수단(63c)으로부터의 지령에 의해 경고음 등의 경보를 발하는 경보 장치(63d)로 구성된다. 경보 장치(63d)는 운전실(4) 내에 설치된다. 경보 제어 수단(63c)은 안정도 α에 따라 경고음을 변경하도록 지령을 행한다. 예를 들면, 안정도 α가 낮아짐에 따라서 소리의 크기를 크게 하고, 안정도 α가 낮아짐에 따라서 경고음의 간격을 짧게 하며, 안정도 α에 따라서 경고음의 음정을 변화시키는 등의 변경을 행한다.

운전실(4)에 구비되는 경보 장치(63d)가 발하는 경보에 의해, 오퍼레이터나 주위의 작업원에게 전도의 가능성을 인지시킴으로써, 안정성이 높은 작업을 행하는 것이 가능해진다. 또, 안정도에 따라 경고음을 변화시킴으로써, 오퍼레이터가 표시 장치(61d)를 보고 있지 않은 경우에도 정확하게 안정성을 인식시킬 수 있다.

또, 경보 장치(63d)를 작업 기계(1)의 외부에도 설치하는 구성으로 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써 작업 기계(1)의 주위에서 작업을 행하는 작업원에 대하여 작업 기계(1)의 전도 가능성을 통지할 수 있다.

<선회 표시의 변경>

도 9에는, 상면도의 주행체(2)를 선회체(3)에 대하여 선회 각도만큼 역회전하여 표시하고, 작업 프론트의 방향을 항상 표시 장치의 위를 향하도록 하는 예를 나타내었지만, 도 11에 나타내는 바와 같이 상면도의 주행체(2)의 방향을 고정하고, 주행체(2)에 대하여 선회체(3)를 선회 각도만큼 회전하여 표시하도록 구성해도 된다. 이 표시 방법은 특히 주위의 물체와의 위치 관계를 파악할 필요가 있는 경우에 특히 유효하다.

<표시 장치·경보 수단의 장소>

이상의 예에 있어서는, 오퍼레이터는 작업 기계(1) 상에 구비한 운전석(4)에 탑승하여, 작업 기계(1)의 조작을 행하는 것을 상정하여 설명하였다. 한편, 작업 기계(1)의 조작은 무선 등을 사용한 원격 조작이 행하여지는 케이스가 있다. 원격 조작 시에는, 탑승 시에 비하여 작업 기계의 자세나 노면의 경사 등을 정확하게 파악하는 것이 곤란하고, 또한, 숙련된 오퍼레이터이어도 작업 기계의 안정성을 감각적으로 파악하는 것이 곤란하다. 따라서, 원격 조작 시에 있어서는, 오퍼레이터 에 대한 안정성 정보의 표시 및 경고는 더욱 우수한 효과를 갖는다.

원격 조작형의 작업 기계에 있어서는, 조작 레버는 작업 기계(1) 위 이외의 통상적으로는 오퍼레이터의 조작 장소에 설치된다. 표시 장치, 경보 장치도 오퍼레이터의 조작을 행하는 장소에 설치하면 된다. 또, ZMP 산출이나 안정성 산출의 연산을 오퍼레이터 측에서 행함으로써, 통신 데이터량을 적게 하여 통신 지연의 영향을 받기 어려운 구성으로 하는 것이 가능하다.

또, 다른 표시 장치의 이용 형태로서, 작업 관리자가 원격지로부터 작업 기계(1)의 상황의 확인을 행하는 케이스를 생각할 수 있다. 이러한 경우에는 오퍼레이터용의 표시 장치에 더하여, 작업 기계(1) 위 이외의 장소에 관리자용 표시 장치를 설치하고, 무선 등을 사용하여 데이터 전송을 행함으로써, 작업 기계(1)의 상황을 표시할 수 있다. 관리자용 표시 장치의 표시는 운전자용의 것과 동일해도 되고, 각 액추에이터로의 지령량 등의 정보를 부가하여 표시해도 된다.

<간이 표시 장치의 추가>

이상에서는, 안정도 연산 수단(60d)에 있어서 산출되는 안정도 α에 대하여 표시 장치(61d) 상에 바(61h)를 이용하여 표시하는 예를 나타내었지만, 표시 장치(61d)에 더하여 안정도 α의 표시만을 행하는 간이 표시 장치(61x)를 설치하고, 간이 표시 장치(61x) 상에 바(61h)를 표시하도록 구성해도 된다. 간이 표시 장치(61x)의 설치 장소로서는, 운전석 전방, 작업 기계(1)의 외벽 등을 생각할 수 있다. 또, 표시 장치(61d)를 설치하지 않고, 간이 표시 장치(61x)만을 설치하는 구성으로 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써 더욱 저렴하면서 또한 간이한 구성으로 작업 기계(1)의 안정성을 통지하는 것이 가능해진다.

<작업 내용 판정 수단의 추가>

전도 경고 영역 N의 설정 방법으로서, 현재 행하고 있는 작업의 내용을 인식하고, 그 작업 내용에 따라서 전도 경고 영역 N의 크기나 형상을 변경하는 것을 생각할 수 있다.

작업 내용 판정 수단(61i)에서는, 미리 매달기 작업, 굴삭 작업, 해체 작업, 주행 등의 복수의 작업에 있어서의 특징적인 조작 패턴과 각각의 작업 내용에 적합한 전도 경고 영역 N을 설정하여 기억한다. 각 구동 액추에이터(11, 13, 15)로의 입력 지령량을 검출하는 레버 조작량 센서(51)를 설치하고, ZMP 산출 수단에 있어서 산출되는 작업 프론트 자세나 버킷 외력과 레버 조작량 센서(51)의 검출값의 이력으로부터 미리 설정된 조작 패턴 중 가장 가까운 것을 선택하고, 대응하는 전도 경고 영역 N을 출력한다. 이렇게 작업 내용 판정을 행함으로써 각각의 작업에 적합한 전도 경고 영역을 설정하는 것이 가능해져서, 작업 효율을 높게 유지한 채 안전성을 향상시킬 수 있다.

<회복 동작 산출 수단의 추가>

회복 동작 산출 수단(60l)은, 조작 레버(50) 중 어느 레버를 어느 쪽의 방향으로 조작하면 안정성을 회복할 수 있는지의 여부를 판정한다.

안정성 연산 수단(60d)에 있어서 경고 지령이 발생하여진 경우, 조작 레버를 적절하게 조작하여, 안정성을 회복시키는 것이 바람직하다. 그러나, 노면의 경사 등의 주위의 상황이나 오퍼레이터의 숙련도에 따라서는 어떻게 조작하면 안정성을 회복할 수 있는지 몰라서, 잘못된 조작에 의해 전도의 가능성을 증대시키는 경우를 생각할 수 있다. 그래서, 회복 동작 산출 수단(60l)에 있어서, 안정성을 회복시키기 위한 조작 방법을 판정하여, 표시 장치(61d)로 출력함으로써 안정성 회복 동작을 지원하여 전도의 가능성을 저하시킬 수 있다.

구체적으로는, 안정성 연산 수단(60d)에 있어서 경고 지령이 발하여진 경우에, 작업 기계(1)의 자세 및 ZMP 위치(70)로부터 각 조작 레버(50)의 조작이 ZMP 위치(70)를 지지 다각형 L의 중심 방향으로 이동시킬지의 여부를 판정하고, ZMP 위치(70)를 중심 방향으로 이동시키는 조작 방법을 표시 수단(61)에 대하여 출력한다. 예를 들면, 작업 프론트의 방향이 주행체(2)의 전방에 있고, ZMP 위치(70)가 통상 영역 N의 전방에 있는 경우에는 천천히 아암을 앞으로 끌어당기거나 혹은 천천히 작업 프론트의 방향이 주행체에 대하여 기울어지도록 선회하는 등의 동작을 행하면 된다. 표시 수단(61)은, 필요에 따라 회복 동작 산출 수단(60l)의 산출 결과를 표시 장치(61d)에 표시한다.

<경고 제시 방법의 변경>

이상에서는, ZMP 위치(70)를 표시 장치(61d)에 표시하고, 또한, 표시 장치(61d) 및 경보 장치(63d)에 의해 안정성의 저하를 경고함으로써 오퍼레이터에게 기계의 안정성 정보를 제시하는 예를 나타내었다. 안정성 정보 그 밖의 제시 방법으로서, 조작 레버(50)나 운전석(4)을 사용하는 방법을 생각할 수 있다. 예를 들면, 안정성 연산 수단에 있어서 경고 지령이 발하여진 경우에는, 조작 레버(50)나 운전석(4)을 진동시킴으로써 경고를 행할 수 있다. 또, 조작 레버(50)의 조작 방향 중 안정성을 열화시키는 방향의 조작감을 무겁게 함으로써, 전도 가능성의 통지 및 안정 회복 동작 지원을 행할 수 있다. 이렇게, 표시 장치(61d) 및 경보 장치(63d) 이외의 방법으로 기계의 안정성 정보를 제시함으로써, 오퍼레이터가 표시 장치(61d)를 보고 있지 않은 경우나, 소음이 커서 경보가 들리기 어려운 환경에 있어서도 안정성 정보를 인식시켜서, 안전한 조작으로 유도할 수 있다.

또, 경보 장치(63d)를 운전석(4)에 대하여 전후좌우 등 복수의 방향 및 지점에 설치하고, ZMP 위치(70)의 방향에 있는 경보 장치로부터 경고음 등을 발생시키도록 해도 된다. ZMP 위치(70)의 방향에 따라 경고를 행함으로써, 오퍼레이터가 표시 장치(61d)를 보고 있지 않은 경우에도 정확하게 주의해야 할 방향을 포함한 안정성 정보를 인식시킬 수 있다.

<외력 계측 방법>

이상에서는, 버킷에 가해지는 외력의 검출에 핀력 센서(43a, 44a)를 설치하는 예를 나타내었지만, 그 밖의 검출 방법으로서 붐 실린더에 압력 센서(11a, 11b)를 설치하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 붐 실린더에 설치한 압력 센서(11a, 11b)의 검출값으로부터 버킷 외력과 작업 프론트 자중을 포함한 모멘트 Ml을 산출하고, 또한, 붐, 아암, 버킷의 각 각도 센서의 검출값과 붐, 아암, 버킷의 각 중심 파라미터로부터 작업 프론트의 자중 모멘트 Moc를 산출한다. 이어서, 상기 모멘트 Ml과 Moc의 차분 및 붐 회전 운동 지지점(40)으로부터 버킷(23)까지의 거리로부터 버킷 외력을 산출한다.

(제2 실시 형태)

다음으로 본 발명의 제2 실시 형태를 설명한다. 제2 실시 형태에서는 제1 실시 형태의 ZMP 대신, 작업 기계(1)의 질량 중심(中心)인 중심(重心) 위치를 이용한다. 이하에서는, 도 12를 참조하여 주로 제1 실시 형태와의 상이점을 설명한다.

<상태량 검출 수단>

제2 실시 형태의 상태량 검출 수단(49)은, 제1 실시 형태에 나타내는 센서 중, 자세 센서(3b), 붐 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 핀력 센서(43a, 44a)가 설치된다.

제1 실시 형태와 동일하게 링크 연산을 행한다. 제2 실시 형태에 있어서는, 작업 기계(1)의 각 부에 배치된 자세 센서(3b), 선회 각도 센서(3s), 붐 각도 센서(40a), 핀력 센서(43a, 44a)의 검출값이 링크 연산 수단(60a)에 보내지고, 도 4에 나타내는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P)의 위치 벡터(r2, r3, r10, r12), 핀(43, 44)의 위치 벡터(s43, s44), 핀(43, 44)에 작용하는 각 외력 벡터(F43, F44)를 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환한다.

ZMP 연산 수단(60b)에서는, 각 센서의 검출값을 기초로 기계 기준 좌표계로 변환된 각 질점의 위치 벡터와 외력 벡터를 이용하여, 작업 기계(1)의 질량 중심(70b)을 산출하고, ZMP 위치(70)로 한다. 작업 기계(1)의 질량 중심(70b)은 이하와 같이 도출된다.

여기서,

r_cog: 질량 중심 벡터

m_i: i번째의 질점의 질량

r_i: i번째의 질점의 위치 벡터

이고, 벡터는 X 성분, Y 성분, Z 성분으로 구성되는 3차원 벡터이다.

본 발명의 안전 장치에서는, 질량 중심(70b)의 X 좌표 및 Y 좌표를 평가한다. 따라서, 질량 중심(70b)의 X 좌표 r_cogx는 이하와 같이 산출한다.

또, 마찬가지로 질량 중심(70b)의 Y 좌표 r_cogy는 이하와 같이 산출한다.

식 (9) 및 (10)에 있어서 m은 도 4에 나타내는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P) 및 어태치먼트(23)의 질량이고, 각 질점의 질량(m2, m3, m10, m12) 및 핀(43, 44)에 가해지는 외력 벡터(F43, F44)로부터 산출되는 어태치먼트의 질량을 대입한다.

이상과 같이, 작업 기계(1)의 각 부에 설치한 각 센서의 검출값을 이용함으로써 ZMP 연산 수단(60b)은 질량 중심(70b)을 산출할 수 있다.

<질량 중심의 Z 방향 성분의 이용>

이상에서는 질량 중심 벡터 r_cog의 X 성분, Y 성분, Z 성분 중 X 성분(X 좌표) 및 Y 성분(Y 좌표)을 이용하는 예를 나타냈지만, 이들에 더하여, Z 성분을 안정성 평가 및 표시에 이용하도록 구성해도 된다.

<질량 중심과 ZMP의 병용>

이상에서는, ZMP 위치(70)로서 작업 기계(1)의 질량 중심(70b)만을 이용하는 예를 나타냈지만, 질량 중심(70b)의 산출에 더하여, 제1 실시 형태에 나타낸 ZMP(70a)의 산출을 행하고, 이 두 개를 안정성의 지표로서 평가할 수도 있다. 이 경우, ZMP 산출 수단(60f)은 식 (3) 및 (4)를 이용한 ZMP(70a)의 산출과, 식 (9) 및 (10)을 이용한 질량 중심(70b)의 산출이 행하여진다. 또, 안정성 연산 수단(60d)에 있어서도 ZMP(70a)와 질량 중심(70b)을 이용하여, 양자에서 다른 경고 지령을 행하도록 구성할 수도 있다. 표시 수단(61)에 있어서는, 도 12에 나타내는 바와 같이 ZMP(70a)와 질량 중심(70b)에서 다른 형상, 색을 사용하여 표시를 행하도록 구성해도 된다.

(제3 실시 형태)

본 발명의 제3 실시 형태를 도 13 내지 도 14를 참조하여 설명한다. 제3 실시 형태는 제1, 제2 실시 형태와 달리, ZMP 위치(70)의 가까운 미래의 거동의 예측을 행하여, 예측값을 이용한 표시 및 경고를 행한다. 이것에 의해 더욱 신속하고 유연한 대응이 가능해진다. 이하에서는, 제2 실시예와의 상이점을 주로 설명한다.

ZMP 예측 수단(60c)에서는, 가까운 미래의 ZMP 위치의 예측값(71)을 산출한다. 이하에서는, 질량 중심(70b)을 ZMP 위치(70)로서 이용하는 경우를 예로 들어, 현재의 ZMP 위치(70)와 ZMP 위치 이력(72)을 이용하여 ZMP 예측 위치(71)를 산출하는 방식에 대하여 설명한다.

극히 단시간의 ZMP 위치의 변화를 생각하는 경우, ZMP 위치의 이동 속도는 대략 일정하다고 생각할 수 있다. 따라서, ZMP 산출 수단(60f)에 있어서 산출된 현재의 ZMP 위치(70)[질량 중심(70b)]와 ZMP 기억 수단(60g)에 기억된 과거의 ZMP위치 이력(72)으로부터 ZMP 위치(70)의 이동 속도를 산출함으로써 가까운 미래의 ZMP 예측 위치(71)를 예측할 수 있다.

dt초 후의 ZMP 예측 위치(71)는 이하의 식으로 산출할 수 있다.

여기서, x_cog[p]는 p번째의 산출점에 있어서의 ZMP 위치를, t[p]는 p번째의 산출점의 시각을, x_cogp는 t[p]로부터 dt초 후의 ZMP 예측 위치(71)를 나타낸다.

<안정성 연산 수단>

ZMP 산출 수단(60f)의 산출값(70) 및 ZMP 예측 수단(60c)의 산출값(71)에 기초하여, 안정성 연산 수단(60d)에 있어서 안정 판별을 행한다.

안정성 연산 수단(60d)은 제1 실시 형태와 마찬가지로 지지 다각형 산출 수단(60m)과 안정성 평가 수단(60n)으로 구성된다. 지지 다각형 산출 수단(60m)은 제1 실시 형태와 동일하고, 또한, 안정성 평가 수단(60n)의 전도 경고 영역(N)의 설정 및 안정성의 산출에 대해서도 제1 실시 형태와 동일하다. 또한, 안정도 α의 산출에 있어서는 ZMP 산출 수단(60f)에 있어서 산출되는 ZMP 위치(70)를 이용한다.

안정성 평가 수단(60n)에 있어서의 전도 가능성의 판정에는 ZMP 산출 수단(60f)에 있어서 산출되는 현재의 ZMP 위치(70)와 ZMP 예측 수단(60c)에 있어서 산출되는 ZMP 예측 위치(71)의 양방을 지표로서 이용한다. 전도 가능성의 판정 및 경고 지령에 대하여 도 14의 플로우 차트를 이용하여 설명한다.

ZMP 위치(70) 및 ZMP 예측 위치(71)가 함께 통상 영역 J에 있는 경우에는 작업 기계(1)는 안정성 있음으로 판정하고, 경고 지령은 출력하지 않는다(단계 131, 132, 134).

ZMP 위치(70)가 통상 영역 J에 있고, ZMP 예측 위치(71)가 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는, 작업 기계(1)는 전도 가능성이 증대되고 있다고 판정하고, 예비적인 경고를 행하는 예비 경고 지령을 출력한다(단계 131, 132, 135).

ZMP 위치(70)는 전도 경고 영역 N에 있지만, ZMP 예측 위치(71)는 통상 영역 J에 있는 경우에는, 안정성이 낮은 상태로부터의 복귀 동작 중이라고 판정하고, 회복 동작 중을 나타내는 지령을 출력한다(단계 131, 133, 136).

ZMP 위치(70) 및 ZMP 예측 위치(71)가 함께 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는 작업 기계(1)는 전도의 가능성 있음으로 판정하고, 통상 경고 지령을 행한다(단계 131, 133, 137).

이와 같이 ZMP 위치(70)에 더하여, ZMP 예측 위치(71)를 평가 지표로서 이용함으로써, 현재의 조작을 계속한 경우의 안정성의 평가를 할 수 있어, 더욱 빠른 단계에서의 대처가 가능해진다. 또, 현재의 동작에 의해 안정성의 회복이 예상되는 경우를 판정하여, 경고 방법을 변경할 수 있어, 과도한 경보에 의한 오퍼레이터의 불쾌감을 저감시킬 수 있다.

이상 설명한 안정성 평가 수단(60n)에서는 ZMP 위치(70) 및 ZMP 예측 위치(71)가 함께 전도 경고 영역 N에 있는 경우에는 전도의 가능성 있음으로 판정하였지만, 양자가 전도 경고 영역 N에 있는 경우에 있어서도 ZMP 예측 위치(71)의 안정성이 ZMP 위치(70)의 안정성보다 높은 경우에는 안정성 회복 동작 중이라고 판단하고, ZMP 위치(70)가 전도 경고 영역 N에, ZMP 예측 위치(71)가 통상 영역 J에 있는 경우와 동일한 지령을 행하도록 구성해도 된다. 이것에 의해, 모든 안정성 회복 동작 중에 있어서 경고 방법의 변경을 행할 수 있어, 과도한 경보에 의한 오퍼레이터의 불쾌감을 저감시킬 수 있다.

<표시 장치>

표시 수단(61)에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 안정성 정보 및 전도 경고 정보의 표시를 행한다. 이하에서는, 제1 실시 형태와의 상이점인 ZMP 예측 위치(71)의 이용 방법에 대해서만 설명한다. 도 15(a)에 나타내는 바와 같이 표시 장치(61d)의 상면도(61b) 상에 ZMP 위치(70)와 ZMP 예측 위치(71)를 다른 색이나 다른 형상을 이용하여 표시한다. 또, 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, ZMP 위치(70)로부터 ZMP 예측 위치(71)로 화살표를 표시하도록 구성해도 된다.

전도 경고 지령 시에는 제1 실시 형태와 마찬가지로 표시 화면의 배경색의 변경을 행한다. 표시 장치(61d)는 적어도 통상 시, 예비 경고 시, 회복 동작 시, 통상 경고 시의 4가지의 배경색을 가지고, 표시 제어 수단(61c)은 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 지령에 따라 배경색을 변경하도록 표시 장치(61d)에 지령을 행한다.

<경보 수단>

경보 수단(63)에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 지령에 의해 경고음 등의 경보를 발한다. 제3 실시 형태의 경보 장치(63d)는, 적어도 예비 경고 시와 경고 시와 회복 동작 시의 3가지의 경고음을 가지고, 경보 제어 수단(63c)은 안정성 연산 수단(60d)으로부터의 경고 지령의 종류에 따른 경고음을 발생하도록 경보 장치(63d)에 지령을 행한다.

이상에서는, 안정성 연산 수단(60d) 및 표시 수단(61)에 있어서 현재의 ZMP위치(70)와 ZMP 예측 위치(71)를 이용하는 예를 나타냈지만 현재의 ZMP 위치(70) 대신, ZMP 기억 수단(60g)에 기억된 ZMP 이력값(72)을 이용해도 된다. ZMP 이력값(72)과 ZMP 예측값(71)을 이용한 경우에는 도 13의 플로우 차트 중의 ZMP 위치(70)를 ZMP 이력값(72)으로 치환함으로써 전도 가능성의 판정이 가능하다.

이상에서는, ZMP 위치(70)로서 작업 기계의 질량 중심(70b)을 이용하는 예를 나타냈지만, ZMP(70a)를 이용하는 경우에도 동일하게 하여 예측값을 이용한 평가를 행할 수 있다.

<레버 조작량을 이용한 예측값 산출>

이상에서는, ZMP 예측 위치(71)를 현재의 ZMP 위치(70) 및 과거의 ZMP 위치 이력(72)으로부터 산출하는 예를 나타냈지만, ZMP 예측 위치(71)를 산출하는 다른 방법으로서 작업 기계(1)의 각 구동 액추에이터(11, 13, 15)로의 오퍼레이터로부터의 입력량(레버 조작량)을 검출하는 방법이 있다. 일반적으로 작업 기계에서는, 레버 조작량에 의해 각 액추에이터의 속도가 결정된다. 그래서, 조작 레버(50)에 레버 조작량 센서(51)를 설치하고, 구동 액추에이터(11, 13, 15)의 속도를 추정한다. 액추에이터 속도를 링크 연산에 의해 각 회전각의 각(角)속도로 변환하고, 현재의 자세와 산출된 각속도로부터 dt초 후의 질점 위치를 산출한다. 식 (9) 및 (10)에 산출된 질점 위치를 대입함으로써 dt초 후의 ZMP 예측 위치(71)를 산출할 수 있다.

이 방식을 이용하는 경우에는 레버 조작량을 검출하는 레버 조작량 센서(51)가 필요해지지만, 오퍼레이터의 입력과 연동하여 예측값의 산출을 행하는 것이 가능하여, 경고를 오퍼레이터의 조작 감각과 더욱 잘 일치시킬 수 있다.

《제4 실시 형태》기록 재생

본 발명의 제4 실시 형태를 도 16 내지 도 18을 참조하여 설명한다. 제4 실시 형태는 제1 실시 형태에 더하여, 추가로 작업 내용이나 작업 중의 ZMP 위치를 기록하고, 작업 후에 재생 가능하게 하고 있다. 이하에서는, 제1 실시 형태와의 상이점을 주로 설명한다.

도 16은, 제4 실시 형태를 설명하는 개략 구성도이다. 제4 실시 형태에 있어서는 제1 실시 형태의 구성 요소에 더하여, 작업 내용이나 작업 중의 ZMP 위치의 기록 재생을 행하는 기록 재생 수단(60h)을 가지고 있다.

<상태량 검출 수단>

제1 실시 형태를 구성하는 센서에 더하여, 작업 기계(1)의 각 구동 액추에이터(11, 13, 15)로의 오퍼레이터로부터의 입력량을 검출하는 레버 조작량 센서(51)를 설치한다. 레버 조작량 센서(51)에는, 예를 들면, 조작 레버(50)의 기울기를 검출하는 각도 센서나 조작 레버(50)의 내부에 설치된 감압 밸브에 의해 결정된 파일럿압을 검출하는 압력 센서를 사용한다.

<기록 재생 수단>

기록 재생 수단(60h)은, 오퍼레이터가 운전 시 표시와 재생 시 표시의 표시 전환 지령을 행하는 표시 전환 입력 수단(56)과, 작업 내용이나 작업 중의 ZMP 위치의 기록을 행하는 작업 기록 수단(60j)과, 표시 전환 입력 수단(56)으로부터의 입력에 따라 표시 제어 수단(61c) 및 경보 제어 수단(63d)에 지령을 행하는 표시 전환 수단(60k)으로 구성된다.

<작업 기록 수단>

작업 기록 수단(60j)에서는, 소정의 기간의 작업 내용이나 ZMP 위치의 기록을 행한다. 기록을 보존하는 기간은, 10분 혹은 1일 등의 미리 설정한 시간이어도 되고, 엔진 시동으로부터 엔진 정지까지와 같이 결정해도 된다.

작업 기록 수단(60j)에서는 작업 내용으로서, 레버 조작량 센서(51)의 검출값, 각 회전 관절의 회전 각도, 링크 연산 수단(60a)에 있어서 산출된 버킷 외력, 작업 프론트의 자세로부터 산출되는 작업 반경을 기록한다. 또, 안정성 정보로서, ZMP 산출 수단(60f)에 있어서 산출된 ZMP 위치(70) 및 안정성 연산 수단(60d)에 있어서 산출된 안정도 α를 기록한다. 경고 정보로서, 경고 지령 및 전도 경고 영역 N 등의 각종 설정 정보를 기록한다. 경고 지령 및 각종 설정 정보의 기록은 작업 내용이나 ZMP 위치의 기록과 마찬가지로 미리 정해진 기간 동안 항상 기록하는 것으로 해도 되고, 경고 지령이 발령된 전후나 설정이 변경된 전후의 기간만 기록하도록 해도 된다. 기록 기간을 한정함으로써 기록하는 데이터량을 삭감할 수 있다.

<표시 전환 수단>

표시 전환 수단(60k)은 표시 전환 입력 수단(56)으로부터의 입력에 기초하여, 운전 시 표시와 재생 시 표시의 어느 쪽이 선택되어 있는지를 인식하고, 표시 제어 수단(61c) 및 경보 제어 수단(63d)에 대하여, 운전 시 표시와 재생 시 표시를 전환하도록 지령을 행한다.

<표시 장치>

표시 수단(61)은, 표시 전환 수단(60k)으로부터의 지령에 의해 운전 시 표시와 재생 시 표시를 전환하여 표시한다. 운전 시 표시에 대해서는 제1 실시 형태와 동일하다. 이하에서는 재생 시 표시에 대하여 설명한다.

도 17은, 재생 시의 표시의 일례이다. 작업 기록 수단(60j)에 기록된 ZMP 위치(70) 및 안정도 α를 이용하여 운전 시와 동일한 안정성 정보 및 전도 경고 정보의 표시를 행한다. 화면의 배경색이나 경고 메시지는 운전 시에 표시한 것과 동일하게 한다. 이렇게 운전 시에 동일한 표시를 행함으로써, 운전 시에 오퍼레이터에게 어떤 정보가 제시되어 있었는지를 파악할 수 있다.

재생 시에 있어서는 운전 시와 동일한 안정성 정보의 표시에 더하여, 오퍼레이터의 조작 정보와 작업 환경 정보의 표시를 행한다. 오퍼레이터의 조작 정보에는 작업 기록 수단(60j)에 기록된 레버 조작량 센서(51)의 검출값을 이용한다. 도 17은 2개의 레버를 사용하여 작업 기계(1)의 조작을 행하는 경우의 예이다. 각각의 레버에 대하여 화살표의 방향으로 조작 레버의 입력 방향을, 화살표의 크기 또는 길이로 조작량을 나타낸다. 작업 환경 정보로서 버킷 외력, 작업 반경, 노면 경사 등을 표시한다.

이상에서는, 레버 조작량 및 선회 반경의 표시를 가지고 작업 기계(1)의 동작을 표현했지만, 상면도(61b) 대신 작업 기계(1)의 개관을 나타내는 3차원 일러스트를 표시하고, 기록된 회전 각도에 기초하여 일러스트 상에서 실제의 동작을 재현 시키도록 구성해도 된다.

재생 종료 시에는 도 18에 나타내는 바와 같이 작업 결과로서 재생 기간에 있어서의 ZMP 위치 이력(72)을 표시한다. 또 안정도 표시 바(61h)에는 재생 기간에 있어서의 안정도의 평균값을 표시한다.

도 5에 나타낸 운전 시에서는 주로 안정성 정보를 표시한 것에 대하여, 재생 시에는 레버 조작량이나 선회 반경 등의 부가적인 정보를 표시함으로써 오퍼레이터는 과거의 작업 상태를 정확하게 파악할 수 있다. 또, 작업 결과의 표시에 의해 일련의 작업에 있어서의 안정성을 평가할 수 있다.

이상의 예에 있어서는, 재생 시 표시를 운전석(4) 내에 설치된 표시 장치에 있어서 행하는 것을 상정하여 설명하였다. 기록 재생 수단의 다른 이용 형태로서, 작업 기계(1) 위 이외의 장소에 있어서 작업 상황의 확인을 행하는 케이스를 생각할 수 있다. 이러한 경우에는, 작업 기록 수단(60j)에 기록된 정보를 외부 기록 매체나 무선 등을 사용하여 작업 기계(1)로부터 반출하고, 작업 기계(1) 이외의 장소에 설치된 표시 장치에 있어서 재생하도록 구성해도 된다.

재생 시 표시는, 사고가 발생한 경우에 발생 상황 및 원인을 파악·구명하기 위한 이용 이외에, 조작의 안전성 평가에 의한 작업 관리, 교육, 계몽 활동 등으로의 이용을 생각할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 안전 장치는, 작업 기계의 자세를 검출하는 상태량 검출 수단과, 작업 기계의 ZMP 위치를 산출하는 ZMP 산출 수단과 표시 장치를 구비한 제어 장치를 가지며, 작업 기계의 상면도를 표시하고, 상기 상면도 상에 상기 작업 기계와 지표면의 접지점이 형성하는 지지 다각형과 상기 ZMP 위치를 표시한다. 이것에 의해, 다양한 자세가 변화되는 작업 중에 있어서도 통일적인 지표로 안정성을 평가할 수 있어, 오퍼레이터에게 구체적인 안정성을 용이하면서 또한 적확하게 인식시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 표시 장치는, 상면도 내의 주행체와 선회체 사이를 선회 각도 에 따라 회전시켜서 표시한다. 이것에 의해, 선회 동작을 포함하는 작업 중에 있어서 지지 다각형 및 ZMP 위치와 작업 프론트 방향의 관계를 인식시킬 수 있다. 또, 주행 방향을 인식시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 안전 장치는, 미리 설정된 소정 시간만큼의 상기 ZMP 위치의 이력을 기억하는 ZMP 기억 수단을 가지고, ZMP 위치 이력을 표시한다. 이것에 의해, ZMP 위치의 변화를 인식시킬 수 있어, 현재의 조작에 의한 안정성의 증감을 인식시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 표시 장치는, ZMP 산출 수단에 있어서 산출된 현재의 ZMP 위치와 ZMP 위치 이력을 서로 다른 형태로 표시시킨다. 이것에 의해, 과거 및 현재의 ZMP 위치의 관계를 더욱 용이하게 인식시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 안전 장치는, ZMP 위치의 거동을 예측하는 ZMP 예측 수단을 가지고, ZMP 예측 수단의 산출 결과를 표시한다. 이것에 의해, 오퍼레이터에게 현재의 조작을 계속한 경우의 ZMP 위치를 인식시킬 수 있어, 더욱 빠른 단계에서의 대처가 가능해진다.

또, 본 발명의 표시 장치는, ZMP 산출 수단에 있어서 산출된 현재의 ZMP 위치와 ZMP 예측 수단에 있어서 산출된 ZMP 예측 위치를 서로 다른 형태로 표시시킨다. 이것에 의해, 현재 및 미래의 ZMP 위치의 관계를 더욱 용이하게 인식시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 안전 장치는, 작업 기계와 지표면의 접지점이 형성하는 지지 다각형의 중앙부에 통상 영역을, 주변부에 전도 경고 영역을 설정하고, ZMP 위치가 전도 경고 영역에 있는 경우에 경고 지령을 행하는 안정성 연산 수단을 가지며, 표시 장치에 표시되는 상면도 상에 상기 전도 경고 영역을 표시하고, 안정성 연산 수단으로부터 경고 지령이 행하여진 경우에 경고 표시나 배경색의 변경을 행한다. 이것에 의해, 오퍼레이터가 표시 화면을 주시하지 않아도 순간적으로 전도 가능성을 파악시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 안정성 연산 수단은, ZMP 산출 수단에 있어서 산출된 현재의 ZMP 위치와 ZMP 기억 수단에 기억된 ZMP 이력 위치를 이용한다. 이것에 의해, 현재의 작업에 의해 안정성이 개선되어 있는지의 여부의 평가를 할 수 있어, 과도한 경고의 회피가 가능해진다.

또, 본 발명의 안정성 연산 수단은, ZMP 산출 수단에 있어서 산출된 현재의 ZMP 위치와 ZMP 예측 수단에 있어서 산출된 ZMP 예측 위치를 이용한다. 이것에 의해, 현재의 조작을 계속한 경우의 안정성의 평가를 할 수 있어, 더욱 빠른 단계에서의 경고가 가능하고, 또한 과도한 경고의 회피가 가능해진다.

또, 본 발명의 안정성 연산 수단은, 지지 다각형의 중심으로부터 ZMP 위치까지의 거리와 지지 다각형의 중심으로부터 지지 다각형의 주변부까지의 거리의 비율로부터 작업 기계의 안정도를 산출하여, 표시 장치에 산출된 안정도를 표시한다. 이것에 의해, 안정성의 증감을 용이하게 인식시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 안전 장치는, 작업 기계의 자세 변화로부터 현재의 작업이 미리 설정된 복수의 작업 패턴 중 어느 것에 해당하는지를 판단하는 작업 내용 판정 수단을 가지고, 안정성 연산 수단은 상기 작업 내용 판정 수단의 판정 결과를 바탕으로 작업 패턴마다 미리 설정된 전도 경고 영역을 이용한다. 이것에 의해, 각각의 작업에 적합한 전도 경고 영역을 설정하는 것이 가능해져서, 작업 효율을 더욱 높게 유지하는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 안전 장치는, 경보 수단을 가지고, 안정성 연산 수단으로부터 경고 지령이 행하여진 경우에 소리 또는 음성을 출력한다. 이것에 의해, 오퍼레이터가 표시 장치를 보고 있지 않은 경우에 있어서도 전도의 가능성을 인식시키는 것이 가능하고, 또한, 주위의 작업원에게 전도의 가능성을 인식시키는 것이 가능하다.

또, 본 발명의 경보 수단은, 안정성 연산 수단에 있어서 산출되는 안정성에 따라 소리 또는 음성을 변경시킨다. 이것에 의해, 오퍼레이터가 표시 장치를 보고 있지 않은 경우에 있어서도 안정성을 정확하게 인식시키는 것이 가능하고, 또한, 주위의 작업원에게 안정성을 정확하게 인식시키는 것이 가능하다.

또, 본 발명의 안전 장치는, 구동 액추에이터로의 지령값을 검출하는 검출 수단을 가지고, 구동 액추에이터로의 지령값과 ZMP 위치를 소정의 시간만큼 기억하고, 작업 상황의 재생을 행하는 기록 재생 수단을 가지며, 재생 시에는 지령값을 도시하고, 작업 중과는 다른 표시를 행한다. 이것에 의해, 사고가 발생한 경우의 발생 상황 및 원인의 파악, 구명이나, 조작의 안전성 평가에 의한 작업 관리, 교육, 계몽 활동이 가능해진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 작업 기계의 전도 경고 영역과 현재의 ZMP 위치를 표시 장치의 상면도 상에 표시함으로써, 여러가지 자세가 변화되는 작업 중에 있어서도 통일적인 지표로 안정성을 평가할 수 있어, 오퍼레이터에게 작업 기계의 안정성을 순간적으로 용이하면서 또한 적확하게 인식시킬 수 있다.

또, 전도의 가능성이 있다고 판정된 경우에는 조기에 표시나 경보에 의한 경고를 행하여, 오퍼레이터에게 주의 환기를 함으로써 더욱 안전한 조작으로 유도할 수 있어, 안전하고 작업 효율이 높은 작업이 가능해진다.

또한, 이상의 설명에서는, ZMP 산출 수단에 있어서 작업 기계의 ZMP를 산출하는 예에 대하여 설명했지만, 제2 실시 형태로서 설명한 바와 같은 작업 기계의 질량 중심을 산출하는 경우에 있어서도 동일한 효과를 가지는 것이다.

1: 작업 기계 2: 주행체
2a: 가속도 센서(주행체) 3: 선회체
3a: 가속도 센서(선회체) 3b: 자세 센서(선회체)
3c: 중심선 3s: 선회각 센서
4: 운전실 5: 엔진
6: 작업 프론트 7: 선회 모터
8: 카운터 웨이트 10: 붐
10a: 가속도 센서(붐) 11: 붐 실린더
11a: 압력 센서(붐 보텀) 11b: 압력 센서(붐 로드)
12: 아암 12a: 가속도 센서(아암)
13: 아암 실린더 15: 작업 도구 실린더
16: 링크(A) 17: 링크(B)
23: 버킷 30: 지표면
40: 붐 회전 운동 지지점 40a: 각도 센서(붐 회전 운동 지지점)
41: 아암 회전 운동 지지점
41a: 각도 센서(아암 회전 운동 지지점)
42: 버킷 회전 운동 지지점
42a: 각도 센서(버킷 회전 운동 지지점)
43: 핀(버킷-아암) 43a: 외력 센서[핀(43)]
44: 핀(버킷-링크) 44a: 외력 센서[핀(44)]
49: 상태량 검출 수단 50: 조작 레버
51: 레버 조작량 센서 55: 사용자 설정 입력 수단
56: 표시 전환 입력 수단 59: 속도 산출 수단
60: 제어 장치 60a: 링크 연산 수단
60b: ZMP 연산 수단 60c: ZMP 예측 수단
60d: 안정성 연산 수단 60f: ZMP 산출 수단
60g: ZMP 기억 수단 60h: 기록 재생 수단
60i: 작업 내용 판정 수단 60j: 작업 기록 수단
60k: 표시 전환 수단 60l: 회복 동작 산출 수단
60m: 지지 다각형 산출 수단 60n: 안정성 평가 수단
60x: 입력부 60y: 출력부
61: 표시 수단 61d: 표시 장치
61b: 작업 기계 상면도 61h: 안정도 표시 바
61k: 설정 입력 아이콘 61m: 경고 메시지
61x: 간이 표시 장치 62: 구동 액추에이터
63: 경보 수단 63d: 경보 장치
70: ZMP 위치 70a: ZMP
70b: 질량 중심 71: ZMP 예측 위치
72: ZMP 이력값

Claims

주행체, 당해 주행체 상에 장착한 작업 기계 본체, 당해 작업 기계 본체에 대하여 상하 방향으로 자유롭게 요동할 수 있도록 장착한 작업 프론트, 및 이들을 제어하는 제어 장치를 구비한 작업 기계의 안전 장치에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 작업 프론트를 포함하는 상기 본체 및 주행체의 각가동부의 위치 정보, 가속도 정보, 외력 정보를 각각 이용하여 ZMP의 좌표를 산출하는 ZMP 산출 수단과,
상기 작업 기계의 지면과의 복수의 접지점이 형성하는 지지 다각형을 산출하고, 상기 ZMP가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발하는 안정성 연산 수단을 구비하고,
작업 기계의 상면도 및 지지 다각형에 대한 작업 기계의 ZMP 위치를 표시하는 표시 장치를 구비하고,
상기 ZMP 산출 수단 및 안정성 연산 수단은, 상기 ZMP 위치, 및 상기 경고 영역을 포함하는 지지 다각형을 연산하여 표시함과 함께,
상기 산출한 ZMP 위치가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 미리 설정된 소정 기간에 있어서의 ZMP 위치의 이력을 기억하는 ZMP 기억 수단을 가지고, 상기 표시 장치에 의해 ZMP 위치의 이력을 표시하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, ZMP 위치의 거동을 예측하는 ZMP 예측 수단을 가지고, 상기 ZMP 예측 수단의 예측 결과를 상기 표시 장치에 표시하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 미리 설정된 소정 기간에 있어서의 ZMP 위치의 이력을 기억하는 ZMP 기억 수단과 ZMP 위치의 거동을 예측하는 ZMP 예측 수단 중 적어도 어느 하나를 가지고,
상기 안정성 연산 수단은, 상기 ZMP 산출 수단에 있어서 산출되는 현재의 ZMP 위치에 더하여, 상기 ZMP 기억 수단에 기억된 ZMP 위치 이력과 상기 ZMP 예측 수단에 있어서 산출되는 ZMP 예측 위치 중 적어도 어느 하나를 이용하여 안정성의 판정을 행하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 지지 다각형에 대한 ZMP 위치에 기초하여 작업 기계의 안정도를 산출하는 안정성 연산 수단을 가지고, 상기 표시 장치는 상기 안정성 연산 수단에 있어서 산출된 안정도를 표시하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 안정성 연산 수단으로부터 경고 지령이 행하여진 경우에 안정성을 회복하는 조작 방법을 산출하는 회복 동작 산출 수단을 가지고,
상기 표시 장치는, 상기 안정성 연산 수단으로부터 경고 지령이 행하여진 경우에 상기 회복 동작 산출 수단의 산출 결과를 표시하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상태량 검출 수단에 의해 검출된 구동 액추에이터로의 지령값과 상기 ZMP 위치를 소정 시간에 대해 기억하여 작업 상황의 재생을 행하는 기록 재생 수단을 가지고, 기록 재생 수단은, 상기 작업 기계의 작업 상황의 재생 시에는 상기 지령값을 도시하는 표시를 행하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 ZMP 산출 수단 대신, 상기 작업 프론트를 포함하는 상기 본체 및 주행체의 각 가동부의 위치 정보와 미리 주어진 질량 정보로부터 작업 기계의 질량 중심을 산출하는 중심 산출 수단을 가지고, 각 수단은 ZMP 대신 질량 중심을 이용하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 안전 장치.