KR20180136518A - 작업기 제어 장치 및 작업 기계 - Google Patents

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도루 마쓰야마
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가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Abstract

제어 장치는, 버킷 위치 특정부와, 목표 시공선 특정부와, 거리 특정부와, 버킷 제어부를 포함한다. 버킷 위치 특정부는, 버킷의 위치를 특정한다. 목표 시공선 특정부는, 작업기에 의한 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공선을 특정한다. 거리 특정부는, 버킷과 목표 시공선의 끝인 기준 위치와의 거리를 특정한다. 버킷 제어부는, 버킷과 기준 위치와의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 버킷의 각도가 일정 각도로 되도록 버킷을 제어한다.

Description

작업기 제어 장치 및 작업 기계
본 발명은, 작업기 제어 장치 및 작업 기계(work machine)에 관한 것이다
본원은, 2016년 11월 30일자에 일본에 출원된 특허출원 제2016-233337호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 직선 굴삭(掘削; excavation)을 행하기 위해 작업기의 각도를 일정하게 유지하는 기술이 알려져 있다.
일본공개특허 평3-66838호 공보
특허문헌 1에 기재된 기술에 의해 작업기의 각도를 일정하게 유지할 수 있지만, 작업기의 각도를 일정하게 유지하기 위해 스위치 조작이 필요해진다. 특히, 시공면(施工面)의 각도가 변화하는 변곡점(경사가 상이한 시공면끼리가 접속되는 점) 등의 기준 위치를 넘어서 복수의 시공면을 성형하는 경우에, 운전자는, 스위치 조작에 의해 작업기의 각도를 유지하는 제어를 오프로 하고, 작업기가 적절한 각도로 되도록 조작한 후에, 재차 스위치 조작에 의해 작업기의 각도를 유지하는 제어를 온으로 할 필요가 있다.
본 발명의 태양(態樣)은, 시공면의 각도가 변화하는 변곡점 등의 기준 위치의 정형(整形) 시에, 운전자에 의한 명시의 조작없이 작업기의 각도 유지를 해제할 수 있는 작업기 제어 장치 및 작업 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 작업기 제어 장치는, 버킷(bucket)을 포함하는 작업기를 제어하는 작업기 제어 장치로서, 상기 버킷의 위치를 특정하는 버킷 위치 특정부와, 상기 작업기에 의한 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공선(施工線)을 특정하는 목표 시공선 특정부와, 상기 버킷과 상기 목표 시공선 중의 기준 위치와의 거리를 특정하는 거리 특정부와, 상기 버킷과 상기 기준 위치와의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 상기 버킷의 각도가 일정 각도로 되도록 상기 버킷을 제어하는 버킷 제어부를 구비한다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 작업 기계는, 버킷 및 상기 버킷을 지지하는 암(arm)를 포함하는 작업기와, 상기 태양에 관한 작업기 제어 장치를 구비한다.
상기 태양 중 적어도 하나의 태양에 따르면, 작업기 제어 장치는, 시공면의 각도가 변화하는 변곡점의 정형 시에, 운전자에 의한 명시의 조작없이 버킷의 각도 유지를 해제할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 제어계의 구성을 나타낸 개략 블록도이다.
도 3은 작업기의 자세의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 제한 속도 테이블의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타낸 플로우차트이다.
도 7은 제1 실시형태에 관한 버킷 제어 판정 처리를 나타낸 플로우차트이다.
도 8은 비교예에 관한 유압 셔블의 거동(擧動)의 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 거동의 예를 나타낸 도면이다.
<제1 실시형태>
이하, 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
<<유압 셔블>>
도 1은, 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 구성을 나타낸 사시도이다. 제1 실시형태에서는, 작업 기계의 일례로서 유압 셔블(100)에 대하여 설명한다. 그리고, 다른 실시형태에 관한 작업 기계는, 반드시 유압 셔블(100)이 아니라도 된다.
유압 셔블(100)은, 유압(油壓)에 의해 작동하는 작업기(110)와, 작업기(110)를 지지하는 상부 선회체(旋回體)로서의 차체(120)와, 차체(120)를 지지하는 하부 주행체로서의 주행 장치(traveling device)(130)를 구비한다.
작업기(110)는, 붐(boom)(111)과, 암(112)과, 버킷(113)과, 붐 실린더(114)와, 암 실린더(115)와, 버킷 실린더(116)를 구비한다.
붐(111)은, 암(112) 및 버킷(113)을 지지하는 지주(支柱; column)이다. 붐(111)의 기단부(基端部)는, 차체(120)의 전부(前部)에 핀(P1)을 통하여 장착된다.
암(112)은, 붐(111)과 버킷(113)을 연결한다. 암(112)의 기단부는, 붐(111)의 선단부에 핀(P2)을 통하여 장착된다.
버킷(113)은, 토사 등을 굴삭하기 위한 날(刃)과 굴삭한 토사를 반송하기 위한 용기를 구비한다. 버킷(113)은, 날의 후단측으로 연장되는 버킷 바닥면(113A)을 구비한다. 버킷(113)의 기단부는, 암(112)의 선단부에 핀(P3)을 통하여 장착된다.
붐 실린더(114)는, 붐(111)을 작동시키기 위한 유압 실린더이다. 붐 실린더(114)의 기단부는, 차체(120)에 장착된다. 붐 실린더(114)의 선단부는, 붐(111)에 장착된다.
암 실린더(115)는, 암(112)을 구동시키기 위한 유압 실린더이다. 암 실린더(115)의 기단부는, 붐(111)에 장착된다. 암 실린더(115)의 선단부는, 암(112)에 장착된다.
버킷 실린더(116)는, 버킷(113)을 구동시키기 위한 유압 실린더이다. 버킷 실린더(116)의 기단부는, 암(112)에 장착된다. 버킷 실린더(116)의 선단부는, 버킷(113)에 장착된다.
차체(120)에는, 오퍼레이터가 탑승하는 운전실(121)이 구비된다. 운전실(121)은, 차체(120)의 전방 또한 작업기(110)의 좌측에 구비된다. 제1 실시형태에 있어서는, 운전실(121)을 기준으로 하여 전후 방향을 ＋Y 방향 및 -Y 방향, 좌우 방향을 -X 방향 및 ＋X 방향, 상하 방향을 ＋Z 방향 및 -Z 방향이라고 정의한다. 운전실(121)의 내부에는, 작업기(110)를 조작하기 위한 조작 장치(1211)가 설치된다. 조작 장치(1211)의 조작량에 따라 붐 실린더(114), 암 실린더(115), 및 버킷 실린더(116)에 작동유가 공급된다.
<<유압 셔블의 제어계>>
도 2는, 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 제어계의 구성을 나타낸 개략 블록도이다.
유압 셔블(100)은, 스트로크 검출기(117), 조작 장치(1211), 위치 검출기(122), 방위 연산기(123), 경사 검출기(124)를 구비한다.
스트로크 검출기(117)는, 붐 실린더(114), 암 실린더(115), 및 버킷 실린더(116)의 각각의 스트로크 길이를 검출한다. 이로써, 후술하는 제어 장치(126)는, 붐 실린더(114), 암 실린더(115), 및 버킷 실린더(116)의 각각의 스트로크 길이에 기초하여 작업기(110)의 자세각(姿勢角)을 검출할 수 있다. 즉, 제1 실시형태에 있어서 스트로크 검출기(117)는, 작업기(110)의 자세각을 검출하는 수단의 일례이다. 다른 한편, 다른 실시형태에 있어서는, 이에 한정되지 않고, 작업기(110)의 자세각을 검출하는 수단으로서, 스트로크 검출기(117) 대신에, 또는 스트로크 검출기(117)와 병용하여, 로터리 인코더나 수평기 등의 각도 검출기를 사용해도 된다.
조작 장치(1211)는, 운전실(121)의 우측에 설치되는 우측 조작 레버(1212)와 운전실(121)의 좌측에 설치되는 좌측 조작 레버(1213)를 구비한다. 조작 장치(1211)는, 우측 조작 레버(1212)의 전후 방향 및 좌우 방향의 조작량, 및 좌측 조작 레버(1213)의 전후 방향 및 좌우 방향의 조작량을 검출하여, 검출된 조작량에 따른 조작 신호를 제어 장치(126)에 출력한다. 제1 실시형태에 관한 조작 장치(1211)에 의한 조작 신호의 생성 방식은, PPC 방식이다. PPC 방식이란, 우측 조작 레버(1212) 및 좌측 조작 레버(1213)의 조작에 의해 생성되는 파일럿 유압을 압력 센서에 의해 검출하여, 조작 신호를 생성하는 방식이다.
구체적으로는, 우측 조작 레버(1212)의 전방향(前方向)의 조작은, 붐 실린더(114)의 축퇴(縮退), 붐(111)의 하강 동작의 지령에 대응한다. 우측 조작 레버(1212)의 후방향의 조작은, 붐 실린더(114)의 신장(伸長), 붐(111)의 상승 동착의 지령에 대응한다. 우측 조작 레버(1212)의 우측 방향의 조작은, 버킷 실린더(116)의 축퇴, 버킷(113)의 덤프의 지령에 대응한다. 우측 조작 레버(1212)의 좌측 방향의 조작은, 버킷 실린더(116)의 신장, 버킷(113)의 굴삭의 지령에 대응한다. 좌측 조작 레버(1213)의 전방향의 조작은, 암 실린더(115)의 신장, 암(112)의 굴삭의 지령에 대응한다.
좌측 조작 레버(1213)의 후방향의 조작은, 암 실린더(115)의 축퇴, 암(112)의 덤프의 지령에 대응한다. 좌측 조작 레버(1213)의 우측 방향의 조작은, 차체(120)의 우측 선회(旋回)의 지령에 대응한다. 좌측 조작 레버(1213)의 좌측 방향의 조작은, 차체(120)의 좌측 선회의 지령에 대응한다.
위치 검출기(122)는, 차체(120)의 위치를 검출한다. 위치 검출기(122)는, GNSS(Global Navigation Satellite System)를 구성하는 인공 위성으로부터 측위 신호를 수신하는 제1 수신기(1231)를 구비한다. 위치 검출기(122)는, 제1 수신기(1231)가 수신한 측위 신호에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 차체(120)의 대표점의 위치를 검출한다. 글로벌 좌표계란, 지상의 소정의 점(예를 들면, 시공 현장에 설치된 GNSS 기준국의 위치)을 기준점으로 한 좌표계이다. GNSS의 예로서는, GPS(Global Positioning System)를 들 수 있다.
방위 연산기(123)는, 차체(120)가 향하는 방위를 연산한다. 방위 연산기(123)는, GNSS를 구성하는 인공 위성으로부터 측위 신호를 수신하는 제1 수신기(1231) 및 제2 수신기(1232)를 구비한다. 제1 수신기(1231) 및 제2 수신기(1232)는, 각각 차체(120)의 상이한 위치에 설치된다. 방위 연산기(123)는, 제1 수신기(1231)가 수신한 측위 신호와, 제2 수신기(1232)가 수신한 측위 신호를 사용하여, 검출된 제1 수신기(1231)의 설치 위치에 대한 제2 수신기(1232)의 설치 위치의 관계로서, 차체(120)의 방위를 연산한다.
경사 검출기(124)는, 차체(120)의 가속도 및 각속도(角速度)를 계측하고, 계측 결과에 기초하여 차체(120)의 경사[예를 들면, X축에 대한 회전을 나타내는 피치, Y축에 대한 회전을 나타내는 요(yaw) 및 Z축에 대한 회전을 나타내는 롤]를 검출한다. 경사 검출기(124)는, 예를 들면, 운전실(121)의 하면에 설치된다. 경사 검출기(124)는, 예를 들면, 관성 계측 장치로서의 IMU(Inertial Measurement Unit)를 사용할 수 있다.
유압 장치(125)는, 작동유 탱크, 유압 펌프, 유량(流量) 제어 밸브, 및 전자(電磁) 비례 제어 밸브를 구비한다. 유압 펌프는, 도시하지 않은 엔진의 동력으로 구동하고, 유량 조정 밸브를 통하여 붐 실린더(114), 암 실린더(115), 및 버킷 실린더(116)에 작동유를 공급한다. 전자 비례 제어 밸브는, 제어 장치(126)로부터 수신하는 제어 지령에 기초하여, 조작 장치(1211)로부터 공급되는 파일럿 유압을 제한한다. 유량 제어 밸브는 로드형(rod-shaped)의 스풀(spool)을 가지고, 스풀의 위치에 따라서 붐 실린더(114), 암 실린더(115), 및 버킷 실린더(116)에 공급하는 작동유의 유량을 조정한다. 스풀은, 전자 비례 제어 밸브에 의해 조정된 파일럿 유압에 의해 구동된다. 버킷 실린더(116)에 접속하는 오일 통로에는, 파일럿 유압을 제한하는 전자 비례 제어 밸브와 병렬로, 유압 펌프가 공급하는 원압(元壓)을 제한하는 전자 비례 제어 밸브가 설치된다. 이로써, 유압 셔블(100)은, 조작 장치(1211)에 의해 생성되는 파일럿 유압보다 높은 유압에 따라 버킷 실린더(116)를 구동할 수 있다.
제어 장치(126)는, 프로세서(910), 메인 메모리(920), 스토리지(930), 인터페이스(940)를 구비한다.
스토리지(930)에는, 작업기(110)를 제어하기 위한 프로그램이 기억되어 있다. 스토리지(930)의 예로서는, HDD(Hard Disk Drive), 불휘발성 메모리 등을 들 수 있다. 스토리지(930)는, 제어 장치(126)의 버스에 직접 접속된 내부 미디어라도 되고, 인터페이스(940) 또는 통신 회선을 통하여 제어 장치(126)에 접속되는 외부 미디어라도 된다.
프로세서(910)는, 스토리지(930)로부터 프로그램을 판독하여 메인 메모리(920)에 전개하고, 프로그램에 따라 처리를 실행한다. 또한, 프로세서(910)는, 프로그램에 따라 메인 메모리(920)에 기억 영역을 확보한다. 인터페이스(940)는, 스트로크 검출기(117), 조작 장치(1211), 위치 검출기(122), 방위 연산기(123), 경사 검출기(124), 유압 장치(125)의 전자 비례 제어 밸브, 및 그 외의 주변 기기와 접속되고, 신호의 송수신을 행한다.
프로그램은, 제어 장치(126)에 발휘하게 하는 기능의 일부를 실현하기 위한 것이라도 된다. 예를 들면, 프로그램은, 스토리지(930)에 이미 기억되어 있는 다른 프로그램과의 조합이나, 또는 다른 장치에 실장(實裝)된 다른 프로그램과의 조합에 의해 기능을 발휘하게 하는 것이라도 된다.
제어 장치(126)는, 프로그램의 실행에 의해, 위치 검출기(122)가 검출한 위치, 방위 연산기(123)가 검출한 방위, 경사 검출기(124)가 검출한 차체(120)의 경사각, 및 스트로크 검출기(117)가 검출한 스트로크 길이에 기초하여, 버킷(113)의 위치를 특정한다. 또한, 제어 장치(126)는, 특정한 버킷(113)의 위치 및 조작 장치(1211)의 조작량에 기초하여, 유압 장치(125)의 전자 비례 제어 밸브에 붐 실린더(114)의 제어 지령, 암 실린더(115)의 제어 지령, 및 버킷 실린더(116)의 제어 지령을 출력한다.
<<작업기의 자세>>
도 3은, 작업기의 자세의 예를 나타낸 도면이다.
제어 장치(126)는, 작업기(110)의 자세를 산출하고, 그 자세에 기초하여 작업기(110)의 제어 지령을 생성한다. 구체적으로는, 제어 장치(126)는, 작업기(110)의 자세로서, 붐(111)의 자세각 α, 암(112)의 자세각 β, 버킷(113)의 자세각 γ, 및 버킷(113)의 윤곽점의 위치를 산출한다.
붐(111)의 자세각 α는, 핀(P1)으로부터 차체(120)의 상 방향(＋Z 방향)으로 신장되는 반직선과, 핀(P1)으로부터 핀(P2)으로 신장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표현된다. 그리고, 차체(120)의 경사(피치각) θ에 의해, 차체(120)의 상 방향과 연직(沿直) 상 방향은 반드시 일치하지 않는다.
암(112)의 자세각 β는, 핀(P1)으로부터 핀(P2)으로 신장되는 반직선과, 핀(P2)으로부터 핀(P3)으로 신장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표현된다.
버킷(113)의 자세각 γ은, 핀(P2)으로부터 핀(P3)으로 신장되는 반직선과, 핀(P3)으로부터 버킷(113)의 날끝(cutting edge)(E)으로 신장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표현된다.
여기서, 붐(111)의 자세각 α, 암(112)의 자세각 β, 및 버킷(113)의 자세각 γ의 합을, 작업기(110)의 자세각 η이라고 한다. 작업기(110)의 자세각 η은, 핀(P3)으로부터 차체(120)의 상 방향(＋Z 방향)으로 신장되는 반직선과, 핀(P3)으로부터 버킷(113)의 날끝(E)으로 신장되는 반직선이 이루는 각과 같다.
또한, 버킷 바닥면(113A)과 직교하고, 상면측으로 신장되는 벡터를 바닥면 법선 벡터 Nb라고 한다. 바닥면 법선 벡터 Nb의 방향은, 작업기(110)의 자세각 η에 의해 변화한다.
버킷(113)의 윤곽점의 위치는, 붐(111)의 치수 L1, 암(112)의 치수 L2, 버킷(113)의 치수 L3, 붐(111)의 자세각 α, 암(112)의 자세각 β, 버킷(113)의 자세각 γ, 버킷(113)의 윤곽 형상, 차체(120)의 대표점 O의 위치, 및 대표점 O과 핀(P1)과의 위치 관계로부터 구해진다. 붐(111)의 치수 L1은, 핀(P1)으로부터 핀(P2)까지의 거리이다. 암(112)의 치수 L2는, 핀(P2)으로부터 핀(P3)까지의 거리이다. 버킷(113)의 치수 L3은, 핀(P3)으로부터 날끝(E)까지의 거리이다. 대표점 O과 핀(P1)과의 위치 관계는, 예를 들면, 대표점 O을 기준으로 한 핀(P1)의 X좌표 위치, Y좌표 위치, 및 Z좌표 위치에 의해서 표현된다. 또한, 대표점 O과 핀(P1)과의 위치 관계는, 예를 들면, 대표점 O으로부터 핀(P1)까지의 거리, 대표점 O으로부터 핀(P1)으로 신장되는 반직선의 X축 방향의 경사, 및 대표점 O으로부터 핀(P1)으로 신장되는 반직선의 Y축 방향의 경사에 의해 표현되어도 된다.
<<유압 셔블의 제어 장치>>
도 4는, 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
제어 장치(126)는, 작업 기계 정보 기억부(200), 조작량 취득부(201), 검출 정보 취득부(202), 자세 특정부(203), 목표 시공 데이터 기억부(204), 목표 시공선 특정부(205), 거리 특정부(206), 목표 속도 결정부(207), 작업기 제어부(208), 버킷 제어부(209), 목표 각도 기억부(210), 제어 지령 출력부(211)를 구비한다.
작업 기계 정보 기억부(200)는, 붐(111)의 치수 L1, 암(112)의 치수 L2, 버킷(113)의 치수 L3, 버킷(113)의 윤곽 형상, 및 차체(120)의 대표점 O의 위치와 핀(P1)과의 위치 관계를 기억한다.
조작량 취득부(201)는, 조작 장치(1211)로부터 조작량(파일럿 유압 또는 전기 레버의 각도)을 나타내는 조작 신호를 취득한다. 구체적으로는, 조작량 취득부(201)는, 붐(111)에 관한 조작량, 암(112)에 관한 조작량, 버킷(113)에 관한 조작량, 및 선회에 관한 조작량을 취득한다.
검출 정보 취득부(202)는, 위치 검출기(122), 방위 연산기(123), 경사 검출기(124), 스트로크 검출기(117)의 각각이 검출한 정보를 취득한다. 구체적으로는, 검출 정보 취득부(202)는, 차체(120)의 글로벌 좌표계에서의 위치 정보, 차체(120)가 향하는 방위, 차체(120)의 경사, 붐 실린더(114)의 스트로크 길이, 암 실린더(115)의 스트로크 길이, 및 버킷 실린더(116)의 스트로크 길이를 취득한다.
자세 특정부(203)는, 검출 정보 취득부(202)가 취득한 정보에 기초하여, 작업기(110)의 자세각 η을 특정한다. 구체적으로는, 자세 특정부(203)는, 이하의 수순으로 작업기(110)의 자세각 η을 특정한다. 자세 특정부(203)는, 붐 실린더(114)의 스트로크 길이로부터, 붐(111)의 자세각 α를 산출한다. 자세 특정부(203)는, 암 실린더(115)의 스트로크 길이로부터, 암(112)의 자세각 β를 산출한다. 자세 특정부(203)는, 버킷 실린더(116)의 스트로크 길이로부터, 버킷(113)의 자세각 γ를 산출한다.
또한, 자세 특정부(203)는, 산출한 자세각에 기초하여 바닥면 법선 벡터 Nb를 구한다. 구체적으로는, 자세 특정부(203)는, 이하의 수순으로 바닥면 법선 벡터 Nb를 구한다. 자세 특정부(203)는, 자세각 α, β, γ의 합으로 표현되는 작업기(110)의 자세각 η과 작업 기계 정보 기억부(200)가 기억하는 버킷(113)의 윤곽 형상에 기초하여, 버킷 바닥면(113A)[바닥면의 곡면부보다 날끝(E) 측]의 임의의 3점(점 A, 점 B, 점 C)의 상대적인 위치 관계를 특정한다. 이 중 점 A 및 점 B는, 버킷(113)의 날끝(E)의 양단의 점이면 된다. 자세 특정부(203)는, 특정한 3점으로부터 2개의 벡터를 생성한다. 예를 들면, 자세 특정부(203)는, 점 A로부터 점 B를 향하는 벡터와, 점 A로부터 점 C를 향하는 벡터를 생성한다. 자세 특정부(203)는, 생성한 2개의 벡터의 외적(外積)을, 바닥면 법선 벡터 Nb로 한다. 또한, 자세 특정부(203)는, 작업기(110)의 자세각 η과 버킷 날끝 각[핀(P3)과 버킷(113)의 날끝(E)을 연결하는 선분과 버킷 바닥면(113A)이 이루는 각]에 기초하여 특정된 버킷 바닥면(113A)의 각도에 기초하여 바닥면 법선 벡터 Nb를 구해도 된다. 자세 특정부(203)는, 버킷(113)의 각도를 특정하는 버킷 자세 특정부의 일례이다.
또한, 자세 특정부(203)는, 산출한 자세각과 검출 정보 취득부(202)가 취득한 정보와 작업 기계 정보 기억부(200)가 기억하는 정보에 기초하여, 버킷(113)의 복수의 윤곽점에 대하여 글로벌 좌표계에서의 위치를 특정한다. 버킷(113)의 윤곽점은, 버킷(113)의 날끝(E)에서의 폭 방향(X 방향)의 복수의 점, 및 바닥판에서의 폭 방향의 복수의 점을 포함한다. 구체적으로는, 자세 특정부(203)는, 붐(111)의 자세각 α, 암(112)의 자세각 β, 버킷(113)의 자세각 γ, 붐(111)의 치수 L1, 암(112)의 치수 L2, 버킷의 치수 L3, 버킷(113)의 윤곽 형상, 대표점 O과 핀(P1)과의 위치 관계, 차체(120)의 대표점 O의 위치, 차체(120)가 향하는 방위, 및 차체(120)의 경사 θ로부터, 글로벌 좌표계에서의 버킷(113)의 윤곽점의 위치를 특정한다.
목표 시공 데이터 기억부(204)는, 시공 현장에서의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공 데이터를 기억한다. 목표 시공 데이터는, 글로벌 좌표계로 표현되는 3차원 데이터로서, 목표 시공면을 나타내는 복수의 삼각형 폴리곤(triangular polygon)으로 이루어지는 입체 지형 데이터 등이다. 목표 시공 데이터를 구성하는 삼각형 폴리곤은, 각각에 접하는 다른 삼각형 폴리곤과 공통의 변을 가진다. 즉, 목표 시공 데이터는, 복수의 평면으로 구성되는 연속된 평면을 나타낸다. 목표 시공 데이터는, 외부 기억 매체로부터 읽어들여짐으로써, 또는 네트워크를 통하여 외부 서버로부터 수신됨으로써, 목표 시공 데이터 기억부(204)에 기억된다.
목표 시공선 특정부(205)는, 목표 시공 데이터 기억부(204)가 기억하는 목표 시공 데이터와, 자세 특정부(203)가 특정한 버킷(113)의 윤곽점의 위치에 기초하여, 목표 시공선을 특정한다. 목표 시공선이란, 버킷(113)의 구동면[버킷(113)을 지나 X축과 직교하는 면]과 목표 시공 데이터와의 교선(交線)에 의해 표현된다. 구체적으로는, 목표 시공선 특정부(205)는, 이하의 수순으로 목표 시공선을 특정한다.
목표 시공선 특정부(205)는, 버킷(113)의 윤곽점 중 가장 아래쪽에 위치하는 것(높이가 가장 낮은 것)을 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)는, 목표 시공 데이터로부터 특정한 윤곽점의 연직 아래쪽에 위치하는 목표 시공면을 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)에 의해 규정하는 목표 시공면은, 버킷(113)에 대한 최단 거리에 위치하는 목표 시공면을 특정하는 방법 등이라도 된다.
다음에, 목표 시공선 특정부(205)는, 특정한 윤곽점과 목표 시공면을 지나는 버킷(113)의 구동면과 목표 시공 데이터와의 교선을, 목표 시공선으로서 산출한다. 목표 시공 데이터가 버킷(113)의 구동면 상에 변곡점을 가지는 경우, 복수의 목표 시공선이 산출된다.
목표 시공선 특정부(205)는, 작업기(110)의 제어 기준을 특정하는 제어 기준 특정부의 일례이다.
또한, 목표 시공선 특정부(205)는, 버킷(113)에 가장 가까운 목표 시공면(대상면)의 법선 벡터(시공면 법선 벡터 Nt)를 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)는, 버킷(113)의 윤곽점 중 1점에 대하여 가장 가까운 목표 시공면에 위치하는 면을 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)는, 동일한 방법으로 복수의 윤곽점에 대하여 각각 가장 가까운 면을 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)는, 이 중으로부터 최단으로 되는 목표 시공면을 대상면으로서 특정한다. 시공면 법선 벡터 Nt는, X축, Y축 및 Z축로 표현되는 유압 셔블(100)의 로컬 좌표계로 표현된다. 시공면 법선 벡터 Nt는, 대상면과 직교하고, 지상 측으로 신장되는 벡터이다. 구체적으로는, 목표 시공선 특정부(205)는, 이하의 수순으로 시공면 법선 벡터 Nt를 구한다. 다음에, 목표 시공선 특정부(205)는, 특정한 대상면을 나타내는 삼각형 폴리곤을, 검출 정보 취득부(202)가 취득한 차체의 경사만큼 회전시킴으로써, 대상면을 나타내는 삼각형 폴리곤을 로컬 좌표계로 변환한다.
목표 시공선 특정부(205)는, 로컬 좌표계로 변환된 삼각형 폴리곤의 각각의 정상점(頂点)(점 D, 점 E, 점 F)으로부터 2개의 벡터를 생성한다. 예를 들면, 자세 특정부(203)는, 점 D로부터 점 E를 향하는 벡터와, 점 D로부터 점 F를 향하는 벡터를 생성한다. 자세 특정부(203)는, 생성한 2개의 벡터의 외적을, 시공면 법선 벡터 Nt로 한다. 또한, 목표 시공선 특정부(205)는, 복수의 목표 시공선 중 대상면과 일치하는 목표 시공선을 대상선으로서 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)에서 산출되는 대상선은, 선분으로서만 아니라 폭을 가지도록 한 지형 형상으로 규정해도 된다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 목표 시공선 특정부(205)는, 대상선을 차체의 경사만큼 회전시키고, 상기 선분과 직교하고, 지상 측으로 신장되는 벡터를, 시공면 법선 벡터 Nt로 해도 된다.
거리 특정부(206)는, 버킷(113)과 대상선(굴삭 대상 위치)과의 거리, 및 버킷(113)과 대상선의 Y축 방향의 끝(端)인 변곡점과의 거리를 특정한다. 그리고, 본 실시형태에 관한 「변곡점」은, 목표 시공면의 각도가 변화하는 점, 즉 경사가 상이한 시공면끼리가 접속하는 점을 말하고, 기하학에서의 곡률의 플러스 마이너스가 전환되는 점과는 상이한 것을 나타낸다.
목표 속도 결정부(207)는, 조작량 취득부(201)가 취득한 우측 조작 레버(1212)의 전후 방향의 조작량에 기초하여, 붐(111)의 목표 속도를 결정한다. 목표 속도 결정부(207)는, 조작량 취득부(201)가 취득한 좌측 조작 레버(1213)의 전후 방향의 조작량에 기초하여, 암(112)의 목표 속도를 결정한다. 목표 속도 결정부(207)는, 조작량 취득부(201)가 취득한 우측 조작 레버(1212)의 좌우 방향의 조작량에 기초하여, 버킷(113)의 목표 속도를 결정한다.
작업기 제어부(208)는, 거리 특정부(206)가 특정한 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리에 기초하여, 버킷(113)이 목표 시공선보다 아래쪽으로 침입하지 않도록 작업기(110)를 제어하는 작업기 제어를 행한다. 제1 실시형태에 관한 작업기 제어는, 버킷(113)이 목표 시공선보다 아래쪽으로 침입하지 않도록 붐(111)의 제한 속도를 결정하여, 붐(111)의 제어 지령을 생성하는 제어이다. 구체적으로는, 작업기 제어부(208)는, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 사이의 거리와 작업기(110)의 제한 속도와의 관계를 나타내는 제한 속도 테이블에 의해, 붐(111)의 수직 방향의 제한 속도를 결정한다.
도 5는, 제한 속도 테이블의 일례를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제한 속도 테이블에 의하면, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 0일 때 작업기(110)의 수직 방향 성분의 속도가 0으로 된다. 제한 속도 테이블에 있어서, 버킷(113)의 최하점이 목표 시공선의 위쪽에 위치할 때, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리는 플러스의 값으로서 표현된다. 다른 한편, 버킷(113)의 최하점이 목표 시공선의 아래쪽에 위치할 때, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리는 마이너스의 값으로서 표현된다. 또한, 제한 속도 테이블에 있어서, 버킷(113)을 위쪽으로 이동시킬 때의 속도는 플러스의 값으로서 표현된다. 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 플러스의 값인 작업기 제어 임계값 th 이하의 경우에는 버킷(113)과 목표 시공선과의 거리에 기초하여 작업기(110)의 제한 속도가 규정된다. 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 작업기 제어 임계값 th 이상일 때, 작업기(110)의 제한 속도의 절대값은 작업기(110)의 목표 속도의 최대값보다 큰 값으로 된다. 즉, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 작업기 제어 임계값 th 이상인 경우, 작업기(110)의 목표 속도의 절대값은 항상 제한 속도의 절대값보다 작으므로, 붐(111)은, 항상 목표 속도로 구동한다.
작업기 제어부(208)는, 붐(111)과 암(112)과 버킷(113)의 목표 속도의 수직 방향 성분의 합의 절대값보다 제한 속도의 절대값이 작은 경우, 제한 속도로부터 암(112)의 목표 속도의 수직 방향 성분과 버킷(113)의 목표 속도의 수직 방향 성분을 감산함으로써, 붐(111)의 수직 방향의 제한 속도를 산출한다. 작업기 제어부(208)는, 붐(111)의 수직 방향의 제한 속도로부터, 붐(111)의 제한 속도를 산출한다.
또한, 작업기 제어부(208)는, 거리 특정부(206)가 특정한 변곡점과 버킷(113)의 거리가 암 제한 임계값 미만이며, 또한 조작 장치(1211)에 대한 암(112)에 관한 조작(예를 들면, 굴삭의 조작)이 계속되고 있는 경우에, 암(112)의 속도를 제한한다.
버킷 제어부(209)는, 버킷 제어 개시 조건이 만족되었을 때, 버킷 바닥면(113A)과 대상선의 각도의 차가 일정 각도로 되도록 버킷(113)을 제어하는 버킷 제어를 개시한다. 버킷 바닥면(113A)과 대상선의 각도의 차는, 바닥면 법선 벡터 Nb와 시공면 법선 벡터 Nt가 이루는 각 φ과 같다. 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어 개시 조건이 만족되었을 때, 바닥면 법선 벡터 Nb와 시공면 법선 벡터 Nt가 이루는 각 φ을 목표 각도로 하여 목표 각도 기억부(210)에 기억시킨다.
버킷 제어부(209)는, 붐(111) 및 암(112)의 속도에 기초하여, 버킷(113)의 제어 속도를 결정한다. 붐(111) 및 암(112)의 속도는, 스트로크 검출기(117)가 검출한 단위 시간당의 스트로크 길이에 의해 구해진다. 제1 실시형태에 관한 버킷 제어 개시 조건은, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 버킷 제어 개시 임계값 미만이며, 또한 버킷(113)에 관한 조작량이 소정의 임계값[조작 장치(1211)의 여유에 상당하는 정도의 각도] 미만이며, 또한 작업기 제어의 실행 중이라고 하는 조건이다.
버킷 제어부(209)는, 버킷 제어 종료 조건이 만족되었을 때, 버킷 제어를 종료한다. 제1 실시형태에 관한 버킷 제어 종료 조건은, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 버킷 제어 종료 임계값 이상이며(제1 종료 조건), 또는 버킷(113)에 관한 조작량이 소정의 임계값 이상이며(제2 종료 조건), 또는 작업기 제어를 실행하고 있지 않다고(제3 종료 조건) 하는 조건이다.
또한, 버킷 제어부(209)는, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만이며(제1 중단 조건), 또한 상기 변곡점의 각도(대상선과 대상선에 접하는 다른 목표 시공선이 이루는 각)가 소정 범위를 넘는(제2 중단 조건) 경우, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상으로 될 때까지, 버킷 제어를 일시적으로 중단한다. 그리고, 변곡점의 각도의 범위는, 180°를 포함하는 범위이다(예를 들면, 175°로부터 185°의 범위). 버킷 제어부(209)는, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상으로 되었을 때, 버킷 제어를 재개한다. 이 때, 버킷 제어부(209)는, 목표 각도 기억부(210)가 기억하는 목표 각도를 재설정하지 않는다. 즉, 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어를 재개하면, 버킷 바닥면(113A)과 대상면의 각도의 차가, 버킷 제어의 중단 전의 목표 각도로 되도록 버킷(113)의 자세를 제어한다.
목표 각도 기억부(210)는, 바닥면 법선 벡터 Nb와 시공면 법선 벡터 Nt가 이루는 각 φ의 목표 각도를 기억한다.
제어 지령 출력부(211)는, 작업기 제어부(208)가 생성한 붐(111)의 제어 지령 및 암(112)의 제어 지령을 유압 장치(125)의 전자 비례 제어 밸브에 출력한다. 제어 지령 출력부(211)는, 버킷 제어부(209)가 생성한 버킷(113)의 제어 지령을 유압 장치(125)의 전자 비례 제어 밸브에 출력한다.
<<동작>>
여기서, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(126)에 의한 유압 셔블(100)의 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 6은, 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타낸 플로우차트이다. 제어 장치(126)는, 소정의 제어 주기(周期)마다 이하에 나타내는 제어를 실행한다.
조작량 취득부(201)는, 조작 장치(1211)로부터 붐(111)에 관한 조작량, 암(112)에 관한 조작량, 버킷(113)에 관한 조작량, 및 선회에 관한 조작량을 취득한다(스텝 S1). 검출 정보 취득부(202)는, 위치 검출기(122), 방위 연산기(123), 경사 검출기(124), 스트로크 검출기(117)의 각각이 검출한 정보를 취득한다(스텝 S2).
자세 특정부(203)는, 각각의 유압 실린더의 스트로크 길이로부터 붐(111)의 자세각 α, 암(112)의 자세각 β, 및 버킷(113)의 자세각 γ를 산출한다(스텝 S3). 자세 특정부(203)는, 산출한 자세각 α, β, γ과, 작업 기계 정보 기억부(200)가 기억하는 붐(111)의 치수 L1, 암(112)의 치수 L2, 버킷(113)의 치수 L3, 버킷(113)의 형상, 붐(111)의 위치와, 검출 정보 취득부(202)가 취득한 차체(120)의 위치, 방위 및 경사에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 버킷(113)의 윤곽점의 위치를 산출한다(스텝 S4). 또한, 자세 특정부(203)는, 버킷(113)의 윤곽점의 위치에 기초하여, 바닥면 법선 벡터 Nb를 산출한다(스텝 S5).
목표 시공선 특정부(205)는, 버킷(113)의 윤곽점 중, 글로벌 좌표계에서의 위치가 가장 아래쪽에 위치하는 것을 특정한다(스텝 S6). 목표 시공선 특정부(205)는, 특정한 윤곽점의 연직 아래쪽에 위치하는 목표 시공면을 특정한다(스텝 S7). 목표 시공선 특정부(205)는, 특정한 윤곽점과 목표 시공면을 지나는 버킷(113)의 구동면과 목표 시공 데이터와의 교선을, 목표 시공선으로서 산출한다(스텝 S8). 다음에, 목표 시공선 특정부(205)는, 목표 시공 데이터를 구성하는 목표 시공면 중 버킷(113)에 가장 가까운 것을 대상면으로서 특정한다. 목표 시공선 특정부(205)는, 특정한 대상면의 시공면 법선 벡터 Nt를 산출한다(스텝 S9). 다음에, 거리 특정부(206)는, 대상면과 목표 시공선으로부터 대상선을 구한다(스텝 S1)0). 거리 특정부(206)는, 버킷(113)과 대상선과의 거리, 및 버킷(113)과 대상선에 관한 변곡점의 거리를 특정한다(스텝 S11). 이 때, 거리 특정부(206)는, ＋Y 방향 측에 위치하는 변곡점과 버킷(113)과의 거리와, ―Y 방향 측에 위치하는 변곡점과 버킷(113)과의 거리 중, 적어도 짧은 쪽을 특정한다. 목표 속도 결정부(207)는, 스텝 S1에서 조작량 취득부(201)가 취득한 조작량에 기초하여, 붐(111), 암(112) 및 버킷(113)의 목표 속도를 산출한다(스텝 S12).
다음에, 작업기 제어부(208)는, 도 5에 나타낸 테이블에 따라 거리 특정부(206)가 특정한 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리와 관련된 작업기(110)의 제한 속도를 특정한다(스텝 S1)3). 다음에, 작업기 제어부(208)는, 암(112) 및 버킷(113)의 목표 속도와 작업기(110)의 제한 속도에 기초하여 붐(111)의 제한 속도를 산출한다(스텝 S14). 작업기 제어부(208)는, 작업기 제어부(208)가 생성한 붐(111)의 제한 속도에 기초하여, 붐(111)의 제어 지령 및 버킷(113)의 제어 지령을 생성한다(스텝 S15).
작업기 제어부(208)가 붐(111)의 제어 지령을 생성하면, 버킷 제어부(209)는, 이하에 나타내는 버킷 제어에 관한 판정을 행한다(스텝 S16). 도 7은, 제1 실시형태에 관한 버킷 제어 판정 처리를 나타낸 플로우차트이다.
버킷 제어부(209)는, 스텝 S11에서 거리 특정부(206)가 특정한 버킷(113)과 대상선과의 거리와 스텝 S1에서 조작량 취득부(201)가 취득한 조작량에 기초하여, 유압 셔블(100) 상태가 버킷 제어 개시 조건을 만족시키지 않는 상태로부터 상기 조건을 만족시키는 상태로 천이했는지의 여부를 판정한다(스텝 S31). 유압 셔블(100) 상태가 버킷 제어 개시 조건을 만족시키지 않는 상태로부터 상기 조건을 만족시키는 상태로 천이한 경우(스텝 S31: YES), 버킷 제어부(209)는, 스텝 S5에서 자세 특정부(203)가 특정한 바닥면 법선 벡터 Nb와, 스텝 S8에서 목표 시공선 특정부(205)가 특정한 시공면 법선 벡터 Nt가 이루는 각 φ을 목표 각도로서 산출한다(스텝 S32). 버킷 제어부(209)는, 목표 각도를 목표 각도 기억부(210)에 기억시킨다(스텝 S33). 그리고, 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어를 유효하게 한다(스텝 S34). 즉, 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어 개시 조건을 만족시켰을 때 이후, 버킷 바닥면(113A)과 대상면의 각도와의 차가 목표 각도 기억부(210)가 기억하는 목표 각도와 일치하도록, 버킷(113)의 제어 속도를 결정한다.
다른 한편, 유압 셔블(100) 상태가 버킷 제어 개시 조건을 만족시키지 않는 상태인 경우, 또는 이미 상기 조건을 만족시키고 있는 경우(스텝 S31: NO), 버킷 제어부(209)는, 유압 셔블(100) 상태가 버킷 제어 종료 조건을 만족시키지 않는 상태로부터 상기 조건을 만족시키는 상태로 천이했는지의 여부를 판정한다(스텝 S35). 유압 셔블(100) 상태가 버킷 제어 종료 조건을 만족시키지 않는 상태로부터 상기 조건을 만족시키는 상태로 천이한 경우(스텝 S35: YES), 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어를 무효로 한다(스텝 S36). 즉, 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어 종료 조건을 만족시켰을 때 이후, 버킷(113)의 제어 속도를 결정하지 않게 된다.
버킷 제어를 유효하게 한 경우, 버킷 제어를 무효로 한 경우, 또는 버킷 제어 개시 조건의 부족으로부터 충족으로의 천이(遷移) 및 버킷 제어 종료 조건의 부족으로부터 충족으로의 천이가 없는 경우(스텝 S35: NO), 버킷 제어부(209)는, 버킷 제어가 유효한지의 여부를 판정한다(스텝 S37). 버킷 제어가 무효인 경우(스텝 S37: NO), 버킷 제어부(209)는, 버킷(113)의 제어 속도를 산출하지 않고 버킷 제어 처리를 종료한다. 다른 한편, 버킷 제어가 유효한 경우(스텝 S37: YES), 버킷 제어부(209)는, 버킷(113)에 가장 가까운 변곡점의 각도(대상선과 대상선에 접하는 다른 목표 설계선이 이루는 각)가 소정 범위 이내인지의 여부를 판정한다(스텝 S38). 변곡점의 각도의 범위는, 180°를 포함하는 범위이다(예를 들면, 175°로부터 185°의 범위). 변곡점의 각도가 소정 범위를 넘는 경우(스텝 S38: NO), 버킷 제어부(209)는, 거리 특정부(206)가 특정한 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만인지의 여부를 판정한다(스텝 S39).
변곡점의 각도가 소정 범위 이내인 경우(스텝 S38: YES), 또는 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우(스텝 S39: NO), 버킷 제어부(209)는, 붐(111) 및 암(112)의 속도에 기초하여, 붐(111)의 자세각의 변화량 Δα과 암(112)의 자세각의 변화량 Δβ을 산출한다(스텝 S40). 또한, 버킷 제어부(209)는, 스텝 S5에서 자세 특정부(203)가 특정한 바닥면 법선 벡터 Nb와, 스텝 S8에서 목표 시공선 특정부(205)가 특정한 시공면 법선 벡터 Nt가 이루는 각 φ을 산출한다(스텝 S41). 다음에, 버킷 제어부(209)는, 목표 각도 기억부(210)가 기억하는 목표 각도로부터, 스텝 S41에서 산출한 각 φ, 변화량 Δα및 변화량 Δβ를 감산함으로써, 버킷(113)의 자세각의 변화량 Δγ를 산출한다(스텝 S42). 버킷 제어부(209)는, 변화량 Δγ를 속도로 변환함으로써, 버킷(113)의 제어 속도를 산출한다(스텝 S43). 그리고, 버킷 제어부(209)는, 버킷(113)의 제어 속도에 기초하여 버킷(113)의 제어 지령을 생성하고(스텝 S44), 버킷 제어 처리를 종료한다.
다른 한편, 변곡점의 각도가 소정 범위를 넘고, 또한 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만일 경우(스텝 S39: YES), 버킷 제어부(209)는, 버킷(113)의 제어 속도를 산출하지 않는다. 다음에, 작업기 제어부(208)는, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 암 제한 임계값 미만인지의 여부를 판정한다(스텝 S45). 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 암 제한 임계값 미만일 경우(스텝 S45: YES), 작업기 제어부(208)는, 조작량 취득부(201)가 취득한 암(112)에 관한 조작량에 기초하여, 변곡점을 넘는 방향으로의 암(112)의 조작이 계속되고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S46). 암(112)의 조작이 계속되고 있다는 것은, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 암 제한 임계값을 하회한 타이밍 이후, 조작 장치(1211)의 암(112)에 관한 조작량이 0로 되어 있지 않은 것을 말한다. 따라서, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 암 제한 임계값을 하회한 타이밍 이후, 조작 장치(1211)의 암(112)에 관한 조작량이 0로 된 이후는, 암(112)의 조작이 계속되지 않는 것으로 판정한다. 또한, 변곡점을 넘는 방향으로의 암(112)의 조작의 예로서는, 버킷(113)에 가장 가까운 변곡점이 조작 장치(1211)의 덤프 방향[차체(120)로부터 이격되는 방향]인 경우에서의 암(112)의 덤프 조작[암 실린더(115)를 수축시키는 조작], 버킷(113)에 가장 가까운 변곡점이 조작 장치(1211)의 굴삭 방향[차체(120)에 가까워지는 방향]인 경우에서의 암(112)의 굴삭 조작[암 실린더(115)를 신장시키는 조작]을 들 수 있다.
변곡점을 넘는 방향으로의 암(112)의 조작이 계속되고 있는 경우(스텝 S46: YES), 작업기 제어부(208)는, 암(112)의 속도를 제한하는 제어 지령을 생성하고(스텝 S47), 버킷 제어 처리를 종료한다. 다른 한편, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 암 제한 임계값 이상인 경우(스텝 S45: NO), 또는 암(112)의 조작이 계속되지 않았던 경우(스텝 S46: NO), 제어 장치(126)는, 암(112)의 속도를 제한하지 않고, 버킷 제어 처리를 종료한다.
제어 장치(126)가 버킷 제어 처리를 종료하면, 작업기 제어부(208)가 생성한 붐(111)의 제어 지령 및 암(112)의 제어 지령, 및 버킷 제어부(209)가 생성한 버킷(113)의 제어 지령을, 유압 장치(125)의 전자 비례 제어 밸브에 출력한다(스텝 S17).
이로써, 유압 장치(125)는, 붐 실린더(114), 암 실린더(115), 및 버킷 실린더(116)를 구동시킨다. 그리고, 버킷 제어가 무효로 되는 경우, 또는 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이하인 경우, 버킷(113)의 제어 지령은 전자 비례 제어 밸브에 출력되지 않는다. 이 경우, 전자 비례 제어 밸브는, 파일럿 유압의 통과를 허용하는 개방 상태로 되고, 유압 장치(125)는, 조작 장치(1211)가 생성하는 파일럿 유압에 기초하여 버킷 실린더(116)를 구동시킨다.
<<작용·효과>>
이와 같이, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 버킷 바닥면(113A)의 각도와 목표 시공면의 각도와의 차가 일정 각도로 되도록 버킷(113)을 제어한다(버킷 제어를 행한다). 그리고, 제어 장치(126)는, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만일 경우에, 버킷 제어를 중단하고, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 버킷 제어를 재개한다. 이로써, 버킷(113)이 변곡점에 가까워졌을 때, 제어 장치(126)는, 자동적으로 버킷(113)의 각도 유지를 해제한다. 따라서, 제어 장치(126)는, 변곡점의 정형 시에, 운전자에 의한 명시의 조작없이 버킷(113)의 각도 유지를 해제할 수 있다. 여기서, 제1 실시형태에 의해 버킷(113)의 각도 유지를 해제하는 장점에 대하여 설명한다.
도 8은, 비교예에 관한 유압 셔블의 거동의 예를 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 예에서는, 시각 T1에 있어서, 버킷(113)은 목표 시공면(G1) 상 또한 변곡점으로부터 버킷 제어 제한 임계값 이상 이격된 점에 위치한다. 그 후, 암(112)은 굴삭 방향으로 구동하고, 목표 시공면(G1)과 목표 시공면(G2)을 접속하는 변곡점을 넘는다. 시각 T2에 있어서, 버킷(113)은 목표 시공면(G2) 상 또한 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만으로 되는 점에 위치한다. 그리고, 비교예에 관한 유압 셔블은, 버킷(113)과 변곡점과의 거리에 기초한 버킷 제어의 중단을 행하지 않는다.
시각 T1에서는, 비교예에 관한 유압 셔블은, 바닥면 법선 벡터 Nb(T1)와, 목표 시공면(G1)의 시공면 법선 벡터 Nt(G1)가 이루는 각 φ(T1)이 목표 각도로 되도록, 버킷(113)의 제어 지령을 생성한다. 또한, 목표 시공면(G1)에 상당하는 목표 시공선을 대상선으로서 작업기(110)의 제어를 행한다. 그 후, 버킷(113)이 변곡점을 넘으면, 비교예에 관한 유압 셔블은, 대상면을 목표 시공면(G1)으로부터 목표 시공면(G2)으로 변경한다. 그러면, 비교예에 관한 유압 셔블은, 시각 T2에 있어서, 목표 시공면(G2)에 상당하는 목표 시공선을 대상선으로 하여 작업기(110)의 제어를 행하게 되고, 바닥면 법선 벡터 Nb(T2)와, 목표 시공면(G2)의 시공면 법선 벡터 Nt(G2)가 이루는 각 φ(T2)이 목표 각도로 되도록, 버킷(113)의 제어 지령을 생성한다. 이 때, 도 8에 나타낸 바와 같이, 버킷(113)의 바닥면의 일부가 목표 시공면(G1)에 침입하여 버릴 가능성이 있다.
도 9는, 제1 실시형태에 관한 유압 셔블의 거동의 예를 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 예에서는, 시각 T1에 있어서, 버킷(113)은 목표 시공면(G1) 상 또한 변곡점으로부터 버킷 제어 제한 임계값 이상 이격된 점에 위치한다. 그 후, 암(112)은 굴삭 방향으로 구동하고, 목표 시공면(G1)과 목표 시공면(G2)을 접속하는 변곡점을 넘는다. 시각 T2에 있어서, 목표 시공면(G2)에 상당하는 목표 시공선을 대상선으로 하여 선택하게 되지만, 버킷(113)은 목표 시공면(G2) 상 또한 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만으로 되는 점에 위치한다. 그리고, 암(112)은 더 굴삭 방향으로 구동하고, 시각 T3에 있어서, 버킷(113)은 목표 시공면(G2) 상 또한 변곡점으로부터 버킷 제어 제한 임계값 이상 이격된 점에 위치한다.
시각 T1에서는, 제어 장치(126)는, 바닥면 법선 벡터 Nb(T1)와, 목표 시공면(G1)의 시공면 법선 벡터 Nt(G1)가 이루는 각 φ(T1)이 목표 각도로 되도록, 버킷(113)의 제어 지령을 생성한다. 그 후, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 미만으로 되는 타이밍에 있어서, 제어 장치(126)는, 버킷 제어를 중단하고, 버킷(113)의 제어 지령을 생성하지 않게 된다. 이 동안, 버킷(113)의 조작이 행해지지 않으면, 버킷(113)의 자세각 γ은 변화하지 않는다. 버킷(113)이 변곡점을 넘으면, 제어 장치(126)는, 대상선을 목표 시공면(G1)에 상당하는 목표 시공선으로부터 목표 시공면(G2)에 상당하는 목표 시공선으로 변경한다. 이 때, 버킷 제어가 중단되어 있으므로, 버킷(113)의 자세각 γ은 변화하지 않는다. 그러므로, 시각 T2와 같이 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상으로 되는 타이밍에 있어서, 버킷(113)이 목표 시공면(G1)에 침입하지 않는다. 그리고, 시각 T3와 같이 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상으로 되는 타이밍에 있어서, 제어 장치(126)는, 버킷 제어를 재개한다. 즉, 시각 T3에서는, 제어 장치(126)는, 바닥면 법선 벡터 Nb(T3)와, 목표 시공면(G2)의 시공면 법선 벡터 Nt(G2)가 이루는 각 φ(T3)이 목표 각도로 되도록, 버킷(113)의 제어 지령을 생성한다.
이와 같이, 제1 실시형태에 의하면, 변곡점의 정형 시에, 버킷(113)의 각도 유지를 해제함으로써, 버킷(113)이 대상선 이외의 목표 시공선에 침식(invasion)하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(126)는, 변곡점과 다른 목표 시공선 중의 점을 기준 위치로 하여 제어해도 된다. 예를 들면, 기준 위치는, 목표 시공선 중의 점으로서 변곡점보다 소정 거리만큼 이격된 점이라도 된다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 각도가 소정 범위를 넘는 변곡점과, 버킷(113)과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 버킷 제어를 행한다. 즉, 변곡점과 버킷(113)과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상이라도, 변곡점의 각도가 소정 범위 이내인 경우에는, 버킷 제어를 실행한다. 이로써, 연속하는 목표 시공선이 대략 평평한 경우에는, 버킷(113)의 각도를 계속 유지할 수 있다. 다른 한편, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(126)는, 변곡점의 각도에 따르지 않고, 변곡점과 버킷(113)과의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 버킷 제어를 종료해도 된다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 버킷(113)과 대상선과의 거리가 버킷 제어 개시 임계값 미만일 경우에, 버킷(113)의 각도가 일정 각도로 되도록 버킷 제어를 행한다. 버킷(113)이 대상선에 충분히 가까운 경우, 오퍼레이터는 굴삭 대상의 마무리 정형을 의도하고 있을 개연성(蓋然性)이 높다. 따라서, 제어 장치(126)는, 버킷(113)이 대상선에 충분히 가까운 경우에 버킷 제어를 행함으로써, 오퍼레이터에 의한 명시의 조작없이, 마무리 정형 시에 버킷(113)의 각도를 일정하게 유지할 수 있다. 다른 한편, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(126)는, 특허문헌 1과 같이 운전자의 명시의 조작에 의해 버킷 제어를 개시해도 된다. 이 경우에도, 제어 장치(126)는, 버킷(113)이 변곡점에 가까워졌을 때, 자동적으로 버킷(113)의 각도 유지를 해제한다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 버킷(113)과 대상선과의 거리가 작업기 제어 개시 임계값 미만일 경우에, 버킷(113)이 설계면보다 아래쪽으로 침입하지 않도록 작업기(110)를 제어하는 작업기 제어를 행한다. 이 때, 버킷 제어 임계값은, 작업기 제어 임계값보다 작다. 즉, 작업기 제어가 실행되고 있지 않는 동안, 버킷 제어도 실행되지 않는다. 작업기 제어가 실행되지 않는 범위에 있어서는, 오퍼레이터가 마무리 정형을 의도하고 있을 가능성은 낮다. 따라서, 버킷 제어 임계값이, 작업기 제어 임계값보다 작으므로, 제어 장치(126)는, 불필요하게 버킷(113)의 각도 제어가 행해지는 것을 방지할 수 있다. 다른 한편, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(126)는, 작업기 제어 기능을 가지고 있지 않은 것이라도 된다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 버킷(113)과 변곡점과의 거리가 암 제한 임계값 미만이며, 또한 암(112)을 변곡점을 넘는 방향으로 조작하는 조작이 계속되고 있는 경우에, 암(112)의 구동을 정지시킨다. 이로써, 오퍼레이터가 변곡점을 눈치채지 못하고 암(112)을 조작하여 버리는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제1 실시형태에 의하면, 변곡점에 가까워지는 방향으로의 암(112)의 조작을 계속하면, 버킷(113)이 변곡점으로부터 암 제한 임계값의 거리의 위치에 도달했을 때, 암(112)이 정지한다. 이로써, 오퍼레이터는, 버킷(113)이 변곡점 부근에 도달한 것을 알 수 있다. 이 후, 오퍼레이터는, 암(112)에 관한 조작량을 0으로 하고[조작 장치(1211)의 레버를 중립 상태로 하고], 버킷(113)의 자세를 적절한 자세로 변경한 후, 재차 암(112)을 조작함으로써, 변곡점 부근의 대상선을 적절히 성형할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 버킷(113)과 대상선과의 거리가 버킷 제어 종료 임계값 이상인 경우에, 버킷 제어를 종료한다. 이 때, 버킷 제어 종료 임계값은, 버킷 제어 개시 임계값보다 크다. 즉, 버킷 제어의 개시 및 종료에 관한 임계값은, 히스테리시스 트리거(hysteresis trigger)이다. 이로써, 제어 장치(126)는, 굴삭 대상의 표면의 요철(凹凸)이나 굴삭 대상의 경도(硬度)의 불균일 등에 의해 버킷(113)의 위치가 상하동해도, 버킷 제어의 유효/무효가 자주 전환되지 않도록 제어할 수 있다. 다른 한편, 다른 실시형태에 관한 유압 셔블(100)은, 버킷 제어 개시 임계값과 버킷 제어 종료 임계값을 동일한 값으로 해도 된다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 제어 장치(126)는, 버킷(113)의 조작에 관한 조작량이 소정의 임계값 미만이며, 또한 버킷(113)과 대상선과의 거리가 버킷 제어 임계값 미만일 경우에, 버킷 제어를 실행한다. 조작 장치(1211)에 의해 버킷(113)의 조작이 행해지고 있는 경우, 오퍼레이터는 스스로 버킷(113)을 제어하고자 하는 의도를 가질 개연성이 높다. 따라서, 제어 장치(126)는, 버킷(113)의 조작에 관한 조작량이 적을 경우에 버킷 제어를 행함으로써, 불필요하게 버킷(113)의 각도 제어가 행해지는 것을 방지할 수 있다.
<다른 실시형태>
이상, 도면을 참조하여 일 실시형태에 대하여 상세하게 설명했으나, 구체적인 구성은 전술한 것에 한정되지 않고, 다양한 설계 변경 등을 할 수 있다.
제1 실시형태에 관한 조작 장치(1211)에 의한 조작 신호의 생성 방식은, PPC 방식이지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 전기 레버 방식이라도 된다. 전기 레버 방식이란, 우측 조작 레버(1212) 및 좌측 조작 레버(1213)의 조작 각도를 포텐셔미터(potentiometer)에 의해 검출하여, 조작 신호를 생성하는 방식이다. 이 경우, 제어 장치(126)는, 붐(111), 암(112) 및 버킷(113)의 목표 속도, 및 붐(111)의 제한 속도 및 버킷(113)의 제어 속도에 기초하여, 붐(111), 암(112) 및 버킷(113)의 제어 지령을 각각 생성하고, 이로써, 전자 비례 제어 밸브를 제어한다.
제1 실시형태에 관한 제어 장치(126)는, 바닥면 법선 벡터 Nb와 시공면 법선 벡터 Nt가 이루는 각 φ에 의해, 버킷 바닥면(113A)의 각도와 대상면의 각도의 차이를 특정하지만, 다른 실시형태에 있어서는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에서는, 바닥면 법선 벡터 Nb 대신에 버킷(113)과 암(112)을 지지하는 핀(P3)으로부터 버킷(113)의 날끝(E)으로 신장되는 벡터를 사용해도 된다. 또한, 예를 들면, 다른 실시형태에서는, 버킷 바닥면(113A)의 경사와 대상면의 경사를 각각 특정함으로써, 버킷 바닥면(113A)의 각도와 대상면의 각도의 차이를 산출해도 된다.
제1 실시형태에 관한 버킷 제어 개시 조건은, 버킷(113)과 굴삭 대상 위치와의 거리가 버킷 제어 개시 임계값 미만인 것을 포함하지만, 이에 한정되지 않고, 버킷 제어 개시 조건은, 작업기(110)의 상태와 작업기의 제어 기준과의 관계가 소정의 관계를 만족시키는 것을 포함하는 것이면 된다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 버킷 제어 개시 조건은, 버킷(113)과 지표와의 거리가 버킷 제어 개시 임계값 미만인 것 등을 포함하는 것이라도 된다. 이 경우, 지표는 제어 기준의 일례이다.
제1 실시형태에 관한 제어 장치(126)는, 붐(111)과 암(112)의 속도에 기초하여 버킷(113)의 제어 속도를 산출하지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(126)는, 붐(111)과 암(112)의 목표 속도 및 붐(111)의 제한 속도에 기초하여 버킷(113)의 제어 속도를 산출해도 된다.
제1 실시형태에 관한 제어 장치(126)는 유압 셔블에 한정되지 않고 작업기를 구비하는 작업 기계이면 적용할 수 있다.
상기 실시형태에 따르면, 작업기 제어 장치는, 시공면의 각도가 변화하는 변곡점의 정형 시에, 운전자에 의한 명시의 조작없이 버킷의 각도 유지를 해제할 수 있다.
100: 유압 셔블, 111: 붐, 112: 암, 113: 버킷, 114: 붐 실린더, 115: 암 실린더, 116: 버킷 실린더, 126: 제어 장치, 200: 작업 기계 정보 기억부, 201: 조작량 취득부, 202: 검출 정보 취득부, 203: 자세 특정부, 204: 목표 시공 데이터 기억부, 205: 목표 시공선 특정부, 206: 거리 특정부, 207: 목표 속도 결정부, 208: 작업기 제어부, 209: 버킷 제어부, 210: 목표 각도 기억부, 211: 제어 지령 출력부

Claims (7)

  1. 버킷(bucket)을 구비하는 작업기를 제어하는 작업기 제어 장치로서,
    상기 버킷의 위치를 특정하는 버킷 위치 특정부;
    상기 작업기에 의한 굴삭(excavation) 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 시공선(施工線)을 특정하는 목표 시공선 특정부;
    상기 버킷과 상기 목표 시공선 중의 기준 위치와의 거리를 특정하는 거리 특정부; 및
    상기 버킷과 상기 기준 위치와의 거리가 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 상기 버킷의 각도가 일정 각도로 되도록 상기 버킷을 제어하는 버킷 제어부;
    를 포함하는 작업기 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 거리 특정부는, 상기 버킷과 상기 목표 시공선과의 거리를 더 특정하고,
    상기 버킷 제어부는, 상기 버킷과 상기 목표 시공선과의 거리가 버킷 제어 개시 임계값 미만이며, 또한 상기 버킷과 상기 기준 위치와의 거리가 상기 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 상기 버킷을 제어하는, 작업기 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 버킷 제어부는, 상기 목표 시공선과 상기 목표 시공선에 접하는 다른 목표 시공선이 이루는 각(角)이 소정 범위를 넘는 상기 기준 위치와, 상기 버킷과의 거리가 상기 버킷 제어 제한 임계값 이상인 경우에, 상기 버킷의 각도가 일정 각도로 되도록 상기 버킷을 제어하는, 작업기 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버킷과 상기 목표 시공선과의 거리가 작업기 제어 개시 임계값 미만일 경우에, 상기 버킷이 상기 목표 시공선보다 아래쪽으로 침입하지 않도록 상기 작업기를 제어하는 작업기 제어부를 더 포함하는 작업기 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버킷을 지지하는 암(arm)을 더 구비하는 상기 작업기를 조작하기 위한 조작 장치에 대한 조작량을 취득하는 조작량 취득부를 더 포함하고,
    상기 작업기 제어부는, 상기 버킷과 상기 기준 위치와의 거리가 암 제한 임계값 미만이며, 또한 상기 암을 상기 기준 위치를 넘는 방향으로 조작하는 조작이 계속되고 있는 경우에, 상기 암의 구동을 제한하도록 상기 작업기를 제어하는, 작업기 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 위치는 상기 목표 시공선의 끝(端)인, 작업기 제어 장치.
  7. 버킷 및 상기 버킷을 지지하는 암을 구비하는 작업기; 및
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 작업기 제어 장치;
    를 포함하는 작업 기계(work machine).
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