KR20190032538A - 건설 기계 - Google Patents

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히데카즈 모리키
히로시 사카모토
마나부 에다무라
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히다찌 겐끼 가부시키가이샤
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Abstract

작업점의 위치의 연산 정밀도가 높은 건설 기계를 제공하는 것이다. 차체(9, 10)와, 요동 가능한 복수의 작업 요소(8, 11, 12)를 갖는 작업기(15)와, 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터(5, 6, 7)와, 복수의 작업 요소의 대지 각도를 검출하는 복수의 대지 각도 센서(13a 내지 13d)와, 정보 처리 장치(100)를 포함하는 굴삭 지원 장치(400)를 구비한 건설 기계이며, 정보 처리 장치는, 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 기초하여, 복수의 작업 요소 중 적어도 하나의 작업 요소의 요동 중심에 있어서의 부하 방향을 포함하는 부하 정보를 취득하는 부하 정보 취득부(130)와, 상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호와, 부하 정보 취득부로부터의 부하 정보에 기초하여, 작업기의 작업점의 위치를 연산하는 작업점 위치 연산부(150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

건설 기계
본 발명은, 건설 기계에 관한 것으로, 특히, 굴삭 작업에 있어서 오퍼레이터의 조작을 지원하는 기술 분야에 관한 것이다.
건설 기계에 의해 원래의 지형을 3차원의 목표 지형에 시공할 때, 굴삭 작업에 있어서, 오퍼레이터의 조작을 지원하는 굴삭 지원 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 종래의 시공에 사용되어 있었던 규준틀 대신에, 목표 지형과 작업기(예를 들어 버킷 등)의 위치 관계를 모니터 상에 표시하는 머신 가이던스나, 목표 지형과 작업기의 위치의 편차에 따라 건설 기계를 반자동으로 제어하는 머신 컨트롤 등이다.
이들 굴삭 지원 장치는, 작업기의 치수를 기초로, 자세 센서에 의해 취득한 작업기의 자세에 따라 작업기의 작업점의 위치를 연산한다. 예를 들어 도 1에 나타내는 바와 같이, 붐 풋 핀 위치를 원점 O이라 하고, 차체에 대하여 전방을 x축, 상방을 z축으로 하여, 작업 요소인 각 링크(붐, 암, 버킷)의 각도 θBM, θAM, θBK에 따라, 작업점인 버킷 클로 끝(W)의 위치 (Wx, Wz)를 연산한다.
작업점의 위치의 연산 정밀도는, 기구 간극의 영향을 받는다. 일반적으로 각 링크의 요동 중심에 있는 핀과 핀 구멍의 사이에는 클리어런스가 마련되어 있고, 외력에 의해 링크의 요동 중심이 편심됨으로써 기구 간극이 발생한다. 예를 들어, 자세 센서로서, 각 링크를 구동하는 액추에이터의 스트로크를 검출하는 스트로크 센서를 사용한 경우, 기구 간극의 영향에 의해, 스트로크로부터 링크 각도를 구하는 연산에 오차가 발생한다. 따라서, 작업점의 위치를 고정밀도로 연산하기 위해서는, 링크의 요동 중심에 작용하는 부하의 방향으로부터, 편심의 방향을 검출 또는 연산할 필요가 있다.
특허문헌 1에는, 자세 센서에 더하여 부하 센서를 구비하고, 자세 센서와 부하 센서의 신호에 기초하여 작업점의 위치를 연산하는 제어 시스템이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 제어 시스템에서는, 요동 중심의 클리어런스와, 부하 센서의 신호에 기초하여 연산한 부하의 방향에 따라 각 링크의 상대 각도를 보정함으로써, 작업점의 위치의 연산 정밀도를 향상시키고 있다.
미국 특허 제6934616호 명세서
그러나, 특허문헌 1에 기재된 제어 시스템에서는, 중력의 방향이 차체에 대하여 하방인 것을 전제로 각 링크에 작용하는 외력을 연산하기 위해서, 예를 들어 차체가 경사진 경우에는, 부하의 방향에 오차가 발생하여, 이에 의해 작업점의 위치의 연산 정밀도가 저하된다는 과제가 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 작업점의 위치의 연산 정밀도가 높은 건설 기계를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 대표적인 본 발명은, 차체와, 상기 차체에 마련되어, 요동 가능한 복수의 작업 요소를 갖는 작업기와, 상기 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터와, 상기 복수의 작업 요소의 대지 각도를 검출하는 복수의 대지 각도 센서와, 오퍼레이터의 굴삭 작업을 지원하기 위한 정보를 생성하는 정보 처리 장치를 포함하는 굴삭 지원 장치를 구비한 건설 기계이며, 상기 정보 처리 장치는, 상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 기초하여, 상기 복수의 작업 요소 중 적어도 하나의 작업 요소의 요동 중심에 있어서의 부하 방향을 포함하는 부하 정보를 취득하는 부하 정보 취득부와, 상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호와, 상기 부하 정보 취득부로부터의 부하 정보에 기초하여, 상기 작업기의 작업점의 위치를 연산하는 작업점 위치 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 작업점의 위치의 연산 정밀도가 높은 건설 기계를 제공할 수 있다. 또한, 상기한 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시 형태의 설명에 의해 명확해진다.
도 1은, 각 링크의 각도와 버킷의 클로 끝 위치의 관계를 설명하는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계를 나타내는 사시도이다.
도 3은, 도 2에 나타내는 건설 기계에 탑재된 굴삭 지원 장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는, 도 3에 나타내는 정보 처리 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는, 붐에 작용하는 외력의 연산을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 암에 작용하는 외력의 연산을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 버킷의 회전 방향의 연산을 설명하는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 건설 기계에 탑재된 굴삭 지원 장치의 정보 처리 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는, 도 8에 나타내는 치수 설정부가 행하는 연산 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 10은, 본 발명과 종래 기술의 작업점의 연산 정밀도의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
<제1 실시 형태>
이하, 본 발명에 관한 건설 기계의 실시 형태를, 도면을 사용하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계를 나타내는 사시도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 건설 기계는, 차체인 하부 주행체(9) 및 상부 선회체(10)와, 작업기(15)를 구비하고 있다. 하부 주행체(9)는 좌우의 크롤러식 주행 장치를 갖고, 좌우의 주행 유압 모터(3b, 3a)(좌측(3b)만 도시)에 의해 구동된다. 상부 선회체(10)는 하부 주행체(9) 위로 선회 가능하게 탑재되어, 선회 유압 모터(4)에 의해 선회 구동된다. 상부 선회체(10)에는, 원동기로서의 엔진(14)과, 엔진(14)에 의해 구동되는 유압 펌프 장치(2)를 구비하고 있다.
작업기(15)는, 상부 선회체(10)의 전방부에 요동 가능하게 설치되어 있다. 상부 선회체(10)에는 운전실이 구비되고, 운전실 내에는 주행용 우 조작 레버 장치(1a), 주행용 좌 조작 레버 장치(1b), 작업기(15)의 동작 및 상부 선회체(10)의 선회 동작을 지시하기 위한 우 조작 레버 장치(1c), 좌 조작 레버 장치(1d) 등의 조작 장치가 배치되어 있다.
작업기(15)는, 요동 가능한 작업 요소인 붐(11), 암(12), 버킷(8)을 갖는 다관절구조이고, 붐(11)은 붐 실린더(5)의 신축에 의해 상부 선회체(10)에 대하여 상하 방향으로 요동하고, 암(12)은 암 실린더(6)의 신축에 의해 붐(11)에 대하여 상하 및 전후 방향으로 요동하고, 버킷(8)은 버킷 실린더(7)의 신축에 의해 암(12)에 대하여 상하 및 전후 방향으로 요동한다. 또한, 붐 실린더(5)에는, 붐 실린더(5)의 보텀측 압력을 검출하는 붐 보텀 압력 센서(17a)와, 붐 실린더(5)의 로드측 압력을 검출하는 붐 로드 압력 센서(17b)가 구비되어 있다. 또한, 암 실린더(6)에는, 암 실린더(6)의 보텀측 압력을 검출하는 암 보텀 압력 센서(17c)가 구비되어 있다.
작업기(15)의 임의의 점의 위치를 산출하기 위해서, 건설 기계는, 상부 선회체(10)와 붐(11)의 연결부 근방에 마련되어, 붐(11)의 수평면에 대한 각도(붐 각도)를 검출하는 제1 대지 각도 센서(13a)와, 붐(11)과 암(12)의 연결부 근방에 마련되어, 암(12)의 수평면에 대한 각도(암 각도)를 검출하는 제2 대지 각도 센서(13b)와, 암(12)과 버킷(8)을 연결하는 버킷 링크(8a)에 마련되어, 버킷 링크(8a)의 수평면에 대한 각도(버킷 각도)를 검출하는 제3 대지 각도 센서(13c)와, 수평면에 대한 상부 선회체(10)의 경사 각도(롤 각, 피치 각)를 검출하는 차체 대지 각도 센서(13d)를 구비하고 있다.
자세 센서의 일례인 대지 각도 센서(13a 내지 13d)는, 각각 적어도 2축의 가속도 센서를 구비하고 있어, 대지 각도와 부하의 방향을 검출할 수 있다. 이들 대지 각도 센서(13a 내지 13d)가 검출한 자세 센서 신호와, 압력 센서의 일례인 전술한 붐 보텀 압력 센서(17a), 붐 로드 압력 센서(17b), 암 보텀 압력 센서(17c)의 신호는, 후술하는 정보 처리 장치(100)에 입력되어 있다. 또한, 대지 각도 센서(13a 내지 13d)로부터 출력되는 각 자세 센서 신호는 적어도 2차원의 가속도 벡터이다.
컨트롤 밸브(20)는, 유압 펌프 장치(2)로부터 상술한 선회 유압 모터(4), 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7) 및 좌우의 주행 유압 모터(3b, 3a) 등의 유압 액추에이터의 각각에 공급되는 압유의 흐름(유량과 방향)을 제어하는 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 붐 실린더(5), 암 실린더(6)에 압력 센서(17a 내지 17c)를 구비하는 구성으로서 설명하지만, 컨트롤 밸브(20)나 컨트롤 밸브(20)와 각각의 실린더(5, 6)의 도중의 배관에 압력 센서(17a 내지 17c)를 마련해도 된다.
[건설 기계의 굴삭 지원 장치]
도 3은 도 2에 나타내는 건설 기계에 탑재된 굴삭 지원 장치를 나타내는 구성도이다. 도 3에 있어서, 건설 기계의 굴삭 지원 장치(400)는, 오퍼레이터의 굴삭 작업을 지원하기 위한 정보를 생성하는 정보 처리 장치(100)와, 오퍼레이터에 굴삭 작업의 지원 정보를 표시하는, 예를 들어 액정 패널 등의 표시 장치(200)를 포함한다. 정보 처리 장치(100)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.
정보 처리 장치(100)는, 제1 대지 각도 센서(13a), 제2 대지 각도 센서(13b), 제3 대지 각도 센서(13c) 및 차체 대지 각도 센서(13d)로부터 각각 제1 자세 센서 신호, 제2 자세 센서 신호, 제3 자세 센서 신호 및 차체 자세 센서 신호를 수신하고, 붐 보텀 압력 센서(17a), 붐 로드 압력 센서(17b)로부터 각각 붐 보텀 압, 붐 로드 압을 수신하고, 암 보텀 압력 센서(17c)로부터 암 보텀 압을 수신하고, 설계 데이터 입력 장치(18)로부터 설계면 정보를 수신하여, 연산 결과를 표시 장치(200)로 송신한다. 또한, 정보 처리 장치(100)에서 행하는 연산의 상세는 후술하지만, 표시 장치(200)에서 행하는 연산은 종래 기술과 마찬가지이기 때문에, 그의 상세한 설명을 생략한다.
[정보 처리 장치]
도 4는, 도 3에 나타내는 정보 처리 장치(100)의 상세 구성을 나타내는 블록도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 정보 처리 장치(100)는, 치수 기억부(110)와, 각도 연산부(120)와, 부하 정보 취득부(130)와, 목표면 정보 설정부(140)와, 작업점 위치 연산부(150)를 구비하고 있다.
치수 기억부(110)는, 작업기(15)의 치수 정보 L, ∠, 및 작업기(15)의 각 요동 중심의 편심량 정보 δ를 미리 기억하고 있어, 부하 정보 취득부(130)와, 작업점 위치 연산부(150)에 정보 L, ∠, δ를 출력한다.
각도 연산부(120)는, 각 대지 각도 센서(13a 내지 13d)로부터의 각 자세 센서 신호 a를 입력하고, 붐(11), 암(12), 버킷 링크(8a) 및 상부 선회체(10)의 대지 각도 θ를 부하 정보 취득부(130)와 작업점 위치 연산부(150)에 출력한다. 각도 연산부(120)에 있어서, 대지 각도 θ를 연산하기 위해서, 예를 들어 식 (1)을 사용한다.
Figure pct00001
여기서, i=1, 2, 3은 각각 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)이고, aix, aiz는 각각의 가속도 벡터 성분이다. 또한, 대지 각도 θ의 연산 방법은 이에 한정되지 않고, 대지 각도 센서로서 자이로를 구비한 것을 사용하여, 공지의 센서 퓨전 등에 의해 대지 각도 θ를 연산해도 된다.
부하 정보 취득부(130)는, 각 대지 각도 센서(13a 내지 13d)로부터의 각 자세 센서 신호 a와, 압력 센서(17a 내지 17c)로부터의 압력 센서 신호 P와, 치수 기억부(110)로부터의 치수 정보 L, ∠과, 각도 연산부(120)로부터의 붐(11), 암(12) 및 버킷 링크(8a)의 대지 각도 θ와, 목표면 정보 설정부(140)로부터의 목표면 정보 Ls, θs를 입력하고, 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)에 작용하는 부하 정보 F를 작업점 위치 연산부(150)로 출력한다. 부하 정보 취득부(130)에서 행하는 연산의 상세는 후술한다.
목표면 정보 설정부(140)는, 설계 데이터 입력 장치(18)로부터의 설계면 정보와, 작업점 위치 연산부(150)로부터의 작업점 W의 위치 정보를 입력하고, 복수 있는 설계면 중, 작업점 W에 가장 가까운 설계면을 목표면으로서 추출하고, 차체의 기준점(예를 들어 선회 중심의 붐 풋 핀 높이를 나타내는 점)에 대한 목표면의 거리 Ls와 각도 θs를 목표면 정보로 하여, 부하 정보 취득부(130)와 표시 장치(200)로 출력한다.
작업점 위치 연산부(150)는, 치수 기억부(110)로부터의 작업기(15)의 치수 정보 L, ∠ 및 편심량 정보 δ와, 각도 연산부(120)로부터의 붐(11), 암(12), 버킷 링크(8a) 및 상부 선회체(10)의 대지 각도 θ와, 부하 정보 취득부(130)로부터의 붐(11), 암(12) 및 버킷(13)에 작용하는 부하 정보 F를 입력하고, 작업점 W의 위치를 연산하여, 표시 장치(200)와 목표면 정보 설정부(140)로 출력한다. 작업점 위치 연산부(150)에서 행하는 연산의 상세는 후술한다.
[부하 정보 취득부]
부하 정보 취득부(130)에서 행하는 연산을 도 5 내지 7을 사용하여 설명한다. 도 5는 붐(11)에 작용하는 외력의 연산을 설명하기 위한 도면, 도 6은 암(12)에 작용하는 외력을 설명하기 위한 도면, 도 7은 버킷(8)의 회전 방향의 연산을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 나타내는 화살표는, 붐(11)에 작용하는 외력을 나타내고 있다. G1은 붐(11)의 무게 중심 위치이고, G1에는 중력 FG1가 작용한다. 중력 FG1는, 자세 센서 신호 a인 가속도 벡터 aG1에 붐(11)의 질량을 곱하여 연산한다. Fbm, Fam는 각각 붐 실린더(5), 암 실린더(6)의 추력이고, 각 압력 센서 신호 P와 각 실린더(5, 6)의 유효 면적을 곱하여 연산한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 아암 크라우드에 의한 굴삭 때만을 연산의 대상으로 하고, 암 실린더(6)의 로드 압은 0으로 하여 연산하지만, 암 덤프 때도 연산의 대상으로 하는 경우는, 암 실린더(6)의 로드 압을 취득하는 것이 좋다. FB, FE는 각각 붐(11)의 요동 중심 B, 암(12)의 요동 중심 E에 작용하는 외력이다. 점 B를 원점, 점 B로부터 E로의 방향을 x축으로 했을 때의 이들의 힘의 균형은 식 (2)로 표시된다.
Figure pct00002
여기서, 각 외력의 위에 붙은 첨자는, 좌표계의 x축을 나타낸다.
또한, 점 B 주위의 모멘트 균형은 식 (3)으로 표시된다.
Figure pct00003
FB, FE는 미지수이고, 식 (2), (3)만으로는 연산할 수 없다. 그래서, 암(12)에 작용하는 외력도 합쳐서 연산한다. 도 6에 나타내는 화살표는, 암(12)에 작용하는 외력을 나타내고 있다. G2는 암(12)의 무게 중심 위치이고, G2에는 중력 FG2가 작용한다. 중력 FG2는, 자세 센서 신호 a인 가속도 벡터 aG2에 암(12)의 질량을 곱하여 구한다. FE, FK는, 각각 암(12)의 요동 중심 E, 버킷(8)의 요동 중심 K에 작용하는 외력이다. 점 E를 원점, 점 F로부터 E로의 방향을 x축으로 했을 때의 이들의 힘의 균형은 식 (4)로 표시된다.
Figure pct00004
또한, 점 E 주위의 모멘트 균형은 다음 식으로 표시된다.
Figure pct00005
여기서, FE는 붐(11)과 암(12)에 서로 작용하는 외력이고, 서로 역방향으로 작용한다.
점 B를 원점으로 하는 좌표계와 점 E를 원점으로 하는 좌표계 사이에서의 FE의 좌표 변환은 식 (6)으로 표시된다.
Figure pct00006
식 (4), (5) 및 식 (6)의 z성분을 합쳐서 정리하면 식 (7)이 된다.
Figure pct00007
여기서, 우변의 FBE Ez는 식 (3)을 변형하여, MamG는 식 (5)의 좌변 제1항 내지 제3항인 점에서, 각각 식 (8), (9)를 사용하여 연산할 수 있다.
Figure pct00008
Figure pct00009
이상에 의해, 식 (7)로부터 외력 FE, FK를 연산한 후, 식 (2)를 사용하여, FB를 연산함으로써 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 요동 중심에 작용하는 외력을 알 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 자세 센서 신호 a인 가속도 벡터를 기초로 중력 FG1, FG2를 연산하므로, 차체(즉, 하부 주행체(9) 및 상부 선회체(10))가 경사진 경우라도, 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 요동 중심에 작용하는 외력을 고정밀도로 연산할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 설명을 간략화하기 위해서, 버킷(8)에 작용하는 외력을 합쳐서 연산하지 않았지만, 버킷 실린더(7)에 압력 센서를 구비하고, 버킷 실린더(7)의 추력도 고려하여, 버킷(8)에 작용하는 외력을 합쳐서 연산해도 된다.
다음에 도 7을 사용하여, 부하 정보 취득부(130)에서 행하는 버킷(8)의 회전 방향의 연산을 설명한다. 도 7에 나타내는 일점 쇄선은 목표면을 나타내고, 점선 화살표는 기구 간극에 의해 의도하지 않게 발생하는 버킷(8)의 회전 방향을 나타낸다. 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 버킷(8)의 요동 중심 K로부터 목표면에 내린 수선과 목표면의 교점 Q보다도, 작업점 W가 암 요동 중심 E로부터 멀면 덤프 방향으로 버킷(8)이 회전하고 있다고 판단한다. 또한, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 버킷(8)의 요동 중심 K로부터 목표면에 내린 수선과 목표면의 교점 Q보다도, 작업점 W가 암 요동 중심 E로부터 가까우면 클라우드 방향으로 버킷(8)이 회전하고 있다고 판단한다.
이상에 의해, 버킷 실린더(7)에 압력 센서를 구비하지 않은 경우라도, 목표면의 각도에 기초하여, 버킷(8)의 회전 방향을 간이적으로 연산할 수 있다.
[작업점 위치 연산부]
작업점 위치 연산부(150)에서는, 각도 연산부(120)로부터의 붐(11), 암(12), 버킷 링크(8a) 및 상부 선회체(10)의 대지 각도 θ에 기초하여, 작업점 W의 위치를 연산한다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 대지 각도 센서(13a, 13b, 13d)를 사용하여, 직접, 붐(11), 암(12) 및 상부 선회체(10)의 대지 각도 θ를 검출하고 있기 때문에, 이들 각도는 기구 간극에 의한 영향을 받지 않는다. 한편, 버킷(13)의 각도는, 버킷 링크(8a)의 대지 각도 θ를 기초로 연산하기 때문에, 기구 간극에 의한 영향을 받는다. 그래서, 먼저, 각도 연산부(120)로부터의 버킷 링크(8a)의 대지 각도 θbkl와, 부하 정보 취득부(130)로부터의 기구 간극에 의한 버킷(8)의 회전 방향으로부터, 식 (10)을 사용하여 버킷(8)의 대지 각도 θbk를 연산한다.
Figure pct00010
단, δI, δJ는 각각 버킷 링크(8a)의 요동 중심 I, J(도 7 참조)의 편심량이고, 기구 간극에 의한 버킷(8)의 회전 방향이 클라우드 방향인 경우에는 양, 덤프 방향인 경우에는 음의 값을 입력하여 연산한다. 이에 의해, 기구 간극에 의한 버킷(8)의 대지 각도 θbk에 대한 변환 오차가 보정된다.
다음으로, 각도 연산부(120)로부터의 붐(11), 암(12)의 대지 각도 θbm, θam와, 부하 정보 취득부(130)로부터의 부하 정보인 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 요동 중심에 작용하는 외력 FB, FE, FK 및 기구 간극에 의한 버킷(8)의 회전 방향으로부터, 식 (11)을 사용하여 작업점 W의 위치를 연산한다.
Figure pct00011
단, 위에 붙은 첨자의 첨자 Body는 상부 선회체(10)를 기준으로 한 좌표계를 나타낸다. 또한, δB, δE, δK는 치수 기억부(110)로부터 입력된 각각 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 요동 중심 B, E, K의 편심량이다.
또한, θB, θE, θK는 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 요동 중심 B, E, K에 작용하는 외력의 상부 선회체(10)를 기준으로 한 방향을 나타내고 있어, 이들과 역방향으로 편심량을 더함으로써, 기구 간극에 의한 병진 방향의 이동량을 보정하고, 작업점 W의 위치의 연산 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 실시 형태에 따르면, 적어도 2축의 가속도 센서를 구비한 대지 각도 센서(13a 내지 13d)를 사용함으로써 중력의 방향이나 크기를 검출하고, 중력에 따라 작업기(15)의 요동 중심 B, E, K에 작용하는 외력을 연산하므로, 차체가 경사진 경우라도, 기구 간극에 기인하는 작업점 W의 위치의 연산 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 작업기(15)를 구동하는 2개 이상의 유압 액추에이터(구체적으로는, 붐 실린더(5) 및 암 실린더(6))의 압력을 검출함으로써, 굴삭 반력의 크기와 방향을 연산하고, 굴삭 반력에 의해 작업기(15)의 요동 중심 B, E, K에 작용하는 외력을 연산하여, 기구 간극에 기인하는 작업점 W의 위치의 연산 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 건설 기계에 대해서, 도면을 사용하여 설명한다. 단, 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다. 도 8은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 건설 기계에 탑재된 굴삭 지원 장치의 정보 처리 장치의 상세 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태에 있어서의 정보 처리 장치(300)는, 제1 실시 형태에 있어서의 치수 기억부(110)가 치수 설정부(160)로 교체되어 있어, 치수 설정부(160)는, 외부 계측값과, 각 대지 각도 센서(13a 내지 13d)로부터의 각 자세 센서 신호 a와, 부하 정보 취득부(130)로부터의 부하 정보 F를 입력하고, 작업기(15)의 치수 정보 L, ∠, 및 작업기(15)의 각 요동 중심의 편심량 정보 δ를 연산하여, 연산 결과를 부하 정보 취득부(130)와, 작업점 위치 연산부(150)로 출력한다.
단, 외부 계측값은, 토탈 스테이션 등을 사용하여 계측된 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 요동 중심의 좌표이고, 이들이 입력되었을 때만, 치수 설정부(160)는, 작업기(15)의 치수 정보 L, ∠과 각 요동 중심의 편심량 정보 δ를 연산하고, 입력 되어 있지 않을 때는, 전회 연산한 값을 계속하여 출력한다.
치수 설정부(160)에서 행하는 연산을, 도 9를 사용하여 설명한다. 도 9는, 도 8에 나타내는 치수 설정부(160)가 행하는 연산 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다. 도 9에 나타내는 처리는, 작업기(15)의 링크마다 행하지만, 여기에서는 붐(11)을 예로 들어 설명한다. 이 경우, 외부 계측값은, 붐(11)의 요동 중심의 좌표(EX, EZ)와, 암(12)의 요동 중심의 좌표(BX, BZ)이다.
치수 설정부(160)는, 전회의 외부 계측값이 있는지 여부를 판정하여(S1601), 전회의 외부 계측값이 있는 경우(S1601/"예")는, 전회의 외부 계측값이 입력되었을 때와 금회의 외부 계측값이 입력되었을 때의 붐(11)의 요동 중심의 부하 방향을 비교한다(S1602). 각각의 부하 방향이 역방향인 경우(S1602/"예")에, 치수 설정부(160)는, 후술하는 붐(11)의 치수값 LBE을 설정하여(S1605), 동일하게 후술하는 붐(11)의 요동 중심의 편심량 δB를 설정한다(S1606).
한편, 전회의 외부 계측값이 없는 경우(S1601/"아니오") 또는 부하 방향이 역방향이 아닌 경우(S1602/"아니오")에는, 치수 설정부(160)는, 금회의 외부 계측값을 기억하여(S1603), 금회의 외부 계측값이 입력되었을 때의 붐(11)의 요동 중심의 부하 방향을 기억한다(S1604).
스텝 S1605에서는, 금회의 외부 계측값과 전회의 외부 계측값으로부터, 식 (12)를 사용하여 붐(11)의 치수값 LBE를 연산한다.
Figure pct00012
단, 붐(11), 암(12) 각각의 요동 중심 E, B의 위에 붙은 첨자는 외부 계측값이 입력된 타이밍을 나타내고, i=1이 전회값, i=2가 금회의 외부 계측값을 나타낸다.
스텝 S1606에서는, 금회의 외부 계측값과 전회의 외부 계측값으로부터, 식 (13)을 사용하여 붐(11)의 요동 중심의 편심량 δB를 연산한다.
Figure pct00013
또한, 치수 설정부(160)에서 행하는 연산은 이에 한정되지 않고, 부하 방향을 n개로 분할하여, n회분의 외부 계측값으로부터 치수와 편심량을 연산해도 되고, 그 경우는 각각 식 (14), (15)를 사용한다.
Figure pct00014
Figure pct00015
즉, n회분의 외부 계측값의 평균값으로부터 치수를, 변동으로부터 편심량을 연산한다. 또한, 식 (12)에서는 표준 편차의 2배를 편심량으로 했지만, 1배 내지 3배로 하여도 된다.
이상, 제2 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 발휘하는 것에 더하여, 외부 계측값을 사용하여 치수와 편심량을 재설정함으로써, 마모 등에 의해 편심량이 변화된 경우라도, 작업점 W의 위치의 연산 정밀도를 유지할 수 있다. 또한, 부하 방향이 상이한 경우의 외부 계측값을 사용하여 연산함으로써, 외부 계측값의 치우침을 회피하여, 치수와 편심량을 정확하게 설정할 수 있다.
여기서, 대지 각도 센서(13a 내지 13d)로부터의 자세 센서 신호 a가 동일할 때, 본 발명을 적용하여 작업점 W의 위치를 연산한 경우와, 종래 기술(대지 각도 센서만)을 사용하여 작업점 W의 위치를 연산했을 경우와의 차이를, 도 10을 사용하여 설명한다. 도 10은, 본 발명과 종래 기술의 작업점 W의 연산 정밀도의 차이를 설명하기 위한 도면이다. 도면 중의 일점 쇄선은 목표면, 화살표는 작업기(15)의 진행 방향을 나타낸다. 종래 기술로 연산한 결과, 도면 중 A에 나타내는 바와 같이 목표면에 대하여 버킷(8)의 클로 끝(작업점 W)이 접촉하고 있어도, 굴삭 시에는 작업기(15)의 진행 방향과 반대측으로 목표면으로부터 멀어지는 방향으로 굴삭 반력이 발생하기 때문에, 실제로는 기구 간극의 영향에 의해 도면 중 B에 나타내는 바와 같이 목표면에 버킷(8)의 클로 끝(작업점 W’)이 도달해 있지 않은 경우가 있다.
이때의 작업점 W와 작업점 W’의 높이 방향에 있어서의 오차 δS는 식 (16)으로 표시된다.
Figure pct00016
또한, θ0bk는 식 (10)에서 δI, δJ=0으로 하여 계산한 경우의 버킷 대지 각도이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명을 적용하면, 부하 방향에 따른 기구 간극을 고려하여 작업점 W의 위치를 연산할 수 있기 때문에, 굴삭 반력에 의한 영향을 억제할 수 있고, 오차 δS를 제거할 수 있다. 따라서, 작업점 W의 위치의 연산 정밀도가 향상되어, 오퍼레이터의 작업 지원에 크게 공헌하게 된다. 또한, 고정밀도로 연산된 작업점 W에 기초하는 작업 지원 정보를 표시 장치(200)에 표시시킬 수 있기 때문에, 오퍼레이터의 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 상술한 실시 형태로 한정된는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상술한 실시 형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다.
5: 붐 실린더(유압 액추에이터)
6: 암 실린더(유압 액추에이터)
7: 버킷 실린더(유압 액추에이터)
8: 버킷(작업 요소)
9: 하부 주행체(차체)
10: 상부 선회체(차체)
11: 붐(작업 요소)
12: 암(작업 요소)
13a: 제1 대지 각도 센서(대지 각도 센서)
13b: 제2 대지 각도 센서(대지 각도 센서)
13c: 제3 대지 각도 센서(대지 각도 센서)
13d: 차체 대지 각도 센서(대지 각도 센서)
17a: 붐 보텀 압력 센서(압력 센서)
17b: 붐 로드 압력 센서(압력 센서)
17c: 암 보텀 압력 센서(압력 센서)
15: 작업기
100: 정보 처리 장치
110: 치수 기억부
120: 각도 연산부
130: 부하 정보 취득부
140: 목표면 정보 설정부
150: 작업점 위치 연산부
160: 치수 설정부
200: 표시 장치
300: 정보 처리 장치
400: 굴삭 지원 장치

Claims (9)

  1. 차체와, 상기 차체에 마련되어, 요동 가능한 복수의 작업 요소를 갖는 작업기와, 상기 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터와, 상기 복수의 작업 요소의 대지 각도를 검출하는 복수의 대지 각도 센서와, 오퍼레이터의 굴삭 작업을 지원하기 위한 정보를 생성하는 정보 처리 장치를 포함하는 굴삭 지원 장치를 구비한 건설 기계이며,
    상기 정보 처리 장치는,
    상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 기초하여, 상기 복수의 작업 요소 중 적어도 하나의 작업 요소의 요동 중심에 있어서의 부하 방향을 포함하는 부하 정보를 취득하는 부하 정보 취득부와,
    상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호와, 상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 기초하여 상기 부하 정보 취득부에서 취득된 부하 정보에 기초하여, 상기 작업기의 작업점의 위치를 연산하는 작업점 위치 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정보 처리 장치는,
    상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 기초하여, 상기 복수의 작업 요소의 각각의 상기 대지 각도를 연산하는 각도 연산부와,
    상기 복수의 작업 요소의 각각의 치수 정보를 미리 기억하는 치수 기억부를 더 포함하고,
    상기 작업점 위치 연산부는, 상기 부하 정보 취득부로부터의 상기 부하 정보에 더하여, 상기 치수 기억부에 기억되어 있는 상기 치수 정보와, 상기 각도 연산부에서 연산된 상기 대지 각도에 기초하여, 상기 작업기의 작업점의 위치를 연산하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 유압 액추에이터의 압력을 검출하는 복수의 압력 센서를 더 구비하고,
    상기 정보 처리 장치는,
    외부로부터 입력되는 설계면의 정보와, 상기 작업점 위치 연산부에 의해 연산된 상기 작업기의 작업점의 위치에 기초하여, 상기 차체에 대한 상기 설계면의 각도를 포함하는 목표면 정보를 설정하는 목표면 정보 설정부를 더 포함하고,
    상기 부하 정보 취득부는,
    상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 더하여, 상기 치수 기억부에 기억되어 있는 상기 치수 정보와, 상기 복수의 압력 센서로부터의 신호와, 상기 각도 연산부에서 연산된 상기 대지 각도와, 상기 목표면 정보 설정부에서 설정된 상기 목표면 정보에 기초하여, 상기 부하 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 치수 기억부는, 상기 치수 정보로서의 상기 복수의 작업 요소의 각각의 치수 및 요동 중심의 편심량을 기억하고,
    상기 목표면 정보 설정부는, 상기 목표면 정보로서의 상기 차체의 기준점에 대한 상기 설계면의 거리 및 각도를 설정하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정보 처리 장치는,
    상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 기초하여, 상기 복수의 작업 요소의 각각의 상기 대지 각도를 연산하는 각도 연산부와,
    상기 복수의 작업 요소의 각각의 치수 정보를, 외부로부터 입력되는 계측값과, 상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호와, 상기 부하 정보 취득부로부터의 상기 부하 정보에 기초하여 연산에 의해 설정하는 치수 설정부를 더 포함하고,
    상기 작업점 위치 연산부는, 상기 부하 정보 취득부로부터의 상기 부하 정보에 더하여, 상기 치수 설정부에서 설정된 상기 치수 정보와, 상기 각도 연산부에서 연산된 상기 대지 각도에 기초하여, 상기 작업기의 작업점의 위치를 연산하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 유압 액추에이터의 압력을 검출하는 복수의 압력 센서를 더 구비하고,
    상기 정보 처리 장치는,
    외부로부터 입력되는 설계면의 정보와, 상기 작업점 위치 연산부에 의해 연산된 상기 작업기의 작업점의 위치에 기초하여, 상기 차체에 대한 상기 설계면의 각도를 포함하는 목표면 정보를 설정하는 목표면 정보 설정부를 더 포함하고,
    상기 부하 정보 취득부는,
    상기 복수의 대지 각도 센서로부터의 신호에 더하여, 상기 치수 설정부에서 설정된 상기 치수 정보와, 상기 복수의 압력 센서로부터의 신호와, 상기 각도 연산부에서 연산된 상기 대지 각도와, 상기 목표면 정보 설정부에서 설정된 상기 목표면 정보에 기초하여, 상기 부하 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 치수 설정부는, 상기 치수 정보로서의 상기 복수의 작업 요소의 각각의 치수 및 요동 중심의 편심량을 연산하고,
    상기 목표면 정보 설정부는, 상기 목표면 정보로서의 상기 차체의 기준점에 대한 상기 설계면의 거리 및 각도를 설정하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 굴삭 지원 장치는, 상기 작업점 위치 연산부에서 연산된 상기 작업기의 작업점의 위치와, 상기 목표면 정보 설정부에서 설정된 상기 목표면 정보에 기초하는 정보를 오퍼레이터에 표시하는 표시 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 굴삭 지원 장치는, 상기 작업점 위치 연산부에서 연산된 상기 작업기의 작업점의 위치와, 상기 목표면 정보 설정부에서 설정된 상기 목표면 정보에 기초하는 정보를 오퍼레이터에 표시하는 표시 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
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