KR20200022229A - 굴삭기 안전제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 굴삭기 안전제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 일 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 방법에 따르면, 물체 검출 센서에 의해 굴삭기 주위의 물체를 검출하여 물체의 위치 데이터를 산출하는 단계; 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도를 검출하여 굴삭기 작업반경을 산출하는 단계; 상기 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도 및 굴삭기의 상부 선회체의 선회속도에 기초하여 상기 선회체의 제동 각도를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 선회체 제동 각도에 기초하여 상기 물체의 위험도를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법을 개시한다.

Description

굴삭기 안전제어 장치 및 방법 {Apparatus and method for safety control of excavator}
본 발명은 굴삭기의 안전제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 굴삭기 주위에 물체가 감지되면 이 굴삭기와 이 물체의 충돌을 미리 예측하여 운전자에게 알람을 주고 굴삭기 구동을 중단할 수 있도록 제어하는 굴삭기 안전제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
굴삭기는 토목, 건축, 건설 현장에서 땅을 파는 굴삭작업, 토사를 운반하는 적재작업, 건물을 해체하는 파쇄작업, 지면을 정리하는 정지작업 등의 작업을 행하는 건설기계로서, 일반적으로 장비의 이동 역할을 하는 주행체(바퀴나 궤도 등), 주행체에 탑재되어 360도 회전하는 상부 본체부, 및 본체부의 전방에 결합된 붐·아암·버킷으로 구성된다.
작업 현장에서 굴삭기의 주변 사각지대나 운전자 부주의에 의해 주위 물체나 사람과의 충돌 등 재해사고가 지속 발생함에 따라 안전기술에 대한 요구가 꾸준히 제기되고 있다.
최근에는 초음파 센서나 레이저 센서를 굴삭기에 장착하여 굴삭기 주변 물체의 위치를 감지하고 충돌이 예상되면 굴삭기를 자동으로 정지시키는 안전제어 시스템이 제안되고 있다.
그러나 이러한 종래의 굴삭기용 안전제어 시스템은 굴삭기 주변의 장애물의 존재 유무만을 감지하는 시스템으로, 굴삭기의 현재 동작 상태나 굴삭기와 물체의 상대적 거리 변화에 따른 위험 정도를 적절히 반영하지 못하는 문제가 있었다.
특허문헌1: 한국특허공개 제2011-0073639호 (2011년 6월 30일 공개) 특허문헌2: 한국특허공개 제2011-0073637호 (2011년 6월 30일 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 굴삭기의 현재 자세에 따른 선회체의 선회관성에 따라 굴삭기의 긴급 제동시의 제동 각도를 산출하고 이 제동 각도에 기초하여 물체와의 충돌 위험도를 판단하도록 구성한 굴삭기 안전제어 장치 및 방법을 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 굴삭기 안전제어 장치로서, 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷에 각각 장착되어 상기 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도를 각각 검출하는 제1 내지 제3 각도센서; 굴삭기 주위의 물체를 검출하는 적어도 하나의 물체 검출 센서; 상기 붐, 아암, 및 버킷을 포함하는 굴삭기의 상부 선회체의 선회속도를 검출하는 선회속도 센서; 및 상기 센서들로부터 검출 데이터를 수신하여 굴삭기 주위 물체의 위험도를 판단하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 물체 검출 센서로부터 물체의 위치 데이터를 산출하는 위치 데이터 산출부; 상기 제1 내지 제3 각도센서로부터의 각도 데이터에 기초하여 굴삭기 작업반경을 산출하는 작업반경 산출부; 상기 각도 데이터 및 상기 선회속도 센서로부터의 선회속도 데이터에 기초하여 선회체의 제동 각도를 산출하는 제동각도 산출부; 및 상기 산출된 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 선회체 제동 각도에 기초하여 상기 물체의 위험도를 판단하는 제1 위험도 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 굴삭기 안전제어 방법으로서, 물체 검출 센서에 의해 굴삭기 주위의 물체를 검출하여 물체의 위치 데이터를 산출하는 단계; 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도를 검출하여 굴삭기 작업반경을 산출하는 단계; 상기 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도 및 굴삭기의 상부 선회체의 선회속도에 기초하여 상기 선회체의 제동 각도를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 선회체 제동 각도에 기초하여 상기 물체의 위험도를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 굴삭기 선회체의 선회관성 및 속도에 따른 선회 제동 각도를 예측하여 이를 굴삭기 작업반경 주변 물체의 충돌위험 판단기준에 반영함으로써 굴삭기와 물체의 충돌을 효과적으로 방지하여 안전사고를 예방할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 장치를 설명하는 블록도,
도2는 제1 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 동작을 수행하는 구성요소들의 블록도,
도3은 검출된 물체의 위치를 좌표변환하는 방법을 설명하는 도면,
도3는 굴삭기의 작업반경 산출에 사용되는 변수를 설명하기 위한 도면,
도5는 굴삭기의 선회관성 산출에 사용되는 변수를 설명하기 위한 도면,
도6은 굴삭기의 제동각도 산출 방법을 설명하기 위한 도면,
도7은 일 실시예에 따라 굴삭기 주변 물체의 위험도를 판단하는 방법을 설명하는 도면,
도8은 일 실시예에 따라 오감지 처리 방법을 설명하는 도면,
도9는 제2 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 동작을 수행하는 구성요소들의 블록도,
도10은 일 실시예에 따라 물체를 그룹화하는 방법을 설명하는 도면,
도11은 일 실시예에 따라 물체의 속도를 계산하는 방법을 설명하는 도면,
도12는 일 실시예에 따라 물체의 예상 위치를 추정하는 방법을 설명하는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 장치를 설명하는 블록도이다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 장치는 제어부(10), 복수개의 각도 센서(21,22,23), 하나 이상의 물체 검출 센서(31,32), 선회속도 센서(33), 알람부(41), 및 유압회로 제어부(42)를 포함할 수 있다.
각도 센서(21,22,23)는 굴삭기의 붐(boom), 아암(arm), 및 버킷(bucket)에 각각 장착되어 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도를 각각 검출할 수 있다. 각각의 각도 센서(21,22,23)는 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 임의의 위치에 설치될 수 있다.
물체 검출 센서(31,32)는 굴삭기 주위의 물체를 검출하는 센서로서, 예를 들어 라이다(LIDAR) 센서를 사용할 수 있다. 라이다 센서는 특정 파장의 레이저 광원을 방출하고 물체에 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여 물체를 검출하는 방식의 센서이다. 대안적으로 물체 감지 센서로서 초음파 센서나 적외선 센서 등의 다른 방식의 센서가 사용될 수도 있다.
굴삭기의 360도 주위의 물체를 검출하는 것이 바람직하므로, 굴삭기 주위를 커버하기 위해 복수개의 물체 검출 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는 2개의 라이다 센서(31,32)를 사용하며, 도4 또는 도10 등에서 후술하듯이 제1 라이다 센서(31)는 굴삭기 본체부(100)의 우측 앞 모서리에 설치하고 제2 라이다 센서(32)는 본체부(100)의 좌측 뒷 모서리에 설치함으로써 굴삭기 주위의 전방위에 걸쳐 물체를 탐지할 수 있다. 그러나 대안적 실시예에서 예컨대 4개의 물체 감지 센서를 본체부(100)의 전후좌우 면에 각각 하나씩 설치할 수도 있으며, 따라서 물체 검출 센서의 개수나 설치 위치는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
선회속도 센서(33)는 굴삭기의 상부 선회체의 선회 속도를 검출한다. 이 때 굴삭기의 '선회체'는 굴삭기에서 회전하는 부분으로서, 예컨대 도4를 참조할 때 굴삭기의 상부 본체부(100)와 이에 연결된 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 선회속도 센서(33)는 자이로스코프(자이로센서)일 수 있으나 다른 임의의 방식의 속도감지 센서로 구현될 수도 있다.
제어부(10)는 상술한 센서들(21,22,23,31,32,33)로부터 검출 데이터를 수신하고 이 검출 데이터에 기초하여 굴삭기 주위에 감지된 물체의 위험도를 산출하고 판단할 수 있다. 또한 제어부(10)는 판단된 위험도에 따라 예컨대 알람부(41) 및/또는 유압회로 제어부(42)에 제어신호를 전송할 수 있다. 알람부(41)는 예컨대 스피커나 디스플레이를 통해 사용자(예컨대 굴삭기의 운전자)에게 물체의 존재 및 위험도를 표시할 수 있다. 유압회로 제어부(42)는 예컨대 굴삭기의 선회체나 붐, 아암, 및 버킷을 구동하는 유압 구동계를 제어하는 제어부로서, 제어부(10)로부터 수신한 제어신호에 기초하여 선회체나 붐, 아암, 및 버킷의 동작을 정지시키도록 유압회로를 제어할 수 있다.
일 실시예에서 제어부(10)는 위와 같이 각종 센서의 검출 데이터를 수신하여 물체의 위험도를 산출하도록 프로그램된 알고리즘(소프트웨어) 및 이 알고리즘을 실행하기 위한 프로세서, 메모리 등의 하드웨어로 구현될 수 있고, 이러한 하드웨어는 예컨대 마이크로컨트롤러나 FPGA(field-programmable gate array) 등으로 구현될 수 있다.
한편 상술한 각종 센서들(21,22,23,31,32,33)와 제어부(10)는 예컨대 캔(CAN) 통신이나 이더넷 등 임의의 유선 및/또는 근거리 무선 통신 방식으로 통신할 수 있다.
도2는 제1 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 동작을 수행하는 구성요소들을 나타내는 블록도이다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 다른 굴삭기 안전제어 장치는 제1 물체 위치 데이터 산출부(110), 제2 물체 위치 데이터 산출부(120), 굴삭기 데이터 산출부(130), 위치기반 위험도 판단부(140), 및 알람 및 밸브 제어부(150)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이 구성요소들(110, 120, 130, 140, 150)은 도1의 제어부(10)를 구성하는 기능블록일 수 있다. 대안적으로, 이 구성요소들(110, 120, 130, 140, 150) 중 일부가 제어부(10)와 별개의 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수도 있다.
물체 위치 데이터 산출부(110,120)는 물체 검출 센서(31,32)로부터 검출 데이터를 수신하고 이로부터 물체 위치 데이터를 산출한다. 제1 물체 위치 데이터 산출부(110)는 제1 물체 검출 센서(31)로부터 데이터를 수신하여 물체를 감지하고 이 물체의 위치에 관한 데이터를 산출할 수 있다. 제2 물체 위치 데이터 산출부(120)는 제2 물체 검출 센서(32)로부터 데이터를 수신하여 물체를 감지하고 이 물체의 위치에 관한 데이터를 산출할 수 있다.
도시한 실시예에서 제1 물체 위치 데이터 산출부(110)는 물체 검출부(111)와 좌표 변환부(112)를 포함할 수 있다. 물체 검출부(111)는 제1 물체 검출 센서(31)로부터 수신한 데이터를 처리하여 물체의 위치를 나타내는 데이터를 산출하고, 좌표 변환부(112)는 물체 위치를 굴삭기 선회체의 중심축(선회축)에 대한 고정 좌표계로 변환한다.
예를 들어 도3에 도시한 것처럼, 물체 검출부(111)는 제1 물체 검출 센서(31)를 중심으로 하는 좌표계에서의 물체 위치를 나타내는 데이터(r1, θ1)를 산출하고, 좌표 변환부(112)는 이 데이터(r1, θ1)를 처리하여 굴삭기 중심축의 좌표계에서의 데이터(r, θ)로 변환할 수 있다.
제2 물체 위치 데이터 산출부(120)도 물체 검출부(121)와 좌표 변환부(122)를 포함할 수 있고 이들 각 구성요소(121,122)는 제1 물체 위치 데이터 산출부(110)의 대응 구성요소(111,112)와 동일 또는 유사한 기능을 수행하므로 설명을 생략한다.
일 실시예에서 굴삭기 데이터 산출부(130)는 각도 센서(21,22,23) 및 선회속도 센서(33)로부터 데이터를 수신하고 이로부터 굴삭기에 관한 데이터를 생성한다. 일 실시예에서 굴삭기 데이터 산출부(130)는 작업반경 연산부(131), 선회관성 연산부(132), 및 제동각도 연산부(133)를 포함할 수 있다.
작업반경 연산부(131)는 제1 내지 제3 각도센서(21,22,23)로부터 수신한 각도 데이터에 기초하여 굴삭기의 작업 반경을 산출할 수 있다. 이와 관련하여 도4는 굴삭기의 작업반경 산출에 사용되는 변수를 설명하기 위한 도면이다. 도4를 참조하면, 굴삭기의 상부 본체부(100)에 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)이 결합되어 있다. 이 때 붐(210)의 양단 연결부 사이의 길이(l b ), 수평으로부터의 각도(θ b ), 아암(220)의 양단 연결부 사이의 거리(l a ), 아암(220)의 각도(θ a ), 버킷(230)의 길이(l k ), 및 각도(θ k )를 각각 도시한 것처럼 정의했을 때, 굴삭기의 작업 반경(r)은 아래 수식1과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00001
선회관성 연산부(132)는 굴삭기 선회체의 선회관성을 연산한다. 선회관성은 굴삭기의 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)의 위치(각도)에 따라 달라질 수 있다. 굴삭기 선회체의 선회관성에 사용되는 변수를 도5에 도시한 것처럼 정의할 경우 선회체의 선회관성(Js)은 아래 수식2와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00002
위 수식에서 Is, Ib, Ia, 및 Ik는 각각 본체부(100), 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)의 관성을 나타내며, 위첨자 "COG"는 무게중심(Center of Gravity)을 의미하는 것으로, 예를 들어 위 수식에서 "l b COG"는 붐(210)의 무게중심까지의 붐(210)의 길이이고 "θ b COG" 수평에서 붐(210)의 무게중심까지의 각도를 의미한다. 본체부(100), 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)의 무게중심은 기지의 값이므로, 선회관성 연산부(132)가 제1 내지 제3 각도센서(21,22,23)로부터 각도 데이터(θ b , θ a , θ k )를 수신하면 이로부터 선회체의 선회관성(Js)을 산출할 수 있다.
다시 도2를 참조하면, 제동각도 연산부(133)는 선회체의 제동 각도를 산출한다. 일반적으로 굴삭기의 선회체는 유압 모터에 선회 동작을 하는데, 굴삭기 선회체의 선회 동작을 급정지시키더라도 선회체의 선회관성으로 인해 선회체가 일정 각도만큼 움직이다가 멈추게 된다. 여기서 "제동 각도"는 유압 모터에 선회 동작의 중단 명령을 내린 때로부터 선회체가 실제로 선회 동작을 멈출 때까지 움직인(회전한) 각도를 의미한다.
일 실시예에서 제동각도 연산부(133)는 선회관성 연산부(132)에서 산출한 선회체의 선회관성(Js), 선회속도 센서(33)에서 검출한 선회체의 선회속도(ωs), 및 선회 유압 시스템의 제동 토크에 기초하여 제동 각도를 산출할 수 있다.
이와 관련하여 도6은 굴삭기의 선회 유압 시스템을 도식화한 것으로, 선회체의 선회 급정지시 선회 유압모터에서 토출된 유량은 릴리프 밸브를 통과하므로 릴리프 밸브의 크래킹(Cracking) 압력에 상응하는 제동 토크가 발생하며, 선회체의 선회관성과 선회속도에 따라 선회 제동 각도(θd)가 아래의 수식3과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
위 수식에서 Js는 선회관성, ωs는 선회속도, Ds는 선회 유압모터의 모터 용적, Pr은 유압모터 내의 유체가 릴리프 밸브를 통해 배출될 때의 릴리프 밸브의 크래킹 압력, 그리고 N은 유압모터와 선회체 사이에 결합된 기어의 기어비를 각각 의미한다.
다시 도2를 참조하면, 제1 및 제2 물체 위치 데이터 산출부(110, 120)에서 산출된 물체 위치 데이터와 굴삭기 데이터 산출부(130)에서 산출된 굴삭기 데이터가 위치기반 위험도 판단부(140)로 전달된다. 이 때 '굴삭기 데이터'는 예를 들어 작업반경 연산부(131)에서 산출한 굴삭기의 작업반경, 및 제동각도 연산부(133)에서 산출한 제동 각도를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 위치기반 위험도 판단부(140)는 물체 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 선회체 제동 각도에 기초하여 물체의 위험도를 판단한다. 예를 들어 위치기반 위험도 판단부(140)는 도7에 도시한 것처럼 굴삭기 작업반경과 제동 각도에 따라 위험 영역을 설정한 후 물체가 어느 영역에 위치하는지에 따라 이 물체의 위험도를 판단할 수 있다.
예컨대 도7(a)는 굴삭기 상부 본체부(100)와 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)을 포함하는 선회체가 시계방향으로 회전할 때 설정되는 위험 영역을 예로서 나타낸다. 도면에서, 굴삭기의 전체 둘레에 걸쳐 작업반경(r1) 내의 영역이 기본적으로 주의 영역으로 표시되되, 본체부(100)로부터 기설정된 거리(r0) 이내의 영역 및 제동 각도(θd) 이내의 영역은 위험 영역으로 표시하였다. 또한 제동 각도(θd)에 속하면서 버킷(230)이 최대로 뻗을 수 있는 영역은 주의 영역으로 표시하였다.
이와 같이 위험 영역과 주의 영역을 설정한 경우, 예를 들어 물체 검출 센서(31,32)에서 검출된 물체가 주의 영역에 위치하고 있다면 경고음 등으로 운전자에게 알람을 줄 수 있다. 만일 물체가 위험 영역에 위치하고 있다면 경고음과 함께 선회체 구동을 즉시 중단시킬 수 있다. 이를 위해, 예컨대 위치기반 위험도 판단부(140)는 판단된 위험도(즉 '위험' 또는 '주의')를 알람 및 밸브 제어부(150)에 전달하고, 알람 및 밸브 제어부(150)는 수신한 위험도에 따라 알람이나 유압모터 제어를 위한 제어신호를 생성하여 알람부(41) 및/또는 유압회로 제어부(42)에 전달할 수 있다. 대안적으로, 알람 및 밸브 제어부(150)를 생략하고, 위험도 판단부(140)가 위험도에 따른 제어신호를 생성하여 알람부(41)나 유압회로 제어부(42)에 직접 전달할 수도 있다.
또한 바람직한 일 실시예에서, 제동 각도(θd)로부터 선회체의 선회 방향으로 소정의 여유 각도(θM)를 더 설정할 수 있다. 물체가 제동 각도(θd) 내에 있을 경우 선회체를 급제동하더라도 선회체와 물체가 충돌할 가능성이 크므로, 물체가 제동 각도(θd) 내에 들어오기 직전의 위치에 있을 경우 일반적인 주의 영역보다 위험도를 상향 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서 예컨대 여유 각도(θM)를 설정하여, 물체가 여유 각도(θM) 내에 위치하면 예를 들어 경고음을 더 크게 하거나 선회체 선회 속도를 줄이는 등의 대응을 하도록 구성할 수 있다.
일 실시예에서 여유 각도(θM)는 선회체의 속도에 비례하는 각도(예컨대, 제동 각도(θd)의 50% 등)로 설정할 수도 있고, 선회체의 속도에 상관없이 소정의 고정된 각도(예컨대, 15도 또는 20도 등)으로 설정할 수도 있다.
도7(b)는 선회체가 반시계 방향으로 회전할 때 설정되는 위험 영역과 주의 영역을 예로서 나타내었다. 도7(a)와 비교할 때 선회체의 선회 방향만 다르며 위험 영역과 주의 영역의 설정은 동일하므로 설명을 생략한다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 굴삭기 선회체의 선회관성 및 속도에 따른 선회 제동 각도를 예측하여 이를 굴삭기 작업반경 주변 물체의 충돌위험 판단기준에 반영함으로써, 굴삭기와 물체의 충돌을 효과적으로 방지하여 안전사고를 예방할 수 있다.
한편, 다시 도2를 참조하면 일 실시예에서 굴삭기 데이터 산출부(130)가 장치 오감지 처리부(134)를 더 포함할 수 있다. 오감지 처리부(134)는 물체 검출 센서(31,32)가 검출한 물체가 굴삭기 자신의 일부인 경우 오감지로 판단하여 위험도 판단 대상에서 제외하기 위한 기능부이다.
일 실시예에서, 예컨대 물체 검출 센서(31,32)가 센서 자신의 수평 높이를 스캔하여 물체를 검출하도록 구성된 경우, 굴삭기의 일부가 이 스캔 평면보다 낮은 위치에 있는지 판단한다. 예를 들어 제1 내지 제3 센서(21,22,23)에서 검출된 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도에 기초하여 붐, 아암, 및 버킷 중 일부가 물체 검출 센서(31,32)의 스캔 평면 높이 이하인지를 판단한다. 예컨대 도8(a)에 도시한 것처럼 오감지 처리부(134)는 아래의 수식4를 이용하여 붐(210), 아암(220), 및 버킷(230)의 기설정된 지점(①, ②, ③, ④) 중 적어도 하나가 스캔 평면의 높이 이하인지를 판단할 수 있다.
Figure pat00004
이 때 제1 지점(①)은 붐(210)의 끝단의 높이, 제2 지점(②은 아암(220)의 끝단 높이, 제3 지점(③)은 버킷(230)의 끝단 높이, 그리고 제4 지점(④)은 버킷(230)의 최하단부 높이를 각각 나타낸다. 그러나 대안적 실시예에서 이러한 제1 내지 제4 지점을 다른 위치로 설정할 수도 있으며 지점의 갯수도 달라질 수 있다.
오감지 처리부(134)는 상기 수식4를 연산하여 굴삭기의 일부가 스캔 평면 높이 이하인지를 판단하고, 이 판단 정보를 위험도 판단부(140)로 전달할 수 있다. 위험도 판단부(140)는 위치 데이터 산출부(110,120)로부터 수신한 물체 위치 데이터, 및 굴삭기 데이터 산출부(130)로부터 수신한 굴삭기 작업반경 및 상기 판단 정보에 기초하여, 검출된 물체가 굴삭기의 일부인지를 판단할 수 있다.
예를 들어, 굴삭기의 제1 내지 제4 지점 중 하나가 스캔 평면 이하의 높이에 있다는 판단 정보를 위험도 판단부(140)가 수신한 경우, 예컨대 검출된 물체가 작업 반경 내에 위치하고 도8(b)에서의 Y축 값이 ±w 범위에 있다면 이 물체를 굴삭기의 일부로 판단할 수 있고, 위험도 판단부(140)는 이 검출된 물체에 대한 위험도 판단을 수행하지 않을 수 있다.
이제 도9 내지 도12를 참조하여 제2 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 장치를 설명하기로 한다.
도9는 제2 실시예에 따른 굴삭기 안전제어 동작을 수행하는 구성요소들의 블록도이다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 다른 굴삭기 안전제어 장치는 제1 물체 위치 데이터 산출부(110), 제2 물체 위치 데이터 산출부(120), 굴삭기 데이터 산출부(130), 위치기반 위험도 판단부(140), 물체 위치 예측부(160), 속도기반 위험도 판단부(170), 및 알람 및 밸브 제어부(180)를 포함할 수 있다. 도2의 제1 실시예와 비교할 때 제2 실시예는 물체 위치 예측부(160)와 속도기반 위험도 판단부(170)를 더 포함하며, 나머지 구성요소들은 도2의 제1 실시예의 각 대응 구성요소와 동일 또는 유사한 기능을 수행하므로 구체적 설명을 생략하기로 한다.
도9를 참조하면, 제1 및 제2 물체 위치 데이터 산출부(110,120)는 물체 검출 센서(31,32)로부터 검출 데이터를 수신하고 이로부터 물체 위치 데이터를 산출하여 위치기반 위험도 판단부(140)에 전달한다.
굴삭기 데이터 산출부(130)는 제1 내지 제3 센서(21,22,23) 및 선회속도 센서(33)로부터 데이터를 수신하여 굴삭기 데이터를 산출하고 이를 위치기반 위험도 판단부(140)에 전달한다. 이 때 "굴삭기 데이터"는 예컨대 작업반경, 제동각도, 오감지 처리결과 등을 포함할 수 있다.
위치기반 위험도 판단부(140)는 물체 위치 데이터 및 굴삭기 데이터를 수신하고 이에 기초하여 물체의 위험도를 판단하고, 위험도에 따라 경고음이나 선회체 급제동 등의 제어신호를 알람 및 밸브 제어부(180)에 전달할 수 있다.
물체 위치 예측부(160)는 물체의 소정 시간 이후의 위치를 예측할 수 있다. 일 실시예에서 물체 위치 예측부(160)는 여러개의 연속된 물체를 검출한 경우 이들을 하나의 물체로 그룹화하고, 이 그룹화된 물체의 소정 시간 이후의 위치를 예측할 수 있다.
이와 관련하여 도10은 연속된 물체를 그룹화하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도면에 도시한 것처럼 예컨대 다수의 물체들이 연속적인 선(S1,S2)으로 검출되었다고 가정한다. 이 때 물체들이 '연속적'이라는 것은 예컨대 검출된 물체들간의 각도에 따른 거리 변화율(Δr/Δθ)이 기설정된 소정 값 이하인 경우를 의미할 수 있다.
도10을 참조하면, 물체 위치 예측부(160)는 제1 선(S1)과 제2 선(S2)이 불연속적으로 검출되었으므로 제1 선(S1)을 제1 물체로 그룹화하고 제2 선(S2)을 제2 물체로 그룹화할 수 있다. 이 때, 제1 선(S1) 중에서도 위험도가 더 높은 영역(즉 도면에서 위험 영역)에 속하는 부분을 제1 물체(G1)로 그룹화하고, 제2 선(S2)에 대해서도 위험도가 더 높은 영역(즉 도면에서 주의 영역)에 속하는 부분을 제2 물체(G2)로 그룹화할 수 있다.
연속적으로 검출된 물체들을 그룹화한 후, 물체 위치 예측부(160)는 이 그룹화된 물체의 위치를 예측하는 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 그룹화된 물체의 중심점에 대한 제1 소정 시간 동안의 변위에 기초하여 향후의 제2 소정 시간 후의 물체의 위치를 예측할 수 있다.
이와 관련하여 도11은 일 실시예에 따라 그룹화된 물체의 속도를 계산하는 방법을 도식적으로 나타낸다. 도면에서 각각의 사각형은 그룹화된 물체를 나타낸다. 이 때 예컨대 제일 좌측의 물체는 제1 소정 시간 동안 Gk-1 위치에서 Gk 위치로 이동하였고, 그 때의 중심점은 각각 Ck-1과 Ck로 표시하였다. 이 경우 물체 위치 예측부(160)는 제1 소정 시간 동안의 물체 중심점의 위치 변화로부터 이 물체의 속도(속력과 방향)를 산출할 수 있다.
그 후 물체 위치 예측부(160)는 산출된 속도에 기초하여 이 물체의 향후 제2 소정 시간 후의 위치를 예측할 수 있다. 예를 들어 도12를 참조하면, 물체가 제1 소정 시간 동안 Gk-1 위치에서 Gk 위치로 이동하여
Figure pat00005
의 속도를 산출하였다면, 향후의 제2 소정 시간(Δt) 동안 이와 동일한 속도로 움직인다고 가정하여 제2 시간 후에 Gk+1의 위치에 도달할 것이라고 예측할 수 있다.
물체 위치 예측부(160)가 물체의 위치를 예측한 후 예측 위치 데이터를 속도기반 위험도 판단부(170)에 전달할 수 있고, 속도기반 위험도 판단부(170)는 물체의 예측 위치에 기초하여 위험도를 판단하게 된다. 예를 들어, 물체의 현재 위치가 주의 영역이지만 이 물체의 예측된 위치가 위험 영역인 경우, 위험도 판단부(170)는 해당 물체의 위험도를 위험으로 상향 조정하여 이에 대응하는 알람 및/또는 밸브 제어 동작을 수행할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따르면 굴삭기 선회체의 선회관성 및 속도에 따른 선회 제동각도를 예측하여 이를 굴삭기 작업반경 주변 물체의 충돌위험 판단에 반영할 뿐만 아니라 물체의 이동 속도까지 고려하여 소정 시간 후의 예측 위치에서의 충돌 위험도도 함께 판단할 수 있으므로 굴삭기와 물체의 충돌을 더욱 효과적으로 예방할 수 있는 이점이 있다.
이상과 같이 도면을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예를 설명하였으나 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 제어부
21,22,23: 각도 센서
31,32: 물체 검출 센서
33: 선회속도 센서
100: 본체부
110,120: 물체 위치 데이터 산출부
130: 굴삭기 데이터 산출부
140: 위치기반 위험도 판단부
150, 180: 알람 및 밸브 제어부
160: 물체 위치 예측부
170: 속도기반 위험도 판단부
210: 붐
220: 아암230: 버킷

Claims (15)

  1. 굴삭기 안전제어 장치로서,
    굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷에 각각 장착되어 상기 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도를 각각 검출하는 제1 내지 제3 각도센서;
    굴삭기 주위의 물체를 검출하는 적어도 하나의 물체 검출 센서;
    상기 붐, 아암, 및 버킷을 포함하는 굴삭기의 상부 선회체의 선회속도를 검출하는 선회속도 센서; 및
    상기 센서들로부터 검출 데이터를 수신하여 굴삭기 주위 물체의 위험도를 판단하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 물체 검출 센서로부터 물체의 위치 데이터를 산출하는 위치 데이터 산출부;
    상기 제1 내지 제3 각도센서로부터의 각도 데이터에 기초하여 굴삭기 작업반경을 산출하는 작업반경 연산부;
    상기 각도 데이터 및 상기 선회속도 센서로부터의 선회속도 데이터에 기초하여 선회체의 제동 각도를 산출하는 제동각도 연산부; 및
    상기 산출된 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 선회체 제동 각도에 기초하여 상기 물체의 위험도를 판단하는 제1 위험도 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제동각도 연산부가, 상기 각도 데이터에 기초하여 선회체의 선회관성을 연산하고, 이 선회관성 및 상기 선회속도에 기초하여 상기 제동 각도를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제동각도 연산부는 하기 수식에 따라 제동각도(θd)를 산출하며,
    Figure pat00006

    상기 수식에서 Js는 선회관성, ωs는 선회속도, Ds는 굴삭기 선회체를 선회시키는 유압모터의 모터 용적, Pr은 상기 유압모터 내의 유체가 릴리프 밸브를 통해 배출될 때의 릴리프 밸브의 크래킹 압력, 그리고 N은 상기 유압모터와 선회체 사이에 결합된 기어의 기어비인 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부가,
    상기 제1 내지 제3 센서에서 검출된 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도에 기초하여 상기 붐, 아암, 및 버킷 중 일부가 상기 물체 검출 센서의 스캔 높이 이하인지를 판단하고 이 판단 정보를 상기 제1 위험도 판단부로 전달하는 오감지 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 위험도 판단부가, 상기 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 상기 판단 정보에 기초하여 검출된 물체가 상기 굴삭기의 일부인지를 판단하고, 굴삭기의 일부인 경우 이 검출된 물체에 대한 위험도 판단을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가, 소정 시간 이후의 물체 위치를 예측하는 물체 위치 예측부; 및
    이 예측된 물체 위치에 기초하여 물체의 위험도를 판단하는 제2 위험도 판단부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 물체 위치 예측부는,
    상기 물체 검출 센서를 통해 제1 소정 시간 동안의 물체의 변위를 검출하여, 이 물체의 속도를 산출하고, 이 산출된 속도에 기초하여 제2 소정 시간 이후의 위치를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 물체 위치 예측부는, 상기 물체 검출 센서에서 검출되는 물체가 연속적인 선으로 검출되는 경우, 이 연속적인 선 형상의 물체를 하나의 물체로 그룹화하고, 이 그룹화된 물체의 중심점에 대한 상기 제1 소정 시간 동안의 변위에 기초하여 물체의 위치를 예측하도록 구성된 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  9. 굴삭기 안전제어 방법으로서,
    물체 검출 센서에 의해 굴삭기 주위의 물체를 검출하여 물체의 위치 데이터를 산출하는 단계;
    굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도를 검출하여 굴삭기 작업반경을 산출하는 단계;
    상기 굴삭기의 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도 및 굴삭기의 상부 선회체의 선회속도에 기초하여 상기 선회체의 제동 각도를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 위치 데이터, 굴삭기 작업반경, 및 선회체 제동 각도에 기초하여 상기 물체의 위험도를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제동 각도를 산출하는 단계가,
    상기 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도에 기초하여 선회체의 선회관성을 연산하고, 이 선회관성 및 상기 선회속도에 기초하여 상기 제동 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제동 각도를 산출하는 단계가 하기 수식에 따라 제동각도(θd)를 산출하며,
    Figure pat00007

    위 수식에서 Js는 선회관성, ωs는 선회속도, Ds는 굴삭기 선회체를 선회시키는 유압모터의 모터 용적, Pr은 상기 유압모터 내의 유체가 릴리프 밸브를 통해 배출될 때의 릴리프 밸브의 크래킹 압력, 그리고 N은 상기 유압모터와 선회체 사이에 결합된 기어의 기어비인 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 센서에서 검출된 붐, 아암, 및 버킷의 회전 각도에 기초하여 상기 붐, 아암, 및 버킷 중 일부가 상기 물체 검출 센서의 스캔 높이 이하인지를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 물체의 위험도를 판단하는 단계가,
    상기 붐, 아암, 및 버킷 중 일부가 상기 물체 검출 센서의 스캔 높이 이하인지에 대한 판단 정보, 상기 위치 데이터, 및 상기 굴삭기 작업반경에 기초하여, 검출된 물체가 상기 굴삭기의 일부인지를 판단하고, 이 검출된 물체가 굴삭기의 일부인 경우 이 물체에 대한 위험도 판단을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 물체 검출 센서를 통해 제1 소정 시간 동안의 물체의 변위를 검출하여, 이 물체의 속도를 산출하는 단계;
    이 산출된 속도에 기초하여 제2 소정 시간 이후의 예측 위치를 산출하는 단계; 및
    상기 예측 위치에 기초하여 상기 물체의 위험도를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 물체의 속도를 산출하는 단계 이전에, 상기 물체 검출 센서에서 검출되는 물체가 연속적인 선으로 검출되는 경우, 이 연속적인 선 형상의 물체를 하나의 물체로 그룹화하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 안전제어 방법.
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