KR20200033911A

KR20200033911A - 작업 기계

Info

Publication number: KR20200033911A
Application number: KR1020207004933A
Authority: KR
Inventors: 유스케 스즈키; 히로아키 다나카; 히사미 나카노
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2020-03-30
Also published as: EP3848515A4; CN111148879A; US20210148082A1; EP3848515A1; JPWO2020049623A1; CN111148879B; US11352761B2; KR102413885B1; WO2020049623A1; EP3848515B1; JP6872666B2

Abstract

조작 레버(26)가 조작되고 있는 동안, 임의로 설정된 목표면(60) 위 또는 그 상방에 작업 장치(400)가 위치하도록, 복수의 유압 실린더(32) 중 적어도 하나의 유압 실린더(32a)를 제어하는 영역 제한 제어를 실행하는 컨트롤러(20)를 구비하는 작업 기계에 있어서, 컨트롤러는, 영역 제한 제어의 실행 중에, 지면에 대한 차체(1A)의 경사 각도인 잭 업 각도(φ)가 미리 설정된 목표값(φt)보다 큰 경우, 잭 업 각도가 목표값에 가까워지도록 적어도 하나의 유압 실린더(32a)의 제어를 보정한다. 목표값은 암(406)의 자세에 따라서 변화되도록 설정한다.

Description

작업 기계

본 발명은, 구조물 해체 공사, 도로 공사, 건설 공사, 토목 공사 등에 사용되는 작업 기계에 관한 것이다.

구조물 해체 공사, 도로 공사, 건설 공사, 토목 공사 등에 사용되는 작업 기계로서, 복수의 프론트 부재로 이루어지는 다관절형 작업 장치를 본체에 설치하고, 그 각 프론트 부재를 유압 실린더로 구동하는 것이 알려져 있다. 그 일례로 붐, 암, 버킷 등으로 구성되는 작업 장치를 갖는 유압 셔블이 있다. 이러한 종류의 유압 셔블에는 작업 장치의 가동 가능한 영역을 마련하여 그 범위 내에서 작업 장치를 반자동적으로 동작시키는, 소위 머신 컨트롤을 실행 가능한 것이 있다. 예를 들어, 이 작업 장치의 가동 가능한 영역과 가동 불가능한 영역의 경계에 시공 목표면을 설정하여 오퍼레이터가 암 조작을 하면, 머신 컨트롤에 의해 그 시공 목표면을 따르도록 반자동적으로 작업 장치를 동작시킬 수 있다.

유압 셔블에 의한 머신 컨트롤을 사용한 굴삭 작업에서는, 미리 정해진 조건에 따라서 붐이나 버킷이 반자동적으로 동작한다. 그 때문에, 원활한 굴삭이 곤란한 딱딱한 토양을 작업 장치로 굴삭하려는 경우에는, 지면으로부터 버킷에 작용하는 굴삭 반력이 커지게 되어, 주행체(크롤러)에 있어서 작업 장치로부터 먼 측의 단부와 버킷은 지면에 접촉하고 있지만 주행체에 있어서 작업 장치에 가까운 측의 단부가 지면으로부터 부상한 상태, 소위 잭 업 상태로 되기 쉽다.

잭 업에 관한 기술로서, 특허문헌 1에는, 오퍼레이터에 의한 암 오므리기 조작과 붐 하강 조작을 포함하는 복합 조작을 검지하여, 차체가 잭 업하지 않도록 붐 실린더압을 제어하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 작업 기계가 잭 업할 때의 붐 실린더압을 초과하지 않도록, 붐 실린더에 공급되는 작동유의 압력이 조정되고 있다.

일본 특허공개 제2014-122510호 공보

유압 셔블이 잭 업 상태에 있을 때 지면과 주행체가 이루는 각도는 잭 업 각도라 칭해지는 경우가 있지만, 오퍼레이터는 이 잭 업 각도의 대소에 따라 굴삭력의 대소를 직감적으로 파악해서 굴삭력을 조정하는 경우가 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 항상 차체가 잭 업하지 않도록 붐 실린더압이 제어된다. 즉, 특허문헌 1의 기술에서는 오퍼레이터의 의도에 관계 없이 컨트롤러에 의해 잭 업 각도는 항상 거의 0으로 유지된다. 그 때문에, 오퍼레이터는 잭 업 각도의 대소로부터 굴삭력의 상태를 직감적으로 파악할 수 없어, 자신의 조작에 의해 굴삭력을 조정하는 것이 어려워진다. 그 결과, 오퍼레이터에 따라서는 조작성이 떨어지는 기계라고 판단될 우려가 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 머신 컨트롤이 행해지는 작업 기계에 있어서, 소위 잭 업 상태 시의 오퍼레이터의 조작성이 양호한 작업 기계를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 주행체 및 선회체로 이루어지는 차체와, 붐 및 암 및 붐을 갖고, 상기 선회체에 설치된 작업 장치와, 유압 펌프로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되고, 상기 작업 장치를 동작시키는 복수의 유압 실린더와, 오퍼레이터의 조작에 따라서 상기 작업 장치의 동작을 지시하는 조작 장치와, 상기 조작 장치가 조작되고 있는 동안, 임의로 설정된 목표면 위 또는 그 상방에 상기 작업 장치가 위치하도록, 상기 복수의 유압 실린더 중 적어도 하나의 유압 실린더를 제어하는 영역 제한 제어를 실행하는 제어 장치를 구비하는 작업 기계에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 영역 제한 제어의 실행 중에, 지면에 대한 상기 차체의 경사 각도인 잭 업 각도가 미리 설정된 목표값보다 큰 경우, 상기 잭 업 각도가 상기 목표값에 가까워지도록 상기 적어도 하나의 유압 실린더 제어를 보정하고, 상기 목표값은, 상기 암의 자세에 따라서 변화되도록 설정하는 것으로 한다.

본 발명에 의하면, 머신 컨트롤의 굴삭 작업에 있어서, 목표면을 과굴삭하지 않고, 조작성과 작업 효율을 양호하게 할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 유압 셔블의 측면도이다.
도 2는, 도 1의 유압 셔블의 시스템 구성도이다.
도 3은, 유압 셔블의 잭 업 상태를 나타낸 측면도이다.
도 4는, 컨트롤러의 기능 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는, 버킷 클로 끝의 궤적 보정의 설명도이다.
도 6은, 제한 속도 수직 성분 V1y'의 연산 테이블을 나타내는 도면이다.
도 7은, 숙련 오퍼레이터의 굴삭 작업을 분석하여 얻어진 차체 피치 각도를 나타내는 도면이다.
도 8은, 실시 형태에 관한 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 9는, 암 각도와 목표 잭 업 각도 φt의 상관 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은, 암 각도와 목표 잭 업 각도 φt와 목표면 거리 D의 상관 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.

<대상 장치>

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 유압 셔블의 개략 구성도이다. 도 1에 있어서, 유압 셔블은, 크롤러식 주행체(401)와, 주행체(401)의 상부에 선회 가능하게 설치된 선회체(402)를 구비하고 있다. 주행체(401)는, 주행 유압 모터(33)에 의해 구동된다. 선회체(402)는, 선회 유압 모터(28)의 발생하는 토크에 의해 구동되고, 좌우 방향으로 선회한다.

본 명세서에서는, 주행체(401)와 선회체(402)를 합쳐서 차체(1A)라 칭하는 경우가 있다. 주행체(401)는, 크롤러 벨트를 구비한 것으로 한정되지 않고, 주행륜이나 다리를 구비한 것이어도 된다.

선회체(402) 위에는 운전석(403)이 설치되고, 선회체(402)의 전방에는 목표면의 형성 작업을 행하는 것이 가능한 다관절형 프론트 작업 장치(작업 장치)(400)가 설치되어 있다.

프론트 작업 장치(400)는, 붐 실린더(제1 유압 액추에이터)(32a)에 의해 구동되는 붐(405)과, 암 실린더(제2 유압 액추에이터)(32b)에 의해 구동되는 암(406)과, 버킷 실린더(32c)에 의해 구동되는 버킷(407)을 구비한다. 붐 실린더(32a), 암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c)는 각각 유압 펌프(23)로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되어, 작업 장치(400)를 동작시킨다. 본 명세서에서는, 붐(405), 암(406), 버킷(407)을 각각 프론트 부재라 칭하는 경우가 있다.

또한 프론트 작업 장치(400)는, 버킷(407)과 버킷 실린더(32c)의 선단부를 연결하는 제1 링크(407B)와, 암(406)과 버킷 실린더(32c)의 선단부를 연결하는 제2 링크(407C)를 구비하고 있다. 버킷 실린더(유압 실린더)(32c)는, 제2 링크(407C)와 암(406)에 연결되어 있다.

또한, 버킷(407)은, 그래플, 브레이커, 리퍼, 마그네트 등의 도시하지 않은 작업구로 임의로 교환 가능하다.

붐(405)과 암(406)에는, 각각, 소정의 면(예를 들어 수평면)에 대한 붐(405)과 암(406)의 자세(경사각)를 검출하기 위한 붐 IMU(IMU: Inertial Measurement Unit(관성 계측 장치))(36)와 암 IMU(37)가 설치되어 있다. 제2 링크(407C)에는, 동일하게 소정의 면(예를 들어 수평면)에 대한 버킷(407)의 자세(경사각)를 검출하기 위한 버킷 IMU(38)가 구비되어 있다. 이들 IMU(36, 37, 38)는, 각각 각속도 센서와 가속도 센서로 구성되어 있으며, 경사각의 연산도 가능하다.

운전석(403)에는, 오퍼레이터의 조작에 따라서 프론트 작업 장치(400), 선회체(402) 및 주행체(401)의 동작을 지시하는 조작 레버(조작 장치)(26)와, 엔진(21)(도 2 참조)의 목표 회전수를 명령하는 엔진 컨트롤 다이얼(51)(도 2 참조)이 설치되어 있다. 조작 레버(26)는, 붐 실린더(32a), 암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c), 주행 유압 모터(33) 및 선회 유압 모터(28)에 대한 제어 신호(기어 펌프(24)(도 2 참조)로부터 출력되는 파일럿압(이하에서는 「Pi압」이라고도 칭함))을 조작 방향 및 조작량에 따라서 발생시키고, 그 제어 신호에 의해 붐(405), 암(406), 버킷(407), 선회체(402) 및 주행체(401)를 동작시킨다.

조작 레버(26)가 출력하는 Pi압은 압력 센서(44)에 의해 검출되고 있으며, 압력 센서(44)는 그 검출값을 컨트롤러(20)로 출력하고 있다. 압력 센서(44)의 검출값은 컨트롤러(20)에 있어서 조작 레버(26)의 조작량, 조작 방향, 조작 대상의 검출에 이용되고 있다. 즉 압력 센서(44)는 조작 레버(26)에 대한 조작 입력량을 검출하는 조작량 센서로서 기능하고 있다. 압력 센서(44)는, 컨트롤 밸브의 2배의 수가 존재하고 있다. 또한, 조작 레버(26)는 전기식에 의한 것이어도 된다. 이 경우의 조작 레버(26)에 의한 조작량, 조작 방향, 조작 대상의 검출은, 조작 레버(26)의 경도량(조작량)을 검출하는 조작량 센서에 의해 구성한다. 조작량 센서는, 오퍼레이터가 조작 레버(26)를 젖히는 양을 검출함으로써, 오퍼레이터가 작업 장치(400)에 요구하는 동작 속도를 각각 전기 신호로 변환할 수 있다.

도 2는 도 1의 유압 셔블의 시스템 구성도이다. 본 실시 형태의 유압 셔블은，엔진(21)과, 엔진(21)을 제어하기 위한 컨트롤러(제어 장치)인 엔진 컨트롤 유닛(ECU)(22)과，엔진(21)의 출력축에 기계적으로 연결되고 엔진(21)에 의해 구동되는 유압 펌프(23) 및 기어 펌프(파일럿 펌프)(24)와，기어 펌프(24)로부터 토출되는 유압을 조작량에 따라서 감압한 것을，각 유압 액추에이터(28，33，32a, 32b，32c)의 제어 신호로서 비례 전자 밸브(27)를 통해 컨트롤 밸브(25)로 출력하는 조작 레버(26)와，유압 펌프(23)로부터 각 유압 액추에이터(28，33，32a，32b，32c)에 도입되는 작동유의 유량 및 방향을，조작 레버(26) 또는 비례 전자 밸브(27)로부터 출력되는 제어 신호(파일럿압(이하에서는 Pi압이라 칭하는 경우가 있음)에 기초하여 제어하는 복수의 컨트롤 밸브(25)와，각 컨트롤 밸브(25)에 작용하는 Pi압의 압력값을 검출하는 복수의 압력 센서(41)와，프론트 작업 장치(400)의 위치·자세 및 기타 차체 정보에 기초하여 보정 Pi압을 산출하고，그 보정 Pi압이 발생 가능한 명령 전압을 비례 전자 밸브(27)로 출력하는 컨트롤러(제어 장치)(20)와，프론트 작업 장치(400)의 작업 대상의 목표 형상인 목표면의 정보를 컨트롤러(20)에 입력하기 위한 목표면 설정 장치(50)를 구비하고 있다.

유압 펌프(23)는, 각 유압 액추에이터(28, 33, 32a, 32b, 32c)의 목표 출력(후술)과 같이 차체가 동작하도록, 기계적으로 토크·유량이 제어되고 있다.

컨트롤 밸브(25)는, 제어 대상의 유압 액추에이터(28, 33, 32a, 32b, 32c)와 동수 존재하지만, 도 2에서는 그들을 통합해서 하나로 나타내고 있다. 각 컨트롤 밸브에는, 그 내부의 스풀을 축방향의 한쪽 또는 다른 쪽으로 이동시키는 두 Pi압이 작용하고 있다. 예를 들어, 붐 실린더(32a)용 컨트롤 밸브(25)에는, 붐 상승의 Pi압과, 붐 하강의 Pi압이 작용한다.

압력 센서(41)는, 각 컨트롤 밸브(25)에 작용하는 Pi압을 검출함으로써, 컨트롤 밸브의 2배의 수가 존재하고 있다. 압력 센서(41)는, 컨트롤 밸브(25)의 바로 아래에 마련되어 있으며, 실제로 컨트롤 밸브(25)에 작용하는 Pi압을 검출하고 있다.

비례 전자 밸브(27)는 복수 존재하지만, 도 2 내에서는 통합해서 하나의 블록으로 나타내고 있다. 비례 전자 밸브(27)는 2종류 있다. 하나는, 조작 레버(26)로부터 입력되는 Pi압을 그대로 출력 또는 명령 전압으로 지정되는 원하는 보정 Pi압까지 감압하여 출력하는 감압 밸브이며, 또 하나는, 조작 레버(26)의 출력하는 Pi압보다 큰 Pi압이 필요한 경우에 기어 펌프(24)로부터 입력되는 Pi압을 명령 전압으로 지정되는 원하는 보정 Pi압까지 감압하여 출력하는 증압 밸브이다. 어떤 컨트롤 밸브(25)에 대한 Pi압에 관하여, 조작 레버(26)로부터 출력되고 있는 Pi압보다 큰 Pi압이 필요한 경우에는 증압 밸브를 통해 Pi압을 생성하고, 조작 레버(26)로부터 출력되고 있는 Pi압보다 작은 Pi압이 필요한 경우에는 감압 밸브를 통해 Pi압을 생성하고, 조작 레버(26)로부터 Pi압이 출력되고 있지 않은 경우에는 증압 밸브를 통해 Pi압을 생성한다. 즉, 감압 밸브와 증압 밸브에 의해, 조작 레버(26)로부터 입력되는 Pi압(오퍼레이터 조작에 기초하는 Pi압)과 상이한 압력값의 Pi압을 컨트롤 밸브(25)에 작용시킬 수 있어, 그 컨트롤 밸브(25)의 제어 대상의 유압 액추에이터에 원하는 동작을 시킬 수 있다.

하나의 컨트롤 밸브(25)에 대하여, 감압 밸브와 증압 밸브는 각각 최대로 둘 존재할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 붐 실린더(32a)의 컨트롤 밸브(25)용으로 두 감압 밸브와 두 증압 밸브가 마련되어 있으며, 암 실린더(32b)의 컨트롤 밸브(25)용으로 하나의 감압 밸브가 마련되어 있다. 구체적으로는, 붐 상승의 Pi압을 조작 레버(26)로부터 컨트롤 밸브(25)로 유도하는 제1 관로에 마련된 제1 감압 밸브와, 붐 상승의 Pi압을 기어 펌프(24)로부터 조작 레버(26)를 우회해서 컨트롤 밸브(25)로 유도하는 제2 관로에 마련된 제1 증압 밸브와, 붐 하강의 Pi압을 조작 레버(26)로부터 컨트롤 밸브(25)로 유도하는 제3 관로에 마련된 제2 감압 밸브와, 붐 하강의 Pi압을 기어 펌프(24)로부터 조작 레버(26)를 우회해서 컨트롤 밸브(25)로 유도하는 제4 관로에 마련된 제2 증압 밸브와, 암 크라우드의 Pi압을 조작 레버(26)로부터 컨트롤 밸브(25)로 유도하는 제5 관로에 마련된 제3 감압 밸브를 유압 셔블은 구비하고 있다.

본 실시 형태의 비례 전자 밸브(27)는, 붐 실린더(32a)와 암 실린더(32b)의 컨트롤 밸브(25)용으로 마련되어 있을 뿐이며, 다른 액추에이터(28, 33, 32c)의 컨트롤 밸브(25)용 비례 전자 밸브(27)는 존재하지 않는다. 따라서, 버킷 실린더(32c), 선회 유압 모터(28) 및 주행 유압 모터(33)는, 조작 레버(26)로부터 출력되는 Pi압에 기초하여 구동된다.

또한, 본 명세서에서는, 붐 실린더(32a)와 암 실린더(32b)의 컨트롤 밸브(25)에 입력되는 Pi압(붐 및 암에 대한 제어 신호)은 모두 「보정 Pi압」(또는 보정 제어 신호)이라 칭하고, 비례 전자 밸브(27)에 의한 Pi압의 보정의 유무는 불문하기로 한다.

부언하면, 본 명세서에서는, 조작 레버(26)의 조작 중에 프론트 작업 장치(400)를 미리 정해진 조건에 따라 동작시키기 위해, 비례 전자 밸브(27)에 의해 보정된 Pi압에 기초하여 붐 실린더(32a)나 암 실린더(32b)를 제어하는 것을 머신 컨트롤(Machine Control: MC)이라 칭하는 경우가 있다. 예를 들어 본 실시 형태에서는 MC로서, 임의로 설정된 목표면(60)(도 5 참조) 위 또는 그 상방의 영역에 프론트 작업 장치(400)(본 실시 형태에서는 버킷(407))가 위치하도록, 복수의 유압 실린더(32a, 32b, 32c) 중 적어도 하나의 유압 실린더를 제어하는 영역 제한 제어가 가능하다. 또한, 본 명세서에서는 MC를, 조작 레버(26)의 비조작 시에 프론트 작업 장치(400)의 동작을 컨트롤러(20)에 의해 제어하는 「자동 제어」에 비해서, 조작 레버(26)의 조작 시에만 프론트 작업 장치(400)의 동작을 컨트롤러(20)에 의해 제어하는 「반자동 제어」라 칭하는 경우가 있다.

컨트롤러(제어 장치)(20)는, 입력부와, 프로세서인 중앙처리장치(CPU)와, 기억 장치인 리드 온리 메모리(ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)와, 출력부를 갖고 있다. 입력부는, 컨트롤러(20)에 입력되는 각종 정보를, CPU가 연산 가능하도록 변환한다. ROM은, 후술하는 연산 처리를 실행하는 제어 프로그램과, 당해 연산 처리의 실행에 필요한 각종 정보 등이 기억된 기록 매체이며, CPU는, ROM에 기억된 제어 프로그램에 따라서 입력부 및 ROM, RAM으로부터 받아들인 신호에 대해서 소정의 연산 처리를 행한다. 출력부로부터는, 엔진(21)을 목표 회전수로 구동하기 위한 명령이나, 비례 전자 밸브(27)에 명령 전압을 작용시키기 위해서 필요한 명령 등이 출력된다. 또한, 기억 장치는 상기 ROM 및 RAM이라는 반도체 메모리로 한정되지 않고, 예를 들어 하드디스크 드라이브 등의 자기 기억 장치로 대체 가능하다.

컨트롤러(20)에는, ECU(22)와, 복수의 압력 센서(41)와, 2개의 GNSS 안테나(40)와, 버킷 IMU(38)와, 암 IMU(37)와, 붐 IMU(36)와, 차체 IMU(39)와, 각 유압 액추에이터(28, 33, 32a, 32b, 32c)의 압력을 검출하기 위한 복수의 압력 센서(42)와, 각 유압 액추에이터(28, 33, 32a, 32b, 32c)의 동작 속도를 검출하기 위한 복수의 속도 센서(43)와, 목표면 설정 장치(50)가 접속되어 있다.

컨트롤러(20)는, 2개의 GNSS 안테나(40)로부터 입력 신호에 기초하여 글로벌 좌표계(지리 좌표계)에 있어서의 선회체(402) 및 프론트 작업 장치(400)의 위치 및 방향(방위) 목표면(60)을 산출하고, 버킷 IMU(38), 암 IMU(37), 붐 IMU(36) 및 차체 IMU(39)로부터의 입력 신호에 기초하여 프론트 작업 장치(400)의 자세를 산출한다. 즉, 본 실시 형태에서는, GNSS 안테나(40)는 위치 센서로서 기능하고, 버킷 IMU(38), 암 IMU(37), 붐 IMU(36) 및 차체 IMU(39)는 자세 센서로서 기능하고 있다.

본 실시 형태에서는, 유압 실린더(32a, 32b, 32c)의 속도 센서(43)로서, 스트로크 센서를 이용하고 있다. 또한, 유압 실린더(32a, 32b, 32c)의 압력 센서(42)로서, 각 유압 실린더(32a, 32b, 32c)에 보텀압 검출 센서와 로드압 검출 센서를 구비하고 있다. 여기에서는, 붐 실린더(32a)의 보텀압을 검출하는 압력 센서(42)를 붐 보텀압 센서(42BBP)와, 붐 실린더(32a)의 로드압을 검출하는 압력 센서(42)를 붐 로드압 센서(42BRP)라 칭하는 경우가 있다.

또한, 본 명세서에서 설명하는 차체 위치, 프론트 작업 장치(400)의 자세, 각 액추에이터의 압력, 각 액추에이터의 속도 산출 시에 이용하는 수단·방법은 일례에 지나지 않고, 공지된 산출 수단·방법이 이용 가능하다.

목표면 설정 장치(50)는, 목표면(60)(도 3, 5 참조)에 관한 정보(각 목표면의 위치 정보나 경사 각도 정보를 포함함)를 입력 가능한 인터페이스이다. 목표면 설정 장치(50)는, 글로벌 좌표계(지리 좌표계)상에 규정된 목표면의 3차원 데이터를 저장한 외부 단말기(도시생략)와 접속되고, 그 외부 단말기로부터 입력되는 목표면의 정보가 목표면 설정 장치(50)를 통해 컨트롤러(20) 내의 기억 장치에 저장된다. 또한, 목표면 설정 장치(50)를 통한 목표면의 입력은, 오퍼레이터가 수동으로 행해도 된다.

<잭 업>

도 3에 도시한 바와 같이, 차체(1A)의 잭 업(잭 업 상태)이란, 주행체(401)의 후단부(작업 장치(400)로부터 먼 쪽의 단부)와 버킷(407)이 각각 지면에 접지하고, 주행체(401)의 전단(작업 장치(400)에 가까운 쪽의 단부)이 공중에 부상되어 있는 상태를 나타낸다. 이때, 지면에 대한 주행체(401)(차체(1A))의 경사 각도를 잭 업 각도 φ라고 한다. 잭 업 각도 φ가 0인 경우에는, 주행체(401)의 저면이 전역에 걸쳐 접지하고 있는 상태이다.

또한, 선회체(402)는 주행체(401)에 대해서 선회 가능하기 때문에, 작업 자세에 따라서는 선회체(402)와 주행체(401)의 방향이 도시와 역방향이나 횡방향으로 되는 경우가 있다. 이 경우도 지면에 대한 주행체(401)의 경사 각도를 잭 업 각도 φ라 정의한다. 본 실시 형태에서는 연산을 간이하게 하기 위해서, 주행체(401)의 프론트 아이들러와 스프로킷 사이의 거리, 및 좌우의 크롤러 벨트 사이의 거리는 동일 거리인 것으로서 가정하여 연산을 행하였다.

<컨트롤러>

도 4는 컨트롤러(20)에 의해 실행되는 프로그램의 내용을 블록으로 나타낸 도면(기능 블록도)이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(20)는, 위치 연산부(740)와, 목표면 거리 연산부(700)와, 목표 동작 속도 연산부(710)와, 동작 명령값 생성부(720)와, 구동 명령부(730)와, 실린더압 검출부(810)와, 차체 피치 각도 검출부(820)와, 프론트 자세 검출부(830)와, 잭 업 판정부(910)와, 잭 업 각도 연산부(920)와, 목표 잭 업 각도 결정부(930)와, 명령값 보정량 연산부(940)로서 기능한다.

위치 연산부(740)는, 컨트롤러(20)는, 2개의 GNSS 안테나(40)가 수신한 신호(항법 신호)로부터 글로벌 좌표계에 있어서의 선회체(402) 및 작업 장치(400)의 위치와 방위를 연산한다.

차체 피치 각도 검출부(820)는, 선회체(402)에 설치된 차체 IMU(39)로부터 얻어지는 가속도 신호와 각속도 신호에 기초하여 선회체(402)의 피치 각도(경사각)를 검출·연산한다.

프론트 자세 검출부(830)는, 붐 IMU(36), 암 IMU(37) 및 버킷 IMU(38)로부터 얻어지는 가속도 신호와 각속도 신호에 기초하여, 붐(405), 암(406), 버킷(407)의 자세를 각각 추정한다.

목표면 거리 연산부(700)는, 위치 연산부(740)에서 연산된 선회체(402) 및 작업 장치(400)의 위치 및 방위와, 차체 피치 각도 검출부(820)에서 연산된 선회체(402)의 피치 각도와, 프론트 자세 검출부(830)에서 연산된 각 프론트 부재(405, 406, 407)의 자세와, 목표면 설정 장치(50)로부터 입력되는 목표면(60)의 3차원 형상을 입력한다. 목표면 거리 연산부(700)는, 이들 입력 정보로부터 선회체(402)의 선회축에 평행하며 버킷(407)의 무게 중심을 통과하는 평면에서 3차원 형상의 목표면(60)을 절단했을 때 얻어지는 목표면의 단면도(2차원 형상)를 작성하고, 이 단면에 있어서 버킷(407)의 클로 끝 위치와 목표면(60) 사이의 거리(목표면 거리) D를 산출한다. 거리 D는, 버킷(407)의 클로 끝으로부터 목표면(60)으로 내리그은 수선과 이 단면의 교점과 버킷(407)의 클로 끝(선단)사이의 거리로 한다.

목표 동작 속도 연산부(710)는, 목표면(60)을 따라서 버킷(407)의 클로 끝(407a)이 이동하도록 작업 장치(400)를 동작시키기 위해 필요한(즉 영역 제한 제어를 실행하기 위해서 필요한), 복수의 유압 실린더(32a, 32b, 32c) 중 적어도 하나의 유압 실린더 속도 목표값(목표 동작 속도) Vt를 연산한다. 본 실시 형태에서는 설명을 간단하게 하기 위해서, 작업 장치(400)의 굴삭 작업 시에 오퍼레이터는 조작 레버(26)로 암(406)을 조작하는 것만으로 하고(즉, 오퍼레이터는 붐(405)과 버킷(407)의 조작은 행하지 않는 것으로 하고), 그 암 조작에 의해 버킷 클로 끝(407a)에 발생하는 속도 벡터 V1을 MC에 의한 붐 실린더(32a)의 동작만으로 보정함으로써 버킷 클로 끝(407a)을 목표면(60)을 따라 이동시키는 경우를 예로 들어 설명한다.

우선, 목표 동작 속도 연산부(710)는, 목표면 거리 연산부(700)에서 연산한 거리 D와 도 6의 테이블을 기초로 버킷 클로 끝(407a)의 속도 벡터의 목표면(60)에 수직인 성분(이하, 「수직 성분」이라 약칭함)의 제한값(제한 속도 수직 성분) V1'y를 산출한다. 여기에서의 제한값이란 하한값의 의미이며, 제한값보다 작은 값은 제한값으로 설정된다. 제한 속도 수직 성분 V1'y는, 거리 D가 0일 때 0이며, 거리 D의 증가에 따라서 단조롭게 감소하도록 설정되어 있으며, 거리 D가 소정의 값 d1을 초과하면 -∞로 설정되어 실질적으로 제한이 걸리지 않게 된다(즉 임의의 수직 성분의 속도 벡터를 출력할 수 있다). 제한 속도 수직 성분 V1'y의 결정 방식은 도 6의 테이블로 한정되지 않고, 적어도 거리 D가 0부터 소정의 정의 값에 이르기까지의 범위이며, 제한 속도 수직 성분 V1'y가 단조 감소하는 것이면, 대체 가능하다.

다음으로 목표 동작 속도 연산부(710)는, 압력 센서(44)로부터 입력되는 조작 신호(조작량)에 기초하여 각 유압 실린더(32a, 32b, 33c)의 속도(오퍼레이터 조작에 기초하는 각 유압 실린더(32a, 32b, 33c)의 속도)를 연산한다. 이 연산은 예를 들어 조작 레버(26)의 조작량을 실린더 속도로 변환하는 상관 테이블을 사용하는 것이 가능하다. 그리고, 이 속도로, 프론트 자세 검출부(830)로부터 입력되는 작업 장치(400)의 자세 정보와, 차체 피치 각도 검출부(820)로부터 입력되는 차체(1A)의 피치 각도 정보를 고려하여, 각 유압 실린더(32a, 32b, 33c)의 속도가 버킷 클로 끝에 발생시키는 속도 벡터 V1을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 조작 레버(26)에 의해 암 실린더(32b)만이 조작되고 있으므로, 그 암 실린더(32b)의 동작만으로 버킷 클로 끝(407a)에 속도 벡터 V1이 발생하고 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 버킷 클로 끝(407a)에 MC로 속도 벡터 V2를 발생시켜, 그 V2를 버킷 클로 끝(407a)의 속도 벡터 V1에 더함으로써, 버킷(407)의 클로 끝의 속도 벡터의 수직 성분이 목표 속도 수직 성분 V1'y로 유지되도록 버킷(407)의 클로 끝의 속도 벡터를 보정하여 V1'로 한다. 본 실시 형태의 목표 동작 속도 연산부(710)는, 이 속도 벡터 V2를 붐 실린더(32a)의 동작(붐 상승 동작)만으로 발생시킨다. 그리고, 목표 동작 속도 연산부(710)는, 보정 후의 각 실린더(32a, 32b, 32c)의 목표 속도를 목표 동작 속도 Vt로서 산출한다. 본 실시 형태에서는, 보정 전의 각 실린더(32a, 32b, 32c)의 속도(Voa, Vob, Voc)를 (0, Vb1, 0)이라 하고, 보정 후의 붐 실린더(32a)의 속도(목표 동작 속도 Vta)를 Va1이라 하면, 각 실린더(32a, 32b, 32c)의 목표 동작 속도(Vta, Vtb, Vtc)는 (Va1, Vb1, 0)로 된다.

도 5의 경우에 있어서, 벡터 V1은, 압력 센서(44)로부터 입력되는 조작 신호(조작량)로부터 연산되는 각 유압 실린더(32a, 32b, 33c)의 실린더 속도 정보와, 프론트 자세 검출부(830)로부터 입력되는 자세 정보와, 차체 피치 각도 검출부(820)로부터 입력되는 차체 피치 각도 정보로부터 산출되는 보정 전의 버킷 클로 끝의 속도 벡터이다. 이 벡터 V1의 수직 성분은 목표 속도 수직 성분 V1'y와 방향이 동일하며, 그 크기가 제한값 V1'y의 크기를 초과하고 있으므로, 붐 상승으로 발생하는 속도 벡터 V2를 더하여, 보정 후의 버킷 클로 끝 속도 벡터의 수직 성분이 V1'y가 되도록 벡터 V1을 보정하지 않으면 안된다. 벡터 V2의 방향은, 붐(405)의 회동 중심으로부터 버킷 클로 끝(407a)까지의 거리를 반경으로 하는 원의 접선 방향이며, 그때의 프론트 작업 장치(400)의 자세로부터 산출할 수 있다. 그리고, 이 산출한 방향을 갖는 벡터이며, 보정 전의 벡터 V1에 더함으로써 보정 후의 벡터 V1'의 수직 성분이 V1'y가 되는 크기를 갖는 벡터를 V2로서 결정한다. 또한, V2의 크기는, V1과 V1'의 크기와, V1과 V1'이 이루는 각 θ를 이용하여 코사인 정리를 적용함으로써 구해도 된다.

도 6의 테이블과 같이 클로 끝 속도 벡터의 목표 속도 수직 성분 V1'y를 결정하면, 버킷 클로 끝(407a)이 목표면(60)에 가까워짐에 따라 클로 끝 속도 벡터의 수직 성분이 점차 0에 가까워지므로, 목표면(60)의 하방에 클로 끝(407a)이 침입하는 것을 방지할 수 있다.

동작 명령값 생성부(720)는, 각 실린더(32a, 32b, 32c)를 목표 동작 속도 연산부(710)에서 연산한 목표 동작 속도(Vta, Vtb, Vtc)로 동작시키기 위해서, 각 실린더(32a, 32b, 32c)에 대응하는 컨트롤 밸브(25)로 출력해야 할 보정 Pi압(동작 명령값 Pi)을 연산한다. 단, 명령값 보정량 연산부(940)가 명령하는 보정량(보정 동작 속도) Vc가 있는 경우에는 이것을 목표 동작 속도 Vt에 가산하여 보정 Pi압을 산출한다(후술하는 식 (3) 참조). 본 실시 형태에서는 붐 실린더(32a)의 목표 동작 속도 Vta에 대해서만 보정량 Vc가 연산되는 경우가 있지만, 나머지 암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c)의 목표 동작 속도 Vtb, Vtc는 보정되는 일은 없다.

구동 명령부(730)는, 동작 명령값 생성부(720)가 생성한 보정 Pi압에 기초하여, 비례 전자 밸브(27)의 구동에 필요한 제어 전류를 생성하고, 그 제어 전류를 비례 전자 밸브(27)로 출력한다. 이에 의해 컨트롤 밸브(25)에 보정 Pi압이 작용하여 각 실린더(32a, 32b, 32c)가 목표 동작 속도 Vt(Vta, Vtb, Vtc)로 동작하여, 보정량 Vc가 0인 경우(잭 업 각도 φ가 목표값 φt 이하인 경우)에는 버킷 클로 끝(407a)이 목표면(60)을 따라서 동작하고, 붐 실린더(32a)의 목표 동작 속도 Vta에 보정량 Vc가 존재하는 경우(잭 업 각도 φ가 목표값 φt보다 큰 경우)에는 보정량 Vc가 0인 경우보다도 버킷 클로 끝(407a)이 상방에서 궤적을 그리도록 동작한다. 그 때문에 붐 실린더(32a)의 목표 동작 속도 Vta에 보정량 Vc가 존재하는 경우에는 잭 업 각도 φ가 작아져서 목표값 φt에 가까워지는 동작으로 된다.

실린더압 검출부(810)는, 붐 실린더(32a)의 보텀측의 유압실과 로드측의 유압실에 각각 설치된 보텀압 센서(42BBP)와 로드압 센서(42BRP)의 압력 신호를 입력하여, 붐 실린더(32a)의 보텀압 Pbb와 로드압 Pbr을 검출한다.

<잭 업의 판정 방법>

잭 업 판정부(910)는, 목표 동작 속도 연산부(710)로부터 얻어지는 목표 동작 속도 Vt와, 실린더압 검출부(810)로부터 얻어지는 실린더압 정보(붐 실린더(32a)의 로드압 Pbr과 보텀압 Pbb)와, 차체 피치 각도 검출부(820)로부터 얻어지는 차체 피치 각도 정보에 기초하여, 유압 셔블(1)이 잭 업 상태에 있는지 여부를 판정한다. 다음으로 이 판정 방법의 상세에 대하여 설명한다.

유압 셔블(1)이 잭 업 상태인지 여부의 판정은, 목표 동작 속도 Vt와, 붐 실린더의 로드압 Pbr과 보텀압 Pbb, 차체 피치 각도 정보를 이용하여 행한다. 차체(1A)가 잭 업하지 않을 때, 작업 장치(400)의 자중은 붐 실린더(32a)에 의해 지지되고 있다. 그 때문에, 붐 실린더(32a)의 압력은 보텀압 Pbb 쪽이 로드압 Pbr보다도 높게 되어 있다(즉, Pbb>Pbr). 단, 엄밀하게는 보텀측 유압실과 로드측 유압실의 수압 면적에 비례해서 실린더 전체의 추력이 결정되지만, 여기에서는 보텀측 유압실과 로드측 유압실의 수압 면적은 동일하다고 가정하여 설명한다.

한편 차체(1A)가 잭 업하고 있을 때는, 선회체(402)와 주행체(401)의 자중 일부를 작업 장치(400)가 지지하기 때문에, 붐 실린더(32a)의 압력은 보텀압 Pbb 쪽이 로드압 Pbr보다도 낮아진다(즉, Pbb<Pbr). 그래서, 붐 실린더(32a)에 있어서의 보텀측과 로드측의 차압이 소정의 임계값(압력 임계값) P1보다 작으면(즉, Pbb-Pbr<P1), 차체(1A)는 잭 업 상태라고 판단할 수 있다.

이때의 차압의 임계값 P1은, 유압 셔블(1)을 구성하는 각 부분의 질량을 지지하는 지지력과, 붐 실린더(32a)의 보텀압 Pbb와 로드압 Pbr로부터 계산되는 붐 실린더(32a)의 추력에 의해 구할 수도 있고, 실제로 차체(1A)를 잭 업시켰을 때의 붐 실린더(32a)의 보텀압 Pbb와 로드압 Pbr을 측정하고, 그 차압으로부터 구해도 상관없다. 또한, 잭 업할 때의 보텀압을 실험에 의해 미리 계측해 두고, 그 계측값보다도 보텀압이 저하된 것을 가지고 잭 업이라고 판정해도 된다. 또한, 임계값 P1은 0으로 설정하는 것도 가능하다.

그런데, 상기 방법은, 정적 상태이면 차체(1A)가 잭 업하고 있음을 정확하게 판정할 수 있다. 그러나, 붐(405)을 공중에서 정지시킨 상태로부터 하방으로 급동작시키면, 유압 시스템의 구조상, 붐 실린더(32a)의 보텀압 Pbb만이 근소한 시간, 급격하게 저하되는 경우가 있다. 그 결과, 붐 실린더(32a)의 보텀압이 로드압보다도 작아져서, 차체(1A)가 잭 업 상태라고 오판정되는 경우가 있다.

그래서, 본 실시 형태의 실제 기계에 대한 적용 시에는, 오판정을 회피하는 관점에서 이하의 2가지 판단을 추가하는 것이 바람직하다.

첫 번째 판단은, 조작 레버(26)에 붐 하강 조작이 입력되어 붐(405)의 하강 동작이 개시되고 나서 소정의 시간 T1이 경과할 때까지의 동안은 붐 실린더(32a)의 보텀측과 로드측의 차압이 임계값 P1보다 작아도 차체(1A)가 잭 업하지 않았다고 판단하는 것이다. 시간 T1은, 붐 하강 동작에 의해 보텀압 Pbb가 급감히 저하되어 오판정의 가능성이 있는 시간을 미리 계측해 두고, 그 계측한 시간을 기초로 정할 수 있다.

또 하나의 판단은, 버킷(407)이 지면에 접지하면 유압 셔블(1)의 피치 각도가 근소하게 변화되는 것을 이용한다. 즉, 붐(405)의 하강 동작이 개시되고 나서 소정의 시간 T1이 경과할 때까지의 동안에, 차체 피치 각도의 변화량이 소정량(변화량 임계값) θ1 이상 있었는지 여부를 판정하고, 소정량 θ1 이상의 변화가 있는 경우에는, 차체(1A)가 잭 업되었다고 판단하는 것이다.

이상의 두 판단을 추가함으로써, 차체(1A)가 잭 업 상태에 있는지 여부를 정확하게 판단할 수 있다.

잭 업 각도 연산부(920)는, 잭 업 판정부(910)로부터 얻어지는 유압 셔블(1)의 잭 업 상태 정보와, 차체 피치 각도 검출부(820)로부터 얻어지는 차체 피치 각도 정보에 기초하여, 유압 셔블(1)의 잭 업 각도 φ를 연산한다. 잭 업 각도 φ의 연산 방법으로서는, 예를 들어, 잭 업 판정부(910)에 있어서의 판정이 잭 업 상태가 아니라는 판정으로부터 잭 업 상태라는 판정으로 변한 시각의 직전에 있어서의 차체 IMU(경사각 센서)(39)의 검출값에 기초하여 연산된 차체 피치각을 지면의 경사각으로 간주하고, 그 경사각과 현재의 경사각의 편차를 잭 업 각도 φ로 하는 방법이 있다. 또한, 스테레오 카메라나 레이저 스캐너 등으로 지면의 형상을 계측할 수 있어 지면의 경사각을 취득 가능한 경우에는, 그 경사각과 차체 피치 각도의 편차를 잭 업 각도 φ로 할 수 있다. 목표면 설정 장치(50)에 최신의 지면 형상의 3차원 데이터가 저장되어 있는 경우도 마찬가지로 잭 업 각도 φ를 연산할 수 있다.

<조작 분석에 의한 목표 잭 업 각도의 검토>

목표 잭 업 각도 결정부(930)에서는, 목표 동작 속도 연산부(710)로부터 얻어지는 목표 동작 속도 Vt와, 프론트 자세 검출부(830)로부터 얻어지는 자세 정보에 기초하여 유압 셔블(1)의 목표 잭 업 각도 φt를 결정한다. 본 실시 형태에서는, 암(406)의 각도(자세)에 따라서 목표 잭 업 각도 φt를 변화시키는 구성으로 하였다.

도 7은 숙련 오퍼레이터가 딱딱한 토양을 굴삭하고 있을 때의 차체 피치각의 변화를 나타낸다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 딱딱한 토양을 굴삭할 때의 숙련 오퍼레이터의 굴삭 동작에서는, 굴삭 개시의 잭 업 각도 φ가 크고, 굴삭 종료 시의 잭 업 각도 φ가 작다는 사실을 알 수 있다. 이 이유로서, 굴삭 개시는 잭 업을 크게 해서 오퍼레이터가 토양의 상태를 파악하고, 굴삭력을 느낄 수 있는 것이 조작성에 영향을 미치기 때문이다. 한편 굴삭 종료 시에는, 굴삭 동작에 후속하는 붐 상승 조작에 의한 운반 동작으로 빠르게 이행 가능하게 해서 작업 효율을 좋게 하기 위해서, 잭 업하지 않는다. 이것에 따라서 본 실시 형태의 목표 잭 업 각도 φt는, 굴삭 개시 시에 최대 6도로 하고, 굴삭 종료 시에는 0도(잭 업하지 않은 상태)로 하였다.

또한, 굴삭 동작은 암 당기기와 암 밀기의 두 조작에 의해 행해진다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 암 당기기 조작에 의해 굴삭이 행해지는 경우와, 암 밀기 조작에 의해 굴삭이 행해지는 경우의 두 경우로 나누어, 암 각도와 목표 잭 업 각도 φt의 상관 관계를 규정한 상관 테이블을 기억하고 있다. 도 9는 본 실시 형태에 있어서의 암 각도와 목표 잭 업 각도 φt의 상관 관계를 규정한 상관 테이블을 나타내는 도면이다. 도면 중 좌측 테이블 1은 암 당기기 조작인 경우의 상관 테이블이며, 상기 도면 중 우측 테이블 2는 암 밀기 조작인 경우의 상관 테이블이다. 각 테이블의 횡축이 나타내는 「암 각도」는, 암(406)의 선단을 붐(405)에 가장 가까이해서 접었을 때(암 실린더(32b)의 길이가 최대까지 신장되었을 때)의 암(406)의 각도를 최소로 하고, 암(406)의 선단을 붐(405)으로부터 가장 이격해서 늘였을 때(암 실린더(32b)의 길이가 최소까지 단축되었을 때)의 암(406)의 각도를 최대로 하고 있다. 즉, 도 9의 좌측 테이블은, 조작 레버(26)에 암의 당기기 조작이 입력되고 있는 경우의 목표 잭 업 각도를 규정하는 것이며, 암(406)의 자세가 암(406)의 선단부가 차체(1A)에 가까운 자세일수록(즉, 암 실린더(32b)의 길이가 늘어날수록), 목표 잭 업 각도 φt가 작아지도록 설정되어 있다. 한편, 도 9의 우측 테이블은, 조작 레버(26)에 암의 밀기 조작이 입력되고 있는 경우의 목표 잭 업 각도를 규정하는 것이며, 암(406)의 자세가 암(406)의 선단부가 차체(1A)에 가까운 자세일수록(즉, 암 실린더(32b)의 길이가 늘어날수록), 목표 잭 업 각도 φt가 커지도록 설정되어 있다. 또한, 암 각도는 암 IMU(37)의 검출값으로부터 연산 가능하며, 암 실린더 길이는 스트로크 센서(속도 센서(43))의 검출값으로부터 연산 가능하다. 도 9의 두 테이블은, 어느 것이나, 암 각도와 암 실린더 길이의 어느 한쪽을 이용함으로써 목표 잭 업 각도를 연산할 수 있다.

그런데, 굴삭의 개시와 종료의 판정은, 암 조작량(압력 센서(44)의 검출값), 스트로크 센서(속도 센서(43))의 검출값으로부터 얻어지는 암 실린더(32b)의 스트로크 정보, 잭 업 판정부(910)에 의한 잭 업 상태 판정 결과를 이용함으로써 판정할 수 있다. 굴삭 동작의 경우, 암 실린더(32b)가 단축된(작업 장치(400)를 늘인) 상태로부터 굴삭을 개시하고, 암 당기기 동작에 의해 암 실린더(32b)가 신장된(작업 장치(400)를 접은) 상태에서 굴삭을 종료한다. 그래서, 암 당기기 조작이 있고, 또한 암 실린더(32b)가 단축된 상태에서 잭 업이라고 판정된 경우에는, 굴삭 개시 상태(굴삭 개시)라고 판정할 수 있다. 또한, 암 당기기 조작이 계속되고, 암 실린더(32b)가 신장되면 굴삭 종료 상태(굴삭 종료)라고 판정할 수 있다. 또한, 도 9에 있어서의 굴삭 개시와 종료의 중간 영역에서는, 암 실린더(32b)의 스트로크에 따라서 굴삭 개시 상태와 굴삭 종료 상태의 목표 각도(즉, 6도와 0도)를 선형 보간하여 목표 잭 업 각도 φt로 하였다.

<보정량 Vc를 구하는 방법>

명령값 보정량 연산부(940)에서는, 잭 업 각도 결정부(930)로부터 얻어지는 목표 잭 업 각도 정보와, 잭 업 각도 연산부(920)로부터 얻어지는 잭 업 각도 정보를 비교하여, 목표 잭 업 각도 φt보다 유압 셔블(1)의 실제 잭 업 각도(실제 잭 업 각도) φ가 큰 경우에는, 잭 업 각도 φ가 목표 잭 업 각도 φt에 가까워지도록 목표 동작 속도 Vt(붐 실린더(32a)의 목표 동작 속도 Vta)에 따른 보정량 Vc를 연산하여 동작 명령값 생성부(720)로 출력한다. 반대로 실제 잭 업 각도 φ가 목표 잭 업 각도 φt 이하인 경우에는 보정량 Vc를 0으로 하여 Pi압의 보정은 행하지 않는다. 다음으로 보정량 Vc의 구체적인 구하는 방법에 대하여 설명한다.

목표 잭 업 각도 φt보다 실제의 잭 업 각도 φ가 큰 경우, 목표 동작 속도 Vt를 보정한다. 이때의 보정량 Vc의 구하는 방법을, 오퍼레이터 조작에 기초하는 암 당기기와 MC에 의한 붐 상승의 복합 동작에 의해 행해지는 굴삭 동작을 예로 하여 설명한다.

굴삭 중의 잭 업 각도 φ를 작게 함으로써 목표 잭 업 각도 φt에 가까이 하기 위해서는, 목표 동작 속도 연산부(710)에서 연산된 붐 실린더(32a)의 목표 동작 속도 Vta(붐 상승 방향의 붐 실린더 속도)보다도 속도를 크게 하여 버킷(407)을 지면으로부터 보다 빠르게 이격되도록 동작시키면 된다. 그래서, 목표 잭 업 각도 φt보다 실제의 잭 업 각도 φ가 큰 경우에는, 식 (1)에 나타내는 바와 같이 붐 실린더(32a)의 목표 동작 속도 Vt(Vta)를 K(Vt)에 의해 상수배함으로써 보정량 Vc를 연산한다. 이에 의해, 차체(1A)가 너무 잭 업한 경우에는 붐 상승 속도가 빨라지기 때문에, 잭 업 각도 φ가 작아진다.

한편, 목표 잭 업 각도 φt가 잭 업 각도 φ 이하인 경우에는, 목표 동작 속도 Vt(Vta)를 보정하지 않기 때문에, 식 (2)에 나타내는 바와 같이 Vc=0으로 한다.

붐 상승 속도를 크게 하기 위한 상수값 K(Vt)는, 미리 실험적으로 구해도 되고, 암 조작량이나 목표면과의 거리, 목표 동작 속도 Vt 등에 따라서 가변적인 값으로 하여 정해도 된다. 본 실시 형태에서는, 유압 시스템의 특성상, 목표 동작 속도 Vt에 의한 보정이 필요하였기 때문에, 목표 동작 속도 Vt에 따른 함수 K(Vt)를 이용하였다.

동작 명령값 생성부(720)에 있어서, 식 (3)에 나타내는 바와 같이, 보정량 Vc는, 목표 동작 속도 연산부(710)에서 연산된 목표 동작 속도 Vt에 가산되고, 함수 F(Vt)에 의해 보정 Pi압으로 변환된다. 함수 F(Vt)는 목표 동작 속도 Vt에 의한 함수이다.

Vc=Vt×K(Vt) [잭 업 각도>목표 잭 업 각도] …식 (1)

Vc=0 [잭 업 각도≤목표 잭 업 각도] …식 (2)

Pi=(Vt+Vc)×F(Vt) …식 (3)

<제어 수순>

상기와 같이 구성되는 컨트롤러(20)에 의해 실행되는 처리 플로우에 대하여 도 8을 이용하여 설명한다.

컨트롤러(20)는, 암(406)의 밀기 혹은 당기기의 조작 신호 또는 붐 하강의 조작 신호가 조작 레버(26)를 통해 출력되었음이 압력 센서(44)로 확인된 경우에 도 8의 처리를 개시하여 스텝 S10으로 진행된다.

스텝 S10에서는, 잭 업 판정부(910)는, 시간 t를 0으로 리셋함과 함께, 시간t의 계측을 개시하여 스텝 S110으로 진행된다.

스텝 S110에서는, 잭 업 판정부(910)는, 시간 t 내에 있어서 차체 피치 각도의 변화량이 소정량 θ1 이상인지 여부를 판정한다. 소정량 θ1 이상의 차체 피치 각도 변화가 있는 경우에는, 차체(1A)는 붐 하강 조작에 의해 잭 업 상태로 될 가능성이 있다고 판정하여 스텝 S130으로 진행된다. 시간 t 내에서 소정량 θ1보다 작은 차체 피치 각도 변화밖에 없는 경우에는 스텝 S120으로 진행된다.

스텝 S120에서는, 잭 업 판정부(910)는, 스텝 S10에서 시간 t의 계측을 개시하고 나서 소정의 시간 T1이 경과하였는지 여부를 판정한다. 여기서 시간 T1이 경과하였다고 판정된 경우(t>T1)에는 스텝 S130으로 진행된다. 한편, 시간 T1은 아직 경과하지 않았다고 판정된 경우에는 스텝 S110으로 되돌아간다.

스텝 S130에서는, 잭 업 판정부(910)는, 붐 실린더(32a)의 보텀압 Pbb와 로드압 Pbr의 차(차압)가 소정의 임계값 P1보다 작은지 여부(즉, Pbb-Pbr<P1이 성립하는지 여부)에 대하여 판정한다. 이 차압이 임계값 P1보다 차압이 작은 경우에는, 스텝 S150으로 진행된다. 반대로 이 차압이 임계값 P1 이상인 경우에는, 잭 업은 발생하지 않았다고 판단하여 스텝 S320으로 진행된다.

또한, 스텝 S120을 경유해 온 경우에 있어서의 스텝 S130의 판정은 굴삭 동작의 개시부터 종료까지 행하는 것이 바람직하다. 즉, 스텝 S120에서 "예"라고 판정되고, 그 후에 스텝 S130에서 "아니오"라고 판정된 경우에는, 잭 업 판정부(910)가 압력 센서(44)의 검출값에 기초하여 암 조작의 유무를 판정하여, 암 조작이 계속되고 있는 경우에는 스텝 S130으로 되돌아가고, 암 조작이 종료된 경우에는 스텝 S320으로 진행되도록 구성하는 것이 바람직하다.

스텝 S150에서는, 잭 업 판정부(910)는, 차체(1A)가 잭 업 중이라고 판정하고, 스텝 S160으로 진행된다.

스텝 S160에서는, 잭 업 각도 연산부(920)는, 스텝 S150에서 잭 업 중이라고 판정되기 직전의 차체 피치 각도를 기억하고, 그 기억한 차체 피치 각도와 그 시점에서의 차체 피치 각도의 차분으로부터 차체(1A)의 잭 업 각도 φ를 연산한다.

스텝 S210에서는, 목표 잭 업 각도 결정부(930)는, 압력 센서(44)가 검출하는 조작 신호에 기초하여 암 조작이 당기기 조작인지 여부를 판정한다. 암 조작이 당기기 조작인 경우에는 스텝 S220으로 진행된다. 암 조작이 밀기 조작인 경우에는, 스텝 S230으로 진행된다. 또한, 붐 하강에서 잭 업이 발생한 경우(즉 스텝 S110에서 "예"라고 판정된 후에, 스텝 S130에서 "예"라고 판정된 경우)에도, 붐 하강의 후에 암 당기기 또는 암 밀기의 조작이 입력되는 것이 통상적이기 때문에 특별히 지장은 없다.

스텝 S220에서는, 목표 잭 업 각도 결정부(930)는, 도 9의 테이블 1을 참조하고, 그 때의 암 각도에 따라서 목표 잭 업 각도 φt를 결정한다.

스텝 S230에서는, 목표 잭 업 각도 결정부(930)는, 도 9의 테이블 2를 참조하고, 그 때의 암 각도에 따라서 목표 잭 업 각도 φt를 결정한다.

스텝 S240에서는, 명령값 보정량 연산부(940)는, 스텝 S160에서 연산한 잭 업 각도 φ가, 스텝 S220 또는 스텝 S230에서 결정한 목표 잭 업 각도 φt보다 큰지 여부를 판정한다. 목표 잭 업 각도 φt보다 큰 경우에는 스텝 S310으로 진행된다. 한편, 목표 잭 업 각도 φt 이하인 경우에는 스텝 S320으로 진행된다.

스텝 S310에서는, 명령값 보정량 연산부(940)는, 식 (1)에 기초하여 붐 실린더(32a)의 속도에 관한 보정량 Vc를 연산하고, 그 보정량 Vc와 목표 동작 속도 Vt와 식 (3)을 이용하여 붐 실린더(32a)의 보정 Pi압을 연산하고, 스텝 S330으로 진행된다. 또한, 암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c)의 속도는 목표 동작 속도 Vt로부터 보정 Pi압을 연산한다.

스텝 S320에서는, 명령값 보정량 연산부(940)는, 식 (2)에 기초하여 붐 실린더(32a)의 속도에 관한 보정량 Vc를 0으로 하고, 목표 동작 속도 Vt와 식 (3)을 이용하여 붐 실린더(32a)의 보정 Pi압을 연산하고, 스텝 S330으로 진행된다. 이 경우, 보정 Pi압은 보정되지 않는다. 또한, 암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c)의 속도는 목표 동작 속도 Vt로부터 보정 Pi압을 연산한다.

스텝 S330에서는, 구동 명령부(730)는, 스텝 S310 또는 S320에서 연산된 보정 Pi압을 비례 전자 밸브(27)로 출력하기 위한 제어 전류를 연산하고, 그 제어 전류를 대응하는 비례 전자 밸브(27)로 출력함으로써 대응하는 유압 실린더(32a, 32b, 32c)를 구동한다.

또한, 상기에서는 암 조작이나 붐 하강 조작이 있었을 때 도 8의 플로우를 개시하였지만, 붐 하강 조작만을 트리거로 하여 플로우를 개시해도 된다. 통상, 굴삭 동작은, 우선 붐 하강에 의해 버킷을 굴삭 개시 위치로 이동시키는 동작이 행해지고, 그 후 머지않아 암의 당기기 조작 또는 밀기 조작에 의해 굴삭 동작이 개시되기 때문에, 스텝 S210에서 암 조작의 판정 처리가 실행될 때까지는 암 조작이 입력되고, 스텝 S210의 판정에 지장은 발생하지 않을 것으로 생각되기 때문이다.

<동작·효과>

이상과 같이 구성한 본 실시 형태의 유압 셔블에 있어서, 암(405)을 당기기 조작하여 굴삭 동작을 개시한 경우에, 토양이 딱딱해서 차체(1A)에 잭 업이 발생한 경우에는, 그 잭 업 각도 φ가 목표값(목표 잭 업 각도) φt를 초과할 때까지는 잭 업 각도를 작게 하는 MC는 실행되지 않는다. 그 때문에, 잭 업 각도가 목표값을 초과할 때까지의 동안에는, 오퍼레이터는 잭 업 각도의 대소로부터 굴삭력의 상태(토양의 경도 상태)를 직감적으로 파악할 수 있음과 함께, 자신의 조작에 의해 굴삭력을 조정할 수 있다. 그리고, 잭 업 각도의 목표값은, 숙련 오퍼레이터가 딱딱한 토양을 굴삭하는 경우의 잭 업 각도의 경향에 맞춰서 암의 각도가 작아질수록 (즉, 굴삭 동작이 종료에 가까워질수록) 작아지도록 설정되어 있으며, 굴삭 동작의 진척에 맞춰서 실제의 잭 업 각도가 MC에 의해 반자동적으로 목표값에 가까워지도록 구성되어 있다. 이에 의해 굴삭의 개시 시에는 굴삭력을 가능한 범위에서 최대화할 수 있으므로, 딱딱한 토양을 효율 좋게 굴삭할 수 있다. 또한, 오퍼레이터의 기량에 관계 없이 숙련 오퍼레이터와 동등한 잭 업 각도로 굴삭할 수 있게 되므로, 미숙한 오퍼레이터라도 딱딱한 토양을 효과적으로 굴삭할 수 있게 되는 것을 기대할 수 있다. 또한, 숙련 오퍼레이터에 대해서는 실제의 잭 업 각도가 목표값 이하의 범위에서는 자신의 조작에 의해 굴삭력을 조정할 수 있으므로 조작성이 저하되는 경우도 없다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 영역 제한 제어(MC)가 실행되는 유압 셔블에 있어서 잭 업 상태 시의 오퍼레이터의 조작성을 양호하게 유지할 수 있다.

또한, 상기 유압 셔블에서는, 굴삭의 개시 시에는 목표 잭 업 각도를 상대적으로 크게, 굴삭의 종료 시에는 목표 잭 업 각도가 0에 가까워지도록 설정되어 있으므로, 굴삭 동작의 종료 후에 행해지는 운반 동작을 신속히 개시할 수 있기 때문에, 작업 효율의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 잭 업의 발생 유무를 붐 실린더(32a)의 보텀측 유압실과 로드측 유압실의 차압에 기초하여 판정하는 방법에서는, 작업 장치(400)를 정지시킨 상태로부터 급히 붐 하강을 행한 경우에, 실제로는 잭 업이 미발생이어도 잭 업이 발생했을 때와 동일한 차압값을 취하기 때문에, 잭 업을 오판정할 우려가 있었다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 붐 하강 조작으로부터 소정 시간 T1이 경과할 때까지의 동안에 차체 피치각이 소정량 이상 변화한 경우에 잭 업 각도가 발생하였다고 판정하도록 구성하였으므로, 그와 같은 오판정의 발생을 방지할 수 있다.

<변형예>

그런데, 목표 잭 업 각도 φt는, 도 10에 도시한 바와 같이 목표면 거리 D가 작아질수록 작게 설정하는 것이 바람직하다. 차체(1A)가 너무 잭 업하면 토양이 급격하게 물러졌을 때 목표면(60)보다 과굴삭할 우려나, 굴삭이 종료될 때 운반 동작으로 바로 이행할 수 없어, 작업 효율이 저하될 우려가 있지만, 이와 같이 목표 잭 업 각도 φt를 설정하면, 목표면 거리 D가 작고 목표면(60)과 버킷 클로 끝(407a) 사이의 거리가 가까운 경우에는, 목표 잭 업 각도 φt가 작게 설정되어 실시의 잭 업 각도가 억제되므로, 목표면(60)을 과굴삭해 버린다는 사태의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 목표면 거리 D가 크고 목표면(60)과 버킷 클로 끝(407a) 사이의 거리가 이격되어 있는 경우에는, 잭 업에 의해 굴삭력을 증대시킬 수 있어, 작업 효율의 향상을 기대할 수 있다.

<기타>

상기에서는 컨트롤러(20)가 실행하는 영역 제한 제어의 설명을 간단하게 하기 위해서 굴삭 작업 시에 암 조작만을 하는 것을 전제로 한 개소가 있지만, 컨트롤러(20)가 실행하는 처리나 프로그램(도 4의 컨트롤러(20) 내의 각 부)은 붐 조작이나 버킷 조작이 있어도 영역 제한 제어가 정상적으로 기능하도록 구성되어 있음은 물론이다.

또한 상기에서는, 붐 실린더(32a)(붐(405))만이 MC되었지만, 암 실린더(32b)나 버킷 실린더(32c)도 MC되도록 구성해도 된다. 이 경우, 명령값 보정량 연산부(940)에서는 MC된 실린더의 목표 동작 속도 Vt에 대해서 보정량 Vc가 연산되게 된다.

또한, 상기 도 8의 스텝 S10, S110, S120의 처리는 생략 가능하다.

또한, 본 발명은, 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은, 상기 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되지 않고, 그 구성의 일부를 삭제한 것도 포함된다. 또한, 어떤 실시 형태에 따른 구성의 일부를, 다른 실시 형태에 따른 구성에 추가 또는 치환하는 것이 가능하다.

또한, 상기 제어 장치(컨트롤러(20))에 따른 각 구성이나 당해 각 구성의 기능 및 실행 처리 등은, 그들의 일부 또는 전부를 하드웨어(예를 들어 각 기능을 실행하는 로직을 집적 회로로 설계하는 등)로 실현해도 된다. 또한, 상기 제어 장치에 따른 구성은, 연산 처리 장치(예를 들어 CPU)에 의해 판독·실행됨으로써 당해 제어 장치의 구성에 따른 각 기능이 실현되는 프로그램(소프트웨어)으로 해도 된다. 당해 프로그램에 따른 정보는, 예를 들어, 반도체 메모리(플래시 메모리, SSD 등), 자기 기억 장치(하드디스크 드라이브 등) 및 기록 매체(자기 디스크, 광 디스크 등) 등에 기억할 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태의 설명에서는, 제어선이나 정보선은, 당해 실시 형태의 설명에 필요하다고 이해되는 것을 나타내었지만, 반드시 제품에 따른 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있는 것만은 아니다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.

1: 유압 셔블
20: 컨트롤러(제어 장치)
21: 엔진
21c: 버킷 실린더
22: 엔진 컨트롤 유닛(ECU)
23: 유압 펌프
24: 기어 펌프(파일럿 펌프)
25: 컨트롤 밸브
26: 조작 레버(조작 장치)
27: 비례 전자 밸브
28: 선회 유압 모터
32a: 붐 실린더
32b: 암 실린더
32c: 버킷 실린더
33: 주행 유압 모터
40: 안테나
41: 압력 센서
42: 압력 센서
42BBP: 붐 보텀압 센서
42BBP: 붐 보텀압 센서
43: 속도 센서
44: 압력 센서
50: 목표면 설정 장치
51: 엔진 컨트롤 다이얼
60: 목표면
400: 프론트 작업 장치(작업 장치)
401: 주행체
402: 선회체
403: 운전석
405: 붐
406: 암
407: 버킷
407a: 버킷 클로 끝
700: 목표면 거리 연산부
710: 목표 동작 속도 연산부
720: 동작 명령값 생성부
730: 구동 명령부
740: 위치 연산부
810: 실린더압 검출부
820: 차체 피치 각도 검출부
830: 프론트 자세 검출부
910: 잭 업 판정부
920: 잭 업 각도 연산부
930: 목표 잭 업 각도 결정부
940: 명령값 보정량 연산부

Claims

주행체 및 선회체로 이루어지는 차체와,
붐 및 암을 갖고, 상기 선회체에 설치된 작업 장치와,
유압 펌프로부터 토출되는 작동유에 의해 구동되고, 상기 작업 장치를 동작시키는 복수의 유압 실린더와,
오퍼레이터의 조작에 따라서 상기 작업 장치의 동작을 지시하는 조작 장치와,
상기 조작 장치가 조작되고 있는 동안, 임의로 설정된 목표면 위 또는 그 상방에 상기 작업 장치가 위치하도록, 상기 복수의 유압 실린더 중 적어도 하나의 유압 실린더를 제어하는 영역 제한 제어를 실행하는 제어 장치를 구비하는 작업 기계에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 영역 제한 제어의 실행 중에, 지면에 대한 상기 차체의 경사 각도인 잭 업 각도가 미리 설정된 목표값보다 큰 경우, 상기 잭 업 각도가 상기 목표값에 가까워지도록 상기 적어도 하나의 유압 실린더 제어를 보정하고,
상기 목표값은, 상기 암의 자세에 따라서 변화되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 조작 장치에 상기 암의 당기기 조작이 입력되고 있는 경우, 상기 암의 자세가 상기 암의 선단부가 상기 차체에 가까운 자세일수록, 상기 목표값을 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 조작 장치에 상기 암의 밀기 조작이 입력되고 있는 경우, 상기 암의 자세가 상기 암의 선단부가 상기 차체에 가까운 자세일수록, 상기 목표값을 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 조작 장치에 상기 암의 당기기 조작이 입력되고 있는 경우, 상기 복수의 유압 실린더 중 상기 암을 구동하는 암 실린더의 길이가 늘어날수록 상기 목표값을 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 조작 장치에 상기 암의 밀기 조작이 입력되고 있는 경우, 상기 복수의 유압 실린더 중 상기 암을 구동하는 암 실린더의 길이가 늘어날수록 상기 목표값을 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 추가로, 상기 작업 장치와 상기 목표면 사이의 거리가 가까워질수록, 상기 목표값을 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 조작 장치에 의해 상기 붐의 하강 조작이 개시되고 나서 소정의 시간이 경과한 후에, 상기 복수의 유압 실린더 중 상기 붐을 구동하는 붐 실린더의 보텀압과 로드압의 차가 소정의 압력 임계값보다 작을 때, 상기 차체가 잭 업 상태임을 판정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제7항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 조작 장치에 의해 상기 붐의 하강 조작이 개시되고 나서 소정의 시간이 경과할 때까지의 동안에, 상기 차체의 경사각의 변화량이 소정의 변화량 임계값 이상으로 되고, 또한, 상기 복수의 유압 실린더 중 상기 붐을 구동하는 붐 실린더의 보텀압과 로드압의 차가 소정의 압력 임계값보다 작을 때, 상기 차체가 잭 업 상태임을 판정하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 차체의 경사각을 검출하는 경사각 센서를 추가로 구비하고,
상기 제어 장치는, 상기 차체와 잭 업 상태라고 판정된 시각의 직전에 있어서의 상기 경사각 센서의 검출값에 기초하여 상기 잭 업 각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.