KR20210116606A - 작업 기계 - Google Patents

Abstract

메인컨트롤러는, 복수의 설계면 중 서로 인접하는 제1 설계면 및 제2 설계면의 연결부 또는 당해 연결부의 상방을 통과하고, 한쪽의 단부가 제1 설계면 상에 위치하고, 다른 쪽의 단부가 제2 설계면 상에 위치하는 보완 후 설계면을 생성하고, 조작 레버 장치의 암 조작량에 따라서 보완 후 설계면의 곡률 1/R을 설정하고, 보완 후 설계면에 포함되는 어느 하나의 면을 목표면으로 설정하여 붐 실린더를 제어하는 반자동 굴삭 제어를 행한다.

Description

작업 기계

본 발명은 작업 장치를 구비하는 유압 셔블 등의 작업 기계에 관한 것이다.

대표적인 작업 기계인 유압 셔블을 사용하여 설계면의 시공을 행할 때, 설계면의 3차원 데이터(3차원 설계 데이터)를 사용하여 오퍼레이터 조작을 보정함으로써 프론트 작업 장치를 반자동적으로 동작시켜, 설계면에 따른 굴삭 성형 작업을 실시하는 제어 시스템이 알려져 있다. 이 제어 시스템의 일례로서는, 오퍼레이터의 암 조작에 기초하여 암을 동작시킬 때, 프론트 작업 장치에 설정한 작업점(예를 들어 버킷 클로 끝)이 설계면에 침입하지 않도록, 또는, 당해 작업점이 설계면을 따라서 동작하도록, 예를 들어 붐 상승 동작을 자동으로 가하여 당해 작업점의 동작 방향을 보정하는 제어(이하, 이러한 제어를 「반자동 굴삭 제어」라고 칭하는 경우가 있다)를 행하는 경우가 있다.

그런데, 일반적으로, 지형의 설계 데이터의 단면에는 복수의 설계면이 포함된다. 예를 들어, 하천 제방의 단면도에는, 하천 부지(증수 시에 침수되는 평탄면(고수부지))과, 제방의 상단부면(천단)과, 그것들을 연결하는 경사면(법면)의 3개의 설계면이 적어도 포함된다. 이러한 복수의 설계면으로 이루어지는 설계 데이터에 기초한 시공에서는, 서로 인접하는 경사가 다른 2개의 설계면의 연결부를 버킷이 통과하기 전후에서, 어느 쪽의 설계면에 대해서든 버킷이 침입하지 않도록 성형 작업을 행할 필요가 있다.

이러한 종류의 요구에 대하여 특허문헌 1에는, 제1 설계면과 버킷의 거리로부터 제1 후보 속도를 취득하고, 제2 설계면과 버킷의 거리로부터 제2 후보 속도를 취득하고, 제1 설계면과 제2 설계면의 각각과 버킷의 상대 관계에 기초하여 제1 후보 속도와 제2 후보 속도의 어느 한쪽을 제한 속도로서 선택하고, 당해 선택된 제한 속도에 관련한 설계면에 대한 버킷의 상대 속도를 당해 선택된 제한 속도로 제한하는 굴삭 제어 시스템이 개시되어 있다.

또한 특허문헌 1에는 상기 제한 속도의 선택의 구체예로서, (1) 2개의 설계면 중 버킷으로부터의 거리가 가까운 설계면에 관련한 제한 속도를 선택하는 것과, (2) 2개의 설계면 중 오퍼레이터의 암 조작에 대하여 자동적으로 행하여지는 붐 상승의 속도(붐 실린더의 목표 속도에 대응하는 조정 속도)가 큰 설계면에 관련한 제한 속도를 선택하는 것이 개시되어 있다.

국제 공개 제2012/127913호

그러나, 특허문헌 1이 개시하는 굴삭 제어 시스템에서는, 2개의 설계면의 연결부를 버킷이 통과할 때에 붐 실린더의 목표 속도에 급격한 변화가 발생할 수 있기 때문에, 오퍼레이터의 조작량에 따라서는 어느 것인가의 설계면에 버킷이 침입할 우려가 있다. 이 점에 대하여, 도 12에 도시하는 바와 같이 경사가 다른 2개의 설계면을 굴삭하는 경우를 예로 들어서 설명한다.

먼저, 상기 (1)의 방법에 준하여 2개의 설계면 중 버킷으로부터의 거리가 가까운 설계면을 선택하는 경우에 있어서, 버킷과 한쪽의 설계면의 거리를 0으로 유지하면서 성형 작업을 행하고 있었던 때에는, 버킷이 다른 쪽의 설계면에 접하여 거리가 0이 된 타이밍에 당해 다른 쪽의 설계면이 선택된다. 이때, 붐에 요구되는 속도 명령값(붐 실린더의 목표 속도)의 변화의 일례를 도 13의 (a)에 도시한다. 설계면의 전환의 순간은 점선 동그라미로 둘러싼 부분에 상당하고, 설계면의 전환의 전후에 속도 명령값(목표 속도)에 급격한 변화가 발생한다.

다음으로, 상기 (2)의 방법에 준하여 2개의 설계면 중 자동적으로 행하여지는 붐 상승의 속도가 큰 설계면을 선택하는 경우에 있어서, 설계면이 전환될 때에 붐에 요구되는 속도 명령값의 변화의 일례를 도 13의 (b)에 도시한다. 도 13의 (a)와 마찬가지로 전환의 순간은 점선 동그라미로 둘러싼 부분에 상당한다. 이 경우, 도 13의 (a)의 경우보다도 빠른 타이밍에 설계면이 전환되기 때문에, 도 13의 (a)의 경우보다도 속도 명령값의 변화는 억제되지만, 여전히 급격한 속도 변화가 발생한다.

또한, 상기 (1), (2)의 어느 방법을 취하는 경우에 있어서든, 붐에 요구되는 속도 명령값의 변화가 급격한 경우에는, 그 변화에 붐의 실제 동작을 추종할 수 없어, 전환 후의 설계면에 버킷이 침입할 우려가 있다. 이러한 경우에도, 설계면이 전환되기 전에 오퍼레이터가 암 조작을 완화하여 암 속도를 저감하면, 설계면에의 버킷의 침입을 방지할 수 있을 가능성이 높아진다. 그러나 그 경우, 오퍼레이터에게 요구되는 조작이 번잡해지는 동시에 암 속도도 느려지기 때문에, 작업량이 감소할 가능성이 있다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 반자동 굴삭 제어가 가능한 작업 기계에 있어서, 경사가 다른 2개의 설계면의 연결부를 작업점(예를 들어 버킷 클로 끝)이 통과할 때에, 오퍼레이터의 조작량에 상관없이 당해 2개의 설계면의 어느 것에든 작업점(버킷 클로 끝)이 침입하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 그 때에 작업량이 감소하는 것도 억제할 수 있는 작업 기계를 제공하는 데 있다.

본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있는데, 그 일례를 들면, 작업 장치와, 상기 작업 장치를 구동하는 복수의 액추에이터와, 상기 복수의 액추에이터를 조작하기 위한 조작 장치와, 상기 복수의 액추에이터의 적어도 하나의 구동을 제어하는 컨트롤러를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 작업 장치의 동작 평면 상에 규정된 복수의 설계면 중 서로 인접하는 제1 설계면 및 제2 설계면의 연결부 또는 당해 연결부의 상방을 통과하고, 한쪽의 단부가 상기 제1 설계면 상에 위치하고, 다른 쪽의 단부가 상기 제2 설계면 상에 위치하는 보완 후 설계면을 생성하고, 상기 보완 후 설계면의 곡률을 상기 조작 장치의 조작량에 따라서 설정하고, 상기 보완 후 설계면 상에 목표면을 설정하고, 상기 작업 장치에 설정한 작업점이 상기 목표면 상 또는 상기 목표면의 상방에 유지되도록 상기 복수의 액추에이터의 적어도 하나를 제어하는 반자동 굴삭 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 경사가 다른 2개의 설계면의 연결부를 작업점이 통과할 때에, 오퍼레이터의 조작량에 상관없이 당해 2개의 설계면의 어느 것에든 작업점이 침입하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 그 때에 작업량이 감소하는 것도 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 내지 제3 실시 형태에 있어서의 작업 기계를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 작업 기계에 탑재된 유압 구동 장치를 도시하는 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 작업 기계에 탑재된 제어 장치를 도시하는 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시하는 정보 처리부의 제1 실시 형태에 있어서의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 있어서의 설계면 연결부의 보완 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 보완된 설계면을 따라서 굴삭하는 작업 기계를 도시하는 도면이다.
도 7은 보완된 설계면을 따라서 굴삭하는 작업 기계의 붐 실린더에 발생하는 속도를 도시한 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태에 있어서의 제어의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 9는 도 3에 도시하는 정보 처리부의 제2 실시 형태에 있어서의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.
도 10은 제2 실시 형태에 있어서의 제어의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 11은 제3 실시 형태에 있어서 설계면 연결부의 보완 방법을 도시한 도면이다.
도 12는 선행 기술에 있어서, 복수의 설계면으로 이루어지는 설계 데이터에 기초한 시공을 행하는 작업 기계를 도시하는 도면이다.
도 13은 선행 기술에 있어서, 도 11에 도시하는 시공 시에 작업 기계의 붐 실린더에 발생하는 속도를 도시한 도면이다.
도 14는 곡선 길이와 보완면의 곡률의 관계식의 예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

<제1 실시 형태>

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관련한 작업 기계를 도시하는 사시도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관련한 작업 기계는, 차체인 하부 주행체(9) 및 상부 선회체(10)와, 복수의 프론트 부재(11, 12, 8)에 의해 구성되는 다관절형의 작업 장치(프론트 작업 장치)(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) 상에 선회 가능하게 탑재되고, 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)(제1 유압 펌프(2a)와 제2 유압 펌프(2b)(도 2 참조))와, 컨트롤 밸브(20)와, 유압 셔블의 각종 제어를 담당하는 컨트롤러(500)(도 2, 3 등 참조)가 탑재되어 있다.

작업 장치(15)는, 상부 선회체(10)의 전방부에 요동 가능하게 설치되어 있다. 작업 장치(15)는, 요동 가능한 프론트 부재인 붐(11), 암(12), 버킷(8)을 갖는 다관절 구조를 갖는다. 붐(11)은 붐 실린더(5)의 신축에 의해 상부 선회체(10)에 대하여 요동하고, 암(12)은 암 실린더(6)의 신축에 의해 붐(11)에 대하여 요동하고, 버킷(8)은 버킷 실린더(7)의 신축에 의해 암(12)에 대하여 요동한다. 즉, 붐 실린더(5), 암 실린더(6) 및 버킷 실린더(7)는 작업 장치(15)를 구성하는 복수의 프론트 부재(11, 12, 8)를 구동한다.

컨트롤러(500)에 있어서 작업 장치(15)에 설정한 임의의 점(작업점)의 위치를 산출하기 위하여, 유압 셔블은, 예를 들어 상부 선회체(10)와 붐(11)의 연결부 근방에 마련되고, 붐(11)의 수평면에 대한 각도(붐 각도)를 검출하는 제1 자세 센서(13a)와, 예를 들어 붐(11)과 암(12)의 연결부 근방에 마련되고, 암(12)의 수평면에 대한 각도(암 각도)를 검출하는 제2 자세 센서(13b)와, 예를 들어 암(12)과 버킷(8)을 연결하는 버킷 링크(8a)에 마련되고, 버킷 링크(8a)의 수평면에 대한 각도(버킷 각도)를 검출하는 제3 자세 센서(13c)와, 수평면에 대한 상부 선회체(10)의 경사 각도(롤각, 피치각)를 검출하는 차체 자세 센서(13d)를 구비하고 있다. 또한, 자세 센서(13a-13d)로서는 예를 들어 IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 계측 장치)가 사용 가능하다. 또한, 제1 자세 센서(13a)로부터 제3 자세 센서(13c)는 상대 각도를 검출하는 센서(예를 들어 포텐시오미터)여도 된다.

이들 자세 센서(13a∼13d)가 검출한 각도는 각각, 붐 각도 데이터, 암 각도 데이터, 버킷 각도 데이터, 차체 각도 데이터로 이루어지는 자세 데이터로서, 후술하는 컨트롤러(500) 내의 정보 처리부(100)에 입력되고 있다.

상부 선회체(10)에는 운전실이 구비되어 있다. 운전실 내에는 작업 장치(15)(프론트 부재(11, 12, 8)), 상부 선회체(10) 및 하부 주행체(9)를 조작하기 위한 조작 장치로서, 주행용 우 조작 레버 장치(1a), 주행용 좌 조작 레버 장치(1b), 우 조작 레버 장치(1c) 및 좌 조작 레버 장치(1d) 등이 배치되어 있다. 주행용 우 조작 레버 장치(1a)는 우 주행 유압 모터(3a)의 동작 지시를, 주행용 좌 조작 레버 장치(1b)는 좌 주행 유압 모터(3b)의 동작 지시를, 우 조작 레버 장치(1c)는 붐 실린더(5)(붐(11))와 버킷 실린더(7)(버킷(8))의 동작 지시를, 좌 조작 레버 장치(1d)는 암 실린더(6)(암(12))와 선회 유압 모터(4)(상부 선회체(10))의 동작 지시를 하기 위한 것이다. 본 실시 형태의 조작 장치(1a-1d)는 전기 레버이며, 조작 장치(1a-1d)에 대하여 오퍼레이터에 의해 입력되는 조작량(조작 장치(1a-1d)의 조작량)에 따른 조작 신호(전압 신호)를 생성하여 컨트롤러(500)로 출력하고 있다. 또한, 조작 장치(1a-1d)를 유압 파일럿식으로 하고, 압력 센서로 조작량을 검출하여 컨트롤러(500)에 입력해도 된다.

컨트롤 밸브(20)는, 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 유압 펌프 장치(2)로부터 공급되는 압유의 흐름(유량과 방향)을 제어하는 복수의 방향 제어 밸브(예를 들어 후술하는 도 2의 방향 제어 밸브(21, 22, 23))를 포함하는 밸브 장치이다. 컨트롤 밸브(20) 내의 방향 제어 밸브는, 컨트롤러(500)로부터 출력되는 명령 전류(제어 밸브 구동 신호)에 기초하여 전자 비례 밸브(예를 들어 후술하는 도 2의 전자 비례 밸브(21a∼23b))가 생성하는 신호압에 의해 구동되고, 유압 액추에이터(3-7)의 각각에 공급되는 압유의 흐름(유량과 방향)을 제어하고 있다. 컨트롤러(500)로부터 출력되는 구동 신호는, 조작 레버 장치(1a-1d)로부터 출력되는 조작 신호(조작 정보)를 기초로 생성된다.

도 2는 도 1에 도시된 유압 셔블의 유압 구동 장치의 구성도이다. 또한, 설명의 간략화를 위해, 유압 액추에이터로서 붐 실린더(5)와 암 실린더(6), 버킷 실린더(7)만을 구비한 구성으로서 설명하고, 본 발명의 실시 형태와 직접적으로 관계하지 않는 드레인 회로 등의 도시와 설명은 생략한다. 또한, 종래의 유압 구동 장치와 구성 및 동작이 마찬가지인 로드 체크 밸브 등의 설명은 생략한다.

도 2의 유압 구동 장치에 있어서, 유압 펌프 장치(2)는, 제1 유압 펌프(2a)와 제2 유압 펌프(2b)를 구비하고 있다. 제1 유압 펌프(2a)와 제2 유압 펌프(2b)는, 엔진(14)에 의해 구동되고, 각각 제1 펌프 라인(L1)과 제2 펌프 라인(L2)에 압유를 공급한다. 본 실시 형태에서는, 제1 유압 펌프(2a) 및 제2 유압 펌프(2b)는 고정 용량형의 유압 펌프로서 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 가변 용량형의 유압 펌프를 사용하여 구성해도 된다.

컨트롤 밸브(20)에는, 제1 펌프 라인(L1)과 제2 펌프 라인(L2)으로 이루어지는 2 계통의 펌프 라인이 마련되어 있다. 제1 펌프 라인(L1)에는, 붐 실린더(5)에 공급되는 압유의 흐름(유량과 방향)을 제어하는 붐 방향 제어 밸브(22)와, 버킷 실린더(7)에 공급되는 압유의 흐름을 제어하는 버킷 방향 제어 밸브(21)가 접속되어 있다. 이에 의해 제1 유압 펌프(2a)가 토출하는 압유는 붐 실린더(5)와 버킷 실린더(7)에 공급된다. 마찬가지로, 제2 펌프 라인(L2)에는, 암 실린더(6)에 공급되는 압유의 흐름을 제어하는 암 방향 제어 밸브(23)가 접속되어 있고, 제2 유압 펌프(2b)가 토출하는 압유는 암 실린더(6)에 공급된다. 또한, 붐 방향 제어 밸브(22)와 버킷 방향 제어 밸브(21)는 패럴렐 회로(L1a)에 의해, 분류 가능하게 구성되어 있다

또한, 제1 펌프 라인(L1)과 제2 펌프 라인(L2)에는, 각각 개별로 릴리프 밸브(26, 27)가 접속되어 있다. 각각의 펌프 라인(L1, L2)의 압력이 미리 설정된 릴리프압에 도달한 경우, 각각의 릴리프 밸브(26, 27)가 개구되어 압유를 탱크에 내보낸다.

붐 방향 제어 밸브(22)는, 전자 비례 밸브(22a, 22b)에 의해 생성되는 신호압에 의해 동작한다. 마찬가지로, 암 방향 제어 밸브(23)는 전자 비례 밸브(23a, 23b)의 신호압에 의해, 버킷 방향 제어 밸브(21)는 전자 비례 밸브(21a, 21b)의 신호압에 의해 동작한다.

이들 전자 비례 밸브(21a∼23b)는, 파일럿 유압원(29)으로부터 공급되는 파일럿압유(1차압)를 메인컨트롤러(500)로부터 출력되는 명령 전류(제어 밸브 구동 신호)에 기초하여 감압하고 있고, 그렇게 하여 생성한 신호압을 각 방향 제어 밸브(21∼23)로 출력한다.

우 조작 레버 장치(1c)는, 조작 레버의 조작량과 조작 방향에 따른 전압 신호를, 붐 조작량 데이터 및 버킷 조작량 데이터로서 메인컨트롤러(500)로 출력한다. 마찬가지로, 좌 조작 레버(1d)는, 조작 레버의 조작량과 조작 방향에 따른 전압 신호를, 암 조작량 데이터로서 메인컨트롤러(500)로 출력한다.

메인컨트롤러(500)는, 조작 레버 장치(1c, 1d)로부터 입력되는 각 프론트 부재(11, 12, 8)에의 조작량 데이터와, 설계면 설정 장치(18)로부터 입력되는 설계면의 위치 데이터(설계면 데이터)와, 각도 검출기(13a∼13d)로부터 입력되는 유압 셔블의 자세 데이터와, 유압 셔블의 치수에 관한 데이터이며 차체 정보 기억 장치(19)로부터 입력되는 치수 데이터에 기초하여, 각 전자 비례 밸브(21a∼23b)를 제어하는 명령 신호(명령 전류)를 연산하고, 연산한 명령 신호를 각 전자 비례 밸브(21a∼23b)로 출력한다.

(설계면 설정 장치(18))

설계면 설정 장치(18)는, 지형(작업 대상물)의 완성 형상을 규정하는 설계면의 설정이나, 설정된 설계면의 위치 데이터(설계면 데이터)의 기억에 이용되는 장치이며, 설계면 데이터를 메인컨트롤러(500)로 출력한다. 설계면 데이터는 설계면의 3차원 형상을 규정하는 데이터이며, 본 실시 형태에서는 설계면의 위치 정보나 각도 정보가 포함되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 설계면의 위치는 상부 선회체(10)(유압 셔블(1))와의 상대 거리 정보(즉, 상부 선회체(10)(유압 셔블(1))에 설정된 좌표계(차체 좌표계)에 있어서의 설계면의 위치 데이터), 설계면의 각도는 중력 방향에 대한 상대 각도 정보로서 정의되어 있는 것으로 하는데, 위치를 지구상에서의 위치 좌표(즉, 글로벌 좌표계에서의 위치 좌표), 각도를 차체와의 상대 각도 등으로 하는 경우도 포함하여, 적당한 변환을 행한 데이터를 이용해도 된다.

또한, 설계면 설정 장치(18)는, 미리 설정한 설계면 데이터의 기억 기능을 구비하고 있으면 되고, 예를 들어 반도체 메모리 등의 기억 장치로도 대체 가능하다. 그 때문에 설계면 데이터를 예를 들어 컨트롤러(500) 내의 기억 장치나 유압 셔블에 탑재된 기억 장치에 기억한 경우에는 생략 가능하다.

(차체 정보 기억 장치(19))

차체 정보 기억 장치(19)는, 미리 계측된 유압 셔블을 구성하는 각 부(예를 들어, 하부 주행체(9), 상부 선회체(10), 프론트 작업 장치(15)를 구성하는 각 프론트 부재(11, 12, 8))의 치수 데이터의 기억에 이용되는 장치이며, 치수 데이터를 메인컨트롤러(500)로 출력한다.

(메인컨트롤러(500))

메인컨트롤러(500)는, 유압 셔블에 관한 각종 제어를 담당하는 컨트롤러이다. 메인컨트롤러(500)는, 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면 상에 규정된 복수의 설계면 중 1개를 목표면으로서 설정하고, 프론트 작업 장치(15)에 설정한 작업점(예를 들어, 버킷(8)의 클로 끝)의 이동 범위가 목표면 상 또는 목표면의 상방에 유지되도록 각 프론트 부재(11, 12, 8)에 관한 목표 속도(예를 들어, 유압 실린더(5, 6, 7)의 목표 속도(목표 액추에이터 속도))를 연산하고, 그 목표 속도에 기초하여 작업 장치(15)(즉 유압 실린더(5, 6, 7))를 제어하는 제어(본 명세서에서는 「반자동 굴삭 제어」나 「머신 컨트롤」이라고 칭하는 경우가 있다)를 실행 가능하도록 구성되어 있다. 즉 이 반자동 굴삭 제어에 있어서 예를 들어 작업점으로서 버킷(8)의 클로 끝을 선택하여 오퍼레이터가 암 크라우드 조작을 입력하면, 다른 프론트 부재를 특별히 조작하지 않더라도 버킷 클로 끝(버킷 선단)이 목표면을 따라서 이동하도록 작업 장치(15)가 반자동적으로 제어되기 때문에, 오퍼레이터의 기량에 상관없이 설계면을 따른 굴삭이 가능하게 된다. 이하에서는, 버킷(8)의 클로 끝에 작업점을 설정한 경우를 예로 들어 설명을 계속한다.

또한, 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면이란, 각 프론트 부재(11, 12, 8)가 동작하는 평면, 즉, 3개의 프론트 부재(11, 12, 8)의 모두에 직교하는 평면이며, 그러한 평면 중 예를 들어 프론트 작업 장치(15)의 폭 방향의 중심(붐 핀에 있어서의 축방향의 중심)을 통과하는 평면을 선택할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시하는 유압 셔블에 탑재된 메인컨트롤러(500)의 구성도이다. 메인컨트롤러(500)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. 이와 같이 기억 장치에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 버킷(8)을 목표면을 따라서 이동시킬 때의 목표 액추에이터 속도를 연산하는 정보 처리부(100)와, 연산한 목표 액추에이터 속도에 따라서 컨트롤 밸브(20)의 구동 신호를 생성하는 제어 밸브 구동부(200)로서 기능한다. 다음으로 정보 처리부(100)의 상세에 대하여 설명한다.

(정보 처리부(100))

정보 처리부(100)는, 조작 레버 장치(1c, 1d)로부터의 조작량 데이터와, 자세 센서(13a-13d)로부터의 자세 데이터와, 설계면 설정 장치(18)로부터의 설계면 데이터와, 차체 정보 기억 장치(19)로부터의 치수 데이터에 기초하여, 각 유압 실린더(5, 6, 7)의 목표 액추에이터 속도를 연산하고, 그것들을 제어 밸브 구동부(200)로 출력한다. 제어 밸브 구동부(200)는, 목표 액추에이터 속도에 따라서, 제어 밸브 구동 신호를 생성하여, 컨트롤 밸브(20)를 구동한다.

정보 처리부(100)의 상세에 대하여, 도 4를 사용하여 설명한다. 정보 처리부(100)는, 편차 연산부(110)와, 목표 속도 연산부(120)와, 액추에이터 속도 연산부(130)와, 보완 후 설계면 생성부(140)와, 목표면 설정부(150)를 구비하고 있다. 액추에이터 속도 연산부(130)의 출력을, 각 유압 실린더(5, 6, 7)의 목표 액추에이터 속도(붐 속도, 암 속도, 버킷 속도)로 하여, 정보 처리부(100)로부터 출력한다. 이하, 편차 연산부(110)와, 목표 속도 연산부(120)와, 액추에이터 속도 연산부(130)와, 목표면 설정부(150)에 대해서서는 개요를 설명하고, 보완 후 설계면 생성부(140)에 대해서는 상세를 설명한다.

(보완 후 설계면 생성부(140))

보완 후 설계면 생성부(140)는, 설계면 데이터와, 조작량 데이터에 기초하여, 서로 인접하여 경사각이 다른 2개의 설계면(제1 설계면, 제2 설계면)의 연결부를 통과하거나 또는 당해 연결부의 상방을 통과하는 면(이하에서는 「보완 후 설계면」이라고 칭한다)을 새롭게 생성하고, 그 데이터(보완 후 설계면 데이터)를 출력한다. 여기서 「연결부」란 서로 인접하는 2개의 설계면이 연결되어 있는 부분을 나타내고, 3차원에서는 선 형상으로 나타나는 부분이다.

이하에서는, 간단화를 위하여, 보완 후 설계면의 생성에 관련하는 설계면 데이터에 포함되는 모든 설계면이 붐(11), 암(12) 및 버킷(8)의 회동축에 대하여 평행하다고 가정한다. 이 경우, 설계면 데이터에 포함되는 「설계면」과 「연결부」는, 상기 회동축에 수직인 면과 교차하는 「선분」과 그 「교점」으로 바꿔 말하기 가능하다. 단, 일반적으로, 시공 정밀도의 향상을 의도하는 경우, 버킷 선단변이 각 설계면에 대하여 평행하게 되도록 차체의 위치나 자세를 확보하므로, 상기한 가정은 많은 경우에 성립하고, 면을 선분과 등가로 다룰 수 있다. 이 가정을 전제로 하여, 보완 후 설계면 생성부(140)에 의한 보완 후 설계면의 생성에 대하여 도 5를 사용하여 구체적으로 설명한다.

도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 설계면 설정 장치(18)로부터의 설계면 데이터와 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면이 교차한 면(단면)에 2개의 선분 P1P2, P2P3으로 이루어지는 2개의 설계면 P1P2, P2P3이 포함되어 있는 것으로 한다. 2개의 설계면 P1P2, P2P3은, 다른 경사각을 갖는 서로 인접한 면이며, 연결부(P2)에서 연결되어 있다. 이때, 보완 후 설계면 생성부(140)는, 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 연결부(P2)의 상방을 통과하고(환언하면, 연결부(P2)의 상방에 위치하고), 한쪽의 설계면(제1 설계면) P1P2 상에 한쪽의 단부 P2'가 위치하고, 다른 쪽의 설계면(제2 설계면) P2P3 상에 다른 쪽의 단부 P2.1이 위치하는 보완 후 설계면(S1)을 생성한다. 도 5의 (b)의 예에서는, 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 연결부(P2)의 각을 둥글게 한 면을 구하는 처리를 행하고, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같은, 2 선분 P1P2, P2P3에 접하여, 양단 P2', P2.1이 각 선분 P1P2, P2P3 상에 위치하는 원호 P2'P2.1을 보완 후 설계면(S1)으로서 생성하고 있다.

(보완 후 설계면(S1)의 곡률 1/R)

보완 후 설계면 생성부(140)는, 보완 후 설계면(S1)을 생성할 때, 조작 레버 장치(1c, 1d)로부터의 조작량 데이터에 따라서 보완 후 설계면(S1)(원호 P2'P2.1)의 곡률 1/R을 설정한다. 단 본 실시 형태에서는, 조작 레버 장치(1d)로부터의 암 조작량 데이터에 따라서 보완 후 설계면(S1)의 곡률 1/R을 설정한다. 도 5의 (b)의 보완 후 설계면(S1)은 원호 P2'P2.1이며, 그 반경은 R이다. 또한, 보완 후 설계면(S1)이 원호가 아닌 곡선의 경우에는, 그 곡선의 일부를 근사한 원의 반경인 곡률 반경의 역수가 곡률이 된다.

보완 후 설계면(S1)의 곡률 1/R의 최댓값은, 예를 들어 유압 셔블의 시공 정밀도의 실질적인 한계를 고려하여, 버킷 클로 끝의 둥근 모서리의 곡률로 설정할 수 있다. 이 경우의 곡률 1/R(최댓값)은, 조작 레버 장치(1d)에 암 조작을 입력했을 때에 암 실린더(6)가 동작을 개시하는 조작량(실질적으로 최소의 암 조작량)에 대응지을 수 있다. 다른 예로서는, 실제의 시공 현장에서 요구되는 정밀도에 따라서 곡률 1/R의 최댓값을 정할 수 있다. 곡률 1/R이 최대가 되는 조작량에 대응짓는 조작량으로서는, 일반적인 오퍼레이터가 최종 마무리의 시공을 행할 때의 조작량(단, 암 실린더(6)가 동작을 개시하는 조작량보다는 크다)으로 해도 된다.

보완 후 설계면(S1)의 곡률 1/R의 최솟값은, 예를 들어 암(12)의 회동축으로부터 버킷(8)의 클로 끝까지의 최대 길이의 역수로 설정할 수 있다. 통상적으로, 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면에 있어서, 암(12)의 회동축과 버킷(8)의 회동축을 통과하는 직선 상에 버킷 클로 끝이 위치할 때에, 암(12)의 회동축으로부터 버킷(8)의 클로 끝까지의 거리는 최댓값이 된다. 이때, 보완 후 설계면(S1)의 반경 R은 암(12)의 회동축으로부터 버킷(8)의 클로 끝까지의 최대 길이에 일치하고, 암(12)의 동작만으로 원호 형상의 보완 후 설계면(S1)을 모방할 수 있다. 그 때문에, 붐 명령 속도에 변동이 발생하더라도 버킷(8)이 2개의 설계면의 하방으로 침입하는 것을 방지할 수 있다. 이 경우의 곡률 1/R(최솟값)은, 암(12) 조작 시에 조작 레버 장치(1d)에 입력할 수 있는 조작량의 최댓값(풀 조작)에 대응지을 수 있다.

또한, 이와 같이 곡률 1/R의 최솟값을 정한 경우, 보완 후 설계면(S1)의 크기에 따라서는, 인접하는 2개의 설계면 상에 원호의 단부점을 둘 수 없을 경우가 있다. 그 경우에는, 인접하는 2개의 설계면 상에 수렴되는 원호의 반경을 R의 최댓값으로 할 수 있다. 또한, 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이, 인접하는 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 어느 것의 설계면(도면의 예에서는 설계면 P1P2)의 이웃에 위치하는 다른 설계면(도면의 예에서는 설계면 P0P1) 상에 원호의 단부점(도면의 예에서는 단부점(P2'))이 위치하도록 보완 후 설계면(S1)을 생성할 수도 있다

곡률 1/R의 최댓값, 최솟값에 대해서는, 상기에서 예시한 값 외에, 오퍼레이터가 임의의 값으로 설정할 수 있도록 구성해도 된다.

상기에서 언급한 내용에 기초하면, 조작 레버 조작(1d)에 입력되는 암 조작량에 대한 보완 후 설계면(S1)의 곡률 1/R의 관계는 단조 감소의 관계가 될 수 있다. 즉, 암 조작량이 증가함에 따라서, 보완 후 설계면(S1)의 곡률 1/R이 항상 감소하는 관계가 될 수 있다. 또한, 곡률 1/R을 반경 R로 바꾸어 말하면, 암 조작량이 증가함에 따라서, 보완 후 설계면(S1)의 반경 R이 항상 증가하는 단조 증가의 관계가 될 수 있다.

또한, 암 실린더(6)의 동작이 개시되지 않을 정도로 조작 레버 장치(1d)에 대한 암 조작량이 작은 경우(즉, 조작 레버 장치(1d)에 대한 조작량이, 암 실린더(6)가 동작을 개시하는 조작량 미만인 경우)에는, 보완 후 설계면 생성부(140)는, 보완 후 설계면(S1)의 생성을 중단해도 된다.

(보완 후 설계면(S1)의 복수의 평면(선분)에 의한 근사)

상기에서 설명한 바와 같이, 곡면 형상(곡선 형상(보다 구체적으로는 원호 P2'P2.1))의 보완 후 설계면(S1)을 생성하여 보완 후 설계면 생성부(140)의 처리를 종료해도 되지만, 본 실시 형태에서는, 곡면 형상의 보완 후 설계면(S1)을 복수의 평면(선분)으로 근사한 보완 후 설계면(S2)을 생성한다.

따라서, 도 5의 (d)에 도시하는 바와 같이, 보완 후 설계면 생성부(140)는 도 5의 (b)의 원호 P2'P2.1을 n개의 면으로 근사·분할한 면(근사 보완면)을 보완 후 설계면(S2)으로 하고, 면 P2'P2.1, 면 P2.1P2.2, …, 면 P2.n-1P2.n의 n개의 설계면(평면)으로 이루어지는 보완 후 설계면 데이터를 연산한다. 보완 후 설계면 데이터는 각 평면의 경사 각도 정보를 포함한다. 원호의 분할수 n은, 측량 정밀도, 측량 간격 등에 따라서 정할 수 있다. 일례로서, 10㎝ 간격으로 측량점 데이터를 취득하는 환경이면, 원호를 길이 10㎝ 정도의 선분으로 분할하는 n을 설정할 수 있다.

이와 같이 곡면 형상의 보완 후 설계면(S1)을 복수의 평면으로 보완한 것을 새로운 보완 후 설계면(S2)으로 하면, 예를 들어 후술하는 편차 연산부(110)로 연산되는 버킷 클로 끝(작업점)과 각 평면의 거리(편차 데이터)의 연산이 단순해져, 곡면 형상의 보완 후 설계면(S1)의 컨트롤러(500)의 연산 부하가 경감된다.

(편차 연산부(110))

편차 연산부(110)는, 자세 데이터와 치수 데이터로부터 연산하는 버킷(8)의 클로 끝의 위치와, 보완 후 설계면 생성부(140)로부터의 보완 후 설계면 데이터로부터, 버킷(8)의 클로 끝과 보완 후 설계면(S2)을 구성하는 각 면의 거리(편차)를 각각 연산하고, 그것들을 편차 데이터로서 출력한다. 편차 데이터에는, 보완 후 설계면(S2)을 생성할 때에 근원이 된 2개의 설계면 P1P2, P2P3과 버킷 클로 끝의 거리(편차)를 각각 연산하여 포함해도 되고, 기타의 설계면의 편차를 연산하여 포함해도 된다.

(목표면 설정부(150))

목표면 설정부(150)는, 보완 후 설계면 생성부(140)에서 생성한 보완 후 설계면도 포함하여, 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면 상에 규정된 복수의 설계면 중 어느 하나의 면 상에 목표면(반자동 굴삭 제어를 위한 제어 대상면)을 설정하고, 그 목표면에 관한 정보(예를 들어, 목표면의 위치 데이터)를 목표면 데이터로서 출력한다. 본 실시 형태의 목표면 설정부(150)는, 편차 연산부(110)로부터의 편차 데이터 중에서 가장 작은 거리(편차)를 선택하고, 당해 선택한 편차 데이터와 당해 선택한 편차 데이터에 관련한 면(목표면)의 정보를 아울러 목표면 데이터로서 출력한다. 보다 구체적으로는, 목표면 설정부(150)는, 편차 연산부(110)로부터 출력되는 편차 데이터에 기초하여, 보완 후 설계면(S2)을 구성하는 복수의 평면 중 버킷 클로 끝(작업점)과의 거리가 가장 작은 면을 목표면으로서 설정하고, 당해 목표면에 관련한 목표면 데이터를 출력한다.

또한, 본 실시 형태에서는 편차 데이터(각 평면과 작업점과의 거리)의 대소에 따라서 목표면을 설정했지만, 특허문헌 1의 실시 형태의 하나와 마찬가지로, 반자동 굴삭 제어에 의해 유압 실린더에 발생해야 할 목표 속도의 대소에 따라서 목표면을 설정하도록 구성해도 된다. 본 실시 형태의 경우, 구체적으로는, 보완 후 설계면(S2)을 구성하는 복수의 평면 중, 반자동 굴삭 제어에 의한 붐 실린더(5)의 목표 속도(붐 상승 방향의 목표 속도)가 가장 커지는 평면을 목표면으로서 설정해도 된다.

(목표 속도 연산부(120))

목표 속도 연산부(120)는, 자세 데이터와, 치수 데이터와, 조작량 데이터와, 목표면 데이터(목표면의 위치 데이터)에 기초하여, 작업 장치에 설정한 작업점(버킷 클로 끝)의 이동 범위가 목표면 상 또는 목표면의 상방에 유지되도록, 작업점(버킷 클로 끝)의 목표 속도를 연산하고, 그것을 목표 속도 데이터로서 출력한다. 목표 속도의 연산 방법의 구체예로서, 암 조작량에 기초하여 목표 속도의 목표면을 따르는 방향의 성분을 정하고, 버킷 클로 끝과 목표면의 편차(거리)에 기초하여 당해 목표 속도의 목표면에 수직인 방향의 성분을 정하는 방법이 있다. 이것과 다른 방법으로서는, 암(12)이 조작량대로 동작하면서, 버킷 클로 끝의 목표면에 수직인 방향의 속도가 버킷 클로 끝과 목표면의 편차에 기초한 값이 되는 목표 속도를 정하는 방법이 있다.

(액추에이터 속도 연산부(130))

액추에이터 속도 연산부(130)는, 치수 데이터와, 자세 데이터와, 목표 속도 데이터에 기초하여, 작업점(버킷 클로 끝)의 속도인 목표 속도를, 버킷 클로 끝에 목표 속도를 발생시키는 데 필요한 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7)의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)를 운동학적인 연산에 의해 산출한다. 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7)의 목표 속도는, 각각, 붐 속도, 암 속도, 버킷 속도라고도 칭한다(도 4 참조).

(메인컨트롤러(500)의 처리 흐름도)

도 8은, 상술한 연산의 흐름을 나타낸 메인컨트롤러(500)가 실행하는 처리의 흐름도이다. 이하에서는, 도 4에 도시된 메인컨트롤러(500) 내의 각 부를 주어로 하여 각 처리(수순 S1-S9)를 설명하는 경우가 있는데, 각 처리를 실행하는 하드웨어는 메인컨트롤러(500)이다.

먼저, 정보 처리부(100)는, 조작량 데이터에 기초하여 조작 레버(1d)에 의한 암 조작(굴삭 조작)이 검출된 경우에 수순 S3으로 이행한다(수순 S1, S2). 수순 S2에서 암 조작이 검출되지 않은 경우에는, 암 조작이 검출될 때까지 수순 S2를 반복한다.

수순 S3에서는, 보완 후 설계면 생성부(140)는, 조작 레버 장치(1d)에 의한 암(12)에 대한 조작량의 데이터(조작량 데이터)와, 설계면 설정 장치(18)로부터의 설계면 데이터를 사용하여, 상술한 방법에 기초하여 복수의 평면으로 이루어지는 보완 후 설계면(S2)(도 5의 (d) 참조)을 각도가 다른 2개의 설계면(도 5의 예에 있어서의 설계면 P1P2와 설계면 P2P3)의 연결부의 상방에 생성하고, 생성한 보완 후 설계면(S2)에 포함되는 각 평면의 위치 정보나 경사 각도 정보를 포함하는 보완 후 설계면 데이터를 목표면 설정부(150)로 출력한다.

수순 S4에서는, 편차 연산부(110)는, 프론트 작업 장치(15)의 치수 데이터와, 각 프론트 부재(11, 12, 8)의 자세 데이터를 사용하여 버킷 클로 끝(작업점)의 위치를 연산하고, 보완 후 설계면(S2)에 포함되는 각 평면과 버킷 클로 끝의 편차(거리)를 각각 연산한다. 그리고, 연산한 복수의 편차를 편차 데이터로서 목표면 설정부(150)로 출력한다.

수순 S6에서는, 목표면 설정부(150)는, 수순 S4에서 연산된 복수의 편차를 서로 비교함으로써 그중에서 가장 값이 작은 편차를 선출하고, 그 선출한 편차에 관련한 평면을 반자동 굴삭 제어의 제어 대상인 목표면으로서 설정한다. 그리고, 설정한 목표면의 위치 정보, 경사 각도 정보, 및 버킷 클로 끝과의 편차 정보를 아울러, 목표면 데이터로서 목표 속도 연산부(120)로 출력한다.

수순 S7에서는, 목표 속도 연산부(120)는, 목표면 설정부(150)로부터의 목표면 데이터에 포함되는 목표면과 버킷 클로 끝의 편차(거리)와, 조작 레버 장치(1c, 1d)의 조작량으로부터, 버킷 클로 끝을 목표면을 따라서 이동시키기 위하여 버킷 클로 끝에 발생시켜야 할 목표 속도를 연산하고, 그것을 목표 속도 데이터로서 액추에이터 속도 연산부(130)로 출력한다. 여기에서는, (1) 조작량 데이터에 포함되는 암 조작량에 기초하여, 목표 속도에 있어서 목표면을 따르는 방향의 속도 성분(수평 속도 성분)을 산출하고, (2) 목표면 데이터에 포함되는 버킷 클로 끝과 목표면의 편차(거리)에 기초하여, 당해 목표 속도에 있어서 목표면에 수직인 방향의 속도 성분(수직 속도 성분)을 산출하고, (3) 상기 (1) 및 (2)에서 연산한 2개의 속도 성분을 가산하여 목표 속도로 한다. 또한, 편차와 수직 속도 성분의 관계는, 편차가 제로인 때는 수직 속도 성분도 제로이고, 편차가 증가할수록 수직 속도 성분(단, 수직 속도 성분은 하향의 방향을 갖는다)도 증가하도록 미리 설정되어 있다. 이와 같이 목표 속도를 연산하면, 버킷 클로 끝의 이동 범위가 목표면 상 또는 목표면의 상방에 유지된다. 특히 버킷 클로 끝이 목표면 상에 위치하는 경우(편차가 제로인 경우)에는 수직 속도 성분이 제로로 유지되어서 수평 속도 성분만이 되므로, 예를 들어 암을 조작하는 것만으로 버킷 클로 끝을 목표면을 따라서 이동시킬 수 있다.

수순 S8에서는, 액추에이터 속도 연산부(130)는, 목표 속도 연산부(120)로부터의 목표 속도와, 치수 데이터 및 자세 데이터로부터, 수순 S7에서 연산한 목표 속도를 버킷 클로 끝에 발생시키는 데 필요한 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7) 각각의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)를 산출하고, 그것들을 제어 밸브 구동부(200)로 출력한다(수순 S8). 암 실린더(6)의 목표 속도를 암 조작량에 입각하여 규정하고, 그때의 버킷 동작이 없는 것(즉 버킷 실린더(7)의 목표 속도는 제로)으로 가정하면, 반자동 굴삭 제어에서는 붐 실린더(5)만이 자동적으로 동작하게 된다.

제어 밸브 구동부(200)는, 수순 S8에서 연산한 목표 액추에이터 속도에 기초하여, 실제로 각 실린더(5, 6, 7)가 목표 액추에이터 속도로 동작하는 제어 밸브 구동 신호를 연산하여 출력한다. 이와 같이 하여, 제어 밸브 구동 신호에 의해, 컨트롤 밸브(20)가 구동되어, 차체가 동작한다.

(작용·효과)

상기와 같이 구성된 본 실시 형태에 관련한 유압 셔블에서는, 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면 상에 규정된 복수의 설계면의 시공 시에 있어서, 버킷(8)이 2개의 설계면의 연결부를 통과할 때에, 그 버킷 통과 방향을 따라서 경사 각도가 서서히 변화하는 n개의 평면에 의해, 당해 2개의 설계면의 상방에 당해 2개의 설계면을 원활하게 접속하는 보완 후 설계면(S2)이 생성된다. 보완 후 설계면(S2)의 곡률(환언하면 n개의 평면의 경사 각도의 변화의 비율)은, 보완 후 설계면(S2)의 생성 시에 있어서의 오퍼레이터의 암 조작량에 의해 규정된다. 이에 의해 버킷(8)이 2개의 설계면의 연결부를 통과할 때에는, 버킷 통과 방향을 따라서 경사 각도가 서서히 변화하는 n개의 평면 중 어느 하나의 평면을 목표면으로 하여 반자동 굴삭 제어가 행하여진다. 이에 의해, 오퍼레이터의 조작량의 대소에 관계없이, 상기 2개의 설계면의 어느 것에든 버킷(8)이 침입하지 않고, 또한, 작업성을 손상시키지 않고 굴삭 성형 작업을 행할 수 있다.

예를 들어, 도 6의 선분 P1P2, 선분 P2P3을 2개의 설계면으로 하여 도면 중의 화살표의 방향을 따라서 버킷(8)을 이동시키면서 설계면을 시공하는 경우, 당해 2개의 설계면 상에 보완 후 설계면(S2)(도 5의 (d)도 참조)이 생성되고, 그 결과, 유압 셔블은, 선분 P1P2', 보완 후 설계면(S2), 선분 P2.nP3을 설계면으로 하여 동작한다. 이때, 반자동 굴삭 제어에 의해 붐(11)에 발생하는 명령 속도(붐 실린더 목표 속도)는 시간 경과와 함께 도 7과 같이 변화한다. 버킷(8)이 선분 P1P2로부터 선분 P2P3으로 옮겨가는 과정에서의 붐 명령 속도의 변화는 도 7 중의 점선 포위부(A1)에 상당한다. 보완 후 설계면(S2)은 도면 중의 화살표를 따라서 서서히 경사 각도가 변화하는 복수의 평면에 의해 구성되어 있고 목표면이 전환되었을 때의 붐 명령 속도의 변화를 억제할 수 있고, 도 13의 (a), (b)에 도시된 선행 기술에 있어서의 붐 명령 속도의 변화에 비하여 극히 평온한 변화가 된다. 또한, 암 조작량의 증가에 따라서 보완 후 설계면(S2)의 곡률이 작아지기 때문에, 가령 암 조작량이 크더라도 붐(11)의 동작 지연에 의해 버킷(8)이 설계면에 침입하는 것을 방지할 수 있다. 즉 본 실시 형태에 따르면 시공 정밀도와 작업 속도를 양립할 수 있다.

또한, 실제의 시공에 있어서 최종적으로 설계면을 마무리하는 경우에는, 일반적으로 오퍼레이터는 암 조작량을 충분히 작게 하므로, 생성되는 보완 후 설계면의 곡률은 충분 커져서 원래의 2개의 설계면에 근접하기 때문에(예를 들어, 버킷 클로 끝의 둥근 모서리의 곡률에 가까워지기 때문에), 당해 2개의 설계면을 따른 정밀도가 좋은 굴삭 작업을 하는 것이 가능하다. 또한, 이 경우, 암 조작량이 충분 작으므로, 붐 명령 속도의 변화도 작아, 붐(11)의 동작의 지연에 의해 버킷(8)이 설계면에 침입할 일은 없다.

<제2 실시 형태>

계속하여, 제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 공통되는 부분에 대해서는, 적절히 설명을 생략한다.

제2 실시 형태의 제어 시스템에 대하여, 도 9를 사용하여 설명한다.

제2 실시 형태에 있어서는, 편차 연산부(110)는, 설계면 데이터와, 자세 데이터와, 치수 데이터로부터, 설계면 데이터가 포함하는 복수의 설계면의 각각과 버킷 클로 끝(작업점)의 편차를 연산하고, 출력한다. 또한, 편차를 연산하는 설계면은 버킷 클로 끝(작업점)으로부터 소정의 범위에 존재하는 것에 한정해도 된다.

(보완 후 설계면 생성부(170))

보완 후 설계면 생성부(170)는, 설계면 데이터와, 조작량 데이터로부터, 제1 실시 형태의 보완 후 설계면 생성부(140)와 마찬가지로 하여, 원호 형상(곡면 형상)의 보완 후 설계면(S1)(도 5의 (b) 참조)을 생성하고, 그 위치나 형상에 관한 정보를 보완 후 설계면 데이터로서 출력한다.

(근방점 정보 연산부(180))

근방점 정보 연산부(180)는, 치수 데이터와 자세 데이터로부터, 버킷 클로 끝(작업점)의 위치를 연산하고, 보완 후 설계면 데이터를 사용하여, 원호 형상의 보완 후 설계면(S1) 상에서 버킷 클로 끝으로부터 가장 가까운 점을 근방점으로 하여 연산한다. 그리고, 당해 근방점의 위치나 각도(당해 근방점에 있어서의 접선의 각도)를 제1 근방점 데이터(위치, 각도가 포함된다)로서 출력하고, 버킷 클로 끝과 당해 근방점의 편차를 제2 근방점 데이터(편차가 포함된다)로서 출력한다. 또한, 제1 근방점 데이터와 제2 근방점 데이터를 합쳐서 근방점 데이터라고 총칭하는 경우가 있다.

(목표면 설정부(150))

목표면 설정부(150)는, 편차 연산부(110)로부터 입력되는 편차 데이터 중 보완 후 설계면(S1)의 양단이 위치하는 2개의 설계면의 편차와, 근방점 정보 연산부(180)로부터 입력되는 제2 근방점 데이터에 포함되는 근방점의 편차 중에서, 편차가 가장 작은 것을 선출하고, 그 선출한 편차에 관련한 설계면 또는 근방점의 접선을 목표면으로서 설정한다. 또한, 설계면 데이터와, 제1 근방점 데이터(위치, 각도) 중에서, 목표면에 관련한 것을 목표면의 위치 및 각도로서 선택한다. 목표면 설정부(150)는, 선택한 목표면의 편차와 위치 및 각도를 아울러 목표면 데이터로서 목표 속도 연산부(120)로 출력한다.

다른 부분은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

(메인컨트롤러(500)의 처리 흐름도)

도 10은, 상술한 연산을 포함한는, 메인컨트롤러(500)의 처리의 흐름을 도시한 흐름도이다.

정보 처리부(100)는, 조작 레버(1c, 1d)가 조작되면 처리를 개시한다(수순 S1, S2).

보완 후 설계면 생성부(170)는, 조작량 데이터와 설계면 데이터를 사용하여, 보완 후 설계면 데이터를 연산한다(수순 S3).

근방점 정보 연산부(180)는, 치수 데이터와, 자세 데이터를 사용하여 버킷 클로 끝 위치를 연산하고, 보완 후 설계면 데이터에 포함되는 곡면에 있어서 버킷 선단으로부터 가장 가까운 점인 근방점의 위치와, 당해 근방점의 각도(근방점에 있어서의 접선의 각도)와, 당해 근방점과 버킷 클로 끝의 편차(거리)를 연산하고, 이들을 근방점 데이터(제1 근방점 데이터 및 제2 근방점 데이터)로서 출력한다(수순 S4).

편차 연산부(110)는, 치수 데이터와, 자세 데이터를 사용하여 버킷 클로 끝 위치를 연산하고, 설계면 데이터에 포함되는 복수의 설계면과, 버킷 클로 끝의 각각의 편차(거리)를 연산한다(수순 S5).

목표면 설정부(150)는, 편차 연산부(110)로부터 입력되는 편차 중 보완 후 설계면(S1)의 양단이 위치하는 2개의 설계면의 편차와, 근방점 정보 연산부(180)로부터 입력되는 제2 근방점 데이터(편차)를 아울러 서로 비교하고, 그중에서 가장 값이 작은 편차에 관련한 설계면 또는 근방점의 접선을 목표면(반자동 굴삭 제어의 제어 대상)으로서 설정한다. 또한, 설계면 데이터 및 근방점 데이터(위치, 각도)로부터 목표면에 관련한 것을 선택하고, 그것을 목표면의 편차와 아울러, 목표면 데이터로서 출력한다(수순 S6).

목표 속도 연산부(120)는, 목표면의 위치나 각도, 편차, 조작량으로부터 버킷 클로 끝의 목표 속도를 연산한다(수순 S7).

액추에이터 속도 연산부(130)는, 수순 S7에서 연산한 목표 속도와, 치수 데이터 및 자세 데이터로부터, 수순 S7에서 연산한 목표 속도를 버킷 클로 끝에 발생시키기 위하여 필요한 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7) 각각의 목표 속도(목표 액추에이터 속도)를 산출한다(수순 S8).

제어 밸브 구동부(200)는, 수순 S8에서 연산한 목표 액추에이터 속도를 바탕으로, 실제로 각 실린더(5, 6, 7)가 목표 액추에이터 속도로 동작하는 제어 밸브 구동 신호를 출력한다(수순 S9).

(효과)

본 실시 형태에 있어서는, 버킷 클로 끝의 이동과 함께 시시각각 변화하는 원호(보완 후 설계면(S1)(도 5의 (b) 참조)) 상의 점(근방점)과 버킷 클로 끝의 거리(편차)를 구할 필요가 있기 때문, 제1 실시 형태에 비하여 연산이 복잡화되지만, 원호 형상의 보완 후 설계면(S1)을 직선으로 근사하지 않으므로, 보다 원활한 버킷 동작이 가능하게 된다.

<제3 실시 형태>

계속하여, 제3 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 공통되는 부분에 대해서는, 적절히 설명을 생략한다.

제1 실시 형태에 있어서, 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같은 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 연결부(P2)에 위로 볼록한 형상의 면(법견)이 형성되어 있는 경우에, 보완 후 설계면 생성부(140)가 당해 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 하방에 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같은 보완 후 설계면(S3)을 생성해버렸을 때에는, 그 보완 후 설계면(S3)을 따라서 굴삭 작업을 행하면 연결부(P2)의 주변에서 버킷(8)이 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 하방으로 침입해버린다.

이것을 방지하기 위해서는, 위로 볼록한 면을 형성하는 2개의 설계면 P1P2, P2P3에 대해서는, 보완 후 설계면(S3)을 포함하여 보완 후 설계면 생성부(140)에 의한 보완 후 설계면의 생성을 일절 중단하고, 원래의 2개의 설계면 P1P2, P2P3에 대하여 굴삭을 행하는 방법을 생각할 수 있다.

본 실시 형태의 보완 후 설계면 생성부(140)는, 상기 이외의 방법으로서 다음과 같은 보완 후 설계면(S4)을 생성한다.

즉, 보완 후 설계면 생성부(140)는, 도 11의 (c)에 도시하는 바와 같이, 2개의 설계면 P1P2, P2P3의 연결부(P2)의 형상이 위로 볼록이며, 프론트 작업 장치(15)의 동작 평면 상에 있어서의 유압 셔블의 전후 방향에 있어서 동 도면 중의 화살표가 나타내는 바와 같이 일방측(도면 중의 우측(제1 방향))으로부터 타방측(도면 중의 좌측(제2 방향))으로 버킷 클로 끝(작업점)을 이동시키는 경우, 2개의 설계면 P1P2, P2P3 중 상기 일방측의 설계면 P1P2의 단부에 상기 일방측의 설계면 P1P2와 동일한 기울기로 일단부가 접속하는 제1 원호면(s41)과, 제1 원호면(s41)의 타단부측에 일단부가 접속하고, 2개의 설계면 P1P2, P2P3 중 상기 타방측의 설계면 P2P3에 상기 타방측의 설계면 P2P3과 동일한 기울기로 타단부가 접속하는 제2 원호면(s42)을 갖는 면을 보완 후 설계면(S4)으로서 생성한다. 이 경우의 보완 후 설계면(S4)은, 그 일방측의 단부가 연결부(P2)에 위치한다.

도시된 2개의 원호면(s41, s42)의 반경 R41, R42는 동일하고, 그 곡률(1/R41, 1/R42)의 크기는 제1 실시 형태와 동일하게 정할 수 있다. 원호면(s41)은 위로 볼록한 형상이며, 원호면(s42)은 아래로 볼록의 형상이다. 2개의 원호면(s41, s42)의 연결부인 점(P2.1)에 있어서의 2개의 원호면(s41, s42)의 기울기는 일치시키는 것이 바람직하다. 또한, 2개의 원호면(s41, s42)의 반경 R(곡률 1/R)은 반드시 일치하지는 않아도 된다. 또한, 2개의 원호면(s41, s42)을 1점에서 접속하지 않고, 선분이나 곡선을 통하여 접속해도 된다. 이때, 각 원호면(s41, s42)의 접속부의 기울기와 선분이나 곡선의 기울기는 모두 일치시키는 것이 바람직하다.

다른 부분은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 혹은, 제2 실시 형태와 마찬가지로 구성해도 된다.

본 실시 형태와 같이 2개의 설계면이 위로 볼록한 형상을 형성하는 경우(2개의 설계면이 법견를 형성하고 있는 경우)에는, 보완 후 설계면 생성부(140)에 있어서 도 11의 (c)에 도시된 바와 같은 보완 후 설계면(P4)를 생성하면, 버킷(8)이 2개의 설계면의 연결부를 통과할 때에, 오퍼레이터의 조작량에 상관없이 버킷(8)이 2개의 설계면의 어느 것에도 침입하지 않고, 또한, 작업성을 손상시키지 않고 굴삭 성형 작업을 행할 수 있다.

<기타>

또한, 제1 및 제2 실시 형태에서는, 보완 후 설계면(R1, R2)는 곡률 1/R이 일정한 원호로서 생성했지만, 보완 후 설계면 상의 위치에 따라서 곡률 1/R을 변경해도 된다. 그 예를 도 14에 도시하였다.

도 14는, 보완 후 설계면 상의 위치 L과 곡률 C의 관계식의 예를 나타내고 있어, 전체 길이가 Ltotal의 보완 후 설계면에 있어서의 위치 L의 기준(L=0)을 보완 후 설계면의 일방측의 단부점(기준점)에 설정하고, 보완 후 설계면에 있어서의 곡률 C의 최댓값을 원호 반경에 기초하여 1/R로 하고 있다.

도 14의 (a)의 예에서는, 보완 후 설계면의 일방측의 단부점부터 중간점에 이르기까지 직선적으로 곡률 C를 증가시키고, 그 후, 중간점으로부터 타방측의 단부점에 이르기까지 동일한 비율로 곡률 C를 감소시키고 있다.

도 14의 (b)의 예에서는, 보완 후 설계면 상의 위치에 따라서 곡률 C를 사인파나 코사인파와 같이 곡선적으로 증감시키고 있다. 곡률은 보완 후 설계면의 양단에서 최소로 되어 있고, 중간점에서 최대(1/R)로 되어 있다.

또한, 도 14의 (c)에 도시하는 바와 같이, 보완 후 설계면의 일방측의 단부점(기준점)으로부터 제1 거리(예를 들어, L=Ltotal/4)에 도달할 때까지는 곡률 C를 변화(증가)시키고, 그 후, 제1 거리로부터 제2 거리(예를 들어, L=Ltotal×3/4)에 도달할 때까지는 곡률 C를 일정(1/R)하게 유지하고, 마지막으로 제2 거리로부터 타방측의 단부점(L=Ltotal)에 도달할 때까지는 다시 곡률 C를 변화(저감)시켜도 된다.

이와 같이 보완 후 설계면 상의 위치마다 곡률 C를 설정하면, 보완 후 설계면 생성부(140, 170)에 있어서의 보완 후 설계면의 생성 연산이 복잡해지지만, 반자동 굴삭 제어 시의 프론트 작업 장치(15)의 동작은 보다 원활해진다. 또한, 제3 실시 형태에 있어서도, 마찬가지로 하여 곡률을 바꾸어도 된다.

또한, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 여러가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은, 상기 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 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 컨트롤러(500)에 관련한 각 구성이나 당해 각 구성의 기능 및 실행 처리 등은, 그것들의 일부 또는 전부를 하드웨어(예를 들어 각 기능을 실행하는 로직을 집적 회로로 설계하는 등)로 실현해도 된다. 또한, 컨트롤러(500)에 관련한 구성은, 연산 처리 장치(예를 들어 CPU)에 의해 판독·실행됨으로써 컨트롤러(500)의 구성에 관련한 각 기능이 실현되는 프로그램(소프트웨어)으로 해도 된다. 당해 프로그램에 관련한 정보는, 예를 들어, 반도체 메모리(플래시 메모리, SSD 등), 자기 기억 장치(하드디스크 드라이브 등) 및 기록 매체(자기 디스크, 광 디스크 등) 등에 기억시킬 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태의 설명에서는, 제어선이나 정보선은, 당해 실시 형태의 설명에 필요하다고 이해되는 것을 나타냈지만, 반드시 제품에 관련한 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.

1a: 주행용 우 조작 레버
1b: 주행용 좌 조작 레버
1c: 우 조작 레버
1d: 좌 조작 레버
2: 유압 펌프 장치
2a: 제1 펌프
2b: 제2 펌프
3a: 우 주행 유압 모터
3b: 좌 주행 유압 모터
4: 선회 유압 모터
5: 붐 실린더(유압 액추에이터)
6: 암 실린더(유압 액추에이터)
7: 버킷 실린더(유압 액추에이터)
8: 버킷(프론트 부재)
9: 하부 주행체(차체)
10: 상부 선회체(차체)
11: 붐(프론트 부재)
12: 암(프론트 부재)
13a: 자세 센서
13b: 자세 센서
13c: 자세 센서
13d: 차체 자세 센서(자세 센서)
14: 엔진
15: 프론트 작업 장치
18: 설계면 설정 장치
19: 차체 정보 기억 장치
20: 컨트롤 밸브
21: 버킷 방향 제어 밸브
21a: 버킷 크라우드 전자 밸브
21b : 버킷 덤프 전자 밸브
22: 붐 방향 제어 밸브
22a: 붐 상승 전자 밸브
22b: 붐 하강 전자 밸브
23: 암 방향 제어 밸브
23a: 암 크라우드 전자 밸브
23b: 암 덤프 전자 밸브
26: 릴리프 밸브
27: 릴리프 밸브
100: 정보 처리부
110: 편차 연산부
120: 목표 속도 연산부
130: 액추에이터 속도 연산부
140: 보완 후 설계면 생성부
150: 목표면 설정부
170: 보완 후 설계면 생성부
180: 근방점 정보 연산부
500: 메인컨트롤러

Claims (9)

1. 작업 장치와,
   상기 작업 장치를 구동하는 복수의 액추에이터와,
   상기 복수의 액추에이터를 조작하기 위한 조작 장치와,
   상기 복수의 액추에이터의 적어도 하나의 구동을 제어하는 컨트롤러를 구비한 작업 기계에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 작업 장치의 동작 평면 상에 규정된 복수의 설계면 중 서로 인접하는 제1 설계면 및 제2 설계면의 연결부 또는 당해 연결부의 상방을 통과하고, 한쪽의 단부가 상기 제1 설계면 상에 위치하고, 다른 쪽의 단부가 상기 제2 설계면 상에 위치하는 보완 후 설계면을 생성하고,
   상기 보완 후 설계면의 곡률을 상기 조작 장치의 조작량에 따라서 설정하고,
   상기 보완 후 설계면 상에 목표면을 설정하고,
   상기 작업 장치에 설정한 작업점이 상기 목표면 상 또는 상기 목표면의 상방에 유지되도록 상기 복수의 액추에이터의 적어도 하나를 제어하는 반자동 굴삭 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 보완 후 설계면을 복수의 평면에서 근사하고,
   상기 복수의 평면에 포함되는 어느 하나의 평면을 상기 목표면으로서 설정하여 상기 반자동 굴삭 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
3. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는, 상기 조작 장치의 조작량에 대한 상기 보완 후 설계면의 곡률의 관계가 단조 감소의 관계가 되도록 상기 보완 후 설계면의 곡률을 설정하는
   것을 특징으로 하는 작업 기계.
4. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 조작 장치의 조작량이 소정값 미만인 경우, 상기 보완 후 설계면의 생성을 중단하고,
   상기 조작 장치의 조작량이 상기 소정값 이상인 경우, 상기 조작 장치의 조작량에 대한 상기 보완 후 설계면의 곡률의 관계가 단조 감소의 관계가 되도록 상기 보완 후 설계면의 곡률을 설정하는
   것을 특징으로 하는 작업 기계.
5. 제4항에 있어서,
   상기 소정값은, 상기 복수의 액추에이터 중 상기 조작 장치에의 조작에 대응하는 액추에이터가 동작을 개시하는 조작량의 값인
   것을 특징으로 하는 작업 기계.
6. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 제1 설계면과 상기 제2 설계면의 상기 연결부의 형상이 위로 볼록이며, 상기 작업 장치를 상기 동작 평면 상에서 일방측부터 타방측으로 이동시키는 경우,
   상기 제1 설계면과 상기 제2 설계면 중 상기 일방측의 설계면의 단부에 상기 일방측의 설계면과 동일한 기울기로 일단부가 접속하는 제1 원호면과, 상기 제1 원호면의 타단부측에 일단부가 접속하고, 상기 제1 설계면과 상기 제2 설계면 중 상기 타방측의 설계면에 상기 타방측의 설계면과 동일한 기울기로 타단부가 접속하는 제2 원호면을 갖는 면을 상기 보완 후 설계면으로서 설정하는
   것을 특징으로 하는 작업 기계.
7. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는, 상기 제1 설계면과 상기 제2 설계면의 각각과 상기 작업점과의 거리를 연산하고, 상기 보완 후 설계면 상에서 상기 작업점에 가장 가까운 근방점과 상기 작업점과의 거리를 연산하고, 상기 제1 설계면, 상기 제2 설계면, 및 상기 근방점 중 상기 작업점과의 거리가 가장 작은 것을 선출하고, 그 선출한 설계면 또는 근방점의 접선을 상기 목표면으로서 설정하여 상기 반자동 굴삭 제어를 행하는
   것을 특징으로 하는 작업 기계.
8. 제2항에 있어서,
   상기 컨트롤러는, 상기 복수의 평면의 각각과 상기 작업점과의 거리를 연산하고, 상기 복수의 평면 중 상기 작업점과의 거리가 가장 작은 면을 상기 목표면으로서 설정하여 상기 반자동 굴삭 제어를 행하는
   것을 특징으로 하는 작업 기계.
9. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는, 상기 보완 후 설계면 상의 위치에 따라서 상기 보완 후 설계면의 곡률을 변경하는
   것을 특징으로 하는 작업 기계.

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