KR20220086671A - 작업 기계의 제어 시스템, 작업 기계, 작업 기계의 제어 방법 - Google Patents

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도루 마쓰야마
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가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Abstract

거리 산출부는, 버킷 상의 점과 굴삭 대상의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 설계면 사이의 거리인 버킷 거리를 산출한다. 개입 제어부는 버킷 거리에 기초하여, 버킷이 목표 설계면에 진입하지 않도록, 작업기의 속도를 억제하기 위한 개입 제어량을 산출한다. 어태치먼트 제어부는, 버킷의 날끝과 목표 설계면이 평행하게 접근하도록, 버킷을 어태치먼트 축 주위로 회전시키는 어태치먼트 제어량을 산출한다. 어태치먼트 제한부는, 개입 제어량 및 어태치먼트 제어량에 기초하는 작업기의 이동에 의해 버킷 거리가 증가하지 않도록 어태치먼트 축 주위의 회전을 제한한다.

Description

작업 기계의 제어 시스템, 작업 기계, 작업 기계의 제어 방법
본 개시는, 작업 기계의 제어 시스템, 작업 기계, 및 작업 기계의 제어 방법에 관한 것이다.
본원은, 2019년 11월 27일에 일본에 출원된 특허출원 2019-214573호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
유압 셔블에 장착되는 버킷으로서, 작업기의 동작 평면에 대한 각도를 조정가능한 틸트 버킷이 알려져 있다. 특허문헌 1에는, 틸트 버킷이 목표 설계면에 대하여 평행하게 되도록 틸트 각도를 자동 제어로 조정하는 기술이 개시되어 있다.
국제공개 제2016/158779호
특허문헌 1에 기재된 기술에 의하면, 버킷이 목표 설계면으로부터 소정 거리만큼 멀어진 틸트 제어 개시선에 침입함으로써, 자동 틸트 제어가 행해진다. 자동 틸트 제어에 의해 틸트 각도가 조정되면, 버킷은 목표 설계면으로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 된다.
한편, 유압 셔블과 같은 작업 기계에 있어서는, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 설계면을 따라 버킷이 이동하도록, 버킷이 목표 설계면에 침입하지 않도록 작업기를 자동제어하는 개입 제어가 알려져 있다. 개입 제어는 목표 설계면과 버킷의 거리에 따라 감속하도록 작업기를 제어한다. 그러므로, 개입 제어와 자동 틸트 제어가 동시에 행해지는 경우에, 자동 틸트 제어에 의해 버킷이 목표 설계면으로부터 멀어지는 속도가, 개입 제어에 의해 제한되는 붐 또는 암의 하강 속도가 보다 빠르면, 개입 제어에 관한 작업기의 제어량이 불안정해질 가능성이 있다. 이것은, 틸트 각도를 제어하는 자동 틸트 제어뿐만 아니라, 목표 설계면에 대하여 평행하게 되도록 버킷을 로테이션 축 주위로 회전시키는 자동 로테이션 제어를 행하는 경우도 마찬가지다.
본 개시의 목적은, 작업기의 동작의 안정을 유지하면서, 개입 제어와 자동 틸트 제어 또는 자동 로테이션 제어를 동시에 행할 수 있는 작업 기계의 제어 시스템, 작업 기계, 및 작업 기계의 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 태양(態樣)에 의하면, 작업 기계의 제어 시스템은, 붐 축 주위로 회전 가능한 붐과, 상기 붐 축과 평행한 암 축 주위로 회전 가능한 암과, 상기 암 축과 평행한 버킷 축 주위로 회전 가능하고 또한 상기 버킷 축과 상이한 어태치먼트 축 주위로 회전 가능한 버킷을 구비하는 작업 기계의 제어 시스템으로서, 상기 버킷 상의 점과 굴삭 대상의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 설계면과의 거리인 버킷 거리를 산출하는 거리 산출부와, 상기 버킷 거리에 기초하여, 상기 버킷이 상기 목표 설계면에 진입하지 않도록, 상기 작업기의 속도를 억제하기 위한 개입 제어량을 산출하는 개입 제어부와, 상기 버킷의 날끝(edge)과 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 설계면이 평행하게 접근하도록, 상기 버킷을 상기 어태치먼트 축 주위로 회전시키는 상기 어태치먼트 제어량을 산출하는 어태치먼트 제어부와, 상기 개입 제어량 및 상기 어태치먼트 제어량에 기초하는 작업기의 이동에 의해, 상기 버킷 거리가 증가하지 않도록 상기 어태치먼트 축 주위의 회전을 제한하는 어태치먼트 제한부를 구비한다.
상기 태양에 의하면, 작업 기계의 제어 시스템은, 작업기의 동작의 안정을 유지하면서, 개입 제어와 자동 틸트 제어 또는 자동 로테이션 제어를 동시에 행할 수 있다.
[도 1] 작업 기계 및 작업기의 자세의 예를 나타내는 도면이다.
[도 2] 제1 실시형태에 관한 작업 기계의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 3] 제1 실시형태에 관한 버킷의 구성을 나타내는 정면도이다.
[도 4] 제1 실시형태에 관한 운전실의 내부의 구성을 나타내는 도면이다.
[도 5] 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
[도 6] 제1 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타내는 플로차트다.
[도 7] 틸트 자동 제어에서의 목표 설계면과 날끝 상의 점과의 관계를 나타내는 도면이다.
[도 8] 제1 실시형태에 관한 버킷의 거리 차와 틸트 각속도의 목표값의 관계를 나타내는 틸트 함수의 예를 나타내는 도면이다.
[도 9] 제2 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타내는 플로차트다.
[도 10] 제3 실시형태에 관한 제어 장치의 동작을 나타내는 플로차트다.
<좌표계>
도 1은, 작업 기계(100) 및 작업기(150)의 자세의 예를 나타내는 도면이다.
이하의 설명에 있어서는, 3차원의 현장 좌표계(Xg, Yg, Zg) 및 3차원의 차체 좌표계(Xm, Ym, Zm)을 규정하여, 이들에 기초하여 위치 관계를 설명한다.
현장 좌표계는, 시공 현장에 설치된 GNSS(Global Navigation Satellite System) 기준국의 위치를 기준점으로 하여 남북으로 연장되는 Xg축, 동서로 연장되는 Yg축, 연직 방향으로 연장되는 Zg축으로 구성되는 좌표계다. GNSS의 예로서는 GPS(Global Positioning System)을 들 수 있다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 현장 좌표계 대신에 위도 및 경도 등으로 표현되는 글로벌 좌표계를 사용해도 된다.
차체 좌표계는, 작업 기계(100)의 선회체(旋回體)(130)에 규정된 대표점 O를 기준으로 하여, 후술하는 운전실(170) 내의 오퍼레이터의 착석 위치에서 볼 때 전후로 연장되는 Xm축, 좌우로 연장되는 Ym축, 상하로 연장되는 Zm축으로 구성되는 좌표계다. 선회체(130)의 대표점 O를 기준으로 하여 전방을 +Xm방향, 후방을 -Xm방향, 좌방을 +Ym방향, 우방을 -Ym방향, 상방향을 +Zm방향, 하방향을 -Zm방향으로 부른다.
현장 좌표계와 차체 좌표계는, 현장 좌표계에서의 작업 기계(100)의 위치 및 기울기를 특정함으로써, 서로 변환할 수 있다.
<제1 실시형태>
《작업 기계(100)의 구성》
도 2는, 제1 실시형태에 관한 작업 기계(100)의 구성을 나타내는 개략도이다.
작업 기계(100)는 시공 현장에서 가동(稼動)하고, 토사 등의 굴삭 대상을 시공한다. 제1 실시형태에 관한 작업 기계(100)는 유압 셔블이다.
작업 기계(100)는 주행체(110), 선회체(130), 작업기(150), 운전실(170), 제어 장치(190)를 구비한다.
주행체(110)는 작업 기계(100)를 주행 가능하게 지지한다. 주행체(110)는 예를 들면 좌우 한 쌍의 무한 궤도이다. 선회체(130)는 주행체(110)에 선회 중심 주위로 선회 가능하게 지지된다. 작업기(150)는 유압(油壓)에 의해 구동한다. 작업기(150)는 선회체(130)의 전부(前部)에 상하 방향으로 구동 가능하게 지지된다. 운전실(170)은 오퍼레이터가 탑승하고, 작업 기계(100)의 조작을 행하기 위한 공간이다. 운전실(170)은 선회체(130)의 전부에 설치된다. 제어 장치(190)는 오퍼레이터의 조작에 기초하여, 주행체(110), 선회체(130), 및 작업기(150)를 제어한다. 제어 장치(190)는 예를 들면 운전실(170)의 내부에 설치된다.
《선회체(130)의 구성》
도 2에 나타낸 바와 같이, 선회체(130)는 위치 방위 검출기(131) 및 경사 검출기(132)를 구비한다.
위치 방위 검출기(131)는, 선회체(130)의 현장 좌표계에서의 위치 및 선회체(130)가 향하는 방위를 연산한다. 위치 방위 검출기(131)는 GNSS를 구성하는 인공 위성으로부터 측위 신호를 수신하는 2개의 안테나를 구비한다. 2개의 안테나는 각각 선회체(130)의 상이한 위치에 설치된다. 예를 들면 2개의 안테나는 선회체(130)의 카운터웨이트부(counterweight portion)에 설치된다. 위치 방위 검출기(131)는, 2개의 안테나 중 적어도 한쪽이 수신한 측위 신호에 기초하여, 현장 좌표계에서의 선회체(130)의 대표점 O의 위치를 검출한다. 위치 방위 검출기(131)는 2개의 안테나의 각각이 수신한 측위 신호를 이용하여, 현장 좌표계에 있어서 선회체(130)가 향하는 방위를 검출한다.
경사 검출기(132)는 선회체(130)의 가속도 및 각속도를 계측하고, 계측 결과에 기초하여 선회체(130)의 기울기(예를 들면, Xm축에 대한 회전을 표시하는 롤, 및 Ym축에 대한 회전을 표시하는 피치)를 검출한다. 경사 검출기(132)는 예를 들면 운전실(170)의 아래쪽에 설치된다. 경사 검출기(132)의 예로서는, IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 계측 장치)를 들 수 있다.
《작업기(150)의 구성》
도 2에 나타낸 바와 같이, 작업기(150)는 붐(151), 암(152), 제1 링크(153), 제2 링크(154), 및 버킷(155)을 구비한다.
붐(151)의 기단부(基端部)는 선회체(130)에 붐 핀(P1)을 통하여 장착된다. 이하, 붐 핀(P1)의 중심축을 붐 축(X1)으로 부른다.
암(152)은 붐(151)과 버킷(155)을 연결한다. 암(152)의 기단부는 붐(151)의 선단부에 암 핀(P2)을 통하여 장착된다. 이하, 암 핀(P2)의 중심축을 암 축(X2)으로 부른다.
제1 링크(153)의 제1 단(端)은, 암(152)의 선단측의 측면에 제1 링크 핀(P3)을 통하여 장착된다. 제1 링크(153)의 제2 단은 제2 링크(154)의 제1 단에, 버킷 실린더 핀(P4)을 통하여 장착된다.
버킷(155)은 토사 등을 굴삭하기 위한 날끝으로 굴착한 토사를 수용하기 위한 수용부를 구비한다. 버킷(155)의 기단부는, 암(152)의 암(152)의 선단부에 버킷 핀(P5)을 통하여 장착된다. 이하, 버킷 핀(P5)의 중심축을 버킷 축(X3)으로 부른다. 또한 버킷(155)의 기단부는 제2 링크(154)의 제2 단에, 제2 링크 핀(P6)을 통하여 장착된다.
붐 축(X1), 암 축(X2), 및 버킷 축(X3)은 서로 평행하다.
작업기(150)는 동력을 발생시키는 액추에이터인 복수의 유압 실린더를 구비한다. 구체적으로는, 작업기(150)는 붐 실린더(156), 암 실린더(157), 및 버킷 실린더(158)를 구비한다.
붐 실린더(156)는 붐(151)을 작동시키기 위한 유압 실린더다. 붐 실린더(156)의 기단부는 선회체(130)에 장착된다. 붐 실린더(156)의 선단부는 붐(151)에 장착된다. 붐 실린더(156)에는, 붐 실린더(156)의 스트로크량을 검출하는 붐 실린더 스트로크 센서(1561)가 설치된다.
암 실린더(157)는 암(152)을 구동시키기 위한 유압 실린더다. 암 실린더(157)의 기단부는 붐(151)에 장착된다. 암 실린더(157)의 선단부는 암(152)에 장착된다. 암 실린더(157)에는, 암 실린더(157)의 스트로크량을 검출하는 암 실린더 스트로크 센서(1571)가 설치된다.
버킷 실린더(158)는 버킷(155)을 구동시키기 위한 유압 실린더다. 버킷 실린더(158)의 기단부는 암(152)에 장착된다. 버킷 실린더(158)의 선단부는, 제2 링크 핀(P6)을 통하여 제1 링크(153)의 제2 단 및 제2 링크(154)의 제1 단에 장착된다. 버킷 실린더(158)에는, 버킷 실린더(158)의 스트로크량을 검출하는 버킷 실린더 스트로크 센서(1581)가 설치된다.
《버킷(155)의 구성》
도 3은, 제1 실시형태에 관한 버킷(155)의 구성을 나타내는 정면도이다.
제1 실시형태에 관한 버킷(155)은, 버킷 축(X3)에 직교하는 축인 틸트 축(X4) 주위로 회전 가능한 틸트 버킷이다. 틸트 축(X4)은 버킷(155)을 회전시키는 어태치먼트 축의 일례이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 버킷(155)은 버킷 본체(161)와, 조인트(162)와, 틸트 실린더(163)를 구비한다.
조인트(162)의 기단부에는, 버킷 핀(P5)을 통하여 암(152)을 장착하기 위한 장착공을 가지는 전측(前側) 브래킷(1621) 및 제2 링크 핀(P6)을 통하여 제2 링크(154)를 장착하기 위한 장착공을 가지는 후측(後側) 브래킷(1622)이 설치된다. 즉, 전측 브래킷(1621)의 장착공은, 버킷 축(X3)을 통과하도록 설치된다.
조인트(162)의 선단부는, 틸트 핀(P7)을 통하여 버킷 본체(161)의 기단부에 장착된다. 틸트 핀(P7)은 버킷 축(X3)에 직교하도록 설치된다. 틸트 핀(P7)의 중심축은 틸트 축(X4)을 이룬다.
버킷 본체(161)의 기단부의 일단(一端)(좌측단 또는 우측단)에는, 틸트 실린더(163)를 장착하기 위한 틸트 브래킷(1611)이 설치된다.
틸트 실린더(163)는, 틸트 축(X4) 주위로 버킷 본체(161)를 회전시키기 위한 유압 실린더다. 틸트 실린더(163)의 기단부는, 틸트 실린더 엔드 핀(P8)을 통하여 틸트 브래킷(1611)에 장착된다. 틸트 실린더(163)의 선단부는, 틸트 실린더 탑 핀(P9)을 통하여 조인트(162)에 장착된다. 틸트 실린더 엔드 핀(P8)및 틸트 실린더 탑 핀(P9)은 각각 틸트 핀(P7)과 평행하게 설치된다. 이로써, 버킷 본체(161)는 틸트 실린더(163)의 구동에 의해 틸트 축(X4) 주위로 회전한다.
틸트 실린더(163)에는, 틸트 실린더(163)의 스트로크량을 검출하는 틸트 실린더 스트로크 센서(1631)가 설치된다.
《운전실(170)의 구성》
도 4는, 제1 실시형태에 관한 운전실의 내부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 운전실(170) 내에는, 운전석(171), 조작 장치(172) 및 제어 장치(190)가 설치된다.
조작 장치(172)는, 오퍼레이터의 수동 조작에 의해 주행체(110), 선회체(130) 및 작업기(150)를 구동시키기 위한 인터페이스다. 조작 장치(172)는 좌측 조작 레버(1721), 우측 조작 레버(1722), 좌측 풋 페달(1723), 우측 풋 페달(1724), 좌측 주행 레버(1725), 우측 주행 레버(1726)를 구비한다.
좌측 조작 레버(1721)는 운전석(171)의 좌측에 설치된다. 우측 조작 레버(1722)는 운전석(171)의 우측에 설치된다.
좌측 조작 레버(1721)는 선회체(130)의 선회 동작, 및 암(152)의 당기기(pulling) 동작 및 밀기(pushing) 동작을 행하기 위한 조작 기구이다. 구체적으로는, 오퍼레이터가 좌측 조작 레버(1721)를 전방으로 기울이면, 암 실린더(157)가 구동하고, 암(152)이 밀기 동작한다. 또한, 오퍼레이터가 좌측 조작 레버(1721)를 후방으로 기울이면, 암 실린더(157)가 구동하고, 암(152)이 당기기 동작한다. 또한, 오퍼레이터가 좌측 조작 레버(1721)를 우방향으로 기울이면, 선회체(130)가 우선회한다. 또한, 오퍼레이터가 좌측 조작 레버(1721)를 좌방향으로 기울이면, 선회체(130)가 좌선회한다.
우측 조작 레버(1722)는, 버킷(155)의 굴삭 동작 및 덤프 동작, 및 붐(151)의 상승 동작 및 하강 동작을 행하기 위한 조작 기구이다. 구체적으로는, 오퍼레이터가 우측 조작 레버(1722)를 전방으로 기울이면, 붐 실린더(156)가 구동하고, 붐(151)의 하강 동작이 실행된다. 또한, 오퍼레이터가 우측 조작 레버(1722)를 후방으로 기울이면, 붐 실린더(156)가 구동하고, 붐(151)의 상승 동작이 실행된다. 또한, 오퍼레이터가 우측 조작 레버(1722)를 우방향으로 기울이면, 버킷 실린더(158)가 구동하고, 버킷(155)의 덤프 동작이 행해진다. 또한, 오퍼레이터가 우측 조작 레버(1722)를 좌방향으로 기울이면, 버킷 실린더(158)가 구동하고, 버킷(155)의 굴삭 동작이 행해진다.
그리고, 좌측 조작 레버(1721) 및 우측 조작 레버(1722)의 조작 방향과, 작업기(150)의 동작 방향 및 선회체(130)의 선회 방향의 관계는, 전술한 관계가 아니어도 된다.
또한, 우측 조작 레버(1722)의 상부에는, 도시하지 않은 틸트 조작 버튼이 설치된다. 구체적으로는, 오퍼레이터가 틸트 조작 버튼을 좌방향으로 슬라이딩시키면, 틸트 실린더(163)가 구동하고, 오퍼레이터로부터 볼 때 좌방향으로 버킷(155)의 틸트 회전 동작이 행해진다. 오퍼레이터가 틸트 조작 버튼을 우방향으로 슬라이딩시키면, 틸트 실린더(163)가 구동하고, 오퍼레이터로부터 볼 때 우방향으로 버킷(155)의 틸트 회전 동작이 행해진다. 그리고, 틸트 조작 버튼은 좌우 방향으로 회전시키는 구성이라도 된다. 또한, 틸트 조작은, 오퍼레이터의 도시하지 않은 페달에 의한 조작으로 실현되어도 된다.
좌측 풋 페달(1723)은 운전석(171)의 전방의 바닥면의 좌측에 배치된다. 우측 풋 페달(1724)은 운전석(171)의 전방의 바닥면의 우측에 배치된다. 좌측 주행 레버(1725)는 좌측 풋 페달(1723)에 축지(pivotally support)되고, 좌측 주행 레버(1725)의 경사와 좌측 풋 페달(1723)의 눌러 내림이 연동하도록 구성된다. 우측 주행 레버(1726)는 우측 풋 페달(1724)에 축지되고, 우측 주행 레버(1726)의 경사와 우측 풋 페달(1724)의 눌러 내림이 연동하도록 구성된다.
좌측 풋 페달(1723) 및 좌측 주행 레버(1725)는, 주행체(110)의 좌측 크롤러 벨트(crawler belt)의 회전 구동에 대응한다. 구체적으로는, 주행체(110)의 구동륜이 후방에 있는 경우, 오퍼레이터가 좌측 풋 페달(1723) 또는 좌측 주행 레버(1725)를 전방으로 기울이면, 좌측 크롤러 벨트는 전진 방향으로 회전한다. 또한, 오퍼레이터가 좌측 풋 페달(1723) 또는 좌측 주행 레버(1725)를 후방으로 기울이면, 좌측 크롤러 벨트는 후진 방향으로 회전한다.
우측 풋 페달(1724)및 우측 주행 레버(1726)는, 주행체(110)의 우측 크롤러 벨트의 회전 구동에 대응한다. 구체적으로는, 주행체(110)의 구동륜이 후방에 있는 경우, 오퍼레이터가 우측 풋 페달(1724) 또는 우측 주행 레버(1726)를 전방으로 기울이면, 우측 크롤러 벨트는 전진 방향으로 회전한다. 또한, 오퍼레이터가 우측 풋 페달(1724) 또는 우측 주행 레버(1726)를 후방으로 기울이면, 우측 크롤러 벨트는 후진 방향으로 회전한다.
《제어 장치(190)의 구성》
제어 장치(190)는, 시공 현장에 있어서 설정된 목표 설계면에 버킷(155)이 침입하지 않도록 버킷(155)이 굴삭 대상에 접근하는 방향의 동작을 제한한다. 목표 설계면은 굴삭 대상의 목표 형상을 나타낸다. 제어 장치(190)가 목표 설계면에 기초하여 버킷(155)의 동작을 제한하는 것을 개입 제어라고도 한다.
여기에서, 오퍼레이터가 붐(151)의 내림 조작을 행하고, 버킷(155)의 날끝을 목표 설계면에서 정지시키기 위한 개입 제어인 정지 제어에 대하여 설명한다. 제어 장치(190)는, 버킷(155)과 목표 설계면의 거리가 소정의 정지 제어 거리 미만이 된 경우에, 붐(151)의 내림 방향으로의 이동에 따르는 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면의 거리에 따라, 목표 설계면에 버킷(155)이 침입하지 않도록, 붐(151)의 조작량을 보정하기 위한 정지 제어량을 산출한다. 이로써, 오퍼레이터가 붐(151)을 조작하는 것만으로, 제어 장치(190)가 붐 실린더(156)의 조작량을 보정함으로써 버킷(155)의 동작을 제한하고, 설계면으로의 버킷(155)의 날끝의 침입을 자동적으로 방지한다.
그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(190)는 정지 제어에 있어서 암(152) 또는 버킷(155)의 조작량을 보정해도 된다. 또한, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(190)는 정지 제어에 추가하거나, 또는 정지 제어 대신에, 오퍼레이터가 암(152)의 조작을 행했을 때, 붐(151)을 올림 방향으로 이동시킴으로써 버킷(155)의 날끝이 목표 설계면에 침입하지 않도록 개입 제어를 행해도 된다.
또한, 제어 장치(190)는, 버킷(155)과 목표 설계면의 거리가 소정의 틸트 제어 거리 미만으로 된 경우에, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면이 평행하게 되도록, 버킷(155)을 틸트 축(X4) 주위로 회전시킨다. 제어 장치(190)가 목표 설계면에 기초하여 버킷(155)을 틸트 축(X4) 주위로 회전시키는 것을 자동 틸트 제어라고도 한다.
도 5는, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(190)의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
제어 장치(190)는 프로세서(210), 메인 메모리(230), 스토리지(250), 인터페이스(270)를 구비하는 컴퓨터다.
스토리지(250)는 일시적이지 않은 유형의 기억 매체이다. 스토리지(250)의 예로서는, 자기 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, 반도체 메모리 등을 들 수 있다. 스토리지(250)는 제어 장치(190)의 버스에 직접 접속된 내부 미디어라도 되고, 인터페이스(270) 또는 통신 회선을 통하여 제어 장치(190)에 접속되는 외부 미디어라도 된다. 스토리지(250)는 작업 기계(100)를 제어하기 위한 프로그램을 기억한다.
프로그램은 제어 장치(190)에 발휘시키는 기능의 일부를 실현하기 위한 것이라도 된다. 예를 들면, 프로그램은, 스토리지(250)에 이미 기억되어 있는 다른 프로그램과의 조합, 또는 다른 장치에 실장된 다른 프로그램과의 조합에 의해 기능을 발휘시키는 것이라도 된다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 제어 장치(190)는 상기 구성에 추가하거나, 또는 상기 구성 대신에 PLD(Progra㎜able Logic Device)등의 커스텀 LSI(Large Scale Integrated Circuit)를 구비해도 된다. PLD의 예로서는, PAL(Progra㎜able Array Logic), GAL(Generic Array Logic), CPLD(Complex Progra㎜able Logic Device), FPGA(Field Progra㎜able Gate Array)를 들 수 있다. 이 경우, 프로세서에 의해 실현되는 기능의 일부 또는 전부가 해당 집적 회로에 의해 실현되어도 된다.
스토리지(250)에는, 미리 목표 설계면을 나타내는 설계면 데이터가 기억된다. 설계면 데이터는, 현장 좌표계로 표시되는 3차원 데이터로서, 복수의 삼각형 폴리곤에 의해 표시된다. 설계면 데이터를 구성하는 삼각형 폴리곤은, 각각에 인접하는 다른 삼각형 폴리곤과 공통의 변을 가진다. 즉, 설계면 데이터는 복수의 평면으로 구성되는 연속된 평면을 표시한다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 설계면 데이터가 삼각형 폴리곤 이외의 다각형면에 의해 구성되어도 되고, 또한 점군 데이터 등의 다른 형식으로 표시되어도 된다.
그리고, 본 실시형태에서는, 설계면 데이터는 스토리지(250)에 기억된다고 하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 설계면 데이터는 외부 메모리나, 도시하지 않은 서버로부터 도시하지 않은 통신 회선을 통하여 다운로드되어도 된다.
프로세서(210)는 프로그램을 실행함으로써, 검출값 취득부(211), 버킷 위치 특정부(212), 목표 평면 결정부(213), 거리 산출부(214), 조작량 취득부(215), 정지 제어부(216), 틸트 제어부(217), 틸트 제한부(218), 출력부(219)로서 기능한다.
검출값 취득부(211)는 붐 실린더 스트로크 센서(1561), 암 실린더 스트로크 센서(1571), 버킷 실린더 스트로크 센서(1581), 틸트 실린더 스트로크 센서(1631), 위치 방위 검출기(131), 및 경사 검출기(132)의 각각의 검출값을 취득한다. 즉, 검출값 취득부(211)는 선회체(130)의 현장 좌표계에서의 위치, 선회체(130)가 향하는 방위, 선회체(130)의 기울기, 붐 실린더(156)의 스트로크 길이, 암 실린더(157)의 스트로크 길이, 버킷 실린더(158)의 스트로크 길이, 및 틸트 실린더(163)의 스트로크 길이를 취득한다.
버킷 위치 특정부(212)는, 검출값 취득부(211)가 취득한 검출값에 기초하여, 버킷(155)의 날끝 상의 복수의 점의 위치를 특정한다. 예를 들면, 버킷 위치 특정부(212)는 버킷(155)의 날끝을 4등분하는 5개의 점의 위치를 각각 특정한다. 버킷(155)의 날끝의 위치의 특정 방법은 후술한다.
목표 평면 결정부(213)는, 정지 제어 및 틸트 제어의 대상으로 하는 목표 평면을 결정한다. 목표 평면은 목표 설계면을 구성하는 복수의 삼각형 폴리곤 중 적어도 1개를 통과하는 평면이다. 구체적으로는, 목표 평면 결정부(213)는 이하의 순서로 목표 평면을 결정한다. 목표 평면 결정부(213)는, 설계면 데이터와 버킷 위치 특정부(212)가 특정한 복수의 점의 위치에 기초하여, 해당 복수의 점 각각에 대하여, 목표 설계면을 구성하는 삼각형 폴리곤 중 해당 점에 대향하는 것과 해당 점 사이의 거리를 산출한다. 이 때, 복수의 점은, 각각 상이한 삼각형 폴리곤과 대향할 수 있다. 목표 평면 결정부(213)는, 가장 짧은 거리에 관련된 삼각형 폴리곤을 특정하고, 해당 삼각형 폴리곤을 통과하는 평면을 목표 평면으로 결정한다.
거리 산출부(214)는, 버킷 위치 특정부(212)가 특정한 복수의 점의 위치와 목표 평면 결정부(213)가 결정한 목표 평면에 기초하여, 복수의 점과 목표 평면 사이의 거리를 산출한다.
조작량 취득부(215)는 조작 장치(172)로부터 조작량을 나타내는 조작 신호를 취득한다. 조작량 취득부(215)는, 적어도 붐(151)의 올림 조작 및 내림 조작에 관련된 조작량, 암(152)의 밀기 조작 및 당기기 조작에 관련된 조작량, 및 버킷(155)의 굴삭 조작, 덤프 조작 및 틸트 조작에 관련된 조작량을 취득한다.
정지 제어부(216)는, 조작량 취득부(215)가 취득한 조작 장치(172)의 조작량과, 거리 산출부(214)가 산출한 거리 중 가장 짧은 것(최단 버킷 거리)에 기초하여, 작업기(150)의 정지 제어를 행한다. 구체적으로는, 정지 제어부(216)는 이하의 순서로 정지 제어량을 산출한다. 거리 산출부(214)가 산출한 최단 버킷 거리를, 버킷(155)과 목표 평면의 거리로부터 허용 속도를 구하는 허용 속도 함수에 대입함으로써, 버킷(155)의 허용 속도를 산출한다. 그리고, 허용 속도 함수에 의하면, 허용 속도는 버킷과 목표 평면의 거리에 대하여 단조(單調) 증가한다. 「단조 증가」란, 한쪽의 값이 증가했을 때, 항상 다른 쪽의 값이 증가하거나, 또는 변화하지 않는 것(단조 비감소)를 말한다. 정지 제어부(216)는 허용 속도를 정지 제어량으로서 산출한다. 정지 제어부(216)는, 버킷(155)이 목표 설계면에 진입하지 않도록 작업기의 속도를 억제하기 위한 개입 제어량을 산출하는 개입 제어부의 일례이다. 정지 제어량은 개입 제어량의 일례이다.
틸트 제어부(217)는, 거리 산출부(214)가 산출한 거리 중, 버킷(155)의 날끝의 좌측단으로부터 목표 평면까지의 거리인 제1 거리와, 버킷(155)의 날끝의 우측단으로부터 목표 평면까지의 거리인 제2 거리의 차이에 기초하여, 자동 틸트 제어를 행한다. 버킷(155)의 날끝의 좌측단 및 우측단은, 각각 제1 버킷점 및 제2 버킷점의 일례이다. 그리고, 다른 실시형태에 있어서는, 제1 버킷점 및 제2 버킷점은 버킷(155) 상의 다른 점이라도 된다. 다만, 제2 버킷점은, 제1 버킷점을 통과하고 또한 버킷(155)의 날끝에 평행한 직선 상에 존재한다는 조건을 만족시킬 필요가 있다. 즉, 다른 실시형태에 있어서는, 제1 버킷점 및 제2 버킷점은 바닥면 상의 점 등, 반드시 날끝 상의 점이 아니어도 된다. 틸트 제어부(217)는 어태치먼트 제어부의 일례이다.
틸트 제한부(218)는, 제1 거리와 제2 거리의 차가 소정의 길이 임계값을 초과하는 경우에, 틸트 제어부(217)에 의한 자동 틸트 제어를 취소한다. 즉, 틸트 제한부(218)는, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에, 자동 틸트 제어를 행하지 않는다. 그리고, 소정의 길이 임계값은, 제1 거리와 제2 거리의 차로부터 결정되는 자동 틸트 제어량과 개입 제어량에 기초하여 산출된다. 즉, 틸트 제한부(218)는 허용 속도로부터 소정의 길이 임계값을 산출한다.
틸트 제한부(218)는, 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록 어태치먼트 축 주위의 회전을 제한하는 어태치먼트 제한부의 일례이다.
출력부(219)는, 조작량 취득부(215)가 취득한 조작량, 정지 제어부(216)에 의해 산출되는 정지 제어량, 및 틸트 제어부(217)에 의해 산출되는 틸트 제어량에 기초하여, 각 액추에이터에 제어 신호를 출력한다.
《버킷(155)의 날끝 위치의 특정 방법》
여기에서, 도 1 및 도 3을 참조하면서, 버킷 위치 특정부(212)에 의한 버킷(155)의 날끝의 위치의 특정 방법에 대하여 설명한다. 차체 좌표계에서의 버킷(155)의 날끝의 위치는 붐 길이 L1, 암 길이 L2, 조인트 길이 L3, 버킷 길이 L4, 붐 상대각 α, 암 상대각 β, 버킷 상대각 γ, 틸트각 η, 차체 좌표계에서의 붐 핀(P1)의 위치, 및 현장 좌표계에서의 대표점 O의 위치에 기초하여 특정할 수 있다.
붐 길이 L1은 붐 핀(P1)으로부터 암 핀(P2)까지의 기지(旣知)의 길이다.
암 길이 L2는 암 핀(P2)으로부터 버킷 핀(P3)까지의 기지의 길이다.
조인트 길이 L3은 버킷 핀(P3)으로부터 틸트 핀(P7)까지의 기지의 길이다.
버킷 길이 L4는, 틸트 핀(P7)으로부터 버킷(155)의 날끝의 중심점까지의 기지의 길이다.
붐 상대각 α는, 붐 핀(P1)으로부터 선회체(130)의 상방향(+Zm방향)으로 연장되는 반직선과, 붐 핀(P1)으로부터 암 핀(P2)으로 연장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표시된다. 그리고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 선회체(130)의 기울기 θ에 의해, 선회체(130)의 상방향(+Zm방향)과 연직 상방향(+Zg방향)은 반드시 일치하지 않는다.
암 상대각 β는, 붐 핀(P1)으로부터 암 핀(P2)으로 연장되는 반직선과, 암 핀(P2)으로부터 버킷 핀(P3)으로 연장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표시된다.
버킷 상대각 γ은, 암 핀(P2)으로부터 버킷 핀(P3)으로 연장되는 반직선과, 버킷 핀(P3)으로부터 틸트 핀(P7)으로 연장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표시된다.
틸트각 η은, 틸트 핀(P7)으로부터 버킷 핀(P3)및 틸트 핀(P7)에 직교하는 방향으로 연장되는 반직선과, 틸트 핀(P7)으로부터 버킷(155)의 날끝의 중심점으로 연장되는 반직선이 이루는 각에 의해 표시된다.
버킷(155)의 날끝의 현장 좌표계에서의 위치는, 예를 들면 이하의 순서로 특정된다. 버킷 위치 특정부(212)는, 차체 좌표계에서의 붐 핀(P1)의 위치와 붐 상대각 α와 붐 길이 L1에 기초하여, 차체 좌표계에서의 암 핀(P2)의 위치를 특정한다. 버킷 위치 특정부(212)는, 차체 좌표계에서의 암 핀(P2)의 위치와 암 상대각 β와 암 길이 L2에 기초하여, 차체 좌표계에서의 버킷 핀(P3)의 위치를 특정한다. 버킷 위치 특정부(212)는, 차체 좌표계에서의 버킷 핀(P3)의 위치와, 버킷 상대각 γ와, 조인트 길이 L3에 기초하여, 차체 좌표계에서의 틸트 핀(P7)의 위치를 특정한다. 버킷 위치 특정부(212)는, 차체 좌표계에서의 틸트 핀(P7)의 위치와, 틸트각 η와, 버킷 길이 L4에 기초하여, 차체 좌표계에서의 버킷(155)의 날끝의 중심점의 위치를 특정한다. 또한, 버킷 위치 특정부(212)는, 날끝의 중심점으로부터 날끝의 임의의 점까지의 거리를 특정하고, 날끝의 중심점의 위치로부터, 틸트각 η의 방향으로, 날끝의 중심점으로부터 임의의 점까지의 거리만큼 어긋난 위치를 계산함으로써, 날끝의 임의의 점의 위치를 특정할 수 있다. 예를 들면, 버킷 위치 특정부(212)는, 날끝의 중심점의 위치로부터, 틸트각 η의 정부(正負)의 방향으로 각각 날끝의 폭 방향의 길이의 1/2만큼 어긋난 위치를 계산함으로써, 날끝의 양단의 위치를 특정할 수 있다.
붐 상대각 α, 암 상대각 β, 버킷 상대각 γ, 및 틸트각 η은, 각각 붐 실린더 스트로크 센서(1561)의 검출값, 암 실린더 스트로크 센서(1571)의 검출값, 버킷 실린더 스트로크 센서(1581)의 검출값, 및 틸트 실린더 스트로크 센서(1631)의 검출값에 의해 특정된다. 버킷 위치 특정부(212)는 선회체(130)의 현장 좌표계에서의 위치, 선회체(130)가 향하는 방위, 및 선회체(130)의 자세에 기초하여, 차체 좌표계에서의 버킷(155)의 날끝의 위치를, 현장 좌표계에서의 위치로 변환한다.
그리고, 붐 상대각 α, 암 상대각 β, 버킷 상대각 γ, 및 틸트각 η의 검출은, 실린더 스트로크 센서에 의해 행하는 것에 한정되지 않고, 각도 센서에 행해도 된다.
《제어 장치(190)의 동작》
도 6은, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(190)의 동작을 나타내는 플로차트다. 도 7은, 틸트 자동 제어에서의 목표 설계면과 날끝 상의 점의 관계를 나타내는 도면이다.
작업 기계(100)의 오퍼레이터가 작업 기계(100)의 조작을 개시하면, 제어 장치(190)는 소정의 제어 주기(周期)마다 이하에 나타내는 제어를 실행한다.
조작량 취득부(215)는, 조작 장치(172)로부터 붐(151)에 관련된 조작량, 암(152)에 관련된 조작량, 버킷(155)에 관련된 조작량, 틸트에 관련된 조작량, 및 선회체(130)의 선회에 관련된 조작량을 취득한다(스텝 S1). 검출값 취득부(211)는, 위치 방위 검출기(131), 경사 검출기(132), 붐 실린더 스트로크 센서(1561), 암 실린더 스트로크 센서(1571), 버킷 실린더 스트로크 센서(1581), 틸트 실린더 스트로크 센서(1631)의 각각이 검출한 정보를 취득한다(스텝 S2).
버킷 위치 특정부(212)는, 각 유압 실린더의 스트로크 길이로부터 붐 상대각 α, 암 상대각 β, 버킷 상대각 γ, 및 틸트각 η를 산출한다(스텝 S3). 또한 버킷 위치 특정부(212)는, 스텝 S2에서 취득한 검출값, 스텝 S3에서 산출한 각도, 및 기지의 작업기(150)의 길이 파라미터에 기초하여, 버킷(155)의 날끝을 4등분하는 5개의 점의 현장 좌표계에서의 위치를 산출한다(스텝 S4). 이하, 버킷(155)의 날끝 상의 5개의 점을, 날끝의 좌측단으로부터 순서대로, 점 p1, 점 p2, 점 p3, 점 p4, 점 p5로 부른다. 즉, 점 p1은 날끝의 좌측단의 점이고, 점 p5는 날끝의 우측단의 점이며, 점 p3은 날끝의 중심점이다.
그리고, 각도 센서나 IMU를 이용하여 직접적으로 각도가 검출되는 경우, 스텝 S3은 생략되어도 된다.
목표 평면 결정부(213)는 스토리지(250)로부터 설계면 데이터를 판독하고, 점 p1-p5 각각에 대하여, 목표 설계면과의 사이의 거리를 산출한다(스텝 S5). 스텝 S5에 있어서, 목표 평면 결정부(213)는 점 p1-p5의 각각에 대하여, 해당 점으로부터 연직 방향(Zg축 방향)으로 연장되는 방향으로 대향하는 삼각형 폴리곤과의 거리를 산출한다. 도 7에 나타낸 예에 있어서는, 목표 평면 결정부(213)는, 점 p1-p3과 삼각형 폴리곤(t1)의 거리 L11-L13, 및 점 p4-p5와 삼각형 폴리곤(t2)의 거리 L14-L15를 산출한다. 버킷(155)의 날끝의 위치를 현장 좌표계에서 특정한 경우에는, 현장 좌표계에 기초한 설계면 데이터를 이용한다. 버킷(155)의 날끝의 위치를 차체 좌표계에서 특정한 경우에는, 차체 좌표계에 기초한 설계면 데이터를 사용해도 된다. 예를 들면, 차체 좌표계에 기초하는 설계면 데이터는, 현장 좌표계에 기초하는 설계면 데이터를, 위치 방위 검출기(131) 및 경사 검출기(132)의 검출값에 기초하여 차체 좌표계로 변환한 것이라도 된다.
다음으로, 목표 평면 결정부(213)는 가장 짧은 거리에 관련된 삼각형 폴리곤을 특정하고, 해당 삼각형 폴리곤을 통과하는 평면을, 목표 평면(g1)에 결정한다 (스텝 S6). 도 7에 나타낸 예에 있어서는, 거리 L11부터 거리 L15 중, 점 p3과 삼각형 폴리곤(t1)의 거리 L13이 가장 짧으므로, 목표 평면 결정부(213)는 삼각형 폴리곤(t1)을 통과하는 평면을 목표 평면(g1)에 결정한다.
거리 산출부(214)는, 스텝 S4에서 산출한 날끝 양단의 점 p1, p5의 위치와, 스텝 S6에서 결정한 목표 평면(g1)에 기초하여, 점 p1과 목표 평면(g1) 사이의 거리 L21, 및 점 p5와 목표 평면(g1) 사이의 거리 L22를 산출한다(스텝 S7). 스텝 S7에 있어서, 목표 평면 결정부(213)는, 점 p1 및 점 p5의 각각에 대하여, 목표 평면(g1)의 법선 방향에서의 목표 평면(g1)과의 거리 L21, L22를 산출한다. 거리 산출부(214)는 거리 L21 및 거리 L21의 짧은 쪽을 최단 버킷 거리로서 특정한다.
다음으로, 틸트 제어부(217)는, 스텝 S1에서 취득한 조작량에 기초하여, 오퍼레이터에 의한 틸트 조작 입력이 있는지 아닌지를 판정한다(스텝 S8). 예를 들면 틸트 제어부(217)는, 틸트 조작량의 절대값이 소정값 미만인 경우에, 조작 입력이 없다고 판정한다. 틸트 조작이 없는 경우(스텝 S8: NO), 틸트 제어부(217)는, 스텝 S7에서 특정한 최단 버킷 거리가 틸트 제어 거리 th2 미만인지 아닌지를 판정한다(스텝 S9).
최단 버킷 거리가 틸트 제어 거리 th2 미만인 경우(스텝 S9: YES), 틸트 제어부(217)는 스텝 S7에서 산출한 거리 L21과 거리 L22의 차(거리 차)를 산출한다(스텝 S10).
정지 제어부(216)는, 스텝 S7에서 특정한 최단 버킷 거리와, 스텝 S1에서 취득한 조작량에 기초하여, 버킷(155)의 속도를 산출한다(스텝 S11). 구체적으로는, 정지 제어부(216)는, 최단 버킷 거리를 허용 속도 함수에 대입함으로써, 버킷(155)의 허용 속도를 산출한다. 또한, 정지 제어부(216)는, 스텝 S1에서 취득한 조작량에 기초하여, 해당 조작량에 따라서 작업기(150)를 제어했을 때의 버킷(155)의 속도(비개입 속도)를 산출한다. 정지 제어부(216)는 허용 속도와 비개입 속도 중 느린 쪽을, 버킷(155)의 속도로 한다.
틸트 제한부(218)는 스텝 S11에서 산출한 버킷(155)의 속도에 기초하여, 버킷(155)의 틸트 축(X4) 경유의 회전에 관한 허용 제어량을 결정한다(스텝 S12). 그리고, 틸트 제한부(218)는 버킷(155)의 속도가 느릴수록, 허용 제어량을 작은 값으로 결정한다.
틸트 제어부(218)는 허용 제어량으로부터 소정의 길이 임계값을 산출한다(스텝 S13). 소정의 길이 임계값은 허용 제어량이 작을수록 작은 값으로 설정된다.
여기에서, 틸트 제한부(218)는, 스텝 S10에서 산출한 거리 차가 스텝 S13에서 산출한 소정의 길이 임계값을 초과하는지 아닌지를 판정한다(스텝 S14). 거리 차가 소정의 길이 임계값을 초과하지 않는 경우(스텝 S14: NO), 틸트 제어부(217)는 스텝 S10에서 산출한 거리 차에 기초하여 틸트 제어량을 산출한다(스텝 S15).
도 8은, 제1 실시형태에 관한 버킷의 거리 차와 틸트 각속도의 목표값의 관계를 나타내는 틸트 함수의 예를 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 버킷의 거리 차는, 도 7에 나타내는 거리 L21에서 거리 L22를 감산하여 얻어지는 것으로서, 도 7에서의 반시계 방향의 각속도를 양(positive)으로 하는 것이다.
스텝 S15에 있어서, 틸트 제어부(217)는 도 8에 나타낸 바와 같은 미리 정해진 틸트 함수에 거리 차를 대입함으로써, 틸트 각속도의 목표값을 결정한다. 틸트 함수는, 버킷(155)의 거리 차에 기초하여 틸트 각속도의 목표값을 구하는 함수이다. 틸트 함수에 있어서, 틸트 각속도의 목표값은, 버킷(155)의 거리 차에 대하여 단조 증가한다. 또한, 틸트 함수에 있어서, 틸트 각속도의 상한값 및 하한값이 정해져 있고, 거리 차의 절대값이 소정값을 초과하면 틸트 각속도의 목표값은 일정하게 된다. 그리고, 틸트 제어부(217)는 결정된 틸트 각속도의 목표값에 기초하여, 틸트 제어량을 결정한다.
그리고, 틸트 조작이 행해지고 있는 경우(스텝 S8: YES), 및 거리 L21 및 거리 L22의 양쪽이 틸트 제어 거리 th2 이상인 경우(스텝 S9: NO), 틸트 제어부(217)는 틸트 제어량을 산출하지 않는다. 또한, 스텝 S16에 있어서, 거리 차가 소정의 길이 임계값을 초과하는 경우(스텝 S14: YES), 틸트 제한부(218)는 틸트 제어부(217)의 자동 틸트 제어를 취소한다. 이 때, 제어 장치(190)는 표시나 음성 등에 의해, 자동 틸트 제어를 행하지 않는 취지를 오퍼레이터에게 통지해도 된다.
그리고, 출력부(219)는, 작업기(150)에 관한 각 조작량 및 틸트 제어부(217)에 의해 산출되는 틸트 제어량에 기초하여, 각 액추에이터에 제어 신호를 출력한다(스텝 S16). 자동 틸트 제어를 실행하고 있는 경우, 틸트 실린더(163)는 틸트 제어부(217)에 의해 생성된 신호에 따라서 구동한다. 자동 틸트 제어를 실행하지 않는 경우, 틸트 실린더(163)는 오퍼레이터 조작량에 기초하는 신호에 따라서 구동한다.
《작용·효과》
이와 같이, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 버킷(155)이 목표 설계면에 침입하지 않게 하기 위한 정지 제어량 및 버킷(155)과 목표 설계면을 평행하게 접근시키기 위한 틸트 제어량을 산출한다. 그리고, 제어 장치(190)는, 정지 제어량 및 틸트 제어량에 기초하는 작업기(150)의 이동에 의해 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한한다. 틸트 축(X4) 주위의 회전의 제한에 의해 최단 버킷 거리의 변화는 시간에 대하여 단조 감소로 되므로, 제어 장치(190)에 의한 정지 제어량의 변화를 안정시킬 수 있다. 따라서, 제어 장치(190)는 작업기(150)의 동작의 안정을 유지하면서, 정지 제어와 자동 틸트 제어를 동시에 행할 수 있다.
특히, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한하지 않는 경우, 틸트 제어 거리의 근방에 있어서 최단 버킷 거리가 증가하면, 틸트 제어의 ON/OFF가 반복하여 전환됨으로써, 작업기(150)의 움직임이 불안정하게 될 가능성이 높다. 그러므로, 제어 장치(190)가, 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한함으로써, 틸트 제어의 ON/OFF의 전환이 빈발하는 것을 억제하고, 작업기(150)의 동작을 안정시킬 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 날끝의 양단의 거리 차가 길이 임계값을 초과하는 경우, 즉 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 정지시킴으로써, 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한한다. 제1 실시형태에 있어서는, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 클수록 틸트 제어량이 커진다. 그러므로, 길이 임계값을, 틸트 제어량에 의한 버킷(155)의 최하점의 상승 속도가, 정지 제어에 의한 작업기(150)의 허용 속도를 초과하지 않는 범위로 설정해 둠으로써, 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한할 수 있다.
그리고, 제1 실시형태에 있어서는, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에는 자동 틸트 제어가 이루어지지 않지만, 오퍼레이터의 조작에 의해 버킷(155)의 틸트각 η를 목표 설계면에 접근시키고, 날끝 양단의 거리 차를 길이 임계값 이하로 함으로써, 자동 틸트 제어를 유효하게 할 수 있다.
<제2 실시형태>
제1 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에, 자동 틸트 제어를 취소한다. 이에 대하여, 제2 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 작업기(150)의 허용 속도에 따라 틸트 함수를 변화시킴으로써, 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한한다.
제2 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 도 5에 나타낸 바와 같이 제1 실시형태와 동일한 구성을 가진다. 한편, 제2 실시형태에 관한 제어 장치(190)는 제1 실시형태와 틸트 제한부(218)의 동작이 상이하다.
제2 실시형태에 관한 틸트 제한부(218)는, 정지 제어부(216)가 산출하는 허용 속도에 따라, 틸트 함수에 관련된 기울기를 변화시킨다. 구체적으로는, 틸트 제한부(218)는, 정지 제어부(216)가 산출하는 허용 속도가 작을수록, 버킷(155)의 날끝의 양단의 거리 차에 대한 틸트 각속도의 목표값이 작아지도록, 틸트 함수에 관련된 기울기(거리 차에 관한 게인)을 변화시킨다. 허용 속도와 틸트 함수에 관련된 기울기의 관계는 미리 정해진다. 그리고, 틸트 함수에 관련된 기울기는, 틸트 각속도의 목표값을 따라서 버킷(155)을 회전시킨 때 버킷(155)의 최하점의 이동 속도가 허용 속도를 초과하지 않도록 정해진다.
《제어 장치(190)의 동작》
도 9는, 제2 실시형태에 관한 제어 장치(190)의 동작을 나타내는 플로차트다.
제어 장치(190)는 제1 실시형태와 마찬가지로, 스텝 S1부터 스텝 S11의 처리를 행한다. 스텝 S11에 있어서 정지 제어부(216)가 조작량과 최단 버킷 거리에 기초하여 버킷(155)의 속도를 산출하면, 틸트 제한부(218)는, 스텝 S11에서 산출한 버킷(155)의 속도에 기초하여, 틸트 함수의 기울기를 결정한다(스텝 S111). 즉, 틸트 제한부(218)는, 미리 정해진 버킷(155)의 속도와 틸트 함수에 관련된 기울기의 관계로부터, 스텝 S11에서 산출한 버킷(155)의 속도에 대응하는 기울기를 특정한다. 그리고, 틸트 제어부(217)는 스텝 S111에서 결정한 틸트 함수에, 스텝 S10에서 산출한 거리 차를 대입함으로써 틸트 제어량을 산출한다(스텝 S15). 이후, 제어 장치(190)는 제1 실시형태와 마찬가지로, 스텝 S16의 처리를 행한다.
《작용·효과》
이와 같이, 제2 실시형태에 관한 제어 장치(190)는 버킷(155)의 속도에 따라 틸트 함수를 변화시킨다. 이로써, 버킷(155)의 속도가 작을수록 틸트 각속도의 목표값이 작아지므로, 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한할 수 있다.
그리고, 제2 실시형태에 의하면, 제어 장치(190)는, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에도, 자동 틸트 제어를 실행할 수 있다.
그리고, 제2 실시형태에 관한 틸트 제한부(218)는, 정지 제어부(216)가 산출하는 허용 속도에 따라, 틸트 함수에 관련된 기울기를 변화시키지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 틸트 제한부(218)는, 허용 속도에 따라, 틸트 함수에 관련된 상한값 및 하한값을 변화시켜도 된다. 이 경우, 틸트 각속도의 목표값의 상한값 및 하한값은, 해당 상한값 또는 하한값에 따라서 버킷(155)을 회전시켰을 때, 버킷(155)의 최하점의 이동 속도가 허용 속도를 초과하지 않도록 정해진다. 또한, 다른 실시형태에 있어서는, 정지 제어부(216)가 산출하는 허용 속도에 따라, 틸트 함수에 관련된 기울기 및 상한값 및 하한값을 변화시켜도 된다.
<제3 실시형태>
제3 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 허용 속도에 기초하여 최단 버킷 거리를 일정하게 유지할 수 있는 허용 제어량을 산출하고, 틸트 제어량을 허용 제어량 이하로 제한한다.
제3 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 도 5에 나타낸 바와 같이 제1 실시형태와 동일한 구성을 가진다. 한편, 제3 실시형태에 관한 제어 장치(190)는 제1 실시형태와 틸트 제한부(218)의 동작이 상이하다.
제3 실시형태에 관한 틸트 제한부(218)는, 정지 제어부(216)가 산출하는 허용 속도를 버킷(155)의 틸트 축(X4) 주위의 회전 속도로 변환함으로써, 허용 각속도를 산출한다. 예를 들면, 틸트 제한부(218)는, 틸트 핀(P7)으로부터 버킷(155)의 날끝의 일단까지의 길이로 허용 속도를 나눗셈함으로써, 허용 각속도를 산출한다. 그리고, 틸트 제한부(218)는 허용 각속도를 틸트 제어량으로 변환함으로써, 허용 제어량을 산출한다. 그리고, 틸트 제한부(218)는, 틸트 제어부(217)가 산출한 틸트 제어량을 허용 제어량 이하로 제한한다.
《제어 장치(190)의 동작》
도 10은, 제3 실시형태에 관한 제어 장치(190)의 동작을 나타내는 플로차트다.
제어 장치(190)는 제1 실시형태와 마찬가지로, 스텝 S1부터 스텝 S12의 처리를 행한다. 스텝 S12에 있어서 허용 제한량을 산출하면, 틸트 제어부(217)는, 틸트 함수에 스텝 S10에서 산출한 거리 차를 대입함으로써 틸트 제어량을 산출한다(스텝 S15).
다음으로, 틸트 제한부(218)는, 스텝 S15에서 산출한 틸트 제어량의 절대값이 스텝 S12에서 산출한 허용 제어량을 초과하는지 아닌지를 판정한다(스텝 S211). 틸트 제어량의 절대값이 허용 제어량을 초과하는 경우(스텝 S211: YES), 틸트 제한부(218)는 틸트 제어량을, 절대값이 허용 제어량과 동등하게 되도록 제한한다. 즉, 틸트 제한부(218)는 틸트 제어량의 부호를 유지한 채, 그 절대값을 허용 제어량의 절대값으로 고쳐쓴다(스텝 S212). 한편, 틸트 제어량의 절대값이 허용 제어량 이하인 경우(스텝 S211: NO), 틸트 제어량을 고쳐쓰지 않는다.
이후, 제어 장치(190)는 제1 실시형태와 마찬가지로, 스텝 S16의 처리를 행한다.
《작용·효과》
이와 같이, 제3 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 허용 속도에 기초하여 최단 버킷 거리를 일정하게 유지할 수 있는 허용 제어량을 산출하고, 틸트 제어량의 절대값을 허용 제어량 이하로 제한한다. 이로써, 제어 장치(190)는 최단 버킷 거리가 증가하지 않도록, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제한할 수 있다.
그리고, 제3 실시형태에 의하면, 제어 장치(190)는, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에도, 자동 틸트 제어를 실행할 수 있다.
<다른 실시형태>
이상, 도면을 참조하여 일 실시형태에 대하여 상세하게 설명했으나, 구체적인 구성은 전술한 것에 한정되지 않고, 다양한 설계 변경 등을 하는 것이 가능하다. 즉, 다른 실시형태에 있어서는, 전술한 처리의 순서가 적절히 변경되어도 된다. 또한, 일부의 처리가 병렬로 실행되어도 된다.
전술한 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 단독의 컴퓨터에 의해 구성되는 것이라도 되고, 제어 장치(190)의 구성을 복수의 컴퓨터에 나누어 배치하고, 복수의 컴퓨터가 서로 협동함으로써 제어 시스템으로서 기능하는 것이라도 된다. 이 때, 제어 장치(190)를 구성하는 일부의 컴퓨터가 작업 기계(100)의 내부에 탑재되고, 다른 컴퓨터가 작업 기계(100)의 외부에 설치되어도 된다.
전술한 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 도 7에 나타내는 기준에 기초하여 거리 L11-L15 및 거리 L21 및 거리 L22를 구하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 거리 L11-L15를 삼각형 폴리곤의 법선 방향에 대한 거리로서 구해도 되고, 버킷(155)의 날끝에 직교하는 방향에 대한 거리로서 구해도 된다. 또한 다른 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 거리 L21 및 거리 L22를 연직 방향에 대한 거리로서 구해도 되고, 버킷(155)의 날끝에 직교하는 방향에 대한 거리로서 구해도 된다.
전술한 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 버킷(155)의 정지 제어 및 자동 틸트 제어를 행하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(190)는 버킷(155)의 정지 제어를 행하지 않고 자동 틸트 제어를 행해도 된다.
전술한 실시형태에 있어서는, 버킷(155)의 날끝의 양단과 목표 설계면의 차이에 기초하여 틸트 제어량을 산출하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 있어서는, 틸트 실린더가 계측하는 틸트각 η에 기초하여 틸트 제어량을 산출해도 된다.
전술한 실시형태에 있어서는, 제어 장치(190)는, 버킷(155)의 날끝의 양단과 목표 설계면의 차이에 기초하여 틸트 제어량을 산출하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 제1 거리 L21과 제2 거리 L22의 한쪽이 틸트 제어 거리 th2 미만이 된 경우에, 그 때의 제1 거리 L21과 제2 거리 L22의 다른 쪽에 기초하여, 틸트 제어량을 산출해도 된다. 예를 들면, 제어 장치(190)는, 제1 거리 L21이 틸트 제어 거리 th2 미만이 된 경우에, 그 때의 제2 거리 L22의 크기에 기초하여 틸트 제어량을 산출해도 된다. 또한 예를 들면, 제어 장치(190)는, 제1 거리 L21과 제2 거리 L22의 다른 쪽의 거리가 소정값 이상인 경우에, 틸트 축(X4) 주위의 회전을 시키지 않도록 해도 된다.
전술한 실시형태에 있어서는, 제어 장치(190)는 버킷(155)의 틸트 축(X4) 주위의 회전을 제어함으로써, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면을 평행하게 접근시키지만, 이것에 한정되지 않는다. 다른 실시형태에 있어서는, 작업 기계(100)의 버킷(155)이, 로테이션 축 주위에 회전 가능한 로테이션 버킷인 경우에, 제어 장치(190)가 로테이션 축 주위의 회전을 제어함으로써, 버킷(155)의 날끝과 목표 설계면을 평행하게 접근시켜도 된다. 로테이션 축은 어태치먼트 축의 일례이다.
전술한 실시형태에 관한 제어 장치(190)는, 항상 자동 틸트 제어를 효율적으로 하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 다른 실시형태에 관한 조작 장치(172)는, 자동 틸트 제어의 유효/무효를 전환하기 위한 스위치를 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 제어 장치(190)는 해당 스위치의 상태에 기초하여 자동 틸트 제어를 행할지 아닐지를 판단해도 된다. 즉, 제어 장치(190)는, 스위치가 ON인 경우에 있어서, 틸트 조작 입력이 없고(스텝 S8: NO), 또한 버킷(155)의 날끝과 목표 평면(g1) 사이의 거리가 틸트 제어 거리 th2 미만인(스텝 S9: YES) 경우에, 자동 틸트 제어를 한다. 한편으로, 제어 장치(190)는, 스위치가 OFF인 경우에는, 틸트 조작 입력이 없고, 또한 버킷(155)의 날끝과 목표 평면(g1) 사이의 거리가 틸트 제어 거리 th2 미만이었다고 해도, 자동 틸트 제어를 행하지 않는다. 해당 스위치는 오퍼레이터를 조작할 수 있는 태양이면, 도시하지 않은 모니터의 기능으로서 설치되어도 되고, 조작 레버 등에 배치되어도 된다.
전술한 실시형태에 있어서는, 제어 장치(190)는 틸트 제어량으로부터 길이 임계값을 산출하는 것으로 하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 다른 실시형태에 있어서는, 길이 임계값은 고정값이라도 된다.
[산업상의 이용 가능성]
상기 개시에 의하면, 작업 기계의 제어 시스템은, 작업기의 동작의 안정을 유지하면서, 개입 제어와 자동 틸트 제어 또는 자동 로테이션 제어를 동시에 행할 수 있다.
100: 작업 기계, 110: 주행체, 130: 선회체, 131: 위치 방위 검출기, 132: 경사 검출기, 150: 작업기, 151: 붐, 152: 암, 155: 버킷, 161: 버킷 본체, 162: 조인트, 163: 틸트 실린더, 190: 제어 장치, 211: 검출값 취득부, 212: 버킷 위치 특정부, 213: 목표 평면 결정부, 214: 거리 산출부, 215: 조작량 취득부, 216: 정지 제어부, 217: 틸트 제어부, 218: 틸트 제한부, 219: 출력부

Claims (6)

  1. 붐 축 주위로 회전 가능한 붐과, 상기 붐 축과 평행한 암 축 주위로 회전 가능한 암과, 상기 암 축과 평행한 버킷 축 주위로 회전 가능하고 또한 상기 버킷 축과 상이한 어태치먼트 축 주위로 회전 가능한 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 작업 기계의 제어 시스템으로서,
    상기 버킷 상의 점과 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 설계면 사이의 거리인 버킷 거리를 산출하는 거리 산출부;
    상기 버킷 거리에 기초하여, 상기 버킷이 상기 목표 설계면에 진입하지 않도록, 상기 작업기의 속도를 억제하기 위한 개입 제어량을 산출하는 개입 제어부;
    상기 버킷의 날끝(edge)과 상기 목표 설계면이 평행하게 접근하도록, 상기 버킷을 상기 어태치먼트 축 주위로 회전시키는 어태치먼트 제어량을 산출하는 어태치먼트 제어부; 및
    상기 개입 제어량 및 상기 어태치먼트 제어량에 기초하는 작업기의 이동에 의해, 상기 버킷 거리가 증가하지 않도록 상기 어태치먼트 축 주위의 회전을 제한하는 어태치먼트 제한부;
    를 구비하는 작업 기계의 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어태치먼트 제한부는, 상기 버킷의 날끝과 상기 목표 설계면 사이의 각도가 소정 범위를 초과하는 경우에, 상기 어태치먼트 축 주위의 회전을 실시하지 않는, 작업 기계의 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    조작 장치로부터 상기 작업기의 조작량을 취득하는 조작량 취득부를 구비하고,
    상기 개입 제어부는, 상기 버킷 거리에 기초하여 상기 작업기의 허용 속도를 산출하고, 상기 허용 속도와 상기 조작량에 기초하여, 상기 개입 제어량을 산출하고,
    상기 어태치먼트 제어부는, 상기 버킷 거리와, 상기 버킷을 상기 어태치먼트 축 주위로 회전시키는 어태치먼트 제어량의 관계를 표시하는 어태치먼트 함수를 이용하여 상기 어태치먼트 제어량을 산출하고,
    상기 어태치먼트 제한부는, 상기 허용 속도에 따라 상기 어태치먼트 함수를 변화시키는, 작업 기계의 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    조작 장치로부터 상기 작업기의 조작량을 취득하는 조작량 취득부를 구비하고,
    상기 개입 제어부는, 상기 버킷 거리에 기초하여 상기 작업기의 허용 속도를 산출하고, 상기 허용 속도와 상기 조작량에 기초하여, 상기 개입 제어량을 산출하고,
    상기 어태치먼트 제한부는, 상기 허용 속도에 기초하여 상기 버킷 거리를 일정하게 유지할 수 있는 허용 제어량을 산출하고, 상기 어태치먼트 제어량의 절대값을 상기 허용 제어량 이하로 제한하는, 작업 기계의 제어 시스템.
  5. 붐 축 주위로 회전 가능한 붐;
    상기 붐 축과 평행한 암 축 주위로 회전 가능한 암;
    상기 암 축과 평행한 버킷 축 주위로 회전 가능하고 또한 상기 버킷 축과 직교하는 어태치먼트 축 주위로 회전 가능한 버킷; 및
    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 작업 기계의 제어 시스템;
    을 구비하는 작업 기계.
  6. 붐 축 주위로 회전 가능한 붐과, 상기 붐 축과 평행한 암 축 주위로 회전 가능한 암과, 상기 암 축과 평행한 버킷 축 주위로 회전 가능하고 또한 상기 버킷 축과 상이한 어태치먼트 축 주위로 회전 가능한 버킷을 포함하는 작업기를 구비하는 작업 기계의 제어 방법으로서,
    상기 버킷 상의 점과 굴삭 대상의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 설계면 사이의 거리인 버킷 거리를 산출하는 단계;
    상기 버킷 거리에 기초하여, 상기 버킷이 상기 목표 설계면에 진입하지 않도록, 상기 작업기의 속도를 억제하기 위한 개입 제어량을 산출하는 단계;
    상기 버킷의 날끝과 상기 목표 설계면이 평행하게 접근하도록, 상기 버킷을 상기 어태치먼트 축 주위로 회전시키는 어태치먼트 제어량을 산출하는 단계; 및
    상기 개입 제어량 및 상기 어태치먼트 제어량에 기초하는 작업기의 이동에 의해, 상기 버킷 거리가 증가하지 않도록 상기 어태치먼트 축 주위의 회전을 제한하는 단계;를 포함하는 작업 기계의 제어 방법.
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