KR20230032293A

KR20230032293A - 건설기계

Info

Publication number: KR20230032293A
Application number: KR1020210114959A
Authority: KR
Inventors: 신흥주; 김미옥
Original assignee: 볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2023-03-07
Also published as: CN115726408A; EP4144923A1; JP2023035982A; US20230069238A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 하부주행체; 상기 하부주행체 상에서 회동 가능하도록 지지되는 상부선회체; 상기 상부선회체에 회동 가능한 붐, 상기 붐에 회동 가능한 암, 상기 암에 회동 가능한 버킷, 및 상기 버킷을 상기 암에 대하여 틸팅 가능하게 지지하는 틸팅 액추에이터와 상기 버킷을 상기 암에 대하여 로테이팅 가능하게 지지하는 로테이팅 액추에이터로 구성되는 틸트 로테이터를 포함하는 작업장치; 운전자의 조작량에 대응되는 조작신호를 출력하는 조작레버; 상기 작업장치의 위치정보 및 자세정보를 제공하는 위치정보 제공부; 상기 작업장치의 작업영역을 설정할 수 있고, 상기 작업영역의 평면정보를 제공하는 작업설정부; 및 상기 조작레버, 상기 작업설정부 및 상기 위치정보 제공부 중 하나 이상으로부터 입력되는 신호에 따라 상기 작업장치를 제어하는 전자제어부; 를 포함하고, 상기 전자제어부는, 상기 버킷의 팁이 작업영역에 접하도록 상기 버킷의 자세를 제어하는, 건설기계를 제공한다.

Description

건설기계{CONSTRUCTION EQUIPMENT}

본 발명은 건설기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버킷의 틸팅 동작을 위한 틸팅 액추에이터와 버킷의 로테이팅 동작을 위한 로테이팅 액추에이터를 포함하는 건설기계에 관한 것이다.

굴삭기는 건설 현장 등에서 땅을 파는 굴삭 작업, 토사를 운반하는 적재 작업, 기초를 만들기 위한 터파기 작업, 건물을 해체하는 파쇄 작업, 지면을 정리하는 정지 작업, 지면을 고르는 고르기 작업 등 다양한 작업을 수행하는 건설기계이다.

도 1을 참조하면, 굴삭기와 같은 건설기계(1)는 하부주행체(2)와, 하부주행체(2) 상에 선회 가능하게 설치되는 상부선회체(3)와, 상부선회체(3) 상에 상하 방향으로 작동 가능하게 설치되는 작업장치(4)를 구비한다.

또한, 작업장치(4)는, 다관절로 형성되어, 후단부가 상부선회체(3)에 회동 가능하게 지지된 붐(4a)과, 붐(4a)의 선단에 후단부가 회동 가능하게 지지된 암(4b)과, 암(4b)의 선단측에 회동 가능하게 설치된 버킷(4c)을 구비한다. 그리고 사용자의 레버 조작에 따라 작동유가 공급되고, 붐 실린더(5, 작업용 액추에이터)와 암 실린더(6, 작업용 액추에이터)와 버킷 실린더(7, 작업용 액추에이터)가 각각 붐(4a), 암(4b) 및 버킷(4c)을 작동시킨다.

그러나 이와 같은 종래의 건설기계(1)는 상기 붐 실린더(5)와, 암 실린더(6) 및 버킷 실린더(7)에 의해 상하방향으로만 회동작동되어 굴삭 작업이 이루어지므로 건설기계(1)의 주행동작이나 선회동작이 어려운 공간 즉, 협소한 공간내에서의 작업시, 일방향에 대한 굴삭 작업만이 이루어질 뿐, 굴삭방향을 변경할 수 없는 문제점이 있었다.

이러한 불편을 해결하기 위하여, 도 3 과 같은 틸트 로테이터(70)가 제안되고 있다.

상세하게는, 틸트 로테이터(70)는 버킷(33)의 로테이팅 동작을 위한 로테이팅 액추에이터(74)와, 버킷(33)의 틸팅 동작을 위한 틸팅 액추에이터로서 제 1 틸팅실린더(73a) 및 제 2 틸팅실린더(73b)를 포함하며, 상기 로테이팅 액추에이터(74)와 상기 틸팅 액추에이터를 통해 버킷(33)의 틸팅 동작 및 로테이팅 동작이 가능하도록 구성되어 작업 공간의 영향을 받지 않고 굴삭 작업을 신속용이하게 실시할 수 있다.

한편, 버킷(33)에 의하여 경사면을 굴삭하는 경우, 버킷(33)의 날끝인 팁을 항상 경사면에 접한상태로 이동시키는 것이 작업의 효율이 좋다.

다만, 굴삭시 상부프레임(3)을 선회시키면서 버킷(33)을 경사면을 따라 이동시키면 경사면에 대한 버킷(33)의 각도가 계속해서 변하기 때문에, 운전자가 감각에 의존하여 버킷(33)의 틸팅 또는 로테이팅을 임의로 조정해야 하는데, 이러한 작업은 고도의 숙련기술을 요하는 바, 초보자가 작업하는 경우 경사면이 평탄치 않고 오차가 빈번하게 발생되는 문제점이 있었다.

한국 등록특허공보 제10-1582957호 (2015.12.30 공고)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 버킷의 틸팅 또는 로테이팅이 자동으로 제어되어 경사면에 대한 굴삭 작업이 보다 안정적으로 이루어져 우수한 평탄성을 제공할 수 있는 건설기계를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은 하부주행체; 상기 하부주행체 상에서 회동 가능하도록 지지되는 상부선회체; 상기 상부선회체에 회동 가능한 붐, 상기 붐에 회동 가능한 암, 상기 암에 회동 가능한 버킷, 및 상기 버킷을 상기 암에 대하여 틸팅 가능하게 지지하는 틸팅 액추에이터와 상기 버킷을 상기 암에 대하여 로테이팅 가능하게 지지하는 로테이팅 액추에이터로 구성되는 틸트 로테이터를 포함하는 작업장치; 운전자의 조작량에 대응되는 조작신호를 출력하는 조작레버; 상기 작업장치의 위치정보 및 자세정보를 제공하는 위치정보 제공부; 상기 작업장치의 작업영역을 설정할 수 있고, 상기 작업영역의 평면정보를 제공하는 작업설정부; 및 상기 조작레버, 상기 작업설정부 및 상기 위치정보 제공부 중 하나 이상으로부터 입력되는 신호에 따라 상기 작업장치를 제어하는 전자제어부; 를 포함하고, 상기 전자제어부는, 상기 버킷의 팁이 작업영역에 접하도록 상기 버킷의 자세를 제어하는, 건설기계를 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 작업영역의 평면정보를 고려하여 작업영역의 법선 벡터를 산출할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 법선 벡터 및 버킷의 팁의 정사영에 기초하여 상기 버킷의 팁이 작업영역에 접할 때의 버킷의 목표 자세를 특정할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 버킷의 현재 자세와 버킷의 목표 자세를 비교하여 버킷의 틸팅 각도, 로테이팅 각도 및 회동 각도 중 하나 이상의 각도편차를 산출할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 각도편차에 대응되는 유압을 생성하여 틸팅 액추에이터, 로테이팅 액추에이터 및 버킷 실린더 중 하나 이상에 공급할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 조작레버의 조작신호가 입력되면 상기 암 선단부와 상기 작업영역 사이 변위를 연산하고, 상기 변위가 기 설정된 기준값보다 작으면 상기 버킷의 자세를 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 암 선단부가 작업영역에 근접할수록 상기 각도편차가 감소하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 위치정보 제공부로부터 제공받은 상기 작업장치의 위치정보 및 자세정보를 고려하여 상기 버킷의 이동방향 벡터를 산출할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 버킷의 이동방향 벡터는, 상기 암의 선단부를 기준으로 산출되도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 전자제어부는, 상기 버킷의 이동방향 벡터와 작업영역의 법선 벡터를 외적하여 버킷 팁의 너비 방향 벡터를 산출할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 버킷의 이동방향 벡터, 상기 작업영역의 법선 벡터 및 상기 버킷 팁의 너비 방향 벡터는 서로 수직할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 위치정보 제공부는, 건설기계의 위치정보를 측정하는 위치 측정부, 건설기계의 자세 정보와 각각의 작업장치의 자세 정보를 측정하는 자세 측정부 및 상기 위치 측정부와 상기 자세 측정부로부터 측정된 위치 정보 및 자세 정보를 토대로 좌표를 산출하는 좌표 산출부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 조작레버는, 전기식 조이스틱으로서 운전자의 조작량에 비례하여 전기적 신호를 발생시켜 전자제어부에 제공할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전자제어부는, 상기 버킷의 로테이팅 조작신호가 기 설정된 기준값보다 길게 지속되면, 상기 버킷의 로테이트 축을 작업영역에 수직하도록 정렬하고, 상기 버킷의 로테이팅 조작신호가 기 설정된 기준값보다 짧게 지속되면, 상기 조작신호에 대응하도록 로테이팅 액추에이터를 제어하여 버킷을 로테이팅하며, 틸팅 액추에이터 및 버킷 실린더를 제어하여 상기 버킷의 팁이 작업영역을 침범하지 않도록 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 운전자가 버킷의 틸팅 또는 로테이팅을 임의로 조정하지 않더라도, 버킷의 팁이 경사면에 접한 상태로 이동하여, 경사면을 형성하는 굴삭 작업시 작업시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 균일한 경사면을 제공할 수 있다.

아울러, 운전자가 버킷의 이동방향을 따라 버킷의 로테이팅 각도를 임의로 조정하지 않더라도, 버킷 팁의 너비 방향이 버킷의 이동방향에 수직하도록 제어되어 작업 면적이 최대화되기 때문에, 작업이 효율적으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래기술에 따른 건설기계의 기본구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 기본구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 틸트 로테이터의 기본구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 기능구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버킷의 작업영역에 대한 정렬을 나타내는 개략도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 버킷의 자세 제어를 나타내는 개략도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계의 선회시 버킷의 자세 제어를 나타내는 개략도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 와 같은 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들 또는 단계들을 설명하기 위해 사용될 수 있으나, 해당 구성 요소들 또는 단계들은 서수에 의해 한정되지 않아야 한다. 서수를 포함하는 용어는 하나의 구성 요소 또는 단계를 다른 구성 요소들 또는 단계들로부터 구별하기 위한 용도로만 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계(100)는 하부주행체(10), 상기 하부주행체(10) 상에서 회동 가능하도록 지지되는 상부선회체(20), 상기 상부선회체(20)에 의해 지지되는 작업장치(30)를 구비한다. 작업장치(30)는 각각의 유압 실린더에 의해 작동하는 붐(31), 암(32) 및 버킷(33)을 포함한다.

아울러, 건설기계(100)는 상기 버킷(33)의 틸팅을 위한 틸팅 액추에이터와 상기 버킷(33)의 로테이팅 동작을 위한 로테이팅 액추에이터(74)가 구비되는 틸트 로테이터(70)를 포함한다.

구체적으로는, 틸팅 액추에이터는 버킷(33)을 틸팅 가능하게 지지하는 틸팅핀(71)과, 암(32)과 버킷(33) 사이에 어태치먼트를 결합하기 위한 클램퍼(72), 버킷(33)을 틸팅시키기 위한 제1틸팅실린더(73a), 제 2 틸팅실린더(73b)를 구비한다. 제1틸팅실린더(73a), 제 2 틸팅실린더(73b)를 구동함으로써, 버킷(33)을 틸팅핀(71)을 중심으로 틸팅시킬 수 있다.

아울러, 로테이팅 액추에이터(74)는 버킷(33) 상부에 마련되며, 웜휠과, 웜휠과 치합되는 웜과, 웜을 구동시키는 유압모터를 포함하여 이루어진다. 유압모터의 구동에 따라 웜이 회동하면 웜과 치합된 웜휠도 회동하게 되어, 로테이팅 액추에이터(74)에 체결되는 버킷(33)이 로테이팅 동작을 하게 된다.

틸트 로테이터(70)와 버킷(33)은 서로 평행인 상태로 체결되므로 틸트 로테이터(70)의 로테이트 축은 버킷(33)의 로테이트 축과 동일하다.

여기서, 제 1 틸팅실린더(73a), 제 2 틸팅실린더(73b)는 유압 실린더에 의해 작동하며, 로테이팅 액추에이터(74)는 웜과 웜휠을 구동시키는 유압모터에 의해 작동될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 하나의 유압모터로 틸팅 동작과 로테이팅 동작을 구동하는 방식 등 다양한 구동방식이 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계(100)는 유압 실린더 및 유압 모터를 제어하는 컨트롤밸브(200), 상기 컨트롤밸브(200)의 스풀을 제어하는 전자비례감압밸브(300), 운전자의 조작량에 대응되는 조작신호를 출력하는 조작레버(400), 상기 작업장치(30)의 위치정보, 자세정보를 수집 및/또는 계산하는 위치정보 제공부(500), 상기 작업장치(30)의 작업영역(W, Work Area)을 설정 및/또는 선택하고 작업영역(W)의 평면정보를 제공할 수 있는 작업설정부(600), 및 상기 조작레버(400), 상기 작업설정부(600) 및 상기 위치정보 제공부(500) 중 적어도 하나로부터 입력되는 신호에 따라 상기 전자비례감압밸브(300)에 대한 제어신호를 출력하는 전자제어부(700)를 포함한다.

컨트롤밸브(200)는 압력을 받아 축선방향으로 이동하는 스풀에 의해 유로를 개폐하는 부재이다. 즉, 컨트롤밸브(200)는 유압원인 유압펌프에 의해 공급되는 작동유의 공급 방향을 유압 실린더 및 유압 모터 측으로 전환하는 역할을 한다. 컨트롤밸브(200)는 유압 배관을 통하여 유압펌프와 연결되며, 유압펌프에서 유압 실린더 및 유압모터로의 작동유 공급을 유도한다.

전자비례감압밸브(300, Proportional Pressure Reducing Valve)는 전자 조작 방식의 밸브로서, 전자력을 발생시키는 솔레노이드부 및 유체의 유로로 이용되는 밸브부로 구성될 수 있다.

전자비례감압밸브(300)가 전자제어부(700)에 의해 인가되는 전기적 신호에 대응하여 유압을 생성하고, 생성된 유압이 전자비례감압밸브(300)로부터 컨트롤밸브(200)에 전달된다. 전자비례감압밸브(300)로부터의 유압은 컨트롤밸브(200)내의 스풀을 축선이동시킨다.

구체적으로는, 전자비례감압밸브(300)는 전자제어부(700)에 의해 버킷(33)이 좌측틸팅 컨트롤 구간이라고 판단되는 경우 상기 전자제어부(700)로부터의 전기적신호 입력에 따라 컨트롤밸브(200)의 스풀에 공급되는 좌측틸팅 신호압력을 가변조절한다. 이 경우, 버킷(33)을 좌측으로 틸팅시키는 제1틸팅실린더(73a)로 유체를 공급할 수 있도록 유체의 이동방향이 설정되어 유체가 투입되면서 틸트 로테이터(70)가 좌측으로 소정각도만큼 틸팅되고, 상기 틸트 로테이터(70)와 결합된 버킷(33) 또한 동일한 각도만큼 틸팅된다.

또한, 전자비례감압밸브(300)는 전자제어부(700)에 의해 버킷(33)이 우측틸팅 컨트롤 구간이라고 판단되는 경우 상기 전자제어부(700)로부터의 전기적신호 입력에 따라 컨트롤밸브(200)의 스풀에 공급되는 우측틸팅 신호압력을 가변조절한다. 이 경우, 버킷(33)을 우측으로 틸팅시키는 제2틸팅실린더(73)로 유체를 공급할 수 있도록 유체의 이동방향이 설정되어 유체가 투입되면서 틸트 로테이터(70)가 우측으로 소정각도만큼 틸팅되고, 상기 틸트 로테이터(70)와 클램퍼(72)로 결합된 버킷(33) 또한 동일한 각도만큼 틸팅된다.

조작레버(400)는 유압식 조이스틱 또는 전기식 조이스틱(Electric Joystick)일 수 있으며, 바람직하게는 운전자의 조작량에 비례하여 전기적 신호를 발생시켜 전자제어부(700)에 제공하는 전기식 조이스틱일 수 있다.

위치정보 제공부(500)는 GPS(Global Positioning System) 위성이 송출하는 신호를 수신하여 건설기계(100)의 위치정보를 측정하는 위치 측정부(510), 건설기계(100)의 자세 정보와 붐(31), 암(32) 및 버킷(33)의 자세 정보를 측정하는 자세 측정부(520) 및 상기 위치 측정부(510)와 상기 자세 측정부(520)로부터 측정된 위치 정보 및 자세 정보를 건설기계(100)의 치수 정보에 근거하여 건설기계(100)의 각 부위별 좌표를 산출하는 좌표 산출부(530)를 포함할 수 있다.

위치 측정부(510)는 GPS 위성이 송출하는 신호를 수신할 수 있는 수신기를 구비할 수 있고, 수신한 신호로부터 건설기계(100)의 위치 정보를 측정한다.

자세 측정부(520)는 복수의 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit, IMU), 앵글 센서(Angle Senor) 등을 이용하여 붐(31), 암(32) 및 버킷(33)의 위치 및/또는 자세, 그리고 건설기계(100)의 본체 기울기 등을 측정한다. 예를 들면, 상부선회체(20), 붐(31), 암(32), 버킷(33) 및 틸트 로테이터(70) 각각에는 관성 측정 장치가 배치될 수 있으며 이를 통해 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향에서의 상부선회체(20), 붐(31), 암(32) 및 버킷(33) 및 틸트 로테이터(70)의 가속도와, 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향 주위의 상부선회체(20), 붐(31), 암(32) 및 버킷(33) 및 틸트 로테이터(70)의 각속도 등의 자세 정보를 계측할 수 있다. 아울러, 자세 측정부(520)는 버킷(33)이 작업영역(W)에 접했을 때의 자세 정보도 계측할 수 있다.

좌표 산출부(530)는 상기 위치 측정부(510)와 상기 자세 측정부(520)로부터 측정된 위치 정보 및 자세 정보를 사전에 입력된 건설기계(100)의 치수 정보에 근거하여 상부선회체(20), 붐(31), 암(32), 버킷(33) 및 틸트 로테이터(70) 중 적어도 하나의 좌표(x, y, z)를 산출한다.

또한, 위치정보 제공부(500)는 작업 위치 주변의 지형 정보 및 작업 위치에 대한 시공 정보를 산출된 좌표에 맵핑하는 맵핑부를 더 구비할 수 있다. 상기 맵핑부는 자세 측정부(520)에서 측정된 각각의 작업장치(30)의 위치 및/또는 자세 그리고 건설기계(100)의 본체 기울기 등을 상기 좌표 산출부(530)에서 계산된 각 축에 따라 조정하여 맵핑한다.

작업설정부(600)는 작업장치(30)의 작업영역(W)를 설정 및/또는 선택할 수 있고 설정 및/또는 선택된 작업영역의 평면정보를 제공한다. 또한, 버킷 자세제어 (Bucket Posture Control) 모드, 작업 영역 제한(Work Area Limit) 모드, 스윙 포지션 컨트롤(Swing Position Control) 모드 등 운전자의 필요에 따라 다양하게 설정 및/또는 선택할 수 있는 작업모드 기능을 구비할 수 있다.

작업설정부(600)는 상기 작업영역(W) 및/또는 상기 작업모드의 설정 및/또는 선택에 따라, 위치정보 제공부(500)로부터 제공받은 지형 정보, 위치 정보, 건설기계(100)의 자세 정보 및 작업설정부(600)에서 설정된 작업영역(W)의 평면정보 중 적어도 하나를 디스플레이(610) 화면에 표시한다.

즉, 운전자는 디스플레이(610) 화면에서 작업영역(W) 및/또는 작업모드를 설정 및/또는 선택하고, 이에 따라 표시된 정보들을 이용하여 용이하게 작업할 수 있다. 이 때, 상기 작업영역(W)은 운전자가 작업목표로 하는 디자인면(Design Surface)을 의미한다. 예를 들면, 운전자는 터치스크린 기능을 제공하는 디스플레이(610)를 통해 경사값을 입력하여 작업영역(W)을 생성할 수 있다.

전자제어부(700)는 조작레버(400)의 조작신호, 위치정보 제공부(500)로부터 제공받은 지형 정보, 작업장치(30)의 위치 정보 및 자세 정보와 작업설정부(600)를 통해 입력된 작업영역(W)의 평면정보에 기초하여 토대로 버킷(33)의 자세를 특정하게 되고, 이에 따라 버킷(33)의 자세를 제어하게 된다.

상세하게는, 전자제어부(700)는 벡터산출부(710), 목표자세특정부(720), 각도편차산술부(730) 및 버킷제어부(740)를 포함한다.

벡터산출부(710)는 상기 위치 측정부(510)와 상기 자세 측정부(520)로부터 측정된 위치 정보를 이용하여 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)를 산출한다.

상세하게는, 벡터산출부(710)는 상부선회체(20), 붐(31), 암(32), 버킷(33) 및 틸트 로테이터(70)의 가속도 및 각속도 등의 정보로부터 실제 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)를 산출한다. 다만, 버킷(33) 팁을 기준으로 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)를 산출하면 버킷(33)의 요동에 의하여 벡터(

)의 방향이 불안정해질 수 있다. 따라서, 상대적으로 요동이 적은 암(32)의 선단부를 기준으로 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)를 산출하는 것이 바람직하다.

아울러, 벡터산출부(710)는, 운전자가 작업설정부(600) 상에서 목표로 하는 작업영역(W)을 설정하면, 작업설정부(600) 로부터 제공받은 작업영역(W)의 각도 등과 같은 평면정보를 고려하여 작업영역(W)의 법선 벡터(

)를 산출한다.

또한, 벡터산출부(710)는, 상기에서 산출한 버킷(33)의 이동방향 벡터(

) 및 작업영역(W)의 법선 벡터(

)로부터 버킷(33) 팁의 너비 방향 벡터(

)를 산출할 수 있다.

목표자세특정부(720)는, 벡터산출부(710)로부터 제공받은 작업영역(W)의 법선 벡터(

) 및 버킷(33) 팁의 정사영에 기초하여 버킷(33) 팁이 작업영역(W)에 접할 때의 버킷(33)의 목표 자세를 특정한다. 여기서, 버킷(33) 팁이 작업영역(W)에 접한다는 의미는, 단순히 버킷(33) 팁이 작업영역(W)에 접촉하고 있는 경우뿐만 아니라, 버킷(33)의 로테이트 축이 작업영역(W)의 법선 벡터(

)에 정렬되는 경우도 포함한다.

각도편차산술부(730)는, 목표자세특정부(720)로부터 제공받은 버킷(33)의 목표 자세와 현재의 버킷(33) 자세를 비교하여 버킷(33)의 틸팅 각도, 로테이팅 각도 및 회동 각도의 편차를 산술한다.

버킷제어부(740)는 각도편차산술부(730)로부터 제공받은 정보에 기초하여 버킷(33)의 자세를 제어한다.

도 5 및 도 6 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계(100)의 버킷(33) 제어 방식은 다음과 같다.

먼저, 운전자가 작업설정부(600)의 디스플레이(610) 화면에서 버킷(33) 자세제어 모드의 ON을 선택한다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 조작레버(400)에 버킷(33) 자세제어 모드의 ON, OFF를 입력하기 위한 스위치를 배치할 수도 있을 것이다.

이어서, 목표로 하는 작업영역(W)을 설정한다. 예를 들면 운전자는 디스플레이(610)를 통하여 30도의 경사각도를 가지는 경사면을 작업영역(W)으로 형성할 수 있다.

위치정보 제공부(500)의 작업장치(30)의 위치정보, 작업장치(30)의 자세정보 및 작업설정부(600)에서 설정된 작업영역(W)의 평면정보는 전자제어부(700)에 제공된다.

벡터산출부(710)는 제공받은 작업영역(W)의 평면정보로 작업영역(W)에 대한 법선 벡터(

)를 형성한다. 예를 들어, 30도의 경사각도를 가지는 경사면에 대한 정보가 벡터산출부(710)에 전달되면, 벡터산출부(710)는 상기 경사면에 대한 법선 벡터(

)를 형성하여 목표자세특정부(720)에 제공한다.

)로부터, 버킷(33) 팁이 작업영역(W)에 접할 때의 버킷(33)의 목표 자세를 특정한다. 예를 들어, 목표자세특정부(720)는, 30도의 경사각도를 가지는 경사면에 버킷(33)의 팁이 접할 때, 버킷(33)의 틸트, 로테이팅 및 회동 각도를 특정한다.

상세하게는, 각도편차산술부(730)는 작업영역(W)에 대한 버킷(33) 팁의 정사영에 기초하여, 버킷(33)의 목표 자세와 버킷(33)의 현재 자세의 각도 편차를 산출한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 각도편차산술부(730)는 중력에 수직한 평면에 대한 버킷(33) 팁의 정사영을 기준으로 각도편차를 산술할 수도 있다.

구체적으로는, 각도편차산술부(730)는 위치정보 제공부(500)의 다양한 위치 정보 및 자세 정보들과 목표자세특정부(720)에서 제공된 버킷(33)의 목표자세에 기초하여, 버킷(33)의 목표자세의 틸팅각도와 버킷(33)의 현재자세의 틸팅각도의 각도편차를 산출하여 버킷제어부(740)에 제공한다.

아울러, 각도편차산술부(730)는 위치정보 제공부(500)의 다양한 위치 정보 및 자세 정보들과 목표자세특정부(720)에서 제공된 버킷(33)의 목표자세에 기초하여, 버킷(33)의 목표자세의 로테이팅 각도와 버킷(33)의 현재자세의 로테이팅 각도의 각도편차를 산출하여 버킷제어부(740)에 제공한다.

아울러, 각도편차산술부(730)는 위치정보 제공부(500)의 다양한 위치 정보 및 자세 정보들과 목표자세특정부(720)에서 제공된 버킷(33)의 목표자세에 기초하여, 버킷(33)의 목표자세의 회동 각도(θ2)와 버킷(33)의 현재자세의 회동각도(θ1)의 각도편차(θ)를 산출하여 버킷제어부(740)에 제공한다.

예를 들면, 도 6 을 참조하면, 버킷(33)의 회동 각도는 암(32)의 관절, 버킷(33)의 관절 및 버킷(33)의 팁이 이루는 각도일 수 있다. 이 때, 각도편차산술부(730)는 버킷(33)의 현재자세의 회동 각도(θ1)와 버킷(33)의 목표자세의 회동 각도(θ2)의 차이인 (θ1-θ2)를 산출하고 이를 버킷제어부(740)에 제공한다.

운전자가 상기 작업영역(W)에 대한 굴삭 작업을 위해 붐(31)과 암(32)을 조작하여 조작레버(400)의 조작신호가 전자제어부(700)에 입력되면, 전자제어부(700)는 버킷(33)이 설정된 작업영역(W)에 가까운지 여부를 판단한다. 상세하게는, 전자제어부(700)는 버킷(33)과 설정된 작업영역(W) 사이의 거리를 연산한다. 그 다음, 연산된 거리를 기 설정값과 비교하여, 연산된 거리가 기 설정값보다 작은 경우 버킷(33)의 자세제어를 개시한다.

한편, 버킷(33)과 설정된 작업영역(W) 사이의 거리를 연산할 때, 현재의 버킷(33) 팁과 작업영역(W) 사이의 거리를 측정하는 경우, 버킷(33) 팁의 요동에 따라 측정된 거리가 불안정할 수 있다. 따라서, 상대적으로 요동이 적은 암(32)의 선단부 또는 암(32)의 선단부에 결합되는 버킷(33)의 관절을 기준으로 버킷(33)의 자세제어의 개시를 판단함이 바람직하다.

구체적으로는, 도 6및 도 7을 참조하면, 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이의 변위에 기초하여 버킷(33)의 자세제어의 개시를 판단할 수 있다. 버킷제어부(740)는 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이의 변위가 기 설정값(

)보다 크다고 판단하면, 버킷(33)의 자세제어를 하지 않는다. 이에 따라 버킷(33)은 초기의 회동각도인 θ1 을 유지하며 작업영역(W)에 근접한다.

이후, 버킷제어부(740)는 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이의 변위가 기 설정값(

)보다 작다고 판단한 경우, 각도편차산술부(730)에서 산출한 각도편차(θ1-θ2)를 전기신호로 변환하여 전자비례감압밸브(300)로 송출한다.

버킷제어부(740)는 각도편차산술부(730)에서 산출한 틸팅 각도편차에 대한 정보를 전기신호로 변환하여 전자비례감압밸브(300)로 송출하고, 전자비례감압밸브(300)는 틸팅 각도편차에 대응되는 유압을 생성하여 상기 틸팅 각도편차가 저감되도록 틸팅 액추에이터에 유체를 공급한다.

아울러, 버킷제어부(740)는 각도편차산술부(730)에서 산출한 로테이팅 각도편차에 대한 정보를 전기신호로 변환하여 전자비례감압밸브(300)로 송출하고, 전자비례감압밸브(300)는 로테이팅 각도편차에 대응되는 유압을 생성하여 상기 로테이팅 각도편차가 저감되도록 로테이팅 액추에이터(74)에 유체를 공급한다.

아울러, 버킷제어부(740)는 각도편차산술부(730)에서 산출한 회동 각도편차에 대한 정보를 전기신호로 변환하여 전자비례감압밸브(300)로 송출하고, 전자비례감압밸브(300)는 회동 각도편차에 대응되는 유압을 생성하여 상기 회동 각도편차가 저감되도록 버킷 실린더(60)에 유체를 공급한다.

바람직하게는, 버킷제어부(740)는 암(32)의 선단부가 작업영역(W)에 근접할수록 암(32)과 버킷(31)이 이루는 회동각도(θ)가 버킷(33)의 목표자세의 회동 각도(θ2)에 이르도록 제어할 수 있다.

구체적으로는, 도 7 에 참조된 바와 같이, 암(32)과 버킷(31)이 이루는 회동각도(θ)는 현재 자세의 회동각도(θ1)과 목표 자세의 회동각도(θ2)의 선형적인 관계식인

로 이루어질 수 있다. 이 때, 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이 변위가 기 설정값(

) 일 때 a = 1 로 설정되고, 버킷(33)의 팁이 작업영역에 접할 때, 즉 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이 변위가

일 때 a = 0 으로 설정될 수 있다.

이 경우, 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이 변위가 기 설정값(

)보다 작으면 암(32)과 버킷(33)이 이루는 회동각도(θ1)가 점차 감소하고, 버킷(31)의 팁이 작업영역(W)에 접할 때 압(32)과 버킷(33)의 각도는 회동각도(θ2)에 이르게 된다.

다만, 도 7 과 같이 a는 암(32)의 선단부와 작업영역(W) 사이 변위에 따라 선형적으로 설정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 5 를 참조하면, 도 5(a)와 같이 버킷(33)이 작업영역(W)에 근접하면, 버킷(33)의 틸팅 각도, 로테이팅 각도 및 회동 각도가 조절되는 버킷(33)의 자세제어가 행해져, 도 5(b)와 같이 버킷(33)의 팁이 작업영역(W)에 접하도록 위치하게 된다.

바람직하게는, 버킷(33)의 자세제어 기능이 ON 되어 버킷(33)의 자세가 작업영역(W)에 대하여 자동 정렬되어 있더라도 운전자에 의해 버킷(33)의 회동 각도, 틸팅 각도, 로테이팅 각도 등이 다른 방향으로 조작되면, 조작된 방향으로 버킷(33)팁이 정렬될 수 있을 것이다. 이후, 운전자가 디스플레이(610) 화면에서 버킷(33) 자세제어의 ON을 선택하거나 조작레버(400)에 배치되는 틸트 자동제어의 ON스위치를 누르면 버킷(33) 팁이 다시 작업영역(W)에 접하도록 버킷(33)의 자세가 제어될 수 있다.

바람직하게는, 전자제어부(700)는, 버킷(33)의 자세가 작업영역(W)에 대하여 자동 정렬되어 있는 상태에서, 입력된 버킷(33) 로테이팅 조작신호가 소정시간보다 길게 지속되면 버킷(33)의 로테이트 축을 법선 법선 벡터(

)에 정렬할 수 있다.

아울러, 전자제어부(700)는, 입력된 버킷(33) 로테이팅 조작신호가 소정시간보다 짧게 지속되면 단순히 버킷(33) 팁의 방향을 전환하는 의도로 판단하고, 상기 조작신호에 대응하도록 로테이팅 액추에이터(74)를 제어하여 버킷(33)을 로테이팅하며, 틸팅 액추에이터 및 버킷 실린더(60)를 제어하여 상기 버킷(33)의 팁이 작업영역(W)을 침범하지 않도록 제어할 수 있다.

한편, 상기와 같이 버킷(33)의 팁이 작업영역(W)에 접하게 정렬된 이후, 운전자가 작업영역(W)을 굴삭하기 위하여 상부프레임을 선회시키거나 암(32)을 조작하면 경사면에 대한 버킷(33)의 각도가 변하게 된다. 이에, 운전자는 형성된 작업영역(W)의 경사도를 확인한 후 감에 의존하여 버킷(33)의 각도를 조정해주어야 하므로 작업 시간이 길어질 수밖에 없고, 아울러 작업영역(W)이 불균일한 경사면으로 이루어질 수밖에 없다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자제어부(700)에서는 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)가 작업영역(W)의 법선 벡터(

)와 접하도록 버킷(33)의 자세를 제어한다.

이를 위해, 전자제어부(700)는 작업영역(W)의 법선 벡터(

)에 대한 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)의 내적값이 0 이 되도록 버킷(33)의 이동방향을 제어한다.

이 경우, 운전자가 경사면을 굴삭하기 위하여 상부프레임(20)을 선회시키거나 암(32)을 조작할 때, 버킷(33)의 틸팅 또는 로테이팅을 임의로 조정하지 않더라도, 버킷(33)의 팁이 작업영역(W)에 대하여 접하게 되어, 경사면을 형성하는 굴삭 작업시 작업시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 균일한 경사면을 제공할 수 있다.

이 때, 버킷(33) 팁을 기준으로 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)를 산출하면 버킷(33)의 요동에 의하여 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 상대적으로 요동이 적은 암(32)의 선단부를 기준으로 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)를 산출하는 것이 바람직하다.

한편, 버킷(33) 팁의 너비 방향이 버킷(33)의 이동방향에 수직하도록 위치하면, 작업 면적이 넓어져 작업이 효율적으로 이루어질 수 있다. 다만, 운전자가 경사면을 굴삭하기 위하여 버킷(33)을 경사면을 따라 이동시키면서 버킷(33) 팁의 너비를 버킷(33)의 이동방향에 수직하도록 조정해 주는 작업은 고도의 숙련기술을 요한다.

이에, 초보자가 작업하는 경우 버킷(33) 팁의 너비가 버킷(33)의 이동방향에 대하여 경사지도록 위치하여, 작업면적이 축소될 수 있다.

따라서, 도 8 에 참조된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계(100)에서는 버킷(33) 팁의 너비 방향 벡터(

)가 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)와 수직하도록 버킷(33)의 로테이팅 각도를 제어한다.

이를 위해, 전자제어부(700)는 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)와 설정된 작업영역(W)의 법선 벡터(

)에 기초하여, 작업영역(W)의 법선 벡터(

)에 대한 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)의 외적의 방향이 버킷(33) 팁의 너비 방향이 되도록 버킷(33)의 로테이팅 각도를 제어한다.

즉, 버킷(33)의 이동방향 벡터(

)와 작업영역(W)의 법선 벡터(

) 및 버킷(33) 팁의 너비 방향 벡터(

)는 각각 수직하도록 제어된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계(100)에 따르면, 운전자가 버킷(33)의 이동방향을 따라 버킷(33)의 로테이팅 각도를 임의로 조정하지 않더라도, 버킷(33) 팁의 너비 방향이 버킷(33)의 이동방향에 수직하도록 위치하여 작업 면적이 최대화되기 때문에, 작업이 효율적으로 이루어질 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 건설기계
200 : 컨트롤밸브
300 : 전자비례감압밸브
400 : 조작레버
500 : 위치정보 제공부
600 : 작업설정부
700 : 전자제어부

Claims

하부주행체;
상기 하부주행체 상에서 회동 가능하도록 지지되는 상부선회체;
상기 상부선회체에 회동 가능한 붐, 상기 붐에 회동 가능한 암, 상기 암에 회동 가능한 버킷, 및 상기 버킷을 상기 암에 대하여 틸팅 가능하게 지지하는 틸팅 액추에이터와 상기 버킷을 상기 암에 대하여 로테이팅 가능하게 지지하는 로테이팅 액추에이터로 구성되는 틸트 로테이터를 포함하는 작업장치;
운전자의 조작량에 대응되는 조작신호를 출력하는 조작레버;
상기 작업장치의 위치정보 및 자세정보를 제공하는 위치정보 제공부;
상기 작업장치의 작업영역을 설정할 수 있고, 상기 작업영역의 평면정보를 제공하는 작업설정부; 및
상기 조작레버, 상기 작업설정부 및 상기 위치정보 제공부 중 하나 이상으로부터 입력되는 신호에 따라 상기 작업장치를 제어하는 전자제어부; 를 포함하고,
상기 전자제어부는, 상기 버킷의 팁이 작업영역에 접하도록 상기 버킷의 자세를 제어하는, 건설기계.
제 1 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 작업영역의 평면정보를 고려하여 작업영역의 법선 벡터를 산출하는, 건설기계
제 2 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 법선 벡터 및 버킷의 팁의 정사영에 기초하여 상기 버킷의 팁이 작업영역에 접할 때의 버킷의 목표 자세를 특정하는, 건설기계.
제 3 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 버킷의 현재 자세와 버킷의 목표 자세를 비교하여 버킷의 틸팅 각도, 로테이팅 각도 및 회동 각도 중 하나 이상의 각도편차를 산출하는, 건설기계.
제 4 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 각도편차에 대응되는 유압을 생성하여 틸팅 액추에이터, 로테이팅 액추에이터 및 버킷 실린더 중 하나 이상에 공급하는, 건설기계.
제 4 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 조작레버의 조작신호가 입력되면 상기 암 선단부와 상기 작업영역 사이 변위를 연산하고, 상기 변위가 기 설정된 기준값보다 작으면 상기 버킷의 자세를 제어하는, 건설기계.
제 6 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 암 선단부가 작업영역에 근접할수록 상기 각도편차가 감소하도록 제어하는, 건설기계.
제 2 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 작업장치의 위치정보 및 자세정보를 고려하여 상기 버킷의 이동방향 벡터를 산출하는, 건설기계
제 8 항에 있어서,
상기 버킷의 이동방향 벡터는, 상기 암의 선단부를 기준으로 산출되도록 구성되는, 건설기계.
제 8 항에 있어서,
상기 전자제어부는, 상기 버킷의 이동방향 벡터와 작업영역의 법선 벡터를 외적하여 버킷 팁의 너비 방향 벡터를 산출하는, 건설기계.
제 10 항에 있어서,
상기 버킷의 이동방향 벡터, 상기 작업영역의 법선 벡터 및 상기 버킷 팁의 너비 방향 벡터는 서로 수직하는, 건설기계.
제1항에 있어서,
상기 위치정보 제공부는, 건설기계의 위치정보를 측정하는 위치 측정부, 건설기계의 자세 정보와 각각의 작업장치의 자세 정보를 측정하는 자세 측정부 및 상기 위치 측정부와 상기 자세 측정부로부터 측정된 위치 정보 및 자세 정보를 토대로 좌표를 산출하는 좌표 산출부 중 적어도 하나를 포함하는, 건설기계.
제1항에 있어서,
상기 조작레버는, 전기식 조이스틱으로서 운전자의 조작량에 비례하여 전기적 신호를 발생시켜 전자제어부에 제공하는, 건설기계.
제2항에 있어서,
상기 전자제어부는,
상기 버킷의 로테이팅 조작신호가 기 설정된 기준값보다 길게 지속되면, 상기 버킷의 로테이트 축을 작업영역에 수직하도록 정렬하고,
상기 버킷의 로테이팅 조작신호가 기 설정된 기준값보다 짧게 지속되면, 상기 조작신호에 대응하도록 로테이팅 액추에이터를 제어하여 버킷을 로테이팅하며, 틸팅 액추에이터 및 버킷 실린더를 제어하여 상기 버킷의 팁이 작업영역을 침범하지 않도록 하는, 건설기계.