KR20230138020A - 연산 장치 및 연산 방법 - Google Patents

Abstract

작업기가 운반하는 화물의 중량을 양호한 정밀도로 산출할 수 있는 연산 장치를 제공한다. 유압 셔블(100)은, 차체와, 차체에 지지된 붐 보텀 핀(5a)과, 붐 보텀 핀(5a)에 의해 차체에 회전 가능하게 연결된 붐(3a)과, 붐(3a)의 선단에 장착된 붐 톱 핀(5b)과, 붐 톱 핀(5b)에 의해 붐(3a)에 회전 가능하게 연결된 암(3b)과, 암(3b)의 선단에 장착된 암 톱 핀(5c)과, 암 톱 핀(5c)에 의해 암(3b)에 회전 가능하게 연결된 버킷(3c)을 구비하고 있다. 연산 장치는, 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식, 붐 톱 핀(5b) 주위의 모멘트의 평형식, 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형식 중 어느 2개의 평형식으로부터, 작업기(3)의 운반하는 화물의 중량을 산출한다.

Description

연산 장치 및 연산 방법

본 개시는, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치 및 연산 방법에 관한 것이다.

일본공개특허 평10-245874호 공보(특허문헌 1)에는, 버킷을 구비한 유압 셔블에 있어서, 버킷 지지축 주위의 힘의 균형 조건으로부터 버킷 내의 적하(積荷) 중량을 산출하는 연산 장치가 개시되어 있다.

일본공개특허 평10-245874호 공보

상기 문헌에는, 버킷 적하의 무게중심 위치를 실험적으로 구하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 버킷 적하의 무게중심 위치는 반드시 일정하지 않다. 그러므로, 실험적으로 구한 무게중심 위치를 이용하여 적하 중량을 산출하는 기술에서는, 적하 중량의 정밀도를 높게 하는 것이 곤란하였다.

본 개시에서는, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 양호한 정밀도로 산출할 수 있는 연산 장치가 제안된다.

본 개시의 일 국면에 따르면, 작업기를 구비하는 작업 기계에서의, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치가 제안된다. 작업 기계는 차체와, 차체에 지지된 붐 보텀 핀과, 붐 보텀 핀에 의해 차체에 회전 가능하게 연결된 붐과, 붐의 선단에 장착된 붐 톱 핀과, 붐 톱 핀에 의해 붐에 회전 가능하게 연결된 암과, 암의 선단에 장착된 암 톱 핀과, 암 톱 핀에 의해 암에 회전 가능하게 연결된 어태치먼트를 구비하고 있다. 연산 장치는, 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식, 붐 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식, 암 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식 중 어느 2개의 평형식으로부터, 화물의 중량을 산출한다.

본 개시의 일 국면에 따르면, 작업기를 구비하는 작업 기계에서의, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치가 제안된다. 작업 기계는 차체와, 차체에 지지된 붐 보텀 핀과, 붐 보텀 핀에 의해 차체에 회전 가능하게 연결된 붐과, 붐의 선단에 장착된 붐 톱 핀과, 붐 톱 핀에 의해 붐에 회전 가능하게 연결된 어태치먼트와, 붐에 지지되고, 어태치먼트와 함께 붐에 대하여 회전 가능한 회동(回動) 부재를 구비하고 있다. 연산 장치는, 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식과, 회동 부재의 회전 중심 주위의 모멘트의 평형식의 2개의 평형식으로부터, 화물의 중량을 산출한다.

본 개시의 일 국면에 따르면, 작업기를 구비하는 작업 기계의, 상기 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치가 제안된다. 작업 기계는 차체와, 차체에 지지된 붐 보텀 핀과, 붐 보텀 핀에 의해 차체에 일단(一端)이 회전 가능하게 연결된 붐과, 붐의 타단(他端)에 장착된 붐 톱 핀과, 붐 톱 핀에 의해 붐의 타단에 일단이 회전 가능하게 연결된 암과, 암의 타단에 장착된 암 톱 핀과, 암 톱 핀에 의해 암의 타단에 일단이 회전 가능하게 연결된 어태치먼트와, 붐을 구동하여 회전 동작시키는 붐 유압 실린더와, 암을 구동하여 회전 동작시키는 암 유압 실린더와, 어태치먼트를 구동하여 회전 동작시키는 어태치먼트 유압 실린더와, 압력 센서와, 위치 센서를 구비하고 있다. 압력 센서는, 붐 유압 실린더에 장착되고 붐 유압 실린더의 작동유 압력 정보를 출력하는 붐 압력 센서와, 암 유압 실린더에 장착되고 암 유압 실린더의 작동유 압력 정보를 출력하는 암 압력 센서와, 어태치먼트 유압 실린더에 장착되고 어태치먼트 유압 실린더의 작동유 압력 정보를 출력하는 어태치먼트 압력 센서 중 적어도 2개의 센서를 포함하고 있다. 위치 센서는, 차체에 대한 붐의 위치를 얻기 위한 붐 정보를 출력하는 붐 위치 센서와, 붐에 대한 암의 위치를 얻기 위한 암 정보를 출력하는 암 위치 센서와, 암에 대한 어태치먼트의 위치를 얻기 위한 어태치먼트 정보를 출력하는 어태치먼트 위치 센서를 포함하고 있다. 연산 장치는, 화물의 운반에서의, 붐 유압 실린더의 작동유 압력 정보와 붐 정보로부터 생성되는 제1 관계식과, 암 유압 실린더의 작동유 압력 정보와 암 정보로부터 생성되는 제2 관계식과, 어태치먼트 유압 실린더의 작동유 압력 정보와 어태치먼트 정보로부터 생성되는 제3 관계식 중 어느 2개의 관계식으로부터, 화물의 중량을 산출한다. 압력 센서는 상기의 2개의 관계식에 대응하는 2개의 센서를 적어도 포함하고 있다.

본 개시의 일 국면에 따르면, 작업기를 구비하는 작업 기계의, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 방법이 제안된다. 작업기는, 제1 회전 중심을 축으로서 회동하는 붐과, 제2 회전 중심을 축으로서 회동하는 암과, 제3 회전 중심을 축으로서 회동하는 어태치먼트를 부재로서 가지고 있다. 연산 방법은 이하의 처리를 갖추고 있다. 제1 처리는 상기의 부재에 대하여, 제1 회전 중심, 제2 회전 중심 및 제3 회전 중심 중 어느 2개의 회전 중심 주위의 운동의 관계식을 설정하는 것이다. 제2 처리는 부재의 각각의 중량 및 무게중심 위치를 취득하는 것이다. 제3 처리는 화물의 운반 시에서의 부재의 위치를 취득하는 것이다. 제4 처리는 관계식의 운동에 대응하는 추력(推力)을 취득하는 것이다. 제5 처리는 부재의 무게중심 위치와 부재의 위치로부터, 화물의 운반 시에서의 부재의 각각의 무게중심 위치와, 대응하는 제1 회전 중심, 제2 회전 중심 및 제3 회전 중심의 각각의 수평 방향 거리를 연산하는 것이다. 제6 처리는 관계식과, 취득된 정보와, 연산된 정보에 의해, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 연산하는 것이다.

본 개시에 관련된 연산 장치 및 연산 방법에 의하면, 작업기가 운반하는 화물의 중량을 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.

[도 1] 본 개시의 제1 실시형태에 기초하는 작업 기계의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
[도 2] 도 1에 나타내어지는 작업 기계의 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
[도 3] 도 2에 나타내어지는 컨트롤러 내의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
[도 4] 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다.
[도 5] 암 톱 핀 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다.
[도 6] 붐 톱 핀 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다.
[도 7] 제3 실시형태에 기초하는 작업 기계의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
[도 8] 제4 실시형태에 기초하는 작업 기계의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
[도 9] 제4 실시형태의 컨트롤러 내의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
[도 10] 지지핀 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다.
[도 11] 본 개시의 연산 방법의 플로차트를 나타내는 도면이다.

이하, 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다. 이하의 설명에서는, 동일 부품에는, 동일한 부호를 붙이고 있다. 이들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 이들에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다.

[제1 실시형태]

<작업 기계의 구성>

도 1은, 본 개시의 제1 실시형태에 기초하는 작업 기계의 일례로서의 유압 셔블(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 유압 셔블(100)은 주행체(1)와, 선회체(2)와, 작업기(3)를 주로 가지고 있다. 주행체(1)와 선회체(2)에 의해, 유압 셔블(100)의 차체가 구성되어 있다.

주행체(1)는 좌우 한 쌍의 크롤러 벨트(crawler belt) 장치(1a)를 가지고 있다. 이 좌우 한 쌍의 크롤러 벨트 장치(1a)의 각각은 크롤러 벨트를 가지고 있다. 좌우 한 쌍의 크롤러 벨트가 회전 구동되는 것에 의해 유압 셔블(100)이 자주(自走)한다.

선회체(2)는 주행체(1)에 대하여 선회 가능하게 설치되어 있다. 이 선회체(2)는 운전실(캡(cab))(2a)과, 운전석(2b)과, 엔진 룸(2c)과, 카운터 웨이트(2d)를 주로 가지고 있다. 운전실(2a)는, 선회체(2)의 예를 들면 전방 좌측(차량 앞쪽)에 배치되어 있다. 운전실(2a)의 내부 공간에는, 오퍼레이터가 착석하기 위한 운전석(2b)이 배치되어 있다.

엔진 룸(2c) 및 카운터 웨이트(2d)의 각각은, 운전실(2a)에 대하여 선회체(2)의 후방측(차량 뒤쪽)에 배치되어 있다. 엔진 룸(2c)은 엔진 유닛(엔진, 배기처리 구조체 등)을 수납하고 있다. 엔진 룸(2c)의 상방은 엔진 후드에 의해 덮혀 있다. 카운터 웨이트(2d)는 엔진 룸(2c)의 후방에 배치되어 있다.

작업기(3)는 선회체(2)의 전방측으로서 운전실(2a)의 예를 들면 우측에서 축지지되어 있다. 작업기(3)는 예를 들면 붐(3a), 암(3b), 버킷(3c), 붐 실린더(4a), 암 실린더(4b), 버킷 실린더(4c) 등을 가지고 있다. 붐(3a)의 기단부(일단)는, 붐 보텀 핀(5a)에 의해 선회체(2)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 암(3b)의 기단부(일단)는, 붐 톱 핀(5b)에 의해 붐(3a)의 선단부(타단)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 버킷(3c)(의 일단)은, 암 톱 핀(5c)에 의해 암(3b)의 선단부(타단)에 회전 가능하게 연결되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 작업기(3)를 기준으로 하여, 유압 셔블(100)의 각 부(部)의 위치 관계에 대하여 설명한다.

작업기(3)의 붐(3a)은 선회체(2)에 대하여, 붐 보텀 핀(5a)을 중심으로 회전 이동한다. 선회체(2)에 대하여 회동하는 붐(3a)이 특정 부분, 예를 들면 붐(3a)의 선단부가 이동하는 궤적은 원호형이고, 그 원호를 포함하는 평면이 특정된다. 유압 셔블(100)을 평면에서 본 경우에, 해당 평면은 직선으로서 표시된다. 이 직선의 연장되는 방향이, 유압 셔블(100)의 차체의 전후 방향, 또는 선회체(2)의 전후 방향이며, 이하에서는 단지 전후 방향이라고도 한다. 유압 셔블(100)의 차체의 좌우 방향(차폭 방향), 또는 선회체(2)의 좌우 방향이란, 평면에서 볼 때 전후 방향과 직교하는 방향이며, 이하에서는 단지 좌우 방향이라고도 한다. 유압 셔블(100)의 차체의 상하 방향, 또는 선회체(2)의 상하 방향이란, 전후 방향 및 좌우 방향에 의해 정해지는 평면에 직교하는 방향이며, 이하에서는 단지 상하 방향이라고도 한다.

전후 방향에 있어서, 차체로부터 작업기(3)가 돌출하고 있는 측이 전방향(前方向)이고, 전방향과 반대 방향이 후방향이다. 전방향을 볼 때 좌우 방향의 우측, 좌측이 각각 우방향, 좌방향이다. 상하 방향에 있어서 지면이 있는 측이 하측, 비어 있는 측이 상측이다.

전후 방향이란, 운전실(2a) 내의 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터의 전후 방향이다. 좌우 방향이란, 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터의 좌우 방향이다. 상하 방향이란, 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터의 상하 방향이다. 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터에 정대(正對)하는 방향이 전방향이고, 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터의 배후 방향이 후방향이다. 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터가 정면에 정대했을 때의 우측, 좌측이 각각 우방향, 좌방향이다. 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터의 발밑측이 하측, 머리 위측이 상측이다.

붐(3a)은 붐 실린더(붐 유압 실린더)(4a)에 의해 구동 가능하다. 이 구동에 의해, 붐(3a)은, 붐 보텀 핀(5a)을 중심으로 선회체(2)에 대하여 상하 방향으로 회동 가능하다. 암(3b)은 암 실린더(암 유압 실린더)(4b)에 의해 구동 가능하다. 이 구동에 의해, 암(3b)은 붐 톱 핀(5b)를 중심으로 붐(3a)에 대하여 상하 방향으로 회동 가능하다. 버킷(어태치먼트)(3c)은, 버킷 실린더(어태치먼트 유압 실린더)(4c)에 의해 구동 가능하다. 이 구동에 의해 버킷(3c)은 암 톱 핀(5c)을 중심으로 암(3b)에 대하여 상하 방향으로 회동 가능하다. 이와 같이 작업기(3)는 구동 가능하다.

붐 보텀 핀(5a)은 유압 셔블(100)의 차체에 지지되어 있다. 붐 보텀 핀(5a)은 선회체(2)의 프레임의 한 쌍의 세로판(도시하지 않음)에 지지되어 있다. 붐 톱 핀(5b)은 붐(3a)의 선단에 장착되어 있다. 암 톱 핀(5c)은 암(3b)의 선단에 장착되어 있다. 붐 보텀 핀(5a), 붐 톱 핀(5b) 및 암 톱 핀(5c)은, 모두 좌우 방향으로 연장되어 있다. 붐 보텀 핀(5a)은 붐 풋 핀이라고도 한다.

작업기(3)는 버킷 링크(3d)를 가지고 있다. 버킷 링크(3d)는 제1 링크 부재(3da)와, 제2 링크 부재(3db)를 가지고 있다. 제1 링크 부재(3da)의 선단과 제2 링크 부재(3db)의 선단은 버킷 실린더 톱 핀(3dc)을 통하여, 상대 회전 가능하게 연결되어 있다. 버킷 실린더 톱 핀(3dc)은 버킷 실린더(4c)의 선단에 연결되어 있다. 따라서 제1 링크 부재(3da) 및 제2 링크 부재(3db)는 버킷 실린더(4c)에 핀 연결되어 있다.

제1 링크 부재(3da)의 기단은, 제1 링크 핀(3dd)에 의해 암(3b)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 제2 링크 부재(3db)의 기단은, 제2 링크 핀(3de)에 의해 버킷(3c)의 근부 부분의 브래킷에 회전 가능하게 연결되어 있다.

붐 실린더(4a)의 헤드측에는, 압력 센서(6a)가 장착되어 있다. 압력 센서(6a)는, 붐 실린더(4a)의 실린더 헤드 측 오일 챔버(40A) 내의 작동유의 압력(헤드 압력)을 검출할 수 있다. 붐 실린더(4a)의 보텀측에는, 압력 센서(6b)가 장착되어 있다. 압력 센서(6b)는, 붐 실린더(4a)의 실린더 보텀측 오일 챔버(40B) 내의 작동유의 압력(보텀 압력)을 검출할 수 있다. 압력 센서(6a, 6b)는, 헤드 압력과 보텀 압력으로 이루어지는 작동 유압력 정보를 후술하는 컨트롤러(10)에 출력한다.

암 실린더(4b)의 헤드측에는, 압력 센서(6c)가 장착되어 있다. 압력 센서(6c)는, 암 실린더(4b)의 실린더 헤드측 오일 챔버 내의 작동유의 압력(헤드 압력)을 검출할 수 있다. 암 실린더(4b)의 보텀측에는, 압력 센서(6d)가 장착되어 있다. 압력 센서(6d)는, 암 실린더(4b)의 실린더 보텀측 오일 챔버 내의 작동유의 압력(보텀 압력)을 검출할 수 있다. 압력 센서(6c, 6d)는, 헤드 압력과 보텀 압력으로 이루어지는 작동유 압력 정보를 후술하는 컨트롤러(10)에 출력한다.

버킷 실린더(4c)의 헤드측에는, 압력 센서(6e)가 장착되어 있다. 압력 센서(6e)는, 버킷 실린더(4c)의 실린더 헤드측 오일 챔버 내의 작동유의 압력(헤드 압력)을 검출할 수 있다. 버킷 실린더(4c)의 보텀측에는, 압력 센서(6f)가 장착되어 있다. 압력 센서(6f)는, 버킷 실린더(4c) 실린더 보텀측 오일 챔버 내의 작동유의 압력(보텀 압력)을 검출할 수 있다. 압력 센서(6e, 6f)는, 헤드 압력과 보텀 압력으로 이루어지는 작동유 압력 정보를 후술하는 컨트롤러(10)에 출력한다.

붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)에는, 각각의 위치 및 자세의 정보를 얻기 위한 위치 센서가 설치되어 있다. 위치 센서는, 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)의 각각의 위치를 얻기 위한 붐 정보, 암 정보 및 어태치먼트 정보를 후술하는 컨트롤러(10)에 출력한다.

붐 실린더(4a)에는, 위치 센서로서, 스트로크 센서(7a)가 장착되어 있다. 스트로크 센서(7a)는, 붐 실린더(4a)에서의 실린더(aa)에 대한 실린더 로드(4ab)의 변위량을 붐 정보로서 검출한다. 암 실린더(4b)에는, 위치 센서로서, 스트로크 센서(7b)가 장착되어 있다. 스트로크 센서(7b)는, 암 실린더(4b)에서의 실린더 로드의 변위량을 암 정보로서 검출한다. 버킷 실린더(4c)에는, 위치 센서로서, 스트로크 센서(7c)가 장착되어 있다. 스트로크 센서(7c)는, 버킷 실린더(4c)에서의 실린더 로드의 변위량을 어태치먼트 정보로서 검출한다.

위치 센서는 각도 센서라도 된다. 붐 보텀 핀(5a)의 주위에는, 각도 센서(9a)가 장착되어 있다. 붐 톱 핀(5b)의 주위에는, 각도 센서(9b)가 장착되어 있다. 암 톱 핀(5c)의 주위에는, 각도 센서(9c)가 장착되어 있다. 각도 센서(9a, 9b, 9c)는 포텐셔미터라도 되고, 로터리 인코더라도 된다. 각도 센서(9a, 9b, 9c)는 붐(3a) 등의 회전각 정보(붐 정보, 암 정보 및 어태치먼트 정보)를 후술하는 컨트롤러(10)에 출력한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 측방에서 볼 때, 붐 보텀 핀(5a)과 붐 톱 핀(5b)을 통과하는 직선(도 1 중에 2점쇄선으로 도시)과, 상하 방향으로 연장되는 직선(도 1 중에 파선으로 도시)이 이루는 각도를 붐 각 θb로 한다. 붐 각 θb은 통상 예각이다. 붐 각 θb은 선회체(2)에 대한 붐(3a)의 각도를 나타낸다. 붐 각 θb은 스트로크 센서(7a)의 검출 결과로부터 산출할 수 있고, 또한 각도 센서(9a)의 측정값으로부터 산출할 수 있다.

측방에서 볼 때, 붐 보텀 핀(5a)과 붐 톱 핀(5b)을 통과하는 직선과, 붐 톱 핀(5b)과 암 톱 핀(5c)을 통과하는 직선(도 1 중에 2점쇄선으로 도시)이 이루는 각도를 암 각 θa로 한다. 암 각 θa는, 측방에서 볼 때 암(3b)이 회동하는 영역에서의 붐(3a)에 대한 암(3b)의 각도를 나타낸다. 암 각 θa는 스트로크 센서(7b)의 검출 결과로부터 산출할 수 있고, 또한 각도 센서(9b)의 측정값으로부터 산출할 수 있다.

측방에서 볼 때, 붐 톱 핀(5b)과 암 톱 핀(5c)을 통과하는 직선과, 암 톱 핀(5c)과 버킷(3c)의 날끝(cutting edge)을 통과하는 직선(도 1 중에 2점쇄선으로 도시)이 이루는 각도를 버킷 각 θk로 한다. 버킷 각 θk는, 측방시로 버킷(3c)가 회동하는 영역에서의 암(3b)에 대한 버킷(3c)의 각도를 나타낸다. 버킷 각 θk는 스트로크 센서(7c)의 검출 결과로부터 산출할 수 있고, 또한 각도 센서(9c)의 측정값으로부터 산출할 수 있다.

위치 센서는 IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 계측 장치)라도 된다. 선회체(2), 붐(3a), 암(3b) 및 제1 링크 부재(3da)의 각각에는, IMU(8a, 8b, 8c, 8d)가 장착되어 있다. IMU(8a)는 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향에서의 선회체(2)의 가속도와, 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향 주위의 선회체(2)의 각속도를 계측한다. IMU(8a, 8b, 8c, 8d)의 각각은 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향에서의 붐(3a), 암(3b), 제1 링크 부재(3da)의 가속도와, 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향 주위의 붐(3a), 암(3b), 제1 링크 부재(3da)의 각속도를 계측한다.

선회체(2)에 장착된 IMU(8a)로 측정된 가속도와 붐(3a)에 장착된 IMU(8b)로 측정된 가속도의 차분에 기초하여 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도(붐 실린더(4a)의 신축 속도의 변화량)를 취득할 수 있다. 붐 각 θb, 암 각 θa, 버킷 각 θk는 각각, IMU(8b, 8c, 8d)의 검출 결과로부터 산출되어도 된다.

위치 센서로서, 각 유압 실린더의 스트로크 센서, 붐(3a) 등의 각 링크의 각도 센서, 및 IMU를 들었지만, 위치 센서는 6축 가속도 센서라도 된다. 위치 센서는 상기 센서의 몇 가지를 병용하는 것이라도 된다. 위치 센서는 상기 센서에 부가하여, GNSS(Global Navigation Satellite System: 위성 측위 시스템)을 병용하는 것이라도 된다.

<작업 기계의 시스템의 개략 구성>

다음으로, 작업 기계의 시스템의 개략 구성에 대하여 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는, 도 1에 나타내어지는 작업 기계의 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에서의 시스템은, 작업기(3)가 운반하는 화물(L)(도 1)의 중량인 적하 중량을 결정하기 위한 시스템이다. 본 실시형태에서의 시스템은, 도 1에 나타낸 작업 기계의 일례로서의 유압 셔블(100)과, 도 2에 나타낸 컨트롤러(10)를 포함하고 있다. 컨트롤러(10)는 유압 셔블(100)에 탑재되어 있어도 된다. 컨트롤러(10)는 유압 셔블(100)의 외부에 설치되어 있어도 된다. 컨트롤러(10)는 유압 셔블(100)의 작업 현장에 배치되어도 되고, 유압 셔블(100)의 작업 현장으로부터 떨어진 원격지에 배치되어도 된다.

엔진(31)은 예를 들면 디젤 엔진이다. 엔진(31)으로의 연료의 분사량이 컨트롤러(10)에 의해 제어되는 것에 의해, 엔진(31)의 출력이 제어된다.

유압 펌프(33)는 엔진(31)에 연결되어 있다. 엔진(31)의 회전 구동력이 유압 펌프(33)에 전달되는 것에 의해, 유압 펌프(33)가 구동된다. 유압 펌프(33)는 예를 들면 경사판을 가지고, 경사판의 경전각(傾轉角)이 변경됨으로써 토출 용량을 변화시키는 가변 용량형의 유압 펌프이다. 유압 펌프(33)로부터 토출된 오일의 일부는, 작동유로서 방향 제어 밸브(34)에 공급된다. 유압 펌프(33)로부터 토출된 오일의 일부는 감압 밸브에 의해 일정한 압력으로 감압되어, 파일럿 오일로서 사용된다.

방향 제어 밸브(34)는, 예를 들면 로드형의 스풀(spool)을 움직여 작동유가 흐르는 방향을 전환하는 스풀 방식의 밸브이다. 스풀이 축 방향으로 이동하는 것에 의해, 액추에이터(40)에 대한 작동유의 공급량이 조정된다. 방향 제어 밸브(34)에는, 스풀의 이동 거리(스풀 스트로크)를 검출하는 스풀 스트로크 센서가 설치된다.

액추에이터(40)로의 유압의 공급 및 배출이 제어되는 것에 의해, 작업기(3)의 동작, 선회체(2)의 선회, 및 주행체(1)의 주행 동작이 제어된다. 상기 액추에이터(40)는, 도 1에 나타내어지는 붐 실린더(4a), 암 실린더(4b), 버킷 실린더(4c), 주행 모터, 도시하지 않은 선회 모터 등을 포함하고 있다.

그리고, 본 예에 있어서는, 액추에이터(40)를 작동하기 위해, 그 액추에이터(40)에 공급되는 오일은 작동유라고 한다. 또한, 방향 제어 밸브(34)를 작동하기 위해 그 방향 제어 밸브(34)에 공급되는 오일은 파일럿 오일이라고 한다. 또한, 파일럿 오일의 압력은 파일럿 유압이라고 한다.

유압 펌프(33)는 상기와 같이 작동유와 파일럿 오일의 양쪽을 송출하는 것이라도 된다. 유압 펌프(33)는, 작동유를 송출하는 유압 펌프(메인 유압 펌프)와 파일럿 오일을 송출하는 유압 펌프(파일럿 유압 펌프)를 따로 가져도 된다.

조작 장치(25)는 운전실(2a) 내에 배치되어 있다. 조작 장치(25)는 오퍼레이터에 의해 조작된다. 조작 장치(25)는 작업기(3)를 구동시키는 오퍼레이터 조작을 접수한다. 또한, 조작 장치(25)는 선회체(2)를 선회시키는 오퍼레이터 조작을 접수한다. 조작 장치(25)는 오퍼레이터 조작에 따른 조작 신호를 출력한다.

조작 장치(25)는 제1 조작 레버(25R)와, 제2 조작 레버(25L)를 가지고 있다. 제1 조작 레버(25R)는 예를 들면 운전석(2b)의 우측에 배치되어 있다. 제2 조작 레버(25L)는 예를 들면 운전석(2b)의 좌측에 배치되어 있다. 제1 조작 레버(25R) 및 제2 조작 레버(25L)에서는, 전후 좌우의 동작이 2축의 동작에 대응한다.

제1 조작 레버(25R)에 의해, 예를 들면 붐(3a) 및 버킷(3c)이 조작된다. 제1 조작 레버(25R)의 전후 방향의 조작은, 예를 들면 붐(3a)의 조작에 대응하고, 전후 방향의 조작에 따라 붐(3a)이 하강하는 동작 및 상승하는 동작이 실행된다. 제1 조작 레버(25R)의 좌우 방향의 조작은, 예를 들면 버킷(3c)의 조작에 대응하고, 좌우 방향의 조작에 따라 버킷(3c)의 굴삭 방향(상향) 및 덤프 방향(하향)으로의 동작이 실행된다.

제2 조작 레버(25L)에 의해, 예를 들면 암(3b) 및 선회체(2)가 조작된다. 제2 조작 레버(25L)의 전후 방향의 조작은, 예를 들면 선회체(2)의 선회에 대응하고, 전후 방향의 조작에 따라 선회체(2)의 우선회 동작 및 좌선회 동작이 실행된다. 제2 조작 레버(25L)의 좌우 방향의 조작은, 예를 들면 암(3b)의 조작에 대응하고, 좌우 방향의 조작에 따라 암(3b)의 덤프 방향(상향) 및 굴삭 방향(하향)으로의 동작이 실행된다.

유압 펌프(33)로부터 송출되고, 감압 밸브에 의해 감압된 파일럿 오일이 조작 장치(25)에 공급된다. 조작 장치(25)의 조작량에 기초하여, 파일럿 유압이 조정된다.

조작 장치(25)와 방향 제어 밸브(34)는 파일럿 오일 통로(450)를 통하여 접속되어 있다. 파일럿 오일은 파일럿 오일 통로(450)를 통하여 방향 제어 밸브(34)에 공급된다. 이로써, 방향 제어 밸브(34)의 스풀이 축 방향으로 이동하여, 붐 실린더(4a), 암 실린더(4b) 및 버킷 실린더(4c)에 공급되는 작동유의 흐름 방향 및 유량이 조정되고, 붐(3a), 암(3b), 버킷(3c)의 상하 방향으로의 동작이 실행된다.

파일럿 오일 통로(450)에는, 압력 센서(36)가 배치되어 있다. 압력 센서(36)는 파일럿 유압을 검출한다. 압력 센서(36)의 검출 결과는 컨트롤러(10)에 출력된다. 파일럿 유압의 증가량은, 조작 레버(25L, 25R)의 각각을 중립 위치로부터 경도(傾倒)시키는 각도에 따라 상이하다. 압력 센서(36)에 의한 파일럿 유압의 검출 결과에 따라, 조작 장치(25)의 조작 내용을 판단할 수 있다.

컨트롤러(10)에는, 스트로크 센서(7a∼7c), IMU(8a∼8d), 각도 센서(9a∼9c) 및 압력 센서(6a∼6f)의 검출 신호도 입력된다.

컨트롤러(10)는, 스트로크 센서(7a∼7c), IMU(8a∼8d), 각도 센서(9a∼9c) 및 압력 센서(6a∼6f)의 각각과 유선으로 전기적으로 접속되어 있어도 되고, 또한 무선으로 통신 가능하게 되어 있어도 된다. 컨트롤러(10)는 예를 들면 컴퓨터, 서버, 휴대 단말기 등이며, CPU(Central Processing Unit)라도 된다.

상기에 있어서는 조작 장치(25)가 파일럿 유압 방식인 경우에 대하여 설명하였으나, 조작 장치(25)는 전기 방식의 조작 장치라도 된다. 조작 장치(25)가 전기 방식인 경우, 제1 조작 레버(25R) 및 제2 조작 레버(25L)의 각각의 조작량은, 예를 들면 포텐셔미터에 의해 검출된다. 포텐셔미터란, 기계적인 위치에 비례한 전기(전압) 출력을 얻는 변위 센서이다. 포텐셔미터의 검출 결과는 컨트롤러(10)에 출력된다. 포텐셔미터의 검출 결과에 따라, 조작 장치(25)의 조작 내용을 판단할 수 있다.

<컨트롤러(10) 내의 기능 블록>

다음으로, 컨트롤러(10) 내의 기능 블록에 대하여 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은, 도 2에 나타낸 컨트롤러 내의 기능 블록을 나타내는 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더 추력 산출부(10a)는 압력 센서(6a, 6b)의 검지 결과를 취득한다. 구체적으로는, 붐 실린더 추력 산출부(10a)는 압력 센서(6a)에 의해 검지된 붐 실린더(4a)의 헤드 압력을 취득한다. 붐 실린더 추력 산출부(10a)는, 압력 센서(6b)에 의해 검지된 붐 실린더(4a)의 보텀 압력을 취득한다. 붐 실린더 추력 산출부(10a)는 붐 실린더(4a)의 헤드 압력과 보텀 압력에 기초하여, 붐 실린더 추력 Fboom을 산출한다.

추력이란 물체를 운동 방향으로 밀고 나가는 힘으로 정의되고, 붐 실린더 추력 Fboom은, 붐 실린더(4a)가 발생시키는, 붐(3a)을 차체에 대하여 상대 회전시키는 추력이다. 붐 실린더 추력 Fboom은 붐 실린더(4a)의 연장 방향으로 작용하는 힘이다. 붐 실린더 추력 산출부(10a)는, 산출된 붐 실린더 추력 Fboom을 적하 중량 산출부(10i)에 출력한다.

암 실린더 추력 산출부(10b)는 압력 센서(6c, 6d)의 검지 결과를 취득한다. 구체적으로는, 암 실린더 추력 산출부(10b)는 압력 센서(6c)에 의해 검지된 암 실린더(4b)의 헤드 압력을 취득한다. 암 실린더 추력 산출부(10b)는, 압력 센서(6d)에 의해 검지된 암 실린더(4b)의 보텀 압력을 취득한다. 암 실린더 추력 산출부(10b)는 암 실린더(4b)의 헤드 압력과 보텀 압력에 기초하여, 암 실린더 추력 Farm을 산출한다.

암 실린더 추력 Farm은, 암 실린더(4b)가 발생시키는, 암(3b)를 붐(3a)에 대하여 상대 회전시키는 추력이다. 암 실린더 추력 Farm은 암 실린더(4b)의 연장 방향으로 작용하는 힘이다. 암 실린더 추력 산출부(10b)는, 산출된 암 실린더 추력 Farm을 적하 중량 산출부(10i)에 출력한다.

버킷 실린더 추력 산출부(10c)는 압력 센서(6e, 6f)의 검지 결과를 취득한다. 구체적으로는, 버킷 실린더 추력 산출부(10c)는 압력 센서(6e)에 의해 검지된 버킷 실린더(4c)의 헤드 압력을 취득한다. 버킷 실린더 추력 산출부(10c)는 압력 센서(6f)에 의해 검지된 버킷 실린더(4c)의 보텀 압력을 취득한다. 버킷 실린더 추력 산출부(10c)는 버킷 실린더(4c)의 헤드 압력과 보텀 압력에 기초하여, 버킷 실린더 추력 Fbucket를 산출한다.

버킷 실린더 추력 Fbucket는, 버킷 실린더(4c)가 발생시키는, 버킷(3c)을 암(3b)에 대하여 상대 회전시키는 추력이다. 버킷 실린더 추력 Fbucket는 버킷 실린더(4c)의 연장 방향으로 작용하는 힘이다. 버킷 실린더 추력 산출부(10c)는, 산출된 버킷 실린더 추력 Fbucket를 적하 중량 산출부(10i)에 출력한다.

붐 각 산출부(10d)는 스트로크 센서(7a), IMU(8b), 및 각도 센서(9a) 중 적어도 어느 하나의 센서로부터, 붐 각 θb에 관한 정보를 취득한다. 붐 각 산출부(10d)는 취득한 정보에 기초하여, 붐 각 θb를 산출한다. 붐 각 산출부(10d)는, 산출된 붐 각 θb를 무게중심 위치 산출부(10g)에 출력한다.

암 각 산출부(10e)는 스트로크 센서(7b), IMU(8c), 및 각도 센서(9b) 중 적어도 어느 하나의 센서로부터, 암 각 θa에 관한 정보를 취득한다. 암 각 산출부(10e)는 취득한 정보에 기초하여, 암 각 θa를 산출한다. 암 각 산출부(10e)는, 산출된 암 각 θa를 무게중심 위치 산출부(10g)에 출력한다.

버킷 각 산출부(10f)는 스트로크 센서(7c), IMU(8d), 및 각도 센서(9c) 중 적어도 어느 하나의 센서로부터, 버킷 각 θk에 관한 정보를 취득한다. 버킷 각 산출부(10f)는 취득한 정보에 기초하여, 버킷 각 θk를 산출한다. 버킷 각 산출부(10f)는, 산출된 버킷 각 θk를 무게중심 위치 산출부(10g)에 출력한다.

기억부(10j)는, 작업기(3)를 구성하는 각 부재의 치수, 중량 및 무게중심의 위치 등의 각종 정보를 기억하고 있다. 이들 각종 정보는, 컨트롤러(10) 외부의 입력부(11)로부터 기억부(10j)에 입력되어도 된다. 기억부(10j)는 컨트롤러(10)에 포함되지 않고, 컨트롤러(10)의 외부에 배치되어 있어도 된다.

무게중심 위치 산출부(10g)는 작업기(3)를 구성하는 각 부재, 예를 들면 붐(3a), 붐 실린더(4a)의 실린더(4aa), 제1 링크 부재(3da) 등의 무게중심의, 붐 보텀 핀(5a)에 대한 상대 위치를 산출한다. 무게중심 위치 산출부(10g)는, 붐 각 산출부(10d)에 의해 산출된 붐 각 θb와, 암 각 산출부(10e)에 의해 산출된 암 각 θa와, 버킷 각 산출부(10f)에 의해 산출된 버킷 각 θk와, 기억부(10j)에 기억되어 있는 작업기(3)를 구성하는 각 부재의 무게중심의 위치로부터, 작업기(3)를 구성하는 각 부재의 상기 상대 위치를 산출한다.

무게중심 위치 산출부(10g)는 붐 각 θb, 암 각 θa 및 버킷 각 θk로부터, 붐 보텀 핀(5a)을 기준으로 하는 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)의 자세를 산출한다. 무게중심 위치 산출부(10g)는, 산출된 자세로부터 작업기(3)의 다른 구성 부재의 상태(자세·스트로크)를 산출한다. 무게중심 위치 산출부(10g)는, 산출 결과와 기억되어 있는 각 부재의 무게중심 위치로부터, 작업기(3)를 구성하는 각 부재의 붐 보텀 핀(5a)을 기준으로 하는 상대 위치를 산출한다.

모멘트 거리 산출부(10h)는 붐 보텀 핀(5a)으로부터, 작업기를 구성하는 각 부재의 무게중심까지의, 수평 방향에서의 거리를 산출한다. 구체적으로는, 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 붐(3a)의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 Xboom을 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 암(3b)의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 Xarm을 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 버킷(3c)의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 Xbucket를 산출한다.

모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 붐 실린더(4a)의 실린더 부분(실린더(4aa))의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 XboomC를 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 붐 실린더(4a)의 실린더 로드 부분(실린더 로드(4ab))의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 XboomCR를 산출한다.

모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 암 실린더(4b)의 실린더 부분의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 XarmC를 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 암 실린더(4b)의 실린더 로드 부분의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 XarmCR를 산출한다.

또한, 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 붐 톱 핀(5b)까지의 수평 방향의 거리 Xboomtop를 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 암 톱 핀(5c)까지의 수평 방향의 거리 Xarmtop를 산출한다.

또한, 모멘트 거리 산출부(10h)는, 붐 실린더(4a)의 연장 방향에 직교하는 방향에서의, 붐 보텀 핀(5a)으로부터 붐 실린더(4a)까지의 거리 hboom을 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 암 실린더(4b)의 연장 방향에 직교하는 방향에서의, 붐 톱 핀(5b)으로부터 암 실린더(4b)까지의 거리 harm을 산출한다. 모멘트 거리 산출부(10h)는, 버킷 실린더(4c)의 연장 방향에 직교하는 방향에서의, 암 톱 핀(5c)로부터 버킷 실린더(4c)까지의 거리 hbucket를 산출한다.

모멘트 거리 산출부(10h)는, 산출된 이들의 거리를 적하 중량 산출부(10i)에 출력한다.

적하 중량 산출부(10i)는 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량 Mpayload를 산출한다. 중량 Mpayload의 산출 방법은 후술한다. 적하 중량 산출부(10i)는, 산출된 중량 Mpayload를 컨트롤러(10) 밖의 표시부(12)에 출력한다. 표시부(12)는 예를 들면 운전실(2a)(도 1) 내에 배치되어 있어도 되고, 또한 유압 셔블(100)로부터 떨어진 원격지에 배치되어 있어도 된다. 표시부(12)는 산출된 중량 Mpayload를 화면에 표시한다. 운전실(2a) 내에서 유압 셔블(100)을 조작하는 오퍼레이터, 원격지에서 유압 셔블(100)을 조작하는 오퍼레이터 또는 유압 셔블(100)의 동작을 감시하는 감시자 등은, 표시부(12)를 보는 것에 의해, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량 Mpayload를 인식할 수 있다.

그리고, 입력부(11) 및 표시부(12)의 각각은, 컨트롤러(10)와 유선으로 접속되어 있어도 되고, 또한 무선으로 접속되어 있어도 된다.

<화물(L)의 중량의 산출>

이하, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량 Mpayload의 산출 방법의 상세에 대하여 설명한다. 화물(L)의 중량 Mpayload는, 화물(L)의 운반 중에서의 작업기(3)를 구성하는 3개의 링크(붐(3a), 암(3b), 버킷(3c)) 각각에 관하여 위치 센서로부터의 정보와 압력 센서로부터의 정보로부터 셋업된 3개의 관계식 중 어느 2개로부터 산출된다. 이하, 링크로서 붐(3a)과 버킷(3c)을 대상으로 하고, 관계식으로서 모멘트의 평형식을 셋업하고, 화물(L)의 중량 Mpayload의 산출 방법을 설명한다.

도 3에 나타낸 적하 중량 산출부(10i)는, 기억부(10j)로부터 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식을 읽어낸다. 도 4는, 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다. 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식은, 이하의 식 (1)에 의해 나타내어진다.

[수 1]

식(1)의 좌변은 붐 실린더 추력 Fboom에 의한 모멘트다. 식(1)의 우변의 제1 항에 있어서, Mpayload는 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량이다. Xpayload는 붐 보텀 핀(5a)으로부터, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 무게중심 위치까지의 수평 방향의 거리이다. 식(1)의 우변의 제1항은, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)에 의한 모멘트다.

식(1)의 우변의 제2항의 MXwe는, 작업기(3)의 자중에 의한 모멘트다. 모멘트 MXwe는 이하의 식(2)에 의해 산출된다.

[수 2]

식(2)에 있어서, Mboom은 붐(3a)의 중량이다. MboomC는 붐 실린더(4a)의 실린더 부분의 중량이다. MboomCR은 붐 실린더(4a)의 실린더 로드 부분의 중량이다. Marm은 암(3b)의 중량이다. MarmC는 암 실린더(4b)의 실린더 부분의 중량이다. MarmCR은 암 실린더(4b)의 실린더 로드 부분의 중량이다. Mbucket는 버킷(3c)의 중량이다.

이들 중량 Mboom, MboomC, MboomCR, Marm, MarmC, MarmCR 및 Mbucket의 각각은, 예를 들면 도 3에 나타내어지는 입력부(11)에서 기억부(10j)로의 입력 조작을 행하는 것에 의해, 기억부(10j)에 기억되어 있다.

다음으로, 적하 중량 산출부(10i)는 기억부(10j)로부터, 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형식을 읽어낸다. 도 5는, 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다. 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형식은, 이하의 식(3)에 의해 나타내어진다.

[수 3]

식(3)의 좌변은 버킷 실린더(4c)의 추력 Fbucket에 의한 모멘트다. 식(3)의 우변의 제1항은, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)에 의한 모멘트다. 식(3)의 우변의 제2항의 MXwe_bucket는, 버킷(3c)의 자중에 의한 모멘트다.

식(1)과 식(3)의 연립방정식으로부터, 적하 중량 Mpayload를 산출하기 위한식으로서, 거리 Xpayload에 의존하지 않는 이하의 식(4)를 설정할 수 있다.

[수 4]

식(1)에는 거리 Xpayload가 포함되어 있고, 식(3)에도 거리 Xpayload가 포함되어 있다. 이들 2개의 평형식을 연립방정식으로서 푸는 것에 의해, 거리 Xpayload를 포함하지 않는 식(4)가 도출된다. 식(4)에 기초하여, 적하 중량 Mpayload를 산출하는 것이 가능해진다. 이로써, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 무게중심 위치의 어긋남의 영향을 없애어, 보다 정밀도가 양호한 적하 중량 Mpayload를 산출할 수 있다.

식(4)에 따라서 산출된 적하 중량 Mpayload를 식(1) 또는 식(3)에 대입함으로써, 거리 Xpayload를 산출할 수 있다. 또한, 식(1)과 식(3)의 연립방정식으로부터, 거리 Xpayload를 산출하기 위한 식으로서, 적하 중량 Mpayload에 의존하지 않는 이하의 식(5)를 설정할 수 있다.

[수 5]

산출된 거리 Xpayload에 따라서, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 무게중심 위치를 보정할 수 있다.

요약하면, 버킷(3c)으로 운반하는 화물(L)의 중량 Mpayload를 산출하는 연산 방법은 이하의 처리를 포함한다. 도 11은, 본 개시의 연산 방법의 플로차트를 나타내는 도면이다.

도 11에 나타내어지는 스텝 S1에서 실행되는 처리는, 작업기(3)의 부재에 대하여, 붐 보텀 핀(5a)(제1 회전 중심), 붐 톱 핀(5b)(제2 회전 중심), 및 암 톱 핀(5c)(제3 회전 중심) 중 어느 2개의 회전 중심 주위의 운동의 관계식을 설정하는 것이다. 본 실시형태에서는, 제1 회전 중심 및 제3 회전 중심 주위의 운동의 관계식이 설정된다. 운동의 관계식은 운동의 회전 중심 주위의 모멘트의 평형식이면 된다. 식의 설정은, 기억부(10j)에 기억되는 관계식 정보를 취득하는 것이라도 된다. 기억부(10j)로부터 취득되는 관계식 정보는, 상기 2개의 회전 중심 주위의 운동의 관계식으로부터 적하 중량 Mpayload에 대하여 정리한 1개의 관계식이라도 된다.

스텝 S2에서 실행되는 처리는, 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)(어태치먼트)의 각 부재의 중량 및 무게중심 위치를 취득하는 것이다. 각 부재의 무게중심 및 무게중심 위치의 정보는 기억부(10j)로부터 취득해도 된다.

스텝 S3에서 실행되는 처리는, 화물(L)의 운반 시에서의 각 부재의 위치를 취득하는 것이다. 각 부재의 위치는, 각 부재의 자세를 나타내는 각 부재의 회전각을 취득하여, 그 회전각으로부터 연산에 의해 취득해도 된다.

스텝 S4에서 실행되는 처리는, 각 부재의 운동의 관계식에서의, 부재의 운동에 대응하는 추력을 취득하는 것이다. 본 실시형태에서는, 붐(3a)과 버킷(3c)을 동작시키는 유압 실린더의 작동유 압력을 계측하여, 추력을 취득하고 있다. 추력은 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)(어태치먼트)의 각 부재를 회동시키는 유압 실린더의 헤드 압력과 보텀 압력으로부터 얻을 수 있으면 된다.

스텝 S5에서 실행되는 처리는, 각 부재의 무게중심 위치와, 화물(L)의 운반시의 각 부재의 위치로부터, 화물(L)의 운반 시에서의 각 부재의 무게중심 위치와 각 부재의 회전 중심인 상기 제1 회전 중심, 제2 회전 중심 및 제3 회전 중심의 각각과의 수평 방향의 거리(모멘트 거리)를 연산하는 것이다.

스텝 S6에서 실행되는 처리는, 각 부재의 운동의 관계식에, 취득된 정보 및 연산된 정보를 입력하여, 작업기(3)가 운반하는 화물(L)의 중량(적하 중량 Mpayload)을 연산하는 것이다. 취득된 정보란, 작업기(3)의 각 부재의 중량 및 무게중심 위치와, 화물(L)의 운반 시의 각 부재를 회동시키는 유압 실린더의 추력을 가리킨다. 연산된 정보란, 화물(L)의 운반 시의 각 부재의 무게중심 위치와 각 부재의 회전 중심의 수평 방향의 거리를 가리킨다.

[제2 실시형태]

제1 실시형태에서는, 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식과, 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형식의 2개의 평형식으로부터, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량 Mpayload를 산출하는 예에 대하여 설명하였다. 이 예에 한정되지 않고, 컨트롤러(10)는, 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식, 붐 톱 핀(5b) 주위의 모멘트의 평형식, 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형식 중 어느 2개의 평형식으로부터, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량 Mpayload를 산출할 수 있다. 제2 실시형태에서는, 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식과, 붐 톱 핀(5b) 주위의 모멘트의 평형식의 2개의 평형식으로부터, 중량 Mpayload를 산출하는 예에 대하여 설명한다.

제2 실시형태에서의 유압 셔블(100)의 구성, 시스템 구성, 및 컨트롤러(10) 내의 기능 블록은 도 1 내지 도 3을 참조하여 제1 실시형태에서 설명한 바와 같다.

제2 실시형태에 있어서는, 적하 중량 산출부(10i)는 기억부(10j)로부터, 붐 톱 핀(5b) 주위의 모멘트의 평형식을 읽어낸다. 도 6은, 붐 톱 핀(5b) 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다. 붐 톱 핀(5b) 주위의 모멘트의 평형식은, 이하의 식(6)에 의해 나타내어진다.

[수 6]

식(6)의 좌변은 암 실린더 추력 Farm에 의한 모멘트다. 식(6)의 우변의 제1항은 버킷(3c)에 적재된 화물(L)에 의한 모멘트다. 식(6)의 우변의 제2항의 MXwe_arm은, 붐 톱 핀(5b)보다 작업기(3)의 선단측의 작업기(3)의 자중에 의한 모멘트다. 모멘트 MXwe_arm은 식(2)와 동일한 평형식에 의해 산출된다.

식(1)과 식(6)의 연립방정식으로부터, 적하 중량 Mpayload를 산출하기 위한식으로서, 거리 Xpayload에 의존하지 않는 이하의 식(7)을 설정할 수 있다.

[수 7]

식(1)에는 거리 Xpayload가 포함되어 있고, 식(6)에도 거리 Xpayload가 포함되어 있다. 이들 2개의 평형식을 연립방정식으로서 푸는 것에 의해, 거리 Xpayload를 포함하지 않는 식(7)이 도출된다. 식(7)에 기초하여, 적하 중량 Mpayload를 산출하는 것이 가능해진다. 이로써, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 무게중심 위치의 어긋남의 영향을 없애어, 보다 정밀도가 양호한 적하 중량 Mpayload를 산출할 수 있다.

식(7)에 따라서 산출된 적하 중량 Mpayload를 식(1) 또는 식(6)에 대입함으로써, 거리 Xpayload를 산출할 수 있다. 또한, 식(1)과 식(6)의 연립방정식으로부터, 거리 Xpayload를 산출하기 위한 식으로서, 적하 중량 Mpayload에 의존하지 않는 식을 설정할 수 있다. 산출된 거리 Xpayload에 따라서, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 무게중심 위치를 보정할 수 있다.

제1 및 제2 실시형태의 설명에서는, 버킷(3c)에 적재된 화물(L)의 중량인 적하 중량 Mpayload를 산출하는 예에 대하여 설명하였다. 이 예에 한정되지 않고, 예를 들면 훅이 제2 링크 핀(3de)에 장착되어 화물(L)을 매달아 올림 및 매달아 내림이 가능한 암 크레인 사양의 유압 셔블(100)에, 실시형태의 사상을 적용함으로써, 매단 화물의 중량을 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.

제1 및 제2 실시형태에 나타내는 유압 셔블(100)에 있어서는, 작업기(3)의 3개의 링크(붐(3a), 암(3b), 버킷(3c))의 각각이 위치 센서(9a, 9b, 9c), 및 대응하는 압력 센서(6a, 6b, 6c)를 구비하지만, 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 압력 센서는, 적하 중량 Mpayload의 산출에 사용되는 2개의 관계식의 대상이 되는 링크만이 구비되어도 된다.

[제3 실시형태]

제1 및 제2 실시형태에서는, 작업기(3)의 선단의 어태치먼트로서 버킷(3c)을 구비하는 유압 셔블(100)에 대하여 설명하였다. 어태치먼트는 버킷(3c)에 한정되지 않고, 작업의 종류에 따라, 어태치먼트가 그래플(grapple), 리프팅 마그넷(lifting magnet) 등으로 교체되는 경우가 있다. 제3 실시형태에서는, 어태치먼트로서 리프팅 마그넷(103)을 구비하는 유압 셔블(100)에 대하여 설명한다.

도 7은, 제3 실시형태에 기초하는 작업 기계의 일례로서의 유압 셔블(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다. 제3 실시형태에 기초하는 유압 셔블(100)은, 도 1에 나타내어지는 제1 실시형태의 유압 셔블(100)과 대략 동일한 구성을 구비하고 있고, 버킷(3c) 대신에 리프팅 마그넷(103)을 작업기(3)의 선단에 구비하는 점에서 상이하다.

리프팅 마그넷(103)은 본체부(105)와, 지지부(104)를 가지고 있다. 본체부(105)는 자력을 발생하는 자석이다. 본체부(105)는 예를 들면 전자석이다. 본체부(105)는 자력에 의해, 자성체를 유지하여 운반할 수 있다. 지지부(104)는 본체부(105)를 지지한다. 지지부(104)는 암 톱 핀(5c)에 의해 암(3b)의 선단부에 회전 가능하게 연결되어 있다. 제2 링크 부재(3db)의 기단은, 제2 링크 핀(3de)에 의해 지지부(104)의 근부 부분의 브래킷에 회전 가능하게 연결되어 있다.

리프팅 마그넷(103)을 구비하는 유압 셔블(100)에 있어서는, 작업기(3)가 운반하는 화물(L), 즉 본체부(105)에 흡착 지지되는 자성체의, 본체부(105)에 대한 상대 위치 및 자성체의 자세를 일정하게 하는 것이 어렵다. 그러므로, 자성체의 무게중심 위치가 어긋나기 쉽다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 붐 보텀 핀(5a) 주위의 모멘트의 평형식과, 암 톱 핀(5c) 주위의 모멘트의 평형식의 2개의 평형식으로부터, 화물(L)의 무게중심 위치의 어긋남에 의존하지 않는 화물(L)의 중량을 산출하기 위한 식을 설정하는 것에 의해, 리프팅 마그넷(103)에 유지된 화물(L)의 무게중심 위치의 어긋남의 영향을 없애어, 보다 정밀도가 양호한 화물(L)의 중량을 산출할 수 있다.

제1 내지 제3 실시형태에 나타내는 유압 셔블(100)에 있어서는, 주행체(1)에 대한 선회체(2)의 선회 중에 화물(L)의 중량을 산출함으로써, 보다 양호한 정밀도로 화물(L)의 중량을 산출할 수 있다.

[제4 실시형태]

제1 내지 제3 실시형태에서는, 작업 기계가 유압 셔블(100)인 예에 대하여 설명하였다. 유압 셔블(100)에 한정되지 않고, 멀티링크 기구의 작업기(3)를 구비하고 작업기(3)가 화물(L)을 운반하는 작업 기계에 실시형태의 사상을 적용함으로써, 작업기(3)가 운반하는 화물(L)의 중량을 양호한 정밀도로 산출할 수 있다. 예를 들면, 작업 기계는 휠 로더, 백호(back hoe) 로더, 스키드 스티어 로더 등이라도 된다.

도 8은, 제4 실시형태에 기초하는 작업 기계의 일례로서의 휠 로더(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 휠 로더(200)는 차체 프레임(202)과, 작업기(203)와, 주행 장치(204)와, 캡(205)을 가지고 있다.

차체 프레임(202) 및 캡(205)으로부터, 휠 로더(200)의 차체가 구성되어 있다. 캡(205) 내에는, 오퍼레이터가 착석하는 시트 및 조작 장치 등이 배치되어 있다. 휠 로더(200)의 차체에는, 작업기(203) 및 주행 장치(204)가 장착되어 있다. 작업기(203)는 차체의 전방에 배치되어 있고, 차체의 최후단에는 카운터 웨이트(206)가 설치되어 있다.

차체 프레임(202)은 전방 프레임(211)과 후방 프레임(212)을 포함하고 있다. 전방 프레임(211)과 후방 프레임(212)에는, 스티어링 실린더(213)가 장착되어 있다. 스티어링 실린더(213)는 유압 실린더다. 스티어링 실린더(213)는 스티어링 펌프(도시하지 않음)로부터의 작동유에 의해 신축한다. 스티어링 실린더(213)의 신축에 의해, 전방 프레임(211)과 후방 프레임(212)은 서로 좌우 방향으로 요동 가능하다. 이로써, 휠 로더(200)의 진행 방향이 좌우로 변경 가능하다.

제4 실시형태에 있어서, 휠 로더(200)가 직진 주행하는 방향을 휠 로더(200)의 전후 방향이라고 한다. 휠 로더(200)의 전후 방향에 있어서, 차체 프레임(202)에 대하여 작업기(203)가 배치되어 있는 측을 전방향으로 하고, 전방향과는 반대측을 후방향으로 한다. 휠 로더(200)의 좌우 방향이란, 평면에서 볼 때 전후 방향과 직교하는 방향이다. 전방향을 볼 때 좌우 방향의 우측, 좌측이 각각 우방향, 좌방향이다. 휠 로더(200)의 상하 방향이란, 전후 방향 및 좌우 방향에 의해 정해지는 평면에 직교하는 방향이다. 상하 방향에 있어서 지면이 있는 측이 하측, 비어 있는측이 상측이다.

주행 장치(204)는 주행륜(204a, 204b)을 포함하고 있다. 주행륜(204a, 204b)의 각각은 차륜이며, 고무로 이루어지는 타이어를 가지고 있다. 주행륜(전륜)(204a)은 전방 프레임(211)에 회전 가능하게 장착되어 있다. 주행륜(후륜)(204b)은 후방 프레임(212)에 회전 가능하게 장착되어 있다. 휠 로더(200)는, 주행륜(204a, 204b)가 회전 구동됨으로써 자주 가능하다.

작업기(203)는 굴삭 등의 작업을 행하기 위한 것이다. 작업기(203)는 전방 프레임(211)에 장착되어 있다. 작업기(203)는 버킷(214)과, 붐(215)과, 벨 크랭크(216)와, 틸트 로드(217)와, 붐 실린더(218)와, 버킷 실린더(219)를 포함하고 있다.

붐(215)의 기단부는, 붐 보텀 핀(221)에 의해 전방 프레임(211)에 회전 가능하게 장착되어 있다. 이로써 붐(215)은 차체에 회전 가능하게 장착되어 있다. 버킷(214)은 붐 톱 핀(222)에 의해 붐(215)의 선단에 회전 가능하게 장착되어 있다. 붐 보텀 핀(221)은 휠 로더(200)의 차체에 지지되어 있다. 붐 톱 핀(222)은 붐(215)의 선단에 장착되어 있다. 붐 보텀 핀(221)과 붐 톱 핀(222)은 좌우 방향으로 연장되어 있다.

붐 실린더(218)는 붐(215)을 구동한다. 붐 실린더(218)의 일단은, 차체의 전방 프레임(211)에 핀(223)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다. 이로써, 붐 실린더(218)는 차체에 회전 가능하게 장착되어 있다. 붐 실린더(218)의 타단은, 붐(215)에 핀(224)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다.

붐 실린더(218)는 예를 들면 유압 실린더다. 붐 실린더(218)는 작업기 펌프(도시하지 않음)로부터의 작동유에 의해 신축한다. 이로써, 붐(215)이 구동하고, 붐(215)의 선단에 장착된 버킷(214)이 승강한다.

벨 크랭크(216)는 지지핀(229)에 의해 붐(215)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 벨 크랭크(216)는, 지지핀(229)의 일방측에 위치하는 제1 단부(端部)와, 지지핀(229)에 대하여 제1 단부와는 반대측에 위치하는 제2 단부를 가지고 있다. 벨 크랭크(216)의 제1 단부는 틸트 로드(217)를 개재하여 버킷(214)에 접속되어 있다. 벨 크랭크(216)의 제2 단부는 버킷 실린더(219)를 개재하여 차체의 전방 프레임(211)에 접속되어 있다.

틸트 로드(217)의 일단은 벨 크랭크(216)의 제1 단부에 핀(227)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다. 틸트 로드(217)의 타단은 버킷(214)에 핀(228)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다.

버킷 실린더(219)는 붐(215)에 대하여 버킷(214)을 구동한다. 버킷 실린더(219)의 일단은 차체의 전방 프레임(211)에 핀(225)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다. 버킷 실린더(219)의 타단은 벨 크랭크(216)의 제2 단부에 핀(226)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다.

버킷 실린더(219)는 예를 들면 유압 실린더다. 버킷 실린더(219)는 작업기 펌프(도시하지 않음)로부터의 작동유에 의해 신축한다. 버킷 실린더(219)의 신축에 의해 벨 크랭크(216)가 구동하고, 벨 크랭크(216)가 붐(215)에 대하여 회전한다. 벨 크랭크(216)의 회전이 틸트 로드(217)를 통하여 버킷(214)에 전달됨으로써, 버킷(214)이 구동하고, 버킷(214)이 붐(215)에 대하여 상하로 회동한다. 벨 크랭크(216)는 버킷(214)과 함께 붐(215)에 대하여 회전 가능한, 실시형태의 회동 부재에 상당한다.

휠 로더(200)는, 붐 실린더(218)의 추력 Fboom에 관한 정보를 검지하는 센서와, 버킷 실린더(219)의 추력 Fbucket에 관한 정보를 검지하는 센서를 더 가지고 있다.

붐 실린더(218)의 추력 Fboom에 관한 정보를 검지하는 센서는, 예를 들면 압력 센서(231b, 231h)이다. 압력 센서(231b, 231h)의 각각은 붐 실린더(218)의 실린더 압력을 검지한다. 압력 센서(231b)는 붐 실린더(218)의 보텀 압력을 검지한다. 압력 센서(231h)는 붐 실린더(218)의 헤드 압력을 검지한다.

헤드 압력이란 유압 실린더의 피스톤에 대하여 실린더 로드측의 압력을 의미하고, 보텀 압력이란 피스톤에 대하여 튜브측의 압력을 의미한다.

버킷 실린더(219)의 추력 Fbucket에 관한 정보를 검지하는 센서는, 예를 들면 압력 센서(232b, 232h)이다. 압력 센서(232b, 232h)의 각각은 버킷 실린더(219)의 실린더 압력을 검지한다. 압력 센서(232b)는 버킷 실린더(219)의 보텀 압력을 검지한다. 압력 센서(232h)는 버킷 실린더(219)의 헤드 압력을 검지한다.

휠 로더(200)는 작업기(203)의 자세에 관한 정보를 검지하는 센서를 더 가지고 있다. 작업기(203)의 자세에 관한 정보를 검지하는 센서는, 예를 들면 붐 각도에 관한 정보를 검지하는 제1 센서와, 붐에 대한 버킷 각도에 관한 정보를 검지하는 제2 센서를 포함한다.

작업기(203)의 자세에 관한 정보는 거리 hboom 및 거리 hbucket(도 10)를 포함한다. 거리 hboom은 붐 보텀 핀(221)과 핀(223) 사이의 거리이며, 붐 실린더(218)가 연장되는 방향에 직교하는 방향의 거리이다. 거리 hbucket는 지지핀(229)과 핀(226) 사이의 거리이며, 버킷 실린더(219)가 연장되는 방향에 직교하는 방향의 거리이다.

붐 각도는 차체의 전방 프레임(211)에 대한 붐(215)의 각도이다. 버킷 각도는 붐(215)에 대한 버킷(214)의 각도이다.

붐 각도에 관한 정보를 검지하는 제1 센서는, 예를 들면 포텐셔미터(233)이다. 포텐셔미터(233)는 붐 보텀 핀(221)과 동심(同心)으로 되도록 장착되어 있다. 붐 각도에 관한 정보를 검지하는 제1 센서로서, 포텐셔미터(233) 대신에, 붐 실린더(218)의 스트로크 센서(235)가 사용되어도 된다.

또한 붐 각도에 관한 정보를 검지하는 제1 센서로서, IMU(Inertial Measurement Unit)(237)가 사용되어도 된다. IMU(237)는 예를 들면 붐(215)에 장착되어 있다.

버킷 각도에 관한 정보를 검지하는 제2 센서는, 예를 들면 포텐셔미터(234)이다. 포텐셔미터(234)는 지지핀(229)과 동심으로 되도록 장착되어 있다. 버킷 각도에 관한 정보를 검지하는 제2 센서로서, 포텐셔미터(234) 대신에, 버킷 실린더(219)의 스트로크 센서(236)가 사용되어도 된다.

또한 버킷 각도에 관한 정보를 검지하는 제2 센서로서, IMU(238)가 사용되어도 된다. IMU(238)는 예를 들면 틸트 로드(217)에 장착되어 있다.

상기의 포텐셔미터(233, 234), 스트로크 센서(235, 236), 및 IMU(237, 238)는, 작업기(203)의 무게중심 GC1의 위치에 관한 정보를 검지하는 센서로서 사용되어도 된다. 작업기(203)의 무게중심 GC1의 위치에 관한 정보란, 거리 Xwe다.

거리 Xwe는 무게중심 GC1과 붐 보텀 핀(221) 사이의 거리이며, 휠 로더(200)의 전후 방향을 따르는 거리이다. 거리 Xwe는, 휠 로더(200)가 수평한 지면에 탑재되어 있는 상태에 있어서는, 무게중심 GC1과 붐 보텀 핀(221) 사이의 수평 방향을 따르는 거리이다.

또한 상기의 포텐셔미터(233, 234), 스트로크 센서(235, 236), 및 IMU(237, 238)는, 버킷(214) 내의 적하의 무게중심 GC2의 위치에 관한 정보를 검지하는 센서로서 사용되어도 된다. 버킷(214) 내의 적하의 무게중심 GC2의 위치에 관한 정보란, 거리 Xpayload이다.

거리 Xpayload는 무게중심 GC2와 붐 보텀 핀(221) 사이의 거리이며, 휠 로더(200)의 전후 방향을 따르는 거리이다. Xpayload는, 휠 로더(200)가 수평한 지면에 탑재되어 있는 상태에 있어서는, 무게중심 GC2와 붐 보텀 핀(221) 사이의 수평 방향을 따르는 거리이다.

도 9는, 제4 실시형태의 컨트롤러(250) 내의 기능 블록을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서의 시스템은, 작업기(203)의 운반하는 화물의 중량인 적하 중량을 결정하기 위한 시스템이다. 본 실시형태에서의 시스템은, 도 8에 나타낸 작업 기계의 일례로서의 휠 로더(200)와, 도 9에 나타내어지는 컨트롤러(250)를 포함하고 있다. 컨트롤러(250)는 휠 로더(200)에 탑재되어 있어도 된다. 컨트롤러(250)는 휠 로더(200)의 외부에 설치되어 있어도 된다. 컨트롤러(250)는 휠 로더(200)의 작업 현장에 배치되어도 되고, 휠 로더(200)의 작업 현장으로부터 떨어진 원격지에 배치되어도 된다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더 추력 산출부(250a)는 압력 센서(231b, 231h)의 검지 결과를 취득한다. 구체적으로는, 붐 실린더 추력 산출부(250a)는 압력 센서(231h)에 의해 검지된 붐 실린더(218)의 헤드 압력을 취득한다. 붐 실린더 추력 산출부(250a)는 압력 센서(231b)에 의해 검지된 붐 실린더(218)의 보텀 압력을 취득한다. 붐 실린더 추력 산출부(250a)는 붐 실린더(218)의 헤드 압력과 보텀 압력에 기초하여, 붐 실린더 추력 Fboom을 산출한다.

추력이란 물체를 운동 방향에 추진하는 힘으로 정의되며, 붐 실린더 추력 Fboom은, 붐 실린더(218)가 발생시키는, 붐(215)를 차체에 대하여 상대 회전시키는 추력이다. 붐 실린더 추력 산출부(250a)는, 산출된 붐 실린더 추력 Fboom을 적하 중량 산출부(250i)에 출력한다.

버킷 실린더 추력 산출부(250c)는 압력 센서(232b, 232h)의 검지 결과를 취득한다. 구체적으로는, 버킷 실린더 추력 산출부(250c)는 압력 센서(232h)에 의해 검지된 버킷 실린더(219)의 헤드 압력을 취득한다. 버킷 실린더 추력 산출부(250c)는 압력 센서(232b)에 의해 검지된 버킷 실린더(219)의 보텀 압력을 취득한다. 버킷 실린더 추력 산출부(250c)는 버킷 실린더(219)의 헤드 압력과 보텀 압력에 기초하여, 버킷 실린더 추력 Fbucket를 산출한다.

버킷 실린더 추력 Fbucket는, 버킷 실린더(219)가 발생시키는, 버킷(214)을 붐(215)에 대하여 상대 회전시키는 추력이다. 버킷 실린더 추력 산출부(250c)는, 산출된 버킷 실린더 추력 Fbucket를 적하 중량 산출부(250i)에 출력한다.

붐 각 산출부(250d)는 스트로크 센서(235), IMU(237), 및 포텐셔미터(233) 중 적어도 어느 하나의 센서로부터, 붐 각도에 관한 정보를 취득한다. 붐 각 산출부(250d)는 취득한 정보에 기초하여, 붐 각도를 산출한다. 붐 각 산출부(250d)는, 산출된 붐 각도를 무게중심 위치 산출부(250g)에 출력한다.

버킷 각 산출부(250f)는 스트로크 센서(236), IMU(238), 및 포텐셔미터(234)중 적어도 어느 하나의 센서로부터, 버킷 각도에 관한 정보를 취득한다. 버킷 각 산출부(250f)는 취득한 정보에 기초하여, 버킷 각도를 산출한다. 버킷 각 산출부(250f)는, 산출된 버킷 각도를 무게중심 위치 산출부(250g)에 출력한다.

기억부(250j)는, 작업기(203)를 구성하는 각 부재의 치수 및 중량, 및 작업기(203)의 무게중심 GC1의 위치 등의 각종 정보를 기억하고 있다. 이들 각종 정보는 컨트롤러(250) 외부의 입력부(251)로부터, 기억부(250j)에 입력되어도 된다. 기억부(250j)는 컨트롤러(250)에 포함되지 않고, 컨트롤러(250)의 외부에 배치되어 있어도 된다.

무게중심 위치 산출부(250g)는, 작업기(203)의 무게중심 GC1의, 붐 보텀 핀(221)에 대한 상대 위치를 산출한다. 무게중심 위치 산출부(250g)는, 붐 각 산출부(250d)에 의해 산출된 붐 각도와, 버킷 각 산출부(250f)에 의해 산출된 버킷 각도와, 기억부(10j)에 기억되어 있는 작업기(203)에서의 무게중심 GC1의 위치로부터, 작업기(203)의 무게중심 GC1의 상기 상대 위치를 산출한다.

모멘트 거리 산출부(250h)는, 붐 보텀 핀(221)으로부터, 작업기(203)의 무게중심 GC1까지의, 수평 방향에서의 거리를 산출한다. 구체적으로는, 모멘트 거리 산출부(250h)는, 붐 보텀 핀(221)로부터 작업기(203)의 무게중심 GC1까지의 수평 방향의 거리 Xwe를 산출한다.

또한, 모멘트 거리 산출부(250h)는, 붐 보텀 핀(221)으로부터 버킷(214)의 무게중심 GC3(도 10)까지의 수평 방향의 거리 Xbucket를 산출한다. 모멘트 거리 산출부(250h)는, 붐 보텀 핀(221)으로부터 틸트 로드(217)의 무게중심까지의 수평 방향의 거리 Xtiltrod를 산출한다.

또한, 모멘트 거리 산출부(250h)는 붐 보텀 핀(221)으로부터 지지핀(229)까지의 수평 방향의 거리 Xpin을 산출한다.

또한, 모멘트 거리 산출부(250h)는, 붐 실린더(218)의 연장 방향에 직교하는 방향에서의, 붐 보텀 핀(221)으로부터 붐 실린더(218)까지의 거리 hboom을 산출한다. 모멘트 거리 산출부(250h)는, 버킷 실린더(219)의 연장 방향의 직교하는 방향에서의, 지지핀(229)으로부터 버킷 실린더(219)까지의 거리 hbucket를 산출한다.

모멘트 거리 산출부(250h)는, 산출된 이들의 거리를 적하 중량 산출부(250i)에 출력한다.

적하 중량 산출부(250i)는 버킷(214)에 적재된 화물의 중량 Mpayload를 산출한다. 적하 중량 산출부(250i)는, 산출된 중량 Mpayload를 컨트롤러(250) 밖의 표시부(252)에 출력한다. 표시부(252)는, 예를 들면 캡(205)(도 8) 내에 배치되어 있어도 되고, 또한 휠 로더(200)로부터 떨어진 원격지에 배치되어 있어도 된다. 표시부(252)는, 산출된 중량 Mpayload를 화면에 표시한다. 캡(205) 내에서 휠 로더(200)를 조작하는 오퍼레이터, 원격지에서 휠 로더(200)를 조작하는 오퍼레이터 또는 휠 로더(200)의 동작을 감시하는 감시자 등은, 표시부(252)를 보는 것에 의해, 버킷(214)에 적재된 화물의 중량 Mpayload를 인식할 수 있다.

그리고, 입력부(251) 및 표시부(252)의 각각은 컨트롤러(250)와 유선으로 접속되어 있어도 되고, 또한 무선으로 접속되어 있어도 된다.

이하, 제4 실시형태에서의, 버킷(214)에 적재된 화물의 중량 Mpayload의 산출 방법의 상세에 대하여 설명한다. 도 9에 나타내어지는 적하 중량 산출부(250i)는, 기억부(250j)로부터, 붐 보텀 핀(221) 주위의 모멘트의 평형식을 읽어낸다. 붐 보텀 핀(221) 주위의 모멘트의 평형식은 이하의 식(8)에 의해 나타내어진다.

[수 8]

식(8)의 좌변은 붐 실린더 추력 Fboom에 의한 모멘트다. 식(8)에 있어서, Mpayload는 버킷(214)에 적재된 화물의 중량이다. Xpayload는 붐 보텀 핀(221)으로부터 버킷(214)에 적재된 화물의 무게중심 GC2까지의 수평 방향의 거리이다. 식(8)의 우변의 제1항은 버킷(214)에 적재된 화물에 의한 모멘트다.

식(8)의 우변의 제2항의 MXwe는 작업기(203)의 자중에 의한 모멘트다. 모멘트 MXwe는, 작업기(203)를 구성하는 각 부재의 중량의 합 M1(도 8)과, 붐 보텀 핀(221)으로부터 작업기(203)의 무게중심 GC1까지의 수평 방향의 거리 Xwe의 곱으로 구해진다.

다음으로, 적하 중량 산출부(250i)는 기억부(250j)로부터 지지핀(229) 주위의 모멘트의 평형식을 읽어낸다. 도 10은, 지지핀(229) 주위의 모멘트의 평형을 나타내는 모식도이다. 지지핀(229) 주위의 모멘트의 평형식은 이하의 식(9)에 의해 나타내어진다.

[수 9]

식(9)의 좌변은 버킷 실린더 추력 Fbucket에 의한 모멘트다. 식(9)의 우변의 제1항은 버킷(214)에 적재된 화물에 의한 모멘트다. 식(9)의 우변의 제2항의 MXwe_pin은, 지지핀(229)보다 작업기(203)의 선단측의 작업기(203)의 자중에 의한 모멘트다. 모멘트 MXwe_pin은 이하의 식(10)에 의해 산출된다.

[수 10]

식(10)에 있어서, Mbucket는 버킷(214)의 중량이다. Mtiltrod는 틸트 로드(217)의 중량이다. 이들 중량 Mbucket, Mtiltrod의 각각은, 예를 들면 도 9에 나타내어지는 입력부(251)에서 기억부(250j)로의 입력 조작을 행함으로써, 기억부(250j)에 기억되어 있다.

식(8)과 식(9)의 연립방정식으로부터, 적하 중량 Mpayload를 산출하기 위한식으로서, 거리 Xpayload에 의존하지 않는 이하의 식(11)을 설정할 수 있다.

[수 11]

식(8)에는 거리 Xpayload가 포함되어 있고, 식(9)에도 거리 Xpayload가 포함되어 있다. 이들 2개의 평형식을 연립방정식으로서 푸는 것에 의해, 거리 Xpayload를 포함하지 않는 식(11)이 도출된다. 식(11)에 기초하여, 적하 중량 Mpayload를 산출하는 것이 가능해진다. 이로써, 버킷(214)에 적재된 화물의 무게중심 위치의 어긋남의 영향을 없애어, 보다 정밀도가 양호한 적하 중량 Mpayload를 산출할 수 있다.

식(11)에 따라서 산출된 적하 중량 Mpayload를 식(8) 또는 식(9)에 대입함으로써, 거리 Xpayload를 산출할 수 있다. 또한, 식(8)과 식(9)의 연립방정식으로부터, 거리 Xpayload를 산출하기 위한 식으로서, 적하 중량 Mpayload에 의존하지 않는 식을 설정할 수 있다. 산출된 거리 Xpayload에 따라서, 버킷(214)에 적재된 화물의 무게중심 위치를 보정할 수 있다.

제4 실시형태에 나타내는 휠 로더(200)에 있어서는, 버킷(214)에 화물을 적재한 상태에서 휠 로더(200)가 후진하는 적하 후진 중에, 화물의 중량을 산출함으로써, 보다 양호한 정밀도로 화물의 중량을 산출할 수 있다.

상기 실시형태에서는, 컨트롤러(10)는, 화물의 중량을 산출하기 위한 관계식으로서, 작업기가 구비하는 복수의 링크의 각각에 관한 모멘트의 평형식 중 2개의 평형식을 이용하였다. 관계식은 모멘트의 평형식에 한정되지 않고, 복수의 링크의 각각에 관한 운동 방정식이라도 된다. 운동 방정식은 평형식과 마찬가지로, 압력 센서와 위치 센서로부터의 정보에 의해 셋업해도 된다.

이상과 같이 실시형태에 대하여 설명을 행하였으나, 이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 주행체, 2: 선회체, 2a: 운전실, 3, 203: 작업기, 3a, 215: 붐, 3b: 암, 3c, 214: 버킷(어태치먼트), 3d: 버킷 링크, 3da: 제1 링크 부재, 3db: 제2 링크 부재, 3dc: 버킷 실린더 톱 핀, 3dd: 제1 링크 핀, 3de: 제2 링크 핀, 4a, 218: 붐 실린더(붐 유압 실린더), 4aa: 실린더, 4ab: 실린더 로드, 4b: 암 실린더(암 유압 실린더), 4c, 219: 버킷 실린더(어태치먼트 유압 실린더), 5a, 221: 붐 보텀 핀(제1 회전 중심), 5b, 222: 붐 톱 핀(제2 회전 중심), 5c: 암 톱 핀(제3 회전 중심), 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 23lb, 231h, 232b, 232h: 압력 센서, 7a, 7b, 7c, 235, 236: 스트로크 센서, 9a, 9b, 9c: 각도 센서(센서, 위치 센서), 10, 250: 컨트롤러, 10a, 250a: 붐 실린더 추력 산출부, 10b: 암 실린더 추력 산출부, 10c, 250c: 버킷 실린더 추력 산출부, 10d, 250d: 붐 각 산출부, 10e: 암 각 산출부, 10f, 250f: 버킷 각 산출부, 10g, 250g: 무게중심 위치 산출부, 10h, 250h: 모멘트 거리 산출부, 10i, 250i: 적하 중량 산출부, 10j, 250j: 기억부, 11, 251: 입력부, 12, 252: 표시부, 40: 액추에이터, 100: 유압 셔블, 103: 리프팅 마그넷, 104: 지지부, 105: 본체부, 200: 휠 로더, 202: 차체 프레임, 204: 주행 장치, 205: 캡, 216: 벨 크랭크, 217: 틸트 로드, 229: 지지핀, 233, 234: 포텐셔미터, L: 화물.

Claims (17)

1. 작업기를 구비하는 작업 기계의, 상기 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치로서,
   상기 작업 기계는,
   차체와,
   상기 차체에 지지된 붐 보텀 핀과,
   상기 붐 보텀 핀에 의해 상기 차체에 회전 가능하게 연결된 붐과,
   상기 붐의 선단에 장착된 붐 톱 핀과,
   상기 붐 톱 핀에 의해 상기 붐에 회전 가능하게 연결된 암과,
   상기 암의 선단에 장착된 암 톱 핀과,
   상기 암 톱 핀에 의해 상기 암에 회전 가능하게 연결된 어태치먼트를 구비하고,
   상기 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식, 상기 붐 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식, 상기 암 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식 중 어느 2개의 평형식으로부터, 상기 화물의 중량을 산출하는,
   연산 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 작업 기계는,
   상기 붐을 상기 차체에 대하여 상대 회전시키는 추력(推力)을 발생하는 액추에이터와,
   상기 차체에 대한 상기 붐의 각도를 검지하는 센서를 구비하고,
   상기 액추에이터가 발생시키는 추력과, 상기 센서의 검지 결과에 기초하여, 상기 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식을 세우는, 연산 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 작업 기계는,
   상기 암을 상기 붐에 대하여 상대 회전시키는 추력을 발생시키는 액추에이터와,
   상기 붐에 대한 상기 암의 각도를 검지하는 센서를 구비하고,
   상기 액추에이터가 발생시키는 추력과, 상기 센서의 검지 결과에 기초하여, 상기 붐 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식을 세우는, 연산 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 작업 기계는,
   상기 어태치먼트를 상기 암에 대하여 상대 회전시키는 추력을 발생시키는 액추에이터와,
   상기 암에 대한 상기 어태치먼트의 각도를 검지하는 센서를 구비하고,
   상기 액추에이터가 발생시키는 추력과, 상기 센서의 검지 결과에 기초하여, 상기 암 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식을 세우는, 연산 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 작업 기계는, 상기 액추에이터와 상기 암을 연결하는 링크 부재를 더 구비하고,
   상기 센서는, 상기 링크 부재에 장착되어 있는, 연산 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 어태치먼트는 리프팅 마그넷(lifting magnet)인, 연산 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 어느 2개의 평형식으로부터, 상기 화물의 무게중심 위치를 산출하는, 연산 장치.
8. 작업기를 구비하는 작업 기계의, 상기 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치로서,
   상기 작업 기계는,
   차체와,
   상기 차체에 지지된 붐 보텀 핀과,
   상기 붐 보텀 핀에 의해 상기 차체에 회전 가능하게 연결된 붐과,
   상기 붐의 선단에 장착된 붐 톱 핀과,
   상기 붐 톱 핀에 의해 상기 붐에 회전 가능하게 연결된 어태치먼트와,
   상기 붐에 지지되고, 상기 어태치먼트와 함께 상기 붐에 대하여 회전 가능한 회동(回動) 부재를 구비하고,
   상기 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식과, 상기 회동 부재의 회전 중심 주위의 모멘트의 평형식의 2개의 평형식으로부터, 상기 화물의 중량을 산출하는, 연산 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 작업 기계는,
   상기 붐을 상기 차체에 대하여 상대 회전시키는 추력을 발생시키는 액추에이터와,
   상기 차체에 대한 상기 붐의 각도를 검지하는 센서를 구비하고,
   상기 액추에이터가 발생시키는 추력과, 상기 센서의 검지 결과에 기초하여, 상기 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식을 세우는, 연산 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 작업 기계는,
    상기 어태치먼트를 상기 붐에 대하여 상대 회전시키는 추력을 발생시키는 액추에이터와,
    상기 붐에 대한 상기 어태치먼트의 각도를 검지하는 센서를 구비하고,
    상기 액추에이터가 발생시키는 추력과, 상기 센서의 검지 결과에 기초하여, 상기 회전 중심 주위의 모멘트의 평형식을 세우는, 연산 장치.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 평형식으로부터, 상기 화물의 무게중심 위치를 산출하는, 연산 장치.
12. 작업기를 구비하는 작업 기계의, 상기 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 장치로서,
    상기 작업 기계는,
    차체와,
    상기 차체에 지지된 붐 보텀 핀과,
    상기 붐 보텀 핀에 의해 상기 차체에 일단(一端)이 회전 가능하게 연결된 붐과,
    상기 붐의 타단(他端)에 장착된 붐 톱 핀과,
    상기 붐 톱 핀에 의해 상기 붐의 타단에 일단이 회전 가능하게 연결된 암과,
    상기 암의 타단에 장착된 암 톱 핀과,
    상기 암 톱 핀에 의해 상기 암의 타단에 일단이 회전 가능하게 연결된 어태치먼트와,
    상기 붐을 구동하여 회전 동작시키는 붐 유압 실린더와,
    상기 암을 구동하여 회전 동작시키는 암 유압 실린더와,
    상기 어태치먼트를 구동하여 회전 동작시키는 어태치먼트 유압 실린더와,
    상기 붐 유압 실린더에 장착되고 상기 붐 유압 실린더의 작동유 압력 정보를 출력하는 붐 압력 센서와, 상기 암 유압 실린더에 장착되고 상기 암 유압 실린더의 작동유 압력 정보를 출력하는 암 압력 센서와, 상기 어태치먼트 유압 실린더에 장착되고 상기 어태치먼트 유압 실린더의 작동유 압력 정보를 출력하는 어태치먼트 압력 센서 중 적어도 2개의 센서를 포함하는 압력 센서와,
    상기 차체에 대한 상기 붐의 위치를 얻기 위한 붐 정보를 출력하는 붐 위치 센서와, 상기 붐에 대한 상기 암의 위치를 얻기 위한 암 정보를 출력하는 암 위치 센서와, 상기 암에 대한 상기 어태치먼트의 위치를 얻기 위한 어태치먼트 정보를 출력하는 어태치먼트 위치 센서를 구비하고,
    상기 화물의 운반에서의, 상기 붐 유압 실린더의 상기 작동유 압력 정보와 상기 붐 정보로부터 생성되는 제1 관계식과, 상기 암 유압 실린더의 상기 작동유 압력 정보와 상기 암 정보로부터 생성되는 제2 관계식과, 상기 어태치먼트 유압 실린더의 상기 작동유 압력 정보와 상기 어태치먼트 정보로부터 생성되는 제3 관계식 중 어느 2개의 관계식으로부터, 상기 화물의 중량을 산출하고,
    상기 압력 센서는, 상기 2개의 관계식에 대응하는 2개의 센서를 적어도 포함하는,
    연산 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 붐 위치 센서는, 상기 차체에 대한 상기 붐의 각도를 검지하는 센서이고,
    상기 암 위치 센서는, 상기 붐에 대한 상기 암의 각도를 검지하는 센서이며,
    상기 어태치먼트 위치 센서는, 상기 암에 대한 상기 어태치먼트의 각도를 검지하는 센서인, 연산 장치.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1 관계식은, 상기 화물의 운반 시의, 상기 붐 보텀 핀 주위의 모멘트의 평형식이고,
    상기 제2 관계식은, 상기 화물의 운반 시의, 상기 붐 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식이며,
    상기 제3 관계식은, 상기 화물의 운반 시의, 상기 암 톱 핀 주위의 모멘트의 평형식인, 연산 장치.
15. 작업기를 구비하는 작업 기계의, 상기 작업기가 운반하는 화물의 중량을 산출하는 연산 방법으로서,
    상기 작업기는, 제1 회전 중심을 축으로서 회동하는 붐과, 제2 회전 중심을 축으로서 회동하는 암과, 제3 회전 중심을 축으로서 회동하는 어태치먼트를 부재로서 가지고,
    상기 부재에 대하여, 상기 제1 회전 중심, 상기 제2 회전 중심 및 상기 제3 회전 중심 중 어느 2개의 회전 중심 주위의 운동의 관계식을 설정하는 단계;
    상기 부재의 각각의 중량 및 무게중심 위치를 취득하는 단계;
    상기 화물의 운반 시에서의 상기 부재의 위치를 취득하는 단계;
    상기 관계식의 상기 운동에 대응하는 추력을 취득하는 단계;
    상기 부재의 상기 무게중심 위치와 상기 위치로부터, 상기 화물의 운반 시에서의 상기 부재의 각각의 무게중심 위치와, 대응하는 상기 제1 회전 중심, 상기 제2 회전 중심 및 상기 제3 회전 중심의 각각과의 수평 방향 거리를 연산하는 단계; 및
    상기 관계식과, 상기 취득된 정보와, 상기 연산된 정보에 의해, 상기 작업기가 운반하는 상기 화물의 중량을 연산하는 단계;
    를 포함하는, 연산 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 부재의 상기 위치를, 상기 부재의 자세를 나타내는 각도로부터 취득하는, 연산 방법.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 관계식은, 상기 운동의 회전 중심 주위의 모멘트의 평형식인, 연산 방법.