KR20230139435A

KR20230139435A - 전도 평가 시스템, 전도 평가 방법 및 작업 기계

Info

Publication number: KR20230139435A
Application number: KR1020237030393A
Authority: KR
Inventors: 도모키 히라야마; 다카히로 노요리; 요시히로 이와나가
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2021-03-08
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2023-10-05
Also published as: DE112022000588T5; US20240151007A1; WO2022190881A1; CN116981814A; JP2022136513A

Abstract

에너지 산출부는, 작업 기계의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 변을 회전축으로 하는 경우에서의 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출한다. 평가부는, 산출된 변 각각에 대한 에너지량에 기초하여, 작업 기계의 전도의 가능성을 평가한다.

Description

전도 평가 시스템, 전도 평가 방법 및 작업 기계

본 개시는, 전도(轉倒) 평가 시스템, 전도 평가 방법 및 작업 기계에 관한 것이다.

본원은, 2021년 3월 8일에 일본에 출원된 특허출원 제2021-036156호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

특허문헌 1에는, 작업 기계의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하고, 전도의 가능성에 관한 정보를 오퍼레이터에게 통지하는 기술이 개시되어 있다. ZMP란, 피치 축 및 롤 축 방향의 모멘트가 제로로 되는 점이다. 작업 기계와 접지점을 오목하게 되지 않도록 연결한 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 ZMP가 존재하는 경우에, 작업 기계는 안정적으로 접지하고 있는 것을 알 수 있다.

국제공개 제2011/148946호

특허문헌 1에 기재되는 연산 방법은, 작업 기계 자체의 관성력에 의해 기체(機體)의 부상이 생긴 경우에, 전도 가능성이 높다고 판단할 가능성이 있다. 그러므로, ZMP 대신에, 에너지 안정 여유를 이용하여 전도 가능성을 평가하는 방법이 이용되는 경우가 있다. 에너지 안정 여유란, 어떤 자세 상태에 있어서 전도될 때까지 필요한 에너지를 말한다.

그런데, 작업 기계는, 작업 상태에 따라서 지지 다각형이 변화되는 경우가 있다. 예를 들면, 유압 셔블에 있어서는, 하부 주행체에 대하여 상부 선회체가 선회하므로, 선회에 따라 지지 다각형에 대한 무게중심의 위치가 변화된다.

본 개시의 목적은, 선회 동작과 전도 방향의 관계를 감안하여 작업 기계의 전도의 가능성을 평가할 수 있는 전도 평가 시스템, 전도 평가 방법 및 절삭 기계를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제1 태양(態樣)에 의하면, 전도 평가 시스템은, 작업기를 가지는 작업 기계의 전도 평가 시스템으로서, 프로세서를 구비하고, 상기 프로세서는, 상기 작업 기계의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 상기 변을 회전축으로 하는 경우에서의 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는 에너지 산출부와, 산출된 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는 평가부를 구비한다.

본 발명의 제2 태양에 의하면, 전도 평가 방법은, 작업기를 가지는 작업 기계의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 상기 변을 회전축으로 하는 경우에서의 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는 스텝과, 산출된 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는 스텝을 포함한다.

본 발명의 제3 태양에 의하면, 작업 기계는, 주행체와, 상기 주행체에 회동(回動) 가능하게 지지된 선회체와, 상기 선회체에 장착된 작업기와, 프로세서를 구비하고, 상기 프로세서는, 상기 작업 기계의 무게중심 위치를 산출하는 무게중심 위치 계산부와, 상기 주행체의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 상기 작업 기계의 무게중심 위치에 기초하여 상기 변을 회전축으로 하는 경우에서의 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는 에너지 산출부와, 산출된 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는 평가부를 구비한다.

상기 태양에 의하면, 선회 동작과 전도 방향의 관계를 감안하여 작업 기계의 전도의 가능성을 평가할 수 있다.

[도 1] 제1 실시형태에 관련된 작업 기계의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 2] 제1 실시형태에 관련된 제어 장치의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
[도 3] 에너지 안정 여유를 설명하기 위한 도면이다.
[도 4] 에너지 안정 여유와, 무게중심의 위치의 관계를 나타내는 도면이다.
[도 5] 제1 실시형태에 관련된 전도 리스크의 표시(標示)의 예를 나타내는 도면이다.
[도 6] 제1 실시형태에 관련된 제어 장치의 동작을 나타내는 플로차트다.
[도 7] 제2 실시형태에 관련된 제어 장치의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.

<제1 실시형태>

《작업 기계(100)의 구성》

이하, 도면을 참조하면서 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 제1 실시형태에 관련된 작업 기계의 구성을 나타내는 개략도이다. 제1 실시형태에 관련된 작업 기계는, 예를 들면 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 무한궤도이다. 한 쌍의 무한궤도는, 진행 방향으로 연장되는 직선에 대하여 평행하게, 또한 선 대상으로 설치된다. 따라서, 제1 실시형태에 관련된 주행체(110)의 접지점에 관련된 볼록 껍질(convex hull)에 의해 나타내어지는 지지 다각형은 직사각형으로 된다. 볼록 껍질이란, 특정한 점을 모두 포함하는 최소의 볼록 다각형을 말한다. 특정한 점이란, 예를 들면 크롤러 벨트(crawler belt)와 지면이 접하는 점이다. 이하, 주행체(110)의 접지점에 관련된 볼록 껍질인 직사각형을 지지 직사각형 R이라고 한다.

선회체(130)는 주행체(110)에 선회 중심 주위에 선회 가능하게 지지된다.

작업기(150)는, 선회체(130)의 전부(前部)에 상하 방향으로 구동 가능하게 지지된다. 작업기(150)는 유압에 의해 구동한다. 작업기(150)는 붐(151), 암(152), 및 버킷(153)을 구비한다. 붐(151)의 기단부는 선회체(130)에 회동 가능에 장착된다. 암(152)의 기단부는 붐(151)의 선단부에 회동 가능하게 장착된다. 버킷(153)의 기단부는, 암(152)의 선단부에 회동 가능하게 장착된다. 여기에서, 선회체(130) 중 작업기(150)가 장착되는 부분을 전부라고 한다. 또한, 선회체(130)에 대하여, 전부를 기준으로, 반대측의 부분을 후부, 좌측의 부분을 좌부, 우측의 부분을 우부라고 한다.

운전실(170)은 선회체(130)의 전부에 설치된다. 운전실(170) 내에는, 오퍼레이터가 작업 기계(100)를 조작하기 위한 조작 장치, 및 오퍼레이터에 전도 리스크를 통지하기 위한 경보 장치가 설치된다. 제1 실시형태에 관련된 경보 장치는, 스피커 및 표시 장치에 의해 전도 리스크를 보고한다.

제어 장치(190)는 오퍼레이터에 의한 조작 장치의 조작에 기초하여, 주행체(110), 선회체(130), 및 작업기(150)를 제어한다. 제어 장치(190)는 예를 들면 운전실(170)의 내부에 설치된다.

작업 기계(100)는 작업 기계(100)의 작업 상태를 검출하기 위한 복수의 센서를 구비한다. 구체적으로는, 작업 기계(100)는 경사 검출기(101), 선회각 센서(102), 붐각 센서(103), 암각 센서(104), 버킷각 센서(105), 페이로드(payload) 미터(106)를 구비한다.

경사 검출기(101)는 선회체(130)의 가속도 및 각속도를 계측하고, 계측 결과에 기초하여 선회체(130)의 수평면에 대한 경사(예를 들면, 롤각 및 피치각)을 검출한다. 경사 검출기(101)는 예를 들면 운전실(170)의 아래쪽에 설치된다. 경사 검출기(101)의 예로서는, IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 계측 장치)를 들 수 있다.

선회각 센서(102)는 선회체(130)의 선회 중심으로 설치되고, 주행체(110)와 선회체(130)의 선회 각도를 검출한다. 선회각 센서(102)의 계측값은, 주행체(110)와 선회체(130)의 방향이 일치하고 있을 때 제로를 나타낸다.

붐각 센서(103)는 선회체(130)에 대한 붐(151)의 회전각인 붐각을 검출한다. 붐각 센서(103)는 붐(151)에 장착된 IMU이면 된다. 이 경우, 붐각 센서(103)는, 붐(151)의 수평면에 대한 경사와 경사 검출기(101)가 계측한 선회체의 경사에 기초하여, 붐각을 검출한다. 붐각 센서(103)의 계측값은, 붐(151)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향이 선회체(130)의 전후 방향과 일치할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 붐각 센서(103)는 붐 실린더에 장착된 스트로크 센서라도 된다. 또한 다른 실시형태에 관련된 붐각 센서(103)는, 선회체(130)와 붐(151)을 접속하는 핀에 설치된 각도 센서라도 된다.

암각 센서(104)는 붐(151)에 대한 암(152)의 회전각인 암각을 검출한다. 암각 센서(104)는 암(152)에 장착된 IMU이면 된다. 이 경우, 암각 센서(104)는, 암(152)의 수평면에 대한 경사와 붐각 센서(103)가 계측한 붐각에 기초하여, 암각을 검출한다. 암각 센서(104)의 계측값은, 암(152)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향이 붐(151)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향과 일치할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 암각 센서(104)는, 암 실린더에 스트로크 센서를 장착하여 각도 산출을 행해도 된다. 암각 센서(104)는 붐(151)과 암(152)을 접속하는 핀에 설치된 회전 센서라도 된다.

버킷각 센서(105)는 암(152)에 대한 버킷(153)의 회전각인 버킷각을 검출한다. 버킷(153)을 구동시키기 위한 버킷 실린더에 설치된 스트로크 센서이면 된다. 이 경우, 버킷각 센서(105)는 버킷 실린더의 스트로크량에 기초하여 버킷각을 검출한다. 버킷각 센서(105)의 계측값은, 버킷(153)의 기단과 날끝을 통과하는 직선의 방향이 암(152)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향과 일치할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 버킷각 센서(105)는, 암(152)과 버킷(153)을 접속하는 핀에 설치된 각도 센서라도 된다. 또한, 다른 실시형태에 관련된 버킷각 센서(105)는 버킷(153)에 장착된 IMU라도 된다.

페이로드 미터(106)는 버킷(153)에 유지된 적하(積荷)의 중량을 계측한다. 페이로드 미터(106)는, 예를 들면 붐(151)의 실린더의 보텀 압력을 계측하고, 적하의 중량으로 환산한다. 또한 예를 들면, 페이로드 미터(106)는 로드셀이라도 된다.

《제어 장치(190)의 구성》

도 2는, 제1 실시형태에 관련된 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, 광디스크, 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 부가하여, 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, 주행체(110), 선회체(130), 붐(151), 암(152) 및 버킷(153)의 치수 및 무게중심 위치를 나타내는 기하 데이터(geometry data), 및 주행체(110), 선회체(130), 붐(151), 암(152) 및 버킷(153)의 중량이 기록된다. 기하 데이터는 소정의 좌표계에서의 물체의 위치를 나타내는 데이터다. 제1 실시형태에 관련된 좌표계는 월드 좌표계와 로컬 좌표계가 존재한다. 월드 좌표계는, 연직 방향으로 연장되는 Z_w축과, Z_w축에 직교하는 X_w축 및 Y_w축으로 나타내어지는 직교 좌표계다. 로컬 좌표계는, 어떤 물체의 기준점을 원점으로 하는 직교 좌표계다.

주행체(110)의 기하 데이터는, 로컬 좌표계인 주행체 좌표계에서의 주행체(110)의 무게중심 위치(x_{tb_com}, y_{tb_com}, z_{tb_com}), 및 무한궤도의 길이 L, 폭 w 및 높이 h를 나타낸다. 주행체 좌표계는, 주행체(110)의 선회 중심을 기준으로 하여 전후 방향으로 연장되는 X_tb축, 좌우 방향으로 연장되는 Y_tb축, 상하 방향으로 연장되는 Z_tb축으로 구성되는 좌표계다.

선회체(130)의 기하 데이터는, 로컬 좌표계인 선회체 좌표계에서의 선회체(130)의 붐(151)을 지지하는 핀의 위치(x_bm, y_bm, z_bm), 주행체 좌표계의 원점의 위치(x_tb, y_tb, z_tb) 및 선회체(130)의 무게중심 위치(x_{sb_com}, y_{sb_com}, z_{sb_com})를 나타낸다. 선회체 좌표계는, 선회체(130)의 선회 중심을 기준으로 하여 전후 방향으로 연장되는 X_sb축, 좌우 방향으로 연장되는 Y_sb축, 상하 방향으로 연장되는 Z_sb축으로 구성되는 좌표계다.

붐(151)의 기하 데이터는, 로컬 좌표계인 붐 좌표계에서의 암(152)을 지지하는 핀의 위치(x_am, y_am, z_am) 및 붐(151)의 무게중심 위치(x_{bm_com}, y_{bm_com}, z_{bm_com})를 나타낸다. 붐 좌표계는 붐(151)과 선회체(130)를 접속하는 핀의 위치를 기준으로 하여, 길이 방향으로 연장되는 X_bm축, 핀이 늘어나는 방향으로 연장되는 Y_bm축, X_bm축과 Y_bm축에 직교하는 Z_bm축으로 구성되는 좌표계다.

암(152)의 기하 데이터는, 로컬 좌표계인 암 좌표계에서의 버킷(153)을 지지하는 핀의 위치(x_bk, y_bk, z_bk) 및 암(152)의 무게중심 위치(x_{am_com}, y_{am_com}, z_{am_com})를 나타낸다. 암 좌표계는 암(152)과 붐(151)을 접속하는 핀의 위치를 기준으로 하여, 길이 방향으로 연장되는 X_am축, 핀이 늘어나는 방향으로 연장되는 Y_am축, X_am축과 Y_am축에 직교하는 Z_am축으로 구성되는 좌표계다.

버킷(153)의 기하 데이터는, 로컬 좌표계인 버킷 좌표계에서의 버킷(153)의 날끝 위치(x_ed, y_ed, z_ed), 버킷(153)의 무게중심 위치(x_{bk_com}, y_{bk_com}, z_{bk_com}), 및 적하의 무게중심 위치(x_{pl_com}, y_{pl_com}, z_{pl_com})를 나타낸다. 버킷 좌표계는 버킷(153)과 암(152)을 접속하는 핀의 위치를 기준으로 하여, 날끝의 방향으로 연장되는 X_bk축, 핀이 늘어나는 방향으로 연장되는 Y_bk축, X_bk축과 Y_bk축에 직교하는 Z_bk축으로 구성되는 좌표계다.

《소프트웨어 구성》

프로세서(210)는 프로그램을 실행함으로써, 취득부(211), 위치 특정부(212), 무게중심 계산부(213), 에너지 계산부(214), 정규화부(215), 평가부(216), 출력부(217)로서 기능한다.

취득부(211)는 경사 검출기(101), 선회각 센서(102), 붐각 센서(103), 암각 센서(104), 버킷각 센서(105) 및 페이로드 미터(106)로부터, 각각 계측값을 취득한다.

위치 특정부(212)는, 취득부(211)가 취득한 각종 계측값과 스토리지(250)에 기록된 기하 데이터에 기초하여, 작업 기계(100)의 파트별의 무게중심 위치를 특정한다. 구체적으로는, 위치 특정부(212)는 이하의 순서로, 주행체(110), 선회체(130), 붐(151), 암(152), 버킷(153) 및 적하의 월드 좌표계에서의 무게중심 위치를 특정한다.

위치 특정부(212)는, 취득부(211)가 취득한 피치각 θ_p 및 롤각 θ_r의 계측값에 기초하여, 하기 식(1)에 의해, 선회체 좌표계로부터 월드 좌표계로 변환하기 위한 선회체-월드 변환 행렬 T^sb _w를 생성한다. 선회체-월드 변환 행렬 T^sb _w는, Y_sb축 주위에 피치각 θ_p만큼 회전시키는 회전 행렬과, X_sb축 주위에 롤각 θ_r만큼 회전시키는 회전 행렬의 곱에 의해 나타내어진다.

[수 1]

위치 특정부(212)는, 취득부(211)가 취득한 주행체(110)과 선회체(130)의 선회 각도 θ_s의 계측값과, 선회체(130)의 기하 데이터에 기초하여, 하기 식(2)에 의해, 주행체 좌표계로부터 선회체 좌표계로 변환하기 위한 주행체-선회체 변환 행렬 T^tb _sb를 생성한다. 주행체-선회체 변환 행렬 T^tb _sb는, Z_tb축 주위에 피치각 θ_p만큼 회전시키고, 또한 선회체 좌표계의 원점과 주행체 좌표계의 원점의 편차(x_tb, y_tb, z_tb)만큼 평행 이동시키는 행렬이다. 또한, 위치 특정부(212)는, 선회체-월드 변환 행렬 T^sb _w와 주행체-선회체 변환 행렬 T^tb _sb의 곱을 구함으로써, 주행체 좌표계로부터 월드 좌표계로 변환하기 위한 주행체-월드 변환 행렬 T^tb _w를 생성한다.

[수 2]

위치 특정부(212)는, 취득부(211)가 취득한 붐각 θ_bm의 계측값과, 선회체(130)의 기하 데이터에 기초하여, 하기 식(3)에 의해, 붐 좌표계로부터 선회체 좌표계로 변환하기 위한 붐-선회체 변환 행렬 T^bm _sb를 생성한다. 붐-선회체 변환 행렬 T^bm _sb는, Y_bm축 주위에 붐각 θ_bm만큼 회전시키고, 또한 선회체 좌표계의 원점과 붐 좌표계의 원점의 편차(x_bm, y_bm, z_bm)만큼 평행 이동시키는 행렬이다. 또한, 위치 특정부(212)는, 선회체-월드 변환 행렬 T^sb _w와 붐-선회체 변환 행렬 T^bm _sb의 곱을 구함으로써, 붐 좌표계로부터 월드 좌표계로 변환하기 위한 붐-월드 변환 행렬 T^bm _w를 생성한다.

[수 3]

위치 특정부(212)는, 취득부(211)가 취득한 암각 θ_am의 계측값과, 붐(151)의 기하 데이터에 기초하여, 하기 식(4)에 의해, 암 좌표계로부터 붐 좌표계로 변환하기 위한 암-붐 변환 행렬 T^am _bm을 생성한다. 암-붐 변환 행렬 T^am _bm은, Y_am축 주위에 암각 θ_am만큼 회전시키고, 또한 붐 좌표계의 원점과 암 좌표계의 원점의 편차(x_am, y_am, z_am)만큼 평행 이동시키는 행렬이다. 또한, 위치 특정부(212)는, 붐-월드 변환 행렬 T^bm _w와 암-붐 변환 행렬 T^am _bm의 곱을 구함으로써, 암 좌표계로부터 월드 좌표계로 변환하기 위한 암-월드 변환 행렬 T^am _w를 생성한다.

[수 4]

위치 특정부(212)는, 취득부(211)가 취득한 버킷각 θ_bk의 계측값과, 암(152)의 기하 데이터에 기초하여, 하기 식(5)에 의해, 버킷 좌표계로부터 암 좌표계로 변환하기 위한 버킷-암 변환 행렬 T^bk _am을 생성한다. 버킷-암 변환 행렬 T^bk _am은, Ybk축 주위에 버킷각 θ_bk만큼 회전시키고, 또한 암 좌표계의 원점과 버킷 좌표계의 원점의 편차(x_bk, y_bk, z_bk)만큼 평행 이동시키는 행렬이다. 또한, 위치 특정부(212)는, 암-월드 변환 행렬 T^am _w와 버킷-암 변환 행렬 T^bk _am의 곱을 구함으로써, 버킷 좌표계로부터 월드 좌표계로 변환하기 위한 버킷-월드 변환 행렬 T^bk _w를 생성한다.

[수 5]

위치 특정부(212)는, 주행체(110)의 기하 데이터가 나타내는 주행체(110)의 무게중심의 상대 위치(x_{tb_com}, y_{tb_com}, z_{tb_com})를, 주행체-월드 변환 행렬 T^tb _w를 이용하여 절대 위치 T^tb_com _w로 변환한다. 위치 특정부(212)는, 선회체(130)의 기하 데이터가 나타내는 선회체(130)의 무게중심의 상대 위치(x_{sb_com}, y_{sb_com}, z_{sb_com})를, 선회체-월드 변환 행렬 T^sb _w를 이용하여 절대 위치 T^sb_com _w로 변환한다. 위치 특정부(212)는, 붐(151)의 기하 데이터가 나타내는 붐(151)의 무게중심의 상대 위치(x_{bm_com}, y_{bm_com}, z_{bm_com})를, 붐-월드 변환 행렬 T^bm _w를 이용하여 절대 위치 T^bm_com _w로 변환한다. 위치 특정부(212)는, 암(152)의 기하 데이터가 나타내는 암(152)의 무게중심의 상대 위치(x_{am_com}, y_{am_com}, z_{am_com})를, 암-월드 변환 행렬 T^am _w를 이용하여 절대 위치 T^am_com _w로 변환한다. 위치 특정부(212)는, 버킷(153)의 기하 데이터가 나타내는 버킷(153)의 무게중심의 상대 위치(x_{bk_com}, y_{bk_com}, z_{bk_com})를, 버킷-월드 변환 행렬 T^bk _w를 이용하여 절대 위치 T^bk_com _w로 변환한다. 위치 특정부(212)는, 버킷(153)의 기하 데이터가 나타내는 적하의 무게중심의 상대 위치(x_{pl_com}, y_{pl_com}, z_{pl_com})를, 버킷-월드 변환 행렬 T^bk _w를 이용하여 절대 위치 T^pl_com _w로 변환한다.

무게중심 계산부(213)는, 위치 특정부(212)가 특정한 파트별의 무게중심 위치와 파트별의 무게에 기초하여, 작업 기계(100) 전체의 무게중심 위치를 산출한다. 구체적으로는, 무게중심 계산부(213)는, 기지(旣知)의 주행체(110)의 중량 m_tb, 선회체(130)의 중량 m_sb, 붐(151)의 중량 m_bm, 암(152)의 중량 m_am 및 버킷(153)의 중량 m_bk와, 페이로드 미터(106)의 계측값 m_pl에 기초하여, 이하의 식(6)에 의해 아핀 행렬 T^com _w'를 구하고, 아핀 행렬 T^com _w'보다 작업 기계(100) 전체의 무게중심 위치 T^com _w를 산출한다.

[수 6]

식(6)의 계산에 의해, 무게중심 계산부(213)는, 이하의 식(7)에 나타낸 바와 같은 4×4의 아핀 행렬 T^com _w'을 얻는다.

[수 7]

무게중심 계산부(213)는, 얻어진 아핀 행렬 T^com _w'의 병진(竝進) 성분을 추출함으로써, 즉 아핀 행렬 T^com _w'의 회전 성분을 단위행렬로 치환함으로써, 식(8)에 나타낸 바와 같이 작업 기계(100) 전체의 중심위치 위치 T^com _w를 산출한다.

[수 8]

에너지 계산부(214)는, 무게중심 계산부(213)가 산출한 무게중심 위치에 기초하여, 작업 기계(100)가 전도하기 위해 필요한 에너지량인 에너지 안정 여유를, 회전축마다 산출한다. 에너지 안정 여유는 식(9)에 의해 나타내어지는 양이다. 도 3은, 에너지 안정 여유를 설명하기 위한 도면이다.

[수 9]

즉, 에너지 안정 여유는, 작업 기계(100)의 무게중심의 높이 z^com _w와 작업 기계(100)의 무게중심이 회전축의 바로 위에 위치할 때의 무게중심의 높이 z^r_com _w의 차 Q와, 작업 기계(100)의 중량 M과, 중력 가속도 g를 곱셈함으로써 얻어진다.

에너지 계산부(214)는, 주행체(110)의 접지점을 포함하는 지지 직사각형 R의 각 변을 회전축 ax1-ax4로 하여, 에너지 안정 여유를 구한다.

회전축을 X_ax축, 연직 방향으로 연장되는 축을 Z_ax축, X_ax축 및 Z_ax축에 직교하는 축을 Y_ax축으로 하는 회전축 좌표계를 고려하는 경우에, 회전축 좌표계로부터 월드 좌표계로 변환하기 위한 회전축-월드 변환 행렬 T^ax1 _w∼T^ax4 _w는, 주행체(110)의 무한궤도의 길이 L, 무한궤도의 높이 h 및 무한궤도의 폭 w를 이용하여, 식(10)과 같이 나타내어진다.

[수 10]

에너지 계산부(214)는, 식(10)에서 얻어지는 회전축-월드 변환 행렬 T^ax _w에 기초하여, 지표의 회전축 ax 주위의 경사각 θ^gnd _ax를 산출한다. 또한, 에너지 계산부(214)는, 회전축-월드 변환 행렬 T^ax _w의 역행 열과, 작업 기계(100) 전체의 무게중심 위치 T^com _w의 곱에 의해, 회전축 좌표계에서의 작업 기계(100)의 무게중심의 상대 위치 T^com _ax를 산출한다. 에너지 계산부(214)는, 식(11)에 나타낸 바와 같이 무게중심의 상대 위치 T^com _ax의 Z_ax축 병진 성분 z^com _ax와 Y_ax축 병진 성분 y^com _ax에 기초하여, 회전축으로부터 본 무게중심의 앙각 θ^com _ax를 산출한다.

[수 11]

그리고, 식(11)에서의 atan2(x, y)는, 직교 좌표계에서의 위치(x, y)의 편각을 구하는 함수이다.

에너지 계산부(214)는 식(12)에 나타낸 바와 같이, 경사각 θ^gnd _ax와 무게중심의 앙각 θ^com _ax에 기초하여, 작업 기계(100) 전체의 무게중심이 회전축의 바로 위에 위치하기 위해 필요한 회전각 θ^sup _ax를 산출한다.

[수 12]

에너지 계산부(214)는 식(13)에 나타낸 바와 같이, 무게중심의 상대 위치 T^com _ax와 회전각 θ^sup _ax와 회전축-월드 변환 행렬 T^ax _w에 기초하여, 작업 기계(100)를 회전각 θ^sup _ax만큼 회전시켰을 때의 작업 기계(100)전체의 무게중심의 절대 위치T^r_com _w를 산출한다.

[수 13]

에너지 계산부(214)는, 회전 후의 무게중심의 절대 위치 T^r_com _w의 Z_w축 병진 성분 z^r_com _w와, 회전전의 무게중심의 절대 위치 T^com _w의 Z_w축 병진 성분 z^com _w의 차 Q를, 에너지 안정 여유로서 산출한다. 그리고, 여기서 얻어지는 에너지 안정 여유는, 에너지를 길이의 단위로 정규화한 것과 동등하다. 그리고, 식(7)에 나타낸 바와 같이, 회전 후의 무게중심의 절대 위치 T^r_com _w와, 회전 전의 무게중심의 절대 위치 T^com _w의 Z_w축 병진 성분의 차 Q에, 작업 기계(100)의 중량과 중력 가속도를 곱셈하면, 정규화되지 않는 에너지 안정 여유가 얻어진다. 따라서, 회전 후의 무게중심의 절대 위치 T^r_com _w와, 회전 전의 무게중심의 절대 위치 T^com _w의 Z_w축 병진 성분의 차 Q를 산출하는 것은, 에너지 안정 여유를 산출하는 것과 등가이다.

정규화부(215)는, 에너지 계산부(214)가 산출한 에너지 안정 여유를, 회전축에 관련된 변에 직교하는 다른 변의 길이로 나눗셈함으로써, 정규화 여유(정규화값)을 구한다. 정규화 여유는 무차원량이며, 작업 기계(100)가 회전축 주위의 회전에 대하여 가장 안정되어 있는 상태와의 근사도를 나타낸다. 예를 들면, 정규화부(215)는, 무한궤도의 측단(側端) 주위(회전축 ax2 또는 ax4 경유)에 회전할 때의 에너지 안정 여유를, 무한궤도의 폭 w로 나눗셈함으로써, 정규화 여유를 구한다. 또한 예를 들면, 정규화부(215)는, 한 쌍의 무한궤도 전단 또는 후단을 연결하는 직선 주위(회전축 ax1 또는 ax3 경유)에 회전할 때의 에너지 안정 여유를, 무한궤도의 길이 L로 나눗셈함으로써, 정규화 여유를 구한다.

도 4는, 에너지 안정 여유와, 무게중심의 위치의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 식(7)로 연산되는 에너지 안정 여유는, 무게중심의 위치가 낮을수록 높고, 또한 회전축과 무게중심의 거리가 멀수록 높아진다. 즉, 어떤 회전축에 대하여 작업 기계(100)가 취하는 에너지 안정 여유는, 무게중심이 지지 직사각형 R 상이면서 또한 회전축으로부터 가장 먼 점에 위치할 때 최대가 된다. 따라서, 에너지 계산부(214)가 산출한 에너지 안정 여유를, 회전축에 관련된 변에 직교하는 다른 변의 길이로 나눗셈함으로써, 에너지 안정 여유를 무차원화할 수 있다.

평가부(216)는, 정규화부(215)가 산출한 정규화 여유에 기초하여 작업 기계(100)의 전도 리스크를 평가한다. 구체적으로는, 평가부(216)는, 각 회전축에 대한 정규화 여유의 크기가 임계값을 초과하는지의 여부를 판정한다. 임계값으로서는, 주의 임계값 th_c, 경고 임계값 th_w를 들 수 있다. 다만, 주의 임계값 th_c는, 경고 임계값 th_w보다 크다. 또한 각 임계값은 0보다 크고 1보다 작다.

출력부(217)는, 평가부(216)의 평가 결과에 기초하여 경보 장치의 표시 장치에 표시시키는 작업 기계의 전도 리스크를 나타내는 표시를 생성한다. 도 5는, 제1 실시형태에 관련된 전도 리스크의 표시의 예를 나타내는 도면이다. 전도 리스크의 표시에는, 주행체(110)의 아이콘(I1), 선회체(130)의 아이콘(I2), 및 복수의 인디케이터 마크(I3)가 표시된다. 선회체(130)의 아이콘(I2)은, 항상 정면(전방)을 상방향으로 향하여 표시된다. 주행체(110)의 아이콘(I1)은, 선회 각도 θ_s에 따라 경사지져 표시된다. 복수의 인디케이터 마크(I3)는, 선회체(130)의 아이콘(I2)을 둘러싸도록 표시된다. 도 5에 나타낸 예에서는, 전도 리스크의 표시에는 12개의 인디케이터 마크(I3)가, 아이콘(I2)을 중심으로 하는 원 상에, 등간격으로 배열되어 있다. 인디케이터 마크(I3)는 색을 변화시킴으로써, 인디케이터 마크(I3)가 표시하는 방향의 전도 리스크의 높이를 나타낸다. 예를 들면, 인디케이터 마크(I3)는, 전도 리스크가 주의 레벨인 경우에 노랗게 되고, 전도 리스크가 경고 레벨인 경우에 빨갛게 된다.

출력부(217)는 평가부(216)의 평가 결과를 경보 장치에 출력한다. 출력부(217)는, 생성한 작업 기계의 전도 리스크를 나타내는 표시를 경보 장치에 출력한다. 또한 출력부(217)는, 적어도 1개의 회전축에 대한 정규화 여유가 경고 임계값을 일정 시간 이상 하회하는 경우에, 경보 장치에 경보음의 발보(發報) 지시를 출력한다.

《제어 장치(190)의 동작》

도 6은, 제1 실시형태에 관련된 제어 장치(190)의 동작을 나타내는 플로차트다.

제어 장치(190)가 기동하고, 프로그램을 실행되면, 일정 시간마다 하기의 처리를 실행한다.

취득부(211)는 경사 검출기(101), 선회각 센서(102), 붐각 센서(103), 암각 센서(104), 버킷각 센서(105) 및 페이로드 미터(106)로부터, 각각 계측값을 취득한다(스텝 S1). 위치 특정부(212)는, 스텝 S1에서 취득한 각종 계측값과 스토리지(250)에 기록된 기하 데이터에 기초하여, 주행체(110), 선회체(130), 붐(151), 암(152), 버킷(153) 및 적하의 무게중심의 절대 위치를 특정한다(스텝 S2).

무게중심 계산부(213)는, 스텝 S2에서 특정한 파트별의 무게중심의 절대 위치와 스토리지(250)에 기록된 파트별의 무게에 기초하여, 작업 기계(100) 전체의 무게중심의 절대 위치 T^com _w를 산출한다(스텝 S3). 에너지 계산부(214)는, 스텝 S3에서 산출한 무게중심 위치에 기초하여, 작업 기계(100)가 전도하기 위해 필요한 에너지량인 에너지 안정 여유에 상당하는 높이 Q를, 작업 기계(100)의 지지 직사각형 R의 변마다 산출한다(스텝 S4).

정규화부(215)는 스텝 S4에서 산출한 높이 Q를, 회전축에 대한 변에 직교하는 다른 변의 길이로 나눗셈함으로써, 무차원의 정규화 여유를 구한다(스텝 S5). 평가부(216)는, 스텝 S5에서 산출한 각 변의 정규화 여유의 각각과, 주의 임계값 th_c 및 경고 임계값 th_w를 비교한다(스텝 S6).

출력부(217)는, 스텝 S1에서 취득한 선회각 센서(102)의 계측값에 기초하여, 전도 리스크의 표시의 주행체(110)의 아이콘(I1)의 각도를 결정한다(스텝 S7). 또한 출력부(217)는, 스텝 S6의 비교 결과에 기초하여 각 인디케이터 마크(I3)의 색을 결정한다(스텝 S8). 구체적으로는, 회전축이 되는 변에 대향하는 인디케이터 마크(I3) 및 그 양옆의 인디케이터 마크(I3)의 색을, 해당 회전축에 관련된 정규화 여유의 비교 결과에 따른 색으로 결정한다.

출력부(217)는, 생성한 전도 리스크의 표시의 표시 지시를 경보 장치에 출력한다(스텝 S9). 또한 출력부(217)는, 스텝 S6의 비교 결과에 기초하여, 적어도 1개의 회전축에 대한 정규화 여유가 경고 임계값 th_w를 일정 시간 이상 하회했는지의 여부를 판정한다(스텝 S10). 출력부(217)는, 적어도 1개의 회전축에 관한 정규화 여유가 경고 임계값 th_w를 일정 시간 이상 하회한 경우(스텝 S10: YES), 경보 장치에 경보음의 발보 지시를 출력한다(스텝 S11).

《작용·효과》

이와 같이, 제1 실시형태에 관련된 제어 장치(190)는, 작업 기계(100)의 접지점에 관련된 볼록 껍질에 의해 나타내어지는 지지 직사각형 R의 각 변에 대하여, 해당 변을 회전축으로 하는 경우에서의 작업 기계(100)의 에너지 안정 여유와, 지지 직사각형 R의 변의 길이에 기초하여, 작업 기계(100)의 전도의 가능성을 평가한다. 이로써, 제어 장치(190)는, 선회 동작에 따라 전도의 가능성이 있는 각 전도 방향에 대하여, 전도의 가능성을 평가할 수 있다.

그리고, 다른 실시형태에 관련된 제어 장치(190)는, 작업 기계(100)의 접지점에 관련된 볼록 껍질이 직사각형이 아닌 경우에도, 회전축으로부터 볼록 껍질의 복수의 꼭짓점까지의 거리 중 가장 긴 것을 사용함으로써, 제1 실시형태와 마찬가지로 전도의 가능성을 평가할 수 있다.

또한, 제1 실시형태에 관련된 제어 장치(190)는, 에너지 안정 여유를 지지 직사각형 R의 변의 길이로 나눗셈함으로써, 정규화 여유를 산출한다. 이로써, 제어 장치(190)는, 각 변의 전도의 가능성을 동일한 임계값(주의 임계값, 경고 임계값)에 의해 평가할 수 있다. 정규화 여유는 무차원량이므로, 제어 장치(190)는, 작업 기계(100)의 개체 차에 의존하지 않고 동일한 임계값을 이용하여 평가할 수 있다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 제어 장치(190)는, 지지 직사각형 R의 변의 길이를 곱셈한 임계값을 사용함으로써, 정규화되어 있지 않은 에너지 안정 여유를 평가해도 된다.

<제2 실시형태>

도 7은, 제2 실시형태에 관련된 제어 장치(190)의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.

제2 실시형태에 관련된 제어 장치(190)는, 제1 실시형태의 출력부(217) 대신에, 제한부(218)를 구비하는 것이다. 또한, 제2 실시형태에 관련된 평가부(216)는 전도 리스크의 표시를 생성하지 않아도 된다.

제한부(218)는 평가부(216)의 평가 결과에 기초하여, 주행체(110), 선회체(130) 및 작업기(150)의 동작을 제한한다. 예를 들면, 제한부(218)는, 정규화 여유가 일정 시간 이상 경고 임계값 th_w를 하회한 경우에, 주행체(110), 선회체(130) 및 작업기(150)를 정지시킨다. 이로써, 제어 장치(190)는 작업 기계(100)의 동작에 따른 전도의 가능성을 저감할 수 있다.

그리고, 다른 실시형태에 관련된 제한부(218)는 주행체(110), 선회체(130) 및 작업기(150)의 정지 대신에, 동작 속도를 저하시킴으로써, 동작을 제한해도 된다. 또한 다른 실시형태에 관련된 제한부(218)는 주행체(110), 선회체(130) 및 작업기(150) 중 어느 1개 또는 2개의 동작을 제한하는 것이라도 된다. 이 경우, 제한되지 않는 가동부(可動部)의 조작에 의해 작업 기계(100)의 전도의 가능성이 낮아지도록 자세를 변경함으로써 정규화 여유가 경고 임계값 th_w 이상으로 되면, 제한부(218)는 동작의 제한을 해제한다.

<다른 실시형태>

이상, 도면을 참조하여 일 실시형태에 대하여 상세하게 설명했으나, 구체적인 구성은 전술한 것에 한정되는 것이 아니며, 다양한 설계변경 등을 할 수 있다. 즉, 다른 실시형태에 있어서는, 전술한 처리의 순서가 적절히 변경되어도 된다. 또한, 일부의 처리가 병렬로 실행되어도 된다.

전술한 실시형태에 관련된 제어 장치(190)는 단독의 컴퓨터에 의해 구성되는 것이라도 되고, 제어 장치(190)의 구성을 복수의 컴퓨터에 나누어 배치하고, 복수의 컴퓨터가 서로 협동함으로써 제어 장치(190)로서 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 관련된 작업 기계(100)는, 경보 장치로서 스피커 및 표시 장치를 구비하였으나, 다른 실시형태에 있어서는, 이것에 한정되지 않고, 스피커 및 표시 장치의 어느 한쪽 만을 가지고 있어도 된다. 또한 경보 장치는 스피커 및 표시 장치에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관련된 경보 장치는 조작 장치에 설치된 액추에이터이면 된다. 액추에이터는, 오퍼레이터에 의한 조작 장치의 조작에 대하여 반력을 부여함으로써 오퍼레이터에 경고하는 것이면 된다. 또한 액추에이터는 조작 장치에 진동을 발생시킴으로써 오퍼레이터에 경고하는 것이면 된다.

전술한 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 유압 셔블이지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 휠 로더 등, 무한궤도가 아니라 타이어를 구비하는 것이라도 된다. 또한 다른 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 주행 기능을 가지지 않는 것이라도 된다. 또한, 다른 실시형태에 있어서는, 지지 다각형이 직사각형이 아니어도 된다. 또한, 다른 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 버킷(153) 대신에, 그래플러, 브레이커, 크러셔 등의 다른 어태치먼트를 구비하는 것이라도 된다.

100: 작업 기계, 101: 경사 검출기, 102: 선회각 센서, 103: 붐각 센서, 104: 암각 센서, 105: 버킷각 센서, 106: 페이로드 미터, 110: 주행체, 130: 선회체, 150: 작업기, 151: 붐, 152: 암, 153: 버킷, 170: 운전실, 190: 제어 장치, 210: 프로세서, 211: 취득부, 212: 위치 특정부, 213: 무게중심 계산부, 214: 에너지 계산부, 215: 정규화부, 216: 평가부, 217: 출력부, 218: 제한부, 230: 메인 메모리, 250: 스토리지, 270: 인터페이스

Claims

작업기를 가지는 작업 기계의 전도(轉倒) 평가 시스템으로서,
프로세서를 구비하고,
상기 프로세서는,
상기 작업 기계의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 상기 변을 회전축으로 하는 경우에서의 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는 에너지 산출부와,
산출된 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는 평가부를 구비하는,
전도 평가 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 작업 기계의 무게중심 위치를 산출하는 무게중심 위치 계산부를 더 구비하고,
상기 에너지 산출부는, 상기 작업 기계의 무게중심 위치에 기초하여 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는, 전도 평가 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 평가부는, 접지점에 관련된 볼록 껍질(convex hull)에 의해 나타내어지는 상기 지지 다각형의 상기 변으로부터 상기 볼록 껍질의 복수의 꼭짓점까지의 거리 중 가장 긴 것에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는, 전도 평가 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 다각형은 직사각형이며,
상기 평가부는, 상기 변 각각의 상기 에너지량 및 상기 변에 직교하는 변의 길이에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는, 전도 평가 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평가부는, 접지점에 관련된 볼록 껍질에 의해 나타내어지는 상기 지지 다각형의 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량을 상기 변으로부터 상기 볼록 껍질의 복수의 꼭짓점까지의 거리 중 가장 긴 것으로 나눗셈한 정규화값과 임계값을 비교함으로써, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는, 전도 평가 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
표시 장치를 구비하고,
상기 프로세서는, 출력부를 더 구비하고,
상기 출력부는, 상기 평가부에 의한 상기 전도의 가능성의 평가 결과에 기초하여 상기 작업 기계의 전도 리스크를 나타내는 표시(標示)를 생성하고, 상기 표시 장치에 출력하는, 전도 평가 시스템.
제6항에 있어서,
상기 표시에는, 상기 작업 기계의 외관을 나타내는 아이콘과, 상기 아이콘의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 인디케이터 마크가 포함되고,
상기 출력부는, 상기 복수의 인디케이터 마크 중, 상기 평가부에 의해 상기 작업 기계의 전도의 가능성이 높다고 판정된 변에 대응하는 위치에 설치된 것의 태양(態樣)을, 다른 인디케이터 마크의 태양과 상이하게 하는, 전도 평가 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 전도의 가능성의 평가 결과가, 전도의 가능성이 높은 것을 나타내는 경우에, 상기 작업 기계의 동작을 제한시키는 제한부를 구비하는, 전도 평가 시스템.
작업기를 가지는 작업 기계의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 상기 변을 회전축으로 하는 경우에서의 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는 단계; 및
산출된 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는 단계;
를 포함하는 전도 평가 방법.
주행체;
상기 주행체에 회동(回動) 가능하게 지지된 선회체;
상기 선회체에 장착된 작업기; 및
프로세서;
를 구비하고,
상기 프로세서는,
상기 작업 기계의 무게중심 위치를 산출하는 무게중심 위치 계산부와,
상기 주행체의 지지 다각형의 복수의 변 각각에 대하여, 상기 작업 기계의 무게중심 위치에 기초하여 상기 변을 회전축으로 하는 경우에서의 상기 작업 기계가 전도하기 위해 필요한 에너지량을 산출하는 에너지 산출부와,
산출된 상기 변 각각에 대한 상기 에너지량에 기초하여, 상기 작업 기계의 전도의 가능성을 평가하는 평가부를 구비하는,
작업 기계.