KR20240028522A - 작업 기계를 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

작업 기계를 제어하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20240028522A
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쓰토무 이와무라
쇼 노자키
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다이시 이와나가
도모카즈 히라오
유타 우치다
유키 시마노
준 사사키
진 기타지마
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가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Abstract

계측값 취득부는 복수의 센서로부터 계측값을 취득한다. 자세 산출부는 계측값에 기초하여 차체에 대한 어태치먼트의 자세를 산출한다. 개입 제어부는, 산출한 상기 어태치먼트의 자세에 기초하여, 가상 회전축을 결정한다. 조작 신호 취득부는 조작 장치로부터 상기 지지부를 동작시키기 위한 조작 신호를 취득한다. 개입 제어부는, 산출한 어태치먼트의 자세와 지지부를 동작시키기 위한 조작 신호가 나타내는 조작량에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 가상 회전축의 축 방향을 유지시키고, 또한, 설계면과 상기 어태치먼트의 날끝이 평행으로 근접되도록, 가상축 회전 주위에 어태치먼트를 회전시키기 위한 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성한다. 출력부는, 생성한 제어 신호를 출력한다.

Description

작업 기계를 제어하기 위한 시스템 및 방법
본 개시는, 작업 기계를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본원은, 2021년 9월 30일에 일본에 출원된 특허출원 제2021-161376호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
특허문헌 1에는, 버킷의 날끝(teeth)의 각도를 경사지게 할 수 있는 틸트 버킷을 구비하는 작업 기계에 있어서, 버킷을 경사진 설계면을 따라 이동시키는 기술이 개시되어 있다. 틸트 버킷의 틸트축은 버킷의 개구 방향으로 연장된다.
국제공개 제2016/186219호
그런데, 작업 기계의 어태치먼트를 서로 직교하는 3개의 축 주위에 회전 가능하게 지지하는 틸트 로테이터(tilt rotator)라는 부품이 알려져 있다. 작업 기계에 틸트 로테이터를 장착함으로써, 어태치먼트를 임의의 방향을 향하게 할 수 있다. 그러나, 틸트 로테이터는 회전의 자유도가 높은 한편, 오퍼레이터에 의한 조작이 곤란하게 된다. 특허문헌 1에는 틸트축 주위의 동작을 자동화할 수 있지만, 틸트 로테이터를 구비하는 작업 기계의 제어는 개시되어 있지 않다.
본 개시의 목적은, 틸트 로테이터를 통하여 지지부에 지지된 어태치먼트를 구비하는 작업 기계의 조작을 지원할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 개시의 일 태양(態樣)에 의하면, 시스템은, 차체에 동작 가능하게 지지된 지지부와, 지지부의 선단에 장착된 틸트 로테이터와, 날끝을 가지고, 틸트 로테이터를 통하여 지지부에 대하여 서로 다른 평면에서 교차하는 3개의 축 주위에 회전 가능하게 지지된 어태치먼트를 구비하는 작업 기계를 제어하기 위한 시스템으로서, 프로세서를 구비한다. 프로세서는 복수의 센서로부터 계측값을 취득한다. 프로세서는 계측값에 기초하여, 차체에 대한 어태치먼트의 자세를 산출한다. 프로세서는, 산출한 어태치먼트의 자세에 기초하여, 가상 회전축을 결정한다. 프로세서는, 산출한 어태치먼트의 자세와 지지부를 동작시키기 위한 조작 신호가 나타내는 조작량에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 가상 회전축의 축 방향을 유지시키고, 또한, 설계면과 어태치먼트의 날끝이 평행으로 근접되도록, 가상 회전축 주위에 어태치먼트를 회전시키기 위한 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성하고, 생성한 제어 신호를 출력한다.
상기 태양에 의하면, 시스템은 틸트 로테이터를 통하여 지지부에 지지된 어태치먼트를 구비하는 작업 기계의 조작을 지원할 수 있다.
[도 1] 제1 실시형태에 관련된 작업 기계의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 2] 제1 실시형태에 관련된 틸트 로테이터의 구성을 나타내는 도면이다.
[도 3] 제1 실시형태에 관련된 작업 기계의 구동계를 나타내는 도면이다.
[도 4] 제1 실시형태에 관련된 제어 장치의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
[도 5] 제1 실시형태에서의 작업 기계의 개입 제어를 나타내는 플로차트(파트 1)이다.
[도 6] 제1 실시형태에서의 작업 기계의 개입 제어를 나타내는 플로차트(파트 2)이다.
[도 7] 제1 실시형태에서의 날끝 맞춤 제어를 나타내는 플로차트다.
[도 8] 제1 실시형태에서의 설계면 추종 제어를 나타내는 플로차트다.
<제1 실시형태>
《작업 기계의 구성》
이하, 도면을 참조하면서 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 제1 실시형태에 관련된 작업 기계(100)의 구성을 나타내는 개략도이다. 제1 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 예를 들면 유압 셔블이다. 작업 기계(100)는 주행체(120), 선회체(旋回體)(140), 작업기(160), 운전실(180), 제어 장치(200)를 구비한다. 제1 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는, 버킷(164)의 날끝이 설계면을 넘지 않도록 제어한다.
주행체(120)는 작업 기계(100)를 주행 가능하게 지지한다. 주행체(120)는 예를 들면 좌우 한 쌍의 무한궤도이다.
선회체(140)는 주행체(120)에 선회 중심 주위에 선회 가능하게 지지된다. 선회체(140)는 차체의 일례이다. 주행체(120)는 선회체(140)를 선회 가능하게 지지하는 기부(基部)의 일례이다.
작업기(160)는 선회체(140)에 동작 가능하게 지지된다. 작업기(160)는 유압에 의해 구동한다. 작업기(160)는 붐(161), 암(162), 틸트 로테이터(163), 및 어태치먼트인 버킷(164)을 구비한다. 붐(161)의 기단부는 선회체(140)에 회동(回動) 가능하게 장착된다. 암(162)의 기단부는 붐(161)의 선단부에 회동 가능하게 장착된다. 틸트 로테이터(163)는 암(162)의 선단부에 회동 가능하게 장착된다. 버킷(164)은 틸트 로테이터(163)에 장착된다. 버킷(164)은 틸트 로테이터(163)를 통하여 작업기(160)에 대하여 서로 다른 평면에서 교차하는 3개의 축 주위에 회전 가능하게 지지된다. 여기에서, 선회체(140) 중 작업기(160)가 장착되는 부분을 전부(前部)라고 한다. 또한, 선회체(140)에 대하여 전부를 기준으로, 반대측의 부분을 후부, 좌측의 부분을 좌부, 우측의 부분을 우부라고 한다. 붐(161)및 암(162)은 선회체(140)에 동작 가능하게 지지된 지지부의 일례이다.
도 2는, 제1 실시형태에 관련된 틸트 로테이터(163)의 구성을 나타내는 도면이다. 틸트 로테이터(163)는 버킷(164)을 지지하도록 암(162)의 선단에 장착된다. 틸트 로테이터(163)는 장착부(1631), 틸트부(1632), 회전부(1633)를 구비한다. 장착부(1631)는 도시 좌우 방향으로 연장되는 축 주위에 회전 가능하게 암(162)의 선단에 장착된다. 틸트부(1632)는 도시 전후 방향으로 연장되는 축 주위에 회전 가능하게 장착부(1631)에 장착된다. 회전부(1633)는 도시 상하 방향으로 연장되는 축 주위에 회전 가능하게 틸트부(1632)에 장착된다. 이상적으로는, 장착부(1631), 틸트부(1632), 회전부(1633)의 회전축은 서로 직교한다. 버킷(164)의 기단부는 회전부(1633)에 고정된다. 이로써, 버킷(164)은 암(162)에 대하여 서로 직교하는 3축을 중심으로 회전할 수 있다. 다만, 실제로는 장착부(1631), 틸트부(1632), 회전부(1633)의 회전축은 설계 오차를 포함하고, 반드시 직교하지 않을 가능성이 있다.
운전실(180)은 선회체(140)의 전부에 설치된다. 운전실(180) 내에는, 오퍼레이터가 작업 기계(100)를 조작하기 위한 조작 장치(271), 및 제어 장치(200)의 인간-기계 인터페이스인 모니터 장치(272)가 설치된다. 조작 장치(271)는, 오퍼레이터로부터의 주행 모터(304)의 조작량, 선회 모터(305)의 조작량, 붐 실린더(306)의 조작량, 암 실린더(307)의 조작량, 버킷 실린더(308)의 조작량, 틸트 실린더(309)의 조작량, 및 회전 모터(310)의 조작량의 입력을 접수한다. 조작 장치(271)는 작업 기계의 조작량을 나타내는 조작 신호를 출력한다. 조작 장치(271)는 오퍼레이터에 의해 조작되고, 붐(161) 및 암(162)을 동작시키기 위한 조작 신호를 출력한다. 조작 장치(271)는 오퍼레이터에 의해 조작되고, 주행체(120)에 대하여 선회체(140)를 선회시키기 위한 조작 신호를 출력한다. 조작 장치(271)는 오퍼레이터에 의해 조작되고, 틸트 로테이터(163)를 동작시키기 위한 조작 신호를 출력한다. 모니터 장치(272)는 오퍼레이터로부터의 버킷 자세 유지 모드의 설정 및 해제의 입력을 접수한다. 버킷 자세 유지 모드란, 제어 장치(200)가 자동적으로 글로벌 좌표계에서의 버킷(164)의 자세를 유지하기 위해 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310)를 제어하는 모드이다. 모니터 장치(272)는 예를 들면 터치패널을 구비하는 컴퓨터에 의해 실현된다.
제어 장치(200)는 오퍼레이터에 의한 조작 장치(271)의 조작에 기초하여, 주행체(120), 선회체(140), 및 작업기(160)를 제어한다. 제어 장치(200)는 예를 들면 운전실(180)의 내부에 설치된다.
《작업 기계(100)의 구동계》
도 3은, 제1 실시형태에 관련된 작업 기계(100)의 구동계를 나타내는 도면이다.
작업 기계(100)는 작업 기계(100)를 구동시키기 위한 복수의 액추에이터를 구비한다. 구체적으로는, 작업 기계(100)는 엔진(301), 유압 펌프(302), 컨트롤 밸브(303), 한 쌍의 주행 모터(304), 선회 모터(305), 붐 실린더(306), 암 실린더(307), 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309), 회전 모터(310)를 구비한다.
엔진(301)은 유압 펌프(302)를 구동하는 원동기다.
유압 펌프(302)는 엔진(301)에 의해 구동되고, 컨트롤 밸브(303)를 통하여 주행 모터(304), 선회 모터(305), 붐 실린더(306), 암 실린더(307) 및 버킷 실린더(308)에 작동유를 공급한다.
컨트롤 밸브(303)는 유압 펌프(302)로부터 주행 모터(304), 선회 모터(305), 붐 실린더(306), 암 실린더(307) 및 버킷 실린더(308)에 공급되는 작동유의 유량을 제어한다.
주행 모터(304)는 유압 펌프(302)로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되고, 주행체(120)를 구동한다.
선회 모터(305)는 유압 펌프(302)로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되고, 주행체(120)에 대하여 선회체(140)를 선회시킨다.
붐 실린더(306)는 붐(161)을 구동시키기 위한 유압 실린더다. 붐 실린더(306)의 기단부는 선회체(140)에 장착된다. 붐 실린더(306)의 선단부는 붐(161)에 장착된다.
암 실린더(307)는 암(162)을 구동시키기 위한 유압 실린더다. 암 실린더(307)의 기단부는 붐(161)에 장착된다. 암 실린더(307)의 선단부는 암(162)에 장착된다.
버킷 실린더(308)는 틸트 로테이터(163) 및 버킷(164)을 구동시키기 위한 유압 실린더다. 버킷 실린더(308)의 기단부는 암(162)에 장착된다. 버킷 실린더(308)의 선단부는 링크 부재를 통하여 틸트 로테이터(163)에 장착된다.
틸트 실린더(309)는 틸트부(1632)를 구동시키기 위한 유압 실린더다. 틸트 실린더(309)의 기단부는 장착부(1631)에 장착된다. 틸트 실린더(309)의 선단부는 틸트부(1632)에 장착된다.
회전 모터(310)는 회전부(1633)를 구동시키기 위한 유압 모터이다. 회전 모터(310)의 브래킷 및 고정자는 틸트부(1632)에 고정된다. 회전 모터(310)의 회전축 및 회전자는 도시 상하 방향으로 연장되도록 설치되고, 회전부(1633)에 고정된다.
《작업 기계(100)의 계측계》
작업 기계(100)는 작업 기계(100)의 자세, 방위 및 위치를 계측하기 위한 복수의 센서를 구비한다. 구체적으로는, 작업 기계(100)는 경사 계측기(401), 위치 방위 계측기(402), 붐각 센서(403), 암각 센서(404), 버킷각 센서(405), 틸트각 센서(406), 회전각 센서(407)를 구비한다.
경사 계측기(401)는 선회체(140)의 자세를 계측한다. 경사 계측기(401)는 수평면에 대한 선회체(140)의 경사(예를 들면, 롤각, 피치각 및 편주각)을 계측한다. 경사 계측기(401)의 예로서는, IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 계측 장치)를 들 수 있다. 이 경우, 경사 계측기(401)는 선회체(140)의 가속도 및 각속도를 계측하고, 계측 결과에 기초하여 수평면에 대한 선회체(140)의 경사를 산출한다. 경사 계측기(401)는 예를 들면 운전실(180)의 하방에 설치된다. 경사 계측기(401)는, 계측값인 선회체(140)의 자세 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
위치 방위 계측기(402)는, GNSS(Global Navigation Satellite System)에 의해 선회체(140)의 대표점의 위치 및 선회체(140)가 향하는 방위를 계측한다. 위치 방위 계측기(402)는 예를 들면 선회체(140)에 장착된 도시하지 않은 2개의 GNSS 안테나를 구비하고, 2개의 안테나의 위치를 연결하는 직선에 직교하는 방위를 작업 기계(100)가 향하는 방위로서 검출한다. 위치 방위 계측기(402)는 계측값인 선회체(140)의 위치 데이터 및 방위 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
붐각 센서(403)는 선회체(140)에 대한 붐(161)의 각도인 붐각을 계측한다. 붐각 센서(403)는 붐(161)에 장착된 IMU이면 된다. 이 경우, 붐각 센서(403)는, 붐(161)의 수평면에 대한 경사와 경사 계측기(401)가 계측한 선회체의 경사에 기초하여, 붐각을 계측한다. 붐각 센서(403)의 계측값은, 예를 들면 붐(161)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향이 선회체(140)의 전후 방향과 일치할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태 관련된 붐각 센서(403)는 붐 실린더(306)에 장착된 스트로크 센서라도 된다. 또한, 다른 실시형태에 관련된 붐각 센서(403)는, 선회체(140)와 붐(161)을 회전 가능하게 접속하는 간접 축에 설치된 회전 센서라도 된다. 붐각 센서(403)는 계측값인 붐각 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
암각 센서(404)는 붐(161)에 대한 암(162)의 각도인 암각을 계측한다. 암각 센서(404)는 암(162)에 장착된 IMU이면 된다. 이 경우, 암각 센서(404)는 암(162)의 수평면에 대한 경사와 붐각 센서(403)가 계측한 붐각에 기초하여, 암각을 계측한다. 암각 센서(404)의 계측값은, 예를 들면 암(162)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향이 붐(161)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향과 일치할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 암각 센서(404)는, 암 실린더(307)에 스트로크 센서를 설치하여 각도의 산출을 행해도 된다. 또한, 다른 실시형태에 관련된 암각 센서(404)는, 붐(161)과 암(162)을 회전 가능하게 접속하는 관절축에 설치된 회전 센서라도 된다. 암각 센서(404)는 계측값인 암각 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
버킷각 센서(405)는 암(162)에 대한 틸트 로테이터(163)의 각도인 버킷각을 계측한다. 버킷각 센서(405)는 버킷 실린더(308)에 설치된 스트로크 센서이면 된다. 이 경우, 버킷각 센서(405)는 버킷 실린더(308)의 스트로크량에 기초하여 버킷각을 계측한다. 버킷각 센서(405)의 계측값은, 예를 들면 버킷(164)의 기단과 날끝을 통과하는 직선의 방향이 암(162)의 기단과 선단을 통과하는 직선의 방향과 일치할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 버킷각 센서(405)는, 암(162)과 틸트 로테이터(163)의 장착부(1631)를 회전 가능하게 접속하는 관절축에 설치된 회전 센서라도 된다. 또한, 다른 실시형태에 관련된 버킷각 센서(405)는 버킷(164)에 장착된 IMU라도 된다. 버킷각 센서(405)는 계측값인 버킷각 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
틸트각 센서(406)는 틸트 로테이터(163)의 장착부(1631)에 대한 틸트부(1632)의 각도인 틸트각을 계측한다. 틸트각 센서(406)는 장착부(1631)와 틸트부(1632)를 회전 가능하게 접속하는 관절축에 설치된 회전 센서이면 된다. 틸트각 센서(406)의 계측값은, 예를 들면 암(162)의 회전축과 회전부(1633)의 회전축이 직교할 때 제로를 나타낸다. 그리고, 다른 실시형태에 관련된 틸트각 센서(406)는 틸트 실린더(309)에 스트로크 센서를 설치하여 각도의 산출을 행해도 된다. 틸트각 센서(406)는 계측값인 틸트각 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
회전각 센서(407)는 틸트 로테이터(163)의 틸트부(1632)에 대한 회전부(1633)의 각도인 회전각을 계측한다. 회전각 센서(407)는 회전 모터(310)에 설치된 회전 센서이면 된다. 틸트각 센서(406)의 계측값은 예를 들면, 버킷(164)의 날끝이 향하는 방향과 작업기(160)의 동작 평면이 평행하게 될 때 제로를 나타낸다. 회전각 센서(407)는 계측값인 회전각 데이터를 제어 장치(200)에 출력한다.
《제어 장치(200)의 구성》
도 4는, 제1 실시형태에 관련된 제어 장치(200)의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
제어 장치(200)는 프로세서(210), 메인 메모리(230), 스토리지(250), 인터페이스(270)를 구비하는 컴퓨터이다. 제어 장치(200)는 제어 시스템의 일례이다. 제어 장치(200)는 경사 계측기(401), 위치 방위 계측기(402), 붐각 센서(403), 암각 센서(404), 버킷각 센서(405), 틸트각 센서(406) 및 회전각 센서(407)로부터 계측값을 수신한다.
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(200)의 버스에 직접 접속된 내부 미디어라도 되고, 인터페이스(270) 또는 통신 회선을 통하여 제어 장치(200)에 접속되는 외부 미디어라도 된다. 조작 장치(271) 및 모니터 장치(272)는 인터페이스(270)를 통하여 프로세서(210)에 접속된다.
스토리지(250)는 작업 기계(100)를 제어하기 위한 제어 프로그램을 기억한다. 제어 프로그램은 제어 장치(200)에 발휘시키는 기능의 일부를 실현하기 위한 것이라도 된다. 예를 들면, 제어 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(200)는 상기 구성에 더하여, 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, 선회체(140), 붐(161), 암(162) 및 버킷(164)의 치수 및 무게중심 위치를 표시하는 기하학적 데이터(geometric data)가 기록된다. 기하학적 데이터는 소정의 좌표계에서의 물체의 위치를 표시하는 데이터다. 또한 스토리지(250)에는, 글로벌 좌표계에서의 시공 현장의 설계면의 형상을 나타내는 3차원 데이터인 설계면 데이터가 기록된다. 글로벌 좌표계는, 위선 방향으로 연장되는 Xg축, 경선 방향으로 연장되는 Yg축, 연직 방향으로 연장되는 Zg축으로 구성되는 좌표계다. 설계면 데이터는, 예를 들면 TIN(Triangular Irregular Networks) 데이터에 의해 표시된다.
《소프트웨어 구성》
프로세서(210)는 제어 프로그램을 실행함으로써, 조작 신호 취득부(211), 입력부(212), 표시 제어부(213), 계측값 취득부(214), 위치 자세 산출부(215), 개입 판정부(216), 개입 제어부(217), 제어 신호 출력부(218)를 구비한다.
조작 신호 취득부(211)는 조작 장치(271)로부터 각 액추에이터의 조작량을 나타내는 조작 신호를 취득한다.
입력부(212)는 모니터 장치(272)로부터 오퍼레이터에 의한 조작 입력을 접수한다.
표시 제어부(213)는 모니터 장치(272)에 표시시키는 화면 데이터를 모니터 장치(272)에 출력한다.
계측값 취득부(214)는 경사 계측기(401), 위치 방위 계측기(402), 붐각 센서(403), 암각 센서(404), 버킷각 센서(405), 틸트각 센서(406) 및 회전각 센서(407)로부터 계측값을 취득한다.
위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 각종 계측값과 스토리지(250)에 기록된 기하학적 데이터에 기초하여, 글로벌 좌표계 및 차체 좌표계에서의 작업 기계(100)의 위치를 산출한다. 예를 들면 위치 자세 산출부(215)는 글로벌 좌표계 및 차체 좌표계에서의 버킷(164)의 날끝의 위치를 산출한다. 차체 좌표계란, 선회체(140)의 대표점(예를 들면, 선회 중심을 통과하는 점)을 원점으로 하는 직교 좌표계다. 위치 자세 산출부(215)의 계산에 대해서는 후술한다. 위치 자세 산출부(215)는 선회체(140)에 대한 버킷(164)의 자세를 산출하는 자세 산출부의 일례이다.
개입 판정부(216)는, 위치 자세 산출부(215)가 산출한 버킷(164)의 날끝의 위치와 설계면 데이터가 나타내는 설계면의 위치 관계에 기초하여, 작업기(160)의 속도를 제한할지의 여부를 판정한다. 이하, 제어 장치(200)가 작업기(160)의 속도를 제한하는 것을 개입 제어라고도 한다. 구체적으로는, 개입 판정부(216)는 설계면과 버킷(164)의 최단 거리를 구하고, 해당 최단 거리가 소정 거리 이하인 경우에, 작업기(160)에 대하여 개입 제어를 한다고 판정한다.
개입 제어부(217)는, 개입 판정부(216)에 의해 개입 제어를 행한다고 판정된 경우에, 조작 신호 취득부(211)가 취득한 조작량 중 개입 대상의 조작량을 제어한다. 개입 제어에 있어서 개입 제어부(217)는, 설계선에 작업기(160)가 침입하지 않도록, 붐(161)의 조작량을 제어한다. 이로써, 버킷(164)의 속도가 버킷(164)과 설계선의 거리에 따른 속도로 되도록, 붐(161)이 작동한다. 즉 개입 제어부(217)는, 오퍼레이터가 암(162)을 조작하여 굴삭 작업을 행할 때, 설계면에 따라 붐(161)을 상승시킴으로써 버킷(164)의 날끝의 속도를 제한한다.
제어 신호 출력부(218)는, 조작 신호 취득부(211)가 취득한 조작량, 또는 개입 제어부(217)에 의해 제어된 조작량을 컨트롤 밸브(303)에 출력한다.
《위치 자세 산출부(215)의 계산》
여기에서, 위치 자세 산출부(215)에 의한 작업 기계(100)의 외각(外殼)의 점의 위치의 산출 방법을 설명한다. 위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 각종 계측값과 스토리지(250)에 기록된 기하학적 데이터에 기초하여 외각의 점의 위치를 산출한다. 스토리지(250)에는, 선회체(140), 붐(161), 암(162), 틸트 로테이터(163)(장착부(1631), 틸트부(1632) 및 회전부(1633)) 및 버킷(164)의 치수를 표시하는 기하학적 데이터가 기록된다.
선회체(140)의 기하학적 데이터는, 로컬 좌표계인 차체 좌표계에 있어서, 선회체(140)가 붐(161)을 지지하는 관절축의 중심 위치(xbm, ybm, zbm)를 나타낸다. 차체 좌표계는, 선회체(140)의 선회 중심을 기준으로 하여 전후 방향으로 연장되는 Xsb축, 좌우 방향으로 연장되는 Ysb축, 상하 방향으로 연장되는 Zsb축으로 구성되는 좌표계다. 그리고, 선회체(140)의 상하 방향은 반드시 연직 방향과 일치하지 않는다.
붐(161)의 기하학적 데이터는, 로컬 좌표계인 붐 좌표계에 있어서, 붐(161)이 암(162)을 지지하는 관절축의 위치(xam, yam, zam)를 나타낸다. 붐 좌표계는 선회체(140)와 붐(161)을 접속하는 관절축의 중심 위치를 기준으로 하여, 길이 방향으로 연장되는 Xbm축, 관절축이 연장되는 방향으로 연장되는 Ybm축, Xbm축과 Ybm축에 직교하는 Zbm축으로 구성되는 좌표계다.
암(162)의 기하학적 데이터는, 로컬 좌표계인 암 좌표계에 있어서, 암(162)이, 틸트 로테이터(163)의 장착부(1631)를 지지하는 관절축의 위치(xt1, yt1, zt1)를 나타낸다. 암 좌표계는 붐(161)과 암(162)을 접속하는 관절축의 중심 위치를 기준으로 하여, 길이 방향으로 연장되는 Xam축, 관절축이 연장되는 방향으로 연장되는 Yam축, Xam축과 Yam축에 직교하는 Zam축으로 구성되는 좌표계다.
틸트 로테이터(163)의 장착부(1631)의 기하학적 데이터는, 로컬 좌표계인 제1 틸트 로테이트 좌표계에 있어서, 장착부(1631)가 틸트부(1632)를 지지하는 관절축의 위치(xt2, yt2, zt2)와 관절축의 경사(φt)를 나타낸다. 관절축의 경사 φt는 틸트 로테이터(163)의 설계 오차에 관련된 각도이며, 틸트 로테이터(163)의 교정(calibration) 등에 의해 구해진다. 제1 틸트 로테이트 좌표계는, 암(162)과 장착부(1631)를 접속하는 관절축의 중심 위치를 기준으로 하여, 암(162)과 장착부(1631)를 접속하는 관절축이 연장되는 방향으로 연장되는 Yt1축, 장착부(1631)와 틸트부(1632)를 접속하는 관절축이 연장되는 방향으로 연장되는 Zt1축, 및 Yt1축과 Zt1축에 직교하는 Xt1축으로 구성되는 좌표계다.
틸트 로테이터(163)의 틸트부(1632)의 기하학적 데이터는, 로컬 좌표계인 제2 틸트 로테이트 좌표계에서의 회전 모터(310)의 회전축의 선단 위치(xt3, yt3, zt3)와 회전축의 경사(φr)를 나타낸다. 회전축의 경사 φr은 틸트 로테이터(163)의 설계 오차에 관련된 각도이며, 틸트 로테이터(163)의 교정 등에 의해 구해진다. 제2 틸트 로테이트 좌표계는, 장착부(1631)와 틸트부(1632)를 접속하는 관절축의 중심 위치를 기준으로 하여, 장착부(1631)와 틸트부(1632)를 접속하는 관절축이 연장되는 방향으로 연장되는 Xt2축, 회전 모터(310)의 회전축이 연장되는 방향으로 연장되는 Zt2축, 및 Xt2축과 Zt2축에 직교하는 Yt2축으로 구성되는 좌표계다.
틸트 로테이터(163)의 회전부(1633)의 기하학적 데이터는, 로컬 좌표계인 제3 틸트 로테이트 좌표계에서의 버킷(164)의 장착면의 중심 위치(xt4, yt4, zt4)를 나타낸다. 제3 틸트 로테이트 좌표계는 버킷(164)의 장착면의 중심 위치를 기준으로 하여, 회전 모터(310)의 회전축이 연장되는 방향으로 연장되는 Zt3축, 회전축에 직교하는 Xt3축 및 Yt3축으로 구성되는 좌표계다. 그리고, 버킷(164)은, 날끝이 Yt3축과 평행하게 되도록 회전부(1633)에 장착된다.
버킷(164)의 기하학적 데이터는, 제3 틸트 로테이트 좌표계에서의 버킷(164)의 복수의 윤곽점의 위치(xbk, ybk, zbk)를 나타낸다. 윤곽점의 예로서는, 버킷(164)의 날끝의 양단 및 중앙의 위치, 버킷(164)의 바닥부의 양단 및 중앙의 위치, 및 버킷(164)의 뒷부분(heel portion)의 양단 및 중앙의 위치를 들 수 있다.
위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 붐각 θbm의 계측값과, 선회체(140)의 기하학적 데이터에 기초하여, 하기 식(1)에 의해, 붐 좌표계로부터 차체 좌표계로 변환하기 위한 붐-차체 변환 행렬 Tbm sb를 생성한다. 붐-차체 변환 행렬 Tbm sb는, Ybm축 주위에 붐각 θbm만큼 회전시키고, 또한 차체 좌표계의 원점과 붐 좌표계의 원점의 편차(xbm, ybm, zbm)만큼 평행 이동시키는 행렬이다.
[수 1]
위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 암각 θam의 계측값과, 붐(161)의 기하학적 데이터에 기초하여, 하기 식(2)에 의해, 암 좌표계로부터 붐 좌표계로 변환하기 위한 암-붐 변환 행렬 Tam bm을 생성한다. 암-붐 변환 행렬 Tam bm은, Yam축 주위에 암각 θam만큼 회전시키고, 또한 붐 좌표계의 원점과 암 좌표계의 원점의 편차(xam, yam, zam)만큼 평행 이동시키는 행렬이다. 또한, 위치 자세 산출부(215)는, 붐-차체 변환 행렬 Tbm sb와 암-붐 변환 행렬 Tam bm의 곱을 구함으로써, 암 좌표계로부터 차체 좌표계로 변환하기 위한 암-차체 변환 행렬 Tam sb를 생성한다.
[수 2]
위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 버킷각 θbk의 계측값과, 암(162)의 기하학적 데이터에 기초하여, 하기 식(3)에 의해, 제1 틸트 로테이트 좌표계로부터 암 좌표계로 변환하기 위한 제1 틸트-암 변환 행렬 Tt1 am을 생성한다. 제1 틸트-암 변환 행렬 Tt1 am은 Yt1축 주위에 버킷각 θbk만큼 회전시키고, 또한 암 좌표계의 원점과 제1 틸트 로테이트 좌표계의 원점의 편차(xt1, yt1, zt1)만큼 평행 이동시키고, 틸트부(1632)의 관절축의 경사 φt만큼 더 기울게 하는 행렬이다. 또한, 위치 자세 산출부(215)는, 암-차체 변환 행렬 Tam sb와 제1 틸트-암 변환 행렬 Tt1 am의 곱을 구함으로써, 제1 틸트 로테이트 좌표계로부터 차체 좌표계로 변환하기 위한 제1 틸트-차체 변환 행렬 Tt1 sb를 생성한다.
[수 3]
위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 틸트각 θt의 계측값과, 틸트 로테이터(163)의 기하학적 데이터에 기초하여, 하기 식(4)에 의해, 제1 틸트 로테이트 좌표계로부터 제2 틸트 로테이트 좌표계로 변환하기 위한 제2 틸트-제1 틸트 변환 행렬 Tt2 t1을 생성한다. 제2 틸트-제1 틸트 변환 행렬 Tt2 t1은, Xt2축 주위에 틸트각 θt만큼 회전시키고, 또한 제1 틸트 로테이트 좌표계의 원점과 제2 틸트 로테이트 좌표계의 원점의 편차(xt2, yt2, zt2)만큼 평행 이동시키고, 회전부(1633)의 회전축의 경사 φr만큼 더 기울게 하는 행렬이다. 또한, 위치 자세 산출부(215)는 제1 틸트-차체 변환 행렬 Tt1 sb와 제2 틸트-제1 틸트 변환 행렬 Tt2 t1의 곱을 구함으로써, 제2 틸트 로테이트 좌표계로부터 차체 좌표계로 변환하기 위한 제2 틸트-차체 변환 행렬 Tt2 sb를 생성한다.
[수 4]
위치 자세 산출부(215)는, 계측값 취득부(214)가 취득한 로테이트 각 θr의 계측값과, 틸트 로테이터(163)의 기하학적 데이터에 기초하여, 하기 식(5)에 의해, 제2 틸트 로테이트 좌표계로부터 제3 틸트 로테이트 좌표계로 변환하기 위한 제3 틸트-제2 틸트 변환 행렬 Tt3 t2를 생성한다. 제3 틸트-제2 틸트 변환 행렬 Tt3 t2는 Zt3축 주위에 회전각 θr만큼 회전시키고, 또한 제2 틸트 로테이트 좌표계의 원점과 제3 틸트 로테이트 좌표계의 원점의 편차(xt3, yt3, zt3)만큼 평행 이동시키는 행렬이다. 또한, 위치 자세 산출부(215)는, 제2 틸트-차체 변환 행렬 Tt2 sb와 제3 틸트-제2 틸트 변환 행렬 Tt3 t2의 곱을 구함으로써, 제3 틸트 로테이트 좌표계로부터 차체 좌표계로 변환하기 위한 제3 틸트-차체 변환 행렬 Tt3 sb를 생성한다.
[수 5]
위치 자세 산출부(215)는, 버킷(164)의 장착면의 중심 위치(xt4, yt4, zt4)와 버킷(164)의 기하학적 데이터가 나타내는 제3 틸트 로테이트 좌표계에서의 복수의 윤곽점의 위치(xbk, ybk, zbk)의 합과, 제3 틸트-차체 변환 행렬 Tbk sb의 곱을 구함으로써, 차체 좌표계에서의 버킷(164)의 복수의 윤곽점의 위치를 구할 수 있다.
그런데, 작업 기계(100)의 접지면에 대한 버킷(164)의 날끝의 각도, 즉 차체 좌표계의 Xsb-Ysb 평면과 제3 틸트 로테이트 좌표계의 Yt3축이 이루는 각은, 붐각 θbm, 암각 θam, 버킷각 θbk, 틸트각 θt 및 로테이트 각 θr에 의해 정해진다. 그래서, 위치 자세 산출부(215)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 버킷(164)의 기단부, 즉 틸트 로테이터(163)에서의 버킷(164)의 장착면의 중심 위치를 기점(起點)으로 하는 버킷 좌표계를 특정한다. 버킷 좌표계는, 버킷(164)의 날끝이 향하는 방향으로 연장되는 Xbk축, Xbk축에 직교하고 또한 버킷(164)의 날끝을 따라 연장되는 Ybk축, 및 Xbk축 및 Ybk축에 직교하는 Zbk축으로 구성되는 직교 좌표계다. 이하, Xbk축을 버킷 틸트축, Ybk축을 버킷 피치축, Zbk축을 버킷 회전축이라고도 한다. 버킷 틸트축 Xbk, 버킷 피치축 Ybk 및 버킷 회전축 Zbk는 가상적인 축이며, 틸트 로테이터(163)의 관절축과는 상이하다. 그리고, 회전 모터(310)의 회전축의 경사가 제로인 경우, 버킷 좌표계와 제3 틸트 로테이트 좌표계는 일치한다.
위치 자세 산출부(215)는 틸트 로테이터(163)의 기하학적 데이터에 기초하여, 하기 식(6)에 의해, 제3 틸트 로테이트 좌표계로부터 버킷 좌표계로 변환하기 위한 버킷-제3 틸트 변환 행렬 Tbk t3을 생성한다. 버킷-제3 틸트 변환 행렬 Tbk t3은 Yt3축 주위에 회전축의 경사 φr만큼 회전시키는 행렬이다.
[수 6]
《작업 기계(100)의 제어 방법》
이하, 제1 실시형태에 관련된 작업 기계(100)의 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 5, 도 6은, 제1 실시형태에서의 작업 기계(100)의 개입 제어를 나타내는 플로차트다. 작업 기계(100)의 오퍼레이터가 작업 기계(100)의 조작을 개시하면, 제어 장치(200)는, 이하에 나타내는 제어를 소정의 제어 주기(예를 들면, 1000밀리초)마다 실행한다.
계측값 취득부(214)는 경사 계측기(401), 위치 방위 계측기(402), 붐각 센서(403), 암각 센서(404), 버킷각 센서(405), 틸트각 센서(406) 및 회전각 센서(407)의 계측값을 취득한다(스텝 S101).
위치 자세 산출부(215)는 스텝 S101에서 취득한 계측값에 기초하여 차체 표준계에서의 버킷(164)의 복수의 윤곽점의 위치를 산출한다(스텝 S102). 또한 위치 자세 산출부(215)는 스텝 S101에서 취득한 계측값에 기초하여 차체 좌표계에서의 버킷의 자세를 산출한다(스텝 S103). 차체 좌표계에서의 버킷의 자세는 차체 좌표계에서의 버킷 좌표계의 각 축(Xbk, Ybk, Zbk)의 방향을 나타내는 자세 행렬 Rcur에 의해 표시된다. 버킷(164)의 자세를 표시하는 자세 행렬 Rcur의 평행 이동 성분은 모두 제로로 한다.
다음으로, 개입 판정부(216)는, 스텝 S101에서 취득한 경사 계측기(401) 및 위치 방위 계측기(402)의 계측값에 기초하여, 스토리지(250)에 기록된 설계면 데이터를 회전 및 평행 이동시킴으로써, 글로벌 좌표계에서 표시된 설계면의 위치를 차체 좌표계의 위치로 변환한다(스텝 S104). 개입 판정부(216)는, 스텝 S102에서 산출한 차체 좌표계에서의 버킷(164)의 복수의 윤곽점의 위치와, 스텝 S104에서 변환한 차체 좌표계에서의 설계면의 위치에 기초하여, 버킷(164)의 복수의 윤곽점 중, 가장 설계면과의 거리가 가까운 것을 제어점으로서 특정한다(스텝 S105). 개입 판정부(216)는, 설계면 데이터에 있어서 스텝 S105에서 특정한 제어점의 연직 하방에 위치하는 설계면(폴리곤)을 특정한다(스텝 S106). 개입 판정부(216)는, 제어점을 통과하는 버킷 좌표계의 Xbk-Zbk 평면에 평행한 면과, 스텝 S106에서 특정한 설계면의 교선(交線)인 제1 설계선을 산출한다(스텝 S107). 또한 개입 판정부(216)는, 제어점을 통과하는 버킷 좌표계의 Ybk-Zbk 평면에 평행한 면과 설계면의 교선인 제2 설계선을 산출한다(스텝 S108).
다음으로, 개입 판정부(216)는, 제어점과 제1 설계선의 거리가 개입 임계값 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S109). 제어점과 제1 설계선의 거리가 개입 임계값 이하인 경우(스텝 S109: YES), 개입 판정부(216)는, 조작 신호 취득부(211)가 취득한 조작 장치(271)로부터의 조작 신호에 기초하여, 붐(161) 이외의 조작을 접수했는지의 여부를 판정한다(스텝 S110). 개입 판정부(216)가 붐(161)의 조작만을 접수했다고 판정한 경우, 또는 조작을 접수하고 있지 않다고 판정한 경우(스텝 S110: NO), 오퍼레이터가 버킷(164)의 날끝을 설계면에 어프로치하는 의사를 가지고 있는 것이 추측되므로, 개입 제어부(217)는, 후술하는 날끝 맞춤 제어를 행함으로써 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310)의 제어 신호를 생성한다(스텝 S111).
한편, 개입 판정부(216)가 붐(161) 이외의 조작을 접수했다고 판정한 경우(스텝 S110: YES), 개입 판정부(216)는, 조작 신호 취득부(211)가 취득한 조작 장치(271)로부터의 조작 신호에 기초하여, 선회 모터(305) 및 암(162) 이외의 조작을 접수했는지의 여부를 판정한다(스텝 S112). 개입 판정부(216)가 선회 모터(305) 및 암(162) 이외의 조작을 접수하고 있지 않다고 판정한 경우(스텝 S112: NO), 오퍼레이터가 시공 현장을 설계면을 따라 굴삭하는 의사를 가지고 있는 것이 추측되므로, 개입 제어부(217)는 후술하는 설계면 추종 제어를 행함으로써 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310)의 제어 신호를 생성한다(스텝 S113).
제어점과 제1 설계선의 거리가 개입 임계값 이하인 경우, 개입 제어부(217)는 제어점과 제1 설계선의 거리와 미리 정해진 제한 속도 테이블에 기초하여 버킷(164)의 날끝의 제한 속도를 특정한다(스텝 S114). 제한 속도 테이블은, 날끝과 설계선의 거리와, 날끝의 제한 속도와의 관계를 나타내는 함수로서, 거리가 짧을 수록 제한 속도가 작아지는 함수이다. 개입 제어부(217)는, 날끝의 속도가 스텝 S114에서 특정한 제한 속도를 초과하는지의 여부를 판정한다(스텝 S115). 날끝의 속도가 제한 속도를 초과하는 경우(스텝 S115: YES), 개입 제어부(217)는 날끝의 속도를 제한 속도와 일치시키기 위한 붐(161)의 속도를 산출하고, 붐 실린더(306)의 제어 신호를 생성한다(스텝 S116). 날끝의 속도가 제한 속도를 초과하지 않는 경우(스텝 S115: NO), 개입 제어부(217)는 붐 실린더(306)에 대한 개입 제어를 행하지 않는다.
그리고, 제어 신호 출력부(218)는, 개입 제어부(217)가 생성한 제어 신호가 없는 액추에이터에 대하여, 조작 신호 취득부(211)가 취득한 조작 장치(271)로부터의 조작 신호가 나타내는 조작량에 따른 제어 신호를 생성하고, 각 액추에이터의 제어 신호를 컨트롤 밸브(303)에 출력한다(스텝 S117).
《날끝 맞춤 제어》
도 7은, 제1 실시형태에서의 날끝 맞춤 제어를 나타내는 플로차트다.
날끝 맞춤 제어는 버킷(164)의 날끝과 설계면을 평행으로 근접시키는 제어이다. 구체적으로는, 날끝 맞춤 제어는, 버킷(164)의 날끝이 향하는 방향으로 연장되는 버킷 틸트축 Xbk를 가상적인 회전축으로서 결정하고, 버킷 틸트축 Xbk에 직교하고 또한 버킷(164)의 날끝을 따라 연장되는 버킷 피치축 Ybk와 설계면이 평행으로 근접되도록, 적어도 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310) 중 어느 하나를 작동시키는 제어이다. 날끝 맞춤 제어에서는, 버킷 틸트축 Xbk 주위에 버킷(164)을 회전시킨다. 그러므로, 개입 제어부(217)는, 버킷 좌표계의 버킷 피치축 Ybk 주위의 각도 및 버킷 회전축 Zbk 주위의 각도를 유지한 채, 버킷(164)의 날끝과 제2 설계선을 평행으로 근접시키기 위한 버킷각의 목표값 θbk_tgt, 틸트각의 목표값 θt_tgt 및 회전각의 목표값 θr_tgt를 구한다. 구체적으로는, 개입 제어부(217)는 이하의 순서로 버킷각 θbk, 틸트각 θt 및 회전각을 θr의 목표값을 구한다.
개입 제어부(217)는, 버킷 좌표계의 버킷 피치축 Ybk와 스텝 S108에서 구한 제2 설계선이 이루는 각과 미리 정해진 버킷 틸트 테이블에 기초하여, 버킷 틸트축Xbk 주위의 각속도의 목표값 θbk_t_tgt를 결정한다(스텝 S301). 각속도의 목표값 θbk_t_tgt는 단위 시간당의 회전 각도로 표시된다. 버킷 틸트 테이블은, 버킷 피치축 Ybk와 설계선이 이루는 각과, 버킷 틸트축 Xbk 주위의 각속도의 관계를 나타내는 함수로서, 각도가 작을수록 각속도가 작아지는 함수이다. 개입 제어부(217)는, 하기 식(7)에 의해 각속도의 목표값 θbk_t_tgt를 표시하는 버킷 좌표계의 회전 행렬 Rbk_t bk를 작성한다(스텝 S302).
[수 7]
개입 제어부(217)는, 스텝 S103에서 산출한 현재의 버킷(164)의 자세를 표시하는 행렬 Rcur에 회전 행렬 Rbk_t bk를 곱셈함으로써, 단위시간 후의 버킷(164)의 목표 자세 Rtgt를 산출한다(스텝 S303). 개입 제어부(217)는, 버킷(164)의 현재의 자세 Rcur과 단위시간 후의 버킷(164)의 목표 자세 Rtgt에 기초하여, 식(8)-(10)에 의해 버킷각 θbk, 틸트각 θt 및 회전각 θr의 목표값을 구한다(스텝 S304).
[수 8]
[수 9]
[수 10]
식(8)-(10)에 의하면, 개입 제어부(217)는, 현재의 버킷(164)의 자세 Rcur과 버킷(164)의 목표 자세 Rtgt의 차분을 상쇄하기 위한 각속도 θbk_tgt, θt_tgt, θr_tgt를 구할 수 있다. 개입 제어부(217)는 스텝 S304에서 구한 각속도의 목표값에 기초하여, 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310)의 제어 신호를 생성한다(스텝 S305).
《설계면 추종 제어》
도 8은, 제1 실시형태에서의 설계면 추종 제어를 나타내는 플로차트다.
설계면 추종 제어는, 굴삭이나 정지(整地) 작업 중에 버킷(164)의 날끝을 설계면에 추종시키는 제어이다. 구체적으로는, 설계면 추종 제어는, 버킷(164)의 날끝이 향하는 방향으로 연장되는 버킷 틸트축 Xbk를 가상적인 회전축으로서 결정하고, 글로벌 좌표계에서의 버킷 틸트축 Xbk의 축 방향을 유지하면서, 버킷 틸트축 Xbk에 직교하고 또한 버킷(164)의 날끝을 따라 연장되는 버킷 피치축 Ybk와 설계면이 평행으로 근접되도록, 적어도 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310) 중 어느 하나를 작동시키는 제어이다. 설계면 추종 제어에서는, 글로벌 좌표계에서의 버킷 틸트축 Xbk의 축 방향을 유지하면서, 버킷 틸트축 Xbk 주위에 버킷(164)을 회전시킨다. 그러므로, 개입 제어부(217)는, 오퍼레이터에 의한 작업 기계(100)의 조작에 의한 글로벌 좌표계에 대한 개구 방향의 변화를 취소하면서, 버킷 틸트축 Xbk 주위의 회전에 의해 버킷(164)의 날끝과 제2 설계선을 평행으로 근접시키기 위한 버킷각의 목표값 θbk_tgt, 틸트각의 목표값 θt_tgt 및 회전각의 목표값 θr_tgt를 구한다. 구체적으로는, 개입 제어부(217)는 이하의 순서로 버킷각 θbk, 틸트각 θt 및 회전각을 θr의 목표값을 구한다.
개입 제어부(217)는, 조작 신호 취득부(211)가 취득한 선회 모터(305) 및 암 실린더(307)의 조작량, 및 계측값 취득부(214)가 취득한 경사 계측기(401)의 계측값에 기초하여, 스텝 S103에서 산출한 현재의 버킷(164)의 자세를 표시하는 행렬을 회전시킴으로써, 단위시간(제어 주기) 후의 버킷(164)의 자세를 표시하는 자세 행렬 Rman을 구한다(스텝 S401).
다음으로, 개입 제어부(217)는, 버킷 좌표계의 버킷 피치축 Ybk와 스텝 S108에서 구한 제2 설계선이 이루는 각과 미리 정해진 버킷 틸트 테이블에 기초하여, 버킷 틸트축 Xbk 주위의 각속도의 목표값 θbk_t_tgt를 결정한다(스텝 S402). 개입 제어부(217)는, 식(7)에 의해 각속도의 목표값 θbk_t_tgt를 표시하는 버킷 좌표계의 회전 행렬 Rbk_t bk를 작성한다(스텝 S403).
개입 제어부(217)는, 스텝 S401에서 산출한 단위시간(제어 주기) 후의 버킷(164)의 자세를 표시하는 자세 행렬 Rman에 회전 행렬 Rbk_t bk를 곱셈함으로써, 단위시간 후의 버킷(164)의 목표 자세 Rtgt를 산출한다(스텝 S404). 개입 제어부(217)는, 자세 행렬 Rman과 목표 자세 Rtgt에 기초하여, 식(11)-(13)에서 의해 버킷각 θbk, 틸트각 θt 및 회전각 θr의 목표값을 구한다(스텝 S405).
[수 11]
[수 12]
[수 13]
식(11)-(13)에 의하면, 개입 제어부(217)는, 현재의 버킷(164)의 자세 Rcur과 버킷(164)의 목표 자세 Rtgt의 차분을 상쇄하기 위한 각속도 θbk_tgt, θt_tgt, θr_tgt를 구할 수 있다. 개입 제어부(217)는 스텝 S405에서 구한 각속도의 목표값에 기초하여, 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310)의 제어 신호를 생성한다(스텝 S406).
《작용·효과》
제1 실시형태에 의하면, 오퍼레이터가 붐 실린더(306)를 조작하여 버킷(164)을 설계면에 근접시키면, 제어 장치(200)는 버킷(164)의 날끝이 설계면과 평행하게 되도록, 틸트 로테이터(163)를 제어한다. 이 때, 제어 장치(200)는 버킷(164)의 날끝이 향하는 방향이 변하지 않도록, 버킷 좌표계에서의 버킷 틸트축 주위의 회전을 하도록 틸트 로테이터(163)를 제어한다. 이로써, 제어 장치(200)는 오퍼레이터의 의지를 반영하면서, 날끝을 설계면에 정렬할 수 있다. 그 후, 오퍼레이터가 버킷(164)의 날끝을 굴삭 대상에 댄 상태에서 암 실린더(307) 및 선회 모터(305)를 조작하여 작업 기계(100)에 굴삭 대상을 굴삭시키면, 제어 장치(200)는 버킷(164)의 날끝이 설계면에 추종하도록, 틸트 로테이터(163)를 제어한다. 이 때, 제어 장치(200)는, 오퍼레이터의 조작에 의해 선회체(140)가 선회해도, 버킷(164)의 날끝이 향하는 방향은 글로벌 좌표계로부터 볼 때 변하지 않도록 제어한다. 이로써, 제어 장치(200)는 자동적으로 굴삭 방향으로 날끝을 계속해서 향하게 할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 의하면, 오퍼레이터가 자세 유지 모드를 설정함으로써, 선회체(140), 붐(161) 및 암(162)이 조작되어도 글로벌 좌표계로부터 본 버킷(164)의 자세를 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들면, 설계면보다 충분히 높은 장소를 굴삭하는 경우 등에, 버킷(164)의 자세를 유지함으로써, 용이하게 굴삭 방향으로 날끝을 계속해서 향하게 할 수 있다. 또한 예를 들면, 버킷(164) 대신에 그래플 등의 어태치먼트를 작업기(160)에 장착하여 짐을 이동시키는 경우 등에, 어태치먼트의 자세를 유지함으로써, 자세 변화에 의한 짐의 낙하를 억제할 수 있다.
또한, 제어 장치(200)는 틸트 로테이터(163)를 조작하기 위한 조작 신호, 즉 버킷 실린더(308), 틸트 실린더(309) 및 회전 모터(310) 중 어느 하나의 조작 신호가 입력된 경우에, 개입 제어부(217)는 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성하지 않는다. 오퍼레이터에 의해, 틸트 로테이터(163)를 조작하기 위한 조작 신호가 입력되었다는 것은, 오퍼레이터는 버킷(164)이 향하는 방향을 스스로 조작하고자 한다는 의지를 가지고 있을 가능성이 높다. 그러므로, 이와 같은 경우에 제어 장치(200)가 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성하지 않음으로써, 오퍼레이터의 조작을 방해하지 않는다.
<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 관련된 제어 장치(200)는 단독의 컴퓨터에 의해 구성되는 것이라도 되고, 제어 장치(200)의 구성을 복수의 컴퓨터에 나누어 배치하고, 복수의 컴퓨터가 서로 협동함으로써 제어 장치(200)로서 기능하는 것이라도 된다. 이 때, 제어 장치(200)를 구성하는 일부의 컴퓨터가 작업 기계의 내부에 탑재되고, 다른 컴퓨터가 작업 기계의 외부에 설치되어도 된다. 예를 들면, 다른 실시형태에 있어서는 조작 장치(271) 및 모니터 장치(272)가 작업 기계(100)로부터 원격으로 설치되고, 제어 장치(200) 중 계측값 취득부(214) 및 제어 신호 출력부(218) 이외의 구성이 원격의 서버에 설치되어도 된다.
또한 전술한 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 유압 셔블이지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 지상에 고정된 자주(自走)하지 않는 작업 기계라도 된다. 또한 다른 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 선회체를 가지고 있지 않은 작업 기계라도 된다.
전술한 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 작업기(160)의 어태치먼트로서 버킷(164)을 구비하지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시형태에 관련된 작업 기계(100)는 어태치먼트로서 브레이커, 포크, 그래플 등을 구비해도 된다. 이 경우도, 제어 장치(200)는 버킷 좌표계와 마찬가지로 어태치먼트의 날끝이 향하는 방향으로 연장되는 Xbk축과, 날끝을 따르는 방향으로 연장되는 Ybk축과, Xbk축 및 Ybk축에 직교하는 Zbk축으로 이루어지는 로컬 좌표계에 의해 틸트 로테이터(163)를 제어한다.
또 다른 실시형태에 있어서, 틸트 로테이터(163)의 각 축은 서로 다른 평면에서 교차하는 것이라면, 직교하고 있지 않아도 된다. 구체적으로는, 암(162)과 장착부(1631)를 접속하는 관절축에 관련된 축 AX1, 장착부(1631)와 틸트부(1632)를 접속하는 관절축에 관련된 축 AX2, 및 회전 모터(310)의 회전축 AX3에 대하여, 틸트 로테이터(163)의 틸트각 및 회전각이 제로일 때, 축 AX1및 축 AX2에 평행한 면과, 축 AX2및 축 AX3에 평행한 면과, 축 AX3및 축 AX1에 평행한 면이 각각 상이한 것이면 된다.
또한, 다른 실시형태에 관련된 제어 장치(200)는 설계면의 설정 기능을 가지고 있지 않은 것이라도 된다. 이 경우에도, 제어 장치(200)는 버킷 자세 유지 제어를 행함으로써 틸트 로테이터(163)를 자동제어할 수 있다. 예를 들면, 오퍼레이터는 설계면을 설정하지 않고 간이적인 정지 작업을 실시할 수 있다.
상기 태양에 의하면, 시스템은 틸트 로테이터를 통하여 지지부에 지지된 어태치먼트를 구비하는 작업 기계의 조작을 지원할 수 있다.
100: 작업 기계, 120: 주행체, 140: 선회체, 160: 작업기, 161: 붐, 162: 암, 163: 틸트 로테이터, 1631: 장착부, 1632: 틸트부, 1633: 회전부, 164: 버킷, 180: 운전실, 200: 제어 장치, 210: 프로세서, 211: 조작 신호 취득부, 212: 입력부, 213: 표시 제어부, 214: 계측값 취득부, 215: 위치 자세 산출부, 216: 개입 판정부, 217: 개입 제어부, 218: 제어 신호 출력부, 230: 메인 메모리, 250: 스토리지, 270: 인터페이스, 271: 조작 장치, 272: 모니터 장치, 301: 엔진, 302: 유압 펌프, 303: 컨트롤 밸브, 304: 주행 모터, 305: 선회 모터, 306: 붐 실린더, 307: 암 실린더, 308: 버킷 실린더, 309: 틸트 실린더, 310: 회전 모터, 401: 경사 계측기, 402: 위치 방위 계측기, 403: 붐각 센서, 404: 암각 센서, 405: 버킷각 센서, 406: 틸트각 센서, 407: 회전각 센서

Claims (7)

  1. 차체에 동작 가능하게 지지된 지지부와, 상기 지지부의 선단에 장착된 틸트 로테이터(tilt rotator)와, 날끝(teeth)을 가지고, 상기 틸트 로테이터를 통하여 상기 지지부에 대하여 서로 다른 평면에서 교차하는 3개의 축 주위에 회전 가능하게 지지된 어태치먼트를 구비하는 작업 기계를 제어하기 위한 시스템으로서,
    프로세서를 구비하고,
    상기 프로세서는,
    복수의 센서로부터 계측값을 취득하고,
    상기 계측값에 기초하여, 상기 차체에 대한 상기 어태치먼트의 자세를 산출하고,
    산출한 상기 어태치먼트의 상기 자세에 기초하여, 가상 회전축을 결정하고,
    조작 장치로부터 상기 지지부를 동작시키기 위한 조작 신호를 취득하고,
    산출한 상기 어태치먼트의 상기 자세와 상기 지지부를 동작시키기 위한 상기 조작 신호가 나타내는 조작량에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 상기 가상 회전축의 축 방향을 유지시키고, 또한, 설계면과 상기 어태치먼트의 날끝이 평행으로 근접되도록, 상기 가상 회전축 주위에 상기 어태치먼트를 회전시키기 위한 상기 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성하고,
    생성한 상기 제어 신호를 출력하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작업 기계는, 상기 차체를 선회 가능하게 지지하는 기부(基部)를 구비하고,
    상기 프로세서는,
    상기 조작 장치로부터 상기 기부에 대하여 상기 차체를 선회시키기 위한 조작 신호를 취득하고,
    산출한 상기 어태치먼트의 상기 자세와 상기 차체를 선회시키기 위한 상기 조작 신호가 나타내는 조작량에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 상기 가상 회전축의 축 방향을 유지시키고, 또한, 설계면과 상기 어태치먼트의 날끝이 평행으로 근접되도록, 상기 가상 회전축 주위에 상기 어태치먼트를 회전시키기 위한 상기 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성하는, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가상 회전축은, 상기 어태치먼트의 상기 날끝이 향하는 방향으로 연장되는 축인, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 설계면과 상기 어태치먼트의 날끝의 거리가 개입 임계값 이하인 경우에, 상기 틸트 로테이터의 제어 신호를 출력하는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 조작 장치로부터 상기 틸트 로테이터를 동작시키기 위한 조작 신호가 입력된 경우에, 생성한 상기 틸트 로테이터의 제어 신호를 출력하지 않고, 입력된 상기 조작 신호에 기초하는 제어 신호를 출력하는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상 회전축은, 상기 틸트 로테이터의 관절축과는 상이한, 시스템.
  7. 차체에 동작 가능하게 지지된 지지부와, 상기 지지부의 선단에 지지된 틸트 로테이터와, 날끝을 가지고, 상기 틸트 로테이터를 통하여 상기 지지부에 대하여 서로 다른 평면에서 교차하는 3개의 축 주위에 회전 가능하게 지지된 어태치먼트를 구비하는 작업 기계를 제어하기 위한 방법으로서,
    복수의 센서로부터 계측값을 취득하는 단계;
    상기 계측값에 기초하여, 상기 차체에 대한 상기 어태치먼트의 자세를 산출하는 단계;
    산출한 상기 어태치먼트의 상기 자세에 기초하여, 가상 회전축을 결정하는 단계;
    조작 장치로부터 상기 작업 기계를 동작시키기 위한 조작 신호를 취득하는 단계;
    산출한 상기 어태치먼트의 상기 자세와 상기 지지부를 동작시키기 위한 상기 조작 신호가 나타내는 조작량에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 상기 가상 회전축의 축 방향을 유지시키고, 또한, 설계면과 상기 어태치먼트의 날끝이 평행으로 근접되도록, 상기 가상 회전축 주위에 상기 어태치먼트를 회전시키기 위한 상기 틸트 로테이터의 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    생성한 상기 제어 신호에 따라서 상기 틸트 로테이터를 제어하는 단계;
    를 포함하는 방법.
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