WO2022050681A1 - 자율 작업 굴착기 및 그의 동작 방법 - Google Patents

자율 작업 굴착기 및 그의 동작 방법 Download PDF

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WO2022050681A1
WO2022050681A1 PCT/KR2021/011752 KR2021011752W WO2022050681A1 WO 2022050681 A1 WO2022050681 A1 WO 2022050681A1 KR 2021011752 W KR2021011752 W KR 2021011752W WO 2022050681 A1 WO2022050681 A1 WO 2022050681A1
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WO
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excavator
trajectory
work
loading
bucket
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PCT/KR2021/011752
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English (en)
French (fr)
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김창묵
이동준
김창우
손부건
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두산인프라코어 주식회사
서울대학교 산학협력단
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/205—Remotely operated machines, e.g. unmanned vehicles
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/2037—Coordinating the movements of the implement and of the frame
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/24—Safety devices, e.g. for preventing overload

Definitions

  • Various embodiments of the present disclosure are to prevent overturning (and/or overturning) of an excavator, and more specifically, generating a work trajectory based on a zero-moment point (ZMP), and performing an operation according to the generated work trajectory It relates to an autonomous working excavator for controlling and a method of operating the same.
  • ZMP zero-moment point
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system (eg, an autonomous work system) 100 that enables a conventional autonomous operation.
  • a system eg, an autonomous work system
  • the autonomous work system 100 may include a control center 110 and at least one construction machine (or autonomous work construction machine) 120 to 150 .
  • Construction machines 120 to 150 are machines that perform autonomous work in civil engineering or building construction sites, and include a mixer truck 120, a dump truck 130, a bulldozer 140, An excavator 150 may be included.
  • These construction machines may perform autonomous work according to a work instruction received from the control center 110 .
  • the excavator 150 receiving the work instruction recognizes the surrounding environment in order to perform a work (eg, excavation (or excavation) work), a task in which the tip of the bucket or arm must move trajectory can be determined.
  • a work eg, excavation (or excavation) work
  • the conventional excavator 150 limits the speed and acceleration for each joint of the excavator 150 and creates a working trajectory that minimizes the movement time of the excavator 150 in a limited situation.
  • the body of the excavator 150 is inclined or felling and / Alternatively, an overturning accident may occur.
  • An object of the present disclosure is to provide an excavator and an operating method thereof for enabling autonomous operation.
  • An object of the present disclosure is to provide an excavator and an operating method thereof for preventing the excavator from overturning during operation by generating a working trajectory based on a zero-moment point (ZMP).
  • ZMP zero-moment point
  • the excavator includes a front working device including an arm, a boom and a bucket, a sensor device configured to collect state information and information related to the surrounding environment of the excavator, and the front working device and the sensor device and electrical
  • a processor connected to a It is possible to calculate a ZMP (Zero Moment Point) of the applied force, and to obtain a work trajectory for processing the soil loaded in the bucket by using the ZMP and information related to the surrounding environment.
  • ZMP Zero Moment Point
  • An operation method of an excavator includes an operation of performing an excavation operation based on a work instruction, and an arm, a boom and, after the excavation operation, mass information for at least a portion of a front work device including a bucket
  • ZMP Zero Moment Point
  • the excavator according to embodiments of the present disclosure may effectively prevent the excavator from progressing and/or overturning during operation by generating a work trajectory based on a zero-moment point (ZMP).
  • ZMP zero-moment point
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system that enables a conventional autonomous operation.
  • FIG. 2A is a view for explaining an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • 2B is a view for explaining a sensor provided in an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • FIG. 3 is a diagram conceptually illustrating an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining an optimal rotational trajectory of an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • 5A to 5E are views for explaining an optimal rotational trajectory for collision avoidance of an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • 6A to 6E are diagrams for explaining an optimal loading trajectory of an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of operating an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a subsequent operation processing method of an autonomous operation excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of regenerating a trajectory of an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of loading an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • 'unit' or 'module' used in this embodiment means software or hardware components such as FPGA or ASIC, and 'unit' or 'module' performs certain roles.
  • 'unit' or 'module' is not meant to be limited to software or hardware.
  • a 'unit' or 'module' may be configured to reside on an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors.
  • 'part' or 'module' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, properties, may include procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables.
  • Components and functionality provided within 'units' or 'modules' may be combined into a smaller number of components and 'units' or 'modules' or additional components and 'units' or 'modules' can be further separated.
  • Steps of a method or algorithm described in connection with some embodiments of the present disclosure may be directly implemented in hardware executed by a processor, a software module, or a combination of the two.
  • a software module may reside in RAM memory, flash memory, ROM memory, EPROM memory, EEPROM memory, registers, hard disk, a removable disk, a CD-ROM, or any other form of recording medium known in the art.
  • An exemplary recording medium is coupled to the processor, the processor capable of reading information from, and writing information to, the storage medium. Alternatively, the recording medium may be integral with the processor.
  • the processor and recording medium may reside within an application specific integrated circuit (ASIC).
  • the ASIC may reside within the user terminal.
  • FIG. 2A is a view for explaining an autonomous working excavator according to various embodiments of the present disclosure
  • Figure 2b is a view for explaining the sensor provided in the autonomous excavator.
  • the excavator is described as an example of a construction machine, but the embodiment of the present disclosure is not limited to the excavator and may be applied to various construction machines.
  • the following embodiments of the present disclosure may be applicable to an excavator that can be manually operated by an operator.
  • the autonomous working excavator 200 (hereinafter referred to as the excavator 200) is mounted on the lower body 210, the lower body 210, which serves to move, and the upper body 220 rotates 360 degrees. and a front working device 230 coupled to the front of the upper body 220 .
  • the excavator 200 is mounted on the lower body 210, the lower body 210, which serves to move, and the upper body 220 rotates 360 degrees. and a front working device 230 coupled to the front of the upper body 220 .
  • this is only an example, and the embodiment of the present disclosure is not limited thereto.
  • one or more other components eg, a plate coupled to the rear of the lower body 210 ) may be added.
  • the upper body 220 may be provided with an internal space (not shown) in which a cab 222 that a driver can ride and operate is built-in and a power generating device (eg, an engine) can be mounted. there is.
  • the cab 222 may be provided in a portion close to the work area.
  • the working area is a space in which the excavator 200 works, and is located in front of the excavator 200 .
  • the cab 222 is close to the work area as shown in FIG. 2A and the upper body ( 220) may be located in a biased position to one side.
  • the front working device 230 is mounted on the upper surface of the upper body 220 and may be a device for excavating land or transporting a heavy object.
  • the front working device 230 is a boom 231 rotatably coupled to the upper body 220 , a boom cylinder 232 for rotating the boom 231 , and rotation at the tip of the boom 231 .
  • Arm 233 rotatably coupled to arm 233, arm cylinder 234 for rotating arm 233, bucket 235 rotatably coupled to the distal end of arm 233, bucket cylinder 236 for rotating bucket 235 ) may be included.
  • one end of the boom 231, one end of the arm 233, and one end of the bucket 235 are individually rotated to maximize the area that the bucket 235 can reach.
  • the aforementioned front working device 230 is known in many documents, and detailed description thereof will be omitted.
  • the lower body 210 may be coupled to the lower surface of the upper body 220 .
  • the lower body 210 may include a traveling body formed of a wheel type using wheels or a crawler type using a caterpillar.
  • the driving body may implement the forward, backward, left, and right movements of the excavator 200 by using the power generated by the power generating device as a driving force.
  • the lower body 210 and the upper body 220 may be rotatably coupled by a center joint.
  • the excavator 200 is capable of performing unmanned automation, that is, autonomous operation, and may include a plurality of sensors.
  • the plurality of sensors may include a first sensor for detecting the state of the excavator 200 .
  • the state of the excavator 200 may include the rotational state of the upper body 220 (or the lower body 210 ).
  • the first sensor is disposed at the center joint to detect the rotational state of the upper body 220 .
  • the state of the excavator 200 may include the rotational state of the front working device 230.
  • the first sensor is at each of the boom 231, the arm 233, and the bucket 235.
  • first sensor disposed or disposed at an articulation (eg, a hinge connection) (or joint) of the boom 231 , the arm 233 , and the bucket 235 , at least for each of the boom 231 , arm 233 , and bucket 235 .
  • the position of the above-described first sensor is one embodiment, and the present disclosure is not limited thereto, and the first sensor may be disposed at various positions capable of detecting the state of the excavator 200 . there is.
  • the plurality of sensors may include a second sensor for detecting a work area in which the excavator 200 performs work.
  • the working area is a space in which the excavator works, and may be located in front of the excavator 200 .
  • the second sensor may be disposed on a portion of the upper body 220 close to the work area, for example, at one side close to the front work device 230 on the upper surface of the cab 222 to detect the work area.
  • this is only an example, and the position of the second sensor is not limited thereto.
  • a second sensor may be disposed on the front work device 230 , for example arm 233 or bucket 235 to additionally or selectively sense the work area.
  • the plurality of sensors may include a third sensor for detecting an obstacle around the excavator 200 .
  • the third sensor may be disposed at the front, side and rear of the upper body 220 to detect obstacles around the excavator 200 .
  • the location of the above-described third sensor is one embodiment, and the present disclosure is not limited thereto, and the third sensor may be disposed at various locations capable of detecting obstacles around the excavator 200 .
  • the various sensors described above may include an angle sensor, an inertial sensor, a rotation sensor, an electromagnetic wave sensor, a camera sensor, a radar, a lidar, or an ultrasonic sensor.
  • the first sensor may be configured as at least one of an angle sensor, an inertial sensor, or a rotation sensor
  • the second sensor and the third sensor may be configured as at least one of an electromagnetic wave sensor, a camera sensor, a radar, a lidar, or an ultrasonic sensor.
  • a camera sensor disposed on the upper surface of the cab 222 and the arm 233 of the excavator 200 may be used as the second sensor.
  • a lidar disposed on the front of the excavator 200, an ultrasonic sensor disposed on the side and rear of the excavator 200 as shown in reference numeral 260 of FIG. 2b, or reference numeral 270 of FIG. 2b , a camera sensor disposed on the front, side and rear of the excavator 200 may be used as the third sensor.
  • the image sensor when used as the second sensor and the third sensor, it may be configured as a stereo vision system capable of acquiring an image for identifying the distance information of the object.
  • each of the first sensor, the second sensor, and the third sensor may perform the same or similar operation as other sensors.
  • the operation of the second sensor for detecting the work area in which the excavator 200 is working may be performed.
  • the excavator 200 may be capable of performing unmanned automation, that is, autonomous operation, and may include at least one positioning device.
  • a global navigation satellite system (GNNS) module capable of receiving a satellite signal may be used as the positioning device, and a real time kinematic (RTK) GNSS module may be used for precise measurement.
  • GNNS global navigation satellite system
  • RTK real time kinematic
  • at least one positioning device may be disposed on the upper body 220 of the excavator 200 .
  • FIG 3 is a diagram conceptually illustrating an autonomous working excavator 300 according to various embodiments of the present disclosure.
  • 4A and 4B are views for explaining an optimal rotation trajectory of the autonomous working excavator 300 according to various embodiments of the present disclosure
  • FIGS. 5A to 5E are autonomous working excavators according to various embodiments of the present disclosure It is a view for explaining an optimal rotation trajectory for collision avoidance of 300
  • FIGS. 6A to 6E are views for explaining an optimal loading trajectory of the autonomous working excavator 300 according to various embodiments of the present disclosure.
  • the autonomous working excavator 300 includes a processor 310, a communication device 320, a storage device 330, a sensor device 340, and a job control device ( 350) may be included.
  • the embodiment of the present disclosure is not limited thereto.
  • at least one of the above-described components of the excavator 300 may be omitted or one or more other components (eg, an input device, an output device, etc.) may be added as a configuration of the excavator 300 .
  • the processor 310 may be configured to control the overall operation of the excavator 300 .
  • the processor 310 executes software (eg, a program) stored in the storage device 330, and a component connected to the processor 310 (eg, the communication device 320); At least one component of the storage device 330 , the sensor device 340 , or the job control device 350 may be controlled, and various data processing or calculations may be performed.
  • the processor 310 stores instructions or data received from other components in the storage device 330 , processes the instructions or data stored in the storage device 330 , and , the result data may be stored in the storage device 330 .
  • the processor 310 may include a main processor and an auxiliary processor that can operate independently of or together with the main processor. According to an embodiment, the processor 310 includes the above-described components (eg, the communication device 320 , the storage device 330 , the sensor device 340 or the operation control device 350 ) and a controller area (CAN). Network) communication may be performed, but the present disclosure is not limited thereto.
  • the processor 310 includes the above-described components (eg, the communication device 320 , the storage device 330 , the sensor device 340 or the operation control device 350 ) and a controller area (CAN). Network) communication may be performed, but the present disclosure is not limited thereto.
  • the communication device 320 may transmit/receive data to and from an external device using a wireless communication technology.
  • External devices may include control centers and other construction machinery.
  • the communication device 320 may receive a work instruction from an external device, and transmit job-related information (eg, a job result) to the external device.
  • the communication technology used by the communication device 320 includes GSM (Global System for Mobile communication), CDMA (Code Division Multi Access), LTE (Long Term Evolution), 5G, WLAN (Wireless LAN), Wi-Fi (Wireless- Fidelity), Bluetooth, RFID (Radio Frequency Identification), Infrared Data Association (IrDA), ZigBee, NFC (Near Field Communication), and the like.
  • the communication device 320 may include at least one positioning device (eg, GNNS, RTK GNSS, etc.).
  • the storage device 330 includes at least one component of the excavator 300 (eg, the processor 310 , the communication device 320 , the sensor device 340 or the operation control device 350 ). ) can store various data used by According to an embodiment, the storage device 330 may store an algorithm for generating a work trajectory, specifications (eg, model name, unique number, basic specification) of the excavator 300 , map data, and the like. For example, the storage device 330 may include at least one of a non-volatile memory device and a volatile memory device.
  • the sensor device 340 may collect information related to at least one of the state of the excavator 300, the work area of the excavator 300, or obstacles around the excavator 300 using various sensors. . As described above with reference to FIG. 2 , the sensor device 340 may include a first sensor, a second sensor, and a third sensor.
  • At least one of an angle sensor, an inertial sensor, or a rotation sensor for collecting information related to the state of the excavator 300 may be used as a configuration of the sensor device 340, and the surrounding environment of the excavator 300 (eg, : At least one of an electromagnetic wave sensor, a camera sensor, a radar, a lidar, or an ultrasonic sensor for collecting information related to the work area and surrounding obstacles may be used as a configuration of the sensor device 340 .
  • various types of sensors capable of collecting information related to the state of the excavator 300 , the working area of the excavator 300 or obstacles around the excavator 300 may be used as the configuration of the sensor device 340 .
  • the operation control device 350 may control the operation of the excavator 300 .
  • the job control device 350 may include a job planning unit 352 and a driving control unit 354 .
  • the job control device 350 may receive a job instruction from an external device.
  • the work instruction may include a work area and a work type (or work content) to be performed in the work area.
  • the type of work is a digging work that can be performed by the excavator 300, a digging work, a trench work, a leveling work, a breaking work, a dumping work for loading the excavated soil, It may include a rotating (swing) operation for rotating the upper body 220, a moving (moving) operation for changing the position of the excavator 300, and the like.
  • the work area is a part of a work site, and may be an area (eg, an excavation area, a leveling area, etc.) in which at least one work is to be performed.
  • the work instruction may include a movement path for guiding the excavator 300 waiting out of the work site to the work site. In this case, the excavator 300 may move from the waiting area to the work site based on the movement path.
  • the job control device 350 may acquire (or generate) a job trajectory for performing a job based on a job instruction.
  • the working trajectory may be a trajectory in which at least a portion of the front working device 230 (eg, the front end of the bucket 235 or the arm 233) needs to move.
  • the operation control device 350 (or the operation plan establishment unit 352) obtains an excavation trajectory for performing an excavation operation, a rotational trajectory for performing a rotational operation, and a loading trajectory for performing a loading operation.
  • the excavation trajectory may be obtained based on an excavation start position, an excavation end position, an angle of the bucket 235, a movement amount of the bucket 235, and the like. Also, when the excavation trajectory is obtained, the operation control device 350 (or the driving controller 354 ) may control the front working device 230 to perform the excavation work according to the excavation trajectory.
  • the rotation trajectory may be obtained based on a rotation start position, a rotation end position, a height of a loading point, an amount of rotation to a loading point, and the like. Also, when the rotation trajectory is obtained, the operation control device 350 (or the driving controller 354 ) may control the front operation device 230 to perform the rotation operation according to the rotation trajectory.
  • the operation control device 350 may generate an optimal rotation trajectory that allows the rotation trajectory to move in the minimum time.
  • the job control device 350 may determine a path parameter value according to time by applying a path parameterization function to the rotation trajectory. there is.
  • the path parameter may be defined as in Equation 1 below.
  • Equation 2 an optimization variable is defined as shown in Equation 2 below, and an optimal rotation trajectory can be formulated using this as shown in Equation 3 below.
  • the operation control device 350 (or the operation planning unit 352 ) considers a zero-moment point (ZMP) to obtain an optimal rotation trajectory in order to prevent overturning (and/or overturning) of the excavator 300 .
  • ZMP means that only the moment about the z-axis remains and the moments about the x-axis and the y-axis are zero.
  • a support polygon that is the minimum polygon of the ground in contact with the lower body (eg, the lower body 210) of the excavator 300, a stable operation may be possible, and conversely, the ZMP If is out of the support polygon, it can be seen that the excavator 300 is likely to be overturned.
  • ZMP is a mass (m) applied to at least a portion of the front working device 230 (eg, the boom 231 , the arm 233 or the bucket 235, etc.), as shown in Equation 4 below. ), and in order to obtain an optimal rotation trajectory in consideration of ZMP, as shown in Equation 5 below, the joint of the front working device 230 (eg, the bucket 235 joint, the arm ( 233) joint, boom 231 joint, etc.) are defined as a function for the path parameterization function, and the center of mass of each link (Center) using the kinematic information of the excavator 300 as shown in Equation 6 below.
  • mass information and acceleration can be expressed as a function of the joint of the front working device 230 to organize the terms required for ZMP induction.
  • Equation 8 an optimal rotation trajectory can be formulated as shown in Equation 8 below.
  • reference numeral 410 of FIG. 4A denotes an optimization variable
  • reference numeral 420 denotes a path parameterization function according to time
  • reference numeral 430 denotes a trajectory of joints of the front working device 230 according to time.
  • reference numbers 450 and 460 of FIG. 4B when the excavator 300 follows the planned optimal rotation trajectory, it is confirmed through simulation that the ZMP 443 is located within the support polygon 441 of the excavator 300 . can
  • the operation control device 350 may prevent a collision with an obstacle while the rotation operation of the excavator 300 is performed.
  • the job control device 350 or the job planning unit 352
  • the front working device 230 eg, the bucket 235 , the arm 233 , or the boom 231
  • obstacles can be monitored, and in response to detecting the potential collision, an optimal rotation trajectory can be regenerated to avoid the collision.
  • the operation control device 350 (or the operation plan establishment unit 352 ) is, based on information obtained through the sensor device 340 while the rotation operation of the excavator 300 is performed, the front The minimum distance between the working device 230 and the obstacle may be calculated, and the possibility of collision may be monitored based on this.
  • the job control device 350 (or the job planning unit 352 ) is configured to calculate the minimum distance between the front working device 230 and the obstacle, as shown in FIG. 5A , the front working device (eg, : The buckets 235 and 501 and the obstacle 503 can be modeled in a polyhedron shape.
  • the operation control device 350 in order to regenerate an optimal rotation trajectory capable of avoiding collision, as shown in FIG. 5B , the optimal rotation trajectory At least a portion of the 505, for example, a repulsion force (f rep ) and a contraction force (f con ) for a portion in which a collision occurs with an obstacle 503 among the optimal rotation trajectories 505 can be obtained
  • the repulsive force and the contractile force may be obtained by the following ⁇ Equation 9> based on the theory of elastic bands.
  • the work control device 350 may check the collision avoidance point using the repulsive force and the contractile force, as shown in Equation 10 below, and FIG. 5c and the ⁇ As shown in Equation 11>, it is possible to regenerate (or update) the optimum rotation trajectory 507 capable of avoiding collision by using the avoidance point.
  • the monitoring operation and the optimal rotational trajectory regeneration operation can effectively detect the collision between the excavator 300 and the obstacle, and this result can be confirmed by the simulation result.
  • the first optimal rotation trajectory iteratively creates a new trajectory that moves away from the collision point by a certain distance or more, and finally regenerates an optimal rotation path that can avoid collision, 5E, the rotation trajectory 511 of the front working device 230, the movement trajectory 513 of the arm 233, the movement trajectory 515 of the boom 231 and It can be confirmed through simulation that the movement trajectory 517 of the bucket 235 avoids collision with the obstacle 503 .
  • the loading trajectory may be determined based on the loading location and the loading operation.
  • the loading position is the position of the tip of the bucket 235 to start the loading operation
  • the loading operation is a standby operation to position the bucket 235 in the loading position, a starting operation to start loading the soil by rotating the bucket 235, It may include a completion operation to complete the loading of the soil loaded in the bucket (235).
  • the job control device 350 or the driving controller 354 ) may control the front working device 230 to perform loading operations according to the loading trajectory.
  • the job control device 350 (or the job plan establishment unit 352 ) may determine the loading location based on information obtained through the sensor device 340 .
  • the work control device 350 determines the loading position so that the soil is evenly loaded in the loading box, based on the soil information loaded in the loading box of the dump truck.
  • the loading box 610 of the dump truck is defined in a polyhedral shape, and the coordinates of the four vertices c constituting the top surface of the loading box 610 are checked, and , it is possible to obtain the state of the soil loaded inside the loading box 610 in the form of a point cloud.
  • the operation control device 350 (or the operation plan establishment unit 352) divides the inside of the loading box 610 into a grid of a certain size in order to determine the loading position, and the following ⁇ Equation 13> As such, it is possible to define a loading area and a point cloud corresponding to the loading area when the tip 622 of the bucket 235 of the excavator 620 is positioned on each grid.
  • the work control device 350 (or the work plan establishment unit 352) sets the average loading amount in the loading area for each grid as a difference value (cost) as shown in Equation 14 below, and
  • the loading location may be determined by defining a constraint so that the defined loading area is located inside the loading box 610 .
  • the loading position can allow the soil and sand to be evenly loaded in the loading box, and this result can be confirmed by the simulation result.
  • the loading box 610 the internal soil state 612 is expressed inside the black box, the tip 622 of the bucket 235 derived through the above-described algorithm and the position It can be confirmed through simulation that the area 630 is set to be evenly loaded without being concentrated in one place in the loading box 610 .
  • the job control device 350 may acquire the loading operation based on the loading location. For example, as shown in Fig. 6c, in the standby operation 641, the lowermost ends of the buckets 235 and 640 are spaced apart from the loading box by a certain distance (d), and the bucket 235 ( The angle of the 640 is horizontal with the ground, and the ends of the buckets 235, 640 and the tip 622 may be set to be located at the upper vehicle position (x-axis). also.
  • the ends of the buckets 235, 640 and the tip 622 and the bucket 235, 640 joints are located in the loading position, and the ends of the buckets 235, 640 and tip 622 are loaded. It can be set to be spaced apart by a certain distance (d) from the . Based on this, the positions of the buckets 235, 640 and the tip 622 of the buckets 235, 640 and 622 correspond to the loading positions while the standby operation 641, the starting operation 643, and the completion operation 645 are sequentially performed. can be stacked evenly. As shown in FIG.
  • the tip 622 of the buckets 235 and 640 during the lift operation is performed so that the x-axis position does not change and only the z-axis and angle are linearly changed. , the arm 233, and the bucket 235 can be confirmed through the controlled simulation results.
  • the work control device 350 may generate an optimal loading trajectory for moving the loading operation (or loading trajectory) in the minimum time.
  • a method of generating an optimal upper difference trajectory may be the same as or similar to a method of generating an optimal rotation trajectory.
  • the optimal phase difference trajectory may be obtained by the aforementioned ⁇ Equation 1> to ⁇ Equation 8>.
  • this optimal loading trajectory can effectively prevent the excavator 300 from overturning by using the ZMP, and this result can be confirmed by the simulation result. Specifically, as shown in FIG.
  • reference numeral 660 denotes an optimization variable
  • reference numeral 670 denotes a path parameterization function according to time
  • reference numeral 680 denotes a time-dependent function of joints of the front working device 230 according to time. It indicates the trajectory, and it can be confirmed through simulation that rotation does not occur and the rotation angle is constant during the loading operation.
  • the work control device 350 may obtain a return trajectory for returning the bucket 235 moved to the loading position to the excavation point as a part of the work trajectory.
  • the return trajectory may be obtained based on a position where the loading operation was performed and a position where the previous excavation operation was performed.
  • the work control device 350 controls the front work device 230 to perform a return operation according to the return trajectory or to perform an excavation operation together with the return operation.
  • the work control device 350 may generate an optimal return trajectory that allows the return trajectory to move in the minimum time.
  • the optimal return trajectory may be the same or similar to the method for generating the optimal rotation trajectory.
  • the optimal return trajectory may be obtained by the aforementioned ⁇ Equation 1> to ⁇ Equation 8>.
  • the job control device 350 or the job planning unit 352, the front working device 230 (eg, the bucket 235, the arm 233 or the boom 231) while the return operation is performed. and the possibility of collision with obstacles can be monitored, and in response to detecting the possibility of collision, an optimal return trajectory can be regenerated to avoid the collision.
  • the processor 310 and the job control device 350 have been described as being separated from each other, but this is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the job control device 350 and the processor 310 may be designed as one configuration.
  • each operation may be performed sequentially, but is not necessarily performed sequentially.
  • the following operations may be performed by the processor 310 of the excavator 300 or implemented as instructions executable by the processor 310 .
  • the autonomous working excavator 300 may perform excavation work in operation S710 .
  • the excavator 300 may perform an excavation operation based on a work instruction received from an external device.
  • the excavator 300 may generate an excavation trajectory by recognizing the surrounding environment and the state of the excavator 300 based on information obtained through at least one sensor device, and excavation work according to the excavation trajectory can be performed.
  • the excavator 300 may acquire a follow-up work trajectory in operation S720.
  • the follow-up work trajectory may be a work trajectory for a follow-up work that may be performed after the excavation work.
  • the trajectory of the subsequent operation is a rotation trajectory where the tip of the bucket 235 or the arm 233 must move in order to perform the rotation operation, and the tip of the bucket 235 or the arm 233 must move to perform the loading operation. It may include a loading trajectory.
  • the follow-up trajectory may include a return trajectory for moving the tip of the bucket 235 or the arm 233 to the excavation point after the loading operation.
  • the excavator 300 may acquire (or generate) an optimal working trajectory by using the subsequent working trajectory and the ZMP in operation S730.
  • ZMP means that the moment about the z-axis exists, but the moments about the x-axis and the y-axis are zero.
  • the optimal working trajectory may be obtained using the above-described ⁇ Equation 1> to ⁇ Equation 8>, and this optimal working trajectory may effectively prevent the excavator 300 from overturning.
  • the excavator 300 may perform a subsequent operation based on the obtained optimal operation trajectory in operation S740.
  • the excavator 300 may control at least a portion of the front working device 230 (eg, the boom 231 , the arm 233 , or the bucket 235 ) to follow an optimal working trajectory.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a subsequent operation processing method of the autonomous operation excavator 300 according to various embodiments of the present disclosure.
  • the operations of FIG. 8 described below may represent various embodiments of operations S720 to S740 of FIG. 7 .
  • each operation is not necessarily performed sequentially, and at least one operation among the disclosed operations may be omitted or another operation may be added.
  • the autonomous working excavator 300 (hereinafter, referred to as the excavator 300 ) according to various embodiments may perform an excavation operation and then a rotating operation and a loading operation as subsequent operations.
  • the excavator 300 may acquire a rotation trajectory for loading the soil in operation S810.
  • the rotation trajectory indicates that at least a portion of the front working device 230 (eg, the tip of the bucket 235 or the arm 233) must move in order to move the bucket 235 loaded with soil to the vicinity of the loading box.
  • the excavator 300 may obtain an optimal rotation trajectory by using the rotation trajectory and the ZMP in operation S820.
  • the optimal rotational trajectory may be a trajectory that allows the rotational trajectory to move in the minimum time, and the excavator 300 may limit a movement range of at least a portion of the front working device 230 by using the ZMP. This means that the movement of at least a part of the front working device 230 is made within the ZMP range, and it is possible to effectively prevent the overturning of the excavator 300 .
  • the excavator 300 may perform a rotation operation based on an optimal rotation trajectory in operation S830.
  • the excavator 300 may perform a boom-up operation that raises the position of the bucket 235 to a certain height or more based on the excavation point and a rotation operation of moving the bucket 235 loaded with soil to the vicinity of the loading box.
  • the excavator 300 may monitor the rotation operation based on the optimal rotation trajectory and sensor information in operation S840.
  • the excavator 300 may detect a possibility of collision between at least a portion of the front work device 230 and an obstacle while the rotation work is performed through monitoring.
  • the excavator 300 calculates the minimum distance between the front working device 230 and the obstacle based on the information obtained through the sensor device while the rotation operation is being performed, and monitors the possibility of collision based on this.
  • the excavator 300 may determine whether a collision with an obstacle is detected in operation S850.
  • the excavator 300 may regenerate an optimal rotation trajectory in operation S860.
  • the optimal rotation trajectory may be regenerated as an optimal rotation trajectory capable of avoiding collision based on the elastic band theory, as will be described later with reference to FIG. 9 .
  • this is only an example, and the embodiment of the present disclosure is not limited thereto.
  • various methods for avoiding collision with an obstacle may be used to regenerate an optimal rotation trajectory.
  • the excavator 300 may determine whether the rotation operation is completed in operation S870. Completion of the rotation operation may include a state in which the bucket 235 is moved to the vicinity of the loading box.
  • the excavator 300 may perform the loading operation in operation S880.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of regenerating a trajectory of an autonomous working excavator 300 according to various embodiments of the present disclosure.
  • the operations of FIG. 9 described below may represent various embodiments of the operation S860 of FIG. 8 .
  • each operation is not necessarily performed sequentially, and at least one operation among the disclosed operations may be omitted or another operation may be added.
  • the autonomous working excavator 300 (hereinafter, referred to as the excavator 300 ) according to various embodiments of the present invention is a repulsion force for a portion in which a collision occurs with an obstacle among the optimal rotation trajectories in operation S910. (f rep ) and a contraction force (f con ) can be obtained.
  • the repulsive force and the contractile force may be obtained based on the above-mentioned ⁇ Equation 9> based on the theory of elastic bands.
  • the excavator 300 may regenerate an optimal rotation trajectory based on the repulsive force and the contractile force in operation S920.
  • the excavator 300 may identify a collision avoidance point using a repulsive force and a contractile force, and regenerate an optimal rotational trajectory capable of avoiding a collision based on this.
  • the collision avoidance region may be identified based on Equation 10, and the optimal rotation trajectory may be regenerated based on Equation 11.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a loading method of the autonomous working excavator 300 according to various embodiments of the present disclosure.
  • the operations of FIG. 10 described below may show various embodiments of operation S720 to operation S740 of FIG. 7 , or various embodiments of operation S880 of FIG. 8 .
  • each operation is not necessarily performed sequentially, and at least one operation among the disclosed operations may be omitted or another operation may be added.
  • the autonomous working excavator 300 may acquire a loading position based on sensor information in operation S1010.
  • the loading position may be a position of the tip of the bucket 235 for starting the loading operation.
  • the loading position may be determined so that the soil is evenly loaded in the loading box.
  • At least a part of the sensor information obtained through the sensor device may be related to the shape of the loading box and the state of the soil loaded in the loading box.
  • the excavator 300 may use at least one of the above-mentioned ⁇ Equation 12> to ⁇ Equation 14> to obtain the loading position.
  • the excavator 300 may acquire the loading operation based on the loading position in operation S1020.
  • the loading operation may include a standby operation of positioning the bucket 235 at the loading position, a starting operation of rotating the bucket 235 to start loading the soil, and a completion operation of completing loading of the soil loaded in the bucket 235.
  • the excavator may control the position of the tip of the bucket 235 to correspond to the loading position while the standby operation, the start operation, and the completion operation are sequentially performed.
  • This upper-order motion may be used as an upper-order trajectory.
  • the excavator 300 may acquire an optimal loading trajectory based on the loading operation and the ZMP in operation S1030.
  • the excavator 300 may limit the range of motion of at least a portion of the front working device 230 by using the ZMP. This means that the movement of at least a part of the front working device 230 is made within the ZMP range, and it is possible to effectively prevent the overturning of the excavator 300 .
  • the excavator 300 may perform a loading operation based on an optimal loading trajectory in operation S1040.
  • the soil of the bucket 235 can be loaded in the loading box.
  • the excavator 300 may monitor the possibility of collision with an obstacle based on the optimal loading trajectory and sensor information while the loading operation is performed. In addition, when a collision with an obstacle is detected, the excavator 300 may regenerate an optimal loading trajectory to avoid the collision.
  • the method of regenerating the optimum upper difference trajectory may be similar to or the same as the method of regenerating the optimum rotation trajectory.
  • the excavator 300 may perform a return operation of returning the bucket 235 located at the loading position to the previous excavation point.
  • the excavator 300 may determine the return trajectory based on the position where the loading operation was performed and the position where the previous excavation operation was performed, and may obtain an optimal return trajectory based on the return trajectory and the ZMP.
  • the excavator 300 may monitor the possibility of collision with an obstacle based on the optimal return trajectory and sensor information while the return operation is performed. At this time, when a collision with an obstacle is detected, the excavator 300 may regenerate an optimal return trajectory to avoid the collision.
  • the method of regenerating the optimal return trajectory may be similar to or the same as the method of regenerating the optimal rotation trajectory.
  • the method of operation of the excavator 300 may be implemented with instructions that are stored in a computer-readable storage medium and executed by a processor (eg, the processor 310).
  • a storage medium may include a relational database, a non-relational database, an in-memory database; Alternatively, it may include a database, including a distributed one, such as any other suitable database capable of storing data and allowing access to such data through a storage controller.
  • the storage medium may include a primary storage device (storage), a secondary storage device, a tertiary storage device, an offline storage device, a volatile storage device, a non-volatile storage device, a semiconductor storage device, a magnetic storage device, an optical storage device, and a flash device. It may include any type of storage device, such as a storage device, a hard disk drive storage device, a floppy disk drive, magnetic tape, or other suitable data storage medium.

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Abstract

본 개시의 실시 예들은 자율 작업 굴착기 및 그의 동작 방법에 관한 것이다. 일 실시 예에 따르면, 자율 작업 굴착기는 암, 붐 및 버켓을 포함하는 프론트 작업 장치, 상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보를 수집하도록 구성된 센서 장치 및 상기 프론트 작업 장치 및 상기 센서 장치와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는, 작업 지시에 기초하여 상기 버켓에 토사가 적재되도록 굴착 작업을 수행하고, 상기 굴착 작업 후 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 질량 정보에 기초하여 상기 굴착기에 작용하는 힘의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하고, 상기 ZMP와 상기 주변 환경과 관련된 정보를 이용하여 상기 버켓에 적재된 토사를 처리하기 위한 작업 궤적을 획득하도록 제어할 수 있다.

Description

자율 작업 굴착기 및 그의 동작 방법
본 개시의 다양한 실시 예들은 굴착기의 전도(및/또는 전복)를 방지하기 위한 것으로, 보다 구체적으로, ZMP(zero-moment point)를 기반으로 작업 궤적을 생성하고, 생성된 작업 궤적에 따라 동작을 제어하기 위한 자율 작업 굴착기 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
건설 현장의 열악하고 위험한 환경 때문에 작업자의 수동 조작이 아닌 제어알고리즘을 이용하여 자동으로 제어되는 자율 작업 건설 기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 종래의 자율 작업을 가능하게 하는 시스템(예: 자율 작업 시스템)(100)을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 자율 작업 시스템(100)은 관제 센터(110)와 적어도 하나의 건설 기계(또는 자율 작업 건설 기계)(120 내지 150)를 포함할 수 있다.
건설 기계(120 내지 150)는 토목공사나 건축공사 현장에서 자율 작업을 수행하는 기계로, 믹서트럭(mixer truck) (120), 덤프 트럭(dump truck)(130), 불도저(bulldozer)(140), 굴착기(excavator)(150)를 포함할 수 있다.
이러한 건설 기계들은 관제 센터(110)로부터 수신하는 작업 지시에 따라, 자율 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어, 작업 지시를 수신한 굴착기(150)는 작업(예: 굴착(또는 굴삭) 작업)을 수행하기 위해서, 주변 환경을 인지하여 버켓(Bucket) 또는 암(Arm) 선단이 이동해야 하는 작업 궤적을 결정할 수 있다.
하지만, 종래의 굴착기(150)는, 굴착기(150)의 각 조인트에 대한 속도와 가속도를 제한하고, 제한된 상황에서 굴착기(150)의 이동 시간을 최소화하는 작업 궤적을 생성한다. 다시 말해서, 작업 궤적을 생성하는데 굴착기(150)의 자세, 굴착량, 지형 등을 고려하지 않아 굴착기가 고르지 못한 지형이나 경사진 지형에서 작업하는 경우 굴착기(150)의 본체가 기울어지게 되거나 전도 및/또는 전복되는 사고가 발생될 수 있다.
본 개시가 해결하기 위한 과제는 자율 작업 수행을 가능하게 하기 위한 굴착기 및 그의 동작 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 개시가 해결하기 위한 과제는 ZMP(zero-moment point)를 기반으로 작업 궤적을 생성하여 작업 중 굴착기가 전복되는 것을 방지하기 위한 굴착기 및 그의 동작 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따른 굴착기는 암, 붐 및 버켓을 포함하는 프론트 작업 장치, 상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보를 수집하도록 구성된 센서 장치 및 상기 프론트 작업 장치 및 상기 센서 장치와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는, 작업 지시에 기초하여 상기 버켓에 토사가 적재되도록 굴착 작업을 수행하고, 상기 굴착 작업 후 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 질량 정보에 기초하여 상기 굴착기에 작용하는 힘의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하고, 상기 ZMP와 상기 주변 환경과 관련된 정보를 이용하여 상기 버켓에 적재된 토사를 처리하기 위한 작업 궤적을 획득하도록 제어할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 굴착기의 동작 방법은, 작업 지시에 기초하여 굴착 작업을 수행하는 동작, 상기 굴착 작업 후 암, 붐 및, 버켓을 포함하는 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 질량 정보에 기초하여 굴착기에 작용하는 힘의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하는 동작, 상기 ZMP를 이용하여 상기 버켓에 적재된 토사를 처리하기 위한 작업 궤적을 획득하는 동작 및 상기 작업 궤적으로 상기 버켓을 굴착 지점으로부터 적재함 근처로 이동시키는 회전 작업을 수행하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 굴착기는 ZMP(zero-moment point)를 기반으로 작업 궤적을 생성함으로써, 작업 중 굴착기가 진도 및/또는 전복되는 것을 효과적을 방지할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 자율 작업을 가능하게 하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a는 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기에 구비된 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 최적 회전 궤도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5e는 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 충돌 회피를 위한 최적 회전 궤도를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 최적 상차 궤도를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 동작 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 8은 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 후속 작업 처리 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 9는 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 궤적 재생성 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 10은 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기의 상차 작업 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
본 개시물의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 장치 및 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시물은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 개시물의 개시가 완전하도록 하며, 본 개시물이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시물의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시물은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시물을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제 1, 제 2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다.
따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성 요소는 본 개시물의 기술적 사상 내에서 제2 구성 요소 일 수도 있음은 물론이다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시물이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 실시 예에서 사용되는 '부' 또는 '모듈'이라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부' 또는 '모듈'은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부' 또는 '모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부' 또는 '모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들로 더 분리될 수 있다.
본 개시물의 몇몇 실시 예들과 관련하여 설명되는 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 기록 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 기록 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 기록 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 기록 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 기록 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다.
도 2a는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 2b는 자율 작업 굴착기에 구비된 센서를 설명하기 위한 도면이다. 이하 설명에서는, 굴착기를 건설 기계로 예를 들어 설명하나 본 개시의 실시 예가 굴착기에 한정하는 것은 아니며 다양한 건설 기계에 적용될 수도 있다. 또한, 이하의 본 개시의 실시 예들은 작업자의 수동 조작이 가능한 굴착기에도 적용이 가능할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 자율 작업 굴착기(200)(이하, 굴착기(200)로 칭함)는 이동 역할을 하는 하부체(210), 하부체(210)에 탑재되어 360도 회전하는 상부체(220) 및 상부체(220)의 전방에 결합된 프론트 작업 장치(230)로 구성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 개시의 실시 예가 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 전술한 굴착기(200)의 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성 요소(예: 하부체(210)의 후방에 결합된 플레이드 등)가 추가될 수도 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상부체(220)는 운전자가 탑승하여 조작할 수 있는 운전실(222)이 내장되고 동력발생 장치(예: 엔진)가 장착될 수 있는 내부공간(미도시)이 구비될 수 있다. 운전실(222)은 작업 영역과 가까운 부분에 구비될 수 있다. 작업 영역은 굴착기(200)가 작업을 하는 공간으로서, 굴착기(200) 전방에 위치한다. 예를 들어, 탑승한 운전자가 확보된 시야 아래에서 작업을 진행하고, 프론트 작업 장치(230)가 장착되는 위치를 고려하여 운전실(222)은, 도 2a에서와 같이 작업 영역과 근접하면서 상부체(220)에서 일측으로 편향된 곳에 위치할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 프론트 작업 장치(230)는 상부체(220)의 상면에 장착되고, 토지 굴착이나 하중이 큰 물체의 운반 등의 작업을 진행하기 위한 장치일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 프론트 작업 장치(230)는 상부체(220)에 회전 가능하게 결합되는 붐(231), 붐(231)을 회전시키는 붐 실린더(232), 붐(231)의 선단부에 회전 가능하게 결합되는 암(233), 암(233)을 회전시키는 암 실린더(234), 암(233)의 선단부에 회전 가능하게 결합되는 버켓(235), 버켓(235)을 회전시키는 버켓 실린더(236)를 포함할 수 있다. 굴착기(200)의 작업시에는 붐(231)의 일단과 암(233)의 일단 그리고 버켓(235)의 일단에서 각각 개별적으로 회전 운동하여 버켓(235)이 도달할 수 있는 영역을 최대화할 수 있다. 전술한 프론트 작업 장치(230)는 많은 문서에서 공지되어 있는 바, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
다양한 실시 예에 따르면, 하부체(210)는 상부체(220)의 하면에 결합될 수 있다. 하부체(210)는 바퀴를 사용하는 휠 타입 또는 무한궤도를 사용하는 크롤러 타입으로 형성된 주행체를 포함할 수 있다. 주행체는 동력발생 장치에 의해 발생되는 동력을 구동력으로 하여 굴착기(200)의 전후좌우 움직임을 구현할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 하부체(210)와 상부체(220)는 센터 조인트(center joint)에 의해 회전 가능하게 결합될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(200)는 무인 자동화, 다시 말해서, 자율 작업을 수행할 수 있는 것으로, 다수의 센서들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 다수의 센서들은 굴착기(200)의 상태를 감지하기 위한 제 1 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 굴착기(200)의 상태는 상부체(220)(또는 하부체(210)의 회전 상태를 포함할 수 있다. 제 1 센서는 센터 조인트에 배치되어 상부체(220)의 회전 상태를 감지할 수 있다. 또한, 굴착기(200)의 상태는 프론트 작업 장치(230)의 회전 상태를 포함할 수 있다. 제 1 센서는 붐(231), 암(233), 및 버켓(235) 각각에 배치되거나 붐(231), 암(233), 및 버켓(235)의 관절부(예: 힌지 연결부)(또는 조인트)에 배치되어 적어도 붐(231), 암(233) 및 버켓(235) 각각에 대한 회전 상태를 감지할 수도 있다. 전술한 제 1 센서의 위치는 하나의 실시 예로 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 센서는 굴착기(200)의 상태를 감지할 수 있는 다양한 위치에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 다수의 센서들은 굴착기(200)가 작업을 진행하는 작업 영역을 감지하기 위한 제 2 센서를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 작업 영역은 굴착기가 작업을 하는 공간으로서, 굴착기(200) 전방에 위치할 수 있다. 제 2 센서는 상부체(220)에서 작업 영역과 가까운 부분, 예를 들어, 운전실(222)의 상면에서 프론트 작업 장치(230)에 근접한 일측에 배치되어 작업영역을 감지할 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 제 2 센서의 위치가 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 제 2 센서는 추가적으로 또는 선택적으로 작업 영역을 감지하도록 프론트 작업 장치(230), 예를 들어, 암(233) 또는 버켓(235)에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 다수의 센서들은 굴착기(200) 주변의 장애물을 감지하기 위한 제 3 센서를 포함할 수 있다. 제 3 센서는 상부체(220)의 전방, 측방 및 후방에 배치되어 굴착기(200) 주변의 장애물을 감지할 수 있다. 전술한 제 3 센서의 위치는 하나의 실시 예로 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 제 3 센서는 굴착기(200) 주변의 장애물을 감지할 수 있는 다양한 위치에 배치될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 전술한 다양한 센서들은 각도 센서, 관성 센서, 회전 센서, 전자기파 센서, 카메라 센서, 레이다, 라이다 또는 초음파 센서 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 센서는 각도 센서, 관성 센서 또는 회전 센서 중 적어도 하나로 구성될 수 있으며, 제 2 센서 및 제 3 센서는 전자기파 센서, 카메라 센서, 레이다, 라이다 또는 초음파 센서 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2b의 참조부호 240과 같이, 운전실(222)의 상면과 굴착기(200)의 암(233)에 배치된 카메라 센서가 제 2 센서로 사용될 수 있다. 또한, 도 2b의 참조부호 250과 같이 굴착기(200) 전면에 배치된 라이다, 도 2b의 참조부호 260과 같이 굴착기(200) 측면 및 후면에 배치된 초음파 센서 또는 도 2b의 참조부호 270과 같이, 굴착기(200) 전면, 측면 및 후면에 배치된 카메라 센서가 제 3 센서로 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 이미지 센서가 제 2 센서 및 제 3 센서로 사용되는 경우, 대상체의 거리 정보를 알 수 있는 영상을 획득할 수 있는 스테레오 비전 시스템으로 구성될 수 있다.
또한, 제 1 센서, 제 2 센서, 제 3 센서 각각은 다른 센서와 동일하거나 또는 유사한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 굴착기(200) 주변의 장애물을 감지하기 위한 제 3 센서를 이용하여, 굴착기(200)가 작업을 진행하는 작업 영역을 감지하는 제 2 센서의 동작을 수행할 수도 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(200)는 무인 자동화, 다시 말해서, 자율 작업을 수행할 수 있는 것으로, 적어도 하나의 측위 장치를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 측위 장치는 위성 신호를 수신할 수 있는 GNNS(Global Navigation Satellite System) 모듈이 사용될 수 있으며, 정밀한 측정을 위해 RTK(Real Time Kinematic) GNSS 모듈이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 굴착기(200)의 상부체(220)에는 적어도 하나의 측위 장치가 배치될 수 있다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)를 개념적으로 나타낸 도면이다. 그리고, 도 4a 및 도 4b는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 최적 회전 궤도를 설명하기 위한 도면이고, 도 5a 내지 도 5e는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 충돌 회피를 위한 최적 회전 궤도를 설명하기 위한 도면이고, 도 6a 내지 도 6e는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 최적 상차 궤도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 자율 작업 굴착기(300)(이하, 굴착기(300)로 칭함)는 프로세서(310), 통신 장치(320), 저장 장치(330), 센서 장치(340) 및 작업 제어 장치(350)를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 개시의 실시 예가 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 전술한 굴착기(300)의 구성요소 중 적어도 하나가 생략되거나 또는 하나 이상의 다른 구성 요소(예: 입력 장치, 출력 장치 등)가 굴착기(300)의 구성으로 추가될 수도 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 프로세서(310)는 굴착기(300)의 전반적인 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 프로세서(310)는, 저장 장치(330)에 저장된 소프트웨어(예를 들어, 프로그램)를 실행하여, 프로세서(310)에 연결된 구성 요소(예를 들어, 통신 장치(320), 저장 장치(330), 센서 장치(340) 또는 작업 제어 장치(350)) 중 적어도 하나의 구성 요소를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 프로세서(310)는 다른 구성 요소로부터 수신된 명령 또는 데이터를 저장 장치(330)에 저장하고, 저장 장치(330)에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 저장 장치(330)에 저장할 수 있다. 프로세서(310)는 메인 프로세서 및 메인 프로세서와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서로 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 프로세서(310)는 전술한 구성 요소(예를 들어, 통신 장치(320), 저장 장치(330), 센서 장치(340) 또는 작업 제어 장치(350))와 CAN(Controller Area Network) 통신을 수행할 수 있으나, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다.
다양한 실시 예에 따르면, 통신 장치(320)는 무선 통신 기술을 이용하여 외부 장치와 데이터를 송수신할 수 있다. 외부 장치는 관제 센터 및 다른 건설 기계를 포함할 수 있다. 예컨대, 통신 장치(320)는 외부 장치로부터 작업 지시를 수신하고, 외부 장치로 작업과 관련된 정보(예: 작업 결과)를 전송할 수 있다. 이때, 통신 장치(320)가 이용하는 통신 기술에는 GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), LTE(Long Term Evolution), 5G, WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), ZigBee, NFC(Near Field Communication) 등이 있다. 또한, 통신 장치(320)는 도 2를 통해 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 측위 장치(예: GNNS, RTK GNSS 등)를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 저장 장치(330)는 굴착기(300)의 적어도 하나의 구성요소(예를 들어, 프로세서(310), 통신 장치(320), 센서 장치(340) 또는 작업 제어 장치(350))에 의해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 저장 장치(330)는 작업 궤적 생성을 위한 알고리즘, 굴착기(300)의 제원(예: 모델명, 고유번호, 기본 사양), 맵 데이터 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장 장치(330)는 비휘발성 메모리 장치 및 휘발성 메모리 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 센서 장치(340)는 다양한 센서들을 이용하여 굴착기(300)의 상태, 굴착기(300)의 작업 영역 또는 굴착기(300) 주변의 장애물 중 적어도 하나와 관련된 정보를 수집할 수 있다. 센서 장치(340)는 도 2를 통해 전술한 바와 같이, 제 1 센서, 제 2 센서 및 제 3 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 굴착기(300)의 상태와 관련된 정보를 수집하기 위한 각도 센서, 관성 센서 또는 회전 센서 중 적어도 하나가 센서 장치(340)의 구성으로 사용될 수 있으며, 굴착기(300)의 주변 환경(예: 작업 영역 및 주변 장애물)과 관련된 정보를 수집하기 위한 전자기파 센서, 카메라 센서, 레이다, 라이다 또는 초음파 센서 중 적어도 하나가 센서 장치(340)의 구성으로 사용될 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 개시의 실시 예가 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 굴착기(300)의 상태, 굴착기(300)의 작업 영역 또는 굴착기(300) 주변의 장애물과 관련된 정보를 수집할 수 있는 다양한 종류의 센서들이 센서 장치(340)의 구성으로 사용될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)는 굴착기(300)의 작업을 제어할 수 있다. 예를 들어, 작업 제어 장치(350)는 작업 계획 수립부(352) 및 구동 제어부(354)를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)는, 외부 장치로부터 작업 지시를 수신할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 작업 지시는 작업 영역 및 해당 작업 영역에서 수행되어야 하는 작업 종류(또는 작업 내용)를 포함할 수 있다. 작업 종류는 굴착기(300)에 의해 수행될 수 있는 굴착(digging) 작업, 호파기(trench) 작업, 평탄화 (grading) 작업, 파쇄(breaking) 작업, 굴착한 토사를 상차시키는 상차(dumping) 작업, 상부체(220)를 회전시키는 회전(swing) 작업, 굴착기(300)의 위치를 변경하는 이동(moving) 작업 등을 포함할 수 있다. 또한, 작업 영역은 작업 현장의 일부분으로, 적어도 하나의 작업이 수행되어야 하는 영역(예: 굴착 영역, 평탄화 영역 등)일 수 있다. 추가적으로, 작업 지시는 작업 현장으로부터 벗어나 대기하고 있는 굴착기(300)를 작업 현장으로 안내하는 이동 경로를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 굴착기(300)는 이동 경로에 기초하여 대기 장소를 출발하여 작업 현장으로 이동할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 작업 지시에 기초하여, 작업 수행을 위한 작업 궤적을 획득(또는 생성)할 수 있다. 작업 궤적은, 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부(예: 버켓(235) 또는 암(233) 선단)가 이동해야 하는 궤적일 수 있다. 예를 들어, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 굴착 작업을 수행하기 위한 굴착 궤적, 회전 작업을 수행하기 위한 회전 궤적 및 상차 작업을 수행하기 위한 상차 궤적을 획득할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착 궤적은 굴착 시작 위치, 굴착 종료 위치, 버켓(235)의 각도, 버켓(235)의 이동량 등을 기초로 하여 획득될 수 있다. 또한, 굴착 궤적이 획득되면, 작업 제어 장치(350)(또는 구동 제어부(354))는 프론트 작업 장치(230)를 제어하여 굴착 궤적에 따라 굴착 작업을 수행할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 회전 궤적은, 회전 시작 위치, 회전 종료 위치, 상차 지점의 높이, 상차 지점으로의 회전량 등을 기초로 하여 획득될 수 있다. 또한, 회전 궤적이 획득되면, 작업 제어 장치(350)(또는 구동 제어부(354))는 프론트 작업 장치(230)를 제어하여 회전 궤적에 따라 회전 작업을 수행할 수 있다.
이때, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 회전 궤적을 최소 시간으로 움직이도록 하는, 최적 회전 궤적을 생성할 수 있다. 예를 들어, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 회전 궤적에 경로 파라미터화 함수(path parameterization function)를 적용하여 시간에 따른 경로 파라미터(path parameter) 값을 결정할 수 있다. 경로 파라미터는 아래의 <수학식 1>과 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000001
또한, 궤적 최적화를 위해 아래의 <수학식 2>와 같이 최적화 변수를 정의하고, 이를 이용하여 아래의 <수학식 3>과 같이 최적 회전 궤적을 공식화할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000002
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000003
추가적으로, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 굴착기(300)의 전도(및/또는 전복)를 방지하기 위하여, 최적 회전 궤적 획득에 ZMP(zero-moment point)를 고려할 수 있다. ZMP는 z 축에 대한 모멘트만 남고 x 축, y 축에 대한 모멘트가 0인 점을 의미한다. 예를 들어, ZMP가 굴착기(300)의 하부체(예: 하부체(210))가 접하는 지면의 최소 다각형인 서포트 폴리곤(Support Polygon) 내에 위치하게 되면 안정적인 작업이 가능한 상태일 수 있으며, 반대로 ZMP가 서포트 폴리곤을 벗어나는 경우 굴착기(300)가 전도될 가능성이 있다고 볼 수 있다.
예를 들어, ZMP는 아래의 <수학식 4>와 같이, 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부(예: 붐(231), 암(233) 또는 버켓(235) 등)에 적용되는 질량(m)에 기초하여 유도될 수 있으며, ZMP를 고려하여 최적 회전 궤적을 획득하기 위하여, 아래의 <수학식 5>와 같이, 프론트 작업 장치(230)의 조인트(예: 버켓(235) 조인트, 암(233) 조인트, 붐(231) 조인트 등)를 경로 파라미터화 함수에 대한 함수로 정의하고, 아래의 <수학식 6>과 같이, 굴착기(300)의 기구학 정보를 이용하여 각 링크의 질량 중심(Center Of Mass) 정보와 가속도를 프론트 작업 장치(230)의 조인트에 대한 함수로 나타내어 ZMP 유도에 필요한 항을 정리할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000004
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000005
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000006
또한, <수학식 5>를 통해 정의된 함수와 <수학식 6>을 통해 정리된 항을 이용하여 아래의 <수학식 7>과 같이
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000007
에 대한 함수로 정리할 수 있으며, 아래의 <수학식 8>과 같이 최적 회전 궤적을 공식화할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000008
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000009
전술한 바와 같이, ZMP를 고려하여 최적 회전 궤적을 획득하는 경우 굴착기(300)의 전도를 효과적으로 방지할 수 있으며, 이러한 결과는 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 4a의 참조번호 410은 최적화 변수를 나타내며, 참조번호 420은 시간에 따른 경로 파라미터화 함수를 나타내며, 참조번호 430은 프론트 작업 장치(230)의 조인트들의 시간에 따른 궤적을 나타낸다. 또한, 도 4b의 참조번호 450 및 460과 같이, 굴착기(300)가 계획한 최적 회전 궤적을 따를 때, ZMP(443)가 굴착기(300)의 서포트 폴리곤(441) 내에 위치하는 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 굴착기(300)의 회전 작업이 수행되는 동안, 장애물과의 충돌을 방지할 수 있다. 예를 들어, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 회전 작업이 수행되는 동안 프론트 작업 장치(230)(예: 버켓(235), 암(233) 또는 붐(231))와 장애물과의 충돌 가능성을 모니터링할 수 있으며, 충돌 가능성을 감지하는 것에 응답하여 충돌을 회피할 수 있는 최적 회전 궤적을 다시 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 굴착기(300)의 회전 작업이 수행되는 동안 센서 장치(340)를 통해 획득되는 정보에 기초하여, 프론트 작업 장치(230)와 장애물 사이의 최소 거리를 산출하고 이를 기초로 하여 충돌 가능성을 모니터링할 수 있다. 이때, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 프론트 작업 장치(230)와 장애물 사이의 최소 거리를 산출하기 위해서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 프론트 작업 장치(예: 버켓(235))(501)와 장애물(503)을 다면체(polyhedron) 형태로 모델링할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 충돌을 회피할 수 있는 최적 회전 궤적을 다시 생성하기 위해서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 최적 회전 궤적(505)의 적어도 일부, 예를 들어, 최적 회전 궤적(505) 중 장애물(503)과 충돌이 발생되는 부분에 대한 척력(repulsion force)(frep)과 수축력(contraction force)(fcon)을 획득할 수 있다. 척력과 수축력은 엘라스틱 밴드(elastic bands) 이론에 기초하여 아래의 <수학식 9>에 의해 획득될 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000010
또한, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 아래의 <수학식 10>과 같이, 척력과 수축력을 이용하여 충돌 회피 지점을 확인할 수 있으며, 도 5c 및 아래의 <수학식 11>과 같이 회피 지점을 이용하여 충돌을 회피할 수 있는 최적 회전 궤적(507)으로 재생성(또는 갱신)할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000011
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000012
전술한 바와 같이, 모니터링 동작과 최적 회전 궤적 재생성 동작은 굴착기(300)와 장애물 사이의 충돌을 효과적으로 감지할 수 있으며 이러한 결과는 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 최초의 최적 회전 궤적을 기초로 하여, 충돌 지점과 일정 거리 이상 멀어지는 새로운 궤적을 반복적으로 생성하면서 최종적으로 충돌을 회피할 수 있는 최적 회전 경로를 재생성하고, 도 5e에 도시된 바와 같이, 재생성된 최적 회전 궤적을 따르는 프론트 작업 장치(230)의 회전 궤적(511), 암(233)의 움직임 궤적(513), 붐(231)의 움직임 궤적(515) 및 버켓(235)의 움직임 궤적(517)이 장애물(503)과 충돌을 회피하는 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상차 궤적은 상차 위치, 상차 동작에 기초하여 결정될 수 있다. 상차 위치는 상차 동작을 시작하기 위한 버켓(235) 팁의 위치이며, 상차 동작은 상차 위치에 버켓(235)을 위치시키는 대기 동작, 버켓(235)을 회전시켜 토사의 상차를 시작하는 시작 동작, 버켓(235)에 적재된 토사의 상차를 완료하는 완료 동작을 포함할 수 있다. 또한, 상차 궤적이 획득되면, 작업 제어 장치(350)(또는 구동 제어부(354))는 프론트 작업 장치(230)를 제어하여 상차 궤적에 따라 상차 작업을 수행할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 센서 장치(340)를 통해 획득되는 정보에 기초하여 상차 위치를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 덤프 트럭의 적재함에 적재되어 있는 토사 정보를 기초로 하여, 적재함 내에 토사가 고르게 적재되도록 상차 위치를 결정할 수 있다.
예를 들어, 도 6a 및 아래의 <수학식 12>와 같이, 덤프 트럭의 적재함(610)을 다면체 형태로 정의하고, 적재함(610) 상면을 구성하는 4개의 꼭지점(c)의 좌표를 확인하고, 적재함(610) 내부에 적재된 토사의 상태를 포인트 클라우드(point cloud)형태로 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000013
또한, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 상차 위치를 결정하기 위하여, 적재함(610) 내부를 일정 크기의 그리드(grid)로 구분하고, 아래의 <수학식 13>과 같이, 각 그리드에 굴착기(620)의 버켓(235) 팁(622)이 위치했을 때의 상차 영역과 상차 영역에 대응하는 포인트 클라우드를 정의할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000014
또한, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 아래의 <수학식 14>와 같이, 각 그리드 마다 상차 영역 내의 평균 적재량을 차이 값(cost)으로 하고, 각 그리드에 정의된 상차 영역이 적재함(610) 내부에 위치하도록 제약 조건(constraint)를 정의하여 상차 위치를 결정할 수 있다.
Figure PCTKR2021011752-appb-img-000015
전술한 바와 같이, 상차 위치는 적재함 내에 토사가 고르게 적재되도록 할 수 있으며, 이러한 결과는 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 적재함(610) 내부 토사 상태(612)는 검은색 박스 내부에 표현되어 있으며, 전술한 알고리즘을 통해 도출된 버켓(235)의 팁(622) 위치와 상차 영역(630)이 토사가 적재함(610) 내에 한 곳으로 집중되어 적재되지 않고 고르게 적재되도록 설정된 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 상차 위치에 기초하여 상차 동작을 획득할 수 있다. 예를 들어, 도 6c에 도시된 바와 같이, 대기 동작(641)에서는 적재된 토사를 유지하기 위해 버켓(235)(640)의 최하단은 적재함으로부터 일정 거리(d) 이격되고, 버켓(235)(640)의 각도는 지면과 수평하고, 버켓(235)(640) 팁(622)의 끝단은 상차 위치(x 축)에 위치하도록 설정할 수 있다. 또한. 완료 동작(645)에서는 버켓(235)(640) 팁(622)의 끝단과 버켓(235)(640) 조인트는 상차 위치에 위치하며, 버켓(235)(640) 팁(622)의 끝단이 적재함으로부터 일정 거리(d) 이격되도록 설정할 수 있다. 이를 기초로 하여, 대기 동작(641), 시작 동작(643) 및 완료 동작(645)이 순차적으로 수행되는 동안 버켓(235)(640) 팁(622)의 위치가 상차 위치에 대응되어 적재함 내에 토사가 고르게 적재되도록 할 수 있다. 이러한 결과는 도 6d에 도시된 바와 같이, 상차 동작이 수행되는 동안 버켓(235)(640)의 팁(622)은 x 축 위치는 변하지 않고 z 축 및 각도만 선형적으로 변화되도록 붐(231), 암(233), 버켓(235)이 제어되는 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.
이때, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 상차 동작(또는 상차 궤적)을 최소 시간으로 움직이도록 하는 최적 상차 궤적을 생성할 수 있다. 최적 상차 궤적을 생성하는 방법은 최적 회전 궤적을 생성하는 방법과 동일 또는 유사할 수 있다. 예를 들어, 최적 상차 궤적은, 전술한 <수학식 1> 내지 <수학식 8>에 의해 획득될 수 있다. 또한, 이러한 최적 상차 궤적은 ZMP를 이용하는 것으로 굴착기(300)의 전도를 효과적으로 방지할 수 있으며, 이러한 결과는 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 6e에 도시된 바와 같이, 참조번호 660은 최적화 변수를 나타내며, 참조번호 670은 시간에 따른 경로 파라미터화 함수를 나타내며, 참조번호 680은 프론트 작업 장치(230)의 조인트들의 시간에 따른 궤적을 나타내는 것으로, 상차 작업 시 회전이 발생되지 않고 회전 각도가 일정한 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 작업 궤적의 일부로, 상차 위치로 이동된 버켓(235)을 굴착 지점으로 복귀시키는 복귀 궤적을 획득할 수도 있다. 복귀 궤적은 상차 작업이 수행된 위치 및 이전 굴착 작업이 수행된 위치에 기초하여 획득될 수 있다. 또한, 복귀 궤적이 획득되면, 작업 제어 장치(350)(또는 구동 제어부(354))는 프론트 작업 장치(230)를 제어하여 복귀 궤적에 따라 복귀 작업을 수행하거나 복귀 작업과 함께 굴착 작업을 수행할 수도 있다.
이때, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는 복귀 궤적을 최소 시간으로 움직이도록 하는, 최적 복귀 궤적을 생성할 수 있다. 최적 복귀 궤적은 최적 회전 궤적을 생성하는 방법과 동일 또는 유사할 수 있다. 예를 들어, 최적 복귀 궤적은, 전술한 <수학식 1> 내지 <수학식 8>에 의해 획득될 수 있다. 또한, 작업 제어 장치(350)(또는 작업 계획 수립부(352))는, 복귀 작업이 수행되는 동안 프론트 작업 장치(230)(예: 버켓(235), 암(233) 또는 붐(231))와 장애물과의 충돌 가능성을 모니터링할 수 있으며, 충돌 가능성을 감지하는 것에 응답하여 충돌을 회피할 수 있는 최적 복귀 궤적을 다시 생성할 수도 있다.
전술한 실시 예에서는 프로세서(310)와 작업 제어 장치(350)가 서로 분리된 구성으로 설명하였으나, 이는 예시적일 뿐, 본 개시가 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 작업 제어 장치(350)와 프로세서(310)는 하나의 구성으로 설계될 수 있다.
도 7은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 동작 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 이하 실시 예에서 각 동작들은 순차적으로 수행될 수도 있으나, 반드시 순차적으로 수행되는 것은 아니다. 또한, 이하의 동작들은 굴착기(300)의 프로세서(310)에 의해 수행되거나 프로세서(310)에 의해 실행 가능한 명령어들로 구현될 수 있다.
도 7을 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)(이하, 굴착기(300)로 칭함)는, S710 동작에서, 굴착 작업을 수행할 수 있다. 굴착기(300)는 외부 장치로부터 수신하는 작업 지시에 기초하여 굴착 작업을 수행할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는 적어도 하나의 센서 장치를 통해 획득되는 정보에 기초하여 주변 환경 및 굴착기(300)의 상태를 인지하여 굴착 궤적을 생성할 수 있으며, 굴착 궤적에 따라 굴착 작업을 수행할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S720 동작에서, 후속 작업 궤적을 획득할 수 있다. 후속 작업 궤적은 굴착 작업 이후 진행될 수 있는 후속 작업에 대한 작업 궤적일 수 있다. 예를 들어, 후속 작업 궤적은 회전 작업을 수행하기 위하여 버켓(235) 또는 암(233) 선단이 이동해야 하는 회전 궤적 및 상차 작업을 수행하기 위하여 버켓(235) 또는 암(233) 선단이 이동해야 하는 상차 궤적을 포함할 수 있다. 추가적으로, 후속 작업 궤적은 버켓(235) 또는 암(233) 선단을 상차 작업 후 굴착 지점으로 이동시키는 복귀 궤적을 포함할 수도 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S730 동작에서, 후속 작업 궤적 및 ZMP를 이용하여 최적 작업 궤적을 획득(또는 생성)할 수 있다. 전술한 바와 같이, ZMP는 z 축에 대한 모멘트는 존재하나, x 축 및 y 축에 대한 모멘트가 0인 점을 의미한다. 예를 들어, 최적 작업 궤적은 전술한 <수학식 1> 내지 <수학식 8>을 이용하여 획득할 수 있으며, 이러한 최적 작업 궤적은 굴착기(300)의 전도를 효과적으로 방지할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S740 동작에서, 획득된 최적 작업 궤적에 기초하여 후속 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어, 굴착기(300)는 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부(예: 붐(231), 암(233) 또는 버켓(235) 등)가 최적 작업 궤적을 따르도록 제어할 수 있다.
도 8은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 후속 작업 처리 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 이하 설명되는 도 8의 동작들은, 도 7의 S720 동작 내지 S740 동작에 대한 다양한 실시 예를 나타낸 것일 수 있다. 또한, 이하 실시 예에서 각 동작들은 반드시 순차적으로 수행되는 것은 아니며, 개시된 동작 중 적어도 하나의 동작이 생략되거나 다른 동작이 추가될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)(이하, 굴착기(300)로 칭함)는 굴착 작업을 수행한 후 회전 작업과 상차 작업을 후속 작업으로 수행할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S810 동작에서 토사 상차를 위한 회전 궤적을 획득할 수 있다. 예를 들어, 회전 궤적은 토사가 적재된 버켓(235)을 적재함 근처로 이동시키기 위하여, 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부(예: 버켓(235) 또는 암(233) 선단)가 이동해야 하는 궤적일 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S820 동작에서 회전 궤적 및 ZMP를 이용하여 최적 회전 궤적을 획득할 수 있다. 최적 회전 궤적은 회전 궤적을 최소 시간으로 움직이도록 하는 궤적일 수 있으며, 굴착기(300)는 ZMP를 이용하여 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부에 대한 움직임 범위를 제한할 수 있다. 이는 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부에 대한 움직임이 ZMP 범위 내에서 이루어진다는 것으로, 굴착기(300)의 전도를 효과적으로 방지할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S830 동작에서 최적 회전 궤적에 기초하여 회전 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어, 굴착기(300)는 버켓(235)의 위치를 굴착 지점을 기준으로 일정 높이 이상 높이는 붐업 작업과 토사가 적재된 버켓(235)을 적재함 근처로 이동시키는 회전 작업을 수행할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S840 동작에서 최적 회전 궤적 및 센서 정보에 기초하여 회전 작업을 모니터링할 수 있다. 굴착기(300)는 모니터링을 통해 회전 작업이 수행되는 동안 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부와 장애물과의 충돌 가능성을 감지할 수 있다. 예를 들어, 굴착기(300)는 회전 작업이 수행되는 동안 센서 장치를 통해 획득되는 정보에 기초하여, 프론트 작업 장치(230)와 장애물 사이의 최소 거리를 산출하고 이를 기초로 하여 충돌 가능성을 모니터링할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는, S850 동작에서 장애물과의 충돌이 감지되는지를 판단할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 장애물과의 충돌이 감지되면, 굴착기(300)는, S860 동작에서 최적 회전 궤적을 재생성할 수 있다. 최적 회전 궤적은, 도 9를 통해 후술하는 바와 같이, 엘라스틱 밴드 이론에 기초하여 충돌을 회피할 수 있는 최적 회전 궤적으로 재생성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 개시의 실시 예가 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 장애물과의 충돌 회피를 위한 다양한 방법이 최적 회전 궤적 재생성에 이용될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 장애물과의 충돌이 감지되면, 굴착기(300)는, S870 동작에서 회전 작업이 완료되는지를 판단할 수 있다. 회전 작업의 완료는 버켓(235)이 적재함 근처로 이동한 상태를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 회전 작업이 완료되면, 굴착기(300)는, S880 동작에서 상차 작업을 수행할 수 있다.
도 9는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 궤적 재생성 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 이하 설명되는 도 9의 동작들은, 도 8의 S860 동작에 대한 다양한 실시 예를 나타낸 것일 수 있다. 또한, 이하 실시 예에서 각 동작들은 반드시 순차적으로 수행되는 것은 아니며, 개시된 동작 중 적어도 하나의 동작이 생략되거나 다른 동작이 추가될 수도 있다.
도 9를 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)(이하, 굴착기(300)로 칭함)는, S910 동작에서 최적 회전 궤적 중 장애물과 충돌이 발생되는 부분에 대한 척력(repulsion force)(frep)과 수축력(contraction force)(fcon)을 획득할 수 있다. 척력과 수축력은 엘라스틱 밴드(elastic bands) 이론에 기초하여 전술한 <수학식 9>에 기초하여 획득할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 굴착기(300)는, S920 동작에서 척력 및 수축력에 기초하여 최적 회전 궤적을 재생성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는 척력과 수축력을 이용하여 충돌 회피 지점을 확인하고 이를 기초로 하여 충돌을 회피할 수 있는 최적 회전 궤적을 재생성할 수 있다. 충돌 회피 지역은 전술한 <수학식 10>에 기초하여 확인될 수 있으며, 최적 회전 궤적은 전술한 <수학식 11>에 기초하여 재생성될 수 있다.
도 10은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)의 상차 작업 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 이하 설명되는 도 10의 동작들은, 도 7의 S720 동작 내지 S740 동작에 대한 다양한 실시 예, 또는 도 8의 S880 동작에 대한 다양한 실시 예를 나타낸 것일 수 있다. 또한, 이하 실시 예에서 각 동작들은 반드시 순차적으로 수행되는 것은 아니며, 개시된 동작 중 적어도 하나의 동작이 생략되거나 다른 동작이 추가될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 자율 작업 굴착기(300)(이하, 굴착기(300)로 칭함)는, S1010 동작에서 센서 정보에 기초하여 상차 위치를 획득할 수 있다. 상차 위치는 상차 동작을 시작하기 위한 버켓(235) 팁의 위치일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 센서 장치를 통해 획득되는 정보에 기초하여, 적재함 내에 토사가 고르게 적재되도록 상차 위치를 결정할 수 있다. 센서 장치를 통해 획득되는 센서 정보의 적어도 일부는 적재함의 형태, 적재함 내부에 적재된 토사의 상태와 연관될 수 있다. 예를 들어, 굴착기(300)는 상차 위치를 획득하기 위하여, 전술한 <수학식 12> 내지 <수학식 14> 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 굴착기(300)는, S1020 동작에서 상차 위치에 기초하여 상차 동작을 획득할 수 있다. 상차 동작은 상차 위치에 버켓(235)을 위치시키는 대기 동작, 버켓(235)을 회전시켜 토사의 상차를 시작하는 시작 동작, 버켓(235)에 적재된 토사의 상차를 완료하는 완료 동작을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 굴착기는 대기 동작, 시작 동작 및 완료 동작이 순차적으로 수행되는 동안 버켓(235) 팁의 위치가 상차 위치에 대응되도록 제어할 수 있다. 이러한 상차 동작은 상차 궤적으로 사용될 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 굴착기(300)는, S1030 동작에서 상차 동작 및 ZMP에 기초하여 최적 상차 궤적을 획득할 수 있다. 굴착기(300)는 ZMP를 이용하여 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부에 대한 움직임 범위를 제한할 수 있다. 이는 프론트 작업 장치(230)의 적어도 일부에 대한 움직임이 ZMP 범위 내에서 이루어진다는 것으로, 굴착기(300)의 전도를 효과적으로 방지할 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 굴착기(300)는, S1040 동작에서 최적 상차 궤적에 기초하여 상차 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어, 버켓(235)의 토사를 적재함에 적재할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는 상차 작업이 수행되는 동안, 최적 상차 궤적 및 센서 정보에 기초하여 장애물과의 충돌 가능성을 모니터링할 수 있다. 또한, 장애물과의 충돌이 감지되는 경우, 굴착기(300)는 충돌을 회피하도록 최적 상차 궤적을 재생성할 수 있다. 최적 상차 궤적의 재생성 방법은 최적 회전 궤적의 재생 방법과 유사하거나 동일할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 굴착기(300)는 상차 위치에 위치한 버켓(235)을 이전 굴착 지점으로 복귀시키는 복귀 작업을 수행할 수 있다. 이때, 굴착기(300)는 상차 작업이 수행된 위치 및 이전 굴착 작업이 수행된 위치에 기초하여 복귀 궤적을 결정할 수 있으며, 복귀 궤적 및 ZMP에 기초하여 최적 복귀 궤적을 획득할 수 있다. 추가적으로, 굴착기(300)는 복귀 작업이 수행되는 동안, 최적 복귀 궤적 및 센서 정보에 기초하여 장애물과의 충돌 가능성을 모니터링할 수 있다. 이때, 장애물과의 충돌이 감지되는 경우, 굴착기(300)는 충돌을 회피하도록 최적 복귀 궤적을 재생성할 수 있다. 최적 복귀 궤적의 재생성 방법은 최적 회전 궤적의 재생 방법과 유사하거나 동일할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 굴착기(300)의 동작 방법은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장되어 프로세서(예: 프로세서(310))에 의해 실행될 수 있는 명령어들로 구현될 수 있다.
저장 매체는, 직접 및/또는 간접적이든, 원시 상태, 포맷화된 상태, 조직화된 상태 또는 임의의 다른 액세스 가능한 상태이든 관계없이, 관계형 데이터베이스, 비관계형 데이터베이스, 인-메모리(in-memory) 데이터베이스, 또는 데이터를 저장할 수 있고 저장 제어기를 통해 이러한 데이터에 대한 액세스를 허용할 수 있는 다른 적절한 데이터베이스와 같이 분산형을 포함하는 데이터베이스를 포함할 수 있다. 또한, 저장 매체는, 1차 저장 장치(storage), 2차 저장 장치, 3차 저장 장치, 오프라인 저장 장치, 휘발성 저장 장치, 비휘발성 저장 장치, 반도체 저장 장치, 자기 저장 장치, 광학 저장 장치, 플래시 저장 장치, 하드 디스크 드라이브 저장 장치, 플로피 디스크 드라이브, 자기 테이프, 또는 다른 적절한 데이터 저장 매체와 같은 임의의 타입의 저장 장치를 포함할 수 있다.
본 개시는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 굴착기에 있어서,
    암, 붐 및 버켓을 포함하는 프론트 작업 장치;
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보를 수집하도록 구성된 센서 장치; 및
    상기 프론트 작업 장치 및 상기 센서 장치와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는,
    작업 지시에 기초하여 상기 버켓에 토사가 적재되도록 굴착 작업을 수행하고,
    상기 굴착 작업을 수행한 후, 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 질량 정보에 기초하여 상기 굴착기에 작용하는 힘의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하고,
    상기 ZMP와 상기 주변 환경과 관련된 정보를 이용하여 상기 버켓에 적재된 토사를 처리하기 위한 작업 궤적을 획득하도록 제어하는 굴착기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 회전 궤적을 획득하고,
    상기 회전 궤적 및 상기 ZMP를 이용하여 상기 작업 궤적을 획득하고,
    상기 작업 궤적으로 상기 버켓을 굴착 지점으로부터 적재함 근처로 이동시키는 회전 작업을 수행하도록 제어하는 굴착기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    최소 시간으로 상기 회전 궤적을 따르도록 하는 상기 작업 궤적을 획득하도록 제어하는 굴착기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 버켓의 팁이 위치해야 하는 상차 위치를 획득하고,
    상기 상차 위치에 상기 토사가 적재되도록 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 상차 궤적을 획득하고,
    상기 상차 궤적 및 상기 ZMP를 이용하여 상기 작업 궤적을 획득하고,
    상기 작업 궤적으로 상기 버켓에 저장된 토사를 적재함에 적재하는 상차 작업을 수행하도록 제어하는 굴착기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    최소 시간으로 상기 상차 궤적을 따르도록 하는 상기 작업 궤적을 획득하도록 제어하는 굴착기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 상차 작업이 수행되는 동안 상기 버켓의 팁 위치가 상기 상차 위치에 유지되도록 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부를 제어하는 굴착기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 적재함에 적재된 토사의 상태에 기초하여 상기 상차 위치를 획득하도록 제어하는 굴착기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 작업 궤적에 기초하여 상기 토사를 처리하고,
    상기 토사를 처리하는 동안, 상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부와 장애물 사이의 충돌을 모니터링하고,
    상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부와 장애물 사이의 충돌을 감지하는 경우, 상기 작업 궤적을 갱신하도록 제어하는 굴착기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 작업 궤적 중 장애물과 충돌이 발생되는 부분에 대한 척력(repulsion force)과 수축력(contraction force)을 획득하고,
    상기 척력과 수축력에 기초하여 충돌 회피 지점을 획득하고,
    상기 충돌 회피 지점에 기초하여 상기 작업 궤적을 갱신하도록 제어하는 굴착기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 프론트 작업 장치에 대한 복귀 궤적을 획득하고,
    상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 질량 정보에 기초하여 상기 굴착기에 작용하는 힘의 ZMP(Zero Moment Point)를 재산출하고,
    상기 복귀 궤적 및 상기 재산출된 ZMP를 이용하여 상기 작업 궤적을 획득하고,
    상기 작업 궤적으로 상기 버켓을 굴착 지점으로 복귀시키는 복귀 작업을 수행하하도록 제어하는 굴착기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 정보는 상기 버켓의 무게 측정 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴착기.
  12. 작업 지시에 기초하여 굴착 작업을 수행하는 동작;
    상기 굴착 작업을 수행한 후, 암, 붐 및, 버켓을 포함하는 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 질량 정보에 기초하여 굴착기에 작용하는 힘의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하는 동작;
    상기 ZMP를 이용하여 상기 버켓에 적재된 토사를 처리하기 위한 작업 궤적을 획득하는 동작; 및
    상기 작업 궤적으로 상기 버켓을 굴착 지점으로부터 적재함 근처로 이동시키는 회전 작업을 수행하는 동작을 포함하는 굴착기의 동작 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 작업 궤적을 획득하는 동작은,
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 회전 궤적을 획득하는 동작; 및
    상기 회전 궤적 및 상기 ZMP를 이용하여 상기 작업 궤적을 획득하는 동작을 포함하는 굴착기의 동작 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 작업 궤적을 획득하는 동작은,
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 버켓의 팁이 위치해야 하는 상차 위치를 획득하는 동작;
    상기 상차 위치에 상기 토사가 적재되도록 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부에 대한 상차 궤적을 획득하는 동작; 및
    상기 상차 궤적 및 상기 ZMP를 이용하여 상기 작업 궤적을 획득하는 동작을 포함하며,
    상기 작업 궤적으로 상기 버켓에 저장된 토사를 적재함에 적재하는 상차 작업을 수행하는 굴착기의 동작 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 작업 궤적에 기초하여 상기 토사를 처리하는 동작;
    상기 토사를 처리하는 동안, 상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부와 장애물 사이의 충돌을 모니터링하는 동작; 및
    상기 프론트 작업 장치의 적어도 일부와 장애물 사이의 충돌을 감지하는 경우, 상기 작업 궤적을 갱신하는 동작을 더 포함하는 굴착기의 동작 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 갱신하는 동작은,
    상기 작업 궤적 중 장애물과 충돌이 발생되는 부분에 대한 척력(repulsion force)과 수축력(contraction force)을 획득하는 동작;
    상기 척력과 수축력에 기초하여 충돌 회피 지점을 획득하는 동작; 및
    상기 충돌 회피 지점에 기초하여 상기 작업 궤적을 갱신하는 동작을 포함하는 굴착기의 동작 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 작업 궤적을 획득하는 동작은,
    상기 굴착기의 상태 정보 및 주변 환경과 관련된 정보에 기초하여 상기 프론트 작업 장치에 대한 복귀 궤적을 획득하는 동작; 및
    상기 복귀 궤적 및 상기 ZMP를 이용하여 상기 작업 궤적을 획득하는 동작을 포함하며,
    상기 작업 궤적으로 상기 버켓을 굴착 지점으로 복귀시키는 복귀 작업을 수행하는 굴착기의 동작 방법.
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