KR101058198B1 - 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토양의 부하특성을 분석하여 휠 로더의 로딩작업을 자동화함으로써 운전자의 피로를 최소화하고 작업효율을 향상시킬 수 있는 실험장치에 관한 것으로, L자로 형성되는 수직부재와 수평부재 위에 형성되는 몸체와, 상기 몸체의 전후방향으로 이동 가능하게 결합되는 브래킷과, 상기 브래킷에 결합되는 스테핑모터와, 상기 스테핑모터에 연결되어 구동하는 붐 조립체와, 상기 붐 조립체의 선단에 회전 가능하게 결합되는 버킷과, 상기 버킷의 측면에 형성되어 상기 버킷의 회전각을 측정하는 제1검출수단과, 상기 붐 조립체의 일측에 형성되어 상기 붐 조립체의 기울기를 측정하는 제2검출수단과, 상기 버킷을 회전 구동시키는 상기 스테핑모터와 연결되어 그 회전에 따라 상기 버킷의 절대위치를 측정하는 제3검출수단과, 상기 몸체와 상기 수직부재 사이에 형성되어 상기 버킷으로 인가되는 상하방향 힘을 측정하는 제4검출수단과, 상기 몸체와 상기 수평부재 사이에 형성되어 상기 버킷으로 인가되는 전후방향의 힘을 측정하는 제5검출수단, 그리고 상기 제1 내지 제5검출수단을 통해 측정된 데이터를 이용하여 토양의 부하특성을 분석하는 제어부를 포함하며, 상기 수평부재와 상기 브래킷 사이에는 가이드 레일과 가이드 블록으로 구성되는 가이드 수단이 설치된다. 이때, 상기 제1 및 제2검출수단은 틸트 센서(tilt sensor)이고, 상기 제3검출수단은 앱솔루트 엔코더(absolute encoder)이며, 상기 제4 및 제5검출수단은 로드셀(load cell)인 것이 바람직하다.
휠 로더, 버킷, 토양, 부하특성, 로딩

Description

휠 로더의 로딩 자동화 실험장치{AUTOMATIC LOADING TEST SYSTEM FOR WHEEL LOADER}
본 발명은 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치에 관한 것으로, 구체적으로는 토양의 부하특성을 분석하여 휠 로더의 로딩작업을 자동화함으로써 운전자의 피로를 최소화하고 작업효율을 향상시킬 수 있는 실험장치에 관한 것이다.
일반적으로 휠 로더(wheel loader)는 굴삭된 토사, 골재, 파쇄암 등을 운반기계에 싣는데 사용되는 건설장비의 일종이다. 이러한 휠 로더는 적재물에 대한 진입, 로딩, 이동, 덤핑 등의 일련의 사이클을 반복적으로 실시함으로써 적재물의 상차작업을 수행한다.
그런데 상술한 바와 같이 정형화된 상차작업은 운전자에게 피로를 주며 작업효율을 저하시키는 등의 문제를 안고 있다. 따라서 종래에는 이러한 문제점을 해결하고자 상차작업 시 버킷(bucket)에 적재되는 적재물의 중량을 측정하는 계측수단을 사용하였다. 즉, 계측수단을 이용하여 덤핑 시 버킷에 적재된 적재물의 중량을 측정하고, 그를 바탕으로 해당 덤프트럭에 규정된 적재중량만큼 적재함으로써 작업효율을 향상시켰다.
이러한 적재물의 중량을 계측하기 위한 종래의 장치는 일본국 특개소 제62-274223호(이하, 선행기술이라 함)의 공보에 개시되어 있다. 이를 좀 더 상세히 살펴보면, 상술한 선행기술에서는 중량물을 적재한 버킷의 높이를 검출하는 높이센서와, 중량물을 적재한 버킷을 들어 올리는 유압실린더의 유압을 검출하는 유압센서를 포함한다. 이와 같은 구성의 선행기술은 상기 높이센서와 유압센서를 이용하여 중량물을 적재한 버킷이 소정의 높이에 도달한 시점을 기준으로 전후 소정 샘플링 시간에 걸쳐 소정의 샘플링 간격마다 유압을 측정하고, 측정된 유압데이터의 평균치를 근거로 버킷에 적재된 중량물의 중량을 산출하여 사용하였다.
한편, 최근에는 진입, 로딩, 이동, 덤핑 등의 상차작업 중 진동 및 소음이 상당량 수반되는 과정인 로딩과정을 자동화하기 위한 기술이 개발되고 있는 실정이다.
그런데 이와 같은 로딩과정을 자동화하기 위해서는 적재물(이하, 토양이라고 함)에 외력(버킷)이 인가되었을 경우 거동특성 및 부하특성 등을 분석하여 토양 지배방정식의 적합성, 신뢰성 등의 검토가 선행되어야 하며, 로딩 시 주요인자결정은 물론 이중안전개념을 도입한 보상알고리즘 등이 뒤따라야 한다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상용 휠 로더를 대신하여 토양의 부하특성을 분석하고 로딩작업의 자동화 실험을 수행할 수 있는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상용 휠 로더의 로딩을 자동화함으로써 운전자의 피로를 최소화하고 작업효율을 향상시킬 수 있는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치는, L자로 형성되는 수직부재와 수평부재 위에 형성되는 몸체; 상기 몸체의 전후방향으로 이동 가능하게 결합되는 브래킷과, 상기 브래킷에 결합되는 스테핑모터; 상기 스테핑모터에 연결되어 구동하는 붐 조립체와, 상기 붐 조립체의 선단에 회전 가능하게 결합되는 버킷과, 상기 버킷의 측면에 형성되어 상기 버킷의 회전각을 측정하는 제1검출수단과, 상기 붐 조립체의 일측에 형성되어 상기 붐 조립체의 기울기를 측정하는 제2검출수단과, 상기 버킷을 회전 구동시키는 상기 스테핑모터와 연결되어 그 회전에 따라 상기 버킷의 절대위치를 측정하는 제3검출수단과, 상기 몸체와 상기 수직부재 사이에 형성되어 상기 버킷으로 인가되는 상하방향 힘을 측정하는 제4검출수단과, 상기 몸체와 상기 수평부재 사이에 형성되어 상기 버킷으로 인가되는 전후방향의 힘을 측정하는 제5검출수단 및 상기 제1 내지 제5검출수단을 통해 측정된 데이터를 이용하여 토양의 부하특성을 분석하는 제어부를 포함하며 상기 수평부재와 상기 브래킷 사이에는 가이드 레일과 가이드 블록으로 구성되는 가이드 수단이 설치된다. 이때, 상기 제1 및 제2검출수단은 틸트 센서(tilt sensor)이고, 상기 제3검출수단은 앱솔루트 엔코더(absolute encoder)이며, 상기 제4 및 제5검출수단은 로드셀(load cell)인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치는 상용 휠 로더를 이용하여 실험할 때 소요되는 시간, 비용, 인력 및 실험환경 등을 최소화함으로써 다양한 실 험 시나리오를 계획 및 수행할 수 있다. 또한, 상기 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 이용하여 상용 휠 로더와 토양 사이의 관계적 특성을 분석함으로써 버킷궤적제어 알고리즘을 개발할 수 있으며, 운전자의 피로를 최소화하고 작업효율을 향상시킬 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 도시하는 측면도이다.
도 1 및 도2 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치는 크게 몸체부(100), 이동부(200) 및 적재부(300)를 포함하여 구성된다.
상기 몸체부(100)는, 이동부(200)에 의해 전후방향(이동부의 길이방향, 적재부에 근접 또는 이격하는 방향과 동일한 방향)으로 이동하는 몸체(110)와, 상기 몸체에 전후방향으로 이동 가능하게 결합되는 브래킷(120)과, 상기 브래킷(120)에 결합되는 스테핑모터(130)와, 상기 스테핑모터(130)에 연결되어 구동하는 붐 조립체(140)와, 상기 붐 조립체(140)의 선단에 회전 가능하게 결합되는 버킷(150)과, 토양 샘플의 적재 시 버킷(150) 및 붐 조립체(140)에 관련된 각종 데이터를 측정하는 제1 내지 제5검출수단(161~169)과, 상기 제1 내지 제5검출수단(161~169)을 통해 측정된 데이터를 이용하여 토양의 부하특성을 분석하는 제어부(미도시)로 구성된다.
상기 몸체(110)는 수직부재(112)와 수평부재(114)에 의해 L자 형상으로 형성되고, 상기 수직부재(112)의 전면에는 후술할 제4검출수단(167)이 설치되며, 수평부재(114)의 상면에는 후술할 제5검출수단(169)이 설치된다. 이때, 상기 수평부재(114)와 제5검출수단(169)의 사이에는 가이드 레일(116r)과 가이드 블록(116b)으로 구성되는 가이드 수단(116)이 마련된다.
상기 브래킷(120)은 제5검출수단(169)의 상부에 결합되어 상기 몸체(110)의 전후방향으로 이동 가능하고, 상기 스테핑모터(130) 및 스테핑모터(130)와 연결되는 제3검출수단(165)이 설치된다.
상기 붐 조립체(140)는 상기 스테핑모터(130)에 연결되어 상기 버킷(150)을 회전시키는 수단이며, 상기 버킷(150)은 붐 조립체(140)의 선단에 회전 가능하게 결합되어 붐 조립체(140)의 구동 시 토양 샘플의 적재하는 수단이다. 이때, 상기 붐 조립체(140)의 일측에는 제2검출수단(163)이 설치되고, 상기 버킷(150)의 일측에는 제1검출수단(161)이 설치된다.
상술한 제1 내지 제5검출수단(161~169)에 대해 살펴보면, 우선 상기 제1 및 제2검출수단(161,163)은 붐 조립체(140)의 기울기 및 버킷(150)의 회전각을 측정하기 위한 검출수단으로, 본 실시예에서는 틸트 센서(tilt sensor)를 사용한다.
또한, 상기 제3검출수단(165)은 버킷(150)의 절대위치를 측정하는 검출수단으로, 상술한 바와 같이 버킷(150)을 회전 구동시키는 스테핑모터(130)와 연결되어 그 회전에 따라 버킷(150)의 절대위치데이터를 출력한다. 이때, 본 실시예에서 사용되는 제3검출수단(165)은 앱솔루트 엔코더(absolute encoder)이다.
또한, 상기 제4 및 제5검출수단(167,169)은 상기 버킷(150)으로 인가되는 전후방향 및 상하방향의 힘을 각각 측정하는 검출수단으로, 본 실시예에서는 로드셀(load cell)을 사용한다. 이러한 제4 및 제5검출수단(167,169)은 버킷(150)으로 외력이 인가될 경우 압축되며 전기신호를 발생하고, 이를 측정할 경우 힘의 크기를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치는 토양 샘플의 적재 시 버킷(150)으로 인가되는 힘을 정확하게 측정할 수 있다. 일반적으로 모든 재료는 소정의 탄성을 가지므로 외력이 인가될 경우 인가된 외력의 약 10~20%를 흡수하여 정확한 데이터를 측정하기가 용이하지 못하다. 이러한 문제점을 해소하고자 상기 가이드 수단(116)을 이용하여 버킷(150)을 포함하는 브래킷(120)을 상기 몸체(110)의 전후방향으로 이동 가능하게 함으로써 재료에 의한 외력의 흡수를 방지할 수 있으며, 이에 따라 토양 샘플의 적재 시 버킷(150)으로 인가되는 힘을 정확하게 측정할 수 있다.
다른 한편, 상기 브래킷(120), 스테핑모터(130), 붐 조립체(140), 제2 및 제3검출수단(163,165)은 한 쌍으로 이루어지는데, 이와 같이 브래킷(120), 스테핑모터(130), 붐 조립체(140), 제2 및 제3검출수단(163,165)을 한 쌍으로 마련하는 이유는 상기 제2 및 제3검출수단(163,165)을 통해 측정되는 데이터의 정확도를 향상시키기 위함이다.
상기 몸체부(100)를 이동시키는 이동부(200)는, 상기 몸체(110)를 전후방향으로 이동시키는 리니어 모션 가이드(210)와, 상기 몸체(110)의 전후방향 이동변위 를 측정하기 위한 리니어 퍼텐쇼미터(220)를 포함한다. 또한, 상기 리니어 모션 가이드(210)는, 상기 몸체(110)가 결합되는 가이드 블록(212)과, 상기 가이드 블록(212)의 이동방향을 안내하는 가이드 레일(214)과, 상기 가이드 레일(214)을 회전시켜 가이드 블록(212)을 이동시키는 구동모터(216)로 구성된다. 이때, 상기 가이드 블록(212)과 가이드 레일(214)은 회전운동을 직선운동으로 전환하는 볼 스크루(ball screw)인 것이 바람직하다.
상기 적재부(300)는 휠 로더의 로딩 자동화 실험에 사용되는 토양 샘플을 적재하기 위한 수단으로, 도면에 도시된 바와 같은 형태의 적재부(300)는 매우 일반적이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이 구성된 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 이용한 휠 로더의 로딩 자동화 실험과정을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치의 버킷(150)을 이용하여 적재부(300)에 쌓인 토양 샘플을 적재하기 위하여 구동모터(216)를 구동시키면, 상기 구동모터(216)와 연결된 가이드 레일(214)이 회전하며 상기 버킷(150)을 포함한 몸체부(100)를 상기 적재부(300)에 근접하는 방향으로 이동시킨다.
상술한 과정을 거쳐 상기 버킷(150)이 적재부(300)에 도달하면 토양 샘플을 적재한 후 소정의 높이까지 들어 올리게 되는데, 이 과정에서 제1 내지 제5검출수단(161~169)을 이용하여 토양 샘플의 거동특성 및 부하특성 등을 분석하고 토양방정식을 정립한다.
즉, 상기 버킷(150)을 이용하여 토양 샘플을 적재하는 과정에서, 상기 제1 및 제2검출수단은(161,163)은 상기 붐 조립체(140)의 기울기 및 버킷(150)의 회전각을 측정하고, 상기 제3검출수단(165)은 버킷(150)의 절대위치를 측정하며, 상기 제4 및 제5검출수단(167,169)은 상기 버킷(150)으로 인가되는 전후방향 및 상하방향의 힘을 각각 측정한다.
한편, 상기 제1 내지 제5검출수단(161~169)을 통해 측정된 각종 데이터는 제어부(미도시)에서 취합되어 토양 샘플의 거동특성 및 부하특성 등을 분석하기 위한 자료로 사용된다. 그리고 이를 토대로 토양방정식을 정립하여 상용 휠 로더와 토양 사이의 관계적 특성을 분석함으로써 버킷궤적제어 알고리즘을 개발할 수 있으며, 운전자의 피로를 최소화하고 작업효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 도시하는 분해사시도.
도 3은 본 발명에 의한 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치를 도시하는 측면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 몸체부 110: 몸체
120: 브래킷 130: 스테핑모터
140: 붐 조립체 150: 버킷
161~169: 검출수단 200: 이동부
210: 리니어 모션 가이드 220: 퍼텐쇼미터
300: 적재부

Claims (8)

  1. L자로 형성되는 수직부재와 수평부재 위에 형성되는 몸체;
    상기 몸체의 전후방향으로 이동 가능하게 결합되는 브래킷;
    상기 브래킷에 결합되는 스테핑모터;
    상기 스테핑모터에 연결되어 구동하는 붐 조립체;
    상기 붐 조립체의 선단에 회전 가능하게 결합되는 버킷;
    상기 버킷의 측면에 형성되어 상기 버킷의 회전각을 측정하는 제1검출수단;
    상기 붐 조립체의 일측에 형성되어 상기 붐 조립체의 기울기를 측정하는 제2검출수단;
    상기 버킷을 회전 구동시키는 상기 스테핑모터와 연결되어 그 회전에 따라 상기 버킷의 절대위치를 측정하는 제3검출수단;
    상기 몸체와 상기 수직부재 사이에 형성되어 상기 버킷으로 인가되는 상하방향 힘을 측정하는 제4검출수단;
    상기 몸체와 상기 수평부재 사이에 형성되어 상기 버킷으로 인가되는 전후방향의 힘을 측정하는 제5검출수단; 및
    상기 제1 내지 제5검출수단을 통해 측정된 데이터를 이용하여 토양의 부하특성을 분석하는 제어부를 포함하며,
    상기 수평부재와 상기 브래킷 사이에는 가이드 레일과 가이드 블록으로 구성되는 가이드 수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체를 전후방향으로 이동시키는 리니어 모션 가이드와, 상기 몸체의 전후방향 이동변위를 측정하기 위한 리니어 퍼텐쇼미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버킷의 전방에는 토양 샘플이 적재되는 적재함이 마련되는 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
  5. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 브래킷, 스테핑모터, 붐 조립체, 제2 및 제3검출수단은 한 쌍으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
  6. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2검출수단은 틸트 센서인 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
  7. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제3검출수단은 앱솔루트 엔코더인 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
  8. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제4 및 제5검출수단은 로드셀인 것을 특징으로 하는 휠 로더의 로딩 자동화 실험장치.
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