KR102077493B1 - 굴삭기 전복 감지 시스템 - Google Patents

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KR102077493B1
KR102077493B1 KR1020190069754A KR20190069754A KR102077493B1 KR 102077493 B1 KR102077493 B1 KR 102077493B1 KR 1020190069754 A KR1020190069754 A KR 1020190069754A KR 20190069754 A KR20190069754 A KR 20190069754A KR 102077493 B1 KR102077493 B1 KR 102077493B1
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이승필
권오성
반창우
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재단법인 한국전자기계융합기술원
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Abstract

굴삭기 전복 감지 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지를 포함하는 굴삭기의 전복 감지 시스템으로서, 상기 언더캐리지의 무게중심을 기준으로 하는, x축, y축 및 z축을 가지는 3차원 공간 상의 기준좌표계를 설정하는 기준좌표 설정수단, 상기 기준좌표계 상에서 상기 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지 각각의 무게중심을 산출하는 무게중심 산출수단, 산출된 상기 각각의 무게중심에 작용하는 중력을 산출하는 중력 산출수단, 상기 산출된 중력에 기초하여 상기 굴삭기에 작용하는 토크값을 산출하는 토크 산출수단 및, 산출된 상기 토크값이 기준 토크값 이상인지 여부를 기준으로 굴삭기의 전복 위험 존재 여부를 판단하는 전복위험 판단수단을 포함하는 굴삭기 전복 감지 시스템을 제공한다.

Description

굴삭기 전복 감지 시스템{excavator rollover detection system}
본 개시는 굴삭기 전복 감지 시스템 및 굴삭기 전복 감지 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
건설 현장 등에서 굴삭, 적재, 파쇄, 정지 작업 등을 위해 일반적으로 굴삭기가 사용된다.
굴삭기에 의해 수행되는 작업의 특성상 굴삭기는 비탈진 경사면에서 작업을 수행하는 경우가 많다.
또한, 굴삭기는 버켓을 이용하여 중량이 큰 토사, 암석 등을 운반하는 작업을 하므로, 작업시 버켓에 인가되는 하중이 크다. 따라서 굴삭기는 일반 차량에 비해 무게중심의 이동이 발생하기 쉬우며, 이로 인해 전복되기 쉬운 특징이 있다.
한편 굴삭기에 관한 발명은 아니지만, 일반 승용차 등의 전복 위험을 감지하여 사고를 방지하기 위한 목적의 발명이 공개특허 KR 10-2013-0102240 A 등에 개시되어 있다.
위 공개특허에 개시된 발명은 차량 전복방지를 위해 행렬 형태의 이산시간 목적함수를 이용하여 연산을 수행하는 방식을 사용한다. 이 경우, 차량의 전복 위험 여부를 판단하기 위한 연산량이 지나치게 많아지는 현상을 초래한다.
이와 같은 상황에서, 전복 위험을 효율적으로 방지할 수 있으면서도 전복 여부를 판단하기 위한 연산량이 대폭 감소된 전복 위험 방지 시스템의 개발이 필요하다.
또한, 경사지에서의 작업이 잦으며 버켓에 하중이 집중되는 굴삭기의 특성을 고려한 굴삭기 전복 위험 방지 시스템의 개발이 필요하다.
이에, 본 발명은 선형 연산 방식을 사용함으로써 연산량이 적은 굴삭기 전복 감지 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명은 굴삭기의 각 구성 부품에 작용하는 토크를 기준으로 전복위험 여부를 판단할 수 있는 굴삭기 전복 감지 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지를 포함하는 굴삭기의 전복 감지 시스템으로서, 상기 언더캐리지의 무게중심을 기준으로 하는, x축, y축 및 z축을 가지는 3차원 공간 상의 기준좌표계를 설정하는 기준좌표 설정수단, 상기 기준좌표계 상에서 상기 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지 각각의 무게중심을 산출하는 무게중심 산출수단, 산출된 상기 각각의 무게중심에 작용하는 중력을 산출하는 중력 산출수단, 상기 산출된 중력에 기초하여 상기 굴삭기에 작용하는 토크값을 산출하는 토크 산출수단 및, 산출된 상기 토크값이 기준 토크값 이상인지 여부를 기준으로 굴삭기의 전복 위험 존재 여부를 판단하는 전복위험 판단수단을 포함하는 굴삭기 전복 감지 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템이 적용되는 굴삭기의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 센서부의 구성을 도시한, 굴삭기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서의 기준좌표계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 언더캐리지, 바디, 붐, 암 및 버켓의 무게중심의 위치를 도시한, 굴삭기의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 바디오프셋의 위치를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 바디 무게중심 위치 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 붐 오프셋의 위치를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 붐 무게중심 위치 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템의 암의 무게 중심을 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 버켓의 무게중심 위치 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 굴삭기가 수평 지면 또는 경사면에 배치된 상태에서 굴삭기에 작용하는 하중을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 굴삭기가 경사면에 배치되었을 때 굴삭기에 작용하는 하중의 벡터 성분을 검출하는 과정을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시에에 따른 굴삭기 전복 감지 방법의 과정을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템이 적용되는 굴삭기(100)의 구성을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템이 적용되는 굴삭기(100)는 언더캐리지(110), 바디(120), 붐(130), 암(140), 버켓(150) 및 센서부(160)를 포함할 수 있다.
언더캐리지(110)는 굴삭기(100) 차체 하부에 배치되며, 굴삭기(100) 전체의 하중을 지지한다. 굴삭기(100)는 언더캐리지(110) 상에 배치된 차륜에 의해 이동할 수 있다.
바디(120)는 언더캐리지(110) 상부에 인접하게 배치되며, 바디(120) 내부에는 운전자 탑승 공간과 굴삭기(100) 운전 및 조종을 위한 구성이 배치될 수 있다.
붐(130)은 그 일단이 바디(120)와 연결되며, 암(140)과 바디(120)를 연결하기 위한 연결체로 기능할 수 있다. 또한 붐(130)의 타단은 암(140)의 일단과 연결될 수 있다.
암(140)은 일단이 붐(130)에 연결되며, 암(140)의 타단에는 버켓(150)이 연결될 수 있다. 암(140)과 연결된 버켓(150)을 이용하여 굴삭 작업이 진행되며, 이때 운전자는 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)의 각도를 조절함으로써 굴삭 작업 등 필요한 작업을 수행할 수 있다.
한편, 굴삭기(100)는 해당 작업의 특성상 경사로 또는 험준한 지형에서 작업을 수행하는 경우가 많다. 또한 굴삭기(100)는 버켓(150)을 이용하여 토사, 암(140)석 등을 채굴 및 운반하므로, 굴삭기(100)에 의한 작업시 버켓(150)에 하중이 집중되어 무게중심의 이동이 많다.
이와 같은 굴삭기(100)의 작업 특성으로 인해, 굴삭기(100)는 다른 차량에 비해 전복 위험 및 이에 따른 사고 위험이 크다. 따라서 굴삭기(100)의 특성을 고려한 효과적인 전복 위험 감지 시스템이 필요하며, 본 발명은 굴삭기(100)의 전복 위험을 판단하기 위한 연산 과정이 복잡하지 않으면서도 굴삭기(100)의 전복 위험을 효과적으로 감지할 수 있는 굴삭기 전복 감지 시스템을 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 센서부(160)의 구성을 도시한, 굴삭기(100)의 사시도이다.
센서부(160)는 굴삭기(100)의 각 구성의 배치 각도 및 무게를 측정하는 기능을 가진다. 센서부(160)는 기울임센서(161), 엔코더(162), 붐 각도센서(163), 암 각도센서(164) 및 버켓무게 측정센서(165)를 포함할 수 있다.
기울임센서(161)는 언더캐리지(110)가 배치된 경사 각도를 감지할 수 있다. 이때 언더캐리지(110)의 배치 경사 각도는 언더캐리지(110)가 완전한 수평면 상에 배치되었을 때를 기준으로 했을 때, 언더캐리지(110)가 얼마나 기울어져 있는지에 대한 정보일 수 있다.
이와 같이 기울임센서(161)에 의해 언더캐리지(110)의 배치 각도를 감지함으로써, 굴삭기(100) 자체의 배치 각도를 판단할 수 있다.
또한, 기울임센서(161)에 의해 굴삭기(100)가 기준 수평면에 대해 기울어진 각도를 감지함으로써, 굴삭기(100)의 각 구성 부품에 대한 하중의 작용 방향이 추후 설명할 기준좌표계에 대해 얼마나 기울어져 있는지 여부를 판단할 수 있다.
엔코더(162)는 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대한 편주각(Θyaw)을 감지할 수 있다. 이때 편주각(Θyaw)은 바디(120)와 언더캐리지(110)가 완전히 같은 방향을 향하고 있는 기준 상태로부터, 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편향된 정도를 의미한다.
한편 엔코더(162)에 의해 감지된 바디(120)의 편주각(Θyaw)은, 추후 설명할 내용과 같이 각 구성요소의 무게중심 위치를 검출하기 위한 기초 정보로 활용된다.
붐 각도센서(163)는 붐 각도(Θboom)를 감지할 수 있다. 여기서 붐 각도(Θboom)는 붐(130)이 기준 평면에 대해 배치된 각도를 의미한다. 여기서 기준 평면은 예를 들어 언더캐리지(110)가 배치된 평면과 수평한 방향으로 배치된 평면일 수 있으며, 도 3에 도시된 기준좌표계에서의 x축과 y축으로 이루어진 xy평면과 수평한 방향으로 배치된 평면일 수 있다.
암 각도센서(164)는 암 각도(Θarm)를 감지할 수 있다. 여기서 암 각도(Θarm)는 도 3에 도시된 기준좌표계에서의 z축에 대해 암(140)이 배치된 각도일 수 있다.
버켓무게 측정센서(165)는 버켓(150)의 중량을 측정할 수 있다.
언더캐리지(110), 바디(120), 붐(130) 및 암(140)의 경우에는 그 중량이 일정하므로 별도의 중량 측정 센서가 필수적인 것은 아니다.
한편, 언더캐리지(110), 바디(120), 붐(130) 및 암(140)의 경우와는 달리 버켓(150)은 이를 이용해 토사 또는 암(140)석 등을 적재하게 된다. 따라서 굴삭기(100)를 이용한 작업 시 버켓(150) 고유의 중량뿐 아니라 버켓(150)에 적재된 적재물의 중량까지 더해짐으로써 버켓(150)의 총 중량이 변화하게 된다.
이에 따라 버켓(150)의 경우에는 그 중량을 실시간으로 검출하기 위한 센서가 필요하게 되며, 버켓무게 측정센서(165)가 그 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서의 기준좌표계를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 언더캐리지(110), 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)의 무게중심의 위치를 도시한, 굴삭기(100)의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 언더캐리지(110)의 무게중심은 언더캐리지(110)의 중앙부에 위치한 것을 알 수 있다.
또한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서의 기준좌표계는 언더캐리지(110)의 무게중심을 좌표계의 원점으로 한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서는 언더캐리지(110)의 무게중심을 기준좌표계의 원점으로 함으로써, 무게중심 등의 계산을 위해 고려해야 하는 계산 요소를 한 개 감소시킴으로써, 전복 감지를 위한 계산 과정을 간단하게 하였다.
이때 기준좌표계의 x축은 예를 들어 언더캐리지(110)의 길이 방향을 따라 형성된 축일 수 있으며, y축은 x축과 수직하며 언더캐리지(110)의 폭 방향을 따라 형성된 축일 수 있다. 또한 z축은 x축 및 y축에 수직하며 굴삭기(100) 높이 방향으로 형성된 축일 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 바디 무게중심(Gbody)은 바디(120) 내부에 존재할 수 있다. 바디 무게중심(Gbody)은 바디(120)의 형태에 따라 그 위치가 달라질 수 있으며, 또한 언더캐리지(110)에 대한 바디(120)의 편주 정도에 따라 그 위치가 달라질 수 있다.
붐 무게중심(Gboom)은 붐(130) 내부에 존재하며, 예를 들어 붐(130)의 중앙부에 위치할 수 있다. 붐(130) 내부에서 붐 무게중심(Gboom)의 위치는 붐(130)의 형태 및 붐(130) 내부의 질량 분포에 따라 달라질 수 있으나, 붐(130)의 일반적인 구성을 고려할 때 붐(130)의 중앙부에 붐 무게중심(Gboom)이 위치한다고 봄이 합리적이다.
따라서 본 명세서에서는 붐 무게중심(Gboom)이 붐(130)의 중앙부에 위치한다는 가정 하에 설명을 하기로 한다. 다만 이와 같은 설명은 예시적인 것일 뿐임에 유의하여야 한다.
또한, 붐 무게중심(Gboom)의 위치는 예를 들어 바디(120)의 편주 상태 및 붐 각도(Θboom)의 변화에 따라 달라질 수 있다.
암 무게중심(Garm)은 암(140) 내부에 존재하며, 예를 들어 암(140)의 중앙부에 위치할 수 있다. 암(140) 내부에서 암 무게중심(Garm)의 위치는 암(140)의 형태 및 암(140) 내부의 질량 분포에 따라 달라질 수 있으나, 암(140)의 일반적인 구성을 고려할 때 암(140)의 중앙부에 암 무게중심(Garm)이 위치한다고 봄이 합리적이다.
따라서 본 명세서에서는 암 무게중심(Garm)이 암(140)의 중앙부에 위치한다는 가정 하에 설명을 하기로 한다. 다만 이와 같은 설명은 예시적인 것일 뿐임에 유의하여야 한다.
또한 암 무게중심(Garm)의 위치는 예를 들어 바디(120)의 편주 상태, 붐 각도(Θboom)의 변화, 암 각도(Θarm)의 변화에 따라 달라질 수 있다.
버켓(150)의 무게중심은 버켓(150) 상에 존재하며, 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 예시적으로 버켓(150)의 무게중심은 암(140)의 단부에 존재하는 것으로 가정하기로 한다.
실제로 버켓(150)의 무게중심은 암(140)의 단부가 아닌 다른 위치에 존재할 수 있으며 버켓(150)의 배치 상태에 따라 그 위치가 달라질 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에서는 계산 요소를 줄이기 위하여 버켓(150)의 무게중심을 암(140)의 단부의 위치로 가정하였다.
이는 실제로 버켓(150)의 무게중심의 위치는 암(140)의 단부의 위치에서 크게 벗어나지 않을 것이기 때문이며, 버켓(150)의 무게중심의 실제 위치와 본 발명의 일 실시예에서 가정한 버켓(150)의 무게중심의 위치의 차이로 인한 계산 결과는 미미할 것으로 보기 때문이다.
한편, 상기 설명에도 불구하고 본 발명에서는 버켓(150)의 배치 각도 및 버켓(150)에 적재된 작업물 등의 영향으로 인해 변동되는 버켓(150)의 무게중심의 실제 위치를 직접 추적하는 구성을 배제하는 것은 아님에 유의하여야 한다. 이 경우, 예를 들어 버켓(150)의 배치 각도를 감지하는 별도의 각도 센서를 구비할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 바디오프셋의 위치를 도시한 것이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 바디 무게중심(Gbody) 위치 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
바디오프셋은 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주되지 않은 상태에서는 바디 무게중심(Gbody)의 위치로 정의할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 바디가 편주되지 않은 경우 바디오프셋은 기준좌표계 상에서 (Xo1, Yo1, Zo1)의 좌표 상에 위치할 수 있다.
여기서 만약 바디(120)가 XZ 평면을 기준으로 완전 대칭적인 구성을 가진다면 도5의 (a)에 도시된 바와 같이 Yo1은 0이 될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서는 설명의 편의를 위해 바디오프셋이 XZ 평면 상에 위치한다는 가정 하에 설명을 하기로 한다.
이 경우 바디오프셋은 기준좌표계 상에서 (Xo1, 0, Zo1)의 좌표 상에 위치하게 된다. 이때 Xo1은 음의 값을 가지고, Zo1은 양의 값을 가지게 된다.
한편, 바디오프셋의 위치는 바디(120)의 형태, 구성 및 질량 분포를 고려하여 적절한 범위 내에서 변경할 수 있음에 유의하여야 한다.
또한, 도 6을 참조하면, 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주된 경우, 바디 무게중심(Gbody)은 (Xbody, Ybody, Zbody)에 위치하게 된다.
이때 굴삭기(100)의 편주각을 Θyaw라고 하면, 바디 무게중심(Gbody)의 X좌표(Xbody) 및 Y좌표(Ybody)는 각각 아래와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00001
- 식 (1)
Figure 112019060325662-pat00002
- 식 (2)
또한 바디오프셋과 비교했을 때 바디 무게중심(Gbody)의 높이 변화는 없으므로, 바디 무게중심(Gbody)의 Z좌표는 아래와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00003
- 식 (3)
이와 같이, 바디 무게중심(Gbody) 위치의 좌표를 구할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 붐 오프셋의 위치를 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 붐 무게중심(Gboom) 위치 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
붐 오프셋은 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주되지 않은 상태에서 붐(130)이 바디(120)에 연결된 부분, 즉 붐(130)의 최단부 위치를 의미한다. 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주되지 않은 경우, 붐 오프셋은 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 기준좌표계 상에서 (Xo2, Yo2, Zo2)에 위치한다.
또한, 붐(130)이 바디(120) 폭 방향의 중간 부분에 연결되었다고 가정했을 때 붐 오프셋의y축 상의 좌표 Yo2는 0의 값을 가지므로, 붐 오프셋은 기준좌표계 상에서 (Xo2, 0, Zo2)에 위치함을 알 수 있다.
한편, 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주되지 않았을 때 붐 무게중심(Gboom)의 좌표는 (Xboom-0, Yboom-0, Zboom-0)가 된다. 또한 붐 무게중심(Gboom)은 붐(130)의 중앙에 위치한다는 가정으로부터 Yboom-0는 0이므로, 이때 붐 무게중심(Gboom)의 좌표는 (Xboom-0, 0, Zboom-0)이 된다.
여기서 도 7의 (b)를 참조하여, 붐 오프셋과 붐 무게중심(Gboom)의 좌표의 관계로부터, 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주하지 않은 상태에서 붐 무게중심(Gboom)의 좌표를 구할 수 있다.
이때 붐 무게중심(Gboom)의 X좌표는 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00004
- 식 (4)
또한, 붐 무게중심(Gboom)의 Z좌표는 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00005
- 식 (5)
한편, 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주된 상태에서 붐 무게중심(Gboom)의 좌표를 (Xboom, Yboom, Zboom)으로 놓을 수 있다.
또한 도 8의 (a)로부터, 바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주된 상태에서 붐 무게중심(Gboom)의 X좌표인 Xboom및 붐 무게중심(Gboom)의 Y좌표인 Yboom은 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00006
- 식 (6)
Figure 112019060325662-pat00007
- 식 (7)
또한, 도 8의 (b)로부터, 편주 상태에서 붐 무게중심(Gboom)의 Z좌표인 Zboom은 Zboom-0와 같음을 알 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00008
- 식 (8)
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템의 암(140)의 무게 중심을 검출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 바디(120)가 편주되지 않은 상태에서, 붐(130)과 연결된 암(140) 단부의 위치를 암(140)오프셋이라 정의하고, 이를 (Xo3, Yo3, Zo3)로 표시할 수 있다. 이때 암 오프셋의 위치는 정확하게는 암(140) 단부의 중앙부 위치를 의미한다고 할 수 있다.
바디(120)가 언더캐리지(110)에 대해 편주되지 않은 상태에서는 암 오프셋은 XZ 평면 상에 존재하므로, Yo3는 0이 된다.
또한, 이 경우 Xo3는 도 9의 (a)로부터 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00009
- 식 (9)
또한, Zo3는 도 9의 (a)로부터 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00010
- 식 (10)
또한, 이로부터 바디(120)가 편주되지 않았을 때의 암 무게중심(Garm)의 위치의 기준좌표계 상에서의 좌표는 (Xarm-0, Yarm-0, Zarm-0)로 표현될 수 있다. 이때 바디(120)의 편주각(Θyaw)이 0이므로 Yarm-0도 0의 값을 가진다.
또한 암 오프셋의 위치를 고려했을 때, Xarm-0 및 Zarm-0는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00011
- 식 (11)
Figure 112019060325662-pat00012
- 식 (12)
한편, 도 9의 (b) 및 (c)를 참조하면, 바디(120)가 편주된 상태에서의 암 무게중심(Garm)의 위치 (Xarm, Yarm, Zarm)은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00013
- 식 (13)
Figure 112019060325662-pat00014
- 식 (14)
Figure 112019060325662-pat00015
- 식 (15)
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 버켓(150)의 무게중심 위치 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 버켓(150)의 무게중심 위치는 예시적으로 암(140)과 버켓(150)이 연결된, 암(140)의 최단부로 설정할 수 있다. 버켓(150)의 무게중심 위치를 이와 같이 설정하는 것은, 굴삭기(100) 작업 시 버켓(150)의 배치 및 각도 변화에 따라 버켓(150)의 실제 무게중심 위치를 검출하는 작업은 전복 감지 시스템에서의 연산량을 지나치게 증가시킬 수 있기 때문이다.
또한, 버켓(150)의 무게중심 위치를 이와 같이 설정하는 경우에도, 실제 무게중심 위치와의 차이가 심각하게 크지 않으므로, 전복 위험을 감지함에 있어 감지 결과에 미치는 오류의 영향이 미미하다고 보기 때문이다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 바디(120)가 편주되지 않았을 때 암(140)의 최단부의 위치는 (Xarm-end, Yarm-end, Zarm-end)로 표시할 수 있다. 여기서 Yarm-end는 0이며, Xarm-end는 아래와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00016
- 식 (16)
또한, Zarm-end는 아래와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00017
- 식 (17)
한편, 도 10의 (b) 및 (c)를 참조하면, 바디(120)가 편주된 상태에서 버켓(150)의 무게중심의 좌표 (Xbucket, Ybucket, Zbucket)는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00018
- 식 (18)
Figure 112019060325662-pat00019
- 식 (19)
Figure 112019060325662-pat00020
- 식 (20)
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 굴삭기(100)가 수평 지면 또는 경사면에 배치된 상태에서 굴삭기(100)에 작용하는 하중을 도시한 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 굴삭기(100)가 경사면에 배치되었을 때 굴삭기(100)에 작용하는 하중의 벡터 성분을 검출하는 과정을 도시한 도면이다.
도 11의 (a)는 굴삭기(100)가 수평면 상에 배치된 상태를 도시한 것이며, 도 11의 (b)는 굴삭기(100)가 경사면 등에 배치된 상태를 도시한 것이다.
도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 굴삭기(100)가 수평한 지면 상에 배치된 경우, 굴삭기(100)의 각 구성요소에 작용하는 하중은 xy 평면에 수직한 방향이 된다. 이때, 굴삭기(100)의 각 구성요소에 작용하는 하중의 벡터 성분은 음의 부호를 가지는 z축 방향의 성분 밖에 없으며, x축 방향 및 y축 방향 성분은 존재하지 않는다.
도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 굴삭기(100)가 경사면 상에 배치된 경우, 굴삭기(100)의 각 구성요소에 작용하는 하중의 방향은 xy 평면에 수직하지 않다. 이때 하중의 벡터 성분은 도 11의 (a)에 도시된 상태와는 다르게 z축 성분뿐 아니라 x축 성분 및 y축 성분도 가지게 된다.
도 12의 (a)는 도 11의 (b)의 벡터를 배향만 달리 하여 다시 도시한 것이며, 도 12의 (b)는 하중벡터 F의 벡터 성분의 분석 과정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 12의 (b)로부터, 하중벡터 F가 기준좌표계 상에서 (X1, Y1, Z1)에 위치한다고 할 때, 하중벡터 F의 크기는 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00021
- 식 (21)
한편, 도 12의 (b)에서 하중벡터 F의 xz 평면으로의 정사영 및 하중벡터 F 사이의 각을 Θ1, 하중벡터 F의 yz 평면으로의 정사영 및 하중벡터 F 사이의 각을 Θ2로 놓을 수 있다.
또한, 도 12의 (b)의 도시로부터,
Figure 112019060325662-pat00022
- 식 (22)
Figure 112019060325662-pat00023
- 식 (23)
임을 알 수 있으며, 이로부터,
Figure 112019060325662-pat00024
- 식 (24)
Figure 112019060325662-pat00025
- 식 (25)
임을 알 수 있다.
또한, 이와 같은 관계로부터,
Figure 112019060325662-pat00026
- 식 (26)
이며,
Figure 112019060325662-pat00027
- 식 (27)
임을 알 수 있다. 이때, 부호를 X1, Y1, Z1에 부호를 적용한 결과값은 아래와 같다.
Figure 112019060325662-pat00028
- 식 (28)
Figure 112019060325662-pat00029
- 식 (29)
Figure 112019060325662-pat00030
- 식 (30)
이와 같이 각각의 구성요소에 작용하는 하중벡터의 성분을 도출할 수 있다. 또한, 여기서 각각의 구성요소에 작용하는 하중벡터를 이와 같은 방식으로 구할 수 있다. 즉, 바디(120)에 작용하는 하중벡터는 Fbody, 붐(130)에 작용하는 하중벡터는 Fboom, 암(140)에 작용하는 하중벡터는 Farm, 버켓(150)에 작용하는 하중벡터는 Fbucket로 놓을 수 있다.
이때, 예를 들어 바디(120)에 작용하는 하중벡터 Fbody는 (Xf-body, Yf-body, Zf-body)로 놓을 수 있으며, 각각의 좌표 성분은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019060325662-pat00031
- 식 (31)
Figure 112019060325662-pat00032
- 식 (32)
Figure 112019060325662-pat00033
- 식 (33)
여기서 Θbody-1은 앞서 설명한 Θ1에 대응되는 개념이며, Θbody-2는 Θ2에 대응되는 개념이다.
이로부터, 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)에 작용하는 각각의 하중벡터 Fboom, Farm 및Fbucket도 이와 유사한 방식으로 표현할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)에 작용하는 각각의 하중벡터의 각 성분으로부터 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)에 작용하는 토크값을 검출할 수 있다.
이때, 바디(120)에 작용하는 바디(120)토크(
Figure 112019060325662-pat00034
body)의 각 토크 성분은 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00035
- 식 (34)
Figure 112019060325662-pat00036
- 식 (35)
이 경우 바디(120)에 작용하는 토크 성분 중 Z축 성분은 굴삭기(100)의 전복에 아무런 영향을 미치지 않으므로 무시해도 무방하며, 이는 바디(120)뿐 아니라 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)의 경우도 마찬가지이다.
또한, 붐(130)에 작용하는 붐(130)토크(
Figure 112019060325662-pat00037
boom)의 각 토크 성분은 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00038
- 식 (36)
Figure 112019060325662-pat00039
- 식 (37)
암(140)에 작용하는 암(140)토크(
Figure 112019060325662-pat00040
arm)의 각 토크 성분은 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00041
- 식 (38)
Figure 112019060325662-pat00042
- 식 (39)
버켓(150)에 작용하는 버켓(150)토크(
Figure 112019060325662-pat00043
bucket)의 각 토크 성분은 다음과 같다.
Figure 112019060325662-pat00044
- 식 (40)
Figure 112019060325662-pat00045
- 식 (41)
이와 같이 계산된 각각의 토크 성분을 이용해 굴삭기(100)의 전복 위험 여부를 판단할 수 있다. 이와 같은 과정은 예를 들어 x축 또는 y축에 대한 합산 토크값이 기준 토크를 초과하는지 여부로 판단될 수 있다.
여기서 기준 토크는 x축에 대한 기준 토크인 x축 기준 토크 및 y축에 대한 기준 토크인 y축 기준 토크로 구분할 수 있다. 이때, 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)에 대한 x축 토크 성분의 합산 값이 x축 기준 토크를 초과하는 경우 또는 y축 토크 성분의 합산 값이 y축 기준 토크를 초과하는 경우 전복 위험이 있는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 전복 감지 시스템에서 굴삭기(100)의 전복 위험이 있는 것으로 판단한 경우, 알람을 발생할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기(100) 전복 감지 방법의 과정을 도시한 순서도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기(100) 전복 감지 방법은 기준좌표 설정단계, 무게중심 검출단계, 중력벡터성분 검출단계, 토크성분 검출단계, 전복위험 감지단계 및 전복위험 알림단계를 포함한다.
기준좌표 설정단계에서는 굴삭기(100)의 각 구성의 무게중심의 위치 및 벡터 크기를 판단하기 위한 기준좌표계를 설정한다.
이때 기준좌표계는 언더캐리지(110)의 무게중심을 원점으로 하여 설정될 수 있으며, 언더캐리지(110)의 무게중심은 언더캐리지(110) 내부의 중앙부에 배치될 수 있다. 또한 이 경우 언더캐리지(110)의 무게중심 위치에 대한 정보는 이미 알고 있는 정보로서, 별도의 무게중심 위치 검출이 필요 없을 수 있다.
또한 기준좌표계 상에서 x축은 언더캐리지(110)의 길이 방향으로 설정되며, y축은 언더캐리지(110)의 폭 방향으로 설정될 수 있다. 또한 z축은 x축 및 y축에 수직한, 언더캐리지(110)의 높이 방향으로 설정될 수 있다.
무게중심 검출단계에서는 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)의 무게중심의 위치를 검출한다.
이때 각 구성요소의 무게중심 위치의 검출은 굴삭기(100)에 배치된 센서부(160)에 의해 감지한 각각의 정보에 기반하여 이루어질 수 있다. 이때 센서부(160)에 의해 감지되는 정보는 구체적으로 굴삭기(100)가 기울어진 경사각, 바디(120)의 언더캐리지(110)에 대한 편주각(Θyaw), 붐 각도(Θboom), 암 각도(Θarm) 및 버켓(150)의 무게일 수 있다.
하중벡터 검출단계에서는 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)에 작용하는 하중벡터의 기준좌표계 상에서의 x축, y축 및 z축 성분을 검출한다.
토크성분 검출단계에서는 무게중심 검출단계에서 검출한 각 구성의 무게중심의 위치에 대한 정보 및 하중벡터 검출단계에서 검출한 각 구성에 작용하는 하중벡터에 대한 정보에 기반하여 각 구성에 작용하는 토크성분을 검출한다.
토크성분 검출단계에서 검출되는 토크성분은 각 구성에 작용하는 토크의 x축 성분인 x축 토크 및 y축 성분인 y축 토크를 포함한다. 또한, 각 구성에 대한 각각의 x축 토크를 합산함으로써 굴삭기(100) 전체에 대해 작용하는 x축 토크를 산출할 수 있다. 또한 이와 유사한 방식으로 y축 토크를 산출할 수 있다.
전복위험 감지단계에서는 토크성분 검출단계에서 검출한 x축 토크 또는 y축 토크가 기준토크를 초과하는지 여부에 기반하여 굴삭기(100)의 전복 위험을 감지한다.
이때 기준토크는 단일 값으로 설정될 수도 있으나, 다중 값으로 설정하는 것도 가능하다. 예를 들면 제1기준토크, 제2기준토크 및 제3기준토크를 각각 설정하여 각각의 기준토크를 초과할 때마다 전복 위험을 달리 판단하는 것이 가능하다.
전복위험 알림단계에서는 전복위험 감지단계에서 전복위험을 감지한 경우 탑승자 등에게 전복 위험이 존재함을 알린다. 이 경우 전복 위험의 알림은 예를 들어 시각적 또는 청각적 방법에 의해 수행될 수 있으며, 전복 위험의 정도에 따라 알람의 발생 형태를 달리할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기(100) 전복 위험 감지 시스템 및 방법에서는 행렬 연산이 필요 없이 단지 굴삭기(100)의 각 구성에 대해 작용하는 중력 및 이로부터 산출한 토크의 크기에 기초하여 굴삭기(100)의 전복 위험 여부를 판단한다.
이로 인해 본 발명에서는 자코비안을 사용한 행렬 연산을 필요로 하지 않는 방식을 사용하므로 연산량을 대폭 감소시키면서도 효율적으로 굴삭기(100)의 전복 위험 여부를 판단할 수 있다.
또한 바디(120), 붐(130), 암(140) 및 버켓(150)의 무게중심 등을 각각 검출하는 방식으로 사용함으로써, 버켓(150)에 많은 하중이 집중되는 굴삭기(100)의 특성을 전복 감지 시스템 및 방법에 반영한 특징을 가진다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 굴삭기 전복 감지 시스템
110 : 언더캐리지
120 : 바디
130 : 붐
140 : 암
150 : 버켓
160 : 센서부

Claims (16)

  1. 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지를 포함하는 굴삭기의 전복 감지 시스템으로서,
    상기 언더캐리지의 무게중심을 기준으로 하는, x축, y축 및 z축을 가지는 3차원 공간 상의 기준좌표계를 설정하는 기준좌표 설정수단;
    상기 기준좌표계 상에서 상기 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지 각각의 무게중심을 산출하는 무게중심 산출수단;
    산출된 상기 각각의 무게중심에 작용하는 중력을 산출하는 중력 산출수단;
    상기 산출된 중력에 기초하여 상기 굴삭기에 작용하는 토크값을 산출하는 토크 산출수단; 및
    산출된 상기 토크값이 기준 토크값 이상인지 여부를 기준으로 굴삭기의 전복 위험 존재 여부를 판단하는 전복위험 판단수단을 포함하고,
    상기 무게중심 산출수단은
    상기 바디의 무게중심 오프셋 및 상기 언더캐리지에 대한 상기 바디의 편주각에 기초하여 상기 바디의 무게중심 위치를 검출하고, 상기 붐의 각도 및 상기 편주각에 기초하여 상기 붐의 무게중심을 검출하고, 상기 암의 각도 및 상기 붐의 각도에 기초하여 상기 암의 무게중심을 검출하며, 상기 암의 각도 및 상기 붐의 각도에 기초하여 상기 버켓의 무게중심을 검출하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토크값은 상기 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지 각각에 작용하는 각 토크 성분의 합인 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준좌표계의 x축은 상기 굴삭기의 길이 방향 축으로 설정되고, 상기 y축은 상기 굴삭기의 폭 방향 축으로 설정되며, 상기 z축은 상기 x축 및 y축에 수직한 축인 것으로 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 굴삭기에 작용하는 상기 토크값은 상기 x축을 기준으로 하는 제1토크값 또는 상기 y축을 기준으로 하는 제2토크값 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 언더캐리지의 틸팅 정도를 감지하는 기울임센서;
    상기 언더캐리지에 대한 상기 바디의 편주각을 측정하는 엔코더;
    상기 붐의 각도를 측정하는 붐 각도센서;
    상기 암의 각도를 측정하는 암 각도센서; 및
    상기 버켓의 무게를 측정하는 버켓무게 측정센서를 더 포함하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기울임센서에 의해 감지된 상기 언더캐리지가 기울어진 각도 및 상기 언더캐리지, 암, 붐, 버켓 및 바디의 각각의 중량을 기초로 상기 언더캐리지, 암, 붐, 버켓 및 바디에 각각 작용하는 중력 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 암, 붐, 버켓 및 바디에 각각 작용하는 각 중력 성분 및 무게중심의 위치에 기초하여 상기 암, 붐, 버켓 및 바디에 각각 작용하는 토크 성분을 산출하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전복위험 판단수단에 의해 전복 위험이 존재한다고 판단되는 경우, 탑승자에게 전복 위험을 알리는 알람 수단을 더 포함하는 굴삭기 전복 감지 시스템.
  10. 암, 붐, 바디, 버켓 및 언더캐리지를 구성요소로서 포함하는 굴삭기의 전복 감지 방법으로서,
    상기 언더캐리지의 무게중심을 원점으로 기준좌표계를 설정하는 기준좌표 설정단계;
    상기 기준좌표계 상에서 상기 구성요소 중 하나 이상의 무게중심의 위치를 산출하는 무게중심 검출단계;
    상기 무게중심에 작용하는 하중 벡터를 산출하는 하중벡터 검출단계;
    상기 산출된 중력에 기초하여 상기 굴삭기에 작용하는 토크값을 산출하는 토크성분 검출단계; 및
    산출된 상기 토크값이 기준 토크값 이상인지 여부를 기준으로 상기 굴삭기의 전복 위험 존재 여부를 판단하는 전복위험 감지단계를 포함하고,
    상기 무게중심 검출단계는,
    상기 바디의 상기 언더캐리지에 대한 편주각 및 상기 붐의 각도에 기초하여 상기 바디 및 상기 붐의 무게중심의 위치를 검출하고, 상기 바디의 편주각, 상기 붐의 각도 및 상기 암의 각도에 기초하여 상기 암 및 상기 버켓의 무게중심의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전복위험 감지 단계에서 전복 위험이 존재한다고 판단되는 경우, 탑승자에게 전복 위험을 알리는 전복위험 알림단계를 더 포함하는 굴삭기 전복 감지 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 하중벡터 검출단계는,
    상기 무게중심의 위치 및 상기 굴삭기의 기울어짐 정도에 기반하여 상기 굴삭기의 바디, 붐, 암 및 버켓 중 하나 이상에 작용하는 하중벡터성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 토크성분 검출단계는 상기 무게중심 검출단계에서 검출한 상기 무게중심의 위치 및 상기 하중벡터 검출단계에서 검출한 상기 하중벡터성분에 기반하여 상기 바디, 붐, 암 및 버켓 중 하나 이상에 작용하는 토크 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전복위험 감지단계는 상기 토크성분 검출단계에서 검출한 x축 토크성분의 합이 기준 x축 토크 이상인 경우 전복 위험이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전복위험 감지단계는 상기 토크성분 검출단계에서 검출한 y축 토크성분의 합이 기준 y축 토크 이상인 경우 전복 위험이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 굴삭기 전복 감지 방법.
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