KR20130071184A - 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법 - Google Patents

유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법 Download PDF

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Abstract

휠로더 시스템은 복수의 작업조건들에 대하여, 작업장치의 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업장치의 상승과 회전을 각기 달리한 작업조건별 동작패턴을 정의한다. 전술한 휠로더 시스템은 유압 조이스틱 입력이 발생하는 경우에는, 셔틀 밸브를 통해 작업장치를 직접 작동한다. 유압 조이스틱 입력이 발생하지 않고 작업장치의 자동동작이 설정된 경우에는, 휠로더 시스템이 작업자에 의해 선택된 작업조건에 맞는 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성한 후, 생성된 동작지령을 압력신호로 변환하여 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행하게 된다.
이에 따르면, 작업자의 피로도를 최소화하여 작업능률을 향상시키고, 비숙련자의 미숙한 작업장치 조작 능력을 향상시킬 수 있으며, 정형화된 로딩작업을 패턴화하여 로딩작업의 자동화를 구현함에 있어 작업물의 특성이나 휠로더의 상태 등 로딩작업의 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 적절히 반영하고, 로딩작업의 정확한 시작시점을 결정할 수 있다.

Description

유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법{Wheel Loader System based on Hydraulic Joystick and Method for Loading Process Automation thereof}
본 발명은 휠로더 시스템의 로딩자동화 기술에 관한 것으로, 특히 로딩(적입) 자동화에 있어 작업물의 특성이나 휠로더의 상태 등 로딩작업의 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 적절히 반영하고, 로딩작업의 정확한 시작시점을 결정할 수 있는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법에 관한 것이다.
휠로더 시스템은 작업물(주로, 토양)을 향하여 전진하면서 작업자의 조이스틱 조작에 따라 버켓 등의 작업장치에 작업물을 담고, 트럭이나 목표 위치로 이동하여 작업장치의 작업물을 적재 위치에 덤프하는 작업을 반복하여 수행하는 전용 장비이다. 특히 휠로더의 작업은 V자 형태의 정형화된 작업패턴을 갖고 있다.
작업물 로딩(적입)은 휠로더의 주행 관성력에 의해 작업장치가 흙으로 파고들 때 흙이 작업장치에 최대한 적재되도록 작업장치를 조절하는 단계이다.
휠로더의 로딩작업에서 작업량은 전적으로 작업자의 경험에 의해 좌우된다. 숙련된 작업자일 경우 빠른 시간 안에 작업물을 작업장치에 적재하겠지만, 경험이 부족한 작업자의 경우에는 주행과 함께 조이스틱을 조작하는 능력이 낮기 때문에 작업물 적재량이 작업장치 용량에 비해 적거나 긴 작업시간이 소요된다. 뿐만 아니라 작업자는 작업물에 적입된 후 매순간 시각에 의존하여 작업장치의 위치상태를 파악해야 하기 때문에 비숙련자의 경우에는 작업장치의 위치상태를 파악하는 것이 작업장치의 조작만큼이나 어려운 일이다.
휠로더 작업은 작업물을 작업장치를 통해 적입한 후 적재 위치에 덤프하는 정형화된 로딩작업이고, 이를 반복적으로 수행한다. 따라서 작업자는 계속적으로 조이스틱을 조작해야 하기 때문에 작업자의 피로도가 증가하고 이에 따라 작업능률이 저하되는 문제점이 있다.
또한 정형화된 로딩작업을 패턴화하여 로딩작업의 자동화를 구현하고자 하는 경우 작업물의 특성이나 휠로더의 상태 등 로딩작업의 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 반영하거나, 로딩작업의 정확한 시작시점을 결정하기가 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1058198호
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 반복적이고 정형화된 작업패턴을 적용하고, 가장 높은 수준의 휠로더 조작기술을 필요로 함에 기인하여 작업자의 피로도도 가장 많이 발생하는 작업물 로딩작업을 자동화함으로써, 작업자의 피로도 감소 및 작업능률 향상은 물론 비숙련자의 미숙한 작업장치 조작 능력을 향상시킬 수 있도록 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 정형화된 로딩작업을 패턴화하여 로딩작업의 자동화를 구현함에 있어, 작업물의 특성이나 휠로더의 상태 등 로딩작업의 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 적절히 반영하고, 로딩작업의 정확한 시작시점을 결정할 수 있도록 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템은, 작업장치의 움직임을 직접 조정하기 위한 유압 조이스틱을 포함하며, 작업자의 의도에 따라 작업조건을 선택하는 사용자 조작부; 작업장치의 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업장치의 상승과 회전을 각기 달리한 작업조건별 동작패턴을 정의하며, 상기 사용자 조작부를 통해 선택된 작업조건에 맞는 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성하는 제어부; 셔틀 밸브, 전자비례밸브 및 작업장치 실린더를 포함하여 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행하되, 상기 제어부에서 동작지령이 수신되면 상기 수신된 동작지령을 상기 전자비례밸브를 통해 압력신호로 변환하여 작업장치의 움직임을 제어하고, 작업자에 의한 상기 유압 조이스틱의 직접 조작이 있는 경우에는 상기 유압 조이스틱에서 출력되는 압력신호에 따라 상기 셔틀 밸브를 작동하여 작업장치의 움직임을 제어하는 작업장치 구동부; 및 작업장치의 위치와 각도, 주행 가속도, 작업장치 실린더의 압력, 전자비례밸브의 압력에 대한 정보들을 수집하여 상기 제어부로 전달해 주는 센서 입력부를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법은, 휠로더 시스템이 복수의 작업조건들에 대하여, 작업장치의 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업장치의 상승과 회전을 각기 달리한 작업조건별 동작패턴을 정의하는 단계; 유압 조이스틱 입력이 발생하는 경우, 상기 휠로더 시스템이 유압 조이스틱에서 생성되는 압력신호를 우선하여 통과시키는 셔틀 밸브를 통해 작업장치를 직접 작동하는 단계; 유압 조이스틱 입력이 발생하지 않고, 작업장치의 자동동작이 설정된 경우, 상기 휠로더 시스템이 작업자에 의해 선택된 작업조건에 맞는 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성하는 단계; 및 상기 휠로더 시스템이 상기 생성된 동작지령을 압력신호로 변환하여 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법에 따르면, 작업자의 피로도를 최소화하여 작업능률을 향상시키고, 비숙련자의 미숙한 작업장치 조작 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 정형화된 로딩작업을 패턴화하여 로딩작업의 자동화를 구현함에 있어, 작업물의 특성이나 휠로더의 상태 등 로딩작업의 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 적절히 반영하고, 로딩작업의 정확한 시작시점을 결정할 수 있다.
또한, 유압 조이스틱을 이용한 수동 조작과, 작업조건에 따른 자동 제어의 두 가지 기능을 병렬 처리함으로써, 운용 시의 변수에 효과적으로 대처할 수 있고, 시스템 안정성과 작업 효율성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 조이스틱 기반 휠로더 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타난 휠로더 시스템에서 동작지령의 자동 생성 방식을 예시적으로 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 조이스틱 기반 휠로더 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템은 사용자 조작부(110), 제어부(120), 작업장치 구동부(130) 및 센서 입력부(140)를 포함한다.
일 실시예에서, 사용자 조작부(110)는 사용자 인터페이스 조작부(111)와 유압 조이스틱(112)을 포함한다.
사용자 인터페이스 조작부(111)는 작업자의 의도에 따라 작업조건을 선택한다. 이를 위하여, 사용자 인터페이스 조작부(111)는 작업조건을 선택하기 위한 입력수단(예컨대, 작업조건 선택 버튼)을 포함한다.
전술한 사용자 인터페이스 조작부(111)는 작업자의 의도에 따라 로딩작업의 시작시점을 결정할 수 있다. 이러한 경우, 사용자 인터페이스 조작부(111)에는, 작업자가 로딩작업의 시작시점을 결정할 수 있도록 하기 위한 입력수단(예컨대 시작 버튼, 음성인식 수단 등)이 더 포함된다.
작업자는 유압 조이스틱(112)을 이용해 작업장치의 움직임을 직접 조정할 수 있다. 작업자의 직접 조작에 의한 유압 조이스틱 입력이 있는 경우, 유압 조이스틱(112)에서 작업자의 조작에 따른 압력신호가 생성 및 출력되며, 이는 셔틀 밸브(Shuttle Valve)(137)를 통해 메인제어밸브(132)로 전달된다.
한편, 제어부(120)는 여러 작업조건들에 대한 작업장치의 동작패턴들을 정의하고, 유압 조이스틱 입력이 없을 경우에 작업자가 사용자 인터페이스 조작부(111)를 통해 선택한 작업조건에 맞는 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성한다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 주 제어부(121)와 로딩자동화 제어부(122)를 포함한다.
주 제어부(121)는 엔진, 미션, 주변기기 등의 휠로더 장비(151)를 모니터링하여 엔진 회전수(RPM), 주행속도, 작업자의 기어선택 상태 등에 대한 정보를 수집하며, 수집된 정보들을 사용자 모니터링 처리부(152)를 통해 화면으로 표시하거나, 로딩자동화 제어부(122)로 제공한다.
로딩자동화 제어부(122)는 작업조건별 작업장치의 동작패턴과, 전자비례밸브(131)를 이용한 피드포워드(Feed forward) 제어를 통해 작업장치의 자동동작을 구현한다.
작업장치(미도시)는 토양 등의 작업물을 적재하여 이동시키기 위한 부분으로서, 버켓과 같은 형태로 구현되며, 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)에 물리적으로 연결되어 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 제어에 의해 상승, 하강, 회전과 같은 동작을 수행한다.
구체적으로, 로딩자동화 제어부(122)는 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업장치의 상승과 회전을 각기 달리한 작업조건별 동작패턴을 미리 정의한다. 작업자가 작업물의 상태 등을 인지하여 사용자 인터페이스 조작부(111)를 통해 작업조건을 선택한 후, 작업장치의 자동동작이 시작되면, 로딩자동화 제어부(122)가 기 선택된 작업조건을 바탕으로 미리 정해진 연산처리 과정을 통해 작업장치의 특정 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성한다.
전술한 로딩자동화 제어부(122)는 작업장치 자동동작이 설정된 상태에서 작업물(토양 등)을 검지하며, 작업물이 검지되면 이를 로딩작업 시작시점으로 인식하여 선택된 작업조건에 따른 작업장치의 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성한다.
여기서, 로딩자동화 제어부(122)는 작업장치의 자중(자체 무게)을 고려한 외력(External force)과, 주행 가속도 센서(147)의 측정값을 이용해 작업물을 검지할 수 있으며, 그 결과에 따라 로딩작업의 시작시점을 결정할 수 있다.
작업장치 자동동작이 설정된 상태에서 작업물의 검지 방식은 다음의 두 가지이다.
첫째, 로딩자동화 제어부(122)는 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 압력, 작업장치의 위치 및 각도로부터 작업장치에 가해지는 외력의 수평방향 성분을 계산한다. 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)에 작용하는 압력, 작업장치의 위치/각도가 주어지면 정역학 계산을 통해 붐이나 벨 크랭크와 같은 작업장치 기구부 요소들에 작용하는 힘의 수직방향 및 수평방향 분력이 계산될 수 있다. 만약 로딩자동화 제어부(122)에서 계산된 외력의 수평방향 성분이 임계값 이상이고, 작업장치의 주행 가속도 절대값이 임계값 이상이면, 로딩자동화 제어부(122)는 작업물이 검지된 것으로 판단하여 로딩작업을 시작한다.
둘째, 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 압력이 임계값 이상이고, 작업장치의 주행 가속도 절대값이 임계값 이상이면, 로딩자동화 제어부(122)는 작업물이 검지된 것으로 판단하여 로딩작업을 시작한다.
이러한 두 가지의 작업물 검지 방식은 실시형태에 따라 선택적으로 적용될 수도 있고, 동시에 적용될 수도 있다. 작업물의 검지 시 외력과 함께 주행 가속도를 고려하면, 작업물 검지의 정확도를 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 작업장치 자동동작이 설정되지 않은 경우, 작업자는 사용자 인터페이스 조작부(111)를 통해 로딩작업 시작시점을 직접 입력할 수 있다. 이러한 경우, 전술한 바와 같이 사용자 인터페이스 조작부(111)는 로딩작업의 시작시점을 작업자가 직접 결정할 수 있도록 하기 위한 입력수단(예컨대 시작 버튼, 음성인식 수단 등)을 포함한다.
작업자는 시작 버튼을 입력하거나, 음성 인식명령을 입력하여 로딩작업의 시작시점을 결정함으로써 동작지령의 자동 생성 단계로 진입할 수 있다. 혹은 작업자가 유압 조이스틱(112)으로 직접 작업장치를 조작하여 작업장치의 위치 또는 각도가 임계값 이상이 되도록 함으로써 로딩작업을 시작하여 동작지령의 자동 생성 단계로 진입할 수 있다.
로딩자동화 제어부(122)로부터 출력되는 동작지령은 작업장치 구동부(130)의 전자비례밸브(131)를 통해 메인제어밸브(132)의 구동을 위한 압력신호로 변환된다. 변환된 압력신호는 셔틀 밸브(137)를 통해 메인제어밸브(132)로 전달되어 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행하게 된다.
작업장치 구동부(130)는 사용자 조작부(110) 및 제어부(120)와 연동하여 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행한다. 이를 위하여, 작업장치 구동부(130)는 제어부(120)의 후단에 결합되는 전자비례밸브(131), 유압 조이스틱(112)과 전자비례밸브(131) 사이에 위치하여 양측에서 인가되는 출력신호들 중 우선되는 신호를 통과시켜 후단의 메인제어밸브(132)로 내보내는 셔틀 밸브(137), 셔틀 밸브(137)를 통해 전달되는 신호에 의해 작동하는 메인제어밸브(132), 메인제어밸브(132)에 의해 구동되어 작업장치의 움직임을 제어하는 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)를 포함한다.
작업자에 의한 유압 조이스틱(112)의 직접 조작이 있는 경우(수동 제어), 작업장치 구동부(130)는 유압 조이스틱(112)에서 생성되는 압력신호를 셔틀 밸브 (137)를 통해 메인제어밸브(132)로 인가시켜 작업장치의 움직임을 제어한다. 유압 조이스틱 입력이 없고, 제어부(120)로부터 자동 생성된 동작지령이 수신되는 경우에는(자동 제어), 작업장치 구동부(130)가 제어부(120)에서 수신된 동작지령을 전자비례밸브(131)를 통해 압력신호로 변환하여 작업장치의 움직임을 제어하게 된다.
전자비례밸브(131)는 자동 제어 시 로딩자동화 제어부(122)에서 생성한 동작지령에 따라 작업장치를 움직이기 위하여, 전기신호 형태의 동작지령을 실린더 유압으로 변환한다. 즉, 전자비례밸브(131)는 유압 조이스틱 출력신호가 없을 경우에 로딩 자동화 제어부(122)로부터 작업자가 선택한 운전조건에 맞추어 자동 생성된 동작지령을 수신한 후, 수신된 동작지령을 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 움직임을 제어하기 위한 압력신호로 변환한 후 변환된 압력신호를 적용하여 작업장치의 움직임을 조정하게 된다.
이 과정에서 전자비례밸브(131)는 메인제어밸브(132)를 개폐하거나 유압을 조절하여 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 움직임을 제어할 수 있다. 전자비례밸브(131)에서 출력되는 압력신호는 메인제어밸브(132)를 통해 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)로 전달되어 작업장치 안쪽/바깥쪽 회전 실린더(135, 136)의 헤드/로드측 유량공급과 배출, 작업장치 상승/하강 실린더(133, 134)의 헤드/로드측 유량공급과 배출, 작업장치의 상승/하강, 작업장치의 안쪽/바깥쪽 회전 등의 동작을 구현한다.
유압 조이스틱(112)과 전자비례밸브(131)는 셔틀 밸브(137)의 양단에 각각 결합되어 셔틀 밸브(137) 측으로 압력을 가하게 된다. 셔틀 밸브(137)는 Y자 형태의 압력 조절 밸브이다. 운전자의 유압 조이스틱 출력신호와 전자비례밸브(131)의 유압적 출력신호는 셔틀 밸브(137)에 동시에 인가되며, 셔틀 밸브(137)는 유압 조이스틱(112) 및 전자비례밸브(131)의 양측에서 출력되는 압력신호들 중 우선되는 신호를 통과시키는 기능을 수행한다.
유압 조이스틱(112)과 전자비례밸브(131)의 양측으로부터 전달되는 압력신호들 중 더 큰 값의 압력신호가 셔틀 밸브(137)를 통해 메인제어밸브(132)로 전달된다.
센서 입력부(140)는 파일럿 압력센서(141), 작업장치 승강/회전 실린더 압력센서(142, 143), 작업장치 기구부 각도센서(144), 주행 가속도 센서(147) 등을 포함하며, 각종 센서들(141, 142, 143, 144, 147)을 통해 수집된 정보들을 제어부(120)로 피드백한다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 센서 입력부(140)를 통해 동작지령을 생성하기 위해 피드백되는 작업장치의 위치와 각도, 동작지령의 생성시점을 판단하기 위해 사용되는 주행 가속도와 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 압력, 동작지령에 따른 전자비례밸브(131)의 동작상태를 확인하기 위한 전자비례밸브(131)의 압력, 유압 조이스틱 입력에 따른 셔틀 밸브(137)의 동작상태를 확인하기 위한 셔틀 밸브(137)의 압력에 대한 정보들을 전달 받아서 사용한다.
특히, 파일럿 압력센서(141)는 셔틀 밸브(137)를 통해 출력된 압력신호를 로딩 자동화 제어부(122)로 피드백한다. 즉, 파일럿 압력센서(141)는 작업자 조작에 의한 유압 조이스틱 출력신호나 작업조건에 맞는 동작지령에 의해 제어되는 전자비례밸브(131)의 출력신호가 셔틀 밸브(137)를 통해 작동되는 상태를 감지하여 제어부(120)로 제공한다.
파일럿 압력센서(141)가 작업자 조작에 따른 유압 조이스틱 출력신호에 의해, 혹은 작업조건에 맞는 동작지령에 의해 작동되는 셔틀 밸브(137)의 동작상태를 감지하여 제공하므로, 로딩 자동화 제어부(122)는 이로부터 유압 조이스틱(112)에 의한 작업자의 직접 조작 여부를 판단할 수 있다.
파일럿 압력센서(141) 이외에 붐이나 벨 크랭크와 같은 작업장치 기구부에 작업장치 기구부 각도센서(144)를 장착하면 단순한 기구학 계산식에 의해 작업장치의 각도 및 위치를 파악할 수 있다.
작업장치의 위치 및 각도에 대한 정보는 작업장치 기구부 각도센서(144)로부터 피드백되고, 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 압력에 대한 정보는 작업장치 승강/회전 실린더 압력센서(142, 143)로부터 피드백된다.
작업장치 기구부 각도센서(144)의 측정값은 아날로그-디지털 변환을 위한 신호 변환부(145)를 거쳐 작업장치 위치/각도 계산부(146)로 입력된다. 작업장치 위치/각도 계산부(146)는 신호 변환부(145)의 출력값을 이용해 작업장치의 위치와 각도를 계산하여 제어부(120)로 피드백한다.
작업장치 기구부 각도센서(144)를 통해 측정된 붐이나 벨 크랭크와 같은 작업장치 기구부의 각도 측정값은 휠로더 관절계 기구학 계산에 의해 작업장치의 위치/각도로 변환될 수 있다.
작업장치 기구부 각도센서(144)를 작업장치와 일정 거리 이상 떨어진 위치에 장착하면, 작업장치의 작업물 로딩작업 시 작업물과의 간섭을 최소화하고, 작업물로 인한 센서(144)의 파손이나 변형 위험을 줄일 수 있다. 또한, 리미트 스위치(Limit Switch)와 같은 센서(144)를 일정 각도마다 장착하면서 기구부의 각도 정보를 획득할 수 있다.
주행 가속도 센서(147)는 작업장치의 주행 가속도를 측정하여 신호 변환부(148)를 통해 아날로드-디지털 변환을 수행한 후 제어부(120)로 피드백한다.
또한, 제어부(120)에 대한 피드백 요소로서, 휠로더 장비(151)로부터 엔진 회전수(RPM), 주행속도, 작업자의 기어선택 상태 등이 제공된다.
제어부(120)는 엔진 회전수를 이용해 작업장치의 동작 및 정지 여부를 판단함으로써, 작업자의 주행 운전조작과 동기되는 로딩작업을 구현할 수 있다.
이는 로딩작업의 자동진행이 설정된 상태에서, 작업자가 엔진출력을 감소시키며 로딩작업을 중단하고자 하는 상황에서도 작업장치가 계속적으로 동작하게 되는 것을 방지하기 위한 것으로, 로딩작업의 진행 중에 엔진 회전수가 임계값 이하로 감소되면 제어부(120)가 정지지령을 생성하여 작업장치의 움직임을 정지시키게 된다.
또한, 제어부(120)는 센서 입력부(140)를 통해 피드백되는 정보들과 휠로더 장비(151)에서 전달되는 정보들을 수집하여 로딩작업의 시작이나 종료 전에 로딩작업에 연관된 휠로더 시스템의 구성요소들이 적절한 상태에 있는지 여부를 점검할 수 있다. 초기상태나 종료상태의 점검을 위해 사용되는 정보로는, 작업장치의 위치/각도, 작업장치 실린더(133, 134, 135, 136)의 압력, 전자비례밸브(131)의 압력, 엔진 회전수에 대한 정보 등이 있다.
이와 같이, 일 실시예는 유압 조이스틱(112)을 이용한 수동 조작 동작과, 작업조건에 따른 자동 제어 동작을 함께 제공할 수 있다. 이러한 두 가지 동작은 병렬적으로 처리되므로, 작업자는 작업환경이나 작업조건 등에 따라 두 가지 동작을 적절히 병행하여 사용함으로써 작업 효율성을 높일 수 있다. 또한, 전자적인 고장이 발생하여 자동 제어 동작을 수행할 수 없는 경우에도, 유압 조이스틱(112)의 직접 조작을 통해 로딩작업을 수행할 수 있게 된다.
도 2는 도 1에 나타난 휠로더 시스템에서 동작지령의 자동 생성 방식을 예시적으로 설명하기 위한 그래프이다.
일 실시예에서 로딩자동화 제어부(122)는 작업장치의 상승과 회전을 제어하여 여러 작업조건들에 대한 동작패턴들을 정의하되, 작업장치의 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업조건별 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 생성한다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에서 동작패턴을 생성하기 위한 동작지령을 구성하는 요소는 작업장치 상승량과 회전량, 작업장치 상승주기와 회전주기(동작시간 혹은 동작주기)가 있다.
작업조건은 작업물의 특성(예컨대, 작업물의 단단한 정도)에 따라 여러 가지로 구분되고, 작업조건에 따라 작업량과 작업시간이 다르다. 예컨대, 작업조건을 제1 내지 제4 작업조건의 4가지로 구분하는 경우, 동일한 작업물을 대상으로 제4 작업조건의 동작패턴일수록 작업량이 증가하는 반면 작업시간이 증가하고, 제1 작업조건의 동작패턴일수록 작업시간이 감소하는 반면 작업량이 감소하도록 설정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법을 나타낸 흐름도로서, 일련의 단계들이 일정한 시간 간격(예컨대, 수 초나 수십 초)에 따라 주기적으로 수행되는 경우의 실시예를 예시하고 있다.
먼저, 휠로더 시스템의 제어부(120)는 작업조건별로 작업장치의 상승과 회전을 제어하는 동작패턴들과, 각 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령들을 미리 정의하고, 작업자의 의도에 따라 작업조건을 선택한다(S110).
유압 조이스틱 입력이 발생하지 않은 경우(S120), 제어부(120)는 로딩자동화 기능이 온(On) 상태인지 여부를 확인한다(S130). 예컨대, 작업자는 사용자 인터페이스 조작부(111)에 구비된 로딩자동화 스위치를 턴-온 하는 방식으로 로딩자동화 기능의 온(On)/오프(Off) 상태를 선택할 수 있다.
로딩자동화 기능이 오프(Off) 상태이면(S130), 제어부(120)는 작업장치 자동동작 플래그(flag)의 값을 ＇0＇으로 설정하여 비활성화한 후(S180), 유압 조이스틱(112)의 입력 대기 상태로 되돌아간다.
로딩자동화 기능이 온(On) 상태로 확인되면(S130), 제어부(120)가 S140으로 진행하여 작업장치 자동동작 플래그(flag)의 값이 ＇1＇로 설정되어 있는지 여부를 다시 확인한다(S140). 여기서, 자동동작 플래그 값은 특정 스위치에 의해서도 ＇1 ＇로 설정될 수 있다.
작업장치 자동동작 플래그(flag)의 값이 ＇1＇로 설정되어 있는 경우, 제어부(120)는 엔진 회전수가 임계값 이상인지를 점검한 후(S150), 동작지령의 자동 생성 단계로 진입하여 작업자가 기 선택한 작업조건의 동작패턴에 맞는 동작지령을 자동으로 생성하고, 자동 생성된 동작지령에 따라 전자비례밸브(131)를 제어하여 작업장치의 움직임을 동작지령이 유도한 동작패턴대로 조정하게 된다(S160).
S150에서 엔진 회전수가 임계값 이하로 파악되면, 제어부(120)는 로딩작업을 종료하기 위하여 정지지령을 생성한다(S151). 또한, 자동 생성된 동작지령에 의해 작업장치의 로딩작업이 수행되는 중에도 엔진 회전수가 임계값 이하로 감소되면 제어부(120)가 정지지령을 생성하여 작업장치의 움직임을 정지시키게 된다.
자동 생성된 동작지령의 수행 완료나 정지지령에 의해 작업장치에 대한 움직임을 종료할 것이 요청되면(S160, S151), 제어부(120)는 엔진 회전수, 작업장치의 위치와 각도, 주행 가속도와 작업장치 실린더의 압력, 전자비례밸브의 압력 등에 대한 정보들을 수집한다.
그리고, 수집된 정보들을 바탕으로 휠로더 시스템의 각 구성요소가 적합한 종료상태에 있는지 여부를 검사하는 방식으로 로딩작업의 종료가 가능한지 여부를 확인한다(S170).
종료상태가 정상이면 제어부(120)가 작업장치 자동동작 플래그(flag)를 ＇0＇으로 비활성화한 후 로딩작업을 정상적으로 종료하여 작업장치의 움직임을 중단한다(S180).
로딩작업이 종료상태에 있지 않은 경우에는(S170), 작업장치 구동부(130)가 S160을 통해 제어부(120)에서 생성한 동작지령에 따라 전자비례밸브(131)를 제어하여 작업장치의 움직임을 조정하게 된다(S230).
S120에서 유압 조이스틱(112)의 입력이 발생하는 것으로 판단되는 경우에는, 제어부(120)가 작업장치 자동동작 플래그(flag)의 값을 ＇0＇으로 설정하여 활성화한 후(S180), 유압 조이스틱 입력에 따른 압력신호를 직접 생성한다(S210).
S120에서, 파일럿 압력센서(141)는 셔틀 밸브(137)를 통해 메인제어밸브(132)로 전달되는 압력신호에 의해 동작상태를 감지하여 제어부(120)로 제공한다. 제어부(120)는 파일럿 압력센서(141)의 피드백을 근거로 유압 조이스틱(112)를 이용한 작업자의 직접 조작 여부를 판단할 수 있다.
이후, 휠로더 시스템은 유압 조이스틱(112)에서 생성되는 압력신호를 우선하여 통과시키는 셔틀 밸브(137)를 통해 작업장치를 직접 작동한다. 작업장치 구동부(130)는 유압 조이스틱(112)에서 출력되는 압력신호를 통과시키도록 셔틀 밸브(137)를 동작시키고, 셔틀 밸브(137)를 통해 입력되는 유압 조이스틱 출력신호에 따라 작업장치를 움직임으로써 작업장치를 직접 작동하게 된다(S220).
한편, S130에서 로딩자동화 기능이 온(On) 상태이지만, 작업장치 자동동작 플래그(flag)의 값이 ＇0＇으로 비활성화된 경우, 제어부(120)는 S310으로 진행하여 로딩작업의 초기상태를 점검한다. 이때, 제어부(120)는 로딩작업 종료상태의 점검 시와 마찬가지로, 휠로더 시스템의 각 구성요소들로부터 피드백되는 정보들(작업장치의 위치 및 각도, 작업장치 실린더의 압력, 엔진 회전수 등)를 바탕으로 초기상태를 검사하여 로딩작업의 시작이 가능한지 여부를 확인할 수 있다.
초기상태가 정상이면, 제어부(120)는 S320으로 진행하여 작업장치의 자중을 고려한 외력 및 주행 가속도 센서의 측정값을 이용해 작업물의 검지 여부를 모니터링한다.
일정 시간 동안 작업물이 검지되지 않는 경우(S320), 제어부(120)는 작업자에 의해 로딩작업 시작시점이 입력되는지 여부를 확인한다(S330).
예컨대, S330 단계에서 작업자는 사용자 인터페이스 조작부(111)에 구비된 시작 버튼을 입력하거나, 음성 인식명령을 입력하여 로딩작업의 시작시점을 결정함으로써 작업장치 자동동작 플래그(flag)를 ＇1＇로 활성화할 수 있다. 혹은 작업자가 유압 조이스틱(112)으로 직접 작업장치를 조작하여 작업장치의 위치 또는 각도가 임계값 이상이 되도록 함으로써 작업장치 자동동작 플래그(flag)를 활성화할 수 있다.
작업물의 검지 시에는(S320), 외력의 수평방향 성분이 임계값 이상이고 작업장치의 주행 가속도가 임계값 이하이면 작업물이 검지된 것으로 판단하는 제1 방식이나, 작업장치 실린더의 압력이 임계값 이상이고 작업장치의 주행 가속도가 임계값 이하이면 작업물이 검지된 것으로 판단하는 제2 방식이 적용될 수 있다.
S320을 통해 작업물이 검지되면, 제어부(120)는 작업장치 자동동작 플래그(flag)의 값을 ＇1＇로 활성화(S181)하여 엔진 회전수 점검 및 동작지령의 자동 생성을 포함하는 후속 과정들(S150 내지 S180)을 진행한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법을 나타낸 흐름도로서, 로딩작업의 자동진행을 보인 도 3의 실시예에 기록 및 재생모드를 추가로 구현한 것이다.
S110 내지 S180, S210과 S230, S310 내지 S330은 도 3과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
기록 및 재생모드는 작업자가 입력하는 유압 조이스틱(112)의 조이스틱 조작패턴에 따른 동작지령을 생성하여 기록한 후 작업자가 원하는 시점에 기록된 동작지령을 그대로 재생하는 방식이다. 제어부(120)는 기록모드에서 유압 조이스틱 입력에 따른 동작지령을 생성하여 저장하고, 재생모드에서 기록모드를 통해 기 저장된 동작지령을 재생한다.
기록모드가 설정된 경우에는(S410), 기록작업이 진행되는 중에 로딩작업이 이루어지지 않도록 하기 위하여 제어부(120)가 작업장치 자동동작 플래그의 값을 ＇0＇으로 설정하여 비활성화한 후(S180), 유압 조이스틱(112)의 입력에 따른 압력신호를 생성하여 작업장치를 동작시키는 상태로 진입하게 된다(S210).
기록모드가 설정된 상태에서 작업자가 기록작업의 시작시점을 입력하게 되면(S420), 제어부(120)는 작업자가 입력하는 조이스틱 조작패턴에 따른 동작지령들을 파일럿 압력센서(141)의 값으로부터 실시간으로 생성하면서 순차적으로 저장한다(S430).
기록모드에서 작업자가 유압 조이스틱(112)을 조작하는 경우, 유압 조이스틱 입력에 따른 압력신호가 셔틀 밸브(137)를 통해 인가된다. 이에 따라, 제어부(120)는 셔틀 밸브(137)의 후단에 결합된 파일럿 압력센서(141)의 값을 수신하고, 그에 상응하는 동작지령들을 생성/저장하게 된다.
아울러, 작업장치 구동부(130)는 유압 조이스틱 출력신호에 따라 동작하여 작업장치의 움직임을 직접 제어하게 된다(S470).
기록모드가 설정되지 않은 경우(S410), 제어부(120)는 유압 조이스틱 입력이 발생하는지 여부와 로딩자동화 기능이 온(On) 상태인지 여부를 차례로 확인한다(S120, S130).
일정 시간 동안 유압 조이스틱 입력이 발생하지 않고(S120), 로딩자동화 기능이 온(On) 상태인 경우(S130), 제어부(120)는 다시 재생모드가 설정되어 있는지 여부를 확인한다(S440).
S440의 확인 결과 재생모드가 설정되어 있지 않은 경우에는, 제어부(120)가 로딩작업의 자동진행을 위하여 S140으로 진행한다.
S440의 확인 결과 재생모드가 설정되어 있는 경우에는, 제어부(120)가 S450으로 진행하여 작업자의 재생작업 시작시점 입력 동작을 대기한다. 작업자가 특정 버튼을 누르는 등의 방식으로 재생작업의 시작시점을 입력하면(S450), 제어부(120)는 기록모드를 통해 기 저장된 조이스틱 조작패턴에 따른 동작지령들을 차례로 재생하여 작업장치의 움직임을 유도하게 된다(S460).
기록 및 재생모드의 설정과 각 모드의 시작시점 입력은 사용자 인터페이스 조작부(111)를 통해 이루어질 수 있다. 일례로, 사용자 인터페이스 조작부(111)에 모드 선택을 위한 선택 스위치(Select Switch)를 구비한 경우, 작업자는 선택 스위치를 조작하여 기록모드, 재생모드 및 로딩작업 자동진행을 위한 모드 중 하나의 모드를 선택할 수 있다. 또한, 작업자는 특정 푸시 버튼(Push Button)을 누르는 방식으로 기록 및 재생작업의 시작시점을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템 및 그의 로딩작업 자동화 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
110: 사용자 조작부 111: 사용자 인터페이스 조작부
112: 유압 조이스틱 120: 제어부
121: 주 제어부 122: 로딩자동화 제어부
130: 작업장치 구동부 131: 전자비례밸브
132: 메인제어밸브 133 내지 136: 작업장치 실린더
137: 셔틀 밸브 140: 센서 입력부

Claims (15)

  1. 작업장치의 움직임을 직접 조정하기 위한 유압 조이스틱을 포함하며, 작업자의 의도에 따라 작업조건을 선택하는 사용자 조작부;
    작업장치의 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업장치의 상승과 회전을 각기 달리한 작업조건별 동작패턴을 정의하며, 상기 사용자 조작부를 통해 선택된 작업조건에 맞는 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성하는 제어부;
    셔틀 밸브, 전자비례밸브 및 작업장치 실린더를 포함하여 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행하되, 상기 제어부에서 동작지령이 수신되면 상기 수신된 동작지령을 상기 전자비례밸브를 통해 압력신호로 변환하여 작업장치의 움직임을 제어하고, 작업자에 의한 상기 유압 조이스틱의 직접 조작이 있는 경우에는 상기 유압 조이스틱에서 출력되는 압력신호에 따라 상기 셔틀 밸브를 작동하여 작업장치의 움직임을 제어하는 작업장치 구동부; 및
    작업장치의 위치와 각도, 주행 가속도, 작업장치 실린더의 압력, 전자비례밸브의 압력, 셔틀 밸브의 압력에 대한 정보들을 수집하여 상기 제어부로 전달해 주는 센서 입력부를 포함하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작업장치 구동부는,
    상기 제어부의 후단에 결합되는 전자비례밸브;
    상기 유압 조이스틱과 상기 전자비례밸브 사이에 위치하여 양측에서 인가되는 출력신호들 중 우선되는 신호를 통과시켜 내보내는 셔틀 밸브;
    상기 셔틀 밸브를 통해 전달되는 신호에 의해 작동하는 메인제어밸브; 및
    상기 메인제어밸브에 의해 구동되어 작업장치의 움직임을 제어하는 작업장치 실린더를 포함하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 작업장치의 동작과 정지 여부를 판단하기 위한 엔진 회전수, 동작지령을 생성하기 위해 피드백되는 작업장치의 위치와 각도, 동작지령의 생성시점을 판단하기 위해 사용되는 주행 가속도와 작업장치 실린더의 압력, 동작지령에 따른 전자비례밸브의 동작상태를 확인하기 위한 전자비례밸브의 압력에 대한 정보들을 수신하여 사용하는 것을 특징으로 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 작업장치 실린더의 압력, 작업장치의 위치와 각도로부터 작업장치에 인가된 외력의 수평방향 성분을 계산한 후, 계산된 외력의 수평방향 성분이 임계값 이상이고, 작업장치의 주행 가속도 절대값이 임계값 이상이면, 작업물이 검지된 것으로 판단하여 로딩작업을 시작하는 것을 특징으로 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 작업장치 실린더의 압력이 임계값 이상이고, 작업장치의 주행 가속도 절대값이 임계값 이상이면, 작업물이 검지된 것으로 판단하여 로딩작업을 시작하는 것을 특징으로 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 동작지령이 자동 생성된 경우, 작업장치의 로딩작업 수행 중에 엔진 회전수가 임계값 이하로 감소되면 정지지령을 생성하여 작업장치의 움직임을 정지시키는 것을 특징으로 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 시작 버튼이 입력되는 동작, 작업장치의 위치 또는 각도가 임계값 이상이 되는 동작, 음성 인식명령이 입력되는 동작 중 하나 이상의 동작이 수행되면 동작지령을 자동 생성하여 로딩작업을 시작하는 것을 특징으로 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서 입력부는 작업장치 기구부에 설치된 각도 센서의 측정값으로부터 작업장치의 위치와 각도를 계산하여 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서 입력부는 유압 조이스틱 출력신호에 의해, 혹은 작업조건에 맞는 동작지령에 의해 작동되는 셔틀 밸브의 동작상태를 감지하여 제어부로 피드백하는 파일럿 압력센서를 포함하는 유압 조이스틱 기반의 휠로더 시스템.
  10. 휠로더 시스템이 복수의 작업조건들에 대하여, 작업장치의 상승량, 회전량, 상승주기, 회전주기의 4가지 요소들을 조합하여 작업장치의 상승과 회전을 각기 달리한 작업조건별 동작패턴을 정의하는 단계;
    유압 조이스틱 입력이 발생하는 경우, 상기 휠로더 시스템이 유압 조이스틱에서 생성되는 압력신호를 우선하여 통과시키는 셔틀 밸브를 통해 작업장치를 직접 작동하는 단계;
    유압 조이스틱 입력이 발생하지 않고, 작업장치의 자동동작이 설정된 경우, 상기 휠로더 시스템이 작업자에 의해 선택된 작업조건에 맞는 동작패턴을 구현하기 위한 동작지령을 자동 생성하는 단계; 및
    상기 휠로더 시스템이 상기 생성된 동작지령을 압력신호로 변환하여 작업장치의 움직임을 제어함으로써 작업장치를 이용한 로딩작업을 수행하는 단계를 포함하는 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 휠로더 시스템은 엔진 회전수, 작업장치의 위치와 각도, 주행 가속도와 작업장치 실린더의 압력, 전자비례밸브의 압력에 대한 정보들을 수신하여 로딩작업의 초기상태 및 종료상태를 점검하는 것을 특징으로 하는 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 휠로더 시스템이 작업장치 실린더의 압력, 작업장치의 위치와 각도로부터 작업장치에 인가된 외력의 수평방향 성분을 계산한 후, 계산된 외력의 수평방향 성분이 임계값 이상이고, 작업장치의 주행 가속도 절대값이 임계값 이상이면, 작업물이 검지된 것으로 판단하여 작업장치의 자동동작을 설정하는 단계를 더 포함하는 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 휠로더 시스템이 작업장치 실린더의 압력이 임계값 이상이고, 작업장치의 주행 가속도 절대값이 임계값 이상이면, 작업물이 검지된 것으로 판단하여 작업장치의 자동동작을 설정하는 단계를 더 포함하는 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 자동 생성된 동작지령에 의해 작업장치의 로딩작업이 수행되는 중에 엔진 회전수가 임계값 이하로 감소되면 상기 휠로더 시스템이 정지지령을 생성하여 작업장치의 움직임을 정지시키는 단계를 더 포함하는 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    기록모드에서 유압 조이스틱 입력에 따른 동작지령을 저장하는 단계; 및
    재생모드에서 상기 기록모드를 통해 기 저장된 동작지령을 재생하는 단계를 더 포함하는 휠로더 시스템의 로딩작업 자동화 방법.
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