KR20170058125A - 건설기계의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

건설기계의 제어 방법은 어태치먼트를 포함하는 작업 장치의 초기 위치를 검출한다. 작업 장치에 대한 조작 신호를 수신한다. 초기 위치 및 조작 신호를 이용하여 어태치먼트에 대한 가상의 이동 궤적을 생성한다. 그리고, 어태치먼트를 이동 궤적을 따라 이동시키되, 어태치먼트가 초기 위치에서의 입사각을 그대로 유지할 수 있도록 메인 컨트롤 밸브에 포함된 스풀들의 움직임을 제어한다.

Description

건설기계의 제어 방법{CONTROL METHOD FOR CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 건설기계의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 어태치먼트의 자세를 일정하게 유지시키기 위한 건설기계의 제어 방법에 관한 것이다.
건설기계, 예를 들면, 굴삭기는 회전 가능하도록 연결된 붐, 암, 및 어태치먼트의 구동에 의해 다양한 작업들을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 어태치먼트는 작업의 종류에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 버켓은 굴삭 작업을 수행할 수 있고, 크러셔는 파쇄 작업을 수행할 수 있고, 포크는 운반 작업을 수행할 수 있다.
그런데, 상기 어태치먼트의 움직임은 상기 어태치먼트에 대한 조작뿐만 아니라 상기 붐 및 상기 암에 대한 조작들까지 조합된 결과로서 구현된다. 따라서, 비숙련자의 경우에는 상기 어태치먼트의 움직임을 원하는 대로 제어하지 못할 수도 있다. 특히, 상기 포크 어태치먼트를 사용하는 경우에는 어태치먼트의 수평을 유지하지 못하여 적재물이 낙하할 수 있고, 이로 인해 안전사고가 발생할 염려가 있다.
본 발명의 과제는 어태치먼트가 일정한 입사각을 유지하면서 이동하도록 제어하기 위한 건설기계의 제어 방법을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 방법은, 어태치먼트를 포함하는 작업 장치의 초기 위치를 검출한다. 상기 작업 장치에 대한 조작 신호를 수신한다. 상기 초기 위치 및 상기 조작 신호를 이용하여 상기 어태치먼트에 대한 가상의 이동 궤적을 생성한다. 그리고, 상기 어태치먼트를 상기 이동 궤적을 따라 이동시키되, 상기 어태치먼트가 상기 초기 위치에서의 입사각을 그대로 유지할 수 있도록 메인 컨트롤 밸브에 포함된 스풀들의 움직임을 제어한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 초기 위치를 검출하는 단계는 상기 작업 장치에 설치된 관성 측정 장치(Inertia Measurement Unit, IMU)를 이용하여 상기 작업 장치의 위치를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 조작 신호를 수신하는 단계는, 제1 조이스틱으로부터 지면에 수직한 방향에 대한 제1 조작 신호를 수신하는 단계, 및 제2 조이스틱으로부터 지면에 수평한 방향에 대한 제2 조작 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 어태치먼트에 대한 가상의 이동 궤적을 생성하는 단계는, 상기 수신된 제1 조작 신호로부터 상기 어태치먼트의 지면에 수직한 방향에 대한 이동 속도를 결정하는 단계, 및 상기 수신된 제2 조작 신호로부터 상기 어태치먼트의 지면에 수평한 방향에 대한 이동 속도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 조이스틱은 붐의 동작을 제어하기 위한 붐 조이스틱이고, 상기 제2 조이스틱은 암의 동작을 제어하기 위한 암 조이스틱일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 스풀들의 움직임을 제어하는 단계는 역 기구학(Inverse Kinematics)을 이용하여 상기 어태치먼트의 말단부 위치로부터 상기 작업 장치에 포함된 붐, 암, 및 상기 어태치먼트의 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 스풀들의 움직임을 제어하는 단계는 상기 스풀들에 파일럿 신호압을 공급하기 위한 제어 밸브로 전기적인 제어 신호를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 밸브는 전자비례 감압(Electronic Proportional Pressure Reducing, EPPR)밸브일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 제어 방법은 피드-백(feed-back) 제어를 통해 상기 붐, 상기 암, 및 상기 어태치먼트의 각도를 재산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 피드-백 제어는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 어태치먼트는 포크 또는 버켓을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 방법은 어태치먼트가 일정한 입사각을 유지하면서 이동하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 비숙련자도 어태치먼트, 특히, 포크 어태치먼트의 입사각을 일정하게 유지할 수 있어 적재물 낙하로 인한 안전사고를 방지할 수 있다. 또한, 포크 어태치먼트를 장착한 굴삭기는 지게차보다 작업 반경이 훨씬 크기 때문에, 작업 능률 향상 및 작업용도 다각화를 달성할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 건설기계를 나타내는 측면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 제어 시스템을 이용하여 건설기계를 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4 내지 도 6은 운전자의 조작에 따른 어태치먼트의 움직임을 나타내는 도면들이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 건설기계를 나타내는 측면도이다.
도 1을 참조하면, 건설기계(10)는 상부 선회체(20), 하부 주행체(30), 운전실(40), 및 작업 장치(50)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 건설기계는 굴삭기일 수 있다.
상부 선회체(20)는 하부 주행체(30) 상에 탑재되며, 지면과 평행한 평면상에서 회전하여 작업 방향을 설정하고, 작업 장치(50)를 구동하여 작업을 수행할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상부 선회체(20) 후방에 장착된 카운터 웨이트를 이용하여 작업 중인 건설기계(10)의 균형을 유지할 수 있다.
하부 주행체(30)는 상부 선회체(20) 및 운전실(40)을 지지하고, 엔진에서 발생한 동력을 이용하여 건설기계(10)를 주행시킬 수 있다. 도 1에는 크롤러 타입의 하부 주행체(30)가 도시되어 있으나, 하부 주행체(30)의 형태는 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 하부 주행체는 휠 타입의 형태를 가질 수 있다.
운전실(40)은 상부 선회체(20)에 설치되며, 내부에 운전자가 탑승하여 건설기계(10)를 조종할 수 있다. 운전실(40) 내부에는 상부 선회체(20), 하부 주행체(30), 및 작업 장치(50)를 조종하기 위한 각종 조종 장치들이 구비될 수 있다.
작업 장치(50)는 상부 선회체(20)에 전방을 향하여 장착되며, 굴삭, 브레이킹 등의 다양한 작업들을 수행할 수 있다. 작업 장치(50)는 붐(60), 암(70), 어태치먼트(80), 및 이들을 구동하기 위한 유압 실린더들(62, 72, 82)을 포함할 수 있다.
붐(60)은 상부 선회체(20)에 회전 가능하도록 부착되고, 붐 실린더(62)의 구동에 의해 상승 또는 하강할 수 있다. 암(70)은 붐(60)의 일단부에 회전 가능하도록 연결되며, 암 실린더(72)의 구동에 의해 덤프 또는 크라우드 동작을 수행할 수 있다. 어태치먼트(80)는 암(80)의 하단부에 회전 가능하도록 연결되며, 어태치먼트 실린더(82)의 구동에 의해 덤프 또는 크라우드 동작을 수행할 수 있다. 도 1에는 어태치먼트(80)로서 포크(fork)가 도시되어 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 어태치먼트는 버켓일 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 작업 장치(50)는 작업자의 조작에 의해 제1 위치에서 제2 위치로 이동할 수 있다. 이 때, 상기 제1 위치는 어태치먼트(80)의 말단부가 시작점(E1)에 위치하는 경우로서 도 1에서는 실선으로 표시되고, 상기 제2 위치는 어태치먼트(80)의 말단부가 종료점(E2)에 위치하는 경우로서 도 1에서는 파선으로 표시된다. 시작점(E1)에서 어태치먼트(80)의 입사각은 제1 각도(θ1)이고 종료점에서 어태치먼트(80)의 입사각은 제2 각도(θ2)일 수 있다. 이 때, 상기 입사각은 어태치먼트(80)가 전진하거나 또는 후진할 때 형성되는 각도로서, 어태치먼트(80)와 암(70)의 연결부로부터 어태치먼트 말단부를 항하여 연장한 직선이 지면에 수직한 방향에 대하여 이루는 각도로 정의될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 건설기계의 제어 시스템은 작업 장치(50)에 대한 조작 신호를 발생시키기 위한 조작 장치(100), 작업 장치(50)의 위치를 측정하기 위한 검출 장치(110), 상기 조작 신호 및 상기 위치 정보를 이용하여 어태치먼트(80)의 이동 궤적을 결정하고 이에 따라 작업 장치(50)의 움직임을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 장치(120), 상기 제어 신호를 수신하여 이에 대응되는 파일럿 신호압을 발생시키기 위한 제어 밸브(130), 및 상기 파일럿 신호압의 크기에 따라 작업 장치(50)로 공급되는 작동유의 양을 제어하기 위한 메인 컨트롤 밸브(Main Control Valve, MCV, 140)를 포함할 수 있다.
조작 장치(100)는 운전실(40) 내부에 설치되며, 운전자의 조작 정도에 따라 작업 장치(50)를 구동시키기 위한 조작 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 조작 장치는 조이스틱일 수 있다. 조작 장치(100)에서 발생한 상기 조작 신호는 제어 장치(120)의 수신부(122)로 입력될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 조작 장치(100)는 붐(60)에 대한 조작 신호를 발생시키기 위한 제1 조이스틱(102) 및 암(70)에 대한 조작 신호를 발생시키기 위한 제2 조이스틱(104)을 포함할 수 있다. 운전자는 제1 조이스틱(102)을 조작함으로써 붐(60)을 상승시키거나 또는 하강시킬 수 있고, 제2 조이스틱(104)을 조작함으로써 암(70)을 덤프시키거나 또는 크라우드시킬 수 있다. 이 경우에 있어서, 제1 및 제2 조이스틱들(102, 104)은 운전자의 조작량에 대응하는 조작 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 조이스틱은 운전자의 조작량에 대응하는 붐(60) 이동 신호를 발생시킬 수 있고, 상기 제2 조이스틱은 운전자의 조작량에 대응하는 암(70) 이동 신호를 발생시킬 수 있다.
한편, 후술하는 선택 스위치에 의해 수평 유지 모드가 선택된 경우에는, 제1 조이스틱(102) 및 제2 조이스틱(104)은 운전자의 조작량에 대응하는 어태치먼트(80)의 수직 방향 및 수평 방향 이동량에 관한 조작 신호를 각각 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 수평 유지 모드가 선택된 상태에서는, 운전자가 제1 조이스틱(102)을 조작한 정도에 따라 어태치먼트(80)의 지면에 수직한 방향에 대한 이동량이 결정될 수 있고, 운전자가 제2 조이스틱(104)을 조작한 정도에 따라 어태치먼트(80)의 지면에 수평한 방향에 대한 이동량이 결정될 수 있다. 이에 따라, 제1 조이스틱(102) 및 제2 조이스틱(104)은 어태치먼트(80)의 수직 방향 및 수평 방향 이동량에 관한 조작 신호만을 각각 발생시킬 수 있다.
검출 장치(110)는 작업 장치(50)에 설치되며, 작업 장치(50)의 위치, 각도 등에 관한 정보를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 검출 장치는 관성 측정 장치(Inertia Measurement Unit, IMU)일 수 있다. 상기 관성 측정 장치는 직선 운동을 측정하기 위한 3개의 가속도계 및 회전 운동을 측정하기 위한 3개의 각속도계를 포함할 수 있으며, 작업 장치(50)의 운동 방향, 자세, 및 위치, 속도 등을 측정할 수 있다. 검출 장치(110)가 작업 장치(50)에 설치됨으로써, 검출 장치(110)는 작업 장치(50)에 대한 위치, 각도 등에 관한 정보들을 검출할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 검출 장치(110)는 붐(60), 암(70) 및 어태치먼트(80)에 각각 설치되는 제1 내지 제3 센서들(112, 114, 116)을 포함할 수 있다. 제1 센서(112)는 붐(60)의 위치 및 각도를 검출할 수 있고, 제2 센서(114)는 암(70)의 위치 및 각도를 검출할 수 있고, 제3 센서(116)는 어태치먼트(80)의 위치 및 각도를 검출할 수 있다. 이 때, 제3 센서(116)로부터 검출된 정보에는 어태치먼트 말단부의 위치 및 입사각에 대한 정보들이 포함될 수 있다. 제어 장치(120)는 제1 내지 제3 센서들(112, 114, 116)로부터 측정된 정보들을 이용하여 붐(60), 암(70) 및 어태치먼트(80) 각각의 정확한 위치를 파악할 수 있다.
상기 획득된 자세 정보는 무선 통신, 예를 들면, CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), FlexRay 등을 통해 제어 장치(120)로 송신될 수 있다. 이와 다르게, 검출 장치(110)가 유선을 통해 직접 제어 장치(120)와 연결될 수도 있다.
제어 장치(120)는 조작 장치(100) 및 검출 장치(110)로부터 각각 조작 신호 및 위치 정보들을 수신하고, 이들을 이용하여 어태치먼트 말단부의 이동 궤적 및 어태치먼트(80)의 입사각을 일정하게 유지시키기 위한 작업 장치(50) 각 부분의 각도를 결정할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 입사각이 일정하게 유지된다는 것은, 작업 장치(50)의 구동 중에 어태치먼트(80)에 적재된 화물이 낙하하지 않을 충분조건일 수 있다. 예를 들면, 도 1을 다시 참조하면, 어태치먼트(80)의 말단부가 시작점(E1)으로부터 종료점(E2)까지 이동 궤적(C)을 따라 이동하는 동안 어태치먼트(80)의 입사각은 일정하게 유지될 수 있다. 즉 제1 각도(θ1)는 제2 각도(θ2)와 동일한 크기를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제어 장치(120)는 수신부(122), 궤적 생성부(124), 자세 산출부(126), 및 제어 신호 출력부(128)를 포함할 수 있다.
수신부(122)는 조작 장치(100)로부터 운전자의 조작 신호를 수신하고, 검출 장치(110)로부터 작업 장치(50)에 대한 위치 정보를 수신할 수 있다.
궤적 생성부(124)는 수신부(122)를 통해 수신된 조작 신호 및 위치 정보들을 이용하여 어태치먼트(80)가 일정한 입사각을 유지하면서 이동하기 위한 이동 궤적(C)을 생성할 수 있다.
구체적으로, 궤적 생성부(124)는 검출 장치(110)로부터 수신된 초기 어태치먼트 말단부 위치를 상기 이동 궤적의 시작점(E1)으로 설정할 수 있다. 그리고, 조작 장치(100)로부터 수신된 상기 조작 신호로부터 어태치먼트 말단부의 운동 방향 및 속도 등을 예측하여 가상의 종료점(E2)을 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 조이스틱으로부터 수신된 조작 신호로부터 상기 어태치먼트의 지면에 수직한 방향으로의 이동량을 예측할 수 있고, 상기 제2 조이스틱으로부터 수신된 조작 신호로부터 상기 어태치먼트의 지면에 수평한 방향으로의 이동량을 예측할 수 있다. 상기 종료점은 상기 수직 방향 및 상기 수평 방향으로의 이동량들의 조합을 통해 설정될 수 있다. 상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적(C)은 상기 시작점(E1)과 상기 종료점(E2)을 연결하는 가상의 라인일 수 있다.
또한, 상기 예측된 이동량에 따라 어태치먼트(80)의 이동 속도 역시 결정될 수 있다. 예를 들면, 제1 조이스틱(102)에 대한 조작량이 커질수록 어태치먼트(80)의 상기 수직 방향 이동 속도가 증가할 수 있고, 제2 조이스틱(104)에 대한 조작량이 커질수록 어태치먼트(80)의 상기 수평 방향 이동 속도가 증가할 수 있다.
자세 산출부(126)는 궤적 생성부(124)에서 생성된 상기 이동 궤적(C)을 따라 어태치먼트(80)의 말단부가 이동하는 동안, 어태치먼트(80)의 입사각이 일정하게 유지되도록 하기 위한 작업 장치(50)의 각도를 산출할 수 있다. 예를 들면, 상기 자세 산출부는 역 기구학(Inverse Kinematics)을 이용하여 상기 어태치먼트(80)의 말단부의 위치로부터 상기 붐, 상기 암, 및 상기 어태치먼트의 각도들을 산출할 수 있다.
제어 신호 출력부(128)는 자세 산출부(126)로부터 산출된 작업 장치(50)의 각도를 구현하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다. 상기 제어 신호는 제어 밸브(130)로 입력되어 제어 밸브(130)로부터 메인 컨트롤 밸브(140)로 입력되는 파일럿 신호압의 크기를 제어할 수 있다. 즉, 조작 장치(100)에서 발생된 조작 신호는 제어 장치(120)를 거치는 동안 수정되고, 상기 수정된 조작 신호가 제어 밸브(130)로 입력될 수 있다.
제어 밸브(130)는 파일럿 펌프(도시되지 않음)로부터 제어유를 공급받아 메인 컨트롤 밸브(140)의 스풀들을 이동시키기 위한 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 제어 밸브는 전자비례 감압(Electronic Proportional Pressure Reducing, EPPR) 밸브일 수 있다. 상기 전자비례 감압밸브는 제어 신호 출력부(128)로부터 수신된 제어 신호의 크기에 비례하는 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있다. 상기 파일럿 신호압의 크기에 따라 상기 스풀들의 이동량이 결정되며, 이에 따라, 유압 실린더들(62, 72, 82)로 공급되는 작동유의 양이 결정될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제어 밸브(130)는 상기 스풀들로 파일럿 신호압을 공급하는 복수 개의 전자비례 감압밸브들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어 밸브(130)는 붐 스풀(도시되지 않음)로 파일럿 신호압을 공급하는 제1 및 제2 전자비례 감압밸브, 암 스풀(도시되지 않음)로 파일럿 신호압을 공급하는 제3 및 제4 전자비례 감압밸브, 및 어태치먼트 스풀(도시되지 않음)로 파일럿 신호압을 공급하는 제5 및 제6 전자비례 감압밸브를 포함할 수 있다. 상기 제1 전자비례 감압밸브는 붐(60)을 상승시키기 위한 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있고, 상기 제2 전자비례 감압밸브는 붐(60)을 하강시키기 위한 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있다. 상기 제3 및 제5 전자비례 감압밸브들은 각각 암(70) 및 어태치먼트(80)를 덤프시키기 위한 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있고, 상기 제4 및 제6 전자비례 감압밸브들은 각각 암(70) 및 어태치먼트(80)를 크라우드시키기 위한 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있다.
메인 컨트롤 밸브(140)는 내부에 설치된 복수 개의 상기 스풀들을 이용하여 상기 유압 실린더들(62, 72, 82)로 공급되는 작동유를 제어할 수 있다. 예를 들어, 붐 스풀의 이동 방향에 따라 붐 실린더(62)의 상승측 챔버 또는 하강측 챔버 중에서 선택된 하나의 챔버로만 작동유를 공급할 수 있고, 상기 붐 스풀의 이동 정도에 따라 붐 실린더(62)로 공급되는 작동유의 양을 제어할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 스풀들의 이동 방향 및 이동 정도는 제어 밸브(130)로부터 공급되는 파일럿 신호압의 방향 및 크기에 따라 결정될 수 있다. 또한, 상기 제어 밸브(130)에서 발생하는 파일럿 신호압의 방향 및 크기는 제어 신호 출력부(128)로부터 수신된 제어 신호에 따라 결정될 수 있다. 결과적으로, 제어 장치(120)에 의해 유압 실린더들(62, 72, 82)의 움직임이 제어됨으로써, 어태치먼트(80)는 일정한 입사각을 유지한 채 상기 이동 궤적(C)을 따라 이동하도록 제어될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 제어 시스템은 상기 제어 시스템의 사용 여부를 결정하기 위한 선택 스위치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 스위치는 운전실(40) 내부에 설치되는 온-오프(on-off) 스위치일 수 있다. 운전자가 상기 선택 스위치를 온시키면, 상기 건설기계의 제어 시스템이 활성화되어 작업 장치(50)의 이동을 상술한 바와 같이 제어할 수 있다. 즉, 어태치먼트(80)는 일정한 입사각을 유지하면서 상기 이동 궤적(C)을 따라 이동할 수 있다. 이와 다르게, 운전자가 상기 선택 스위치를 오프시키면, 상기 건설기계의 제어 시스템은 불활성화되고 운전자의 조작대로 작업 장치(50)가 구동될 수 있다. 이 경우에 있어서는, 운전자의 역량에 따라 어태치먼트(80)의 입사각이 일정하게 유지되지 못할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 건설기계 제어 시스템은 어태치먼트가 일정한 입사각을 유지하면서 이동하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 비숙련자도 어태치먼트, 특히, 포크 어태치먼트의 입사각을 일정하게 유지할 수 있어 적재물 낙하로 인한 안전사고를 방지할 수 있다. 또한, 포크 어태치먼트를 장착한 굴삭기는 지게차보다 작업 반경이 훨씬 크기 때문에, 작업 능률 향상 및 작업용도 다각화를 달성할 수 있다.
도 3은 도 2의 제어 시스템을 이용하여 건설기계를 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다. 도 4 내지 도 6은 운전자의 조작에 따른 어태치먼트의 움직임을 나타내는 도면들이다.
도 3을 참조하면, 수평 유지 모드 선택 여부를 판단한다(S100).
예를 들면, 운전자는 운전실(40) 내부에 설치된 선택 스위치를 이용하여 수평 유지 모드 사용 여부를 결정할 수 있다. 수평 유지 모드가 선택되지 않은 경우에는, 제어 밸브(130)는 운전자의 조작 신호에 대응하도록 파일럿 신호압을 생성할 수 있다. 이에 따라, 작업 장치(50)의 각 유압 실린더들(62, 72, 82)에는 상기 조작 신호에 대응하는 양의 작동유가 공급될 수 있다. 이와 다르게, 수평 유지 모드가 선택된 경우에는, 어태치먼트(80)의 수평이 유지될 수 있도록 상기 조작 신호는 제어 장치(120)에 의해 가공되어 제어 밸브(130)로 제공될 수 있다.
수평 유지 모드가 선택된 경우, 어태치먼트 말단부의 위치를 검출하고(S110) 운전자의 조작 신호를 수신한다(S120).
제어 장치(120)의 수신부(122)는 검출 장치(110)로부터 작업 장치(50)에 대한 위치 정보를 수신할 수 있다. 구체적으로, 붐(60), 암(70), 및 어태치먼트(80)에 각각 설치된 제1 내지 제3 센서들(112, 114, 116)은 붐(60), 암(70), 및 어태치먼트(80)의 위치, 각도, 운동 방향, 속도 등에 관한 정보들을 검출할 수 있다. 특히, 어태치먼트(80)의 경우에는 어태치먼트 말단부의 위치 및 입사각에 관한 정보들이 포함될 수 있다. 제1 내지 제3 센서들(112, 114, 116)은 예를 들면, 관성 측정 장치(IMU)일 수 있다. 상기 검출된 정보들은 무선 통신 등을 통하여 수신부(122)로 입력될 수 있다.
한편, 운전자의 조작 신호는 조작 장치(100)로부터 발생될 수 있다. 예를 들면, 상기 조작 장치는 조이스틱일 수 있다. 운전자가 상기 조이스틱을 조작하면, 상기 조이스틱은 운전자의 조작량에 대응하는 조작 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 발생된 조작 신호는 제어 장치(120)의 수신부(122)로 입력될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 조작 장치(100)는 붐(60)에 대한 조작 신호를 발생시키기 위한 제1 조이스틱(102) 및 암(70)에 대한 조작 신호를 발생시키기 위한 제2 조이스틱(104)을 포함할 수 있다. 수평 유지 모드가 선택되지 않은 경우에는, 운전자는 제1 조이스틱(102)을 조작함으로써 붐(60)을 상승시키거나 또는 하강시킬 수 있고, 제2 조이스틱(104)을 조작함으로써 암(70)을 덤프시키거나 또는 크라우드시킬 수 있다.
한편, 수평 유지 모드가 선택된 경우에는, 조이스틱들(102, 104)의 조작량에 대응하여 어태치먼트(80)의 지면에 수직한 방향 및 수평한 방향에 대한 조작 신호가 각각 발생될 수 있다. 예를 들면, 제1 조이스틱(102)은 운전자의 조작량에 대응하여 지면에 수직한 방향에 대한 조작 신호를 발생시킬 수 있고, 제2 조이스틱(104)은 운전자의 조작량에 대응하여 지면에 수평한 방향에 대한 조작 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 발생된 조작 신호들은 제어 장치(120)의 수신부(122)로 각각 입력될 수 있다.
상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적을 생성한다(S130).
궤적 생성부(124)는 초기의 어태치먼트 말단부 위치를 궤적의 시작점(E1)으로 설정하고, 상기 조작 신호로부터 어태치먼트 말단부의 운동 방향 및 속도 등을 예측하여 가상의 종료점(E2)을 설정할 수 있다. 예를 들면, 제1 조이스틱(102)에 대한 조작 신호로부터 지면에 수직한 방향으로의 이동량을 예측할 수 있고, 제2 조이스틱(104)에 대한 조작 신호로부터 지면에 수평한 방향으로의 이동량을 예측할 수 있다. 상기 종료점(E2)은 상기 이동량들의 조합을 통해 설정될 수 있다. 상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적(C)은 상기 시작점(E1)과 상기 종료점(E2)을 연결하는 가상의 라인일 수 있다.
또한, 어태치먼트(80)의 이동 속도 역시 상기 예측된 이동량에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 제1 조이스틱(102)에 대한 조작량(α)이 커질수록 어태치먼트(80)의 상기 수직 방향 이동 속도가 증가할 수 있고, 제2 조이스틱(104)에 대한 조작량(β)이 커질수록 어태치먼트(80)의 상기 수평 방향 이동 속도가 증가할 수 있다.
운전자의 조작에 따른 어태치먼트(80)의 움직임은 도 4 내지 도 6에 자세히 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 수평 유지 모드가 선택된 상태에서 운전자가 제1 조이스틱(102)만을 조작하면, 상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적(C)은 지면에 수직한 방향으로 설정될 수 있다. 이 때, 제1 조이스틱(102)의 조작량(α)에 따라 상기 종료점(E2)의 위치 및 어태치먼트(80)의 수직 방향 이동 속도가 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 조이스틱에 대한 조작량(α)이 커질수록 어태치먼트(80)의 상기 수직 방향 이동 속도는 증가할 수 있다.
도 5를 참조하면, 수평 유지 모드가 선택된 상태에서 운전자가 제2 조이스틱(104)만을 조작하면, 상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적(C)은 지면에 수평한 방향으로 설정될 수 있다. 이 때, 제2 조이스틱(104)의 조작량(β)에 따라 상기 종료점(E2)의 위치 및 어태치먼트(80)의 수평 방향 이동 속도가 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 조이스틱에 대한 조작량(β)이 커질수록 어태치먼트(80)의 상기 수평 방향 이동 속도는 증가할 수 있다.
도 6을 참조하면, 수평 유지 모드가 선택된 상태에서 운전자가 제1 조이스틱(102) 및 제2 조이스틱(104)을 동시에 조작하면, 상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적(C)은 지면에 대해 일정한 각도로 경사진 방향으로 설정될 수 있다. 즉, 제1 조이스틱(102)의 조작량(α) 및 제2 조이스틱(104)의 조작량(β)의 조합에 따라 상기 종료점(E2)의 위치가 결정될 수 있다. 또한, 제1 조이스틱(102)의 조작량(α)에 따라 어태치먼트(80)의 수직 방향 이동 속도가 결정될 수 있고, 제2 조이스틱(104)의 조작량(β)에 따라 어태치먼트(80)의 수평 방향 이동 속도가 결정될 수 있다.
상기 어태치먼트의 입사각을 일정하게 유지하기 위한 작업 장치(50)의 각도를 산출한다(S140).
궤적 생성부(124)에 의해 상기 어태치먼트 말단부에 대한 이동 궤적(C)이 생성되면, 자세 산출부(126)는 역 기구학(Inverse Kinematics)을 이용하여 상기 이동 궤적(C)을 만족시키기 위한 붐(60), 암(70), 및 어태치먼트(80)의 각도들을 산출할 수 있다.
이후, 제어 신호 출력부(128)는 붐(60), 암(70), 및 어태치먼트(80)가 상기 산출된 각도를 유지하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다(S150). 상기 제어 신호는 제어 밸브(130)로 입력되어 그에 상응하는 크기의 파일럿 신호압을 발생시킬 수 있다. 상기 파일럿 신호압은 메인 컨트롤 밸브(140)의 스풀들을 이동시킬 수 있고, 붐 실린더(62), 암 실린더(72) 및 어태치먼트 실린더(82)에는 상기 제어 신호에 상응하는 양의 작동유가 공급될 수 있다. 이에 따라, 어태치먼트(80)는 일정한 입사각을 유지하면서 상기 이동 궤적(C)을 따라 이동할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 제어 방법은 피드백(feed-back) 제어를 통해 정확성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 작업 장치(50)가 상기 이동 궤적(C)을 따라 이동하는 중에도, 수신부(122)는 계속하여 작업 장치(50)에 대한 위치 정보를 수신할 수 있다(S160). 궤적 생성부(124)는 현재의 어태치먼트 말단부의 위치를 새로운 시작점으로 설정하고, 이를 바탕으로 새로운 이동 궤적을 생성할 수 있다. 자세 산출부(126)는 상기 새로운 이동 궤적을 만족시키기 위한 작업 장치(50)의 각도를 산출하고, 제어 신호 출력부(128) 역시 상기 새로운 이동 궤적에 맞추어 제어 밸브(130)에 대한 제어 신호를 수정할 수 있다. 예를 들면, 상기 피드백 제어는 PID 제어(Proportional Integral Derivative control)일 수 있다.
어태치먼트 말단부의 현재 위치가 상기 종료점(E2)과 일치하면 상기 수평 유지 모드를 종료한다(S170).
이와 다르게, 어태치먼트 말단부가 상기 종료점(E2)에 도달하지 못한 경우에도 운전자의 의도를 반영하여 상기 수평 유지 모드를 종료할 수 있다. 예를 들면, 운전자가 운전실(40) 내부의 상기 선택 스위치를 비활성화 하거나, 또는 어태치먼트(80)를 조작한 경우에도 상기 수평 유지 모드가 종료될 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 건설기계 제어 시스템은 어태치먼트가 일정한 입사각을 유지하면서 이동하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 비숙련자도 어태치먼트, 특히, 포크 어태치먼트의 입사각을 일정하게 유지할 수 있어 적재물 낙하로 인한 안전사고를 방지할 수 있다. 또한, 포크 어태치먼트를 장착한 굴삭기는 지게차보다 작업 반경이 훨씬 크기 때문에, 작업 능률 향상 및 작업용도 다각화를 달성할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 건설기계 20: 상부 선회체
30: 하부 주행체 40: 운전실
50: 작업 장치 60: 붐
62: 붐 실린더 70: 암
72: 암 실린더 80: 어태치먼트
82: 어태치먼트 실린더 100: 조작 장치
102: 제1 조이스틱 104: 제2 조이스틱
110: 검출 장치 112: 제1 센서
114: 제2 센서 116: 제3 센서
120: 제어 장치 122: 수신부
124: 궤적 생성부 126: 자세 산출부
128: 제어 신호 출력부 130: 제어 밸브
140: 메인 컨트롤 밸브 C: 이동 궤적
E1: 시작점 E2: 종료점
θ1: 제1 각도 θ2: 제2 각도

Claims (11)

  1. 어태치먼트를 포함하는 작업 장치의 초기 위치를 검출하는 단계;
    상기 작업 장치에 대한 조작 신호를 수신하는 단계;
    상기 초기 위치 및 상기 조작 신호를 이용하여 상기 어태치먼트에 대한 가상의 이동 궤적을 생성하는 단계; 및
    상기 어태치먼트를 상기 이동 궤적을 따라 이동시키되, 상기 어태치먼트가 상기 초기 위치에서의 입사각을 그대로 유지할 수 있도록 메인 컨트롤 밸브에 포함된 스풀들의 움직임을 제어하는 단계를 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초기 위치를 검출하는 단계는 상기 작업 장치에 설치된 관성 측정 장치(Inertia Measurement Unit, IMU)를 이용하여 상기 작업 장치의 위치를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 조작 신호를 수신하는 단계는,
    제1 조이스틱으로부터 지면에 수직한 방향에 대한 제1 조작 신호를 수신하는 단계; 및
    제2 조이스틱으로부터 지면에 수평한 방향에 대한 제2 조작 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 어태치먼트에 대한 가상의 이동 궤적을 생성하는 단계는,
    상기 수신된 제1 조작 신호로부터 상기 어태치먼트의 지면에 수직한 방향에 대한 이동 속도를 결정하는 단계; 및
    상기 수신된 제2 조작 신호로부터 상기 어태치먼트의 지면에 수평한 방향에 대한 이동 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 조이스틱은 붐의 동작을 제어하기 위한 붐 조이스틱이고, 상기 제2 조이스틱은 암의 동작을 제어하기 위한 암 조이스틱인 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스풀들의 움직임을 제어하는 단계는 역 기구학(Inverse Kinematics)을 이용하여 상기 어태치먼트의 말단부 위치로부터 상기 작업 장치에 포함된 붐, 암, 및 상기 어태치먼트의 각도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 스풀들의 움직임을 제어하는 단계는 상기 스풀들에 파일럿 신호압을 공급하기 위한 제어 밸브로 전기적인 제어 신호를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어 밸브는 전자비례 감압(Electronic Proportional Pressure Reducing, EPPR)밸브인 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 피드-백(feed-back) 제어를 통해 상기 붐, 상기 암, 및 상기 어태치먼트의 각도를 재산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 피드-백 제어는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어인 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 어태치먼트는 포크 또는 버켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 제어 방법.
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