KR20190032287A

KR20190032287A - 작업 기계의 제어 시스템 및 작업 기계의 제어 방법

Info

Publication number: KR20190032287A
Application number: KR1020187036290A
Authority: KR
Inventors: 도루 마쓰야마; 히카루 스즈키; 진 기타지마
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-03-27
Also published as: US20210222395A1; CN109729719B; CN109729719A; US11591768B2; DE112017003043T5; WO2019043898A1; JP6867398B2; JPWO2019043898A1

Abstract

작업 기계의 제어 시스템은, 유압 펌프로부터 토출되는 작동유의 최대 유량을 산출하는 펌프 최대 유량 산출부와, 유압 펌프로부터 토출된 작동유가 공급되어 버킷을 구비하는 작업기를 구동시키는 복수의 유압 액추에이터를 구동시키기 위해 조작되는 조작 장치의 조작량 및 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제1 목표 속도를 산출하는 제1 목표 속도 산출부와, 최대 유량과, 조작 장치의 조작량 및 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 작업기의 제2 목표 속도를 산출하는 제2 목표 속도 산출부와, 제1 목표 속도 및 제2 목표 속도 중 작은 쪽의 목표 속도에 기초하여, 유압 액추에이터를 제어하는 제어 신호를 출력하는 작업기 제어부를 구비한다.

Description

작업 기계의 제어 시스템 및 작업 기계의 제어 방법

본 발명은, 작업 기계(work machine)의 제어 시스템 및 작업 기계의 제어 방법에 관한 것이다.

유압 셔블과 같은 작업 기계에 관한 기술 분야에 있어서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은, 굴삭(掘削; excavation) 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형을 따라 작업기(working equipment)가 이동하도록 작업기를 제어하는 작업 기계가 알려져 있다.

국제 공개 제2015/137528호

작업기를 사용하는 굴삭 작업에 있어서, 굴삭 초기(굴삭 개시 시)에 작업기의 선단부가 드롭 현상(drop phenomenon)이 발생할 가능성이 있다. 작업기의 선단부의 드롭 원인으로서, 굴삭 초기에 작업기가 고속으로 이동하도록 조작되는 것을 들 수 있다. 작업기의 선단부가 떨어져 들어가면, 작업기의 선단부가 목표 굴삭 지형을 넘어버려, 굴삭 정밀도가 저하될 가능성이 있다.

본 발명의 태양(態樣)은, 굴삭 정밀도의 저하를 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 태양에 따르면, 버킷(bucket)과 암(arm)과 붐(boom)을 가지는 작업기를 구비하는 작업 기계의 제어 시스템으로서, 유압(油壓) 펌프로부터 토출(吐出)되는 작동유의 최대 유량(流量)을 산출하는 펌프 최대 유량 산출부와, 상기 유압 펌프로부터 토출된 상기 작동유가 공급되어 상기 작업기를 구동시키는 복수의 유압 액추에이터를 구동시키기 위해 조작되는 조작 장치의 조작량 및 상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제1 목표 속도를 산출하는 제1 목표 속도 산출부와, 상기 최대 유량과, 상기 조작 장치의 조작량 및 상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제2 목표 속도를 산출하는 제2 목표 속도 산출부와, 상기 제1 목표 속도 및 상기 제2 목표 속도 중 작은 쪽의 목표 속도에 기초하여, 상기 유압 액추에이터를 제어하는 제어 신호를 출력하는 작업기 제어부를 구비하는 작업 기계의 제어 시스템이 제공된다.

본 발명의 태양에 의하면, 굴삭 정밀도의 저하를 억제할 수 있는 기술이 제공된다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블의 일례를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 작업기 제어에 따라 구동되는 작업기의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 유압 시스템의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본 실시형태에 관한 유압 시스템의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 6은, 본 실시형태에 관한 제어 장치의 일례를 나타낸 기능 블록도이다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 작업기의 목표 속도의 결정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 실시형태에 관한 정지(整地; leveling) 어시스트 제어를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는, 본 실시형태에 관한 임계값과 거리와 버킷의 목표 속도와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10은, 본 실시형태에 관한 최대 유량과 요구 유량과의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 11은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블의 제어 방법의 일례를 나타낸 플로우차트이다.

이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이하에서 설명하는 각각의 실시형태의 구성 요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또한, 일부의 구성 요소를 사용하지 않을 경우도 있다.

[작업 기계]

도 1은, 본 실시형태에 관한 작업 기계(100)의 일례를 나타낸 사시도이다. 본 실시형태에 있어서는, 작업 기계(100)가 유압 셔블인 예에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 작업 기계(100)를 적절히, 유압 셔블(100)이라고 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 유압에 의해 작동하는 작업기(1)와, 작업기(1)를 지지하는 상부 선회체(旋回體)(2)와, 상부 선회체(2)를 지지하는 하부 주행체(3)와, 작업기(1)를 조작하기 위한 조작 장치(40)와, 작업기(1)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다. 상부 선회체(2)는, 하부 주행체(3)에 지지된 상태로 선회축(旋回軸)(RX)을 중심으로 선회할 수 있다.

상부 선회체(2)는, 오퍼레이터가 탑승하는 운전실(4)과, 엔진(17) 및 유압 펌프(42)가 수용되는 기계실(5)과, 난간(6)을 구비한다. 운전실(4)은, 오퍼레이터가 착석하는 운전석(4S)을 구비한다. 기계실(5)은, 운전실(4)의 후방에 배치된다. 난간(6)은, 기계실(5)의 전방에 배치된다.

하부 주행체(3)는, 한 쌍의 크롤러(crawlers)(7)를 구비한다. 크롤러(7)의 회전에 의해, 유압 셔블(100)이 주행한다. 그리고, 하부 주행체(3)가 차륜(타이어)이라도 된다.

작업기(1)는, 상부 선회체(2)에 지지된다. 작업기(1)는, 날끝(cutting edge)(10)을 가지는 버킷(11)과, 버킷(11)에 연결되는 암(12)과, 암(12)에 연결되는 붐(13)을 구비한다. 버킷(11)의 날끝(10)은, 버킷(11)에 형성된 볼록 형상의 날(刃)의 선단부라도 되고, 버킷(11)에 설치된 스트레이트 형상의 날의 선단부라도 된다.

버킷(11)은, 암(12)의 선단부와 연결된다. 암(12)의 기단부(基端部)는, 붐(13)의 선단부와 연결된다. 붐(13)의 기단부는, 상부 선회체(2)와 연결된다.

버킷(11)과 암(12)은 버킷 핀(bucket pin)을 통하여 연결된다. 버킷(11)은, 회전축(AX1)을 중심으로 회전 가능하게 암(12)에 지지된다. 암(12)과 붐(13)은 암 핀(arm pin)을 통하여 연결된다. 암(12)은, 회전축(AX2)을 중심으로 회전 가능하게 붐(13)에 지지된다. 붐(13)과 상부 선회체(2)는 붐 핀(boom pin)을 통하여 연결된다. 붐(13)은, 회전축(AX3)을 중심으로 회전 가능하게 상부 선회체(2)에 지지된다.

그리고, 버킷(11)은, 틸트 버킷(tilt bucket)이라도 된다. 틸트 버킷이란, 버킷 틸트 실린더의 작동에 의해, 차폭 방향으로 틸트 경사 가능한 버킷이다. 경사지에 있어서 유압 셔블(100)이 가동(稼動)하는 경우, 버킷(11)이 차폭 방향으로 틸트 경사지는 것에 의해, 경사면 또는 평지를 원활하게 성형 또는 정지(leveling)할 수 있다.

조작 장치(40)는, 운전실(4)에 배치된다. 조작 장치(40)는, 유압 셔블(100)의 오퍼레이터에 의해 조작되는 조작 부재를 포함한다. 조작 부재는, 조작 레버 또는 죠이스틱을 포함한다. 조작 부재가 조작됨으로써, 작업기(1)가 조작된다.

제어 장치(50)는, 컴퓨터 시스템을 포함한다. 제어 장치(50)는, CPU(Central Processing Unit)와 같은 프로세서를 포함하는 연산 처리 장치와, ROM(Read Only Memory) 또는 RAM(Random Access Memory)과 같은 기억 장치와, 입출력 인터페이스 장치를 가진다.

도 2는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)을 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 작업기(1)를 구동시키는 유압 실린더(20)를 구비한다. 유압 실린더(20)는, 작업기(1)를 구동시키는 유압 액추에이터이며, 복수 설치된다. 유압 펌프(42)로부터 토출된 작동유가 유압 실린더(20)에 공급된다. 유압 실린더(20)는, 작동유에 의해 구동된다. 유압 실린더(20)는, 버킷(11)을 구동시키는 버킷 실린더(21)와, 암(12)을 구동시키는 암 실린더(22)와, 붐(13)을 구동시키는 붐 실린더(23)를 포함한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 버킷 실린더(21)에 배치된 버킷 실린더 스트로크 센서(14)와, 암 실린더(22)에 배치된 암 실린더 스트로크 센서(15)와, 붐 실린더(23)에 배치된 붐 실린더 스트로크 센서(16)를 구비한다. 버킷 실린더 스트로크 센서(14)는, 버킷 실린더(21)의 작동량을 나타내는 붐 스트로크를 검출한다. 암 실린더 스트로크 센서(15)는, 암 실린더(22)의 작동량을 나타내는 암 스트로크를 검출한다. 붐 실린더 스트로크 센서(16)는, 붐 실린더(23)의 작동량을 나타내는 붐 스트로크를 검출한다.

유압 셔블(100)은, 상부 선회체(2)의 위치를 검출하는 위치 검출 장치(30)를 구비한다. 위치 검출 장치(30)는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 위치를 검출하는 차체 위치 검출기(31)와, 상부 선회체(2)의 자세를 검출하는 자세 검출기(32)와, 상부 선회체(2)의 방위를 검출하는 방위 검출기(33)를 포함한다.

글로벌 좌표계(XgYgZg 좌표계)는, 전지구(全地球) 측위 시스템(Global Positioning System: GPS)에 의해 규정되는 절대 위치를 나타내는 좌표계이다. 로컬 좌표계(XmYmZm 좌표계)는, 유압 셔블(100)의 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps로 한 상대(相對) 위치를 나타내는 좌표계이다. 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps는, 예를 들면, 상부 선회체(2)의 선회축(RX)에 설정된다. 그리고, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps는, 회전축(AX3)에 설정되어도 된다. 위치 검출 장치(30)에 의해, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 3차원 위치, 수평면에 대한 상부 선회체(2)의 자세각(姿勢角), 및 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위가 검출된다.

차체 위치 검출기(31)는, GPS 수신기를 포함한다. 차체 위치 검출기(31)는, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 상부 선회체(2)의 3차원 위치를 검출한다. 차체 위치 검출기(31)는, 상부 선회체(2)의 Xg 방향의 위치, Yg 방향의 위치, 및 Zg 방향의 위치를 검출한다.

상부 선회체(2)에 복수의 GPS 안테나(31A)가 설치된다. GPS 안테나(31A)는, GPS 위성으로부터 전파를 수신하고, 수신한 전파에 기초한 신호를 차체 위치 검출기(31)에 출력한다. 차체 위치 검출기(31)는, GPS 안테나(31A)로부터 공급된 신호에 기초하여, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1을 검출한다. 차체 위치 검출기(31)는, GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1에 기초하여, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 검출한다.

차체 위치 검출기(31)는, 2개의 GPS 안테나(31A) 중 한쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1a 및 다른 쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1b의 각각을 검출한다. 차체 위치 검출기(31)는, 설치 위치 P1a와 설치 위치 P1b에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg 및 방위를 검출한다. 본 실시형태에 있어서, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg는, 설치 위치 P1a이다. 그리고, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg는, 설치 위치 P1b라도 된다.

자세 검출기(32)는, 관성 계측 장치(Inertial Measurement Unit: IMU)를 포함한다. 자세 검출기(32)는, 상부 선회체(2)에 설치된다. 자세 검출기(32)는, 운전실(4)의 하부에 배치된다. 자세 검출기(32)는, 수평면(XgYg 평면)에 대한 상부 선회체(2)의 자세각을 검출한다. 수평면에 대한 상부 선회체(2)의 자세각은, 차폭 방향에서의 상부 선회체(2)의 자세각 θa와, 전후 방향에서의 상부 선회체(2)의 자세각 θb를 포함한다.

방위 검출기(33)는, 한쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1a와 다른 쪽의 GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1b에 기초하여, 글로벌 좌표계에 의해 규정되는 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 검출하는 기능을 가진다. 기준 방위는, 예를 들면, 북쪽이다. 방위 검출기(33)는, 설치 위치 P1a와 설치 위치 P1b에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 검출한다. 방위 검출기(33)는, 설치 위치 P1a와 설치 위치 P1b를 연결하는 직선을 산출하고, 산출한 직선과 기준 방위가 이루는 자세각 θc에 기초하여, 기준 방위에 대한 상부 선회체(2)의 방위를 검출한다.

그리고, 방위 검출기(33)는, 위치 검출 장치(30)와는 별체라도 된다. 방위 검출기(33)는, 자기(磁氣) 센서를 사용하여 상부 선회체(2)의 방위를 검출해도 된다.

유압 셔블(100)은, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 검출하는 날끝 위치 검출기(34)를 구비한다.

본 실시형태에 있어서, 날끝 위치 검출기(34)는, 버킷 실린더 스트로크 센서(14)의 검출 결과와, 암 실린더 스트로크 센서(15)의 검출 결과와, 붐 실린더 스트로크 센서(16)의 검출 결과와, 버킷(11)의 길이 L11와, 암(12)의 길이 L12와, 붐(13)의 길이 L13에 기초하여, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 산출한다.

날끝 위치 검출기(34)는, 버킷 실린더 스트로크 센서(14)의 검출 데이터에 기초하여, 암(12)에 대한 버킷(11)의 날끝(10)의 자세각 θ11을 산출한다. 날끝 위치 검출기(34)는, 암 실린더 스트로크 센서(15)의 검출 데이터에 기초하여, 붐(13)에 대한 암(12)의 자세각 θ12를 산출한다. 날끝 위치 검출기(34)는, 붐 실린더 스트로크 센서(16)의 검출 데이터에 기초하여, 상부 선회체(2)의 Z축에 대한 붐(13)의 자세각 θ13을 산출한다.

버킷(11)의 길이 L11은, 버킷(11)의 날끝(10)과 회전축(AX1)(버킷 핀)와의 거리이다. 암(12)의 길이 L12는, 회전축(AX1)(버킷 핀)와 회전축(AX2)(암 핀)과의 거리이다. 붐(13)의 길이 L13은, 회전축(AX2)(암 핀)와 회전축(AX3)(붐 핀)과의 거리이다.

날끝 위치 검출기(34)는, 자세각 θ11, 자세각 θ12, 자세각 θ13, 길이 L11, 길이 L12, 및 길이 L13에 기초하여, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 산출한다.

또한, 날끝 위치 검출기(34)는, 위치 검출 장치(30)에 의해 검출된 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg와, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps와 날끝(10)과의 상대 위치에 기초하여, 날끝(10)의 절대 위치 Pb를 산출한다. 절대 위치 Pg와 기준 위치 Ps와의 상대 위치는, 유압 셔블(100)의 설계 데이터 또는 제원(諸元) 데이터로부터 도출되는 기지(旣知) 데이터이다. 따라서, 날끝 위치 검출기(34)는, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg와, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps와 날끝(10)과의 상대 위치와, 유압 셔블(100)의 설계 데이터 또는 제원 데이터에 기초하여, 날끝(10)의 절대 위치 Pb를 산출할 수 있다.

그리고, 본 실시형태에 있어서는, 자세각 θ11, θ12, θ13의 검출에 실린더 스트로크 센서(14, 15, 16)가 사용되지만, 실린더 스트로크 센서(14, 15, 16)가 사용되지 않아도 된다. 예를 들면, 날끝 위치 검출기(34)는, 포텐셔미터(potentiometer) 등의 각도 센서 또는 수준기(水準器) 등을 사용하여, 버킷(11)의 자세각 θ11, 암(12)의 자세각 θ12, 및 붐(13)의 자세각 θ13을 검출해도 된다.

[작업기의 동작]

조작 장치(40)는, 작업기(1)를 구동시키는 복수의 유압 액추에이터(20)를 구동시키기 위해 조작된다. 조작 장치(40)가 조작됨으로써, 버킷(11)의 덤핑 동작(dumping operation), 버킷(11)의 굴삭 동작(excavation operation), 암(12)의 덤핑 동작, 암(12)의 굴삭 동작, 붐(13)의 상승 동작, 및 붐(13)의 하강 동작이 실행된다.

버킷 실린더(21)가 신장되는 것에 의해 버킷(11)이 굴삭 동작하여, 버킷 실린더(21)가 축소되므로, 버킷(11)이 덤핑 동작한다. 암 실린더(22)가 신장되는 것에 의해 암(12)이 굴삭 동작하여, 암 실린더(22)가 축소되므로, 암(12)이 덤핑 동작한다. 붐 실린더(23)가 신장되는 것에 의해 붐(13)이 상승 동작하여, 붐 실린더(23)가 축소되므로, 붐(13)이 하강 동작한다.

본 실시형태에 있어서, 조작 장치(40)는, 운전석(4S)에 착석한 오퍼레이터의 우측에 배치되는 우측 조작 레버와, 좌측에 배치되는 좌측 조작 레버를 포함한다.

[정지 어시스트 제어]

도 3은, 본 실시형태에 관한 정지 어시스트 제어에 따라 구동되는 작업기(1)의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.

정지 어시스트 제어란, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형을 따라 버킷(11)이 이동하도록 작업기(1)를 제어하는 것을 말한다. 정지 어시스트 제어에 있어서는, 버킷(11)이 목표 굴삭 지형을 넘지 않도록, 붐(13)이 상승 동작하도록 붐 실린더(23)가 제어된다.

정지 어시스트 제어에 있어서는, 버킷(11) 및 암(12)은, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 구동된다. 붐(13)은, 제어 장치(50)에 의한 제어에 따라 구동된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 버킷(11)의 날끝(10)이 목표 굴삭 지형을 따라 이동하도록, 정지 어시스트 제어가 실시된다.

[유압 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 시스템(300)의 일례에 대하여 설명한다. 버킷 실린더(21), 암 실린더(22), 및 붐 실린더(23)를 포함하는 유압 실린더(20)는, 유압 시스템(300)에 의해 작동한다. 유압 실린더(20)는, 조작 장치(40) 및 제어 장치(50) 중 적어도 한쪽에 의해 조작된다.

도 4는, 암 실린더(22)를 작동시키는 유압 시스템(300)의 일례를 나타낸 모식도이다. 조작 장치(40)의 조작에 의해, 암(12)은, 굴삭 동작 및 덤핑 동작의 2종류의 동작을 실행한다. 암 실린더(22)를 작동시키는 유압 시스템(300)은, 방향 제어 밸브(41)를 통하여 암 실린더(22)에 작동유를 공급하는 유압 펌프(42)와, 파일럿 오일을 공급하는 유압 펌프(43)와, 방향 제어 밸브(41)에 접속되고 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(44A, 44B)와, 조작 장치(40)에 접속되고 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(47A, 47B)와, 오일 통로(44A, 44B) 및 오일 통로(47A, 47B)의 각각에 접속되고 방향 제어 밸브(41)에 작용하는 파일럿압을 조정하는 제어 밸브(45A, 45B)와, 오일 통로(47A, 47B)에 배치된 압력 센서(49A, 49B)와, 제어 밸브(45A, 45B)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다.

유압 펌프(42)는, 엔진(17)에 의해 구동된다. 엔진(17)은, 유압 셔블(1)의 동력원이다. 엔진(17)은, 예를 들면, 디젤 엔진이다. 유압 펌프(42)는, 엔진(17)의 출력 샤프트와 연결되고, 엔진(17)이 구동함으로써 작동유를 토출한다. 유압 실린더(20)는, 유압 펌프(42)로부터 토출된 작동유에 기초하여 작동한다.

유압 펌프(42)는, 가변(可變) 용량형 유압 펌프이다. 본 실시형태에 있어서, 유압 펌프(42)는, 경사판식 유압 펌프이다. 유압 펌프(42)의 경사판은, 서보 기구(機構)(18)에 의해 구동된다. 서보 기구(18)에 의해 경사판의 각도가 조정되는 것에 의해, 유압 펌프(42)의 용량[cc/rev]이 조정된다. 유압 펌프(42)의 용량이란, 유압 펌프(42)와 연결된 엔진(17)의 출력 샤프트가 1회전 했을 때 유압 펌프(42)로부터 토출되는 작동유의 토출량[cc/rev]을 말한다.

제어 밸브(45A, 45B)는, 전자(電磁) 비례 제어 밸브이다. 유압 펌프(43)로부터 송출된 파일럿 오일은, 조작 장치(40) 및 오일 통로(47A, 47B)를 통하여, 제어 밸브(45A, 45B)에 공급된다. 그리고, 유압 펌프(42)로부터 송출되고, 감압 밸브에 의해 감압된 파일럿 오일이 제어 밸브(45A, 45B)에 공급되어도 된다. 제어 밸브(45A, 45B)는, 제어 장치(50)로부터의 제어 신호에 기초하여, 방향 제어 밸브(41)에 작용하는 파일럿압을 조정한다. 제어 밸브(45A)는, 오일 통로(44A)의 파일럿압을 조정한다. 제어 밸브(45B)는, 오일 통로(44B)의 파일럿압을 조정한다.

방향 제어 밸브(41)는, 작동유의 유량 및 작동유가 흐르는 방향을 제어한다. 유압 펌프(42)로부터 공급된 작동유는, 방향 제어 밸브(41)를 통하여 암 실린더(22)에 공급된다. 방향 제어 밸브(41)는, 암 실린더(22)의 캡측 오일실(20A)에 대한 작동유의 공급과 로드측 오일실(20B)에 대한 작동유의 공급을 전환한다. 캡측 오일실(20A)은, 실린더 헤드 커버와 피스톤과의 사이의 공간이다. 로드측 오일실(20B)은, 피스톤 로드가 배치되는 공간이다.

조작 장치(40)는, 유압 펌프(43)와 접속된다. 유압 펌프(43)로부터 송출된 파일럿 오일이 조작 장치(40)에 공급된다. 그리고, 유압 펌프(42)로부터 송출되고, 감압 밸브에 의해 감압된 파일럿 오일이 조작 장치(40)에 공급되어도 된다.

도 5는, 붐 실린더(23)를 작동시키는 유압 시스템(300)의 일례를 나타낸 모식도이다. 조작 장치(40)의 조작에 의해, 붐(13)은, 상승 동작 및 하강 동작의 2종류의 동작을 실행한다. 붐 실린더(23)를 작동시키는 유압 시스템(300)은, 유압 펌프(42)와, 유압 펌프(43)와, 방향 제어 밸브(41)와, 파일럿 오일이 흐르는 오일 통로(44A, 44B, 44C)와, 오일 통로(44C)에 배치된 제어 밸브(45C)와, 오일 통로(44A, 44B)에 배치된 압력 센서(46A, 46B)와, 제어 밸브(45C)를 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다.

제어 밸브(45C)는, 전자 비례 제어 밸브이다. 제어 밸브(45C)는, 제어 장치(50)로부터의 지령 신호에 기초하여, 파일럿압을 조정한다. 제어 밸브(45C)는, 오일 통로(44C)의 파일럿압을 조정한다.

조작 장치(40)가 조작됨으로써, 조작 장치(40)의 조작량에 따른 파일럿압이 방향 제어 밸브(41)에 작용한다. 방향 제어 밸브(41)의 스풀(spool)은, 파일럿압을 따라 이동한다. 스풀의 이동량에 기초하여, 유압 펌프(42)로부터 방향 제어 밸브(41)를 통하여 붐 실린더(23)에 공급되는 단위 시간당의 작동유의 공급량이 조정된다.

본 실시형태에 있어서는, 정지 어시스트 제어를 위해, 제어 장치(50)로부터 출력된 정지 어시스트 제어에 관한 제어 신호에 기초하여 작동하는 제어 밸브(45C)가 오일 통로(44C)에 설치된다. 오일 통로(44C)에, 유압 펌프(43)로부터 송출된 파일럿 오일이 흐른다. 오일 통로(44B) 및 오일 통로(44C)는, 셔틀 밸브(48)와 접속된다. 셔틀 밸브(48)는, 오일 통로(44B) 및 오일 통로(44C) 중, 파일럿압이 높은 쪽의 오일 통로의 파일럿 오일을, 방향 제어 밸브(41)에 공급한다. 제어 밸브(45C)는, 정지 어시스트 제어를 실행하기 위해 제어 장치(50)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 제어된다.

정지 어시스트 제어를 실행하지 않을 때, 조작 장치(40)의 조작에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 장치(50)는, 제어 밸브(45C)에 제어 신호를 출력하지 않는다. 예를 들면, 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 밸브(45C)와 오일 통로(44C)를 폐쇄한다.

정지 어시스트 제어를 실행할 때, 제어 장치(50)는, 제어 밸브(45C)에 의해 조정된 파일럿압에 기초하여 방향 제어 밸브(41)가 구동되도록, 제어 밸브(45C)를 제어한다. 예를 들면, 붐(13)의 이동을 제한하는 정지 어시스트 제어를 실행하는 경우, 제어 장치(50)는, 붐 목표 속도에 따른 파일럿압으로 되도록, 제어 밸브(45C)를 전개(全開) 상태로 한다. 오일 통로(44C)의 파일럿압이 오일 통로(44B)의 파일럿압보다 커지게 되면, 제어 밸브(45C)로부터의 파일럿 오일이 셔틀 밸브(48)를 통하여 방향 제어 밸브(41)에 공급된다. 이로써, 붐 실린더(23)가 신장하여, 붐(13)이 상승 동작한다.

버킷 실린더(21)는, 조작 장치(40)의 조작량에 기초하여 작동한다. 버킷 실린더(21)를 작동시키는 유압 시스템(300)에 대한 설명은 생략한다.

그리고, 조작 장치(40)는, 전기 방식의 조작 장치라도 된다. 예를 들면, 조작 장치(40)가, 전기 레버와 같은 조작 부재와, 조작 부재의 경도량(傾倒量)을 전기적으로 검출하는 포텐셔미터와 같은 작동량 센서를 가져도 된다. 작동량 센서의 검출 데이터는, 제어 장치(50)에 출력된다. 제어 장치(50)는, 조작 장치(40)의 조작량으로서, 작동량 센서의 검출 데이터를 취득한다. 제어 장치(50)는, 작동량 센서의 검출 데이터에 기초하여, 방향 제어 밸브(41)를 구동시키기 위한 제어 신호를 출력해도 된다. 또한, 방향 제어 밸브(41)가 솔레노이드와 같은 전력으로 작동하는 액추에이터에 의해 구동되어도 된다.

[제어 시스템]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 시스템(200)에 대하여 설명한다. 도 6은, 본 실시형태에 관한 제어 시스템(200)의 일례를 나타낸 기능 블록도이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 제어 시스템(200)은, 작업기(1)를 제어하는 제어 장치(50)와, 위치 검출 장치(30)와, 날끝 위치 검출기(34)와, 제어 밸브(45)[45A, 45B, 45C]와, 압력 센서(46)[46A, 46B]와,압력 센서(49)[49A, 49B]와, 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)를 구비한다.

전술한 바와 같이, 차체 위치 검출기(31), 자세 검출기(32), 및 방위 검출기(33)를 포함하는 위치 검출 장치(30)는, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 검출한다. 이하의 설명에 있어서는, 상부 선회체(2)의 절대 위치 Pg를 적절히, 차체 위치 Pg라고 한다.

제어 밸브(45)[45A, 45B, 45C]는, 유압 실린더(20)에 공급되는 작동유의 유량을 조정한다. 제어 밸브(45)는, 제어 장치(50)로부터의 제어 신호에 기초하여 작동한다. 압력 센서(46)[46A, 46B]는, 오일 통로(44)[44A, 44B]의 파일럿압을 검출한다. 압력 센서(49)[49A, 49B]는, 오일 통로(47)[47A, 47B]의 파일럿압을 검출한다. 압력 센서(46)의 검출 데이터 및 압력 센서(49)의 검출 데이터는, 제어 장치(50)에 출력된다.

목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)는, 컴퓨터 시스템을 포함한다. 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)는, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형을 생성한다. 목표 굴삭 지형은, 작업기(1)에 의한 시공 후에 얻어지는 3차원의 목표 형상을 나타낸다.

그리고, 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)와 제어 장치(50)가 유선으로 접속되고, 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)로부터 제어 장치(50)에 목표 굴삭 지형이 송신되어도 된다. 그리고, 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)가 목표 굴삭 지형을 기억한 기억 매체를 포함하고, 제어 장치(50)가, 그 기억 매체로부터 목표 굴삭 지형을 나타내는 데이터를 읽어들임(reading) 가능한 장치를 가져도 된다.

제어 장치(50)는, 컴퓨터 시스템을 포함한다. 제어 장치(50)는, 연산 처리 장치(50A)와, 기억 장치(50B)와, 입출력 인터페이스 장치(50C)를 구비한다.

연산 처리 장치(50A)는, 차체 위치 데이터 취득부(51)와, 버킷 위치 데이터 취득부(52)와, 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)와, 거리 데이터 취득부(54)와, 조작량 데이터 취득부(56)와, 펌프 최대 유량 산출부(57)와, 제1 목표 속도 산출부(58)와, 제2 목표 속도 산출부(60)와, 작업기 제어부(61)를 구비한다.

차체 위치 데이터 취득부(51)는, 위치 검출 장치(30)로부터, 입출력 인터페이스 장치(50C)를 통하여, 차체 위치 Pg를 나타내는 차체 위치 데이터를 취득한다. 차체 위치 검출기(31)는, GPS 안테나(31A)의 설치 위치 P1a 및 설치 위치 P1b 중 적어도 한쪽에 기초하여, 차체 위치 Pg를 검출한다. 차체 위치 데이터 취득부(51)는, 차체 위치 검출기(31)로부터, 차체 위치 Pg를 나타내는 차체 위치 데이터를 취득한다.

버킷 위치 데이터 취득부(52)는, 날끝 위치 검출기(34)로부터, 입출력 인터페이스 장치(50C)를 통하여, 버킷(11)의 위치를 포함하는 버킷 위치 데이터를 취득한다. 버킷 위치 데이터는, 상부 선회체(2)의 기준 위치 Ps에 대한 날끝(10)의 상대 위치를 포함한다.

목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)는, 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)로부터 공급되는 목표 굴삭 지형을 나타내는 데이터와 버킷(11)의 위치를 이용하여, 버킷(11)의 위치에 대응하는 목표 굴삭 지형 데이터를 생성한다.

거리 데이터 취득부(54)는, 버킷 위치 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 버킷(11)의 위치와, 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)에 의해 생성된 목표 굴삭 지형에 기초하여, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D를 산출한다.

그리고, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D는, 버킷(11)의 날끝(10)과 목표 굴삭 지형과의 거리라도 되고, 버킷(11)의 바닥면를 포함하는 버킷(11)의 임의의 위치와 목표 굴삭 지형과의 거리라도 된다.

조작량 데이터 취득부(56)는, 작업기(1)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 조작량 데이터를 취득한다. 버킷(11)의 조작량, 암(12)의 조작량, 및 붐(13)의 조작량은, 압력 센서(46)의 검출 데이터 또는 압력 센서(49)의 검출 데이터와 상관한다. 조작 장치(40)의 조작량과 압력 센서(46)의 검출 데이터 또는 압력 센서(49)의 검출 데이터와의 상관을 나타내는 상관 데이터는, 예비 실험 또는 시뮬레이션에 의해 사전에 구해지고, 기억 장치(50B)에 기억되어 있다. 조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(46)의 검출 데이터 또는 압력 센서(49)의 검출 데이터와, 기억 장치(50B)에 기억되어 있는 상관 데이터에 기초하여, 조작 장치(40)의 조작량을 산출할 수 있다.

예를 들면, 조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터와, 기억 장치(50B)에 기억되어 있는 상관 데이터에 기초하여, 암(12)을 조작하는 조작 장치(40)(좌측 조작 레버)의 조작량을 나타내는 데이터를 취득할 수 있다. 마찬가지로, 조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(46A, 46B)의 검출 데이터와, 기억 장치(50B)에 기억되어 있는 상관 데이터에 기초하여, 붐(13)을 조작하는 조작 장치(40)(우측 조작 레버)의 조작량을 나타내는 데이터를 취득할 수 있다.

펌프 최대 유량 산출부(57)는, 유압 펌프(42)로부터 토출되는 작동유의 최대 유량 Qmax를 산출한다. 최대 유량 Qmax이란, 어떤 시점에 있어서 유압 펌프(42)가 토출 가능한 작동유의 유량 Q[l/min]의 상한값을 말한다. 조작 장치(40)가 조작되고 있지 않는 상태에 있어서는, 유압 펌프(42)로부터는 제로를 포함하는 소량의 유량 Qmin로 작동유가 토출된다. 조작 장치(40)의 조작이 개시된 조작 개시 시점(時点)으로부터 서서히 증가하여 유압 펌프(42)가 토출 가능한 최대 유량 Qmax에 도달하도록, 최대 유량 Qmax의 특성이 정해진다.

최대 유량 Qmax는, 예를 들면, 유압 펌프(42)의 용량[cc/rev] 및 유압 펌프(42)를 구동시키는 엔진(17)의 회전수[rpm] 중 적어도 한쪽에 기초하여 산출된다. 펌프 최대 유량 산출부(57)는, 예를 들면, 유압 펌프(42)의 용량의 상한값 및 엔진(17)의 회전수의 상한값에 기초하여, 최대 유량 Qmax를 산출할 수 있다. 그리고, 유압 셔블(1)의 운전실(4)에 스로틀 다이얼이 설치되어 있는 경우, 오퍼레이터는, 스로틀 다이얼을 조작하여, 엔진(17)의 회전수의 상한값을 설정할 수 있다. 펌프 최대 유량 산출부(57)는, 스로틀 다이얼의 조작량에 기초하여, 최대 유량 Qmax를 산출할 수 있다. 즉, 조작 개시 시점에서 서서히 증가한 최대 유량 Qmax는, 스로틀 다이얼의 조작량에 기초한, 최대 유량 Qmax에 도달하면 일정값으로 된다. 스로틀 다이얼의 조작량에 기초하여, 일정값은 변동된다.

제1 목표 속도 산출부(58)는, 조작 장치(40)의 조작량 및 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 기초하여, 작업기(1)의 제1 목표 속도를 산출한다. 즉, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 조작 장치(40)의 조작량과 거리 D에 기초하여, 제1 목표 속도를 산출한다.

제1 목표 속도는, 버킷 실린더(21)의 버킷 실린더 목표 속도 Vbk, 암 실린더(22)의 암 실린더 목표 속도 Var, 및 붐 실린더(23)의 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 포함한다.

도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 정지 어시스트 제어는, 버킷(11) 중 적어도 일부가 정지 어시스트 제어 범위에 존재할 때 실시된다. 버킷(11)이 정지 어시스트 제어 범위에 존재하지 않을 경우, 조작 장치(40)의 조작량에 기초하여, 작업기(1)는 구동된다.

한편, 버킷(11)이 정지 어시스트 범위에 존재하는 경우, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 조작 장치(40)의 조작량 및 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 기초하여, 제1 목표 속도를 산출한다.

즉, 목표 굴삭 지형과 버킷(11)과의 거리 D가 임계값 H 이하이며, 정지 어시스트 제어가 실시될 때, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여, 작업기 제한 속도 Vt를 산출한다. 작업기 제한 속도 Vt는, 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여 산출된 정지 어시스트 제어를 위한 작업기(1) 전체의 제한 속도를 나타낸다. 거리 D가 작아질수록, 작업기 제한 속도 Vt는 작아지고, 거리 D가 제로로 되면, 작업기 제한 속도 Vt도 제로가 된다.

작업기 제한 속도 Vt는, 작업기(1) 전체의 제한 속도를 나타낸다. 작업기(1) 전체의 속도란, 버킷(11), 암(12), 및 붐(13)이 구동했을 때의 버킷(11)의 실제의 동작 속도를 말한다. 또한, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 작업기 제한 속도 Vt에 기초하여, 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 산출한다. 제1 목표 속도 산출부(58)는, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작량에 기초하여, 암 실린더 목표 속도 Vam과 버킷 실린더 목표 속도 Vbk를 산출한다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 작업기 제한 속도 Vt와, 조작량 데이터 취득부(56)에 의해 취득된 적어도 암 조작량 및 버킷 조작량에 의한 작업기(1) 전체의 속도와 작업기 제한 속도 Vt와의 편차가 상쇄되도록, 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 산출한다. 제1 목표 속도 산출부(58)에 있어서는, 버킷(11)의 동작 및 암(12)의 동작은, 오퍼레이터에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초한다. 정지 어시스트 제어에 있어서, 조작 장치(40)에 의해 버킷(11) 및 암(12)이 조작되고 있는 상태에서, 목표 굴삭 지형을 따라 버킷(11)의 날끝(10)이 이동하도록, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 상승 동작하는 붐(10)의 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 산출한다.

제2 목표 속도 산출부(60)는, 펌프 최대 유량 산출부(57)에 의해 산출된 최대 유량 Qmax와, 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여, 작업기(1)의 제2 목표 속도를 산출한다. 즉, 제2 목표 속도 산출부(60)는, 최대 유량 Qmax와 조작 장치(40)의 조작량과 거리 D에 기초하여, 제2 목표 속도를 산출한다.

제2 목표 속도 산출부(60)는, 붐(13)을 붐 실린더 목표 속도 Vbm로 작동시키기 위해 붐 실린더(23)가 요구하는 작동유의 요구 유량 Qdbm을 산출한다. 제2 목표 속도 산출부(60)는, 암(12)을 암 실린더 목표 속도 Var로 작동시키기 위해 암 실린더(22)가 요구하는 작동유의 요구 유량 Qdar을 산출한다.

이하의 설명에 있어서는, 복수의 유압 실린더(20)의 요구 유량 Qd의 합을 적절히, 합계 유량 Qdal이라고 한다. 그리고, 버킷 실린더(21)의 요구 유량 Qdbk는, 암 실린더(22)의 요구 유량 Qdar 및 붐 실린더(23)의 요구 유량 Qdbm에 비해 적은 경우가 많다. 그러므로, 본 실시형태에 있어서는, 설명을 간단하게 하기 위해, 합계 유량 Qdal가, 암 실린더(22)의 요구 유량 Qdar과 붐 실린더(23)의 요구 유량 Qdbm과의 합인 것으로 한다.

작업기(1)의 제2 목표 속도란, 펌프 최대 유량 산출부(57)에 의해 산출된 최대 유량 Qmax와 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여 산출된 작업기 제한 속도 Vt에 기초하여 목표 속도를 재연산함으로써 산출된 버킷 실린더 목표 속도 Vbk, 암 실린더 목표 속도 Var, 및 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 말한다. 전술한 바와 같이, 제1 목표 속도 산출부(58)는, 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여, 제1 목표 속도를 산출한다. 제2 목표 속도 산출부(60)는, 최대 유량 Qmax와, 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여, 제2 목표 속도를 산출한다.

본 실시형태에 있어서, 제2 목표 속도 산출부(60)는, 암 실린더(22)의 요구 유량 Qdar과 붐 실린더(23)의 요구 유량 Qdbm과의 합을 나타내는 합계 유량 Qdal가 펌프 최대 유량 산출부(57)에서 산출된 최대 유량 Qmax로 되도록, 정지 어시스트 제어에서의 작업기(1)의 제2 목표 속도를 산출한다.

즉, 본 실시형태에 있어서, 제2 목표 속도 산출부(60)는, 펌프 최대 유량 산출부(57)에서 산출된 최대 유량 Qmax와 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여 산출된 작업기 제한 속도 Vt를 구속(拘束) 조건으로 하여, 제1 목표 속도 산출부(58)에서 산출되는 버킷 실린더 목표 속도 Vbk, 암 실린더 목표 속도 Var, 및 붐 실린더 목표 속도 Vbm의 각각을 재연산하여, 암 실린더 목표 속도 Var 및 붐 실린더 목표 속도 Vbm의 재연산값을 산출한다.

펌프 최대 유량 산출부(57)에서 산출된 최대 유량을 Qmax, 조작 장치(40)의 조작량 및 거리 D에 기초하여 산출된 작업기 제한 속도 Vt로 되도록 작업기(1)를 작동했을 때의 암 실린더(22)의 작동에 의한 버킷(11)의 속도를 Vs, 작업기 제한 속도 Vt로 되도록 작업기(1)를 작동했을 때의 암 실린더(22)의 요구 유량을 Qdar, 작업기 제한 속도 Vt로 되도록 작업기(1)를 작동했을 때의 붐 실린더(23)의 작동에 의한 버킷(11)의 속도를 Vb, 작업기 제한 속도 Vt로 되도록 작업기(1)를 작동했을 때의 붐 실린더(23)의 요구 유량을 Qdbm라고 했을 때, 제2 목표 속도 산출부(60)는, 이하의 연립 방정식을 연산 처리하여, 암 실린더 목표 속도 Var 및 붐 실린더 목표 속도 Vbm의 재연산값을 산출한다. 즉, 제2 목표 속도 산출부(60)는, 암 실린더(22)의 요구 유량 Qdar과 붐 실린더(23)의 요구 유량 Qdbm의 합이 최대 유량 Qmax를 만족시키고, 또한 작업기 제한 속도 Vt로 되도록, 암 실린더(22)의 작동에 의한 버킷(11)의 속도 Vs와 붐 실린더(23)의 작동에 의한 버킷(11)의 속도 Vb를 구함으로써, 각 실린더의 요구 유량의 재연산값을 산출한다.

[수식 1]

이하의 설명에 있어서는, 제1 목표 속도 산출부(58)에서 산출된 암 실린더 목표 속도 Var을 적절히, 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b라고 하고, 제2 목표 속도 산출부(60)에서 재연산에 의해 산출된 암 실린더 목표 속도 Var을 적절히, 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a라고 한다. 또한, 제1 목표 속도 산출부(58)에서 산출된 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 적절히, 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b라고 하고, 제2 목표 속도 산출부(60)에서 재연산에 의해 산출된 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 적절히, 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a라고 한다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 제1 목표 속도는, 재연산 전의 작업기(1)의 목표 속도이며, 제2 목표 속도는, 재연산 후의 작업기(1)의 목표 속도이다.

작업기 제어부(61)는, 목표 속도로 작업기(1)가 작동하도록, 유압 실린더(20)를 제어하는 제어 신호를 제어 밸브(45)에 출력한다. 본 실시형태에 있어서, 작업기 제어부(61)는, 제1 목표 속도 및 제2 목표 속도 중 작은 쪽의 목표 속도에 기초하여, 유압 실린더(20)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

도 7은, 본 실시형태에 관한 작업기(1)의 목표 속도의 결정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 나타낸 그래프에 있어서, 가로축은, 정지 어시스트 제어가 개시된 시점에서의 경과 시간을 나타내고, 세로축은, 암(12) 및 붐(13)의 목표 속도를 나타낸다.

정지 어시스트 제어가 개시된 시점이란, 거리 D가 임계값 H보다 큰 상태로부터 임계값 H로 된 시점을 말한다.

예를 들면, 작업기 제어부(61)는, 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b와 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a를 비교하여, 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b가 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a보다 작은 것으로 판정했을 때, 암 실린더 목표 속도 Var을, 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b로 결정한다. 작업기 제어부(61)는, 암 실린더(22)가 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b로 작동하도록, 제어 밸브(45)[45A, 45B]에 제어 신호를 출력한다.

또한, 작업기 제어부(61)는, 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b와 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a를 비교하여, 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a가 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b보다 작은 것으로 판정했을 때, 암 실린더 목표 속도 Var을, 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a로 결정한다. 작업기 제어부(61)는, 암 실린더(22)가 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a로 작동하도록, 제어 밸브(45)[45A, 45B]에 제어 신호를 출력한다.

도 7에 있어서, 라인 Var_f는, 결정된 암 실린더 목표 속도 Var을 나타낸다.

마찬가지로, 작업기 제어부(61)는, 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b와 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a를 비교하여, 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b가 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a보다 작은 것으로 판정했을 때, 붐 실린더 목표 속도 Vbm을, 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b로 결정한다. 작업기 제어부(61)는, 붐 실린더(23)가 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b로 작동하도록, 제어 밸브(45)[45C]에 제어 신호를 출력한다.

또한, 작업기 제어부(61)는, 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b와 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a를 비교하여, 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a가 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b보다 작은 것으로 판정했을 때, 붐 실린더 목표 속도 Vbm을, 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a로 결정한다. 작업기 제어부(61)는, 붐 실린더(23)가 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a로 작동하도록, 제어 밸브(45)[45C]에 제어 신호를 출력한다.

도 7에 있어서, 라인 Vbm_f는, 결정된 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 나타낸다.

제어 밸브(45)에 출력하는 제어 신호와 유압 실린더(20)의 작동 속도와 작업기(1)의 작동 속도와의 상관 데이터는 미리 구해져 있고, 기억 장치(50B)에 기억되어 있다. 작업기 제어부(61)는, 실린더 목표 속도 Var, Vbm로 작동하도록 제어 신호를 결정하고, 제어 밸브(45)에 출력할 수 있다.

도 8은, 본 실시형태에 관한 정지 어시스트 제어를 설명하기 위한 모식도이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 속도 제한 개입 라인 SH가 규정된다. 속도 제한 라인 SH는, 목표 굴삭 지형과 평행하며, 목표 굴삭 지형으로부터 거리 H만큼 이격된 위치로 규정된다. 거리 H는, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 대하여 정해진 임계값이다. 거리 H는, 오퍼레이터의 조작감이 손상되지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.

거리 데이터 취득부(54)는, 목표 굴삭 지형의 법선 방향에서의 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 최단 거리인 거리 D를 취득한다. 도 8에 나타낸 예에서는, 버킷(11)의 날끝(10)과 목표 굴삭 지형과의 사이에 있어서 거리 D가 규정된다. 또한, 제2 목표 속도 산출부(60)는, 거리 D가 임계값 H 이하일 때, 전술한 연립 방정식에 따라 버킷 실린더 목표 속도 Vbk, 암 실린더 목표 속도 Var, 및 붐 실린더 목표 속도 Vbm을 결정한다.

도 9는, 본 실시형태에 있어서의 임계값 H와 거리 D와 버킷(11)의 작업기 제한 속도 Vt와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다. 작업기 제한 속도 Vt는, 거리 D가 임계값 H보다 클 때는 설정되지 않고, 거리 D가 임계값 H 이하일 때 설정된다. 거리 D가 작아질수록, 작업기 제한 속도는 작아지고, 거리 D가 제로로 되면, 작업기 제한 속도 Vt도 제로가 된다. 본 실시형태에 있어서는, 버킷(11)이 목표 굴삭 지형의 아래쪽으로부터 위쪽을 향할 때의 속도를 플러스의 값으로 하고, 버킷(11)이 목표 굴삭 지형의 상측으로부터 아래쪽을 향할 때의 속도를 마이너스의 값으로 한다. 제2 목표 속도 산출부(60)는, 거리 D가 클수록 작업기 제한 속도 Vt의 절대값이 커지고, 거리 D가 작을수록 작업기 제한 속도 Vt의 절대값이 작아지도록, 작업기 제한 속도 Vt를 결정한다.

[최대 유량과 요구 유량과의 관계]

도 10은, 본 실시형태에 관한 최대 유량 Qmax와 요구 유량 Qd와의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.

도 10에 나타낸 그래프에 있어서, 가로축은, 정지 어시스트 제어가 개시된 시점 t1(제1 시점)으로부터의 경과 시간을 나타내고, 세로축은, 작동유의 유량[l/min]를 나타낸다.

정지 어시스트 제어가 개시된 시점 t1는, 거리 D가 임계값 H보다 큰 상태로부터 임계값 D로 된 시점을 말한다. 도 10에 나타낸 예에서는, 시점 t1에 있어서, 최대 유량 Qmax는 제로를 나타내고 있지만, 플러스의 값이라도 된다.

도 10에 있어서, 라인 Qmax는, 펌프 최대 유량 산출부(57)에서 산출된 최대 유량이다. 라인 Qdar은, 암 실린더(22)의 요구 유량이다. 라인 Qdbr은, 붐 실린더(23)의 요구 유량이다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 최대 유량 Q은, 정지 어시스트 제어가 개시된 시점 t1에 있어서 제1 유량 Q1으로 되고, 시점 t1으로부터 소정 시간 경과 후의 시점 t2(제2 시점)에 있어서 제1 유량 Q1보다 큰 제2 유량 Q2로 되도록, 시점 t1과 시점 t2와의 규정 기간에 있어서 서서히 증가한다. 본 실시형태에 있어서는, 시점 t1과 시점 t2과의 사이에 있어서, 시간에 비례하도록, 최대 유량 Qmax가 증가한다. 그리고, 최대 유량 Qmax의 증가율(경사)은, 조작 장치(40)의 조작량의 대소(大小)에 관계없이 항상 일정하다.

시점 t2이 경과한 후의 기간에 있어서는, 최대 유량 Qmax는, 제2 유량 Q2로 유지된다. 본 실시형태에 있어서, 제2 유량 Q2는, 예를 들면, 유압 펌프(42)의 용량 및 엔진(17)의 회전수의 각각이 최대값을 나타낼 때의 최대 유량 Qmax이다. 즉, 시점 t2이 경과한 후의 기간에 있어서는, 최대 유량 Q은, 경사판이 최대 각도로 제어되고, 유압 펌프(42)가 최대 용량으로 되어 엔진(17)이 최고 회전수로 구동했을 때의 조건에 기초하여 결정된다.

본 실시형태에 있어서는, 굴삭 초기에 있어서 정지 어시스트 제어가 개시되고 나서 규정 기간에 있어서는, 최대 유량 Qmax의 값이 작다. 최대 유량 Qmax는, 요구 유량 Qdar과 요구 유량 Qdbm과의 합을 나타내는 합계 유량 Qdal의 제한값을 나타낸다. 즉, 최대 유량 Qmax가 작은 값으로 제한되는 것에 의해, 요구 유량 Qdar 및 요구 유량 Qdbm도 작은 값으로 제한되게 된다.

그리고, 전술한 바와 같이, 펌프 최대 유량 산출부(57)가, 유압 펌프(42)가 토출 가능한 펌프 최대 유량을 초과하지 않는 범위에 있어서 펌프 최대 유량 Qmax를 설정해도 된다. 또한, 소정 시간 내에서 제1 유량 Q1로부터 제2 유량 Q2까지 유량 Q가 증가하도록, 유량 Q의 증가율이 조정되어도 된다.

[제어 방법]

다음에, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 방법에 대하여, 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 방법을 나타낸 플로우차트이다.

목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)로부터 제어 장치(50)에 목표 굴삭 지형이 공급된다. 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)는, 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치(70)로부터 공급되는 목표 굴삭 지형을 취득한다(스텝 SP10).

날끝 위치 검출기(34)로부터 제어 장치(50)에 버킷(11)의 위치를 나타내는 데이터가 공급된다. 버킷 위치 데이터 취득부(52)는, 날끝 위치 검출기(34)로부터 버킷(11)의 위치를 취득한다(스텝 SP20).

거리 데이터 취득부(54)는, 버킷 위치 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 버킷(11)의 위치와, 목표 굴삭 지형 데이터 취득부(53)에 의해 생성된 목표 굴삭 지형에 기초하여, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D를 산출한다(스텝 SP30).

조작량 데이터 취득부(56)는, 작업기(1)를 구동시키는 유압 실린더(20)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 나타내는 데이터를 취득한다(스텝 SP40).

조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(49A, 49B)의 검출 데이터에 기초하여, 암(12)을 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 취득할 수 있다. 또한, 조작량 데이터 취득부(56)는, 압력 센서(46A, 46B)의 검출 데이터에 기초하여, 붐(13)을 조작하는 조작 장치(40)의 조작량을 취득할 수 있다.

제1 목표 속도 산출부(58)는, 조작 장치(40)의 조작량과, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 기초하여, 작업기(1)의 제1 목표 속도를 산출한다(스텝 SP50).

제1 목표 속도는, 재연산 전의 버킷 실린더 목표 속도 Vbk_b, 재연산 전의 암 실린더 목표 속도 Var_b, 및 재연산 전의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_b를 포함한다.

펌프 최대 유량 산출부(57)는, 유압 펌프(42)로부터 토출되는 작동유의 최대 유량 Qmax를 산출한다(스텝 SP60). 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 최대 유량 Qmax는, 정지 어시스트 제어가 개시된 시점 t1에 있어서 제1 유량 Q1으로 되고, 시점 t1으로부터 소정 시간 경과 후의 시점 t2에 있어서 제1 유량 Q1보다 큰 제2 유량 Q2으로 되고, 시점 t1과 시점 t2와의 규정 기간에 있어서 서서히 증가한다.

제2 목표 속도 산출부(60)는, 펌프 최대 유량 산출부(57)에서 산출된 최대 유량 Qmax와, 조작 장치(40)의 조작량과, 버킷(11)과 목표 굴삭 지형과의 거리 D에 기초하여, 작업기(1)의 제2 목표 속도를 산출한다(스텝 SP70).

제2 목표 속도는, 재연산 후의 버킷 실린더 목표 속도 Vbk_a, 재연산 후의 암 실린더 목표 속도 Var_a, 및 재연산 후의 붐 실린더 목표 속도 Vbm_a를 포함한다. 제2 목표 속도 산출부(60)는, 전술한 연립 방정식에 기초하여 연산 처리를 실시하여, 제2 목표 속도를 산출한다.

작업기 제어부(61)는, 제1 목표 속도 산출부(58)에 있어서 거리 D에 기초하여 산출된 제1 목표 속도와, 제2 목표 속도 산출부(58)에서 산출된 제2 목표 속도를 비교한다(스텝 SP80).

작업기 제어부(61)는, 제1 목표 속도 및 제2 목표 속도 중 작은 쪽을, 정지 어시스트 제어에서의 작업기(1)의 목표 속도로서 결정한다. 작업기 제어부(61)는, 결정한 목표 속도에 기초하여, 유압 실린더(20)를 제어하는 제어 신호를 출력한다(스텝 SP90).

작업기 제어부(61)는, 작업기(1)가 목표 속도로 작동하도록, 유압 실린더(20)의 제어 밸브(45)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

[효과]

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 정지 어시스트 제어에 있어서, 유압 펌프(42)의 최대 유량 Qmax가 설정된 상태에 있어서, 제1 목표 속도와 제2 목표 속도가 산출된다. 유압 실린더(20)는, 제1 목표 속도 및 제2 목표 속도 중 작은 쪽의 목표 속도에 기초하여 제어된다. 이로써, 유압 펌프(42)의 토출 능력을 초과하지 않는 범위에 있어서, 복수의 유압 실린더(20)에 적정한 유량으로 작동유가 공급된다. 따라서, 작업기(1)의 드롭이 억제되어, 굴삭 정밀도의 저하가 억제된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 복수의 유압 실린더(20)의 요구 유량 Qd의 합을 나타내는 합계 유량 Qdal가 최대 유량 Qmax 이하로 되도록, 제2 목표 속도가 산출된다. 이로써, 정지 어시스트 제어에 있어서, 암(12)의 작동 속도와 붐(13)의 작동 속도와의 밸런스가 유지되어, 작업기(1)의 드롭이 억제된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 굴삭 초기인 시점 t1과 시점 t2와의 규정 기간에 있어서, 최대 유량 Qmax가 제한된다. 이로써, 정지 어시스트 제어에 있어서, 암(12)이 고속으로 작동하는 것이 억제된다. 따라서, 굴삭 초기에 있어서, 작업기(1)의 드롭 현상의 발생이 억제된다. 또한, 최대 유량 Qmax는, 시점 t1과 시점 t2와의 규정 기간에 있어서 서서히 증가한다. 이로써, 암(12)의 작동 속도를 서서히 높일 수 있으므로, 작업기(1)의 드롭을 억제하면서, 작업성의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 시점 t2의 경과 후에 있어서는, 예를 들면, 최대 유량 Qmax는, 유압 펌프(42)가 최대 용량으로 되어 엔진(17)이 최고 회전수로 구동했을 때의 조건에 기초하여 결정된다. 이로써, 굴삭 초기의 경과 후에 있어서는, 작업기(1)를 고속으로 작동시키는 것이 가능하다. 따라서, 작업기(1)의 드롭을 억제하면서, 작업성의 저하를 억제할 수 있다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서는, 조작 장치(40)가 유압 셔블(100)에 설치되는 것으로 하였다. 조작 장치(40)가 유압 셔블(100)로부터 이격된 원격지에 설치되고, 유압 셔블(100)이 원격 조작되어도 된다. 작업기(1)가 원격 조작되는 경우, 원격지에 설치된 조작 장치(40)로부터 작업기(1)의 조작량을 나타내는 제어 신호가 유압 셔블(100)에 무선 송신된다. 제어 장치(50)의 조작량 데이터 취득부(56)는, 무선 송신된 조작량을 나타내는 제어 신호를 취득한다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서는, 작업 기계(100)가 유압 셔블(100)인 것으로 하였다. 전술한 실시형태에서 설명한 제어 장치(50) 및 제어 방법은, 유압 셔블(100) 이외에도, 작업기를 구비하는 작업 기계 전반(全般)에 적용할 수 있다.

1: 작업기, 2: 상부 선회체, 3: 하부 주행체, 4: 운전실, 4S: 운전석, 5: 기계실, 6: 난간, 7: 크롤러, 10: 날끝, 11: 버킷, 12: 암, 13: 붐, 14: 버킷 실린더 스트로크 센서, 15: 암 실린더 스트로크 센서, 16: 붐 실린더 스트로크 센서, 17: 엔진, 18: 서보 기구, 20: 유압 실린더, 20A: 캡측 오일실, 20B: 로드측 오일실, 21: 버킷 실린더, 22: 암 실린더, 23: 붐 실린더, 30: 위치 검출 장치, 31: 차체 위치 검출기, 31A: GPS: 안테나, 32: 자세 검출기, 33: 방위 검출기, 34: 날끝 위치 검출기, 40: 조작 장치, 41: 방향 제어 밸브, 42: 유압 펌프, 43: 유압 펌프, 44A, 44B, 44C: 오일 통로, 45A, 45B, 45C: 제어 밸브, 46A, 46B: 압력 센서, 47A, 47B: 오일 통로, 48: 셔틀 밸브, 49A, 49B: 압력 센서, 50: 제어 장치, 50A: 연산 처리 장치, 50B: 기억 장치, 50C: 입출력 인터페이스 장치, 51: 차체 위치 데이터 취득부, 52: 버킷 위치 데이터 취득부, 53: 목표 굴삭 지형 데이터 취득부, 54: 거리 데이터 취득부, 56: 조작량 데이터 취득부, 57: 펌프 최대 유량 산출부, 58: 제1 목표 속도 산출부, 60: 제2 목표 속도 산출부, 61: 작업기 제어부, 70: 목표 굴삭 지형 데이터 생성 장치, 100: 유압 셔블(작업 기계), 200: 제어 시스템, 300: 유압 시스템, AX1: 회전축, AX2: 회전축, AX3: 회전축, L11: 길이, L12: 길이, L13: 길이, Pb: 날끝의 절대 위치, Pg: 상부 선회체의 절대 위치, RX: 선회축, θ11: 자세각, θ12: 자세각, θ13: 자세각.

Claims

버킷(bucket)과 암(arm)과 붐(boom)을 구비하는 작업기(working equipment)를 포함하는 작업 기계(work machine)의 제어 시스템으로서,
유압(油壓) 펌프로부터 토출(吐出)되는 작동유의 최대 유량(流量)을 산출하는 펌프 최대 유량 산출부;
상기 유압 펌프로부터 토출된 상기 작동유가 공급되어 상기 작업기를 구동시키는 복수의 유압 액추에이터를 구동시키기 위해 조작되는 조작 장치의 조작량 및 상기 버킷과 목표 굴삭(excavation) 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제1 목표 속도를 산출하는 제1 목표 속도 산출부;
상기 최대 유량과, 상기 조작 장치의 조작량 및 상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제2 목표 속도를 산출하는 제2 목표 속도 산출부; 및
상기 제1 목표 속도 및 상기 제2 목표 속도 중 작은 쪽의 목표 속도에 기초하여, 상기 유압 액추에이터를 제어하는 제어 신호를 출력하는 작업기 제어부;
를 포함하는 작업 기계의 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 목표 속도 산출부는, 복수의 상기 유압 액추에이터의 상기 요구 유량의 합을 나타내는 합계 유량이 상기 최대 유량 이하로 되도록, 상기 제2 목표 속도를 산출하는, 작업 기계의 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 유압 액추에이터는, 상기 암을 구동시키는 암 실린더와 상기 붐을 구동시키는 붐 실린더를 구비하고,
상기 합계 유량은, 상기 암 실린더의 상기 요구 유량과 상기 붐 실린더의 상기 요구 유량과의 합을 나타내는, 작업 기계의 제어 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 목표 속도 산출부는, 상기 거리가 임계값보다 클 때 상기 조작량에 기초하여 상기 제1 목표 속도를 산출하고, 상기 거리가 임계값 이하일 때 상기 거리에 기초하여 상기 제1 목표 속도를 산출하고,
상기 최대 유량은, 상기 거리가 상기 임계값보다 큰 상태로부터 상기 임계값으로 된 제1 시점(時点)에서 제1 유량으로 되고, 상기 제1 시점으로부터 소정 시간 경과 후의 제2 시점에서 상기 제1 유량보다 큰 제2 유량으로 되도록, 상기 제1 시점과 상기 제2 시점과의 규정 기간에 있어서 증가하는, 작업 기계의 제어 시스템.
제4항에 있어서,
상기 유압 펌프의 용량 및 상기 유압 펌프를 구동시키는 엔진의 회전수 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 최대 유량이 산출되고,
상기 제2 유량은, 상기 용량 및 상기 회전수의 각각이 최대값을 나타낼 때의 상기 최대 유량인, 작업 기계의 제어 시스템.
버킷과 암과 붐을 구비하는 작업기를 포함하는 작업 기계의 제어 방법으로서,
유압 펌프로부터 토출되는 작동유의 최대 유량을 산출하는 단계;
상기 유압 펌프로부터 토출된 상기 작동유가 공급되어 상기 작업기를 구동시키는 복수의 유압 액추에이터를 구동시키기 위해 조작되는 조작 장치의 조작량 및 상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제1 목표 속도를 산출하는 단계;
상기 최대 유량과, 상기 조작 장치의 조작량 및 상기 버킷과 목표 굴삭 지형과의 거리에 기초하여, 상기 작업기의 제2 목표 속도를 산출하는 단계; 및
상기 제1 목표 속도 및 상기 제2 목표 속도 중 작은 쪽의 목표 속도에 기초하여, 상기 유압 액추에이터를 제어하는 제어 신호를 출력하는 단계;
를 포함하는 작업 기계의 제어 방법.