KR102097340B1 - 작업 기계 - Google Patents

Abstract

다관절형의 작업기(1A)와, 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터(5, 6, 7)와, 복수의 유압 액추에이터에 조작 신호를 출력하는 조작 장치(45a, 45b, 46a)와, 복수의 목표면을 연결하여 정의된 목표 형상이 기억되어 있는 기억부(42)와, 버킷(10)의 발끝에 설정된 제어점이 목표 형상의 하방에 있는 경우, 목표 형상 상에서 제어점에 가장 가까운 목표면을 제어 대상면으로 하는 제어 대상면 선택부(57)와, 조작 장치를 통하여 오퍼레이터로부터 굴삭 조작이 입력된 경우에, 제어 대상면 상 및 그 상방에 제어점의 동작 범위가 제한되도록 복수의 유압 액추에이터를 제어하는 목표 동작 제어부(60)를 구비한다.

Description

작업 기계

본 발명은 작업 기계에 관한 것이다.

작업 기계에 포함되는 유압 셔블에는, 조작 레버를 통하여 오퍼레이터로부터 굴삭 조작(예를 들어 암 크라우드 조작)이 입력된 경우, 프론트 작업 장치의 선단과 미리 설정한 목표면의 거리에 따라 컴퓨터(컨트롤러)에 의해 붐 상승 동작을 강제적으로 추가함으로써, 프론트 작업 장치의 동작 범위를 당해 목표면 상 및 그 상방에 제한하는 제어가 있다. 당해 제어는, 영역 제한 제어, 동작 제한 제어 또는 머신 컨트롤 등으로 불리는 경우가 있다.

목표면(설계면)이 수평 방향에 대하여 소정 각도 이상 경사져 있는 경우의 영역 제한 제어(동작 제한 제어)에 의한 붐 상승의 급동작을 방지하기 위해, 예를 들어 특허문헌 1에는, 목표면(설계면)이 수평 방향에 대하여 소정 각도 이상 경사진 경사면인 경우, 동작 제한부는, 영역 제한 제어(동작 제한 제어)를 실행하지 않도록 제어하며, 이와 같이 하면, 목표면(설계면)이 급경사면인 경우의 붐의 급동작을 방지할 수 있다고 기재되어 있다.

일본 특허 제5706050호

복수의 목표면(선분)을 결합하여 목표 형상(설계 형상)이 정의되는 경우가 있다. 이 경우에는, 굴삭 작업의 진척과 함께 그 복수의 목표면 중에서 최적의 것을 제어 대상(제어 대상면)으로서 선택하여 영역 제한 제어를 실행할 필요가 있다. 잘못된 목표면이 제어 대상으로서 선택된 상태에서 영역 제한 제어가 실행되면, 상정과 상이한 영역 제한 제어가 실행되어 오퍼레이터에게 위화감을 주거나, 올바른 목표면의 하방에 버킷의 발끝이 침입하거나 할 우려가 있다.

특허문헌 1에 기재된 작업 차량에서는, 목표면이 수평면에 대하여 소정의 각도 이상 경사져 있는 경우, 영역 제한 제어는 실행되지 않는다. 그 때문에, 소정의 각도 미만의 목표면(제1 목표면)과 소정의 각도 이상의 목표면(제2 목표면)이 결합하여 목표 형상이 정의되어 있는 경우, 제1 목표면으로부터 제2 목표면의 순으로 연속해서 굴삭할 때에는, 제어 대상이 제2 목표면으로 변경된 시점에서 영역 제한 제어가 돌연 중단되어 버린다. 반대로, 제2 목표면으로부터 제1 목표면의 순으로 연속해서 굴삭할 때에는, 제어 대상이 제1 목표면으로 변경된 시점에서 영역 제한 제어가 돌연 실시되어 버린다. 이와 같이, 특허문헌 1의 기술을 이용하여, 경사각이 상이한 복수의 목표면으로 정의된 목표 형상을 연속해서 굴삭하는 경우에는, 영역 제한 제어가 실행되거나, 실행되지 않거나 하는 경우가 있다. 이와 같이 영역 제한 제어가 돌연 실행/중단되면, 오퍼레이터에 주는 위화감이 크고, 또한 목표 형상의 하방에 잘못해서 버킷의 발끝이 침입할 가능성이 높아진다.

본 발명의 목적은, 경사각이 상이한 복수의 목표면으로 정의된 목표 형상을 연속해서 굴삭하는 경우에 있어서, 영역 제한 제어의 제어 대상의 목표면을 적절하게 선택할 수 있는 작업 기계를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다관절형의 작업기와, 상기 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터와, 상기 복수의 유압 액추에이터에 조작 신호를 출력하는 조작 장치와, 복수의 목표면을 연결하여 정의된 목표 형상이 기억되어 있는 기억부와, 상기 작업기의 선단 부분에 설정된 제어점이 상기 목표 형상의 하방에 있는 경우, 상기 목표 형상 상에서 상기 제어점에 가장 가까운 목표면을 제어 대상면으로 하는 제어 대상면 선택부와, 상기 조작 장치를 통하여 오퍼레이터로부터 굴삭 조작이 입력된 경우에, 상기 제어 대상면 상 및 그 상방에 상기 제어점의 동작 범위가 제한되도록 상기 복수의 유압 액추에이터를 제어하는 목표 동작 제어부를 구비하는 것으로 하였다.

본 발명에 따르면, 영역 제한 제어의 제어 대상의 목표면이 적절하게 선택되므로, 오퍼레이터에게 주는 위화감이 작아지고, 또한 목표면의 하방에 작업 장치가 침입하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은, 유압 셔블의 구성도이다.
도 2는, 유압 셔블의 제어 컨트롤러를 유압 구동 장치와 함께 도시하는 도면이다.
도 3은, 제어 컨트롤러의 하드웨어 구성이다.
도 4는, 유압 셔블에 있어서의 좌표계를 도시하는 도면이다.
도 5는, 제1 실시 형태에 관한 제어 컨트롤러의 기능 블록도이다.
도 6은, 버킷 발끝 속도의 수직 성분의 제한값 a와 제어 대상면으로부터의 거리 D의 관계를 도시하는 도면이다.
도 7은, 목표 형상의 설명도이다.
도 8은, 제1 실시 형태에 관한 제어 컨트롤러가 제어 대상면을 선택하는 흐름도이다.
도 9는, 제1 실시 형태에 관한 작업 기계 효과의 설명도이다.
도 10은, 제2 실시 형태에 관한 제어 컨트롤러의 기능 블록도이다.
도 11은, 세트백 형상 및 선택 기준면과 목표 형상 및 목표면의 개념도이다.
도 12는, 제2 실시 형태에 관한 제어 컨트롤러가 제어 대상면을 선택하는 흐름도이다.
도 13은, 도 12의 흐름도에 있어서의 스텝 205의 설명도이다.
도 14는, 도 12의 흐름도에 있어서의 스텝 210의 설명도이다.
도 15는, 도 12의 흐름도에 있어서의 스텝 212의 설명도이다.
도 16은, 스텝 201 및 206에서의 판정 결과에 따른 버킷 저면과 목표 형상 및 세트백 형상의 위치 관계의 예를 도시하는 도면이다.
도 17은, 도 8의 흐름도에 있어서의 스텝 103의 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 이하에서는, 작업기의 선단의 어태치먼트로서 버킷(10)을 구비하는 유압 셔블을 예시하지만, 버킷 이외의 어태치먼트를 구비하는 유압 셔블에서 본 발명을 적용해도 상관없다. 또한, 복수의 피구동 부재(어태치먼트, 암, 붐 등)를 연결하여 구성되고, 소정의 동작 평면 상에서 동작하는 다관절형의 작업기를 갖는 것이라면 유압 셔블 이외의 작업 기계에 대한 적용도 가능하다.

또한, 본고에서는, 어떠한 형상을 나타내는 용어(예를 들어, 목표면, 목표 형상, 세트백 형상, 제어 대상면 등)와 함께 사용되는 「상」, 「상방」 또는 「하방」이라고 하는 단어의 의미에 관하여, 「상」은 당해 어떠한 형상의 「표면」을 의미하고, 「상방」은 당해 어떠한 형상의 「표면보다 높은 위치」를 의미하고, 「하방」은 당해 어떠한 형상의 「표면보다 낮은 위치」를 의미하기로 한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 구성 요소가 복수 존재하는 경우, 부호(숫자)의 말미에 알파벳을 부여하는 경우가 있지만, 당해 알파벳을 생략하고 당해 복수의 구성 요소를 통합하여 표기하는 경우가 있다. 예를 들어, 3개의 펌프(300a, 300b, 300c)가 존재할 때, 이것들을 통합하여 펌프(300)라고 표기하는 경우가 있다.

<제1 실시 형태>

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유압 셔블의 구성도이고, 도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유압 셔블의 제어 컨트롤러를 유압 구동 장치와 함께 도시하는 도면이다. 도 1에 있어서, 유압 셔블(1)은, 프론트 작업기(1A)와 차체(1B)로 구성되어 있다. 차체(1B)는, 하부 주행체(11)와, 하부 주행체(11) 상에 선회 가능하게 설치된 상부 선회체(12)로 이루어진다. 프론트 작업기(1A)는, 수직 방향으로 각각 회동하는 복수의 피구동 부재(붐(8), 암(9) 및 버킷(10))를 연결하여 구성되어 있고, 프론트 작업기(1A)의 붐(8)의 기단은 상부 선회체(12)의 전방부에 지지되어 있다.

붐(8), 암(9), 버킷(10), 상부 선회체(12) 및 하부 주행체(11)는 각각 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7), 선회 유압 모터(4) 및 좌우의 주행 모터(3a, 3b)에 의해 각각 구동되는 피구동 부재를 구성한다. 이들 피구동 부재(8, 9, 10, 12, 11)에 대한 동작 지시는, 상부 선회체(12) 상의 운전실 내에 탑재된 주행 우측 레버(23a), 주행 좌측 레버(23b), 조작 우측 레버(1a) 및 조작 좌측 레버(1b)(이것들을 조작 레버(1, 23)라고 총칭하는 경우가 있음)의 오퍼레이터에 의한 조작에 따라 출력된다.

운전실 내에는, 주행 우측 레버(23a)를 갖는 조작 장치(47a)(도 2 참조)와, 주행 좌측 레버(23b)를 갖는 조작 장치(47b)(도 2 참조)와, 조작 우측 레버(1a)를 갖는 조작 장치(45a, 46a)와, 조작 좌측 레버(1b)를 갖는 조작 장치(45b, 46b)가 설치되어 있다. 조작 장치(45 내지 47)는 유압 파일럿 방식이며, 각각 오퍼레이터에 의해 조작되는 조작 레버(1, 23)의 조작량(예를 들어, 레버 스트로크)과 조작 방향에 따른 파일럿압(조작압이라고 칭하는 경우가 있음)을 제어 신호로 하여, 파일럿 라인(144a 내지 149b)(도 2 참조)을 통하여 대응하는 유량 제어 밸브(15a 내지 15f)(도 2 참조)의 유압 구동부(150a 내지 155b)에 공급하고, 이들 유량 제어 밸브(15a 내지 15f)를 구동한다.

유압 펌프(2)로부터 토출된 압유가 컨트롤 밸브 유닛(20) 내의 유량 제어 밸브(15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f)(도 2 참조)를 통하여 주행 우측 유압 모터(3a), 주행 좌측 유압 모터(3b), 선회 유압 모터(4), 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7)에 공급된다. 공급된 압유에 의해 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7)가 신축함으로써, 붐(8), 암(9), 버킷(10)이 각각 회동하고, 버킷(10)의 위치 및 자세가 변화한다. 또한, 공급된 압유에 의해 선회 유압 모터(4)가 회전함으로써, 하부 주행체(11)에 대하여 상부 선회체(12)가 선회한다. 또한, 공급된 압유에 의해 주행 우측 유압 모터(3a), 주행 좌측 유압 모터(3b)가 회전함으로써, 하부 주행체(11)가 주행한다.

한편, 붐(8), 암(9), 버킷(10)의 회동 각도 α, β, γ(도 4 참조)를 측정 가능하도록, 붐 핀에 붐 각도 센서(30), 암 핀에 암 각도 센서(31), 버킷 링크(13)에 버킷 각도 센서(32)가 설치되고, 상부 선회체(12)에는 기준면(예를 들어 수평면)에 대한 상부 선회체(12)(차체(1B))의 전후 방향의 경사각 θ(도 4 참조)를 검출하는 차체 경사각 센서(33)가 설치되어 있다.

도 1의 유압 셔블(1)은, 도 2에 도시되는 바와 같이, 유압 펌프(2)와, 이 유압 펌프(2)로부터의 압유에 의해 구동되는 붐 실린더(5), 암 실린더(6), 버킷 실린더(7), 선회 유압 모터(4) 및 좌우의 주행 모터(3a, 3b)를 포함하는 복수의 유압 액추에이터와, 이들 유압 액추에이터(3 내지 7)의 각각에 대응하여 설치된 주행 우측 레버(23a), 주행 좌측 레버(23b), 조작 우측 레버(1a), 조작 좌측 레버(1b)와, 유압 펌프(2)와 복수의 유압 액추에이터(3 내지 7) 사이에 접속되고, 조작 레버(1, 23)의 조작량 및 조작 방향에 따라 조작 장치(45a, 45b, 46a, 46b, 47a, 47b)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 제어되고, 유압 액추에이터(3 내지 7)에 공급되는 압유의 유량 및 방향을 제어하는 복수의 유량 제어 밸브(15a 내지 15f)와, 유압 펌프(2)와 유량 제어 밸브(15a 내지 15f)의 사이의 압력이 설정값 이상이 된 경우에 개방되는 릴리프 밸브(16)를 갖고 있다. 이들은 유압 셔블(1)의 피구동 부재를 구동하는 유압 구동 장치를 구성하고 있다.

본 실시예의 유압 셔블에는, 오퍼레이터의 굴삭 조작을 보조하는 제어 시스템이 구비되어 있다. 구체적으로는, 조작 장치(45b, 46a)를 통하여 굴삭 조작(구체적으로는, 암 크라우드, 버킷 크라우드 또는 버킷 덤프의 지시)이 입력된 경우, 목표면과 작업기(1A)의 선단의 위치 관계를 기초로, 작업기(1A)의 선단(버킷(10)의 발끝)의 위치가 목표면 상 및 그 상방의 영역 내에 유지되도록 유압 액추에이터(5, 6, 7) 중 적어도 하나를 강제적으로 동작시키는 제어(예를 들어, 붐 실린더(5)를 늘려서 강제적으로 붐 상승 동작을 행함)를 실행하는 굴삭 제어 시스템이 구비되어 있다. 본고에서는 이 제어를 「영역 제한 제어」라고 칭하는 경우가 있다. 이 제어에 의해 버킷(10)의 발끝이 목표면을 초과하는 것이 방지되므로, 오퍼레이터의 기량의 정도에 상관없이 목표면을 따른 굴삭이 가능하게 된다. 본 실시 형태에서는, 영역 제한 제어에 관한 제어점을, 유압 셔블의 버킷(10)의 발끝(작업기(1A)의 선단)에 설정하고 있다. 제어점은 작업기(1A)의 선단 부분의 점이라면 버킷 발끝 이외에도 변경 가능하다. 예를 들어, 버킷(10)의 저면이나, 버킷 링크(도시하지 않음)의 최외부도 선택 가능하다.

이 영역 제한 제어의 실행이 가능한 굴삭 제어 시스템은, 운전실 내의 조작 패널의 상방 등 오퍼레이터의 시계를 가로막지 않는 위치에 설치되어 영역 제한 제어의 유효 무효를 전환하는 제한 제어 스위치(17)와, 붐(8)용 조작 장치(45a)의 파일럿 라인(144a, 144b)에 설치되고, 조작 레버(1a)의 조작량으로서 파일럿압(제어 신호)을 검출하는 압력 센서(70a, 70b)와, 암(9)용 조작 장치(45b)의 파일럿 라인(145a, 145b)에 설치되고, 조작 레버(1b)의 조작량으로서 파일럿압(제어 신호)을 검출하는 압력 센서(71a, 71b)와, 1차 포트측이 파일럿 펌프(48)에 접속되고 파일럿 펌프(48)로부터의 파일럿압을 감압하여 출력하는 전자 비례 밸브(54a)와, 붐(8)용 조작 장치(45a)의 파일럿 라인(144a)과 전자 비례 밸브(54a)의 2차 포트측에 접속되고, 파일럿 라인(144a) 내의 파일럿압과 전자 비례 밸브(54a)로부터 출력되는 제어압의 고압측을 선택하고, 유량 제어 밸브(15a)의 유압 구동부(150a)로 유도하는 셔틀 밸브(82)와, 붐(8)용 조작 장치(45a)의 파일럿 라인(144b)에 설치되고, 전기 신호에 따라 파일럿 라인(144b) 내의 파일럿압을 감압하여 출력하는 전자 비례 밸브(54b)와, 영역 제한 제어가 실행 가능한 컴퓨터인 제어 컨트롤러(제어 장치)(40)를 구비하고 있다.

암(9)용 파일럿 라인(145a, 145b)에는, 파일럿압을 검출하여 제어 컨트롤러(40)에 출력하는 압력 센서(71a, 71b)와, 제어 컨트롤러(40)로부터의 제어 신호를 기초로 파일럿압을 저감하여 출력하는 전자 비례 밸브(55a, 55b)가 설치되어 있다. 버킷(10)용 파일럿 라인(146a, 146b)에는, 파일럿압을 검출하여 제어 컨트롤러(40)에 출력하는 압력 센서(72a, 72b)와, 제어 컨트롤러(40)로부터의 제어 신호를 기초로 파일럿압을 저감하여 출력하는 전자 비례 밸브(56a, 56b)가 설치되어 있다. 또한, 도 2에서는, 압력 센서(71, 72) 및 전자 비례 밸브(55, 56)와 제어 컨트롤러(40)의 접속선은 지면의 사정상 생략되어 있다.

또한, 조작 장치(45a)의 조작이 없는 경우에도 파일럿압을 발생시키는 전자 비례 밸브(54a)와 셔틀 밸브(82)의 구성은, 파일럿 라인(144a)에만 설치되어 있지만, 붐 실린더(5), 암 실린더(6) 및 버킷 실린더(7)에 관한 다른 파일럿 라인(144b, 145, 146)에 이것들을 설치하여 파일럿압을 발생시켜도 된다. 또한, 파일럿 라인(144a)에도, 파일럿 라인(144b)의 전자 비례 밸브(54b)와 마찬가지의, 조작 장치(45a)로부터 출력된 파일럿압을 저감하는 전자 비례 밸브를 설정해도 된다.

제어 컨트롤러(40)에는, 후술하는 ROM(93) 또는 RAM(94)에 기억된 목표면의 형상 정보와 위치 정보, 각도 센서(30 내지 32)와 경사각 센서(33)의 검출 신호, 및 압력 센서(70 내지 72)의 검출 신호가 입력된다. 또한, 제어 컨트롤러(40)는 영역을 제한한 굴삭 제어(영역 제한 제어)를 행하기 위한 제어 신호(파일럿압)의 보정을 행하는 전기 신호를 전자 비례 밸브(54 내지 56)에 출력한다.

도 3에, 제어 컨트롤러(40)의 하드웨어 구성을 도시한다. 제어 컨트롤러(40)는, 입력부(91)와, 프로세서인 중앙 처리 장치(CPU)(92)와, 기억 장치인 리드 온리 메모리(ROM)(93) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)(94)와, 출력부(95)를 갖고 있다. 입력부(91)는, 조작 장치(45 내지 47)로부터의 신호, 목표면을 설정하기 위한 설정 장치(51)로부터의 신호, 각도 센서(30 내지 32) 및 경사각 센서(33)로부터의 신호를 입력하고, A/D 변환을 행한다. ROM(93)은, 후술하는 도 8, 12의 흐름도에 관한 처리를 포함하여 영역 제한 제어를 실행하기 위한 제어 프로그램과, 당해 흐름도의 실행에 필요한 각종 정보 등이 기억된 기록 매체이며, CPU(92)는, ROM(93)에 기억된 제어 프로그램에 따라 입력부(91) 및 메모리(93, 94)로부터 도입한 신호에 대하여 소정의 연산 처리를 행한다. 출력부(95)는, CPU(92)에서의 연산 결과에 따른 출력용 신호를 작성하고, 그 신호를 전자 비례 밸브(54 내지 56)나 통지 장치(53)에 출력함으로써, 유압 액추에이터(4 내지 7)를 구동ㆍ제어하거나, 차체(1B), 버킷(10) 및 목표면 등의 화상을 통지 장치(53)인 모니터의 표시 화면 상에 표시시키거나 한다. 또한, 도 3의 제어 컨트롤러(40)는, 기억 장치로서 ROM(93) 및 RAM(94)과 같은 반도체 메모리를 구비하고 있지만, 기억 장치라면 특별히 대체 가능하며, 예를 들어 하드 디스크 드라이브 등의 자기 기억 장치를 구비해도 된다.

도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 제어 컨트롤러(40)의 기능 블록도이다. 제어 컨트롤러(40)는, 작업기 자세 연산부(41)와, 형상 기억부(42)와, 목표 동작 연산부(43)와, 전자 비례 밸브 제어부(44)와, 속도 벡터 연산부(49)와, 제어 대상면 선택부(57)와, 제한값 연산부(58)를 구비하고 있다. 이 중, 속도 벡터 연산부(49), 제한값 연산부(58), 목표 동작 연산부(43) 및 전자 비례 밸브 제어부(44)를 「목표 동작 제어부(60)」라고 총칭하는 경우가 있다. 또한, 제어 컨트롤러(40)에는, 작업기 자세 검출 장치(50), 목표면 설정 장치(51), 오퍼레이터 조작 검출 장치(52), 통지 장치(53), 전자 비례 밸브(54 내지 56)가 각각 접속되어 있다.

작업기 자세 검출 장치(50)는, 붐 각도 센서(30), 암 각도 센서(31), 버킷 각도 센서(32), 차체 경사각 센서(33)로 구성된다.

목표면 설정 장치(51)는, 목표 형상에 관한 정보(목표 형상을 구성하는 각 목표면 및 각 변곡점의 위치 정보, 각 목표면의 경사 각도 정보를 포함함)를 입력 가능한 인터페이스이다. 목표 형상은 복수의 목표면을 연결하여 정의되어 있다. 본 실시 형태에서는, 인접하는 2개의 목표면의 경사각은 상이한 것으로 하고, 당해 2개의 목표면의 접속점을 변곡점이라고 칭한다. 이하에서는, 법면의 상단에 위치하는 변곡점을 「법견(法肩)」이라고 칭하고, 법면의 하단에 위치하는 변곡점을 「법고(法尻)」라고 칭하는 경우가 있다. 목표면 설정 장치(51)를 통한 목표 형상의 입력은, 오퍼레이터가 수동으로 행해도, 네트워크 등을 통하여 외부로부터 도입해도 된다.

또한, 목표면 설정 장치(51)에는 GNSS 수신기 등의 위성 통신 안테나(도시하지 않음)가 접속되어 있다. 글로벌 좌표계 상에 규정된 목표 형상의 3차원 데이터를 저장한 외부 단말기와 셔블이 데이터 통신 가능한 경우에는, 당해 위성 통신 안테나에 의해 특정한 셔블의 글로벌 좌표를 기초로 셔블 위치에 대응하는 목표 형상을 당해 외부 단말기의 3차원 데이터 내에서 탐색하여 도입할 수 있다.

오퍼레이터 조작 검출 장치(52)는, 오퍼레이터에 의한 조작 레버(1)의 조작에 의해 발생하는 조작압을 취득하는 압력 센서(70a, 70b, 71a, 71b, 72a, 72b)로 구성된다. 압력 센서(70, 71, 72)의 검출값으로부터 조작 장치(45a, 45b, 46a)의 조작량을 산출할 수 있다. 당해 조작량과, 유량 제어 밸브(15a, 15b, 15c)의 특성과, 유압 펌프(2)의 용량(틸팅각) 및 토출압으로부터 각 유압 실린더(5, 6, 7)의 동작 속도를 산출할 수 있다. 또한, 압력 센서(70, 71, 72)(파일럿압)에 의한 조작량의 산출은 일례에 지나지 않으며, 예를 들어 각 조작 장치(45a, 45b, 46a)의 조작 레버의 회전 변위를 검출하는 위치 센서(예를 들어, 로터리 인코더)로 당해 조작 레버의 조작량을 검출해도 된다. 또한, 조작량으로부터 동작 속도를 산출하는 구성 대신에, 각 유압 실린더(5, 6, 7)의 신축량을 검출하는 스트로크 센서를 설치하고, 검출한 신축량의 시간 변화를 기초로 각 실린더의 동작 속도를 산출하는 구성도 적용 가능하다.

통지 장치(53)는, 오퍼레이터에 목표 형상 또는 제어 대상면과 작업기(1A)의 위치 관계를 표시하는 디스플레이(표시 장치), 혹은 목표 형상 또는 제어 대상면과 작업기(1A)의 위치 관계를 소리(음성도 포함함)에 의해 통달하는 스피커 중 적어도 하나로 구성된다.

전자 비례 밸브(54 내지 56)는, 도 2에서 설명한 파일럿압(조작압)의 유압 라인에 설치되어 있다. 이 중 전자 비례 밸브(54b, 55a, 55b, 56a, 56b)는 오퍼레이터의 레버 조작에 의해 발생한 조작압을 하류에서 저감하는 것이 가능하다. 또한, 전자 비례 밸브(54a)는 오퍼레이터의 레버 조작 없이 조작압을 발생시키는 것도 가능하다.

작업기 자세 연산부(41)는 작업기 자세 검출 장치(50)로부터의 정보에 기초하여, 작업기(1A)의 자세를 연산한다. 작업기(1A)의 자세는 도 4의 셔블 기준 좌표 상에 정의할 수 있다. 도 4의 셔블 기준 좌표는, 상부 선회체(12)에 설정된 좌표이며, 상부 선회체(12)에 회동 가능하게 지지되어 있는 붐(8)의 기저부를 원점으로 하고, 상부 선회체(12)에 있어서의 연직 방향으로 Z축, 수평 방향으로 X축을 설정하였다. X축에 대한 붐(8)의 경사각을 붐각 α, 붐(8)에 대한 암(9)의 경사각을 암각 β, 암에 대한 버킷 발끝의 경사각을 버킷각 γ라고 하였다. 수평면(기준면)에 대한 차체(1B)(상부 선회체(12))의 경사각을 경사각 θ라고 하였다. 붐각 α는 붐 각도 센서(30)에 의해, 암각 β는 암 각도 센서(31)에 의해, 버킷각 γ는 버킷 각도 센서(32)에 의해, 경사각 θ는 차체 경사각 센서(33)에 의해 검출된다. 도 4 중에 규정한 바와 같이 붐(8), 암(9), 버킷(10)의 길이를 각각 L1, L2, L3이라고 하면, 셔블 기준 좌표에 있어서의 버킷 발끝 위치의 좌표 및 작업기(1A)의 자세는 L1, L2, L3, α, β, γ로 표현할 수 있다.

기억부(42)는, ROM(93) 내에 구성되어 있고, 목표면 설정 장치(51)로부터의 정보에 기초하여 목표 형상이 기억되어 있다. 여기서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 3차원의 목표 형상을 작업기(1A)가 이동하는 평면(작업기의 동작 평면)에서 절단한 단면 형상을 하나의 목표 형상(2차원의 목표 형상)으로서 이용한다. 목표 형상 상의 변곡점은, 차체에 가까운 순으로, 제1 변곡점, 제2 변곡점, 제3 변곡점, …, 제i 변곡점이라고 한다(i=1, 2, 3, … n). 목표면은, 차체에 가까운 순으로, 제1 변곡점과 제2 변곡점으로 구성되는 제1 목표면, 제2 변곡점과 제3 변곡점으로 구성되는 제2 목표면, …, 제i 변곡점과 제i+1 변곡점으로 구성되는 제i 목표면이라고 한다(i=1, 2, 3, … n-1).

제어 대상면 선택부(57)는, 작업기 자세 연산부(41)로부터의 정보와, 기억부(42)에 기억된 목표 형상의 정보 등을 기초로, 목표 형상을 구성하는 복수의 목표면 중에서 영역 제한 제어의 사용에 적합한 목표면(제어 대상면)을 상황에 따라 하나 선택한다. 여기서 선택된 제어 대상면은 제한값 연산부(58)를 비롯할 필요한 개소에 출력된다. 다음으로 제어 대상면 선택부(57)에 의한 제어 대상면의 선택 방법에 대하여 도 8을 사용하여 설명한다.

도 8은, 본 실시 형태에 관한 제어 대상면 선택부(57)가 제어 대상면을 선택하는 흐름도이다. 제어 대상면 선택부(57)는, 제어 컨트롤러(40)의 전원이 ON이고 제한 제어 스위치(17)가 ON(유효)인 경우, 도 8의 흐름도를 개시한다.

스텝 101에서는, 목표 형상 상에서 버킷 발끝에 가장 가까운 점이 변곡점인지의 판정을 행한다. 당해 판정에 있어서, 버킷 발끝에 가장 가까운 점이 변곡점이 아닌 경우(즉, 당해 판정이 「아니오」인 경우), 스텝 102로 진행하고, 목표 형상 상에서 버킷 발끝에 가장 가까운 목표면을 제어 대상면으로 한다.

한편, 스텝 101의 판정에 있어서, 버킷 발끝에 가장 가까운 점이 변곡점인 경우(즉, 당해 판정이 「예」인 경우), 스텝 103에서는, 그 변곡점에 접속하는 2개의 목표면 중, 속도 벡터 연산부(49)(후술함)로부터 입력한, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝의 속도 벡터의 차체(유압 셔블(1))에 대한 방향을 기초로 제어 대상면을 결정한다. 구체적으로는, 도 4의 셔블 기준 좌표계에 있어서 차체에 근접하는 방향(D1)의 성분을 발끝의 속도 벡터가 갖는 경우에는 2개의 목표면 중 차체에 가까운 목표면을 제어 대상면으로 한다. 반대로, 동일 좌표계에 있어서 발끝의 속도 벡터가 차체로부터 이격되는 방향(D2)의 성분을 갖는 경우에는 2개의 목표면 중 차체로부터 먼 목표면을 제어 대상면으로 한다. 이 경우, 예를 들어 동일 좌표계에 있어서 발끝의 속도 벡터의 수평 방향 성분을 추출하고, 당해 수평 방향 성분이 차체에 가까워지는 경우에는 차체에 가까운 쪽을 제어 대상면으로 하고, 차체로부터 이격되는 경우에는 차체로부터 먼 쪽을 제어 대상면으로 할 수도 있다. 또한, 여기서는, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝의 속도 벡터의 수평 방향 성분 대신에, 목표 동작 연산부(43)에서 연산된 실제의 버킷 발끝의 속도 벡터의 수평 방향 성분을 이용해도 된다. 또한, 후술하는 제2 실시 형태의 도 12의 스텝 210과 마찬가지로, 가장 가까운 변곡점에 접속하는 2개의 목표면 중 버킷 발끝과의 거리가 가까운 쪽을 제어 대상면으로 해도 된다.

속도 벡터 연산부(49)는, 작업기 자세 연산부(41)로부터의 작업기(1A)의 자세 및 버킷 발끝의 위치와, 오퍼레이터 조작 검출 장치(52)로부터의 입력을 기초로 산출되는 각 실린더(5, 6, 7)의 동작 속도를 기초로, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷(10) 발끝의 속도 벡터를 연산한다.

제한값 연산부(58)는, 버킷(10)의 발끝으로부터 제어 대상의 목표면(제어 대상면)까지의 거리 D에 기초하여, 버킷 발끝의 속도 벡터의 제어 대상면에 수직인 성분의 제한값 a를 계산한다(이하에서는, 제어 대상면에 수직인 성분을, 「수직인 성분」 또는 「수직 성분」이라고 생략하여 호칭하는 경우가 있음). 제한값 a의 계산은, 도 6에 도시하는 바와 같은 제한값 a와 거리 D의 관계를 정의한 함수 또는 테이블 등의 형식으로 제어 컨트롤러(40)의 ROM(93)에 기억해 두고, 이 관계를 적절하게 판독하여 행한다. 거리 D는, 작업기 자세 연산부(41)에서 연산한 버킷(10)의 발끝의 위치(좌표)와, 기억부(42)에 기억된 제어 대상면을 포함하는 직선의 거리로부터 산출할 수 있다. 또한, 제한값 a와 거리 D의 관계는, 거리 D의 증가와 함께 제한값 a가 단조 감소하는 특성을 갖는 것이 바람직하지만, 도 6에 도시한 것에 제한되지 않는다. 예를 들어, 거리 D가 양의 소정값 이상 또는 음의 소정값 이하에서 제한값 a가 개별의 소정값으로 유지되도록 해도 되고, 제한값 a와 거리 D의 관계를 곡선으로 정의해도 된다.

도 6에 있어서, 횡축은 버킷 발끝의 제어 대상면으로부터의 거리 D를 나타내고, 종축은 버킷 발끝 속도의 제어 대상면에 수직인 성분의 제한값 a를 나타낸다. 횡축의 거리 D가 (+)인 경우, 버킷 발끝은 제어 대상면의 상방에 위치하고, (-)인 경우에는 제어 대상면의 하방에 위치한다. 종축의 제한값 a가 양인 경우, 제한값 a의 방향은 연직 상향으로 되고, 음인 경우에는 연직 하향으로 된다. 이 거리 D와 제한값 a의 관계는, 버킷 발끝이 제어 대상면의 상방에 있을 때에는, 그 거리 D에 비례한 크기의 (-) 방향의 속도를 제한값 a로 하고, 버킷 발끝이 제어 대상면의 하방에 있을 때에는, 그 거리 D에 비례한 크기의 (+) 방향의 속도를 제한값 a로 하도록 정해져 있다.

목표 동작 연산부(43)는, 제한값 연산부(58)로부터 입력되는 제한값 a에 따라, 버킷 발끝의 속도 벡터의 수직 성분이 제어되도록, 각 유압 실린더(5, 6, 7)의 목표 동작을 연산한다. 그리고, 오퍼레이터 조작 검출 장치(52)의 출력으로부터 연산되는 조작량(파일럿압)으로는 당해 목표 동작을 실현할 수 없다고 판단한 경우, 유량 제어 밸브(15a, 15b, 15c)에 작용하는 파일럿압을 당해 목표 동작을 실현할 수 있는 값으로 보정하는 명령을 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력한다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 목표 동작 연산부(43)는, 하기 (a) 내지 (d)와 같이 전자 비례 밸브 제어부(44)에 명령을 출력한다.

(a) 제어 대상면의 하방에 발끝이 있고, 또한 속도 벡터 연산부(49)에서 연산된 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분이 하향((-) 방향)인 경우에는, 당해 버킷 발끝 속도의 수직 성분을 제한값 a(방향은 상향)로 하는 붐 상승 동작이 행해지도록 전자 비례 밸브(54a)를 구동하는 명령을 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력한다. 즉, 이 경우에는 버킷 발끝 속도의 수직 성분으로서 제한값 a가 채용된다.

(b) 제어 대상면의 하방에 발끝이 있고, 또한 속도 벡터 연산부(49)에서 연산된 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분이 상향((+) 방향)인 경우에는, 속도 벡터 연산부(49)에서 연산된 버킷 발끝 속도의 수직 성분의 크기가 제한값 a의 크기 미만일 때, 당해 버킷 발끝 속도의 수직 성분을 제한값 a까지 증속시키는 붐 상승 동작이 행해지도록 전자 비례 밸브(54a)를 구동하는 명령을 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력한다. 즉, 이 경우에는 버킷 발끝 속도의 수직 성분으로서, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분과 제한값 a 중 절댓값이 큰 쪽이 채용된다. 또한, 파일럿 라인(145, 146)에 파일럿압을 발생시키는 이미 설명한 구성을 추가하여, 붐 상승 동작에 추가하여 또는 대체하여, 버킷 발끝 속도의 수직 성분을 증가시키는 암 크라우드 동작, 암 덤프 동작, 버킷 크라우드 동작 및 버킷 덤프 동작 중 적어도 하나를 행하는 명령을 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력해도 된다.

(c) 제어 대상면의 상방에 발끝이 있고, 또한 속도 벡터 연산부(49)에서 연산된 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분이 하향((-) 방향)인 경우에는, 속도 벡터 연산부(49)에서 연산된 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분의 크기(절댓값)가 제한값 a의 크기(절댓값)를 초과할 때, 당해 버킷 발끝 속도의 수직 성분을 제한값 a까지 감속시키는 붐 상승 동작이 행해지도록 전자 비례 밸브(54a)를 구동하는 명령을 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력한다. 즉, 이 경우에는 버킷 발끝 속도의 수직 성분으로서, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분과 제한값 a 중 절댓값이 작은 쪽이 채용된다.

(d) 제어 대상면의 상방에 발끝이 있고, 또한 속도 벡터 연산부(49)에서 연산된 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분이 상향((+) 방향)인 경우에는, 오퍼레이터 조작인 채의 동작이 행해지도록, 전자 비례 밸브(54a)를 구동하지 않는 명령을 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력한다. 즉, 이 경우에는 버킷 발끝 속도의 수직 성분으로서, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝 속도의 수직 성분이 채용된다.

그리고, 제어 대상면 상에서는 제한값 a는 제로이며, 목표 동작 연산부(43) 및 전자 비례 밸브 제어부(44)의 제어에 의해 버킷 발끝 속도의 수직 성분이 제로로 유지되기 때문에, 제어 대상면 부근에서 예를 들어 암(9)을 크라우드 동작시키면 버킷 발끝 속도의 수평 성분에 의해 제어 대상면을 따른 굴삭 동작이 실현된다.

또한, 제어 대상면의 상방에 발끝이 있고, 암(9)의 크라우드 조작이 오퍼레이터로부터 있는 경우에는, 굴삭 정밀도 향상을 위해, 전자 비례 밸브(55)에 의해 암(9)의 속도를 필요에 따라 감속시켜도 된다. 또한, 버킷(10) 배면의 제어 대상면에 대한 각도가 일정값으로 되고, 고르기 작업이 용이하게 되도록, 전자 비례 밸브(56)를 제어하여 버킷(10)이 덤프 방향으로 회동하도록 해도 된다.

상기한 바와 같이, 오퍼레이터에 의한 조작 레버(1)의 조작량에 대하여, 자동 또는 반자동으로 액추에이터를 제어하며, 붐(8), 암(9), 버킷(10), 상부 선회체(12)와 같은 작업기를 동작시키는 기능을 머신 컨트롤이라고 호칭한다. 영역 제한 제어는 머신 컨트롤의 하나이다.

전자 비례 밸브 제어부(44)는, 목표 동작 연산부(43)로부터의 명령에 기초하여, 전자 비례 밸브(54 내지 56)에 대한 명령을 연산한다. 전자 비례 밸브(54 내지 56)는, 전자 비례 밸브 제어부(44)로부터의 명령에 기초하여 제어된다. 목표 동작 연산부(43)로부터 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력되는 명령에는 예를 들어 붐 상승 명령이 있다. 붐 상승 명령은, 영역 제한 제어의 실행 시에, 버킷(10)의 발끝의 위치가 목표면 상 및 그 상방의 영역 내에 유지되도록 붐(8)을 강제적으로 상승시킬 때 전자 비례 밸브 제어부(44)에 출력되는 명령이다. 붐 상승 명령이 입력되면, 전자 비례 밸브 제어부(44)는 전자 비례 밸브(54a)에 개방 밸브 명령(명령 전류)을 출력하고, 전자 비례 밸브(54a)에서 발생한 압유(이하 2차압이라고 칭함)가 유압 구동부(150a)에 공급되어 제어 밸브(15a)가 구동된다. 이에 의해 유압 펌프(2)로부터 붐 실린더(5)의 보텀측의 유압실로 작동유가 유도되어 붐(8)이 상승한다. 그때의 붐(8)의 상승 속도(붐 상승 속도)는, 전자 비례 밸브(54a)의 2차압의 값, 즉 전자 비례 밸브 제어부(44)로부터 전자 비례 밸브(54a)로의 명령에 의해 제어 가능하다.

통지 장치(53)는, 목표 동작 연산부(43)로부터의 정보에 기초하여, 머신 컨트롤에 관련된 각종 정보를 오퍼레이터에 통달한다.

다음으로 본 실시 형태에 관한 작업 기계(유압 셔블)의 특징에 대하여 설명한다. 상기 실시 형태에서는, 작업 기계에 있어서, 다관절형의 작업기(1A)와, 작업기(1A)를 구동하는 복수의 유압 실린더(유압 액추에이터)(5, 6, 7)와, 복수의 유압 실린더(5, 6, 7)에 조작 신호(파일럿압)을 출력하는 조작 장치(45a, 45b, 46a)와, 복수의 목표면을 연결하여 정의된 목표 형상이 기억되어 있는 기억부(42)와, 작업기(1A)의 선단 부분에 설정된 제어점(버킷 발끝)에 목표 형상 상에서 가장 가까운 목표면을 제어 대상면으로 하는 제어 대상면 선택부(57)와, 조작 장치(45a, 45b, 46a)를 통하여 오퍼레이터로부터 굴삭 조작이 입력된 경우에, 제어 대상면 상 및 그 상방에 작업기(1A)의 동작 범위가 제한되도록 복수의 유압 실린더(5, 6, 7)를 제어하는 목표 동작 제어부(60)를 구비하는 것으로 하였다.

이와 같이 구성한 작업 기계에 의한 효과를 도 9에서 설명한다. 도 9에 도시한 목표 형상은 연속된 목표면 A, B로 정의되어 있으며, 유압 셔블이 목표면 A, B를 굴삭하고 있는 상황을 도시한다.

우선, 본 실시 형태의 비교예로서, 도 9의 유압 셔블이, 목표 형상을 구성하는 복수의 목표면 중에서, 버킷 발끝으로부터 수직 방향의 상하 중 어느 것에 위치하는 목표면을 제어 선택면으로서 선택하는 제어를 채용하고 있는 경우를 상정한다. 그리고, 목표면 B의 상방에 버킷 발끝을 위치시키고, 목표면 B를 제어 대상면으로 하여 영역 제한 제어에 의한 굴삭을 실시하고 있을 때, 제어 정밀도가 악화되어 목표면 B의 하방에 버킷(10)의 발끝이 침입하였다고 하자. 이때, 도 9와 같이 목표면 B의 수평면에 대한 경사 각도가 큰 경우, 목표면 B에 대한 침입량이 비교적 적을 때라도 버킷 발끝이 다른 목표면 A의 하방에까지 침입하기 쉽다. 그 때문에, 목표면 B를 한창 굴삭 중이라도 제어 대상면이 목표면 A로 변경될 우려가 높다. 도 9의 경우, 버킷 발끝이 목표면 A의 하방에까지 침입하고 있기 때문에, 실제 작업이나 오퍼레이터의 의사에 반하여 제어 대상면이 목표면 A로 변경되어 버린다. 그리고, 이 경우, 목표면 B에 대한 잠입량 b보다, 목표면 A에 대한 잠입량 a가 크기 때문에, 제어 대상면이 목표면 B일 때보다 큰 제한값 a로 강제 붐 상승이 실행되어 버린다. 이 동작은 오퍼레이터에게 있어서 큰 위화감이 된다.

이에 비해, 본 실시 형태에서는, 제어 대상면 선택부(57)에 의해, 목표 형상 상에서 버킷 발끝에 가장 가까운 목표면이 제어 대상면으로서 선택된다. 그 때문에, 도시한 바와 같이, 목표면 B를 제어 대상면으로 하여 영역 제한 제어에 의한 굴삭을 실시하고 있을 때, 제어 정밀도가 악화되어 목표면 B의 하방에 버킷(10)의 발끝이 침입해도, 잠입량이 작은 목표면 B가 제어 대상면으로서 계속해서 선택된다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 경사각이 상이한 복수의 목표면으로 정의된 목표 형상을 연속해서 굴삭하는 경우에 있어서, 잘못해서 제어 대상면의 하방에 버킷 발끝이 침입해 버려도, 적절한 목표면이 제어 대상면으로서 선택되므로, 오퍼레이터에게 주는 위화감이 작아지고, 또한 목표면의 하방에 작업 장치가 침입하는 것을 방지할 수 있다.

그런데, 버킷 발끝에 가장 가까운 점이 변곡점인 경우, 버킷 발끝으로부터 2개의 목표면에 대한 거리는 동등하므로, 상기 거리에 기초하는 방법으로는 제어 대상면을 결정할 수 없다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 버킷 발끝에 가장 가까운 점이 변곡점인 경우, 그 변곡점에 접속하는 2개의 목표면 중, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 발끝의 속도 벡터의 차체에 대한 방향을 기초로 제어 대상면을 결정하기로 하였다(스텝 103 참조). 구체적으로는 도 17에 도시하는 바와 같이, 발끝의 속도 벡터의 수평 성분의 방향이, 차체에 가까워지는 방향인지 멀어지는 방향인지에 따라 제어 대상면을 결정하고 있다. 도 17에서는 지면의 좌측 방향을 「차체에 가까워지는 방향」, 우측 방향을 「차체로부터 멀어지는 방향」이라고 한다. 도 17의 A1, A2는 버킷 발끝이 목표 형상(목표면)의 상방에 위치하는 장면이며, B1, B2는 버킷 발끝이 목표 형상의 하방에 위치하는 장면이다. A1, B1의 경우에는 발끝의 속도 벡터의 수평 성분이 차체에 가까워지는 방향이므로 전방측의 목표면이 제어 대상면으로서 설정된다. 한편, A2, B2의 장면은 발끝의 속도 벡터의 수평 성분이 차체로부터 멀어지는 방향이므로 안측의 목표면이 제어 대상면으로서 설정된다. 이와 같이 본 실시 형태에서는 버킷 발끝의 이동 방향에 있는 목표면이 제어 대상면으로서 선택되므로, 발끝에 가장 가까운 점이 변곡점인 경우에도 연속적으로 제어 대상면이 선택되어 영역 제한 제어의 안정화를 도모할 수 있다.

또한, 상기에서는 본 실시 형태에 따른 효과의 이해를 용이하게 하기 위해, 경사각이 큰 목표면으로 목표 형상이 정의되어 있는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 잠입량(버킷 발끝에서 목표면까지의 거리)이 가장 가까운 목표면을 제어 대상으로 함으로써 최적의 목표면이 제어 대상면으로서 선택된다고 하는 효과는, 경사각의 크기 정도에 관계없이 발휘된다.

<제2 실시 형태>

제1 실시 형태에서는, 영역 제한 제어의 제어점(제한값 연산부(58)에서 제한값 a를 산출할 때 거리 D의 기준으로서 이용되는 점)을 어떠한 특정한 점(즉, 버킷 선단)에 설정하였다. 제2 실시 형태에서는, 동작 평면에 의한 작업기(1A)의 선단 부분의 단면 형상의 윤곽으로부터 추출한 선분 상에서, 상황에 따라 적절하게 선택되는 점(당해 선분 상을 움직일 수 있는 점)을 제어점으로서 이용한다. 이하에서는 당해 선분을 「제어선」이라고 칭하는 경우가 있다.

도 10은, 본 발명의 실시 형태에 관한 제어 컨트롤러(40A)의 기능 블록도이다. 제어 컨트롤러(40A)는, 제1 실시 형태의 것과 상이한 기능으로서, 세트백 형상 생성부(59)를 구비하고 있다. 그리고, 기억부(42A), 제어 대상면 선택부(57A), 속도 벡터 연산부(49A), 제한값 연산부(58A)의 기능이 제1 실시 형태의 것과 상이하다. 이들에 대해서는 상이한 부분을 주로 설명한다.

기억부(42A)에는, 동작 평면에 의한 작업기(1A)의 선단 부분의 단면 형상의 윤곽으로부터 추출한 제어선의 셔블 상의 위치가 기억되어 있다. 본 실시 형태에서는, 당해 제어선으로서, 도 11에 도시하는 바와 같이, 버킷(10)의 선단과 후단을 접속하는 선분을 이용하고 있다. 버킷(10)의 후단이란, 버킷(10)의 평면부의 전후 방향의 단부 중, 버킷 선단(발끝)과 반대측의 단부를 가리킨다. 이하에서는 제어선을 「버킷 저면」이라고 칭하는 경우가 있고, 버킷 저면 상에 정해지는 제어점을 「버킷 모니터 포인트」라고 칭하는 경우가 있다.

세트백 형상 생성부(59)는, 동작 평면에 관한 목표 형상을 구성하는 복수의 목표면을 소정량 하방에 세트백하고, 그 세트백 후의 복수의 면(이하, 「선택 기준면」이라고 칭함)을 접속하여 얻어지는 형상(세트백 형상)을 생성하는 부분이다. 선택 기준면을 작성할 때 목표면을 세트백하는 양은, 영역 제한 제어의 정밀도 악화 시에 목표면의 하방에 발끝이 어느 정도 침입하는지에 따라 적절하게 변경 가능하며, 예를 들어 수 센티미터 정도로 설정할 수 있다. 도 11에 세트백 형상 및 선택 기준면과 목표 형상 및 목표면의 개념도를 도시한다. 도 11의 예에서는, 세트백 형상의 좌우의 단부점은, 목표 형상의 좌우의 단부점에 일치시키고 있으며, 목표 형상으로부터의 세트백은 없는 것으로 한다. 단, 이에 한정되지 않고, 세트백 형상의 좌우의 단부점은 다른 점과 마찬가지로 목표 형상으로부터 세트백한 점으로 해도 된다.

세트백 형상 생성부(59)에서 생성된 세트백 형상 및 선택 기준면은, 제어 대상면 선택부(57A)에 출력되어, 제어 대상면의 선택 시에 이용된다.

제어 대상면 선택부(57A)는, 작업기 자세 연산부(41)로부터 입력되는 자세 정보, 기억부(42)로부터 입력되는 동작 평면에 있어서의 목표 형상, 및 세트백 형상 생성부(59)로부터 입력되는 세트백 형상 등을 기초로, 소정의 룰에 따라 버킷 저면 상에 버킷 모니터 포인트를 설정하면서, 당해 목표 형상을 구성하는 복수의 목표면 중에서 영역 제한 제어에 적합한 제어 대상면을 하나 선택한다.

도 12는, 본 실시 형태에 관한 제어 대상면 선택부(57A)가 제어 대상면을 선택하는 흐름도이다. 제어 대상면 선택부(57A)는, 제어 컨트롤러(40A)의 전원이 ON이고 제한 제어 스위치(17)가 ON(유효)인 경우, 도 12의 흐름도를 개시한다.

우선, 스텝 200에서, 세트백 형상 생성부(59)가 그 시점의 동작 평면에 대한 세트백 형상을 생성한다. 또한, 세트백 형상은 미리 생성하여 기억부(42A)에 저장해 두고, 해당되는 세트백 형상을 스텝 200에서 당해 기억부(42A)로부터 도입하도록 제어 컨트롤러(40A)를 구성하는 것도 가능하다.

스텝 215에서는, 제어 대상면 선택부(57A)는, 작업기 자세 연산부(41)로부터 입력되는 자세 정보, 기억부(42)로부터 입력되는 동작 평면에 있어서의 목표 형상 및 제어선의 정보, 및 세트백 형상 생성부(59)로부터 입력되는 세트백 형상의 정보를 기초로, 소정의 룰에 따라 버킷 저면 상에 버킷 모니터 포인트를 설정한다. 본 실시 형태에서는, 버킷 저면 상에서 버킷 모니터 포인트를 정하는 룰로서, 버킷 저면이 세트백 형상의 상방에 있는 경우 또는 세트백 형상의 하방에 있는 경우에는 버킷 저면 상에서 세트백 형상으로부터 가장 가까운 점을 버킷 모니터 포인트로 하고, 버킷 저면이 세트백 형상과 교차하는 경우에는 버킷 저면 상에서 가장 세트백 형상에 침입하고 있는 점을 버킷 모니터 포인트로 하는 것을 채용하고 있다. 단, 당해 룰에 제한은 없으며, 예를 들어 버킷 저면 상에서 오퍼레이터가 임의로 선택 가능하게 구성해도 된다.

스텝 201에서는, 제어 대상면 선택부(57A)는, 버킷 저면(제어선)의 일부 또는 전부가 세트백 형상의 하방에 있는지 여부를 판정한다. 여기서 버킷 저면의 일부 또는 전부가 세트백 형상의 하방에 없는 경우, 스텝 202로 진행한다.

스텝 202에서는, 세트백 형상 상에서 버킷 모니터 포인트에 가장 가까운 점이 변곡점(즉, 어느 선택 기준면의 단부점)인지의 판정을 행한다. 여기서 버킷 모니터 포인트에 세트백 형상 상에서 가장 가까운 점이 변곡점이 아니라, 어느 선택 기준면의 단부점 이외의 점인 경우(즉, 스텝 202의 판정이 「아니오」인 경우), 스텝 203으로 진행한다.

스텝 203에서는, 세트백 형상 상에서 버킷 모니터 포인트에 가장 가까운 선택 기준면을 선택하고, 스텝 213으로 진행한다.

스텝 213에서는, 제어 대상면 선택부(57A)는, 직전의 처리(스텝 203, 208 또는 210)에서 선택한 선택 기준면에 대응하는 목표면을 제어 대상면으로 한다.

스텝 202에서 버킷 모니터 포인트에 세트백 형상 상에서 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정된 경우(즉, 스텝 202의 판정이 「예」인 경우), 스텝 204에서 그 변곡점이 법견인지 여부를 판정한다. 그 변곡점이 법견이 아닌 경우 스텝 203으로 진행하고, 법견인 경우 스텝 205로 진행한다.

스텝 205의 상황을 도시하면 도 13과 같이 된다. 버킷 모니터 포인트는 버킷(10)의 발끝으로 한다. 이때, 세트백 형상 상에서 버킷 모니터 포인트에 가장 가까운 것은 제i 변곡점이므로, 버킷 모니터 포인트에 가장 가까운 선택 기준면이, 제i-1 선택 기준면과 제i 선택 기준면 중 어느 쪽이 될지는 정해지지 않는다. 그래서, 세트백 형상 상의 제i 변곡점에 대응하는 목표 형상 상의 변곡점(제i 변곡점)을 통과하는 가상적인 면을 제어 대상면으로 한다. 본 실시 형태에서는 당해 가상적인 면을 「중간 목표면」이라고 칭한다.

본 실시 형태에서 중간 목표면이라고 하는 개념을 도입한 이유는 다음과 같다. 법견의 주변에서는, 버킷 모니터 포인트와 목표 형상의 위치 관계가 약간의 차이에 의해 제어 대상면이 급격하게 전환되는 일이 적지 않다. 목표 제어면의 급격한 전환은 제어 성능에 큰 영향을 줄 우려가 있다. 그러나, 본 실시 형태와 같이 중간 목표면을 설정하면, 제어 대상면의 급격한 전환이 억제되므로 제어 성능을 안정시킬 수 있다.

또한, 중간 목표면의 작성 수순은 미리 정해 두는 것이 바람직하며, 중간 목표면의 각도는 변곡점(제i 변곡점)에 접속하는 2개의 목표면의 각도 범위 이내에서 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 그때의 버킷 저면에 대하여 소정의 각도를 갖는 면(예를 들어, 버킷 저면과 평행인 면)을 중간 목표면으로 하는 것, 중간 목표면의 경사각을 미리 정해 두는 것, 중간 목표면이 통과하는 변곡점에 접속하는 2개의 목표면과 이루는 각이 동등해지는 경사 각도를 갖는 면을 중간 목표면으로 하는 것 등이 있다.

그런데, 스텝 201에서 버킷 저면의 일부 또는 전부가 세트백 형상의 하방에 있다고 판정된 경우, 스텝 206으로 진행한다.

스텝 206에서는, 버킷 선단 및 후단이 세트백 형상 상 또는 그 상방에 있는지가 판정된다. 버킷 선단 및 후단이 세트백 형상 상 또는 그 상방에 없는 경우, 스텝 207로 진행한다.

스텝 207에서는, 버킷 모니터 포인트에 세트백 형상 상에서 가장 가까운 점이 변곡점인지의 판정을 행한다. 버킷 모니터 포인트에 가장 가까운 점이 변곡점이 아니라, 어느 선택 기준면의 단부점 이외의 점인 경우(즉, 당해 판정이 「아니오」인 경우), 스텝 208로 진행한다.

스텝 208에서는, 세트백 형상 상에서 버킷 모니터 포인트에 가장 가까운 선택 기준면이 선택되고, 당해 선택 기준면이 스텝 213에서 제어 대상면으로 된다.

한편, 스텝 207에서 버킷 모니터 포인트에 세트백 형상 상에서 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정된 경우(즉, 당해 판정이 「예」인 경우), 스텝 209로 진행하고, 버킷 모니터 포인트에 세트백 형상 상에서 가장 가까운 변곡점이 법고인지 여부가 판정된다. 당해 변곡점이 법고인 경우에는 스텝 210으로 진행한다.

스텝 210에서, 법고의 변곡점에 접속하는 2개의 선택 기준면 중 버킷 모니터 포인트에 가까운 선택 기준면을 선택한다. 구체적으로는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 법고(변곡점)에 접속하는 2개의 선택 기준면 A, B를 직선으로 간주하여, 버킷 모니터 포인트로부터 각 선택 기준면 A, B까지의 수직 거리를 산출하고, 그 수직 거리가 가까운 선택 기준면을 선택한다. 따라서, 도 14의 경우에는 선택 기준면 A가 선택된다. 또한, 2개의 선택 기준면 A, B와 버킷 모니터 포인트의 거리가 동일한 경우에는 차체에 가까운 선택 기준면을 선택하기로 한다. 스텝 210에서 선택된 선택 기준면은 스텝 213에서 제어 대상면으로 된다.

그런데, 스텝 206에서 버킷 선단 및 후단이 세트백 형상 상 또는 그 상방에 있다고 판정된 경우, 스텝 211로 진행한다.

스텝 211의 상황은, 버킷 선단 및 후단이 세트백 형상 상 또는 그 상방에 있고, 버킷 저면의 일부가 세트백 형상의 하방에 있는 경우(즉, 버킷 저면이 세트백 형상과 교차하는 경우)이다. 이때, 스텝 211에서는, 세트백 형상을 구성하는 복수의 변곡점 중에서, 버킷 저면(제어선)에 내린 수선의 발이 버킷 저면 상에 위치하고, 또한 당해 수선이 세트백 형상보다 하측에 있고, 또한 당해 수선의 길이가 최대인 변곡점을 선택한다. 예를 들어, 도 15의 예에서는, 3개의 변곡점 A, B, C는, 버킷 저면에 내린 수선의 발이 버킷 저면 상에 위치한다. 그러나, 변곡점 B는, 그 수선이 세트백 형상의 상방에 있으므로 대상 외로 된다. 그리고, 남은 2개의 변곡점 A, C 중 수선의 길이가 최대인 변곡점 A가 선택된다.

다음으로 스텝 212에서, 스텝 211에서 선택한 세트백 형상 상의 변곡점에 대응하는 목표 형상 상의 변곡점을 통과하는 중간 목표면을 생성하고, 그 중간 목표면을 제어 대상면으로 한다. 이에 의해 법견 부근에 있어서의 제어 대상면의 급격한 전환이 억제되므로 제어 성능을 안정시킬 수 있다.

또한, 도 12의 흐름도의 이해를 돕기 위해, 도 16에, 스텝 201 및 206에서의 판정 결과에 따른 버킷 저면과 목표 형상 및 세트백 형상의 위치 관계의 예를 몇 가지 도시하였다.

속도 벡터 연산부(49A)는, 오퍼레이터 조작에 의한 버킷 모니터 포인트의 속도 벡터를 연산한다. 제한값 연산부(58A)는, 버킷 모니터 포인트로부터 제어 대상면까지의 거리 D에 기초하여, 버킷 모니터 포인트의 속도 벡터의 수직 성분의 제한값 a를 계산한다. 목표 동작 연산부(43) 및 전자 비례 밸브 제어부(44)의 기능에 대해서는 제1 실시 형태와 동일하므로 설명은 생략한다.

상기와 같은 구성으로 함으로써, 버킷 선단과 후단을 연결하는 선분(버킷 저면) 상의 점을 제어 대상으로 하였을 때에도, 적절한 목표면을 제어 대상으로서 선택하는 것이 가능하게 된다.

버킷 저면(제어선)과 목표 형상의 위치 관계를 기초로 버킷 모니터 포인트(제어점)를 변경하는 경우에는, 제어 대상면을 선택하는 처리가 복잡해지기 쉽다. 그러나, 본 실시 형태와 같이 세트백 형상과 버킷 저면의 위치 관계를 기초로 제어 대상면을 설정하면, 제어 오차 등으로 목표 형상의 약간 아래로 버킷 발끝이 침입한 장면(구체적으로는, 스텝 202로 진행하는 장면, 즉 버킷 저면이 목표 형상과 교차하고 있지만 세트백 형상과는 교차하고 있지 않은 장면)에 있어서도, 버킷 저면이 목표 형상 상에 있을 때와 실질적으로 동일한 제어에 의해 제어 대상면을 설정할 수 있으므로 제어 대상면의 선택 처리를 간략화할 수 있다.

또한, 가령 버킷 저면이 세트백 형상과 교차 또는 세트백 형상의 하방에 위치할 때까지 버킷이 침입해 버려도, 그 침입 개소에 따라 적절한 제어면을 선택할 수 있다. 구체적으로는, 법견의 근방에 침입한 경우에는 스텝 212의 처리에 의해, 법고의 근방에 침입한 경우에는 스텝 210의 처리에 의해, 그 밖의 장소에 침입한 경우에는 스텝 208의 처리에 의해 적절하게 제어면을 설정할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 여러 가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은 상기 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되지 않고, 그 구성의 일부를 삭제한 것도 포함된다. 또한, 어떠한 실시 형태에 관한 구성의 일부를, 다른 실시 형태에 관한 구성에 추가 또는 치환하는 것이 가능하다.

예를 들어, 제1 실시 형태의 스텝 103의 처리 대신에, 버킷 발끝에 가장 가까운 변곡점이 법견인 경우에는, 그 변곡점을 통과하는 가상적인 면(상술한 중간 목표면)을 작성하고, 당해 가상적인 면을 제어 대상면으로 하는 처리를 실행해도 된다.

또한, 상기 제어 컨트롤러(40, 40A)에 관한 각 구성이나 당해 각 구성의 기능 및 실행 처리 등은, 그것들의 일부 또는 전부를 하드웨어(예를 들어 각 기능을 실행하는 로직을 집적 회로로 설계하는 등)로 실현해도 된다. 또한, 상기 제어 컨트롤러(40, 40A)에 관한 구성은, 연산 처리 장치(예를 들어 CPU)에 의해 판독ㆍ실행됨으로써 당해 제어 컨트롤러(40, 40A)의 구성에 관한 각 기능이 실현되는 프로그램(소프트웨어)으로 해도 된다. 당해 프로그램에 관한 정보는, 예를 들어 반도체 메모리(플래시 메모리, SSD 등), 자기 기억 장치(하드 디스크 드라이브 등) 및 기록 매체(자기 디스크, 광 디스크 등) 등에 기억할 수 있다.

1A: 프론트 작업기
8: 붐
9: 암
10: 버킷
30: 붐 각도 센서
31: 암 각도 센서
32: 버킷 각도 센서
40, 40A: 제어 컨트롤러
41: 작업기 자세 연산부
42, 42A: 기억부
43: 목표 동작 연산부
44: 전자 비례 밸브 제어부
45: 조작 장치(붐, 암)
46: 조작 장치(버킷, 선회)
47: 조작 장치(주행)
49, 49A: 속도 벡터 연산부
53: 통지 장치
54, 55, 56: 전자 비례 밸브
57, 57A: 제어 대상면 선택부
58, 58A: 제한값 연산부
59: 세트백 형상 생성부
60, 60A: 목표 동작 제어부

Claims (5)

1. 다관절형의 작업기와,
   상기 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터와,
   상기 복수의 유압 액추에이터에 조작 신호를 출력하는 조작 장치와,
   복수의 목표면을 연결하여 정의된 목표 형상이 기억되어 있는 기억부와,
   상기 작업기의 선단 부분에 설정된 제어점에 상기 목표 형상 상에서 가장 가까운 목표면을 제어 대상면으로 하는 제어 대상면 선택부와,
   상기 조작 장치를 통하여 오퍼레이터로부터 굴삭 조작이 입력된 경우에, 상기 제어 대상면 상 및 그 상방에 상기 제어점의 동작 범위가 제한되도록 상기 복수의 유압 액추에이터를 제어하는 목표 동작 제어부와,
   상기 목표 형상을 구성하는 상기 복수의 목표면을 하방에 세트백한 복수의 선택 기준면을 접속하여 얻어지는 세트백 형상을 생성하는 세트백 형상 생성부를 구비하고,
   상기 제어 대상면 선택부는,
   상기 제어점이 상기 목표 형상 상 또는 그 상방에 있는 경우, 상기 목표 형상 상에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점인지 여부를 판정하고,
   상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정되고 또한 상기 변곡점이 법견일 때, 상기 변곡점에 대응하는 상기 목표 형상 상의 변곡점을 통과하는 가상적인 면을 상기 제어 대상면으로 하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 기억부는, 상기 작업기의 선단 부분의 윤곽으로부터 추출하여 미리 설정한 선분이며, 상기 제어점이 설정되는 제어선을 기억하고,
   상기 제어 대상면 선택부는,
   상기 제어선의 일부 또는 전부가 상기 세트백 형상의 하방에 있고, 또한 상기 제어선의 양단이 상기 세트백 형상 상 또는 그 상방에 있는 경우,
   상기 세트백 형상을 구성하는 복수의 변곡점 중에서, 상기 제어선에 내린 수선의 발이 상기 제어선 상에 위치하고, 또한 당해 수선이 상기 세트백 형상의 하방에 있고, 또한 당해 수선의 길이가 최대인 변곡점을 선택하고, 당해 선택한 변곡점에 대응하는 상기 목표 형상 상의 변곡점을 통과하는 가상적인 면을 상기 제어 대상면으로 하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
4. 제1항에 있어서,
   상기 기억부는, 상기 작업기의 선단 부분의 윤곽으로부터 추출하여 미리 설정한 선분이며, 상기 제어점이 설정되는 제어선을 기억하고,
   상기 제어 대상면 선택부는,
   상기 제어선의 일부 또는 전부가 상기 세트백 형상의 하방에 있고, 또한 상기 제어선의 양단이 상기 세트백 형상 상 또는 그 상방에 없는 경우, 상기 세트백 형상 상에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점인지 여부를 판정하고,
   상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정되고 또한 상기 변곡점이 법고일 때, 상기 변곡점에 접속하는 2개의 선택 기준면 중 상기 제어점에 가까운 선택 기준면에 대응하는 목표면을 상기 제어 대상면으로 하고,
   상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정되고 또한 상기 변곡점이 법고가 아닐 때, 또는 상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이 아니라고 판정되었을 때, 상기 세트백 형상 상에서 상기 제어점에 가장 가까운 선택 기준면에 대응하는 목표면을 상기 제어 대상면으로 하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
5. 제1항에 있어서,
   상기 기억부는, 상기 작업기의 선단 부분의 윤곽으로부터 추출하여 미리 설정한 선분이며, 상기 제어점이 설정되는 제어선을 기억하고,
   상기 제어 대상면 선택부는,
   상기 제어선의 일부 또는 전부가 상기 세트백 형상의 하방에 없는 경우, 상기 세트백 형상 상에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점인지 여부를 판정하고,
   상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정되고 또한 상기 변곡점이 법견일 때, 상기 변곡점에 대응하는 상기 목표 형상 상의 변곡점을 통과하는 가상적인 면을 상기 제어 대상면으로 하고,
   상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이라고 판정되고 또한 상기 변곡점이 법견이 아닐 때, 또는 상기 판정에서 상기 제어점에 가장 가까운 점이 변곡점이 아니라고 판정되었을 때, 상기 세트백 형상 상에서 상기 제어점에 가장 가까운 선택 기준면에 대응하는 목표면을 상기 제어 대상면으로 하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.

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