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KR20170102510A - 건설 기계의 표시 시스템 - Google Patents

건설 기계의 표시 시스템 Download PDF

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KR20170102510A
KR20170102510A KR1020177021450A KR20177021450A KR20170102510A KR 20170102510 A KR20170102510 A KR 20170102510A KR 1020177021450 A KR1020177021450 A KR 1020177021450A KR 20177021450 A KR20177021450 A KR 20177021450A KR 20170102510 A KR20170102510 A KR 20170102510A
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야스히코 가나리
마나부 에다무라
시호 이즈미
다카히코 구로세
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히다찌 겐끼 가부시키가이샤
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Abstract

버킷(1c)의 예측 이동 방향을 연산하는 이동 방향 연산부(111b)와, 이동 방향 연산부에서 버킷의 이동이 예측된 경우에는, 모니터(12)의 표시 화면 상에서 버킷 화상(50)으로부터 예측 이동 방향측에 위치하는 영역의 면적이, 버킷 화상을 기준 위치에 표시하는 경우보다 넓어지도록, 예측 이동 방향에 따라 버킷 화상의 표시 위치를 변경하고, 이동 방향 연산부에서 버킷의 이동이 예측 불능인 경우에는, 표시 화면 상의 기준 위치(C)에 버킷 화상을 표시하는 작업구 표시 제어부(111e)와, 작업구 표시 제어부에서 결정된 표시 위치에 버킷 화상을 표시하였을 때 표시 화면 내에 포함되는 목표면의 화상(52, 54, 56)을 표시 화면에 표시하는 목표면 표시 제어부(111d)를 건설 기계의 표시 시스템에 구비한다.

Description

건설 기계의 표시 시스템
본 발명은 건설 기계의 작업 장치의 선단에 설치된 작업구로 소정의 목표면을 형성할 때 사용되는 건설 기계의 표시 시스템에 관한 것이다.
건설 기계의 작업 장치의 선단에 설치된 작업구로 굴삭 작업 또는 성토 작업을 행함으로써 소정의 목표 형상을 형성할 때, 그 목표 형상의 일부를 이루는 면(목표면)과 작업구의 화상을 표시 화면에 표시함으로써 양자의 위치 관계를 명시하여 굴삭 작업을 지원하는 건설 기계의 표시 시스템이 알려져 있다.
일본 특허 공개 제2001-123476호 공보에는, 표시 화면의 축척을 작업구(버킷)와 목표면의 연직 거리에 따라 변경함으로써, 작업구와 목표면(목표 굴삭면)의 연직 거리가 변화해도 목표면과 작업구의 쌍방을 표시 화면 내에 수용할 수 있는 표시 시스템이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2012-233404호 공보에는, 건설 기계(굴삭 기계)와 목표면(표시 대상면)을 표시 화면(안내 화면)에 표시할 때, 목표면의 단면의 상단의 높이 위치를 나타내는 상부 경계선의 위치와, 목표면의 단면의 하단의 높이 위치를 나타내는 하부 경계선의 위치를 산출하고, 그 산출한 상부 경계선 혹은 하부 경계선과 건설 기계의 위치의 상하 방향의 위치 관계에 의해 표시 화면의 표시 범위를 결정하고, 이에 의해 표시 화면에 있어서의 목표면의 표시 위치를 상하 방향으로 이동시키는 표시 시스템이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2001-123476호 공보 일본 특허 공개 제2012-233404호 공보
굴삭 작업 중에는, 작업구의 현재 위치의 주변의 목표면의 형상뿐만 아니라, 이제부터 작업구를 이동시킬 생각인 장소의 주변의 목표면의 형상(예를 들어, 표시 화면 밖이나 표시 화면의 단부에 존재하는 목표면의 형상)을 오퍼레이터가 미리 파악하고 싶은 경우가 있다. 예를 들어, 목표 형상의 표면을 목표면에 맞추어 평평하게 하는 마무리 작업(고르기 작업)에서는, 작업구의 선단을 상하 방향으로 반복 이동시켜 굴삭 대상을 적극적으로 파 나가기보다, 평면(목표면)을 형성하기 위해 목표면 부근에서 건설 기계의 전후 방향으로 작업구를 이동시키는 경우가 많아진다. 그 때문에, 작업구의 현재 위치보다 전방의 목표면을 미리 파악할 수 있는 편이 마무리 작업을 원활하게 진행시키기 쉬운 경우가 있다.
이 점에 관하여, 일본 특허 공개 제2001-123476호 공보의 기술은, 작업구의 현재 위치를 기준으로 하여 표시 범위를 결정하고 있으므로, 목표면의 형상 파악을 원하는 장소의 근방까지 작업구를 실제로 이동시키지 않으면 그 형상이 화면 상에 표시되지 않는 경우가 있다.
한편, 일본 특허 공개 제2012-233404호 공보의 기술은, 굴삭 기계의 상하 방향에 있어서의 현재 위치를 기준으로 하여 표시 범위를 결정하고 있으므로, 목표면의 형상 파악을 원하는 장소의 근방까지 굴삭 기계를 실제로 이동시키지 않으면 그 형상이 화면 상에 표시되지 않는 경우가 있다. 또한, 건설 기계의 운전실 내에 탑재되는 디스플레이에는, 통상, 건설 기계를 조작할 때 필요한 여러 가지 정보(예를 들어, 통상, 잔류 연료, 엔진 회전수, 에러 정보, 주위를 촬영하는 카메라의 정보 및 작업 모드 정보 등)를 표시할 필요가 있기 때문에, 굴삭 기계와 목표면을 표시하는 스페이스에 한계가 있다. 그 때문에, 굴삭 기계와 목표면을 표시할 때의 범위를 확장하여 목표면의 형상의 파악이 가능한 범위를 넓히면, 굴삭 기계 및 작업구와 목표면의 화상 사이즈가 작아져, 굴삭 기계 및 작업구의 현재 위치와 목표면의 형상의 파악이 곤란해질 가능성이 높다.
따라서, 상기 두 문헌의 기술에서는, 예를 들어 작업구의 이동처의 목표면의 형상이 오퍼레이터가 예측한 것과 상이한 경우에는, 목표면의 형상이 판명된 시점에서 비로소 작업구의 위치의 수정 조작이 필요하게 되어 원활한 마무리 작업이 저해될 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 작업구의 이동 방향에 위치하는 목표면의 형상을 용이하게 파악할 수 있는 건설 기계의 표시 시스템을 제공하는 데 있다.
본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있는데, 그 일례를 든다면, 소정의 목표면을 건설 기계의 작업 장치의 선단에 설치된 작업구로 굴삭할 때, 상기 작업구의 화상과 상기 목표면의 화상을 표시 화면에 표시하여 상기 작업구와 상기 목표면의 위치 관계를 나타내는 건설 기계의 표시 시스템에 있어서, 상기 작업 장치의 위치와 자세에 관한 상태량에 기초하여 상기 작업구의 위치와 자세를 연산하는 위치ㆍ자세 연산부와, 상기 위치ㆍ자세 연산부의 연산값과, 상기 작업 장치의 조작 장치의 조작량 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 작업구의 예측 이동 방향을 연산하는 이동 방향 연산부와, 상기 이동 방향 연산부에 의해 상기 작업구의 이동이 예측된 경우에는, 상기 표시 화면 상에서 상기 작업구의 화상으로부터 상기 예측 이동 방향측에 위치하는 영역의 면적이, 상기 작업구의 화상을 기준 위치에 표시하는 경우보다 넓어지도록, 상기 예측 이동 방향에 따라 상기 작업구의 화상의 표시 위치를 변경하고, 상기 이동 방향 연산부에 의해 상기 작업구의 이동이 예측 불능인 경우에는 상기 표시 화면 상의 상기 기준 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하는 작업구 표시 제어부와, 상기 작업구 표시 제어부에 의해 결정된 표시 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하였을 때 상기 표시 화면 내에 포함되는 상기 목표면의 화상을 상기 표시 화면에 표시하는 목표면 표시 제어부를 구비하는 것으로 한다.
본 발명에 따르면, 작업구의 이동 방향에 위치하는 영역이 표시 화면 상에서 넓게 비추어지므로, 작업구의 이동 방향에 위치하는 목표면의 형상을 용이하게 파악할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유압 셔블의 회로도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유압 셔블의 외관도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 유닛의 하드웨어 구성도이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 유닛의 기능 블록도이다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 거리 연산부(110)의 기능 블록도이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유압 셔블의 좌표계(X-Z 좌표계) 및 각 부의 치수의 설명도이다.
도 7은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 합성 표시부(111)의 기능 블록도이다.
도 8은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 이동 방향 연산부(111b)가 실행하는 처리의 흐름도이다.
도 9는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 모니터의 표시 화면의 좌표계(U-W 좌표계) 및 버킷 화상의 발끝 위치의 설명도이다.
도 10은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 표시 위치 보정부(111c)가 실행하는 처리의 흐름도이다.
도 11a는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계의 표시 시스템에 의한 표시 화면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11b는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계의 표시 시스템에 의한 표시 화면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11c는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계의 표시 시스템에 의한 표시 화면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12a는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계의 표시 시스템에 의한 표시 화면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12b는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 건설 기계의 표시 시스템에 의한 표시 화면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 13은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 모니터의 표시 화면 상에서의 버킷 화상의 발끝 위치의 다른 결정 방법에 대한 설명도이다.
도 14는, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 유압 셔블의 회로도이다.
도 15는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 유닛 및 목표면 연산 유닛의 기능 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 본고에서는, 건설 기계의 표시 시스템을 유압 셔블에 적용한 예에 대하여 설명하지만, 이하의 실시 형태의 적용 대상은 유압 셔블에 한하지 않고, 작업 장치를 갖고, 그 작업 장치의 선단에 설치된 작업구로 굴삭 작업 또는 성토 작업에 의해 소정의 목표면을 형성하는 건설 기계라면 적용 가능하다.
도 1에 도시하는 유압 셔블은, 유압 펌프(2)와, 이 유압 펌프(2)로부터의 압유에 의해 구동되는 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b), 버킷 실린더(3c), 선회 모터(3d) 및 좌우의 주행 모터(3e, 3f)를 포함하는 복수의 유압 액추에이터와, 이들 유압 액추에이터(3a 내지 3f)의 각각에 대응하여 설치된 복수의 조작 레버 장치(4a 내지 4f)와, 이들 조작 레버 장치(4a 내지 4f)에 의해 제어되고, 유압 액추에이터(3a 내지 3f)에 공급되는 압유의 유량을 제어하는 복수의 유량 제어 밸브(5a 내지 5f)와, 유압 펌프(2)의 토출 압력이 설정값 이상으로 된 경우에 개방되는 릴리프 밸브(6)와, 조작 레버 장치(4a 내지 4f)의 조작 신호를 입력하고 유량 제어 밸브(5a 내지 5f)를 제어하는 기능을 갖는 제어 유닛(9)을 갖고, 이들은 유압 셔블의 피구동 부재를 구동하는 유압 구동 장치를 구성하고 있다.
본 실시 형태에서는, 조작 레버 장치(4a 내지 4f)는, 조작 신호로서 전기 신호를 출력하는 전기 레버 장치이며, 유량 제어 밸브(5a 내지 5f)는 전기 신호를 파일럿압으로 변환하는 전기 유압 변환 장치, 예를 들어 비례 자기 밸브를 양단에 구비한 전기ㆍ유압 조작 방식의 밸브이다. 제어 유닛(9)은, 조작 레버 장치(4a 내지 4f)의 조작 신호를 입력하고, 입력 신호에 따른 유량 제어 밸브 구동 신호를 생성하여 유량 제어 밸브(5a 내지 5f)를 구동ㆍ제어한다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 유압 셔블은, 상부 선회체(1d) 및 하부 주행체(1e)로 이루어지는 차체(1B)와, 수직 방향으로 각각 회동하는 붐(1a), 아암(1b) 및 버킷(1c)으로 이루어지고 상부 선회체(1d)의 전방에 설치된 다관절형의 작업 장치(1A)로 구성되고, 작업 장치(1A)의 붐(1a)의 기단은 상부 선회체(1d)의 전방부에 지지되어 있다.
도 2의 붐(1a), 아암(1b), 버킷(1c), 상부 선회체(1d) 및 하부 주행체(1e)는, 각각 도 1에 도시하는 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b), 버킷 실린더(3c), 선회 모터(3d) 및 좌우의 주행 모터(3e, 3f)에 의해 각각 구동되고, 그것들의 동작은 조작 레버 장치(4a 내지 4f)에 의해 지시된다.
이상과 같은 유압 셔블에 본 실시 형태에 관한 굴삭 제어 장치와 작업 상태 표시 장치가 설치되어 있다. 이들 장치는, 목표면의 설정에 사용되는 설정기(7)와, 붐(1a), 아암(1b) 및 버킷(1c)의 각각의 회동 지지점에 설치되고, 작업 장치(1A)의 위치와 자세에 관한 상태량으로서 각각의 회동각을 검출하는 각도 검출기(8a, 8b, 8c)와, 운전실 내에 설치된 표시 모니터(표시 장치)(12)와, 후술하는 처리 기능을 실행하는 컴퓨터(예를 들어 마이크로컴퓨터)인 제어 유닛(9)을 구비하고 있다.
도 3에, 제어 유닛(9)의 하드웨어 구성을 도시한다. 제어 유닛(9)은, 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 레버 장치(4a 내지 4f)로부터의 조작 신호, 설정기(7)로부터의 지시 신호(설정 신호 및 메인 스위치 신호), 각도 검출기(8a, 8b, 8c)로부터의 각도 신호를 입력하고, A/D 변환을 행한다. ROM(93)은, 제어 프로그램(후술)이 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 유량 제어 밸브(5a 내지 5f)나 모니터(12)에 출력함으로써, 유압 액추에이터(3a 내지 3f)를 구동ㆍ제어하거나, 차체(1B), 버킷(1c) 및 목표면 등의 화상을 모니터(12)의 표시 화면 상에 표시시키거나 한다. 또한, 도 3의 제어 유닛(9)은, 기억 장치로서 ROM(93) 및 RAM(94)이라고 하는 반도체 메모리를 구비하고 있지만, 하드디스크 드라이브 등의 자기 기억 장치를 구비하고, 이것에 제어 프로그램을 기억시켜도 된다.
설정기(7)는, 예를 들어 조작 레버 장치(4a 내지 4f)의 그립 상에 설치된 복수의 스위치 또는 이것과 유사한 조작 장치로 구성되어 있다. 본 실시 형태의 설정기(7)는, 목표면의 설정에 사용되는 스위치(7a)와, 일단 설정된 목표면을 해제하는 스위치(7b)를 구비하고 있다. 스위치(7a)가 눌러지면 그때의 버킷(1c)의 발끝의 위치가 제어 유닛(9)에 기억된다. 스위치(7a)의 누름 조작을 반복하면 2점 이상의 지점이 제어 유닛(9)에 기억되고, 당해 2점 이상의 지점으로 정의되는 형상에 따라 목표면이 설정된다. 한편, 스위치(7b)가 눌러지면 스위치(7a)에 의해 설정된 목표면을 해제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 스위치(7a)에 의해 정의되는 모든 점은 후술하는 X-Z 좌표(도 6 참조) 상에 설정하는 것으로 하고, X-Z 좌표 상의 2점으로 정의되는 직선(선분)을 포함하고, 또한 X-Z 좌표가 형성하는 면에 직교하는 면을 목표면으로 함으로써, 2점에 의한 목표면의 설정을 가능하게 하고 있다.
스위치(7a)에 의해 설정된 목표면은, 모니터(12) 상에 모식도로서 표시하거나 수치로 표시하거나 하여, 설정된 목표면을 오퍼레이터가 확인할 수 있도록 구성해도 된다.
도 4에, 제어 유닛(9)의 ROM(93)에 기억된 제어 프로그램의 개요를 기능 블록도로 도시한다. 제어 유닛(9)은, 굴삭 제어를 행하는 굴삭 제어부(10)와, 목표면의 설정 처리와 함께 모니터(12)의 표시 처리를 행하는 설정ㆍ표시 처리부(11)를 갖고 있다. 굴삭 제어부(10)는, 조작 레버 장치(4a 내지 4f)로부터의 조작 신호에 기초하여 유량 제어 밸브(5a 내지 5f)에 대한 명령 신호를 생성하는 처리를 행한다.
설정ㆍ표시 처리부(11)는, 설정기(7)로부터 출력된 신호에 기초하여, 유압 셔블의 좌표계(도 6 참조)에 대하여 목표면을 연산ㆍ설정하고, 그 목표면의 모식도(화상)를 모니터(12)에 표시한다. 또한, 설정ㆍ표시 처리부(11)는, 각도 검출기(8a, 8b, 8c)의 검출 신호에 기초하여 버킷(1c)의 위치와 자세를 연산하고, 그 연산한 위치와 자세의 버킷(1c)을 유압 셔블 측면에서 바라본 경우의 모식도(화상)를 모니터(12)에 표시한다. 이에 의해 유압 셔블 측면에서 바라본 경우의 버킷(1c)과 목표면의 모식도가 합성 처리되어, 모니터(12)에 표시된다.
설정ㆍ표시 처리부(11)는, 거리 연산부(110)와 합성 처리부(111)를 구비하고 있다. 거리 연산부(110)는, 각도 검출기(8a, 8b, 8c)의 검출 신호로부터의 신호를 입력하고, 버킷(1c)의 자세를 연산하여, 그 자세와 설정된 목표면의 위치 관계로부터 버킷(1c)의 발끝과 목표면의 연직 거리를 연산한다. 합성 처리부(111)는, 버킷(1c)의 자세와 목표면의 연직 거리와 목표면의 위치 및 구배로부터 버킷(1c)과 목표면의 상대적인 위치 관계를 연산하고, 유압 셔블 측면에서 바라본 경우의 버킷(1c)과 목표면의 모식도를 합성 처리하고, 운전실 내에 설치된 표시 모니터(12) 상에 표시한다.
이어서, 도 5를 사용하여, 거리 연산부(110)의 처리 기능에 대하여 설명한다. 도 5는, 거리 연산부(110)의 처리 기능을 블록도로 도시한 것이며, 거리 연산부(110)는, 버킷(1c)의 위치ㆍ자세 연산부(110a)와, 차체(1B)와 목표면의 위치 관계 연산ㆍ기억부(110b)와, 버킷 발끝과 목표면의 거리 연산부(110c)를 구비하고 있다.
버킷 위치ㆍ자세 연산부(110a)는, 도 6에 도시하는 유압 셔블의 좌표계 및 각 부 치수에 기초하여 버킷 발끝의 X-Z 좌표(Pvx, Pvz)를, 이하의 식 (1), (2)에 의해 연산한다. LV는 버킷 발끝부터 버킷 회동 중심까지 거리이고, LA는 버킷 회동 중심부터 아암 회동 중심까지의 거리이고, LB는 아암 회동 중심부터 붐 회동 중심까지의 거리이다. 붐 회동 중심의 좌표는 (LF1, LF2)로 한다.
Pvx=LV×cos(αB+αA+αV)+LA×cos(αB+αA)+LB×cosαB+LF1 (1)
Pvz=-LV×sin(αB+αA+αV)-LA×sin(αB+αA)-LB×sinαB+LF2 (2)
또한, 버킷의 위치ㆍ자세 연산부(110a)는, 버킷 배면의 지면에 대한 각도 αG를, 이하의 식 (3)에 의해 연산한다.
αG=-αB-αA-αV-αtip+180° (3)
차체와 목표면의 위치 관계 연산ㆍ기억부(110b)는, 설정기(7)의 스위치(7a)로부터 신호가 입력된 경우, 버킷 위치ㆍ자세 연산부(110a)에서 연산된 버킷 발끝 좌표(Pvx, Pvz)를 기억한다. 그리고, 스위치(7a)가 눌려 신호가 입력될 때마다 버킷 발끝 좌표를 기억하고, 스위치(7a)가 2회 이상 눌린 경우(2 이상의 점이 설정된 경우)에, 그 2 이상의 점에 의해 목표면을 규정하는 1차식을 연산하고, 그 1차식을 목표면의 위치를 나타내는 것으로서 기억한다. 3 이상의 점을 설정한 경우의 목표면의 설정 방법으로서는, 예를 들어 설정한 순으로 점을 연결하여 그려지는 X-Z 평면 상의 꺾은선에 의해 목표면을 규정하는 것이나, 3점 이상 설정해도 바로 근처의 2점만으로 목표면을 규정하는 것 등이 있지만, 그 밖의 설정 방법이어도 된다. 또한, 꺾은선으로 목표면을 규정한 경우에는, 목표면을 규정하는 1차식은 복수 존재하게 된다(구체적으로는 꺾은선을 구성하는 선분의 수만큼 1차식이 존재하게 됨).
도 6의 예에서는, 위치 관계 연산ㆍ기억부(110b)에 버킷 발끝 좌표로서 기억된 점으로서, 4개의 점 T1, T2, T3, T4가 존재한다. 이들 4점 중 X 방향에 있어서 인접하는 2점에 의해 꺾은선상의 목표면이 정의되어 있다.
버킷 발끝과 목표면의 거리 연산부(110c)는, 버킷의 위치ㆍ자세 연산부(110a)에 있어서 연산된 현재의 버킷 발끝 좌표(Pvx, Pvz)와, 차체와 목표면의 위치 관계 연산ㆍ기억부(110b)에 있어서 연산된 목표면의 1차식에 의해, 버킷 발끝과 목표면의 연직 거리 Ltip을 연산한다. 구체적으로는, 버킷 발끝 좌표(Pvx, Pvz)와 목표면의 1차식이 규정하는 직선의 거리를 연직 거리 Ltip으로서 연산한다. 또한, 목표면을 나타내는 1차식(직선)이 복수 존재하는 경우에는, 현재의 버킷 발끝 위치로부터 Z 방향에 있어서 가장 가까운 위치에 존재하는 직선(즉 버킷 발끝의 바로 아래 또는 바로 위에 존재하는 직선 중에서 가장 가까운 것)까지의 연직 거리 Ltip을 연산하는 것으로 한다.
다음으로 도 7을 사용하여 합성 처리부(111)의 처리 기능에 대하여 설명한다. 도 7은, 합성 처리부(111)의 처리 기능을 블록도로 도시한 것이며, 합성 처리부(111)는, 작업구 표시 제어부(111e)와, 이동 방향 연산부(111b)와, 목표면 표시 제어부(111d)를 구비하고 있다.
작업구 표시 제어부(111e)는, 이동 방향 연산부(111b)에서 버킷(1c)의 이동이 예측된 경우에는, 모니터(12)의 표시 화면 상에서 버킷(1c)의 화상으로부터 그 예측 이동 방향측에 위치하는 영역의 면적이, 버킷(1c)의 화상을 기준 위치(표시 화면 상에 버킷(1c)의 화상을 표시할 때의 기준이 되는 위치를 말하며, 예를 들어 도 9의 점 C가 해당됨)에 표시하는 경우보다 넓어지도록, 예측 이동 방향에 따라 버킷(1c)의 화상의 표시 위치를 변경하는 처리를 실행한다. 또한, 상기 이외의 경우(예를 들어, 이동 방향 연산부(111b)에 의한 버킷(1c)의 예측 이동 방향의 특정이 불능인 경우나, 예측 이동 방향에 수반하는 버킷(1c)의 화상의 표시 위치 변경 처리를 행하지 않는 경우), 작업구 표시 제어부(111e)는 모니터(12)의 표시 화면 상의 기준 위치에 버킷(1c)의 화상을 표시한다. 이 처리를 실행하기 위해, 작업구 표시 제어부(111e)는, 통상 표시 결정부(111a)와, 표시 위치 보정 제어부(111c)를 구비하고 있다.
통상 표시 결정부(111a)는, 버킷 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값에 기초하여, 모니터(12)의 표시 화면 상에 버킷(1c)의 화상을 표시할 때의 기준이 되는 위치(기준 위치)에 버킷(1c)의 화상을 표시할 때의 버킷(1c)의 자세를 결정한다
통상 표시 결정부(111a)는, 모니터(12)의 표시 화면 상에 미리 설정한 기준 위치에 버킷(1c)의 화상을 표시할 때의 자세를, 버킷 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값에 기초하여 결정하는 부분이다. 「기준 위치」란, 버킷(1c)의 화상의 발끝을 표시 화면 상에 표시할 때의 기준이 되는 위치이며, 모니터(12)의 표시 화면에 설정한 좌표계 U-W의 좌표로 설정된 점(도 9의 점 C)이다. 도 9는 모니터(12)의 표시 화면에 설정한 좌표계 U-W의 일례를 도시하고 있고, 표시 화면의 우측 하단이 점 O로 설정되어 있다. 도 9에 굵은 선으로 나타낸 직사각형은 표시 화면의 윤곽을 나타내고, W 방향의 표시 화면 치수를 MLW, U 방향의 표시 화면 치수를 MLU로 한다. 도 9 상의 점 C(MLU/2, MLW-MLU/4)가 기준 위치이다.
이동 방향 연산부(111b)는, 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값과, 작업 장치(1A)를 제어하는 3개의 조작 레버(4a 내지 4c)의 조작량(조작 신호)의 적어도 한쪽에 기초하여, 표시 화면의 U-W 평면에 있어서의 버킷(1c)의 예측 이동 방향을 연산하는 처리를 행하는 부분이다.
여기서, 이동 방향 연산부(111b)의 처리에 대하여, 도 8의 흐름도를 사용하여 설명한다. 도 8의 흐름도가 개시되면, S100으로 진행하고, 3개의 조작 레버(4a 내지 4c) 중 어느 것으로부터의 조작 신호의 입력이 이동 방향 연산부(111b)에 있는지 여부를 판단한다.
S100에서 조작 신호의 입력이 있다고 판단된 경우(즉, 작업 장치(1A)가 동작하고 있는 경우)에는, S110으로 진행하고, 조작 레버(4a 내지 4c)로부터 입력된 조작 신호와, 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값으로부터 구해지는 그때의 작업 장치(1A)의 자세에 기초하여 버킷(1c)의 예측 이동 방향을 연산한다. 보다 구체적으로는, 우선, 이동 방향 연산부(111b)는, 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값으로부터 구해지는 그때의 붐(1a), 아암(1b), 버킷(1c)의 각도 αB, αA, αV를 연산한다. 또한, 제어 유닛(9) 내의 기억 장치에는, 각 조작 레버(4a 내지 4c)의 조작량에 대한 각 유압 실린더(3a 내지 3c)의 동작 스피드가 기억되어 있고, 이동 방향 연산부(111b)는, 각도 αB, αA, αV와, 각 조작 레버(4a 내지 4c)의 조작량 및 그로부터 도출되는 동작 스피드에 기초하여 붐(1a), 아암(1b), 버킷(1c) 각각의 소정 제어 주기 후의 회동각을 구하고, 이에 의해 버킷 발끝의 예측 이동 방향의 연산을 행한다.
S110의 연산에서 얻어지는 예측 이동 방향은 X-Z 평면 상의 벡터로 표시되지만, 본 실시 형태에서는 설명 및 처리를 간략화하기 위해 당해 벡터의 X 성분만을 예측 이동 방향이라고 간주하기로 한다. 즉, 예측 이동 방향은 도 6 중의 좌측 방향(+X 방향) 또는 우측 방향(-X 방향)으로 된다. 또한, S110의 연산으로 예측 이동 방향을 특정할 수 없는 경우(예를 들어, X 성분이 없는 경우(상측 방향 또는 하측 방향)나, 좌우 방향 중 어느 쪽으로 이동할지 불분명한 경우)에는 「예측 불능」이라고 간주하기로 한다.
한편, S100에서 조작 신호의 입력이 없다고 판단된 경우(즉, 작업 장치(1A)가 정지하고 있는 경우)에는, S120으로 진행하고, 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값으로부터 구해지는 그때의 작업 장치(1A)의 자세에만 기초하여 버킷(1c)의 예측 이동 방향을 연산한다.
S120에 있어서의 작업 장치(1A)의 자세에만 의한 예측 이동 방향의 연산 방법의 일례로서, 본 실시 형태에서는 다음의 방법을 채용하고 있다. 우선, 도 6 중에 도시한 바와 같이, 붐(1a), 아암(1b) 및 버킷(1c)을 동작시켰을 때 버킷(1c)의 발끝이 도달 가능한 수평 거리의 최댓값을 Rmax로 하고, 또한 상부 선회체(1d)의 선회 중심으로부터 Rmax를 향하여 차례로 3개의 폐쇄 영역(제1 영역 S1, 제2 영역 S2, 제3 영역 S3)을 설정한다. 그리고, 작업 장치(1A)의 자세에 기초하여, (1) 버킷 발끝이 제3 영역 S3 내에 있다고 판단된 경우에는, 그 후 제2 영역 S2의 방향을 향하여 버킷(1c)이 이동한다고 간주하여, 상부 선회체(1d)에 근접하는 방향(도 6 중의 -X 방향)을 버킷(1c)의 예측 이동 방향으로 하고, 또한 (2) 버킷 발끝이 제1 영역 S1 내에 있다고 판단된 경우에는, 그 후 제2 영역 S2의 방향을 향하여 버킷(1c)이 이동한다고 간주하여, 상부 선회체(1d)로부터 이격되는 방향(도 6 중의 +X 방향)을 버킷(1c)의 예측 이동 방향으로 하고, (3) 버킷 발끝이 제2 영역 S2 내에 있다고 판단된 경우에는, 상부 선회체(1d)에 근접하는 방향과 이격되는 방향의 어느 쪽으로도 움직일 가능성이 있기 때문에 예측 이동 방향의 특정 불능(예측 불능)이라고 판단한다.
S110 또는 S120의 처리가 종료되면, 이동 방향 연산부(111b)는 연산한 예측 이동 방향을 표시 위치 보정부(111c)에 출력하고, 다음의 제어 주기까지 대기한다.
통상 표시 결정부(111a)는, 모니터(12)의 표시 화면 상의 기준 위치에 버킷(1c)의 화상을 표시하는 경우의 표시 형태(통상 표시)를 결정하는 부분이다. 본 실시 형태의 통상 표시 결정부(111a)는, 버킷(1c)의 화상을 기준 위치에 표시하는 경우의 당해 화상의 「자세」를, 버킷 위치ㆍ자세 연산부(110a)의 연산값에 기초하여 결정하고 있다. 구체적으로는, 버킷의 위치ㆍ자세 연산부(110a)에 의해 연산된 버킷 배면의 지면에 대한 각도 αG를 이용하여, 그 각도 αG만큼 버킷 배면을 기울인 버킷 측면도(한쪽의 측면을 포함하는 정투영도)의 화상을 버킷 화상으로서 표시한다. 버킷 측면도의 화상은, 버킷(1c)의 측면의 도면이나 사진 등을 적절한 척도로 표시한 것뿐만 아니라, 발끝을 인식할 수 있다면 과장한 것이어도 된다. 또한, 버킷 측면도의 화상의 축척은 미리 설정한 값으로 한다. 축척을 고정으로 해 두면, 축척을 변경하는 경우에 비하여 오퍼레이터가 버킷 발끝과 목표면의 거리감을 파악하기 쉬워진다.
상기 처리에 의해, 통상 표시 결정부(111a)에 의한 통상 표시는, 각도 αG만큼 버킷 배면을 기울인 소정의 축척의 버킷 화상(버킷 측면도의 화상)을, 그 화상의 발끝이 기준 위치 C에 위치하도록 표시한 것으로 된다.
표시 위치 보정부(111c)는, 이동 방향 연산부(111b)가 연산한 예측 이동 방향에 따라, 표시 화면 상에 있어서의 버킷 화상의 표시 위치를 기준 위치(점 C)로부터 변경하는 처리를 실행하는 부분이다. 통상 표시 결정부(111a)에서 결정한 버킷 화상의 자세는, 표시 위치 보정부(111c)에 의한 표시 위치의 변경 처리 후에도 유지된다. 표시 위치 보정부(111c)에는, 통상 표시 결정부(111a)가 결정한 표시 위치(기준 위치 C) 및 버킷 화상의 자세와, 이동 방향 연산부(111b)가 연산한 예측 이동 방향이 입력되어 있다.
표시 위치 보정부(111c)의 처리에 대하여, 도 10의 흐름도를 사용하여 설명한다. 도 10의 흐름도가 개시되면, 우선, 이동 방향 연산부(111b)가 연산한 예측 이동 방향이 +X 방향인지 여부를 판단(S200)하고, +X 방향(상부 선회체(1d)로부터 이격되는 방향)인 경우에는, 버킷 화상의 발끝 위치를 기준 위치 C로부터 점 F(도 9 참조)로 변경하고, 점 F에 발끝이 위치하도록 버킷 화상을 표시한다(S210). 점 F의 좌표는 (MLU/4, MLW-MLU/4)이다. 점 C보다 상부 선회체(1d)에 가까운 위치에 점 F를 설정하고 있으므로, 버킷 화상을 점 F에 표시하였을 때 표시 화면 상에서 버킷 화상으로부터 예측 이동 방향측(+X 방향(+U 방향))에 위치하는 영역의 면적은, 버킷 화상을 점 C(MLU/2, MLW-MLU/4)에 표시하는 경우보다 넓어진다. 그리고, 표시 위치 보정부(111c)는, 점 F에 발끝을 표시하는 것을 목표면 표시 제어부(111d)에 출력한다.
S200에서 예측 이동 방향이 +X 방향이 아니라고 판단된 경우에는, 다음으로 예측 이동 방향이 -X 방향(상부 선회체(1d)에 근접하는 방향)인지 여부를 판단한다(S220). S220에서 -X 방향이라고 판단된 경우에는, 표시 위치 보정부(111c)는, 버킷 화상의 발끝 위치를 기준 위치 C로부터 점 N(도 9 참조)으로 변경하고, 점 N에 발끝이 위치하도록 버킷 화상을 표시한다(S230). 점 N의 좌표는 (3MLU/4, MLW-MLU/4)이다. 점 C보다 상부 선회체(1d)로부터 멀어지는 위치에 점 N을 설정하고 있으므로, 버킷 화상을 점 N에 표시하였을 때 표시 화면 상에서 버킷 화상으로부터 예측 이동 방향측(-X 방향(-U 방향))에 위치하는 영역의 면적은, 버킷 화상을 점 C(MLU/2, MLW-MLU/4)에 표시하는 경우보다 넓어진다. 그리고, 표시 위치 보정부(111c)는, 점 N에 발끝을 표시하는 것을 목표면 표시 제어부(111d)에 출력한다.
S220에서 예측 이동 방향이 -X 방향이 아니라고 판단된 경우(예를 들어, 예측 이동 방향이 특정 불능(예측 불능)인 경우)에는, 표시 위치 보정부(111c)는, 버킷 화상의 발끝 위치를 기준 위치 C인 채로 하고, 점 C에 발끝이 위치하도록 버킷 화상을 표시한다(S240). 또한, 표시 위치 보정부(111c)는, 점 C에 발끝을 표시하는 것을 목표면 표시 제어부(111d)에 출력한다.
S210, 230, 240에서 버킷 화상을 표시 화면 상에 표시할 때, 3점 C, F, N의 어느 좌표와, 소정의 축척 계수와, 각도 αG의 정보를 이용하여, 버킷 화상을 묘화한다. 소정의 축척 계수란, 버킷 화상의 전체가 표시 화면 상에 표시되는 값 또는 범위에 미리 설정된 1 미만의 수치이다.
또한, 도 9에 도시한 예에 있어서의 3점 C, F, N의 W 좌표(Mvw)는 「MLW-MLU/4」에서 공통이며, 각 점의 U 좌표(Mvu)는 표시 화면의 가로 폭(MLU)을 4등분하는 점을 기준으로 정하였지만, 이것은 일례에 지나지 않으며, 0으로부터 +U 방향을 따라 3점 F, C, N이 이 순서로 배치되는 것이라면, 당해 3점의 U 좌표는 상기의 값일 필요는 없으며, 또한 당해 3점의 W 좌표는 상기와 같이 동일할 필요는 없다.
도 7로 복귀하여, 목표면 표시 제어부(111d)는, 작업구 표시 제어부(111e)(통상 표시 결정부(111a) 및 표시 위치 보정 제어부(111c))에서 결정된 표시 위치(점 C, F, N 중 어느 것)에 버킷 화상을 표시하였을 때 표시 화면 내에 포함되는 목표면의 윤곽의 화상을 표시 화면에 표시하는 처리를 실행하는 부분이다.
표시 화면 상에 목표면을 표시할 때에는, X-Y 평면에 대한 U-W 평면의 축척(표시 화면의 축척)과, X-Y 평면과 U-W 평면에 있어서의 버킷 발끝 위치의 좌표와, X-Y 평면에 있어서의 목표면의 위치 정보와, X-Y 평면에 있어서의 버킷 발끝과 목표면의 연직 거리 Ltip을 이용한다.
이상의 연산 결과를 표시 화면에 표시한 예를 도 11a, 도 11b, 도 11c에 도시한다. 도 11a는 버킷이 -X 방향으로 움직인다고 판단된 경우(도 10의 S230을 통과한 경우)의 표시 화면 예이고, 도 11b는 버킷이 +X 방향으로 움직인다고 판단된 경우(도 10의 S210을 통과한 경우)의 표시 화면 예이고, 도 11c는 버킷이 +X 방향과 -X 방향의 어느 쪽으로 움직일지 불분명하다고 판단된 경우(도 10의 S240을 통과한 경우)의 표시 화면 예이다. 또한, 도 11 중에는 점 N, C, F를 표시하고 있지만, 이것은 도 9와 도 11의 관계성의 파악을 용이하게 하기 위한 것이며, 실제의 화면 상에서는 점 N, C, F는 비표시로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 건설 기계의 표시 시스템에 따르면, 버킷(1c)의 예측 이동 방향이 -X 방향이라고 판단된 경우에는, 도 11a와 같이 점 N에 버킷 화상(50)의 발끝이 표시되고, 버킷 화상(50)으로부터 -X 방향(예측 이동 방향)에 위치하는 영역이 표시 화면 상에서 넓게 비추어지므로, 버킷(1c)의 이동 방향(-X 방향)에 위치하는 목표면(56)의 형상을 용이하게 파악할 수 있다. 마찬가지로, 버킷(1c)의 예측 이동 방향이 +X 방향이라고 판단된 경우에는, 도 11b와 같이 점 F에 버킷 화상(50)의 발끝이 표시되고, 버킷 화상으로부터 +X 방향(예측 이동 방향)에 위치하는 영역이 표시 화면 상에서 넓게 비추어지므로, 버킷(1c)의 이동 방향(+X 방향)에 위치하는 목표면(52)의 형상을 용이하게 파악할 수 있다. 또한, 버킷(1c)의 예측 이동 방향이 특정 불능인 경우에는, 도 11c와 같이 점 C에 버킷 화상(50)의 발끝이 표시되고, 버킷 화상으로부터 +X 방향에 위치하는 영역과 -X 방향에 위치하는 영역의 면적이 대략 동일하게 되므로, 버킷(1c)을 어느 방향으로 이동시켜도 그 이동 방향에 위치하는 목표면(52, 56)의 형상을 파악할 수 있다.
또한, 모니터(12)의 표시 화면 상에서는, 버킷과 목표면의 화상을 표시하는 스페이스에 한계가 있지만, 본 실시 형태와 같이 버킷(1c)의 예측 이동 방향에 따라 버킷 화상의 표시 위치를 변경하면 예측 이동 방향에 따라 목표면이 표시되는 스페이스를 변경할 수 있으므로, 작업구의 이동 방향에 위치하는 목표면의 형상 파악이 표시 화면의 사이즈를 유지한 채로도 용이하게 된다.
그런데, 버킷 발끝으로부터 수직 상측 방향 또는 수직 하측 방향에 위치하는 목표면(즉, 버킷 발끝의 바로 아래 또는 바로 위에 위치하는 목표면)부터 버킷 발끝까지의 거리가 충분히 이격되어 있어 표시 화면 상에 당해 목표면을 표시할 수 없는 경우가 있다. 이 경우에는, 당해 목표면이 존재하는 방향을 문자, 도형, 기호 등(예를 들어 화살표)으로 표시 화면 상에 표시하거나, 당해 목표면이 존재하는 방향을 음성 가이드하거나 하는 목표면 방향 가이드부(111f)(도 7 참조)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 목표면 방향 가이드부(111f)에는, 목표면 표시 제어부(111d)로부터 버킷(1c)의 표시 위치가 입력되어 있고, 차체와 목표면의 위치 관계 연산ㆍ기억부(110b)로부터 목표면의 위치 정보가 입력되어 있다. 목표면 방향 가이드부(111f)는 이들 입력 정보에 기초하여, 버킷 발끝의 바로 아래 또는 바로 위에 위치하는 목표면은 표시 화면 내에 표시 가능한지 여부의 판단을 행하여, 당해 목표면의 표시가 불가능하다(즉 당해 목표면은 표시 화면 밖에 존재한다)고 판단된 경우에는 당해 목표면이 존재하는 방향을 기호(화살표(60))로 표시 화면 상에 표시한다.
표시 화면 밖에 존재하는 목표면의 방향을 화살표(60)의 화상으로 나타낸 표시 화면의 예를 도 12a, 도 12b에 도시한다. 도 12a는 버킷 발끝의 바로 아래에 위치하는 목표면이 표시 화면 밖에 존재하기 때문에, 표시 화면의 하단을 나타내는 화살표(60)의 화상이 표시된 표시 화면 예이다. 도 12b는 버킷 발끝의 바로 위에 위치하는 목표면이 표시 화면 밖에 존재하기 때문에, 표시 화면의 상단을 나타내는 화살표(60)의 화상이 표시된 표시 화면 예이다. 또한, 도 12b와 같이 버킷(1c)의 정보에 목표면이 위치하는 구체적인 장면으로서는, 성토를 할 때나 목표면을 지나치게 굴삭하였을 때가 해당된다.
도 12a와 도 12b의 예에서는 목표면의 일부가 표시되어 있지만, 표시 화면의 축척을 소정의 값으로 유지한 경우 등에는, 버킷 화상(50)만이 화면 상에 표시되고, 목표면이 전혀 표시되지 않는 경우도 있다. 이와 같이 목표면의 파악이 어려운 경우 또는 전혀 불가능한 경우에 있어서, 상기와 같이 목표면 방향 가이드부(111f)를 구비한 건설 기계의 표시 시스템을 사용하면, 표시 화면 상에 목표면이 표시되지 않는 경우라도, 표시 화면 밖에 존재하는 목표면이 어느 방향에 존재하는지를 용이하게 파악할 수 있다. 이에 의해 목표면의 형상을 파악하기 위해 쓸데없는 조작을 행할 필요가 없어져, 작업 효율의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기의 예에서는 화면에 표시되는 화살표(60)의 길이는 일정하게 하였지만, 버킷 발끝부터 목표면까지의 거리에 따라 화살표의 길이를 변경하여 표시해도 된다.
또한, 도 12a, 도 12b에서는, 버킷 화상(50)의 발끝이 점 C(도시하지 않음)에 위치하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 발끝이 점 F나 점 N에 위치하는 경우도 마찬가지라는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 상기의 예에서는, 버킷 발끝의 바로 아래 또는 바로 위에 위치하는 목표면이 존재하는 방향을 표시 화면 상에 표시하였지만, 버킷 발끝으로부터 가장 가까운 목표면이 존재하는 방향을 표시 화면 상에 표시해도 되고, 그 밖의 조건을 만족시키는 목표면이 존재하는 방향을 표시 화면 상에 표시해도 된다. 요는, 특정한 조건을 만족시키는 목표면이 존재하는 방향을 표시 화면 상에 표시하면 된다.
그런데, 상기에서는 도 8의 S110 및 S120에 있어서, 설명 및 처리의 간략화의 관점에서 예측 이동 방향을 X 성분만으로 정의하였지만, S110 및 S120의 어느 경우든 Z 성분도 고려하여 예측 이동 방향을 구해도 된다. 이 경우의 버킷 화상의 발끝 위치의 결정 방법으로서는 예를 들어 다음과 같은 것이 있다. 우선, S110 또는 S120에서 연산된 예측 이동 방향의 벡터의 역 벡터를 XZ 좌표계 상에서 생성하고, 이것에 소정의 축척 계수를 곱하거나 하여 UW 좌표계 상의 벡터로 변환한다. 그리고, 당해 변환 후의 역 벡터의 개시점이 기준 위치 C(MLU/2, MLW/2)에 일치하도록 UW 좌표 상에서 이동시키고, 이동 후의 역 벡터 V1r 상 또는 그의 연장선 상에서 기준 위치 C로부터 소정 거리 R 이격된 점을 버킷 화상의 발끝을 표시하는 위치 P로 설정한다(도 13 참조). 즉, 이동 방향 연산부(111b)에서 연산된 예측 이동 방향의 반대 방향을 향하여 기준 위치 C로부터 소정 거리 R 이격된 위치를, 표시 화면 상에 있어서의 버킷 화상의 표시 위치 P로 한다. 이와 같이 버킷 화상의 표시 위치를 설정하면, 예측 이동 방향과는 반대 방향으로 버킷 화상이 표시되고, 예측 이동 방향측에는 스페이스가 확보되게 되므로, 당해 스페이스에 위치하는 목표면을 표시 화면에 표시할 수 있게 된다.
또한, 도 13에서는 기준 위치 C를 표시 화면의 중심에 설정하였지만, 그 밖의 위치에 설정해도 상관없다. 도 13의 벡터 V1은, XZ 좌표계 상에서 생성된 예측 이동 방향의 벡터를 UW 좌표계 상의 벡터로 변환한 것이다.
상기에서는, 예측 이동 방향에만 기초하여 버킷 화상의 발끝의 표시 위치를 변경하였지만, 예측 이동 방향에 추가하여 예측 이동 속도도 추측하고, 예측 이동 방향 및 예측 이동 속도에 기초하여 버킷 화상의 발끝의 표시 위치를 변경해도 된다. 예측 이동 속도는, 소정 거리 R(도 13 참조)의 값을 결정할 때 이용하고, 예를 들어 예측 이동 속도와 거리 R에 비례 관계가 성립하도록 양자를 관련짓는 방법이 있다. 이와 같이 설정하면, 예측 이동 속도가 큰 경우에는 버킷 화상이 표시 화면의 주위에 배치되고, 예측 이동 속도가 작은 경우에는 버킷 화상이 표시 화면의 중앙 근방에 배치되게 된다. 즉, 예측 이동 속도의 크기에 따라 확보되는 스페이스의 크기를 크게 할 수 있다.
상기의 도 8의 S110에서는, 조작 레버(4a 내지 4c)의 조작 신호와 작업 장치(1A)의 자세에 기초하여 버킷(1c)의 예측 이동 방향을 연산하였지만, 조작 레버(4a 내지 4c)의 조작 신호에만 기초하여 버킷(1c)의 예측 이동 방향을 연산해도 된다. 이 방법을 채용한 경우, 예를 들어 유압 실린더(3a 내지 3c) 중 적어도 하나가 완전히 늘어나거나 또는 완전히 줄어들어 버킷(1c)을 이동할 수 없을 때에도 조작 레버(4a 내지 4c)를 조작하면 조작 신호는 출력되므로, 표시 화면에서의 버킷 화상의 표시 위치를, 조작 레버(4a 내지 4c)의 조작에 관련지을 수 있는 한편, 버킷(1c)의 이동 방향과 분리할 수 있다. 이에 의해, 실제의 버킷 발끝이 Rmax(도 6 참조) 상에 존재하고 버킷(1c)을 Rmax보다 이격된 위치로 이동할 수 없는 경우라도, 예를 들어 아암 덤프 조작을 하여 예측 이동 방향이 전방이면 합성 표시부(111)에 인식시킴으로써, Rmax보다 더 이격된 위치에 있어서의 목표면을 화면 상에 표시할 수 있고, 오퍼레이터는 그 형상을 파악할 수 있게 된다.
상기에서는, S120에 있어서의 작업 장치(1A)의 자세에만 의한 예측 이동 방향의 연산 방법의 일례로서, X 방향을 따라 3분할하여 규정한 3개의 폐쇄 영역 S1, S2, S3에 대하여 미리 예측 이동 방향을 관련지어 두고, 이 3개의 폐쇄 영역의 어느 곳에 버킷 발끝이 위치하는지에 기초하여 예측 이동 방향을 추정하였지만, X 방향에 추가하여 Z 방향으로도 복수의 폐쇄 영역을 규정하고, 버킷 발끝이 어느 폐쇄 영역에 위치하는지에 기초하여 예측 이동 방향을 추정해도 된다. X 방향, Z 방향의 분할수는 3에 한하지 않고 임의의 수치의 이용이 가능하다.
작업 장치(1A)를 제어하는 3개의 조작 레버(4a 내지 4c)만을 버킷(1c)의 예측 이동 방향의 연산에 이용하였지만, 선회체(1d)나 주행체(1e)를 동작시켜도 버킷(1c)이 이동하게 되므로 이들을 제어하는 조작 레버(4d, 4e, 4f)의 조작 신호를 추가하여 예측 이동 방향을 연산해도 된다.
상기의 설명에서는, 작업 장치(1A)의 위치와 자세에 관한 상태량을 검출하는 센서로서 각도 검출기(8a, 8b, 8c)를 이용하였지만, 붐(1a), 아암(1b) 및 버킷(1c)의 경사각을 검출하는 경사각 검출기나, 붐 실린더(3a), 아암 실린더(3b) 및 버킷 실린더(3c)의 신축량을 검출하는 검출기 등도 이용 가능하다.
상기의 설명에서는 버킷 측면도의 화상의 축척을 일정하게 하였지만, 예를 들어 가장 가까운 목표면과 버킷 발끝의 거리에 따라 축척을 가변으로 함으로써, 당해 가장 가까운 목표면과 버킷이 표시 화면 상에 나타나도록 제어해도 된다.
버킷(1c)이나 목표면의 화상과 함께, 버킷의 발끝부터 목표면까지의 거리 정보나, 버킷 각도의 정보 등의 문자 정보를 표시 화면 상에 표시해도 된다.
목표면 상 및 그 상방만 굴삭이 가능하도록(버킷 발끝이 위치하도록), 목표면의 위치 정보와 버킷 발끝의 위치 정보에 기초하여 작업 장치의 움직임을 자동적으로 제어하는 영역 제한이라고 불리는 기술을 상기의 건설 기계에 탑재해도 된다.
상기의 설명에서는, 조작 레버(4a 내지 4c)가 조작 신호로서 전기 신호를 출력하는 전기 레버의 경우를 예로 들어 설명하였지만, 조작 신호로서 유압 신호를 출력하는 유압 파일럿 방식의 레버를 이용해도 된다. 그 경우에는, 조작 신호의 유압을 압력 센서로 검출하고, 당해 검출압으로부터 조작량을 계측할 수 있다.
상기의 설명에서는, 유압 셔블을 좌측면에서 보았을 때의 버킷 화상을 모니터(12)의 표시 화면 상에 표시하는 예에 대하여 설명하였지만, 유압 셔블을 우측면에서 보았을 때의 버킷 화상을 모니터(12) 상에 표시해도 된다. 또한, 오퍼레이터의 기호에 따라 양자를 전환 가능하게 구성해도 된다.
상기에서는 설정기(7)를 조작하여 기억한 2점 이상의 버킷 발끝 좌표에 기초하여 목표면을 설정하였지만, 별도로 입력 장치를 설치하고, 당해 입력 장치를 통하여 입력되는 목표면의 위치 및 구배를 나타내는 임의의 수치에 기초하여 목표면을 설정해도 된다. 또한, 목표면은, 예를 들어 제어 유닛(9) 내의 기억 장치 또는 제어 유닛(9) 밖의 기억 장치(예를 들어, 유압 셔블 외부의 기억 장치)에 기억된 것을 적절히 읽어들여 설정하도록 해도 된다. 이어서, 제어 유닛(9) 밖의 기억 장치에 저장된 목표면을 이용하여 버킷(1c)의 예측 이동 방향에 존재하는 목표면을 화면 상에 표시할 때의 실시 형태에 대하여 도 14 및 도 15를 사용하여 설명한다. 또한, 앞서의 도면과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략하는 경우가 있다.
도 14는, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 건설 기계의 표시 시스템이 적용되는 유압 셔블의 개략 구성도이다. 또한, 본 실시 형태에 관한 유압 셔블의 외관 및 좌표에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일하게 한다.
도 14에 도시한 유압 셔블은, 유압 셔블 또는 버킷(1c) 자체의 글로벌한 위치를 검출하기 위한 위치 검출 장치(예를 들어, GPS 수신기)(13A)와, 유압 셔블 또는 버킷(1c) 자체의 글로벌한 방위를 검출하기 위한 방위 검출 장치(예를 들어, GPS 수신기나 자이로 센서)(13B)와, 모니터(12)의 표시 화면에 표시하는 목표면을 추출하는 목표면 연산 유닛(9B)을 구비하고 있다.
목표면 연산 유닛(9B)은, 컴퓨터(예를 들어 마이크로컴퓨터)이며, 제어 유닛(9)과 마찬가지의 하드웨어 구성을 구비하고 있다. 목표면 연산 유닛(9B)과 제어 유닛(9)은 서로 정보의 통신이 가능한 인터페이스를 구비한다.
도 15는, 제어 유닛(9)의 기억 장치(ROM(93)) 및 목표면 연산 유닛(9B)의 기억 장치에 기억된 제어 프로그램의 개요를 기능 블록으로 도시한 도면이다.
제어 유닛(9)은, 표시 처리부(11)와 굴삭 제어부(10)에 추가하여, 표시 범위 명령부(16)를 구비하고 있다. 표시 처리부(11)는, 제1 실시 형태의 설정ㆍ표시 처리부(11)가 실행하는 처리로부터 목표면의 설정 처리를 제외한 것을 실행한다. 이것은, 본 실시 형태에서는 목표면의 데이터를 목표면 연산 유닛(9B)으로부터 입력하고 있기 때문이다.
목표면 연산 유닛(9B)은, 목표면의 3차원 데이터가 기억된 목표면 기억부(17)와, 목표면 기억부(17)에 기억된 목표면의 3차원 데이터로부터 버킷(1c)의 현재 위치를 기준으로 하는 소정 범위에 포함되는 목표면의 데이터를 추출하는 데이터 추출부(18)를 구비하고 있다.
본 실시 형태의 데이터 추출부(18)는, 2차원 목표면 생성부(14)와, 부분적 2차원 목표면 생성부(15)를 구비하고 있다.
2차원 목표면 생성부(14)는, 버킷(1c)을 포함하는 작업 장치(1A)의 중심을 통과하는 평면(도 6의 X-Z 평면이 이 평면에 상당함)을 버킷(1c)의 방위로부터 규정하고, 당해 평면에서 3차원 데이터를 절단하여 표시하는 2차원의 도형을 목표면의 데이터(2차원 목표면 데이터)로서 추출한다. 통상, 여기서 취득되는 2차원의 도형은 꺾은선으로 된다.
부분적 2차원 목표면 생성부(15)는, 2차원 목표면 생성부(14)가 추출한 2차원 목표면 데이터로부터, 버킷(1c)의 위치를 기준으로 하는 소정 범위에 포함되는 데이터를 추출하고, 이것을 부분적 2차원 목표면 데이터로서 제어 유닛(9) 내의 표시 처리부(11)에 출력한다. 부분적 2차원 목표면 생성부(15)에 의한 데이터 추출의 예로서는, 버킷(1c)의 위치를 기준으로 하여, 차체 전후 방향(+X 방향 및 -X 방향)으로 소정의 거리의 범위 내에 위치하는 데이터만을 목표면 데이터로 하는 방법이나, 표시 화면 상의 버킷(1c)의 발끝 위치(모니터 위치)를 표시 범위 명령부(16)로부터 입력하고, 그 모니터 위치를 기준으로 하여, 차체 전후 방향으로 소정의 거리의 범위 내에 위치하는 데이터만을 목표면 데이터로 하는 방법이 있다.
표시 범위 명령부(16)는, 표시 위치 보정부(111c)로부터 입력되는 버킷 발끝의 모니터 위치(버킷 화상의 표시 위치)에 따라, 2차원 목표면 데이터로부터 부분적 2차원 목표면 데이터를 추출하는 범위를 부분적 2차원 목표면 생성부(15)에 출력한다. 추출 범위는, 버킷 발끝 위치를 기준으로 한 +X 방향 및 -X 방향의 거리로 정의하는 경우가 있다. 또한, 통상, 2차원 목표면 데이터는 복수의 점(도 6의 점 T1, 점 T2, 점 T3, 점 T4가 해당)을 연결하여 이루어지는 꺾은선으로 정의되므로, 버킷 발끝 위치를 기준으로 한 +X 방향 및 -X 방향의 점의 수로 정의해도 된다. 또한, 거리와 점의 수 중 어느 것으로 정의하는 경우든, 버킷 발끝의 모니터 위치는, 버킷의 예측 이동 방향에 따라 변화하므로, 모니터 위치의 변화에 따라 목표면 데이터를 추출하는 차체 전후 방향의 거리 또는 점의 수를 변화시키는 것이 바람직하다. 또한, 버킷 발끝의 모니터 위치(U-W 좌표계)가 아니라, 글로벌 좌표계에 있어서의 버킷 발끝 위치에 따라 부분적 2차원 목표면 데이터의 추출 범위를 결정하는 경우에는, 부분적 2차원 목표면 생성부(15)에서만 추출 범위가 결정 가능하므로, 표시 범위 명령부(16)는 생략 가능하다.
표시 처리부(11) 내의 목표면 표시 제어부(111d)는, 부분적 2차원 목표면 생성부(15)로부터 입력되는 부분적 2차원 목표면 데이터에 기초하여 목표면의 화상을 표시 화면에 표시한다.
이상과 같이 구성한 본 실시 형태의 건설 기계의 표시 시스템에 따르면, 목표면 연산 유닛(9B)과 제어 유닛(9)의 사이에서 목표면의 송수신을 행하는 경우에, 모니터(12)의 표시 범위 또는 그것에 가까운 범위의 목표면의 데이터에 한정하여 송수신이 행해지게 되므로, 송수신되는 데이터량의 증가를 억제할 수 있고, 이에 의해 데이터의 송수신에 수반하는 처리 지연의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기의 설명에서는, 제어 유닛(9)과 목표면 연산 유닛(9B)을 다른 컴퓨터에서 구성하는 경우에 대하여 설명하였지만, 양자를 하나의 컴퓨터에서 구성해도 된다. 또한, 제어 유닛(9)과 목표면 연산 유닛(9B)의 각 기능을 3개 이상의 컴퓨터에 적절히 분산시켜도 된다. 이 경우에도, 복수의 컴퓨터 간 또는 단일의 컴퓨터 내에서 송수신되는 데이터량의 증가를 억제할 수 있으므로 처리 지연의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기의 설명에서는 목표면의 3차원 데이터로부터 2차원 목표면 데이터 및 부분적 2차원 목표면 데이터를 추출하였지만, 목표면의 2차원 데이터로부터 부분적 2차원 목표면 데이터를 추출하도록 구성해도 된다.
또한, 본 발명은, 상기의 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 여러 가지 변형례가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은 상기의 각 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.
또한, 상기의 컴퓨터(제어 유닛(9), 목표면 연산 유닛(9B))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, 상기의 컴퓨터에 관한 구성은, 연산 처리 장치(예를 들어 CPU)에 의해 판독ㆍ실행됨으로써 당해 컴퓨터의 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(하드디스크 드라이브 등) 및 기록 매체(자기 디스크, 광디스크 등) 등에 기억시킬 수 있다.
또한, 상기의 각 실시 형태의 설명에서는, 제어선이나 정보선은, 당해 실시 형태의 설명에 필요하다고 해석되는 것을 나타냈지만, 반드시 제품에 관한 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.
1A: 작업 장치
1c: 버킷(작업구)
8a, 8b, 8c: 각도 검출기
12: 모니터
14: 2차원 목표면 생성부
15: 부분적 2차원 목표면 생성부
110a: 버킷 위치ㆍ자세 연산부(위치ㆍ자세 연산부)
111a: 통상 표시 결정부
111b: 이동 방향 연산부
111c: 표시 위치 보정부
111d: 목표면 표시 제어부
111e: 작업구 표시 제어부
111f: 목표면 방향 가이드부
17: 목표면 기억부
18: 데이터 추출부
50: 버킷 화상(작업구의 화상)
52, 54, 56: 목표면의 화상

Claims (5)

  1. 소정의 목표면을 건설 기계의 작업 장치의 선단에 설치된 작업구로 굴삭할 때, 상기 작업구의 화상과 상기 목표면의 화상을 표시 화면에 표시하여 상기 작업구와 상기 목표면의 위치 관계를 나타내는 건설 기계의 표시 시스템에 있어서,
    상기 작업 장치의 위치와 자세에 관한 상태량에 기초하여 상기 작업구의 위치와 자세를 연산하는 위치ㆍ자세 연산부와,
    상기 위치ㆍ자세 연산부의 연산값과, 상기 작업 장치의 조작 장치의 조작량 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 작업구의 예측 이동 방향을 연산하는 이동 방향 연산부와,
    상기 이동 방향 연산부에 의해 상기 작업구의 이동이 예측된 경우에는, 상기 표시 화면 상에서 상기 작업구의 화상으로부터 상기 예측 이동 방향측에 위치하는 영역의 면적이, 상기 작업구의 화상을 기준 위치에 표시하는 경우보다 넓어지도록, 상기 예측 이동 방향에 따라 상기 작업구의 화상의 표시 위치를 변경하고, 상기 이동 방향 연산부에 의해 상기 작업구의 이동이 예측 불능인 경우에는 상기 표시 화면 상의 상기 기준 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하는 작업구 표시 제어부와,
    상기 작업구 표시 제어부에 의해 결정된 표시 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하였을 때 상기 표시 화면 내에 포함되는 상기 목표면의 화상을 상기 표시 화면에 표시하는 목표면 표시 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 표시 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 작업구 표시 제어부는, 상기 건설 기계의 본체로부터 상기 작업구가 이격되는 방향으로 이동한다고 상기 이동 방향 연산부에서 예측된 경우에는, 상기 기준 위치보다 상기 본체에 가까운 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하고, 상기 건설 기계의 본체에 근접하는 방향으로 상기 작업구가 이동한다고 상기 이동 방향 연산부에서 예측된 경우에는, 상기 기준 위치보다 상기 본체로부터 이격된 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하고, 상기 이동 방향 연산부에 의해 상기 작업구의 이동이 예측 불능인 경우에는 상기 표시 화면 상의 상기 기준 위치에 상기 작업구의 화상을 표시하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 표시 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 작업구 표시 제어부는, 상기 이동 방향 연산부에서 연산된 상기 예측 이동 방향의 반대 방향을 향하여 상기 기준 위치로부터 소정의 거리 이격된 위치를, 상기 표시 화면 상에 있어서의 상기 작업구의 화상의 표시 위치로 하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 표시 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표시 화면 내에 상기 목표면의 화상이 표시되지 않는 경우에는, 당해 목표면이 존재하는 방향을 상기 표시 화면 상에 표시하는 목표면 방향 가이드부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 표시 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목표면의 데이터가 기억된 목표면 기억부와,
    상기 목표면 기억부에 기억된 상기 목표면의 데이터로부터, 상기 작업구의 위치를 기준으로 하는 소정 범위에 포함되는 데이터를 추출하는 데이터 추출부를 더 구비하고,
    상기 목표면 표시 제어부는, 상기 데이터 추출부에서 추출된 데이터에 기초하여 상기 목표면의 화상을 상기 표시 화면에 표시하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 표시 시스템.
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