KR101755739B1

KR101755739B1 - 작업 기계

Info

Publication number: KR101755739B1
Application number: KR1020127009975A
Authority: KR
Inventors: 마리꼬 미즈오찌; 아끼노리 이시이; 진이찌 야마구찌
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2017-07-19
Also published as: EP2492404A4; US20120232763A1; KR20120095875A; CN102575457A; US8768580B2; WO2011049079A1; EP2492404A1; CN102575457B; JP5491516B2; JPWO2011049079A1

Abstract

본 발명의 과제는, 작업 기계에 작용하는 관성력 혹은 외력을 고려한 동적인 안정성 및 작업 기계의 접지 상황을 시시각각 연산하여 표시하고, 경고하는 것이다.
주행체, 상기 주행체 상에 설치한 작업 기계 본체, 상기 작업 기계 본체에 대하여 상하 방향으로 요동 가능하게 설치한 작업 프론트, 및 상기 작업 프론트의 선단에 설치한 작업구를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 작업 프론트를 포함하는 상기 본체 및 주행체의 각 부의 위치 정보, 가속도 정보, 외력 정보를 각각 사용하여 ZMP의 좌표를 산출하는 ZMP 연산 수단과, 상기 작업 기계의 지면과의 복수의 접지점이 형성하는 지지 다각형을 산출하고, 상기 ZMP가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 발하는 안정성 연산 수단을 구비하고 있고, 상기 ZMP 및 상기 경고 영역을 포함하는 지지 다각형을 연산하여 표시 혹은 경보한다.

Description

작업 기계{OPERATION MACHINE}

본 발명은 작업 기계에 관련된 것으로, 특히 건설 공사, 해체 공사, 토목 공사 등에 사용되는 작업 기계에 관한 것이다.

건설 공사, 해체 공사, 토목 공사 등에 사용되는 작업 기계로서는, 하부 주행체에 상부 선회체를 선회 가능하게 설치하고, 이 상부 선회체에 다관절형의 작업 프론트를 상하 요동 가능하게 설치한 것이 알려져 있다. 이와 같은 작업 기계의 일례로서는, 유압 셔블을 베이스로 한 해체 작업 기계가 있다.

이와 같은 작업 기계는, 상부 선회체에 관절을 개재하여 부움 및 아암으로 이루어지는 작업 프론트를 상하 요동 가능하게 연결하고, 또한 상기 아암의 선단에 관절을 개재하여 그래플, 버킷, 브레이커, 크러셔 등을 장착하여, 구조물 해체 공사, 폐기물 해체 공사 등의 작업을 행하도록 하고 있다.

이와 같은 작업 기계에 의한 작업은, 작업 프론트를 구성하는 부움, 아암, 작업구(버킷으로 대표시킨다)를 상부 선회체의 외측으로 돌출된 상태에서 여러가지 자세를 바꾸어 행해진다. 이로 인해, 무리한 조작을 행한 경우에는, 작업 기계가 전도되는 경우가 있다.

이러한 문제에 관련되는 종래 기술로서, 예를 들어, 특허 문헌 1(특허 제2871105호 명세서)이 제시되어 있다. 특허 문헌 1에 나타내는 기술에서는, 작업 기계의 부움 및 아암에 각각 각도 센서를 설치하고, 또 작업 기계에 제어 장치를 설치하여, 상기 각도 센서로부터의 검출 신호를 제어 장치에 입력한다. 제어 장치는, 상기 검출 신호에 기초하여 작업 기계 전체의 무게 중심 위치와 하부 주행체의 접지면에 있어서의 안정 지지점의 지지력을 연산하고, 그 연산 결과에 기초하는 안정 지지점에 있어서의 지지력값을 표시 장치에 표시하고 있다. 또한, 작업 기계의 후방 안정 지지점에 있어서의 지지력이, 안전 작업 확보상의 한계값 이하가 되었을 때, 경보를 발하도록 하고 있다.

그 밖의 예로서, 예를 들어 특허 문헌 2(일본 특허 출원 공개 평7-180192호 공보)가 제시되어 있다. 특허 문헌 2에 나타내는 기술에서는, 작업 기계의 부움각, 아암각, 버킷각, 상부 선회체의 선회각을 검출하는 각도 센서 및, 차체의 전후 방향의 기울기를 검출하는 경사각 센서가 구비되어 있고, 이들 각 각도 센서 및 차체의 소정 부분의 치수를 기초로 작업 기계의 정적 전도 모멘트가 연산된다.

또한, 상부 선회체의 선회의 원심력에 의해 발생하는 동적 전도 모멘트가, 상부 선회체의 선회각 속도를 사용하여 연산되고, 또한, 상부 선회체의 급정지시에 발생하는 동적 전도 모멘트가 선회의 최대각 가속도를 사용하여 연산된다. 그리고, 이것들의 동적 전도 모멘트의 한쪽 또는 큰쪽이 정적 전도 모멘트에 가산되고, 그 크기가 전도의 판정 조건이 되어, 상기 판정 조건의 성립에 의해 선회각 속도가 제어된다.

또한 그 밖의 예로서, 예를 들어 특허 문헌 3(일본 특허 출원 공개 평5-319785호 공보)이 제시되어 있다. 특허 문헌 3에 나타내는 기술은, 본체의 자세, 동작 및 작업 부하를 검출하는 센서를 구비하고 있고, 이들 센서의 검출값에 기초하여, 데이터 베이스를 참조하면서, 건설 기계 본체의 자세에 관한 현재 및 미래의 역학적 거동을 나타내는 모델을 구축하고, 건설 기계 본체가 전도되는지의 여부를 판별한다. 그리고, 전도가 예지된 경우에는, 실행중인 작업 동작을 정지시키고, 또한 전도를 회피하기 위한 동작을 개시함으로써, 전도를 방지하는 동시에, 전도를 예지한 경우에는 조작자에게도 그 취지를 알리도록 하고 있다.

특허 제2871105호 명세서 일본 특허 출원 공개 평7-180192호 공보 일본 특허 출원 공개 평5-319785호 공보

작업 기계의 실제 작업을 감안하면, 작업중에 있어서는, 작업 프론트의 운동 혹은 작업 기계 자신의 운동에 의해 관성력이 발생하고 있고, 이 관성력은 작업 기계의 안정성에 크게 관련되어 있다.

또한, 작업 기계에 있어서는, 그 동작이 시시각각으로 변화되고, 상기 변화에 따라 안정성도 변화된다. 이로 인해, 안정성의 평가도 시시각각 행하여, 그 결과를 지체없이 조작자(운전자)에게 통지하는 것이 필요하다.

또한, 작업 기계는 여러가지 작업에 사용되며, 예를 들어 작업 프론트의 선단을 지면에 압박하여 본체를 들어올리는 잭업 동작 등, 동작에 따라서는 지표면과의 접지 상황이 변화되는 경우가 있다. 이러한 경우에 있어서도 정확하게 안정성을 판별하기 위해서는, 접지 상황을 항상 검출하여, 그 변화에 따라 안정성의 판정을 행할 필요가 있다.

그러나, 종래 기술에서는, 관성력을 고려한 작업 기계의 안정성을 시시각각 산출하여, 판정하는 판정 수단은 아직 제시되어 있지 않다. 또한, 블레이드의 접지 상태나 잭업 상태 등의 작업 기계와 지표면의 접지점이 변화될 것 같은 동작에 관한 고찰도 이루어지고 있지 않다.

본 발명은 이것들의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 시시각각의 작업 기계에 작용하는 관성력 혹은 외력을 고려한 동적인 안정성 및 작업 기계의 접지 상황을 연산하여, 지체없이 표시 및 경고할 수 있는 작업 기계를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 다음과 같은 수단을 채용했다.

주행체, 상기 주행체 상에 설치한 작업 기계 본체, 상기 작업 기계 본체에 대하여 상하 방향으로 요동 가능하게 설치한 작업 프론트, 및 상기 작업 프론트에 핀을 개재하여 설치한 작업구를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 작업 프론트를 포함한 상기 본체 및 주행체를 구성하는 각 질점의 위치 벡터, 가속도 벡터, 및 외력 벡터를 각각 사용하여 ZMP의 좌표를 산출하는 ZMP 연산 수단과, 상기 작업 기계의 지면과의 복수의 접지점을 움푹 패이지 않도록 연결한 지지 다각형을 산출하고, 상기 ZMP가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 경고 영역에 포함될 때에 전도 경고를 발하는 안정성 연산 수단을 구비하고 있고, 상기 ZMP 연산 수단 및 안정성 연산 수단은, 상기 ZMP 및 상기 경고 영역을 포함하는 다각형을 연산하여 표시한다.

본 발명은, 이상의 구성을 구비하고 있으므로, 작업 기계에 작용하는 관성력 혹은 외력을 고려한 동적인 안정성 및 접지 상황을 시시각각 연산하여, 지체없이 표시할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관련된 작업 기계를 도시하는 개략 측면도이다.
도 2는 작업 기계의 제어계 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 작업 기계의 연산용 모델을 도시하는 개략 측면도이다.
도 4는 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 작업 기계의 연산용 모델을 도시하는 개략 상면도이다.
도 6은 전도 경고 영역의 설정 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 전도 경고 영역의 설정 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 블레이드 접지 상태에 있어서의 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 잭업 상태에 있어서의 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 제2 실시 형태에 관련된 작업 기계의 연산용 모델을 도시하는 개략 측면도이다.
도 11은 작업 기계의 연산용 모델을 도시하는 개략 상면도이다.
도 12는 작업 기계에 구비되는 제어 장치의 개략 구성도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 관련된 작업 기계의 연산용 모델을 도시하는 개략 측면도이다.
도 14는 작업 기계의 연산용 모델을 도시하는 개략 상면도이다.
도 15는 작업 기계에 구비되는 제어 장치의 개략 구성도이다.
도 16은 제4 실시 형태에 관련된 작업 기계를 도시하는 개략 측면도이다.
도 17은 제4 실시 형태에 관련된 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면이다.

(제1 실시 형태)

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해서 설명한다.

＜하드 구성＞

＜본체＞

도 1은, 제1 실시 형태에 관한 작업 기계를 도시하는 개략 측면도이다. 제1 실시 형태에 관한 작업 기계(1)는, 하부 주행체(2)에 상부 선회체(3)가 선회 가능하게 설치되고, 상부 선회체(3)는 선회 모터(7)에 의해 선회 구동된다. 상부 선회체(3)에는, 운전실(4), 엔진(5)이 설치되어 있다. 또한, 상부 선회체(3)의 후방에는, 카운터웨이트(8)가 설치되어 있다. 이 밖에, 작업 기계(1)의 전체를 제어하는 제어 장치(60)가 구비되어, 작업 기계(1)가 구성된다.

＜작업 프론트＞

상부 선회체(3)에는, 지지점(40)을 관절로서 상하 요동 가능하게 부움(10)이 설치되어 있고, 부움(10)의 선단에는, 지지점(41)을 관절로서 요동 가능하게 아암(12)이 설치되어 있다. 또한, 아암(12)의 선단에는, 지지점(42)을 관절로서 회전 가능하게 작업구로서의 버킷(23)이 설치되어 있다. 여기서, 상기 부움(10), 아암(12)에 의해 작업 프론트(6)가 구성된다.

부움 실린더(11)는, 부움(10)을 지지점(40)의 주위에 회전하도록 구동시키는 작동기로, 상부 선회체(3)와 부움(10)에 연결되어 있다.

아암 실린더(13)는, 아암(12)을 지지점(41)의 주위에 회전하도록 구동시키는 작동기로, 부움(10)과 아암(12)에 연결되어 있다.

작업구 실린더(15)는 버킷(23)을 지지점(42)의 주위에 회전하도록 구동시키는 작동기로, 링크(16)를 거쳐서 버킷(23)과, 링크(17)를 거쳐서 아암(12)에 연결되어 있다. 또한, 버킷(23)은, 그래플, 커터, 브레이커 등의 다른 작업구와 교환 가능하다.

＜운전실＞

상부 선회체(3)에는, 작업 기계(1)를 조작하는 운전자용의 운전실(4)이 구비되어 있고, 운전실(4)의 안에는, 운전자로부터의 각 구동 작동기에 대한 움직임의 지시를 입력하기 위한 조작 장치(50), 후술하는 지지 다각형이나 ZMP 좌표 등을 표시하는 표시 장치(표시 수단)(61), 작업 기계(1)의 전도 경고음 등을 발하는 경보 장치(경보 수단)(63), 운전자가 각종 설정을 행하기 위한 사용자 설정 입력 장치(55) 등이 설치되어 있다.

＜블레이드＞

하부 주행체(2)의 전방면에는, 상하 요동 가능하게 블레이드(18)가 설치되어 있고, 블레이드(18)는 블레이드 실린더(19)에 의해 구동된다.

＜센서＞

＜자세 센서＞

상부 선회체(3)에는, 후술하는 중력과 역방향을 Z축으로 한 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 검출하기 위한 자세 센서(3b)가 설치되어 있다. 자세 센서(3b)는, 예를 들어 경사각 센서이며, 상부 선회체(3)의 경사각을 검출함으로써, 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 검출한다.

＜각도 센서＞

상부 선회체(3)의 선회 중심선(3c) 상에는, 하부 주행체(2)와 상부 선회체(3)의 선회 각도를 검출하기 위한 선회 각도 센서(3s)가 설치되어 있다.

상부 선회체(3)와 부움(10)의 지지점(40)에는, 부움(10)의 회전 각도를 계측하기 위한 부움 각도 센서(각도 센서)(40a)가 설치되어 있다.

부움(10)과 아암(12)의 지지점(41)에는, 아암(12)의 회전 각도를 계측하기 위한 아암 각도 센서(각도 센서)(41a)가 설치되어 있다.

아암(12)과 버킷(23)의 지지점(42)에는, 버킷(23)의 회전 각도를 계측하기 위한 버킷 각도 센서(42a)가 설치되어 있다.

＜가속도 센서＞

하부 주행체(2), 상부 선회체(3), 부움(10) 및 아암(12)의 무게 중심 근방에는, 각각 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)가 설치되어 있다.

＜핀력 센서＞

아암(12)과 버킷(23)을 연결하는 핀(43), 링크(16)와 버킷(23)을 연결하는 핀(44)에는, 각각 핀력 센서(43a, 44a)가 설치되어 있다. 핀력 센서(43a, 44a)는, 예를 들어 원통 형상의 내부에 스트레인 게이지가 삽입되고, 이 스트레인 게이지에 발생하는 변형을 계측함으로써, 핀(43, 44)에 걸리는 힘(외력)의 크기와 방향을 검출한다.

＜압력 센서＞

상부 선회체(3)를 선회시키는 선회 모터(7)는, 선회 모터(7)를 구동시키는 유압의 흡입측 압력 및 토출측 압력을 검출하는 선회 모터 압력 센서(7i 및 7o)를 구비하고 있다. 또한, 블레이드 실린더(19)에는, 블레이드 실린더(19)를 구동시키는 유압의 흡입측 압력 및 토출측 압력을 검출하는 블레이드 실린더 압력 센서(19i 및 19o)를 구비하고 있다.

＜제어 장치＞

도 2는, 작업 기계(1)가 구비하는 제어 장치의 개략 구성도이다. 제어 장치(60)는, 작업 기계(1)의 각 부에 설치된 각 센서로부터의 신호가 입력되는 입력부(60h), 입력부(60h)에 입력되는 신호를 받아, 소정의 연산을 행하는 연산부(60g), 연산부(60g)로부터의 출력 신호를 받아, 작업 기계 1(도 1 참조)의 안정성 정보 및 전도 경고 정보를 출력하는 출력부(60i)를 구비하고 있다. 여기서, 표시부(61)는 작업 기계(1)의 안정성 정보 및 전도 경고 정보를 표시하고, 경보 장치(63)는 전도에 관한 경보를 발한다.

연산부(60g)는, 도시하지 않은 CPU(Central　Processing　Unit), ROM(Read　Only　Memory), RAM(Random　Access　Memory) 및 플래시 메모리 등으로 이루어지는 기억부, 및 이들을 구비하는 마이크로컴퓨터 및 도시하지 않은 주변 회로 등으로 구성되고, 예를 들어 ROM에 저장되는 프로그램에 따라 작동된다.

＜기준 좌표계＞

도 3은 제어 장치를 갖는 ZMP 연산용 작업 기계 모델을 도시하는 개략 측면도이다. 중력 방향을 기준으로 하여, 중력과 역방향을 Z축으로 한 월드 좌표계(O-XYZ)와 하부 주행체(2)를 기준으로 한 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 도 3에 도시한 바와 같이 설정한다.

기계 기준 좌표계는 하부 주행체(2)에 속하는 것으로 하고, 도 3에 도시한 바와 같이, 기계 기준 좌표계 원점은, 상부 선회체(3)의 선회 중심선(3c) 상에서, 지표면(30)과 접하는 점(O)으로 하여, 하부 주행체(2)의 전후 방향에 X축, 좌우 방향에 Y축, 연직 방향에 Z축을 설정한다.

＜모델＞

또한, 제1 실시 형태에서는, 실제 장착의 간이성을 고려하여 ZMP(70)를 연산하기 위한 모델로서, 도 3에 도시하는 바와 같은 각 구성 부재는, 무게 중심에 질량이 집중되어 있는 집중 질점 모델을 사용한다. 하부 주행체(2), 상부 선회체(3), 부움(10), 아암(12)의 각각의 질점(2P, 3P, 10P, 12P)을 각 구성 부재의 무게 중심 위치에 설정하고, 각각의 질점의 질량을 m2, m3, m10, m12라고 한다. 그리고, 각각의 질점의 위치 벡터를 r2, r3, r10, r12, 가속도 벡터를 r´´2, r´´3, r´´10, r´´12라고 한다.

또한, 질점의 설정 방법은 이것만은 아니고, 예를 들어, 질량이 집중되어 있는 부위(도 1에 도시하는 엔진(5), 카운터웨이트(8) 등)를 추가해도 된다.

또한, 외력은, 버킷(23)으로 작업을 행함으로써, 버킷(23)의 선단에 가해진다. 버킷(23)은 핀(43, 44)을 거쳐서 작업 프론트(6)와 연결되어 있는 점으로부터, 버킷(23)의 중력, 및 관성력과, 버킷(23)에 가해지는 X축 방향 및 Z축 방향의 외력 모두를, 핀(43)과 핀(44)에 가해지는 외력 벡터(F43과 F44)로서 산출하여, ZMP 좌표의 연산을 행한다. 여기서, 외력 작용점인 핀(43)과 핀(44)의 위치 벡터를 s43, s44라고 한다. 또한, 버킷(23)에 가해지는 횡방향(Y축 방향)의 외력을 F46이라 하고, 횡방향 외력의 작용점(46)의 위치 벡터를 s46이라고 한다.

＜안정 판별 방식＞

여기서, 연산부(60g)의 상세를 설명하기 전에, 제1 실시 형태에 있어서의 안정 판별 방식에 대해서 설명한다.

＜ZMP 안정 판별 방식＞

제1 실시 형태에 있어서는, 작업 기계(1)의 안정 상태를 판정하기 위해서 ZMP(Zero　Moment　Point)를 사용한다. ZMP 안정 판별 규범은 달랑베르의 원리에 기초한 것이다. 또한, ZMP의 개념 및 ZMP 안정 판별 규범에 대해서는 「LEGGED LOCOMOTION ROBOTS: Miomir Vukobratovic 저(「보행 로봇과 인공의 발: 가토 이치로(加藤一郎) 번역, 일간공업신문사」)에 기재되어 있다.

작업 기계(1)로부터 지표면(30)에는 중력, 관성력, 외력 및 이것들의 모멘트가 작용하지만, 달랑베르의 원리에 의하면 이것들은 지표면(30)으로부터 작업 기계(1)로의 반작용으로서의 상반력 및 상반력 모멘트와 균형을 이룬다.

따라서, 작업 기계(1)가 지표면(30)에 안정적으로 접지되어 있는 경우, 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점을 움푹 패이지 않도록 연결한 지지 다각형의 변상 혹은 그 내측에 피치축 및 롤축 방향의 모멘트가 0이 되는 점(ZMP)이 존재한다. 반대로 말하면, ZMP가 지지 다각형 내에 존재하고, 작업 기계(1)로부터 지표면(30)에 작용하는 힘이 지표면(30)을 누르는 방향, 즉 바닥 반력이 플러스인 경우, 작업 기계(1)는 안정적으로 접지되어 있다고 할 수 있다.

즉, ZMP가 지지 다각형의 중심에 가까울수록 안정성은 높고, 지지 다각형의 내측에 있으면 작업 기계(1)는 전도되지 않고 작업을 행할 수 있는, 한편, ZMP가 지지 다각형 상에 존재하는 경우에는 작업 기계(1)는 전도를 개시할 가능성이 있다. 따라서, ZMP와 작업 기계(1)와 지표면(30)이 형성하는 지지 다각형을 비교함으로써 안정성을 판정할 수 있다.

＜ZMP 방정식＞

ZMP 방정식은, 중력, 관성력, 외력에 의해 발생하는 모멘트의 균형으로부터, 이하와 같이 도출된다.

[수 1]

여기서

rzmp : ZMP 위치 벡터

mi : i번째의 질점의 질량

ri : i번째의 질점의 위치 벡터

r”i : i번째의 질점에 가해지는 가속도 벡터(중력 가속도 포함)

Mj : j번째의 외력 모멘트

sk: k번째의 외력 작용점 위치 벡터

Fk : k번째의 외력 벡터

또한, 벡터는 X성분, Y성분, Z성분으로 구성되는 3차원 벡터이다.

상기 식 (1)의 좌변의 제1항은, 각 질점(mi)에 있어서 인가된 가속도 성분(중력 가속도를 포함한다)에 의해 생성되는 ZMP(70)(도 3 참조) 주위(반경(ri-rzmp))의 모멘트의 총합을 나타낸다. 상기 식 (1)의 좌변의 제2항은, 작업 기계(1)에 작용하는 외력 모멘트(Mj)의 총합을 나타낸다. 상기 식 (1)의 좌변의 제3항은, 외력(Fk)(k번째의 외력 벡터(Fk)의 작용점을 sk라고 한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주위(반경(sk-rzmp))의 모멘트의 총합을 나타낸다.

그리고, 식 (1)은, 각 질점(mi)에 있어서 인가된 가속도 성분(중력 가속도를 포함한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주위(반경(ri-rzmp))의 모멘트의 총합과, 외력 모멘트(Mj)의 총합과, 외력(Fk)(k번째의 외력(Fk)의 작용점을 sk라고 한다)에 의해 생성되는 ZMP(70) 주위(반경(sk-rzmp))의 모멘트의 총합이 균형을 이룬다는 것을 기술하고 있다.

식 (1)에 나타내는 ZMP 방정식으로부터, 지표면(30)에 있어서의 ZMP(70)를 산출하는 것이 가능해진다.

여기서, 대상물이 정지되어 있고, 중력만이 작용하는 경우의 ZMP 방정식은

[수 2]

이 되고, 정적 무게 중심의 지표면으로의 투영점과 일치한다. 따라서, ZMP는 동적 상태 및 정적 상태를 고려한 무게 중심의 투영점으로서 취급하는 것이 가능하며, ZMP를 지표로서 사용함으로써 대상물이 정지되어 있는 경우와, 동작을 행하고 있는 경우의 양쪽을 통일적으로 취급할 수 있다.

＜연산부＞

상기와 같이 ZMP 좌표나 안정 판별을 연산하기 위해서, 도 2에 도시하는 연산부(60g)는, 주로, 링크 연산 수단(60a), ZMP 연산 수단(60b), 안정성 연산 수단(60c), 블레이드 접지 판정 수단(60d), 잭업 판정 수단(60e), 횡방향 외력 연산 수단(60f)의 기능 블록을 구비하고 있다. 이 연산부(60g)를 구성하는 각 기능 블록은, 연산부(60g)를 구동하는 프로그램에 각 기능을 내장한, 소프트웨어 로직으로 실현할 수 있다.

이하에 각 기능 블록의 기능에 대해서 도 1 내지 4를 참조하여 설명한다.

＜링크 연산 수단＞

도 1 및 도 2에 도시하는, 작업 기계(1)의 각 부에 배치된 자세 센서(3b), 선회 각도 센서(3s), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a), 핀력 센서(43a, 44a)의 검출값이 링크 연산 수단(60a)으로 보내진다.

연산부(60g)의 링크 연산 수단(60a)에서는, 도 1에 도시하는, 상부 선회체(3)에 설치한 자세 센서(3b)의 값과, 작업 기계(1) 각 부에 구비되어 있는, 선회 각도 센서(3s), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a)의 검출값을 사용하여, 순차 운동학 계산을 행한다. 그리고, 도 3에 도시하는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P)의 위치 벡터(r2, r3, r10, r12), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)의 검출 결과로부터 산출되는 각 질점의 가속도 벡터(r´´2, r´´3, r´´10, r´´12), 핀(43, 44), 횡방향 외력 작용점(46)에 대한 위치 벡터(s43, s44, s46), 핀(43, 44)에 작용하는 각 외력 벡터(F43, F44, F46)를, 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환시킨다. 여기서, 운동학 계산의 방법은, 예를 들어 비특허문헌인 「로봇제어 기초이론: 요시카와 쯔네오(吉川恒夫) 저, 코로나사(1988)」에 기재되어 있는 방법을 이용할 수 있다.

＜ZMP 연산 수단＞

도 2에 도시하는 연산부(60g)의 ZMP 연산 수단(60b)에서는, 기계 기준 좌표계로 변환된 각 질점의 위치 벡터, 가속도 벡터 및 외력 벡터를 사용하여, 도 4에 도시하는 ZMP(70)의 좌표를 산출한다.

제1 실시 형태에서는, 기계 기준 좌표계의 원점(O)을 하부 주행체(2)와 지표면(30)이 접하는 점으로 설정하고 있으므로, ZMP의 Z축 좌표가 지표면(30) 상에 있다고 가정하면, rzmpz=0이다. 또한, 작업 기계(1)에서는 통상, 버킷(23) 이외의 부분에는 외력이나 외력 모멘트는 거의 작용하지 않으므로, 그 영향을 무시하고, 외력 모멘트(M=0)로 간주한다. 이러한 조건 하에서 식 (1)을 풀어, ZMP(70)의 X좌표(rzmpx)를 이하와 같이 산출한다.

[수 3]

또한, 마찬가지로 ZMP(70)의 Y좌표(rzmpy)는 이하와 같이 산출한다.

[수 4]

식 (3), (4)에 있어서, m은, 도 3에 도시하는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P)의 질량이며, 각 질점의 질량(m2, m3, m10, m12)을 대입한다.

r´´은 각 질점의 가속도이며, 각 질점의 가속도(r´´2, r´´3, r´´10, r´´12)를 대입한다.

s는 외력 작용점인 핀(43, 44) 및 버킷(23)의 횡방향 외력 작용점(46)의 위치 벡터를 나타내고 있고, s43, s44, s46을 대입한다.

F는 외력 작용점인 핀(43, 44) 및 버킷(23)의 횡방향 외력 작용점(46)에 가해지는 외력 벡터를 나타내고 있고, F43, F44, F46을 대입한다.

이상과 같이, 작업 기계(1)의 각 부에 설치한 각 센서의 검출값을 사용함으로써, ZMP 연산 수단(60b)은, ZMP(70)의 좌표를 산출하는 것이 가능해진다.

＜안정성 연산 수단＞

다음에, 안정성 연산 수단(60c)은, ZMP 연산 수단(60b)으로 산출되는 ZMP(70)의 좌표(X좌표:70x, Y좌표:70y)를 기초로 작업 기계(1)의 안정 판별을 행한다. 상기와 같이, ZMP(70)가, 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점에 의해 형성되는 지지 다각형(L)의 내부에 존재하는 경우, 도 1에 도시하는 작업 기계(1)는 전도되지 않고, 작업을 행할 수 있다.

따라서, 제1 실시 형태에 있어서의 안정성 연산 수단(60c)은, 작업 기계(1)와 지표면(30)으로 형성되는, 도 4의 (a) 또는 (b)에 도시하는 바와 같은 지지 다각형(L)을 산출하고, 그 지지 다각형(L)에 대하여, 전도 가능성이 충분히 낮은 통상 영역(J)과, 전도 가능성이 보다 높은 전도 경고 영역(N)을 설정한다.

그리고, 안정성 연산 수단(60c)은, ZMP(70)의 좌표가 통상 영역(J)에 있는 경우, 표시 장치(61)에 대하여, 안정성에 관한 정보를 출력한다. 그리고, ZMP(70)의 좌표가 전도 경고 영역(N)에 있는 경우, 안정성 연산 수단(60c)은 표시부(61)와 경보 장치(63)에 대하여, 안정성의 정보와 전도 경고를 출력한다.

이와 같이, ZMP(70)가 전도 경고 영역(N)에 있는 경우에 경고를 발함으로써, 운전자는, ZMP(70)가 지지 다각형(L) 상에 도달하기 전에, 전도의 가능성을 알 수 있다.

도 4는, 지지 다각형(L) 및 ZMP(70)를 설명하는 도면이며, 도 4의 (a)는 하부 주행체가 지표면에 정립되어 있는 상태의 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면, (b)는, 하부 주행체가 작업 프론트에 의해 잭업된 상태에서의 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면이다.

또한, 도 4는 운전석(4)(도 1 참조)에 구비되는 표시 장치(61)(도 1 참조)에 표시하는 이미지를 도시하고, 주위의 이중선은 표시 장치(61)의 프레임을 도시한다.

도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 작업 기계(1)가 지표면(30)에 정립되어 있는 경우, 지지 다각형(L)은, 하부 주행체(2)의 평면 형상과 거의 동등해진다. 따라서, 하부 주행체(2)의 평면 형상이 직사각형인 경우, 지지 다각형(L)은 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 직사각형이 된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 하부 주행체(2)로서 크롤러를 갖고 있는 경우의 지지 다각형(L)은, 좌우의 스프로킷(32)의 중심점을 연결한 선을 전방 경계선, 좌우의 아이들러(33)의 중심점을 연결한 선을 후방 경계선, 좌우 각각의 트럭 링크 외측 단부를 좌우의 경계선으로 한 사각형이다. 또한, 전방 및 후방의 경계는 가장 전방의 하부 롤러(34) 및 가장 후방의 하부 롤러(34)의 접지점으로 해도 된다.

한편, 작업 프론트(6)에 의해, 하부 주행체(2)가 잭업 되면, 작업 기계(1)는, 작업 프론트(6)의 선단부와, 하부 주행체(2)의 후방부(작업 프론트(6)가 하부 주행체(2)의 전방에서 잭업된 경우)에서, 지표면(30)에 접하는 점으로부터, 지지 다각형(L)은, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같은 다각형이 된다.

지지 다각형(L)의 산출은, 블레이드 접지 판정 수단(60d) 혹은 잭업 판정 수단(60e)의 판정 결과를 참조하여, 작업 기계(1)의 접지 상태에 기초하여 행한다.

통상 영역(J)과 전도 경고 영역(N)의 경계(K)는, 지지 다각형(L)의 내측에 설정된다. 구체적으로는, 경계(K)는 지지 다각형(L)을 안전율에 따라 결정되는 비율에 따라서, 중심점측으로 축소시킨 다각형 혹은, 지지 다각형(L)을 안전율에 따라서 결정되는 길이만 내측으로 이동시킨 다각형으로서 설정된다.

본 실시 형태에서는, ZMP(70)가 전도 경고 영역(N)에 있는 경우에 경고를 발하는 구성으로 한 점으로부터, 전도 경고 영역(N)의 면적이 클수록, 빠른 시기에 경고를 발하게 된다. 따라서, 전도 경고 영역(N)의 크기는, 작업 기계(1)에 요구되는 안전성 등을 고려하여 결정하면 된다. 또한, 안전율은, 미리 설정되는 소정의 값(예를 들어, 80% 등)이어도 되고, 작업 기계(1)를 조작하는 운전자의 익숙도나 작업 내용, 노면, 주위의 상황 등에 따라 변경되는 값이어도 된다. 이 경우, 미리 주어진 정보나 각종 센서의 출력값 등으로부터 자동으로 설정하는 구성이나 운전자나 작업 관리자가 사용자 설정 입력 장치(55)를 이용하여 안전율을 임의로 설정하는 구성 등을 생각할 수 있다.

또한, 상기 안전율은 작업 기계(1)의 작업 상태에 따라 작업중에 변경되어도 되고, 전후 좌우에 대해서 다른 값을 사용하는 구성으로 해도 된다.

예를 들어, 경사지에 있어서의 작업에서는, ZMP(70)는 경사면의 골짜기측으로 이동되기 쉬워, 산측에 비해 골짜기측으로의 전락이 발생하기 쉬운 경향에 있다. 따라서, 경사 각도에 따라, 도 6 (a)에 도시한 바와 같이, 전도 경고 영역(N)을 골짜기측이 넓어지도록 설정한다. 경사 각도는 운전자에 의한 입력 이외에 자세 센서(3b)의 검출값을 사용하는 방법을 생각할 수 있다.

또한, 전도가 발생해버린 경우, 작업 프론트(6)가 존재하는 방향 이외로의 전도는 작업 프론트(6)의 방향으로의 전도에 비해, 보다 중대한 사고로 이어지기 쉽다. 따라서, 도 6 (b)에 도시한 바와 같이, 작업 프론트(6)의 방향에 따라, 작업 프론트(6)의 방향 이외의 방향이 넓어지도록 전도 경고 영역(N)을 설정하면 된다. 또한, 지지 다각형(L)에 대한 작업 프론트(6)의 방향은 선회 각도 센서(3s)에 의해 검출할 수 있다.

도 7에 작업 상황이나 주위 상황을 고려한 전도 경고 영역(N)의 설정예를 나타냈다. 도 7의 예는, 작업 기계(1)는, 완만한 경사지에 산측을 전방으로 하여 정차되어 있고, 작업 기계(1)의 후방 및 좌측 후방쪽에 작업원이 존재하고, 또한, 좌측에 트럭이 존재하고, 작업 기계(1)의 우측에 홈이 존재하는 상황을 상정한 것이다. 전도가 발생해버린 경우의 영향의 크기를 고려하여, 아무것도 존재하지 않는 전방에 대하여, 홈이 존재하는 방향에서는 전도 경고 영역(N)이 넓어지도록 설정하고, 또한, 작업원이나 트럭이 존재하는 방향에서는 전도 경고 영역(N)을 더욱 넓어지도록 설정하고 있다. 또한, 전도가 발생하기 쉬운 골짜기측(후방)의 전도 경고 영역이 넓어지도록 설정하고 있다. 이와 같이 전도 경고 영역(N)을 설정 방법으로 하여, 운전자나 작업 관리자가 수시로 수동으로 설정을 변경하는 것 이외에, GPS, 지도 정보, 작업의 CAD 도면 등을 이용하는 구성을 생각할 수 있다. 상기의 정보를 이용함으로써 전도가 발생하기 쉬운 방향이나 전도시의 피해가 큰 방향을 자동으로 판별하여, 그 방향의 전도 경고 영역(N)이 넓어지도록 통상 영역(J)과 전도 경고 영역(N)의 경계(K)를 자동으로 변경할 수 있다.

이와 같이, 안전율을 적정한 값으로 함으로써 작업 효율을 저하시키지 않고 안전한 작업을 행할 수 있다.

＜작업 내용 판정 수단의 추가＞

전도 경고 영역(N)의 설정 방법으로서, 현재 행하고 있는 작업의 내용을 인식하고, 그 작업 내용에 따라 전도 경고 영역(N)의 크기나 형상을 변경하는 것을 생각할 수 있다.

미리 수하물 작업, 굴삭 작업, 해체 작업, 주행 등의 복수의 작업에 있어서의 특징적인 조작 패턴과 각각의 작업 내용에 적합한 전도 경고 영역(N)을 설정하여 기억한다. 각 구동 작동기(11, 13, 15)로의 입력 지령량을 검출하는 레버 조작량 센서(51)를 설치하고, ZMP 산출 수단에 있어서 산출되는 작업 프론트 자세나 버킷 외력과 레버 조작량 센서(51)의 검출값의 이력으로부터 미리 설정된 조작 패턴 중 가장 가까운 것을 선택하여, 대응하는 전도 경고 영역(N)을 출력한다. 이와 같이 작업 내용 판정을 행함으로써 각각의 작업에 입각한 전도 경고 영역을 설정하는 것이 가능해져, 작업 효율을 높게 유지한 채 안전성을 향상시킬 수 있다.

＜전도 경고 영역의 크기의 자동 변경: 운동량＞

또한, 작업 기계(1)의 운동의 격함에 따라 안전율을 변경해도 된다. 작업 기계(1)가 동작하고 있는 동안에는, 식 (1)에 나타내는 ZMP 방정식의 관성력에 따른 모멘트항의 영향이 커져, ZMP(70)의 변위량이 커진다. 즉, 작업 기계(1)가 어떠한 동작을 하고 있을 때가, ZMP(70)가 지지 다각형(L) 상까지 도달되기 쉬워, 전도될 가능성이 높다. 따라서, 작업 기계(1)의 운동 상태에 맞추어, 전도 경고 영역(N)의 크기를 변화시킴으로써 작업 기계(1)가 격렬하게 운동하고 있는 경우에는, 전도 경고를 빨리 출력하도록 한다.

이 때, 작업 기계(1)의 운동 상태의 격함을 평가하는 지표로서, 각 질점의 운동량의 합을 사용한다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 설정되는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P)의 질량(m2, m3, m10, m12)과, 도 1에 도시하는 각 가속도 센서(하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)의 값의 적분값 혹은 각 각도 센서의 값의 미분값으로부터 산출된 각 질점의 속도(r´2, r´3, r´10, r´12)와의 곱의 절대값의 합계이며, 식으로 나타내면,

[수 5]

이 된다. 그리고, 식 (5)의 값의 크기로부터, 전도 경고 영역(N)의 크기를 결정한다. 보다 구체적으로는, 식 (5)에서 나타내는 운동량의 합이 0인 경우에는, 통상 영역(J)과 전도 경고 영역(N)의 경계(K)를 최대 위치로 설정하고, 운동량이 최대인 경우에는, 최소 위치로 설정한다. 즉, 운동량의 합이 0인 경우에는 통상 영역(J)이 최대가 되며, 운동량이 최대인 경우에는 전도 경고 영역(N)이 커져 통상 영역(J)이 작아진다.

또한, 운동량의 최대값은, 작업 기계(1)의 성능에 따라 결정되는 실린더 속도로부터 산출된다. 또한, 경계(K)의 최대 위치는, 계측 정밀도와 운전자의 반응 지연을 고려한 안전 여유에 상당하는 양만, 지지 다각형(L)을 내측으로 이동시킨 위치로 한다. 또 경계(K)의 최소 위치는 최대 속도로 운동하고 있는 경우에 있어서도 충분히 안전해지도록 지지 다각형(L)을 내측으로 이동시킨 위치로 한다. 그리고, 이 경계(K)의 최대 위치와 최소 위치의 사이에는, 직선으로 보간하고, 작업 기계의 운동량이 커짐에 따라, 경계(K)는 서서히 내측으로 설정되는 것으로 한다. 단, 경계(K)의 최대 위치와 최소 위치의 사이의 보간은, 포물선이나 원호를 조합한 곡선을 사용해도 된다.

＜전도 경고 영역의 크기의 자동 변경: 운동 에너지＞

또한, 전도 경고 영역(N)을 변화시키는 작업 기계(1)의 운동 상황의 격함을 평가하는 지표로서, 각 질점의 운동 에너지의 합을 사용해도 된다. 즉, 도 3에 도시하는 각 질점(2P, 3P, 10P, 12P)의 질량(m2, m3, m10, m12)과, 속도(r´2, r´3, r´10, r´12)의 평방의 곱의 합계이며, 식으로 나타내면,

[수 6]

이 된다.

제1 실시 형태에 있어서의, ZMP(70)를 사용한 안정성의 판정은, 작업 기계(1)가 어떤 동작을 한 경우라도, 식 (3), (4)로의 대입 연산 및 대입 연산 결과와 소정의 영역의 비교에 의해 행할 수 있다. 따라서 복잡한 모델을 설정할 필요가 없고, 어떤 동작에 있어서도 같은 연산을 행함으로써 안정성의 연산이 가능하므로, 동작의 종류에 따르지 않고 시시각각의 안정성의 연산 및 판정이 가능하다는 우수한 효과를 발휘한다.

＜횡방향 외력 연산 수단＞

횡방향 외력 연산 수단(60f)에서는, 버킷(23)에 가해지는 Y축 방향의 외력(F46)(도 5 참조)을 산출한다. Y축 방향의 외력의 작용점을 횡방향 외력 작용점(46)이라고 한다. 이 횡방향 외력 작용점(46)에 가해지는 외력 벡터(F46)는, 직접 계측하는 것이 곤란하므로, 횡방향 외력 연산 수단(60f)에서는 선회 모터(7)에 설치한 선회 모터 압력 센서(7i 및 7o)가 검출하는 선회 모터(7)를 구동시키는 유압의 압력값을 사용하여 산출한다. 이 때, 횡방향 외력 연산 수단(60f)은, 도 5에 도시하는 바와 같은 모델을 이용한다. 도 5는, 제1 실시 형태에 관한 상부 선회체의 모델화를 도시하는 상면도이다.

우선, 선회 모터(7)에 구비되는, 선회 모터 압력 센서(7i)가 검출하는 흡입측의 유압과 선회 모터 압력 센서(7o)가 검출하는 토출측의 유압의 유압차로부터, 상부 선회체(3)에 가해지는 선회 토크(Tz3)를 산출한다.

그리고, 상부 선회체(3)의 선회 토크(Tz3)를, 링크 연산 수단(60a)에 의해 산출되는 횡방향 외력 작용점(46)의 위치 벡터(s46)의 X방향 성분(sx46)으로 나눔으로써, 횡방향 외력 작용점(46)에 가해지는 횡방향 외력의 Y성분(Fy46(=Tz3/sx46))을 산출한다.

여기서는, 상부 선회체(3)의 선회에 의한 횡방향(도 5에 있어서의 Y방향)의 외력을 생각하고 있으므로, 선회 각도 센서(3s)에 의해 검출되는 선회 각도가 0인 경우에는, 횡방향 외력 벡터(F46)는 Y방향의 성분만을 갖게 되어, 횡방향 외력 벡터(F46=(0, Fy46, 0))가 된다. 또한, 선회 각도가 0이 아닌 경우에는, 선회 각도를 사용하여 Fy46을 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환한다.

이와 같이 하여 산출되는 횡방향 외력 벡터(F46)가, 도 3에 도시하는 버킷(23)의 횡방향 외력 작용점(46)에 작용하여, 모멘트를 발생시킨다.

＜블레이드 접지 판정 수단＞

블레이드 접지 판정 수단(60d)은 블레이드(18)가 지표면(30)에 접지되어 있는지 여부의 판정을 행한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 작업 기계(1)의 하부 주행체(2)는, 블레이드(18)를 갖고 있고, 블레이드(18)의 접지 상태에 따라, 지지 다각형(L)의 형상이 변화된다. 보다 구체적으로는, 지지 다각형(L)은, 블레이드(18)의 접지시에는 도 8에 도시한 바와 같이 블레이드 저부를 포함하는 형태가 되어, 지지 다각형(L)은 확대되는 것처럼 변형된다. 그로 인해, 보다 정확하게 안정성을 판단하기 위해서는, 안정성 연산 수단(60b)에 있어서 전도 경고 영역(N)의 설정에 사용하는 지지 다각형(L)의 형상을 변화시킬 필요가 있다.

따라서, 블레이드 접지 판정 수단(60d)은, 블레이드 실린더(19)를 구동시키는 유압의 흡입측 압력 및 토출측 압력을 계측하는 블레이드 실린더 압력 센서(19i, 19o)의 값(Pb1, Pb2)을 사용하여, 블레이드(18)의 접지 상태를 판단한다. 무부하 상태에서 블레이드(18)의 구동에 필요한 압력보다 크고, 작업 기계(1)를 잭업 시키는데에 필요한 압력보다 작은 임계값(Pb3)을 설정하여, Pb1과 Pb2의 차인 Pb1-Pb2가 임계값(Pb3)보다도 커진 경우에, 블레이드(18)가 지표면(30)에 접지되어 있다고 판단하여, 안정성 연산 수단(60c)에 신호를 송신한다.

안정성 연산 수단(60c)에서는, 블레이드 접지 판정 수단(60d)으로부터의 신호를 받아, 지지 다각형(L)의 형상을 도 8에 도시한 바와 같이 확대하는 것처럼 변화시킨다.

＜잭업 판정 수단＞

잭업 판정 수단(60e)에서는, 상부 선회체(3)의 자세 센서(3b)의 검출값과 선회 각도 센서(3s)의 검출값과 핀(43, 44)에 설치한 핀력 센서(43a, 44a)의 검출값을 기초로 잭업 상태의 유무를 판단한다.

도 1에 있어서 버킷(23)을 지표면(30)에 압박하고, 하부 주행체(2)의 일부를 들어올린 상태(잭업)에 있어서는, 작업 기계(1)와 지표면(30)의 접지점이 변화되므로 지지 다각형(L)의 형상이 바뀐다. 즉, 지지 다각형(L)은, 도 4 (a)에 도시하는 직사각형으로부터, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같은, 하부 주행체(2)가 접지되어 있는 측의 2개의 단부점 및 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다. 이와 같이 지지 다각형(L)의 형상이 불연속으로 변화하므로, 잭업 상태에 있어서는 ZMP(70)가 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같은 직사각형의 범위 내에 존재하고 있어도 전도될 가능성이 있다. 따라서, 정확하게 안정성을 판단하기 위해서는 잭업 상태를 검출하여, 안정성 연산 수단(60c)에 있어서 전도 경고 영역(N)의 설정에 사용하는 지지 다각형(L)을 변화시킬 필요가 있다.

따라서, 잭업 판정 수단(60e)은, 자세 센서(3b)의 값이 작업 프론트(6)측이 들어올리는 방향으로 변화되고, 또한 핀력 센서(43a, 44a)에 의해 산출되는 버킷(23)에 작용하는 힘이 지표면(30)을 누르는 방향인 경우에는 잭업 상태로 판단하여, 안정성 연산 수단(60c)에 신호를 송신한다. 또한, 잭업 동작에 있어서는 버킷(23)의 접지 위치에 의해 하부 주행체(2)의 어느 부분이 들어올려지는지가 상이하다.

도 9는, 작업 프론트(6)의 방향과 지지 다각형(L)의 관계를 도시하는 도면이다. 버킷(23)이 하부 주행체(2)의 전방에 접지된 경우에는, 하부 주행체(2)의 전방이 부상되고, 지지 다각형(L)은 하부 주행체(2)의 후방의 단부점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다. 마찬가지로, 버킷(23)이 하부 주행체(2)의 후방에 접지된 경우에는, 하부 주행체(2)의 후방이 부상되고, 지지 다각형(L)은 하부 주행체(2)의 전방의 단부점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다. 또한, 버킷(23)이 하부 주행체의 우측 혹은 좌측에 접지된 경우에는, 하부 주행체(2) 중 각각 우측 혹은 좌측이 부상되고, 지지 다각형(L)은 하부 주행체(2)의 좌측 혹은 우측의 단부점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다.

한편,하부 주행체(2)에 대하여 비스듬한 방향(하부 주행체(2)의 앞 또는 뒤에서 또는 좌우의 영역)에 접지된 경우에는 잭업시의 ZMP(70)의 위치에 따라 하부 주행체(2)의 어느 부분이 부상될지가 결정된다. 버킷(23)을 하부 주행체의 우측 전방에 접지된 경우를 예로 들면, 도 9 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 하부 주행체(2)의 단부점 중 버킷(23)의 접지점의 중심점(버킷 접지 중심점)으로부터 가장 이격된 단부점(하부 주행체(2)의 좌측 후방의 단부점)과 버킷 접지 중심점을 연결한 선분에 대하여, ZMP(70)가 좌측 전방(상방)에 존재하는 경우에는 좌측 전방의 단부점이 접지되어, 하부 주행체(2)의 우측이 부상된다. 따라서, 지지 다각형(L)은 하부 주행체(2)의 좌측의 단부점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다. 또한, ZMP(70)가 하부 주행체(2)의 단부점 중 버킷(23)의 접지점으로부터 가장 이격된 단부점(하부 주행체(2)의 좌측 후방의 단부점)과 버킷(23)의 접지점을 연결한 선분에 대하여, 우측 후방(하방)에 존재하는 경우에는 우측 후방의 단부점이 접지되어, 하부 주행체(2)의 전방측이 부상되므로, 지지 다각형(L)은 하부 주행체(2)의 전방측의 단부점과 버킷(23)의 접지점에 의해 형성되는 다각형이 된다.

따라서, 잭업 판정 수단(60e)에서는, 잭업 상태의 판정에 보태어, 잭업 상태가 검출된 경우에는, 하부 주행체(2) 중 어느 부분이 부상되고, 어느 부분이 접지되는지를 판정하여, 지지 다각형(L)의 형상을 산출하고, 안정성 연산 수단(60c)에 신호를 송신한다.

선회 각도 센서(3s), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a)의 검출값을 사용하여 순차 운동학 연산을 행하여, 버킷(23)의 접지점을 산출한다. 산출된 버킷 접지점으로부터 버킷 접지 중심점을 산출하여, 하부 주행체(2)의 단부점 중 버킷 접지 중심점으로부터 가장 이격된 단부점을 제1 접지 단부점이라고 한다. 다음에, 제1 접지 단부점과 버킷 접지 중심점을 연결한 선분과 ZMP(70)를 비교하여, 제1 접지 단부점에 인접하는 2개의 단부점 중 ZMP(70)가 존재하는 측의 단부점을 제2 접지 단부점이라고 한다. 그리고, 제1 및 제2 접지 단부점과 버킷(23)의 접지점을 연결한 다각형을 지지 다각형(L)이라고 한다.

하부 주행체(2)의 접지 단부점 이외의 도출 방법으로서, 자세 센서(3b)와 선회 각도 센서(3s)의 검출값을 사용하여 하부 주행체(2)의 기울기를 산출하고, 하부 주행체(2)의 단부점 중 골짜기측의 2점을 접지 단부점으로서 선택하도록 구성해도 된다.

그리고, 안정성 연산 수단(60c)에서는, 잭업 판정 수단(60e)으로부터의 신호를 받아, 지지 다각형(L)의 형상을 변화시킨다.

＜표시 장치＞

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 작업 기계(1)는, 표시 장치(61) 및 경보 장치(63)를 구비한다.

표시 장치(표시 수단)(61)는, 브라운관이나 액정 패널 등으로 이루어지는 장치이며, 운전실(4)(도 1 참조) 내에 설치되어 있고, 제어 장치(60)가 연산하는 지지 다각형(L), 전도 경고 영역(N), ZMP 좌표(도 4 참조) 등을 표시한다. 또한, 표시 장치(61)는, 전도 경고의 사인을 표시하는 구성이어도 된다.

이와 같이 운전실(4)에 구비되어 있는 표시 장치(61)에, 안정성이나 전도 경고를 표시함에 따라, 운전자에게 전도 가능성을 상시 인지시킴으로써 안정성이 높은 작업을 행하는 것이 가능해진다.

표시 장치(61)는 운전자가 전도 경고 영역이나 경고 방법 등의 설정을 행하기 위한 사용자 설정 입력 장치(55)를 겸하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 표시 장치(61)는 터치 패널 등의 입력 수단을 갖는 것으로 하여, 설정 입력용의 아이콘의 표시를 행한다.

＜경보 장치＞

또한 제1 실시 형태에 관한 작업 기계(1)에 있어서는, 경보 장치(경보 수단)(63)가 운전실(4) 내에 설치된다. 경보 장치(63)는, 예를 들어 버저 등, 경고음을 발생하는 장치이며, 제어 장치(60)로 연산한 결과, ZMP(70)가 전도 경고 영역(N)(도 4 참조)에 있는 경우에, 안정성 연산 수단(60c)(도 2 참조)으로부터의 제어에 의해 경고음 등의 경보를 발한다.

이와 같이 운전실(4)에 구비되는 경보 장치(63)가 발하는 경보에 의해, 운전자에게 전도 가능성을 인지시킴으로써 안정성이 높은 작업을 행하는 것이 가능해진다.

＜운전자·연료의 모델화＞

이상의 예에서는, 운전자 및 경유 등의 연료의 질량을 표준적인 일정치로 설정하여, 상부 선회체(3)의 질량에 포함시키는 구성으로 했지만, 정밀도가 높은 안정 판정이 필요해지는 경우나, 기계 자체의 질량에 대하여 운전자에 의한 체중차나 연료의 잔량의 질량 변화가 차지하는 비율이 비교적 큰 경우에는, 운전자 및 연료의 질량에 따라 상부 선회체(3)의 질량 및 무게 중심을 변경하도록 구성해도 된다. 운전자의 질량에 대해서는, 운전석(4) 내에 체중계 등을 설치하여, 자동으로 계측하도록 해도 되고, 운전자가 사용자 설정 입력 장치(55)를 사용하여 입력하도록 해도 된다. 또한, 연료의 질량에 대해서는 연료계에 의해 검출되는 연료의 잔량에 사용하는 연료의 비중을 곱함으로써 산출하는 방법 등을 생각할 수 있다.

＜원격 조작＞

이상의 예에 있어서는, 운전자는 작업 기계(1) 상에 구비되는 운전석(4)에 탑승하여, 작업 기계(1)의 조작을 행하는 것을 상정하여 설명했다. 한편, 작업 기계(1)의 조작은 무선 등을 사용한 원격 조작이 행해지는 케이스가 있다. 원격 조작시에는, 탑승시에 비해 작업 기계의 자세나 노면의 경사 등을 정확하게 파악하는 것이 곤란하고, 또한, 숙련된 운전자라도 작업 기계의 안정성을 감각적으로 파악하는 것이 곤란하다. 따라서, 원격 조작시에 있어서는, 운전자에 대한 안정성 정보의 표시 및 경고는 한층 우수한 효과를 발휘한다.

원격 조작형의 작업 기계에 있어서는, 조작 레버는 작업 기계(1)상 이외의 통상은 운전자의 조작 장소에 설치된다. 표시 장치, 경보 장치도 운전자의 조작을 행하는 장소에 설치하면 된다.

또한, 표시 장치의 이용 형태로서, 작업 관리자가 원격지로부터 작업 기계(1)의 상황의 확인을 행하는 케이스를 생각할 수 있다. 이러한 경우에는 운전자용의 표시 장치에 더하여, 작업 기계(1)상 이외의 장소에 관리자용의 표시 장치를 설치하고, 무선 등을 사용하여 데이터 전송을 행함으로써, 작업 기계(1)의 상황을 표시할 수 있다. 관리자용 표시 장치의 표시는 운전자용의 것과 동일하게 해도 되고, 다른 정보를 부가하여 표시해도 된다.

이상, 설명한 제1 실시 형태에 의해, 작업 기계(1)가 어떤 동작을 하는 경우에 있어서도, 작업 프론트의 관성력이나 외력을 포함한 동적인 안정성을 시시각각 산출하여, 안정성의 정보를 운전자에게 지체없이 제시하는 것이 가능해진다. 그 결과, 무리한 조작에 의해 작업 기계가 전도되는 가능성을 저감시켜, 안정성이 높은 작업 기계를 제공할 수 있다. 또한, 블레이드의 접지나 잭업 등의 작업 기계와 지표면의 접지 상황이 변화되는 동작을 검출하여, 전도 경고 영역을 변경함으로써, 접지 상황이 변화되는 경우에 있어서도 정확하게 안정성을 판정하여, 안전성을 높이는 것이 가능해진다.

＜센서 구성 변경예＞

이하에 제1 실시 형태에 있어서의 센서의 구성에 대해서, 변경 가능한 예를 나타낸다(도 1 내지 도 5 참조).

＜선회 각도 센서＞

선회 각도에는, 지표면(30)에 대한 절대 방위를 계측하는 방법과, 하부 주행체(2)에 대한 상대 각도를 계측하는 방법이 있다. 제1 실시 형태에서는, 상대 각도를 선회 각도 센서(3s)에 의해 검출하고 있지만, 지자기 센서, GPS 등을 사용하여 상부 선회체(3) 및 하부 주행체(2)의 절대 방위를 검출하여, 절대 방위의 차분에 의해 상대적인 선회각을 산출하는 구성으로 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써 선회 각도 센서(3s)의 설치가 곤란한 경우에 있어서도 본 발명을 실시하는 것이 가능해진다.

＜각도 센서＞

제1 실시 형태에서는, 작업 프론트(6)의 자세의 검출에 부움 각도 센서(40a) 및 아암 각도 센서(41a)를 사용하고 있지만, 이들 각도 센서의 변함에 경사각 센서를 사용하는 구성으로 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 지지점(40 및 41)에 각도 센서의 설치가 곤란한 경우에 있어서도 본 발명을 실시하는 것이 가능해진다.

＜가속도 센서 없음＞

제1 실시 형태에서는, 도 3에 도시하는 각 질점(3P, 10P, 12P)의 가속도를 산출하는데에 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)를 사용하고 있지만, 이들 가속도 센서를 설치하지 않고, 각도 센서의 값을 2회 미분하여 가속도를 구해도 된다. 예를 들어, 상부 선회체(3)의 회전 가속도를 구할 경우, 선회 각도 센서(3s)에 의해 검출되는 상부 선회체(3)의 회전 각도를 2회 미분함으로써, 상부 선회체(3)의 회전 가속도를 구해도 된다. 이러한 구성으로 할 경우에는, 2회 미분에 의한 계측 노이즈를 유의할 필요가 있지만, 설치하는 센서의 수를 줄이는 것이 가능하고, 또한, 제어 장치(60)에 송신해야하는 신호가 감소하므로, 보다 저렴하면서 간이한 구성으로 할 수 있다.

＜자세 센서의 설치 장소＞

제1 실시 형태에서는, 자세 센서(3b)를 상부 선회체(3)에 설치하고 있지만, 하부 주행체(2)에 설치하는 구성으로 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 선회 각도 센서(3s)의 검출값을 사용하지 않고 월드 좌표계에 대한 기계 기준 좌표계의 기울기를 산출할 수 있다.

＜자세 센서 없음＞

제1 실시 형태에서는, 노면의 경사의 검출에 상부 선회체(3)의 자세 센서(3b)를 사용하고 있지만, 하부 주행체 가속도 센서(2a)로서, 직류 성분(중력)의 계측이 가능한 가속도 센서를 사용하는 경우에는, 자세 센서(3b)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다. 이러한 경우에는, 설치하는 센서의 수가 감소하고, 또한, 제어 장치(60)에 송신해야하는 신호가 감소하므로, 보다 저렴하면서 간이한 구성으로 할 수 있다.

＜자세 센서 없음＞

예를 들어, 정치(定置) 작업장 내에서의 스크랩 처리 작업과 같이, 작업 기계(1)가 사용되는 현장이 수평한 현장에 한정되어 있는 경우, 작업 기계(1)의 경사에 의한 각 질점의 위치 벡터(r)나 외력 작용점 위치 벡터(s)의 변화가 충분히 작다.

따라서, 상기와 같은 경우, 상부 선회체(3)의 자세 센서(3b)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다. 이러한 경우에는, 설치하는 센서의 수가 감소하고, 또한, 제어 장치(60)에 송신해야하는 신호가 감소하므로, 보다 저렴하면서 간이한 구성이 된다.

이 때, 기계 기준 좌표계는 월드 좌표계에 대하여 항상 수평하다고 하여 ZMP(70)를 산출하면 된다.

＜하부 주행체 센서 없음＞

＜하부 주행체 가속도 센서 없음＞

또한, 하부 주행체(2)의 가속도에 대해서는, 상부 선회체(3)의 가속도와, 선회 각도 센서(3s)가 검출하는 선회 각도로부터 추정하는 구성으로 하여, 하부 주행체(2)의 가속도를 검출하는 하부 주행체 가속도 센서(2a)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.

또한, 작업 기계(1)의 주행중의 안정성이 충분히 확보되어 있고, 가속도에 의한 관성력을 가미하여 안정성 판별을 행할 필요가 없는 경우, 하부 주행체(2)의 하부 주행체 가속도 센서(2a)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.

이 때, 하부 주행체(2)의 가속도(r´2)는 중력 성분만으로서 ZMP(70)를 산출하면 된다.

＜블레이드 실린더 압력 센서 없음＞

블레이드 접지 판정 수단(60d)에 있어서 블레이드의 접지 유무는 운전자가 사용자 설정 입력 장치(55)를 사용하여 입력하는 구성으로 하여, 블레이드 실린더 압력 센서(19i, 19o)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.

작업 기계(1)에 있어서 상부 선회체(3)는 하부 주행체(2)에 대하여 360° 이상 선회하므로, 하부 주행체(2)에 센서를 배치하는 경우에는, 센서의 검출값을 제어 장치(60)에 전달하기 위해서 슬립링이나 무선 등을 사용할 필요가 있다. 상기와 같이 하부 주행체 가속도 센서(2a) 및 블레이드 실린더 압력 센서(19i, 19o)를 설치하지 않는 구성으로 할 경우에는 슬립링, 무선 등을 사용한 정보 전달의 필요가 없고, 보다 간이하면서 신뢰성이 높은 구성으로 할 수 있다. 또한, 설치하는 센서의 수가 감소하고, 또한, 제어 장치(60)에 송신해야하는 신호가 감소하므로, 보다 저렴하면서 간이한 구성으로 할 수 있다.

＜상부 선회체 가속도 센서 없음＞

작업 기계(1)가 선회 동작을 행하지 않는 경우, 상부 선회체(3)의 관성력에 의해 발생하는 모멘트는, 작업 프론트(6)의 관성력에 의해 발생하는 모멘트와 비교하여 매우 작다.

따라서, 작업 기계(1)가 상부 선회체(3)의 선회 작업을 대부분 행하지 않는 경우, 상부 선회체(3)의 상부 선회체 가속도 센서(3a)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다. 이러한 경우에는, 설치하는 센서의 수가 감소하고, 또한, 제어 장치(60)에 송신해야하는 신호가 감소하므로, 보다 저렴하면서 간이한 구성이 된다.

이 때, 상부 선회체(3)의 가속도(r´´3)는 중력 성분만으로서 ZMP(70)를 산출하면 된다.

＜선회 압력 센서 없음＞

작업 기계(1)(도 1 참조)가 선회력을 사용하여 작업을 행하지 않는 경우, 버킷(23)에는 횡방향의 외력이 거의 가해지지 않는다. 그로 인해, 작업중에 외력에 의해 안정성이 악화될 우려가 없는, 이러한 경우에는, 횡방향의 외력을 계측하기 위한, 선회 모터(7)의 흡입측 압력 및 토출측 압력을 검출하는 선회 모터 압력 센서(7i 및 7o)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다. 이러한 경우에는, 설치하는 센서의 수가 감소하고, 또한, 제어 장치(60)에 송신해야하는 신호가 감소하므로, 보다 저렴하면서 간이한 구성이 된다. 또한, 횡방향 외력의 산출을 행하지 않으므로, 연산량을 줄이는 것이 가능하다.

＜외력 계측 방법＞

이상에서는, 버킷에 가해지는 외력의 검출에 핀력 센서(43a, 44a)를 설치하는 예를 나타냈지만, 그 밖의 검출 방법으로서 부움 실린더에 압력 센서(11a, 1lb)를 설치하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 부움 실린더에 설치한 압력 센서(11a, 1lb)의 검출값으로부터 버킷 외력과 작업 프론트 자중을 포함한 모멘트(Ml)를 산출하고, 또한, 부움, 아암, 버킷의 각 각도 센서의 검출값과 부움, 아암, 버킷의 각 무게 중심 변수로부터 작업 프론트의 자중 모멘트(Moc)를 산출한다. 그 다음에 상기 모멘트 Ml과 Moc의 차분 및 선회 중심에서 버킷까지의 거리로부터 버킷 외력을 산출한다.

＜외력 검출 수단 없음＞

예를 들어, 작업 기계(1)가 작업구로서, 도시하지 않은 커터를 장비하고, 주로 절단 작업만을 행하는 경우, 절단 작업은 커터의 내력을 이용해서 행하므로, 작업중에 작업 프론트(6)에는 외력이 거의 가해지지 않는다. 따라서, 작업중에 외력에 의해 안정성이 악화될 우려가 없는, 이러한 경우에는, 핀(43, 44)(도 1 참조)에 작용하는 외력을 검출하는 핀력 센서(43a, 44a)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.

이 경우, 작업구에도 가속도 센서를 설치하고, 작업 기계(1)에 가해지는 중력과 작업구에 가해지는 관성력을 기초로 ZMP 연산을 행하면 된다.

이와 같이 핀력 센서(43a, 44a)를 설치하지 않는 구성을 함으로써, 보다 저렴한 구성을 하는 것이 가능하다.

(제2 실시 형태)

＜스윙 포스트형＞

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태를, 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 도 10은, 제2 실시 형태에 있어서의 작업 기계를 도시하는 개략 측면도, 도 11은, 제2 실시 형태에 관한 상부 선회체를 모델화하여 도시하는 상면도이다. 도 10 및 도 11에 있어서, 제1 실시 형태와 동등한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명은 생략한다.

제2 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 것은, 상부 선회체(3)와 부움(10)의 사이에 좌우의 요동을 행하는 스윙 기구를 갖고 있는 점이다. 이하에서는, 제1 실시 형태와의 차이점을 주로 설명한다.

＜하드 구성＞

＜본체＞

도 10에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태에 관한 작업 기계(1a)에는, 하부 주행체(2)에 상부 선회체(3)가 선회 가능하게 설치되어 있고, 상부 선회체(3)는 선회 모터(7)에 의해 구동된다. 그 상부 선회체(3)에 운전실(4), 카운터웨이트(8) 등이 설치되어 있다. 또한, 상부 선회체(3)의 전방에는 지지점(45)에서 좌우 요동 가능하게 스윙 포스트(24)가 설치되어 있고, 스윙 포스트(24)는, 상부 선회체(3)와 스윙 포스트(24)에 연결된 스윙 실린더(25)(도 11 참조)에 의해 좌우 요동된다. 또한, 작업 기계(1a)는, 작업 기계(1a) 전체를 제어하는 제어 장치(80)를 구비한다.

＜작업 프론트＞

또한, 스윙포스트(24)에는 지지점(40)에서 상하 요동 가능하게 부움(10)이 설치되어 있고, 부움(10)에는 지지점(41)에서 요동 가능하게 아암(12)이 설치되어 있다. 또한, 아암(12)에는 지지점(42)에서 회전 가능하게 버킷(23)이 설치되어 있다. 그리고, 제1 실시 형태와 마찬가지로 부움(10), 아암(12)으로 작업 프론트(6)가 구성된다.

또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 부움(10)을 구동시키는 부움 실린더(11)가 구비되어 있고, 스윙 포스트(24)와 부움(10)에 연결되어 있다. 그리고, 아암(12)은 아암 실린더(13)에 의해 구동되고, 버킷(23)은 작업구 실린더(15)에 의해 구동된다.

＜운전실＞

상부 선회체(3)에는, 작업 기계(1a)를 조작하는 운전자용의 운전실(4)이 구비되어 있고, 운전실(4)의 안에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 조작 장치(50), 표시 장치(61), 및 경보 장치(63)가 설치되어 있다.

＜센서＞

작업 기계(1a)에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 선회 각도 센서(3s), 자세 센서(3b), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)가 설치되어 있다.

＜스윙 각도 센서＞

이것들에 보태어, 상부 선회체(3)와 스윙 포스트(24)의 지지점(45)에는, 스윙 포스트(24)의 회전 각도를 검출하기 위한 스윙 각도 센서(45a)가 설치되어 있다.

＜스윙 압력 센서＞

도 11에 도시한 바와 같이, 스윙 포스트 실린더(25)를 구동시키는 유압의 흡입측 및 토출측에는, 흡입측 압력 및 토출측 압력을 검출하는 스윙 압력 센서(25i 및 25o)가 설치되어 있다.

＜제어 장치＞

도 12는, 제2 실시 형태에 관한 작업 기계에 구비되는 제어 장치의 개략 구성도이다. 도 10에 도시하는 제어 장치(80)의 기능 블록 중, 제1 실시 형태에 관한 제어 장치(60)의 기능 블록과 동등한 것에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명은 생략한다.

＜횡방향 외력 연산 수단＞

버킷(23)(도 10 참조)에 가해지는 횡방향의 외력은, 직접 계측하는 것이 곤란하므로, 스윙 실린더(25)(도 11 참조)에 설치한 스윙 압력 센서(25i 및 25o)가 검출하는, 스윙 실린더(25)를 구동시키는 유압의 흡입측 압력 및 토출측 압력으로부터 산출한다. 보다 구체적으로는, 도 11에 도시하는 모델을 사용한다.

우선, 스윙 실린더(25)에 설치한 스윙 압력 센서(25i 및 25o)가 검출하는 흡입측 압력 및 토출측 압력의 압력차로부터, 스윙 포스트(24)의 지지점(45) 주위에 가해지는 요동 토크(Tz45)를 산출한다. 다음에 작업 프론트(6)에 구비되는 스윙 각도 센서(45a), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a)(도 10 참조)의 검출값을 사용하여 링크 연산을 행함으로써, 스윙 포스트(24)의 지지점(45)부터, 버킷(23)의 횡방향 외력 작용점(46)까지의 거리 벡터(l)를 산출한다. 여기서, 요동 토크(Tz45)를 지지점(45)부터 횡방향 외력 작용점(46)까지의 거리 벡터(l)의 X방향 성분(lx45)으로 나눔으로써, 횡방향 외력 작용점(46)에 가해지는 횡방향 외력의 Y성분(Fy46(=Tz3/l×45))이 산출된다.

＜링크 연산 수단＞

도 10에 도시한 바와 같이, 작업 기계(1a)의 각 부에 배치된 자세 센서(3b), 선회 각도 센서(3s), 스윙 각도 센서(45a), 부움 각도 센서(40a), 부움 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a), 핀력 센서(43a, 44a)의 값과, 횡방향 외력 벡터(F46)를 사용하여 순차 운동학 계산을 행함으로써, 각 질점 위치 벡터(r2, r3, r10, r12), 각 질점 가속도 벡터(r´´2, r´´3, r´´10, r´´12), 각 외력 작용점 위치 벡터(s43, s44), 각 외력 벡터(F43, F44, F46)를, 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환된다.

＜안정성 연산 수단＞

제2 실시 형태에 있어서도, 안정성 연산 수단(60c)이 링크 연산의 결과를 사용하여, 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 ZMP 좌표를 산출하고, 안정 판별을 행한다.

또한, 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 각종 센서의 변경이나 삭제는 가능하다. 또한, 상부 선회체(3)를 구비하지 않는 구성이어도 된다.

(제3 실시 형태)

＜오프셋형＞

본 발명의 제3 실시 형태를, 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다. 도 13은, 제3 실시 형태에 있어서의 작업 기계를 도시하는 개략 측면도, 도 14는, 제3 실시 형태에 관한 상부 선회체를 모델화하여 도시하는 상면도이다. 도 13 및 도 14에 있어서, 제1 실시 형태와 동등한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명은 생략한다.

제3 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 것은, 좌우 요동 기구로서 작업 프론트(6)의 아암(12)보다 선단을 좌우로 평행 이동시키는 오프셋 기구를 갖고 있는 점이다. 이하에서는, 제1 실시 형태와의 차이점을 주로 설명한다.

＜하드 구성＞

＜본체＞

도 13에 도시한 바와 같이, 제3 실시 형태에 관한 작업 기계(1b)는 주로, 하부 주행체(2), 상부 선회체(3), 상부 선회체(3)를 구동시키는 선회 모터(7)에 의해 구성된다. 상부 선회체(3)에는 운전실(4), 카운터웨이트(8) 등이 설치되어 있다. 또한, 작업 기계(1b) 전체를 제어하는 제어 장치(90)를 구비하고 있다.

＜작업 프론트＞

작업 프론트(6)는, 상부 선회체(3)에 상하 요동 가능하게 설치된 부움(로어부움)(10), 부움(10)의 선단측에 설치된 업퍼 부움(26), 업퍼 부움(26)의 선단측에 설치된 아암 지지체(28), 아암 지지체(28)의 선단측에 요동 가능하게 설치된 아암(12), 아암(12)의 선단측에 회전 가능하게 설치된 버킷(23), 부움(10)과 아암 지지체(28)의 사이를 연결하는 링크 로드(29), 부움(10)을 구동시키는 부움 실린더(11), 아암(12)을 구동시키는 아암 실린더(13), 버킷(23)을 구동시키는 작업구 실린더(15) 및 업퍼 부움(26)을 좌우 방향으로 요동시키는 오프셋 실린더(27)를 구비하고 있다.

그리고, 작업 프론트(6)는, 도 14에 도시한 바와 같이, 오프셋 실린더(27)에 의해, 부움(10)과 업퍼 부움(26)의 사이의 지지점(47), 업퍼 부움(26)과 아암 지지체(28)의 사이의 지지점(48)에 있어서의 회전 각도가 변화되고, 업퍼 부움(26)을 로어 부움(10)에 대하여 좌우 방향으로 평행 이동(오프셋)한 상태가 된다. 제3 실시 형태에 관한 작업 기계(1b)는, 상기와 같이 작업 프론트(6)를 오프셋한 상태에서 부움(10), 아암(12), 및 버킷(23) 등의 작업구의 각 실린더를 요동시킴으로써, 예를 들어 도로 옆의 측구 등의 굴삭 작업을 행하는 것이다.

＜운전실＞

또한, 상부 선회체(3)에는, 작업 기계(1b)를 조작하는 운전자용의 운전실(4)이 구비되어 있고, 운전실(4)의 안에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 조작 장치(50), 표시 장치(61), 및 경보 장치(63)가 설치되어 있다.

＜센서＞

도 13에 도시한 바와 같이, 작업 기계(1b)에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 선회 각도 센서(3s), 자세 센서(3b), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)가 설치되어 있다.

＜오프셋 각도 센서＞

상기의 각 센서에 보태어, 도 14에 도시한 바와 같이, 오프셋의 지지점(48)에는, 지지점(48)에 있어서의 회전 각도를 검출하기 위한 오프셋 각도 센서(48a)가 설치되어 있다.

＜오프셋 압력 센서＞

또한, 오프셋 실린더(27)에는, 오프셋 실린더(27)를 구동시키는 유압의 흡입측 압력 및 토출측 압력을 검출하는 오프셋 압력 센서(27i 및 27o)가 설치되어 있다.

＜제어 장치＞

도 15는, 제3 실시 형태에 관한 작업 기계에 구비되는 제어 장치의 개략 구성도이다. 도 15에 도시하는 제어 장치(90)의 기능 블록 중, 제1 실시 형태에 관한 제어 장치(60)의 기능 블록과 동등한 것에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명은 적절하게 생략한다.

＜횡방향 외력 연산 수단＞

도 14에 도시하는 버킷(23)에 가해지는 횡방향의 외력은, 직접 계측하는 것이 곤란하므로, 오프셋 실린더(27)를 구동시키는 유압의 흡입측 압력 및 토출측 압력으로부터 산출한다. 보다 구체적으로는, 도 14에 도시하는 모델을 사용한다.

우선, 오프셋 실린더(27)에 설치한 오프셋 압력 센서(27i 및 27o)가 검출하는 흡입측 압력 및 토출측 압력의 압력차로부터, 오프셋의 지지점(48) 주위에 가해지는 요동 토크(Tz48)를 산출한다.

다음에 작업 프론트(6)에 구비되는, 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 오프셋 각도 센서(48a)(도 13 참조)의 검출값을 사용하여 링크 연산을 행하고, 오프셋의 지지점(48)부터 버킷(23)의 횡방향 외력 작용점(46)까지의 거리 벡터(l)를 산출한다. 여기서, 요동 토크(Tz48)를 거리 벡터(l)의 X방향 성분(lx48)으로 나눔으로써, 횡방향 외력 작용점(46)에 가해지는 횡방향 외력의 Y성분(Fy46)(=Tz3/lx48))이 산출된다.

＜링크 연산 수단＞

도 13에 도시한 바와 같이, 작업 기계(1b)의 각 부에 배치된 자세 센서(3b), 선회 각도 센서(3s), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 오프셋 각도 센서(48a), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a), 핀력 센서(43a, 44a)의 각 검출값과, 횡방향 외력 벡터(F46)를 사용하여 순차 운동학 계산을 행함으로써, 각 질점 위치 벡터(r2, r3, r10, r12), 각 질점 가속도 벡터(r´´2, r´´3, r´´10, r´´12), 각 외력 작용점 위치 벡터(s43, s44), 각 외력 벡터(F43, F44, F46)를 기계 기준 좌표계(O-XYZ)를 기준으로 한 값으로 변환된다.

＜안정성 연산 수단＞

그리고, 안정성 연산 수단(60c)은, 링크 연산의 결과를 사용하여, 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 ZMP 좌표를 산출하고, 안정 판별을 행한다.

또한, 제3 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 각종 센서의 변경이나 삭제는 가능하다. 또한, 상부 선회체(3)가 구비되지 않는 구성이어도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 동작중인 작업 프론트의 관성력이나 외력을 포함시킨 동적인 안정성을 시시각각 산출하여, 운전자에 대하여 지체없이 제시하는 것이 가능해진다. 따라서, 무리한 조작에 의해 작업 기계가 전도될 가능성을 저감시켜, 안정성이 높은 작업 기계를 제공할 수 있다.

또한, 블레이드의 접지나 잭업 등, 작업 기계와 지표면의 접지 상황이 변화되는 동작을 검출하여, 안정 범위를 변경함으로써, 접지 상황이 변화되는 경우에 있어서도 정확하게 안정성을 판정할 수 있어, 안전성을 높이는 것이 가능해진다.

(제4 실시 형태)

본 발명의 제4 실시 형태를 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한다. 도 16은, 제4 실시 형태에 있어서의 작업 기계를 도시하는 개략 측면도, 도 17은 제4 실시 형태에 있어서의 지지 다각형의 일례를 나타내는 도면이다. 도 16 및 도 17에 있어서, 제1 실시 형태와 동등한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명은 생략한다.

제4 실시 형태가 제1 실시 형태와 다른 것은, 하부 주행체(2)의 주행부에 차륜을 갖고 있는 점이다. 이하에서는, 제1 실시 형태와의 차이점을 주로 설명한다.

＜하드 구성＞

＜본체＞

도 16에 도시한 바와 같이, 제4 실시 형태에 관한 작업 기계(1c)는 주로, 하부 주행체(2), 상부 선회체(3), 상부 선회체(3), 상부 선회체(3)을 구동시키는 선회 모터(7)에 의해 구성된다. 상부 선회체(3)에는 운전석(4), 카운터웨이트(8) 등이 설치되어 있다. 또한, 작업 기계(1c) 전체를 제어하는 제어 장치(90)를 구비하고 있다.

＜하부 주행체＞

하부 주행체(2)는 차륜(35), 아웃리거(36), 아웃리거 실린더(37) 및 그것들을 지지하는 프레임이나 차축 등으로 구성되어 있다. 아웃리거(36)는 아웃리거 실린더(37)에 의해 구동된다.

＜작업 프론트, 운전석＞

작업 프론트(6)의 구성은, 제1 실시 형태와 동등하다. 또 운전석(4)의 안에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 조작 장치(50), 표시 장치(61), 및 경보 장치(63)가 설치되어 있다.

＜센서＞

도 16에 도시한 바와 같이 작업 기계(1c)에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 선회 각도 센서(3s), 자세 센서(3b), 부움 각도 센서(40a), 아암 각도 센서(41a), 버킷 각도 센서(42a), 하부 주행체 가속도 센서(2a), 상부 선회체 가속도 센서(3a), 부움 가속도 센서(10a), 아암 가속도 센서(12a)가 설치되어 있다.

＜제어 장치＞

제어 장치(60)의 기본 구성은 도 2에 도시하는 제1 실시 형태와 동등하다. 제어 장치(60)의 기능 블록 중, 제1 실시 형태와 동등한 것에 대해서는 설명을 생략한다.

＜안정성 연산 수단＞

안정성 연산 수단(60c)은 제1 실시 형태와 마찬가지로 ZMP 연산 수단(60b)으로 산출되는 ZMP(70)의 좌표를 기초로 안정성 판별을 행한다. 안정성 연산 수단(60c)은, 작업 기계(1)와 지표면(30)으로 형성되는 지지 다각형(L)을 산출하고, 그 지지 다각형(L)에 대하여, 전도 가능성이 충분히 낮은 통상 영역(J)과, 전도 가능성이 보다 높은 전도 경고 영역(N)을 설정하고, ZMP(70)의 좌표가 통상 영역(J)에 있는 경우, 표시 장치(61)에 대하여, 안정성에 관한 정보를 출력한다. 그리고, ZMP(70)의 좌표가 전도 경고 영역(N)에 있는 경우, 안정성 연산 수단(60c)은 표시부(61)와 경보 장치(63)에 대하여, 안정성의 정보와 전도 경고를 출력한다.

도 17은 제4 실시 형태에 있어서의 지지 다각형(L)의 일례를 나타내는 도면이다. 도 17의 (a)에 도시한 바와 같이 전후 좌우 모든 아웃리거(36)를 접지시킨 경우의 지지 다각형(L)은, 전후 좌우의 아웃리거(36)의 접지점을 연결한 사각형이 된다. 요동식의 아웃리거를 갖고 있는 경우에는, 요동되는 경우에는, 아웃리거 접지면 중 요동 중심선의 바로 밑의 아웃리거 접지점을 연결하는 사각형이며, 고정식의 아웃리거를 갖고 있는 경우에는, 아웃리거 접지면 중 가장 중심으로부터 이격된 점을 연결한 사각형이 된다. 아웃리거(36)를 접지시키지 않는 경우에는 도 17의 (b)에 도시한 바와 같이 전후 좌우의 차륜(35)의 접지점을 연결한 사각형이 지지 다각형(L)이 된다. 또한, 아웃리거를 갖지 않는 차륜식의 작업 기계에 있어서도 지지 다각형(L)은 도 17의 (b)와 마찬가지이다. 아웃리거(36)를 전후 좌우 중 어느 한쪽만 접지시킨 경우 및 아웃리거(36)를 전후 좌우 중 어느 한쪽에 있어서만 갖고 있는 경우에는, 지지 다각형(L)은 접지되어 있는 아웃리거(36)의 접지점 및 전후 좌우 중 아웃리거를 접지하지 않고 있는 방향의 차륜(35)의 접지점을 연결한 사각형이 된다. 전방의 2개의 아웃리거만을 접지하고, 후방의 2개의 아웃리거를 접지하지 않는 경우에는 도 17의 (c)에 도시하는 예와 같이 된다.

지지 다각형(L)의 산출에 있어서는, 아웃리거(36)의 접지 유무를 운전자의 설정에 기초하여 변경하도록 해도 되고, 자동으로 판정하도록 구성해도 된다. 아웃리거(36)의 접지 유무를 자동으로 판정하는 방법으로서는, 각 아웃리거 혹은 각 아웃리거 실린더(37)에 자세 센서를 설치하고, 아웃리거의 자세로부터 설치 유무를 판정하는 방법이나 각 아웃리거 실린더(37)에 압력 센서를 설치하여, 압력 검출값으로부터 설치 유무를 판정하는 방법을 생각할 수 있다.

통상 영역(J)과 전도 경고 영역(N)의 경계(K)는, 지지 다각형(L)의 내측에 설정되어 있다. 경계(K)는 제1 실시 형태와 마찬가지로 결정한다.

또한, 제4 실시 형태에 있어서도 제1 실시 형태와 마찬가지로, 각종 센서의 변경이나 삭제는 가능하다. 또한, 상부 선회체(3)를 구비하지 않는 구성이어도 된다.

이상, 본 발명에 관한 제1 내지 제4 실시 형태를 설명했지만, 어느 쪽의 실시 형태에 있어서도, 작업 기계의 동작 상태에 대응하여 안정 판별의 조건을 변경하고, 변경된 안정 판별의 조건에 기초하여, 작업 기계의 안정성을 판별할 수 있다. 즉, 운전자는, 작업 기계의 동작 상태에 대응하여 시시각각의 안정성을 확인할 수 있어, 안정성이 높은 작업을 행할 수 있다는 우수한 효과를 발휘한다.

또한, 이상의 각 실시 형태에서는, 하부 주행체(2)로서 크롤러를 갖는 예에 대해서 설명했지만, 하부 주행체(2)로서 트럭식 등의 다른 형태를 갖는 경우라도, 마찬가지로 적용 가능하다.

또한, 이상의 각 실시 형태에서는, 작업 기계(1)로서 유압 셔블을 예로 들어서 설명했지만, 주행체와 작업 프론트를 갖는 작업 기계라면, 본 발명을 적용 가능하다.

또한, 이상의 각 실시 형태에서는, 작업 기계(1)를 사용하여 실제로 작업을 행하는 것을 상정하여 설명했지만, 본 발명을 시뮬레이터 등에 적용하여 실시해도 된다.

또한, 이상의 실시 형태에서는, ZMP(70)를 연산하기 위한 모델로서 집중 질점 모델을 사용했지만 강체 모델 등의 다른 모델화 형식에 기초하여 실시하는 구성으로 해도 된다.

또한, 이상의 각 실시 형태에서는, 상부 선회체(3)를 구비하는 작업 기계(1)에 기초하여 설명을 했지만, 상부 선회체(3)를 구비하지 않는 작업 기계(1)이어도 된다. 이 경우, 작업 프론트(6)는, 하부 주행체(2)에 직접 구비하는 형태가 된다. 또한, 자세 센서(3b)는 하부 주행체(2)에 구비하고, 선회 각도 센서(3s), 상부 선회체 가속도 센서(3a)는 구비하지 않는 형태가 된다.

1, 1a, 1b : 작업 기계
2 : 하부 주행체
2a : 하부 주행체 가속도 센서(하부 주행체 속도 검출 수단)
3 : 상부 선회체
3a : 상부 선회체 가속도 센서(상부 선회체 속도 검출 수단)
3b : 자세 센서
3c : 선회 중심선
3s : 선회 각도 센서
4 : 운전실
6 : 작업 프론트
7 : 선회 모터
7i, 7o : 선회 모터 압력 센서
10 : 부움(작업 프론트)
10a : 부움 가속도 센서(가속도 센서, 부움 속도 검출 수단)
12 : 아암(작업 프론트)
12a : 아암 가속도 센서(가속도 센서, 아암 속도 검출 수단)
13 : 아암 실린더
15 : 작업구 실린더
18 : 블레이드
19 : 블레이드 실린더
19i, 19o : 블레이드 실린더 압력 센서
23 : 버킷(작업구)
30 : 지표면
32 : 스프로킷(기동륜)
33 : 아이들러(유동륜)
34 : 하부 롤러
35 : 차륜
36 : 아웃리거
37 : 아웃리거 실린더
40, 41, 42 : 지지점
40a : 부움 각도 센서(각도 센서)
41a : 아암 각도 센서(각도 센서)
42a : 버킷 각도 센서
43, 44 : 핀
43a, 44a : 핀력 센서
46 : 횡방향 외력 작용점
50 : 조작 레버
55 : 사용자 설정 입력 장치
60, 80, 90 : 제어 장치
60a : 링크 연산 수단
60b : ZMP 연산 수단
60c : 안정성 연산 수단
60d : 블레이드 접지 판정 수단
60e : 잭업 판정 수단
60f : 횡방향 외력 연산 수단
61 : 표시 장치(표시 수단)
63 : 경보 장치(경보 수단)
70 : ZMP 좌표　
L : 지지 다각형　
J : 통상 영역　
N : 전도 경고 영역　
K : 경계
2P, 3P, 10P, 12P : 질점(무게 중심 위치)

Claims

주행체와, 상기 주행체 상에 설치한 작업 기계 본체와, 상기 작업 기계 본체에 대하여, 상하 방향으로 요동 가능하게 설치된 부움 실린더에 의해 구동하는 작업 프론트와 상기 작업 프론트의 선단에 설치한 작업구를 구비한 작업 기계에 있어서,
상기 작업 프론트를 포함하는 상기 본체 및 주행체의 각 가동부의 위치 정보, 가속도 정보, 외력 정보를 각각 검출하는 복수의 센서와,
이들 복수의 센서로 검출한 상기 위치 정보, 상기 가속도 정보, 상기 외력 정보를 입력하는 제어 장치와,
상기 제어 장치로부터 출력된 정보를 표시하는 표시 수단을 구비하고,
상기 제어 장치는,
상기 작업 프론트를 포함하는 상기 작업 기계 본체 및 상기 주행체의 각 가동부의 위치 정보, 가속도 정보, 외력 정보를 각각 사용하여 ZMP의 좌표를 산출하는 ZMP 연산 수단과,
입력부에 입력된 상기 위치 정보, 상기 가속도 정보, 상기 외력 정보를 사용하여 상기 작업 기계의 지면과의 복수의 접지점이 형성하는 지지 다각형을 산출하고, 이 지지 다각형에 대하여 상기 지지 다각형의 내측에 통상 영역 및 경고 영역을 설정하고, 상기 산출된 ZMP 좌표를 기초로 안정 판별을 행하고, 상기 ZMP가 상기 지지 다각형의 주연의 내측에 형성한 상기 경고 영역에 포함될 때 전도 경고를 출력하는 안정성 연산 수단을 구비하고,
상기 ZMP 연산 수단 및 안정성 연산 수단은, 상기 작업 기계 본체가 지표면에 접지하여 정립되어 있는 경우에, 상기 작업 기계 본체와 지표면의 접지점을 연결한 직사각형 형상을 이루는 지지 다각형을 산출하고, 직사각형 형상을 이루는 지지 다각형을 상기 표시 수단에 출력하고,
상기 작업구를 지표면에 압박하여 상기 주행체의 일부를 들어 올린 잭 업의 상태에 있는 경우에, 상기 부움 실린더의 압력에 기초하여 상기 잭 업의 상태를 판정하고, 상기 주행체의 접지하고 있는 측의 2개의 단부점 및 상기 작업구의 접지점에 의해 형성되는 삼각 형상을 이루는 지지 다각형을 산출하고, 삼각 형상을 이루는 지지 다각형을 상기 표시 수단에 출력하여 표시하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 작업 기계의 동작 각도를 검출하는 각도 센서와, 상기 작업 기계의 동작 가속도를 검출하는 가속도 센서와, 상기 작업 프론트와 상기 작업구를 연결하는 핀에 가해지는 외력을 검출하는 핀력 센서 중 적어도 어느 한쪽을 갖고 있고,
상기 ZMP 연산 수단은 상기 센서의 출력값에 기초하여 상기 작업 프론트를 포함하는 상기 본체 및 주행체를 구성하는 각 가동부의 위치 벡터, 가속도 벡터, 및 외력 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 안정성 연산 수단은, 상기 지지 다각형, 상기 경고 영역 및 안정도를, 작업 상태나 운전자의 지시에 따라 차차 변경하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제3항에 있어서,
상기 주행체에 대하여 상하 요동 가능하게 설치한 부움, 상기 부움에 관절을 거쳐서 요동 가능하게 연결된 아암과,
상기 부움의 동작 속도를 검출하는 부움 속도 검출 수단 및 아암의 동작 속도를 검출하는 아암 속도 검출 수단과,
상기 주행체의 주행 속도를 검출하는 주행체 속도 검출 수단을 갖고 있고,
상기 안정성 연산 수단은, 미리 주어진 상기 주행체의 질량, 상기 부움의 질량, 상기 아암의 질량, 상기 주행체 속도 검출 수단이 검출하는 상기 주행체의 주행 속도, 상기 부움 속도 검출 수단이 검출하는 상기 부움의 동작 속도 및 상기 아암 속도 검출 수단이 검출하는 상기 아암의 동작 속도에 기초하여 상기 경고 영역의 크기를 변경하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
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