掘削機
【課題】掘削の中断を回避して効率よく掘削を行うことができるトンネル掘削機を提供することである。
【解決手段】上記した目的を解決するために、本発明における課題解決手段は、傾斜角検知手段で検知した掘削機本体のローリング角とピッチング角と、掘削機外設置機器を持たないヨーイング角検知手段で検知したヨーイング角とから掘削機本体の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御することを特徴とする。
【解決手段】上記した目的を解決するために、本発明における課題解決手段は、傾斜角検知手段で検知した掘削機本体のローリング角とピッチング角と、掘削機外設置機器を持たないヨーイング角検知手段で検知したヨーイング角とから掘削機本体の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル掘削機でトンネルを掘削する場合、トンネル掘削機の正確な位置（座標）を把握しなければ、設計通りにトンネルを形成することができない。そのため、従来、トンネル掘削機の正確な位置をトンネル掘削機の後方にトータルステーションと称される監視装置を設置し、このトータルステーションで絶えずトンネル掘削機の位置を計測し、トータルステーションで計測したトンネル掘削機の位置情報を掘削機へ無線で送信することで、トンネル掘削機で自身の正確な位置を把握できるようにしている。
【０００３】
より詳しくは、トンネル掘削機は、掘削機本体と、掘削機本体に旋回および俯仰自在に取付けた伸縮ブームと、伸縮ブームの先端に取付けたカッタヘッドと、掘削機本体のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角センサと、掘削機本体に設置されて追尾式トータルステーションから発せられるレーザー光を追尾式トータルステーションへ向けて反射するプリズムターゲットと、追尾式トータルステーションの至近に設けた光源から発せられる光を追尾する光源追尾センサとを備えて構成されている。
【０００４】
追尾式トータルステーションは、自身がプリズムターゲットを追尾してレーザー光を発射し、プリズムターゲットで反射されたレーザー光を受光するようになっており、発射時と受光時の時間差でプリズムターゲットとの距離を計測する。 また、追尾式トータルステーションは、自身を原点としたトンネル座標系を持っており、レーザー光の発射方向から上記座標系のトンネル軸に対するレーザー光発射角を計測して、当該発射角を掘削機へ送信する。
【０００５】
トンネル掘削機側では、光源追尾センサが追尾式トータルステーションの至近に設置した光源に正対したときの方向から、掘削機本体と光源との相対的なヨーリング角を検知し、傾斜角センサで検知したローリング角とピッチング角と掘削機本体と光源との相対的なヨーイング角と追尾式トータルステーションから得た発射角とからトンネル軸に対する自身のヨーイング角を求める。
【０００６】
このようにすることで、トンネル掘削機は、プリズムターゲットの位置と、掘削機本体のローリング角、ピッチング角およびヨーイング角でなる姿勢とを把握することができる。
【０００７】
また、トンネル掘削機は、伸縮ブームの旋回角と俯仰角とストローク量をそれぞれ検知するためのセンサを備えており、これらセンサで検知した旋回角、俯仰角およびストローク量と、掘削機本体の姿勢とプリズムターゲットの位置とからカッタヘッドのトンネル座標系における位置を把握することができ、別途、カッタヘッドのコントローラの記憶させておいた掘削面の座標へカッタヘッドの位置を合致させることで掘削面を自動的に掘削することができるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
なお、掘削機本体のトンネル軸に対するヨーイング角を検知する機器は、これ以外にも、掘削機本体に三つの光源を設けてトータルステーション側に設けたＣＣＤカメラで光源を撮影し、撮影された光源の位置関係から掘削機本体のトンネル軸に対するヨーイング角を測定するものもあるが、ヨーイング角を測定する方法が異なるのみで、カッタヘッドの位置を把握して掘削面を掘削する点では異なるものではない（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２６２０９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、掘削機本体の正確な位置と姿勢の測定は、掘削中、常に行われる必要がある。というのは、カッタヘッドで掘削面を掘削する際に、掘削面からの反力を受けて掘削機本体の姿勢が変化するためであり、常に掘削機本体の位置と姿勢を把握していないと、トンネルを設計通りに掘削することができないからである。したがって、従来のトンネル掘削機では、追尾式トータルステーションからの位置情報の送信が途絶えると掘削を停止するようになっている。
【００１１】
他方、掘削中は、カッタヘッドで掘削した土（ズリ）をホイールローダで搬出するようにしており、ホイールローダは、トンネル掘削機の横でズリを掬って後方に控えているトラックへズリを運ぶため、追尾式トータルステーションとトンネル掘削機との間を何度も往復することがあり、その度に、追尾式トータルステーションのレーザー光や光源の光をホイールローダが遮ってトンネル掘削機の位置や姿勢の測定が不能となってしまい掘削を中断せざるを得ない場合がある。また、掘削中は、カッタヘッドで削った土が粉塵となって、空中に分散することが頻繁するため、当該粉塵によって追尾式トータルステーションのレーザー光や光源の光が遮られてしまってトンネル掘削機の位置や姿勢の測定が不能となって掘削の中断が頻繁するという問題もある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、掘削の中断を回避して効率よく掘削を行うことができるトンネル掘削機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を解決するために、本発明における課題解決手段は、自走可能な掘削機本体と、掘削機本体に旋回および俯仰自在に取付けられた伸縮ブームと、伸縮ブームの先端に設けたカッタヘッドとを備えたトンネル掘削機において、掘削機本体のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角検知手段と、掘削機外設置機器無しに掘削機本体のヨーイング角を検知するヨーイング角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する俯仰角を検知する俯仰角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する左右方向の旋回角を検出する旋回角検知手段と、伸縮ブームのストローク量を検知するストローク量検知手段と、ローリング角とピッチング角とヨーイング角とから掘削機本体の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のトンネル掘削機によれば、追尾式トータルステーションや掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサから掘削機本体の姿勢に関する情報を入手することができない状況となっても、掘削機本体の姿勢を推定してカッタヘッドの位置を把握することができるので、掘削を中断することなく掘削面を掘削することができる。
【００１５】
したがって、トンネル掘削機によれば、ホイールローダでズリ採り作業を実施する度に掘削が中断してしまうことが無く、また、掘削した土砂が粉塵となって追尾式トータルステーションのレーザー光や掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサの光が遮られるような環境にあっても掘削が中断されないので、効率的に掘削作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施の形態のトンネル掘削機の側面図である。
【図２】他の実施の形態におけるトンネル掘削機の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のトンネル掘削機１は、図１に示すように、自走可能な掘削機本体２と、掘削機本体２に旋回および俯仰自在に取付けられた伸縮ブーム３と、伸縮ブーム３の先端に設けたカッタヘッド４と、掘削機本体２のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角検知手段としての傾斜角センサ５、掘削機外設置機器無しに掘削機本体２のヨーイング角を検知するヨーイング角検知手段としてのジャイロセンサ６と、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角を検知する俯仰角検知手段としての角度センサ７と、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する左右方向の旋回角を検出する旋回角検知手段としての旋回角センサ８と、伸縮ブーム３のストローク量を検知するストローク量検知手段としてのストロークセンサ９と、ローリング角とピッチング角とヨーイング角とから掘削機本体２の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッド４の位置を制御する制御手段としてのコントローラ１０とを備えている。
【００１８】
また、このトンネル掘削機１は、上記構成とは別に、図示しないトンネル内のトンネル掘削機１の後方に設置される追尾式トータルステーションＴから発せられるレーザー光を追尾式トータルステーションＴへ向けて反射するプリズムターゲット１１と、追尾式トータルステーションＴの至近に設けたターゲットＬに対する相対的なヨーイング角を検知する追尾式ヨーセンサ１２とを掘削機本体２に備えている。
【００１９】
以下、トンネル掘削機１の各部について詳細に説明する。掘削機本体２は、無限軌道１３を備えていて自走可能であって、前部には、伸縮ブーム３が掘削機本体２に対して左右方向に所定角度範囲内で旋回できるとともに、上下方向に所定角度範囲内で俯仰自在に取付けられている。すなわち、伸縮ブーム３は掘削機本体２に対して首振りが可能とされていて、掘削機本体２は、たとえば、図示はしないが伸縮ブーム３を掘削機本体２に対して旋回駆動するアクチュエータと、伸縮ブーム３を上下方向へ俯仰駆動させる油圧シリンダといった伸縮ブーム３を旋回および俯仰させる駆動源を備えている。また、伸縮ブーム３は、たとえば、油圧シリンダを備えていて油圧シリンダを駆動することで伸縮することができるようになっていて、図示はしないが、先端に取付けられるカッタヘッド４を回転駆動する駆動源として、たとえば、電動機を備えている。
【００２０】
これら伸縮ブーム３を掘削機本体２に対して旋回および俯仰させる駆動源と、伸縮ブーム３を伸縮駆動させる油圧シリンダ、カッタヘッド４を回転駆動させる電動機は、後述するコントローラ１０によって制御される。
【００２１】
また、掘削機本体２の上部には、プリズムターゲット１１と、当該プリズムターゲット１１の下方至近に設けた追尾式ヨーセンサ１２とを備えている。プリズムターゲット１１は、追尾式トータルステーションＴから発射されるレーザー光を追尾式トータルステーションＴへ向けて反射するようになっている。なお、追尾式トータルステーションＴは、特開２００３−２６２０９０号公報に開示されているものと同様に、プリズムターゲット１１で反射されたレーザー光を受光してプリズムターゲット１１の位置までの距離と方向とを検知し、予め入力された自身の座標に照らし合わせて、プリズムターゲット１１の正確な位置と、プリズムターゲット１１と追尾式トータルステーションＴとを結ぶ架装線の追尾式トータルステーションＴを原点としたトンネル座標軸に対してなすヨーイング角αを求めて、掘削機本体２に搭載のコントローラ１０へ送信するようになっている。具体的には、追尾式トータルステーションＴは、プリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αを取り込んでこれらを掘削機本体２に搭載されるコントローラ１０へ送信する制御用コンピュータ２０に接続されており、当該制御用コンピュータ２０は、トンネルの基準となる座標と方向でなるトンネル路線情報を計算するための情報を保有していて、随時、演算して求めたトンネル路線情報をプリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αとともにコントローラ１０へ送信するようになっている。
【００２２】
追尾式ヨーセンサ１２は、追尾式トータルステーションＴの至近に設けたターゲットＬに対して光を発射して反射光を受光することによりターゲットＬを追尾し、ターゲットＬに正対したときの方向から掘削機本体２のターゲットＬに対する相対的なヨーイング角βを検知するようになっていて、検知したターゲットＬと掘削機本体２の相対的なヨーイング角βをコントローラ１０へ入力する。
【００２３】
傾斜角センサ５は、たとえば、コンデンサの電極間の液面変化を静電容量変化で読みとって傾斜角を検出する静電容量式等のセンサを用いることができ、ローリング角とピッチング角をそれぞれ独立して検知する二つのセンサで構成されてもよいし、ジャイロセンサとされてもよい。そして、傾斜角センサ５で検知したローリング角とピッチング角は、それぞれコントローラ１０に入力される。
【００２４】
ジャイロセンサ６は、ジャイロスコープや振動ジャイロを利用してヨーイング角ζを検出するものでもよいし、サニヤック効果を利用したものやリングレーザージャイロを利用したものであってもよく、検知したヨーイング角ζはコントローラ１０に入力される。なお、ジャイロセンサ６は、直接的にはヨーイング角速度を検出するので、ジャイロセンサ６自体にヨーイング角速度を積分する演算装置を付加してヨーイング角ζをコントローラ１０へ入力してもよいし、コントローラ１０で積分演算を実施してもよい。なお、ヨーイング角検知手段は、掘削機本体２のヨーイング角ζを検知することができるものであればよいので、ジャイロセンサ６に限定されるものではない。
【００２５】
角度センサ７および旋回角センサ８は、たとえば、ポテンショメータ等といった伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する角度を検知できるものであればよく、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角と旋回角は、コントローラ１０に入力される。
【００２６】
ストロークセンサ９は、伸縮ブーム３のストローク量を検知することができればよいので、伸縮ブーム３の伸縮変位を検出してストローク量を検知すればよいが、伸縮ブーム３を伸縮駆動させる油圧シリンダのストローク量を検出して上記伸縮ブーム３のストローク量を検知するものであってもよい。
【００２７】
つづいて、コントローラ１０は、制御用コンピュータ２０と通信可能とされており、追尾式トータルステーションＴでプリズムターゲット１１の位置とトンネル軸に対する角度αとを検知可能な状況にあっては、これらプリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αと、追尾式ヨーセンサ１２で検知したヨーイング角βと、傾斜角センサ５で検知したローリング角およびピッチング角に基づいて、プリズムターゲット１１の位置と掘削機本体２の姿勢を求める。また、コントローラ１０は、プリズムターゲット１１の位置と掘削機本体２の姿勢とに加えて、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角と旋回角と、伸縮ブーム３のストローク量とからカッタヘッド４の正確な位置を把握してカッタヘッド４の位置を制御しつつ掘削面を掘削する。
【００２８】
具体的には、コントローラ１０は、プリズムターゲット１１と追尾式ヨーセンサ１２との相対的な位置情報と、追尾式トータルステーションＴとターゲットＬとの相対的な位置情報とを予め記憶しており、これらの情報とプリズムターゲット１１の正確な位置とヨーイング角α、追尾式ヨーセンサ１２で検知したターゲットＬと掘削機本体２のヨーイング角β、傾斜角センサ５で検知したローリング角およびピッチング角とから、特開２００３−２６２０９０号公報に開示されているように、掘削機本体２のトンネル座標軸に対するヨーイング角γを求めることにより、掘削機本体２の正確な姿勢を把握することができるようになっている。
【００２９】
さらに、コントローラ１０は、プリズムターゲット１１と伸縮ブーム３との相対的な位置関係の情報と、伸縮ブーム３とカッタヘッド４との相対的な位置関係の情報といったカッタヘッドの位置を把握するために必要となる諸元情報を予め記憶しており、上記で求めたプリズムターゲット１１の正確な位置の情報と、掘削機本体２の姿勢と、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角と旋回角と、伸縮ブーム３のストローク量とからカッタヘッド４の正確な位置を把握することができるようになっている。
【００３０】
また、コントローラ１０は、上記とは別に、掘削パターン情報を保有しており、制御用コンピュータ２０から得たトンネル路線情報と掘削パターン情報に基づいて掘削すべき掘削面が指定される。そして、コントローラ１０は、指定された掘削面を掘削するのにあたり、カッタヘッド４の正確な位置を把握できるので、正確に掘削面を掘削することができる。
【００３１】
このように、追尾式トータルステーションＴとプリズムターゲット１１との間およびターゲットＬと追尾式ヨーセンサ１２との間に何ら光を遮るものが無い場合には、上述のように、常に、追尾式トータルステーションＴからプリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αの情報を得るとともに、追尾式ヨーセンサ１２で掘削機本体２のヨーイング角βを検知することでカッタヘッド４の正確な位置を把握しつつ掘削を行うことができる。
【００３２】
他方、追尾式トータルステーションＴとプリズムターゲット１１との間、あるいは、ターゲットＬと追尾式ヨーセンサ１２との間に何らかの光を遮るものがあった場合には、少なくとも、追尾式トータルステーションＴでプリズムターゲット１１の位置およびヨーイング角αを得ることができないか、追尾式ヨーセンサ１２でヨーイング角βを検知することができなくなる。
【００３３】
このような状況となると、コントローラ１０は、掘削機本体２のヨーイング角ζを掘削機本体外に設置される機器を利用すること無しに検知するヨーイング角検知手段としてのジャイロセンサ６を備えており、このジャイロセンサ６で検知するヨーイング角ζを追尾式ヨーセンサ１２と追尾式トータルステーションＴから得られる情報から求めていたヨーイング角γに代用し、傾斜角センサ５で検知したローリング角とピッチング角と代用するヨーイング角ζとで掘削機本体２の姿勢を推定し、プリズムターゲット１１の位置には変更が無かったものと見なして、カッタヘッド４の位置を把握するようにする。
【００３４】
したがって、このトンネル掘削機１にあっては、追尾式トータルステーションＴや掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサから掘削機本体２の姿勢に関する情報を入手することができない状況となっても、掘削機本体２の姿勢を推定してカッタヘッド４の位置を把握することができるので、掘削を中断することなく掘削面を掘削することができる。
【００３５】
つまり、トンネル掘削機１によれば、ホイールローダでズリ採り作業を実施する度に掘削が中断してしまうことが無く、また、掘削した土砂が粉塵となって追尾式トータルステーションＴのレーザー光や掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサの光が遮られるような環境にあっても掘削が中断されないので、効率的に掘削作業を行うことができる。
【００３６】
また、図２に示すように、トンネル掘削機１の掘削機本体２に無限軌道１３で走行した距離を検知する距離検知手段としての距離計１４を設けておき、コントローラ１０で無限軌道１３の駆動を制御できるようにしておき、この距離計１４で計測した走行距離情報をコントローラ１０で取り込んで、掘削機本体２の位置を推定するようにしてもよい。この場合、コントローラ１０に追尾式トータルステーションＴと追尾式ヨーセンサ１２からの情報が無くとも、掘削を継続できるように、トンネルの基準となる座標と方向でなるトンネル路線情報或いはトンネル路線情報を演算するための情報と、掘削面を指定する掘削パターン情報を保有させておき、掘削作業を開始する時点における正確な掘削機本体２の位置と姿勢とを入力しておけば、掘削機本体２の姿勢を傾斜角センサ５で検知したローリング角とピッチング角とジャイロセンサ６で検知したヨーイング角ζとから掘削機本体２の姿勢を推定しつつ、無限軌道１３で走行した走行距離を加味することによりコントローラ１０で掘削機本体２の位置を推定することができる。
【００３７】
したがって、この場合には、トンネル掘削機１は、追尾式トータルステーションＴや追尾式ヨーセンサ１２からの情報を必要としないので、掘削の中断の発生がなくなることに加えて、自立走行してトンネル掘削を行うことができるので、追尾式トータルステーションＴや追尾式ヨーセンサ１２を廃止することも可能である。なお、追尾式トータルステーションＴや追尾式ヨーセンサ１２からの情報が途絶えたときに補完的に自立走行してトンネル掘削を継続することも可能であることは当然である。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、トンネル掘削機に利用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 伸縮ブーム
４ カッタヘッド
５ 傾斜角検知手段としての傾斜角センサ
６ ヨーイング角検知手段としてのジャイロセンサ
７ 俯仰角検知手段としての角度センサ
８ 旋回角検知手段としての旋回角センサ
９ ストローク量検知手段としてのストロークセンサ
１０ 制御手段としてのコントローラ
１１ プリズムターゲット
１２ 追尾式ヨーセンサ
１３ 無限軌道
１４ 距離計
２０ 制御用コンピュータ
Ｌ ターゲット
Ｔ 追尾式トータルステーション
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル掘削機でトンネルを掘削する場合、トンネル掘削機の正確な位置（座標）を把握しなければ、設計通りにトンネルを形成することができない。そのため、従来、トンネル掘削機の正確な位置をトンネル掘削機の後方にトータルステーションと称される監視装置を設置し、このトータルステーションで絶えずトンネル掘削機の位置を計測し、トータルステーションで計測したトンネル掘削機の位置情報を掘削機へ無線で送信することで、トンネル掘削機で自身の正確な位置を把握できるようにしている。
【０００３】
より詳しくは、トンネル掘削機は、掘削機本体と、掘削機本体に旋回および俯仰自在に取付けた伸縮ブームと、伸縮ブームの先端に取付けたカッタヘッドと、掘削機本体のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角センサと、掘削機本体に設置されて追尾式トータルステーションから発せられるレーザー光を追尾式トータルステーションへ向けて反射するプリズムターゲットと、追尾式トータルステーションの至近に設けた光源から発せられる光を追尾する光源追尾センサとを備えて構成されている。
【０００４】
追尾式トータルステーションは、自身がプリズムターゲットを追尾してレーザー光を発射し、プリズムターゲットで反射されたレーザー光を受光するようになっており、発射時と受光時の時間差でプリズムターゲットとの距離を計測する。 また、追尾式トータルステーションは、自身を原点としたトンネル座標系を持っており、レーザー光の発射方向から上記座標系のトンネル軸に対するレーザー光発射角を計測して、当該発射角を掘削機へ送信する。
【０００５】
トンネル掘削機側では、光源追尾センサが追尾式トータルステーションの至近に設置した光源に正対したときの方向から、掘削機本体と光源との相対的なヨーリング角を検知し、傾斜角センサで検知したローリング角とピッチング角と掘削機本体と光源との相対的なヨーイング角と追尾式トータルステーションから得た発射角とからトンネル軸に対する自身のヨーイング角を求める。
【０００６】
このようにすることで、トンネル掘削機は、プリズムターゲットの位置と、掘削機本体のローリング角、ピッチング角およびヨーイング角でなる姿勢とを把握することができる。
【０００７】
また、トンネル掘削機は、伸縮ブームの旋回角と俯仰角とストローク量をそれぞれ検知するためのセンサを備えており、これらセンサで検知した旋回角、俯仰角およびストローク量と、掘削機本体の姿勢とプリズムターゲットの位置とからカッタヘッドのトンネル座標系における位置を把握することができ、別途、カッタヘッドのコントローラの記憶させておいた掘削面の座標へカッタヘッドの位置を合致させることで掘削面を自動的に掘削することができるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
なお、掘削機本体のトンネル軸に対するヨーイング角を検知する機器は、これ以外にも、掘削機本体に三つの光源を設けてトータルステーション側に設けたＣＣＤカメラで光源を撮影し、撮影された光源の位置関係から掘削機本体のトンネル軸に対するヨーイング角を測定するものもあるが、ヨーイング角を測定する方法が異なるのみで、カッタヘッドの位置を把握して掘削面を掘削する点では異なるものではない（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２６２０９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、掘削機本体の正確な位置と姿勢の測定は、掘削中、常に行われる必要がある。というのは、カッタヘッドで掘削面を掘削する際に、掘削面からの反力を受けて掘削機本体の姿勢が変化するためであり、常に掘削機本体の位置と姿勢を把握していないと、トンネルを設計通りに掘削することができないからである。したがって、従来のトンネル掘削機では、追尾式トータルステーションからの位置情報の送信が途絶えると掘削を停止するようになっている。
【００１１】
他方、掘削中は、カッタヘッドで掘削した土（ズリ）をホイールローダで搬出するようにしており、ホイールローダは、トンネル掘削機の横でズリを掬って後方に控えているトラックへズリを運ぶため、追尾式トータルステーションとトンネル掘削機との間を何度も往復することがあり、その度に、追尾式トータルステーションのレーザー光や光源の光をホイールローダが遮ってトンネル掘削機の位置や姿勢の測定が不能となってしまい掘削を中断せざるを得ない場合がある。また、掘削中は、カッタヘッドで削った土が粉塵となって、空中に分散することが頻繁するため、当該粉塵によって追尾式トータルステーションのレーザー光や光源の光が遮られてしまってトンネル掘削機の位置や姿勢の測定が不能となって掘削の中断が頻繁するという問題もある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、掘削の中断を回避して効率よく掘削を行うことができるトンネル掘削機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を解決するために、本発明における課題解決手段は、自走可能な掘削機本体と、掘削機本体に旋回および俯仰自在に取付けられた伸縮ブームと、伸縮ブームの先端に設けたカッタヘッドとを備えたトンネル掘削機において、掘削機本体のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角検知手段と、掘削機外設置機器無しに掘削機本体のヨーイング角を検知するヨーイング角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する俯仰角を検知する俯仰角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する左右方向の旋回角を検出する旋回角検知手段と、伸縮ブームのストローク量を検知するストローク量検知手段と、ローリング角とピッチング角とヨーイング角とから掘削機本体の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のトンネル掘削機によれば、追尾式トータルステーションや掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサから掘削機本体の姿勢に関する情報を入手することができない状況となっても、掘削機本体の姿勢を推定してカッタヘッドの位置を把握することができるので、掘削を中断することなく掘削面を掘削することができる。
【００１５】
したがって、トンネル掘削機によれば、ホイールローダでズリ採り作業を実施する度に掘削が中断してしまうことが無く、また、掘削した土砂が粉塵となって追尾式トータルステーションのレーザー光や掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサの光が遮られるような環境にあっても掘削が中断されないので、効率的に掘削作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施の形態のトンネル掘削機の側面図である。
【図２】他の実施の形態におけるトンネル掘削機の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のトンネル掘削機１は、図１に示すように、自走可能な掘削機本体２と、掘削機本体２に旋回および俯仰自在に取付けられた伸縮ブーム３と、伸縮ブーム３の先端に設けたカッタヘッド４と、掘削機本体２のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角検知手段としての傾斜角センサ５、掘削機外設置機器無しに掘削機本体２のヨーイング角を検知するヨーイング角検知手段としてのジャイロセンサ６と、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角を検知する俯仰角検知手段としての角度センサ７と、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する左右方向の旋回角を検出する旋回角検知手段としての旋回角センサ８と、伸縮ブーム３のストローク量を検知するストローク量検知手段としてのストロークセンサ９と、ローリング角とピッチング角とヨーイング角とから掘削機本体２の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッド４の位置を制御する制御手段としてのコントローラ１０とを備えている。
【００１８】
また、このトンネル掘削機１は、上記構成とは別に、図示しないトンネル内のトンネル掘削機１の後方に設置される追尾式トータルステーションＴから発せられるレーザー光を追尾式トータルステーションＴへ向けて反射するプリズムターゲット１１と、追尾式トータルステーションＴの至近に設けたターゲットＬに対する相対的なヨーイング角を検知する追尾式ヨーセンサ１２とを掘削機本体２に備えている。
【００１９】
以下、トンネル掘削機１の各部について詳細に説明する。掘削機本体２は、無限軌道１３を備えていて自走可能であって、前部には、伸縮ブーム３が掘削機本体２に対して左右方向に所定角度範囲内で旋回できるとともに、上下方向に所定角度範囲内で俯仰自在に取付けられている。すなわち、伸縮ブーム３は掘削機本体２に対して首振りが可能とされていて、掘削機本体２は、たとえば、図示はしないが伸縮ブーム３を掘削機本体２に対して旋回駆動するアクチュエータと、伸縮ブーム３を上下方向へ俯仰駆動させる油圧シリンダといった伸縮ブーム３を旋回および俯仰させる駆動源を備えている。また、伸縮ブーム３は、たとえば、油圧シリンダを備えていて油圧シリンダを駆動することで伸縮することができるようになっていて、図示はしないが、先端に取付けられるカッタヘッド４を回転駆動する駆動源として、たとえば、電動機を備えている。
【００２０】
これら伸縮ブーム３を掘削機本体２に対して旋回および俯仰させる駆動源と、伸縮ブーム３を伸縮駆動させる油圧シリンダ、カッタヘッド４を回転駆動させる電動機は、後述するコントローラ１０によって制御される。
【００２１】
また、掘削機本体２の上部には、プリズムターゲット１１と、当該プリズムターゲット１１の下方至近に設けた追尾式ヨーセンサ１２とを備えている。プリズムターゲット１１は、追尾式トータルステーションＴから発射されるレーザー光を追尾式トータルステーションＴへ向けて反射するようになっている。なお、追尾式トータルステーションＴは、特開２００３−２６２０９０号公報に開示されているものと同様に、プリズムターゲット１１で反射されたレーザー光を受光してプリズムターゲット１１の位置までの距離と方向とを検知し、予め入力された自身の座標に照らし合わせて、プリズムターゲット１１の正確な位置と、プリズムターゲット１１と追尾式トータルステーションＴとを結ぶ架装線の追尾式トータルステーションＴを原点としたトンネル座標軸に対してなすヨーイング角αを求めて、掘削機本体２に搭載のコントローラ１０へ送信するようになっている。具体的には、追尾式トータルステーションＴは、プリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αを取り込んでこれらを掘削機本体２に搭載されるコントローラ１０へ送信する制御用コンピュータ２０に接続されており、当該制御用コンピュータ２０は、トンネルの基準となる座標と方向でなるトンネル路線情報を計算するための情報を保有していて、随時、演算して求めたトンネル路線情報をプリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αとともにコントローラ１０へ送信するようになっている。
【００２２】
追尾式ヨーセンサ１２は、追尾式トータルステーションＴの至近に設けたターゲットＬに対して光を発射して反射光を受光することによりターゲットＬを追尾し、ターゲットＬに正対したときの方向から掘削機本体２のターゲットＬに対する相対的なヨーイング角βを検知するようになっていて、検知したターゲットＬと掘削機本体２の相対的なヨーイング角βをコントローラ１０へ入力する。
【００２３】
傾斜角センサ５は、たとえば、コンデンサの電極間の液面変化を静電容量変化で読みとって傾斜角を検出する静電容量式等のセンサを用いることができ、ローリング角とピッチング角をそれぞれ独立して検知する二つのセンサで構成されてもよいし、ジャイロセンサとされてもよい。そして、傾斜角センサ５で検知したローリング角とピッチング角は、それぞれコントローラ１０に入力される。
【００２４】
ジャイロセンサ６は、ジャイロスコープや振動ジャイロを利用してヨーイング角ζを検出するものでもよいし、サニヤック効果を利用したものやリングレーザージャイロを利用したものであってもよく、検知したヨーイング角ζはコントローラ１０に入力される。なお、ジャイロセンサ６は、直接的にはヨーイング角速度を検出するので、ジャイロセンサ６自体にヨーイング角速度を積分する演算装置を付加してヨーイング角ζをコントローラ１０へ入力してもよいし、コントローラ１０で積分演算を実施してもよい。なお、ヨーイング角検知手段は、掘削機本体２のヨーイング角ζを検知することができるものであればよいので、ジャイロセンサ６に限定されるものではない。
【００２５】
角度センサ７および旋回角センサ８は、たとえば、ポテンショメータ等といった伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する角度を検知できるものであればよく、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角と旋回角は、コントローラ１０に入力される。
【００２６】
ストロークセンサ９は、伸縮ブーム３のストローク量を検知することができればよいので、伸縮ブーム３の伸縮変位を検出してストローク量を検知すればよいが、伸縮ブーム３を伸縮駆動させる油圧シリンダのストローク量を検出して上記伸縮ブーム３のストローク量を検知するものであってもよい。
【００２７】
つづいて、コントローラ１０は、制御用コンピュータ２０と通信可能とされており、追尾式トータルステーションＴでプリズムターゲット１１の位置とトンネル軸に対する角度αとを検知可能な状況にあっては、これらプリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αと、追尾式ヨーセンサ１２で検知したヨーイング角βと、傾斜角センサ５で検知したローリング角およびピッチング角に基づいて、プリズムターゲット１１の位置と掘削機本体２の姿勢を求める。また、コントローラ１０は、プリズムターゲット１１の位置と掘削機本体２の姿勢とに加えて、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角と旋回角と、伸縮ブーム３のストローク量とからカッタヘッド４の正確な位置を把握してカッタヘッド４の位置を制御しつつ掘削面を掘削する。
【００２８】
具体的には、コントローラ１０は、プリズムターゲット１１と追尾式ヨーセンサ１２との相対的な位置情報と、追尾式トータルステーションＴとターゲットＬとの相対的な位置情報とを予め記憶しており、これらの情報とプリズムターゲット１１の正確な位置とヨーイング角α、追尾式ヨーセンサ１２で検知したターゲットＬと掘削機本体２のヨーイング角β、傾斜角センサ５で検知したローリング角およびピッチング角とから、特開２００３−２６２０９０号公報に開示されているように、掘削機本体２のトンネル座標軸に対するヨーイング角γを求めることにより、掘削機本体２の正確な姿勢を把握することができるようになっている。
【００２９】
さらに、コントローラ１０は、プリズムターゲット１１と伸縮ブーム３との相対的な位置関係の情報と、伸縮ブーム３とカッタヘッド４との相対的な位置関係の情報といったカッタヘッドの位置を把握するために必要となる諸元情報を予め記憶しており、上記で求めたプリズムターゲット１１の正確な位置の情報と、掘削機本体２の姿勢と、伸縮ブーム３の掘削機本体２に対する俯仰角と旋回角と、伸縮ブーム３のストローク量とからカッタヘッド４の正確な位置を把握することができるようになっている。
【００３０】
また、コントローラ１０は、上記とは別に、掘削パターン情報を保有しており、制御用コンピュータ２０から得たトンネル路線情報と掘削パターン情報に基づいて掘削すべき掘削面が指定される。そして、コントローラ１０は、指定された掘削面を掘削するのにあたり、カッタヘッド４の正確な位置を把握できるので、正確に掘削面を掘削することができる。
【００３１】
このように、追尾式トータルステーションＴとプリズムターゲット１１との間およびターゲットＬと追尾式ヨーセンサ１２との間に何ら光を遮るものが無い場合には、上述のように、常に、追尾式トータルステーションＴからプリズムターゲット１１の位置とヨーイング角αの情報を得るとともに、追尾式ヨーセンサ１２で掘削機本体２のヨーイング角βを検知することでカッタヘッド４の正確な位置を把握しつつ掘削を行うことができる。
【００３２】
他方、追尾式トータルステーションＴとプリズムターゲット１１との間、あるいは、ターゲットＬと追尾式ヨーセンサ１２との間に何らかの光を遮るものがあった場合には、少なくとも、追尾式トータルステーションＴでプリズムターゲット１１の位置およびヨーイング角αを得ることができないか、追尾式ヨーセンサ１２でヨーイング角βを検知することができなくなる。
【００３３】
このような状況となると、コントローラ１０は、掘削機本体２のヨーイング角ζを掘削機本体外に設置される機器を利用すること無しに検知するヨーイング角検知手段としてのジャイロセンサ６を備えており、このジャイロセンサ６で検知するヨーイング角ζを追尾式ヨーセンサ１２と追尾式トータルステーションＴから得られる情報から求めていたヨーイング角γに代用し、傾斜角センサ５で検知したローリング角とピッチング角と代用するヨーイング角ζとで掘削機本体２の姿勢を推定し、プリズムターゲット１１の位置には変更が無かったものと見なして、カッタヘッド４の位置を把握するようにする。
【００３４】
したがって、このトンネル掘削機１にあっては、追尾式トータルステーションＴや掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサから掘削機本体２の姿勢に関する情報を入手することができない状況となっても、掘削機本体２の姿勢を推定してカッタヘッド４の位置を把握することができるので、掘削を中断することなく掘削面を掘削することができる。
【００３５】
つまり、トンネル掘削機１によれば、ホイールローダでズリ採り作業を実施する度に掘削が中断してしまうことが無く、また、掘削した土砂が粉塵となって追尾式トータルステーションＴのレーザー光や掘削機外に設置される機器を利用しなくてはならないヨーセンサの光が遮られるような環境にあっても掘削が中断されないので、効率的に掘削作業を行うことができる。
【００３６】
また、図２に示すように、トンネル掘削機１の掘削機本体２に無限軌道１３で走行した距離を検知する距離検知手段としての距離計１４を設けておき、コントローラ１０で無限軌道１３の駆動を制御できるようにしておき、この距離計１４で計測した走行距離情報をコントローラ１０で取り込んで、掘削機本体２の位置を推定するようにしてもよい。この場合、コントローラ１０に追尾式トータルステーションＴと追尾式ヨーセンサ１２からの情報が無くとも、掘削を継続できるように、トンネルの基準となる座標と方向でなるトンネル路線情報或いはトンネル路線情報を演算するための情報と、掘削面を指定する掘削パターン情報を保有させておき、掘削作業を開始する時点における正確な掘削機本体２の位置と姿勢とを入力しておけば、掘削機本体２の姿勢を傾斜角センサ５で検知したローリング角とピッチング角とジャイロセンサ６で検知したヨーイング角ζとから掘削機本体２の姿勢を推定しつつ、無限軌道１３で走行した走行距離を加味することによりコントローラ１０で掘削機本体２の位置を推定することができる。
【００３７】
したがって、この場合には、トンネル掘削機１は、追尾式トータルステーションＴや追尾式ヨーセンサ１２からの情報を必要としないので、掘削の中断の発生がなくなることに加えて、自立走行してトンネル掘削を行うことができるので、追尾式トータルステーションＴや追尾式ヨーセンサ１２を廃止することも可能である。なお、追尾式トータルステーションＴや追尾式ヨーセンサ１２からの情報が途絶えたときに補完的に自立走行してトンネル掘削を継続することも可能であることは当然である。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、トンネル掘削機に利用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ 伸縮ブーム
４ カッタヘッド
５ 傾斜角検知手段としての傾斜角センサ
６ ヨーイング角検知手段としてのジャイロセンサ
７ 俯仰角検知手段としての角度センサ
８ 旋回角検知手段としての旋回角センサ
９ ストローク量検知手段としてのストロークセンサ
１０ 制御手段としてのコントローラ
１１ プリズムターゲット
１２ 追尾式ヨーセンサ
１３ 無限軌道
１４ 距離計
２０ 制御用コンピュータ
Ｌ ターゲット
Ｔ 追尾式トータルステーション
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自走可能な掘削機本体と、掘削機本体に旋回および俯仰自在に取付けられた伸縮ブームと、伸縮ブームの先端に設けたカッタヘッドとを備えたトンネル掘削機において、掘削機本体のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角検知手段と、掘削機外設置機器無しに掘削機本体のヨーイング角を検知するヨーイング角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する俯仰角を検知する俯仰角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する左右方向の旋回角を検出する旋回角検知手段と、伸縮ブームのストローク量を検知するストローク量検知手段と、ローリング角とピッチング角とヨーイング角とから掘削機本体の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
掘削機本体の走行距離を検知する距離検知手段を備え、制御手段は、走行距離から掘削機本体の位置を推定し、推定した掘削機本体の位置と姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
掘削機本体の絶対位置を検知するトータルステーションからの掘削機本体の位置情報が途絶えると掘削機本体の姿勢を推定することを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
掘削機本体の絶対位置を検知するトータルステーションからの掘削機本体の位置情報が途絶えると掘削機本体の姿勢と位置を推定することを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
【請求項１】
自走可能な掘削機本体と、掘削機本体に旋回および俯仰自在に取付けられた伸縮ブームと、伸縮ブームの先端に設けたカッタヘッドとを備えたトンネル掘削機において、掘削機本体のローリング角とピッチング角を検知する傾斜角検知手段と、掘削機外設置機器無しに掘削機本体のヨーイング角を検知するヨーイング角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する俯仰角を検知する俯仰角検知手段と、伸縮ブームの掘削機本体に対する左右方向の旋回角を検出する旋回角検知手段と、伸縮ブームのストローク量を検知するストローク量検知手段と、ローリング角とピッチング角とヨーイング角とから掘削機本体の姿勢を推定し、推定した掘削機本体の姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
掘削機本体の走行距離を検知する距離検知手段を備え、制御手段は、走行距離から掘削機本体の位置を推定し、推定した掘削機本体の位置と姿勢に基づいてカッタヘッドの位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
掘削機本体の絶対位置を検知するトータルステーションからの掘削機本体の位置情報が途絶えると掘削機本体の姿勢を推定することを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
掘削機本体の絶対位置を検知するトータルステーションからの掘削機本体の位置情報が途絶えると掘削機本体の姿勢と位置を推定することを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２３６５８９（Ｐ２０１１−２３６５８９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７２４９（Ｐ２０１０−１０７２４９）
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（３０４０３９０６５）カヤバ システム マシナリー株式会社 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（３０４０３９０６５）カヤバ システム マシナリー株式会社 (185)
【Ｆターム（参考）】
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