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1. (WO2015132927) 制御装置および掘進機
Document

明 細 書

発明の名称 制御装置および掘進機

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012  

図面の簡単な説明

0013  

発明を実施するための形態

0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039  

符号の説明

0040  

請求の範囲

1   2   3   4  

図面

1   2   3  

明 細 書

発明の名称 : 制御装置および掘進機

技術分野

[0001]
 本発明は、超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作制御技術に関する。

背景技術

[0002]
 地盤を掘削して管路またはトンネルを構築する場合において、地中に埋設または残置された障害物(例えば、H鋼、鋼矢板、鉄筋コンクリート壁等)に遭遇したときに、超高圧噴射ノズル(以下、単にノズルとも呼ぶ)から超高圧流体を噴射して、障害物を切断可能な掘進機が開発されている。例えば、下記の特許文献1,2は、超高圧噴射ノズルが設けられたカッターヘッド部を回転させながら超高圧流体を噴射することによって、障害物を周方向に輪切りにし、さらに、ノズルをジャッキによって径方向に移動させながら超高圧流体を噴射することによって、障害物をさらに細かく径方向に切断するように構成された掘進機が開示されている。
[0003]
 かかる掘進機においては、通常、障害物を周方向に切断する場合には、掘進機を操作するための操作盤においてカッターヘッド部の回転角度情報が取得され、この情報に基づいて、操作員がカッターヘッド部の回転範囲を制御していた。また、障害物を径方向に切断する場合には、操作盤においてジャッキのストローク情報が取得され、この情報に基づいて、操作員がジャッキのストローク範囲を操作していた。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2006-249926号公報
特許文献2 : 特開2005-97830号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 上述した掘進機においては、カッターヘッド部の回転によるノズルの周方向の移動と、ジャッキのストローク運動によるノズルの径方向の移動とを組み合わせることによって、カッターヘッド部の投影面の任意の位置で、障害物を任意の方向に細かく切断することが理論上可能である。しかしながら、かかる自由度の高い切断は、ノズルの周方向の移動と、ノズルの径方向の移動と、を同時に精度良く制御するか、あるいは、ノズルの周方向の僅かな移動と、ノズルの径方向の僅かな移動と、を交互に繰り返すように制御する必要がある。かかる精度の高い制御を行うことは、操作員に熟練操作技術が求められるので、困難であった。また、かかる掘進機の制御においては、掘進機の状況を把握し、障害物の切断作業の信頼性を高めることが望ましい。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
[0007]
 本発明の第1の形態によれば、回転可能なカッターヘッド部に設けられるとともに径方向に移動可能に構成された超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作を制御するための制御装置が提供される。この制御装置は、超高圧噴射ノズルの位置情報を取得するように構成された位置取得部と、取得される位置情報に基づいて、超高圧噴射ノズルの径方向の移動と、カッターヘッド部の回転に伴う超高圧噴射ノズルの周方向の移動と、が視覚的に把握可能な態様で、超高圧噴射ノズルの位置を表示するように構成された表示部と、を備える。
[0008]
 かかる制御装置によれば、掘進機の操作員は、表示部の表示によって、超高圧噴射ノズルの移動位置を視覚的に容易に把握できる。したがって、表示部の表示を見ながら、超高圧噴射ノズルを任意の所望の方向および位置に精度良く移動させることができる。その結果、障害物の自由度の高い切断を行うことができる。
[0009]
 本発明の第2の形態によれば、第1の形態において、超高圧噴射ノズルは複数である。表示部は、複数の超高圧噴射ノズルのうちの、使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルのみを表示するか、または、使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルと、使用可能な状態にない超高圧噴射ノズルと、を識別可能に表示するように構成される。かかる形態によれば、複数の超高圧噴射ノズルのうちの、流体源に接続されて使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルを容易に把握可能である。したがって、超高圧噴射ノズルと流体源との接続ミスや、移動を操作すべき超高圧噴射ノズルの把握ミスを抑制することができる。したがって、障害物の切断作業の信頼性が向上する。
[0010]
 本発明の第3の形態によれば、第1または第2の形態において、位置取得部は、さらに、超高圧噴射ノズルからの超高圧流体の噴射によって切断すべき障害物の位置情報を取得するように構成される。表示部は、さらに、取得される障害物の位置情報に基づいて、障害物と超高圧噴射ノズルとの相対位置を視覚的に把握可能な態様で、障害物の位置を表示するように構成される。かかる形態によれば、掘進機の操作員は、表示部の表示によって、切断作業中において、障害物と超高圧噴射ノズルとの相対位置を視覚的に容易に把握できる。したがって、障害物をより正確に所望の形状および大きさに切断できる。
[0011]
 本発明の第4の形態によれば、掘進機システムが提供される。この掘進機システムは、掘進機と、第1ないし第3のいずれかの形態の制御装置と、を備える。かかる掘進機システムによれば、第1ないし第3のいずれかの形態と同様の効果を奏する。
[0012]
 本発明は、上述の形態に限らず、掘進機を制御するための方法、掘進機を制御するためのプログラム、当該プログラムをコンピュータが読み取り可能に記録された記憶媒体など、種々の形態で実現可能である。

図面の簡単な説明

[0013]
[図1] 掘進機システムの概略構成を示す断面図である。
[図2] 図1に示すカッターヘッド部の概略正面図である。
[図3] 制御装置のモニタに表示される画面の一例を示す説明図である。

発明を実施するための形態

[0014]
 A.実施例:
 図1は、本発明の一実施例としての掘進機システム5の概略構成を示す断面図である。図2は、図1に示すカッターヘッド部30の概略正面図である。図1に示すように、掘進機システム5は、掘進機10と制御装置100とを備えている。掘進機10は、管路またはトンネルを構築するために地盤を掘削する機械であり、例えば、シールド工法や推進工法に適用可能である。図1では、掘進機10を推進工法に適用する例が示されており、掘進機10の掘進方向と反対側(以下、後方とも呼ぶ)には、推進管90が構築されている。
[0015]
 図1に示すように、掘進機10は、本体部20とカッターヘッド部30とを備えている。本体部20は、回転軸21と排泥管22と駆動モータ23とを備えている。カッターヘッド部30には、複数のカッタービット31が適宜設けられている。このカッターヘッド部30は、本体部20の掘進方向先端部に設けられており、回転軸21を中心にして駆動モータ23によって回転されることによって、地盤の掘削を行う。カッターヘッド部30の回転によって掘削された土壌は、排泥管22を介して排出される。
[0016]
 カッターヘッド部30には、流体を超高圧で噴射する超高圧噴射ノズル41,42,43,44,51,52が設けられている。超高圧噴射ノズル41,42,43,44,51,52から噴射される超高圧流体は、例えば、超高圧ジェット水と研磨材とが混合されたアブレッシブジェット水とすることができる。超高圧噴射ノズル41,42,43,44は、カッターヘッド部30に対する位置が固定されている。以下の説明では、超高圧噴射ノズル41,42,43,44を固定ノズル41,42,43,44とも呼ぶ。超高圧噴射ノズル51,52は、それぞれ、ノズル移動機構32,33によって、径方向に移動可能に構成されている。本実施例では、超高圧噴射ノズル51,52のうちの超高圧噴射ノズル51は、カッターヘッド部30の外縁よりも外側まで移動可能に構成されている。以下の説明では、超高圧噴射ノズル51,52を移動ノズル51,52とも呼ぶ。ノズル移動機構32,33は、本実施例では、ピストンロッドおよび油圧シリンダ(図示省略)を備える油圧シリンダ機構である。ただし、ノズル移動機構32,33には、移動ノズル51,52を線形移動させることができる任意のアクチュエータを使用することができる。
[0017]
 また、カッターヘッド部30には、地盤改良ノズル61,62,63,64,65が設けられている。地盤改良ノズル61~65からは、超高圧ジェット水と地盤改良材とが混合された地盤改良ジェット水が噴射される。地盤改良ノズル61~65は、カッターヘッド部30に対する位置が固定されている。なお、上述した各種ノズルの数は、任意に設定することができる。また、単一のノズルが超高圧噴射ノズルおよび地盤改良ノズルとして兼用されてもよい。
[0018]
 上述した超高圧噴射ノズルおよび地盤改良ノズルは、カッターヘッド部30が回転することによって、周方向に移動することができる。図2(b)は、カッターヘッド部30が、図2(a)に示した位置から時計回りに30度回転し、それに伴い、各種ノズルも同様に30度回転した位置に移動した状態を示している。
[0019]
 これらのノズルは、噴射する流体の流体源および超高圧ポンプ(図示省略)と選択的に接続可能に構成されている。本実施例では、回転軸21の内部にこれらの流体の流通経路が形成されており、これらの経路と、流体源および超高圧ポンプとは、ホースによって選択的に接続される。ここでの選択的とは、2つ以上のノズルが同時に接続されることと、複数のノズルのうちの1つが排他的に接続されることと、が含まれる。さらに本実施例では、ホースを接続するための接続口の各々には、接続の有無を検知するための接続センサが設けられている。かかる接続センサには、機械式、光学式、電気式、磁気式など、公知の種々のセンサを使用することができる。
[0020]
 かかる掘進機10は、地盤の掘削中に地中に埋設または残置された障害物に遭遇した場合に、当該障害物を地中で切断し、その切断片を取り除いて、掘削を継続することができる。具体的には、掘進機10は、まず、障害物の位置(しいては、形状)を検出する。かかる検出は、例えば、超高圧噴射ノズル41~44,51,52の少なくとも1つから障害物に向けて超高圧流体を噴射し、その反射音をオシロスコープ等で解析することによって行われる。障害物の位置の検出において、カッターヘッド部30によって超高圧噴射ノズル41~44,51,52の位置が移動されてもよく、ノズル移動機構32,33によって移動ノズル51,52の位置が移動されてもよい。
[0021]
 障害物の位置が検出されると、掘進機10は、カッターヘッド部30を回転させながら、地盤改良ノズル61~65の少なくとも1つから地盤改良ジェット水を噴射して、障害物の周囲を地盤改良する。その後、掘進機10は、カッターヘッド部30を回転させながら、超高圧噴射ノズル41~44,51,52の少なくとも1つから超高圧流体を噴射することにより、障害物を切断する。切断された切断片は、カッターヘッド部30の開口部(図示省略)から掘進機10の内部に取り込まれ、その後、排泥管22から排出される。こうして障害物が取り除かれると、掘進機10は、地盤の掘削を再開する。
[0022]
 かかる掘進機10の切断動作は、制御装置100によって制御される。制御装置100は、操作員が入力する掘進機10の動作指示を受け付けて、掘進機10のアクチュエータに動作指令を与える操作盤であり、掘進機10の動作を監視する監視盤としての機能も兼ね備えている。制御装置100は、掘進機10が備える各種アクチュエータおよびセンサと通信可能に接続されている。図1に示すように、制御装置100は、モニタ110と、制御部120と、ユーザインタフェース111と、を備えている。モニタ110には、後述するように、各種ノズルの位置を示す画像が表示される。ユーザインタフェース111は、操作員が入力する掘進機10および制御装置100の動作指示を受け付けるように構成されている。ユーザインタフェース111は、例えば、ボタン、レバー、スイッチなどであってもよい。あるいは、ユーザインタフェース111に代えて、モニタ110をタッチパネル式のディスプレイで構成し、モニタ110がユーザインタフェースとして使用されてもよい。
[0023]
 制御部120は、ユーザインタフェース111を介して入力された指示に基づいて、掘進機10の動作を制御するとともに、制御装置100の動作を制御する。制御部120は、予め定められた機能のみを電子回路で実現するハードウェア回路であってもよいし、メモリに記憶されたプログラムを実行して所定の機能を実現する情報処理装置であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。かかる制御装置100は、位置取得部121および表示部122としても機能する。
[0024]
 位置取得部121は、掘進機10から、超高圧噴射ノズル41~44,51,52の位置を表す位置情報を取得する。本実施例では、位置取得部121は、掘進機10に設けられた回転角度センサ(図示省略)から、カッターヘッド部30の回転角度の検出値を取得する。固定ノズル41~44および地盤改良ノズル61~65は、カッターヘッド部30に対する位置が固定されているので、カッターヘッド部30の回転軸線に対するこれらのノズルの径方向の位置は、既知である。したがって、これらのノズルの回転角度が分かれば、これらのノズルの座標値が導き出される。また、位置取得部121は、ノズル移動機構32,33に設けられた位置センサ(図示省略)から、ピストンロッドのストローク量検出値を取得する。かかるストローク量検出値と、上記の回転角度の検出値とから、移動ノズル51,52の座標値が導き出される。かかるノズルの位置情報の取得は、ノズルの移動量をリアルタイムで把握できるように、所定の周期で繰り返し取得される。さらに、本実施例では、位置取得部121は、上述した方法によって得られる障害物の位置情報についても取得する。
[0025]
 表示部122は、モニタ110に画像を表示するための制御を行う。具体的には、表示部122は、位置取得部121によって取得された各ノズルおよび障害物の位置情報に基づいて、各ノズルおよび障害物の位置を表示するための画像を生成し、モニタ110に出力する。各ノズルの位置表示は、固定ノズル41~44および地盤改良ノズル61~65の周方向の移動と、移動ノズル51,52の径方向の移動とが、リアルタイムで視覚的に把握可能な態様で行われる。また、障害物の位置表示は、障害物の位置と各ノズルとの相対位置を視覚的に把握可能な態様で行われる。
[0026]
 図3は、モニタ110に表示される画面の一例を示す。この例では、カッターヘッド部30の回転中心183を中心としたカッターヘッド部30の回転軸線方向への投影領域が外縁線181として表示され、さらに、カッターヘッド部30の回転角度を視覚的に把握するための角度補助線182が30度ごとに表示されている。また、外縁線181に対する固定ノズル41~44のそれぞれの相対位置を表す固定ノズル位置マーク141~144と、外縁線181に対する移動ノズル51,52のそれぞれの位置を表す移動ノズル位置マーク151,152と、外縁線181に対する地盤改良ノズル61~65のそれぞれの相対位置を表す地盤改良ノズル位置マーク161~165が、各ノズルの現在の位置に対応して表示されている。さらに、外縁線181に対する障害物の相対位置が、障害物範囲195として表示されている。図3の例では、障害物範囲195は、鋼矢板の存在範囲を示している。
[0027]
 また、本実施例では、制御装置100によって、上述した接続センサの検知結果が取得され、流体源および超高圧ポンプと接続された(すなわち、使用可能な状態にある)ノズルと、流体源および超高圧ポンプと接続されていない(すなわち、使用可能な状態にない)ノズルと、を識別可能な態様で各位置マークが表示される。例えば、使用可能な状態にあるノズルと、使用可能な状態にないノズルとは、相互に異なる色で表示されてもよいし、あるいは、点灯と点滅とで表示されてもよい。図3(a)では、各ノズルのうちの移動ノズル51のみが使用可能な状態にあり、移動ノズル位置マーク151が他の位置マークとは異なる色で表示されている状態を示している。
[0028]
 掘進機10の動作は、上述した制御装置100を使用して、例えば、以下のようにして操作され得る。まず、モニタ110に表示された障害物範囲195に基づいて、操作員は、切断計画図を作成する。この切断計画図は、例えば、操作員が、キャドソフトなどで切断予定ライン174を作成し、透明シート170上に印刷することによって用意される。この場合、切断計画図は、モニタ110に表示される外縁線181と同一の尺度で作成される。図3(a)の例では、記入された切断予定ライン174は、周方向ライン171と、径方向ライン172と、縦方向ライン173と、を有している。次に、操作員は、透明シート170の切断予定ライン174が、モニタ110上の障害物範囲195の表示範囲と重畳するように、切断計画図が印刷された透明シート170をモニタ110と重畳させる。なお、この際の位置合わせを正確に行うために、透明シート170に基準マークが印刷されていてもよい。さらに、モニタ110にも基準マークが表示されてもよい。
[0029]
 次に、操作員は、モニタ110に透明シート170を重畳した状態で、ユーザインタフェース111を操作して、使用可能な状態にあるノズル(ここでは、移動ノズル51)に対応する位置マーク(ここでは、移動ノズル位置マーク151)がほぼ切断予定ライン174上を移動するように、カッターヘッド部30の回転および移動ノズル51,52の線形移動を制御し、同時に、使用可能な状態にあるノズルから超高圧流体を噴射するための操作を行う。図3(a)では、移動ノズル位置マーク151が概ね周方向ライン171上を移動するように切断が行われている状態を示している。この場合、移動ノズル位置マーク151が周方向ライン171上に位置するまで移動ノズル51が移動され、その後、移動ノズル位置マーク151が周方向ライン171上を所望の範囲移動する間、移動ノズル51の周方向の移動、すなわち、カッターヘッド部30の回転と、移動ノズル51からの超高圧流体の噴射とが指示される。
[0030]
 一方、図3(b)では、移動ノズル位置マーク151が概ね縦方向ライン173上を移動するように切断が行われている状態を示している。この場合、操作員は、僅かな距離だけカッターヘッド部30を回転させるための操作と、僅かな距離だけ移動ノズル51を線形移動させる操作と、を交互に繰り返すことによって、移動ノズル位置マーク151の軌跡が縦方向ライン173から大きく外れないように掘進機10の操作を行う。代替の方法として、操作員は、カッターヘッド部30の回転と、移動ノズル51の線形移動とが同時に行われ、かつ、移動ノズル位置マーク151の軌跡が縦方向ライン173から大きく外れないように、掘進機10の操作を行ってもよい。詳しい説明は省略するが、同様の手法によって、操作員は、移動ノズル51,52の可動範囲内(例えば、移動ノズル51の場合、外縁線181よりも若干大きな円の内側の領域内)で、任意の方向(例えば、横方向)および位置に移動ノズル51,52を精度良く移動させることができる。
[0031]
 上述した掘進機システム5によれば、掘進機システム5の操作員は、モニタ110の表示によって、移動ノズル51,52の移動位置をリアルタイムで視覚的に容易に把握できる。したがって、モニタ110の表示を見ながら、移動ノズル51,52を任意の所望の方向および位置に精度良く移動させることができる。その結果、障害物の自由度の高い切断を行うことができる。
[0032]
 また、掘進機システム5によれば、使用可能な状態にあるノズルが識別可能にモニタ110に表示されるので、各ノズル41~44,51,52,61~65と流体源との接続ミスや、移動操作すべきノズルの把握ミスが生じたとしても、操作員は、そのことを容易に気付くことができる。したがって、ミスが生じた状態で掘進機10が切断動作を行うことが抑制され、切断作業の信頼性が向上する。
[0033]
 また、掘進機システム5によれば、モニタ110の表示によって、障害物と移動ノズル51,52との相対位置を視覚的に容易に把握できる。したがって、障害物をより正確に所望の形状および大きさに切断できる。
[0034]
 B.変形例:
 B-1.変形例1:
 モニタ110には、固定ノズル位置マーク141~144、移動ノズル位置マーク151,152および地盤改良ノズル位置マーク161~165のうちの移動ノズル位置マーク151,152のみが表示されてもよいし、固定ノズル位置マーク141~144および移動ノズル位置マーク151,152のみが表示されてもよい。
[0035]
 B-2.変形例2:
 モニタ110には、使用可能な状態にあるノズルと、使用可能な状態にないノズルと、のうちの使用可能な状態にあるノズルに対応する位置マークのみが表示されてもよい。
[0036]
 B-3.変形例3:
 切断計画図は、透明シート170に記入することに代えて、操作員がユーザインタフェース111などを用いて制御装置100に入力してもよい。この場合、制御装置100は、入力された切断予定ライン174を、図3に示した各種表示と重畳してモニタ110に表示させてもよい。こうすれば、操作員の利便性が向上する。
[0037]
 B-4.変形例4:
 モニタ110には、上述した表示内容と同時に、掘進機10の動作に関連する各種情報が表示されてもよい。かかる情報は、例えば、移動ノズル51,52の径方向のストローク量、カッターヘッド部30の回転速度、掘進機10が地盤から受ける土圧、作動油圧値などであってもよい。かかる構成によれば、掘進機10の運転管理がいっそう行いやすくなる。
[0038]
 B-5.変形例5:
 上述した制御装置100の構成は、掘進機10の自動運転システムにも応用可能である。すなわち、操作員が手動操作によってカッターヘッド部30の回転および移動ノズル51,52の移動指令を制御装置100に入力することに代えて、制御装置100が、入力された切断計画に基づいてカッターヘッド部30の回転および移動ノズル51,52の移動を自動制御し、各種ノズルの移動状況をモニタ110に表示してもよい。
[0039]
 以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

符号の説明

[0040]
  5…掘進機システム
  10…掘進機
  20…本体部
  21…回転軸
  22…排泥管
  23…駆動モータ
  30…カッターヘッド部
  31…カッタービット
  32,33…ノズル移動機構
  41~44…超高圧噴射ノズル(固定ノズル)
  51,52…超高圧噴射ノズル(移動ノズル)
  61~65…地盤改良ノズル
  90…推進管
  100…制御装置
  110…モニタ
  111…ユーザインタフェース
  120…制御部
  121…位置取得部
  122…表示部
  141~144…固定ノズル位置マーク
  151,152…移動ノズル位置マーク
  161~165…地盤改良ノズル位置マーク
  170…透明シート
  171…周方向ライン
  172…径方向ライン
  173…縦方向ライン
  174…切断予定ライン
  181…外縁線
  182…角度補助線
  183…回転中心
  195…障害物範囲

請求の範囲

[請求項1]
 回転可能なカッターヘッド部に設けられるとともに径方向に移動可能に構成された超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作を制御するための制御装置であって、
 前記超高圧噴射ノズルの位置情報を取得するように構成された位置取得部と、
 前記取得される位置情報に基づいて、前記超高圧噴射ノズルの前記径方向の移動と、前記カッターヘッド部の回転に伴う前記超高圧噴射ノズルの周方向の移動と、が視覚的に把握可能な態様で、前記超高圧噴射ノズルの位置を表示するように構成された表示部と
 を備える制御装置。
[請求項2]
 請求項1に記載の制御装置であって、
 前記超高圧噴射ノズルは複数であり、
 前記表示部は、前記複数の超高圧噴射ノズルのうちの、使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルのみを表示するか、または、前記使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルと、使用可能な状態にない超高圧噴射ノズルと、を識別可能に表示するように構成された
 制御装置。
[請求項3]
 請求項1または請求項2に記載の掘進機であって、
 前記位置取得部は、さらに、前記超高圧噴射ノズルからの超高圧流体の噴射によって切断すべき障害物の位置情報を取得するように構成され、
 前記表示部は、さらに、前記取得される前記障害物の位置情報に基づいて、前記障害物と前記超高圧噴射ノズルとの相対位置を視覚的に把握可能な態様で、前記障害物の位置を表示するように構成された
 制御装置。
[請求項4]
 掘進機システムであって、
 前記掘進機と、
 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の制御装置と
 を備えた掘進機システム。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]