CN105518253A - 隧道掘进装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

掘进机(10)具备前胴部(11)、后胴部(13)、平行连杆机构(14)、行程传感器(16a～16f)、压力传感器(17a～17h)以及控制部(26)。平行连杆机构(14)包括改变前胴部(11)相对于后胴部(13)的位置、姿态的8个推进千斤顶(14a～14h)。控制部(26)基于行程传感器(16a～16f)及压力传感器(17a～17h)的检测结果，计算出分配到8个推进千斤顶(14a～14h)的目标分配力，并且，对推进千斤顶(14a～14h)进行控制，从而在6个推进千斤顶(14a～14f)实施行程控制，在2个推进千斤顶(14g～14h)实施力控制。

Description

隧道掘进装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及在挖掘隧道时所使用的隧道掘进装置及其控制方法。

背景技术

掘进机具备在机械前表面包括刀具的刀盘和在机械后方的左右侧面设置的撑靴，使用这样的掘进机来进行隧道的挖掘。

该掘进机在左右撑靴推压隧道左右侧壁的状态下，使刀盘一边旋转一边推压工作面，对隧道进行挖掘。

例如，在专利文献1中公开了一种冗余平行连杆的控制方法及控制装置，在具备超过自由度的数量的千斤顶的冗余平行连杆机构中，即使减少控制设备的数量，也能够实施适当的控制。

在该冗余平行连杆的控制装置中，为了克服掘进时的外力并且使前胴部的位置、方向控制具有冗余性，具备8个以上的推进千斤顶，在6个推进千斤顶中分别设置行程控制液压回路。而且，对于其余的推进千斤顶，使其伸张侧与收缩侧的液压回路分别与进行行程控制的推进千斤顶的伸张侧与收缩侧的液压回路连通，以此减少控制液压装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开平10-131664号公报

发明内容

然而，在上述现有的隧道掘进装置中，存在以下所述的问题点。

即，在将上述公报所公开的隧道掘进装置用于例如坑道挖掘的情况下，与通常的隧道挖掘相比，需要进行曲率半径R小且三维的曲线挖掘。

尤其是在进行沿着曲率半径R小的急曲线的隧道挖掘时，施加于各推进千斤顶的轴向力、径向力、扭矩不同或者大幅波动。因此，在使特定的2个千斤顶的液压回路连通的装置中，施加于这2个千斤顶的力的方向、大小不同，因此存在难以适当地控制千斤顶的轴力的忧虑。

本发明的课题在于提供一种隧道掘进装置及其控制方法，对于在隧道挖掘中所产生的任何方向、大小的外力都能够适当地应对。

第一发明的隧道掘进装置具备前胴部、后胴部、平行连杆机构、行程传感器、力传感器以及控制部。前胴部在挖掘侧表面具有多个刀具。后胴部配置在前胴部的后方，具有用于得到进行挖掘时的反作用力的撑靴。平行连杆机构包括(6+n)个推进千斤顶，该(6+n)个推进千斤顶在前胴部与后胴部之间并列配置且将前胴部与后胴部连结起来，改变前胴部相对于后胴部的位置。行程传感器安装于推进千斤顶，并且检测出各推进千斤顶的行程量。力传感器安装于推进千斤顶，检测出推进千斤顶受到的荷载。控制部基于行程传感器及力传感器中的检测结果，计算出分配到(6+n)个推进千斤顶的目标分配力，并且对推进千斤顶进行控制，从而在6个推进千斤顶中实施行程控制，在其他n个推进千斤顶中实施基于目标分配力的力控制(其中，n为自然数。)。

在这里，隧道掘进装置利用包括设置在前胴部与后胴部之间的(6+n)个推进千斤顶的平行连杆机构，使前胴部相对于后胴部前进，从而进行隧道挖掘，在这样的隧道掘进装置中，基于安装于各推进千斤顶的力传感器及行程传感器的检测结果，实施6个推进千斤顶的行程控制，以及其余n个推进千斤顶的力控制。

此外，为了实施三维方向上的隧道挖掘，前胴部的位置、方向需要正交坐标系的X、Y、Z这3轴和绕各轴的旋转这6个自由度的动作，因此需要6轴的驱动连杆(推进千斤顶)。在本发明中，为了克服隧道挖掘时的大的外力，使用追加了n个推进千斤顶而包括6+n个推进千斤顶的平行连杆机构。

通常，在具有6个自由度的机构中，即使是轴数多于6轴的驱动连杆，也能够进行基于行程控制的位置姿态的控制，但是在行程计算中将会伴随不可避免的误差。另外，由于在驱动连杆内部产生相互抵消的内力，因此有损各驱动连杆的性能。在6个推进千斤顶中进行行程控制并在其它n个推进千斤顶中辅助性地克服外力的情况下，在急曲线掘进或者扭矩、推力的变化大的掘进中，上述简单的液压回路的连通反而会在千斤顶中产生内力，发生推进千斤顶可克服的最大外力变小的情况。

在本发明中，通过对6个推进千斤顶进行行程控制来实施前胴部的位置、方向控制。另外，将基于(6+n)个推进千斤顶所受到的荷载计算出的外力分配给(6+n)个推进千斤顶，利用所分配到的力对其余n个推进千斤顶进行力控制。由此，能够将外力理想地分配给(6+n)个千斤顶，因此能够使各千斤顶的力有效地作用于连杆外部。

第二发明的隧道掘进装置在第一发明的隧道掘进装置的基础上，控制部基于6个推进千斤顶的行程量、以及利用力传感器检测出的(6+n)个推进千斤顶所受到的荷载对前胴部所受到的外力进行计算，对用于克服该外力的各个推进千斤顶的目标分配力进行计算。

在这里，控制部根据检测出的推进千斤顶的行程量和所受到的荷载来计算前胴部受到的外力。然后，根据计算出的外力计算各推进千斤顶应受到的荷载，作为目标分配力。

由此，对于进行力控制的n个推进千斤顶，能够适当地对控制的力值进行计算。

第三发明的隧道掘进装置在第一或第二发明的隧道掘进装置的基础上，力传感器设置于(6+n)个推进千斤顶，行程传感器设置于6个推进千斤顶。

在这里，在实施行程控制的6个推进千斤顶安装有行程传感器及力传感器，在仅实施力控制的n个推进千斤顶仅安装力传感器。

由此，能够使用尽可能少的传感器实施上述行程控制和力控制。

第四发明的隧道掘进装置在第一至第三发明中任一隧道掘进装置的基础上，(6+n)个推进千斤顶沿着在前胴部与后胴部彼此相对的面上的外周部分以大致圆周状配置。

在这里，使(6+n)个推进千斤顶的活塞杆侧、缸筒侧的端部沿着彼此相对的前胴部、后胴部的对置面上的外周部分以大致圆周状配置。

由此，能够平衡地配置多个推进千斤顶。

第五发明的隧道掘进装置在第一至第四发明中任一隧道掘进装置的基础上，控制部对各个推进千斤顶进行控制，从而在三维方向上对前胴部的姿态进行控制。

在这里，对平行连杆机构所包含的多个推进千斤顶进行控制，从而能够在三维方向(上、下、左、右方向)上对前胴部相对于后胴部的方向、姿态进行调整。

由此，例如，能够容易地实施包括曲线部分且在三维方向上的隧道的坑道挖掘等。

第六发明的隧道掘进装置在第一至第五发明中任一隧道掘进装置的基础上，还具备从操作人员接收与前胴部的行进方向有关的操作输入的输入部。在接收到操作人员对输入部的操作输入时，控制部对6个推进千斤顶进行控制，从而能够沿着基于操作输入的内容设定的所期望的R实施挖掘。

在这里，通过操作人员的操作输入，对6个推进千斤顶进行控制，从而能够沿着所期望的曲率半径R实施曲线部分的挖掘。

由此，利用操作人员的单次操作输入，就能够实施维持所期望的曲率半径R并且沿着平滑的曲线的挖掘。

第七发明的隧道掘进装置在第六发明的隧道掘进装置的基础上，输入部是触摸面板式的显示器。

在这里，作为接收来自操作人员的操作输入的输入部，使用触摸面板式的显示器。

由此，操作人员在通过手动操作对前胴部的行进方向进行调整时，仅通过对触摸面板式的显示器进行操作就能够容易地向所期望的方向实施挖掘。

第八发明的隧道掘进装置在第七发明的隧道掘进装置的基础上，显示器具有设定前胴部的行进方向的上下左右键和显示前胴部相对于后胴部的相对位置的显示部。

在这里，在触摸面板式的显示器中，显示有设定前胴部的行进方向的上下左右键和前胴部相对于后胴部的相对位置。

由此，操作人员只需凭直觉按下需要微调的方向的键，就能够容易地实施向所期望的方向的挖掘。

第九发明的隧道掘进装置的控制方法是具备在挖掘侧表面具有多个刀具的前胴部、在前胴部的后方配置且具有用于得到进行挖掘时的反作用力的撑靴的后胴部、包括将前胴部与后胴部连结起来而改变前胴部相对于后胴部的位置的(6+n)个推进千斤顶的平行连杆机构的隧道掘进装置的控制方法，具有以下步骤。检测出推进千斤顶所受到的荷载的步骤。检测出推进千斤顶的行程量的步骤。基于推进千斤顶所受到的荷载及行程量的检测结果，计算出前胴部所受到的外力的步骤。基于该外力，计算出(6+n)个推进千斤顶所分担的目标分配力的步骤。对推进千斤顶进行控制，从而在6个推进千斤顶中实施行程控制，在n个推进千斤顶中实施基于目标分配力的力控制的步骤。

在这里，隧道掘进装置利用包括设置于前胴部与后胴部之间的(6+n)个推进千斤顶的平行连杆机构，使前胴部相对于后胴部前进，从而进行隧道的挖掘，在这样的隧道掘进装置中，基于安装于各推进千斤顶的力传感器及行程传感器中的检测结果，实施6个推进千斤顶的行程控制以及其余n个推进千斤顶的力控制。

此外，为了实施三维方向上的隧道挖掘，前胴部的位置、方向需要正交坐标系的X、Y、Z的3轴和绕各轴的旋转这6个自由度的动作，因此需要6轴的驱动连杆(推进千斤顶)。在本发明中，为了克服隧道挖掘时的大的外力，使用追加了n个推进千斤顶而包括6+n个推进千斤顶的平行连杆机构。

在本发明中，通过对6个推进千斤顶进行行程控制来实施前胴部的位置、方向控制。另外，将基于(6+n)个推进千斤顶所受到的荷载而计算出的外力分配给(6+n)个推进千斤顶，利用所分配的力对其余n个推进千斤顶进行力控制。由此，能够将外力理想地分配于(6+n)个千斤顶，因此能够使各千斤顶的力有效地作用于连杆外部。

由此，对于6个推进千斤顶实施误差小的行程控制，并且，与具备6个推进千斤顶的平行连杆机构相比，能够克服更大的外力。其结果是，例如，即使在实施包括小的曲率半径的曲线部的挖掘时施加于隧道掘进装置的外力的方向、大小发生变动的情况下，也能够使用(6+n)个推进千斤顶适当地应对。

(发明的效果)

根据本发明的隧道掘进装置，在具备包括(6+n)基的推进千斤顶的平行连杆机构的隧道掘进装置中，即使在急曲线挖掘的情况下，也能够以适当的荷载对推进千斤顶的力进行控制。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的隧道掘进装置的结构的整体图。

图2是表示使用图1的掘进机来进行隧道挖掘的状态的剖视图。

图3是表示在图1的掘进机上搭载的平行连杆机构所包含的各推进千斤顶的配置结构的示意图。

图4是图1的掘进机的控制模块图。

图5(a)是进行图4所示的行程量控制的推进千斤顶的回路图。图5(b)是表示图4所示的进行分配力控制的推进千斤顶的回路图。

图6是表示对图1的掘进机进行操作输入的显示器的显示画面的图。

图7是表示利用图1的掘进机进行隧道挖掘时的分配力控制的流程的流程图。

图8是表示使用图1的隧道掘进装置的坑道挖掘的顺序的图。

图9是表示本发明其他实施方式的隧道掘进装置的平行连杆机构所包含的各推进千斤顶的配置结构的示意图。

具体实施方式

以下，使用图1～图8对本发明一实施方式的隧道掘进装置及其控制方法进行说明。

需要说明的是，在本实施方式中出现的掘进机(隧道掘进装置)10(图1等)是在坑道挖掘(参照图8)中所使用的掘进装置，在TBM(隧道掘进机)中，被称为所谓的撑靴式TBM、硬岩TBM。并且，在本实施方式中，利用掘进机10所挖掘的隧道(第一隧道T1)是断面为大致圆形的隧道(第一隧道T1(参照图2))。需要说明的是，利用本实施方式的掘进机10所挖掘的隧道的断面形状不限于圆形，也可以是椭圆形、多圆形、马蹄形等。

(掘进机10的结构)

在本实施方式中，使用图1所示的掘进机10进行第一隧道T1(参照图2等)的挖掘。需要说明的是，在本实施方式中说明的掘进机10是具备在利用撑靴13a支撑后方的状态下使刀盘12旋转而进行挖掘的普通结构的掘进机。

掘进机10是挖掘着岩层等而前进，从而进行第一隧道T1的挖掘工事的装置，如图1所示，具备前胴部11、刀盘12、后胴部13、平行连杆机构14及皮带运输机15。

如图1所示，前胴部11配置在刀盘12与平行连杆机构14之间，与在挖掘侧前端设置的刀盘12一起构成掘进机10的前部。此外，前胴部11利用后述平行连杆机构14所包含的多个推进千斤顶14a～14h中的任一个，使其相对于后胴部13的位置、姿态发生变化。此外，如图2所示，前胴部11具有从其外周面突出而推压隧道T1的侧壁T1a的撑靴11a。由此，例如，在使掘进机10后退时等，一边在隧道T1内支撑前胴部11，一边使平行连杆机构14向伸长方向驱动，由此能够使后胴部13后退。

如图1所示，刀盘12配置在掘进机10的前端侧，通过以大致圆形的隧道的中心轴为旋转中心进行旋转，利用在前端侧表面设置的多个盘形刀具12a对岩层等进行挖掘。此外，刀盘12将被盘形刀具12a切碎的岩层、岩石等从在表面上形成的开口部(未图示)取入内部。

如图1所示，后胴部13配置在掘进机10的后侧，构成掘进机10的后部。在后胴部13的宽度方向的两侧部配设有撑靴13a。此外，后胴部13和前胴部11由平行连杆机构14连结。

如图2所示，撑靴13a通过从后胴部13的外周面朝向径向外侧突出，推压挖掘中的第一隧道T1的侧壁T1a。由此，能够在第一隧道T1内支撑掘进机10。

如图1所示，平行连杆机构14配置在掘进机10的中段，构成掘进机10的中胴部。此外，平行连杆机构14具有8个((6+n)个，n＝2)推进千斤顶14a～14h。推进千斤顶14a～14h是油缸式的液压千斤顶。推进千斤顶14a～14h在前胴部11与后胴部13之间并列配置，连结前胴部11与后胴部13。因此，通过使各个推进千斤顶14a～14h在前胴部11与后胴部13之间伸缩，能够控制成使前胴部11相对于后胴部13的姿态(方向)成为所期望的方向，并同时克服外力，在这样的状态下，利用刀盘12对第一隧道T1进行挖掘。

推进千斤顶14a～14h利用双向排出的液压泵52驱动。液压泵52被伺服电机51驱动。伺服电机51被从控制器20输出的信号控制。通过伺服电机51的控制来对推进千斤顶14a～14h的伸缩、停止进行控制。

在推进千斤顶14a～14h的控制中包括行程控制和力控制。在行程控制中，如果对推进千斤顶的行程量做出指示，控制器20就会进行控制，以使推进千斤顶伸缩到该行程量，在该行程量停止。在力控制中，如果对千斤顶所受到的荷载值做出指示，控制器就对行程量进行控制，在推进千斤顶所受到的荷载比该荷载值小的期间增大行程量，在荷载等于荷载值时维持该状态。

并且，如图3所示，8个推进千斤顶14a～14h的缸筒侧及活塞杆侧沿着前胴部11和后胴部13彼此相对的面上的外周部分以大致圆周状配置。此外，在8个推进千斤顶14a～14h中，通过使成为行程控制的对象的6个推进千斤顶14a～14f伸缩，能够使前胴部11相对于后胴部13前进或者使后胴部13相对于前胴部11后退，从而使掘进机10一点点地前进、后退。

并且，在8个推进千斤顶14a～14h安装有检测各推进千斤顶14a～14h的油缸压力的力传感器即压力传感器17a～17h(参照图4)。此外，如图5(a)所示，在成为行程控制的对象的6个推进千斤顶14a～14f安装有检测各推进千斤顶14a～14f的行程量的行程传感器16a～16f。

也就是说，在本实施方式中，如图5(b)所示，在平行连杆机构14所包含的8个推进千斤顶14a～14h中，没有成为行程控制的对象的2个推进千斤顶14g、14h仅安装有压力传感器17g、17h，未安装行程传感器。

而且，基于行程传感器16a～16f及压力传感器17a～17h的检测结果，利用后述千斤顶控制部26对8个推进千斤顶14a～14h进行控制。

此外，对于千斤顶控制部26所进行的各推进千斤顶14a～14h的行程控制、力控制，将在后文进行详细说明。

如图5(a)所示，行程传感器16a～16f安装于8个推进千斤顶14a～14h中成为行程控制的对象的6个推进千斤顶14a～14f。此外，如上所述，行程传感器不安装于没有成为行程控制的对象的2个推进千斤顶14g、14h。

由此，能够检测出成为决定前胴部11相对于后胴部13的位置、姿态的行程控制的对象的6个推进千斤顶14a～14f的行程量。

如图5(a)及图5(b)所示，压力传感器17a～17h(顶侧传感器17aa～17fa及底侧传感器17ab～17fb、顶侧传感器17ga、17ha及底侧传感器17gb、17hb)安装于全部8个推进千斤顶14a～14h。

也就是说，压力传感器17a～17h由安装于成为行程控制的对象的6个推进千斤顶14a～14f的顶侧传感器17aa～17fa和底侧传感器17ab～17fb、安装于没有成为行程控制的对象的2个推进千斤顶14g、14h的顶侧传感器17ga、17ha、底侧传感器17gb、17hb构成。

而且，各推进千斤顶14a～14f的油缸压力可通过顶侧传感器17aa～17fa与底侧传感器17ab～17fb间的压力差求出。同样，推进千斤顶14g、14h的油缸压力可通过顶侧传感器17ga、17ha与底侧传感器17gb、17hb间的压力差求出。

由此，能够检测出施加于成为分配力控制的对象的8个推进千斤顶14a～14h的外力。

利用以上的结构，掘进机10在使撑靴13a压接在第一隧道T1的侧壁T1a，从而不移动地被保持在第一隧道T1内的状态下，一边使前端侧的刀盘12旋转，一边使平行连杆机构14的推进千斤顶14a～14h伸长而推压刀盘12，由此对岩层等进行挖掘而前进。此时，在掘进机10中，使用皮带运输机15等将切碎的岩石等向后方搬运。这样，掘进机10能够在第一隧道T1(参照图2)掘进。

(掘进机10的控制模块)

如图4所示，本实施方式的掘进机10的控制模块在内部包括输入部21、千斤顶压力获得部22、行程量获得部23、前胴位置姿态计算部24、目标分配力计算部25以及千斤顶控制部26。

输入部21经由后述触摸面板式的显示器显示画面50(参照图6)接收来自操作人员的操作输入。具体地说，在对前胴部11的掘进(前进)方向进行手动操作时，接收对方向输入部52的各种键52a～52d(参照图6)等的操作。操作人员通过操作输入来设定所期望的前胴部11的位置、姿态。在设定后按下伸长按钮53a时，控制推进千斤顶14a～14f的行程，以使前胴部11处于所设定位置、姿态。

千斤顶压力获得部22实时获得成为力控制对象的所有8个推进千斤顶14a～14h各自的油缸压力。具体地说，千斤顶压力获得部22获得分别安装于8个推进千斤顶14a～14h的压力传感器17a～17h的检测结果。如上所述，各压力传感器17a～17h中的检测结果作为顶侧传感器17aa～17ha的检测结果与底侧传感器17ab～17hb的检测结果的差而被求出。该顶侧的压力与底侧的压力的差为推进千斤顶14a～14h的轴力，表示千斤顶所受到的荷载。

行程量获得部23实时获得成为行程控制对象的6个推进千斤顶14a～14f的行程量。具体地说，行程量获得部23获得安装于成为行程控制对象的6个推进千斤顶14a～14f的行程传感器16a～16f的检测结果。

前胴位置姿态计算部24通过计算求出前胴部11相对于后胴部13的相对的位置、姿态。具体地说，前胴位置姿态计算部24输入有例如通过每天一次使用3点棱镜(未图示)进行的来自外部的测量而得到的后胴部13的位置。基于在行程量获得部23所得到各推进千斤顶14a～14f的行程量，通过计算求出前胴部11相对于后胴部13的相对的位置、姿态。并且，根据被输入的后胴部13的测量位置、以及计算出的前胴部11相对于后胴部13的相对的位置、姿态，通过计算求出前胴部11的位置。

目标分配力计算部25根据在千斤顶压力获得部22获得的压力传感器17a～17h的检测结果和在前胴位置姿态计算部24计算的前胴部的位置、姿态，对设想的施加于8个推进千斤顶14a～14h的外力的大小和用于克服该外力的6个成分的各个推进千斤顶14a～14f的目标分配力进行计算。

如果构成平行连杆机构14的推进千斤顶仅为6个，则各千斤顶的目标分配力的组合仅为一种。换句话说，目标分配力一直与在各千斤顶中检测到的轴力一致。另一方面，如本实施方式那样，在推进千斤顶多于6个的机构中，存在无数个各千斤顶的目标分配力的组合。于是，利用广义逆矩阵，对各千斤顶的目标分配力进行计算。

具体地说，目标分配力计算部25通过以下计算来进行各推进千斤顶14a～14h的目标分配力控制。

即，目标分配力计算部25根据在前胴位置姿态计算部24得到的前胴部11的位置、姿态，考虑前胴部11的中心轴局部坐标的y轴、前胴部11的断面上的局部x轴、z轴，求出其单位向量(e_x，e_y，e_z)。

接着，求出8个推进千斤顶14a～14h的延长方向的单位向量e₁～e₈。

然后，将在千斤顶压力获得部22得到的各千斤顶14a～14h的轴力作为f₁～f₈。

施加于中心轴局部坐标下的前胴部11的外力F可通过下式计算。

[式1]

$\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ M_{\mathrm{\α}}\\ M_{\mathrm{\β}}\\ M_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccccc}{e}_{1x}& e_{2x}& e_{3x}& e_{4x}& e_{5x}& e_{6x}& e_{7x}& e_{8x}\\ e_{1y}& e_{2y}& e_{3y}& e_{4y}& e_{5y}& e_{6y}& e_{7y}& e_{8y}\\ e_{1z}& e_{2z}& e_{3z}& e_{4z}& e_{5z}& e_{6z}& e_{7z}& e_{8z}\\ e_{1x}{y}_1\·e_{1y}{x}_1& e_{2x}{y}_2\·e_{2y}{x}_2& e_{3x}{y}_3\·e_{3y}{x}_3& e_{4x}{y}_4\·e_{4y}{x}_4& e_{5x}{y}_5\·e_{5y}{x}_5& e_{6x}{y}_6\·e_{6y}{x}_6& e_{7x}{y}_7\·e_{7y}{x}_7& e_{8x}{y}_8\·e_{8y}{x}_8\\ e_{1x}{z}_1\·e_{1z}{x}_1& e_{2x}{z}_2\·e_{2z}{x}_2& e_{3x}{z}_3\·e_{3z}{x}_3& e_{4x}{z}_4\·e_{4z}{x}_4& e_{5x}{z}_5\·e_{5z}{x}_5& e_{6x}{z}_6\·e_{6z}{x}_6& e_{7x}{z}_7\·e_{7z}{x}_7& e_{8x}{z}_8\·e_{8z}{x}_8\\ e_{1z}{y}_1\·e_{1y}{z}_1& e_{2z}{y}_2\·e_{2y}{z}_2& e_{3z}{y}_3\·e_{3y}{z}_3& e_{4z}{y}_4\·e_{4y}{z}_4& e_{5z}{y}_5\·e_{5y}{z}_5& e_{6z}{y}_6\·e_{6y}{z}_6& e_{7z}{y}_7\·e_{7y}{z}_7& e_{8z}{y}_8\·e_{8y}{z}_8\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\\ f_3\\ f_4\\ f_5\\ f_6\\ f_7\\ f_8\end{array}\right)$

在这里，F为由F＝(Fx,Fy,Fz,Mα,Mβ,Mγ)T表示的矩阵。Fx、Fy、Fz是局部坐标下的各x方向、y方向、z方向的力。Mα、Mβ、Mγ是局部坐标下的绕各z轴、y轴、x轴的力矩。F表示施加于前胴部11的外力。

F为以f＝(f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆,f₇,f₈)T表示的矩阵。符号f₁～f₈是所检测到的千斤顶14a～14h的轴力。

W为变换矩阵，具有以下要素。

符号e_ij是表示各千斤顶14a～14h的轴向延长方向的单位向量与局部坐标轴向的单位向量的内积。计算e_i(i＝1～8)与(e_x，e_y，e_z)的内积，分解为局部xyz轴的成分。具体地说，

e₁·e_x＝e_1x表示推进千斤顶14a的力为1时，向e_x方向的力成分Fx方向，

e₁·e_y＝e_1y表示推进千斤顶14a的力为1时，向e_y方向的力成分Fy方向，

e₁·e_z＝e_1z表示推进千斤顶14a的力为1时，向e_z方向的力成分Fz方向，

e_1xy₁-e_1yx₁表示推进千斤顶14a的力为1时，作为绕z轴的力矩作用的成分M_α(＝F₄)方向，

e_1xz₁-e_1zx₁表示推进千斤顶14a的力为1时，作为绕y轴的力矩作用的成分M_β(＝F₅)方向，

e_1zy₁-e_1yz₁表示推进千斤顶14a的力为1时，作为绕x轴的力矩作用的成分M_γ(＝F₆)方向。

在构成平行连杆机构14的推进千斤顶仅为6个的情况下，基于利用上述计算式计算出的外力F的各千斤顶的轴向的力成分与所检测到的轴力f₁～f₆一致。然而，在构成连杆机构14的千斤顶比6个多的情况下，所计算出的外力与所检测到的轴力不一致。

例如，在8个千斤顶的结构中，由6个千斤顶的行程长度决定前胴部11的位置、姿态，其余2个千斤顶有可能是比与该位置、姿态对应的行程长度短的行程长度。在这种情况下，尽管存在施加于前胴部11的外力，但是在其余2个千斤顶检测到的轴力为零。

于是，根据经过计算的外力F的6个成分和变换矩阵W的行要素的比，假定成分方向的分担量，求出与外力对应的各千斤顶的轴向的力成分即目标分配力。

变换矩阵W为非正则矩阵，因此使用广义逆矩阵来计算目标分配力。作为广义逆矩阵使用伪逆矩阵(摩尔彭若斯逆矩阵)。也就是说，由F＝Wf求出W⁺F＝f'的伪逆矩阵W+(8×6矩阵)，得到成为最少二乘法解的目标分配力f'(8×1矩阵)。由此，能够以最小的范数对目标分配力进行计算。

以该8个成分中没有成为行程控制对象的2个推进千斤顶14g、14h的成分的值为fpj。

千斤顶控制部26基于在目标分配力计算部25中通过计算求出的8个推进千斤顶14a～14h的目标分配力中的千斤顶14g、14h的目标分配力，对施加于平行连杆机构14所包含的各推进千斤顶14g、14h的力进行控制，并且，进行其他6个推进千斤顶14a～14f的行程量控制。通过利用上述计算得到的目标分配力对2个推进千斤顶14g、14h进行力控制，使其他推进千斤顶14a～14f从外力受到的荷载与上述通过计算得到的目标分配力相同或大致相同。

由此，在隧道的挖掘作业中，在由于岩层质地的变化等而施加于掘进机10的外力的方向、大小发生变化的情况下，通过实施2个推进千斤顶14g、14h的分配力控制，并且实施6个推进千斤顶14a～14f的行程控制，能够适当地应对外力的变化。由此，即使在外力的大小、方向容易发生变化的包含曲率半径R小的曲线部分的坑道等的挖掘时，也能够充分地应对。

＜显示器显示画面50＞

如图6所示，本实施方式的掘进机10使用触摸面板式的显示器显示画面50作为接收来自操作人员的操作输入的输入部21。在本实施方式中，作为输入掘进目标位置的接口，经由显示器显示画面50可输入上下方向、左右方向、前进方向这3点。

如图6所示，在显示器显示画面50中显示有掘进/后退设定部51、方向输入部52、千斤顶操作部53以及前胴位置姿态显示部54。

掘进/后退设定部51是切换掘进机10的移动方向(前进/后退)的开关，具有掘进按钮51a和后退按钮51b。

掘进按钮51a在使掘进机10前进时被按下。而且，在掘进按钮51a被押下时，进行刀盘12、后胴部13的撑靴13a及平行连杆机构14的控制，以使掘进机10前进。

后退按钮51b在诸如隧道挖掘完成至所期望的位置的情况下使掘进机10沿着隧道后退时被按下。而且，在后退按钮51b被按下时，进行后胴部13的撑靴13a及平行连杆机构14的控制，以使掘进机10前进。

方向输入部52在朝向目标位置掘进中产生偏离的情况下被操作人员操作，具有多个方向按钮(上按钮52a、下按钮52b、右按钮52c、左按钮52d)。

操作人员一边确认前胴部的位置、姿态，一边对上按钮52a、下按钮52b、右按钮52c、左按钮52d中适当的方向的按钮进行操作。由此，操作人员只需一边观察前胴位置姿态显示部54，一边凭直觉对适当的方向的按钮进行操作，就能够使掘进机10朝向目标位置掘进。

千斤顶操作部53是设定平行连杆机构14所包含的8个推进千斤顶14a～14h的动作的操作输入部，具有伸长按钮53a、停止按钮53b以及缩短按钮53c。

伸长按钮53a在使推进千斤顶14a～14h向伸长方向驱动时被操作。

停止按钮53b在使推进千斤顶14a～14h的动作停止时被操作。

缩短按钮53c在使推进千斤顶14a～14h向缩短方向驱动时被操作。

前胴位置姿态显示部54显示前胴部11相对于后胴部13的位置、姿态，以及计划掘进线。并且，前胴位置姿态显示部54具有第一显示部54a和第二显示部54b。

第一显示部54a显示后胴部13的中心位置R1及其中心线R、前胴部11的中心位置(前胴原点)F1、中心线F及其姿态A、掘进装置的中折点P1、计划掘进线DL。在这里，中折点P1是后胴部13的中心线R与前胴部11的中心线F的交点。在图6所示的例子中，前胴部11的中心位置F1相对于后胴部13向右方向偏离。

第二显示部54b显示以后胴部13的中心位置P1为中心位置，从正面看前胴部11的中心位置向上下、左右方向中的哪一方向偏离。在图6所示的例子中，表示前胴部11的中心位置相对于后胴部13的中心位置向右且稍向上方偏离的情况。

在本实施方式中，操作人员通过对图6所示的显示器显示画面50进行操作输入，能够实施以下操作。

具体地说，在使掘进按钮51a处于ON状态、伸长按钮53a被按下时，后胴部13的撑靴13a朝向隧道的侧壁伸出，前胴部11的撑靴11a不伸出，成为行程控制对象的6个推进千斤顶14a～14f向伸长方向驱动。由此，能够使后胴部13的位置保持不变，仅使前胴部11前进。

此外，在使掘进按钮51a处于ON状态、缩短按钮53c被按下时，在后胴部13的撑靴13a不伸出、前胴部11的撑靴11a相对于侧壁伸出的状态下，6个推进千斤顶14a～14f向缩短方向被驱动。由此，能够使前胴部11的位置保持不变，后胴部13的位置沿挖掘方向前进。

另外，在使后退按钮51b处于ON状态、伸长按钮53a被按下时，在后胴部13的撑靴13a不伸出、前胴部11的撑靴11a伸出的状态下，6个推进千斤顶14a～14f向伸长方向被驱动。由此，能够使前胴部11的位置保持不变，仅使后胴部13后退。

另外，在后退按钮51b处于ON状态、缩短按钮53c被按下时，在后胴部13的撑靴13a伸出、前胴部11的撑靴11a不伸出的状态下，6个推进千斤顶14a～14f向缩短方向驱动。由此，能够使后胴部13的位置保持不变，仅使前胴部11后退。

＜掘进机10的控制方法＞

以下，使用图7的流程图对本实施方式的掘进机10的控制方法进行说明。

即，在本实施方式的掘进机10中，例如，在沿着基于设计图设定的曲线(计划掘进线)进行自动挖掘运行中，在由于岩层质地的变化等而施加于掘进机10的外力大幅变化的情况下，通过执行以下所述的分配力控制，能够适当地应对来自上下、左右任意方向的外力。

具体地说，首先，在步骤S11中，开始进行控制，在步骤S12中，获得在分别安装于所有8个推进千斤顶14a～14h的各压力传感器17a～17h(参照图5(a)及图5(b))检测到的底部、顶部压力。

接着，在步骤S13中，根据在步骤S12中求出的各推进千斤顶14a～14h中的底部、顶部压力求出压力差。由此，能够得到施加于各推进千斤顶14a～14h的荷载。

接着，在步骤S14中，从8个推进千斤顶14a～14h中的成为行程控制对象的6个推进千斤顶14a～14f安装的行程传感器16a～16f获得各推进千斤顶14a～14f各自的行程量。

接着，在步骤S15中，对前胴部11的相对于后胴部13的相对位置坐标及姿态进行计算。前胴部11的相对于后胴部13的相对位置坐标是以掘进装置的中折点P1为基准的前胴部11的位置坐标。前胴部13的姿态可从各推进千斤顶14a～14f的行程量通过内插法计算。

此外，如上所述，前胴部11的绝对位置坐标，例如可通过使用3点棱镜(未图示)进行来自外部的测量而求出后胴部13的位置后，基于各推进千斤顶14a～14f的行程量等由计算求出。

接着，在步骤S16中，根据分配到在步骤S15中通过计算求出的前胴部11的相对位置坐标下的各推进千斤顶14a～14h的力成分，进行前胴部11所受到的外力的计算。

接着，在步骤S17中，进行目标分配力的计算，目标分配力就是克服前胴部11所受到的在S16中计算的外力而由8个推进千斤顶14a～14h各自分担的力。需要说明的是，对于目标分配力的计算，与以上所说明的相同。

接着，在步骤S18中，基于在步骤S17中求出的目标分配力，进行推进千斤顶14g、14h的力控制，以使外力适当地分担到8个推进千斤顶14a～14h。

在本实施方式的掘进机10中，通过以上所述的控制方法，对8个推进千斤顶14a～14h中的6个推进千斤顶14a～14f进行行程量控制。另一方面，对于2个推进千斤顶14g、14h，不进行行程量控制，只进行力控制。

由此，诸如在以下所示的坑道挖掘时，对包括曲率半径R小的曲线部分的隧道进行挖掘时，即使在施加于掘进机10的外力的方向、大小发生变化的情况下，通过进行控制，能够有效地将外力负荷分担到8个推进千斤顶14a～14h，顺畅地实施挖掘。

＜隧道挖掘方法＞

以下，使用图8对本实施方式的掘进机10的挖掘方法进行说明。

即，在本实施方式中，对上述掘进机10进行控制，如下所述地进行坑道挖掘。

图8表示从既有的2条隧道T0沿着彼此大致平行的3条第一掘进线L1挖掘3条第一隧道T1的顺序。

需要说明的是，图8表示掘进机10带领着具备用于掘进机10的驱动源等的备用拖车31，由牵引车将掘进机10移动到既有的隧道T0与第一隧道T1分岔的位置的状态。

此时，在从既有的隧道T0向第一隧道T1分岔的曲率半径R小的部分，设置有弯角用反作用力接受部30。由此，在向第一隧道T1分岔的曲率半径R小的曲线部，掘进机10能够一边使撑靴13a与弯角用反作用力接受部30抵接，一边进行第一隧道T1的挖掘。

接着，如图8所示，一边沿着第一掘进线L1利用掘进机10对岩层等进行挖掘，一边使掘进机10及备用拖车31移动。由此，能够在所期望的位置形成第一隧道T1。

接着，在挖掘完成至形成于分开的位置的既有的隧道T0，第一隧道T1在隧道T0、T0之间贯通时，利用牵引车使掘进机10和备用拖车31后退而返回到初始位置。

此外，在第一隧道T1到达隧道T0的部分设置有弯角用反作用力接受部30。

接着，为了挖掘与所挖掘的第一隧道T1大致平行的新的第一隧道T1，再次使掘进机10沿着第一掘进线L1移动。

接着，通过重复执行以上顺序能够挖掘三条彼此大致平行的第一隧道T1。

由此，根据本实施方式的掘进机10，即使在进行包括曲率半径R小的曲线部的坑道挖掘时，在挖掘中施加于掘进机10的外力的方向、大小发生的情况下，通过利用上述掘进机10的控制方法对分配到各推进千斤顶14a～14h的分配力适当地进行控制，能够实施顺畅的隧道挖掘。

其他实施方式

以上对本发明一实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能够实施各种变更。

(A)在上述实施方式中，以具备包括8个推进千斤顶14a～14h的平行连杆机构14的掘进机10为例进行了说明。但是，本发明不限于此。

构成平行连杆机构的推进千斤顶的数量不限于8个，可以是例如7个、9个、10个等，即(6+n)个(n＝1，2，3，…)，只要比6个多即可

此外，推进千斤顶的合适的数量与所挖掘的隧道的内径有关。例如，在隧道内径小于10m的情况下，推进千斤顶的合适的数量是7～10个。

(B)在上述实施方式中，如图3所示，举例说明了仅成为力控制对象的推进千斤顶14g、14h相对于成为行程控制及力控制的对象的推进千斤顶14a～14f配置在彼此相邻的位置上的例子。但是，本发明不限于此。

例如，如图9所示，推进千斤顶14g、14h可以配置在分离的位置。

(C)在上述实施方式中，如上所述，以使用作为最小二乘法的解而被求出的f实施力控制为例进行了说明。但是，本发明不限于此。

例如，如下所述，可以根据成分的平方比×外力成分的总和整体决定分担量，实施力控制。

即，如下所述地求出第j推进千斤顶的目标力fpj。

[式2]

$f_{pj}=\underset{i=1}{\overset{6}{\Σ}}\left(\right(W_{ij}/\underset{j=1}{\overset{8}{\Σ}}{\left(W_{ij}\right)}^2)\×F_i)$

其中，

(F₁＝F_xF₂＝F_yF₃＝F_zF₄＝M_αF₅＝M_βF₆＝M_γ)

在该情况下，能够与上述实施方式同样地对(6+n)个推进千斤顶适当地实施分配力控制。

(D)在上述实施方式中，作为接收操作人员的操作输入的接口，以使用触摸面板式的显示器显示画面50为例进行了说明。但是，本发明不限于此。

例如，除了触摸面板式的显示器以外，也可以一边看着普通的PC画面，一边通过键盘、鼠标等进行操作输入。

(E)在上述实施方式中，以在显示器显示画面50配置各种操作部(掘进/后退设定部51、方向输入部52、千斤顶操作部53、偏离量显示部54)为例进行了说明。但是，本发明不限于此。

例如，作为在显示器显示画面上显示的显示方式，可以采用其他方式。

(F)在上述实施方式中，为了检测施加于推进千斤顶14a～14h的外力，在各个千斤顶的顶侧和底侧设置了压力传感器，利用控制器20对所检测出的压力的压差进行计算。但是，本发明不限于此。

例如，可以在推进千斤顶14a～14h的活塞杆设置负荷传感器而直接检测外力。

工业实用性

本发明的隧道掘进装置能够起到以下效果，即在具备包括(6+n)个推进千斤顶的平行连杆机构的隧道掘进装置中，能够适当地应对在挖掘中所产生的任何方向、大小的外力，因此能够广泛应用于进行隧道挖掘的掘进机。

附图标记说明

10掘进机(隧道掘进装置)

11前胴部

11a撑靴

12刀盘

12a盘形刀具

13后胴部

13a撑靴

14平行连杆机构

14a～14h推进千斤顶

15皮带运输机

16a～16f行程传感器

17a～17h压力传感器(力传感器)

17aa～17ha顶侧传感器

17ab～17hb底侧传感器

20控制器

21输入部

22千斤顶压力获得部

23行程量获得部

24前胴位置姿态计算部

25目标分配力计算部

26千斤顶控制部(控制部)

30反作用力接受部

31备用拖车

50显示器显示画面

51掘进/后退设定部

51a掘进按钮

51b后退按钮

52方向输入部

52a上按钮

52b下按钮

52c右按钮

52d左按钮

53千斤顶操作部

53a伸长按钮

53b停止按钮

53c缩短按钮

54前胴位置姿态显示部

54a第一显示部

54b第二显示部

C1后胴部的中心线

C2前胴部的中心线

L1第一掘进线

P1后胴部的中心位置

T0隧道

T1第一隧道

T1a侧壁

Claims (9)

1.一种隧道掘进装置，其特征在于，具备：

前胴部，其在挖掘侧表面具有多个刀具；

后胴部，其配置在所述前胴部的后方，具有用于得到进行挖掘时的反作用力的撑靴；

平行连杆机构，其包括6+n个推进千斤顶，该6+n个推进千斤顶在所述前胴部与所述后胴部之间并列配置，将所述前胴部与所述后胴部连结起来，并改变所述前胴部相对于所述后胴部的位置和姿态；

行程传感器，其安装于所述推进千斤顶，检测各推进千斤顶的行程量；

力传感器，其安装于所述推进千斤顶，检测所述推进千斤顶所受到的荷载；

控制部，其基于所述行程传感器及所述力传感器中的检测结果，计算出分配到6+n个所述推进千斤顶的目标分配力，并且对所述推进千斤顶进行控制，从而在6个所述推进千斤顶中实施行程控制，在其他n个所述推进千斤顶中实施基于所述分配力的力控制，

其中，n＝1，2，3，4，5，…。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进装置，其特征在于，

所述控制部基于利用所述6个推进千斤顶的所述行程量确定的所述前胴部相对于所述后胴部的相对的位置、姿态、以及利用所述力传感器检测到的所述6+n个推进千斤顶所受到的所述荷载，对所述前胴部所受到的外力进行计算，对用于克服该外力的各个所述推进千斤顶的目标分配力进行计算。

3.根据权利要求1或2所述的隧道掘进装置，其特征在于，

所述力传感器设置于6+n个所述推进千斤顶，

所述行程传感器设置于6个所述推进千斤顶。

4.根据权利要求1或2所述的隧道掘进装置，其特征在于，

6+n个所述推进千斤顶沿着所述前胴部与所述后胴部彼此相对的面上的外周部分呈大致圆周状配置。

5.根据权利要求1或2所述的隧道掘进装置，其特征在于，

所述控制部对各个所述推进千斤顶进行控制，从而在三维方向上对所述前胴部的姿态进行控制。

6.根据权利要求1或2所述的隧道掘进装置，其特征在于，

还具备从操作人员接收与所述前胴部的行进方向有关的操作输入的输入部，

在接收到操作人员对所述输入部的操作输入时，所述控制部对6个所述推进千斤顶进行行程控制，从而能够沿着基于所述操作输入的内容设定的所期望的曲率半径实施挖掘。

7.根据权利要求6所述的隧道掘进装置，其特征在于，

所述输入部是触摸面板式的显示器，。

8.根据权利要求7所述的隧道掘进装置，其特征在于，

所述显示器具有：上下左右键，其设定所述前胴部的行进方向；显示部，其显示所述前胴部相对于所述后胴部的相对位置。

9.一种隧道掘进装置的控制方法，

隧道掘进装置具备：前胴部，其在挖掘侧表面具有多个刀具；后胴部，其配置在所述前胴部的后方，具有用于得到进行挖掘时的反作用力的撑靴；平行连杆机构，其包括6+n个推进千斤顶，该6+n个推进千斤顶将所述前胴部与所述后胴部连结起来，并且改变所述前胴部相对于所述后胴部的位置；

该隧道掘进装置的控制方法的特征在于，包括：

检测所述推进千斤顶所受到的荷载的步骤；

检测所述推进千斤顶的行程量的步骤；

基于所述推进千斤顶所受到的荷载及行程量的检测结果，计算出所述前胴部所受到的外力的步骤；

基于所述外力，计算出6+n个所述推进千斤顶所分担的目标分配力的步骤；

对所述推进千斤顶进行控制，从而在6个所述推进千斤顶中实施行程控制，在其他n个所述推进千斤顶中实施基于所述目标分配力的力控制的步骤；

其中，n为自然数。