JP4476897B2

JP4476897B2 - 吹付用アームロボット

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Publication number: JP4476897B2
Application number: JP2005233999A
Authority: JP
Inventors: 忠信柏
Original assignee: 富士テック株式会社
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: JP2007044663A

Description

本発明は、吹付用アームロボットに関するものである。

近年、トンネル坑内の壁面を吹付けるＮＡＴＭ工法の実施にあたって、走行台車の先端にブームを取付け、このブームを移動させながら吹付ノズルをトンネルの内周壁に沿って移動させつつ、コンクリート等を吹付ける装置が提案させている。
特に、トンネル坑内断面における内周壁に効率よく吹付けるために、ブームの基端にターンテーブルを取付けた、いわゆる旋回軸式（ロータリー式）の装置が従来より用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６３−３０４８９７号公報（１乃至４頁、図１乃至２）

しかしながら、上記記載の発明では、ターンテーブルを取付けているため、製造コストが掛かるという問題を抱えていた。また、ターンテーブルを用いないアーム式の装置では、吹付ノズルをトンネル坑内断面の内周面に沿って移動させるためには、作業員による複雑な操作を必要としており、作業員の操作負担が増大していた。
そこで、本発明の主たる課題は、製造コストを低減させつつ、作業員の操作負担を軽減させる吹付用アームロボットを提供することにある。

上記課題を解決した本発明は、次のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
請求項１記載の発明は、基台に旋回自在に軸支された第１のブラケットと、該第１のブラケットに起伏自在に軸支された第１のアームと、該第１のアームの先端に起伏自在に軸支され第２のブラケットと、該第２のブラケットに連結された第２のアームと、該第２のアームに連結された吹付ノズル支持アームと、を備え、トンネル坑内の壁面に吹付コンクリート若しくはモルタルを吹付ける、吹付用アームロボットであって、前記第２のアームは、前記第２のブラケットに旋回自在に連結された第２のアーム基部と、該第２のアーム基部に伸縮自在に連結された第２のアーム伸縮部と、を備え、前記吹付ノズル支持アームは、前記第２のアーム伸縮部に伸縮自在に連結された吹付ノズル支持アーム伸縮部と、該吹付ノズル支持アーム伸縮部にアーム軸方向に回動自在に連結された吹付ノズル支持部と、を備え、自動制御により、前記第２のアーム伸縮部の先端を基準点として、該基準点が前記トンネル坑内の断面における同一平面上を略円運動するように構成され、かつ作業者の操作により、前記吹付ノズル支持アーム伸縮部を伸長又は縮小させながら、前記吹付ノズル支持部を回動させてトンネル坑内の壁面に吹付けを行なう構成とされた、ことを特徴とする吹付用アームロボットである。

（作用効果）
自動制御により、第２のアーム伸縮部の先端を基準点として、この基準点がトンネル坑内の断面における同一平面上を略円運動するように構成することにより、ターンテーブルを用いることなく自動制御で略円運動させることができ、また、作業者の操作は、吹付ノズル支持アーム伸縮部を伸長又は縮小させながら、吹付ノズル支持部を回動させてトンネル坑内の壁面に吹付けを行なうことに限定されるため、作業者の操作負担が軽減される。
なお、ここでいう吹付コンクリートとは、湿式のコンクリートのみならず、乾式のコンクリートも含むものとする。

＜請求項２記載の発明＞
請求項２記載の発明は、前記第１のブラケットと前記第１のアームとには、それぞれを両端とする起伏シリンダーが連結されると共に、該起伏シリンダーに同調する起伏同調シリンダーが、前記第１のアームの先端と第２のブラケットとの間に連結されることにより、前記吹付ノズル支持アームが水平を保つように構成され、前記第１のブラケットと前記基台とには、それぞれを両端とする旋回シリンダーが連結されると共に、該旋回シリンダーに同調する旋回同調シリンダーが、前記第１のアームの先端と第２のアーム基部との間に連結されることにより、前記吹付ノズル支持アームがトンネル坑内の内周面と略平行に保つように構成された、請求項１記載の吹付用アームロボットである。

（作用効果）
同調シリンダーの存在によって、吹付ノズル支持アームが水平を保たれ、かつトンネル坑内の内周面と略平行に保つように構成することにより、製造コストを低減させつつ、作業員の操作負担を効果的に軽減させることができる。

本発明によれば、製造コストを低減させつつ、作業員の操作負担を軽減させることができる等の利点がもたらされる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜吹付用アームロボットの全体構成＞
図１乃至図８に基づき、アームの全体構成を説明する。なお、図１はアームの動きの説明、及び各角度・長さのとり方を説明するための吹付用アームロボットの側面説明図であり、図２は吹付用アームロボットの側面図（その１）であり、図３は吹付用アームロボットの側面図（その２）であり、図４は吹付用アームロボットの平面図であり、図５はアームの動きを説明するための平面説明図であり、図６はトンネル坑内断面におけるアームの動きを説明するための説明図であり、図７は吹付ノズルの動きを説明するための説明図であり、図８は吹付ノズル支持アームの要部拡大側面図である。

本発明に係る吹付用アームロボットは、走行台車（図示せず）の基台に形成された固定部６に旋回自在に軸支された第１のブラケット１と、この第１のブラケット１に起伏自在に軸支され連結された第１のアーム２と、該第１のアーム２の先端に連結された第２のブラケット３と、該第２のブラケット３に連結された第２のアーム４と、該第２のアーム４に連結された吹付ノズル支持アーム５と、を備えている。具体的に以下に詳述する。

図１乃至図５に示すように、固定部６は、一般的には、図示しない走行台車の基台の先端に形成されている。この固定部６の上部６Ａにおいて、第１のブラケット１を旋回自在に軸支している。それと共に、固定部６の壁面部６Ｂにおいて、後述する第１のブラケット１の左右張出部１Ｂ，１Ｂに一方端を連結する旋回シリンダー７０，７０の他端を連結している。

第１のブラケット１は、第１のブラケット本体１Ａと、左右張出部１Ｂ，１Ｂと、を備えている。第１のブラケット本体１Ａは、前述したように、その上部で固定部６に旋回自在に軸支されている。それと共に、第１のブラケット本体１Ａの上部で第１のアーム２を起伏自在に軸支している。また、第１のブラケット本体１Ａは、後述する第１のアーム２の第１のアーム基部２０の下面に一方端を連結する起伏シリンダー７１の他端を連結すると共に、この起伏シリンダー７１の起伏に伴って同調する、第１起伏同調シリンダー７２の他端（一方端は第１のアーム基部２０の下面に連結）を連結している。左右張出部１Ｂ，１Ｂは、前述したように、旋回シリンダー７０，７０の他端（一方端は固定部６の壁面部６Ｂに連結）を連結している。そのため、旋回シリンダー７０，７０の伸縮により、第１のブラケット１を介して第１のアーム２が左右に旋回可能となっている。

第１のアーム２は、第１のアーム基部２０と、該第１のアーム基部２０に伸縮自在に連結された第１のアーム伸縮部２１と、を備えている。第１のアーム基部２０は、前述したように、その下面において、起伏シリンダー７１の一方端（他端は第１のブラケット本体１Ａに連結）が連結されていることにより、第１のアーム２が上下に起伏可能となっている。そして、第１のアーム基部２０に内装されたシリンダー（図示せず）により、第１のアーム伸縮部２１が伸縮可能となっている。第１のアーム伸縮部２１の先端には、第１のアーム伸縮部２１の軸方向に対して傾斜した先端部２１Ａが形成されており、図１に示すように、トンネル内周面の下部を吹付する際に、吹付ノズル支持アーム５が水平姿勢を取り易いようになっている。この傾斜先端部２１Ａは、その下面において、後述する第２のブラケット３に一方端を連結する第２起伏同調シリンダー７３の他端を連結している。この第２起伏同調シリンダー７３は、前述した起伏シリンダー７１の起伏に伴って同調する、第１起伏同調シリンダー７２と油圧ホース（図示せず）で連結されていると共に、同一のシリンダーチューブの径や長さ等で構成されており、起伏シリンダー７１の上下起伏に合わせて、後述する第２のアーム４及び吹付ノズル支持アーム５が水平姿勢を保つことができるようになっている。

第２のブラケット３は、図３に示すように、第２のブラケット本体３０と、持ち出し旋回部３１と、を備えている。第２のブラケット本体３０は、前述した第１のアーム伸縮部２１の傾斜先端部２１Ａに起伏自在に軸支されていると共に、第２起伏同調シリンダー７３の一方端（他端は傾斜先端部２１Ａに連結）を連結している。そのため、起伏シリンダー７１の上下起伏に合わせて、後述する第２のアーム４及び吹付ノズル支持アーム５が水平姿勢を保つことができるようになっている。なお、後述するが、第２のブラケット本体３０が傾斜先端部２１Ａに軸支されている点を中間点ＭＰと設定しておく。持ち出し旋回部３１は、第２のブラケット本体３０に左右に旋回自在に軸支されていると共に、持ち出し旋回部３１の上部において、第２のアーム基部４０を連結している。また、持ち出し旋回部３１の上部には、第２のアーム基部の先端と一方端を連結する旋回同調シリンダー７４の他端を連結している。この旋回同調シリンダー７４は、前述した旋回シリンダー７０と油圧ホース（図示せず）で連結されていると共に、同一のシリンダーチューブの径や長さ等で構成されており、図５に示すように、旋回シリンダー７０の左右旋回に合わせて同調し、第２のアーム４及び吹付ノズル支持アーム５をトンネル坑内の内周面と略平行に沿うことができるようになっている。

第２のアーム４は、前記第２のブラケット３に旋回自在に連結された第２のアーム基部４０と、該第２のアーム基部４０に伸縮自在に連結された第２のアーム伸縮部４１と、を備えている。第２のアーム基部４０は、前述したように、第２のブラケット本体３０に左右に旋回自在に軸支された持ち出し旋回部３１に連結され、かつ第２のアーム基部４０の先端を旋回同調シリンダー７４に連結されていることにより、旋回シリンダー７０の左右旋回に合わせて同調し、トンネル坑内の内周面と略平行に沿う姿勢を保つことができるようになっている。そして、第２のアーム基部４０の下部に一端を連結した伸縮シリンダー７５により、第２のアーム伸縮部４１が伸縮可能となっている。第２のアーム伸縮部４１は、その先端が基準点となっており、この基準点ＢＰがトンネル坑内の断面における同一平面上を略円運動するように制御されている。そして、第２のアーム伸縮部４０に内装されたシリンダー（図示せず）により、吹付ノズル支持アーム５が伸縮可能となっている。

吹付ノズル支持アーム５は、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０と、吹付ノズル支持部５１と、吹付ノズル本体５２と、を備えている。吹付ノズル支持アーム伸縮部５０は、前述したように、第２のアーム伸縮部４１の先端（基準点ＢＰ）から伸縮可能となっており、この基準点ＢＰからの吹付ノズル本体までの伸縮する長さＨが、後述するように、図６に示す吹付幅を形成することとなる。ただし、吹付幅については、後述する吹付ノズル本体５２自体の首振りによって、第２のアーム伸縮部４０の伸長する長さ以上に吹付ができる場合もある。また、吹付ノズル支持部５１は、図８（１）に示すように、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０にアーム軸方向に回動自在に連結されており、この回動により図７に示す回動幅で吹付がなされるようになる。

すなわち、図５乃至図７に示すように、基準点ＢＰがトンネル坑内の断面における同一平面上を略円運動すること共に、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０の伸縮及び吹付ノズル本体５２の可動により、トンネル内周面に伸縮長さＨの幅及び上記回動幅で吹付面が順次形成されることになる。また、吹付ノズル支持部５１は、図８（２）に示すように、連結された吹付ノズル本体５２を揺動自在に首振りが可能に構成されているので、トンネル内周面に対して適切な角度を保って吹付作業を行うことができる。

＜吹付用アームロボットの半自動化制御＞
（基準点の設定）
制御方法を説明する前に、三次元空間での基準点ＢＰの位置の表現するための定義を説明する。
ＸＹＺ軸の設定であるが、トンネル坑内の底面が水平であると仮定した場合に、図１、図５及び図６に示すように、トンネルの切羽面に向うトンネル長手方向の水平方向をＸ軸とし、トンネル坑内の断面の幅方向の水平方向をＹ軸とし、トンネルの高さ方向の垂直方向をＺ軸とする。

図１及び図２に示すように、第１のアーム２のＸ軸に対するＺ軸方向の角度を第１のアーム起伏角度（θ１）とし、第１のアーム伸縮部２１の傾斜先端部２１ＡのＺ軸に対するＸ軸方向の角度を傾斜先端部起伏角度（θ２）とし、第２のアーム４のＸ軸に対するＺ軸方向の角度を第２のアーム起伏角度（θ３）とする。また、図５に示すように、第１のアーム２のＸ軸に対するＹ軸方向の角度を第１のアーム旋回角度（αＲ）とし、第２のアーム４のＸ軸に対するＹ軸方向の角度を第２のアーム旋回角度（α１）とする。

また、第１のアーム基部２０の長さ（固定長さ：第１のアーム基部２０の軸支部分から先端側のフランジ部分までの長さ）をＬ１とし、傾斜先端部２１Ａの長さ（固定長さ：第１のアーム伸縮部２１のフランジ部分から中間点ＭＰまでの長さ）をＬ２とし、第２のアーム４の図１及び図２で図示した部分の長さ（固定長さ：中間点ＭＰと、第２のアーム伸縮部４１が第２のアーム基部４０内に最も引き込まれたときのその先端部分との間の長さ）をＬ３とし、図１及び図２で図示した中間点ＭＰと第２のアーム基部４０の軸心との距離（固定長さ）をｈとする。なお、第１のアーム基部２０の長さ（Ｌ１）においは、図１に示される実施の形態では、第１のアーム基部２０の軸支部分の位置と第１のアーム基部２０の軸心（二点鎖線）とが偏心しているため起伏角度によって長さが変化してしまうが、実際には、起伏角度の関数として偏心量を考慮することができるため、以下では便宜上偏心量は考慮せず、固定長さとして扱うこととする。

さらに、第１のアーム伸縮部２１の図２で示した部分の長さ（第１のアーム基部２０のフランジ部分から第１のアーム伸縮部２１のフランジ部分までの長さ）をＳ１とし、第２起伏同調シリンダー７３の長さをＳ２とし、伸縮シリンダー７５の長さをＳ３とする。

また、図５に示すように、第１のアーム２のＸ−Ｙ軸方向の旋回は、旋回シリンダー７０，７０の伸縮によって行なわれるが、角度センサー（図示せず）によって第１のアーム旋回角度（αＲ）が検知され、この第１のアーム旋回角度（αＲ）によって動作が制御されるようになっている。図２に示すように、第１のアーム２のＸ−Ｚ軸方向の起伏については、起伏シリンダー７１の伸縮によって行なわれるが、角度センサー（図示せず）によって第１のアーム起伏角度（θ１）が検知され、この第１のアーム起伏角度（θ１）によって動作が制御されるようになっている。

上記設定により、基準点ＢＰ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置は、以下（１）〜（３）の式で示すことができる。なお、第２のアーム４及び吹付ノズル支持アーム伸縮部５０の姿勢としては、前述した第２起伏同調シリンダー７３及び旋回同調シリンダー７４により、トンネル坑内の内周面と略平行に沿う姿勢が取られているので、α１＝αＲ、及びθ３＝０の条件を付加している。
ｘ＝（Ｌ３＋Ｓ３）＋｛Ｌ２ｓｉｎ（θ２）＋（Ｌ１＋Ｓ１）ｃｏｓ（θ１）｝ｃｏｓ（αＲ） …（１）
ｙ＝｛Ｌ２ｓｉｎ（θ２）＋（Ｌ１＋Ｓ１）ｃｏｓ（θ１）｝ｓｉｎ（αＲ） …（２）
ｚ＝ｈ＋Ｌ２（θ２）＋（Ｌ１＋Ｓ１）ｓｉｎ（θ１） …（３）

そうすると、上記（１）〜（３）の式によって得られる基準点ＢＰ（ｘ，ｙ，ｚ）は、以下に示す、Ｓ１，Ｓ３，θ１，θ２，αＲの関数として表記できる。
ｘ＝ｆｘ（Ｓ１，Ｓ３，θ１，θ２，αＲ） …（４）
ｙ＝ｆｙ（Ｓ１，θ１，θ２，αＲ） …（５）
ｚ＝ｆｚ（Ｓ１，θ１，θ２） …（６）
ただし、Ｓ１，Ｓ３，θ１，αＲは制御変数となるが、θ２については角度センサー（図示せず）にて検知され、この検知された量が代入されるものである。

次に、基準点ＢＰ（ｘ，ｙ，ｚ）の初期値、すなわちＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を求めるために、角度センサー（図示せず）により、θ１₀，θ２₀，αＲ₀を計測し、長さ計測センサー（図示せず）により、Ｓ１₀，Ｓ３₀を計測し、そのデータを演算手段（図示せず）に与えれば、ＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を求めることができる。この関係式を次式（４）´〜（６）´に示すと、
ｘ₀＝ｆｘ（Ｓ１₀，Ｓ３₀，θ１₀，θ２₀，αＲ₀） …（４）´
ｙ₀＝ｆｙ（Ｓ１₀，θ１₀，θ２₀，αＲ₀） …（５）´
ｚ₀＝ｆｚ（Ｓ１₀，θ１₀，θ２₀） …（６）´
と表すことができる。なお、次なる基準点ＢＰ₁を求めるために、θ１₀，θ２₀，αＲ₀，Ｓ１₀，Ｓ３₀のデータ、及びＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）のデータを記憶手段（図示せず）に記憶させておく。

図６及び図７に示すように、ＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）の位置決めがなされた後に、吹付ノズル本体５２を揺動させてトンネル坑内の側面に対して略垂直になるようにし、吹付ノズル支持アーム５の吹付ノズル支持アーム伸縮部５０を先端（基準点ＢＰ₀）から伸長させながら、吹付ノズル支持部５１を小刻みに回動させて、図７に示すようなパターンで、トンネル坑内の側面に対して吹付を行なう。この吹付動作は、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０の伸縮及び吹付ノズル支持部５１の回動を、自動又は作業員の手動による遠隔操作によって行うことができる。

そして、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０が延びきったところで、一旦、吹付を停止する。

（吹付用アームロボットのアームの動き方の概要）
以下に、ＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）から次なる基準点ＢＰ₁（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）までの移動について説明する。以下、図９における、Ｙ−Ｚ軸平面上の基準点ＢＰの動きをモデル化した概念図、及びＸ−Ｙ軸平面上の基準点ＢＰの動きをモデル化した概念図を用いて説明する。

Ｙ−Ｚ軸平面上の基準点ＢＰの初期角度β₀は以下のように求められる。
β₀＝ｔａｎ^-1（ｚ₀／ｙ₀） …（７）

また、図６に示すように、吹付ノズルの回動幅（上下方向の吹付幅）を考慮して、均等に吹付がなされるように基準点を移動させるため、予め円周を均等分割する。基準点ＢＰを動かすのに、９０度をｎ等分したとして、初期位置ＢＰ₀から次のポイントＢＰ₁の角度は、
β₁＝β₀＋９０／ｎ …（８）
と表すと、ＢＰ₁への移動距離増加分は、
Δｙ＝Ｒ₀ｃｏｓ（β₀）−Ｒ₀ｃｏｓ（β₁） …（９）
Δｚ＝Ｒ₀ｓｉｎ（β₁）−Ｒ₀ｓｉｎ（β₀） …（１０）
Δｘ＝Δｙ×ｔａｎ（αＲ） …（１１）
となり、
ＢＰ₁（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）の各座標点は、
ｘ₁＝ｘ₀…（１２）
ｙ₁＝ｙ₀＋Δｙ …（１３）
ｚ₁＝ｚ₀＋Δｚ …（１４）
と表記することができる。なお、式（１１）及び（１２）については、Δｘ＝０となるように制御されるものである。

まず、Ｚ方向運動制御（起伏）について説明する。第１のアームの起伏シリンダー７１を伸ばして、θ１＝θ１₀＋Δθ１へ変化させるにあたって、図９に示す、次の移動先ＢＰ₁までの起伏角の変化量をΔθ１（図示せず）とすると、近似値として、一般式（３）より、
Δθ１≒ΔＺ／（Ｌ１＋Ｓ１）ｃｏｓ（θ１₀） …（１５）
を目安にできる。なお、実際の運転では、起伏シリンダー７１を伸ばし、起伏角（Δθ１）を変えながら、ｚ₁−ｚ₀≦Δｚとなるまで起伏動作を続ける。

次に、Ｙ方向運動制御（旋回）について説明する。機械を上から見たＸ−Ｙ投影面において、旋回角度の必要な変化量ΔαＲは、
約ΔαＲ＝ΔＹ／Ｃ₀ …（１６）となる。
ここで、Ｃ₀＝√（ｘ₀ ²＋ｙ²） …（１７）である。

なお、実際の運転では、旋回シリンダー７０を伸ばし、旋回角度を変えながら（αＲ₀→αＲ₁）、ｙ₁−ｙ₀≦Δｙとなるまで旋回動作を続ける。また、図示はしないが、左右の旋回シリンダー７０，７０は一方側が伸びた分だけ、他方側が同じ量だけ縮むように動くよう、油圧回路は組まれている。

次に、第１のアーム伸縮部２１の制御について説明する。起伏動作により第１のアーム２を上方に上げると、Ｘ−Ｙ投影面では、第１のアーム伸縮部２１は、旋回中心側（Ｃ₀→Ｃ₁）へ移動し、第１のアーム伸縮部２１の長さは、Ｓ１→Ｓ１₀＋ΔＳ１となる。このとき、第１のアーム伸縮部２１の伸縮量ΔＳ１は、ΔＳ１＝Ｃ₀／ｃｏｓ（θ１）−Ｃ₁／ｃｏｓ（θ１＋Δθ１） …（１８）である。

次に、第２のアーム伸縮部４のＸ方向運動制御について説明する。ＢＰ₀点からＢＰ₁へ移る際、すなわち、基準点ＢＰ（ｘ，ｙ，ｚ）が円運動しながら上方にいくにしたがって、第２のアーム４はＸ軸方向へ突出するようになるため、第２のアーム基部４０内部に第２のアーム伸縮部４１を引き込むように縮小させ、図５に示すように、基準点ＢＰにおけるｘの値が一定値になるように制御する。このとき、変化量はΔｘ＝Δｙ×ｔａｎ（αＲｏ）となる。ノズル先端を同一面内で運動させるためには、Δｘ＝０でなければならないので、実際の制御では、スライドアーム伸縮シリンダー長さを変えながらｘ₁−ｘ₀≦Δｘ＝０となるまでシリンダー動作を続ける。

＜吹付用アームロボットを用いた吹付制御＞
最初に、トンネル坑内の内周面と吹付用アームロボットとの位置関係を把握した上で、吹付用アームロボットの操作を行う作業員に、操作ボックス等による遠隔操作で第１のアーム２と第２のアーム４等を操作してもらい、吹付の開始位置を決めてもらう。この吹付の開始位置は、上記初期であるＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）に対応している。

本発明に係る吹付用アームロボットに取付けた角度センサー（図示せず）により、θ１₀，θ２₀，αＲ₀を計測し、長さ計測センサー（図示せず）により、Ｓ１₀，Ｓ３₀を計測し、そのデータを演算手段（図示せず）に与えて基準点ＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を設定する。そして、次なる基準点ＢＰ₁を求めるために、θ１₀，θ２₀，αＲ₀，Ｓ１₀，Ｓ３₀のデータ、及びＢＰ₀（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）のデータを記憶手段（図示せず）に記憶させておく。

この吹付の開始位置から吹付用アームロボットの同一平面上の円運動を所定の変化量（吹付ノズルの回動幅（上下方向の吹付幅）を考慮した変化量）で行なわせる。この状態で、吹付ノズル本体５２を揺動させてトンネル坑内の側面に対して略垂直になるようにし、吹付ノズル支持アーム５の吹付ノズル支持アーム伸縮部５０を先端（基準点ＢＰ₀）から伸長させながら、吹付ノズル支持部５１を小刻みに回動させて、図７に示すようなパターンで、トンネル坑内の側面に対して吹付を行なう。この吹付動作は、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０の伸縮及び吹付ノズル支持部５１の回動を、自動又は作業員の手動による遠隔操作によって行う。

その後、上記（８）〜（１４）式を演算手段によって演算させ、ＢＰ₁（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）の位置を決め、この位置を目標値として各シリンダーを伸縮させて制御を行い、ＢＰ₁（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）まで移動させる。そして、ＢＰ₁（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）の位置決めがなされた後に、吹付ノズル本体５２を揺動させてトンネル坑内の側面に対して略垂直になるようにしたままで、吹付ノズル支持部５１を小刻みに回動させて、図７に示すようなパターンで、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０を先端（基準点ＢＰ₁）まで縮小させながら、トンネル坑内の側面に対して吹付を行なう。この吹付動作は、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０の伸縮及び吹付ノズル支持部５１の回動を、自動又は作業員の手動による遠隔操作によって行う。

そして、吹付ノズル支持アーム伸縮部５０が縮小しきったところで、一旦、吹付を停止し、上記操作を繰り返す。

このように、上記に示した基準点の移動（ＢＰ₀→ＢＰ₁→…→ＢＰ_n）を行い、図７に示すような吹付作業を繰り返し行ない、吹付幅Ｈの幅をもってトンネル坑内の全周にわたって行なう。吹付幅Ｈを吹付けた後は、走行台車（図示せず）を前方又は後方に移動させ、先行して吹付けた部分に隣接して、同様に、基準点の移動（ＢＰ₁→ＢＰ₂→…→ＢＰ_n）をさせながらトンネル坑内の全周にわたって吹付幅Ｈの幅をもって吹付け、トンネル坑内の吹付必要箇所（例えば、トンネル坑内の入口部から出口部まで）すべてに吹付けるまで、上記吹付作業を繰り返す。

なお、基準点の移動（ＢＰ₀→ＢＰ₁→…→ＢＰ_n）の自動制御と、吹付作業時の吹付ノズル支持アーム伸縮部５０の伸縮及び吹付ノズル支持部５１の回動の遠隔操作を、それぞれ単独に行なってもよいし、連動させて行なってもよい。

ここで、トンネル断面の半径は一定ではない場合があり、この場合には吹付用アームロボットが同一半径で円運動をしても、全周にわたってうまく吹付けることができないことがある。その場合には、例えば、図１０に示すように、最初はＢ₁Ｐの軌道で移動させながらトンネル坑内の側面を吹付けて、途中でＢ₂Ｐの軌道に基準点の変更を行い、その後、Ｂ₂Ｐの軌道で吹付を行なうといったように、同一半径で形成されていないトンネル断面でも基準点の変更を行なうことで対処することができる。

以上のように、本発明に係る吹付用アームロボットは、同一平面上を円運動等するにあたり油圧よるシリンダーの伸縮によってアームの動作が行われているが、変形例として駆動源をサーボモータとしてアーム動作を行うこともできる。この場合、第１のアーム２、第２のアーム４や吹付ノズル支持アーム５のそれぞれに電動のサーボモータ、減速機や旋回軸受等を取付けることによって、サーボモータを駆動源とした吹付用アームロボットを実現することができる。

アームの動きの説明、及び各角度・長さのとり方を説明するための吹付用アームロボットの側面説明図である。吹付用アームロボットの側面図（その１）である。吹付用アームロボットの側面図（その２）である。吹付用アームロボットの平面図である。アームの動きを説明するための平面説明図である。トンネル坑内断面におけるアームの動きを説明するための説明図である。吹付ノズルの動きを説明するための説明図である。吹付ノズル支持アームの要部拡大側面図である。Ｙ−Ｚ軸平面上の基準点ＢＰの動きをモデル化した概念図、及びＸ−Ｙ軸平面上の基準点ＢＰの動きをモデル化した概念図である。同一半径でないトンネル坑内断面におけるアームの動きを説明するための説明図である。

符号の説明

１…第１のブラケット、１Ａ…第１のブラケット本体、１Ｂ…左右張出部、２…第１のアーム、３…第２のブラケット、４…第２のアーム、５…吹付ノズル支持アーム、６…固定部、６Ａ…固定部の上部、６Ｂ…固定部の壁面部、２０…第１のアーム基部、２１…第１のアーム伸縮部、２１Ａ…傾斜先端部、３０…第２のブラケット本体、３１…持ち出し旋回部、４０…第２のアーム基部、４１…第２のアーム伸縮部、５０…吹付ノズル支持アーム伸縮部、５１…吹付ノズル支持部、５２…吹付ノズル本体、７０…旋回シリンダー、７１…起伏シリンダー、７２…第１起伏同調シリンダー、７３…第２起伏同調シリンダー、７４…旋回同調シリンダー、７５…伸縮シリンダー、ＢＰ…基準点、ＭＰ…中間点、Ｔ…トンネル内周面。

Claims

基台に旋回自在に軸支された第１のブラケットと、該第１のブラケットに起伏自在に軸支された第１のアームと、該第１のアームの先端に起伏自在に軸支され第２のブラケットと、該第２のブラケットに連結された第２のアームと、該第２のアームに連結された吹付ノズル支持アームと、を備え、
トンネル坑内の壁面に吹付コンクリート若しくはモルタルを吹付ける、吹付用アームロボットであって、
前記第２のアームは、前記第２のブラケットに旋回自在に連結された第２のアーム基部と、該第２のアーム基部に伸縮自在に連結された第２のアーム伸縮部と、を備え、
前記吹付ノズル支持アームは、前記第２のアーム伸縮部に伸縮自在に連結された吹付ノズル支持アーム伸縮部と、該吹付ノズル支持アーム伸縮部にアーム軸方向に回動自在に連結された吹付ノズル支持部と、を備え、
自動制御により、前記第２のアーム伸縮部の先端を基準点として、該基準点が前記トンネル坑内の断面における同一平面上を略円運動するように構成され、
かつ作業者の操作により、前記吹付ノズル支持アーム伸縮部を伸長又は縮小させながら、前記吹付ノズル支持部を回動させてトンネル坑内の壁面に吹付けを行なう構成とされた、
ことを特徴とする吹付用アームロボット。
前記第１のブラケットと前記第１のアームとには、それぞれを両端とする起伏シリンダーが連結されると共に、該起伏シリンダーに同調する起伏同調シリンダーが、前記第１のアームの先端と第２のブラケットとの間に連結されることにより、前記吹付ノズル支持アームが水平を保つように構成され、
前記第１のブラケットと前記基台とには、それぞれを両端とする旋回シリンダーが連結されると共に、該旋回シリンダーに同調する旋回同調シリンダーが、前記第１のアームの先端と第２のアーム基部との間に連結されることにより、前記吹付ノズル支持アームがトンネル坑内の内周面と略平行に保つように構成された、請求項１記載の吹付用アームロボット。