JP6345991B2 - 穿孔ナビゲーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、穿孔ナビゲーション装置に関する。

従来、穿孔ナビゲーション装置としては、例えば、移動可能な台車と、穿孔機と、穿孔機の位置及び姿勢を変更可能で且つ台車上に設けられたブームとを備えた穿孔装置を用いて行われる、トンネルの掘削作業を支援するものがある（特許文献１〜４参照）。

特許第２０２９３３８号 特許第４１５１７７６号 特許第３４７６６１３号 特許第４２３３７２５号

しかしながら、上記特許文献１〜４に記載された技術（穿孔ナビゲーション装置）では、発破掘削を行うための発破パターンを表示するという構成にはなっていなかった。
また、特に特許文献１に記載された技術では、穿孔機の位置を常に計測しなければナビゲーション表示が行えない。従って、穿孔装置の台車部分が大きい場合に、切羽の中心部穿孔時に台車が邪魔になって穿孔機の位置の計測（測量）が行えず、そのような状況ではナビゲーション装置が使用できないという課題があった。また、上記特許文献１に記載された技術では、台車の位置等を測量により求めるという構成にはなっていなかった。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、切羽における穿孔位置及び角度をより適切にオペレータに知らしめることができる穿孔ナビゲーション装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、移動可能な台車と、穿孔機と、台車上に設けられたブームと、ブームに取り付けられると共に穿孔機を搭載するガイドセルとを備え、ブームが、ガイドセルを揺動及び進退させて、穿孔機の位置及び姿勢を変更可能となっている穿孔装置を用いて行われる、トンネルの掘削作業を支援する穿孔ナビゲーション装置であって、トンネル延長方向を表すデータと複数の発破パターンとを記憶している記憶部と、トンネル延長方向における現在の切羽の位置を取得する切羽位置取得部と、台車の位置、姿勢及び向きを計測する計測部と、切羽位置取得部で取得した切羽の位置、計測部の計測結果及び記憶部の記憶内容に基づき、切羽における発破用の装薬孔の穿孔位置を計算する装薬孔位置計算部と、計算された装薬孔の位置を表示する表示部と、ガイドセルの後端に取り付けられた目印と、目印との間の距離を測量可能な測量機と、を備え、切羽位置取得部は、切羽の表面で最も凸になっている部分にガイドセルの先端が押し当てられているときに測量機によって測量された距離に基づき、切羽の位置を割り出すことを特徴とする。
また、台車に取り付けられた目印を備え、測量機は、台車に取り付けられた目印との間の距離を測量可能であり、計測部は、測量機によって測量された台車に取り付けられた目印と測量機との間の距離に基づき、台車の位置、姿勢及び向きを計測する構成としてもよい。

さらに、計測部は、台車の位置、姿勢及び向きに基づき、さらに穿孔機の位置及び姿勢を計算する構成としてもよい。
そして、穿孔機及びブームの各駆動部に設けられた角度センサ及び距離センサを備え、計測部は、台車の位置、姿勢及び向きと、角度センサ及び距離センサの出力値とに基づき、穿孔機の位置及び姿勢を計算し、表示部は、計算された穿孔機の位置及び姿勢を表示する構成としてもよい。
また、装薬孔位置計算部は、計算された穿孔機の位置及び姿勢から切羽における実際の装薬孔の位置を計算し、計算された装薬孔の穿孔位置を記憶する穿孔位置記憶部を備えた構成としてもよい。

本発明の一態様によれば、台車の位置、姿勢及び向きを計測することで、切羽における発破パターンを決定し表示するため、穿孔機の位置を常に計測しなくても、オペレータが切羽における穿孔位置及び角度をより適切に認識できるようにする支援を行える。

実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置１が搭載される穿孔装置４の概略構成を表す概念図である。 測量用プリズムの取り付け位置を説明する拡大図である。 表示例を示すモニターの正面図である。 変形例を説明するガイドセル及び穿孔機の側面図及び平面図である。

本発明に係る穿孔ナビゲーション装置１の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置１は、トンネルの掘削工法である、爆薬による発破掘削を行うための装薬孔３の穿孔作業を支援するための装置である。

（構成）
図１に示すように、穿孔ナビゲーション装置１は、切羽２に対し、爆薬装填用の装薬孔３を穿孔するための作業用車両（以下、「穿孔装置４」とも呼ぶ）に搭載される。穿孔装置４としては、例えば、ドリルジャンボ（商標）を採用することができる。
穿孔装置４は、移動台車５と、移動台車５上に取り付けられたブーム６と、ブーム６に取り付けられて穿孔機７を搭載するガイドセル８と、を備える。

ブーム６は、ブーム６を水平方向に揺動させるブームスイング９と、ブーム６を前後に進退動させるブームスライド１０と、ガイドセル８を水平方向に揺動させるガイドスイング１１と、ガイドセル８を垂直方向に揺動させるガイドチルト１２と、ガイドセル８を前後に進退動させるガイドスライド１３と、を備える。これにより、ブーム６は、穿孔装置４のオペレータの操作に応じて、穿孔機７の位置及び姿勢を変更可能となっている。

穿孔機７は、先端部に穿孔用ビットが設けられた穿孔ロッド１４と、穿孔ロッド１４の後端部に打撃を付与するドリフタ１５と、を備える。また、穿孔機７には、穿孔機７を前後（穿孔ロッド１４の軸方向）に進退動させるフィーダ１６が配置される。これにより、穿孔機７は、オペレータの操作に応じて、穿孔ロッド１４の後端部にドリフタ１５で打撃を付与し、且つ、前方向に移動することで、切羽２に装薬孔３を穿孔可能となっている。

これにより、オペレータは、穿孔装置４を操作し、穿孔ロッド１４の先端を切羽２に押し当てる動作と、穿孔ロッド１４の後端に打撃を付与すると共に穿孔機７を前方向に移動させる動作とを繰り返すことで、切羽２に複数の装薬孔３を穿孔可能となっている。
穿孔ナビゲーション装置１は、水平角検出部１７、１８と、垂直角検出部１９と、進退量検出部２０、２１と、ナビ装置作動スイッチ２２と、穿孔状態検出部２３と、装薬孔位置記憶部２４と、モニター２５と、コントローラ２６と、を備える。

水平角検出部１７は、ブームスイング９に配置され、ブーム６の水平方向への揺動角を検出する。そして、水平角検出部１７は、検出結果をコントローラ２６に出力する。水平角検出部１８は、ガイドスイング１１に配置され、ガイドセル８の水平方向への揺動角を検出する。そして、水平角検出部１８は、検出結果をコントローラ２６に出力する。
垂直角検出部１９は、ガイドチルト１２に配置され、ガイドセル８の垂直方向への揺動角を検出する。そして、垂直角検出部１９は、検出結果をコントローラ２６に出力する。

進退量検出部２０は、ブームスライド１０に配置され、ブーム６の前後方向への進退量を検出する。そして、進退量検出部２０は、検出結果をコントローラ２６に出力する。進退量検出部２１は、フィーダ１６に配置され、ガイドセル８の前後方向への進退量を検出する。そして、進退量検出部２１は、検出結果をコントローラ２６に出力する。
ナビ装置作動スイッチ２２は、穿孔ナビゲーション装置１の作動開始時にオペレータに押圧させるスイッチである。そして、ナビ装置作動スイッチ２２は、オペレータが押圧すると、穿孔ナビゲーション装置１の作動開始信号をコントローラ２６に出力する。

穿孔状態検出部２３は、穿孔機７（ドリフタ１５）に配置され、穿孔機７（ドリフタ１５）が動作しているか否か、つまり、切羽２に装薬孔３の穿孔が行われているか否かを検出する。そして、穿孔状態検出部２３は、検出結果をコントローラ２６に出力する。
装薬孔位置記憶部２４は、穿孔が完了している実際の装薬孔３の穿孔位置を記憶する。
モニター２５は、オペレータから視認可能な位置に配置され、コントローラ２６が生成した画像データ（切羽２への装薬孔３の穿孔作業を支援するための画像）を表示する。

コントローラ２６は、Ａ/Ｄ(Analog to Digital)変換回路、Ｄ/Ａ(Digital to Analog)変換回路、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、及びＲＡＭ(Random Access Memory)等から構成した集積回路を備える。ＲＯＭは、各種処理を実現する１または２以上のプログラムを記憶している。ＲＯＭとしては、記憶内容を書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）を採用できる。また、ＣＰＵは、ＲＯＭが記憶している１または２以上のプログラムに従って各種処理を実行する。ＣＰＵは、ナビ装置作動スイッチ２２が穿孔ナビゲーション装置１の作動開始信号を出力すると、ＲＯＭが記憶しているプログラムに従って穿孔支援処理を実行する。穿孔支援処理では、ＣＰＵは、水平角検出部１７、１８と、垂直角検出部１９と、進退量検出部２０、２１と、ナビ装置作動スイッチ２２と、穿孔状態検出部２３とが出力した検出結果に基づき、切羽２への装薬孔３の穿孔作業を支援するための画像をモニター２５に表示する。また、ＣＰＵは、穿孔機７の位置及び姿勢から切羽２における実際の装薬孔３の穿孔位置を算出し、算出した装薬孔３の穿孔位置を装薬孔位置記憶部２４に記憶する。

コントローラ２６のＲＯＭには、プログラムの他に、これから掘削するトンネルの延長方向を表すデータと、複数の発破パターンとが記憶されている。そして、コントローラ２６は、オペレータがナビ装置作動スイッチ２２を押圧してナビを開始した時点で、トンネルの延長方向における現在の切羽２の位置を取得するようになっている。例えば、工程を管理しているオペレータが、ナビ装置作動スイッチ２２を押圧した後に発破工程の番号を表すステーションナンバーを入力する構成とすることで、そのステーションナンバーから切羽２の位置を取得する。或いは、後述する測量用プリズム２７、２８、２９、３０やトータルステーション３１を利用して切羽２の位置を取得するようにしてもよい。

移動台車５の後端部には、図２に示すように、互いに上下方向及び左右方向に適宜離隔した３カ所に、測量の目印としての測量用プリズム２７、２８、２９が、それぞれの受光面を後方に向けた状態で取り付けられている。この図２の例では、移動台車５の後端部下方中央部に測量用プリズム２７が固定され、移動台車５の後端部上方の左右両側に測量用プリズム２８、２９が固定されている。また、ガイドセル８の後端部にも、測量の目印としての測量用プリズム３０が受光面を後方に向けた状態で取り付けられている。
そして、この穿孔ナビゲーション装置１は、図２に示すような、自動追尾式測量機としてのトータルステーション３１を備えている。トータルステーション３１は、測量用プリズム２７〜３０までの距離や測量時の自己の位置、姿勢等を取得し、それら各情報を無線通信用のアンテナ３２を介してコントローラ２６に送信するようになっている。

（動作）
次に、本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置１の動作を説明する。
即ち、オペレータは、予めこれから掘削するトンネルの延長方向を表すデータと、複数の発破パターンとをＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等から転送することでコントローラ２６のＲＯＭ（例えば、書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ）に登録しておく。
次に、トータルステーション３１を、トンネル坑内の既知の位置に設置する。なお、トータルステーション３１は、トンネル工事が進み、切羽２との距離が離れ、測量用プリズム２７〜３０との距離が離れてしまい測量が困難となったら、次の位置まで移動させる。

そして、オペレータは、穿孔機７による穿孔作業の開始前に、コントローラ２６を操作することで、トータルステーション３１に対して無線通信で計測開始信号を送信する。すると、トータルステーション３１は、移動台車５の後端部に取り付けられた測量用プリズム２７〜２９に対する測量を行い、その結果を無線通信でコントローラ２６に送信する。
コントローラ２６は、トータルステーション３１から送信されてきた情報に基づき、演算処理を行って、移動台車５の位置、姿勢及び向きを計算する（計測部としての処理）。

一方、オペレータは、これから穿孔する切羽２のステーションナンバーを入力し、コントローラ２６は、その入力されたステーションナンバーに基づいて、トンネル延長方向における現在の切羽２の位置を取得する（切羽位置取得部としての処理）。さらに、コントローラ２６は、取得された切羽２の位置と、計算された移動台車５の位置、姿勢及び向きと、予め登録されたトンネルの延長方向を表すデータ及び複数の発破パターンとに基づいて、切羽２における装薬孔３の穿孔位置を計算する（装薬孔位置計算部としての処理）。なお、ステーションナンバーの取得方法は、上記のようにオペレータが入力する方法ではなく、次のような方法でも可能である。即ち、現在の切羽２の表面で、最も凸になっている部分にガイドセル８の先端を押し当て、そのガイドセル８の後端に備えられた測量用プリズム３０をトータルステーション３１で測量し、その測量結果をコントローラ２６に送信する。コントローラ２６は、トータルステーション３１から送信されてきた情報に基づき、演算処理を行って、切羽２の位置を割り出し、ステーションナンバーを取得する。

そして、コントローラ２６は、計算された装薬孔３の穿孔位置に関する情報をモニター２５に表示する（表示部としての処理）。モニター２５には、計算された移動台車５の位置、姿勢及び向きに関する情報を加味（考慮）して表示する。モニター２５には、例えば、図３に示すように、各装薬孔３の開口部の位置を四角形状の図形「□」で表示すると共に、各装薬孔３の向きを図形「□」から延ばした直線で表示することができる。

また、トータルステーション３１は、ガイドセル８の後端部に備えられた測量用プリズム３０に対する測量を行い、その結果を無線通信でコントローラ２６に送信する。そして、コントローラ２６は、トータルステーション３１から送信されてきた情報（ガイドセル８の測量結果、移動台車５の測量結果）と、水平角検出部１７、１８、垂直角検出部１９、進退量検出部２０、２１の各検出結果とに基づき、穿孔機７の位置及び姿勢（装薬孔３の穿孔方向）を演算する。コントローラ２６は、演算された穿孔機７の位置及び姿勢（装薬孔３の穿孔方向）も併せてモニター２５に表示する（表示部としての処理）。

その後、トータルステーション３１は、ガイドセル８の後端部に備えられた測量用プリズム３０に対する測量を行いながら、穿孔機７の位置及び姿勢を常時測定し、モニター２５に表示することが望ましいが、トータルステーション３１の台数よりも穿孔機７の台数が多い場合には、例えば、タイムシェアリングでトータルステーション３１を使用することになり、モニター２５に表示されるまでにタイムラグや待ち時間が発生してしまう。

しかしながら、本実施形態の構成では、水平角検出部１７、１８、垂直角検出部１９、進退量検出部２０、２１を備えていて、それら検出部１７〜２１の各検出結果に基づいて穿孔機７の位置及び姿勢を認識可能となっているため、トータルステーション３１による測量が連続して行えない状況であっても、穿孔機７の位置や姿勢を取得してモニター２５に表示することができる。このため、オペレータは、待ち時間無く穿孔作業を行える。

勿論、トータルステーション３１の台数を増やすという対策も考えられるが、トータルステーション３１は比較的高価であるため経済的に大きな負担となるし、移動台車５が大きい場合に、切羽２の中心部の穿孔時等、穿孔機７の位置によってトータルステーション３１では測量が行えない場合もある。よって、本実施形態のように、トータルステーション３１による測量は間欠的に行うこととし、水平角検出部１７等の各検出部１７〜２１の各検出結果に基づいて穿孔機７の位置及び姿勢を認識可能とする構成は有利である。

即ち、トータルステーション３１による測量は、穿孔装置４が自律走行をすることで穿孔機７の把握している位置や姿勢に誤差が含まれる可能性が高まったときに行うようにすればよい。これにより、より正確なナビゲーション表示が可能となる。或いは、誤差が大きくなったことをオペレータが認識したときに、再測量を行う構成としてもよいし、移動台車５に搭載した傾斜センサによりある一定量の角度変位が観測されたときに、警報を発して再測量を促すという構成、または自動的に再測量を行うという構成としてもよい。
さらに、コントローラ２６は、装薬孔３を形成した後には、その装薬孔３を形成したときの穿孔機７の位置及び姿勢（計算された穿孔機７の位置及び姿勢）から、実際の装薬孔３の穿孔位置を計算し、その結果を装薬孔位置記憶部２４に記憶させる。

本実施形態では、図１の移動台車５が台車を構成する。以下同様に、図１の穿孔機７が穿孔機を構成する。また、図１のブーム６がブームを構成する。さらに、図１のコントローラ２６のＲＯＭが記憶部を構成する。また、図１のコントローラ２６が切羽位置取得部を構成している。さらに、図１のコントローラ２６が計測部を構成する。また、図１のコントローラ２６が装薬孔位置計算部を構成する。さらに、図１のモニター２５が表示部を構成する。また、図１の測量用プリズム２７、２８、２９が目印を構成する。さらに、図１のトータルステーション３１が測量機を構成する。また、図１の水平角検出部１７、１８、垂直角検出部１９が角度センサを構成する。さらに、図１の進退量検出部２０、２１が距離センサを構成する。また、図１の装薬孔位置記憶部２４が装薬孔位置記憶部を構成する。

（本実施形態の効果）
本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置１は、次のような効果を奏する。
（１）本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置１によれば、コントローラ２６は、トータルステーション３１による測量結果と、水平角検出部１７等の各検出部１７〜２１の各検出結果とに基づきナビゲーションを行う構成であるため、トータルステーション３１の台数が少ない場合でも、また、穿孔機７の位置及び姿勢を測量では把握できない場合にも、穿孔機７の位置及び姿勢を連続して把握することができる。よって、オペレータに待ち時間は発生せず、良好なナビゲーションを行うことができる。

（２）本実施形態に係る穿孔ナビゲーション装置１によれば、コントローラ２６は、実際の装薬孔３の穿孔位置を装薬孔位置記憶部２４に記憶させる。そのため、穿孔や発破を行った後に装薬孔３の穿孔位置や向きの良否を判定し、その結果を、次の穿孔や発破に役立たせることができるし、技術情報の伝承にも貢献できる。

（変形例）
上記本実施形態では、穿孔機７の位置及び姿勢を把握するために、穿孔ナビゲーション装置１は、水平角検出部１７、１８、垂直角検出部１９、進退量検出部２０、２１を備える構成としているが、穿孔機７の位置をより正確に把握するためには、図４（ａ）（ｂ）に示すような各種センサを備える構成が望ましい。即ち、図４（ａ）はブーム６、穿孔機７及びガイドセル８を示す平面図であり、図４（ｂ）は側面図（ｂ）であり、各種センサとして、ブームスライド長センサ３４、ブームスイング角度センサ３５、ブームリフト角度センサ３６、ガイドチルト角度センサ３７、ガイドスイング角度センサ３８、ガイドスライド長センサ３９、ガイドダンプ角度センサ４０、ロータリ角度センサ４１、フィード長センサ４２を備えている。これら各種センサ３４〜４２から供給される検出信号に基づいてコントローラ２６で穿孔機７の位置及び姿勢を計算すれば、より正確な位置及び姿勢を求めることが可能となる。

１ 穿孔ナビゲーション装置
４ 穿孔機
５ 移動台車
６ ブーム
７ 穿孔機
１７、１８ 水平角検出部
１９ 垂直角検出部
２０、２１ 進退量検出部
２５ モニター
２６ コントローラ
２７〜３０ 測量用プリズム（目印）
３１ トータルステーション（自動追尾式測量機）
３４ ブームスライド長センサ
３５ ブームスイング角度センサ
３６ ブームリフト角度センサ
３７ ガイドチルト角度センサ
３８ ガイドスイング角度センサ
３９ ガイドスライド長センサ
４０ ガイドダンプ角度センサ
４１ ロータリ角度センサ
４２ フィード長センサ

Claims (5)

1. 移動可能な台車と、穿孔機と、前記台車上に設けられたブームと、前記ブームに取り付けられると共に前記穿孔機を搭載するガイドセルとを備え、前記ブームが、前記ガイドセルを揺動及び進退させて、前記穿孔機の位置及び姿勢を変更可能となっている穿孔装置を用いて行われる、トンネルの掘削作業を支援する穿孔ナビゲーション装置であって、
   トンネル延長方向を表すデータと複数の発破パターンとを記憶している記憶部と、
   前記トンネル延長方向における現在の切羽の位置を取得する切羽位置取得部と、
   前記台車の位置、姿勢及び向きを計測する計測部と、
   前記切羽位置取得部で取得した前記切羽の位置、前記計測部の計測結果及び前記記憶部の記憶内容に基づき、前記切羽における発破用の装薬孔の穿孔位置を計算する装薬孔位置計算部と、
   前記計算された装薬孔の位置を表示する表示部と、
   前記ガイドセルの後端に取り付けられた目印と、
   前記目印との間の距離を測量可能な測量機と、を備え、
   前記切羽位置取得部は、前記切羽の表面で最も凸になっている部分に前記ガイドセルの先端が押し当てられているときに前記測量機によって測量された前記距離に基づき、前記切羽の位置を割り出すこと
   を特徴とする穿孔ナビゲーション装置。
2. 前記台車に取り付けられた目印を備え、
   前記測量機は、前記台車に取り付けられた目印との間の距離を測量可能であり、
   前記計測部は、前記測量機によって測量された前記台車に取り付けられた目印と前記測量機との間の距離に基づき、前記台車の位置、姿勢及び向きを計測することを特徴とする請求項１に記載の穿孔ナビゲーション装置。
3. 前記計測部は、前記台車の位置、姿勢及び向きに基づき、さらに前記穿孔機の位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１または２に記載の穿孔ナビゲーション装置。
4. 前記穿孔機及び前記ブームの各駆動部に設けられた角度センサ及び距離センサを備え、
   前記計測部は、前記台車の位置、姿勢及び向きと、前記角度センサ及び距離センサの出力値とに基づき、前記穿孔機の位置及び姿勢を計算し、
   前記表示部は、前記計算された前記穿孔機の位置及び姿勢を表示することを特徴とする請求項３に記載の穿孔ナビゲーション装置。
5. 前記装薬孔位置計算部は、前記計算された前記穿孔機の位置及び姿勢から前記切羽における実際の装薬孔の位置を計算し、
   前記計算された前記装薬孔の穿孔位置を記憶する装薬孔位置記憶部を備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の穿孔ナビゲーション装置。

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