JPH05156885A - 削岩機の穿孔位置決め制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 削岩機に生ずるたわみや遊び等、あるいはド
リルジャンボの据付け位置の作業中のずれに影響される
ことなく、予め計算された穿孔位置に削岩機のビットを
正確かつ迅速に位置決めすることができる削岩機の穿孔
位置決め制御方法及び該方法を実施するための装置を提
供する。 【構成】 削岩機の先端にリフレクターを、削岩機の後
方にレーザー投光・追跡部をそれぞれ設け、レーザー光
の投光とリフレクターの反射によってリフレクターの移
動方向を検出し、その位置情報により削岩機の動作を自
動制御させ、削岩機の穿孔位置を決める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】Ａ．発明の目的 (1) 産業上の利用分野 この発明は、トンネル工事における発破孔等の穿孔作業
に使用される削岩機の穿孔位置決め制御方法及びその装
置に関し、更に詳しくは、トンネルの切羽面において発
破孔等を穿孔する際、削岩機を自動制御して予め計算さ
れた穿孔位置にビットを位置決めする制御方法及び装置
に関する。

【０００２】(2) 従来の技術 トンネル工事において、該トンネルの掘進作業を自動化
し、作業の省力化・効率化・安全化並びに作業環境の改
善を図ることは、トンネル工事の合理化を推進するうえ
で最優先の課題にあげられている。特に、トンネルの発
破孔等の穿孔作業に使用する削岩機の自動化は急務とさ
れており、ここ数年来、削岩機を搭載するドリルジャン
ボの自動化が注目され、自動ドリルジャンボの開発が試
みられている。自動ドリルジャンボには、「機体の位置
決め機能」、「穿孔位置計算機能」、「穿孔位置決め制
御機能」、及び「穿孔制御機能」等の各種の自動化機能
が要求されるが、中でも、「穿孔位置決め制御機能」は
自動化を達成するための中心的な機能を構成する。

【０００３】通常のマニュアル（手動）運転のドリルジ
ャンボを使用する際には、切羽面に対する発破孔等の多
数の作業点のマーキング作業が不可欠であり、高度の苦
渋・危険作業を伴う。また、マーキングされた穿孔位置
に削岩機を位置決めする作業には甚だ熟練を必要とし、
作業時間も長く、その精度も低い。このため、自動ドリ
ルジャンボの実現に当っては、高精度・高速度の「穿孔
位置決め制御機能」の開発が特に重要視されている。す
なわち、「穿孔位置決め制御機能」を用いて削岩機を自
動制御し、予め計算された穿孔位置にビットを正確に位
置決めすることができれば、苦渋・危険作業を伴うマー
キング作業が不要となり、作業の省力化・効率化・安全
化を図りうる。更に、トンネル工事の施工品質及びコス
トに大きな影響を与える余掘り・余巻き・アタリを大幅
に減少させることができるので、施工性並びに経済性が
著しく向上する。

【０００４】従来の穿孔位置決め制御方法は、図７・図
８に示すように、ドリルジャンボの機体１００に削岩機
１０２が搭載され、該削岩機１０２にはそのブーム１０
２ａ及びガイドセル１０２ｂの動作量を検出するため
に、自由度毎に各種のセンサ（回転角センサ１０４，変
位センサ１０６，近接センサ１０８）が配置されてお
り、これらセンサの動作量を幾何学的に集合することか
ら、削岩機１０２のドリルロッド１０２ｃの先端のビッ
ト１０２ｄの位置を求めるシステムが採用されている。
これらのセンサはいわゆる内界センサと呼ばれるもので
あって、センサ自体の検出誤差の他に、ブーム１０２ａ
及びガイドセル１０２ｂ等に関する「部材のたわみ・ね
じれ」、「可動部の遊び・ガタ」、「製作誤差」及び
「変形・磨耗」等の集積による位置誤差が常に生ずる。
特に、削岩機のように稼働範囲が大きく動作時の重心移
動が著しい大型の多関節ブームでは、この位置誤差が原
因で正確な穿孔位置決め制御を行うことが困難になる。
また、この位置誤差は、穿孔位置がドリルジャンボの機
体中心より離れるほど大きくなる。

【０００５】一方、余掘り・余巻き・アタリを少なくす
るためには切羽面の外周孔を高精度に位置決めする必要
があるため、前記の位置誤差がドリルジャンボの自動化
に際しての障害となっている。すなわち、ドリルジャン
ボを自動化するためには穿孔位置決め精度を±２０ｍｍ
程度に収める必要があるが、従来の内界センサ方式を用
いた制御方法では、現状のところ、±１００ｍｍ前後の
位置決め誤差は避けられない。また、ドリルジャンボの
据付け位置が作業中にずれるトラブルもしばしば発生す
るが、内界センサ方式による制御方法ではこのトラブル
に対処することは困難である。更に、従来技術では削岩
機の制御方法として、穿孔位置を事前に教示するティー
チング・プレイバック方式や、穿孔位置を事前に数値入
力する数値制御方式が用いられており、準備作業が煩雑
で実用性に乏しく、種々の問題が存する。

【０００６】(3) 発明が解決しようとする課題 本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、上記従来
技術の問題点を解決し、削岩機に生ずるたわみや遊び
等、あるいはドリルジャンボの据付け位置の作業中のず
れに影響されることなく、予め計算された穿孔位置に削
岩機のビットを正確かつ迅速に位置決めすることができ
る削岩機の穿孔位置決め制御方法及び該方法を実施する
ための装置を提供することを目的とする。本発明はこの
ため、位置検出手段として視覚・レーザー等の外界セン
サを利用して制御対象の位置を直接検出し、その位置の
座標情報を削岩機にフィードバックして制御する方法が
最も有効であるとの知見に基づいてなされたものであ
る。更に言えば、本発明では、削岩機のブーム及びガイ
ドセル、削岩機のサーボ機構、リフレクター、レーザー
投光・追跡装置、レーザー制御装置、コンピュータを用
いて外界センサ方式による制御システムを構成し、削岩
機の動作を自動制御することを基本的技術概念とする。

【０００７】Ｂ．発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段 本発明の削岩機の穿孔位置決め制御方法は具体的には、
次の構成を採る。すなわち、トンネル内の切羽に向かっ
て据え付けられたドリルジャンボについて、該ドリルジ
ャンボの機体後方に設置したレーザー投光・追跡部より
レーザー光を投射し、該ドリルジャンボに装備された削
岩機の先端部の既知の位置に装着したリフレクターをも
って前記レーザー光を反対方向に反射させ、その反射光
を当該レーザー投光・追跡部で受光し、かつ、該レーザ
ー投光・追跡部において、前記リフレクターの移動方向
を感知しながら前記レーザー光の投射方向を自動的に調
節して前記リフレクターを追跡するとともにその位置を
連続的に検出し、前記リフレクターの位置情報に基づく
制御信号により前記削岩機内のサーボ機構を介して前記
削岩機を自動的に動作させ、トンネルの計画線形及び設
計断面形状に基づいて予め計算された切羽面上の穿孔位
置に削岩機のビットを誘導して位置決めすることを特徴
とする。

【０００８】本発明の削岩機の穿孔位置決め制御装置は
前記方法を実施するためのものであって、次の構成を採
る。すなわち、トンネル内の切羽に向かって据付けられ
たドリルジャンボについて、該ドリルジャンボに装備さ
れた削岩機の穿孔位置決めを制御する方法に使用される
装置であって、削岩機の先端部の既知の位置に装着され
るリフレクターと；ドリルジャンボの機体後方に設置さ
れ、前記リフレクターに向けてレーザー光を投射し、か
つその反射光を受光してリフレクターを自動追跡するレ
ーザー投光・追跡手段と；前記レーザー投光・追跡手段
による自動追跡に伴う出力信号から前記リフレクターの
位置を連続的に検出する位置検出手段と；トンネルの計
画線形及び設計断面形状に基づいて切羽面上の穿孔位置
を計算する穿孔位置計算手段と；前記位置検出手段によ
る位置情報に基づき削岩機の動作を自動制御して計算さ
れた穿孔位置に削岩機のビットを誘導し位置決めする制
御手段と；を少なくとも備えてなることを特徴とする。

【０００９】(2) 作用 レーザー制御装置により駆動・制御されるレーザー投光
・追跡装置から削岩機の先端部あるいはその付近に装着
されたリフレクターに向けてレーザー光を投射して、そ
の反射光を同じレーザー投光・追跡装置で受光し、リフ
レクターの移動方向を感知しながらレーザー光の投射方
向を自動的に調節してリフレクターを追跡するとともに
その位置を連続的に検出する。次いで、コンピュータに
おいて、リフレクターの位置に対応する削岩機のビット
の現在位置と予め計算された穿孔位置との座標を互いに
比較してその偏差を求め、この偏差による制御信号を削
岩機に内蔵されたサーボ機構に入力し、削岩機のブーム
及びガイドセルの動作を自動制御して削岩機の穿孔位置
を決める。

【００１０】(3) 実施例 本発明の削岩機の穿孔位置決め制御方法及びその装置の
実施例を図面に基づいて説明する。実施例装置 図１〜図５は本発明の一実施例装置を示す。すなわち、
図１はその実施例装置の全体構成を示し、図２〜図５は
各部の構造を示す。

【００１１】図１において、Ｔはトンネルを示し、半円
状の断面をなす。その他、Ｆは切羽面、Ｊはドリルジャ
ンボ、Ｐは測量基準点、Ｑは切羽面Ｆにおけるトンネル
中心点をそれぞれ示す。更に、Ｘはトンネル断面の水平
方向の座標軸、Ｙはトンネル断面の鉛直方向の座標軸、
Ｚはトンネルの掘進方向の座標軸を表す。

【００１２】本実施例では、２基の削岩機を有するドリ
ルジャンボＪと１台のレーザー投光・追跡装置を使用し
た場合を示す。ドリルジャンボＪは、ホイール１ａの足
廻り及び固定装置のアウトリガー１ｂを備えた機体１を
主体とし、該機体１の前部に２基の削岩機２が、また、
該機体１の後部に送受信機３がそれぞれ配されてなり、
切羽面Ｆに向かいトンネルＴの中央付近に掘進方向と平
行に据え付けられる。このとき、ドリルジャンボＪの機
体１は、削岩機２が切羽面Ｆの外周に十分届く位置に適
宜設置され、また、機体１はアウトリガー１ｂにより水
平に保持される。

【００１３】削岩機２はブーム２ａ、ガイドセル２ｂ、
ドリルロッド２ｃ及びビット２ｄより構成される。該削
岩機２は、公知の機構により、ブーム２ａの動作状態に
如何に拘らず、ガイドセル２ｂが機体１とほぼ平行にな
る調節機能が備わっており、ガイドセル２ｂに差し角等
を特に与えない限り、機体１を掘進方向と平行に据え付
けることによって、ガイドセル２ｂに搭載されたドリル
ロッド２ｃ及びビット２ｄの穿孔方向は掘進方向とほぼ
一致する。

【００１４】更に図１に示されるように、ドリルジャン
ボＪの機体後方に、ドリルジャンボＪの送受信器３との
交信をなす送受信器４、更には、レーザー投光・追跡装
置５及びレーザー制御装置６が設置される。もっと詳し
くは、レーザー投光・追跡装置５は、固定架台を用いて
トンネルＴの中央付近の頂部に設置される。また、レー
ザー制御装置６は、トンネルＴの側壁付近に設置されて
おり、レーザー投光・追跡装置５を駆動・制御してレー
ザー光７（投射側レーザー光７ａ、反射側レーザー光７
ｂ）をトンネルＴの掘進方向に投射する。ここに、レー
ザー投光・追跡装置５は設置後整準され、かつその設定
位置の座標が測定される。更に、レーザー光７を測定基
準点Ｐに照準してその方向角を検出することにより、レ
ーザー投光・追跡装置５の投射基準軸が確認あるいは調
整される。

【００１５】削岩機２のガイドセル２ｂの先端部付近に
は、レーザー光７を反対方向に正確に反射するリフレク
ター９及び超音波センサ１０が既知の位置に装着され
る。図２はこれらの配置構成を示すもので、図２ａはＸ
方向より見た配置図、図２ｂ及び図２ｃはＺ方向より見
た配置図である。

【００１６】リフレクター９には、例えばコーナーキュ
ーブのように、入射光に対して平行でかつ反対方向に正
確に反射するものを用いる。リフレクター９の設置位置
に関しては、削岩機２の稼働範囲において、レーザー投
光・追跡装置５よりのレーザー光７で十分照準可能な位
置に設置すればよい。図２ｂはガイドセル２ｂのトンネ
ル中心側の片側に一個のリフレクター９を装着した配置
例を示し、図２ｃはガイドセル２ｂの両側に２個のリフ
レクター９を装着した配置例を示す。ここで、穿孔作業
においてガイドセル２ｂを反転して使用する場合を想定
すれば、図２ｃのように１台のガイドセル２ｂに複数の
リフレクター９を装着する方が望ましく、この場合は、
リフレクター９のうちから照準が容易なものを選択して
レーザー光７を投射することになる。

【００１７】削岩機２の動作に伴い移動するリフレクタ
ー９は、レーザー投光・追跡手段５により自動追跡さ
れ、位置検出手段によりその位置がレーザー光７の方向
角（鉛直角及び水平角）として連続的に検出される。ま
た、切羽面Ｆと削岩機２との相対距離については、超音
波センサ１０によって常時検出される。

【００１８】図３はレーザー投光・追跡装置５の内部機
構の一例を示す。該レーザー投光・追跡装置５は、レー
ザー発振器５ａ、ビームスプリッター５ｂ、垂直軸用サ
ーボモータ５ｃ、垂直軸用鏡面５ｄ、水平軸用サーボモ
ータ５ｅ、水平軸用鏡面５ｆ、４分割光電検出素子５ｇ
から構成され、次のように作動する。すなわち、レーザ
ー発振器５ａより発振したレーザー光７は、ビームスプ
リッター５ｂを通過して垂直軸用鏡面５ｄ及び水平軸用
鏡面５ｆで反射し、外部に投射される。外部に投射され
たレーザー光７ａは、削岩機２に装着されたリフレクタ
ー９に向かい、そしてリフレクター９で正確に反射され
レーザー投光・追跡装置５に帰還する。帰還したレーザ
ー光７ｂは、水平軸用鏡面５ｆ及び垂直軸用鏡面５ｄに
よって再び反射し、ビームスプリッター５ｂで９０°反
射したのち４分割光電検出素子５ｇに入射する。垂直軸
用鏡面５ｄないし水平軸用鏡面５ｆは、それぞれ垂直軸
用サーボモータ５ｃないし水平軸用サーボモータ５ｅに
より駆動・制御され、その回転角が精密に検出される。
４分割光電検出素子５ｇがレーザー光７で照射される
と、互いに独立な４個の素子に各々入射するレーザー光
７の光量に比例する光電流を発生する。これらの光電流
は、外部に投射したレーザー光７ａの照射中心とリフレ
クター９の中心とのずれ量を示すことになる。よって、
前記光電流を検出することによりリフレクター９の移動
方向を感知することができ、また、これらの光電流が各
素子で均等に生じるように、垂直軸用サーボモータ５ｃ
及び水平軸用サーボモータ５ｅを高速に制御して外部に
投射するレーザー光７ａの投射方向を調節することによ
り、リフレクター９を自動追跡することができる。

【００１９】図４は、切羽面Ｆにおける各種の基準線と
削岩機の動作制御状態とを表示するＣＲＴ表示器の画面
例を示す。この画面中には、コンピュータを用いて予め
計算された切羽面Ｆにおける水平基準線１２・トンネル
中心線１３・トンネル外周線１４と、作業点となる穿孔
位置１５（図中の十字点で示す）が表示される。更に、
リフレクター９の位置より求められた削岩機２のビット
２ｄの現在位置（図中の二重丸点で示す）とその誘導軌
跡１６が映される。

【００２０】図５は本実施例における位置決め制御シス
テムの全体構成を示す。図示されるように、本位置決め
制御システムは、位置検出部１８と、距離検出部１９
と、制御部２０と、からなる。

【００２１】先ず、位置検出部１８は、上述したレーザ
ー投光・追跡装置５、レーザー制御装置６及びリフレク
ター９を含む。すなわち、該位置検出部１８によれば、
レーザー制御装置６により駆動・制御されるレーザー投
光・追跡装置５からリフレクター９に向けてレーザー光
７ａを投射して、その反射光７ｂを同じレーザー投光・
追跡装置５で受光し、リフレクター９の移動方向を感知
しながらレーザー光７の投射方向を自動的に調整するこ
とによりリフレクター９を追跡し、同時にリフレクター
９の位置をレーザー光７の方向角（鉛直角及び水平角）
として連続的に検出する。レーザー制御装置６は制御部
２０就中、後記するそのホストコンピュータと信号の送
受が行われる。

【００２２】一方、距離検出部１９は超音波センサ１０
と発振検出器２２とからなり、切羽面Ｆと削岩機２との
相対距離を計測検出する。この検出信号は制御部２０、
特には後記するサブコンピュータに送られる。

【００２３】制御部２０は、ドリルジャンボＪの外部に
設置されるもの２０ａと、ドリルジャンボＪの内部に設
置されるもの２０ｂとに区分される。ジャンボ外に設置
される制御部２０ａは、ホストコンピュータ２４、送受
信器４、入力装置２５、ＣＲＴ表示器２６、記録装置２
７を含み、ジャンボ内に設置される制御部２０ｂは、送
受信器３、サブコンピュータ２９及びサーボ機構３０を
含む。このうち、送受信部３，４については既述したと
おりであり、相互に信号の送受がなされる。

【００２４】もっと詳しくは、ホストコンピュータ２４
は、その機能として、 事前に登録されたトンネルの計画線形及び設計断面
形状に基づき、切羽面Ｆでの穿孔作業に必要な全ての座
標情報、すなわち、切羽面Ｆにおけるトンネル中心点・
トンネル中心線・水平基準線・トンネル外周線並びに全
穿孔位置に関する座標情報を計算する穿孔位置計算機
能。 位置検出部１８より出力されるリフレクター９の方
向角とレーザー投光・追跡装置５から切羽面Ｆまでの距
離に基づき、削岩機２のビット２ｄの位置座標を演算す
るビット位置演算機能。 前記のビット位置演算機能より求まる位置座標と前
記の穿孔位置計算機能で計算された座標とを互いに比較
してその偏差を求め、この偏差による制御信号を削岩機
２に内蔵されたサーボ機構３０に入力し、削岩機２の動
作を高精度・高速度に自動制御せしめ、ビット２ｄのＸ
−Ｙ座標を所定の穿孔位置の座標に誘導して位置決めす
る制御機能、等を有する。

【００２５】入力装置２５はホストコンピュータ２４に
各種のデータを入力するほか、穿孔位置決めに係わる作
業命令を順次入力するためのものである。また、ＣＲＴ
表示器２６ないし記録装置２７は、ホストコンピュータ
２４の計算結果及び削岩機２の動作制御状態を表示ある
いは記録するものである。なお、ＣＲＴ表示器２６は上
述した図４の表示態様を示す。

【００２６】サブコンピュータ２９は、ホストコンピュ
ータ２４よりの制御信号を受けてサーボ機構３０を直接
制御する機体側のコンピュータであり、送受信器３に併
設される。その補助的な機能としては、超音波センサ１
０よりの検出信号から切羽面Ｆと削岩機２との相対距離
を演算する機能、前記相対距離に基づいてホストコンピ
ュータ２４よりの制御信号を補正し、削岩機２のビット
２ｄのＺ座標を所定の位置に制御する機能、等を有す
る。

【００２７】サーボ機構３０は、削岩機２に内蔵されて
おり、入力信号に基づき削岩機２の３次元的な動作を制
御する。なお、この制御部２０において、送受信器３及
び送受信器４は、ホストコンピュータ２４とサブコンピ
ュータ２９との間の電波等による通信手段に用いられる
ものであるが、必要に応じて光ファイバー等の通信線に
よる通信手段に代替してもよい。

【００２８】実施例方法 次に、上記構成よりなる削岩機の穿孔位置決め制御装置
を用いて実施される方法すなわち削岩機の穿孔位置決め
制御方法を説明するとともに、併せて本制御装置の作用
について述べる。以下、作業手順に従って説明する。

【００２９】(1) 発破孔の穿孔作業に当っては、先ず、
測量基準点Ｐを基準にして光波測距測角儀等を用いて切
羽面Ｆを測量し、切羽面Ｆの平均的なＺ座標を確定す
る。同様に、レーザー投光・追跡装置５の設定位置を測
量し、その位置のＸ−Ｙ−Ｚ座標を確定する。ここに、
レーザー投光・追跡装置５の投射基準軸については、レ
ーザー光を測量基準点Ｐに照準し、そのときのレーザー
光の方向角を検出することにより、確認あるいは調整さ
れる。

【００３０】(2) 穿孔位置決め作業に入る準備として、
レーザー投光・追跡装置５をレーザーマーキング装置と
して利用し、切羽面Ｆにおけるトンネル断面形状や穿孔
位置の事前確認を行っておく。すなわち、ホストコンピ
ュータ２４においては、切羽面ＦのＺ座標、レーザー投
光・追跡装置５の位置のＸ−Ｙ−Ｚ座標、レーザー投光
・追跡装置５の投射基準軸に関する角度情報と、事前に
登録されているトンネルの計画線形及び設計断面形状と
に基づいて、穿孔位置決め作業に必要な切羽面Ｆにおけ
る全ての座標情報を計算する。そして、これらの座標情
報に対応したレーザー光の方向角に関するデータを演算
し、これらのデータをレーザー制御装置６に入力してレ
ーザー投光・追跡装置５を制御することにより、切羽面
Ｆ上にトンネル外周線・トンネル中心線・穿孔位置等に
関する所望の座標点をレーザー照射する。

【００３１】(3) ドリルジャンボＪは、図１に示すよう
に、切羽面Ｆに向かいトンネルの掘進方向と平行かつ水
平に据え付けられる。作業点となる穿孔位置１５に削岩
機２のビット２ｄを位置決めする際には、先ず、レーザ
ー制御装置６を操作して、レーザー投光・追跡装置５か
ら投射されるレーザー光７をリフレクター９の中心に照
準する。次いで、反射されたレーザー光７をレーザー投
光・追跡装置５が補足すると同時に、リフレクター９の
自動追跡とレーザー光７の方向角（鉛直角及び水平角）
の検出を開始する。ここに、リフレクター９と削岩機２
のビット２ｄは既知の距離関係にあるので、ビット２ｄ
の位置の方向角は直ちに求まる。

【００３２】(4) 一方、ホストコンピュータ２４におい
ては、トンネルの計画線形及び設計断面形状に基づい
て、Ｚ座標にある切羽面Ｆの座標情報、すなわちトンネ
ル中心点ＱのＸ−Ｙ座標、水平基準線１２のＹ座標、ト
ンネル中心線１３のＸ座標、トンネル外周線１３のＸ−
Ｙ座標、全穿孔位置１５のＸ−Ｙ座標が予め計算され
る。ただし、トンネルの曲線施工区間では、座標情報と
して前記の各種基準線に対しＺ座標も必要になる。次い
で、ビット２ｄの位置の方向角、レーザー投光・追跡装
置５の設置位置の座標、及び切羽面Ｆの座標から演算さ
れる切羽面上でのビット２ｄのＸ−Ｙ座標と、作業点と
なる穿孔位置１５のＸ−Ｙ座標とを比較して両者の偏差
を求め、この偏差に基づく制御信号をホストコンピュー
タ２４からサブコンピュータ２９を介してサーボ機構３
０に入力し、削岩機２の動作を制御してビット２ｄを所
定の穿孔位置１５に誘導する。なお、この段階では、超
音波センサ１０よりの検出信号に基づいて、ビット２ｄ
と切羽面Ｆとの相対距離が一定の値（例えば、１００mm
前後）を保つようにブーム２ａ及びガイドセル２ｂの動
作を制御する。そして、前記の偏差が零となった時点で
ガイドセル２ｂを前進させ、ビット２ｄの位置を更に微
調整しながらビット２ｄを切羽面Ｆに着岩させて穿孔位
置決め作業を終了し、穿孔作業に入る。

【００３３】(5) 一つの穿孔位置決め作業が完了すれ
ば、片方の削岩機２の穿孔位置決め作業に移行する。こ
の際、レーザー光７をリフレクター９に新たに照準する
必要があるが、これについては、前工程の作業で記憶し
たリフレクター９の位置にレーザー光７を再び投射する
ことにより、リフレクター９を自動的に補足することが
できる。ただし、最初の作業点等については、レーザー
マーキングを用いて穿孔位置を照射し、このレーザース
ポット付近に削岩機２のビット２ｄを移動させた後、こ
の付近でレーザー光を自動走査させ、リフレクター９を
補足しなければならない。

【００３４】ちなみに、本実施例に適用するビット位置
検出手段の性能については、レーザー出力は０．５ｍＷ
〜１ｍＷ級、最大追跡速度５ｒａｄ／秒（１ｍにおいて
５ｍ／秒）、応答性は３０Ｈ_Z 、レーザー光の投射角範
囲は投射基準軸を中心に８°〜４０°である。また、リ
フレクター９の位置検出精度については、レーザー光の
投射距離が２００ｍ地点にて約±１０ｍｍの高い精度が
得られる。

【００３５】以上のように、本実施例の削岩機の穿孔位
置決め制御方法及びその装置によれば、自動ドリルジャ
ンボの開発に不可欠な「穿孔位置決め制御機能」を容易
に実現することができ、所定の穿孔位置に削岩機のビッ
トを高精度・高速度に位置決めすることが可能になる。
すなわち、削岩機２の先端部付近に装着されたリフレク
ター９をレーザー投光・追跡装置５で追跡してその位置
を連続的に検出し、その位置座標に基づく制御信号を削
岩機２に内蔵されたサーボ機構３０に入力して削岩機２
の動作を自動制御せしめるので、トンネルＴの計画線形
及び設計断面形状に基づいて予め計算された切羽面Ｆの
穿孔位置に削岩機２のビット２ｄを正確かつ迅速に誘導
して位置決めすることができる。これにより、削岩機２
に生ずるたわみや遊び等、あるいはドリルジャンボＪの
据え付け位置の作業中のずれに影響されることなく、従
来技術の内界センサ方式を用いた制御方法と比べて、削
岩機２の位置決め精度を大幅に改善することができる。
更に、準備作業として穿孔位置の教示あるいは穿孔位置
の数値入力を行う必要がある従来技術に比べて、作業時
間を大幅に短縮することができる。従って、本実施例に
よる制御方法を用いれば、トンネルの掘進作業の省力化
・効率化・安全化を図ることができ、また、施工の品質
及びコストに悪影響を与える余掘り・余巻き・アタリを
大幅に減少させることが可能である。

【００３６】叙上の実施例は１台のレーザー投光・追跡
装置５を設置した例であるが、２台のレーザー投光・追
跡装置を設置しても本発明の目的は十分に達成される。
図６はドリルジャンボＪの機体１の後方のトンネルＴの
頂部に２台のレーザー投光・追跡装置５を設置した場合
の実施例装置を示す。図において、先の実施例と同等の
部材・装置については同一の符号が付されている。

【００３７】この実施例では、各々のレーザー投光・追
跡装置５より投射される２本のレーザー光７を同一のリ
フレクター９に照準し、これを追跡しながら位置を連続
的に検出する。この方法により、削岩機２に装着された
リフレクター９の位置を３次元的に測定することが可能
となる。

【００３８】この例では、各々のレーザー投光・追跡装
置５の設置位置が測量され、また、１台の削岩機２に装
着されたリフレクター９に向かい、２台のレーザー投光
・追跡装置５より２本のレーザー光７が同時に投射され
追跡される。これにより、同一のリフレクター９に対す
る２本のレーザー光７の方向角（水平角及び垂直角）が
それぞれに求まり、三角測量の原理からリフレクター９
の位置の３次元測量が可能となる。この場合は、ビット
２ｄの３次元座標（Ｘ−Ｙ−Ｚ）を直接検出することが
できるので超音波センサ１０を必要とせず、削岩機２の
動作制御が一層効率よく行える。従って、この実施例に
おける位置決め制御システムにおいては、図５のブロッ
ク図において距離検出部１９が省略される以外は本質的
差異はない。

【００３９】本発明は上記実施例に限定されたものでは
なく、本発明の基本的技術思想の範囲内で種々変更が可
能である。すなわち、以下の様態は本発明の技術的範囲
内に包含されるものである。 上記実施例では、２基の削岩機２を装備したホイール
形式のドリルジャンボＪを示したが、１基ないし３基以
上の削岩機を装備した場合、あるいはガントリー形式の
ドリルジャンボの場合であっても、本発明の効果は十分
に発揮される。 上記実施例では、レーザー投光・追跡装置５をドリル
ジャンボＪの機体後方のトンネルＴの頂部に設置してい
るが、該レーザー投光・追跡装置５をドリルジャンボＪ
の機体後部に直接搭載しても、本発明の効果は十分に発
揮される。ただし、この場合は、ドリルジャンボＪの据
え付け位置を正確に測量する必要があり、また、この据
え付け位置が作業中にずれると穿孔位置決めに誤差が生
ずる。 上記実施例では、穿孔位置決め制御機能を完全に自動
化してはいるが、ホストコンピュータ２４、サブコンピ
ュータ２９及びサーボ機構３０なる自動制御機能を使用
せず、ＣＲＴ表示器２６に表示される穿孔位置１５とビ
ット２ｄの位置との双方を監視しながらマニュアル運転
で削岩機２を操作しても、本発明の効果は損なわれな
い。 図１に示す実施例では、切羽面Ｆと削岩機２との相対
距離を求める手段として超音波センサ１０による方法を
用いたが、レーザー投光・追跡装置５と正確に連動する
光波測距儀をレーザー投光・追跡装置５に併設し、かつ
リフレクター９に近接して光波測距儀用のターゲットを
装着することにより、削岩機２のビット２ｄのＺ座標を
光学的に検出しても、本発明の効果は損なわれない。更
に、本発明による制御方法は、建設機械に装備される大
型の多関節ブームの制御システム全般に応用することが
可能である。

【００４０】Ｃ．発明の効果 本発明によれば、削岩機の先端部付近に装着されたリフ
レクターをレーザー投光・追跡装置で追跡してその位置
を連続的に検出し、その位置座標に基づく制御信号を削
岩機に内蔵されたサーボ機構に入力して削岩機の動作を
自動制御せしめるので、トンネルの計画線形及び設計断
面形状に基づいて予め計算された切羽面の穿孔位置に削
岩機のビットを正確かつ迅速に誘導して位置決めするこ
とができる。これにより、削岩機に生ずるたわみや遊び
等、あるいはドリルジャンボの据え付け位置の作業中の
ずれに影響されることなく、従来技術の内界センサ方式
を用いた制御方法と比べて、削岩機の位置決め精度を大
幅に改善することができる。更に、準備作業として穿孔
位置の教示あるいは穿孔位置の数値入力を行う必要があ
る従来技術に比べて、作業時間を大幅に短縮することが
できる。従って、本発明による制御方法を用いれば、ト
ンネルの掘進作業の省力化・効率化・安全化を図ること
ができ、また、施工の品質及びコストに悪影響を与える
余掘り・余巻き・アタリを大幅に減少させることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の削岩機の穿孔位置決め制御方法を実施
する一実施例装置の全体構成を示す立体図。

【図２】(a) 図は削岩機の先端付近のセンサー（リフレ
クター等）の側面配置図。(b) 図は(a) 図におけるセン
サーの正面配置図。(c) 図は(a) 図におけるセンサーの
別な態様の正面配置図。

【図３】レーザー投光・追跡装置の内部機構を示す図。

【図４】切羽面における各種の基準線及び穿孔位置と削
岩機の制御状態を表すＣＲＴ表示器の画面例示図。

【図５】位置決め制御システムの全体構成図。

【図６】本発明による別の実施例装置の全体構成を示す
立体図。

【図７】各種センサを装備した従来技術による削岩機の
平面図及び正面図。

【図８】図７の平面図。

【符号の説明】

Ｔ…トンネル、Ｆ…切羽、Ｊ…ドリルジャンボ、１…機
体、２…削岩機、５…レーザー投光・追跡装置、７…レ
ーザー光、９…リフレクター、１８…位置検出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 俊夫 大阪市此花区伝法４丁目３番55号 株式会 社鴻池組内 (72)発明者 柚木 孝治 大阪市此花区伝法４丁目３番55号 株式会 社鴻池組内 (72)発明者 澤 芳幸 大阪市此花区伝法４丁目３番55号 株式会 社鴻池組内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネル内の切羽に向かって据え付けられ
   たドリルジャンボについて、 該ドリルジャンボの機体後方に設置したレーザー投光・
   追跡部よりレーザー光を投射し、 該ドリルジャンボに装備された削岩機の先端部の既知の
   位置に装着したリフレクターをもって前記レーザー光を
   反対方向に反射させ、その反射光を当該レーザー投光・
   追跡部で受光し、 かつ、該レーザー投光・追跡部において、前記リフレク
   ターの移動方向を感知しながら前記レーザー光の投射方
   向を自動的に調節して前記リフレクターを追跡するとと
   もにその位置を連続的に検出し、 前記リフレクターの位置情報に基づく制御信号により前
   記削岩機内のサーボ機構を介して前記削岩機を自動的に
   動作させ、 トンネルの計画線形及び設計断面形状に基づいて予め計
   算された切羽面上の穿孔位置に削岩機のビットを誘導し
   て位置決めする、ことを特徴とする削岩機の穿孔位置決
   め制御方法。
2. 【請求項２】トンネル内の切羽に向かって据付けられた
   ドリルジャンボについて、該ドリルジャンボに装備され
   た削岩機の穿孔位置決めを制御する方法に使用される装
   置であって、 削岩機の先端部の既知の位置に装着されるリフレクター
   と；ドリルジャンボの機体後方に設置され、前記リフレ
   クターに向けてレーザー光を投射し、かつその反射光を
   受光してリフレクターを自動追跡するレーザー投光・追
   跡手段と；前記レーザー投光・追跡手段による自動追跡
   に伴う出力信号から前記リフレクターの位置を連続的に
   検出する位置検出手段と；トンネルの計画線形及び設計
   断面形状に基づいて切羽面上の穿孔位置を計算する穿孔
   位置計算手段と；前記位置検出手段による位置情報に基
   づき削岩機の動作を自動制御して計算された穿孔位置に
   削岩機のビットを誘導し位置決めする制御手段と；を少
   なくとも備えてなることを特徴とする削岩機の穿孔位置
   決め制御装置。