JPH05179888A - 掘進機の操縦方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 掘削すべき地山の土質に適応した操縦データ
を用いて掘進機を自動操縦するための方法と装置を提供
する。 【構成】 土質に対応して掘進機の計画線からのズレ量
に応じた掘進機の操縦ノウハウを集積し、このノウハウ
に基づき前件部のメンバーシップ関数及び後件部のメン
バーシップ関数を設定し、前件部のメンバーシップ関数
及び／又は後件部のメンバーシップ関数を複数のＩＣカ
ードに記憶させる。前記ＩＣカードを選択してＩＣ読取
装置で読み取り、夫々の演算部に記憶させる。掘進機の
前進に伴ってインジケータ上のレーザースポットをテレ
ビカメラで撮像して掘進機の計画線からの離隔量と方向
を測定し、測定結果に応じて有効度，操作量を演算して
掘進機の操向手段を駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は予め設定された基準線に
沿って移動する掘進機の操縦方法とその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】地中に上水道管路或いは下水道管路等の
管路を敷設する場合、予め敷設すべき経路を設定し、こ
の経路に沿って掘進機を推進させて地山を掘削すると共
に該掘進機に管路を構成する管を後続させることで所望
の管路を敷設している。前記掘進機或は、一般に本体と
この本体の移動方向を規定する操向手段を有して構成さ
れており、本体を常に基準線に沿わせるように操向手段
を駆動している。特に地中に種々の管を敷設するための
掘進機にあっては、土質に応じて地盤の抵抗が異なるた
め、オペレーターは土質に応じて掘進速度等の条件を変
化させつつ基準線に対する掘進機のズレ量及びズレ方向
を視認し、このズレ量及びズレ方向に応じて操向手段を
操作することで操縦している。このような操縦技術はオ
ペレーターのノウハウに属する。

【０００３】ここで、掘進機の操縦について具体的に説
明する。例えば本件出願人が開発した特開昭57−205698
号公報に示す掘進機にあっては、テール部とこのテール
部の掘進方向先端に設けたヘッド部とを１つのロッド及
び２つのジャッキによって接続して構成されている。前
記テール部の所定位置には目盛板が固定されており、こ
の目盛板と対向してヘッド部に固定され該ヘッド部のテ
ール部に対する偏向に伴って移動する指針が配設されて
いる。また前記目盛板をテレビカメラによって撮像し、
該像をモニターテレビに投射し得るように構成してい
る。また管の敷設方向に沿って基準線となるレーザー光
等の直進性を有する可視光が配設されている。そしてこ
の可視光を目盛板に投射し、オペレーターが掘進開始位
置に於ける目盛板上の可視光の位置を視認すると共に、
掘進の進行に伴って生じる可視光のズレ量及びズレ方向
を視認し、このズレ量及びズレ方向に応じてジャッキを
駆動することによって、掘進機の方向修正、即ち、掘進
機の操縦を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き掘進機に於
ける操縦はオペレーターの経験と勘に基づく要素が多
く、高度の熟練度を要求されるものである。このため、
より容易に操縦し得る掘進機が求められている。

【０００５】本発明の目的は、予め基準線が設定されこ
の基準線に沿って移動することを要求される掘進機を自
動操縦するための方法と装置とを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は掘進機によって
地中を掘削するに際し、掘進抵抗，掘進機の変位，掘進
機を操縦した場合の応答性等の条件は、地山の土質に応
じて変化するとの知見に基づいてなされたものである。
このため、本発明に係る代表的な掘進機の操縦方法は、
本体と操向手段とを有し且つ予め設定された基準線に沿
って地山を掘削する掘進機の操縦方法であって、基準線
に対する本体の離隔距離に対応する前件部のメンバーシ
ップ関数及び操作量に対応する後件部のメンバーシップ
関数を土質に対応させて設定し、前記前件部のメンバー
シップ関数又は後件部のメンバーシップ関数或いは前件
部のメンバーシップ関数及び後件部のメンバーシップ関
数を記憶させた複数のＩＣカードを用意し、地山の掘削
に先立って該地山の土質に適応したＩＣカードを選択し
て前件部演算部又は後件部演算部或いは前件部演算部及
び後件部演算部に入力し、掘進機による地山の掘削に伴
って前記基準線に対する本体の離隔距離と離隔方向とを
測定し、測定された離隔距離を観測量として前件部演算
部に入力し、前件部演算部に於いて所定の演算を行って
得た有効度を後件部演算部に入力し、後件部に於いて所
定の演算を行って得た値を操作量として出力し、該操作
量に応じて操向手段を駆動することを特徴とするもので
ある。

【０００７】また掘進機の操縦装置は、本体及び操向手
段を有する掘進機と、前記操向手段の本体に対する変位
を表示する光学指標と、予め設定された基準線に沿って
配設された可視光と、前記本体の内部に配置され光学指
標及び前記可視光とを投射するインジケータと、前記イ
ンジケータと対向して配置されたカラー撮像手段と、前
記カラー撮像手段によって撮像された画像を映写するカ
ラー受像手段と、前記カラー受像手段と接続されインジ
ケータ上に投射された光学指標及び可視光の座標を演算
するための画像処理手段と、土質に対応して予め設定さ
れた基準線に対する本体の離隔距離に対応する前件部の
メンバーシップ関数又は操作量に対応する後件部のメン
バーシップ関数或いは前件部のメンバーシップ関数及び
後件部のメンバーシップ関数を記憶させたＩＣカードを
読み取る読取手段と、前記画像処理手段によって演算さ
れた可視光の座標値に応じて前件部のメンバーシップ関
数及び後件部のメンバーシップ関数に基づいて操作量を
演算するファジイ演算手段と、前記ファジイ演算手段に
よって演算された操作量と前記画像処理手段によって演
算された光学指標の座標値とを比較して制御量を出力す
る比較手段と、前記比較手段から出力された制御量に応
じて前記操向手段を駆動する駆動手段とを有して構成さ
れるものである。

【０００８】

【作用】上記操縦方法によれば、掘削すべき地山の土質
に応じて最適な掘進条件を設定すると共に、掘進機の掘
進に伴って該掘進機が基準線から離隔した時、この離隔
量と方向とを測定し、測定された離隔量に応じた操作量
を演算し、この操作量と離隔方向に応じて操向手段を駆
動することで、掘進機を基準線に沿わせて操縦すること
が出来る。即ち、多くのベテランオペレーターに蓄積さ
れた操縦ノウハウによって掘進機と基準線との離隔量に
対応し且つ土質に対応した前件部演算部のメンバーシッ
プ関数及び後件部のメンバーシップ関数を設定し、個々
の土質に対応した前件部のメンバーシップ関数又は後件
部のメンバーシップ関数或いは前件部及び後件部のメン
バーシップ関数をＩＣカードに記憶させ、掘進の開始に
先立って地山の土質に対応したＩＣカードを選択して制
御部に読み込ませ、掘進機の移動に伴って発生する基準
線からの離隔量を測定してこの測定値を観測量として前
件部演算部に入力することで、該前件部演算部に於いて
観測量に応じた有効度を演算することが出来る。そして
前記有効度に応じて後件部のメンバーシップ関数を割引
くと共に合成することで、観測量、即ち、離隔量に応じ
た操作量を演算することが出来る。この操作量は多くの
オペレーターのノウハウが反映されたものであって、一
般的に最も妥当な操作量として認められる値である。従
って、後件部演算部から出力された操作量に基づいて操
向手段を駆動することで、掘進機を基準線に沿わせて操
縦することが出来る。

【０００９】上記操縦装置によれば、掘削すべき地山の
土質に応じて掘進機を自動操縦することが出来る。即
ち、土質及び本体と基準線との離隔量に応じた操向手段
に対する操作量のデータを蓄積して離隔量に対応するデ
ータを前件部及び後件部のメンバーシップ関数とし、こ
れ等のメンバーシップ関数を土質毎に対応させて記憶さ
せた複数のＩＣカードを用意し、地山の土質に対応した
ＩＣカードを選択して読取手段に読み込ませることで、
掘削すべき地山の土質に最も適合した前件部演算部及び
後件部演算部のメンバーシップ関数を設定することが出
来る。そして本体と基準線との離隔量と方向を測定して
離隔量に対応するデータをファジイ演算手段に入力する
ことで、前件部演算部では入力されたデータに応じたメ
ンバーシップ関数の有効度を演算し、この有効度を後件
部演算部に出力することが出来、且つ後件部演算部では
前記有効度に基づいてメンバーシップ関数の割引き及び
重心の合成に関する演算を行って、その結果を操作量と
して出力することが出来る。

【００１０】上記操縦装置に於いて、本体にインジケー
タを配置し、基準線に沿って可視光を配設すると共に操
向手段の変位を表示する光学指標を設け、前記インジケ
ータに可視光と光学指標を投射することによって、本体
と基準線との離隔距離と方向及び本体に対する操向手段
の変位量と方向を測定することが出来る。即ち、インジ
ケータを基準線と交叉する平面上に配置すると共にこの
インジケータに可視光としてのレーザー光を投射するこ
とによって、該インジケータ上にレーザースポットを形
成することが出来る。そして掘進機の移動開始位置に於
けるインジケータ上のレーザースポットの位置をスポッ
ト原点とし、掘進機の前進に伴ってインジケータ面に於
いてレーザースポットがスポット原点から移動した場
合、この移動量が掘進機の基準線からの離隔量となり、
また移動方向が掘進機の基準線からの離隔方向となる。

【００１１】また本体に対する操向手段の変位を光学指
標によってインジケータ上に投射することで、操向手段
の変位量と変位方向を測定することが出来る。即ち、操
向手段が本体に対し中立位置にあるときのインジケータ
に対する光学指標の位置を指標原点とすると、本体に対
する操向手段の変位に伴って光学指標はインジケータ上
を移動する。従って、指標原点に対する光学指標の偏位
量と偏位方向を測定することによって、現在の操縦量と
操縦方向を測定することが出来る。従って、掘進機の移
動に伴ってインジケータをカラー撮像手段によって撮像
し、この画像をカラー受像機を介して接続された画像処
理手段で処理することで、スポット原点とレーザースポ
ットとの離隔量と離隔方向を座標表示することが出来、
且つ指標原点と光学指標との偏位量と偏位方向を座標表
示することが出来る。前記座標表示は掘進機にあって
は、レーザー原点に対するレーザースポットの離隔量と
離隔方向、及び指標原点に対する光学指標の偏位量と偏
位方向をインジケータ面に於ける水平方向をＸとし、垂
直方向をＹとするＸ−Ｙ直交座標系で表示することが出
来る。

【００１２】前記離隔量をファジイ演算手段の前件部演
算部に入力することによって、該前件部に記憶されたメ
ンバーシップ関数の有効度を演算して後件部演算部に出
力し、後件部演算部に於いて、入力された有効度に基づ
いて後件部に記憶されたメンバーシップ関数を割引き演
算すると共に重心位置の演算を行って、その結果を操作
量として出力することが出来る。前記操作量はスポット
原点とレーザースポットとの離隔量に応じた値であっ
て、現在の操縦量は加味されていない。従って、比較手
段に於いて現在の操縦量である指標原点と光学指標との
偏位量とファジイ演算手段から出力された操作量とを比
較することで、その差を制御量として出力することが出
来る。そして前記制御量に応じて駆動手段を駆動して操
向手段を変位させることによって、掘進機を基準線に沿
わせて操縦することが出来る。

【００１３】またファジイ演算手段を、予め原点と可視
光との離隔距離に対応したメンバーシップ関数をＩＣカ
ードによって入力し、入力された離隔距離データに基づ
いて所定の演算処理を行って有効度を出力する前件部演
算部と、予め操作量に対応したメンバーシップ関数をＩ
Ｃカードによって入力し、前件部演算部から出力された
有効度に基づいて操作量を演算する後件部演算部とを有
し、後件部演算部では操作量に対応したメンバーシップ
関数が夫々三角形で与えられ、前記三角形を入力された
有効度に応じて割引きし、割引きされた三角形に於ける
面積と重心位置との積によって回転モーメントを求める
と共にこの回転モーメントの値を加算し、且つこの値を
割引きされた三角形の面積を加算した値で除算する演算
を行って操作量を出力するよう構成した場合には、操作
量の演算（デファジフィケーション）を簡単な装置で且
つ短時間に実施することが出来る。即ち、後件部に記述
された操作量に関するファジイ集合のメンバーシップ関
数を三角形で与え、これ等の三角形を制御規則に応じて
横軸上に並列させると、各三角形に於ける底辺の長さ及
び横軸上の重心位置は一義的に定まる。従って、三角形
で表された後件部のメンバーシップ関数を前件部から出
力された有効度で割引きしても、割引きされた三角形に
於ける底辺の長さ、及び横軸上の重心位置は変化しな
い。また割引きされた三角形の面積は元の三角形の底辺
の長さ及び有効度によって容易に計算することが出来
る。従って、割引きされた個々の三角形に於ける面積と
重心位置との積によって回転モーメントを求めると共に
この回転モーメントの値を加算し、この値を割引きされ
た三角形の面積を加算した値で除算することによって、
合成された重心位置を演算することが出来る。そして前
記重心位置の値を操作量として出力することが出来る。

【００１４】上記掘進機の操縦装置によれば、多くのベ
テランオペレーターの操縦ノウハウを蓄積して、掘進機
を自動操縦することが出来る。このため、掘進機を移動
させる際にベテランオペレーターを必要とすること無く
容易に操縦することが出来る。

【００１５】

【実施例】以下上記掘進機の操縦方法と操縦装置の一実
施例について図を用いて説明する。本発明に係る掘進機
の操縦方法とその装置は、地中に上水道管や下水道管を
敷設するために掘進機Ａを掘進させる際に、予め土質に
対応した前件部のメンバーシップ関数と後件部のメンバ
ーシップ関数を設定して記憶させた複数のＩＣカードを
用意し、掘削すべき地山の土質に適応するＩＣカードを
選択して制御部に入力し、掘進機が予め設定された管路
の計画線からズレた場合、計画線と掘進機Ａとの離隔量
及び方向を測定し、この離隔量，方向に応じて掘進機Ａ
を操縦して計画線に沿って前進させるための方法と装置
に関するものである。

【００１６】掘進機Ａは図５（ａ）に示すように、管路
Ｂの敷設開始位置に形成したピットに於ける所定の深さ
及び方向にセットされる。そして図に於ける右側（以下
『後方』という）から推進されて左側（以下『前方』と
いう）に前進する。掘進機Ａを推進する際に、該掘進機
Ａに付与する推力の大きさ、掘削中に於ける掘進機Ａの
挙動（計画線からのズレ方，方向修正に対する応答性
等）は、地山の土質（礫層，砂層，シルト層等）に応じ
て異なる。即ち、掘進機Ａを操縦する際の操作は地山の
土質に応じて微妙に変化させることが必要である。掘進
機Ａは土質に応じた一定の力で推進されるにも関わら
ず、同図（ｂ）に示すように基準線となるレーザー光10
ｂからズレることがある。本発明は、土質に応じ設定さ
れた操縦データを選択し、掘進機Ａがレーザー光10ｂか
らズレたとき掘進機Ａの本体１内に設けたインジケータ
７をテレビカメラ８によって撮像すると共に、この画像
を処理してレーザースポット10のスポット原点o₁からの
離隔量と方向を測定し、この離隔量，方向に応じて同図
（ｃ）に示すようにジャッキ３，４を操作することによ
ってヘッド２を本体１に対して変位させてレーザー光10
ｂに沿わせるように操縦するものである。

【００１７】図１により掘進機Ａとその周辺装置の概略
構成について説明する。図に示す掘進機Ａは、前方側に
設けたカッターヘッドＣを回転させて土砂を掘削し、こ
の土砂を掘進機Ａ内に設けたポンプによって外部に排出
しつつ、後方側に配置した推進装置Ｄによって付勢して
前進させ、掘進機Ａ前進に伴って該掘進機Ａの後方に管
を継ぎ足しながら所定の管路Ｂを構成するものである。

【００１８】掘進機Ａは図示しない計器類やポンプ等を
設けた本体１と、この本体１の進行方向を規定するため
に該本体１の前方側に設けた操向手段となるヘッド２と
を有して構成されている。前記本体１とヘッド２は、掘
進機Ａの軸心と一致した中心を有する円周上に等間隔で
配設された２本のジャッキ３，４及びロッド５を介して
接続されている。前記各ジャッキ３，４及びロッド５は
夫々端部にユニバーサルジョイント３ａ，４ａ，５ａを
設けて本体１及びヘッド２に取り付けられている。従っ
て、ジャッキ３，４を所望量駆動することによって、ヘ
ッド２をロッド５のジョイント５ａを中心として本体１
に対し所望の方向に変位させることが可能である。本実
施例に於いて、ジャッキ３，４として油圧シリンダーを
用いている。そして前記ジャッキ３，４は本体１に設け
た油圧ユニット及び圧油の流量制御ユニット等からなる
駆動装置６と接続されている。

【００１９】本体１の所定位置にはインジケータ７が設
けられており、このインジケータ７と対向して撮像手段
となるテレビカメラ８が配置されている。前記インジケ
ータ７には、後述する光学指標９及び基準線となるレー
ザー光10ｂが投射されている。そしてインジケータ７を
テレビカメラ８によって撮像すると共に、撮像した画像
を後述する画像処理装置22によって処理することで、本
体１のレーザー光10ｂからの離隔量，離隔方向、及び本
体１に対するヘッド２の変位量，変位方向を検出ことが
可能となる。ヘッド２の所定位置にはインジケータ７に
達するバー９ａが固着されており、該バー９ａの先端で
あって且つ掘進機Ａの軸心と一致する位置にはインジケ
ータ７の後方側に位置するように光学指標９が取り付け
られている。この光学指標９はヘッド２の本体１に対す
る変位に伴ってインジケータ７の表面に沿って偏位する
ものである。前記光学指標９としては、例えば十字状に
形成した指針を用いることが可能であり、またＬＥＤ等
の発光素子を用いることも可能である。本実施例ではグ
リーン（Ｇ）に発光するＬＥＤを用いている。

【００２０】掘進機Ａの後方側にはレーザートランシッ
ト等のレーザー発振器10ａが配置されており、該発振器
10ａから基準線となるレーザー光10ｂが出射されてい
る。前記レーザー光10ｂは予め計画された管路Ｂの敷設
中心と一致して或いは平行に配置されている。そしてレ
ーザー光10ｂがインジケータ７に投射されたとき、この
インジケータ７にレーザースポット10を形成している。
本実施例ではレーザー光の色彩が赤色光（Ｒ）となるHe
−Neレーザーを用いている。従って、インジケータ７に
は図４に示すようにレーザー光10ｂの投射による赤色の
レーザースポット10が形成される。このレーザースポッ
ト10は必ずしもインジケータ７の中心と一致する必要は
無く、画像処理装置22に於いて掘進機Ａの前進開始位置
に於けるレーザースポット10の位置をスポット原点o₁と
して記憶し、以後掘進機Ａの前進に伴うレーザースポッ
ト10とスポット原点o₁との離隔距離と方向を測定するこ
とで、本体１とレーザー光10ｂとの離隔量，方向を測定
することが可能である。またヘッド２が本体１に対し中
立位置にある場合、インジケータ７のテレビカメラ８側
に配置されたＬＥＤ９は掘進機Ａの軸心と一致した位置
となる。従って、掘進機Ａの前進開始位置に於けるＬＥ
Ｄ９の位置が指標原点o₂となる。尚、図に於いてＥは掘
進機Ａ，推進装置Ｄ等を制御するための制御装置，ＩＣ
カード読取装置，モニター受像機等を設けた制御盤であ
る。

【００２１】次に上記掘進機Ａを操縦するための構成に
ついて図２及び図３を用いて説明する。テレビカメラ８
としてはＣＣＤカメラを用いており、該カメラ８は受像
機21と接続されている。受像機21は図３に示すように、
受像部21ａと色彩分離部21ｂとによって構成されてい
る。受像部21ａは通常のテレビ受像機と同様に構成され
ており、テレビカメラ８によって撮像したインジケータ
７の映像を表示してモニター画面としての機能を有して
いる。色彩分離部21ｂはテレビカメラ８によって撮像し
たインジケータ７の画像からＬＥＤ９の色彩Ｇ信号、及
びレーザースポット10の色彩Ｒ信号を分離してこれ等の
信号を画像処理装置22に伝送するための機能を有してい
る。即ち、受像部21ａのＲマトリクス部の出力信号と同
期分離部の信号とをＲ＋同期部に入力してＲ信号を画像
信号と同期させると共に出力インピーダンス調整部に於
いて増幅することで、撮像されたインジケータ７の画像
からレーザースポット10に対応するＲ信号を分離し、線
23ａを介して画像処理装置22に伝送し得るように構成し
ている。またＬＥＤ９に対応するＧ信号も同様にしてイ
ンジケータ７の画像から分離され、線23ｂを介して画像
処理装置22に伝送される。

【００２２】画像処理装置22は受像機21から伝送された
Ｇ信号及びＲ信号の座標値を演算するものであって、公
知の画像処理装置によって構成されている。画像処理装
置22には記憶部及び制御部等を有する画像処理制御装置
24が接続されており、掘進機Ａの前進開始位置に於ける
インジケータ７の画像から図４及び図５に示すスポット
原点o₁，指標原点o₂のデータを記憶すると共に、伝送さ
れたＲ信号のスポット原点o₁に対する座標データをファ
ジイ演算装置25に出力し、また伝送されたＧ信号の指標
原点o₂に対する座標データを比較装置26に出力するもの
である。従って、画像処理装置22に於いてＲ信号のスポ
ット原点o₁に対する座標値を演算することによって、レ
ーザー光10ｂと本体１との離隔距離及び離隔方向を測定
することが可能となり、またＧ信号の指標原点o₂に対す
る座標値を演算することによって本体１に対するＬＥＤ
９の偏位量及び偏位方向、即ち、本体１に対するヘッド
２の変位量と変位方向を測定することが可能となる。本
実施例に於いて、画像処理制御装置24から画像処理装置
22に対し定時的に画像ホールド信号が伝送され、該タイ
ミングに於ける画像情報がホールドされる。前記画像に
於いて、レーザースポット10はスポット原点o₁を原点と
し、水平方向をＸ、垂直方向をＹとするＸ−Ｙ直交座標
系によって座標値を演算され、またＬＥＤ９は指標原点
o₂を原点とし、水平方向をＸ、垂直方向をＹとするＸ−
Ｙ直交座標系によって座標値を演算される。そしてレー
ザースポット10のＸ座標のデータがファジイ演算装置25
に出力されると同時にＬＥＤ９のＸ座標のデータが比較
装置26に出力される。またレーザースポット10，ＬＥＤ
９のＸ座標のデータが出力されて所定時間経過した後、
レーザースポット10のＹ座標のデータがファジイ演算装
置25に出力されると同時にＬＥＤ９のＹ座標のデータが
比較装置26に出力される。このように、レーザースポッ
ト10及びＬＥＤ９のＸ，Ｙ座標のデータを順にファジイ
演算装置25及び比較装置26に出力することによって、該
演算装置25に於いて水平方向の離隔量（Ｘ）と垂直方向
の離隔量（Ｙ）に応じた操作量を順に演算し得るように
構成している。

【００２３】ファジイ演算装置25は、画像処理装置22か
ら伝送されたＲ信号の座標データを観測量として対応す
るメンバーシップ関数から有効度を演算して後件部演算
部に出力し、後件部演算部では前件部に於けるメンバー
シップ関数と対応したメンバーシップ関数の割引き演算
と重心位置を演算してこの重心位置に応じた量を操作量
として出力するものである。このファジイ演算装置25
は、前件部演算部25ａ，前件部メンバーシップ関数記憶
部25ｂ，後件部演算部25ｃ，後件部メンバーシップ関数
記憶部25ｄによって構成されている。掘進機Ａによる地
山の掘削に先立って、該地山の土質に対応するＩＣカー
ド28が選択され、このＩＣカード28に記憶された前件部
のメンバーシップ関数がＩＣカード読取装置29によって
読み取られて前件部メンバーシップ関数記憶部25ｂ及び
／又は後件部メンバーシップ関数記憶部25ｄに入力され
る。上記ファジイ演算装置25に於ける演算方法について
は後述する。

【００２４】ファジイ演算装置25から出力された操作量
の信号は比較装置26に伝送される。この比較装置26は、
レーザー光10ｂと本体１との離隔量に応じた操作量、及
び現在本体１に与えられている方向修正量（操縦量）を
比較することによって、最適な制御量を演算して出力す
るものである。インターフェース27は比較装置26から出
力される制御量としての信号を駆動装置６に於ける圧油
の流量制御ユニットに対するバルブの開閉量を制御する
ための信号に変換するものであり、これにより、ジャッ
キ３，４に対する圧油の供給量を制御してヘッド２を本
体１に対し比較装置26からの制御量に応じて変位させる
ものである。

【００２５】ＩＣカード28には、土質に応じて設定され
た図６に示す前件部のメンバーシップ関数及び／又は図
７に示す後件部のメンバーシップ関数が記憶されてい
る。前件部のメンバーシップ関数はレーザー光10ｂに対
する本体１の水平方向の離隔量に関するものであり、後
件部のメンバーシップ関数は水平方向の離隔量に対応す
る操作量に関するものである。ＩＣカード28には図示し
ない垂直方向の離隔量に対応した前件部のメンバーシッ
プ関数及び／又は後件部のメンバーシップ関数も記憶さ
れている。上記前件部及び後件部のメンバーシップ関数
は、礫層，砂層，シルト層等の土質に対応した内容を持
って設定されている。そして土質に対応させて複数のＩ
Ｃカード28が用意される。従って、地山の掘削に先立っ
て該地山の土質を調査し、この土質に適合したＩＣカー
ド28を選択してＩＣカード読取装置29によって読み取る
ことで、掘削すべき地山に最適な前件部のメンバーシッ
プ関数及び／又は後件部のメンバーシップ関数を前件部
メンバーシップ関数記憶部25ｂ，後件部メンバーシップ
関数記憶部25ｄに記憶させることが可能である。

【００２６】ここで、ファジイ演算装置25に於ける操作
量の推論演算について具体的に説明する。尚、以下掘進
機Ａが水平方向に離隔した場合について説明するが、垂
直方向の離隔量に対する操作量の推論も同様な方法で行
われる。図６に示すメンバーシップ関数は、オペレータ
ーが受像機21の画面によりスポット原点o₁とレーザース
ポット10の実際のズレを観測した時、このズレが大きい
量として感ずるか、又は中或いは小として感ずるかの度
合いを表すものである。例えばレーザースポット10がス
ポット原点o₁から左側に７mm離隔している時、このズレ
に対し小さいズレであると感じるオペレーターと、中位
のズレであると感じるオペレーターがあることを示して
いる。そしてズレが小であると感じる度合い、及び中で
あると感じる度合いが夫々有効度となる。図に示すメン
バーシップ関数及び後述する後件部に於けるメンバーシ
ップ関数は、多くのオペレーターのノウハウを集積して
設定されている。

【００２７】画像処理装置22に於いてレーザースポット
10のスポット原点o₁からの離隔量が測定され、この離隔
量に応じたデータが前件部演算部25ａに伝送されると、
該演算部25ａではＩＣカード28を読み取って記憶された
前件部のメンバーシップ関数に基づいて有効度を演算す
る。この演算は、例えば離隔量が７mmであり、且つ離隔
方向が左であったとすると、図６の左７mmに於けるメン
バーシップ関数の値を演算して有効度とするものであ
り、即ち、同図から 左向小に対応する有効度α₁ ＝0.75 左向中に対応する有効度α₂ ＝0.25 を得るものである。そしてこの有効度α₁,α₂ を後件部
演算部25ｃに出力する。

【００２８】後件部メンバーシップ関数記憶部25ｄには
ＩＣカード28を読み取った図７に示すメンバーシップ関
数が記憶されている。このメンバーシップ関数は、オペ
レーターが受像機21の画面によりスポット原点o₁とレー
ザースポット10の実際のズレを観測した時、このズレに
応じてヘッド２を変位させる量、即ち操作量を示すもの
であり、個々の三角形は図６に示す前件部のメンバーシ
ップ関数と対応したものである。また図７に於ける操作
方向は測定された離隔方向に対し反対の方向となる。同
図に示すように、後件部に於けるメンバーシップ関数を
横軸上に並列した三角形で表したとき、これ等の三角形
の横軸上の位置及び形状は一義的に設定される。

【００２９】図８（ａ）〜（ｄ）は後件部のメンバーシ
ップ関数の右向き部分を構成する４つの三角形B₁〜B₄の
重心位置G₁〜G₄と底辺長さW₁〜W₄の説明図である。同図
に示すように、各三角形B₁〜B₄の高さは全て等しく、且
つ個々の三角形の底辺長さW₁〜W₄は一義的に設定され
る。従って、個々の三角形に於ける重心位置G₁〜G₄は、
通常の代数計算によって容易に求めることが可能であ
る。

【００３０】図９はスポット原点o₁とレーザースポット
10の離隔量を７mmとしたとき、前件部演算部から出力さ
れた有効度α_1,α₂ によって、この有効度と対応する後
件部のメンバーシップ関数の三角形B₂，B₃を割引いたと
きの三角形B₂′，B₃′の説明図である。図に示すように
元の三角形B₂，B₃と割引きされた三角形B₂′，B₃′に於
ける底辺W₂，W₃は共通であり、且つ各三角形B₂，B₂′及
びB₃，B₃′に於ける重心位置G₂，G₃は変化しない。

【００３１】従って、三角形B₂，B₃の重心位置G₂，G₃と
し、三角形B₂′〜B₃′についてその面積を重さとする回
転モーメントを計算して合成モーメントから重心Y₀を求
めると、 Y₀＝｛(G₂ ・α₁ ・W₂＋G₃・α₂ ・W₃)/２｝ ／｛( α₁ ・W₂＋α₂ ・W₃)/２｝ となる。ここで、M₂＝G₂・W₂, M₃＝G₃・W₃とすると、 Y₀＝｛(M₂ ・α₁ ＋M₃・α₂ )/２｝ ／｛( α₁ ・W₂＋α₂ ・W₃)/２｝ となり、得られたY₀の値が三角形B₂′，B₃を合成した重
心位置となる。従って、前記Y₀の値を操作量として出力
することが可能となる。上記の如くして、操作量を演算
するための一般式 を得ることが出来る。

【００３２】次に掘進機Ａの操縦方法について図５
（ａ）〜（ｃ）により説明する。同図（ａ）は前進開始
位置に於ける掘進機Ａを示している。このとき、ヘッド
２は本体１に対し中立状態を維持しており、従って、イ
ンジケータ７に対するＬＥＤ９の位置は掘進機Ａの軸心
と一致している。インジケータ７はテレビカメラ８によ
って常に撮像され、この画像は画像処理装置22によって
定時的に測定される。そして掘進機Ａの前進開始位置に
於けるＬＥＤ９の位置が指標原点o₂として、またこのと
きのレーザースポット10の位置がスポット原点o₁として
夫々画像処理制御装置24に記憶される。

【００３３】掘進機Ａの前進に伴い、同図（ｂ）に示す
ように該掘進機Ａが基準線であるレーザー光10ｂから離
隔すると、インジケータ７に於けるレーザースポット10
はスポット原点o₁から離隔する。そして画像処理装置22
に於いてＸ−Ｙ座標系に対応したＸ座標データ，Ｙ座標
データに変換されて、ファジイ演算装置25に出力され
る。画像処理装置22では同時にＬＥＤ９の指標原点o₂か
らの偏位量，方向が測定され、このときのＬＥＤ９の偏
位量がＸ−Ｙ座標系に対応したＸ座標データ，Ｙ座標デ
ータに変換されて比較回路26に出力される。但し、同図
（ｂ）ではヘッド２は本体１に対し中立状態を維持して
おり、従って、ＬＥＤ９に対応するＸ座標データ，Ｙ座
標データは０として出力される。画像処理装置22に於い
て測定したレーザースポット10とスポット原点o₁との離
隔量が７mmであり、離隔方向が左である場合、前件部演
算部から左向小に対応する有効度α₁ ＝0.75、また左向
中のメンバーシップ関数に対応する有効度α₂ ＝0.25が
出力される。

【００３４】次に後件部のメンバーシップ関数の右向
小，右向中に対応する三角形B₂，B₃を夫々有効度α₁ ＝
0.75とα₂ ＝0.25を用いて割引きすることによって、図
９に示す三角形B₂′，B₃′を得る。また図８（ｂ）から
三角形B₂の底辺長さW₂＝30，重心位置G₂＝13.3, M₂＝G₂
×W₂＝400 であり、且つ同図（ｃ）から三角形B₃の底辺
長さW₃＝40, 重心位置G₃＝25.0, M₃＝G₃×W₃＝1000であ
る。 従って、M₂・α₁ ＋M₃・α₂ ＝400 ×0.75＋1000×0.25 の計算を行って ＝550 を得る。 また、W₂・α₁ ＋W₃・α₂ ＝30×0.75＋40×0.25 の計算を行って ＝32.5 を得る。 そして前記値から、水平方向の操作量として 550 ÷32.5＝16.923 (分) なる値を得る。

【００３５】この値はファジイ演算装置25から比較装置
26に伝送され、この比較装置26に於いてＬＥＤ９の偏位
量の水平方向の座標データと比較される。このとき、Ｌ
ＥＤ９の偏位量が０であることから、前記操作量が制御
量としてインターフェース27を介して駆動装置６に伝達
され、駆動装置６に於ける圧油の流量制御ユニットを駆
動してジャッキ３，４を所定量操作し、ヘッド２を本体
１に対して左方向に変位させる。

【００３６】掘進機Ａが更に前進して同図（ｃ）の位置
に達したとき、上記と同様にしてレーザースポット10の
スポット原点o₁からの離隔量，方向を測定すると共にＬ
ＥＤ９の指標原点o₂からの偏位量，方向を測定し、レー
ザースポット10のＸ座標データ，Ｙ座標データをファジ
イ演算装置25に出力して操作量を演算して比較装置26に
出力し、同時にＬＥＤ９のＸ座標データ，Ｙ座標データ
を比較装置26に出力する。そして比較装置26に於いてこ
れ等のデータを比較してその差を制御量としてインター
フェース27を介して駆動装置６に伝達する。上記操作を
定時的に行うことによって、掘進機Ａをレーザー光10ｂ
に沿わせて操縦することが可能となる。尚、掘進機Ａを
操縦するには、インジケータ７に於けるレーザースポッ
ト10のスポット原点o₁からの離隔量，方向のみを測定
し、この座標データをファジイ演算装置25に入力して操
作量を演算させても良く、この場合にはオープン制御方
式の操縦方法となる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
掘進機の操縦方法によれば、土質及び本体と基準線との
離隔量に応じた操向手段に対する操作量のデータを蓄積
して前件部のメンバーシップ関数及び後件部のメンバー
シップ関数を設定し、前記前件部のメンバーシップ関数
又は後件部のメンバーシップ関数或いは前件部のメンバ
ーシップ関数及び後件部のメンバーシップ関数を土質毎
に対応させて記憶させた複数のＩＣカードを用意し、地
山の土質に対応したＩＣカードを選択して読取手段に読
み込ませることで前件部のメンバーシップ関数及び／又
は後件部のメンバーシップ関数を設定することが出来
る。このため、ＩＣカードに記憶させた前件部のメンバ
ーシップ関数及び／又は後件部のメンバーシップ関数に
基づいて、掘進機の移動に伴って該掘進機が基準線から
離隔した時に測定された離隔量に応じた操作量を演算
し、この操作量と離隔方向に応じて操向手段を駆動する
ことで、掘進機を基準線に沿わせて操縦することが出来
る。

【００３８】また本発明に係る掘進機の操縦装置によれ
ば、掘削すべき地山を掘削する際に、蓄積されたベテラ
ンオペレーターのノウハウに基づいて掘進機を自動操縦
することが出来る。このため、熟練を要することなく掘
進機を操縦することが可能となり、管路の敷設作業を容
易に行うことが出来る等の特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】掘進機の模式説明図である。

【図２】操縦装置のブロック説明図である。

【図３】受像機から可視光及び光学指標のデータを取り
出すためのブロック説明図である。

【図４】後方側から見たインジケータの説明図である。

【図５】掘進機の前進に伴って該掘進機が基準線から偏
位した場合の説明図である。

【図６】掘進機を操縦する場合の前件部のメンバーシッ
プ関数の説明図である。

【図７】前件部のメンバーシップ関数に対応する後件部
のメンバーシップ関数の説明図である。

【図８】後件部に於ける三角形の重心位置の説明図であ
る。

【図９】後件部に於けるメンバーシップ関数の三角形を
有効度で割引きしたときの説明図である。

【符号の説明】

Ａは掘進機、Ｂは管路、Ｃはカッターヘッド、Ｄは推進
装置、Ｅは制御盤、o₁はポット原点、o₂は指標原点、α
₁ ，α₂ は有効度、１は本体、２はヘッド、３，４はジ
ャッキ、５はロッド、６は駆動装置、７はインジケー
タ、８はテレビカメラ、９は光学指標，ＬＥＤ、10はレ
ーザースポット、10ａはレーザー発振器、10ｂはレーザ
ー光、21は受像機、21ａは受像部、21ｂは色彩分離部、
22は画像処理装置、24は画像処理制御装置、25はファジ
イ演算装置、25ａは前件部演算部、25ｂは前件部メンバ
ーシップ関数記憶部、25ｃは後件部演算部、25ｄは後件
部メンバーシップ関数記憶部、26は比較装置、27はイン
ターフェース、28はＩＣカード、29はＩＣカード読取装
置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角 壽雄 東京都渋谷区代々木四丁目31番６号 株式 会社イセキ開発工機内 (72)発明者 黄 仕元 東京都渋谷区代々木四丁目31番６号 株式 会社イセキ開発工機内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体と操向手段とを有し且つ予め設定さ
   れた基準線に沿って地山を掘削する掘進機の操縦方法で
   あって、基準線に対する本体の離隔距離に対応する前件
   部のメンバーシップ関数及び操作量に対応する後件部の
   メンバーシップ関数を土質に対応させて設定し、前記前
   件部のメンバーシップ関数又は後件部のメンバーシップ
   関数或いは前件部のメンバーシップ関数及び後件部のメ
   ンバーシップ関数を記憶させた複数のＩＣカードを用意
   し、地山の掘削に先立って該地山の土質に適応したＩＣ
   カードを選択して前件部演算部又は後件部演算部或いは
   前件部演算部及び後件部演算部に入力し、掘進機による
   地山の掘削に伴って前記基準線に対する本体の離隔距離
   と離隔方向とを測定し、測定された離隔距離を観測量と
   して前件部演算部に入力し、前件部演算部に於いて所定
   の演算を行って得た有効度を後件部演算部に入力し、後
   件部に於いて所定の演算を行って得た値を操作量として
   出力し、該操作量に応じて操向手段を駆動することを特
   徴とした掘進機の操縦方法。
2. 【請求項２】 本体と操向手段とを有し且つ予め設定さ
   れた基準線に沿って地山を掘削する掘進機の操縦方法で
   あって、基準線に対する本体の離隔距離に対応する前件
   部のメンバーシップ関数及び操作量に対応する後件部の
   メンバーシップ関数を土質に対応させて設定すると共
   に、前記前件部のメンバーシップ関数又は後件部のメン
   バーシップ関数或いは前件部のメンバーシップ関数及び
   後件部のメンバーシップ関数を記憶させた複数のＩＣカ
   ードを用意し、地山の掘削に先立って該地山の土質に適
   応したＩＣカードを選択して前件部演算部又は後件部演
   算部或いは前件部演算部及び後件部演算部に入力し、掘
   進機による地山の掘削に伴って前記基準線に対する本体
   の離隔距離と離隔方向とを測定すると共に本体に対する
   操向手段の変位量と変位方向を測定し、測定された離隔
   距離を観測量として前記前件部演算部に入力し、前件部
   演算部に於いて所定の演算を行って得た有効度を後件部
   演算部に入力し、後件部に於いて所定の演算を行って得
   た操作量を前記操向手段の変位量と比較してその差に相
   当する値を制御量として出力し、該制御量に応じて操向
   手段を駆動することを特徴とした掘進機の操縦方法。
3. 【請求項３】 基準線に対する本体の離隔距離と離隔方
   向とを測定するに際し、本体の移動開始位置に於ける基
   準線の位置に対応する本体の位置を原点とするＸ−Ｙ直
   交座標系を設定し、前記基準線の原点からの離隔距離と
   離隔方向をＸ方向の離隔距離とＹ方向の離隔距離とに分
   割して測定し、Ｘ方向の測定値とＹ方向の測定値を順に
   前件部演算部に入力して所定の演算を実施することを特
   徴とした請求項１又は２記載の掘進機の操縦方法。
4. 【請求項４】 本体及び操向手段を有する掘進機と、前
   記操向手段の本体に対する変位を表示する光学指標と、
   予め設定された基準線に沿って配設された可視光と、前
   記本体の内部に配置され光学指標及び前記可視光とを投
   射するインジケータと、前記インジケータと対向して配
   置されたカラー撮像手段と、前記カラー撮像手段によっ
   て撮像された画像を映写するカラー受像手段と、前記カ
   ラー受像手段と接続されインジケータ上に投射された光
   学指標及び可視光の座標を演算するための画像処理手段
   と、土質に対応して予め設定された基準線に対する本体
   の離隔距離に対応する前件部のメンバーシップ関数又は
   操作量に対応する後件部のメンバーシップ関数或いは前
   件部のメンバーシップ関数及び後件部のメンバーシップ
   関数を記憶させたＩＣカードを読み取る読取手段と、前
   記画像処理手段によって演算された可視光の座標値に応
   じて前件部のメンバーシップ関数及び後件部のメンバー
   シップ関数に基づいて操作量を演算するファジイ演算手
   段と、前記ファジイ演算手段によって演算された操作量
   と前記画像処理手段によって演算された光学指標の座標
   値とを比較して制御量を出力する比較手段と、前記比較
   手段から出力された制御量に応じて前記操向手段を駆動
   する駆動手段とを有することを特徴とした掘進機の操縦
   装置。
5. 【請求項５】 前記ファジイ演算手段が、予め土質及び
   原点と可視光との離隔距離に対応した前件部のメンバー
   シップ関数を記憶したＩＣカードから入力された離隔距
   離データに基づいて所定の演算処理を行って有効度を出
   力する前件部演算部と、予め操作量に対応した後件部の
   メンバーシップ関数を記憶したＩＣカードから入力され
   た操作量データに基づいて前件部演算部から出力された
   有効度に基づいて操作量を出力する後件部演算部とから
   なり、前記後件部演算部では操作量に対応する後件部の
   メンバーシップ関数が夫々三角形で与えられ、前記三角
   形を入力された有効度に応じて割引きし、割引きされた
   三角形に於ける面積と重心位置との積によって回転モー
   メントを求めると共にこの回転モーメントの値を加算
   し、且つこの値を割引きされた三角形の面積を加算した
   値で除算する演算を行って操作量を出力するよう構成し
   たものであることを特徴とした請求項４記載の掘進機の
   操縦装置。