隧道掘进装置及其控制方法
【技术领域】
[0001 ]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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1:(日本)特开平10-131664号公报
【发明内容】
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011]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。
[0012] 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。
[0013] 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η个推进千斤顶中实施基于目标分 配力的力控制(其中，η为自然数。）。
[0014]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+η)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η个推进千斤顶的力控制。
[0015] 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、 Υ、Ζ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η个推进千斤顶而包括6+η个推进 千斤顶的平行连杆机构。
[0016] 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η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。
[0017] 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+η)个推进千斤顶所受到的荷载计算出的外力分配给(6+η)个推进千斤 顶，利用所分配到的力对其余η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+η)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。
[0018] 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+η)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。
[0019] 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。
[0020] 由此，对于进行力控制的η个推进千斤顶，能够适当地对控制的力值进行计算。
[0021] 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+η)个推进千斤顶，行程传感器设置于6个推进千斤顶。
[0022] 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η个推进千斤顶仅安装力传感器。
[0023] 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。
[0024]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+ η)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。
[0025] 在这里，使（6+η)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。
[0026] 由此，能够平衡地配置多个推进千斤顶。
[0027] 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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033]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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]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η 个推进千斤顶中实施基于目标分配力的力控制的步骤。
[0040]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η个推进千