JPH0782764A - 高性能暗渠自動掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、田圃の暗渠溝掘削工事に使用され
るトレンチャー付きトラクターの自動掘削装置に関する
ものである。 【構成】 本発明は、油圧式トレンチャー本体２９にコ
ンピーューター制御方式を導入し、一定勾配の暗渠溝Ｆ
を自動的に掘削するようにした高性能暗渠自動掘削機を
提供するものであり、レーザー発光ユニットＡと、レー
ザー受光器ユニットＢと、操作ユニットＣと、走行距離
検出ユニットＤと、掘削ユニットＥで構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、暗渠排水工事において
使用する、高性能暗渠自動掘削機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の近代的稲作においては、機械化に
よる水田の大区画化が図られつつあるが、一般に、圃場
整備に使われている掘削機は、道路工事や山林宅地工事
などの転用機であり、圃場整備に重要な精密掘削作業に
は適切でなかった。

【０００３】従って、従来の掘削作業においては、図１
のフローチャートと図２に示す基準線・面の取り方に見
られるように、トレンチャーで掘削した後、その深さを
実測し、その値と設計値を比較して、トレンチャーに高
さ位置の修正を指示するまでの間に、相当のタイムラグ
が生じざるを得ない。

【０００４】その間にトレンチャーは前進しているか
ら、多くの場合、その間には設計値と異なる高さでの掘
削が続きバラツキが増大する致命的欠点があった。

【０００５】そこで、本発明者らが先の特許公報（特願
平５−４１００４）で開示したようなレーザー発光源を
回転させながら、水平面３６０度方向にレーザー光を発
光する装置と、そのレーザー光を受光すると信号音を出
す受光装置を組み合わせて、作業範囲のどこからでも基
準高さを得ることができ、それを掘削機のオペレーター
が運転席で基準値と設定値の差異を監視しながら、トレ
ンチャーの上下動を手動操作でコントロールして掘削す
ることを特徴とした掘削機を開発した。

【０００６】従って、先願発明（特願平５−４１００
４）のトレンチャー掘削装置を使用した場合における、
掘削作業の基準線・面の取り方とフローチャートは、図
３および図４に示すようになり、従来技術に比べて、飛
躍的に掘削精度が向上した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この先
願のトレンチャー掘削装置付き掘削機の最大の欠点は、
常に、掘削高さを目視で監視しながら、掘削油圧レバー
操作と掘削走行のためのレバー操作を同時に行ってお
り、掘削作業が煩雑化し、オペレーターは高度な熟練を
要した。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の欠点を解決するた
めに、本発明では、先に出願した公報（特願平５−４１
００４）の受光ユニットＢの機構に２〜３の改良を加
え、さらに、先願の手動レバー操作による掘削ユニット
の部分を自動化するために、操作ユニットＣと、先願の
実願平５−３５８８０で開示した走行距離検出ユニット
Ｄを導入した。

【０００９】すなわち、図５および図６に示すように、
基準高さを指定するためのレーザー発光器Ａの他に、こ
れを常に受光する受光器１がレーザー光の高さ変位に応
じて上下方向に自動追従する装置を内蔵するレーザー受
光ユニットＢと、指定高さに設定するコンピューター制
御装置を内蔵する操作ユニットＣや掘削中のトレンチャ
ーの移動掘削距離を計測する走行距離検出ユニットＤ
と、トレンチャーをコンピューター制御により上下作動
させて暗渠溝を自動掘削する掘削ユニットＥを設置し
た。

【００１０】なお、レーザー受光器ユニットＢでは、レ
ーザー受光器（レベルセンサー）１、受光ユニット方向
回転用サボモーター２、受光器上下移動モーター３、受
光器位置計測エンコーダー４、受光器位置最上部リミッ
トスイッチ５、受光器位置最下部リミットスイッチ６、
受光器感度調節器７、受光器上下移動用シャフト（ボー
ルねじ軸）８、センサー受光窓９、ボールネジ軸用ナッ
ト１０、ガイド軸１１、アクチュエーター１２、フォト
インタラプター１３、センサー受光器カバー１４、本体
取付けステー１５などで構成されている。

【００１１】操作ユニットＣでは、コンピューター１
６、ディスプレイ１７、キーボード１８、コントローラ
ー１９、で構成されている。

【００１２】走行距離検出ユニットＤでは、走行距離セ
ンサー２０、走行距離検出ギヤー２１で構成されてい
る。

【００１３】掘削ユニットＥは、トレンチャー上下油圧
シリンダー２２、トレンチャー上下角度センサー２３、
トレンチャー上下油圧電磁弁２４、トレンチャー角度油
圧電磁弁２５、掘削バケット２６、走行用キャタピラ２
７、トレンチャー刃先２８、トレンチャー本体２９、ト
レンチャー用保護カバー３０などで構成されている。

【００１４】すなわち、本発明の方法では、図７、図
８、図９のフローチャートに示すように、掘削しようと
するトレンチャーの刃先部分の高さを掘削機の基準高さ
位置として、常時、外部から取得する水平基準高さと掘
削機の移動に伴う設計値の変化との関係を演算し、トレ
ンチャーの刃先高さを制御し、リアルタイムで常に掘削
作業にフィードバックさせることができる。

【００１５】このように、基準高さと走行距離の２つの
データーを基に設計値に合わせて、現在位置での掘削深
さを算出する演算回路と、算定深さにトレンチャーの高
さを合わせるアクチュエーター１２を制御する指示回路
とを組合せることによって、トレンチャーの掘削精度を
確保することができる。

【００１６】これによって、前記の図１、図２に示した
従来技術に比べて、掘削精度が大巾に向上し、設計値と
異なった高さ（深さ）で掘削することはほとんど無くな
る。

【００１７】高精度の暗渠排水管設置溝を掘削するため
の掘削機は、現行のレベルセンサー（基準レーザー光受
光機）のレーザー受光窓（レーザー感知部分）では、通
常上下方向に３０ｍｍ程度の許容長さしか持たないの
で、本発明の掘削機にこれを利用するに当たっては、ト
レンチャーの上下方向の可動範囲１ｍ程度の受光範囲を
確保するために、受光器の位置を自由に移動させると同
時に、その移動距離を測定することとした。

【００１８】さらに、この従来のレベルセンサー（レベ
ル受光器）には、受光方向に指向性があるので、本発明
のレベルセンサー（レベル受光器）１では、水平方向の
回転制御も行っている。

【００１９】本発明の使用機器並びに機材に関するハー
ドウェアは、それぞれ次のものを使用した。

【００２０】１）トレンチャー掘削ユニットＥは、市販
のクローラ農用トレンチャーを使用した。

【００２１】２）水平基準用レーザー光源（レーザー発
光器ユニット）Ａは、市販の電子レベル機器を使用し
た。この電子レベルは、それ自体を水平に設置した時の
み、発光器が回転しながら、水平方向に３６０度のレー
ザー光を常時発光するが、この機能により、設置方法の
良否による精度の悪化を防ぐことができるものである。

【００２２】また、発するレーザー光は、赤外レーザー
光を用いているため、作業範囲内の作業者にも安全なも
のである。

【００２３】３）レーザー受光器ユニットＢの内、レー
ザー光受光器（レベルセンサー）では、基準レーザー光
を受光、発音するだけでなく、その入射位置を電気信号
として出力させる必要があるので、市販のレベルセンサ
ーを使用して、レーザー光の入射位置をデジタル論理デ
ータとして出力させるように改造して用いた。

【００２４】４）また、このレーザー光受光器ユニット
Ｂでは、図１０、図１１に示すように、レベルセンサー
（レーザー受光器）１を上下方向に移動させるためにボ
ールねじ軸（受光器上下移動用シャフト）８と、ボール
ねじ用ナット１０を使用して、ボールねじ軸８を上下移
動用モーター３で回転させることとし、その移動範囲の
最上部に基準位置の測定用スイッチ５と、ボールねじ軸
の回転を正逆方向とも計測できるようなロータリーエン
コーダー４を取付けた。

【００２５】また、レーザー受光器（レベルセンサー）
１の水平方向制御のために、レベルセンサー１の上下機
構を含めた装置全体を回転させる方向位置制御サーボモ
ーター２を装着したが、装置全体では無くレベルセンサ
ー１のみを制御する方法をとることも可能である。

【００２６】５）操作ユニット（データー処理装置）Ｃ
では、受光器の基準高さ、レーザー光の入射位置情報、
トレンチャーの移動距離、設計掘削値等のデーターを処
理して、アクチュエータ１２を制御するためのマイクロ
コンピューター１６を使用した。

【００２７】次に、図１２には、本発明掘削器のハード
ウェア全体とトレンチャーコントロール装置の構成を示
すが、トレンチャーコントロール装置は、大別すると下
記の５つのブロックで構成されている。

【００２８】１）また、レーザー受光器ユニットＢは、
レーザー受光器（レベルセンサー）１が上下して、トレ
ンチャー刃先２８の相対位置を読みとりながら、レーザ
ー光を補足するものであり、レーザー光を受光して、レ
ーザー受光器１を上下するためのボールねじ上下移動用
モーター３と、その回転を検出するフォトインタラプタ
ー１３と、スリットの入った円盤で構成されたロータリ
ーエンコーダー４と、基準位置検出用のフォトインタラ
プター１３等の最上部位置リミットスイッチ５、最下部
位置リミットスイッチ６、ユニット全体の向きを水平方
向に回転させるための方向制御モーター２、レーザー受
光器ユニットＢをトレンチャー本体２９に固定する取付
け用ステー１５で構成される。

【００２９】２）トレンチャー本体２９の移動距離を測
定する走行距離検出ユニット（走行距離計測ユニット）
Ｄは、トレンチャー牽引用トラクタの走行用キャタピラ
（トラック）２７に連結連動させた走行距離検出ギアー
２１と、走行距離センサー２０より構成される。

【００３０】３）トレンチャー本体２９の上下と、角度
を制御するための、掘削ユニットＥ（油圧制御ユニッ
ト）は、自動制御と手動制御の油圧系統の切り替えのた
めの電磁弁と、油圧シリンダーの位置制御用の４ポート
３位置電磁弁を各２回路で、構成されている。

【００３１】４）操作ユニット（ドライバーユニット）
Ｃは、上記、１）２）の各ユニットからの信号をマイク
ロコンピュータに入力可能な信号に増幅変換し、また、
マイクロコンピュータの指示を３）の電磁弁を駆動可能
な信号に変換増幅する。

【００３２】５）受光器ユニットＢと操作ユニットＣの
各センサーから得られた信号をデーター化して、一括演
算処理するコントローラー１９は、マイクロコンピュー
タ１６を核にセンサー状態の検出及びアクチュエーター
制御信号用のパラレルデータ入出力回路、ロータリーエ
ンコーダー入力回路、データ表示装置（ＣＲＴ・ＬＥＤ
等）、データ入力装置（キーボード）１８、設計データ
入力用フレキシブルディスク装置（ＦＤＤ）で構成され
ている。

【００３３】これらを制御するためのマイクロコンピュ
ーター１６のソフトウェアは、装置の性格から、安全対
策とリアルタイム性を考慮したプログラムとした。

【００３４】なお、キーボード１８とディスプレイ（表
示画面）１７は、図１３および図１４に示すような、専
用入力装置とし、パソナルコンピューターに不慣れなオ
ペレーターにも、本機器の使用が可能になるように簡素
にした。

【００３５】なお、入力に際しては、誤操作を極力少な
くするため、キーボード１８の操作を、１）：コマンド
キー（動作指示）入力、２）：確認キー入力の２ストロ
ーク操作とし、１ストローク目の入力時点では、装置の
制御ループに影響を及ぼさないようにしており、２スト
ローク目の確認キー入力前は、いつでも操作を取り消せ
るようにしている。

【００３６】

【作用】本発明の高性能暗渠自動掘削機を使用して、圃
場整備をした場合の作用について図１〜図１４を参照し
ながら説明する。

【００３７】まず、本発明の自動掘削機の使用地域内に
レーザー発光器Ａを設置し、トレンチャー本体２９に設
置した本発明のレーザー受光ユニットＢと、操作ユニッ
トＣと、走行距離検出ユニットＤと、掘削ユニットＥの
電源を始動させることにより、各ユニットの初期化が開
始される。

【００３８】初期化の行程では、レーザー受光器上下移
動モーター３を作動させて、ユニット最上部のセンサー
基準位置リミットスイッチ５が働くまで移動させること
から始まる。

【００３９】移動終了時にレーザー受光器１の高さ位置
を計測するロータリーエンコーダー４の受光器相対高さ
位置チャンネルがリセットされるので、この基準点を±
０ｍｍとする。

【００４０】その後、レーザー受光器１は、５０ｍｍ下
りた位置で待機するが、これは、最上部より５０ｍｍの
間に受光器１保護のための格納用カバー１４を取付けた
ための処置である。

【００４１】次いで、キーボード１８より「サーチ」キ
ーを押すと、レーザー受光器１は、レーザー光を補足す
るまで上下動作を繰り返し補足した時点で停止する。

【００４２】また、手動により、トレンチャー本体２９
を上下作動させて、レーザー光を補足することも可能に
している。

【００４３】この後、自動油圧制御モードにセットする
と、レーザー受光器（レベルセンサー）１の中心部でレ
ーザー光を補足するように、トレンチャー本体２９の高
さ位置を絶えず上下補正し、また、同時に、トレンチャ
ー本体２９の角度が重力に対して鉛直方向になるように
作動する。

【００４４】次いで、キーボード１８より、掘削指定高
さを入力設定すると、レーザー発光器ユニット（レーザ
ー光源）Ａに対して、レーザー受光器１の絶対位置を固
定したままで、レーザー受光器高さ制御モーター（受光
器上下移動モーター）３と、トレンチャー本体２９の高
さと、角度制御油圧シリンダー２３を調和制御し、自動
的にレーザー受光器１と、トレンチャー本体２９の相対
高さ位置関係を変えて、指定高さ迄トレンチャー刃先２
８の位置を移動させる。

【００４５】以上の操作と制御で、基準水平レーザー光
を用いての水平暗渠溝Ｆの掘削が可能となるが、勾配を
付加しての掘削の際には、指定勾配率を入力した後、自
動勾配モードにセットすると、指定勾配率に対して、ト
レンチャー本体２９牽引用トラクタのキャタピラ（トラ
ック）２７に設置した走行距離検出ユニット（走行距離
計測ユニット）Ｄからの移動距離をもとに、現在位置で
の高さを算出し、リアルタイムにトレンチャー刃先２８
の高さが自動制御するようになっている。

【００４６】

【実施例】本発明の高性能自動掘削機を田圃の暗渠溝掘
削工事に使用した場合における暗渠溝掘削精度につい
て、従来技術のものと対比した結果を図１５に示す。

【００４７】この実験結果より、本発明の高性能自動掘
削機を仕様した場合は、掘削精度が設計値と実測値の誤
差を最大３ｍｍの範囲以内に治めることができるので、
従来技術の場合に比べて大巾に改善されている。

【００４８】

【効果】従来の汎用型トレンチャーによる田圃の暗渠管
埋設工事では、管埋設のための溝掘削作業をオペレータ
ーの経験勘と掘削後の手作業による実測と長年の勘によ
る補正修正作業に頼っていたため、掘削精度の高い溝勾
配を確保することが難しく、埋設管を敷設することがで
きず、また、作業能率も低く、田圃の暗渠整備工事のネ
ックになっていた。

【００４９】本発明の高性能自動掘削機は、水平基準面
をレーザー光線で常時発信しておき、トレンチャー側の
センサーがこれを常時受信して、この基準水平面と比較
しつつ、トレンチャー刃先位置と施工設計値との関係を
コンピューターが演算し、その結果をトレンチャーの掘
削ユニットにリアルタイムでフィードバックさせること
にしたため、トレンチャーの溝掘削精度が１桁程度まで
大巾に向上した。

【００５０】さらに、掘削溝勾配の精度確保のための実
測要員や勾配修正要員を不要とし、作業工程も簡略化で
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１には、現工法による掘削作業のフローチャ
ートを示す。

【図２】図２には、従来工法による掘削作業の掘削状況
のモデルを示す。

【図３】図３には、前発明法による掘削作業のフローチ
ャートを示す。

【図４】図４には、本発明法による掘削作業の掘削状況
のモデルを示す。

【図５】図５には、本発明法による掘削装置の概要を示
す。

【図６】図６には、本発明法による掘削装置の機構を示
す。

【図７】図７には、本発明法によるプログラムのフロー
チャートを示す。

【図８】図８には、本発明法によるプログラムのフロー
チャートを示す。

【図９】図９には、本発明法によるプログラムのフロー
チャートを示す。

【図１０】図１０には、本発明法によるレーザー受光器
ユニットの構成を示す。

【図１１】図１１には、本発明法によるレーザー受光器
の機構を示す。

【図１２】図１２には、本発明法の構成概略を示す。

【図１３】図１３には、本発明法のキーボードを示す。

【図１４】図１４には、本発明法の表示画面を示す。

【図１５】図１５には、本発明法による掘削作業の実験
例を示す。

【符号の説明】

Ａ：レーザー発光器ユニット（レーザー光源） Ｂ：レーザー受光器ユニット １．レーザー受光器（レベルセンサー） ２．受光ユニット方向回転用サボモーター ３．受光器上下移動モーター（受光器高さ制御モータ
ー） ４．受光器位置計測エンコーダー ５．受光器位置最上部リミットスイッチ ６．受光器位置最下部リミットスイッチ ７．受光感度調節器 ８．受光器上下移動用シャフト（ボールねじ軸） ９．センサー受光窓 １０．ボールねじ軸用ナット １１．ガイド軸 １２．アクチュエーター １３．フォトインタラプター １４．センサー受光器カバー １５．本体取付け用ステー Ｃ：操作ユニット １６．コンピューター １７．ディスプレイ １８．キーボード １９．コントローラー Ｄ：走行距離検出ユニット ２０．走行距離センサー ２１．走行距離検出ギャー Ｅ：掘削ユニット ２２．トレンチャー上下油圧シリンダー ２３．トレンチャー上下角度シリンダー ２４．トレンチャー上下油圧電磁弁 ２５．トレンチャー角度油圧電磁弁 ２６．掘削バケット ２７．走行用キャタピラ（トラック） ２８．トレンチャー刃先 ２９．トレンチャー本体 ３０．トレンチャー用保護カバー Ｆ：暗渠溝 Ｇ：地盤

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光線を基準に均一勾配の暗渠溝
   を連続して、掘削するトレンチャー付き掘削機におい
   て、高さ制御検出のためのレーザー受光装置と掘削距離
   検出のための走行距離検出装置を付加して、あらかじめ
   コンピューターに入力してある手動指示モードと一定勾
   配モードとプログラムモードを適用した２次元位置管理
   の掘削情報をもとに、油圧等によるトレンチャーを自動
   制御しつつ上下作動させて、勾配を設定値にコントロー
   ルしながら、掘削することを特徴とした高性能暗渠自動
   掘削機であり、レーザー発光ユニットＡと、レーザー受
   光ユニットＢと、操作ユニットＣと、走行距離検出ユニ
   ットＤと、掘削ユニットＥで構成されている。