(57)【要約】      （修正有）【課題】土層をより正確に測定する土質調査装置、並びに土質調査装置の制御装置、制御方法、及び土質調査方法を提供する。【解決手段】土層調査装置１は、土層を掘削するための作業部材１１と、作業部材１１を回転させるトルク発生部１３と、作業部材１１に推力を与える推力発生部１４と、トルク発生部１３による作業部材１１の回転速度を目標回転速度に制御する回転制御部と、推力発生部１４による作業部材１１の推力を目標推力に制御する推進制御部と、目標回転速度で回転され、かつ、目標推力で推進されている作業部材１１に土層から入力する反力に関する情報を取得する測定結果取得部と、を備える制御装置５０を有することを特徴とする。【選択図】図１
2020153129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土層を掘削するための作業部材と、
前記作業部材を回転させる回転駆動部と、
前記作業部材に推力を与える推進駆動部と、
前記回転駆動部による前記作業部材の回転速度を目標回転速度に制御する回転制御部と、
前記推進駆動部による前記作業部材の推力を目標推力に制御する推進制御部と、
前記目標回転速度で回転され、かつ、前記目標推力で推進されている前記作業部材に土層から入力する反力に関する情報を取得する測定結果取得部と、
を備えることを特徴とする土層調査装置。
【請求項２】
前記回転制御部は、
前記作業部材の回転方向における回転位置に関する情報を取得する回転位置取得部と、
前記目標回転速度及び前記作業部材の回転方向における現在の回転位置に基づいて、前記作業部材の回転の制御における位置及び力の領域への制御エネルギーの変換を行う第１変換部と、
前記第１変換部の変換結果に基づいて、位置の領域における演算を行う第１位置領域演算部と、
前記作業部材が前記目標回転速度で回転するための力の領域における値を算出する第１力領域演算部と、
前記第１位置領域演算部及び前記第１力領域演算部の演算結果に基づいて、前記回転駆動部の入力への変換を行う第１逆変換部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の土層調査装置。
【請求項３】
前記推進制御部は、
前記作業部材の掘削方向における推進位置に関する情報を取得する推進位置取得部と、
前記目標推力及び前記作業部材の掘削方向における現在の位置に基づいて、前記作業部材の推進の制御における位置及び力の領域への制御エネルギーの変換を行う第２変換部と、
前記第２変換部の変換結果に基づいて、力の領域における演算を行う第２力領域演算部と、
前記作業部材が前記目標推力で推進するための位置の領域における値を算出する第２位置領域演算部と、
前記第２力領域演算部及び前記第２位置領域演算部の演算結果に基づいて、前記推進駆動部の入力への変換を行う第２逆変換部と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の土層調査装置。
【請求項４】
前記測定結果取得部によって取得された前記反力に関する情報に基づいて、土層の状態に変化があるか否かを判定する状態判定部をさらに備え、
前記回転制御部は、前記状態判定部によって土層の状態に変化があると判定された場合に、前記作業部材の目標回転速度を周期変化する回転速度に設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の土層調査装置。
【請求項５】
前記作業部材は、一端に回転抵抗体を有する軸線方向に延びるロッドを有し、
前記回転駆動部は、前記ロッドに軸線周りのトルクを与え、前記推進駆動部は、前記回転抵抗体を前記土層に押し付ける前記推力を前記ロッドに与えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の土層調査装置。
【請求項６】
前記回転抵抗体は、円柱状の基体部を有していることを特徴とする請求項５に記載の土層調査装置。
【請求項７】
前記回転抵抗体は、前記ロッドの回転方向に面する面を有する羽根部を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項５または６に記載の土層調査装置。
【請求項８】
土層を掘削するための作業部材と、前記作業部材を回転させる回転駆動部と、前記作業部材に推力を与える推進駆動部とを有する土層調査装置の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記回転駆動部による前記作業部材の回転速度を目標回転速度に制御する回転制御部と、
前記推進駆動部による前記作業部材の推力を目標推力に制御する推進制御部と、
前記目標回転速度で回転され、かつ、前記目標推力で推進されている前記作業部材に土層から入力する反力に関する情報を取得する測定結果取得部と、を備える
ことを特徴とする土層調査装置の制御装置。
【請求項９】
土層を掘削するための作業部材と、前記作業部材を回転させる回転駆動部と、前記作業部材に推力を与える推進駆動部と、回転制御部と、推進制御部と、測定結果取得部とを備える土層調査装置の制御方法であって、
前記回転制御部によって、前記回転駆動部による前記作業部材の回転速度を目標回転速度に制御させるステップと、
前記推進制御部によって、前記回転駆動部による前記作業部材の推力を目標推力に制御させるステップと、
前記測定結果取得部によって、前記目標回転速度で回転され、かつ、前記目標推力で推進されている前記作業部材に土層から入力する反力に関する情報を取得させるステップと、
を含む
ことを特徴とする土層調査装置の制御方法。
【請求項１０】
作業部材が調査対象の土層に一定の推力で押し付けられるように前記作業部材に推力を与え、
前記作業部材が前記推力の方向周りに所定の回転速度で回転するように前記作業部材にトルクを与え、
前記作業部材に与えるトルクの値を検出し、
前記検出したトルクの値に基づいて前記調査対象の土層の土質を判断することを特徴とする土層調査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土層調査装置、土層調査装置の制御装置、土層調査装置の制御方法、及び土層調査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物の地盤の評価等のために、従来から土層の調査が行われている。土層の調査には、標準貫入試験が行なわれることがある（例えば、非特許文献１参照。）。標準貫入試験は、土層の強度や土層の成分の調査のための試験であり、所定の深さまで地盤を掘削して形成した試験孔の底の土層を調査するものである。具体的には、決められた質量（６３．５ｋｇ±０．５ｋｇ）のハンマーを７６ｃｍ±１ｃｍの高さから自由落下させることによる打撃により試験孔底の土層にサンプラーを貫入し、規定貫入量である３０ｃｍの深さまでサンプラーを打ち込むのに要する打撃回数（＝Ｎ値）を求める（例えば、特許文献１参照。）。このＮ値は、土層の強度や固さを評価する指標として広く用いられている。
【０００３】
また、サンプラーには、土層採取用の孔が形成されており、標準貫入試験において試験孔底の土層にサンプラーが貫入される際に、このサンプラーの土層採取用の孔に土層が入り込み、サンプラーに試料として土層が採取される。土層の成分を判別するためには、採取された土層に対して、粒度分布測定や含水比測定等が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１６６２３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】日本工業規格、「標準貫入試験方法（ＪＩＳ  Ａ  １２１９）」、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２８年２月１５日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｉｂａｎ．ｏｒ．ｊｐ／ｆｉｌｅ／ｏｒｇａｎｉ／ｂｕ／ｋｉｊｙｕｎｂｕ／ｊｉｓ＿ａ＿１２１９．ｐｄｆ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、サンプラーによって採取された土層を解析する場合、土中に存在する状態の土層の性質を直接測定してはいないため、土層を必ずしも正確に測定できない場合がある。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、土層をより正確に測定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一態様の土層調査装置は、
土層を掘削するための作業部材と、
前記作業部材を回転させる回転駆動部と、
前記作業部材に推力を与える推進駆動部と、
前記回転駆動部による前記作業部材の回転速度を目標回転速度に制御する回転制御部と、
前記推進駆動部による前記作業部材の推力を目標推力に制御する推進制御部と、
前記目標回転速度で回転され、かつ、前記目標推力で推進されている前記作業部材に土層から入力する反力に関する情報を取得する測定結果取得部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、土層をより正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る土層調査装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る土層調査装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図３】回転制御部の詳細な機能的構成を示すブロック図である。
【図４】推進制御部の詳細な機能的構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る土層調査装置の制御装置が実行する土層調査処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態に係る土層調査方法によって得られる回転速度と回転トルクとの間の関係を例示すための図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る土層調査方法によって得られる推力と回転トルクとの間の関係を例示すための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
［本発明の基本的概念］
本発明に係る土層調査装置においては、土層を掘削するための回転抵抗体をロッドの先端に設置し、ロッドを回転軸として回転抵抗体を回転させながら、土層に対する推力を与えることで、土層の掘削において回転抵抗体が土層から受ける反力（回転トルク）を取得する。
このとき、速度または位置のエネルギーと力のエネルギーとを独立に取り扱うことが可能な位置・力制御方法（例えば、特許第６３８２２０３号公報に記載された位置・力制御方法）を応用し、回転抵抗体の回転（回転速度等）及び推力（土層に対する押圧力等）を制御することで、土層からの反力が加わる状況においても、回転抵抗体の回転及び推力の正確な制御を図っている。
【００１２】
そのため、本発明に係る土層調査装置においては、土層の掘削時に回転抵抗体が土層から受ける反力をより正確に取得できることから、取得された反力を解析することで、土層の性質をより正確に把握することができる。
即ち、本発明に係る土層調査装置によれば、土層をより正確に測定することが可能となる。
なお、位置と速度（または加速度）あるいは角度と角速度（または角加速度）は、微積分演算により置換可能なパラメータであるため、位置あるいは角度に関する処理を行う場合、適宜、速度あるいは角速度等に置換することが可能である。また、土層の測定を行うために、回転抵抗体が受ける反力（回転トルク）を取得することの他、土層の性質を把握できる他のパラメータ（例えば、角速度あるいは角加速度等）を取得することとしてもよい。
【００１３】
［位置・力制御方法］
上述したように、本発明に係る土層調査装置においては、速度または位置のエネルギーと力のエネルギーとを独立に取り扱うことが可能な位置・力制御方法を用いて、土層の測定を行う。
以下、本発明で用いる位置・力制御方法について、具体的に説明する。
【００１４】
本発明で用いる位置・力制御方法については、例えば、特許第６３８２２０３号公報に記載された以下の座標変換に基づいて、その具体的な意義を説明することができる。
即ち、本発明で用いる位置・力制御方法の基本となる座標変換として、制御対象システムの機能の基準となる値（基準値）と、制御されるアクチュエータの現在位置とを入力とする座標変換を定義することができる。この座標変換は、一般に、基準値及び現在速度（位置）を要素とする入力ベクトルを速度（位置）の制御目標値を算出するための速度（位置）からなる出力ベクトルに変換するとともに、基準値及び現在の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力からなる出力ベクトルに変換するものである。具体的には、本発明で用いる位置・力制御方法の基本となる座標変換は、次式（１）及び（２）のように一般化して表される。
【００１５】
【数１】
2020153129.tif 000003
【００１６】
ただし、式（１）において、ｘ’1〜ｘ’n（ｎは１以上の整数）は速度の状態値を導出するための速度ベクトルであり、ｘ’a〜ｘ’m（ｍは１以上の整数）は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく速度（アクチュエータの移動子の速度またはアクチュエータが移動させる対象物の速度）を要素とするベクトル、ｈ1a〜ｈnmは機能を表す変換行列の要素である。また、式（２）において、ｆ’’1〜ｆ’’n（ｎは１以上の整数）は力の状態値を導出するための力ベクトルであり、ｆ’’a〜ｆ’’m（ｍは１以上の整数）は、基準値及びアクチュエータの作用に基づく力（アクチュエータの移動子の力またはアクチュエータが移動させる対象物の力）を要素とするベクトルである。
【００１７】
さらに、式（１）及び（２）で表される位置・力制御のための座標変換をマスタ・スレーブ間のバイラテラル制御に用いる場合、式（３）及び（４）で表される座標変換として表すことができる。なお、本発明は、マスタ装置とスレーブ装置とを必要とするものではないが、ここでは説明の便宜のために、マスタ・スレーブ間のバイラテラル制御を想定するものとする。
【００１８】
【数２】
2020153129.tif 000004
【００１９】
ただし、式（３）において、ｘ’pは速度（位置）の状態値を導出するための速度、ｘ’fは力の状態値に関する速度である。また、ｘ’masterは基準値（マスタ装置からの入力）の速度（マスタ装置の現在位置の微分値）、ｘ’slaveはスレーブ装置の現在の速度（現在位置の微分値）である。また、式（４）において、ｆpは速度（位置）の状態値に関する力、ｆfは力の状態値を導出するための力である。また、ｆmasterは基準値（マスタ装置からの入力）の力、ｆslaveはスレーブ装置の現在の力である。
【００２０】
本発明に係る土層調査装置において、回転抵抗体（ロッド）の回転速度が設定値（例えば、一定速度あるいは周期変化する速度等）となるように制御する場合、式（３）及び（４）で表される座標変換を応用することにより、より正確な回転速度の制御を行うことができる。
具体的には、式（３）及び（４）において、速度の制御に関する行列の要素を有効とし、力の制御に関する行列の要素を無効とする（例えば０とする）ことにより、回転速度の制御を実現することができる。そして、基準値として回転速度の設定値を表す位置の情報（マスタの角速度θｍ’）を入力することで、回転抵抗体（ロッド）の回転速度（スレーブの角速度θｓ’）を設定値に制御することができる。
この場合、回転速度の制御を行うための座標変換は、例えば、次式（５）として表すことができる。
【００２１】
【数３】
2020153129.tif 000005
【００２２】
同様に、本発明に係る土層調査装置において、回転抵抗体（ロッド）の推力が設定値（例えば、一定の推力等）となるように制御する場合、式（３）及び（４）で表される座標変換を応用することにより、より正確な推力（押圧力）の制御を行うことができる。
具体的には、式（３）及び（４）において、力の制御に関する行列の要素を有効とし、速度の制御に関する行列の要素を無効とする（例えば０とする）ことにより、力の制御を実現することができる。そして、基準値として推力の設定値を表す力の情報（便宜的に想定されるマスタのトルクτｍ）を入力することで、回転抵抗体（ロッド）の推力（便宜的に想定されるスレーブのトルクτｓ）を設定値に制御することができる。
この場合、推力の制御を行うための座標変換は、例えば、次式（６）として表すことができる。
【００２３】
【数４】
2020153129.tif 000006
【００２４】
即ち、式（５）及び（６）に基づいて、回転抵抗体の回転及び推力を制御することにより、土層から受ける反力の影響を抑制しつつ、回転抵抗体の回転速度及び推力を正確に制御することが可能となる。
そして、このように制御された回転抵抗体に土層から入力される反力（回転に対する抵抗力）を取得することで、土層の性質（粒度や粘度等）を適確に反映したパラメータを取得することができる。
即ち、取得されたパラメータを解析することで、土層の性質をより正確に測定することが可能となる。
以下、本発明に係る土層調査装置の具体的な実施形態について説明する。
【００２５】
［第１実施形態］
［土層調査装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る土層調査装置１の構成を概略的に示す図である。また、図２は、土層調査装置１の機能的構成を示すブロック図である。なお、図２においては、土層調査装置１の機能的構成のうち、本発明に関連する主要な機能構成を示している。
【００２６】
図１，２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る土層調査装置１は、土層を掘削するための作業部材１１と、作業部材１１を駆動する作業部材駆動部１２とを有し、作業部材１１を動かして調査対象の土層に対する作業を行う作業部１０と、作業部材１１の位置を検出する位置検出部２０と、操作情報を有する操作部３０とを備えている。また、土層調査装置１は、土層調査装置１の各部を制御する制御装置５０を有している。
【００２７】
作業部材駆動部１２は、作業部材１１を回転させる回転駆動部としてのトルク発生部１３と、作業部材１１に推力を与える推進駆動部としての推力発生部１４とを有している。トルク発生部１３は、電動モータ等のアクチュエータを有しており、作業部材１１に軸線ｘ周りのトルクを与える。推力発生部１４は、電動モータ等のアクチュエータを有しており、作業部材１１に軸線ｘ方向の推力を与える。
【００２８】
操作部３０は、操作情報を有する。操作情報は、作業部１０の作業を指定するための情報や作業部材１１の動きを規定するための情報である。具体的に、操作情報は、後述する回転抵抗体１６の目標推力の情報と、回転抵抗体１６の目標回転速度の情報とを含む。
【００２９】
操作部３０は、制御装置５０に通信可能に接続されており、制御装置５０との間で信号の送受信を行うことが可能になっている。また、操作部３０は、操作情報等の情報の入力が可能になっており、調査者は操作部３０の操作によって操作部３０に操作情報や値等の情報を入力することができる。
【００３０】
土層調査装置１においては、操作情報に対応した回転速度で作業部材１１が回転し、また、操作情報に対応した推力で作業部材１１が押し付けられるようになっている。操作部３０は、例えば調査者が操作可能な端末であり、より具体的にはパーソナルコンピューター等である。例えば、調査者が操作部３０を操作して操作情報を入力することにより、操作部３０と接続された制御装置５０に、作業部材１１の推力の目標値と作業部材１１の回転速度の目標値が設定される。
【００３１】
作業部１０は、図１に示すように、軸線ｘ方向に往復移動可能に、また、軸線ｘ周りに回動可能に構成された作業部材１１を有しており、作業部材１１は、例えば、一端に回転抵抗体１６を有する軸線ｘ方向に延びるロッド１５を有している。ロッド１５は、軸線ｘ周りに回転可能になっており、例えば、直線状に延びる棒状の部材である。回転抵抗体１６は、例えば、図１に示すように、円柱状の基体部１６ａを有しており、基体部１６ａはロッド１５の先端１５ａに接続されており、基体部１６ａのロッド１５との接続部分とは反対の側に、ロッド１５（回転抵抗体１６）の回転方向に面する面を有する羽根部１６ｂを少なくとも１つ有している。このように、回転抵抗体１６が土層に押し付けられてロッド１５が回転させられると、羽根部１６ｂが土層を掻き分けるように土層内を回転して移動し、回転抵抗体１６が回転に対して抵抗となり抵抗力（トルク）が発生するようになっている。ロッド１５の構造は、上述の構造に限られず、軸線ｘ周りに回転可能となるものであればよい。また、回転抵抗体１６も、上述の構造に限られず、ロッド１５の回転に対して土層から抵抗を受けるものであればよい。例えば回転抵抗体１６は、羽根部１６ｂを有していなくてもよい。
【００３２】
トルク発生部１３は、電動モータ等のアクチュエータを有しており、制御装置５０からの制御値の入力に応じて、ロッド１５に軸線ｘ周りのトルクを与え、ロッド１５を軸線ｘ周りに回動可能にしている。トルク発生部１３は、例えば、推力発生部１４の後述する可動部材１４ａに設けられ、その出力軸１３ａが接続部材１３ｂを介してロッド１５の後端１５ｂに接続されている。接続部材１３ｂは、例えばソケットであり、トルク発生部１３の出力軸１３ａの先端とロッド１５の後端１５ｂとを接続する部材であり、トルク発生部１３の出力軸１３ａとロッド１５とを相対回動不能に接続する。トルク発生部１３は、ロッド１５の後端１５ｂにトルクを伝達する。また、推力発生部１４は、電動モータ等のアクチュエータを有しており、制御装置５０からの制御値の入力に応じて、ロッド１５にその延び方向（軸線ｘ方向において後端１５ｂから先端１５ａに向かう方向）の力（推力）を与え、ロッド１５を軸線ｘに沿って往復移動可能にしている。推力発生部１４は、例えば図１に示すように、軸線ｘに沿って往復移動する可動部材１４ａとアクチュエータ１４ｂとを有している。推力発生部１４において、可動部材１４ａは、アクチュエータ１４ｂの動力を受けて軸線ｘ方向に往復移動するようになっている。アクチュエータ１４ｂは、例えばリニアモータアクチュエータであり、可動部材１４ａに固定された可動子１４ｃと、後述する保持部材１７に固定された軸線ｘ方向に延びる軸１４ｄとを有している。アクチュエータ１４ｂにおいて、可動子１４ｃは、制御装置５０からの制御値の入力に応じて軸１４ｄに沿って移動する。この可動子１４ｃの駆動により、可動部材１４ａが軸線ｘ方向に移動する。アクチュエータ１４ｂは、リニアモータアクチュエータに限られず、他のアクチュエータであってもよい。
【００３３】
また、作業部１０は、図１に示すように、作業部材１１及び作業部材駆動部１２（トルク発生部１３及び推力発生部１４）を保持する保持部材１７を有している。保持部材１７は、平面（接地面）に設置可能になっており、接地面に対して軸線ｘが垂直又は略垂直となるように、作業部材１１及び作業部材駆動部１２を保持するように形成されている。また、保持部材１７において推力発生部１４は、回転抵抗体１６が接地面に接触する位置よりも更に下方に回転抵抗体１６を移動できるように保持されている。なお、下方とは、軸線ｘ方向において、ロッド１５の後端１５ｂから先端１５ａに向かう方向である。また、保持部材１７は、推力発生部１４によって回転抵抗体１６が接地面に押し付けられた際に、反力によって推力発生部１４が上方に移動しないようになっている。保持部材１７は、例えば、図１に示すように、アクチュエータ１４ｂを保護するためのカバー１７ａを有しており、アクチュエータ１４ｂはカバー１７ａによって覆われている。カバー１７ａの左右の側面には、可動部材１４ａの移動を案内する貫通孔１７ｂが形成されている。なお、可動部材１４ａは、背面、左右の側面及び前面を構成する部材によって筒状に形成され、前面にトルク発生部１３が設置されている。可動部材１４ａの背面は、左右の貫通孔１７ｂを通ってカバー１７ａを貫通し、可動部材１４ａの左右の側面及び前面と共に、カバー１７ａの奥行方向における前面側を囲んでいる。また、可動部材１４ａの背面には、アクチュエータ１４ｂの可動子１４ｃが固定されている。即ち、可動部材１４ａはカバー１７ａの前面側を囲い込む構造となっており、アクチュエータ１４ｂの可動子１４ｃの駆動により、可動部材１４ａがカバー１７ａの前面側の形状に案内されながら軸線ｘ方向に移動する。これにより、可動部材１４ａとカバー１７ａとの間でがたつきが発生することを抑制できるため、可動部材１４ａの軸線ｘ方向における移動を安定させ、トルク発生部１３の動作（ロッド１５の回動）により可動部材１４ａに生じる反動を抑制することができる。
【００３４】
図２に示すように、土層調査装置１は、位置検出部２０を有しており、位置検出部２０は、作業部材１１の軸線ｘ方向における位置を検出する推進位置検出部２１と、作業部材１１の軸線ｘ周りの位置（回転位置）を検出する回転位置検出部２２とを有している。具体的には、推進位置検出部２１は、位置センサであり、ロッド１５又は回転抵抗体１６の軸線ｘ方向における位置を検出する。推進位置検出部２１は、例えば、回転抵抗体１６の軸線ｘ方向における位置を検出する位置センサであり、所定の基準位置に対する位置を検出可能にする。また、回転位置検出部２２は、具体的には、位置センサであり、ロッド１５又は回転抵抗体１６の軸線ｘ周りの位置を検出する。回転位置検出部２２は、例えば、軸線ｘを中心とする回転方向における回転抵抗体１６の回転位置を検出する回転位置センサであり、所定の基準回転位置に対する回転位置（回転角度）を検出可能にする。推進位置検出部２１は、作業部１０に取り付けられていてもよく、作業部１０に取り付けられていなくてもよい。同様に、回転位置検出部２２は、作業部１０に取り付けられていてもよく、作業部１０に取り付けられていなくてもよい。
【００３５】
制御装置５０は、図２に示すように、作業部材駆動部１２及び位置検出部２０に通信可能に接続されており、図１に示すように、作業部１０に取り付けられている。制御装置５０は、作業部１０に取り付けられていなくてもよく、操作部３０に組み込まれていてもよく、また、作業部１０及び操作部３０とは別体として構成されていてもよい。制御装置５０は、作業部１０、位置検出部２０、及び操作部３０に通信可能に接続されていればよい。
【００３６】
制御装置５０には、調査者による操作部３０に対する入力操作によって設定された操作情報と、位置検出部２０によって検出された情報とが入力される。また、制御装置５０には、土層の状態が変化したか否かの判定基準等の情報が入力されてもよい。
【００３７】
［機能的構成］
次に、土層調査装置１の機能的構成について説明する。
図２に示すように、土層調査装置１は、制御装置５０において、回転目標設定部１００と、推進目標設定部２００と、回転制御部３００と、推進制御部４００と、測定結果取得部５００と、状態判定部６００と、を備えている。これらの機能ブロックは、例えば、上述した制御装置５０を構成するマイクロコントローラ、コントローラ、およびモータドライバ等のハードウェア資源と、当該マイクロコントローラおよびコントローラ等に記憶されているプログラム（ソフトウェア資源）とが協働することによって実現される。
【００３８】
回転目標設定部１００は、調査者の入力操作に従って、回転抵抗体１６の目標回転速度を設定する。回転抵抗体１６の目標回転速度は、回転制御部３００が式（５）に基づく制御を実行する場合に、基準値として用いられる回転速度の設定値である。本実施形態においては、回転抵抗体１６を一定速度で回転させる場合の速度及び回転抵抗体１６の速度を周期変化させる場合の速度のそれぞれが目標回転速度として設定される。なお、回転抵抗体１６の目標回転速度は、調査者の入力操作に従って設定することができる他、目標回転速度が記述された設定ファイルを読み込むこと等によっても設定することができる。
【００３９】
推進目標設定部２００は、調査者の入力操作に従って、回転抵抗体１６の目標推力を設定する。回転抵抗体１６の目標推力は、推進制御部４００が式（６）に基づく制御を実行する場合に、基準値として用いられる推力の設定値である。本実施形態においては、回転抵抗体１６を一定の推力で推進させる場合の推力が目標推力として設定される。なお、回転抵抗体１６の目標推力は、調査者の入力操作に従って設定することができる他、目標推力が記述された設定ファイルを読み込むこと等によっても設定することができる。
【００４０】
回転制御部３００は、回転目標設定部１００によって設定された目標回転速度及び回転抵抗体１６の現在の角度（位置）を入力として、式（５）に基づく座標変換を行い、回転抵抗体１６の角度及び回転トルクを逐次算出することにより、回転抵抗体１６の回転動作を制御する。本実施形態において、回転制御部３００は、土層の測定を行う際の標準の制御においては、回転抵抗体１６の回転速度を一定とし、状態判定部６００から回転抵抗体１６の回転速度を周期変化させるための指示信号が入力された場合には、回転抵抗体１６の回転速度を一時的に周期変化させる（例えば、一定時間あるいは一定の推進距離の間だけ周期変化させる。）。なお、回転制御部３００の詳細な機能的構成については後述する。
【００４１】
推進制御部４００は、推進目標設定部２００によって設定された目標推力及び回転抵抗体１６の現在の推力（アクチュエータの現在の出力トルク）を入力として、式（５）に基づく座標変換を行い、回転抵抗体１６の位置（掘削方向の位置）及び推力（アクチュエータの出力）を逐次算出することにより、回転抵抗体１６の推進動作を制御する。なお、推進制御部４００の詳細な機能的構成については後述する。
【００４２】
測定結果取得部５００は、回転抵抗体１６が土層から受ける反力（または土層の性質を把握できる他のパラメータ）を取得し、取得した反力を半導体メモリ等からなる記憶部に記憶する。また、測定結果取得部５００は、記憶した反力に基づいて、土層の性質を表す各種パラメータ（粘度、水分特性等）を算出し、算出したパラメータを記憶部に記憶する。このように算出されたパラメータは、土層の測定結果を表すものとなる。
【００４３】
状態判定部６００は、測定結果取得部５００によって取得された反力（または算出されたパラメータ）に基づいて、土層の状態に変化があるか否かを判定する。そして、状態判定部６００は、土層の状態に変化があると判定した場合、回転制御部３００に対し、目標回転速度を周期変化する回転速度に変更するための指示信号を出力する。なお、土層に含まれる砂や砂利の粒度が大きく変化する等、土層の状態が変化した場合には、回転抵抗体１６の回転速度を一定として土層を測定しても、適切な測定結果が得られ難い。そこで、本実施形態においては、回転抵抗体１６の回転速度を周期的に変化させることで、土層のより適切な測定を図ることとしている。
【００４４】
［回転制御部３００の機能的構成］
次に、回転制御部３００の詳細な機能的構成について説明する。
図３は、回転制御部３００の詳細な機能的構成を示すブロック図である。
図３に示すように、回転制御部３００は、回転位置取得部３０１と、第１座標変換部３０２と、第１力領域演算部３０３と、第１位置領域演算部３０４と、第１逆変換部３０５と、回転用アクチュエータ制御部３０６と、を備えている。
【００４５】
回転位置取得部３０１は、回転抵抗体１６の回転位置に関する情報を逐次取得する。回転抵抗体１６の回転位置に関する情報としては、回転方向における現在の角度を取得することができる他、回転方向における現在の角速度、現在の角加速度等を取得することとしてもよい。
第１座標変換部３０２は、回転目標設定部１００によって設定された目標回転速度及び回転抵抗体１６の回転方向における現在の角度（位置）を入力として、式（５）に基づく座標変換を実行する。
【００４６】
第１力領域演算部３０３は、第１座標変換部３０２における座標変換の結果に基づいて、力の領域における演算を実行する。本実施形態において、回転抵抗体１６の回転動作は、設定された回転速度と一致するよう制御されるため、回転トルクについては、システムが許容する範囲内で、回転速度を目標回転速度と一致させるための任意の値が算出される。
第１位置領域演算部３０４は、第１座標変換部３０２における座標変換の結果に基づいて、位置の領域における演算を実行する。本実施形態において、第１位置領域演算部３０４は、式（５）で座標変換された位置領域の状態値が、制御目標値（ここではゼロ）となるための位置の領域の値を算出する。即ち、第１位置領域演算部３０４は、回転抵抗体１６の回転位置が目標回転速度から定まる位置と一致するための位置の領域の値を算出する。
【００４７】
第１逆変換部３０５は、第１力領域演算部３０３によって算出された力及び第１位置領域演算部３０４によって算出された位置の領域の値を回転用アクチュエータへの入力の領域の値（電流の指令値等）に変換する。
回転用アクチュエータ制御部３０６は、第１逆変換部３０５によって変換された回転用アクチュエータへの入力の領域の値に基づいて、回転用アクチュエータの制御信号を出力する。
【００４８】
［推進制御部４００の機能的構成］
次に、推進制御部４００の詳細な機能的構成について説明する。
図４は、推進制御部４００の詳細な機能的構成を示すブロック図である。
図４に示すように、推進制御部４００は、推進位置取得部４０１と、第２座標変換部４０２と、第２力領域演算部４０３と、第２位置領域演算部４０４と、第２逆変換部４０５と、推進用アクチュエータ制御部４０６と、を備えている。
【００４９】
推進位置取得部４０１は、回転抵抗体１６の推進位置に関する情報を逐次取得する。回転抵抗体１６の推進位置に関する情報としては、掘削方向における現在の位置を取得することができる他、掘削方向における現在の速度、現在の加速度等を取得することとしてもよい。
第２座標変換部４０２は、推進目標設定部２００によって設定された目標推力及び回転抵抗体１６の掘削方向における現在の位置を入力として、式（６）に基づく座標変換を実行する。なお、回転抵抗体（ロッド）１６の推力は、回転抵抗体１６の掘削方向における現在の位置（加速度）から算出することができ、回転抵抗体１６の推力と推進用アクチュエータの回転トルクτｓとは互いに換算可能なパラメータであるため、式（６）においては推進用アクチュエータの回転トルクτｓが入力として用いられる。
【００５０】
第２力領域演算部４０３は、第２座標変換部４０２における座標変換の結果に基づいて、力の領域における演算を実行する。本実施形態において、第２力領域演算部４０３は、式（６）で座標変換された力領域の状態値が、制御目標値（ここではゼロ）となるための力の領域の値を算出する。
第２位置領域演算部４０４は、第２座標変換部４０２における座標変換の結果に基づいて、位置の領域における演算を実行する。本実施形態において、回転抵抗体１６の推進動作は、設定された推力と一致するよう制御されるため、掘削方向における位置については、システムが許容する範囲内で、推力を目標推力と一致させるための任意の値が算出される。
【００５１】
第２逆変換部４０５は、第２力領域演算部４０３によって算出された力及び第２位置領域演算部４０４によって算出された位置の領域の値を推進用アクチュエータへの入力の領域の値（電流の指令値等）に変換する。
推進用アクチュエータ制御部４０６は、第２逆変換部４０５によって変換された推進用アクチュエータへの入力の領域の値に基づいて、推進用アクチュエータの制御信号を出力する。
【００５２】
［動作］
次に、土層調査装置１の動作を説明する。
図５は、土層調査装置１の制御装置５０が実行する土層調査処理の流れを示すフローチャートである。
土層調査処理は、土層調査装置１において、土層調査処理の実行を指示する操作が行われることに対応して開始される。
【００５３】
ステップＳ１において、回転目標設定部１００は、調査者の入力操作に従って、回転抵抗体１６の目標回転速度を設定する。また、推進目標設定部２００は、調査者の入力操作に従って、回転抵抗体１６の目標推力を設定する。
ステップＳ２において、回転制御部３００は、回転目標設定部１００によって設定された目標回転速度（一定の回転速度）及び回転抵抗体１６の現在の角度（位置）を入力として、式（５）に基づく座標変換を行い、回転抵抗体１６の角度及び回転トルクを逐次算出することにより、回転抵抗体１６の回転動作を制御する。また、推進制御部４００は、推進目標設定部２００によって設定された目標推力及び回転抵抗体１６の現在の推力（アクチュエータの現在の出力トルク）を入力として、式（５）に基づく座標変換を行い、回転抵抗体１６の位置（掘削方向の位置）及び推力（アクチュエータの出力）を逐次算出することにより、回転抵抗体１６の推進動作を制御する。
【００５４】
ステップＳ３において、測定結果取得部５００は、回転抵抗体１６が土層から受ける反力（または土層の性質を把握できる他のパラメータ）を取得し、取得した反力を半導体メモリ等からなる記憶部に記憶する。また、測定結果取得部５００は、記憶した反力に基づいて、土層の性質を表す各種パラメータ（粘度、水分特性等）を算出し、算出したパラメータを記憶部に記憶する。
【００５５】
ステップＳ４において、状態判定部６００は、測定結果取得部５００によって取得された反力（または算出されたパラメータ）に基づいて、土層の状態に変化があるか否かを判定する。
土層の状態に変化がない場合、ステップＳ４においてＮＯと判定されて、処理はステップＳ７に移行する。
一方、土層の状態に変化がある場合、ステップＳ４においてＹＥＳと判定されて、処理はステップＳ５に移行する。
【００５６】
ステップＳ５において、状態判定部６００は、回転制御部３００に対し、目標回転速度を周期変化する回転速度に変更するための指示信号を出力する。これにより、回転制御部３００は、回転抵抗体１６の回転速度を一時的に周期変化させる。
ステップＳ６において、測定結果取得部５００は、回転抵抗体１６が土層から受ける反力（または土層の性質を把握できる他のパラメータ）を取得し、取得した反力を半導体メモリ等からなる記憶部に記憶する。また、測定結果取得部５００は、記憶した反力に基づいて、土層の性質を表す各種パラメータ（粘度、水分特性等）を算出し、算出したパラメータを記憶部に記憶する。
【００５７】
ステップＳ７において、制御装置５０は、土層調査処理の終了が指示されたか否か（停止ボタンが操作されたか否か等）を判定する。
土層調査処理の終了が指示されていない場合、ステップＳ７においてＮＯと判定されて、処理はステップＳ２に移行する。
一方、土層調査処理の終了が指示された場合、ステップＳ７においてＹＥＳと判定されて、土層調査処理は終了となる。
【００５８】
このような処理により、土層調査装置１においては、回転抵抗体１６の回転（回転速度等）及び推力（土層に対する押圧力等）が制御され、土層からの反力が加わる状況においても、回転抵抗体１６の回転及び推力の正確な制御が図られる。
そのため、土層の掘削時に回転抵抗体１６が土層から受ける反力をより正確に取得できることから、取得された反力を解析することで、土層の性質をより正確に把握することができる。
即ち、本発明に係る土層調査装置に１よれば、土層をより正確に測定することが可能となる。
【００５９】
本土層調査方法によって、ロッド１５を回転させるトルクの値は、例えば図６に示すように検出される。図６に示すように、ロッド１５を一定の回転速度で回転させるトルク値は、一定ではなく変動する。このトルク値の変動の様子は、土層の成分に応じて異なってくると考えられる。具体的には、検出されたトルクの最大値と最小値との比であるトルク変動係数と、土層の最大粒径との間には相関があり、土層の最大粒径が大きいほどトルク変動係数が増加すると考えられる。このため、ロッド１５の土層への押し付け力を一定に保った状態でロッド１５を回転させるトルク値の変動を検出することにより、トルク変動係数に基づいて土層の最大粒径を予測することができ、予測された土層の最大粒径から土層の成分を予測することができる。
【００６０】
また、本土層調査方法によって、ロッド１５を押し付ける推力の値とロッド１５を回転させるトルクの値との関係から、土層の内部摩擦角を予測することができる。つまり、ロッド１５を押し付ける推力の大きさを変化させ、各々の推力の値において所定の一定の回転速度でロッド１５を回転させるトルクの値を検出することにより、図７に示すように、調査対象の土層毎に推力とトルクとの関係を得ることができる。この得られた推力値とトルク値との関係から、土層の内部摩擦角を予測することができる。
【００６１】
本発明の実施形態に係る土層調査装置１においては、上述のように、制御装置５０の制御により、回転抵抗体１６が土層に押し付けられる力を一定にすることができる。このため、回転抵抗体１６が土層から受ける抵抗トルクを正確に検出することができる。
【００６２】
このように、本発明の実施形態に係る土層調査装置１、土層調査装置１の制御装置５０、土層調査装置１の制御方法、及び土層調査方法によれば、試験試料の採取を必要とすることなく土層の調査を行うことができる。
【００６３】
上述の本発明の実施形態に係る土層調査装置１において、操作部３０において設定された操作情報は、ロッド１５の回転速度の基準値としてロッド１５を一定の回転速度で回転させるようにする情報を有しているとしたが、操作情報は、これに限られない。例えば、操作情報は、ロッド１５の回転速度の基準値として、ロッド１５の回転速度が所定の周期で変化するようにロッド１５を回転させるようにする情報を有していてもよい。例えば、ロッド１５の回転速度が、三角関数の周期で変化するようにする操作情報を操作部３０が有していてもよい。このように、ロッド１５の回転速度が所定の周期で変化するようにロッド１５を回転させるようにすることにより、調査対象の土層の粘土を調査することができる。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記本発明の実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。例えば、上記実施形態における、各構成要素の形状等の形態は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。
【００６５】
また、上述の実施形態において、特許第６３８２２０３号公報に記載された位置・力制御方法を応用して制御を行う場合を例に挙げて説明したが、制御方法はこれに限られない。即ち、本発明を実施する場合、回転抵抗体１６の回転速度を目標回転速度に制御しつつ、必要な回転トルクを与えることができ、回転抵抗体１６の推力を目標推力に制御しつつ、必要な速度を与えることができるものであれば、他の制御方法を用いることも可能である。
【００６６】
本発明に係る土層調査装置、土層調査装置の制御装置、土層調査装置の制御方法、及び土層調査方法は、本発明に係る土層調査装置を上述のように調査対象の土層に設置して行う土層調査のみではなく、機械に取り付けられて用いられてもよい。本発明に係る土層調査装置、土層調査装置の制御装置、土層調査装置の制御方法、及び土層調査方法は、例えば、土層を調査するロボットに適用されてもよく、掘削機に適用されてもよい。掘削機に適用される場合は、例えば、シールドチャンバー内の土砂の性状を検出するために、本発明に係る土層調査装置、土層調査装置の制御装置、土層調査装置の制御方法、及び土層調査方法は用いられ、検出結果は例えば加泥材や気泡の注入管理に使用される。
【００６７】
また、回転抵抗体１６は、基体部１６ａを有しておらず、羽根部１６ｂのみを有していてもよい。また、回転抵抗体１６は羽根部１６ｂを有していなくてもよく、この場合、基体部１６ａのロッド１５との接続部とは反対側の端面は、土層から抵抗を受けるような形状や性状（表面粗さ等）に形成されている。
【００６８】
また、上述の実施形態における制御装置５０の処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。即ち、上述の処理を実行できる機能が制御装置５０に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
【００６９】
プログラムを記憶する記憶媒体は、配布可能なリムーバブルメディア、あるいは、制御装置５０に予め組み込まれた記憶媒体等で構成される。リムーバブルメディアは、例えば、フラッシュメモリ、磁気ディスク、光ディスク、または光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ−Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ），Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ（登録商標）等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ−Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、制御装置５０本体に予め組み込まれた記憶媒体は、例えば、プログラムが記憶されているＲＯＭやハードディスク等で構成される。
【符号の説明】
【００７０】
１…土層調査装置、１０…作業部、１１…作業部材、１２…作業部材駆動部、１３…回転駆動部（トルク発生部）、１３ａ…出力軸、１３ｂ…接続部材、１４…推進駆動部（推力発生部）、１４ａ…可動部材、１４ｂ…アクチュエータ、１４ｃ…可動子、１４ｄ…軸、１５…ロッド、１５ａ…先端、１５ｂ…後端、１６…回転抵抗体、１６ａ…基体部、１６ｂ…羽根部、１７…保持部材、１７ａ…カバー、１７ｂ…貫通孔、２０…位置検出部、２１…推進位置検出部、２２…回転位置検出部、３０…操作部、５０…制御装置、１００…回転目標設定部、２００…推進目標設定部、３００…回転制御部、３０１…回転位置取得部、３０２…第１座標変換部、３０３…第１力領域演算部、３０４…第１位置領域演算部、３０５…第１逆変換部、３０６…回転用アクチュエータ制御部、４００…推進制御部、４０１…推進位置取得部、４０２…第２座標変換部、４０３…第２力領域演算部、４０４…第２位置領域演算部、４０５…第２逆変換部、４０６…推進用アクチュエータ制御部、５００…測定結果取得部、６００…状態判定部。
【図１】
2020153129.tif 000007
【図２】
2020153129.tif 000008
【図３】
2020153129.tif 000009
【図４】
2020153129.tif 000010
【図５】
2020153129.tif 000011
【図６】
2020153129.tif 000012
【図７】
2020153129.tif 000013