JP2002201899A

JP2002201899A - セグメント位置決め方法

Info

Publication number: JP2002201899A
Application number: JP2000401013A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Handa; 典久半田; Kengo Matsuo; 研吾松尾
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】セグメントの姿勢微調整を瞬時に行えるよう
にする。【解決手段】シールド掘削機内部に６軸パラレルマニ
ピュレータ９を介して支持した移動フレーム１５に旋回
フレーム１６を設け、旋回フレーム１６に設けた把持装
置１７によりセグメントＳｏを把持し、旋回フレーム１
６の回転によりセグメントＳｏを所定の組立位置に位置
決めした後、当該セグメントＳｏの原点Ｏ位置を通る直
交した３軸Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸線周りの既設セグメントに
対するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングず
れを夫々計測し、そのヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれに基づき原点Ｏを通る等価回転軸ｒ
を演算し、その等価回転軸ｒ周りにセグメントＳｏを所
定角度回転させるように６軸パラレルマニピュレータ９
の作動を制御することによって、一回の操作でセグメン
トＳｏの姿勢微調整を終了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド掘削機に
おけるセグメント位置決め方法の改善に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のシールド掘削機は、一般に、本体
ケーシングの内部に旋回フレームを備えており、該旋回
フレームにセグメント位置決め装置を設け、該セグメン
ト位置決め装置に備えた把持装置により、シールド掘削
機の後方から搬入されてきたセグメントを把持するよう
にしている。そして、旋回フレームを旋回することによ
り把持したセグメントを既設セグメントに合わせて所定
の組立位置に位置決めする。この時、種々の計測手段に
より、既設セグメントに対する把持したセグメントのヨ
ーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを計測
し、把持したセグメントのヨーイングずれ、ピッチング
ずれ、ローリングずれを順次調整する姿勢微調整を行
う。このようにして位置決めと姿勢微調整を行ったセグ
メントは、既設セグメントの端面に当接させてボルトに
より既設セグメントに締結される。

【０００３】一方、上記ヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれの微調整は、夫々を別個に行ってい
るため、その一つの調整によって他の調整済みの方向に
再びずれを生じる場合があり、この場合には再度姿勢微
調整を繰返すようにしている。

【０００４】上記セグメント位置決め装置は、旋回フレ
ームによる回転方向作動の他に、半径方向作動と前後方
向作動を大きな移動量で調整する必要があり、更にヨー
イングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づい
た姿勢微調整を行う必要があるために、大型でしかも複
雑な構造となっている。しかし、前記シールド掘削機に
は、セグメント位置決め装置の内部を通してスクリュー
コンベア等の機器を配置する必要があり、このために、
セグメント位置決め装置がこれらの機器と干渉する問題
があり、従って、狭い空間に、前記したような大型且つ
複雑な構造のセグメント位置決め装置を設置することは
技術的に困難を伴っていた。

【０００５】このため、近年では、例えば図７、図８に
示すように、把持装置を６軸パラレルマニピュレータに
て支持するようにしたものが提案されている。

【０００６】図７、図８のセグメント位置決め装置１
は、シールド掘削機の本体ケーシング２の内部に、案内
ローラ３により回転可能に支持され、且つモータ４によ
りピニオン５と大歯車６を介し回転駆動される旋回フレ
ーム７が設けられている。該旋回フレーム７には、６本
のジャッキ８ａ〜８ｆからなる６軸パラレルマニピュレ
ータ９を介して移動フレーム１０が取付けられている。
そして移動フレーム１０に、セグメントＳｏを把持する
ための把持装置１１が取付けられた構成になっている。
把持装置１１はセグメントＳｏを常に同じ姿勢で把持で
きるようになっている。前記旋回フレーム７と移動フレ
ーム１０には、図示しないスクリューコンベア等の機器
を配置するための開口１２が設けられている。図７中、
１３はシールドジャッキである。

【０００７】前記６軸パラレルマニピュレータ９は、旋
回フレーム７の同心円上で等距離の３ヶ所には、二本を
１組としたジャッキ８ａ，８ｂと、８ｃ，８ｄと、８
ｅ，８ｆの基端部を枢着している。そして、移動フレー
ム１０の同心円上で等距離の３ヶ所には、前記ジャッキ
８ａ〜８ｆにおけるジャッキ８ｆ，８ａと、８ｂ，８ｃ
と、８ｄ，８ｅのロッド先端を枢着している。これによ
り、各ジャッキ８ａ〜８ｆは傾斜していて、６軸パラレ
ルマニピュレータ９を側方から見るとジグザクの形状と
なっている。

【０００８】前記セグメント位置決め装置１には、既設
セグメントＳの位置、把持したセグメントＳｏの位置及
び姿勢（ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリング
ずれ）を計測する図示しない計測センサが備えられてい
る。

【０００９】そして、上記セグメント位置決め装置１で
は、シールド掘削機の後方（図７の右方）から搬入され
てきたセグメントＳｏを、把持装置１１によって把持
し、旋回フレーム７の回転によりセグメントＳｏの周方
向の組立位置への位置決めを行い、更に６軸パラレルマ
ニピュレータ９の伸縮により前後方向及び半径方向へ移
動して組立位置へ位置決めする。続いて、６軸パラレル
マニピュレータ９の伸縮により、既設セグメントＳに対
するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれ
に対する姿勢微調整を以下のようにして順次行う。

【００１０】即ち、図９、図１０において、図９（Ａ）
のようにセグメントＳｏの位置決めを行った後、既設セ
グメントＳとのＸ軸線周りのヨーイングずれ計測を行
い、６軸パラレルマニピュレータ９を作動して図９
（Ｂ）のようにヨーイングずれ修正を行う。続いて、既
設セグメントＳとのＹ周りのピッチングずれ計測を行
い、６軸パラレルマニピュレータ９を作動して図９
（Ｃ）のようにピッチングずれ修正を行う。続いて、既
設セグメントＳとのＺ軸線周りのローリングずれ計測を
行い、６軸パラレルマニピュレータ９を作動して図９
（Ｄ）のようにローリングずれ修正を行う。

【００１１】このようにして位置決めと姿勢微調整を行
ったセグメントＳｏは、既設セグメントＳの端面に当接
されてボルトにより既設セグメントＳに締結される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７、
図８に示したセグメント位置決め装置１においても、図
９、図１０に示したように、把持したセグメントＳｏの
ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを順
次計測して微調整するようにしているために、セグメン
トの組立作業に時間が掛かり能率が低下するという問題
がある。又、上記ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ロ
ーリングずれの一つを調整すると他の調整した方向に影
響して再びずれを生じる場合があり、この場合には再度
姿勢微調整を行う必要があり、よって作業時間が更に延
長されるという問題がある。

【００１３】本発明は、上記従来の問題点を解決するべ
くなしたもので、セグメントの姿勢微調整を瞬時に行え
るようにしたセグメント位置決め方法を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、シールド掘削
機内部に６軸パラレルマニピュレータを介して支持した
移動フレームを設け、該移動フレームに回転可能な旋回
フレームを設け、該旋回フレームに把持装置を設けて該
把持装置によりセグメントを把持し、旋回フレームの回
転によりセグメントを所定の組立位置に位置決めした
後、当該セグメントの原点位置を通る直交した３軸線の
各軸線周りの既設セグメントに対するヨーイングずれ、
ピッチングずれ、ローリングずれを夫々計測し、そのヨ
ーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づ
き前記原点を通る等価回転軸を演算し、その等価回転軸
周りにセグメントを所定角度回転させるように６軸パラ
レルマニピュレータの作動を制御することによって、一
回の操作でセグメントの姿勢微調整を終了することを特
徴とするセグメント位置決め方法、に係るものである。

【００１５】本発明は、シールド掘削機内部に回転可能
な旋回フレームを設け、該旋回フレームに６軸パラレル
マニピュレータを介して支持した移動フレームを設け、
該移動フレームに把持装置を設けて該把持装置によりセ
グメントを把持し、旋回フレームの回転によりセグメン
トを所定の組立位置に位置決めした後、当該セグメント
の原点位置を通る直交した３軸線の各軸線周りの既設セ
グメントに対するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ロ
ーリングずれを夫々計測し、そのヨーイングずれ、ピッ
チングずれ、ローリングずれに基づき前記原点を通る等
価回転軸を演算し、その等価回転軸周りにセグメントを
所定角度回転させるように６軸パラレルマニピュレータ
の作動を制御することによって、一回の操作でセグメン
トの姿勢微調整を終了することを特徴とするセグメント
位置決め方法、に係るものである。

【００１６】本発明では、組立位置に位置決めしたセグ
メントのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリング
ずれを検出し、そのヨーイングずれ、ピッチングずれ、
ローリングずれに基づいて等価回転軸を演算し、該等価
回転軸の周りにセグメントを所定の回転角度だけ回転さ
せるように６軸パラレルマニピュレータの作動を制御す
ることにより、一回の操作でセグメントの姿勢微調整を
終了することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照しつつ説明する。

【００１８】図１は本発明のセグメント位置決め方法を
実施する装置の一例を示す概略斜視図、図２は詳細斜視
図、図３は計測センサの一例を示す斜視図、図４は本発
明のセグメント位置決め方法の原理を示す線図である。
なお従来技術において説明した部分と同じ部分には同じ
符号を付して説明を省略する。

【００１９】図１、図２に示すセグメント位置決め装置
１は、シールド掘削機の本体ケーシング２の内部に、シ
ールド中心と直交したベースプレート１４が設けられて
おり、該ベースプレート１４に、６本のジャッキ８ａ〜
８ｆからなる６軸パラレルマニピュレータ９を介して移
動フレーム１５を設けている。該移動フレーム１５に
は、旋回フレーム１６が回転可能に備えられている。更
に、旋回フレーム１６には、セグメントＳｏを把持する
把持装置１７が設けられており、又、旋回フレーム１６
の把持装置１７に対して円周の反対側位置にはカウンタ
ウェイト１８が設けられている。

【００２０】前記把持装置１７には、図３に示すよう
に、把持装置１７で把持したセグメントＳｏの原点Ｏ
（例えばセグメントＳｏの中心）を通る半径方向の軸線
Ｘを中心として回転する方向のヨーイングずれを、セグ
メントＳｏの回転移動時に回転方向前後位置で既設セグ
メントＳの端面との距離を検出することにより計測する
ヨーイングずれ計測センサ１９，２０を備えている。ヨ
ーイングずれ計測センサ１９，２０は、半径方向に移動
して既設セグメントＳの端面を検出するようになってい
る。

【００２１】更に、把持装置１７には、前記セグメント
Ｓｏの原点Ｏを通り、且つ円弧面に対する接線方向の軸
線Ｙを中心として回転する方向のピッチングずれを、セ
グメントＳｏの回転方向の前後位置で既設セグメントＳ
の内面との距離を検出することにより計測するローリン
グずれ計測センサ２１，２２を備えている。

【００２２】更に、把持装置１７には、前記セグメント
Ｓｏの原点Ｏを通り、前後方向の軸線Ｚを中心に回転す
る方向のローリングずれを、前後位置で既設セグメント
Ｓの内面との距離を検出することにより計測するローリ
ングずれ計測センサ２３，２４を備えている。

【００２３】そして、図２に示すように、前記各センサ
１９〜２４で検出したヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれの検出信号２５は、位置決め信号２
６が入力されて６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャ
ッキ８ａ〜８ｆの伸縮を制御信号２７により制御してセ
グメントＳｏを組立位置に位置決めするようにしている
制御装置２８に出力される。

【００２４】制御装置２８は、位置決め信号２６により
セグメントＳｏを組立位置に位置決めした後、各センサ
１９〜２４で検出したヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれの検出信号２５が入力されると、ヨ
ーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づ
いて、前記原点Ｏを通る等価回転軸ｒを演算し、同時に
この等価回転軸ｒの周りにセグメントを回転させる回転
角度φを求め、更に、この回転角度φだけ等価回転軸ｒ
の周りにセグメントＳｏを回転させるのに必要な各ジャ
ッキ８ａ〜８ｆの伸縮量を求めて、前記６軸パラレルマ
ニピュレータ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆを制御する制御
信号２７を出すようになっている。これにより、一回の
操作でセグメントＳｏの姿勢微調整を終了できるように
している。

【００２５】即ち、図４に示すように、直交座標系［ｎ
_x，ｓ_y，ａ_z］を原点の共通な直交座標系［ｎ_xd，
ｓ_yd，ａ_zd］に一致させるような座標系の変換を考え
る。これらの座標系の軸の方向偏差は次式で定義され
る。

【００２６】

【数１】ｅ₀＝ｒsinφ −π／２＜φ＜π／２・・・（１）｜ｒ｜＝１式（１）は単位ベクトルｒまわりに角度φ回転すること
によって、各軸（ｎとｎ _d、ｓとｓ_d、ａとａ_d）が同時
に一致することを示す。又、この方向偏差は、一般に座
標から直接、

【数２】ｅ₀＝１／２（ｎ×ｎ_d＋ｓ×ｓ_d＋ａ×ａ_d）・・・（２）と計算される。式（１）及び（２）から、

【数３】ｒ_x ²＋ｒ_y ²＋ｒ_z ²＝１・・・（３）

【数４】ｒ_xsinφ＝ａ，ｒ_ysinφ＝ｂ，ｒ_zsinφ＝ｃ・・・（４）これより、

【数５】ｒ_x ²sin²φ＋ｒ_y ²sin²φ＋ｒ_z ²sin²φ＝ａ²＋ｂ²＋ｃ² ⇔ （ｒ_x ²＋ｒ_y ²＋ｒ_z ²）sin²φ＝ａ²＋ｂ²＋ｃ² ⇔ sinφ＝√（ａ²＋ｂ²＋ｃ²） ⇔ φ＝sin^-1√（ａ²＋ｂ²＋ｃ²）・・・（５）ｒ_x=ａ／sinφ ・・・（６）ｒ_y=ｂ／sinφ ・・・（７）ｒ_z=ｃ／sinφ ・・・（８）以上より、等価回転軸ｒと回転角度φを求めることがで
きる。

【００２７】次に本発明の作用を図１、図２を用いて説
明する。

【００２８】シールド掘削機の後方（図１の右方）から
搬入されたセグメントＳｏは、セグメント位置決め装置
１の把持装置１７により把持され、旋回フレーム１６の
回転によってセグメントの周方向位置が位置決めされ
る。更に、位置決め信号２６が入力されている制御装置
２８からの制御信号により、６軸パラレルマニピュレー
タ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆが伸縮されてセグメントＳ
ｏの前後方向及び半径方向への移動が行われて組立位置
に位置決めされる。

【００２９】セグメントＳｏが組立位置に位置決めされ
た状態において、半径方向の軸線Ｘを中心として回転す
る方向のヨーイングずれがヨーイングずれ計測センサ１
９，２０によって計測され、又、接線方向の軸線Ｙを中
心として回転する方向のピッチングずれがピッチングず
れ計測センサ２１，２２により計測され、又、前後方向
の軸線Ｚを中心に回転する方向のローリングずれがロー
リングずれ計測センサ２３，２４によって計測され、各
計測センサ１９〜２４で検出したヨーイングずれ、ピッ
チングずれ、ローリングずれの検出信号２５が制御装置
２８に出力される。

【００３０】制御装置は、前記ヨーイングずれ、ピッチ
ングずれ、ローリングずれに基づいて、前記式（１）〜
式（８）により、原点Ｏを通る等価回転軸ｒを演算して
求め、同時にこの等価回転軸ｒの周りにセグメントＳｏ
を回転させる回転角度φを演算して求める。そして、こ
の回転角度φだけ等価回転軸ｒの周りを回転させるのに
必要な６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャッキ８ａ
〜８ｆの伸縮量を求めて、各ジャッキ８ａ〜８ｆに制御
信号２７を出力する。

【００３１】これにより、把持装置１７に支持されたセ
グメントＳｏは、図５、図６において、図５（Ａ）のよ
うに位置決めされた後、図５（Ｂ）のように等価回転軸
ｒの周りを回転角度φだけ回転させるという一回の操作
のみで、セグメントＳｏの姿勢微調整を終了することが
できる。

【００３２】上記図１、図２では、シールド掘削機の本
体ケーシング２の内部に、６軸パラレルマニピュレータ
９を介して移動フレーム１５を支持し、該移動フレーム
１５に回転可能な旋回フレーム１６を取付け、該旋回フ
レーム１６に把持装置１７を設けた場合について説明し
たが、前記図７、図８と同様の構成、即ち、シールド掘
削機の本体ケーシング２の内部に回転可能な旋回フレー
ム７を設け、該旋回フレーム７に６軸パラレルマニピュ
レータ９を介して支持した移動フレーム１０を設け、該
移動フレーム１０に把持装置１１を設けた構成において
も同様に実施することができる。即ち、図７、図８と同
様の構成においても、ヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれに基づいて前記と同様に等価回転軸
ｒを演算し、該等価回転軸ｒの周りにセグメントを回転
角度φだけ回転させるように６軸パラレルマニピュレー
タ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆの伸縮制御を行えば、一回
の操作でセグメントＳｏの姿勢微調整を終了することが
できる。

【００３３】尚、図３の例では、合計６個の計測センサ
１９〜２４によって、セグメントＳｏの姿勢ずれを計測
する場合について説明したが、セグメントＳｏの姿勢変
化のみを考える場合（座標原点が一致していて各軸線周
りのずれを知る場合）には、各センサの計測結果の組み
合わせにより、センサ数を３個とすることもできる。
又、計測センサには非接触式、接触式の何れも採用する
ことができる。

【００３４】更に、本発明は上記した形態例にのみ限定
されるものではなく、セグメント位置決め装置における
把持装置を支持する方式は図示例以外にも種々採用し得
ること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て種々変更し得ること、等は勿論である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、組立位置に位置決めし
たセグメントのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ロー
リングずれを検出し、そのヨーイングずれ、ピッチング
ずれ、ローリングずれに基づいて等価回転軸を演算し、
該等価回転軸の周りにセグメントを所定の回転角度だけ
回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を
制御することにより、一回の操作でセグメントの姿勢微
調整を終了することができ、よってセグメント組立作業
の大幅な能率向上が図れるという優れた効果を奏し得
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセグメント位置決め方法を実施する装
置の一例を示す概略斜視図である。

【図２】図１の詳細斜視図である。

【図３】計測センサの一例を示す斜視図である。

【図４】セグメント位置決め方法の原理を示す線図であ
る。

【図５】本発明の方法の手順を示す斜視図である。

【図６】本発明の方法の手順を示すブロック図である。

【図７】従来のセグメント位置決め装置の一例を示す側
断面図である。

【図８】図７のセグメント位置決め装置の斜視図であ
る。

【図９】従来のセグメント位置決めの手順を示す斜視図
である。

【図１０】従来のセグメント位置決めの手順を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

７旋回フレーム９軸パラレルマニピュレータ１０移動フレーム１１把持装置１５移動フレーム１６旋回フレーム１７把持装置Ｏ原点Ｓ既設セグメントＳｏセグメントＸ軸線Ｙ軸線Ｚ軸線ｒ等価回転軸 φ 回転角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シールド掘削機内部に６軸パラレルマニ
ピュレータを介して支持した移動フレームを設け、該移
動フレームに回転可能な旋回フレームを設け、該旋回フ
レームに把持装置を設けて該把持装置によりセグメント
を把持し、旋回フレームの回転によりセグメントを所定
の組立位置に位置決めした後、当該セグメントの原点位
置を通る直交した３軸線の各軸線周りの既設セグメント
に対するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリング
ずれを夫々計測し、そのヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれに基づき前記原点を通る等価回転軸
を演算し、その等価回転軸周りにセグメントを所定角度
回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を
制御することによって、一回の操作でセグメントの姿勢
微調整を終了することを特徴とするセグメント位置決め
方法。
【請求項２】シールド掘削機内部に回転可能な旋回フ
レームを設け、該旋回フレームに６軸パラレルマニピュ
レータを介して支持した移動フレームを設け、該移動フ
レームに把持装置を設けて該把持装置によりセグメント
を把持し、旋回フレームの回転によりセグメントを所定
の組立位置に位置決めした後、当該セグメントの原点位
置を通る直交した３軸線の各軸線周りの既設セグメント
に対するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリング
ずれを夫々計測し、そのヨーイングずれ、ピッチングず
れ、ローリングずれに基づき前記原点を通る等価回転軸
を演算し、その等価回転軸周りにセグメントを所定角度
回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を
制御することによって、一回の操作でセグメントの姿勢
微調整を終了することを特徴とするセグメント位置決め
方法。