JP2009025252A - テールクリアランス自動計測システムおよびテールクリアランス自動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削作業を中断させることなくテールクリアランスをリアルタイムで計測する。
【解決手段】撮像手段１０と、複数の基準位置と撮像手段１０との離間距離と、基準高さと、基準高さに相当するピクセル数とから得られる撮像手段１０固有のピクセル比Ｐｆとを記憶する記憶手段２１と、撮像手段１０とセグメント４との離間距離を取得する離間距離取得手段２２と、セグメント４の読取基準点Ｒに対応するピクセル値を読み取るピクセル値読取手段２３と、読取基準点Ｒに対応するピクセル値と、スキンプレート３上の計測基準点３ａに対応するピクセル値と、離間距離取得手段２２で得られた離間距離と、ピクセル比Ｐｆとから、テールクリアランスを算出するクリアランス演算手段２４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールド掘削機のスキンプレートと、組み立てられたセグメント間のテールクリアランスを計測するテールクリアランス自動計測システムおよびテールクリアランス自動計測方法に関する。

シールド掘削機のスキンプレートとセグメント間のテールクリアランスを計測するには、従来、定規を用いた手作業による計測や、距離センサをスキンプレートに埋め込んでセグメントまでの距離を計測する計測方法などが用いられていた。また、その他に、レーザ光線とＣＣＤカメラを組み合わせた計測方法（例えば、特許文献１乃至特許文献４参照）や、スリット光投光器とＣＣＤカメラを組み合わせた計測方法（特許文献５および特許文献６参照）もあった。
特開昭６３−３１５７９７号公報 特開平８−１２１０８７号公報 特開平７−１５９１７号公報 特開平８−３２７３５６号公報 特開平５−１６３８８８号公報 特開平８−８６６１８号公報

しかしながら、従来の手作業による計測方法では、リアルタイムで計測することができない上に、人為的誤差が発生したり、組立作業の中断による掘削効率の低下が発生したりするといった問題があった。また、距離センサを用いた場合は、センサ装置が高価である上に、過酷な環境下で破損し易いといった問題があった。

一方、レーザ光線とＣＣＤカメラを組み合わせた計測方法やスリット光投光器とＣＣＤカメラを組み合わせた計測方法では、レーザ源や光源の他に、これらの制御装置が必要となり、装置本体が大掛かりになり、高価になってしまうといった問題があった。

そこで、本発明は前記の問題を解決すべく案出されたものであって、掘削や推進作業を中断させることなくテールクリアランスをリアルタイムで計測できるとともに、計測装置が破損しにくく安価であるテールクリアランス自動計測システムおよびテールクリアランス自動計測方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、シールド掘削機のスキンプレートと組み立てられたセグメント間のテールクリアランスを計測するテールクリアランス自動計測システムにおいて、前記スキンプレートと前記セグメントとの隙間周辺を撮像する撮像手段と、前記スキンプレートに設けた複数の基準位置と前記撮像手段との離間距離と、前記各基準位置における同一の基準高さと、前記各基準位置における画像上の前記基準高さに相当するピクセル数とから得られる前記撮像手段固有のピクセル比とを記憶する記憶手段と、前記撮像手段と前記セグメントとの離間距離を取得する離間距離取得手段と、前記撮像手段により撮像された画像から前記セグメントの読取基準点に対応する座標であるピクセル値を読み取るピクセル値読取手段と、前記読取基準点に対応するピクセル値と、計測位置におけるスキンプレート上の計測基準点に対応するピクセル値と、前記離間距離取得手段で得られた前記離間距離と、前記ピクセル比とに基づいて、前記テールクリアランスを算出するクリアランス演算手段と、を備えたことを特徴とするテールクリアランス自動計測システムである。

本発明において、ピクセル比とは、撮像手段のレンズと受像位置間の距離に相当する撮像手段固有の定数であって、スキンプレートに設けた複数の基準位置と撮像手段との離間距離と、各基準位置における同一の基準高さと、各基準位置における画像上の基準高さに相当するピクセル数との比例関係式から算出される定数である。

このような構成によれば、撮像手段で撮像された画像から、テールクリアランスを算出できるので、スキンプレートとセグメントとの隙間周辺を撮像可能な位置に撮像手段を設ければよく、従来のようにレーザ源や光源およびこれらの制御装置を設ける必要がないので、従来と比較して構造が簡単になり、破損しにくく安価である。また、撮像手段の設置位置が、計測箇所から離れているため、現場作業に影響を与えずにセグメントの組立作業を中断させることなくリアルタイムで計測することができるとともに、撮像手段の破損も防止される。

請求項２に係る発明は、前記離間距離取得手段が、推進ジャッキの伸長量から前記撮像手段と前記セグメント間の離間距離を取得することを特徴とする請求項１に記載のテールクリアランス自動計測システムである。

このような構成によれば、撮像手段とセグメント間の離間距離をリアルタイムで容易且つ正確に取得することができる。

請求項３に係る発明は、前記撮像手段が、前記スキンプレートの内周面に固定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテールクリアランス自動計測システムである。

このような構成によれば、撮像手段のスキンプレートに対する相対位置を一定にすることができるので、テールクリアランスの算出において、撮像手段のスキンプレートとの相対位置の補正を行う必要がない。

請求項４に係る発明は、前記セグメントの撮像部分を照らす照明手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のテールクリアランス自動計測システムである。

このような構成によれば、撮像手段で鮮明な画像を撮像できるので、テールクリアランスの計測精度を向上させることができる。

請求項５に係る発明は、シールド掘削機のスキンプレートと組み立てられたセグメント間のテールクリアランスを計測するテールクリアランス自動計測方法において、前記スキンプレートの複数の基準位置に設置したキャリブレータプレートを、前記スキンプレートに固定された撮像手段でそれぞれ撮像し、撮像された各画像から前記各基準位置における前記キャリブレータプレートの基準高さの上下二点に対応するピクセル値をそれぞれ読み取り、前記各上下二点に対応するピクセル値から、画像上の前記基準高さに相当するピクセル数をそれぞれ算出し、複数の前記基準位置と前記撮像手段との離間距離と、前記キャリブレータプレートの基準高さと、前記ピクセル数とから得られる前記撮像装置固有のピクセル比を求めておき、前記撮像手段で前記スキンプレートと前記セグメントとの隙間周辺を撮像し、撮像された画像から前記セグメントの読取基準点に対応するピクセル値を読み取るとともに、前記撮像手段と前記セグメントの離間距離を取得し、前記離間距離から計測位置におけるスキンプレートの計測基準点に対応するピクセル値を算出し、前記読取基準点に対応する前記ピクセル値と、前記スキンプレートの計測基準点に対応する前記ピクセル値と、前記撮像手段と前記セグメントの前記離間距離と、前記ピクセル比とに基づいて、前記テールクリアランスを算出することを特徴とするテールクリアランス自動計測方法である。

このような方法によれば、テールクリアランス計測のためのキャリブレーションを容易に行うことができ、セグメントの組立作業を中断させることなくテールクリアランスをリアルタイムで計測することができる。

本発明によれば、掘削や推進作業を中断させることなくテールクリアランスをリアルタイムで計測できるとともに、計測装置が破損しにくく安価であるといった優れた効果を発揮する。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係るテールクリアランス自動計測システムを実施するための最良の形態を示した構成図である。図２は、撮像手段とスキンプレートとセグメントの位置関係を示した断面図である。図３は、本発明に係るテールクリアランス自動計測方法の計測原理を説明するための図である。図４は、撮像手段の取付状態を示した斜視図である。図５は、キャリブレータプレートを示した斜視図である。図６は、撮像手段で撮像した画像を表示した画面を示した図である。

図１に示すように、かかるテールクリアランス自動計測システム１は、シールド掘削機２のスキンプレート３と組み立てられたセグメント４間のテールクリアランスを計測するものであって、以下の各構成要素を備えている。スキンプレート３とセグメント４との隙間周辺を撮像する撮像手段１０。スキンプレート３に設けた複数の基準位置Ｋ１，Ｋ２（図３参照）と撮像手段１０との離間距離Ｘｃ１，Ｘｃ２（図３参照）と、各基準位置Ｋ１，Ｋ２における同一の基準高さＨｃ（図３参照）と、各基準位置Ｋ１，Ｋ２における画像上の基準高さＨｃに相当するピクセル数Ｓｃ１，Ｓｃ２（図３参照）とから得られる撮像手段１０固有のピクセル比Ｐｆ（図３参照）とを記憶する記憶手段２１。撮像手段１０とセグメント４との離間距離Ｘｓを取得する離間距離取得手段２２。撮像手段１０により撮像された画像からセグメント４の読取基準点Ｒ（図６参照）に対応する座標であるピクセル値Ｐｔｃを読み取るピクセル値読取手段２３。読取基準点Ｒに対応するピクセル値Ｐｔｃ（図３参照）と、計測位置におけるスキンプレート３上の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐ（図３参照）と、離間距離取得手段２２で得られた離間距離Ｘｓと、前記ピクセル比Ｐｆとに基づいて、テールクリアランスＨを算出するクリアランス演算手段２４。

なお、本実施形態において、基準高さ方向とは、テールクリアランス（スキンプレート３とセグメント４の隙間方向）の長さ方向を示し、スキンプレート３の径方向に沿った方向である。また、ピクセル値は画像上の座標を示し、Ｘ座標とＹ座標の二軸座標値にて表される。ピクセル数は、画像上の二点間の高さ方向（テールクリアランスの長さ方向）における座標差を示す。

シールド掘削機２は、前端に設けられたカッター５を回転させながら、後方に組み付けられたセグメント４の前端面を推進ジャッキ６で押し付けることで、推進力を得て地山７を掘削するものである。推進ジャッキ６（シールド掘削機２の上下のみ図示）は、円周方向に所定ピッチで複数配設されている。

スキンプレート３は、シールド掘削機２の後端に設けられた筒状の部材であって、組み付けられたセグメント４の外周を覆うように設けられている。スキンプレート３の内表面とセグメント４の外周面との間には所定の隙間が形成されている。スキンプレート３の後端部の内周面には、スキンプレート３とセグメント４間の隙間からシールド掘削機２内に掘削土砂等が侵入しないようにテールシール８が設けられている。

撮像手段１０は、ＣＣＤカメラにて構成されており、ＣＣＤ１０ｃ（図３参照）で画像が電気信号に変換されてピクセル化され、後記するテールクリアランス計測用コンピュータ２０に送信される。図４に示すように、撮像手段１０は、スキンプレート３の内周面に取り付けられている。撮像手段１０は、隣り合う推進ジャッキ６，６間で、推進ジャッキ６を縮退させたときの推進ジャッキ６先端（後端）のジャッキシュー６ａよりも前方になる位置に取り付けられており、推進ジャッキ６と干渉するのを防止している。撮像手段１０は、シールド掘削機２の軸方向に沿って後方を向いて配置されている。撮像手段１０は、スキンプレート３の内周面に溶接固定されたブラケット１１にボルト止めされた収容ボックス１２内に収容されている。収容ボックス１２は、後面（セグメント４側の面）が開口しており、内部に収容された撮像手段１０が後方（セグメント４側）を撮像可能になっている（図１の破線矢印参照）。

撮像手段１０の側部には、セグメント４の撮像部分を照らす照明手段１５が設けられている。照明手段１５は、一般的な照明ライトにて構成されており、撮像手段１０の後方を向くようにスキンプレート３あるいはその周囲のブラケット（図示せず）等に固定されている。照明手段１５は、推進ジャッキ６の伸長量が最長になった状態で、セグメント４の端部を十分な明るさで照らすことができる照度を備えている。照明手段１５は、撮像手段１０の撮像動作に連動してスイッチがオン・オフされるようにしてもよい。

図１に示すように、撮像手段１０には、テールクリアランス計測用コンピュータ２０が接続されている。テールクリアランス計測用コンピュータ２０は、パーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータにて構成されており、シールド掘削機２の運転制御室等で操作可能となっている。テールクリアランス計測用コンピュータ２０は、前記した記憶手段２１と、離間距離取得手段２２と、ピクセル値読取手段２３と、クリアランス演算手段２４とを備えている。さらに、テールクリアランス計測用コンピュータ２０は、撮像手段１０で撮像された画像等の情報を表示するモニター等にて構成される画像表示部２５と、コンピュータに指令やデータ等を入力するためのキーボード等にて構成される入力部２６とを備えている。

記憶手段２１は、各種データを保存するメモリー等から構成されており、テールクリアランス計測用コンピュータ２０に内蔵されている。なお、記憶手段２１は、テールクリアランス計測用コンピュータ２０の外部に別体で設けられて接続されていてもよい。

記憶手段２１に記憶されるピクセル比Ｐｆは、撮像手段１０のレンズ１０ｂと受像位置（ＣＣＤ１０ｃ）間の距離に相当する定数であって、スキンプレート３に設けた複数の基準位置Ｋ１，Ｋ２と撮像手段１０との離間距離Ｘｃ１，Ｘｃ２と、各基準位置Ｋ１，Ｋ２における同一の基準高さＨｃと、各基準位置Ｋ１，Ｋ２における画像上の基準高さＨｃに相当するピクセル数Ｓｃ１，Ｓｃ２との比例関係式（後記する式（４）乃至式（６）参照）から算出され、後記する式（７）に示すように、離間距離Ｘｃ１，Ｘｃ２と、基準高さＨｃと、ピクセル数Ｓｃ１，Ｓｃ２とで表示される。

離間距離取得手段２２は、撮像手段１０とテールクリアランスの計測位置（組み付けられたセグメント４の前端面）との離間距離Ｘｓ（図３参照）を、推進ジャッキ６の伸長量から取得するように構成されている。具体的には、テールクリアランス計測用コンピュータ２０には、推進ジャッキ６の推進量やカッター５の回転量などのシールド掘削機２の各部の動作を制御する推進管理用コンピュータ４０が接続されており、離間距離取得手段２２にて、推進ジャッキ６のストローク計（図示せず）あるいは推進管理用コンピュータ４０から出力される推進ジャッキ６の推進信号から伸長量を読み取り、撮像手段１０と推進ジャッキ６との相対距離や、推進ジャッキ６の後端のジャッキシュー６ａの厚さ等を考慮して、離間距離Ｘｓを算出して取得するようになっている。

ピクセル値読取手段２３は、撮像手段１０からコンピュータに取り込んだ画像に、公知の技術によって画像処理を施し、セグメント４の読取基準点Ｒに対応するピクセル値を読み取るように構成されている。本実施形態では、セグメント４の読取基準点Ｒは、セグメント４の前端面のスキンプレート３側端部（エッジ）であり、画像上の色の違いから判別するようになっている。

なお、セグメント４の読取基準点Ｒは、セグメント４の端部に限られるものではなく、例えば、セグメント４の表面に読取用マーク（図示せず）等を描画して、この読取用マークを読取点とするようにしてもよい。これによれば、読取基準点が鮮明に映し出され、その読取りが容易になる。この場合、セグメント４と読取用マークとの距離を、テールクリアランスの算出に反映させるようにする。

クリアランス演算手段２４は、離間距離取得手段２２で得られた撮像手段１０とセグメント４との離間距離Ｘｓに基づいて、計測位置におけるスキンプレート３の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐを算出するように構成されている。この計測基準点３ａは、セグメント４の端部に対向するスキンプレート３の内表面位置であって、推進ジャッキ６の伸長に伴なって移動するセグメント４の端部とともに移動する点である。クリアランス演算手段２４は、撮像手段１０がスキンプレート３に固定されており、撮像手段１０とスキンプレート３との相対位置は一定であることを利用して、計測位置におけるスキンプレート３上の計測基準点３ａを算出している。すなわち、計測位置のスキンプレート３上の計測基準点３ａは、推進ジャッキ６の伸長に伴なって直線状に移動することとなるので、推進ジャッキ６の伸長量に基づいて算出することができる。

また、クリアランス演算手段２４は、ピクセル値読取手段２３によって得られた読取基準点Ｒに対応するピクセル値Ｐｔｃと、スキンプレート３上の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐとから、画像上の読取基準点Ｒとスキンプレート３の計測基準点３ａとの高さ方向のピクセル数Ｓを算出する。そして、クリアランス演算手段２４は、このピクセル数Ｓと、離間距離取得手段２２によって得られた離間距離Ｘｓと、前記ピクセル比Ｐｆとに基づいて、テールクリアランスＨを算出するように構成されている。

以下に、キャリブレーションと、テールクリアランスの計測原理について説明する。

キャリブレーションを行うに際しては、まず、図２に示すように、撮像手段１０をスキンプレート３の内周面の所定位置に所定の撮像角度で固定する。ここで、撮像手段１０の光軸１０ａは、シールド掘削機２の軸芯と平行であるとして、テールクリアランスの計測原理を説明する。

図３において、屈折点（撮像手段１０のレンズ１０ｂの中心）Ｐからのセグメント４の前端（計測位置）までの実距離（離間距離）を、Ｘｓとし、撮像手段１０の光軸１０ａから読取基準点Ｒ（セグメント４の端部（エッジ））までの高さ寸法（光軸１０ａに直交する方向の寸法）を、Ｈｔｃとする。また、屈折点Ｐから各基準位置Ｋ１，Ｋ２までの実距離（水平距離）を、Ｘｃ１，Ｘｃ２とし、撮像手段１０の光軸１０ａからキャリブレータプレート３０の基準高さ部分Ｈ１までの実高さ寸法を、Ｈｃとする。さらに、撮像手段１０のＣＣＤ１０ｃの画像上において、キャリブレータプレート３０の基準高さ部分Ｈ１に対応するピクセル値を、Ｐｃ１，Ｐｃ２とし、ＣＣＤ１０ｃの光軸１０ａからのＰｃ１，Ｐｃ２までの高さ方向のピクセル数を、Ｓｃ１，Ｓｃ２とする。また、セグメント４の端部に対応するピクセル値を、Ｐｔｃとし、ＣＣＤ１０ｃの光軸１０ａからのＰｔｃまでの高さ方向のピクセル数を、Ｓｔｃ（ｐｉｘｅｌ単位）とする。そして、屈折点ＰからＣＣＤ１０ｃの位置までの距離（撮像手段１０固有の定数であるピクセル比）を、Ｐｆ（ｐｉｘｅｌ単位）とする。

図３に示すように、撮像手段１０の後方（撮像方向）の基準位置Ｋ１にキャリブレータプレート３０を設置して、キャリブレータプレート３０を撮像手段１０で撮像して、キャリブレータプレート３０の基準高さＨｃを示す基準高さ部分Ｈ１に対応するピクセル値Ｐｃ１を読み取る。ここでは、キャリブレータプレート３０の基準高さ部分Ｈ１と撮像手段１０の光軸１０ａとの長さが基準高さＨｃとなる。その後、撮像手段１０の後方（撮像方向後方）の基準位置Ｋ１より後方の基準位置Ｋ２にキャリブレータプレート３０を設置して、キャリブレータプレート３０を撮像手段１０で撮像して、キャリブレータプレート３０の基準高さＨｃを示す基準高さ部分Ｈ１に対応するピクセル値Ｐｃ２を読み取る。

そして、各基準位置Ｋ１，Ｋ２における基準高さＨｃに対応するピクセル値Ｐｃ１，Ｐｃ２から、撮像手段１０の光軸１０ａから各ピクセル値Ｐｃ１，Ｐｃ２までの高さ方向のピクセル数Ｓｃ１，Ｓｃ２をそれぞれ求める。

さらに、これら各ピクセル数Ｓｃ１，Ｓｃ２（ｐｉｘｅｌ単位）と、複数の基準位置Ｋ１，Ｋ２と撮像手段１０との離間距離Ｘｃ１，Ｘｃ２と、基準高さＨｃと、撮像手段１０固有の定数であるピクセル比Ｐｆとの関係式（後記する式（４）〜式（６）参照）から、ピクセル比Ｐｆを求める。

なお、実際の計測において、Ｘｓは、推進ジャッキ６の伸長量等から取得され、Ｘｃ１とＸｃ２およびＨｃは、キャリブレーション時に予め実測され、Ｐｃ１，Ｐｃ２と、Ｓｃ１，Ｓｃ２は、予めキャリブレーション操作にて取得され、Ｐｔｃ、ＳｔｃおよびＳは、画像処理によりテールクリアランス計測時に取得され、Ｐｆは、予めキャリブレーション操作で取得されている。

図３より、ピクセル比Ｐｆと、撮像手段１０の光軸１０ａからセグメント４の読取基準点Ｒまでの高さ寸法Ｈｔｃと、この高さ寸法Ｈｔｃに対応するピクセル数Ｓｔｃと、撮像手段１０とセグメント４との離間距離Ｘｓとの間には、下記の式（１）に示すような比の関係式が得られる。

この式（１）より、下記の式（２）が得られ、この式（２）より撮像手段１０の光軸１０ａからセグメント４の読取基準点Ｒまでの高さ寸法Ｈｔｃが下記の式（３）のように表される。この式（３）が、テールクリアランスを算出するための計算式となる。

ここで、テールクリアランスの算出に必要なピクセル比Ｐｆは、撮像手段１０固有の定数であり、予めキャリブレーション操作により求めておく。具体的には、図３より得られる、下記の式（４）乃至式（６）から、ピクセル比Ｐｆが下記の式（７）のように表される。ここで、式（６）に示すＳＬＤは、基準位置Ｋ１，Ｋ２間の距離を示す。式（７）の右辺はキャリブレーション時に得られる数値であるので、ピクセル比Ｐｆが定数として算出される。

そして、この式（７）によって求められたピクセル比Ｐｆと、屈折点Ｐからセグメント４の前端までの実距離（離間距離）Ｘｓと、セグメント４の読取基準点Ｒに対応するピクセル値ＰｔｃとＣＣＤ１０ｃの光軸１０ａ間の高さ方向のピクセル数Ｓｔｃと、を式（３）に代入することで、光軸１０ａからセグメント４の読取基準点Ｒまでの高さ寸法Ｈｔｃが算出される。なお、この高さ寸法Ｈｔｃに、スキンプレート３の内表面と撮像手段１０の光軸１０ａとの距離を加えることで、テールクリアランスＨが算出される。

次に、図７のフローチャート図にしたがって、本発明にかかるテールクリアランス自動計測方法を説明する。

以上のような構成のテールクリアランス自動計測システム１で、テールクリアランスを計測するに際しては、まず、図４に示すように、スキンプレート３に撮像手段１０および照明手段１５を設置する（Ｓｔｅｐ１）。

そして、図３に示すように、スキンプレート３の第一の基準位置Ｋ１にキャリブレータプレート３０を設置して、撮像手段１０で撮像する（Ｓｔｅｐ２）。キャリブレータプレート３０は、撮像手段１０の光軸１０ａにキャリブレータプレート３０の表面が直交するように設定される。具体的には、撮像手段１０の固定位置から、スキンプレート３の内表面に、シールド掘削機２の軸方向と平行なガイド線（図示せず）を引いてその上にキャリブレータプレート３０を設置するようにすればよい。このガイド線は、ピクセル値読取手段２３にて、画像上のセグメント４の端部（読取基準点Ｒ）および計測位置におけるスキンプレートの内表面位置（計測基準点３ａ）を判別するときの目安として利用することもできる。

キャリブレータプレート３０は、図５に示すように、Ｌ字状に屈曲された支持プレート３１に平面状のプレート３２を固定して構成されている。支持プレート３１は、スキンプレート３に対して、磁石や両面テープ等の比較的容易に着脱可能な固定手段によって固定されている。プレート３２は上下に色分けされており、この境界部３２ａと上端部３２ｂの上下二点の高さＨａ，Ｈｂの差（Ｈｂ−Ｈａ）を基準高さとしてキャリブレーションを行うようになっている。なお、図５に示したキャリブレータプレート３０は、一例であって、この形状に限定する趣旨ではない。以上のように、テールクリアランスの長さ方向と平行に配置されたキャリブレータプレート３０の境界部３２ａと上端部３２ｂの上下二点の高さＨａ，Ｈｂの差（Ｈｂ−Ｈａ）を基準高さとすることで、撮像手段１０の光軸１０ａが、シールド掘削機２の軸芯と平行になっていなくても、キャリブレーションを行うことができる。

本実施形態では、撮像手段１０はＣＣＤカメラにて構成されており、撮像された画像はピクセル化されている。そして、撮像された画像は画像処理されて、キャリブレータプレート３０の色分けされた境界部３２ａと、キャリブレータプレート３０の上端部３２ｂの上下二点に対応するピクセル値を、ピクセル値読取手段２３でそれぞれ読み取る（Ｓｔｅｐ３）。ここで、境界部３２ａと上端部３２ｂは、図３で説明した計測原理における撮像手段１０の光軸１０ａと基準高さ部分Ｈ１にそれぞれ該当する。すなわち、境界部３２ａと上端部３２ｂ間の距離（Ｈｂ−Ｈａ）が、図３における基準高さＨｃに相当する。そして、境界部３２ａと上端部３２ｂに対応するピクセル値の高さ方向の差分を算出することで、基準位置Ｋ１における基準高さ（Ｈｂ−Ｈａ）に相当する高さ方向のピクセル数Ｓｃ１を得る（Ｓｔｅｐ４）。ここで、基準位置Ｋ１と撮像手段１０との離間距離Ｘｃ１と、基準高さ（Ｈｂ−Ｈａ）と、基準位置Ｋ１における基準高さ（Ｈｂ−Ｈａ）に相当するピクセル数Ｓｃ１は、記憶手段２１に記憶される（Ｓｔｅｐ５）。

次に、キャリブレータプレート３０を、スキンプレート３の第二の基準位置Ｋ２に設置して、撮像手段１０で撮像する（Ｓｔｅｐ６）。そして、撮像された画像からキャリブレータプレート３０の境界部３２ａと上端部３２ｂの二箇所に対応するピクセル値を、ピクセル値読取手段２３で読み取る（Ｓｔｅｐ７）。ここで、境界部３２ａと上端部３２ｂは、図３で説明した計測原理における撮像手段１０の光軸１０ａと基準高さ部分Ｈ１にそれぞれ該当する。すなわち、境界部３２ａと上端部３２ｂ間の距離（Ｈｂ−Ｈａ）が、図３における基準高さＨｃに相当する。そして、境界部３２ａと上端部３２ｂに対応するピクセル値の差分を算出することで、基準位置Ｋ２における基準高さ（Ｈｂ−Ｈａ）に相当する高さ方向のピクセル数Ｓｃ２を得る（Ｓｔｅｐ８）。ここで、基準位置Ｋ２と撮像手段１０との離間距離Ｘｃ２と、基準高さ（Ｈｂ−Ｈａ）と、基準位置Ｋ２における基準高さ（Ｈｂ−Ｈａ）に相当するピクセル数は、記憶手段２１に記憶される（Ｓｔｅｐ９）

そして、前記式（４）乃至式（６）から導き出された式（７）に、複数の基準位置Ｋ１，Ｋ２と撮像手段１０との離間距離Ｘｃ１，Ｘｃ２と、基準位置Ｋ１，Ｋ２におけるキャリブレータプレート３０の基準高さＨｃ（Ｈｂ−Ｈａ）と、各基準位置Ｋ１，Ｋ２における基準高さＨｃ（Ｈｂ−Ｈａ）に相当するピクセル数Ｓｃ１，Ｓｃ２とを代入して、撮像手段１０固有のピクセル比Ｐｆを算出する（Ｓｔｅｐ１０）。このピクセル比Ｐｆは、記憶手段２１に記憶される（Ｓｔｅｐ１１）

なお、Ｓｔｅｐ１１において、ピクセル比Ｐｆが、記憶手段２１に記憶されていれば、Ｓｔｅｐ５とＳｔｅｐ９の工程は必ずしも必要ではない。

ここまでの工程がキャリブレーションの工程であって、シールド掘削機２が停止した状態で行う。

その後、シールド掘削機２による掘削を行いながら、撮像手段１０でスキンプレート３とセグメント４との隙間周辺を撮像する（Ｓｔｅｐ１２）とともに、離間距離取得手段２２によって、推進ジャッキ６の伸長量から撮像手段１０とセグメント４との離間距離Ｘｓを取得する（Ｓｔｅｐ１３）。ここで、離間距離取得手段２２は、推進ジャッキ６のストローク計から伸長量を読み取って、離間距離Ｘｓを得ているので、リアルタイムで正確な離間距離Ｘｓを取得することができる。

次に、ピクセル値読取手段２３によって、撮像された画像からセグメント４の読取基準点Ｒに対応するピクセル値Ｐｔｃを読み取る（Ｓｔｅｐ１４）。本実施形態では、読取基準点Ｒはセグメント４の端部（エッジ）であって、セグメント４とその他の部分の色の違いを識別して判別している。

これとともに、クリアランス演算手段２４によって、離間距離取得手段２２から撮像手段１０とセグメント４の離間距離Ｘｓを取得し、この離間距離Ｘｓから計測位置におけるスキンプレート３の内表面位置の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐを算出する（Ｓｔｅｐ１５）。具体的には、クリアランス演算手段２４は、各基準位置Ｋ１，Ｋ２におけるスキンプレート３の内表面位置と、これらの各内表面位置に対応するピクセル値をそれぞれ求め、これら各ピクセル値と、撮像手段１０と各基準位置Ｋ１，Ｋ２との離間距離Ｘｃ１，Ｘｃ２とから、計測基準点に対応するピクセル値と離間距離との関係式を求めて、この関係式に撮像手段１０と計測位置との離間距離Ｘｓを代入することで、計測位置におけるスキンプレート３の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐが算出される。

そして、クリアランス演算手段２４において、ピクセル値読取手段２３によって得られた読取基準点Ｒに対応するピクセル値Ｐｔｃ（図３参照）と、スキンプレート３の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐ（図３参照）と、離間距離取得手段２２によって得られた撮像手段１０とセグメント４との離間距離Ｘｓと、ピクセル比Ｐｆとに基づいて、テールクリアランスを算出する（Ｓｔｅｐ１６）。具体的には、読取基準点Ｒに対応するピクセル値Ｐｔｃと、スキンプレート３の計測基準点３ａに対応するピクセル値Ｐｓｐと差分を計算して、テールクリアランスＨに相当するピクセル数Ｓ（図３参照）を算出し、このピクセル数Ｓを、式（３）のＳｔｃに代入するとともに、離間距離Ｘｓと、ピクセル比Ｐｆを代入して計算することで、テールクリアランスＨを算出する。

ここで、算出されたテールクリアランスＨは、記憶手段２１に記憶されるとともに、推進管理用コンピュータ４０にリアルタイムで送信される。そして、計測されたテールクリアランスＨに応じて、推進ジャッキ６の伸長量やカッター５の回転速度等が適宜調整され、テールクリアランスを一定に保持するように運転される。

撮像手段１０で撮像された画像は、図６に示すように、モニター２５ａ等の画像表示部２５（図１参照）に表示される。モニターには、画像の他に、撮像手段１０の設置位置に対応するカメラ番号や推進ジャッキ６の伸長量（ストローク）やテールクリアランスがリアルタイムに表示される。ここで、入力部２６（図１参照）により、カメラ番号を選択すれば、他の撮像手段による画像を表示でき、その設置部分における推進ジャッキ６の伸長量（ストローク）やテールクリアランスが表示できる。また、入力部２６で、画像の一部をズームアップして拡大表示したり、全体表示したりの選択をすることができる。また、拡大表示の場合、表示部分を左右方向および上下方向で移動させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、予めキャリブレーションを行っておくことで、撮像手段１０で撮像された画像を利用して、テールクリアランスを算出できる。これによって、セグメント４の周辺には、スキンプレート３とセグメント４との隙間周辺を撮像可能な位置に撮像手段１０を設けるだけで済み、従来のようにレーザ源や光源およびこれらの制御装置を設ける必要がない。また、撮像手段１０の他には、テールクリアランス計測用コンピュータ２０に離間距離取得手段２２、ピクセル値読取手段２３やクリアランス演算手段２４等の機能を持たせて、撮像手段１０や推進管理用コンピュータ４０に接続するだけでよい。したがって、従来と比較して構造が簡単になり、破損しにくく安価なテールクリアランス自動計測システム１を提供することができる。

また、撮像手段１０の設置位置が、計測箇所（セグメント４の端部位置）から離れているため、現場作業に影響を与えずに、掘削および推進作業や、セグメント４の組立作業を中断させることなくリアルタイムで計測することができるとともに、撮像手段１０の破損も防止することができる。また、リアルタイムでの計測が可能であるので、テールクリアランスが許容範囲から外れないように、推進管理を行うことができる。

さらに、本実施形態では、離間距離取得手段２２は、推進ジャッキ６の伸長量から撮像手段１０とセグメント４間の離間距離を取得するようになっているので、その離間距離をリアルタイムで容易且つ正確に取得することができる。

また、撮像手段１０は、スキンプレート３の内周面に固定されているので、撮像手段１０のスキンプレート３に対する相対位置を一定にすることができ、テールクリアランスの算出において、撮像手段１０のスキンプレート３との相対位置の補正を行う必要がない。

さらに、セグメント４の撮像部分を照らす照明手段１５が設けられているので、撮像手段１０で鮮明な画像を撮像できる。したがって、セグメント４の端部（エッジ）などの読取基準点を確実に読み取ることができ、テールクリアランスの計測精度を向上させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。

本発明に係るテールクリアランス自動計測システムを実施するための最良の形態を示した構成図である。 撮像手段とスキンプレートとセグメントの位置関係を示した断面図である。 本発明に係るテールクリアランス自動計測方法の計測原理を説明するための図である。 撮像手段の取付状態を示した斜視図である。 キャリブレータプレートを示した斜視図である。 撮像手段で撮像した画像を表示した画面を示した図である。 本発明に係るテールクリアランス自動計測方法を実施するための最良の形態を示したフローチャート図である。

符号の説明

１ テールクリアランス自動計測システム
２ シールド掘削機
３ スキンプレート
３ａ 計測基準点
４ セグメント
６ 推進ジャッキ
１０ 撮像手段
１５ 照明手段
２１ 記憶手段
２２ 離間距離取得手段
２３ ピクセル値読取手段
２４ クリアランス演算手段
３０ キャリブレータプレート
Ｒ 読取基準点

Claims (5)

1. シールド掘削機のスキンプレートと組み立てられたセグメント間のテールクリアランスを計測するテールクリアランス自動計測システムにおいて、
   前記スキンプレートと前記セグメントとの隙間周辺を撮像する撮像手段と、
   前記スキンプレートに設けた複数の基準位置と前記撮像手段との離間距離と、前記各基準位置における同一の基準高さと、前記各基準位置における画像上の前記基準高さに相当するピクセル数とから得られる前記撮像手段固有のピクセル比とを記憶する記憶手段と、
   前記撮像手段と前記セグメントとの離間距離を取得する離間距離取得手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像から前記セグメントの読取基準点に対応する座標であるピクセル値を読み取るピクセル値読取手段と、
   前記読取基準点に対応するピクセル値と、計測位置におけるスキンプレート上の計測基準点に対応するピクセル値と、前記離間距離取得手段で得られた前記離間距離と、前記ピクセル比とに基づいて、前記テールクリアランスを算出するクリアランス演算手段と、を備えた
   ことを特徴とするテールクリアランス自動計測システム。
2. 前記離間距離取得手段は、推進ジャッキの伸長量から前記撮像手段と前記セグメント間の離間距離を取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載のテールクリアランス自動計測システム。
3. 前記撮像手段は、前記スキンプレートの内周面に固定された
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテールクリアランス自動計測システム。
4. 前記セグメントの撮像部分を照らす照明手段をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のテールクリアランス自動計測システム。
5. シールド掘削機のスキンプレートと組み立てられたセグメント間のテールクリアランスを計測するテールクリアランス自動計測方法において、
   前記スキンプレートの複数の基準位置に設置したキャリブレータプレートを、前記スキンプレートに固定された撮像手段でそれぞれ撮像し、撮像された各画像から前記各基準位置における前記キャリブレータプレートの基準高さの上下二点に対応するピクセル値をそれぞれ読み取り、
   前記各上下二点に対応するピクセル値から、画像上の前記基準高さに相当するピクセル数をそれぞれ算出し、
   複数の前記基準位置と前記撮像手段との離間距離と、前記キャリブレータプレートの基準高さと、前記ピクセル数とから得られる前記撮像装置固有のピクセル比を求めておき、
   前記撮像手段で前記スキンプレートと前記セグメントとの隙間周辺を撮像し、
   撮像された画像から前記セグメントの読取基準点に対応するピクセル値を読み取るとともに、
   前記撮像手段と前記セグメントの離間距離を取得し、前記離間距離から計測位置におけるスキンプレートの計測基準点に対応するピクセル値を算出し、
   前記読取基準点に対応する前記ピクセル値と、前記スキンプレートの計測基準点に対応する前記ピクセル値と、前記撮像手段と前記セグメントの前記離間距離と、前記ピクセル比とに基づいて、前記テールクリアランスを算出する
   ことを特徴とするテールクリアランス自動計測方法。

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