JP2018066659A - 重機類の位置姿勢計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】トータルステーションにより視準ターゲットを視準する際の誤認をなくし、視準しやすくするとともに、システムの複雑化や測定精度の低下を来さなくする。【解決手段】重機類に設置された視準ターゲット１０をトータルステーション１１により視準して前記重機類の位置及び姿勢を得るようにした重機類の位置姿勢計測システムにおいて、前記視準ターゲット１０が第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている。前記重機類がシールド機であり、前記視準ターゲット１０が前記シールド機２の掘進方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、重機類に設置した視準ターゲットをトータルステーションで測定することによって前記重機類の位置及び姿勢を得るようにした重機類の位置姿勢計測システムに関する。

シールド機やドリルジャンボ、杭打ち機など、施工中の重機類の位置及び姿勢を計測することは、重機類による施工方向を適確に把握し、方向修正する上で重要な技術である。

従来より、施工中の重機類の位置姿勢を計測する技術として、次に挙げる方式のものが知られている。

(1)従来技術１：図７に示されるように、重機５０に水平方向に離間するとともに、上下方向に高さを異ならせた２つの視準ターゲット５２、５３を設置し、これら２つの視準ターゲット５２、５３をトータルステーション５１で視準して得た計測結果と傾斜計５４の計測結果とにより、重機５０の位置座標及び姿勢状態を取得するもの（下記特許文献１参照）。

(2)従来技術２：図８に示されるように、重機５０本体にトータルステーション５１からのレーザー光を透過する受光板５５と視準ターゲット５６とを配置するとともに、重力を利用した傾斜計５７を配置し、トータルステーション５１によって視準ターゲット５６の位置座標を計測するとともに、前記受光板５５を透過したレーザー光の位置から方位を相対的に把握し、かつ前記傾斜計５７によって姿勢状態を取得するもの。

(3)従来技術３：重力を利用した傾斜計や地球の自転を利用したジャイロコンパスを利用して重機の位置及び姿勢を取得するもの。

特開２００５−２２０６２７号公報

しかしながら、上記従来技術１〜３には、次のような問題がある。

(1)上記従来技術１において、２つの視準ターゲット５２、５３を重機５０の進行方向と直交する方向（断面方向）に設置すると、進行方向のバラツキが大きくなり、重機の方位の計算精度が大きく低下するため、重機５０の方位・方向の精度を保証するには、２つの視準ターゲット５２、５３を重機５０の進行方向成分を含む方向に設置する必要があった。ところが、上記従来技術１では、２つの視準ターゲット５２、５３を進行方向に並べて設置したとき、２つの視準ターゲット５２、５３とトータルステーション５１がほぼ同一直線上に並び、図９に示されるように、トータルステーション５１の視野内に２つのプリズム５２、５３が入ることで誤認の原因となるとともに、図１０に示されるように、手前側のターゲットプリズム５２が奥側のターゲットプリズム５３の測距線上に入り、測距を阻害する場合があった。特に、重機５０として口径が小さなシールド機を用いた場合には狭い空間内に多くの装置が複雑に組み込まれているため、このような小口径シールド機ほど、かかる問題の発生頻度が高くなっていた。

(2)上記従来技術２では、受光板５５を透過したレーザー光の位置を計測して方位を相対的に演算処理しているため、トータルステーション単体でマシンの位置姿勢を把握することができず、複数の計測結果を纏めて処理するシステムの構築が必要であり、システムの複雑化を招く問題があった。

(3)上記従来技術３では、ジャイロコンパスによる重機類の方位と、傾斜計の示す角とから、重機類の位置を知るには、これらを元に測定間の掘進距離（例えば、シールド機のジャッキストローク長）を積分して行く方法があるが、シールド機などのように横滑りを起こしながら掘進してゆく場合もあるため、真の掘進方向に沿った掘進距離を計測することが実際上困難という問題があった。

そこで本発明の主たる課題は、トータルステーションにより視準ターゲットを視準する際の誤認をなくし、視準しやすくするとともに、システムの複雑化や測定精度の低下を来すことがない重機類の位置姿勢計測システムを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、重機類に設置された視準ターゲットをトータルステーションにより視準して前記重機類の位置及び姿勢を得るようにした重機類の位置姿勢計測システムにおいて、
前記視準ターゲットが第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられていることを特徴とする重機類の位置姿勢計測システムが提供される。

上記請求項１記載の発明では、前記視準ターゲットが第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられているため、視準ターゲットを重機類に対して第１視準位置及び第２視準位置に移動させ、それぞれの位置において前記トータルステーションで視準して計測を行うことにより、１つの視準ターゲットで複数の位置の計測ができ、これらの計測結果から前記重機類の位置及び姿勢を得ることができる。１つの視準ターゲットが所定の測定位置に移動することによって異なる複数の位置で計測を行っているため、前記トータルステーションで視準する際、複数の視準ターゲットが同時にトータルステーションの視野内に入ることがなく、常に１つの視準ターゲットのみであるので、たとえ小口径シールド機などのようにトンネル方向と直交する方向成分の距離を大きく取るだけの空間的余裕がない重機類についても、視準の際の誤認が生じなくなり、視準しやすくなる。また、重機類に対して視準ターゲットを異なる複数の位置に移動させたそれぞれの位置での計測結果だけで重機類の位置及び姿勢を得ることができるので、システムの複雑化や測定精度の低下を招くことがない。

請求項２に係る本発明として、前記重機類が掘削機であり、前記視準ターゲットが前記掘削機の掘進方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている請求項１記載の重機類の位置姿勢計測システムが提供される。

上記請求項２記載の発明は、前記重機類として掘削機を使用した場合に視準ターゲットを往復移動させる方向について規定したものである。前記視準ターゲットは、前記掘削機の掘進方向成分（トンネル方向成分）を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている。従って、掘削機の掘進方向と直交する方向成分のみを有する方向に往復移動させた場合に問題となる重機類の進行方向のバラツキがなくなるとともに、重機類の方位の計算精度が向上し、重機類の方位・方向の精度が確保できる。

請求項３に係る本発明として、前記重機類がドリルジャンボであり、前記視準ターゲットがトンネル方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている請求項１記載の重機類の位置姿勢計測システムが提供される。

上記請求項３記載の発明は、前記重機類としてドリルジャンボを用いた場合に視準ターゲットを往復移動させる方向について規定したものであり、視準ターゲットをトンネル方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けたものである。

請求項４に係る本発明として、前記重機類が杭打ち機であり、前記視準ターゲットが杭の打ち込み方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている請求項１記載の重機類の位置姿勢計測システムが提供される。

上記請求項４記載の発明では、前記重機類として杭打ち機を用いた場合に視準ターゲットを往復移動させる方向について規定したものであり、視準ターゲットを杭の打ち込み方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けたものである。

以上詳説のとおり本発明によれば、トータルステーションにより視準ターゲットを視準する際の誤認がなくなり、視準しやすくなるとともに、システムの複雑化や測定精度の低下を来すことがなくなる。

本発明に係る位置姿勢計測システム１の概略図（その１）である。 位置姿勢計測システム１の概略図（その２）である。 単軸移動装置１２の正面図である。 単軸移動装置１２の側面図である。 ドリルジャンボ２０を示す、(A)は側面図、(B)は平面図である。 杭打ち機３０を示す側面図である。 従来の視準方法を示す斜視図（その１）である。 従来の視準方法を示す斜視図（その２）である。 従来の視準による視野を示す図（その１）である。 従来の視準による視野を示す図（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

〔シールド機の位置姿勢計測システム〕
先ずはじめに、本発明に係る位置姿勢計測システム１をシールド機２に適用した場合について詳細に説明する。

シールド機２は、図１に示されるように、前面にカッターヘッド３を備えるとともに、周囲を囲む円筒形のスキンプレート４と、前記スキンプレート４内に設けられたシールドジャッキ、エレクターを含む掘進設備一式とを備えた掘削重機である。シールド機２の外殻となるスキンプレート４内の後方側には、エレクター（セグメント組立て装置）が配設され、掘進に伴ってスキンプレート４内面に周方向に複数のピースからなるセグメント７をリング状に組み立て覆工を行うようになっている。このシールド機２の後方側には、円周方向に沿って適宜の間隔で多数のシールドジャッキ６、６…が配置され、シールドジャッキ６、６…の反力を、設置したセグメント７の端面に取り、シールド機２を１サイクル分（１セグメント分）だけ掘進させるようにする。

本発明に係る位置姿勢計測システム１は、図１に示されるように、前記シールド機２に設置された視準ターゲット１０を、シールド機２の後方に設置されたトータルステーション１１により視準して、掘進に伴って漸次変化する前記シールド機２の位置及び姿勢をリアルタイムで計測するものである。なお、前記トータルステーション１１の設置座標は、後方交会法により座標が既知される２つの基準点８，９を視準することにより求めることができる。

図１及び図２に示されるように、前記シールド機２に設置された視準ターゲット１０は、シールド機２に対して所定の方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている。これによって、視準ターゲット１０を所定の測定位置に移動させ、各測定位置において前記トータルステーション１１で視準することによりシールド機２の位置姿勢を得ることができるようになる。図１は、視準ターゲット１０をシールド機２の掘進方向に対して最後部側に移動させた状態（第１視準位置状態）、図２は、視準ターゲット１０をシールド機２の掘進方向に対して最前部側に移動させた状態（第２視準位置状態）である。このように、視準ターゲット１０をシールド機２の掘進方向に対して最後部側及び最前部側に移動させた２つの測定位置で計測するのが好ましいが、中間位置も含めた３つ以上の測定位置で計測することも可能である。

前記視準ターゲット１０の往復移動方向は、シールド機２の掘進方向成分を有する方向とするのが望ましい。シールド機の掘進方向と直交する方向成分のみを有する方向に往復移動させた場合には、シールド機の進行方向のバラツキが大きくなり、シールド機の方位の計算精度が低下する問題があるが、シールド機２の掘進方向成分を有する方向に往復移動させることにより、このような問題が解決できる。シールド機２の掘進方向成分を有する方向に沿って往復移動するとは、掘進方向と直交する方向（トンネルの断面方向）にのみ往復移動するものを除く趣旨である。

前記視準ターゲット１０は、図３及び図４に示されるように、スライダー１３が単軸方向に所定のストローク長で往復移動するように構成された単軸移動装置１２の前記スライダー１３上に固定されている。前記単軸移動装置１２は、シールド機２にボルト・ナットなどの固定具によって固定されている。前記単軸移動装置１２は、作業環境上、泥土や水がかかっても動作可能なように防塵防滴タイプのものを用いるのが好ましい。

前記単軸移動装置１２としては、公知の構造からなるものを用いることができる。例えば、モータによって回転駆動されるボールねじと、前記ボールねじに係合し、前記ボールねじの回転に伴って前記ボールねじの軸方向に沿って移動するスライダーとからなるもの、空気圧によってシリンダー内を移動するピストンと、前記ピストンに固定されたスライダーとからなるもの、ベルトコンベア式のベルト上にスライダーが配置されたもの、ガイドレールに沿って車輪などが備えられたスライダーが移動するものなどを用いることができる。前記単軸移動装置１２の繰り返し位置決め精度としては、±０．５ｍｍ以下のものを選定することが望ましい。

前記視準ターゲット１０は、所定の時間間隔で各測定ポイントに移動するように制御され、自動追尾式の前記トータルステーション１１によって各測定ポイントに移動した視準ターゲット１０を自動的に視準して、計測が行われるようにするのが好ましい。計測の時間間隔は任意であるが、数秒〜数十秒程度、具体的には１０秒〜６０秒程度、好ましくは１０秒〜３０秒程度とするのがよい。

前記トータルステーション１１で計測したデータは、図１に示されるように、坑内インターフェース盤１４を通じて運転操作盤１５に送られ、シールド機２の位置及び掘進方向を制御するのに利用される。また、これらのデータは、坑外に設けられた記録装置１６にも送られ、施工管理に資することができるようになっている。

〔ドリルジャンボの位置姿勢計測システム〕
次いで、本位置姿勢計測システム１をドリルジャンボ２０に適用した場合について説明する。

ドリルジャンボ２０は、図５に示されるように、走行可能な台車２１に対して、多関節ブーム２２を介して削岩機２４を搭載したガイドシェル２３を支持した構造の穿孔重機である。

前記視準ターゲット１０が取り付けられる単軸移動装置１２は、図５に示されるように、前記台車２１及び前記ガイドシェル２３の両方又はいずれか一方に取り付けることができる。前述の通り、削岩機２４を搭載したガイドシェル２３は、台車２１に対して、前記多関節ブーム２２を介して支持されているところ、前記多関節ブーム２２の各枢軸及び伸縮可動部分には、その動作量を検出するための検出器が設置されており、角度や長さが検出されるようになっているため、台車２１のみに視準ターゲット１０を取り付けた場合でも、台車２１の位置姿勢が判れば、削岩機２４による穿孔位置及び方向が制御可能になる。

前記視準ターゲット１０は、トンネル方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けるのが好ましい。

〔杭打ち機の位置姿勢計測システム〕
杭打ち機３０は、図６に示されるように、走行可能な台車３１に対して、ガイドセル３２に前後進自在に送り装置３３（ドリフター）を搭載し、この送り装置３３の前面側にチャック手段などの連結材を介して杭体を保持し、前記送り装置３３による前進による推進力を与え、更には貫入効率を上げるために、打撃を与えたり、振動を与えたりしながら、前記杭体を地盤に挿入する重機である。なお、前記杭打ち機３０と同様の機構を備えるものとして穿孔機があるが、これら杭打ち機３０と穿孔機とは前記杭体に代えて穿孔ロッドが送り装置３３に対してシャンクロッドや接続アダプターなどの連結材を介して保持されるだけの相違であるから、穿孔機についても前記杭打ち機３０と同様に本位置姿勢計測システム１を適用することが可能である。

前記視準ターゲット１０が取り付けられる単軸移動装置１２は、前記ガイドセル３２に取り付けることができる。前記視準ターゲット１０は、杭の打ち込み方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けるのが好ましい。これにより、ガイドセル３２の位置姿勢が計測でき、杭の打ち込み方向を適確に制御できるようになる。

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、本発明に係る位置姿勢計測システム１をシールド機２に適用した場合について説明したが、このシールド機の他、トンネルボーリングマシンや自由断面掘削機などの掘削機一般に対して適用が可能である。

１…位置姿勢計測システム、２…シールド機、３…カッターヘッド、４…スキンプレート、６…シールドジャッキ、７…セグメント、１０…視準ターゲット、１１…トータルステーション、１２…単軸移動装置、１３…スライダー、１４…インターフェース盤、１５…運転操作盤、１６…記録装置、２０…ドリルジャンボ、２１…台車、２２…多関節ブーム、２３…ガイドシェル、２４…削岩機、３０…杭打ち機、３１…台車、３２…ガイドセル、３３…送り装置

Claims (4)

1. 重機類に設置された視準ターゲットをトータルステーションにより視準して前記重機類の位置及び姿勢を得るようにした重機類の位置姿勢計測システムにおいて、
   前記視準ターゲットが第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられていることを特徴とする重機類の位置姿勢計測システム。
2. 前記重機類が掘削機であり、前記視準ターゲットが前記掘削機の掘進方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている請求項１記載の重機類の位置姿勢計測システム。
3. 前記重機類がドリルジャンボであり、前記視準ターゲットがトンネル方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている請求項１記載の重機類の位置姿勢計測システム。
4. 前記重機類が杭打ち機であり、前記視準ターゲットが杭の打ち込み方向成分を有する方向に、第１視準位置と第２視準位置との間で往復移動可能に設けられている請求項１記載の重機類の位置姿勢計測システム。

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