JP2667759B2 - セグメントの組立位置決め方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル覆工用セグメ
ントを自動組立てするためのセグメントの組立位置決め
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド工事でセグメントの自動組立を
行う場合、組立セグメントを既設セグメントの位置・姿
勢に合わせて位置決めするために、図１８に示すような
光切断法を用いることが提案されている（特開平３−１
９９５９９）。

【０００３】これは、図示しない投光器からの３本のス
リット光を所定の組立位置近傍に粗位置決めされた組立
セグメント７２と既設セグメント７１ａ、７１ｂのトン
ネル軸方向およびトンネル周方向の各境界部に照射し、
各境界部のスリット光像７３ａ〜７３ｃを図示しないテ
レビカメラで撮像し、これらテレビカメラからの画像デ
ータを画像処理して得られた、図１９の（ａ）〜（ｃ）
に示す各スリット光像の端点Ａ，Ａ´，Ｂ，Ｂ´，Ｃ，
Ｃ´の座標値から各境界部の段差・隙間を求め、その段
差・隙間情報を基にして既設セグメント７１ａ，７１ｂ
と組立セグメント７２の相対的位置・姿勢の偏差と補正
量を演算し、組立セグメント７２を把持したエレクタの
位置・姿勢を補正することによって、組立セグメント７
２を所定の組立位置に微位置決めしようとするものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１８は、組立セグメ
ントが既設セグメントと２面で接する場合であり、この
場合は、既設セグメントの位置・姿勢の計測結果などの
数値データを基にした頭初の粗位置決めがそれほど正確
にできなくても、段差・隙間の検出手段であるテレビカ
メラの全てに組立セグメントと既設セグメントが映る位
置へ組立セグメントを一度で位置決めすることが可能で
ある。

【０００５】しかし、図７に示すように組立セグメント
４２が幅方向のテーパを持つくさび形状をしており、既
設セグメント４１ａ，４１ｂ，４１ｃと３面で接するよ
うにトンネル軸方向に挿入して組み立てられる場合に
は、組立時の拘束条件が多くなる、既設セグメントの組
立形状があらかじめ設定された設計データよりずれてい
るなどの理由により、前記数値データだけを基にして、
段差・隙間検出手段である３台のテレビカメラ４５ａ，
４５ｂ，４５ｃの全てに組立セグメントと既設セグメン
トが映る位置へ組立セグメントを一度で粗位置決めする
ことは困難であり、組立セグメントが既設セグメントに
衝突して位置決め不能となり、セグメントを損傷する可
能性が大きい。

【０００６】図２０および図２１に示すように、組立セ
グメント８２が既設セグメント８１ａ，８１ｂ，８１ｃ
と３面で接するようにトンネル径方向の内側から挿入し
て組み立てられる場合にも、上記と同様の問題がある。
また、この場合は、組立セグメント８２の内周長が外周
長より長いため、粗位置決めしたときの組立セグメント
と既設セグメントとの距離が大きいと、図示のように投
光器８３ｃ、テレビカメラ８４ｃから見て既設セグメン
ト８１ｃのトンネル周方向端部が組立セグメント８２の
陰になって、組立・既設セグメント間の段差・隙間の検
出が妨げられ、正確な段差・隙間情報が得られないとい
う問題もある。

【０００７】本発明の目的は、これらのキーセグメント
を含む任意の種類の組立セグメントを既設セグメントに
衝突させることなく所定の組立位置近傍に粗位置決め
し、かつ既設セグメントとの位置・姿勢の偏差を自動的
に補正して所定の組立位置に位置決めできるセグメント
の組立位置決め方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、シールド掘進機内に設置したエレクタによ
り組立セグメントを所定の組立位置近傍に粗位置決め
し、その後、組立セグメントと既設セグメントとのトン
ネル軸方向境界部およびトンネル周方向境界部の段差・
隙間をエレクタ上に設けた段差・隙間検出手段により検
出し、これらの段差・隙間をなくするようにエレクタの
位置・姿勢を補正して、組立セグメントを所定の組立位
置に微位置決めするセグメントの組立位置決め方法にお
いて、（イ） 組立セグメントを把持しないで既設セグ
メントのトンネル軸方向端部とトンネル周方向端部の位
置を検出できる計測位置・姿勢にエレクタを移動させ
て、前記段差・隙間検出手段により既設セグメントの前
記各端部の位置を検出し、（ロ） 次に組立セグメント
を把持できる位置にエレクタを移動させ、組立セグメン
トを把持させた状態で、前記段差・隙間検出手段により
組立セグメントのトンネル軸方向端部とトンネル周方向
端部の位置を検出し、（ハ） このようにして検出した
既設セグメントと組立セグメントの前記各端部の位置か
ら組立セグメントを把持させて前記計測位置・姿勢にエ
レクタを移動させたときの組立・既設セグメント間の仮
想上の段差・隙間を求め、この仮想上の段差・隙間を基
にして組立セグメントを既設セグメントに衝突させない
で組立・既設セグメントのトンネル軸方向境界部および
トンネル周方向境界部の実際の段差・隙間を検出できる
位置に粗位置決めするために前記計測位置・姿勢に加算
すべき補正量を演算し、（ニ） この補正量を前記計測
位置・姿勢に加算して得た目標位置・姿勢までエレクタ
を移動させる、ことにより組立セグメントを粗位置決め
することを特徴とする。

【０００９】

【作用】エレクタが組立セグメントを把持した状態で
は、エレクタ上に設置された段差・隙間検出手段とエレ
クタのセグメント把持部および把持された組立セグメン
トの相対的位置・姿勢はエレクタの動きにかかわらず一
定であるから、組立セグメントを把持しないで既設セグ
メントのトンネル軸方向端部とトンネル周方向端部の位
置を検出できる計測位置・姿勢にエレクタを移動させ
て、前記段差・隙間検出手段により既設セグメントの前
記各端部の位置を検出し、次に組立セグメントを把持で
きる位置にエレクタを移動させ、組立セグメントを把持
させた状態で、前記段差・隙間検出手段により組立セグ
メントのトンネル軸方向端部およびトンネル周方向端部
の位置を検出すると、これらの検出した既設セグメント
と組立セグメントの前記各端部の位置から組立セグメン
トを把持させて前記計測位置・姿勢にエレクタを移動さ
せたときの組立・既設セグメント間の仮想上の段差・隙
間が求められる。この仮想上の段差・隙間から組立セグ
メントを把持させて前記計測位置・姿勢にエレクタを移
動させたときの組立・既設セグメントの相対的位置・姿
勢の偏差を予測できるので、その偏差に対する補正量を
演算し、この補正量を前記計測位置・姿勢に加算して得
た目標位置・姿勢までエレクタを移動させることによ
り、組立セグメントを既設セグメントに衝突させないで
組立・既設セグメントのトンネル軸方向境界部およびト
ンネル周方向境界部の実際の段差・隙間を検出できる位
置に組立セグメントを粗位置決めすることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。

【００１１】図２〜図６に示すように、セグメント自動
組立に用いられるエレクタ本体１２は、円筒状をしたシ
ールド本体１１の後部に設置される。このエレクタ本体
１２は、大別して、施回機構であるエレクタリング１３
と施回モータ１６、押付機構である吊りビーム２１と押
付ジャッキ２２、左右摺動機構である横スライドフレー
ム２４と横スライドジャッキ２５、前後摺動機構である
前後スライドフレーム２７と前後スライドジャッキ２
８、ピッチング、ローリング、ヨーイング等の姿勢制御
機構である球面フレーム２９と姿勢制御用ジャッキ３
１、３２、３３およびセグメント把持部３４とからなっ
ている。

【００１２】エレクタリング１３は、シールド本体１１
の内周数箇所に設置された外周ガイドローラ１４と側面
がガイドローラ１５により案内され、シールド本体１１
に取り付けられた施回モータ１６によりピニオン１７と
リングギヤ１８を介して施回駆動される。これに伴い、
エレクタリング１３上に支持された以下の各部も同時に
左右施回させられる。

【００１３】エレクタリング１３の左右のアーム１９に
ガイドロッド２０を介して支持された吊りビーム２１
は、アーム１９との間に取り付けられた押付ジャッキ２
２の伸縮によりＺ軸方向（エレクタリング１３の径方
向）に移動させられ、これに伴い吊りビーム２１上に支
持された以下の各部も同方向に移動する。

【００１４】吊りビーム２１にリニアベアリング２３を
介して支持された横スライドフレーム２４は、吊りビー
ム２１との間に取り付けられた横スライドジャッキ２５
の伸縮により吊りビーム２１上をＹ軸方向に移動させら
れ、これに伴い横スライドフレーム２４上に支持された
以下の各部も同方向に移動する。

【００１５】横スライドフレーム２４にリニアベアリン
グ２６を介して支持された前後スライドフレーム２７
は、横スライドフレーム２４との間に取り付けられた前
後スライドジャッキ２８の伸縮により横スライドフレー
ム２４上をＸ軸方向（シールド軸方向）に前後スライド
させられ、これに伴い前後スライドフレーム２７上に支
持された以下の各部も同方向に移動する。

【００１６】前後スライドフレーム２７の球面ガイド部
２７ａに組み込まれた球面フレーム２９は、前後スライ
ドフレーム２７との間に取り付けられた２本の姿勢制御
用ジャッキ３１，３２の伸縮により次のような動きをす
る。図４において、２本のジャッキ３１，３２を同時に
伸長または収縮させた場合、球面フレーム２９は球面中
心Ｇを含むＸ軸の回りに傾けられ、この動きはセグメン
ト把持部３４のローリング制御に用いられる。また、ジ
ャッキ３１，３２のいずれか一方を伸長させ、他方を収
縮させた場合は、球面フレーム２９は球面中心Ｇを含む
Ｚ軸の回りに左右施回させられ、この動きはセグメント
把持部３４のヨーイング制御に用いられる。

【００１７】球面フレーム２９の中心軸３０に吊り下げ
られたセグメント把持部３４は、球面フレーム２９との
間に取り付けられた姿勢制御用ジャッキ３３の伸縮によ
り中心軸３０の回りに傾けられ、この動きはセグメント
把持部３４のピッチング制御に用いられる。

【００１８】セグメント把持部３４は、組立セグメント
４２のグラウト穴４３に合致する雄ねじが切られたねじ
軸３５を備えている。また、セグメント把持部３４に
は、ねじ軸３５を回転させる駆動モータ３６と、ねじ軸
３５を駆動モータ３６、軸受ブラケット３７と共に昇降
動作させる昇降ジャッキ３８が装備されており、図示し
ない位置決めセンサにより、エレクタ下に置かれた組立
セグメント４２のグラウト穴４３にねじ軸３５を心合わ
せした後、該ねじ軸３５を回転させながらセグメント４
２に向かって突き出し、グラウト穴４３へのねじ込み完
了後、セグメント４２がセグメント把持部３４の端面に
当たるまでねじ軸３５を引き戻すことにより、セグメン
ト４２を把持する。

【００１９】エレクタ本体は以上のように構成され、組
立セグメント４２を把持して最終的に所定の組立位置に
位置決めし、図示しないボルト締結装置により既設セグ
メント４１に組み付ける機能を有している。

【００２０】図７はセグメント位置決めに用いる段差・
隙間検出手段と組立・既設セグメントとの位置関係およ
びシステム構成を示したものである。１２はエレクタ本
体を模式的に表わしている。４２は幅方向のテーパを持
つくさび形状の組立セグメントを、４１ａは組立セグメ
ント４２とトンネル軸方向に隣接する既設セグメント
を、４１ｂ，４１ｃは組立セグメント４２とトンネル周
方向に隣接する既設セグメントをそれぞれ表わしてい
る。本図には組立・既設セグメント間の段差・隙間を検
出するのに光切断法を用いた例を示しており、段差・隙
間検出手段として３組の投光器４４ａ，４４ｂ，４４ｃ
とテレビカメラ４５ａ，４５ｂ，４５ｃが、エレクタ本
体１２のセグメント把持部３４に剛体１２ａ，１２ｂ，
１２ｃを介して固定されている。したがって、投光器４
４ａ〜４４ｃ、テレビカメラ４５ａ〜４５ｃと把持部３
４および組立セグメント４２の相対的な位置・姿勢はエ
レクタの動きにかかわらず、把持中は一定である。投光
器４４ａは組立セグメント４２と既設セグメント４１ａ
のトンネル軸方向境界部に、投光器４４ｂ，４４ｃは組
立セグメント４２と既設セグメント４１ｂ，４１ｃのト
ンネル周方向境界部にそれぞれスリット光を照射し、各
セグメント上に生じたスリット光像（以下、光切断像と
託す）４６ａ〜４６ｃはテレビカメラ４５ａ〜４５ｃに
よりそれぞれ撮像される。４７ａ〜４７ｃはテレビカメ
ラ４５ａ〜４５ｃの視野を表わしている。

【００２１】これらテレビカメラからの画像データはカ
メラ切換器４８と画像入力装置４９を介して画像メモリ
５０に取り込まれる。５１は画像メモリ５０に格納され
た画像データを処理して光切断像の端点座標を求める画
像処理装置、５２は画像処理装置５１で求められた光切
断像の端点座標値または事前に入力された数値データか
ら後述する位置決め制御演算を行い、その結果を指令値
としてサーボ制御装置５３へ出力するエレクタ本体の制
御装置（以下、本体制御装置と記す）であり、サーボ制
御装置５３は、その指令に従ってエレクタ本体の施回モ
ータ１６および油圧ジャッキ２２，２５，２８，３１，
３２，３３を含む７軸のアクチュエータを制御する。

【００２２】以下、くさび形状の組立セグメント４２を
３面が拘束された状態で位置決めする場合の制御手段を
図１および図８〜図１７を用いて説明する。

【００２３】本体制御装置５２で実行される位置決め制
御は、大きく分けて粗位置決め制御と微位置決め制御の
２段階からなっている。

【００２４】まず、粗位置決め制御について説明する。
粗位置決め制御の詳細な手順を図１に示す。手順１０１
の計測位置・姿勢演算では、設計時のセグメント位置・
姿勢データ、もしくは既設セグメントの位置・姿勢計測
結果から組立セグメントが最終的に位置決めされるであ
ろう目標位置を演算し、この目標位置を基にして、図９
に示すように既設セグメント４１ａ〜４１ｃ上の光切断
像４６ａ〜４６ｃがカメラ視野４７ａ〜４７ｃに入るエ
レクタ位置・姿勢（以下、計測位置・姿勢と記す）を演
算する。ここで、エレクタ位置・姿勢とは、エレクタ本
体１２の手先であるセグメント把持部３４の位置・姿勢
を意味し、把持中の組立セグメントの位置・姿勢と同じ
である。なお、計測位置・姿勢は、エレクタ本体１２の
施回角度と次に述べるエレクタ座標系とで表わされる。

【００２５】図８は絶対座標系とエレクタ座標系と手先
座標系の位置関係を示したもので、絶対座標系（Ｘｒ，
Ｙｒ，Ｚｒ）のＸｒ軸とエレクタ座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
のＸ軸とはエレクタ本体１２の施回中心軸に重なってお
り、手先座標系（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）の原点は組立セグ
メント４２のグラウト穴４３の中心線上で、かつ組立セ
グメント４２の厚みを二等分する点（組立セグメントの
中心点）に位置する。

【００２６】手順１０２のアクチュエータ指令値演算で
は、先に演算した計測位置・姿勢から施回モータ１６を
含む７軸全てのアクチュエータの指令値を演算する。そ
して、手順１０３のアクチュエータ制御で、演算した指
令値をサーボ制御装置５３へ出力し、サーボ制御装置５
３が各アクチュエータを制御し終えるのを待つ。

【００２７】次に、手順１０４の既設セグメント端部検
出について説明する。手順１０３のアクチュエータ制御
が終了した状態、つまり組立セグメント４２を把持しな
いで前記計測位置・姿勢にエレクタを移動させたときの
既設セグメント４１ａ〜４１ｃとエレクタ本体の位置関
係を図９に示し、このときテレビカメラ４５ａ〜４５ｃ
に映る画像を図１０の（ａ）〜（ｃ）に拡大して示す。
この状態では、組立セグメント４２を把持していないの
で、テレビカメラ４５ａ〜４５ｃには、組立セグメント
４２を挿入したときにトンネル軸方向に隣接する既設セ
グメント４１ａ上の光切断像４６ａとトンネル周方向両
側に隣接する既設セグメント４１ｂ，４１ｃ上の光切断
像４６ｂ，４６ｃだけが映っている。手順１０４では、
カメラ切換器４８によりテレビカメラ４５ａ〜４５ｃか
らの画像データを順次切り換え選択して画像メモリ５０
に取り込み、その後、画像データを画像処理装置５１で
処理して各光切断像４６ａ〜４６ｃの端点を抽出する。
光切断像４６ａ〜４６ｃの画像座標系（ｘｕ，ｙｕ）上
での端点座標値は、Ａ´（ａｘ´，ａｙ´），Ｂ´，
（ｂｘ´，ｂｙ´），Ｃ´（ｃｘ´，ｃｙ´）と表わせ
る。これらＡ´，Ｂ´，Ｃ´の端点座標値は、それぞれ
既設セグメント４１ａのトンネル軸方向端部および既設
セグメント４１ｂ，４１ｃのトンネル周方向端部の位置
データとして本体制御装置５２に記憶される。

【００２８】手順１０１から１０４までは前記（イ）の
手順に相当する。

【００２９】手順１０５の把持位置演算では、組立セグ
メント４２を把持できるエレクタの目標位置を演算し、
手順１０６のアクチュエータ指令値演算では、先に演算
した把持位置から施回モータ１６を含む７軸全てのアク
チュエータの指令値を演算する。そして、手順１０７の
アクチュエータ制御で、演算された指令値をサーボ制御
装置５３へ出力し、サーボ制御装置５３が各アクチュエ
ータを制御し終えるのを待つ。

【００３０】次に、手順１０８の把持について説明す
る。手順１０７のアクチュエータ制御を終えた状態、つ
まりエレクタが把持位置に移動し終った状態で、組立セ
グメント４２のグラウト穴４３にねじ軸３５を回転させ
ながら挿入する。そして、組立セグメント４２を把持部
３４に固定する。

【００３１】次に、手順１０９の組立セグメント端部検
出について説明する。手順１０８の把持が終了した状態
での組立セグメント４２とエレクタ本体の位置関係を図
１１に示し、このときテレビカメラ４５ａ〜４５ｃに映
る画像を図１２の（ａ）〜（ｃ）に拡大して示す。この
状態では、テレビカメラ４５ａ〜４５ｃに組立セグメン
ト４２上の光切断像４６ａ〜４６ｃが映っている。手順
１０９では、カメラ切換器４８によりテレビカメラ４５
ａ〜４５ｃからの画像データを順次切り換え選択して画
像メモリ５０に取り込み、その後、画像データを画像処
理装置５１で処理して各光切断像４６ａ〜４６ｃの端点
を抽出する。光切断像４６ａ〜４６ｃの画像座標系（ｘ
ｕ〜ｙｕ）上での端点座標値は、Ａ（ａｘ，ａｙ），Ｂ
（ｂｘ，ｂｙ），Ｃ（ｃｘ，ｃｙ）と表わせる。これら
Ａ，Ｂ，Ｃの端点座標値は、それぞれ組立セグメント４
２のトンネル軸方向端部およびトンネル周方向端部の位
置データとして本体制御装置５２に記憶される。

【００３２】手順１０５から１０９までは前記（ロ）の
手順に相当する。

【００３３】次に、手順１１０の補正量演算について説
明する。手順１０４の既設セグメント端部検出において
求めた端点座標値Ａ´，Ｂ´，Ｃ´と、手順１０９の組
立セグメント端部検出において求めた端点座標値Ａ，
Ｂ，Ｃとを仮想の画面上で重ね合わせると、図１３の
（ａ），（ｂ），（ｃ）のようになる。これらの図で
は、ａｘ´＞ａｘ，ｃｙ＞ｃｙ´である。したがって、
組立セグメント４２を把持して前記計測位置・姿勢にエ
レクタを移動させると、組立セグメント４２が既設セグ
メント４１ａ，４１ｃとトンネル軸方向およびトンネル
周方向において衝突することがわかる。

【００３４】そこで、組立セグメントを既設セグメント
に衝突させないで組立・既設セグメント間のトンネル軸
方向境界部およびトンネル周方向境界部の実際の段差・
隙間を検出できる位置に粗位置決めするために前記計測
位置・姿勢に加算すべき補正量を次のようにして求め
る。図１３の（ａ），（ｂ），（ｃ）から、組立セグメ
ント４２を把持させて前記計測位置・姿勢にエレクタを
移動させたときの組立・既設セグメント間の仮想上の段
差ｅｄｚａ，ｅｄｚｂ，ｅｄｚｃと隙間ｅｄｘａ，ｅｄ
ｙｂ，ｅｄｙｃは次式により求められる。

【００３５】

【数１】

【００３６】ただし、ｋｘ，ｋｙ，ｋｚは画像データを
mm単位の数値に変換するための係数である。

【００３７】また、図１６に示すように、投光器４４
ｂ，４４ｃからの照射によって生じる組立セグメント４
２上の光切断像４６ｂ，４６ｃの端点間距離をＬ１，投
光器４４ｂ，４４ｃからの照射によって生じる組立セグ
メント４２上の光切断像４６ｂ，４６ｃの端点を結んだ
線から、投光器４４ａからの照射によって生じる組立セ
グメント４２上の光切断像４６ａの端点までのＸ軸方向
の距離をＬ２とすると、組立セグメント４２の中心点に
おける既設セグメント４１ａ〜４１ｃとの仮想上の位置
・姿勢偏差は、前記仮想上の段差ｅｄｚａ，ｅｄｚｂ，
ｅｄｚｃと隙間ｅｄｘａ，ｅｄｙｂ，ｅｄｙｃから次式
により求められる。

【００３８】

【数２】

【００３９】ここで、ｅｄｘ，ｅｄｙ，ｅｄｚはそれぞ
れＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の位置偏差を表わし、
ｅδｘ，ｅδｙはそれぞれＸ軸回り、Ｙ軸回りの姿勢偏
差を表わす。

【００４０】したがって、これらの偏差をなくするため
の補正量は次式で表わせる。

【００４１】

【数３】

【００４２】なお、粗位置決め制御の制御誤差・計測誤
差などを考慮し、先に求めた補正量に組立セグメントを
既設セグメントに衝突させないための余裕分を加算する
ことができる。

【００４３】手順１１０の補正量演算は前記（ハ）の手
順に相当する。

【００４４】次に、手順１１１のエレクタ目標位置姿勢
演算について図１４を用いて説明する。図１４の位置姿
勢演算部６０では、施回モータ１６を除いた６軸の各ア
クチュエータの計測位置・姿勢でのストロークＪ１〜Ｊ
６を用いて、エレクタ座標系で表わした手先座標の位置
・姿勢ｘ，ｙ，ｚ，θ１，θ２，θ３を演算する。これ
を手先座標の正変換部６１において正変換し、手先座標
の位置・姿勢を表わす手先座標行列Ｔを求める。ここ
で、エレクタ座標系に対する手先座標の方向を３つのベ
クトルｎ，ｏ，ａで、また手先座標の位置をベクトルｐ
で表わす。ｎ，ｏ，ａはそれぞれｄｘ，ｄｙ，ｄｚ軸方
向のベクトルであり、エレクタ座標系でｎ，ｏ，ａを表
わすと、次式のようになる。

【００４５】

【数４】

【００４６】また、エレクタ座標系でｐをあらわすと、
次式のようになる。

【００４７】

【数５】

【００４８】数４、数５のｎｘ〜ｎｚ，ｏｘ〜ｏｚ，ａ
ｘ〜ａｚおよびｐｘ〜ｐｚを用いて手先座標行列Ｔを次
式で表わす。

【００４９】

【数６】

【００５０】光切断像から求めた補正量をｄｘ〜δｚと
すると、これを微小変化の正変換部６２において正変換
して得られた手先座標の微小移動量ｄＴは次式で表わせ
る。

【００５１】

【数７】

【００５２】数６、数７より、手先座標の目標位置・姿
勢を表わす手先座標の目標値行列Ｔｒｅｆは次式で求め
られる。

【００５３】

【数８】

【００５４】これを手先座標の逆変換部６３において逆
変換し、エレクタ座標系で表わした手先座標の目標位置
・姿勢ｘｒｅｆ，ｙｒｅｆ，ｚｒｅｆ，θ１ｒｅｆ，θ
２ｒｅｆ，θ３ｒｅｆを演算する。粗位置決め制御で
は、数７の補正量ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，δｘ，δｙに数３
で求めたｄｘ〜δｙを、他の補正量δｚに零を代入する
ことによって、エレクタの目標位置・姿勢を演算でき
る。

【００５５】次に、手順１１２のアクチュエータ指令値
演算において、先に求めたエレクタの目標位置・姿勢
と、計測位置・姿勢演算で求めた計測位置・姿勢での施
回角度から施回モータ１６を含む各アクチュエータの指
令値を演算する。そして、手順１１３のアクチュエータ
制御では、演算された各アクチュエータの指令値をサー
ボ制御装置５３へ出力し、サーボ制御装置５３が各アク
チュエータを制御し終えるのを待つ。

【００５６】手順１１１から１１３までは前記手順
（ニ）に相当する。

【００５７】このようにして、補正量と計測位置・姿勢
から求めた目標位置・姿勢にエレクタを移動させると、
組立セグメント４２を既設セグメント４１ａ〜４１ｃに
衝突させないで組立・既設セグメント間のトンネル軸方
向境界部およびトンネル周方向境界部の実際の段差・隙
間を検出できる位置に粗位置決めできる。

【００５８】次に、図１５〜図１７を用いて組立セグメ
ントの微位置決め制御について説明する。図１５は微位
置決め制御の詳細な手順を、図１６は粗位置決め制御が
終了した状態での組立セグメント４２と既設セグメント
４１ａ〜４１ｃの位置関係を、図１７はこのとき３台の
テレビカメラ４５ａ〜４５ｃに映る画像を拡大して示し
たものである。

【００５９】図１５に示す手順２０１の微位置決め用偏
差検出演算では、テレビカメラ４５ａ〜４５ｃを用いて
組立セグメント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃ上
の光切断像４６ａ〜４６ｃを撮像し、カメラ切換器４８
により映像を選択して順次画像メモリ５０に取り込む。
そして、画像処理装置５１で画像メモリ５０に格納され
た画像データを処理して、図１７の（ａ）〜（ｃ）に示
す光切断像の端点Ａ，Ａ´，Ｂ，Ｂ´，Ｃ，Ｃ´の座標
値を求める。同図に示すように、画像座標系（ｘｕ，ｙ
ｕ）上での端点座標値を、Ａ（ａｘ，ａｙ）、Ａ´（ａ
ｘ´，ａｙ´）、Ｂ（ｂｘ，ｂｙ）、Ｂ´（ｂｘ´，ｂ
ｙ´）、Ｃ（ｃｘ，ｃｙ）、Ｃ´（ｃｘ´，ｃｙ´）と
すると、組立セグメント４２と既設セグメント４１ａ〜
４１ｃとの段差ｅｄｚａ，ｅｄｚｂ，ｅｄｚｃ、隙間ｅ
ｄｘａ，ｅｄｙｂ，ｅｄｙｃは先に示した数１で求めら
れる。

【００６０】また、これらの段差・隙間から組立セグメ
ント４２の中心点における既設セグメント４１ａ〜４１
ｃとの位置・姿勢の偏差は同じく数２で求められる。

【００６１】したがって、偏差をなくするための補正量
は同じく数３で表わせる。

【００６２】次に、演算された補正量ｄｘ〜δｙが所定
のしきい値以内であるかどうかを手順２０２で判断し、
しきい値以内であれば制御を終了する。しきい値以内で
なければ、手順２０３のエレクタ目標位置・姿勢の演
算、手順２０４のアクチュエータ指令値演算、手順２０
５のアクチュエータ制御を行う。そして、アクチュエー
タ制御終了後、手順２０１に戻り、手順２０１で演算し
た補正量がしきい値以内になるまで手順２０１〜２０５
を繰り返す。手順２０３から２０５までの一連の演算、
制御は、図１に示した手順１１１〜１１３と同様であ
る。こうして、組立・既設セグメント間の位置・姿勢偏
差を補正し、組立セグメント４２を最終的に位置決めす
る。

【００６３】上記実施例では、組立・既設セグメント間
のＺ軸回りの姿勢偏差は無視できるものとして、その偏
差検出を省略したが、投光器とテレビカメラを１組追加
して、組立・既設セグメントのトンネル軸方向境界部の
段差・隙間を２点で検出し、各点の隙間量の差を求める
ことにより、Ｚ軸回りの姿勢偏差の検出、補正を行うこ
ともできる。

【００６４】上記実施例は既設セグメント間にトンネル
軸方向に挿入されるキーセグメントの位置決めに適用し
た場合であるが、既設セグメント間にトンネル径方向に
挿入されるキーセグメントの位置決めに本発明の方法を
適用すれば、組立セグメントを既設セグメントに衝突さ
せずに、より近付けて粗位置決めできるので、その後の
微位置決めにおいて、図２０および図２１に示すように
既設セグメント８１ｃの端部が組立セグメント８２の陰
になって、段差・隙間の検出を妨げられることがない。

【００６５】また、本発明の方法はキーセグメントだけ
でなく、それ以外のセグメントの位置決めに利用するこ
とも可能で、例えば図１８に示すように組立セグメント
７２を既設セグメント７１ａ，７１ｂと２面で接する状
態に位置決めしようとする場合、組立セグメント７２を
把持しないで計測位置・姿勢にエレクタを移動させて検
出した既設セグメント７１ａ，７１ｂ上の光切断像の端
点Ａ´，Ｂ´，Ｃ´の座標値と、エレクタを把持位置に
移動させて検出した組立セグメント７２上の光切断像の
端点Ａ，Ｂ，Ｃの座標値から組立・既設セグメント間の
仮想上の段差・隙間を求め、この仮想上の段差・隙間を
用いて補正量を演算し、計測位置・姿勢に加算して得た
目標位置・姿勢にエレクタを移動させることによって、
組立セグメント７２を既設セグメント７１ａ，７１ｂに
衝突させずに、より近付けて粗位置決めできる。

【００６６】なお、これまでの説明では段差・隙間検出
手段として投光器とテレビカメラからなる視覚センサを
用いているが、視覚センサに限らず、組立・既設セグメ
ントの段差方向と隙間方向それぞれの端部の位置を検出
できるものであればよい。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、既設セグメントの位置
・姿勢計測結果などの事前に入力された数値データだけ
を基にして組立セグメントの粗位置決めを行った場合の
ように誤って組立セグメントを既設セグメントに衝突さ
せることなく、エレクタ上に設けた段差・隙間検出手段
の全てが組立・既設セグメントのトンネル軸方向および
トンネル周方向の各境界部の段差・隙間を検出できる位
置まで自動的に組立セグメントを既設セグメントに近付
けて粗位置決めし、全ての検出手段からの段差・隙間情
報を用いて組立セグメントを所定の組立位置に正確に微
位置決めすることができる。その上、各境界部の段差・
隙間を検出できる位置に組立セグメントを一度で粗位置
決めできるので、位置決め所要時間が短くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主要部である粗位置決め制御のフロー
チャートである。

【図２】シールド掘進機内に設置されたエレクタ本体の
一部切断した正面図である。

【図３】図２のIII−III断面図である。

【図４】図２のIV−IV断面図である。

【図５】図２のV−V断面図である。

【図６】図２のセグメント把持部３４の詳細断面図であ
る。

【図７】セグメント位置決めに用いる段差・隙間検出手
段と組立セグメント、既設セグメントの位置関係および
システム構成の一例を示す図である。

【図８】絶対座標系とエレクタ座標系と手先座標系の位
置関係を示す図である。

【図９】手順１０３のアクチュエータ制御が終了した状
態での既設セグメントとエレクタ本体との位置関係を示
す図である。

【図１０】図９の状態で３台のテレビカメラに映った画
像の拡大図である。

【図１１】手順１０８の把持が終了した状態での組立セ
グメントとエレクタ本体との位置関係を示す図である。

【図１２】図１１の状態で３台のテレビカメラに映った
画像の拡大図である。

【図１３】図９の状態で得た画像と図１１の状態で得た
画像を仮想的に重ね合わせた画像の拡大図である。

【図１４】エレクタの目標位置・姿勢演算のブロック図
である。

【図１５】微位置決め制御のフローチャートである。

【図１６】粗位置決め制御が終了した状態での組立セグ
メントと既設セグメントの位置関係を示す図である。

【図１７】図１６の状態で３台のテレビカメラに映った
画像の拡大図である。

【図１８】従来の光切断法による組立セグメントと既設
セグメントの相対的位置・姿勢検出の説明図である。

【図１９】テレビカメラに映った図１８の光切断像の拡
大図である。

【図２０】従来技術の問題点を説明するための図で、既
設セグメント間にトンネル径方向に挿入される組立セグ
メントの粗位置決め終了時の状態を示す斜視図である。

【図２１】図２０のＤ失視図である。

【符号の説明】

１１…シールド本体、１２…エレクタ本体、４１ａ〜４
１ｃ…既設セグメント、４２…組立セグメント、４４ａ
〜４４ｃ…スリット光投光器、４５ａ〜４５ｃ…テレビ
カメラ、４６ａ〜４６ｃ…光切断像、４８…カメラ切換
器、４９…画像入力装置、５０…画像メモリ、５１…画
像処理装着、５２…本体制御装置、５３…サーボ制御装
置、１０１〜１１３…粗位置決め制御の制御手順、２０
１〜２０５…微位置決め制御の制御手順。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東海林 宏明 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (72)発明者 森 泰雄 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (72)発明者 小澤 肇 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (72)発明者 中島 吉男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 服部 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 平４−149398（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−308097（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機内に設置したエレクタに
   より組立セグメントを所定の組立位置近傍に粗位置決め
   し、その後、組立セグメントと既設セグメントとのトン
   ネル軸方向境界部およびトンネル周方向境界部の段差・
   隙間をエレクタ上に設けた段差・隙間検出手段により検
   出し、これらの段差・隙間をなくするようにエレクタの
   位置・姿勢を補正して、組立セグメントを所定の組立位
   置に微位置決めするセグメントの組立位置決め方法にお
   いて、（イ） 組立セグメントを把持しないで既設セグ
   メントのトンネル軸方向端部とトンネル周方向端部の位
   置を検出できる計測位置・姿勢にエレクタを移動させ
   て、前記段差・隙間検出手段により既設セグメントの前
   記各端部の位置を検出し、（ロ） 次に組立セグメント
   を把持できる位置にエレクタを移動させ、組立セグメン
   トを把持させた状態で、前記段差・隙間検出手段により
   組立セグメントのトンネル軸方向端部とトンネル周方向
   端部の位置を検出し、（ハ） このようにして検出した
   既設セグメントと組立セグメントの前記各端部の位置か
   ら組立セグメントを把持させて前記計測位置・姿勢にエ
   レクタを移動させたときの組立・既設セグメント間の仮
   想上の段差・隙間を求め、この仮想上の段差・隙間を基
   にして組立セグメントのトンネル軸方向境界部およびト
   ンネル周方向境界部の実際の段差・隙間を検出できる位
   置に粗位置決めするために前記計測位置・姿勢に加算す
   べき補正量を演算し、（ニ） この補正量を前記計測位
   置・姿勢に加算して得た目標位置・姿勢までエレクタを
   移動させることにより組立セグメントを粗位置決めする
   ことを特徴とするセグメントの組立位置決め方法。