JP3444026B2 - セグメントの組立位置決め方法及び組立位置決め装置 - 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光切断法を用いること
が提案されている（特開平３−１９９５９９）。

【０００３】これは、エレクタ上に設置された３組の投
光器とテレビカメラを用い、図１０に示すように、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４２と既設セグメント４１
ａ〜４１ｃのトンネル周方向に沿った境界部の２箇所と
トンネル軸方向に沿った境界部の１箇所に斜め方向から
照射することにより生じたスリット光像Ａ，Ａ´，Ｂ，
Ｂ´，Ｃ，Ｃ´をそれぞれ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処理して得られた各
スリット光像の端点ａ，ａ´，ｂ，ｂ´，ｃ，ｃ´の座
標値から前記３箇所の段差・隙間を検出し、その段差・
隙間情報を基にして組み立てセグメント４２と既設セグ
メント４１ａ〜４１ｃの相対的な位置・姿勢の偏差を求
め、その偏差を補正することによって組み立てセグメン
ト４２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】上記従来技術では、ス
リット光が照射される組立セグメントと既設セグメント
の端部に欠けや異物があった場合、組立セグメントと既
設セグメントとの間の段差の検出に及ぼす影響について
配慮されていなかった。図１０のＡ，Ａ´，Ｂ，Ｂ´，
Ｃ，Ｃ´は組立セグメントに欠けのない正常時の光切断
像の例であって、同図のカメラ画像４７ａ〜４７ｃにお
ける△ｘ１，△ｘ２，△ｙ３がセグメント間の隙間に相
当し、△ｙ１，△ｙ２，△ｘ３がセグメント間の段差に
相当する。しかし、例えば組立セグメント４２に図１
１、図１２に示すような欠け５４があった場合、欠けの
部分では、同図のカメラ画像４７ａに示すようにスリッ
ト光像Ａが変形して、正常時とは異なる端点座標置ａ
（ａｘ，ａｙ）が検出されるため、段差△ｙ１が見掛け
上大きく算出されてしまう。

【０００５】このような誤った段差・隙間情報を基にし
て位置・姿勢偏差と補正量を演算し、組立セグメントの
微位置決めを行うと、カメラ画像での見掛け上の段差が
大きくなった分、欠けのない部分では組立セグメントと
既設セグメントとの間に段差が生じて、正確な位置決め
ができない。また、このような状態で無理に自動組立を
行った場合、セグメントを損傷させてしまう可能性もあ
る。

【０００６】本発明の目的は、組立セグメントや既設セ
グメントの端部にある程度の欠けや異物があっても、そ
の影響を受けずに組立セグメントと既設セグメントとの
段差や隙間を検出できる、セグメントの組立位置決め方
法及び装置を提供することにある。

【０００７】本発明の他の目的は、組立セグメントや既
設セグメントの端部にある程度の欠けや異物があって
も、その段差・隙間情報を基に組立セグメントを既設セ
グメントの位置や姿勢に合わせて自動的に位置決めする
ことができ、もし欠けが大きすぎて段差検出不可能な場
合には、自動位置決めを停止させて位置決め不良やセグ
メントの損傷を未然に防止できる、セグメントの組立位
置決め方法及び装置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されたエレクタに
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、エレクタ上に設置した投光器から組立セグ
メントと既設セグメントのトンネル周方向に沿った境界
部の２箇所とトンネル軸方向に沿った境界部の１箇所に
スリット光を照射し、各々のスリット光像をエレクタ上
に設置したテレビカメラにより撮像して得られた画像デ
ータから前記３箇所の段差・隙間を検出し、その段差・
隙間情報を基にして組立セグメントと既設セグメントと
の位置・姿勢偏差を求め、その偏差を補正することによ
って組立セグメントの組立位置への微位置決めを自動的
に行うセグメント位置決めの方法において、前記スリッ
ト光像の各々の画像データから粗位置決めされた前記組
立セグメント画像の異常の有無を判定し、前記既設セグ
メントと組立セグメント間の隙間側にある端点座標を抽
出し、またその端点近傍に所定の間隔を取り、複数個の
スリット光像点を抽出して、それらのスリット光像点に
より形成した端点近傍にあるスリット光像の形状を求
め、それが凸状であればセグメントに異物が付着してい
ると判定し、逆にそれが凹状であれば、セグメントに欠
けがあると判定し、該判定結果に応じた処理を行うこと
を特徴とする。

【０００９】本発明の他の特徴は、セグメント位置決め
の方法において、前記組立セグメントの粗位置決め後、
前記３箇所の段差・隙間を検出する前に、組立セグメン
トと既設セグメントの前記スリット光照射部に欠けや異
物があるかどうかを像判定手段により判定・認識し、異
常画像がなければ、既設セグメント側スリット光像の隙
間方向最大座標点と組立側スリット光像の隙間方向最小
座標点の各座標値を用いてこれらセグメント間の段差・
隙間を算出し、また異常画像があれば、異常画像形状認
識手段により異常画像部の形状を認識して、異常画像検
出判定手段によりその異常画像を用いてセグメントの段
差・隙間を算出することが可能か否かを判定して、算出
可能であれば、異常画像対策手段により組立セグメント
と既設セグメント間の段差・隙間を求め、また算出不可
能であれば、その箇所での段差検出は不能と見なして、
段差・隙間情報に基づく位置・姿勢偏差の演算及び偏差
の補正を停止させることにある。

【００１０】

【作用】本発明によれば、組立セグメントの粗位置決め
後に、組立セグメントと既設セグメントのトンネル周方
向に沿った境界部の２箇所とトンネル軸方向に沿った境
界部の１箇所にスリット光を照射し、各々のスリット光
像をテレビカメラで撮像して得られた画像データから組
み立てセグメント側スリット光像の段差方向における最
大座標値と最小座標値との差を求める。この時、スリッ
ト光が照射された組立セグメントと既設セグメントの端
部に欠けや異物があれば、前記段差方向最大座標値と最
小座標値との差が正常時より大きくなる。しかし、組立
セグメントや既設セグメントに欠けや異物がある場合、
すべて段差・隙間検出不能ではなく、組立セグメントと
既設セグメントの内面に形成された直線状のスリット光
像が所定のしきい値以上であれば、この直線部と欠けや
異物部の端点座標により欠けや異物のない状態の正しい
端点位置を算出し、その端点情報を基にして組み立てセ
グメントと既設セグメントとの段差・隙間を求めること
により、組立セグメントと既設セグメントとの位置・姿
勢偏差を算出し、組立セグメントを組み立て位置に自動
位置決めすることを可能にし、前記直線部の長さが所定
のしきい値未満である場合のみ段差検出不能と見なし
て、自動位置決めを停止させる。

【００１１】もし、欠けや異物があると判定した場合
は、スリット光像の端点近傍の少なくとも２つの点を選
んで、これら３点によりスリット光像の端点部の形状を
算出し、凹凸性を判定する。セグメントの端点部の形状
が凹状である場合、欠けがあると判定できる。逆に端点
部の形状が凸状である場合、異物の付着があると判定で
きる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図２〜図６に示すように、本発明の実施例になるセ
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、旋回機構であるエレク
タリング１３と旋回モータ１６、押し付け機構である吊
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２８、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３１、３２、３３およびセグメント把持部３
４とからなっている。

【００１３】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
ガイドローラ１５により案内され、シールド本体１１に
取る付けられた旋回モータ１６によりピニオン１７とリ
ングギヤ１８を介して旋回駆動される。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
右旋回させられる。

【００１４】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し付けジャッ
キ２２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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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縮させ、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軸の回りに左右旋回させられ、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。

【００１８】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。

【００１９】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とともに昇
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
４２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。

【００２０】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。

【００２１】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及び
システム構成を示したものである。１２はエレクタ本体
を模式的に表している。４２は組立セグメントを、４１
ａ，４１ｂ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、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
表している。これら組立・既設セグメント間の段差・隙
間を検出するために、３組の投光器４４ａ，４４ｂ，４
４ｃ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（図示せず）を
介して固定されている。したがって、投光器４４ａ〜４
４ｃ、テレビカメラ４５ａ〜４５ｃと把持部３４及び組
み立てセグメント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４４
ａ、４４ｂは組立セグメント４２と既設セグメント４１
ａ、４１ｂのトンネル周方向に沿った境界部の２箇所
に、投光器４４ｃは組立セグメント４２と既設セグメン
ト４１ｃのトンネル軸方向に沿った境界部にそれぞれ斜
め方向から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Ａ，Ａ´，Ｂ，Ｂ´，Ｃ，Ｃ´はテレビ
カメラ４５ａ〜４５ｃによりそれぞれ撮像される。図１
０〜図１２において、４６ａ〜４６ｃはテレビカメラ４
５ａ〜４５ｃのカメラ視野を４７ａ〜４７ｃはテレビカ
メラ４５ａ〜４５ｃに映ったカメラ画像を示す。

【００２２】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スリット光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
端点座標ち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旋回モータ１
６及び油圧ジャッキ２２，２５，２８，３１，３２，３
３を含む７軸のアクチュエータを制御する。

【００２３】以下、組立セグメントを位置決めするため
の制御手順を図１及び図８〜図１３を用いて説明する。
本体制御装置５２で実行される位置決め制御は、図８に
示すように、大きく分けて粗位置決め制御１００と微位
置決め制御２００の２段階からなる。

【００２４】まず、手順１００の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９に示
す。手順１０１の粗位置決め演算では、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み立て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予測演算し、その目標位置
を基にして図７に示す組立セグメント４２及び既設セグ
メント４１ａ〜４１ｃ上のスリット光像Ａ，Ａ´，Ｂ，
Ｂ´，Ｃ，Ｃ´がテレビカメラ４５ａ〜４５ｃのカメラ
視野に入り、かつ組立セグメント４２と既設セグメント
４１ａ〜４１ｃが接触しないエレクタ位置・姿勢（以
下、粗位置と記す）を演算する。エレクタ位置・姿勢と
は、エレクタ本体１２のセグメント把持部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、粗位置はエレクタ本体の旋回角度と
図２に示すエレクタ座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表される。

【００２５】手順１０２のアクチュエータ指令値演算
で、先に求めた粗位置から旋回モータ１６を含む各アク
チュエータの指令値を演算し、手順１０３のアクチュエ
ータ制御でサーボ制御装置５３へ指令値を出力し、サー
ボ制御装置５３がアクチュエータを制御し終えるのを待
つ。

【００２６】次に、手順２００の微位置決め制御につい
て説明する。微位置決め制御の詳細な手順を図１に示
す。先の粗位置決め制御終了後に、図７に示す組立セグ
メント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃのトンネル
周方向に沿った境界部の２箇所とトンネル軸方向に沿っ
た境界部の１箇所に投光器４４ａ〜４４ｃからのスリッ
ト光を照射し、各々のスリット光像Ａ，Ａ´，Ｂ，Ｂ
´，Ｃ，Ｃ´をテレビカメラ４５ａ〜４５ｃで撮像す
る。

【００２７】スリット光が照射された組立セグメントの
端部に欠けがない場合の組立セグメント４２、既設セグ
メント４１ａ〜４１ｃとスリット光像の位置関係を図１
０に示し、この時３台のテレビカメラ４５ａ〜４５ｃに
映ったカメラ画像４７ａ〜４７ｃを同図に拡大して示
す。また、例えばスリット光が照射された組立セグメン
トの端部に欠けがある場合の組立セグメント４２、既設
セグメント４１ａ〜４１ｃとスリット光像の位置関係を
図１１、図１２に示し、このとき３台のテレビカメラ４
５ａ〜４５ｃに映ったカメラ画像４７ａ〜４７ｃを同図
に拡大して示す。

【００２８】手順２０１のスリット光像端点抽出では、
カメラ切換器４８によりテレビカメラ４５ａ〜４５ｃか
らの画像データ順次切り換え選択して画像メモリ５０に
取り込み、これら画像データを画像処理装置５１で処理
して、画像座標系（ｘｖ，ｙｖ）でのスリット光像Ａ，
Ａ´，Ｂ，Ｂ´，Ｃ，Ｃ´の端点座標を抽出し、記憶す
る。ここで抽出した端点座標は、ａ（ａｘ，ａｙ），ａ
´（ａｘ´，ａｙ´），ｂ（ｂｘ，ｂｙ），ｂ´（ｂｘ
´，ｂｙ´），ｃ（ｃｘ，ｃｙ），ｃ´（ｃｘ´，ｃｙ
´）と表せる。

【００２９】手順２０２で、先に抽出した組立セグメン
ト側スリット光像Ａ，Ｂ，Ｃと既設セグメント側スリッ
ト光像Ａ´，Ｂ´，Ｃ´に対して、異常すなわち、セグ
メントの欠損や泥等の異物の付着があるか否かを判定す
る。いま、セグメント側スリット光像の一つＡに注目す
ると、手順２０２では、図１４に示すように、スリット
光像Ａの外接長方形Ｅを作り、短辺の長さをＬで表す。
この短辺Ｌが次式、数１を満たすか否かにより、組立セ
グメント画像が正常か異か、つまり投光器４４ａが照射
している場所における欠けや異物の有無を判定する。

【００３０】Ｌ ＜ △Ｌ …………………………数１ ただし、△Ｌは所定のしきい値である。

【００３１】もし、図１０に示すように、スリット光が
照射された組立セグメント４２の端部に欠けや異物がな
ければ、数１を満たす。そこで、数１を満たす場合に
は、組立セグメント画像に異常がないと判定し、手順２
０４の段差・隙間算出に進む。

【００３２】もし、スリット光が照射された組立セグメ
ント４２の端部に図１１に示すような欠け５４があっ
て、スリット光像Ａの外接長方形Ｅの短辺Ｌが△Ｌ以上
であれば、数１を満たさない。そこで、数１を満たさな
い場合は、組立セグメント画像に異常がある、つまり欠
けや異物があると判定する。

【００３３】欠けや異物があると判定した場合は、手順
２０３で、図１５に示すように、スリット光像Ａの端点
ａの近傍にａ１、ａ２を選んで、この３点によりスリッ
ト光像Ａの端点部の形状を算出し（方程式省略）、凹凸
性を判定する。端点部の形状が投光器に向かって凹状で
ある場合、欠けがあると判定できる。逆に端点部の形状
が投光器に向かって凸状である場合、異物付着があると
判定できる。図７に示すように、投光器４４ａ〜４４ｃ
が組立セグメントに対して右斜め上方からスリット光を
照射するように構成されているため、図１５に示したよ
うに、点ａ、ａ１、ａ２の３点を結ぶ線分が左下側に湾
曲した状態では、端点部の形状が凹の形と判断すること
ができ、欠けがあると判定きでる。逆に、点ａ、ａ１、
ａ２の３点を結ぶ線分が右上側に湾曲した状態では、端
点部の形状が凸と判断される。

【００３４】更に、端点部ｄよりスリット光像Ａの直線
部の長さＬＬを求め、それが次式、数２を満たすか否か
により、欠けの検出が可能かどうかを判定する。

【００３５】 ＬＬ ＞ △ＬＬ …………………………数２ ただし、△ＬＬは所定のしきい値である。

【００３６】もし、求められた直線部の長さＬＬが数２
を満たせば、検出が可能であると判定する。逆に、求め
られた直線部の長さＬＬが数２を満たさなければ、検出
が不可能であると判定し、手順２１５で段差検出不能信
号を出力する。

【００３７】次に、手順２０４，２０６の段差・隙間算
出について説明する。図１０のように組み立てセグメン
トに欠けがないと判定された場合は、手順２０４で、通
常のように既設セグメント側スリット光像Ａ´の隙間方
向（ｘｖ方向）最大座標点である端点ａ´の座標値と組
立セグメント側スリット光像Ａの隙間方向最小座標点で
ある端点ａの座標値を用いて既設セグメント４１ａ、組
立セグメント４２間の段差・隙間を算出する。これを式
で表せば次の数３のようになる。

【００３８】 段差＝（ａｙ´−ａｙ）・ｋ１ 隙間＝（ａｘ´−ａｘ）・ｋ２ …………………………数３ ただし、ｋ１，ｋ２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。

【００３９】組立セグメントに欠け５４がある場合は、
数３で段差を算出すると、正常時とは異なった値とな
る。しかし、図１１のように組立セグメントの欠け部に
ある直線部の長さが許容範囲内であれば、手順２０６で
は、スリット光像Ａの直線部の情報と隙間方向の端点部
の情報を用いて、例えば、次のように求めることができ
る。

【００４０】まず、図１６に示すように、スリット光像
Ａの直線部に２点ａ１（ｘｖ，ｙｖ）、ｂ１（ｘｖ，ｙ
ｖ）の座標値と隙間方向の端点部ｃ１（ｘｖ，ｙｖ）を
抽出して、次式、数４によりカメラ座標系へ３次元変換
を行う。

【００４１】 Ｘ＝ｘｖ・Ｋｘ＋ｙｖ・Ｋｙ Ｙ＝ｘｖ・Ｎｘ＋ｙｖ・Ｎｙ Ｚ＝ｘｖ・Ｍｘ＋ｙｖ・Ｍｙ …………………………数４ ただし、Ｋｘ，Ｋｙ，Ｎｘ，Ｎｙ，Ｍｘ，Ｍｙが変換係
数である。

【００４２】この時、上記ａ１，ｂ１，ｃ１と対応する
スリット光線上の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１が得られ、更に、
点Ｂ１とＣ１によりスリット光線の直線方程式を求め、
点Ａ１を通る垂線の垂足を算出する。また、逆変換（変
換式省略）により、欠けのない時の正しい端点位置ｄ１
（ｄｘ１，ｄｙ１）を算出して、次式、数５で段差・隙
間を求める。

【００４３】 段差＝（ａｙ´−ｄｙ１）・ｋ１ 隙間＝（ａｘ´−ｄｘ１）・ｋ２ …………………………数５ 以上の説明はテレビカメラ４５ａからの画像データにつ
いて説明したが、他のテレビカメラ４５ｂ，４５ｃから
の画像データについても同様の判定、処理を行う。

【００４４】テレビカメラ４５ａ〜４５ｃからの画像デ
ータすべてについて段差・隙間が求められた場合は、こ
れらの段差・隙間情報を基にして、手順２０７で組立セ
グメント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃとの位置
・姿勢偏差量を演算する。組立セグメント４２と既設セ
グメント４１ａ〜４１ｃとの段差を△ｚａ，△ｚｂ，△
ｚｃ、隙間を△ｘａ，△ｘｂ，△ｙｃとすると、偏差量
は、例えば次式、数６により求められる。

【００４５】 ｅｄｘ＝１／２（△ｘａ＋△ｘｂ） ｅｄｙ＝△ｙｃ ｅｄｚ＝１／２（△ｚａ＋△ｚｃ） ｅδｘ＝（△ｚｂ−△ｚａ）／（Ｌｙａ＋Ｌｙｂ） ｅδｙ＝｛１／２（△ｚａ＋△ｚｂ）−△ｚｃ｝／（Ｌｘａ＋Ｌｘｃ） ｅδｚ＝（△ｘｂ＋△ｘａ）／（Ｌｙａ＋Ｌｙｂ） …………………数６ ここで、ｅｄｘ，ｅｄｙ，ｅｄｚはそれぞれ図１３に示
すｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の位置偏差を、ｅδ
ｘ，ｅδｙ，ｅδｚはそれぞれｘ軸回り、ｙ軸回り、ｚ
軸回りの姿勢偏差を表す。また、Ｌｘａ，Ｌｘｃ，Ｌｙ
ａ，Ｌｙｂは、図１３に示すように、組立セグメント４
２の中心（座標原点ｏ）から組立セグメント上のスリッ
ト光像Ａ，Ｂ，Ｃの各端点ａ，ｂ，ｃまでのｘ軸方向及
びｙ軸方向の距離を表している。

【００４６】これらの偏差量から位置・姿勢の補正量ｄ
ｘ，ｄｙ，ｄｚ，δｘ，δｙ，δｚが次式により求めら
れる。

【００４７】 ｄｘ＝−ｅｄｘ ｄｙ＝−ｅｄｙ ｄｚ＝−ｅｄｚ δｘ＝−ｅδｘ δｙ＝−ｅδｙ δｚ＝−ｅδｚ ………………………数７ 手順２０８では、先に求めた補正量をしきい値と比較
し、しきい値以内であれば、位置決め制御を終了する。
しきい値以内でなければ、手順２０９で、先に求めた補
正量を基にしてエレクタの目標位置・姿勢を演算し、手
順２１０のアクチュエータ指令値演算、手順２１１のア
クチュエータ制御を経て手順２０１に戻り、手順２０７
で演算した補正量がしきい値以内になるまで手順２０１
〜２１１を繰り返す。こうして、位置・姿勢の偏差を補
正し、組立セグメントを最終的に位置決めする。

【００４８】もし、手順２０３で、点ａ、ａ１、ａ２の
３点を結ぶ線分が右上側に湾曲し、端点部の形状が凸状
であり、異物付着があると判定された場合は、手順２１
２の異物除去処理に進む。異物の除去処理方法として
は、例えば、圧搾空気を吹き付けて異物を吹き飛ばすこ
とが考えられる。さらに、手順２１３で手順２０１と同
様なスリット光像端点抽出を行って、異物が除去された
かどうかを確認する。もし、除去された場合は、手順２
０２〜２１１を繰り返す。除去されない場合は、手順２
１５で段差検出不能信号を出力する。

【００４９】なお、手順２１５で段差検出不能信号が出
力された場合は、オペレータがスケールなどを用いてセ
グメント間の段差・隙間を実測し、その測定値を本体制
御装置５２に入力して手順２０７の偏差量演算を実行さ
せるか、またはテレビカメラによる組立・既設セグメン
トの境界部の画像を観察しながらエレクタ本体をマニュ
アル操作することによって、セグメントの組立を続行す
ることもできる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、組立セグメントの端部
にある程度の欠けや異物の付着があっても、これらの影
響を受けずに、光切断法による画像データから組み立て
セグメントと既設セグメントの境界部の段差・隙間を検
出し、その段差・隙間情報を基にして組み立てセグメン
トを組立可能な位置に自動的に位置決めすることができ
る。もし欠けや異物が大きすぎて段差検出不能と判定し
た場合は、位置決め制御を停止させて、位置決め不良や
セグメントの損傷を未然に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主要部である組立セグメントの微位置
決め制御の詳細な手順を示す図である。

【図２】セグメント自動組立に用いるエレクタ本体の一
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】セグメントの位置決めに用いる投光器、テレビ
カメラと組立セグメント、既設セグメントの位置関係及
びシステム構成の位置れを示す図である。

【図８】本体制御装置５２の大まかな制御手順を示す図
である。

【図９】粗位置決め制御の詳細な手順を示す図である。

【図１０】粗位置決め制御終了後の組立て・既設セグメ
ントとスリット光像の位置関係及び３箇所のカメラ画像
を示す図である（ただし、組立セグメントに欠けがない
場合）。

【図１１】粗位置決め制御終了後の組立て・既設セグメ
ントとスリット光像の位置関係及び３箇所のカメラ画像
を示す図である（ただし、組立セグメントの欠けの大き
さが許容範囲内の場合）。

【図１２】粗位置決め制御終了後の組立て・既設セグメ
ントとスリット光像の位置関係及び３箇所のカメラ画像
を示す図である（ただし、組立セグメントの欠けが大き
すぎる場合）。

【図１３】図１の位置・姿勢偏差量演算の説明図であ
る。

【図１４】異常画像を判定するための説明図である。

【図１５】異常画像の形状判定及び対応可能かどうかに
ついての説明図である。

【図１６】欠けに対する検出方法についての説明図であ
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…投光器、４５ａ〜４５ｃ…テレビカメラ、４
６ａ〜４６ｃ…カメラ視野、４７ａ〜４７ｃ…カメラ画
像、４８…カメラ切り換え器、４９…画像入力装置、５
０…画像メモリ、５１…画像処理装置、５２…本体制御
装置、５３…サーボ制御装置、５４…組立セグメントの
欠け

フロントページの続き (72)発明者 平沢 幸久 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 亀井 健 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 (56)参考文献 特開 平５−321597（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−199599（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 11/40

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機内に設置されたエレクタに
   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、エレクタ上に設置した投光器から組立セグメントと
   既設セグメントの境界部の複数箇所にスリット光を照射
   し、各々のスリット光像をエレクタ上に設置したテレビ
   カメラにより撮像して得られた画像データから前記複数
   箇所の段差・隙間を検出し、その段差・隙間情報を基に
   して組立セグメントと既設セグメントとの位置・姿勢偏
   差を求め、その偏差を補正することによって組立セグメ
   ントの組立位置への微位置決めを自動的に行うセグメン
   トの組立位置決め方法において、 前記スリット光像の各々の画像データから粗位置決めさ
   れた前記組立セグメント画像の異常の有無を判定し、前
   記既設セグメントと組立セグメント間の隙間側にある端
   点座標を抽出し、またその端点近傍に所定の間隔で、複
   数個のスリット光像点を抽出して、それらのスリット光
   像点により形成した端点近傍にあるスリット光像の形状
   を求め、該形状が前記投光器の方向に向かって凸状であ
   ればセグメントに異物が付着していると判定し、凹状で
   あればセグメントに欠けがあると判定し、該判定結果に
   応じた処理を行うことを特徴とするセグメントの組立位
   置決め方法。
2. 【請求項２】 シールド掘進機内に設置されたエレクタに
   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、エレクタ上に設置した投光器から組立セグメントと
   既設セグメントの境界部の複数箇所にスリット光を照射
   し、各々のスリット光像をエレクタ上に設置したテレビ
   カメラにより撮像して得られた画像データから前記複数
   箇所の段差・隙間を検出し、その段差・隙間情報を基に
   して組立セグメントと既設セグメントとの位置・姿勢偏
   差を求め、その偏差を補正することによって組立セグメ
   ントの組立位置への微位置決めを自動的に行うセグメン
   トの組立位置決め方法において、 前記組立セグメントの粗位置決め後、前記複数箇所の段
   差・隙間を検出する前に、組立セグメントと既設セグメ
   ントの前記スリット光照射部に欠けや異物があるかどう
   かを画像判定手段により判定・認識し、異常画像がなけ
   れば、既設セグメント側スリット光像の隙間方向最大座
   標点と組立側スリット光像の隙間方向最小座標点の各座
   標値を用いてこれらセグメント間の段差・隙間を算出
   し、また異常画像があれば、異常画像形状認識手段によ
   り異常画像部の形状を認識して、異常画像検出判定手段
   によりその異常画像を用いてセグメントの段差・隙間を
   算出することが可能か否かを判定して、算出可能であれ
   ば、異常画像対策手段により組立セグメントと既設セグ
   メント間の段差・隙間を求め、また算出不可能であれ
   ば、その箇所での段差検出は不能と見なして、段差・隙
   間情報に基づく位置・姿勢偏差の演算及び偏差の補正を
   停止させるようにし、 前記画像判定手段は、前記スリット光像の各々の画像デ
   ータから組立セグメント側スリット光像及び既設側スリ
   ット光像の外接長方形の長辺と短辺を求め、その短辺の
   長さを設定しきい値と比較して、設定しきい値未満であ
   れば、欠けや異物を無視して既設セグメント側スリット
   光像の隙間方向最大座標点と組立側スリット光像の隙間
   方向最小座標点の各座標値を用いてこれらセグメント間
   の段差・隙間を算出し、また片方或いは両方のスリット
   光像が設定しきい値以上であれば、それを記憶して、前
   記異常画像検出判定手段により前記セグメント間の段差
   ・隙間を算出することができるかどうかを判断すること
   を特徴とするセグメントの組立位置決め方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のセグメントの組立位置決め
   方法において、前記異常画像形状認識手段は、記憶され
   た異常画像のある側の、既設セグメントと組立セグメン
   ト間の隙間側にある端点座標を抽出し、またその端点近
   傍に所定の間隔を取り、複数個のスリット光像点を抽出
   して、それらのスリット光像点により形成した端点近傍
   にあるスリット光像の形状を求め、それが前記凸状であ
   れば、異物が付着していると判定し、逆にそれが前記凹
   状であれば、欠けがあると判定することを特徴とするセ
   グメントの組立位置決め方法。
4. 【請求項４】 請求項２記載のセグメントの組立位置決め
   方法において、前記異常画像検出判定手段は、前記既設
   セグメントや組立セグメントのスリット光像に対して、
   隙間方向の反対側にある端点を抽出して、その近辺のス
   リット光像の直線部の長さを求め、その直線部の長さが
   所定値以上であれば、前記異常画像対策手段により段差
   ・隙間を算出し、所定値未満であれば、その箇所での段
   差検出は不能と見なして、段差・隙間情報に基づく位置
   ・姿勢偏差の演算及び偏差の補正を停止させることを特
   徴とするセグメントの組立位置決め方法。
5. 【請求項５】 請求項２記載のセグメントの組立位置決め
   方法において、前記異常画像対策手段は、前記スリット
   光像の直線部上の少なくとも２点と前記段差・隙間側の
   端点の座標を用いて、座標変換によりそれと対応するス
   リット光照射位置の上記点の３次元座標を求め、それに
   より、３次元座標系における端点からスリット光線まで
   の垂線の垂足を算出し、また、逆変換により垂足と対応
   するスリット光像上の点を求め、該点を欠けや異物のな
   い時の隙間側端点位置として、段差・隙間を求め、それ
   を基にして位置・姿勢偏差の演算及び偏差の補正を行う
   ことを特徴とするセグメントの組立位置決め方法。
6. 【請求項６】 シールド掘進機内に設置されたエレクタに
   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
   する粗位置決め手段と、エレクタ上に設置した投光器か
   ら組立セグメントと既設セグメントの境界部の複数箇所
   にスリット光を照射し、各々のスリット光像をエレクタ
   上に設置したテレビカメラにより撮像して得られた画像
   データから前記複数箇所の段差・隙間を検出する段差・
   隙間検出手段と、該段差・隙間検出手段から出力された
   段差・隙間情報を基にして組立セグメントと既設セグメ
   ントとの位置・姿勢偏差を求め、その偏差を補正するこ
   とによって組立セグメントの組立位置への微位置決めを
   自動的に行う微位置決め手段とを備えたセグメント位置
   決め装置において、 前記段差・隙間検出手段は、前記スリット光像の各々の
   画像データから異常画像の有無を判定し前記組立セグメ
   ントと前記既設セグメントの前記スリット光照射部に欠
   けや異物があるかどうかを認識する画像判定手段と、前
   記画像データの異常画像の形状を認識する異常画像形状
   認識手段と、該異常画像を用いて前記セグメントの段差
   ・隙間を算出することが可能か否かを判定する異常画像
   検出判定手段とを備え、 前記粗位置決め手段により組立セグメントの粗位置決め
   を行った後、前記複数箇所の段差・隙間を検出する前
   に、前記異常画像の有無を判定し、該異常画像がなけれ
   ば前記スリット光像の各座標値を用いて前記セグメント
   間の段差・隙間を算出し、前記異常画像があれば異常画
   像部の形状を認識して前記セグメントの段差・隙間を算
   出するようにし、 前記異常画像形状認識手段は、記憶された異常画像のあ
   る側に対して、既設セグメントと組立セグメント間の隙
   間側にある端点座標を抽出し、またその端点近傍に所定
   の間隔を取り、複数個のスリット光像点を抽出して、そ
   れらのスリット光像点により形成した端点近傍にあるス
   リット光像の形状を求め、それが前記凸状であれば、異
   物が付着していると判定し、逆にそれが前記凹状であれ
   ば、欠けがあると判定することを特徴とするセグメント
   の組立位置決め装置。