JPH0634966B2 - 吹付けノズルの位置制御方法 - Google Patents

吹付けノズルの位置制御方法

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JPH0634966B2
JPH0634966B2 JP61285883A JP28588386A JPH0634966B2 JP H0634966 B2 JPH0634966 B2 JP H0634966B2 JP 61285883 A JP61285883 A JP 61285883A JP 28588386 A JP28588386 A JP 28588386A JP H0634966 B2 JPH0634966 B2 JP H0634966B2
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reception sensor
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修 畠山
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Hazama Gumi Ltd
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    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21DSHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04Lining with building materials
    • E21D11/10Lining with building materials with concrete cast in situ; Shuttering also lost shutterings, e.g. made of blocks, of metal plates or other equipment adapted therefor
    • E21D11/105Transport or application of concrete specially adapted for the lining of tunnels or galleries ; Backfilling the space between main building element and the surrounding rock, e.g. with concrete

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  • Geology (AREA)
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  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、トンネル掘削後の周辺地山の崩壊や剥離の防
止を目的とした吹付けコンクリート施工用ロボットの支
援装置に利用する吹付けノズルの位置検出方法に関する
ものである。
〈従来の技術〉 トンネル工事における吹付けコンクリート工法は、人工
的にトンネル周辺にグランドアーチを形成させて、地山
の物性値を大きく改善することにより、周辺地山の崩壊
や、剥離を防止する上で有効である。
一般に、吹付けコンクリートの施工は、吹付けノズルの
先端から被噴射面である吹付け壁面までの距離を 1.0±
0.3m程度に保ち、しかも壁面に対して直角にコンクリ
ートを噴射しないと大量の吹付け材料のはね返りや粉じ
んが発生する。したがって、吹付けコンクリート作業は
危険,苦渋作業となるため、従来よりマニュピレータの
先端に吹付けノズルを取り付けた遠隔操作により実施し
ている。
〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、かかるマニュピレータによってコンクリ
ートの吹付けを遠隔操作で実施する場合においては、吹
付け施工中に発生する大量の粉じんや十分な照明が得ら
れない場所での施工は、適正な吹付け距離および吹付け
角度を上記目視により確認することが困難な場合が多
く、しかも熟練を要するので、吹付けノズルをオペレー
タが直接持って作業する場合に比べて、さらにはね返り
や粉じんの発生量を増加させる結果となっており、この
問題解決が望まれていた。
この発明は、かかる従来の問題解決のためになされたも
のであり、従来の吹付けロボットにみられる施工上の欠
点を解決すべく、オペレータの目視判断に代わって、超
音波送受信センサーを用いて、吹付け距離および吹付け
角度を検出し、これをオペレータに伝え、吹付けロボッ
トによる吹付けコンクリートなどの吹付け作業を適切か
つ容易にする方法を提供することを目的とする。
〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記目的達成のためになされたものであり、
吹付けコンクリートの吹付けノズルまたはこれを支える
ガイドフレームに超音波送受信センサーを取り付け、こ
の超音波送受信センサーをトンネル掘削施工面に向って
所定領域内で旋回させることにより得た情報から、吹付
けノズルと施工面との相対距離および相対角度を演算器
を用いて演算しこれを表示器に表示し、その表示内容に
より前記吹付けノズルを一定範囲の相対距離と施工面に
対して略直角に制御するよう構成としたものである。
〈作用〉 本発明における演算器は、吹付けノズルとともに、又は
これとは別に旋回する超音波送受信センサーから得た、
吹付けノズルと施工面との最大距離,最小距離および旋
回角度から、上記吹付けノズルと施工面の相対距離およ
び相対角度を演算によって求め、この演算結果をオペレ
ータ側のディスプレイ上に表示し、この表示内容によっ
て吹付けノズルを施工面から一定範囲の相対距離とし、
かつ施工面に対して略直角に制御するようにしてコンク
リートの吹付けを行う。
〈発明の実施例〉 第1図は本発明の方法を実施するのに用いる吹付け装置
の概略を示す斜視図であり、1は吹付け装置本体、2は
吹付け装置本体1に取り付けたガイドフレーム、3はガ
イドフレーム2上に取り付けた超音波送受信センサー、
4はディスプレイ装置、5は施工面としてのトンネル壁
面、6は運転席、7はコンクリート圧送ホース、8は吹
付けノズルでこれと一体または別体に超音波送受信セン
サー3が設けられる。9は超音波送受信センサー3とデ
ィスプレイ装置4とを結ぶリード線、10は運転席6の
プロテクターである。なおディスプレイ装置4にはCR
T表示器が設けられている。
また、かかる吹付け装置は、第2図に示すように超音波
送信器11と、超音波受信器12と、送受信兼用素子と
しての上記超音波送受信センサー3と、データ処理回路
13と、温度補償回路14と、ガイドフレーム2を駆動
する駆動モータ15と、上記CRT表示器16とからな
る吹付けノズルの位置検出回路とを備えている。
次に、吹付けノズルの位置検出方法について具体的に説
明する。
まず、ここで使用する超音波の周波数は40〜60kHz
で、超音波送受信センサー3から発信された時点から、
トンネル壁面5で反射されて戻ってくる時点までの時間
にもとづきデータ処理回路13で、その超音波送受信セ
ンサー3、つまり吹付けノズル端からトンネル壁面5ま
での距離を演算し、これを4〜20mAの電流値して出力
する。また、この超音波送受信センサー3を一定の旋回
角度αで旋回させ、一旋回当りの最大電流値を最小距離
aとし最小電流値を最大距離bとすると、吹付けノズル
8からトンネル壁面5までの距離lは、第3図よりほぼ
以下の関係で近似できる。
l=AQ+QP・・・・・・・・・・・(1) BQ/QP=CR/PR・・・・・・・(2) AR=AQ+QP+PR・・・・・・・(3) 式(3)に式(2)を代入すると AR=AQ+QP+CR・QP/BQ となる。これは、 AR−AQ=QP(1+CR/BQ) つまり、 QP=(AR−AQ)/(1+CR/BQ)・・・
(4) となり、式(1)にこの式(4)を代入すると l=AQ+(AR−AQ)/(1+CR/BQ)・・・
(5) となる。ここで、 AQ=acos(α/2)・・・・・・・・(6) AR=bcos(α/2)・・・・・・・・(7) BQ=asin(α/2)・・・・・・・・(8) CR=bsin(α/2)・・・・・・・・(9) であり、これらを式(5)に代入すると、 l=acos(α/2)+(bcos(α/2)− acos(α/2))/(1+bsin(α/2) /asin(α/2)) =acos(α/2)+(b−a)cos(α/2) asin(α/2)/(asin(α/2)+ bsin(α/2)) =acos(α/2)+(b−a)cos(α/2) a/(a+b) =acos(α/2)(a+b+b−a)/(a +b) =2abcos(α/2)/(a+b)・・・(10) として求めることができる。
また、トンネル壁面5と吹付けノズル8との相対角度θ
は以下の関係がある。
tan(θ)=BQ/PQ・・・・・・・(11) PQ=l−AQ・・・・・・・・・・(12) 式(12)に式(10),(7)を代入すると、 PQ=2abcos(α/2)/(a+b)− acos(α/2) =(2b−a−b)acos(α/2)/(a +b) =a(b−a)cos(α/2)/(a+b)・・・
(13) したがって、式(11)に式(8),(13)を代入す
ると、 tan(θ)=a(a+b)sin(α/2)/a(b −a)cos(α/2) =(a+b)tan(α/2)/(b−a) つまり、相対角度θは次の式で表わされる。
θ=tan-1((a+b)tan(α/2)/(b− a)) 以上により、相対距離lおよび相対角度θは、トンネル
壁面5までの最小距離a、最大距離bおよび旋回角度α
より求めることができる。
かかる演算処理はデータ処理回路13によって実行され
る。すなわち、このデータ処理回路13は、第4図に示
すような超音波の発信から受信までの時間を計測する時
間計測回路21と、こうして計測した時間を電流レベル
の大小として出力する電流変換器22と、この電流変換
器22の出力電流を一定周期でサンプリングするサンプ
リング回路23と、超音波送受信センサー3の1旋回中
における上記サンプリングした出力電流の最大値および
最小値を求め、これらの各値から求めた距離の最小値
a,最大値bにもとづき相対距離を演算する距離演算器
24と、これらの最小値a,最大値bから、上式により
相対角度θを求める角度演算器25と、これらの相対距
離l,相対角度θをモータ駆動装置15および表示器1
6に出力する出力回路26とから構成されている。な
お、温度センサ14は、温度による超音波速度の変化を
補償するために設けられている。
そして、かかるデータ処理回路13を含む吹付けノズル
の位置検出システムの動作は、第5図に示すフローチャ
ートの通りとなる。
すなわち、超音波送受信センサー3が超音波の発信およ
び受信を行なうと(ステップ1S)、データ処理回路1
3では、この発信から受信までの時間データを計測した
上で、この計測値に温度補正値を加える(ステップ2
S)。次にこの温度補正した計測データを電流変換し
(ステップ3S)、この電流値を一定のタイミングでサ
ンプリングし(ステップ4S)、超音波送受信センサー
3の1旋回当りのサンプリング出力から最小値および最
大値を求め(ステップ5S)、この各値を距離換算する
(ステップ6S)。次に、こうして求めた距離換算した
値の最大値および最小値から、超音波送受信センサー3
とトンネル壁面5との相対距離および相対角度を演算し
て、これらの演算結果を出力回路26にそれぞれ入力す
る(ステップ7S)。出力回路26では求めた相対距離
を、予め設定した距離との比較で表示器16に色別表示
し(ステップ8S)、続いて、同様にして求めた相対角
度を、予め設定した角度との比較で表示器16に形状表
示する(ステップ9S)。
このような各表示内容をオペレータは確認した後、吹付
けノズルが8が適正な吹付け位置にくるまで、この吹付
けノズル8およびロボットアームを姿勢制御し、適正な
姿勢となったとき、コンクリートの吹付けを行ないなが
ら、施工予定の領域にその吹付けノズル8を移動させて
いく。
また、上記表示器16の画面16aは、例えば第6図に
示すように、直交座標中心からの距離の寸法を与える複
数の円C上に、距離の大きさに応じて変色する(例えば
緑色,黄色,赤色)棒Pを表示し、緑色のときは、コン
クリートのはね返りがない適切な距離(例えば1.0±0.3
m)、黄色のときは、やや不適切な距離、赤色のとき
は、極めて不適切な距離として表示する。また、吹付け
角度は棒形または円形で形状表示し、例えば、90゜±
10゜以上では、コンクリートのはね返りの発生が極め
て多く不適であることを、90゜±10゜では、はね返
りが少なく適切な状態であることを、それぞれ表示す
る。さらに、吹付け方向は座標上の上記棒Pの回転角度
で表示される(はね返りが少なく適切な状態では単に円
で表示される)。そして、オペレータはこの表示器16
の画面16aを見ながら、常に棒Pが緑の円で表示され
るように、吹付けノズル8を支持するガイドフレーム2
の位置を修正しながら、コンクリートの吹付け作業を実
施することになる。
〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明によれば、トンネル
掘削後の周辺地山にコンクリートを吹付けるコンクリー
トの施工法において、吹付けノズルまたはこれを支える
ガイドフレームに超音波送受信センサーを取り付け、こ
の超音波送受信センサーをトンネル掘削施工面に向って
所定領域内で旋回させることにより得た情報から、吹付
けノズルと被噴射面との相対距離および相対角度を演算
器を用いて決定して表示器により表示し、この表示した
内容により吹付けノズルを一定範囲の相対距離とし、か
つ施工面に対し略直角に制御する構成としたので、従来
のオペレータの目視判断によらずに、超音波送受信セン
サーを用いて、吹付け距離および吹付け角度を高精度に
検出して表示器に表示でき、オペレータはその表示内容
を確認するだけで、最適位置に吹付けノズルを移動コン
トロールすることができ、施工面からのコンクリートな
どのはね返りや粉じんの発生を極力抑えることができる
などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による吹付けノズルの位置検出方法を
説明する吹付け装置の概略斜視図、第2図は吹付けノズ
ルの位置検出システムのブロック接続図、第3図は吹付
けノズルとトンネル壁面との相対距離および相対角度の
各関係を示す説明図、第4図は第2図のデータ処理回路
の詳細を示すブロック接続図、第5図は第4図のブロッ
ク回路図の動作を示すフローチャート、第6図は表示器
の正面図である。 1……吹付け装置本体、2……ガイドフレーム、3……
超音波送受信センサー、8……吹付けノズル。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】トンネル掘削後の周辺地山にコンクリート
    を吹付けるコンクリートの施工にあたり、超音波送受信
    センサーをコンクリートを吹付ける吹付けノズルまたは
    これを支えるガイドフレームの一部に固定したものを用
    い、上記超音波送受信センサーを上記トンネル掘削施工
    面に向って旋回させながら超音波を送信するとともに、
    上記施工面からの反射波を受信し、この受信信号にもと
    づき上記吹付けノズルと施工面との相対距離および相対
    角度を演算器によって演算してこれを表示器に表示し、
    表示内容により前記吹付けノズルを一定範囲の相対距離
    とし、かつ施工面に対して略直角に制御するようにした
    ことを特徴とする吹付けノズルの位置制御方法。
  2. 【請求項2】超音波送受信センサーの受信信号は、所定
    の吹付け旋回角度領域におけるこの超音波送受信センサ
    ーと施工面との最大距離および最小距離を含むデータで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の吹付
    けノズルの位置制御方法。
JP61285883A 1986-12-02 1986-12-02 吹付けノズルの位置制御方法 Expired - Lifetime JPH0634966B2 (ja)

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JPS63141674A JPS63141674A (ja) 1988-06-14
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