JPH08292011A - セグメント位置計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度かつ高速で布設セグメクトの変位量の
計測が行えるセグメント位置計測方法を提供する。 【構成】 既設セグメント２，３，４と布設セグメント
１の両セグメント間に亘って投光した光の前記両セグメ
ントによる反射光を、リニアアレイセンサ７によって検
出し、この検出値に基づいて布設セグメント１の旋回方
向変位量、トンネル方向変位量及びヨーイング変位量を
求める工程と、既設セグメント２，３，４及び布設セグ
メント１のそれぞれの内周面の少なくとも３点における
両セグメント間のトンネル半径方向の相対位置を検出
し、この検出値に基づいて布設セグメント１の伸縮方向
変位量、ピッチング変位量及びローリング変位量を求め
る工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネルシールド掘進
機のセグメント自動組立システムにおけるセグメント位
置計測方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネルシールド掘進機におけるセグメ
ント組立作業を自動化する場合、自動組立システムの制
御を正確かつ迅速に行うためには、既に組立が完了して
いるセグメント（以下、「既設セグメント」という。）
に対する、エレクタにより把持されていて、これから組
立を行おうとしているセグメント（以下、「布設セグメ
ント」という。）の位置関係を正確に計測することが重
要である。ところで、布設セグメントの既設セグメント
に対する位置関係には、図１１に示す６つの自由度
（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）が存在する。したが
って、布設セグメントの既設セグメントに対する位置関
係を一義的に決定するには、図１１に示した６つの方向
（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）における両者の相対
位置を測定する必要がある。

【０００３】このセグメントの位置関係の測定法として
は、例えば特開平４−１４９３９８号公報に、既設セグ
メントおよび布設セグメントの上面位置を光切断法によ
って測定し、両セグメント間の相対的な位置関係を測定
する方法が提案されている。この方法は、セグメントの
被検出面上方に設置した検出器を角変位駆動装置により
一定角度回転させることにより、測定点をセグメント上
で連続的に移動させ、その際の角変位量と被検出部まで
の距離を読み取ることによって、既設セグメントと布設
セグメント間の断面形状を計測し、セグメントの位置検
出を行うというものである。

【０００４】また、他の方法として特開平４−９７１０
０号公報には、布設、既設の両セグメント間にスリット
光を斜めから投光し、布設セグメント上と既設セグメン
ト上に映ったスリット光のズレを上方からテレビカメラ
でモニタし、画像処理をすることによってセグメントの
位置検出を行うという方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−１４９３９８号公報に示された検出器を角変位駆動
装置により一定角度回転させる方法では、布設、既設の
両セグメント間の距離を精密に測定するには、回転の角
速度を遅くしなければならず、計測に長時間かかってし
まうという問題点があった。

【０００６】また、特開平４−９７１００号公報に示さ
れた画像処理による方法では、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向およ
びθｘ方向の変位量は精度よく計れるが、Ｘ軸方向やθ
ｙ・θｚ方向の測定精度が悪いという問題点があった。
さらに、この方法では、スリット光を斜めから投光する
ための光路を把持装置回りに確保しなければならず、ま
た各変位量の算出に当たっては、煩雑な画像処理を行う
必要があり、装置全体の構成が大がかりで、コスト高と
なるという問題点もあった。

【０００７】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、高精度かつ高速に計測が行えるセグ
メント位置計測方法を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るセグメント
位置計測方法は、既設セグメントと布設セグメントの両
セグメント間に亘って投光した光の前記両セグメントに
よる反射光を、リニアアレイセンサによって検出し、こ
の検出値に基づいて前記布設セグメントの旋回方向変位
量、トンネル軸方向変位量及びヨーイング変位量を求め
る工程と、前記既設セグメント及び前記布設セグメント
のそれぞれの内周面の少なくとも３点における両セグメ
ント間のトンネル半径方向の相対位置を検出し、該検出
値に基づいて前記布設セグメントの伸縮方向変位量、ピ
ッチング変位量及びローリング変位量を求める工程とを
有するものである。

【０００９】

【作用】上記のように構成されたセグメント位置計測方
法においては、リニアアレイセンサによって反射光を検
出し、この検出値に基づいて布設セグメントの旋回方向
変位量、トンネル方向変位量及びヨーイング変位量を求
める。また、両セグメント間のトンネル半径方向の相対
位置を検出し、この検出値に基づいて布設セグメントの
伸縮方向変位量、ピッチング変位量及びローリング変位
量を求める。

【００１０】

【実施例】具体的な実施例を説明する前に、実施例に用
いる装置及びその動作について説明する。まず、Ｙ軸方
向（旋回方向）、Ｚ軸方向（トンネル軸方向）、および
θｘ方向（ヨーイング）の変位量を測定する装置につい
て説明する。図７は布設、既設両セグメント間の間隙を
測定する装置の説明図である。図において、１は布設セ
グメント、２，３，４は既設セグメント、５は光源であ
る。６はセグメントの表面で反射された光を受光する受
光レンズ、７は受光レンズで受光された光を検出するリ
ニアアレイセンサ、８はリニアアレイセンサで検出され
た反射光を増幅するアンプである。光源５から発せられ
た光は、布設セグメント１及び既設セグメント４の表面
で反射され、受光レンズ６によって受光されてリニアア
レイセンサ７に入力される。リニアアレイセンサに入力
された反射光はアンプにより増幅処理されてアナログ出
力される。このときのアナログ出力を図８に示す。

【００１１】リニアアレイセンサ７による検出対象は両
セグメント間の距離だけであるので、従来例のようにス
リット光を斜めから投光する必要はなく、光を真上から
投光することができ、また、受光側のリニアアレイセン
サ７も反射面の真上での受光が望ましい。したがって、
投光と受光の両者が干渉しない程度で、光源５とリニア
アレイセンサ７を近づけて測定対象面の真上に設置する
ことができ、省スペース化を図ることができる。また、
距離の検出精度は、カメラによる画像処理の場合と同様
に、その画素数で決まるものであり、真上から投受光す
る分、本方式の方が従来例よりも精度が向上する。さら
に、本方式によれば煩雑な画像処理を行う必要はなく、
リニアアレイセンサ７により受光した光強度から、セグ
メント間距離相当分をアンプによりアナログ出力として
簡単に取出すことができる。

【００１２】そして、上記の検出方法により、例えば図
９に示すようなＡ，Ｂ，Ｃの３箇所にて測定を行うこと
によって、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、およびθｘ方向の変位
量を高速かつ高精度に計測することが可能となるのであ
る。なお、測定値に基づいてＹ軸方向、Ｚ軸方向、およ
びθｘ方向の変位量を算出する方法は、後述する実施例
１において説明する。

【００１３】次に、Ｘ軸方向（伸縮方向）、θｙ方向
（ピッチング）及びθｚ方向（ローリング）の変位量を
計測する方法を説明する。図１０はこのようなＸ軸、θ
ｙ及びθｚ方向の変位量を計測装置の説明図である。図
において、１０〜１４はレーザ変位計であり、それぞれ
がセグメントリングと同一の円筒中心軸を持つ円筒曲面
上に設置されている。これら６個のレーザ変位計によっ
て、各レーザ変位計の設置位置から布設、既設両セグメ
ントの表面までの距離、すなわちトンネル半径方向距離
を測定する。なお、測定は既設・布設両セグメントのそ
れぞれにおいて同一直線上にない３箇所以上で行うこと
が必要である。そして、各計測箇所におけるセグメント
上面の相対位置を計測することにより、Ｘ軸、θｙ及び
θｚ方向の変位量を算出することができる。具体的な算
出方法については後述する実施例１において説明する。

【００１４】なお、各レーザ変位計の設置位置は、上述
したように全てのレーザ変位計がセグメントリングと同
一の円筒中心軸を持つ円筒曲面上に設置されていなくて
も、それぞれのレーザ変位計の相対位置が既知であり、
取り付け位置の違いによる測定結果の補正が可能であれ
ば、それぞれ任意の位置に設置してもよい。また、上記
のレーザ変位計に代えて接触式の変位計や超音波変位計
等でも代用できる。上記のような装置による測定は定点
測定であるため非常に高速で行うことができ、測定精度
も両セグメント上面の変位を直接計るため非常に高精度
である。

【００１５】以上のように、リニアアレイセンサ７を用
いて両セグメント間の水平方向の距離を計測し、またレ
ーザ変位計を用いてセグメント上面位置を計測すること
によって、布設セグメントの既設セグメントに対する６
つの自由度の変位量を高速かつ高精度に計測することが
できるのである。以下、この具体例を説明する。

【００１６】実施例１．図１は本発明の一実施例の説明
図である。図において、図７、図１０と同一部分には同
一符号を付し、説明は省略する。まず、Ｙ軸方向、Ｚ軸
方向、およびθｘ方向の変位量の計測方法について説明
する。上述したように、リニアアレイセンサ７により受
光された反射光はアンプにより増幅され、布設、既設の
両セグメント間の距離がアナログ出力により取り出され
る。このセグメント間の距離検出は、図１中のＡ，Ｂ及
びＣのそれぞれの位置について行う。なお、Ａは布設セ
グメント１と既設セグメント４との距離を測定するため
の任意の位置、Ｂは布設セグメント１と既設セグメント
３との距離を測定するための任意の位置、及びＣは布設
セグメント１と既設セグメント２との距離を測定するた
めの任意の位置である。

【００１７】次に、測定結果に基づいて変位量を求める
方法について説明する。図２は測定結果に基づいて変位
量を計算する計算方法の説明図であり、リニアアレイセ
ンサ７による測定位置及び測定結果を示している。図２
において、一点鎖線は布設セグメント１の中心Ｏを原点
とした直交座標軸を示しており、ｙ´軸，ｚ´軸があ
る。Ｌ1 はｚ´軸から測定地点Ａまでの距離、Ｌ2 はｚ
´軸から測定地点Ｂまでの距離、Ｌ3 はｙ´軸から測定
地点Ｃまでの距離、Ｌ4 はｚ´軸から測定地点Ｃまでの
距離をそれぞれ示している。Ｐは測定地点Ｃにおける布
設セグメント１のエッジと計測ラインとの交点、Ｑは測
定地点Ｃにおける既設セグメント２のエッジと計測ライ
ンとの交点をそれぞれ示している。βはＰ点とＯ点を結
んだ直線とｙ´軸との成す角を示している。また、ｄ1,
ｄ2,ｄ3 はそれぞれ測定地点Ａ，Ｂ，Ｃにおける布設セ
グメント１と既設セグメント４，３，２との測定距離を
示している。これらの測定値及び既知の値を使って、θ
ｘ方向、Ｚ軸方向、およびＹ軸方向の変位量を求める計
算式は、次の［数１］，［数２］，［数３］のようにな
る。

【００１８】

【数１】

【００１９】

【数２】

【００２０】

【数３】

【００２１】次に、Ｙ軸方向の変位量を示す［数１］の
導き方を説明する。図３は［数１］の導き方の説明図で
ある。基本的な考え方は、布設セグメント１をθｘ方向
のずれ角θｘだけ回転してθｘ方向のずれを修正し、そ
の後Ｙ軸方向へ移動すると考えて、このときの移動量が
求めるＹ軸方向の変位量になると、考えるのである。図
３において、鎖線は、実線の布設セグメント１を、ずれ
角θｘだけ回転してθｘ方向のずれを修正した状態の布
設セグメント１を示している。この考え方に基づいて、
Ｙ軸方向の変位量の計算の手順を以下の［数４］に示
す。

【００２２】

【数４】

【００２３】なお、Ｚ軸方向の変位量を求める［数
２］、及びθｘ方向の変位量を求める［数３］は図２よ
り容易に導き出すことができるので、その説明は省略す
る。

【００２４】次に、Ｘ軸方向及びθｙ・θｚ方向の変位
量を計測する方法を説明する。図１において、１０〜１
４は、上述したレーザ変位計であり、それぞれがセグメ
ントリングと同一の円筒中心軸を持つ円筒曲面上に設置
されている。本実施例においては、布設・既設それぞれ
のセグメント上で３点ずつ測定を行っており、その測定
位置は図４に示すように、布設セグメント１上の３つの
測定点Ｄ，Ｅ，Ｆを結んでできる△ＤＥＦと既設セグメ
ント２，３，４上の３つの測定点Ｇ，Ｈ，Ｉを結んでで
きる△ＧＨＩが、布設セグメントの中心Ｏを相似の中心
とする相似形となる位置である。そして、測定点Ｄ，
Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉのセグメント上面の相対座標をＤ
（ｘ_D ，ｙ_D ，ｚ_D ），Ｅ（ｘ_E ，ｙ_E ，ｚ_E ），Ｆ
（ｘ_F ，ｙ_F ，ｚ_F ），Ｇ（ｘ_G ，ｙ_G ，ｚ_G ），Ｈ
（ｘ_H ，ｙ_H ，ｚ_H ），Ｉ（ｘ_I ，ｙ_I ，ｚ_I ）とし、
位置修正動作をθｙ→θｚの順で行うものとすると、Ｘ
軸、θｙ及びθｚ方向の変位量はそれぞれ以下の［数
５］、［数６］、［数７］によって求めることができ
る。

【００２５】

【数５】

【００２６】

【数６】

【００２７】

【数７】

【００２８】次に、［数５］、［数６］、［数７］の導
き方を説明する。まず、［数５］について説明する。布
設平面の方程式は、Ｅ点の座標Ｅ（ｘ_E ，ｙ_E ，ｚ_E ）
及び法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）を用いて、次のように
表現できる。 ｐ（ｘ−ｘ_E ）＋ｑ（ｙ−ｙ_E ）＋ｒ（ｚ−ｚ_E ）＝０ 上式において、ｙ＝ｚ＝０と置くことによって、布設平
面がＸ軸を切る点のＸ座標ｘ₁ を求めると、次の［数
８］のようになる。

【００２９】

【数８】

【００３０】同様にして、既設平面がＸ軸を切る点のＸ
座標ｘ₂ を求めると、次の［数９］のようになる。

【００３１】

【数９】

【００３２】したがって、Ｘ軸方向の変位量ＸはＸ＝ｘ
₁ −ｘ₂ として、［数５］のとおり求まる。次に、
［数６］及び［数７］の導き方について、以下に説明す
る。

【００３３】

【数１０】

【００３４】本実施例においては、リニアアレイセンサ
７とレーザ変位計９〜１４をそれぞれ測定箇所に１台づ
つ設置したので、各測定機器を移動する必要がなく、瞬
時に計測を終了することができる。なお、レーザ変位計
による布設・既設それぞれのセグメント上における測定
点の位置は、上述の例に限られるものではなく、布設セ
グメント上の３点で形成される三角形と既設セグメント
上の３点で形成される三角形が相似形であり、かつこれ
ら２つの三角形の相似の中心線がＺ軸と一致するような
位置であればよい。

【００３５】実施例２．図５は本発明の他の実施例の説
明図である。本実施例においては、レーザ変位計１５，
１６をＺ軸に平行に設置されたリニアガイド１７，１８
に取り付け、レーザ変位計１５，１６を移動できるよう
にしたものである。なお、光とリニアアレイセンサによ
るＹ軸方向、Ｚ軸方向およびθｘ方向の変位量の測定に
ついては実施例１と同様に行う。図６はレーザ変位計１
５，１６による測定点の説明図である。図６に示すよう
に、測定点はＪ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｐ，Ｑ，Ｒの８点で
あり、この内Ｊ，Ｋ，Ｌ，ＭとＮ，Ｐ，Ｑ，Ｒはそれぞ
れレーザ変位計１５とレーザ変位計１６を移動させるこ
とによって測定されるものである。

【００３６】本実施例では、布設セグメント１と既設セ
グメント３，４の各セグメント上の４箇所の測定点から
任意の３点を選ぶことにより、４つの３角形を形成する
ことができる。そこで、それぞれの３角形について実施
例１と同様の方法により変位量を求め、その平均値をと
ることによって、より精度の高いＸ軸、θｙ及びθｚ方
向の変位量の計測が可能となる。実施例２によれば、よ
り高精度の計測が可能であり、またレーザ変位計の数が
少なくて済むので、コスト低減及び省スペースのメリッ
トがある。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明においては、リニ
アアレイセンサによる反射光の検出によって両セグメン
ト間の距離の測定と両セグメント間のトンネル半径方向
の相対位置の測定とを組み合わせて、布設セグメントの
変位量を求めるようにしたので、高速で高精度の計測が
行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による計測方法の説明図であ
る。

【図２】図１の装置による測定結果に基づいて変位量を
計算する計算方法の説明図である。

【図３】図１の装置による測定結果に基づいて変位量、
特にｙ軸方向の変位量を計算する計算方法の説明図であ
る。

【図４】実施例１のレーザ変位計による計測位置の説明
図である。

【図５】この発明の他の実施例による計測方法の説明図
である。

【図６】実施例２のレーザ変位計による計測位置の説明
図である。

【図７】本発明に使用する装置の説明図である。

【図８】リニアアレイセンサの出力を表す図である。

【図９】リニアアレイセンサによる測定位置の説明図で
ある。

【図１０】本発明に使用する装置の説明図である。

【図１１】布設セグメントの変位方向の説明図である。

【符号の説明】

１ 布設セグメント ２，３，４ 既設セグメント ５ 光源 ６ 集光レンズ ７ リニアアレイセンサ ９，１０，１１，１２，１３，１４ レーザ変位計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既設セグメントと布設セグメントの両セ
   グメント間に亘って投光した光の前記両セグメントによ
   る反射光を、リニアアレイセンサによって検出し、この
   検出値に基づいて前記布設セグメントの旋回方向変位
   量、トンネル軸方向変位量及びヨーイング変位量を求め
   る工程と、 前記既設セグメント及び前記布設セグメントのそれぞれ
   の内周面の少なくとも３点における両セグメント間のト
   ンネル半径方向の相対位置を検出し、該検出値に基づい
   て前記布設セグメントの伸縮方向変位量、ピッチング変
   位量及びローリング変位量を求める工程とを有すること
   を特徴とするセグメント位置計測方法。