JPS63142195A - コンクリ−ト吹付け装置およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、吹付は装置本体のロボットアーム端に設けた
吹付はノズルから施工面にコンクリートを吹付ける、コ
ンクリート吹付は装置およびその使用方法に関する。

〈従来の技術〉 トンネル工事における吹付はコンクリート工法は１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１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、吹付はコンクリートの施工は、吹付はノズルの
先端から被吹付は面である施工面までの距離を１．０±
０．３ｍ程度に保ち、しかも施工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は材料のはね返りや
粉じんが発生する。したがって、吹付はコンクリート作
業は危険、苦渋作業となるため、従来よりマニュピレー
タの先端に吹付は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
付は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、適正な吹付は距離および吹付は
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、吹付は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、従来のロボットアームに設けた吹付はノズル
による施工上の問題点を解決すべく、オペレータの目視
判断に代わって、ロボットアーム端に設けた超音波送受
信センサーの出力演算結果に従って、現時の吹付はノズ
ルと施工面との距離および角度をオペレータが表示器上
の画面で確認できるようにし、これによって必要かつ適
切なコンクリートの吹付は作業を、遠隔から実施できる
コンクリート吹付は装置およびその使用方法を得ること
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、
ロボットアーム端または吹付はノズルに超音波送受信セ
ンサーを設け、この超音波送受信センサーが超音波を送
信した時点から、施工面力１ら反射してくる反射波を受
信する時点までの時間を基にして、データ処理手段が上
記吹付はノズルの上記施工面に対する相対距離および相
対角度を演算するようにし、この演算結果にもとづき、
自動または手動で上記ロボットアームの位置を制御しう
るようにしたものである。

また、本発明は上記演算結果を表示器に表示し。

その表示結果を利用してオペレータによる吹付はノズル
の施工面に対する相対距離および相対角度のマニュアル
ａｌｌを、ロボットアームや吹付はノズルの変位を調整
することで、任意かつ容易に実施可能にするようにした
ものである。

〈作用〉 この発明におけるデータ処理手段は、ロボットアームを
有する吹付は装置の本体に設けられ、ロボットアーム上
またはこれに取り付けられた吹付はノズル上の超音波送
受信センサーが検出する距離データから、施工面と吹付
はノズルとの相対距離および相対角度を検出し、この検
出結果にもとづいて、オペレータはその吹付はノズルが
最適の上記相対距離および相対角度となるように、ロボ
ットアームの変位、吹付はノズルの変位を調整できるよ
うにし、均一な厚さのコンクリートの吹付は面を形成す
るように作用する。

〈発明の実施例〉 第１図は１本発明の吹付は装置を示す斜視図である。同
図において、１は吹付は装置本体で、操作盤を含むディ
スプレイ装ｒ！１４やオペレータが座る運転席６が設け
られ、この運転席を被うように透明のプロテクタ１ｏが
設置されている。なお、上記操作盤には、ロボットアー
ムの動作を制御する制御レバー４ａのほか、後述の温度
センサーや時間計測回路、サンプリング回路、距離およ
び角度の演算器を含むデータ処理回路装置などが収容さ
れている。

また、吹付は装置本体１には、複数の棒状やクランク状
のアーム３１〜３４などをピン結合したロボットアーム
３０と、このロボットアーム３゜を伸縮、移動あるいは
回転をさせるためのシリンダ装置３５〜３８がそれぞれ
設けられている。２はアーム３４端に取り付けられたガ
イドフレームで、このガイドフレーム２上には超音波送
受信センサー３および吹付はノズル８が同一方向を向く
ように取り付けられている。９は超音波送受信センサー
３の出力を、ディスプレイ装置４の上記演算器に入力す
るリード線、７は吹付はノズルに圧送されるコンクリー
トを導くためのコンクリート圧送ホース、５は被噴射面
としてのトンネル壁面である。

かかる吹付は装置では、超音波送受信センサー３の出力
に従って、現時の吹付はノズル８のトンネル壁面（施工
面）に対する相対距離および相対角度を演算器で演算し
、この演算結果を表示器に表示し、この表示内容に従っ
て、オペレータが上記相対距離および相対角度がコンク
リートのはね返りのない最適値となるように、ロボット
アーム３０や吹付はノズル８を制御できるようにする。

また、かかる吹付は装置は第２図に示すように。

超音波パルス送信器１１と、超音波受信器１２と、送信
、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な
どの表示器１６とからなる吹付はノズルの位置検出回路
を備えている。

次に、この位置検出回路の動作について具体的に説明す
る。

まず、ここで使用する超音波は４０〜６０ｋｌ（ｚ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．つまり吹付は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４〜２０層Ａの電流値として出力す
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、−旋回当りの最大電流値を最小比１１
ｆｉａとし最小電流値を最大距離すとすると、吹付はノ
ズル８からトンネル壁面５までの距離Ｑは、第３図より
ほぼ以下の関係で近似できる。

（１＝ＡＱ十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Ｒ＝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）Ｃ
Ｒ＝ｂｓｉｎ（α／２）・　・　・　・　・　・　・　
・　（９）であり、これらを式（５）に代入すると、１
２はＱ　＝　ａｃｏｓ（ａ／　２）　＋　（ｂａａｓ（
α／　２）　−ａｃｏｓ（α／２））／　　（１＋　ｂ
ｓｉｎ（α／２）／ａｓｉｎ（α／２）） ＝　ａｃｏｓ（α／　２）　　＋　　（ｂ　−ａ　）　
ｃｏｓ（ａ／　２）ａｓｉｎ（α／２）／　　（ａｓｉ
ｎ（α／２）＋ｂｓｉｎ（α／２）） ＝　ａｃｏｓｃａ／２）＋　　（ｂ　−ａ　）ｃｏＳｃ
ａ／２）ａ／　　（ａ＋ｂ） ＝ａｃｏｓＣａ／２）　　（ａ＋ｂ＋ｂ−ａ）／　　（
ａ＋ｂ） ＝２　ａ　ｂｃｏｓ（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と吹付はノズル８との相対角度θ
は以下の関係がある。

ｔａｎ　（θ）＝ＢＱ／ＰＱ−−−−−−−　　（１１
）ＰＱ＝Ω−ＡＱ・・・・・・・・・・　（１２）式（
１２）に式（１０）、（７）を代入すると、ＰＱ＝２　
ａ　ｂｃｏｓ（α／２）　／　（ａ　＋ｂ）　−ａｃｏ
ｓ（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。

ｊａｎ　（θ）　＝　ａ　　（ａ　＋　ｂ）　５ｉｎ（
ｃｘ／　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””　（（ａ　＋　ｂ）　ｔａｎ（ａ／　２
）　／　（ｂ−ａ）） 以上により、相対距離Ｑおよび相対角度θは。

トンネル壁面５までの最小距離ａ、最大距離すおよび旋
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２
２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、こ九らの多値から求めた距離の最小値ａ、最
大値す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、最大値すから、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Ｑ、
相対角度θをモータ駆動装置１５および表示器１６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を含む吹付はノズル
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ＩＳ）、演算処理回路では
、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２Ｓ）６次
に、この温度補正した計測データを電流変換しくステッ
プ３Ｓ）、この電流値を一定のタイミングでサンプリン
グしくステップ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）、この多値を距離換算する（ステッ
プ６Ｓ）０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、出力
回路２Ｇ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に色別表示しくステップ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身近で観察し、オ
ペレータは制御レバー４８などを操作して、吹付はノズ
ルがトンネル壁面に対して適切な距離および角度となる
ように、シリンダ装置３５およびロボットアーム３０を
作動して姿勢制御する。そして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
域に順次移動を行なって、吹付けを均一厚さにまたは一
時停止して集中的に実施していくことができる。

また、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寸法を与える複数の円
Ｃ上に、距離の大きさに応じて色が変色する緑色、黄色
、赤色の捧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Ｍ（例えば１．０±０．３ｍ）
、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、吹付は角度は
棒形または円形で形状表示し、例えば、９０″′±１０
″以上では、はね返りの発生が極めて多く、不適切であ
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、吹付は方向は座標上の上記捧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、常に捧Ｐが緑の円で表示されるよ
うに、吹付はノズル８のガイドフレーム２の位置を修正
しながら、コンクリートの吹付は作業を実施することに
なる。なお、このようなコンクリートの吹付は技術は、
塗装分野における塗料吹付けや、ジェット高圧水で材料
を切断する技術等において、一定の距離、角度を設定す
る必要がある場合にも利用できる。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、この発明によれば、吹付は
ノズルから被吹付は面までの距離を超音波を用いて検出
し、この検出データを演算器にかけて所定の処理を加え
ることにより、吹付はノズルから被吹付は面までの相対
距離および相対角度を正確に求めることができ、この演
算結果を表示器に表示することによって、オペレータに
よる上記相対距離および相対角度の設定、修正を最適値
になしうるほか、この最適な距離、角度による吹付は作
業を均一厚さに、しかも効率的に実施できる効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる吹付は装置を示す斜視図、第２
図は吹付はノズルの位置検出システムを示すブロック接
続図、第３図は吹付はノズルとトンネル壁面との相対距
離および相対角度の関係を示す説明図、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・・吹付は装置本体、３・・超音波送受信センサー、
５・・被吹付は面（施工面）、８・・吹付はノズル、１
３・・データ処理手段、１６・・表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）吹付け装置本体に複数のアームをピン結合したロボ
   ットアームを変位自在に設け、このロボットアーム端に
   設置した吹付けノズルからコンクリートを施工面に吹付
   けるコンクリート吹付け装置において、上記ロボットア
   ーム端または吹付けノズルに超音波送受信センサーを設
   け、この超音波送受信センサーが上記施工面に向けて超
   音波を送信した時点から、その施工面からの反射波を受
   信する時点までの時間を計測して、上記吹付けノズルの
   上記施工面に対する相対距離および相対角度を演算する
   データ処理手段を上記吹付け装置本体に設け、上記デー
   タ処理手段の処理結果にもとづき、自動または手動で上
   記ロボットアームの位置を制御しうるようにしたことを
   特徴とするコンクリート吹付け装置。 ２）吹付け装置本体に結合したロボットアーム端に吹付
   けノズルを設置し、この吹付けノズルから施工面にコン
   クリートを吹付けるコンクリート吹付け方法において、
   上記ロボットアーム端または吹付けノズルに設けた超音
   波送受信センサーが、上記施工面に超音波を送信した時
   点から、その施工面からの反射波を受信するまでの時間
   を計測し、この計算値にもとづき、上記超音波送受信セ
   ンサーから上記施工面までの最大距離および最小距離を
   演算し、この演算結果にもとづき、上記超音波送受信セ
   ンサーと上記施工面との相対距離および相対角度を演算
   し、この演算結果を表示器上に表示するようにしたこと
   を特徴とするコンクリート吹付け装置の使用方法。