KR20190058564A - 터널 라이닝을 형성하는 세그먼트의 자동화 픽업 및 부설 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 위치 센서가 구비되는 작동기를 포함하는 세그먼트 이렉터 (2)가 제공되는 터널 굴착기(1)에 결합되어 터널 라이닝을 형성하는 세그먼트에 대한 자동화 픽업 및 부설을 위한 장치로서: - 이렉터의 작동을 제어하고, 이렉터 센서로부터 측정 데이터를 수신하도록 터널 굴착기의 자동화 시스템과 통신하는 제어기, 및 - 적어도 4개의 레이저 표현 형상 측정기를 포함하는 3차원 비전 시스템을 포함하고, 제어기는 세그먼트 부설 계획 (plan)을 수신하고, 3차원 비전 시스템의 분석 데이터, 이렉터 센서의 측정 데이터 및 세그먼트 부설 계획으로부터, 이미 부설된 세그먼트 및/또는 세그먼트들 링 (A)과 정렬되어 부설되는 세그먼트 (V)를 배치하도록 이렉터 경로를 결정하고, 부설되는 세그먼트를 픽업하고 경로에 따라 이것을 옮겨놓도록 이렉터를 작동하기 위하여 터널 굴착기의 자동화 시스템에 이동 명령을 통신하도록 구성된다.
Description
본 발명은 세그먼트 이렉터가 제공되는 터널 굴착기에 결합되는 세그먼트 자동화 픽업 및 부설용 장치, 및 이러한 장치를 구현하는 세그먼트들 자동화 픽업 및 부설 방법에 관한 것이다.
일반적으로 터널 라이닝은 다수의 연속 링들 형태로 배열되는 조립식 세그먼트들 (홍예석)으로 이루어진다.
터널 굴착기가 진행하면, 이미 부설된 링에 대향하여 다수의 세그먼트들을 연속하여 조립함으로써 새로운 링이 제작된다.
각각의 새로운 링의 정면 (즉, 터널 굴착기의 절단 헤드를 향하여 배향되는 면)은 터널 굴착기 쉴드의 후면 (즉 절단 헤드의 반대측)에 놓이고 굴착 지반을 굴착하기 위하여 필요한 추력을 위한 추력 실린더들을 위한 지지 표면으로 기능한다.
세그먼트의 부설은 이렉터 (erector), 즉 터널 굴착기 쉴드의 후면에 배열되는 수납대 (magazine)로부터 세그먼트를 파지한 후, 이의 의도된 지점으로 이를 옮겨 링을 형성하는 기계에 의해 수행된다. 이렉터는 터널 굴착기 쉴드의 요소이고 후면에 위치한다.
현재, 이렉터는 일반적으로 세그먼트들이 부설되는 구역에서 바로 옆에 있는 운전자에 의해 제어된다.
그러나, 운전자에 의한 이러한 조작은 여러 문제점을 일으킨다.
한편으로, 세그먼트 부설 구역에서 1인 이상의 운전자(들)이 있으면 안전에 위험성이 존재한다.
또 한편으로, 특히 1인 이상의 운전자(들)이 이미 부설된 세그먼트들에 대하여 배치되는 세그먼트의 위치를 제어하여야 하고, 가능한 위치 조정은 상기 운전자(들)에 의해 경험적으로 진행되므로 각각의 세그먼트에 대한 부설 시간은 길어진다. 이러한 작업은 또한 운전자에 대한 여러 이동이 수반되므로특히 어렵다.
따라서, 한편으로, 부설 구역에서 운전자들의 존재를 피할 수 있고, 또 한편으로, 세그먼트 부설의 품질 및 시간을 개선하기 위하여 세그먼트들의 부설을 자동화할 수 있는 것이 바람직하다.
이렉터는 작동적으로 중요한 표기들 (operatively important arrows)을 가지는 고용량 및 광범위한 수압 기계이므로, 이의 포지셔닝는 정확하지 않고 재현성이 없다. 이러한 결점은 터널 굴착기의 수명 동안 고도의 마모성 및 상당한 작업 간극 증가로 더 악화되다.
서류 FR 2 745 327는 터널의 세그먼트 부설 과정에서 운전자 조력 장치를 기술한다. 본 장치는 이미 부설된 세그먼트의 측면에 기준점 및 부설되는 세그먼트의 측면에 기준점의 위치를 측정하는 측정 센서를 구현하되, 이들 두 기준점들은 서로 반대측에 배치된다. 본 장치는, 이들 두 기준점들에서 편차 분석으로부터, 부설되는 세그먼트를 이미 부설된 세그먼트에 대하여 원하는 위치로 옮기기 위하여 이렉터의 경로를 결정하도록 구성되는 계산기를 더욱 포함한다.
제1 단계로서, 운전자는 이렉터를 제어하여 이미 부설된 세그먼트 위치에서 대략 가까운 위치로 옮긴다. 부설되는 세그먼트 및 이미 부설된 세그먼트가 가시 범위 내에 있을 수 있도록 측정 센서가 배치된다. 이어 기준점들 간의 편차 분석이 수행되고 계산기로 전송된다.
이후 계산기는 부설되는 세그먼트를 최종 위치로 옮기는데 필요한 이렉터의 변위를 계산한다. 이 단계에서, 운전자 간섭 없이 이렉터는 계산기에 의해 정의되는 변위에 따라 자동으로 구동된다.
그러나, 본 장치는 세그먼트의 부설을 완전 자동화하지 못하고, 대략 배치는 운전자 몫으로 남는다. 또한, 본 장치는 세그먼트 부설의 품질을 제어할 수 없다 (상기 품질은 다른 자유도에 따라 고려된다). 또한, 측정 센서는 이렉터를 추종하도록 이에 특정된다.
서류 CN104747213은 세그먼트들의 자동화 부설용 장치를 기술한다. 본 장치는 세그먼트 부설 과정에서 서로 접하도록 배치될 수 있는 부설되는 세그먼트의 면 및 이미 부설된 세그먼트의 면에 대한 이미지를 획득하기 위한 2개의 3차원 카메라를 포함한다. 본 장치는 상기 세그먼트들 간의 오프셋을 결정하기 위하여 상기 이미지들을 분석하는 계산기를 더욱 포함한다.
제1 단계로서, 부설되는 세그먼트를 이미 부설된 세그먼트와 비교하여 대략 위치로 옮긴다.
제2 단계로서, 카메라는 서로 대면하여 배치될 수 있는 세그먼트들의 면들에 대한 이미지들을 획득한다.
이들 이미지들은 한편으로 서로 대면하는 두 세그먼트들의 면들 간의 거리 및 두 세그먼트들의 정면들 간의 거리로 정의되는 두 세그먼트들 간 오프셋을 추론하는 계산기로 전송된다. 이러한 오프셋이 소정의 임계값보다 작을 때, 세그먼트는 바르게 위치되었다고 간주되고 상기 세그먼트의 부설 방법은 완료된다. 이러한 오프셋이 상기 임계값을 초과하면, 계산기는 세그먼트 포지셔닝 정확도를 개선하기 위하여 필요한 이렉터 이동을 결정하고, 상기 이동을 수행하기 위하여 이렉터는 자동으로 제어된다. 이러한 절차는 두 세그먼트들 간 오프셋이 소정의 임계값 이하가 될 때까지 반복될 수 있다.
그러나, 이러한 이미지들을 처리하는 시간은 상대적으로 길어, 각각의 세그먼트 부설을 위한 시간을 불리하게 한다. 또한, 본 장치는 이미 부설된 세그먼트에 대하여 부설되는 세그먼트의 임의의 가능한 각도 오프셋을 고려하지 않는다.
서류 JPH08-296400은 세그먼트들의 자동화 부설을 가능하게 하는 이렉터를 기술하고, 이는 두개의 카메라로 이루어진 비전 센서를 포함하고, 이 중 하나는 다른 것보다 더 큰 가시 범위를 가진다.
제1 단계에서, 부설되는 세그먼트는 이미 부설된 세그먼트에 대하여 대략 위치로 옮겨진다.
레이저 프로젝터는 이미 부설된 세그먼트 및 부설되는 세그먼트와 접촉되는 면들에 광선을 투사하다. 카메라는 상기 광선의 이미지들을 획득한다. 이들 이미지들은 계산기로 전송되고 처리되어 두 세그먼트들 간 오프셋을 추론하고, 이러한 오프셋은 위치 (세 방향에서의 거리들) 및 경사 (세 방향에서의 각도)로 정의된다. 계산기는 두 세그먼트들를 정렬하기 위하여 필요한 이렉터 이동을 결정하고, 상기 이동을 수행하기 위하여 이렉터는 자동으로 제어된다.
그러나, 본 서류에서 기술되는 이렉터는 특정하게 설계되고 따라서 제공되는 자동화는 판매되는 터널 굴착기의 기존 이렉터에는 적용될 수 없다.
마지막으로, 어떠한 상기 서류들도 제1 세그먼트의 배치 또는 키의 배치 (보편적 (universal) 링의 경우 링을 폐쇄하기 위한 마지막 세그먼트)를 언급하지 않고, 이것은 더욱 중요한 배치의 복잡성을 부여한다.
본 발명의 일 목적은 세그먼트의 자동화 부설용 장치를 설계하는 것이고, 이는 운전자들의 안전성 및 운전자의 간섭을 최소화하고, 각각의 세그먼트 부설 시간을 최소화하고 부설 정확도를 개선함으로써 생산성을 높인다. 본 장치는 보편적 링이든 또는 아니든 링을 구성하는 제1 및 마지막 세그먼트들을 포함하여 완전 링의 부설을 가능하게 한다. 또한, 상기 장치는 판매되는 터널 굴착기의 이렉터와 양립될 수 있다. 마지막으로, 상기 장치는 소형이고 설치하기 용이하다.
본 발명에 의하면, 위치 센서가 구비되는 작동기를 포함하는 세그먼트 이렉터가 제공되는 터널 굴착기에 결합되어 터널 라이닝을 형성하는 세그먼트에 대한 자동화 픽업 및 부설을 위한 장치가 제공되며, 이는:
- 이렉터의 작동을 제어하고, 이렉터 센서로부터 측정 데이터를 수신하도록 터널 굴착기의 자동화 시스템과 통신하는 제어기,
- 이렉터에 부착되어 (i) 이렉터 및 파지 대상 세그먼트 간 위치 및 경사의 편차를 결정하고 (ii) 이미 부설된 적어도 하나의 세그먼트 및/또는 하나의 세그먼트들 링에 대하여 이렉터에 의해 보유된 부설 대상 세그먼트의 위치 및 경사의 편차를 분석하는 일조의 데이터를 획득하기 위하여, 적어도 4개의 레이저 표현 형상 측정기 (profilometer)를 포함하고, 상기 측정 데이터를 제어기에 전송하기 위하여 이와 결합되는3차원 비전 시스템을 포함하고,
상기 제어기는 세그먼트 부설 계획 (plan)을 수신하고, 상기 3차원 비전 시스템의 상기 분석 데이터, 상기 이렉터 센서의 측정 데이터 및 상기 부설 계획를 처리하는 컴퓨터 플래너 (planner)로 인하여, 이미 부설된 상기 세그먼트 및/또는 세그먼트들 링 반대측에 부설되는 상기 세그먼트를 배치하도록 이렉터의 경로를 결정하고, 부설되는 세그먼트를 픽업하고 상기 경로에 따라 이것을 옮겨놓도록 이렉터를 작동하기 위하여 터널 굴착기의 자동화 시스템에 이동 명령을 통신하도록 구성된다.
유리하게는, 장치는 제어기에 결합되는 인간-기계 인터페이스를 더욱 포함한다.
하나의 구현예에 의하면, 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 터널 굴착기의 적어도 하나의 추력 실린더를 이동하고, 부설되는 세그먼트를 부설하기 위하여 구역 (area)을 해제하고, 제자리에 있다면 상기 세그먼트를 고정하기 위하여 명령을 전송하도록 구성된다.
바람직한 구현예에 의하면, 제어기는 측정 데이터로부터, 부설되는 세그먼트를 인식하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 목적은 세그먼트 이렉터 및 상기 장치를 포함하는 터널 굴착기이다.
또 다른 목적은 세그먼트 이렉터 및 상기 이렉터의 작동을 제어하는 자동화 시스템이 제공되는 터널 굴착기에 의해 터널 라이닝을 형성하는 세그먼트를 자동으로 픽업하고 부설하는 방법에 관한 것이고, 이는:
- 상기 장치를 제공하는 단계,
- 이렉터에 3차원 비전 시스템을 배치하는 단계,
- 상기 장치의 제어기 및 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템 간에 통신을 설정하는 단계,
- 제어기에 의해, 세그먼트 부설 계획 및 상기 이렉터의 센서로부터 측정 데이터를 수신하는 단계,
- 제어기에 의해, 부설되는 세그먼트를 이렉터가 파지하는 명령을 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템으로 통신하는 단계,
- 이렉터에 의해 부설되는 세그먼트를 파지하는 단계,
- 제어기에 의해 정의되는 부설 구역으로 상기 세그먼트를 옮기는 단계,
- 3차원 비전 시스템에 의해, 이미 부설된 적어도 하나의 세그먼트 및/또는 하나의 세그먼트들 링에 대하여 부설되는 세그먼트의 위치 및 경사의 편차를 분석하는 데이터를 획득하는 단계,
- 3차원 비전 시스템의 상기 측정 데이터, 상기 이렉터 센서의 측정 데이터 및 상기 부설 계획으로부터, 상기 부설되는 세그먼트를 이미 부설된 상기 세그먼트 및/또는 세그먼트들 링 반대측에 배치하기 위하여 이렉터의 경로를 결정하도록, 제어기에 의해 상기 측정 데이터를 처리하는 단계,
- 제어기에 의해, 상기 이렉터 이동 명령을 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템에 통신하는 단계,
- 자동화 시스템에 의해, 상기 이동 명령에 따라, 세그먼트를 배치하도록 이렉터를 작동하는 단계,
- 제어기에 의해, 상기 터널 굴착기의 적어도 하나의 추력 실린더를 이동하는 명령을 자동화 시스템에 통신하는 단계;
- 상기 추력 실린더에 의해 이미 부설된 링에 대향하여 상기 세그먼트를 고정하는 단계를 포함한다.
하나의 구현예에 따르면, 부설되는 세그먼트를 파지하기 전에, 제어기에 의해, 3차원 비전 시스템에 의해 제공되는 데이터로부터 상기 세그먼트를 인식하는 단계를 더욱 포함한다.
하나의 구현예에 따르면, 세그먼트 고정 단계 후, 제어기는 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 세그먼트 파지 해제 명령을 전송한다.
특히 바람직한 방식에서, 상기 방법으로 세그먼트들의 완전 링의 자동화 부설이 가능하고, 상기 방법은 상기 링을 구성하는 일조의 세그먼트들에 대하여 구현된다.
하나의 구현예에 따르면, 방법은 세그먼트들의 완전 링 배치 후, 3차원 비전 시스템에 의해, 롤 각 (roll angle), 정면의 편평도, 터널 굴착기의 덮개 (skirt)에서 링의 중심 및/또는 링의 타원화를 포함하는 상기 링의 적어도 하나의 기하 특성 (geometric characteristic) 측정 단계를 더욱 포함한다.
바람직한 구현예에 의하면, 링의 상기 기하 특성의 상기 측정에 따라, 제어기는 다음 링의 세그먼트들 부설을 위한 계획을 조정한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에서 도면을 참조할 때 명백하여 질 것이다:
- 도 1은 터널 굴착기 쉴드의 후방 개략도이다,
- 도 2는 이미 부설된 세그먼트들 링에 대향하여 세그먼트를 이송하는 이렉터를 도시한 것이다,
- 도 3은 본 발명에 의한 자동화 부설 장치 및 터널 굴착기와의 인터페이스의 작동 도표이다,
- 도 4는 3차원 비전 시스템의 블록도이다.
- 도 2는 이미 부설된 세그먼트들 링에 대향하여 세그먼트를 이송하는 이렉터를 도시한 것이다,
- 도 3은 본 발명에 의한 자동화 부설 장치 및 터널 굴착기와의 인터페이스의 작동 도표이다,
- 도 4는 3차원 비전 시스템의 블록도이다.
도 1은 터널 굴착기 (토압 터널 굴착기, 퇴사-압력 터널 굴착기, 등)타입에 제한되지 않지만, 본 발명이 구현될 수 있는 터널 굴착기 쉴드의 후방 부분 개략 단면도이다.
그 자체로서 공지와 같이, 터널 굴착기 (1)는, 전방부에서, 지반 채굴용 절단 도구들이 제공되는 회전식 절단 헤드 (10)를 포함한다.
절단 헤드 (10)는 굴착 작업의 보호 및 실링을 제공하는 쉴드 (11) 전방에 고정된다.
절단 정면에서 암설물 (cutting)이 이송되는 채굴 챔버 (felling chamber, 12)는 절단 헤드 (10) 후방에 있다.
암설물은 채굴 챔버로부터 배출용 스크류 (13)에 의해 방출되고, 출구에서 암설물은 컨베이어에 올려져 소개된다. 터널 굴착기 종류에 따라, 배출 수단은 달라질 수 있고 도시된 스크류에 한정되지 않는다.
후방에서, 쉴드 (11)는 덮개 (skirt, 14)를 가지고 하부에 터널 라이닝를 형성하는 세그먼트들 V이 배치된다.
터널 굴착기 (1)에는 부설된 세그먼트들의 마지막 링 A의 정면 F에 지지되는 추력 실린더 (15)가 제공되고, 채굴 과정에서 상기 실린더 (15)는 절단 헤드 (10)에 전방 추력을 인가한다.
세그먼트들 V를 배치하기 위하여, 세그먼트 이렉터 (2)가 쉴드 안에 배열되고, 덮개 (14)로부터 보호된다.
이렉터 (2)에는 터널 굴착기 외부로부터 컨베이어 시스템 (도시되지 않음)에 의해 세그먼트들이 공급된다.
도 2에서 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 세그먼트 이렉터 (2)는 세그먼트 V의 내부와 실질적으로 상보적인 형태를 가지는 파지 장치 (20)를 포함한다. 바람직하게는, 파지는 음압 (흡입에 의한 빨판 효과)에 의해 수행되어, 이렉터에서 세그먼트를 보유하기에 필요한 도구 또는 특별한 취급 장치는 필요하지 않다. 대안으로 (도시되지 않음), 이렉터에는 세그먼트에 배열되는 구멍들을 통과할 수 있는 파지 부재가 제공될 수 있다.
이렉터에는 다수의 작동기 (실린더 및 모터 포함)가 제공되어 적어도 6개의 회전 및 병진 자유도를 파지 장치에 제공하여 여러 이동을 가능하게 한다. 더욱 상세하게는, 이렉터는 로터 및 로터와 파지 장치 사이에 배치되는 실린더를 포함한다.
이렉터는 의도된 부설 구역과 마주보는 세그먼트의 접근 단계 (대략 포지셔닝)에서 비교적 고속으로 운전되고, 정밀 포지셔닝 단계에서는 비교적 저속으로 운전된다.
본 발명의 구현을 위하여, 이렉터의 작동기에는 임의 타입의 센서 (예를들면, 실린더 연장 센서, 모터 회전 인코더, 등)가 설치되어 임의의 시간에서 기준 위치에 대한 파지 장치의 위치를 각각의 자유도에 따라 파악할 수 있다. 상기와 같이, 이들 센서에 의해 제공되는 위치 정보는 단지 이론적인 것이고, 왜냐하면 표기들(arrows), 작업 간극, 등 유의미한 이렉터의 여러 요소들을 감안하지 않기 때문이다. 따라서 이러한 정보에 의존하여 세그먼트를 정확하게 위치 지정하는 것이 가능하지 않다. 본 발명은 이렉터에 파지 및 이어 세그먼트들의 정밀 배치를 조력하는 3차원 비전 시스템을 구비함으로써 이러한 문제점을 해소하였다.
터널 굴착기의 자동화 시스템은 파지 장치를 소정의 경로를 따라 이동시키도록 다양한 작동기들을 구동함으로써 이렉터의 작동을 제어할 수 있다. 종래 터널 굴착기에서는, 이러한 경로는 운전자에 의해 설정된다. 본 발명에 의하면, 상기 경로는 제어기 및 플래너 (planner)에 의해 설정되고, 더욱 상세하게 하기될 것이다. 그러나, 운전자가 자동화 시스템을 제어하는 작동 모드는 필요한 경우 가용되도록 유지된다.
이렉터의 작동기들이 상기와 같이 설치되고, 이렉터에3차원 비전 시스템의 배치 및 상기 제어기와의 인터페이스를 수용하기 위한 자동화 시스템의 적용을 제외하고는, 본 발명은 이렉터 또는 터널 굴착기의 다른 요소들의 변형을 요구하지 않는다는 것에 주목하여야 한다. 달리 표현하자면, 본 발명은 임의의 터널 굴착기 및 임의의 기존 세그먼트 이렉터에 적용될 수 있다.
3차원 비전 시스템은 적어도 4개의 레이저 표현 형상 측정기 (profilometer)를 포함한다. 각각의 표현 형상 측정기는 물체 (이 경우, 부설되는 세그먼트 및 부설 구역의 적어도 일부, 이미 부설된 세그먼트 및/또는 이미 부설된 세그먼트들 링을 포함)를 향하여 레이저 라인을 투사할 수 있는 레이저 및 물체 형상을 획득할 수 있는 장치를 포함한다. 세그먼트 및 서로 떨어진 환경의 섹션들을 결정하여 이로부터 결국 공간 중 세그먼트의 위치를 추론하도록 다양한 표현 형상 측정기의 라인이 투사된다.
더욱 상세하게는, 4개의 표현 형상 측정기들이 부설되는 새로운 세그먼트 파지, 및 링의 마지막 세그먼트 부설 과정에서 동시에 사용된다. 이미 부설된 링 A로 배향되는 2개의 표현 형상 측정기들은 이전 링에 대하여 부설되는 세그먼트의 위치 및 배향 편차를 결정한다. 부설될 때 링으로 배향되는 2개의 표현 형상 측정기들 중 하나는 링을 형성하도록 부설되는 세그먼트의 위치 및 배향에 대한 정밀한 조정을 가능하게 한다.
이러한 목적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 표현 형상 측정기들 (이의 레이저 라인 (210)이 개략적으로 도시됨)은 이미 부설된 세그먼트들 V로 이루어진 링 A를 향하고, 2개의 다른 표현 형상 측정기들 (이의 레이저 라인 (210) 또한 개략적으로 도시됨)은 2개의 제1측정기들에 대하여 실질적으로 수직으로 배향된다.
표현 형상 측정기들은 접근 단계에서 환경에 대하여 세그먼트의 상대적 가능한 배치를 수용할 수 있는 다양한 작동이 가능하도록 선택된다. 또 한편으로, 표현 형상 측정기들의 해상도는 수집 정보에 대한 소망 정확도에 따라 선택되고 - 전형적으로는 1 mm 미만의 해상도가 선택된다. 마지막으로, 가능한 빠른 처리 시간이 가능하도록 매우 높은 획득 빈도의 표현 형상 측정기들이 선택된다.
각각의 표현 형상 측정기는 부분적 정보를 제공하지만, 일조의 표현 형상 측정기들은 소프트웨어 지능의 레이어를 통해; 및 제어기의 작동에 따라, 전체적 정보를 제공하여, 표현 형상 측정기들의 조합된 측정값들을 해석할 수 있다.
하나의 구현예에 따르면, 표현 형상 측정기들은 로터에 고정된다.
도 2는, 예시로서, 파지 장치 (20)에서 떨어져 이렉터 (2)에 배열되는2개의 표현 형상 측정기들 (21) (단 하나만이 관찰됨)을 도시한다. 각각의 표현 형상 측정기에서 방출되는 레이저 라인들이 좌표계 (210)에 따라 개략적으로 도시된다. 직교 좌표계 X, Y, Z가 표시된다. 통상적으로, X-축은 터널의 길이방향 축이고, Y-축은 터널의 폭 방향으로 연장되고 Z-축은 터널 높이 방향으로 연장된다. 롤 각은 X-축 주위로 정의되고, 피치 각 (pitch angle)은 Y-축 주위로 정의되고 편주각 (yaw angle)은 Z-축 주위로 정의된다.
3차원 비전 카메라와 비교하여, 레이저 표현 형상 측정기들은 물체의 위치 및 경사 결정 처리 시간이 더욱 짧다는 이점이 있다.
장치는 처리기를 더욱 포함하고 이는 3차원 비전 시스템으로부터 측정 데이터 (전형적으로는, X, Z 플랜으로 세그먼트 및 이의 환경의 형상)를 수신하고 이들 데이터를 처리하여 이미 부설된 적어도 하나의 세그먼트 및/또는 하나의 세그먼트들 링 기준으로 부설되는 세그먼트의 위치 및 경사의 편차를 결정하도록 구성된다.
장치는 또한 제어기를 포함하며, 이는 상기 처리기와 통신하고 세그먼트 부설 계획을 수신하도록 구성된다. 이러한 부설 계획은 부설되는 세그먼트의 종류, 각각의 세그먼트에 대한 의도된 지점 및 상기 세그먼트들의 부설 순서에 대한 정보를 포함한다.
유리하게는, 장치는 또한 제어기와 통신하는 컴퓨터 플래너를 포함하고 (플래너는 제어기와 통합될 수 있다)이는 이렉터 센서의 측정 데이터 및, 적합하다면, 3차원 비전 시스템의 분석 데이터로부터, 세그먼트 부설 계획에 의한 최종 위치를 향하여 이렉터의 경로를 결정하도록 구성된다.
세그먼트 파지 및 부설은 3차원 비전 시스템을 이용하거나 이용하지 않는 연속 4 단계들을 포함한다:
- 제1 단계 (부설되는 새로운 세그먼트의 파지)에서, 3차원 비전 시스템이 활성화되어 픽업 대상 세그먼트에 대한 이렉터의 위치 및 배향 편차를 결정하고;
- 제2 단계, 소위 블라인드 단계 (즉 3차원 비전 시스템이 관여되지 않는 단계)에서, 플래너는 이미 부설된 링 근처에서 부설 계획에서 결정되는 중간 위치를 향하는 이렉터의 경로를 결정하고;
- 3차원 비전 시스템이 구현되는 제3 단계에서, 부설 계획에 따라 결정되는 지점으로 세그먼트가 배치되고;
- 제4의, 블라인드 단계에서, 플래너는 픽업 대상의 새로운 세그먼트를 향한 이렉터의 복귀 경로를 정의한다.
일반적으로, 부설 계획은 터널 굴착기의 자동화 시스템으로 전송되고 인간-기계 인터페이스를 통해 운전자에 의해 승인된다. 대안으로, 부설 계획은 본 발명에 의한 장치의 인간-기계 인터페이스를 통해 제어기로 전송될 수 있다. 상기 인간-기계 인터페이스는 더욱 상세하게 하기될 것이다.
제어기는 다양한 이렉터 위치 센서들에 의해 제공되는 위치 정보를 직접 또는 터널 굴착기의 자동화 시스템을 통해 수신하도록 더욱 구성된다.
부설 계획, 위치 및 경사 편차 분석 데이터 및 이렉터 위치 정보로부터, 제어기는 최적 위치 및 배향 정확도로 부설되는 세그먼트를 요구 지점으로 옮기도록 공간 중 이렉터 파지 장치의 일조의 배치를 결정하기 위하여 계산 알고리즘 (이동 발생기 또는 플래너)을 구현하고, 터널 굴착기의 자동화 시스템으로, 이렉터를 이동하는 명령을 전송한다.
선택적으로, 세그먼트 배치는, 예를들면 상이한 자유도에 따라 세그먼트의 위치를 연속하여 조정함으로써 반복적으로 수행된다. 각각의 반복 단계에서, 3차원 비전 시스템은 환경 기준으로 부설되는 세그먼트의 새로운 위치 및 새로운 경사를 결정하고, 제어기는 이의 포지셔닝을 조정하기 위하여 새로운 배치 조를 결정한다.
상기와 같이, 본 발명으로 달성되는 정확도는 1 mm 수준이지만, 운전자에 의해 작동되는 원격 조절에 의한 이렉터의 구동으로 최대 2 내지 3 mm 수준의 정확도가 제공된다. 그러나, 본 발명에 의해 제공되는 이점은 이와 같은 정확도 향상에 제한되지 않고 운전자에 의한 이렉터 구동과 비교할 때 부설 속도-정확도 절충의 극대화 및 부설 재현성 및 신뢰성 개선에 있다.
인간-기계 인터페이스는 운전자로 하여금, 일반적으로, 자동화 부설 장치의 작동을 감시하고 제어하도록 설계된다. 따라서, 인간-기계 인터페이스를 통해 세그먼트 부설 순서를 개시하고, 장치의 작업 모드를 결정하고 (예를들면: 완전 자동, 반-자동 작업, 등), 작동 정보를 수집하고, 및 경고음이 있는 경우 장치의 장해를 추구한다.
인간-기계 인터페이스는 또한, 필요하다면 (예를들면 사고가 난 경우), 자동화 부설 장치 사용을 금지시키고 기존 터널 굴착기에서 종래 사용된 원격 조정으로 운전자가 직접 이렉터를 구동하도록 구성될 수 있다. 이러한 목적으로, 인간-기계 인터페이스는 비상 중지 버튼을 포함한다.
도 3은 장치 및 이의 터널 굴착기와의 인터페이스에 대한 작업 분석표를 도시한 것이다.
터널 굴착기는 블록 (100)으로 도시된다.
블록 (101)은 세그먼트 이렉터의 작동기를 나타낸다.
블록 (102)은 이렉터 위치 센서를 나타낸다.
터널 굴착기는 이렉터 작동을 위하여 특히 자동화 시스템 (103)을 포함한다. 이러한 목적으로, 자동화 시스템 (103)은 이렉터 위치 센서 (102)로부터 측정 데이터를 수신한다. 자동화 시스템 (103)은 이렉터의 작동기 (101)를 제어하여 주어진 파지 장치 위치에 도달한다.
본 발명에 의한 장치는 블록 (200)으로 도시된다.
블록 (201)은 제어기를 나타내고, 블록 (202)는 3차원 비전 시스템을 나타내고 블록 (203)은 인간-기계 인터페이스를 나타낸다.
또한, 제어기 (201)는, 인간-기계 인터페이스 (203)에, 편집 및/또는 저장 목적으로 부설 보고서를 전송할 수 있다.
제어기 (201)는 이렉터에 부착되는 3차원 비전 시스템 (202)으로부터 측정 데이터를 수신한다. 터널 굴착기의 자동화 시스템 (103)을 통해, 제어기 (201)는 이렉터의 센서 (102)로부터 측정 데이터를 더욱 수신하고 이로부터 이론적 이렉터 위치를 추론한다. 대안으로, 자동화 시스템의 문의로 인한 지연을 방지하기 위하여, 제어기는 센서 (102)와 직접 통신할 수 있다.
부설 계획, 이렉터 센서의 측정 데이터 및 3차원 비전 시스템의 편차 분석 데이터로부터, 제어기 (201)는 이미 부설된 세그먼트 및/또는 세그먼트들 링에 대향하여 부설되는 세그먼트를 배치하기 위한 이렉터의 경로를 결정하고, 이동 명령을 터널 굴착기의 자동화 시스템 (103)에 통신하여 이렉터를 작동시키고 부설되는 세그먼트를 픽업하고 상기 경로를 따라 이를 옮긴다.
특히 유리하게는, 장치는 운전자가 갑자기 이렉터의 작업 구역에 출현하는 경우 장치 사용을 중지시키는 안전 장치 (도시되지 않음), 예를들면 비-물리적 장벽을 더욱 포함한다.
장치의 작동은 다음과 같다.
부설 계획이 제어기로 전송된다.
자체로 공지된 바와 같이, 부설되는 세그먼트는 이렉터의 근처에 놓인다.
특히 바람직한 방식에서, 상기 세그먼트에 대한 인식이 장치에 의해 구현된다. 실제로, 링을 형성하는 일조의 세그먼트들은, 특히 보편적 링에서, 모든 경우 일반적으로 다른 세그먼트들보다 더 중요한 릴리프를 가지는 마지막 세그먼트 (키) 및 인접 세그먼트들 (카운터-키)에서 반드시 동일할 필요는 없다.
이러한 목적으로, 3차원 비전 시스템이 활성화되고 세그먼트의 3차원 형상을 획득한다. 이러한 형상은 제어기에 의해 부설 계획에 포함된 기준 형상과 비교된다.
대안으로, 부설되는 세그먼트에 대한 인식은 당업자에게 가용한 임의의 다른 수단, 예컨대 각각의 세그먼트에 붙어있는 바코드 또는 매트릭스 코드를 판독하는 리더기에 의해 수행될 수 있다. 판독 코드는 제어기에 의해 부설 계획에 포함된 기준 코드와 비교된다.
제시된 세그먼트가 부설 계획에 의한 부설되는 세그먼트가 아니라고 제어기가 판단하면, 경고를 울린다. 이후 세그먼트가 바뀌고 다시 재배치 세그먼트에 대한 인식 절차가 시작된다.
제시된 세그먼트가 부설되는 세그먼트라고 제어기가 판단하면 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 부설되는 세그먼트를 픽업하기 위하여 이렉터를 이동시키라는 명령을 전송한다. 이어 자동화 시스템은 이렉터의 작동기를 활성화하여 파지 장치를 세그먼트 반대측에 배치하고 파지를 작동하여 (예를들면 빨판 효과를 내는 음압을 발생) 부설되는 세그먼트를 파지 장치에 고정시킨다. 파지 단계에서, 3차원 비전 시스템은 세그먼트 기준으로 파지 장치의 바른 포지셔닝을 가능하고 하고, 제어기는 파지 장치에 대하여 부설되는 세그먼트의 위치 및 경사를 결정한다.
바람직하지만, 부설되는 세그먼트에 대한 이러한 인식은 단지 선택적인 것이라는 것에 주목하여야 한다. 대안으로, 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 상기 세그먼트 일치를 사전에 승인하지 않고 제시된 세그먼트를 파지하기 위하여 이렉터를 이동하라는 명령을 전송할 수 있고, 이러한 승인은 세그먼트에서 이렉터로 이르는 공급 사슬의 상류 운전자에 의해 수행될 수 있다.
세그먼트 부설이 의도된 구역을 해제하기 위하여, 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 마지막 링에 대하여 이러한 구역에서 지지되는 하나 이상의 추력 실린더(들)을 이동시키라는 명령을 전송한다.
세그먼트가 이렉터에 의해 파지되면, 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 세그먼트를 대략적으로 의도된 지점으로 옮기기 위하여 이렉터를 이동시키라는 명령을 전송한다. 이러한 목적으로, 제어기는 이렉터 위치 정보 및 부설 계획을 이용한다. 이러한 대략 접근 단계에서, 충돌 위험을 피하기 위하여, 세그먼트의 최종 위치에 마주보는 이렉터 및 세그먼트의 안전 거리가 관찰된다. 상기와 같이, 이러한 배치 단계는 플래너를 활용하고, 3차원 비전 시스템은 이용되지 않는다.
이러한 대략 위치에 이르면, 3차원 비전 시스템이 활성화되어 최종 환경, 즉 이미 부설된 링 및/또는 이미 부설된 세그먼트에 대하여 부설되는 세그먼트의 위치 및 경사를 측정한 데이터가 획득된다. 이러한 측정 데이터로 인하여 세그먼트 및 이러한 최종 환경으로 구성되는 기준 프레임 간의 편차를 정확하게 결정할 수 있다. 이러한 편차는 (예를들면 직교 좌표계의 3 축들 X, Y, Z을 따르는) 병진 거리 및 회전각 (예를들면 롤, 피치 및 편주)으로 특정된다.
이러한 편차로부터, 부설되는 세그먼트를 요구 지점으로 옮기도록 제어기는 공간 중 이렉터 파지 장치의 일조의 배치를 결정한다. 이러한 결정에는 이렉터 위치 정보 및 3차원 비전 시스템의 편차 분석 데이터가 조합된다.
제어기는 따라서, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 이렉터를 이동시키라는 명령을 전달한다.
일단 세그먼트가 배치되면, 세그먼트를 고정하기 위하여 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 추력 실린더를 이동시키라는 명령을 전송한다.
이어 제어기는 터널 굴착기의 자동화 시스템에 이렉터 파지 장치에 대향하여 세그먼트를 분리하라는 명령, 예를들면 세그먼트가 빨판 효과에 의해 파지 장치에 유지된다면 인가된 음압을 해제하라는 명령을 전송한다. 본 발명에 의한 장치에 의해 파지 시스템의 안전성은 영향을 받지 않는다는 것에 주목하여야 하고, 안전 조건이 충족되어야만 고정 조작을 실행하는 터널 굴착기의 자동화 시스템에 의해 보장된다.
이후 이렉터는 기술된 절차에 따라 새로운 세그먼트의 배치 전에 휴지 위치로 복귀된다. 상기와 같이, 이러한 배치 단계는3차원 비전 시스템의 조력 없이 플래너에 의해 구동된다.
제어기는 각각의 세그먼트 부설에 대한 데이터를 기록하고 가능하게는 부설 보고서를 편집하여, 터널 형성에 대한 추적 가능성을 보장할 수 있다.
유리하게는, 세그먼트들의 완전 링이 배치된 후, 자동화 부설 장치는, 3차원 비전 시스템으로 인하여, 상기 링에 대한 적어도 하나의 기하 특성을 측정할 수 있다. 이러한 기하 특성은 특히 다음과 같을 수 있다:
- 롤 각 (추력 실린더들을 위하여 세그먼트들에 형성되는 지지 구역들이 실제로 터널 굴착기의 실린더 반대측에 있는지를 확인하기 위함),
- 링 정면의 편평도 (링 정면의 편평도 결여는 실린더의 추력 변화와 연관될 수 있다),
- 터널 굴착기 덮개에서 링의 중심 (이러한 정보는, 한편으로, 터널 굴착기 안내에 필수적인 공간 중 링의 위치를 알기 위하여 유용하고: 안내 시스템의 기준 프레임에서 알려진 쉴드의 위치, 쉴드 덮개에 대한 링의 위치로 안내 시스템의 기준 프레임에서 링의 위치를 결정할 수 있고, 또 한편으로, 링에서 덮개의 임의의 마찰을 피할 수 있다),
- 및/또는 링의 타원형.
다음 링의 배치 및/또는 터널 굴착기 작업에 영향을 미치기 때문에 이러한 특성들을 제어하는 것은 유용하다. 따라서, 예를들면, 링들의 에지들이 정렬된다면, 가능한 타원형이 다음의 링들로 확산될 것이다. 유사하게, 링 정면의 편평도가 결여되면 다음 링의 정면에도 영향을 미칠 것이다.
따라서 유리하게는, 측정된 특성(들)은 제어기에 의해 고려되어 다음 링의 부설 계획을 조정하고 따라서 부설된 임의의 가능한 링 부설 결함을 보상한다.
또한, 상기 특성은 부설 보고서에 기록되어 터널 건설의 추적 가능성을 보장한다.
상기 장치의 이점은 부설이 더 복잡한 다음 2개의 세그먼트들을 포함하여 링을 구성하는 일조의 세그먼트들을 정밀하게 부설할 수 있고, 즉:
- 임의의 인접 세그먼트가 없는 링의 제1 세그먼트, 및
- 이미 부설된 2개의 세그먼트들 사이로 삽입되어야 하는 마지막 세그먼트 (또는 키.
링의 제1 세그먼트의 경우, 상기와 같이, 표현 형상 측정기가 구비된 이렉터로 부설 구역을 스캐닝 하면, 현저한 점들 및/또는 영역들로, 부설된 마지막 링에 대하여 제1 세그먼트의 롤 각을 결정할 수 있고, 제어기는 이러한 측정을 고려하여 세그먼트 부설 경로를 결정할 수 있다.
마지막 세그먼트의 경우, 3차원 비전 시스템으로 제어기는 마지막 세그먼트 장착에 가용되는 공간을 결정할 수 있고, 이는, 너무 크거나 작다면, 운전자의 간섭을 촉발할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면 이렉터 작업 구역에서 임의의 인간 간섭 없이도 여러 세그먼트들 - 또는 심지어 여러 연속 링들을 연이어 부설할 수 있고, 따라서 운전자들이 직면한 위험 및 이들 작업의 난이도를 최소화할 수 있다.
또한, 상기와 같이, 자동화 장치로 인하여 링 부설은 더욱 신뢰할 수 있고 실제 이루어진 부설 계획 및 부설된 링에 대한 제어된 특성을 기록함으로써 터널 건축에 대한 추적 가능성을 부여한다.
참고
FR 2 745 327
CN104747213
JPH08-296400
Claims (11)
- 위치 센서가 구비되는 작동기를 포함하는 세그먼트 이렉터 (erector, 2)가 제공되는 터널 굴착기(1)에 결합되어 터널 라이닝을 형성하는 세그먼트에 대한 자동화 픽업 및 부설을 위한 장치로서:
- 이렉터의 작동을 제어하고, 이렉터 센서로부터 측정 데이터를 수신하도록 터널 굴착기의 자동화 시스템과 통신하는 제어기,
- 이렉터에 부착되어 (i) 이렉터 및 파지 대상 세그먼트 간 위치 및 경사의 편차를 결정하고 (ii) 이미 부설된 적어도 하나의 세그먼트 및/또는 하나의 세그먼트들 링에 대하여 이렉터에 의해 보유된 부설 대상 세그먼트의 위치 및 경사의 편차를 분석하는 일조의 데이터를 획득하기 위하여, 적어도 4개의 레이저 표현 형상 측정기 (profilometer)를 포함하고, 측정 데이터를 제어기에 전송하기 위하여 이와 결합되는 3차원 비전 시스템을 포함하고,
상기 제어기는 세그먼트 부설 계획 (plan)을 수신하고, 상기 3차원 비전 시스템의 상기 분석 데이터, 상기 이렉터 센서의 측정 데이터 및 상기 부설 계획를 처리하는 컴퓨터 플래너 (planner)로 인하여, 이미 부설된 상기 세그먼트 및/또는 세그먼트들 링 (A) 반대측에 부설되는 상기 세그먼트 (V)를 배치하도록 이렉터의 경로를 결정하고, 부설되는 세그먼트를 픽업하고 상기 경로에 따라 이것을 옮겨놓도록 이렉터를 작동하기 위하여 터널 굴착기의 자동화 시스템에 이동 명령을 통신하도록 구성되는, 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어기에 결합되는 인간-기계 인터페이스를 더욱 포함하는, 장치.
- 제1항 내지 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제어기는, 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 터널 굴착기의 적어도 하나의 추력 실린더를 이동하고, 부설되는 세그먼트를 부설하기 위하여 구역 (area)을 해제하고, 제자리에 있다면 상기 세그먼트를 고정하기 위하여 명령을 전송하도록 구성되는, 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제어기는 측정 데이터로부터, 부설되는 세그먼트를 인식하도록 구성되는, 장치.
- 세그먼트 이렉터 및 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 의한 장치를 포함하는, 터널 굴착기.
- 세그먼트 이렉터 및 상기 이렉터의 작동을 제어하는 자동화 시스템이 제공되는 터널 굴착기에 의해 터널 라이닝을 형성하는 세그먼트를 자동으로 픽업하고 부설하는 방법으로서:
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 의한 장치를 제공하는 단계,
- 상기 이렉터에 3차원 비전 시스템을 배치하는 단계,
- 상기 장치의 제어기 및 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템 간에 통신을 설정하는 단계,
- 제어기에 의해, 세그먼트 부설 계획 및 상기 이렉터의 센서로부터 측정 데이터를 수신하는 단계,
- 제어기에 의해, 부설되는 세그먼트를 이렉터가 파지하는 명령을 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템으로 통신하는 단계,
- 이렉터에 의해 부설되는 세그먼트를 파지하는 단계,
- 제어기에 의해 정의되는 부설 구역으로 상기 세그먼트를 옮기는 단계,
- 3차원 비전 시스템에 의해, 이미 부설된 적어도 하나의 세그먼트 및/또는 하나의 세그먼트들 링에 대하여 부설되는 세그먼트의 위치 및 경사의 편차를 분석하는 데이터를 획득하는 단계,
- 3차원 비전 시스템의 상기 측정 데이터, 상기 이렉터 센서의 측정 데이터 및 상기 부설 계획으로부터, 상기 부설되는 세그먼트를 이미 부설된 상기 세그먼트 및/또는 세그먼트들 링 반대측에 배치하기 위하여 이렉터의 경로를 결정하도록, 제어기에 의해 상기 측정 데이터를 처리하는 단계,
- 제어기에 의해, 상기 이렉터 이동 명령을 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템에 통신하는 단계,
- 자동화 시스템에 의해, 상기 이동 명령에 따라, 세그먼트를 배치하도록 이렉터를 작동하는 단계,
- 제어기에 의해, 상기 터널 굴착기의 적어도 하나의 추력 실린더를 이동하는 명령을 자동화 시스템에 통신하는 단계;
- 상기 추력 실린더에 의해 이미 부설된 링에 대향하여 상기 세그먼트를 고정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서, 부설되는 세그먼트를 파지하기 전에, 제어기에 의해, 3차원 비전 시스템에 의해 제공되는 데이터로부터 상기 세그먼트를 인식하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
- 제6항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 세그먼트 고정 단계 후, 제어기는 상기 터널 굴착기의 자동화 시스템에, 세그먼트 파지 해제 명령을 전송하는, 방법.
- 세그먼트들의 완전 링을 자동으로 부설하는 방법으로서, 제6항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 의한 방법은 상기 링을 구성하는 일조의 세그먼트들에 대하여 구현되는, 방법.
- 제9항에 있어서, 세그먼트들의 완전 링 배치 후, 3차원 비전 시스템에 의해, 롤 각 (roll angle), 정면의 편평도, 터널 굴착기의 덮개 (skirt)에서 링의 중심 및/또는 링의 타원화를 포함하는 상기 링의 적어도 하나의 기하 특성 (geometric characteristic) 측정 단계를 더욱 포함하는, 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 링의 상기 기하 특성의 상기 측정에 따라, 제어기는 다음 링의 세그먼트들 부설을 위한 계획을 조정하는, 방법.
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