JP2799069B2

JP2799069B2 - トンネル用セグメント組立位置決め方法

Info

Publication number: JP2799069B2
Application number: JP2308740A
Authority: JP
Inventors: 宏明東海林; 昭橋本; 康雄田中; 真作筒井; 泰雄森; 肇小沢; 吉男中島
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH04182599A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、トンネル用セグメントの自動組立を行う場
合、１リング組立の最終セグメントとなるくさび型Ｋセ
グメントの組立位置決め方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、トンネル工事でセグメントの自動組立を行う場
合、既設セグメントと組立セグメントとの相対的な位置
・姿勢の偏差量を検出する手段として、光切断法を採用
したものがある（園田他；セグメント自動組立システム
の開発、昭和63年度建設機械と施工法シンポジウム論文
集、p.20〜23、（日本建設機械化協会）。同方法では、
既設セグメントの位置・姿勢計測結果に基づくエレクタ
の数値制御により、あらかじめ組立セグメントと既設セ
グメントの境界部の光切断像がカメラ視野内に入るよ
う、組立セグメントの粗位置決めを行い、この状態で得
られた光切断像の端点座標より組立セグメントと既設セ
グメントとの相対的な位置・姿勢の偏差量を算出し、そ
の偏差量を基に組立セグメントの位置決め補正を行って
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、１リング組立の最終セグメントと
なるくさび型Ｋセグメントのように、両側に隣接する既
設セグメントが存在する場合の粗位置決めについて配慮
がされていない。すなわち、第11図（ａ）に示すように
組立セグメントがＡ、Ｂセグメント20の場合には、隣接
の既設セグメント1bが片側にしか存在しないため、既設
セグメント1bと接触しないよう、片側にある程度逃げを
もたせて粗位置決めをすることが可能であるが、同図
（ｂ）に示すくさび型Ｋセグメント２の場合には、それ
ができない。したがって、A,Bセグメントの場合と同様
に、数値制御のみでくさび型Ｋセグメント２と既設セグ
メント1a,1b,1cとの境界部の光切断像がカメラ視野に入
るよう、くさび型Ｋセグメント２の粗位置決めを行う
と、位置偏差および姿勢偏差の存在により、同図
（ｃ），（ｄ）のようにくさび型Ｋセグメント２が既設
セグメント1a,1b,1cに接触する恐れがあり、最悪の場合
には、セグメントの破損を招く可能性もある。

本発明の目的は、セグメントを破損することなく、く
さび型Ｋセグメントの粗位置決めを行い、かつ自動的に
位置偏差および姿勢偏差を補正して所定の組立位置に位
置決めする方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明のセグメント組立位
置決め方法は、エレクタによりくさび型Ｋセグメントを
既設セグメントに接触しないよう、所定組立位置より摺
動方向に大きく離して第１次粗位置決めをする工程と、
エレクタのセグメント把持部に対して左右対称に各２組
以上固定配置した投光器とテレビカメラからなる視覚装
置を用い、くさび型Ｋセグメントに隣接する既設セグメ
ント上に各組の投光器よりスリット光を照射し、それぞ
れのスリット光による光切断像を各組のテレビカメラに
より撮像して得られた画像データより第１次粗位置決め
後のくさび型Ｋセグメントと隣接する既設セグメントと
の姿勢偏差量を算出し、その偏差量に対応してエレクタ
の姿勢制御用アクチュエータを作動させることにより、
くさび型Ｋセグメントの姿勢偏差を補正し、この姿勢偏
差補正後にくさび型Ｋセグメントを所定組立位置近傍ま
で摺動方向に移動させて第２次粗位置決めをする工程
と、エレクタのセグメント把持部近傍に３組以上固定配
置した投光器とテレビカメラからなる視覚装置を用い、
くさび型Ｋセグメントと隣接する既設セグメントとの境
界上に各組の投光器よりスリット光を照射し、それぞれ
のスリット光による光切断像を各組のテレビカメラによ
り撮像して得られた画像データより第２次粗位置決め後
のくさび型Ｋセグメントと隣接する既設セグメントとの
相対的な位置偏差を算出し、その偏差量に対応してエレ
クタの位置制御用アクチュエータを作動させることによ
り、くさび型Ｋセグメントの位置偏差を補正し、所定組
立位置に位置決めする工程とからなる。

〔作用〕

第１図に第１次粗位置決め後の状態を示す。同図にお
いて、3a〜3dはスリット投光器、4a〜4dはテレビカメラ
で、これらの図示しないエレクタのセグメント把持部に
対して左右対称に固定配置された各２組（計４組）の視
覚装置を構成する。当然のことながら、くさび型Ｋセグ
メント２もエレクタのセグメント把持部に把持されてい
る。第１次粗位置決めはエレクタの数値制御により行わ
れるが、この段階では、既設セグメント1a側への摺動方
向の距離を十分大きくとってあるので、くさび型Ｋセグ
メント２の既設セグメント1a〜1cに対する位置偏差、姿
勢偏差が多少あっても、セグメント同士が接触する恐れ
はない。この状態で投光器3a〜3dより両側の既設セグメ
ント1b,1c上にスリット光を照射すると、各テレビカメ
ラ4a〜4dと既設セグメント上のスリット光照射部との位
置関係がそれぞれ異なるので、各スリット光による光切
断像Ａ〜Ｄの画像データを解析することにより、第10図
に示すピッチング，ローリング，ヨーイングといった姿
勢偏差（回転偏差）量を算出できる。この偏差量を基に
くさび型Ｋセグメント２の姿勢偏差を補正すると、第10
図に示すヒービング，旋回，摺動各方向の位置偏差（並
進偏差）は残るものの、セグメント同士の接触を生じる
ことなく、くさび型Ｋセグメント２を所定組立位置近傍
まで摺動方向（既設セグメント1a側）へ移動させること
が可能になる。

第６図に第２次粗位置決め後の状態を示す。同図にお
いて、3e〜3gはスリット投光器、4e〜4gはテレビカメラ
で、これらは図示しないエレクタのセグメント把持部近
傍に固定配置された３組の視覚装置を構成する。この状
態では、投光器3e〜3gよりくさび型Ｋセグメント２と隣
接する既設セグメント1a〜1cとの境界上にスリット光を
照射し、それぞれのスリット光による光切断像Ｅ〜Ｇを
テレビカメラ4e〜4gの視野内にとらえることができるの
で、光切断像Ｅ〜Ｇの画像データよりセグメント間の位
置偏差量を算出できる。この偏差量を基に位置偏差を補
正することにより、くさび型Ｋセグメント２の組立位置
決めが完了する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第９図により説明
する。

トンネル用セグメントの自動組立を行う場合、A,Bセ
グメントについては、既設セグメントの位置・姿勢計測
結果から目標位置を設定し、エレクタを数値制御するこ
とにより、所定組立位置近傍に粗位置決めした後、計測
誤差や制御誤差による組立セグメントと既設セグメント
との相対的な位置・姿勢の偏差量を光切断法により検出
し、補正することで組立位置決めができるが、くさび型
Ｋセグメントのように隣接する既設セグメントが両側に
存在する場合には、光切断法による位置・姿勢偏差量の
検出が可能な所定組立位置近傍まで数値制御のみで粗位
置決めすることは前述した理由から困難であり、この粗
位置決め以前に別の方法で相対姿勢の偏差量を検出、補
正する必要がある。すなわち、上述した粗位置決めを第
２次粗位置決めとすれば、相対姿勢の偏差量を検出、補
正するための第１次粗位置決めが必要となる。

この第１次粗位置決め後の姿勢偏差補正を行うために
本発明で採用した姿勢偏差量検出手段を第１図に示す。

第１図において、1a〜1cは既設セグメント、２は既設
セグメント1b・1cの間にトンネル軸線方向に挿入される
くさび型Ｋセグメントである。本図に示すように、くさ
び型Ｋセグメント２を摺動方向には既設セグメント1aか
ら大きく離し（例えば、組立設計データに対し200mm程
度）、それ以外の位置・姿勢は所定の組立位置・姿勢近
傍となるように第１次粗位置決めした後、投光器3a〜3d
からの４本のスリット光を隣接する既設セグメント1b,1
c上に照射し、それぞれのスリット光により生じる光切
断像Ａ〜Ｄをテレビカメラ4a〜4dにより撮像する。投光
器3a〜3dおよびテレビカメラ4a〜4dは図示しないエレク
タのセグメント把持部に対して左右対称に、また投光器
3a,3bと3c,3d、テレビカメラ4a,4bと4c,4dを摺動方向に
ずらして固定配置してあり、エレクタに把持されたくさ
び型Ｋセグメント２に対して一定の位置関係にある。テ
レビカメラ4a〜4dからの画像データは、カメラ切換器５
により切換選択し、画像入出力装置６を介して画像メモ
リ７に格納するとともに、画像メモリ７の内容を画像入
出力装置６を介して画像モニタ８上に表示する。演算装
置９は、画像メモリ７に格納されたデータを画像処理し
て、それぞれの画像座標値より既設セグメント1b,1cと
くさび型Ｋセグメント２との相対姿勢の偏差量を算出
し、図示しないエレクタ制御装置へ出力する。

次に、演算装置９における偏差量演算等について説明
する。前述した光切断像Ａ〜Ｄは、第２図（ａ）〜
（ｂ）に示す形で入力される。投光器3a,3bは摺動方向
（ｘ方向）と平行にスリット光を照射するように設置さ
れているため、第１次位置決め後のくさび型Ｋセグメン
ト２にローリングが存在すると、同図（ａ）のように、
テレビカメラ4aおよび4bで検出される光切断像A,Bは、
画像座標上のP_x方向に関し、正規の像位置（点線図示）
からずれたものとなる。この様子を第３図および第８図
により説明する。第３図は既設セグメント1b,1cとテレ
ビカメラ4a,4bの位置関係がローリングにより変化する
様子を示す図で、z_4a，z_4bは既設セグメント1b,1cとテ
レビカメラ4a,4b間のヒービング方向（ｚ方向）距離を
示す。また、第８図はテレビカメラのセンサ面上での結
像位置の変化を示す図で、10はイメージセンサ、11は結
像レンズである。同図において、（x,y,z）はエレクタ
上のある基準点を原点とする絶対座標、（u,v）はセン
サ面の中心を原点とする座標を示す。まず、姿勢偏差が
ない場合、第３図（ａ）のように、ヒービング方向に関
してはz_4a＝z_4bとなる。一方、ローリングが存在する場
合、第３図（ｂ）のようにz_4a≠z_4bとなる。このよう
に、ヒービング方向の距離z_4a，z_4bに差が生じると、第
８図から明らかなように、センサ面上での結像位置が、
画像座標上のP_x方向に関し、ずれてくる。したがって、
ローリングが存在すると、第２図（ａ）のように、正規
の像位置からP_x方向にずれた位置に光切断A,Bが検出さ
れることになる。ここで、ローリング量をθ_rとする
と、 tanθ_r＝（z_4a−z_4b）／l_ab として近似的に求めることができる。ただし、l_abはテ
レビカメラ4a,4b間の旋回方向（ｙ方向）距離を示す。
また、画像座標からヒービング方向の距離ｚを求める式
は下記のように表わされる。

ｚ＝ｐ・u/（ｑ・tanξ−ｕ）＋L_z ｕ＝−（P_x−P_xmax/z）・w/P_xmax ここで、第８図に示すように、 p;セグメントと結像レンズ間距離 q;結像レンズ間距離とセンサ間距離 ξ；スリット光とセンサ中心との相対角度 L_z；絶対座標の原点からセンサ中心までのヒービング
方向距離 w;センサ幅 P_xmax；画像メモリ上のP_x方向の最大値 P_x；画像メモリ上のP_x方向の値また、ヨーイングが存在すると、第２図（ｂ）のよう
に、テレビカメラ4aおよび4bで検出される光切断像A,B
は正規の状態に比べ画面上で傾きをもったものとなる。
この様子を第４図により説明する。第４図（ａ）はテレ
ビカメラ4a,4bの視野内における光切断像端点位置がヨ
ーイングにより変化する様子を示す図、第４図（ｂ）は
同図（ａ）の矢印Ｈ方向から見た図である。ヨーイング
がない場合には、第４図（ｂ）のに示すように、スリ
ット光はｙ軸に対し直角に照射されるため、テレビカメ
ラ視野内における光切断像のヒービング方向距離は一定
（同図（ａ）のz_std）となる。一方、ヨーイングが生じ
た場合には、第４図（ｂ）のに示すように、スリット
光がｙ軸に対し直角でなくなる。したがって、テレビカ
メラ視野内における光切断像のヒービング方向距離は一
定でなくなり、第４図（ａ）に示すように、光切断像端
点ｂ′およびｂ″のヒービング方向距離に差が生じてく
る。いま、第４図（ｂ）に示すようにヨーイング量がθ
_yだけ生じた場合、光切断像端点ｂ′およびｂ″のヒー
ビング方向距離をｚ′,z″とすると、次式の関係が成立
する。

sin2θ_y＝２・｛（ｚ″＋l_z）²− （ｚ′＋l_z）²｝／（l_y・l_s）ここで、l_sはテレビカメラ視野内の光切断像の長さ、
l_yはテレビカメラ4a,4b間のｙ方向距離、l_zはテレビカ
メラ4a,4bのｙ軸からの距離を示す。したがって、画像
データから端点ｂ′,b″のヒービング方向距離を求める
ことにより、ヨーイング量θ_yを算出することができ
る。

一方、投光器3cおよび3dは、本例ではｙ軸に対して平
行にスリット光を照射するように設置されているため、
セグメントの有する曲率により、テレビカメラ4c,4dで
検出される光切断像C,Dは、第２図（ｃ）のように画面
上で傾きをもったものとなる。このようにしてテレビカ
メラ4a〜4dにより光切断像Ａ〜Ｄが検出されると、それ
ぞれの画像座標の任意の点についてヒービング方向の距
離を算出することができる。いま、テレビカメラ4a〜4d
の既設セグメント1b,1cからのヒービング方向距離を
z_4a，z_4b，z_4c，z_4dとすると、ピッチング量θ_pは、 tanθ_p≒｛（z_4a−z_4c＋α）／l_x ＋（z_4b−z_4d＋α′）／l_x′｝/2 として求めることができる。ここで、l_xは4a,4c間のｘ
方向距離、l_x′は4b,4d間のｘ方向距離を示す。また、
α，α′は各テレビカメラの取付位置によりヒービング
方向の距離差を補正する項である。

以上述べたような方法で第１次粗位置決めでのローリ
ング，ヨーイング，ピッチングの各姿勢偏差量を算出し
た後、各偏差量をエレクタ制御装置へ出力し、各偏差量
に対応してエレクタの各種姿勢制御用アクチュエータ
（油圧ジャッキ等）を作動させることにより、姿勢偏差
を補正することができる。第５図は以上の一連の姿勢偏
差補正制御におけるフローチャートの一例を示す。本例
では、一軸ごとの偏差補正としているが、もとろん三軸
同時補正も可能である。

この姿勢偏差補正後、くさび型Ｋセグメント２を摺動
方向に所定組立位置近傍まで数値制御により移動させる
と、第６図に示すような、第２次粗位置決めが完了した
状態となり、投光器3e〜3gからの３本のスリット光をく
さび型Ｋセグメント２と隣接する既設セグメント1a〜1c
との境界上に照射し、それぞれのスリット光により生じ
る光切断像Ｅ〜Ｇを各テレビカメラ4c〜4gの視野内にと
らえることができる。投光器3e〜3gおよびテレビカメラ
4e〜4gは図示しないエレクタのセグメント把持部近傍に
固定配置されており、エレクタに把持されたくさび型Ｋ
セグメント２に対して一定の位置関係にある。この状態
で、テレビカメラ4e〜4gにより検出される光切断像を第
７図に示す。同図において、e₁，f₁，g₁は各光切断像E,
F,Gの既設セグメント側の端点、e₂，f₂，g₂はくさび型
Ｋセグメント側の端点であり、これら端点同士の距離が
ヒービング，旋回，摺動各方向の位置偏差を示す。すな
わち、各点の画像座標をe₁（P_xe1，P_ye1），e₂（P_xe2，
P_ye2）…，g₂（P_xg2，P_ye2）とすると、ヒービング量Δ
ｚはP_xe1−P_xe2、旋回量Δｙ＝（Δy₁−Δy₂）/2は
｛（P_ye1−P_ye2）−（P_yf1−P_yf2）｝/2、摺動量Δｘは
P_yg1−P_yg2で表わされる。実際には、これらの画像座標
値は、以下の絶対座標値に変換して用いられる。すなわ
ち、摺動方向（ｘ方向）の絶対座標値は、ｘ＝−ｐ・ｖ
・tanξ／（ｑ・tanξ−ｕ）＋L_x 旋回方向（ｙ方向）の絶対座標値は、ｙ＝−ｐ・ｕ・tanξ／（ｑ・tanξ−ｕ）＋L_y ヒービング方向（ｚ方向）の絶対座標値は、ｚ＝ｐ・ｕ・tanξ／（ｑ・tanξ−ｕ）＋L_z となる。ここで、L_x，L_y，L_zは座標原点から各テレビカ
メラのセンサ中心までのx,y,z方向の距離を示す。他は
前述のとおりである（第８図参照）。

テレビカメラ4e〜4gからの画像データの処理および位
置偏差量の演算は第１図と同様の装置５〜９を用いて行
う。

以上により算出した各方向の位置偏差量をエレクタ制
御装置へ出力し、各偏差量に対応してエレクタの各種位
置制御用アクチュエータ（油圧ジャッキ等）を作動させ
ることにより、位置偏差を補正することができる。

第９図はエレクタ上の視覚装置の取付状態を示す。12
a〜12gはスリット投光器とテレビカメラが一体となった
視覚装置で、姿勢偏差検出用の視覚12a〜12dはセグメン
ト把持部13の左右４箇所に取り付けられ、位置偏差検出
用の視覚装置12e〜12gはセグメント把持部13の近傍３箇
所に取り付けられている。14はセグメント把持部13のヒ
ービング，旋回，摺動各方向の位置制御およびプッチン
グ，ローリング、ヨーイングの各姿勢制御を行う制御機
構部で、図示しないエレクタリング上に設けられてい
る。15はセグメント把持用のねじ軸で、セグメント把持
部13に内蔵した駆動機構により、このねじ軸15をセグメ
ント中心部のグラウトホール16にねじ込んだ後、ねじ軸
15を引き上げることによって、くさび型Ｋセグメント２
を含む組立セグメントをセグメント把持部13に押し付け
固定する。

〔発明の効果〕

本発明のセグメント組立位置決め方法は、くさび型Ｋ
セグメントを所定組立位置寄り摺動方向に大きく離して
第１次粗位置決めをし、既設セグメントとの姿勢偏差を
補正した後、摺動方向にさらに移動させて第２次粗位置
決めを行い、この状態で既設セグメントとの位置偏差を
検出、補正するようにしたため、くさび型Ｋセグメント
を既設セグメントとの接触により破損することなく、所
定組立位置に精度良く自動的に位置決めすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における姿勢偏差検出時の状
態図、第２図は姿勢偏差検出時の光切断像の例を示す
図、第３図はローリング量算出の説明図、第４図はヨー
イング量算出の説明図、第５図は姿勢偏差補正制御のフ
ローチャート、第６図は位置偏差検出時の状態図、第７
図は位置偏差検出時の光切断像の例を示す図、第８図は
テレビカメラのセンサ面上での結像位置の変化を示す説
明図、第９図はエレクタ上の視覚装置の取付状態の一例
を示す斜視図、第10図はセグメントの位置・姿勢偏差量
の説明図、第11図はセグメント組立時の既設セグメント
と組立セグメントの相対位置・姿勢を示す平面図であ
る。 1a〜1c……既設セグメント、２……くさび型Ｋセグメン
ト、3a〜3g……スリット投光器、4a〜4g……テレビカメ
ラ、７……画像メモリ、９……演算装置、12a〜12g……
視覚装置、13……セグメント把持部、Ａ〜Ｇ……光切断
像。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者筒井真作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)発明者小沢肇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)発明者中島吉男茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 11/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エレクタによりくさび型Ｋセグメントを既
設セグメントに接触しないよう、所定組立位置より摺動
方向に大きく離して第１次粗位置決めをする工程と、エ
レクタのセグメント把持部に対して左右対称に各２組以
上固定配置した投光器とテレビカメラからなる視覚装置
を用い、くさび型Ｋセグメントに隣接する既設セグメン
ト上に各組の投光器よりスリット光を照射し、それぞれ
のスリット光による光切断像を各組のテレビカメラによ
り撮像して得られた画像データより第１次粗位置決め後
のくさび型Ｋセグメントと隣接する既設セグメントとの
相対的な姿勢偏差量を算出し、その偏差量に対応してエ
レクタの姿勢制御用アクチュエータを作動させることに
より、くさび型Ｋセグメントの姿勢偏差を補正し、この
姿勢偏差補正後にくさび型Ｋセグメントを所定組立位置
近傍まで摺動方向に移動させて第２次粗位置決めをする
工程と、エレクタのセグメント把持部近傍に３組以上固
定配置した投光器とテレビカメラからなる視覚装置を用
い、くさび型Ｋセグメントと隣接する既設セグメントと
の境界上に各組の投光器よりスリット光を照射し、それ
ぞれのスリット光による光切断像を各組のテレビカメラ
により撮像して得られた画像データより第２次粗位置決
め後のくさび型Ｋセグメントと隣接する既設セグメント
との相対的な位置偏差を算出し、その偏差量に対応して
エレクタの位置制御用アクチュエータを作動させること
により、くさび型Ｋセグメントの位置偏差を補正し、所
定組立位置に位置決めする工程とからなるトンネル用セ
グメント組立位置決め方法。