【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド掘削機におけるセグメント位置決め方法の改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のシールド掘削機は、一般に、本体ケーシングの内部に旋回フレームを備えており、該旋回フレームにセグメント位置決め装置を設け、該セグメント位置決め装置に備えた把持装置により、シールド掘削機の後方から搬入されてきたセグメントを把持するようにしている。 そして、旋回フレームを旋回することにより把持したセグメントを既設セグメントに合わせて所定の組立位置に位置決めする。 この時、種々の計測手段により、既設セグメントに対する把持したセグメントのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを計測し、把持したセグメントのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを順次調整する姿勢微調整を行う。 このようにして位置決めと姿勢微調整を行ったセグメントは、既設セグメントの端面に当接させてボルトにより既設セグメントに締結される。

【０００３】一方、上記ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれの微調整は、夫々を別個に行っているため、その一つの調整によって他の調整済みの方向に再びずれを生じる場合があり、この場合には再度姿勢微調整を繰返すようにしている。

【０００４】上記セグメント位置決め装置は、旋回フレームによる回転方向作動の他に、半径方向作動と前後方向作動を大きな移動量で調整する必要があり、更にヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づいた姿勢微調整を行う必要があるために、大型でしかも複雑な構造となっている。 しかし、前記シールド掘削機には、セグメント位置決め装置の内部を通してスクリューコンベア等の機器を配置する必要があり、このために、
セグメント位置決め装置がこれらの機器と干渉する問題があり、従って、狭い空間に、前記したような大型且つ複雑な構造のセグメント位置決め装置を設置することは技術的に困難を伴っていた。

【０００５】このため、近年では、例えば図７、図８に示すように、把持装置を６軸パラレルマニピュレータにて支持するようにしたものが提案されている。

【０００６】図７、図８のセグメント位置決め装置１
は、シールド掘削機の本体ケーシング２の内部に、案内ローラ３により回転可能に支持され、且つモータ４によりピニオン５と大歯車６を介し回転駆動される旋回フレーム７が設けられている。 該旋回フレーム７には、６本のジャッキ８ａ〜８ｆからなる６軸パラレルマニピュレータ９を介して移動フレーム１０が取付けられている。
そして移動フレーム１０に、セグメントＳｏを把持するための把持装置１１が取付けられた構成になっている。
把持装置１１はセグメントＳｏを常に同じ姿勢で把持できるようになっている。 前記旋回フレーム７と移動フレーム１０には、図示しないスクリューコンベア等の機器を配置するための開口１２が設けられている。 図７中、
１３はシールドジャッキである。

【０００７】前記６軸パラレルマニピュレータ９は、旋回フレーム７の同心円上で等距離の３ヶ所には、二本を１組としたジャッキ８ａ，８ｂと、８ｃ，８ｄと、８
ｅ，８ｆの基端部を枢着している。 そして、移動フレーム１０の同心円上で等距離の３ヶ所には、前記ジャッキ８ａ〜８ｆにおけるジャッキ８ｆ，８ａと、８ｂ，８ｃ
と、８ｄ，８ｅのロッド先端を枢着している。 これにより、各ジャッキ８ａ〜８ｆは傾斜していて、６軸パラレルマニピュレータ９を側方から見るとジグザクの形状となっている。

【０００８】前記セグメント位置決め装置１には、既設セグメントＳの位置、把持したセグメントＳｏの位置及び姿勢（ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれ）を計測する図示しない計測センサが備えられている。

【０００９】そして、上記セグメント位置決め装置１では、シールド掘削機の後方（図７の右方）から搬入されてきたセグメントＳｏを、把持装置１１によって把持し、旋回フレーム７の回転によりセグメントＳｏの周方向の組立位置への位置決めを行い、更に６軸パラレルマニピュレータ９の伸縮により前後方向及び半径方向へ移動して組立位置へ位置決めする。 続いて、６軸パラレルマニピュレータ９の伸縮により、既設セグメントＳに対するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに対する姿勢微調整を以下のようにして順次行う。

【００１０】即ち、図９、図１０において、図９（Ａ）
のようにセグメントＳｏの位置決めを行った後、既設セグメントＳとのＸ軸線周りのヨーイングずれ計測を行い、６軸パラレルマニピュレータ９を作動して図９
（Ｂ）のようにヨーイングずれ修正を行う。 続いて、既設セグメントＳとのＹ周りのピッチングずれ計測を行い、６軸パラレルマニピュレータ９を作動して図９
（Ｃ）のようにピッチングずれ修正を行う。 続いて、既設セグメントＳとのＺ軸線周りのローリングずれ計測を行い、６軸パラレルマニピュレータ９を作動して図９
（Ｄ）のようにローリングずれ修正を行う。

【００１１】このようにして位置決めと姿勢微調整を行ったセグメントＳｏは、既設セグメントＳの端面に当接されてボルトにより既設セグメントＳに締結される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７、
図８に示したセグメント位置決め装置１においても、図９、図１０に示したように、把持したセグメントＳｏのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを順次計測して微調整するようにしているために、セグメントの組立作業に時間が掛かり能率が低下するという問題がある。 又、上記ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれの一つを調整すると他の調整した方向に影響して再びずれを生じる場合があり、この場合には再度姿勢微調整を行う必要があり、よって作業時間が更に延長されるという問題がある。

【００１３】本発明は、上記従来の問題点を解決するべくなしたもので、セグメントの姿勢微調整を瞬時に行えるようにしたセグメント位置決め方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、シールド掘削機内部に６軸パラレルマニピュレータを介して支持した移動フレームを設け、該移動フレームに回転可能な旋回フレームを設け、該旋回フレームに把持装置を設けて該把持装置によりセグメントを把持し、旋回フレームの回転によりセグメントを所定の組立位置に位置決めした後、当該セグメントの原点位置を通る直交した３軸線の各軸線周りの既設セグメントに対するヨーイングずれ、
ピッチングずれ、ローリングずれを夫々計測し、そのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づき前記原点を通る等価回転軸を演算し、その等価回転軸周りにセグメントを所定角度回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を制御することによって、一回の操作でセグメントの姿勢微調整を終了することを特徴とするセグメント位置決め方法、に係るものである。

【００１５】本発明は、シールド掘削機内部に回転可能な旋回フレームを設け、該旋回フレームに６軸パラレルマニピュレータを介して支持した移動フレームを設け、
該移動フレームに把持装置を設けて該把持装置によりセグメントを把持し、旋回フレームの回転によりセグメントを所定の組立位置に位置決めした後、当該セグメントの原点位置を通る直交した３軸線の各軸線周りの既設セグメントに対するヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを夫々計測し、そのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づき前記原点を通る等価回転軸を演算し、その等価回転軸周りにセグメントを所定角度回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を制御することによって、一回の操作でセグメントの姿勢微調整を終了することを特徴とするセグメント位置決め方法、に係るものである。

【００１６】本発明では、組立位置に位置決めしたセグメントのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを検出し、そのヨーイングずれ、ピッチングずれ、
ローリングずれに基づいて等価回転軸を演算し、該等価回転軸の周りにセグメントを所定の回転角度だけ回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を制御することにより、一回の操作でセグメントの姿勢微調整を終了することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

【００１８】図１は本発明のセグメント位置決め方法を実施する装置の一例を示す概略斜視図、図２は詳細斜視図、図３は計測センサの一例を示す斜視図、図４は本発明のセグメント位置決め方法の原理を示す線図である。
なお従来技術において説明した部分と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【００１９】図１、図２に示すセグメント位置決め装置１は、シールド掘削機の本体ケーシング２の内部に、シールド中心と直交したベースプレート１４が設けられており、該ベースプレート１４に、６本のジャッキ８ａ〜
８ｆからなる６軸パラレルマニピュレータ９を介して移動フレーム１５を設けている。 該移動フレーム１５には、旋回フレーム１６が回転可能に備えられている。 更に、旋回フレーム１６には、セグメントＳｏを把持する把持装置１７が設けられており、又、旋回フレーム１６
の把持装置１７に対して円周の反対側位置にはカウンタウェイト１８が設けられている。

【００２０】前記把持装置１７には、図３に示すように、把持装置１７で把持したセグメントＳｏの原点Ｏ
（例えばセグメントＳｏの中心）を通る半径方向の軸線Ｘを中心として回転する方向のヨーイングずれを、セグメントＳｏの回転移動時に回転方向前後位置で既設セグメントＳの端面との距離を検出することにより計測するヨーイングずれ計測センサ１９，２０を備えている。 ヨーイングずれ計測センサ１９，２０は、半径方向に移動して既設セグメントＳの端面を検出するようになっている。

【００２１】更に、把持装置１７には、前記セグメントＳｏの原点Ｏを通り、且つ円弧面に対する接線方向の軸線Ｙを中心として回転する方向のピッチングずれを、セグメントＳｏの回転方向の前後位置で既設セグメントＳ
の内面との距離を検出することにより計測するローリングずれ計測センサ２１，２２を備えている。

【００２２】更に、把持装置１７には、前記セグメントＳｏの原点Ｏを通り、前後方向の軸線Ｚを中心に回転する方向のローリングずれを、前後位置で既設セグメントＳの内面との距離を検出することにより計測するローリングずれ計測センサ２３，２４を備えている。

【００２３】そして、図２に示すように、前記各センサ１９〜２４で検出したヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれの検出信号２５は、位置決め信号２
６が入力されて６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆの伸縮を制御信号２７により制御してセグメントＳｏを組立位置に位置決めするようにしている制御装置２８に出力される。

【００２４】制御装置２８は、位置決め信号２６によりセグメントＳｏを組立位置に位置決めした後、各センサ１９〜２４で検出したヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれの検出信号２５が入力されると、ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づいて、前記原点Ｏを通る等価回転軸ｒを演算し、同時にこの等価回転軸ｒの周りにセグメントを回転させる回転角度φを求め、更に、この回転角度φだけ等価回転軸ｒ
の周りにセグメントＳｏを回転させるのに必要な各ジャッキ８ａ〜８ｆの伸縮量を求めて、前記６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆを制御する制御信号２７を出すようになっている。 これにより、一回の操作でセグメントＳｏの姿勢微調整を終了できるようにしている。

【００２５】即ち、図４に示すように、直交座標系［ｎ
_x ，ｓ _y ，ａ _z ］を原点の共通な直交座標系［ｎ _xd ，
ｓ _yd ，ａ _zd ］に一致させるような座標系の変換を考える。 これらの座標系の軸の方向偏差は次式で定義される。

【００２６】

【数１】 ｅ ₀ ＝ｒsinφ −π／２＜φ＜π／２ ・・・（１） ｜ｒ｜＝１ 式（１）は単位ベクトルｒまわりに角度φ回転することによって、各軸（ｎとｎ _d 、ｓとｓ _d 、ａとａ _d ）が同時に一致することを示す。 又、この方向偏差は、一般に座標から直接、

【数２】 ｅ ₀ ＝１／２（ｎ×ｎ _d ＋ｓ×ｓ _d ＋ａ×ａ _d ） ・・・（２） と計算される。 式（１）及び（２）から、

【数３】 ｒ _x ² ＋ｒ _y ² ＋ｒ _z ² ＝１ ・・・（３）

【数４】 ｒ _x sinφ＝ａ，ｒ _y sinφ＝ｂ，ｒ _z sinφ＝ｃ ・・・（４） これより、

【数５】 ｒ _x ² sin ² φ＋ｒ _y ² sin ² φ＋ｒ _z ² sin ² φ＝ａ ² ＋ｂ ² ＋ｃ ² ⇔ （ｒ _x ² ＋ｒ _y ² ＋ｒ _z ² ）sin ² φ＝ａ ² ＋ｂ ² ＋ｃ ² ⇔ sinφ＝√（ａ ² ＋ｂ ² ＋ｃ ² ） ⇔ φ＝sin ^-1 √（ａ ² ＋ｂ ² ＋ｃ ² ） ・・・（５） ｒ _x =ａ／sinφ ・・・（６） ｒ _y =ｂ／sinφ ・・・（７） ｒ _z =ｃ／sinφ ・・・（８） 以上より、等価回転軸ｒと回転角度φを求めることができる。

【００２７】次に本発明の作用を図１、図２を用いて説明する。

【００２８】シールド掘削機の後方（図１の右方）から搬入されたセグメントＳｏは、セグメント位置決め装置１の把持装置１７により把持され、旋回フレーム１６の回転によってセグメントの周方向位置が位置決めされる。 更に、位置決め信号２６が入力されている制御装置２８からの制御信号により、６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆが伸縮されてセグメントＳ
ｏの前後方向及び半径方向への移動が行われて組立位置に位置決めされる。

【００２９】セグメントＳｏが組立位置に位置決めされた状態において、半径方向の軸線Ｘを中心として回転する方向のヨーイングずれがヨーイングずれ計測センサ１
９，２０によって計測され、又、接線方向の軸線Ｙを中心として回転する方向のピッチングずれがピッチングずれ計測センサ２１，２２により計測され、又、前後方向の軸線Ｚを中心に回転する方向のローリングずれがローリングずれ計測センサ２３，２４によって計測され、各計測センサ１９〜２４で検出したヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれの検出信号２５が制御装置２８に出力される。

【００３０】制御装置は、前記ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づいて、前記式（１）〜
式（８）により、原点Ｏを通る等価回転軸ｒを演算して求め、同時にこの等価回転軸ｒの周りにセグメントＳｏ
を回転させる回転角度φを演算して求める。 そして、この回転角度φだけ等価回転軸ｒの周りを回転させるのに必要な６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャッキ８ａ
〜８ｆの伸縮量を求めて、各ジャッキ８ａ〜８ｆに制御信号２７を出力する。

【００３１】これにより、把持装置１７に支持されたセグメントＳｏは、図５、図６において、図５（Ａ）のように位置決めされた後、図５（Ｂ）のように等価回転軸ｒの周りを回転角度φだけ回転させるという一回の操作のみで、セグメントＳｏの姿勢微調整を終了することができる。

【００３２】上記図１、図２では、シールド掘削機の本体ケーシング２の内部に、６軸パラレルマニピュレータ９を介して移動フレーム１５を支持し、該移動フレーム１５に回転可能な旋回フレーム１６を取付け、該旋回フレーム１６に把持装置１７を設けた場合について説明したが、前記図７、図８と同様の構成、即ち、シールド掘削機の本体ケーシング２の内部に回転可能な旋回フレーム７を設け、該旋回フレーム７に６軸パラレルマニピュレータ９を介して支持した移動フレーム１０を設け、該移動フレーム１０に把持装置１１を設けた構成においても同様に実施することができる。 即ち、図７、図８と同様の構成においても、ヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づいて前記と同様に等価回転軸ｒを演算し、該等価回転軸ｒの周りにセグメントを回転角度φだけ回転させるように６軸パラレルマニピュレータ９の各ジャッキ８ａ〜８ｆの伸縮制御を行えば、一回の操作でセグメントＳｏの姿勢微調整を終了することができる。

【００３３】尚、図３の例では、合計６個の計測センサ１９〜２４によって、セグメントＳｏの姿勢ずれを計測する場合について説明したが、セグメントＳｏの姿勢変化のみを考える場合（座標原点が一致していて各軸線周りのずれを知る場合）には、各センサの計測結果の組み合わせにより、センサ数を３個とすることもできる。
又、計測センサには非接触式、接触式の何れも採用することができる。

【００３４】更に、本発明は上記した形態例にのみ限定されるものではなく、セグメント位置決め装置における把持装置を支持する方式は図示例以外にも種々採用し得ること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更し得ること、等は勿論である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、組立位置に位置決めしたセグメントのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれを検出し、そのヨーイングずれ、ピッチングずれ、ローリングずれに基づいて等価回転軸を演算し、
該等価回転軸の周りにセグメントを所定の回転角度だけ回転させるように６軸パラレルマニピュレータの作動を制御することにより、一回の操作でセグメントの姿勢微調整を終了することができ、よってセグメント組立作業の大幅な能率向上が図れるという優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセグメント位置決め方法を実施する装置の一例を示す概略斜視図である。

【図２】図１の詳細斜視図である。

【図３】計測センサの一例を示す斜視図である。

【図４】セグメント位置決め方法の原理を示す線図である。

【図５】本発明の方法の手順を示す斜視図である。

【図６】本発明の方法の手順を示すブロック図である。

【図７】従来のセグメント位置決め装置の一例を示す側断面図である。

【図８】図７のセグメント位置決め装置の斜視図である。

【図９】従来のセグメント位置決めの手順を示す斜視図である。

【図１０】従来のセグメント位置決めの手順を示すブロック図である。

【符号の説明】

７ 旋回フレーム ９ 軸パラレルマニピュレータ １０ 移動フレーム １１ 把持装置 １５ 移動フレーム １６ 旋回フレーム １７ 把持装置 Ｏ 原点 Ｓ 既設セグメント Ｓｏ セグメント Ｘ 軸線 Ｙ 軸線 Ｚ 軸線 ｒ 等価回転軸 φ 回転角度