削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法及びトンネル施工機械におけるブーム移動制御方法
【課題】サーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単に穿孔位置決め制御機構を持たせるようにする。
【解決手段】穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラ９Ａ、９Ｂの設置座標及び向きを既知とし、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタ２に表示し、前記コンピュータ３からの信号により前記モニタ２上に、切羽削孔点Ｐ、Ｐ…をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェル１２の後端部位置Ｋ、Ｋ…をマーク表示し、前記削岩機１３の削孔ビット１３ａを前記切羽削孔点Ｐのマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェル１２の後端部を前記ガイドシェル後端部位置Ｋのマーク表示点に合わせるようにガイドシェル１２を移動制御する。
【解決手段】穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラ９Ａ、９Ｂの設置座標及び向きを既知とし、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタ２に表示し、前記コンピュータ３からの信号により前記モニタ２上に、切羽削孔点Ｐ、Ｐ…をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェル１２の後端部位置Ｋ、Ｋ…をマーク表示し、前記削岩機１３の削孔ビット１３ａを前記切羽削孔点Ｐのマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェル１２の後端部を前記ガイドシェル後端部位置Ｋのマーク表示点に合わせるようにガイドシェル１２を移動制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、穿孔位置決め制御機構を持たせるための穿孔位置決め制御方法、及びブームを作動させるサーボ機構を有しない、既存の多関節ブームを備えるトンネル施工機械に対し、ブーム移動制御機構を持たせるようにしたブーム移動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ドリルジャンボを用いた穿孔作業に係り、従来は、切羽断面上の穿孔位置に対してレーザー光を照射し、手作業によるマーキングを行っていたが、近年はトンネル掘削作業の自動化、作業の省力化等の要請に従って、削岩機を支持するガイドシェル、ブームの各関節に各種のセンサー（回転角センサ、変位センサ、近接センサ等）を取付け、ドリルジャンボの基準点の位置を基に各関節の移動量、角度のデータをコンピュータにて演算処理を行い、削岩機の位置決め座標を算出するとともに、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構により、前記位置決め座標まで削岩機を自動的に移動させる穿孔位置決め制御方法（従来法１）が採用されるようになってきた。
【０００３】
また、近年は、穿孔位置決め制御システムに関しても種々の改良が試みられ、精度向上が図られている。例えば、下記特許文献１では、ドリルジャンボを用いたトンネル掘削による穿孔作業において、省力化と高精度のトンネル掘削を実現するために、台車後方とさく岩機にレーザーターゲットを設け、トンネル抗口側に設置した測量器を用いてドリルジャンボの位置座標を計測し、次に削岩機に設置した視準ターゲットを連続的に視準してその位置を検出し、前記視準ターゲットの位置情報に基づく制御信号により削岩機のサーボ機構を介して削岩機を自動的に動作させ、予め計算された切羽面上の穿孔位置に削岩のビットを誘導して位置決めする穿孔位置決め制御方法（従来法２）が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２では、削岩機の後方に設置されたレーザービーム照射機構を内蔵する自動追尾式測量機と、ガイドシェルの自動位置決め又は位置表示を行う制御装置と前記測量機との間で交信する通信機と、前記制御装置で設定された削岩機のビット位置の位置データを前記通信機を介して測量機へ送信し、前記位置データに基づいてレーザービームを前記測量機から照射させ、前記レーザービームの照射位置と削岩機のビット位置とのずれが生じているとき、前記レーザービームの照射位置と削岩機のビット位置とを一致させるために要する移動量に基づいて、穿孔位置決めの修正を行う修正手段とを備えたさく岩機の穿孔位置決めの修正装置（従来法３）が提案されている。この場合、前記修正移動量は、測量器が照射した穿孔位置座標に対して、ビットの座標がずれているとき、制御装置を手動モードに切り換えてオペレーターが、測量器から照射したレーザー光位置に削岩機のビットが一致するまで移動させ、この移動量を計測することにより設定される。
【０００５】
更に、下記特許文献３では、走行可能な台車に対し、多関節ブームを介して、削岩機を搭載したガイドシェルを支持した削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法であって、前記ガイドシェルの少なくとも２箇所以上にマーカーを設けるとともに、前記削岩機搭載台車上の少なくとも２箇所以上に撮像装置を夫々設け、穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢、前記撮像装置の各設置座標を既知とした状態で、前記各撮像装置の画像に写るマーカーの座標を３次元画像処理によって求めることにより、前記ガイドシェルの位置及び方向を計測し、前記削岩機を所定の穿孔位置まで移動させるようにした削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法（従来法４）が開示されている。
【特許文献１】特開平５−１５６８８５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１４１８１号公報
【特許文献３】特開２００６−５７２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来法１の場合、既存のドリルジャンボに後付けによってセンサを取り付けるには装置の大幅な改造を必要とするため、現実的にはコスト的にかなりの負担を伴うことになる。また、ドリルジャンボは悪環境下での使用となるためサーボ機構の各センサーが故障し易く、その修理に多くの時間が掛かり、穿孔作業を一時的に停止せざるを得なくなることがある。さらに、センサによる計測値は各ブーム、センサーの固有の誤差、たわみ、及び稼働期間に応じて漸次増大していくピン、ブッシュの摩耗によるガタを含んだものであるとともに、ブーム先端へいくほどセンサ誤差が累積されるため、設定された位置決め座標どおりに削岩機を位置決めしても、実際には精度良く削岩機を位置決めできないことがあるなどの問題があった。
【０００７】
前記特許文献１（従来法２）の場合も、ドリルジャンボは、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有することが必須となるため、既存のドリルジャンボに後付けによってセンサを取り付けるには装置の大幅な改造を必要とし、現実的にはコスト的に大きな負担を伴うことになる。また、測量器はトンネル抗口側に設置されるため、削岩機に設けたレーザーターゲットを視準する際に障害物が存在することが多いとともに、レーザーの自動追尾機能を利用しているため、削岩機の移動速度をレーザー光の移動速度以下とする必要があり、作業性が悪いなどの問題があった。さらに複数のブームを有するドリルジャンボに適用する場合、測量器を複数導入する必要があるため、コストが嵩むなどの問題があった。
【０００８】
前記特許文献２（従来法３）の場合は、修正移動量は、測量器が照射した穿孔位置座標に対して、削岩機ビットの座標がずれているとき、制御装置を手動モードに切り換えてオペレーターが、測量器の照射したレーザー光にビットが一致するまで移動させるものであり、この手動操作による削岩機移動に多くの時間と手間が掛かるとともに、穿孔作業工程と同時には行えず、別工程となるため作業効率が悪くトンネル掘進工程が遅延する原因となる。また、レーザー光照射位置に削岩機ビットを移動するに当たり、人間の勘に頼る部分が大きく、かつ測量器からのレーザー光と削岩機のビットが一致しているか否かをトンネル現場内の切羽で確認する事は非常に困難であるとともに、一致させたとしても数cm〜数十cmの誤差が残ることが多く、精度が向上しない等の問題があった。
【０００９】
前記特許文献３（従来法４）の場合は、既存の多関節ブームを備える建設機械に対し、極簡単にブーム位置決め制御機能を持たせることが可能である等の利点を有するものの、ガイドシェルに取り付けたマーカーが人、機械等の障害物によって隠れてしまい、撮像装置(ＣＣＤカメラ)によって視認できない場合は、一時的に制御不能になるなどの問題があった。
【００１０】
また、従来法１〜４のいずれの方法も、ガイドシェルの位置計測（座標計測及び向き計測）によって座標を特定し、所定の座標位置まで移動制御するものであるが、ガイドシェルの位置計測誤差がそのまま位置決め精度に反映されることになるなどの問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の第１課題は、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単に穿孔位置決め制御機構を持たせることが可能であるとともに、削岩機及び／又はガイドシェルの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にガイドシェルを所定の削孔位置に高い精度で位置決めできるようにすることにある。
【００１２】
また、第２課題は、ブームを作動させるサーボ機構を有しない、既存の多関節ブームを備えるトンネル施工機械に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単にブーム移動制御機構を持たせることが可能であるとともに、ブームの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にブームを高い精度で移動制御可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、走行可能な台車に対して、多関節ブームを介して、削岩機を搭載したガイドシェルを支持した削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法であって、
前記削岩機搭載台車の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記削岩機搭載台車の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記削岩機搭載台車上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、切羽削孔点をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェルの後端部位置をマーク表示し、
前記削岩機の削孔ビットを前記切羽削孔点のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェルの後端部を前記ガイドシェル後端部位置のマーク表示点に合わせるようにガイドシェルを移動制御することを特徴とする削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法が提供される。
【００１４】
上記請求項１記載の発明においては、削岩機搭載台車上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とする。次いで、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、切羽削孔点をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェルの後端部位置をマーク表示する。オペレーターは、前記削岩機の削孔ビットを前記切羽削孔点のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェルの後端部を前記ガイドシェル後端部位置にマーク表示点に合わせるようにガイドシェルを移動する。
【００１５】
従って、削岩機の誘導機能を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく、極簡単に穿孔位置決め機能を持たせることが可能となる。また、前記カメラはガイドシェルが他の障害物があっても隠れない場所に設置することにより、操作できない状態を回避し、安定的にガイドシェルを所定の削孔位置に位置決めできるようになる。
【００１６】
また、本発明では、ガイドシェルの位置計測（座標計測や向き計測）を行うことなく、単にモニタ上に表示されたマーク点にガイドシェルを位置合わせするだけの制御であるため、計測誤差が累積することもなく、オペレーターは熟練を要することなく、ガイドシェルを所定の削孔位置に高い精度で位置決めできるようになる。
【００１７】
請求項２に係る本発明として、多関節ブームを備えるトンネル施工機械における前記多関節ブームの移動制御方法であって、
前記トンネル施工機械の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記トンネル施工機械の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記トンネル施工機械上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
作業前に、前記トンネル施工機械の座標及び姿勢を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、作業箇所を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、多関節ブームの移動ガイド線を表示し、
前記多関節ブームを前記移動ガイド線に沿って移動制御することを特徴とするトンネル施工機械におけるブーム移動制御方法が提供される。
【００１８】
上記請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の基本原理を、多関節ブームを備えるトンネル施工機械におけるブーム移動制御に応用したものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上詳説のとおり、請求項１記載の本発明によれば、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単に穿孔位置決め制御機構を持たせることが可能であるとともに、削岩機及び／又はガイドシェルの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にガイドシェルを所定の削孔位置に高い精度で位置決めできるようになる。
【００２０】
また、請求項２記載の本発明によれば、ブームを作動させるサーボ機構を有しない、既存の多関節ブームを備えるトンネル施工機械に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単にブーム移動制御機構を持たせることが可能であるとともに、ブームの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にブームを高い精度で移動制御可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔第１形態例〕
〔削岩機搭載台車１の構造〕
ドリルジャンボ１は、図１に示されるように、多関節ブーム１１を介して、削岩機１３を搭載したガイドシェル１２を、走行可能な台車１４により支持した構造を成す穿孔装置である。
【００２２】
前記多関節ブーム１１、ガイドシェル１２及び削岩機１３からなる穿孔装置本体１０は、具体的には図２に示されるように、台車１４の基台１５上にブーム台１６を旋回軸１７によって枢着し、このブーム台１６に伸縮ブーム１８の基端を俯仰軸１９によって枢着している。伸縮ブーム１８は基端ブーム１８Ａと先端ブーム１８Ｂとからなり、先端ブーム１８Ｂが基端ブーム１８Ａに対して伸縮自在にスライドするようになっている。前記基台１５とブーム台１６との間には旋回用油圧シリンダ２０、伸縮ブーム１８の基端ブーム１８Ａとブーム台１６との間には俯仰用油圧シリンダ２１が設けられており、これによって伸縮ブーム１８は、旋回、俯仰可能となっている。
【００２３】
先端ブーム１８Ｂの先端部には、チルトボデイ２２がチルト軸２３によって枢着され、先端ブーム１８Ｂとの間にチルト用油圧シリンダ２４を設けチルト可能になっている。チルトボデイ２２には、スイングボデイ２５がスイング軸２６によって枢着され、チルトボデイ２２との間にスイング用油圧シリンダ（図示略）を設けてスイング可能になっている。スイングボデイ２５にはガイドロータリ２７が設けられており、ロータリ軸２８を中心としてローテーション可能になっている。ガイドロータリ２７には、マウント軸３０でガイドマウンチング２９が支持され、このガイドマウンチング２９でガイドシェル１２を前後スライド可能に支承している。ガイドシェル１２には、先端にビット１３ａを取付けたロッド１３ｂが挿着されている削岩機１３が搭載されており、削岩機１３は前後方向への送りが与えられて切羽Ｓの岩盤に穿孔する。
【００２４】
〔ガイドシェル１２の位置決め制御のための機器〕
図１に示すように、前記ドリルジャンボ１上に少なくとも１台以上の、図示例では２台のＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂを夫々設ける。前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの設置位置は、ガイドシェル１２及び削岩機１３を見渡せる高い位置に設置することが望ましい。このドリルジャンボ１には、前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂによって撮影された画像を表示するモニタ２と、該モニタ２と信号伝送可能に接続されたコンピュータ３と、無線通信機４とが搭載されている。前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂはそれぞれ、ドリルジャンボ１上に搭載されたコンピュータ３と信号線によって接続され、前記コンピュータ３には、予め計画された穿孔パターンに従った、各削孔点の座標データが入力されている。
【００２５】
ドリルジャンボ１の後方面に設けた後述の視準ターゲット７Ａ〜７Ｃの座標計測によって、ドリルジャンボ１の座標及び姿勢が判れば、演算により前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの座標と向きが求まるようになっている。
【００２６】
〔ドリルジャンボ１の座標及び姿勢計測のための機器〕
前記ドリルジャンボ１の後方側には、図１に示されるように、その孔部２箇所に視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを設置するとともに、前記ドリルジャンボ１の後方側に前記視準ターゲット７Ａ〜７Ｃの座標を測定可能な測量機器８（例えばトータルステーション）を設置する。また、前記測量機器８には無線通信機５が接続され、前記ドリルジャンボ１のコンピュータ３に接続された無線通信機４と通信可能になっているとともに、前記無線通信機５にはコンピューター６が接続され、該コンピューター６の情報も前記コンピュータ３と無線通信機４，５を介して送受信可能となっている。なお、前記コンピュータ３と測量機器８，コンピューター６との通信は有線によって行ってもよい。
【００２７】
ドリルジャンボ１の座標および姿勢を把握するには、前記ドリルジャンボ１の後部に設置した３つの視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを、ドリルジャンボ１の後方側に設置した前記測量機器８により視準し、前記視準ターゲット７Ａ〜７Ｃの座標を求めることにより行う。この場合、前記ドリルジャンボ１の後部に設置した３つの視準ターゲット７Ａ〜７Ｃは、水平方向に離間するとともに、上下方向に高さを異ならせて設置することにより、ドリルジャンボ１の設置座標とともに、ドリルジャンボ１の姿勢状態（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を知ることが可能となる。なお、前記視準ターゲット７Ａ〜７Ｃは、少なくとも２以上とし、好ましくは本形態例のように３つ配置するのが良い。また、前記ドリルジャンボ１の位置及び姿勢は、後部に１つの視準ターゲットを設置するとともに、３軸角度センサーを機体に取り付け、前記視準ターゲットにより座標を取得し、かつ前記３軸角度センサーにより姿勢状態を把握するようにしてもよい。
【００２８】
或いは、図６に示されるように、前記ドリルジャンボ１の座標及び姿勢は、前記ドリルジャンボ１上に測距・測角が可能な測量機器８を設けるとともに、該ドリルジャンボ１上に前記測量機器８との相対座標が既知とされる少なくとも１点以上の視準ターゲット３３を設け、かつ少なくとも２点以上の視準ターゲット３２Ａ、３２Ｂを前記ドリルジャンボ１の測量機器８から視準できる位置であってかつ設置点が既知とされる固定位置に夫々設け、前記測量機器８により前記視準ターゲット３２Ａ、３２Ｂ、３３を夫々視準することにより求めるようにしてもよい。
【００２９】
〔削岩機の穿孔位置決め制御〕
以下、前記削岩機１３の穿孔位置決め制御方法について詳述する。
先ず最初に、図１に示されるように、ドリルジャンボ１を切羽Ｓへの穿孔のために切羽手前に定位させる。ドリルジャンボ１を定位させたならば、測量機器８により、ドリルジャンボ１の後方面に設けた視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを視準することにより、ドリルジャンボ１の位置座標及び姿勢（ピッチング、ヨーイング、ローリング）を算出するとともに、ドリルジャンボ１上に設けたＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの設置座標及び向きを演算により求め確定する。また、前記測量機器８により切羽Ｓの位置（掘進距離：Ｔ．Ｄ）を計測することにより、ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂと切羽Ｓとの相対的位置関係も求まる。
【００３０】
上記準備測量が完了したならば、ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂにより切羽面を撮影し、モニタ２に表示する。なお、切羽Ｓに向かって左側に位置するＣＣＤカメラ９Ｂは、同じく左側に位置する穿孔装置本体１０による削孔部領域を撮影し、切羽Ｓに向かって右側に位置するＣＣＤカメラ９Ａは、同じく右側に位置する穿孔装置本体１０による削孔部領域を撮影するようになっている。
【００３１】
そして、前記コンピュータ３からの信号により前記モニタ２上に、図５に示されるように、切羽削孔点Ｐ、Ｐ…をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェル１３の後端部位置Ｋ、Ｋ…をマーク表示する。
【００３２】
前記切羽削孔点Ｐ、Ｐ…のマーク表示及びガイドシェル１３の後端部位置Ｋ、Ｋ…のマーク表示は、図４の概念図に示されるように、前記コンピュータ３による以下の演算処理、具体的には絶対座標系における座標点の算出→カメラ座標系への変換→透視変換→画像歪み補正の手順によって行うことができる。
【００３３】
先ず、前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂと切羽Ｓとの相対的位置関係から、切羽Ｓにおける穿孔パターンにより各切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標（絶対座標系ＯＷ）と、これに対応したガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標（絶対座標系ＯＷ）が算出される。なお、切羽ＳのＴ．Ｄが掘進管理のデータ等から既知である場合には、測量機器８により切羽Ｓの位置計測を行うことなく、各切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標（絶対座標系ＯＷ）、これに対応したガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標（絶対座標系ＯＷ）が確定する。
【００３４】
次いで、絶対座標系における切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標（絶対座標系ＯＷ）と、ガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標（絶対座標系ＯＷ）とを前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂを原点とするカメラ座標系ＯＣに変換する。
【００３５】
絶対座標系ＯＷ上での位置をＳＯＷ、カメラ座標系ＯＣでの位置をＳＯＣとすると、各座標は下式(1)、下式(2)で表される。また、カメラ座標系ＯＣの絶対座標系ＯＷでの位置をＴとする。Ｔは下式(3)で表される。
【数１】
【数２】
【数３】
【００３６】
そして、Ｒを絶対座標からカメラ座標系への回転行列（姿勢変換行列）とし、上式(1)〜(3)を基に座標変換により、絶対座標上での対象物の位置をカメラ座標系に変換すると、カメラ座標系ＯＣでの対象物の位置は下式(4)で表される。
【数４】
【００３７】
そして、カメラ座標系ＯＣにおける対象物の位置を下式(5)のように、透視変換（透視投影）することにより、焦点距離ｆの位置にできる画像面座標に変換することで画像面座標ζが算出される。なお、画像面座標ζの単位（m）と、モニタ上上での単位（pixel）とは単位変換により変換する。
【数５】
【００３８】
以上により、モニタ２上での切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標とガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標が確定するため、当該位置にマークを表示する。また、モニタ２上の位置は、カメラレンズの焦点距離に応じて幾何歪みが生じているため、画像の歪み補正を掛けるようにする。
【００３９】
以上の要領により、モニタ２に切羽削孔点Ｐ、Ｐ…がマーク表示されるとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェル１３の後端部位置Ｋ、Ｋ…がマーク表示されたならば、オペレータは、図５に示されるように、前記削岩機１２の削孔ビット１３ａを前記切羽削孔点Ｐ、Ｐ…のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェル１３の後端部を前記ガイドシェル後端部位置Ｋ、Ｋ…のマーク表示点に合わせるようにガイドシェル１３を移動制御する。
【００４０】
〔第２形態例〕
上記形態例では、ドリルジャンボ１に本発明を適用した例について述べたが、本発明は多関節ブームを備えるトンネル施工機械のブーム移動制御に対しても同様に適用が可能である。例えば、図７に示される自由断面掘削機４０のブーム移動制御に応用する場合は、トンネル施工機械４０の後部に視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを設置するとともに、前記トンネル施工機械４０の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器８を設置し、かつ前記トンネル施工機械上に少なくとも１台以上のカメラ９Ａ、９Ｂを設けるとともに、該カメラ９Ａ、９Ｂによって撮影された画像を表示するモニター２と、該モニタ２と信号伝送可能に接続されたコンピュータ３とを備え、作業前に、前記トンネル施工機械４０の座標及び姿勢を計測することにより、前記カメラ９Ａ、９Ｂの設置座標及び向きを既知とし、作業箇所を撮影しているカメラ映像を前記モニタ２に表示し、前記コンピュータ３からの信号により前記モニタ２上に、図８に示されるように、多関節ブーム４０Ａの移動ガイド線４１を表示し、前記多関節ブーム４０Ａを前記移動ガイド線４１に沿って移動制御するようにする。
【００４１】
〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、穿孔装置本体１０に１：１で対応するように、２台設置したが、オペレータが１人である場合には、ＣＣＤカメラは１台のみ設置するようにしても良い。また、撮像する範囲に応じてカメラ台数を増加させることができる。また、モニタに対するカメラの割付けは、１操作で簡単に切り換えできるようにするのが望ましい。
(2)実際の穿孔作業に当たっては、削孔位置、差し角を後で検証できるように、削孔中の任意時に画像を保存できる画像記憶装置を併設しておくのが望ましい。
(3)上記形態例では、サーボ機構を有しないドリルジャンボ１に対して本発明を適用することにより、極簡単に穿孔位置決め制御機能を持たせることを可能としたが、サーボ機構を有するドリルジャンボに対して適用してもよい。この場合は、サーボ機構による穿孔位置決め制御と、本発明による穿孔位置決め制御とから任意に選択できるため、一方の制御機構が故障または損傷した場合でも、他方に切り換えることにより安定的に作業を継続できるようになる。
(4)上記形態例では、トンネル施工機械の例として、自由断面掘削機を示したが、他にヘッダ掘削機、吹付け機などに対しても同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１形態例に係るドリルジャンボ１の穿孔位置決め方法の装置構成図を示す、(A)は側面図、(B)は平面図である。
【図２】穿孔装置本体１０の要部拡大図である。
【図３】ドリルジャンボ１の穿孔位置決め要領を示す図である。
【図４】座標変換概念図である。
【図５】穿孔位置決めガイド要領を示すモニタ画面図である。
【図６】ドリルジャンボ１の位置及び姿勢計測方法の他例を示す図である。
【図７】第２形態例においてトンネル施工機械例を示す自由断面掘削機の側面図である。
【図８】ブーム移動ガイド要領を示すモニタ画面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ドリルジャンボ、２…モニタ、３…コンピュータ、４・５…無線通信機、６…コンピュータ、７Ａ〜７Ｃ・３３・３２Ａ・３２Ｂ…視準ターゲット、８…測量機器、９Ａ・９Ｂ…ＣＣＤカメラ、１０…穿孔装置本体、１２…ガイドシェル、１３…削岩機、Ｓ…切羽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、穿孔位置決め制御機構を持たせるための穿孔位置決め制御方法、及びブームを作動させるサーボ機構を有しない、既存の多関節ブームを備えるトンネル施工機械に対し、ブーム移動制御機構を持たせるようにしたブーム移動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ドリルジャンボを用いた穿孔作業に係り、従来は、切羽断面上の穿孔位置に対してレーザー光を照射し、手作業によるマーキングを行っていたが、近年はトンネル掘削作業の自動化、作業の省力化等の要請に従って、削岩機を支持するガイドシェル、ブームの各関節に各種のセンサー（回転角センサ、変位センサ、近接センサ等）を取付け、ドリルジャンボの基準点の位置を基に各関節の移動量、角度のデータをコンピュータにて演算処理を行い、削岩機の位置決め座標を算出するとともに、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構により、前記位置決め座標まで削岩機を自動的に移動させる穿孔位置決め制御方法（従来法１）が採用されるようになってきた。
【０００３】
また、近年は、穿孔位置決め制御システムに関しても種々の改良が試みられ、精度向上が図られている。例えば、下記特許文献１では、ドリルジャンボを用いたトンネル掘削による穿孔作業において、省力化と高精度のトンネル掘削を実現するために、台車後方とさく岩機にレーザーターゲットを設け、トンネル抗口側に設置した測量器を用いてドリルジャンボの位置座標を計測し、次に削岩機に設置した視準ターゲットを連続的に視準してその位置を検出し、前記視準ターゲットの位置情報に基づく制御信号により削岩機のサーボ機構を介して削岩機を自動的に動作させ、予め計算された切羽面上の穿孔位置に削岩のビットを誘導して位置決めする穿孔位置決め制御方法（従来法２）が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２では、削岩機の後方に設置されたレーザービーム照射機構を内蔵する自動追尾式測量機と、ガイドシェルの自動位置決め又は位置表示を行う制御装置と前記測量機との間で交信する通信機と、前記制御装置で設定された削岩機のビット位置の位置データを前記通信機を介して測量機へ送信し、前記位置データに基づいてレーザービームを前記測量機から照射させ、前記レーザービームの照射位置と削岩機のビット位置とのずれが生じているとき、前記レーザービームの照射位置と削岩機のビット位置とを一致させるために要する移動量に基づいて、穿孔位置決めの修正を行う修正手段とを備えたさく岩機の穿孔位置決めの修正装置（従来法３）が提案されている。この場合、前記修正移動量は、測量器が照射した穿孔位置座標に対して、ビットの座標がずれているとき、制御装置を手動モードに切り換えてオペレーターが、測量器から照射したレーザー光位置に削岩機のビットが一致するまで移動させ、この移動量を計測することにより設定される。
【０００５】
更に、下記特許文献３では、走行可能な台車に対し、多関節ブームを介して、削岩機を搭載したガイドシェルを支持した削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法であって、前記ガイドシェルの少なくとも２箇所以上にマーカーを設けるとともに、前記削岩機搭載台車上の少なくとも２箇所以上に撮像装置を夫々設け、穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢、前記撮像装置の各設置座標を既知とした状態で、前記各撮像装置の画像に写るマーカーの座標を３次元画像処理によって求めることにより、前記ガイドシェルの位置及び方向を計測し、前記削岩機を所定の穿孔位置まで移動させるようにした削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法（従来法４）が開示されている。
【特許文献１】特開平５−１５６８８５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１４１８１号公報
【特許文献３】特開２００６−５７２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来法１の場合、既存のドリルジャンボに後付けによってセンサを取り付けるには装置の大幅な改造を必要とするため、現実的にはコスト的にかなりの負担を伴うことになる。また、ドリルジャンボは悪環境下での使用となるためサーボ機構の各センサーが故障し易く、その修理に多くの時間が掛かり、穿孔作業を一時的に停止せざるを得なくなることがある。さらに、センサによる計測値は各ブーム、センサーの固有の誤差、たわみ、及び稼働期間に応じて漸次増大していくピン、ブッシュの摩耗によるガタを含んだものであるとともに、ブーム先端へいくほどセンサ誤差が累積されるため、設定された位置決め座標どおりに削岩機を位置決めしても、実際には精度良く削岩機を位置決めできないことがあるなどの問題があった。
【０００７】
前記特許文献１（従来法２）の場合も、ドリルジャンボは、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有することが必須となるため、既存のドリルジャンボに後付けによってセンサを取り付けるには装置の大幅な改造を必要とし、現実的にはコスト的に大きな負担を伴うことになる。また、測量器はトンネル抗口側に設置されるため、削岩機に設けたレーザーターゲットを視準する際に障害物が存在することが多いとともに、レーザーの自動追尾機能を利用しているため、削岩機の移動速度をレーザー光の移動速度以下とする必要があり、作業性が悪いなどの問題があった。さらに複数のブームを有するドリルジャンボに適用する場合、測量器を複数導入する必要があるため、コストが嵩むなどの問題があった。
【０００８】
前記特許文献２（従来法３）の場合は、修正移動量は、測量器が照射した穿孔位置座標に対して、削岩機ビットの座標がずれているとき、制御装置を手動モードに切り換えてオペレーターが、測量器の照射したレーザー光にビットが一致するまで移動させるものであり、この手動操作による削岩機移動に多くの時間と手間が掛かるとともに、穿孔作業工程と同時には行えず、別工程となるため作業効率が悪くトンネル掘進工程が遅延する原因となる。また、レーザー光照射位置に削岩機ビットを移動するに当たり、人間の勘に頼る部分が大きく、かつ測量器からのレーザー光と削岩機のビットが一致しているか否かをトンネル現場内の切羽で確認する事は非常に困難であるとともに、一致させたとしても数cm〜数十cmの誤差が残ることが多く、精度が向上しない等の問題があった。
【０００９】
前記特許文献３（従来法４）の場合は、既存の多関節ブームを備える建設機械に対し、極簡単にブーム位置決め制御機能を持たせることが可能である等の利点を有するものの、ガイドシェルに取り付けたマーカーが人、機械等の障害物によって隠れてしまい、撮像装置(ＣＣＤカメラ)によって視認できない場合は、一時的に制御不能になるなどの問題があった。
【００１０】
また、従来法１〜４のいずれの方法も、ガイドシェルの位置計測（座標計測及び向き計測）によって座標を特定し、所定の座標位置まで移動制御するものであるが、ガイドシェルの位置計測誤差がそのまま位置決め精度に反映されることになるなどの問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の第１課題は、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単に穿孔位置決め制御機構を持たせることが可能であるとともに、削岩機及び／又はガイドシェルの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にガイドシェルを所定の削孔位置に高い精度で位置決めできるようにすることにある。
【００１２】
また、第２課題は、ブームを作動させるサーボ機構を有しない、既存の多関節ブームを備えるトンネル施工機械に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単にブーム移動制御機構を持たせることが可能であるとともに、ブームの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にブームを高い精度で移動制御可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、走行可能な台車に対して、多関節ブームを介して、削岩機を搭載したガイドシェルを支持した削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法であって、
前記削岩機搭載台車の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記削岩機搭載台車の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記削岩機搭載台車上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、切羽削孔点をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェルの後端部位置をマーク表示し、
前記削岩機の削孔ビットを前記切羽削孔点のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェルの後端部を前記ガイドシェル後端部位置のマーク表示点に合わせるようにガイドシェルを移動制御することを特徴とする削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法が提供される。
【００１４】
上記請求項１記載の発明においては、削岩機搭載台車上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とする。次いで、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、切羽削孔点をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェルの後端部位置をマーク表示する。オペレーターは、前記削岩機の削孔ビットを前記切羽削孔点のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェルの後端部を前記ガイドシェル後端部位置にマーク表示点に合わせるようにガイドシェルを移動する。
【００１５】
従って、削岩機の誘導機能を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく、極簡単に穿孔位置決め機能を持たせることが可能となる。また、前記カメラはガイドシェルが他の障害物があっても隠れない場所に設置することにより、操作できない状態を回避し、安定的にガイドシェルを所定の削孔位置に位置決めできるようになる。
【００１６】
また、本発明では、ガイドシェルの位置計測（座標計測や向き計測）を行うことなく、単にモニタ上に表示されたマーク点にガイドシェルを位置合わせするだけの制御であるため、計測誤差が累積することもなく、オペレーターは熟練を要することなく、ガイドシェルを所定の削孔位置に高い精度で位置決めできるようになる。
【００１７】
請求項２に係る本発明として、多関節ブームを備えるトンネル施工機械における前記多関節ブームの移動制御方法であって、
前記トンネル施工機械の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記トンネル施工機械の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記トンネル施工機械上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
作業前に、前記トンネル施工機械の座標及び姿勢を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、作業箇所を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、多関節ブームの移動ガイド線を表示し、
前記多関節ブームを前記移動ガイド線に沿って移動制御することを特徴とするトンネル施工機械におけるブーム移動制御方法が提供される。
【００１８】
上記請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の基本原理を、多関節ブームを備えるトンネル施工機械におけるブーム移動制御に応用したものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上詳説のとおり、請求項１記載の本発明によれば、ガイドシェル、ブームを作動させるサーボ機構を有しない既存の削岩機搭載台車に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単に穿孔位置決め制御機構を持たせることが可能であるとともに、削岩機及び／又はガイドシェルの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にガイドシェルを所定の削孔位置に高い精度で位置決めできるようになる。
【００２０】
また、請求項２記載の本発明によれば、ブームを作動させるサーボ機構を有しない、既存の多関節ブームを備えるトンネル施工機械に対し、大掛かりな改造を必要とすることなく極簡単にブーム移動制御機構を持たせることが可能であるとともに、ブームの一部が障害物によって隠れ、操作できない状態を回避し、安定的にブームを高い精度で移動制御可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔第１形態例〕
〔削岩機搭載台車１の構造〕
ドリルジャンボ１は、図１に示されるように、多関節ブーム１１を介して、削岩機１３を搭載したガイドシェル１２を、走行可能な台車１４により支持した構造を成す穿孔装置である。
【００２２】
前記多関節ブーム１１、ガイドシェル１２及び削岩機１３からなる穿孔装置本体１０は、具体的には図２に示されるように、台車１４の基台１５上にブーム台１６を旋回軸１７によって枢着し、このブーム台１６に伸縮ブーム１８の基端を俯仰軸１９によって枢着している。伸縮ブーム１８は基端ブーム１８Ａと先端ブーム１８Ｂとからなり、先端ブーム１８Ｂが基端ブーム１８Ａに対して伸縮自在にスライドするようになっている。前記基台１５とブーム台１６との間には旋回用油圧シリンダ２０、伸縮ブーム１８の基端ブーム１８Ａとブーム台１６との間には俯仰用油圧シリンダ２１が設けられており、これによって伸縮ブーム１８は、旋回、俯仰可能となっている。
【００２３】
先端ブーム１８Ｂの先端部には、チルトボデイ２２がチルト軸２３によって枢着され、先端ブーム１８Ｂとの間にチルト用油圧シリンダ２４を設けチルト可能になっている。チルトボデイ２２には、スイングボデイ２５がスイング軸２６によって枢着され、チルトボデイ２２との間にスイング用油圧シリンダ（図示略）を設けてスイング可能になっている。スイングボデイ２５にはガイドロータリ２７が設けられており、ロータリ軸２８を中心としてローテーション可能になっている。ガイドロータリ２７には、マウント軸３０でガイドマウンチング２９が支持され、このガイドマウンチング２９でガイドシェル１２を前後スライド可能に支承している。ガイドシェル１２には、先端にビット１３ａを取付けたロッド１３ｂが挿着されている削岩機１３が搭載されており、削岩機１３は前後方向への送りが与えられて切羽Ｓの岩盤に穿孔する。
【００２４】
〔ガイドシェル１２の位置決め制御のための機器〕
図１に示すように、前記ドリルジャンボ１上に少なくとも１台以上の、図示例では２台のＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂを夫々設ける。前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの設置位置は、ガイドシェル１２及び削岩機１３を見渡せる高い位置に設置することが望ましい。このドリルジャンボ１には、前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂによって撮影された画像を表示するモニタ２と、該モニタ２と信号伝送可能に接続されたコンピュータ３と、無線通信機４とが搭載されている。前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂはそれぞれ、ドリルジャンボ１上に搭載されたコンピュータ３と信号線によって接続され、前記コンピュータ３には、予め計画された穿孔パターンに従った、各削孔点の座標データが入力されている。
【００２５】
ドリルジャンボ１の後方面に設けた後述の視準ターゲット７Ａ〜７Ｃの座標計測によって、ドリルジャンボ１の座標及び姿勢が判れば、演算により前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの座標と向きが求まるようになっている。
【００２６】
〔ドリルジャンボ１の座標及び姿勢計測のための機器〕
前記ドリルジャンボ１の後方側には、図１に示されるように、その孔部２箇所に視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを設置するとともに、前記ドリルジャンボ１の後方側に前記視準ターゲット７Ａ〜７Ｃの座標を測定可能な測量機器８（例えばトータルステーション）を設置する。また、前記測量機器８には無線通信機５が接続され、前記ドリルジャンボ１のコンピュータ３に接続された無線通信機４と通信可能になっているとともに、前記無線通信機５にはコンピューター６が接続され、該コンピューター６の情報も前記コンピュータ３と無線通信機４，５を介して送受信可能となっている。なお、前記コンピュータ３と測量機器８，コンピューター６との通信は有線によって行ってもよい。
【００２７】
ドリルジャンボ１の座標および姿勢を把握するには、前記ドリルジャンボ１の後部に設置した３つの視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを、ドリルジャンボ１の後方側に設置した前記測量機器８により視準し、前記視準ターゲット７Ａ〜７Ｃの座標を求めることにより行う。この場合、前記ドリルジャンボ１の後部に設置した３つの視準ターゲット７Ａ〜７Ｃは、水平方向に離間するとともに、上下方向に高さを異ならせて設置することにより、ドリルジャンボ１の設置座標とともに、ドリルジャンボ１の姿勢状態（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を知ることが可能となる。なお、前記視準ターゲット７Ａ〜７Ｃは、少なくとも２以上とし、好ましくは本形態例のように３つ配置するのが良い。また、前記ドリルジャンボ１の位置及び姿勢は、後部に１つの視準ターゲットを設置するとともに、３軸角度センサーを機体に取り付け、前記視準ターゲットにより座標を取得し、かつ前記３軸角度センサーにより姿勢状態を把握するようにしてもよい。
【００２８】
或いは、図６に示されるように、前記ドリルジャンボ１の座標及び姿勢は、前記ドリルジャンボ１上に測距・測角が可能な測量機器８を設けるとともに、該ドリルジャンボ１上に前記測量機器８との相対座標が既知とされる少なくとも１点以上の視準ターゲット３３を設け、かつ少なくとも２点以上の視準ターゲット３２Ａ、３２Ｂを前記ドリルジャンボ１の測量機器８から視準できる位置であってかつ設置点が既知とされる固定位置に夫々設け、前記測量機器８により前記視準ターゲット３２Ａ、３２Ｂ、３３を夫々視準することにより求めるようにしてもよい。
【００２９】
〔削岩機の穿孔位置決め制御〕
以下、前記削岩機１３の穿孔位置決め制御方法について詳述する。
先ず最初に、図１に示されるように、ドリルジャンボ１を切羽Ｓへの穿孔のために切羽手前に定位させる。ドリルジャンボ１を定位させたならば、測量機器８により、ドリルジャンボ１の後方面に設けた視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを視準することにより、ドリルジャンボ１の位置座標及び姿勢（ピッチング、ヨーイング、ローリング）を算出するとともに、ドリルジャンボ１上に設けたＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの設置座標及び向きを演算により求め確定する。また、前記測量機器８により切羽Ｓの位置（掘進距離：Ｔ．Ｄ）を計測することにより、ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂと切羽Ｓとの相対的位置関係も求まる。
【００３０】
上記準備測量が完了したならば、ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂにより切羽面を撮影し、モニタ２に表示する。なお、切羽Ｓに向かって左側に位置するＣＣＤカメラ９Ｂは、同じく左側に位置する穿孔装置本体１０による削孔部領域を撮影し、切羽Ｓに向かって右側に位置するＣＣＤカメラ９Ａは、同じく右側に位置する穿孔装置本体１０による削孔部領域を撮影するようになっている。
【００３１】
そして、前記コンピュータ３からの信号により前記モニタ２上に、図５に示されるように、切羽削孔点Ｐ、Ｐ…をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェル１３の後端部位置Ｋ、Ｋ…をマーク表示する。
【００３２】
前記切羽削孔点Ｐ、Ｐ…のマーク表示及びガイドシェル１３の後端部位置Ｋ、Ｋ…のマーク表示は、図４の概念図に示されるように、前記コンピュータ３による以下の演算処理、具体的には絶対座標系における座標点の算出→カメラ座標系への変換→透視変換→画像歪み補正の手順によって行うことができる。
【００３３】
先ず、前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂと切羽Ｓとの相対的位置関係から、切羽Ｓにおける穿孔パターンにより各切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標（絶対座標系ＯＷ）と、これに対応したガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標（絶対座標系ＯＷ）が算出される。なお、切羽ＳのＴ．Ｄが掘進管理のデータ等から既知である場合には、測量機器８により切羽Ｓの位置計測を行うことなく、各切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標（絶対座標系ＯＷ）、これに対応したガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標（絶対座標系ＯＷ）が確定する。
【００３４】
次いで、絶対座標系における切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標（絶対座標系ＯＷ）と、ガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標（絶対座標系ＯＷ）とを前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂを原点とするカメラ座標系ＯＣに変換する。
【００３５】
絶対座標系ＯＷ上での位置をＳＯＷ、カメラ座標系ＯＣでの位置をＳＯＣとすると、各座標は下式(1)、下式(2)で表される。また、カメラ座標系ＯＣの絶対座標系ＯＷでの位置をＴとする。Ｔは下式(3)で表される。
【数１】
【数２】
【数３】
【００３６】
そして、Ｒを絶対座標からカメラ座標系への回転行列（姿勢変換行列）とし、上式(1)〜(3)を基に座標変換により、絶対座標上での対象物の位置をカメラ座標系に変換すると、カメラ座標系ＯＣでの対象物の位置は下式(4)で表される。
【数４】
【００３７】
そして、カメラ座標系ＯＣにおける対象物の位置を下式(5)のように、透視変換（透視投影）することにより、焦点距離ｆの位置にできる画像面座標に変換することで画像面座標ζが算出される。なお、画像面座標ζの単位（m）と、モニタ上上での単位（pixel）とは単位変換により変換する。
【数５】
【００３８】
以上により、モニタ２上での切羽穿孔点Ｐ、Ｐ…の座標とガイドシェル１３の各後端部位置Ｋ、Ｋ…の座標が確定するため、当該位置にマークを表示する。また、モニタ２上の位置は、カメラレンズの焦点距離に応じて幾何歪みが生じているため、画像の歪み補正を掛けるようにする。
【００３９】
以上の要領により、モニタ２に切羽削孔点Ｐ、Ｐ…がマーク表示されるとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェル１３の後端部位置Ｋ、Ｋ…がマーク表示されたならば、オペレータは、図５に示されるように、前記削岩機１２の削孔ビット１３ａを前記切羽削孔点Ｐ、Ｐ…のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェル１３の後端部を前記ガイドシェル後端部位置Ｋ、Ｋ…のマーク表示点に合わせるようにガイドシェル１３を移動制御する。
【００４０】
〔第２形態例〕
上記形態例では、ドリルジャンボ１に本発明を適用した例について述べたが、本発明は多関節ブームを備えるトンネル施工機械のブーム移動制御に対しても同様に適用が可能である。例えば、図７に示される自由断面掘削機４０のブーム移動制御に応用する場合は、トンネル施工機械４０の後部に視準ターゲット７Ａ〜７Ｃを設置するとともに、前記トンネル施工機械４０の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器８を設置し、かつ前記トンネル施工機械上に少なくとも１台以上のカメラ９Ａ、９Ｂを設けるとともに、該カメラ９Ａ、９Ｂによって撮影された画像を表示するモニター２と、該モニタ２と信号伝送可能に接続されたコンピュータ３とを備え、作業前に、前記トンネル施工機械４０の座標及び姿勢を計測することにより、前記カメラ９Ａ、９Ｂの設置座標及び向きを既知とし、作業箇所を撮影しているカメラ映像を前記モニタ２に表示し、前記コンピュータ３からの信号により前記モニタ２上に、図８に示されるように、多関節ブーム４０Ａの移動ガイド線４１を表示し、前記多関節ブーム４０Ａを前記移動ガイド線４１に沿って移動制御するようにする。
【００４１】
〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、穿孔装置本体１０に１：１で対応するように、２台設置したが、オペレータが１人である場合には、ＣＣＤカメラは１台のみ設置するようにしても良い。また、撮像する範囲に応じてカメラ台数を増加させることができる。また、モニタに対するカメラの割付けは、１操作で簡単に切り換えできるようにするのが望ましい。
(2)実際の穿孔作業に当たっては、削孔位置、差し角を後で検証できるように、削孔中の任意時に画像を保存できる画像記憶装置を併設しておくのが望ましい。
(3)上記形態例では、サーボ機構を有しないドリルジャンボ１に対して本発明を適用することにより、極簡単に穿孔位置決め制御機能を持たせることを可能としたが、サーボ機構を有するドリルジャンボに対して適用してもよい。この場合は、サーボ機構による穿孔位置決め制御と、本発明による穿孔位置決め制御とから任意に選択できるため、一方の制御機構が故障または損傷した場合でも、他方に切り換えることにより安定的に作業を継続できるようになる。
(4)上記形態例では、トンネル施工機械の例として、自由断面掘削機を示したが、他にヘッダ掘削機、吹付け機などに対しても同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１形態例に係るドリルジャンボ１の穿孔位置決め方法の装置構成図を示す、(A)は側面図、(B)は平面図である。
【図２】穿孔装置本体１０の要部拡大図である。
【図３】ドリルジャンボ１の穿孔位置決め要領を示す図である。
【図４】座標変換概念図である。
【図５】穿孔位置決めガイド要領を示すモニタ画面図である。
【図６】ドリルジャンボ１の位置及び姿勢計測方法の他例を示す図である。
【図７】第２形態例においてトンネル施工機械例を示す自由断面掘削機の側面図である。
【図８】ブーム移動ガイド要領を示すモニタ画面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ドリルジャンボ、２…モニタ、３…コンピュータ、４・５…無線通信機、６…コンピュータ、７Ａ〜７Ｃ・３３・３２Ａ・３２Ｂ…視準ターゲット、８…測量機器、９Ａ・９Ｂ…ＣＣＤカメラ、１０…穿孔装置本体、１２…ガイドシェル、１３…削岩機、Ｓ…切羽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行可能な台車に対して、多関節ブームを介して、削岩機を搭載したガイドシェルを支持した削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法であって、
前記削岩機搭載台車の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記削岩機搭載台車の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記削岩機搭載台車上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、切羽削孔点をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェルの後端部位置をマーク表示し、
前記削岩機の削孔ビットを前記切羽削孔点のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェルの後端部を前記ガイドシェル後端部位置のマーク表示点に合わせるようにガイドシェルを移動制御することを特徴とする削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法。
【請求項２】
多関節ブームを備えるトンネル施工機械における前記多関節ブームの移動制御方法であって、
前記トンネル施工機械の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記トンネル施工機械の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記トンネル施工機械上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
作業前に、前記トンネル施工機械の座標及び姿勢を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、作業箇所を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、多関節ブームの移動ガイド線を表示し、
前記多関節ブームを前記移動ガイド線に沿って移動制御することを特徴とするトンネル施工機械におけるブーム移動制御方法。
【請求項１】
走行可能な台車に対して、多関節ブームを介して、削岩機を搭載したガイドシェルを支持した削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法であって、
前記削岩機搭載台車の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記削岩機搭載台車の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記削岩機搭載台車上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
穿孔前に、前記削岩機搭載台車の座標及び姿勢状態を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、切羽面を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、切羽削孔点をマーク表示するとともに、削孔姿勢に応じたガイドシェルの後端部位置をマーク表示し、
前記削岩機の削孔ビットを前記切羽削孔点のマーク表示点に合わせるとともに、前記ガイドシェルの後端部を前記ガイドシェル後端部位置のマーク表示点に合わせるようにガイドシェルを移動制御することを特徴とする削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法。
【請求項２】
多関節ブームを備えるトンネル施工機械における前記多関節ブームの移動制御方法であって、
前記トンネル施工機械の後部に視準ターゲットを設置するとともに、前記トンネル施工機械の後方側に前記視準ターゲットの座標を測定可能な測量機器を設置し、かつ前記トンネル施工機械上に少なくとも１台以上のカメラを設けるとともに、該カメラによって撮影された画像を表示するモニターと、該モニタと信号伝送可能に接続されたコンピュータとを備え、
作業前に、前記トンネル施工機械の座標及び姿勢を計測することにより、前記カメラの設置座標及び向きを既知とし、作業箇所を撮影しているカメラ映像を前記モニタに表示し、前記コンピュータからの信号により前記モニタ上に、多関節ブームの移動ガイド線を表示し、
前記多関節ブームを前記移動ガイド線に沿って移動制御することを特徴とするトンネル施工機械におけるブーム移動制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−４６９１２（Ｐ２００９−４６９１２Ａ）
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１４９８６（Ｐ２００７−２１４９８６）
【出願日】平成１９年８月２１日（２００７．８．２１）
【出願人】（５９１２８４６０１）株式会社演算工房 (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２１日（２００７．８．２１）
【出願人】（５９１２８４６０１）株式会社演算工房 (22)
【Ｆターム（参考）】
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