JP2020084551A - Spray thickness estimation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネル壁面などの吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さを推定する装置に関する。 The present invention relates to a device for estimating the thickness of concrete sprayed on a surface to be sprayed such as a wall surface of a tunnel.
通常の吹付作業においては、作業者が、吹付位置直下で吹付ロボットを操作することにより作業をしているが、作業環境及び作業者の安全確保の観点から、作業位置から離れた場所で吹付ロボットを操作する遠隔操作技術が開発されている。
遠隔作業の場合には、トンネル内に設置されるモニター室のような、吹付位置より離れた場所で、例えば、吹付機に設けられたカメラの映像を見ながら、吹付ロボットのコントローラを操作していた(例えば、特許文献1参照)。
In normal spraying work, the operator operates the spray robot just below the spraying position, but from the viewpoint of the work environment and the safety of the worker, the spraying robot is located at a place remote from the work position. A remote control technology for operating a car has been developed.
In the case of remote work, the controller of the spray robot is operated in a place away from the spray position, such as in a monitor room installed in a tunnel, while watching the image of the camera installed in the spray machine. (See, for example, Patent Document 1).
しかしながら、カメラの映像のみでは、吹付ノズルの方向や吹付壁との距離等が把握しづらいため、無駄にコンクリートを消費することになる。
そこで、特に、無支保工区間では、後方のトータルステーションの切羽管理レーザーから投影される赤色ポイントを目安に吹付作業を行うが、安全量を見込む必要があるため、作業員の感覚で多めに吹付をすることになり、その結果、吹付材料が必要以上に多くなってしまうといった問題点があった。また、遠隔操作では、赤色ポイントが映像では見難いためことから、吹付自体が難しかった。
However, it is difficult to grasp the direction of the spray nozzle, the distance to the spray wall, and the like from only the image of the camera, and thus the concrete is wastefully consumed.
Therefore, especially in the unsupported work section, spraying work is done with the red point projected from the face management laser of the total station at the rear as a guide, but since it is necessary to anticipate a safe amount, spray a lot with the sense of the worker. As a result, there has been a problem that the spray material becomes unnecessarily large. Further, in remote control, since the red point is difficult to see in the image, spraying itself was difficult.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、吹付の途中であっても、吹付け厚さを精度よく推定することができる吹付け厚さ推定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above conventional problems, and an object thereof is to provide a spraying thickness estimation device that can accurately estimate the spraying thickness even during spraying. To do.
本発明は、コンクリート吹付機のノズルブームに装着された吹付ノズルから、吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付け厚さを推定する装置であって、前記吹付ノズルから前記吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルと、前記噴射モデルを用いて、前記吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付け厚さを推定する吹付け厚さ推定手段とを備えることを特徴とする。
このように、吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を円錐状とすれば、吹付の途中であっても、吹付け厚さを精度よく推定することができる。
また、前記開口部の位置と、前記吹付対象面との距離を算出する吹付距離算出手段と、前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率とを保存する記憶手段とを備えるとともに、前記吹付け厚さ推定手段では、前記算出された吹付距離、前記記憶手段に保存された吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて、前記吹付け厚さを推定するようにしたので、吹付け厚さの推定精度を更に向上させることができる。
The present invention is a device for estimating a spray thickness, which is the thickness of concrete sprayed on a spray target surface, from a spray nozzle mounted on a nozzle boom of a concrete spray machine, wherein The shape of the concrete sprayed on the target surface, having an apex inside the spray nozzle, a conical injection model passing through the opening of the nozzle, and spraying on the spray target surface using the injection model And a spraying-thickness estimating means for estimating a spraying-thickness which is the thickness of the obtained concrete.
Thus, if the shape of the concrete ejected onto the surface to be sprayed is conical, the spray thickness can be accurately estimated even during spraying.
Further, the position of the opening, a spraying distance calculating means for calculating a distance from the spraying target surface, a concrete pumping amount injected from the spraying nozzle, a moving speed of the nozzle, and a bounce rate are stored. With the storage means, in the spraying thickness estimating means, the calculated spraying distance, the concrete pumping amount injected from the spraying nozzle stored in the storage means, the moving speed of the nozzle, and the bounce rate. Since the spray thickness is estimated by using the injection model and the injection model, the accuracy of estimating the spray thickness can be further improved.
また、本発明は、前記吹付ノズルに取付けられて、吹付ノズルのコンクリートの吹付方向にレーザ光を照射するレーザ装置と、前記吹付ノズルの先端部と根元部とを含む、前記吹付ノズルの先端部と根元部との間の所定の位置であるノズル位置に配置される標定点となるマークと、前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの少なくとも2台のカメラでステレオ撮影された、前記レーザ光の前記吹付対象面への照射部を含む画像から、前記照射部の3次元座標を算出する照射位置算出手段と、前記複数台のカメラのうちの2台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記ノズル位置の3次元座標を算出するノズル位置算出手段とを備えるとともに、前記吹付距離算出手段では、前記照射部の3次元座標と前記ノズル位置の3次元座標とから、前記開口部と前記吹付対象面との距離を算出することを特徴とする。
これにより、吹付ノズルの開口部と吹付対象面との距離を精度よく算出することができるので、吹付け厚さの推定精度を向上させることができる。
なお、吹付ノズルの先端部とはノズルの中心よりもノズルの開口部側を指し、根元部とはノズルの中心よりも開口部側と反対側の端部側を指すものとする。
Further, the present invention includes a laser device which is attached to the spray nozzle and irradiates a laser beam in a spray direction of concrete of the spray nozzle, and a tip portion of the spray nozzle including a tip portion and a root portion of the spray nozzle. A mark serving as a control point arranged at a nozzle position which is a predetermined position between the base and the base, a plurality of cameras attached to the concrete spraying machine, and at least two of the plurality of
Accordingly, the distance between the opening of the spray nozzle and the surface to be sprayed can be calculated accurately, so that the accuracy of estimation of the spray thickness can be improved.
The tip of the spray nozzle refers to the opening side of the nozzle with respect to the center of the nozzle, and the root portion refers to the end side of the nozzle opposite to the opening side with respect to the center of the nozzle.
また、前記吹付ノズルの先端部と根元部に配置される標定点となるマークと、前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの2台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記先端部と根元部の3次元座標を算出するノズル位置算出手段と、予め作成しておいた設計図面の吹付対象面の3次元座標のデータ、もしくは、予めコンクリートの吹付前に測量した吹付対象面の3次元座標のデータを記憶する記憶手段とを備えるとともに、前記吹付距離算出手段では、前記吹付ノズルの先端部の3次元座標と前記吹付ノズルの根元部の3次元座標と、前記吹付対象面の3次元座標のデータとから、前記開口部の位置と前記吹付対象面との距離を算出するようにしても、吹付ノズルの開口部と吹付対象面との距離を精度よく算出することができる。 Further, a mark serving as a control point arranged at the tip and the root of the spray nozzle, a plurality of cameras attached to the concrete spray machine, and two or more cameras of the plurality of cameras are used. Nozzle position calculating means for calculating three-dimensional coordinates of the tip portion and the base portion from an image captured in stereo and including the mark, and three-dimensional coordinate data of the spray target surface of a design drawing created in advance. Alternatively, a storage means for storing data of three-dimensional coordinates of the spray target surface measured in advance before spraying concrete is provided, and in the spray distance calculating means, the three-dimensional coordinates of the tip portion of the spray nozzle and the spray nozzle. Even if the distance between the position of the opening and the target surface for spraying is calculated from the three-dimensional coordinate of the root of the nozzle and the data for the three-dimensional coordinate of the target surface for spraying, The distance to the target surface can be calculated accurately.
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。この明細書において、コンクリートは、モルタルや吹付材料も含むものとする。 The above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention, and sub-combinations of these feature groups can also be inventions. In this specification, concrete also includes mortar and spray material.
図1は、吹付け厚さ推定装置1を示す図で、吹付け厚さ推定装置1は、吹付機2に設置される、バケット側カメラC11,C12と、本体側カメラC21〜C24と、エレクタ側カメラC31〜C34と、ノズル側レーザ装置L1と、遠隔操作室10に配置される、吹付位置算出手段11と、ノズル位置算出手段12と、吹付距離算出手段13と、吹付け厚さ推定手段14と、記憶手段15と、トータルステーション4に設置される切羽管理レーザ装置L2と、を備える。
吹付位置算出手段11〜吹付け厚さ推定手段14までの各手段と記憶手段15とは、例えば、コンピュータのソフトウェア、及び、RAM等のメモリーから構成される。
吹付機2は、図2(a),(b)に示すように、トンネル3の切羽31のコンクリートの吹付けが完了していない区間Lkの後方(切羽31とは反対側)に配置されて、トンネル壁面32(トンネル側壁32aと天羽32b)に吹付コンクリートを吹付ける。なお、同図の符号3Cは吹付コンクリート、符号3Hは支保工である。
トータルステーション4は、切羽31に赤色のレーザ光を照射する切羽管理レーザ装置L2やレーザ距離計L3の他に、図示しない、切羽監視用カメラ、3Dスキャナーなどの切羽31を監視する監視装置を備えた計測器で、吹付機2の後方で、切羽31から所定の距離離れた天羽32b等に設置される。
また、遠隔操作室10は、トンネル3内もしくは坑外などの吹付機2から離れた箇所に設置される。遠隔操作室10には、吹付機2を遠隔操作する吹付機制御装置10Aや、支保工番号や支保パターンなどのトンネルパターンデータを備え、切羽管理レーザL2などの監視装置を制御する切羽管理レーザシステム10Bなどが配置されている。
FIG. 1 is a diagram showing a spraying thickness estimating
Each unit from the spray
The
Further, the
図3は、吹付機2を示す図で、同図の左方向を前方(切羽方向)、右方向を後方、同図の上下方向を上下方向、図面に垂直な方向を左右方向とする。
吹付機2は、走行機構20aやアウトトリガー機構20bなどを備えた吹付機本体(以下、本体20という)と、先端側に図示しないコンクリート圧送装置に接続された吹付ノズル5が搭載されたノズルブームとしての吹付ロボット21と、バケット22bを支持する左右一対のバケットブーム22と、支保工の組み立てるための左右一対のエレクタブーム23とを備える。
吹付ノズル5の側面側には、ノズル側レーザ装置L1が、レーザの照射方向が吹付ノズル5の延長方向であるコンクリートの吹付方向と一致するように、設置されている。本例では、ノズル側レーザ装置L1のレーザ光を切羽管理レーザ装置L2のレーザ光と区別するため、ノズル側レーザ装置L1のレーザ光を緑色とした。
また、左右一対のバケットブーム22のバケット22bの前方下端部には、バケット側カメラC11,C12がそれぞれ設置され、本体20の前面の上下左右には、本体側カメラC21〜C24がそれぞれ設置され、左右一対のエレクタブーム23の第1アーム23aの先端側と第2アーム23bの中央側には、エレクタ側カメラC31〜C34がそれぞれ設置される。
FIG. 3 is a view showing the
The
A nozzle side laser device L1 is installed on the side surface side of the
Further, bucket-side cameras C11 and C12 are installed at the front lower ends of the
図4(a),(b)は、吹付ロボット21を示す縦断面図と平面図で、同図のX軸方向がトンネルの軸方向(前後方向)、Y軸方向がトンネル幅方向(左右方向)、Z軸方向が上下方向である。
吹付ロボット21は、本体20の取付部20T側に位置する第1のアーム211と、図示しない切羽側に位置する第2のアーム212と、第1及び第2のアーム211,212をそれぞれ伸縮させる第1及び第2のスライド機構213,214と、第1及び第2のアーム211,212をそれぞれ水平面内及び垂直面内で回転させる第1及び第2の回転機構215,216と、第2のアーム212の先端に設置されたノズル設置部217と、ノズル設置部217を水平面内及び垂直面内で回転させるノズル回転機構218と、を備え、ノズル設置部217を上下、左右に回転させるととともに、前後(第1及び第2のアーム211,212の延長方向)移動させることで、吹付ノズル5の位置と吹付コンクリートの吹付方向とを設定する。
但し、吹付ロボット21は、全ての構成が上記と同一である必要はなく、一部省略されたり、組み合わせが変わる場合もあり、これらを包括して「吹付ロボット」と称する。
4A and 4B are a vertical sectional view and a plan view showing the
The spraying
However, the spraying
次に、カメラC11,C12〜C33,C34の動作について説明する。
バケット側カメラC11,C12、本体側カメラC21,C22及びC23,C24、エレクタ側カメラC31,C32及びC33,C34は、それぞれ、後述する標定点となるマークとしての標定点ラベルA〜Cと、緑色レーザ光の照射部Gとを撮影する。緑色レーザ光の照射部Gとコンクリートの吹付位置(厳密には、コンクリートが吹付けられた領域の中心)とはほぼ一致する。
図5(a)は、標定点ラベルA〜Cの設置箇所及びノズル側レーザ装置L1からの緑色レーザ光の照射部Gとの関係を示す図で、標定点ラベルAは吹付ノズル5の先端部と根元部とを含む、吹付ノズル5の先端部と根元部との間に設置される。
以下、標定点ラベルAの位置を「ノズル位置」という。
また、標定点ラベルBと標定点ラベルCとは、吹付が完了したトンネル壁面32の切羽31側の左右(以下、吹付完了壁部という)の任意の場所にそれぞれ不動点として設置される。
図5(b)は、2台のカメラC11,C12でステレオ撮影した画像(ステレオ画像)の一例を示す模式図で、カメラC11の画像とカメラC12の画像には、それぞれ、緑色レーザ光の照射部Gと標定点ラベルAとが映っている。
Next, the operation of the cameras C11, C12 to C33, C34 will be described.
The bucket side cameras C11, C12, the main body side cameras C21, C22 and C23, C24, and the erector side cameras C31, C32 and C33, C34 are respectively control points labels A to C as marks to be control points to be described later and green. The laser light irradiation section G is photographed. The irradiation portion G of the green laser light and the spraying position of the concrete (strictly speaking, the center of the area where the concrete is sprayed) substantially coincide with each other.
FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the installation points of the control point labels A to C and the irradiation part G of the green laser light from the nozzle side laser device L1, and the control point label A is the tip of the
Hereinafter, the position of the photo control point label A will be referred to as a "nozzle position".
In addition, the control point label B and the control point label C are installed as fixed points at arbitrary positions on the left and right sides (hereinafter, referred to as a spraying completion wall portion) of the
FIG. 5B is a schematic diagram showing an example of an image (stereo image) captured in stereo by the two cameras C11 and C12. The image of the camera C11 and the image of the camera C12 are irradiated with green laser light, respectively. The part G and the photo control point label A are shown.
吹付位置算出手段11は、図5(b)に示すような、ステレオ撮影された2枚の画像から、トンネル壁面32に照射された緑色レーザ光の照射部Gの位置である、コンクリートの吹付位置の3次元座標を算出する。以下、コンクリートの吹付位置の符号を、緑色レーザ光の照射部と同じGとする。すなわち、吹付位置算出手段11は、本発明の照射位置算出手段に相当する手段である。
なお、ステレオ画像は、必ずしも、C11,C12などのカメラ対の画像である必要はなく、例えば、標定点ラベルAがよく映っている2台以上のカメラの画像、標定点ラベルBがよく映っている2台以上のカメラの画像、標定点ラベルCがよく映っている2台以上のカメラの画像などを用いればよい。
ノズル位置算出手段12は、図5(b)に示した、ステレオ撮影された2枚の画像から、標定点ラベルAの位置である、ノズル位置の3次元座標と、吹付完了壁部の標定点ラベルBと標定点ラベルCの3次元座標とを算出するとともに、この算出された標定点ラベルAの3次元座標を、算出した標定点ラベルB,Cの3次元座標と、トンネルパターンデータベース15dに保存されている、設計掘削断面形状XYZのデータの基準点、もしくは、トータルステーションの設置位置を原点とした標定点ラベルB,Cの3次元座標とを用いて、上記したトンネル3内の基準点を原点とした3次元座標に変換する。
なお、設計掘削断面形状XYZのデータに代えて、レーザースキャナーや写真測量等で測量して算出した掘削断面形状である実測断面形状X’Y’Z’のデータを用いてもよい。
The spraying position calculation means 11 is a position of the concrete spraying position, which is the position of the irradiation portion G of the green laser light irradiated on the
Note that the stereo image does not necessarily have to be an image of a pair of cameras such as C11 and C12. For example, the images of two or more cameras in which the control point label A is well reflected and the control point label B are well reflected. Images of two or more cameras that are present, images of two or more cameras that show the control point label C well, and the like may be used.
The nozzle position calculating means 12 calculates the three-dimensional coordinates of the nozzle position, which is the position of the control point label A, and the control point of the spraying completion wall from the two stereo-photographed images shown in FIG. 5B. The three-dimensional coordinates of the label B and the control point label C are calculated, and the calculated three-dimensional coordinates of the control point label A are stored in the calculated three-dimensional coordinates of the control point labels B and C and the
Instead of the data of the design drilling sectional shape XYZ, it may be used data of the laser scanner and a drilling sectional shape which is calculated by surveying in photogrammetry, etc. measured cross section X 'Y' Z '.
図6(a),(b)に示すように、吹付ノズル5(5p,5q)の軸方向の延長方向とトンネル壁面32とが交わる点がコンクリートの吹付位置Gとなる。この吹付位置Gの3次元座標もノズル位置(標定点ラベルA)の3次元座標と同様に、トンネル3内の基準点を原点とした3次元座標に変換される。
なお、吹付ノズル5の軸方向の延長方向は、ノズル位置と吹付位置Gとを通る直線で近似することができる。
ここで、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面32とのなす角度を吹付角度αとすると、吹付角度αは、吹付ノズル5の長さ方向と、コンクリートの吹付位置Gにおけるトンネル壁面32の接平面SG(以下、トンネル壁面32という場合もある)との成す角度に等しい。なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Gとを通る接線LGとのなす角度としても求められる。
接平面SGと接線LGについても、上記のトンネルパターンデータベース15dに保存されている設計掘削断面形状XYZ(もしくは、実測断面形状X’Y’Z’)のデータから求めることができる。
このように、吹付ノズル5pのように、α=90°の時には、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面32とが直交し、吹付ノズル5qのように、α≠90°の時には、コンクリートはトンネル壁面32に斜めから吹付けられる。すなわち、吹付角度αが90°となるように、吹付ノズル5の向きを制御すれば、トンネル壁面32に垂直にコンクリートを吹付けることができる。
なお、図6(c),(d)に示すように、切羽31の面に垂直な方向から見たときに、吹付ノズル5とトンネル壁面32とが直交していても、吹付ノズル5qのように、吹付ノズルの軸方向と切羽31の面に垂直な平行な断面Kとのなす角が0°でなければ、吹付方向はトンネル壁面32には直交していない。したがって、吹付角度αを算出することなく、カメラ画像のみから吹付角度αを推定することは困難である。
吹付距離算出手段13は、吹付ノズル5の開口部と吹付対象面であるトンネル壁面32との距離である吹付距離hkを算出する。
吹付距離hkは、ノズル位置と吹付位置Gとの距離から、ノズル位置と開口部との距離を減算することで求めることができる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the point where the extension direction of the spray nozzle 5 (5p, 5q) in the axial direction and the
The axial extension of the
Assuming that the angle formed by the concrete spraying direction and the
The tangent plane S G and the tangent line L G can also be obtained from the data of the design excavation sectional shape XYZ (or the actually measured sectional shape X ′ Y ′ Z ′ ) stored in the
Thus, when the
As shown in FIGS. 6C and 6D, even when the
The spray distance calculating means 13 calculates a spray distance h k which is a distance between the opening of the
The spray distance h k can be obtained by subtracting the distance between the nozzle position and the opening from the distance between the nozzle position and the spray position G.
吹付け厚さ推定手段14は、記憶手段15に記憶された機器データベース15a、吹付コンクリートデータベース15b、及び、吹付形状データベース15cを用いて、図7(a)に示すような、0.1sec当たり吹付コンクリートの平均吹付け厚さHkを算出するための円錐モデル(以下、吹付形状モデル5Mという)を作成する。
機器データベース15aには、吹付機2の機種、ポンプ吐出量、吹付ノズル5の回転移動速度、吹付ノズル5のスライド移動速度、空気圧縮機の空気量や吐出圧などのデータが蓄積され、吹付コンクリートデータベース15bには、コンクリートの配合量、添加剤、ミキシング時間、スランプ、空気量などデータが蓄積され、吹付形状データベース15cには、ノズル口径DN[mm]や、吹付ノズル5から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Cの頂点位置である推定円錐頂点オフセットhN[mm]、推定円錐形状噴射角度θN[deg]などの形状パラメータ、想定コンクリート吐出量VC[mm3/0.1sec]、コンクリート跳ね返り率a[%]、ノズル移動速度v[mm/0.1sec]などのデータが蓄積されている。
吹付形状データベース15cの推定円錐頂点オフセットhN[mm]や想定コンクリート吐出量VCは、吹付コンクリートデータベース15bに蓄積された吹付コンクリートの性状により決定され、ノズル移動速度vは、機器データベース15aに蓄積された吹付ノズル5の回転移動速度と吹付ノズル5のスライド移動速度により決定される。
なお、本例では、機器データベース15aのポンプ吐出量については、打設中に稼動しているポンプからのポンプ吐出量(ピストンの往復回数)のデータ、吹付ノズル5の移動速度及び方向については、カメラからの映像データにてリアルタイム(0.1sec)毎に更新されたものを用いている。上記のデータは、切羽管理レーザシステム10Bにより更新されて、記憶手段15に送られるが、切羽管理レーザシステム10Bから直接データを取得してもよい。
The sprayed-thickness estimation means 14 uses the
The
The estimated cone vertex offset h N [mm] and the assumed concrete discharge amount V C of the
In addition, in this example, regarding the pump discharge amount of the
吹付け厚さ推定手段14では、吹付距離算出手段13で算出された、吹付距離hk[mm]と、吹付形状データベース15に蓄積された吹付ノズル5から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Cのパラメータである推定円錐頂点オフセットhNとから、吹付形状である推定円錐Cの頂点Tの位置と吹付対象面Sとの距離である円錐高さhCを算出する。
図7(a)に示すように、hC=hk+hNである。
また、円錐の底面SCの直径Wk[mm]は、円錐高さhCと推定円錐形状噴射角度θN[deg]とから、Wk=2hC・tanθNにより算出される。この推定円錐形状噴射角度θNは、円錐を頂点Tを通り底面に垂直な面で切ってできる二等辺三角形の頂角の半分の角度である。
ここで、ノズル移動速度をv、吹付コンクリートの平均吹付け厚さをHkとすると、コンクリートの吹付量Vkは、下記の式で近似できる。
Vk=v・Wk・Hk
また、想定コンクリート吐出量をVC、コンクリート跳ね返り率をaとすると、Vk=a・VCなので、吹付コンクリートの平均吹付け厚さHkは、以下の式で算出できる。
Hk=(a・VC )/(v・2hC・tanθN)
吹付形状モデル5Mは、0.1sec毎のモデルなので、平均吹付け厚さHkの単位は[mm/0.1sec]となる。
The spraying thickness estimating means 14 is a spraying distance h k [mm] calculated by the spraying distance calculating means 13 and a spraying model of spraying concrete sprayed from the spraying
As shown in FIG. 7A, h C =h k +h N.
Further, the diameter W k [mm] of the bottom surface S C of the cone is calculated by W k =2h C· tan θ N from the cone height h C and the estimated cone shape injection angle θ N [deg]. The estimated cone-shaped injection angle θ N is half the apex angle of an isosceles triangle formed by cutting a cone along a plane that passes through the vertex T and is perpendicular to the bottom surface.
Here, when the nozzle moving speed is v and the average spray thickness of sprayed concrete is H k , the spray amount V k of concrete can be approximated by the following formula.
V k =v·W k ·H k
Further, assuming that the assumed concrete discharge amount is V C and the concrete rebound rate is a, since V k =a·V C , the average shot thickness H k of shot concrete can be calculated by the following formula.
H k =(a·V C )/(v·2h C· tan θ N )
Since the
吹付形状モデル5Mとしては、通常は、図7(b)に示すような、吹付角度αが90°の場合が用いられるが、図7(c)に示すような、吹付角度αが90°でないモデルを用いることができる。この場合には、吹付領域の形状は円ではなく、円錐Cを、トンネル壁面32のコンクリート吹付位置Gにおける接平面で切った楕円となるので、吹付コンクリートの吹付幅Wαkは、図7(b)の吹付幅Wkよりも長くなり、逆に、平均吹付け厚さHαkは図7(b)の平均吹付け厚さHkよりも薄くなる。
As the spraying
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is apparent to those skilled in the art that various modifications and improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
例えば、前記実施の形態では、ノズル側レーザ装置L1の照射部Gと、ノズル位置に配置された標定点Aの3次元座標とから、吹付ノズル5の開口部と吹付対象面であるトンネル壁面32との距離hkを算出したが、図8(a),(b)に示すように、吹付ノズル5(5p,5q)の先端部と根元部とに、それぞれ、標定点ラベルA1,A2を設置して、吹付ノズル5の先端部と根元部の3次元座標をステレオ画像から算出するとともに、吹付ノズルの先端部と根元部の3次元座標と、設計掘削断面形状の3次元座標のデータ、もしくは、実測断面形状の3次元座標のデータとから、吹付ノズル5の開口部とトンネル壁面32との距離hkを算出するようにしてもよい。なお、先端部と根元部の位置、すなわち、標定点ラベルA1,A2の設定位置は、吹付ノズル5の軸方向に平行な直線上にあることはいうまでもない。
具体的には、まず、吹付ノズル5の先端側と根元側の3次元座標から、吹付ノズル5の軸方向である吹付ノズル5の傾きを算出する。吹付ノズル5の軸方向がコンクリートの吹付方向となるので、この吹付ノズル5の軸方向の延長方向とトンネル壁面32とが交わる点がコンクリートの吹付位置Gとなる。
コンクリートの吹付位置Gの3次元座標は、吹付ノズル5の先端側と根元側とを通る直線とトンネル壁面32との交点の座標で、トンネル壁面32を表す曲面は、トンネルパターンデータベース15dに保存されているので、コンクリートの吹付位置Gについても、吹付ノズル5の先端側と根元側の3次元座標から求めることができる。
したがって、吹付ノズル5の先端側と根元側の3次元座標と、コンクリートの吹付位置Gとから、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面32とのなす角度である吹付角度αを算出することができる。
同図に示すように、吹付角度αは、吹付ノズル5(5p,5q)の長さ方向と、コンクリート吹付位置Gにおけるトンネル壁面32の接平面SG(以下、トンネル壁面32という場合もある)との成す角度に等しい。すなわち、吹付ノズル5pのように、吹付位置Gとトンネル壁面32とのなす角度である吹付角度αが90°であれば、トンネル壁面32に垂直にコンクリートを吹付けることができる。一方、吹付ノズル5qのように、吹付角度αが90°でない場合には、トンネル壁面32に垂直にコンクリートを吹付けることができない。
なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Gとを通る接線LGとのなす角度としても求められる。接平面SGと接線LGについても、上記のトンネルパターンデータベース15dに保存されている設計掘削断面形状XYZ、もしくは、実測断面形状X’Y’Z’のデータから求めることができる。
For example, in the above-described embodiment, the opening of the
Specifically, first, the inclination of the
The three-dimensional coordinates of the spraying position G of concrete are the coordinates of the intersection of the straight line passing through the tip side and the root side of the
Therefore, the spray angle α, which is the angle formed by the concrete spray direction and the
As shown in the figure, the spray angle α is defined by the length direction of the spray nozzle 5 (5p, 5q) and the tangent plane S G of the
The spray angle α can also be obtained as an angle formed by the spray direction of concrete and a tangent line L G passing through the spray position G. For tangential plane S G and the tangent L G also said
また、前記実施の形態では、0.1sec当たり吹付コンクリートの平均吹付け厚さHkを算出するための吹付形状モデル5Mを作成したが、吹付形状モデル5Mとしては、必ずしも「0.1sec当たり」に限定されるものではなく、カメラの撮影間隔やシステムのデータ処理能力により、適宜設定されることはいうまでもない。
なお、ノズル移動速度vを0.1sec当たりの移動速度から、異なる時間間隔当たりの移動速度v’に変更する場合には、想定コンクリート吐出量VCについても、変更されたノズル移動速度v’に応じて変更することが好ましい。
また、前記実施の形態では、コンクリートの吹付対象面をトンネル壁面32としたが、これに限るものではなく、例えば、法面など、他の吹付対象面であってもよい。
また、前記実施の形態では、ステレオ撮影する10台のカメラの映像から吹付位置とノズル位置とを算出したが、少なくとも1対のカメラがあれば、吹付位置とノズル位置とを求めることができる。
また、カメラの配置としては、少なくとも、バケットブーム22側、本体20側、及び、エレクタブーム側に、それぞれ、2台ずつ配置すれば、標定点ラベルA〜C、及び、照射部Gがよく映っている2台以上のカメラの画像が得られるので、好ましい。
また、前記実施の形態では、バケットブーム22のバケット22bにカメラC11,C12を、吹付機2の本体20にカメラC21〜C24を、エレクタブーム23にカメラC31〜C34をそれぞれ配置する構成としたが、吹付機2が、バケットブーム22、エレクタブーム23を搭載していない場合には、カメラC11,C12、及び、カメラC31〜C34、もしくは、その一部を、本体以外の場所、例えば、地面に立設された三脚上などに設置してもよい。
Further, in the above embodiment, the spraying
When the nozzle moving speed v is changed from the moving speed per 0.1 sec to the moving speed v′ per different time interval, the assumed concrete discharge amount V C is also changed according to the changed nozzle moving speed v′. It is preferable to change it.
Further, in the above-described embodiment, the surface to be sprayed of concrete is the
Further, in the above-described embodiment, the spray position and the nozzle position are calculated from the images of the ten cameras that perform stereo photography, but if there is at least one pair of cameras, the spray position and the nozzle position can be obtained.
As for the arrangement of the cameras, if at least two cameras are arranged on the
In the above-described embodiment, the cameras C11 and C12 are arranged in the
1 吹付け厚さ推定装置、
10 遠隔操作室、10A 吹付機制御装置、10B 切羽管理レーザシステム、
11 吹付位置算出手段、12 ノズル位置算出手段、13 吹付距離算出手段、
14 吹付け厚さ推定手段、15 記憶手段、
2 吹付機、20 吹付機本体、21 吹付ロボット、22 バケットブーム、
22b バケット、23 エレクタブーム、
3 トンネル、4 トータルステーション、5 吹付ノズル、
C11,C12 バケット側カメラ、C21〜C24 本体側カメラ、
C31〜C34 エレクタ側カメラ、L1 ノズル側レーザ装置、
L2 切羽管理レーザ装置、L3 レーザ距離計。
1 Spraying thickness estimation device,
10 Remote control room, 10A Sprayer control device, 10B Face management laser system,
11 spray position calculation means, 12 nozzle position calculation means, 13 spray distance calculation means,
14 spray thickness estimation means, 15 storage means,
2 spraying machine, 20 spraying machine main body, 21 spraying robot, 22 bucket boom,
22b bucket, 23 erector boom,
3 tunnels, 4 total stations, 5 spray nozzles,
C11, C12 bucket side camera, C21 to C24 main body side camera,
C31 to C34 erector side camera, L1 nozzle side laser device,
L2 face management laser device, L3 laser range finder.
Claims (4)
前記吹付ノズルから前記吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルと、
前記噴射モデルを用いて、前記吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付け厚さを推定する吹付け厚さ推定手段とを備えることを特徴とする吹付け厚さ推定装置。 A device for estimating a spraying thickness, which is the thickness of concrete sprayed on a spraying target surface, from a spraying nozzle mounted on a nozzle boom of a concrete spraying machine,
The shape of the concrete sprayed from the spray nozzle to the spray target surface, having a vertex inside the spray nozzle, and a conical injection model that passes through the opening of the nozzle,
A spraying thickness estimating device for estimating a spraying thickness which is a thickness of concrete sprayed on the spraying target surface using the spraying model, and a spraying thickness estimating device.
前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率とを保存する記憶手段とを備え、
前記吹付け厚さ推定手段は、
前記算出された吹付距離、前記記憶手段に保存された吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて、前記吹付け厚さを推定することを特徴とする請求項1に記載の吹付け厚さ推定装置。 A spray distance calculating means for calculating the distance between the position of the opening and the surface to be sprayed;
A storage means for storing the concrete pressure-feeding amount injected from the spray nozzle, the moving speed of the nozzle, and the bounce rate;
The spray thickness estimation means,
Using the calculated spraying distance, the concrete pumping amount sprayed from the spraying nozzle stored in the storage means, the moving speed of the nozzle, and the rebound rate, and the spraying model, the spraying thickness, The spraying thickness estimation device according to claim 1, wherein the estimation is performed.
前記吹付ノズルの先端部と根元部とを含む、前記吹付ノズルの先端部と根元部との間の所定の位置であるノズル位置に配置される標定点となるマークと、
前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、
前記複数台のカメラのうちの少なくとも2台のカメラでステレオ撮影された、前記レーザ光の前記吹付対象面への照射部を含む画像から、前記照射部の3次元座標を算出する照射位置算出手段と、
前記複数台のカメラのうちの2台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記ノズル位置の3次元座標を算出するノズル位置算出手段とを備えるとともに、
前記吹付距離算出手段は、
前記照射部の3次元座標と前記ノズル位置の3次元座標とから、前記開口部と前記吹付対象面との距離を算出することを特徴とする請求項2に記載の吹付け厚さ推定装置。 A laser device which is attached to the spray nozzle and irradiates laser light in the spray direction of the concrete of the spray nozzle,
Including a tip portion and a root portion of the spray nozzle, a mark serving as a control point arranged at a nozzle position which is a predetermined position between the tip portion and the root portion of the spray nozzle,
A plurality of cameras attached to the concrete spraying machine,
Irradiation position calculation means for calculating three-dimensional coordinates of the irradiation unit from an image including the irradiation unit of the laser light onto the surface to be sprayed, which is stereo-photographed by at least two cameras of the plurality of cameras. When,
Nozzle position calculating means for calculating three-dimensional coordinates of the nozzle position from an image including the mark, which is stereo-photographed by two or more cameras of the plurality of cameras,
The spray distance calculating means,
The spraying thickness estimation device according to claim 2, wherein the distance between the opening and the surface to be sprayed is calculated from the three-dimensional coordinates of the irradiation unit and the three-dimensional coordinates of the nozzle position.
前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、
前記複数台のカメラのうちの2台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記先端部と根元部の3次元座標を算出するノズル位置算出手段と、
予め作成しておいた設計図面の吹付対象面の3次元座標のデータ、もしくは、予めコンクリートの吹付前に測量した吹付対象面の3次元座標のデータを記憶する記憶手段とを備えるとともに、
前記吹付距離算出手段は、
前記吹付ノズルの先端部の3次元座標と前記吹付ノズルの根元部の3次元座標と、前記吹付対象面の3次元座標のデータとから、前記開口部と前記吹付対象面との距離を算出することを特徴とする請求項2に記載の吹付け厚さ推定装置。 A mark serving as a control point arranged at the tip and the root of the spray nozzle,
A plurality of cameras attached to the concrete spraying machine,
Nozzle position calculating means for calculating three-dimensional coordinates of the tip and the root from an image including the mark, which is stereo-photographed by two or more cameras of the plurality of cameras,
In addition to the storage means for storing the data of the three-dimensional coordinates of the spray target surface of the design drawing created in advance or the data of the three-dimensional coordinate of the spray target surface measured in advance before spraying concrete,
The spray distance calculating means,
The distance between the opening and the spray target surface is calculated from the three-dimensional coordinates of the tip of the spray nozzle, the three-dimensional coordinates of the root of the spray nozzle, and the data of the three-dimensional coordinates of the spray target surface. The spray thickness estimation device according to claim 2, wherein
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