JP2022175245A - 自発光マーカを使用したロックボルト孔削孔システム - Google Patents

Abstract

【課題】パターン図に基づいて正確にロックボルト孔を削孔すべくドリルジャンボマシンのガイドセル先端に有する切削刃を稼働させることが出来、ロックボルト孔の深さ、削孔位置、向きなどを考慮して制御することが出来、特に視界の悪化しているトンネル内にあっても切削刃の認識が正確に行えて確実なロックボルト孔削孔が出来る自発光マーカを使用したロックボルト孔削孔システムを提供する。【解決手段】軸方向に揺動する棒状の切削刃５つき削岩機６をガイドするガイドセル４と、前記切削刃５つき削岩機６の設置位置の近傍位置に２個取り付けられた自発光マーカ９と、前記自発光マーカ９からの光を取得する複数の近赤外線カメラ１０と、前記複数の近赤外線カメラ１０が取得した光から前記２つの自発光マーカ９の座標位置を計測する手段と、計測した２つの自発光マーカ９の座標位置を削岩機６の軸芯位置及び切削刃の中心位置に補正する補正手段とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばドリルジャンボマシンと称されるトンネル掘削装置に取り付けられ、揺動自在なブーム（揺動杆）を介して先端に削岩機の切削刃が取り付けられたガイドセルの切削刃稼働位置をリアルタイムに追跡し、表示できて操作者がロックボルト孔削孔作業状況を容易に認識できると共に、ロックボルト孔削孔作業稼働中のガイドセルの切削刃位置や切削刃姿勢を例えば、ＰＣの記憶媒体に保存でき、もって、トンネルの内周面に対して適切なロックボルト孔の削孔作業が行えると共に、これらの削孔作業を連続的に記録し、保存出来て次の削孔作業にも活用しうる削孔システムに係り、特に粉塵や水滴などにより視界の悪化しているトンネル内で、しかも複数のガイドセル先端側に取り付けられたマーカの認識についても容易に行え、もってガイドセル先端部における切削刃の位置認識が正確にできて確実なトンネル内におけるロックボルト孔の削孔が行える自発光マーカを使用した自発光マーカを使用したロックボルト孔削孔システムに関するものである。

従来より、トンネル形成に際しては、例えば、トンネル切羽面に対して装藥孔の削孔作業を行い、該装薬孔に装藥して発破し、トンネルを形成するトンネル工事装置の使用が一般に知られている。
前記トンネル工事装置は、一般にドリルジャンボマシンと称されているが、トンネルの切羽面に対し、正確できれいな発破が行える様、装藥孔の削孔を行うには、前記トンネルの切羽面における地盤粘度や地質などを考慮して、ドリルジャンボマシンが複数箇所における装薬孔の削孔を行っていた。

ここで、例えば、山岳トンネルでは掘削後のトンネル掘削面を保持・補強しなければならず、その方法として、ロックボルト工法が採用されている。
ロックボルトは鉄製の棒状をなし、トンネルの形状や地山の強度によって長さが使い分けられ、短い物で２ｍ、長い物で６ｍある。そして、トンネルの内周面からロックボルト打設用の削孔をドリルジャンボマシンを用いて行い、その後、削孔した孔に人力によってロックボルトを挿入していた。
上記ロックボルト打設位置は予め計画されて設定されており、なるべく正しい位置や角度に打設することによって、よりトンネル掘削面を保持・補強の効果が高められる。

したがって、ロックボルト打設孔の削孔は正確さが求められるが、従来では作業者が事前に計測を行い、正しい削孔位置をマーキングし、オペレーターはマーキングされた場所を、削孔開始位置の目印としてロックボルト孔の削孔を行っていた。しかしながら上記手法では、事前に計測を行うマーキング作業に時間が費やされるほか、マーキングされた位置は削孔開始位置の目印とはなるが、適切な削孔角度（向き）の目標がない為、この適切な削孔角度（向き）の決定判断についてはオペレーター技量に左右されているのが現実であった。

すなわち、トンネルの内周面において決められた位置に所定の間隔をあけて複数箇所のロックボルト孔を削孔しなければならないが、ロックボルト孔の削孔位置のみならずロックボルト孔の傾き、あるいは深さなどを考慮した上で、従来は熟練者の技に頼ってロックボルト孔の削孔作業が行われてきたのである。

しかし熟練技術をもつ熟練者の技に大部分は頼らなければならないとの削孔作業は前近代的であり、専用の装置を使用し短時間の作業で正確なロックボルト孔の削孔作業が行えるロックボルト孔削孔システムの提案が要請されていた。

特開昭５８－１６８７９０号公報

かくして、本発明は前記従来の課題を解決するために創案されたものであり、ロックボルト孔削孔箇所であるトンネルの内周面に対して、前記ロックボルト孔の削孔位置のみならずロックボルト孔の傾き、あるいは深さなどを考慮した所定のロックボルト孔削孔パターン図を予め用意し、この削孔パターン図に基づき、ロックボルト孔の削孔を行うものである。

すなわち、あらかじめ設定したロックボルト孔削孔パターン図に基づいて正確にロックボルト孔を削孔すべくドリルジャンボマシンのガイドセル先端に有する切削刃を稼働させることが出来、もってロックボルト孔の深さ、あるいはロックボルト孔の削孔位置、あるいはロックボルト孔の向きなど、各々異なっていても、それらを考慮して制御することが出来、もって従来のように熟練者の技に頼らずに正確なロックボルト孔を削孔できるロックボルト孔削孔システムを提供すること、特に水滴の存在や粉塵などにより視界の悪化しているトンネル内にあっても複数のガイドセル先端側に取り付けられたマーカの認識を誤認することなく容易に行え、もってガイドセル先端にある切削刃の認識が正確に行えて確実なロックボルト孔削孔が出来る自発光マーカを使用したロックボルト孔削孔システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、
車両本体から揺動可能に突設され、軸方向に揺動する棒状の切削刃つき削岩機をガイドするガイドセルと、
該ガイドセルの長手方向で、前記切削刃つき削岩機の設置位置の近傍位置に間隔をあけて２個取り付けられた自発光マーカと、
前記自発光マーカからの光を取得する複数の近赤外線カメラと、
前記複数の近赤外線カメラが取得した光から前記２つの自発光マーカの座標位置を計測する手段と、
前記２つの自発光マーカの取付位置と削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置間の距離を計測し、該距離を補正係数にして、計測した２つの自発光マーカの座標位置を削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置に補正する補正手段と、を有し、
あらかじめ削孔データが表示された削孔計画図と前記座標認識された切削刃とをディスプレイ上に表示させ、切削刃による削孔作業が前記削孔計画図に沿って行える、
ことを特徴とし、
または、
車両本体から揺動可能に突設され、軸方向に揺動する棒状の切削刃つき削岩機をガイドするガイドセルと、
該ガイドセルの長手方向で、前記切削刃つき削岩機の設置位置の近傍位置に間隔をあけて３個以上取り付けられた自発光マーカと、
前記３個以上取り付けられた自発光マーカからの光を取得する複数の近赤外線カメラと、
前記複数の近赤外線カメラが取得した光から前記３個以上取り付けられた自発光マーカの座標位置を計測する手段と、
３個以上取り付けられた自発光マーカの取付位置と削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置間の距離を計測し、該距離を補正係数にして、計測した３個以上取り付けられた自発光マーカの座標位置を削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置に補正する補正手段と、を有し、
あらかじめ削孔データが表示された削孔計画図と前記座標認識された切削刃とをディスプレイ上に表示させ、切削刃による削孔作業が前記削孔計画図に沿って行える、
ことを特徴とし、
または、
車両本体から揺動可能に突設されたブームに取り付けられ、軸方向に揺動する棒状の切削刃つき削岩機をガイドするガイドセルと、
該ガイドセルの長手方向で、前記切削刃つき削岩機の設置位置の近傍位置に間隔をあけて複数個取り付けられた点滅型の自発光マーカと、
前記点滅型の自発光マーカからの点滅する光を取得する複数の近赤外線カメラと、
前記複数の近赤外線カメラが取得した点滅する光から前記複数個取り付けられた点滅型の自発光マーカの座標位置を計測する手段と、を有し、
複数の点滅型の自発光マーカからの点滅する光は、異なる信号周期による点滅周期が与えられ、該信号周期の違いによりいずれのブームのガイドセルに取りつけられた点滅型の自発光マーカかが各々認識でき、
あらかじめ削孔データが表示された削孔計画図と前記座標認識された切削刃とをディスプレイ上に表示させ、切削刃による削孔作業が前記削孔計画図に沿って行える、
ことを特徴とし、
または、
前記点滅型の自発光マーカからの点滅する光は、増幅回路により光の輝度を増幅出来る、
ことを特徴とし、
または、
前記ガイドセルは、車両本体から複数本揺動可能に突設され、前記自発光マーカはそれぞれのガイドセルに取り付けられた、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、あらかじめ設定したロックボルト孔削孔パターン図に基づいて正確にロックボルト孔を削孔すべくドリルジャンボマシンのガイドセル先端に有する切削刃を稼働させることが出来、もってロックボルト孔の深さ、あるいはロックボルト孔の削孔位置、あるいはロックボルト孔の向きなど、各々異なっていても、それらを考慮して制御することが出来、もって従来のように熟練者の技に頼らずに正確なロックボルト孔を削孔できるロックボルト孔削孔システムを提供すること、特に水滴の存在や粉塵などにより視界の悪化しているトンネル内にあっても複数のガイドセル先端側に取り付けられたマーカの認識を誤認することなく容易に行え、もってガイドセル先端にある切削刃の認識が正確に行えて確実なロックボルト孔削孔が出来る自発光マーカを使用したロックボルト孔削孔システムが提供出来るとの優れた効果を奏する。

本発明によるドリルジャンボマシンの構成を説明する説明図である。 トンネルの内周面から削孔するロックボルト孔の削孔位置、削孔の傾き、削孔の距離を正面図として表し説明するロックボルト孔削孔計画図の説明図である。 図２のロックボルト孔削孔計画図からロックボルトの座標を算出する説明図である。 ディスプレイ上に描画されたロックボルト打設位置を説明する説明図である。 ディスプレイ上に描画されたロックボルト打設位置を確認してロックボルト孔を削孔する誘導状態を説明する説明図（１）である。 ディスプレイ上に描画されたロックボルト打設位置を確認してロックボルト孔を削孔する誘導状態を説明する説明図（２）である。 ディスプレイ上に描画されたロックボルト打設位置を確認してロックボルト孔を削孔する誘導状態を説明する説明図（３）である。 ディスプレイ上に描画されたロックボルト打設位置を確認してロックボルト孔を削孔する誘導状態を説明する説明図（４）である。 ディスプレイ上に描画されたロックボルト打設位置を確認してロックボルト孔を削孔する誘導状態を説明する説明図（５）である。 ＰＣの構成と通信状態を説明する説明図である。 演算制御部の構成を説明する説明図である。 自発光マーカ中心部と切削刃中心部までの距離をオフ設置距離として説明する説明図（１）である。 自発光マーカ中心部と切削刃中心部までの距離をオフ設置距離として説明する説明図（２）である。 自発光マーカ中心部と切削刃中心部までの距離をオフ設置距離として説明する説明図（３）である。 自発光マーカ中心部と切削刃中心部までの距離をオフ設置距離として説明する説明図（４）である。 自発光マーカ中心部と切削刃中心部までの距離をオフ設置距離として説明する説明図（５）である。 自発光マーカ中心部と切削刃中心部までの距離をオフ設置距離として説明する説明図（６）である。 ＰＣとサーバコンピュータとの通信状態を説明する説明図である。

図１に本発明の削孔システムに使用するドリルジャンボマシン１の構成を示す。
該ドリルジャンボマシン１は、車両本体２と、この車両本体２の前方から突設されたブーム３と該ブーム３に接続されたガイドセル４とその先端から突出揺動する切削刃５と該切削刃５と削岩機６の駆動部とを連結するロッド２６を備えた削岩機６を有して構成されている。なお、ロッド２６は状況に応じて長さの異なるものが取り付けられるよう構成されている。

ここで、図示するように、長尺棒状をなすブーム３は、車両本体２の前方から揺動可能にして動作できるよう取り付けられている。すなわち、ブーム３は、上下、左右など広角度に自在に揺動できる様油圧シリンダなどの揺動部材が用いられて構成されている。そして、ブーム３の先端側に接続された直線状のガイドセル４についても前記ブーム３の揺動に伴って、またガイドセル４自体も広角に揺動するよう油圧シリンダなどの揺動部材が用いられて構成されている。

該ガイドセル４は、先端に切削刃５を備えた直線棒状の削岩機６の前後方向の突出揺動をガイドするための部材であり、該ガイドセル４の先端側で例えばビット状をなす削岩機６の切削刃５が突出揺動してトンネル内周面を削孔しロックボルト孔７が形成されるものとなる。
すなわち、稼働制御された削岩機６の切削刃５によりトンネルの内周面に対し、所定の位置、所定の角度、かつ所定の深さでロックボルト孔７の削孔が行えるよう構成される。

ところで、ブーム３については、車両本体２に複数本取り付けられている場合もあり、その場合、各ブーム３の各先端側において各々ガイドセル４が取り付けられ、該各々のガイドセル４についても、それらガイドセル４の先端側にビット状をなす削岩機６の切削刃５が突出揺動して削孔するよう取り付けられる。

なお、ガイドセル４の例えば先端側側面からは自発光マーカ９が複数個突設され、該複数個の自発光マーカ９とこの自発光マーカ９から発光された光を認識する複数個の近赤外線カメラ１０により後述するモーションキャプチャ技術を応用したソフトウェアの測定データ、すなわち前記複数個の自発光マーカ９の座標位置が計測されるものとなっている。

そしてこの測定データを用いてガイドセル４を通過する削岩機６や切削刃５の軸方向中心部につき、ガイドセル４の長手方向に間隔をおいて突設された自発光マーカ９について、その位置（座標）を認識すべくＰＣ１１の演算制御部１２で演算することで、ガイドセル４のリアルタイムでの可動範囲、すなわち削岩機６先端に有する切削刃５が削孔する位置や削孔する深さ及び削孔の向きなどの情報が取得出来るように構成されるものとなっている。

モーションキャプチャ用の近赤外線カメラ１０は、ドリルジャンボマシン１の例えば、操縦席上部に間隔をあけて複数個設置されており、ガイドセル４先端の稼働範囲を撮影範囲として撮影できるものとなっている。

ここで、前記近赤外線カメラ１０の設置位置及び設置画角の設定は、なるべく最小限のカメラ台数でガイドセル４の稼働を捉えるべく、例えば偶数台あるいは奇数台を組み合わせてそれを交差させる向きであるいは交差させない向きで設置することなどが考えられる。
そして、近赤外線カメラ１０は、自発光マーカ９が発光する近赤外線光を捉えるものとなる。

すなわち、近赤外線カメラ１０は、前記自発光マーカ９が発光する近赤外線光を捉え、これにより、例えば、ガイドセル４から突設された複数の自発光マーカ９の座標を認識することが出来、該座標認識のデータをＰＣ１１に送出し、ＰＣ１１では、前記演算制御部１２において、前記モーションキャプチャ技術を応用したソフトウェアを用いて認識した自発光マーカ９の位置から相対的にガイドセル４先端にある切削刃５の座標位置などを計算していくのである。

ここで、切削刃５自体に自発光マーカ９を取り付けることが出来れば、確実に切削刃５の先端位置などの座標認識が出来る。しかし切削刃５自体に自発光マーカ９を取り付けることは出来ない。削孔作業の邪魔になり、また削孔作業により破損するからである。そこで、本発明では、前述したように、切削刃５の近傍位置、すなわちガイドセル４の側面などに複数個の自発光マーカ９を設置し、切削刃５との距離をいわゆるオフセット補正できるようにして、切削刃５の座標位置を認識するものとしている。詳細は後述する。

本発明によるトンネル内周面へのロックボルト孔７の削孔作業につき説明する。
図２に示す様なトンネル内周面における例えばロックボルト１３の打設位置を示したロックボルト孔削孔計画図などの削孔計画図データを予め設定して用意しておく。図２はロックボルト１３の打設計画位置をトンネルの正面から見た正面図であり、例えばＣＡＤなどで描画形成したロックボルト打設計画図である。そして、前記図２のロックボルト孔削孔計画図からロックボルト座標位置を算出していく。すなわち、ロックボルト孔削孔計画図（例えばCAD図）からY座標、Z座標、のみ先離れ、表示角度を算出していく。

すると、図３に示す様に（１）のロックボルト１３の座標位置は、原点１４の位置からＹ座標は－４９１８mm、Z座標は１９７６mmと算出され、のみ先離れは、３０００mm、表示角度は－１１１°と算出される。また、（２）のロックボルト１３の座標位置は、原点１４の位置からＹ座標は－３９７８mm、Z座標は３５７２mm、のみ先離れは、３０００mm、表示角度は－１３１°と算出される。
さらに、（３）のロックボルト１３の座標位置は、原点１４の位置からＹ座標は２５８５mm、Z座標は４６２７mm、のみ先離れは、３０００mm、表示角度は１５０°と算出される。

なお、のみ先とは、トンネル地山の先端部にあたる削孔刃５の部分をいい、のみ先離れとは、削孔開始位置から削孔目標位置までの削孔刃５の離れ位置を、正面からみて２次元平面上で表した数値をいう。すなわち、図３において、（１）のロックボルト１３につき、３０００mmと記載されている数値がのみ先離れの数値となる。換言すれば削孔するロックボルト孔７の削孔深さを示しているといえる。

そして、上記算出された数値を基に例えば、CSVファイルを作成し、このCSVファイルのデータを描画アプリを用いてディスプレイ１５上に描画された図に上書きする操作を行う。これにより前記作業用のディスプレイ１５上にロックボルト打設位置が反映されるものとなる（図４参照）。
図４において丸部分１６は削孔を開始する位置を示しており、そこから延びる直線部分は削孔するロックボルト孔７の傾きと削孔深さを示したものである。

そして、作業用のディスプレイ１５上に表示されたロックボルト孔７の削孔計画図上において、リアルタイムに稼働するガイドセル４先端に有する切削刃５の稼働位置をあわせて表示できる様構成されている。
よって、この表示をディスプレイ１５上で確認し、操作者は、ガイドセル４を稼働させ、削岩機６の先端に有する切削刃５を操作してロックボルト孔７の削孔作業を行っていく。

なお、ロックボルト１３の打設削孔位置誘導についてであるが、例えば山岳トンネルでは掘削後のトンネル掘削面を保持・補強する方法として、ロックボルト工法が採用されていることはすでに述べた。ロックボルト１３は鉄製、棒状で、トンネルの形状や地山の強度によって長さが使い分けられ、短い物で２ｍ長い物で６ｍあると言われている。

ここで、ロックボルト１３打設用の削孔をドリルジャンボマシン１で行い、その後、削孔した孔に例えば人力にてロックボルト１３を挿入していくのである。

本発明では、前述のごとくロックボルト１３の打設位置は予め計画されてロックボルト孔削孔計画図が作成されており、このロックボルト孔削孔計画図を使用して正しい位置や向き（角度）に打設することによって、よりロックボルト１３の効果が発揮されることとなる。
したがって、ドリルジャンボマシン１で行うロックボルト１３打設孔の削孔は正確なのである。

本発明によるロックボルト孔７の削孔作業の手順は図５乃至図７に示すとおりである。
目標とする削孔位置にガイドセル４を合わせる作業を行う。図５，図６のように平面図上では奥行方向を合わせ、正面図では削孔開始位置と角度を合わせる。
図５乃至図９は白黒の図で示されているが、実際はカラーで表示されており、例えばディスプレイ１５上では、ロックボルト孔７の削孔計画位置は青色で示され、ガイドセル４の実際の方向は緑色で示してあり、色分け表示することでディスプレイ１５上で容易に認識でき、削孔作業がしやすいように構成されている。
そして、図７に示すように、ディスプレイ１５上の図を確認しながら所定の深さまでガイドセル４を押し込んで移動させ、削孔作業を行うのである。

ガイドセル４の位置と姿勢を削孔計画図における位置と姿勢に合わせて削孔作業を行うのであるが、本発明では、この削孔位置（削孔すべき穴位置と傾きと削孔深さ）を削孔計画図上に重ねて描画出来ると共に、前記削孔位置（削孔すべき穴位置と削孔深さ）を平面的に描画して表せることができるのである。
すなわち、ロックボルト孔７の削孔深さの描画方法は、直線の長さによって表すこととし、この直線の長さが削孔深さの長さとなっているのである。

次に、自発光マーカ９の構成につき説明する。
本発明では自ら光る自発光マーカ９を用い、ガイドセル４先端に位置する切削刃５の位置の常時検出ができる構成としたものである。

トンネル掘削時のトンネル内環境につき、現場によってはトンネル内部空間内に水滴や土埃などが多く浮遊していることがある。その場合、反射型のマーカを用いると、発光体より照射された光が反射型マーカに到達するまでに乱反射が起こる。すると、前記乱反射光により近赤外線カメラ１０はマーカ位置を正確に捉えることが出来なくなる場合がある。
また反射型マーカの反射光は、近赤外線カメラ１０で捉える時点で、輝度が低下して充分な精度が得られない。

そこで、本件発明者らはマーカ自体が近赤外光を発する自発光マーカ９を発明したものである。
本発明での自発光マーカ９は、反射型と比べ光の経路が半分で済むため、輝度の低下を抑えられる。特に、空間内に水滴などが存在して乱反射が起こる場合、近赤外線カメラ１０にはマーカが中心にぼやけて見えるため、半径が少し大きく検出されるが、依然マーカ中心位置を正確に検出することが可能なのである。なお、自発光マーカ９は取付位置付近に電源（例えば、充電式モバイルバッテリを使用する）があることが必要とされる。

従って、自発光マーカ９の近傍位置には、バッテリー１７などが納められたベースステーション１８が設けられる。そして、自発光マーカ９とバッテリー１７とは例えば有線で接続される（図１８参照）。

トンネル内周面へのロックボルト孔削孔作業に際しては、前述した様にこの自発光マーカ９を切削刃５近傍位置のガイドセル４の２カ所に間隔をあけて取り付ける（図１１など参照）。これにより確実な削孔作業が行えることとなる。

すなわち、削孔作業時において、複数の近赤外線カメラ１０によって少なくとも２カ所に取り付けられた自発光マーカ９の光を受光し、この受光した自発光マーカ９の相対位置からＰＣ１１にて前記自発光マーカ９の座標位置２点を計算する。
モーションキャプチャ技術には複数の手法が存在するが、本発明のモーションキャプチャ技術は光学式モーションキャプチャ技術である。

この光学式キャプチャ技術の基本的な仕組みとしては、対象物（ここでは切削刃５近傍位置のガイドセル４上）に自発光マーカ９につき間隔をあけて２カ所に設置し、前記自発光マーカ９により、例えば目に見えない近赤外線光（波長８５０ｎｍ程度）を発光させ、該光を複数の近赤外線カメラ１０により撮影するものである。

なお、前記２カ所に設置する自発光マーカ９は、削岩機６に取り付けられたロッド２６及び切削刃５の軸方向中心軸線と、なるべく近接する位置するよう設置するものとする。後述する回転誤差があっても、その影響を少なくすることが求められるからである。

上記のように２つの自発光マーカ９を設置すれば、削岩機６及び切削刃５、特に切削刃５の先端の座標位置を計測することが出来る。なお、前記したように自発光マーカ９の取付位置と切削刃５の軸方向中心線との距離が離れているが、該距離の長さをあらかじめ認識していわゆるオフセット補正するものとしてある。

前記近赤外線カメラ１０にて取得した画像はデータとしてＰＣ１１に転送され、該画像データはソフトウェア処理により、背景とマーカ光の輝度差を利用してマーカ部分の画像のみが抽出される。

そして、ＰＣ１１に取り込まれた画像において、例えば、画面上の左上隅を原点として、各自発光マーカ９の重心座標をピクセル単位で各々測定する。これにより各々の自発光マーカ９の座標位置がほぼ認識できる。

すなわち、複数台の近赤外線カメラ１０にて自発光マーカ９からの光を同時撮影することで、ステレオビジョンの要領で視差を基に深さ方向の距離が認識され、深さ方向の位置も計算することができる。
各々の自発光マーカ９の座標位置に前述のオフセット補正をすることにより、切削刃５の先端位置の座標位置が認識できるものとなる。

ここで、ＰＣ１１は、送信部２０、受信部２１、演算制御部１２、記憶部２２、入力部２３を有して構成されている。さらに、ディスプレイ１５と接続されており、ＰＣ１１の情報がディスプレイ１５上に表示できるものとなっている（図１０参照）。

さらに、ＰＣ１１はインターネット回線などの通信回線網２３を介して外部のサーバコンピュータ２４などと接続されており、該サーバコンピュータ２４は、ＰＣ１１の情報を受信し、該情報を記憶、保存できるものとなっている。
尚、演算制御部１２は、削孔計画図読み込み部３１、削孔計画図形成部３２、削孔位置等読み込み部３３、削孔位置等描画部３４を有している（図１１参照）。

よって、例えば、前記サーバコンピュータ２４から削孔計画図のデータをＰＣ１１が受信すると、演算制御部１２の削孔計画図読み込み部３１で読み込み、削孔計画図形成部３２で平面図が形成されて、ディスプレイ１５に表示される。

そして、操作者は、ガイドセル４を稼働操作し、ディスプレイ１５に表示された削孔位置等に基づいて削孔していく。すると、その削孔作業を削孔位置等読み込み部３３がリアルタイムに読み取って、削孔位置等描画部３４によって前記削孔計画図上に異なる色で描画し表示していくのである（図４乃至図７参照）。

そして、これらのデータはリアルタイムに記憶部２２に送出され、記憶部２２に保存される。また、保存されたデータは通信回線網２５を介してサーバコンピュータ２４へ送信され、そこで保存されると共に、記録として残すことが出来る。

ここで、本発明において自発光マーカ９を用いる手法は、ガイドセル４の長手方向に間隔をあけて２カ所に設置する場合につき説明した。
しかしながら、２カ所の設置であると、切削刃５が２つの自発光マーカ９の中心を結ぶ延長線を回転軸として回転したときの切削刃５の座標位置認識のずれを解決できない。

自発光マーカ９は切削刃５の軸方向中心線上に設置されたものではない。逆に、既に述べたように自発光マーカ９は切削刃５の軸方向中心線上に決して設置出来ない。切削刃５の稼働の邪魔になるからであり、仮に設置したとしても稼働作業により破壊されてしまうからである。

よって、自発光マーカ９の実際の設置位置から切削刃５の軸方向中心線までの距離を補正係数としてあらかじめオフセット認識して計測するのである。この自発光マーカ９の実際の設置位置から切削刃５の軸方向中心線までの距離を補正係数としての計測は、前記オフセット補正係数、すなわち自発光マーカ９の実際の設置位置から切削刃５の軸方向中心線までの距離データが演算制御部１２に入力されて行われる（図１２乃至図１４の「オフセット距離」を参照）。

ところが、自発光マーカ９の２カ所の設置であると、前記自発光マーカ９の延長線上を回転軸として前記オフセット補正の距離を半径にした円周上のいずれの位置に切削刃５が位置するか認識できずに切削刃５の位置認識にずれが生じてしまうのである。

すなわち、２つの自発光マーカ９のみを使用した場合、ガイドセル４の位置、切削刃５の位置は一意に決まらないことになる。なぜなら２つの自発光マーカ９の中心を通る直線を回転軸にして、切削刃５の中心と自発光マーカ９の設置位置との距離を半径とする円周上のどこかに目標座標があることになるからである（回転誤差）。

しかしながら、実際の削孔作業においては、ガイドセル４の姿勢はおおよそ一定の範囲でのみ動作するため前述の回転誤差は削孔作業において許容範囲内と考えることができ、前記２点の自発光マーカ９の設置での運用が可能になっている。従って、２つの自発光マーカ９は、なるべく切削刃５の軸方向中心に近い箇所に取り付けることが好ましいのである。

そこで、本件発明者らは、さらに削孔作業の正確性を期すべく、上記事態を解消すべく、自発光マーカ９を３カ所、あるいはそれ以上の箇所に設置する発明を創案した（図１５乃至図１７参照）。

まず、自発光マーカ９を取り付ける取付杆１９の各々の長さが異なるようにした３つの自発光マーカ９を使用し、これら３つの自発光マーカ９について間隔をあけてガイドセル４に取り付ける。
そして、前記した複数の近赤外線カメラ７で前記３つの自発光マーカ９を撮影し、モーションキャプチャによりこれら３つの自発光マーカ９の座標位置を測定する。

なお、前記測定に際しては自発光マーカ９の実際の設置位置から切削刃５の軸方向中心線までの距離をオフセット補正係数としてあらかじめ設定しておき、その上で演算制御部１２で計測することは、前述した２つ自発光マーカの場合と同様である。
すると、測定したそれぞれ３つの自発光マーカ９の座標位置からオフセット（補正係数）を考慮した目標座標が一意に計測することが出来るものとなる。

この場合であれば、自発光マーカ９の座標認識による目標座標が確実に認識でき、そのため前記した自発光マーカ９の２カ所設置による切削刃５の回転による位置認識のずれをも解消できる。従って、確実に削孔箇所に合致させられ、もって正確な削孔が出来る。なお、３つ以上自発光マーカ９を設置した場合でも同様の結果が得られる。

ここで、前記複数の近赤外線カメラ１０の設置位置及び設置画角の設定は、なるべく最小限のカメラ台数でブーム３及びガイドセル４の稼働を捉えるべく、例えば偶数台を各々交差させる向きであるいは交差させない向きで設置することなどが考えられる。
そして、複数の近赤外線カメラ１０は、自発光マーカ９から発光された近赤外線光を捉えるものとなる。

すなわち、近赤外線カメラ１０が前記近赤外線光を捉え、これにより、例えば、切削刃５近傍位置に取り付けられた自発光マーカ９の座標を認識することが出来、該座標認識のデータをＰＣ１１に送出し、ＰＣ１１では、前記演算制御部１２において、モーションキャプチャ技術を応用したソフトウェアを用いて自発光マーカ９の座標を認識する。そして、認識した座標から相対的に切削刃５の位置を計算し、順次計算される座標位置を認識しながら、切削刃５を稼働操作し、切削していくものとなる。

次に、所定間隔で点滅を繰り返す点滅型の自発光マーカ９を用いた構成について本件発明者らはさらに発明したので該新規発明の構成についても説明する。
なお、点滅型の自発光マーカ９をガイドセル４に取りつける個数については、２個でも構わないし、２個以上でも構わない。前述した自発光マーカ９の場合と同様である。

トンネル空間内に複数のマーカが取り付けられた対象物、すなわちブーム３及びガイドセル４が複数存在する場合でこれら複数のブーム３及びガイドセル４が交差したり回転等の動きがある場合、前記ブーム３及びガイドセル４のどの位置にどのマーカが取り付けられているか判別できなくなることがある（これはマーカ入替り現象と称されている）。

その場合、例えば、近赤外線カメラ１０のフレームレートを考慮した同期機能を持つ所定間隔で点滅を繰り返す点滅型の自発光マーカ９が効果を発揮するものとなる。本件発明者らは独自に本件発明に関するガイドセル４用に前記所定間隔で点滅を繰り返す点滅型の自発光マーカ９及び点滅型の自発光マーカ９の輝度などの増幅回路を含むハードウェアを発明した（図１８参照）。

各々の点滅型の自発光マーカ９の近傍位置にベースステーション１８が設けられており、該ベースステーション１８内には、例えばバッテリー１７、同期信号受信器４２、増幅回路４０などが収納されている。

また、ドリルジャンボマシン１側には同期信号送信器４１が設けられ、該同期信号送信器４１から各々の点滅型の自発光マーカ９側に同期信号が送信される。
そして、各々の点滅型の自発光マーカ９は、自己の同期信号を受信し、これにより独自の信号周期（点滅周期）による点滅が行えるのである。

そして、ＰＣ１１側では、各々の点滅型の自発光マーカ９についてそれぞれの信号周期で点滅することが認識できるものとなっており、それぞれの信号周期での点滅が、いわば各々の点滅型の自発光マーカ９のＩＤとなっているのである。よって、たとえ近赤外線カメラ１０によって捉えられた自発光マーカ９がいずれの位置に取り付けられた点滅型の自発光マーカ９から照射された光か目視などで判断ができない場合であっても、前記ＩＤを検索することでいずれのガイドセル４に取り付けられた点滅型の自発光マーカ９であるかが判断できるものとなる。

すなわち、本件発明者らが発明した点滅型の自発光マーカ９を用いることで、全ての点滅型の自発光マーカ９は異なる信号周期で点滅を繰り返す。従って、異なる信号周期で点滅を繰り返す点滅型の自発光マーカ９は、その異なる信号周期での点滅の違いがそれぞれのＩＤ となり、このＩＤを認識することによりいずれのガイドセル４のいずれの位置に取り付けられた点滅型の自発光マーカ９であるかが判別できるものとなる。

このように、検出された点滅型の自発光マーカ９がいずれの座標位置にある点滅型の自発光マーカ９であるかが一意に決まるため、マーカの入れ替わりを防ぐことが出来る。
さらに詳細に説明すると、まず、本件発明の点滅型の自発光マーカ９に、例えば異なったパルス波形のパルス信号、すなわち、異なる信号周期で点滅を繰り返すパルス信号を振り分ける。

これにより、それぞれの点滅型の自発光マーカ９は異なる信号周期で点滅を繰り返すことができる。しかも、前記異なった信号周期の点滅が点滅型の自発光マーカ９のそれぞれのＩＤになるのである。そのＩＤを有する点滅型の自発光マーカ９の取り付け位置をあらかじめ認識しておけば、たとえ、近赤外線カメラ１０でいずれかの点滅型の自発光マーカ９の取り付け位置が目視などで判断できなくなっても、前記ＩＤの違いにより点滅型の自発光マーカ９の取り付け位置が判断できることになるのである。

このように、点滅型の自発光マーカ９の全てに、例えば異なった信号周期の点滅をＩＤにして振り分け、次いでそのラベリングを行う。これによりすべての点滅型の自発光マーカ９の取り付け位置が認識できる。

ところで、点滅型の自発光マーカ９は、例えば取り付け位置近傍に設置されたバッテリーから電源供給を受け、それぞれの点滅型の自発光マーカ９を点滅させる。
この点滅に際しては、増幅回路４０によって点滅型の自発光マーカ９の光源であるＬＥＤの輝度を増幅させることもできる。この輝度向上により、さらに近赤外線カメラ１０からの認識度を向上させることができる。

図１２は本発明の本発明の構成を含んだシステム概要図であり、図６から理解されるように、それぞれの点滅型の自発光マーカ９の近傍位置には電源としてのバッテリー１７、ＬＥＤの輝度を増幅させる増幅回路４０及び同期信号送信器４１からの同期信号を受信する同期信号受信器４２が収納されたベースステーション１８が設置されている（図１８参照）。

そして、前記同期信号送信器４１と同期信号受信器４２との信号の送受信によっていずれの取り付け位置にある点滅型の自発光マーカ９かが認識できるものとなっている。

本発明の削孔システムは、前記したように、ドリルジャンボマシン１におけるガイドセル４先端側に取り付けられた切削刃５の稼働動作を、いわゆるモーションキャプチャ技術を用いて、まず第一に、リアルタイムに前記ガイドセル４先端側に取り付けられた切削刃５の稼働動作をドリルジャンボマシン１に搭載されたディスプレイ１５に表示出来、該ディスプレイ１５上の画像を確認しながら操作者がトンネル内周面に対する削孔作業が行える。さらに、第二に削孔作業を行っているトンネル内周面に対する大量のロックボルト孔７の削孔位置データについてリアルタイムにＰＣ１１等に記録、保存できるものとしている。

よって、ドリルジャンボマシン１の操作者は、前記リアルタイムで取得されたガイドセル４先端側に取り付けられた切削刃５の稼働動作をディスプレイ１５上に描画された映像で確認しながら削孔作業を行えるものとなる。よって、従来、目視で確認した削孔作業においては、死角が存在することがあったが、ディスプレイ１５上の確認作業に死角がほぼ存在することはないものとなった。

ここで、図２に内周面についての削孔計画図である正面図を示す。該正面図においては、ガイドセル４の代表２点から取得した座標をどのように描画するかも重要となる。
本発明では前述のごとく、前記図２のロックボルト打設計画図（例えばCAD図）からロックボルト座標位置を算出していくのである。すなわち、ロックボルト計画図からY座標、Z座標、のみ先離れ、表示角度を算出していくのである（図３参照）。

一方、記録、保存に関しては、自発光マーカ９の２点の座標の変化を例えば、１秒単位で記録することもできる。例えば、ＰＣ１１のハードドライブなど記憶部２１に例えばＣＳＶ形式にて保存できるのである。

なお、削孔時において、例えばガイドセル４に設けられた削孔距離測定部を構成する油圧シリンダの油圧データ（例えばガイドセル４や削岩機の揺動部材４として使用される油圧シリンダの油圧流量変化量）などをドリルジャンボマシン１（建機）から取得してＰＣ１１に転送することで、各ロックボルト孔の削孔距離を前記記憶部２１に追加して保存することも出来る。この様に、削孔長さを表すのみ先離れの距離などについて別途前記の様に油圧データなどを介して計測することも出来る。

以上において、本発明による使用状態の概略を説明する。
トンネルの内周面に対し、ドリルジャンボマシン１のガイドセル４を対向させて設置させる。所定の内周面に対し、削孔計画図が用意されている場合、該削孔計画図をディスプレイ１５に写し出す。

そして、該削孔計画図に描画された削孔位置、削孔の傾き、削孔長（のみ先離れの距離）に従ってガイドセル４を稼働させる。すなわち、ガイドセル４の操作者はディスプレイ１５上でリアルタイムにガイドセル４先端側に取り付けられた切削刃５の稼働動作を確認出来、その稼働動作を確認しながらロックボルト孔の削孔が行える。

ここで、ＰＣ１１には、図１０に示す様に、送信部２０、受信部２１、演算制御部１２、記憶部２２、入力部２３を有して構成されている。さらに、ディスプレイ１５と接続されており、ＰＣ１１の情報がディスプレイ１５上に表示できるものとなっている。

さらに、ＰＣ１１はインターネット回線などの通信回線網２３を介して外部のサーバコンピュータ２４などと接続されており、該サーバコンピュータ２４は、ＰＣ１１の情報を受信し、該情報を記憶、保存できるものとなっている。
尚、演算制御部１２は、削孔計画図読み込み部３１、削孔計画図形成部３２、削孔位置等読み込み部３３、削孔位置等描画部３４を有している。

よって、例えば、前記サーバコンピュータ２４から削孔計画図のデータをＰＣ１１が受信すると、演算制御部１２の削孔計画図読み込み部３１で読み込み、削孔計画図形成部３２でトンネルの正面図が形成されて、ディスプレイ１５に表示される。

操作者は、ガイドセル４を稼働操作し、ディスプレイ１５に表示された削孔位置等に基づいて削孔していく。すると、その削孔作業を削孔位置等読み込み部３３がリアルタイムに読み取って、削孔位置等描画部３４によって前記削孔計画図上に異なる色で描画し表示していくのである。

そして、これらのデータはリアルタイムに記憶部２１に送出され、記憶部２１に保存される。また、保存されたデータは通信回線網２３を介してサーバコンピュータ２４へ送信され、そこで保存されると共に、記録として残すことが出来る。

１ ドリルジャンボマシン
２ 車両本体
３ ブーム
４ ガイドセル
５ 切削刃
６ 削岩機
７ ロックボルト孔
８ ガイド部材
９ 自発光マーカ
１０ 近赤外線カメラ
１１ ＰＣ
１２ 演算制御部
１４ 原点
１５ ディスプレイ
１６ 丸部分
１７ バッテリー
１８ ベースステーション
１９ 取付杆
２０ 送信部
２１ 受信部
２２ 記憶部
２３ 入力部
２４ サーバコンピュータ
２５ 通信回線網
２６ ロッド
３１ 削孔計画図読み込み部
３２ 削孔計画図形成部
３３ 削孔位置等読み込み部
３４ 削孔位置等描画部
４０ 増幅回路
４１ 同期信号送信器
４２ 同期信号受信器

Claims (5)

1. 車両本体から揺動可能に突設され、軸方向に揺動する棒状の切削刃つき削岩機をガイドするガイドセルと、
   該ガイドセルの長手方向で、前記切削刃つき削岩機の設置位置の近傍位置に間隔をあけて２個取り付けられた自発光マーカと、
   前記自発光マーカからの光を取得する複数の近赤外線カメラと、
   前記複数の近赤外線カメラが取得した光から前記２つの自発光マーカの座標位置を計測する手段と、
   前記２つの自発光マーカの取付位置と削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置間の距離を計測し、該距離を補正係数にして、計測した２つの自発光マーカの座標位置を削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置に補正する補正手段と、を有し、
   あらかじめ削孔データが表示された削孔計画図と前記座標認識された切削刃とをディスプレイ上に表示させ、切削刃による削孔作業が前記削孔計画図に沿って行える、
   ことを特徴とする自発光マーカを使用した削孔システム
   
2. 車両本体から揺動可能に突設され、軸方向に揺動する棒状の切削刃つき削岩機をガイドするガイドセルと、
   該ガイドセルの長手方向で、前記切削刃つき削岩機の設置位置の近傍位置に間隔をあけて３個以上取り付けられた自発光マーカと、
   前記３個以上取り付けられた自発光マーカからの光を取得する複数の近赤外線カメラと、
   前記複数の近赤外線カメラが取得した光から前記３個以上取り付けられた自発光マーカの座標位置を計測する手段と、
   ３個以上取り付けられた自発光マーカの取付位置と削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置間の距離を計測し、該距離を補正係数にして、計測した３個以上取り付けられた自発光マーカの座標位置を削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置に補正する補正手段と、を有し、
   あらかじめ削孔データが表示された削孔計画図と前記座標認識された切削刃とをディスプレイ上に表示させ、切削刃による削孔作業が前記削孔計画図に沿って行える、
   ことを特徴とする自発光マーカを使用した削孔システム
   
3. 車両本体から揺動可能に突設されたブームに取り付けられ、軸方向に揺動する棒状の切削刃つき削岩機をガイドするガイドセルと、
   該ガイドセルの長手方向で、前記切削刃つき削岩機の設置位置の近傍位置に間隔をあけて複数個取り付けられた点滅型の自発光マーカと、
   前記点滅型の自発光マーカからの点滅する光を取得する複数の近赤外線カメラと、
   前記複数の近赤外線カメラが取得した点滅する光から前記複数個取り付けられた点滅型の自発光マーカの座標位置を計測する手段と、を有し、
   複数の点滅型の自発光マーカからの点滅する光は、異なる信号周期による点滅周期が与えられ、該信号周期の違いによりいずれのブームのガイドセルに取りつけられた点滅型の自発光マーカかが各々認識でき、
   あらかじめ削孔データが表示された削孔計画図と前記座標認識された切削刃とをディスプレイ上に表示させ、切削刃による削孔作業が前記削孔計画図に沿って行える、
   ことを特徴とする自発光マーカを使用した削孔システム。
   
4. 前記点滅型の自発光マーカからの点滅する光は、増幅回路により光の輝度を増幅出来る、
   ことを特徴とする請求項３記載の自発光マーカを使用した削孔システム。
   
5. 前記ガイドセルは、車両本体から複数本揺動可能に突設され、前記自発光マーカはそれぞれのガイドセルに取り付けられた、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の自発光マーカを使用した削孔システム。

Images