JP3682461B1 - 削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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て、穿孔位置決め制御機能を持たせるようにする。
【解決手段】走行可能な台車１４に対し、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を支持したドリルジャンボ１における穿孔位置決め制御方法であって、ガイドシェル１２の少なくとも２箇所以上に発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１を設けるとともに、前記ドリルジャンボ１上の少なくとも２箇所以上に撮像装置９Ａ、９Ｂを夫々設け、穿孔前に、前記ドリルジャンボ１の座標及び姿勢、前記撮像装置９Ａ、９Ｂの各設置座標を既知とした状態で、前記撮像装置９Ａ、９Ｂの画像Ｇ１，Ｇ２に写る発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１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１２の位置及び方向を計測し、前記削岩機１３を所定の穿孔位置まで移動させる。
【選択図】図４

Description

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削岩機搭載台車に対し、極簡単に穿孔位置決め制御機構を持たせることが可能な削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法に関する。

削岩機搭載台車（以下、ドリルジャンボともいう。）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）を取付けて、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方法（方法１）が採用されるようになってきた。

また、近年は前記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方法（方法２）が開示されている。
特開平５−１５６８８５号公報

しかしながら、前記方法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。また、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。

一方、前記方法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、さく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。
そこで、本発明の第１の課題は、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、極簡単に穿孔位置決め制御機能を持たせることが可能であるとともに、位置測定精度が良好でかつ一組のシステムによって複数のブーム制御が可能な削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法を提供することにある。

前記第１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、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長手方向に間隔をおいた少なくとも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。

上記請求項１記載の本発明においては、ガイドシェルの長手方向に間隔をおいた少なくとも２箇所に、例えばガイドシェルの先端及び後端に夫々マーカーを設けるとともに、台車上の少なくとも２箇所以上に撮像装置を設けておき、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ものである。各マーカーの位置が求まれば、ガイドシェルの位置及び方向が判明するため、この位置計測を繰り返し行うことにより、削岩機を所定の穿孔位置まで移動することが可能となる。

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、本発明を適用することにより、極簡単に穿孔位置決め機能を持たせることが可能である。また、直接、ガイドシェルに取り付けたマーカーの位置を測定するものであるため精度が良好で、かつ撮像装置の画像に写る範囲であれば、複数のブームであっても位置計測及びその制御が行えるようになる。
ところで、前記３次元画像処理は、３次元空間の位置計測技術として一般に知られている方法である。詳しくは後述するが、この方法は、座標を知りたい箇所にマーカー（目印）を取り付けるとともに、光軸が平行になるように設置された２台のＣＣＤカメラ等の撮像装置を配置し、必要に応じて撮像装置側から光源を照射し、画像内で最も輝度の高い前記マーカーを特定し、三角測量の原理により対象物の座標を求めるものである。

請求項２に係る本発明として、前記マーカーは、色を異ならせることによりそれぞれを識別可能としてある請求項１記載の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。
ガイドシェルの位置及び方向を正確に測量するには、前記ガイドシェルに設けるマーカーは、各マーカーを識別可能とするために、各マーカーの色を異ならせることが望ましい。

請求項３に係る本発明として、前記マーカーとして、発光体又は球体を用いる請求項１〜２いずれかに記載の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。
前記発光体としては、例えば発光ダイオード、白熱灯などを挙げることができる。特に、前記マーカーとして発光ダイオード等の発光体を使用する場合には、撮像装置と対象点との距離がかなり離れていても、或いは対象点の近傍に他の光源が存在していても、画像処理によって容易に対象点の識別が可能となる。

以上詳説のとおり、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て、簡単に穿孔位置決め機能を持たせることが可能であるとともに、位置測定精度が良好でかつ一組のシステムによって複数のブーム制御が可能となる。

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。
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。

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。
図１に示すように、このドリルジャンボ１にはコンピュータを用いた演算装置２と無線通信機３が搭載されている。演算装置２は、予め計画された穿孔パターンに従った位置決め用座標データが入力されている。

〔ガイドシェル１２の位置計測のための機器〕
前記ドリルジャンボに対し、図１、図２等に示されるように、前記ガイドシェル１２の２箇所以上に、図示例ではガイドシェル１２の前端及び後端の２箇所に夫々、マーカー（目印）として発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１（８Ａ_２、８Ｂ_２）を設けるとともに、前記ドリルジャンボ１上の少なくとも２箇所以上、図示例では２箇所に撮像装置（以下、ＣＣＤカメラという。）９Ａ、９Ｂを夫々設ける。前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの設置位置は、ドリルジャンボ１の後方側に設けた後述の視準ターゲット７Ａ、７Ｂの座標とドリルジャンボ１の姿勢が判れば、演算により前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの座標は求まるようになっている。

前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂはそれぞれ、ドリルジャンボ１上に搭載された演算装置２と信号線によって接続されている。
前記各発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１（８Ａ_２、８Ｂ_２）は、どの位置に設けられたものかの識別を可能とするために、夫々発光色を異ならせるのが望ましい。すなわち、発光ダイオードの発光色としては、赤、緑、橙、青の四色があるので、発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１（８Ａ_２、８Ｂ_２）をこれら四色のうち異なる色の組合せとするのがよい。

〔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、７Ｂ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、７Ｂの座標を測定可能な測量機器４（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４には無線通信機５が接続され、前記ドリルジャンボ１の演算装置２に接続された無線通信機３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の情報も前記演算装置２と無線通信機３，５を介して送受信可能となっている。なお、前記演算装置２と測量機器４，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。

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２つの視準ターゲット７Ａ、７Ｂを、ドリルジャンボ１の後方側に設置した前記測量機器４により視準し、前記視準ターゲット７Ａ、７Ｂ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２つの視準ターゲット７Ａ、７Ｂ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。

或いは、図５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４を設けるとともに、該ドリルジャンボ上に前記測量機器４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４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４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。

〔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４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、７Ｂ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の設置座標を演算により求め確定する。

上記準備測量が完了したならば、ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂにより発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１（８Ａ_２、８Ｂ_２）を撮影してこれらの座標計測を行う。以下、この方法について図４を参酌しながら説明する。

図４(A)に示されるように、まず、前提条件としてＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂは光軸が平行となるように設置する。そして、仮に水平方向の軸をＸ軸、鉛直方向の軸をＹ軸、光軸をＺ軸、焦点距離をｆ、前記ＣＣＤカメラ９Ａ、９Ｂの両画像Ｇ１、Ｇ２の中心間距離、すなわち基線長をｂ、発光ダイオード８の座標をＴ（ｘ，ｙ，ｚ）、前記ＣＣＤカメラ９Ａの画像Ｇ１における発光ダイオード８の座標をＴｉ（ｘi，ｙｉ）、ＣＣＤカメラ９Ｂの画像Ｇ２における発光ダイオード８の座標をＴｊ（ｘｊ，ｙｊ）とすると、画像Ｇ１及びＧ２の横方向軸（図中それぞれＸｉ軸、Ｘｊ軸）並びに縦方向軸（同Ｙｉ軸、Ｙｊ軸）はＸ軸、Ｙ軸に夫々平行であるから、図４(B)に示される相似則に基づき下式(1)の関係式が成り立つ。

よって、上式(1)より下式（２）が得られる。

同様にＹ軸に関しても下式(3)が得られる。

一方、ＣＣＤカメラ９Ｂの画像Ｇ２についても（ｘｊ，ｙｊ）の位置に発光ダイオード８が撮影されたとすると、以下の式（４）、（５）が得られる。

これらをｘ、ｙ、ｚについて解けば下式（６）が得られる。

上式（６）より前記発光ダイオード８Ａ_１の座標Ｔ（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる。ただし、両画像Ｇ１、Ｇ２における座標（ｘｉ，ｙｉ）、（ｘｊ，ｙｊ）を求めるためには、一方の画像における物体上の点が、他方の画像のどの点に対応するかを求める対応点探索が必要となる。物体上の点は、一方の画像上の投影点と視点とを結ぶ視線上にあることから、この直線（視線）をもう一方の画像上へ投影した線（エピポーラ線という。）上に対応点が存在する。したがって、パターンマッチングなどの手法を組み合わせて、このエピポーラ線e1、e2上を探索することにより、対応点を見つけ出すことができる。なお、前記３台以上のＣＣＤカメラを設置して、上記と同様の手法により３次元計測を行うこともできる。この場合には、死角を減らしたり、計測精度を向上させることができるなどの利点を有するが、対応点探索の処理が複雑になる等の欠点がある。

以上の要領により、先ず発光ダイオード８Ａ_１の座標Ｔ_Ａ（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）を求め、次いで発光ダイオード８Ｂ_１の座標Ｔ_Ｂ（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ，ｚ_ｂ）を求める。これらの座標が求まれば、前記発光ダイオード８Ａ_１及び発光ダイオード８Ｂ_１との相対位置から削岩機１３のビット１３ａの位置座標と方向とを求めることができる。
この演算を繰り返し、削岩機１３の位置を常時把握しながら、所定の穿孔位置まで移動させるようにする。
一方のガイドシェル１２についても全く同様の手順により、前記発光ダイオード８Ａ_２及び発光ダイオード８Ｂ_１との相対位置から削岩機１３のビット１３ａの位置座標と方向とが求まる。この演算を繰り返し、削岩機１３の位置を常時把握しながら、所定の穿孔位置まで移動させるようにする。

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、前記発光ダイオード８は、ガイドシェル１２の先端及び後端にのみ設けるようにしたが、例えば図６に示されるように、前記ガイドシェル１２の先端と後端との間にも所定の間隔で発光ダイオード８Ｃ_１、８Ｄ_１（８Ｃ_２、８Ｄ_２）を設けるようにしてもよい。発光ダイオード８がガイドシェル１２の先端と後端とのみにしか設けられていない場合には、障害物によりガイドシェル１２の先端側及び後端側の一方が視認不能となると、ガイドシェル１２の位置座標及び方向が認識できないことになるが、本例のようにガイドシェル１２の長手方向に沿って４箇所に発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１、８Ｃ_１、８Ｄ_１（８Ａ_２、８Ｂ_２、８Ｃ_２、８Ｄ_２）を設けることにより、例えば前記ガイドシェル１２の先端部分が視認できなくても最低２箇所の発光ダイオードの座標を求めることができれば、前記ガイドシェル１２の位置座標及び方向を正確に計測することができる。

(2)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建設機械のブーム位置決め制御に対しても同様に適用が可能である。この場合には、多関節ブームの各関節部及び／又は先端に発光ダイオードを設けるとともに、建設機械上の少なくとも２箇所以上に撮像装置を夫々設けておき、後は同様に、前記建設機械の座標及び姿勢、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発光ダイオードの座標を３次元画像処理によって求めることにより、各関節部及び／又は先端の位置を計測し、前記多関節ブームを所定の位置まで移動させるようにする。
または、前記多関節ブームの各関節部及び／又は先端に発光ダイオードを設けるとともに、前記建設機械外の設置点座標が既知とされる少なくとも２箇所以上に撮像装置を夫々固定的に設けておき、前記各撮像装置の画像に写る発光ダイオードの座標を３次元画像処理によって求めることにより各関節部及び／又は先端の位置を計測し、前記多関節ブームを所定の位置まで移動させるようにする。

(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、最初の計測で削岩機１３のビット１３ａの位置座標と方向とを求めたならば、削孔位置までの移動量を演算し、サーボ機構により削岩機１３を所定の穿孔位置まで移動させるようにする。
(4)上記形態例では、ガイドシェル１２に取り付けた各発光ダイオード８Ａ_１、８Ｂ_１（８Ａ_２、８Ｂ_２）を識別するために、各ダイオード色を異ならせるようにしたが、同色の発光ダイオードを使用した場合でも、位置計測を行いたい発光ダイオードを順に点灯させることにより、誤認無く計測が可能となる。すなわち、各発光ダイオードを点灯及び消灯制御可能としておき、座標を計測した発光ダイオードのみを点灯させ、その座標を３次元画像処理によって求める手順を、順に繰り返すことにより、各発光ダイオードの位置を誤認することなく計測することができる。

(5)上記形態例では、マーカーとして発光ダイオードからなる発光体を使用したが、他の発光体としては例えば白熱灯などを使用することができる。この場合は、カラー板を設置することにより色付きとすることができる。また、色付きの球体などを使用することも可能である。

第１形態例に係るドリルジャンボ１の穿孔位置決め要領を示す、(A)は側面図、(B)は平面図である。 穿孔装置本体１０部分の要部拡大図である。 ガイドシェル１２（８Ａ_１、８Ｂ_１、８Ａ_２、８Ｂ_２位置）の位置計測要領の概念図である。 (A)、(B)いずれもガイドシェル１２（８Ａ_１、８Ｂ_１、８Ａ_２、８Ｂ_２位置）の位置計測要領の説明図である。 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。 他の形態例(1)に係るガイドシェル１２への発光ダイオード取付状態を示す側面図である。

符号の説明

１…ドリルジャンボ、２…演算装置、３・５…無線通信機、４…測量機器、６…コンピューター、７Ａ・７Ｂ・３２Ａ・３２Ｂ・３３…視準ターゲット、８Ａ_１〜８Ｄ_１・８Ａ_２〜８Ｄ_２・８…発光ダイオード、９Ａ〜９Ｂ…ＣＣＤカメラ、１０…穿孔装置本体、Ｓ…切羽

Claims (3)

1. 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長手方向に間隔をおいた少なくとも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。
2. 前記マーカーは、色を異ならせることによりそれぞれを識別可能としてある請求項１記載の削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法。
3. 前記マーカーとして、発光体又は球体を用いる請求項１〜２いずれかに記載の削岩機搭載台車における穿孔位置決め制御方法。

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