JP7278021B2

JP7278021B2 - 自発光マーカを使用した掘削システム

Info

Publication number: JP7278021B2
Application number: JP2021033196A
Authority: JP
Inventors: 敏実永井; 貴久阪本; 達朗長野
Original assignee: ドリルマシン株式会社; 株式会社プライア
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: JP2022134212A

Description

本発明は、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作業状況を容易に認識できると共に、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、トンネルの切羽面に対して適切な装藥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が容易に行え、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行えて確実なトンネル内装薬孔の掘削が出来る自発光マーカを使用した掘削システムに関するものである。

従来より、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う必要がある。

すなわち、トンネルの切羽面には所定の間隔をあけて複数箇所の装藥孔を掘削しなければならないが、前記装藥孔の深さ、あるいは装藥孔の掘削位置、あるいは装藥孔の向きなど、それぞれ異なっており、それらを考慮した上で、従来は熟練者の技に頼ってトンネル工事が行われてきた。

そして、近年では、トンネル掘削の最先端箇所である切羽面に対して、該切羽面の地盤粘度や地質などを考慮した所定の発破パターンを予め用意し、この発破パターンに基づき、装藥孔の掘削及び発破作業を行うことも提案されていた。

しかしながら、この様な場合であっても既存の発破パターンに基づいて正確に装藥孔を掘削し、発破するのは困難で、やはり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課題があった。

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、前記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の稼働動作につき、装藥孔の奥行き、あるいは装藥孔の掘削位置、あるいは装藥孔の向きなど、各々異なっていても、それらを制御することが出来て、従来のように熟練者の技に頼らずに正確な装藥孔を掘削でき、正確に発破できる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トンネル掘削が出来る自発光マーカを使用した掘削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、
車両本体から複数本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、
複数本設けられた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個取り付けられた目に見えない波長の近赤外線光で構成さ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、
取り付けられた自発光マーカの取付位置と前記削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置間の距離が補正係数として入力され、該入力された補正係数の値と前記計測する手段で求められた前記２つの自発光マーカの座標位置の値が用いられて演算され、前記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、
前記補正手段の演算によって生ずる２つの自発光マーカをつなぐ延長線上を回転軸として前記補正係数の距離を半径にした円周上のいずれかの位置に切削刃が位置するとの切削刃の位置座標認識のずれを許容できる削岩機及び切削刃の軸方向中心軸線に近接する位置に２つの自発光マーカを設置した、
ことを特徴とし、
または、
車両本体から複数本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、
該複数本設けられた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前記ガイドセルの長手方向に向かい３個以上設けられ、該３個以上設けられたもののうち、前記長手方向両端の内側に設けられたものの取付位置は両端に設けられたものの取付位置と異なる位置に配置させ、かつ両端に設けられたものの取り付け高さと両端の内部に設けられたものの取り付け高さを異ならせて取り付けた複数個の自発光マーカと、
前記複数の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が補正係数として入力され、該入力された補正係数の値と前記計測する手段で求められた前記３個以上取り付けられた自発光マーカの座標位置の値が用いられて演算され、前記３個以上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、を有する
ことを特徴とし、
または、
前記自発光マーカは、点滅型の自発光マーカとして構成され、
前記点滅型の自発光マーカの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が計測され、
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、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、前記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の稼働動作につき、装藥孔の奥行き、あるいは装藥孔の掘削位置、あるいは装藥孔の向きなど、各々異なっていても、それらを制御することが出来て、熟練者の技に頼らずに正確な装藥孔を掘削でき、正確に発破でき、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るため、ガイドセル先端に有する切削刃の認識が正確に行えて確実なトンネル内装薬孔の掘削が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。切羽面に対する発破するための装薬孔の位置、傾き、削孔距離状態を平面的表示図としてディスプレイ上に表した説明図である。切羽面に対する発破するための装薬孔の位置、傾き、削孔距離状態を斜視図として表し説明する説明図である。ＰＣ１１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。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。ＰＣ１１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。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
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複数本のブーム３と該ブーム３に接続された棒状をなすガイドセル５を有して構成されている。

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４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棒状のガイドセル５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５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４が用いられて構成されている。

該ガイドセル５は、先端に切削刃２５を備えた直線棒状の削岩機６の前後方向の揺動をガイドするための部材であり、該ガイドセル５の先端側で例えばドリル状をなす削岩機６の切削刃２５が突出揺動してトンネル切り羽面を掘削する様構成されている。
すなわち、稼働制御された削岩機６の切削刃２５によりトンネルの切羽面に対し、所定の位置、所定の角度、かつ所定の深さ（奥行き）、所定の削孔距離で装藥孔の削孔が行えるよう構成されている。

ところで、ブーム３は、通常、車両本体２に複数本取り付けられており、各ブーム３の各先端側において各々ガイドセル５が取り付けられ、該各々のガイドセル５についても、それらガイドセル５の先端側にドリル状をなす削岩機６の切削刃２５が突出揺動して掘削するよう取り付けられている。

また、これらガイドセル５には、掘削用ドリルなどから構成されている切削刃２５を先端に有する削岩機６が前後方向に揺動する際、前記削岩機６の揺動をガイドするガイド孔ともなる貫通孔部１０がガイドセル５前方側の長手方向に間隔をあけて少なくとも２箇所に設けられている。

そして、この貫通孔部１０の近傍位置には自発光マーカ９が複数個設けられ、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７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。

そしてこの測定データを用いて例えば前記貫通孔部１０の孔の中心部２点、すなわち貫通孔部１０を通過する削岩機６や切削刃２５の軸方向中心部２点の位置（座標）を認識すべくＰＣ１１の演算制御部２０で計測することで、ガイドセル５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２５の稼働位置及び稼働する向きなどが取得出来るように構成されるものとなる。
モーションキャプチャ用の近赤外線カメラ７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５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７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５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設置することなどが考えられる。

そして、近赤外線カメラ７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７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、各ガイドセル５に取り付け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２０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５先端にある切削刃２５の座標位置などを計算していくのである。

ここで、切削刃２５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２５の先端位置などの座標認識が出来る。しかし切削刃２５自体に自発光マーカ９を取り付けることは出来ない。掘削作業の邪魔になり、また掘削作業により破損するからである。そこで、本発明では、切削刃２５の近傍位置、すなわちガイドセル５の側面などに複数個の自発光マーカ９を設置し、切削刃２５との距離をいわゆるオフセット補正して、切削刃２５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切羽面への装薬孔掘削作業につき説明する。
図２に示す様な切羽面の例えば発破計画図などの発破計画図データを予め用意しておく。図２において黒丸部分２８は削孔する位置を表しており、そこから延びる直線部分は削孔の傾きと削孔距離２６を示したものである。次いで、前記データをＰＣ１１の演算制御部２０で読み込み、これをディスプレイ１４上に平面図として表示できる様に制御する。さらに、表示された平面状の発破計画図上には、リアルタイムに稼働するガイドセル５先端に有する切削刃２５の稼働位置をあわせて描画する様制御される。この表示をディスプレイ１４上で確認し、操作者は、ガイドセル５を稼働させ、削岩機６の先端に有する切削刃２５を操作して装薬孔の掘削作業を行っていく。

ここで、ガイドセル５を稼働して作業を行った切削刃２５における実際の稼働位置の描画は、ディスプレイ１４上に表示されている発破計画図に使用された装薬孔を表示する色と異なる色で行う様制御され、その色の違いにより、すなわち、ガイドセル５を稼働して作業を行った切削刃２５での装薬孔切削箇所が、ディスプレイ１４上に示された発破計画図で表示された装薬孔の位置からどの程度異なるか容易に理解できるものとなっている。
尚、本発明では、特に、装薬孔の傾きや装薬孔の削孔距離２６の平面的な描画方法にも工夫が施されている。削孔長２７すなわち装薬孔の奥行きが同じであっても傾きが異なれば装薬孔の削孔距離２６が異なるからである（図３参照）。

ガイドセル５の位置と姿勢を変化させることにより切削刃２５の位置と姿勢を変化させて削孔作業を行うのであるが、この削孔位置（削孔すべき穴位置と傾きと削孔距離）を発破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距離２６）を平面的に描画することができるのである。
装薬孔の削孔距離２６の平面的な描画の方法は、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距離２６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、複数のガイドセル５先端に位置する各々の切削刃２５位置の常時検出ができる構成としたものである。

トンネル形成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７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７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７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３９などが納められたベースステーション４３が設けられる。そして、自発光マーカ９とバッテリー３９とは例えば有線で接続される（図１２参照）。

トンネル切羽面への装薬孔掘削作業に際しては、この自発光マーカ９を切削刃２５近傍位置のガイドセル５の２カ所に間隔をあけて取り付ける（図１など参照）。これにより確実な掘削作業が行えることとなる。
すなわち、掘削作業時において、複数の近赤外線カメラ７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２５近傍位置のガイドセル５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７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及び切削刃２５の軸方向中心軸線となるべく近接するに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出来るからである。

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２５、特に切削刃２５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２５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７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７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奥行き方向の距離が認識され、奥行き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２５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１８、受信部１９、演算制御部２０、記憶部２１、入力部２２を有して構成されている。さらに、ディスプレイ１４と接続されており、ＰＣ１１の情報がディスプレイ１４上に表示できるものとなっている（図４参照）。

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２０は、発破計画図読み込み部３１、発破計画図形成部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５参照）。

よって、例えば、前記サーバコンピュータ２４から発破計画図のデータをＰＣ１１が受信すると、演算制御部２０の発破計画図読み込み部３１で読み込み、発破計画図形成部３２で平面図が形成されて、ディスプレイ１４に表示される。
操作者は、ガイドセル５を稼働操作し、ディスプレイ１４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によって前記発破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。

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５上に間隔をあけて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２５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２５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２５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２５の軸方向中心線上に決して設置出来ない。切削刃２５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２５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２５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２５の軸方向中心線までの距離データが演算制御部２０に入力されて行われる（図６乃至図８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２５が位置するか認識できずに切削刃２５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５の位置、切削刃２５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２５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５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２５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、さらに掘削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のである（図９乃至図１１参照）。

まず、自発光マーカ９を取り付ける取付杆１２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５に取り付ける。
そして、前記した複数の赤外線カメラ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２５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２０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２５の回転による位置認識のずれをも解消できる。従って、確実に掘削箇所に合致させられ、もって正確な掘削が出来る。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７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９及びクランプ５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７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７が前記近赤外線光を捉え、これにより、例えば、切削刃２５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２０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２５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２５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５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５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５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５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７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５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１２参照）。

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４３が設けられており、該ベースステーション４３内には、例えばバッテリー３９、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７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５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５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７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７からの認識度を向上させることができる。

図６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３９、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４３が設置されている（図１２参照）。
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５先端側に取り付けられた切削刃２５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５先端側に取り付けられた切削刃２５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１４に表示出来、該ディスプレイ１４上の画像を確認しながら操作者がトンネル切羽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切羽面に対する大量の装藥孔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５先端側に取り付けられた切削刃２５の稼働動作をディスプレイ１４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１４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に切羽面についての発破計画図である２次元投射図、すなわち平面的表示図を示す。該平面的表示図においては、ガイドセル５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。すなわち、図３に示すように、ドリルガイド後方座標３０と切羽面に接するドリルガイド先端座標２９までの長さと、その長さを表した直線の傾きをガイドセル５の角度とし、かつ前記ドリルガイド後方座標３０と切羽面に接するドリルガイド先端座標２９までの長さ分、すなわち孔の先端部分の２点を結んだ直線分を削孔の削孔距離２６として描画しているのである。そして、傾きを有して削孔する場合の実際の削孔距離２６は、図３に示すようになる。この図３から削孔距離２６と削孔長２７すなわち削孔の奥行きの長さが異なることが理解できる。

一方、記録に関しては、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５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５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、各装藥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が出来るものとなっている。

以上において、本発明による使用状態の概略を説明する。
トンネルの切羽面に対し、ドリルジャンボマシン１を対向させて設置させる。所定の切羽面に対し、発破計画図が用意されている場合は、該発破計画図をディスプレイ１４に写し出す。

そして、該発破計画図に描画された位置、傾き、削孔長に従ってガイドセル５を稼働させる。すなわち、ガイドセル５の操作者はディスプレイ１４上でリアルタイムにガイドセル５先端側に取り付けられた切削刃２５の稼働動作を確認出来、その稼働動作を確認しながら装藥孔の削孔を行う。

ここで、ＰＣ１１には、図４に示す様に、送信部１８、受信部１９、演算制御部２０、記憶部２１、入力部２２を有して構成されている。さらに、ディスプレイ１４と接続されており、ＰＣ１１の情報がディスプレイ１４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２０は、発破計画図読み込み部３１、発破計画図形成部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。

１ドリルジャンボマシン
２車両本体
３ブーム
４揺動部材
５ガイドセル
６削岩機
７近赤外線カメラ
９自発光マーカ
１０貫通孔部
１１ＰＣ
１２取付杆
１４ディスプレイ
１８送信部
１９受信部
２０演算制御部
２１記憶部
２２入力部
２３通信回線網
２４サーバコンピュータ
２５切削刃
２６削孔距離
２７削孔長（削孔の奥行き）
２８黒丸部分
２９ドリルガイド先端座標
３０ドリルガイド後方座標
３１発破計画図読み込み部
３２発破計画図形成部
３３削孔位置等読み込み部
３４削孔位置等描画部
３９バッテリー
４０増幅回路
４１同期信号送信器
４２同期信号受信器
４３ベースステーション

Claims

車両本体から複数本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、
複数本設けられた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個取り付けられた目に見えない波長の近赤外線光で構成さ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、
取り付けられた自発光マーカの取付位置と前記削岩機の軸芯位置及び切削刃の中心位置間の距離が補正係数として入力され、該入力された補正係数の値と前記計測する手段で求められた前記２つの自発光マーカの座標位置の値が用いられて演算され、前記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、
前記補正手段の演算によって生ずる２つの自発光マーカをつなぐ延長線上を回転軸として前記補正係数の距離を半径にした円周上のいずれかの位置に切削刃が位置するとの切削刃の位置座標認識のずれを許容できる削岩機及び切削刃の軸方向中心軸線に近接する位置に２つの自発光マーカを設置した、
ことを特徴とする自発光マーカを使用した掘削システム。
車両本体から複数本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、
該複数本設けられた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前記ガイドセルの長手方向に向かい３個以上設けられ、該３個以上設けられたもののうち、前記長手方向両端の内側に設けられたものの取付位置は両端に設けられたものの取付位置と異なる位置に配置させ、かつ両端に設けられたものの取り付け高さと両端の内部に設けられたものの取り付け高さを異ならせて取り付けた複数個の自発光マーカと、
前記複数の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が補正係数として入力され、該入力された補正係数の値と前記計測する手段で求められた前記３個以上取り付けられた自発光マーカの座標位置の値が用いられて演算され、前記３個以上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、を有する
ことを特徴とする自発光マーカを使用した掘削システム。
前記自発光マーカは、点滅型の自発光マーカとして構成され、
前記点滅型の自発光マーカの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が計測され、
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る、
ことを特徴とする請求項２記載の自発光マーカを使用した削孔システム。
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。