JPH05156886A - 削岩機の穿孔位置決め制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 削岩機に生ずるたわみや遊び等、あるいはド
リルジャンボの据付け位置の作業中のずれに影響される
ことなく、予め計算された穿孔位置に削岩機のビットを
正確かつ迅速に位置決めすることができる削岩機の穿孔
位置決め制御方法及び該方法を実施するための装置を提
供する。 【構成】 削岩機の先端に有色の検知体を、削岩機の後
方にカラー撮像器をそれぞれ設け、カラー撮像信号によ
り検知体の位置を解析検出し、その位置情報により削岩
機の動作を自動制御させ、削岩機の穿孔位置を決める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】Ａ．発明の目的 (1) 産業上の利用分野 この発明は、トンネル工事における発破孔等の穿孔作業
に使用される削岩機の穿孔位置決め制御方法及びその装
置に関し、更に詳しくは、トンネルの切羽面において発
破孔等を穿孔する際、削岩機を自動制御して予め計算さ
れた穿孔位置にビットを位置決めする制御方法及び装置
に関する。

【０００２】(2) 従来の技術 トンネル工事において、該トンネルの掘進作業を自動化
し、作業の省力化・効率化・安全化並びに作業環境の改
善を図ることは、トンネル工事の合理化を推進するうえ
で最優先の課題にあげられている。特に、トンネルの発
破孔等の穿孔作業に使用する削岩機の自動化は急務とさ
れており、ここ数年来、削岩機を搭載するドリルジャン
ボの自動化が注目され、自動ドリルジャンボの開発が試
みられている。自動ドリルジャンボには、「機体の位置
決め機能」、「穿孔位置計算機能」、「穿孔位置決め制
御機能」、及び「穿孔制御機能」等の各種の自動化機能
が要求されるが、中でも、「穿孔位置決め制御機能」は
自動化を達成するための中心的な機能を構成する。

【０００３】通常のマニュアル（手動）運転のドリルジ
ャンボを使用する際には、切羽面に対する発破孔等の多
数の作業点のマーキング作業が不可欠であり、高度の苦
渋・危険作業を伴う。また、マーキングされた穿孔位置
に削岩機を位置決めする作業には甚だ熟練を必要とし、
作業時間も長く、その精度も低い。このため、自動ドリ
ルジャンボの実現に当っては、高精度・高速度の「穿孔
位置決め制御機能」の開発が特に重要視されている。す
なわち、「穿孔位置決め制御機能」を用いて削岩機を自
動制御し、予め計算された穿孔位置にビットを正確に位
置決めすることができれば、苦渋・危険作業を伴うマー
キング作業が不要となり、作業の省力化・効率化・安全
化が図りうる。更に、トンネル工事の施工品質及びコス
トに大きな影響を与える余掘り・余巻き・アタリを大幅
に減少させることができるので、施工性並びに経済性が
著しく向上する。

【０００４】従来の穿孔位置決め制御方法は、図７・図
８に示すように、ドリルジャンボの機体１００に削岩機
１０２が搭載され、該削岩機１０２にはそのブーム１０
２ａ及びガイドセル１０２ｂの動作量を検出するため
に、自由度毎に各種のセンサ（回転角センサ１０４，変
位センサ１０６，近接センサ１０８）が配置されてお
り、これらセンサの動作量を幾何学的に集合することか
ら、削岩機１０２のドリルロッド１０２ｃの先端のビッ
ト１０２ｄの位置を求めるシステムが採用されている。
これらのセンサはいわゆる内界センサと呼ばれるもので
あって、センサ自体の検出誤差の他に、ブーム１０２ａ
及びガイドセル１０２ｂ等に関する「部材のたわみ・ね
じれ」、「可動部の遊び・ガタ」、「製作誤差」及び
「変形・磨耗」等の集積による位置誤差が常に生ずる。
特に、削岩機のように稼働範囲が大きく動作時の重心移
動が著しい大型の多関節ブームでは、この位置誤差が原
因で正確な穿孔位置決め制御を行うことが困難になる。
また、この位置誤差は、穿孔位置がドリルジャンボの機
体中心より離れるほど大きくなる。

【０００５】一方、余掘り・余巻き・アタリを少なくす
るためには切羽面の外周孔を高精度に位置決めする必要
があるため、前記の位置誤差がドリルジャンボの自動化
に際しての障害となっている。すなわち、ドリルジャン
ボを自動化するためには穿孔位置決め精度を±２０ｍｍ
程度に収める必要があるが、従来の内界センサ方式を用
いた制御方法では、現状のところ、±１００ｍｍ前後の
位置決め誤差は避けられない。また、ドリルジャンボの
据付け位置が作業中にずれるトラブルもしばしば発生す
るが、内界センサ方式による制御方法ではこのトラブル
に対処することは困難である。更に、従来技術では削岩
機の制御方法として、穿孔位置を事前に教示するティー
チング・プレイバック方式や、穿孔位置を事前に数値入
力する数値制御方式が用いられており、準備作業が煩雑
で実用性に乏しく、種々の問題が存する。

【０００６】(3) 発明が解決しようとする課題 本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、上記従来
技術の問題点を解決し、削岩機に生ずるたわみや遊び
等、あるいはドリルジャンボの据付け位置の作業中のず
れに影響されることなく、予め計算された穿孔位置に削
岩機のビットを正確かつ迅速に位置決めすることができ
る削岩機の穿孔位置決め制御方法及び装置を提供するこ
とを目的とする。本発明はこのため、位置検出手段とし
て視覚等の外界センサを利用した方法、いわゆるハンド
アイ（手腕・視覚）システムを用いて制御対象の位置を
直接検出し、その位置の座標情報を削岩機にフィードバ
ックして制御する方法が最も有効であるとの知見に基づ
いてなされたものである。本発明では、削岩機のブーム
及びガイドセル、削岩機に内蔵されたサーボ機構、削岩
機先端の検知体、該検知体を撮像するカラー撮像器、カ
ラー画像解析器、演算器及びコンピュータを用いてハン
ドアイシステムたる位置決めの制御システムを構成し、
削岩機の動作を自動制御することを基本的技術思想とす
る。

【０００７】Ｂ．発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段 本発明の削岩機の穿孔位置決め制御方法は上記目的を達
成するため、次の構成を採る。すなわち、トンネル内の
切羽に向かって据え付けられたドリルジャンボについ
て、該ドリルジャンボに装備された削岩機の先端部の既
知の位置に有色の検知体を装着し、前記検知体をドリル
ジャンボの機体後部あるいは機体後方に設置されたカラ
ー撮像器で撮像し、その撮像信号により前記検知体をそ
の有色性をもって識別検知するとともにその位置の座標
を連続的に解析して検出し、前記検知体の位置の座標情
報に基づく制御信号により前記削岩機内のサーボ機構を
介して前記削岩機を自動的に動作させ、トンネルの計画
線形及び設計断面形状に基づいて予め計算された切羽面
上の穿孔位置に削岩機のビットを誘導して位置決めする
ことを特徴とする。

【０００８】本発明の削岩機の穿孔位置決め制御装置は
前記方法を実施するためのものであって、次の構成を採
る。すなわち、トンネル内の切羽に向かって据付けられ
たドリルジャンボについて、ドリルジャンボに装備され
た削岩機の穿孔位置決めを制御する方法に使用される装
置であって、削岩機の先端部付近の既知の位置に装着さ
れる有色の検知体と；ドリルジャンボの機体後部あるい
は機体後方に設置され、前記有色の検知体を撮像するカ
ラー撮像手段と；前記カラー撮像手段による撮像信号に
基づき前記検知体を抽出して該検知体の位置の座標を連
続的に解析するカラー画像解析手段と；トンネルの計画
線形及び設計断面形状に基づいて切羽面上の穿孔位置を
計算する穿孔位置計算手段と；前記カラー画像解析手段
の座標解析値に基づき削岩機の動作を自動制御して前記
計算された穿孔位置に削岩機のビットを誘導し位置決め
する制御手段と；を少なくとも備えてなることを特徴と
する。

【０００９】(2) 作用 削岩機の先端部付近に装着された検知体をカラー撮像器
で撮像し、撮像した画像情報から検知体をカラー画像解
析器により図形として抽出し、この図形情報に基づき検
知体の重心（図心）位置の座標を演算器により連続的に
演算検出する。そして、コンピュータを用いて、検知体
の位置より求まるビットの現在位置と予め計算された穿
孔位置との座標を互いに比較してその偏差を求め、この
偏差による制御信号を削岩機に装備されたサーボ機構に
入力し、削岩機の動作を自動制御して削岩機の穿孔位置
を決める。

【００１０】(3) 実施例 本発明の削岩機の穿孔位置決め制御方法及びその装置の
実施例を図面に基づいて説明する。実施例装置 図１〜図４は本発明の一実施例装置を示す。すなわち、
図１はその実施例装置の全体構成を示し、図２〜図４は
各部の構造を示す。

【００１１】図１において、Ｔはトンネルを示し、半円
状の断面をなす。その他、Ｆは切羽面、Ｊはドリルジャ
ンボ、Ｐは測量基準点、Ｑは切羽面Ｆにおけるトンネル
中心点をそれぞれ示す。また、Ｂは後記するレーザース
ポット間の実距離を示す。更に、Ｘはトンネル断面の水
平方向の座標軸、Ｙはトンネル断面の鉛直方向の座標
軸、Ｚはトンネルの掘進方向の座標軸を表す。

【００１２】本実施例では、２基の削岩機を有するドリ
ルジャンボＪに１台のカラー撮像器を設置した場合を示
す。ドリルジャンボＪは、ホイール１ａの足廻り及び固
定装置のアウトリガー１ｂを備えた機体１を主体とし、
該機体１の前部に２基の削岩機２が、また、機体１の後
部上方にカラー撮像器３がそれぞれ配されてなり、切羽
面Ｆに向かいトンネルＴの中央付近に掘進方向と平行に
据え付けられる。このとき、ドリルジャンボＪの機体１
は、削岩機２が切羽面Ｆの外周に十分届く位置に適宜設
置され、また、機体１はアウトリガー１ｂにより水平に
保持される。

【００１３】削岩機２はブーム２ａ、ガイドセル２ｂ、
ドリルロッド２ｃ及びビット２ｄより構成される。該削
岩機２は、公知の機構により、ブーム２ａの動作状態の
如何に拘らず、ガイドセル２ｂが機体１とほぼ平行にな
る調節機能が備わっている。従って、ガイドセル２ｂに
差し角等を特に与えない限り、機体１を掘進方向と平行
に据え付けることによって、ガイドセル２ｂに搭載され
たドリルロッド２ｃ及びビット２ｄの穿孔方向は掘進方
向とほぼ一致する。該ドリルジャンボＪの機体１には、
更に、後記するカラー画像解析部を含むカラー画像解析
装置４が設置されている。

【００１４】更に図１に示されるように、切羽面Ｆに
は、ドリルジャンボＪの後方に設置されたレーザー投光
装置（図示せず）からトンネルＴの掘進方向と平行に発
射されたレーザービーム５により、複数のレーザースポ
ット６が照射される。これらはトンネル断面の中心点及
び各種の基準線を求めるために使用される。

【００１５】削岩機２のガイドセル２ｂの先端部付近に
は、有色の検知体８及び超音波センサ９が既知の位置に
装着される。図２はこれらの配置構成を示すもので、そ
の（ａ）図はＸ方向より見た配置図、その（ｂ）図及び
（ｃ）図はＺ方向より見た配置図である。カラー撮像器
３並びに検知体８の設置位置に関しては、削岩機２の稼
働範囲において、カラー撮像器３で検知体８を十分視準
することが可能な位置に各々設置すればよい。 (b) 図はガイドセル２ｂのトンネル中心側の片側に一個
の検知体８を装着した配置例を示し、(c) 図はガイドセ
ル２ｂの両側に２個の検知体８を装着した配置例を示
す。ここで、穿孔作業においてガイドセル２ｂを反転し
て使用する場合を想定すれば、(c) 図のように１台のガ
イドセル２ｂに複数の検知体８を装着する方が望まし
く、この場合は、検知体８のうちから照準が容易なもの
を選択してその位置を検出することになる。

【００１６】検知体８には白・黒を含む有彩色の小さな
球体が用いられるが、事情によっては発光性の球体を用
いる場合もある。削岩機２の動作に伴い移動する検知体
８は、レーザースポット６とともにカラー撮像器３によ
り撮像され、後記するカラー画像解析手段でその座標が
連続的に検出される。また、切羽面Ｆと削岩機２との相
対距離については、超音波センサ９によって常時検出さ
れる。

【００１７】図３は、本実施例における１台のカラー撮
像器３を用いた場合に撮像される画面例を示している。
この画面中には、切羽面Ｆを背景にレーザースポット６
（例えば赤色のスポット）及び検知体８が同時に映像さ
れ、この画像信号はカラー画像解析手段を含む制御部に
送られる。更に、この画面にはコンピュータを用いて予
め計算された切羽面Ｆにおける水平基準線１１・トンネ
ル中心線１２・トンネル外周線１３と、作業点となる穿
孔位置１４（図中の十字点で示す）が表示される。更に
図において、Ｍは画像中のレーザースポット６，６を結
ぶ線１５とトンネル中心線１２との交点、ΔＨは同じく
画像中の該レーザースポット６，６間の線１５と水平基
準線１１との距離、ｂは同じくレーザースポット６，６
間の距離である。図示のように、削岩機のビット２ｄが
矢印イ方向に誘導され計算された穿孔位置１４に位置決
めされる。

【００１８】図４は本実施例における位置決め制御シス
テムの全体構成を示す。図示されるように、本位置決め
制御システムは、カラー撮像器３からの信号を処理する
カラー画像解析部１７と、超音波センサ９からの信号を
処理する発振検出器１８と、これらのカラー画像解析部
１７及び発振検出器１８からの信号を処理する制御部１
９と、からなる。なお、このカラー画像解析部１７は、
本実施例ではカラー画像解析装置４として組み立てら
れ、機体１の後部に装着されてなるが、その組立て態様
及び取付け位置は限定されない。

【００１９】先ず、カラー画像解析部１７は、カラー画
像解析器２０、演算器２１及びモニターテレビ２２を含
む。すなわち、カラー画像解析器２０は、カラー撮像器
３により撮影されたモニターテレビ２２に映される画像
内より、任意に設定した複数の色の物体像、すなわちレ
ーザースポット６及び検知体８のみを図形として抽出
し、これら図形の重心（図心）位置の座標を検出する。
演算器２１は、これらの重心位置の座標データに基づい
て、切羽面Ｆのトンネル中心点Ｑ及び各種の基準線１
１，１２，１３を演算して設定するとともに、検知体８
の位置座標より切羽面Ｆに対するビット２ｄのＸ−Ｙ座
標を演算する。

【００２０】発振検出器１８においては、超音波センサ
９からの信号を処理して切羽面Ｆと削岩機２との相対距
離を実時間で検出し、これを制御部へ送る。

【００２１】制御部１９は、コンピュータ２３、サーボ
機構２４、入力装置２５、ＣＲＴ表示器２６、記録装置
２７を含み、サーボ機構２４以外はドリルジャンボＪ外
に設置され、前述したカラー画像解析部１７並びに発振
検出器１８からの信号を受け、終極的には、削岩機２に
内蔵されたサーボ機構２４を制御して該削岩機２のビッ
ト２ｄの穿孔位置制御をなす。

【００２２】もっと詳しくは、コンピュータ２３は、そ
の機能として、 事前に登録されたトンネルの計画線形及び設計断面
形状に基づき、切羽面Ｆでの穿孔作業に必要な全ての座
標情報、すなわち、切羽面Ｆにおけるトンネル中心点Ｑ
・トンネル中心線１２・水平基準線１１・トンネル外周
線１３並びに全穿孔位置１４に関する座標情報を計算す
る穿孔位置計算機能（いわゆる穿孔位置計算手段）、 カラー画像解析部１７より出力される座標情報と前
記の穿孔位置計算機能で計算された座標情報とを互いに
比較してその偏差を求め、この偏差による制御信号を削
岩機２に内蔵されたサーボ機構２４に入力し、削岩機２
の動作を高精度・高速度に自動制御せしめ、ビット２ｄ
のＸ−Ｙ座標を所定の穿孔位置の座標に誘導して位置決
めする制御機能、 切羽面Ｆと削岩機２の相対距離情報に基づき前記制
御信号を補正して、削岩機２のビット２ｄのＺ座標を所
定の位置に制御する制御機能、等を有する。 上記の制御機能を含めて挟義の制御手段を構成す
る。

【００２３】サーボ機構２４は、削岩機２内に内蔵され
ており、コンピュータ２３からの制御信号に基づき削岩
機２の３次元的動作を自在に制御する。入力装置２５は
コンピュータ２３に各種のデータを入力するほか、穿孔
位置決めに関わる作業命令を順次入力するためのもので
ある。ＣＲＴ表示器２６ないし記録装置２７は、コンピ
ュータ２３の計算結果及び削岩機２の動作制御状態を表
示あるいは記録するものである。

【００２４】上記のシステム構成において、演算器２１
は、その機能をコンピュータ２３に受け持たせることが
できるならば省略することができ、また、モニターテレ
ビ２２についてもその機能をＣＲＴ表示器２６に転換で
きるならば省略することができる。また、カラー画像解
析部１７及び発振検出器１８から制御部１９のコンピュ
ータ２３に信号を送る手段あるいはコンピュータ２３か
らサーボ機構２４に信号を送る手段には光ファイバー等
の通信手段が採用されるが、電波による通信手段も適宜
採用される。

【００２５】実施例方法 次に、上記構成よりなる削岩機の穿孔位置決め制御装置
を用いて実施される方法すなわち削岩機の穿孔位置決め
制御方法を説明するとともに、併せて本制御装置の作用
について述べる。以下、作業手順に従って説明する。

【００２６】(1) 先ず、発破孔の穿孔作業に当っては、
測量基準点Ｐを基準にして光波測距測角儀等を用いて切
羽面Ｆを測量し、切羽面Ｆの平均的なＺ座標を確定す
る。

【００２７】(2) 次いで、図１に示すように、ドリルジ
ャンボＪの機体１を切羽面Ｆに向かいトンネルの掘進方
向と平行かつ水平に据え付ける。また、これとともに、
図示されていないが、ドリルジャンボＪの機体１の後方
のトンネルＴの両側壁近傍にレーザー投光装置が据え付
けられ、レーザー光５が切羽面Ｆに向ってトンネルの掘
進方向と平行に照射される。

【００２８】(3) 切羽面Ｆに２点のレーザースポット６
が照射され、ドリルジャンボＪに搭載されているカラー
撮像器３によりレーザースポット６及び検知体８を撮像
する。この撮像による画像情報に基づき、カラー画像解
析部１７において次のように画像解析がなされる。すな
わち、本実施例では２点のレーザースポット６を用いた
位置出し方法として、トンネル中心線１２は、図３の画
面例で示すように、左右２点のレーザースポット６を結
び、その線の等分割点Ｍを通る鉛直線として求められ
る。また、スプリングラインと称される水平基準線１１
は、２点のレーザースポット６を結ぶ線に平行で、かつ
距離ΔＨ分だけ下方にシフトさせた線として求められ
る。ただし、距離ΔＨは測量によって予め既知とされ
る。更に、トンネル中心点Ｑは、水平基準線１１とトン
ネル中心線１２の交点として求められる。

【００２９】ドリルジャンボＪの機体１の後部に設置さ
れたカラー撮像器３による画像には、図３に示すよう
に、トンネルの切羽面を背景にレーザースポット６（例
えば赤色のスポット）及び検知体８が映像される。そし
て、この画像信号はカラー画像解析部１７内で高速にサ
ンプリングされ処理される。すなわち、レーザースポッ
ト６については、前記の位置出し方法に従って演算処理
することにより、切羽面Ｆにおけるトンネル中心点Ｑ及
び各種の基準線１１，１２，１３に関する画面上のＸ−
Ｙ座標が設定される。ここに、これらのＸ−Ｙ座標は所
定の時間間隔で常に更新される。更に、削岩機２の動作
に伴って移動する検知体８の位置が画像上のＸ−Ｙ座標
として連続的に検出される。ここでは、切羽面上の実座
標系と画面上の座標系を対応づけるために、図１に示し
たレーザースポット６間の既知の実距離Ｂと、図３にお
ける画面上のレーザースポット６間の距離ｂとが対置さ
れ、画面上の座標系が更正される。

【００３０】以上のように、レーザースポット６と有色
の検知体８とを撮像することから、水平基準線１１及び
トンネル中心線１２を基準軸とするＸ−Ｙ座標系とその
座標系における検知体８の位置座標が連続的に検出され
る。ここに、検知体８とビット２ｄは既知の距離関係に
あるので、ビット２ｄの位置（Ｘ−Ｙ座標）は直ちに求
まる。ビット２ｄのＺ座標については、超音波センサ９
によって検知される切羽面Ｆまでの距離と相対距離とか
ら容易に決定される。

【００３１】(4) 一方、コンピュータ２３においては、
トンネルの計画線及び設計断面形状に基づいて、Ｚ座標
にある切羽面Ｆの座標情報、すなわち、トンネル中心点
ＱのＸ−Ｙ座標、水平基準線１１のＹ座標、トンネル中
心線１２のＸ座標、トンネル外周線１３のＸ−Ｙ座標、
全穿孔位置１４のＸ−Ｙ座標が予め計算される。ただ
し、トンネルＴの曲線施工区間では、座標情報として前
記の各種基準線に対しＺ座標も必要になる。次いで、作
業点となる穿孔位置１４の座標と検知体８により検出さ
れたビット２ｄの位置の座標とを比較して両者の偏差
（ΔＸ，ΔＹ）を求め、コンピュータ２３から前記偏差
に基づく制御信号を削岩機２に内蔵されたサーボ機構２
４に入力し、削岩機２の動作を制御してビット２ｄを所
定の穿孔位置１４に誘導する。なお、この段階では、ブ
ーム２ａ及びガイドセル２ｂを制御して、ビット２ｄと
切羽面Ｆとの距離が一定値（例えば、１００mm前後）を
保つが、超音波センサ９等の測距センサを装着しない場
合には、切羽面Ｆの少し手前に仮想の断面を設定し、削
岩機２のブーム２ａに内蔵された内界センサを用いてビ
ット２ｄのＺ座標を検出しながら、この仮想断面上をビ
ット２ｄが移動するように制御する必要がある。ただ
し、この場合は切羽面Ｆと機体１と相対距離が予め計測
されなければならない。

【００３２】(5) そして、偏差ΔＸ，ΔＹが零となった
時点でガイドセル２ｂを前進させ、ビット２ｄの位置を
更に微調整しながらビット２ｄを切羽面Ｆに着岩させて
穿孔位置決め作業を終了し、穿孔作業へと移行する。

【００３３】(6) 穿孔順序は２台の削岩機２によりトン
ネル中心線１２を挟んで左右に分担され、予め順序化さ
れた作業点を順次穿孔してゆく。

【００３４】このように本実施例の画像解析方法では、
輝度差を利用する通常の画像解析手段とは異なり、計測
対象物を色差で識別し抽出する方法であるため、対象物
の背景や外乱光に殆ど影響されることがなく、計測対象
物の輪郭及び重心を高速度・高精度に検出することがで
きる。また、計測対象物の色を指定することにより、複
数の計測対象物が複雑に交錯する運動現象であっても、
それぞれの対象物の運動軌跡を正確に追尾検出すること
が可能である。更に、障害物等によって対象物の映像が
一時消えても、映像が新たに現れた時点から検出を再開
することができる。

【００３５】ちなみに、本実施例に適用するカラー画像
解析手段の性能については、画像のサンプリング速度は
最大６０Hz、同時に計測可能な対象物は４〜１２個であ
る。また、計測対象物の座標解析精度としては撮影範囲
の約１／２０００の分解能を有するので、例えば、図３
の撮影範囲を１０ｍとすれば、約５mmの検出精度が得ら
れる。なお、本実施例では複数の検知体８を同時に検出
できるので、手動運転の場合と同様に、複数の削岩機２
をそれぞれ独立に制御することを基本とするが、削岩機
２の動作が互いに干渉し合う穿孔作業にあっては、これ
らの動作を協調させながら制御する必要がある。

【００３６】本実施例では、切羽面Ｆにおけるトンネル
中心点Ｑ及び各種の基準線を求めるために２点のレーザ
ースポット６を利用したが、当然のことながら、２点以
上のレーザースポットを使用しても本発明の機能に変わ
りはない。また、レーザースポット６を利用せず、切羽
面Ｆの既知の位置に複数の円形の有色マークを張り付
け、これらを識別し抽出しても同じ機能を発揮すること
ができる。切羽面Ｆの凹凸が激しくＺ方向の変化が大き
い場合、切羽面Ｆに照射されたレーザースポット６の実
座標には殆ど誤差はないものの、画面上に撮像されたレ
ーザースポット６の座標にはカメラポジションによる視
準誤差が若干生じる。この程度の誤差は施工精度からみ
て実用上問題はないが、前記の有色マークを切羽の平均
的な断面位置に張り付けることで、この誤差を実質的に
解消することは可能である。

【００３７】叙上の実施例は１台のカラー撮像器をドリ
ルジャンボの機体後部に設置した例であるが、２台のカ
ラー撮像器をドリルジャンボの機体後部あるいは機体後
方に設置しても本発明の目的は十分に達成される。図５
はドリルジャンボＪの機体後方に２台のカラー撮像器３
を設置した場合の実施例を示し、図６はその撮像画面の
一例を示す。図において、先の実施例と同等の部材・装
置については同一の符号が付されている。この実施例で
は、削岩機２の稼働範囲において、レーザースポット６
及び検知体８が十分見通せる高い位置にカラー撮像器３
が設置される。この場合、撮像画面は１台目のカラー撮
像器３による画面Ｌと２台目のカラー撮像器３による画
面Ｒとから構成される。撮像画面は画面Ｌと画面Ｒとに
分割されるため、１台のカラー撮像器を用いた場合より
は測定精度が向上し、大断面のトンネル工事に適したシ
ステムを構成することができる。

【００３８】２台のカラー撮像器３を用いる本実施例に
おいては、画面Ｌ，Ｒのそれぞれに切羽面上の基準点や
基準線を求めるために、レーザースポット６を増加する
必要がある。更に、２台のカラー撮像器３を設置すれば
検知体８を立体視することも可能で、超音波センサ９を
用いることなくビット２ｄの３次元座標（Ｘ−Ｙ−Ｚ）
を検出することができる。ただし、この３次元座標を直
接検出する方法では、画面上の座標系を較正するために
煩雑な計測作業を必要とし、かつ、その測定精度も高く
はない。従って、超音波センサ９は測定精度に応じて適
宜使用される。

【００３９】以上のように、これらの実施例の削岩機の
穿孔位置決め制御方法及びその装置を用いれば、自動ド
リルジャンボの開発に不可欠な「穿孔位置決め制御機
能」を容易に実現することができ、所定の穿孔位置に削
岩機のビットを高精度・高速度に位置決めすることが可
能になる。すなわち、削岩機２の先端部付近に装着され
た検知体４をカラー撮像器３により撮像した画像から図
形として抽出し、これらの検知体４の位置の座標を連続
的に解析して検出し、その位置座標に基づく制御信号を
削岩機２に内蔵されたサーボ機構２４に入力して削岩機
２の動作を自動制御せしめるので、トンネルの計画線形
及び設計断面形状に基づいて予め計算された切羽面Ｆの
穿孔位置１４に削岩機２のビット２ｄを正確かつ迅速に
誘導して位置決めすることができる。これにより、削岩
機２に生ずるたわみや遊び等に影響されることなく、従
来技術の内界センサ方式を用いた制御方法と比べて、削
岩機２の位置決め精度を大幅に改善することができる。
また、切羽面Ｆにおけるトンネル中心点Ｑや各種の基準
線１１，１２，１３を常に更新し設定するので、ドリル
ジャンボＪの据付け位置が作業中に多少ずれても作業を
継続することが可能である。更に、準備作業として穿孔
位置の教示あるいは穿孔位置の数値入力を行う必要があ
る従来技術に比べて、作業時間を大幅に短縮することが
できる。従って、本発明による制御方法を用いれば、ト
ンネルの掘進作業の省力化・効率化・安全化を図ること
ができ、また、施工の品質及びコストに悪影響を与える
余掘り・余巻き・アタリを大幅に減少させることが可能
である。

【００４０】本発明は上記実施例に限定されたものでは
なく、本発明の基本的技術思想の範囲内で種々変更が可
能である。すなわち、以下の様態は本発明の技術的範囲
内に包含されるものである。 上記実施例では、２基の削岩機２を装備したホイール
形式のドリルジャンボＪを示したが、１基ないし３基以
上の削岩機を装備した場合、あるいはガントリー形式の
ドリルジャンボの場合であっても、本発明の効果は十分
に発揮される。 レーザーを用いて切羽面に穿孔位置を照射する、いわ
ゆるレーザーマーキング方法と、本発明による制御方法
とを併用しても、本発明の効果は十分に発揮される。す
なわち、本発明のカラー撮像手段とカラー画像解析手段
を用いて穿孔位置に照射されたレーザースポットの位置
座標を検出し、この位置座標に削岩機２のビット２ｄを
直接誘導して位置決めすることも可能である。この場
合、コンピュータ２３には、穿孔位置に関する座標情報
を計算する計算機能を必要としない。 上記実施例では、穿孔位置決め制御機能を完全に自動
化しているが、コンピュータ２３とサーボ機構２４とか
らなる自動制御機能を使用せず、ＣＲＴ表示器２６に表
示される穿孔位置１５とビット２ｄの位置との双方を監
視しながらマニュアル運転で削岩機２を操作しても、本
発明の効果は損なわれない。 叙上の実施例ではいずれもレーザースポット６あるい
は切羽面Ｆに直接張り付ける有色マークを示したが、他
の基準点を削岩機２に付置してもよく、あるいはまた、
特別に基準点を設けず、カラー撮像器３に撮像された画
像から解析する手段を採ることもできる。 更に、本発明による制御方法は、建設機械に装備され
る大型の多関節ブームの制御システム全般に応用するこ
とが可能である。

【００４１】Ｃ．発明の効果 本発明によれば、削岩機の先端部付近に装着された検知
体をカラー撮像器により撮像した画像から図形として抽
出し、これらの検知体の位置の座標を連続的に解析して
検出し、その位置座標に基づく制御信号を削岩機に内蔵
されたサーボ機構に入力して削岩機の動作を自動制御せ
しめるので、トンネルの計画線形及び設計断面形状に基
づいて予め計算された切羽面の穿孔位置に削岩機のビッ
トを正確かつ迅速に誘導して位置決めすることができ
る。更に本発明では、計測対象物を色差で識別し抽出す
る方法であるため、対象物の背景や外乱光に殆ど影響さ
れることがなく、計測対象物の輪郭及び重心を高速度・
高精度に検出することができる。また、計測対象物の色
を指定することにより、複数の計測対象物が複雑に交錯
する運動現象であっても、それぞれの対象物の運動軌跡
を正確に追尾検出することが可能である。

【００４２】これにより、削岩機に生ずるたわみや遊び
等に影響されることなく、従来技術の内界センサ方式に
よる制御方法と比べて、削岩機の位置決め精度を大幅に
改善することができる。また、切羽面におけるトンネル
中心点や各種の基準線を常に更新し設定するので、ドリ
ルジャンボの据付け位置が作業中に多少ずれても作業を
継続することが可能である。更に、準備作業として穿孔
位置の教示あるいは穿孔位置の数値入力を行う必要があ
る従来技術に比べて、作業時間を大幅に短縮することが
できる。従って、本発明による制御方法を用いれば、ト
ンネルの掘進作業の省力化・効率化・安全化を図ること
ができ、また、施工の品質及びコストに悪影響を与える
余掘り・余巻き・アタリを大幅に減少させることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の削岩機の穿孔位置決め制御方法を実施
する一実施例装置の全体構成を示す立体図。

【図２】(a) 削岩機の先端付近の検知体・センサーの側
面配置図。(b) (a) 図における検知体・センサーの正面
配置図。(c) (b)図における検知体・センサーの別な態
様の正面配置図。

【図３】切羽面における各種の基準線及び穿孔位置と削
岩機の制御状態を表す画面例示図。

【図４】本実施例の位置決め制御システムの全体構成
図。

【図５】本発明の別の実施例装置の全体構成を示す立体
図。

【図６】この実施例の別な画面例示図。

【図７】各種センサを装備した従来技術による削岩機の
正面図。

【図８】図７の平面図。

【符号の説明】

Ｔ…トンネル、Ｆ…切羽、Ｊ…ドリルジャンボ、１…機
体、２…削岩機、２ｄ…ビット、３…カラー撮像器（カ
ラー画像撮像手段）、８…検知体、１７…カラー画像解
析器（カラー画像解析手段）、１９…制御部、２３…コ
ンピュータ（穿孔位置計算手段、制御手段）、２４…サ
ーボ機構

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年３月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

フロントページの続き (72)発明者 山本 俊夫 大阪市此花区伝法４丁目３番55号 株式会 社鴻池組内 (72)発明者 柚木 孝治 大阪市此花区伝法４丁目３番55号 株式会 社鴻池組内 (72)発明者 澤 芳幸 大阪市此花区伝法４丁目３番55号 株式会 社鴻池組内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネル内の切羽に向かって据え付けられ
   たドリルジャンボについて、 該ドリルジャンボに装備された削岩機の先端部の既知の
   位置に有色の検知体を装着し、 前記検知体をドリルジャンボの機体後部あるいは機体後
   方に設置されたカラー撮像器で撮像し、その撮像信号に
   より前記検知体をその有色性をもって識別検知するとと
   もにその位置の座標を連続的に解析して検出し、 前記検知体の位置の座標情報に基づく制御信号により前
   記削岩機内のサーボ機構を介して前記削岩機を自動的に
   動作させ、 トンネルの計画線形及び設計断面形状に基づいて予め計
   算された切羽面上の穿孔位置に削岩機のビットを誘導し
   て位置決めする、ことを特徴とする削岩機の穿孔位置決
   め制御方法。
2. 【請求項２】トンネル内の切羽に向かって据付けられた
   ドリルジャンボについて、ドリルジャンボに装備された
   削岩機の穿孔位置決めを制御する方法に使用される装置
   であって、 削岩機の先端部付近の既知の位置に装着される有色の検
   知体と；ドリルジャンボの機体後部あるいは機体後方に
   設置され、前記有色の検知体を撮像するカラー撮像手段
   と；前記カラー撮像手段による撮像信号に基づき前記検
   知体を抽出して該検知体の位置の座標を連続的に解析す
   るカラー画像解析手段と；トンネルの計画線形及び設計
   断面形状に基づいて切羽面上の穿孔位置を計算する穿孔
   位置計算手段と；前記カラー画像解析手段の座標解析値
   に基づき削岩機の動作を自動制御して前記計算された穿
   孔位置に削岩機のビットを誘導し位置決めする制御手段
   と；を少なくとも備えてなる、ことを特徴とする削岩機
   の穿孔位置決め制御装置。