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公開番号2024100105
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-26
出願番号2023003847
出願日2023-01-13
発明の名称棒状部材の施工支援方法、棒状部材の施工支援システム、及びプログラム
出願人株式会社大林組,国立大学法人東京大学
代理人弁理士法人一色国際特許事務所
主分類E21D 20/00 20060101AFI20240719BHJP(地中もしくは岩石の削孔;採鉱)
要約【課題】トンネル壁面における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、適宜離れた距離から効率的かつ高精度に計測可能とする。
【解決手段】棒状部材1の挿入対象となる壁面3に所定パターンのレーザ光を照射し、その反射光を観測することで当該壁面3の表面ベクトルを計測する処理と、壁面3の撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、壁面3に形成済みの挿入孔5を検出する処理と、検出した挿入孔5の中心の画像座標と壁面3の表面ベクトルとの関係に基づいて挿入孔5の中心座標を算定する処理を実行する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
棒状部材の挿入対象となる壁面に所定パターンのレーザ光を照射し、その反射光を観測することで当該壁面の表面ベクトルを計測する処理と、前記壁面の撮影画像を取得し、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を検出する処理と、前記検出した挿入孔中心の画像座標と前記壁面の表面ベクトルとの関係に基づいて、前記挿入孔の３次元座標を算定する処理を実行することを特徴とする棒状部材の施工支援方法。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記表面ベクトルを計測する処理において、
交差した２線のレーザ光を前記壁面に照射し、その反射光を観測することで当該壁面の表面ベクトルを計測する、
ことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
【請求項３】
前記表面ベクトルを計測する処理において、
前記壁面の３点以上にレーザ光を照射し、その反射光を観測することで当該壁面の表面ベクトルを計測する、
ことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
【請求項４】
前記棒状部材または当該棒状部材の挿入装置の少なくともいずれかにおける複数箇所に、寸法既知で所定の形状又は色を有するマーカを設置する処理と、前記マーカの画像を撮影し、予め認識している、前記棒状部材の先端と前記マーカの設置箇所との位置関係に基づいて、前記棒状部材の先端座標を算定する処理と、前記棒状部材の先端座標と前記挿入孔の３次元座標とを合わせるよう前記挿入装置を制御して前記棒状部材を前記挿入孔に挿入する処理を、
さらに実行することを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
【請求項５】
前記挿入孔を検出する処理において、
前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の前記画像座標と角度を推定する処理と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
【請求項６】
前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、
前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行する、
ことを特徴とする請求項５に記載の棒状部材の施工支援方法。
【請求項７】
前記挿入孔の前記画像座標と角度を推定する処理において、
前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の前記画像座標を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の棒状部材の施工支援方法。
【請求項８】
棒状部材の挿入対象となる壁面に所定パターンのレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記レーザ光の反射光を観測する観測ユニットと、
前記壁面の撮影を行う撮影装置と、
前記反射光の観測値を前記観測ユニットから取得し、当該観測値に基づいて前記壁面の表面ベクトルを計測する処理と、前記壁面の撮影画像を前記撮影装置から取得し、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を検出する処理と、前記検出した挿入孔中心の画像座標と前記壁面の表面ベクトルとの関係に基づいて、前記挿入孔の３次元座標を算定する処理を実行する情報処理装置と、
を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援システム。
【請求項９】
前記レーザ光源は、交差した２線のレーザ光を前記壁面における照射し、
前記観測ユニットは、前記２線のレーザ光の反射光を観測し、
前記情報処理装置は、
前記表面ベクトルを計測する処理において、
前記２線のレーザ光による前記反射光の観測値を、前記観測ユニットから取得し、当該観測値に基づいて前記壁面の表面ベクトルを計測するものである、
ことを特徴とする請求項８に記載の棒状部材の施工支援システム。
【請求項１０】
前記レーザ光源は、前記壁面の３点以上にレーザ光を照射し、
前記観測ユニットは、前記３点以上へのレーザ光の照射による反射光を観測し、
前記情報処理装置は、
前記表面ベクトルを計測する処理において、前記３点以上へのレーザ光の照射による反射光の観測値を、前記観測ユニットから取得し、当該観測値に基づいて前記壁面の表面ベクトルを計測するものである、
ことを特徴とする請求項８に記載の棒状部材の施工支援システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、棒状部材の施工支援方法、棒状部材の施工支援システム、及びプログラムに関するものであり、具体的には、トンネル壁面における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、適宜離れた距離から効率的かつ高精度に計測可能とする技術に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
地山の自然な支保機能を利用したＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法は、新たな補助工法を適宜採用するなどして、従来の山岳トンネル以外にも適用範囲を広げつつある。
こうしたＮＡＴＭ工法では、地山の掘削や発破等で露出した壁面に、一次覆工のコンクリートを吹き付け、ロックボルトの打設と、二次覆工の覆工コンクリート打設を実施する。こうした施工を行うことで、地山と吹き付けコンクリートとを一体化させ、地山の保持力によってトンネル強度を高めることになる。
【０００３】
こうしたロックボルト打設を含むトンネル工事の効率化を図る従来技術としては、例えば、切羽へのコンクリートの鏡吹きによって安全性を確保しつつ、工事作業者が鏡吹きされたコンクリート表面上でその地山状況を視認しながら施工作業を行うことが可能な切羽情報表示方法（特許文献１参照）などが提案されている。
【０００４】
こうしたロックボルトの打設は、吹き付けコンクリートを通して壁面に削孔した孔（モルタル充填済み）に対し、ロックボルトを挿入する作業となる。また、当該ロックボルトの挿入は、凹凸のある壁面から孔を見つける作業、ロックボルト先端を孔位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を孔に挿入する作業に分かれている。
【０００５】
現在これらの作業は、作業員が孔周辺まで赴いて人力で行っている。しかし、粘性の高いモルタルの詰まった細長い孔に、長尺で重いロックボルトを挿入する必要があり、作業性や作業効率が良好とは言えない状況にある。
【０００６】
一方では、ロックボルト打設の一連の流れである、壁面での削孔、当該孔へのモルタル注入、及びロックボルト打設を、同一のアームを用いて機械化する手法も様々研究されている。こうした手法によれば、例えば、複数の削孔用削岩機を用いて削孔を行うと同時にロックボルト打設を行う、といった施工を行うため、施工の効率化を図ることができる。
【０００７】
しかしながら、正しい孔の位置を壁面上で効率良く自動特定するには至っておらず、ロックボルト先端と孔との位置合わせの自動化が望まれる。こうした位置合わせ作業の自動化を実現するためには、孔の３次元座標および方向を計測する必要がある。
ただし、ロックボルト孔の所在する壁面付近は、湧き水等の影響によって各種センサを取り付けられないケースが多い。そのため、ロックボルト孔に関する計測動作は遠方から行う必要がある。
【０００８】
そうした遠方で動作する各種事象を観測する従来技術の一例として、例えば、荷役対象物の３次元姿勢を高精度に推定可能とする技術（特許文献２参照）が提案されている。この技術は、搬送機によってアクセス可能な第１面を備えた荷役対象物であって、前記第１面に配置されたマーカを備えており、前記マーカは、予め定められた標識が表示されている平面形状であり、前記マーカは、前記搬送機に備えられた光学センサを用いて前記マーカを撮像した画像に基づいて、前記マーカの平面に対する法線方向である３次元姿勢を推定することが可能なマーカであり、前記マーカの平面が、前記第１面に対して所定角度で傾いている、荷役対象物に係る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２０２２－１７３２号公報
特開２０２０－１３２２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、壁面に開いた孔の方向を求める手法として、２台のカメラを用いた手法がある。この手法では、ステレオ法により、孔口の輪郭の楕円形状に関して３次元座標を計測する。その後、当該輪郭から孔中心に向かうベクトルが孔の方向と直交していることを利用して孔の方向を計測している。
また、レーザ測距計を用いて孔の方向を求める手法では、投影した孔口が真円になる２通りの平面を求め、レーザ測距計により孔周辺の２点の３次元座標を計測することで、平面を一意に定めて孔の方向を計測している。
一方、上述のレーザ測距計の代わりに孔内のグラデーションを用いることで、投影した孔口が真円になる平面を一意に定め、１台のカメラのみで孔の方向を求める手法がある。この手法では、孔内と孔外が連続な部分と、非連続な部分の光の当たり方の違いによって生じるグラデーションから孔の方向を一意に定めている。
上述の壁面の孔に関する計測手法では、孔口の形状から孔方向を計測できる一方、孔が壁面に対し垂直に開いているとの仮定をおいている。ところが、実際に削孔された孔の方向と壁面の方向は必ずしも垂直ではない。このことから、孔口の形状のみを用いて孔方向を高精度に計測することは困難であると考えられる。
（【００１１】以降は省略されています）

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