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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-18
(45)【発行日】2022-10-26
(54)【発明の名称】吹付け厚さ推定装置
(51)【国際特許分類】
E21D 11/10 20060101AFI20221019BHJP
E04G 21/02 20060101ALI20221019BHJP
G01B 11/00 20060101ALI20221019BHJP
【ＦＩ】
E21D11/10 D
E04G21/02 103B
G01B11/00 H
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2018219551
(22)【出願日】2018-11-22
(65)【公開番号】P2020084551
(43)【公開日】2020-06-04
【審査請求日】2021-11-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000001317
【氏名又は名称】株式会社熊谷組
(74)【代理人】
【識別番号】100141243
【弁理士】
【氏名又は名称】宮園 靖夫
(72)【発明者】
【氏名】坂西 孝仁
(72)【発明者】
【氏名】尾畑 洋
(72)【発明者】
【氏名】北原 成郎
(72)【発明者】
【氏名】宮川 克己
(72)【発明者】
【氏名】手塚 仁
【審査官】湯本 照基
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１１３５７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３４９１９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０９０５４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０１３６９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１２０３９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０６９７３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０１７６４０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ２１Ｄ １１／１０
Ｅ０４Ｇ ２１／０２
Ｇ０１Ｂ １１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コンクリート吹付機のノズルブームに装着された吹付ノズルから、吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する装置であって、
前記吹付ノズルから前記吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記吹付ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルと、
前記開口部の位置と前記吹付対象面との距離である吹付距離を算出する吹付距離算出手段と、
前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記吹付ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率を保存する記憶手段と、
前記吹付ノズルに取付けられて、吹付ノズルのコンクリートの吹付方向にレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記吹付ノズルの先端部と根元部とを含む、前記吹付ノズルの先端部と根元部との間の所定の位置であるノズル位置に配置される標定点となるマークと、
前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、
前記複数台のカメラのうちの少なくとも２台のカメラでステレオ撮影された、前記レーザ光の前記吹付対象面への照射部を含む画像から、前記照射部の３次元座標を算出する照射位置算出手段と、
前記複数台のカメラのうちの２台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記ノズル位置の３次元座標を算出するノズル位置算出手段と、
前記吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する吹付厚さ推定手段と、を備え、
前記吹付距離算出手段は、
前記照射部の３次元座標と前記ノズル位置の３次元座標とから、前記吹付距離を算出し、
前記吹付厚さ推定手段は、
前記算出された吹付距離、前記記憶手段に保存された吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて前記吹付厚さを推定することを特徴とする吹付け厚さ推定装置。
【請求項2】
コンクリート吹付機のノズルブームに装着された吹付ノズルから、吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する装置であって、
前記吹付ノズルから前記吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記吹付ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルと、
前記開口部の位置と前記吹付対象面との距離である吹付距離を算出する吹付距離算出手段と、
前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記吹付ノズルの移動速度、跳ね返り率、及び、予め作成しておいた設計図面の吹付対象面の３次元座標のデータ、もしくは、予めコンクリートの吹付前に測量した吹付対象面の３次元座標のデータを保存する記憶手段と、
前記吹付ノズルの先端部と根元部に配置される標定点となるマークと、
前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、
前記複数台のカメラのうちの２台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記先端部と根元部の３次元座標を算出するノズル位置算出手段と、
前記吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する吹付厚さ推定手段と、を備え、
前記吹付距離算出手段は、
前記吹付ノズルの先端部の３次元座標と前記吹付ノズルの根元部の３次元座標と、前記吹付対象面の３次元座標のデータとから、前記吹付距離を算出し、
前記吹付厚さ推定手段は、
前記算出された吹付距離、前記記憶手段に保存された吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて前記吹付厚さを推定することを特徴とする吹付け厚さ推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トンネル壁面などの吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さを推定する装置に関する。
【背景技術】
【0002】
通常の吹付作業においては、作業者が、吹付位置直下で吹付ロボットを操作することにより作業をしているが、作業環境及び作業者の安全確保の観点から、作業位置から離れた場所で吹付ロボットを操作する遠隔操作技術が開発されている。
遠隔作業の場合には、トンネル内に設置されるモニター室のような、吹付位置より離れた場所で、例えば、吹付機に設けられたカメラの映像を見ながら、吹付ロボットのコントローラを操作していた（例えば、特許文献１参照）。
遠隔作業の場合には、トンネル内に設置されるモニター室のような、吹付位置より離れた場所で、例えば、吹付機に設けられたカメラの映像を見ながら、吹付ロボットのコントローラを操作していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０００－１２０３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、カメラの映像のみでは、吹付ノズルの方向や吹付壁との距離等が把握しづらいため、無駄にコンクリートを消費することになる。
そこで、特に、無支保工区間では、後方のトータルステーションの切羽管理レーザーから投影される赤色ポイントを目安に吹付作業を行うが、安全量を見込む必要があるため、作業員の感覚で多めに吹付をすることになり、その結果、吹付材料が必要以上に多くなってしまうといった問題点があった。また、遠隔操作では、赤色ポイントが映像では見難いためことから、吹付自体が難しかった。
そこで、特に、無支保工区間では、後方のトータルステーションの切羽管理レーザーから投影される赤色ポイントを目安に吹付作業を行うが、安全量を見込む必要があるため、作業員の感覚で多めに吹付をすることになり、その結果、吹付材料が必要以上に多くなってしまうといった問題点があった。また、遠隔操作では、赤色ポイントが映像では見難いためことから、吹付自体が難しかった。
【0005】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、吹付の途中であっても、吹付け厚さを精度よく推定することができる吹付け厚さ推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、コンクリート吹付機のノズルブームに装着された吹付ノズルから、吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する装置であって、前記吹付ノズルから前記吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記吹付ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルと、前記開口部の位置と前記吹付対象面との距離である吹付距離を算出する吹付距離算出手段と、前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記吹付ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率を保存する記憶手段と、前記吹付ノズルに取付けられて、吹付ノズルのコンクリートの吹付方向にレーザ光を照射するレーザ装置と、前記吹付ノズルの先端部と根元部とを含む、前記吹付ノズルの先端部と根元部との間の所定の位置であるノズル位置に配置される標定点となるマークと、前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの少なくとも２台のカメラでステレオ撮影された、前記レーザ光の前記吹付対象面への照射部を含む画像から、前記照射部の３次元座標を算出する照射位置算出手段と、前記複数台のカメラのうちの２台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記ノズル位置の３次元座標を算出するノズル位置算出手段と、前記吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する吹付厚さ推定手段と、を備え、前記吹付距離算出手段は、前記照射部の３次元座標と前記ノズル位置の３次元座標とから、前記吹付距離を算出し、前記吹付厚さ推定手段は、前記算出された吹付距離、前記記憶手段に保存された吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて前記吹付厚さを推定することを特徴とする。
このように、吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を円錐状とすれば、吹付の途中
であっても、吹付け厚さを精度よく推定することができる。また、吹付ノズルの開口部と吹付対象面との距離を精度よく算出することができるので、吹付け厚さの推定精度を向上させることができる。
なお、吹付ノズルの先端部とはノズルの中心よりもノズルの開口部側を指し、根元部と
はノズルの中心よりも開口部側と反対側の端部側を指すものとする。
このように、吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を円錐状とすれば、吹付の途中
であっても、吹付け厚さを精度よく推定することができる。また、吹付ノズルの開口部と吹付対象面との距離を精度よく算出することができるので、吹付け厚さの推定精度を向上させることができる。
なお、吹付ノズルの先端部とはノズルの中心よりもノズルの開口部側を指し、根元部と
はノズルの中心よりも開口部側と反対側の端部側を指すものとする。
【0008】
また、吹付け厚さ推定装置を、前記吹付ノズルから前記吹付対象面に噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記吹付ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルと、前記開口部の位置と前記吹付対象面との距離である吹付距離を算出する吹付距離算出手段と、前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記吹付ノズルの移動速度、跳ね返り率、及び、予め作成しておいた設計図面の吹付対象面の３次元座標のデータ、もしくは、予めコンクリートの吹付前に測量した吹付対象面の３次元座標のデータを保存する記憶手段と、前記吹付ノズルの先端部と根元部に配置される標定点となるマークと、前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの２台以上のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記先端部と根元部の３次元座標を算出するノズル位置算出手段と、前記吹付対象面に吹付けられたコンクリートの厚さである吹付厚さを推定する吹付厚さ推定手段とから構成するとともに、前記吹付距離算出手段では、前記吹付ノズルの先端部の３次元座標と前記吹付ノズルの根元部の３次元座標と、前記吹付対象面の３次元座標のデータとから、前記吹付距離を算出し、前記吹付厚さ推定手段では、前記算出された吹付距離、前記記憶手段に保存された吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて前記吹付厚さを推定するようにしても、吹付け厚さを精度よく推定することができる。
【0009】
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。この明細書において、コンクリートは、モルタルや吹付材料も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施の形態に係る吹付け厚さ推定装置を示す図である。
【図2】吹付機、トータルステーション、及び、遠隔操作室の配置を示す図である。
【図3】吹付ノズル、カメラ、及び、ノズル側レーザ装置の配置例を示す図である。
【図4】吹付ロボットの縦断面図と平面図である。
【図5】カメラと標定点との関係と、ステレオ画像とを示す図である。
【図6】吹付角度の算出方法を示す図である。
【図7】吹付形状モデルを示す図である。
【図8】吹付距離の他の算出方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１は、吹付け厚さ推定装置１を示す図で、吹付け厚さ推定装置１は、吹付機２に設置される、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２と、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４と、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４と、ノズル側レーザ装置Ｌ１と、遠隔操作室１０に配置される、吹付位置算出手段１１と、ノズル位置算出手段１２と、吹付距離算出手段１３と、吹付け厚さ推定手段１４と、記憶手段１５と、トータルステーション４に設置される切羽管理レーザ装置Ｌ２と、を備える。
吹付位置算出手段１１～吹付け厚さ推定手段１４までの各手段と記憶手段１５とは、例えば、コンピュータのソフトウェア、及び、ＲＡＭ等のメモリーから構成される。
吹付機２は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、トンネル３の切羽３１のコンクリートの吹付けが完了していない区間Ｌkの後方（切羽３１とは反対側）に配置されて、トンネル壁面３２（トンネル側壁３２ａと天羽３２ｂ）に吹付コンクリートを吹付ける。なお、同図の符号３Ｃは吹付コンクリート、符号３Ｈは支保工である。
トータルステーション４は、切羽３１に赤色のレーザ光を照射する切羽管理レーザ装置Ｌ２やレーザ距離計Ｌ３の他に、図示しない、切羽監視用カメラ、３Ｄスキャナーなどの切羽３１を監視する監視装置を備えた計測器で、吹付機２の後方で、切羽３１から所定の距離離れた天羽３２ｂ等に設置される。
また、遠隔操作室１０は、トンネル３内もしくは坑外などの吹付機２から離れた箇所に設置される。遠隔操作室１０には、吹付機２を遠隔操作する吹付機制御装置１０Ａや、支保工番号や支保パターンなどのトンネルパターンデータを備え、切羽管理レーザＬ２などの監視装置を制御する切羽管理レーザシステム１０Ｂなどが配置されている。
吹付位置算出手段１１～吹付け厚さ推定手段１４までの各手段と記憶手段１５とは、例えば、コンピュータのソフトウェア、及び、ＲＡＭ等のメモリーから構成される。
吹付機２は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、トンネル３の切羽３１のコンクリートの吹付けが完了していない区間Ｌkの後方（切羽３１とは反対側）に配置されて、トンネル壁面３２（トンネル側壁３２ａと天羽３２ｂ）に吹付コンクリートを吹付ける。なお、同図の符号３Ｃは吹付コンクリート、符号３Ｈは支保工である。
トータルステーション４は、切羽３１に赤色のレーザ光を照射する切羽管理レーザ装置Ｌ２やレーザ距離計Ｌ３の他に、図示しない、切羽監視用カメラ、３Ｄスキャナーなどの切羽３１を監視する監視装置を備えた計測器で、吹付機２の後方で、切羽３１から所定の距離離れた天羽３２ｂ等に設置される。
また、遠隔操作室１０は、トンネル３内もしくは坑外などの吹付機２から離れた箇所に設置される。遠隔操作室１０には、吹付機２を遠隔操作する吹付機制御装置１０Ａや、支保工番号や支保パターンなどのトンネルパターンデータを備え、切羽管理レーザＬ２などの監視装置を制御する切羽管理レーザシステム１０Ｂなどが配置されている。
【0012】
図３は、吹付機２を示す図で、同図の左方向を前方（切羽方向）、右方向を後方、同図の上下方向を上下方向、図面に垂直な方向を左右方向とする。
吹付機２は、走行機構２０ａやアウトトリガー機構２０ｂなどを備えた吹付機本体（以下、本体２０という）と、先端側に図示しないコンクリート圧送装置に接続された吹付ノズル５が搭載されたノズルブームとしての吹付ロボット２１と、バケット２２ｂを支持する左右一対のバケットブーム２２と、支保工の組み立てるための左右一対のエレクタブーム２３とを備える。
吹付ノズル５の側面側には、ノズル側レーザ装置Ｌ１が、レーザの照射方向が吹付ノズル５の延長方向であるコンクリートの吹付方向と一致するように、設置されている。本例では、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を切羽管理レーザ装置Ｌ２のレーザ光と区別するため、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を緑色とした。
また、左右一対のバケットブーム２２のバケット２２ｂの前方下端部には、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２がそれぞれ設置され、本体２０の前面の上下左右には、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４がそれぞれ設置され、左右一対のエレクタブーム２３の第１アーム２３ａの先端側と第２アーム２３ｂの中央側には、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４がそれぞれ設置される。
吹付機２は、走行機構２０ａやアウトトリガー機構２０ｂなどを備えた吹付機本体（以下、本体２０という）と、先端側に図示しないコンクリート圧送装置に接続された吹付ノズル５が搭載されたノズルブームとしての吹付ロボット２１と、バケット２２ｂを支持する左右一対のバケットブーム２２と、支保工の組み立てるための左右一対のエレクタブーム２３とを備える。
吹付ノズル５の側面側には、ノズル側レーザ装置Ｌ１が、レーザの照射方向が吹付ノズル５の延長方向であるコンクリートの吹付方向と一致するように、設置されている。本例では、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を切羽管理レーザ装置Ｌ２のレーザ光と区別するため、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を緑色とした。
また、左右一対のバケットブーム２２のバケット２２ｂの前方下端部には、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２がそれぞれ設置され、本体２０の前面の上下左右には、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４がそれぞれ設置され、左右一対のエレクタブーム２３の第１アーム２３ａの先端側と第２アーム２３ｂの中央側には、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４がそれぞれ設置される。
【0013】
図４（ａ），（ｂ）は、吹付ロボット２１を示す縦断面図と平面図で、同図のＸ軸方向がトンネルの軸方向（前後方向）、Ｙ軸方向がトンネル幅方向（左右方向）、Ｚ軸方向が上下方向である。
吹付ロボット２１は、本体２０の取付部２０Ｔ側に位置する第１のアーム２１１と、図示しない切羽側に位置する第２のアーム２１２と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ伸縮させる第１及び第２のスライド機構２１３，２１４と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ水平面内及び垂直面内で回転させる第１及び第２の回転機構２１５，２１６と、第２のアーム２１２の先端に設置されたノズル設置部２１７と、ノズル設置部２１７を水平面内及び垂直面内で回転させるノズル回転機構２１８と、を備え、ノズル設置部２１７を上下、左右に回転させるととともに、前後（第１及び第２のアーム２１１，２１２の延長方向）移動させることで、吹付ノズル５の位置と吹付コンクリートの吹付方向とを設定する。
但し、吹付ロボット２１は、全ての構成が上記と同一である必要はなく、一部省略されたり、組み合わせが変わる場合もあり、これらを包括して「吹付ロボット」と称する。
吹付ロボット２１は、本体２０の取付部２０Ｔ側に位置する第１のアーム２１１と、図示しない切羽側に位置する第２のアーム２１２と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ伸縮させる第１及び第２のスライド機構２１３，２１４と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ水平面内及び垂直面内で回転させる第１及び第２の回転機構２１５，２１６と、第２のアーム２１２の先端に設置されたノズル設置部２１７と、ノズル設置部２１７を水平面内及び垂直面内で回転させるノズル回転機構２１８と、を備え、ノズル設置部２１７を上下、左右に回転させるととともに、前後（第１及び第２のアーム２１１，２１２の延長方向）移動させることで、吹付ノズル５の位置と吹付コンクリートの吹付方向とを設定する。
但し、吹付ロボット２１は、全ての構成が上記と同一である必要はなく、一部省略されたり、組み合わせが変わる場合もあり、これらを包括して「吹付ロボット」と称する。
【0014】
次に、カメラＣ１１，Ｃ１２～Ｃ３３，Ｃ３４の動作について説明する。
バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２、本体側カメラＣ２１，Ｃ２２及びＣ２３，Ｃ２４、エレクタ側カメラＣ３１，Ｃ３２及びＣ３３，Ｃ３４は、それぞれ、後述する標定点となるマークとしての標定点ラベルＡ～Ｃと、緑色レーザ光の照射部Ｇとを撮影する。緑色レーザ光の照射部Ｇとコンクリートの吹付位置（厳密には、コンクリートが吹付けられた領域の中心）とはほぼ一致する。
図５（ａ）は、標定点ラベルＡ～Ｃの設置箇所及びノズル側レーザ装置Ｌ１からの緑色レーザ光の照射部Ｇとの関係を示す図で、標定点ラベルＡは吹付ノズル５の先端部と根元部とを含む、吹付ノズル５の先端部と根元部との間に設置される。
以下、標定点ラベルＡの位置を「ノズル位置」という。
また、標定点ラベルＢと標定点ラベルＣとは、吹付が完了したトンネル壁面３２の切羽３１側の左右（以下、吹付完了壁部という）の任意の場所にそれぞれ不動点として設置される。
図５（ｂ）は、２台のカメラＣ１１，Ｃ１２でステレオ撮影した画像（ステレオ画像）の一例を示す模式図で、カメラＣ１１の画像とカメラＣ１２の画像には、それぞれ、緑色レーザ光の照射部Ｇと標定点ラベルＡとが映っている。
バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２、本体側カメラＣ２１，Ｃ２２及びＣ２３，Ｃ２４、エレクタ側カメラＣ３１，Ｃ３２及びＣ３３，Ｃ３４は、それぞれ、後述する標定点となるマークとしての標定点ラベルＡ～Ｃと、緑色レーザ光の照射部Ｇとを撮影する。緑色レーザ光の照射部Ｇとコンクリートの吹付位置（厳密には、コンクリートが吹付けられた領域の中心）とはほぼ一致する。
図５（ａ）は、標定点ラベルＡ～Ｃの設置箇所及びノズル側レーザ装置Ｌ１からの緑色レーザ光の照射部Ｇとの関係を示す図で、標定点ラベルＡは吹付ノズル５の先端部と根元部とを含む、吹付ノズル５の先端部と根元部との間に設置される。
以下、標定点ラベルＡの位置を「ノズル位置」という。
また、標定点ラベルＢと標定点ラベルＣとは、吹付が完了したトンネル壁面３２の切羽３１側の左右（以下、吹付完了壁部という）の任意の場所にそれぞれ不動点として設置される。
図５（ｂ）は、２台のカメラＣ１１，Ｃ１２でステレオ撮影した画像（ステレオ画像）の一例を示す模式図で、カメラＣ１１の画像とカメラＣ１２の画像には、それぞれ、緑色レーザ光の照射部Ｇと標定点ラベルＡとが映っている。
【0015】
吹付位置算出手段１１は、図５（ｂ）に示すような、ステレオ撮影された２枚の画像から、トンネル壁面３２に照射された緑色レーザ光の照射部Ｇの位置である、コンクリートの吹付位置の３次元座標を算出する。以下、コンクリートの吹付位置の符号を、緑色レーザ光の照射部と同じＧとする。すなわち、吹付位置算出手段１１は、本発明の照射位置算出手段に相当する手段である。
なお、ステレオ画像は、必ずしも、Ｃ１１，Ｃ１２などのカメラ対の画像である必要はなく、例えば、標定点ラベルＡがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＢがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＣがよく映っている２台以上のカメラの画像などを用いればよい。
ノズル位置算出手段１２は、図５（ｂ）に示した、ステレオ撮影された２枚の画像から、標定点ラベルＡの位置である、ノズル位置の３次元座標と、吹付完了壁部の標定点ラベルＢと標定点ラベルＣの３次元座標とを算出するとともに、この算出された標定点ラベルＡの３次元座標を、算出した標定点ラベルＢ，Ｃの３次元座標と、トンネルパターンデータベース１５ｄに保存されている、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータの基準点、もしくは、トータルステーションの設置位置を原点とした標定点ラベルＢ，Ｃの３次元座標とを用いて、上記したトンネル３内の基準点を原点とした３次元座標に変換する。
なお、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータに代えて、レーザースキャナーや写真測量等で測量して算出した掘削断面形状である実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータを用いてもよい。
なお、ステレオ画像は、必ずしも、Ｃ１１，Ｃ１２などのカメラ対の画像である必要はなく、例えば、標定点ラベルＡがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＢがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＣがよく映っている２台以上のカメラの画像などを用いればよい。
ノズル位置算出手段１２は、図５（ｂ）に示した、ステレオ撮影された２枚の画像から、標定点ラベルＡの位置である、ノズル位置の３次元座標と、吹付完了壁部の標定点ラベルＢと標定点ラベルＣの３次元座標とを算出するとともに、この算出された標定点ラベルＡの３次元座標を、算出した標定点ラベルＢ，Ｃの３次元座標と、トンネルパターンデータベース１５ｄに保存されている、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータの基準点、もしくは、トータルステーションの設置位置を原点とした標定点ラベルＢ，Ｃの３次元座標とを用いて、上記したトンネル３内の基準点を原点とした３次元座標に変換する。
なお、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータに代えて、レーザースキャナーや写真測量等で測量して算出した掘削断面形状である実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータを用いてもよい。
【0016】
図６（ａ），（ｂ）に示すように、吹付ノズル５（５ｐ，５ｑ）の軸方向の延長方向とトンネル壁面３２とが交わる点がコンクリートの吹付位置Ｇとなる。この吹付位置Ｇの３次元座標もノズル位置（標定点ラベルＡ）の３次元座標と同様に、トンネル３内の基準点を原点とした３次元座標に変換される。
なお、吹付ノズル５の軸方向の延長方向は、ノズル位置と吹付位置Ｇとを通る直線で近似することができる。
ここで、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とのなす角度を吹付角度αとすると、吹付角度αは、吹付ノズル５の長さ方向と、コンクリートの吹付位置Ｇにおけるトンネル壁面３２の接平面ＳG（以下、トンネル壁面３２という場合もある）との成す角度に等しい。なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Ｇとを通る接線ＬGとのなす角度としても求められる。
接平面ＳGと接線ＬGについても、上記のトンネルパターンデータベース１５ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺ（もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’）のデータから求めることができる。
このように、吹付ノズル５ｐのように、α＝９０°の時には、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とが直交し、吹付ノズル５ｑのように、α≠９０°の時には、コンクリートはトンネル壁面３２に斜めから吹付けられる。すなわち、吹付角度αが９０°となるように、吹付ノズル５の向きを制御すれば、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができる。
なお、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、切羽３１の面に垂直な方向から見たときに、吹付ノズル５とトンネル壁面３２とが直交していても、吹付ノズル５ｑのように、吹付ノズルの軸方向と切羽３１の面に垂直な平行な断面Ｋとのなす角が０°でなければ、吹付方向はトンネル壁面３２には直交していない。したがって、吹付角度αを算出することなく、カメラ画像のみから吹付角度αを推定することは困難である。
吹付距離算出手段１３は、吹付ノズル５の開口部と吹付対象面であるトンネル壁面３２との距離である吹付距離ｈkを算出する。
吹付距離ｈkは、ノズル位置と吹付位置Ｇとの距離から、ノズル位置と開口部との距離を減算することで求めることができる。
なお、吹付ノズル５の軸方向の延長方向は、ノズル位置と吹付位置Ｇとを通る直線で近似することができる。
ここで、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とのなす角度を吹付角度αとすると、吹付角度αは、吹付ノズル５の長さ方向と、コンクリートの吹付位置Ｇにおけるトンネル壁面３２の接平面ＳG（以下、トンネル壁面３２という場合もある）との成す角度に等しい。なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Ｇとを通る接線ＬGとのなす角度としても求められる。
接平面ＳGと接線ＬGについても、上記のトンネルパターンデータベース１５ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺ（もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’）のデータから求めることができる。
このように、吹付ノズル５ｐのように、α＝９０°の時には、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とが直交し、吹付ノズル５ｑのように、α≠９０°の時には、コンクリートはトンネル壁面３２に斜めから吹付けられる。すなわち、吹付角度αが９０°となるように、吹付ノズル５の向きを制御すれば、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができる。
なお、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、切羽３１の面に垂直な方向から見たときに、吹付ノズル５とトンネル壁面３２とが直交していても、吹付ノズル５ｑのように、吹付ノズルの軸方向と切羽３１の面に垂直な平行な断面Ｋとのなす角が０°でなければ、吹付方向はトンネル壁面３２には直交していない。したがって、吹付角度αを算出することなく、カメラ画像のみから吹付角度αを推定することは困難である。
吹付距離算出手段１３は、吹付ノズル５の開口部と吹付対象面であるトンネル壁面３２との距離である吹付距離ｈkを算出する。
吹付距離ｈkは、ノズル位置と吹付位置Ｇとの距離から、ノズル位置と開口部との距離を減算することで求めることができる。
【0017】
吹付け厚さ推定手段１４は、記憶手段１５に記憶された機器データベース１５ａ、吹付コンクリートデータベース１５ｂ、及び、吹付形状データベース１５ｃを用いて、図７（ａ）に示すような、0.1sec当たり吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための円錐モデル（以下、吹付形状モデル５Ｍという）を作成する。
機器データベース１５ａには、吹付機２の機種、ポンプ吐出量、吹付ノズル５の回転移動速度、吹付ノズル５のスライド移動速度、空気圧縮機の空気量や吐出圧などのデータが蓄積され、吹付コンクリートデータベース１５ｂには、コンクリートの配合量、添加剤、ミキシング時間、スランプ、空気量などデータが蓄積され、吹付形状データベース１５ｃには、ノズル口径ＤN[mm]や、吹付ノズル５から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Ｃの頂点位置である推定円錐頂点オフセットｈN[mm]、推定円錐形状噴射角度θN[deg]などの形状パラメータ、想定コンクリート吐出量ＶC[mm3/0.1sec]、コンクリート跳ね返り率ａ[%]、ノズル移動速度ｖ[mm/0.1sec]などのデータが蓄積されている。
吹付形状データベース１５ｃの推定円錐頂点オフセットｈN[mm]や想定コンクリート吐出量ＶCは、吹付コンクリートデータベース１５ｂに蓄積された吹付コンクリートの性状により決定され、ノズル移動速度ｖは、機器データベース１５ａに蓄積された吹付ノズル５の回転移動速度と吹付ノズル５のスライド移動速度により決定される。
なお、本例では、機器データベース１５ａのポンプ吐出量については、打設中に稼動しているポンプからのポンプ吐出量（ピストンの往復回数）のデータ、吹付ノズル５の移動速度及び方向については、カメラからの映像データにてリアルタイム（0.1sec）毎に更新されたものを用いている。上記のデータは、切羽管理レーザシステム１０Ｂにより更新されて、記憶手段１５に送られるが、切羽管理レーザシステム１０Ｂから直接データを取得してもよい。
機器データベース１５ａには、吹付機２の機種、ポンプ吐出量、吹付ノズル５の回転移動速度、吹付ノズル５のスライド移動速度、空気圧縮機の空気量や吐出圧などのデータが蓄積され、吹付コンクリートデータベース１５ｂには、コンクリートの配合量、添加剤、ミキシング時間、スランプ、空気量などデータが蓄積され、吹付形状データベース１５ｃには、ノズル口径ＤN[mm]や、吹付ノズル５から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Ｃの頂点位置である推定円錐頂点オフセットｈN[mm]、推定円錐形状噴射角度θN[deg]などの形状パラメータ、想定コンクリート吐出量ＶC[mm3/0.1sec]、コンクリート跳ね返り率ａ[%]、ノズル移動速度ｖ[mm/0.1sec]などのデータが蓄積されている。
吹付形状データベース１５ｃの推定円錐頂点オフセットｈN[mm]や想定コンクリート吐出量ＶCは、吹付コンクリートデータベース１５ｂに蓄積された吹付コンクリートの性状により決定され、ノズル移動速度ｖは、機器データベース１５ａに蓄積された吹付ノズル５の回転移動速度と吹付ノズル５のスライド移動速度により決定される。
なお、本例では、機器データベース１５ａのポンプ吐出量については、打設中に稼動しているポンプからのポンプ吐出量（ピストンの往復回数）のデータ、吹付ノズル５の移動速度及び方向については、カメラからの映像データにてリアルタイム（0.1sec）毎に更新されたものを用いている。上記のデータは、切羽管理レーザシステム１０Ｂにより更新されて、記憶手段１５に送られるが、切羽管理レーザシステム１０Ｂから直接データを取得してもよい。
【0018】
吹付け厚さ推定手段１４では、吹付距離算出手段１３で算出された、吹付距離ｈk[mm]と、吹付形状データベース１５に蓄積された吹付ノズル５から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Ｃのパラメータである推定円錐頂点オフセットｈNとから、吹付形状である推定円錐Ｃの頂点Ｔの位置と吹付対象面Ｓとの距離である円錐高さｈCを算出する。
図７（ａ）に示すように、ｈC＝ｈk＋ｈNである。
また、円錐の底面ＳCの直径Ｗk[mm]は、円錐高さｈCと推定円錐形状噴射角度θN[deg]とから、Ｗk＝２ｈC・tanθNにより算出される。この推定円錐形状噴射角度θNは、円錐を頂点Ｔを通り底面に垂直な面で切ってできる二等辺三角形の頂角の半分の角度である。
ここで、ノズル移動速度をｖ、吹付コンクリートの平均吹付け厚さをＨkとすると、コンクリートの吹付量Ｖkは、下記の式で近似できる。
Ｖk＝ｖ・Ｗk・Ｈk
また、想定コンクリート吐出量をＶC、コンクリート跳ね返り率をａとすると、Ｖk＝ａ・ＶCなので、吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkは、以下の式で算出できる。
Ｈk＝（ａ・ＶC ）/（ｖ・２ｈC・tanθN）
吹付形状モデル５Ｍは、0.1sec毎のモデルなので、平均吹付け厚さＨkの単位は[mm/0.1sec]となる。
図７（ａ）に示すように、ｈC＝ｈk＋ｈNである。
また、円錐の底面ＳCの直径Ｗk[mm]は、円錐高さｈCと推定円錐形状噴射角度θN[deg]とから、Ｗk＝２ｈC・tanθNにより算出される。この推定円錐形状噴射角度θNは、円錐を頂点Ｔを通り底面に垂直な面で切ってできる二等辺三角形の頂角の半分の角度である。
ここで、ノズル移動速度をｖ、吹付コンクリートの平均吹付け厚さをＨkとすると、コンクリートの吹付量Ｖkは、下記の式で近似できる。
Ｖk＝ｖ・Ｗk・Ｈk
また、想定コンクリート吐出量をＶC、コンクリート跳ね返り率をａとすると、Ｖk＝ａ・ＶCなので、吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkは、以下の式で算出できる。
Ｈk＝（ａ・ＶC ）/（ｖ・２ｈC・tanθN）
吹付形状モデル５Ｍは、0.1sec毎のモデルなので、平均吹付け厚さＨkの単位は[mm/0.1sec]となる。
【0019】
吹付形状モデル５Ｍとしては、通常は、図７（ｂ）に示すような、吹付角度αが９０°の場合が用いられるが、図７（ｃ）に示すような、吹付角度αが９０°でないモデルを用いることができる。この場合には、吹付領域の形状は円ではなく、円錐Ｃを、トンネル壁面３２のコンクリート吹付位置Ｇにおける接平面で切った楕円となるので、吹付コンクリートの吹付幅Ｗαkは、図７（ｂ）の吹付幅Ｗkよりも長くなり、逆に、平均吹付け厚さＨαkは図７（ｂ）の平均吹付け厚さＨkよりも薄くなる。
【0020】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。
【0021】
例えば、前記実施の形態では、ノズル側レーザ装置Ｌ１の照射部Ｇと、ノズル位置に配置された標定点Ａの３次元座標とから、吹付ノズル５の開口部と吹付対象面であるトンネル壁面３２との距離ｈkを算出したが、図８（ａ），（ｂ）に示すように、吹付ノズル５（５ｐ，５ｑ）の先端部と根元部とに、それぞれ、標定点ラベルＡ１，Ａ２を設置して、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標をステレオ画像から算出するとともに、吹付ノズルの先端部と根元部の３次元座標と、設計掘削断面形状の３次元座標のデータ、もしくは、実測断面形状の３次元座標のデータとから、吹付ノズル５の開口部とトンネル壁面３２との距離ｈkを算出するようにしてもよい。なお、先端部と根元部の位置、すなわち、標定点ラベルＡ１，Ａ２の設定位置は、吹付ノズル５の軸方向に平行な直線上にあることはいうまでもない。
具体的には、まず、吹付ノズル５の先端側と根元側の３次元座標から、吹付ノズル５の軸方向である吹付ノズル５の傾きを算出する。吹付ノズル５の軸方向がコンクリートの吹付方向となるので、この吹付ノズル５の軸方向の延長方向とトンネル壁面３２とが交わる点がコンクリートの吹付位置Ｇとなる。
コンクリートの吹付位置Ｇの３次元座標は、吹付ノズル５の先端側と根元側とを通る直線とトンネル壁面３２との交点の座標で、トンネル壁面３２を表す曲面は、トンネルパターンデータベース１５ｄに保存されているので、コンクリートの吹付位置Ｇについても、吹付ノズル５の先端側と根元側の３次元座標から求めることができる。
したがって、吹付ノズル５の先端側と根元側の３次元座標と、コンクリートの吹付位置Ｇとから、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とのなす角度である吹付角度αを算出することができる。
同図に示すように、吹付角度αは、吹付ノズル５（５ｐ，５ｑ）の長さ方向と、コンクリート吹付位置Ｇにおけるトンネル壁面３２の接平面ＳG（以下、トンネル壁面３２という場合もある）との成す角度に等しい。すなわち、吹付ノズル５ｐのように、吹付位置Ｇとトンネル壁面３２とのなす角度である吹付角度αが９０°であれば、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができる。一方、吹付ノズル５ｑのように、吹付角度αが９０°でない場合には、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができない。
なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Ｇとを通る接線ＬGとのなす角度としても求められる。接平面ＳGと接線ＬGについても、上記のトンネルパターンデータベース１５ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺ、もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータから求めることができる。
具体的には、まず、吹付ノズル５の先端側と根元側の３次元座標から、吹付ノズル５の軸方向である吹付ノズル５の傾きを算出する。吹付ノズル５の軸方向がコンクリートの吹付方向となるので、この吹付ノズル５の軸方向の延長方向とトンネル壁面３２とが交わる点がコンクリートの吹付位置Ｇとなる。
コンクリートの吹付位置Ｇの３次元座標は、吹付ノズル５の先端側と根元側とを通る直線とトンネル壁面３２との交点の座標で、トンネル壁面３２を表す曲面は、トンネルパターンデータベース１５ｄに保存されているので、コンクリートの吹付位置Ｇについても、吹付ノズル５の先端側と根元側の３次元座標から求めることができる。
したがって、吹付ノズル５の先端側と根元側の３次元座標と、コンクリートの吹付位置Ｇとから、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とのなす角度である吹付角度αを算出することができる。
同図に示すように、吹付角度αは、吹付ノズル５（５ｐ，５ｑ）の長さ方向と、コンクリート吹付位置Ｇにおけるトンネル壁面３２の接平面ＳG（以下、トンネル壁面３２という場合もある）との成す角度に等しい。すなわち、吹付ノズル５ｐのように、吹付位置Ｇとトンネル壁面３２とのなす角度である吹付角度αが９０°であれば、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができる。一方、吹付ノズル５ｑのように、吹付角度αが９０°でない場合には、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができない。
なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Ｇとを通る接線ＬGとのなす角度としても求められる。接平面ＳGと接線ＬGについても、上記のトンネルパターンデータベース１５ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺ、もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータから求めることができる。
【0022】
また、前記実施の形態では、0.1sec当たり吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための吹付形状モデル５Ｍを作成したが、吹付形状モデル５Ｍとしては、必ずしも「0.1sec当たり」に限定されるものではなく、カメラの撮影間隔やシステムのデータ処理能力により、適宜設定されることはいうまでもない。
なお、ノズル移動速度ｖを0.1sec当たりの移動速度から、異なる時間間隔当たりの移動速度ｖ’に変更する場合には、想定コンクリート吐出量ＶCについても、変更されたノズル移動速度ｖ’に応じて変更することが好ましい。
また、前記実施の形態では、コンクリートの吹付対象面をトンネル壁面３２としたが、これに限るものではなく、例えば、法面など、他の吹付対象面であってもよい。
また、前記実施の形態では、ステレオ撮影する１０台のカメラの映像から吹付位置とノズル位置とを算出したが、少なくとも１対のカメラがあれば、吹付位置とノズル位置とを求めることができる。
また、カメラの配置としては、少なくとも、バケットブーム２２側、本体２０側、及び、エレクタブーム側に、それぞれ、２台ずつ配置すれば、標定点ラベルＡ～Ｃ、及び、照射部Ｇがよく映っている２台以上のカメラの画像が得られるので、好ましい。
また、前記実施の形態では、バケットブーム２２のバケット２２ｂにカメラＣ１１，Ｃ１２を、吹付機２の本体２０にカメラＣ２１～Ｃ２４を、エレクタブーム２３にカメラＣ３１～Ｃ３４をそれぞれ配置する構成としたが、吹付機２が、バケットブーム２２、エレクタブーム２３を搭載していない場合には、カメラＣ１１，Ｃ１２、及び、カメラＣ３１～Ｃ３４、もしくは、その一部を、本体以外の場所、例えば、地面に立設された三脚上などに設置してもよい。
なお、ノズル移動速度ｖを0.1sec当たりの移動速度から、異なる時間間隔当たりの移動速度ｖ’に変更する場合には、想定コンクリート吐出量ＶCについても、変更されたノズル移動速度ｖ’に応じて変更することが好ましい。
また、前記実施の形態では、コンクリートの吹付対象面をトンネル壁面３２としたが、これに限るものではなく、例えば、法面など、他の吹付対象面であってもよい。
また、前記実施の形態では、ステレオ撮影する１０台のカメラの映像から吹付位置とノズル位置とを算出したが、少なくとも１対のカメラがあれば、吹付位置とノズル位置とを求めることができる。
また、カメラの配置としては、少なくとも、バケットブーム２２側、本体２０側、及び、エレクタブーム側に、それぞれ、２台ずつ配置すれば、標定点ラベルＡ～Ｃ、及び、照射部Ｇがよく映っている２台以上のカメラの画像が得られるので、好ましい。
また、前記実施の形態では、バケットブーム２２のバケット２２ｂにカメラＣ１１，Ｃ１２を、吹付機２の本体２０にカメラＣ２１～Ｃ２４を、エレクタブーム２３にカメラＣ３１～Ｃ３４をそれぞれ配置する構成としたが、吹付機２が、バケットブーム２２、エレクタブーム２３を搭載していない場合には、カメラＣ１１，Ｃ１２、及び、カメラＣ３１～Ｃ３４、もしくは、その一部を、本体以外の場所、例えば、地面に立設された三脚上などに設置してもよい。
【符号の説明】
【0023】
１ 吹付け厚さ推定装置、
１０ 遠隔操作室、１０Ａ 吹付機制御装置、１０Ｂ 切羽管理レーザシステム、
１１ 吹付位置算出手段、１２ ノズル位置算出手段、１３ 吹付距離算出手段、
１４ 吹付け厚さ推定手段、１５ 記憶手段、
２ 吹付機、２０ 吹付機本体、２１ 吹付ロボット、２２ バケットブーム、
２２ｂ バケット、２３ エレクタブーム、
３ トンネル、４ トータルステーション、５ 吹付ノズル、
Ｃ１１，Ｃ１２ バケット側カメラ、Ｃ２１～Ｃ２４ 本体側カメラ、
Ｃ３１～Ｃ３４ エレクタ側カメラ、Ｌ１ ノズル側レーザ装置、
Ｌ２ 切羽管理レーザ装置、Ｌ３ レーザ距離計。
１０ 遠隔操作室、１０Ａ 吹付機制御装置、１０Ｂ 切羽管理レーザシステム、
１１ 吹付位置算出手段、１２ ノズル位置算出手段、１３ 吹付距離算出手段、
１４ 吹付け厚さ推定手段、１５ 記憶手段、
２ 吹付機、２０ 吹付機本体、２１ 吹付ロボット、２２ バケットブーム、
２２ｂ バケット、２３ エレクタブーム、
３ トンネル、４ トータルステーション、５ 吹付ノズル、
Ｃ１１，Ｃ１２ バケット側カメラ、Ｃ２１～Ｃ２４ 本体側カメラ、
Ｃ３１～Ｃ３４ エレクタ側カメラ、Ｌ１ ノズル側レーザ装置、
Ｌ２ 切羽管理レーザ装置、Ｌ３ レーザ距離計。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】