(57)【要約】【課題】作業の妨げにならない真円度計測装置を提供する。【解決手段】地山を掘削してトンネルを施工するシールドマシンの後ろに設置されたセグメントリングの内周面の真円度を計測する真円度計測装置３０は、前記セグメントリングの内周面上の各点の三次元座標を計測する三次元計測器３５と、前記三次元計測器３５によって計測された各点の三次元座標から、前記セグメントリングの内周面の真円度を算出するコンピュータ３１と、を備える。【選択図】図２
2020012764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘削してトンネルを施工するシールドマシンの後方に設置されたセグメントリングの内周面の真円度を計測する真円度計測装置であって、
前記セグメントリングの内周面上の各点の三次元座標を計測する三次元計測器と、
前記三次元計測器によって計測された各点の三次元座標から、前記セグメントリングの内周面の真円度を算出するコンピュータと、
を備える真円度計測装置。
【請求項２】
前記三次元計測器が複数あり、
前記三次元計測器が前記セグメントリング内の障害物の表面上の各点の三次元座標を計測し、
前記コンピュータが、
前記各三次元計測器によって計測された各点の三次元座標を前記三次元計測器ごとに取得する取得処理と、
前記取得処理により三次元座標が取得された前記三次元計測器ごとの各点の集合としての前記三次元計測器ごとの点群同士を合成する合成処理と、
前記合成処理により合成された点群から前記セグメントリングの内周面の点群を抽出する第１の抽出処理と、
前記第１の抽出処理により抽出された前記セグメントリングの内周面の点群から、前記トンネルの軸に直交する面上に存在する点の集合を内周円の点群として抽出する第２の抽出処理と、
前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標から前記内周円の中心点の三次元座標を算出する中心点特定処理と、
前記内周円の点群の各点の三次元座標と前記内周円の中心点の三次元座標に基づいて、前記内周円の周方向の位置ごとに前記内周円の半径を算出する半径算出処理と、
前記内周円の周方向の位置ごとに、前記半径算出処理により算出した半径と前記セグメントリングの設計半径との差を算出して、その差を前記セグメントリングの内周面の真円度とする真円度算出処理と、を実行する
請求項１に記載の真円度計測装置。
【請求項３】
前記第１の抽出処理が、
前記合成処理により合成された点群から、前記セグメントリングの継ぎ目となる目地の点群を特徴抽出処理により抽出する目地点群抽出処理と、
前記合成処理により合成された点群から、前記目地点群抽出処理により抽出した目地の点群に近傍の点の集合を前記セグメントリングの内周面の点群として抽出する処理と、を含む
請求項２に記載の真円度計測装置。
【請求項４】
前記第１の抽出処理が、
前記合成処理により合成された点群の各点の三次元座標の各成分の平均値を算出することによって、前記セグメントリングの内周面の中心軸を特定する中心軸特定処理と、
前記合成処理により合成された点群から、前記中心軸特定処理により特定された中心軸からの距離が所定しきい値以上となる点の集合を前記セグメントリングの内周面の点群として抽出する処理と、を含む
請求項２に記載の真円度計測装置。
【請求項５】
前記三次元計測器が前記セグメントリングの内周面上及び前記セグメントリング内の障害物の表面上の各点の色情報を計測し、
前記第１の抽出処理が、前記合成処理により合成された点群の各点の色情報を参照して、色情報が所定の色となる点の集合を前記セグメントリングの内周面の点群として抽出する処理と、を含む
請求項２に記載の真円度計測装置。
【請求項６】
前記三次元計測器が前記セグメントリング内の障害物の表面上の各点の三次元座標を計測し、
前記コンピュータが、
前記三次元計測器によって計測された各点の三次元座標を取得する取得処理と、
前記取得処理により三次元座標が取得された各点の集合としての点群から、前記セグメントリングの内周面の点群を抽出する第１の抽出処理と、
前記第１の抽出処理により抽出された前記セグメントリングの内周面の点群から、前記トンネルの軸に直交する面上に存在する点の集合を内周円の点群として抽出する第２の抽出処理と、
前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標から前記内周円の中心点の三次元座標を算出する中心点特定処理と、
前記内周円の点群の各点の三次元座標と前記内周円の中心点の三次元座標に基づいて、前記内周円の周方向の位置ごとに前記内周円の半径を算出する半径算出処理と、
前記内周円の周方向の位置ごとに、前記半径算出処理により算出した半径と前記セグメントリングの設計半径との差を算出して、その差を前記セグメントリングの内周面の真円度とする真円度算出処理と、を実行する
請求項１に記載の真円度計測装置。
【請求項７】
前記中心点特定処理が、
前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の最近傍同士を線で結ぶことによってこれらの線からなる閉曲線を生成し、その閉曲線の重心の三次元座標を前記内周円の中心点の三次元座標として算出する処理を含む
請求項２から６の何れか一項に記載の真円度計測装置。
【請求項８】
前記中心点特定処理が、
前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標の各成分の平均値を前記内周円の中心点の三次元座標の各成分として算出する処理を含む
請求項２から６の何れか一項に記載の真円度計測装置。
【請求項９】
前記中心点特定処理が、
前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標から近似円を求めて、その近似円の中心点の三次元座標を前記内周円の中心点の三次元座標として算出する
請求項２から６の何れか一項に記載の真円度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セグメントリングの内周面の真円度を計測する真円度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法では、掘進工程とセグメント組立工程を交互に繰り返して実施する。掘進工程では、シールドマシンによって地山を掘削しながら、既設のセグメントリングから反力を取ることによってシールドマシンを前進させる。セグメント組立工程では、シールドマシンの掘進後に既設のセグメントリングの前に新たなセグメントリングをエレクタによって組み立てる。
【０００３】
新たなセグメントリングを既設のセグメントリングの前に継ぎ足すにあたって、セグメントリングを真円に高精度に保って新たなセグメントリングを組み立てる必要がある。そのためには、セグメントリングの真円度を計測する必要があり、真円度の計測技術が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の記載によれば、円環状のフレームがシールドマシンの後部の架台に取り付けられ、非接触式の測距センサがそのフレームに取り付けられ、測距センサからセグメントリングまでの距離をその測距センサにより計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６８２１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１に記載の技術では、円環状のフレームはセグメント組立作業等の妨げになる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、作業の妨げとならない真円度計測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】
以上の課題を解決するために、地山を掘削してトンネルを施工するシールドマシンの後方に設置されたセグメントリングの内周面の真円度を計測する真円度計測装置は、前記セグメントリングの内周面上の各点の三次元座標を計測する三次元計測器と、前記三次元計測器によって計測された各点の三次元座標から、前記セグメントリングの内周面の真円度を算出するコンピュータと、を備える。
【０００８】
以上によれば、セグメントリングの内周面上の各点の三次元座標を三次元計測器によって計測し、計測された各点の三次元座標からセグメントリングの内周面の真円度をコンピュータによって算出するため、三次元計測器及びコンピュータの設置場所の自由度が高く、三次元計測器及びコンピュータが作業の妨げにならない。
【０００９】
前記三次元計測器が複数あり、前記三次元計測器が前記セグメントリング内の障害物の表面上の各点の三次元座標を計測し、前記コンピュータが、前記各三次元計測器によって計測された各点の三次元座標を前記三次元計測器ごとに取得する取得処理と、前記取得処理により三次元座標が取得された前記三次元計測器ごとの各点の集合としての前記三次元計測器ごとの点群同士を合成する合成処理と、前記合成処理により合成された点群から前記セグメントリングの内周面の点群を抽出する第１の抽出処理と、前記第１の抽出処理により抽出された前記セグメントリングの内周面の点群から、前記トンネルの軸に直交する面上に存在する点の集合を内周円の点群として抽出する第２の抽出処理と、前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標から前記内周円の中心点の三次元座標を算出する中心点特定処理と、前記内周円の点群の各点の三次元座標と前記内周円の中心点の三次元座標に基づいて、前記内周円の周方向の位置ごとに前記内周円の半径を算出する半径算出処理と、前記内周円の周方向の位置ごとに、前記半径算出処理により算出した半径と前記セグメントリングの設計半径との差を算出して、その差を前記セグメントリングの内周面の真円度とする真円度算出処理と、を実行する。
【００１０】
以上によれば、１台の三次元計測器では、セグメントリングの内周面全周にわたって各点の三次元座標を計測できない場合でも、複数の三次元計測器を用いることによってセグメントリングの内周面全周にわたって各点の三次元座標を計測できる。
合成処理により三次元計測器ごとの点群同士を合成するため、各点群の座標系を統一することができる。
第１の抽出処理によってセグメントの内周面の点群を抽出するため、障害物の影響を受けにくく、セグメントリングの内周面の真円度を正確に計測することができる。
第２の抽出処理によって内周円の点群を抽出するため、コンピュータの処理負担を軽減できる。
【００１１】
前記第１の抽出処理が、前記合成処理により合成された点群から、前記セグメントリングの継ぎ目となる目地の点群を特徴抽出処理により抽出する目地点群抽出処理と、前記合成処理により合成された点群から、前記目地点群抽出処理により抽出した目地の点群に近傍の点の集合を前記セグメントリングの内周面の点群として抽出する処理と、を含む。
【００１２】
以上によれば、セグメントリングの継ぎ目となる目地の点群を用いたため、抽出された点群はセグメントの内周面を正確に表現する。
【００１３】
前記第１の抽出処理が、前記合成処理により合成された点群の各点の三次元座標の各成分の平均値を算出することによって、前記セグメントリングの内周面の中心軸を特定する中心軸特定処理と、前記合成処理により合成された点群から、前記中心軸特定処理により特定された中心軸からの距離が所定しきい値以上となる点の集合を前記セグメントリングの内周面の点群として抽出する処理と、を含む。
【００１４】
以上によれば、合成処理により合成された点群の各点の三次元座標の各成分の平均値によってセグメントリングの内周面の中心軸を特定し、その中心軸からの距離が所定しきい値以上となる点の集合を抽出するため、抽出された点の集合はセグメントの内周面を正確に表現する。
【００１５】
前記三次元計測器が前記セグメントリングの内周面上及び前記セグメントリング内の障害物の表面上の各点の色情報を計測し、前記第１の抽出処理が、前記合成処理により合成された点群の各点の色情報を参照して、色情報が所定の色となる点の集合を前記セグメントリングの内周面の点群として抽出する処理と、を含む。
【００１６】
セグメントの内周面は障害物と色が違うため、以上のような処理により抽出された点群はセグメントの内周面を正確に表現する。
【００１７】
前記三次元計測器が前記セグメントリング内の障害物の表面上の各点の三次元座標を計測し、前記コンピュータが、前記三次元計測器によって計測された各点の三次元座標を取得する取得処理と、前記取得処理により三次元座標が取得された各点の集合としての点群から、前記セグメントリングの内周面の点群を抽出する第１の抽出処理と、前記第１の抽出処理により抽出された前記セグメントリングの内周面の点群から、前記トンネルの軸に直交する面上に存在する点の集合を内周円の点群として抽出する第２の抽出処理と、前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標から前記内周円の中心点の三次元座標を算出する中心点特定処理と、前記内周円の点群の各点の三次元座標と前記内周円の中心点の三次元座標に基づいて、前記内周円の周方向の位置ごとに前記内周円の半径を算出する半径算出処理と、前記内周円の周方向の位置ごとに、前記半径算出処理により算出した半径と前記セグメントリングの設計半径との差を算出して、その差を前記セグメントリングの内周面の真円度とする真円度算出処理と、を実行する。
【００１８】
以上によれば、第１の抽出処理によってセグメントの内周面の点群を抽出するため、障害物の影響を受けにくく、セグメントリングの内周面の真円度を正確に計測することができる。
第２の抽出処理によって内周円の点群を抽出するため、コンピュータの処理負担を軽減できる。
【００１９】
前記中心点特定処理が、前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の最近傍同士を線で結ぶことによってこれらの線からなる閉曲線を生成し、その閉曲線の重心の三次元座標を前記内周円の中心点の三次元座標として算出する処理を含む。
【００２０】
以上によれば、内周円の中心点の三次元座標を正確に算出することができる。
【００２１】
前記中心点特性処理が、前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標の各成分の平均値を前記内周円の中心点の三次元座標の各成分として算出する処理を含む。
【００２２】
以上によれば、内周円の中心点の三次元座標を正確に算出することができる。
【００２３】
前記中心点特定処理が、前記第２の抽出処理により抽出した前記内周円の点群の各点の三次元座標から近似円を求めて、その近似円の中心点の三次元座標を前記内周円の中心点の三次元座標として算出する。
【００２４】
以上によれば、内周円の中心点の三次元座標を正確に算出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、作業の妨げにならない真円度計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】トンネル施工工事に用いられるシールドマシンを示した図である。
【図２】真円度計測装置のブロック図である。
【図３】基準三次元計測器によって三次元座標及び色情報が計測された各点からなる点群を示した図面である。
【図４】付随三次元計測器によって三次元座標及び色情報が計測された各点からなる点群を示した図面である。
【図５】図３，図４に示す点群を合成することによって得られた合成点群を示した図面である。
【図６】合成点群及びそれに含まれる内周円の点群を示した図面である。
【図７】内周円の点群を示した図面である。
【図８】内周円の点群及び閉曲線を示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００２８】
１．  シールドマシン及びセグメントリング
図１は、地山を掘削するシールドマシン１０を示した図である。スキンプレート１１はシールドマシン１０の外殻体を構成するものである。スキンプレート１１はリングガーダー１２によって補強されている。スキンプレート１１の先端部に回転カッター１３が設けられている。スキンプレート１１の内側に、カッター駆動機構１４、シールドジャッキ１５、作業架台１６、排土装置１７、エレクタ１８等が設けられている。作業架台１６が後方に張り出しており、その作業架台１６には保持器具２５が取り付けられている。保持器具２５によって既設のセグメントリング２０が真円に保持される。
【００２９】
トンネル施工工事では、シールドマシン１０の掘進工程とセグメントリング２０の組立工程を交互に繰り返して実施する。
シールドマシン１０の掘進に際しては、回転カッター１３がカッター駆動機構１４によって回転駆動されると、地山が掘削される。掘削により発生した土砂はチャンバー１９に貯められて、排土装置１７によってチャンバー１９から排土される。地山の掘削中、シールドジャッキ１５を施工済みのセグメントリング２０に押し当てた状態で、シールドジャッキ１５を伸張させることによってセグメントリング２０から反力をとって、シールドマシン１０が推進力を得る。
シールドマシン１０を掘進させた後、シールドジャッキ１５を収縮させる。そして、エレクタ１８によって既設のセグメントリング２０の前にセグメントをリング状に組み立てることによって新たなセグメントリング２０を組み立てる。
【００３０】
以上のようにシールドマシン１０の掘進工程とセグメントリング２０の組立工程を交互に繰り返し実施することによって、これらセグメントリング２０をトンネルの軸方向に配列させる。セグメントリング２０の配列の内周面には、隣り合うセグメントリング２０の継ぎ目となる目地２１が形成されている。目地２１の形状は円形であり、その円はトンネルの軸方向に対して垂直である。
【００３１】
以上のようなトンネル施工工事中に、これらセグメントリング２０、特に切羽に近いセグメントリング２０の真円度を計測すべく、図２に示す真円度計測装置３０を用いる。
【００３２】
２．  真円度計測装置
図２は、真円度計測装置３０のブロック図である。
【００３３】
真円度計測装置３０は、コンピュータ３１、表示デバイス３２、入力デバイス３３、記憶部３４及び複数の三次元計測器３５等を備える。
コンピュータ３１は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、システムバス及びハードウェアインタフェース等を有する。
表示デバイス３２は、例えば液晶ディスプレイデバイス、有機ＥＬディスプレイデバイス又はプロジェクタである。コンピュータ３１が演算処理によって映像信号を生成し、その映像信号を表示デバイス３２に出力する。そうすると、映像信号に従った画面が表示デバイス３２に表示される。表示デバイス３２とコンピュータ３１が一体化されていてもよいし、別体であってもよい。
入力デバイス３３は、例えばスイッチ、キーボード若しくはポインティングデバイス又はこれらの組み合わせである。入力デバイス３３は、表示デバイス３２の表面に設けられたタッチパネルであってもよい。入力デバイス３３は、操作されると操作内容に応じた信号をコンピュータ３１に出力する。
【００３４】
記憶部３４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。記憶部３４は、コンピュータ３１に内蔵されたものでもよいし、コンピュータ３１に外付けされたものでもよい。記憶部３４には、コンピュータ３１によって読取可能且つ実行可能なプログラム４０が格納されている。コンピュータ３１の機能及び演算処理は、プログラム４０によって実現される。
【００３５】
三次元計測器３５は、計測対象物の表面上の多数の点の三次元座標及び色情報を非接触で計測する。三次元計測器３５によって計測される各点の三次元座標は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸によって定義される直交座標系によって表現される。つまり、三次元計測器３５によって計測される各点の三次元座標はＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標からなる。三次元計測器３５によって計測される各点の色情報はＲ値、Ｇ値及びＢ値からなる。なお、色情報の色空間はＲＧＢ以外、例えばＨＳＶ又はＨＬＳであってもよい。
【００３６】
三次元計測器３５には、計測対象物に赤外線を照射する赤外線照射器と、距離画像カメラ（奥行き画像カメラ）又は三次元レーザースキャナーと、カラー画像カメラと、距離画像カメラ又は三次元レーザースキャナーの出力信号とカラー画像カメラの出力信号を信号処理することによって各点の三次元座標及び色情報に変換するマイコンと、を有する。但し、三次元計測器３５がマイコン等を有さず、三次元計測器３５の出力信号がコンピュータ３１によって信号処理されることによって、コンピュータ３１が三次元計測器３５の出力信号を各点の三次元座標及び色情報に変換してもよい。
【００３７】
ここで、距離画像カメラはその距離画像カメラから計測対象物の表面上の各点までの距離を計測するものであり、距離画像カメラの撮像によって得られる画像の各画素の値は距離を表す。距離画像カメラの測距方式は、TOF（Time of Flight:光飛行時間）方式であってもよいし、Light Coding方式であってもよい。
【００３８】
三次元計測器３５がカラー画像カメラを有さず、計測対象物の表面上の各点の色情報が三次元計測器３５によって計測されず、各点の三次元座標が三次元計測器３５によって計測されてもよい。
【００３９】
図１に示すように、三次元計測器３５は、切羽に近い前方のセグメントリング２０の内周面に向けられた状態で作業架台１６の後部に設置されている。各三次元計測器３５の計測範囲は相互に部分的に重なっている。三次元計測器３５の設置の位置及び向きが決まると、直交座標系の原点の位置及び各軸の向きが決まるが、少なくとも１台の三次元計測器３５は座標系のＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸がトンネルの軸に対して平行になるように設置されている。Ｘ軸、Ｙ軸又はＺ軸がトンネルの軸に対して平行となるように設置された１つの三次元計測器３５を基準三次元計測器３５Ａと称呼し、他の三次元計測器３５を付随三次元計測器３５Ｂと称呼する。以下の説明では、基準三次元計測器３５Ａの座標系のＺ軸がトンネルの軸に対して平行であり、Ｘ軸が水平であり、Ｙ軸が鉛直であるものとする。
【００４０】
三次元計測器３５が切羽に近い前方のセグメントリング２０の内周面に向けられているため、これらセグメントリング２０の内周面上の多数の点の三次元座標及び色情報が三次元計測器３５によって計測される。各三次元計測器３５の計測範囲には、作業架台１６、エレクタ１８、排土装置１７及び保持器具２５等の各種機器も含まれる。以下、各三次元計測器３５の計測範囲に含まれる計測対象物のうち、セグメントリング２０以外を障害物と称呼する。セグメントリング２０の内周面の色は灰色であるが、作業架台１６等の障害物の色は灰色以外であることが多い。
【００４１】
複数台の三次元計測器３５が以上のように設置されているため、これら三次元計測器３５によってセグメントリング２０の内周面を周方向全体に亘って計測することができる。
【００４２】
なお、図１中、二点鎖線で示すように、三次元計測器３５が切羽から離れる方向に向けた状態でリングガーダー１２に設置されてもよい。また、三次元計測器３５が保持器具２５に設置されていてもよい。
【００４３】
３．  コンピュータが実行する処理
プログラム４０が以下に説明する処理をコンピュータ３１に実行させて、セグメントリング２０の真円度がコンピュータ３１によって算出される。なお、プログラム４０に従った処理に先立って、作業者が三次元計測器３５を設置して、三次元計測器３５をコンピュータ３１に接続する。
【００４４】
（１）  計測処理・取得処理
まず、コンピュータ３１が各三次元計測器３５を制御することによって、各三次元計測器３５がセグメントリング２０の内周面及び障害物の表面を計測する。そして、各三次元計測器３５が計測結果をコンピュータ３１に転送して、コンピュータ３１がセグメントリング２０の内周面及び障害物の表面上の各点の三次元座標及び色情報を三次元計測器３５ごとに取得する。ここで、上述したように各三次元計測器３５の計測結果から三次元座標及び色情報に変換する処理は、各三次元計測器３５のマイコンが行ってもよいし、コンピュータ３１が行ってもよい。
【００４５】
コンピュータ３１が取得した三次元座標及び色情報の集合には、セグメントリング２０の内周面上の各点の三次元座標及び色情報のほかに、障害物の表面上の点も含まれる。また、コンピュータ３１が各点の三次元座標及び色情報の集合を三次元計測器３５ごとに取得するため、集合の数は三次元計測器３５の数に等しい。
【００４６】
以下、三次元計測器３５によって三次元座標及び色情報が計測された点の集合を点群（point cloud）と称する。また、基準三次元計測器３５Ａによって計測された点群を基準点群と称し、付随三次元計測器３５Ｂによって計測された点群を付随点群と称する。なお、図３に基準点群９１の一例を示し、図４に付随点群９２の一例を示す。図３及び図４では、セグメントリング２０の内周面上の各点を図示し、障害物の表面上の各点の図示を省略するが、実際には、基準点群９１及び付随点群９２には、セグメントリング２０の内周面上の各点のみならず、障害物の表面上の各点も含まれる。
【００４７】
（２）  合成処理
コンピュータ３１が、基準点群９１の各点の座標及び付随点群９２の各点の座標を共通の座標系で表現することによって、付随点群９２を基準点群９１に合成する。具体的には、コンピュータ３１が以下のような特徴量算出処理、マッチング処理及び座標変換処理を実行すると、付随点群９２が基準点群９１に合成される。
【００４８】
まず、コンピュータ３１が基準点群９１について特徴量を算出する。同様に、コンピュータ３１が付随点群９２について特徴量を算出する。
次に、コンピュータ３１が、基準点群９１の特徴量と付随点群９２の特徴量に基づいて、同一の計測対象点の三次元座標及び色情報を表す基準点群９１の点と付随点群９２の点をマッチングさせる。
次に、コンピュータ３１が、マッチングした点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標から座標変換行列を求めて、その座標変換行列に基づいて付随点群９２の各点の座標を基準点群９１の座標系に変換する。
これにより、付随点群９２と基準点群９１が共通の座標系で表現され、付随点群９２が基準点群９１に合成されて、図５に示すような点群９３が生成される。三次元計測器３５が３台以上ある場合、付随点群９２が複数あるため、コンピュータ３１が残りの付随点群９２も同様にして基準点群９１に合成する。なお、図５では、障害物の表面の点群の図示を省略するが、実際には、合成後の点群９３には、セグメントリング２０の内周面の点群のみならず、障害物の表面の点群も含まれている。
【００４９】
その後、コンピュータ３１が、合成点群９３をフィルタリング処理して、ノイズを除去する。
【００５０】
以上の合成処理により三次元計測器３５ごとの点群同士を合成することによって、各点群の座標系を基準点群９１の座標系に統一することができる。
【００５１】
（３）  セグメントの内周面の点群の抽出処理
次に、コンピュータ３１が、合成点群９３からセグメントリング２０の内周面の点群を抽出する。これにより、セグメントリング２０の内側にある障害物の影響を低くすることができる。
合成点群９３からセグメントリング２０の内周面の点群を抽出する処理は、例えば次の（３−１）〜（３−３）の何れかの通りである。なお、次の（３−３）は、障害物の色が灰色以外である場合に適用可能である。
【００５２】
（３−１）
まず、コンピュータ３１が、特徴抽出処理を行うことによって、合成点群９３から目地２１の点群９４を抽出する。
次に、コンピュータ３１が、合成点群９３から、目地２１の点群９４の各点のＸＹ座標に近似した点を抽出する。具体的には、合成点群９３の各点のＸＹ座標と目地２１の点群９４の各点のＸＹ座標とを利用して、合成点群９３の各点から目地２１の点群９４の各点までの距離を求める。そして、コンピュータ３１が、求めた距離が所定しきい値以下となる点を抽出する。抽出した点の集合がセグメントリング２０の内周面の点群である。
以上のように目地２１の点群９４を用いたため、抽出された点群はセグメントリング２０の内周面を正確に表現する。
【００５３】
（３−２）
まず、コンピュータ３１が、合成点群９３の各点のＸ座標の平均値、Ｙ座標の平均値及びＺ座標の平均値を算出する。Ｘ座標の平均値及びＹ座標の平均値はセグメントリング２０の内周面の中心軸の仮の位置を表す。
次に、コンピュータ３１が、合成点群９３の各点のＸＹ座標とセグメントリング２０の内周面の中心軸の仮の位置のＸＹ座標とを利用して、合成点群９３の各点からセグメントリング２０の内周面の中心軸の仮の位置までの距離を求める。そして、コンピュータ３１が、求めた距離が所定しきい値以上となる点を抽出する。所定しきい値がセグメントリング２０の内周面の設計半径よりも僅かに小さい値であるので、抽出した点の集合がセグメントリング２０の内周面の点群である。
セグメントリング２０の内周面の中心軸からの距離が所定しきい値以上となる点の集合を抽出するため、抽出された点の集合はセグメントリング２０の内周面を正確に表現する。
【００５４】
（３−３）
まず、コンピュータ３１が、合成点群９３の各点の色情報を参照して、色情報が灰色となる点を抽出する。セグメントリング２０の内周面の色が灰色であるので、抽出した点の集合がセグメントリング２０の内周面の点群である。
以上のように抽出された点群はセグメントの内周面を正確に表現する。
【００５５】
（４）  セグメントリングの内周円の点群の抽出処理
次に、コンピュータ３１が、図６に示すように、セグメントリング２０の内周面の点群９５から、Ｚ軸に直交するＸＹ平面上に存在する点を抽出する。具体的には、コンピュータ３１が、所定の値を指定して、セグメントリング２０の内周面の点群９５の中から、Ｚ座標がその所定の値となる点を抽出する。図６及び図７に示すように、それら点の集合９６がセグメントリング２０の内周円の点群である。
【００５６】
所定の値は、例えば、隣り合う目地２１の点群９４の各点のＺ座標の平均値であって、コンピュータ３１によって算出されたものである。つまり、コンピュータ３１が、特徴抽出処理を行うことによって、合成点群９３から隣り合う目地２１の点群９４を抽出し、それら点群９４の各点の座標の平均値を算出する。
【００５７】
同様にして、コンピュータ３１が、別のＸＹ平面上に存在する内周円の点群９６を抽出する。以下に説明する処理は、共通のＸＹ平面上に存在する内周円の点群９６ごとに行われる。
【００５８】
以上のように内周円の点群９６を抽出したため、点の数が減少し、以後の処理負担が軽減される。
【００５９】
（５）  内周円の中心点の特定処理
次に、コンピュータ３１が、共通のＸＹ平面に存在する内周円の点群９６の各点のＸＹＺ座標に基づいて、その内周円の中心点９７のＸＹＺ座標を算出する。例えば、次の（５−１）〜（５−３）の何れかの通りであるが、以下の（５−１）〜（５−３）の何れでも中心点９７のＺ座標は内周円の点群９６の各点のＺ座標に等しい。これは、共通のＸＹ平面に存在する内周円の点群９６の各点のＺ座標が互いに等しいためである。
【００６０】
（５−１）
まず、コンピュータ３１が、図８に示すように、内周円の点群９６の各点を最近傍の点に線で結ぶことによってこれらの線からなる閉曲線９８を生成する。そして、コンピュータ３１が、閉曲線９８の重心のＸＹＺ座標を算出する。算出したＸＹＺ座標が内周円の中心点９７のＸＹＺ座標である。このような処理により、内周円の中心点９７のＸＹＺ座標を正確に算出することができる。
【００６１】
（５−２）
コンピュータ３１が、内周円の点群９６の各点のＸ座標の平均値を算出し、Ｙ座標の平均値を算出し、更にＺ座標の平均値を算出する。算出したＸ座標の平均値が内周円の中心点９７のＸ座標であり、算出したＹ座標の平均値が内周円の中心点９７のＹ座標であり、算出したＺ座標の平均値が内周円の中心点９７のＺ座標である。このような処理により、内周円の中心点９７のＸＹＺ座標を正確に算出することができる。
【００６２】
（５−３）
コンピュータ３１が、最小二乗法等の回帰分析により、内周円の点群９６の各点のＸＹＺ座標から近似円（特にその方程式）を求める。そして、コンピュータ３１が、その近似円の中心点のＸＹＺ座標を求める。その近似円の中心点のＸＹＺ座標が内周円の中心点９７のＸＹＺ座標である。このような処理により、内周円の中心点９７のＸＹＺ座標を正確に算出することができる。
【００６３】
（６）  半径算出
次に、コンピュータ３１が、内周円の点群９６の各点のＸＹＺ座標及び中心点９７のＸＹＺ座標に基づいて、その内周円の周方向の位置ごとに内周円の半径を算出する。例えば、次の（６−１）又は（６−２）の方法で算出する。
【００６４】
（６−１）
コンピュータ３１が、２点間の距離の公式に従って、内周円の点群９６の各点について中心点９７までの距離を算出する。算出した距離が内周円の半径である。
【００６５】
（６−２）
まず、コンピュータ３１が、内周円の点群９６から、内周円の頂部近傍の幾つかの点（図７に示す領域Ａ内の点）を抽出する。次に、コンピュータ３１が、最小二乗法等の回帰分析により、これらの点のＸＹＺ座標から近似直線（特にその方程式）を求める。次に、コンピュータ３１が、点と直線の距離の公式に従って、近似直線から中心点９７までの距離を算出する。算出した距離が内周円の半径である。
【００６６】
図７に示す各領域Ｂ〜Ｈ内についても同様の処理が行われる。ここで、領域Ｂは内周円の底部近傍の範囲を表し、領域Ｃは内周円の一方の側部近傍の範囲を表し、領域Ｄは内周円の他方の側部近傍の範囲を表す。領域Ｅは領域Ａと領域Ｃの間にあり、領域Ｆは領域Ｂと領域Ｄの間にあり、領域Ｇは領域Ｄと領域Ａの間にあり、領域Ｈは領域Ｃと領域Ｂの間にある。領域Ａ，Ｆ，Ｃ，Ｈ，Ｂ，Ｅ，Ｄ，Ｇはこれらの順に中心角４５°のピッチで周方向に配列されている。
【００６７】
（７）  真円度の算出処理
次に、コンピュータ３１が、内周円の周方向の位置ごとに、上記（６）の処理において算出した半径と設計値の差を算出する。算出した差が真円度である。設計値とは、セグメントリング２０の内周面の設計半径である。設計値は、記憶部３４に予め記憶されているか、プログラム４０に予め組み込まれているか、ユーザが入力デバイス３３を用いて入力したものである。
【００６８】
（８）  結果の記録・出力処理
次に、コンピュータ３１が、算出した真円度を記憶部３４に記録する。また、コンピュータ３１がその真円度を数値により表示デバイス３２に表示させる。なお、コンピュータ３１がネットワークにより他のコンピュータに接続されている場合、コンピュータ３１がその真円度を他のコンピュータに送信し、その真円度が他のコンピュータによって記憶・管理されてもよい。
【００６９】
４．  有利な効果
セグメントリング２０の内周面上の各点の三次元座標を三次元計測器３５によって計測し、計測された各点の三次元座標からセグメントリング２０の内周面の真円度をコンピュータ３１によって算出するため、小規模な真円度計測装置３０を提供することができる。また、三次元計測器３５及びコンピュータ３１の設置場所の自由度が高く、三次元計測器３５及びコンピュータ３１が作業の妨げにならない。
【００７０】
作業員が誤って付随三次元計測器３５Ｂに接触して、付随三次元計測器３５の位置ずれが発生しても、真円度を計測することができる。これは付随三次元計測器３５Ｂの座標系を基準三次元計測器３５Ａの座標系に変換するためである。
【００７１】
ＸＹ平面ごとに内周円の点群９６を抽出するため、複数の鉛直断面における内周円の真円度を計測することができる。例えば、切羽に最も近い鉛直断面における内周円の真円度を計測すれば、その真円度は組立直後の段階の計測値であり、切羽に２番目に近い鉛直断面における内周円の真円度を計測すれば、その真円度はシールドマシン１０のテールの通過直後の段階の計測値であり、切羽に３番目に近い鉛直断面における内周円の真円度を計測すれば、その真円度は裏込め材注入直後の段階の計測値である。
【００７２】
５．  変形例
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。以下に、以上の実施形態からの変更点について説明する。以下に説明する変更点は、可能な限り組み合わせて適用してもよい。
【００７３】
（１）  上記実施形態では、複数台の三次元計測器３５を用いた。それに対して、１台の三次元計測器３５によってセグメントリング２０の内周面を周方向全体に亘って三次元座標及び色情報を計測することができるのであれば、１台の三次元計測器３５を用いてもよい。この場合、その三次元計測器３５は座標系のＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸がトンネルの軸に対して平行になるように設置されており、その三次元計測器３５が基準三次元計測器３５Ａとなる。また、コンピュータ３１の処理は、「（２）  合成処理」を省略して、上述の「（１）  計測処理・取得処理」から「（３）  セグメントの内周面の点群の抽出処理」に移行する。そして、「（３）  セグメントの内周面の点群の抽出処理」及び「（４）  セグメントリングの内周円の点群の抽出処理」では、合成点群９３の代わりに基準点群９１が利用される。つまり、「（３）  セグメントの内周面の点群の抽出処理」及び「（４）  セグメントリングの内周円の点群の抽出処理」の説明における「合成点群９３」を「基準点群９１」に読み替える。
【００７４】
（２）  上記実施形態では、基準三次元計測器３５Ａの座標系のＺ軸がトンネルの軸に対して平行であったが、そうでなくてもよい。この場合、トンネルの軸に平行なターゲットがセグメントリング２０内に設置されており、そのターゲット上の各点の三次元座標及び色情報が三次元計測器３５によって計測される。そして、コンピュータ３１は、合成点群９３に含まれるターゲットの各点のＸＹＺ座標から座標変換行列を計算して、Ｚ軸がトンネルの軸に対して平行な座標系に合成点群９３を座標変換行列によって座標変換する。
【符号の説明】
【００７５】
１０…シールドマシン
２０…セグメントリング
２１…目地
３０…真円度計測装置
３１…コンピュータ
３５…三次元計測器
９１…基準点群
９２…付随点群
９３…合成点群
９４…目地の点群
９５…セグメントリングの内周面の点群
９６…内周円の点群
９７…内周円の中心点
９８…閉曲線
【図１】
2020012764.tif 000003
【図２】
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【図３】
2020012764.tif 000005
【図４】
2020012764.tif 000006
【図５】
2020012764.tif 000007
【図６】
2020012764.tif 000008
【図７】
2020012764.tif 000009
【図８】
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