(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上に設置されたトルクリールと、該トルクリールから繰り出され先端にて掘削機につながれた計測用ワイヤーと、該計測用ワイヤーの繰出し長さを計測する繰出し長さ計測手段と、所定の計測水平面における前記計測用ワイヤーの水平位置を計測する水平位置計測手段と、前記繰出し長さ計測手段で計測された繰出し長さと前記水平位置計測手段で計測された水平位置とから前記掘削機の水平位置を演算処理する演算処理手段と、該演算処理手段で求められた前記掘削機の水平位置を表示する表示手段とからなり、前記演算処理手段は、地上側にて形成された不動点と前記計測水平面との鉛直距離をＤ0、前記繰出し長さを用いて求められる前記不動点と前記掘削機との鉛直距離をＤ1、前記不動点を通る鉛直基準線からの前記計測水平面における前記計測用ワイヤーの水平変位をδ1とした場合において、前記掘削機の水平位置を、次式、
δ2＝（Ｄ1/Ｄ0）・δ1
の幾何学的関係を用いて前記鉛直基準線からの前記掘削機の水平変位δ2として求めることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
【請求項２】
前記水平位置計測手段を、前記計測水平面内の互いに平行でない相異なる二軸方向から前記計測用ワイヤーを撮像する２台のＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラからの撮像データを画像処理して前記計測用ワイヤーの水平位置を求める画像処理手段とから構成した請求項１記載の掘削機の位置計測システム。
【請求項３】
前記トルクリール、前記計測用ワイヤー、前記繰出し長さ計測手段及び前記水平位置計測手段を２組備えるとともに該各計測用ワイヤーの先端を前記掘削機の相異なる二点につなぎ、前記演算処理手段を、前記掘削機の水平位置が前記各計測用ワイヤー先端の二ヶ所にて評価されるように構成した請求項１記載の掘削機の位置計測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として水平多軸式掘削機に適用される掘削機の位置計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤を掘削する掘削機のうち、ハイドロフレーズ掘削機の名前で呼ばれている水平多軸式掘削機は、１００ｍ程度の大深度掘削に適した掘削機である。
【０００３】
図８は、このような水平多軸式掘削機１を吊下げ用ワイヤー２を介してクレーン３で吊り下げた様子を示した側面図である。同図でわかるように、水平多軸式掘削機１は、フレーム４の下端に油圧式のロータリーカッター５を備えており、掘削の際には、水平多軸式掘削機１を掘削溝７内に吊り降ろし、その状態でロータリーカッター５を作動させることにより、当該掘削溝７の底部を掘り下げていくようになっている。
【０００４】
ここで、掘削精度を管理するためには、水平多軸式掘削機１の姿勢を計測制御することが不可欠であり、鉛直精度については、フレーム４に取り付けた傾斜計を用いて管理していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、掘削地盤の土質が例えば崩壊性地盤である場合には、水平多軸式掘削機１と孔壁とのクリアランスが大きくなり、水平多軸式掘削機１が鉛直姿勢を保ったまま、水平方向にずれやすい状態となる。
【０００６】
しかしながら、このような水平方向の平行移動は、水平多軸式掘削機１が傾いているわけではないため、当然ながら傾斜計では計測することができない。そのため、正常な掘削状態と水平方向にずれた状態との区別がつかず、設計通りの掘削を行うことが困難になるという問題を生じていた。
【０００７】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、掘削機の平行移動を検出することが可能な掘削機の位置計測システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る掘削機の位置計測システムは請求項１に記載したように、地上に設置されたトルクリールと、該トルクリールから繰り出され先端にて掘削機につながれた計測用ワイヤーと、該計測用ワイヤーの繰出し長さを計測する繰出し長さ計測手段と、所定の計測水平面における前記計測用ワイヤーの水平位置を計測する水平位置計測手段と、前記繰出し長さ計測手段で計測された繰出し長さと前記水平位置計測手段で計測された水平位置とから前記掘削機の水平位置を演算処理する演算処理手段と、該演算処理手段で求められた前記掘削機の水平位置を表示する表示手段とからなり、前記演算処理手段は、地上側にて形成された不動点と前記計測水平面との鉛直距離をＤ0、前記繰出し長さを用いて求められる前記不動点と前記掘削機との鉛直距離をＤ1、前記不動点を通る鉛直基準線からの前記計測水平面における前記計測用ワイヤーの水平変位をδ1とした場合において、前記掘削機の水平位置を、次式、
δ2＝（Ｄ1/Ｄ0）・δ1
の幾何学的関係を用いて前記鉛直基準線からの前記掘削機の水平変位δ2として求めるものである。
【０００９】
また、本発明に係る掘削機の位置計測システムは、前記水平位置計測手段を、前記計測水平面内の互いに平行でない相異なる二軸方向から前記計測用ワイヤーを撮像する２台のＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラからの撮像データを画像処理して前記計測用ワイヤーの水平位置を求める画像処理手段とから構成したものである。
【００１０】
また、本発明に係る掘削機の位置計測システムは、前記トルクリール、前記計測用ワイヤー、前記繰出し長さ計測手段及び前記水平位置計測手段を２組備えるとともに該各計測用ワイヤーの先端を前記掘削機の相異なる二点につなぎ、前記演算処理手段を、前記掘削機の水平位置が前記各計測用ワイヤー先端の二ヶ所にて評価されるように構成したものである。
【００１１】
本発明に係る掘削機の位置計測システムにおいては、掘削作業中、掘削機が昇降しても計測用ワイヤーにたるみが生じたり過度の張力が作用したりすることがないよう、トルクリールを適宜操作し、計測用ワイヤーに適度な張力を常時付与する。ここで、計測用ワイヤーは、地上側にて不動点が形成されるように構成する。例えば、トルクリールから繰り出された計測用ワイヤーを所定の固定プーリーに掛け、これを掘削機につなぐようにすれば、計測用ワイヤーは、繰出し長さや繰出し方向（正常掘削状態では鉛直下方に繰り出されるが、掘削機が水平移動する状態では斜め下方に繰り出される）に関わらず、必ず固定プーリーを通過するので、かかる固定プーリーの取付け位置を不動点とみなすことができる。
【００１２】
次に、掘削作業中、計測用ワイヤーの繰出し長さを繰出し長さ計測手段でリアルタイムに計測する。計測用ワイヤーの繰出し長さは、例えばトルクリールに内蔵されたエンコーダで直接計測することができるし、場合によっては掘削機を吊持する吊下げ用ワイヤーのウィンチに内蔵されたエンコーダから間接的に計測することも可能である。
【００１３】
一方、計測用ワイヤーの所定の計測水平面における水平位置を水平位置計測手段でリアルタイムに計測する。水平位置を計測する計測水平面は、上述した計測用ワイヤーの不動点から掘削機との間の地上空間に任意に設定すればよい。例えば、計測用ワイヤーが掛けられた固定プーリーと地上面との間に設定することができる。
【００１４】
次に、繰出し長さ計測手段で計測された計測用ワイヤーの繰出し長さと水平位置計測手段で計測された計測水平面での計測用ワイヤーの水平位置とを用いて掘削機の水平位置を演算処理手段で演算処理する。すなわち、不動点と計測水平面との鉛直距離をＤ0、不動点と掘削機との鉛直距離をＤ1、不動点を通る鉛直基準線からの計測水平面における計測用ワイヤーの水平変位をδ1、鉛直基準線からの掘削機の水平変位δ2とすれば、掘削機の水平位置は、δ2＝（Ｄ1/Ｄ0）・δ1なる幾何学的関係を用いて鉛直基準線からの掘削機の水平変位δ2として求めることができる。
【００１５】
次に、掘削機の水平位置を液晶ディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等の表示手段にリアルタイムに表示する。
【００１６】
水平位置計測手段をどのように構成するかは任意であり、例えば、計測水平面内の互いに平行でない相異なる二軸方向から前記計測用ワイヤーを撮像する２台のＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラからの撮像データを画像処理して前記計測用ワイヤーの水平位置を求める画像処理手段とから構成することができる。なお、かかる構成以外にも、レーザー、受発光素子等で構成することが可能である。
【００１７】
トルクリール、計測用ワイヤー、繰出し長さ計測手段及び水平位置計測手段については、掘削機の水平位置を１点に代表された位置として求めるのであれば１組で足りるが、これらを２組備えるとともに各計測用ワイヤーの先端を掘削機の相異なる二点につなぎ、演算処理手段を、掘削機の水平位置が各計測用ワイヤー先端の二ヶ所にて評価されるように構成した場合、掘削機の水平位置を二ヶ所にて評価する、すなわち、全体位置とねじれの２成分を求めることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る掘削機の位置計測システムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１９】
（第１実施形態）
【００２０】
図１は、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムを示した全体図及びブロック図である。これらの図でわかるように、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムは、トルクリール１２と、該トルクリールから繰り出される計測用ワイヤー１３と、トルクリール１２に内蔵され計測用ワイヤーの繰出し長さを計測する繰出し長さ計測手段としてのエンコーダ１４と、計測用ワイヤー１３を撮像する２台のＣＣＤカメラ１５、１５と該ＣＣＤカメラ及びエンコーダ１４が接続されたコンピュータ２０とから概ね構成してある。
【００２１】
ここで、トルクリール１２及びＣＣＤカメラ１５、１５は、掘削溝７の地上開口近傍に設置された架台１６に取り付けてあるとともに、トルクリール１２から繰り出された計測用ワイヤー１３は、図示しない支持部材を介して架台１６で支持されている固定プーリー１１にいったん掛けられた後、その先端を掘削機１につないである。架台１６は、例えば掘削溝７又はその予定場所に沿って敷設されたレール上を走行自在に構成しておくのがよい。
【００２２】
コンピュータ２０には、ＣＣＤカメラ１５、１５からの撮像データを画像処理して計測用ワイヤー１３の水平位置を求める画像処理手段としての画像処理部１７を設けてあり、かかる画像処理部１７は、ＣＣＤカメラ１５、１５とともに所定の計測水平面における計測用ワイヤー１３の水平位置を計測する水平位置計測手段として機能する。
【００２３】
また、コンピュータ２０には、エンコーダ１４で計測された計測用ワイヤー１３の繰出し長さとＣＣＤカメラ１５、１５及び画像処理部１７で計測された計測水平面での計測用ワイヤー１３の水平位置とを用いて、掘削機１の水平位置を演算処理する演算処理手段としての演算処理部１８と、該演算処理部で求められた掘削機１の水平位置を表示する表示手段としてのＣＲＴディスプレイ１９とを設けてある。
【００２４】
図２は、ＣＣＤカメラ１５、１５の配置状況を示したものである。同図でわかるように、ＣＣＤカメラ１５、１５は、互いに平行でない相異なる二軸２１、２２（同図では直交するｘ、ｙ軸）の各方向から計測用ワイヤー１３を撮像することができるように架台１６に据え付けてあり、相異なる二軸２１、２２は、固定プーリー１１と架台１６に挟まれた計測水平面内に含まれる。
【００２５】
本実施形態に係る掘削機の位置計測システムにおいては、掘削作業中、掘削機１が昇降しても計測用ワイヤー１３にたるみが生じたり過度の張力が作用したりすることがないよう、トルクリール１２を適宜操作し、計測用ワイヤー１３に適度な張力を常時付与する。
【００２６】
ここで、計測用ワイヤー１３は、トルクリール１２から繰り出された後、固定プーリー１１に掛けてから掘削機１につないである。したがって、計測用ワイヤー１３は、繰出し長さや繰出し方向（正常掘削状態では鉛直下方に繰り出されるが、掘削機１が水平移動する状態では斜め下方に繰り出される）に関わらず、必ず固定プーリー１１を通過することとなり、かかる固定プーリー１１の取付け位置が計測用ワイヤー１３の不動点となる。
【００２７】
次に、掘削作業中、計測用ワイヤー１３の繰出し長さをエンコーダ１４でリアルタイムに計測するとともに、上述した計測水平面における計測用ワイヤー１３の水平位置をＣＣＤカメラ１５、１５及び画像処理部１７でリアルタイムに計測する。
【００２８】
次に、エンコーダ１４で計測された繰出し長さとＣＣＤカメラ１５、１５及び画像処理部１７で計測された水平位置とを用いて、掘削機１の水平位置を演算処理部１８で演算処理する。
【００２９】
すなわち、図３に示すように、不動点Ｏ（固定プーリー１１の設置位置）と計測水平面３１との鉛直距離をＤ0、不動点Ｏと掘削機１との鉛直距離をＤ1、不動点Ｏを通る鉛直基準線３２からの計測水平面３１における計測用ワイヤー１３の水平変位をδ1、鉛直基準線３２からの掘削機１の水平変位δ2とすれば、掘削機１の水平位置は、δ2＝（Ｄ1/Ｄ0）・δ1なる幾何学的関係を用いて鉛直基準線３２からの掘削機１の水平変位δ2として求めることができる。
【００３０】
なお、かかる演算は、ｘ軸及びｙ軸ごとに個別に行い、算出された掘削機１の水平変位のうち、ｘ軸成分をδ2x、ｙ軸成分をδ2yとする。
【００３１】
次に、掘削機１の水平位置を、図４に示すようにＣＲＴディスプレイ１９にリアルタイムに表示する。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムによれば、掘削機１が水平方向にずれたとき、斜めに傾いた計測ワイヤー１３を計測し、これを幾何学的に処理することによって、掘削機１の水平移動を計測することが可能となる。
【００３３】
従来、掘削機１自体の傾きについては、傾斜計で計測可能であったが、掘削機１の水平移動についてはこれを計測することができないため、掘削機１を掘削溝７から引き上げては超音波で孔壁を計測するという手順を繰り返さざるを得ず、掘削能率が低下するのを余儀なくされていたが、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムによれば、掘削機１を引き上げずとも孔壁の様子を推測することが可能となり、掘削能率を低下させることなく掘削精度の向上を図ることが可能となる。
【００３４】
本実施形態では、掘削機１の水平移動をｘ軸、ｙ軸の両方で評価すべく、ＣＣＤカメラ１５を２台としたが例えばｘ軸方向に沿った水平移動だけ把握すれば足りるのであれば、ＣＣＤカメラ１５もこれに対応して１台で足りることは言うまでもない。
【００３５】
（第２実施形態）
【００３６】
次に、第２実施形態について説明する。なお、従来技術や第１実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３７】
図５は、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムを示した全体図及びブロック図である。これらの図でわかるように、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムは、トルクリール１２ａ、１２ｂと、該各トルクリールから繰り出される計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂと、トルクリール１２ａ、１２ｂに内蔵され各計測用ワイヤーの繰出し長さを計測する繰出し長さ計測手段としてのエンコーダ１４ａ、１４ｂと、計測用ワイヤー１３ａを撮像する２台のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ａと、計測用ワイヤー１３ｂを撮像する２台のＣＣＤカメラ１５ｂ、１５ｂと、該各ＣＣＤカメラ及びエンコーダ１４ａ、１４ｂが接続されたコンピュータ２０とから概ね構成してある。
【００３８】
ここで、トルクリール１２ａ、ｂ及びＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂは、第１実施形態のトルクリール１２及びＣＣＤカメラ１５と同様、掘削溝７の地上開口近傍に設置された架台１６ａ、１６ｂにそれぞれ取り付けてあるとともに、トルクリール１２ａ、１２ｂからそれぞれ繰り出された計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂは、図示しない支持部材を介して架台１６ａ、１６ｂに支持されている固定プーリー１１ａ、１１ｂにいったん掛けられた後、それらの先端を掘削機１の相異なる二点につないである。架台１６ａ、１６ｂは、例えば掘削溝７又はその予定場所に沿って敷設されたレール上を走行自在に構成しておくのがよい。
【００３９】
コンピュータ２０には、二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂからの撮像データを画像処理して計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの水平位置を求める画像処理手段としての画像処理部１７を設けてあり、かかる画像処理部１７は、二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂとともに所定の計測水平面における計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの水平位置を計測する水平位置計測手段として機能する。
【００４０】
また、コンピュータ２０には、エンコーダ１４ａ、１４ｂで計測された計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの繰出し長さと二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂ及び画像処理部１７で計測された計測水平面における計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの水平位置とを用いて掘削機１の水平位置を相異なる二ヶ所にて演算処理する演算処理手段としての演算処理部１８と、該演算処理部で求められた掘削機１の水平位置を表示する表示手段としてのＣＲＴディスプレイ１９とを設けてある。
【００４１】
図６は、二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂの配置状況を示したものであるが、その内容は第１実施形態のものを左右対称に配置したものと同じであるので、詳細な説明はここでは省略する。
【００４２】
本実施形態に係る掘削機の位置計測システムにおいては、第１実施形態と同様、トルクリール１２ａ、１２ｂを適宜操作して計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂに適度な張力を常時付与しておき、かかる状態で、計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの繰出し長さをエンコーダ１４ａ、１４ｂでリアルタイムにそれぞれ計測するとともに、上述した計測水平面における計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの水平位置を二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂ及び画像処理部１７でリアルタイムに計測する。
【００４３】
次に、エンコーダ１４ａ、１４ｂで計測された繰出し長さと二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂ及び画像処理部１７で計測された計測水平面での水平位置とを用いて、掘削機１の水平位置を演算処理部１８で演算処理する。
【００４４】
次に、掘削機１の水平位置を、図７に示すようにＣＲＴディスプレイ１９にリアルタイムに表示する。なお、掘削機１の水平位置を演算処理するにあたっては、第１実施形態の手順をそれぞれの計測用ケーブル１３ａ、１３ｂに同様に適用すればよいだけであるので、ここではその説明を省略するが、その水平位置は同図でわかるように、Ａ点における水平位置δ2x、δ2y及び該Ａ点とは異なるＢ点における水平位置δ′2x、δ′2yとして評価される点が第１実施形態とは異なる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムによれば、掘削機１が水平方向にずれたとき、斜めに傾いた計測ワイヤー１３ａ、１３ｂを計測し、これを幾何学的に処理することによって、掘削機１の水平移動を計測することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態に係る掘削機の位置計測システムによれば、２つのトルクリール１２ａ、１２ｂ、二本の計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂ、２つのエンコーダ１４ａ、１４ｂ及び二組のＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂ及び画像処理部１７を備えるとともに該各計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂの先端を掘削機１の相異なる二点につなぎ、演算処理部１８を、掘削機１の水平位置が各計測用ワイヤー１３ａ、１３ｂ先端の二ヶ所にて評価されるように構成したので、掘削機１の全体移動のみならず、鉛直軸線廻りのねじれ成分をも計測することが可能となり、掘削精度をさらに向上させることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る掘削機の位置計測システムによれば、掘削機が水平方向にずれたとき、斜めに傾いた計測ワイヤーを計測して幾何学的に処理することにより、掘削機の水平移動を計測することができる。そのため、掘削機を引き上げずとも孔壁の様子を推測することが可能となり、掘削能率を低下させることなく掘削精度の向上を図ることができる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る掘削機の位置計測システムの図であり、(a)は全体図、(b)はブロック図。
【図２】ＣＣＤカメラの配置状況を示した図であり、(a)は斜視図、(b)は平面図。
【図３】水平にずれた掘削機の水平位置を求める手順を示した図であり、(a)は全体図、(b)は詳細図。
【図４】掘削機１の水平位置を表示手段であるＣＲＴディスプレイ１９に表示した様子を示したものであり、(a)は表示画面の正面図、(b)は座標系を示した斜視図。
【図５】第２実施形態に係る掘削機の位置計測システムの図であり、(a)は全体図、(b)はブロック図。
【図６】ＣＣＤカメラの配置状況を示した斜視図。
【図７】掘削機１の水平位置を表示手段であるＣＲＴディスプレイ１９に表示した様子を示したものであり、(a)は表示画面の正面図、(b)は座標系を示した斜視図。
【図８】掘削機１をクレーン３で吊持した様子を示した側面図。
【符号の説明】
１                          掘削機
１２、１２ａ、１２ｂ        トルクリール
１３、１３ａ、１３ｂ        計測用ワイヤー
１４、１４ａ、１４ｂ        エンコーダ（繰出し長さ計測手段）
１５、１５ａ、１５ｂ        ＣＣＤカメラ（水平位置計測手段）
１７                        画像処理部（水平位置計測手段）
１８                        演算処理部（演算処理手段）
１９                        ＣＲＴディスプレイ（表示手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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