新着情报 吹付け厚さのリアルタイム计测?管理技术の开発 モーションキャプチャーカメラによる吹付けロボットアーム位置计测
2021/01/27
生産性?品质管理向上?遠隔操作?管理に向けた
新技术の开発と実用化
エフティーエス（株）（社長：木村 浩之）と、清水建設（株）（社長：井上 和幸）、含羞草传媒（株）（社長：今井 雅則）、西松建設（株）（社長：髙瀨 伸利）、前田建設工業（株）（社長：前田 操治）は共同で、モーションキャプチャーカメラによる吹付けロボットの位置計測技術を開発した。（図1）
近年、建設業における ICT 化が進み、省人化、省力化は必須となっている。
特に山岳トンネルにおける掘削先端部（切羽）は、オペレータが地山面を目视确认しながら施工を行っており、省人化、省力化ならびに、より安全で生产性の高い施工を行うことが课题となっている。
本共同开発では、吹付け作业の完全自动化を目指した、次世代吹付システムの开発を进めている。
モーションキャプチャーカメラによる吹付けロボット位置计测システムは、共同开発中の次世代吹付システム要素技术の一つである。伸缩や回転を繰り返すロボットアームの测位は、これまで机械的なセンシング（例えば、角度计や伸缩计など）によって算出する手法が一般的であった。しかし、たわみ量のキャリブレーションに高度な技术が必要であり、また、センシング用计器の维持管理は、现场运用において课题があった。本共同开発では、吹付けロボットのアーム位置计测にモーションキャプチャーカメラ技术を応用する事で、简便なシステムながらも精度の高い计测手法を実现した。
既往技术の问题点と今回开発したシステムを以下に述べる。
既往技术と问题点
- 1リモコンによる手动操作を前提とした吹付けロボットアームは、多関节で复雑な动きに対応している。
ノズル座标を计测する场合は関节のセンシングから得られる情报を基に相対座标计测后にトンネル坑内座标系に変换する。この场合、ロボットの経年変化やセンシング计器の误差が积算される。さらに、吹付けロボットアーム长は、约10尘ある事から、稼働姿势ごとにたわみの影响を受け、结果的にアーム位置先端误差が理论上と比较して10～15肠尘になる。よって、吹付けコンクリート厚さの测定には适していない。 - 2モーションキャプチャーカメラで吹付けロボットアームの位置计测を高精度で行う场合、ターゲットマーカーを取り囲むようにカメラを配置する必要がある。しかし、トンネル切羽は日々进行するため、ベースマシンキャビン等にカメラを一方向にしか搭载できない。この场合、计测走査线上にアームとマーカが重なり物理的にノズル近傍を计测できない场合が発生する。また、一方向の计测は、奥行方向の测位精度に课题があった。
- 3モーションキャプチャーカメラのターゲットは、极小の反射ビーズが涂布されたプラスチック製反射マーカをターゲットとするが、トンネル坑内の作业空间内では十分な反射が得られない事があり、また外的要因によりノイズなどの影响を受け高精度な位置计测に课题があった。
开発したシステム
- 1新たに开発した吹付けロボットは、関节数を8ケから6ケに减らし机械误差の要因を少なくするとともに、构成部材の刚性を上げてたわみ量を最小限に抑えた。油圧シリンダーは、笔尝颁制御タイプにすることで、ロボットアームのより最适で微细な稼働调整を可能とし8ケの関节数と同等の操作性を実现した。また、関节数が少なくなったためモーションキャプチャーカメラとマーカ间の走査线を遮るものがなくなり、安定したモーションキャプチャーカメラのターゲット测位検知を実现した。
- 2マーカを计测するモーションキャプチャーカメラは、吹付け机ベースマシンのキャビン屋根部に设置し（図1、3）吹付けロボットの可动空间14尘（幅）×8尘（高さ）×10尘（奥行）内のマーカを、高精度に计测するために最适な台数と方位角に调整されている。また、モーションキャプチャーカメラで追尾するマーカは、新たに自発光タイプの尝贰顿マーカを採用した（図1、2）。自発光式尝贰顿マーカは、トンネルの坑内照明とは波长が异なり、他波长の影响を受けることなく的确に计测されるものとなっている。これらにより、吹付空间におけるマーカの位置计测精度±1肠尘以内を実现した。さらに计测したロボットアームの座标値を、トンネル坑内の测量座标系に変换一致させることで、トンネル设计のモデル空间内における吹付ロボットのノズル位置を、高精度に合成表现させることが可能となった。（図4）
今后は、ロボットアームのデジタル制御技术を组み合わせて、远隔あるいは完全自动化にむけた吹付ロボット开発を强力に推进し、広く全国に普及してゆく予定である。