論文･報告 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発

論文･報告

次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発
Development of Weld-Visualization Technology and Next-Generation, 3D-Welding Helmet

津山 忠久 *1
TSUYAMA Tadahisa

布施 直彦*2
FUSE Naohiko

室田 千春 *4
MUROTA Chiharu

金平 徳之 *5
KANEHIRA Noriyuki

本摩 敦 *3
HOMMA Atsushi

川田工業は鋼製橋梁および建築鉄骨を主体とするファブリケーターである。溶接に関して工場では，自動化ラインを導入し可能な範囲で自動機やロボットを使用することで省力化を図っているが，製造しているほとんどすべての製品が一品一様であることから，人による作業は欠かせない。したがって，人員の確保・育成や溶接技能の継承は工場にとって重要なテーマの一つである。今後の労働力の減少を考えたとき，溶接技能というスキルをいかに効率的に初心者に伝えるか，ということは工場にとって取り組まなければならない喫緊の課題である。
このような背景のもと，川田グループ全体で取り組むタスクフォースプロジェクトとして企画された『川田グランドチャレンジ』の活動の中で，XDR 技術を用いた溶接部可視化システム(本システム)および本システムを搭載した次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発に着手した。この狙いは，圧倒的な視野で「溶接が見える」ようになれば技能習熟のスピードを劇的に向上させられるのではないかという点にある。本稿では，開発中の本システムについてその技術的内容とこれまで得られている成果について説明する。
キーワード：溶接部可視化，XDR，技能伝承，溶接技能者育成，次世代 3D 溶接部可視化マスク

で新規労働者を確保しようと努力している。2016 年度の

1．
． はじめに

データでは，建設業就業者における 29 歳以下の割合はここ数年，日本の製造業はアベノミクスを背景に好調約 11%であり，55 歳以上が約 34%にあるのに比べるとな業績を上げている一方で，人手不足の深刻化が問題と著しく若手が不足していることが明らかである 2) （全産なっている。経済産業省によると有効求人倍率は 2010

業においてはそれぞれ約 16%，約 29%）。このような若年より増加し続けており，人材確保が「大きな課題となっ年入職者の確保の課題に対し政府は，人手不足の分野でておりビジネスにも影響が出ている」と答えている企業

一定の技能を持つ人を対象に新たな在留資格「特定技能」の割合は 2017 年調査で 32.1%というデータがある 1) 。

を 2019 年 4 月に創設，外国人労働者の大幅受け入れにこの割合は前年から 9%も増加しており，人材確保の課舵を切った。建設は特定産業分野とされ労働者増が期待題がさらに顕在化し深刻な課題になっていることがうかされるが，特定技能外国人をどう活用し生産性向上に繋がえる。各産業への就業者数の推移を見ると，景気回復げていくことができるかが最も重要であることは忘れての中で雇用環境が改善したことから全体の就業者数は増はならない。

えているものの，それは医療，福祉などで多く見られ，経済産業省の調査によると，製造業において確保に課製造業の就業者数はほぼ横ばい圏内を推移しており，製題がある人材の種類は「技能人材」が最も高い 1) 。この造業では人材の確保にハードルを抱えている 1) 。今後，傾向は製造する製品にかかわらず同じであり，部品，原少子高齢化と人口減社会に突入する日本において企業の材料・素材，加工の分野で特に高い。技能人材不足に対雇用確保は容易ではなく，特に労働環境が他産業と比べする企業の対策としては自動機やロボットの導入によるて悪いとされている建設業においては死活問題である。

自動化・省人化，IT・IoT・AI などの活用による生産工

このような背景を踏まえ国土交通省は「建設業働き方程の合理化等が最重要課題として取り組まれている印象

改革加速化ブログラム」を策定し，長時間労働の是正，が強いが，実は「新卒採用の強化」を掲げる企業が最も給与・社会保険，生産性向上の 3 つの分野における新た多い 1) 。つまりロボットや IT よりも，まずは若手人材をな施策をパッケージとして 2018 年にまとめた。週休 2

確保することが最も重要であると考えていると言えるが，日制の導入，技能や経験にふさわしい処遇（給与）の実

これは同時に，確保した人材を早期に育成することが必現などを掲げており，魅力ある建設業界を構築すること*1 川田工業㈱四国工場生産開発課 課長*2 川田工業㈱鋼構造事業部工事部 次長*3 川田工業㈱鋼構造事業部橋梁企画部橋梁企画室 室長*4 川田テクノロジーズ㈱技術研究所*5 川田テクノロジーズ㈱技術研究所 所長

論文・報告 1-1

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発須となる。しかしながら技能人材は一朝一夕で育つものではないことは周知の事実であり，例えば弊社における溶接技能者育成には「隅肉 3 年，フルペネ 5 年」という言葉があり，一人前に仕事ができるようになるには非常に長い時間と多くの経験を必要とする。つまりコストがかかる。したがってこの育成期間（修業期間）を短くすることは企業の生産性向上に大きく寄与することになる。
溶接は前述した外国人材受入れ対応策における技能実習生の「特定技能」にも位置付けられるため，やはり指導育成をどう行っていくかがカギとなる。
写真 12．
． 弊社の事情橋梁部材製造の様子

しかしながら次に課題となるのは，仮に溶接がやりた

川田グループ内の川田工業は鋼製橋梁および建築鉄骨

いけれど センス が少し 足り ない人が いると して， どうを主体とするファブリケーターであり，工場に多種多数やって 80 点が取れる溶接技能者になってもらうのか？の技能工を抱えている。溶接に関して工場では自動化ラということになる。つまりどう教育していくかである。

インを導入し可能な範囲で自動機やロボットを使用する

これまでの溶接技能教育は，先輩のやっているところをことで省力化を図っているが，製造しているほとんどす見よう見まねで覚えるという「背中をみて覚えろ」的なべての製品が一品一様であることから，人による作業はスタイルであろう。これは一見旧態依然としたやり方で欠かせない。橋梁部材では写真 1 に示すような部材内部はあるものの，溶接においては現代においてもある種仕に入るのも大変なほどの開口しかない場合もあり，例え方がない部分がある。というのも指導をするには溶接をばロボットを内部に入れて溶接をするにはハードルが高しているところを見る必要があるが，「溶接を見る」とすぎる。つまり部分的にロボット等で自動化ができる部

言っても 溶接保 護面に 付い た遮光ガ ラスや 液晶フ ィル

位はあったとしても人が溶接をするところは無くならず，ター越し に見え る世界 はほ ぼ真っ暗 で，特 に初心 者に

厚板隅角部など特に溶接が難しい部位の自動化は困難でとっては何が見えているのかさっぱりわからない（写真あろう。これは工場のみならず現場でも同じであり，開2）。溶接が見えにくいと先輩がどこを見て何に注意して先形状や組立精度等に応じて臨機応変に短時間で対応でいるのかはなかなか理解できない。また，高度な技能をきるのはやはり「人」である。したがって，溶接技能者もつ溶接技能者には特にありがちであるが，自分のやっを確保し育てることは溶接の自動化と同時に進めなけれている技能を言葉にして伝えることに不得手である傾向

ばいけない喫緊かつ必須の課題である。

が強い。つまり「背中をみて覚えろ」というやり方はそしかしながら前述したとおり技能工の育成は容易ではうならざるを得ない部分があり，溶接技能伝承のハードない。特に溶接においては経験だけでなくセンスも要求ルの一つになっているのが現実であろう。

される。弊社では入社時に溶接トレーニングを数週間実3．
． 溶接部可視化システムの開発施し，溶接に必要なセンスを有しているかをベテラン技能者が見極めている。これは将来に渡って溶接を続けら2 で述べた教育の仕方を変えるには，まず「溶接が見れる能力があるかどうか，すなわち高度な技能を有するえる」ことがとても重要であることに気が付く。溶接保溶接技能者になれそうかどうかの観点で判断しているも護面を通 して見 える世 界は ，アーク を中心 とした 半径のである。簡単に言うと 100 点が取れる溶接技能者にな5cm 程度の領域であり，自分の引いたビードや周辺の部れそうかということである。しかし将来を見据えたとき，材，自分が持っているトーチなどほとんど見えていない。

100 点を取れる人材に絞ってしまうと溶接技能者が不足

筆者自身 ，初め て溶接 をし た時は何 が見え ている のかして生産性が低下する恐れがある。よって 80 点を取れ

さっぱり わから なかっ たし ，少し溶 接がで きるよ うにる溶接技能者が多くいた方がいいのではないか？というなっても部材端が見えずに真っすぐビードを引けなかっ考え方もあるだろう。80 点が取れる溶接技能者が多くいたり，アークを切るポイントを間違えてしまうことが頻ることで若干の手戻りはあるかもしれないが仕事の大半繁にある。従って，もし「溶接が見える」ようになればがこなせるだろうし，その中で 100 点が取れる溶接技能

どこを溶 接して いるか がす ぐに分か る，自 分の引 いた者も出てくるだろう。IT だ AI だという時代に溶接技能ビードが見えるようになる等メリットは非常に大きいと者になりたがる若い人材は少なくなる一方と考えられる

考えられ，技能習熟のスピードを劇的に向上させられるため，やりたい人にはできるだけチャンスを与えようとのではないかと考えた。

いう考えも十分ありうる。

論文・報告 1-2

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発

そこでこれまでにない溶接部可視化システムの開発に発した。SRI International は世界の主導的研究・技術着手した。ここでまず「溶接が見える」とはどういうこ開発組織のひとつであり，1946 年に非営利研究機関，とかを定義する。アーク，溶融池，ワイヤおよびノズル

スタンフォード研究所として設立，政府機関や企業，財先端などの従来の溶接保護面で見えているものは同等以団の戦略的要請に応えている。本技術により，一般的な上の品質で見えるのはもちろん，加えて母材形状や自分イメージセンサを搭載したボードカメラ，つまりスマーの引いたビードおよびトーチなどの視界に入っているもトフォンなどの小型デバイスに搭載されるような，一般のほぼ全てが同時に見えていることを「溶接が見える」的なカメラであってもダイナミックレンジを大幅に拡張とここで定義する。求めたのは従来の溶接保護面に比べすることが可能となった。このダイナミックレンジ拡張て圧倒的に広い視野と高い鮮明度である。

技術を Xtream Dynamic Range（XDR）と呼んでいる。

溶接を撮影するための従来システムとしては，フィルターを装着したカメラが一般的に用いられ，自動機等に本システムで得られるダイナミックレンジは 150dB 以上である。

搭載され実用化されている。これは，様々な波長をもつ

図 1 に示す通り，本技術では，イメージセンサを 1 つ

アーク光を各種フィルターによって減光もしくは特定ののカメラユニットの中で複数用いることが，ダイナミッ波長を透過させ，さらに照明やカメラ側のシャッタースクレンジの大幅な拡張を可能にしている。ダイナミック

ピードや絞り調整等により見たい対象物に応じて輝度とレンジを拡張するために一般的に用いられる手法の一つコントラストを調整する手法である。電極，アーク，溶に「HDR 合成」がある。これは今日ではすでに一部の融池，開先，溶接ビードなど見たい対象物に応じて調整スマートフォンのカメラ機能に搭載され，日常生活にもするやり方であるため，言い換えれば見たいもの以外は生かされている。通常の HDR 合成は，1 つのイメージ見えづらいことになる。これは強烈な閃光であるアークセンサで複数の画像を連続で撮影し，合成する。このととそれ以外の箇所で非常に大きい明暗差が生じているこき，連続で撮影する画像 1 つ 1 つの明るさ（露出）の設とが原因であり，このような特性をもつ溶接部を広い視定を変化させ，明るさの異なる複数の画像から得られる野で可視化するには，取り扱える明るさの範囲（ダイナ情報を適切に合成することで，「白飛び」や「黒つぶれ」ミックレンジ）の広い特殊なカメラを使用するか，レーなどの飽和現象を抑える効果がある。明るさを変えて取ザー照明などを使った大掛かりな装置が必要となる。し得する画像の数が多いほど，明暗差のより大きなシーンかしながらこれら装置は非常に高価であり溶接作業性をに適用することが可能になるため，これを溶接のような阻害するなどの課題がある。我々は特殊なカメラやレー極端に明暗差が大きい現象に適用させようとすると，よザー照明などを使わずに「溶接が見える」ようにするたり多くの画像を連続で撮影する必要が出てくる。すると，めの技術開発に取り組んだ。

最初に撮影した画像から最後に撮影した画像までの間で

図 1 に我々の開発した溶接部可視化システムの概念図

長い時間が必要になり，撮影から画像の生成までのタイを示す。本技術は米国の SRI International と共同で開ムラグが大きくなるうえ，スパッタなど高速で動くもの
レンズ+イメージセンサ
カメラ 1・・・・・

カメラ N

ｎフレーム

カメラユニット
N×ｎ個のフレームを合成生成された
XDR 画像

写真 2

溶接保護面越しの溶接部の見え方（イメージ）

図1

論文・報告 1-3

XDR 技術の概念図

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発が存在する溶接では，同じ画角で連写しても，高速の物多量のスパッタが見えるようになるが，視野を阻害する体が映り込む位置の画像間での差異が大きくなり，合成ほどのスパッタは演算によりキャンセルし，見える量をがうまくいかない。本技術では，連続で複数の画像（フ低減する画像処理も行うことで，溶接中はほとんど気にレーム）を取得するカメラを，1 つではなく複数用いるならないことを確認した。近赤外線はヒュームに影響さことで，リアルタイムで溶接の可視化画像を連続して生れにくい性質を持つため，狭隘部にヒュームが滞留して成し，映像として表示させることを実現している。ここ

従来溶接保護面では視界が遮られるような場合でも視界では動画の撮影を前提とするため，画像の 1 枚 1 枚を「フを確保できる。

レーム」と呼ぶこととする。本技術では複数のイメージ

本システムは自動機用の溶接部可視化システムとしてセンサに，全く同一の画角の，異なる露出条件のフレーも利用できる。現在一般的に採用されている自動機用可ムを取得させるために，新たに考案した光学機構を適用

視化システムは見たい対象物に応じて複数のカメラやモし，さらに 1/1000 秒単位で撮影タイミングとシャッターニターが必要になるが，本システムでは一つのカメラユスピードをコントロールする。複数のイメージセンサかニットで多くの情報が可視化できるため，システム全体ら取得されるフレームの中からいずれの画素を最終画像を簡素化できる可能性がある。に採用するかをピクセル単位で計算し，画素ごとに重みを付けて画面上にマッピングすることで「白飛び」や「黒4．
． 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発

つぶれ」などを起こすことなく 1 つのフレームを生成する。 これ ら の演 算処 理 は GPU（ Graphics Processing

溶接部可視化システムを用いて，溶接技能者向けに次Unit）により，リアルタイムに行われる。なお，演算し世代 3D 溶接部可視化マスクを開発した。写真 4 は試作て出力するのに必要な時間は 0.066 秒以下で，実際の動品で，コンセプトの実現可能性を検証する目的で既成のきと映像の時間的ズレである遅延はほとんど感じない。

部品を組み合わせた機能検証モデルである。人間の左右

写真 3 はソリッドワイヤを用いた炭酸ガス半自動アーの目と同じ間隔にカメラユニットを 2 つ配置し，取得・・

ク溶接にてすみ肉溶接を行ったときの本システムにより合成した映像をマスク内に装備したヘッドマウントディ得られた画像の例である。アーク，ワイヤ，溶融池，トースプレイ（HMD）に 3D 映像として表示する。

チ先端だけでなく，従来の溶接保護面では視認することこのような構成とすることで，溶接技能者目線の映像が難しかった「生成したビード形状」，「部材形状」，「作が取得できるようになった。写真 5 は本マスクによって業環境」などが同時に視認できており，目標とした視野取得された映像から切り出した画像の例（フラックス入全てが可視化できており，その鮮明度は従来溶接保護面りワイヤを用いた炭酸ガスシールドアーク溶接）であり，をはるかに上回っている。可視化された領域は従来溶接

左右二つの画像は左右のカメラユニットそれぞれから取保護面のおよそ 20 倍である。なお本システムでは近赤得されたものである。前述のとおり，カメラユニット内外線の波長を採用したため画像は熱に反応し，従来溶接にはそれぞれ複数のイメージセンサが搭載されている。

保護面ではあまり見えないスパッタも見えるようになる。

取得された写真 5 をよく観察すると，カメラアングルにスパッタ発生量の多い炭酸ガスシールドアーク溶接では差があることがわかる。左右のカメラユニットから取得

写真 3

写真 4

溶接部可視化システムで撮影した溶接部

論文・報告 1-4

機能検証モデル（マスク部）

川 田 技 報 Vol.39 2020論文･報告 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発

写真 5

HMD に投影される映像

した映像は GPU 内で処理され写真 5 に示すようなステレオ映像として HMD に投影される。溶接技能者はこのステレオ映像を，HMD を通して左右それぞれの目で分けて見ることにより 3D として認識でき，立体的に視認しながら確実な溶接作業が行える。また，溶接に関する各種パラメータの表示・保存機能を搭載しており，特に実務経験の少ない溶接技能者にとっては溶接品質を確保するうえで有用な情報を容易に収集・確認することができるため，技能の早期向上が期待される。さらに，装置を介して間接的にアークを視認することになるためアークから目 を完全 に保護 する ことがで きるの も大き なメリットである。なお，出力映像の見え方は，出力先のディスプレイにより最適となる設定が異なることから，同じ映像でも明るさ等が違って見えることがある。本稿を画面上または印刷紙面上でご覧いただくうえで，HMD 出
力に最適化された写真 5 は鮮明度に課題があるように感写真 6

次世代 3D 溶接部可視化マスクの装着の様子

じるかもしれないが，HMD で見える映像のクオリティは写真 5 よりも遥かに鮮明であることを付け加えておく。
本マスクはマスク本体以外に画像処理のための GPUとバッテリーから構成され，これらは安全帯に装着するスタイルを採用している（写真 6）。バッテリー給電とすることで外部電源のない環境にも対応可能である。サーモグラフィーによる温度計測機能も有しており，映像上に温度分布を重ねて表示させることができる（写真 7）。
計測したいポイントに「+」マークが重なるようにすると温度が数値で表示され，この温度計測画面の録画も可能である。本機能は予熱温度やパス間温度の計測はもちろん，信頼性の高い記録として利用できる。

写真 7

温度計測機能5．次世代．次世代 3D 溶接部可視化マスクの効果
本マスクの効果は現在検証中であるが，弊社の溶接技論文・報告 1-5

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 次世代 3D 溶接部可視化マスクの開発

能者数名（年齢 20～43 歳，溶接歴 2 か月～26 年）に本中の 2019 年 9 月時点でほぼ満足できるところまで改善

マスクを使ってもらって得られたコメントを以下に示す。

している。

アーク周辺はいつもよりクリアに見える

このように本マスクで溶接技能者目線の映像を取得すできたビードが見えるのはとても助かる。初心者

ることにより，従来溶接保護面ではできなかった指導がには有効。

できるようになる可能性が高く，今後その手法について

開先ははっきり見える検討を進める。また，現状は MAG 溶接，TIG 溶接およ

ヒュームが見えないのは良いび被覆アーク溶接で可視化できることを確認しているが，

普段の面ではいろいろなところを同時に見て判断

例えば同じ MAG 溶接でも電流値の違いによってアークできるようになるには相当経験が必要だが，この光強度が異なる場合に可視化領域が狭くなる場合がある。

マスクでは視野が広いので初心者でもそれができ

これはカメラの撮影条件調整により容易に対応できるこる可能性があるとが分かっており，溶接法に応じた撮影条件の最適化も

画像的には仕事に使えるレベル進めている。なお，基本的な機能として視野の明るさ調



目を焼かないのはとてもよい

整は有しており，遮光ガラスの遮光度を選ぶような感覚

ゲーム感覚で面白い

で溶接技能者の好みに応じた明るさの変更は手元のボタ

遅延はほとんどないが，ウィービング時にわずかンで容易に行える。また，年配の溶接技能者への適用可に感じる時がある能性も検討する予定である。溶接技能者減に対応するた



HMD のピントが合いにくい

めには現役世代に少しでも長く仕事をしてもらうことも

見えていない領域がある

重要であり，加齢による視力低下により溶接品質を保てなくなったベテランが本マスクを利用することで仕事が最も懸念していた本マスクのコンセプトに対する否定続けられるようになれば良いと考えている。さらに外国的な意見はなく，特に若手技能者の反応が良く好意的な人技能実習生の技能向上および資格取得への活用も期待コメントが得られた。上記コメント以外に経験 2 年目のするところである。

溶接技能者より，従来の溶接保護面では見えなかった現6．
． さいごに象が見えるとのコメントがあった。具体的には，開先面と溶融池がなじんで溶けている様子が見えるというもの

川田グループおよび SRI International で共同開発しである。本マスクは近赤外線の波長を採用している関係

た溶接部可視化システムと，本システムを搭載した次世

上，溶融池は 2 つの領域（アーク直下の半径 10～20mm

代 3D 溶接部可視化マスクについて紹介した。本マスク

ほどの領域とそれ以外）に区別して視認できる。これはは次世代型と呼ぶにふさわしい機能を有しており，特に溶融池上に浮遊する溶融スラグの有無によって表面温度若い世代への訴求力が高いと思われる。今後は軽量化，が異なることに起因すると考えられ，特にスラグ量の多耐久性向上などを進め，来年度には現場実証を行う予定

いフラックス入りワイヤで区別しやすい。アーク直下近である。さらに市販化も視野に入れ，開発を進めていく

傍では溶融池表面の対流によって溶融スラグが後方に流ことにしている。

されるた めに溶 融スラ グの ない溶融 池があ り，こ れが参考文献

アークを移動させるとほんの少し遅れて追随していることに溶接技能者が気付いた。開先溶接では開先面をきち

1)2018 年版ものづくり白書：経済産業省.

んと融合させるためにアークを当ててほんの少し止める

2) 建 設 業 お よ び 建 設 工 事 従 事 者 の 現 状 ： 国 土 交 通 省という動作を行うが，本当に開先面が溶けているのかは1994.

従来の溶接保護面では分からない。一方で本マスクではアークを開先面にあてた直後に溶融池がアークの周りに広がって開先面となじんで溶けている様子が確認できた。
このことは融合不良の発生を可視化できる可能性と防止のための運棒指導ができる可能性があることを示している。この技能者はなぜアークを開先面で止める必要があるのかを経験的に理解していたが，本マスクによりその動作の意味が目で見て分かったと興奮気味に語っていたのが印象的であった。なお上記コメントで得られたいく
つかの課題については引き続き改良中であり，本稿執筆

論文・報告 1-6

川 田 技 報 Vol.39 2020