Technological Report

ロボットの活用によるトンネル検査の効率化・高度化
技術開発部 土木構造物技術チーム 防災システム・トンネルグループ グループリーダー
技術開発部 先進メカトロチーム 将来機械１グループ グループリーダー
技術開発部 土木構造物技術チーム 防災システム・トンネルグループ 主幹研究員
技術開発部 先進メカトロチーム 将来機械１グループ 研究員

１ はじめに新美後藤
前田藤田利典裕貴公京康おいて実用化に至ったものはないと考え、当社独自に開発

当社では、トンネルなどの土木構造物に対して適切な検を手掛けることにしました。そして今回、安全性も確保したロ査や修繕を行うことで健全性を維持し、鉄道の安全・安定輸ボットによる自動制御のもと壁面を連続的に打撃し、発生す送を確保しています。このうちトンネルの検査では、コンクリる振動をセンサで直接取得する新技術を確立しました。本

ート表面の目視検査に加え、検査員がハンマで壁面を打撃

稿では、2023 年度に完成した「トンネル検査ロボット」のプロして内部の状態を把握する打音検査を実施しています。

トタイプについて紹介します。

この打音検査は、上向き姿勢で連続して実施する高所作

２ トンネル検査ロボットの開発業であり、身体的負担が大きく、また検査員の経験に基づく技量が求められます（写真 1）。

コンクリート内部の検査を自動で行う「トンネル検査ロボット」は、「接触式検査装置」を取り付けた「ロボットアーム※1」と「レーザ測量機」で構成されています。
これらロボット一式をトラック上のリフトテーブル ※2に搭載し、トラック上で前後・左右・上下方向に移動できる構造としています（写真 2）。検査箇所まで大型トラックで移動して現地に据付けさえすれば、機材などを積

写真 1 現行のトンネル打音検査の状況

み卸ろすことなく、そのまま直ぐにトンネル検査が可能です。

そこで技術開発部では、身体的負担の軽減や作業の効率化、検査品質の維持向上を目的に、中央新幹線への導入を念頭に、コンクリート内部の検査をロボットにより自動化することを目指して開発を進めてきました。既に世の中には、カメラや 3D スキャナなどを搭載した専用車両によりコンクリート表面の状態を自動把握する技術、UAV（ドローンなどの無人航空機）や専用車両に搭載した打撃装置と集音マイクによる打音検査を機械化する技術、あるいは電磁波レ

写真 2 トンネル検査ロボットの全景ーダによりコンクリート内部の空洞の有無を調査する技術などいくつもの事例があります。技術開発部ではそれらの事例（1）現地状況に合わせた高精度な制御を踏まえ、「熟練した検査員と同等以上の検査精度でコンクトンネル検査ロボットは、自動でトンネル壁面にリート内部の検査を安全かつ高効率に自動化した技術」に接触式検査装置を押し付けて検査を実施します。検1

査は、同装置に搭載した打撃装置で壁面に一定の打要な様々な事前準備作業を検査当日の短時間のうち撃力を与え、発生する振動をセンサで直接取得してに行うことが可能となりました。具体的には、①トンコンクリート内部の状態を評価します（図 1）。

ネルの構造上の特徴点を測量することによりトンネルの内壁とロボットとの位置関係を把握し、ロボット動作の基準位置（原点）を空間上に設定、②トンネ
ルの内壁の形状を全断面から必要最小限の代表点（50 点程度）を抽出して測量し、ロボットアームによる接触式検査装置の押し付け予定箇所を確定、の 2点です（図 2）。

図 1トンネル検査ロボットによるコンクリート以上により、レーザ測量機とロボットアームは現内部検査のイメージ

地状況も付加したプログラミングに従って動作する
ため、オペレータによる制御盤での簡単なボタン操

トンネルのコンクリート内壁は、設計図面を基に作だけで必要な測定と検査を開始することができま構築されますが、建設時に生じる誤差などにより断す。

面形状には僅かなばらつきがあります。さらに、トラックなどの移動体に搭載したロボットはトンネルに対する停車位置にもばらつきが生じます。ロボット
アームをトンネルの設計図面通りに繰り返し動作させることは、あらかじめティーチング(教示)プログラムを作成することにより可能ですが、これらのばら〈トンネル内壁を測量し、トンネルの内壁とロボッつきにも追随させるため、現地での測量が検査の都トとの位置関係を把握〉度必要となります。トンネル検査ロボットは、現地状況に合わせたうえで接触式検査装置を壁面に一定の力で押し付けて連続的に検査を実施できる性能が求められます。そのため、内壁と本装置の位置関係や壁面の形状をレーザ測量機で自動測定し、その結果に〈 ロボットアームによる押し付け予定箇所を測量従ってロボットアームを高精度に自動制御する技術し確定〉を開発しました。

図 2 レーザ測量により現地状況に合わせてロボットアームを制御するイメージ

開発当初、トンネル検査とは別日に取得したトンネル全断面の 3D 測量データを使用していました。事
前の測量や膨大な取得データの処理に大変な労力が（2）高品質かつ効率的な検査掛かっていたほか、トンネル検査当日の準備作業に現在の打音検査では、コンクリート表面にひび割れおける現地状況と事前測量データとの重ね合わせのなどの変状がみられる箇所や、変状が発生しやすい箇

際、トンネルの内壁にリフレクタ（標的となる目印）所を検査員がハンマで複数回打撃し、音や感触の違いの設置を伴うなど時間を要していました。

からコンクリート内部の状態を評価しています。ロボ

今回、その後のレーザ測量機の進歩もあり、トラッットによって状態を評価する場合、音を用いると他のクに搭載したレーザ測量機単体でロボット動作に必作業音などの影響を受ける可能性があります。今回採2

用した接触式センサは、音を取得する一般的な集音式センサと異なり、壁面から直接振動を取得するため作業音などのノイズに強く、雑音が反響しやすいトンネ
ル内でも十分な検査精度を確保できます 1）。このた
め、壁面を打撃して振動をセンサで直接取得して分析・評価する接触式検査装置を開発しました。接触式検査装置には、センサと打撃装置で構成されるセンサ〈振動データの比較〉

ユニットが 5 台搭載され、1 秒間に 20 回の打撃応答

図 4 トンネル検査ロボットによる検査結果の計測が行うことができ、効率的にコンクリート内部の状態を評価できる仕様となっています（図 3）。

コンリート内部に深さや大きさの異なる模擬欠陥をあらかじめ仕込んだ試験体を用いて検査員と本装置でそれぞれ検査を実施し、欠陥を検出できるか比較しました。その結果、本装置では検査員が発見できなかった、例えば 1 辺の長さ 150mm、深さ 100mm のよ
うな小さく深い位置の欠陥を含むすべての欠陥を検出することができました 1）（図 5）。したがって、本装

図 3 接触式検査装置の構成

置は、熟練した検査員が行う検査と同等以上の検査精また、接触式検査装置では、一定の打撃力を与え、度を有し、高品質な検査を実現できることが確認でき取得した振動データの振幅から、コンクリート内部のました。

欠陥の有無を評価できます。さらに、高精度に制御されたロボットアームによって移動しながら連続的に振動データを取得することで、面的にコンクリート内部の状態を評価することができます（図 4）。

〈模擬欠陥を有する試験体〉〈模擬欠陥を有する試験体での検証結果〉
図 5 接触式検査装置と検査員との検出性能比較〈トンネル検査ロボットによる検査結果の図化〉（3）検査時の安全確保
産業用ロボットの動作中は、人がロボットに接触す3

るリスクを排除する措置を講じることが法律で義務ロボットを全面的に活用し、これらを搭載したトラック付けられています。トンネル検査ロボットはトンネルや保守用車編成の遠隔操作によるトンネル検査の実現な内で移動と検査を繰り返すという使用環境の特性上、どにもチャレンジしていきたいと考えています（図 6）。

工場にように固定の安全柵や囲いを設けることが困難なため、ロボットの周囲にセーフティレーザスキャ
ナ※3 を搭載しました。このセーフティレーザスキャ
ナでロボットが動作中に人やモノの接近を検知すると、強制的に非常停止して検査中も周囲の安全を確保するようにしました。
なお、ロボットアームの制御ならびに検査に関連する特許については、すでに取得済もしくは出願中です。
図 6 トンネル検査の将来像（イメージ）

３ 期待される効果

注釈

コンクリート内壁の検査を人による打音検査からト※1 ロボットアーム

ンネル検査ロボットによる接触式検査に置き換えるこ

６軸垂直多関節型の産業用ロボットとで、検査員の身体的な負担を軽減できるとともに、装※2 リフトテーブル置に備えた振動データの自動出力機能を活用すること

油圧によりロボットを昇降させる装置

で、検査後の記録の整理などを含めた作業時間も短縮で※3 セーフティレーザスキャナ

き、検査の安全性と効率性を向上できます。

赤外線レーザにより周囲を監視して人が機械周り

また、接触式検査装置による定量的かつ客観的なデーの危険区域内に侵入したことを検出し、機械に対しタから、コンクリート内壁の状態を評価することで、検て信号を出力する安全装置査員の経験に依存しない、正確かつ均質な検査が期待できます。
参考文献
1） 前田貴公ら：コンクリート内部欠陥の効率的な非破４ おわりに壊検査方法の検討，令和 3 年度土木学会全国大会第本稿では、トンネル検査ロボットに関する技術開発に76 回年次学術講演会，Ⅵ-355，2021

ついて紹介しました。
2023 年度末まで小牧研究施設や山梨実験線での検証試験を実施して、断面形状などの条件の異なるトンネル

新美 利典
土木構造物技術チーム
防災システム・トンネルグループ
技術士（建設部門）
土木学会 正会員

において現地の状況に合わせた高精度なロボットアームの制御技術および接触式検査装置によるコンクリー
ト内部の状態の分析・評価方法の適用性を確認してきま

ＩＣＴやロボットの分野は将来的な労働力人口減少への対応のために欠かせない技術であり、今後も、同様の着目点による研究開発に力を注ぎたい。

した。
今後は、ロボットの更なる機能向上に向けた試験の実施を検討していきます。また、在来線や新幹線のトンネル検査への適用についても検討していきます。
ひいては、
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後藤 裕
先進メカトロチーム
将来機械 1 グループ
土木学会 正会員
鉄道現場で過去から人が苦労してきた作業の負担を少しでも軽減するような機械化などに全力で寄与していきたい。

前田 貴公
土木構造物技術チーム
防災システム・トンネルグループ
土木学会 正会員
構造物の維持管理の効率化・高度化に向けた研究開発を通じて、持続可能な社会の実現に貢献していきたい。

藤田 京康
先進メカトロチーム
将来機械 1 グループ
日本ロボット学会 正会員
鉄道分野にとらわれず世の中の技術シーズで「出来るようになったこと」を鉄道現場ニーズに落とし込めるよう、今後も幅広く挑戦していく。

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