振動ノミを装備したロボットによる装飾部位の加工に関する研究
Adaptive robotic carving by vibration chisel in Japanese traditional woodenarchitecture’s sculpture part Manufacturing○大谷 星輝*1，中村 優介*2，古庄 玄樹*3，加戸 啓太*4，平沢 岳人*5
Seiki Otani , Yusuke Nakamura＊2 , Genki Furusho＊3 , Keita Kado*4 and Gakuhito Hirasawa＊5＊1*1 千葉大学大学院 融合理工学府 博士前期課程
Graduate Student, Graduate School of Sci. and Eng., Chiba University.
*2 千葉大学大学院 融合理工学府 博士後期課程 修士（工学）、日本学術振興会

特別研究員 DC2

JSPS Research Fellow, Graduate Student, Graduate School of Sci. and Eng., Chiba University.
*3 千葉大学大学院 融合理工学府 博士後期課程 修士（工学）Graduate Student, Graduate School of Sci. and Eng., Chiba University.
*4 千葉大学大学院 助教 博士（工学）Assistant Professor, Graduate School of Engineering, Chiba University.
*5 千葉大学大学院 教授 博士（工学）Professor, Graduate School of Engineering, Chiba University.
キーワード：デジタルファブリケーション; 伝統木造建築; CAM
Keywords: Digital fabrication; Japanese Traditional Wooden Architecture; Computer Aided Manufacturing.

1. はじめに

ミリング加工は、刃を高速回転させワークから不必要な部
注1によれば、人間の技能作業を機械化分を削り出す手法であるため、ミルの直径より細かい形状することと定義される。現在日本は少子高齢化社会と言わ人工技能とは吉川の加工は難しく、直線的なエッジを持つ入隅部などの加工れており、日本の建設業は慢性的な人手不足の問題を抱えでは入隅部が残ってしまう。一方、振動ノミ加工は、ノミている。人手不足に伴う問題として、日本の伝統文化を担刃の端部が鋭角であるため、このような入隅部の加工が可ってきた伝統木造建築の技能の担い手が大幅に減少する能である。この特徴は、装飾部材の入隅部においても適用ことが挙げられる。現在のペースで伝統木造建築の技能の可能であると考えた。

担い手が減少し続けた場合、伝統木造建築の制作においてそこで本研究では、振動ノミをロボットに装備させ、伝人が担う作業の割合が高い現在の環境では、十分な保全が統木造建築の装飾部位の入隅部に対し、加工を行い検証し難しくなるだろう。伝統木造建築における人工技能の研究た結果を報告する。

により、人が人にしかできない仕事に注力できるようになることで、少人数での制作を可能とし、日本における伝統木造建築の文化の保全において有効な手段の一つになる

2. 研究概要
本稿では、まず、振動ノミを装備したロボットを用いたと考える。

加工手法について考察を行う。次に、考察をもとに振動ノ筆者らの所属する研究室では以前より、建築分野におけミのツールパスの生成の方法を検討する。ミリング加工にる人工技能の研究に取り組んでおり、6 軸多関節ロボット

おいてはツールパスを生成する手法として市販の CAM の（以下ロボット）による伝統木造建築を対象とした木部品機能が用いられることが多い。しかし、振動ノミのツールの加工に関する研究を行っている 1),4),5)。1/5 スケールの五パスを生成するものは存在しない。そこで、振動ノミ加工

重塔の部分模型の制作に際し、丸ノコやミルなど様々なツ用のツールパス生成システムを開発した。最後に、開発しールが加工部位に応じて使い分けられており、継手の直線たシステムを用い、検証実験を行う。木鼻の彫り物に典型的な入隅部の加工においては振動ノミが用いられている。

的な W 字の切り欠き形状を対象として、集成材に振動ノ伝統木造建築の加工対象としては、軸部の継手のほかに、 ミ加工を施し、ミリング加工との加工結果の比較を行う。
木鼻や虹梁の模様などといった装飾的な部位も存在する。

2.1.実験環境

一般に、装飾部位のような曲面の加工においては、ミリン

本検証を実施した環境を図１に示す。アルミフレームでグ加工が用いられる 3)。ミリング加工は主に金属加工の分ロボットの台とワーク台を制作した。これら同士はアルミ野で用いられ、自由な形状の加工が可能である。しかし、フレームで緊結し、一体とすることで、相対的な位置関係

日本建築学会情報システム技術委員会
第 42 回情報･システム･利用･技術シンポジウム論文集， 342-345 ， 2019 年 12 月，東京
Proceedings of the 42nd Symposium on Computer Technology of Information ，Systems and Applications ， AIJ ， 342-345 ， Dec. ， 2019 ， Tokyo－ 342 －

がずれないよう工夫した。また、これまでの経験上、ワー掃引したものを加工対象とする（図 3)。モデリングには、クの高さは、ロボットの第一軸と同じ高さであるほうが作

３次元 CAD ソフトウェアである Rhinoceros 注 3 を用いた。

業範囲を有効利用できるため、本実験においても、高さをそろえた。
ロボットには FANUC 社製 CR-7iA/L を使用した。このロボットのエンドエフェクタに振動ノミを装備した。また、ワークには集成材を用いた。

図 3

加工対象とする円

3.振動ノミ加工
3.1. 加工手法
加工方法の決定に際し、振動ノミによる加工の特性を検討する。振動ノミは刃をワークに深く突き刺すと、ワークとの摩擦により振動が停止してしまうため、一度に削り取
図 1 加工環境ることができる深さには制限がある。図 4 左のように、層状に削り取る手法を考案した。また、ノミは片刃であるた2.2.振動ノミ

め、刃の面の使い分けがある（以降、図 4 に示すよう a 面、振動ノミとは刃先が細かく振動することにより一般的b 面とする）。図 4 右は V 字の切り欠き形状を加工する際なノミと比較し、少ない力で切削することが可能なツールの流れを示したものである。まず、①の動作でノミをワーである。通常のノミでは、加工に際しハンマーなどによりクに垂直に進入させる。この際一般的なノミの使用法を参衝撃力を加える必要があるが、振動ノミの場合はその必要

考 7)に、a 面が加工形状に沿うようにする。次に、②の動がなく、ロボットへの装備が行いやすい。

作で、b 面が層と平行になるように動かし加工を行う。a 面

今回の実験に使用した振動ノミを図 2 に示す。刃には、はノミの軸と平行であるのに対し、b 面は角度があるため、その形状から大きく分けて、丸ノミ、三角ノミ、平ノミの動かす方向が軸とは異なる点に注意が必要である。これら３種類があるが、検証では、加工対象とする断面形状の加一連の動作を目標の形状に到達するまで繰り返す。

工において、職人が用いることが多い平ノミを用いた。

一層あたりの深さは、検証用の集成材と同じワークを用いた予備試験を行い、1mm と設定したが、樹種により摩擦力等の諸条件が変化するため、深さは素材ごとに調節する必要があると考えられる。
また、加工実験の様子を図 5 に示す。W 字の切り欠き形状の加工は、V 字の切り欠き形状の加工を２度適用することで行う。

図 2使用した振動ノミ

2.3.加工対象
伝統木造建築における装飾部位は時代の変遷とともにその形状を変化させてきた。例えば、木鼻には獅子や獏、龍頭など様々な形状が存在する 6)。ここでは、唐草模様に用いられる W 字の切り欠き形状に着目し、それを円状に

報告 H74図 4層状に削り取る加工の様子（左）加工手順（右）－ 343 －

は、ロボットの可動域による制限がきつくなる。例えば、W 字の切り欠き形状を円状に掃引したもののように様々な方向から振動ノミを進入させる必要があるものは、この制限にかかりやすい。この問題を解決するために、ワークを適宜回転させるための回転機構を設けた（図 7）
。

図 5

図 7

加工の様子

3.2 ツール座標系の設定と制御回転機構

4. ツールパスの生成

ロボットを制御し、加工をするためには、ツールの座標振動ノミ用の CAM は存在せず、既存の CAM で生成し系をツールに応じて設定する必要がある。座標系の設定にたパスを改変して用いることもできない。そこで、試験的必要な情報は、フランジから見たツール先端の座標 X,Y,Zに振動ノミ加工用のツールパス生成システムを独自に開と X,Y,Z 軸周りの回転を表す W(yaw),P(pitch),R(roll)であ発した。

る。座標系はツールの先端部分に図 6 のようにツールの座

図 8 は、円形の外側の V 字の切り欠き形状のパスを示

標系を設定した。このツール座標が指定した作業座標に向しているが、V 字を定める３本のエッジを指定することでかわせるようにロボットを向かわせることで制御を行う。

導出が行われる。導出したツールパス(X,Y,Z,R,P,W)に加え、ミリング、特にボールミルでの加工の場合、基本的には、ロボットの姿勢指定等の各種パラメータをテキストファ

ツール先端の位置のみ注意すればよいが、振動ノミの場合、 イルとして出力し（図 9）、これをロボットに入力して加工切り欠き形状に沿って侵入させる必要があり、また、面のを行う。これらは、Rhinoceros 上の Grasshopper に、Python使い分けも要するので、位置のみでなく、姿勢も適切に設による拡張コンポーネントを加え実装した。

定し制御しなければならない。

図 6 設定したツール座標系

図 8

ツールパス生成の様子

図 9

出力したツールパスの例

3.3 回転機構の追加
ミリング加工は、ロボットを用いた彫刻で使用されることが多く、基本的には 3 軸加工や 5 軸加工で加工が可能であり、高速回転するツールの先端で削り出すため、前述のように加工時の位置・姿勢に留意すべきポイントが少ない。
それに対し、振動ノミ加工はノミの性質上、6 軸すべてを指定する加工が多い。そのため、振動ノミを用いた加工で報告 H74－ 344 －

5. 振動ノミを用いた加工の検証
5.1. 振動ノミ加工とミリング加工の比較

6. まとめと展望
建築分野における人工技能化の試みとして、伝統木造建振動ノミの可用性を検証するために、ボールミルと振動築の木鼻の唐草模様に用いられる W 字の切り欠き形状をノミで同じ形状を加工し比較を行った。使用した振動ノミ

対象として振動ノミ加工を行い、検証した結果を示した。

は、刃幅 6mm、振動数 8000 回/分のものであり、ボールミロボットを用いた振動ノミ加工が実現すると、従来は、ルは直径 6mm、12000 回転/分のものである。実験では、人が行う必要があった装飾部位の加工をロボットで行う

W 字の切り欠き形状を対象として、幅 30mm、深さ 10mmことが可能になり、結果として、人は人にしかできない重のパターン、幅 20mm、深さ 8mm のパターン、幅 10mm、要な仕事に注力することが可能となる。装飾部位のロボッ

深さ 4mm のパターン、計３パターンを加工した（図 10,ト加工が可能となれば日本の資産である文化財の保全に

図 11）。これらの寸法は、実際の装飾部位に使われ得る寸かかるコストと時間を軽減する一助となり、より多くの文法を想定し、決めたものである。加工結果を観察すると、化財の保全が可能となるだろう。

振動ノミ加工では、入隅部のエッジが出ていることが確認

今後、ほかの装飾部位に使用される形状の振動ノミを用できる一方、ミリング加工による加工形状は隅部が丸みをいた加工方法を考察する。さらに、ツールパスの生成方法帯びており、形状を適切に加工できていないことが分かる。 について考察を加え、より合理的な加工システムについて模索していく予定である。
［注釈］

図 10

加工対象のモデル

注1. 吉川 恒夫:人工技能,技能の理解とその機械,1998 年 37
巻 7 号 p.465-470
注2. CNC 工作機を制御するための加工プログラムを作成するためのソフトウェア。
注3. フリーフォーム NURBS モデリングに特化した 3 次元 CAD ソフトウェア。URL:https://www.rhino3d.co.jp/

図 11

振動ノミ加工（左）・ミリング加工（右）5.2. 装飾部位の断面形状を有した円への適用
W 字の切り欠き形状を円上に掃引した形状（図 3）を振動ノミで加工した結果を図 12 に示す。隅部に荒れが残る部分もあるが、概ね良好に加工できている。荒れは、検証に用いた集成材の繊維の影響だと考えられる。

図 12

報告 H74［参考文献］
1). Hiroki Takabayashi, Keita Kado, Gakuhito Hirasawa:
Versatile Robotic Wood Processing Based on Analysisof Parts Processing of Japanese Traditional Wooden
Buildings Robotic Fabrication in Architecture, Art andDesign 2018 p221-231
2). Giulio Brugnaro, Sean Hanna: Adaptive Robotic Carving
Training Methods for the Integration of Material
Performancesin
TimberManufacturing,RoboticFabrication in Architecture, Art and Design 2018 p336348
3). James Hayes, Stephen Fai, Shawn Kretz, ChristianOuimet: Phil White Digitally-Assisted Stone Carvingof a Relief Sculpture for the Parliament Buildings
National Historic Site of Canada, ISPRS Annals ofPhotogrammetry, Remote Sensing & Spatial Information
Sciences . 2015, Vol. 2 Issue 5/W3, p97-103.
4). 髙林 弘樹, 元池 遼, 加戸 啓太, 平沢 岳人:多関節ロボットによる木材加工におけるツールパス生成に関する研究
日本建築学会技術報告集 2016 年 22 巻 51 号 p813-816
5). 髙林 弘樹, 元池 遼, 會田健太郎, 加戸 啓太, 平沢 岳
人:多関節ロボットによる伝統木造構法の部品加工に関する研究, 日本建築学会技術報告集 第 22 巻 第 50 号，
p331-334，2016 年 2 月
6). 鶉功：図解寺社建築 各部構造/理工学社 1993 年
7). 富樫：大工 寺ひな形/理工学社 2004 年

円形の加工結果－ 345 －