東急建設技術研究所報 No. 43

U.D.C 528.875

劣駆動型打叩ロボットの速度制御手法
高橋

要約：悠輔 ＊

トンネルや橋梁などの構造物の老朽化が進む一方で，インフラの維持管理を行う点検員が不足している。このため，迅速かつ高精度に点検可能な打叩ロボットの開発が望まれている。ロボットの打音が点検員と同じであれば，今までの経験を活用した点検ができる。また点検員と同じように，コンクリートの状態に対して叩く力を調節できる機能も求められる。そこで本研究では，点検員の打音に近似可能で，かつ打叩エネルギーを調節可能な劣駆動型打叩ロボットを開発した。開発にあたっては，打叩エネルギーを小さくするほど打叩間隔が大きくなり点検に要する時間が長くなるという問題を回避するため，揺動スライダクランク機構を利用した新しい速度制御手法を提案した。本稿では，揺動スライダクランク機構を組み合わせた劣駆動型打叩ロボットと，その機構モデルについて述べる。また，打叩間隔が一定のままエネルギーを調節するための速度制御手法の仕組みについて述
べ，実験から提案した手法を用いて打叩エネルギーの調整が可能であることが確認できたので，これを報告する。

キーワード：

コンクリート検査，打叩ロボット，劣駆動，うき目

1．緒言

4．打叩実験

2．劣駆動型打叩ロボットの機構モデル

5．結論

次：

3．速度制御手機構
1．緒言で評価できる。そこで本研究では，人の打音に近い音を発現在使用されている橋梁やトンネルなどは高度成長期に生させることを目指し，点検員の腕の動きを再現可能なハ建設されたものが多い。特に建設から 50 年以上が経過しンマー揺動機構（以下，劣駆動）を搭載した劣駆動型打叩た道路トンネルは，2013 年で国内に約 1 万本あるうちのロボットを開発した 4)。このロボットは，手動でモータの1)

約 20%，2033 年には約 50% に及ぶと試算されており ，速度を変えることで，打叩エネルギーを調節できる。実老朽化が社会問題となっている。そのような状況から，際，点検員はコンクリートの状態に応じておよそ 0.5［J］

2014 年 7 月 1 日に施行された道路法施行規則の一部改正（健全部)〜0.2［J］（うき部）で叩くため 5)，打叩エネルギ

により，5 年に 1 回の近接目視による点検と，目視点検でーを調節するための機能は必要であると考えられる。しか変状が確認された箇所の打音検査などが義務付けられた。

しモータの速度を低下させると，結果として打叩間隔が大一方でインフラの維持管理を行う自治体職員の技術者不足きくなるため，点検に要する時間が長くなる問題がある。

が懸念されており，ロボットなどを活用した革新的な点検

この問題を解決するため，揺動スライダクランク機構（以技術の開発・導入が期待されている。

下，スライダクランク）を利用した新しい速度制御手法をコンクリート構造物のひび割れを判別するシステムとし提案した。本稿では，提案した手法の仕組みと制御理論にて，デジタルカメラなどを使用した点検方法が一部で実利ついて述べ，実験から有用性を確認したので報告する。

2)

用されている 。また，うきの有無を確認するシステムと2．劣駆動型打叩ロボットのコンセプト

して，赤外線カメラを使用した検査が検討されているが，ロボットの打音を点検員に近づけるための重要なポイン

環境条件によって検出精度が変化するなど運用面での課題

トは，打面にハンマーを押し付けないことである 5)。これがある。
うきの有無を確認する手法として，一般的には打音法がにより，コンクリートの振動を阻害することがなく，またあり，ハンマーなどによりコンクリート表面を打叩するこ二度叩きの発生を回避することができる。さらに本研究でとで，コンクリート内部の変状を抽出することができは，点検員の腕の動き，特に手首のスナップ動作を再現す

3)る 。例えば 2014 年 6 月に国土交通省が策定した道路トることも重要であると考えている。これらの点を満たす打ンネル定期点検要領によると，健全部は叩ロボットとして，劣駆動とスライダクランクを組み合わキンキン ， コボコせた機構を考案した。ロボットの動作イメージを図 1 に，など濁音を発する。打叩ロボットの打機構モデルを図 2 に示す。点 O にあるモータが回転数 N

音が人と同じであれば，点検員はこの点検要領と同じ基準［rpm］で 回 転 す る と，長 さ L［m］の ク ラ ン ク LP がンコンといった清音であるのに対して，うき部はボコ ， ペコペコ

＊技術研究所 メカトログループ

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図3

図1

Control of the hammering energy

Behavior of the underactuated hammering robot

図4

Definition of ϕO を中心として点 O にあるモータが回転数 N［rpm］で回転すると，長さ L［m］のクランク LP が O を中心として回転する。これにより，長さ l［m］のてこ OO は
点 O を中心として揺動する。これは，図 1 の A から B の動きに相当する。回転軸 O には，長さ l［m］，質量 m
［kg］，慣性モーメント I ［g･mm 2］のハンマーが取り付けられており，ストッパーにより反時計回りの回転を制限している。B においててこが減速すると，このハンマーが加速し， 軸上で打叩する。この動きは，点検員が打音検査をする際の手首のスナップ動作に似ており，コンクリート深部の変状抽出に有効と考えられる。ハンマーは，打叩による反発によって打面から離れるため，コンクリートの振動を阻害することがなく，また二度叩きは発生しにく
図2い。この機構モデルに基づき開発したロボットを写真 1

Model of the underactuated hammering robotに，仕様を表 1 に示す。
3．速度制御機構
打叩エネルギーを調節する方法として，モータの速度制御によってハンマーの速度を調節する手法がある。しかしこの手法では，打叩エネルギーを小さくするほど，すなわ

表1

写真 1

Specification of the hammering system

The underactuated hammering robot

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θ (t)=2πn 60 Ndt()

で与えられる。また，θ (t)［deg］と θ (t)［deg］の関係は幾何学的に，θ (t)=−∠OOO+∠OOPLO LOsin  θ (t)+tan +sin P(t)L =−tan ()となる。ただし，

P(t)= L +L −2LL cos θ (t)+tan 

L=OO= O +O
図5O

 L  ( )()である。

Gear ratio of the motor

式()〜式()より，モータの回転 θ (t)［deg］の時間変化から，ハンマーの挙動 θ (t)［deg］が求められることが分かった。よって，式()において θ  (t)［deg］を入ちモータの速度を小さくするほど，打叩間隔が大きくな力，θ (t)［deg］を出力として変形すると，り，点検に要する時間が長くなる問題がある。また，叩くθ (t)=− 1 (A(t)θ (t)+H (t)+G(t))
B間隔が変わると，点検員は正しい変状識別ができなくなる()で表現できる。

問題もある。

ハ ン マ ー の 運 動 を 解 析 す る た め に は，式 (そこで本研究では，モータの回転速度は変えず，スライ) を θ (t)ダクランクの回転軸位置を制御する手法を提案した。以下［deg］について解く必要がある。ところが，この方程式

では，その手法の仕組みと制御理論について記載する。

は非線形であるため解析解を得ることは困難である。そこ

3.1

で，本研究ではオイラー法を用いて数値的に解析すること軸位置制御手法

スライダクランクの回転軸位置を制御し，打叩エネルギとした。刻みをーを調節する仕組みを図 3 に示す。例えば，軸 O の位置Δt=t−tとすると，以下のように数値解が得られる。
θ (t)=θ  (t)+θ (t)(t−t)O［mm］を軸 O から遠ざけると，てこの揺動角度が小さくなり，ハンマーの速度は小さくなる。

θ (t)=θ (t)+θ  (t)(t−t)

よって，必要な打叩エネルギーに応じて軸 O［mm］()()(10)の大きさを制御することで，打叩間隔が一定のまま，ハン観測開始時にはハンマーは動いていないものとし，初期値マーの速度制御が実現できる。

を次の条件で定義する。
θ (t)=θ (0)=03.1

制御理論

(11)

θ (t)=θ (0)=θ 

打叩エネルギーに応じてハンマーの速度制御を実現する(12)ため，開発したロボットの力学モデルから打叩エネルギー以上より，θ (t)［deg］の時間変化が得られる。

E［J］と軸 O［mm］の関係を得ることを目指す。図 2

ハンマーの打叩エネルギー E［J］は，重心位置を Gに お い て，θ (t)［deg］は 右 手 系，θ (t)［deg］，θ (t)（ ,  ）とおくと，以下の式で与えられる。

［deg］は左手系とし，図 1‑C の状態を基準，すなわち，

11  )+ I (θ (t)+θ (t))
E= m(  +22それぞれの角度を 0［deg］とする。打叩方向 ϕ［deg］を(13)

図 4 で定義する。2 リンクマニピュレータの動力学モデル

ここで，第 1 項は並進の運動エネルギー，第 2 項は回転のを参考にすると，ハンマーの運動方程式は，
A(t)θ (t)+Bθ (t)+H (t)+G(t)=0運動エネルギーである。重心位置 G について，( =l cos θ +l   cos(θ +θ )) =l sin θ +l   sin(θ +θ )となる。ここで，A(t)=ml   +I +mll   cos θ  (t)1
E= ml θ (t) +mll  θ (t)(θ (t)+θ (t))cos θ 2

B=ml   +I 
H (t)=mll  θ (t) sin θ (t)G(t)=m(  sin ϕ)l   cos(θ (t)+θ  (t))(14)

を式(13)に代入して整理すると，

(1+ (ml   +I )(θ (t)+θ  (t))2)である。

(15)となる。

このロボットには打叩時に十分な速度を得るため，図 5に示すような減速比 n が連続的に変化する特殊な歯車を4．打叩実験用いている。このとき，θ (t)［deg］は，開発したロボットを用いて打叩実験を行った。ハンマー79

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図6

Energy of the steel ball vs Acceleration of the wood
図7

写真 2

Shaft postion vs Hammering energy

A measuring deviceの打叩エネルギーは，鋼球の自由落下により発生する打撃同じ地点に落下させた。また鋼球は同じ高さから 5 回繰り対象物の振動加速度をもとに推定した。

返し落下させた。実験結果を図 6 に示す。図 6 から，鋼球

4.1

打叩エネルギー推定手法の落下エネルギーと木材の加速度応答は，ほぼ比例するこ

打撃点近傍に加速度センサを設置し，ハンマーの打撃にとが分かった。このグラフから最小二乗法により近似式をより検出した加速度応答の第一波の最大応答振幅から，コ求めると，ンクリートの劣化を評価する研究が進められている 6), 7)。

E ≈この研究から，打叩エネルギーが大きいほど検出される加1a2397(16)速度応答が大きくなることが実験的に確認されており，ことなる。よって式(16)より，ハンマーの打叩エネルギーをれらに相関関係があると考えられる。そこで本研究では，推定することが可能である。
4.2

重さ 94.9［g］の鋼球を様々な高さから自由落下させて木実験方法

材に衝突させ，鋼球の落下エネルギーと木材の加速度応答

写真 2 に示す装置にロボットと木材を取り付け，O=の第一波の最大応答振幅の相関関係を求めた。加速度の検26.5，30，50［mm］のときのハンマーの打叩エネルギー

出には，圧電式加速度ピックアップ（PV‑95 リオン社製）を 式 (16) よ り 推 定 し た。打 叩 方 向 は，ϕ= 90［deg］とを使用し，FFT アナライザにより観測した。鋼球は常にし，モータの回転数は 170［rpm］で一定となるよう制御

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した。実験は 5 回繰り返した。
4.3

考えられる。ストッパーとハンマーの接触部にクッション

実験結果と考察を付けるなど損失を低減するための工夫が必要である。

式(15)により算出された計算値 E［J］と式(16)より推定した打叩エネルギー E ［J］の結果を図 7 に示す。

5．結論

図 7 より，推定した打叩エネルギーと軸位置の関係に着本研究では，点検員の打音に近い音を発生でき，かつ打目すると，軸位置を大きくするほど打叩エネルギーを小さ叩間隔が一定のままエネルギーを調節可能な打叩ロボットくすることができ，点検員が実際に叩くエネルギーであるを開発した。本稿では，まず，点検員の腕の動きを再現可

0.5［J］（健全部)〜0.2［J］（うき部）を実現可能であるこ

能な劣駆動とスライダクランクを組み合わせた劣駆動型打とが確認できた。このときモータの回転数は一定であるこ叩ロボットとその機構モデルについて述べた。次に，打叩とから，打叩間隔が大きくなることはないため，点検作業間隔が一定のまま打叩エネルギーを調節するための速度制時間の大幅な削減が期待できる。

御手法の仕組みについて述べた。最後に，開発した打叩ロ

次に，計算値と推定値を比較すると，軸位置が小さくなボットを用いてエネルギー測定実験を行い，提案した手法

るほど，推定値のほうが小さくなり，エネルギー損失が大の有用性について検証した。その結果，軸位置を大きくすきくなる傾向が見られた。例えば，軸位置が 50［mm］のるほど打叩エネルギーを小さくすることができ，点検員が場合はほぼ一致したが，軸位置が 35［mm］のとき推定値実際に叩くエネルギーである 0.5［J］（健全部)〜0.2［J］は 0.1［J］だけ小さくなり，その損失はおよそ 30% であ（うき部）を実現可能であることが確認できた。このときった。また 26.5［mm］のときは，0.5［J］だけ小さくなモータの回転数は一定であることから，打叩間隔が大きくり，その損失はおよそ 50% となった。制御理論では，図なることはないため，点検作業時間の大幅な削減が期待で1‑A において，ハンマーがストッパーに接触している状きる。一方で，理論式から得られた計算値と実験により得態から動作を始めることを前提とした。ところが実験でられた推定値を比較すると，軸位置を小さくするほどエネは，軸位置を小さくするとハンマーが激しく振れ，ストッルギー損失が大きくなる傾向が見られた。今後は，損失低パーに接触した際に跳ね上がる現象が見られた。この現象減による性能向上を進め，トンネルや橋梁などでの打音検が発生すると，ハンマーが加速するために必要な反力をて査への実用化を目指す。

こから得られないため，打叩エネルギーが小さくなったと
謝

辞

本研究を行うにあたり，株式会社小川優機製作所の小川安一氏，ならびに佐藤友哉氏には，装置の設計・製作にご尽力いただいただけではなく。研究遂行に関して多くの助言をいただいた。ここに感謝を記す。なお，本研究開発は，国立研究開発法人 新エ
ネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）からの委託研究「SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）インフラ維持管理・更新・マネジメント技術/維持管理ロボット・災害対応ロボットの開発/トンネル全断面点検・診断システムの研究開発」の一部として実施中のものである。
参考文献
1) 国土交通省道路の老朽化対策道路構造物の現状（トンネル）
http://www.mlit.go.jp/road/sisaku/yobohozen/yobo1̲1.pdf
2) 鵜飼正人，下田一也： ラインセンサカメラを用いたトンネル変状検査システム ，「建設の施工企画」特集 山岳トンネルとシールド・推進工，2011 年 11 月号
3) 鵜武石学，小泉和広，新弘治： 自動打音調査システム「易打天」，日本建設機械施工協会「建設施工と建設機械シンポジウ
ム」論文集，2004 年4) 高橋悠輔，中村聡，柳原好孝，小川安一，佐藤友哉： コンクリートの響きを考慮した劣駆動型打音装置の制御手法

日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 ROBOMEC2016, 2A2‑09a6, 2016 年
5) 高森康雄，岩井孝幸，時岡誠剛： トンネル覆工打音診断システムの開発 ，日本建設機械施工協会「建設施工と建設機械シンポジウム」論文集，2004 年
6) 稲熊唯史，加藤信二郎，鎌田敏郎，内田慎哉： 鋼球による打撃方法がコンクリート版を伝播する弾性波の周波数特性に与える
影響 ，土木学会第 66 回年次学術講演会，2011 年
7) 大曲正紘，園田佳巨，宗本理： 劣化したコンクリート橋の回転式打音検査に関する基礎的研究 ，「コンクリート工学年次」論文集，2009 年

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Velocity Control Mechanism of the Under‑actuated Hammering Robot
Y. Takahashi
According to rapid deterioration of many domestic tunnels and bridges, inspection workers that manage them areinsufficient. For this reason, it is desired to develop an automatic hammering robot that can inspect them quickly andaccurately. If hammering sounds of this robot is similar to engineers, we can do it by using experience for a long period. And
it also required a function that can adjust hammering energy against the concrete condition. Therefore, we developed anunder‑actuated hammering robot that can simulate hammering sounds by engineers and can adjust hammering energy.
However, this robot has a problem that take a lot of time to inspect. Because the smaller the energy, the larger thehammering interval. To this problem, we combined a swing slider crank mechanism, and controlled velocity which iscorrelated to hammering energy. In this paper, we described the under‑actuated hammering robot that combined a swing
slider crank mechanism and its model. After that, we clarified a velocity control mechanism. Finally, we showed the resultof hammering tests using this robot and verified the mechanism can control hammering energy.

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