NEDO・慶應大・大林組　リアルハプティクスを応用「自動火薬装填システム」でトンネル切羽発破に成功

2024年12月3日 By ロボスタ編集部

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）の「官民による若手研究者発掘支援事業」（若サポ）の一環で、慶應義塾大学の野崎貴裕准教授らの研究グループと大林組は、遠隔で力触覚を再現する技術（リアルハプティクス）を応用し、2023年に山岳トンネルの掘削面（切羽）での火薬の装填作業を遠隔化・自動化する「自動火薬装填システム」を開発し、本システムを用いて、トンネル外から遠隔で実火薬を装填し、発破することに成功したことを明らかにした。また、装薬孔検知技術などを連携させ、本システムでの作業自律化にも成功し、生産性の向上が期待される。

今後、起爆用爆薬を供給する装置（親ダイ供給装置）の搭載や、大型重機の自動運転との連携、さらに火薬の脚線結線作業の自動化を進め、一連の技術の現場適用を目指すとしており、各作業を自律学習させることで、トンネル掘削作業の無人化につながる開発を進めていくとのことだ。

背景

山岳トンネル工事における重大災害の多くは、支保工建て込み作業と、切羽（きりは）直下での火薬の装填・結線作業で発生している。

このうち、重機を使用する支保工建て込みなどの作業は遠隔化・自動化が進んでいる一方で、火薬の装填・結線作業は、火薬や雷管などの危険性が高い材料や、細かい脚線を取り扱うことから、繊細な力加減や手指の感覚を必要とする。「山岳トンネル工事の切羽における肌落ち災害防止対策に係るガイドライン（厚生労働省）」に基づき、安全対策を講じながら手作業で施工しているが、さらなる作業の安全性確保と生産性向上が求められている。

NEDOの若サポの一環で、慶應義塾大学の野崎貴裕准教授らの研究グループと大林組は、リアルハプティクスを応用して、切羽直下での火薬の装填・結線作業を遠隔化・自動化する研究に取り組み、2023年9月に自動火薬装填システムを開発し、室内試験にて遠隔装填技術と遠隔装填技術で伝送される力触覚のデータを利用した自動装填に成功した。

トンネル工事における遠隔装填

本システムは、リアルハプティクスにより力触覚が伝わることで、切羽から離れた安全な場所から、あたかも切羽で直接作業を行っているかのように直感的な火薬の装填作業が行える。今回の実証実験では、本システムを長野県下伊那郡にあるトンネル工事現場（国土交通省中部地方整備局令和4年度三遠南信6号トンネル工事）で適用。大型重機に搭載した装填ロボットを、切羽から30m地点と、切羽から320m離れたトンネル外で操作して、火薬の装填、発破を行った。

1：火薬供給装置との連携

火薬供給装置との連携イメージ

本システムに、紙巻や粒状の火薬供給装置との連携を行い、さまざまな火薬の遠隔装填に成功している。

今回の実証実験では、紙巻の含水爆薬には株式会社熊谷組が開発した装置、粒状の含水爆薬には粒状爆薬供給装置を使用。アンホ爆薬やバルクエマルジョン爆薬などの火薬供給装置とも連携することができ、安全な場所から火薬を供給し、装填することが可能。

2：トンネル外からの遠隔装填

遠隔装填は、トンネル外のオペレータ室に設置したリモコン側と、トンネル内の切羽で実際に作業する装填ロボット側で構成。大型重機で装填ロボットを装薬孔の近くまで移動後、トンネル外のオペレータ室で装薬孔周辺を映したモニターを見ながら、リアルハプティクスによりリモコンと装填ロボットの触覚を相互に再現することで、遠隔操作による火薬装填に成功した。

本システムにおける装填作業の自律化

火薬装填作業の自律化試験

装填ロボットに搭載したステレオカメラで装薬孔の位置、装薬孔とロボットの角度を検知し、装填ロボットを自動誘導後、装填ロボットの押し込み作業を再現することで、火薬装填作業の自律化に成功した。大型重機で装薬孔の近くまで装填ロボットを近づけた後は、火薬装填作業の自律化が可能になる。

今後の予定

今後、若サポにて、野崎貴裕准教授らの研究グループと大林組は、1：自動火薬装填システムに親ダイ供給装置を搭載、2：大型重機の自動運転と自動火薬装填システムの連携、3：脚線結線作業の自動化を進めることで、一連の技術の現場適用を目指す。

リアルハプティクスは位置や力といった動作情報を記録し、再現することが可能です。この技術を応用することで、トンネル掘削作業の無人化を実現し、安全かつ効率的な働き方を目指した技術の開発を進めるとしている。

なお、慶應義塾大学と大林組は本研究開発成果について、土木学会第34回トンネル工学研究発表会（2024年12月3日～4日）や岩の力学連合会第16回岩の力学国内シンポジウム（2025年1月14日～16日）で発表を予定している。