大林組と慶應義塾大学、力触覚技術でトンネル火薬装填作業の完全無人化を実現

株式会社大林組と慶應義塾大学ハプティクス研究センターは、共同で開発を進めてきた「自動火薬装填システム」を改良し、山岳トンネルの切羽（きりは）直下での火薬装填作業の完全無人化を実現しました。このシステムは、遠隔で物の感触や力を再現する「リアルハプティクス」技術を応用したもので、オペレータ室から作業者1名で連続的な装填作業が可能になります。

自動火薬装填システムの開発背景

山岳トンネルの掘削作業では、岩石の落下による「肌落ち」などの危険があるため、大型重機を使った作業の遠隔化や自動化が進められています。しかし、火薬や雷管（らいかん）といった危険な材料や、細かな脚線（きゃくせん）を扱う火薬の装填・結線作業は、繊細な力加減や指先の感覚が必要なため、これまで遠隔化や自動化が難しいとされていました。

そこで両者は、リアルハプティクス技術を用いて、切羽直下での火薬装填・結線作業を遠隔化・自動化する研究に取り組みました。この取り組みは、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）の「官民による若手研究者発掘支援事業（若サポ）」の一環として進められています。若サポの詳細については、NEDOウェブサイトをご覧ください。

リアルハプティクスとは、物体に触れた際の硬さや柔らかさ、弾力などの力触覚情報を、遠く離れた場所にある操作者の手元で再現できる技術です。これにより、作業者はまるで現場で直接作業しているかのような感覚で、ロボットを操作できます。

今回の改良点と装填作業の無人化

これまでの自動火薬装填システムは、大型重機で装填ロボットを切羽の近くまで移動させ、オペレータ室でモニター映像を見ながら遠隔で火薬を装填する仕組みでした。今回の改良では、新たに起爆用爆薬である親ダイ（おやだい）を供給する装置をシステムに搭載しました。

親ダイ供給装置と連続装填の実現

親ダイ供給装置は、あらかじめセットされた複数の親ダイをベルトコンベアで運び、受け皿へ順に供給します。この装置により、火薬の供給が機械化され、装填ロボットが自動的に親ダイを取り込めるようになりました。

親ダイを装填ロボットに取り込む際、リアルハプティクスによって、かかっている負荷の数値や感触がオペレータ室の作業者に伝わります。これにより、作業者は安全を確認しながら親ダイを取り込めます。その後、遠隔操作や孔（あな）の検知技術と組み合わせた自動化により、親ダイや増ダイを装填します。

脚線（雷管を起爆させるための線）が絡まったり、引っ張られて切れたりするのを防ぐ工夫も施されたため、複数孔への連続的でスムーズな装填作業が可能になりました。

装填範囲の拡大

自動火薬装填システムと親ダイ供給装置の設置向きを調整できるよう改良したことで、火薬を装填できる範囲が広がりました。これにより、これまで装填が難しかった切羽の下の方にも装填ができるようになりました。

現場実証での効果

このシステムは、国土交通省関東地方整備局が発注した「R4国道20号新笹子トンネルその1工事」で実際に試されました。その結果、従来は切羽直下で5名で行っていた装填作業を、切羽から50m離れた場所から1名で実施できるようになり、作業の安全性向上と省人化が実現しました。

今後の展望

両者は今後、複数台のロボットによる装填、大型重機の自動運転と本システムの連携、そして脚線結線作業の自動化を進め、一連の技術を実際の現場に広く適用していくことを目指しています。リアルハプティクス技術を活用することで、トンネル掘削作業の無人化をさらに進め、より安全で効率的な働き方の実現に向けた技術開発が進められていきます。