社會基礎建設的維持管理與 自然災害應變所需的機器人技術應用

～田野機器人的探討與對策

2015年台日科技高峰論壇 ～產學合作的新時代─邁向機器人活用社會的課題與展望～

2015年9月7日-9日

油田信一（Yuta Shinichi）

芝浦工業大學 SIT總合研究所 特任教授

自我介紹：

油 田 信 一 （Yuta Shinichi） 1975年 慶應義塾大學大學院工學研究科（電氣工學）修了、工學博士 1975年 東京農工大學 電子工學科 助理 1978年 筑波大學 電子．資訊工學系 講師 1992年 同 教授 1999年 同 功能工學系 教授 2004年 同 理事．副校長（研究、產官學合作、社會貢獻負責人） 2006年 同 系統資訊工學研究科教授 （2006-2010年）產學LIAIZON共同研究中心長 2012年 芝浦工業大學電氣工學科 教授（特聘） 2012年～ 土木研究所招聘研究員、筑波市顧問 2014年～ （株）富士SOFT董事（公司外）、次世代無人化施工技術研究工會理事長、 NEDO委託（基礎建設維護PL) 2015年 芝浦工業大學 SIT總合研究所 特聘教授 專長為機器人工程。 30年來，不斷推動研究用自律行動機器人平台「山彥」的開發、 自律行動機器人技術、機器人技術的應用研究。 IEEE Fellow (2000, Robotics & Automation Society) 日本機器人學會研究員(fellow)（2004） 2009年 日本機械學會獎（技術） 2009年 IROS Harashima Award （IEEE）

「機器人」沒有（嚴謹的）定義 被稱為「機器人」，即成為「機器人」 •何種機械會被稱為「機器人」呢：

有機器人外形的機械

使用機器人技術的機械

機器人研究員、廠商製作的機械

夢想的機械、開發中的機械

實現後即不再是機器人

什麼樣的機械可稱為機器人？

•產業用機器人

•全自動洗衣機

•挖土機

•電視遊戲機

•自動駕駛的汽車

•自動吸塵器

•雙足步行的機械

•空中飛行的機械

•遠端遙控的機械

•解決社會課題

•機器人學 ＝ 提供解決方案

所需的研究開發

機器人技術在社會上應扮演的角色

機器人的角色：如何使機器人發揮助益

•取代人類

•取代人類可以做到的事情

•成為機械

•執行人類無法辦到的事情

人們所追求的機器人（技術）角色

• 回顧往年： 3Ｋ 工作

•危險（Kiken）的工作

• 辛苦（Kitsui）的工作

• 髒亂（Kitanai）的工作

─ ─ ─ ─ ─人們不想做的（物理性）工作

機器人技術追求的功能特徵

魔法師的能力 ＝ 20世紀型價值觀的成果

• 在空中飛行 • 化黑暗為明亮 • 搬運重物 • 觀看遠端的狀況／與遠端人們進行對話

人的能力 ＝ 機器人追求的功能 • 走到某處 • 靈巧地動手製作物品 • 觀察事物進行判斷 • 了解人們的心情

過去許多研究開發的立場 （傳統的科學技術＝20世紀型科學技術）

好奇心 基礎科學 要素技術

社會的要求

種子（Seeds） 應用（Push型）

需求（Needs） 解決法（Pull型）

有用的系統 有用的機器人

現今的機器人學．機器人技術所應採取的 開發立場

好奇心 基礎科學 要素技術

有用的系統 有用的機器人 社會的要求

種子（Seeds） 應用（Push型）

需求（Needs） 解決法（Pull型）

機器人的作業環境

• 工廠、生產線 • 物流線

• 建設作業現場 • 農業、林業 • 市區 • 公共建築物 • 家庭

從工廠 到自然環境、日常生活空間

• 產業用機器人 工廠內 － 支援工業生產活動

• 田野機器人 建設、農業、災害時 － 支援人們的工作

• 服務型機器人 家庭內、一般的生活環境 － 支援通常的生活

農務機器人 調查、探測機器人 建築工地的機器人

田野機器人的案例

田野機器人的角色

•（走出工廠）在自然環境中工作的機器人技術 • 實現對現場有助益的調查、作業

• 在原本的（自然的）環境中工作 無法為機器人整建的工作環境 技術要點在於須面對的環境條件，而非作業本身的困難度

今後重要的關鍵字＝維持＋安心

•確保與維持現在的（受科學技術支援的）舒適環境才是挑戰

•維謢（維修）作為社會基礎建設的設備

能源網、通訊網、運輸網、交通網、原材料製造

•維修技術的重要性與課題

•維護之切斷（日常潛在危機）的迴避 ：

•減輕基礎建設維謢時的成本負擔

•災害時的應變

•避免二次災害，實情的調查與應急的復原

最近的基礎建設應變機器人技術：日本的背景

• 基礎建設的老舊化 （例） 笹子隧道的事故

• 強化對災害的應變能力 （例）．東日本震災與 福島第1核電廠的事故（2011）

• 頻繁發生的異常氣象

紀伊半島豪雨（2011）、2014年8月颱 風11號等

• 火山噴發與土石流

雲仙普賢岳

因應基礎建設的維護管理／（自然）災害時的調查、復原 之機器人的技術要素

進入技術（前往現場） 讓機械進入檢查對象和作業現場的

移動技術（地上、空中、壁面、水中‧‧‧）

人員從遠方監視、操作

現場危險時（高處、二次災害的可能性、輻射能等）

測量、作業技術（工作） 檢查、監視對象的測量

輕量作業（為了量測／為了維持、更新）

無人（正式的）作業、施工等

在實際環境中建構有實際助益的整合系統 硬體、軟體、控制系統、使用者介面的整合

災害因應機器人的案例：就機器人工學的立場來看

在人員無法進入的場所進行調查、處理的系統 進入技術

•福島第一核電廠事故

Talon (QinetiQ)

Quince Brokk-90 (Brokk)

利用Pack Pot進行 反應爐廠房的現場確認

17 影像取得（2014年12月9日 15 fps，4k影像）

災害應變機器人的案例：就機器人工學的立場來看

在人員無法進入的場所進行調查、處理的系統： 進入技術

活火山區域的調查（UAV的長程飛行 現場實證：東北大團隊，2014）

災害應變機器人的案例：就機器人工學的立場來看

在人員無法進入的場所進行調查、處理的系統 遙控技術

• 火山災害的無人化施工

DEITz

DEITz

白色普賢岳 島原市內的狀況

火山碎屑流造成的災害

雲仙普賢岳的受災與作業：降灰與火山碎屑流

因應火山災害的無人化施工

照片提供：

照片提供：

照片提供：

DEITz

發生土石流

堆積在山谷和山腰的火山堆積物等，因連日下雨而大量流出

19931993

DEITz

平成5年（2003年）的水無川流域

照片提供

無人化施工系統

利用無線等進行的通訊

作業現場 （作業員未搭乘）

遙控室 （安全的場所）

雲仙普賢岳的無人化施工

1993年〜

．建設省技術評估制度

．測試現場制度

【工種】

．除石工程

．大規模土工

．利用RCC工法建設砂防 堰堤

雲仙普賢岳復原／重建工程

極高的2次災害風險 摸索可因應火山災害／砂土災害的施工技術 可展開大規模土工的施工技術

透過建設省測試現場制度，正式實施無人化施工 雲仙普賢岳復原／重建 → 近代無人化施工發祥地

熊谷組赤松谷11號河床保固工程

/ / / / /

/ / /

現在的水無川流域

雲仙．普賢岳噴發災害帶來的災況 死者41名、失蹤者3名、傷者12名、建築物受災戶2511戶、災害損失金額2299億日圓 火山碎屑流發生次數9432次、土石流發生次數62次、總流出砂土量約760萬m3

雲仙重建後的無人化施工（代表案例）

北海道．有珠山噴發災害（2000） 洞爺湖溫泉街 因火山灰等造成的毀滅性災害

小笠原 三宅島噴發災害（2000） 新潟県中越地震（2004） 岩手／宮城地震（荒砥沢：2010） 鹿兒島県南大隅深層崩壞（2010）

紀伊半島豪雨（2011－2012）

無人化施工中應學習的技術活用方式

•因應緊急狀況的體制。

•運轉狀態的機械、搬運體制

•受過訓練的作業員

（理由）

•雖說是用於緊急時刻，但卻經常被使用

•事前災害中經常有緊急時刻

（雖然是國土交通省的發包工程，但作業已成為事業）

無人化施工與資訊化施工 ─ 施工技術的新方向（機器人化）

維修機器人的案例：就機器人工學的立場來看

不需要臨時鷹架的檢查、維持系統 進入技術 • 拱橋的檢查、塗裝

• 化學工廠中的配管腐蝕檢查

最近日本的

災害應變／維護基礎建設所需的機器人技術 ～ 技術開發與利用的活動

無人化施工＋遠端調查

火山噴發 (雲仙普賢岳1996～)

大規模崩落（土石崩落、砂土水壩） (例如，2011紀伊半島豪雨)

福島第1核電廠的安定化／除役 (2011～)

國土交通省、經濟產業省合作，促進次世代基礎建設用機器人的開發與導入 (2014～) NEDO基礎建設機器人專案

國土交通省 基礎建設用機器人的現場實證（依據技術公募）

SIP（策略性革新計畫＝內閣府）的基礎建設維護管理技術 (2014~) （4）機器人技術

國土交通省．經濟產業省合作，促進次世代基礎建設用機器人的開發與導入

次世代社會基礎建設用機器人開發、導入促進體制 附件1

○活用日本高度水準的工學技術，支援 基礎建設維持管理和依據災害現場具 體需求的機器開發

【經濟產業省主導】

○從開發較早期階段，針對現場需求的 傳達和試作機器，展開基礎建設和災 害現場的實證（需求調查、評估）

【國土交通省主導】

．需求調查 的委託等

．試作機器 的評估等

民間企業、研究機構等 基礎建設、災害現場 機器的開發 現場的實證等

建立機器人的開發～驗證～評估 之一體化路線

次世代社會基礎建設用機器人開發、導入重點領域（2013年12月25日 國交省、經產省公開發表） 國土交通省與經濟產業省鎖定並支援開發的重點領域（2014年開始提供開發支援）

（1）維護管理 （2）災害應變

○橋樑 ．可取代的裝置 ．可取代鎚擊檢驗的裝置 ．使檢查人員接近檢查場所的 作業台車

○河川及水壩的水中場所

○隧道 ．可取代目視檢測的裝置 ．可取代鎚擊檢驗的裝置 ．使檢查人員接近檢查場所的 作業台車

．可有效掌握堆積物狀況全貌 的裝置 ．可取代目視檢測的裝置

○災害狀況調查（土石崩落、火山災害、隧道塌陷）

．在土石崩落或火山災害現場，可取得高 精細圖像、影像和地形資料等的裝置 ．在土石崩落或火山災害現場，可測量含 水比和透水性等的裝置 ．在隧道塌陷現場，可取得引火性氣體等 相關資訊的裝置 ．在隧道塌陷處，可取得掌握塌陷狀況和 規模所需高精細圖像、影像的裝置

○緊急應變復原（土石崩落、火山災害）

．可實現緊急應變復原的技術 ．可實現排水作業緊急應變的技術 ．可實現遠端、自律控制所需資訊傳達的 技術

次世代社會基礎建設用機器人開發、導入 對策概要

依據社會基礎建設的現場需求及機器人技術種子，釐清機器人開發、應導入的重點領域，針對民間企業和大學等展開公募，透過現場驗證進行評估，促進活用、開發

※ 與本公募並行，開發途中新技術的支援對策是，由 NEDO實施『基礎建設維持管理、更新等的社會課題因應系統開發專案』。 詳細內容請參閱NEDO網頁。

技術種子

現場需求

釐清 重點領域 公募

現場驗證 （現場適用性 等的驗證）

評估 （達成度、發展性等）

促進活用 現場驗證

促進開發、改良

推動技術開發

（預定下一年度實施）

現場、田野 ～「診斷、修正、提升」社會基礎建設～ （建構次世代社會基礎建設）

次世代社會基礎建設用機器人開發、導入促進體制

民間企業、研究機構等 基礎建設、災害現場 機器的開發 現場的實證等

○活用日本高度水準的工學技術，支援 基礎建設維持管理和依據災害現場具 體需求的機器開發

【經濟產業省主導】

○從開發較早期階段，針對現場需求的 傳達和試作機器，展開基礎建設和災 害現場的實證（需求調查、評估）

【國土交通省主導】

．需求調查 的委託等

．試作機器 的評估等

建立機器人的開發～驗證～評估 之一體化路線

建立機器人的開發～驗證～評估 之一體化路線

次世代社會基礎建設用機器人進行「現場驗證、評估」及「開發支援」的五大重點領域及對象技術

I 維持管理

①橋樑 ．取代、支援目視檢測的技術 ．取代、支援鎚擊檢驗的技術 ．使檢查人員接近檢查場所的 技術

②隧道 ．取代、支援目視檢測的技術 ．取代、支援鎚擊檢驗的技術 ．使檢查人員接近檢查場所的 技術

③水中（水壩、河川） ．取代、支援目視檢測的技術 ．掌握堆積物狀況的技術

II 災害應變

④災害狀況調查（土石崩落、火山災害、隧道塌陷）

．掌握災害現場受災狀況的技術

．測量災害現場砂土等狀況的技術

．取得隧道塌陷現場引火性氣體等資訊的 技術

．掌握隧道塌陷現場的塌陷狀態和規模的 技術

⑤災害緊急應變復原（土石崩落、火山災害）

．災害現場緊急應變復原的技術

．災害現場（河道堵塞）排水作業的緊急 應變技術

．遠端或自律控制所需資訊傳達的技術

專案名稱：基礎建設維持管理．更新等的社會課題因應系統開發專案

經濟產業省／NEDO的對策（2014～）

活用影像的

影像技術

小型化的移動用

機器人的檢查

狹窄部 感應技術

高精度檢測部

(振動、位移等)

訊號處理

無線通訊

最適合基礎建設監控的感應器

獨立電源

研究開發目的 研究開發內容

專案規模

適用成果示意圖

．高度成長期以後整建的基礎建設，在今後20年內，建設後經過50年以上的設施比例將加速增加。由於未進行適當的維持管理，造成基礎建設損壞或機能不健全，對人命和社會造成影響的危險日趨升高。

．日本對基礎建設的維持管理、更新之主要課題，應該是對維持管理、更新的財政問題與人才技術不足。

．在本事業中，配合現有基礎環境的狀態，為能有效果和效率的維持管理及更新，開發可正確掌握基礎建設狀態監控系統的技術，並開發維持管理的機器人、非破壞性檢查裝置的技術，以期解決基礎建設的維持管理及更新等財政問題及人才技術不足問題。

．事業規模（2014年度） 16.2億日圓(預定)

．實施期間 2014～2018年度(5年) (預定)

①基礎建設狀態監控用感應系統開發

開發可經常、持續、全盤掌握基礎建設結構物及其構成部材狀態的感應系統，並建構使用上述感應系統的感應網路系統，展開實證實驗。

②開發使用影像技術的基礎建設狀態監控系統

開發透過全自動而取得的資料判斷龜裂等狀況的資料處理手法、可修正攝影時位置偏移，不僅是平面，亦可掌握縱深（3D）的影像解析手法，展開實證實驗。

③開發基礎建設維持管理用機器人技術、非破壞性檢查裝置

開發可在基礎建設結構物中，移動至人類難以進入的場所，取得基礎建設維持管理所需資訊的機器人，展開實證實驗。此外，開發可搭載在上述機器人上的小型非破壞檢查裝置，展開實證實驗。

NEDO基礎建設維護管理、更新等社會課題因應系統之開發專案 （2014～）

NEDO

營運委員會 NEDO、PL、SPL、

學者專家

油田PL 油田PL 下山SPL

①基礎建設狀態監控用感測器系統開發

②使用影像技術的基礎建設狀態監控系統開發

③基礎建設維護管理用機器人技術、非破壞性感測器裝置

35

NEDO

PL：芝浦工業大學 油田信一教授

成果評估委員（外部專家學者委員） （機器人開發評估委員(兼任)） 東大 淺間教授 大阪大 大須賀教授 早稻田大學 菅野教授 中央大學 大隅教授 東京電機大學 栗栖教授 國總研 木村先生 土木研究所 藤野先生

安全技術顧問 長岡技科大 木村准教授 有人宇宙系統 大賀様 環境技術支援網路 奥田先生 產總研 加藤先生、中坊先生

電波技術顧問 NICT 三浦先生

橋樑維護管理

水中維護管理

災害調查

非破壊性檢查

基礎建設診斷機器人系統（ALPI）的研發 (株)開發設計顧問、 法政大學、 岡山大學、（STELLA 技研 (株) 、SPQR (株) 、 (株) Sysmic 、 (株) JP Business Service）

活用聲音攝影機研發的橋樑檢查機器人 (株)熊谷組、 (株)應用技術試驗所、 (株)移動機器人研究所、 Tokyo Electron Device (株) 、 名古屋大學

配備複眼式攝影裝置的橋樑目視檢測取代機器人系統之研發 Fuji Film (株) 、 (株) Ixs Research (一財)首都高速道路技術中心

利用四軸飛行機的橋樑檢查系統研發 川田Technologies (株) 、 (獨)產業技術總合研究所(株) 、 enRoute 、 NIPPON ENGINEERING CONSULTANTS (株)

針對水中結構物的目視檢深等，研發可持續測量位置並穩定實施的天鉤（Tether)伸展操縱型ROV (株) HIBOT、 (株)建設技術研究所、 東京工業大學

可變構成型水中調查用機器人之研發 (株) Q-I、 (株)日立製作所、 (獨)產業技術總合研究所

以預測土石流為目的，實現火山災害地區即時資料庫的感測技術開發及實用化 東北大學、 (株) enRoute、國際航業(株) （筑波大學）

災害調查用地上／空中複合型機器人系統研發 (株)日立製作所、 (株) enRoute、 Yachio Engineering (株) (獨)產業技術總合研究所

遠距搭乘操作多履帶型無人調查機器人研發 (株)大林組 （慶應義塾大學、 (株)移動機器人研究所）

易燃氣體環境下之探測機器人的研發 三菱重工業(株) （千葉工業大學）

配備複合感測器，可前進．自行行走的蟲型多關節機器人研發 (株) TAUGIKEN （東京工業大學、東京工科大學、神奈川縣產業技術中心）

運用超小型X光及中子感測器的基礎建設維護管理用非破壞性檢查裝置開發 (獨)產業技術總合研究所、 (株) Hitachi Power Solutions 、靜岡大學

基礎建設維護管理、更新等社會課題因應系統開發專案 ③基礎建設維護管理用機器人技術、非破壞性檢查裝置開發

觀察員 經濟產業省 國土交通省

整體聯絡會議 （每年3次左右）

個別進度報告 （每年3次左右）

36

國土交通省的對策

•基礎建設用機器人的現場實證

國土交通省基礎建設機器人 現場實證實驗（2014）

• 橋樑

國總研（筑波）：10/14、濱名大橋：10/28

新淺川橋（八王子）：11/17,18

．隧道 富士：10/31

．水中 多摩川：11/20、宮之瀬：12/2

．災害調查

赤谷（奈良）：11/11,12

櫻島（鹿兒島）：12/9,10

國總研TN：1/？

38

2014 橋樑維護管理技術 現場實證實驗狀況1

國總研（10／14）5件

39

濱名大橋（10／28）6件

海風影響大。 位置控制困難…。 →今後的課題

2014 橋樑維護管理技術 現場實證實驗狀況2 40

新淺川橋（11/17,18）9件

2014 橋樑維護管理技術 現場實證實驗狀況3 41

2014 隧道維護管理技術 現場實證實驗狀況1

◆實驗對象隧道 ．青山隧道 ．韮尾根隧道 ．施工總研模擬隧道 ．其他 ◆實驗日： ．10月31日（施工總研模擬隧道） ◆驗證技術 ．目視檢測 6技術 ．鎚擊 6技術

以中央的突起部分敲擊牆面（利用電磁鐵）

（1）鎚擊判定例子及鎚擊部移動裝置

（2）鎚擊部裝置例 （3）四軸飛行機的TN牆面移動

42

2014 災害調查技術 現場實證實驗狀況1 ◆實驗對象現場 ．奈良五條市 赤谷地區土石崩落現場周邊 ◆實驗日： ．11月11日、12日 ◆驗證技術 ．取得高精細影像、影片及地形資料等 6技術 ．災害階段1～4 階段1：災害發生當天 階段2：災害發生後3天 階段3、4：災害發生7天以後、為擬訂災害對策而實施概略設計、 詳細設計調查

操作光景 四軸飛行機例

43

2014 水中維護管理技術 現場實證實驗狀況2（水庫）

◆機器人 ROV

◆取代目視檢測 攝影機影像、聲納、電磁波雷達 等

44

SIP （策略創新創業計畫）

SIP（策略創新創業計畫，2014～）

（2）引導整建創新環境

由綜合科學技術創新會議率先針對本身執行的SIP對策，將解決政策課題定位為優先對象，並要求各部會推行相關政策以充實內容。

綜合科學技術創新會議為發揮總指揮功能， 成立了「策略性創新創業計畫（SIP）」

內閣府平成26 （2014）年度編列了「科學技術創新創業推動費」預算500億日圓

○超越部會、領域藩籬的橫跨型計畫。 ○由綜合科學技術創新會議指定課題，將預算重點分配。 ○放眼基礎研究至輸出（實用化、事業化）過程，同時將管制、制度改革及特區制度活用等一併納入計畫推動。 ○由產官學分別發揮功能，追求以新方法創造價值的創新導向管理方案

預期效果

總合科學技術創新會議

理事會（專家學者議員） ←外部專家學者

針對各議題建構以下體制

PD（計畫主持人） （針對各課題設置於內閣府下）

擴充內閣府的 支援體制

推動委員會 PD（議長）、相關部會、專家、 管理法人、內閣府（事務局）

相關部會、管理法人等研究者

提升研究推動力，適用核心創新模式，解決社會課題，創造全新的市場、就業，並強化產業競爭力等，以刺激經濟再生

展開及實踐支援、培育優秀人才（兼具創新導向的心態轉換及管理能力）

基礎建設維持管理、更新技術（分配額 34.5億日圓）

藤野陽三 橫濱國立大學安心、安全科學研究教育中心特聘教授

因基礎建設高齡化而引發一般大眾對重大事故風險浮現、維持

費用不足的高度疑慮下，可以低成本實現透過預防保養提升維

持管理水準。同時可持續創造維持管理市場，並推廣至海外。

3. 研發體制

內閣府

國土交通省 文部科學省 經濟產業省

大學 獨立法人 企業

NEDO JST

合作 合作

整體研究根據研究內容變化隨時替換、追加

推動委員會 主席：PD（藤野陽三） 事務局：內閣府 委員：副PD、專家、總務省、文科省、農水省、 經產省、國交省 移轉

補助金 補助金

委託 委託

（4）機器人技術 【概要】

◆可實施高效率、有效的檢查、診斷的維護管理、修補機器人

◆即使在危險災害現場仍可調查、施工的災害應變機器人

◆檢討提升機器人實用性所需的基礎建設結構及支援的機器人研發

◆將開發技術試行導入現場，以推動提升維持管理及災害應變效率、安

全性所需的改良、改善

◆通過後，實施推動維持管理及災害應變共通基礎技術開發所需的設計

審查

【研發細項】

（A）維持管理機器人、災害應變機器人開發所需核心技術（機器人

技術）的開發

（B） 維持管理機器人、災害應變機器人的開發

感謝各位的聆聽