JP7332015B2 - 建築作業装置および建築作業方法 - Google Patents

Description

本発明は、建築部材の表面に設定された作業対象面に、ロボットアームを利用して建築仕上げ作業を実施するための、建築作業装置および建築作業方法に関する。

例えば、柱や梁等の建築部材の表面に対する吹付け作業を、建設作業ロボットを用いて実施する場合、ロボットアームのエンドエフェクタに吹付け手段を採用し、ロボットアームの動作により吹付作業を実施する。一般に、ロボットアームの動作指令にはジョブファイルが用いられ、ジョブファイルには、建築物の設計情報から取得した施工対象となる建築部材の位置情報に基づいて、ロボットアームの軌道に係る情報が記述される。

このため、現実の建築部材に施工誤差が生じている場合、吹付け作業後における建築部材の表面には、仕上がりに吹付け残しや吹付ムラが生じやすく、建築仕上げの施工精度に多大な影響を及ぼしかねない。

このような中、例えば特許文献１には、地下埋設物等の防護対象物について施工誤差を検出するべく、バックホウに備えるバケットの爪先を現実の防護対象物に接触させ、接触した時の爪先の位置座標と３次元設計データにおける防護対象物の位置座標とに基づいて差分を算出し、両者の間に差異があった場合に３次元設計データを修正する方法が開示されている。

また、特許文献２では、天井や壁におけるＢＩＭデータで指定された位置に孔を開けるロボット穿孔装置であって、当該装置にレーザートータルステーション等の電子測定デバイスを搭載し、現実の建物とＢＩＭデータとの間に差がある場合には、現実の建物の寸法をＢＩＭデータに反映させる点が開示されている。

特開２０１７－１５５５６３号公報 特開２０１７－５３７８０８号公報

特許文献１に記載された方法では、現実の位置を確認したい対象物が、例えば地中配管や共同溝等の線状構造物の場合には効率よく３次元設計データを修正できるが、対象物が梁や壁体等の広い表面積を有するものである場合には、その位置や姿勢を検出するには多大な手間を要する。

また、特許文献２には、現実の建物の寸法をＢＩＭデータに反映させる思想が開示されているが、具体的な方法について記載されていないだけでなく、建築物の建築部材ごとで現実の位置や姿勢を検出することまで考慮されていない。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、ロボットアームを利用した作業対象面に対する種々の建築仕上げに係る作業を、建築部材に生じた施工誤差の影響を最小限に抑えて高い精度をもって実施することが可能な、建築作業装置および建築作業方法を提供することである。

かかる目的を達成するため本発明の建築作業装置は、建築仕上げに係る作業に用いるエンドエフェクタを備えた多関節構造のロボットアームと、該ロボットアームの動作を制御するアーム制御装置と、を備える建築作業装置であって、前記アーム制御装置が、作業対象面を設定された建築部材の設計情報と、前記作業対象面に対して実施する作業内容とに基づいて作成されるジョブファイルに従い、前記ロボットアームを動作させるアーム動作指令部と、前記建築部材について、前記設計情報と現実の表面形状に係る計測データとに基づいて作成した設計上の３次元形状モデルと現実の３次元形状モデルとを利用して、位置及び姿勢に係る施工誤差を検出する施工誤差検出部と、該施工誤差検出部にて検出された前記建築部材の施工誤差に基づいて、前記ジョブファイルを修正するジョブファイル修正部と、を備えることを特徴とする。

本発明の建築作業装置は、前記施工誤差検出部が、前記設計上の３次元形状モデルと前記現実の３次元形状モデルから、各々に外接するバウンディングボックスを設定し、設定した２つのバウンディングボックスを用いて、位置及び姿勢に係る施工誤差を検出することを特徴とする。

本発明の建築作業装置は、前記エンドエフェクタに、前記作業対象面を吹付け材で被覆する吹付け手段が備えられることを特徴とする。

本発明の建築作業装置を用いた建築作業方法は、前記作業対象面が設定された前記建築部材について、前記設計情報と前記計測データとに基づいて、位置及び姿勢に係る施工誤差を検出する施工誤差検出工程と、該施工誤差検出工程で検出された前記建築部材の施工誤差に基づいて、前記ジョブファイルを修正するジョブファイル修正工程と、該ジョブファイル修正工程で修正された前記ジョブファイルに基づいて前記ロボットアームを動作させ、前記作業対象面に対して建築仕上げに係る作業を実施する作業実施工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の建築作業装置を用いた建築作業方法は、前記施工誤差検出工程では、前記設計情報と前記計測データとに基づいて、前記建築部材に係る設計上の３次元形状モデルと現実の３次元形状モデルとを作成するとともに、各々に外接するバウンディングボックスを設定し、設定した２つのバウンディングボックスを用いて、前記建築部材の施工誤差を検出することを特徴とする。

本発明の建築作業装置および建築作業方法によれば、作業対象面が設定された梁や柱、壁等の建築部材について、設計情報と現実との間に生じた施工誤差を検出し、この施工誤差をロボットアームの動作指令に用いるジョブファイルに反映する。これにより、ロボットアームの動作を、作業対象面が設定された建築部材における現実の位置および姿勢に対応させることができ、建築部材が有する施工誤差の影響を最小限に抑えつつ、高い精度をもって作業対象面に対して建築仕上げに係る作業を実施することが可能となる。

また、作業対象面が設定された建築部材について、ジョブファイルに反映させる施工誤差が、位置だけでなく姿勢にも及ぶことから、ロボットアームのエンドエフェクタに吹付け手段を設置すると、作業対象面に対する吹付け手段の吹付け開始位置や終了位置、移動変更位置の位置出しや向きに係る精度が高まる。これにより、広範囲にわたる作業対象面に対して吹付け作業を連続的に実施する場合にも、吹付け残しや吹付けムラが生じにくく、施工精度を向上することが可能となる。

さらに、建築物全体ではなく作業対象面が設定された建築部材についてのみ施工誤差を検出するから、必要とする計測データも作業対象面が設定された現実の建築部材を含む周辺のみでよいため、計測作業及び施工誤差の検出作業に多大な手間を有することがなく、作業性を大幅に向上できるとともに、工期短縮および工費削減に寄与することが可能となる。

また、作業対象面が設定された建築部材について施工誤差を検出する際には、設計情報と計測データとに基づいて、建築部材に係る設計上の３次元形状モデルと現実の３次元形状モデルを作成し、設計上及び現実の３次元形状モデル各々で外接するバウンディングボックスを設定すればよい。このため、特別な画像処理装置を用いることなく、簡略な方法によりかつ自動的に、建築部材の施工誤差を検出することが可能となる。

本発明によれば、作業対象面が設定された建築部材について位置および姿勢に係る施工誤差を検出し、これをロボットアームの動作指令に用いるジョブファイルに反映するため、作業対象面を設定された建築部材に生じている施工誤差の影響を最小限に抑えることができ、高い精度をもってロボットアームを利用した作業対象面に対する建築仕上げに係る作業を実施することが可能となる。

本実施の形態における建築作業装置により吹付け作業を実施している様子を示す図である。 本実施の形態におけるエンドエフェクタとして吹付け手段を採用した場合の建築作業装置を示す図である。 本実施の形態における建築作業装置が作業対象面近傍へ移動する様子を示す図である。 本実施の形態における建築作業装置を用いた建築作業方法のフロー図である。 本実施の形態における点群モデルに基づく天井梁の、現実の３次元形状モデルに設定したバウンディングボックスを示す図である。 本実施の形態におけるＢＩＭモデルに基づく天井梁の、設計上の３次元形状モデルに設定したバウンディングボックスを示す図である。 本実施の形態における天井梁の現実及び設計上の３次元形状モデル各々に設定したバウンディングボックスのＸＹ平面を示す図である。 本実施の形態における天井梁の３次元形状モデル（Ｘ軸方向に延在する場合）における姿勢誤差のイメージを示す図である。 本実施の形態における天井梁の３次元形状モデル（Ｙ軸方向に延在する場合）における姿勢誤差のイメージを示す図である。

本発明は、建築部材に設定された作業対象面に対してロボットアームを利用して建築仕上げに係る作業を実施する場合、特に吹付け等の連続的な作業に好適な、建築作業装置および建築作業方法である。

本実施の形態では、建築物を構成する建築部材として天井梁を、また、ロボットアームを利用して実施する建築仕上げ作業として吹付け作業をそれぞれ採用し、天井梁の表面に設定された作業対象面を耐火被覆材で被覆する場合を事例に挙げ、以下に図１～図９を用いて建築作業装置および建築作業方法の詳細を説明する。

建築作業装置１は、図１で示すように、建築物１００を構成する天井梁１０１の表面に設定された作業対象面１０２を吹付け材Ｃで被覆する装置であり、図２で示すように、ロボットアームＡと、ロボットアームＡを支持する走行部Ｂと、走行部Ｂに搭載されたアーム制御装置６を備える。

ロボットアームＡは、図２で示すように、多関節構造のマニピュレータ３と、マニピュレータ３の先端部分にエンドエフェクタとして装着されている吹付け手段２とを備え、吹付け手段２は、吹付け材Ｃを作業対象面１０２に吹付けるためのガンヘッド２１を胴部先端に備えるとともに、胴部中間部に吹付け材Ｃの供給ホースが連結される連結部２２とを備える。

また、マニピュレータ３は、本実施の形態において６軸多関節ロボットを採用しており、後述するアーム制御装置６に格納されたジョブファイル６４１に基づいて作動し、その動作により吹付け手段２に備えたガンヘッド２１の位置や向きを制御するものである。

ロボットアームＡを支持する走行部Ｂは、少なくともベース部４と、ベース部４が上面に設置されている走行台車５とを備えている。ベース部４は、その上面内でロボットアームＡを回転自在に支持するものであり、走行台車５は、少なくとも走行手段５１とアウトリガ装置５２を備え、建築物１００の床面を自在に走行できるとともに、所定位置に建築作業装置１を据え付けることが可能な構造を有している。

また、走行台車５にはアーム制御装置６が備えられており、アーム制御装置６は、演算処理装置６１、入力部６２、出力部６３及び記憶部６４等を備えた、いわゆるノート型パソコンやタブレット端末等の端末装置である。

演算処理装置６１は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードウェアインタフェース等を有するコンピュータであり、建築作業装置１が所定位置に据え付けられた後、ロボットアームＡを利用して作業対象面１０２に吹付け作業を実施する際、ロボットアームＡをジョブファイル６４１に基づいて制御する制御盤として機能するアーム動作指令部６１１を備える。また、詳細は後述するが、施工誤差検出部６１２と、ジョブファイル修正部６１３を備える。

入力部６２は、スイッチ、キーボード等の入力装置であり、出力部６３は、画面表示を行うディスプレイ等の出力装置である。また、記憶部６４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置であり、演算処理装置６１によって実行可能なプログラムが格納されているとともに、少なくとも、ロボットアームＡの動作指令に用いるジョブファイル６４１と、建築物１００のＢＩＭデータが格納されている。

なお、ＢＩＭデータは、建築物１００の設計図等の設計情報が格納され、コンピュータ上に現実と同じ建築物１００の３次元形状モデルを再現するために用いるデータである。また、建築作業装置１の走行部Ｂの詳細は、例えば、特願２０１８－１４６１７２号の吹付け装置に備えた走行部を参照されたい。

上記の構成を有する建築作業装置１は、走行部Ｂの平面視重心をロボットアームＡのホームポジションＰとして設定し、待避時において、ホームポジションＰにロボットアームＡを位置させた状態で、図３で示すような、建築物１００の屋内に設置したロボットステーションＳに配置しておく。

そして、吹付け作業の開始時には建築作業装置１を、ロボットステーションＳから作業対象面１０２近傍に設定された目標位置Ｇに向けて走行手段５１を介して走行させる。また、目標位置Ｇ近傍で進行方向が目標向きとなるように方向転換させ、目標位置Ｇを中心とする許容値範囲内に位置決めする。こうして所定位置に位置決めされた建築作業装置１は、図２で示すように、アウトリガ装置５２により据え付けられるとともに、ロボットアームＡを支持するベース部４を所定の高さ位置に配置するよう、高さが調整される。

この後、ロボットアームＡは、走行部Ｂの平面視位置、停止時の進行方向、姿勢角およびベース部４の高さ位置を基準として、マニピュレータ３を作動させ、吹付け手段２におけるガンヘッド２１より吹き付け材を噴射して、吹付け材Ｃで天井梁１０１を被覆する。

上記のロボットアームＡによる吹付け作業は、前述したアーム制御装置６の演算処理装置６１に備えたアーム動作指令部６１１による動作指示によりマニピュレータ３が作動することで、吹付け手段２のガンヘッド２１が、所定の吹付け開始位置に配置されるとともに、作業対象面１０２に対する向き及び距離を保持した状態でセットされる。

また、このセット位置から、同じくアーム動作指令部６１１による動作指示によりマニピュレータ３が作動し、吹付け手段２のガンヘッド２１を少なくとも横方向及び縦方向に移動させつつ吹付け材Ｃを吐出することで、広範囲にわたる作業対象面１０２に対して連続的に吹付け作業を実施する。

このようなアーム動作指令部６１１によるマニピュレータ３に対する動作指示は、前述したジョブファイル６４１に基づいて行われる。ジョブファイル６４１とは、ロボットアームＡの予定する軌道上におけるいくつかの位置座標と、その位置座標間を補完する補完方法が記述されたロボットのプログラム言語と、により構成されるものである。本実施の形態では吹付け作業を行うことから、少なくともジョブファイル６４１には上記の情報に加えて、吹付け作業時における吹付け手段２のガンヘッド２１の向きに係る情報も記述しておく。

これにより、アーム制御装置６の演算処理装置６１において、アーム動作指令部６１１が記憶部６４に格納したジョブファイル６４１を読み込むと、マニピュレータ３は、吹付け手段２のガンヘッド２１がジョブファイル６４１に規定された上向きや下向きもしくは水平向き等の吹付向きで、直線や円弧など線形を描いて吹き付け材を吐出しつつ、ジョブファイル６４１に規定された位置座標間を移動するように、作動する。

ところで、ジョブファイル６４１に記述されるロボットアームＡの予定する軌道上における複数の位置座標やガンヘッド２１の向きに係る情報は、上述した建築物１００のＢＩＭデータに格納されている設計情報に基づいて設定される。なお、ロボットアームＡの予定する軌道上における複数の位置座標とは、例えば、吹付け開始位置、横移動（水平移動）もしくは縦移動（鉛直移動）等の移動変更点、吹付け終了位置等の位置座標を指す。

このため、作業対象面１０２を備える現実の天井梁１０１が、図３で示すように、ＢＩＭデータに格納されている設計情報との間に位置や姿勢に施工誤差を生じている場合、吹付け開始位置や吹付け終了位置のズレに伴う吹付残しや、ガンヘッド２１と作業対象面１０２との距離や吹付け向きに齟齬が生じることによる吹付けムラが生じる。

そこで、アーム制御装置６の演算処理装置６１に、前述の施工誤差検出部６１２を備え、作業対象面１０２を備える天井梁１０１の重心位置及び姿勢について、施工誤差（重心の位置誤差及び姿勢誤差）を検出する。詳細は後述するが、施工誤差検出部６１２には、計測データ処理部６１２１と設計情報処理部６１２２と誤差算出部６１２３とを備える。

また、アーム制御装置６の演算処理装置６１に、ジョブファイル修正部６１３を備え、施工誤差検出部６１２にて検出した施工誤差の数値に応じて、ジョブファイル修正部６１３にて、ジョブファイル６４１を修正する。

≪建築作業装置を用いた建築作業方法≫
以下に、上記の建築作業装置１を用いた、ジョブファイル６４１の修正手順を含む建築作業方法の詳細を、天井梁１０１に設定された作業対象面１０２を吹付け材Ｃで被覆する場合を事例に挙げ、図４のフローに沿って説明する。

≪作業対象面を有する建築部材の特定：ＳＴＥＰ１≫
まず、建築物１００において、ロボットアームＡに備えた吹付け手段２にて吹付作業を実施しようとする、作業対象面１０２が設定された天井梁１０１を特定する。

次の施工誤差検出工程では、この特定した天井梁１０１について、現実の表面形状に係る計測データを取得して天井梁１０１の現実の３次元形状モデルを作成し、図５で示すようなバウンディングボックスＢｐを設定するとともに、ＢＩＭデータの設計情報に基づいて天井梁１０１の設計上の３次元形状モデルを作成し、図６で示すようなバウンディングボックスＢｂを設定する。そして、これら２つのバウンディングボックスＢｐ、Ｂｂを用いて、天井梁１０１について位置及び姿勢に係る施工誤差を算出する。

以降、天井梁１０１の現実の３次元形状モデルに設定したバウンディングボックスＢｐを、現実のバウンディングボックスＢｐと称す。また、天井梁１０１の設計上の３次元形状モデルに設定したバウンディングボックスＢｂを、設計上のバウンディングボックスＢｂと称す。

なお、バウンディングボックスＢｐ、Ｂｂは、天井梁１０１の３次元形状モデルにおけるワールド座標系上のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の最小長さを直方体で表したものであり、３次元形状モデルに外接する大きさの箱を指す。

したがって、図６で示すＢＩＭデータの設計情報に基づく天井梁１０１の３次元形状モデルは、梁長さがＸ軸に平行、梁幅がＹ軸に平行、梁成がＺ軸に平行な姿勢であるため、設計上のバウンディングボックスＢｂは３次元形状モデルの外形に沿った大きさに設定される。一方、図５で示す計測データに基づく天井梁１０１の３次元形状モデルは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれにも平行な面を有しない。このため、現実のバウンディングボックスＢｐは３次元形状モデルに外接するのみで外形に沿っておらず、その大きさ及び形状が、設計上のバウンディングボックスＢｂと相違することとなる。

≪施工誤差検出工程：ＳＴＥＰ２～１１≫
＜計測データに基づく建築部材の処理：ＳＴＥＰ２～５＞
天井梁１０１の表面およびその周辺にあらかじめ計測点を複数設定したうえで、点群モデル作成装置にて計測点各々の位置を計測して点群データを得る。次に、これら複数の計測点から天井梁１０１の表面形状に係る点群モデルを作成する。また、天井梁１０１に何らかの部材が付設されている場合には、これら付設部材も併せて計測点を設定して点群モデルを作成し、作成した点群モデルは、アーム制御装置６の記憶部６４に格納する。

なお、計測点の位置は、所定の位置に原点が設定され、水平方向にＸ軸及びＹ軸を有し、鉛直方向にＺ軸を有するアーム制御装置６上の３次元空間全体を定義するワールド座標系上で表すことにより、点群モデルを現実の３次元形状モデルとしてワールド座標系上に作成することができる。

また、天井梁１０１の表面形状を、ワールド座標系上で点群データよりなる点群モデルとして出力させるための点群モデル作成装置および方法は、例えば、特開２０１７-１５０９７７号公報を参照されたい。

次に、演算処理装置６１の計測データ処理部６１２１にて、記憶部６４に格納した天井梁１０１を含む作業周辺領域の点群モデルについて以下の処理を行う。

まず、天井梁１０１を含む作業周辺領域の点群モデルから、天井梁１０１以外の点群データを除去するノイズ処理を行い、天井梁１０１のみの点群モデルを作成する。このとき、天井梁１０１に付設部材が存在していた場合には、付設部材に係る点群データもノイズ処理により除去する。

次に、天井梁１０１のみの点群モデル（天井梁１０１の現実の３次元形状モデル）に対して、図５及び図７で示すようなバウンディングボックスＢｐを設定し、現実のバウンディングボックスＢｐの、重心（ｘｐ、ｙｐ、ｚｐ）、及び頂点間における３方向の距離（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）、つまりボックスサイズを取得し、アーム制御装置６の記憶部６４に格納する。

＜設計情報に基づく建築部材の処理：ＳＴＥＰ６～８＞
ＳＴＥＰ１で特定した天井梁１０１について、演算処理装置６１の設計情報処理部６１２２にて、記憶部６４に格納したＢＩＭデータを用いて、以下の処理を行う。

まず、ＢＩＭデータに格納されている建築物１００の設計情報から天井梁１０１を含む作業周辺領域の３次元形状データを抽出し、ＢＩＭモデルを設計上の３次元形状モデルとしてを作成する。このとき、点群モデルを作成する場合と同様に、天井梁１０１に何らかの部材が付設されている場合には、これら付設部材も併せて計測点を設定してＢＩＭモデルを作成し、作成したＢＩＭモデルは、アーム制御装置６の記憶部６４に格納する。

次に、天井梁１０１を含む作業周辺領域のＢＩＭモデルから、天井梁１０１以外の設計情報を除去するノイズ処理を行い、天井梁１０１のみのＢＩＭモデルを作成する。このとき、天井梁１０１に付設部材が存在していた場合には、付設部材に係る設計情報もノイズ処理により除去する。

この後、天井梁１０１のみのＢＩＭモデル（天井梁１０１の設計上の３次元形状モデル）に対して、図６及び図７で示すようなバウンディングボックスＢｂを設定し、設計上のバウンディングボックスＢｂの、重心（ｘｂ、ｙｂ、ｚｂ）、及び頂点間における３方向の距離（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）、つまりボックスサイズを取得し、アーム制御装置６の記憶部６４に格納する。

アーム制御装置６の記憶部６４に格納した、上記の現実と設計上の２つのバウンディングボックスＢｐ、Ｂｂに係る重心の位置座標およびボックスサイズを利用して、演算処理装置６１の誤差算出部６１２３にて天井梁１０１の施工誤差を、以下のとおり算出する。

＜建築部材の施工誤差の算出：ＳＴＥＰ９＞
天井梁１０１の施工誤差のうち重心の位置誤差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）は、現実と設計上の２つのバウンディングボックスＢｐ、Ｂｂ各々の重心を天井梁１０１の重心と見做して、以下に示す（１）式～（３）式により算出する。算出した天井梁１０１の重心の位置誤差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）は、アーム制御装置６の記憶部６４に格納する。

＜姿勢誤差の算出の必要性の検討：ＳＴＥＰ１０＞
次に、現実と設計上の２つのバウンディングボックスＢｐ、Ｂｂのボックスサイズを比較し、天井梁１０１における姿勢誤差の算出の必要性を検討する。

具体的には、あらかじめ、アーム制御装置６の記憶部６４に、現実と設計上の２つのバウンディングボックスＢｐ、Ｂｂのボックスサイズに差が生じている場合の許容値を格納しておく。なお、ボックスサイズに係る許容値は、天井梁１０１の大きさやロボットアームＡを用いて実施しようとする作業内容、また出来形に求められる精度等に応じて適宜決定すればよい。

そのうえで、現実のバウンディングボックスＢｐの３方向の距離（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）と、設計上のバウンディングボックスＢｂの３方向の距離（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）とを比較し、両者の間に差異が生じない場合には姿勢誤差は無いものと判定し、姿勢誤差を算出する工程を省略する。また、差異がある場合であっても、その差異が上記の許容値に収まる場合には、姿勢誤差の算出は不要と判定し、姿勢誤差を算出する工程を省略する。

一方、両者の間に差異がある場合であって、その差異が上記の許容値を超える場合には、姿勢誤差の算定が必要であると判定し、以下の手順により算出する。

＜姿勢誤差の算出：ＳＴＥＰ１１＞
天井梁１０１の姿勢誤差の算出方法を説明するに先立ち、姿勢誤差のイメージを図８に示すワールド座標系上の天井梁１０１の３次元形状モデルを用いて、以下に説明する。

図８（ａ）を見ると、天井梁１０１の３次元形状モデルは、梁長さがＸ軸に平行、梁幅がＹ軸に平行、梁成がＺ軸に平行な姿勢であり、天井梁１０１は姿勢誤差を生じていない状態にある。一方、天井梁１０１に鉛直方向に姿勢ズレが生じると、図８（ｂ）で示すようにＸＺ平面上で、天井梁１０１の３次元モデルの軸線ＯとＸ軸との内角がΔφ（Ｙ軸周りの回転）となる。

また、水平方向に姿勢ズレが生じていると、図８（ｃ）で示すようにＸＹ平面上で、天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＸ軸との内角がΔΨ（Ｚ軸周りの回転）となる。さらに、回転（上向きまたは下向き）による姿勢ズレを生じていると、図８（ｄ）で示すようにＹＺ平面上で、天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線Ｏを通過する梁成方向の中心線とＺ軸との内角がΔθ（Ｘ軸周りの回転）となる。

そして、前述したように、バウンディングボックスＢｐ、Ｂｂ各々は、ワールド座標系上において３次元形状モデルのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の最小長さを直方体で表したものである。そこで、例えば、図７で示すようなＸＹ平面上の、現実のバウンディングボックスＢｐの対角線とＸ軸との内角を、水平方向に姿勢ズレが生じている場合の天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＸ軸との内角ΔΨと見做し、これを水平方向の誤差とする。

同様に、ＸＺ平面上の、現実のバウンディングボックスＢｐの対角線とＸ軸との内角を、鉛直方向に姿勢ズレが生じている場合の天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＸ軸との内角Δφと見做し、これを鉛直方向の誤差とする。また、ＺＹ平面上の、現実のバウンディングボックスＢｐの対角線とＺ軸との内角を、回転の姿勢ズレが生じている場合の天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線Ｏを通過する梁成方向の中心線とＺ軸との内角Δθと見做し、これを回転の誤差とする。

すると、Ｘ軸方向に延在する天井梁１０１の施工誤差のうち姿勢誤差（Δθ、Δφ、ΔΨ）は、以下に示す（４）式～（６）式により算出することができる。算出した姿勢誤差は、アーム制御装置６の記憶部６４に格納する。

また、図９で示すように、天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線Ｏがワールド座標系上でＹ軸方向に延在する場合は、以下のとおりである。つまり、図９（ａ）で示すように、天井梁１０１の３次元形状モデルは、梁幅がＸ軸に平行、梁長さがＹ軸に平行、梁成がＺ軸に平行な姿勢であり、天井梁１０１は姿勢誤差を生じていない状態にある。

一方、回転（上向きまたは下向き）による姿勢ズレを生じていると、図９（ｂ）で示すようにＸＺ平面上で、天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線Ｏを通過する梁成方向の中心線とＺ軸との内角がΔφ（Ｙ軸周りの回転）となる。また、水平方向に姿勢ズレが生じていると、図９（ｃ）で示すようにＸＹ平面上で、天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＹ軸との内角がΔΨ（Ｚ軸周りの回転）となる。さらに、鉛直方向に姿勢ズレが生じていると、図９（ｄ）で示すようにＹＺ平面上で、天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＹ軸との内角がΔθ（Ｘ軸周りの回転）となる。

したがって、ＸＺ平面上の、現実のバウンディングボックスＢｐの対角線とＺ軸との内角を、回転の姿勢ズレが生じている場合の天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線Ｏを通過する梁成方向の中心線とＺ軸との内角Δφと見做し、これを回転の誤差とする。

同様に、ＸＹ平面上の、現実のバウンディングボックスＢｐの対角線とＹ軸との内角を、水平方向に姿勢ズレが生じている場合の天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＹ軸との内角ΔΨと見做し、これを鉛直方向の誤差とする。また、ＹＺ平面上の、現実のバウンディングボックスＢｐの対角線とＹ軸との内角を、鉛直方向に姿勢ズレが生じている場合の天井梁１０１の３次元形状モデルの軸線ＯとＹ軸との内角Δθと見做し、これを水平方向の誤差とする。

すると、Ｙ軸方向に延在する天井梁１０１の施工誤差のうち姿勢誤差（Δθ、Δφ、ΔΨ）は、以下に示す（７）式～（９）式により算出することができる。

≪ジョブファイル修正工程：ＳＴＥＰ１２～１３≫
次に、演算処理装置６１のジョブファイル修正部６１３にて、記憶部６４に格納した天井梁１０１の施工誤差に基づいて、以下の処理を行う。

まず、重心の位置誤差について、あらかじめ、アーム制御装置６の記憶部６４に天井梁１０１の重心の位置誤差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）に係る許容値を格納しておき、上記の施工誤差検出工程で算出した結果と許容値を比較する。なお、重心に係る許容値は、天井梁１０１の大きさやロボットアームＡを用いて実施しようとする作業内容、また出来形に求められる精度等に応じて適宜決定すればよい。

重心の位置誤差が許容値に収まっている場合には、重心の位置座標に係るジョブファイル６４１の修正を省略する。一方、重心の位置誤差が許容値を超える場合には、上記の手順にて算出した天井梁１０１における重心の位置誤差に基づいて、ジョブファイル６４１を修正する。

次に、姿勢誤差について、アーム制御装置６の記憶部６４に、上記の施工誤差検出工程で算定された姿勢誤差の算出値が存在するか否かを確認し、存在しない場合には、姿勢誤差に係るジョブファイル６４１の修正を省略する。

一方、姿勢誤差の算出値が存在する場合には、上記の手順にて算出した天井梁１０１における姿勢誤差に基づいて、ジョブファイル６４１を修正する。なお、ジョブファイル６４１の修正は、例えば、ロボットアームＡの予定する軌道上における複数の位置座標や吹付け作業時における吹付け手段２のガンヘッド２１の向きに係る情報等の修正である。

≪ロボットアームによる作業実施工程：ＳＴＥＰ１４≫
この後、建築作業装置１による天井梁１０１の吹付け作業を開始する。つまり、作業対象面１０２の近傍に設定された目標位置Ｇに、建築作業装置１を上述した手順により据え付け、アーム制御装置６の演算処理装置６１に備えたアーム動作指令部６１１にてマニピュレータ３を、記憶部６４に格納した修正したジョブファイル６４１に基づいて動作させる。

なお、作業対象面１０２の近傍に設定された目標位置Ｇに建築作業装置１を据え付ける作業は、例えば、施工誤差検出工程（ＳＴＥＰ２～１１）及びジョブファイル修正工程（ＳＴＥＰ１２～１３）を終えた後に実施してもよいし、建築物１００から作業対象面１０２が設定された天井梁１０１を特定する作業（ＳＴＥＰ１）の前後いずれかの時点で行ってもよい。

または、上述した点群モデル作成装置に搭載されている点群モデルを作成する機能を、建築作業装置１に搭載し、建築作業装置１を作業対象面１０２の近傍に向けて移動させながら、天井梁１０１の表面形状を計測しつつ（ＳＴＥＰ２）、その後の施工誤差検出工程（ＳＴＥＰ３～１１）及びジョブファイル修正工程（ＳＴＥＰ１２～１３）を実施してもよい。こうすると、建築作業方法をほぼ自動化することができ、建築仕上げに係る作業の大幅な省力化を図ることが可能となる。

さらに、作業対象面１０２が設定された天井梁１０１が複数ある場合には、複数の天井梁１０１すべてについてジョブファイル６４１を修正した後に、ロボットアームＡによる吹付け作業を開始してもよいし、複数の天井梁１０１ごとに施工誤差の検出から吹付け作業の実施に至る一連作業を行い、これを繰り返し実施してもよい。

本発明の建築作業装置１および建築作業方法によれば、作業対象面１０２が設定された天井梁１０１について、現実と設計情報との間に生じた位置や姿勢に係る施工誤差を検出し、この施工誤差を、ロボットアームＡの動作指令に用いるジョブファイル６４１に反映する。これにより、ロボットアームＡの動作を、作業対象面１０２が設定された天井梁１０１における現実の位置および姿勢に対応させることができ、天井梁１０１が有する施工誤差の影響を最小限に抑えつつ、高い精度をもって作業対象面１０２に対して吹付け作業を実施することが可能となる。

また、天井梁１０１について、重心の位置誤差だけでなく姿勢誤差に係る施工誤差をジョブファイル６４１に反映させることから、ロボットアームＡに吹付け手段２を設置すると、作業対象面１０２に対する吹付け手段２の吹付け開始位置や終了位置、移動変更位置の位置出しや向きに係る精度が高まる。これにより、広範囲にわたる作業対象面１０２に対して吹付け作業を連続的に実施する場合にも、吹付け残しや吹付けムラが生じにくく、施工精度を向上することが可能となる。

さらに、建築物１００全体ではなく作業対象面１０２が設定された天井梁１０１についてのみ施工誤差を検出するから、必要とする計測データも作業対象面１０２が設定された現実の天井梁１０１を含む周辺のみでよい。このため、計測作業及び施工誤差の検出作業に多大な手間を有することがなく、作業性を大幅に向上できるとともに、工期短縮および工費削減に寄与することが可能となる。

また、作業対象面１０２が設定された天井梁１０１について施工誤差を検出する際には、設計情報と計測データとに基づいて、天井梁１０１に係る設計上の３次元形状モデルと現実の３次元形状モデルを作成し、設計上および現実の３次元形状モデル各々で外接するバウンディングボックスＢｂ、Ｂｐを設定すればよい。このため、特別な画像処理装置を用いることなく、簡略な方法により天井梁１０１の施工誤差を算出することが可能となる。

本発明の建築作業装置１および建築作業装置１を用いた建築作業方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、作業対象面１０２が設定された建築部材として天井梁１０１を事例に挙げたが、壁や柱床等いずれの建築部材であってもよい。また、エンドエフェクタに吹付け手段２を採用し、ロボットアームＡにて吹付け作業を行ったが、必ずしもこれに限定されるものではなく、建築部材の表面を作業対象面１０２とする建築仕上げ作業に係る手段であれば、エンドエフェクタに何れを採用してもよい。

また、本実施の形態では、現実の天井梁１０１の表面形状を点群モデル作成装置により計測したが、必ずしもこれに限定するものではなく、３次元形状データを得られる測定方法であれば、形状計測センサ等いずれの手段を採用してもよい。同様に、作業対象面１０２を有する建築物１００の設計情報としてＢＩＭデータを採用したが、例えば３ＤＣＡＤデータ等いずれのデジタルデータを採用してもよい。

さらに、本実施の形態では、ロボットアームＡを走行部Ｂに対して１体のみ搭載したが、ロボットアームＡを複数搭載し、各々の動作指令に用いるジョブファイル６４１を修正する構成としてもよい。

また、建築作業装置１を作業対象面１０２近傍に移動し据え付けるための走行部Ｂの制御機能やロボットアームＡを支持するベース部４の高さを調整する機能等は、アーム制御装置６に走行制御部として併せて備えてもよいし、建築作業装置１に別途備えてもよく、建築作業装置１を手動で移動させる際には、必ずしも制御機能を備えなくてもよい。

１ 建築作業装置
２ 吹付け手段（エンドエフェクタ）
３ マニピュレータ
４ ベース部
５ 走行台車
５１ 走行手段
５２ アウトリガ装置
６ アーム制御装置
６１ 演算処理装置
６１１ アーム動作指令部
６１２ 施工誤差検出部
６１２１ 計測データ処理部
６１２２ 設計情報処理部
６１２３ 誤差算出部
６１３ ジョブファイル修正部
６２ 入力部
６３ 出力部
６４ 記憶部
６４１ ジョブファイル
Ａ ロボットアーム
Ｂ 走行部
Ｃ 耐火被覆材（吹付け材）
Ｐ ホームポジション
Ｓ ロボットステーション
Ｂｂ 設計上のバウンディングボックス
Ｂｐ 現実のバウンディングボックス
Ｏ ３次元形状モデルの軸線

Claims (5)

1. 建築仕上げに係る作業に用いるエンドエフェクタを備えた多関節構造のロボットアームと、該ロボットアームの動作を制御するアーム制御装置と、を備える建築作業装置であって、
   前記アーム制御装置が、
   作業対象面を設定された建築部材の設計情報と、前記作業対象面に対して実施する作業内容とに基づいて作成されるジョブファイルに従い、前記ロボットアームを動作させるアーム動作指令部と、
   前記建築部材について、前記設計情報と現実の表面形状に係る計測データとに基づいて作成した設計上の３次元形状モデルと現実の３次元形状モデルとを利用して、位置及び姿勢に係る施工誤差を検出する施工誤差検出部と、
   該施工誤差検出部にて検出された前記建築部材の施工誤差に基づいて、前記ジョブファイルを修正するジョブファイル修正部と、
   を備えることを特徴とする建築作業装置。
2. 請求項１に記載の建築作業装置において、
   前記施工誤差検出部が、前記設計上の３次元形状モデルと前記現実の３次元形状モデルから、各々に外接するバウンディングボックスを設定し、設定した２つのバウンディングボックスを用いて、位置及び姿勢に係る施工誤差を検出することを特徴とする建築作業装置。
3. 請求項１または２に記載の建築作業装置において、
   前記エンドエフェクタに、前記作業対象面を吹付け材で被覆する吹付け手段が備えられることを特徴とする建築作業装置。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の建築作業装置を用いた建築作業方法であって、
   前記作業対象面が設定された前記建築部材について、前記設計情報と前記計測データとに基づいて、位置及び姿勢に係る施工誤差を検出する施工誤差検出工程と、
   該施工誤差検出工程で検出された前記建築部材の施工誤差に基づいて、前記ジョブファイルを修正するジョブファイル修正工程と、
   該ジョブファイル修正工程で修正された前記ジョブファイルに基づいて前記ロボットアームを動作させ、前記作業対象面に対して建築仕上げに係る作業を実施する作業実施工程と、
   を備えることを特徴とする建築作業方法。
5. 請求項４に記載の建築作業方法において、
   前記施工誤差検出工程では、前記設計情報と前記計測データとに基づいて、前記建築部材に係る設計上の３次元形状モデルと現実の３次元形状モデルとを作成するとともに、各々に外接するバウンディングボックスを設定し、
   設定した２つのバウンディングボックスを用いて、前記建築部材の施工誤差を検出することを特徴とする建築作業方法。

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