建設ロボット：イノベーションで人手不足を解消

深刻化する人手不足に直面し、建設業界はロボットの導入を加速させています。建設ロボットとは何か、何ができるのかを解説します。

2021年の世界の建設関連商品・サービスへの年間支出は約10兆ドルと推定され、建設業は世界GDPの約13%を占めています。しかし、マッキンゼー・グローバル・インスティテュートの調査によると、過去20年間のこのセクターの生産性向上は年間わずか1%程度にとどまっています。建設業界は自動化の導入に消極的でした。その理由の一つは、建設作業の複雑さが自動化を困難にしていたからです。技術が課題に追いついていなかったのです。

建設用ロボティクスを供給するベンダーの数はまだ少なく、ロボットが対応できる作業も限られています。

しかし、技術が成熟し実用化されている用途も数多く存在します。本記事では以下のトピックを通じて建設ロボットを探ります：

• レンガ積みロボット
• 鉄筋結束ロボット
• 乾式壁仕上げロボット
• 建設用塗装ロボット
• 自動建築・構造レイアウト
• 現場検査ロボティクス
• 自律型土工機械
• 組織に最適な建設ロボットの調達方法

レンガ積みロボット

レンガ積みは過酷な作業です。業界調査によると、レンガ職人の負傷率は建設作業員の中で最も高いとされています。ロボット職人は負傷率を低減でき、カリフォルニア州立工科大学の研究によると生産性を400%以上向上させることができます。

ロボットがレンガを持ち上げ、自動的にモルタルを塗布し、高精度でレンガを配置します。しかし、ロボットレンガ職人が人間の職人を完全に置き換えるわけではありません。作業員がロボットと協働し、余分なモルタルを除去して仕上げの美観を向上させます。その結果、出力が飛躍的に増加し品質も向上し、作業員の負担も軽減されます。

別のアプローチとして、レンガ職人の持ち上げ作業を支援する方法があります。ベンダーは小型の現場用クレーンを提供し、職人が重いセメントブロックを配置するのを補助します。作業員は疲労を減らし、負傷リスクを下げながらより多くの作業をこなせます。

ロボットレンガ積みソリューションを提供するベンダーはわずかですが、実用現場で技術を実証しており、スケールアップの準備が整っています。

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鉄筋結束ロボット

鉄筋コンクリート構造では、鉄筋をワイヤーで結束する必要があります。結束自体は構造強度を高めるものではなく、コンクリート打設時に鉄筋を固定するだけです。必要な作業ですが、腰に負担がかかる単純反復作業です。この作業の自動化は、ビジョン搭載ロボットに適した好例です。ロボット装置は橋の両側のレール上を走行します。Advanced Construction Robotics社によると、同社のTybotは1時間に1,100回の結束が可能です。

現在、この技術は橋梁にのみ存在し、ベンダーも1社に限られているようです。他の構造物でこの作業を行えるロボットを待つ必要があります。

乾式壁仕上げロボット

乾式壁の仕上げ作業者は労働災害率が高いです。米国政府機関の報告によると、乾式壁施工者はオーバーワークと転落による怪我が最も多いとされています。また、粉塵が多く汚れやすい作業でもあります。

この作業の自動化は初期段階で大きな成果を示しています。あるベンダーの乾式壁ロボットは、平滑度と外観の最高レベルであるレベル5+の仕上げが可能です。ただし、完全自律型ではありません。作業員がロボットを誘導し、作業エリアまで移動させ、適切なエンドエフェクタを装着します。AI支援のコンピュータビジョンを用いて、ロボットはテーピングとパテ塗り、サンディングを行い、粉塵の99.9%を捕集します。粉塵捕集により作業環境がより安全で快適になります。

1人の作業員で複数の乾式壁機械を管理できます。

現在、このロボットシステムは限定された地域でのみ利用可能です。コンセプトが実証された今、より多くのロボティクスベンダーがこの分野に参入することが予想されます。

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建設用塗装ロボット

塗装ロボットは長年自動車業界で使用されてきました。今、建設分野への導入が始まっています。

内装塗装では、複数のベンダーがソリューションを提供しています。ロボットはバッテリー駆動で、アームはほとんどの壁の天井近くまで届きます。天井塗装は人間にとって特に過酷ですが、ロボット塗装機にとっては問題ではありません。

内装塗装ロボットにはカメラとスキャナーが搭載されています。塗装面をスキャンし、無人で作業を実行します。ただし、作業監視のために人は現場にいる必要があります。作業員は塗料の補充とロボットの位置決めを行ってから起動します。1人の作業員で複数のロボットを管理でき、生産性向上を増幅させます。

内装塗装ロボットは、耐火仕上げ材など他の材料も塗布可能です。この仕上げ材はロックウールとセメントの混合物で、人間にとって不快で健康リスクを伴う作業です。ロボットの使用により健康リスクを軽減し、作業をより容易かつ迅速にします。

外装塗装では選択肢が少ないです。ドローンによる外装塗装が提案・試験されていますが、商用ソリューションはまだないようです。壁面を登攀できる外装塗装ロボットが開発中です。ロボットは真空吸着で壁に張り付きます。

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自動建築・構造レイアウト

建物レイアウトの自動化は生産性向上に大きな期待が持てます。

現代の建築家は大規模構造物にBIM（ビルディング・インフォメーション・モデリング）を使用します。BIMは建物全体の3Dコンピュータモデルを作成します。

適切な段階で、作業員が地面レベルの床を作ります。その後、大工が床に壁の位置を示す図面を印刷します。現在このマッピングに使われているツールは巻尺とチョークラインです。建設クルーはこれらの線をガイドとして使用します。このレイアウト作業は時間がかかり、エラーが発生しやすいです。わずか数センチのミスでも、キャビネットや設備が部屋に収まらない事態を招き、多大なコストが発生します。

床面にレイアウトを自動印刷する方法が存在します。仕組みは以下の通りです。まず、建物のBIMデータを自律移動ロボット（AMR）にダウンロードします。AMRがコンクリート床面を移動し、壁の正確な位置を示す線を引きます。さらに、機械・電気・配管（MEP）開口部の位置も印刷し、ラベルやその他の有益な情報を追加します。

米国の商業建設会社Swinertonの現場監督によると、このタイプのAMRはレイアウト作成時間を1週間から2日に短縮できるとのことです。高層ビルでは各階のレイアウトが必要なため、時間短縮効果は非常に大きくなります。

建物レイアウトへのロボット技術適用により、エラーを減らしスケジュールを加速できます。

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現場検査ロボティクス

ロボットによる検査は多くの業界で一般的です。建設業界もこのトレンドに追随し始めています。複数のベンダーが建設用検査ロボットを提供しています。

建物内部ではロボットローバー（車輪型）を展開できます。外部検査では空撮ドローンを使用できます。

多くの建設プロジェクトは道路や橋梁などのインフラ建設を伴います。作業現場は広範囲に及びます。空撮ドローンは現場全体を飛行し、写真撮影と動画記録を行います。必要な高度まで容易に上昇できます。定期的な全体把握により、プランナーは問題を早期発見するための情報を得られます。ドローンなしでは、こうした検査は高コスト、困難、または経済的に非現実的です。

エラーの早期発見はコスト超過の削減に役立ちます。

高度な人工知能（AI）は詳細なコスト・時間分析を作成できます。これらの分析により、プロジェクト進捗の正確な評価が可能になります。ドローンが提供するデータは不可欠です。

自律移動ロボット（AMR）は建物内部を巡回検査できます。車輪型と脚型があります。レーザースキャナーを搭載したAMRは精密な測定を取得・記録できます。建設エンジニアは実測寸法を計画図と比較できます。繰り返しになりますが、エラーを早期に発見することはコスト削減だけでなく、プロジェクトを予定通りに進める上でも大きな違いを生みます。

ロボット検査は安全性向上にも貢献します。現場検査では、瓦礫やその他の危険な状況を特定できます。AMRは人間には危険すぎる、または狭すぎる場所にも進入できます。

多様な測定が可能です。現場プランナーはAMRに熱測定センサーを搭載できます。超音波計測器でガス漏れを検知し、放射線測定装置で有害環境を発見できます。

要するに、現場検査はロボットが存在し、多くのメリットを提供する建設業界の分野の一つです。そして、選択可能なベンダーが相当数存在します。

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自律型土工機械

自律建設車両はまだ広く普及していません。実際、2021年時点では世界の建設機械総販売台数の1%未満のシェアにとどまっています。しかし、この分野の成長は指数関数的です。市場規模は今後2年で倍増すると予測されています。

米国建設機械工業会がここで提示されている統計の一部を提供しています。

主要メーカーは自律型土工機械の開発に多額の投資を行っています。現在、こうした機械の大半は鉱山業界に集中しており、そこでは確立された技術です。2021年3月、キャタピラーは過去6年間で20億トン以上の運搬実績を発表しました。同社の自律走行車両は4,200万マイル以上を走行し、休業災害ゼロを達成しています。コマツの自律土工機械は30億トン以上の運搬実績があります。

これらの実績から、技術的には建設現場への導入準備が整っていると言えます。克服すべきハードルは技術的ではなく、経済的なものかもしれません。

経済性に焦点を当て、別のアプローチを取るベンダーもいます。手動土工機械を自律型に改造するレトロフィットサービスを提供しています。ベンダーが既存機械にAI、センサー、制御装置を設置します。レトロフィットなら新規購入の高コストを回避できます。

導入コストを下げるもう一つの方法はレンタルです。レンタルなら顧客は購入前に機器を試用でき、投資収益率を評価してから購入を決断できます。

建設機械には他のレベルの自動化も浸透しつつあります。高精度が求められる作業にはアシスト機能が搭載されています。例えば、グレーダーはブレードを精密に設定する必要があります。オペレーターは多くの調整を繰り返して正確な位置を出していました。今ではRTK-GPSユニットが標準装備され、ブレードが自動調整され地形変化に追従します。

新しい安全機能により、未経験オペレーターでも高価な機械をはるかに低リスクで操作できるようになりました。カメラと衝突警告システムが事故を防ぎ、加速度センサーなどが転倒の早期警告を出します。

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組織に最適な建設ロボットの調達方法

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