拡張現実(AR)により、大工仕事の容易さと精度が向上

April, 18, 2025, Lausanne--EPFLで開発されたシステムは、拡張現実(AR)を使用して、大工が梁を測定したりマークアップしたりすることなく、非常に正確な木材の切断を行うのを支援する。
そのハイブリッドアプローチは、発展途上国の中小企業、木工労働者、建設専門家にとって、デジタル支援技術を手頃な価格で提供することを目的としている。

木材は、環境への影響が少なく、炭素貯蔵能力があり、迅速な組み立てが可能であり、優れた断熱特性を備えているため、ますます人気のある建築材料である。木造構造物に対する高まる需要と技術の進歩により、過去20年間で多くの生産者がプロセスの自動化を進めてきた。今日、彼らのワークショップでは、高価であると同時に印象的な機械で、反復的でありながら複雑なタスクを実行するための多関節アームと精密カッタを備えた洗練されたロボットを見つけることができる。

EPFLのエンジニアは、片手に鉛筆、もう片方の手に巻尺を持って働く大工のステレオタイプに克服できる、Augmented Carpentryと呼ばれるARベースのシステムを開発した。オープンソースで利用可能なこのシステムは、人間の器用さとコンピュータ処理の信頼性を組み合わせたハイブリッドプロセスへの第一歩である。Augmented Carpentryは、発展途上国の中小企業、木工職人、建設専門家がデジタル支援の木材伐採方法を手頃な価格で提供できるようにする準備ができている。

「われわれのシステムには、リアルタイムフィードバックが含まれている。たとえば、木工工具やそれが切断している梁が滑った場合、仮想オーバーレイは実際の木材と位置合わせされたままになるため、オペレータは動きの調整方法をすぐに確認できる(Andrea Settimi, doctorant au Laboratoire IBOIS)。

拡張された作業スペース
このシステムは、EPFLのPh.D学生Andrea Settimi(元ポスドク研究員のJulien GamerroとEPFLの木造建築研究所(IBOIS)の責任者Yves Weinandと、他のプロジェクト参加者が共同で論文を指導している4年間の研究、開発、テストの結果である。サブミリメートルの精度でホログラムを生成して、人間のオペレータをガイドすることができる。物理デバイスは、実際の木材の上に仮想ワークスペースを表示する画面で構成されている。様々な色の線は、ツールの配置方法、穴あけの深さ、適切な切断角度、切断の長さなど、様々な指標を示している。これにより、オペレータは直感的かつ正確な方法で作業できる。「われわれのシステムには、検出メカニズムと、リアルタイムでフィードバックを提供する統合センサが含まれている」(Settimi)。「たとえば、木工工具やそれが切断している梁が滑った場合、仮想オーバーレイは実際の木材と位置合わせされたままになるため、オペレータは動きの調整方法をすぐに確認できる。」

このような高い精度を実現するために、研究チームはコンピュータビジョン技術の様々な側面を研究し、それらをデバイスに丹念に統合して、木工ツールだけでなく、特定の木材や木工計画を組み込むことができるようにした。チームは、一般的に使用されるツールの3Dコンピュータモデルをスキャンして生成し、膨大なデータベースを作成した。このシステムを使用するには、オペレータはまずロットごとに木材をスキャンし、プログラムが各木材の詳細を記録できるようにする。次に、オペレータは木材にランダムにマーカーを配置し、システムが木材の向きと位置を検出できるようにする。最後のステップは、木工プランをアップロードすることで、3Dでプログラムに直接統合され、拡張現実で表示される。

コンピュータビジョンとセンサの使用により、標準的な木工ツールは、ユーザをリアルタイムでガイドできるスマートデバイスになる。このシステムは、例えば、切断線をビーム上に直接視覚化し、オペレータに鋸をどこに誘導すべきかを正確に示す。これにより、人為的ミスのリスクが大幅に減少し、組み立て時の精度が向上する。

雑然とした作業場の梁とツールの認識
この研究プロジェクトの重要な部分は、ワークショップのような複雑で雑然とした空間にアイテムを検出し、カメラを配置するための高度なコンピュータビジョン手法を開発することだった。これらのスペースには、通常、様々な種類のオブジェクト(他の木片、ツール、パネルなど)が順不同で散らばっているため、コンピュータビジョンシステムが環境をマッピングするのが難しくなっている。研究チームは、EPFLのCenter for Imagingと協力して、関心のあるアイテム(この場合は木工ツールや木材)を正確に認識して位置を特定できるプログラムを開発した。このような機能は、木造建築にこれほどの規模で実装されたことはなく、仮想ワークスペースが物理的な現実と一致していることを確認するために不可欠である。

局所的で回復力があるデジタル支援による手作業
Augmented Carpentryのおかげで、中小企業や木工職人でも、これまで高価なロボットにしかできなかった複雑な形状やデザインを作成できる。「われわれの AR システムのもう 1 つの利点は、オペレータがほとんどトレーニングを受けていない場合でも、人間の能力を活用して建設プロセスを迅速にデジタル化できることである。Augmented Carpentry は、現代の大工仕事と木造構造物の設計に人間と機械のコラボレーションの可能性を活用することで、人間のオペレータがプロセスに関与し続けることを確保し、デジタル支援、地域、社会的責任のある建設方法を促進することができる」と Settimi はコメントしている。人間の器用さと認知力は、ハイブリッドアプローチの好例である機械の精度によって強化される。