溶接技能における熟達度評価に関する研究
-溶接動作の筋活動と熟達度との関係性-
A Study of Estimation Proficiency of Welding Skill
- Relationship of Muscular Activity and Proficiency of Welding Motion-
松浦 慶総
1
高田 一
1
Yoshifusa Matsuura
1
, Hajime Takada
1
1
横浜国立大学
1
Yokohama National University
１．はじめに
昨今の急激な円高により製造拠点の海外移転，サ
プライチェーンのグローバル化がより進み，国内製
造業の空洞化が懸念されている．さらにこれまでも
のづくりを支えてきた，いわゆる“町工場”といわ
れる中小企業では，重要な役割を果たしてきた熟練
技能者の高齢化，若者の製造業離れによる後継者不
足にともなう製造技術・技能の継承問題が深刻化し
ている．特に団塊世代が 2007 年以降に大量退職する
「2007 年問題」は，日本の工業に大きな影響を与え
ているといわれており
[1]
，早急な対策が必要となっ
ている．
しかし，製造業における教育はベテランの熟達者
が 現 場 で 若 手 を 直 接 指 導 す る OJT （ On the Job
Training）などの手法に依存したままである．このこ
とは，熟達者が教育者としてもベテランであること
が前提であると考えられるが，実際には教育を意識
しながら技能習得を行っているわけではないため，
すぐれた教育者とは限らない．特に技能動作では熟
達者ごとに指導方法が異なる，若手のモチベーショ
ン維持が困難である，効果的かつ適切な教育指導を
十分に行うことが難しいといった問題が生じる．し
たがって，製造技術や技能の保存技術とその教育支
援システムの開発が強く望まれている．
本研究では溶接技能のうち，溶接実技に関する技
能動作を対象とする．溶接は溶接過程での品質判定
や製品での破壊検査が困難といったことから，
「特殊
工程」と呼ばれている．例えば原子力発電所の配管
溶接の場合では極めて高い品質管理が求められ，実
際に溶接作業を行う技能者の高度な技能レベルが要
求される．
この溶接技能動作の学習で通常用いられる主な情
報は，溶接棒の角度，運棒動作，アーク長，アーク
の状態，溶融池の状態である．この中で溶接棒の角
度は定量的であるが，その他の情報は定性的である．
また溶接棒の角度と運棒動作は直接身体動作にかか
わる情報であり，その他の情報に影響を及ぼしてい
ると考えられる．しかし，これまで行われている溶
接技能教育では，各情報の関係をあまり明示的に指
導せずに個別に評価し，また指導する熟達者ごとに
指導するポイントが違うことが多く，未習熟者が戸
惑い，また習熟に時間がかかってしまう．
したがって，技能プロセス情報や技能レベルを定
量化し，それらを基にした教授システムの開発がき
わめて重要である．また熟練技能者が無意識で行っ
ている溶接作業において，品質を左右するポイント，
また技能向上のためのコツといった，これまで「暗
黙知」として作業経験のみで獲得していた知識を構
造化し，誰もが理解できる表現手法で提示する，
「暗
黙知の可視化」が必要である．これにより，学習過
程において未習熟者が動作の注視点を認識し，同時
に熟練技能者が未習熟者の学習状況を把握すること
が可能となる．
本研究では溶接技能動作の熟達度評価システムの
開発を目指し，既報のとおりまず品質工学手法の一
つである RT 法
[2]
用いた溶接技能動作の判定システ
ムの説明を行った
[3]
．しかし，技能動作の向上には
身体の動かし方，すなわち身体部位のどこに注意を
向けることで無理のない姿勢，動作が実現できるか
という筋活動と熟達度との関係についてはほとんど
研究がされていない．したがって，今回は熟達度と
筋活動の関係性について解析を行った．
２．学習のための溶接技能情報
溶接の品質に関わる重要な技能情報として，（１）
溶接棒の状態，（２）アークの状態，（３）溶融池の
状態が主に挙げられている．
（１）溶接棒の状態としては，溶接面，溶接方向
に対する溶接棒の角度と運棒動作に関する情報であ
る．溶接棒の角度に関しては，溶接教習のテキスト
等で溶接状態（溶接方向や溶接面の状態）に応じて
定量的に明示されている．また運棒動作は主に直線
的に運棒をするストリンガ運棒法とジグザグに運棒
するウィービング運棒法があり，運棒方法について
テキストや図，動画等で紹介されている．
（２）アークの状態としては，アーク長とアーク
の状態，アーク発生時の音に関する情報である．ア
ーク長は溶接状況に応じて長さを定量的に明示して
いる．アークの状態はアーク光の明るさや広がり具
合といった視覚的情報であり，アーク発生時音と同
様に擬音等により抽象的に表現されている．
（３）溶融池の状態は，アークにより溶接棒と母
材（接合する金属）が溶けている部分の状態であり，
溶けている部分と固まり始めている部分がどのよう
な形状になっているか等，抽象的に表現されている．
このように，溶接学習のために非常に重要な技能
情報ではあるが，溶接棒の状態以外は定性的，抽象
的な表現で，しかも情報量は極めて少ない．またこ
れらの情報は本来相互に関係をし，溶接品質に影響
を及ぼしているが，各技能情報の相互関係と溶接技
能に関しては全く議論されていないのが現状である．
さらに身体動作に関する情報がほとんど提供されて
いない．このことは，基本的に技能習得は経験を重
視するという考えが根本にあると考える．では，経
験による習得とは何かを考えてみる．
W・エドワーズ・デミングが提唱した PDCA サイ
クルの概念を当てはめてみると，まず技能動作を始
める前にイメージにより計画（P：Plan）をし，その
後実際に動作をした（D：Do）後，結果を評価（C：
Check）して改善（A：Act）する．これを繰り返す
ことで計画と実際の結果（事例）とのデータベース
を自分の中に構築し，よりよい結果を得ることがで
きる計画を導き出す，というプロセスと考えること
ができる（図 1）．このデータベースが経験に相当し，
規模と構造が技能の熟達度に影響し，同様のデータ
ベースを持つことでイメージの共有が可能となると
考える（図 2）．このデータベースの構造や構築のプ
ロセスという概念が技能動作の教育にほとんどなか
ったため，反復学習による気づきに依存した教育に
なっている．したがって，熟達者の持つデータベー
スの構造から熟達度に応じた学習計画を作成できれ
ば，効果的な技能学習の実現が期待できる．
今回はこの技能情報のうち，身体動作のとくに上
腕の使い方が溶接の熟達度とどのように関係してい
るかを筋電位から評価する．
計画（P)
実行（D)
評価（C)
改善（A)
データ
ベース
図１ 技能データベース構築プロセス
イメージ
データ
ベース
１
データ
ベース
２
共有
図２ イメージの共有
３．解析方法
動作解析システムでは，まず赤外線透過フィルタ
を用いた２カメラ同期撮影システムで，溶接時の動
作を撮影する．撮影した溶接動作からモーションキ
ャプチャシステムにより３次元時系列位置情報を取
得する．取得した位置情報から，動作習得の際に重
要となる要素動作の分類，および評価項目データの
算出を行う．これらのデータから品質工学の一手法
である RT 法により，熟練者技能の模範動作データを
「良品」として単位空間を作成し，学習者の動作デ
ータとのマハラノビス距離を求めて正誤判定を行う．
３．１ システム概要
３．１．１ ２カメラ同期撮影システム
３次元時系列位置情報を取得するには，２方向か
ら同期して撮影した動画像が必要となる．また今回
はアーク溶接の技能動作を測定対象としているため，
非常に強いアーク光が撮影時に白飛びを引き起こし，
マーカを撮影することが困難になってしまう．した
がって，本研究では IEEE1394 カメラ（PGR 社製 Flea2
カメラ白黒 VGA モデル）２台と PC を用いて，30fps
で同期撮影が可能なシステムを作成した．また，通
常 CCD カメラには赤外線カットフィルタが CCD 素
子に取り付けられているが，今回使用したカメラは
脱着可能であり，それを取り外してレンズに光吸
収・赤外線透過フィルタ（富士フィルム製）を装着
した．これは，アーク光の影響を最小限にし，さら
に後工程のモーションキャプチャの時にマーカ追尾
を容易にするために，マーカのみを撮影するためで
ある．そのため，マーカには 6V 電球を使用した（図
３）．
図３ 撮影結果例
３．１．２ モーションキャプチャシステム
モーションキャプチャシステムは， ２カメラ同期
撮 影 シ ス テ ム で 撮 影 し た 動 画 デ ー タ を
DippMotionPro（ディテクト社製）により計測ポイン
トの３次元位置の時系列データに変換する（図４）．
なお，今回の測定は，頭部，肩部，肘部，手首部の
各１か所と，安全ホルダ部３か所の計７か所にマー
カを貼付している．
３．１．３ 筋電位計測システム
本システムでは，溶接動作時の腕の筋電位を測定
することで，溶接棒を操作する際の腕の姿勢や溶接
棒の位置の違いだけでなく，腕の使い方，溶接棒の
保持，移動の仕方のコツを抽出する．筋電計は EMG
アンプ（電極・アンプ一体型）とアイソレータ（バ
イオメトリクス社製），データロガー（キーエンス社
製）で構成されている．EMG アンプの貼付個所は，
橈側手根屈筋，上腕二頭筋，烏口腕筋，僧帽筋の４
か所である．筋電位データ 4ch とマーカ電圧 1ch を
デ ー タ ロ ガ ー に 接 続 し ， 計 測 開 始 時 に マ ー カ を
ON/OFF させることで，２カメラ同期撮影システム
と同期させている（図５）
．
図４ 溶接動作の３次元軌跡 (DippMtionPro)
マーカ
安全ホルダ
図５ EMG 計測例
４．溶接実験
４．１ 実験概要
今回の実験ではアーク溶接を対象とし，裏当て金
有りの立向突合わせ溶接をウィービング運棒法で実
施した．実際には溶接する板の下から上に向かって
溶接棒を細かく左右に往復させながら溶接する高度
な手技である．また，被験者は実務経験１５年（被
験者 A）と８年（被験者 B）の熟達溶接技能者，４
～５年の溶接技能者（被験者 C，D，E），４カ月の
溶接技能者（被験者 F）で実施した．
４．２ EMG 解析結果
各被験者の測定をした EMG 解析結果を示す．な
お，溶接実験は１枚につき３層，合計５枚実施し，
実験後に自らの溶接結果を判定し一番良いものと悪
いものを選定してもらった．今回は一番良い結果の
データをそれぞれ比較した．またグラフでは肘から
手首のデータとして橈側手根屈筋，肘から肩部にか
けてのデータとして上腕二頭筋，烏口腕筋，肩から
首のデータとして僧帽筋をグラフ化した．
その結果，溶接時間は 1 分 30 秒から 2 分近くかか
り姿勢も中腰姿勢であるが，被験者 A，B は開始か
ら終了までほぼ一定でかなり低い筋活動であった
（図６，７）
．この 2 名は熟達者であり，溶接時の姿
勢を見ると力が程よく抜けた楽な姿勢で溶接をして
おり，実験後のアンケートでもあまり疲労感はなか
った．
被験者 C，D に関しては肘から手首は一定かつ低
い筋活動であったが，肘から肩付近の筋活動で顕著
な活動が見られた（図８，９）．被験者 C では溶接
棒を支持するために肩付近に力が入ってしまい，被
験者 D ではウィービングを肩で動かすようにしてい
る．これにより溶接結果自体は良好なのだが，疲労
しやすい傾向にある．
被験者 E は上腕部に力が入ってしまい肘で動かし，
被験者 F は一番経験が浅いため肩付近に非常に力が
入ってしまっているのが分かる（図１０，１１）．
図６．１ EMG 解析結果（被験者 A）
図６．２ EMG 解析結果（被験者 A）
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 37 :26. 125 37 :27. 650 37 :29. 175 37 :30. 700 37 :32. 225 37 :33. 750 37 :35. 275 37 :36. 800 37 :38. 325 37 :39. 850 37 :41. 375 37 :42. 900 37 :44. 425 37 :45. 950 37 :47. 475 37 :49. 000 37 :50. 525 37 :52. 050 37 :53. 575 37 :55. 100 37 :56. 625 37 :58. 150 37 :59. 675 38 :01. 200 38 :02. 725 38 :04. 250 38 :05. 775 38 :07. 300 38 :08. 825 38 :10. 350 38 :11. 875 38 :13. 400 38 :14. 925 38 :16. 450 38 :17. 975 38 :19. 500 38 :21. 025 38 :22. 550 38 :24. 075 38 :25. 600 38 :27. 125 38 :28. 650 38 :30. 175 38 :31. 700 38 :33. 225 38 :34. 750 38 :36. 275 38 :37. 800 38 :39. 325 38 :40. 850 38 :42. 375 38 :43. 900 38 :45. 425 38 :46. 950上腕二頭筋[mV]
橈側手根屈筋[mV]
時間
電圧
[m
V
]
図７．１ EMG 解析結果（被験者 B）
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 37 :26 .12 5 37 :27 .65 0 37 :29 .17 5 37 :30 .70 0 37 :32 .22 5 37 :33 .75 0 37 :35 .27 5 37 :36 .80 0 37 :38 .32 5 37 :39 .85 0 37 :41 .37 5 37 :42 .90 0 37 :44 .42 5 37 :45 .95 0 37 :47 .47 5 37 :49 .00 0 37 :50 .52 5 37 :52 .05 0 37 :53 .57 5 37 :55 .10 0 37 :56 .62 5 37 :58 .15 0 37 :59 .67 5 38 :01 .20 0 38 :02 .72 5 38 :04 .25 0 38 :05 .77 5 38 :07 .30 0 38 :08 .82 5 38 :10 .35 0 38 :11 .87 5 38 :13 .40 0 38 :14 .92 5 38 :16 .45 0 38 :17 .97 5 38 :19 .50 0 38 :21 .02 5 38 :22 .55 0 38 :24 .07 5 38 :25 .60 0 38 :27 .12 5 38 :28 .65 0 38 :30 .17 5 38 :31 .70 0 38 :33 .22 5 38 :34 .75 0 38 :36 .27 5 38 :37 .80 0 38 :39 .32 5 38 :40 .85 0 38 :42 .37 5 38 :43 .90 0 38 :45 .42 5 38 :46 .95 0僧帽筋[mV]
烏口腕筋[mV]
時間
電圧
[m
V
]
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 43 :37 .34 0 43 :38 .80 0 43 :40 .26 0 43 :41 .72 0 43 :43 .18 0 43 :44 .64 0 43 :46 .10 0 43 :47 .56 0 43 :49 .02 0 43 :50 .48 0 43 :51 .94 0 43 :53 .40 0 43 :54 .86 0 43 :56 .32 0 43 :57 .78 0 43 :59 .24 0 44 :00 .70 0 44 :02 .16 0 44 :03 .62 0 44 :05 .08 0 44 :06 .54 0 44 :08 .00 0 44 :09 .46 0 44 :10 .92 0 44 :12 .38 0 44 :13 .84 0 44 :15 .30 0 44 :16 .76 0 44 :18 .22 0 44 :19 .68 0 44 :21 .14 0 44 :22 .60 0 44 :24 .06 0 44 :25 .52 0 44 :26 .98 0 44 :28 .44 0 44 :29 .90 0 44 :31 .36 0 44 :32 .82 0 44 :34 .28 0 44 :35 .74 0 44 :37 .20 0 44 :38 .66 0 44 :40 .12 0 44 :41 .58 0 44 :43 .04 0 44 :44 .50 0 44 :45 .96 0 44 :47 .42 0 44 :48 .88 0 44 :50 .34 0 44 :51 .80 0 44 :53 .26 0 44 :54 .72 0 44 :56 .18 0橈側手根屈筋[mV]
烏口腕筋[mV]
時間
電圧
[m
V
]
図７．２ EMG 解析結果（被験者 B）
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 25: 28. 360 25: 29. 775 25: 31. 190 25: 32. 605 25: 34. 020 25: 35. 435 25: 36. 850 25: 38. 265 25: 39. 680 25: 41. 095 25: 42. 510 25: 43. 925 25: 45. 340 25: 46. 755 25: 48. 170 25: 49. 585 25: 51. 000 25: 52. 415 25: 53. 830 25: 55. 245 25: 56. 660 25: 58. 075 25: 59. 490 26: 00. 905 26: 02. 320 26: 03. 735 26: 05. 150 26: 06. 565 26: 07. 980 26: 09. 395 26: 10. 810 26: 12. 225 26: 13. 640 26: 15. 055 26: 16. 470 26: 17. 885 26: 19. 300 26: 20. 715 26: 22. 130 26: 23. 545 26: 24. 960 26: 26. 375 26: 27. 790 26: 29. 205 26: 30. 620 26: 32. 035 26: 33. 450 26: 34. 865 26: 36. 280 26: 37. 695 26: 39. 110 26: 40. 525 26: 41. 940 26: 43. 355上腕二頭筋[mV]
橈側手根屈筋[mV]
時間
電圧
[mV
]
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 43 :37 .34 0 43 :38 .83 0 43 :40 .32 0 43 :41 .81 0 43 :43 .30 0 43 :44 .79 0 43 :46 .28 0 43 :47 .77 0 43 :49 .26 0 43 :50 .75 0 43 :52 .24 0 43 :53 .73 0 43 :55 .22 0 43 :56 .71 0 43 :58 .20 0 43 :59 .69 0 44 :01 .18 0 44 :02 .67 0 44 :04 .16 0 44 :05 .65 0 44 :07 .14 0 44 :08 .63 0 44 :10 .12 0 44 :11 .61 0 44 :13 .10 0 44 :14 .59 0 44 :16 .08 0 44 :17 .57 0 44 :19 .06 0 44 :20 .55 0 44 :22 .04 0 44 :23 .53 0 44 :25 .02 0 44 :26 .51 0 44 :28 .00 0 44 :29 .49 0 44 :30 .98 0 44 :32 .47 0 44 :33 .96 0 44 :35 .45 0 44 :36 .94 0 44 :38 .43 0 44 :39 .92 0 44 :41 .41 0 44 :42 .90 0 44 :44 .39 0 44 :45 .88 0 44 :47 .37 0 44 :48 .86 0 44 :50 .35 0 44 :51 .84 0 44 :53 .33 0 44 :54 .82 0 44 :56 .31 0烏口腕筋[mV]
僧帽筋[mV]
時間
電圧
[m
V
]
図８．１ EMG 解析結果（被験者 C）
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 2 5: 28. 360 2 5: 29. 775 2 5: 31. 190 2 5: 32. 605 2 5: 34. 020 2 5: 35. 435 2 5: 36. 850 2 5: 38. 265 2 5: 39. 680 2 5: 41. 095 2 5: 42. 510 2 5: 43. 925 2 5: 45. 340 2 5: 46. 755 2 5: 48. 170 2 5: 49. 585 2 5: 51. 000 2 5: 52. 415 2 5: 53. 830 2 5: 55. 245 2 5: 56. 660 2 5: 58. 075 2 5: 59. 490 2 6: 00. 905 2 6: 02. 320 2 6: 03. 735 2 6: 05. 150 2 6: 06. 565 2 6: 07. 980 2 6: 09. 395 2 6: 10. 810 2 6: 12. 225 2 6: 13. 640 2 6: 15. 055 2 6: 16. 470 2 6: 17. 885 2 6: 19. 300 2 6: 20. 715 2 6: 22. 130 2 6: 23. 545 2 6: 24. 960 2 6: 26. 375 2 6: 27. 790 2 6: 29. 205 2 6: 30. 620 2 6: 32. 035 2 6: 33. 450 2 6: 34. 865 2 6: 36. 280 2 6: 37. 695 2 6: 39. 110 2 6: 40. 525 2 6: 41. 940 2 6: 43. 355烏口腕筋[mV]
僧帽筋[mV]
時間
電圧
[mV
]
図８．２ EMG 解析結果（被験者 C）
‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 01 :5 6. 09 0 01 :5 7. 27 5 01 :5 8. 46 0 01 :5 9. 64 5 02 :0 0. 83 0 02 :0 2. 01 5 02 :0 3. 20 0 02 :0 4. 38 5 02 :0 5. 57 0 02 :0 6. 75 5 02 :0 7. 94 0 02 :0 9. 12 5 02 :1 0. 31 0 02 :1 1. 49 5 02 :1 2. 68 0 02 :1 3. 86 5 02 :1 5. 05 0 02 :1 6. 23 5 02 :1 7. 42 0 02 :1 8. 60 5 02 :1 9. 79 0 02 :2 0. 97 5 02 :2 2. 16 0 02 :2 3. 34 5 02 :2 4. 53 0 02 :2 5. 71 5 02 :2 6. 90 0 02 :2 8. 08 5 02 :2 9. 27 0 02 :3 0. 45 5 02 :3 1. 64 0 02 :3 2. 82 5 02 :3 4. 01 0 02 :3 5. 19 5 02 :3 6. 38 0 02 :3 7. 56 5 02 :3 8. 75 0 02 :3 9. 93 5 02 :4 1. 12 0 02 :4 2. 30 5 02 :4 3. 49 0 02 :4 4. 67 5 02 :4 5. 86 0 02 :4 7. 04 5 02 :4 8. 23 0 02 :4 9. 41 5 02 :5 0. 60 0 02 :5 1. 78 5 02 :5 2. 97 0 02 :5 4. 15 5 02 :5 5. 34 0 02 :5 6. 52 5 02 :5 7. 71 0 02 :5 8. 89 5
