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261号目次〜未来のパートナー〜

技術

ロボット技術で宇宙を拓く

西田 信一郎

鳥取大学大学院工学研究科/機械宇宙工学専攻/教授
前独立行政法人 宇宙航空研究開発機構/研究開発本部未踏技術研究センター/ロボティクス研究グループ長

NISHIDA Shin-Ichiro

米国をはじめ各国で進められている宇宙開発。この作業は真空・放射線・温度変化など非常に厳しい環境下で実施されている。このような環境下でこそロボットの技術が役に立つ。宇宙ではどのようなロボット技術が使われているのかを探りたい。

図3 米国の火星探査ロボット「キュリオシティ」 © JPL/NASA

図4 宇宙ロボット衛星による宇宙デブリの除去施され、2013年5月に予定していた全ての実験や追り、宇宙デブリとの衝突が今後の宇宙開発の脅威と加の発展実験を成功裏に完了した。

なっている。大型の宇宙デブリを特に混み合った軌● 月・惑星面上の宇宙ロボット

道高度から100個程度除去するだけでも、この状況スピリッツ、オポチュニティという米国の火星探査ロが改善すると解析されており、宇宙ロボット衛星によボットが火星面を各々10km以上も走行して探査を行り宇宙デブリに制動装置を取付けて減速させて大い、2012年には、さらに大型の探査ロボットであるキ気圏再突入で燃え尽きさせるアクティブな除去の検星修理時の宇宙飛行士の支援などに活用された。

ュリオシティ（図3）が火星表面に送り込まれ、活動し（図4）。宇宙デブリは予め捕討が進められている 2）

地球周回軌道上や月・惑星面などの宇宙環境は、我が国では、1997年から2年間、技術試験衛星VII型ている。無人探査や有人探査の準備段階には、天体獲されることを想定していない非協力的なターゲット

真空、放射線、温度変化、打上ロケットからの振動な（ETS-VII）
で遠隔操作や高度な制御を適用した作の表面を移動して探査活動や拠点構築活動を行うロであり、捕獲のためのマーカや取っ手を持っていなど、非常に厳しい環境である。このような環境で天業実験が成功裏に実施された 1）。また、国際宇宙ス

ボットが必須である。

い。このため、宇宙デブリの捕獲は、外形などを頼体や地球の観測、探査などにロボットが活躍していテーションでは、SSRMS（Space Station Remoteる。また、宇宙飛行士のリスクを極力低減するため、Manipulator System）
や我が国が開発し2008年より宇宙飛行士の作業を支援・代替するロボットの研究稼働している日本実験モジュール「きぼう」のロボット開発も進められている。このような宇宙ロボットのア ー ム JEMRMS（ JEM Remote Manipulator

技術課題は、レスキューロボットや建設ロボットなどのSystem）（図1）が活躍している。

a．有人宇宙活動支援

例えば、宇宙電波望遠鏡で深宇宙からの電波を高地上のロボットとの共通部分も多い。本稿では、宇「きぼう」には曝露実験台があり、様々な実験機器

b．宇宙デブリ除去

い信号／雑音比で捉えて高い分解能での観測を行

宙ロボットのミッションや必要な要素技術につき紹介が取り付けられ、実験が実施されている。実験装置

c．軌道上組立うためには、十分に大きな反射鏡の開口径と高い鏡する。

が2012年にH-IIB 3号機により打上げられ、こうのとd．月・惑星探査

面精度が必要とされる。ロケットの衛星搭載部の直● 地球周回軌道上の宇宙ロボットり3号によって「きぼう」へ運ばれた「有人宇宙活動支活躍する宇宙ロボット

りに画像計測などで運動や姿勢を計測し、ランデブ

宇宙ロボットのミッション概要
宇宙ロボットの主要な適用対象として、次のミッシ
ョンが挙げられる。

以下では、これらのミッションの内容を紹介する。
● 有人宇宙活動支援

飛行とロボットアームで実施する高度な作業であり、計測・制御の技術課題となっている。
● 軌道上組立径の制約により、軌道上に打ち上げられる搭載物の米国のスペースシャトルのマニピュレータSRMS

援ロボット実証実験（REX-J）」（図2）
では、4本のテザ（Shuttle Remote Manipulator System）
は、約40年ー（紐）と伸展式ロボットアームを用いて移動する技術

国際宇宙ステーションなどの有人宇宙機では、軌大きな直径の反射鏡は、展開式としても構成が難し間、スペースシャトルでの衛星放出／回収、点検、衛や要素の特性取得の実験などが約8カ月に亘って実道上で実験や実験装置・宇宙機の保守や機器の交いため、軌道上で組み立てる必要がある。このよう換、修理などが宇宙飛行士により行われている。事な軌道上組立の対象として、宇宙ステーションや長距

例としては、スペースシャトルによるハッブル宇宙望

離航行用の有人探査船、大型宇宙望遠鏡、宇宙電波遠鏡の保守・修理ミッションがある。有人宇宙活動に望遠鏡、太陽光発電衛星などが検討されている。高は危険を伴うため、宇宙ロボットによる宇宙飛行士

精度の大型構造物の構築には、宇宙ロボットを用いの支援や代替により、このような作業を行えば、安全た軌道上組立の適用が有望である 3）。また、組立後でコスト面でも有利となる。の点検・保守には、REX-Jのようなテザーや伸展式● 宇宙デブリ除去

アームを用いた移動ロボットも有望と考えられる。

過去に打ち上げられた人工衛星やロケット上段の大きさは直径4m程度までである。その概ね2倍より● 月・惑星探査

ざん し

図1 「きぼう」のロボットアームJEMRMS

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Civil Engineering Consultant

VOL.261 October 2013

© JAXA、NASA

図2 有人宇宙活動支援ロボット実証実験（REX-J） © JAXA

（宇宙ゴミ）
が、地上か残滓や破片などの宇宙デブリ各国宇宙機関の国際協働での探査の検討が進めら観測できる10cm以上のサイズのものだけでも1万られており、当面の目標ゴールは火星の有人探査に6千個以上も地球周回軌道上にある。宇宙デブリ設定されている。火星は、表面が地球と同様な岩石は、相互の衝突により加速度的に数が増えていく状質の地球型惑星であり、大きさも地球に近いため、そ況にあるという解析結果が各宇宙機関から出ておの構成と進化が明らかになれば、地球の進化を探る
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図8 サービス対象衛星に備えておく捕獲用 図9 金属製弾性車輪 © JAXAのマーカ
図5 直交座標型異構造マス 図6 部分自律化した高度遠隔操作によるタアーム
非定形物採取図7 ローバ経路の自動生成系の出力例© JAXA

上でも有効な知見が得られる。また、火星に生命の物上をロボットが移動して広い作業領域を確保して組立を行うことが効率的である。ロボットが構造物痕跡が見つけられる可能性もある。このような火星上を移動するためには、電源・信号をロボットに供給

図10 土嚢壁を構築するロボット© JAXA

探査では、水が関与した堆積岩や地層の探査が重要発され、良好な操作性が確認された。また、非定型するためのコネクタ付き取っ手などの機能要素を組な対象となり、移動ロボットによる採取・分析が重要作業をサブタスク単位で部分自律・自動化する高度な立構造物に付加し、エンドエフェクタ（ロボットアームた。このようなロボットは地上の土木作業にも有効なミッションとなる。

（図6）。
遠隔操作系の研究・開発が進められている 5）の先端）はこれを把持しながら移動する形態が採ら（図10）。
であると考えられる 9）

月・惑星表面の走行制御は、ローバ（探査車）から一れる。

投擲ロボット

宇宙ロボットの要素技術

定周期で前方の月・惑星面地形計測データをダウン● 移動技術● 宇宙環境対応技術

ロードし、この情報を基に地上で詳細な月・惑星面の自己位置同定技術

月面の山岳地帯など地形の険しい所で、観測装置の設置や岩石採取を行う方式として、投擲型のロボ

軌道上で軌道上サービスや宇宙デブリの捕獲、構3次元マップを生成し、最適な動作経路を算出する

月面では、地球周回GPS衛星電波による自己位置ットの研究開発が実施されている。ワイヤーの張力制造物組立などを行うロボットでは、宇宙で働く機器といわゆるSLAM方式が基本である。ローバ経路のの割り出しは困難である。走行系のアクチュエータ

御により、高い位置精度での着地が可能である 10）。

して以下のような共通的な課題がある 4）。

自動生成系の出力例を図7に示す 6）7）。の回転情報に基づく自己位置同定は、レゴリス（微粒作業技術

子の多い表土）上の走行では滑りによる誤差を生じa．ロケット搭載のための収納性、軽量化

相互技術交流

軌道上組立や宇宙ステーションでの作業では、作るため、それだけでは十分でない。そこで、ローバか無人の宇宙ロボットは、修理が出来ないため、高い業の場をある程度事前にコーディネートし、ロボット

ら月面地形を計測し、常に地形を基準として自己位信頼性や耐環境性が確保される。そして、遠隔操作c．力学環境の違い（無重力、月・惑星重力）作業を定型化することが可能である。一方、月・惑星置の変化を求めることが必須である。ローバに対すや自動で各種作業や不整地走行を着実に行うことがd．安全性（修理困難、不慮放出の防止）

探査ロボットは、ロボットアームで岩石の採取や機器る地形計測のセンサとしては、レーザレンジファイン要求される。このため、宇宙ロボットの技術は、建設e．地上からの遠隔操作（情報制約、通信時間）の組立・設置などを行なうため、非定型作業への対ダとステレオ画像センサが有望である。

ロボット、農林業ロボット、災害対策ロボット、原子炉● 遠隔操作・制御技術

応性や汎用性が求められる。このようなロボットアー走行技術

点検ロボット、海洋ロボットなどと多くの共通技術でマニピュレーション技術

ムには、ETS-VIIやJEMRMSで培われた機構や操月などの天体表面は、レゴリスが数m以上積もって構成される。従って、これらの相互技術交流が、宇遠隔操作や自動作業の位置ずれの吸収や宇宙デ作・制御技術および、その後の研究成果が有効に活おり、走行は容易ではない。特にレゴリスの積もっ宙ロボットおよび地上ロボットの発展に寄与すると考ブリなどの運動物体捕獲時の衝撃吸収の方法として用できる。特に遠隔操作や自動制御、力制御、画像た斜面の走行は、これまでの火星探査ローバで用いえられる。

ロボットへの力制御の適用が有効である 5）。力制御

フィードバック制御などの技術が有効に活用できる。

られている剛な車輪では最下点の高い接地面圧のの高い応答性を得るためには、関節内部にトルクセ軌道上作業を着実に行うためには、サービス対象箇所においてレゴリスを掘り込む状態に陥りやすく、ンサを組込み、センサとアクチュエータのコロケーシ

衛星に予め捕獲用の取っ手やマーカ（図8）、機器の走行不能に陥る恐れが少なくない。このようなレゴョンを図ることが重要である。

着脱機構などを備えておくことが望ましい。このようリスが積った天体表面の移動には、走行系の接地面操作技術な宇宙ロボット用インタフェースの標準化により、一つ圧を均一に低く設定し、走行機構によりレゴリスを適のロボット衛星で多くの衛星を効率的に軌道上サー度に締め固めつつ走行する方式が有効であり、弾性ビスすることも可能となる。

車輪機構と無限軌道（クローラ）方式の中間的な方式

b．耐環境性（振動、高真空、放射線、広い温度変化）

宇宙ロボットの地上からの遠隔操作は、ロボットの動作軌道、サブタスクなどの自動動作コマンド列の送出で行われるのが基本である。しかし、非定型作業

有人支援ロボットでは、人間用の標準インタフェーや想定外の作業などのためにジョイスティックなどのスをロボットが扱うことが求められるが、人間用の（図9）。
開発が進められている 8）操作器を用いたマニュアル操作モードも用意される。

標準インタフェースは、必ずしもロボット作業には適● その他の技術

力帰還型のマスタスレーブ方式の研究開発も行われ、していない。しかし、僅かな変更によりロボットにもレゴリス土嚢壁構築ロボット

操作者の疲労軽減のため、速度指令を基本としつ扱いやすくなる場合が多々あり、検討が進められてつ、並進3軸、姿勢3軸ごとに力帰還型マスタスレーブいる。に切り替え可能な制御方式や異構造マスタ
（図5）
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軌道上での組立作業においては、組立途中の構造であるライトクローラ機構や金属製弾性車輪の研究・

月・惑星面での強い放射線や着陸ロケット噴射により飛散する砕石からの防御、断熱のため、
レゴリス＜参考文献＞
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で土嚢壁を構築するロボットの研究開発が行われCivil Engineering Consultant

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