計測自動制御学会東北支部第 285回研究集会 (2013.
12.
7)

資料番号 285・8

湖沼調査用モジュール構造型小型水中ロボッ卜の開発
ー不撹乱柱状採泥モジュールの開発ー
DevelopmentofasmallandmodularUROV
forenvironmentalsurveying
e‑‑Developmentofanundisturbeds
oilcoresamplingmodul
0鷹箸修平ヘ高橋隆行*

Sh叫le
iT
AKANOHASH，*I T
akayukiTAKAHASHI**福島大学*FukushimaUniversity
キーワード: 水中ロボット (Underw
aterRρbot)，モジュール構造 (Modul町 Strus七ure)，
柱状採泥 (SoilCoreSampling)

連絡先:

干96か1296福島県福島市金谷川 1
1 福島大学共生システム理工学類高橋研究室

Te.jlF.
は.:024‑
548‑5259，E‑mail:
shu
hei
@rb.
sss.
fu
kush
加 a‑u.
ac.
j1. 緒言査結果を元に放射能濃度のマッピングを行うととは，湖沼への河川流入が放射性物質の堆積ヘ

福島県には磐梯朝日国立公園に指定されてい与える影響や水環境中で、の線量の推移を把握す

る磐梯吾妻・猪苗代地域に，猪苗代湖，槍原湖るのに重要であると考えられる.しかし，現在をはじめとした多くの湖沼が存在している.この湖底の採泥調査は船上から採泥器の投下またれらの湖沼の環境調査では海洋での調査と異なは潜水士による潜水での採泥によって行われてり大型の船舶及び機器の運用が困難であるため，人が小型の船舶及び機器を用いて多大な労力をかけて調査を行っているのが現状である.
また， 2011年の東日本大震災に伴い発生した福島第一原子力発電所の事故により放出された放射性物質が川底や湖底に堆積しているととがわかっている. 2012年 12月から 2013年 3月にかけて「いであ株式会社」によって行われた調査で、は猪苗代湖への河川涜入部で、セシウム 137が4.
3 5400[Bqjkg)，湖底部では 42 I10[Bqjkg)
f'J

f'Jが検出されている 1). 乙れら湖底放射線量の調おり，調査地点の位置情報の精度が低いことや調査可能な深度に制限があるととが問題となっている.また，これらの調査は継続的かつ長期聞に亘って行う必要があり前述のような人力に依存する調査は人間への負担が増加してしまう.これらの問題を考慮し，詳細な放射能濃度マップを作製するには水中ロボットを用いる
ことが有効であると考えられる.近年，環境調査を行う水中ロボットとして，浦らが開発した自立型水中ロボット「淡探J2)ゃ，坂上らが開)などが開発，運用されている.
発した「湖虎J3‑1‑

報伝送用の光ファイパのみにすることができるため水中ロボットの運動性能を向上させることが可能となる.ロボット全体の大きさは H640[mm]xW550[mm]xD740[mm]であり，オプションのモジュールを取り付けていない基本的な状態

1[kg]である.また，本水中ロでの空中重量は 3
ボットは猪苗代湖最深部の水深 93.
5[m]
4)でのF
ig. 1 P
rototypeo
fproposedunderwa
もer
もrobo

00[m]
使用を想定しており，これを上回る水深 1

筆者らは水中ロボットの大きさと機能の関係に能な耐圧性能を有する.に相当する水圧の1.0[MPa]に耐える乙とが可

ig.
1に示すモジ、ュール構造型小型水中注目し， Fロボットの開発を行っている.

2.
1 モジ、ユールの種類

本研究では，底質における放射性物質動態をig.
2に示す構造になって本水中ロボットは F

詳細に検討するために 不撹乱柱状採泥の開発おり，搭載するモジュールは大きく以下の 3種を行う.柱状採泥は湖底土壇の層構造を破填せ類に分類される.

ずにサンプリングが可能という利点がある一方で，地中に貫入させた採泥管が土からの圧力な‑メインモジ、ュールどの影響によって抜去不可能になり，水中ロボッ.スラスタモジ、ュールト自体が回収不能に陥る危険性がある.そ乙で，本研究では上記の危険性を考慮し，アンカード‑サンプリングモジ、ュールリルを地中に貫入することで水中ロボット本体各モジ、ュールは個別に電源，無縦直信装置，制を固定する手法を提案する.

御用 CPUを内蔵しており，モジュール聞は完全にワイヤレス化されている.無線通信を使用

2. モジ、ユール構造型小型水中ロボットの概要

することより耐圧容器にケーブル貫通用の孔を空ける必要がなくなるため，浸水のリスクを低滅することができる.さらに本研究で、開発する水中ロボットの概要を示す.

モジ、ュール交換の際の複雑な配線作業が不要になるため調査内

本水中ロボットは各機能ごとにモジュール化され容に応じたモジ、ュール交換が容易であり，柔軟れいるため，モジュールを交換することによって性の高い運用が可能となる.

調査目的に応じた機能の追加，削除が可能である.そのため，ロボット本体が大型化するととを

2.1.1 メインモジ、ユール抑えつつ多くの調査項目に対応することができ'lる.なお，本水中ロポットはフレームにモジュー

F
ig.
3及び T
able こ当研究室にて開発されたルを固定するととができるフレーム構造型を採

メインモジュール及びその仕様を示す 5). 本モ用したまた，本水中ロポットは動力源を内蔵しジ、ユールは全長 517[mm]. 空中重量 9.
9[kg]であe‑
た遠隔操作型水中ロボットである UROV(Untり，母船のメインコンビュータと相互に情報をもheredRemotelyQpera
品edVehicle)形式となっ伝送するための光ファイバが接続されている.ている.電源を内蔵するととにより電源供給のためのケーブルが不要となり，ケーブルを細径な情qL

Maincontrol PC

pecific
叫ionsofmainmodule
Tabl.
e1 SI色em
Unit Value
Length[mm] 517Ou
伽 di
制 御[mm] 2
10色(inair) 阿
9.
9Weighr同帽・・ーーー‑‑・ ・圃・圃圃嘩帽圃骨骨ーーーーーー・・・司a￨官足立r I

Payloacl spaco'Iable2Specificationsofthru凶ermodule
I色emUni
色 Va
1ue
Length[mm] 364
Outerdiame
附 [ 百1m] 99
Weighも(inair)件g]
1.9も(泊仕eshwa旬r) [kg] 0.
4
WeighMax.Thrust悶
14骨申骨骨ーー圃ー‑‑・由晶ーーーーーーーー岨・圃ーー四‑‑'町 叫8J:1fa
terrobot

Fi
包2 Blockdiagramofproposedunderwa‑terrobot

2.1.3 サンプリングモジュール
本水中ロボットは水や泥を回収するためのサンプリングモジ、ュールを搭載する.本論文では泥を回収するための機構(以下，採泥モジ、ュー
，色ypeof七hemainmodule
Fig.3 Protoルと呼ぶ)の開発に関わる基礎的項目の検討を行った.詳細については第 3章で述べる.

.2 スラスタモジ、ユール
2.1

F
ig.4及び T
able2に当研究室で開発された).本
スラスタモジュール及びその仕様を示す 63. 不撹乱柱状採泥モジ、ユールの閲

64[mm]，空中重量1.9[kg]，モジ、ュールは全長 3発

叫kg]であり，最大静止時推力 14[N]，水中重量 0
連続稼働時間は 2時間である.本水中ロボット

採泥モジュールの開発を行うにあたり，第一には垂直方向に推力を発生するものが 4機と水段階として採泥方法及びそれらに関連する項目

平方向に推力を発生するものが 2機の計 6機をの検討を行った.

搭載する.

3.
1 採泥方法海洋および湖沼の底質調査で一般的に用いられる採泥法には以下の 3通りの方法がある.

1) ドレッジ式(引っかき取り)

Fig.4 Proto色ypeo
fthethrus
色ermodule

2) グラブ式(つかみ取り)
3)柱状式

‑3‑

これらはそれぞれ， ドレッジ式が表層付近の試ルを用いる.このアンカードリルは，採泥に必料を線状に，グラブ式が点状に，柱状式が垂直要な貫入力に耐えてロボットを湖底に保持する下方の試料を採取するものである 7). 放射性物必要がある.簡単には，採泥管の貫入に必要な質の調査においては湖底表層の浮泥を撹乱せず力よりも，アンカードリル上部に存在する泥の)，柱状式のに採取するととが重要であるため 1質量が大きければ採泥時にアンカードリルが抜採泥方法を採用した.

けることはないと考えられる.
この条件を満足するアンカードリルの外径を，1)を用いて求めた.
以下の式 (3.
2 採泥の涜れ乎Di‑D~)

本論文で提案する採泥法は，地中に貫入させ

Mxk=た採泥管が土からの圧力などの影響によって抜ο)式 (1)におけるパラメータの定義を Table3

去不可能になり，水中ロボット自体が回収不能に示す.に陥る危険を回避して不撹乱柱状採泥を行うととを目的としている.その具体的な手法は以下の通りである.

Table3

Variablesa
ndparametersofequa‑

七ion(l)Symbol

U凶色

M件g]

kDl
D2hpl
件l，
E2lIlm皿m，/Smlll3ll1) 潜航・着底2)着底後，アンカードリルを湖底に貫入させロボットを固定H

Value0.
010.
332.
4X 10RecitalM鎚 S ofmud
Numberof創 lchorsAnchordiameter
Anchorpωtsi
印 刷er
Intr
usionofanchor
Muddensity3)採泥管を湖底に貫入，採泥を実行
なお，用いた計算式 (1)では泥の粘性や摩擦力4) 採泥管を抜去

2' hついては実験については考慮していない.D5) アンカードリルを抜去器具の関係から決定し，pは猪苗代湖の湖底(水3[3]
深50[m]付近)で 2.
4rv
2.
6X10kgjm，河川流6) 浮上

3[3]という値 1入部で 2.
4rv
3.
0X10kgjm)から決水中ロボットが中性浮量であるとき，採泥管定した.本研究室で行った予備実験の結果から，の貫入・抜去に際してスラスタの推力を使用す

採泥管の貫入力を 5.
0[kgf]と仮定すると t Dlをる手法が考えられる.しかし，本水中ロボット

80[mm]，kを 2[本!とした際に M は 7.
13[kg]とのスラスタ推力では採泥管を貫入・抜去するにはなり理論上は採泥によってアンカードリルが抜不十分であることが当研究室の実験から分かっけることはないと考えられる.そのため，アンている.しかしながら水中ロボットが湖底に固カードリルの外径を 80何m]として試作し，性定されている状態であるならば，採泥モジュー能試験を行った.

ルに十分な力を発生させられるアクチュエータを使用することによって，採泥管の貫入・抜去3.
4 アンカードリル性能評価を行うことが可能であると考えられる.

試作したアンカードリルを F
ig.
5とそれらの仕様を Table4に示す.

3.
3 アンカードリルの設計

それぞれピッチと外径が異なっており，パラ

本論文で提案する水中ロボットは，採泥の際，湖底でロボットを固定するためにアンカードリメータの違いによる特性の比較を行った.計測を行った項目は以下の通りである.

‑4‑

一︾ねaL

一一Y

点
桜︑
一一dp
E 九lJF一味︐
二 号 悼 LZe‑‑M

一噺制‑一一円
刊

一 'pJ
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一¥?一都一?一1111￥一ムト︑一Jf

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札口氏JFV:一い︺一‑if

目‑一川町‑
J⁝︑組一ιil
盤一Table5 E
xper
imentalresul
旬 ofverticalholdin
gforce

一(脱出向r[mm]，Pitch[mm)
)
Intr
u
sio
nofanchor[mm] (80，30) (80，50) (50，30) (50，50)
4
1
4.
0
8.
3
7.
5
100
1
5.
2
00
18.
4
14.
58.
89.
2
300
18.
3
18.
1
12.
111.
9unit:
kgfFig.5 Pro
七o，むypeo
f吐leanchord
rills
Tabl
e4Specificationsofanchord
rills

Tabl
e6 Experimentalresul
旬 o
fr
otar
yin
‑tr
usiontorqueNum. O.D.[mm] Pitch
[mm]
18030
28050
35030
450
50

Torque[N叫(Diameter[mm]，Pitch[mm])(80，30) (80，50) (50，30) (50，50)
0.
880.
980.
390.
391)鉛直保持力

3.
4.
2 回転貫入トルクの計測2) 回転貫入トルク
アンカードリルの貫入に必要なトルクの計測3) 回転抜去トルクを行った.貫入量は鉛直保持力の計測結果から

なお，今回の計測には水田の土を使用したこ

able6に示す.結100[mm]とした.計調!騎果を T

れは環境調査の専門家から頂いた意見を元にし果から，外径が大きくなると貫入に必要なトルており，土の密度は猪苗代湖の湖底土の密度でクが増加するととが確認された.また，ピッチ3]に近づけるように水分調
4x103[kgjmある 2.

については外径ほどではないが，増大に伴い必整を行った.

要なトルクは増す傾向にあることが確認された.

3.
4.
1 鉛直保持力の計測

3.
4.
3 回転抜去トルクの計測

アンカードリルを泥に貫入させた状態から鉛貫入させたアンカードリルの抜去に必要なト直に抜去する際に必要な力の計測を行った.計

ルクの計測を行った.計測結果を Table7に示

測は項目ごとに各 3回行い平均を算出した.結す.貫入トルクと同様に，ピッチ及び外径が大able5に示す.結果から，アンカードリ果を Tきくなると抜去に必要なトルクが増加する傾向

ルの泥への貫入量は 100[mm]であっても充分ににあった.また，貫入トルクと比較して抜去に貫入力 5.
0[kgf)を保持することが可能である乙必要なトルクの値が大きいことが確認された.とが分かつた.また，アンカードリルのピッチの変化による保持力の違いは見られなかったが，外径の変化によって保持力が向上することが確認された.

Table7 E
xperimentalresul七so
frotaryre‑
movetorquemeasuring(Diam凶 町[mm]，Pitch匝両}(80，30) (80，50) (50，30) (50，50)
Torque[Nm] 0.
881.2
70.
590.
69‑5‑

'rable8 S
pecificationsofpipes] Thickn
鰯 [mm] Tap町Num. O.
D.何 m
1
2
3
4

560
60
60
484
86
78

32
3224.
54.
52
443.
53.
5~

Tabl
e1
0 Experimentalr
esul
旬 o
fv
ar
ti
cali
n‑
tr
u
sio
nfor
ce
伺Num.ofpiph.
tru
sionforω[k凶，02
3
4
50

6
780

Table9 Experime
凶alr
esu
ltso
fv
紅色i
cali
n‑
tr
usionforce凶dediameter[mm]
Outhickne
坤 un] 32 ~
60246shar
pedge

6

9
10
91010
10910

1

10
10
10

966Table1
1 Experimentalr
esul
旬 o
fvar
ti
ca
lex
‑tr
ac
tio
nfo
r
ce
Num.o
fp
i
pes Ex蜘 tio
nfor
ce
阿l
1
2
34
5
6
7
83.
5 採泥管の検討
柱状採泥を行う採泥管について，以下の項目

16.
4
14.
8
17.
2
12.
2
12.
6
12.
67.
1
7.
3についての検討を行った.
貫入力と同様にパイプの外径によってほぼ一定1) 鉛直貫入力であることが確認された.また，貫入力と比較

2)鉛直抜去力すると，すべての場合において抜去力の方が大きな値となった.

3)採泥管の径と試料の乱れの関係

Table 12τest r
回 ulもofvarti
calintsu
sionforcemeasuring()u
白司edi
白白色r[mm]thi
伽 回s[mm] 32
4860

3ふ 1 鉛直貫入力の計測
Table8に示す形状の異なる 8種のパイプを用

24いて，鉛直貫入させる際に必要な荷重と，一定荷重を付加した際の応答を計測した.なお，貫sharpedge・
12.2 16.4
7.1 7.3 14.87.3 12.6 17.2

入量については，実際の採泥を想定し 300[mm]とした.結果を Table9に示す.鉛直貫入させるために必要な荷重はパイプの外径によってほ3ふ 3 採泥管の径と試料の乱れの関係の検討

ぼ一定であることが確認され実験に用いた中で外径が最大の 60[mm]のパイプで、は 10[kg]の荷重が必要であることが確認された.

貫入力および抜去力の計測実験と同様のパイプを用いて，パイプ内にサンプリングされた試料の層構造が破壊されていないか確認する実験を行った.泥と色砂を用いて実験用の層構造を持っ3ふ 2 鉛直抜去力の計測た土を作製した後，そこにパイプを約 300[mm]鉛直貫入力を計測した際と同様のパイプを用貫入，サンプリングを行った.サンプリング後

いて 300[mm]貫入時の鉛直抜去力の計測を行っはパイプごと試料を冷凍し，試料を取り出したた.結果を Table12に示す.抜去力についても後に軸方向に切断して断面を確認した.確認し‑6‑

Colored

は試料が乱れない最小の径のものを使用することがリスク回避につながると考えられるので，外径 22rv48[mmJの聞で最適なものをさらに検討する.

4. 結日
本論文では筆者らが開発を行っている水中ロボットの不撹乱柱状採泥モジ、ュールに関する基礎的検討について述べた.採泥の手法として，

F
ig.6 Schematicdiagramo
fcolored

アンカードリルを用いてロボットを固定した状態で柱状採泥を行う手法を提案した.アンカードリルの試作および性能試験を行い，採泥管の鉛直貫入の際に，ロボットを固定することのできる保持力を発生できる乙とを確認した.また，採泥管の径についても検討を行い，内径 44[mm]以上のパイプを使用することで不撹乱での採泥F
ig.7 Sampleo
fundisもurbedsoilcoresam‑plingが可能であることを確認した.また，それらを動作させるために必要な動力源も，筆者らが開発中の水中ロボットに搭載可能なレベルである

た断面の一例を Fig.11に示す.内径 56[mm]，ことを確認している。

44[rnm]のパイプでは 3層の色砂層を確認する

今後は本水中ロボットを用いて実際に湖底でことができたが，内径 22[mm)のパイプでは lの不撹乱柱状採泥を行うことができるよう，採層のみの確認となった.またいずれの径においてもパイプ内壁との境界面で試料の乱れがあ泥モジュールの試作・改良，採泥に関わるシステムの開発を行う予定である.

り，内径 22[mm]のパイプではその影響が大きかった.

参考文献

3.
6 アンカードリル及び採泥管の設計方針今回行った各実験のそれぞれの結果を元に，アンカードリル及び採泥管の仕様について検討した.アンカーを 2本使用した際のアンカードリルの鉛直保持力と採泥管の鉛直貫入力から検討
すると，今回使用したいずれのアンカードリル，

1) いであ株式会社，平成 24年度水環境中の放射性物質調査方法等検討業務報告書

2) 浦環:自立型海中ロボットの発展する方向， Jour‑nalofGωgraphy，109(6).pp
900/
906，(2000)
3) 坂上憲光:水中ロポットマニピュレータの動作時における浮心移動機構を利用した本体姿勢保証，
日本機械学会ロポティクス・メカトロニクス講
演会 2010，lPl・D26

た.そのため，貫入および抜去の際のトルクが4) 国土地理院猪苗代湖，
http:/jwww1.gs.
igo.
jp/geow
ww/themap/lakejtohoku‑inawashiroko.
html，2013.
12.
4

もっとも小さい外径 50[mm]，ピッチ 30[mm]の5) 猿田祐平，大室拓哉，高橋隆行:湖沼調査用モ採泥管の組み合わせも可能であることが分かつ

アンカードリルを使用することが，安全面から考えて最適であると考えられる.また，採泥管‑7‑

ジュール構造型小型水中ロポットの開発.試作機の開発と水中での基本動作の確認ー，計測自動制御学会システムインテグレーション部門
講演会 8120
12，3K2・36) 大室拓哉，猿田祐平，高橋隆行:低雑音ワイヤレススラスタモジュールの開発.日本機械学会ロ012，2Pl‑
ボティクス・メカトロニクス講演会 2H10η青木市太郎，木下泰正:汚染底質調査のために開発した採泥器，独立行政法人産業技術総合研
究所地質調査総合センター

h抗ps://www~gsj.jp/
dat
a/
chi
s
hi
t
su
ne
w
s
/
79~04_02.pdf. 2013.
12.
58) 地質環境部主任技術者講習会第 3国 土 質 定 数
その 1.

htt
p://w
w
w
.
pe
j
p.
n
e
色/
academy
/
ac
ade
m
y
03.
pdf.
2
013.
12.
6‑8‑