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日本惑星科学会誌 Vol. 21, No. 2, 2012

特集「無人観測ロボット」

ロッカーボギー機構を用いた無人探査ロボット礒田 颯 ，市川 瑞 ，植松 千春 ，及川 雄也 ，山口 正勝
11112（要旨）本報告は，高等学校授業科目「課題研究」において約 7ヶ月間で行った研究成果である．本研究では，人の立ち入ることのできない環境（火山地帯，宇宙等）での活動を想定した無人探査ロボット（以下，ローバー）を，高校生自らの手で設計から製作を行い，伊豆大島において動作検証を行った報告である．本ローバーは，不整地の走破能力を備えるため，駆動部には「ロッカーボギー機構」を採用している．独自の運用システムを開発し，オペレーター側とローバー側の双方向から，リアルタイムでデータの送受信を行い，ローバーの動作状況の監視も可能としている．校内での模擬不整地の走破実験，および，伊豆大島三原山溶岩砂漠地帯における実証実験では，一定の条件下において安定した走行を行えることを確認した．

1. はじめに性を示す程度に抑えている．これにより，問題解決に至るまでの過程は，生徒自らが調査し検討し工夫をす

本校，東京工業大学附属科学技術高等学校（工業系ることによって解決を図っていこうとする生徒主体のの専門高校）で実施している高等学校授業科目 ｢ 課題活動となる．すなわち，目標を達成するまでの活動に研究 ｣ について紹介させていただきたい．授業科目 ｢おいて，様々な問題解決を行いながら進めていくこと

課題研究 ｣ は，所属分野（本校には，材料科学・環境になる．生徒は，そのような活動の中で，新たな知識，科学・バイオ技術分野（応用化学系），情報・コンピュ技術を習得し，さらに高度な理工学的な専門の学習をータサイエンス分野（情報システム系），システムデザ行うことができるのである．

イン・ロボット分野（機械システム系），エレクトロニ

本報告は，このような授業科目 ｢ 課題研究 ｣ におい

クス・エネルギー・通信分野（電気電子系），立体造形・て約 7ヶ月間で行った研究成果 [1] であり，2011 年 4 月

ディジタルデザイン分野（建築デザイン系）の専門 5 分から，標記の研究テーマで無人探査ロボットを設計・野が設置されている）で学習している専門分野に関連製作し，無人探査ロボットの実証試験を行うために，した研究テーマ及び研究目標を生徒自ら設定し，高校2011 年 10 月 26 日～28 日に伊豆大島にて開催された ｢3 年生の 4 月から約 7ヶ月間研究活動を行うものである．

第 3 回伊豆大島無人観測ロボットシンポジウム ｣ に参目標を達成するまでには，様々な問題点が生じ，それ加し，本研究の口頭発表，および，製作した無人探査に伴う新たな課題も生まれてくる．指導教員は，問題ロボットの三原山溶岩砂漠での実証実験に関する活動

点や課題を抱えている生徒を指導するが，すぐに解決報告とする．

策を与えることはしない．本校において ｢ 課題研究 ｣ は，別名『問題解決学習』とも呼んでいる．生徒が抱えている問題点や新たな課題に対して指導教員は，当然生徒を指導する．しかし，その指導内容は，あえて方向
1. 東京工業大学附属科学技術高等学校2011年度第3学年
2. 東京工業大学附属科学技術高等学校
myamaguc@hst.titech.ac.jp,
2011kaken_rover@googlegroups.com

2. 研究について
2.1

研究背景

近年のめざましい科学技術の発達により，人類は地上のみならず宇宙空間，他の惑星等これまで踏み込めロッカーボギー機構を用いた無人探査ロボット／礒田 他

149なかった場所への進出が可能になった．そのため相対的に人が立ち入れない場所も増え，これまで以上に無人探査ロボットの需要は高まっている．実際に惑星等の探査をするためには，無人探査ロボットは，ロケットへの搭載をしなければならない．そのため，小型・軽量化が必要不可欠となり，ロケットへの搭載などの運搬にも有利なロッカーボギー機構 [2] に注目した．
そこで，本研究で製作する無人探査ロボットは，小型・軽量化において力を発揮するロッカーボギー機構を採用し，この機構を最大限に利用する方法について考察を行った．

2.2

図1： 製作したローバーの概要．

研究目的

火山や火星など人の立ち入れない環境での活動を想3. 機体構造定した無人探査ロボット（以下，ローバーと略記）を製作し，以下に示す 3 段階の達成目標を掲げて研究を行

3.1

ロッカーボギー機構った．
（1）ミニマムサクセス：不整地の走破（1）
設計

整備されていない不整地を安定して走破できるようロッカーボギー機構の基本的な構造を調べた後，独に ｢ ロッカーボギー機構 ｣ を備えた機体を設計・製作

自にフレームの長さ及び形状等を設計した．ロッカーする．模擬不整地での実験と伊豆大島無人観測ロボッ

ボギー機構の特性上，6 輪全ての車輪に等しく荷重がトシンポジウムでの実証実験を通して，自作したロー加わらなければ不整地の走行は行えない．そのため，バーの動作を検証する．

予めローバー全体の完成時の質量を仮定して，その数（2）フルサクセス：無線化/センサデータ収集

値を元にフレームに働く力やモーメントの計算を行い，ローバーとオペレーター間の双方向データ通信を行

全ての車輪に等しく荷重が加わるように各リンクの長うため，センサを搭載し，操作の無線化を行う．無線さを決定した．ローバー中央部にある箱型の部分は，通信にはシリアル通信モジュール XBee を使用してリマイコンや無線モジュール，電池等を収納する事を考アルタイムでのセンサデータの取得ができるようにす慮して寸法を決定した．

る．
（3）エクストラサクセス：サンプルリターン
ローバー本体に資料の採取ができる機能を搭載し，サンプルリターンを行う．小型化のために本体に格納できるものが望ましい．

2.3

機体データ

本ローバー，通称 ｢ROVACO｣ は全長 365 mm× 全
幅 190 mm ×高さ 200 mm であり，ロッカーボギー機構を用いた独立 6 輪駆動，及び，4 輪操舵を備えている．
そのため，駆動用モータを 6 個，操舵用サーボモータ
4 個， セ ン サ 4 種 類 を 搭 載 し て お り， マ イ コ ン
Arduino ™ Mega を使用して制御している．
図2： ロッカーボギー機構の設計．

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3.2

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駆動機構

（1）設計
駆動モータには，マブチモータ製の RE-260RA を，御のオン，オフ時間の比を求めることができる．これらの舵角度と回転数の比は搭載マイコンである
Arduino でリアルタイムに計算して求めるのが処理能力の関係上困難であったので，あらかじめ PC で計算ギヤボックスにはタミヤ模型のハイパワーギアボックした結果を記憶させておく方式をとった．

ス HE を用いた．ギヤボックスの速度減速比は当初は（2）製作41.7 を選択した．しかし，その後実際に走行させてみ

MicroMG を固定するためのサーボ箱は，ギヤボッるとトルク不足が感じられ，詳しく調べたところ使用

クス箱とサーボモータを接続するためのサーボホーン，していたのは RE-260RA-18130 だったため，駆動電圧サーボホーンへの負荷を軽減するためのスペーサーかを 4.5V，速度減速比 64.8 に変更した．

ら成っている．ステアリングの構造上，車輪に軸を貫（2）製作通させるわけにいかず片持ちとせざるを得ないので，ギヤボックス箱の設計にあたっては，部品点数の省片持ちにしてもサーボモータの軸やサーボホーンへ過略，メンテナンス性，防塵性の向上のしやすさに重点

大な力が加わって破損しないようギヤボックス箱とサを置いた．1.5 mm 厚のアルミ板をコの字型に曲げるーボ箱の間に 1.5 mm 厚のアルミ板を入れ，スペーサことによってギヤボックス箱は 1 パーツで構成した．

ーとした．しかし，アルミ板同士のこすれ合いによりハイパワーギアボックス HE の最大の開口部である側部品が摩耗することが懸念されるため，スペーサーの面を板で完全に覆うことで防塵性を高め，メンテナン

表面にビニールテープやセロテープを張り，直接アルス性を向上させるために，すべてのネジにドライバーミ板同士が触れないようにすることでアルミ部品の摩が入るように配慮した．これらの工夫により，ギヤボ耗を防ぐようにした．

ックスを交換しなくてはいけないような事態になっても，4 本のネジを外すだけでギヤボックスを交換できるように工夫した．

3.3

ステアリング機構

（1）設計

3.4

差動機構

（1）
目的
本ローバーは，岩石や小石が堆積しているような不整地の走行を想定している．そのため地面の状況によっては，左右のロッカーボギーで異なる高さの段差をステアリングは，左右を独立して駆動するロッカー

登る事が考えられる．このような場面では，左右のロボギー機構の特徴上，自動車のようなリンクを用いたッカーボギー機構それぞれが段差に応じて傾きを調節ステアリング機構が利用できないため，6 輪のうち前出来なくてはいけないが，それらの 2 本の軸をただ本後 の 4 輪 に RC 用 サ ー ボ モ ー タ GWS MicroMG/2BB

体に固定するだけでは意味がなく，逆に固定しなけれ（以下，MicroMG）を搭載し 4 輪操舵とした．各車輪の操舵角については，すべての車輪と路面との間に滑りがないものと仮定すると，各車輪は旋回の中心点 O を中心とする円を描くと考えられる．各車輪の回転数の比は，描いた円弧の長さの比に比例し，円弧の長さは，円の半径に比例することから，各車輪の回転比は旋回の中心点までの距離の比に比例すると考えられる．
Arduino の PWM 制御によりモータに与える電力を下げ，車輪の回転数を下げるため，最も円弧の長さが長くなると思われる回転の中心から見て外側の前後輪の回転数を１とおき，各車輪の回転数の比を求めた．この比を指示されたモータ出力に掛けることで旋回時にモータに加える電力を算出することができ，PWM 制

図3： 搭載した差動歯車機構．

ロッカーボギー機構を用いた無人探査ロボット／礒田 他

ばローバーが走行した時の振動で本体が安定しなくなる．そのため，本体が安定し，かつ段差を登る時には柔軟に傾きを変える事が出来る機構が必要になり，差動歯車装置を搭載した．
（2）差動歯車151

5. 校内での試験
5.1

走破能力

走破性能の確認として，製作したロッカーボギー機

差動歯車装置とは，1 つの動力を 2 本の異なる軸に構がきちんと動作するかを検証するために段差を用意差をつけて分配する事や，それら 2 本の軸の動きを検し，これを乗り越える試験を行った．図 5 は試験を行知して差動歯車本体はそれぞれが傾いた角度の中央をっている様子である．このように木材等を何本か束ね向くようにする装置である．前者の役割は自動車に広て人工的に段差を作ることで，校内での段差走破試験く用いられ左右に旋回する時に力を発揮していて，後を行った．この時の段差の傾斜角は約 75 度であり，者の働きは本ローバーでの主な役割となっている．こボギーリンク部分の車輪と車輪の間に段差が挟まっての機構を搭載したことにより，左右のロッカーボギーしまうと動けなくなってしまうので，乗り越えた先がが異なる角度に傾いても，ローバー本体は常に安定しスロープになるようになっている．この結果，最大た状態を保つ事が出来る．

144 mm の段差を乗り越えることができたため，ロッカーボギー機構が動作していることを確認した．

4. 電 装4.1

メインボードArduino の中でもアナログ入力ポートが多数あり，UART 通信が 4 系統搭載した Arduino Mega2560 を採用した．センサ用基盤には，ガラスエポキシ製ユニバーサル基板にて設計・製作を行った．メインボードは三層に分かれており，Arduino，XBee，センサボー
ド層，駆動系層から成る．それぞれの基板は連結フレームで接続されているため，分離することが可能であ

図5： 段差走破試験．

る．配線にはポリウレタンエナメルワイヤー0.08 mmを使用した．

5.2

動作時間の確認

本ローバーは，連続走行時間 1 時間を目標とした．
搭載モータが 30 度の傾斜を走行するときの計算上の電流消費量から，1 時間走行するために必要な容量を計算し，車輪駆動用モータと操舵用モータを駆動するために，単三充電池をそれぞれ 6 × 2 本と 4 本搭載した．
これで目標としていた連続走行時間 1 時間を達成できるか確認するため，校内で耐久走行実験を行った．校内には各校舎の入り口に段差やスロープがあるため，
図4： 電装系ハードウェアの構成．

これらを積極的に乗り越えることで，擬似的に不整地での電力消費の多い状況を再現した．1 時間走行した
後の電池の消費は予想していたよりも少なく，目標としていた 1 時間程度ならば走らせることができることを確認した．

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6. 伊豆大島における実証試験
6.1

運用試験

（1）概要
製作したローバーを伊豆大島の三原山にある裏砂漠ことなどの状況が確認された．しかし，ゆっくりと走行すれば前進，後進など全ての動作を問題なく行うことができた．また，多少の溝であればロッカーボギー機構が機能して乗り越えることができ，地面に引っ掛かった場合はその場で回転することで解消できる場面があった．と呼ばれる溶岩砂漠地帯で動作させた．裏砂漠は，火（b） 地点 B は，軽石の大きさなどは地点 A とほぼ山の噴火時に形成された軽石やスコリアがあるため，変わらず，傾斜が俯角約 6 度であった．この地点では，ローバーの不整地における走破能力を調べるのに非常後述 6.2 に示す通信試験を行った．ここでは地点 A とに適した場所である．

ほとんど同じ動作を行えたが，前輪が軽石に引っ掛か（2）伊豆大島裏砂漠についてり中輪が浮いてしまう場面があった．この状態からそ日本国内で唯一砂漠という地名がついている場所で，のまま前進させると，引っ掛かっていない方のロッカ

辺り一面が度重なる三原山（標高 758 m）の噴火によるーボギーリンクが先行してしまいバランスを崩して転火山噴出物のスコリアや火山灰，溶岩流によって黒く倒した．

覆われている．また，ところどころに雨水が流れてで（c）地点 C は，裏砂漠の入り口付近から少し奥に入きたと思われる溝やブッシュが点在している．

った所で，入り口横にはさらさらとした細かい砂があ（3）試験内容

り少し中に入ると地点 A，B と同じくらいの大きさの裏砂漠の中で，地面の特徴が少し異なる 3 地点にて軽石があり，更に奥に入ると斜面と直径 20 mm ほど試験を行った．それぞれの地点において，ローバーにの軽石があった．入口横の細かい砂の地帯では，斜面前進，後進，右旋回，左旋回，その場での回転運動ながなくゆっくりと移動していれば問題なく走行できたどをさせて，ローバーの走破能力を検証した．以下説が，少しでも傾斜がある所ではすぐにタイヤが地面を明のために 3 箇所の地点を，それぞれ地点 A，地点 B，掘ってしまい動けなくなった．また，軽石の直径が大地点 C とする．

きくなるにつれてギヤボックとタイヤに軽石が引っ掛かる場面が多くなり，軽石の直径が約 20 mm になると前進することができなくなった．
（5）
考察
今回の大島での運用試験の結果によって，まず第 1に，タイヤの直径が走破性に大きな影響を及ぼすということが分かった．今回の試験では直径 65 mm のスパイクタイヤ（予算の関係で，他の授業で使用しているものを流用）を用い，軽石で覆われた地帯を走行する時に地面を掘ってしまうことが多発した．そのため車輪径を大きくしてタイヤと地面の設置面積を減らす

図6： 伊豆大島三原山裏砂漠での実験の様子．

ことでこの問題を改善することができると考えた．また，今回はスパイクタイヤのみを用いたが，学校での（4）試験地点及び試験結果

試験の時に用いた平らなタイヤに交換すれば，更に地（a） 地点 A は，裏砂漠に入って初めにデモンスト面を掘りにくくなると思われる．第 2 にギヤボックス

レーションを行った場所であり，直径 10 mm ほどのの配置が重要だと分かった．走行中にギヤボックスに軽石がある所で約 3 度の傾斜になっている．ここでの軽石が引っ掛かることがよく起こったため，例えばタ試験では，走行中に何度か地面を掘ってしまい身動きイヤ径を大きくして中を空洞にしてギヤボックスごとがとれなくなってしまうことや，ギヤボックスとタイその空洞部に収める方法が改善策として考えることがヤの間に軽石が挟まりタイヤが動かなくなってしまうできる．

ロッカーボギー機構を用いた無人探査ロボット／礒田 他

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（3）
考察
パケット通信を採用しその仕様を定めることにより，ローバーは通信可能距離ならば安定して指示を受け取り動作し，センサのデータを送信することが可能になった．また機能追加する際も仕様に則って行うことで，ホストアプリケーションの開発や機体プログラムの製作において生じる混乱を減らすことができた．しかし，
未だ XBee の仕様やシリアル通信の規格を十分に理解できていないため，さらなる学習と，より最適なパケットの仕様についても考察する必要がある．
図7： 裏砂漠入り口付近での実証試験の合間に渡辺先生と．

6.2

通信試験

（1）通信距離試験

7. おわりに｢ 課題研究 ｣ は，高校の一授業での取り組みであることから，予算の面でかなり苦労しながらの活動を強地点 B において，コントローラ側の PC の位置を固いられます．ですから，必要な部品等は手作りです．

定して実験開始地点とし，俯角約 6 度の下り坂を走行作成したローバーは，彼らの手で板金を行い，旋盤やさせて通信途絶地点までの距離を計測した．

ボール盤などの工作機械を活用して，ほぼすべてが手作りで製作されています．4 月から活動を始め，夏休み期間も大半をこの研究活動に費やし，目標を達成すべく約 7ヶ月活動を行いました．授業としては，最終的に成果発表会でのプレゼンテーションと必須項目として課される報告書 [1]（大学の卒論のような数十ページに及ぶレポート）の作成を行います．
一般的に
「授業」
は，生徒が受け身がちな姿勢で取り組むことが多いですが，｢ 課題研究 ｣ は，生徒が能動的に取り組みます．
すなわち，自発的に，かつ，主体性を持って活動しています．この点に着目していただき，改めて本報告を読んでいただけると大変ありがたく思います．なお，

図8： 通信システムの概略図．

目標の一つとして掲げたエクストラサクセス : サンプ
ルリターンは，時間がなく達成することが出来ません（2）通信試験結果でした．

実験開始直後は順調に走行し，約 30 m 地点で初め今回，｢ 課題研究 ｣ の成果を，このような誌面に掲て通信が途絶えた．この時，オペレーター側の XBee載できることは，本研究を行った 4 名の生徒はもとよの位置は，人が立った際の胸もの程度の高さ，すなわり，指導した小生も大きな喜びとするところでもあり

ち，おおよそ 1 m 40～50 cm であった．そこで，オペます．掲載させていただいた報告は，最終的に小生にレーター側の XBee の位置を徐々に高くし，およそ地よる若干の修正を施しているものの，ほぼすべてを 4

表 3 m の高さにしてみたところ通信が再開し，最終的名の生徒が協力して執筆したものです．従って，著者に約 55 m 地点まで走行したところで通信が完全に途名の順番は，単に五十音順で記載しているだけで，研絶えた．実験中の走行に関しては，何度かタイヤが地究活動も執筆活動も皆同じ立場で努力・貢献している

面を掘ってしまうことはあったものの，全体を通してことをご理解下さい．

順調かつ安定して走行が確認された．

最後に，伊豆大島での第 3 回無人観測ロボットシン

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ポジウムへの参加，三原山溶岩砂漠地帯での実証試験，さらに，このたびの投稿をする機会を与えてくださったシンポジウム主催者をはじめとする関係機関の皆さ
まに，篤く御礼を申し上げます．

図9： 著者生徒の課題研究発表会での様子．左から，植松，磯田，及川，市川．

参考文献[1] 植松千春，他，2011，平成23年度課題研究報告書，東京工業大学附属科学技術高等学校 科学・技術科 システムデザイン・ロボット分野．
[2] 佐藤雅紀，石井和男，2003，日本機械学会[No.034]ロボティクス・メカトロニクス講演会’03講演論文集，1P1-1F-C7（1）．