技 術 論 文

ロボットアーム運用のための軌道上荷重検証
On−orbit loads verification for Robot Arm operations
杉本 隆＊

服部 浩明＊Ryu Sugimoto, Hiroaki Hattori

国際宇宙ステーションでロボットアーム運用を行うためには、様々な軌道上荷重環境下での安全性を事前に検証しなければならない。本稿では、「きぼう」ロボットアーム運用のための軌道上荷重検証への取り組みについて報告する。
For all robot arm operations on the International Space Station, the advance verification of thesafety under the various kinds of on-orbit loading events must be conducted. This paper introduces
the approach for on-orbit loads verification for Kibo s robot arm（JEMRM）operations.

ment Module Remote Manipulator System: JEMRMS）

1．まえがきによるペイロード移設などのロボットアーム運用（図日本実験棟「きぼう」は、2008年３月に船内保管室、2008年6月に船内実験室とロボットアーム（図１）の親

２）は、有人システムの安全を確保しながら遂行されなければならない。

アームが打ち上げられ、軌道上での運用が始まっていこのため、国際宇宙ステーションのロボットアーム運る。ロボットアームの子アームも、2009年９月に宇宙ス用においては、軌道上での運用前に、各種の軌道上荷重テーション補給機で打ち上げられ、2010年３月に軌道上に対するロボットアーム運用の規定を整理することになで機能確認が行われた後、軌道上で保管されている。っており、実時間の運用では、それら運用規定に基づ

軌道上運用時の「きぼう」には、国際宇宙ステーショ

き、ロボットアーム運用が行われている。もちろん、ンへのロシア宇宙船のドッキング衝撃荷重や、軌道上昇JEMRMSの運用規定を整理するためには、軌道上荷重（リブースト）時の加速度、宇宙飛行士の船外活動によに対するJEMRMSの挙動を予測する必要がある。

る荷重などが掛かる。これらの軌道上荷重環境下におい

本稿では、ロボットアーム運用のための軌道上荷重検て も、「き ぼ う」 ロ ボ ッ ト ア ー ム（Japanese Experi-

証への取り組みとして、軌道上荷重に対するJEMRMSの挙動予測と運用規定の設定について報告する。

親アーム関節2

親アーム関節1
親アームブーム1

親アーム関節3
ひじ部視覚装置
親アームブーム2

親アーム基部親アーム関節4
親アーム関節6
親アーム関節5

手首部視覚装置

親アームブーム3

エンドエフェクタ

子アームエレクトロニクス

グラブルフィクスチャ
カメラエレクトロニクス

肩ロール関節肩ピッチ関節ブーム1
肘ピッチ関節ブーム2

手首ロール関節力／トルクセンサ
手首カメラヘッドツール
手首ヨー関節手首ピッチ関節図１「きぼう」ロボットアーム（JAXA HP(1)より）＊つくば事業部 第二技術部

図２

ペイロード移設中のJEMRMS（JAXA HP(1)より）

MSS技報・Vol.21

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技 術 論 文

2.
2.1

軌道上荷重に対するJEMRMSの挙動予測

軌道上荷重

なお、これら軌道上荷重は、同時に発生し得ることも忘れてはいけない。例えば、国際宇宙ステーションのスラスタを使ったリブースト運用中に、一人の宇宙飛行士

軌道上を周回する国際宇宙ステーションでは、通常のが船内を移動し、別の宇宙飛行士がErgometerを使った人工衛星と同様に、定期的な軌道上昇や姿勢制御が行わエクササイズを行うことは、軌道上では日常的に起こりれている。また、国際宇宙ステーションの建設は段階的得ることである。この事象に対するJEMRMSの挙動をに進み、かつ軌道上では機器メンテナンスが定期的に行予測しようとした場合、 Station reboost

われている。さらに、有人システムであるが故に、宇宙and landing

飛行士は国際宇宙ステーションの船内や船外で様々な活して、JEMRMSの挙動を予測する必要がある。とSM ergometerとPush-offの軌道上荷重を複合動を行っている。
これらの日常的な活動の中でも、軌道上荷重が発生し2.2

挙動予測てJEMRMSに 掛 か っ て く る た め、 軌 道 上 運 用 時 のJEMRMSの挙動予測は、国際宇宙ステーションにおJEMRMSの挙動を予測するためには、様々な軌道上荷ける軌道上荷重を考慮した解析（大規模ではあるが線形重を考慮する必要がある。軌道上荷重の一例を表１に示で考えられる解析）とJEMRMSの詳細な挙動を予測すす。

るための非線形性（関節のバックラッシュなど）を考慮

JEMRMSの挙動予測で考慮される軌道上荷重は、軌
道上計測結果を基に定式化されたものや姿勢制御情報した解析を弱連成した、二段階の解析（図３）により行われている。

（スラスタの噴射間隔など）を基にモデル化されたもの

こ こ で、 強 連 成 解 析 を 採 用 し な か っ た 理 由 は、などがあり、不確定性を含む定義になっている。不確定JEMRMSのローカルな非線形性のために、国際宇宙ス性が含まれる理由は、大きく二つに分けられる。一つ目

テーション全体の大規模な非線形解析を行うのは、非効は、JEMRMSの挙動を予測する時点では確定できない率だと考えたからである。また、国際宇宙ステーション運用上の要素があるからである。二つ目は、軌道上荷重とJEMRMSの質量比を考えると、国際宇宙ステーショが適用される数学モデル（軌道上H/Wを模擬した有限ンレベルでの予測解析におけるJEMRMS基部（国際宇要素モデル）と軌道上H/Wとのコリレーション誤差を、宙ステーションとの境界位置）での応答は、JEMRMS比較的変更が容易な軌道上荷重に、不確定性として含めが線形モデルか非線形モデルかではなく、国際宇宙ステているからである。

ーション側の要因に支配的であると考えられる。

不確定性が含まれる理由の一例については、参考文献⑵、⑶を参照されたい。

まず、国際宇宙ステーションレベルでの予測解析では、2.1項で示した軌道上荷重と国際宇宙ステーション全体の有限要素モデルを用いた過渡応答解析を行い、軌道上荷重に対するJEMRMS基部（親アーム基部）での表１

軌道上荷重の一例

カテゴリ

軌道上荷重

Extravehicular Activity（宇宙飛行士の船外活動）

ORU（Orbital Replaceable Unit）
handling
APFR（Articulating Portable
Foot Restraint）layback

Intravehicular Activity（宇宙飛行士の船内活動）

Push-off and landing
SM（Service Module）ergometer

Attitude Control（姿勢制御）CMG momentum desaturation
Orbiter Reaction Control
System（VRCS/PRCS）

Docking（ドッキング）

Russian vehicle docking
Orbiter docking

Undocking（アンドッキング）

Russian vehicle undocking
Orbiter undocking

Reboost（軌道上昇）

Station reboost
Orbiter reboost

SSRMS Operations（宇宙ステーションロボットアーム（SSRMS）の運用）

SSRMS emergency braking
Payload berthing

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荷重・加速度を予測する。
この際、安全側の予測になるよう、不確定性の範囲内で、JEMRMSにとって厳しい（JEMRMS基部での荷重がワーストとなる）軌道上荷重を設定する必要があり、軌道上荷重が有する周波数特性とJEMRMSの固有振動数をできるだけ近づける（共振させる）ことがポイントとなる。

国際宇宙ステーションレベルでの予測解析

JEMRMS単体での予測解析

図３

挙動予測の概要

次に、JEMRMS単体での予測解析では、上記で予測し外の軌道上荷重のケースなどとの、より多くの比較を行たJEMRMS基部での加速度を入力として、JEMRMSダい、挙動予測プロセスの妥当性をさらに確認していきた

イ ナ ミ ク ス シ ミ ュ レ ー タ を 用 い て、 よ り 詳 細 な

いと考える。

JEMRMS挙動を予測する解析を行い、関節角度や先端3．運用規定の設定（親アームのエンドエフェクタ）の位置・姿勢の変動量などを予測する。また、JEMRMS搭載S/Wは軌道上でJEMRMSの 運 用 規 定 を 設 定 す る 際 は、 予 測 し た

各種の異常検知処理を実施しているため、予測解析におJEMRMS挙動毎に、二つの評価項目に照らし合わせて、いても同等な処理を行い、異常検知の有無を予測してお軌道上荷重を許容できるか否かを決定する。

く必要がある。

一 つ 目 の 評 価 項 目 は、 軌 道 上 荷 重 に よ り 不 意 に
JEMRMSが動くことで、近接したH/Wに衝突すること

2.3

予測値と軌道上実績値の比較がないかである。JEMRMSと近接したH/Wとの衝突は2009年の初めに、軌道上のJEMRMSにおいて、ブレあってはならない事であり、十分なクリアランスがあるーキを掛けていた関節が滑る事象（図４）が発生した。

ことを確認する必要がある。JEMRMSと近接したH/W

主な原因は、国際宇宙ステーションで行われたサービスとのクリアランスは、国際宇宙ステーション全体の3次モジュールによるリブーストであると考えられていた

元CADモデルを用いて確認することができる（図６）。

が、軌道上での事象を再現するために、2.2項に示した挙動予測を行った。
予測値と軌道上実績値を比較した結果、予測解析は、軌道上でのJEMRMSの挙動を予測（再現）しつつ、安いる挙動予測プロセスが妥当であることを確認した。
比較結果の一部として、親アーム関節 出力軸の変動量についての比較結果（バックラッシュ角の範囲内で変動していた関節については省略）を図５、表２に示す。
比較についての詳細は、参考文献⑵、⑶を参照された

出力軸の変動量（deg）

全側の予測になっていることが分かり、本稿で紹介して

2
10−1−2−3い。

J 1（予測値）
J 2（予測値）
J 3（予測値）
J 1（軌道上実績値）
J 2（軌道上実績値）
J 3（軌道上実績値）

30204080 100 120 140 160 180 200 220時間（sec）

なお、予測値と軌道上実績値の比較は、今回紹介した１ケースしか実施できていない。今後は、リブースト以60

図５

予測値と軌道上実績値の比較（出力軸の変動量）

表２

予測値と軌道上実績値の比較（出力軸の変動量）
J1（deg）

J2（deg）

予測値のワースト

−1.95

−0.21

J3（deg）−0.4軌道上実績値−1.970.32−0.11

Y
近接箇所のクリアランス

XZ
国際宇宙ステーションの進行方向

図４

関節1が関節軸（Z軸）回りに、約−2deg滑った

軌道上での事象（イメージ）

図６

クリアランス確認の一例

MSS技報・Vol.21

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技 術 論 文

表３

二つ目の評価項目は、JEMRMS搭載S/Wが有する異常検知機能により、JEMRMSが緊急停止することがな

Att itudecontrol& OPSUSTOEVA OPS

Reboo stSSRMS OPSOperations

Stowed

OK

OK

OK

OK

OK

Maneuver to JLE
install viewing

OK

OK

OK

NOT
OK

At JLE installviewing

OK

OK

OK

OK

上荷重が掛かった場合、制御偏差が拡大して関節および先端の位置・速度のリミット値を超え、JEMRMSが緊急停止する可能性がある。緊急停止からの復旧には時間

ISS Att itudecontrol
MOM MGMTwith DESATS

いかである。位置保持・動作制御中のJEMRMSに軌道JEMRMS運用規定の一例

JEMRMS
Activitiesを要するため、JEMRMS運用の遂行上は緊急停止しないことが好ましい。
JEMRMSの運用と軌道上荷重の組合せで、許容できるか否かを決定した後は、表３に示すようなマトリクス形式の表に、 OK（JEMRMSの運用において、軌道上OK荷重を許容できる場合）、 NOT OK（JEMRMSの運用において、軌道上荷重を許容できない場合）、斜線（何らかの理由により、許容できるか否かを評価していない場合）のいずれかを埋めることで、運用規定を設定す

茂:第53回宇宙科学技術連合講演会講演集，2009，

る。

pp. 958-962.
⑶

4．むすび

して、軌道上荷重に対するロボットアームの挙動を予測する手法を考案し、軌道上でのロボットアーム運用規定を設定する手法を実現した。また、考案した手法を用いて、軌道上で発生した実挙動を再現し、その妥当性を確認した。
今後の有人宇宙システムにおいても、ロボットとの協調運用は必要不可欠であると考えられ、「きぼう」で獲得したロボットアーム運用技術は、我が国における貴重な技術の蓄積であったと考える。
最後に、JEMRMSの軌道上荷重検証に際して、多大なご指導を頂いた、宇宙航空研究開発機構ならびにNASA/Boeingの関係各位へ深く感謝する。
参考文献⑴

JAXAホームページ，http://www.jaxa.jp/

⑵

杉本

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隆，服部浩明，上野浩史，土井忍，今井茂:日本航空宇宙学会誌，Vol.58 No.679 2010.8，pp.

国際宇宙ステーションにおけるJEMRMSの運用を通隆，服部浩明，上野浩史，土井杉本忍，今井265-269.