計測自動制御学会東北支部 第 328 回研究集会 (2020.3.16)
資料番号 328-4

垂直降下型湖底泥サンプリング用小型水中ロボットの要素技術の開発〜水中モータを用いたスラスタモジュールの改良〜
Development of fundamental technologies of a vertical descenttype small underwater robot for mud samplingat the bottom of lakes〜Improvement of the thruster module using
an underwater motor〜○糸井 雄祐 ∗ ，情野 瑛 ∗ ，高橋 隆行 ∗○ Yusuke Itoi∗ , Akira Seino∗ , Takayuki Takahashi∗*福島大学*Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (underwater robot)，スラスタ (thruster)，水中モータ (underwater motor)
連絡先 : 〒 960-1296 福島県福島市金谷川 1 福島大学 共生システム理工学類 高橋研究室
糸井雄祐，Tel.: (024)548-5259，Fax.: (024)548-5259，E-mail: itoi@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

ter robot for lake environmental survey ver.2.1)

桧原湖や猪苗代湖など多くの湖沼が存在している福島県では環境調査が継続的に行われている．また，東京電力福島第一原子力発電所の事故が発生して以降，放射線量の調査として湖底泥の採取による調査が行われている．
湖底泥採取の手法として，水上から採泥器を投下する方法や，潜水士による採泥等の方法が一般的に用いられる．前者の方法では，精確な位置の取得が困難である．また後者の方法では，深い水深での採泥が困難である．そこで本研究室ではこれらの問題を解決するため，水中ロボット (T-TURTLE 2.1 : Thruster-type underwa-の開発を行ってきた 1) ．T-TURTLE 2.1 をFig. 1(a) に示す．T-TURTLE 2.1 は猪苗代湖での実験により，実際に採泥が可能であることが確認されている．しかしながら，重量が約 70[kg]であり，岸や水上からの投下および回収が困難であるという課題がある．そこで，この問題を解決するために，小型軽量化を目的とした T-TURTLE mini (Fig. 1(b)) の開発を行っている．
T-TURTLE mini では，採泥の際のロボットの位置の微調整や，採泥管を湖底に嵌入および抜去のための推進力（約 100[N]）を得るために，スラスタモジュールを利用する．潜水は水面から–1–(a) T-TURTLE 2.11)(b) T-TURTLE mini(image)Fig. 1: Underwater robot
Fig. 2: Thruster module of T-TURTLE2.11)

投下し，浮上は人力にてロープ等を用いて行う．

Kort nozzle Propeller

T-TURTLE 2.1 に搭載されているスラスタモ
ジュール (Fig. 2) は，垂直方向に推力を発生するものが 4 本，水平方向に推力を発生させるもBearing
Gearbox caseのが 2 本の計 6 本搭載されている．1 本あたりのGearShaft

重量は，4.38[kg] であるため，スラスタモジュー

Motor

ルだけで重量の約 3 分の 1 を占めていることにMagnet coupling

なる．
Fig. 3: Structure of thruster module2)

そこで棚木ら 2) は，上記の課題をギアを用いることによって，スラスタモジュールの推力をKort nozzle Propeller

増大し，採泥に必要なスラスタモジュールの本数を減らすことによって解決を試みた．開発したスラスタモジュールを Fig. 3 に示す．これによって，垂直方向のスラスタモジュールを 2 本Shaftに減らすことでき，重量が約 9[kg] 軽量化した．

Motor

しかし，Fig. 3 のスラスタモジュールは，マFig. 4: Structure of thruster module to propose

グネットカップリングやギアで構成されており，サイズと重量が大きいという課題がある．
そこで本研究では，モータを水中で駆動させ，マグネットカップリングやギアを不要とし，小型軽量となるスラスタモジュールの改良を目的とし，モータを水中で駆動させた場合の影響について確認を行う．

まで用いていた，マグネットカップリングやギヤが不要となり，大幅な軽量化が期待できる．
提案するスラスタモジュールに用いる水中モータを選定する．まず，棚木ら 2) が開発したスラスタモジュールで使用されていたモータ (Maxonmotor 製 EC60flat 4116783)：Fig. 5，Table 1) が水中で駆動できるか考える．このモータは駆動

2.

水中モータを用いたスラスタモさせるためにホールセンサが基板についており，ジュールの提案防水処理が施されていない．そのため，水中での駆動は不可能であると考える．そこで，水中で駆本研究では，スラスタモジュールの小型軽量化のために，モータを直接水中で駆動させる「水中モータ」を利用したスラスタモジュール（Fig. 4）を提案する．水中モータの利用によって，これ動できるモータ (iFlight 製 eX8108-105KV4) ) を選定した．選定したモータを Fig. 6 に，仕様をTable 2 に示す．

–2–

Force gauge

Fig. 5: Previous motor used for T-TURTLE 2.1(EC60flat)3)

eX8108-105KV
Propeller
Fig. 7: Experimental setup
Photore lector

Motor

Photore lector

Motor

Up

Shaft
Propeller
Down(a) without plate

Fig. 6: Selected motor (eX8108-105KV)4)

Up
Plate
Shaft
Propeller

Down(b) with plate

Table 1: Specifications of the EC60flat

ItemValue

Nominal voltage
No load current
Max. continuouscurrent
Motor size
Weight24[V]0.419[A]Fig. 8: The images of the motor and propeller
part
PeripheraldevicePower-supplyunit

5.47[A]
ϕ68[mm]×51.1[mm]
470[g]

Oscilloscope

No load current
Motor size
Weight3.

PeripheraldeviceOscilloscope

Rope
eX8108-105KV

Cement resistor(0.0554[Ω])Photo reflector

Arduino Uno
Shaft

Power-supply
unit

Propeller

Fig. 9: Block diagram of the experimental setup

Table 2: Specifications of the eX8108-105KV

ItemESC(FLAME 100A HV)

Experimental
deviceForce gauge

Value

モータの回転抵抗の測定方法として，2 つの方法

0.6[A]/22.2[V]
ϕ87[mm]×24.5[mm]230[g]があげられる．1 つ目は，モータに流れる電流からモータの回転抵抗を求める方法である．モー
タの回転抵抗は，モータに流れる電流とモータ水中でモータを駆動させた場合の影響のトルク定数により決まる．そのため，モータに流れる電流値が測定できればトルクを算出することができる．この方法は，モータに流れるプロペラとモータ間の距離が近い場合に，水電流を測定できるモータドライバが必要となる．

流がモータにあたることによって，推力とモー

本研究ではモータドライバ (Maxon motor 製

タの回転抵抗が変化する可能性がある．そのた

ESCON module 50/4) を使用し，予備実験行っめ実験を行い確認する．推力は，Fig. 7 に示すた．結果として，eX8108-105KV で回転数を上ように，デジタルフォースゲージ (イマダ社製げる際に，モータに流れる電流がモータドライZTS-500N) を用いて測定を行い，確認を行う．

バの最大電流を上回ってしまうために，回転数–3–を広範囲にしたときの測定が不可能であった．2

Table 3: Experimental conditions (without plate)

つ目は，モータとモータドライバの間に抵抗をNo

Distance[mm]

Propeller
direction

Motorrotation
direction

Waterflow
direction

電流値も増加をすることを確認した．そのため，

1
2
340, 60, 80
40, 60, 80
40, 60, 80

Front
Front
Back

CCW
CW
CWDownUpUp

この値でモータの回転抵抗の確認を行う．

Table 4: Experimental conditions (with plate)

入れ，抵抗間の電圧から算出する方法である．この方法で得られる電流値は，電源装置からモータドライバ間に流れる電流の大きさである．予備実験により，モータの回転抵抗が増加すれば，実験装置のモータ付近のイメージ図を Fig. 8に，実験装置全体のブロック図を Fig. 9 に示す．
推力は，Fig. 7 に示すように，シャフトを取り付けた eX8108-105KV にプロペラ (RABOESCH社製 147-37) を取り付け，デジタルフォースゲー

NoDistance[mm]

Propeller
direction

Motorrotation
direction

Waterflow
direction

4540, 60, 8040, 60, 80

Front
Back

CW
CW

UpUp

ジの真下になるように，吊り下げ，測定を行う．
さらに，モータドライバである ESC (FLAMEえることによるモータの電流値の変化はなかっ

100A HV) に接続した Arduino Uno を用いてた．以上のことから，プロペラとモータの距離

eX8108-105KV の回転数を上げていき，フォトによる推力，電流値の影響はないことが確認でリフレクタを用いて回転数を計測する．そして，きた．

フォースゲージにより回転数ごとの推力の測定

次に，Fig. 8(b) のようにモータとプロペラのを行う同時に ESC に接続したセメント抵抗間間に板を取り付け，モータに水流があたらないの電圧値をオシロスコープにより測定し，電流ようにし，モータに水流があたる実験条件であ値を算出する．

る Table 3 の No.2，No.3 の推力，電流値との比

まず，モータにあてる水流の方向と強さを変更するために，Table 3 に示す実験条件で実験を較を，上記の実験と同様に (Table 4) に示す条件で行った．試行回数は 3 回行った．

行う．Fig. 8(a) に示すプロペラとモータ間の距

No.2 と No.4 の推力，電流値を比較した結果

離 (赤く囲った箇所) を 40，60，80[mm]，プロを Fig. 12，Fig. 13 に示す．そして，No.3，No.5

ペラの取り付け方向 (正しい方向を表とする)，の推力，電流値の比較した実験結果を Fig. 14，モータの回転方向を変更し，水流がモータにあFig. 15 に示す．Fig. 12，Fig. 13 の No.2 と No.4

たる上方向（アップ）とあたらない下方向（ダの結果より，推力は水流をあたらないようにしてウン）とし水流の方向を変え，実験を行った．試変化はなかった．しかし，電流値は水流をあたら行は各条件でそれぞれ 3 回行った．

ないようにすることにより，回転数が 1200 [RP

推力，電流の測定結果を Fig. 10，Fig. 11 に示

M] のときと比較して約 2 割減少した．Fig. 14，す．Fig. 10 の No.1，No.2，No.3 の推力の値かFig. 15 の No.3 と No.5 の結果より，も同様でら，水流の向きによる水流の強さにより推力はあった．このことから，実際にモータを水中で変化するが，プロペラとモータの距離を変えて駆動させる場合はモータの回転抵抗の増加を防もプロペラの推力の変化はなかった．Fig. 11 のぐために，モータとプロペラの間に水流を遮断No.1，No.2，No.3 の電流値から，推力の結果とするものを設ける必要がある．

同様に水流の向きによる水流の強さにより電流値は変化するが，プロペラとモータの距離を変–4–

18.0

60.0

No.1 L40 Experimental
No.1 L60 Experimental
No.1 L80 Experimental
No.2 L40 Experimental
No.2 L60 Experimental
No.2 L80 Experimental
No.3 L40 Experimental
No.3 L60 Experimental
No.3 L80 Experimental
No.1 L40 Approximation
No.1 L60 Approximation
No.1 L80 Approximation
No.2 L40 Approximation
No.2 L60 Approximation
No.2 L80 Approximation
No.3 L40 Approximation
No.3 L60 Approximation
No.3 L80 Approximation

Thrust[N]40.0

30.0

20.0

14.0

12.0Current[A]50.0No.2 L40 Experimental
No.2 L60 Experimental
No.2 L80 Experimental
No.2 L40 Approximation
No.2 L60 Approximation
No.2 L80 Approximation
No.4 L40 Experimental
No.4 L60 Experimental
No.4 L80 Experimental
No.4 L40 Approximation
No.4 L60 Approximation
No.4 L80 Approximation

16.0

10.0

8.0

6.0

4.0
10.0
2.0

0.0

0.0
0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.00.0

1200.0

200.0

400.0

Fig. 10: Experimental results of thrust from No.1to No.3

800.01000.01200.0Fig. 13: No.2 and No.4 current comparison results

18.0

60.0

No.1 L40 Experimental
No.1 L60 Experimental
No.1 L80 Experimental
No.2 L40 Experimental
No.2 L60 Experimental
No.2 L80 Experimental
No.3 L40 Experimental
No.3 L60 Experimental
No.3 L80 Experimental
No.1 L40 Approximation
No.1 L60 Approximation
No.1 L80 Approximation
No.2 L40 Approximation
No.2 L60 Approximation
No.2 L80 Approximation
No.3 L40 Approximation
No.3 L60 Approximation
No.3 L80 Approximation

14.0

12.0

10.0

8.0

6.0

No.3 L40 Experimental
No.3 L60 Experimental
No.3 L80 Experimental
No.3 L40 Approximation
No.3 L60 Approximation
No.3 L80 Approximation
No.5 L40 Experimental
No.5 L60 Experimental
No.5 L80 Experimental
No.5 L40 Approximation
No.5 L60 Approximation
No.5 L80 Approximation

50.0

40.0

Thrust[N]16.0

Current[A]600.0Motor speed[RPM]

Motor speed[RPM]

30.0

20.0

4.0
10.0
2.0

0.0

0.0
0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.01200.0

0.0

200.0

400.0

Motor speed[RPM]

600.0

800.0

1000.01200.0Motor speed[RPM]

Fig. 11: Experimental results of current from
No.1 to No.3

Fig. 14: No.3 and No.5 thrust comparison results
18.0

60.0

Thrust[N]

40.0

30.0

14.0

12.0

Current[A]50.0No.3 L40 Experimental
No.3 L60 Experimental
No.3 L80 Experimental
No.3 L40 Approximation
No.3 L60 Approximation
No.3 L80 Approximation
No.5 L40 Experimental
No.5 L60 Experimental
No.5 L80 Experimental
No.5 L40 Approximation
No.5 L60 Approximation
No.5 L80 Approximation

16.0

No.2 L40 Experimental
No.2 L60 Experimental
No.2 L80 Experimental
No.2 L40 Approximation
No.2 L60 Approximation
No.2 L80 Approximation
No.4 L40 Experimental
No.4 L60 Experimental
No.4 L80 Experimental
No.4 L40 Approximation
No.4 L60 Approximation
No.4 L80 Approximation

10.0

8.0

6.0
20.0

4.0

2.0
10.0
0.0
0.0

200.0

400.0

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0800.01000.01200.01200.0Motor speed[RPM]

Fig. 12: No.2 and No.4 thrust comparison results

4.

600.0

Motor speed[RPM]

0.0

結言

Fig. 15: No.3 and No.5 current comparison resultsとがが確認できた．

本論文では T-TURTLE mini のためのモータを水中で駆動させるスラスタモジュールの提案を行った．実験により，モータに水流があたる

今後は，スラスタモジュールを設計する上で必要なバッテリの容量を求める実験を行う．また，スラスタモジュールの設計を行う．

場合での影響の確認をし，推力は変化しないことが確認でき，モータの回転抵抗は増加するこ–5–

謝辞
本研究の一部は，令和元年度福島県産学連携
ロボット研究開発支援事業補助金の支援を受けて行われました．関係各位に感謝いたします．

参考文献
1) 平尾瑞穂, 菅野怜, 棚木瑞輝, カニエテ ルイス,
高橋隆行: 湖沼調査用グライダー型小型水中ロボットの開発 ―超音波ガイドを利用した小型位置推定システムの提案―, 計測自動制御学会
東北支部第 312 会研究集会, 資料番号 312-15(2017)
2) 棚木瑞輝, Luis CANETE, 高橋隆行: 湖沼調査用モジュール構造型小型水中ロボットの開発−
スラスタ用減速機の設計及び三号機の構想− ,ROBOMECH2016, 1P1-16b3 (2016)3) Maxon motor，EC 60 flat ϕ60 mm brushless
100 Watt，https://www.maxongroup.co.jp/
medias/sys_master/root/8833813381150/
19-EN-267.pdf，（最終アクセス日：2019.3.13）
4) iFlight，eX8108 105KV Brushless Motor，
https://www.iflight-rc.com/index.php?
route=product/product&product_id=959&
search=eX8108，（最終アクセス日：2019.3.13）–6–