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論題(和文)LIBRA-I : 小径孔を通過可能な内部調査用軽量長尺多関節アーム

Title(English)

LIBRA-I : A Lightweight Balanced Robot Arm for an Internal
Investigation through a Narrow Hole

著者(和文)

後藤 優斗, 遠藤 玄, 汪 振宇, 高橋 秀治, 木倉 宏成

Authors(English)

Yuto Goto, Gen Endo, Zhenyu Wang, Hideharu Takahashi, Hiroshige
Kikura

出典(和文)

日本ロボット学会誌, Vol. 42, No. 2, pp. 168-176

Citation(English)

Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 42, No. 2, pp. 168-176

発行日 / Pub. date

2024, 3Note

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日本ロボット学会誌 Vol. xx No. xx, pp.1〜9, 201x

1

学術・技術論文

LIBRA-I：
小径孔を通過可能な内部調査用軽量長尺多関節アーム後 藤優 斗∗ 遠 藤
高 橋 秀 治∗玄∗ 汪振∗木 倉 宏 成宇∗

LIBRA-I :A Lightweight Balanced Robot Arm for an Internal Investigation through a Narrow HoleYuto Goto∗ , Gen Endo∗ , Zhenyu Wang∗ , Hideharu Takahashi∗ and Hiroshige Kikura∗
There is a need for technology to investigate the large space beyond a narrow hole. An example is the exploration of
the Main Stream Isolation Valve (MSIV) room at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant. The authors designed
and fabricated a prototype long articulated arm, LIBRA-I, for this exploration. The design requirements were thatthe robot should be able to pass vertically through a naarrow access hole, transport a measurement device horizontally at right angles to the hole axis, be simple, lightweight, compact, and have low power consumption. To meetthese requirements, a robot conﬁguration combining a horizontally extending arm and a 2-degree-of-freedom(DoF)
joint, and a variable mass 2-DoF counterweight were adopted. As a result, LIBRA-I has a horizontal reach of 4[m],a passable hole diameter of 300[mm], a mass of 11[kg] for the arm, and 5-DoF. As a motion experiment, LIBRA-I
successfully performed a horizontal extension motion from a vertically suspended condition. 3D models of the environment was successfully created by capturing video using a camera on the tip of LIBRA-I. We also measured thepower consumption in static and conﬁrmed that it was extremely low, ranging from 15.8[W] to 23.5[W].
Key Words: Long reach articulated manipulator, Reactor decommissioning technology, Counterweight, Link mechanism, Diﬀerential mechanism

Air-conditioning Machine Room

1. は じ め に
1. 1 背景
廃止作業中の原子力発電所などで，小径孔を通過した先に広がMSIV Room

る大空間内を調査する技術が求められている．その具体的な事
例として，福島第一原子力発電所の主蒸気隔離弁（Main Stream

Isolation Valve，MSIV）室の探査が挙げられる．東京電力はMSIV 室の扉付近から水の流れが確認されたことを受けて，その調査を行っている．MSIV 室内は放射線濃度が高く，また未知の危険があることから，人が立ち入ることができない．MSIV

Grating
Main Stream Pipe

室の上には人が立ち入ることができる部屋があり，そこから内径 300[mm] 程度の孔をあけることが可能な見込みである．東京電力は，これまでに MSIV 室上の部屋の床面に開けた孔から

Pan-tilt Camera

Fig. 1 Sectional view of MSIV room and investigation by Tokyo
Electric Power Company

パンチルトカメラを吊り下げることで，鉛直下方の周囲環境を撮影したが，詳細な調査には至っていない（Fig.1）．そのため，

1. 2 従来技術

カメラなどの計測機器を，障害物を回避しながら水平方向に広小径孔や狭隘地を通過し調査や作業を行う技術は，これまで範囲に移動させ，詳細な調査を行うことのできるロボットが求にも開発されてきた．東芝エネルギーシステムズ株式会社は，められている．また将来的にはロボットを用いて MSIV 室内で

福島第一原発２号機 PCV 内部調査装置として，直径 120[mm]の長期間の定点観測や手先での止水作業を行うことも期待されの穴から水平に 13[m] のガイドパイプを通しさらに 5[m] 進展ている．

する内部調査装置を開発した [1]．NASA のジョンソン宇宙セ
ンターは，宇宙空間での狭い場所の作業装置として，「Tendrill」

原稿受付∗
東京工業大学∗Tokyo Institute of Technology■ 本論文は××性（××××分野）で評価されました．

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号と呼ばれる直径 1[cm] の細長いマニピュレータを開発した [2]．
これらはいずれも，基本的にはアクセス口の軸線方向にしか計
測機器を進められず，先端の一部のみ向きを変えられるような—1—

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2

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ものである．そのため，アクセス口となる鉛直方向の孔と直角に，水平方向に広範囲に計測機器を移動させることが求められている MSIV 室の調査に適用することは困難である．
東北大学は災害現場などでがれきの隙間を縫って進める直径

70 [mm]，長さ 10[m] の能動スコープカメラを開発した [3]．清水建設・ハイボット・東京工業大学は，がれきの隙間から進入して内部を調査するヘビ型ロボット「ACM-R4.3」を開発し，東京電力福島第一原子力発電所の屋上の調査に投入した [4]．これらのロボットは環境と接触することによって移動するため，望み通りの進行方向に進めるとは限らず，スタックし移動不能となる可能性がある．確実な調査を遂行するためには，状況が不Fig. 2 Prototyped long articulated arm "LIBRA-I"

明な環境との接触に頼らず，空中に吊り下げられた形態で，計測機器を所望の場所まで搬送する技術が望ましい．

器を孔から懸架し，空中で移動させる．

CEA LIST は全長 8.2[m]，直径 160[mm]，5 節からなる，アー
ム部質量 150[kg] の多関節マニピュレータを開発した [5]．各節
は ±45[deg] の可動域を持つピッチ軸と ±90[deg] の可動域を持
つヨー軸からなる 2 自由度関節を有しており，全 10 自由度の• 障害物を回避できるだけの十分な自由度を持ちつつ，多数のプーリなど複雑な機構を有さない．

• 現場への搬入や設置が容易な構造であり，十分に軽量である．
• 将来的に長期間の定点観測に対応するため，搬送する機器構成である．このロボットであれば，アクセス口の孔の軸線方の静止時には消費電力を可能な限り小さく抑える．

向から大きく角度を変えて先端部を搬送でき，環境との接触に

本論文では，上記を満たすロボットの実現可能性を検証する

よって移動することもない．ただし，アクチュエータの小トル
ク化・小型化のためにピッチ関節に導入されている，四節リンために，水平搬送距離 4.0[m]，アーム部質量 11[kg]，5 自由度

ク機構とバネによる自重補償機構により，各関節の可動域は制の軽量バランス型ロボットアーム「LIBRA-I」（Fig.2）を提案

限されている．また長尺のアームを支えるための大きな基台がするとともに，これを設計試作し，基本的動作を実現すること必要となっており，搬入は容易ではない．

を目指す．

JET-EFDA は，国際熱核融合炉を維持メンテナンスするために，全長 8[m] の水平多関節アーム「Octant1」を開発した [6]．
このアームの全質量は 7000[kg] 程度と見積られ，非常に大きい．
IRID は，福島第一原子力発電所２号機原子炉格納容器の内部
詳細調査のために，水平多関節アームの開発を行っている [7]．
このロボットアームの質量も 4600[kg] と非常に大きい．可搬性

2. LIBRA-I の提案
2. 1 目標仕様と目標タスク
試作機である LIBRA-I の目標仕様は，以下のように設定した．なお，目標タスクは計測機器を所望の場所に搬送することである．

でに多くの期間を要する．もし軽量で可搬性に優れる長尺アー• 水平搬送距離：4.0[m]• 通過可能孔径：300[mm]• ペイロード：500[g] 程度ムが開発できれば，準備期間の短い迅速な調査が可能となる．

2. 2 基本コンセプトの低い重厚長大なアームでは，搬入経路を確保することや，施設の耐荷重などを考慮する必要があり，その結果，調査実施まアーム部の質量が 50[kg] と軽量であり，十分な自由度と可動域

これまでに述べた設計要件と目標仕様を達成するため，LIBRAI の基本コンセプトを，以下のように設定した．
• 静止時の消費電力を抑え，将来的に手先作業を可能にするを持つ．しかし，多くの受動プーリを用いてワイヤが接触しなため，マルチコプター等ではなく，長尺多関節アームを基

筆者らの研究グループでは，ワイヤ干渉駆動型多関節ロボッ
トアーム「Super Dragon」を開発した [8]．Super Dragon は本形状とする．

いように経路を独立させなくてはならず，結果として機構が非決するために，同研究グループでは，摩擦係数が少ない化学繊• アームの能動関節にはアクチュエータを直接取り付ける．
• 能動関節の駆動トルクを低く抑えることで，アクチュエー

維ロープを用いて，あえてロープを束ねることで機構の簡素化

タについて軽量かつコンパクトなものを選定することを可を狙った，バンドルドワイヤドライブによるロボットアームを能とし，これによって全体を軽量かつコンパクトにする．

常に複雑になってしまうことが大きな課題であった．これを解

なお，能動関節の駆動トルクを低く抑えることについては，次開発した [9]．しかし，筆者らによる実験により，摩擦によるワ
イヤの張力低下やそれによる制御性の悪化などに課題があるこのような方針によって実現することにした．

• 水平搬送は，重力が関節駆動トルクに影響しにくい機構（後とが明らかになった．また基部にアクチュエータを配置しワイ述する「水平展開アーム」）によって行う．

ヤを用いて駆動するロボットアームは，基部とアームの分割や，• 質量可変カウンタウェイトを用いて，水平方向に搬送する

アーム自体の分割が困難であり，これが搬入の妨げになること

際の姿勢保持のための関節駆動トルクを補償する．

も課題であった．

2. 3 アクセス手順

1. 3 設計要件以上を考慮し，筆者らは MSIV 室の調査を目的としたロボットを開発するために，次のような設計要件を設定した．

• 小径孔を鉛直に通過できる．
• 孔の軸線方向と直角に，水平に計測機器を搬送できる．
• スタックを回避するため，環境との接触は行わず，計測機

JRSJ Vol. xx No. xx

上記の基本コンセプトに基づいて筆者らが考案した，MSIV
室へのロボットによるアクセス手順について，Fig.3 を用いて説明する．それにあたって，まずロボットの大まかな構成について説明しておく．ロボットはおもに「アーム（Arm）」「吊り
下げパイプ（Suspending Pipe）」「パイプ駆動ユニット（Pipe—2—

xx, 201x

LIBRA-I：小径孔を通過可能な内部調査用軽量長尺多関節アーム
Suspending Pipe

3

Arm
Variable MassCounterweight

Pipe Drive Unit

Joint A
Joints B

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Fig. 3 Proposed procedure for accessing a large space through a narrow hole using along articulated arm robot

Drive Unit）」の 3 つから構成される．アームは剛体リンクを複数の回転関節（Joint A および Joints B）で接続したシリアル

Variable Mass
2-DoF Counterweight System

Water Supply
and Discharge Equipments

Suspending Pipe

リンク系で構成される．先端にはカメラなどの計測機器が搭載されており，他端には質量可変カウンタウェイトが接続されている．カウンタウェイト側の直近の関節（Joint A）には吊り下げパイプが接続される．吊り下げパイプはアクセス口の上部にZ

Measurement Device

あるパイプ駆動ユニットによって上下・回転方向に駆動される．
アクセス手順を説明する．まずロボットは吊り下げパイプ，

J5

2-DoF
Joint

アクセス口へ通される．このときアームを構成する Joint A とく（Fig.3（6））．このアクセス手順によりロボットは狭いアクセス口を降下したのちに，大空間内を探査することができる．

J3
J1 J2

パイプ駆動ユニットが設置される（Fig.3（1））．次に，アームがイトの質量を調整しバランスを保ちながらアームを展開していJ4

YBalancingV-shaped
Arm

Horizontally Extending Arm

アーム，パイプ駆動ユニットの 3 つに分けて搬入され，最初にJoints B は直線状とする（Fig.3（2））．その後，吊り下げパイ
プを連結しながら，全体を降下させていく．また Joints B を動作させアームを折りたたんだ状態にする（Fig.3（3））．大空間
内への降下が完了したら Joint A を動作させ，アームを水平状態にする．このとき質量可変カウンタウェイトを用いて Joint
A のトルクを補償する（Fig.3（4）（5））．そしてカウンタウェ

X

Water Bags

Fig. 4 Conﬁgration of LIBRA-I and part names

は能動関節である．J1（Roll）には ±10[deg]，J2（Pitch）には −10[deg] から 90[deg] の可動域が存在する．バランス用 V
字アームに取り付けられている水袋がカウンタウェイトとなり，中の水を出し入れすることにより質量可変とする．
以降は上記の構成に至った理由について，各部に着目して説明していく．

2. 5 水平展開アーム

本論文では上記アクセス手順におけるアームの動作のみを扱
う．すなわちパイプ駆動ユニットおよび吊り下げパイプの連結

水平展開アームは J3・J4・J5 の 3 つの能動関節と，約 1[m]機能を除いた Fig.3（3）から（6）までの動作を実証できるもののリンクを 4 つ備えた，3 自由度のアームである．対象とするを設計試作する．

調査活動では，ロボットは水平方向に広く動き回ることになる．
ヨー関節を複数備えた水平展開アームは，このような状況で関

2. 4 詳細な構成

節駆動トルクを小さくできるため，J3 と J4 の関節はヨー関節

LIBRA-I の構成を Fig.4 に，3D モデルを Fig.5 に示し，提としている．J5 はヨー関節とピッチ関節の 2 つのパターンが考案する機構を説明する．以降，Fig.4 に示す座標系における X

えられる．ヨー関節とすれば関節駆動トルクを小さくできるが，軸と平行な軸周りの回転をロールと呼び，同様に Y 軸とピッチ，

ピッチ関節としても先端の関節であるため，駆動トルクがあまZ 軸とヨーを対応させて呼称する．
LIBRA-I は「 水 平 展 開 ア ー ム（Horizontally ExtendingArm）」「2 自由度関節（2-Degree of Freedom（DoF）Joint）」「バ
ランス用 V 字アーム（Balancing V-shaped Arm）」
「吊り下げ
パイプ（Suspending Pipe）」「質量可変 2 自由度カウンタウェイ
トシステム（Variable Mass 2-DoF Counterweight System）」から構成される．ここで，2 自由度関節は Fig.3 の Joint A に，
水平展開アームを構成する関節は Joints B に対応し，水平展開
アームの先端に計測機器が取り付けられる．J1 から J5 の関節

り大きくならず，入り組んだ場所の探査が可能となるメリット

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

もある．LIBRA-I では J5 はピッチ関節とした．

2. 6 2 自由度関節2 自由度関節は J1（Roll）と J2（Pitch）の自由度を持つ能動関節であり，水平展開アーム，バランス用 V 字アーム，吊り下げパイプを接続している．水平展開アームとバランス用 V 字
アームのロールとピッチの姿勢が一致するような関節である．

2 自由度関節の必要性と効果については，2 点が挙げられる．
第一に，J2 の 0[deg] から 90[deg] の可動域は，Fig.3（3）から—3—

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Balancing V-shaped Arm
0.9 m
Water Bags
Horizontally Extending Arm
4.0 m

J1(Roll)

1.9 m

10 deg-10 deg

Measurement Device

J3
J2(Pitch)

J4+90 deg

J5

Water Bags

Fig. 5 3D model of LIBRA-I and dimensions of each part（5）に対応する水平展開アームの持ち上げのために必要である．
第二に，J1 と J2 の ±10[deg] の可動域については，水平展開
アームの J3 と J4 の関節駆動トルクを低く抑える効果がある．
後者について詳細に説明する．もし水平展開アームが完全に水平であれば，J3 と J4 は重力の影響を受けず，アームが加減
Heavy Weight

速を行うための動力学的なトルクを出力すればよい．しかし，軽量化のため各部の剛性が低くなっている場合，リンク部材やLight Weight

連結する関節機構のたわみなどの影響で完全には水平にならず，その結果，関節は重力の影響を受けることになり大きな駆動トJ1(Roll)

ルクが必要となると考えられる．これを考慮すると，水平展開
アームには大きなトルクを出力するアクチュエータを搭載しなFig. 6 How the variable mass 2-DoF counterweight works at J1

ければならなくなり，ロボットを軽量かつコンパクトにすることが困難となる．そこで，J1 と J2 に自由度と可動域を設け，水平展開アームの姿勢の調整を可能とし，傾きを補正することA7075 Part

で，J3 と J4 の関節駆動トルクを低く抑えることにしている．
また，カメラなどの計測機器を搬送する際に，水平展開アー

CFRP Pipeムのたわみやねじれによって，計測機器が所望の場所からずれ
A7075 Partて搬送されてしまうことが考えられる．2 自由度関節が存在することで，そのずれを解消することが容易となり，所望の場所

CFRP Pipeに近づけやすくなるという副次的な効果も期待される．

Smart Actuator (X8-16)

Fig. 7 Detail view of J3

2. 7 質量可変 2 自由度カウンタウェイト
この節では質量可変 2 自由度カウンタウェイトについて，そできると期待される．カウンタウェイトを 2 自由度とすることの効果に着目して説明する．

で，水平展開アームが左右の片側に展開した場合にもこの効果

まず，2. 3 で述べたように，カウンタウェイトがあることで2 自由度関節の駆動トルクを補償できる．その結果，2 自由度を発揮させることができる．

3. 機 構 設 計

関節やその周辺が簡素かつ軽量な設計となる効果が期待される．

本章では，LIBRA-I の機構設計について詳細に説明する．

ここで，水平展開アームの重心が X 軸方向にまっすぐ移動する
場合には， J1（Roll）にはトルクは発生せず，J2（Pitch）のみ

3. 1 水平展開アーム

補償すればよいので，カウンタウェイトは 1 自由度でよい．し

水平展開アームの J3 周辺の詳細を Fig.7 に示す．能動関節

かし，水平展開アームが左右の片方に展開した場合には，J1 もには，スマートアクチュエータ（回転角センサ，トルクセンサ，

トルクを発生するため，補償が必要である．この際，V 字に配減速機，電動モータ，モータドライバ，コンピュータなどが一置された 2 つのカウンタウェイトの質量に差をつけることで，いう効果もある．もし吊り下げパイプの下端に大きな曲げモー体となった製品）の HEBI Robotics 社製 X-Series Actuators
X8-16 を採用した．4 つの約 1[m] のリンクは，直径 60[mm]，
肉厚 1[mm] の，炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）製の薄肉パイプとした．スマートア
クチュエータと CFRP パイプは強度の高い A7075 製の部品にメントが負荷されると，吊り下げパイプが大きく歪み，アクセ

よって接続されている．

J1 の補償が可能となる（Fig.6）．
また，この 2 自由度のカウンタウェイトがあることで，吊り下げパイプの下端に負荷される曲げモーメントが低減されるとス口と吊り下げパイプの間に大きな摩擦が生じる可能性がある．
カウンタウェイトの搭載によって，これらの歪みや摩擦を低減

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3. 2 2 自由度関節2 自由度関節の内部の詳細図を Fig.8 に示す．水平展開アー

xx, 201x

LIBRA-I：小径孔を通過可能な内部調査用軽量長尺多関節アーム

5

Smart Actuators(X8-16)
J1(Roll)J2(Pitch)

Miter Gears

Fig. 8 Detail view of 2-DoF Joint

Passive Rotary Joint
Passive Rotary Joint
CFRP Pipe

Steel RodBall Joint
Steel RodBall Joint

CFRP Pipe

Ball Joint

Ball Joint

Fig. 9 Mechanism conﬁguration of Balancing V-shaped Arm that opens and closes passively by link mechanism

ムとバランス用 V 字アームは同じ 1 本の軸に固定することで，Water Supply

2 つのアームのロールとピッチの姿勢が一致するような機構とした．構造の大部分の材質は A2017 である．水平展開アームと同様の Hebi Robotics 社製スマートアクチュエータが 2 個搭載
されており，3 個のマイタギアによる差動歯車装置を用いた機

Sewerage

Solenoid valve

Self-Priming
Pump

Different
Diameter
CouplerInterlocking
Solenoid valve
Pump
Different
Diameter
Coupler

構となっている．

3. 3 バランス用 V 字アーム
バランス用 V 字アームは，カウンタウェイトとなる水袋を取Water Bags

り付けるための，主に CFRP パイプでできたアームである．ア
クセス口を鉛直に通るとき（Fig.3（2）（3））には直線状の格納姿勢となっているが，アームが水平となるときには受動的に V

Fig. 10 Conﬁgration for 1-DoF of the counterweight systemthat adjusts the volume of water in water bags

字展開する機構を備えている．V 字の根元に配置された受動回

3. 5 質量可変 2 自由度カウンタウェイトシステム

転関節と，両端にボールジョイントのついた鋼材のロッドにより，この動作を実現している．水袋は複数あるが，それらをずらして配置することで，直線状の格納姿勢でもコンパクトにまとまるようにしている（Fig.9）．

質量可変 2 自由度カウンタウェイトシステムは，質量可変カ
ウンタウェイトとなる水袋と，その給水・排水を行う装置群で構成されるシステムである．Fig.10 にこのシステムの 1 自由度分の詳細図を示す．水袋には，1 袋あたり容量 3[L] の密閉さ

3. 4 吊り下げパイプ

れたプラスチック製の袋を，1 自由度あたり 3 袋から 5 袋程度，吊り下げパイプは，下部の機構を吊り下げているパイプであ

合計 6 袋から 10 袋程度使用する（後述する動作実験では合計

り，主に下部の機構の重量による引張力が負荷される．材質は6 袋使用）．質量を増やすときは電磁弁を開き，上水道から水袋

CFRP を主としている．

に水を供給する．質量を減らすときは，自吸式ポンプで吸出し，

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A
Rotation Axis of J2(Pitch)
Water Bags (Soft Plastic Bags)
Balancing V-shaped Arm

1.4 m

Smart Actuator (X8-16)

Miter Gear

B

B
Miter Gear

4.0 m

Suspending Pipe

Smart Actuator (X8-16)

Access Hole (300 mm Diameter)

Top View / A-A

Sectional view / B-B

Fig. 11 Top and sectional view of LIBRA-I in hole passing condition

Fig. 12 LIBRA-I at maximum horizontal extension

下水道に排出する．上水道から水を水袋に入れるとき，水がポ

Table 1 Speciﬁcation of LIBRA-I

ンプを通って下水道に流れてしまうことがないよう，ポンプとHorizontal Reach
4.0[m]
Passable Hole Diameter
300[mm]Mass of Arm
11[kg]
Payload450[g]
Degree of Freedom
5
Range of motion of J1±10[deg]
Range of motion of J2−10 ∼ 90[deg]Range of motion of J3, J4, and J5±170[deg]
Power Voltage of a Smart Actuator
DC 24[V]Rated Continuous Current of a Smart
0.8[A]
Actuator
Gear Ratio of a Smart Actuator
1462:1

連動する電磁弁が存在する．この連動電磁弁は，ポンプ本体が動いているとき開いており，動かないときは閉じるように，電気的に連動している．電磁弁やポンプはアクセス口の上部に設置
し，長いチューブをロボットの内部に通して，水袋に接続する．
水袋の下部の一部に硬い部材があり，そこにチューブを取り付けることで，水袋の給排水口を常に確保している．水の量の調
整は 2 自由度関節の出力トルクをもとにバンバン制御で行っている．

3. 6 小径孔を通過可能とする配置
LIBRA-I は，目標仕様の 1 つである通過可能孔径 300[mm]を達成できるように機構が配置されている．Fig.11 に示すよ
うに，Fig.3（2）の直線状の格納姿勢において，直径 300[mm]の円の中に全ての機構を収めることができている．

JRSJ Vol. xx No. xx—6—

4. 動 作 実 験
4. 1 外観・仕様
試作した LIBRA-I の外観を Fig.12 と Fig.13 に，諸元をxx, 201x

LIBRA-I：小径孔を通過可能な内部調査用軽量長尺多関節アーム

J3

2-DoF Joint
and Water Tube

7

2-DoF Joint and Balancing V-shaped Arm

Water Bags

Fig. 13 Photographs of various parts of LIBRA-I

00:00

01:43

05:04

00:25

02:33

05:40

00:47

03:19

08:13

01:15

04:12

12:23
*The numbers represent the time (mm:ss).

Fig. 14 Actual image of the experiment

Table 1 に示す．水平搬送距離 4.0[m]，全 5 自由度の冗長自由度を持ちながら，アーム部（水平展開アーム・2 自由度関節・V字展開アーム）の設計質量はわずか 11[kg] と著しく軽量に構成できていることがわかる．Fig.12 に示すように，実験時の視認性を上げるため，リンク側面には赤色の LED テープを貼り付

4. 2 アーム動作
試作した LIBRA-I を用いて東京工業大学のモックアップ実験施設で動作実験を行った．運搬は主に台車を用いて人力で行い，実験施設の上部に運ぶ際のみクレーンを用いた．吊り下げけている．また，質量可変カウンタウェイトである水袋についパイプは実験施設の上部に固定して，アーム機構の動作を確認しては，給水時に緑，排水時に青の LED が点灯するようにしてた．実験の様子を Fig.14 に示す．実験ではアームが鉛直についる．

り下がった状態（00:00）から，全関節の角度が 0[deg] となる水平に展開した状態（08:13）に遷移させることに成功した．またFig.6 のような J3 が 60[deg]，それ以外の関節が 0[deg] となる，

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Table 2 Target joint possition and power consumption in staticTime
Target Position[deg]Power(mm:ss) J1 J2 J3
J4
J5
consumption[W]
00:00
0 90
0
0 −16515.8
01:43
0 90 165 −165 −165
23.5
03:19
0
0 165 −165 −165
17.2
05:40
0
0
0
0
−90
16.0
08:13
0
0
0
0
0
17.0
12:23
0
0
60
0
0
17.0

View Synthesis（NVS）[12] であり，ソフトウェア instant-ngpを用いて行った．両者とも 3D データの再構成に成功していることがわかる．NVS は MVS に比して極めて計算速度が速く，Fig. 15 Video captured by the camera attached to LIBRA-I

またより詳細に再構成できたが，一方で霧のようなノイズも見られる．両手法の詳細な比較については別報を参照されたい [13]．

4. 4 消費電力の測定ロボットが静止している時の消費電力の測定も行った．測定はスマートアクチュエータ 5 台と先端のカメラを駆動する模型用サーボモーター 3 台に接続されている電源線の電圧と電流を計測することにより行った．電圧計測はアナログ電圧入力がFig. 16 3D model reconstructed by MVS(COLMAP_ROB)

可能なデータロガーを用いて，電流計測は電流プローブおよび
電流プローブ増幅器をデータロガーに接続して行った．結果をTable 2 に示す．測定した姿勢の中で，最小値は 15.8[W]，最大値は 23.5[W] であり，極めて低い消費電力に抑えられていることがわかる．01:43 の姿勢では，重力に抗ってアームの姿勢を保持するために，特に J3 の関節駆動トルクが大きくなった
ため，消費電力が大きくなった．0:00 の直線状の姿勢では，先端の J5 のみが重力に抗ってトルクを発生しているため，消費電力が小さくなった．08:13 の水平展開の姿勢では，カウンタ
ウェイトの効果により 0:00 と大きく変わらない消費電力となっている．ただし，カウンタウェイトでバランスしきれなかった

Fig. 17 3D model reconstructed by NVS(instant-ngp)

トルクを受け持つために 2 自由度関節の駆動トルクがわずかに横方向に伸びた姿勢なども可能であることを確認した（12:23）．
また，Fig.14 には掲載していないが，水平展開状態で J1 と J2発生し，J5 についても重力に抗うトルクが増加した影響で，消費電力は 0:00 より大きくなった．

を −10[deg] から 10[deg] の範囲において自由に動かせることも5. お わ り に確認した．展開した状態から再びアームを折りたたんで鉛直に

5. 1 本論文で達成した事項

吊り下がった状態に戻す，Fig.14 の逆の動作も成功した．01:43

本論文では福島第一原発の MSIV 室の探査を目標として設計の姿勢から水平に展開して再びその姿勢に戻るまでの所要時間

試作した長尺多関節アーム LIBRA-I の開発について議論した．

は約 17 分間であった．

4. 3 先端のカメラによる撮影と 3D モデルの生成

水平展開アームと 2 自由度関節を組み合わせたロボット構成と，動作実験の際，計測機器として模型用サーボモーターにより質量可変カウンタウェイトの採用によって，小径孔を鉛直に通撮影方向を能動的に変化できるようにした Web カメラを先端過でき，孔の軸線方向と直角に計測機器を搬送できる，軽量でに取り付けて撮影を行った．この計測機器の質量は約 450[g] で細径なロボットアームが設計できることを示した．実際に試作あり，LIBRA-I の設計上のペイロードと同程度である．撮影しし動作実験を行うことで，提案したアームの機構が実現可能でた動画（Fig.15）から 3D モデルを生成することにも成功した．

あることを示した．本論文で達成した事項を以下にまとめる．

生成したモデルを Fig.16 と Fig.17 に示す．生成方法は以下• 水平搬送距離 4[m]，通過可能孔径 300[mm]，アーム部の設
計質量 11[kg]，全 5 自由度となるロボットアームを設計試の通りである．

作した．

1. 動画から 223 枚の画像（解像度 1280 × 720 px）をランダ• 鉛直方向に吊り下がった状態から水平展開する動作を行わムに抽出した．

せることができた．

2. Structure from Motion（SfM）[10] によりスパース再構成を行い，カメラ軌跡の推定とスパースモデルの作成を行った．

• 目標タスクである計測機器の搬送を達成し，カメラによる撮

3. さらに密なモデルにするための再構成を行った．
2. については，3 次元モデリングソフトウェア COLMAP を用いた．3. では 2 通りの手法を用いた．1 つ目は Multi-View
Stereo（MVS）[11] であり，COLMAP_ROB というソフトウェアを用いて行った．2 つ目は深層学習を用いた構成手法の Novel

影により周囲環境の 3D モデルを作成することに成功した．
• 静止時の消費電力が十分に低いことを確かめた．

JRSJ Vol. xx No. xx

5. 2 今後の課題
今後の課題は以下の通りである．

1. 耐放射線性能の確保—8—xx, 201x

LIBRA-I：小径孔を通過可能な内部調査用軽量長尺多関節アーム

2. 直径 300[mm] の小径孔を通過可能であることを実証する実9[ 9 ] 若林陽輝, 難波江裕之, 鈴森康一, 遠藤玄: “バンドルドワイヤドライ
ブを用いた長尺軽量ロボットアームの開発 第 2 報: 関節軸構成を変更可能なワイヤ駆動機構”, ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集, vol.2020, p.1P2-K06, 2020.
[10] J. L. Schönberger and J. M. Frahm: “Structure-from-Motion
Revisited”, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern
Recognition, pp.4104–4113, 2016.
[11] J. L. Schönberger, E. Zheng, J. Frahm and M. Pollefeys: “Pixelwise View Selection for Unstructured Multi-View Stereo”, European Conference on Computer Vision, 2016.
[12] T. Müller, A. Evans, C. Schied and A. Keller: “Instant Neural
Graphics Primitives with a Multiresolution Hash Encoding”,
arXiv preprint arXiv:2201.05989, 2022.
[13] Z. Wang, G. Endo, H. Takahashi and H. Kikura: “Robustness Comparison of Vision-Based Investigation Methods with a
Wire Drive Flexible Manipulator”, ROBOMECH Journal (Submitted).

験の実施

3. ペイロードの向上
4. 水平展開アームのリンク部材のたわみの変動に応じて 2 自由度関節の目標角度を決定する制御の実装とその実証実験

5. パイプ駆動ユニットと吊り下げパイプの連結機能の詳細検討
1. については，実際の調査に向けて，特にスマートアクチュ
エーターの耐放射線性能を検討し，必要であれば対策を施す．

2. についても本論文では実証実験を行っていないため，アクセ
ス口を模したパイプなどを使った動作実験を行うことで，問題なく動作が可能か確かめる必要がある．現状では特に 2 自由度
関節周りのチューブや水袋が孔の通過時に引っ掛かる可能性がある．もしこれが起こる場合，チューブ配置の改善や孔通過時に水袋が広がらないようにする機構の追加などの対策が必要となる．3. については，LIBRA-I の設計上の仕様 450[g] は，今後藤優斗（Yuto Goto）

後さらに重い計測機器を使用する場合や，手先作業を行おうと度関節の目標角度に 0[deg] の一定値を与えて位置制御を行って2023 年東京工業大学工学院機械系学士課程修了．
2023 年（株）セガ入社．2023 年日本ロボット学会
第 13 回ロボティクスシンポジア研究奨励賞を受賞．
ロボットおよびメカトロニクス機器の機構と制御に興味を持つ．LIBRA-I の機構設計と制御設計を担
当．学士（工学）． （日本ロボット学会学生会員）

いた．今後はリンク部材のたわみの変動に応じてロールとピッ遠藤玄（Gen Endo）

する場合には不足する可能性があることから，水平展開アームの関節を両持ち構造にするなどの検討が必要である．4. に関して，本論文では水平展開アームが水平状態で動作する際，2 自由チの目標角度を決定する制御を実装し，有効性を検証していく．

5. は LIBRA-I では検討していない項目であるが，MSIV 室の調査には必要と考えられる機能であるため，今後検討を進めていく．
謝 辞

実験実施の際には，守家岳志様，安井和哉様をはじめとする，東京工業大学工学院機械系木倉研究室の学生・スタッ
フの方々に多大なるご支援を頂きました．謹んで感謝申し上げ2000 年東京工業大学機械物理工学専攻博士課程修了．2000 年ソニー（株）入社．2007 年東京工業大
学理工学研究科特任助教を経て，2008 年同大機械
宇宙システム専攻助教． 2014 年東京医科歯科大学
生体材料工学研究所准教授，2015 年東京工業大学
機械宇宙システム専攻（現工学院）准教授． 2020年同教授．ロボット機構の研究開発に従事．博士（工学）．
（日本ロボット学会正会員）

ます．本研究は TEPCO 廃炉フロンティア技術創成協働研究拠

汪振宇（Zhenyu Wang）

点の活動の一部として実施されました．

2017 年上海交通大学機械工程及自動化系学士課程修了．同年文部科学省国費外国人留学生として東京
工業大学工学院機械系博士前期課程に入学．2019
年同前期課程を修了し同後期課程入学．2023 年同後期課程修了．画像情報を用いたロボットの自己位置同定や環境地図作成に興味を持つ．博士（工学）
．

参

考

文

献

[ 1 ] 福島第一原子力発電所２号機 原子炉格納容器内部調査装置を開発，
https://www.global.toshiba/jp/news/energy/2017/12/
news-20171222-01.html.
[ 2 ] J. S. Mehling, M. A. Diftler, M. Chu and M. Valvo: “A Minimally Invasive Tendril Robot for In-Space Inspection”, The
First IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, pp.690–695, 2006.
[ 3 ] J. Fukuda, M. Konyo, E. Takeuchi and S. Tadokoro: “Remotevertical exploration by Active Scope Camera into collapsedbuildings”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, pp.1882–1888, 2014.
[ 4 ] 清 水 建 設 な ど 、廃 炉 調 査 に ヘ ビ 型 ロ ボ - が れ き の 隙 間 進 入 ，
https://www.nikkan.co.jp/articles/view/427019.
[ 5 ] Y. Perrot, L. Gargiulo, M. Houry, N. Kammerer, D. Keller,
Y. Measson, G. Piolain and A. Verney: “Long-reach articulated robots for inspection and mini-invasive interventions inhazardous environments: Recent robotics research, qualiﬁcation testing, and tool developments”, Journal of Field Robotics,
vol.29, no.1, pp.175–185, 2012.
[ 6 ] B. Haist, S. Mills and A. Loving: “Remote handling preparations of JED EP2 shutdown”, Fusion Engineering and Design,
vol.84, pp.875–879, 2009.
[ 7 ] IRID R&D topics Detailed investigation inside PCV of
Fukushima Daiichi NPS Unit 2, and veriﬁcation test for access and investigation equipment for fuel debris test retrieval
at Kobe Shipyard & Machinery Works Kobe Plant, MHI, Ltd.,
https://irid.or.jp/en/topics/.
[ 8 ] 遠藤玄, 高田敦, 堀米篤史: “ワイヤ干渉駆動型超長尺多関節アームSuper Dragon の開発”, 日本機械学会論文集, vol.85, no.875, p.1900075, 2019.

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

高橋秀治（Hideharu Takahashi）
2011 年 東 京 工 業 大 学 原 子 核 工 学 専 攻 博 士 課
程 修 了 ．2011 年 東 京 工 業 大 学 原 子 炉 工 学 研
究 所（ 現 ゼ ロ カ ー ボ ン エ ネ ル ギ ー 研 究 所 ）研究 員 ．2017 年 同 大 科 学 技 術 創 成 研 究 院 特 任
助 教 ．2019 年 同 大 科 学 技 術 創 成 研 究 院 助 教 ．
2022 年同大工学院機械系准教授．原子力工学，ス マ ー ト 農 林 業 工 学 関 連 等 の 研 究 開 発 に 従 事 ．博 士（ 工 学 ）．

木倉宏成（Hiroshige Kikura）
1992 年慶應義塾大学大学院理工学研究科機械工学専
攻博士課程修了．1993 年慶應義塾大学理工学部訪問
研究員．1993 年ドイツ・エアランゲン−ニュールン
ベルク大学流体工学研究所・訪問研究員．1997 年ス
イス国立パウル・シェラー研究所・研究員．1998 年
東京工業大学原子炉工学研究所助手．2009 年同大原子炉工学研究所准教授．2021 年同大ゼロカーボンエネルギー研究所准教授．原子力熱工学，ロボット計測機器の研究開発に従事．博士（工学）．

—9—201x 年 xx 月