磁気吸着ユニットと空圧アクチュエータを用いた
船体壁面歩行ロボット• 松葉佐 哲仁（学生会員，九州大学大学院工学府）• 浅沼 智幸（九州大学大学院工学府）• 木村 元（正会員, 九州大学大学院工学研究院）

Naval Architecture and Marine Systems Engineering

Systems Planning Laboratory目次• 研究の背景• 先行研究• IBマグネットについて• カムを用いたIBマグネット̶ 誤差耐性について
̶ カム形状の条件• ロボットの試作と動作試験
• まとめ

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https://e-nenpi.com/article/detail/224188

研究の背景海事産業→高所作業の多発• 製造現場- 塗装 ・・・ 煩雑な足場の手配, 危険性- 点検 ・・・ 作業のしにくさ• 運航現場https://www.idemitsu.com/jp/tanker/know/report/no003/001.html

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cleaning_the_hull_3.jpg

製造・点検での壁面作業- ホールドクリーニング

港湾業者 → 多額の費用
船員→ 航海中であり危険

壁面作業の省力化装置が求められる
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https://www.youtube.com/watch?v=IEjbsIYxt98

https://www.karummarine.com/detail-1-cargohold-cleaning-stationary-port-anchorage

運航上の高所作業

本研究の目的
2020年，松葉佐，木村の研究• 壁面作業用ロボットは市販⇔高価で普及せず• 壁面のロボットの特許は多い⇒実用化されず（吸着力，作業面上の難）安価な壁面作業装置を実現（簡単な構造，機能の削減）• 永久磁石の利用→IBマグネット機構の利用• 足を用いたロボット• 空気圧を用いる角Combijet / RJE-1000
https://www.combijet.com/

4曲面• 方向転換等の機能は最小限に

狭さ
段差

BULK CARRIERS HANDLE WITH CARE/ IACS

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IBマグネットを利用した空圧で動作する支援装置

IBマグネットについて先行研究
Internally-balanced Magnetic Unit
• 磁石の弱点を補う

カム形状補正の式 ∶̶ 離脱時→莫大な力̶ 吸着時→衝撃• 非線形な吸着力を線形な弾性力で補償̶̶

カムを用いて補償力を釣り合わせる（近年の3Dプリント技術の発達で可能に）他にも補償方法あり（設計上問題あり）
コントロールロッド

引っ張りバネ
吸着面

吸着面

磁石

フレームに力がかかった場合

5Planning磁石

コントロールロッドに力がかかった場合

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カム形状算出の式 ∶ 𝑓 𝑥 =Laboratory

𝑄 = 𝑃 + 𝑟 sin 𝜃
𝑄 = 𝑃 − 𝑟 cos 𝜃𝜃 = arctan 𝑓 𝑥近似関数を用いた場合の解:𝑓 𝑥 = 𝑑−𝑐 −1𝑘𝑥 + 2𝑑 𝑥2𝑐−𝑑

本研究のアプローチ• 以下に示される先行研究のIBマグネットの問題点を分析・解決‒ 誤差耐性について̶

寸法精度や剛性の問題（砂や摩擦の影響）
̶

塗料の厚み、さびなどが吸着力と補償力のバランスを崩す→従来方法のIBマグネットも持つ欠点
簡単に入手できるバネの誤差は大きい
̶‒ カム形状の条件
̶

補正前のカム形状に経験的な制約条件がある• 試作検証および実際の装置での実証試験を実施

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吸着ユニット(先行研究)

IBマグネットの補償力の誤差耐性について（解析法）• IBMのモデルに誤差があった場合の操作に必要な力を加える
含める誤差

基礎方程式

モデル

f(x)

ds𝑓 𝑥 =𝐹 𝑥 +𝐹𝐹 𝑓 𝑥

dm+𝐹ｙ

Fsh
カムフォロワ
Fcvｘ

θFs(ds)Fm(dm)

Magnet• 操作に必要な力について解いた結果（誤差がなければ０になる）
𝐹𝐹
7

𝑒 ,𝑒 ,𝑒 ,𝑒 ;𝑥 =𝐹 𝑥 + 𝑒 ;𝑘 + 𝑒 ,𝑑𝑑tan arctan
𝑓 𝑥; 𝑘, 𝑑 , 𝑐 , 𝑐 , 𝑑𝑑𝑥

𝑒 ,𝑒 ,𝑒 ,𝑒 ;𝑥 = 𝐹 𝑓 𝑥 + 𝑒+ 𝑒 ;𝑐 ,𝑐 ,𝑑Nav al A rchitectur e and Mar ine Syst ems Engineering

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Planning

Laboratory−𝐹 𝑓 𝑥+𝑒+ 𝑒 ;𝑐 ,𝑐 ,𝑑+𝑒tan arctan

𝑑𝑓 𝑥; 𝑘, 𝑑 , 𝑐 , 𝑐 , 𝑑𝑑𝑥+𝑒− 𝐹 𝑥 + 𝑒 ;𝑘 + 𝑒 ,𝑑IBマグネットの補償力の誤差耐性について（数値計算）• 基礎方程式のテーラー展開の結果が小さい•

塗膜の厚みの影響が小さい
カムを用いる突出した⾧所
̶
̶

が小さい

•

製造精度の影響が小さい
低剛性の影響が小さい
̶
̶

が小さい

•
̶

市販のバネを利用可能

カムを用いるとIBMの誤差耐性が上がる

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Laboratory（f’(x)による誤差圧縮効果）

利用可能バネについて• 一般的なバネのバネ定数
̶ バネ定数を調整するのが難しい（方法 : バネの切断）
̶ JIS規格ではバネ定数は正確に規定されていない

https://www.nc-net.or.jp/• バネ定数の誤差は大きいことが想定される
̶ カムを操作する場合はそれほど問題にはならない
̶ 既製品のバネで実用的なものが作成可能である。

切断不能(無研磨オープンエンドは可)冷間成形圧縮ばねのバネ定数の許容誤差

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有効巻数

1級

2級

3級

３以上１０以下±５％±１０％±１５％１０を超えるもの±４％±８％±１２％

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出典:JIS B 2704-2 : 2018

実現可能なカムフォロワの軌跡の条件の導出• カム形状の軌跡について考えるが成り立てばよい•

r:半径，κ:曲率半径• 最適なカム形状
̶ 理論的に最適形状を出すことは不能
̶ 最適化手順
1.
2.
3.
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条件を満たした中でを最小化（バネ定数）
バネを選定（人力に頼る部分がある）
バネの使用域を最適化
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カム形状:𝑓 𝑥 = −10𝑥 + 2𝑥 + 𝑥

ロボットの構造• 機能を上下移動のみに限定‒ 十分な摩擦力であると推定• 移動中は常に3点で吸着‒ 婉曲している壁面でも安定• ラズベリーパイを用いて制御‒ 電磁弁はON-OFF制御‒ ブラウザから操作

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SystemsPlanning:吸着脚B:移動用エアシリンダ• 吸着脚は6個配置

11:吸着脚A

Laboratory

:固定A

:固定B

作製したロボット• 寸法（吸着時）
重力9.9 [kg]

全⾧503.0 [mm]全幅347.6 [mm]全高140.0 [mm](チューブを除く)• ３Dプリンターと市販部品で作成→短い期間で製作、試行錯誤が可能• ３Dプリンターの部品の歪みが問題→やすり等で調節，設計と上下逆で実験
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Laboratory実験結果• 自重（9.９kg）を支えて上ることが可能↔

ペーロードがほぼないため改善が必要• 吸着面との摩擦力が小さい̶ さらなる吸着力の増大が必要• 吸着動作には1.5s必要であった
̶ 磁石はすぐには吸着力を発揮しない可能性
̶ 振動を吸着力設計時に考慮する必要性
̶ 現状０．２３m/min＜＜有用となる速度• 進むにつれて進行方向がずれる̶ エアによる精密制御の研究の応用
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結論• カムを用いたIMマグネットについて‒ 解析誤差耐性という優位点が明らかに‒ 設計条件を明らかに▫ バネ定数，カム形状の最適化が可能に• 作製したロボットについて‒ カウンターウェイトなしで壁面を登坂‒ 空気圧，IBマグネット機構を用いることで小型化

今後の予定• 左右方向へのある程度の精密性がある移動• 更なる小型化によるペイロードの増加
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補足資料１• カムフォロワの軌跡が一致• 接線の傾きが一致

QPr
15:移動後の点:移動前の点:半径Nav al A rchitectur e and Mar ine Syst ems Engineering

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補足資料２クーロンの法則

表面に磁荷があると力が∞→δ奥まった場所に磁荷
実際は点磁荷ではなく面磁荷→次元数の調整16

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補足資料３• カムフォロワ半径を０f(x)ds

逆算Fs(ds)• 解いたつり合いdmｙ

カムフォロワFm(dm)

θ• 補償力 はに相当ｘ• カム変位 は に相当

17Nav al A rchitectur e and Mar ine Syst ems Engineering

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Magnet補足資料４25ヨークあり

吸着力[kgf]

20近似

15ヨークなし

10近似

5000.511.52磁性体と磁石のギャップ[mm]18Nav al A rchitectur e and Mar ine Syst ems Engineering

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2.5

33.5

補足資料５複数板バネ

バネ

Fs

磁気反発力

ゴムばね

エアシリンダなど

Fm

カムを用を用いた方法
19Nav al A rchitectur e and Mar ine Syst ems Engineering

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