三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014) 新製品・新技術特集

技 術 論 文34

災害対応作業ロボット“Super Giraffe”の開発－モジュール設計を取り入れた拡張性の高いロボットの実現－
The Development of Disaster Response Robot “Super Giraffe”-The Completion of Robot with High Scalability that Applies Modular Design藤 田 淳 *1

大 西 献 *2

Jun Fujita

Ken Onishi

橋 本 達 矢 *3

久 川 恭 平 *3

Tatsuya Hashimoto

Kyohei Hisakawa

黒 澤 昇 平 *3

林Syohei kurosawa

Yoshimitsu Hayashi

良 光 *3

災害や事故等で，人の立入りが困難な環境となった施設内等において，人に代わって作業を行うロボットの開発が 2012 年度(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）委託事業として実施された。同プロジェクトに参画した当社は，8m 高所でマニピュレータ作業が可能な移動ロボット“Super Giraffe“を開発した。このロボットの特徴はモジュール設計を取入れたことで，災害現場の多様なニーズに対して，必要なモジュールの開発・交換で対応できる拡張性に富んだロボッ
トである。福島第一原子力発電所での全電源喪失環境を模擬した社内検証試験で，現場への適用性が確認された Super Giraffe は，今後モジュールの拡充を行い，福島第一原子力発電所等の災害現場への適用を図る。

|1. はじめに2011 年に発生した東日本大震災で甚大な被害が発生した福島第一原子力発電所では，放射線被曝や設備倒壊による負傷等の危険を避けるため，人に代わってロボットが用いられている。
これらロボットは，カメラによる被災状況の確認や，各種センサによる温度・放射線量等の計測に用いられ，小型で高機動性を有するロボットが適していた。現場の状況が徐々に分ってきた現状において，今後は，瓦礫撤去や遮蔽（へい）体の運搬，コンクリートや手すりの切断撤去，バルブ操作，鍵やレバーの操作によるドア開閉等，小型ロボットでは不可能であった「作業」が必要となり，これらを人に代わって行うロボットのニーズが高まっている。
こうしたニーズに対応すべく，2012 年度に“災害対応無人化システム研究開発プロジェクト”がNEDO で実施された(1)。このプロジェクトは災害や重大事故等によって家屋，産業・公共施設等が被災し，作業員の立入りが困難となった状況において，速やかに状況把握，機材等の運搬，復旧活動を行うためのロボットの研究開発を目的としている。当社は同プロジェクト中“作業移動機構の開発”のうち“狭隘（あい）部遠隔重量物荷揚／作業台車の開発”に携わり，狭隘な場所での高機動性と高所作業性を両立しながら，将来の多様なニーズへも容易に対応（転用）できる拡張性に富んだロボット“Super Giraffe”を完成させた。本稿ではそのロボット開発の概要を報告する。

|2. Super Giraffe 概要
Super Giraffe は，移動台車に 8m 高所でのマニピュレータ作業を可能とする荷揚げ機構（５段伸縮梯子構造）を搭載した無線遠隔操縦ロボットである。マニピュレータ先端には様々な専用ツールを装備することが可能で，2012 年度の NEDO プロジェクトではバルブ開閉ツールを開発し搭載した。移動台車は建屋内の狭い環境でも周囲との干渉無く走行しやすい高機動性を重視し，縦*1 エネルギー・環境ドメイン原子事業部機器設計部 技術士（機械部門）*2 エネルギー・環境ドメイン原子事業部機器設計部 主席技師 PE，技術士（機械部門）*3 エネルギー・環境ドメイン原子事業部機器設計部

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列駐車や真横移動，超信地旋回（その場旋回）が容易な４輪駆動４輪操舵方式を採用した。ロボットの主要仕様を表１に，高所でのバルブ操作の様子を図１に示す。
表１ Super Giraffe 主要仕様
項目
外形寸法・質量移動方式仕様
全長 2 530，幅 800，全高 2 000 [mm]，4 [ton]４輪駆動４輪操舵方式

走行性能

段差 50 [mm]，傾斜 15 [度]，平地最大 6 [km/h]

移動性能

前後進，右左折，その場旋回，横や斜め等全方向への平行移動

荷揚げ機構

５段伸縮梯子構造，荷揚力 1 470 [N]（150 [kgf]）

マニピュレータ７軸多関節，先端取扱質量 20 [kg]，繰返し位置精度 0.5 [mm]アクセス高さ

8 [m]

先端ツール

バルブ開閉ツール

操作方式

ノートパソコン＋ゲームコントローラによる無線操作

動力源

電気自動車用リチウムイオンバッテリ，稼働時間５時間以上

安全装備

アウトリガー荷重監視による転倒防止インターロック

その他

モジュール構造を採用，モジュールの交換・追加・削除でカスタマイズが容易

図１ 高所でのバルブ操作|3. ロボットの要求機能と開発コンセプト
災害現場で用いるロボットは，シンプルで操作が容易という観点から，単機能なロボットが好まれることが多い。しかし，災害現場の状況は災害ごとに様々で，復旧作業の進捗に伴い必要な作業も都度変化するため，ロボットへの要求機能をあらかじめ適切に予測し，準備しておくことは難しい。また，ニーズが明確になった後，ロボットを都度開発することも，時間的・コスト的に難しい。
このため，災害対応用ロボットの開発仕様は，高機能で何にでも対応できる“スーパーロボット”になりがちであるが，完成したロボットは，構造や操作が複雑でコストも高く，維持管理が大変で使いにくいロボットとなってしまうことが問題であった。
NEDO プロジェクトで当社が担当するロボットへの要求機能は，遠隔操縦により連続５時間稼働し，建屋内の移動と，天井近くにあるバルブをマニピュレータ等で操作できることという，ある程度具体的なものであった。我々はこの要求機能に加えて，将来必要となるかもしれない作業ニーズ（例えば不整地走行，重量物運搬，高所での溶接や配管の切断撤去等）へも容易に転用できる機能を実現すべく，モジュール設計思想を開発コンセプトとした。

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)36|4. モジュール設計
モジュール設計では，ロボットは機能性能ごとに分割したモジュール単位で開発され，複数のモジュールを組合せることでロボット全体が構成される。Super Giraffe は，台車モジュール（移動機構），荷揚げモジュール（伸縮梯子機構），搭載モジュール（マニピュレータ部），エンドエフェクタモジュール（先端工具）の４つのモジュール構成とした。各モジュールの信号及び動力は共通のインターフェース（制御系通信，画像系通信，電源 DC141[V]，DC24[V]，油圧 14[MPa]）で接続され，将来必要に応じて，このインターフェースを踏襲したモジュールを開発することで，モジュールの追加・削除・交換が可能である。これを実現させるためには，モジュール単体でも機能する必要があり，各モジュールにコントローラを配置したシステム設計となっている（図２）。

図２ モジュールシステム概要

4.1 各モジュールの開発例（台車モジュールの仕様決定）
Super Giraffe のモジュール開発例として，台車モジュールの仕様トレードオフ（図３）を紹介する。NEDO の要求機能やロボット移動に関するニーズからロボット設計に反映すべき項目を抽出し，候補となる台車モジュール構造のそれぞれについて評価・検討した結果，NEDO プロジェクトで開発するロボットの台車モジュールには，評価ポイントが最も高い４輪操舵方式を採用することとした。
モジュール候補検討項目

４輪操舵

走行可能通路幅 1.2 [m]以上。

○

走行速度 6 [km/h]以上。
○

登坂可能傾斜度 15 [°]以上。
乗越え可能段差 50 [mm]以上。階段昇降，踊り場での旋回は考慮不要。
開発仕様

２クローラ

○ 作業時はアウトリガーを用いて支持エフェクタモジュール作業を支持。

超信地旋回可能。

４クローラ○ 幅 800mm で設計

8m 高所での搭載モジュール及びエンド縦列駐車が容易，全方向への移動可能

２輪操舵

××

○ 6 [km/h]以上で設計△×
抵抗が大きい×△
抵抗が大きい○ 15 [°]以上で設計○○◎◎

階段昇降可能

階段昇降可能○図３ 台車モジュールの仕様トレードオフ

4.2 モジュール設計による利点
モジュール設計によりロボットを開発する利点を以下にまとめる。

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)37(1) ロボットシステムとしての高い拡張性（図４）
必要なモジュールのみを開発し組替えることで，災害現場で求められる様々な仕様のロボットへ，スピーディーに転用できる高い拡張性がある。各モジュールを接続する共有のインターフ
ェースを用いることで，他社でもモジュール開発が可能となり，各社の得意分野で開発されたモジュールラインナップが揃えば，ロボットの活用の場が増えると期待できる。
(2) ロボットシステムとしての高い信頼性
モジュールの交換で新機能のロボットシステムを実現させる場合，新規開発したモジュール以外は開発が完了したモジュールであるため信頼性が高い。したがって新機能をロボットへ転用する際は，新規モジュールの開発及び検証試験にウエイトを置くことが可能で，少ない労力でロボットシステム全体の高い信頼性を維持できる。
(3) 短期間での開発が可能
現場でのロボット活用と，工場での新規モジュール開発を並行して進められ，モジュール完成時に組合せるだけで新しい仕様のロボット開発が可能である。ロボット改造に要する期間（ロボットが使えない期間）が短いことから，新規ロボットを短期間で開発できる。また，各モジュー
ルは，機能性能ごとに分割されているため，開発チームをモジュールごとに切り分けて編成しやすく，設計→開発→検証を各チームが同時進行できる。複数モジュールの開発も同時進行可能であり，災害現場の多くの作業ニーズにスピーディーに対応できる利点もある。

図４ モジュール組合せによるロボットの拡張性|5. エンドエフェクタモジュールの省配線化(2)エンドエフェクタモジュールは現状のバルブ操作以外に，検査や溶接等の様々な機能を有するラインナップの拡充を検討している。これらモジュールは機能が異なるため，搭載されるカメラやセンサ類の信号線や動力線がモジュールごとに異なる。したがって，様々なモジュールが接続さ三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)

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れるマニピュレータ側の配線は，これらモジュールと接続できるよう，多芯ケーブルを準備する必要がある。しかし，エンドエフェクタを取り扱うマニピュレータ外側部に，太く硬い多芯ケーブルを固縛する従来の方法では，多芯ケーブルがマニピュレータ動作の障害になることに加え，多芯ケーブル用のコネクタはサイズが大きいため，これを配置するマニピュレータ先端部が大型化する点が問題であった。
そこで，搭載モジュール先端（マニピュレータ先端）とエンドエフェクタモジュールの接続に電力線通信（Power Line Communication：PLC）技術を用いた省配線化デバイスを開発し，エンドエフェクタモジュールへの電力供給と通信を，マニピュレータ内部配線２本のみを用いて実現した（図５）。

図５ 省配線化デバイス開発した省配線化デバイスは，電力線２本を接続するだけで，制御信号と 70W の高容量直流電力を供給できる。電源の直流化と，耐ノイズ性を高めるフィルタに工夫をすることで開発に成功した。（図６）

図６ 省配線化デバイスを用いたモジュール接続|6. 操作コンソール
人がロボットを操縦する操作コンソールは，大規模な専用コックピットと，ハンディコントローラの２種類に大別できる。専用コックピットは，操作スイッチやディスプレイの配置自由度が高く，多くの情報を一度に表示できるため操作性は高いが，現場への移動・設置作業に労力がかかり機動性が低い。一方ハンディコントローラは，どこへでも手軽に持ち運べる機動力があるが，限られたボタンやレバーでの操作となるため，操作モードの切替えが煩雑になったり，一度に表示できる三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)39

情報が少なかったりと，操作性に劣る。
災害現場で使われる Super Giraffe は，ロボットを操縦する場所を臨機応変に素早く移動・設置できることが重要と考え，操作コンソールはノートパソコンとゲームコントローラの構成とした。また，ロボット操作用とは別にカメラ映像表示用パソコンを準備し，多くの画面を表示させることでロボッ
ト周囲の状況を確認しやすくしたり，コントローラの写真と各ボタンの動作説明を，操作モードに合わせて画面上に表示させることで，操作性を向上させる工夫をしている（図７）。

|7. 検証試験開発した Super Giraffe が災害現場で使用できる性能を有していることを確認するため，工場内での最終検証試験では福島第一原子力発電所での全電源喪失（SBO：Station Blackout）環境を模擬した暗所で行った。また，汚染環境でのロボット操作を想定し，オペレータは全面マスク，タイベック（化学防護服），ゴム手袋の装備を着用し，ロボットに搭載された照明とカメラ映像のみを頼りに，ロボットを直接目視できない位置から操縦した。その様子を図８に示す。
想定した２種類の検証作業（①狭隘位置へのロボット移動，②高所に設置したバルブモックアップの操作）を完遂できたことで，災害現場に適用できる性能を有していることを確認した。

図７ Super Giraffe 操作コンソール

図８ 全電源喪失環境での検証試験|8. まとめ2012 年度 NEDO プロジェクトに参画し，8m 高所でのマニピュレータ作業が可能な４輪駆動４輪操舵方式の移動台車ロボットを開発した。このロボットは，モジュール設計思想を取入れ，必要に応じてモジュールの追加・交換・削除を行うことで，多様なニーズに対応できる高い拡張性が特徴である。
福島第一原子力発電所での災害を想定した SBO 環境での検証試験を実施し，オペレータによる遠隔操作で，狭隘位置へのロボット移動や高所に設置したバルブ操作を，本ロボットシステムを用いることで実現可能であることが確認でき，災害現場で適用できる目処を得た。
今後は，各種モジュールの充実や，ロボットシステムの改良を進め，福島第一原子力発電所での災害収束支援等に適用していく。
本ロボット開発は 2012 年度 NEDO 国家プロジェクト“災害対応無人化システム研究開発プロジ
ェクト／作業移動機構の開発”のうち“狭隘部遠隔重量物荷揚／作業台車の開発”で実施された成果である。

参考文献(1) (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構，災害対応無人化システム研究開発プロジェクト）
http://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100045.html(2) 大西 献，機械設計，日刊工業新聞社，Vol.57 No11，（2013），ｐ.23～29