計測自動制御学会東北支部 第 330 回研究集会 (2020.12.2)
資料番号 330-3

原子炉建屋内調査用 6 脚ロボットの不整地踏破性向上のための機構の検討〜3 次元 CAD を用いた動作解析〜
Examination of mechanism of the six-legged robot for theinvestigation of the inside of a nuclear reactor building to
improve its ability to traverse uneven terrain〜Motion analysis using 3D CAD〜○佐藤 智哉 ∗ ，情野 瑛 ∗ ，高橋 隆行 ∗○ Tomoya Sato∗ , Akira Seino∗ , Takayuki Takahashi∗*福島大学*Fukushima University
キーワード :

6 脚ロボット (six-legged robot)，縦安定余裕 (longitudinal stability margin)，重心解析(center of gravity analysis)，

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

佐藤智哉，Tel.: (024)548-5259，Fax.: (024)548-5259，E-mail: tomoya@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

このロボットはコンプトンカメラを搭載し，原

東日本大震災によって大事故が起きた東京電
力福島第一原発を含め，24 基の廃炉計画が進められている．原子炉内を調査するため，様々なロボットの研究が行われている 1)2) ．原子力関連施設の解体や保守などの放射線作業現場の放射能子炉建屋内の放射線分布を測定する 6 脚ロボットである．原子炉建屋内は整地や不整地が入り混じっている場所であることが想定される．そのため，多脚歩行による不整地踏破性能と，車輪による整地での移動高効率性が求められている．

汚染状況を正確に取得することは，現場作業を適正に遂行する上で重要である．しかし，従来の方法では，主に手作業による測定のため，放射線管理担当者の被ばくが余儀なくされている.
そこで本研究室では，原子炉建屋内調査用 6脚ロボットの開発を行っている．開発中の 6 脚ロボットのモックアップと構想図を Fig. 1 に示す．

–1–(a) 1/2 scale mockup(b) imageFig. 1: six-legged robot

Joint3

Joint4
Wheel

Joint1Walking

RunningHigh posture
walking & running

Joint2
Joint3 Joint4

Wheel

Body Joint1
Pass throughStraddle

Joint2

Stair climbing

Fig. 2: Targeted basic behavior

Fig. 3: Conﬁguration of joints of six-legged robot

Table 1: Speciﬁcations of the mockup

ItemUnit

Value

Total length
Overall height
Full width
Weight[mm][mm]
[mm]
[g]

181
192.85213.8789

階段昇降の検討

3.

基本動作の一つである階段昇降の検討を行う．
本章では階段昇降方法および 3 次元 CAD を用いた縦安定余裕解析方法について述べる．

本研究では，開発中の 6 脚ロボットを用いて，3.1

階段昇降方法

現在原子炉建屋内の調査を行うために必要な基

階段昇降の際，条件として，胴体底部が地面本動作が可能か解析を行い，脚機構の改良を行に対して常に平行である．また，少なくとも 2うことを目的とする．想定している基本動作をつ以上の車輪軸が地面に対して平行に接地する

Fig. 2 に示す．ここで，ロボットの基本動作ととする．前者は今後の解析を簡単に確認するたは，歩行，車輪による走行，高姿勢での歩行とめであり，後者は車輪による移動を常に行える

走行，潜り抜け，跨ぎ，階段昇降を表す．本研ようにするためである．以上の条件を満たした 2

究では特に階段昇降と障害物の跨ぎに着目し，3種類の階段昇降方法を Fig. 4，Fig. 5 に示す．ま次元 CAD を用いた動作解析を行う．最近の 3 次

た，階段の条件はふくいスマートデコミッショ

元 CAD では，重心などを計算する機能が予めニング技術実証拠点廃止措置モックアップ試験備わっており，これを利用することにより，複フィールドの階段，その 1/2 スケールである踏

雑なモデル化を行うことなく，ロボットの静力

み面 110[mm], 蹴り上げ 110[mm] とした．

Fig. 4 の昇降方法 (以下，昇降方法 1) のステッ学的な解析を容易に行うことができる。

プごとの説明を以下に示す．

2.

基本仕様

0. 初期位置

本研究で対象とする Fig. 1 に示す 6 脚ロボッ
トのモックアップの仕様を Table 1 に示す．また，6 脚ロボットの脚の関節の構成を Fig. 3 に示す．ロボットの脚は 1 本につき 4 自由度であり，脚先に 1 つの車輪を持つ．これにより，多脚による歩行と車輪による走行が可能な構成となっている．

1. 右前脚を 1 段目にかける．
2. 左前脚を 1 段目にかける．
3. 前進する．
4. 右前脚を 2 段目にかける．
5. 左前脚を 2 段目にかける．
6. 中脚を 1 段目にかける．
7. 前進する．
8. 前脚と中脚で胴体を持ち上げる．

–2–

Fig. 4: Stair climbing, skidding

Fig. 5: Stair climbing, no skidding

9. 前進する．

3.2

縦安定余裕とは，支持脚多角形と重心の前後

この昇降方法は前進のときに車輪が横滑りが生じている．Fig. 5 の昇降方法 (以下，昇降方法 2)

縦安定余裕解析方法

方向の距離の最小値のことをいう．
縦安定余裕を測定するには重心位置と支持脚のステップごとの説明を以下に示す．

多角形を求める必要がある．重心位置を求める

0. 初期位置には，ロボットをモデル化して求める方法があ1. 右前脚を 1 段目にかける．

げられる．しかし，6 脚ロボットのモデル化は複2. 左前脚を 1 段目にかける．

雑になってしまう．そこで，本研究では 3 次元

3. 両前脚を開きながら前進する．

CAD である SOLIDWORKS を用いて重心位置

4. 中脚を前脚と同じように持ち上げる．

を確認する．

5. 前進する．

SOLIDWORKS を用いた重心位置確認方法を

6. 前脚と中脚で胴体を持ち上げる ．

以下に示す．

7. 右前脚を 2 段目にかける．

1. SOLIDWORKS で解析したい動作のアニ

8. 左前脚を 2 段目にかける．

メーションを作成する．

9. 両前脚を開きながら前進する．
この昇降方法は前進のときに平泳ぎのような動きをすることで前脚の横滑りが生じない．以上の 2 通りの階段昇降方法について，動作中にロボットが転倒する可能性を調べるために，縦安定余裕による解析を行う．

2. SOLIDWORKS でパーツごとの重心座標を取得する．

3. 取得した重心座標を別ファイルにエクスポートする．

4. パーツごとの重心座標と質量から全体の重心座標を計算する．

6 脚ロボットの座標系を Fig. 6 に示す．座標–3–z Yaw50

Center of gravity
Supporting leg polygon 1
Supporting leg polygon 2
Supporting leg polygon 4
Supporting leg polygon 6X [mm]0-100

yx Roll-50

Pitch-150

100

Fig. 6: Coordinate system of six-legged robot
50500-50-100

Y [mm]

Fig. 8: Longitudinal stability margin of stair
climbing, no skidding

Center of gravity
Supporting leg polygon 1
Supporting leg polygon 4
Supporting leg polygon 7
Supporting leg polygon 80X [mm]4.
-50

障害物回避の検討

基本動作の一つである潜り抜け，跨ぎによる障害物回避の検討を行う．まず，跨ぎの検討を-100行った際，胴体底部を障害物に擦りながらでは-150ないと跨ぎが行えないことを確認した．理由と100500-50-100

して，以下の 3 つがあげられる．

Y [mm]

Fig. 7: Longitudinal stability margin of stair
climbing, skidding• 前脚が障害物を超えてないと脚先を接地することができない．

系は xy 平面を脚先に，xz 平面を 6 脚ロボット• 前脚が接地していないと前方の縦安定余前面に，yz 平面が 6 脚ロボットの中心と一致す裕を確保できないため，前に倒れる．

• Fig. 1(b) のような高姿勢の状態だとヨーるようにした．

方向に回転するモータが存在しないため，上記の方法で求めた昇降方法 1 の重心位置と歩行ができない．

支持脚多角形を Fig. 7 に，昇降方法 2 の重心位置と支持脚多角形を Fig. 8 に示す．Fig. 7，Fig. 8

この問題を解決するため，根元のモータをヨーより，Loiter の縦安定余裕は重心の移動よりも方向に回転できるような取付方法の変更を提案

支持脚多角形の影響が大きいことが確認された．

する．

また，昇降方法 1 のステップ 8 と，昇降方法 2

根元のモータをヨー方向に回転できるようにのステップ 6 のときの支持脚多角形を青で示しした 6 脚ロボットを Fig. 9 に，脚の構成を Fig. 10ている．このとき，後方の縦安定余裕が極端にに示す．Fig. 9，Fig. 10 のような構成にするこ低くなってしまうことが確認された．そのため，とで高姿勢を維持したまま歩行が可能になる．

重心位置はモックアップの重心位置より前方にまた，3 章で説明した手法を用いて，階段昇降あると前後の縦安定余裕が確保できることが確が可能であることを確認した． しかし，潜り認できた．

抜けを考えた際，Fig. 11 に示すように最小幅が28.02[mm] 増加することを確認した．解決策としてリンクの長さを変更する方法とモータの取付方法を変更する方法が考えられる．前者は，変更すると最大高さの減少が考えられる．そのた–4–

Rotation axis(a) Change forward(b) Change backward(c) Change upward(d) Change downward

Fig. 9: The motor at the root rotates in the yaw
direction

Joint1
Joint2
Joint3Fig. 12: Change of motor arrangement

Joint4
Wheel

Body Joint1 Joint2 Joint3 Joint4

Wheel(a) Change forward(b) Change backward(c) Change upward(d) Change downward

Link1 Link2 Link3 Link4
Fig. 10: Conﬁguration of joints of six-legged
robot in the yaw direction
90.95[mm]Fig. 13: Disadvantages of change of motor arrangement
254.66[mm](a) Before the change

取付方法を変更した際の結果を Table 2 に，確認されたデメリットを Fig. 13 に示す．Fig. 13(a)，90.95[mm]Fig. 13(b) より，根元から 2 番目のモータを前後に取付方法を変更した際，それぞれ胴体部分と接触してしまう．そのため，可動域が減少することを確認した．Table 2，Fig. 13(c) より，根元

282.68[mm](b) The yaw direction

Fig. 11: Posture ofから 2 番目のモータを上に取付方法を変更した
際，第 2 リンクが図の位置より下がらない．そpass throghのため，最大高さが 59.72[mm] 減少することをめ，根元から 2 番目のモータの取付方法を変更確認した．Table 2，Fig. 13(d) より，根元から 2した際の影響を確認する．

番目のモータを下に取付方法を変更した際，第根元から 2 番目のモータの取付方法を変更

2 リンクが図の位置より上がらない．そのため，したものを Fig. 12 に示す．Fig. 12(a) は前に，最大乗り越え高さが 23.42[mm] 減少することをFig. 12(b) は後ろに，Fig. 12(c) は上に，Fig. 12(d)確認した．

は下にそれぞれ変更したものである．

以上の確認結果から，根元から 2 番目のモー–5–

Table 2: Comparison of motor arrangement

Item

Unit

Criteria

ForwardBackwards

UpwardDownward

Minimum height
Minimum width
Maximum height
Maximum surmountable height
Stair climbing

[mm]
[mm]
[mm]
[mm]

90.95
282.68
192.85140.85〇90.95
262.57
192.85140.85
×90.95262.57
192.85140.85〇94.93
284.93133.1381.13
×100.91294.07218.29117.43×

タを取付方法を変更した際のデメリットが大き参考文献

いことが確認できた．そのため，現状では Fig. 9の脚の構成が，想定されている基本動作を行うために適していると考えられる．

5.

1) 篠崎史人，松崎謙司: 東芝における福島向けロボットの開発，日本ロボット学会誌，Vol.36，
No.6，pp.399-402(2018)2) 川妻伸二: 福島第一原子力発電所事故のためのロボットと課題，日本ロボット学会誌，Vol.36，
No.7，pp.472-477(2018)

結言

本研究では，開発中の 6 脚ロボットを用いて基本動作の中で階段昇降と障害物跨ぎに着目し，これらの動作が可能か解析を行った．2 種類の階段昇降方法を提案し，SOLIDWORKS を用いて縦安定余裕の解析をした．その結果，重心位置がモックアップの重心位置よりも前方にあると前後の縦安定余裕が十分に確保できることが確認できた．
跨ぎの検討を行った結果，胴体底部を障害物に擦りながらではないと跨ぎが行えないことを確認した．そのため，根元のモータがヨー方向に回転できるように取付方法を変更することで，跨ぎを行うことができることが確認できた．
今後は，各関節に必要な負荷トルクを計算し，モータの選定および試作機の製作を行う．また製作した試作機で基本動作の可否の確認及び，2種類の階段昇降の比較を行う．

謝辞
本研究を進めるにあたり，ロボットのモックアップを製造して頂きました株式会社シマノの嶋野寛之様，角藤壮様，沼孝昌様，日本原子力研究開発機構の畠山知圭様，中島準作様にこの場をお借りして御礼申し上げます．

–6–