計測自動制御学会東北支部 第 268 回研究集会 (2011.11.26)
資料番号 268-10

湖沼調査用小型水中ロボットのためのワイヤレススラスタモジュールの推力向上
Improvement of thrust capacity of a wireless thruster module
for a lake surveying compact underwater robot○大室拓哉 ∗ ，猿田裕平 ∗∗ ，高橋隆行 ∗∗○ Takuya OMURO∗ ,Yuhei SARUTA∗∗ ,Takayuki TAKAHASHI∗∗*福島大大学院，**福島大*Graduate School of Fukushima University, **Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (Underwater Robot)，スラスタ (Thruster)，モジュール構造 (Modular Structure)，無線通信 (Wireless Communication)

連絡先 : 〒 960-1296 福島県福島市金谷川 1 福島大学 理工学群共生システム理工学類 高橋研究室
大室拓哉 Tel.: (024)548-5259，Fax.: (024)548-5259，E-mail: omu@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

り多くの機能を搭載した大型の水中ロボットを用いて調査をおこなうことは困難である．また，水中に存在する人工構造物の保守，点検作業や環境調査など，水中を対象として人間が作業をおこなわなければならない場面は多い．近年
では，浦らが開発した自律型水中ロボット「淡探」や 1) ，武村らが開発した珊瑚礁の保全を目的とした水中ロボットなど 2) ，前述した作業を補佐，代替するロボットが積極的に開発されている．特に福島県は猪苗代湖をはじめとした様々な湖沼が存在し，多くの場所で生物や水質など海洋であっても，浅水域での調査や日常的な観測活動のための運搬には不向きである．さらに，水中ロボットが大型化することで，維持，運用にかかるコストが増大するなどのデメリットも生じてしまう．一方で，機能を絞った小型の水中ロボットは少人数での機動力のある運用を可能にするが，搭載可能な機器が限定されてしまうため，使用者が求める情報を十分に集めることができないという問題が存在する．の環境調査が人の手によっておこなわれている．
また，最近では福島第一原子力発電所の事故による放射性物質の拡散，汚染状況の観測もおこなわれているため，水中ロボットを導入することでより効率的で正確な観測が期待される．

これらを踏まえ，本研究では Fig.1 に示すような環境調査を目的としたモジュール構造型小型水中ロボットの開発を目指している．本論文
ではその中でも特に，2010 年に本研究室で試作した電源内蔵型ワイヤレススラスタモジュール

しかし，広大な海洋とは異なり運用できる船の改良について詳しく述べる．

やロボットの大きさに限界のある湖沼では，よ–1–作が可能となる．しかし，ケーブルが存在するために行動範囲が限定され，運動特性も AUVに比べ低下してしまう．
これらの特徴を考慮し，本研究では ROV の派生型である UROV(Untethered Remotely Oper-ated Vehicle) に着目した．UROV は，ロボット内にエネルギー源を内蔵し，船上または地上とロボットが通信線 1 本のみで接続されているという特徴を持っている．通常の ROV に比べケーFig. 1
Schematic diagram of conceptualmodel of the proposed underwater robot

2.

ブルを細径化することができるため運動特性も向上し，さらにはリアルタイムでの操作，観測も可能となる．本研究で開発するモジュール構

モジュール構造型

造型小型水中ロボットの通信線には，光ファイ小型水中ロボットの概要

バを採用する．

本研究で開発する水中ロボットの概要を示す．
重量は 30[kg] 以内，大きさは 500[mm]×500[mm]2.2×500 [mm] 以内を目標としている．耐圧性能は本研究で開発する水中ロボットの構成は大き水深 100[m] に相当する 1.0[MPa] である．これは，福島県の猪苗代湖の最深部をやや上回る水深での水圧に相当する 3) ．また，実際に環境調査をおこなっている研究者の要望により，リアルタイムで水中の状況を観測することができるロボットの構成

く 3 つに分類することができる．1 つめは地上のメインコンピュータとケーブルで接続されているメインモジュールである．このモジュールには映像を撮影するためのビデオカメラの他に，ロボットの制御に関する姿勢センサや方位計なことを条件としている．

どのセンサ類を搭載する．また，地上からの指

2.1

令はメインモジュール内のコンピュータで受け

水中ロボットの形式取り，それを無線通信で各モジュールに伝達す

無人型の水中ロボットはその運用方式から AUVる．2 つめはサンプリング・センサモジュール(Autonomous Underwater Vehicle) と ROV(Re-である．このモジュールは水を回収する採水器

motely Operated Vehicle) に分類される．AUVや，湖沼の底質を回収する採泥器などを開発すは自律型の水中ロボットであり，地上または船上る予定である．そして 3 つめはロボットを動かとロボットの間には通信やエネルギー供給のたすスラスタモジュールである．各モジュールはめのケーブルが存在しない．ロボットはケーブ制御のためのマイコンと，通信をおこなうためルに拘束されず自由に動くことができるが，水の無線通信モジュール，電源としてバッテリー中で一般的に用いられる超音波通信は情報伝送を搭載している．

量が少ないため，リアルタイムでの観測や操作は困難である．ROV は遠隔操作型の水中ロボッ

ロボットをワイヤレスのモジュール構造型にすることの利点として，トであり，前述した超音波通信の特性から，実質的にケーブルが接続された水中ロボットである．そのため外部からエネルギーを供給することもでき，さらにはリアルタイムでの観測，操–2–(1) 予備のモジュールと交換することで容易にアクシデントに対応することができる

(2) 現場で判断し，複数の調査に対応するこTable 1とができる

Old prtotype speciﬁcations

Item
Span
Outer diameter
Weight(in air)
Weight(in fresh water)
Max.Thrust
Pressure performance(3) エネルギー源および制御機能が集中していないので，様々なリスクを分散させることができる

Unit
[mm]
[mm]
[kg]
[kg]
[N]
[MPa]

Value
267
99
1.80.54.41.0といったことが挙げられる．(1) が可能になる
ことで，設備の整っていない現場において従来のように強固に固定された耐圧容器の蓋を開閉レス化について技術的な可能性を示すことがでしての修理をおこなう必要がなくなる．(2) にきたものの，水密性や推力に課題が残った．

ついては，従来はあらかじめモジュールを交換してから現場に移動していた. しかし，ワイヤ

3.1

旧型スラスタモジュール概要レス化することでモジュールの載せ替えにおけ旧型スラスタモジュールを Fig. 3 に，主な仕るケーブルの接続作業が必要なくなるため，モジュールさえあれば現場で使用者の判断によって容易にモジュールを付け替えることが可能となる．さらに (3) については，従来の水中ロボッ
トはひとつの筐体にエネルギー源や制御機能が集中して配置されていたため，浸水によって一様を Table 1 に示す．耐圧容器はアクリル樹脂を用いており，前部平板蓋はアルミニウム合金

A5052P，後部平板蓋は MC ナイロン樹脂を用いている．全長は 267[mm] で，重量については空中重量 1.8[kg]，水中重量 0.5[kg] である．
モータは maxon 製 EC45 ﬂat 30[W] を搭載し度にすべての機器が被害を受ける可能性があった．しかし，各モジュールにエネルギー源やコンピュータを分散することでこのリスクを大幅ており，スクリュープロペラは RABOESCH 社
製 183-19，5-blades，pitch 71.7[mm]，diameter

70[mm] を選定した．最大推力は 4.4[N] であり，に減らすことができる．
これら以外にも，ワイヤレス化することで耐連続稼働時間は 1.0 時間であった．

圧容器にケーブル用の穴を開ける必要が無く，高圧環境下においても浸水のリスクを低減する

3.2ことができるという利点も存在する．

推力の検証

試作したスラスタモジュールは最大で 4.4[N]の推力を発生させることができたが，これは本3.

旧型スラスタモジュールの研究で開発する水中ロボットに対して十分な推概要と課題力であるかどうかの検証をおこなった．検証をおこなうにあたり，水中ロボット全体を Fig. 2 の水中ロボット開発の第一段階として，本研究ような形状に置き換えて計算をおこなった．ま室で 2010 年に開発したスラスタモジュール (以た，条件として，前進方向にはスラスタを 2 機

下，旧型スラスタモジュールという) の概要と課題について述べる 5) ．旧型スラスタモジュー

搭載，最大連続航行速度を 1[kt](0.5[m/s]) とし

ルはバッテリーおよび電波通信装置を内蔵してを Table 2 に示す．これらの仮定の下，式 (1) にいる．そのため，完全にワイヤレス化された状

よりレイノルズ数 Re を求めると，ている．計算に用いたパラメータの定義と数値態でメインモジュールからの信号によって制御される．試作機ではモジュールの完全なワイヤ–3–

Re = vl/ν

(1)

Fig. 2

Assumed shape of the robot

Table 2
Parameters used for estimation ofdrag force
Symboldlv
νCDAρDReUnit[m]
[m]
[m/s]
[m/s2 ]
m2
kg/m3
[N]

Value
0.5
0.5
0.5
1.3×10−6
0.84
0.20
1.0 × 103
21105

Fig. 3ule

Image of old prtotype thruster mod-Fig. 4

Image of old prtotype cylinder cap

RecitalDiametaer
LengthFlow rate
Kinetic viscosity
Drag coeﬃcient
Cross sectional area
Fluid density
Drag force
Reynolds number

そのオーダーが 105 となり，これにより仮定した形状の物体の効力係数 C は 0.84 となる 7) ．

水漏れについては，Fig. 4 に示すように耐圧容

この値を用いて式 (2) により抗力 D を求めると，器の蓋を固定する場所が 4ヶ所と少なかったこ

DD = CD Aρv 2 /2

(2)とが原因だと考えられる．不必要な重量の増加については，スラスタ後方の円錐形の覆い (フェ21[N] という結果が得られる．条件より，スラアリング) など，耐圧強度に関係のない部分にスタ 1 機あたり 11[N] の推力が必要となるため，おいても材料に金属を用いていたことが原因で試作機では 6.6[N] の推力が不足していることにある．また，推力の不足については，モータのなる．よって，改良型スラスタモジュールは推出力に対してスクリュープロペラの抵抗が大き力の目標を 11[N] とした．

いという両者の不適合が原因だと考えられる．

3.3

旧型スラスタモジュールの課題

4.

推力の不足を含め，旧型スラスタモジュール

改良型スラスタモジュールの概要には以下のような課題が存在した．
試作機の開発と基本性能試験により得られた

1) 高水圧下での少量の漏水課題を解決するため，本論文では Fig. 6 および

2) 金属部品の多用による重量増加

Fig. 5 に示す改良型スラスタモジュールの開発をおこなった．主な仕様を Table 3 に示す．基本3) 推力の不足–4–Nose coneControl electronics

CylinderMagnet cupling

Fig. 5

Parts of the improved thruster module

Table 4plingSpeciﬁcations of new magnet cou-Item
Thickness
Diameter
WeightMax. holding torque(10[mm]Air gap)

Unit
[mm]
[mm]
[g]
[mNm]

Value
20
4582348

ジュール内部の容積やメンテナンス性を考慮し，Fig. 6

Improved thruster module

尚且つ浸水のリスク低減を目的としてマグネットカップリング ((株) 松栄工機 CP0045-08-C20)

Table 3

Prototype speciﬁcations

Item
LengthOuter diameter
Weight(in air)
Weight(in fresh water)
Max.Thrust
Pressure performance

Unit
[mm]
[mm]
[kg][kg][N][MPa]を採用した．試作機で用いたマグネットカップ

Value
364
991.90.4
141.0

リングは厚く，重量も大きかったため，改良型スラスタモジュールでは新たに設計したマグネットカップリングを採用した．材料を鉄からアルミ合金に変更することによって，163[g] の軽量化を図ることができた．また，厚さについては従来と比べて 9[mm] 薄く製作した．従来のマグ的な構造については試作機から大きな変更はな

ネットカップリングとの比較を Fig. 7 に，主ないものの，細部についてはより高い性能が得ら仕様を Table 4 に示す．
マグネットカップリング間の隔壁に金属材料れるよう改良をおこなっている．

を用いた場合，予備実験において渦電流によっ4.1て発生した磁界の影響を受け，回転運動に大きマグネットカップリングな負荷がかかることが確認された．そのため，マモータの出力をスクリューに伝達するにあたり，軸シールについては均圧方式や耐圧方式なグネットカップリング間の隔壁には樹脂材料を用いることとした．

どの方法が考えられる．本論文ではスラスタモ–5–Table 5SymbolPkEnνtrlσσB
Patp
Sf

Variables and parameters

Unit
[MPa]
[MPa]
[2,3,4. . .]
[m]
[m]
[m]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[mm]
[mm]
[1,2,3. . .]RecitalElastic buckling pressure
Youngs modulus
Buckling mode number
Poisson’s ratio
Cylinder thickness
Cylinder inner radius + t/2
Cylinder length
Maximum stressTensile strength
Crushing pressure
Cylinder inner radius
Required thickness
Safety factor

ここで弾性座屈圧力を圧壊圧力と考え，圧壊圧力を 1.0[MPa]，アクリル樹脂のヤング率を 2800

[MPa]，ポアソン比を 0.3 として計算をおこなう
Fig. 74.2Old(left) and new magnet couplingと必要最小板厚は 4.1[mm] となる．この結果とO リングを取り付けるための幅を考慮し，円筒耐圧容器部の板厚を 7[mm] とした．

耐圧容器は両端に平板蓋付きの円筒型であり，円筒部両端に取り付ける蓋の形状については，円筒部の材料には透明性と入手性を考慮してア貫通部の無い平板とした．材料は，改良型ではクリル樹脂を用いた．耐圧容器を透明にするこ

軽量化のために両端に MC ナイロンを用いた．とにより，外部から内部の様子を容易に把握す

必要板厚については，平板，貫通部無し，およることができる．そのため，従来のように耐圧び円板の周辺が拘束されていないという条件を容器を開けることなく浸水の有無や不具合が発適用し，式 (4) および (5) により計算をおこなっ
た 7) ．パラメータの定義を Table 5 に示す．

生した部分を知ることができる．水密性については平面部に O リングを用いることで確保している．

σ = 1.24P a2 /t2p(4)σ = σB /Sf(5)円筒の内径，長さについては搭載する機器の寸法から決定し，板厚については式 (3) によって求めることができる耐圧に必要な最小限の板厚4) ，および O リングの規格を考慮して決定した．
[Pk( )

π4r 4= E 4 2×n (n − 1)l( )2 ]( )2n −1tt+×212(1 − ν )rr

MC ナイロンの引張強度を 96[MPa] として計算をおこなった結果，必要最小板厚は 5.0[mm] となり，この結果と O リング用の溝を考慮して平板蓋の板厚を 6.0[mm] とした．

(3)

4.3

計算に用いたパラメータの定義を Table 5 に示す．また，設計にあたり安全率は円筒部，平板
蓋ともに 1.5 を採用した．これは欧米の無人型水中ロボットの基準を参考としたものである 4) ．

制御装置

本研究ではモジュール間の無線通信の方法として電波通信に着目した．電波通信装置としては開発環境や拡張性を考慮し，Fig. 8 に示す Digi–6–Table 7
ItemCPU

Operatingfrequency
Current
consunption
Timer
Serial Interface
Size

Fig. 8Speciﬁcations of R8C/2LSpecifications
Multiplier:
16bits × 16bits → 32bits
Multiply-accumulate instruction:
16bits × 16bits+32bits → 32bits
20MHz(VCC = 3.0 to 5.5[V])10MHz(VCC = 2.7 to 5.5[V])5MHz(VCC = 2.2 to 5.5[V])Typ.10[mA](VCC=5.0[V])Typ.6[mA](VCC=3.0[V])
Watchdog,2 × 8bit,2 × 16bits
Clock synchronous
serial I/O/UART×2
9.0×9.0×1.7 [mm]XBee RF module
International 製 XBee 802.15.4 OEM RF モジ
ュールを選定した．XBee の主な仕様を Table 6に示す. 水中では電波の減衰が著しく，長距離での通信は困難である．しかし，ごく短い距離では通信をおこなうことができるため，ロボット

Table 6

Speciﬁcations of XBee RF module

Indoor/Urban Range
Outdoor line-of-sight Range
RF Data Rate
Supply Voltage
Operating Frequency
Number of Channels[m][m][kbps][V][GHz]

Up to 30
Up to 90250
2.8-3.4
ISM 2.416を設計する際はモジュール間の距離を近づける
か，ゴムシートなどを挟み込むなどの対策が必要である．5) ．
モータを制御するためのコンピュータについては，ルネサスエレクトロニクス製 R8C/2L を採用した．このコンピュータは非常に小型で低消費電力であり，最大で 20[MHz] で動作する．また，R8C/2L の AD 変換ポートを用いて，バッテリーの残量の監視も行っている．R8C/2L をFig. 9 に，主な仕様を Table 7 に示す．
モータドライバについては，RC モデル用 Elec-toronic Speed Controller(ESC) である双葉電子工業製 MC951 H/A を採用した．ESC にはモータドライバに加えて CPU が搭載されており，モータの挙動について細かな設定をおこなうことができる．ESC の主な仕様を Table 8 に示す．
また，スラスタモジュールの電源回路には，リードスイッチとリレーを組み合わせた電源スイッチを採用している．これにより，耐圧容器

Fig. 9R8C/2Lの蓋を開閉することなく，外部から電源スイッチを操作することができる．Fig. 10 にシステム–7–

Table 8 Speciﬁcations of Electoronic SpeedController(ESC)
Max.continuous current
Switching rate
Size
Weight

[A]
[kHz]
[mm]
[g]

5032
50×25×1052

Table 9 Speciﬁcations of Brushless DC motor(BLDC)
Power rating
Nominal voltage
Stall torqueMax. continuous current

[W]
[V]
[mNm]
[A]

50
18.0
1100
3.54

Fig. 11
Table 104.4

Speciﬁcations of Li-Po battery

Rated voltage
Capacity
Size
Weightブロック図を示す．

BLDC motor

[V]
[mAh]
[mm]
[g]

22.2
3300
143×40×43514

モータおよびバッテリー
おり，そのままの状態では試作機と同じ大きさスラスタモジュールは少ない容積の内部にバッテリーや制御用コンピュータ，電波通信装置を搭載している．そのため，これらの機器を有効に配置することができるよう，モータは扁平型であることを選定の条件とした．そのため，本の円筒耐圧容器に搭載することはできない．流体抵抗を可能な限り増加させることがないよう，

Fig. 11 に示すように，モータの基板に加工を施し，従来と同じ内径の円筒耐圧容器に搭載することができるようにした．

研究で開発したスラスタモジュールは扁平型ブ
ラシレス DC モータを採用している．試作機では maxon 製 EC45 ﬂat 30[W] を選定したが，推力を増加させることを目的として改良型スラス
タモジュールでは maxon 製 EC45 ﬂat 50[W] を選定した．モータの主な仕様を Table 9 に示す．
また，新たに採用したモータは基板が突出してReed
Switchバッテリーについては，Hyperion 製 22.2[V]

3300[mAh] Li-Po バッテリーを採用した．Li-Po
バッテリーは従来の Li-ion バッテリーなどと比べてエネルギー密度が高いことが特徴であり，スラスタモジュールのような容積の少ない場所に搭載しても十分な容量を確保することができる．バッテリーの主な仕様を Table 10 に示す．

SignalRelay

Brushless
DC motor

ESC

5.

基本性能試験

改良型スラスタモジュールに対して，耐圧および水密性能，最大推力，連続稼働時間測定試
3.3V
RegBatt

Fig. 10

R8C

験の 3 種類の基本性能試験をおこなった．

XBee

5.1

耐圧および水密性能試験

圧力試験機を用いて耐圧容器の耐圧性能およ

System block diagram

び水密性を確認する試験をおこなった，試験の–8–181614Thrust [N]12108
64blades 65[mm]4blades 55[mm]4blades 45[mm]3blades 65[mm]3blades 55[mm]3blades 45[mm]420Fig. 12Pressure and leak tests of the designed pressure vessel

Fig. 13

4 and 3 blades propeller

様子を Fig. 12 に示す．試験は JIS B8265 を参考にしておこなった 6) ．試験圧力は猪苗代湖の最00.5

11.5

22.5
Current [A]

33.5

44.5

Fig. 14
Current-thrust graph of diﬀerent
propellers with 50[W] motor

Fig. 15 Measurement of continuous operation time and thrust
ロペラで目標とする 11[N] の推力を発生させる

深部を上回る 1.0[MPa] で，徐々に加圧した後，ことができたものの，試験の結果より最も消費試験圧力を 1.0 時間維持した．この試験において電流の少ない 4 枚羽，直径 55[mm] のスクリュー塑性変形や漏水は生じなかったため，1.0[MPa]

プロペラを採用することとした．また，このスの水圧に耐えることが確認された．

クリュープロペラを用いた場合，最大で 14[N]の推力を発生させることができた．

5.2

最大推力測定試験

試作機での課題より，最大推力の目標を 11[N]5.3

連続稼働時間測定試験として最大推力を測定する試験をおこなった．

開発した改良型スラスタモジュールに，RABO

試験ではスラスタモジュールを吊り秤に懸垂さESCH 製 147-19 4-blades pitch 56.4[mm] diam-せ推力を測定した．また，予備実験の結果より，

eter 55[mm] を取り付けて連続稼働時間を測定

RABOESCH 製スクリュープロペラの 4 枚羽，3した．試験の様子を Fig. 15 に示す．試験では開枚羽についてそれぞれ直径が 65[mm]，55[mm]，始時の推力が 11[N] となるようにして測定をお45[mm]，の計 6 種類をそれぞれ取り付けた．試こなった．試験の結果，連続で 2.0 時間稼働す験に用いたスクリュープロペラを Fig. 13 に，試ることが確認された．

験の結果を Fig. 14 に示す．全てのスクリュープ–9–

6.

結言

本論文では，改良型スラスタモジュールの概要と基本性能試験について述べた．基本性能試
験の結果，水密性および推力について試作機での課題を解決することができた．また，重量についてもバッテリーの重量の増加がおよそ 400[g]であったのに対して，全体重量では 100[g] の増加であったことから，試作機での不要な重量の増加を改善することができた．
現在，スラスタモジュールの開発と並行してメインモジュールの開発がおこなわれている．メ
インモジュールの試作が終わり次第，スラスタモジュールと組み合わせてプールでの実験をおこなう予定である．また，採水，採泥器についても開発をおこなう予定である．

謝

辞
部品の加工をしていただいた福島大学機械加工室教務補佐員の横野征正氏，丹治則行氏に感謝いたします．

参考文献
1) 浦 環:自律型海中ロボットの発展する方向,Journal of Geography, 109(6),pp900-906,2000.
2) 武村 史朗, 普天間 翔太, 白久レイエス 樹, 相良慎一, 川端邦明，木村哲也:スラスタ鉛直指向機
構を用いた水中物体の引き上げ, 第 29 回日本ロボット学会学術講演会,RSJ2011AC1K3-5,2011.
3) 国土地理院，http://www.gsi.go.jp/KOKUJYO
HO/KOSYO-inawashiro.html,1.March,2011.
4) 浦 環, 高川 真一 (編著): 海中ロボット総覧, 成山堂書店 (1994)
5) 大室 拓哉, 高橋 隆行: モジュール構造型小型水中ロボットのための電源内蔵型ワイヤレススラスタモジュールの開発, 日本機械学会ロボティ
クス・メカトロニクス講演会’11,1A2-M13,2011
6) 日本工業標準調査会 JIS 検索ページ,
http://www.jisc.go.jp/app/JPS/JPSO0020.
html,1.March,2011.
7) 日本機械学会,” 機械工学便覧/日本機械学会編
α: 基礎編”, 丸善,2007.

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