計測自動制御学会東北支部 第 213 回研究集会 (2003.12.12)
資料番号 213-13

船内フリーフライヤーの地上実験システムの開発
Development of a Ground Experimental Setup for
Intra-Vehicular Free-Flyer○佐瀬泰弘 ∗ ，駒井稔久 ∗ ，横浜真誠 ∗ ，葛西昭治 ∗ ，妻木勇一 ∗ ，Dragomir Nenchev∗∗○ Yasuhiro Sase∗ , Toshihisa Komai∗ , Mami Yokohama∗ , Shouji Kasai∗ , Yuichi Tsumaki∗ ,Dragomir Nenchev∗∗*弘前大学, **武蔵工業大学*Hirosaki University, **Musashi Institute Technology
キーワード : 宇宙ロボット（space robot），国際宇宙ステーション（international space station），船内フリーフライヤーシステム（intra-vehicular free-fryer system），テレロボティクス（telerobotics）

連絡先 : 〒 036-8561 弘前市文京町 3 番地 弘前大学理工学部知能機械システム工学科
妻木勇一，Tel.: (0172)39-3686， Fax.: (0172)39-3686， E-mail: tsumaki@cc.hirosaki-u.ac.jp

1.

はじめに有しなければならない船内でこのようなロボットシステムの使用は安全性の点で大きな問題がある．

宇宙開発において人間の作業を支援，代行する宇宙ロボットへの期待は大きく，いくつかのロボットシステムはすでに実用化されている．しかし，これまで主に開発，研究が行われてきたのは，宇宙飛行士にとって危険が大きい船外活動を支援するロボットであった．一方，軌道上の宇宙飛行一方，現在 NASA において PSA (Personal Satel-lite Assistant) と呼ばれる船内で活動する自由飛行型の小型ロボットの研究が進められている 2) ．小さなロボットを使用することで安全性を確保しているが，PSA が対象とする作業は情報の取得，呈示といった非接触作業に限られている．

士の人手不足が深刻な問題となってきている．例
えば，国際宇宙ステーションに常時滞在できる宇宙飛行士の数は NASA の予算削減のあおりを受け削減された 1) ．このため，船内活動を支援するロボットも今後重要な役割を担うことが予想される．
船内活動支援ロボットに関してはこれまでいくつかの研究例があるが，そのほとんどが船内に設置された多軸のマニピュレータシステムを用いたもこれまで我々は宇宙船内において宇宙飛行士を支援する船内フリーフライヤーシステム（Intra-Vehicular Free-Flyer System，IVFFS）と呼ぶロボットシステムを提案してきた 3) 4) ．概念図を Fig. 1に示す．現在までに IVFFS のひとつの形態としてSpace Humming Bird (SHB) と呼ぶロボットの検討を行っている．SHB は PSA と同様に宇宙船内において自由飛行が可能で，かつ簡単なマニピュのであった．しかし，宇宙飛行士と同じ空間を共–1–

Stereo camera
Propeller
HandSuckingdisk(a) front viewFig. 2(b) back view

A model of the SHB.

せるため Fig. 2 に示すような 6 個の固定式プロペラの検討を行っている．

Fig. 1

Concept of the IVFFS.

一方，SHB の特徴の一つに，全身を用いたマニピュレーション機能が挙げられる．これは，構レーション機能により非接触作業のみならず接触作業も行える小型ロボットである．本論文では，このロボットシステム IVFFS の妥当性を検討するために新たに設計，開発した地上実験システムについて報告する．

2.

造を簡単にすることと，小さなサイズで比較的大きな作業領域を確保するためである．しかし，自由飛行中のマニピュレーションは，作用反作用の影響を受けるため，連続的な接触力を実現することは困難である．そこで，SHB では吸盤を用いて体の一部を壁面等に固定することを検討している．

船内活動支援用ロボット

吸盤が利用可能なことも与圧された船内ならでは

現在検討中の SHB の概観を Fig. 2 に示す．まの機能と言える．

SHB の自由度は，性能および全体の大きさをた，SHB の特徴を以下に示す．

考慮すると，できるだけ簡易な構成が望ましい．

• プロペラを用いた推進システムの採用

Fig. 3 に自由度配置の例を示す．自由飛行ロボッ• 全身を用いたマニピュレーション機能の実現

トであるため，壁との固定部を自由に選ぶことが• 吸盤を用いた壁面への吸着できれば，q1 〜q3 の関節があればマニピュレータとしての自由度は十分と考えられる．ただし，ス• 地上からの遠隔操作による運用イッチを回すような作業が必要であれば q4 の関船内は与圧されているため，空気が存在しプロペ節が必要になる．また，固定部を回転する q5 をラにより推進可能である．すなわち，電気エネル加えることで作業領域を大きく確保することがでギーだけで推進できる．しかも，微小重力下であきる．

るため低出力のプロペラ推進で十分と考えられる．
プロペラの配置に関しては，当初，可動式 5 自由度の推進機構を検討していたが，機動性を向上さ

–2–

q3
q1q4

q2
q5Fig. 4Fig. 33.

Overview of the panel.

Distribution of degrees of freedom.

地上実験システム
上述した，SHB の各機能の妥当性を検討するために，地上実験システムを構築した．想定している実験内容を以下に示す．

• プロペラ推進技術の確立と妥当性の検証• 吸盤を用いた固定機能の妥当性の検証• マニピュレーション技術の検証と遠隔操作システムの構築

Fig. 5

Overview of the experimental setup.

このような検証が可能な実験システムとして，エアベアリングを用いた平面微小重力シミュレー

ロボット本体の大きさと，自由度配置を示す．移動タを構築した．土台には，1000×1000 [mm] のグラ用として固定された 3 個のプロペラを持ち，マニナイト精密石定盤を用い，その周りに宇宙ステー

ピュレーション用に 2 自由度の回転関節（q1 ，q2 ）ション内を模したパネルを設置した (Fig. 4)．パネと 1 自由度の直動関節（q3 ）を有する．更に，壁ルには，3 種類のスイッチ（ロッカースイッチ，押面固定用の吸盤と，吸盤内の気圧を制御する直動しボタンスイッチ，トグルスイッチ）と 1 枚の扉が機構（q4 ）を持つ．したがって，全体で 7 個のモー配置されている．全体の外観を Fig. 5 に示す．

タを使用している．なお，エアパッドの直径は 300[mm] で，厚さは 10 [mm] である．Table 2 に仕様

4.

ロボット本体を示す．

実験用 SHB の外観を Fig. 6 に示す．ロボット

4.1

頭部

本体は，バッテリ，ボンベを搭載し，ワイヤレス通
頭部はマニピュレーション時に伸縮する手先の信により操作用コンピュータと交信する．ビデオ信号も無線で飛ばすことにより，本体はワイヤレスで稼動できる．軽量化のため，空気用ボンベは医療用 FRP 製を用いた．Table 1 に重量，Fig. 7 に直動関節と回転関節の 2 自由度を持つ．手先の設計図を Fig. 8 に示す．直動関節にはボールネジを使用する．CCD カメラにはステレオ視が可能なよ–3–

80

Gas cylinder

q310127127

Stereocamera

Sucking disk

q1245

q4

q260

Propeller

Hand

Air padFig. 6

Overview of the prototype model.

Table 1

Weight of the prototype model.

Ǿ300

Fig. 7

Assembly drawing of the prototype model.

Table 2

Specifications of the prototype model

weightBody

1,800 [g]Air pad1,900 [g]Gas cylinder

1,650 [g]Battery

1,150 [g]total

6,500 [g]うにカメラを 2 つ設置する．人の目の間隔が約 60[mm] なので，同じように 60 [mm] の間隔をあけて縦に設置した．また単眼視もできるよう，真中item

specification

D.O.F

7

Motion range of the head

-90〜90 [deg]Stroke of the hand

84 [mm]Motion range of the sucking disk

-90〜90 [deg]

つのプロペラには 4 つの羽がついており，逆回転しても正転時と同じ風力が出力されるように，平らで左右対称な羽を設置した．に装着する事も可能である．

4.2

4.4システム

固定部
システム概観を Fig. 11 に示す．地上に設置さ吸盤を使用した固定部の設計図を Fig. 9 に示す．吸盤内の気圧を変化させることで，固定，離脱を行う．構造は注射器を真似たもので，ピストン運動にはボールネジを用いる．吸盤の中心が手先の高さと同じになるように，設計した．

4.3

れた操作用 PC からワイヤレス LAN 経由でロボット本体の SBC（Single Board Computer）に指令が送られる．SBC は，マイクロプロセッサ H8 を使用した制御回路にシリアル通信で指令を与え，Titechドライバを介してモータが駆動される．SBC の OSにはリアルタイム OS である RT-Linux を使用すプロペラ

る．ロボットからの映像は，直接無線で受信機に移動用の 3 つのプロペラは，Fig. 10 のように120 [deg] 間隔で配置することで，前後，左右の並送信され，ビデオキャプチャカードにより，操作用 PC に取り込まれる．

進運動と垂直軸周りの回転運動を実現させる．1

–4–

12

Motor

0q

Motor

Ballscrew

Wing

Hand
84

Fig. 8Assembly drawing of the hand.
Fig. 10Motor

Assembly drawing of a propulsion unit.

Video Capture
Card

Ballscrew
SuckerWireless Micro
CameraReceiverRubber

Titech DriverMotor

H8EncoderFig. 9Wireless LAN

Host PC

CylinderPC/104
Wireless LANAssembly drawing of the sucking device.

SBCSHB

5.

まとめFig. 11

Control system.

これまで提案してきた IVFFS について技術的妥当性を検討するため，地上実験システムを構築

参考文献

し，平面微小重力シミュレータを設計，開発した．

1) E. Camhi, ”Rescuing the CRV,” Aerospace America, No. 9, p. 3, September, 2001.

開発したロボットは，ワイヤレスで駆動できるた

2) http://ic.arc.nasa.gov/ic/projects/psa/

め，微小重力下における平面運動のシミュレーショ

3) 妻木勇一，Dragomir Nenchev，船内フリーフライ
ヤーシステム，第 45 回宇宙科学技術連合講演会講演集，pp. 787–790, 2001.

ンを精度良く実現することができる．今後，本システムを用いて要素技術の開発と検証を行っていく予定である．
なお，本研究は，（財）日本宇宙フォーラムが推進している「宇宙環境利用に関する地上研究公募」プロジェクトの一環として行われた．

–5–4) Y. Tsumaki, M. Yokohama, D. N. Nenchev, Intra
Vehicular Free-Flyer System, Proceedings of the2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2547–2552, 2003.