計測自動制御学会東北支部 第 336 回研究集会 (2021.12.1)
資料番号 336-2

湖沼調査用水中ロボットのための PTFE ベローズを用いた浮力調整器の開発
Development of a buoyancy controller using PTFE bellows forenvironmental surveying underwater robot○稲見 ひかり ∗ ，高橋 隆行 ∗○ Hikari Inami∗ ，Takayuki Takahashi∗*福島大学*Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (underwater robot)，浮力調整器 (buoyancy controller)，PTFE ベローズ (PTFE bellows)，水中グライダー (underwater glider)

連絡先 : 〒 960-1296 福島県金谷川 1 福島大学 共生システム理工学類 高橋研究室
稲見ひかり，Tel.: (024)548-5259，Fax.: (024)548-5259，E-mail: inami@rb.sss.fukushima-u.ac1.

緒言

福島県には，桧原湖や猪苗代湖など多くの湖沼が存在しており，水質調査や生態系調査が行われている．また，2011 年の東京電力福島第一原子力発電所の事故以降，放射線量の調査も行われるようになった．水中の放射性セシウムは，一般に底質の土粒子表面に付着しているといわれることから，湖底泥の採取による調査が必要
Fig. 1: The second version of underwater robotである．
従来の採泥方法として，水上の船から採泥器を投下する方法や潜水士が採泥地点まで潜水し，ロボットの開発を行ってきた．現行機である水中ロボット 2 号機改良型を Fig. 11) に示す．

直接採泥を行う方法等が存在する．前者の方法
では採泥器が波や流水によって流されてしまうなど，精確な位置情報の把握が困難である．また，後者では，潜水への負担が大きいため，深い水深での採泥が困難であり，コストの面からも長期的なサンプリングが困難である．そこで，現行機は，猪苗代湖での採泥実験に成功しているが，重量が約 70[kg] と重く，岸や小型船上からの投下，回収が困難である．また，調査対象の猪苗代湖は岸から中心地点まで約 5[km] あるが，現行機は水平移動距離が 800[m] と短く，船で採泥地点上まで運搬する必要がある．

筆者らは，これらの問題を解決するため，水中–1–

現在開発中のグライダー型水中ロボット G-Buoyancy
control module

Wing module

Attitude control module
Thruster module

B<G

Sampling module

Fig. 2: The concept of G-TURTLE(a)Horizontal motion(b)Verticalmotion

TURTLE（Glider-type underwater robot for
Fig. 3: The motion of G-TURTLE

lake environmental survey）は，湖岸まで成人男性 2 人での運搬が可能となるよう，目標重量30[kg] としている．G-TURTLE の構想図を Fig. 2に示す．G-TURTLE は水平方向移動に水中グライダー方式 2) を採用することを予定していタを用いて垂直方向移動・採泥を行い，再度，グライダー方式の移動により湖岸まで戻ってくるという運用を考えている．

る．水中グライダー方式とは，潜水・浮上をくり返し，翼で発生する揚力で推進力を得て水中3.

提案する浮力調整器を滑空するように移動する方法である．この方本研究で調査対象としている猪苗代湖は，国式では潜水・浮上のための浮力調整時のみエネ立公園に指定されており，環境保護の対象となっルギー消費が発生するため，プロペラ方式の移ている．そのため，水中ロボットに搭載する浮動と比べて同じバッテリ容量でより長距離の移力調整器は，できるだけ環境への影響を小さく動が可能になると考えられる．

することが望まれる．また，水中ロボット全体この水中グライダーを実現するために，浮力の軽量化のため，小型・軽量であることが望ま調整器と翼が重要な要素となっている．本研究しい．さらに，水圧によって浮力が変化しないでは特に浅深度の浮力調整に適したベローズを特性も必要である．そこで，本研究では PTFE用いた浮力調整器に着目し，その耐圧性能につ（フッ素樹脂:Poly Tetora Fluoro Ethylene）ベいて検討する．

ローズを用いた浮力調整器を提案する．

Fig. 4 に提案する浮力調整器の構想図を示す．

2.

ブラダ部分に PTFE ベローズを用いており，摺G-TURTLE の構想動軸を動かすことでベローズが伸縮する．例え

G-TURTLE の移動時の模式図を Fig. 3 に示
す．

ば，ブラダ部に風船を用いるとすると，ロボットの水深が深くなるにつれて，水圧により風船Fig. 3(a) にあるように，浮力調整器によりロボットの浮力を調整することで，潜水・浮上を行い，翼を用いて水平方向の推進力を得ることができる．垂直方向移動，採泥時は Fig. 3(b) のように，浮力を小さくした状態で，スラスタにより推進力を得て移動を行う．G-TURTLE を湖の岸から投入し，グライダー方式の移動によの体積が小さくなり，浮力も小さくなっていく．
浮力を一定に保つためには風船の体積を一定に保たなければならず，常に制御が必要となる．それに対して提案する浮力調整器では，ベローズの軸方向の変形は摺動軸によって防止することができ，直径方向の変形はベローズの形状により防止できる．そのため，浮力を調整するときり採泥地点上まで移動を行う．そして，スラス–2–

ූྙ:୉

Bladder(Bellows)

Sliding shaft

Motor

ූྙ:ঘ

Fig. 6: The concept of buoyancy controller usingoil4)

Fig. 4: The concept of buoyancy controller using
PTFE bellows

合には摺動軸を伸長し，体積を増大させる．潜
水させる場合には，摺動軸を収納し，体積を縮Water

PTFE ringSliding PTFE shaft

Slidingmechanism

Air

小させる．PTFE の超撥水・低摩擦性を利用することで，摺動部の摩擦抵抗を大きく低減できmotorる．また，シールリングは水圧 1.0[MPa] におい

Sliding

Fig. 5: The concept of the buoyancy controller using sliding PTFE shaft3)

のみ浮力調整器の体積を変化させる制御を行えばよいため，制御が容易であると言える．PTFEは，耐熱性，耐薬品性，撥水性を持つ非粘着の特性がある樹脂で，他の樹脂にはないすべり特性を併せ持ち，高い耐候性があるという機能的な材料である．このような特性から，屋外で使用する水中ロボットに用いる材料として優れていると考えられる．ただし，精密な加工が難しいという短所もあり，機械加工には高度な技術が必要である．

4.てシール可能であることが確認され，エネルギ
効率が水深 100[m] 時に 93.6%5) と非常に高効率であることが確認された．
この浮力調整器の摺動抵抗は水圧，およびシールリングと摺動軸の間に発生する摩擦力によって決定されるが，深い水深では水圧が大きいため，摺動抵抗に対する摩擦力の割合は小さくなる．しかし，浅い水深の場合，水圧が小さいため，摺動抵抗における摩擦力の割合が大きくなり，エネルギ効率が低くなってしまう．摩擦力を小さくするために，シールリングのはめあいを緩くすることが考えられるが，はめあいを緩くするとシール性能が失われてしまうという課
題がある．

従来の浮力調整器

4.2

従来の浮力調整器として，PTFE 摺動軸を用いた固体浮力調整器 3) と油圧式浮力調整器 4)油圧式浮力調整器

油圧式浮力調整器 4) について述べる．Fig. 6に油圧式浮力調整器の概要図を示す．

について述べる．

ハウジング内にあるオイルタンクからポンプなどでオイルをブラダまで送り，ブラダが膨らPTFE 摺動軸を用いた固体浮力調整器

むことで浮力を得るという構造になっている．まPTFE 摺動軸を用いた固体浮力調整器の構想オイルタンクに戻し，ブラダがしぼむことによ

4.1

た，水圧を利用することで，ブラダのオイルをり浮力を失う．

図を Fig. 5 に示す．
これは摺動軸とシールリングに PTFE を用い

本研究の水中ロボットは調査対象を国立公園る構造となっている．ロボットを浮上させる場の猪苗代湖としているため，油漏れなどの環境–3–

Fig. 7: Mechanical drawing of PTFE bellows

Φ320[mm]362[mm]Tester cap

Pressuresensor 1

Pressuresensor 2

Bellows
Pressure tester

Fig. 8: 1[MPa] pressure tester

Fig. 9: Schematic diagram of experimental apparatus

汚染のリスクを考えると油圧式浮力調整器を使5.1

うことはできない．

グライダー方式移動時の耐圧性能

まず，グライダー方式の移動時にどの程度の5.

水圧までベローズが浮力調整器として機能する

ベローズの耐圧試験か確認する．使用するベローズの設計図を Fig. 7PTFE ベローズを用いた浮力調整器を G-TUR-に示す．ベローズは有限会社飯田製作所に加工

TLE に搭載するにあたり，ベローズがグライしていただいた．使用するベローズは板厚 t =ダー方式の移動においてどの程度の水深まで浮0.2, 0.3, 0.4[mm] のものと t = 0.2[mm] でベロー力調整器として機能するか確認する必要がある．

ズの根元にフィレット R = 0.08[mm] がついてまた，猪苗代湖は水深が約 100[m] あり，本研究いるものの全 4 種類である．これらを Fig. 8 にの水中ロボットは，垂直移動・採泥時はスラス示した 1[MPa] 水圧試験機（有限会社アテナ工

タで推進することを想定している．ここではベ央，水圧試験機 SS）に取り付け，ベローズが破

ローズは浮力調整器としては使用していないが，壊されるまで加圧していく．

水深 100[m] の耐圧性能を有している必要があ

水圧試験機の水圧とベローズ内の圧力を比較る．これらの性能を確認するため，2 種類の耐するため，Fig. 9 の実験装置模式図のように圧圧試験を行う．

力センサ（keller 社，PAA-20SX）を 2 つ取り付

–4–

Fig. 10: Attachment of bellows
LED(To synchronize withfootage)

Fig. 12: Experimental results of pressure test 1
Table 1: Withstand pressure of the bellows

PCA/DConverter

Power supply
14[V]Pressure
Pressure
sensor for
sensor for
bellows inner
water pressurepressure
Pressure tester

Fig. 11: Block diagram of the experimental setup

けた．また，ベローズは試験機蓋に直接取り付

Types ofbellows[mm]

Maximumwaterpressure[kPa]

t=0.2t=0.3
t=0.4
R=0.08174287431138

safety factor 1.5
Water
Water
pressure depth[kPa][m]116
191.3
287.3
92

11.6
19.1
28.7
9.2

けた．CAD の断面図と実際に取り付けた様子をFig. 10 に示す．アルミフレームをベローズ内に30[m] で利用できることがわかった．また，板入れることで実際の使用時の摺動軸を模擬する．

厚を大きくすることで耐圧性能が向上すること

また，アルミフレームの長さはベローズの 1 山が確認できた．

が 4[mm] 開いた状態になるようにした．
実験装置のブロック図を Fig. 11 に示す．2 つの5.2

圧力センサの出力と実験動画同期用の LED の電圧を AD コンバータ（CONTEC，AIO-160802GY-USB）で計測した．
耐圧試験の結果を横軸に水圧，縦軸にベローズ内圧として Fig. 12 に示す．ベローズの板厚 t

垂直方向移動・採泥時の耐圧性能

垂直方向移動・採泥時のベローズを縮めた状
態で，水圧 1.5[MPa] の耐圧性能を有しているか確認を行う．水圧 1.5[MPa] とは水中ロボットの耐圧設計の安全率を 1.5 とし，調査対象を最大= 0.2, 0.3, 0.4[mm], フィレットがついているも

Φ730[mm]のはそれぞれ緑色，青色，赤色，紫色で示している．灰色の破線で表しているのはベローズの内破線で表した水圧においてベローズが破壊されたとみなし，各ベローズを利用できる最大水圧値とする．各ベローズの最大水圧値を Table 11080[mm]

圧が急激に大きくなる直前の水圧である．この，に示す．本水中ロボットでは耐圧設計の安全率を 1.5 としているため，実際にベローズを利用できる水圧，水深は Table 1 の通りである．Table1 から今回使用したベローズでは最大で水深約–5–Fig. 13: 2[MPa] pressure tester

調整器として利用できることを確認した．また，PTFE ベローズを垂直移動・採泥時に利用する場合の耐圧性能を確認するため，ベローズを閉じた状態で耐圧試験を行い，板厚を適切に選ぶことで 1.5[MPa] の圧力に耐えられることを確認した．今後は，伸ばした状態で更に耐圧性能が高いベローズを開発するとともに，ロボットが水中を滑空するために，ベローズの伸縮を制Fig. 14: Experimental results of pressure test 2御するシステムを構築する．

水深 100[m] の猪苗代湖と仮定したときの最大水圧値である．使用するベローズは耐圧試験時と参考文献同様であるが，フィレットが付いたベローズは

1) 菅野怜ほか: 湖沼調査用グライダー型水中ロボットの開発-グライダー翼抑制の計測及び動作シミュレーション-，計測自動制御学会東北支部 第 306 回研究集会，306-3（2016）

前節の実験で耐圧性能が低いことがわかったので本実験では除いた．ベローズの取り付け方法
は耐圧試験時と同様だが，ベローズを設計値まで縮めた状態になるようにアルミフレームを設計した．また，実験装置のブロック図は前節の実験と同様である．ただし，水圧 1.5[MPa] まで加圧するため Fig. 13 に示す 2[MPa] 水圧試験機（有限会社アテナ工央，水圧試験機 XL 特注）を用いた．
耐圧試験の結果を横軸を水圧，縦軸をベローズ内圧として Fig. 14 に示す．ベローズの板厚 t= 0.2, 0.3, 0.4[mm] の結果をそれぞれ緑色，青色，赤色で示している．水圧 1.5[MPa] 付近を見ると板厚 t = 0.2[mm] のベローズ内圧が急激に上昇しており，ベローズが破壊されたことがわかる．また，板厚 t = 0.3, 0.4[mm] のベローズは水圧 1.5[MPa] の耐圧性能があることを確認できた．

6.

結言

本論文では，グライダー型水中ロボット G-TURTLE のための PTFE ベローズを用いた浮力調整器を提案した．そして，PTFE ベローズをグライダー方式で利用する場合の耐圧性能を確認するために耐圧試験を行った．試験結果から，最も強いものでは，水深約 30[m] まで浮力–6–2) 有馬正和ほか: 主翼独立制御型水中グライダー実験機の設計と開発，第 2K 号，57/60，2006K0S3-4（2006）
3) 船越一希，情野瑛，高橋隆行: 水中ロボットのための PTFE を用いた超小型浮力調整器の検討−ベローズを用いた浮力調整器の提案−，計測自動制御学会 SICE-SI，2B1-08（2020）4) 浅川賢一，渡健介，大内英俊: 小型アキシャル
ピストンポンプを用いた水中グライダー用浮力エンジンの開発，日本船舶海洋工学会後援会論
文集，第 17 号，397/400（2013）5) 船越一希ほか: 水中ロボットのための PTFE を用いた超小型浮力調整器の検討，計測自動制御学会 SICE-SI，1D5-06（2019）