計測自動制御学会東北支部 第 312 回研究集会 (2017.11.24)
資料番号 312-13

原子炉内部調査ロボット用巻取可能サンプリングアームユニット
ー低融点合金を用いたチェーンロック機構の提案ー
Windable sampling arm unit for atomic reactor interior surveying robot-Proposal of a chain lock mechanism using low melting point alloy○瀬戸 徳文*，カニエテ ルイス*，高橋 隆行*○ Noriaki Seto*, Luis Canete*, Takayuki Takahashi**福島大学*Fukushima University
キーワード : 原子炉内部調査用ロボット (atomic reactor interior surveying robot)，チェーン (chain)，
フレキシブルアーム (flexible arm)，巻取機構 (windable mechanism)，
低融点合金 (low melting point alloy)

連絡先 : 〒 960-1248 福島市金谷川１番地 福島大学 理工学群 共生システム理工学類 高橋隆行研究室
瀬戸 徳文，Tel./Fax: (024)548-5259，E-mail: seto@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

ちた燃料デブリの上に静止し，(3) そこからアームを伸長し (4) 燃料デブリをサンプリングする．

現在，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の廃炉計画が進められている. その一つとして格納容器内部の燃料デブサンプリングには，本研究室で開発している
三爪ハンド 2) によるピッキングや，ドリル切削などを考えている．

リを取り出す計画がある．現時点で内部状況は少しずつ明らかにされてきているが，燃料デブ
リの成分，硬さ，放射線量などは未だ解明されていない．そのため，溶け落ちた燃料デブリの(2)(1)(3)サンプリングが必要である．しかし，格納容器内部は放射線量が高く，人間が入れない領域であるため，ロボットの活躍が期待されている．

(4)

そこで，本研究室では燃料デブリのサンプリングが可能な原子炉内部調査ロボット用巻取可能サンプリングアームユニットを開発している
1) ．このサンプリングアームユニットを搭載したロボットが Fig. 1 に示すように，(1) 格納容器に通されたガイドパイプを通って (2) 溶け落–1–Fig. 1. Sampling operationこのサンプリング動作を行うには，2.2(1) ロボットが直径 100[mm]3) のガイドパイプ内を通行できること

二層ドラム

前節の問題を解決するため，渡邊らは Fig.4 に示すような二層に分けたドラムを提案した．こ(2) アームがグレーチング格子 90 × 25[mm]3)のドラムは，一方を能動的，もう一方を受動的に動かすことによって，長くなってしまった実を通すことができること

効長を吸収することを考えた．

(3) グレーチングから燃料デブリまでの高さ最長 3[m]3) までアームを伸ばすことができることと 2 周目に入る前にチェーンとワイヤがスムーズにずれず，巻き取ることができなかった．原(4) 10 ∼ 1000[mg]3) の燃料デブリを採取でき因として，ワイヤとチェーンの摩擦が大きいことが挙げられていた．

ることの 4 つが求められる．

2.

しかし，実際に試作を行い，巻き取りを行う

2.3

先行研究の課題

先行研究では，ワイヤとチェーンの摩擦が課サンプリングアームシステム題として残った．この課題の根本的な原因は，実渡邊ら 1) は前章で挙げた課題を解決するた効長が変化してしまうことである．また，本アー

め，Fig.2 に示すコンパクトで巻き取り可能なムは張力をかけることによって簡単に剛性の高サンプリングアームシステムを考案した．このいアームにすることができるが．チェーンを試システムは，大きく分けてフレキシブルアーム作し，リジッドモードにしたアームにあらゆると二層ドラムで構成されている．アームを巻き方向から力を加えてみると，アームが変形して取って回収するため，サンプリングユニットをしまった．

コンパクトにすることができ，十分なアームの長さを確保できる．

そこで本研究では，巻き取るというコンセプトは変えずにアームの構造を変えることによって先行研究で生じた問題点を解決し，サンプリ

2.1フレキシブルアーム

ングアームシステムの完成を目指す．

フレキシブルアームを Fig.3 に示す．フレキシブルアームには，ドラムに巻き取り可能な柔軟性を持つフレキシブルモードと，剛性を持つリジッドモードの二つのモードがある．このモードの切り替えをチェーン内部を通っているワイヤの張力で行う．また，モータの回転をワイヤ

Two-layers
drumFlexible armで伝達させ，先端工具を駆動する．
しかし，このチェーンの構造上，アーム巻取り時に実効長が長くなってしまい，長くなった

End effector

分だけワイヤを繰り出さなければ，スムーズに巻き取ることができない．本稿において，実効長とはアーム巻取り時のスペースを含めたアームの長さである．

–2–Fig. 2. Sampling arm system

3.1.1

ジップチェーンアクチュエータ

ジップチェーンアクチュエータ 4) を Fig.5 に示す．このジップチェーンアクチュエータは，巻き取られている二本のチェーンがジッパーのよChain

うにかみ合うことによって一本の強固な柱状にTension

Wire

変化する直線作動器である．このチェーンをフEnd
effector

レキシブルアームとして使用を考えたが，二本のチェーンを使用することから必要なアーム長

Flexible modeの二倍のチェーンが必要となり，巻き取るとユRigid mode

ニット自体が長くなってしまう．よって，小型化が難しいといった欠点が存在する．

Fig. 3. The flexible arm

Wire
Space

Chain
Passive

Drum
ActiveRollerFig. 4. Two-layers drum

3.

Fig. 5. Zip chain actuator(TSUBAKIMOTOCHAIN CO.)

チェーン形状の検討
3.1.2

LinkLift

まず市販品で問題点を解決できないかと考え調査，検討を行った．次に新しいチェーン形状をLinkLift5) を Fig.6 に示す．この LinkLift は，考案し，フレキシブルアームに使用するチェーチェーン一つ一つが積み重なることによって強ン形状の候補として四つ挙げ，基本性能を比較

固な柱状に変化し，リフトとして機能する．こした．この中で最も良いと考えるチェーン形状のチェーンは１本のチェーンのみで剛性の高いについて次章で考察を行う．

チェーンとなるが，チェーン同士が積み重なるという構造上，巻き取ると直径が増加してしま3.1

い，大型になってしまうことが考えられる．

市販品の活用コンセプトとして巻き取ることができるフレ3.2

チェーン形状の考案

キシブルモードと，サンプリングできるリジッ
フレキシブルアームに使用できそうな市販品

ドモードが実現できるチェーンを実際に販売されている製品から調査を行った．

を二つほど検討したが，どちらも小型化が難し–3–ペースが生じることである．そこでローラチェー
ンのようなチェーンを使用し，ヒンジの回転中心軸をワイヤと交差するように通すことができれば，スペースが生じず，実効長が変化することなくモードの切り替えを行うことができる．
この方式には自由に動いてしまうチェーンをロックする機構が必要である．そこで，Fig. 8に示すようなスライドロック機構を考案した．

Fig. 6. LinkLift(SERAPID Inc.)

赤い部品の溝に青い部品がスライドすることによって，チェーンとチェーンの間に引っかかりいという欠点があった．よって，巻き取ることでが生じ，チェーンがロックできる．
しかし，実際に試作を行ったところ，ロック小型化ができ，先行研究の問題を検討したチェー

時に遊びが存在することがわかった．サンプリンを考案する．

ング時のアームにおける遊びは，先端の位置制

3.2.1

御が困難になる．そのため，チェーンには遊びヒンジを用いたチェーンがないことが求められる．

はじめに，あらゆる方向に剛性の高いチェーン (チェーン形状 1) を考える．
そこで，Fig.7 に示すようなチェーンをヒンジで繋げる形状を考案した．ヒンジを用いてチェー

Slide

ンを一体にできれば，ヒンジ軸方向以外の剛性を高めることができる．

Fig. 8. The chain locking by a slider

しかし，このチェーン形状では未だ実効長がPinChain

Fig. 9. Sectional view

変化してしまうため，スムーズに巻き取れない可能性がある．

3.2.3

熱可塑性樹脂を用いたチェーン

遊びを生じさせずにモード切り替えを行うことができるチェーン (チェーン形状 3) を考える．
(a) Locking method 1(b) Locking method 2

前節で述べたチェーンはロック機構部に遊びが存在する．そこで，加熱することによって軟化

Fig. 7. The chain using a hinge

し，冷却することによって硬化する熱可塑性樹
脂をチェーンの材料として使用する方法を考案した．本稿では，60[℃] 程度で軟化し，硬化時3.2.2には汎用樹脂程度の強度をもつ手びねりプラス

スライドロック機構チェーン

チック (株式会社ベクレルセンター TFabWorks)

次に，アームの実効長が変化しないチェーンを用いた．この手びねりプラスチックをチュー(チェーン形状 2) を考える．実効長が変化する理

ブ型やリング型に成形したアームを Fig.10 に示由は，巻取り時にチェーンとチェーンの間にス–4–

す．Fig.10 のようなアームは，加熱時にフレキシブルモード，冷却時にリジッドモードとなる．
しかし，この手びねりプラスチックを含む熱可塑性樹脂は，熱伝導率が悪いため加熱してもモードの切り替えに時間を要する．

PCL

PCL

Wire

Wire

Fig. 11. The chain locked by the solder

Metal ring(a) Shape 1(b) Shape 2

Chain

Fig. 10. The chain made of tebineri-plastic
PinSolder

3.2.4

低融点合金を用いたチェーン

Fig. 12. Enlarged view of Fig. 13. Structure
the chain jointof chain

チェーン形状 1 ∼ 3 で検討し，生じた問題を解消できるチェーン形状を考案する．それは，Fig.11 に示すような低融点合金を用いたチェーン (チェーン形状 4) である．本稿では，低融点4.

はんだの破断せん断応力実験

4.1

実験目的合金としてはんだを用いる．ローラチェーンのロックにはんだをリベットのように用いた．これは，2 枚の板に貫通孔を開け，その孔にはん低融点合金がサンプリングアームに使用するだを満し, はんだのせん断強度によってリジッドことができるほどの剛性を有しているかを確認モードを保持する構造である．また，リジッドする必要がある．そこで基礎実験として，はんモード時にアームが柱状になるように貫通孔をだの破断せん断力を計測し，破断せん断応力を開ける．

求める．

低融点合金は加熱・冷却による軟化と硬化が非常に素早い．これらを用いたチェーンのモー4.2

ド切り替えは熱可塑性樹脂よりも速くなり，先実験方法

実験に用いた器材を Fig.14 に示す．実験結果

端の位置制御の妨げになるほどの遊びは生じるがランドと基板の接着力に依存しないようにせ恐れがないと考えられる．
このチェーンは，チェーン形状 1 ∼ 3 の問題

ん断部のランドは予め剥がしておく．まず，ユ点を検討し考案した．しかし，このチェーンがニバーサル基板を 2 枚重ね，孔一箇所のみには実際に使用することができるほどの剛性を有しんだを満たす．次に，基板の片方を固定し，もているかは判断できないため，確認する必要がう一方をはんだが破断するまで Fig.14 の矢印方ある．よって，次章ではんだの強度を確認する

向に引張る．その破断に要した力の最大値を読基礎的な実験について述べる．

み取ることではんだの破断せん断力を計測する．

–5–

さらに，破断部を重ね，はんだを十分に加熱

Table 1: Shear stress exprimental result(350[℃]，10 秒間) し，もう一度破断実験を行う．
これらの動作を 5 回行い，破断せん断力を計測した．

4.4.1

Times

First[N]Second[N]12345
Average

61.4
51.3
49.3
59.8
59.3
56.2

57.0
59.7
50.6
45.4
44.5
51.4

押付力に関する考察

Fig.15 に示すような先端にかかる押付力によるモーメント M がかかったチェーンについて考Solder察を行う．式 (1) を変形し，

PA=Pτ

(2)

より，切削可能な押付力 P = 98[N]，前章のはんForce gauge

だの破断せん断応力の最低値 τ = 56.7[N/mm2 ]とすると，必要なはんだ接触面積 A は約 1.7[mm2 ]Fig. 14. Shear stress exprimentとなる．例として，回転中心から力点までの法線
距離 a，回転中心からはんだを満たした点までの距離 b の比を 5 : 1 とし，力のモーメントを考え4.3ると，必要な接触面積 A は約 8.6[mm2 ] となる．

実験結果

この値より，はんだで満たされた直径 2[mm] の実験結果を Table 1 に示す．実際の使用を想孔が 3 個以上で耐えられることが分かる．

定し，再加熱の場合の最高値，最低値を代表値とした場合，基板孔径 d = 1[mm] であるので破これより，サンプリングには十分に耐えうるのではないかと考える．

断せん断応力は，
ChainSolderP
τ=(1)A
より，56.7[MPa] から 76.0[MPa] であることがわかった．

4.4

M

実験考察

参考文献 3) では，切削工具を使用した場合に押付力 10[kgf] で燃料デブリの切削が可能であると述べられている．これを基に，はんだのせん断応力が押付力に対して十分であるかの考察を行う．

–6–

Fig. 15. The force condition 1

4.4.2先端工具が滑った場合の考察た．さらに，新しいチェーン形状として四つ考

実際のサンプリングでは，燃料デブリがどのような形状であるか確認できていないため，先案し，最も優れた低融点合金を使ったチェーンについて考察を行った．
今後は，はんだ接触面の最適化や先端工具の端工具が滑り，アームが曲がってしまうことが考えられる．そのため，先端工具の滑った場合滑り止めの設計，先端工具の選定などのほか，ドラムの加熱・冷却機構，繰出・巻取機構の設計の考察をする必要がある．
最悪な状況として先端からフレキシブルアー
ムの根本前までのチェーンを剛体とみなし，フレを行い，サンプリングアームシステムの完成を目指す．

キシブルアームの一番根本のチェーンを Fig.16に示すようなモーメント M ′ がかかったチェー

参考文献

ンを考える．

1) 渡邉悠太，カニエテルイス，高橋隆行: 原子炉
内部調査用ロボットの開発ー巻き取り可能なサンプリングマニピュレータ機構の試作ー，ロボティクス・メカトロニクス講演会 2017，2P1-R08(2017)

例として，回転中心から力 P = 10[N] までの距離 a = 3000[mm]，回転中心からはんだまでの距離 b = 5[mm] とすると，比は 600 : 1 となり，必要な接触面積は約 106[mm2 ](直径 2[mm]の孔が約 34 個分) である．
巻き取って小型化することやグレーチング格子の隙間を通すことを考えるとアームはあまり太くすることができない．よって，先端工具の滑った場合を考慮するとサンプリングに耐えられない可能性があるため先端工具の滑り止めを考える必要がある．

3) 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構，
平成 26 年度補正予算 廃炉・汚染水対策事業費補助金原子炉圧力容器内部調査技術の開発完了報告 平成 26 年 3 月
4) 株式会社椿本チエイン「 ジップ チェー ン ア ク チュエ ー タ 」<http://www.tsubakimoto.jp/powertransmission/linear-actuator/zip-chainactuator/zca/> (参照 2017.8.23)，

5) SERAPID Inc.
「LinkLift Rigid Chain Mechanical Actuator」，<http://www.serapid.com/en/industrialequipment/industrial-lifts/industrial-liftingproducts/linklift >(参照 2017.8.23)

M'Fig. 16. The force condition 25.

2) 伊藤究，伏見雅英，秦安延，秦豪一，高橋隆行:
立体カム機構を用いた対向 3 指小型ピンチング
デバイスの設計と評価，ロボティクス・メカト
ロニクス講演会 2015，1P2-O10 (2015)

結言

本論文では，先行研究の問題点を検討し，市販品の中から新しいフレキシブルアームとして使用できる可能性があるものを含め，検討を行っ–7–