マニピュレータを搭載した AUV の開発 − 第一報：水中用マニピュレータの開発と制御 − 学生員石塚誠 ∗ 正員石井和男 ∗ Development of an AUV equipped with a manipulator 1st report : Development and control of an underwater manipulator by Makoto Ishitsuka, Student Member Kazuo Ishii, Member Key Words:AUV, Underwater Manipulator, Magnet coupling １. はじめに海洋は人間にとって最も身近でありながら未知のフロンティアであり、海洋の動態や生物活動、海底変動など様々な現象に関して調査・研究が進められている。しかし、海洋、とくに海中では人間が直接作業を行うことが難しく、安全や効率の観点から海中ロボットの開発および運用が盛んになってきている 1),2) 。海洋諸現象の研究が進めば、海洋保全や資源利用などの海洋開発へと移行し、将来、大規模な海洋開発が進められることが考えられる。そのためにより複雑な作業を行うことのできる水中ロボットの開発は急務であると言える。本研究ではマニピュレータを搭載した自律型ロボットの開発を目指し、その第一段階として水中用マニピュレータの設計・開発に関して報告する。２. 水中用マニピュレータの開発水中用マニピュレータは水平面内で駆動する 2 リンクのマニピュレータとした。AUV 自体の自由度が高いため、マニピュレータがある程度の自由度を有すれば広範囲の手先到達範囲が期待できる。マニピュレータの設計に際し、必要となる開発条件を以下にあげる。２. １水密構造水中ロボットにおいてはマニピュレータに限らず、アクチュエータや電子回路などを保護するため水密構造が必要である。開発したマニピュレータの構造を Fig.1 に示す。本研究では力の伝達機構としてマグネットカップリング 1 を使用した水密構造を採用した。マグネットカッ (Fig.1−°) プリングは磁力を利用し隔壁を通して力を伝達する機構であり、通常は大きなトルクを必要としないウォーターポンプやスラスタの駆動軸に用いられている。マグネットカップリン 2 を含む耐圧容グを使用することにより、モータ (Fig.1−°) 3 が完全に水を遮断できる構造となる。マグネッ器 (Fig.1−°) トカップリングの課題として、以下のような点が上げられる。 1) 伝達トルクが小さい 2) 大きいトルクに対してバックラッシュが生じる大きいトルクを伝達するには強力な磁力が必要となり、マグネットカップリング自体が大きなものとなる。そこで、マグネッ 4 トカップリングを介して伝達された動力をギア機構 (Fig.1−°) によって減速し、必要なトルクを得る構造とした。２. ２関節の動作範囲マニピュレータの手先到達範囲は各関節の動作範囲によって決定されるため、できるだけ動作範囲が広い関節の構造を採用する必要がある。そこで、各関節は方持ち構造とし、360 度回転可能な構造とした。 ∗ 九州工業大学大学院生命体工学研究科２. ３リンク構造のモジュール化本研究ではリンク構造を単純化して拡張性をもたせるため、アクチュエータ（モータ）と関節機構を一つずつ組み合わせたモジュール構造を採用した。このモジュールを多数連結することで、多リンクのマニピュレータや複数腕を実現することが可能である。また連結部分はハンドなどのエンドエフェクタやセンサ、リンクなどのモジュールが簡単に取り付けられる構造としている。２. ４水中用マニピュレータの製作前項までの条件とシミュレーション 3)−6) から得られたパラメータを用い、3D-CAD システムを使用してマニピュレータの設計を行った。製作したマニピュレータを Fig.2 に示す。リンク内部にはモータドライバを内蔵しており、外部からのシリアル通信による指令値に基づいて関節角度制御することが可能である。設計したマニピュレータの関節軸における設計性能を Table1 に示す。３. AUV への搭載本研究で使用する AUV“ Twin-Burger ”7) の 2 つの耐圧容器にはそれぞれコンピュータが搭載され、前部の耐圧容器（Hull2）においてスラスタの制御を行い、後部の耐圧容器（Hull1）においてセンサの情報処理を行い、Ethernet を介して互いに通信して行動を決定するシステムとなっている。 ④ Gears ③ Pressure Hull ② Motor ① Magnet Coupling Mechanical Seal Motor Driver Main Shaft Fig. 1 Drive mechanism of joint Table 1 Specification of a link サイズ重量水中重量関節軸出力トルク関節軸出力回転数 90×90×360 [mm] 3.7 [kg] 250 [g] 1.7 [Nm] 8.9 [rpm] 開発したマニピュレータは前章で述べたようにシリアル通信によって指令値を送信する。センサ情報の取得、マニピュレータの制御および画像処理は Hull1 において実行し、スラスタの制御は Hull2 において行う構造とした。Twin-Burger のシステム図を Fig.3 に示す。 Hull1 の計算機はラップトップコンピュータとし、超音波測距センサ及び圧力センサはマイクロコンピュータ PIC を介して取得し、角速度および姿勢角は直接 PC で計測している。センサ情報の取得には USB-Serial Converter を用いてシリアル通信で行う。USB ポートさえあれば通信ポートの増設を容易に行うことができ、多数のセンサやアクチュエータを容易に接続することができる。 Hull1 のシステム構成図を Fig.4 に、マニピュレータを搭載した様子を Fig.5 に示す。４. 動作実験 Fig. 3 AUV へ搭載したマニピュレータの水中における動作実験を行った。外部からシリアル通信を用いて指令値を送信し、その動作を確認した。リンク 2 を動作させた実験の様子を Fig.6 に示す。５. まとめ水中用マニピュレータの設計・製作と AUV への搭載を行い、水中において動作実験を行った。今後ハンドモジュールの開発やビジョンシステムの搭載などを行い、物体把持などの自律的な水中作業の実現を目指す。 System of AUV ”Twin-Burger” Fig. 2 Developped manipulator USB - Serial Converter Link2 of Manipulator Motor Driver Motor Motor Driver Motor Computor USB - HUB LAN - HUB USB - Serial Converter Attitude Sensor USB - Serial Converter 6-axis Gyro Sensor USB - Serial Converter To Hull2 Analog - Digital Converter Depth Sensor Paralell - Serial Converter Ultrasonic Ranging Sensor PIC Circuit Fig. 4 参考文献 1) 浦, 高川,“ 海中ロボット総覧 ”, 成山堂書店, (1994) 2) (社) 日本造船学会海中技術専門委員会編,“ 海中技術一般 ”, 成山堂書店, (1992) 3) 石塚, 石井, “ 水中用アクチュエータの開発及び制御設計 ”, RoboMec05、2A1-S-010, (2005) 4) Ishitsuka, Ishii, “ Development of an Underwater Manipulator mounted for ana AUV ”, MTS/IEEE Oceans2005, 050305-02, (2005) 5) Ishitsuka, Ishii, Sagara,“ Dynamics Analysis and Resolved Acceleration Control of an Autonomous Underwater Vehicle Equipped with a Manipulator ”, UT04, C3-2, pp.277-281 (2004) 6) 石塚, 石井, 相良“水中用マニピュレータの開発及び , AUV への搭載と制御 ”, SI2004,2K4-3, pp.789-790, (2004) 7) 藤井, 浦“ , 自律海中ロボット「ツインバーガー」の開発”, Proc.Techno-Ocean’94, pp.421-426, (1994) Link1 of Manipulator USB - HUB 謝辞本研究の一部は九州工業大学 21 世紀 COE プロジェクト「生物とロボットの織りなす脳情報工学の世界」の支援により実施した。 USB - Serial Converter Fig. 5 Fig. 6 System of hull1 AUV equipped with a manipulator Experiment of manipulator with AUV