ソフト・ロボティクス的手法による燃料デブリへのアクセス

折り紙、インフレータブル、ワイヤ駆動による長尺ヘビ型アーム

荻野

2017年 1月 30日

図 1 3D プリンタで試作したワイヤ駆動ヘビ型アームの一例

1 はじめに近年「ソフト・ロボティクス」なる分野が注目されている。一般的にロボットには金属やモータで構成される「硬い」イメージがあるが、ソフト・ロボティクスでは「柔らかい」素材を利用することにより、例えば「触手」[22]のようなアームを扱う。また、そのためには新しい概念のアクチュエータの必要性が高まっており、盛んな研究 [23]が行われている。本提案書は「廃炉のためのロボット技術コンペ」の公募説明における全模擬作業工程 ([1]～[8]) の解決策として、ソフト・ロボティクス的手法 (折り紙、インフレータブル、ワイヤ駆動による長尺ヘビ型アーム)によるデブリへのアクセスを提案する。また、インフレータブル・アームの折り畳みに「折り紙」の活用を考えた。それについても後述する。筆者は専門外の一般個人であり、技術、予算、機材、時間等の制約からも実機レベルの試作は不可能であったが、試行錯誤の一環として 3D

プリンターを複数台導入し、ラピッド・プロトタイピングを行う (図 1)

など提案を深める工夫を試みた。また、規定の添付すべき書類には含まれてはいないが、スライド資料、提案工程 (A4× 2)を別紙として添付した。そちらも是非参照して頂きたい。

2 本提案を構成する主要機器本提案を構成する機器は大きく分けて、

• (インフレータブルな)ワイヤ駆動の長尺ヘビ型アーム・ロボット• 上記ロボットを助ける補助機構

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の 2つである。長尺ヘビ型アーム・ロボットは工程 [1]～[8]、及び帰還時の逆工程 [7’]～[1’]を全て行うことを想定している。補助機構の役割は主にアーム・ロボットの帰還時に工程 [5]の下降、逆工程 [5’]の上昇を助けることである。

2.1 （インフレータブルな）ワイヤ駆動による長尺ヘビ型アームについて

2.1.1 長尺ヘビ型アーム・ロボットの概要巨大ヘビ型アーム・ロボットの概要図を図 2に示す。

移動機構(1) 移動機構(2) 移動機構(3)

セグメント(1)

セグメント(2)

セグメント(1)駆動用モ タ群

セグメント(2)駆動用モ タ群

エンドエフェクタ駆動用モ タ群

図 2 ワイヤ駆動とバルーン・リンクを用いた巨大ヘビ型アームの概要図

提案する長尺ヘビ型アーム・ロボットは大きく分けて、

• (ワイヤ駆動とバルーン・リンクを用いた)巨大ヘビ型アーム• 移動機構 (複数台)

の 2つの部位で構成される。

2.2 ワイヤ駆動を選んだ理由

アームの駆動にワイヤを選んだ理由は主に放射線対策のためである。2012年に行われたワークショップにて、東京電力、日立の関係者から、放射線対策として「ローテク」「ワ

イヤ駆動」の採用の検討 [15]が述べられている。また、日立 GE、サンポート設計によって廃炉のために開発されている水圧筋肉ロボット [19][20][21]も、敢えて「ローテク」を採用した例と言えるだろう。

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2.2.1 ワイヤ駆動によるヘビ型ロボット・アームの基本原理ワイヤ駆動のヘビ型 (触手 (tentacle)、象の鼻 (elephant trunk)とも表現)の基本原理を図 3に示す。

図 3 ワイヤ駆動によるヘビ型アームの基本原理

中心と周囲に複数の穴 (平面を冗長でなく定義するため 3 本が良いだろう) を空けた円盤を複数用意する。中心の穴にはフレキシブル・シャフトのような背骨となる軸を通し、その軸に円盤を等間隔に固定する。周囲の穴にはワイヤを通し、ワイヤを引っ張ると、引っ張った側のワイヤの長さが縮むことで全体が触手のように曲がる。このようにワイヤ駆動による劣駆動のヘビ型アームは非常に単純な仕組みである。これは古典的なソフト・ロボティクスと言えるだろう。

2.2.2 セグメントによる分割

図 4 ケーブル・コンジット

上記の基本原理のアームを領域分割し、独立した動作をさせることで、「象が鼻で物を掴む」ような形状を実現できる。本提案書では、その領域を「セグメント」と呼称する。図 2 を再度参照してもらうと、セグメント (1) とセグメント (2) は異なる方向に曲がっている。これは「ケーブル・コンジット」と呼ぶもので実現している。ここで述べる「ケーブル・コンジット」とは、Joshua

VasquezによるHackadayの記事 [5][6][7]で「cable con-

duit」と呼んでいるものである。しかし、難解なものでも特殊なものでもなく、これは単なる長さ一定の金属製のパイプである。図 4に Joshuaの記事からケーブル・コンジットの説明用の図を引用する。Stage 1(”Stage”=本提案書での「セグメント」)のワイヤは、Stage 2から根元まで、この長さ一定のパイプを通す。パイプを通ることにより、その中を通るワイヤの長さは一定に保たれる。これにより Stage 1 とStage 2は独立した動作をすることが可能になる。ケーブル・コンジットがなければ、Stage 2は Stage 1のワイヤに影響されてしまう。ここまで図や文章で説明してきたが、動画を観た方が早いと思われる。Kris Temmermanは YouTubeに”Snake Arm / Elephant’s Trunk experiment”[4] という動画を公開している。この動画が基本原理、セグメントによる分割の説明として非常に分かりやすいだろう。また、前述の Joshua Vasquezは Hackadayに”Homebrew Two-Stage Tentacle Mechanisms”を製作する

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記事 [5][6][7]内で動画、CADデータ等を公開している。並びに、本提案において最も影響を受けた英国の OC Robotics社 [1]を紹介する。OC Robotics社は主にワイヤ駆動のヘビ型ロボットを開発しており、原発等での導入実績 [2]がある。

図 5 OC Robotics社のロープ駆動ヘビ型アーム・ロボット

OC Robotics社は自社のヘビ型ロボットの原理を”OC Robotics - Snake arm 101”[3] と題する動画で分かりやすく解説している。本提案では、後述するが、図 2にある通り、このケーブルコンジットで複数の移動機構間もつないである。これにより、モータ等が大きくなってしまったとしても移動機構を細くできるのではないか、と筆者は考える。並びに、これも後述するが、リンクやアーム全体を丈夫なバルーン等で作る案を考えた。バルーン・リンク内には原発内で水素等が発生する可能性もあるため、不燃性の空気より軽い気体を入れる。金属のリンク内に気体を入れる場所を設けても良いかもしれない。

2.3 アーム・ロボットの移動機構について

図 6 Inuktun社の管内検査用 ROV

「移動機構」は移動機能を持ち、アーム駆動源のモータ等を搭載する。移動機能は複数のクローラで実現される。パンタグラフ機構、バネダンパ等でクローラを管に押し当てることでグリップさせる。これは加 Inuktun 社の ROV(図 6)

を参考にした。

2.4 補助機構について

工程 [5]及び帰還時の逆工程 [5’]において、ヘビ型アーム・ロボットの下降上昇を補助する補助機構を提案する。アーム・ロボットの上昇下降のためにウィンチを導入し、ロープにアームの先端を連結する。補助機構の主な役割は、そのロープを連続曲がり管内で滑りやすくするすることである。補助機構の概念図を図 7に示す。補助機構は中心に穴の開いた複数の円筒からなる。円筒の外周には管内を滑るためのローラ、ローラを外周に押し当てるバネ等が取り付けられている。補助機構の手前側端点はウィンチに接続補助機構の進行側端点はヘビ型アームの先端に接続工程 [1]～[4]においては、曲がり管に間隔を空けて円筒を配置するように、ヘビ型アーム・ロボットが牽引していく。連結方法は鉄道の「密着連結器」、磁石等が使えないかと考える。

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クローラ

バネダンパ

図 7 補助機構

3 提案する作業工程添付した別紙 A4× 2（「提案工程」と記したもの）を参照のこと。

4 本提案に至るまでの懸念事項及びその解決策以下、本提案に至るまでの懸念事項及びその解決策について説明する。

4.1 燃料デブリの近距離では強い放射線の影響により水中移動は困難ではないか？

まず、「[7]地下階からペデスタル下部への移動および水中移動」とあるが、筆者は燃料デブリ近距離の強い放射線の影響により水中移動は困難なのではないかと考えた。そこで、水中移動の代替案として、PCV1階グレーティングから、「ワイヤー駆動による長尺ヘビ型アーム」で、Open Hallを通じ、燃料デブリにアクセスする方法に工程 [7]を考えた。放射線防護の 3原則は時間・遮蔽・距離であり、「距離」はその 1つである。ヘビ型アームを PCV1階上の駆動源の移動機構からワイヤー駆動することにより、移動機構は燃料デブリと距離を保つことで可能となり、放射線の影響を受けにくくなる。また、工程 [1]～[4]における連続曲がり管の直径は 30cmであるが、機械をヘビ型にさえ分割できれば、細い管でも比較的大きな体積を PCV内部へ送り込めるという利点がヘビ型にはある。

4.2 巨大ヘビ型アームをワイヤー駆動するには連続曲がり管を通れないぐらい大きいモーターが必要になるのではないか？

3Dプリンタによるプロトタイピング等を通して、長いアームのワイヤー駆動には非常にトルクが強く、且つ正確なモーター制御が不可欠になると考えた。ワイヤー駆動によりアームのリンク自体はモーターやギア等を含まないため非常に軽くできる。しかし、リンクごとにテコの原理が働き、長さに対して非常に強いトルクが必要になる。また、アームの構造による幾何学的制約があり、それを無視してワイヤーを引っ張りすぎるとアームを最悪

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破壊する可能性もある。正確に制御できるモータードライバー等の電子回路も必要になる。大きいモーターが必要になると、連続曲がり管を通れないぐらいモーター等を含む移動機構が大きくなる可能性がある。本提案で参考にした OC Robotics社のロボットも駆動側はアームに比べれば比較的大きい。

図 8 遠藤玄「シビアアクシデント後の遠隔計測技術」(東工大, 2016)

東京工業大学の遠藤氏による「シビアアクシデント後の遠隔計測技術 [8]」の p.7の図においても、移動機構が非常に大きく描かれている。筆者のスケール感による懸念は間違っていないと思われる。OC Robotics 社のロボットは「ボールねじ」「ジャッキ」のような機構でワイヤを操作している。これを「プーリ」「ウィンチ」のような機構にすると体積を幾分減らせるかもしれない。そこで筆者は移動機構を分割、数珠つなぎする案を考えた。ワイヤー駆動によるロボットアームでは、セグメントごとに独立した動作をさせるため、一定の長さのワイヤーをキープするコンジット [5]を用いている。同様の方法で、移動機構を分割、数珠つなぎにして、長さをキープするコンジットをそれぞれにつなぐ方法を考えた。図 2に示したように、アームのセグメントごとに移動機構を割り当てれば、2つのセグメントに対し移動機構を 2台数珠つなぎすることで可能になると思われる。（図では移動機構の中心に穴を空け、後車へコンジット（太い黒線）を回す様にしてある）

4.3 巨大ヘビ型アームを引きずっての不整地移動、障害物回避は困難ではないか

図 9 Othrelab のインフレータブル・ロボット・アーム

しかし、機体が大きなヘビ型となると、[6]「PCV1階グレーティングにおける不整地移動・予測不可能な障害物に対する回避」において機体が障害物に引っ掛かる等の可能性が高くなる。その上、上述した移動機構の数珠つなぎにより、形状がより不整地、障害物に不利になることが予想される。そこでヘビ型アームのリンクに金属や樹脂の塊ではなく「バルーン」を用いることを考えた。原発内では水素等が発生する可能性があるため、バルーンには不燃性の空気より軽い気体を入れる。金属のリンク内に気体を入れる空間を設けても良いかもしれない。

ヒントとなったのは、「inflatable」なるロボットである。0 Otherlabは空気圧駆動の inflatableなロボットアーム [9]に絵を描かせるデモを公開している。また、iRobotと DARPAも危険物を取り扱うための infraltableなロボットアーム [10]を開発している。

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図 10 東工大、鈴森・遠藤研の「ジャコメッティ・アーム」

東京工業大学の鈴森・遠藤研究室では「ジャコメッティ・アーム」なる独自開発の人工筋肉で駆動するバルーンのアーム [11][12] を開発している。このジャコメッティ・アームは重い物を持ち上げる等は困難ではあるが、廃炉で高い場所を撮影する等で期待されている。本提案ではアームを完全に浮かせる必要はないため、ジャコメッティ・アームとは異なる。バルーンを採用するならば、素材は寧ろ丈夫なものが望ましい。バルーン内の気体は空気より軽い気体を配合し、エンドエフェクタの重さも加え、浮きも沈みもしない、理想的には大気中で少し重さがある程度に調整する。また、工程の途中でバルーンの空気を抜くことができるようにする必要もあるだろう。水中作業では浮力は余計な力になるため、Open Hallから水中にアームを挿入する前に空気を抜く必要があるだろう。帰還が困難になった場合においても、成功時には移動機構側にデブリを積むようになっているため、あとはバルーンの空気を完全に抜けば、アームを放棄したとしても、次の調査のロボット投入で巨大な障害物になってしまうことを回避できるだろう。また、上述のモーターの肥大化も、バルーンにすることで更に軽くなり、非力なモータでも駆動が可能になると考える。

4.4 バルーンではデブリの掘削は不可能ではないか？

ジャコメッティ・アーム同様、一般的なバルーンではデブリの撮影は可能かもしれないが、デブリのサンプリング、回収のための掘削はまず不可能ではないだろうか。そこで筆者は「折り紙」の技術に着目した。筆者が思い付くだけでも、日本にはミウラ折りの三浦公亮を始め、三谷純、舘知宏など、今日では世界中に折り紙研究者が多くいる。インフレータブルな長尺ヘビ型アームを「折り紙」の技術を応用して折り畳めるようにできるのではないだろうか。「剛体折り紙」[13]であれば、折り畳み可能でありながら硬い構造物が実現できる。東京大学の舘知宏は「Zipper Tubes」[14]なる折り畳み・展開ができる非常に固い構造物を開発している。

「Zipper Tubes」は建築分野やロボット・アクチュエータへの応用が期待されている。しかし、「Zipper Tubes」は建築物のような硬い構造物には向いているが、本案のヘビ型アームには適さないだろう。本案の実現のためには、折り畳み・展開が可能でありながら、展開された構造物は、蛇腹で折れ曲がるストローのように柔軟に曲がる構造である必要がある。数理的にそのような特性の「折り紙」も存在するようではあるが、その辺りは専門の方に意見を仰ぎたい。

5 最後に工程 [7]の水中移動は燃料デブリの強い放射線により困難と考え、代替案として「PCV 1階から燃料デブリへの長尺ヘビ型アームによるアクセス」を提案した。また、本提案の長尺ヘビ型アームの諸問題を解決する方法として、「アームのインフレータブル化」「折り紙

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技術の応用」を考案した。バルーンでは、ジャコメッティ・アームのように撮影は可能だろうが、デブリのサンプリング・回収に伴う「切削」は困難と考える。よって、剛体折り紙という発想につながったのだが、時間が足りなくなってしまった。また、ワイヤ駆動は一部で非常に不評である。筆者も試作でトラブルが多かった。ワイヤ駆動を選択したのは放射線対策が主な理由であるため、 耐放射線性に優れ、本提案のヘビ型アームに適したアクチュエータがあるならば、ワイヤにこだわる必要はないと考える。今後も廃炉ロボットについて考えていきたいと思う。

参考文献[1] OC Robotics http://www.ocrobotics.com/

[2] マクソンジャパン (株), 『ヘビ型アームロボットが狭いスペースに舞う』http://www.maxonjapan.co.jp/maxon/view/application/SNAKE-ARM-ROBOT-AB

[3] ”OC Robotics - Snake arm 101 - YouTube”

https://www.youtube.com/watch?v=Ij8VX9YUT_Y

[4] Kris Temmerman, ”Snake Arm / Elephant’s Trunk experiment - YouTube”

https://www.youtube.com/watch?v=EUEp-AfvvzE

[5] Joshua Vasquez, ”The Bootup Guide to Homebrew Two-Stage Tentacle Mechanisms | Hackaday”

http://hackaday.com/2016/09/13/the-bootup-guide-to-homebrew-two-stage-tentacle-mechanisms/

[6] Joshua Vasquez, ”Two-Stage Tentacle Mechanisms Part II: the Cable Controller | Hackaday”

https://hackaday.com/2016/10/05/two-stage-tentacle-mechanisms-part-ii-the-cable-controller/

[7] Joshua Vasquez, ”Two-Stage Tentacle Mechanisms Part III: Putting it All Together | Hackaday”

https://hackaday.com/2016/10/21/two-stage-tentacle-mechanisms-part-iii-putting-it-all-together/

[8] 遠藤玄 (東京工業大学 機械宇宙システム専攻), 『シビアアクシデント後の遠隔計測技術』http://www.lane.iir.titech.ac.jp/ared/images/20160122-endo.pdf

[9] ”37 inflatable arm orange 2” https://www.youtube.com/watch?v=SjJkt0zypkw

[10] ”iRobot AIRarm Inflatable Robotic Arm” https://www.youtube.com/watch?v=b1gcwTXm7oE

[11] ”20m Super Long Robot Arm - Giacometti Arm with Balloon Body -”

https://www.youtube.com/watch?v=INTHRNcyW9w

[12] ”Suzumori Endo Lab / Reserch - ”

http://www-robot.mes.titech.ac.jp/research/pamsoftrobo.html

[13]「折り紙研究ノート (2) 動き編 - 三谷純」http://mitani.cs.tsukuba.ac.jp/origami2/

[14]「Zipper Origami Tube - 固くて柔らかいオリガミ展開構造物」http://origami.c.u-tokyo.ac.jp/ZipperTube/

[15] 財団法人エネルギー総合工学研究所,

『平成 23年度 発電用原子炉等利用環境調査 (スリーマイル島及びチェルノブイリ原子力事故等に関する調査)報告書』(平成 24年 3月)

http://www.meti.go.jp/meti_lib/report/2012fy/E002769.pdf

[16] 日本ロボット学会, 東日本震災関連委員会, 原子力関係記録作成分科会,

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『原子力ロボット記録と提言』(2014年 10月 1日)

http://www.rsj.or.jp/databox/committees/141001saigaikiroku_fainal_zanntei.pdf

[17] 大強度陽子加速器施設開発センター計画グループ, 日本原子力研究所,

『高分子系材料の耐放射線特性とデータ集』（2003年 9月）http://jolissrch-inter.tokai-sc.jaea.go.jp/pdfdata/JAERI-Data-Code-2003-015.pdf

[18] Inuktun http://www.inuktun.com/

[19] sunportsekkei - YouTube https://www.youtube.com/user/sunportsekkei/

[20] ロボットポータル-ロボナブル-2009.09.03 サンポート、配管内などを移動する水圧駆動機を開発、工具の搭載で各種作業可http://robonable.typepad.jp/news/2009/09/20090903-01f2.html

[21] Robot Watch-ニュース–「国際フロンティア産業メッセ 2009」ロボットブースレポートhttp://robot.watch.impress.co.jp/docs/news/313533.html

[22] ソフト・ロボティクス入門 1：やわらかいロボットを目指して — elasticmind blog

https://elasticmindblog.com/2014/07/16/softrobotics01_intro/

ソフト・ロボティクス入門 4：なぜ研究者は触手を作るのか？ — elasticmind blog

https://elasticmindblog.com/2014/09/15/softrobotics04_tentacles/

[23] 東工大＆岡山大発の人工筋肉ベンチャー「s-muscle」が始動! - 代表・鈴森教授が考える革新的なロボットとは (1) 人工筋肉、いよいよ実用化へ — マイナビニュースhttp://news.mynavi.jp/articles/2016/06/06/s-muscle/

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