JP6001085B2 - 歩行と遊泳の複合移動機能を有する多関節海底ロボット及びこれを用いた海底探査システム - Google Patents
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Description
安全性の問題
ダイバーが直接作業に参加する場合、潜水病をはじめとするさまざまな危険要素による安全問題が存在する。
作業時間の問題
ダイバーが作業する場合、減圧無しで作業できる時間は21m水深で30分、40mでは5分に制限される。
潮流の問題
潮流の方向は一日に4回ずつ変わり、我が国の西海岸は潮流による最大流速が3ノットから7ノットに達する。ダイバーは勿論、海底ロボットにおいても潮流は最も克服し難い、かつ危険な対象である。プロペラを用いる既存の潜水艇では、強い潮流環境で必然的に不安定な操縦性と高いエネルギー消耗などの問題点を有する。
悪視界の問題
西海岸の特性の1つは、悪い視界である。地域と時間によって差があるが、視界が僅か20〜30cmに過ぎない所も多い。
障害物と不規則海底地形の問題
海底は、沈没船、漁場、ロープ、廃網などの各種障害物と、暗礁などの不規則な海底地形が常に存在しているので、ダイバー及び海底ロボットの作業を妨害し、甚だしくは生命を脅かす。
環境干渉の問題
プロペラやキャタピラ方式の海底ロボットは、必然的に海底面を撹乱させる。海底調査の場合、撹乱されていない環境でなされなければならない調査が多い。
海底構造物や沈没船舶の調査/観察
強潮流環境で海底に密着移動することによって、海底構造物や沈没船舶などに接近し、光学及び音響装備を用いて悪視界の海底環境に存在する構造物を調査/観察する。
浅海域海洋科学調査
200m以内の海底環境で多足歩行により移動することによって、海底の撹乱を最小化しながら海洋物理、化学、生物、地質などの研究に必要な科学調査データを取得する。
深海海洋科学調査
堆積土壌からなる軟弱基盤の深海底環境で海底撹乱を最小化しながら海洋物理、化学、生物、地質などの研究に必要な科学調査データを取得する。
長期精密海底調査
海底熱水鉱床などの不規則な海底地形を近接精密探査する。
機能
− 海底に着地して多関節多足で胴体の姿勢を調節し歩行移動。
耐圧水密方式
− 200mの水深で構造的に安定な耐圧、水密性能。
強靭性
− 海上状態3で動作、海上状態4で生存。
信頼性
− 水中及び海上で24時間連続使用可能。
運用便宜性
− 海上状態3以下で進水引揚可能
− 操作者の便利のための使用者グラフィックインターフェース装着
− 一部の自動可能を提供して操作者の負担軽減
メンテナンス性
− 海底ロボット100とその支援装置は装備の分解、組立、交替容易。
拡張性
− 追加装備のための余裕チャンネルの通信ラインと電源ライン確保。
非常状態対処機能
− 海底ロボット100と遠隔システムとの機械的連結装置が切れた場合、海底ロボット100は3日以上自体電源を用いて自身の水中位置を超音波で送信。
海底ロボットに作用する流体力の解析及びモデリング
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットに作用する流体力に対して説明する。水は空気の1000倍に達する密度を有する流体であるので、水中環境で動作しなければならない海底ロボットは流体力を無視できない動力学特性を有する。本発明では、流体力の解析方法に、ANSYSなどの数値計算ツールを用いる電算流体力学(CFD;computational fluid dynamics)方法を適用する。
流体力最適歩行経路計画
水中でリンクに作用する流体力を最適化するように経路を計画すれば、歩行や遊泳にかかるエネルギーの効率を高めることができる。空気中に比べて水中では1,000倍に達する流体力を受けるため、流体力を最適化することによって、システムの効率を向上させることをもう1つの核心技術として定義する。歩行においては、足取りの計画に流体力を考慮して余裕自由度を活用し、遊泳では関節に作用する流体力により作用する胴体の推進力が最大になるように関節の角度と速度を計画するものである。このような流体力最適歩行経路計画の問題は、次の通り定形化できる。即ち、以下の<数式4>で与えられる以下の不等式条件を満たし、足取りによって与えられる関節制約条件を満たし、かつ水中で動く足に作用する<数式5>のような流体力目的関数gを最小にする関節経路パラメータを求める。
プロペラ方式とは異なり、潮流の中で安定な姿勢を維持することがCRABSTERの主要概念であるので、潮流のような外力に対応するための姿勢補償制御技術を核心技術として定義する。
20 超音波カメラ
30 データ格納部
42 姿勢及び運動計測センサ
50 水中位置追跡装置
60 光通信モデム
70 モータ駆動部
80 電源部
100 海底ロボット
110 胴体
200 緩衝器
300 母船
また、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムは、海底ロボットに超音波映像装備を搭載して濁度の高い水中でも探索が可能であり、前の2つの足はロボットアームにも使用するようになることによって、浅海及び深海で海底探査が効果的に遂行される効果がある。
Claims (14)
- 複合移動が可能な多関節海底ロボットであって、
流線型の胴体と、
前記胴体の左右側及び前方に複数個が取り付けられ、多数個の関節で構成された多関節歩行足と、
前記胴体内に取り付けられ、前記多関節歩行足を通じて歩行状態及び遊泳状態を制御する制御手段と、
前記制御手段により制御され、前記多関節歩行足を駆動させる駆動信号を発生する歩行足駆動手段と、
前記胴体内に取り付けられて、胴体の姿勢及び外部物体との接触を感知する感知手段と、
前記胴体内に取り付けられて、胴体の浮力を感知する浮力感知手段と、
外部装置と有無線信号を送受信する通信手段と、
を含み、
前記感知手段は、
前記胴体と前記多関節歩行足との間に設置され、前記多関節歩行足に作用する力とモーメントをセンシングする力/モーメントセンサと、
前記多関節歩行足の足先に設置されて流速のサイズと方向とをセンシングする接地力センサと、
前方の2つの前記多関節歩行足に設置されて接地感知を遂行するモーメントセンサと、
を含み、
前記制御手段は、センシングされた前記流速のサイズと方向とにより前記胴体が転覆されたり飛ばされたりしないように接地力を調節し、センシングされた前記接地感知により前記多関節海底ロボットの歩行時に前記多関節歩行足の接地状態を確認しながら前記多関節海底ロボットを海底地面に沿って移動させたり停止して待機させたりし、
前記胴体の左右側に取り付けられた前記多関節歩行足は4個の関節で連結され、前記胴体の前方に取り付けられた前記多関節歩行足は6個の関節で連結されて各々X軸、Y軸及びZ軸を中心にロール、ピッチ及びヨー軸回転運動をしてロボットアーム機能を実現することを特徴とする、複合移動が可能な多関節海底ロボット。 - 前記胴体の前面には超音波カメラが取り付けられたことを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記感知手段は、姿勢センサ及び運動計測センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記感知手段は、水中位置追跡装置を含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記胴体の前面に取り付けられて水中映像を撮影する撮影手段を含み、前記撮影手段は、ファン/ティルティング機能水中カメラ及び照明装置であることを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記通信手段は光通信モデムであることを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記通信手段は、光ファイバ及び電源線内蔵2次ケーブルを介して緩衝器と連結されることを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記胴体は軽量高強度複合繊維素材で製作されたことを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
- 前記歩行足駆動手段は、
モータ駆動信号を発生するモータ駆動部と、
モータ駆動部の信号によって動作する第1乃至第N電動モータ、及び前記電動モータに従って動作され、前記多関節歩行足及びロボットアーム兼用歩行足のリンク連結されて各々のモータの動作を伝達する第1乃至第N減速器と、
を含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。 - 前記浮力感知手段は、前記海底ロボットの重量を−10kg乃至+10kgに可変調節し、
前記多関節歩行足のうち、前方の2つの歩行足はロボットアーム機能を選択的に有するようにグリッパを備えることを特徴とする、請求項1に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。 - 請求項1に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットと、
緩衝器と、
前記海底ロボットから送信された水中状態データを格納し、海底ロボットの移動方向をモニターリングし、制御する母船と、を含み、
前記緩衝器は、母船に1次ケーブルで連結され、前記多関節海底ロボットは緩衝器(depressor)に2次ケーブルで連結されて、1次ケーブルの抵抗力は緩衝器までかかり、海底ロボットに伝達されないことを特徴とする、複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。 - 前記多関節海底ロボットは、
複数個の信号をスイッチングする第1スイッチングハブと、
受信信号を光信号に変換する光ファイバコンバータと、
前記第1スイッチングハブに連結されて入力及び出力信号を処理するコンピュータと、
前記コンピュータに連結されたRS232、RS485、USB、及びCAN装置と、
前記第1スイッチングハブに一端が連結され、他端には複数個のネットワークカメラが連結された第2スイッチングハブと、
前記第1スイッチングハブに一端が連結され、他端には複数個のアナログカメラが連結されたビデオエンコーダと、
前記第1スイッチングハブに連結され、前方をスキャニングして映像を撮影し、転送する前方注視ソナー(Forward Looking Sonar:FLS、20)あるいは前方スキャニングソナーと、
前記第1スイッチングハブに連結され、前方映像を撮影し、転送する超音波カメラと、
を含むことを特徴とする、請求項11に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。 - 前記緩衝器は、
複数個の信号をスイッチングするスイッチングハブと、
前記スイッチングハブに連結されてスイッチングハブを通じて転送された受信信号を光信号に変換して母船に転送する光ファイバコンバータと、
入力及び出力信号を処理し、一端にはRS232が連結され、他端は前記スイッチングハブに連結されたコンピュータと、
一端には複数個のアナログカメラが連結され、他端は前記スイッチングハブに連結されたビデオエンコーダと、
前記スイッチングハブに連結された複数個のネットワークカメラと、
を含むことを特徴とする、請求項11に記載の多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。 - 前記母船は、
一端には複数個のコンピュータが連結され、他端には光信号を転送する第1及び第2光ファイバ変換機を含み、
前記第1及び第2光ファイバ変換機は、前記海底ロボットの光ファイバコンバータ及び前記緩衝器の光ファイバコンバータと各々連結されたことを特徴とする、請求項11に記載の多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。
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