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海中探査ロボットで探る、近くて遠い神秘の世界

〜海洋研究開発機構公開セミナー

「今年のロボット大賞」優秀賞に輝いた深海探査ロボット「うらしま」

 1月13日、神奈川の海洋研究開発機構(JAMSTEC)・横浜研究所において、「地球情報館公開セミナー」が開催された【写真1】。セミナーのテーマは「海中ロボットの最新技術で深海底を探る」というもの。講演者の月岡哲氏(海洋工学センター・自律型無人探査機技術研究グループ サブリーダー)は、「今年のロボット大賞」(公共・フロンティアロボット部門)において、優秀賞に輝いた深海探査ロボット「うらしま」を開発した研究者である【写真4】。


【写真1】神奈川の海洋研究開発機構(JAMSTEC)・横浜研究所。世界屈指のスーパーコンピューター「地球シミュレータ」があることで有名な施設 【写真2】エントランスには、地球をまるごとシミュレーションできる「地球シミュレータ」のモデルが展示されている。地球規模の環境変動の解明を目的に、2002年3月に運用を開始。地球温暖化なども含めた今後100年間の環境変化に関するシミュレーションなどにも利用されている 【写真3】コンピュータはベクトル型演算方式を基本ノードとした高度な並列アーキテクチャーを採用。計算ノードを640台(5120CPU)単段クロスバーネットワークで結合して構成。運用開始時は、主記憶容量と演算処理速度において、世界最大の能力を持っていた

 うらしまは、機体にコンピュータを内蔵した自律型海中探査ロボット(Autonomous Underwater Vehicle、以下AUV)で、あらかじめ設定したシナリオに従って、自身の位置を計算しながら航走する【写真5】。本機の開発は'98年から始まり、2001年に世界で初めてこの分野の海中探査ロボットとして、深度3,518mという潜行に成功した。また、2005年には燃料電池を搭載したAUVとして連続航走317kmを達成、世界記録を樹立し、大きな注目を集めた。

 本セミナーでは、深海という特殊環境下で活躍するAUVの開発技術と、最新の深海探査調査の結果が紹介された。


【写真4】深海探査ロボット「うらしま」を開発した研究者、月岡哲氏(海洋工学センター・自律型無人探査機技術研究グループ サブリーダー) 【写真5】「うらしま」は、2005年に燃料電池を搭載したAUVとして、世界記録となる317kmの連続航走を達成した。深海の様子を捉えた詳細なデータを収集し、大きな注目を浴びた
写真:独立行政法人海洋研究開発機構(JAMSTEC)

 はるか太古において生命が誕生した母なる海は、我々にとって身近にありながら、今だに謎の多い存在でもある。陸地は地球上の30%しかなく、平均標高も約800mと低いが、海は70%も占めており、平均水深は3,800mもある。海は陸上とは全く異なる環境であり、まだまだ神秘のベールに包まれているのだ。いまから100年前までは、なぜ地震が起きるかということもわからなかった。月岡氏は、これまで海に関する研究が遅れてきた理由として、「海の特殊な環境が大きな原因となっていた」と説明した。

 海中では深度が10m増すごとに1気圧ずつ圧力が増大するため、水圧に耐えられる構造が必要だ。うらしまは、前述のように水深3,000mを超える潜行が可能だが、その際にかかる水圧は、親指の指先に大人が10人ぐらい乗るほどの重さになるそうだ。加えて、海中には塩分があるため電磁波(光)を通さない。したがって、従来の方法で通信することは困難だ。ラジオ、テレビ、ケータイはもちろん、GPSも利用できない。

 また、当然ながら空気もないため動力源となる通常のエネルギーが適用できないなど、陸上の技術をそのまま適用することは不可能なのだ。実質的には宇宙での活動よりも難しい技術が要求される分野でもあると言われている。


ひとひねりも、ふたひねりも工夫が必要なAUVの技術

 では、このような深海という特殊な環境下において、最新のAUVはどのような技術を備えているのであろうか?

 月岡氏は、まず海中探査において活躍するロボットを分類して紹介した。探査ロボットは、有人機または無人機に大別できる。前者の有人機は搭乗型ロボットの範疇であり、人が機体に乗り込み、マニュピレータなどを操作して、海底のサンプルなどを収集する。JAMSTECの「しんかい6500」は、その代表例であり、パイロットと研究者の3名が搭乗し、7自由度のマニュピレータ×2基を操作できる。有人であるため、酸素の供給や2酸化炭素を吸着するための機能なども搭載している。


【図1】無人探査ロボットの種類その1。遠隔操作式では、機体と海上の支援船を長いケーブルで結び、支援船上のオペレータが海中の映像を観察したり、マニュピレータによってサンプルを収集する。ピンポイントでの作業が中心となる
 一方、後者の無人機は、遠隔操作式と自律式に分かれる。遠隔操作式は、海上で待機している支援船と海中の無人機を長いケーブルで接続する。支援船上のオペレータが海中の映像を観察したり、遠隔操作によってマニュピレータでサンプルを収集できる【図1】。光・電力複合ケーブルを落として、有人機では不可能な10,000mもの海底で作業することも可能だという。

 JAMSTECでは「ディープ・トウ」や「かいこう7000」などの遠隔操作式無人探査機を開発している。これらは、海のごく一部をピンポイントで作業することになる。海中では塩分によって光も減衰するため、観察したい目標物に近接して狭い範囲を撮影し、それらを合成することで1つの画像にしている。このように、海底探査は手間もお金もかかるため、より広範囲で効率的に観察できるような新しい手段が求められていた。

 そこで月岡氏らは、自律式の無人探査ロボット(AUV)として、「うらしま」の開発に着手したという。自律式では、人の代わりに機体にコンピュータを搭載し、あらかじめプログラミングしたとおりに海中を自由に航行して探査が行なえる。とはいえ、海中という特殊な環境で稼働させるため、正確な位置の検出・制御と、動力源の供給という難問が立ちはだかった。「陸上の技術はまったく使えない。これらの技術を海中で応用するためには、ひとひねりも、ふたひねりも工夫しなければならなかった」と月岡氏。

 具体的な技術課題として、うらしまでは海中で正確な位置を計測するために、「慣性航法」と「音響航法」のメリットを組み合わせた航法システムを開発。また、海中で大容量のエネルギーを確保するために、「閉鎖式燃料電池」の実証実験も行なった。


苦労の連続の末、世界で初めて閉鎖式燃料電池による海中航行に成功!

 さて、この自律式海中探査ロボット「うらしま」の内部構造だが、海中で浮力と自重(約10トン)が釣り合うように5〜6kgぐらいの範囲内でうまくバランスをとって動き回るようになっている。3,500mの深度で潜航するため、最大で1平方cmあたり360kgの水圧まで耐えられる浮力材が用いられている。

 通常の浮力材では水圧でつぶれてしまうので、「シンタクチックフォーム」【写真6】と呼ばれる特殊素材をフレーム周りに敷き詰めている。通常の潜水艦のように船内が中空になる設計ではなく、機体の内部にも海水が浸透する。もちろん電子機器などは、耐圧容器の中に収められており、完全に保護されている【図3】。


【図2】無人探査ロボットの種類その2。自律式(AUV)の場合は、搭載されたコンピュータによって、あらかじめプログラミングしたとおりに海中を自由に航行できるが、正確な位置の検出・制御と、動力源の供給という2つの大きな課題があった。うらしまでは、これらの難問を長年の研究によってクリアした 【写真6】「シンタクチックフォーム」と呼ばれる特殊素材。10〜30μmの中空ガラス球をエポキシ樹脂の中に均一に混合して硬化させたもの。比重が小さくて、高圧力に耐えられる。大変高価な材料で、風呂桶に敷き詰めただけで家一軒分ぐらいの値段になるという。うらしまでは、この素材が約3トンほど使用されている 【図3】うらしまの構造。パイプやチャンネル材などを組み合わせたフレームに耐圧容器と特殊な浮遊材(シンタクチックフォーム)を取り付けている。海水が機体内部に浸透するが、電子機材や燃料電池は耐圧容器で守られている

 ここで技術的なブレークスルーとなった点が、燃料電池の採用であったという。うらしまが300km以上もの連続航走に成功した要因は、これに負うところが大きい。燃料電池は、水素と酸素を触媒で反応させて大容量の電力(うらしまでは約4kW、120V・35A)を取り出すことができる。

 自動車などで燃料電池を利用する場合は、酸素は大気中から供給できるが、海中では酸素も水素も必要になるし、また反応後の燃料電池の中に溜った不純物などを放出することもできない。陸上で使用する場合と異なり、密閉された完全閉ループ式の燃料電池システムにする必要があった。月岡氏は「うらしまの技術の中で、閉鎖式燃料電池の開発がもっとも難しかった」と語る。

 燃料電池はチタン合金製の耐圧容器内に収納されている。また。酸素ガスは高圧ガス容器から供給されるが、水素ガスについては大変ユニークな供給方法をとっている。耐圧容器に収納した「水素吸蔵合金」【写真7】を利用しているのだ。水素吸蔵合金は、金属中に水素を吸い込ませる性質があり、水素ガスを低圧のまま保持できる。そして、この合金に熱を加えると、逆に水素ガスを放出させることが可能だ。

 「当初、高圧ボンベに水素ガスを貯蔵する方法を考えていたが、ガス漏れに対する安全性や燃料供給を考慮して、水素吸蔵合金に切り替えた」(月岡氏)という。

 ところが、この水素吸蔵合金の採用についても越えなければならない大きな壁があった。それは合金から水素を取り出す際の加熱に関わる問題だった。合金から水素を持続的に取り出すには40〜50度ほどの温度を保つ必要がある。しかし、深海では水温が低く、500mほど潜るだけでも水温は3〜4度になってしまうため、海中に熱が逃げてしまい、熱収支がマイナスになってしまう。

 月岡氏は、「この問題に直面したときは、計画が頓挫すると思った。問題を解決して、ここまでくるのに約1年かかった」と、当時の苦労について語った。断熱材としてさまざまな素材を試したが、最終的に前述の浮力材であるシンタクチックフォームを断熱箇所にすきまなく付けることで、この問題をクリアできたという【図4】。

 そして、【図5】のようなコジェネレーションシステムが完成した。燃料電池から電気と同時に発生した熱をヒートパイプで温水にして、それを循環させて温めた水素吸蔵合金から、再び水素を取り出す自然にやさしいエコシステムになっている。


【写真7】金属中に水素を吸こませる性質があり、水素ガスを低圧のまま保持できる「水素吸蔵合金」。温度が高くなると水素を放出する。実際に持ってみると、かなり重いことがわかる 【図4】シンタクチックフォームを断熱箇所に隙間なく付け、水素吸蔵合金を40〜50℃で温度で保温することで(グラフ上)、水素の放出を制御(グラフ中)。安定した電流値が得られていることが分かる(グラフ下) 【図5】うらしまのコジェネレーションシステム。燃料電池から作り出される電力と熱を効率よく利用している、自然にやさしいエコシステムだ

電磁波の通らない海中で、自己位置を正確に検出する方法とは?

 AUVの開発において、次に解決しなければならなかった技術課題は、海中での正確な位置検出と姿勢制御の方法であった。AUVは、プログラムした経路に沿って自由に航行させることが可能だが、そのためには海中の位置計測が重要となる。ところが、前述のように海中では電磁波を通さない。GPSの利用もできないため、うらしまでは、「慣性航法」と「音響航法」のメリットを組み合わせた航法システムを開発したという。

 前者の慣性航法はロケットや飛行機でよく用いられている手法である。古くはドイツのV2ロケットから利用されていた。自分が飛んでいる方向を計測しながら目標地点に近づいていく技術だ。機体の姿勢(ロール、ピッチ、ヨー角)と速さの連続的な変化を測ることで、時々刻々と変化する移動量を計算しながら動いていく。うらしまでは、慣性航法のために「リンクレーザジャイロ」と速度計などを搭載。ただし慣性航法は長時間にわたり運用すると累積誤差が生じるという短所があるため、これを補うために後者の音響航法も組み合わせている【図6】。

 音響航法は海中では古くから使われている技術だ。水中では音が伝わりやすいため、超音波を利用して位置を計測する。超音波を発振し、ある目標物に対して跳ね返ってきた時間を計測することで、目標物に対して自分がどこの位置にいるのか、その距離と方向(方向については3つのセンサで感知)を安定した精度で把握できる。

 音響航法では、あらかじめ海底に目標となる「音波の灯台」(音響灯台と呼ばれるもの)をいくつか設置しておくという【図7】。うらしまの航法では、先の慣性航法をベースにして動きながら、累積誤差が生じそうな位置に音響灯台を設置しておき、そこで音響航法によって正確な位置を把握しなおしてから、再び慣性航法に切り替えて航走するのだ。


【図6】うらしまでは、「慣性航法」と「音響航法」のメリットを組み合わせた航法システムを採用している。慣性航法は長時間にわたり運用すると累積誤差が生じる。これを補うために、音響航法によって正確な位置を把握しなおし、再び慣性航法に切り替える 【図7】音響航法では、あらかじめ海底に目標となる音響灯台をいくつか設置しておく。これに向かって超音波を発振して、自律型水中ロボットの位置を計測するしくみだ

うらしまの探査で判明した海底の神秘

 このうようにさまざまな技術的課題を乗り越えながら完成した海中ロボット・うらしまは、2006年7月に東京大学海洋研究所と共同で、三重県沖にある熊野トラフ第5および第6海丘(泥火山)において、精密なデータの採取に成功した【図8】。

 具体的な海底探査のイメージは【図9】のようになっている。泥火山上で、うらしまを3次元的にくまなく航行させるために、海底の座標を事前にプログラムした【図10】。そして、海底を時速5kmぐらいの速さで24kmにわたり航走しながら、海底の地層を探査すると同時に、海底面の高精度な画像データも音響手法によって取得した。


【図8】三重県沖にある熊野トラフ第5および第6海丘の分布。熊野トラフは'44年に起きた東南海地震の余震域と考えられているという。うらしまは、ここで泥火山の精密なデータを採取した 【図9】海底探査のイメージ。泥火山上で、うらしまを3次元的にくまなく航行させて、詳細なデータを収集させる。うらしまは、あたかもスキャナのヘッド部のように、海底面を走査した 【図10】海底の座標をプログラムしておき、そのシナリオに沿って、音響探査・高度制御・航法といったデータを収集した。計画のうち全航程の85%をクリアし、航行距離は24Kmとなった

 具体的な海底面の計測には、【図11】のようなサイドスキャンソナー×2基を使用している。海底では光が届かないため、その起伏を調べるためには、機体の位置測定と同様に超音波を利用することになる。航行中に機体の右舷と左舷からサイドスキャンソナーで海面へ超音波を放射して、海底で散乱して戻ってくる音波(エコー)の強弱をデータとして受信・記録するのだ【図12】。音響によって得られた画像は、【図10】のように1本ごとのラインをスキャンして得られたデータを合成したものとなる。


【図11】具体的な海底面の計測方法。2つのサイドスキャンソナーを使用する。水平方向の航行については、計測誤差が1m以内に収まるように機体を正確に制御した 【図12】サイドスキャンソナーで海面へ超音波を放射させる。海底で散乱して戻ってくる音波(エコー)の強弱をデータとして受信・記録し、それらのデータを合成して1枚の画像にする

 計測時には正確な姿勢制御が重要だ。水平方向については、前述の慣性航法で計測した座標と、実際に計画した計測線のズレを計算し、その誤差が1m以内に収まるように機体の垂直舵を正確に制御したという。

 その一方で、海底の高さ方向(高度)も一定の距離(80m)になるように、4本の音響ビームを利用しながら平均値を測定し、これに基づいて機体を制御。これによって海底の測定ライン幅を一定に保てるようになった【図13】。また、うらしまは100mごとにラインを往復して動いたため、同じポイントを異なる視点から重複して計測でき、立体的で微細な観察も可能になった。

 【図14】のような熊野トラフ第5海丘の微細な音響地形図が得られたのは、海中探査ロボット・うらしまの大きな成果となったという。音響画像を見ると、泥火山の頂上付近にある噴出口の様子がよく分かる。これは第6海丘では観察されないものだった。活動中の泥火山であり、最近噴出したものだそうだ。噴出物にはメタンなどの炭化水素化合物も含まれていたとのこと。


【図13】高度計測は、4本の音響ビームを利用しながら平均値を測定。これに基づいて、機体の高さを制御することで、海面の測定ラインも一定に保つしくみ。実際には高さ方向の制御はどうしても遅れが生じるため、理想に近づくように挙動を観察しながら制御ゲインを調整する必要がある 【図14】うらしまによって得られた熊野トラフ第5海丘の微細な音響地形図。まだ活動をしている噴出口の様子がよく分かる。これだけの高解像度な音響画像が効率的に得られたことは大きな驚きとなった

 月岡氏はこの測定結果について、「思っていた以上の成果が得られたと思う。ただし、これはたまたま偶然うまくいったわけでなく、過去数年間にわたって積み重ねた苦労があったから。高度計測の制御や閉鎖式燃料電池など、引き続き研究を進めなければならない課題もまだ多い」と語る。

 しかし、海洋関係の研究者にとっても、これだけの高解像度な音響画像が効率的に得られたことは大きな驚きとなったようだ。海の神秘が、このような自律式海中探査ロボット・うらしまの登場によって、解明されるときが着実に近づいているのだ。

資料提供:海洋研究開発機構(JAMSTEC)


URL
  独立行政法人 海洋研究開発機構
  http://www.jamstec.go.jp/


( 井上猛雄 )
2007/01/17 00:00

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