宇宙ロボットの多腕協調制御


東京工業大学 吉田和哉*,倉爪亮**,梅谷陽二***
*現東北大学,**現東京大学,***現豊田工業大学

 軌道上フリーフライングロボットにおいてマニピュレータアームを操作すると, その動作反力によってベースの位置・姿勢が変動してしまう[1]。ロボット衛星が, たとえば故障衛星の捕捉などの作業を行う際には,ターゲットを注視しながら 近接ランデブー飛行を維持し,通信アンテナ等の指向性も常に保たなければならず, マニピュレーション中にベースの姿勢を保持することが強く求められる。 このような要求を満たす制御を実現するために,本研究では,以下の点を明らかにした。
  1. 図1に示すような一つのアームを搭載する宇宙ロボットにおいて,リアクションホイール によってアームの動作反力による姿勢変動を打ち消そうとすると,ホイールに非常に大きな トルクが必要となり,現実のハードウェアでは達成困難である。 動画1(mpg, 2.4MB)


  2. そこで図2のように第2の腕(スタビライジングアーム)を搭載する宇宙ロボットを 考える。この場合,第2の腕を反動制御用のカウンターバランスをとして使用することに よりホイールの負担を軽減できる。本論文では,冗長性分解制御の考え方に基づき, 全アクチュエータのトルク配分を重み付きで最適化する手法を明らかにした。 動画2(mpg, 2.4MB)
    なお,スタビライジングアームは,対象衛星捕獲後には対象物を保持するための アームとして,または,宇宙ステーション等において作業をするときには,自分自身を 保持するアンカーアームとして使用することが可能である。
1997年に,わが国が世界に先駆けて軌道上フリーフライングロボットの技術実証を行った ETS-VII(図3)は図1の形態をとっており,リアクションホイールのトルク容量の 範囲内でマニピュレーションを行うために,アームの動作速度はゆっくりとしたものであり,姿勢回復のための待ち時間も必要であった。ベースの 姿勢維持性能を向上させるいくつかの取り組みがなされたが,吉田らのグループはアームの 動作軌道を工夫することによりベースへの反動をゼロにする「無反動マニピュレーション」へと 研究を展開し[2],ETS-VIIを使った軌道上実験によりその有効性・実用性を検証した [3][4]。
実用型のフリーフライングロボットでは,これらの成果を反映して,複数の腕を 持ちそれらを協調させた上で,反動を最小化するマニピュレーションを行うことが 望まれる。

1993年 日本ロボット学会論文賞受賞
 
図1 図2 図3

論文
吉田,倉爪,梅谷:
   宇宙ロボットの多腕協調制御(スタビライジングアームの利用による 制御トルクの最適化), (PDF, 0.98MB)
  日本ロボット学会誌,第9巻6号,pp.718-726, 1991.

関連研究論文

[1] Yoji Umetani and Kazuya Yoshida, "Continuous Path Control of Space Manipulators Mounted on OMV," Acta Astronautica, vol.15, No.12, pp.981-986, 1987.

[2] Kazuya Yoshida, Dragomir N. Nenchev and Masaru Uchiyama, "Moving base robotics and reaction management control," Robotics Research: The Seventh International Symposium, Ed. by G. Giralt and G. Hirzinger, Springer Verlag, pp. 101-109, 1996. (presented at the 7th ISRR, Munich, Germany, Oct. 1995)

[3] Kazuya Yoshida, "Space Robot Dynamics and Control: To Orbit, From Orbit, and Future," Robotics Research, The Ninth International Symposium, Eds, J.M. Hollerbach and D.E.Koditschek, pp.449-456, Springer, 2000. (presneted at the 9th ISRR, Snowbird, UT, Oct. 1999)

[4] Kazuya Yoshida, Kenichi Hashizume and Satoko Abiko, "Zero Reaction Maneuver: Flight Validation with ETS-VII Space Robot and Extension to Kinematically Redundant Arm," Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Seoul, Korea, pp.441-446, 2001.