CRL News No.238 1995.12

     宇宙の鉄腕でアンテナを組み立てる
-ETS-VIIにおけるアンテナ結合機構実験について-

　　　　　　　　　　　　　　　　　　木村　真一

 
軌道上での大型アンテナ組立（想像図）


1. はじめに
宇宙空間で大型アンテナの様に精密かつ複雑で大規
模な構造物を構築するには、どの様にすれば良いだ
ろう。近年この様な宇宙構造物の構築にロボットを
利用して、地上からの遠隔操作により宇宙空間での
組立を実現すると言う技術が注目を集めている。こ
うした宇宙ロボットに関する研究は内外において盛
んに行われてきており、西暦１９９０年代後半から
２０００年にかけて軌道上実験も多数計画されてい
る。さて、この様に書くと、はて昨今は工場はもと
より寿司を握るロボットまであるというのに、なぜ
ことさらに宇宙ロボットなのであろうと不思議に思
われる方もあるかもしれない。このことを説明する
ためには、宇宙ロボットの果たすべき役割と宇宙空
間という特殊性は環境からくる問題点について考え
てみる必要がある。
先ず、我々が複雑で精密な物を組み立てる場合のこ
とを考えてみよう。組み立てる過程で、色々と向き
を変えて手元を見たり、手先の微妙な感触を確かめ
たり、作業に関する多くの情報を確認しながら作業
を進めるのではないだろうか。ところが、宇宙にお
ける遠隔操作ロボットでは種々の制約から、得られ
る情報に制限があり、特に作業中の視覚情報が制約
されることが多い。また、地上で操作する人と軌道
上のシステムとの間には多くの場合、時間遅延が存
在する。先日の一般公開で体験した方も多いと思う
が、２秒ぐらいの時間遅れでも作業性には著しく影
響をきたす。このような状況で正確で確実な組み立
てを実現するためには、宇宙ロボットの制御法だけ
でなく、組み立てられる機構にも限られた視覚情報
を有効に活用して、簡単な作業で正確な組み立てを
実現できるように工夫を凝らす必要がある。
通信総合研究所ではこの様に宇宙空間で大型アンテ
ナを組み立てる技術について研究開発を行ってきた。
そして精密な組立を実現する上で最も重要な課題と
なる宇宙ロボットの制御とアンテナの結合機構につ
いて、技術試験衛星VII型(以下ETS-VII)で実験を行
う予定である。
ここでは、アンテナ結合機構基礎実験の実験計画の
概要と実験機器の開発状況について紹介したい。


図１ 開口径２ｍの組立型アンテナ試作モデル


2. 組立型アンテナについて
図1は我々が開発した開口径2mの組立型アンテナであ
る。我々は最終的には開口径10ｍクラスの組立型ア
ンテナを軌道上で実現することを考えており、この
開口径2mの組立型アンテナはその組立機構を機能検
証するためのスケールモデルである。副鏡を含む中
央の鏡面と、周辺の８葉の花弁とに分解して軌道上
に投入し、宇宙ロボットを用いた非常に簡単な操作
で組立が実現できる。図2は正に産業用ロボットを用
いて組立作業を行っているところを示している。

我々は２ｍ開口径の組立型アンテナを用いて、西暦
２０００年代初頭を目標に開発が進められている国
際宇宙ステーションの取付型実験モジュールに組立
型アンテナの構成部分をはこび、マニピュレータに
より宇宙空間での組立を実現し、衛星間通信技術に
ついての実験を行うことを提案している。
組立型アンテナには、展開型・膨張型には見られな
い幾つかの特徴を持っている。先ず、組立型アンテ
ナでは、高い鏡面精度をもった大型アンテナが比較
的容易に実現できる事が上げられる。この特徴によ
って組立型アンテナは、ミリ波帯等の非常に高い周
波数での大型アンテナの利用が可能となる。また、
展開形や膨張形のアンテナでは全ての部材を1回の打
ち上げで軌道上に運ばなければならないのに対し、
組立型アンテナでは組み立てる部材を何回かに分け
て軌道上へ運ぶ事ができ、段階的なアンテナ構築や
非常に大きなアンテナ構築等が実現できる。

3. アンテナ結合機構基礎実験
3.1. ETS-VIIについて
ETS-VIIは宇宙開発事業団（NASDA）により開発が進
められている次期技術試験衛星で、1997年に軌道上
へ投入される予定である。ETS-VIIはチェイサ－衛星
とタ－ゲット衛星という二つの部分からなっており、
その主要な実験項目としては、タ－ゲット衛星をチ
ェイサ－衛星から軌道上で分離し再結合するランデ
ブ・ドッキング実験、及び、チェイサー衛星表面に
搭載されたロボットア－ムを用いた宇宙ロボット実
験が計画されている。この宇宙ロボット実験では、
NASDAが計画している実験の他に、科学技術庁・航空
宇宙技術研究所の「トラス構造物遠隔操作実験」、
通産省・電子技術総合研究所の「高機能ハンド実証
実験」等の実験も計画されており、我々通信総合研
究所もこの衛星上で「アンテナ結合機構基礎実験」
を実施する計画である。

3.2. 実験装置の概要
通信総合研究所ではこの実験に対して、ETS-VIIロボ
ット実験面に搭載される「アンテナ結合機構（AAM)」
と、地上においてNASDAの宇宙ロボット制御系に接続
し、地上からの遠隔操作を実現する「遠隔操作シス
テム」の２つの実験装置を開発している。

図２ アンテナ結合機構(AAM)


(1) アンテナ結合機構（AAM）
AAMは組立型アンテナの結合機構をモデル化したもの
であり、図2に示すように「固定部」、「結合部」及
び「非常用キャッチャ」の３つの部分からなる。
「固定部」及び「非常用キャッチャ」は衛星本体に
固定されており、「結合部」は組立型アンテナのラ
ッチ機構によって「固定部」と結合している。実験
は「結合部」に取り付けられたグラプルフィクスチ
ャと呼ばれる把持機構をロボットアームが把持し、
ラッチを解除後、「結合部」を「固定部」から分離
・移動・再結合することでアンテナの組立作業を模
擬する。このラッチ機構は、ラッチピンを挿入する
ことで回転カムのストッパーが外れ自動的にラッチ
がかかる機構となっており、非常に単純な動作で実
現可能で、板ばねを駆動力とした電力等を全く使用
しない機構となっている。ここでの「結合部」と
「固定部」組み付け作業を支援し、正確で確実な組
立を実現するための機構として、（１）ターゲット
マークによる視覚的誘導と（２）ガイドコーンによ
る機械的誘導が用意されている。ターゲットマーク
は図3に示すような形状をした物体で、「結合部」と
「固定部」の相対的な変位によって、ロボットアー
ム手先部に取り付けられた「手先カメラ」から異な
った画像が得られる。この画像を解析することによ
り、ロボットアーム手先部と「固定部」の間の理想
的な結合位置からのズレを自動的に計測し、正確な
組み付け作業を実現することができる。更に、画像
解析で吸収しきれない微小な変位や、振動等時間変
動する変位は、「結合部」に取り付けられたガイド
コーンとグラプルフィクスチャに取り付けられたバ
ネ（コンプライアンス機構）が「結合部」を機構的
に誘導し、正確で確実な組み付け作業を実現するこ
とが可能となっている。「非常用キャッチャ」はラ
ッチ機構部の不具合等が発生し、実験が続行不可能
となった場合に、「結合部」を不可逆的に固定し、
ロボットアームを「結合部」から開放させるための
機構である。

図３  ターゲットマーク

(2) 遠隔操作システム
遠隔操作システムはNASDAのETS-VII制御システムと
インタ－フェ－スし、ロボット制御コマンドの生成
とロボットテレメトリ情報の表示という基本的な機
能に加えて、（１）組立シ－ケンスの実行、（２）
タ－ゲットマ－ク画像の処理と位置誤差の算出、
（３）後述の予測バイラテラル制御実験において使
用するマスタ－ア－ムとのインタ－フェ－ス等の機
能を持っている。ロボットの操作は、予測バイラテ
ラル制御実験を除き、キ－ボ－ドとマウス操作によ
り行い、ロボットの動作をコマンド発行前に確認す
るシミュレ－タは３次元グラフィクスによる表示に
対応している。

3.3. 実験計画の概要
軌道上では、次にあげる４つの実験項目が予定され
ている。
(1) 基本着脱実験
AAMの着脱のシ－ケンスを、マニュアル操作を併用し
ながら行い、組立作業の操作性の評価、各種力学値
の測定等を行う。
(2) 全自動着脱実験
基本着脱実験の結果をもとに、基本着脱シ－ケンス
を、画像処理による視覚誘導を利用し、マニュアル
操作なしに実現する。
(3) 結合可能範囲測定実験
結合時のロボットア－ムの先端位置を意図的に理想
的な結合位置からずらして結合を行うことで、機械
的なガイド機構の性能を評価する実験である。
(4) 予測バイラテラル制御実験
予測バイラテラル制御とは、地上のコンピュ－タに
軌道上のシステムのモデルを用意しておき、このモ
デルに基づいて計算された動作の予測によって作業
をガイドする制御方法である。本実験では、予測バ
イラテラル制御をアンテナ組立作業に応用し、この
制御方法の有効性を検証する。

4. 実験機器の開発状況
4.1. 地上遠隔操作試験
搭載用のAAM（Flight Model:FM）を開発するのに先
立ち、地上での機能試験及び環境試験に使用するEn
gineering Model（EM）を作成した。EMは「非常用キ
ャッチャ」が省略されている他は、外形・寸法はも
とより、ラッチ・ロンチロック機構やヒ－タ－・サ
－モスタットといった電気回路や熱構造的にも、FM
を忠実に反映している。このEMを用いて、NASDA筑波
宇宙センタ－の「ETS-VIIテストベッド」を用いて、
1995年2月27日から2週間にわたって地上遠隔操作試
験を行った。（図4）地上遠隔操作試験では以下の３
つの項目について試験を行った。
（１）基本インタ－フェ－ス確認及びロボットア－
　　　ムのアクセス性の確認
（２）各種照度条件における手先カメラ画像の取得
（３）軌道上での実験シ－ケンスの確認及びAAMの機
　　　能的な評価

図４  地上遠隔操作試験（宇宙開発事業団
       ETS-Ⅶテストベッドによる）

4.2. 搭載機器開発
地上遠隔操作試験の結果を受け、実験遂行上の性能
について見直すと共に、開発したEMについて、搭載
にあたって必要となる熱真空試験、振動試験、衝撃
試験などの環境試験を行った。結果は何れも良好で
あり、特に熱真空試験では熱真空下での機能確認も
同時に行い数１０回の連続着脱に対して、特に不具
合もみられずすべて成功した。これらの結果をまと
め、1995年7月２１日搭載実験機器の設計の最終確認
を行った。これをうけて、現在搭載モデルの開発を
開始している。開発を完了した搭載実験機器は1996
年12月末にNASDAに納入し、ロボットア－ムとの適合
性試験（力覚操作試験）、システムアセンブル、シ
ステム全体としての射上試験を行う予定である。

5. まとめ
ここでは「ETS-VIIにおけるアンテナ結合機構実験」
について、その実験の概要と実験機器の開発状況に
ついて報告してきた。ETS-VIIは1997年打ち上げ予定
であり、各搭載機器は開発の最終段階を迎えようと
している。今後も関係各方面と協力して、有意義な
実験となるよう努力して行きたい。
　　　　　　　　（宇宙通信部　衛星間通信研究室）