NASDAのロボット実験計画・実験結果

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更新記録
1998/07/30更新(更新箇所:
1998/07/17更新(更新箇所:


1.NASDAのロボット実験計画

実験内容の詳細はこちら(プレスキット)を参照して下さい。
搭載ロボット実験系の初期点検結果はこちら(ロボット初期点検結果)のページをご覧下さい。
また、今週のロボット実験の内容はこちらのページをご覧下さい。
今週の実験スケジュールはこちらのページをご覧下さい。
実験の長期的スケジュールはこちらのページをご覧下さい。


2.ロボット実験結果の要約(詳細は3項)

区分 内容 内容/日程等 関連
(1)ロボット実験系の初期点検 詳細
ロボットアームの動作確認 3/2〜3,3/17,18,20に実施
ロボットアームの第1関節に30度のオフセットがあることが判明したが搭載S/Wを修正することにより実験には支障なし。
ロボットアームによる実験機器の把持 4/20,22に実施
自動操作により各GPSが把持できることを確認
搭載実験機器の固定解除 5/18(タスクボード用ツール:TBTL),5/21(ターゲット衛星用ツール:TSTL),6/16(スライドハンドル、小型浮遊物)、6/17(軌道上交換ユニット:ERU)の固定解除をロボットアームにより実施した。
衛星姿勢との協調制御機能の確認 5/29、6/17、6/18にロボットアームの動作反力を吸収するための協調姿勢制御機能を確認した。
(2)搭載ロボット実験系の性能評価
ロボットアームの制御精度の評価、
キャリブレーション等
初期点検において各関節のバイアス,制御精度等を評価(5/22)
ロボットアームの各関節のバイアス誤差の補正を行い、ロボットアーム先端の位置姿勢誤差が除去され、ロボットアーム移動後の微調整なしに容易に実験機器が把持できることを確認(98/07/14)
こちら
ロボットアームの力覚制御性能(コンプライアンス制御、力追従制御等)の評価を実施(98/07/16)
ロボットアームの力覚制御性能(アクティブリンプ制御)の評価を実施(98/07/29)
(3)衛星姿勢と搭載ロボットアームの協調制御(実験の詳細はこちら
ロボットアームの動作反力を吸収する衛星
の姿勢制御実験
5/29に機能確認(予備実験)を実施
6/17,19には姿勢制御をRCS,及びRWで行っている際の協調姿勢制御実験を実施
ロボットアームの動作方向を変えて(±Y)協調姿勢制御実験を実施(98/07/14)
こちら

姿勢制御を行わない状態(フリーモーション状態)でロボットアームを動作させロボットアーム、および衛星のダイナミクス評価を実施(98/07/16、17)
衛星の姿勢安定を乱さないロボットアーム制御実験 '98.1頃
(4)搭載ロボットアームの遠隔制御(実験の詳細はこちら
自動操作によるロボットアームの制御 地上からの遠隔制御指令(自動操作)でロボットアームを制御し、実験機器が操作できることは4〜6月の初期点検で確認済み
こちら
遠隔操作によるロボットアームの制御 9〜12月頃
低容量の通信回線を使用した遠隔制御 98/05/29にオムニ回線を使用したロボットアームの制御を試行。
本格的実験は'99.2月頃
(5)軌道上サービス基礎実験
ロボットアームによる機器交換・目視検査等
各種作業実験
地上から遠隔制御されたロボットアームで軌道上交換ユニット等の機器の固定解除/移動/再取り付けが可能なことは初期点検で確認済み

小型浮遊物(金属球)の取り出し,収納,スライドハンドル操作を実施(98/07/15)

タスクボード表面のなぞり,Peg-in-holeを実施(98/07/29)
こちら
推薬補給模擬実験(詳細はこちら ロボットアームによる軌道上交換ユニットの脱着に併せて流体コネクタ、電気コネクタの脱着が可能なことは初期点検の一環で実施すみ(6/18)

次回実験は8月頃
こちら

ターゲット衛星操作実験 '99.3頃
(6)外国宇宙機関との共同ロボット実験
DLR(ドイツ航空宇宙研究所)との共同実験 '99.4頃
ESA(欧州宇宙機関)との共同実験 '99.4頃

3.NASDAのロボット実験結果

(1)搭載ロボット実験系の性能評価

(a)ロボットアームの制御性能の評価('98/05/22)
ボットアームをX軸方向、Y軸方向、ピッチ軸廻りに各種の動作速度で動作させ、この時のロボットアームの先端制御精度、及び衛星の姿勢制御状態のデータを取得しました。今後、本データを用いてロボットアームの制御精度、および衛星ダイナミクス等の評価を行います。(98/05/22)
評価結果は各種学会への論文発表等により公表します。
(b)ロボットアーム制御精度/ミスアライメントの評価・誤差の補正(98/06/17, 98/07/14)
98/06/13に発生したロボットアームと衛星搭載実験機器の予定外の接触がロボットアームの制御精度に与える影響を評価することを兼ねて98/06/17,及び98/07/14 にロボットアーム制御精度(位置決め精度)の実施。98/06/17の測定では一部の軸にバイアスが発生しているものの十分高い位置決め精度(repeatability)を維持していることを確認しました。98/07/14には各関節のバイアスが変動していないこと、及びS/Wで補正可能なことを確認すると共に,バイアス補正後のロボットアームの制御精度を評価するためのデータ取得を実施。
(c)ロボットアームの力覚制御性能の評価(98/07/16, 98/07/29)
ロボットアームが他の機器等に接触した場合に発生する応力を抑制するためにETS-VII搭載ロボットアームにはコンプライアンス制御、力追従制御、アクティブリンプ制御機能を有しています。98/07/16, 98/07/29にこれらの制御機能の評価を行いました。評価はロボットアームの先端にタスクボード操作用ツールを取り付け、同ツールに固定されているぺぐ(棒)でタスクボードを押しつけ、タスクボードとロボットアームの間に発生する力が抑制されていることを確認しました。

(2)搭載ロボットアームと衛星姿勢の協調制御実験

(a)ロボットアームの動作反力を吸収する衛星の姿勢制御実験
ETS-VIIの姿勢制御系とロボットアームはそれぞれ別の計算機で制御されており、ロボット実験系の計算機でロボットアームが動作する場合の発生角運動量を実時間で推定し,姿勢制御系の計算機に渡し、姿勢制御系で通常のフィードバック制御に加え、フィードフォワード補償によりロボットアームの動作反力を補償します。
本機能が正常に機能していることを5/29、及び6/17に確認しました。また、6/19にロボットアームを収納する際に本協調制御を機能させることにより、これまで衛星の姿勢が最大で1deg以上変動してい0.2deg以内の姿勢変動に抑えることに成功しました。本姿勢制御精度は、ロボットアームを搭載していない通常の人工衛星の姿勢制御に匹敵するものです。本実験の成功により、宇宙空間で作業を行うロボット衛星が小型の衛星ででも実現可能なことが証明されました。これは将来的に軌道上作業機が実現可能なことを示すものです。
7/14、7/17にはロボットアームの動作方向を変えて同様のデータを取得し協調姿勢制御が有効に機能していることを確認しました。また、7/15、7/16には、衛星の姿勢制御を行っていない状態でロボットアームを動作させ、その時の衛星の姿勢変動のデータを取得しました。これらのデータを用いて衛星の質量特性や衛星に作用する外乱トルク等の衛星ダイナミクスの評価を行います。(98/07/17記)

(b)衛星の姿勢変動を抑制するロボットアームの制御実験
上記のロボットアームの動作反力を吸収する協調姿勢制御を衛星の姿勢制御系で行っていても、ロボットアームの動作速度が早すぎると衛星の姿勢制御系で対応しきれないのは自明です。そのため、衛星の姿勢制御状態、姿勢制御能力を考慮したロボットアームの制御を行う必要があります。これを協調ロボットアーム制御と呼びます。
上記の協調姿勢制御を行っていない状態で、ロボットアームの動作速度を調整することにより、衛星の姿勢変動を許容可能な範囲に抑えられることを初期点検期間中の98/03/22〜26に確認しました。なお、この時のロボットアームの動作速度の調整は人手によるものであったため、今後は遠隔操作指令等のリアルタイム指令に対しても動作速度の調整を自動的に行うアクティブが協調ロボットアーム制御実験を予定しています。(98/07/02記)



(3)搭載ロボットアームの遠隔制御

(a) 自動操作によるロボットアームの制御
ETS-VIIの搭載ロボットアームの制御は基本的には事前に検証された実験シーケンス(命令列)に基づいて地上のロボット実験運用設備から自動的にコマンドが送り出される自動操作を使用しています。実験の途中で作業内容を中止・変更したい時は随時、地上のオペレータが自動操作に介入して他のコマンドシーケンスに変更したり、マニュアルでコマンドを生成して送信することも可能な構成となっており、いわゆるSupervised Control で制御されています。本手法による搭載ロボットアームの制御が可能なことは98年3月以降のロボット系の点検作業の中で確認されています。
今後は、このSupervised Control をより積極的に使用して作業時間の短縮、作業の自動化等、衛星搭載ロボットをより使いやすく使うための実験を予定しています。(98/07/02記)

(b) 遠隔操作によるロボットアームの制御
ロボットアームの遠隔操作と言えば、一般的にはジョイスティック等を利用したマニュアル操作が想定されますが、ETS-VIIの場合、上記の様に自動操作/Supervised Control を基本としており、付加的にジョイスティックを使用した遠隔操作実験を予定しています。なお、遠隔操作実験は当初、通信放送技術衛星(COMETS)を介して行う予定でしたが、COMETSの静止軌道投入失敗に伴い、急遽NASAのTDRSを利用すべく日米間の回線を設定したため現状では遠隔操作に必要な等間隔のコマンド伝送が行えません。そのため、現在、現状の回線を使用しても搭載側でコマンドを等間隔に実行できる様に搭載ソフトウエアを修正する作業を行っており、本作業終了後、ジョイスティックを使用した遠隔操作実験を行います。なお、ETS-VIIでは、遠隔制御とは自動操作遠隔操作等を含んだ遠隔地のロボットを制御する概念として定義しています。(98/07/02記)

(c) 低容量の通信回線を使用した遠隔制御
遠隔地のロボットを遠隔制御する場合、通信時間遅れや、通信容量の制限がロボットアームの制御のしやすさを大きく左右します。通信時間遅れは通信容量に大きく依存し、ETS-VIIの場合、ハイゲイン通信回線(CMD:4kbps/ TLM:1.5Mbps)を使用した場合、往復で4〜6秒程度ですが、通信容量が小さいオムニ回線(CMD:125bps/TLM:2kbps)を使用した場合、通信時間遅れは通信内容により30秒〜1分以上(往復)となります。この様な環境でもロボットアームの遠隔制御(遠隔操作を除く)が可能なことを、98/05/29に確認しました。なお、この時の知見からは、当日使用した通信回線/可視時間でロボットアームを操作することは不可能ではないが、改善すべき事項も多いことが併せて確認されました。今後は、ETS-VIIのオムニ回線、あるいは月/火星等の遠隔地を結ぶ低容量の通信回線にも対応可能な遠隔制御手法の開発・実験を予定しています。(98/07/02記)

(4)軌道上サービス基礎実験

(a)衛星搭載実験機器の目視検査
人工衛星に不具合が発生した場合、ビデオカメラによる目視検査は不具合状態の識別にとり非常に有効です。ETS-VIIにはロボットアームの先端、及び基部(第一関節上)にそれぞれ手先カメラ、肩監視カメラが取り付けられており、これらのカメラの画像は毎秒1枚、2枚、または4枚のいずれかの更新速度で地上に送られてきます。これまでに、この画像を用いて搭載実験機器の打ち上げ固定の状態、打ち上げ固定が解除された状態等を確認しています。今後は地上での画像処理をも用いて目視検査がより効果的に行える手法の開発・実験を行います。(98/07/02記)

(b)ロボットアームによる軌道上交換ユニットの交換
宇宙ロボットの作業として当面、最も期待されているのは軌道上交換ユニット(ORU)の交換です。国際宇宙ステーション日本実験モジュール(JEM)でも宇宙飛行士が船外活動を行わずに機器を交換するための手段としてロボット(マニピュレータ)が使用されます。ETS-VIIには重量約25kgの軌道上交換ユニットが1個搭載されており、ETS-VIi搭載ロボットアームで本ORUを把持して、固定を解除し、移動操作後に再び、ORUが固定可能なことを98/06/17に確認しました。また、本ORUには推薬補給実験用の流体コネクタ、電気コネクタが組み込まれており、これらのコネクタの脱着もORUの脱着に併せて行われることが確認されました。(98/07/02記) その時の画像はこちら

(c)ロボットアームによる機器の操作(レバー操作、スイッチ操作等)
軌道上交換ユニット(ORU)の交換と並んで、ロボットアームの作業として期待されているのが、実験機器の操作(レバー操作、スイッチ操作等)です。ETS-VIIにはこれらの作業を模擬するためにタスクボードと呼ばれる実験機器が搭載されており、ETS-VIi搭載ロボットアームによりタスクボード上の機器が操作可能なことが98/06/16に実施されたタスクボード上の実験機器の固定解除作業の一環で確認されました。

(i) 機械的スイッチ操作(98/06/16)
ETS-VIIに搭載されているロボット実験用のタスクボードにはスライドハンドル、小型浮遊物(ピンポン玉位の金属球)等、各種の実験装置が取り付けられていますが、これらの装置もロケットの打ち上げ時にむやみに動いて壊れないように固定されています。これらの機器の固定解除は、人の手で押しボタンスイッチを押すのと同様にロボットアームで固定解除用のラッチ機構に連動している機械的スイッチを操作(押す)ことにより行われます。これらの作業は平成10年6月16日に、ロボットアームの先端にタスクボード操作用ツールを取り付け、さらに同ツールに固定されているペグにより、固定解除用機械スイッチを操作することにより行われました。この作業は、タスクボード上の機器の固定解除作業であると共に、典型的な軌道上作業の一つであるロボットアームによるスイッチ操作を模擬したものです。
左:ロボットアーム先端に取り付けられたタスクボード操作用ツールのペグで小型浮遊物の固定解除用スイッチを押すところ
中:固定解除用スイッチを押したため小型浮遊物が出てきたところ。なを浮遊物(金属球)はデブリとなるのを防ぐため鎖でつながれています。
右:固定解除後の小型浮遊物。今後、この金属球をタスクボード操作用ツールの指で把持し、引き出します。その後、球を浮遊状態として、ロボットアームの遠隔制御/自動制御等により捕獲する実験に使用します。


(ii) ロボットアームによる小型部品の操作(小型浮遊物の引き出し・収納)
また、98/07/15には、タスクボード上の小型浮遊物(以下の写真参照)をロボットアーム先端に取り付けたタスクボード操作用ツールの指で把持して引き出すこと(小型部品のハンドリングを模擬)、及び同機構収納用メカニカルスイッチを操作(複数回の押し込み動作)により、同機構を収納しました。
ロボットアームの先端にタスクボード操作用の専用ツール(スイッチを押す等の作業を行う棒状のペグ、および小型部品等を把持するための2本の半球面状の指が取り付けられている)を取り付けます。
次に専用ツールの指でタスクボード上の小型浮遊物が把持できる位置にロボットアームを誘導します。この際、専用ツールに固定されている棒(ぺグ)がタスクボード本体と接触しない様にロボットアームを大きく傾けます。
なお、左側の映像はロボットアーム先端の手先カメラ画像、右側はロボットアームの第一関節上の肩監視カメラからの映像です。
小型浮遊物はピンポン玉程度の大きさの金属球でデブリとなって漂うを防ぐための細い鎖がつけられています。丁度バスタブの栓の様な形をしています。
この小型浮遊物を半球面状の2本指で把持して引き出します。
金属球を十分引き出した後、指を離して金属球を浮遊状態とします。金属球は鎖の張力で引き戻されてタスクボード本体に接触した後、再度舞い上がり、空間内を漂っていました。
本浮遊物はその後、同部品収納のためにタスクボード操作用ツールに取り付けられているペグで収納用メカニカルスイッチを押し下げることにより鎖が巻き取られ収納されました。

(ii) タスクボード上の力トルクセンサ評価用機構を使用した力トルクセンサの性能評価(98/06/18)
タスクボード操作用ツールに付属したペグでタスクボード上の力トルクセンサ性能評価用治具を操作しているところ。同治具はバネを内臓しており、ロボットアームへの変位指令とバネの変位(目盛り)、力トルクセンサの出力を相互に比較することにより、力トルクセンサの性能を評価すると共に、ロボットアームによるスライドハンドル操作の作業性能の評価を実施(98/06/18)。



(iii)スライドハンドル操作(98/07/15)
ロボットアームの先端にタスクボード操作用ツールを取り付け、同ツールの先端に固定されたぺぐにより、タスクボード上のスライドハンドルを操作する実験を実施(98/7/15)


(iv)曲面のなぞり、Peg−in−Hole実験
98/07/29には、タスクボード上の曲面に沿ってロボットアームを押し付けながら移動させる表面なぞり作業、及び穴に棒を差し込む"Peg-in-Hole"実験を行いました。ぺぐの直径は18mm、一方、穴は大小があり、大は直径19mm、小は18.4mmで棒との間の隙間はそれぞれ、わずかに1mm、0.4mmでしが、いずれの穴にもぺぐをスムーズに挿入することができました。
(d)推薬補給実験
軌道上作業機等、ロボットアームを搭載した宇宙機の作業として期待されている作業に軌道上の宇宙機(人工衛星、プラットフォーム、宇宙ステーション)への燃料補給があります。ETS-VIIでは実験用軌道上交換ユニット(ORU)の内部に2個のタンクが内蔵されており、一方には窒素ガスが、他方にはヒドラジン燃料と化学的特性(沸点・凝固点等)が似ている水が搭載されており、両タンク間は流体コネクタで接続されています。流体コネクタはロボットアームにより流体コネクタを脱着する際に同時に脱着されます。
これまでの初期点検において、ロケット打ち上げ時の振動は流体コネクタの結合状態に影響を与えていないこと(リークが発生していないこと)を確認すると共に、ORUの脱着に併せて流体コネクタが脱着されたことを確認しました。
今後は、ORUの脱着後に流体コネクタからのリークが発生しないことの確認、及び無重力環境で流体の移送(すなわち燃料補給)が可能なことを示す実験を予定しています。

(e)ターゲット衛星操作実験
ETS-VII搭載ロボットアームは最大500kg程度の物体を操作可能です。今後大型ペイロードの操作に係る技術実験としてETS-VII搭載ロボットアームでターゲット衛星を操作する実験を予定しています。ターゲット衛星をETS-VII搭載ロボットアームで把持するためには、ターゲット衛星上に取り付けられた把持用ハンドルを掴むための専用ツール(ターゲット衛星操作用ツール)をロボットアームの先端に取り付ける必要があります。同ツールは、普段、同ツール収納部に固定収納されています。98/05/21には、ロボットアームによりターゲット衛星操作用ツールを把持し、固定を解除して同ツール収納部から取り出せることを確認しました。(その時の映像はこちら

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更新記録
98/09/01:初期点検内容を追加
98/07/31:7月第5週のロボット実験結果の反映
98/07/17:7月第3週のロボット実験の結果を反映(映像は後日掲載)
98/07/13:7月のロボット実験計画の詳細化を反映