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世界に誇れるニッポンの制御技術

制御技術

深海無人探査機、地雷除去機の
             開発ストーリー

2011年初回の特集は、日本の制御技術を取り上げる。その対象は4000mという海中・海底で自律的に作業を行う深海探査機と、建設機械を応用してゼロから作り上げた対人地雷除去機だ。技術立国の牙城が、特にアジア諸国の猛追で崩されつつある今、ここには世界に誇れるニッポンの技術がある。

(取材・文 総研スタッフ/高橋正志) 作成日:11.01.05

深海を自律的に探査する「MR-X1」が始動/海洋研究開発機構

昨年夏の海域実験に成功した、知られざる「小さな巨人」

海洋研究開発機構

独立行政法人海洋研究開発機構
海洋工学センター
先端技術研究プログラム
巡航探査機技術研究グループ
技術研究主任
石橋正二郎氏(35歳)

作業型自律探査機「MR-X1」

作業型自律探査機「MR-X1」
提供:海洋研究開発機構(JAMSTEC)

四方を海に囲まれる日本において、海中・海底の資源探査は、今後の国策すら左右する大きな課題である。独立行政法人海洋研究開発機構(JAMSTEC)はこれまで、有人潜水調査船「しんかい6500」、深海巡航探査機「うらしま」などを開発してきたが、昨年8月に相模湾での海域試験に成功したのが、作業型自律探査機「MR-X1」(Marine Robot Experimental-1)である。

無人探査機には母船とケーブルでつないで遠隔操作するROV型と、プログラムに従って自力で航行するAUV型とに大別されるが、MR-X1は後者である。自律探査のためには内部動力、CPU、慣性航法装置(INS)が必要で、MR-X1は小型軽量の深海用リチウムイオン電池、自動で不具合を補償する分散制御CPUシステム、国内最小かつ最軽量の高性能なINSを搭載。加えて、3次元ステレオ視で深海の生物や鉱物の採寸・面積を計測する、高機能画像システムも装備されている。
 
これだけ多彩な機能を持ちながら、その全長は2.5m、重さ約800kgという小さなサイズで、設計潜航深度は何と4000m。さらなる技術向上が図られた後に、各機能は実運用機へ組み込まれていく予定である。
メーカーや外注業者の協力はあるものの、驚くことにMR-X1の開発チームはわずか3人。その中で主にINS、CPU、画像システムの開発に携わったのが石橋正二郎氏だ。石橋氏は東京商船大学(現・東京海洋大学)大学院博士課程修了後、2003年にJAMSTECに入所した。
「商船大学に進んだのはもちろん船乗りになりたかったから。しかし入ってわかったのは、私はひどい船酔いをすること(笑)。慣れるかと思ったらこれが慣れない。あきらめて研究者の道を選びました。大学院ではロボットアームとソフトウェアによる運動制御を研究していました」

回転運動で画期的なINSの向上システムを開発

深海巡航探査機「うらしま」

深海巡航探査機「うらしま」

MR-X1

MR-X1

石橋氏の最初の配属先はうらしまの開発チーム。主に取り組んだのがINSのシステム的な向上だった。GPS(電波)の届かない深海で自律航行するには、位置や速度を演算により正確に知る必要がある。そのための装置がINSであり、潜水艦や航空機にも搭載されている。

彼はINSを制御するソフトウェアの開発と、INSの情報をロギングするシステムを担当した。とはいえ、INSは高価なので学生時代に触ったことがなく、入所してから一から仕組みを勉強していったという。与えられた課題は、現在のINSのシステム的な向上。メーカーと共同開発する中で彼は、INSに内蔵されているセンサがもたらす「誤差」が重要なことに気付き、それを軽減させる方法を考え始めた。
「INSはジャイロと加速度計の組み合わせで、位置を出すには両者の出力を演算して移動量を求め、それをどんどん足していきます。しかし、ジャイロにも加速度計にも誤差が出てしまうため、時間が経過すると誤差も足されて大きくなります。これを解消するために、装置自体を回転させて、誤差をキャンセルさせる方法を考えました」
 
詳細な説明は省くが、ある軸のジャイロに誤差があるとすると、INSを回転させることで誤差の位相も一緒に変わり、その結果、プラスとマイナスで誤差が相殺(キャンセル)されるという。理論的にはこれを行っている間はずっと誤差がキャンセルされるため、時間が経過しても誤差が大きくならないのだ。この結果、INSの精度は4〜6倍向上したという。
当然ながら探査機(AUV)は動いている。ターンの最中ならあえて台座は回転させず、その動きを利用したほうがいい場合もある。石橋氏は3つの法則に従って回転を制御したという。ちなみに、大型のINSをステッピングモーターで動かす回転台は自作したという。この方法は現在でも改良が重ねられており、石橋氏はこの方法についてまとめた論文で昨年、海洋理工学会第8回堀田記念奨励賞を受賞した。

MR-X1のINS、「国内最小、最軽量、高性能」を「世界」に

MR-X1の慣性航法装置(INS)

MR-X1の慣性航法装置(INS)

コントロールルーム

昨年夏の海域試験時のコントロールルーム
操作コンソール(ソフトウェア)は石橋氏の自作

うらしまは2年ほど前から運用段階に入り、石橋氏は新たな探査機を担当することとなった。それがMR-X1である。彼のような技術研究職は新技術の研究・開発が仕事であり、運用段階になると別の部署が担当を引き継ぐ。MR-X1は研究開発した最新技術を実海域で試す、「テストベッド」でもある。

「探査機を含めてロボットは総合工学ですから、これまでの研究と全く別のことを始めるわけではなく、そこで得られた技術やノウハウを引き続けていくのです。中でも探査機において大切な要素のひとつに『どれだけ装置を小さくするか』があります」
先のように石橋氏はMR-X1のINS、CPU、画像システムを開発している。INSに話を絞ると、MR-X1のINSはうらしまのものより精度は落ちるが、それは「小さく軽く」することに主眼を置いたからだ。国産の宇宙ロケットにも採用されている、超小型のリングレーザージャイロが組み込まれている。
 
リングレーザージャイロはジャイロスコープの一種であり、光学リング内でレーザー光を発光させたときに、回転による光路差によって起こるレーザー光の干渉具合を検出することで、その回転の速度を算出する。つまり、光学リングが大きいほど正確な値が出せるのだが、探査機の宿命である「小さく」とはトレードオフの関係だ。
「サイズが小さくなれば精度が落ちますから、ハードウェアで極力それを防ぎ、ソフトウェアで精度の落ちた分を補います。結果としてMR-X1のINSは国内最小(従来品の2分1以下)、最軽量、高性能となりました。ただ小さいINSはほかにもあります。最後の『高性能』が肝心で、『この性能でこのサイズはないだろ』という意味なのです」
次年度に完成予定の後継機では、国内でなく「世界最小、最軽量、高性能」を目指しているという。

市場拡大の火種になり、「できていないこと」を実現したい

海中で3次元計測をするステレオ視カメラ

海中で3次元計測をするステレオ視カメラ

MR-X1

MR-X1

MR-X1に組み入れるような最新技術は実用化することが目的だが、その開発過程で得られた知見を民間に渡していくことも重要な役目だと、石橋氏は考えている。ハードウェアを共同開発するメーカーやコーディングを依頼するソフトハウス、そしてその先に市場の創出までを見据える。なぜなら、日本の技術の在り方に強い危機感があるからだ。

日本の探査機の技術はアジアでトップ、世界の中でもハイレベルにあるという。ただ、中国や韓国が猛追しており、さらにその部品のほとんどが海外製品であると石橋氏は語る。日本の技術は優秀でも、海中探査機を含めた海中機器の市場は小さいため、価格競争力が弱いのだ。仮にこうした海外メーカーが部品の供給を止めたら、探査機の開発は難しくなってしまう。だからこその市場を拡大させてく必要がある。
「MR-X1の主となる機器はすべて日本製で、『オールジャパン』を目指して開発しています。われわれの研究開発の成果を展開していき、日本の民間企業にも知見を残したい。もっと言えば『火種』になって市場を起こしたい」
 
MR-X1の開発は今後も続く。ただ、今の「自律」とはテレビ番組の「はじめてのおつかい」に近いとのこと。幼稚園児に買う物や道順などすべてを教えて、その通りに買ってきてもらうという意味だ。いわば「過保護な自律」で、石橋氏はこれを小学校高学年くらいまでに高めたいという。
「お家(岸壁)から送り出して、自分で考えて探査や作業をして、それが終わったらちゃんとお家(岸壁)に帰ってくるのが理想です。私のもうひとつの専門である、ロボットアームも取り付けたいですね。とてもとても難しいことですが、だからこそ実現したい。ほかでやっていないこと、まだできていないこと、これが私のモチベーションですから」

世界8カ国で75台が稼働する「地雷除去機」/山梨日立建機

油圧ショベルカーを改良した「ロータリーカッター型」

雨宮 清氏

山梨日立建機株式会社
代表取締役
雨宮 清氏(63歳)

地雷除去機

ロータリーカッター型(右)と
プッシュ式フレールハンマー型

1994年、山梨日立建機株式会社の雨宮清社長はカンボジアを訪れた。海外に自社の販路を広げるためだ。建設機械の販売と修理を主業務とする同社は、「技術を伴う販売」で海外展開を進めていた。ただ売るだけでなく、技術供与やアフターサービスを徹底させるという戦略でトンガ、フィジー、ニュージーランド、東南アジアへとビジネスは広がっていた。

首都プノンペンで少女と老婆に出会った。老婆に片足はなかった。地雷で吹き飛ばされたからだ。雨宮氏に「日本人ですよね。この国を助けてください」と言ったという。内戦が終わったばかりのこの国にまだ「戦場」があることを知った雨宮氏は、対人地雷除去機の開発を決意する。
「ただ、参考になる資料は見つかりませんでした。アメリカやカナダなど海外のものも調べましたが、どうにも納得ができない。自分たちで知恵を絞るしかありませんでした。地雷とは何か、爆発とは何か、すべてが一からの勉強でした」
 
その中で思いついたのは自社で扱う建設機械を改造することだ。地雷除去機は地雷原を掘り起こし、地中の地雷を爆発させる。頑丈な建設機械はうってつけだが、爆発に耐えられえるほどの強度や耐久性はないし、ベストな形状というわけでもない。1995年に自社に6人のプロジェクトチームを発足させた雨宮氏は、検討を重ね、油圧ショベルカーを改良した地雷除去機の開発をスタートする。
ショベルカーは先端部分のアタッチメントを取り替えることで、さまざまな建設作業ができるようになっている。ここを対人地雷用に独自改良したのだ。複数のカッターを高速回転させて、地中の地雷を爆発させるという仕組みで、1998年に1号機である「ロータリーカッター型地雷除去機」が完成する。しかし、地雷の耐久性を試すなどの「テスト」は、簡単にできるものではない。

機械制御のカギはモーター、エンジン、ポンプのバランス

試験

アフガニスタンでの対爆、耐久性、安全性試験

試験

カンボジアでの対爆、耐久性、安全性試験

雨宮氏は、1999年に地雷除去機をカンボジアへ運んで耐爆実験を行う。また、経済産業省や防衛省の協力で、自衛隊の演習場などで同様の試験を重ね、その後は再びカンボジアやアフガニスタンで耐爆性や安全性の実験を繰り返した。5年間はテストの繰り返しだったという。

ここで大きな問題となったひとつは、爆発時の大きな衝撃と1000度にもなる爆風で、カッターの刃が折れてしまうことだった。
「刃が折れたり取れたり、刃を回転させるドラムが引っ込んだり、モーターやポンプが壊れたりと、失敗の連続でした。ですが、問題を一つひとつ潰しながら、爆発に耐えうる金属配合とカッターの形状を完成させました」
 
もうひとつの問題は機械制御だった。先端部のカッターの回転を早くし過ぎると地雷が爆発しなくなり、逆に回転が遅くなるとカッターが土にめり込んでしまった。
「これは後に開発する地雷除去機でも同じなのですが、地雷に当てる部分の制御はそれを動かすモーター、エンジン、エンジンの後部にあるポンプの、回転やトルクのバランスで決まります。これがとても微妙なのです。私たちは目視をしながら現場で実験を繰り返しました。適正なバランスをつかみ取るのに5〜6年掛かったと思います」
ロータリーカッター型が最終的な完成をみたのは2003年。雨宮氏が望む国際貢献が始まったのは、2004〜2005年くらいからだという。

2007年から実用化された「プッシュ式フレールハンマー型」

地雷除去機

プッシュ式フレールハンマー型

地雷除去機

チェーンとハンマーの部分

その後、カッターの代わりに多くのチェーンとその先端にハンマー(分銅)をつけた「フレールハンマー型」を開発。チェーンを回転させるドラムの中心軸を細くしたので、ドラムと地雷との間に距離ができ、大型地雷にも対応できるようになったという。
 その後も開発は続き、現在ではサイズを含めて8機種が揃っている。ただ、そのまま輸出するわけではなく、国や地域、用途などに合わせて細かくカスタマイズしている。このため、地雷除去機は山梨日立建機の「手作り」で、機種にもよるが完成までおよそ半年が掛かるという。
 
「地雷が埋まっている場所は砂漠、灌木地帯、山岳地帯などさまざまです。また地雷も、指向性地雷や跳躍地雷など対人地雷のほか、対戦車地雷や不発弾などもあり、爆発力やタイプが異なります。それぞれに合わせていくのです」
最新型が「プッシュ式フレールハンマー型FV30」である。開発期間は2001〜2007年で、2007年2月から実用化された。ショベルカー型とは異なり、地雷除去機の前方にフレールハンマーを装着。複数のハンマーを回転させ、地雷を爆発させながら進む構造だ。
 
従来機より泥濘地での走行力とハンマーの耐久性を向上させているほか、フレールハンマー装置の両側には、ソリのような形の「レベルプレート」を装着した。これは地盤の凸凹に応じて処理の深さを一定にする自動制御装置であり、運転台には処理深さの監視灯もつけた。農地復興のために、後方にはリッパー(鋤)を装着した。
「地雷の除去も大切ですが、その後のインフラ整備も必要です。リッパーも私の発想ですが、後部にいくつもの大きな鋤をつけることで、地雷除去と同時に畑が耕せるようにしました。私は農家の出身で、子供のころに牛に鋤をつけて田を耕した経験が原点です」
 雨宮氏は毎朝3時か4時に起きる。そして、その時間に「知恵がぱっと浮かぶ」という。そのアイディアを新聞や広告紙の裏などに書き、会社で担当者と一緒に図面に仕上げるのだ。
「機械制御もリッパーも、多くのアイディアがこうして生まれました」

受け継いできた「日本の技術」が地雷除去機を開発

鋤

後部に取りつけられたリッパー(鋤)

農地

カンボジアでの地雷除去および農地復興

山梨県に生まれた雨宮氏は15歳で上京、建設機械の整備会社で技術者として働いた後、山梨に戻って23歳で起業した。技術は「手で覚えた」と語る雨宮氏は、独学で勉強し、相当数の技術資格を取得している。

「まともに本もありませんでしたから、先輩から教えられて、それと知恵で技術を学びました。ですから、地雷除去機が開発したのは雨宮の技術でも山梨日立建機の技術でもなく、先輩方から受け継いできた知恵とノウハウの塊、いわば日本の技術だと思っています」
同社の地雷除去機は現在、カンボジア、アフガニスタン、ニカラグア、アンゴラ、コロンビアなど世界8カ国で、75台が稼働している。また、すべての納入国では現地のオペレーターを含む関係者を国内に招き、操作などのトレーニングを実施している。納入時にも、同社の指導員なしで確実に使用できるように、徹底した教育を行っているという。
 
地雷は世界120カ国に1億個以上があり、手作業では除去するには1000年が掛かると想定されている。しかも、残念なことだが、時代が新しくなれば地雷も進化する。雨宮氏によれば、レバノンなどで埋められている地雷、例えばクラスター爆弾などは、小さな破片が1km四方に拡散する強力なものだそうだ。
「私の夢は世界中から地雷をなくすこと。こうした地雷への対策も考えていますし、試行錯誤はこれからも続くと思います。ただ、私は地雷除去機を買ってくださいと言ったことは一度もありません。技術力を認めてもらえるから、購入していただけるのです。今後はこうした『日本の技術』を、若い人に伝えていきたいと思っています」

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