自律型掘削装置
【課題】従来の掘削装置の問題点を解決した新たな自律型掘削装置を提供する。
【解決手段】自律型掘削装置の本体下部１０１は、円柱と下端部の円錐とを組み合わせた形状であり、その外周には螺旋状のブレード１０２が右ねじ形状に設けられている。本体下部１０１の内部にはホイール１０３が設けられており、その軸１０４はベアリング１０５、１０６によって回転自在に支持されている。ホイール１０３の上部には、モータ１０８が本体下部１０１に固定して設けられ、その出力軸は軸１０４と同軸に接続されている。したがって、モータ１０８は、ホイール１０３を本体下部１０１に対して回転させることができる。
【解決手段】自律型掘削装置の本体下部１０１は、円柱と下端部の円錐とを組み合わせた形状であり、その外周には螺旋状のブレード１０２が右ねじ形状に設けられている。本体下部１０１の内部にはホイール１０３が設けられており、その軸１０４はベアリング１０５、１０６によって回転自在に支持されている。ホイール１０３の上部には、モータ１０８が本体下部１０１に固定して設けられ、その出力軸は軸１０４と同軸に接続されている。したがって、モータ１０８は、ホイール１０３を本体下部１０１に対して回転させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地面や他の天体の表面を自律的に掘削する自律型掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の無人月面探査ミッションにおいて、月面に月震計（月における地震計）などの測定装置を設置することが必要となるが、月には大気がなく寒暖の差が激しいため、測定装置にとっては厳しい環境である。一方、月の砂（「レゴリス」と呼ばれる）には断熱作用があり、１ｍほど掘削した位置に測定装置を埋設すれば温度変化が少なくなるため、環境の厳しさが緩和される。そこで、測定装置等を人間の手を介さずに自律的にレゴリスの中に埋設する技術が望まれている。
【０００３】
東北大学の水野らは、モータで本体に設けられたブレードを回転させて本体下方のレゴリスをかき出し、本体内にレゴリスを取り込んで、バケットエレベータでブレードを回転させながら本体の外にレゴリスを排出する掘削装置を提案している（非特許文献１）。それによると、試作された装置によって、１２０分で１２６ｍｍ沈降したとの報告がなされている。
【０００４】
図１２は、この水野らの掘削装置を示しており、上が横から見た状態、下が上から見た状態を示している。横断面が長円形の本体１００１の下方の両側にブレード１００２ａ、１００２ｂが設けられており、これらはモータ１００３ａ、１００３ｂによりそれぞれ駆動される。モータ１００３ａ、１００３ｂの回転は、ブレード１００２ａ、１００２ｂがぶつかり合わないように同期されている。この二つのモータのトルクが相殺し合うため、本体は回転しない。ブレード１００２ａ、１００２ｂが回転すると、レゴリスはレゴリス取り込み穴１００５から本体内に取り込まれる。そしてバケットエレベータ１００４により、上方に運ばれて、本体の外に排出される。
【０００５】
【非特許文献１】「月・惑星掘削探査ロボットのプロトタイプ開発」計測自動計測学会東北支部第１９９回研究集会（２００１年１２月１５日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の掘削装置には、以下のような課題が考えられる。
（１）レゴリスをバケットエレベータで本体外部に排出する構造のため、本体の高さよりも深くまで掘削することができない。
（２）本体に対してブレードが相対運動するため、本体とブレードとの間のクリアランスにレゴリスが挟まって動作しなくなるおそれがある。
（３）本体内部を貫通するレゴリス排出用の空間を設ける必要があり、ペイロード用のスペースが狭くなる。
（４）ブレードの回転とレゴリスの排出という二つの機構が必要となる。
（５）回転トルクを相殺するために二つのブレードを逆回転させる必要があるため、機構が複雑になりコストと重量が増加する。
（６）レゴリス中で後退することができないため、一度掘削を開始すると、掘削のやり直しができない。
（７）穴が屈曲していれば太陽光が差し込むのを防いで温度環境をよりよくすることができるが、前述の掘削装置では、垂直方向での掘削しかできない。
【０００７】
そこで、本発明は、上で述べたような課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明に係る自律型掘削装置は、全体として軸対称形状とされ、進行方向先端部が先細形状とされた本体と、前記本体の外側に螺旋状に設けられたブレードと、前記本体内部に設けられ、回転自在に支持されたホイールと、前記本体内部に固定して設けられ、前記ホイールを回転駆動するモータと、前記モータを駆動して前記ホイールを回転させるときの回転速度を変化させ、このとき本体に働くトルクに基づいて前記本体を回転させることで前記ブレードが地面を掘削して本体が地中に進行するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
前記自律型掘削装置において、さらに、前記ホイールの回転軸を揺動する揺動手段を少なくとも一つ備え、前記揺動手段により前記ホイールの回転軸を本体の中心軸に対して傾けることにより、進行方向を可変とすることができる。
【００１０】
本発明に係る自律型掘削装置の制御方法は、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行って、間欠的に掘削動作を行うようにすることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る別の自律型掘削装置の制御方法は、前記揺動手段によって、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第１工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第２工程と、本体の方向転換が済むまで前記第１工程及び第２工程を繰り返す第３工程とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る更に別の自律型掘削装置の制御方法は、前記モータを停止させる第１工程と、前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第２工程と、前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第３工程と、前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第５工程と、本体の方向転換が済むまで前記第４及び第５工程を繰り返す第６工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る更に別の自律型掘削装置の制御方法は、前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１の工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、前記揺動手段によって、揺動の軸回りに前記モータの回転軸を傾ける第３工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第４工程と、本体の方向転換が済むまで前記第１工程から第４工程を繰り返す第５工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る更に別の自律型掘削装置の制御方法は、前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、前記モータを停止させる第３工程と、前記揺動手段により、揺動の軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第５工程と、前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第６工程と、前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第７工程と、本体の方向転換が済むまで前記第６及び第７工程を繰り返す第８工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る自律型探査システムは、前記請求項１又は２に記載の自律型掘削装置と、該自律型掘削装置を搬送するローバーとを含み、遠隔地からの制御に基づいて地表面を移動して掘削位置を見出し、掘削を開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の自律型掘削装置は、上記のように構成したことにより、前述の「発明が解決しようとする課題」の項において述べた課題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について説明する。
［実施形態１］
まず、図１は、本発明の実施形態１に係る自律型掘削装置の斜視図であり、図２は、その内部の構造が分かるように示した断面図である。
【００１８】
本実施形態の自律型掘削装置の本体下部１０１は、円柱と下端部の円錐とを組み合わせた形状であり、その外周には螺旋状のブレード１０２が右ねじ形状に設けられている。本体上部１２２は、本体下部１０１よりも直径の小さい円柱からなり、本体下部１０１と完全に結合している。本体上部１２２の後部には、外部から装置本体につながる電源通信ケーブル１１１がねじれるのを防止するためのスリップリング１１０が取り付けられている。
【００１９】
図２に示すように、本体下部１０１の内部にはホイール１０３が設けられており、その軸１０４はベアリング１０５、１０６によって回転自在に支持されている。ホイール１０３の上部には、モータ１０８が本体下部１０１に固定して設けられ、その出力軸は軸１０４と同軸に接続されている。したがって、モータ１０８は、ホイール１０３を本体下部１０１に対して回転させることができる。
【００２０】
モータ１０８は、制御装置１０９から供給される信号によって駆動されて、両方向に回転（正転及び反転）することができる。モータ１０８としては、ＤＣモータ等が使用可能であり、ギヤやハーモニックドライブ等によって減速させる構成としてもよい。前述のように、ブレード１０２は右ねじ状になっているので、本体が上から見て右方向に回転するときに、図中下方向に向かって掘削を行う。
【００２１】
本体上部１２２に設けられた観測センサ１２０は、レゴリス中で観測を行うための観測センサであり、たとえば振動センサや、温度センサ等を含めることができる。モータ１０８及び観測センサ１２０のための電力は、外部から電源通信ケーブル１１１を通して供給する。また、電源通信ケーブル１１１を通して制御信号の授受や情報の取得も行うことができる。
【００２２】
続いて、図３のモデル図を参照しながら、本実施形態の掘削の原理を説明する。図３は、本体下部を横に切った断面をモデル化したものである。図３に示すように、ホイール１０３及びこれと共に回転する部分の軸の回り慣性モーメントをＩ1、本体下部１０１及びこれと共に回転する部分の軸の回りの慣性モーメントをＩ2とする。そして、Ｉ1、Ｉ2の角速度をそれぞれω1、ω2とする。さらに、モータ１０８のトルクをＴm、本体に作用する掘削トルクをＴdとする。このとき、Ｔmは、Ｉ1、Ｉ2に互いに逆向きに作用することから、運動方程式は以下のようになる。
【数１】
【００２３】
掘削に必要な最小のトルクをＴdminとすると、Ｔd≦Ｔdminのときには、
【数２】
となり、Ｔd＞Ｔdminのときには、
【数３】
となる。つまり、Ｔd≦Ｔdminのときには本体は回転せず、Ｔd＞Ｔdminのときには本体の角速度に変化が生じる。一般に、モータの回転数には上限が存在するので、これをωmaxとすると、以下の式で表される。
【数４】
【００２４】
続いて、本実施形態の自律型掘削装置に掘削動作を行わせる方法の一例を、図４のタイミングチャートを参照しながら説明する。図４中、（ａ）は、モータ１０８に供給する制御信号を、（ｂ）はω1を、（ｃ）はω2をそれぞれ示している。
【００２５】
ｔ＝ｔ0では、ω1、ω2は共にゼロ、すなわちモータも本体も共に停止した状態である。ｔ＝ｔ0になった時点において、電流制御信号ｉ1が入力されたとする。このときのモータのトルクは、｜Ｔm｜＜｜Ｔdmin｜となるように設定してある。それゆえ、この間、ω2はゼロのままで、ω1のみが変化する。
【００２６】
ｔ＝ｔ1において、モータの回転数が下限−ωmax（反転方向の最大回転数）になると、ω1＝−ωmaxで一定となる。その後、ｔ＝ｔ2において、電流制御信号をｉ1からｉ2に変化させる。これにより、モータは急速に減速を開始し、回転が一時的にゼロになったあと正転を開始してωmaxまで加速する。このときのモータのトルクは、｜Ｔm｜＞｜Ｔmin｜となるように設定してある。それゆえ、ω1とω2は、逆向きに変化する。このとき本体は、図４（ｃ）に示すようにモータとは逆向きに回転する。
【００２７】
ｔ＝ｔ3において、ω1−ω2＝ωmaxとなると、それ以降、モータのトルクは発生しない。ω2は掘削トルクで減速され、ω1はω2が減速した分、増速する。ｔ＝ｔ4において、ω1＝ωmax、ω2＝０となり、一定となる。
【００２８】
ｔ＝ｔ5において、電流制御信号を再びｉ1にする。このときのモータのトルクは、｜Ｔm｜＜｜Ｔdmin｜となるように設定してある。それゆえ、モータは正転回転は徐々に減速し、一時的にゼロになったあとで逆転に移行し、ω1＝−ωmaxとなるｔ6まで逆方向に加速する。この間、ω2は０のまま、ω1のみが変化する。ｔ＝ｔ6において、モータの回転数が下限−ωmaxになると、ω1＝−ωmaxで一定となる。
【００２９】
これ以降、同様のシーケンスを繰り返すことで、本体は間欠的に一方向に回転を続ける。本体が右回転すれば、ブレード１０２の作用で、本体は下向きに掘削を行い、本体が左回転すれば、本体は逆向きに、すなわち上方に進もうとする。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態においては、本体内部のホイールを手順に従って駆動することによって掘削を行うことができる。以上の説明から理解されるように、本実施形態によれば、
（１）掘削したレゴリスをコンベアで排出する必要がないため、体より深い位置まで掘削して潜ることが可能である
（２）本体外部で相対運動する部位が一切存在しないため、クリアランスにレゴリスが挟まって動かなくなるおそれがない
（３）掘削したレゴリスが、本体外側を通って後部側に排出されるため、本体内部を貫通するレゴリス排出用の空間を必要としない
（４）必要とするモータが一つだけであり、構造がシンプルである
（５）二つの回転機構で回転トルクを相殺する必要がない
（６）逆方向に駆動することで、掘削方向に進行するだけでなく、後退することも可能である
といった特徴がある。
【００３１】
［実施形態２］
図５は、本発明の実施形態２に係る自律型掘削装置の断面図である。本実施形態に係る自律型掘削装置は、レゴリス中で進行方向を変えることができるようにしたものである。
【００３２】
図５に示すように、本体下部２０１は、円柱の下端部に円錐を組み合わせた形状とされており、本体下部２０１の外周には螺旋状のブレード２０２が右ねじ形状に設けられている。本体下部２０１の図中上方には、制御装置２０９が設置されている。電源通信ケーブル２１１を通して、外部から電力を供給し、また制御や情報の取得を行う。本体上部２２２の上端にはスリップリング２１０が取り付けられており、電源通信ケーブル２１１がねじれるのを防止している。
【００３３】
本体下部２０１の上には、円筒形状の本体上部２２２が蛇腹機構２２１を介して弾性的に連結されている。蛇腹機構２２１によって、本体上部２２２は本体下部２０１に対して屈曲することができるようになっている。
【００３４】
本体下部２０１の内部には、モータ２０８が２軸ジンバル機構（揺動手段）２３０によって支持されている。モータ２０８は、図中上下両方に軸が出ており、それぞれにホイール２０３ａ、２０３ｂが取り付けられている。すなわち、ホイール２０３ａ、２０３ｂは、同一の軸に取り付けられている。２軸ジンバル機構２３０は、二つのアクチュエータ２３１及び２３２によって、図中のｘ軸回り、ｙ軸回りに駆動される。
【００３５】
図６は、前述の２軸ジンバル機構２３０の構造及び動作を分かり易く示した斜視図である。同図に示すように、モータ２０８の周囲には、リング２４０が設けられ、これはｙ軸と平行な軸２４１ａ、２４１ｂの周囲に回転自在に取り付けられている（２４１ｂ側の軸受は図示を省略している）。この回転は、ロッド２４２を介してアクチュエータ２３１によって駆動される。モータ２０８はまた、ｘ軸と平行な軸２４３ａ、２４３ｂの周囲に回転自在に取り付けられている（２４３ｂは図では見えない）。この回転は、ロッド２４４を介してアクチュエータ２３２によって駆動される。したがって、アクチュエータ２３１、２３２を所定量だけ回転駆動することによって、本体下部２０１の中心軸に対するモータ２０８の傾きを、連続的に変えることができる。
【００３６】
本実施形態の自律型掘削機構においては、２軸ジンバル機構２３０を傾けない状態で使用すると、実施形態１と同様に図中下方向への掘削及び上方向への後退の各動作を行うことができる。
【００３７】
次に、本実施形態において、レゴリス中で方向転換を行う方法について説明する。本実施形態では、以下に示す２種類の方法で方向転換を行うことができる。図７は、このうちの第１の方法を説明するための図である。
【００３８】
図７では、簡単のために本体下部２０１とホイール２０３ａ、２０３ｂのみを示している。ここでは、ｚ軸を本体の軸、ｘ軸を方向転換の軸とする。２軸ジンバル機構２３０によって、ホイール２０３ａ、２０３ｂは、本体の中心軸に対してｙ軸（方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸）回りに傾いている。この状態で、モータ２０８がトルクＴを発生すると、ホイール２０３ａ、２０３ｂは、加速もしくは減速を行う。このとき、本体下部２０１には２軸ジンバル機構２３０を通してトルクＴと大きさが等しく向きが逆の反力トルクＴ’が作用する。反力トルクＴ’は、ｚ軸回りトルクＴz’とｘ軸回りトルクＴx’に分解することができる。つまり、本体下部２０１の内部でホイール２０３ａ、２９３ｂを、中心軸に対して傾けた状態で加速することによって、本体下部２０１には、中心軸回りに回転するトルクＴz’と、傾けようとするトルクＴx’が作用することになる。
【００３９】
この第１の方法を用いて方向転換を行う際には、本体下部２０１に作用するトルクＴx’が傾けたい方向となるように２軸ジンバル機構２３０を傾けて、モータ２０８を駆動すればよい。この方法で方向転換を行う際には、本体下部２０１が中心軸回りに大きく回転してしまうと、方向転換トルクの方向も向きが大きく変わってしまうため、１サイクルあたりの中心軸回りの回転は、数度〜１０度程度に抑えるのが望ましい。また、本実施形態においては、本体下部２０１後方に本体上部２２２が弾性的に連結されているので、本体下部２０１がスムーズに向きを変えることができる。
【００４０】
次に、図８を参照して、第２の方法について説明する。図８では、簡単のために、本体下部２０１とホイール２０３ａ、２０３ｂのみを示している。ここでも、ｚ軸を本体の軸、ｘ軸を方向転換の軸とする。ホイール２０３ａ、２０３ｂは、角速度ω1で回転しており、Ｉ1・ω1の角運動量を有している。この状態で、２軸ジンバル機構２３０を角速度Ωでｙ軸の回りに傾けると、本体下部２０１にはジャイロモーメントＴG（＝Ｉ1・ω1・Ω）がｘ軸回りに作用する（図７（ａ）参照）。このジャイロモーメントＴGを利用して方向転換することができる。
【００４１】
２軸ジンバル機構２３０を一方向に傾けると、いずれ傾きは最大になる（図７（ｂ）参照）。次に、反力で本体が動かないように、ホイール２０３ａ、２０３ｂをゆっくりと逆向きに回転させる（図７（ｃ）参照）。その後にジンバルを角速度Ωで逆向きに傾ける（図７（ｄ）参照）。すると、ホイール２０３ａ、２０３ｂが逆回転しているのでジャイロモーメントＴGは、前回と同じ向きに動く。それゆえ、同じ方向に方向転換することができる。この手順を繰り返すことによって、同じ向きのトルクを間欠的に与えることができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態においては、実施形態１で説明したのと同様の効果の他に、地中での方向転換を行うことができるという効果を奏することができる。なお、本実施形態の自律型掘削装置において、不測の事態によってアクチュエータ２３１又は２３２のいずれかが動作不能になった場合においても、後述の実施形態３と同様のシーケンスで方向転換を行うことが可能である。
【００４３】
［実施形態３］
図９は、実施形態３に係る自律型掘削装置の斜視図、図１０は、同縦断面図である。本体３０１は、円柱に尖端円錐が組み合わされた形状をしている。本体３０１の外周には、４枚の螺旋状のブレード３０２が右ねじ形状に設けられている。本体３０１の上端には、スリップリング３１０が取り付けられており、電源通信ケーブル３１１がねじれるのを防止している。
【００４４】
図１０に示すように、本体３０１の内部には、モータ３０８が、アクチュエータ３１１と軸受３３２によって支持されている（揺動手段）。モータ３０８の出力軸にはホイール３０３が取り付けられている。モータ３０８は、アクチュエータ３３１によって、図中のｘ軸回りに揺動される。本体３０１の図中上方には、制御装置３０９及び観測センサ３２０（振動センサ、温度センサ等が含まれる）が設置されている。制御装置３０９には、モータ駆動用のアンプ及び姿勢検知用の加速度センサ、角速度検出用のジャイロが組み込まれている。電力は、電源通信ケーブル３１１を通して外部から供給され、またこの電源通信ケーブル３１１を通して制御や情報の取得も行われる。
【００４５】
本実施形態の自律型掘削装置が実施形態２のそれと異なる点は、アクチュエータ３３１が一つだけ設けられている点と、ホイールの向きを１軸でのみ変えられるようにした点である。また、本体の径と高さがほぼ同程度であるため、実施形態１や実施形態２の装置に比べて転倒しにくいという利点がある。
【００４６】
前述の実施形態２では、方向転換トルクを発生させる際に、第１の方法、第２の方法とともに、発生させたい方向転換トルクと直交する軸回りに２軸ジンバル機構を傾けることを説明した。これに対し、本実施形態では、揺動手段の自由度が少ないため任意の方向に傾けることができない。そこで、まず、本体を実施形態１と同様の方法で、モータ３０８を傾けるための軸が方向転換トルクと直交する向きになるまで回転させる。この際の回転方向は、掘削が進む方向でもよいし、逆方向でもよい。いずれの向きであっても、制御装置３０９に組み込まれたジャイロ等の角度検出センサで本体の回転角を検出し、回転角と直交したあとには、実施形態２と同様に、方向転換を行うことができる。
【００４７】
本実施形態の自律型掘削装置は、実施形態２のそれと比較して、制御シーケンスは複雑になるものの、機械的な構成をシンプルにできるという利点がある。
【００４８】
［実施形態４］
図１１は、上記各実施形態に係る自律型掘削装置を含んだ自律型探査システムを、実施形態４として示した図である。本実施形態に係る自律型掘削装置４０１（実施形態１乃至２の自律型掘削装置とすることができる）は、例えば月面４１０の中に掘削して潜っている。自律型ローバー４０３は、車輪４０４によって月面上を移動できるようになっている。ケーブル繰り出し機構４０６は、電力通信ケーブル４０８が適当な長さとなるよう維持している。また、太陽電池パネル４０７によって必要な電力を生成するとともに、アンテナ４０５によって外部との通信を行う。
【００４９】
本実施形態によれば、自律型ローバー４０３によってシステム全体を掘削に適した場所まで移動させ、そこで自律型掘削装置４０１をレゴリス中に沈降させることができるので、自律型掘削装置４０１に搭載された各種センサ類を容易に最適な場所で地中に埋設することが可能となる。
【００５０】
なお、上記各実施形態では、装置本体の形状が円柱と円錐とを組み合わせた形状のものとして説明したが、これ以外にも例えば、全体が円錐形状のも、あるいはいわゆるビアダル形状のものなども、全体として軸対称形状で進行方向先端部が先細状であれば、本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の自律型掘削装置及び自律型掘削システムは、月面等の地球外天体の探査や各種測定機器の設置のための手段として好適に利用することができる。また、地球上においても、特に砂漠や海底などのように人間が作業することが困難な環境において、必要な物資を地中や海底の内部に搬送・設置する場合に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態１に係る自律型掘削装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る自律型掘削装置の内部の構造が分かるように示した断面図である。
【図３】本発明の掘削の原理を説明するためのモデル図である。
【図４】本発明の自律型掘削を行わせる方法の一例を示したタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施形態２に係る自律型掘削装置の断面図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る２軸ジンバル機構の構造及び動作を分かり易く示した斜視図である。
【図７】本発明の実施形態２に関連して、レゴリス中で方向転換を行う方法について説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態２に関連して、レゴリス中で方向転換を行う方法について説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態３に係る自律型掘削装置の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る自律型掘削装置の縦断面図である。
【図１１】本発明の実施形態４に係る自律型探査システムを示した図である。
【図１２】従来の掘削装置を示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０１、２０１、３０１ 本体下部
１２２、２２２ 本体上部
１０２、２０２、３０２ ブレード
１０３、２０３ａ、２０３ｂ、３０３ ホイール
１０８、２０８、３０８ モータ
１０９、２０９、３０９ 制御装置
１１０、２１０、３１０ スリップリング
１１１、２１１、３１１ 電源通信ケーブル
２３０ ２軸ジンバル機構
２３１、２３２ アクチュエータ
４０１ 自律型掘削装置
４０３ 自律型ローバー
４０６ ケーブル繰り出し機構
４０７ 太陽電池パネル
４０８ 電力通信ケーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地面や他の天体の表面を自律的に掘削する自律型掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の無人月面探査ミッションにおいて、月面に月震計（月における地震計）などの測定装置を設置することが必要となるが、月には大気がなく寒暖の差が激しいため、測定装置にとっては厳しい環境である。一方、月の砂（「レゴリス」と呼ばれる）には断熱作用があり、１ｍほど掘削した位置に測定装置を埋設すれば温度変化が少なくなるため、環境の厳しさが緩和される。そこで、測定装置等を人間の手を介さずに自律的にレゴリスの中に埋設する技術が望まれている。
【０００３】
東北大学の水野らは、モータで本体に設けられたブレードを回転させて本体下方のレゴリスをかき出し、本体内にレゴリスを取り込んで、バケットエレベータでブレードを回転させながら本体の外にレゴリスを排出する掘削装置を提案している（非特許文献１）。それによると、試作された装置によって、１２０分で１２６ｍｍ沈降したとの報告がなされている。
【０００４】
図１２は、この水野らの掘削装置を示しており、上が横から見た状態、下が上から見た状態を示している。横断面が長円形の本体１００１の下方の両側にブレード１００２ａ、１００２ｂが設けられており、これらはモータ１００３ａ、１００３ｂによりそれぞれ駆動される。モータ１００３ａ、１００３ｂの回転は、ブレード１００２ａ、１００２ｂがぶつかり合わないように同期されている。この二つのモータのトルクが相殺し合うため、本体は回転しない。ブレード１００２ａ、１００２ｂが回転すると、レゴリスはレゴリス取り込み穴１００５から本体内に取り込まれる。そしてバケットエレベータ１００４により、上方に運ばれて、本体の外に排出される。
【０００５】
【非特許文献１】「月・惑星掘削探査ロボットのプロトタイプ開発」計測自動計測学会東北支部第１９９回研究集会（２００１年１２月１５日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の掘削装置には、以下のような課題が考えられる。
（１）レゴリスをバケットエレベータで本体外部に排出する構造のため、本体の高さよりも深くまで掘削することができない。
（２）本体に対してブレードが相対運動するため、本体とブレードとの間のクリアランスにレゴリスが挟まって動作しなくなるおそれがある。
（３）本体内部を貫通するレゴリス排出用の空間を設ける必要があり、ペイロード用のスペースが狭くなる。
（４）ブレードの回転とレゴリスの排出という二つの機構が必要となる。
（５）回転トルクを相殺するために二つのブレードを逆回転させる必要があるため、機構が複雑になりコストと重量が増加する。
（６）レゴリス中で後退することができないため、一度掘削を開始すると、掘削のやり直しができない。
（７）穴が屈曲していれば太陽光が差し込むのを防いで温度環境をよりよくすることができるが、前述の掘削装置では、垂直方向での掘削しかできない。
【０００７】
そこで、本発明は、上で述べたような課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明に係る自律型掘削装置は、全体として軸対称形状とされ、進行方向先端部が先細形状とされた本体と、前記本体の外側に螺旋状に設けられたブレードと、前記本体内部に設けられ、回転自在に支持されたホイールと、前記本体内部に固定して設けられ、前記ホイールを回転駆動するモータと、前記モータを駆動して前記ホイールを回転させるときの回転速度を変化させ、このとき本体に働くトルクに基づいて前記本体を回転させることで前記ブレードが地面を掘削して本体が地中に進行するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
前記自律型掘削装置において、さらに、前記ホイールの回転軸を揺動する揺動手段を少なくとも一つ備え、前記揺動手段により前記ホイールの回転軸を本体の中心軸に対して傾けることにより、進行方向を可変とすることができる。
【００１０】
本発明に係る自律型掘削装置の制御方法は、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行って、間欠的に掘削動作を行うようにすることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る別の自律型掘削装置の制御方法は、前記揺動手段によって、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第１工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第２工程と、本体の方向転換が済むまで前記第１工程及び第２工程を繰り返す第３工程とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る更に別の自律型掘削装置の制御方法は、前記モータを停止させる第１工程と、前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第２工程と、前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第３工程と、前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第５工程と、本体の方向転換が済むまで前記第４及び第５工程を繰り返す第６工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る更に別の自律型掘削装置の制御方法は、前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１の工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、前記揺動手段によって、揺動の軸回りに前記モータの回転軸を傾ける第３工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第４工程と、本体の方向転換が済むまで前記第１工程から第４工程を繰り返す第５工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る更に別の自律型掘削装置の制御方法は、前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１工程と、前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、前記モータを停止させる第３工程と、前記揺動手段により、揺動の軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第５工程と、前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第６工程と、前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第７工程と、本体の方向転換が済むまで前記第６及び第７工程を繰り返す第８工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る自律型探査システムは、前記請求項１又は２に記載の自律型掘削装置と、該自律型掘削装置を搬送するローバーとを含み、遠隔地からの制御に基づいて地表面を移動して掘削位置を見出し、掘削を開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の自律型掘削装置は、上記のように構成したことにより、前述の「発明が解決しようとする課題」の項において述べた課題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について説明する。
［実施形態１］
まず、図１は、本発明の実施形態１に係る自律型掘削装置の斜視図であり、図２は、その内部の構造が分かるように示した断面図である。
【００１８】
本実施形態の自律型掘削装置の本体下部１０１は、円柱と下端部の円錐とを組み合わせた形状であり、その外周には螺旋状のブレード１０２が右ねじ形状に設けられている。本体上部１２２は、本体下部１０１よりも直径の小さい円柱からなり、本体下部１０１と完全に結合している。本体上部１２２の後部には、外部から装置本体につながる電源通信ケーブル１１１がねじれるのを防止するためのスリップリング１１０が取り付けられている。
【００１９】
図２に示すように、本体下部１０１の内部にはホイール１０３が設けられており、その軸１０４はベアリング１０５、１０６によって回転自在に支持されている。ホイール１０３の上部には、モータ１０８が本体下部１０１に固定して設けられ、その出力軸は軸１０４と同軸に接続されている。したがって、モータ１０８は、ホイール１０３を本体下部１０１に対して回転させることができる。
【００２０】
モータ１０８は、制御装置１０９から供給される信号によって駆動されて、両方向に回転（正転及び反転）することができる。モータ１０８としては、ＤＣモータ等が使用可能であり、ギヤやハーモニックドライブ等によって減速させる構成としてもよい。前述のように、ブレード１０２は右ねじ状になっているので、本体が上から見て右方向に回転するときに、図中下方向に向かって掘削を行う。
【００２１】
本体上部１２２に設けられた観測センサ１２０は、レゴリス中で観測を行うための観測センサであり、たとえば振動センサや、温度センサ等を含めることができる。モータ１０８及び観測センサ１２０のための電力は、外部から電源通信ケーブル１１１を通して供給する。また、電源通信ケーブル１１１を通して制御信号の授受や情報の取得も行うことができる。
【００２２】
続いて、図３のモデル図を参照しながら、本実施形態の掘削の原理を説明する。図３は、本体下部を横に切った断面をモデル化したものである。図３に示すように、ホイール１０３及びこれと共に回転する部分の軸の回り慣性モーメントをＩ1、本体下部１０１及びこれと共に回転する部分の軸の回りの慣性モーメントをＩ2とする。そして、Ｉ1、Ｉ2の角速度をそれぞれω1、ω2とする。さらに、モータ１０８のトルクをＴm、本体に作用する掘削トルクをＴdとする。このとき、Ｔmは、Ｉ1、Ｉ2に互いに逆向きに作用することから、運動方程式は以下のようになる。
【数１】
【００２３】
掘削に必要な最小のトルクをＴdminとすると、Ｔd≦Ｔdminのときには、
【数２】
となり、Ｔd＞Ｔdminのときには、
【数３】
となる。つまり、Ｔd≦Ｔdminのときには本体は回転せず、Ｔd＞Ｔdminのときには本体の角速度に変化が生じる。一般に、モータの回転数には上限が存在するので、これをωmaxとすると、以下の式で表される。
【数４】
【００２４】
続いて、本実施形態の自律型掘削装置に掘削動作を行わせる方法の一例を、図４のタイミングチャートを参照しながら説明する。図４中、（ａ）は、モータ１０８に供給する制御信号を、（ｂ）はω1を、（ｃ）はω2をそれぞれ示している。
【００２５】
ｔ＝ｔ0では、ω1、ω2は共にゼロ、すなわちモータも本体も共に停止した状態である。ｔ＝ｔ0になった時点において、電流制御信号ｉ1が入力されたとする。このときのモータのトルクは、｜Ｔm｜＜｜Ｔdmin｜となるように設定してある。それゆえ、この間、ω2はゼロのままで、ω1のみが変化する。
【００２６】
ｔ＝ｔ1において、モータの回転数が下限−ωmax（反転方向の最大回転数）になると、ω1＝−ωmaxで一定となる。その後、ｔ＝ｔ2において、電流制御信号をｉ1からｉ2に変化させる。これにより、モータは急速に減速を開始し、回転が一時的にゼロになったあと正転を開始してωmaxまで加速する。このときのモータのトルクは、｜Ｔm｜＞｜Ｔmin｜となるように設定してある。それゆえ、ω1とω2は、逆向きに変化する。このとき本体は、図４（ｃ）に示すようにモータとは逆向きに回転する。
【００２７】
ｔ＝ｔ3において、ω1−ω2＝ωmaxとなると、それ以降、モータのトルクは発生しない。ω2は掘削トルクで減速され、ω1はω2が減速した分、増速する。ｔ＝ｔ4において、ω1＝ωmax、ω2＝０となり、一定となる。
【００２８】
ｔ＝ｔ5において、電流制御信号を再びｉ1にする。このときのモータのトルクは、｜Ｔm｜＜｜Ｔdmin｜となるように設定してある。それゆえ、モータは正転回転は徐々に減速し、一時的にゼロになったあとで逆転に移行し、ω1＝−ωmaxとなるｔ6まで逆方向に加速する。この間、ω2は０のまま、ω1のみが変化する。ｔ＝ｔ6において、モータの回転数が下限−ωmaxになると、ω1＝−ωmaxで一定となる。
【００２９】
これ以降、同様のシーケンスを繰り返すことで、本体は間欠的に一方向に回転を続ける。本体が右回転すれば、ブレード１０２の作用で、本体は下向きに掘削を行い、本体が左回転すれば、本体は逆向きに、すなわち上方に進もうとする。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態においては、本体内部のホイールを手順に従って駆動することによって掘削を行うことができる。以上の説明から理解されるように、本実施形態によれば、
（１）掘削したレゴリスをコンベアで排出する必要がないため、体より深い位置まで掘削して潜ることが可能である
（２）本体外部で相対運動する部位が一切存在しないため、クリアランスにレゴリスが挟まって動かなくなるおそれがない
（３）掘削したレゴリスが、本体外側を通って後部側に排出されるため、本体内部を貫通するレゴリス排出用の空間を必要としない
（４）必要とするモータが一つだけであり、構造がシンプルである
（５）二つの回転機構で回転トルクを相殺する必要がない
（６）逆方向に駆動することで、掘削方向に進行するだけでなく、後退することも可能である
といった特徴がある。
【００３１】
［実施形態２］
図５は、本発明の実施形態２に係る自律型掘削装置の断面図である。本実施形態に係る自律型掘削装置は、レゴリス中で進行方向を変えることができるようにしたものである。
【００３２】
図５に示すように、本体下部２０１は、円柱の下端部に円錐を組み合わせた形状とされており、本体下部２０１の外周には螺旋状のブレード２０２が右ねじ形状に設けられている。本体下部２０１の図中上方には、制御装置２０９が設置されている。電源通信ケーブル２１１を通して、外部から電力を供給し、また制御や情報の取得を行う。本体上部２２２の上端にはスリップリング２１０が取り付けられており、電源通信ケーブル２１１がねじれるのを防止している。
【００３３】
本体下部２０１の上には、円筒形状の本体上部２２２が蛇腹機構２２１を介して弾性的に連結されている。蛇腹機構２２１によって、本体上部２２２は本体下部２０１に対して屈曲することができるようになっている。
【００３４】
本体下部２０１の内部には、モータ２０８が２軸ジンバル機構（揺動手段）２３０によって支持されている。モータ２０８は、図中上下両方に軸が出ており、それぞれにホイール２０３ａ、２０３ｂが取り付けられている。すなわち、ホイール２０３ａ、２０３ｂは、同一の軸に取り付けられている。２軸ジンバル機構２３０は、二つのアクチュエータ２３１及び２３２によって、図中のｘ軸回り、ｙ軸回りに駆動される。
【００３５】
図６は、前述の２軸ジンバル機構２３０の構造及び動作を分かり易く示した斜視図である。同図に示すように、モータ２０８の周囲には、リング２４０が設けられ、これはｙ軸と平行な軸２４１ａ、２４１ｂの周囲に回転自在に取り付けられている（２４１ｂ側の軸受は図示を省略している）。この回転は、ロッド２４２を介してアクチュエータ２３１によって駆動される。モータ２０８はまた、ｘ軸と平行な軸２４３ａ、２４３ｂの周囲に回転自在に取り付けられている（２４３ｂは図では見えない）。この回転は、ロッド２４４を介してアクチュエータ２３２によって駆動される。したがって、アクチュエータ２３１、２３２を所定量だけ回転駆動することによって、本体下部２０１の中心軸に対するモータ２０８の傾きを、連続的に変えることができる。
【００３６】
本実施形態の自律型掘削機構においては、２軸ジンバル機構２３０を傾けない状態で使用すると、実施形態１と同様に図中下方向への掘削及び上方向への後退の各動作を行うことができる。
【００３７】
次に、本実施形態において、レゴリス中で方向転換を行う方法について説明する。本実施形態では、以下に示す２種類の方法で方向転換を行うことができる。図７は、このうちの第１の方法を説明するための図である。
【００３８】
図７では、簡単のために本体下部２０１とホイール２０３ａ、２０３ｂのみを示している。ここでは、ｚ軸を本体の軸、ｘ軸を方向転換の軸とする。２軸ジンバル機構２３０によって、ホイール２０３ａ、２０３ｂは、本体の中心軸に対してｙ軸（方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸）回りに傾いている。この状態で、モータ２０８がトルクＴを発生すると、ホイール２０３ａ、２０３ｂは、加速もしくは減速を行う。このとき、本体下部２０１には２軸ジンバル機構２３０を通してトルクＴと大きさが等しく向きが逆の反力トルクＴ’が作用する。反力トルクＴ’は、ｚ軸回りトルクＴz’とｘ軸回りトルクＴx’に分解することができる。つまり、本体下部２０１の内部でホイール２０３ａ、２９３ｂを、中心軸に対して傾けた状態で加速することによって、本体下部２０１には、中心軸回りに回転するトルクＴz’と、傾けようとするトルクＴx’が作用することになる。
【００３９】
この第１の方法を用いて方向転換を行う際には、本体下部２０１に作用するトルクＴx’が傾けたい方向となるように２軸ジンバル機構２３０を傾けて、モータ２０８を駆動すればよい。この方法で方向転換を行う際には、本体下部２０１が中心軸回りに大きく回転してしまうと、方向転換トルクの方向も向きが大きく変わってしまうため、１サイクルあたりの中心軸回りの回転は、数度〜１０度程度に抑えるのが望ましい。また、本実施形態においては、本体下部２０１後方に本体上部２２２が弾性的に連結されているので、本体下部２０１がスムーズに向きを変えることができる。
【００４０】
次に、図８を参照して、第２の方法について説明する。図８では、簡単のために、本体下部２０１とホイール２０３ａ、２０３ｂのみを示している。ここでも、ｚ軸を本体の軸、ｘ軸を方向転換の軸とする。ホイール２０３ａ、２０３ｂは、角速度ω1で回転しており、Ｉ1・ω1の角運動量を有している。この状態で、２軸ジンバル機構２３０を角速度Ωでｙ軸の回りに傾けると、本体下部２０１にはジャイロモーメントＴG（＝Ｉ1・ω1・Ω）がｘ軸回りに作用する（図７（ａ）参照）。このジャイロモーメントＴGを利用して方向転換することができる。
【００４１】
２軸ジンバル機構２３０を一方向に傾けると、いずれ傾きは最大になる（図７（ｂ）参照）。次に、反力で本体が動かないように、ホイール２０３ａ、２０３ｂをゆっくりと逆向きに回転させる（図７（ｃ）参照）。その後にジンバルを角速度Ωで逆向きに傾ける（図７（ｄ）参照）。すると、ホイール２０３ａ、２０３ｂが逆回転しているのでジャイロモーメントＴGは、前回と同じ向きに動く。それゆえ、同じ方向に方向転換することができる。この手順を繰り返すことによって、同じ向きのトルクを間欠的に与えることができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態においては、実施形態１で説明したのと同様の効果の他に、地中での方向転換を行うことができるという効果を奏することができる。なお、本実施形態の自律型掘削装置において、不測の事態によってアクチュエータ２３１又は２３２のいずれかが動作不能になった場合においても、後述の実施形態３と同様のシーケンスで方向転換を行うことが可能である。
【００４３】
［実施形態３］
図９は、実施形態３に係る自律型掘削装置の斜視図、図１０は、同縦断面図である。本体３０１は、円柱に尖端円錐が組み合わされた形状をしている。本体３０１の外周には、４枚の螺旋状のブレード３０２が右ねじ形状に設けられている。本体３０１の上端には、スリップリング３１０が取り付けられており、電源通信ケーブル３１１がねじれるのを防止している。
【００４４】
図１０に示すように、本体３０１の内部には、モータ３０８が、アクチュエータ３１１と軸受３３２によって支持されている（揺動手段）。モータ３０８の出力軸にはホイール３０３が取り付けられている。モータ３０８は、アクチュエータ３３１によって、図中のｘ軸回りに揺動される。本体３０１の図中上方には、制御装置３０９及び観測センサ３２０（振動センサ、温度センサ等が含まれる）が設置されている。制御装置３０９には、モータ駆動用のアンプ及び姿勢検知用の加速度センサ、角速度検出用のジャイロが組み込まれている。電力は、電源通信ケーブル３１１を通して外部から供給され、またこの電源通信ケーブル３１１を通して制御や情報の取得も行われる。
【００４５】
本実施形態の自律型掘削装置が実施形態２のそれと異なる点は、アクチュエータ３３１が一つだけ設けられている点と、ホイールの向きを１軸でのみ変えられるようにした点である。また、本体の径と高さがほぼ同程度であるため、実施形態１や実施形態２の装置に比べて転倒しにくいという利点がある。
【００４６】
前述の実施形態２では、方向転換トルクを発生させる際に、第１の方法、第２の方法とともに、発生させたい方向転換トルクと直交する軸回りに２軸ジンバル機構を傾けることを説明した。これに対し、本実施形態では、揺動手段の自由度が少ないため任意の方向に傾けることができない。そこで、まず、本体を実施形態１と同様の方法で、モータ３０８を傾けるための軸が方向転換トルクと直交する向きになるまで回転させる。この際の回転方向は、掘削が進む方向でもよいし、逆方向でもよい。いずれの向きであっても、制御装置３０９に組み込まれたジャイロ等の角度検出センサで本体の回転角を検出し、回転角と直交したあとには、実施形態２と同様に、方向転換を行うことができる。
【００４７】
本実施形態の自律型掘削装置は、実施形態２のそれと比較して、制御シーケンスは複雑になるものの、機械的な構成をシンプルにできるという利点がある。
【００４８】
［実施形態４］
図１１は、上記各実施形態に係る自律型掘削装置を含んだ自律型探査システムを、実施形態４として示した図である。本実施形態に係る自律型掘削装置４０１（実施形態１乃至２の自律型掘削装置とすることができる）は、例えば月面４１０の中に掘削して潜っている。自律型ローバー４０３は、車輪４０４によって月面上を移動できるようになっている。ケーブル繰り出し機構４０６は、電力通信ケーブル４０８が適当な長さとなるよう維持している。また、太陽電池パネル４０７によって必要な電力を生成するとともに、アンテナ４０５によって外部との通信を行う。
【００４９】
本実施形態によれば、自律型ローバー４０３によってシステム全体を掘削に適した場所まで移動させ、そこで自律型掘削装置４０１をレゴリス中に沈降させることができるので、自律型掘削装置４０１に搭載された各種センサ類を容易に最適な場所で地中に埋設することが可能となる。
【００５０】
なお、上記各実施形態では、装置本体の形状が円柱と円錐とを組み合わせた形状のものとして説明したが、これ以外にも例えば、全体が円錐形状のも、あるいはいわゆるビアダル形状のものなども、全体として軸対称形状で進行方向先端部が先細状であれば、本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の自律型掘削装置及び自律型掘削システムは、月面等の地球外天体の探査や各種測定機器の設置のための手段として好適に利用することができる。また、地球上においても、特に砂漠や海底などのように人間が作業することが困難な環境において、必要な物資を地中や海底の内部に搬送・設置する場合に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態１に係る自律型掘削装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る自律型掘削装置の内部の構造が分かるように示した断面図である。
【図３】本発明の掘削の原理を説明するためのモデル図である。
【図４】本発明の自律型掘削を行わせる方法の一例を示したタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施形態２に係る自律型掘削装置の断面図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る２軸ジンバル機構の構造及び動作を分かり易く示した斜視図である。
【図７】本発明の実施形態２に関連して、レゴリス中で方向転換を行う方法について説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態２に関連して、レゴリス中で方向転換を行う方法について説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態３に係る自律型掘削装置の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る自律型掘削装置の縦断面図である。
【図１１】本発明の実施形態４に係る自律型探査システムを示した図である。
【図１２】従来の掘削装置を示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０１、２０１、３０１ 本体下部
１２２、２２２ 本体上部
１０２、２０２、３０２ ブレード
１０３、２０３ａ、２０３ｂ、３０３ ホイール
１０８、２０８、３０８ モータ
１０９、２０９、３０９ 制御装置
１１０、２１０、３１０ スリップリング
１１１、２１１、３１１ 電源通信ケーブル
２３０ ２軸ジンバル機構
２３１、２３２ アクチュエータ
４０１ 自律型掘削装置
４０３ 自律型ローバー
４０６ ケーブル繰り出し機構
４０７ 太陽電池パネル
４０８ 電力通信ケーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体として軸対称形状で、進行方向先端部が先細状になっている本体と、
前記本体の外側に螺旋状に設けられたブレードと、
前記本体内部に設けられ、回転自在に支持されたホイールと、
前記本体内部に固定して設けられ、前記ホイールを回転駆動するモータと、
前記モータを駆動して前記ホイールを回転させるときの回転速度を変化させ、このとき本体に働くトルクに基づいて前記本体を回転させることで前記ブレードが地面を掘削して本体が地中に進行するようにしたことを特徴とする自律型掘削装置。
【請求項２】
さらに前記ホイールの回転軸を揺動する揺動手段を少なくとも一つ備え、前記揺動手段により前記ホイールの回転軸を本体の中心軸に対して傾けることにより、進行方向を可変としたことを特徴とする請求項１に記載の自律型掘削装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行って、間欠的に掘削動作を行うように制御することを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記揺動手段によって、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第１工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第２工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第１工程及び第２工程を繰り返す第３工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項５】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記モータを停止させる第１工程と、
前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第２工程と、
前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第３工程と、
前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、
前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第５工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第４及び第５工程を繰り返す第６工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項６】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、
前記揺動手段によって、揺動の軸回りに前記モータの回転軸を傾ける第３工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第４工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第１工程乃至第４工程を繰り返す第５工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項７】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、
前記モータを停止させる第３工程と、
前記揺動手段により、揺動の軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、
前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第５工程と、
前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第６工程と、
前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第７工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第６及び第７工程を繰り返す第８工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項８】
前記請求項１又は２に記載の自律型掘削装置と、該自律型掘削装置を搬送するローバーとを含み、遠隔地からの制御に基づいて地表面を移動して掘削位置を見出し、掘削を開始することを特徴とする自律型探査システム。
【請求項１】
全体として軸対称形状で、進行方向先端部が先細状になっている本体と、
前記本体の外側に螺旋状に設けられたブレードと、
前記本体内部に設けられ、回転自在に支持されたホイールと、
前記本体内部に固定して設けられ、前記ホイールを回転駆動するモータと、
前記モータを駆動して前記ホイールを回転させるときの回転速度を変化させ、このとき本体に働くトルクに基づいて前記本体を回転させることで前記ブレードが地面を掘削して本体が地中に進行するようにしたことを特徴とする自律型掘削装置。
【請求項２】
さらに前記ホイールの回転軸を揺動する揺動手段を少なくとも一つ備え、前記揺動手段により前記ホイールの回転軸を本体の中心軸に対して傾けることにより、進行方向を可変としたことを特徴とする請求項１に記載の自律型掘削装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行って、間欠的に掘削動作を行うように制御することを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記揺動手段によって、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第１工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第２工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第１工程及び第２工程を繰り返す第３工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項５】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記モータを停止させる第１工程と、
前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第２工程と、
前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第３工程と、
前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、
前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第５工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第４及び第５工程を繰り返す第６工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項６】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、
前記揺動手段によって、揺動の軸回りに前記モータの回転軸を傾ける第３工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うよう制御する第４工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第１工程乃至第４工程を繰り返す第５工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項７】
請求項２に記載の自律型掘削装置の掘削動作を制御する自律型掘削装置の制御方法であって、
前記揺動手段によって、前記モータの回転軸を本体の軸と略一致させる第１工程と、
前記モータが一方向に回転するときは、本体が回転を開始する所定の閾値よりも大きなトルクで前記ホイールの駆動を行い、前記一方向とは逆の方向に回転するときは、前記閾値よりも小さいトルクで前記ホイールの駆動を行うことを繰り返すことで、前記揺動手段の揺動の軸が方向転換の軸と略垂直になるように制御する第２工程と、
前記モータを停止させる第３工程と、
前記揺動手段により、揺動の軸の回りに前記モータの回転軸を傾ける第４工程と、
前記モータの回転速度を十分にゆっくり上昇させる第５工程と、
前記揺動手段により、方向転換の軸および本体の軸に垂直な軸の回りに逆向きに前記モータの回転軸を傾ける第６工程と、
前記回転軸がいっぱいまで傾いたら、前記モータの回転方向をゆっくりと逆向きにする第７工程と、
本体の方向転換が済むまで前記第６及び第７工程を繰り返す第８工程と、
を含むことを特徴とする自律型掘削装置の制御方法。
【請求項８】
前記請求項１又は２に記載の自律型掘削装置と、該自律型掘削装置を搬送するローバーとを含み、遠隔地からの制御に基づいて地表面を移動して掘削位置を見出し、掘削を開始することを特徴とする自律型探査システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１７９９８８（Ｐ２００９−１７９９８８Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９０６０（Ｐ２００８−１９０６０）
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
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