研究の概要
人工衛星の小型化や低コスト化、省スペース化を実現するためには、姿勢制御に必要な装置（ホイールやジャイロ等）の重量や体積を可能な限り低減することが効果的です。
本研究では、ホイールやジャイロ等を1つにパッケージ化して人工衛星などに搭載できる小型モジュールの研究開発を行っています。
従来よりも小型かつ軽量の人工衛星の実現のほか、さまざまな分野での応用をめざしています。
31mmサイズのモジュールがJEM自律移動型船内カメラ（Int-Ball）に搭載されています。
詳しくはこちら「超小型三軸姿勢制御モジュール 「きぼう」船内ドローン（Int-ball）への応用」
研究紹介動画
超小型三軸姿勢制御モジュール（2分01秒）
超小型三軸モジュール（10cm）の実験映像（0分29秒）
超小型三軸モジュール（31mm）の実験映像（1分07秒）
研究の成果（より詳細な研究内容）
超小型三軸姿勢制御モジュールの概要
| 総重量（無線通信機・バッテリを含む） | 1.34 kg |
|---|---|
| サイズ | 10×10×10 cm3 |
- MEMSチップの慣性センサ6台（1台でレート3軸、加速度3軸計測可能）を頂点に配置することで、姿勢推定精度を向上しています。
- 3軸ホイールのモータにはブラシレスDCモータを使用し、モータホイール回転数の計測にはモータ内蔵のホールセンサを使用しています。
- ホイール各軸には新たに開発した薄型電磁ブレーキを搭載しています。
- 制御計算機はシステムオンチップ（PSoCR）を搭載し、50Hz周期で計測制御します。
- 電磁ブレーキは励磁時に2.1Nmの制動トルクを発生し、消磁時間も含め、6000rpmのホイール回転数を100ms以内にゼロとすることができます。
- その他、テレコマ送受信用無線通信機、小型リチウムポリマバッテリーなどで構成されています。
超小型三軸姿勢制御モジュールの応用先
本モジュールは、以下のような用途での応用が考えられます。
- 1Uクラスの超小型衛星の姿勢制御モジュール
- 惑星探査ローバ
- 集団群制御モジュール
- 航空ドローンの姿勢安定モジュール
開発した超小型三軸モジュール技術は、誘導制御計算機・6軸慣性センサ・3軸ホイールを約50g、約31mm角サイズにまでの集約化が実現されています。並進制御のマイクロファン機能も拡張具備可能です。
31mmサイズのモジュールは、「JEM自律移動型船内カメラ（Int-ball）」のメイン制御系として搭載され、現在の位置・姿勢を正確に把握し、目標の位置・姿勢に制御する役割を担っています。
研究実績
発表論文
- 巳谷, 茂渡, 神澤, 山中, "超小型三軸姿勢制御モジュールの研究", 第59回宇宙科学技術連合講演会, かごしま県民交流センター, 2015
- Mitani, Shigeto, Kanzawa and Yamanaka, "High-Agility, Miniaturized Attitude Control Sensors and Actuators in an All-in-one Module", ISTS30 Special Issue, Vol.14 (2016) No.ists30
- Kato, Tanishima, Yanagase, Tsumaki and Mitani, "Control of Rocket-propelled Miniature Exploration Robot", ICRA, 2017
- 巳谷, 後藤, 此村, 荘司, 萩原, "クルーリソースを軽減するJEM自律移動型船内カメラロボットの開発", 第61回宇科連, 朱鷺メッセ, 2017
- 茂渡, 巳谷, 谷嶋, 後藤, "1/30Uサイズ三軸モジュールの研究とJEM自律移動型船内カメラロボットへの応用", 第61回宇科連, 朱鷺メッセ, 2017 ★若手奨励賞（最優秀賞）受賞
- 谷嶋, 巳谷, 茂渡, 松本, 後藤, "JEM自律移動型船内カメラロボット制御系の地上検証結果", 第61回宇科連, 朱鷺メッセ, 2017
- 松本, 巳谷, "JEM自律移動型船内カメラの障害物回避問題", 第61回宇科連, 朱鷺メッセ, 2017
- Shigeto, Mitani, Tanishima and Goto, "Development and evaluation of the 1/30U small-sized 3-axis attitude control module, and its application for the JEM Internal Ball Camera Robot", Proc. of 32nd AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2018.
- Mitani, Goto, Konomura, Shoji, Hagiwara, Shigeto and Tanishima, "Crew-supportive Autonomous Mobile Camera Robot on ISS/JEM", i-SAIRAS 2018.
- Tanishima, Mitani, Shigeto, Matsumoto, Arai, Goto and Suzuki, "Effective and Accurate Method for Ground and On-orbit Verification of Control Systems for Free-flying Robot with Low Thrust Force", i-SAIRAS 2018.
- 茂渡, 巳谷, 村田, 白澤, 野田, "磁気軸受を用いた小型高角運動量リアクションホイールの基礎検討", 電磁力関連のダイナミクスシンポジウム, 2018
特許
| 件名 | 発明者 | 出願日 | 番号 |
|---|---|---|---|
| 制動機構、制動機構を備えるリアクションホイール、 リアクションホイール装置、リアクションホイールシステム |
巳谷、茂渡 | 2015年6月29日 | 特開2017-17807 |
| リアクションホイール装置 | 巳谷、茂渡 | 2016年7月29日 | 特開2018-019568 |
| モータ回転速度検出装置 | 巳谷、茂渡 | 2016年7月29日 | 特開2018-017697 |
外部資金
- 科研費若手（B）「磁気軸受と電磁ブレーキを用いた超小型高性能リアクションホイールの開発」
研究代表者：茂渡、 期間：2017-2018年、 研究課題/領域番号:17K18428
広報
- 第59回宇宙科学技術連合講演会特別講演3「国立研究開発法人JAXAの研究開発戦略」の中で本研究のデモ機紹介（2015年10月9日）
- 2015国際ロボット展においてMAXON JAPANブースに10cmサイズデモ機出展（2015年12月2-5日）
- Itmediaニュース「一つの頂点で直立するロボット JAXA開発（動画あり）」（2015年12月2日更新）
- 第20回機械要素技術展において三木プーリブースに10cmサイズデモ機出展（2016年6月22-24日）
- NHK WORLD TV 「Science View」(海外向け)に、10cmサイズデモ機と共に出演（2016年8月10-16日）
- 三木プーリ社「MIKI PULLEY GROUP NOW」 No.191に掲載（2016年8月）
- MAXON JAPAN社「30周年記念誌」インタビュー記事に掲載（2016年10月）
- 平成28年度JAXA筑波宇宙センター特別公開の「宇宙ロボット実験室大公開！」に出展（2016年10月15日）
- NHK「コズミックフロントNEXT」はやぶさ2姿勢制御ホイールの例として実演（2017年1月15日放映）
- 研究開発部門紹介イメージ映像に出演（2017年4月から筑波宇宙センター展示館スペースドーム 等で上映開始）
- 電気学会誌 2017年9月号 Vol.137 No.9の「これが宇宙機を支える技術！」に掲載
- プロモーションビデオ「超小型三軸姿勢制御モジュール」Youtube公開
- Fabcross社 取材「JAXA、国際宇宙ステーション・きぼうの船内ドローン「Int-Ball」の撮影映像を初公開」（2017年7月18日）
- プロモーションビデオ「超小型三軸姿勢制御モジュール ～「きぼう」船内ドローン（Int-Ball）への応用～」Youtube公開（2017年7月）
- JAXA社会環境報告書「未来が見える！～JAXAの研究開発部門～」に超小型三軸姿勢制御モジュールとInt-Ball掲載（2017年9月）
- JAXAシンポジウム2017「SPACE INNOVATION －未来のその先へ－」においてInt-Ballと超小型三軸姿勢制御モジュール出展（2017年9月12日）
- 機関紙JAXA's No.70 「研究開発の現場から：世界最小への挑戦 －31mm角の立方体に詰め込まれた最先端の技術」に超小型三軸姿勢制御モジュールとInt-Ball掲載（2017年10月）
- ファン！ファン！JAXA！ WEB記事「Int-Ballってなんだ？作った人に聞いてみよう」（2017年10月）
- ファン！ファン！JAXA！ WEB記事「ここがスゴイ！「超小型三軸姿勢制御モジュール」」（2017年10月）
- Withnews WEB記事「「箱」がつま先立ち！JAXA開発の超絶バランス体、その仕組みとは」（2017年10月24日）
- JAXA主催「SPACE MEETS YOKOHAMA ～きぼう、その先へ～」においてInt-Ballと超小型三軸姿勢制御モジュール展示（2017年10月26日）
- 研究開発部門 研究紹介ショート映像「用途は無限大？超小型姿勢制御モジュールのご紹介」 Youtube公開（2017年11月）
- Moovoo WEB記事「1点でバランスを保つ謎の立方体！JAXA開発『超小型三軸姿勢制御モジュール』」（2017年11月15日）
- ピーバンドットコム社 WEBインタビュー記事：お客様の声「世界初！宇宙飛行士のタスクを減らす船内ドローンが誕生。日本実験棟の中を自律飛行できる秘訣とは？」
- Newton科学雑誌 記事「宇宙飛行士のサポートロボット きぼう船内ドローン「Int-Ball」」（2018年2月号）
- 日刊工業新聞「JAXAが最小サイズ 姿勢制御モジュール 人工衛星を小型化 重さ50g, 1辺3cm」（2018年3月29日）
他、国内全国紙掲載、米国・欧州を含む海外12ヵ国以上による報道多数。
講演会
- JST/JAXA主催 新技術説明会「きぼう船内ドローン「Int-Ball」の姿勢制御技術」（2017年10月12日）
- 宇宙科学研究所 宇宙科学談話会「きぼう船内ドローン「Int-Ball」の飛行制御技術」（2017年12月10日）
- 電気学会東京支部所行事 第2回茨城支所講演会「きぼう船内ドローン「Int-Ball」の開発で活かされた人工衛星の姿勢制御技術」（2017年12月13日）
- TED×Tsukuba（2018年10月21日）