ロボットは国際宇宙ステーションに到着しました。彼らはどのように仕事をしているのでしょうか?

昨日は2025年の初日で、神舟19号の宇宙飛行士乗組員は宇宙ステーションから祝日の挨拶を送りました。ネットユーザーらは、中国の宇宙ステーションがさらにSF的になったと述べ、宇宙飛行士の王浩澤氏の新しいパートナーである宇宙のインテリジェントアシスタントの小航に注目が集まっている。この記事では、国際宇宙ステーションで働くロボットについて学んでみましょう。

国際宇宙ステーションの運用開始により、国際宇宙ステーションを操作するロボットの開発に十分なスペースが確保されます。さまざまなロボットアーム、自動射撃ロボット、自動衛星テストプラットフォームが登場しました。

国際宇宙ステーションは、これまでに建設された最大の宇宙施設です。

ROTEXプロジェクト

1993 年のドイツ宇宙機関の ROTEX プロジェクトは、ドイツの宇宙自動化とロボット工学の出発点でした。実際、ROTEXは1988年に打ち上げられ、1993年には「スカイラブD2」ミッションの一環としてコロンビア号スペースシャトルで打ち上げられました。

このプロジェクトの中核となるのは、複雑なマルチセンサーグリッパーを備えた小型の 6 軸ロボットアームです。主な実験目標は、可能な限りセンサーベースの自律操作を実現することですが、地上ベースの遠隔制御技術も十分に検討されています。具体的なセンサーには、2 セットの 6 軸トルク センサー (ひずみゲージと光学センサーに基づく) と、グリップ力制御用の触覚アレイが含まれます。 9 台のレーザー距離計の配列。さらに、一対の小型ステレオカメラがグリッパーの内部から外を見たステレオ画像を撮影し、一対の固定カメラがロボットの作業領域のステレオ画像を撮影します。

ROTEXプロジェクトのロボットアーム

具体的なタスクは、機械的なグリッド構造の組み立て、グリッパーを使用したトラック交換可能ユニット (ORU) の接続/切断、浮遊物の掴みの 3 つです。飛行検証では、ROTEXプロジェクトのロボットアームが地上での事前プログラミングに従って自動的に動作し、スペースシャトルの乗組員による遠隔操作や地上からの遠隔操作が可能であり、地上で再プログラミングした後にアップロードして更新できることが示されました。

ロクヴィス

ロックウェルは、ドイツで開発された国際宇宙ステーション用の 2 自由度操作ハードウェア テスト ベンチです。不思議な構造をした面白いロボットです。これはロボットアームのタスクを実行するために使用されるのではなく、将来、より近距離で複雑な宇宙活動を行うことができるように、いくつかの重要な技術とデバイスをテストするために使用されます。 ROKVISS は、国際宇宙ステーションにおけるロボット科学コンポーネント検証 (Robotic Sc​​ience Component Validation on the International Space Station) の略で、テレプレゼンス制御コンセプトとその共同電子機器の信頼性をテストするために使用されます。将来的には宇宙ステーションの軌道上やそれを超えた場所で作業できるロボットを開発することが目標です。

ロックウェルは、2005 年 1 月 26 日に、宇宙飛行士による 6 時間の船外活動中に、ロシアのズヴェズダ サービス モジュールの外壁にユニバーサル プラットフォームを取り付けた後に設置されました。

Rockvis の主要部分は、先端に金属製の「指」が付いた 2 関節のロボット アームと、ステレオ カメラおよびモノ カメラです。ユニバーサルプラットフォームには、電力分配や画像処理用の電子機器の箱のほか、いくつかの穴が開けられ、内部にフックがぶら下がったバネが入った奇妙な形の金属構造物が収められている。ロボットの動的動作実験や関節パラメータの決定に使用される特殊な装置です。ロボットの関節とカメラは、国際宇宙ステーションに搭載された中央実験コンピュータによって制御されます。

ロボットアームは 2 つの異なるモードで動作できます。自動モードは、地上も宇宙飛行士も介入しないシナリオで使用されます。この実験は国際宇宙ステーションに搭載された実験用コンピュータによって制御され、データは後の評価のために保存されました。リモート コントロール操作モードもありますが、想定される衛星の保守および修理作業中は、人間のオペレーターが制御ループに直接関与する必要があります。これは、このような作業は予測不可能なため、地上でプログラムを事前に設定することが難しいためです。国際宇宙ステーションは地上に比較的近く、十分な計測・制御範囲を備えているため、地上のオペレータは24時間体制で運用することができます。もちろん、ドイツの運用者は、南ドイツのヴァイルハイム上空を飛行する宇宙ステーションを、顕著な時間遅延なく DLR 独自のアンテナを使用して直接制御することを望んでいる。これにより、地球上で腕を操作する科学者は、腕の動きに関する視覚的および感覚的なフィードバックをほぼリアルタイムで受け取ることができます。

試験中、地上オペレータはフォースフィードバックを通じて宇宙環境におけるロボットの特殊な力の状態を直感的に感じることができます。エンジニアたちはまた、移動中にエネルギーをどれだけ吸収するか、また長期間宇宙で動作する場合のベアリングとギアの摩擦がどのように動作するかについてもテストしました。カメラはテストのプロセスを記録し、ビデオをリアルタイムで制御室に送信し、科学者に実験の状態と機能に関するリアルな印象を与えました。

ドイツのロックウェルロボット地上実験

宇宙放射線はロックウィズにとって大きな課題です。頻繁なイオン衝撃により電子部品が損傷する可能性があるからです。電子機器を損傷から保護するために、短絡が発生した場合に自動的に電源をオフにし、蓄積されたエネルギーを除去する機能が制御モジュールに組み込まれています。極端な温度変動のため、ロボットの関節は摂氏 -20 度から摂氏 +60 度の温度に耐える必要があります。

ドイツのロックウェルロボットの軌道上テスト

この実験の主な目的は、より複雑なメンテナンスや組み立て作業を実行でき、地上のオペレーターが直接操作できる将来の軽量ロボットを開発することです。

ROKVISS実験には1,150万ユーロの費用がかかり、これにはISSへの打ち上げ、組み立て、運用にかかる350万ユーロが含まれる。

球体

SPHERES は、国際宇宙ステーションの内部超小型衛星テストベッドです。正式名称は「同期位置保持・連動・再定位実験衛星」で、「スペースビー」の前身でもある。これは、NASA と米国軍向けに MIT の宇宙システム研究所によって開発されたもので、計測、編隊飛行、ランデブー、ドッキング、自律アルゴリズムの開発のための低リスクでスケーラブルなテストベッドとして機能します。

宇宙ステーション内のSPHERES実験

SPHERES の初期開発は 1999 年に始まりました。デビッド・ミラー教授は学生たちに、映画「スター・ウォーズ/新たなる希望」や「スター・ウォーズ/クローンの攻撃」で使用されたものと同様の戦闘訓練用リモコンの開発を課し、カプセル内の衛星というコンセプトを考案しました。

初期の開発後、SPHERES プログラムは MIT の宇宙システム研究所に引き継がれ、飛行可能な衛星 6 機が製造され、そのうち 3 機が国際宇宙ステーションに打ち上げられました。これらは国際宇宙ステーションや地上の実験室で使用できますが、実際の宇宙空間を飛行する能力はありません。

各 SPHERES 衛星は 18 面体の多面体に似ています。衛星のアルミニウム構造は半透明のプラスチックシェルで覆われています。識別しやすいように、外殻は赤、青、オレンジ、または黒です。国際宇宙ステーションの3つの衛星は赤、青、オレンジです。各ユニットの最大直径は22.9cm、消耗品を含めた質量は4.16kgです。衛星は 916.5MHz、16kbit/s の無線リンクを使用して相互に通信でき、制御ステーション (ラップトップ) との通信は 868.35MHz、16kbit/s の無線リンクを使用して行われます。

キャビン内のSPHERES衛星

SPHERES 衛星は、23 個の超音波受信機 (Murata MA40S4R) と 5 個の外部超音波基準ビーコンを使用し、加速度計 (Honeywell QA-750 単軸加速度計 3 台) とジャイロスコープ (Systron Donner QRS14 単軸レートジャイロスコープ 3 台) からのデータで補完して、位置と姿勢を決定します。

SPHERES 衛星は 2 つの非充電式 12V バッテリー パックで駆動しており、バッテリー残量が少なくなると交換する必要があります。これは後続のモデルで改善されました。 SPHERES 衛星は、操縦と姿勢制御のために 12 個の二酸化炭素冷却ガススラスタを使用します。液体二酸化炭素は小さな容器に保管されます。衛星の最大直線加速度は0.17m/s2で、精度は0.5cmです。最大角加速度は 3.5rad/s2、精度は 2.5 度です。しかし、キャビン内への二酸化炭素の注入は理想的ではなく、「スペースビー」などの後続モデルでも改良が加えられました。

「スペースビー」

SpaceBee システムは、3 つの立方体型ロボット、ソフトウェア、充電用のドッキング ステーションから構成されます。このロボットは12.5インチ（31.75センチ）の立方体で、自律的に戻ってバッテリーを充電することができます。 SpaceBee は、宇宙ステーションのロボット試験施設として SPHERES に代わるものです。ロボットは推進システムとして電気ファンを使用しており、二酸化炭素を排出しないため、宇宙ステーションの微小重力環境でも自由に飛行できる。カメラとセンサーは、周囲を「見て」移動するのに役立ちます。 SpaceBees には止まり木アームも付いており、手すりにつかまって動かずにエネルギーを節約したり、物を掴んで保持したりすることができます。

ミッション科学者は、SpaceBee を使用して、将来のミッションのためのハードウェアおよびソフトウェア技術の開発に役立つ研究を行うことができます。このロボットはモジュール式でアップグレードも可能なため、研究者や科学者は宇宙ステーション内でさまざまな実験を行うことができます。このようなロボットは、将来の宇宙船の管理者として、宇宙飛行士がいない間にシステムを監視し、円滑に稼働し続ける役割を果たす可能性もあります。

SpaceBee支援設備は、2018年11月17日にCRS-10商業補給ミッションで国際宇宙ステーションに打ち上げられ、2019年2月15日に宇宙ステーションの日本実験棟に設置されました。

テスト中の「スペースビー」

2019年4月17日、「スペースビー」の最初の2機のロボット「バンブル」と「ハニー」がCRS-11ミッションで宇宙に打ち上げられました。

2019年7月25日、3番目の自由飛行ロボット「クイーン」と3本の止まり木アームが、SpaceXの第18回商業補給サービスミッション（CRS-18）で国際宇宙ステーションに入りました。

「スペースビー」の主な任務の一つは、キャビン内の写真を撮ることです。しかし、これに加えて、船外技術の開発にとって非常に重要なもう一つの科学研究ミッションがあります。

NASA はかつて、相対操作自律操縦 (ROAM) と呼ばれる実験を実施しました。これは主にロボット衛星が宇宙ゴミとランデブーするプロセスを実証するものでした。宇宙ゴミのほとんどは「死んだ衛星」であり、修復可能なものもあれば、大気圏に送り込んで破壊する必要があるものもある。しかし、これらの衛星のほとんどは回転しており、ロボット衛星が接近して捕捉するのは非常に危険です。そこでNASAは、ROAM実験を利用して「スペースビー」にキャビン内で制御不能な衛星の転倒をシミュレートさせ、観察と認識を行わせ、ランデブーと捕獲のアルゴリズムを計画しようとした。

ROAM プログラムの主なアイデアは、まず捕捉衛星を使用して回転する衛星に接近し、座標系を確立し、次に 3 次元 (3D) 飛行時間カメラと視覚推定アルゴリズムを使用して、ターゲットの回転状態、回転慣性パラメータ、および付随する共分散をリモートで推定することです。潜在的なターゲットのロールオーバー タイプのオフライン シミュレーションを使用して、推定データを使用して軌道上で解決されるルックアップ テーブルが生成されます。この非線形計画法ベースのアルゴリズムは、既知のターゲット形状と、視野要件などの重要な実際的な制約を考慮して、ターゲットの回転フレームで動作計画を生成します。同時に、不確実性特性評価法を使用してターゲットロールの不確実性を転送し、慣性システムの参照軌道に外乱境界を提供できるようにします。最後に、この不確実性の境界は、ロバストなチューブ モデル予測コントローラに提供され、システムが基準軌道を平行移動追跡する能力を保証します。

ROAM 実験には、SpaceBee のセットアップを監督する 1 人または 2 人の宇宙飛行士と、2 台の SpaceBee ロボットを制御する地上オペレーターが必要です。宇宙飛行士はまずSpaceBeeを初期方向に設定し、地上管制官は実行を開始するために最終的な位置決めとコマンドテストを実施しました。データは、ロボット オペレーティング システム (ROS) を使用して 2 台の SpaceBees で収集され、その後手動で地球に送信されました。さらに、地上のオペレーターと研究者は、実験の進行状況を把握するためにライブビデオストリームを視聴し、SpaceBee地上局から提供されるリアルタイム情報を確認しました。

「スペースビー」システムの目的は、宇宙飛行士の時間を単純労働から解放し、人間にしかできないことにもっと集中できるようにすることだ。 「スペースビー」は自律的に動作することも、宇宙飛行士、地上管制員、地上研究者によって遠隔制御されることもできます。物資の在庫管理、機内での実験の記録、さらには貨物の移動にも使用できます。 「SpaceBee」システムは、機器やプログラミングを行ったり、微小重力下で実験を行ったり、その後の宇宙ロボット開発のための経験やデータを蓄積したりするための研究プラットフォームとしても活用できます。

日本の「インサイドボール」

宇宙ステーション内の宇宙飛行士は、実験を行ったり施設を維持したりするだけでなく、宇宙ステーションの運用を記録するために写真やビデオを撮影する必要もあります。これらの画像自体は科学的価値が高く、科学普及の教材として活用することができます。しかし、宇宙飛行士の貴重な時間を写真撮影に費やすのは無駄に思えます。結局のところ、人を軌道上に維持するためのコストは非常に高いのです。その結果、NASAは、前述のSPHERESや、現在宇宙ステーションで飛行している「スペースビー」など、2世代のキャビンロボットの開発と飛行を相次いで開始しました。

アメリカだけでなく日本もキャビンロボットに大きな関心を持っています。たとえば、現在、国際宇宙ステーションには「JEM 内部球面カメラ 2」と呼ばれるロボットが搭載されています。これは「内部球面」とも呼ばれ、自由浮遊型の遠隔操作パノラマ カメラとしても知られています。 2017年に宇宙航空研究開発機構によって初めて宇宙ステーションに打ち上げられました。カメラを使用して研究活動のビデオや写真を自律的に撮影し、宇宙飛行士の時間を節約する機能があり、将来的には他のミッションのテストにも使用できます。

「インテリアボール」は、実際には単なるボールです。宇宙ステーションの無重力状態で自由に浮遊し、地上要員や宇宙飛行士の制御下で飛び回り、内部の写真を撮影します。 「内球」の重さはわずか1キログラム、直径はわずか15センチメートルです。それで、位置と姿勢をどのように制御するのでしょうか?実際、それは地球上のドローンに似ています。 「内球」には、3 つの反動フライホイールと 12 個のプロペラ スラスターがあります。これにより、微小重力環境での飛行、ホバリング、姿勢変更が可能になり、地球上のドローンよりも消費電力が少なくなります。 「内球」と外殻の主要部品は3Dプリントで製造されています。模擬の 2 つの「目」がボールの外側に取り付けられています。外殻には録画などの現在の動作状態を示すライトも付いています。充電方法は、さまざまな家電製品と同じで、USB ポートを介して行います。

宇宙飛行士は「内球」と相互作用する

JAXAは、より複雑な機能を可能にするために拡張スロットを追加したInner Sphere 2も開発し、打ち上げました。

宇宙航空研究開発機構によれば、宇宙ステーションの乗組員の1日の作業時間のうち、写真撮影に費やす時間は約10％を占めており、これは決して少ない数字ではない。そのため、「内球」の研究と実際の運用が行われ、撮影活動が地上要員によって遠隔制御されるようになれば、宇宙飛行士の時間を節約できる。このような技術は、国際宇宙ステーションだけでなく、将来の月や深宇宙の探査ミッションにも活用できるでしょう。しかし、低軌道上の宇宙ステーションと地上間の通信遅延は比較的小さく、遠隔制御も比較的容易です。月、小惑星、火星になると、時間の遅延は大幅に増加します。地上要員がカメラ機器をどのように制御するかについては、解決すべき技術的な問題がさらにあります。