まず、現在までに手掛けられた宇宙構造物の設計例としてスカイラブ、太陽発電衛星、スペースコロニーなどを紹介し、構造部材の設計手法、船外活動支援装置や自動機械、スペースコロニー建設施設などを説明した。そして、太陽発電衛星規模の宇宙構造物は従来の衛星とは違い建造物に近いので、建設工法を確立することが重要であることを指摘した。さらに、米国エネルギー省が実施した太陽発電衛星の設計研究と、日本の太陽発電衛星ワーキンググループが着手しているSPS2000の設計研究を比較し、衛星規模、衛星環境、建設速度、姿勢安定、エネルギに対する考え方などが異なることを明らかにした。そして、本研究の目的は、この種の宇宙構造物は低高度で比較的小規模のものなら実現されるという観点から、SPS2000をモデルにした低高度軌道上の建設工法を論ずることであることを説明した。

　本研究では、(1)重力傾斜トルクを重点的に考察した建設工法の提案を行う、(2)建設工法モデルを簡略化するため初回モジュールの主構造トラスの建設を対象にする、(3)実際に2種類の機能試験モデルを製作して実証的な手法で建設手順を提案する、の3点を重点的に考察することを説明した。また建設ロボットの研究項目のうち、トラス組立装置、移動機構、トラスを衛星骨格形状に組み上げるための組立支援機構、の3つを重点的に考察することを説明した。

　主構造トラスとしてDouble-Bay Single-Laced Beamについて述べ、次にロケットに搭載可能な収納容積を実現する(展開トラスおよび組立トラスと命名する)2通りの機能試験モデルを設計製作した結果を述べた。そして展開トラスについては1ユニット当たり27個の回転自由度で実現可能なことを証明した。また地上組立実験で実施する組立トラスのリファレンス作業を決定した。

　双腕位置決めロボットによる地上組立実験を行い、いずれのトラスも6自由度の力制御なし位置決めマニピュレータ2腕で組立作業が可能であることが分かった。すなわち組立トラスの作業レベルには、単腕での単純差込み、双腕での同期差込み(ロボットでプレイバック可能なもの)、双腕での協調差込み(ガタ等の不確定要素を介すためプレイバック不可能なもの)の3種類があり、すべての組立作業を単腕で行うことは不可能であることが明らかになった。あわせて組立作業時の危険性解析を行い、不慮の事態の内容、原因、その対策などを明確化できた。

　まず建設作業をフレームトラスの鉛直伸展(C1)、棒状フレームトラスの三角形展開(C2)、ビームの南北伸展(C3)、の3つの基本作業に分解し、重力安定マップを用いて、3つの基本作業に対する衛星の各瞬間形状のk_r-k_yポイント軌跡の定性的な性質を調べた。そして、作業途中で反転などがおこらないという意味で重力安定性を維持する、基本作業の順序を考察した。

　図1は検討結果の1例である。図は重力安定マップと呼ばれるもので、灰色の領域(安定領域)は重力傾斜トルクおよび地球周回のジャイロ効果に対して姿勢安定であることを表わす。

図1k_r-k_yポイントの軌跡

　建設途中構造物の形状変化、建設ロボット等の移動による外乱、構造物の柔軟性やダンピングの影響に対する姿勢安定性を調べるために、数値シミュレーションを行った。その結果前述の暫定案は、実際の構造物に対しても共振現象などの特殊な状況を除外すれば重力安定であることが示された。また、ピッチ慣性モーメントが急激に減少する場合には構造物の地球指向性が維持できなくなる場合があること、ヨー慣性モーメントが他の軸に比べて小さい自由関節(柔軟)構造物にロール初期角度を与えるとヨー軸回りの姿勢を発散させる場合があること、などが分かった。

　地上組立実験結果にもとづいて、マニピュレータ2腕、CCDカメラ、ブーム部、トラス移動機構、制御用コンピュータ、電源用バッテリから構成される組立ロボットを提案した。コスト的、充填効率的に優れた組立トラスをSPS2000主構造トラスに採用し、実用モデルの詳細設計を行った。組立ロボットで衛星骨格建造を実行するための組立支援機構を提案し、次にSPS2000初回モジュールの重力安定な4つの建設シーケンスを求めた。そして、地上組立作業実験で得られた作業難易度評価を用いて建設工法全体の作業難易度を評価し、提案する組立ロボットで自動組立が可能であることを示した。

　宇宙空間で建設する必要のある大型構造物について2通りのトラス構造物の候補を考案製作し、展開トラスは1ユニットあたり27自由度で実現できること、組立トラスの作業には(1)単腕での単純差込み、(2)双腕での同期差込み、(3)双腕での協調はめ込みの、3種類の作業が存在することを証明した。

　6自由度位置決めマニピュレータが2本あれば、トラス組立が可能であることを実証した。

　また、建設作業中に姿勢が反転しないという意味で重力安定形状を保つ衛星建造手順は、4通りしか存在しないことを証明した。この建造手順が、構造物の形状変化、建設機械の移動による外乱、柔軟性やダンピングの影響に対しても姿勢安定を保てることをシミュレーションにより示した。

　さらに上記の建造手順を実現する4種類の建設工法を提案するとともに、建設工法全体の作業難易度を評価してロボットによる自動組立が可能であることを示した。