Development and integration of the NA64-DTC automation controller for the CERN "DESY Table'' motorized platform

本論文は、ESP32ベースのリモート自動化コントローラであるNA64-DTCの設計、構築、および正常な試運転について報告するものであり、当該コントローラはHTTPを介したCERN「DESY Table」電動プラットフォームの非侵襲的かつフォトアイソレートされた制御を可能にし、それによって様々な実験におけるリモート操作を容易にし、手動介入を削減するものである。

要約

想像してみてください。あなたは、宇宙の構成要素を研究するために、さまざまな標的に向かって微小な粒子のビームを打ち込む、巨大でハイテクな研究所の中にいます。これを行うために、科学者たちは「DESYテーブル」と呼ばれる、巨大で頑丈な電動テーブルを使用しています。このテーブルは、高精度なカメラスライダーや望遠鏡のマウントの高機能・産業用バージョンだと考えてください。このテーブルは、重い検出器（巨大で敏感なカメラのようなもの）を、左右、上下に極めて正確にスライドさせることができます。

しかし、問題がありました。このテーブルを動かすには、人間がすぐ横に立ち、物理的なコントロールパネルのボタンを押し、小さなデジタル画面を見て位置を確認しなければならなかったのです。もし科学者が粒子ビームが稼働している間にテーブルを動かしたいと思ったら、安全な制御室を離れ、騒々しく危険なビームエリアまで歩いていき、ボタンを操作して、また戻ってこなければなりませんでした。これは時間がかかり、手動で行う必要があり、実験の流れを中断させてしまいました。

解決策：「テーブルのリモコン」
この論文の著者たちは、「NA64-DTC」と呼ばれる賢い小型デバイスを作り上げました。このデバイスは、テーブルのコントロールパネルの隣に座る「デジタル・パペットマスター（人形使い）」や「ゴーストハンド（幽霊の手）」のようなものだと考えてください。

その仕組みを、簡単な比喩を使って説明します：

• 「ゴーストハンド」（フォト・アイソレーション／光絶縁）: このデバイスは、実際にはボタンに触れたり、配線を切断したりすることはありません。代わりに、「オプト・アイソレータ」を使用しています。これは、目に見えない光の指のようなものです。コンピュータが「右へ移動」ボタンを押したいとき、デバイスは小さな光を放ち、テーブルのコントロールパネルに「人間の指が今ボタンを押した」と錯覚させます。これにより、科学者は元のハードウェアに触れたり保証を無効にしたりすることなく、コンピュータからテーブルを制御できるようになります。
• 「脳」（ESP32チップ）: デバイスの核心は、安価でWi-Fi機能を備えた小さなコンピュータチップ（ESP32-C3）です。これはスマートホーム機器の脳のようなものです。スマートフォンのように、研究所のWi-Fiネットワークに接続します。
• 「目」（エンコーダ）: テーブルには、プラットフォームを移動させるためのモーターが付いています。デバイスは、これらのモーターが回転する様子を監視し、歩数計が歩数を数えるように、パルスをカウントする「目（センサー）」を備えています。これにより、コンピュータはテーブルがどこにあるのかを、数分の一ミリメンドル単位で正確に把握できます。
• 「リモコン」（ウェブ・インターフェース）: 接続が完了すると、科学者はノートパソコンやスマートフォンからウェブページを開くことができます。このページは、「左」「右」「上」「下」のボタンがあるシンプルなダッシュボードのような見た目をしています。例えば、「右に5ミリメートル移動」といった距離を入力してエンターキーを押すと、「ゴーストハンド」が自動的にボタンを押します。

どのように製作したか
チームは、テーブルのコントロールパネルの背面に直接差し込める小さな回路基板を設計しました。

1. 改造なし: テーブルを分解したり、配線を変えたりする必要はありませんでした。既存のパネルの背面にある予備のポートに、この新しいデバイスを差し込むだけです。
2. 電源: テーブルのコントロールパネルに電力を供給しているのと同じ電源ケーブルで作動するため、追加のバッテリーや電源コードは必要ありませんでした。
3. 安全性: 元のパネルにある大きな赤い「緊急停止」ボタンが押されると、デバイスは即座にそれを検知し、動きを止めます。また、Wi-Fi接続の状態が不安定になった場合に備えて、独自のソフトウェア上の「パニックボタン」も備えています。

結果
チームは2026年に、CERN（有名な素粒子物理学研究所）でこのデバイスのテストを行いました。

• 成功: 彼らは、粒子ビームが走っている間でも、リモートで重いテーブルを動かすことに成功しました。
• 正確性: テーブルはコンピュータが指示した通りの場所に移動し、その誤差は0.5ミリメートル未満（クレジットカードの厚さ程度）でした。
• 信頼性: Wi-Fi接続は安定しており、長い実験の間も接続が切れたりクラッシュしたりすることはありませんでした。

なぜこれが重要なのか
以前は、テーブルを動かすには人間が物理的にそこにいる必要がありました。今では、科学者は動作を自動化できます。特定のパターンでテーブルを動かすスクリプトを書いたり、あるいはオフィスからボタンをクリックしたりすることができます。これにより、時間の節約になり、人が危険なビームエリアに入る必要性が減り、実験がよりスムーズに進むようになります。

論文は、これらが一つの特定の実験（NA64）のために作られたものであるものの、その設計は非常にシンプルで汎用性が高いため、同じタイプのテーブルを使用しているCERNの他のあらゆる実験でも使用できると結論付けています。それは、エンジンの変更なしに、マニュアル車をオートマチック車に変えるようなものです。

技術概要

技術要約：NA64-DTC 自動制御コントローラーの開発と統合

問題提起
「DESY Table」は、CERNのEast-AreaおよびNorth-Areaの実験施設において、検出器やターゲット（特に電磁およびハドロンカロリメータを用いた固定標的構成）の精密な位置決めを行うために広く利用されている電動プラットフォームである。このプラットフォームは最大103 kgの荷重を扱い、±500 mmの移動範囲を持つ能力を備えているが、操作には手動のコントロールパネルに依存している。このため、構成の調整にはオペレーターによる頻繁な物理的介入が必要となり、位置データもローカルディスプレイでしか確認できない。このような手動への依存は、ビーム活動の効率を制限し、現代の実験に求められるシームレスな自動化・遠隔制御システムへの統合を妨げている。

手法
これらの制限に対処するため、著者らは既存のDESY Tableハードウェアに対して非侵襲的にインターフェースする遠隔自動化デバイス、NA64-DTC（DESY Table Controller）を開発した。手法は、主に以下の3つの開発段階に焦点を当てている。

1. アーキテクチャ設計： コントローラーは、DESY Table背面の28BSM「スイッチ複製（switches duplication）」コネクタに接続される。このインターフェースにより、元の制御電子回路を変更することなく、ボタン押下をエミュレートし、エンコーダ信号を読み取ることが可能となる。システムは、プラットフォームの24 V DC電源から直接給電されるよう設計されており（消費電力 <10 W）、CERNのWi-Fiネットワークを介してワイヤレスで動作する。
2. ハードウェア実装： デバイスの核となるのは、低消費電力、内蔵Wi-Fi、およびコンパクトなフットプリントを備えたESP32-C3-WROOM-2 System-on-Module (SoM) である。ハードウェアは、低電圧のマイクロコントローラと高電圧（24 V）のコントロールパネル信号を安全にインターフェースするために、8個のMOCD223Mデュアルチャネルフォトカプラを使用している。このセットアップにより、方向ボタン（左右、上下、Go）をエミュレートし、非常停止（E-Stop）回路を監視する。光学絶縁されたフォトトランジスタが、両方のモーター軸からの増分エンコーダ出力（AおよびBチャネル）を読み取る。設計には、プラットフォームのリボンケーブルに直接適合して機械的ストレスを最小限に抑えるための、カスタム2層PCBと20ピンIDCコネクタが含まれている。
3. ファームウェアおよびソフトウェア開発： ファームウェアはFreeRTOS上で動作し、クアドラチャエンコーダデコード（ソフトウェアベースの×4デコード）のためのGPIO割り込み処理と、モーター制御ロジックを管理するマルチスレッドアプリケーションを実装している。安全性は、ハードウェア（物理的なE-Stopの監視）とソフトウェアの両方のメカニズムを通じて確保されている。デバイスは、ポート80の組み込みHTTPサーバーを介してREST APIを公開する。
   • ユーザーインターフェース： 2つのインターフェースが開発された。一つは、オペレーターによる直接操作のための軽量なブラウザベースのWeb UIであり、もう一つは、NA64のスローコントロールサブシステムへの統合のためのカスタムEPICS SoftIOCである。EPICS実装には、位置の読み出し、移動コマンド、ソフト移動制限、および非常停止ロジックのためのプロセス変数（PV）が含まれる。

主な貢献

• 非侵襲的統合： 本ソリューションは、元のDESY Tableコントロールパネルを変更したり、外部電源を必要としたりすることなく、完全な遠隔制御と自動化を実現している。
• デュアルモード動作： システムは、コントローラーが接続されている間も、元のパネルが手動オーバーライドのために機能し続ける、同時的な手動および自動操作を可能にする。
• 標準化されたインターフェース： ジェネリックなHTTPベースのREST APIを利用することで、デバイスは実験に依存しない設計となっており、NA64で使用されている特定のEPICS実装以外にも、様々な制御システムへの統合が可能である。
• 安全ロジック： システムには、ハードウェアによるE-Stop監視、ソフトウェアによるE-Stopのアサーション、モーターのストール検知、および設定可能なソフト移動制限を含む、堅牢な安全機能が組み込まれている。

結果
NA64-DTCは、2026年のPS T9およびSPS H4ビームラインにおけるNA64実験ラン中に、正常にコミッショニングされた。

• 性能： テストにより、安定したWi-Fi通信とエンコーダベースの位置追跡が確認された。システムは、全移動範囲にわたって0.2〜0.4 mmのポジショニング精度を達成しており、これは100 PPRエンコーダとファームウェアのデコードから導出された400 counts/mmのスケーリング係数と一致している。
• 運用の成功： デバイスは、ECAL検出器のキャリブレーションおよびビーム方向へのアライメントのために日常的に使用された。また、移動軸が反転しているという未記載のハードウェア挙動を正常に処理し、ファームウェアのアップデートによって修正された。
• 信頼性： システムは、連続使用の長期間においても、非常停止条件の確実な処理やエンコーダ故障の検知を含め、堅牢な動作を示した。

意義
本論文は、NA64-DTCがCERNにおけるビーム活動中の手動介入を減らし、運用効率を向上させるための実用的な解決策を提供すると主張している。当初はNA64実験のために構想されたものであるが、著者らは、ハードウェアの汎用性とHTTPベースのインターフェースにより、本ソリューションがDESY Tableプラットフォームを利用するあらゆるCERNの実験に適用可能であることを強調している。本研究は、レガシーな電動プラットフォームが、侵襲的なハードウェアの改造や外部電源インフラを必要とせずに、遠隔および自動操作のために効果的に近代化できることを示している。他の実験による採用を促進するため、すべての設計ファイル、回路図、およびファームウェアソースは公開されている。