情報処理学会 インタラクション 2021
IPSJ Interaction 2021

3B05
2021/3/10

xLimb：収納性と伸縮性を考慮したウエアラブルロボットアーム
丁沢宇†

吉田匠吾†

中村浩太†

鳥居拓馬†

謝浩然†

概要：近年，身体能力の拡張を目的に，両手を使わず作業が可能なウエアラブルロボットアームの研究が進んでいる．
しかし従来のデバイスは，作業を行っていない時でもアームが常に伸びている状態になっているため，腕にかかる負荷が大きく，ほかの作業を行う際に支障をきたすという課題がある．そこで本研究では，腕にかかる負担を最小限にして，アームを用いた快適な作業を可能にするためのロボットアーム xLimb を提案する．収納性と伸縮性を備えることで，長時間の使用でも快適に，かつアームを使用しない時でも省スペースでの作業が可能になる．さらに，本稿では，使用者の実体験に基づき評価実験を行い，本提案デバイスの有効性について考察した．

1. はじめに
近年，人間拡張に関する研究が盛んに行われており，その中でもウエアラブルロボットアームは身体能力の拡張の典型的な例の 1 つとして挙げられる．しかし，既存のウエアラブルロボットアームは，伸縮性を備えていても収納性は備えていない．そのため，デバイスの不使用時であっても常にアームが展開している状態になっており，省スペースでの使用は難しい．また，デバイスの重心が使用者の体から離れているため，使用者およびデバイスの支点となるモーターへの負担が大きいという問題点もある．
本研究は，提案デバイスの設計のヒントとして自然の中に存在する生物に触発され，収納性と伸縮性を兼ね備えた

図 1 提案デバイス xLimb

機構に着目した．例えば，リザメが捕食行動をする際に，を応用した人間拡張には，組み立て作業の支援[3]や，飛行顎を前方へ突出させ獲物を捕獲する．テントウムシは，飛ロボットを用いて身体を拡張できるものなどがある[4]．

行時以外は柔らかい後ろ羽を折り畳み，硬いさや羽の中に一方，人間の重要な器官である手と腕身の能力を拡張す収納することで，羽を使用しない時でも邪魔にならないよべく，装着型ロボットアームについての研究も進んでいる．

う脆弱な羽を保護している．この仕組みを利用することで，例えば，仕組みの最適化をして軽量化したロボットアーム

羽を折り畳んでも嵩張らず，その場の活動に最適な形態を[5]や，簡単な作業を支援する双腕ロボットアーム[6]および選択して活動することができる[1]．

外骨格のように腕を支えるロボット[7]なども挙げられる．

そこで本研究では，コンパクト化に工夫を凝らし，長時これらの研究はいずれも両手が塞がって使えない場合や，間の使用に支障をきたすことないよう，日常生活のサポー直接自身の手で触れずに作業を行いたい場面を支援する機トを目的とする伸縮性と収納性を兼ね備えた装着型ロボッ能が備えている．

トアーム xLimb（図１）を提案する．収納機構及び伸縮機

本研究では，上腕に装着するロボットアームをベースに構を本デバイスに適用することで，使用時の快適性が向上して，収納機構および伸縮機構を導入し，日常作業に使用すると考えられる．例えば，提案デバイスで物を掴み，自する際の利便性を高めることができるロボットアームの開身の方向へ引き寄ることで，腕にかかる負担が軽減される．

発を目指す．

また，デバイス不使用の際に収納することで，負担が軽減されるだけでなく使用者自身や他人の行動に対し邪魔にな

3. 提案デバイス xLimb

ることもない．

3.1 構成以上を踏まえ，本稿では実際に提案デバイスのプロトタ

本提案デバイスは，ベース，ロボット胴体，伸縮機構，イプを試作し，評価実験の結果を報告する．

グリッパー，コントローラで構成されている３自由度ロボ

2. 関連研究ットアームである．回転・伸縮・開閉という三つの動作が人間拡張の研究分野にて，尻尾[2]や第三の腕のような，人図 3 に示す．伸縮機構（歯車ペア含む）の材料は PLA プラ

間が持たない他の生物の器官をロボット技術で模倣し，それを人間の体に装着する研究が挙げられる．ロボット技術実現できる．提案デバイスの仕組みを図 2 に，伸縮機構をスチックで，回転軸の部分ではステンレス製のベアリングと軸を使用している．

† 北陸先端科学技術大学院大学© 2021 Information Processing Society of Japan531

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表1
規格

LDX-335MG

LD-3015MG

DS3235

重さ60g

60g

60g

寸法(mm)

40×20×40.5

40×20×40.5

40×20×40.5

動作電圧

6-7.4V

6-7.4V

5-7.4V

15kg・cm 6V15kg・cm 6V

29kg・cm 5V

17kg・cm 7.4V17kg・cm 7.4V35kg・cm 7.4V

速度0.16sec/60°7.4V

0.16sec/ 60°7.4V

0.11sec/ 60°7.4V

可動範囲

180°

270°

270°

トルク

図 2

サーボモーターの規格と比較

xLimb の構成（青）と自由度（赤）図 4 提案デバイスのプロトタイプ
図 3 伸縮機構の 3D モデル
提案デバイスでは，2 つの歯車の回転軸間の距離に制限があり，片側の歯車だけを駆動させることで，伸縮機構の伸展と回収を制御することができる．
3.2 プロトタイプ開発
図 4 に開発した提案デバイスのプロトタイプを示す．提案デバイスの寸法は 235×72×60 ㎜である（各パーツが収納されている状態およびベースを除いた部分）．展開後の最大の長さは約 550 ㎜（根幹部より先端まで）であり，成人男性の肘から指先までの距離に相当する．コントローラ及び

図 5 提案デバイスの装着様子

ケーブルを除いた重量は 678g である．使用する際に，上腕に装着し，ベルトで固定する．実際に装着する様子を図 5に示す．
提案デバイスに三種類のサーボモーター（LD-20MG・LD-

提案デバイスのグリッパーは，Lobot 社が開発したオーペンソースのロボットアーム LeArm のグリッパーを使用した．グリッパーの本体は金属製品で，駆動源となるモー3015MG・DS3235）が使われており，それぞれグリッパー・ターを含め，合わせて 116g である．グリッパーが全開の場

胴体（伸縮と展開の二箇所）・根幹部（回転）に取り付けて合は最大 57mm の幅および最大 500g の重量の対象物を掴いる．プロトタイプに利用されたサーボモーターの規格のむことができる．

詳細は表１に示す．

提案デバイスのプロトタイプ開発の際に，伸縮機構に関していくつかの問題点に気づくことができた．提案した仕組みでは，伸展していくと同時に伸縮機構が大きくたわみ，© 2021 Information Processing Society of Japan532

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折れる可能性があることがわかった．このたわみによる変形を抑制するために，伸縮機構の外側にサポーター（図 5）を付け加えた結果，強度が顕著に増加した．また，サポー
ターは引き出しの仕組みを参考しているため，伸縮機構とともに動作することが可能である．
本デバイスの 3D モデルは Autodesk Fusion 360 を用いて製作し，パーツはすべて Prusa I3 MK3S ベアフルキット 3D
プリンターを使用し造形した．フィラメント材料は PLA を利用し，プリントに要した時間は約 24 時間である．

4. 評価実験
提案デバイス xLimb の伸縮性・収納性・利便性を検証するために，評価実験を行った．2 種類の実験を行い，それぞれ装着体験およびアンケート調査を行う．装着体験では，被験者に本デバイスを着用した状態で作業を行ってもらう．
アンケート調査は体験前と体験後に行う．それぞれの詳細
図 6 マルチタスク実施の様子(シナリオ 1・2)

は次の段落で述べる．
装着体験では，本デバイスの特徴を感じさせるために，三つの利用シナリオを用意した．
1)

両手で大型の荷物を持ちながら，ロボットアームでメモやスマホを運ぶ．（図 6）2)ロボットアームを展開または収納した状態で狭い場所を通り抜ける．（図 6）3)

自由にロボットアームをコントロールする．（図 7）

シナリオ 1 では，マルチタスクを同時に実行することを通して，装着型ロボットアームの利用体験を確認する．シナ
リオ 2 では，展開した状態と収納した状態で別々の作業を行う比較実験を実施する．シナリオ 3 では，被験者自身の判断で本デバイスを操作し，可動範囲と機能について確かめてもらう．
アンケート調査は装着体験の前後で実施する．体験前のアンケート調査は，被験者に本デバイスを見せる前に行う．
調査の目的は，被験者にとって理想的な装着型ロボットアームを報告してもらうことである．調査の項目は以下のと
図 7 自由操作の様子(シナリオ 3)おりである．
⚫

考えられる利用場面⚫

重視する特徴⚫

身体に装着したい部位⚫

デバイスの理想的な長さ

5. 結果と考察
5.1 実験参加者

体験前アンケート調査の結果を分析することで，理想的実験には，大学に在籍する学生計 14 名（男子７名，女子な装着型ロボットアーム開発の方向性を検討することがで７名）が参加した．被験者の年齢は，20-25 歳 9 名，26-30きる．体験後のアンケート調査の目的は，提案デバイスを歳４名，30-35 歳 1 名だった．

被験者に体験してもらったうえで，伸縮性・収納性・利便5.2 体験前アンケート
体験前のアンケート調査結果の要約を以下に示す．

性についての実感を評価することである．各設問には 5 段階評価を用いた（5：とてもそう思う〜1：全くそう思わな⚫

「肉体労働に使用して強くなりたい」および「触りたくないものに対し手の代わりに使いたい」という利用い）．

場面が最も多く考えられる．
⚫

© 2021 Information Processing Society of Japan

伸縮性より，収納性がもっとも重要視されている．

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ほとんどの被験者がロボットアームの利便性と操作性を重要視している．

⚫

理想的な装着部位として前腕を選択する人の割合は 6割である．

⚫

大多数の被験者にとって理想的な装着型ロボットアームの長さは，基準となる長さの 1－1.5 倍である（被験者の肘からグリッパーまでの距離を基準となる長さとした）．
被験者が回答を行う際に，質問事項を関連した物として考えることが少なく，1 つの個別の質問として捉える傾向がみられ，選ばれた選択肢に矛盾が生じる場合があった．
例えば，前腕を理想的な装着部位と選ぶ被験者が一番多かったが，肉体労働での使用を想定した場合，ほかの部位に装着するよりも肘および肩にかかる負担が大きいと考えられる．つまり前腕にロボットアームを装着することは，肉体労働での使用に適切であるとは言えない．こういう状況を踏まえて，設計者の立場からアンケートの調査結果を見直す必要がある．
被験者の意見を整理し，理想的な装着型ロボットアーム
図 8 評価実験のアンケートの結果の全体像を以下のようにまとめる．
⚫

やや重いものでも持ち上げられる．

⚫

展開後の長さは肘から指先までの距離の 1－1.5 倍．

変更する，などの一部の材料変更が挙げられる．ただし，⚫

装着する際は快適であり，収納機能があるデバイス．

全体的な重量が増加しないよう，仕組みの簡素化も必要でまた，本グループが開発したデバイスと，調査結果からある．また，伸縮比を高くする代わりに強度が高い他種類得られた理想的な装着型ロボットアームを比較してみると，の伸縮機構を使用する方法も考えられる．当初，本デバイ伸縮機構の伸縮比よりも，デバイスの強度が求められるこスを提案時は可動範囲を出来るだけ拡張するために，伸縮とが明らかになった．

比の高いマジックハンドのような機構を使用した．しかし，5.3 体験後アンケート機構の伸展に伴い本デバイスの根幹部に設置されているモ体験後のアンケート調査の結果をまとめ，図 8 に体験後のアンケートデータを箱ひげ図で可視化した．

ーターおよび使用者の腕にかける負担も増加する．ほかにも，アンケート調査の結果により，ロボットアームの長さ

アンケート結果から，本デバイスの伸縮性および収納性は基準の長さ（肘からグリッパーまでの距離）の 1-1.5 倍がの評価項目に対する平均得点がそれぞれ 4.14，3.86，3.86，理想的な長さだと判明した．この長さよりも短い長さであ3.71 であることが確認できた．また，展開時に比べ，収納れば，伸縮比の低い機構を使用してもコンパクトな体積を時の不便さが 21.3％低下した．快適性の平均得点は 3.21 で維持することが可能だと考えられる．

あり，我々の予想よりも高くない結果となった．考察とし(2) 装着する際の快適性も指摘された．肘の上部に圧力て，被験者の 5 割が女性であり，本提案デバイスが少し重を感じると報告されており，その解決案を以下のように考いというフィードバックもあったことから，これが快適性えた．(a) ベースにクッションをつけて，圧力を分散させる;の得点が低下する 1 つの原因と考えられる．本デバイスの(b) ハーネスを利用し，装着の際に上腕にかかる負担を一

評価を全体的にみると，被験者からのポジティブな回答が部胴体に分散させ，快適性を上げる．

多くみられ，開発する前に立てた目標を達成したと言える．
5.4 フィードバック(3) 操作しやすいコントローラを設計すべきである．本
研究では，デバイスの操作性を研究対象としないため，被アンケートの自由記述にて回答された被験者のフィード

験者にボタン式のコントローラを提供しており，そのコンバックに応じて，本デバイスの今後の開発方針を立てる．

トローラでロボットアームを操作している．本提案デバイ

以下，3 つの改善点を具体的に述べる．

スを体験する際の，操作のしにくさがネガティブな印象を(1) 伸縮機構の強度を向上させる必要がある．本デバイ与えていると考える．次の実験において，WIFI モジュールスが用いている伸縮機構の伸縮比は高いが，同じ材料を使などを利用し，コントロールを無線化できるように取り組用する他の種類の伸縮機構に比べ，強度が劣っている．そみたい．の解決策として，強度が十分求められる部品を金属製品に© 2021 Information Processing Society of Japan534

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6. おわりに本研究では，収納性と伸縮性を備えたロボットアームを提案し，軽量化した小型装着型ロボットアーム xLimb を提案した．評価実験を通して，本システムの収納性や利便性などを評価し，本デバイスのパフォーマンスおよび研究の方向性を検証した．
今後の課題として，全体的な構造を最適化し，本システ
ムのさらなる軽量化や可動範囲の拡大を検討し，動作の柔軟性の強化を図ることである．また，人間工学に基づきユーザが制御しやすいコントローラを模索するとともに，自動的な制御手法の導入も視野に入れる．将来は，提案デバ
イスを用いて多様な場面に応用できることを期待する．

参考文献
[1]

丁沢宇，吉田匠吾，中村浩太，鳥居拓馬，謝浩然，“伸縮機構を備えた装着型ロボットアーム xLimb の開発”， HCG シンポジウム 2020，I-1-2，Dec. 2020.

[2]

Haoran Xie, Kento Mitsuhashi, and Takuma Torii. “Augmenting
Human with a Tail”, Proceedings of the 10th Augmented Human
International Conference 2019, Association for Computing
Machinery, Article 35, pp.1–7, New York, NY, USA, Mar. 2019.

[3]

Bright, Lawrence, H. Harry Asada, “Supernumerary robotic limbs
for human augmentation in overhead assembly tasks”,
Massachusetts Institute of Technology, Department of MechanicalEngineering, pp.91-95, 2017.

[4]

吉田成朗,鳴海拓志, 橋本直, 谷川智洋, 稲見昌彦, 五十嵐健夫, 廣瀬通孝, “ジェスチャ操作型飛行ロボットによる身体性の拡張”, 情報処理学会インタラクション論文誌, pp.403408, 2012.

[5]

Akimichi Kojima, Hirotake Yamazoe, Joo-Ho Lee, “Wearable
Robot Arm with Consideration of Weight Reduction andPracticality”, Journal of Robotics and Mechatronics vol.32, no.1,
pp.173-182, Feb. 2020.

[6]

Tomoya Sasaki, MHD Yamen Saraiji, Charith Lasantha Fernando,
Kouta Minamizawa, and Masahiko Inami. 2017. MetaLimbs:
multiple arms interaction metamorphism. In ACM SIGGRAPH
2017 Emerging Technologies (SIGGRAPH '17). Association for
Computing Machinery, Article 16, pp.1–2, New York, NY, USA,
2017.

[7]

Ritik Looned, Jacob Webb, Zheng Gang Xiao and Carlo Menon,“Assisting drinking with an affordable BCI-controlled wearable
robot and electrical stimulation: a preliminary investigation”,
Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation vol.11:51, Apr.
2014.

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