情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

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2023/3/1

円筒折り紙構造を用いた軽量型ロボットアームの制作評価実験
楠木幹也†1謝浩然†1

概要：近年，折り紙構造を用いた柔らかいロボットアームの研究が盛んに行われている．本研究では，代表的な円筒折り紙構造による軽量型ロボットアームの制作に着目し，実際の制作コストや体験の評価実験を行う．具体的には，Twisted Tower，吉村パターン，Kresling パターンの３つの円筒型折り紙構造を手折りしてもらう制作評価実験を実施した．制作評価実験では，それぞれの折り紙構造について，規定時間にわたる制作作業を行ってもらった後，NASA-TLX 法を用いたアンケート評価を実施した．実験結果として，Twisted Tower，吉村パターン，Kresling パター
ンの順に制作負荷が高いことが明らかになった．

1. はじめに
現在，多くのロボットやコンピュータ機械が我々の周りに存在しており．人間とロボットのインタラクションが重要視されているのが現状である．ウェアラブルデバイスとして，ロボットアームを人間の体に取り付けて扱う場合は，より密接なインタラクションが求められる．ウェアラブル
ロボットアームの一つとして，余剰肢ロボットと呼ばれるものがある．これはロボットアームを人間の体に取り付けることで，人間の身体能力を拡張することができる．
一般的には，ロボットアームは硬くて重いイメージがあるが，近年では柔らかい素材を用いた軽量なソフトロボッ
トアームに関する研究も盛んに行われている[1]．ソフトロ

図 1 折り紙型ロボットアームの装着イメージ図

ボットアームは制御の精度が悪いといった課題が存在する
ものの，ソフトロボットアームの長所である柔軟性は，人体との安全なインタラクションをもたらす可能性がある

2. 関連研究[2]．ソフトロボットアームに関する研究の中には折り紙構

2.1 軽量型ロボットアーム

造を用いた研究も存在する[3]．折り紙は安価な素材かつ入ロボットアームの軽量化を目的とした研究を紹介する．

手も容易であるため，その手軽さから多くの人に親しまれ

Hagenah らは，最新の素材を用いることで，軽量なロボッている．折り紙を用いたソフトロボットアームは，安全，トアームの構築方法を紹介した[4]．Lens らは，腱駆動と腱安価，手軽である点から個人でのものづくりに適した要素の弾性を組み合わせたことで，ロボットアームの重量の大を持っていると考えられる．

幅な削減を実現した[5]．Xie らは，伸縮機構を用いたコン本研究では，3 つの円筒折り紙構造によるロボットアーパクトで軽量なロボットアームを開発し，余剰肢ロボット

ムの制作コストの比較を行うため，10 人の被験者を募り，として活用している[6][7]．その他にも，軽量なロボットア

15 分間にわたって 3 種類のロボットアームを制作する実験ームを尻尾デバイスとしても活用している[8]．本研究は，を実施した後，NASA-TLX を用いたアンケートに回答して折り紙構造を用いた軽量型ロボットアームの比較を目的ともらった．そのアンケート結果から，Twisted Tower が 3 つしている．の中で最も制作負荷が高い折り紙構造であることが明らか

2.2 折り紙型ロボットアームになった．今後の課題として，より制作負荷の低い折り紙近年，折り紙構造を用いたロボットアームが提案されて構造や折り方を模索していく必要がある．また，人間身体いる．Twisted Tower 構造を利用したロボットアームは数多の能力を拡張する折り紙構造を用いた余剰肢ロボットの研くの研究がなされている．Wang らは，3D プリンターを用究開発も視野に入れている(図 1).

いた Twisted Tower の製作手法を提案した[9]．VanderHoff
らは，糸で作動する Twisted Tower 構造のロボットアームを開発した[10]．Wu らは，剛体部品のみで構成された Twisted†1 北陸先端科学技術大学院大学© 2023 Information Processing Society of Japan

Tower 機構を開発した[11]．Twisted Tower 構造はロボット317

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アームの他にも Crawling Robot としての用途も存在する

ーンの構造的特徴として，高いねじり剛性が挙げられる(図[12]．吉村パターンに関するロボットアームの研究は数多3)．

く研究されている．Santoso らは，吉村パターンを用いたモジュール式の連続体マニピュレータを開発した[13][14]．
Banerjee らは，吉村パターンを用いて，ぜん動運動可能なロボットを実現した[15]．Onal らは，吉村パターンを用いたいも虫ロボットを開発した[16]．Kresling パターンに関するロボットアームの研究を紹介する．Kaufmann らは，Kresling パターンの双安定性という特徴を生かし，再構成可能な関節運動を実現した[17]．Wu らは，Kresling パターンに基づいた磁気制御のロボットアームを開発した[18]．

図 3 吉村パターン

Matsuo らは，Kresling パターンを用いて，運動構造のみによって高い伸展比と変形性を併せ持つ，多自由度の剛体伸3.3 Kresling パターン

縮機構を実現した[19]．本研究では，余剰肢ロボットの軽Kresling パターンは，双安定性という特徴をもつ折り紙量化を図り，上述した折り紙構造を用いたロボットアーム構造の一つで，円柱の上面と底面をねじることで，軸方向の制作評価実験を行った．に伸縮を発生させることができる(図 4)．

3. 折り紙構造本研究の目的は，円筒型折り紙構造を用いたソフトロボ
ットアーム制作してもらうことで，制作負荷の比較評価を行うことである．比較対象は，Twisted Tower，吉村パター
ン，Kresling パターンの 3 つの折り紙構造である．
3.1 Twisted Tower
Twisted Tower 構造とは，複数の層が積み重なることによ

図 4

Kresling パターンって形成されるモジュール式の折り紙構造である．最初の八角形状の層を 1 段作るためには，縦横比が 1:2 となるよ
うに設定された長方形の折り紙を 24 枚用意し，特定の順序

4. ロボットアームの制作実験に沿って折り曲げ，それらを組み立てる必要がある．以降

本研究では Twisted Tower，吉村パターン，Kresling パタの層は 16 枚の長方形の折り紙を用意する必要がある．層のーンの 3 つの円筒折り紙構造を用いたソフトロボットアー

直径と高さは，長方形の大きさによって決定される．このムの制作実験を行った．3 つの折り紙構造を図 5 に示す．

構造は直線的な伸縮や曲げを生み出すことが可能である

それぞれの構造について，左の図から，適切に折り曲げ組(図 2)．

み合わせることで，右の図のような円筒折り紙構造が作られる．

図 2

Twisted Tower 構造

3.2 吉村パターン
折り紙構造における吉村パターンは，薄い円筒を軸方向に力を加えた際に現れる構造であり，比較的知られている円筒折り紙パターンの一つである．吉村パターンは，ダイヤモンドパターンが連続した構造を持っている．吉村パタ© 2023 Information Processing Society of Japan

図 5 実験に用いた折り紙の構造318

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4.1 実験内容

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80mm となるように，元となる縦横比 1:2 の長方形の紙を3 種類の折り紙構造の制作コスト及びメンタルワークロ

50mm×100mm とした．1 層あたりの高さは通常 30mm 程度

ードを比較調査するために，評価実験を実施した．実験にである．

参加したのは所属大学の学生の 10 名(20 代,男性 9 名，女性4.1.2 吉村パターン構造ロボットアームの制作1 名)である．アンケート評価では,主観的なメンタルワーク

吉村パターンに関しては，本研究は吉村パターンを応用ロード評価手法である NASA-TLX 法を使用する．最初に，した Santoso らの論文[13]を参考に設計した．また，軸方向被験者にそれぞれの折り紙構造について，およそ 2 分程度に伸びている折り目線の交点を頂点とし，それらを結んでで折り方の説明を行った後，15 分間それぞれの折り紙構造できた三角形の外接円をとっている．参考にした論文では，について折ってもらう．被験者が用いる材料は厚さ 0.09mm

モジュール構造として，一つのモジュールにモータや基板のコピー用紙(プラス株式会社，品番 CR-220)で統一した．

等が搭載されているが，試作した円筒折り紙では，折り紙なお，吉村パターンと Kresling パターンは折り目線がつい構造のみを参考に設計している．ている紙を用いており，Twisted Tower については折り方が4.1.3 Kresling パターン構造ロボットアームの制作複雑であるため，最初の説明に加えて，実験の最中でも，Kresling パターンに関して，本研究は Kaufmann らの論文折り方の順序を説明している動画を見ることが可能である．

[17]を参考に設計した．1 層あたりの高さは，およそ 71mm

3 種類全ての制作実験を終えた後に，アンケートに回答しである．Kaufmann らの論文を参考に，折り目以外は厚紙をてもらった．アンケート評価では，7 段階のリッカート尺張り付けることで構造的な強化を行っている．

度(1:全くそう思わない⇔7:とてもそう思う)を使用する．制

4.2 実験結果

作実験中の様子を図 6 に示し，実際の制作物を図 7 に示す．

3 種類のそれぞれの折り紙構造についてのアンケート結果を図 8～10 に示す．
実験の結果としては，Twisted Tower 構造が最も制作負荷の高い折り方であることが明らかになった．Twisted Tower
構造は，NASA-TLX の全ての項目で高いという結果がでており，特に「知的要求」と「努力」が他と比べて高いことから，制作に苦労したことが容易に想像できる．TwistedTower 構造について被験者は，「折り曲げる工程が多く，折り方が難しかったため大変だった．」「初見で折り方を理解するのが難しかった．」「折る工程を記憶するのが難しかったが，覚えた後はスムーズにできた．」「ロボットアームにするのに折るべき折り紙の数が多すぎるため大変だと感じ

図 6 制作実験の様子た．」「動画を見ながらの作業は少し大変だった．」「一番作るのが面倒だった．ロボットアームとしての汎用性は最も高そうだが，作るのが最も難しい．」等の感想があった．実際に，被験者は最初の一つのパートを折るのに多くの時間を要していた．しかしながら，回数を重ねるにつれ，被験者は折る工程を暗記していくため，要する時間はどんどん短くなっていった．このことから，時間が経過するほど制作負荷は減っていくと考えられる．吉村パターンについて
被験者は，「山折りと谷折りが組み合わさっていることにより折りづらかった．」「折るのが難しかった．」「手先の細かい作業が要求されるのでストレスを感じた．」「一つ目が折れたら，二つ目は簡単に折れた．」「完成品の強度が低かったので，ロボットアームとしての実用性は低く感じた．」等の感想があった．今回参考にした吉村パターンに関しては，

図 7 制作実験における制作物折る工程を暗記する必要がない分，Twisted Tower より制作負荷が低かったと考えられる．Kresling パターンについて

4.1.1 Twisted Tower 構造ロボットアームの制作

被験者は，「3 つの中で最も作りやすかった．」「曲げにくい本研究では，Twisted Tower 構造は，VanderHoff らの論文ので，ロボットアームとしての応用範囲は狭そう．」等の感[10]の作成方法を参考に設計した．外接円の直径がおよそ想があった．Kresling パターンは，折る工程を暗記する必© 2023 Information Processing Society of Japan319

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要がなく，折る工程も困難でないため，最も制作負荷が低けた時自重に耐えられずに垂れてしまい，Kresling パターかったと考えられる．

ンは極端に曲げ性能が低い，といった課題がある．その一方で，ロボットアームとしての Twisted Tower 構造は，吉村パターンと異なり自重に耐えることができ，Kresling パターンよりも高い曲げ性能を持っている．しかしながら，吉村パターン，Kresling パターンと比較して，Twisted Tower
構造は制作コストが高いという欠点があると分かった．そこで，制作コストを下げる手法を考案する必要がある．
折り紙構造を用いたロボットアームは，従来のロボットアームと比較して自作しやすいことは明らかである．これらの制作コストをさらに下げることで，誰もがものづくりの一環として興味を持つ可能性がある．また，折り紙構造

図 8

Twisted Tower 構造のアンケート結果を用いたロボットアームを余剰肢ロボットへ適用することができれば，安価で安全に人間の能力を拡張することができる．

参考文献
[1]

図 9

図 10

吉村パターンのアンケート結果

Kresling パターンのアンケート結果

5. まとめ本研究では，Twisted Tower，吉村パターン，Kresling パ
ターンの３つの円筒折り紙構造を用いたソフトロボットアー ム につ い て の 制 作評 価 実 験 を 行っ た ． 結 果 とし て ，Twisted Tower 構造はメンタルワークロードの全ての項目で高い数値がでており，最も制作負荷が高いことが明らかになった．
今後の課題として，より制作負荷の低い折り紙構造や折り方を模索することが挙げられる．吉村パターンは横に傾© 2023 Information Processing Society of Japan

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