情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

2B-47
2020/3/9

自然な把持操作を可能にする
７自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の試作

赤羽克仁†1中本高道†1

概要：本研究では，自然な把持操作を実現する 7 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の試作を行う．合計 8 本のワイヤにより，エンドエフェクタの並進・回転の 6 自由度の力覚提示のみならず，把持操作を追加の 1 自由度として合計 7自由度の力覚提示を実現することを目的とする．実際に試作機の製作を行い剛体物理シミュレーションにより構築された VR 空間において，把持を伴う剛体操作の VR 環境の構築を行った．

1. はじめに
近年，3 次元空間での操作を行うためのヒューマンイン
タフェースとして，力のフィードバック機能を有する力覚

タ側の糸出口を通り，モータ軸のプーリにより糸が巻き取られる．モータ側の糸出口座標とエンドエフェクタを構成するためのパラメータにより，力覚提示装置の幾何学的特性が決定する．

提示装置の開発がされている[1][2][3][4]．VR 技術は様々な分野で応用されているが，本研究では把持操作に着目する．
力覚提示装置を用いて操作する対象物を操作する際に，現実世界で操作者が物体を多指で操作する際に行う把持を力覚提示装置において実現する．剛体などの操作には並進と回転の 6 自由度の力覚提示装置が必要であるが，この把持操作を実現するために，エンドエフェクタの自由度を上げ把持操作の 1 自由度を追加することで実現する．このようなエンドエフェクタの多自由度化の研究は，訓練やシミュレーション，遠隔操作など様々な応用が期待できる[5][6][7]．本論文では，自然な把持操作を実現する７自由度
ワイヤ駆動型力覚提示装置の試作を行う．ワイヤ（糸）は押すことができないので，n 自由度の力覚提示装置を構築する為には n＋1 以上の糸でエンドエフェクタを駆動する必要がある．本研究では 8 本の糸により，7 自由度の力覚

図 1提示を実現する（図 1）．試作機を製作し，剛体物理シミュレーションにより構築された VR 世界において，把持を伴試作機の 7 自由度ワイヤ駆動型
力覚提示装置の幾何学的特徴

このエンドエフェクタの特徴は，四面体の辺を操作者

う VR 物体の操作環境を構築した．

が把持することで，糸の干渉を抑え，自然にエンドエフェク

2. エンドフェクタの設計タを操作することが可能な点にある．把持の方向とエンド提案するエンドエフェクタを図 2 に示す．エンドエフェク
タに固定された座標系からみたエンドエフェクタ側の糸取り付け点の座標𝒅" (𝜃)とする．辺の長さ𝑎の正四面体を考える．正四面体の１辺を取り除き，取り除いた辺の対辺を回転軸とするエンドエフェクタを考える．四面体の重心を原点にとり，面𝒅' (𝜃)𝒅( (𝜃)𝒅) (𝜃)と面𝒅' (𝜃)𝒅( (𝜃)𝒅* (𝜃)のなす角を2𝜃とすると，各糸の取り付け点𝒅" (𝜃)の座標は式(1)〜式(4)となる．ただし，𝑏 = 𝑎√3/2である．エンドエフェクタエフェクタ内の回転が一致しており，シンプルで軽量なエンドエフェクタの実現が可能である．しかしながら，欠点として把持する方向への反力（正方向）の力覚提示（把持力）は可能であるが，その逆方向（負方向）への力覚提示が困難である点がある．しかしながら，多くの操作は物体を把持し操作する把持の正方向の力覚提示が必要な操作であり，把持の負方向の力覚提示は必要性が乏しい提示方向であると考える．に接続される糸はそれぞれ図 2 のような配置となり，モー†1 東京工業大学© 2020 Information Processing Society of Japan658

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図 22B-47
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試作機のエンドエフェクタ
2𝒅' (𝜃)＝ 1

40*

2𝒅( (𝜃)＝ 1− **0cos 𝜃84*9(1)cos 𝜃89(2)図 3 試作機の操作の様子
謝辞

本研究は科研費 JP17H00754 の助成を受けたものです． 東京工業大学名誉教授佐藤誠先生に感謝する．
𝒅* (𝜃)＝ 10 𝑏 sin 𝜃

4− * cos 𝜃8𝒅) (𝜃)＝ 10 −𝑏 sin 𝜃

94− * cos 𝜃8(3)

参考文献
9(4)

3. 試作機の製作提案型の 7 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の試作機を作成した．我々がこれまで研究開発してきた高解像度力覚提示システム[10][11]に本研究による提案手法を実装することで実現した．VR 世界には剛体物理シミュレータ Open
Dynamics Engine を用いて構築した．VR 物体とエンドエフェクタの接続には 6 自由度バーチャルカップリングを用いることで並進と回転の操作を可能にした．7 自由度目の把持力の生成にはペナルティ法による反力生成手法を用いた．
操作の様子を図 3 に示す．VR 空間内の黄色の立方体を把持操作し，把持力を感じながら床面や紫色の固定物体，物理則に従う黄色の剛体球などとのインタラクションが可能である．

4. まとめ
本論文では，自然な把持操作を実現する 7 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の試作を行った．本研究では８本のワイヤにより，7 自由度の力覚提示を実現するエンドエフェクタを試作した．試作機の製作を行い剛体物理シミュレーシ
ョンにより構築された VR 空間において，把持を伴う剛体操作の VR 環境の構築を行った．

© 2020 Information Processing Society of Japan[1]佐藤誠，平田幸広，河原田弘，"空間インタフェース装置
SPIDAR の提案", 電子情報通信学会論文誌 Vol.J74-D2,o.7,p.887-894 (1991)[2]金時学, 長谷川晶一, 小池康晴, 佐藤誠, "7 自由度力覚ディスプ
レイ SPIDAR-G の提案", 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 7 巻, 3 号, p.403-412 (2002)[3]P. Lambert and J. Herder:"A novel parallel haptic device with 7degrees of freedom," 2015 IEEE WHC, Evanston, IL, p.183-188(2015)[4]S. Perreault, A. Talasaz, A. L. Trejos, C. D. W. Ward, R. V. Patel and
B. Kiaii:"A 7-DOF haptics-enabled teleoperated robotic system:
Kinematic modeling and experimental verification," 2010 3rdIEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical
Robotics and Biomechatronics, Tokyo, p.906-911.(2010)[5]Dongjin Huang, Pengbin Tang, Xianglong Wang, Tao Ruan Wan,
Wen Tang:"New haptic syringe device for virtual angiography
training," Computers & Graphics, Volume 80, P.97-103 (2019)[6]B. Gonenc and H. Gurocak:"Haptic interface with hybrid actuator forvirtual needle insertion and tissue cutting," 2012 IEEE Haptics
Symposium, Vancouver, BC, p.451-455 (2012)[7]Pepley DF, Yovanoff MA, Mirkin KA, Miller SR, Han DC, Moore
JZ:"Integrating Cadaver Needle Forces Into a Haptic RoboticSimulator." ASME. J. Med. Devices. (2017)[8]長谷川晶一，井上雅晴，金時学，佐藤誠，"張力型力覚提示装置のための張力計算法"，日本ロボット学会誌 Vol.22, No.5,
pp.68-73 (2004)[9]吉川恒夫，"ロボット制御基礎論" 株式会社コロナ社 (1988)[10]赤羽克仁，長谷川晶一，小池康晴，佐藤誠，"10kHz の更新周
波数による高解像度ハプティックレンダリング"，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，vol.9, no.3, pp.217-226 (2004)[11]赤羽克仁，小池康晴，佐藤誠， "安定性と忠実性を両立させる高解像度力覚レンダリングの開発", 情報処理学会論文誌,
vol.48, no.3, pp.1316-1325 (2007)

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