情報処理学会 インタラクション 2022
IPSJ Interaction 2022

3D112022/2/21

シリンジ操作を可能にする対称性を考慮した
8 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の試作赤羽克仁†

概要：本研究では，シリンジ操作を可能にする 8 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の提案を行う．空間的な対称性を考慮した合計 12 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，シリンジのプランジャーの操作を並進と回転の 2 自由度として，合計 8 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，剛体操作を行う VR 環境を構築した．

1. はじめに６自由度の力覚提示のみならず，外筒と内筒の関係を並進と回転の 2 自由度として力覚提示することを目的とする．

近年，計算機処理能力の飛躍的な発展により，比較的容易に 3 次元 VR（Virtual Reality）空間を構築できるようになってきた．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提示装置の開発がされている[1][2][3][4][5]．VR 技術は様々な分野で応用されているが，本研究ではシリンジを用いた操作に着目する．

図 2

8 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の外観

2. エンドエフェクタの設計
本研究では，シリンジ操作を実現するエンドエフェクタの提案を行う．以下で詳しく特徴を述べる．また，モータ
図 1

8 自由度のシリンジ型エンドエフェクタ側の糸出口については直方体の頂点と辺の中点に対し図 2の配置とした．

シリンジは，外筒と内筒（プランジャー）からなる．正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

しい穿刺方法を身につけなければ，重大な医療事故が発生

フェクタ側の糸取り付け点の座標を𝒅! (𝜽)とする．長さ（2𝑏）する可能性がある．しかしながら，訓練のために実際のシが一定で𝑦軸方向に平行の線分𝒅" (𝜽)𝒅# (𝜽)があり，その線分リンジや穿刺対象を用意するのは困難である．そこで，VRの中点は原点に一致している．また長さ（2𝑎）が一定で𝑥𝑦空間で，シリンジ操作が可能となれば，訓練やシミュレー

平面に平行な線分𝒅$ (𝜽)𝒅% (𝜽)があり，その線分の中点は𝑧軸ション，遠隔操作など様々な応用が期待できる[6][7][8]．本上にあり直動するシリンジ型のエンドエフェクタを考え論文では，シリンジ操作を実現する 8 自由度ワイヤ駆動型

る．線分𝒅$ (𝜽)𝒅% (𝜽)と線分𝒅" (𝜽)𝒅# (𝜽)の距離を𝛼 ，線分

力覚提示装置の提案を行う．シリンジ全体の位置・姿勢の𝒅$ (𝜽)𝒅% (𝜽)と𝑥軸のなす角を𝛽とすると，各糸の取り付け点† 東京工業大学 科学技術創成研究院© 2022 Information Processing Society of Japan436

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3D11
2022/2/21

𝒅! (𝜽)の座標は𝒅$ (𝜽)＝(𝑎 cos 𝛽𝑎 sin 𝛽𝒅% (𝜽)＝(−𝑎 cos 𝛽𝒅" (𝜽)＝(0 𝑏𝒅# (𝜽)＝(0 −𝑏𝛼)&−𝑎 sin 𝛽𝛼)&0)&0)&(1)(2)(3)(4)となる．
エンドエフェクタ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．このエンドエフェク
タの特徴は，シリンジの外筒を線分𝒅" (𝜽)𝒅# (𝜽)で表し，内筒を線分𝒅$ (𝜽)𝒅% (𝜽)で表しており，シリンジの外筒と内筒の関係を並進と回転の 2 自由度で表現している点である．ま図 3

シリンジを使った VR 操作環境（3D パズル）

謝辞

本研究は科研費 JP20K11916 , JP17H00754 の助成

た，４つの糸取付点に対し空間的に対称に糸を張るために，各糸取付点に対し 3 本の糸で駆動する特徴がある．

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3. 試作機の製作提案する合計 12 本の糸による 8 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[9][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．
シリンジを使った VR 操作環境の例として，評価実験のために作成した 3D パズルの VR 世界を構築した．提案装置を用いた操作の様子を図 3 に示す．剛体物理シミュレーションによる VR 空間内の 3D パズルのピースをシリンジを使い操作し，シリンジのプランジャーへの操作力を感じながら床面や薄紫色の固定物体，物理則に従う剛体などとのインタラクションが可能である．

4. まとめ本研究では，シリンジ操作を実現する 8 自由度ワイヤ駆動型力覚提示装置の提案を行った．シリンジの外筒と内筒の関係を並進と回転の 2 自由度を可能にする合計 8 自由度の力覚提示を可能にするエンドエフェクタの提案を行った．
空間的な対称性を考慮し，合計 12 本の糸で 8 自由度の力覚提示を実現するエンドエフェクタを設計した．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，シリンジを使った剛体操作の VR 環境の構築を行った．

© 2022 Information Processing Society of Japan

謝する．

参考文献
[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] 赤羽克仁:"自然な把持操作を実現する 7 自由度ワイヤ駆動型
力覚提示装置の開発", 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 25 巻, 4 号, p.356-365 (2020)[4] P. Lambert and J. Herder:"A novel parallel haptic device with 7
degrees of freedom," 2015 IEEE WHC, Evanston, IL, p.183-188(2015)[5] S. Perreault, A. Talasaz, A. L. Trejos, C. D. W. Ward, R. V. Pateland B. Kiaii:"A 7-DOF haptics-enabled teleoperated robotic
system: Kinematic modeling and experimental verification," 2010
3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical
Robotics and Biomechatronics, Tokyo, p.906-911 (2010)[6] 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)[7] B. Gonenc and H. Gurocak:"Haptic interface with hybrid actuatorfor virtual needle insertion and tissue cutting," 2012 IEEE Haptics
Symposium, Vancouver, BC, p.451-455 (2012)[8] 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)[9] 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)[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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