計測自動制御学会東北支部第161回研究集会（1996．6．2畠）
資料番号161−11

人間の把持機能の実験的考察
ExperimentalStudyonHuman，sGraspingFdrce○植北祥充，中沢信明，猪岡光
OYbshilnitsuUekita，NobuakiNakazawa，HikaruInooka

東北大学大学院情報科学研究科
GraduateSchoolofInformatio皿Sciences．TbhokuUniversity
キーワード：把持力（graspingforce），加速度（acceleration），重心（centerofgravity），モーメント（moment）
連絡先：〒鍋0−77 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学情報科学研究科システム情報科学専攻
植北祥充，Tel・‥（022）21T−7021，Fax・＝（022）21丁一7019，E−mai1＝tLekitdcontr0l．iき，tOhoh．zLC．jp

1． はじめに

人間の把持特性は，まだ十分に明らかにされていなⅤヽ．

現在使用されてVlるロボッい、ンドは，取り扱

本研究では，重心に偏りのある物体を持ち上げ，う物体が限定された簡単なものが多い．LかL次移動させるときの人間の把持特性について実験的世代のロボットでは，複雑でより高鹿な作業のでに考察を行う．まず物体の重心が中心にある場合きるものが要求される．そこで近年，人間の手のにおいて，移動時の加速度によって生じる慣性力ように優れた横能を持つロボットハンドの研究・と把持力との関係を明らかにする．次に，重心が開発が行われている．人間は物体を扱う作業を行中心にない場合の人間の把持特性について考察すう場合，まず視覚的に物体の形，大きさを認識L，る．このとき．物体を滑らせないで把持するため把持できる位置を決める．次に指を接触させ，滑の理静値を求め．実験値と比較を行う．同時に回り具合などにより力の大ききを決める．人間はこ転モーメントの変化による影響について調べる．のような把持動作を無意識に行うことができる．
これらの把持機能は．ロボットハンドに適用する

2．実験装置および方法ため様々な考察がなきれてきたII2・3・4）（i）重心が中心にある場合人間は取り扱う物体の重心位置が分からない場

把持力測定装置をFig．1に示す．ただL，Fig．1の合であっても．その物体を簡単に持ち上げ．また水平を保ったまま移動させることができる．これ

重りWは付加Lないので，把持物体の重心は中心は人間が状況に応じて把持力をうまく制御してtlにある．

るためと考えられる．このように物体の重心に偏（ii）重心が中心にない場合

ここでは，Fig．1に示されるように重りWを付りがあり．回転モーメントが作用Lているときの−1一3．実験結果および考察

加することにより，把持物体の重心位置を中心からずらす．そのため把持物体を水平にしたときに3．1把持力の実験値は，回転モーメントが生じるようにする．

（i）重心が中心にある場合

被験者はセンサA凧Cをそれぞれ親指，人差し約0．6秒の周期で把持物体を上下に振動させた指．薬指により把持する．物体に加えられた把持ときの実験結果をFig．ユに示す．（a）は把持物体の力は．歪ゲージにより測定される．次に把持力お位置と加速度，（b），（c）はセンサA，B，Cに働く把持よび位置の測定装置の構成をFig．2に示す．把持物

力旦，手打粍である．ただし加速度は．位置のデー体の位置は，レーザ変位計により測定される．歪タを数値微分することにより求めている．図より，ゲージとレーザ変位計からの出力は．A／Dコン

把持力と加速度の変化の周期はほほ等Lくなってバータを通して10ms毎にコンピュータに取り込いる．また巨熊と凸がほほ等しいので．物体の中まれる．

心国りにモーメントは生じていない．このように，実験は机上に置かれた把持物体を持ち上げ，そ人間は無意識に把持力を加速度の変化に合わせてして水平を保ちながら周期的に上下ヒ振動させる調節Lていることが分かる．というものである∴観験者は20〜30歳の男性で．
†︼実験を行う．

■りウ●．ヰ

一■0l王】¶m一触（a）位置と加速度﹂︳−

昔﹄▲−▲一Fig，1把持力測定装置
三つ45▲5Ⅶm扇島）（b）親指の把持力FJtエコ加（可（可人差し指おょび薬指の把持力巧，FJ

Fig．2 測定装置の構成

Fig．3 上下振動の結果（i）−2−忘阜盲竜長巧j

予め10回桂皮練習を行い．把持動作に憤れてから

（ii）重心が中心にない場合（i）重心が中心にある場合

Fig．5に示されるように，鉛直上向きに加速度n一約0．6秒の周期で把持物体を上下に振動させた
ときの実験結果をFig．4に示す．重心が中心にあるが働いているモデルを考える．ここで点A（ェ丑，恥），場合と同様．把持力と加速度の変化甲周期はほほ月（勘高批），C（∬亡灘）は．それぞれ把持カ月，薫，凸が等しくなっている．ただL．為と為の大きさと振作用する点卜点G（．r，朝）は把持物体の垂心であ幅は異なっている．すなわち．物体の中心回りにる．ただし．把持物体の中心は重心と等しいとしモーメントが生じている．ている．把持物体の運動方程式は次式で示される．

ユ．2 把持力の理論値

m甘α＝ム＋J2＋ムー川増

ここでは前節の実験のモデルを考え，物体を滑ただし，l〟≦〝月，ダ1＝蔦＋昂，筏＝坑であらせないで把持するための最小の把持力を理論的る．また用いた記号は，以下の通りである．に求める．

n，蔦，凸：センサA且Cに働く把持力（Ⅳ）
ん長，ム：センサA，B，Cに働く摩擦力（叫m ‥把持物体の全質量（kg〕
α：加速度（m／s2）
g・＝重力加速度（m／s2）〝：静止摩擦係数
以上より，把持物体を滑らせないための条件は次コ式となる．
1¶m（ぎ）何位置と加速度丁■旦≧lm（g＋刷爪V

2Il
lm（g＋可l4〃「一b︵と首﹄lU〇

為＝fも≧4

コ245¶血搾（i）

仲）親指の把持力れ

■Y

吾
一〇
▲﹁lエコ

▲

加（さIFig．5 把持物体のモデル（i）（C）人差し指お上び薬指の把持力アユ．巧Fig．4 上下撮動の結果（ii）

冊3一〔1）

ただし．等号は最小の把持力のときに成り立ち，Table．1実験装置の各パラメータ（i）
P乱√ameter

このときの値を理論値町，ぢ，打とする・ここで実験装置の各パラメータは，T乱ble．1に示される通Umit

Ⅴ山ue

打10．58〝0．41kgりである．

ヰ︼
hU︳J0吼

持力の実験値旦，坑，昂および理論値fT，軍，胃で爪Vの位置と加速度．（b），（c）はセンサA，B，Cに働く把4

盲盲j−一善良の理論値牲ぢ，ぢをFig．6に示す・（a）は把持物体ある．固より，把持力の実験値と理韓値の周期は■l0

ほほ等しくなっている．すなわち，人間は加速度】−ユヰによる慣性力を補うように把持力を変化させ，物■Ⅶmd書）（a）位置と加速度体の移動動作を安定化させていることが分かる．
把持力の実験値と理論値の差と把持物体の位置の関係をFig．7に示す．ここでAれ＝凡−fT，dfち＝坑一ぢ，d屯＝昂一帯である・固より，把持力の実験値と理論値の差は一定ではなく，その差の変化は位置の周期にほぼ等しいことが分かる．すなlコ

14Ⅶ山一（轟I（b）親指の把持力FJおよび理論値F；わち，位置が最大のときに人間の把持力の実験値および理論値は最小になるが，両者の差は最大となる∴遣に位置が最小のときには両者の値は最大となるが．差は最小となる．これは人間が慣性力により把持力を弱められるときでも，把持物体を落とすという危険性のため．ある程度以上弱められないためと思われる．

1ヱユ

45Tlmd古）（c）人差し指および薬指の把持力巧，F声よび理論値F；ボ（ii）重心が中心にない場合（i）と同様にして．Fig．8に示されるように，鉛直Fig．6 上下振動の実験値と理論値（i）上向きに加速度￠が働いているモデルを考える．ただし‥貴叫∬d胡）は把持物体の中心．点叫∬亡，封ビ）は重りWの重心で，その他の記号は．Fig．5と同様である．把持物体の運動方程式およぴモーメン
トの釣り合V、は次式で示される．

mα＝ム＋ム十お−mg

l

（4）

3

Z

■

Tlm亡（夢lmひα（ごd−ご亡）＝茄（加一批）

Fig．7 把持力の実験値と理論値の差と把持物体
一馬（弘一即d）−mug（和一茸亡）（5）の位置（i）−4−

富貴盲竜屋層与つー

これらの値を（2），（3）式に代人して求めた把持力

T乱ble．2 実験装置の各パラメータ（ii〕

ただし．1川≦山n，∫1＝凡＋昂である・ここで．

P乱ra．meterm岨は重りの質量（kg）であり，その他の記号は（i）

川・Ⅷと同様である．

Ⅶ1ⅦeUmit

0．17

kg0．194r 」．

ここで簡単化のために，訂d＝（∬。＋∬も）／2，恥一∬d一諾e33mm

弘＝恥−‰，∬ふ＝ヱ。，鮎＝ydとする・以上より，

yd￣訂r25mm

把持物体を滑らせないための条件は次式となる．
lm（g＋州∫1≧

軸瞑Im帥）（−ご）lつ．■．

ただし，ど＝領一∬g）山一一拍である・等号は最つ■∧V

小の把持力のときに成り立ち，このときの値を理■

論値程，巧，埠とする．ここで実騎翠置の各パラ
さ■

ユメータは．Table．2に示される通りである．

¶m亘8）（a）位置と加速度

これらの値を（6），（7），（8）式に代入して求めた把持力の理論値町，ぢ，帯をFig．引こ示す．固より．（i）
しくなっている．把持力の実験値の振幅は，理論ー○

宣首岳﹄と同様に把持力の実験値と理論値の周期はほほ等▲7値と同様にそれぞれの指によって異なっている．把
持力の実験値と理論値の差と把持物体の位置の関係をFig．10に示す．固より，（i）と同様に把持力のlエコヰ¶m亡（■）（b）親指の把持力F∫および理論値F；

実験値と理論値の差の変化は任意の周期にほほ等しいことが分かる．

OIエコ

ヰ

Ⅶ血絆巾）

（￠）人差し指および護持の把持力Fヱ，杓お上び理論値ポ．ポ
Fig．9 上下振動の実験値と理論値（ii）

Fig．8 把持物体のモデル（ii）−5−5√仇竜盲卓已．tぢリY

最■m（g川吉川

1

ユ1

三4

き45

¶m亡瑚Ⅶmd且）Fig．11モーメント

Fig．10 把持力の実験値と理論値の差と把持物体の位置（ii）を変化させていることが分かった．ただし，把持力を弱めるには限界があるようである．また．重心

3．3 モーメントに偏りのある物体を動かしたときには．物体に生

ここで把持物体の重心が中心にない場合の，把じた慣性力を補う力は．把持する指によりそれぞ持物体の中心点回りのモーメントにつt、て考える．

れ大きさが異なっている．その大きさはモーメン

Fig．8の点叫町側）の左回りのモーメントを考Iに上る回転を抑制するように変化しており．人

えた場合，重りWに関して慣性力によって生じる間は傲妙に把持力を調整していることが確認されモーメント加「は，次式のようになる．

た．

人間は以上の動作を無意識で行うことにより，加「＝ml血＋軸木一昔亡）（9）

物体の移動動作を安定化させている．
一方，把持力薫，為の差によって〟書を相殺する
モーメント〟は，次式のようになる．

参考文献
1）金一換，仕入英武，猪岡光＝人間の把持力制御特〟＝（範一馬）（訂d−恥）性の実験的考覿人間工学，2中一2，95／102（19g封（10）2）川合悟，木下博，生田香明：摘み持ち上げ運動の諸条件が空間保持力に及ほす影響，日本バイオメ

モーメント〟■，−∬をFig．11に示す．固より．理カニクス学会第11回大会論集，1ユ8／142（1992）

論値∬−と実験値−〟は周期．値ともに合敦して3）中沢信明，旭浦良淳．猪岡光：物体の移動動作におおり．把持力の差によるモーメントは．慣性力にける人間の把持特性に関する研究，第5回ロボッ

トシンポジウム，2ユ3／238（1995）

よる回転モーメントを抑制するように働いている

4）飯田健夫，倉井賢一，川村貞夫：把持操作におけことが分かる．ここでは把持力晶の振幅を彗よるSi姶Weight勒果，第缶回ロボットシンポジウム，り大きくすることにより，モーメントを調整して229／232（19閑）与）永井浦，吉川恒克多指ハンドによる対象物の把いる．

墟と操りの力学，日本ロボット学会乱丁−591／95（198射

4． おわりに6）中村仁彦＝把持とあやつり，計測と制御∴拍−3即12（1990）

本研究では，物体を持ち上げ．移動させるとき

丁）中野栄二小森谷鳳新井健生：ロボット工学応用

技術．40／軋養賢堂（19酌）の人間の把持特性について調べた．その結果，人間は加速度による慣性力を補うように，把持力

ー6一