1P1-W09

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3 自由度直動パラレル機構を利用した装着型指先触覚提示装置の開発
Development of a Fingertip Tactile Device
using a 3 DoF Parallel Mechanism with Vertical Fixed Linear Actuators
○正小水内俊介
佐藤佳吾
西崎圭祐
正近野敦（北海道大学）
Shunsuke KOMIZUNAI, Keigo SATO, Keisuke NISHIZAKI and Atsushi KONNO (Hokkaido University)
[email protected]
A tactile device which utilizes a 3 degree of freedom small parallel mechanism is developed.
The device presents pressure sensation, two directional share force and vibration at a user’s
fingertip. The device is designed to be used together with a glove type device. The whole system
including the tactile device and the glove type device is expected to present various sensation to
the user’s hand.
Key Words: VR, Haptic interface, Parallel mechanism,
1
緒言
インタラクティブで質の高い仮想体験を実現するためには，高
い没入感が得られる視覚提示とともに，力触覚を提示すること
が効果的である．ここでは特に，指先における表皮感覚 (触覚)
の提示に着目する．装着型の触覚提示装置は，タッチパネルのよ
うな設置型装置に比べてユーザの触行動を制約せず，非接触型装
置 [1] と比べて圧覚などの大きな接触力を提示可能である．
装着型装置の一つとして，ベルトを巻き上げることで指先に
触覚を提示する手法が提案されている [2, 3]．この手法では，圧
覚だけでなくせん断感覚や振動，さらには把持対象物の重量感な
ど，様々な感覚が提示可能である．しかし，接触子がベルトであ
るため提示可能なせん断感覚は一方向に限られていた．
本論文では，小型の 3 自由度直動パラレル機構を利用した装
着型指先触覚提示装置について述べる．本装置は，指先に圧覚と
二方向のせん断感覚およびある程度の振動を提示する．本装置の
構造と触覚提示原理について説明する．また，機構解析に基づい
て可動範囲や可操作性の観点から動作性能を評価する．
(a) CAD model
(b) Actual device
Fig.1 Overviews of the tactile device
触覚提示機構
2
Fig. 1 に開発した指先触覚提示装置の概観を示す．本装置は，
グローブ型力覚提示装置 [4] の指先部分に 3 自由度直動パラレル
機構とアクチュエータが追加されたものである．Fig. 1 (a) 中の
赤い部分は直動シリンダとエンドプレートである．
Fig. 2 に 3 自由度直動パラレル機構の構造を示す．パラレル
機構の直動シリンダは指の先端と側面の計 3 カ所にコの字状に
配置されている．また，エンドプレートは指の腹を撫でるように
配置されている．各シリンダとエンドプレートはそれぞれ 2 本の
ロッドで接続されており，平行リンク機構によってエンドプレー
トの姿勢はほぼ一定に保たれる．したがって，エンドプレートは
位置の 3 自由度のみ制御可能である．
アクチュエータは指の爪の上に配置されており，現行機では小
型サーボモータ (Power-HD 製，HD-1370A) が用いられている．
サーボホーンの回転がロッドを介して直動シリンダに伝達される．
アクチュエータは，コンパクト性の観点からフィルム状の高分子
アクチュエータを検討していたが，駆動力に課題があったため現
行機では駆動力を優先してサーボモータが採用された．
3
機構解析
3.1 座標系
Fig. 3 に本装置のベース座標系 ΣB を示す．三つのシリンダ
レール上面の中央を原点とし，指先側を x 軸，指の腹側を z 軸
とする右手座標系である．同様に，エンドプレート座標系 ΣE は
6 ヶ所のロッド結合部の中央を原点とする．
Fig.2 Structure of the parallel mechanism
3.2 逆運動学
6 自由度垂直直動型パラレル機構の逆運動学の定式化 [5] に基
づき，本機構の逆運動学は次のように表される．
√
2
2
ci = liz − lc2 − lix
− liy
(i = 1, 2, 3)
(1)
lin = pn + sin − pbin
(n = x, y, z)
(2)
ここで，i はシリンダ番号，ci はシリンダの移動量，lc はロッド
の長さ，p = [px py pz ]T はエンドプレートの中心位置ベクトル，
pbi = [pbix pbiy pbiz ]T はベース中心からベース対偶までの位置
ベクトル，si = [six siy siz ]T はエンドプレート中心からエンド
プレート対偶までの位置ベクトルである．Fig. 4 にこれらの幾何
学関係を示す．
3.3 可操作性
シリンダとエンドプレートの微小変位をそれぞれ δp と δc と
すると，両者の関係は次式で表される [5, 6]．
δp = J1T J2 δc = J12 δc
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䢳䣒䢳䢯䣙䢲䢻䢪䢳䢫
(3)
z
0
−5
−4
ΣE
0
6
x [mm]
(a) x-y plane
Fig.3 Definition of the base coordination system
20
25
−4
0
6
x [mm]
(b) x-z plane
20
25
−5
0
5
y [mm]
(c) y-z plane
z
a
z
Fig.5 Range of movement of the end-plate
z
pbi
(Base)
15
z [mm]
y
15
z [mm]
x
5
y [mm]
ΣB
ci
y
x
p
Li zi
z
y
(a) [1 0 22]
lc
si
(End-plate)
(b) [1 3 22]
5
y
x
(c) [5 0 22]
 T
z1 a
J2 =  0
0
0
z2T a
0
結言
本論文では，小型の 3 自由度直動パラレル機構を利用した装
着型指先触覚提示装置について述べた．本装置の構造と触覚提示
原理について説明した．また，可動範囲や可操作性の観点から動
作性能を評価した．
今後は，可動範囲や可操作性のバランス向上のために各部設計
を最適化するとともに，装着実験によって提示感覚の評価を行う．
また，グローブ型力覚提示装置 [4] との併用による手への総合的
な力触覚提示実験を通して，質の高い仮想体験の実現を目指す．
ここで，エンドプレートの姿勢変化を考慮しない本機構では

0
0 ,
z3T a
zi = (p + si − pbi − ci a)/lc
謝辞
であり，a = [0 0 1]T はベース対偶からシリンダ対偶までの単位
方向ベクトルである．ヤコビ行列 J12 の特異値分解を次のよう
に行う．
J12 = U ΣV T
(4)
ここで，
x
Fig.6 Manipulability ellipsoid at a point of [px py pz ]
Fig.4 Geometry of kinematics
 T
z1
J1 = z2T  ,
z3T
y
x
本研究は，ノーステック財団平成 26 年度研究開発助成事
業若手研究人材育成事業若手研究人材・ネットワーク育成補
助金の助成を受けて行われた．
References

σx
Σ=0
0
0
σy
0

[1] Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and
Hiroyuki Shinoda, “Noncontact Tactile Display Based on Radiation Pressure of Airborne Ultrasound,” IEEE Transactions
on Haptics, vol. 3, no. 3, pp. 155–165, 2010.
0
0
σz
であり，U は単位行列，V は直交行列である．σx , σy , σz は可
操作性楕円体 [7] の各軸の半径となり，その向きは本機構のベー
ス座標系と一致する．
4
性能評価
4.1 可動範囲
Fig. 5 にベース座標系におけるエンドプレート原点の可動範
囲を示す．指の腹に対する剪断方向 (x-y 平面) において 8 [mm]
四方，圧迫方向 (z 方向) に 4 [mm] の動作が可能であることがわ
かる．これは，指先の表皮の変形具合を考慮すれば，触覚の提示
には十分な可動範囲であると考えられる．なお，ロッドの長さは
lc = 6.0 [mm]，シリンダの移動量は 0 ≤ ci ≤ 8 [mm] である．
4.2 可操作性
Fig. 6 に，ベース座標系おけるエンドプレート原点の位置を変化
させた場合の，エンドプレートの可操作性楕円体を示す．Fig. 6 (a)
は基準位置 [0 0 22] に近い点で最も可操作度が高い位置の一つ
である．Fig. 6 (b) は指の側方に寄った位置で x 方向へ動きにく
くなっている．Fig. 6 (c) は指の先端に寄った位置でほぼ動けな
くなっている．可操作性楕円体は可動範囲全域にわたり x-z 平
面において扁平であり，y 方向よりも x-z 平面での動きに向いて
いることがわかる．
[2] Kouta Minamizawa, Sho Kamuro, Souichiro Fukamachi, Naoki
Kawakami and Susumu Tachi,
“GhostGlove: Haptic Existence of the Virtual World,” in Proceedings of ACM SIGGRAPH, 2008.
[3] Takahiro Endo, Satoshi Tanimura, Yuta Kazama and Haruhisa
Kawasaki, “Softness Display by a Multi-Fingered Haptic Interface Robot,” in Proceedings of IEEE International Conference
on Robotics and Automation, pp. 826–831, 2014.
[4] 小水内俊介, 小貫督仁, 葛西光希, 杉本泰章, 永安伸大, 近野敦, “視
覚提示との併用に適したグローブ型力覚提示装置の基本設計”, 第
32 回日本ロボット学会学術講演会予稿集, 3E2-02, 2014.
[5] Takanori Masuda, Motoyoshi Fujiwara and Tatsuo Arai,
“Kinematic Analysis of the Parallel Mechanism with Vertically
Fixed Linear Actuators,” JSME International Journal Series
C, vol. 44, no. 3, pp. 731–739, 2001.
[6] 原田孝, 董科, 金丸健太, “パラレルメカニズムを用いた座標計測用
倣いプローブに関する研究 (感度等方メカニズムの設計試作と機構
キャリブレーション)”, 日本機械学会論文集 (C 編), 78 巻, 787 号,
pp. 856–841, 2012.
[7] 吉川恒夫, “ロボットアームの可操作度”, 日本ロボット学会誌 vol. 2,
no. 1, pp. 63–67, 1984.
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