Japan Advanced Institute of Science and Technology
JAIST Repository
https://dspace.jaist.ac.jp/
Title
伸縮機構を備えた装着型ロボットアームxLimbの開発 :
伸縮性と収納性を考慮したコンパクトデバイス
Author(s)
丁, 沢宇; 吉田, 匠吾; 中村, 浩太; 鳥居, 拓馬; 謝,
浩然
Citation
HCGシンポジウム2020: HCG2020-I-1-2
Issue Date
2020-12
Type
Conference Paper
Text version
publisher
URL
http://hdl.handle.net/10119/17039
Rights
Copyright (C)2020 IEICE. 丁 沢宇, 吉田 匠吾, 中村
浩太, 鳥居 拓馬, 謝 浩然, HCGシンポジウム2020,
2020, HCG2020-I-1-2.
Description
伸縮機構を備えた装着型ロボットアーム
xLimb の開発
－伸縮性と収納性を考慮したコンパクトデバイス－
丁
沢宇
†吉田 匠吾
†中村 浩太
†鳥居 拓馬
†謝 浩然
††北陸先端科学技術大学院大学
〒923-1211 石川県能美市旭台 1-1
E-mail: †{s2010132, s2020047, s2010143, tak.torii, xie}@jaist.ac.jp
あらまし 日常生活において，両手が使用できない状態でも作業を行うことができるように，装着型ロボットア ームによる支援技術を開発することは重要な研究課題となっている．そこで本研究では，日常の作業を支援する伸 縮機構を備えた装着型ロボットアームを提案する．本デバイスは小型のロボットアームを内包した直方体型のデバ イスであり，ユーザの上腕に装着して使用する．また，作業時以外のユーザの日常動作を支障なく行えるようにす るため，ロボットアームを収納する機構を採用している．本論文では，制作したロボットアームのプロトタイプを 紹介し，今後の展望について述べる． キーワード ウェアラブルロボットアーム，人間拡張，身体拡張，伸縮機構
A Wearable Robot Arm with Storage Mechanism
－Stretchable and Storable Compact Device－
Zeyu DING
†Shogo YOSHIDA
†Kota NAKAMURA
†Takuma TORII
†Haoran XIE
††
Japan Advanced Institute of Science and Technology
Asahidai 1-1, Nomi, Ishikawa, 923-1211 Japan
E-mail: †{s2010132, s2020047, s2010143, tak.torii, xie}@jaist.ac.jp
Abstract It is a challenging issue to propose a wearable robot arm device that can help users in daily activities. In this work,
we aim to develop a wearable robotic arm that can be stretchable and storable while supporting our daily activities as the third arm. The proposed device can be fixed upon the wearer’s upper arm and folded in a compact size without usage. We add a stretchable mechanism in the proposed device to increase the movable range.
Keyword Wearable Robot Arm, Human Augmentation, Physical Augmentation, Stretchable Mechanism
1. 研 究 背 景
普 段 の 生 活 に お い て ， 両 手 が 塞 が っ て い る 際 に ほ か の 作 業 も 行 い た い 場 合 や ， 直 接 自 身 の 手 で 触 れ ず に 何 ら か の 活 動 を 行 い た い 場 面 は 少 な く な い ． そ こ で ， 装 着 型 ロ ボ ッ ト ア ー ム に 関 す る 研 究 が 行 わ れ て い る が ， 開 発 さ れ た デ バ イ ス の サ イ ズ は 大 き く ， 作 業 時 の 補 助 道 具 と し て 長 時 間 の 使 用 に 向 い て い な い ． 本 研 究 で は 日 常 生 活 で の 使 用 を 想 定 し ， コ ン パ ク ト 化 し た 装 着 型 ロ ボ ッ ト ア ー ム の 開 発 を 目 指 す ． 身 体 機 能 の 拡 張 は 人 間 拡 張 の 一 種 で あ り ， 第 三 の 腕 や 尻 尾 [1]の よ う な ，人 間 が 持 た な い 器 官 を 体 に つ け る こ と が 身 体 拡 張 の 一 面 で あ る ． 現 在 開 発 さ れ て い る ロ ボ ッ ト に は ，組 み 立 て 作 業 の 支 援 [2]や ，飛 行 ロ ボ ッ ト を 用 い て 身 体 を 拡 張 で き る も の な ど が あ る [3]．し か し こ れ ら の ロ ボ ッ ト は ， あ る 特 定 の 業 務 や 専 門 性 に 特 化 し て お り ， 汎 用 的 に 使 用 で き る も の で は な い ． 更 に ， 装 着 型 ロ ボ ッ ト ア ー ム に 注 目 す れ ば ， 使 用 者 に 負 担 を か け な い よ う に ，軽 量 化 し た ロ ボ ッ ト ア ー ム [4]や ，簡 単 な 作 業 を 支 援 す る 双 腕 ロ ボ ッ ト ア ー ム [5] 及 び 外 骨 格 の よ う に 腕 を 支 え る ロ ボ ッ ト [6]な ど も 挙 げ ら れ る ． こ れ ら の 装 着 型 ロ ボ ッ ト ア ー ム は ， デ バ イ ス の サ イ ズ が 大 き く ， ア ー ム の 格 納 も で き な い た め 作 業 時 以 外 の 日 常 生 活 に 支 障 を き た す と い う 欠 点 が あ る ． こ の 欠 点 を 克 服 す べ く ， 本 研 究 で は 伸 縮 性 と 収 納 性 を 有 す る ロ ボ ッ ト ア ー ム xLimb を 開 発 す る （ 図 1）． 図 1： シ ス テ ム の コ ン セ プ ト 図伸 縮 性 と 収 納 性 を 兼 ね 備 え た 動 物 が 存 在 す る ． 例 え ば ， リ ザ メ が 捕 食 行 動 を す る 際 に ， 顎 を 前 方 へ 突 出 さ せ 獲 物 を 捕 獲 す る ． テ ン ト ウ ム シ は ， 飛 行 時 以 外 は 柔 ら か い 後 ろ 羽 を 折 り 畳 み ， 硬 い さ や 羽 の 中 に 収 納 す る こ と で ， 羽 を 使 用 し な い 時 で も 邪 魔 に な ら な い よ う 脆 弱 な 羽 を 保 護 し て い る ． こ の 仕 組 み を 利 用 す る こ と で ， 羽 を 折 り 畳 ん で も 嵩 張 ら ず ， そ の 場 の 活 動 に 最 適 な 形 態 を 選 択 し て 活 動 す る こ と が で き る ． 我 々 が 提 案 す る ロ ボ ッ ト ア ー ム は ， 日 常 生 活 の サ ポ ー ト を 目 的 と す る ． 軽 量 化 だ け で な く コ ン パ ク ト 化 に も 工 夫 を 凝 ら し ， 使 用 者 の 日 常 生 活 に 支 障 を き た す こ と の な い よ う な 収 納 及 び 伸 縮 の 機 構 を 提 案 す る ．
2. 提案 手 法
本 研 究 で 提 案 す る 装 着 型 ロ ボ ッ ト ア ー ム xLimb（ 以 下 ， 本 シ ス テ ム ） は ， ベ ー ス ， ア ー ム 本 体 ， 伸 縮 機 構 で 構 成 さ れ て い る （ 図 2a）． 本 稿 で は ， グ リ ッ パ ー 部 は 研 究 の 対 象 外 な の で ， 説 明 を 省 略 す る ． 図 2 に 試 作 品 の プ ロ ト タ イ プ の 仕 組 み 示 す ． ま ず ， 各 パ ー ツ が 収 納 さ れ て い る 状 態 で ， ベ ー ス を 除 い た 本 シ ス テ ム の 寸 法 は 235×72×60 ㎜ で あ り ， 展 開 後 の 最 大 の 長 さ （ 根 幹 部 よ り 先 端 ま で ） は 680 ㎜ で あ る ． 装 着 す る 際 は ， ベ ー ス を 上 腕 に つ け る ． ア ー ム 本 体 に は 2 自 由 度 が あ る ． モ ー タ ー 1 は ア ー ム 本 体 の 中 心 に あ り ， 前 後 方 向 へ の 回 転 を 制 御 す る ． モ ー タ ー 2 は ア ー ム の 先 端 に 設 置 さ れ て お り ， 伸 縮 機 構 を 制 御 す る ． ア ー ム 本 体 の 開 閉 を 制 御 す る こ と で ， 本 シ ス テ ム が 展 開 す る （ 図 2b）． 伸 縮 機 構 は 1 自 由 度 を 備 え て お り ， 開 閉 は モ ー タ ー 3 で 制 御 す る ． 伸 縮 機 構 の 詳 細 を 図 3 に 示 す ． 2 つ の 歯 車 の 回 転 軸 間 の 距 離 に 制 限 が あ る が ， 片 側 の 歯 車 だ け を 駆 動 さ せ る こ と で ， 歯 車 の 回 転 軸 間 の 距 離 に 関 係 な く 伸 縮 機 構 の 収 縮 と 展 開 を 制 御 す る こ と が で き る ． 本 シ ス テ ム の パ ー ツ は ， Prusa I3 MK3 ベ ア フ ル キ ッ ト 3D プ リ ン タ ー を 使 用 し 制 作 し た ． プ リ ン ト に 要 し た 時 間 は ，約 20 時 間 ほ ど で あ る ．伸 縮 機 構 の 部 分 を 取 り 上 げ て 図 4a に 示 し ， デ バ イ ス の 全 体 像 を 図 4b に 示 す ． 本 シ ス テ ム で 用 い る サ ー ボ モ ー タ ー は LD-20MG 及 び LD-3015MG で あ り ， そ れ ぞ れ ア ー ム 本 体 の 根 幹 部 及 び そ れ 以 外 の 箇 所 に 使 用 さ れ て い る ． 規 格 の 詳 細 は 表 1 に 示 す ． 制 作 し た プ ロ ト タ イ プ xLimb を 装 着 し ， 収 納 し た 状 態 及 び 展 開 し た 状 態 の 様 子 が そ れ ぞ れ 図 5a と 図 5b に 示 す ． 規 格 LD-20MG LD-3015MG 重 さ 65g 60g 寸 法 40*20*40.5mm 40*20*40.5mm 速 度 0.16sec/60° 7.4V 0.16sec/ 60° 7.4V ト ル ク 20kg・ cm6.6V 15kg・cm 6V 17kg・cm 7.4V 動 作 電 圧 6-7.4V 6-7.4V 無 負 荷 電 流 100mA 100mA a)収 納 の 様 子 b)展 開 の 様 子 図 2： 提 案 デ バ イ ス の 仕 組 表 1 サ ー ボ モ ー タ ー の 規 格 と 比 較3. ま と め と 展 望
本 研 究 で は ， 収 納 性 と 伸 縮 性 を 備 え た ロ ボ ッ ト ア ー ム を 提 案 し た ． 今 後 の 目 標 は ， 全 体 的 な 構 造 を 最 適 化 し ， 本 シ ス テ ム の 軽 量 化 や 動 作 範 囲 の 拡 大 を 図 る こ と で あ る ． ま た ， 人 間 工 学 に 基 づ き ユ ー ザ が 制 御 し や す い 機 構 を 模 索 す る と と も に ， 動 作 実 験 を 通 し て 本 シ ス テ ム の 堅 牢 性 や 操 作 性 を 検 証 し て い き た い ．文
献
[1] Haoran Xie, Kento Mitsuhashi, and Takuma Torii. “Augmenting Human with a Tail”, Proceedings of the 10th Augmented Human International Conference 2019, Association for Computing Machinery, Article 35, pp.1–7, New York, NY, USA, Mar. 2019. [2] Bright, Lawrence, H. Harry Asada, “Supernumerary
robotic limbs for human augmentation in overhead 図 5： 実 際 に 装 着 す る 様 子 図 3： 伸 縮 機 構 の 3D モ デ ル 図 4： ３ D プ リ ン ト し た パ ー ツ の 詳 細 写 真 a)伸 縮 機 構 の 写 真 （ 補 強 カ バ ー 有 り ） b)デ バ イ ス の 全 体 像 a)収 納 し た 状 態 b)展 開 し た 状 態
assembly tasks”, Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, pp.91-95, 2017.
[3] 吉 田 成 朗 ,鳴 海 拓 志 , 橋 本 直 , 谷 川 智 洋 , 稲 見 昌 彦 , 五 十 嵐 健 夫 , 廣 瀬 通 孝 , “ ジ ェ ス チ ャ 操 作 型 飛 行 ロ ボ ッ ト に よ る 身 体 性 の 拡 張 ” , 情 報 処 理 学 会 イ ン タ ラ ク シ ョ ン 論 文 誌 , pp.403-408, 2012. [4] Akimichi Kojima, Hirotake Yamazoe, Joo -Ho Lee,
“Wearable Robot Arm with Consideration of Weight Reduction and Practicality”, Journal of Robotics and Mechatronics vol.32, no.1, pp.173-182, Feb. 2020. [5] Tomoya Sasaki, MHD Yamen Saraiji, Charith
Lasantha Fernando, Kouta Minamizawa, and Masahiko Inami. 2017. MetaLimbs: multiple arms interaction metamorphism. In ACM SIGGRAPH 2017 Emerging Technologies (SIGGRAPH '17). Association for Computing Machinery, Article 16, pp.1–2, New York, NY, USA, 2017.
[6] Ritik Looned, Jacob Webb, Zheng Gang Xiao and Carlo Menon, “Assisting drinking with an affordable BCI-controlled wearable robot and electrical stimulation: a preliminary investigation ”, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation vol.11:51, Apr. 2014.
