Endoskeletal Force Feedback System Using Tendon Structure

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K13724
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 白藤 翔平 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80779330)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 力覚提示 / 内骨格機構 / 腱駆動 / 関節角度計測

Outline of Annual Research Achievements

この数年間でバーチャルリアリティ（VR）技術は急激に世間に普及したが、VR内で身体に発生する力を提示する技術はいまだに一般的ではない。その背景には、力覚を提示する装置が非常に大型で、装着者の運動を阻害してしまうという問題がある。そこで、本研究では、人の指の上に腱状の構造を配置し、これを駆動することで力覚を提示することで、装着者の骨格をリンク系として直接駆動する手法を開発をおこなった。そのなかで、主に二つの新たな技術の提案をおこなった。その一つが、手に配置した腱状の構造を通した関節角の計測手法である。従来の関節角の計測手法は、事前のキャリブレーションなしでは、正確な関節角を計測するのが困難であったが、ここでは、指上に複数の腱を重ねて配置し、その上下面での相対的な位置変化を計測することで、ユーザの骨格形状に依存せず、正確な関節角度を取得する方法について提案した。これを用いて、力覚を提示する前に、関節角度と腱の移動距離との間の関係を同定し、装着者に特有の腱ヤコビ行列の導出をおこなうことが可能となった。もう一つが、力覚提示のための腱の配置の提案である。上記のような装置の腱の配置は、ロボット工学におけるワイヤ駆動機構として考えることができる。ワイヤを通してロボットの各関節の力を独立に制御する場合には、関節とワイヤの変位の関係を表すヤコビ行列がランク落ちしないように設計する必要がある。しかし、ワイヤが同じ経路を通ってしまうと、このランク落ちが生じてしまう。そこで、複数の腱状のベルトを異なる位置で左右に分岐させた構造を用いることで、関節それぞれに独立した力を提示することが可能になるよう、解析を通して構造を提案した。実際の装置の開発と検証には至らなかったが、上記の技術の提案により、従来のリンク機構を用いた装置に比べ、非常にコンパクトな装置の実現するための基礎技術が完成した。