https://nakane11.github.io/Aoi Nakane - PortfolioHugoBlox Kit (https://hugoblox.com)enMon, 24 Oct 2022 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/media/icon_hu_1c0e9cb08cfb822a.pnghttps://nakane11.github.io/https://nakane11.github.io/projects/handholding-taxonomy-hardware/Mon, 20 Jul 2026 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/handholding-taxonomy-hardware/<h2 id="概要">概要</h2> <p>手繋ぎは、感情や意図を伝える心理的な役割と、誘導や身体補助といった物理的な役割を併せ持つ重要なコミュニケーション手段です。しかし従来の研究は特定の形態・状況における接触の質の再現に留まり、多様な手繋ぎ形態に適応できるハンドは実現されていませんでした。本研究では、人同士の手繋ぎを分類したうえで、それらすべてに握り返しで対応できる5指ロボットハンドを開発しました。</p> <h2 id="手繋ぎの分類と分析">手繋ぎの分類と分析</h2> <ul> <li><strong>画像調査</strong>：Google Custom Search APIで収集した120枚の手繋ぎ画像を分析し、24種類の形態を特定</li> <li><strong>代表形態の選定</strong>：出現頻度の上位6形態（5指掛け繋ぎ・貝殻繋ぎ・1指繋ぎ・両掴み繋ぎ・指包み繋ぎ・4指掛け繋ぎ）を抽出</li> <li><strong>拘束構造の分析</strong>：Iberallの対向様式分類（パッド対向・掌対向・側面対向）と手の局所座標系を用い、各形態がx, y, z軸方向の変位をどう幾何学的に拘束するかを整理</li> <li><strong>属性による傾向</strong>：親子間では体格差に適応した1指繋ぎ・4指掛け繋ぎが、恋人間では指包み繋ぎ・貝殻繋ぎが、友人間では強い把持力を要さない5指掛け繋ぎ・両掴み繋ぎが多く選ばれる傾向を確認</li> </ul> <h2 id="ハードウェア設計とセンシング">ハードウェア設計とセンシング</h2> <ul> <li><strong>寸法・可動域の設計要件</strong>：各対向様式（パッド対向・掌対向・側面対向）の成立に必要な指長・手幅・可動域を、日本人の手の平均寸法から数式で導出</li> <li><strong>小型ワイヤ駆動ハンド</strong>：全アクチュエータを掌部に集約し、細身の指（幅10.2mm）と十分な指間幅（9.7mm）を両立。Shadow HandやSVH等の既存ハンドでは困難だった、指を深く交差させる「貝殻繋ぎ」を実現</li> <li><strong>32個の分布触覚柔軟外装</strong>：ウレタンゴム・感圧センサ・綿生地の層構造とし、6形態それぞれの接触部位（指側面・指腹・掌）を網羅</li> <li><strong>形態識別と自律的な握り返し</strong>：14名の被験者実験でチャンスレベルを有意に上回る識別性能を確認し、人型ロボット（Unitree G1）に装着した歩行実験で、接触形態の認識をトリガーとした自律的な握り返し動作を実証</li> </ul> <h2 id="関連論文第一著者">関連論文（第一著者）</h2> <ul> <li>中根葵, 山口直也, 矢野倉伊織, 岡田慧: . <em>日本ロボット学会誌</em>（早期公開）.</li> </ul>https://nakane11.github.io/publications/journal-article/jrm2026/Mon, 01 Jun 2026 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/publications/journal-article/jrm2026/https://nakane11.github.io/projects/hand-locomanipulation-si2025/Mon, 01 Dec 2025 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/hand-locomanipulation-si2025/<p>アームから分離して自律移動する<strong>ハンドロボット</strong>は、ロボット本体からは届かない机上や人への近接空間へアクセスでき、5指によるジェスチャと組み合わせて日常生活における支援可能性を大きく広げます。本研究では、このハンドが「支持・移動」「把持」「表現」の複数機能を統合的に実行する概念を<strong>ハンドロコマニピュレーション</strong>と名付けました。</p> <h2 id="研究背景">研究背景</h2> <p>ハンドロコマニピュレーションでは、地面を支える脚や物体を掴む腕のように、指や掌がタスクに応じて役割を変化させます。しかし、これらの部位は狭い範囲に密集して幾何的・力学的に影響し合うため、機能同士の干渉回避と、1部位での機能兼任を考慮した役割分担が求められます。そこで本研究では、複数機能を実現するハンド形態の体系的な分類に取り組みました。</p> <h2 id="基本形態の定義">基本形態の定義</h2> <p>ハンドロコマニピュレーションにおける形態は、各機能を単独で実現する以下の基本形態の組み合わせからなると考えました（詳細は下表参照）。</p> <ul> <li><strong>支持形態</strong>: 掌・母指・4指のうち、どの部位を接地させるかに応じて分類。正立型と尺側型は指の振り出しによる重心移動が難しく、静的な支持に特化した形態。</li> <li><strong>把持形態</strong>: Schlesingerの把持分類[1919]を採用。本研究では母指以外の4指を機能的に同等とみなし、区別しない。</li> <li><strong>表現形態</strong>: 喜多のジェスチャ分類[1997]を採用。形が厳密に定まるエンブレム（OKサインなど）は全指が関与し、拍子、映像的・直示的ジェスチャ（指差しなど）は1本以上の指で実現可能と定義。</li> </ul> <h2 id="基本形態の組み合わせ可能性">基本形態の組み合わせ可能性</h2> <p>基本形態の組み合わせ可能性は、ハンドロボットの母指1本と他指4本を各機能へ配分する問題に帰着します。 支持(s)・把持(m)・表現(g)に使う母指の数(T)と4指の数(F)が、以下の制約を同時に満たすかで判定しました。</p> <p style="text-align:center;">T_s + T_m + T_g ≤ 1,&emsp;F_s + F_m + F_g ≤ 4</p> <p>以下の縦軸に支持形態、横軸に把持・表現形態を配置した分類表において、成立した組み合わせを整理しました。</p> <img src="figs/classification2.png" alt="複合形態の分類" style="width: 100%; height: auto;"> <h2 id="ハンドロボットの実機開発">ハンドロボットの実機開発</h2> <p>重さ1.67 kg、人間の手の約3倍サイズのハンドロボットを製作し、分類表の各セルの姿勢が可能であることを実機で確認しました。</p> <ul> <li>母指以外の指は4自由度、母指は3自由度を持ち、計19個のサーボモータで駆動</li> <li>自重によるモータ負荷を防ぐため、樹脂製カバーに突起を設けて可動域を構造的に制限</li> </ul> <img src="figs/hand_robot.png" alt="ハンドロボットの寸法と関節構成" style="width: 70%; height: auto;"> <p>さらに、コントローラとしてStream Deckを活用し、各キーに割り当てた支持形態間の遷移や異なる支持形態における移動動作を実現しました。</p> <video width="120%" controls> <source src="figs/exp.mp4" type="video/mp4"> Your browser does not support the video tag. </video> <video width="100%" controls> <source src="figs/motion.mp4" type="video/mp4"> Your browser does not support the video tag. </video> <h2 id="関連論文">関連論文</h2> <ul> <li>中根葵, 山口直也, 矢野倉伊織, 岡田慧: 5指ロボットにおけるタスク駆動型ハンドロコマニピュレーションの身体的役割分担. <em>SICEシステムインテグレーション部門講演会</em>, 2B3-09, 2025.</li> </ul>https://nakane11.github.io/projects/umoru/Mon, 01 Sep 2025 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/umoru/<p>umoruは、人がロボットに”埋もれる”ことで、物理的・心理的な一体感を与える体験をコンセプトとしたハグロボットです。 このプロジェクトでは、<strong>人をやさしく高密着で抱きしめるためのロボットアーム</strong>の開発を担当しました。</p> <h2 id="研究背景">研究背景</h2> <p>本研究では、柔らかさの調整や接触検知が可能な空気外装を採用しています。 しかし、従来のハグロボットアームには汎用的な動作との間に次の2つのトレードオフが存在していました。</p> <ol> <li>密着性の低下: 自由度を増やすほど個々のリンクが長くなり、人の体の丸みに沿った滑らかな屈曲が困難</li> <li>安全性の低下: 骨格内部がアクチュエータ等で埋まっているため、空気チューブを骨格外に配管する設計が多く、ハグ時の破損や動作干渉リスクがある</li> </ol> <p>そこで、密着性の低下に対しては<strong>骨格の短円節化</strong>、安全性の低下に対しては<strong>配管配索の骨格内蔵</strong>を提案します。</p> <h2 id="ワイヤ駆動による骨格の短円節化">ワイヤ駆動による骨格の短円節化</h2> <p>以下の工夫により、長さ80mmの短いリンクを連ねた5関節での滑らかな屈曲を実現しました。</p> <ul> <li>アーム根元に搭載した1つのモータからワイヤで動力を伝達し、5関節を同時に屈曲させる劣駆動方式とすることで、各リンクの搭載部品を削減</li> <li>駆動自由度をハグで重要な肩の上下動作と抱きしめるための屈曲動作に限定し、長手方向にねじれる回転をなくすことで内部機構の複雑化を防止</li> </ul> <img src="figs/umoru1.png" alt="umoru" style="width: 120%; height: auto;"> <h2 id="シリアル配管配索の短円節骨格への内蔵">シリアル配管配索の短円節骨格への内蔵</h2> <p>従来の空気外装は空気袋の数だけ根元からチューブを伸ばす必要があり、骨格への内蔵が困難でした。 本研究では、空気袋を制御するモジュールを各リンクに分散配置し、直列に連結することで、配管を大幅にスリム化し短円節骨格への内蔵を可能にしました。</p> <ul> <li>給気用電磁弁と気圧センサ・マイコンを搭載した基板をまとめた<strong>小型空気圧モジュール</strong>を開発し、空気袋ごとの内圧制御を実現</li> <li>関節駆動用サーボと空気圧モジュールの駆動電圧・通信パケット形式を統一することで、全モジュールを3線で数珠つなぎに接続し、配線量を削減</li> </ul> <img src="figs/umoru2.png" alt="umoru" style="width: 90%; height: auto;"> <h2 id="空気外装による接触検知">空気外装による接触検知</h2> <p>ハグの内側に人が居る場合と居ない場合での空気外装の内圧を比較したところ、以下の違いがみられ、圧力の増減パターンによって接触検知できることを確認しました。</p> <ul> <li>人が居ない状態（左）: ハグ時にアームが最後まで曲がりきるため、空気袋同士が自己干渉し、全てのリンクで圧力が増加</li> <li>人が居る状態（右）: link2, 3では人との直接接触により圧力が増加する一方で、胴体に近いlink0とlink1では人の身体によってアームの屈曲が妨げられ、圧力が減少</li> </ul> <img src="figs/umoru3.png" alt="umoru" style="width: 120%; height: auto;"> <video width="90%" controls> <source src="figs/umoru4.mp4" type="video/mp4"> Your browser does not support the video tag. </video> <h2 id="東京大学制作展での体験型展示">東京大学制作展での体験型展示</h2> <p> にて5日間umoruを展示し、来場者との交流体験を実施しました。 事後アンケートでは、107人中31人が印象的な場面として体験中にハグされたことに言及し、「ホールド力が強くて驚いた」、「機械的な固さでなく柔らかい感触だったため新鮮な感情が起こった」、「包まれるような感覚で安心感を感じた」といった内容が見られました 。 これらの結果から、本研究で開発したアームによるやさしく包み込むハグが、人々に驚きや、ロボットから受け入れられるという安心感を与え、豊かな情動体験に繋がった可能性が示唆されます 。</p> <img src="figs/umoru5.png" alt="umoru" style="width: 110%; height: auto;"> <h3 id="関連論文">関連論文</h3> <ul> <li>中根葵, 澤田智佳, 宮道彩乃, 山口直也, 矢野倉伊織, 岡田慧: バックグラウンドストーリーを持つハグロボット「umoru」の研究3: 人をやさしく抱きしめる短円節から構成される連続屈曲アームの設計と開発. <em>日本ロボット学会学術講演会</em>, 1J4-03, 2025.</li> <li>澤田智佳, 宮道彩乃, 中根葵, 矢野倉伊織, 岡田慧: バックグラウンドストーリーを持つハグロボット「umoru」の研究4：体験創出と印象評価. <em>日本ロボット学会学術講演会予稿集</em>, 1J4-04, 2025.</li> </ul>https://nakane11.github.io/projects/arm-equipped-hand-mthesis/Mon, 20 Jan 2025 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/arm-equipped-hand-mthesis/<h2 id="概要">概要</h2> <p>これまで開発してきた分布触覚五指ハンドに、人の肘から手首までの動きを模した4自由度のロボットアームを組み合わせ、壁や机などの環境に吸着して自立し、人と自発的に触れ合うロボットシステムを構築しました。修士論文「分布触覚五指ハンドによる適応行動ロボットシステム」の一部としてまとめています。</p> <h2 id="対人適合可能な小型五指ハンドの設計">対人適合可能な小型五指ハンドの設計</h2> <ul> <li><strong>指の細さの要件定義</strong>：人との手繋ぎに適した対人適合可能な構造とするため、指幅・可動域などの寸法要件を定義し、小型な五指ロボットハンドとして設計</li> <li><strong>アームとの組み合わせ</strong>：上記のハンドに4自由度のロボットアームを組み合わせ、単体のハンドでは難しかった手繋ぎ動作中の姿勢自由度を拡張</li> </ul> <h2 id="アームによる自立自発動作システム">アームによる自立・自発動作システム</h2> <ul> <li><strong>4自由度着脱可能ロボットアーム</strong>：肘から手首の動きを再現する4関節。ベース部に直径50mmの吸着パッドを2個搭載し、壁や机上などの平面環境に固定可能</li> <li><strong>省エネルギーな吸着維持機構</strong>：ダイヤフラムポンプと電磁弁、気圧センサによる空気圧回路で、真空維持のための消費電力を抑制</li> <li><strong>ハンドとアームの協調制御</strong>：ROSノード（<code>rcb4_ros_bridge</code>, <code>main_controller</code>, <code>hand_state_manager</code>, <code>hand_interface</code>）による、関節制御と触覚状態管理の統合ソフトウェア構成</li> <li><strong>対人的な自発動作</strong>：手招きや指差し、手を振るなど8種類の動作をランダムに実行しつつ、人がハンドに触れると動作を一時停止して反応を示し、握られると手繋ぎを開始する設計</li> </ul> <h2 id="展示を通した印象評価">展示を通した印象評価</h2> <p>2024年11月7日〜11日、「東京大学制作展2024 付いて離れて」にて作品「Hand」として本システムを展示しました（東京大学大学院情報理工学系研究科倫理委員会承認：UT-IST-RE-240903）。使い方を明示せず、「あなたが触れると触覚によってその意図を読み取り、動きで応えてくれる」という一文のみをキャプションとして提示し、来場者との自由な触れ合いを通した印象評価を行いました。</p> <h2 id="関連論文第一著者">関連論文（第一著者）</h2> <ul> <li>中根葵, 山口直也, 矢野倉伊織, 小島邦生, 岡田慧: 人との手繋ぎのための対人適合可能な小型五指ロボットハンドの開発. <em>SICEシステムインテグレーション部門講演会</em>, 2E2-06, 2024.</li> </ul> <h2 id="受賞">受賞</h2> <ul> <li>東京大学学際情報学府優秀修士論文コース長賞（2025年3月）</li> <li>SI2024優秀講演賞（2025年2月）- 計測自動制御学会</li> </ul>https://nakane11.github.io/contact/Thu, 24 Oct 2024 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/contact/https://nakane11.github.io/cv/Thu, 24 Oct 2024 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/cv/https://nakane11.github.io/publications/conference-paper/icra2024/Tue, 14 May 2024 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/publications/conference-paper/icra2024/https://nakane11.github.io/projects/robotic-hand/Tue, 14 May 2024 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/robotic-hand/<h2 id="研究背景">研究背景</h2> <p>人同士の手の接触には、痛みを和らげたり相手への好感を高めたりする心理的な効果があり、ロボットとの手繋ぎでもストレス軽減などの効果が報告されています。 しかし、人と手を繋ぐためのハンドには、人のように細く柔らかい指・接触状態を知るための触覚・手を包み込む自由度を、ハンド単体の限られたスペースに収める必要があり、これらを両立したハンドは実現されていませんでした。</p> <p>以前開発したハンド（ ）による手繋ぎの印象評価では、「ごつごつしていて握ると痛そう」「手を握りつぶされそう」といった不安の声が多く寄せられました。 そこで本研究では、人が触れたくなるような柔らかい外装と、人との接触を検知して握る力を調整する触覚を備えた、人と同程度のサイズの五指ロボットハンド「WARABI Hand」を開発しました（重さ約320g、手首までに全機構を収めて既存ロボットに装着可能）。</p> <p>名前はデザインコンセプトである <strong>W</strong>arm-hearted・<strong>A</strong>nthropomorphic・<strong>R</strong>ubber skin・<strong>A</strong>nshin（安心）・Adjusta<strong>B</strong>le to human・<strong>I</strong>ntimate touch の頭文字であり、わらび餅のような心地よい触り心地への願いも込めています。</p> <img src="figs/featured.png" alt="WARABI Handによる握手と指を組む手繋ぎ" style="width: 80%; height: auto;"> <h2 id="人の皮膚を模した多層ゴム外装">人の皮膚を模した多層ゴム外装</h2> <p>人の指腹の皮膚組織は表皮・真皮・皮下組織の3層からなり、表面に近いほど硬くなっています。また表皮は粘着性が小さく、細かな溝による適度な摩擦を持っています。 これにならい、<strong>接触面に合わせて変形する柔らかい肉質</strong>と、<strong>変形を制限して肉質を保護する滑りやすい表皮</strong>からなる外装を設計しました。</p> <ul> <li><strong>2種類のウレタンゴムによる肉質</strong>：指腹には形が崩れやすいほど柔らかいウレタンゴムを封入し、その周囲と指の背側をやや硬いウレタンゴムで覆うことで、厚く柔らかい指腹と形状保持を両立</li> <li><strong>ラテックスによる表皮</strong>：ウレタンゴムは表面の粘着性が高く触れたものに貼り付いてしまうため、液状ラテックスでコーティングして乾燥させ、べたつきが少なく滑らかな質感を実現</li> <li><strong>変形による接触面積の拡大</strong>：押すと人の指のように変形して接触面積を増やし、接触圧を分散させることで、握ったときに相手へ痛みを与えにくい構造</li> </ul> <img src="figs/skin_press.png" alt="人の指で押すと変形する柔軟外装" style="width: 70%; height: auto;"> <img src="figs/skin_cross.png" alt="指リンクの断面と外装の多層構造" style="width: 70%; height: auto;"> <p>外装は3Dプリントした型を用いて以下の手順で製作します。</p> <ol> <li>指背側・指腹側の肉質をそれぞれ型にウレタンゴムを流し込んで成形（指腹側は2種類のゴムを順に硬化）</li> <li>力覚センサと肉質を指骨格の各リンクに接着</li> <li>組み立てた指全体をラップフィルムで包み、ラテックスが骨格との隙間に浸入するのを防止</li> <li>液状ラテックスに浸して数日乾燥させると、表面の粘着性が消えて心地よい手触りに</li> </ol> <img src="figs/skin_fab.png" alt="柔軟外装の製作手順" style="width: 90%; height: auto;"> <h2 id="外装越しに接触を検知する力覚センサ">外装越しに接触を検知する力覚センサ</h2> <p>人の手を握るとき、握り始めは指先ではなく掌に近い部分から力がかかり、指先に力がかかれば十分に指が曲がったと判断できます。そこで、接触の有無だけでなく接触面にかかる力を部位ごとに知るため、<strong>各指リンクの腹側に力覚センサ</strong>を配置しました。</p> <ul> <li><strong>FSRの採用</strong>：赤外線式の近接センサは非透明の外装を透過できないため、圧力で抵抗値が変化するフィルム状の感圧センサ（FSR）を採用。四指は3リンク、母指は2リンクの計14個を搭載し、配線はすべて指の内部を通して手首まで引き回すことで細い指を維持</li> <li><strong>力の伝達構造</strong>：柔らかい外装の上からかかる力をセンサに伝えるため、センサと外装の間に突起付きの樹脂板を挟み、骨格と外装の接触範囲をセンサの直上に限定。センサの感圧範囲（20〜2039g）は、人の指を秤に載せたときの重さ（約20g）程度のやさしい接触を捉えられるように選定</li> <li><strong>接触判定と握力調整</strong>：いずれかのセンサに1.04g以上の力がかかると接触とみなし、握る際は指先のセンサが反応した時点で屈曲を止めることで、必要以上の力で握り込まないように制御</li> </ul> <img src="figs/sensor_layout.png" alt="各指リンクへの力覚センサの配置" style="width: 70%; height: auto;"> <h2 id="人物体との接触実験">人・物体との接触実験</h2> <p>WARABI Handをヒューマノイドロボット SEED-Noid（THK）の左腕に装着し、センサ値に基づいて以下の5種類の動作を行いました。</p> <h3 id="人との手繋ぎ">人との手繋ぎ</h3> <ul> <li><strong>前腕を掴む</strong>：差し出された人の前腕にハンドを近づけ、中指の基節（middle pp）の反応で接触を検知。示指・中指の指先が反応するまで屈曲し、適度な力で前腕を把持</li> <li><strong>指を組む（恋人繋ぎ）</strong>：差し出したハンドに人が手を重ねると、環指・小指のセンサで検知して指の間を広げ、中指の指先が反応するまで屈曲。人の指と互い違いに指を組んだまま、人を前方へエスコートした後に手を離す</li> <li><strong>握手</strong>：お辞儀をしてハンドを差し出し、人が手を合わせたことを検知して握り返し、上下に2回振って握手</li> </ul> <img src="figs/exp_interlock.png" alt="人と指を組む実験と各リンクの力の変化" style="width: 90%; height: auto;"> <h3 id="物体の把持と受け渡し">物体の把持と受け渡し</h3> <ul> <li><strong>紙を拾う</strong>：机上の紙を母指で押さえながら他の指を曲げると、摩擦によって紙が巻き込まれるように把持され、ハンドを持ち上げても落とさずに保持</li> <li><strong>ボトルを振る</strong>：人が手に載せたペットボトルを検知して握り、縦向きにして上下に振った後、人がボトルを引っ張る力を基節のセンサで検知して手を開き、人に手渡し</li> </ul> <img src="figs/exp_paper.png" alt="紙を拾う実験と各リンクの力の変化" style="width: 70%; height: auto;"> <p>これらの実験により、センサが反応した時点で屈曲を止めることで人や物体を必要以上の力で握らずに済むこと、また物の受け渡しを含む人とのインタラクションにハンドが有用であることを示しました。</p> <h2 id="考察と今後の展望">考察と今後の展望</h2> <ul> <li><strong>センサの反応性の偏り</strong>：中指・環指のセンサが特に反応しやすく、四指での把持には十分であったものの、指切りのような多様なインタラクションには他の指の反応も必要。腱の連結方法や、製作時のセンサの取り付け方・繰り返し把持による外装状態の変化が要因と考えられ、人が手袋に慣れるように、自身の身体など既知の物体に定期的に触れて反応性の変化を較正する仕組みが有効と考えられる</li> <li><strong>接触前の予測</strong>：近接センサを搭載すれば接触前から人の動きを予測でき、力覚センサでは捉えられない皮膚表面のせん断方向の微小な擦れも検知することで、互いの動きに合わせて同時に手を繋ぐ、より安心感のある手繋ぎが期待される</li> <li><strong>心理的な評価</strong>：「柔らかく心地よい触り心地」は主観的なものであり、ハンドの心理的な寄与の評価が今後の課題</li> </ul> <h2 id="研究の流れ関連論文第一著者">研究の流れ（関連論文・第一著者）</h2> <ol> <li>中根葵, 矢野倉伊織, 長谷川峻, 小島邦生, 岡田慧, 稲葉雅幸: 接触面に合わせて変形可能な柔軟被覆と触覚を有する手繋ぎのための五指ロボットハンドの開発. <em>日本ロボット学会学術講演会</em>, 1E3-05, 2023.</li> <li><strong>A. Nakane</strong>, I. Yanokura, S. Hasegawa, N. Yamaguchi, K. Kojima, K. Okada, M. Inaba: . <em>IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)</em>, pp.18120-18126, 2024.</li> </ol>https://nakane11.github.io/publications/conference-paper/roman2023/Mon, 28 Aug 2023 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/publications/conference-paper/roman2023/https://nakane11.github.io/projects/grip-recognition-hand/Wed, 28 Jun 2023 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/grip-recognition-hand/<h2 id="概要">概要</h2> <p>ロボットが人と自然に手を繋ぐには、相手がどのように握ろうとしているかをリアルタイムに認識し、それに応じた繋ぎ方に切り替える必要があります。本研究では、指側面に近接覚センサと力覚センサを搭載した五指ロボットハンドを開発し、人の手が近づく過程と握った際の力から握り状態を推定して、「貝殻繋ぎ」「握手」という2種類の繋ぎ方を自動的に切り替える手繋ぎ動作を実現しました。</p> <ul> <li><strong>指側面の近接覚・力覚センシング</strong>：指が握られる前後の接触の変化を検知し、人がどのように手を握ろうとしているかを推定</li> <li><strong>繋ぎ方の自動切り替え</strong>：推定結果に応じて「貝殻繋ぎ（指を交差させて握る）」「握手（親指を交差させ他指を巻き付ける）」を選択</li> <li><strong>力覚に基づく握力調整</strong>：握り返す際の力をセンサ値に応じて調整し、自然な力加減を実現</li> </ul> <p>本ハンドは「 」の案内実験にも搭載され、移動ロボットと人との手繋ぎ動作に利用されました。</p> <h2 id="関連論文第一著者">関連論文（第一著者）</h2> <ul> <li>中根葵, 長谷川峻, 矢野倉伊織, 真壁佑, 山口直也, 岡田慧, 稲葉雅幸: 指側面の近接・力覚で人の手の握り状態を推定する五指ハンドの開発と手繋ぎ動作の実現. <em>日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023</em>, 1A1-C16, 2023.</li> </ul> <h2 id="受賞">受賞</h2> <ul> <li>日本機械学会若手優秀講演フェロー賞（2024年5月30日）</li> </ul>https://nakane11.github.io/projects/hand-guidance-system/Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000https://nakane11.github.io/projects/hand-guidance-system/<h2 id="研究背景">研究背景</h2> <p>手繋ぎには、安心感を与える心理的な役割と、直感的に指示ができる実用的な役割があります。また、状況に応じて双方が主導権を握れる（対称的な操作が可能である）という利点もあります。</p> <p>そこで本研究では、この手繋ぎの特性を活かし、次の2つのフェーズからなる案内ロボットシステムを提案します。</p> <ul> <li>人間による場所教示: 人間がロボットの手を引いて先導し、経路と場所の名前を教える</li> <li>ロボットによる案内: 人間が目的地を伝えると、ロボットが人間の手を引いて目的地へ案内する</li> </ul> <img src="figs/roman1.png" alt="" style="width: 60%; height: auto;"> <h2 id="人間の手引きによる移動制御">人間の手引きによる移動制御</h2> <p>人間がロボットの手を引いたときに、ロボットの手先にかかる外力（モータ電流値から推定）を移動速度に変換する方法として、3種類のモデルを考案しました。</p> <ol> <li><strong>慣性なし</strong>: 速度を手先外力の対数に比例させる</li> <li><strong>慣性あり</strong>: 力に応じて加速度を決め、閾値との大小関係で停止・加速・減速・等速の4状態を遷移させる</li> <li><strong>慣性+粘性あり</strong>: 2の等速状態に、時間に応じた指数関数的な減速を追加</li> </ol> <p>比較実験の結果、1では人の力の細かい変動が頻繁な速度変化に表れて操作しにくく、2では逆方向に力をかけて減速させるのが遅れ，壁に衝突しかけることがありました。 教示中に各場所で頻繁に止まるためには、目的地の少し手前で力を抜くだけで停止できる<strong>3.慣性+粘性あり</strong>の制御が適していることがわかりました。</p> <img src="figs/roman2.png" alt="" style="width: 100%; height: auto;"> <video width="90%" controls> <source src="figs/roman6.mp4" type="video/mp4"> Your browser does not support the video tag. </video> <h2 id="人間の教示による地図生成">人間の教示による地図生成</h2> <p>人間がロボットを先導している間、ロボットは以下の2種類の地図を自動で生成します。</p> <ul> <li><strong>環境地図</strong>: LiDARのデータに基づき、2次元格子にコストを割り当てた地図。自律移動時の障害物回避や自己位置推定に利用</li> <li><strong>座標地図</strong>: ロボットが通過した座標をノード、その間の経路をエッジとする無向グラフ。このグラフをロボットが通行可能な経路として扱う</li> </ul> <p>移動中の座標は定期的に記録されます。特に人間が「ここが〇〇だよ」と話しかけると、場所の名前を抽出し、その時の座標と紐付けて登録します。</p> <img src="figs/roman3.png" alt="" style="width: 100%; height: auto;"> <h2 id="手繋ぎロボットによる案内">手繋ぎロボットによる案内</h2> <p>人間が「〇〇に連れて行って」と依頼すると、ロボットは作成した座標地図を用いて目的地までの経路を探索します。経路が見つかると、骨格検出で人間の掌位置を検出して手を繋ぎ、経由点を辿って目的地まで移動します。</p> <p>案内中、ロボットは人間と安全に並んで歩くために以下の工夫を行っています。</p> <ul> <li>パートナーの認識: LiDARの点群から手を繋いで隣を歩く人間を認識し、他の障害物と区別</li> <li>人間と一体化した障害物回避: ロボット・人間へ伸ばしたアーム・人間を合成したフットプリントを形成し、これが障害物と干渉しないような経路を計画</li> </ul> <img src="figs/roman4.png" alt="" style="width: 100%; height: auto;"> <h2 id="エレベータの利用">エレベータの利用</h2> <ul> <li> <p>階層の切り替え 環境地図と座標地図は階ごとに作成・保存し、「〇階に到着したよ」という音声指示で切り替えます。 各階の地図はエレベータの位置を基準に対応づけられ、目的地が別の階にある場合は現在地→現在階のエレベータ、目的階のエレベータ→目的地の経路をそれぞれ探索します。</p> </li> <li> <p>乗降プロセス 乗降時は安全のため一時的に手繋ぎを解除します。人がボタンを操作する間にロボットが先に乗り込んで腕でドアを押さえ、頭部カメラで人の乗降を確認します。到着階でもロボットがドアを押さえて人を先に降ろし、全員が降りた後に再び手を繋いで案内を再開します。</p> </li> </ul> <img src="figs/elevator_door.jpg" alt="" style="width: 30%; height: auto;"> <h2 id="心理的安心感の評価">心理的安心感の評価</h2> <p>ロボットが人間を案内する動画（A: 手繋ぎなし、B: 手繋ぎあり）に対する印象を、100名のオンラインアンケートで評価しました（有効回答97名）。 アンケートでは、ヒューマノイドに対する心理的安心感尺度として提案された「快適さ・安心感・性能感・制御可能性・ロボットらしさ」の5因子についての質問項目を抜粋し、7段階評価を行いました。加えて、自由回答の質問もいくつか追加し、以下の結果が得られました。</p> <ul> <li>5因子のうち快適さ・性能感は手繋ぎありがやや高く（有意差なし）、「どちらのロボットが有能に見えるか」という質問では、「気遣いができる」「優しさを感じる」といった理由から過半数（57名）が手繋ぎありを選択</li> <li>制御可能性は手繋ぎありの方が評価が低く、移動ロボットと物理的に繋がることで、暴走時に手を離してもらえないといった不安が生じた可能性</li> <li>「このロボットと手を繋ぎたいか」という質問に対して、ロボットの握り心地への興味や親しみ・安心感といった理由から44名が「はい」と回答。「いいえ」の理由としてはハンドの見た目が硬くゴツゴツしていることが多く挙げられ、柔らかい外装など、安心感を与える外観が今後の課題</li> </ul> <img src="figs/result.png" alt="" style="width: 55%; height: auto;"> <video width="90%" controls> <source src="figs/roman5.mp4" type="video/mp4"> Your browser does not support the video tag. </video> <h2 id="関連論文">関連論文</h2> <ul> <li>中根葵, 矢野倉伊織, 東風上奏絵, 岡田慧, 稲葉雅幸: 人の先導と場所教示をもとに案内行動を獲得するロボットの手繋ぎ誘導システム. <em>日本ロボット学会学術講演会</em>, 4D1-04, 2022.</li> <li>Aoi Nakane, Iori Yanokura, Aiko Ichikura, Kei Okada, Masayuki Inaba: Development of Robot Guidance System Using Hand-holding with Human and Measurement of Psychological Security. <em>IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication</em>, pp.2030-2036, 2023.</li> </ul>