はじめに

前回の記事（その2）では、ConfigurableJointやHingeJointを用いて、以下の制御を実現しました。

所定の移動速度や角速度でアームのパーツを動かす
所定の力で物を2本指で挟む

しかし、Joint系（Rigidbodyベース）の構成では、連結数が増えるにつれて挙動が不安定になったり、指がワークに衝突した際にパーツが外れてしまうといった課題がありました。

今回は、ロボティクス分野で推奨される ArticulationBody を使用して同様の制御を実現できるのか、またJoint系と比較してどのようなメリットがあるのかを検証します。

Joint系 vs ArticulationBody

「Articulation（アーティキュレーション）」は、英語で「関節」を意味します。UnityのArticulationBodyと従来のJoint（Rigidbody）には、設計思想に大きな違いがあります。

特徴	Joint系 (Rigidbody)	ArticulationBody
構造	Rigidbody同士をJointで繋ぐ	親子階層で関節を定義する
計算方式	座標の反復計算（誤差が出やすい）	順動力学（FEA形式）による高精度計算
安定性	連結が増えると沈み込みや分離が発生	多関節でも非常に安定しており、誤差が少ない
自由度	非常に柔軟（階層を無視できる）	親子階層構造に縛られる

これまでのJoint系はRigidbodyをJointで繋いでいたため、Blender側の階層構造を意識しなくても動作しました。しかし、ArticulationBodyは明確な親子階層を必要とします。

そのため、今回はBlenderに戻り、クレーンゲームのアーム部分に適切な親子階層を持たせる修正を行いました。

ArticulationBodyの設定手順

Joint系をArticulationBodyへ入れ替えていきます。

1. ルート（Pillars）の設定

可動部分の起点となる Pillars（柱）に ArticulationBody をアタッチします。

Mass: 20kg
Immovable: チェックを入れる（空中に固定するため）

Pillars

2. 直進移動（Slider / Arm / Hand）の設定

次に、子階層の Slider, Arm, Hand にそれぞれ ArticulationBody をアタッチします。

Articulation Joint Type: Prismatic（直線移動用）を選択
Motion: Limited に設定
Drive Type: Target（スクリプトから位置制御を行うため）
X/Y/Z Drive (Lower/Upper Limit): 可動範囲を指定

Slider

Arm

Hand

3. 回転動作（FingerL / FingerR）の設定

最末端の Finger（指）パーツの設定です。

Articulation Joint Type: Revolute（回転移動用）を選択
Drive Type: Target
Motion: Limited
Limits: 指が開閉する範囲（角度）を指定

FingerL

FingerR

スクリプトによる制御と安定化

ArticulationBodyの制御は、ArticulationDrive の Target を更新することで行います。

感圧センサー（力覚センサー）の安定化テクニック

今回の実装で工夫した点は、指のターゲット角度の指定方法です。 Lower Limit と Upper Limit を完全に同じ値に設定すると、感圧センサーが検知する力が不安定になる現象が見られました。

そこで、Lower Limit を Upper Limit よりもわずかに小さい値（0.01程度）に設定する「遊び（Gap）」を設けることで、センサー値が非常に安定するようになりました。

実装コード（ArmControllerArticulated.cs）

// 指のドライブ設定を更新する部分
if (_fingerL != null)
{
    var drive = _fingerL.xDrive;
    // わずかなGap（minMaxGap=0.01）を設けて安定化させる
    drive.lowerLimit = _targetGripAngle - minMaxGap;
    drive.upperLimit = _targetGripAngle;
    _fingerL.xDrive = drive;
}

全ソースコードを表示

ArmControllerArticulated.cs

using TMPro;
using UnityEngine;
using UnityEngine.InputSystem;
using UnityEngine.UI;

public class ArmControllerArticulated : MonoBehaviour
{
    [SerializeField] GameObject slider;
    [SerializeField] GameObject arm;
    [SerializeField] GameObject hand;
    [SerializeField] GameObject fingerL;
    [SerializeField] GameObject fingerR;

    [SerializeField] float speed = 0.1f;
    [SerializeField] float gripSpeed = 50.0f;
    [SerializeField] float targetForce = 1.0f;
    [SerializeField] private float minMaxGap = 0.01f;
    [SerializeField] private float slowDownDenominator = 200.0f;
    [SerializeField] private float forceReductionDenominator = 500.0f;

    private ArticulationBody _fingerL, _fingerR, _armJoint, _handJoint, _sliderJoint;
    private float _targetGripAngle = 0.0f;
    private float _lastGripAngle = 0.0f;
    private float _fingerClosedAngle, _fingerOpenAngle;

    private PressureSensor _pressureSensorL, _pressureSensorR;

    [SerializeField] TMP_Text textInfo;
    [SerializeField] TMP_Text textTargetForce;
    [SerializeField] Slider sliderTargetForce;

    void Start()
    {
        _sliderJoint = slider?.GetComponent<ArticulationBody>();
        _armJoint = arm?.GetComponent<ArticulationBody>();
        _handJoint = hand?.GetComponent<ArticulationBody>();

        SetupFinger(fingerL, out _fingerL, out _pressureSensorL);
        SetupFinger(fingerR, out _fingerR, out _pressureSensorR);

        if (_fingerL != null)
        {
            _fingerClosedAngle = _fingerL.xDrive.upperLimit;
            _fingerOpenAngle = _fingerL.xDrive.lowerLimit;
        }

        sliderTargetForce.onValueChanged.AddListener((value) => targetForce = value);
    }

    private void SetupFinger(GameObject finger, out ArticulationBody body, out PressureSensor sensor)
    {
        body = finger?.GetComponent<ArticulationBody>();
        sensor = finger?.GetComponent<PressureSensor>();
    }

    void Update()
    {
        // UI更新処理（省略）
    }

    void FixedUpdate()
    {
        if (Keyboard.current == null) return;

        // 各ジョイントの移動制御
        UpdateDriveTarget(_sliderJoint, Key.A, Key.D, 'x');
        UpdateDriveTarget(_armJoint, Key.W, Key.S, 'y');
        UpdateDriveTarget(_handJoint, Key.DownArrow, Key.UpArrow, 'z');

        // グリップ制御
        float gripSpeedAdjustment = _pressureSensorL.IsColliding && _pressureSensorR.IsColliding ? gripSpeed / slowDownDenominator : gripSpeed;
        if (Keyboard.current.leftArrowKey.isPressed)
            _targetGripAngle = Mathf.MoveTowards(_targetGripAngle, _fingerClosedAngle, gripSpeedAdjustment * Time.deltaTime);
        else if (Keyboard.current.rightArrowKey.isPressed)
            _targetGripAngle = Mathf.MoveTowards(_targetGripAngle, _fingerOpenAngle, gripSpeed * Time.deltaTime);

        // フォースフィードバック: 目標の力を超えたら閉じる動きを抑制
        if (_targetGripAngle - _lastGripAngle > 0 && _pressureSensorL.LastForce > targetForce && _pressureSensorR.LastForce > targetForce)
        {
            _targetGripAngle = _lastGripAngle - (_pressureSensorL.LastForce + _pressureSensorR.LastForce - 2 * targetForce) / forceReductionDenominator;
        }

        ApplyGripAngle(_fingerL);
        ApplyGripAngle(_fingerR);

        _lastGripAngle = _targetGripAngle;
    }

    private void ApplyGripAngle(ArticulationBody finger)
    {
        if (finger == null) return;
        var drive = finger.xDrive;
        drive.lowerLimit = _targetGripAngle - minMaxGap;
        drive.upperLimit = _targetGripAngle;
        finger.xDrive = drive;
    }

    private void UpdateDriveTarget(ArticulationBody joint, Key negKey, Key posKey, char axis)
    {
        if (joint == null) return;
        ArticulationDrive drive = axis switch { 'y' => joint.yDrive, 'z' => joint.zDrive, _ => joint.xDrive };
        
        float value = drive.target;
        if (Keyboard.current[negKey].isPressed && value > drive.lowerLimit) value -= speed * Time.deltaTime;
        else if (Keyboard.current[posKey].isPressed && value < drive.upperLimit) value += speed * Time.deltaTime;

        drive.target = value;
        if (axis == 'y') joint.yDrive = drive; else if (axis == 'z') joint.zDrive = drive; else joint.xDrive = drive;
    }
}

動作確認と結論

実際に動作させた結果、以下のメリットが確認できました。

ジッターの解消: ConfigurableJointで見られた指先の震えが消失し、安定した静止・動作が可能になりました。
パーツの分離を防止: 激しい衝突が起きても、親子階層構造により「指が手から外れる」といった物理的な破綻が起きなくなりました。
高精度な力制御: 微細な「遊び（Gap）」の設定により、感圧センサーの数値が安定し、意図した通りの強さでワークを保持できるようになりました。

よって、今回のクレーンゲーム制作においては、ArticulationBodyを採用すべきであるという結論に至りました。

次のステップ

本記事はこれにて完了します。ここで得た知見は、以下の記事の続編で活用していきます。

本記事で紹介した制作物

以下のGitHubプロジェクトで公開します。