情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

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VR 上の軟体物体と硬さの異なるタンジブルオブジェクトとの対応付け調査
臼井 義人†1,a)

高橋 治輝†1,b)

松村 耕平†1,c)

概要：VR（Virtual reality）技術の発展とヘッドマウントディスプレイの普及に伴い，多くの人が VR を活用するようになった．しかし，現状の VR では触覚の要素が不十分であり，多くの研究において，硬さや柔らかさといった表現を簡潔にする手法が議論されている．本研究では，こうした硬さを簡潔に表現できるようにするため，VR 上の変形度合いの異なる軟体物体に対して，硬さの異なるタンジブルオブジェ
クトを用いて触覚提示を行う方法を提案する．タンジブルオブジェクトは単純な円柱形状をしており，3Dプリンタのパラメータである壁の厚みを調整するだけで硬さの変更が可能なものとなっている．異なる 2つの直径のタンジブルオブジェクトに対して実験を行ったところ，VR 上の軟体物体の硬度に合わせた近似曲線が得られた．この結果を用いて，VR 上で硬さの異なる同形状の物体に合わせた触覚提示コンテンツを作成した．

1. はじめに1.1 背景の物性に関する適合性が課題となっており [8]，硬さや柔らかさといった表現を簡潔に行える手法は確立できていな
い．そのため VR 上で触覚を十分に考慮できず，実世界に私たちの日々の生活のなかでは，視覚や聴覚だけでなおける基本的な体験が失われ，没入感や臨場感が損なわれく，触覚を活用する場面も数多く存在する．2023 年現在のている [9]．VR 上で，オブジェクトの変形度合いに合わ

VR では，技術の発展に伴い，VR 空間内で実世界に近いせた触覚を再現することができれば，デザイナーが個々の空間を表現できるようになった．また，Meta Quest をは

VR 設計において，多様な触覚フィードバックを実装するじめとする安価で軽量なヘッドマウントディスプレイ (以ことのみならず，従来は固有のものであった触覚フィード

下 HMD) が市場に出回ったことで，幅広い分野の人々にバックを多面的に得ることが可能となる．

とって VR 体験が身近なものとなった．これらの結果，さそこで本研究では，VR 上の変形度合いの異なる軟体物まざまな産業や研究分野において VR が活用され，その有体に対して，硬さの異なるタンジブルオブジェクトを用い効性についても議論されている [1], [2]．て触覚を提示する手法を提案する．ユーザは，タンジブル

現状の VR で特に注目されている技術として触覚の再現オブジェクトを片手に持ちながら，VR コンテンツを体験があり，VR 体験の没入感や，仮想物体とユーザの相互作することができ，軟体物体の変形具合に合わせた触覚を得用といったものを高める要素として，多くの研究でその重ることができる．タンジブルオブジェクトは 3D プリンタ

要性が示されている [3], [4]．VR において触覚を提示するとフレキシブルフィラメントを用いて制作された単純な円手法はさまざまであるが，なかでも，VR 上のオブジェク柱形状であり，硬さを変更するパラメータとしてスライサトに合わせたタンジブルオブジェクトを使用するパッシブソフトウェアで設定可能な Wall（外周）の厚みにのみ注目

ハプティクスにより，ユーザ体験が向上することが示されした．充填率を 0%とすることで，インフィル構造に依らている [5]．さらに，忠実度の高いタンジブルオブジェクト

ず，Wall の数を変更するだけで硬さを変更することができを使用することができれば，VR 空間におけるユーザの現る．このタンジブルオブジェクトを触覚提示に用いるため実感や没入感がより向上する [6], [7]．に，Wall の数と VR 上の軟体物体との関係性を明らかにすしかし，VR 上の仮想物体とタンジブルオブジェクトと†1a)b)
c)

立命館大学
is0547rx@ed.ritsumei.ac.jp
haruki@fc.ritsumei.ac.jp
matsumur@fc.ritsumei.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japan

る必要がある．そこで，本稿では調整法を用いてユーザに軟体物体のシミュレーションのパラメータを調査させた．

1423

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2. 関連研究2.1 触覚提示のための 3D プリンティング
Kim ら [10] は，3D プリンタの造形物の硬さをデザインするためのツールを提案している．この手法では，インフィル密度の変化を硬さの制御に用いており，この密度が柔らかさを制御するための最も有望な変数であると主張している．本研究において，インフィル密度とは，オブジェクト全容積に占める内部固形体積の割合であると定義している．インフィル密度は，内部構造と構造壁の両方によって決定される．三好ら [11] は，印刷面のインフィル構造を図 1操作することで、柔らかさを制御できることを調査した．

スライサーの設定画面

インフィル構造とは，造形物の内側を埋めるために使われる構造体である．この研究では，心理物理学的実験を通し，

3.1 3D プリンタおよび造形材料
本実験では，直径 0.4 mm 口径のノズルを搭載した熱溶解

ピンの密度と印刷面のインフィル密度から知覚される柔らかさを推定する計算モデルを導出した．

積層方式 3D プリンタ（FDM: Fused deposition modeling）

これらの研究のように，従来の 3D プリンティングを用の KINGROON*1 KP3S を使用した．今回使用する 3D プ

いた硬さ制御の研究では，インフィル構造と造形物の壁のリンタは，後述するフレキシブルフィラメントの造形しや厚みといった複数のパラメータ制御を行っている．そのたすさの観点で採用したが，他の機種であっても同様に造形め，個々のパラメータがどの程度触覚に影響を与えたのかできることを確認している．使用するフィラメントは弾性考察されていない．

樹脂の eSun*2 TPU を採用した．このフィラメントのショア硬度は 95A であり，アクセシビリティの観点から選択2.2 パッシブハプティクスした．

Bouzbib ら [12] は，擬似触覚技術 [13] を用いて，ユーザ

スライサは UltiMaker Cura 5.2.2 *3 を使用した．図 1 にが変形可能な物体の擬似剛性を感知できる閾値を調査した．

スライサの設定画面を示す．タンジブルオブジェクトの硬この研究によって，VR 内での触覚体験の向上と，変形可さを制御するのは，この円柱の壁に相当する Wall の厚みで能な物体のリアルな操作に関する洞察が提供された．Fang

あり，この厚みは Wall Line Width（壁 1 枚あたりの厚み）

ら [14] は，家庭内の日常的な物体を再利用し，カジュアと Wall Line Count（壁の枚数）によって決まる．3D プリ

ルでオンデマンドな触覚体験を提供する手法を提案した．

ンタのノズル口径が 0.4 mm であることから，Wall Line

この手法は，様々な家庭や環境に適用可能であり，複雑なWidth は 0.4，Wall Line Count は個々のタンジブルオブ設定プロセスを必要とせず，より魅力的な VR 体験を可能ジェクトで変更した．上面と底面の影響を防ぐため，上面にすることが示された．Muender ら [6] は，VR 環境で忠と底面の層の枚数である Top Layer と Bottom Layer の値

実度の異なるタンジブルオブジェクトを使用して，VR 上は 0 に設定した．なお，スライサで設定したプリント速度

でのユーザの没入感，パフォーマンス、直感的なインタラは 60 mm/s であり，ノズル温度は 200 ℃，ベット温度はクションの影響を調査した．その結果，忠実度の最も高い60 ℃である．

3D プリントされたタンジブルオブジェクトが最も良いパフォーマンスを示した．しかし，忠実度の低いレゴが，タ3.2 タンジブルオブジェクト
本実験で使用するタンジブルオブジェクトは 2 種類あンジブルオブジェクトの高速な作成と十分な忠実度の間の良いトレードオフを提供した．

り，高さ 40 mm，直径 20 mm のものと高さ 120 mm，直径これらの研究から，さまざまな触覚体験が VR 体験を向60 mm のものを準備した．前者は指先でつまめるサイズ，上させることが示されている．本研究も，こうした VR 環

後者は手で掴めるサイズという観点でこれらの値に設定し境における触覚提示の研究分野に貢献するものである．

た．これらを造形する際，それぞれの Wall Line Count を

3. 実装環境
本研究では，3D プリンタを用いてタンジブルオブジェ変更し，壁の枚数を 1〜8 と 1 つずつ変化させたものを 8 個ずつ，合計で 16 個制作した．タンジブルオブジェクトは，VR 環境内の軟体物体の比率に合わせて高さと直径の比率クトを作成し，ゲームエンジンである Unity を用いて VR*1環境を構築する．

*2*3© 2024 Information Processing Society of Japan

https://kingroon.com/
https://www.esun3d.com/
https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/1424

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図 3

図 2

deformationResistance 値が 0.01 の軟体物体の状態推移作成したタンジブルオブジェクトの例
図 4

deformationResistance 値が 1 の軟体物体の状態推移のみを一定とした．図 2 に作成したタンジブルオブジェク
トの例を示す．

体は非常に弾性的であり大きく変形し，結果として柔らかい挙動をする．高い値は軟体物体の剛性を高めるため，見3.3 VR 環境た目は硬いオブジェクトとなる．抵抗値の最大値は 1，最小本実験で使用する HMD は Meta Quest2*4 である．Unity

値は 0.01 となっている．この値を 0.01 刻みで変更するよのエディタバージョンは 2021.3.23f である．本実験では，

うに設計した．図 3,4 にそれぞれの deformationResistance

軟体物理演算を行うアセットである Obi Softbody[15] を値の際の，軟体物体の状態推移を示す．

用いて VR 上の軟体物体を作成する．Obi Softbody は VR

なお，Obi Softbody の挙動を Unity 上で表示する際に，上の軟体物体を作成する際のアクセシビリティの観点から作成する軟体物体の頂点の量に合わせて，Obi Softbody採用した．作成した VR 環境は HMD にダウンロードし，Skinner（レンダリングを行うコンポーネント）の Skinning

スタンドアロン環境で実行することができる．

Max Distance 値を変更する必要がある．このパラメータ

3.3.1 Obi Softbody の概要

は各頂点をスキニングするときに考慮する最大距離である．

Obi Softbody は Unity のプラグインであり，物理粒子

この距離よりも遠いパーティクルは，演算において考慮さの集合体で形成されている．パーティクルは互いに干渉すれない．そのため，通常は，メッシュ内のすべての頂点がることができ，制約を設けることで互いに影響を及ぼしあ

最も近いパーティクルからこの距離内に収まるように，コう．Obi Softbody のコンポーネントは，パーティクルや拘ンピュータの性能を考慮しながら十分な大きさの値を使用

束データを取得するためにソフトボディのブループリントする必要がある．

を必要とする．ブループリントはメッシュのサーフェス，3.3.2 その他のゲームオブジェクト

ボリューム，スケルトンにパーティクルを生成し，それぞ図 5 に HMD 装着時に見える VR 環境を示す．本実験でれのパーティクルを互いに保持するためにクラスターを形は，VR 環境上に，円柱形状の軟体物体以外に，硬さの数状整合する．本実験で作成した軟体物体の大きさは高さ 2，値を示すパネル，無色透明な Box を 2 つ設置してある．軟直径 1 の比率となっている円柱である．これは Unity 上の体物体の両サイドにある Box は，物理演算の影響を受け標準的な円柱の比率となっており，本実験における軟体物ず，一様な速度で移動する．VR 上の軟体物体は，Box に体の大きさの基準とした．

よって左右から押し付けられるように変形する．硬さを表

本実験では，作成した軟体物体の柔らかさを制御するた

示するパネルは軟体物体の上に配置してあり，軟体物体のめ，Obi Softbody の deformationResistance 値を変化させdeformationResistance 値を取得し，常にユーザに対してる．この値は，軟体物体が静止形状からの逸脱にどの程度表示している．なお，論文中の図 5 では Box の配置位置を強く抵抗するかを制御する値である．低い値では，軟体物示すために有色の状態で図示している．

*4

https://www.meta.com/jp/quest/products/quest-2/© 2024 Information Processing Society of Japan1425

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図 53P-85
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VR 環境上の実験システム

4. 実験
前章で述べた実装環境を用いて実験を実施した．本実験の目的は，VR 上の軟体物体を制御するパラメータ（defor-図 6

mationResistance）と硬さ（Wall Line Count）の異なるタ実験の様子

ンジブルオブジェクトとの対応付けである．

4.1 手順
本実験の目的を説明し，同意が得られた後，被験者はHMD を装着し，利き手とは逆の手でコントローラを持つ．
タスクの内容は，利き手に渡されるタンジブルオブジェク
トと，VR 上に表示される仮想物体の硬さの対応付けである．対応付けの方法として，VR 上に表示される軟体物体に合わせて握る・つまむの動作で力を加えてみること，VR上の仮想物体がコントローラ上のボタンで硬さを変更できることの 2 点を伝えている．図 6 に実験の様子を示す．実図 7

験参加者は 8 名 (男性 6 名，女性 2 名，平均年齢 20.6 歳，

直径 20mm の結果左利き内 1 名) である．実験の所要時間は 1 人あたり 10 分になると deformationResitance 値は上限である 1 へ収束しであった．ていることがわかる．図 8 に注目すると，Wall Line Countが増加することで deformationResitance 値は増加するが，4.2 結果

Wall Line Count が 8 の段階では deformationResitance 値

直径 20 mm の結果を図 7，直径 60 mm の結果を図 8 に示は 1 に収束していないことがわかる．

す．どちらも横軸が Wall Line Count の数値であり，縦軸が deformationResistance 値である．それぞれの値は実験

4.3 考察被験者の平均をとったものである．deformationResistance

図 7 と図 8 より，Wall Line Count と deformationResis-

値は 0.01 刻みで変更しているため，平均値も有効数字を 3

tance 値の関係を示す曲線に差がある．これは作成したタ桁として求めた．

ンジブルオブジェクトの直径の差が影響していると考えらそれぞれの対数近似を出すと，直径が 20 mm の場合は，れる．直径が掴めるサイズのものであれば，ユーザの手と2

y = 0.4144log(x) + 0.2412 で R = 0.9103 となる．直径がタンジブルオブジェクトとの接地面が大きくなり，力を加60 mm の場合は，y = 0.4224log(x)−0.0521 で R2 = 0.9097

えやすくなる．その結果が，この曲線に差を出しているととなる．

考えられる．

図 7 に注目すると，Wall Line Count が 1 の時，deforma-

また，図 7 の Wall Line Count の 6〜8 の deformResis-

tionResistance 値が約 0.2 から始まり，Wall Line Count が 5tance 値に注目すると，差がほとんどないことがわかる．

© 2024 Information Processing Society of Japan1426

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図 83P-85
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直径 60mm の結果
図 9

ペットボトル形状の軟体物体と対応するタンジブルオブジェ
クトの変形度合い

このことから，直径 20 mm のタンジブルオブジェクトを作成する場合，Wall Line Count の値を 5 以上に増やしてもそれ以上に硬く知覚させることはできない．そのため，これ以上の厚みの造形は不用にできると考えることができるため，3D プリンタを用いてタンジブルオブジェクトを造形する際の，時間的，材料的コスト削減につながる．
図 8 に注目すると，Wall Line Count が 4, 5 の deforma-tionResistance 値に変化がほとんどないことがわかる．これは，Wall Line Count が 6, 7 の時も同様の結果が見られる．図 7 には，deformationResistance 値が 1 に収束していない箇所でそのような結果が見られないことから，直径が大きくなることで，隣接する硬さの変化が知覚しにくいことが予想される．

5. 応用例
本研究で得られた知見の応用として，前章までの実験で

図 10

ワインボトル形状の物体とWall Line Count が 6(上) とインフィル密度 100%(下) のタンジブルオブジェクト得られた結果を活用して，軟体物体の変形具合とタンジブルオブジェクトを対応付けた例を示す．図 9 は，ペットいる．これ以上，内部の密度を上げたとしても硬さに変化

ボトル形状の軟体物体を用いた応用例である（3D モデルはなく，材料と造形時間の浪費にしかならない．

は Thingiverse よりダウンロード [16]）．deformationResis-

tance 値は，画面上のペットボトルの変形具合を確認しな

6. 議論

がら 0.5 と実験的に設定した．実験結果（図 8）に注目する

本研究では，VR 上の変形度合いの異なる軟体物体に対と，直径 60 mm のタンジブルオブジェクトを用いてこのして，硬さの異なるタンジブルオブジェクトを用いて触覚軟体物体を握る触覚を再現したい場合，Wall Line Count提示を行うことが目的であった．本研究で用いたタンジブが 5 のものを使用すると良いことがわかる．使用した感覚

ルオブジェクトは円柱のみであり，その他の図形は考慮しとして，視覚と触覚の整合性が取れており，硬さの感覚とていない．また本実験では，直径が変化したことで，ユーしては違和感なく再現できた．

ザが知覚する硬さにも変化が生じた．そのため，大きさと一方で，図 10 のような比較的硬質なワインボトル形状形状の 2 条件を考慮した研究も行うべきである．の物体（3D モデルは Thingiverse よりダウンロード [17]）

今回示した応用例では，重さを考慮できていない．壁がを再現したいという状況もあるだろう．こうしたとき，3D薄いとそれだけで重さに変化が生じる，それが広い意味でプリンタを用いてインフィル密度を 100%にしたタンジブ触覚に影響を与えることを考慮する必要がある．また応用

ルオブジェクトを造形するという方法が考えられるが，本例で示した，ペットボトルの凹凸形状や押し込んだときの研究の結果を見ると必ずしも密度を 100%にせずとも，十音など，硬さ以外の要素に関しても検討できてない．これ分に硬さを表現できることがわかる．たとえば，図 7 でらを考慮することで，より忠実度の高い触覚提示が可能に示したように，直径 20 mm のオブジェクトは Wall Lineなると考える．

Count が 6 程度で deformationResistance 値が 1 に達して© 2024 Information Processing Society of Japan

本研究で作成したタンジブルオブジェクトは，接触する1427

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箇所の全てにおいて知覚する硬さが一定である．そのため，接触する箇所によって硬さの変化があるような物体に対して対応できない．部分的に硬さを変化させるようなタ[9]ンジブルオブジェクトの作成も必要になると考える．
本実験では，ユーザの力を加えること動作として，つまむ，握るの 2 点を行った．そのため，押す，引くといったVR における他の基本的な動作を除外している．本研究では，VR における触覚提示に焦点を当てているため，さま[10]ざまな動作に合わせた硬さの触覚提示も行うべきであると考える．
本研究において，部分的であるものの，目的は達成されたと思われる．
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