情報処理学会 インタラクション 2016
IPSJ Interaction 2016

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2016/3/4

PhysitalMeasure: 実採寸データをデジタルデザインにアサインするファブリケーション支援システム
竹腰 美夏1,a)

馬場 哲晃1,b)

概要：3D プリンタを用いたデジタルファブリケーションは，低コストなオーダメイド生産の新しいアプローチとして注目を集めている．しかしその活用にはデジタル技術への知識が必須であり，初心者にはやや困難である．本研究は，初心者のユーザへ向けたデジタルデザイン及びファブリケーションを支援するシステム PhysitalMeasure を提案する．本システムは，物体の実採寸データをメジャーインタフェースによってコンピュータへデジタル入力し，リアルタイムで 3D モデルに実寸反映させ，STL ファイルを生成するものである．ファイルを 3D 出力すると採寸物と同サイズのモノの造形が可能である．本稿では，デジタルファブリケーションを支援するためのシステム PhysitalMeasure の概念，プロトタイプシステムの設計及び実装について述べ，さらに今後の開発に向けての課題を考察する．

PhysitalMeasure: Fabrication Support System of Assigning Physically
Measured Data to Digital Design
Takekoshi Minatsu1,a)Baba Tetsuaki1,b)

Abstract: Digital fabrication using a 3D printer is attracting attention as a new approach to low-costcustom-made production. However in order to use it is essential to know the digital technology, somewhat
laborious for novice. This research proposes PhysitalMeasure, a system to support the digital design andfabrication aimed to novice users. By using the measure interface, we can put a physically measured data tothe computer, make actual size of 3D model in real time and then make a STL file for 3D printing. Printing
the file,we can get a same size product as measurements. In this paper,we describe the concept of system”PhysitalMeasure” to facilitate digital fabrication, design or implementations of the prototype system,finallyconsider the development after this.

1. はじめには専門メーカに設計・生産を委託するために，既製品を購入するよりもかなり高額な費用がかかってしまう．それにデジタルファブリケーションの普及に伴い，個人のもの対しデジタルファブリケーションによるものづくりプロセづくりが加速している．我々はパーソナルコンピュータ上スは，低コストで個人に特化した生産が行える点でオーダでデータをつくり，デジタル工作機器で出力を行えば，自メイド法に代わる新たなアプローチとなるだろう．

分の需要に合ったものを自分で簡単に手にいれることが出

しかしながら，これらデジタルファブリケーションの活来る．デザイナやエンジニア，職人でなくても，誰もがも用には，グラフィカルユーザインタフェース（GUI）を介しのづくりへ参加できる環境が今実現しつつあるのだ．

たデータ入力，デジタル工作機器でのデータ出力のプロセ

これまで，個人の需要に特化したものを生産する手法は，スを踏むのが一般的であり，初めて利用するユーザにはやオーダメイド法がメインであった．しかしオーダメイド法や複雑である．3D プリンタを例にあげると，3 次元 CAD

1a)b)

首都大学東京大学院 システムデザイン研究科
Graduate School of Tokyo Metropolitan University
takekoshi-minatsu@ed.tmu.ac.jp
baba@tmu.ac.jp© 2016 Information Processing Society of Japan

ソフトウェアを用いてモデルをデザインし，STL ファイル形式のデータを作成，3D プリンタで出力というプロセスである．3D プリンタの機器自体の操作はあまり複雑では804

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デジタル環境でのデザインを支援するシステムは続々と提案されている．Project Shapeshifter [1] は，アプリケーション上の 3D ジオメトリックモデルの形状やパターンをユーザがカスタマイズするサービスである．GUI 上の複数のパラメータを操作することにより，簡単にオリジナル 3Dモデルデータの作成が可能である．意匠面でのコンテンツが充実している点で今後参考にすべき要素を含むが，本研
究では実世界の物体に基づいてデジタルデザインを行うことで，物体とデータとのサイズ感をマッチさせることにまずは注力する．実世界と 3 次元デジタルデータとのマッチングと言えば，Tactum [2] がある．肌の上でのジェスチャをインタフェースとして，ユーザの身体の周りに 3D モデルを生成する，ウェアラブルデザインを支援するシステムである．モデルを 3D プリンタで出力すると身体の形状・大きさに最適化したプロダクトの造形が可能である．本研
図 1

PhysitalMeasure

Fig. 1 PhysitalMeasure

究とはインタフェース構成が全く異なるものの，初心者ユーザへ向けた 3D デザイン支援としてコンセプトに関連が強く，デジタルファブリケーションのオーダメイドへのなく，多くのユーザは一度扱い方を習得すれば家電製品同活用の先駆となる研究である．

様に使いこなすことが出来るとされる．一方で，習得に時フィジカルな道具をインタフェースへ拡張させデジタル間を要する作業が，3 次元 CAD などのデジタルデザインデザインへアサインするという文脈では，デジタルデータソフトウェアを用いたデータ作成である．ユーザのつくりに物理的実体を与えることで直感的な認識や操作を可能にたい物体の形状・大きさの具体的イメージがあったとしてするタンジブルユーザインタフェース（TUI）[3] に本シス

も，GUI 上の 3 次元空間でイメージ通りの物体をデザイン

テムは関連する．実世界にある日常道具を TUI としてデジしデータ化することは，初心者にとっては至難の技となる．

タル技術へ拡張する研究に，dePEND [4] や COMP*PASS

これらの背景を考慮し本研究では，オーダメイド生産で[5] がある．これらは手作業をデジタル技術で制御すること欠かせない，物体を採寸する行為に着目する．この行為とによりユーザの創作行為を支援している．AR-Jig [6] は，３次元デザイン機能を直接組み合わせれば，ユーザは複雑ヘッドマウントディスプレイ上の 3 次元デジタルデータをな GUI を操作することなく簡単に思い通りの物体のデジピンアレイを用いて操作する研究である．こちらは日常道タルデータ作成が可能になると考える．本研究で提案する具をインタフェースとして用いていないが，デジタルモデのは，実物体の採寸データをリアルタイムで３次元デジタリングの初心者でも TUI によって直感的に 3D モデルの輪ルデータへ割り振ることで，3D プリンタでのファブリケー郭デザインが可能となっている．これらのように本研究でションを支援するシステム PhysitalMeasure である（図 1

は TUI を用いてユーザの創作行為を支援すると共に，加）．具体的には，日常生活で物体採寸時に用いる道具，メえてデジタルファブリケーション技術を用いた出力を目標ジャーをインタフェースとして拡張したシステムである．とする．

物体の縦，横，奥行きの長さを測ると，メジャーに埋め込まれたセンサから採寸データがコンピュータに入力され，3D モデルに実寸で反映する．3D モデルの形状はディスプレイ上でリアルタイムで確認でき，採寸後に STL ファイルを生成する．それを 3D プリンタで出力すると採寸物と同じサイズの物体造形が可能である．
本稿では，デジタルファブリケーションを支援するためのシステム PhysitalMeasure の概念，プロトタイプシステムの設計及び実装について述べ，さらに今後の開発に向けての考察を行う．

図 2

システム概念Fig. 2 Concept of The System

2. 関連研究近年のデジタルファブリケーション技術の発達に伴い，© 2016 Information Processing Society of Japan805

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3. PhysitalMeasure の提案
3.1 システム概念と概要
本研究では，3D プリンタを活用したファブリケーション支援に焦点を絞り，実採寸データをデジタルデザインにアサインするシステム PhysitalMeasure（Physical-DigitalMeasure）を提案する（図 2）．ものを採寸するという行為は，今も昔も変わらず人々がものづくりをする際にする自然な行為である．そこで本システムは．日常的な採寸道具の 1 つであるメジャーに着目し，採寸データをデジタルへ
図 3拡張する為のインタフェースとした．ユーザが一般的なメジャーと同様に物体を採寸すると，メジャーに埋め込まれシステム構成

Fig. 3 Configuration of The System

たセンサによって採寸データがコンピュータに入力され，3D モデルに実寸で反映する．3D モデルの形状はディスプレイ上に 3DCG がリアルタイム表示され，ユーザは目で確認しながら高さ，幅，奥行き，各方向の採寸を行うことが可能である．採寸終了後，デザインした 3D モデルの STLファイルが生成され，素早く 3D プリンタ出力用のデータが完成する．それを実際に 3D 出力すると採寸通りの物体が造形される．
本稿で述べるのは，システム PhysitalMeasure の第一プロトタイプの設計及び実装である．ボックスの寸法をカス

図 4プロトタイプの外観

Fig. 4 The Appearance of Prototype

タマイズデザインするシンプルなものであるが，このプロトタイプシステムの提案は，個人が自分の需要に合ったものをつくる，オーダメイドとファブリケーションの融合への可能性を示すために価値あるものと考える．

3.2 システム設計
本システムは，図 3 のように採寸距離を認識するためのロータリエンコーダ，採寸方向を識別するための３軸加速度センサ，マイコンボードで構成される．マイコンボードには Arduino Uno を用い，入力されたデータを open-Frameworks へシリアル通信で送信する．筐体は 3D プリンタで造形し，テープは採寸距離の精度調整の目安となる
ため，既存のメジャーに使われていたテープを本プロトタ

図 5

イプインタフェースでは採用した（図 4）．

インタフェース設計

Fig. 5 The Interface Design

プロトタイプインタフェースの構造は図 5 のように設計した．ロータリエンコーダのシャフト部分に歯車（歯：24について述べる．本研究では，プロトタイプシステムとし枚）の付いた円柱（直径 28mm，3D プリンタ出力，表面て 1 センチメートル単位の距離を検出すべく，2 つの手法

素材：軟質ゴムシート）を取り付ける．同素材の円柱もうを検討した．

1 つ備え付け，その間にテープを通して引くと摩擦で円柱【手法 1】メジャーテープに縞模様（5mm 幅白黒線）をが回転する．これがテープを引くとロータリエンコーダが印刷し，フォトリフレクタ（TRP-105F，反射タイプ，測回る仕組みとなっている．筐体サイドにあるタクタイルス

距範囲：1 ｍｍ-10 ｍｍ）を通過した縞の数をカウントしてイッチは，採寸方向の設定のために用いる．

距離を算出する．（図 6）【手法 2】 : ロータリエンコーダ（EC16B，インクリメ

3.3 システム実装

ンタルタイプ，24 クリック，24ppr）のシャフト部分に円3.3.1 採寸距離の入力と算出柱を取り付け，一回転させたときのパルス数と円柱の円周採寸データをマイコンに入力し距離を算出するシステム© 2016 Information Processing Society of Japanの長さを用いて，テープを 1 センチメートル分引いた時の806

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図 6 フォトリフレクタを用いた距離採寸の様子

Fig. 6 Measuring Using a Photo-Reflector

パルス数 P を求める．さらに，Arduino のアナログ入力は1024 段階で示されることから，0-1023 までのパルス数（クリック数）を求めて値を P で割ると距離の算出が可能である．本システムの場合は，0-1023 間のパルス数は 516pulseであった．
手法 1，2 は共にマイコンで距離の算出に成功し精度に

図 73 方向からの物体採寸の様子

Fig. 7 Measuring a Object from three directions

大差はみられなかったが，本研究では手法 2 をシステム実装に採用した．その理由としては，ロータリエンコーダは消費電力を低く抑えられる点，フォトリフレクタはテープの汚れや劣化により検知結果に影響が出やすい点が挙げられる．

3.3.2 採寸方向の識別とスイッチ機能
本プロトタイプシステムは，直方体 3D モデルの 3 方向のスケールを採寸データによって編集が可能である．チップ型 3 軸加速度センサ（ADXL-335，測定レンジ± 3g，電源 3V 時の感度：300mV/g，0g 出力：1.5V）による採寸時の方向の検出機能と，幅，高さ，奥行きの 3 つの方向モード（Width Mode，Height Mode，Depth Mode）の実装について述べる．本システムは，メジャーインタフェースを持つ向きを図 7 のようにモードごとに変えることで，採寸方向の違いを識別する．尚，筐体への加速度センサの埋め込み方向は図 5 参照である．
まず初めに各モードの加速度センサの検出ベクトル値を

図 8

3DCG と STL ファイルの生成

Fig. 8 Generating of 3DCG and a STL file

調べるべく，水平な台の上でセンサを水平または垂直に固定し，電源 3.3V でそれぞれ測定した．下記にの測定結果も採寸データの保存が可能であるシステムにした．採寸手を記す．

順は次のようになる．

【Width Mode】：（x，y，z）＝（405，335，345）( 1 ) スイッチを押し，方向モードを設定する【Height Mode】：（x，y，z）＝（335，266，345）( 2 ) 物体を採寸する【Depth Mode】：（x，y，z）＝（335，335，415）( 3 ) スイッチを押し，方向モードをリセットする

これらの値を各モードの基準値とし，それ以外の数値を3.3.3 3D モデル CG と STL ファイル生成

検出した場合はより近い基準値のモードに判定するプログ

採寸データを 3D モデルに反映させ，3DCG としてリアルラムをマイコンに実装した．具体的に述べると，検出値とタイムで表示し，ASCII STL ファイルを生成するプロトタ

各モードの基準値との差をそれぞれ算出し，XYZ 軸の合イプシステムについて述べる（図 8）．本研究では，Arduino計がもっとも小さいモードに割り振るしくみである．

で算出した採寸データをシリアル通信で openFrameworks

しかしながら常に方向の判定を行うということは，採寸に送信する．3 方向分の採寸データを用いると，各データ途中で違うモードに切り替わってしまうリスクもある．そを識別するための目印が必要となるので，ヘッダデータもこで本システムにスイッチ機能を追加し，採寸途中は向きそれぞれ作成し，採寸データとペアで送信するようにしの判定を行わないようにした．さらに，モードを変更してた．そのデータをトライアングルメッシュで生成された直© 2016 Information Processing Society of Japan807

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方体の 3 辺に実寸で割り振り，モデルの全体像を描写したCG を表示するプログラムを実装した．採寸を開始してから完了後スイッチを押すまで，採寸データは常に受信され続けるので，リアルタイムでモデルの形状を確認しながら採寸作業ができる（図 1）．採寸が完了すると，3D モデルの ASCII 形式の STL ファイルが生成され，3D プリンタで[6]

ing a Compass to Enable Drawing Various Figures andDuplicating Figures on Physical Papers, TVRSJ Vo1.19No.3pp.423 − 432,2014
Anabuki,M., and Ishii,H.:AR-Jig: A Handheld Tangible
User Interface for Modification of 3D Digital Form via
2D Physical Curve. ln Proceedings of the 2007 6th IEEEand ACM International Slymposium on Mixed and Augmented Reality, ISMAR 07,ACM,1 − 10．

出力が可能である．

4. まとめと考察
本稿では，3D プリンタを活用したファブリケーションに着目し，実採寸データをデジタルデザインにアサインするシステム PhysitalMeasure の提案について述べた．
今後の開発に向けてまず取り組むべき課題は，採寸距離の精度の向上である．本研究では 24ppr のロータリエンコーダを使用してセンチメートル単位の距離算出を行ったが，さらに細かい計測を可能にするべくパルス数の高いロータリエンコーダを検討する．加えて，プロトタイピン
グ用として 3D プリンタで造形した筐体にやや歪みが生じており，それも影響していると考えられる．これからはより慎重な設計をした上で耐久性のある筐体をつくる必要がある．また，本研究ではプロトタイピング効率を優先し，メジャーテープの巻き取り機能を省いた設計のインタフェースを用いた．一般的なメジャーとしての操作性を落とさないまま，デジタル機能を拡張するインタフェースが理想であり，改善の余地がある．
本システムはデジタルファブリケーション技術に対して初心者であるユーザに向けたものであるが，現段階では基本的な 3D コンテンツ，必要最低限度のインタラクションの設計及び実装のみを行った．今後は開発と並行してユーザに体験してもらう機会を設け，フィードバックを得ながら研究を進めたい．
本システムの提案をきっかけとし，これまでものづくりに参加してこなかった人でも，日常的に自分の需要に合ったもの創ることが出来るような，オーダメイドとファブリケーションの融合へのアプローチとなることを期待する．
参考文献
[1]
[2]

[3]

[4]

[5]

AUTODESK Project Shapeshifter,
http://shapeshifter.io/（2015 年 12 月現在）Gannon, M., Grossman, T., and Fitzmaurice, G.: Tactum: A Skin-Centric Approach to Digital Design and Fabrication, Design and 3D Object Fabrication CHI 2015,Crossings, Seoul, Korea
Ishi, I., and Ullmer, B.: Tangible Bits: Towards Seamless
Interfaces between People, Bits and Atoms; Proc. CHI
1997, pp. 234-241 (1997)
Yamaoka, J., and Kakehi, Y.: dePENd: A Proposal
for Augmented Handwriting System Using the Ferromagnetism of a Ballpoint Pen, IPSJ SIG Technical Report
Vol.2013-MUS-98 No.25, Vol.2013-EC-98 No.25
Nakagaki,K., and Kakehi, Y.:COMP*PASS : Augment-© 2016 Information Processing Society of Japan808