情報処理学会 インタラクション 2021
IPSJ Interaction 2021

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空気圧アクチュエータを用いた全周囲圧力提示システム
NaviChoker の開発
吉田匠吾†

謝浩然†

宮田一乘†

概要：近年，視聴覚情報の提示による生活支援技術が盛んに開発されているが，実世界において触覚情報による情報提示インタフェースの開発は挑戦的である．そこで，我々はウエアラブル技術を用いた触覚デバイスの開発を目指し，空気圧アクチュエータによる全周囲圧力提示システムを提案する．具体的には，空気圧アクチュエータを仕込んだチョーカーを首に装着し，全周囲からの圧力によってユーザに歩行方向を提示するシステムを開発する．開発したシステムを装着することで，ユーザに全周囲の歩行方向を提示できるだけでなく歩行開始や停止のタイミングも提示することができる．本稿では，デバイスの製作および評価実験を行い，プロトタイプの所感を示すとともに，今後の展開について述べる．

1. はじめに仮 想 現 実 （ Virtual Reality: 以 下 ， VR ） や 拡 張 現 実（Augmented Reality: 以下，AR）による仮想世界とのイン
タラクションにおいて，視覚による情報提示だけでなく，味覚[1]や触覚[2]など，あらゆる刺激を用いた情報提示の手法が盛んに研究されている．特に力覚や触覚による情報提示には，温度や圧力，振動，電気など様々な刺激の提示が可能であり，多方の分野で発展を遂げている[3, 4, 5, 6]．このように，あらゆる情報提示でユーザの体験を拡張させる技術は，エンタテインメントや教育，我々の生活などの多大な恩恵をもたらすと考えられる．
一方，力覚や触覚を提示するデバイスにおいて，人々の行動や生活を支援する研究が行われている．Sasaki らは，棒の両端に合計 8 つのプロペラを付け，空中での並進や回転方向の提示が可能な触覚デバイス LevioPole を開発した

図 1

空気圧アクチュエータを用いた NaviChoker[7]．各プロペラで推進力を生成し，回転速度や方向を制御することで，液体のような滑らかな触覚から，剛体のようそこで本研究では，空気圧アクチュエータを用いたチョな硬い触覚をユーザに提示することができる．LevioPole のーカーの製作を行う（図 1）．ポリエチレンで製作した 4 つ

応用例としてユーザへの歩行方向の提示があるが，デバイのアクチュエータをチョーカーの内側に取り付け，膨らまスそのもののサイズが大きいことから，道路や建物内等にせることでユーザに触覚提示を行う．また，空気圧アクチおける狭い場所での使用は考慮されていない．さらに両手ュエータを複数個取り付けることで，装着者の首の全周囲でデバイスを掴む必要があるため必要な時に手を使うことに触覚を提示することが可能になる．本システムを用いてができず，実用性に欠ける．また Delazio らは，ジャケット圧力を提示することで，ユーザは所定の方向に注意を払うの内側に空気圧アクチュエータを仕込み，ユーザに様々なことができる．また，アクチュエータの膨らみ方や膨らむ圧力を提示する Force Jacket を提案した[8]．エアコンプレ順番にバリエーションを持たせることで，障害物の接近やッサーとエアバキュームを用いてジャケットの内側に仕込

スマートデバイス等の通知，歩行の開始や停止のタイミン

んだエアバッグを膨らませることで，ボールを当てられた

グ，さらには VR アプリケーションと連携する触覚提示デ

衝撃や蛇に巻かれた感覚などをユーザに提示することがでバイスなど，様々なシチュエーションに応用することが可

きる．しかし Force Jacket は，アクチュエータに空気を送り能になる．加えて，画面表示や音声案内ではなく圧力のみ込むために大型のエアコンプレッサーを用いているため，でナビゲーションが可能になると，歩きスマホの防止や騒部屋の中などの限られた空間でしか利用できない．
† 北陸先端科学技術大学院大学© 2021 Information Processing Society of Japan253

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音下での利用も可能になる．他にも設計したアクチュエー
タは市販のチョーカーに取り付けるため，見た目に違和感がなく新しくデバイスの操作を習得する必要もない．したがって，ファッションアイテムとしての利用が可能である．
本提案デバイスは様々な用途に使用が可能である．しかし，任意のアクチュエータを膨らまし，所定の方向に注意を喚起するという基本的な機能の有用性を検証するため，本論文では歩行方向の提示に着目する．また，開発したデバイスを用いて，デバイスの装着感や圧力の提示具合に関する評価実験を行った．デバイスのユーザビリティを確かめ，今後の展開について述べる．

2. 関連研究
本研究の関連研究として，空気圧による圧力提示や，首への触覚提示を行うデバイスの研究を挙げる．
2.1 空気圧による動作と触覚提示

図 2製作した空気圧アクチュエータの動作するため，歩行方向の提示に着目し，評価実験を行った．

3. NaviChoker
本提案デバイスでは，チョーカーの内側に取り付けられNiiyama らは，安価なプラスチックのシートから複数のたアクチュエータを用いてユーザの首の全周囲に触覚を提空気圧アクチュエータを作成し，回転や屈折などの動きを示する．例えば，チョーカーの左側に取り付けられたアク再現する Sticky Actuator を提案しており，正方形や円形，チュエータが膨らむことでユーザの首の左側に圧力を提示

リボン型などの自由形状のアクチュエータを自動作成するすることができるため，任意の方向にユーザの注意を向か機器を開発した[9]．自由形状のアクチュエータを製作できせることができる．また，個別に動作させることや，1 つることで，折り鶴の羽ばたきやロボットの手足の動作などのアクチュエータを連続的に動作させることもできるため，に応用しているが，人への触覚提示デバイスとしての機能より多様な触覚をユーザに提示することができる．

は考慮されていない．Sonar らによる Interactive SPA Skin[10]3.1 空気圧アクチュエータ

では，複数の小型の空気圧アクチュエータを用いて，ユー本システムで使用する空気圧アクチュエータを図 2 に示

ザの腕に様々な触覚を提示しており，タッチやブラシ，物す．アクチュエータに空気が送られ，膨らむことでユーザ体の移動といった触覚をシミュレートしている．しかし，に触覚を提示することができる．製作したアクチュエータ

使用機材が多く，機器の構造も複雑であるため，ウェアラ

は， 2.0×3.0cm 四方にカットされた 0.08mm 厚のポリエチ

ブルデバイスとしての使用はできない．

レンフィルムを使用したアクチュエータ，および空気を送

2.2 首周辺への触覚提示るためのシリコンチューブを使用している．なお本研究で熱刺激による触覚提示として，小野らによる研究がある

は，注射筒とシリコンチューブ，およびシリコンチューブ[11]．首の周囲にペルチェ素子を用いた熱刺激デバイスを同士を繋ぐコネクタの形状の関係から，外径 3.0mm，内径取り付け，HMD の映像と連動させることで VR 体験におけ2.0mm と外径 6.0mm，内径 4.0mm のシリコンチューブを使る臨場感の向上を図っている．山崎らは，振動の振幅，位用した．フィルムの密閉には，はんだごてを用いる方法を相，周波数を動的に変調可能な首かけ形状触覚装置を提案採用した[9]．

しており，触覚情報のみを用いて不可視彫像にたどり着かチューブの先端を折り曲げ，空気が抜けないよう処置をせる実験を行った[12]．しかし前者は，熱刺激を提示するた施したのち，チューブの側面に 1.0mm 四方の穴を開ける．

めにはデバイスが首に密着している必要があり，その圧迫同様に，アクチュエータの片面中央にも 1.0mm 四方の穴を感がユーザに不快感を与える可能性がある．後者は，首の開け，両方の穴が合わさるようポリエチレン対応のアロン

左右から提示される振動のみで距離や方向を把握し，不可アルファで接着する．

視彫像を探し当てる実験しか行っておらず，VR アプリケ

3.2 プロトタイプの製作ーションとの連携や目的地への誘導等の応用はない．

空気圧アクチュエータを用いて製作した NaviChoker のそこで本研究では，空気圧アクチュエータを用いて首のプロトタイプを図 3a に示す．4 つのアクチュエータを首の全周囲に圧力を提示するデバイスの開発を行う．空気圧に周囲に等間隔に取り付けることで，8 方向の圧力提示が可よりアクチュエータが膨らむ仕組みなので，チョーカーが能になる．例えば，前方 2 つのアクチュエータを作動する

首に密着することなく，全周囲に平等な圧力が提示可能でと，ユーザは前方へ，前方斜め左側の 1 つのアクチュエーある．本研究では，製作したプロトタイプの有用性を検証

タを作動させると，前方斜め左側へ注意を払うことができ© 2021 Information Processing Society of Japan254情報処理学会 インタラクション 2021
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ると仮定した．また，装着感とアクチュエータの安定性向上のため，アクチュエータの上から柔らかい布をかぶせた（図 3b）．
提案手法では，各アクチュエータは電子機器で制御され，自動で空気を送り，圧力を提示する仕組みを想定している．
しかし本研究では，プロトタイプの製作を行い，その所感を確かめることを目的としているため注射筒を用いた手動でのアクチュエータ操作を行う．
3.3 予備実験
本実験を行う前に，7 人の被験者を集い圧力提示方向と実際にユーザが感じる刺激方向との関係を確かめるための予備実験を行った．なお，被験者のうち 6 名が男性，1 名が女性であり，年齢層は 20〜30 代である．アクチュエータを作動させる個数や，アクチュエータを設置する箇所によって感じる刺激方向は，ユーザによって異なる可能性がある．そのため，圧力提示方向とユーザが感じる刺激方向と

図 3

NaviChoker のプロトタイプ（a）およびチョーカーの内側に布を被せた様子（b）の関係を検証した．具体的には，15 通りの圧力パターン（図4）をユーザに提示し，その圧力がどの方向から提示されたように感じたかを答えてもらった．そして回答の結果から，8 つの各方向への適切なアクチュエータ動作の組み合わせを確かめた．
予備実験の結果，8 つの方向をユーザに提示するために，本実験で使用する圧力提示方法を図 5 のように設定した．

4. 実験と評価製作したプロトタイプを用いて，提案システムの装着感や圧力提示および方向提示の有効性を検証した．また，本システムをユーザに装着してもらい，圧力提示のみで目的地へ移動を行う実験を行った（図 6）．曲がり角に差し掛かる度に，ユーザに目的の方向へ圧力提示を行いながら棟をまたぐ移動を行ってもらう（図 7）．圧力の提示方法として，

図 4

予備実験で用いる圧力提示の全パターン

図 5

本実験で用いる提示方向別圧力パターン

一度に複数回の圧力をユーザに提示することとした．
4.1 NaviChoker を用いた歩行実験
本実験として，9 人の被験者に対して提案システムの評価実験を行った．なお，被験者のうち 7 人が男性で，2 人が女性であり，年齢層は 20〜30 代である．評価実験は，NaviChoker を用いた歩行実験とアンケート調査からなる．
歩行実験は，アクチュエータの操作を手動にて行う Wizardof Oz 法を用いた[13]．ユーザが歩行中に所定の曲がり角に差し掛かると，実験者が注射筒を用いて空気圧アクチュエータを作動させ，ユーザに進むべき方向を提示する．その際，被験者には目的地を伝えず，かつノイズキャンセリングイヤホンを使用して外部の音を遮断することで，ユーザは NaviChoker からの圧力提示のみの情報を頼りに歩行する．なお，本実験では歩行方向だけでなく歩行の開始と終© 2021 Information Processing Society of Japan255

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了を意味する圧力提示も行った．歩行開始の圧力は，実験開始直後に目的の方向へ圧力を提示することであり，歩行終了の圧力は，図 5 中の 15 番の圧力を目的地周辺で提示した．実験後，被験者に対し本システムのユーザビリティや装着感，圧力の提示具合を確かめるため，以下の項目を設定しアンケート調査を行った．なお，いずれも 5 段階評
価を用いている（5：最も良い〜1：最も悪い）．
1．アクチュエータによる圧力提示はハッキリと感じましたか．
2．方向提示の違いは明確にわかりましたか．
3．圧力提示による不快感はありますか．
4.2 結果と考察
実験の結果，8 人が NaviChoker の圧力提示のみで目的の図 6提案デバイスを用いた歩行方向提示の実験場所にたどり着くことができた．また，実験開始直前のユーザの向きによっては，目的の方向とは違う方向へ向いているユーザもいたが，NaviChoker の圧力提示のみで正しい方向へとユーザの向きを修正することもできた．加えて，ユーザは歩行の開始や終了の合図も認知できており，実験の開始から終了まで全て圧力提示のみで行うことができた．
このことから，空気圧アクチュエータを用いた首の周囲への圧力提示は，ナビゲーションシステムとしての利用に有用であることが示唆された．また，モバイルデバイスの画面表示や音声案内によるナビゲーションは，歩きスマホの助長や，騒音下では利用しづらいといった問題がある．しかし，本実験にて圧力のみでユーザを案内することができたため，それらの問題も解決することが可能であると示唆された．一方で，被験者のうち 1 名が目的地に辿り着くことができなかった．理由として，実験終了直前に提示する歩行終了の圧力提示を，後方へ進む圧力と認識したためであった．このように，被験者によって感じる圧力の位置や強さが異なることがある．そのため，ユーザごとの適切な圧力の強さや提示位置を調査，分析し，より多くの被験者が平等に圧力の提示位置を感じられるようアクチュエータ

図 7

ユーザの歩行経路および圧力提示場所の改善を行う必要がある．
アンケート調査の結果を図 8 に示す．項目の内容は，方向提示の違い，空気圧アクチュエータによる圧力提示の具合，開発デバイスの装着時の不快感に関する評価である．評価の結果，圧力提示に関する項目が高評価であることが確かめられた．特に空気圧アクチュエータによる圧力の提示に関しては，被験者の全員が「圧力を感じる」と回答した．また，方向提示に関しても，多くの被験者が違いを感じていた．方向提示の項目の回答に，違いがあまりわからないとの回答がある理由として，被験者の首が細いためアクチュエータが首に届かなかったことや，触覚を感じにくい箇所にアクチュエータが当たっていたことなどが考えられる．この問題は，アクチュエータの膨らむサイズや© 2021 Information Processing Society of Japan

図 8 評価結果のグラフ

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首への設置面積の拡大により解決できる可能性があるため，謝辞

デバイスの改良が必要であると考えられる．デバイスの装プロトタイプ装着イメージの製作にあたり，張萍氏には被写体として写真撮影に協力していただいた．ここに感謝の意を表する．

着時の不快感については，「不快ではない」と評価した被験者が 4 人しかおらず，半数以上のユーザが装着感に満足していないことが確かめられた．理由として，そもそも首に参考文献巻物を着けることを快く思わないユーザがいることや，ア[1]クチュエータにつなげているシリコンチューブの存在が心地よい装着感を阻害している可能性がある．この解決策として，首とデバイスの間に柔らかい布を挟むことや，アクチュエータの機構の小型化を行いユーザに与える機構の存在感を小さくする必要があると考えられる．

5. まとめ
本論文では，空気圧アクチュエータを用いた全周囲圧力提示システム NaviChoker を提案し，プロトタイプを製作した．また，歩行方向の提示に着目し評価実験を行うことで，空気圧アクチュエータの圧力提示によるユーザの知覚の差異およびアクチュエータの有用性を確かめることができた．
特に，ユーザは圧力を明確に知覚できており，歩行方向の提示デバイスとして十分に有用性があることが示唆された．
同時に，デバイスの改良を行うことでさらに多様な触覚提示を行えることが期待できる．デバイスの装着感に関しては，被験者の半数以上が満足していないものの，改善の余地があるため今後の課題とする．提案デバイスを用いることで，ナビゲーションとしての使用だけでなく，メッセージ通知機能やタイマー機能，エンタテインメントなどへの応用が考えられる．また，他者との一定の社会的距離を保つためのデバイスとしても活用できる．
今後の課題として，空気圧アクチュエータの動作の自動化が挙げられる．本研究では，Wizard of Oz 法により手動でアクチュエータを動作させているため，方向提示の素早い変更ができない．自動化によりアクチューエータを自由に制御できるようになると，アクチュエータの膨らみ方の強弱や膨らむ速度，回数を細かく制御できるようになる．
加えてアクチュエータの数を増やすことで，複雑かつバリエーション豊かな動作パターンを検討することができ，ユ“虫物の多い料理店(2017)”. http://ivrc.net/archive/therestaurant-of-many-orders-insect-dishes2017/, (参照 2020-12-12).
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ーザが感じる圧力の方向や，提示された圧力はどのような意味を表しているとユーザが感じるのかを分析することができ，連続的な動作による新しい圧力提示を行うことができる．また，自動化された空気圧アクチュエータを市販のチョーカーに取り付けるためには，コンパクトな空気回路の設計が必要になる（例えば，Bubble [14]など）．デバイスの軽量化や小型化をはかることで，ユーザにかかる負担が小さくなると考えられる．

© 2021 Information Processing Society of Japan257