立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

振動刺激を用いた環境情報フィードバック型
ウェアラブル運動教示システム
Wearable Motion Guidance System using Vibrotactile Cue based on
Feedback of Environment Information
2161902

研究代表者

東北大学大学院工学研究科

教授

平田泰

久

ことで，人間に自らの運動修正を誘発させるこ[研 究 の 目 的］とを目的とする。
高齢化社会の問題解決には健康寿命の増進が[研究内容・成果］効果的であり，高齢者・障がい者自身が積極的に自らの意志で活動することを促す機械システ
ムの開発が重要である。本研究では，高齢者・

1．運動方向提示デバイスの開発および振動障がい者のスポーツ支援に注目し，高齢者や障モータ制御手法の構築がい者の衰えた環境認識能力をセンサで補い，本研究では，はじめに運動方向提示デバイスその情報を振動刺激という形で体の部位に提示の開発を行った。3D プリンタ等を用いて人間することで，高齢者や障がい者が健常時と同等の手首の周囲に複数の振動モータを取り付けたもしくはそれ以上にスポーツを行うことを可能ウエアラブルデバイスを開発した。振動デバイとする環境情報フィードバック型ウェアラブル

スには，様々な手首の太さに対応できるように，運動教示システムを研究開発することを目指す。

振動モータを 1 つ格納するモジュール構造を製

一般に高齢者や障がい者は，筋力と感覚が衰作した。このモジュール 6 個をゴムバンドで連えることから健常時と同等の運動を行うことが結させることで，手首に複数の振動モータを配難しくなる。筋力の衰えを支援するウェアラブ

置した。開発したデバイスを図 1 に示す。これ

ルロボットの研究は数多く行われているが，本により，手首のサイズに合わせて装着すること研究では感覚の衰えに起因する運動能力の低下を補完するウェアラブル運動教示システムの実現を目指す。
スポーツ訓練では一般に指導者が訓練者の腕や足を持ち適切に動かすことによって指導するいわゆる「手取り足取り」型の指導方法が採用され，その場合の訓練者の運動は受動的である。
しかし本研究では，人間が自ら能動的に運動し，その実際の運動軌道と技能に要求される理想軌道との差異を複数の振動刺激によって提示する
― 1 ―

図1

振動提示デバイス立石科学技術振興財団ができ，同時に使用者に合わせて振動モータの制御することが可能となる。実際にこの手法を配置を調節できる。使用した振動モータは，コ用いて呈示した方向が認識できることを確認し，イル型偏心モータ (FM34F) を用いた。振動

約 80% の認識率を実現した。

モータの制御には，Adafruit 社の FLORA を用 い た。Pulse Width Modulation (PWM) 制

2．動的な運動を考慮した運動提示システムの御を行うため，PCA9685 チップを用いること構築で振動モータの強さを制御した。

前節で提案した運動方向呈示手法は，振動が次に，手首に複数の振動刺激を与えることで，移動していくような感覚を得られるという振動運動方向を呈示する手法を提案する。本研究で刺激を用いた。これにより，刺激を受けた部位

は，運動方向提示手法 (Direction Sensation :をどこへ動かしたらよいか直感的に理解するこDS) を提案する。人は川の中に手を入れるととを可能となる。しかしながら，この運動方向水が肌を伝わる感覚から，川の流れの方向を認呈示手法は，方向を伝えるのに一定時間要する識することができる。この感覚を参考にし，運といった課題があり，その応用範囲は静的な方動方向を生成することを考える。人の四肢を円向提示に限定される。

柱と仮定し，その周りに複数の振動モータを配

そこで，本研究では方向の伝達に時間を要し置する。運動方向に基づいて呈示する方向の出ない，新たな運動方向呈示手法を提案する。本

発点と到着点を決め，出発点から両側に振動を研究で利用する振動刺激は図 3 に示すような定伝えていき，到着点まで皮膚上を振動刺激が移点振動刺激であり，振動を感じた点の方向に運動していくことで，運動方向を生成する。

動を行うものとする。ただし，手首を回転させ

図 2 に手首を想定した運動方向提示手法の概るような動的な運動を行うと，振動を知覚する念を示す。本研究では振動刺激の移動を生成す角度が絶対座標系基準において手首の回転ととるために，Phantom Sensation (PS) を用いるもに変化することとなる。すなわち，前節で示こととした。PS は振動の錯覚現象の 1 つであしたリストバンドを利用して定点振動刺激を与り，2 つの振動モータを同時に近くで振動させえると，図 4(a) のように PS を用いて手首のることにより，2 つの振動モータ間に 1 つの振目標運動方向を示すことはできるが，手首を回動モータ (仮想的な振動刺激) が存在するよう転させた場合は図 4(b) のように斜め上方が目に感じる現象である。仮想的な振動刺激の強さと発生位置は各振動モータの強さで決まる。
PS の発生位置を連続的に移動させることで皮膚上を振動が移動していく感覚を実現することが可能となる。また，この手法を用いることで，出発点から到着点までの振動の伝達時間を
図3

定点振動刺激による運動方向提示

(a)

図2

運動方向提示手法(b)

図4― 2 ―

手首の回転補償制御(c)Tateisi Science and Technology Foundation

標方向と認識してしまう。その結果として誤っの運動フォームを知っていることを前提とし，た方向に腕を動かしてしまう可能性がある。そ手先が目標経路から一定距離内にある場合は方こで，図 4(c) のように手首の回転に応じて振向呈示を行わず，目標経路から大きく離れた場動を与える点も移動させることで，手首の姿勢合にのみ方向呈示を行う。これにより，振動刺によらず絶対座標系において常に一定の方向に激によるユーザーの負担軽減と目標経路への追振動を与えることが可能となる。

従性の向上を図る。

提案する手法の有効性を確認するために，本研究で提案する振動刺激による方向呈示にx-y 平面上に目標位置を設定し，提案した制御

よってユーザーの目標経路への追従性が向上す

手法に基づいて運動方向を呈示することで手先るか検証した。本実験では 8 人の被験者を振動を目標位置まで誘導できるか検証実験を行なっ

刺激による方向呈示を与える (With Feedback,た。初期位置を (0, 100)[mm] と設定し，目WF) グループ 4 人と与えない (No Feedback,

標位置は (200, 300)，(100, 450)，(150, 150)，NF) グループ 4 人に分け，それぞれのグルー(−150, 300)[mm] の 4 点を設定した。1 つのプの目標経路への追従性を評価した。被験者は目標位置に対して方向が 15[s] 間呈示される。

目標経路をあらかじめ知らされ，1 人あたり 20

15[s] 経過すると，次の目標位置への方向が呈回の経路追従を行った。また，手先を動かす速示される。実験結果を図 5 に示す。図 5 は x度は，振動刺激に対する人間の反応速度を考慮および y 方向の時間変化をプロットしたもの

して 200[mm/s] 以下とした。経路追従実験のである。実験結果から 1 つの目標位置に対し運結果から，WF グループの方が目標経路に追従動方向が提示されてから 1.4[s] 程度で手先ができていることが分かり，各グループの平均二動き出し，5〜10[s] 程度で目標位置に到達し乗誤差 (RMSE) および最大誤差の平均と標準ていることがわかる。これより，被験者は振動誤差が，いずれも WF グループの方が低いこ

デバイスから呈示される運動方向に関する情報とが分かった。また，RMSE および最大誤差のみを利用して目標位置に手首を到達させるこに対し 2 つのグループ間で両側 T 検定を行とができることが示された。

なった結果，RMSE と最大誤差がいずれも有

また，より動的な運動支援を実現するために，

意水準 0.01 を下回ったため，振動による方向この振動刺激による方向呈示手法を利用して，呈示を行なった方が目標経路に対する追従性が手先を目標経路に追従させることを試みた。こ

向上すると認められた。のとき，振動によって方向を持続的に呈示すると，皮膚の感度が低下し方向の認識が困難にな

3．環境情報に基づく目標運動提示手法の構築る可能性がある。そこで，人間はある程度目標ゴルフのピンの位置といった環境情報から適切なパッティングを行うために最適な目標フォームを推定し，その目標フォームに近づくように運動提示を行う手法の検討を行った。本研究ではゴルフのパッティングを例にとり，ピンまでの距離・方向に応じて，パッティングのスウィング量・テンポ，スウィング方向を提示する手法を構築した。実際に図 6 に示すような振動デバイスを搭載したゴルフパットを製作し，適切なスウィングを教示する実験を行い，その図5

経路追従結果有効性を確認した。
― 3 ―立石科学技術振興財団のような運動提示デバイスを長期間使用した場
合に，運動習得が効率的に行うことが可能になるのか調査することが課題となる。
さらに提案する技術を用いて，より具体的な応用研究を行い，実用化を進める予定である。
特に，高齢者や障がい者のスポーツ支援に注目し，究極の目標は，スポーツに最も重要な視覚や聴覚の感覚が衰えても健常者と同等もしくはそれ以上の運動を行うことを可能とする支援システムの開発である。
[成果の発表，論文等］
サラザルホセ，村尾佳紀，平田泰久，小菅一弘，複数の振動刺激を用いた運動方向呈示，日本機械学会ロ図6

ボティクス・メカトロニクス講演会，2A1-14a4，ゴルフを例とした運動教示

2016．

また，手先の経路追従手法を拡張するとともに，振動を提示する場所を手首から足部にすることにより，人間をある空間内で誘導する手法の検討を行った。これにより，スーパーマー

サラザルホセ，村尾佳紀，平田泰久，Conveying motion direction using phantom sensation，第 34 回日
本ロボット学会学術講演会，2B2-06, 2016．
サラザルホセ，岡部圭佑，平田泰久，Conveying Direction using Multiple Simultaneous Phantom Sensation Vibrotactile Cues，計測自動制御学会システ

ケットや美術館・博物館等で人間を目的の場所

ムインテグレーション部門講演会，3A5-14，2017．に案内するシステムの開発や，認知能力の衰え

岡部圭佑，サラザルホセ，平田泰久，ファントムセン

た方のスポーツ支援などへの応用が期待される。

セーションに基づく振動刺激を利用した手先の経路追従，計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会，1B5-04，2017．

[今後の研究の方向，課題］

Jose V. Salazar Luces, Keisuke Okabe, Yoshiki Murao,
and Yasuhisa Hirata, A Phantom-Sensation Based

本研究は，振動刺激を用いて人間の体の一部を制御することを目指したものである。今後は，提案したデバイスおよび手法を発展させ，体全体の運動をガイドすることを目指す。また，こ― 4 ―Paradigm for Continuous Vibrotactile Wrist Guidance in Two-Dimensional Space, IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS, VOL. 3,NO. 1, 2018.