User Generated Haptic Device, SPIDAR-mouse の開発
一色正晴†

林 理平†

赤羽克仁†

佐藤誠†

SPIDAR-mouse: A Development of User Generated Haptic Device
MASAHARU ISSHIKI†

LIPING LIN†

1. はじめにKATSUHITO AKAHANE†

MAKOTO SATO†

ィックデバイス(User Generated Haptic Device)として
SPIDAR-mouse を提案する．SPIDAR-mouse は，力覚

近年，Flash コンテンツ等，視覚・聴覚効果を用いの提示に糸とモータを用いた SPIDAR[6]の機構を採用たインタラクティブ性の高いコンテンツが作成されてしたハプティックデバイスである．ハードウェア構成

いる．このようなコンテンツに，五感の一つである触や設計，制御ソフトウェアやコンテンツ開発環境を公

覚・力覚を加えることで，よりインタラクティブなコ開することにより，力覚提示装置の普及や，力覚を有ンテンツが作成できる．触覚・力覚を提示可能なデバ効に活用した新たなコンテンツ開発の可能性が生まれイスとして，PHANToM[1]や Falcon[2]等のデバイスがる．

市販されてはいるものの，十分にコンシューマに受け入れられているとはいえない．
一 方 ， ハ ー ド ウ ェ ア 技 術 の 進 歩 に よ り ， PIC や

2. SPIDAR-mouse の仕様
SPIDAR-mouse の要求仕様として，以下の 5 つを挙

AVR 等，安価で高性能なマイクロコントローラが開げる．

発されている．さらに，これらのコントローラと PC

1.

必要十分な力覚提示能力間のインタフェースとして USB を用いることで，容2.

製作容易性

易に接続や制御が可能となっている．このようなコン

3.

接続容易性

トローラを用いた汎用性の高いオープンソースハード

4.

コンテンツ制作容易性

ウェアとして，Gainer[3]や Arduino[4]等の製品が販売

5.

安価性

されている．これらの製品は，ハードウェアとソフトウェアの両方を含めた開発環境を提供することで，ハ本研究では，コストパフォーマンスを重視するととードウェア開発からコンテンツ開発まで，統合的に行もに，物体に当たった時の感覚を十分に提示できる必うことが可能となっている．

要十分な力覚提示能力を持つデバイスの開発を目的とこのような背景から，近年では一般ユーザが自由する．にデバイスを製作する UGD (User Generated Device)[5]

製作容易性とは，一般ユーザが容易にハードウェアの概念が生まれてきている．さらに，ブログや動画投を自作できることである．本研究では，中高生等が特稿サイトである YouTube やニコニコ動画など，コン別な工具なしで作成できること，および中高生が理解シューマが情報やコンテンツを作成・発信する CGMしやすいように必要最低限の構成でわかりやすい制御(Consumer Generated Media)が隆盛しており，作成した回路を検討する．

デバイスを公開する場も整ってきている．

接続容易性とは，デバイスを容易に接続・使用すハプティックデバイスに関しても，一般ユーザがることができることであり，PC 間との接続に USB をデバイスを自作しハプティック環境を構築でき，コン用いるデバイスとして設計する．同様に，特殊なデバテンツを作成できる環境が整えば普及につながるのでイスドライバを必要としない HID (Human Interfaceはないだろうか．

Device)として認識されるファームウェアを設計する．

そこで本研究では，一般ユーザが自作可能なハプテ

コンテンツ制作容易性とは，プログラミングの初心者でも利用できること，及び，既存のコンテンツの† 東京工業大学精密工学研究所
Tokyo Institute of Technology

一部を改変するのみで，ハプティックインタラクショ

情報処理学会 インタラクション 2010

図1 SPIDAR-mouse のシステム構成

図2 SPIDAR-mouse の提示力計算方法

ンが可能なコンテンツに改変できることである．既存コンテンツを容易に改変できる環境を検討する．
安価性については，誰でも気軽にデバイスを自作でここで，τ min は糸を張るための最小提示張力を表し，デバイスを使用する際には常に提示する張力である．
本デバイスでは，最小提示張力を τ min = 0.2N とした．

きるように，各ハードウェア部品の十分なコストパフ

また， τ Ai は図 2 に示すように，提示する力ベクトルォーマンスを検討する．

F を，2 つのモータに分配した各糸に出力する力のベクトルである．2 つのモータは，提示する力ベクトル

3. SPIDAR-mouse のシステム構成

が糸で区切られた 4 つの作業領域のどの領域にあるの

SPIDAR-mouse のシステム構成を図 1 に示す．図にかを判定して決定する．

示すように，SPIDAR-mouse は，PIC コントローラと最大提示張力に関しては，モータの出力に依存するマウスを用いたハードウェア部分と，デバイスをコンため，十分なコストパフォーマンスを持つモータを選トロールするための API やコンテンツ開発を行うた

定した．その結果として，本研究ではマブチ製モータめのライブラリ等のソフトウェア部分から構成される．

RE-280 を採用し，デバイスとして最大 2.2N の力を提3.1示することが可能となった．モータの制御には，duty

ハードウェアハードウェア構成としては，PC，一般的なマウス，比の異なる PWM を PIC コントローラで生成することプーリ，モータ，糸，PIC コントローラを用いた制御により行う．duty 比と提示力の関係は以下の式で表回路から構成される．力覚提示方法としては，糸の張わされる．

力を用いるストリングベースの機構であり，モータで糸の張力を制御することにより，2 次元平面上の任意提示力= 2.08× duty比 - 0.28(2)式(2)は，duty 比を設定し，力センサを用いて計測の方向へ力覚を提示する．
力覚制御コントローラとしては，4 つのモータの制した提示力から実験的に導出した．式(2)の計算は PIC

御性と PC との接続性から，複数の PWM 機能を有し，内部で行っており，最小張力の提示などの更新周波数

USB コントローラを内蔵している PIC24USB を採用

は 800Hz で動作する．また，PC との USB による通した．

信周波数は約 250Hz であり，物体に衝突した際に力3.2を提示するイベント駆動型の使用方法であれば十分な力覚制御方法

提示する力覚からモータを制御するアルゴリズムに力覚提示能力を有している．
ソフトウェア

ついて述べる．図 2 に示すように，マウスの位置座標

3.3は常にキャリブレーションを行った中心点にあると仮API の設計方針として，必要最低限の関数で制御で定して計算を行う．中心位置から各モータへ向かう単きることを目的とした．検討結果より，下記の 3 つの位ベクトルを φ1, φ2 , φ3 , φ4 ，各糸に提示する張力の大関数のみを持つ API とした．

きさを τi とおくと，提示する力の大きさ F は(1)式で1.

初期化関数：OpenSpidarMouse();表わされる．

2.

製作容易性：SetForceSpidarMouse();3.

接続容易性：CloseSpidarMouse();

4F=

∑
i =1

τ i φ i , τ i = τ min + τ Ai

(1)

User Generated Haptic Device, SPIDAR-mouse の開発

図3 Flash コンテンツにおけるシステム構成
図4 SPIDAR-mouse 製作に必要な材料
VCC
U3U2119U112345

VBUS
DD+ID
GND

34363741

RG64
RG86
RG98RB4122345G1G2VCC

A1A2A3A4Y1Y2Y3Y4P2

VCC
2018171615

R1
R2
R3
R412345678910111210101010

USB MINI-B
R7

R810K

10K

10K

GND

R610K

10
PIC24FJ256GB106

R5GND

B4B3B2B1

M

M

M

M

Motor

Motor

Motor

Motor

MP4410

TC74ACT541
GND
GND

図5 モータ制御回路図

初期化関数では，SPIDAR-mouse の初期化，PIC にるユーザは，サーバプログラムを実行する必要がある

よる最小張力提示，およびキャリブレーションを行い，ものの，それ以外は既存のコンテンツと同様に Web

Spidar-mouse を使用できる状態とする．力覚提示関数

ブラウザからハプティックインタラクションが可能なでは，引数として提示する力のベクトル (fx, fy)を与コンテンツを体験することができる．

えることにより，その情報から PIC 内でモータを制御する PWM を生成し力覚を提示する．最後に終了関

4. SPIDAR-mouse の製作と実用例

数で SPIDAR-mouse の制御を終了する．

4.1

このように，単純な API のみを提供することにより，容易にデバイスの制御が可能となる．

SPIDAR-mouse の製作方法

SPIDAR-mouse の製作方法を紹介する．製作容易性を考慮し，必要最低限で十分なコストパフォーマンス

コンテンツ制作容易性を実現するために，本研究を持つ材料の選定を行った．材料としては，下記のもでは，C++／Java ライブラリに加えて，Flash のスクのが挙げられる(図 4)．括弧内は参考価格であるが，リプト言語である ActionScript 3.0 用のライブラリを

約 4,000 円で本デバイスを製作することが可能である．

提供する．

1.

DC モータ（マブチ製 RE-280）×4（各 200 円）

Flash と SPIDAR-mouse の接続を行う場合のシステム

2.

USB マイクロコントローラ基板(PIC24USB)×1

3.

4ch モータ駆動用 MOSFET(MP4410 )×1

構成を図 3 に示す．Flash ではセキュリティの面からローカルのデバイスに直接アクセスすることは許可さ（1,980 円）れていないため，TCP サーバを経由することによっ（385 円）て接続を可能とした．コンテンツ制作者は，このライ4.

汎用ドライバ IC(74AC541AP)×1ブラリを使用することで，既存の Flash コンテンツの5.

10Ω抵抗×4，10kΩ抵抗×4（各 10 円）

コ ー ド を 一 部 カ ス タ マ イ ズ す る の み で ， SPIDAR-

6.

電池ケース×2（各 60 円）

mouse に対応することができる．コンテンツを体験す

7.

フレーム用木材×3（160 円）（自作）

情報処理学会 インタラクション 2010

図6 SPIDAR-mouse の完成図

8.

プーリ×4

9.

USB ケーブル，ねじ，ゴム足等

図7 既存 Flash コンテンツ（ブロック崩し[7]）への対応（自作）

ーザが 自作 可能な ハプ ティッ クデ バイス とし て，SPIDAR-mouse を提案した．提案デバイスは，製作容易性と十分なコストパフォーマンスを考慮し設計を行

製作方法は，各材料を準備し，下記の手順で作成を行う．

い，User Generated Haptic Device として，制御回路や製作方法，制御ソフトウェアやコンテンツ開発環境に

1.

3 本の木材からフレームを作成関してもオープン化を行う．提案システムにより，容2.

フレームの穴にプーリとモータを組み合わせた

易にハプティックデバイスが自作できれば，中高生を部品を圧着含めて万人の方とハプティックインタラクションの愉

3.

回路図を参考に電子回路のはんだ付けしさを共有できるのではないかと考えている．

4.

電池ケースや基板をフレームに取り付ける

5.

糸をマウスにクリップで固定

今後の課題としては，ハードウェア構成の再検討，マニュアルの整備や他の言語への対応，提案システムの評価等が挙げられる．また，本提案の SPIDAR-回路図及び制御回路を図 5 に示す．制御回路につmouse は，インタフェースデバイスの基本要素を全ていても，製作容易性やコストパフォーマンスを重視し含んでいるため，インタフェース工学教育教材として設計を行った．完成図を図 6 に示す．の可能性も検討していきたい．

4.2

SPIDAR-mouse の実用例

SPIDAR-mouse の実用例として，制作したコンテンツを紹介する．
図 7 に示す Flash コンテンツは，既存の古典的なブロック崩しゲーム[7]を改変し，SPIDAR-mouse で力覚を提示可能にしたコンテンツである．バーとボールが衝突した際に力覚の提示を行っている．参考公開されているActionScript ソースコードの初期化関数および衝突判定関数の改変のみで，既存のコンテンツをハプティックインタラクション可能なコンテンツへとカスタマイズ可能となっている．

5. おわりにハプティック技術の普及を目的とし，一般的なユ参考文

献1) SensAble: http://www.sensable.com/
2) Novint: http://home.novint.com/
3) Gainer: http://gainer.cc/
4) Arduino: http://www.arduino.cc/5) 高橋史忠，狩集浩志，清水直茂，Phil Keys: 誰
でもメーカー，日経エレクトロニクス，no.1000,pp.53-79，(2009)6) 佐藤誠，平田幸広，河原田弘：空間インタフェース装置 SPIDAR の提案，信学論(D)，Vol.J74D2，No.7，pp.887-894，(1991)
7) Block コンテンツ:
http://wonderfl.net/code/a0f04bb694a5050124fd
a7f633394c45fae50569