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

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CASPER:
高齢者のための空気砲を用いた遠隔エクササイズシステム
門村 亜珠沙1,a)

松田 暁2,b)

暦本 純一1,3,c)

概要：高齢者のためのエクササイズの必要性と重要性は広く認識されているが，高齢者の数が著しく増加しているのに対して，熟練した専門性の高いインストラクタが不足していることが問題になっている．このような状況を解決する手段のひとつとして，遠隔エクササイズシステムが挙げられる．そこで本研究では，自分の鏡面映像に遠隔地にいる相手が映り込む鏡面インタフェースを用いた遠隔エクササイズシステ
ム：CASPER を提案する．さらに，CASPER は，遠隔におけるユーザ同士のインタラクションを補助するために，身体の動きと連動する空気砲型の触覚フィードバックデバイスを備えている．本論文では，シ
ステムの設計とその評価について述べる．

CASPER:
Remote Exercise System using an Air Cannon for Elderly People
Azusa KADOMURA1,a)

Akira MATSUDA2,b)

Jun REKIMOTO1,3,c)

Abstract: Although the necessity and importance of exercise supports for elderly people are largely recognized, lacking of skilled and adequate instructors often limits such activities physically. Remote exercise
systems can be a solution for this problem because these systems may be able to support exercise activities
even when instructors and participants are separated. We then develop a remote exercise system, called
CASPER, by proposing a mirror-like image composition method, which all the participants besides the instructor are shown on the same screen. We also introduce an areal haptic device to send remotely tactile
feedback for enhancing more sensations. In this paper, we describe the system design and the evaluation of
the proposed system.

1. はじめにに合わせたエクササイズを実施することが必要である．
実際に多くの老人ホームや病院，スポーツスクールなど高齢化は多くの国で深刻な問題であり，世界の人口のうでは，高齢者の健康を維持するために，理学療法士やス

ち約 8.3%を 65 歳以上の高齢者が占めている*1 ．とりわけ，ポーツインストラクタによって様々な内容のエクササイズ

日本は約 4 人に 1 人（26.3%）が 65 歳以上の超高齢化社会プログラムが指導されている．しかし，高齢者の数が著しであり，こうした人口分布のアンバランスさから数々の問く増加しているのに対して，熟練した専門性の高いインス題が生じている．例えば，我々は年を取るにつれて，筋肉トラクタが不足していることも事実である*2 ．さらに，熟の萎縮や衰退によりバランス感覚を失うため，各々の身体練したインストラクタの不足に加えて，近所にスポーツス
クールがなかったり，足が不自由であったり，居住する施

123a)b)c)*1

東京大学 大学院 情報学環
設の規則で外出が困難であったりと，物理的な制約によっ東京大学 大学院 学際情報学府てエクササイズの指導を受けられないという問題もある．
株式会社ソニーコンピュータサイエンス研究所
azusakadomura@gmail.com
akira.matsuda.ut@gmail.com
rekimoto@acm.org*2 公益財団法人 介護労働安定センター:
国際連合による調査:
http://www.kaigo-center.or.jp/report/h16 chousa 02 64.html
http://esa.un.org/unpd/popdev/Profilesofageing2015/index.html© 2016 Information Processing Society of Japan285

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図 1

CASPER：遠隔地にいる両ユーザ（インストラクタと生徒）

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図 2

オクルージョン問題を解決することで，インストラクタは，遠が触覚フィードバックデバイスとともに合成された鏡面イン

隔地にいる生徒に対して直感的な動作で指導を行うことがでタフェースを見ながらエクササイズすることができる．

きる．

このような問題を解決するために，Skype*3 やビデオ会議

2.1 全ユーザをひとつの画面に表示
通常のビデオ会議システムは，遠隔ユーザごとに複数のシステムを用いて，遠隔地から離れた場所にいる生徒に運動の指導を行うシステムが提案されている [1], [2]．

ウィンドウを必要とするインタフェースであることが多しかし，通常のビデオ会議システムを利用したエクササい．この場合，ユーザは，どのウィンドウ（自分もしくはイズ指導には，いくつかの欠点がある．まず，遠隔地にい相手のどちら）を見ながらエクササイズを行えば良いのかるインストラクタと生徒の位置関係の情報を共有し，両者わかりづらい．そこで，本システムでは，参加している全がお互いの身体の動きを直感的に理解することが難しいこユーザをひとつのウィンドウに統合して表示をする手法をとである．例えば，インストラクタは，生徒がどこを見て採用する．つまり，各ユーザの身体画像を切り取り，ひといてどのような動きをしているのかといった空間的な把握つのウィンドウに合成することで，全ユーザが同じ内容のをすることが容易ではない．また，一般的なビデオ会議シウィンドウ（映像）を見ることができる．

ステムは，相手が映った映像を見ながらコミュニケーショ

このようなインタフェースは，HyperMirror [3] をはじンを行う対面式であり，基準となる座標軸がインストラクめ，その他の遠隔システム [4], [5] でも採用されており，本タ側と生徒側で異なる場合がある．遠隔から身体の動きを研究では，このインタフェースを遠隔エクササイズに活用指示をする場合には，左右のほか，前後の位置関係も共有し，現実感を残すために，自分の鏡面映像に遠隔地にいるすることが重要である．他にも，スクリーンやモニタ越し相手が映り込むといった各ローカル側の背景映像をそのまだけでの指導では，動かしてほしい部位に「触れる」といっま利用する．これにより，エクササイズといった状況の中た通常のエクササイズ指導の場面におけるインストラクタで，全ユーザへの理解度を増し，インストラクタが物理的側の動作を再現することが困難である．

な位置や姿勢を示す際にもより適切に指導を行うことがで本研究では，従来の遠隔システムを利用したエクササイきると考える．

ズ支援システムの問題を踏まえ，高齢者に対する遠隔エクササイズ支援システムを提案する．そこで我々は，触2.2 深度情報を活用した画像合成

覚フィードバックデバイスと連携しながら，自分の鏡面

本システムは，青色や緑色の背景を必要とするクロマキー映像に遠隔地にいる相手が映り込むといった鏡面インタによりユーザを取り出す手法を用いている HyperMirror とフェースを用いた遠隔エクササイズシステム：CASPERは異なり，RGB-Depth カメラ（Kinect V2*4 ）を使用し深（Computer Aided SPorts, Exercise and Rehabilitation ）を度情報を活用することで，通常の家庭やスポーツクラブの実装した（図 1）．これにより，まるで遠隔であっても同一環境において利用可能である．

空間において隣にいるかのような一体感をユーザに与えるまた，深度情報を用いることで，遠隔ユーザ間の前後のことができる．本論文では，遠隔エクササイズシステムに位置関係を検出することができるため，画像合成処理の問おける課題をもとにしたシステムの実装とその評価実験，題のひとつであるオクルージョン問題にも対応することがならびに今後の課題について述べる．

できる．これにより，例えば，インストラクタが遠隔地に2. デザイン指針
提案する CASPER は，遠隔地にいるユーザと一緒にエいる生徒の身体より前に手を差し出すことや，後ろから指導することなどが容易になり，ユーザが直感的に空間配置を把握しやすいと考える（図 2）．

クササイズを行うことができるシステムである．そこで本論文では，1 章で述べた従来の遠隔エクササイズシステム

2.3 空気砲を用いた遠隔からの触覚フィードバック
本システムでは，一般的な視覚映像と音声会話といっにおける問題を解決するために，以下の機能を実現する．
*3

http://www.skype.com/en© 2016 Information Processing Society of Japan*4

Microsoft: https://dev.windows.com/en-us/kinect286

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たフィードバックに加えて，ユーザの行動に応じた触覚フィードバックを提示することにより，ユーザ，特に高齢者へのフィードバックチャネルの強化を目指している．例
えば，生徒が常にスクリーン（鏡面インタフェース映像）に集中していなくても，遠隔地にいるインストラクタからのフィードバックを皮膚感覚から感じることができる．そこ
で，触覚提示フィードバックデバイスとして，リストバンド型や手袋型の振動デバイスなどの採用を検討したが，高図 3システム構成．ローカル側・リモート側それぞれにて，各処理が行われる．空気砲は生徒側，空気砲の操作デバイスはインス

齢者のエクササイズといった観点から，本実装では，ユートラクタ側に配置．

ザがデバイスを身に付ける必要がない空気砲を選択した．
一般的に年を重ねるごとに五感の感度が衰えていくため，視覚と聴覚だけでなく触覚的な刺激を付与し，高齢者に多感覚的に情報を伝えることで，エクササイズ指導の促進につながると考える．

3. システム構成
本システムは，大きく分けて以下の 3 つのパートから構成される．（1）抽出パート：ローカル側の画像と音声を検出，（2）伝送パート：ローカル側で抽出したデータ（画像，音，触覚デバイスの操作指令）を通信プロトコル TCP
でリモート側に送信，そして，（3）提示パート：送られき図 4

生する渦輪の到達時間．

たデータ（リモート側の画像，音声，触覚デバイスの操作指令）をローカル側に出力である．上述のパートが，自分がいるローカル側と相手のいるリモート側において各々実行される（図 3）．なお今回は，生徒側のみに触覚フィードバックデバイスである空気砲を，インストラクタ側に空気砲用操作デバイスを設置する．

3.1 抽出パート
3.1.1 ユーザの身体情報と音声の検出
本実装では，ユーザの身体と位置情報を含めた画像を検出するために，Kinect V2 を使用する. システムは，ローカル側にいるユーザの RGB-D 画像を出力するために，ユーザの身体部分のみを切り取り，その一方で，その切り取られた RGB-D 画像の切り取れた位置と大きさを保持する．
そして，これらのデータを圧縮し，リモート側に伝送する．また，各側に設置している PC のマイクを使用して，各ユーザの声を検知している．

3.2 提示パート
3.2.1 リモート側ユーザの合成
ローカル側では，ローカル側の座標に対応した位置に，切り取られたリモート側の画像を合成する．さらに，オクルージョン問題を解決するために，この合成処理は，ローカル側とリモート側の同じ座標における奥行き（D 値）をピクセルごとにひとつずつ比較し，各側に設置している

Kinect V2 から最も近いと判定された側に対応した RGB画像を表示する．

© 2016 Information Processing Society of Japan

左上：空気砲の外観．右：空気砲の構成．左下：空気砲から発3.2.2 鏡面インタフェースのための調整
本システムの特徴のひとつとして，鏡に映ったようなインタフェース（鏡面インタフェース）が挙げられる．今回の実装では，斜めからの投影が可能なプロジェクタ*5 と120 インチのスクリーンを使用する．各側のユーザの目線の高さや向きができるだけ同じになるように，スクリーンや Kinect をのせる三脚の角度や高さを各側で同じ状態になるようにした．さらに，環境によってはプロジェクタの配置に誤差が出やすいため，PC 上で投影映像の角度や大きさの調整を事前に行える射影変換機能を実装した．

3.2.3 空気砲による触覚フィードバック生成
上述の映像と音声に加えて，より遠隔におけるユーザ同士のインタラクションを強化するために，本システムでは，触覚フィードバックデバイスとして空気砲を制作した．本空気砲は，スピーカーの圧を利用して，空気を発射する仕組みである．図 4（右）の通り，スピーカーには，15 インチサイズのサブウーハースピーカー*6 を使用し，アンプ*7 を介して，低音を流すことで，空気を発射する．今回採用した音は，我々が開発段階で，使用するスピーカーとアンプの限度を考慮して，様々な波形やヘルツを試した結果適当だと判断した，2Hz のパルス波である．また，空気砲の筐体を設計するにあたり，物理学的な渦輪の生成方法を参考にし [6], [7]，スピーカーの大きさをもとに直径 102mm の*5*6*7EPSON: http://www.epson.jp/products/dreamio/ehtw5200
Boss Audio: CX154DVC
Boss Audio: R2504287

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穴を設けた約 400mm 四方の空気砲を実装した．

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ときは 50.9（＋ 45.0）%であった．この結果から，ユーザ

さらに，空気砲の水平方向の回転を行うために，空気砲と空気砲の間の距離は 150cm 以内が理想であると考える．の下部に，ステッピングモータ*8 を組み込んだ高さ 100mm

また，実験後の自由回答では，20 名の参加者は左右の差をの回転台を設置した．これにより，Kinect V2 が検出する感じないと述べ，男性 11 名と女性 4 名は，手より足の方ユーザ（今回の場合は生徒）の動きに応じて回転することが感度が高いと回答した．さらに，老化に伴い皮膚感覚がができる．回転台を含めた空気砲の筐体を床の上に設置し低下すると言われているが [9]，今回参加した 60〜70 歳代た場合，ユーザの膝下に空気が当たるようになっている．

3 名は，空気砲からの空気を手足両方ともに知覚できたと

現在の実装では，もしユーザが手のひらに空気を当てたい回答しており，試作した空気砲の性能に一定の効果がある

場合は，適切な高さの台に空気砲の筐体を載せることで対と考えられる．

応している．

4. 性能評価

4.2 渦輪の到達時間
4.2.1 目的と手法

エクササイズアプリケーションを制作するにあたって，次に，空気砲の渦輪の速さに関する実験を行った．この本システムの性能を示すため，以下の 2 種類の性能評価実実験結果により，渦輪がユーザの身体に到達したタイミン

験を行った．

グを予想することができる．
本実験では，一般的な厚みの紙（サイズ：縦 250mm x4.1 人が感じる距離と位置横 50mm）を，空気砲の穴がある側面の前方に来るように4.1.1 目的と手法上から吊るした．そこに，低音を約 0.1 秒間隔で再生し，まず，試作した空気砲を用いて，空気の感度に関する実空気を発射した．前節で述べた実験において，50〜150cm験を行った．本実験にあたり，本システムを初めて体験すの距離の評価が高かったため，この紙を空気砲から 50cm，る 22〜77 歳の男女 22 名（うち女性 11 名，平均年齢は 42.3

100cm，150cm と離れた場所に置き，各距離で 10 回ずつ歳）の実験参加者を募った．なお本実験は，環境風に左右発射し，発射してから紙が揺れるまでに要した時間を計測されないように室内で行った．以下，実験の手順についてした．なお本実験も，環境風に左右されないように室内で述べる．

行った．

これまでの研究 [7], [8] では，人間の手は空気砲の渦輪が4.2.2 結果と考察

とても当たりやすいく敏感に感じやすいということが示さ実験結果を図 4（左下）に示す．空気砲から紙の距離がれてる．しかし，本研究では，エクササイズでの使用を目50cm の場合は，空気砲が発射してから紙が揺れるまでに的としているため，従来の研究では空気砲の実験対象外で平均 0.1 秒要した．同様に，100cm の場合は平均 0.22 秒，あり，あまり感度が高くないとされている足にも着目し，150cm の場合は平均 0.34 秒であった．図 4（左下）のグラ

各実験参加者の両手両足に空気を当てることにした．

フからもわかるように，到達時間は距離に比例しているこ

本実験では，左右の手のひら側，手の裏側，足の脛側，足の側面側，足の脹脛側の計 10 カ所を対象に，各面に対してまっすぐな位置から空気砲を発射した．さらに，空気砲からの距離が 50cm，100cm,，150cm，200cm，250cm といった各距離の場合で行った．各面と各距離において，数回ずつ空気を発射し，その感じ方を「とても感じる・感じとがわかった．つまり，150cm までの距離はほぼ減速なしに空気砲の渦輪を送ることが可能である．
次章で述べるアプリケーションでは，本章で得られた知見と結果を活用する．

5. 遠隔エクササイズアプリケーション

る・感じない」の段階で評価してもらった．最後に，参加

本章では，試作した 2 種類の遠隔エクササイズのための者が自由に意見する時間を設けた．なお，2 名の女性は薄アプリケーションについて述べる．本アプリケーションを手のストッキングを着用したまま実験を行い，それ以外の試作するにあたり，日頃から高齢者を対象にエクササイズ参加者は，両手両足とも洋服の上からではなく，皮膚に直指導を行っているインストラクタの協力を得た．

接当たるように，ズボンを捲るといった調整を行った．

4.1.2 結果と考察

5.1 遠隔指導アプリケーション

以下に，「とても感じる（＋感じる）」と回答した全参加

1 つ目のアプリケーションは，インストラクタが生徒の者の割合を示す．50cm のときは，95.5（＋ 4.5）%，100cm

手足を直接支えて指示を行うといった一般的な指導方法をのときは，94.1（＋ 5.0）%，150cm のときは 85.0（＋ 13.2）取り入れた遠隔指導アプリケーションである（図 5）．

%，200cm のときは，69.1（＋ 28.6）%，そして，250cm の*8

MERCURY MOTOR:
https://strawberry-linux.com/catalog/items?code=12082© 2016 Information Processing Society of Japan

本アプリケーションでは，空気砲を生徒から 150cm 離した斜め前付近に設置する．システムは，インストラクタ側のキネクトによってインストラクタの手の位置を検出し，288

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図 5

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遠隔指導アプリケーション．

その座標情報を生徒側の PC に伝送する．そして，その座

図 6

おばけタッチゲームアプリケーション．

さの台に空気を載せている．

標に応じて適切な位置まで回転し，適宜空気を発射すさせ

例えば，インストラクタが「左手でピンクのおばけをる．手動で空気を発射させる場合は，インストラクタに空タッチしてください」と遠隔にいる生徒に指示をする．空気砲用の指輪型の操作デバイス*9 を把持してもらい，イン気砲は，次の問題でおばけが出現する位置に合わせて，回ストラクタがボタンを押すと，生徒側の空気砲から空気が転を行う．そして生徒が，その指示の通り左手でピンクの発射される．一方，自動の場合は，インストラクタの手のおばけをタッチすると，システムが正解だと認識し，おば位置の半径 150mm 以内に，遠隔にいる生徒の手足が入っけのアニメーションと効果音と連動してタイミング良くたとき，自動的に空気が発射される．

空気を発射する．さらに，ゲームに制約時間を設けること

例えば，インストラクタが遠隔地にいる生徒に「ここまで，ユーザの集中力を高める設計を行った．なお今回は，でに足を上げてください」と言いながら，指定したい位置60 秒間以内に 7 匹のおばけをタッチするストーリーとなっに手を持っていく．そして，インストラクタが生徒が目標ており，集めることができたおばけは，画面の端に集まっの位置に足を持っていくのを確認した後ボタンを押すと，ていく．

生徒側の空気砲が適宜回転し，空気を発射する．ユーザの足に向かって空気砲の渦輪が当たることで，あたかも遠隔にいるインストラクタがタッチしているかのようになる．

6. 関連研究6.1 遠隔作業のためのテレプレゼンスシステム

一方で，生徒側のキネクトは，空気砲から生徒の身体まで遠隔にいるユーザ同士が円滑に作業を行うために，空間の距離を計算し，発射してから身体に空気が当たるであろ的整合性を維持するためのシステムや通常のビデオ会議う時間を算出し，その見積もったタイミングと同時にアニツールを拡張するシステムは，以前から研究されている．

メーションと効果音を再生する．

ClearBoard [10] は，相手の視線を見ながら，離れた場所でも作業空間を共有し，コミュニケーションが行えるシス

5.2 おばけタッチゲームアプリケーション

テムである．また，遠隔にいる相手が等身大に映った状態

2 つ目のアプリケーションは，おばけタッチゲームアプで，共同作業を行える環境を実現している研究 [11] や，スリケーションである（図 6）．これは，通常行われているクリーンに映し出す遠隔ユーザを，あたかも会議室の椅子マルチタスクエクササイズといった，同時に 2 つのタスクに座っているかのように見せるインタフェースを用いた遠（体と頭のエクササイズ）を行う手法に，ゲーム要素を取隔会議システムもある [12]．さらに，Mueller らは，等身り入れたものである．ゲームの出題内容は，事前にインス大に映った相手の映像を見ながらスポーツを行うシステム

トラクタが各生徒の得意不得意に合わせて，おばけの色とを開発している [13]．1 章で述べたシステム [3], [4], [5] を生徒がどちらの手でタッチすれば正解なのかをデザインす含む多くの遠隔作業のためのシステムは，主にテレビ会議る．生徒は，画面に現れるおばけを遠隔にいるインストラやコミュニケーションの円滑化に応用されている．一方，クタの指示でタイミング良く空中でタッチし，おばけを集本研究では，遠隔エクササイズといったユーザの身体の動めていく．

きや位置関係の重要性に焦点を当て，オクルージョン問題

本アプリケーションでも，空気砲を生徒から 150cm 離した斜め前付近に設置する．システムは，インストラクタがに対応した鏡に映ったようなインタフェースや触覚フィードバックを適用したシステムを提案した．

事前に設計した出題内容（色と正しい手）を生徒側の PCと共有する．ゲームが始まるとスクリーンにおばけたちが6.2 触覚フィードバックに着目したインタラクション

出現し，生徒が正しくおばけをタッチすると，空気砲から近年，触覚フィードバックに，空気を利用している研究

生徒の手に向かって空気が発射される．現在の実装では，が増えている．AIREAL [14] は，ゲーム中のユーザのジェユーザの手に向かって空気を発射する場合，約 80cm の高スチャへのフィードバックの目的として開発された，手の*9

コクヨ：http://www.kokuyo-st.co.jp/stationery/fp© 2016 Information Processing Society of Japan

ひらサイズの空気砲である．BYU-BYU-View [15] は，皮289

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膚感覚を刺激する情報媒体として，風に着目し，網目のスクリーンを通じた風とそれと連動する映像の入出力を行うデバイスである．本研究で使用しているデバイスは比較的[6]大型であるため，空気砲とユーザの距離がある場合であっても，より威力の高い空気を発射することが可能である．
さらに，本研究のモチベーションと同様に，触覚フィード[7]

バックをエクササイズに用いている研究もある．Alizadeh[16] らは，触覚フィードバックを提示するデバイスとして，腕に装着する振動デバイスを開発している．本研究では，ユーザが何も身に付けることなく触覚フィードバックを提[8]供することを可能にするために「空気」に着目した．そし[9]て，離れた場所からでも感じることのできる空気砲を実装し，さらにユーザの行動を検出し，ユーザの行動に合わせ[10]てインタラクティブに空気を発射することが可能なシステ
ムを目指した．

7. まとめと今後の課題[11]

本研究では，従来の遠隔システムを利用したエクササイ
ズ支援システムの問題を踏まえ，触覚フィードバックデバ
イスのための空気砲と連携する，高齢者に対する遠隔エク[12]

ササイズ支援システム：CASPER を実装した．本システム
では，空気砲を用いてエクササイズ中にユーザの手や足にダイナミックなフィードバックを与えることができるが，まだ可動域の制限があるので，今後は可動域を広げれるよ[13]

うな設計を行い実装し，実環境実験を行う予定である．
謝辞 本研究は，大和ハウス工業株式会社・スポーツク[14]

ラブ NAS 株式会社との共同研究であり，後藤真二氏の協力を得ました．また，JSPS 科研費 25・10205 の助成を受けました．ならびに，空気砲について御助言をいただいた[15]

的場やすし氏，実験に御協力していただいたみなさまに感謝いたします．支えてくださったみなさまへ，心から感謝の気持ちと御礼を申し上げたく，謝辞にかえさせていただ
きます．
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