情報処理学会 インタラクション 2022
IPSJ Interaction 2022

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可変抵抗に操作感を付与するためのインタラクティブな機構モデリング支援ツール
山本侑吾1,a)

塚田浩二1,b)

概要：低価格帯 3D プリンタの普及により，個人レベルでも様々な機構部品を設計／出力することが可能になった．しかし，一般に部品設計には専門的なアプリケーションを使いこなす必要があり，習得には多大な時間と労力が掛かる．本研究では，先行研究として提案した「可変抵抗に操作感を付与する外骨格機構」に焦点を当てた，インタラクティブな機構モデリング支援ツールを作成する．

1. 背景

ルを提案した．Danny ら [4] はレーザーカッターを用いてヒンジ，スライド，回転等の機構を作成する手法を提案

低価格帯 3D プリンタの普及により，個人レベルでもした．中川ら [5] はギアボックスに着目し，ギア比等をカ様々な機構部品を設計／出力することが可能になった．しスタマイズして 3D プリンタで一体造形可能な支援システ

かし，一般に部品設計には専門的なアプリケーションを使ムを提案した．Stelian ら [6] の研究では，関節が可動するいこなす必要があり，習得には多大な時間と労力が掛かる．

Mechanical Character の制作を一般ユーザ向けに支援する

一方，インターネット上で配布されている STL ファイルシステムを提案している．関節の動きをモーションカーブ等を利用すれば，初心者でも機構部品を出力できるが，用でスケッチし，適切な機構（列状の歯車やクランク等）を途に合わせてサイズやクリアランスなどを調整することは提供する点が特徴である．

難しい．
そこで本研究では，先行研究の可変抵抗に操作感を付与

2.2 3DCAD の設計支援

する外骨格機構 [1] に注目し，専門知識を有さないユーザ

後藤ら [7] は，設計手順を日本語テキストに変換し，手順が，GUI ベースで機構部品の作成がスムーズに行えるインをソートする機能を組み込んだモデリング手順教育システ

タラクティブな機構モデリング支援ツールを提案する．

ムを提案した．CAD 初心者が効率的にモデリング手順を

2. 関連研究
2.1 機構部品の設計支援
塚田ら [1] は電子工作における入力装置として一般的なスライダー型やダイヤル型の可変抵抗にクリック感や摩擦で動作を抑えるパーツを後付けで付与する外骨格機構を提案した．この外骨格機構を用いることでユーザそれぞれが理解することを目指している．五福ら [8] は，設計に使用する図形の変更履歴に設計意図や寸法などの計算結果をリストから付与できる CAD を提案した．図面を介してユーザ同士が互いに設計の意図や根拠を伝達できることで，複数人での作業効率を高めることができる．

3. 先行研究の概要

自由な箇所に好みのクリック感を出すパーツなどを作成で本研究の前提となる，我々の研究室で提案した先行研究

きる．新山ら [2] では，3D プリンタを用いた際の一体造形「可変抵抗に操作感を付与するための外骨格機構」[1] につ手法に着目し，一体造形が可能な回転機構の設計を行った．

いて概要を紹介する．

加えて，作動部と受動部の間のクリアランスに着目し，機先行研究では，電子工作で汎用的な入力装置であるスラ種・積層ピッチ等による影響を調査した．Liang ら [3] は，イダー型／ダイヤル型の可変抵抗に，クリック感と重みを円柱状の一部にらせん状のバネとジョイントを内蔵し，変個別に付与できる外骨格機構を提案した（図 1）．

形動作を生み出せる機構と，その作成のための支援ツー
1a)b)

公立はこだて未来大学
b1018063@fun.ac.jp
tsuka@acm.org© 2022 Information Processing Society of Japan

3.1 提案
先行研究のコンセプトは以下の 4 点である．

160

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図 1

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先行研究 [1] でのスライダー型／ダイヤル型の外骨格機構• 市販の可変抵抗に容易に脱着．
• 指定範囲にクリック感／重みを個別に付与．
• FDM 式 3D プリンタで手軽に造形．

図 2

システムの動作フロー• 視覚的手掛かりに任意に切替．
1 点目は，市販の可変抵抗に容易に脱着可能であることの発生箇所を調整する．ダイヤル型でもスライダー型と同である．可変抵抗の形状や抵抗値を用途に応じて選択で様に，複数の区間にクリック感／重みを生成することが出きる．2 点目は，可変抵抗の指定範囲にクリック感／重み来る．

を個別に付与／設計できる点である．クリック感とは「カチッ」という明瞭な音と触覚フィードバックを，重みはス

3.3 問題点

ライダーなどの動作が「ヌッ」と重くなる触覚フィード

先行研究で提案された支援ツールでは，前節で紹介したバックを指す．3 点目は，安価なシングルヘッドの FDM

パラメータ等を OpenSCAD のソースコード上で変更する方式 3D プリンタで造形できる点である．各部品をサポー必要があり，特に初心者ユーザの利用は困難であった．

ト材がほぼ不要な状態で設計し，手軽に造形できるように配慮している．4 点目は，触覚フィードバックのある箇所

4. 提案に対して視覚的手がかり（目印）の有無を切り替えられる

本研究では，「可変抵抗にクリック感や摩擦感を付与すことである．フィードバックを外観に影響しない部位で実る外骨格機構」に対して，GUI ベースの支援ツールを提案

現し，目印が必要な場合と不要な場合それぞれに対応できする．モデリングツールに不慣れなユーザを想定し，外観るよう配慮している．

や触覚パーツを設計する際のパラメータを GUI から手軽に入力できる支援ツールを開発する．システムの流れを以3.2 実装方式

下に示す（図 2）．

先行研究のプログラムは OpenSCAD を用いて実装されている．スライダー型とダイヤル型の二種類のプログラム

4.1 GUI の設計に分かれているが，スライダー型のプログラムを例に紹介

支援ツールは Processing を用いて実装する．GUI では，する．プログラムは主要な機構ごとに，4 つに分かれておスライダー型，ダイヤル型どちらを作成するかの選択，外り，これらを組み合わせることで外骨格機構が完成する．

骨格作成に使用する引数の設定，コマンドラインの呼び出

1 つはスライダーの外枠に関する部分で，スライダーの長し，最後に OpenSCAD にて自動生成された STL ファイル

さや可変抵抗の可動域を定めるスリットの長さなどを入力

を Processing で再度受け取り表示するという流れを想定しパラメータとする．2 つ目はクリック感を付与する位置のた．作成した外骨格は簡易的なプレビュー機能を実装し，設計をする部分である．開始位置と終了位置，その間に何ユーザが作成している機構を確認しながら作業が行えるよ

回のクリックを付与するかのパラメータを入力とする．3

うにする．また，パラメーターの調整が完了した後に，「出つ目は重み (摩擦感) を付与する部分の設計を行う．こちら

力」ボタンを押すことで，コマンドラインから OpenSCADも開始位置と終了位置を設定する．また，重みを付与するを呼び出し，生成された STL ファイルを先述のプレビュー

区間の厚みを変更することでその強弱を変更できる．最後機能とは別で，確認できるような機能を実装する．にツマミパーツを設計する部分である．このパーツはツマミサイズのほかに，クリック感を生み出す部分の角度を調節することで，触覚フィードバックの強さを変更できる．
なお，異なるクリック感同士／摩擦感同士は，重ならない位置であれば複数設計することができる．

5. 実装
5.1 パラメータの整理
まず，先行研究の OpenSCAD プログラムで使用されるパラメータを確認し，ユーザによる設定が必須な項目をダイヤル型では土台部品とカバー部品から構成される．

表 1 のように整理した．これらのパラメータの対応を図 3

土台部品はクリック感を生み出す機構を持ち，カバー部品に示す．さらに，OpenSCAD 起動時の引数から，パラメーは重みを発生させる環状のバネ機構とクリック感／重みタを変更できるようにプログラムを調整した．

© 2022 Information Processing Society of Japan161

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表 1
設定対象

スライダー枠

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整理されたスライダーのパラメータ
番号

パラメータ

入力例

1

スライダーの長さ8cm

2スライダーの幅

1.5cm

3

スライダーの高さ

0.6cm

4スリット部の長さ

6.5cm

5固定ネジのサイズ0.3cm※クリック感と摩擦感は複数個存在する
クリック感

摩擦感

ツマミ

6-1

開始位置

0cm

6-2

終了位置

3cm

6-3

クリック感発生の回数

5回

7-1

開始位置

1cm

7-2

終了位置

5cm

7-3

摩擦の強さ (1-5)

58ツマミ長0.5cm

9ツマミ穴幅0.13cm

10

クリック感の強さ (1-3)

3

図 5出力した STL ファイルの例と重みのプレビューは，タブの色とクリック感／重みそれぞれのプレビューで生成される形状の色を合わせている．

GUI 部品としては，ControlP5 というライブラリを利用した．GUI の詳細について説明する．(1) で囲まれているエリアはタブ形式でクリック感／重みを区間別に生成できるようになっている．タブ 1 つがクリック感／重みの 1区間に相当する．また，クリック感／重みはそれぞれ最大5 区間まで設定することが出来る．各区間の開始位置／終了位置は測定ボタンを押した後に，スライダーのスリット
図 3

スライダーのパラメータ対応図部分をドラッグアンドドロップすることで指定できる．クリック感の各区間の分割数や重みの摩擦の強さは数値指定する．

(2) で囲まれたエリアはスライダー枠のサイズを変更する GUI が用意されている．これらの GUI はマウスポイン
ターを重ねた状態で上下にドラッグするか，マウスホイールを動かすことで寸法を変更でき，リアルタイムに簡易プレビューに反映される．

(3) で囲まれたエリアはツマミのサイズを変更する GUIが用意されており，操作方法は (2) と変わらない．

(4) では，「出力」ボタンをクリックすることでその時
図 4

支援ツールのスクリーンショット

点で指定したパラメータを全て OpenSCAD に渡し，STLファイルを出力することが出来る．

5.2 GUI の実装
以下に実装中のスクリーンショットとして図 4 と，その出力結果として図 5 を示す．

5.3 OpenSCAD との連携
OpenSCAD は，コマンドプロンプトからも起動するこ

まずツールの画面について大まかに説明する．図 4 の左とができる．そこで，支援ツールで設定したパラメータを，上の破線で囲まれている部分 (1) ではクリック感／重みをOpenSCAD を起動する際の引数として渡すことでモデリ個別に付与することが出来る GUI が用意されている．(2)ングを行う．図 6 は，sliderLength を 80mm に設定する

ではスライダーの枠のサイズを変更できる．(3) ではツマ例である．なお，現状スライダー型／ダイヤル型の SCAD

ミのサイズを調整できる．(4) ではすべての設計が終了しプログラムは別になっている．

たときに OpenSCAD での出力を開始できる．
作成画面では 2D で外骨格を真上から見下ろすような簡易プレビュー表示を行った．GUI で数値を変更するたびにリ% openscad -D sliderLength=80.0 SCAD_Slider.scad
図 6

OpenSCAD のコマンドライン駆動

アルタイムでプレビューが更新され，サイズが確認できる．
プレビューで確認できるのは，スライダー枠，ツマミ，クこのようにすることで SCAD Slider という OpenSCAD

リック感の発生位置と重みの発生位置である．クリック感

ファイル内の sliderLength という変数に 80.0 の値を渡し© 2022 Information Processing Society of Japan162

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たうえで実行することが出来る．

6. まとめと今後の展望
本稿では，先行研究 [1] で提案した，市販の可変抵抗にクリック感／重みを個別に付与可能な外骨格機構に対して，インタラクティブに設計できるモデリングツールを提案した．現在，ダイヤル型に対応する支援ツールを実装中である．
また，初心者に対して支援ツールを利用してもらい，ユーザビリティや出力したモデルの評価を行う．こうした結果をもとにツールを改良し，Web 等で公開することを目指す．
謝辞 本研究の一部は，科研費 20H04231 の支援を受けた．先行研究 [1] の解説等に協力いただいた新山大翔氏に感謝いたします．
参考文献
[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

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