Magic Cards: 紙カードを利用したロボットとのインタラクション
Shengdong Zhao†,††† 中 村 晃 一†,††石 井 健 太 郎†,†† 五 十 嵐 健 夫†,††
家庭用ロボットに対する作業の指示ユーザインタフェースとして「紙カードを置く」というインタラクション手法を提案する．たとえば，「ここを掃除する」という紙カードを部屋に置いて家を出ると，ユーザが家を出ている間にその場所が掃除される．提案手法は，音声を用いたインタフェースに比べて場所の指示に適している他，タッチパネルやリモコンを用いたインタフェースに比べて機械に苦手意識を持っているユーザに受け入れやすいものと考えられる．本稿では，紙カードのデザインとそれらを用いたインタラクション手法，実装したプロトタイプシステムの内容，および簡単なユーザテストの内容について紹介する．

Magic Cards: A Paper Card Interface for Robot Control
Shengdong Zhao,†,††† Koichi Nakamura,†,†† Kentaro Ishii†,††and Takeo Igarashi†,††
Typical Human Robot Interaction (HRI) assumes that the user explicitly interacts withrobots. However, explicit control with robots can be unnecessary or even undesirable in certain cases, such as dealing with domestic services (or housework). In this paper, we propose analternative strategy of interaction: the user implicitly controls a robot by issuing commands
on corresponding real world objects and the environment; robots discover these commands
and complete them in the background. We implemented a paper-tag-based interface to support such implicit robot control in a sensor-augmented home environment. Our initial user
studies indicated that the paper-tag-based interface is particularly simple to use and provides
users with flexibility in planning and controlling their housework tasks in a simulated homeenvironment.

して考えられているものとして，自然言語を利用した

1. は じ め に

音声指示，ジョイスティックやリモコンなどを利用した

遠くない将来において，家庭用のロボットが普及し，もの，およびタッチパネルなどのコントロールパネル家事全般をこなしてくれるようになることが期待されを利用したものなどが挙げられる．本研究では，これている．すでに，iRobot 社の Roomba のような掃除らとはまた異なる新たなロボットとのインタラクショ専用ロボットが一般向けに発売されており，研究レベ

ン手法の選択肢の一つとして，紙のカードを利用した

ルでは，服をたたんだり，料理をしたりするロボット手法を提案する23) ．本手法は，ユーザがロボットに対16),26)なども開発されてきている．このようなさまざする指示の書かれた紙のカードを作業を行ってほしい

まな作業をこなすことができる家庭用ロボットが実際場所に置いておくと，ユーザがいない間にロボットがに実現した際には，それらのロボットに対してどのよ作業を行ってくれるというものである．さらにロボッうにして指示を出すかが重要な問題になってくると考トからユーザへのフィードバックも，メッセージカーえられる．

ドの形でその場所に残すことで行われる．

今日，主にロボット用の作業指示インタフェースと紙カードによるインタラクションには，以下のようなメリットがあると考えられる．まず，場所の指示を† JST ERATO 五十嵐デザインインタフェースプロジェクト
JST ERATO Igarashi Design interface Project†† 東京大学
The University of Tokyo††† 国立シンガポール大学
National University of Singapore

明確に行うことができる．音声による指示では，たとえば「床を掃除しろ」と言ったときに，床のどの部分なのかを的確に指定することは困難である．ジョイス
ティックやリモコンなどでロボットを直接操作すればもちろん特定の場所で作業させることはできるが，ユー情報処理学会 インタラクション 2011図 1 基本的なアイデア

ザが操作し続けるのは現実的でない．タッチパネルなどによる方法では，たとえば見取り図や写真を使えば場所の指示はできるが，対象となる現実世界のその場

図2

システム全体図

所にカードを置くだけの作業に比べて，限られた画面で操作を繰り返して対象となる場所を見つけるのは手間だと考えられる．ている点が重要である．
ユーザが，前の晩に，明日ロボットシステムに実行

次に，指示を出したという記録が，現実世界にカーしてもらいたい作業として，「この部屋を掃除する」とドの形で残されるので，出した指示の存在を後からいうカードと，「お昼に」というカードを，掃除してほ確認することが容易である．すなわち，一通りの指示しい部屋に置く．また，朝にごみ出ししなくてはいけを出したあとで，出かけるまえにもう一度部屋を見渡ないので，「これを目的地Ａ，Ｂへ運ぶ」というカーせば，出した指示の内容をすぐに確認することができドをゴミ箱の近くへ置き，「目的地Ａ」というカードる．それに対し，音声指示による方法では，わざわざと「午前７時半」というカードを玄関の近くへ置いてロボットと対話しないと確認することができず煩雑でおく．また「目的地Ｂ」というカードと「夕方に」とある．また，タッチパネルなどによる方法でも，確認いうカードをもとの場所においておくことで，夕方にするためには，メニューから確認作業を選択してその空のゴミ箱をもとに戻すように指示をする．次の日の内容をいちいち確認しなければならず，やはり「部屋朝，ユーザは８時ごろに玄関のゴミ箱からごみを持ちを見る」だけに比べて煩雑であるといえる．

出して，仕事に出かける．夕方に仕事をしてもどって最後に，紙カードを置くだけ，という作業は，コンくると，置いたカードはすべて回収されて片付けられピュータ操作に慣れていないユーザ，たとえば高齢者ており，さらに部屋が掃除されてゴミ箱がもとの場所などにとってわかりやすく使いやすいと考えられる．に戻っている．

音声対話は認識誤りの可能性が高く，それに対応しなユーザがリビングルームで映画を見ることにし，そがら使用することは困難を伴う．タッチパネルなどにの間に寝室をきれいにしてもらうために，「この部屋をよる操作は，ディスプレイに表示された内容を見なが掃除する」というカードと「最初にやる」というカーらインタラクティブに操作するということで，それだドを寝室におく．また，「この部屋にモップをかける」

けで機械の苦手な高齢者等のユーザには心理的抵抗がというカードと「次にやる」というカードを置くことある．

で，掃除したあとにモップがけするように指示をする．

本稿では，関連研究について述べたあと，想定する部屋の中で特に汚い場所があった場合には「この場所使い方の例を示し，紙カードのデザインについて説明にモップをかける」というカードを当該箇所に置いてする．次にプロトタイプシステムの実装について紹介おく．また，部屋の中に壊れやすいものがあって，ロし，最後にプロトタイプシステムを利用して行った簡

ボットに近づいてほしくない場合には，「これに近づか単なユーザテストの結果について報告する．

ない」というカードを置くことで，ロボットが近づか2. 想定される使い方の例（シナリオ）
ここでは，紙カードを使ったインタラクションの例ないように指示を出せる．最後に，「いますぐ実行開始」というカードを寝室において部屋を出ると，すぐにロボットシステムが作業を開始する．

を示す．ロボットシステムに対するすべての指示が，何日かシステムを使っていると，同じような作業セッパソコンを開いてＧＵＩ操作をしたり，リモコンのボトを繰り返し指定していることに気付く場合がある．

タンを押したりといった複雑な操作をすることなく，たとえば，掃除機をかけたあとにモップがけをする，実環境に紙カードを置くという簡単な動作で実現できというような作業セットを毎回指定する，といったこMagic Cards: 紙カードを利用したロボットとのインタラクションとが考えられる．そのような場合には，「この一連の作業をまとめて一つにする」というカードを作業指示の際に一緒に置いておくことで，「掃除機をかけてモップがけをする」，という新しいカードが作成される．以降はこの新しいカードを一枚置いておくだけで，掃除とモップがけを指示することができる．

3. 関 連 研 究
家事労働は我々の生活において大きな割合を占めるものであり，その効率的な実行が望まれている2),10),18) ．

図3

カードデザインiRobot 社の Roomba が実際に家庭で使われるようになってきており，その使い方などについて調べた研究の主なアプリケーションはホワイトボードシステムでがいくつかある7),8),27) ．これらの研究では，ロボットあり，ロボットに応用したものではない．

技術を実際の家庭生活へ導入するためには，家事作業ロボットの操作手法として，アクチュエータの動きのやり方や構造に関する配慮が必要であるということ直接操作するかわりにタスクレベルで指示を出す，とが議論されている8),28) ．

いう方法が提案されている4),6) ．しかしこれらのシス

我々の研究は，ユビキタスコンピューティング29) やテムは，ロボットの遠隔操作を対象としているもので12)あり，あくまでユーザはロボットの操作に集中していなどといった，HCI 領域においてこれまでに提案されることを想定している．本研究は，ユーザがいない間てきた手法を参考にしている．に家事をするというように，ユーザがロボットに指示

仮想現実感

30)

，タンジブルユーザインタフェース

ユビキタスコンピューティングでは，ユーザがコンをだしたあとはその結果を見るまで一切感知しない，ピュータの存在を意識せずに利用できるようにするこという点でこれらのシステムとは異なるものである．とが重要とされており29) ，そのための基盤技術としてコンピュータが自動的にユーザの状況を認識するため

4. 紙カードによるユーザインタフェースの技術が数多く研究されている14),19) ．我々の紙カー

紙カードによるインタラクションを新たにデザイン

ドによるインタラクション手法は，このような基盤シするにあたって，我々はまず作業を指示する際の自然ステムを仮定した上で，なるべくコンピュータを意識言語の構造をまねることにした．すなわち，ひとつのさせずにシステムに指示を出すための方法を提供する文を構成する，主語，述語，目的語，修飾語などに相ものである．

当するカードを用意し，それらを組み合わせることで，仮想現実感の研究では，視覚的なマーカーを利用すさまざまな作業の指示を可能とすることにした．たることで，ビデオ画像中の物体の場所やＩＤを認識す

だし，主語は基本的にロボットであるので，明示的にる手法が提案されている5),20) ．我々のプロトタイプ指示する必要がない．また目的語は，基本的にカードシステムでは，同じような視覚的なマーカーによってのおかれた場所によって指示されるものとしている．

カードやロボットの場所やＩＤを認識している．

よって，基本となる指示は，述語に相当するカードを，タンジブルインタフェースでは，情報を操るのに，マウスやタッチパネルなどでなく，手でつかめる実物
12)目的とする対象物の近くに置く，ということになる．

4.1 カードデザイン．我々の紙カーカードの外観のデザインは，Collaborage17) を参考

ドも同じように実物体を利用し，それを実世界に置くにしている．すなわち，カードを見るだけで，人間にことでインタラクションを実現している．

とっても計算機にとっても内容が簡単に理解できるよ体を利用することが提案されている紙を利用したインタフェースの先行研究では，メモうになっている．各カードには，人間のための情報と書きのような紙の上の情報と計算機内の情報を同期さして簡単な自然言語による説明とアイコンが描かれてせることに主眼を置いているものが多い9),13),21),24) ．

おり，計算機のための情報として２次元のマーカーがそのような中で，特に我々の研究に関係が深いものと描かれている．カードの背面には，ユーザが内容を確して，２次元マーカーのついた紙カードを壁に貼るこ認するための詳しい説明が記載されている．カードのとで，計算機と人間が協調しながら作業をすることを例を図 3 に示す．

実現しているものがある15),17),22),25)．ただ，これら２次元マーカーとしては，CyberCode20) や ARTag5)

情報処理学会 インタラクション 2011などを単純化したような独自開発のものを利用していAvoid this object カード (5) がある．このカードをる．マーカーは 3x3 のモノクロのパターンが白地に黒貴重品などの近くに置いておくことで，ロボットがその枠の中に埋め込まれており，120 通りのパターンをれらの場所に近付くことを防ぐことができる．この機識別しその方向を得ることができる．それぞれのマー能は，Roomba に付属するバーチャルウォール機能にカーの大きさは 5x5cm であり，2.4x2m の床領域を相当するものである．

カバーする 2.5m の高さに設置された 960x720 の解像

4.2.2 Object カード度のカメラから安定して認識することができている．

Object カード (14) は，ロボットの作業対象となる

なお，ID および位置認識のための技術としては，磁モノにあらかじめ貼り付けておくことで，システムが気センサーや LED を使ったもの，レーザービーコン認識して操作できるようにする．理想的には，カードを使ったものなど，他の手法を使うことも可能であるなしで画像認識などで処理できることが期待されるが，が，印刷された２次元マーカーをカメラで認識する方

現時点では画像認識を完全に行うことは難しく，カー法は，バッテリーが不要で安価であるという利点があドを貼り付けることとしている．また，カードが張っると考えられる．てあることで，「この物体はシステムが扱うことができ4.2 カードタイプるものである」ということがユーザに明示的に理解で図４に，現在プロトタイプシステムのおいて実装さきるというメリットもある．

れているカードの種類を示す (1〜14)．主な種類は，述

4.2.3 Modifier カード

語に相当する Action カード，モノを指し示す Object

Modiﬁer カードは，Action カードと一緒に置くこ

カード，修飾語に相当する Modiﬁer カード，そしてとで，主にスケジューリングにかかわる情報を指定さらにいくつかの制御カードがある．

する．

4.2.1 Action カード

Time カード (9) は，目的とする作業をいつおこな

Action カードは，目的とする作業を指定する，もっうべきかを指定する．もしこのカードが使われていなとも基本的なカードである．将来的には，掃除や洗濯，いときには，システムはできる作業から順に自動的にアイロンがけや部屋の片付け，料理や庭の手入れ，な処理していく．時間の指定の仕方としては，Morning,どのあらゆる家事作業に対応したカードが提供される

Noon, Evening, および Night など，一般的な言葉をことを想定している．現在のプロトタイプシステムで利用している．これは，パイロットスタディにおいて，は，簡単なロボットのみで可能な作業として，掃除，このような一般的な言葉の方が「11 時 23 分」といっモップがけ，および物体の搬送のみ提供している．

たような時刻よりも使いやすいであろう，というコメVacuuming および Mop カードは，掃除機による掃ントを得ていたことに基づいている．

除とモップがけを指示するものである．Vacuum thisただ，ユーザによって，Morning や Evening といっroom (1) と Mop this room (2) はカードの置かれたた言葉の意味が異なると考えられ，また特定の時間を部屋全体を対象とし，Vacuum this spot (3) および指定したい場合もあると考えられる．そのような場合

Mop this spot (4) はカードのおかれた場所の近くのには，ホストＰＣ上でのＧＵＩ操作によって特定の時みを対象とする．物体の搬送を行うカードは３種類が間を表すカードを作成し，それを印刷して新しいカーある．Transport ths to ”Location A” (6) は，そのドとして使うことができるようにしている．

カードの近くにある物体を，Location A カードの置かOrder カード (10) は，複数の作業を行うときにそれた場所へ移動する作業を指示する．Bring multipleの順番を指定する．具体的には，Do this ﬁrst, Do this”items” here (7) は，Item1, Item2 などの近くにある

second, Do this third といったカードが用意されてお物体を，すべてその場所へ集める作業を指示する．こり，これらのカードの近くに置いてある Action カーの作業はたとえば，複数のおもちゃを集めておもちゃ箱ドの内容を順に実行する．の近くへもってくるようなことに相当する．Take this

4.2.4 制御カード

to ”Destinations” (8) は，そのカードの近くにある制御カードは，制御コマンドに相当するもので，現物体を，”First Destination”, ”Second Destination”

在出している指示全体を記憶しておくことや，作業といったカードの置かれている場所へ，順番に移動す全体を一時停止・再開することができるようになってる．この作業はたとえば，ゴミ箱を朝玄関へ出しておいる．

き，夕方また部屋へ戻す，といったことに相当する．

Memorize this set of tasks for future reuse (11)

これらの作業に付加的な指示を出すものとしては，現在指定している作業全体を一つの作業として記Magic Cards: 紙カードを利用したロボットとのインタラクション録して再利用可能とするものである．まず，ユーザは，通常のカードを利用してシステムに対して一連の指示を出す．このとき，一緒に Memorize カードを置いておく．すると，システムは，作業を行うと同時に，新しいカードを作成してそれを印刷する．次回以降，ユーザは印刷されたカードを一枚おくだけで，一連の作業を指示することができる．この作業のパッケージ化は階層的に行うこともできる．すなわち，Memorizeカードを利用して作成したカードを別の Memoraizeカードによるパッケージ化の一部に含めることができる．

Start activities now (13) は，作業を即座に開始することを指示する．通常，提案システムは，ユーザがカードをおいて指示を出している最中には何もせず，ユーザが作業領域からいなくなったことを確認してからすべての作業を開始する．しかし，Start activities

now カードが認識された場合には，その場で即座に作業を開始する．この場合にはユーザの目の前で作業を行うことになる．

Pause activities (12) は，ロボットの作業を一時停止するためのものである．前記のように提案システ
ムはユーザが不在の間に作業することを前提として

図 4 カードタイプ

いるが，場合によってはロボットの作業中にユーザがcameras

戻ってきたりすることもあると考えられる．この場合に Pause activities カードを用いることで，作業を一時停止することができる．なお，作業を再開するためのカードは用意されていない．作業の再開は，Pauseカードを取り去る（カメラから見えない場所にしまう）ことによって指示される．

robotscomputer

4m

5. プロトタイプシステムの実装
我々の実装したプロトタイプシステムは，カメラ，ロボット，および PC から構成されている．カメラ・

computer5m

図 5 システム全体構成

ＰＣ間はＵＳＢケーブルによって接続されており，ロボットＰＣ間は bloothtooth によってワイヤレス接続，モップをかけるロボット (iRobot Scooba) および，押されている．

すことによってモノを運搬するロボット (iRobot Cre-

カメラは天井に設置されており，紙カードおよびロate) の３種類をサポートしている．部屋全体あるいボットの位置認識を行う．現在の実装では，４台のカは特定の場所をスポット掃除する機能は Roomba おメラで約 5 x 4m の領域をカバーしている．一台のカ

よび Scooba にあらかじめ用意されているため，それメラの解像度は 960 x 780 であり，2.5m 下の床に置を利用している．モノの運搬については，モノを中心かれた 4.5 x 4.5 cm のマーカーを認識することがでに目的地に向かうようなダイポール場にしたがってロきる．

ボットを動かすアルゴリズム11) を利用している．

5.1 使用するロボット

補助ロボットとしては，床に置かれた紙カードを回ロボットは大きく分けて，作業用ロボットと補助ロ収するカード回収ロボットと，メッセージを印刷してボットの２種類がある (図 6)．作業用ロボットは，ごみ床に残すプリンタロボットの２種類を作成した．これの吸引によって掃除をするロボット (iRobot Roomba)

らは iRoboto Create を改造したものである．カード

情報処理学会 インタラクション 2011が終わった後，参加者に自由な指示を出してもらった．
カードを見てその意味を理解できるかを試した実験の結果，８人中６人の参加者は１３種類のすべてのカードの意味を正しく理解していた．２人の参加者は８番のカード（複数箇所への運搬）の意味を取り違えており，そのうちの１人の参加者は１１番のカード（作業の組み合わせ）の意味がわからないと答えていた．１人のユーザは８番のカードを複数の宛先へメイルを出すことだと解釈し，別のユーザは複数の目的地のいずれか一つへ搬送することだと解釈していた．１
１番の意味がわからないと答えたユーザは，これの使い道がわからないと説明していた．これらの結果から，
図 6 使用するロボット

８番と１１番のカードについては再検討が必要であると考えられる．

回収ロボットは下面に強力な磁石がついており，すべ

実際に紙カードを利用してロボットに指示を出す作ての紙カードの中に薄い鉄板を仕込んでおくことで，業については，すべての参加者が問題なく行えること回収を実現している．現在はユーザが手作業で磁石にを確認した．すなわち，言葉で指定された作業内容についたカードをはがさなければならないが，将来的に相当するカードを適切に選び出し，それらのカードをはきちんとつかみ上げて回収するようなロボットを作

我々のシステムが認識して作業できるような適切な場成予定である．プリンタロボットは，iRobot Create所に配置することができた．また，参加者は，順番をの上に電池駆動のモバイルプリンタを搭載したもので指定するような作業についても，単純なタスクとほとあり，複数のコマンドをまとめた新しいコマンドカー

んど変わらず簡単に指示できると答えていた．最後のドを作成したり，エラーが起きたときにユーザにその自由課題では，いろいろと面白い指示が出された．た旨のメッセージを残すときに用いる．操作はすべてワ

とえば，ある参加者は，まず掃除したい場所にあるゴイヤレスに行われる．

ミ箱を別の場所に移動し，そのあとその場所を掃除し，

6. ユーザスタディ

最後にその場所にそのゴミ箱を戻す，というような作業を指示出していた．

提案手法の妥当性などについての知見を得るために事後のアンケートでは，紙カードのシンプルさにつ簡単なユーザスタディを行った．参加者は 21 歳からいて高い評価を得た．特に，もっとも高齢の５２歳の52 歳の 8 人の女性である．3 人が独身で 5 人が既婚

参加者は，自分は機械の操作が苦手であるとした上で，(うち 4 人が主婦）であった．最初に，簡単なアンケー

紙カードを置くだけというのはボタンを一切押さなくトを実施した後，紙カードのデザインについて意見をてよい点がすばらしいとコメントしていた．彼女によ聞いた．ここでは，何も説明せずに 13 種類（オブジェると，機械のボタンを押すという行為自体が，何かまクトカード以外）の紙カードを見せて，どのような内ずいことが起きそうで恐怖を感じるが，カードを置く容なのか紙に書いて説明してもらうことによって，どだけであれば，そのようなことがないので，心理的抵の程度直感的に理解できるかどうかを確認した．こ

抗がないとのことであった．このようなコメントは，のとき，参加者に見せるのはカードの表面のみとし，機械の操作に苦手意識をもっているユーザに対して，カードの裏面の説明文はないものとした．最後に実際紙カードによるインタラクションが有効である可能性に紙カードを利用してロボットに指示を出す作業をしを示しているといえる．てもらった．参加者への指示は，「この箱をここへ運ん

参加者から指摘された問題点としては，まず，ちいでください」というような自然な日本語で行った．こさな子供がいる場合に，床に置いたカードをいたずらのときに使う言葉は，カードに記載されている言葉としてしまうという点があげられる．この点については，はなるべく違う表現を使うようにした．最初に簡単なモノを床に置くというインタラクション手法の根本的作業（掃除，モップかけ，物の移動などの単体作業）な限界であるといえる．次に，今回のプロトタイプでからはじめて，徐々に難しい作業（単純作業の組み合は５台のロボットを利用していたが，狭い家では，でわせ）を指示してもらった．すべての指定された作業きれば１台で済ませたいという意見があった．天井に

Magic Cards: 紙カードを利用したロボットとのインタラクション

カメラを設置することについては，借家では家の改造になってしまうので難しいのではという意見もあった．

9. 謝

辞

現在の実装はプロトタイプシステムであり，実際のシステムの実装およびビデオ撮影について Mingui

ロボットの動作にあたっては，ロボット同士がぶつかっSun 氏に，イラストの作成およびビデオ撮影についてて乗り上げてしまったり，バッテリーがなくなってし

Zoey Yu 氏に，ビデオ撮影および編集について竹岡義まったりといった，不具合が観察された．これらの不樹氏，額谷宙彦氏，三宅貴仁氏にご協力いただいた．ま具合は，実ロボットを利用している以上，完全にゼロた，Yotam Gingold 氏をはじめとする JST ERATOにすることは難しいと考えられる．現在でもエラー

五十嵐デザインインタフェースのメンバーには研究遂メッセージを返すなどの工夫をしているが，自動修復行にあたって有益なアドバイスをいただいた．

等のより高度な対処方法について検討する必要があると考えられる．

7. 議論

本稿で紹介したシステムはあくまでもプロトタイプシステムであり，そのままでの実用化は困難であると考えられる．まず，マーカーとしてビジュアルマーカーを利用しているが，カメラの死角に入ってしまう問題や照明の問題もあり，将来的には， Ubisense3)のような，カメラによらないタグの利用が必要と考えられる．
ロボットについても，現在の実装は，商業的に低価格で入手できるものを利用しているが，将来的には，汎用的なロボットシステムに対応することを想定している．研究レベルでは，さまざまな家事をこなすことができるヒューマノイドロボットなどが開発されてきており，これらのロボットを利用した実証実験なども行っていきたい．

8. ま と め
本稿では，紙カードを利用した家庭用ロボットシス
テムとのインタラクション手法について提案した．まず，想定される使い方（シナリオ）を説明した後，紙カードのデザインおよび使用方法，プロトタイプシステムの実装について説明し，最後に簡単なユーザテストを行った結果について報告した．紙カードを置くだ
け，という操作は，タッチパネルやリモコンを利用した操作に比べて，特に機械操作に苦手意識をもっているユーザに受け入れやすい可能性があると考えられる．また，音声を用いた操作に比べて，紙カードを目的の場所に置くという操作方法は，特定の場所を指示するのに適していると考えられる．今後は，カメラによらない位置計測センサの利用や，より高度なロボットを利用するなどして，より実用的なシステムの開発を行っていきたいと考えている．

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