情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

1B-47
2024/2/28

FreelForce: 任意のタイミングで使用可能な非接地型力覚提示デバイス
下田玲央1,a)

真鍋宏幸1,b)

概要：仮想空間における力覚提示手法として，糸を用いた非接触型力覚提示デバイスがある．移動しながら使える力覚デバイスとして使用することができるが，手の自由度が制限されてしまうというデメリットが存在する．そこで本研究では，ユーザーが必要としている場面では力覚を体験でき，不要な場面では手が自由になるウェアラブル型の力覚提示デバイス “FreelForce” を提案する．ワイヤの長さが制御可能であるリールストラップを HMD 上部に設置しており，ユーザーがワイヤ先端の把持部をつかむことで力覚提示を行う．デバイスの実装と 2 つのアプリケーションの作成を行い，提案手法の有効性を確認した．

1. はじめにる．その例として，3D systems 社の Touch*1 や，MPB 社の Freedom6s[1] がある．接地型は据え置きされたデバイス

仮想空間に対するインタラクション手法は多数提案されのため，ユーザーに対して強い力を提示することや装置のており，その中には人間の手の力覚に対するインタラク

大きさに制限はないが，装置自体が大きくなり易く，ユーションも存在する．人間の手の力覚に対するインタラクザーの行動範囲が限られてしまうデメリットが存在する．

ションは指が物に触れたときに生じる反力を再現する技術

非接地型には，ユーザーが力覚提示デバイスを身体に装を利用したインタラクションであり，VR への没入感を強着し，力覚提示部が常に体の一部に触れていることで力覚める効果が期待されている．これまで提案されてきた手にを提示している装着法と，力覚提示が可能なコントロー

対する力覚提示デバイスには主に接地型と非接地型の 2 種ラを把持することで力覚を体験する把持法に分けられる．

類存在しているが，接地型ではユーザーの行動範囲が狭く非接地型装着法の例として CyberGlove Systems 社製のなってしまう．非設置型はユーザーに装着するかユーザー

CyberGrasp*2 や，田中らが開発した Fluid Power Glove[2]が把持するデバイスであり，ユーザーが移動しながら使えなどがあげられる．非接地型装着法はウェアラブルデバイるデバイスであるが，提示できる力やデバイスの大きさにスとして使用することができるが，提示できる力の大きさ制限があること，不使用時にデバイスが邪魔になることがの制限やデバイスの大きさの制限があることと，常にデバある．提示できる力やデバイスの大きさの制限を緩和する

イスが身体に装着されているため，力覚を体験する状態と手法の一つとして，糸の張力を用いる非接地型力覚提示装体験しない状態の切り替えがスムーズに行えないデメリッ

置が提案されているが，これらの装置はユーザーの手に装トがある．非接地型把持法の例として，Colin らが開発し置を装着し続けなければならないため，手の自由度が制限た TorqueBAR[3] や，André らが開発した Drag:on[4] などされてしまう．そこで本研究ではユーザーが力覚提示を必があげられる．非接地型把持法は装着法と同じく移動した要としている場面においてデバイスを使用し，必要としなまま使えるウェアラブルデバイスとして使用することがでい場面では手が自由になるようなウェアラブル型の力覚提きる利点があるが，装着法に比べ提示できる力が小さい．

示デバイス”FreelForce”を提案する．

2. 関連研究

以上のように接地型と非接地型にはそれぞれ短所が存在しているが，非接地型装着法の短所である，提示できる力の大きさの制限やデバイスの大きさの制限を緩和する手法

接地型の力覚提示装置では，据え置きされたデバイスのの一つとして，糸の張力を用いる非接地型装着法力覚提示

把持部をユーザーが接触することによって力覚を提示す装置が提案されている．糸の張力を用いる力覚提示装置の長所は装置の構造が簡単かつ安全であり，容易に作業領域

1a)b)

芝浦工業大学ma23090@shibaura-it.ac.jp
manabehiroyuki@acm.org© 2024 Information Processing Society of Japan*1*2

https://ja.3dsystems.com/haptics-devices/touch
http://www.cyberglovesystems.com/cybergrasp389

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2024/2/28を拡大できることが挙げられる．例えば，澤田らが開発した “SPIDAR-HMD”[5] は，HMD 上に SPIDAR システムを用いた力覚提示装置を設置することで移動中での力覚提示を実現している．SPIDAR システムとは，佐藤らが開発した糸と DC モータを用いて力覚の提示を行う接地型力覚提示装置 “SPIDAR”[6][7][8] に用いられたシステムのことである．他にも，Cathy らは長さを制御可能な引き込み式のワイヤーを肩に装着し，手の個々の関節を現実空間で正確に固定できる非接地型力覚提示デバイス “Wireality”[9]を開発した．しかし，これらのデバイスはユーザーの手に

図 1

FreelForce の概観．

装置を装着し続けなければならないため，ユーザーの手の自由度が制限されてしまう．一方，提案手法では，ユーザーが力覚提示を必要としている場面においてデバイスを使用し，必要としない場面では手は自由になる．

3. FreelForce
リールストラップを用いた力覚提示装置デバイス“FreelForce” を提案する．HMD 上部にワイヤの長さが制御可能であるリールストラップが設置されており，ユー

図 2

通常時（左）とワイヤ制御時（右）のストッパー機構．

ザーはワイヤ先端の把持部をつかみワイヤを引くことで，ワイヤを引く方向に対する力覚を体験することができる．
力覚提示を行うために必要となる手の姿勢位置は，HMDの引き延ばしを阻害する仕組みになっている．のハンドトラッキング機能を利用して取得すればよい．ハ

ストッパー機構の制御は，カメラで取得した手の姿勢ンズフリーの状態から力覚を素早く体験できる状態まで位置情報を基に行われる．例えば，手が HMD からある一（あるいはその逆）をスムーズに移行できることができ，か定距離以上離れたときにストッパー機構を動作させれば，つウェアラブルデバイスであることが特徴である．

ユーザはそれ以上手を移動させることができず，力覚を知提案手法は力覚提示を行うことができるが，必ずしもその必要はなく，入力モードを素早く切り替えることができることのみを活用することも可能である．

覚する．

4. アプリケーション
提案手法は，ユーザがハンズフリーの状態から力覚を素3.1 実装早く体験できる状態までスムーズに移行できることが特徴

実装したデバイスの概観を図 1 に示す．デバイスは，である．そこで，ユーザーがハンズフリーの状態とデバイHMD（Oculus Quest2），先端に把持部が付いたリールス

スを用いて力覚を体験している状態の両方をスムーズに体トラップ，リールの回転を止めるストッパー機構で構成さ験できる “キーボード入力アプリケーション” そして，ハれている．リールストラップはワイヤを引っ張り手を放す

ンズフリーの状態とデバイスを用いて入力している状態のと自動で巻き取られる機能（ワイヤ巻き取り機能）が搭載

2 種類をスムーズに切り替えできる “ユーザー視点移動アされており，ワイヤが完全に巻き取られたかどうかを検出プリケーション” の 2 つを実装した．

するセンサを設置してある．ストッパー機構は，リールストラップの外側にある，ワイヤ収納口付近に設置されてお4.1 キーボード入力アプリケーション

り，ステッパモータ*3 と 3D プリンタで作成した負荷軸用

このアプリケーションでは仮想空間上において，空中にパーツとフレームで構成されている．リールストラップのQWERTY 配列のキーボードを表示し，それを用いて文字ワイヤは図 2(左) のように負荷軸用パーツとフレームに通入力を行う (図 3 左)．キーボード入力自体は本デバイスをし，ワイヤ収納口から先端まで一直線になるように設計さ使用しなくても行えるが，ユーザーが本デバイスを使用しれているため，ワイヤに干渉することはない．力覚提示をながらキーボード入力をするとボタン部分の接触時におけ行う際は，図 2(右) のようにモータの軸と負荷軸用パーツる力覚を体験することができる．このアプリケーションにが回転し，ワイヤの自動巻き取りあるいは手によるワイヤよってユーザーがハンズフリーの状態とデバイスを用いて力覚を体験している状態両方において文字入力が行えるこ*3

NMB Technologies Corporation

PG25L-D24-HHC1© 2024 Information Processing Society of Japanとを確認した．

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たは入力方向が 1 方向であるが，ワイヤ本数の追加を行うことで，力覚提示または入力方向が複数になるため力覚提示方向や入力数が増えると考えられる．また，現在のデバ
イスの取り付け位置は HMD 上であるが，取付位置を身体の一部分や，日常で使用している道具に取り付けることで力覚提示箇所を変化させることができると考えられる．さ図 3

キーボード入力アプリ（左）とユーザー視点移動アプリ（右）らに，現在本デバイスの把持部には入力機能が存在せず，ただ金具が取り付けられているだけである．そこで，デバ

4.2 ユーザー視点移動アプリケーション提案手法を，VR 空間での移動や視点移動に応用することもできる．作成したアプリケーションでは，VR 空間上に複数のオブジェクトが異なる奥行きに配置されている（図 3 右）．ユーザはデバイスの把持部をつかみワイヤを伸イスの把持部に入力機能を追加することで，ユーザーがワイヤを引くことによる入力とデバイスの把持部による入力を組み合わせることができると考えられる．

6. おわりにばすと移動することができ，奥に配置されているオブジェ

本研究ではユーザーが力覚提示を必要としている場面にクトに近づく．ワイヤを元に戻すとユーザの位置も初期位おいてデバイスを使用し，力覚を体験できるウェアラブル置に戻る．提案手法を用いれば，現実世界で移動したり，型の力覚提示デバイス “FreelForce” を提案した．本提案

コントローラでワープ場所を指示することなく，遠くのオ手法の特徴や実装方法を示し，アプリケーションではユーブジェクトを確認することができる．このアプリケーショ

ザーがハンズフリーの状態，デバイスを用いて力覚を体験

ンは，素早く入力モードを切り替えることができる提案手している状態，そしてデバイスを用いて入力している状態法の特徴を活用しており，さらにワイヤの長さを用いた一それぞれをスムーズに切り替え可能であることを明らかに次元の入力を行っている．

した．

5. 議論
本提案手法の利点は本デバイスが設置されている HMD

参考文献
[1]

を装着していれば，場所を問わずユーザーが必要としているタイミングで本デバイスを力覚提示デバイス，または入力デバイスとしても使用できる点である．今回のアプリ
ケーションをもとに例を挙げると，キーボード入力においては，ユーザがワイヤを引き延ばすとキーボードを表示し，[2]

力覚提示込みの文字入力が完了したらユーザはワイヤから手を離し，キーボードの表示を停止するようにできるというようなインタラクションが行える．

[3]

本提案手法は 1 本のワイヤを使っているため，ユーザーに提示できる力覚方向はユーザーがワイヤを引いた 1 方向のみであり，かつ HMD に向かう向きの力しか提示することはできない．また，今回のアプリケーションにおけるストッパー機構の動作は，リールの回転を止めるか止めない[4]

かの 2 値制御しかしておらず，力覚提示が連続的でないため，弾性物体の再現や 2 方向の力覚提示など，複雑な力覚提示は行うことができていない．しかし，ストッパー機構の構造上，ストッパーの角度を連続的に制御することで[5]リールの回転速度を調節できると考えられるため，弾性物体の再現を行える．他にもデバイスの改善案として，デバイスのワイヤレス化やストッパ機構の設計の見直しなどが[6]考えられる．
本デバイスの拡張機能として，ワイヤ本数の追加やデバイスの取り付け位置の再選定，デバイス把持部に対する入力機能の追加があげられる．現在本デバイスの力覚提示ま© 2024 Information Processing Society of Japan[7]Demers, J.-G., Boelen, J. and Sinclair, I.: Freedom
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[8]

[9]

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© 2024 Information Processing Society of Japan392