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第 25 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集（2020 年 9 月）

質量分布の高速な変化による擬似衝撃感覚ディスプレイ
清水駿太郎 1) ，橋本健 1) ，吉田成朗 1,2) , 松村礼央 1,3) , 鳴海拓志 1,2) , 葛岡英明 1)

Shuntaro SHIMIZU, Takeru HASHIMOTO, Shigeo YOSHIDA, Reo MATSUMURA, Takuji NARUMI,Hideaki KUZUOKA
1) 東京大学 (〒 113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1, {s shimizu, hashimoto, shigeodayo, narumi,kuzuoka}@cyber.t.u-tokyo.ac.jp)
2) 国立研究開発法人科学技術振興機構 さきがけ (同上)
3) 株式会社カラクリプロダクツ (〒 103-0021 東京都中央区日本橋本石町 2-1-1, reo@krkrpro.com)
概要: VR 体験において，視覚刺激に応じて適切に触力覚刺激を提示することはユーザの没入感や体験のリアリティの向上につながる．中でも把持物体に加わる衝撃の提示について，これまで様々な手法が提案されてきたが，大きなレイテンシや消費電力，連続した提示が困難である点で課題が残る．本研究では，把持物体の質量分布を高速に変化させるとともに，視触覚間相互作用を利用して擬似衝撃感覚を提示する手法を提案する．
キーワード：

1.

擬似衝撃感覚, 力覚インタフェース, 質量分布制御, バーチャルリアリティはじめに

関連研究

2.

VR 体験において，視覚刺激に応じて適切に触力覚刺激

2.1を提示することはユーザの没入感や体験のリアリティの向上につながる．これまで，表面の手触りや硬さ，把持物体示する装置は多く開発されてきた．の形状，重さ，手腕に加わる牽引力や衝撃など，様々な触力覚刺激を提示する装置が開発されてきた．

力覚提示装置

把持物体に実際に力を発生させることで，衝撃感覚を提Thor’s Hammer[1] や Wind-Blaster[2] は，ジェットプロ
ペラを回転させることで発生する風力により，衝撃感覚を本稿では，この中でも，特に把持物体に加わる衝撃感覚提示する．これらの装置は大きな力を発生させることがでに注目する. これまで，様々な方法で把持物体に加わる衝撃きるが，静止した状態から目標の力を発生させるまで約 500感覚を提示する装置が開発されてきた．主な手法は，ジェッ

ミリ秒かかる．

トプロペラ [1, 2] やリアクションホイール [3, 4]，ジャイロ

Virtual Chanbara[3] や GyroCubeSensous[4] は，フラ効果 [5] を用いて，実際に把持している装置に力を発生させイホイールの角運動量を変化させることで装置にトルクをるというものである．これらの提示手法は大きな力を発生発生させる．これらの装置は大きなトルクを出力することさせられる反面，レイテンシや消費電力が大きい，連続しができる反面，フライホイールの加減速によってトルクをて衝撃感覚を提示できないといった問題点をもつ．大きな発生させるためレイテンシが大きい．

レイテンシは視覚刺激に対する触覚刺激の遅延の原因とな

iTorqU 2.0[5] は，2 軸のジンバル機構を搭載し，フライり，体験のリアリティを低下させる．また，テニスや剣道なホイールの自転軸を回転させることで生じるジャイロモー

ど，把持物体に連続して衝撃が加わるアプリケーションにメントによって衝撃を提示する．この機構は，先述したフラ応用する場合，短時間で衝撃を提示し元の状態に戻す必要

イホイールの加減速を用いた手法より小型な装置で大きながある．

トルクを発生させられることに加え，自転軸を回転させる

本稿では，質量分布を高速に変化させることのできる機と瞬時にトルクが発生するためレイテンシも小さい．しか構をもった装置を使用することで，擬似的に衝撃感覚を提し，発生するトルクの向きがフライホイールの自転軸に依示する手法を提案する．この手法は，把持物体の慣性モー存するため，目的のトルクを連続して提示することは困難メントが高速に変化するとともに視覚的に衝撃を提示するである．また，トルクを発生させるために常にフライホイーことで，ユーザの視触覚間相互作用を誘発し把持物体に衝ルを高速回転させておく必要があり，消費電力が大きい．

撃が加わったと知覚するのではないかという仮説に基づく．

これらの手法の共通点は，把持物体に実際に力を発生さこの手法により，従来よりレイテンシや消費電力を小さくせることで，ユーザに衝撃感覚を提示する点である．この手し，連続した衝撃感覚の提示が可能となる．

法を用いると，大きな力を発生させることができるが，そのためにジェットプロペラを回し続けたり，フライホイールを高速回転させたりする必要があるため消費電力が大きい．

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また，短時間に連続して力を発生させることが難しく，連続した衝撃感覚の提示は困難である．
本稿で提案する手法は，提示できる力は先述した装置より小さいが，レイテンシや消費電力が小さく，より短い時間で力を提示し装置を元の状態に戻すことができるため連続した力の提示が可能である．

2.2

質量分布制御装置

把持物体の質量分布を動的に変化させることで，1 つの装置で多様な重さや形状の物体を把持している感覚を提示する装置が開発されてきた．Shifty[6] は，重りを 1 軸方向に移動させることで把持物体の慣性モーメントを変化させ，多様な重さ・長さを提示できる．Transcalibur[7] は，Shiftyのような 1 軸方向に移動可能な重りを 2 つ搭載し，その移動方向をそれぞれ左右 90 °の範囲で変化させることにより多様な 2 次元形状を提示できる．これらの装置は，主に把図 1: 擬似衝撃感覚ディスプレイのプロトタイプ

持物体の慣性モーメントや重心位置といった静的な特性を制御し，様々な形状の物体を持っている感覚を提示する目

4.

擬似衝撃感覚ディスプレイのプロトタイプ的で用いられてきた．

4.1

ハードウェア

本稿では，この質量分布変化をより高速に行うことで，ユーザに擬似的な衝撃感覚として知覚させられるのではな

Transcalibur[7] のウォーム機構を用いたリニアアクチュ
エータを参考に，図 1 のプロトタイプを作成した．

いかと考える．

プロトタイプは，PLA 樹脂製の手持ち部，動力部 (重り)，厚さ 3 mm のアルミニウム板でできたレール部で構成され質量分布の高速な変化による擬似衝撃感覚提示る．また，大きさは 60 × 424 × 120 mm であり，重量は 270

本章では，人間が把持物体を振る運動と把持物体に衝撃g である．動力部は，マブチモーター社の RS-380PH と減が加わったときの運動の変化を運動方程式を用いて記述し，速比 10:1 のウォームギア，ピニオンギア，Pololu 社の磁気どのように質量分布の高速な変化によって擬似的な衝撃感式エンコーダで構成され，大きさは 58 × 70 × 35 mm，重覚を提示できると考えるかを説明する．

量は 160 g である．モータの出力がウォームギアを通して3.

まず，人間が把持物体を振る運動は，式 (1) の運動方程式で記述できる．

ピニオンギアに伝達し，レールの上に固定されたラックの上を重りが移動する．なお，このウォーム機構により，従動部I θ̈ = Th(1)に入力されたトルクが駆動部のモータに伝わらない，Non-

なお，I は把持物体の把持点まわりの慣性モーメント，θ̈ はbackdrivable な機構となっている．このため，外力が加わっ角加速度，Th は人間が把持物体に入力するトルクである．

た場合でも重りは動かない．
また，モータは Cytron 社のモータドライバ MDD10A を次に，この運動中に外力によるトルク Te が加わると，式 (1)通してマイクロコンピュータ Teensy3.2 に接続されており，は瞬間的に，I θ̈ = Th − Te(2)

これを用いて制御する．なお，この装置の最大消費電力は，と変化する．人間は，この運動の変化を「把持物体に力が10 V / 5 A である．

加わった」と知覚すると考える．

4.2

ソフトウェア

PID 制御を用いて，重りの速さを制御する．重りの位置

本稿では，質量分布を高速に変化させることにより，式はエンコーダを用いて計測されており，目標の位置 ±15 mm(1) を，(I + Id )θ̈ = Th(3)と変化させる．なお，Id は，質量分布を変化させることで増加 / 減少する把持物体の慣性モーメントである．これと同時に，視覚的に把持物体に何らかの衝撃が加わった情報を提示することで，ユーザは，I θ̈ = Th − Id θ̈の範囲内に重りが到達したときにモータを停止する仕様となっている．この範囲は，モータを停止する信号を送信してから実際にモータが停止するまでの遅延を考慮して設定している．なお，重りの目標速度は 1 mm/msec に設定されており，レールの端から端まで，約 150 ミリ秒で移動可能である．これにより，この装置は約 300 ミリ秒の間に，衝(4)のように，Id θ̈ の外部トルクが加わったと錯覚するのではないかと考える．また，慣性モーメントの変化 Id を制御する撃感覚を提示し元の状態に戻すことが可能である．

5.

実験: 提案手法による擬似衝撃感覚提示の検証

5.1

実験概要

ことで，多様な大きさの衝撃感覚を提示することが可能であると考える．

Ⓒ 2020 日本バーチャルリアリティ学会-1D1-3-以下の 2 点を検証する実験を実施した．

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5. 実験条件試行
6. 休憩
7. 2, 4, 5 を再度実施
8. アンケート
実験参加者は手順 2 から 5 の間，Head Mounted Display(HTC VIVE Pro) を装着し，右手に同社製の VIVE Trackerを搭載した実験デバイスを，左手に VIVE Controller を把持した．
手順 3 では，ゴーストデバイスにあわせて実験デバイス

図 2: デバイスを振り，VR 空間でボールを打ち返す様子を振りボールを打ち返すタスクの練習を行った．なお，この練習は実験参加者が動作に慣れるまで行った．また，この手順で VIVE Controller によるボールの大きさの操作も行い，その操作方法を確認するとともに入力できる大きさの最大値・最小値を確認させた．この最大値・最小値は，それぞれ直径 270 mm と 30 mm であった．
手順 4 では，対照条件として設定された力覚とボールの大きさでタスクを行い，基準となる力の大きさとボールの
図 3: VIVE Controller (a) を用いてボールの大きさを大きさの関係を確認させた．基準となるボールの大きさは操作する (b, 右)．なお，操作するボールの隣に対照条件の直径 90 mm であった．その後，手順 5 にて，実験条件とし大きさが表示されている (b, 左)．て設定された力の大きさでタスクを行い，対照条件と比較することでその力の大きさに応じた適切なボールの大きさ

1. 提案手法を用いて，擬似的な衝撃感覚を提示できるか
2. 重りを動かす位置を変化させることで，様々な大きさの衝撃感覚を提示できるかを回答させた．実験参加者は，回答した大きさのボールを打ち返すタスクを繰り返し，実験デバイスによる力の大きさとボールの大きさが最も適切であると判断したところでその実験条件の試行を終了とした．なお，対照条件の重り

実験参加者には，把持した装置を振ることで，VR 空間での位置は 75 mm, 実験条件は 0, 30, 60, 90, 120, 150 mm

こちらに向かって発射されるボールを打ち返すタスクを行であり，各実験条件はランダムな順序で適用された．

わせた (図 2)．その際に，重りを特定の位置まで動かし力

手順 8 のアンケートの内容は以下のように設定した．

を生じさせた．なお，ボールを打ち返す際，実験参加者の

1. ボールを打ち返したように感じた．

動きを誘導する半透明のデバイス (ゴーストデバイス) を設

2. ゴーストデバイスにあわせてデバイスを振るのは簡け，実験参加者はこれに追従する形でボールを打ち返した．

単だった．

ゴーストデバイスを設けた理由は，式 (4) を考慮すると，知覚する衝撃感覚の大きさはユーザのデバイスを振る角加速3. 実験や体験について何か感じたことがあれば教えて度に依存することが予想されたため，実験参加者間のそのください．

要因による知覚誤差を排除するためである．

4. このシステムは，どのようなアプリケーションに活用

また，実験参加者はデバイスを振ったときに知覚した力できると思いますか．の大きさに応じて打ち返したボールの大きさを回答した (図3)．一般に，打ち返すボールが大きいほど生じる衝撃は大

なお，質問 1, 2 は 7 段階のリッカート尺度による選択式できくなるため，回答されたボールの大きさは実験参加者があり，質問 3, 4 は自由記述式であった．

知覚した衝撃感覚の大きさを反映していると予想した．

5.3

5.2

実験参加者は 7 名 (男性 7 名，年齢 23.14 ± 1.12 (SD) 歳)

実験手順

実験は説明，試行，休憩，アンケートで構成され，実験参加者 1 人あたりの所要時間は約 45 分であった．なお，実験は以下の手順で行われた．

1. 実験説明であり，全員の利き手は右手であった．実験参加者には，謝礼として Amazon ギフト券 1,000 円分を贈呈した．

5.4

4. 対照条件試行Ⓒ 2020 日本バーチャルリアリティ学会

結果と考察

図 4 は，先述したアンケートの質問 1, 2 の回答結果を表す箱ひげ図である．

2. キャリブレーション
3. チュートリアル

実験参加者

まず，質問 2 については，全体的に高い評価を得られた．
これにより，設定されたゴーストデバイスの動作は実際のユーザの動きと大きく乖離したものではなかったことがわ-1D1-3-

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ど知覚誤差が大きくなるという知覚特性が示唆された．

6.

おわりに
本稿では，装置の質量分布を高速に変化させるとともに，視覚的に把持物体に何らかの衝撃が加わったという情報を提示することで，擬似的な衝撃感覚を提示する手法の提案と検証を行った．検証の結果，提案手法を用いてユーザに衝撃感覚を提示できることが示唆された．さらに，重りの位置と知覚する衝撃感覚の大きさの間に正の相関関係が見られ，運動方程式を用いて記述した式 (4) と矛盾しない結果が得られた．
今後は，本稿の提案手法が成立する重りの速さの閾値を調査したり，ある特定の大きさの衝撃感覚を提示する際の
図 4: アンケート結果

重りの動かし方の指針を確立することにより，この手法を利用して，様々な衝撃感覚を提示するシステムの構築を目指す．

参考文献[1] S.Heo et.al. Thor’s hammer: An ungrounded force
feedback device utilizing propeller-induced propulsiveforce. In Proceedings of the 2018 CHI Conference on
Human Factors in Computing Systems, pages 1–11,
2018.
[2] S.Je et.al. Wind-blaster: a wearable propeller-based
prototype that provides ungrounded force-feedback.
In ACM SIGGRAPH 2018 Emerging Technologies,
図 5: 各条件の重りの位置と回答されたボールの大きさの平均値．エラーバーは標準誤差を表す．

pages 1–2. 2018.
[3] D.Koga et.al. Virtual chanbara. In ACM SIGGRAPH
2002 conference abstracts and applications, pages 83–かる．また，実験参加者は期待通りの運動を行うことができており，本実験で得られたデータは有効性が確認できた．

83, 2002.
[4] N.Nakamura et.al.

An innovative non-grounding

次に，質問 1 についても，全体的に高い評価を得られた．

haptic interface’gyrocubesensuous’ displaying illusion

さらに，質問 4 の回答例として「クリケット」「剣道」「テsensation of push, pull and lift. In ACM SIGGRAPH

ニスなどのラケット球技」といった，把持物体に衝撃が加わるアプリケーションが多く見られた．これらの結果を踏ま2005 Posters, pages 92–es. 2005.
[5] K.N.Winfree et.al. A high ﬁdelity ungrounded torqueえ，5.1 節で挙げた検証項目 1 である「提案手法を用いて，feedback device: The itorqu 2.0. In World Haptics

擬似的な衝撃感覚を提示できる」ことが示唆された．

2009-Third Joint EuroHaptics conference and Sym-

図 5 は，各条件の重りの位置と，回答されたボールの大posium on Haptic Interfaces for Virtual Environment

きさの平均値と標準誤差を表す棒グラフである．重りの位and Teleoperator Systems, pages 261–266, 2009.

置によって，知覚された衝撃感覚の大きさが変化したことが[6] A.Zenner et.al. Shifty: A weight-shifting dynamic

わかる．これにより，検証項目 2 である「重りを動かす位置

passive haptic proxy to enhance object perception inを変化させることで，様々な大きさの衝撃感覚を提示できvirtual reality. IEEE transactions on visualizationる」ことが示唆された．また，この 2 値の間の相関係数はand computer graphics, 23(4):1285–1294, 2017.

約 0.74 と大きく，正の相関関係にあると言える．この関係[7] J.Shigeyama et.al. Transcalibur: A weight shifting

は，重りの位置が先端になるほど装置の慣性モーメントはvirtual reality controller for 2d shape rendering based

大きくなるため，仮説として記述した式 (4) と矛盾しない．

on computational perception model. In Proceedings

さらに，力が大きくなるほど回答されたボールの大きさのof the 2019 CHI Conference on Human Factors in

標準誤差が大きくなった．これにより，刺激が大きくなるほComputing Systems, pages 1–11, 2019.

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