情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

2B-50
2020/3/9

非対称振動を用いた牽引力錯覚の二次元提示
春名悠介†1

橋本渉†1 水谷泰治†1

西口敏司†1

概要： 非対称振動とは往復で振動加速度が異なる振動で，この振動を提示されたとき，人は疑似的に並進力を感じることが知られている．これを牽引力錯覚という．従来研究によると，牽引力錯覚は並進方向ではほぼ正確に提示できることがわかっている．本研究では二次元に拡張した既存研究を参考に，指先に二次元提示する方法を提案し，その手法でどれだけ正確に牽引力錯覚を提示できているかを検証する．の共振特性を調べるため，振動子に衝撃センサ（村田製作

1. はじめに所 PKS-4A1）を取り付け，正弦波信号を入力して振動の出近年，力覚を提示する装置が多く開発されている．しか力特性を観測したところ，約 70Hz，105Hz，210Hz あたりし，その多くは装置自体を外部環境に固定しているものがにピークがあることがわかった．ただし，人間が最も振動多い．装置を外部環境に固定する場合，動きが極端に制限を大きく感じるのは，これら 3 つのピークのうち 70Hz だされる場合がある．力覚を実際に提示する装置は動きが制ったため，以降の実験では 70Hz の周期波形を用いること限されるものが多いが，振動フィードバックを利用すればにした．また，提示する非対称振動についても，二次高調

実際に力覚を出すことはできないが牽引力を提示すること波など様々な波形を用いて牽引力錯覚が最も大きく感じらが可能であることがわかっている．雨宮らは人が刺激を認れた，のこぎり波を使用することにした．

知するとき非線形性がある事実にもとづき，非対称な加速次に振動子の把持の仕方について検討した．振動子を握度パターンを持つ波形を生成し，牽引力が生じることを示ったり，指先に巻き付けたり，様々な持ち方により牽引力している[1]．田辺らは 2 つのボイスコイルにより並進力だ

錯覚を提示できる方法を試行錯誤したところ，振動子を指けでなく回転力提示を試みたり[2]，非対称振動の一つとし先で軽くつまんだ場合が最も良いことがわかった．現段階て正弦波の基本波と二次高調波を足し合わせた波形で牽引

では，指先に剪断力が働くような牽引力提示が最も知覚さ力錯覚が生起することを示している[3]．また暦本は，雨宮れやすいといえる．これらの条件で，35 名に並進方向（前らの研究が一次元だったのに対し，二次元に拡張した実験後）への牽引力錯覚提示を試みたところ，35 名全員が牽引を試みており，平面上の 8 方向で 15～35%，45 度の誤りを力の方向を正しく知覚していることがわかった．

許容した場合は 8 方向で 40～75%の正解率を得ている[4]．

二次元での牽引力錯覚提示のためには，振動子を 2 つ組

本論文では，従来研究より正確に牽引力を，人間の指先み合わせることになる．組み合わせ方も無数に存在するが，に二次元提示可能な方法を提案しその結果を報告する．二試行錯誤の末，図 1 のように振動子を配置することにした．

次元提示が可能であることが明らかになれば，歩行者誘導互いの振動が干渉しないようにシリコンゴムで振動子を結や視覚障碍者の誘導への応用が期待できる．

合し，その両端を示指と母指＋中指で把持する．図 1 の配2. 提示方法

置の場合，左側の振動子が紙面向かって左右方向，右側の牽引力錯覚の生成における先行研究によると，ボイスコ振動子が紙面前後方向に振動することになる．

イル型の振動アクチュエータを使用しているのが一般的である．本研究では類似の仕組みを持ち，ゲーム用のコントローラにも使用されている ALPS 社のハプティックリアク
タ Hybrid Tough Type（以下，振動子）を使用することにした．この振動子は，筐体の両端に磁石を設置し中央に設置したコイルに電流を印加することで磁界が発生し，コイルが一定方向に移動することで振動が発生する仕組みである．
振動子に印加する信号は，PC のオーディオ信号をデジタルアンプ（Lepy LP-2020A+）で増幅している．この振動子†1 大阪工業大学

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図 1 振動子の構成671

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表 2

開眼状態における実験結果のマトリックス図及び各提示方向の正答率
提示＼回答0°45°

0°14145°

105190°2127135°

3268180°

13225°

1270°
315°

図 2

1590° 135° 180° 225° 270° 315°
112

12

回答数

誤差なし ±45°の誤差あり

5210.667

0.952

3

210.2380.762

210.5711.000

11210.286

0.762

12

4

1210.571

0.905

4

14

2210.667

0.952

3410

1210.476

0.714

11210210.476

0.810

実験環境の外観表 3 正答率の平均(a)閉眼状態

3. 二次元提示に関する実験

誤差なし ±45°の誤差あり

3.1 方法2 章で述べた提示方法において，二次元方向をどれぐら(b)開眼状態
誤差なし ±45°の誤差あり

平均値

0.446

0.696

平均値

0.494

0.857

前後左右0.560

0.845

前後左右0.571

0.893

斜め方向0.333

0.702

斜め方向

0.417

0.821

い正確に提示することができるかを調査するための実験を実施した．実験環境は図 2 のとおりである．実験参加者は

3.2 実験結果

振動子を利き手で把持し，前後左右の平面上で 8 方向の牽

表 1，2 に実験で得られた結果をもとに作成したマトリ

引力錯覚を知覚するであろう振動パターンを提示し，どちックス図と各提示方向の正答率を示す．縦軸が提示した方らの方向と知覚したかを答えてもらうものである．

向で横軸が実験参加者の回答となっている．マトリックス実験参加者は健康な成人男性 10 名で，全員が学生であ図を見ると，閉眼状態と開眼状態でおおよそ対角線上に回る．その内 3 名が左利きであった．参加者は聴覚の情報を答が集まっており，同じような傾向がみられることがわか遮断するためイヤーマフを装着し，振動子を利き手で把持る．ただし，開眼状態と閉眼状態での 225 度と 315 度の部

する．10 秒間非対称振動を提示した後どの方向に牽引力を分を見ると，開眼状態のほうが正答率が高くなっているこ

感じたか方向を記入してもらうと共に休憩を挟む．提示方とが確認できる．

向は前方正面を 0 度として，0 度から時計回りで 45 度間隔，表 3 は閉眼状態と開眼状態の正答率の平均を示しており，315 度までの計 8 方向とした．このタスクを 8 試行×3 セッ

前後左右が 0 度，90 度，180 度，270 度の 4 方向の平均値

ト行う．8 方向の順番はランダムであるが，必ず 8 方向をで、斜め方向が 45 度，135 度，225 度，315 度の 4 方向の含むものとし，3 セットとも同じ順番で提示した．また，平均値となっている．この結果を見ると，前後左右方向へセット間と被験者の申し出により休憩を挟む．以上の実験

牽引力を提示した場合の正答率の平均は，閉眼状態，開眼を開眼状態と閉眼状態で行う．開眼時には振動子が傾かな状態ともに 5 割を超えており，±45 度まで許容した場合にいように自身の手を目視してもらう．実験参加者 10 名の内は 8 割を超えていることがわかる．よって±45 度まで許容4 名には開眼状態と閉眼状態両方の実験を行ってもらった．

した場合には，牽引力錯覚をほぼ正確に回答できていると実験参加者には事前にどの平面上に牽引力錯覚を提示するいえる．一方で，斜め方向の平均を見ると，閉眼状態，開かを伝えたが，提示する 8 方向がすべて異なる方向である

眼状態共に 5 割未満とチャンスレベルは上回っているが正ことは伝えなかった．これは，実験参加者が提示されてい確に方向を提示できているとは言いがたい結果となった．

る方向を迷った際にまだ回答していない方向であると消去

しかし，±45 度まで許容した場合には閉眼状態で 7 割，開法で予測されないようにするためである．

眼状態で 8 割とおよそ正確に方向が提示できているといえる．また，全体的に開眼状態の正答率が高いことわかる．

表 1

閉眼状態における実験結果のマトリックス図及び各提示方向の正答率

3.3 考察提示＼回答0°45°

0°14145°

562

31142

1237412

3

115

190°
135°

190° 135° 180° 225° 270° 315°
1180°
225°

1270°
315°

227122

回答数

誤差なし ±45°の誤差あり

表 1 から開眼状態の 225 度と 315 度において正答率が高23210.667

0.857

2

5210.286

0.619

くなっているが，その原因として，振動子とアンプを接続

210.5240.857

するケーブルが左側についているため左方向に物理的に牽

1210.333

0.667

1210.5240.905

引されたと感じた人が多かったと考える．しかし，原因に782

1210.381

0.810

関しては不確かであるため，今後の実験で明らかにする必

12113

210.524

0.762

31

1

7210.333

0.714

要がある．

© 2020 Information Processing Society of Japan

開眼状態の正答率が閉眼状態に比べ高くなった原因と672

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して，実験後の被験者からの意見に，振動子を把持している手が一定の方向に牽引され，その方向を目視することにより振動提示方向を判断したという意見があった．開眼状態の実験参加者全員がこの理由によって正答率が高くなったとは言えないが，少なくとも目視することで正答率が上がった被験者が数名いたということは確かである．そのため，実験中に自身の手を目視することが，開眼状態の正答率が高くなった原因として寄与している可能性があるといえる．
今回，閉眼状態，開眼状態共に従来研究の正答率より若干ではあるが高くすることができた．その要因として前述とは別に考えられるものに，振動子間に振動吸収材として配置したシリコンゴムがある．振動を吸収することで干渉することを可能な限り避けることが可能であるため，振動子ごとの振動がわかりやすくなり正答率が高くなったと考えられる．

4. おわりに本研究では牽引力錯覚を二自由度でも正確に提示できる手法を確立することを目指し，先行研究[4]を参考に改良を加えた手法を知覚実験により評価した．その結果，閉眼状態の正答率が 8 方向で 33％～56％，45 度の誤りを許容した場合は 8 方向で 70％～85％，また開眼状態では 41％～57％，45 度の誤りを許容した場合は 82％～89％という結果が得られた．その要因として考えられる振動吸収材の有無に関して，より振動を吸収することが可能な物体や手法を見つけることで，更に正答率が高くなる可能性が示唆された．そのため，今後はより振動を吸収できる手法を考える必要がある．
表 1 から開眼状態の 225 度と 315 度において正答率が高くなっているが，今回考えられる原因が正しいかどうかは現時点では不確かであるため，今後実験を重ね原因を調査する予定である．

参考文献
雨宮智浩，安藤英由樹，前田太郎：知覚の非線形性を利用した非接地型力覚惹起手法の提案と評価, 日本バーチャルリア
リティ学会論文誌, Vol.11, No.1, pp.47-48, (2006)．
[2] 田辺健, 矢野博明, 岩田洋夫：2 チャンネル振動スピーカを用いた非対称振動による非接地型並進力・回転力提示,日本バーチャルリアリティ学会論文誌, vol.22, no.1, pp.125-134, (2017).
[3] 田辺健，矢野博明，岩田洋夫：非対称振動の周波数成分に対応した牽引力錯覚の知覚特性, 日本バーチャルリアリティ学会大会論文集, (2018)．
[4] 暦本純一：Traxion:仮想力覚提示デバイス,インタラクティブシステムとソフトウェアに関する研究会（WISS2013）論文集，pp.91-96, (2013)．
[1]© 2020 Information Processing Society of Japan673