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

2B-632024/2/28

VR コンテンツにおける硬質物体叩打時に発生する反発力の提示デバイス
加藤修朋†1

兼松祥央†1松吉俊†1

三上浩司†1

概要：近年 Virtual Reality（以下「VR」）を用いたコンテンツが世間一般でも普及してきている．例えばゲームでは FPSやアクションなど様々なジャンルの VR ゲームが作られており，プレイヤーに振動などを用いてゲーム内の感覚を提示することでよりリアリティの高い体験を提供している．また，VR を用いた研究も多く行われており，衝撃力や抵抗力，反力など様々な力覚の提示を行う研究がなされている．ゲームやアニメーションの中には硬い物体が衝突した際に弾き返されるという表現がある．この硬い物体が衝突した際の弾き返される力，反発力の表現には，運動方向に対して反対方向への力と物体叩打時の衝撃力，物体叩打後の振動の提示の 3 つの要素が必要である．そこで，本研究では金属や岩石のような硬質物体を叩打した際の反発力を提示するデバイスの提案をする．

1. はじめに近年 Virtual Reality（以下「VR」）技術が普及し，様々な⚫

運動方向に対して反対方向への力（以下「逆力」）⚫

物体叩打時の衝撃力⚫

物体叩打後の振動分野に利用されている[1][2][3][4]．それら VR を用いた体験では，体験者へ力覚や嗅覚などの感覚を提示することでしかし，先行研究では接触物体から受ける反力か物体衝よりリアリティの高い体験を与えることが可能である．例

突時における衝撃力のどちらかのみの提示が行われており，

えば Meta Quest 3 のような VR ゲームデバイスにおいては衝撃力と反発力が同時に提示されていない．そこで，本研コントローラーを振動させることによって，力覚の提示が究では VR 空間内で金属や岩石といった弾性力が低く硬い多く行われている．

物質（以下「硬質物体」）を叩打した際に，現実で反発力をまた VR コンテンツの研究では振動とは異なる力覚の提提示するデバイスを制作する．また，叩打時に異なる振動示に関する研究も行われている．例えば物体が衝突した際を提示することで反発力に差が生じるのかも検証する．の衝撃力提示[5][6]や物質の硬さに応じた抵抗力提示[7]，皮膚を圧迫することによる接触物体から受ける反力の提示

2. 先行研究[8][9]といった研究である．

2.1 衝撃力の提示に関する研究

ゲームやアニメーションなどのエンターテインメントコ

加世田ら[5]は金属製ワイヤが弛緩状態から伸び切ってンテンツでは物体を叩いた際に弾かれるという演出が見受

緊張状態へ変化する際に発生する力を利用し，木こり作業けられる．例えば『モンスターハンター』[a]というシリーの大きな衝撃力を提示するデバイスの提案と構築を行った．

ズのゲームでは，鉱石を採集するというアクションを行う

2 本の金属製ワイヤが弛緩状態から伸び切って緊張状態へことができる．その際プレイヤーキャラクターは鉱石に向変化することで振っていた斧が急停止し，斧を振った方向かってにピッケルを振り下ろし，ピッケルが鉱石とぶつかとは反対方向へ大きな力が加わる．その大きな力を木こりると弾かれるという表現がある．また，アニメーション作作業の体験者へ衝撃力として提示した．

品の『ONE PIECE』[b]では作中に覇気という特殊能力が存Koga ら[6]は剣道において剣戟時に刀同士が衝突した際在しており，その中に物体の表面を硬質化するというもののフォースフィードバックシステムとして GEKI2 の開発が存在している．そしてその能力を用いて物体を弾き攻撃をした．GEKI2 は 2 つのモーターで構成されており，選手を防ぐという表現がなされている．

が握ると 2 つの回転モーメントが発生する．通常はこの 2

この「物体が衝突した際に生じる弾かれる力（以下「反つのモーターが回転しているが，両方のモーターを停止さ発力」）」を表現するために，反発力の提示に必要な要素をせることで角運動量の保存により発生した慣性がプレイヤ調査した．そして反発力を提示するために必要な要素は次ーに衝撃力を与えた．の 3 つが必要になることがわかった．

これらの研究では衝突する直前までの運動方向と反対方向に力を瞬時加えることで衝撃力の提示をした．本研究でもこの考えを取り入れる．

†1 東京工科大学© 2024 Information Processing Society of Japana) ©CAPCOMb ©尾田栄一郎／集英社・フジテレビ・東映アニメーション

903

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

2B-632024/2/28⚫

VR コンテンツ制作

古堅ら[7]はユーザーに切り抜く感覚を与えるデバイス⚫

振動提示デバイス制作

である FULCutter を制作した．FULCutter はコンテンツ映⚫

反発力提示デバイス制作

2.2 抵抗力の提示に関する研究像に合わせた対象物体の材質に応じた切断途中の抵抗の提示と切断後の抵抗の消失を行うことで，切り抜く感覚を提3.2 VR コンテンツ示している．また，対象物体の材質の違いによって切り抜本研究では硬質物体を叩打した際の反発力の提示を行う

く感覚の違いを表現するために，抵抗値を物体や切断部位ため，図 1 のような VR コンテンツを制作した．VR コンによって変化させ，大根，オレンジ，骨付き肉，鉄骨を切テンツは Unity[10]を用いて制作した．制作した VR コンテり抜くコンテンツを実装した．そして，FULCutter と振動機

ンツ空間にはプレイヤーの VR 空間における手（以下「仮能を実装した Oculus Touch を用いて評価を行った．その結想手」），VR 空間内のハンマー（以下「仮想ハンマー」），VR果，Oculus Touch での体験よりも高い評価の切り抜く感覚

空間で叩打するための図 2 で示すような 3 種類の硬質物体を与えることに成功した．

（以下「仮被叩打物体」）と台座が存在する．台座は仮被叩

この研究では運動方向と反対方向に加える力の大きさを打物体を置いておくためのものであり台座自体は本研究に変えることで物質の硬さを表現した．つまり運動方向と反直接的な関係はない．また，仮想ハンマーは仮想右手で把対方向へ力を加えることで硬さの表現をすることが可能で持しており，仮想右手に追従して動く．VR コンテンツ内である．本研究ではその考え方を取り入れる．

プレイヤーは 3 種類の仮被叩打物体の前を移動することが2.3 反力の提示に関する研究できる．そしてプレイヤーがそれぞれの仮被叩打物体を叩

稲葉ら[8]は指先力覚提示装置と指先接触面積制御装置

打する際に異なる振動を提示する．

を統合した柔らかさディスプレイを試作し，柔軟弾性物の提示を試みた．指先力覚提示装置は母指と示指の二指への擬似反力を提示する．疑似反力の提示方法にはモーターを用い，指先に装着したベルトを巻き取り，指先を圧迫することで物体に接触した際の反力を提示した．稲葉ら[8]の研究から，実際に体験する感覚に近い感覚を誘起することが可能な力覚を，動作に応じた適切なタイミングで提示することで本来よりも小さな力で力覚提示が可能であることがわかった．
池田ら [9]は指先接触面積制御を行う触覚ディスプレイとグローブ型の力覚提示装置を統合し，把持動作に対する物体の柔らかさを表現可能な触覚ディスプレイを開発した．
指先への反力の提示にはゴム膜とモーターを使用した．ワ

図 1

VR コンテンツ

イヤを介したモーターによってゴム膜を牽引することで反力を提示した．また，ゴム膜の内部に圧縮空気を送り込むことで膨張したゴム膜と指の接触面積が増え，指が沈み込むような柔軟弾性物体の感覚を提示した．
これらの研究から運動方向に働いている力と同じ大きさの力を運動方向とは反対方向へ加えることで反力を提示することが可能である．また，実際に体験する感覚に近い感

図 23 種類の仮被叩打物体覚を誘起することが可能な力覚を，動作に応じた適切なタイミングで提示することで，本来よりも小さな力で力覚提示が可能であるということもわかった．

3. 提案手法
3.1 概要仮被叩打物体と仮想ハンマーの接触判定には Unity のCollider を使用しており，仮被叩打物体に仮想ハンマーが接触した場合，後述する振動提示デバイスが振動することでプレイヤーに振動の提示を行う．
3.3 振動提示デバイス

本研究では VR コンテンツ内で硬質物体を叩打した際に本研究において使用する振動提示デバイスは図 3 に示す発生する反発力を提示するデバイスの制作を目的とする．

ような樹脂製のハンマー（以下「実ハンマー」）と振動装置

その目的に対して本研究では次の 3 ステップで進めた．の役割をする Nintendo Switch の Joy-Con[11]（以下「ジョイコン」）を 2 機使用した．

© 2024 Information Processing Society of Japan904

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

2B-63
2024/2/28

はこの反発力提示デバイスを叩打することで反発力を提示する．

図 4

図 3

振動提示デバイス

反発力提示デバイス

4. コンテンツ体験
本研究で制作した VR コンテンツ，振動提示デバイス，

本研究でジョイコンを採用した理由は PC との通信が早

反発力提示デバイスを体験者が使用している様子を図 5 にく複雑な振動の提示ができるハプティックリアクタを搭載示す．体験者は頭部に VR コンテンツが映し出されているしているからである．そして 2 つのジョイコンと実ハンマHMD を装着し，右手に振動提示デバイスを把持する．そしーを図 3 のように固定した．ジョイコンは実ハンマーの上て，体験者が VR コンテンツ内の仮被叩打物体に向かって部と下部に固定することで，実際に硬質物体を叩打した際腕を振り下ろし，仮想ハンマーが仮被叩打物体と接触すると似た 振動 の提 示を 行 う ． また， ジョ イコ ンは PC とことで，手に持っている振動提示デバイスが振動する．そBluetooth 接続を行い専用のスクリプトで振動を制御する．の際 VR コンテンツ空間における体験者，仮被叩打物体間振動装置であるジョイコンは仮想ハンマーが仮被叩打物の距離（以下「仮距離」）と実空間における体験者，反発力体と接触すると振動する．2 つのジョイコンは仮被叩打物提示デバイス間の距離（以下「実距離」）をあらかじめ同じ体ごとに周波数，振幅，振動時間を変えている．また，同にしておくことで，振り下ろした振動提示デバイスが反発一の仮被叩打物体であっても 2 つのジョイコンでは周波数，力提示デバイスを叩打し反発力を提示する．

振幅，振動時間が異なる．周波数，振幅は上部のジョイコンを強く，下部のジョイコンを弱く設定した．また振動時間は上部のジョイコンが短く，下部のジョイコンが長くなるよう設定した．このように設定することで振動が上部から下部へと伝わってくるように感じられ，実際に硬質物体を叩打した際の振動と類似する．
3.4 反発力提示デバイス
本研究で使用する反発力提示デバイスは図 4 に示すように押しばねと木の板を用いて制作した．反発力を提示するためにはステンレス製の押しばねを使用した．反発力や衝撃力の提示をするには逆力が必要になる．ばねは力を受け

図 5

コンテンツを体験している様子

ることで変形し，元に戻る際に力を放出する．その中でも押しばねは受けた力を反対方向へ跳ね返すことのできるばねであり，逆力を提示することに適していた．しかし，ばねは弾性力を持っておりばねの材質によっては弾性物体を叩打している感触になってしまう．そのため，弾性力が低いながらも硬質物体叩打時の反発力を提示できるばねとしてステンレス製の押しばねを採用した．制作した反発力提示デバイスは 2 枚の木の板の間に 4 つのばねを固定し，上部の木の板には叩打時に発生する音を抑制するために塩化ビニル樹脂製の滑り止めシートを敷き固定した．本研究で© 2024 Information Processing Society of Japan

5. おわりに本研究では，硬い物体が衝突した際の弾き返される力を表現するために重要な 3 つの要素「逆力の提示」，「衝撃力の提示」，「振動の提示」を定義した．逆力の提示は物体叩打時の反発力を表現するための重要な要素である．また，物体叩打時の衝撃力を提示することも物体を叩打時の反発力を表現するための重要な要素である．そして，物体叩打後の振動の提示は硬質物体を叩打した後に伝わる「痺れる」

905

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

2B-63
2024/2/28

ような感触を表現するための重要な要素である
これらを踏まえ，VR 硬質物体叩打体験のためのコンテ
ンツと 3 つの要素を表現できる振動提示デバイス，反発力デバイスを制作した．
今後は評価実験を行い，本研究で制作したデバイスが硬質物体を叩打した時の感覚を与えることができるのか検証する．さらには仮被叩打物体ごとに異なる振動を提示する
ことで，反発力は同じであっても振動の差によって感じる反発力に差は生じるのかも合わせて検証する．

参考文献“Meta Quest 3”. https://www.meta.com/jp/quest/quest-3/, (参照：2023-12-05).
[2] 黒田知宏, 村上満佳子, 田畑慶人. VR の福祉応用の現状. 医療情報学, 2001, vol.21, no.5, p.341-347.
[3] “ワイヤ駆動型 6 自由度力覚提示デバイス SPIDAR-G”.
http://www.nihonbinary.co.jp/Products/VR/Haptic/SPIDAR/SPID
AR-G.html, (参照：2023-08-08).
[4] 石橋賢, Toni, Da, Luz. and Remy, Eynard. 北直樹, 姜南, 瀬木宏, 寺田圭介, 藤田恭平, 宮田一乘. スパイダーヒーロー：張力提示によるエンタテインメント VR. 映像メディア学会誌,
1989, vol.66, no.1, p.J11-J16.
[5] 加世田幸輝, 嶋津温紀, 山村大樹, 山本凌雅, 柳田康幸. ワイ
ヤーによる衝撃力の提示を用いた VR 木こり体験. 情報処理学会, 2020, インタラクション 2020, p.507-511.
[6] Koga,D. and Itagaki,T.. Virtual Chanbara. In ACM SIGGRAPH
2002 conference abstracts and applications, 2002, p.83.
[7] 古堅耕太朗, 兼松祥央, 三上浩司. FULCutter: 材質の違いを考慮した切り抜いた感覚を与える力覚フィードバックデバイ
スの開発とその評価. 情報処理学会, 2020, インタラクション
2020, p.629-632.
[8] 稲葉豪, 藤田欣也. 指先圧迫による擬似反力提示装置の提案と試作. TVRSJ, 2007, Vol .12, No .l, p.95 -102.
[9] 池田義明、藤田欣也. 指先の接触面積と反力の同時制御による柔軟弾性物体の提示. TVRSJ, 2004, Vol.9, No.2, p187-194.
[10] “Unity”. https://unity.com/ja, (参照 2023-12-05).
[11] “My Nintendo Store”. https://store-jp.nintendo.com/list/hardwareaccessory/controller/HAC_A_JAPAA.html, (参照 2023-12-05).
[1]© 2024 Information Processing Society of Japan906