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

3B-53
2020/3/9

Actuated-Club:クラブ姿勢補正のための力覚フィードバック付き
ゴルフクラブ型デバイス
中村拓人†1†2

小池英樹†1

概要：ゴルフスイングにおけるクラブの軌道やフェイス角度(クラブ先端の角度)は打球の方向や軌道へ大きな影響を与える．初学者へのスイング練習において指導者やシステムからのスイング教示が行われるが，細かな情報の欠如や情報の解釈が間に合わず，スイング中にフォームを修正することは困難であった．そこで，本研究では非接地型力覚提示装置を搭載させたゴルフクラブ型デバイスによってクラブの姿勢補正し，スイング中のクラブ姿勢修正を実現するゴルフクラブ型デバイスを提案する．本論文では提案デバイスのプロトタイプを実装し，性能評価を行ったところユーザの手を動かすのに十分なトルク提示が可能であることが確認された．

1. はじめにスイングの修正が間に合わない．
解釈をあまり必要としない教示手法として，力覚を用いゴルフスイングにおけるクラブの軌道やフェイス角度た教示がある．ロボットアーム[5]や力覚提示装置[6]によっ(クラブ先端の角度)は打球の方向や軌道へ大きな影響を与て身体部位へ力を提示することで，目的の動きや位置へ身える．ゴルフの打球方向予測においては D プレーン理論[1]体を操作する．しかし，これらの装置は装置自体が接地しと呼ばれる手法が広く知られており，ボールの打ち出し方ている必要があるためユーザによる操作領域を著しく制限

向はフェイス角度，曲がる方向はクラブ軌道が影響するとする．また，ゴルフへの応用は行われていなかった．

されている．初学者の多くはフェイス角度及びクラブ軌道

そこで，本研究ではユーザの動きを制限しない非接地型の制御を習熟していないために，ボールが意図しない方向の力覚提示装置を内蔵したゴルフクラブデバイスによって，に飛ぶ又は曲がってしまう．ボールを意図した方向に飛ばユーザのスイング軌道を補正することで正しい軌道での練すために，多くの初学者はスイングの反復練習を行う．し習を実現する．本論文では提案装置の詳細，性能評価の結かし反復練習においては，学習者は正しいフォームも誤っ果，スイング補正アプリケーションについて述べる．

たフォームも学習してしまう．よって，理想的には正しい軌道を再現可能なフォームのみを反復練習することが望ま

2. 提案装置

しい．

2.1 力覚提示手法

理想的な反復練習を目指し，初学者へのスイングフォー

本研究ではユーザのゴルフスイング中のクラブ軌道やムの教示が行われる．一般的なスイングの教示は指導者がフェイス角度へ介入するため，強力な力覚の提示が必要と学習者に対して，口頭で指示する，手本を見せる，直接学なる．また，練習の効率低下を防ぐために，自ら身体を動習者の身体を操作するなどが行われてきた．しかし，これかしているという主体性も必要となる．非接地型の力覚提らはスイング中に細かな指示を行うことが困難であった．

示手法は偏加速度振動提示[7][8]，皮膚変形提示[9]，筋電気

初学者自身でフォームを確認しながら学習することも考え刺激[10]などが提案されているが，提示力覚がユーザの身られるが，鏡やカメラを用いた方法では確認できるフォー

体及び把持物体を動かすほど強力ではない，運動学習で重ムの範囲は限られる．また，初学者では自身のフォームが要な身体運動の主体性が失われるといった理由で採用を見正しいものかを判断することも難しい．クラブの角度や軌送った．

道をセンサによって計測する装置も市販[2]されているが，そこで本研究ではジャイロ効果によるジャイロモーメ

計測結果はスイング後に確認可能となるため，スイング中ントを用いた非接地型力覚提示を行う．ジャイロモーメンにフォームを修正することはできない．

トは高速自転する回転物体を自転軸に直行する軸に回転さ研究の分野では，ソニフィケーションを用いてクラブのせると，残る１つの回転軸に生じるトルクである[11]．本手

位置をフィードバックする手法[3]や理想的なフォームと法は非接地でトルクを生成できることから力覚提示装置へ自分のフォームを重ねた像をプロジェクションする手法も応用されている．把持棒の先に自転する回転体と自転軸[4]などが提案されている．これらは細かな情報を教示可能と直行する 2 軸回転を発生させるパンチルト機構を搭載しな一方で，それらをスイング中に解釈する必要があるため，た力覚提示装置によって，2 軸のトルク提示が実現されて†1 東京工業大学†2 日本学術振興会特別研究員 PD© 2020 Information Processing Society of Japan981

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いる[11][12]．また，回転体及びパンチルト機構を 2 機搭載することで，並進方向の力覚提示も実現されている[13]．これら搭載する回転体の質量，半径，自転速度によって提示力覚が決まるため，用途に合わせて装置の重さや大きさを設計可能である．また先行研究によって，ユーザの身体運動に介入する研究も行われており，ユーザの動作に介入するのに十分なトルクを生成可能であることも示されている

図 2 システム構成図[11]．

2.3 提案デバイス出力トルク計測

2.2 提案装置のプロトタイプ開発したプロトタイプの出力トルクを計測した．ジャイロ

提案装置のプロトタイプを図 1 に示す．装置はゴルフクの出力トルク-M max は回転体の重さ m[kg]，回転体の半径

ラブ用グリップ，ジャイロ，モーションキャプチャ用マー

R[m]，回転体の自転角速度ω[rad/s]，回転体の回転最大角速度𝜃𝜃̇𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 [rad/s]を用いて以下の式(1)で算出される．

カから構成されるデバイス部と制御基板及び電源の制御部の 2 パーツから構成される．さらにモーションキャプチャ
カメラによってデバイスの位置及び姿勢追跡を行い，システムに反映させる．

1̇−𝐌𝐌𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 = 𝑚𝑚𝑅𝑅 2 𝜔𝜔𝜃𝜃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑘𝑘
2

(1)

本節では実際に提示されているトルクを計測することで，デバイス部は回転体(半径 60mm, 重さ 194g)を DC モー

クラブ補正に応用した際に狙ったトルクを提示可能とする．

タ(144457,MAXON Motor Inc., Swiss)で自転させる．回転体

また，最高トルクに達する時間を計測することで，本装置は DC モータ(Wal frontadicrhpqy7-04, Wal front)でピッチ軸の時間応答性を計測する．時間応答性はクラブ補正に必要方向に回転させることで，グリップに対してヨー軸のトルな時間に直結することから計測が必要となる．

クを生成する．

計測環境を図 3 に示す．プロトタイプを 6 軸力センサ

制 御 部 は マ イ ク ロ コ ン ト ロ ー ラ (mbed LPC1768, NXP(WEF-6A200-4-RCD, WACOH-TECH Inc., Japan)にネジ止め

Semiconductors.) ， 2 個 の モ ー タ ド ラ イ バ (TB6643KQ,した状態でジャイロを駆動した．ジャイロの駆動指令は PC

TOSHIBA, Japan)，DC モータのエンコーダカウンタ(Dual内での Unity プログラムから送信し，力センサの値を 240Hz

LS7366R Quadrature Encoder Buffer, SuperDroid Robots)で構で 1 秒間計測した．回転体の回転角度 45 度とし，各条件で成される制御基板と電源で構成される．2 機のモータドラ3 回計測を行った．ジャイロの駆動条件は回転体の重さ

イバは回転体自転用と回転体をピッチ軸に回転させるそれ

m=194[g](0.194[kg]), 半径 R=60[mm](0.06[m]), 自転速度ω̇=2100[rpm](219.8[rad/s]) を 固 定 し ， 回 転 速 度 𝜃𝜃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
5 条件

ぞれのモータの速度を制御する．また，エンコーダカウン
タはピッチ軸回転用モータのエンコーダ値を読み取り，適{100,110,120,130,140}[rpm]でトルク計測した．各条件での切な速度と位置に回転体を駆動させる．

最高出力トルク理論値はそれぞれ{0.803, 0.884, 0.964, 1.044,モーションキャプチ ャ(OptiTrack V120: Trio, OptiTrack

1.125}[Nm]となる．

Inc.)は中継ソフトウェア(Motive, OptiTrack Inc.)を経由しPC 内の Unity アプリケーションに装置位置及び姿勢を送り，プログラム内のクラブオブジェクトに反映させる．ジャイロの出力力覚や駆動の司令は Unity プログラム内のクラブオブジェクトの姿勢を基に制御部のマイクロコントローラに送信される(図 2)．

図 3 トルク計測環境
トルク計測結果を図 4 に示す．グラフの縦軸がトルク，横軸が各条件，エラーバーは標準偏差，青棒グラフが計測平均値，橙棒グラフが理論値を表している．最高トルク到
達平均時間は各条件で(条件：平均値±標準偏差){100rpm:0.225±0, 110rpm: 0.192±0, 120rpm: 0.147±0.02, 130rpm:
図 1 開発したプロトタイプ

0.108±0, 140rpm: 0.114±0.008}[sec.]であった．
トルク計測の結果，実測値は理論値の約半分であった．

© 2020 Information Processing Society of Japan982

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これは，回転体回転角度を 45 度としたために，モータの加可能トルク及び最高トルク到達時間を計測し，性能評価を速が間に合わず，出力トルクが低くなってしまったと考え行った．性能評価の結果，従来研究と同等以上のトルク提られる．しかし，出力トルクの値は先行研究[11]と比較して示を実現した．またプロトタイプを用いたゴルフクラブ姿同等以上の値が出力されているため，プロトタイプは装置勢補正アプリケーションを開発した．

を把持したユーザの手を動かすのに十分なトルクを出力可

今後はクラブの姿勢だけでなく，軌道補正に対応するた能であることが示された．最高トルク到達時間は最速で約め，回転体の回転方向を増やし提示トルク軸を増やす．ま0.1 秒ほどであり，ゴルフのパターなど動作が遅い動作へのた，プロトタイプを用いたアプリケーションの改善及びユ応用可能であることが示された．今後はトルク提示によっーザースタディを進める．ユーザースタディにおいては，て実際にユーザの手及びクラブ動作に必要な時間計測を進デバイスの使用によるクラブ姿勢及び軌道の学習経過や，める．

デバイス使用の有無による学習効率の比較を行っていく．
謝辞 This work was supported by JST CREST Grant Number
JPMJCR17A3 including AIP challenge program, Japan．

参考文献
[1]

図 4 トルク計測結果

3. クラブ補正アプリケーション
1 軸ジャイロを搭載したプロトタイプを用いたクラブ補
正アプリケーションを開発した．前章の性能評価の結果か
ら，トルク提示には応答時間約 0.1 秒が必要であるため，ゴルフの動きの中でもゆったりとした動きであるパターでのアプリケーションをまず開発した．本アプリケーション
では，黄色の帯がパターの平行移動の軌跡となっており，クラブのフェイス角度が 1 度以上外れると，外れた角度に応じて正しい角度に向かってトルクが提示される．

図 5 クラブ補正アプリケーション

4. おわりに
本論文ではゴルフスイング練習の効率化のために，非接地力覚提示によるゴルフクラブ姿勢補正装置を提案し，そのプロトタイプを開発した．開発したプロトタイプの提示© 2020 Information Processing Society of Japan

Theodore P. Jorgensen, The Physics of Golf. Springer Press, 1999,204p.
[2]M-Tracer For Golf, EPSON:
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