情報処理学会 インタラクション 2015
IPSJ Interaction 2015

A68
2015/3/5

ウェアラブルな手首力覚提示デバイスの提案
田上想馬†1馬姝涵†1 赤羽克仁†1佐藤誠†1

近年、HMD の発達により、VR 世界の映像を目の前に映し出すことであたかも自分が VR 世界の中にいるかのような感覚をもたらすことが可能になった．そのため、HMD を利用してジェットコースターを体験したり、仮想の家の中を自由に探索するといった仮想体験をリアルに再現することができる． HMD の映像に加え、力覚提示装置を併用することで、視覚と力覚の二つの感覚を利用してより高度に VR 世界に没入することができる．ユーザが自然に VR 世界の物体に干渉するためには、力覚提示装置がユーザの動作を制限しないウェアラブルな装置であることが望まし
い．本研究では、HMD の併用を前提とした、ユーザの両手に力覚を与えることで「仮想物体を両手で掴む動作」を実現するウェアラブル手首力覚提示装置“SPIDAR-W”の開発を行う．

A Proposal of Wearable Wrist Haptic Device
Soma TANOUE†1 Ma SHUHANN†1Katsuhito AKAHANE†1 Makoto SATO†1
In recent years, we can get a sense as if there is oneself in the VR world by projecting a picture of the VR world in front.
Therefore, we can reproduce a virtual experience such as riding a roller coaster and searching in a virtual house realistically. In
addition to a picture of HMD, we can be absorbed in the VR world more highly using sense of vision and force by using hapticdevice. So that a user interacts an object of the VR world naturally, it is desirable that haptic device is wearable device which
dose not limit the movement of the user. In this paper, we develop wearable wrist haptic device “SPIDAR-W” which realize
movement to catch a virtual object with both hands by giving both hands force of the user.

1. はじめにる・重さを感じるといった力覚が挙げられる．HMD と力

1.1 研究背景

利用して VR 世界に入り込み、VR 世界に存在する物体を覚提示装置を併用することで、視覚と力覚の二つの感覚を近年、HMD の発達により、VR 世界の映像を目の前に映直感的に操作・感じ取ることが可能になる．ユーザがよりし出すことであたかも自分自身が VR 世界の中にいるかの自然な形で VR 世界の物体に干渉するためには、力覚提示ような感覚をもたらすことが可能になるほどの HMD が登装置がユーザの操作を制限しないようなポータブルな装置場した．HMD は人間の頭に装着して使用するウェアラブであることが望ましい．ポータブル力覚提示装置の先行研

ルな視覚機器であり、外界の情報を遮断して VR 世界の映究ではユーザの腕に付けるジョイスティックタイプの装置像のみを映し出すため、外の情報を見ることなく VR 世界[1]や、歯付きベルトを利用した携帯型の力覚提示装置[2]に没入することができる。そのため、HMD を利用してジが開発されたが、それらの装置では仮想壁に指先で触れるェットコースターを体験したり、仮想の家の中を自由に探ことや、VR 物体を指先でつまむといった指先による動作索するといった仮想体験をリアルに再現することができる．

のみを実現している．本研究では、VR 物体に干渉することができる範囲を広げるため、ユーザの両手に力覚を与えることで「VR 物体を両手で掴む動作」を実現することができるウェアラブルな力覚提示装置“SPIDAR-W”の開発を行う．
1.2 ワイヤ駆動型力覚提示システム”SPIDAR”SPIDAR[3]は位置，姿勢計測機能と力覚提示機能を持つデバイスである．モータとエンドエフェクタをワイヤで接続したデバイス構造をしている．ワイヤの本数や配置によ

図1

HMD(Oculus rift)による VR 世界への没入

Figure1

Devotion to the VR world by HMDって様々な構造を構成することができるため，ワークスペースを任意に変化させ，幅広い用途への対応が可能となっている．本研究では、SPIDAR を利用して両手首に力覚をVR 世界をもう一つの実世界のように感じるような体験を提示するシステムを構築する.

実現するために必要な要素の一つとして、VR の物体に触イスの名称を“SPIDAR-W”とする．

以降、本研究での開発デバ†1 東京工業大学 精密工学研究所
Precision and Intelligence Laboratory, Tokyo Institute of Technology© 2015 Information Processing Society of Japan

1412

2. ウェアラブル手首力覚提示デバイス”SPIDAR-W”の開発

タに爪をつけ，手のひらに掛けることのできる形になって

2.1 システム構成

で拘束感を出している．ワイヤを取り付ける先端部分を上提案システムの概略を図 2 に示す。ユーザがデバイスを装着可能にするため、デバイス全体をユーザの背中に背負って操作する形の力覚提示デバイスを提案する。背中に背負ったデバイスの両肩と腰の位置からフレームを伸ばし、そのフレームを土台としてモータを手首を囲むように設置おり、爪の反対側からベルトを回り込ませて固定すること下に伸ばした形状になっており、フレームからエンドエフ
ェクタに伸ばした複数のワイヤ同士がデバイス操作時に互いに干渉しないような構造になっている．
2.3 フレームの設計
デバイス全体を背中に背負うため、ユーザに負担がかかする．モータからワイヤを伸ばして手首に装着した力覚提らないような重量のデバイスであることが望ましい．その示用エンドエフェクタに取り付ける．取り付けた両手それため、本研究においてフレーム材料には比較的軽量なアル

ぞれ 8 本のワイヤの張力を制御することで両手に VR 物体

ミパイプを選択した。また、フレームと糸が操作時に邪魔の力覚を提示し、VR 物体を両手を使って持ち上げる・回にならないようにモータやフレームの配置を決める必要が転させるといった動作を実現する．VR 世界の計算を行うある．さらに、仮想物体の操作をする際に十分な力覚提示PC やモータ制御用のコントローラ等は、背面に収納スペー領域を確保することも重要である．以上の事を踏まえて設スを設けることで持ち運びを可能にする．

図2

計した SPIDAR-W のフレームを図 4、図 5 に示す。

ウェアラブル手首力覚提示デバイス概要図

Figure2

Overview of wearable wrist haptic device

2.2 手首力覚提示用エンドエフェクタの設計

図4

SPIDAR-W フレーム全体図

Figure4

SPIDAR-W frame general view

手首に力覚を提示するためのエンドエフェクタについて説明する。設計した手首力覚提示エンドエフェクタを図 3に示す．

図3

手首力覚提示エンドエフェクタ

Figure3

End effector for wrist haptic display

エンドエフェクタの大きさについては、指や手首など，手の可動部に被さらず，手の甲に十分なトルクを与えることのできる最低限のサイズとなっている．エンドエフェクタの固定方法は、手首にトルクを出すためにエンドエフェク© 2015 Information Processing Society of Japan

図5Figure5

フレーム寸法Frame dimensions2413

2.4 モータの配置
SPIDAR システムでは糸の張力を用いて力覚を提示する

2.5 糸の取り付けため、力覚を与えたい範囲がモータに囲まれていなければエンドエフェクタに並進 3 自由度，回転 3 自由度の力覚ならない．今回力覚を与える部位は手の甲であり、手の甲を与えられるように，フレームに配置されたモータから糸の可動範囲を囲み、糸ができるだけ干渉せず、かつフレーを張る．エンドエフェクタの糸の取り付け口は 4 点存在す

ム形状を冗長にしないようなモータ配置を考える必要がある．モータとエンドエフェクタの糸のつなぎ方は図 7 のよる．モータの具体的な配置を表 1,2 に示す．

うになる．それぞれのモータとエンドエフェクタの糸の出口の組み合わせを表 3 に示す．

図 6 モータ配置
Figure6 Motor placement
表1Table1

右手モータの位置

Position of the motor of the right hand

図7
Figure7

糸の出口と糸の取り付けの関係

Exit of the thread and relations of the installation of

モータ番号x [cm]y [cm]z [cm]

028.7540.25

1.9

128.75

40.25

-1.9

2-28.75

40.25

1.9

表33-28.75

40.25

-1.9

Table34-1.9-40.25

28.75

エンドエフェクタ

5

1.9-40.25

28.75

Ⅰ

13-28.75

Ⅱ02

Ⅲ

57

左手モータの位置

Ⅳ46

Position of the motor of the left hand

Ⅰ’

1’

3’

Ⅱ’

0’

2’

Ⅲ’

5’7’Ⅳ’4’

6’6-1.97

1.9
表2Table2
モータ番号0’x [cm]
28.75-40.25-40.25

y [cm]
40.25-28.75the thread
モータとエンドエフェクタの組み合わせ
Combination of motor and end effector

右手z [cm]-1.9

1’28.75

40.25

1.9

2’-28.75

40.25

-1.9

3’-28.75

40.25

1.9

4’-1.9-40.25-28.75左手

モータ番号

2.6 デバイス全体図
ユーザが SPIDAR-W 全体を装着したときの全体図を図 8、

5’

1.9-40.25-28.75

図 9 に示す．ユーザは SPIDAR-W をリュックのように背負6’-1.9-40.25

28.75

い、両手に手首力覚提示用エンドエフェクタを装着する．

7’

1.9-40.25

28.75© 2015 Information Processing Society of Japan

ユーザの頭部に HMD（Oculus Rift）を装着することで仮想3414

世界に没入し、仮想物体を両手を使って操作する．仮想物
体を操作したときの力覚が手首エンドエフェクタを通してユーザに返され、ユーザが仮想物体に触った・動かした感覚を得ることができる．

図8
Figure8

した携帯型力覚デバイス, 情報処理学会シンポジウム論文集 2011
pp.645-646
3) 佐藤 誠, 平田 幸弘, 河原 由弘：空間インタフェース装置
SPIDAR の提案，電子情報通信学会論文誌 Vol.J74-D-2，No.7，pp.887-894，1991
4) M. Hirose, K. Hirota, T. Ogi, H. Yano, N. Kakei, M. Saito, and M.
Nakashige, “HapticGEAR: the Development of a Wearable Force
Display System for Immersive Projection Displays. Proc. IEEE VR,2001.

SPIDAR-W 全景

A full view of SPIDAR-W

3. おわりに
3.1 まとめ本研究では仮想世界に高度に没入するために、HMD の併用を前提としたユーザー装着型の手首力覚提示デバイスを開発した．力覚提示デバイスの土台であるフレームを装着したままユーザの両手を自由に操作して手首に物体の力覚を与えるということを十分に実現するための効率的なモータ配置・フレーム形状を検討し、フレーム全体の設計を行ってきた。昨今の目覚ましい HMD の発展により、仮想現実の世界を体験するという技術に注目が集まっているた
め、HMD と力覚提示デバイスを同時に使用して、視覚・力覚的に仮想世界に没入することができるデバイスを開発する意義は十分にあると考えている。
3.2 今後の課題本研究で設計した SPIDAR-W のフレームは上下方向の剛性が弱い設計になったため、力覚提示の際にフレームのたわみが生じ、モータ位置の誤差により提示力が正しく与えられない恐れがある．そのため、上下方向の剛性を高めることができるフレームの設計をすることや、アルミ以上に剛性が高く、かつ軽量な素材のフレームを使用するといったアプローチが必要であると考えられる．また、SPIDAR-W
を装着する際、デバイスの下から潜り込んで装着する必要があるため、デバイス装着に手間がかかるという問題があることから、デバイスの脱着のしやすさを向上させるような設計に作り直すことも重要であると考えている．

参考文献
1) 岩田 洋夫, 中川 博憲：着用型力覚帰還ジョイスティック, 映像
情報メディア学会技術報告 22(28), 15-18, 1998-06-01
2) 中山 功一, LIU Juan, 安藤 広志：歯付ベルトにより小型軽量化© 2015 Information Processing Society of Japan4415