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

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2020/3/9

PneuModule: 感圧タッチパッドとインフレータブル
ピンアレイを用いた再構成可能な物理インタフェース
韓 燦教1,a)高橋 亮1,b)

矢作 優知1,c)

苗村 健1,d)

概要：本稿では，感圧タッチパッド上に再構成可能な物理インタフェースを実現するためのシステム，PneuModule を提案する．PneuModule はメインモジュールと拡張モジュールにより構成され，拡張モ
ジュールはメインモジュールにエアプラグを介して接続される．拡張モジュールはユーザ入力に応じて気室の体積が変化する入力機構を持ち，リジッドな入力および柔軟な入力の両方を実現できる．拡張モジュー
ルからの入力により，メインモジュール内部の独立したパイプを介してそれぞれ対応するインフレータブルピンが膨張し入力をタッチ面に伝達する．伝達された入力からユーザ入力または拡張モジュールの種類を認識することが可能となる．以上の構成により，ユーザは即座に物理インタフェースのレイアウトを変更可能である．本論文では，インフレータブルピンの設計，さまざまな空気圧入力機構の設計，および一連のインタラクティブな応用例により確認した本システムの実用性について報告する．

1. はじめに電容量の変化を通して検知できるシステムを提案した. さらに，この構造は 3D プリンタで一括出力可能なオブジェキーボードやマウスなど，コンピュータとインタラククトという利点を有する．また，池松ら [5] は静電容量式ションするための入力デバイスのほとんどは再構成不能

タッチパッド上の物体の抵抗値の連続的変化を計測できるで，エンドユーザが形を変えることは難しい．これに対し，手法を提案し，抵抗値が変化する構造を柔軟な物体の中に

Villar ら [8] は用途に応じて形状・機能を変更可能とする，作ることにより柔軟な入力を実現した．しかし，静電容量再構成可能なインタフェースを提示した．Villar らシステ

式のタッチパッドは周囲の接地条件や誘電体の影響を受けムではマイクロコントローラを埋め込んだブロックを用いやすいという欠点がある．そこで我々は，物体の導電性にるが，製造およびメンテナンスのコストを下げるため，給関係なく接触情報を検知できる抵抗式感圧タッチパッドに電不要でパッシブなブロックも提案されてきた [4]．しか注目した．

し，従来のシステムの多くはボタンやつまみなどリジッド

本論文では，入力インターフェースとしてリジッドなな入力だけに対応するため，入力の多様性が制限されると入力と柔軟な入力の両方を支援し，かつ即時に形状・機いった限界がある．そのため，HCI の分野ではこの入力の能を再構成可能な物理インタフェースのプラットフォー

多様性を向上するため，柔軟な入力 (deformable input) にム，PneuModule を提案する [3]．図 1 に示すように Pneu-関する研究が注目されている [2]．例えば握る，曲げる，ねModule は，メインモジュールと拡張モジュールの 2 種類

じるといった動作はゲームや音楽パフォーマンスにおいてのモジュールで構成され，感圧タッチパッド上で動作すより豊かな体験を提供できることが報告されている [7]．

る．メインモジュールは，内部の空気パイプにより拡張パッシブなタンジブルオブジェクトを介して柔軟な入力モジュールからの入力をタッチ面まで伝達する．拡張モを支援する手法の一つとして，タッチサーフェスを用いる

ジュールは，内部に気室のある構造をした入力機構を持つ．

手法がある．Schmitz ら [6] は絶縁性の柔らかい材料と導拡張モジュールの形状および材質を変化させることで，さ電性の材料を組み合わせた構造を作ることによって，静電まざまな物理入力を実現できる．拡張モジュールがメイン

容量式タッチパッド上で物体の変形をその物体に備わる静モジュールに接続されると，拡張モジュールの気室が下面のインフレータブルピンと接続される．ユーザが入力を

1a)b)
c)
d)

東京大学
hanc@nae-lab.org
rtakahashi@nae-lab.org
yahagi@nae-lab.org
naemura@nae-lab.org© 2020 Information Processing Society of Japan

行うと，気室内の空気圧が変化し，ピンの膨張の程度が変化する．インフレータブルピンは互いに独立しており，同時に複数の入力が可能である．さらに，ピンを用いて拡張868

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(a)

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ID: 5 (twist)

(a)

(b)

気室
拡張モジュール
メインモジュール
空気パイプインフレータブルピン

磁石

磁石
感圧タッチパッド
(b)

金属板

図 2

IDピン

センシングピンメインモジュールのマーカデザイン．(a) 5 つの面にそれぞれ対応する 3 × 3 のインフレータブルピンの配列と 4 つの磁石がマーカの役割を果たす．(b) 各ピンはそれぞれ入力を伝達するためのピン（青），拡張モジュールの ID を表すためのピン（橙）に分かれる．

立方体ブロック
シリコーン
インフレーションレイヤ

図 1

レータブルピンの膨らみによってメインモジュールが浮くことを防ぎ，さらにメインモジュールの位置を追跡ためのマーカとして用いる．

球状の磁石

メインモジュールの底面に備わるインフレータブルピン

下面の蓋アレイは，主に以下の 2 つの要件を満たす必要がある. まず，45 個のピンを通して，a) メインモジュールに接続さPneuModule の概観． (a) メインモジュールに拡張モジューれた拡張モジュールの種類と b) その拡張モジュールを通ルが接続されると拡張モジュールの気室（入力）がメインモして伝わるユーザの物理的入力を認識する必要がある. こジュールの空気パイプを介して底面のインフレータブルピン

れは，主に 45 個のピンを用いたマーカ設計により実現すとリンクする．(b) メインモジュールの構成部品．

る. さらにこのピンは，i) 拡張モジュールを通して伝わるユーザの物理的入力を感圧タッチパッド上に伝達すること

モジュールの ID を表現することもでき，ユーザがインタに加え，ii) ユーザの物理的入力の度合いを検知する必要がフェースのレイアウトを再構成した際に，システムは接続ある. そのために，物理的入力の度合いをなるべく正確にされた拡張モジュールの種類を認識可能である．

検出可能とするような，インフレータブルピンの構造設計

2. メインモジュール
上述したように，PneuModule はメインモジュールと拡を行う．

2.1 マーカの設計

張モジュールから構成され，多種多様な拡張モジュールをまず，メインモジュールのマーカデザインについて述べメインモジュールの上面・側面へ接続することで，ユーザる．図 2 (a) に示すように，このマーカは 45 個のインフの多種多様な入力を支援可能とする. 本節では，この要件

レータブルピンと 4 つの磁石から構成され，前者は主にを満たすための，メインモジュールの設計と実装方法につ1) メインモジュールに接続されている拡張モジュールの種いて順に説明する．

類・入力を把握することを可能とし，一方後者は，2) 感圧

図 1 (b) に示すように，メインモジュールは主に 1) ソケットと空気パイプを有する立方体のブロック，2) イン

タッチパッドを通して，メインモジュールの位置・角度と45 個のピンの状態を把握することを可能とする．

フレータブルピンアレイを構成するための，シリコンシー

まず，1 の実現に向けた，45 個の各インフレータブルピ

トと多数の穴の開いた蓋，3) 4 つの球状磁石から構成されンの役割を説明する. 45 個のピンは 3 × 3 の 5 つのグルー

る. 立方体ブロックでは，下面以外の 5 つの面へ各々 3 × 3プに分かれ，赤色で示す部分は上面の 9(= 3 × 3) つのソのソケットを設け，拡張モジュールとの接続を可能とす

ケットへ内部の空気パイプを介し，独立して接続される．

る. 下面にはシリコーン製の薄いインフレーションレイヤ

一方，緑色で示す部分は側面 4 つに備わる 36(= 3 × 3 × 4)を貼り付け，その下に多数の穴の空いた蓋をかぶせること個のソケットへ各々同様に独立して接続される. 図 2 (b)でインフレータブルピンアレイを実現する．このピンアレで示すように，各グループ内の 3 × 3 のピンの内，青色でイの各ピンは，立方体ブロック内の空気パイプを通じて各示した部分は拡張モジュールからの入力を検出するためにソケットへ各々接続され，気室内の気圧が高まると膨張す用いられ，残りの橙色で示した部分は，拡張モジュールのる．加えて 4 つの球状の磁石をメインモジュールの底面に種類を認識するために用いられる．以上，45 個のピンを配置し，タッチパッドの下に金属板を置くことで，インフ各々 45 個のソケットと接続し，各ピンの役割を割り振る© 2020 Information Processing Society of Japan869

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図 3 メインモジュール内部のインフレータブルピンの概要と，そのピンの設計におけるパラメータ． ds : ソケットの外径, ls : ソケットの長さ, dp : パイプの外径, lp : パイプの長さ, di : インフ
レータブルピンの外径, ti : インフレータブルピンの厚さ, tl : 下面の蓋の厚さ，g: 下面の蓋とタッチ面までの距離．
図 4(a) ピンの飛び出る高さを測定するための実験環境. (b) 印加した空気圧とピンの高さの関係．(c) ピンによる圧力画像の強ことで，接続された拡張モジュールの種類と拡張モジュー度変化を調べるための実験環境．(d) 印加した空気圧とセンサルからの入力を認識可能とする. ただし，この割り当てはが読み取った圧力値の関係．

あくまで一例であり，用途に合わせてその割り当ては変更可能である．

表 1 メインモジュールの設計パラメータ.

45 個のピンにより 1 を実現できる一方で，これには 45

パラメータ

dslslpdititlg個のピンの場所・状態を感圧タッチパッドを通して認識す

値 (mm)8.81030-65510.40.5る必要がある. そのために，図 2 (a) 内の黒丸で示した，4つの磁石をメインモジュールの底面の角へ配置する. そし

硬度，厚さ，ピンの外径の 3 つの要素から決まる．インフて，感圧タッチ面を通して取得した圧力画像から，事前にレーションレイヤの素材としては，複数回の試作の結果，決められた，4 つの磁石の幾何配置を満たす接触点の組み所望の膨張量が得られたショア硬度 18A のシリコーンを採合わせを探索することで，メインモジュールの位置を推定用した*1 ．また，厚さとピンの外径に関しては，図 4 に示可能とする. さらに，磁石が回転非対称に配置されているすように 2 つのパラメータを調整しながら膨らみ具合を確ため，メインモジュールの向きも検出可能である．以上，かめた．そのために，3D プリントされたテスト用の試験

4 つの磁石配置をもとにメインモジュールの位置・角度を装置を用いて，3 つの異なる外径 (3 mm, 4 mm, 5 mm) と把握することで，45 個のインフレータブルピンの位置を推2 つの厚さ (0.4 mm, 0.6 mm) による計 6 通りの組み合わせ定し，それぞれのピンからの入力を圧力情報として取得すを用意し，1 atm から 5 atm の範囲での圧力の入力に対することができる．

る出力を測定した．具体的には，図 4 (a) で示すようにピンを膨張させ，カメラで撮影した画像よりピンの飛び出す2.2 インフレータブルピンの設計高さを測定した．さらに図 4 (c) に示す実験では，タッチ45 個のインフレータブルピンにより，拡張モジュールのパッドに押し付けたときのピンによる圧力画像の強度を調種類・入力を把握するためには，ユーザからの物理的入力べた．ピンからタッチ面までの距離は 1.5 mm であった．

を感圧タッチパッド面で検知可能とすることが必要不可欠

感圧タッチパッドとしては市販品として入手できる Senselである. そのためには, ユーザからの物理的入力を反映す社の Sensel Morph を採用した*2 ．このタッチパッドにはるインフレータブルピンの膨張量を適切な範囲にする必要

185 × 105 個の圧力センサが 1.25 mm の間隔で配置されてがある. なぜなら，過度に膨張するとモジュールをスライいる．各タッチポイントに加えられた力は API を介し圧ドしたときに磁石の参照点との位置ずれが発生し，膨張不力画像として取得可能で，0.005 kgf から 5 kgf の範囲を測

足の場合はインフレータブルピンとの接触点が圧力画像上定可能である．

で検知できないためである．ここでは，インフレータブルピンの設計方法について述べる．

図 4 (b) にピンの高さの測定結果を示す．結果から，外径 5 mm，厚さ 0.4 mm のピンの場合，他の条件と比べて低図 3 にインフレータブルピンの概要と各種設計パラメー*1タを示す. ピンの膨らみは主にインフレーションレイヤの*2© 2020 Information Processing Society of Japan

HTV-2000, Engraving Japan, http://engravingjapan.com/
Sensel Morph, https://sensel.com/

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2020/3/9用の接着剤（セメダイン PPX）を用いて接着し，4 つの球状の磁石をはめて蓋をした．その結果，メインモジュールの寸法は 60 mm×60 mm×72 mm，重量は 290 g となった．

3. 拡張モジュール
次に，図 6 に示すように 7 つの拡張モジュールを設計・実装した．拡張モジュールは各々対応する入力を支援する入力機構とその入力機構を支える台座から成る. また，メインモジュールとの接続部には非対称の磁石のコネクタ（時計回りに NSN 極）を設け，正しい向きに接続されるようにするとともに，空気圧の反発でモジュールが外れることを防止した．
メインモジュールとの接続部となるプラグには，図 6 に示すようにスルーホールプラグとアクチュエーションプ
図 5

実装したメインモジュール．(a) 組立前のパーツ．(b) 下面かラグの 2 種類がある．まず，スルーホールプラグはプランらの写真．(c) 等角投影図．

ジャの中央に穴を開けたプラグで，入力機構の気室とインフレータブルピンを接続する．一方，アクチュエーションい圧力でタッチ面まで到達することが確かめられた．さらに，図 4 (d) に示すように最も空気圧に対するセンサの感度が高いことが確認された．以上より，それらをピンのパラメータとして採用した．

プラグには穴が開いていない．このため，メインモジュールに挿し込むと空気パイプ内の圧力が増加し，インフレータブルピンが膨張する．これにより，拡張モジュールの IDの表現が可能となる．またこれを応用し，入力機構はないが他のモジュールとメインモジュールの間に挟むことでモ

2.3 ソケットおよび空気パイプの設計

ジュールの ID を変化させる拡張モジュールを作ることも

次に，拡張モジュールからタッチ面までをつなぐ内部の空気パイプの設計について述べる．図 4 に示すように，ピンにかかる圧力はパイプ内の空気の圧縮率によって決まる．拡張モジュールのプラグがソケットの奥まで挿入されたときのパイプ内部の気圧 P ′ は次式で与えられる．

Vs + Vp,P′ = P
Vpできる．例えば図 6 (g) のスタックモジュールでは，左下のプラグ以外のプラグをすべてスルーホールプラグにすることで，他のピンの入力はすべてバイパスしつつ左下に対応するピンを膨張させることができる．これにより，スタックによるインタラクションも実現可能である．

(1)

最後に，拡張モジュールの入力機構と台座の実装方法を説明する．入力機構はリジッドな部品と柔軟な部品に分か

ここで，P は初期の圧力（大気圧），Vs はソケットの体積，れる. まず，リジッドな部品（i.e., 押しボタン，回転，台Vp はパイプの体積を表す．接続の気密性を担保するため，座）に関してはすべて前述の 3D プリンタを用いて作製し接続用のプラグには市販のシリンジのプランジャを流用すた．一方，柔軟な入力（握り，局所握り，ひねり，曲げ）る（TERUMO SS-02SZ, 外径: 8.8 mm）．内部の空気パイに対応する部品に関しては，柔軟性が必要なため，シリコプの体積が小さいほど圧縮時のパイプ内の気圧が高くなる

ンモールディングにより作製した. 具体的にはまず，シリため，3D プリンタが出力できる限界の外径に近い 2 mm

コンモールド用の型を水溶性の素材を用いて 3D プリントを採用する．次に，隣り合うソケット間の干渉を避けるたし，次にシリコーンの混合液（HTV-2000）を流し込み，硬め，ソケットの長さは 10 mm とする．パイプの長さはソ化後，水に入れて型を溶かして，柔軟な入力に対応する部

ケットとピンの位置によって 30 mm から 65 mm までばら品を取り出した．その後，図 6 に示すように，台座の空気つきがあり，結果的に 3.89 atm から 5.34 atm の圧力がピポートに結束用のバンドで締め付け，気密性を担保した．

ンに印加される．これは，ピンがタッチ面に接触するために必要な膨張量に対して十分な圧力である．表 1 に設計の4. アプリケーション

パラメータを示す．

4.1 再構成可能なゲームコントローラ

2.4 メインモジュールの実装

うなシューティングゲームを紹介する．PneuModule の本

最初のアプリケーションとしてスペースインベーダのよ
図 5 に作製したメインモジュールを示す．立方体ブロッ

体はスペースシップの機体と対応しており，タッチ面上でクと下面の蓋は 3D プリンタ（Formlabs Form 2）で出力し水平方向に動かすと画面上の機体の位置を動かすことがでた．シリコーンレイヤは立方体ブロック側に難接着性材料きる．また，PneuModule の向きは機体の向きに対応する．

© 2020 Information Processing Society of Japan871

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物理入力

等角投影図

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2020/3/9出力したモデル

等角投影図

底面図

ディジタルモデル

断面図

スルーホールプラグ

(a)

押しボタン
(ID: 1)
台座

(b)

磁石

回転
(ID: 2)
アクチュエーションプラグ

(c)

気室
空気ポート

握り(ID: 3)
結束用のバンド(d)局所握り(ID: 4)(e)
ひねり(ID: 5)(f)曲げ(ID: 6)(g)スタック(ID: 7)図 6 拡張モジュールの実装．各モジュールは固有の ID と入力機構を持っている．

(a) 押しボタン，(b) 回転，(c) 握り，(d) 局所握り，(e) ひねり，(f) 曲げ，(g) スタック．

図 7 に示すように，スペースシップは 3 つの異なる武器にルキャラクタのより直感的操作を実現するという試みは多対応した拡張モジュールを PneuModule の上面や側面へ装数存在する．PneuModule を利用すると，入力を瞬時に組着でき，武器を物理的に入れ替えることができる．このよみ換えできるようになり，ユーザが即座にインタラクショうに，PneuModule によりさまざまな武器の攻撃パターンンを設計することができる．そこで，図 8 に示すように，を作ることが可能で，ゲームの状況に応じて物理的にコンバーチャルキャラクタのための物理コントローラを実装トローラの構成を入れ替えて遊ぶという体験が可能となる．

した．ユーザはバーチャルキャラクタであるドロイド君の腕を異なる入力モジュールに入れ替えることで，画面内の4.2 バーチャルキャラクタのための物理コントローラ
実物体のおもちゃに柔軟入力の機能をつけて，バーチャ© 2020 Information Processing Society of Japan

キャラクタの挙動を，そのモジュールに対応した物理入力へ変えることができる．

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なり，空気圧を用いた機構により，リジットな入力とともに，柔軟な入力も可能となった．拡張モジュールの認識および入力は，ピンアレイによって入力を空間的に分割してタッチ面へ伝えることで実現した．さらに，一連のアプリ
ケーションによって，本システムの実現可能性を実証した．
ただし，ファブリケーションが複雑という課題を抱えるた
図 7

再構成可能なゲームコントローラ．ボタンを押すと弾を一発撃つ（左），握る方向に多数の弾を撃つ（中央），ひねって離すと大きい弾を撃つ（右）．

め，それを容易にするためのデザインツールの開発を今後行う予定である．本研究が再構成可能なプラットフォームに関する研究を促進することを願う．
謝辞

本研究は JSPS 科研費 JP19J14350 の助成を受けたものである．
参考文献
[1]
図 8

バーチャルキャラクタのための物理コントローラ．頭を押すと首が縮む（左），腕をつまむと伸びる（中央），腕のパーツを曲げ入力に替えると腕が曲がる（右）．

[2]

[3]

図 9

適応的な音楽コントローラ．コントローラの位置によってエンベロープフィルタの周波数が変わる．ボタンでクリーンギ
ターの音（左），スタックモジュールを挟むことで歪んだ音に[4]（中央），つまみをつけてボリュームを操作できる（右）．

4.3 適応的な音楽コントローラ
ミュージシャンにとって，テーブルトップのタンジブルユーザインタフェースは，音色の探索や即興演奏をするた[5]めに有効である [1]．そこで，図 9 に示すように，タンジブルコントローラを使って音楽の操作ができるインタラクションの一例を実装した．まず，押しボタンにクリーンギターの音をマッピングし，特定のリフを再生できるようにする．また，ボタンとメインモジュールの間に，歪みエ[6]フェクタに対応するスタックモジュールを挟むことで，ギターの音色をディストーションサウンドに変化させられる．これにより，音色の変化を実物体により直感的に表すことができる．それに加えて，つまみを追加してボリュームを調整するといった付加機能を即座に組み込むことも可

[7]

能である．

5. 結論
本稿では，感圧タッチパッドとインフレータブルピンアレイを用いた再構成可能な物理インタフェースプラッ
トフォーム，PneuModule を紹介した．本研究の主な貢献は提案するプラットフォームを実現するための，メインモジュールと拡張モジュールの設計と実装が挙げられる．

[8]

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PneuModule ではこれまでの再構成可能なブロックとは異© 2020 Information Processing Society of Japan873