情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

3-6F-032017/3/2

空気圧アクチュエータを用いた頭部ハンガー反射回旋角度制御の試み
今悠気†1 中村拓人†1†2梶本裕之†1

概要：ハンガー反射は，針金ハンガーを頭に被ると意図せず頭が回ってしまう現象である．これまでに直動アクチュエータを用いてハンガー反射を再現するデバイスが提案されているが，大型かつ重いため，HMD のようなウェアラブルなデバイスに内蔵するには適していなかった．本稿では，小型かつ軽量な空気圧アクチュエータを用いた頭部ハンガー反射再現デバイスを提案する．本デバイスは空気圧によって頭部への圧迫量を調整することで頭部の回旋角度が制御される．実験の結果，提示する圧迫量を変化させることでハンガー反射による頭部回旋角度を制御可能なことが確認された．

Controlling Angle of Hanger Reflex using Pneumatic Actuator– Preliminary Trial

YUKI KON†1 TAKUTO NAKAMURA†1†2
HIROYUKI KAJIMOTO†1Abstract: The Hanger Reflex is a phenomenon in which the head rotates unintentionally when force is applied via a wire hanger
placed on the head. The Hanger Reflex control device using a linear actuator has been proposed. However, it cannot be embedded
wearable devices such as head mounted display because it is large and heavy. In this paper, we propose the head-type Hanger
Reflex control device using a compact and lightweight pneumatic actuator. The angle of the head is controlled by adjusting thepressure. Preliminary experiment suggested that it is possible to control angle of the head by adjusting pressure.

1. はじめに[10] ．また，力覚提示の方向も最初に発見された Yaw 軸回旋方向の力覚提示に加えて，Pitch 軸と Roll 軸回旋方向の従来，人の身体に対して力覚提示をするためには比較的力覚と前後左右への並進方向の力覚の生起が報告されてい大規模な装置が必要であった．これら大規模な力覚提示装る[11] ．ハンガー反射は楕円形の身体部位に対して互いに置は大きな力を提示することが可能であったが，持ち運び交わらない 2 点圧迫とその際に生じる皮膚変形によって生やウェアラブルな環境で使用することは難しく，使用でき起することが報告されており[12] ，直動アクチュエータをる環境に制限があった．この問題を解決する手法として，用いて Yaw 軸回旋方向のハンガー反射を再現するデバイ

近年では疑似力覚を用いてユーザに力覚提示する手法が多スが提案されている[8] [13] ．しかし，提案されたハンガー

く提案されている[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] ．これらは従来の反射再現デバイスは直動アクチュエータを用いているため大型な力覚提示装置と比べて小型であり，これらのような大型かつ比較的重たいデバイスであり，ウェアラブルデバ

疑似力覚を用いた力覚提示装置の実現により，ヘッドマウ

イスに組み込むためには小型なアクチュエータを用いた軽ントディスプレイ（HMD）やスマートウォッチなどのウェいデバイスが求められる．また，これまでのハンガー反射

アラブルデバイスに組み込み可能な力覚提示装置となると再現デバイスは回旋量を調整する機構は備わっていたが，考えられる．

実際に調整可能であるかどうかは調査されていなかった．

疑似力覚を提示する手法の一つとしてハンガー反射があ

本稿では，将来的に HMD に組み込むことを目指し，小る（図 1）．これははじめに針金ハンガーを頭に被ると意図型軽量な空気圧アクチュエータを用いた頭部ハンガー反射せず頭が回ってしまう現象として報告され[8] ，近年では再現デバイスについて報告する．また，開発したデバイス

手首や腰，足首で類似の回旋現象の報告がされている[9]を用いて，空気圧アクチュエータが提示する圧迫量を変化†1 電気通信大学
The University of Electro-Communications†2 日本学術振興会特別研究員
JSPS Research Fellow© 2017 Information Processing Society of Japan689

情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

させることによる頭部回旋角度の変化についても報告する．

3-6F-032017/3/2

されている．これは HMD に力覚提示を内蔵するという点で新しい体験を提案するものであるが，ジャイロ機構に使用しているフライホイールが非常に重い，比較的応答性が悪い，提示力覚が衝突感のみ，ユーザが静止した状態では力覚提示できないという問題点があり，使用できるコンテンツと場面に制限があると考えられる．
これを解決するためには，小型軽量な機構による応答性

図 1 ハンガー反射の様子

が高い力覚提示を用いた，複数の種類の力覚提示が可能な

Figure 1 The Hanger Reflex. He wore a wire hanger on his head.

機構が求められる．

Hanger Reflex occurred and his head rotated to the left.

3. 提案デバイス

2. 関連研究2.1 ハンガー反射
ハンガー反射を再現するデバイスはこれまでいくつか

今回我々は将来的に HMD に内蔵することを目的として，空気圧アクチュエータを用いた頭部ハンガー反射再現デバ
イスを製作した

提案されている．頭部と手首のハンガー反射に関して，4 個

提案デバイスは 4 つの空気圧アクチュエータを用いて，の直動アクチュエータを用いてハンガー反射が効率的に生頭部ハンガー反射が効率的に発生する圧迫位置と報告され起する圧迫位置を圧迫することでハンガー反射を再現するている位置に圧迫を提示し，外側のフレームによる変形とデバイスが提案されている[8] [13] ．これらのデバイスは弾性によって皮膚変形を提示するものである（図 2 左上）．

Yaw 軸回旋方向のハンガー反射の再現に成功しているが，空気圧アクチュエータはそれぞれ真空ポンプ（R-14 A221,

直動アクチュエータを用いているため大型かつ重いデバイ

MITSUMI 社 ） と ソ レ ノ イ ド バ ル ブ （ SC415GF 6.0V,スとなっている．

SEJOOMOTION 社 ） に よ っ て 駆 動 さ れ ， 気 圧 セ ン サ

腰のハンガー反射に関しては，直動アクチュエータを用（MIS2503-015G，Metrodyne Microsystem 社）によって空気いたハンガー反射再現デバイスの問題点であるサイズと重圧アクチュエータ内の気圧を計測する（図 2 右上）．これさを解決するために空気圧アクチュエータを用いたハンガらはマイクロコントローラ（mbed1768，NXP 社）により制ー反射制御デバイスが提案されている[14] ．このデバイス御する．外側のフレームとして，ハンガー反射誘発装置のは空気圧アクチュエータを使用しているため直動アクチュ

特許をベースに開発された一般医療機器非能動型簡易牽引エータと比較してデバイス本体が小型かつ軽量なデバイス

装置ラクビ（製造販売：株式会社 TSS，以下ラクビと表記）となっている．また，空気圧アクチュエータを独立に動か[16] を用いており，ベルクロによるサイズ調整が可能な機すことで，任意の組み合わせの圧迫とそれに伴って発生す構となっている．

る皮膚変形を提示することが可能であるため，回旋方向のハンガー反射に加えて，前後左右への並進方向のハンガー反射の再現が可能である．
ハンガー反射を再現するためには，圧迫の提示とそれに伴って発生する皮膚変形が提示できることが求められるが，直動アクチュエータを用いた手法と比較して空気圧アクチ
ュエータを用いた手法は小型かつ軽量な手法で実現できる
ため，HMD やスマートウォッチのようなウェアラブルデバイスにハンガー反射による力覚提示及び運動提示を付与するために好適であると考えられる．
ハンガー反射を力覚提示装置として用いるためには角度調整機能が必要であると考えられる．しかし，従来報告されてきたハンガー反射再現デバイスは回旋角度の制御は機構的には可能であったと考えられるが，実際に回旋角度の調整が可能であったかどうかに関しては報告されていなかった．
2.2 力覚提示内蔵型 HMD

図 2

提案デバイス概要

力覚提示を内蔵した HMD としてフライホイールを用い

Figure 2 Control of the head-type Hanger Reflex device.

たジャイロ機構による衝突感を提示する手法[15] が提案

本デバイスが提示する空気圧アクチュエータによる圧迫© 2017 Information Processing Society of Japan690

情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

3-6F-032017/3/2と皮膚変形とハンガー反射による力覚の関係を示した（図触面積によって変化する．ただし，提案デバイスの構成で2 中段及び下段左・中央）．4 つの空気圧アクチュエータをは空気圧アクチュエータと頭部との接触面積の検出が行え

右前方と左後方，左前方と右後方の組み合わせで駆動させ，ないため，今回は気圧センサによるセンサ値を用いて圧迫皮膚への圧迫及び皮膚の変形を生じさせる，これらによっ提示を行う．て矢印方向の力覚が生じることを期待している．
空気圧アクチュエータは縦 2.6cm，横 5.6cm であり，最大変位が約 1.5cm である（図 2 右下）．今回の実験におい圧迫条件は被験者毎にランダムに順序を決定し，同じ順序で圧迫提示を行わないように配慮した．
4.3 実験手続きて 5 種類の気圧センサ値（1058hpa，1097hpa，1135hpa，被験者は男性 10 名，女性 2 名の合計 12 名（21 歳〜251174hpa，1213hpa）まで駆動する場合，空気圧アクチュエ歳）であった．被験者は提案デバイスを装着し，座面が回ータ 2 つを 1 つのポンプで駆動すると，駆動時間は図 3 の転しない椅子に座った状態で実験を行った．提案デバイスようになる．1.2 秒程度で最大値に達しており，ハンガー反の装着に際して，実験従事者によってラクビのサイズ調整射による頭部回旋が比較的遅い運動であることを考えるとを行った．実験開始前に，提示する圧迫条件の内，1058hpa・十分な応答性を持っていると言える．

1135hpa・1213hpa の圧迫条件を提示し，提案デバイスによる頭部圧迫に慣れてもらった．
各試行中では閉眼するように被験者に指示をした．さらに，力あるいは運動を知覚した場合には抗わずに自然な状態でいるように被験者に指示をした．各試行終了後に頭部を正面に戻すように指示した．
デジタル分度器を用いて被験者の頭上より計測を行い，被験者の正中線を 0 度とし，被験者の鼻の頂点までの角度を計測した．
実験従事者は各試行が終わる度に被験者に対して，知覚図 3

負荷の無い状態での駆動時間した頭部の回旋運動について質問し，左回旋・回旋無し・

Figure 3 Response of pneumatic actuator.

右回旋，の中から一つを回答させた．また，同様にして，

4. 実験
4.1 実験概要

知覚した頭部の回旋力について質問し，左回旋・回旋無し・右回旋の中から一つを回答させた．
4.4 実験結果

提案デバイスを用いて，空気圧アクチュエータからの圧図 4 は全被験者の実験結果を平均したものである．縦軸迫調整による頭部ハンガー反射の回旋運動制御を試みる実は頭部角度[degree]，横軸は圧迫条件を示している．エラー

験を行った．本実験では，異なる複数の種類の圧迫を提示

バーは標準偏差を示す．また，線形近似したものをグラフした際の頭部の角度を計測した．4 つのアクチュエータを内に示した．図 4 により，提示圧迫の増加に伴って頭部の提案デバイスのように配置することで左右のハンガー反射回旋量が増加する傾向が確認できる．

を再現できることは先行研究で確認されており，空気圧アクチュエータを用いた提案デバイスにおいても予備実験で確認した．そのため，本実験では空気圧アクチュエータを2 つのみ使用し，提示するハンガー反射の向きは左回旋のみを提示した．
4.2 実験条件
4.2.1 圧迫提示
本実験では，異なる 5 種類の圧迫を空気圧アクチュエータによって提示した．使用した 5 種類の圧迫は 1058hpa，1097hpa，1135hpa，1174hpa，1213hpa である．これらの圧図 4平均化した実験結果

迫提示条件は，実験従事者がハンガー反射を知覚可能な最Figure 4 Head angle under each pressure condition.

小値，及び実験従事者の頭部が限界まで回旋したと知覚し

図 5 は各被験者における圧迫条件毎の頭部角度を示した最大値に基づき設定した．ている．縦軸は頭部角度[degree]，横軸は圧迫条件を示して真空ポンプにより駆動された空気圧アクチュエータは空いる．また，線形近似したものをグラフ内に示した．各提気の流入により膨張し，頭部に接触する．この際に．装着

示条件の上のアルファベットは被験者が知覚した運動の向者に提示される力[N]は空気圧アクチュエータと頭部の接きと力の向きを示しており，一つ目の文字が運動の向き，© 2017 Information Processing Society of Japan691

情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

3-6F-032017/3/2

二つ目の文字が力の向きである．N は回旋無し，L は左回角度が確認された（例：User2，User8 の提示圧迫 1135hpa）．

旋を示す．図 5 より，User07 を除く全ての被験者においてこれらに関して，実験終了後の被験者のコメントとして「強頭部回旋運動の生起が確認できる．さらにほぼ全ての被験い圧迫を感じた時に大きく回旋運動しない時があった」「弱者において提示圧迫の増加に伴って頭部の回旋量が増加すい圧迫でも大きく頭が回る感じがした」というコメントがる傾向が確認できる．

あった．これらに関して調査するために今後は，空気圧ア4.5 考察クチュエータの位置と頭部形状の関係性の調査，頭部とデ4.5.1

実験結果に関してバイスの位置・角度関係， 皮膚変形に関して定性的・定量

図 5 より，提案デバイスによる頭部回旋運動の生起が確認されたが，被験者間の個人差が確認された．例えば
User01 と User05 の最大頭部回旋角度の差は約 31 度であった．

的な調査を行っていく．
4.5.2 HMD への力覚提示機能の付与
実験結果より，提案デバイスによるハンガー反射の生起の確認，及び頭部角度の制御の可能性が示された．これに一部の被験者では提示した圧迫条件が最大値では無いより HMD に本機構を内蔵した場合， HMD の映像提示ににも関わらず計測された頭部回旋角度がピーク値となる現合わせてユーザの頭部に対して回旋方向の力提示ができる

象が確認された（例：User03, User05 の提示圧迫 1135hpa）．ということを示している．例えば HMD に映るキャラクタ

また，一部の被験者ではある圧迫条件を提示した際に他のーに頭を回されるような場面のときに適切な力覚提示がで圧迫条件の頭部回旋角度と比べて明らかに小さい頭部回旋図 5

全被験者の実験結果

Figure 5 Experimental results of all participants.
（各条件の上の 2 つの記号は 1 つ目が知覚した運動，2 つ目が知覚した力の向きを示している．L は左回旋，N は回旋無しを示す）© 2017 Information Processing Society of Japan692

情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 2017

きるということである．あるいは，HMD を使用したゲームにおいて，見せたくない方向がある時，逆方向にハンガー反射を提示することで見にくくすることができると思われる．
本実験で扱わなかった提案デバイスが有すると考えられる可能性について述べる．第一に，空気圧アクチュエータを単独で駆動させることでその方向からの圧迫を提示することが可能である．これは物と衝突するようなコンテンツに対して好適な力覚提示であると考えられる．第二に，ポンプとバルブを段階的に駆動させることで空気圧アクチュエータを介して一種の振動を提示することも可能であると考えられる．これは車のような振動する乗り物に乗るようなコンテンツにおいて走行時の振動を提示することが可能であると考えられる．第三に，ポンプで空気を入れることで力覚を提示するのではなく，すでに提示されている力覚をバルブで空気を抜くことで，負荷としての力覚が減少し身体的に楽となったと感じされる可能であると考えられる．
これはコンテンツで緊張感を出したい場面や逆にリラックスをさせたい場面で使用できると考えられる．第四に 4 つの空気圧アクチュエータを全部駆動し，単純に頭部を締め付けるような圧迫を提示することが可能であると考えられる．これは頭部を締め付けられるような場面，例えば孫悟空が緊箍児で頭を締め付けられる体験をするコンテンツや，ヘルメットや帽子を被る場面などで使用できると考えられる．

5. おわりに
本稿では，従来大型かつ重い直動アクチュエータを用いて再現されていた頭部ハンガー反射を小型軽量化することを目的として，一般医療機器非能動型簡易牽引装置ラクビと空気圧アクチュエータを組み合わせた小型軽量な頭部ハンガー反射再現デバイスを提案した．提案デバイスでは空気圧アクチュエータによって提示される頭部への圧迫量を調整することで頭部の回旋角度を制御するアプローチを採用し，実験の結果，頭部ハンガー反射再現デバイスによって頭部ハンガー反射による頭部回旋運動の生起を確認した．
さらに，提示する圧迫量を変化させることで頭部回旋角度を制御可能なことが確認された．
今後は本提案装置を HMD に内蔵し，実際のコンテンツとハンガー反射による擬似力覚とを組み合わせた際の没入感や違和感等の評価や，どういったコンテンツがハンガー反射との組み合わせに適するのかという調査を行っていく．
さらに，Yaw 軸以外にも Pitch 軸と Roll 軸の回旋及び前後左右の並進方向のハンガー反射の再現と制御も行っていく．

© 2017 Information Processing Society of Japan

3-6F-032017/3/2

謝辞

本研究は JSPS 科研費 15K12079 の助成を受けたものです．

参考文献
T. Tanabe, H. Yano, H. Iwata: Proposal and Implementationof Non-Grounded Translational Force and Torque Display
Using Two Vibration Speakers, AsiaHaptics, 2016.
[2] T. Amemiya, H. Gomi: Distinct Pseudo-Attention Force
Sensation by a Thumb-Sized Vibrator that Oscillates
Asymmetrically, EuroHaptics, pp.88–95, 2014．
[3] J. Rekimoto: Traxion: a tactile interaction device withvirtual force sensation, Symposium on User Interface
Software and Technology, pp. 427–432, 2013．
[4] Y. Imamura, H. Arakawa, S. Kamuro, K. Minaizawa, S.
Tachi: HAPMAP -haptic walking navigation system withsupport by the sense of handrail, ACM SIGGRAPH
Emerging Technologies, Article No.6, 2011．
[5] A. J. Spiders, A. M. Dollar: Outdoor Pedestrian Navigation
Assistance with a Shape-Changing Haptic Interface andComparison with a Vibrotactile Device, Haptics
Symposium, 2016.
[6] Y. Kuniyasu, M. Sato, S. Fukushima, H. Kajimoto:Transmission of Forearm Motion by Tangential
Deformation of the Skin, Augmented Human International
Conference, Article No.16, 2012.
[7] Yem, V., Kuzuoka, H., Yamashita, N., Ohta, S., Takeuchi,
Y.: Hand-Skill Learning using Outer-Covering Haptic
Display, EuroHaptics, pp. 201–207, 2014.
[8] 佐藤未知, 松江里佳, 橋本悠希, 梶本裕之：ハンガー反射－頭部圧迫による頭部回旋反応の条件特定と再現－,
日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.19, No.2, pp．
295–301, 2014.
[9] T. Nakamura, T. Nishimura, M. Sato, H. Kajimoto:Application of Hanger Reflex to wrist and waist, IEEE VR,
pp. 181–182, 2014．
[10] Y. Kon, T. Nakamura, M. Sato, H. Kajimoto: Effect ofHanger Reflex on Walking, Haptics Symposium, pp.313–318, 2016.
[11] Y. Kon, T. Nakamura, M. Sato, T. Asahi, H. Kajimoto:Hanger Reflex of the Head and Waist with Translational andRotational Force Perception, AsiaHaptics, 2016.
[12] 佐藤未知, 中村拓人, 梶本裕之: ハンガー反射における皮膚せん断変形による触錯覚と運動誘発, 第 5 回テレイ
グジスタンス研究会, 2014．
[13] T. Nakamura, N. Nishimura, M. Sato, H. Kajimoto:Development of Wrist-Twisting Haptic Display Using theHanger Reflex, ACE, Article No.47, 2014.
[14] 今悠気, 中村拓人, 梶本裕之：ハンガー反射を用いた腰部への回旋・並進力提示デバイス, 第 21 回日本バーチャ
ルリアリティ学会大会, 2016.
[15] GyroVR: Simulating Inertia in Virtual Reality using HeadWorn Flywheels, UIST2016, 2016.
[16] 一 般 医 療 機 器 非 能 動 型 簡 易 型 牽 引 装 置 ラ ク ビ .
2015: 35519001.
[1]693