前庭感覚ディスプレイによる身体運動表現に関する研究
所属：システムデザイン研究科

ヒューマンメカトロニクスシステム学域
氏名：川真田晃久

1. はじめに
近年の情報技術の進展により，多感覚に亙る情報を提示

Linear actuators

するディスプレイの研究が進展しつつある．それらの技術を適切に構成し，多感覚な刺激を統合的に生成できれば，高品質な臨場感を体験することが可能になると考えられる．また，随意運動が追体験可能となれば他人が選択的に見てきた多様な世界を同様な立場で経験する可能性が拓ける．これにより，バーチャル旅行やテレロボティクスなCenter linear

どの応用例の実現の足掛かりとなる．本研究では，多感覚への刺激提示を可能とするシステム（五感シアター）の一部として，前庭感覚に刺激を与える可動座席を開発し，他（ａ）外観（ｂ）基部の直動機構
図２: 可動座席の提示デバイスと統合することで，多様な身体運動感覚を表現することを目指している．身体運動の中でも日常的なX動作である歩行運動と走行運動の表現を中心に行なってYいる．

2. 前庭感覚ディスプレイデバイス2.1

システム構成前庭感覚に刺激を提示するために，２つのデバイス，すLinear actuator
図３: ２Ｄ下肢駆動ボード

Voice
図４: 足裏刺激提示装置

なわち可動座席（３自由度）と下肢部刺激装置（２Ｄ下肢駆動ボード，足裏刺激提示装置）を開発した．可動座席は，2.3 ２次元下肢駆動ボード

ＶＲ空間中での体幹および頭部を中心とした運動を模擬

２D 下肢駆動ボード（図３）は，２つのＤＣモータによし，下肢部刺激装置は，２Ｄ下肢駆動ボードが空間移動にって天板が２次元に並進運動し，ボード上に足裏面を設置関する模擬を行い，足裏刺激提示装置は足裏が受ける皮膚することで，体験者に足の運動と地面の運動を疑似的に提感覚提示を行うことで歩行，走行に関連する情報を模擬す

示する．また，垂直方向の運動も加える予定である．

る．これらの運動情報の提示を連動させることで身体の相2.4 足裏刺激提示装置

対運動（姿勢変化）も生成する新規のモーションベースシ

足裏刺激提示装置（図４）は，足裏の接触面をボイスコステムを構成している（図１）．

イルで振動させ，歩行時などの足裏の地面に対する接触時2.2の皮膚感覚の提示を行う．

可動座席

可動座席（図２，3D-Seat）は，３本の電動直動アクチュエータと中央シリンダーで構成されている．可能な運動は， 3. 運動感覚の表現上下並進運動と，ピッチ，ロールの回転運動である．各電

3.1 運動の計測

動アクチュエータは，軸方向に最高速度 200 [mm/s]，スト運動表現の基礎データを得るため，実際の運動を計測しローク約 100 [mm]で伸縮する．また，中央シリンダーがた．計測方法は，トレッドミル上での歩行，走行の運動軌天板の重心を鉛直軸上に拘束して，ヨー軸運動を制限する

道をモーションキャプチャーシステムを用いて計測する

ため，受動的な直動ガイドが中央に設置されている．

ものだ．計測は，側面と背後から行ない，頭部，腰，足にマーカーを貼付し軌道を記録した（図５）．計測結果は，60 [m/min]で歩行した場合は腰の上下運動は約 30～50[mm]の振幅であり，200 [m/min]で走行した場合は腰の上下運動は約 60～130 [mm]の振幅であることが分かった．図６は，60 [m/min]での歩行運動と 200 [m/min]での走行運動の腰の上下運動の計測結果の例である．これらの図は，側面から計測した結果であり，走行運動では左右の足の交互運

図１: モーションベースシステム

動を反映して振幅が変化する軌道となっている．

mm まで減少しても，揺れは明確に過大と感じられる．そこで，調整法により走行運動として適切な感覚を与える可動椅子(a)の運動を設定した．図９は，設定された走行の表現であり，直動アクチュ（ａ）側面からの計測（ｂ）背後からの計測

図５: 計測の態様

エータの運動軌道を示している．３本の直動アク(b)チュエータは，座席が取り付けられている基部板の２等辺三角形の頂点の位置にボールジョイントで結合されており，椅子(c)前方部が図８(a)，後方部の２頂点が(b),(c)であ（ｂ）200 [m/min]（ａ）60 [m/min]
図６

腰の計測軌道例

3.2 歩行表現
追体験の対象とする運動を再現する立場から着手すべ
きことには，その運動の複製が含まれる．可動椅子で体幹の運動を再現するなら，上記の計測結果の軌道で椅子を運動させればよいが，歩行運動する身体の感覚体験としては，不適切に過大であることが予備実験からわかった．これは，随意運動と受動運動では，感覚情報の扱いが異なるためであると考えられる．ここでは，まず主観評価で歩行の感覚として適切となる振幅を調整法により設定した．図７は，設定された歩行の表現であり，直動アクチュエータの運動軌道を示している．３本のアクチュエータのうち，左右後方部のアクチュエータを交互に駆動し，足の着地時の衝撃を身体に伝える運動となっている．青線，赤線は，それぞれ左右後方部のアクチュエータの変位量である．振幅はる．振幅は，前方部で約

図８: 直動アクチュエータの変位（走行運動表現時）

4 mm，後方部は約 6 mm と 4.5 mm が交互に現れる．また，振幅の揺らぎも身体運動の表現に効果的であると考えられ，平均 20 %の振幅の変動を含めることが適切であると感じられた．実際の走行時の運動に比較して，平均で約 8 %の振幅となった．随意の走行運動時と異なり，受動的な運動の知覚は主観的な受容感度が高くなっていると考えられる．また，実際の運動の揺らぎの平均は 10 % 程度であったが，可動椅子での表現では，平均約 20 % 程度の揺らぎが適切と感じられており，変動に対する受容特性も異なることが示唆された．
3.4 まとめ運動感覚を可動座席で表現すると，実際の運動と比較して歩行動作で 100 分の 1，走行動作で 20 分の 1 の振幅で表現することができる．これは，随意の運動時と異なり，受動的な運動の知覚は主観的な受容感度が高くなっており，変動に対する受容特性も異なるためと考えられる．

0.3 [mm]で，0.6 [s]ごとに左右のアクチュエータが伸長する．
アクチュエータ間の距離は 320 [mm]で，左右交互に着地感を提示することで，左右の脚で歩行している感覚を表現している．実際の歩行運動の腰の動きは，振幅が平均約 40[mm]の上下運動だ

4. 公開実験
本システムは，2011 年 10 月に科学未来館に開催された
アジアグラフ 2011 で公開実験に供された（図９）．目的は，運動感覚提示の実験システムの中間的な評価を行うものが，表現した歩行である．公開実験では，主に歩行運動を採り上げ，身体の動作は 0.3 [mm]で揺動による移動あり，実際の歩行感覚の提示につ運動の振幅の 100いて検証した．具分の 1 程度の振幅で表現できること

図７

直動アクチュエータが示唆された．の変位（歩行運動表現時）

3.3 走行表現
走行運動の表現も，実際の運動を再現することから着手した．その結果，歩行動作の表現と同様に，走行運動する身体の感覚体験としては，明確に過大である結果となった．
これは，走行運動する身体の感覚体験としては，振幅を 30

体的な展示内容は仮想旅行体験となっており，身体運動感覚は多感覚提示の主要要素となっている．

図９

公開実験の様子