情報処理学会 インタラクション 2022
IPSJ Interaction 2022

3D072022/2/21

先端伸縮型仮想物体接触デバイス ExtickTouch への水平移動に対する抵抗感提示機構の導入
林 佑一†1

柴田 史久†1

木村 朝子†1

概要：VR （Virtual reality; 人工現実感）において，表現力豊かで汎用的な触力覚を提示するデバイスの実現は重要課題である．しかし，視覚や聴覚情報に比べて，触覚情報は提示できる情報が限定されており，未だ発展途上である．
我々は，仮想物体に触れた際に得られる接触感の再現を目的とし，それを実現するデバイス「ExtickTouch」の研究・開発を行ってきた．このデバイスは仮想物体に触れる際にその表面に合わせてデバイスの先端が伸縮することで，仮想物体との接触感を提示している．しかし，既開発のデバイスでは，伸縮方向と垂直な方向への力の提示が困難であるという問題があった．そこで本稿では，ExtickTouch の表現力向上を目標に，デバイスの水平方向への移動に対して抵抗を発生させるブレーキ機構を導入し．これにより仮想物体との接触時に伸縮方向に垂直な方向への接触感提示が可能となったのでこれを報告する．

1. はじめに市販の HMD を用いた VR（Virtual reality; 人工現実感）体験には，把持して利用できるハンドヘルド型のデバイスが用いられることが多く，主に振動を用いて触覚の提示が行われている[1]．また，同様に把持して用いることが可能なデバイス[1]-[3] や手に装着するデバイス[4]-[6]が，多数提案・開発されてきた．このようなデバイスは，ユーザの動きに対する制限が少ないという利点がある一方で，触覚の提示箇所はデバイスと指との接触位置のみに留まり，実物体に触れたときのように腕全体に力覚を提示することはできない．
また，現実に近い力覚を提示可能にしたデバイス[7]，[8]も同様に多数提案・開発されてきたが，機構全体が大きく，容易に動かせないため，ユーザの作業範囲がデバイスの可動領域に限定されてしまう．
このように，把持するだけで手軽に利用できるデバイスと，現実に近い感覚を提示できるデバイスでは，2 つの長所がトレードオフとなっていた．
そこで我々は，その両方の長所を活かした手法を提案し，この手法を実現するデバイス「ExtickTouch」の研究・開発を行ってきた[9]．ExtickTouch は，ユーザが仮想物体に触れた瞬間に，先端を伸縮させて実物体に接触するようにし，図1

水平移動に対する抵抗感提示機構を導入した
ExtickTouch の使用風景

ス先端に鋼球を設置し，鋼球に電磁コイルを押し当て，鋼球の回転にブレーキをかけることで水平方向の力を提示することができる．
本論文でも同様に，ExtickTouch に水平方向へのブレーキ機構を導入することで，デバイスに対して水平な方向への移動に対する抵抗の提示を可能とし，ExtickTouch の表現力を向上させることを目指した．

2. デバイス伸縮方向に垂直な方向への接触感提示手法の提案
2.1 伸縮による触覚提示
ExtickTouch では，デバイスを伸縮させて机や床などのその反力を利用することでユーザに接触感を提示する．し実物体に接触させ，この時に生じた反力を利用する．具体

かし，ExtickTouch はその構造上，デバイスの伸縮方向の的には，VR 空間内で仮想物体とデバイスが接触した際に，みにしか力を提示できないため，それ以外への方向に接触

実世界では机や壁などの実物体と接触するようにデバイス感を提示することが困難であるという問題がある．

を伸縮させる（図 1）．この時に生じる反力を仮想物体への一方でデバイスの水平方向への移動に対する抵抗力を提示する手法も研究されている．Wintergerst らはタッチスクリーン上で水平方向の力を提示するペン型デバイスを開発した[10]．このデバイスはボールペンのようにデバイ†1 立命館大学

接触感としてユーザに提示する．
2.2 ブレーキによる触覚提示
提案手法では，さらにデバイスの水平方向への移動に抵抗を発生させることでデバイスが仮想物体側面に接触した

情報理工学部© 2022 Information Processing Society of Japan418

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際の接触感を提示する．具体的には，デバイス先端に内蔵バイス先端部の駆動は毎秒 120 フレームで行っている．

した球と，実物体（ゴムマット）との摩擦を利用する．

3.2 伸縮位置制御モデル

ExtickTouch が仮想物体とぶつからなければ，デバイス先

ExtickTouch では，仮想物体とデバイスの接触位置𝑝𝑑 と，端の球は実物体上をスムーズに転がり続けるが，仮想物体デバイスの方向ベクトルと地面の交点𝑝𝑐 からデバイスの伸とぶつかると，ブレーキ機構により先端部分の球の回転を縮距離𝑑を算出する（図 3）．求めた伸縮距離𝑑までモータを止め，球とゴムマット間に摩擦力を発生させる．これによ回転させて伸縮を行うが，モータの回転速度が急激に変化

りデバイス全体の動きに抵抗を発生させる．

すると滑らかな表面をなぞる動作などでユーザに違和感を3. 実装与えてしまうため，伸縮距離𝑑に応じてモータの回転速度𝑣を設定することで，回転速度の急激な変化を防ぐという手

3.1 システム構成法を利用する[9]．具体的には伸縮距離が大きい場合はモー提案手法に基づき，作製したデバイスを図 2 に示す．デタの回転速度を上げることで瞬時に伸縮を行い，伸縮距離バイス後端には VR 空間内での位置を取得するためのが小さい場合はモータの回転速度を下げる．現在のフレーVIVE Tracker が設置されている．デバイスはブレーキ部，ムでのモータ回転速度𝑣を次式(1)，(2)によって決定する．

先端支持部，外装から構成されおり，いずれも 3D プリン
タで PLA 樹脂を用いて作製した（図 2）．先端支持部には(1)

𝑣 = 𝑎 ∙ 𝑣𝑚𝑎𝑥 + (1 − 𝛼) ∙ 𝑣𝑚𝑖𝑛

球が滑らかに回転するようにボールベアリングを用いて支持されている．また，中空構造となっており，この中にブレーキ部を通すことで，先端支持部とブレーキ部を独立し𝛼=て動作させる．ブレーキ部は球との接触面がゴムになって

𝑑𝑙𝑚𝑎𝑥

(2)

おり，ブレーキ部と球が接触した際に十分な大きさの摩擦𝑣𝑚𝑎𝑥 をモータの最高速度，𝑣𝑚𝑖𝑛 を最低速度，𝑙𝑚𝑎𝑥 をデバイ力を発生させ，球の回転にブレーキをかける．先端支持部

ス伸縮部の最大の長さ，𝑑を伸縮距離とする．とブレーキ部は外装に設置された 2 個のリニアアクチュエ

3.3 ブレーキ制御ータ（Alps 社製，モータ N フェーダ，RSA0N11M9A0K ）VR 空間内で仮想物体側面とデバイスが接触している間，によってそれぞれ独立に伸縮する．このアクチュエータはデバイス先端の球にブレーキ部を接触させ，球の回転を止可動域が 10cm で，位置を 1024 段階で指定することがでめる（図 4(b））．仮想物体側面とデバイスの接触は Unity

き，速度を 256 段階で変更することができる．先端支持部の Collider 機能を用いて検知し，この際ブレーキ部を伸ばとブレーキの駆動タイミングと停止位置の制御は Arduino

す方向にモータを回転させることで球にブレーキ部を接触で行っており，VR 空間内に配置されている仮想物体とデさせる．一方，仮想物体側面とデバイスが接触していないバイスの接触位置に基づいて先端支持部とブレーキ部を前間は，球とブレーキ部が接触しないように一定の間隔を保後に駆動させ，伸縮を実現している．ってブレーキ部を伸縮させる．具体的には，先端支持部のデバイスの制御および VR 空間描写用 PC は CPU Intel

伸縮位置とブレーキ部の伸縮位置を比較し，2 つの位置のCore i7-8700，メモリ 16GB，GPU NVIDIA GeForce RTX

差が閾値を超えている場合，閾値内に収まるようにブレー3060，Windows 10 Pro PC を使用した．VR 空間の構築にキ部を伸縮させる．例えば，先端支持部に対してブレーキ

は Unity 2019.4.11f1 (64bit)，VR 空間の観察には VIVE部が閾値を超えて伸びている場合はブレーキ部を縮める方Pro 2 を用いた．VR 空間の提示および伸縮距離の算出，デ向にモータを回転させることでブレーキ部と球の接触を防ぐ．
これにより，ブレーキ部は先端支持部に追従して伸縮しながら，任意のタイミングで球にブレーキをかけ，デバイ

図 3 伸縮距離の算出
図2

デバイスの構成© 2022 Information Processing Society of Japan419

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Systems, paper. 654 (2018)“Phantom Premium Haptic Devices.”
https://www.3dsystems.com/haptics-devices/3d-systems-phantompremium (accessed Dec. 09, 2020).
[8] M. Sato, “SPIDAR and virtual reality,” Proc. of the 5th Biannual
World Automation Congress, pp. 17-23(2002)[9] 片岡敬志郎，大槻麻衣，柴田史久，木村朝子：先端伸縮型仮想物体接触デバイス ExtickTouch の評価，日本バーチャルリ
アリティ学会複合現実感研究会， MR2021-5，Vol. 24, No. 1,pp. 1 - 6 (2021)[10] Wintergerst, G., Jagodzinski, R., Hemmert, F., Müller, A., andJoost, G: Reflective Haptics: Enhancing Stylus-Based Interactions
on Touch Screens, EuroHaptics 2010, pp. 360 - 366 (2010)[7](a) 図 1 左図の状態(b) 図 1 右図の状態
図4

デバイスの構造

スの水平方向への移動に抵抗を発生させることができる．

4. おわりに本研究では，VR 空間内において仮想物体との接触感を提示するデバイス ExtickTouch の表現力の向上を目的として導入した水平方向へのブレーキ機構について述べた．この機構を用いることで，従来は不可能だった仮想物体側面への接触感を提示することが可能となった．今後は，このデバイスが提示可能な接触感によって，仮想物体との接触感をどの程度表現できるのかについて評価実験を行い，本機構の特性を明らかにしたい．

参考文献
[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

E. Whitmire et al.: “Haptic Revolver: Touch, Shear, Texture, andShape Rendering on a Reconfigurable Virtual Reality Controller,”Proc. 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing
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H. Benko et al.: “Normaltouch and texturetouch: High-fidelity 3d
haptic shape rendering on handheld virtual reality controllers,”
Proc. 29th Annual Symposium on User Interface Software andTechnology, pp. 717 - 728 (2016)
S. Kamuro et al.: “An ungrounded pen-shaped kinesthetic display:
Device construction and applications,” In IEEE World Haptics
Conference (WHC) 2011, pp. 557 - 562 (2011)
I. Choi et al.: “Wolverine: A wearable haptic interface for graspingin virtual reality,” in IEEE International Conference on Intelligent
Robots and Systems, pp. 986– 993 (2016)
I. Choi et al.: “Grabity: A wearable haptic interface for simulating
weight and grasping in virtual reality,” Proc. 30th Annual
Symposium on User Interface Software and Technology, pp. 119–130 (2017)
I. Choi et al.: “CLAW: A multifunctional handheld hapticcontroller for grasping, touching, and triggering in virtual reality,”
Proc. 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing© 2022 Information Processing Society of Japan420