TVRSJ Vol.10 No.3, 2005

基礎論文

力覚の主体性を活用した教示手法に関する研究
嵯峨 智*1 ，川上 直樹*1 ，*1

A Study on Teaching Methods utilizing a Proactivity in Haptics
Satoshi Saga*1 , Naoki Kawakami*1 and Susumu Tachi*1
Abstract – We propose a haptic teaching system that uses haptic device to teach somehandwork skills. Specifically, we chose some tasks with pencil–like devices and examined
how to teach expert’s handwork skills. We propose a new haptic teaching method, inwhich the haptic device produces force that is opposite in direction. The operator try tocancel the force and consequently, necessary force is “proactively” generated. Our hypothesis is that this “proactiveness” is essential for haptic teaching. We made a prototype
system and compared our methods with existing teaching methods.

Keywords : Haptic Display, Haptic Teaching, Internal Force, Virtual Fixture

1

背景

近年のバーチャルリアリティ技術の発達により，力覚提示装置が単なるコンピュータユーザインターフェイスとしてだけではなく，実世界とバーチャルをつな
ぐ Mixed Reality のためのインターフェイスとして利用されるようになってきた．このような応用には二つの方向がある．一つは実環境での作業中に移動方向な

図 1 伝統的手法

図2

従来手法

どをガイドするものである．もう一つはあらかじめ熟練者の動きを記録しておき，訓練するときにはその動きを操作者に伝え，技能伝達のためのバーチャルなトモデリングなどにより再現しシミュレーションするシ

レーナとなるものである．本論文は後者の，力覚提示

ステムは幾つか提案されている [4]．しかし我々の目装置による技能伝達を扱う．

標は熟練者の動きや力を記録し，これを伝えるシステ

人が道具を操作するとき発揮される技能は，古来よムである．例えば医療分野における手術の手技は熟練り徒弟制度などを通して長期にわたるトレーニングや者の動きを記録したビデオ教材があり，訓練者はこれ指導により受け継がれてきた．一方，知識を伝える学を視聴することで学習する．このような記録，再生の習では比較的長期にわたるトレーニングは必要とされ可能なシステムとしての観点から，力覚提示装置を用ない．知識は文字や言語などを通して直接伝達するこいた技能伝達の研究として，Henmi ら [2] は，力覚教とができるのに対し，技能を伝える学習は人の動き，示として，熟練者の操作する筆の位置情報を記録，再力の使い方を伝えなければならないが，このための直生することで教示としている．しかし，これまでの力

接的な手段が存在しないためである．そのため徒弟制

覚教示の研究には共通して，位置情報と同時に力情報度においては，教師 (以後熟練者) は生徒 (以後訓練を提示できないという問題点がある．この観点からの者) に動きを伝え，訓練者が実行する様子を熟練者が研究として下記のようなものがある．Yokokohji ら [6]

観測して力の使い方の間違いを見出し，これを訓練者

は視覚と力覚を組み合わせたさまざまな手法を提案しにフィードバックする．このような技能伝達の最も伝ている．中には視覚手掛りと逆向きの力を用いた手法

統的な教示手段として，書道教室などでよく見られる，などもある．しかし，学習における効果までは測定さ熟練者が訓練者の手をとって操作する方法がある (図れていない．また，Kikuuwe [3] は提示装置の背面か1)．しかし，技能伝達の情報の精度に疑問が残る．

ら指を圧迫する力をことで，力そのものを提示するか

近年，学習のためのシステムとして，実作業環境を*1 東京大学大学院 情報理工学系研究科*1 Institute of Information Science and Technology, The Uni-

versity of Tokyo

わりに皮膚感覚によって提示するシステムを試作している．
では，より効果的な力覚提示装置を用いた位置情報，

日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.10, No.3, 2005 

図 4 外力と内力

図 3 システム概観

よく見られるように，熟練者が訓練者の手をとって操作する方法である．この手法における力の主体性につ

力情報の提示手法は考えられないだろうか．また提示手法の学習における効果はどの程度あるのだろうか．

Gibson[1] は触覚を “Active Touch” と呼んだ．これは触覚自体の感覚だけではなく，人間の主体的触知行
為自体も触覚において重要であるという考え方である．
我々は，力覚も同様に主体性があってこそ意味を持つと考える．そこで我々は，訓練者の主体性を活かした教示について検討し，作業における必要な力の使い方を主体的な操作を通じて修得できるシステム (図 3) を作成し，さらに作成したシステムの学習における効果について測定する．
2

いて考えてみると，伝統的な技能伝達においては力の主体性が熟練者に存在する (図 5の灰色部分)．そのため訓練者は熟練者の動きに導引されることになる．
訓練者を主体性のない剛体かつ位置センサであるとみなせば，訓練者は，熟練者が訓練者を経由して操作されるデバイスにかけている外力の結果としての位置の時間的変位を知覚できる．しかし，本来の操作に必要な内力を知覚する手段はなく，また，熟練者にとっては，操作すべき負荷が普段と異なるため，作業に要する力が変化する．加えて，訓練者が主体的に力を出すと熟練者にとって外乱となるという問題がある．

力覚教示システム

まず，我々が以後用いる「主体的」という言葉の意
味を定義する．熟練者が操作に要する力を Fe とする
とき，「主体的」な操作とは，訓練者が，本来操作に必
要な力 (Fe ) と等しい力を出力して操作することをさすものとする (式 1)．本節では，この主体的な操作に

図 5 伝統的手法

より，訓練者が熟練者の作業における力の使い方を修得できる手法について検討する．
次に，「熟練者の操作における情報を正確に訓練者

Ft = Fe(1)

加えて，外力と内力についても述べる．対向する 2
つの力 Fa ,Fb (|Fa | > |Fb |) が物体にかかっているとき，「外力」Fexternal とは，物体を動かすために作用した力 (ベクトル)Fa + Fb であり，「内力」Finternal とは拮抗により打ち消された力 (スカラ)|Fb |である (図4)．

に知覚させる」方法として，力覚提示装置を用いた従来の手法があげられる (図 2,6)．これは，外力の結果として操作されるデバイスの位置の時間的変位を記録し，これを各時刻で再現し，動きとして提示するものである．本手法の主体性について考えると，熟練者の動きを記録する時には力の主体性は熟練者にあるが，訓練者が操作をするときには力の主体性は力覚提示装置にあり (図 6の灰色部分)，訓練者は力覚提示装置のFexternal=

Fa + Fb(2)

Finternal

=

|Fb |

(3)

動きに導引されることになる．
伝達される情報の精度について考えると，この手法
では，技能記録時の熟練者の負荷は普段と変わらない．
よって熟練者による操作も普段と同じであるため，正

ここで，いくつかの教示方法における力および主体

確な技能が記録可能である．しかし技能再生時には，性について考えてみる．はじめに，「熟練者の操作にお実際に訓練者に提示される力を Fdisp ，操作されるデける情報を訓練者に知覚させる」方法として，伝統的バイスの質量を m とすると，このシステムは熟練者

な技能伝達がある (図 1,5)．これは，書道教室などでの位置変化を再現するので，式 4のように表され，訓嵯峨・川上・: 力覚の主体性を活用した教示手法に関する研究

反転して提示する (図 7)．

Fopp = −Fe(6)

2. Virtual Fixtures(Fvf )[5] を用いた軌跡提示

Play

Record
図6

熟練者の軌跡情報xe を与える (図 8)．

従来手法

Fvf = −k(x − xe )3

練者の力 Ft を想定していない．このため，訓練者がFdisp = Fopp + Fvf

(7)
(8)

記録された位置情報の時間的変位 x(t) を正確に知るためには Ft = 0 としなければならない．そのため，正確な情報を取得するためにも主体的な訓練は抑制する必要がある．また，内力が無視されている点や，知覚された情報から動きを再現する過程がない点などの検討の余地がある．

 
Fdisp

=

Fe = mẍ

(4)

Ft

=

0

(5)

ここで，触るという行為について考える．Gibson[1]は “Active Touch” という，感覚における主体性を考慮にいれた触覚を提案している．これは，触覚においては，その触覚を生起するであろう人間が能動的に対象に触れようとする運動そのものも同時に考慮にいれることが重要であるとする考え方である．すなわち，触るという行為には運動を伴うため，そのときに生起する運動指令も含めて考える必要があると主張している．我々はこの “Active Touch” の考え方に基づいて，技能学習においても訓練者の主体性が重要であるという仮定をおく．
我々の提案手法では，技能伝達を「熟練者の操作における情報を正確に訓練者が再現可能にする」ことと考える．そこで我々は，訓練者による主体的な訓練が可能で，作業における正しい力の使い方を修得できる
教示手法を Haptic Teaching として提案し，このようなシステムを実現するため次にあげる訓練者操作時の2 つの手法を組み合わせることを考える．
● 熟練者操作時

図 7 逆方向の内力

Fvf

図 8 Virtual Fixture

Virtual Fixtures[5] とは，実現したい空間移動に対するガイドとして働く力覚全般のことである．この手法では，力覚を利用して熟練者の移動する空間的位置
情報を与えることができるため，訓練者が軌跡上を自由に操作できる．
2. の Virtual Fixtures の空間的位置情報を与えることのできる点を利用し，これと 1. の内力の逆提示を加算して提示する．2. の Virtual Fixtures では，今回は 3 乗のバネを用いている．これは，1. との力の独立性の確保および，自由度のある訓練を目的としている．力の独立性の確保とは，訓練者が熟練者軌跡上からはずれると，Fvf は距離の 3 乗で力を発生するため，Fopp とは明瞭に区別できることをさす．例えて表現するならば，Fvf で敷かれたレールの上で，レールに沿った “力” と，レールという “軌跡” を学習するイメージである．また，自由度のある訓練とは，k を選ぶことで，軌跡からのずれを認識させながらも，ある程度水平方向の動きを許容しながらの訓練を促すことを指す．レールの例でいうと，硬い V 字のレールで熟練者操作時の動作と内力 Fe を，力覚提示装はなく，幅のある U 字溝をたどるイメージとなる．

置と力センサにより記録する．力覚提示装置は

1. の内力の逆提示の手法は [6],[2] らの研究に類似するが，方向を垂直方向に限定しない点，時間方向に

位置計測装置としてのみ用いる．

対する自由度の点において先行研究と異なる．逆にい● 訓練者操作時

うと，提案手法では時間方向に対する自由度があるた

次の二つの方式を組み合わせて用いる．

め，熟練者の動作を完全に再現するものとはなってい1. 熟練者の内力を逆方向に提示 (Fopp )ない．そこで今回は対象を書画などのように，視線が事前に記録された熟練者の内力を，方向を手元にある動作に限定することで視覚情報を補助情報日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.10, No.3, 2005

として利用する．すなわち，熟練者の動作指標を訓練

式 8を実装した．軌跡提示には，熟練者軌跡から垂直

者の手元に表示した．これにより，訓練者は，表示さな方向にバネ定数 k = 0.35 × 10−3 [N/m] のバネ成分れる指標を目標とした主体的動作を行うことで，時間の力を働かせ，力情報として，力センサから得られる方向に対する情報を得ることができる．

内力を用いた．内力情報はあらかじめ装置座標系に変換したものを用いた．また，比較のための従来手法として，先に述べた導引的手法，すなわち，熟練者の動作を記録し，そのまま再生することで，熟練者の位置，時間情報を訓練者に伝える手法を実装した．

 

4

Play

Record

予備実験 –情報の伝達能力–

Fvf
それぞれの手法による情報提示により，記録された熟練者の操作時の位置情報および力覚情報が正しく訓

図9

提案手法

練者に伝わるかどうかを調べるため，試作装置を利用して下記の予備実験を実施した．

提案手法では，技能記録時の熟練者の操作は普段と約 5cm 四方のギリシア文字の鏡文字一文字 (例：図同じであり，操作中に力センサを用いた内力記録を行11) を用意し，これを健常な二十代男性 1 名が筆記しう．技能再生時には，記録された内力を用いて熟練者たときの位置および力情報を記録し，これを熟練者のの力情報を逆方向に提示する．また，外力の結果としデータとする．その後，健常な二十代男性 4 名に同じて操作されるデバイスの位置変化を記録し，Virtual

文字を提示し，これを提案手法と従来手法それぞれのFixtures を利用して軌跡として提示する (図 9)．
我々のシステムでは，訓練者の主体性に重点をおいている．そのため，訓練者にはある目標をもった操作を促す．すなわち，訓練者にはこの発生する内力を打ち消すように操作するように伝えられる．1. 訓練者は発生する力を打ち消しながら操作を行うことにより，結果として熟練者と同じ内力を主体的に発生させながら操作を再現することになる．また，2. 軌跡からはずれた場合には Virtual Fixtures により軌跡に戻ろうとする力が加わり，軌跡に関する情報も同時に訓練者には与えられる．これにより，訓練者に主体性をもたせつつ，軌跡情報と同時に熟練者の力情報を提示する
ことが可能になる．

方法により 5 回ずつ利き腕を使って訓練者として書字してもらった．このとき，教示のためのそれぞれの手法を用いて訓練をしているときの力の履歴を記録し，これと熟練者の力の履歴とを比較する．装置のペン先
はボールペン形状とし，熟練者のデータは普通紙紙面と同程度の摩擦面で記録した．訓練者の訓練中のデー
タは，従来手法では同じ摩擦面で，摩擦を含めた力を再現する提案手法では摩擦のほとんどないガラス面で記録した．
得られた訓練中の力の時系列データと，熟練者の力の時系列データをそれぞれ，図 12のように軌跡に対し
接線方向成分と，法線方向水平成分，法線方向垂直成分に分解する．その後それぞれに相関係数を算出し，これらを全ての被験者について平均をとり比較した結3システム試作果が図 13である．係数が 1 に近いほど熟練者の力とこれまでに述べてきたシステムのプロトタイプとし被験者の力の履歴が類似していることを示す．グラフて，力覚 3 自由度の PHANToM Desktop と 6 軸力セを見てわかるとおり，従来手法ではほとんど正確に伝ンサを用いた装置を作成した (図 3,10)．この試作装置

わらなかった接線方向の力や，法線方向水平成分の力も比較的伝えることができていることがわかる．この  

Stylusことから，提案手法では熟練者の力情報も含めて訓練者に伝えることができることを確認した．

PC

5
Gimbal

実験 –学習効果–

前節では提案手法を用いることにより，熟練者の力
情報が訓練者に伝達することが可能なことを確認した．

AD Board

そこで本節では，伝えられた情報が訓練者に学習情報
図 10

プロトタイプシステム

として伝わっているか，言いかえれば，訓練者に力情報が学習されたかを確かめるため，提案手法の学習効を用い，提案する教示手法として，式 6,7を加算した果についての実験を行う．

嵯峨・川上・: 力覚の主体性を活用した教示手法に関する研究ての熟練者の文字情報と，自らの書いた文字情報を視覚情報としても提示する．これらのデータをもとに学
習効果の段階的成果を比較した．なお，記憶の影響を排除するため，それぞれの手法は 3〜4 日以上おいて測定した．以上の実験を健常な二十代男性 7 名につい
て行った．
図 11

使用した文字の例
図 12

熟練者情報と訓練者の情報の時間的整合性をとるため，位置情報に基づく DP マッチングを行う．DP マッ

力の分割

チングとは，音声認識などに使われる手法であるが，

() *,+.- / 0 1- /2*43 5




6 798;:<>= 8;:



るために用いる．熟練者，訓練者のそれぞれの動作から得られる位置情報に基づき DP マッチングを行い，得られたマッチングパス上での位置および力の平均誤差を 1 試行ごとに算出した (図 14 はマッチングの一

例)．誤差は発揮される力により異なるため，それぞ$ % 
"#

れの時間における力に対する誤差の度合を見積ることを目的として，力に対する誤差の比をとり，この平均および分散をプロットした．







 ! 
図 13

力履歴の相関学習に用いる文字は，予備実験と同じものを用いた．
すなわち，普段書き慣れないが，形を容易に覚えられる文字として，ギリシア文字の鏡文字一文字とした．

!"
!"

30
20
10
0
−10
−20

大きさは，約 5cm 四方を用いた．また，学習効果を正−30しく見積れるよう，被験者は利き腕ではない腕 (右き

−40
0

5

10

15

20

25

30

Frame

きなら左腕) を用いて書字する．実験手順は以下のようにした．被験者は，実験前にまず提示装置自体およ

40

X,Z Position (mm)&'

今回は熟練者情報と訓練者情報の時系列の整合性をと

図 14

パス上での X,Z 位置変化例

び，今回利用した教示手法それぞれについて 3 分ほど慣らされる．予備実験と同様に，装置のペン先はボー
ルペン形状とし，熟練者のデータは紙面と同程度の摩擦面で記録した．訓練者の訓練は，各手法で最も効果の期待される状況を想定し，従来手法では同じように摩擦面で行い，摩擦を含めた力を再現する提案手法では摩擦のほとんどないガラス面で実施した．訓練者の訓練後のデータは熟練者と同じ摩擦環境で記録した．
はじめに文字形状のみを提示し，被験者はこれを 10回ほどなぞり，視覚，体性感覚で形を覚える．直後に同じ字を 3 回ずつ書く．これは学習をしていない状態

結果を以下 (図 15,16,17,18) に示す．それぞれ縦軸に DP マッチング後のパス上でのフレームごとの誤差，
横軸に実験前を含む 1 セットごとの書字結果となる．
×点線が従来手法を示し，○実線が提案手法を示している．図 15は位置誤差の推移，図 16は法線方向垂直成分の力の誤差の推移，図 17は法線方向水平成分の力誤差の推移，図 18は接線方向成分の力誤差の推移を示す．この図では，試行回数とともに誤差の比が減少しているとき，学習が進んだことを示している．

として 1 回目のデータとする．以降被験者は提案手法
もしくは従来手法にて 10 回ずつ練習し，その後，練習で得られた情報をもとに 3 回ずつ同じ字を書く．これを 1 セットとして 5 セットくりかえし，各セットの練習後のデータを 2〜6 回目のデータとする．練習時には，いずれの手法とも力覚情報に加えて，手本とし

6

考察

予備実験の結果 (図 13) より，提案手法では熟練者の力情報も含めて訓練者に伝えることができることを確認した．
また，本実験のそれぞれの結果について考察を加える．まず，全体に多く見られる従来手法における誤差日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.10, No.3, 2005

   

 "!$#%'& !$#
(*),+./10 +.-











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#




 






  "!







 


図 18

接線力についての学習曲線

図 15 位置についての学習曲線の増加傾向は一考する必要がある．これは本実験を利き腕ではない方の腕により実施したために発生したものと考える．すなわち，器用に動かすための動作モデ   

 



ルの確立していない腕による学習のため，従来手法で-/.1032465 032 

は動作を再現すること自体が難しい課題であったということである．



図 15をみると，位置に関して，学習が進行している
ことがみてとれる．これは，もともと位置制御の難し

い課題にもかかわらず，提案手法では主体的な動作を

,


+

)*
(

実現したことにより，体性感覚による記憶が進んだた

めと考えられる．



法線方向垂直成分の力に関しては，減少傾向を示さ






  #
! "$%!'&





ず被験者ごとに学習にばらつきがみられた (図 16)．これは，垂直方向に関しては，文字の描画ガラス面上にペンを押しつけさせながら学習を行ったので，提示さ

図 16

法線垂直力についての学習曲線

れる反力よりも押しつける度合を強くしてしまったな
ど，被験者による操作のばらつきの自由度が存在したためと考えられる．

  


図 17,18から，法線方向水平成分および，接線方向
成分の力に関しては学習が進行していることがみてと.0/2143576 143

れる．これは，従来手法では熟練者の動作情報に導引される形となるため，法線方向水平成分および，接線

方向成分に関しては力の情報は与えられない．一方，


,

*+
)

提案手法では力の情報が得られること，得られた情報

に基づく主体的動作による訓練を行うことにより，力そのものの直接的な使い方に関して学習が進んだこと

の結果と考えられる．一般に，書画は 2 次元運動であることから，運筆作業においては水平方向の力の使い








  !#"%$&!('









方の占める割合が大きいと考えられる．その意味においてこの結果は，書画における提案手法の有効性を示したものと考える．

図 17

法線水平力についての学習曲線

残るもう一つの方向に関して，今回の実験では法線垂直方向成分に関してはガラス面への押し付けという嵯峨・川上・: 力覚の主体性を活用した教示手法に関する研究

方法を用いたが，これがゆえにこの方向に関する力提示の正確性を失ったと考えられる．このような方法を用いた理由は，この方向の力は比較的強く，安定した力であり，我々の力覚提示装置では能力を越えていたためである．本来であれば提案手法は力覚提示装置だ
けでも表現可能であるため，力覚提示装置のみによる表現が可能になれば，この方向に関する力提示もより改善すると考える．
ここで，データの信頼性を検証するため，に接線方向成分に関するデータを分散分析し，有意差検定を[4] Y. Kuroda, M. Nakao, T. Kuroda, H. Oyama,
M. Komori, and T. Matsuda. Interaction model
between elastic objects for accurate haptic display.
In Proc. of 13th International Conference on Artificial Reality and Telexistance, pp. 148–153, 2003.
[5] L. Rosenberg. Virtual fixtures: Perceptual tools
for telerobotic manipulation. In Proc. of IEEE
Virtual Reality Int’l. Symposium, pp. 76–82, 1993.
[6] Y. Yokokohji, R. Hollis, T. Kanade, and K. Henmi.
Toward machine mediated training of motor skill.
In Proc. of the IEEE International Workshop on
Robot and Human Communication, pp. 32–37,
1996.
(2005 年 4 月 16 日受付)

行った．6 回目のデータから，表 1のような結果となり，F0.05 (1, 32) = 4.149 であるから，両学習手法の効果に有意な差があることがわかる．同様に法線水平方
向成分についても有為であることを確かめた．
表 1 6 回目のデータによる分散分析表
平方和
自由度
平均平方

要因
学習手法

SA = 0.1959

νA = 1

VA = 0.1959

誤差

Se = 1.4414

νe = 32

Ve = 0.0450

計ST = 1.6372

νT = 33

F値
F = 4.3481∗［著 者 紹 介］
嵯峨 智 （学生会員）

7

まとめ

力覚における教示に主体性を導入し，訓練者の主体

2000 年東京大学大学院工学系研究科修了．同年セコム株式会社研究員，2004 年
東京大学大学院システム情報学系研究科
博士課程入学，現在に至る．力覚教示に関する研究に従事．

性を重視する Haptic Teaching を提案し，これを実装した．また，これまでの学習で実現が難しかった力情
報と位置情報の同時提示を実現した．このための力覚提示手法として 1. 熟練者力情報の逆提示，2.Virtual

Fixtures の利用について述べた．そして，これらの教示システムを用いた実験を通じて，位置情報と力情報の伝達が可能であること，形状だけではなく，力覚を含む学習が可能であり，力覚教示における主体的動作が有効であることを示した．
今後は実作業の応用として，筆記などの 2 次元的作
業にとどまらず，ナイフや彫刻刀などによる物体の切削など，3 次元空間を利用した作業，6 自由度力覚提
示装置を利用したときのトルクの利用方法についても検討したい．

参考文献[1] J. J. Gibson. Observations on active touch. Psychol. Rev, Vol. 69, pp. 477–491, 1962.
[2] Henmi K. and T. Yoshikawa. Virtual lesson and its
application to virtual calligraphy system. In Proc.
of the IEEE International Conference on Robotics
and Automation, 1998.
[3] Ryo Kikuuwe and Tsuneo Yoshikawa. Haptic display device with fingertip presser for motion/force
teaching to human. In Proc. of the 2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 868–873, 2001.

川上 直樹 （正会員）

平 8 東工大・理工・電気電子修士課程終了．平 11 東大・工・先端学際工学博士
課程終了．工博．同年同大大学院・工・計数工助手．平 14 同大大学院・工・計数工講師．バーチャルリアリティの研究に従事．日本バーチャルリアリティ学会会員．

（正会員）
昭 43 東大・工・計数卒．昭 48 同大学
院博士課程了．工博．同年同大助手．昭50 通産省工技院機械技研研究員，マサチューセッツ工科大学客員研究員を減て
平 1 東大先端科学技術センター助教授，
平 4 同センター教授．平 6 同大大学院・情報理工・システム情学先行教授．テレイ
グジスタンス，人工現実感の研究に従事．
IEEE/EMBS 学会賞，通産大臣賞，国際計測連合 (IMECO) 特別勲功賞など受賞．
IMEKO ロボティクス会議議長，SICE フ
ェロー，日本バーチャルリアリティ学会
初代会長．