「インタラクション，99」 平成11年3月

GraspCom一力覚を利用した双方向入出力デバイスの試作一
輝田秀之、鶴丸朋史、橋本周司
早稲田大学 理工学部 応用物理学科〒169−8555 東京都新宿区大久保3−4−1
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e−mail：（SaWa，tSuru，Sh両i）＠shahb．phys．waseda．acjp

あらまし

最近の計算機の処理能力の急速な向上により、ヒューマン・マシンインタフェースの重要性が注目されるようになってきた。高速計算能力あるいは記憶媒体といった計算機本来の機能を人間が更に有効に利用しようとする場合には、人間の考えや感覚を計算機に有効に伝える必要がある。また、その結果を的確に受け取ることも重要である。日常のコミュニケーションにおいては、音声による言語的手段と共に、身振り手振りなどの身体メディアを用いた非言語的手段が大きな役割を果たしている。本論文では、人間の手指による把持動作に着目し、手による双方向インタフェースデバイスGraspComの開発について述べる。GraspComは柔らかいシリコンゴムで成形され、把持力のセンシングと振動出力の提示が可能である。

ユーザは、カ覚を頼りに自由な手指動作により換作を行うことができ、それに対し、さ、まざまな振動パターンによるリアクションを受け取ることが出来る。更に、GraspComをターミナルデバイスに用いることにより実現される、双方向インタフェースの試作を行った。現在は、手指動作により駆動される柔軟なヒューマンインタフェースデバイスの実現に向け、評価を行っている。

GraspCom−ANewHapticDeviceDrivenbyGrasplngForce− ●HideyukiSAWADA，Tomo鮎miTSURUMARU and Shl頑iHASHIMOTO
DepartmentofAppliedPhysics，SchoolofScienceandEngineering，WASEDAUniversity
3−4−1，Okubo，Shi再uku4ku，Tokyo，169−8555，JAPAN

Abstract TheimportanCeOfhuman−maChineinterfaceiswidelyacknowledgedinaccordanCeWiththeincreaseofthecomputerpowers・ThefastertheprocesslngSPeedbecomes，thewiderthe

gapbetweenthecomputingabilityandtheaccessingabilityofhumanStOthecomputerbecomes．In
humantOhumanCOmmunication，WeCOmmunicatewitheachotherbyuslngnOtOnlyvefbalmedia

butalsonon−Verbalmedia・Especiallyinformationtrar！Smitt専dthfOughthe重vesensesisab！eto曲ct

OuremOtionsandfeelingsdirectlymakingforsmoothcommunication・Inthispaperthedevelopment
Ofanewhapticdevicedrivenbygrasplngfbrcesisintroduced・SincethedeviceismoldedbysiliconrubberwiththesoftnessofhumanSkin，auSerisabletomakehandgestureswithhis■lsenseofforce・・

bythetranSformlngmanlPulations・Andthedeviceisablenotonlytosenseuser−stwiddlinggestures
butalsotodisplayreactionsagainstthehandgesturesbyvibrationpatternS・−201−

ンに用いられる身体動作が機械によって理解

1．はじめにできれば、伝達者の感情や情緒などの微妙な最近の計算機の処理能力の急速な向上によ表現にも対応できる自然な入力手段となり得り、人間と計算機とをつなぐヒューマン・マるであろう。

シンインタフェースの重要性が注目されるよ筆者らはこれまでに、身体運動から得られうになってきた。人間どうしのコミュニケー

る加速度パターンに基づくジェスチャー認識

ションにおいては、言語に加えて視覚、聴覚、手法を検討してきた【3】−【6］。これは、人間の喚覚、味覚、触覚といった五感が有効に利用意志や感情が、手などの位置よりもむしろ身体に加えられる力に顕著に現れると考え、運されている。とくに五感を通して伝達される情報は、感性や感情に直接的に働きかけ、円動加速度の直接検出を試みたものである。さ滑なコミュニケーションのために大きな役割らに人間の手指による把持動作に着目し、握を果たしていると考えられる。高速計算能力

力により駆動される楽器GraspMIDIの試作をあるいは記憶媒体といった計算機本来の機能行ってきた【7】【8】。

を人間が更に有効に利用しようとする場合に本論文では、把持力のセンシングのみに着は、人間の考えや感覚を計算機に有効に伝え目して開発を進めてきたGraspMIDIに力覚出る必要があろう。更に、計算結果を直感的な力機能を付加した、GraspCom（Grasping手法で解りやすく提示することも重要である

Communication Device）の開発と、これをターと考えられる。これまでの計算機の入力部にミナルデバイスに用いることにより実現されはキーボードやマウスが、また出力としてはる双方向インタフェースの可能性について述

ディスプレー上に実装されるGUI（Gr叩hicalべる。

UserInter払ce）が主な情報提示デバイスとして用いられてきた。これらのデバイスは、人間どうしのコミュニケーションとは比較になら2．Gra5pComの構成ないほど単純で少ない情報のやりとりをおこ

2−1・入出力デバイスとしてのGr8SpComなうに過ぎない。これからの計算機には、大ハンドジェスチャーの計測にはデータグ量の情報を多数のチャンネルを通して即時にローブが広く使われているが、これはベンド交換できるしくみが必要となるであろう。人センサあるいは特殊なファイバによって、五間どうしのコミュニケーションで用いている指の屈曲を計測するものである。しかしながメディアを有効に利用することにより、新しら人間の手指を使ったジェスチャーにおいていヒューマン・マシンインタフェースが実現

は、その意志や感情、感覚情報は、手指に加できるばかりでなく、情報機械としての新たえる力を計測することによって待られるものな計算機の利用価値が見いだされると考えらも多い。これは、われわれが手指で作業を行れる。

う場合、指の曲げを観測しながらコントロー

我々の日常生活における情報伝達を考える

ルをおこなうのではなく、手指が作用していと、音声による言語的手段と共に、身振り手る対象からの反力などを頼りに、微妙な力覚振りなどのジェスチャーが良く用いられていに頼った制御をおこなっていることからもわる。特に意志や感情の伝達においては身体メかる。

ディアの利用が大きな役割を果たしている

GraspComは、ハンドジェスチャーによって【1】【2】。通常、人間どうしのコミュニケーショ生じる手、指先の力を計測可能なセンシングー202−

デバイスとして開発をおこなっている。更に、約25［m］を切り取り、FUJIKURA製圧力センユーザからのハンドジェスチャー入力に対し、サFPM−15PGに直接取り付けた。ゴム製指即座に反応を提示できるよう、力覚出力生成

サック内の初期内圧は大気圧と等しく1気圧機能も備えている。ハンドジェスチャーセンであるため、空気漏れをおこすこともなく耐シングのために3つの圧力センシングユニッ久性に優れている。

トP−u血tおよび加速度センシングユニットA＿

指サックの内圧はブリッジ回路によって測unitを、また力覚出力生成には4つの小型振定される【8】。圧力センサのサイズは、14（W）

動モータを柔らかいシリコンゴムの中に埋め×17・5（H）×12（D）［mm］，1．2［g］で、−1から込み、球状に成形することによりGraspComを構成している。その内部構造および外観を図3．515【k釘mm2］の圧力をリニアスケールの電圧1、2に示す。各ユニットの構成は、以下に特性を示す。GraspComへの荷重が5［kg］〜順に説明する。

35【kg】の範囲で、ほぼリニアに内圧に対する値として測定可能である。図4にP−unitの出力出力電圧値が得られていることがわかる。
2−2．P−Ⅵnitの構成
2−3．A−Ⅶnitの構成

GraspComの内圧センシング部（P−unit）の構造を図3に示す。ゴム製指サックの先端部分、A−unitは、OMRON製静電容量型加速度セン

サCAOl（10mm（W）×3mm（H）×8mm（D））【9］を用いている。本センサは、約±2Gの加速度範囲を、0．75ⅥGの電圧値として計測することができる。

図1GraspComの内部構造図

Fig・1SchematicviewofGraspCom▲んLll］11」14［mm】

図3 P−unitの構成

Fig・3 ConngurationofP−unit

0 5 1015 20 25 30 35 40
ApplyingWeight［kg］

図2 GraspComの外観
図4 P−unitの出力

Fig・2 0uterviewofGraspCom

Fig・4 0utputofP−unit−203−2＿4．力覚出力生成部の構成

1軸加速度センサを用いることにより、重力方向とのなす角度を知ることができる。その原理を図5に示すが、重力方向に対する傾握力インタフェースデバイスからのリアクションとしては、握力に対する反力として内き角8は、部から押し返すような機構が最も直感的にわ（出力電圧）

β＝CO∫￣1

かりやすい方法であると考えているが、本デ（1）0．75

バイスではコンパクトに構成することを優先で得られることになる。本加速度センサ3個を図6のように互いに直交して配置し、各セし、小型振動モータを用いて力覚出力の生成を行っている。ここでは、ページャに使われている薄型円形振動モータ（Shicobンサから重力方向とのなす角度を計測することにより、GraspComの姿勢を求めることがでEngineering製F203B、直径20［mm］、厚さ3きる。図7は、GraspComを1回転させたとき【mm】）を4個内部に埋め込み、振動周期および振動パターンを変えることによって、力覚のA＿unitの角度と出力電圧の関係を表わしたものである。回転角度8に対する方向余弦加出力の生成を行っている。各モータは、0．8〜速度値が、電圧値の出力として得られている。
なお、図6におけるA−unitの姿勢は、図7中

l．5【Ⅴ】の印加電圧に応じて振動数を変化させることができるが、これは振動の強さとしての約270度付近で現れることになる。

知覚される。

GraspComはPCと接続され、ジェスチャー入力に応じたリアクションを生成、出力する。
つまり、ハンドジェスチャーに伴って得られるP−unitおよびA−unitからの出力に基づき、人間が「もっともらしい」と感じる力覚出力パ

図5 1軸加速度センサの動作ターンを生成できるよう、振動モータの駆動

Fig．5 BehaviorofAccelerationSensorを行っている。図8に、この概念を示した。

2AccelerationSensors

図6 A−unitの構成
Fig．6 A−unitconsistingof3accelerometers

35251
21

︻A︼乱雲○＞

図8 ジェスチャーに応じた力覚出力生成100200
Degreeの概念

300

Fig・8 SchemeofassociationofgesturelnPutS
with vibration outputs

図7 A−unitの出力
Fig．7 0utputsofA−unit−204一−

3−2．ジェスチャー入力と力覚出力パターンの3。ハンドジェスチャーセンシングからカ覚対応付け出力の生成

計算機のキーボードをたたけば、キーがス3−1．GraspComの特徴トロークすると共にディスプレイ上にキーに対応したキャラクタ文字が表示される。マウ

P−unit3個とA−unit、および小型振動モータ
ユニット4個を、図1に示すような配置で直スを移動させれば、その動きに同期してディ径約70【mm］のシリコンゴムボール内に完全にスプレイ上のポインタが移動する。このよう埋め込むことによって、インタフェースデバにマン・マシンインタフェースデバイスには、イスGraspComを構成している。また、市販の人間の操作、入力動作に対して、「納得のいセンサおよび部品を用いてコンパクトな構成く」ような出力が得られることが不可欠であを実現していることも、本デバイスの特徴でる。

本GraspComは、ハンドジェスチャー入力にある。
シリコンゴムは人体の皮膚感程度の柔らか応じた力覚出力をリアルタイムで生成するこさで整形されており、把持力によるボールのとを目的として開発を行っている。ジェス

変形を、内部のP−unitの圧縮・変形によるそのチャーの入力に対して、人間が「もっともら内圧の変化として間接的に計測することになしいリアクション」と感じる力覚担力を生成る。また、シリコンゴムで整形しているといできれば、力覚のみで操作可能なヒューマン

う特性上、弾力に富み、初期形状（ボールインタフェースが実現できるばかりでなく、状）への復元力があるため、使用者は力覚を特に小型化が求められるPDA（PersonalDigital

頼りにデバイスの換作および、ハンドジェスAssistant）やウェアラブル・コンピュータの新チャーをおこなうことが可能となっている。

しいインタフェースとしても使用可能であろ

例えば「ねじり動作」のようなアクションは、う。さらには視覚障害者あるいは聴覚障害者

特に力感、力寛が重要な役割を果たしており、が自由な手指動作でアクセス可能な計算機のこれはデータグローブのような指の曲げ角情入力にも利用可能であると考えられる。
ここではA／D−D／Aボードを介してPCと接続報の取得だけでは表現が難しい。

することにより、ハンドジェスチャーに伴っ

なお今回の試作においては、A−unitがP−unitの働きを阻害しないよう、半球づつに分けてて得られるP−unitおよびA−unitからの出力に基配置した。図1において、左上半球部がP−unitづいて、振動モータの制御を行っている。現のセンシング領域となり、右下半球部にはA＿

在の試作GraspComにおけるハンドジェスunitが配置されている。振動モータは、P−unit

チャーと振動パターンの対応関係は以下に示の動きを阻害しないよう、赤道面に1200 間隔す2つとしている。

で3個、加速度センサ下面に1個配置した。
本デバイスは小型に成形されている特性上、al）A−unit→重力方向を示す部位が常に緩く振動

片手あるいは両手での操作が可能であり、戒）P−unit→力の加えられた部位の対面の部

それと同時にジェスチャー入力に対する反応位が強く振動を振動パターンとして受け取ることが出来る。

各unitからは30Hzでセンサ値がPCに入力される。GraspComのハンドジェスチャーパターン−205−

の変化が検出された時点で、振動モータの駆動パターンを変化させて力覚提示をおこなう。

スの概念を図9に示す。これは、GraspComをこれにより、ハンドジェスチャーに対応してターミナルデバイスに用いることにより即座に振動によってリアクションを返すこと隔地におかれた人どうしのハンドジェスが可能なインタフェースデバイスを実現してチャーによるコミュニケーションを実現するいる。

ものである。GraspCom Aによって計測されGraspComによる双方向入出力インタフェー

たハンドジェスチャー情報は、自分自身の振また、ハンドジェスチャーパターンを文字情報および振動パターンと対応付けることに動モータから力覚として出力されると同時に、より（対応付けの手法については文献［8】を参遠隔先Bにも転送され振動モータから力覚出力として提示される。GraspCom Bから得ら照）、入力情報を力覚情報で確認しながら計算機入力が可能な、一種のキーボードが実現れるジェスチャーについても同様に、GraspComAおよび自分自身に力覚出力とし可能である。て提示されることになる。つまり、自分自身のジェスチャーに対するリアクションと同時

4．GraspComによる双方向インタフェースのに、相手側のジェスチャーに伴う振動パター実現ンが重畳されて提示されることになり、力覚

現在、前述のマン・マシンインタフェースによる新しいコミュニケーションデバイスがデバイスとしてばかりでなく、GraspComの双実現されている。

方向コミュニケーションデバイスとしての可自分自身のジェスチャーに対するリアク能性についても検討を行っている。

ションの振動パターンの対応関係は前述のal），戒）を用いている。相手側のジェスチャーに伴うリアクション出力については、現在さまざまな振動パターン提示手法について検討をおこなっている。
ここでは対応付けの一例を示すと共に、本システムでコミュニケーションを試みた後に行ったアンケートの結果を述べる。

相手側のジェスチャーは以下の3つの対応関係によって、自分自身のジェスチャーに対する振動パターンに重畳されて提示される。
bl）資努→重力方向を示す部位が周期2Hzで振動b2）変膠→力の加えられた部位の対面の部
位が周期2Hzで強く振動b3）ジェスチャー・シンクロ→互いのジェスチャーパターンが類似して行くに

図9 双方向入出力インタフェースによる従い全てのモータが振動しはじめ、遠隔コミュニケーション

Fig．9 Bi−directionaltele−COmmunication

byGraspComー206−

一致したときに最も強く振動するこれら5つの対応付けでGraspComによる双であることに起因すると考えられ、パターン方向コミュニケーションシステムを構築し、の生成・提示手法については更に検討の余地

10名にアンケートを行った結果を表1に示があろう。互いのジェスチャーのシンクロにす。

ついては解り易いという意見も多く、好意的な感想を得られた。また、デバイス操作時のアンケートから、GraspComによる双方向コミュニケーションについては概ね良好な評価

使い心地の良さについて良好な評価が得られを得ることが出来た。特に、自分自身のジェた一方で、これを双方向インタフェースデバスチャーに対して振動パターンによるリアクイスとして用いることの是非については被験ションが返ってくる点について高評価を得た。

者によって評価が分かれた。今後は、デバイ一方、相手のジェスチャーに対するリアクス自体をハードウエアの面から改良していくションと自分自身のリアクションの区別につと共に、ジェスチャーと力覚提示の対応づけいては、唆昧であったとする意見もみられた。

について更に検討を行い、新しいコミュニ

これは、力覚提示が単純な振動パターンのみケーションインタフェースとしての可能性を見いだして行く必要があろう。

表1 双方向コミュニケーションのアンケート結果

5．まとめ

質問 感じる ある程度 どちらと あまり 感じない事項 ／良い 感じる も首ない 感じない ／悪い①3②③

ハンドジェスチャーセンシングおよび、

2053033350④36⑤43

スデバイスとしての可能性について述べた。
006⑦720⑧332

可能なGraspComの開発と、そのインタフェー00⑥

ジェスチャー入力に応じた力覚出力の提示がGraspComは柔らかいシリコンゴムで成形され、把持力のセンシングと振動による力覚出力の提示が可能である。
本デバイスを用いて、ジェスチャー入力に脚：伴って得られるセンシングユニットからのデータに基づき、振動モータの制御を行う手①好手の存在を感じるか法を提案した。ジェスチャー入力に対して、② β分β身のジェスチャー／こ．対するノアク人間が「もっともらしいリアクション」と感ニンヨ∴ン／を感じるか

じる力覚出力を実時間で生成することにより③好手のジェスチャー／ご対するノアクション実現される、力覚のみで操作可能なヒューマを感じるか④β分と好手のジェスチャーを区財できるかンインタフェースデバイスを実現できたと考⑤ジェスチャー・シンクロを感じるかえている。

更にGraspComをターミナルデバイスに用い⑥好手とコミュニケーシタンを屠れているとることによる、新しい双方向コミュニケー感じるか⑦デ／Vスの∠賢い心彪の点きションシステム実現の可能性について述べた。

⑧Grα甲Co椚／こよる見方府インクフェースとアンケート結果から好意的な評価を得ることLTの紺ができ、力覚によるコミュニケーションデバイスの一例を示したと考えられる。

ー207−

センサ」、OMRON TECHNICS，Vol．36，

今後は、振動モータ以外のさまざまな力覚提示手法についても検討をおこない、力覚にNo．2，1996

基づいた新しいヒューマンインタフェースデ
バイス 、双方向コミュニケーションインタ

フェースとしての可能性を検討して行きたい。

文 献［1】黒川隆夫「ノンバーバルインタフェー

ス」、電子情報通信学会編、オーム社、
1994［2］金山宣夫「世界20ケ国ノンバーバル辞典」、研究社出版、1983［3］H．Sawada and S．Hashimoto，MusicalPerformanCe System Using3D Acceleration
Sensor，Multimedia Modeling Towards

Infbrmation Superhighway，World Scientinc，
1995，pp．293−306［4］澤田秀之、橋本周司「加速度センサを用いたジェスチャー認識と音楽制御への応用」、電子情報通信学会論文誌VOL．J79−
ANo．2，pp452−459，1996【5】澤田秀之、橋本周司、松島俊明「ヒューマンインタフェースとしてのジェスチャー認識」，インタラクションー97論文集、 情報処理学会、pp．25−32，1997【6】澤田秀之、橋本周司、松島俊明「運動特徴と形状特徴に基づいたジェスチャー認識と手話認識への応用」、情報処理学会論文
誌Vol．39、No．5、pp．1325−1333、19粥

【7】尾上直之、薄田秀之、橋本周司「握力インタフェースを用いた仮想楽器−GraspMIDI−の試作」、インタラクションー98

論文集、情報処理学会、pp．27−2＄、1998【8】澤田秀之、尾上直之、橋本周司「ハンドジェスチャ入力デバイスによる音響生成」、
電子情報通信学会論文誌DII、Vol．J81−D−ⅠⅠ、No．5、pp．795−803，199S［9】細谷克己、大場正利「静電容量型加速度ー208−