基礎論文

知覚の非線形性を利用した非接地型力覚惹起手法の提案と評価
雨宮 智浩

*1

安藤 英由樹

*1

前田 太郎

*1

Non-grounding Force Display Utilizing Nonlinearity of Human Perception
Tomohiro Amemiya*1, Hideyuki Ando*1, and Taro Maeda*1
Abstract - This paper describes the design of a novel force perception method fornon-grounding force displays and the development of a handheld force display based on themethod. The force perception method is attributed to the nonlinear characteristics of humantactual perception; humans feel rapid acceleration more strongly than slow acceleration. The
method uses periodic prismatic motion to create asymmetric acceleration leading to a virtual
force vector. A prototype of the handheld force display that generates one-directional force
using a relatively simple mechanism was built, and its performance was tested in terms ofboth physical and perceptual characteristics. We verify the feasibility of the proposed method
through experiments that determine the display's motor's rotational frequency that maximizes
the perception of the virtual force vector. In addition, we examine the effect of the frequencyof acceleration change and the amplitude of force on implicit, functional judgment of theperception of the virtual force vector.
Keywords : Haptic Display, Perception, Wearable and Mobile Computing, Non-grounded
Device, Interface using Sensory Illusion
1

力触覚を利用した情報インタフェースは，刺激自体が方向情報を有し，直観的な理解が可能で非言語的な情報提示チャネルとして有効であると言える．力触覚モダリティが持つ特性を実験室外でも活用するため，モバイル用途での力触覚デバイ
スの研究が進められている．
モバイル式の力覚提示デバイスでは，可搬性の側面から据え置き式の力覚装置と異なり，装置そのものを接地することなく力ベクトルを提示する装置である必要がある．しかしながら，従来のモバイル式の力覚提示デバイス，たとえば非接地方式 ( ジャイロ効果 [1] や角運動量変化を利用した方式 [2]) では並進方向に連続的な力を提示することが原理的に不可能であった．そこで我々は，人間の触覚や固有感覚の知覚特性を利用することで，非接地方式にも関わらず時間的に安定した「バーチャルな力ベクトル」[3] を知覚させる力触覚提示方法 Phantom-DRAWN (Phantom-drawn Direction
guidance using Rapid and Asymmetric acceleration
Weighted by Nonlinearity of perception) を提案する．
本稿では 1 自由度の質点が非対称な並進周期運動を行うモバイル式の力触覚デバイスを設計および開発について報告し，評価実験の結果を基に提案する手法の有用性について議論する．
*1
*1

2

はじめに

日本電信電話株式会社 NTT コミュニケーション科学基礎研究所
NTT Communication Science Laboratories, NTT Corporation

従来のモバイル式力覚装置

一般に従来の力覚インタフェースは，据え置き式である環境接地型 (PHANToM[4]，SPIDAR[5] やSmartTool[6] のように支点を環境に置いた装置 )，人間接地型 (HapticGEAR[7] のように人体に支点を置いた装置 )，そして非接地型 ( 角運動量変化を利用した装置 [1][2][8] や空気圧噴射を用いた装置[9][10]) の 3 つに分類することができる．
移動を伴う方向誘導を目的とした力覚提示装置には，可搬性に適した人間接地型や非接地型が主に適用されてきた．しかしながら，人間接地型では装着基部に発生した力の反作用が生じる点，また非接地型では連続的な力を原理的に生成できない点が根本的な問題点であった．さらに非接地型
で角運動量の変化を利用する場合，回転方向の力
しか生成できなかった．
そこで筆者らは従来のモバイル式の力覚提示デバイスではほとんど扱われてこなかった，人間の知覚特性を利用して力覚を惹起させる方法を提案する．本手法を用いて従来困難であった並進方向
でかつ連続的な力感覚の提示手法の確立を目指す．
3

提案する力覚惹起手法と原理説明

本章では，人間の知覚特性を利用して物理的には 2 方向に力が生成されているにもかかわらず，1
方向の力感覚として知覚させる方法を提案し，そ日本バーチャルリアリティ学会論文誌の原理について述べる．
本稿で提案する方法とは，ある質量を持った物
体の並進運動において，提示したい方向に大きな加速度を短時間 ( パルス状で閾値上の急峻な加速度変化 )，それと逆の方向に小さな加速度を長時間( 閾値下で元の位置に復帰する緩やかな加速度変化 ) という非対称な偏った加速度 ( 以下，偏加速度 )を持った周期運動が，その物体を含む系を把持しているユーザに対して任意の方向を想起させることができる，という方法である．これは人間の知覚特性である，短時間の大きな加速度をより大きく知覚する非線形性に起因している．
一般に知覚反応は図 1 に示すような非線形な S
字型曲線 (sigmoid curve) で近似できることが知られている [11][12]．刺激 ( ここでは加速度 ) を一周期積分すると物理的には零になる周期運動でも，
この S 字型の感覚強度曲線によって変換された感覚値は同様に積分しても零になるとは限らない．
例えば加速度変化を表す関数 α (t) が以下の条件式を満たすと仮定する．
Tò �(t )dt = 0(1)0

ただし，T は当該周期運動の周期である．このとき知覚される感覚値は人間の知覚の非線形関数 ϕ(x) との合成であり，以下のような等式を満たす．
Tò � o � (t )dt ¹ 0(2)0

さらに，加速度の値自体は小さくても，ある特定の範囲では急峻な加速度変化を S 字曲型線により過大評価し，緩やかな加速度変化を S 字曲型線により過小評価する箇所が存在することが考えられる．この感覚強度の差分を利用することで，等価的な力ベクトルを知覚させることができると考え

psychophysical quantity y

1.0
y = � (x)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

a

a+k b

b+k

physical quantity (acceleration) x
図 1 人間の非線形知覚モデル
Fig. 1 Model of sigmoid curve of perception

Vol.11, No.1, 2006

られる．たとえば，図 1 に示すように b が a より大きい場合，または ϕ (b) が ϕ (a) より大きい場合でも，∂ϕ/∂ x|x=a+k - ∂ϕ/∂ x|x=a の値が ∂ϕ/∂ x|x=b+k - ∂ϕ/∂ x|x=bより大きい値が存在する．このようなスイートス
ポットをうまく活用できれば，感覚強度の差分が効果的な力として知覚される．つまり，提案する手法では加速度の最大値が小さい場合でも差分が十分に存在する場合では力ベクトルが想起できる可能性がある．
以下に本手法による力感覚の知覚に関わっていると予想される知覚特性を挙げる．
筋紡錘の動的反応と伸張錯覚
筋紡錘の反応特性には，筋の長さが変化する時に強く興奮する動的反応と，伸ばされた筋が一定の長さに保たれるときにインパルス発射を続ける
静的反応がある．動的反応は，筋の長さの変化が比較的小さく急なときに強い [13][14]．そのため，短期間の大きな加速度変化が動的反応を引き起こ
し，逆向きの小さな加速度では動的反応が起こらないような条件ではバーチャルな力ベクトルを知覚させることができると予想される．
また，70-80 Hz の振動を肘に当てると肘が伸びるような感覚を生じることが知られている [15]．
これは腱に対する振動刺激が筋紡錘を賦活させることによって生じるとされている [16]．振動物体を把持する場合には，腱を直接振動させる場合に比べて腱に対する刺激は減衰されるが，同様の伸張感覚を想起させる可能性はある．
皮膚表面のすべり
皮膚表面と運動物体との接触面で，静止摩擦係数と動摩擦係数の関係により，並進運動の並進力
が静止摩擦力を超える加速度では接触面ですべりが生じる．この皮膚表面と運動物体との接触面における摩擦力の変化を指や手掌の機械受容器 ( 特に圧覚知覚の SA-I, 局所的な圧迫や伸展に反応する SA-II) がすべり覚として検出できる条件下では，バーチャルな力ベクトルを知覚させる手がかりになると予想される．
継時マスキング
時系列的に大きな力とそれと逆向きの小さな力が近接する場合，前者が後者をマスクする可能性がある．それによって，小さな力は物理的に発生していても知覚されず，1 方向の力として知覚されると考えられる．力触覚の継時マスキングの先行研究では，たとえば [17] のように主に皮膚感覚が中心であるが，感覚器のアナロジーにより自己受容感覚においても同様の現象が生じると予想される．

雨宮・安藤・前田 : 知覚の非線形性を利用した非接地型力覚惹起手法の提案と評価

4

プロトタイプの機械特性評価

4.1 設計提案している手法では携帯電話に代表されるモバイル機器に見られるような手に保持される形態で使用される非接地の力覚デバイスを想定している．そのため，モバイル機器で利用可能な寸法や重量であることが求められる．筆者らは前章で提案した偏加速度の周期運動を生成するため，クランクの等速回転周期運動を，非対称な偏った加速
度変化を持つスライダの並進周期運動に変換する
1 自由度のプロトタイプ ( 偏加速度発生装置 ) を設計，開発した ( 図 2)．はじめにモータの等速回転運動を揺動クランクスライダ機構により並進運動に変換し，さらにその並進運動の位相を 90 度ずら
すことで目的の偏加速度運動を実現する．本手法
では，入力部のモータが加減速なく等速で回転するため，エネルギー効率が高い．これは供給できるエネルギーに制限があるモバイルおよびウェア
ラブル用途に適した設計であると言える．提案するプロトタイプではバーチャルな力ベクトルを効

果的に知覚させるためのパラメータのうち，モータの回転周波数によって偏加速度の周波数，スラ
イダ部分の質量によって加速度の推力の大きさをそれぞれ変更することが可能であり，このパラメー
タを操作することでバーチャルな力ベクトルを想起させる影響について調べることが可能である．
本機構の出力であるスライダの挙動を表す等式
は以下によって与えられる．
2

x = r cos� + �
� (d - r cos � ) + l 22 - { r ( � - 1) sin� }

(3)

ただし，
�=

l1
2

2

r + d - 2rd cos�(4)

x = OD, r = OB, d = OA, l1 = BC, l2 = CD, θ =AOBである．プロトタイプでは r = 15 mm, d = 28 mm, l1= 60 mm, l2 = 70 mm とした．これらは加速度の極性の時間比をおよそ 1:8 となるように設定された．
プロトタイプにおいて，モータを一定速度で回転させたときのスライダの加速度の理論値と機構全体の挙動の時間変化を図 3 に示す．図にも示されるように，加速度の最大値はモータの回転周波数の自乗に比例して変化する．
また，本機構の動力学は以下のように記述できる．
m P &x& = FPx�ìü= mE &x&Ex - ím A &x&Au - sin(�� - �� )ý cos ��rîþSwinging Slider

Crank

Slider

Weight+ü�
1 ì�
í J A��&& + cos(� - � )ý sin �� - 1 î l1
r
þ

(5)

ただし，
50 mm

Motor

Brushless DC Motor

x-axis�æ r sin � ö= � - arctan ç÷è d - r cos � ø

(6)

1
1
) x B + xC
�
�
�
�
1
= (1 - ) r { sin( � + �� ) - cos(� - � )} - d cos � (7)��

x Au = (1 -x Ex = hE {(1 - �� ) r sin � + �� d } + (1 - hE ) x(8)

τ はクランクの制御トルク，mP, mA, mE は往復質

50 mm

Weights

図 2 力覚提示装置のプロトタイプの外観
Fig. 2 Overview of a prototype of the haptic display

量，リンク BC の質量，CD の質量をそれぞれ表す．
J A は点 A まわりの慣性モーメントを表す．F Px はスライダに生じる力である．x Au および x Ex は点 A,
E の位置である．hE = CD/DE，φ =DAB である．ク
ランク ( モータ ) は一定の角速度 ω で回転する (θ= ωt)．なお，計算過程は付録に示す．

日本バーチャルリアリティ学会論文誌

b

1

f

O

a

c

e

d

a

a
d

c

a

3

f

b

b a

b

e
a

c

e

d
a

a
f

b

6

d

f
f

5

e
a

c

4

e
c

a

Rapid Acceleration(Short Duration; Pulse)
100

1

0

4.3 特性評価
偏加速度発生装置の機械特性評価として並進運
動部分 ( スライダ e) の加速度を計測した．まず，ada: groundb: crank
c: connecting rod

Acceleration [m/s2]

D

d

C

f

b

2

e

a

c

A

d: connecting rod
e: sliderf : swinging slider

Slow Acceleration(Long Duration; Low Amplitude Recovery)

4 5 6
3

-100
-200
0

2
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5
0.6
Time [s]

0.7

0.8

0.9

1.0

0.5
0.6
Time [s]

0.7

0.8

0.9

1.0

0.5
0.6
Time [s]

0.7

0.8

0.9

1.0

0.5
0.6
Time [s]

0.7

0.8

0.9

1.0

Acceleration [m/s2](a) 5 Hz
200
0
-200
-400
0

0.1

0.2

0.3

0.4

Acceleration [m/s2](b) 10 Hz
1000
0
-1000
-2000
0

0.1

0.2

0.3

0.4

Acceleration [m/s2](c) 20 Hz
5000
0
-5000

-10000
0

0.1

0.2

0.3

0.4

Vol.11, No.1, 2006

4.2 構成本システムは，偏加速度発生装置，制御用 PC(CPU: Pentium4, 1.5 GHz) お よ び モ ー タ ア ン プ(Maxon Motor 製 DEC50/5) によって構成されている．偏加速度発生装置のモータには Maxon Motor
製 EC45 Flat motor( 定格出力 30 W，重量 88 g，最大許容回転数 10,000 rpm) を使用した．モータの電源電圧は DC18 V とした．分銅，モータアンプ
を除いた偏加速度発生装置の重量は 230 g であり，筐体の大きさは幅 70 mm ×奥行き 200 mm ×高さ
48 mm である．
制御用 PC には D/A ボード (Interface 製 PCI-3521)が装備されており，出力レンジは 5.0 V，分解能は12 ビットである．D/A コンバータを用いて目標の回転周波数となるように電流制御によって偏加速度発生装置のモータを制御した．

B(d) 40 Hz

図 3 スライダの加速度変化とその動きの対応
Fig. 3 Correspondence of the acceleration graph and the
motion of slider e. Slider e slides backwards andforwards as crank b rotates. f oscillates around point A,
and causes the slide to turn about the same point.

偏加速度発生装置を固定台に両面テープで固定した状態で，レーザ型変位センサ ( キーエンス製
LK-G150) を用いてサンプリング周波数 2 kHz でス
ライダの位置データを計測し，ローパスフィルタ (7次バタワース ) をかけ高周波成分を除去した．な
お，カットオフ周波数は回転周波数 5 Hz および 10
Hz のとき 50 Hz，回転周波数 20 Hz のとき 100 Hz，
回転周波数 40 Hz のとき 150 Hz とした．この位置データの時間差分 ( 二階微分 ) によりスライダの加速度を求めた．装置の分銅の重量 mE は 20 g とした．
モータの回転周波数ごとの計測された加速度の時間変化を図 4 に示す．計測結果 ( 図 4 の実線 ) と理論値 ( 図 4 の点線 ) を比較すると，スライダとガイ
ドレールの摩擦項などの機械的なノイズおよび変位センサのノイズの影響が観察されたが，理論値の出力波形との相似性が確認された．しかし加速度の最大値は 5, 10, 20, 40 Hz において，それぞれ理論値の 54 %, 43 %, 43 %, 43 % 程度となった．この原因として，トルクが必要とされる区間におけるモータの回転速度の低下や，スライド支点 ( 図 3の f) の摩擦の影響が挙げられる．本手法では加速度の時間比に着目する点や，実験で用いたモータの回転周波数では加速度の最大値の減衰率が 10 Hz
以上では 43 % でほぼ一定であった点から，本稿では要求された機械特性は実現できたと言える．
5

知覚特性評価本手法は設計指針からこれまでの力覚ディスプ
レイと異なっているため，物理的な力の提示側だ雨宮・安藤・前田 : 知覚の非線形性を利用した非接地型力覚惹起手法の提案と評価

Acceleration [m/s2]

50
0
-50

-100

-150
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5
Time [s]

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Acceleration [m/s2](a) 5 Hz
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5
Time [s]から報告を受けている†．しかしながら，バーチャ
ルな力感覚を効果的に惹起させるパラメータについては未確認であった．そのため，力感覚の惹起に効果的な偏加速度発生装置の制御パラメータを以下の実験を通じて推定し，それを基に知覚特性評価を行う．
本実験では様々なモータの回転周波数条件における方向知覚の正答率を二肢選択法を用いて調べた．28 〜 31 歳の 4 名の被験者が本実験に参加した ( 男性 3 名 : IT，GK，TB と女性１名 : AM)．す
べての被験者は右利きであった．被験者 IT と GK
は予備実験 [3] に参加しており，被験者 AM と TB
Proposed Force Displays in Opposite Directions(b) 10 Hz
Acceleration [m/s2]

1000
500
0
-500

-1000

-1500

-2000
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5
Time [s]Case for Holding(c) 20 Hz

Headphone

Acceleration [m/s2]

2000

SliderEyemask

Linear Rail

Proposed Force Displays

0

-2000

Linear Rail

-4000

-6000

-8000
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5
0.6
Time [s]

0.7

0.8

0.9

1.0

(d) 40 Hz
図 4 加速度変化の実測値と理論値の比較
Fig. 4 Actual acceleration value of slider e vs. calculated value

backward
forward

けではなく，バーチャルな力を知覚するときに人間は「大きさ」と「方向」を受け取っているのかといった知覚−認識側を含めて検討していく必要がある．ここでは，このうち「方向」に関する知覚特性について偏加速度発生装置を用いて評価する．
5.1 実験 1: モータの回転周波数の知覚の影響
筆者らは予備実験 [3] において偏加速度発生装置を用いることでバーチャルな力を被験者が知覚できる知見を得ている．また，これまでの国内外の学会における対話発表，デモンストレーションを通じて，中空で偏加速度発生装置を把持した場合，往復する質量の可動軸を向けた方向に応じて全方
位に力覚が想起されることを 150 名以上の体験者

Ring Mouse

図 5 実験の様子
Fig. 5 View of experimnet† : 事前に偏加速度発生装置の説明を受けなかった体験者に装置を把持させ，最初に前方 ( 肘から掌の方向 )，次に持ち替
えて後方に提示した場合，どのように感じたかの問いに対して「明らかにある方向にぐっぐっと引っ張られて，手から落ちそうに感じる．ゆるく握った方が力を感じる．」「前方に引かれる感じの力を受けた．」「はじめ手を引かれる感じがした．
ひっくり返して持つと手が押される感じがした．」「自分の体に向かって押されるほうが明確に感じられた．引っ張られるというほど強くは無かった．」「引っ張られたり，押されているように感じた．」「連れていってもらうような感じがした．」などの報告を受け，バーチャルな力ベクトルが知覚されたことが確認された．一方で「震えている．逆に持ち替えてと言われたがあまり変化した印象は無かった．」「違いは無いように感じた」など知覚出来ないという感想も少数ながら得られた．事前に原理などの説明がなくても 10 Hz の回転周波数でおよそ 7 割の体験者はバーチャルな力ベクトルを想起することが可能であった．

Vol.11, No.1, 2006

日本バーチャルリアリティ学会論文誌

はナイーブな被験者であった．すべての被験者は本研究と関わりを持っていない．
図 5 に実験セットアップと実験の様子を示す．
被験者は偏加速度発生装置の前に座り，装置を自然に把持できるように椅子の高さを各自調節した．
床から装置までの高さは 1,000 mm であった．実験
装置には ABS 樹脂の箱が装着されており，被験者はその近い側の箱を利き手 ( この場合，右手 ) で把持した．把持の仕方は指先で上記の箱を包み込むように握る方法で，実験を通じて統一させた．被験者はアイマスクおよびアクティブノイズキャン
セラのヘッドフォンを着用し，視聴覚の手がかりをマスクされた．被験者の応答は利き手ではない側の手で握っているリングマウス ( シグマ APO シ
ステム販売社製 SGM-UK) のボタンで収集された．
実験中は被験者に正解のフィードバックは与えられなかった．
また，リンクの動きによって生じる，意図する方向の正逆方向以外に発生する加速度をキャンセルするため，実験装置はスライダとリニアレール( 日本トムソン社製 LWFF, レール長 400 mm) を用いて力覚提示方向を一軸のみに限定した．前方提示用および後方提示用にそれぞれ 1 台ずつ，計 2台の偏加速度発生装置をスライダの上下に固定した．2 台はそれぞれデジタル出力ボード (Interface
製 PCI-2702) によって提示する方向を切り替えられた．実験システムの構成を図 6 に示す．また，ス
ライダ e の質量には 20 g の分銅を用いた．
モータの回転周波数の値は 5, 10, 15, 20, 40 Hzの 5 水準を用いた．加速度の出力の極性および周波数の値はランダムに変化させ，各被験者ごとに500 試行 ( 各回転周波数条件あたり 100 試行，前方への提示に 50 試行，後方への提示に 50 試行 ) を行った．提示される順番は被験者ごとにランダムに変化させた．
被験者は知覚した方向が「前方 ( 肘から掌の方向 )」または「後方 ( 掌から肘の方向 )」のどちらかを把持しているリングマウスの左右のボタンを押して回答した．そのため，チャンスレベルは 50% である．ボタンが押されると対応した応答 「前」(「後ろ」「決定」) が合成音声 (IBM ProTalker) により再生された．被験者の回答を決定する「決定」
ボタンを押された 2 秒後に次の刺激が 2 秒間 1 回だけ提示された．振動順応と疲労の影響を考慮して，50 試行おきに 2 分間の休憩を入れた．
5.2 実験 1 の結果と考察
各被験者の正答率を図 7 に示す．横軸はモータの回転周波数，縦軸は正答率である．すべての被験者においてモータの回転周波数が 10 Hz のときが最も高い正答率であり，平均正答率は 96.5 % であった．また 40 Hz のとき最も低い正答率となり，ほぼチャンスレベルと等しい値となった．被験者の正答率が 100 % とならない要因として，(1) 実験
での刺激提示時間の影響，(2) リンクの挙動によって意図する方向と直交する方向に生じた外乱要素の影響，(3) 加速度プロファイルの影響の 3 点が挙げられる．(1) については実験では 2 秒間の提示としたが，提示時間が長くなるほど方向知覚の判断
材料が量的に増えるため，提示時間を長くすることで判断の確信度が上昇し，正答率の向上につながると考えられる．(2) については評価実験ではリニアスライダ上に固定することで意図する方向と直交する方向の力を遮断させることを試みたが，Computer

HID

USB
Ring Mouse
ButtonButtonButtonD/A Converter

DIO (Switcher)

Servoamplifier

ServoamplifierHall Sensors

Hall Sensors

Brushless DC Motor

Brushless DC Motor

Virtual Force Display(for pulling force)

Virtual Force Display(for pushing force)

図 6 実験システムの構成図
Fig. 6 System configuration of experiment

Correct Answer Rate [%]

CPU

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

*

**

**

**

* p<.05** p<.01

Subject AM
Subject IT
Subject GK
Subject TB
0

10

20

30

40

50

Rotational Frequency of Motor [Hz]Fig. 7図 7 各被験者の回転周波数に対する正答率
Percentage-correct scores v.s. rotational frequencies
of motor for subjects AM, IT, GK, and TB (close
circles, open circles, open triangles, and open
squares).

雨宮・安藤・前田 : 知覚の非線形性を利用した非接地型力覚惹起手法の提案と評価

完全に相殺させることはできなかった．完全に相殺させるためには，例えば逆位相にリンクが駆動する装置を加えた 2 台の構成に変え，相殺したい
力の発生する軸上に 2 台を並べて配置する方法が挙げられる．この構成を用いた予備実験において，
力覚がより明確に知覚されるという内観報告を得ている．また，(3) については加速度のプロファイ
ル波形を変化させると正答率に強く影響を及ぼす
ため，加速度プロファイルの最適化によって正答率はさらに 100 % に近づくと推測される．得られた正答率について，モータの回転周波数条件 5 水
準を要因とする 1 元配置分散分析を行った．その結果，モータの回転周波数の効果が有意となった(F(4,12) = 29.2, p<.01)．モータの回転周波数条件について，Scheffe の多重比較検定を行った結果，10
Hz が 15 Hz，20 Hz，40 Hz に対して有意水準 1% で，5 Hz に対して有意水準 5% で，それぞれ正答率に有意差が認められた．このことはモータの回転周
波数が 10 Hz のときが，非対称の偏加速度を 1 方向の力として知覚できる有効な周波数条件である
ことを示す．
被験者 AM，GK，TB は 10 Hz を超えると回転周波数の増加に伴って正答率がチャンスレベル付近
へ徐々に落ちていった．また被験者 IT については，
20 Hz が正答率の極大値となる以外の傾向は他の被験者とほぼ同様であると言える．さらにすべての被験者に対して，前後の提示方向に依らず 10 Hzのときが最も高い正答率となった．回転周波数が10 Hz を超える場合，時間的に近接する逆方向の復帰する力を筋紡錘が検出してしまうため，正答率が低下したと考えられる．
一方，皮膚の機械受容器において，マイスナー
小体 (FA-I) の反応を最大化させる振動周波数は 5Hz から 40 Hz であるとされる [18]．さらに Tabot
らはマイスナー小体はおよそ 30 Hz から 40 Hz が最も敏感であると報告している [19]．本実験では
5 Hz から 40 Hz の値を用いたことから，皮膚表面においてはバーチャルな力ベクトルを知覚する主な受容器はマイスナー小体であると言える．モー
タの回転周波数が 40 Hz のときでは皮膚表面に分布するマイスナー小体の反応が増大するため，単振動と偏加速度運動の区別が出来なくなると考えられる．これは同周波数で「振動のように感じる」という被験者の内観報告と一致する．
5.3 実験 2: モータの回転周波数と推力の大きさが知覚に与える影響
実験 1 ではスライダ e の質量を一定としたため，物理的に発生する推力がモータの回転周波数の自乗に比例して増加した†．これは計測された各周波数での加速度のピーク値 ( 図 4) からも確認できる．
そのため，モータの回転周波数が知覚において重要な役割を果たすことが示されたもの，実験 1 の結果だけではバーチャルな力ベクトルを知覚する
要因が偏加速度の周波数に起因するものなのか，
推力の大きさに起因するものかを結論付けることが出来ない．実験 2 ではこれらの要因のどちらが知覚において支配的かを調べる実験を行った．被験者は実験 1 から AM，IT，GK の 3 名が引き続き参加し，実験方法はスライダ e で発生する物理的な推力の大きさとモータの回転周波数の組み合わせを表 1 のように変更した．なお，推力の大きさ
はスライダ e の質量を変更することによって調整した．それ以外は前述の実験と同様の手続きであった．なお，表中の各列 (C1 〜 C4) はそれぞれスラ
イダ e での推力の大きさが等しい．また，C4 の推
力 は C3 の 4 倍，C3 は C2 の 4 倍，C2 は C1 の 4倍であった．
5.4 実験 2 の結果と考察
各被験者の正答率のモータの回転周波数と推力の大きさの関係を表 2 に示す．なお，表 2 中の背景が灰色の箇所は正答率の閾値である 75 % を越えたことを示す．
実験結果から，モータの回転周波数が増加するとスライダ e の質量 ( 推力の大きさ ) に依らず，正答率がチャンスレベルに近づくことがわかる．また，スライダ e 部での推力の大きさが等しい条件
内 (C2, C3, C4) でも，モータの回転周波数が増加す
ると正答率が減少することがわかった．このことからバーチャルな力の知覚は偏加速度の周波数がより支配的であることが示唆された．
表 1 スライダ質量とモータの回転周波数の組み合わせ
Table 1 Combination of rorational frequency of motor andmass of weights yielding equivalent force. Eachcolumn is combination of the same amplitude offorce.
モータの回転周波数 [Hz]
5
10
20
40

C1
20
5

推力の大きさ
C2
C3
80
20
80
5
20
5

C4

80
20

( 表中の単位は g)† : 本稿の実験装置で発生する物理的な推力 F はニュートンの法則により往復する質量 m とその加速度 α を用いて F=mαで表される．ここで α はモータの回転周波数 f の 2 乗に比例す
2
るため F∝f である．

Vol.11, No.1, 2006

C4

58
46

(d)

(e)

Point BC1
86
98

推力の大きさ
C2
C3
100
96
88
64
54
57

(c)

Linkage BC

モータの回転周波数 [Hz]
5
10
20
40

(b)

20
0
-20
-40

20
0
-20
-40

Point C

Subject AM(a)Acceleration [T -2 m/s2]

各被験者のモータの回転周波数と推力の大きさに対する正答率
Table 2 Percentage-correct scores comparing combinationsof frequency of acceleration change and force forsubjects AM, IT, and GK (top, middle, and bottom
row).

20
0
-20
-40

Linkage CD

表2

20
0
-20
-40

Point D日本バーチャルリアリティ学会論文誌

20
0
-20
-40

Subject IT
C1
78
79

推力の大きさ
C2
C3
89
98
82
60
81
55

C4

56
39

Subject GK
モータの回転周波数 [Hz]
5
10
20
40

C1
82
99

推力の大きさ
C2
C3
96
94
76
59
62
40

C4

52
40

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

( 表中の単位は %)5.5 リンクの並進運動成分の影響
本章の知覚評価実験ではリンク BC 及び CD の重量を 0 g とみなし，リンクの並進運動成分は無視した．しかしながら，プロトタイプにおけるリン
ク BC 及び CD の重量はそれぞれ 10.9 g，6.5 g であったため，特にスライダの質量が軽い場合にはその影響は無視できない．そのため，リンクの重量を考慮した場合についても考察する必要がある．
図 4 のリンク BC 及び CD のスライダの重心の並進運動方向の加速度変化を図 8 に示す．スライダ e( 点 D) の加速度の振幅と比較して図 8(b) は 39 %，
図 8(d) は 84 % 相当であると考えられる．また，ス
ライダおよび分銅固定部の重量は分銅以外に 7.8 gであった．これらのリンクの重量およびスライダ
固定部の重量を考慮した推力の大きさに対する実験 2 の被験者の平均正答率のグラフを図 9 に示す．
なお，グラフの横軸は推力の大きさの比率，エラー
バーは正答率の標準偏差をそれぞれ表す．図 9 から，推力の大きさの比率が 10 付近では 10 Hz の条
件では閾値上であるが，20 Hz の条件では閾値下であることがわかる．リンクの重量およびスライダ
固定部の重量を考慮した場合も偏加速度の周波数の方が支配的であることが示唆された．

図9
Fig.9

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3

Time [T s]

図 8 各リンクの並進運動成分の加速度
Acceleration on linkages when the motor in the force
display rotates at constant speed with cycle T [s].

Fig.8

Correct Answer Rate [%]モータの回転周波数 [Hz]
5
10
20
40

0

5Hz
10Hz
20Hz
40Hz

1

10
Ratio of Force Amplitude on Slider100

リンクおよびスライダ周辺部の重量を考慮した周波数と推力の大きさの正答率
Average percentage-correct scores v.s. amplitude offorce on slider considering weight of linkages andslider.

6

考察

6.1 バーチャルな力ベクトルの知覚
バーチャルな力ベクトルの知覚には推力の大き
さより偏加速度の周波数が支配的であることが実験結果から明らかになった．知覚に関与する感覚器については，被験者は腕が動く感覚が生じることを報告しており，筋紡錘や腱の反応が中心的であると考えられる．実験では，手腕の動きに対しては被験者が筋のスティフネスを高めることによってバーチャルな力ベクトルの感度を減少させる恐れがあったため，力強く固定させるような指示や手腕の挙動の制限に関する指示は行わなかった．筋のスティフネスを高めたときの感度の減衰率や把持する箱を被験者が動かした変位量の影響については今後検討していきたい．
一方，振動による伸張錯覚は 70-80 Hz で最も想

雨宮・安藤・前田 : 知覚の非線形性を利用した非接地型力覚惹起手法の提案と評価起され，10 Hz 付近で想起されないとされている[20]．本実験の偏加速度では，時間応答に換算すると偏加速度の時間比が 1:8 であるため，パルス状の加速度成分はおよそ 9 倍の周波数相当であると考えられる．つまり本実験のモータの回転周波数の最適値とされた 10 Hz は 90 Hz 相当の刺激とも考えられるため，本実験の結果では伸張錯覚の影
響を棄却することはできない．
また皮膚の機械受容器では，20 Hz 以上の回転周
波数での正答率がチャンスレベルに近づいたのは
当該周波数付近の振動知覚に反応する FA-I がバー
チャルな力ベクトルの知覚を妨げたと考えられる．
10 Hz 以下での回転周波数で正答率が高かったことから，局所的な圧迫や伸展に反応する SA-II がバー
チャルな力感覚の惹起の一部を担っている可能性がある．
6.2 力覚提示の多自由度化
本プロトタイプでは 5.2 節で述べたようにリンクの挙動によって意図する方向と直交する方向にも力が生じたが，逆位相にリンクが駆動する装置と組み合わせることで直交方向の力を相殺でき，効果的な力覚提示が可能となると考えられる．
現状のプロトタイプを用いて多自由度の力覚提示を実現する場合，上記の逆位相のプロトタイプの組を 2 セット，線形独立となるように配置することで実現可能となる．もしくは，逆位相のプロトタイプの 1 組と，パン方向の回転のためのステッ
ピングモータを組み合わせることでも実現可能である．いずれかの方法を用いれば，2 次元平面で任意の力ベクトルを合成できると考えられる．多自由度の力覚提示システムの一例を図 10 に示す．
Proposed Force Display

Motor Controller

Stepper Motor

図 10 力覚提示方向の多自由度化の例
Fig.10 Example of multi-DOF force display

6.3 本手法の制約
本手法は利用者によって知覚されるバーチャルな力ベクトルの大きさは異なるため，環境接地型の力覚提示装置でよく見られるバーチャルな物体に触れるような精細な力覚情報の再現などの用途には適していない．
また，本手法では人間の振る舞いに対する強制力となるような大きさの力覚は提示できない．しかしながら，提案する力覚提示装置を中空で把持した状態で能動的に腕を動かすと，パルス状の加速度成分によって生じる腕の位置や運動のずれを
自己受容感覚が検出し，腕が引き伸ばされたり，押し込まれたりするような感覚が確認できる．また本手法が想起させるバーチャルな力の主観的な大きさは被験者間で異なる．バーチャルな力の分解能については今後評価し，表現できる力感覚のバリエーションについても調べていきたい．
6.4 スケーラビリティの問題
本手法はモバイルおよびウェアラブル用途の力
覚提示手法として提案した．モバイルおよびウェ
アラブル用途では小型化は常に問題となる．本プ
ロトタイプがそのまま小型化された場合，加速度の大きさや往復重量に比例した推力の大きさは減少すると容易に予想される．しかし，実験結果ではスライダ e の質量が 5.0 g ( 並進 22.5 g 相当 ) であっても回転周波数が 10 Hz の場合では平均 92 % の正答率となり，方向の知覚が可能であることが判明した．偏加速度の周波数だけでなく，推力の大きさの知覚限界についても今後調べていきたい．
また，本稿では偏加速度を生成する一つの実現
例として，クランクスライダを利用した機構を提案，開発した．クランクスライダ機構では入力部のモータの回転速度を変化させることなく偏加速度が出力できるため，エネルギー効率が高い
点とモータ制御の容易な点が長所として挙げられる．一方で機構の強度設計や寸法には限界がある
ため，装置の小型化や力覚提示の多自由度化により適した機構の検討も必要である．
また，提案する手法では往復質量の可動軸と提示したい力の方向とを一致させる必要がある．本
実験では統制をとるため把持の方法を統一させたが，今後携帯端末の内部に偏加速度発生装置を軸が一致するように組み込むことが可能であれば，ピストルを構えるようにデバイスを把持する姿勢，
携帯端末のディスプレイを見るように把持する姿
勢，及び両手で携帯端末やゲーム機を操作するような姿勢でも，把持の方法に依らず本手法は利用可能であると考えられる．

Vol.11, No.1, 2006

日本バーチャルリアリティ学会論文誌

7

おわりに

付録

本稿では，触覚や固有感覚を利用し，非言語的な情報であるバーチャルな力ベクトルを知覚させる力触覚提示方法 Phantom-DRAWN を提案した．
また，周期運動内の加速度を変化させる実験装置を基に，偏加速度を知覚できる周波数の計測結果について報告を行った．心理物理実験の結果から，被験者に 1 自由度のバーチャルな力感覚を提示できることを確認した．また，そのバーチャルな力の知覚には偏加速度の周波数が 10 Hz 付近のときが最も適していることが示された．さらにその周波数が推力の大きさより支配的であることが示唆された．
関連研究として，モータの速度ムラを利用して力覚を提示しようとする GyroCubeStick[21] がある
が，速度ムラが力を知覚させる根拠や原理説明が全く存在せず，知覚に必要な周波数やデバイスの寸法・重量についても報告されていない．そのため，本手法との比較はできないが，本稿で提案した手

第 4 章の式 (5) は以下のようにして導出される．
図 11 において，クランクが等角速度運動をする
とき，点 O まわりの慣性モーメント J O は θ の二階
微分が 0 になるため無視できる．

法は [21] の知覚原理をも説明することが可能であり，本稿で得られた知見は同様に今後開発される
力覚インタフェースの設計指針および知覚の原理説明となると期待される．
今後の課題としては，力覚を提示できる自由度の向上，リンクの挙動によって提示したい方向以外に発生する加速度の対策，可搬性や装着性の最適な設計，知覚できる方向情報と大きさの分解能の評価が挙げられる．また本手法の応用例として
は，非接地方式で「手ごたえ」を利用することが有効なアプリケーション，たとえば本提案手法が組み込まれた携帯端末と，GPS などの位置取得シ
ステムや電子コンパスのような姿勢センサを組み合わせた力覚ナビゲーションなどが想定される．

る．

謝辞
デバイスの作成に御助言を頂いた川渕一郎氏に感謝の意を表する．
FB

Fpy

B
�
O

�

�

Fpx

E

A

JO

JA
mA
x Au

y
x

C

v
FCv

mE
xE
FCu

u

図 11 リンク機構の力およびモーメント
Fig. 11 Force and moment diagramD
mPx

J O��&& = � + rFB\ � = - rFB(9)

ただし，F B は接線方向の力である．リンク BC のu 軸方向における運動方程式は以下のように表される．
m A &x&Au = FB sin( � - � ) + FCu(10)

また，リンク BC の点 A まわりのモーメントは以下のように表される．
l
1
J A��&& = FB 1 cos(��� - � ) - FCv (1 - ) l1
�
�

(11)

J A は点 A まわりの慣性モーメントである．リンク
CD の x 軸方向の運動方程式は以下のように表されmE &x&Ex = - FPx - FCu cos � - FCv sin �(12)以上，式 (9)(10)(11)(12) を用いることで式 (5) は導
出される．
参考文献
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Haptics Conference 2005, pp. 633-634, 2005.

（2005 年 9 月 27 日受付）

［筆者紹介］
雨宮 智浩（正会員）
2002 年東京大学工学部機械情報工学科
卒業，2004 年同大学大学院情報理工学系研究科博士前期課程修了，同年日本
電信電話株式会社入社．現在 NTT コ
ミュニケーション科学基礎研究所にてウェアラブルインタフェース，人間の知覚特性を利用した力触覚の錯覚現象の解明，五感伝送に関する研究，障害者支援の研究に従事．2004 年日本 VR
学会学術奨励賞，2005 年日本 VR 学会
論文賞，ヒューマンインタフェースシ
ンポジウム 2005 優秀プレゼンテーショ
ン賞受賞．

安藤 英由樹 （正会員）

1998 年 愛知工業大学大学院 工 電気電子工 修士課程修了．1998 年 同大学課
程．1999 年 理化学研究所 BMC JRA 配属．2000 年豊橋技術科学大学情報工学系助手，2000 年 JST「協調と制御」
領域グループメンバーとして東大情報学環研究員を経て現在 NTT コミュニケーション科学基礎研究所 リサーチア
ソシエイト．生体工学，人間の知覚特性に基づく（錯覚，錯触を利用した）ヒューマンインタフェースなどの研究に従事．2004 年 SICE SI 部門 奨励賞，2005 年日本機械学会ロボメック賞受賞．博士（情報理工学）

前田 太郎

（正会員）
1987 年 東 大・ 工・ 計 数 工 卒． 工 博．
同年通産省工業技術院機械技術研究所．1992 年 東 大 先 端 科 学 技 術 研 究センター助手，1994 年 同大大学院・
工 助 手，1997 年 同 大 大 学 院・ 工 講
師，2000 年 同大大学院情報学環講師．
2002 年 NTT コミュニケーション科学
基礎研究所主幹研究員．人間の知覚特性・神経回路のモデル化，テレイグジ
スタンスの研究に従事．計測自動制御
学会論文賞，学術奨励賞，日本ロボット学会技術賞受賞．