「インタラクション，97」 平成9年2月

高位頚髄損傷者用ペン型ポインティングデバイスの開発
伊藤英一

大橋正洋

神奈川県総合リハビリテーションセンター リハエ学研究室〒243−01神奈川県厚木市七沢516番地
e−ito＠sfC．keio．・aC．jp

頚髄損傷による四肢麻嘩者は運動機能のみならず、上肢の感覚機能にも障害を有する○そのため、高い巧敵性を必要とするマウス操作が困難となる場合が多い0このような場合、感覚のない手指やスティックによりポイ．ンティング操作をおこなうためマウス代替装置を利用する0
しかし、キーボードや押しボタンスイッチによるマウス代替装置では失われた感覚機能を視覚により代替することが必要となるため、マウスポインタに集中するべき視線を頻繁にキーボードへ移動させてしまう。そこで、キーボードなどによる選択や押替えの必要な方法ではなく、上肢の位置に影響されず、粗大な運動によって二次元の方向を示すことが可能なべン型ポインティングデバイスを試作し、2名の障害者による評価実験を行った。その結果、キーボードによるマウス代替装置やトラックボールに比べて視線移動の低減が認められた。

DeveIopmentofapen−tyPePOintingdevice
forhigh−IeveIquadripleglahandic畠PPedpeopJe

Eiichi＝to■Masahir0 0hashi

Rehabilitation Englneering Depar亡men亡．Kanagawa Rehabilitation−Center516・Nanasawa，Atsugl，Kanagawa243一一01JÅpAⅣ

Quadripregics cannnot operaヒe a mouse because of paralyzed harld smotor and sensory funcヒion．When 亡hey use mouse emula亡OrS by keyboard
OPeration or swiヒCh operation，theY have to move own eye gaze fromヒhedisplay ヒO the keyboard quite frequenヒIy．We deve10Ped a pen−ヒype− pointing device ヒhatis noヒinfluenced by position of the upperlirhb
and can operate wiヒhlimiヒed motor function．This pen−tyPe POinthing
devicelcan reduce excessive eye gaze movement than key−tyPe mOuSeemulaヒOr and しrackball，When quadripleglCS are aCCessing ヒhe comptit−
erS．

−119−

1．はじめに「人にやさしい」を掲げたマルチメディア

環境も、コンピュータアクセスに際して様々な装置や工夫が必要となる身体障害者には障壁となる場面も多い。また、コン

ピュータを利用することで会話や書字の代替などコミュニケーション補助l）・2）や就労への可能性も高まるため、コンピュータイン
タフェースにおける身体障害者への配慮3）
図1．スティックによるキーボード操作も検討され始めた。
GUI（GraphicalUserInterface）の普及によンティングデバイスの操作が必須となってり、手指と手首は動かず、肘関節の屈曲は可能であるが伸展は難しい。また、感覚においても手先部に重い麻痔があり、触覚や位置覚などはほとんど無い。このような場合、装いる。このため、上鹿に高い巧敵性を必要とするマウス操作を、大まかな運動や単純な具によりスティックを手先部（掌）に固定（図1参照）することで、キーボー下などのスイッチにて代替する入力装置4）−11）が開発打鍵は可能と・なる。これは、標準キーボードされている。上肢止も重い障害を持づ四肢麻痔者の場合、彼らのコンピュータアクセのキー間隔が前後左右共に20mm程度と位置精度が粗いことと、麻痔に−より不可能とス環境は多様な身体機能により個人差がかなったタッチタイピングを、視覚により打なり大きい。ぞのため、これらの代替入力装置の多くは限られた身体機能によりマウス鍵時の手先部位置を補正できることが理由

り、コンピュータアクセスにはキーボード操作に追加して、マウスに代表されるポイである。

操作を代替することにのみ注目←、開発さしかし、このような打鍵操作のみでは通れたものであった。

常の今回、頚髄損傷による四肢麻痔者のコンピュータ操作においてス操作とはマウス本体の移動により、ディスプレイ画面上に呈示されるマウスカーソ労の軽減にも注目し、コンピュータ操作時ルを確認しながら任意の位置（ターゲット） ヽまで移動させることである。つまり、マウスの大きな視線移動を減少させる目的で新しいポインティングデバイスの試作を行った。

操作には上肢の触覚や位置覚などの深部感覚を駆使し、机という二次元平面に拘束された空間での滑らかな連動制御を必要とする。そのため、上肢に麻痔のある障害者には操作困難な場合カざ多い5）。しかも、最も一般

2．研究の背景
頚髄損傷による四肢麻痔者（以下、頚損者）は、−その残存する髄節レベルに応じた上肢の運動および知覚に麻痔を有する。例えば、事故などが原因となり頚部に過大な力的な機械式マウスの場合、上下左右の移動に加えて、マウス自身に原点があることかが加わった場合、頚椎骨折による出血や過ら常に一方向（前方）へ向けたまま移動させ伸展により頚髄を損傷する。機能レベルC6る必要がある。そのため、マウス本体を一方と呼ばれている第6頚髄節までが健常な場

向に直線移動させている時であっても本体合、肩関節＜肘関節＜手関節＜手指の順に運動、および感覚の麻痔が重くなる。つまを旋回させてしまうとマウスカーソルは移動方向が変化し、意図した直線にはならな−120−

図3．押しボタンによるマウスエミュレータ

図2．マウスの傾きとマウスカーソルの動き

い。（図2参照）
さらに、通常マウス操作は上肢で本体を操作し、それに応じて移動するディスプレ
イ上のマウスカーソルを目で追いながら、さらに位置を修正するため本体を操作する。
つまり、視覚フィードバックⅠごよりマウスカーソルとターゲットとの位置を短縮させている。そのため、同期を必要とする視覚により上肢の運動や位置覚（深部感覚）を代替

図4．ポインティング時の視線移動することは操作性を大きく低減させる。しかも、分解能は200〜400count／inchと細か
く、キーボード打鍵時における位置の分解distanCe）はマウスやトラックボールなどに能と比べて高い精度が要求され、上下左右比べて長・くなるため、操作がもどかしく感の二次元における位置覚を視覚により代替

じる13），14）。

距離のうち、形状的距離（articulatoryするのは困難である。
そのため、指やスティックなどによる打ウス痍作の代替には、上肢感覚を代行する

鍵操作でマウス操作を代替するマウスエ目的での視覚フィードバックを用いず、直ミュレータ勺，5）・lq（図3参照）やマウスキー

接感の高いポインティングデバイスが必要（MouseKeys）l勾が開発されている。これらを用いることにより、大まかな運動である打となる。既存のものでは、頭部に起音波や赤疲労の低減や操作性の向上を考慮したマ外線発信素子を装着し、頚部の運動を検出

鍵操作のみで4方向もしくは8方向ヘマウスカーソルを移動させることができる。しすることによりポインティングをおこなう
ヘッドポインティングシステムl句がある。

しかしながら、こ叫らは阜曙に残存機能

かし罰一鍵操作に．よるポイ．ンティング操作の場合には、マウスカーソルの移動方向をが全くない場合には有効であるが、固定さ変更する毎に、ディスプレイ画面上から方れたディスプレイを凝視しながら頚部を細向キーへ、視線を大きく移動させる必要がかく旋回する必要があるたや、頚部と眼球ある。そのため、これらのマウスエミュレ一夕では視線移動（図4参照）が頻繁に発生すへの負担が大きい。また、今回対象としていろような上肢にある。−さらに、インタラクションにおける実行場合には操作性の点においても自由度の高と評価の淵13）における意味的距離と形状的い運動機能を選択するべきであろう。

−121−

3．ペン型ポインティングデバイス

健常者の場合、肘関節伸展状態でマウスを操作した場合、つまり肩関節による手先部のコントロールは精度が低い16）。また、マウスやペンのポインティングで操作性や正確さは手首の回転運動が因子となっているとの報告叩，柑）もある。今回村象としている

C6レベルの頚損者は肩関節と肘関節の一部
図5．ペンの押し込みによるクリック操作にしか運動機能も感覚機能も残存していない。つまり、通常のポインティングデバイス

ンプなどの不要な小型軽量の感庄抵抗体素に求められている上肢の巧赦な動き子（FSR）を用いたパーサポイントマイクロ

いるのではなく、限られた大まかな運動をモダリティ変換によって解決する必要がある。さらに、視覚フィードバックに頼らないポインティング操作、つまり上肢の絶対位ジョイスティック（インターリンク社製）を加工した。これはノートパソコンのポインティングデバイス（例えば、IBM社MadのTrackPointなど）として利用されているも置に影響されない手段が求められている。のである。ただし、今回利用したものは指先での利用を目的としたTrackPointとは異な上肢の大まかな動きで、絶対位置にも影響されないボインテ大きさとその加えられた方向を、上肢の位り、加えられた力に対して線型なカーソル移動特性を持つものである。また、ステイ？

置に依存しない方法で検出できればマウス

クを軸方向に押し込むことによりクリックの代替手段と成り得ると予測される。

操作（左クリックのみ）となる機能（図5参

そこで、キーボード打鍵に使うスティッ照）を付加した。

ク（図1）の先端に前後左右4方向のせん断力を検出するセンサーを設け、上肢の粗大

4．評価実験
ペン型ポインティングデバイスの開発目な運動のみによるポインティングデバイスを試作した。このせん断力から力の向きと的である視線移動の低減について、ポイン大きさを算出し、それに応じたマウスカーティングと文字入力との複合作業による課ソルの移動方向と移動速度に変換す．る。

題を設定し、押しボタン式マウスとトラッ

吏イツタ自身考ポインティングデバイスとクボールとの比較実験を行った。

することを竿より、机上に限らずステイツア

4．1被験者
被験者は、パソコン歴3年程度の頚損者A（C6、身性26歳）と同B（C6＼男性46歳）．、先端に力を架けることでマウスカーソルが移動するものである。システムとしてはス

日常的にパソコンを利用している健常者Cティック先端のせん断力を検出するセンサー部と、その倍号をマウスカ∵フルの移（男性36歳）の3名である。被験者A、Bしの動方向と準度に変準し、マウス信号を生成

2名はスティック付き装具によりキーボーするプロセッサ部とで構成される。

ド打鍵が可能であり、ポインティングデバ

一般的にせん断力などのモーメントを計測するには歪みゲージを利用した方法が用いられる。しかし、ここで検由するべきせん

車いすを利用しており、日常生活の多くの断力に高精度は不要であり・、高価な歪みア場面で介助が必要となる。

イスとしてはトラックボールを使用している。屋内移動は手動車いすを、屋外では電動−122一

［コmovetokeyboard

ペン型ポインティングデ−・0−WOrkingtime（sec．）

バイス、トラックボール、凶movetopQintingdevice

押しボタン式マウス（マウ罰6∝） 120

スエミュレータ）の順によ

140∽003（氾6040

5200′080008000

4∝〉001∝）4601（氾2030

PentyPe traCkballstepkeys

り同一課題を遂行させ、課題遂行時間の計測と視線移動の計数、操作状況の調査のためにビデオ撮影を行った。

4．3 実験環境
パソコンは一体型PCAT機（IBMPS／55z）、アプリ

l20subject BSubjectA

つー400

PentyPe traCkballstepkeys︵．〇ひS︶①∈ミど富○き00

50000

1∪￠∈讐○∈①Nd■ごOSlu⊃8407（氾ケーションソフトは被験者

図6．頚損被験者A、Bの視線移動回数と課題遂行時間

A、Bが使い慣れている
ワープロソフト（一太郎）

ロmovetokeyboard−0−WOrkingtime（SeC．）

竃movetopointingdevice

バは標準のものを初期状態定はしない）で使用した。

OO0OOO

O0O07

O04′0

つん50︵d￠S︶0∈ミど茎○き︵U（ゲイtンや加速度などの設O

O0

被験者は坐位にてパソコンと対面し、キーボードと押しボタン式マウス、トラックボールの設置位置は被験者の操作しやすい位置とし40た。被験者A、Bはペン型

300

lu①∈讐○∈①N亀−OSlu⊃8︵U0

ポインティングデバイスのつん′0

PentyPe traCkballstepkeysを利用した。マウスドライ

4＄ubjectC

つム

利用が未経験であったた
め、事前に2時間程度の操図7．被験者Cの視線移動国数と課題遂行時間作訓練を行った。

4．2 実験課題
課題ほあらかじめ用意しておいたテキス

5．実験結果
ペン型ボインティニングデバイス（ペント文章を指示書（A4サイズ、1435文字／頁、1政）：1に従いワープロで修正するという枚型）、トラ心クボール（ボ∴ル式）、押しボタ正作尭である。校正箇所は1−5箇所（削陵10文字、挿入1ち文字）であり、赤鉛筆で指ン式マウスー（ボタン式）わ3種類のボインティンデバイスにおける視線穆動の頻度を、文字入力のためのキーボーードへの移動と、ポインティングのためのポインティングデ示されている。ポインティングと文字入力の複合作業を遂行させるために、通常は矢印キーでカーソルを移動させる場面においてもポイシティングデバイスを使用するこバイスへの移動に分けて計数した。ととした。の視線移動回数と課題連行時間である。A、

図6は頚損者の被験者A、Bのそれぞれ−123−B共にキーボードへの視線移動回数はペン型＞ボール式＞ボタン式と実験した順に減少している。しかしながら、ポインティングデバイスへの視線移動回数はペン型＜ボール式＜ボタン式と実験した順に増加している。課題遂行時間はボール式が最も短時間で完了している。このように頚損者の2例は共に同じような傾向を示している。

図7のグラフは健常者の被験者Cである。
図8．ペン型ポインティングデバイスによるキーボードへの視線移動回数は全て20回弱ポインティング操作程度と一定である。ポインティングデバイ

スへの視線移動はボール式＜ペン型＜ボタン式と増加しており、課題遂行時間も同様にボール式＜ペン型＜ボタン式と増加している。

6．・考察
トラックボール、才甲しボタン式マウスとの比較実験では、頚損者の被験者A、B共にペン型ポインティングデバイスを利用した課題でポインティングデバイスヘの視線移

図9．ペン型ポインティングデバイスによる動（図8参照）が減少している。キーボード

キーボード操作への視線移動（図9参照）は文字を入力するための代替手段であり、ペン型＞ボール式

移動についそ、習熟により視覚フィード＞ボタン式と減少七ているのは、ポインバックを利用しなくなる19）との報告がある。

ティングデバイスによる影響というよりはしかし、みの状況であり、キーボードとの複合作業で古ま上肢ゐ可動範囲が広がり、わずかな感課題に対する文字入力の学習効果が表れているものと考えられる。被験者A、B共た課題遂行時間の最も短かったトラックボール

覚機能と習熟だけでは代償できないのではは、日常的に利用しているものであり習熟ないかと考える。
健常者の被験者Cの場合、習熟度の高い度が高い事の影響と考えられる。しかしながら作業を観察してみると、ボール上にス

トラックボールではポインティングデバイ

ティックや掌を接触したまま回転できる狭が、大きな動きや速い動きの場面では掌のスへの視線移動が全く無く、しかも課題遂行時間が最も短い。タッチタイピングが不完全であるため、文字入力においてキー位置がボールから離れてしまい、位置を修ボードへの視線移動が生じている。キー正することが原因となり視線移動が生じてボードヘのアクセスは基本的に両上肢で打いる。

鍵しているたぬ、ポインティング毎に右上い範囲であれば視線移動は発生していない

また、トラックボールと若干異なるが頸肢をホームポジションから外し、ポイン損者のジョイスティック操作における視点ティングデバイスに移動する。

−124−

視線移動を軽減し、操作性が向上する効果的なポインティングデバイスのひとつであることが明らかになった。

7．まとめ
機能レベルC6の頚損者がキーボード操作を行う際に利用するスティックを用いて、ポインティングをも可能にするペン型ポインティングデバイスを考案・試作し、評価実験を行った。これは、ポインティング操作時

図10．ペン型ポインティングデバイスの装着の上肢の機能障害を視覚により補うために起こる視線移動を低減させることにより、パソコン操作時の疲労軽減と操作効率の向ペン型ポインティングデバイスは機構上、本体に座標軸が存在するため、利用の際には定められた方向で把持する必要がある。

上を目指したものである。
評価実験により、（1）マウスやトラック

そのため、被験者Cではキーボード操作からポインティング操作へ作業が移行する段

ボールなどのポインティングデバイスと等階において、把持動作と振り位置の確認の価な自由度があり、視線移動が低減されるための視線移動が生じている。しかし、頚損者の被験者A、Bにおいては作業開始時にこと、（2）キーボートとの複合作業においてもイ乍業の中断などが無いことが確認された。

べン型ポインティングデバイスを装具へ固また、クリックボタンの機能をペンの押し定してしまう（図10参照）ため、振り替え込みにより可能としたことから、ポインなどの必要が無く視線移動は少ない。

ティング操作時、およびポインティング操作からクリック操作へ、またはその道におペン型ポインティングデバイスの利用により視線移動は減少したが、頚損者の被験いて、操作姿位の変化はほとんど無く頚損者Bにおいて上肢運動機能の非対象性によ者には適していることが認められた。
また、このペン型ポインティングデバイ

り特定方向における操作の遅れが認められた。これは頚損者固有の肘関節の屈曲方向

スの一般への応用としては手書き文字入力と伸展方向における筋力の差によるものでなども考えられ、多方面からのアドバイスあり、方向毎の感度調整機能を設けることを頂ければ幸いである。
今後は、ペン型ポインティングデバイスで解消できると考えられる。の操作を習熟した場合の評価、およびト

また、今回はポインティングデバイスの機能に必須のクリック操作として、スラックボールなどに慣れていないユーザーティックを軸方向に押し込む＿1種類の操作における実験を行っていく予定である。

で代替した。通常クリック操作は2つ以上のボタンを用意しているが、今回のように謝辞 日頃から適切なアドバイスを、また1種類の操作であっても、一般的なアプリケーションソフトでは特に支障無く利用可

本論文作成にあたりご指導を頂いた慶応義能であった。

感謝いたします。さらに実験にご協力頂い塾大学環境情報学部の安相通晃教授に深くた被験者の方々に感謝いたします。

以上より、ペン先のせん断力を検出する
ペン型ポインティングデバイスは頚損者の−125−10）伊藤英一、藤井直人、蘭藤全孝、沖川悦

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