情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

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2018/3/5

ソフトクリーム製作をモチーフとした手の回旋運動を評価するモーショントラッキングシステム
岡隼矢†	  近藤百佳†	  溝上大輝†	  榎芳樹†	  坂井達也†
菅野谷知佳††	  松下宗一郎†
概要：手によって保持した物体を回転させることで何かを製作する作業は，三角錐状のコーンに柔らかなアイスクリームを積み込むソフトクリームの製作や，フライパンによる加熱調理等にて散見される．実施者の手の回旋運動が主体となるこれらの作業では見た目以上に精緻な技量が必要であり，その習得には長い時間を要することが少なくない．そこで本研究では小型軽量な６軸ワイヤレスモーショントラッキングデバイスにより製作の対象となる物体に生じる力を計測することで，手を用いた回旋運動のトレーニングを手軽に行えるシステムの検討を行った．

A Motion Tracking System that Tells How TerriblyYour Soft-served Ice Cream Would Be Collapsed
SHUNYA OKA† MOMOKA KONDO† DAIKI MIZOKAMI†YOSHIKI ENOKI† TATSUYA SAKAI†CHIKA SUGANOYA††	  SOICHIRO MATSUSHITA†
Abstract: We have investigated a motion tracking device to evaluate how the user is applying excessive force onto a hand-heldobject such as a cone for a soft-served ice cream and a cooking frying pan. A 6-axis wireless motion tracking device was used toevaluate the excessive force to spill something in the hand-held object. We have found that a summation of the peak linear
acceleration and the peak tilt-induced acceleration toward the outside the object would be useful to expect the finished goods.

1. は じ め にのうち地磁気センサについては周囲環境の影響が無視できず，運動の評価に必要な精度を確保することが困難となる	  人間が行う動きには様々な動作があるが，この中には一可能性がある[1]．一方，加速度センサと角速度センサのみ

見簡単そうに考えられているものの，実際には高い技量がを用いたモーショントラッキングシステムでは，物体の水求められるものがある. 例えば，サーバーに蓄積されたア平面内での方位角を計測する必要がないのであれば，１分イスクリームを三角錐状のコーンに注ぎ込むソフトクリー間以内といった短時間では空間内での姿勢角変化を正確にム製作の動作では，メーカーの参考写真のような仕上がり計測できることが報告されている[2]．とすることは一般に困難である．また，フライパンによる	  そこで，本研究ではソフトクリームの製作技量をモチー炒め物の調理では，素材に適切な熱量を与えられるようなフとし，利用者が手で保持するコーンに見立てた小型軽量

技量の習熟には長い年月が必要となることが知られている．

なワイヤレスモーショントラッキングデバイスにより，い	  このような困難が生じる原因としては，操作者が感じるつでもどこでも手軽かつ高い精度にて手の回旋運動のトレ手の感触と，実際に動いている対象物の状態に差異があるーニングを行うことのできるシステムの検討を行った．

ことが考えられる．そこで，対象物の運動を正確に捉えるモーショントラッキングの技術を用いた研究開発が様々な応用分野において進められている．ここで，物体の運動を計測する手法としては，カメラによる光学式システムが一般に用いられているが，設置場所や設置に伴う時間的なコスト等の問題から，いつでもどこでも手軽に用いられるに至っていない．また，対象物に取り付けたデバイスのみにて運動を推定するモーションセンサによる手法では，多くの場合，加速度，角速度ならびに地磁気の３種類のセンサを用いて姿勢角度の高精度な推定を行っているが，これら† 東京工科大学コンピュータサイエンス学部
School of Computer Science, Tokyo University of Technology†† 東京工科大学大学院コンピュータサイエンス専攻
Graduate School of Computer Science, Tokyo University of Technology© 2018 Information Processing Society of Japan

図 1	  液体物を用いた外力推定実験の様子
Figure 1	  External force estimation using liquid material347

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2. 回 旋 運 動 に よ っ て 生 じ た 外 力 の 推 定 手 法	  ソフトクリームや炒め物といった時間とともに動的に変形する物体に印加される力を推定することは容易ではない．
そこで，操作者の手に保持した物体に生じた外力を簡易的に評価する方法として，図 1 に示すような飲料用ペットボトル(500ml)並びに液体物を用いることで，外力が作用している程度を制御することを考えた．ここでは，ペットボトルの側面に液体の水位を表す基準線を等間隔にて描いており，液体物が特定の基準線に接するように制御することで，同程度の外力が作用した状態を比較的容易に再現することができる．運動計測を行うデバイスは３軸加速度センサ（4G, 1G = 9.8m/s2），３軸角速度センサ（1000dps），16 ビット小型マイクロコントローラ，並びに 2.4GHz 帯ワイヤ度の計測結果を示したものである．ここで，最上段ではペットボトルを傾斜させることで生じた重力起因の外力を，中段は水平面内における合成リニア加速度の大きさを，また最下段はこれらを足し合わせた総合的な加速度の大きさを示している．この結果，総合的な加速度の大きさのピー
ク位置と，液体物の液面上昇量との間に再現性ならびに強い相関が認められることが分かった．そこで，3 名の被験者（20 歳代，男性 2 名:S1, S3，女性 1 名:S2）について，almostflat (FLAT)，intentionally tilted (TILT)の２通りの方法にて液面上昇位置を指定された数値に制御する操作を行ってもらった．図 3 は液面の到達位置と総合的な加速度のピーク値との関係を示したものであり，両者の間には R=0.862 といった強い相関係数を示す関係が認められた．

レスデータ通信モジュールにて構成されており，デバイスの内部にて姿勢角のトラッキングに加え，加速度から重力を引き去ったリニア加速度の計算を行っている．また，ソフトクリーム製作における回旋運動中心は，水平面内にてコーンが描く円周上軌道の中心にあると仮定し，モーションセンサをペットボトルの中心軸上に設置することで遠心力の大きさを近似的に推定することを考えた．

図 3	  液面の上昇位置と総合加速度ピーク値との関係
Figure 3

Maximum water level and peak resultant acceleration

3. 結 論 お よ び 今 後 の 展 望	  本研究では操作者が手で保持している物体に生じる外力が，物体の傾斜角に起因する重力性の力と，遠心力等による運動起因の力の和によって推定できる可能性を示した．
そこで，今後はソフトクリーム製作といった具体的な場面をモチーフとし，技量トレーニングにおける本研究による手法の有効性を検証して行きたいと考えている．また，モーショントラッキングデバイスが簡便に利用できる特性を生かし，手の運動技巧の向上を日常生活の中で楽しみながら継続的に行っていけるシステムの実現を目指したい．
図 2	  液 面 到 達 位 置 に 対 す る 運 動 パ ラ メ ー タ の 挙 動Figure 2

Acceleration signals and water level of the liquid	  図 2 はペットボトルを手にて保持した状態にて，水平面内で回転させることによる遠心力にて液面を上昇させる方法（almost flat）と，ペットボトルを地面に向かって傾けた状態にて回転させることで，重力と遠心力とを併せた外力にて液面を上昇させた時（intentionally tilted）における加速© 2018 Information Processing Society of Japan

参考文献
[1]

Ren H., Kazanzides P. : Investigation of Attitude Tracking Using
an Integrated Inertial and Magnetic Navigation System for
Hand-Held Surgical Instruments , IEEE Trans. Mechatronics Eng.,
Vol. 17, No. 2, pp.210-217 (2012).
[2] 松下，菅野谷，甲斐、鹿野：手首装着型モーショントラッキ
ング機器による精密作業評価，日本コンピュータ外科学会誌
Vol. 18, No. 4, pp.239-240 (2016).

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