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Japan Society for Fuzzy Theory and intelligent informatics
NII-Electronic Library Service
Japan
Sooiety
for
Fuzzy
Theory
and
intelligent informatios
76 知 能 と 情 報 （日本知能情報ファジィ学会誌）Vol．17，
N。．2，
pp ．212−22「（
2005）
11111HllllllHllllllMllllllillllll
原著論文
11illllllllllllllllllllllllllllllllll
保持型ロボティック
ユーザ イ ンタフェース の 研究†
清水紀 芳 ＊1・小泉 直也＊1・杉 本 麻樹 ＊1・新 居 英明＊1・
関ロ大陸＊2・稲見昌彦 ＊1＊3
従 来 ロボットは製造業等の現場において人の身代わりと して何 ら か の作 業 を 行 うという目的で研究が進め ら
れていた．これに対 し UI と し てロボットを 用 いる 概 念 がRUI −Robotic
User
Interface
一
と して 提 案 さ れ て い
る．本研 究 で は RUI を使 用し た ，身体 性 を持 った保持型の力覚 提 示 装置 を提 案 す る ．ま た ，
RUI を通 して情報
世 界 とインタラクシ ョンするためのシステムの試験的な実装を行った．
キーワード： ロ ボ テ ィックユーザ イ ンタフェース，触 覚提 示，エンタ テ インメント，バー
チャルリア リ テ ィ
1．序 論
現在，パーソナル・
コンピュータではグラフィカル
ユーザインタフェース（GUD が広 く用 いられ ている．そ
れに対 し近 年 で は ，
GUI とは異なる新たな形のインタ
フェースと し て，我々人間が生 活 している 実 世 界 の メ
リット を 生 か し つ つ 情報世界とシームレスに接続する
こと を 目指 し た ，実世 界指 向のインタフェースが活 発
に 研 究されている［
1］匸
2］
．
一方ロボットは，作業の効率化やオート
メーション
化を狙った 産 業用ロボットや ，人にとって過酷で危 険
な 環 境 下 に お いてなん ら か の作業 を行わ せ る 極限環境
ロボット といった よ う に，「
人の代わ り」と して 何 ら か
の作 業 を 行 う という目的 で 研 究 が 進 め ら れ て き た ．し
かし近 年，ロボットが人にとって身近 な ものとな り，
ペットロボットや ヒューマノイ ド，介 護 ロボットとい
った よ うに，「
人に働きかける」
こ と を目的 とした人間
共存型のロボット
が登 場 している．
このロボットは身体性を有す るコンピュータ で ある
ととら え ることが で き る ［
3］．
この身体の物理存在 自体
が圧倒的な存在感 と な ると と もに，身体 を 用 いた物理
的相互作用 を 通 し，実世界に対し人きな影響力を発揮
することが で きる．こ の ロボットを ，実世界と情 報 世
†
Teddy b巳ar −like Robotic User Interface
Noriyoshi SHIMIZU ，
Naoya KOIZUMI ，
Maki
SUGIMOTO ，
Hideaki
NII，
Dairoku SEKIGUCHI ，
Masahi ・
ko INAMI
＊1電気 通信大学大学 院 電 気 通信 学 研究科知 能 機械工学専 攻
Graduate S⊂hool
of
The University
of Electro
−
Cornmuni・
cations
＊2東京 大 学 大 学 院 情 報 理 工 学系 研 究 科
School
of lnformation
Science
and Technology，
The
University
of Tokyo
＊3科学技 術振興機構 さきがけ
Japan
Science
and Technology Agency
界 と のインタフェースと し て と ら えた概念がロボ テ ィ
ックユーザインタフェース（
RUI ）
と して 提案されている
［
4］
．RUI を 用 いることによ り，実世界に対 しての入 力
と出力を兼ね備えた実1U堺 指 向のユーザインタフェー
ス環 境 を構 築 でき る と考 え ら れ ている．
ま たRUI は，ヒューマノイ ド （人 型ロボット〉 を利
用 し たインタフェース，直感 的なインタ ラ ク シ ョンデ
ザイン，身 体 性 を有 し た 提示装 置 ，といった3つの点
に関して新規性 を有す る。
・
ヒューマノイ ドを 利 用 した イ ンタフヱース
従来の ヒ ューマノイドは 数十cm から人と同等サイズ
といった ものであ り，自律 ，他律で動作を行 わ せるた
めのもので あ った．これ に 対 し RUI は，ヒューマノイ
ド を 人 と同 様 の身 体 性 を持 った イ ンタフェースと し て
利 用する．操 作者は ヒ ューマノ イ ド を 手 で 持ちなが ら ，
ヒューマノイ ド
の手足等を 動 かして入 力 を 行 い，そ れ
と同時 にヒューマノイ ド自 体 の動作 から出 力 を 得 る．
よってRUI に用いるヒューマノイ ドは ，人の手で持つ
こと が できるサ イズであ り ，入の手で楽に操作が可能
であ る バックドライバピリティを有 す る 必 要がある．
こ の よ うな UI と して使用する 目 的で設 計 さ れ る ヒュー
マノ イ ド 自 体，新規性を有するものと 言 え る ．
・
直感的なインタ ラ クションデザ イ ン
人が情報世界と イ ンタラクシ ョンを行 う際の入 力 方
法 は 大 き く分 け て二種 類 あ る ．まず，格闘ゲームやロ
ールブレイング ゲ ーム等に 見 ら れ る よ うな，情報世界
内のアバタをジョイスティック や ジ ョイパッド等を 用
いて操 作 し，アバタを通 し て間 接 的 に入力 を 行 う 方 法 ，
もう一つはEyeToyTM ［
5］
に 見 ら れ る よ う な ，人の身体
動 作 を 用 いて直接的に入 力 を 行 う 方 法 であ る．入に対
しての出 丿J方 法 と しては，直接人の視 覚 ・
聴 覚 に 訴 え
かけ る ものが主であ る．また，フォースフィード
バッ
212 VOI．1アNQ ．2
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保持型 ロボ テ ィックユー
ザインタ7エースの研究77
クと呼ばれ る触覚 に対 す る出力は，エンタテイン メ ン
ト分 野 においては ジョイスティックの振動や抵抗感 と
いった提示し か 実現されて お らず，rv
za が日常作業 で
手 が かりとしている触覚 情報 と は 遙 かにか け 離れてい
た．こ れ に 対 し RUI では，情報世 界に存 在 す る入 型 の
アバタ と同 形 状 の身体性を持 ったRUI を現実世界に用
意し，RUI どアバタとで形状 同 期を行 わ せ る．
こ の RUI
を 操 作 す る ことで，人 は 情 報 世 界 に対し て の入力が 可
能となると同 時 に，情報世界のアバタ と 同 期 し た RUI
自身の動作による出 力 を得 る こと が でき る．また，自
己の身体像を外在 さ
せた ものと言 え る RUI を入出 力 装
tL
［に利用することで，人 が 成 長 過 程 に お いて獲 得 す る
身体図式 を用いた直感的な入力，RUI 自身の動作 によ
る視 覚 ・
触 覚 情報の提示，といったこと を 可 能 と す る ．
・
身体性 を有 した提示装置
RUI は身 体 性 を 持 つがゆえに，自 己 を 投 射 した身 体
像とみな す ことができる．
このた め RUI を 通 して人に
対し て 触覚提 示 を 行 う ということ が 可 能 とな る．人に
対す る従来の触 覚 提 示 方 法 として は ，人の体に装置を
装着 さ せ た り 人が装置を Fで 把 持 して 操 作 す る な ど し
て，八の体に対 し て 直接的に 力 の大 き さ や 方向 を 提示
する と いう方法であった．これに対 し RUI は，人が手
で保 持 し，操 作 しているRUI 自身の動 作 を 用 いること
で間接的に人に対し て 触覚提 示を行 う こと が で き る．
更にRUI は 身 体 性 を 持 つため，人の身体図式や触覚 を
利用し，操 作 者 はRUI を見 る こ と なく保持 し て いる 手
の感覚によってRUI の形状情報 を 得ることが で き，
ま
たRUI 自身の動作や 形 状 と いう視覚情報 を眼 か ら得る
ことで ア バタの状 態 を 知 る ことが可能である．つまり
RUI は触覚提示装置でありながら，形状提示，視覚提
示も卩r能とする提示装置である と 言え る ．
こ の よ う に ヒ ューマノイ ド （人 型ロボット） を用い
たRUI は，
物理 世 界との相互作用 が 可能，ロボットの
形 状 や 動作 による視覚的な情報提示，ロボット
から 人
に力を加 えることに よる力覚的な情報提示，入の側が
直接ロボットに触れて形状 を変化 させることによ る指
示 入 力，といった特 徴 を持 つ．
本研究で は ，従来存在するよ う な 「装着型」，「把 持
型 」，「遭遇型」の力 覚 を提 示するインタフェースと は
異 な り，
RUI を 使 用 し た 身 体 性 を 有 す る保 持 型 の力 覚
提 示 装 置 を開 発 す る．ま た，力覚提示装置 と してのRUI
をエンタ テ イメント分 野 で利用するため に 必要 な，物
理モデルを組み込ん だアプリ ケ ーション の 開発を行 う．
つまり，
RUI をインタフェースと し て使 用 したエン
タ テ イメント的アプリ ケ ーションの試験的実装を目的
とする．
2．保持型ロボ テ ィックユーザ イ ンタフェース
保持型ロボ テ ィックユーザインタフェースとは，操
作者が両手 で 八 型 ロボ．
ノト を 持ちながらロボット
の手
足等 を操作 することで，ロボットを 通 じ て 情報世界と
インタ ラ ク シ ョンを行え る 身体 性 を有し た インタフェ
ースである．
この保持 型RUI につ い てGUI と対 比 し，具体的に説
明する．
GUI では人力と し て マウスや キ ーボードを 用
い，出力と し ては入力の結 果 が グ ラ フ ィック と し て デ
ィスプレイに表示さ れ る．
これ に対し て RUI におけ る
入畠 力 方法は，ロボットを人が動かすことが入力とな
り，
ロボット自 身 が動作す るこ と が 出 力 にな る と いう，
入出力にロボットを用 いたものである．つまり，言 語
やシンボル操作を 主 体とした象徴的表象を用 いる の が
GUI だ とす る と，入 間 が成長の過程に お いて，よ り早
期に獲得す る身 体 図式や身 体 像 を 用いた動作的表象や
映 像 的 表 象 を 主 として用いるのがRUI である と いえ る ．
エンタ テ インメント的 な アブ．
リケ ーションにおいて，
GUI とRUI のどち らが適し て いる か を 考 え る．先に述
べた よ う にGUI は言語やシンボル操作 を主と し た もの
であリ，マウスやキーボード等のイン タ フ ェースを 使
用 した 場合で は ，デスクトップ 上 のファイル等 をマウ
スで選 択 して 開 き，キーボードを用いて文 章 を書く，
といった よ う な デスクワークに関するアプリ ケ ーショ
ンが適し て いると考えられ る．一方RUI は，身体図式
や身体像を 用 いた動作的 表 象 を 主 と し てお り
，身体性
を持った人型のロボットをインタフェースと し て 使 用
す る ．よって，ゲーム内に操作者の ア バタが存在 して
お リ，そ れ を操作す る と いった現 在 のほ と ん ど のゲー
ム に おいて，人型ロボットを 使 用する こ と で 直 感 的 な
入力，触覚・
形 状 ・
視 覚 情報の提示といったことが可
能となる．よってGUI と 比 較 す るとRUI のほ うがアバ
タベースのエ ン タテ インメント的 な アプ リ ケーション
に適 して いる と 考え られ る．
RUI をエンタテインメント的 な ア プ リケーションに
使 用 した 場 合 と して，ボクシング ゲ ームにおいて 既 存
のゲームインタフェースとRUI を用いた場 合 を想定す
る．
表響 GUI とRUI
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78 知能と情報 旧 本 知 能 情 報 ファジィ学会誌）
既存のゲー
ム
インタ フ ェース
厂 丶
ゴ．
：、
i
篌舞ミ
「譜 ξ
鯛5甄 距 」．
1
謄嵩
ユ
／畿、
〃 ＼
聞 螢的 な入 力
振動等に よる出力
図1 既存のゲームインタフェースとRUI
既存のゲームインタフェースで は ，ゲームの中のキ
ャラクタを動かす場合に は ト字 キーなどを押 して動 作
させる．また，パンチやガードと いった 動 作 を キ ャラ
ク タ に 行 わ せ る 場 合 は，その動作 に相 当す るボタンを
押 す こと に な る．これより
既存のゲームインタフェー
スを 用 いた場合 には，間 接 的 な 人力によって操作して
いる と いうこと が わか る ．出力として は ，ゲーム内の
自分のキャラ ク タ が 敵 キ ャラク タに殴られ た 時 に，イ
ンタフェースが振動する と いったもの が 考え ら れ る．
一方RUI では，
ゲーム内のキャラ ク タ と同 形 状 のロ
ボットを 用 意し，キャラ ク タ とロボット問 において形
状同期 を 行 う ．これによ り，キャラクタにパンチ な ど
の動作 を行 な わ せたい場 合 には，人 が ロポットを その
よ う に動か す こと に よって，直接的にキャラク タ の動
作を指示入力す ることが で き る．また，出力に は 振動
といった提示だけでな く ，キャラク タが敵 キ ャラクタ
に顔などを殴 ら れ た 場合 は ，ロボット自 体 のそ の 殴 ら
れた所と同 じ箇所が動作する，これ に よリ，ロボット
自体 の動作やモーションによる視覚的な情報提 示とい
ったことも可能となる。
格闘ゲーム，ロールプレイングゲーム，アク シ ョン
ゲーム等，現在のゲーム の ほ と ん ど は 操作者 自身 のア
バタを操 作するものであ る ．このよう な アバタを用い
る ゲ ーム全て に対 してRUI は，直接アバタを操 作 す る
ための入 出 力 装 置 と し て の 利用や，現状のインタフェ
ースを補 完 す る形での利 用 が・f能である．また，コミ
ュニケーションを含むMMORPG 等ネット
ワーク 型 エ
ンタ テ イメントと いったものに対して も RUI を使 用す
る こ と で ，ジェスチャや 触 覚 を伴 うコミュニケーショ
ンを・1
．
能とする．
次に，RUI を力覚提示装置 として使 用 した 場 合と既
存の丿」覚提示装置との違いについて述べる．力覚 を提
示するインタフェースとして，PHANToM ［
6］
や
SPIDAR 「7］など が ある．
PIIANToM と は ，指に装着
した状態で操 作 し，バーチャルリ ア リ テ ィ空間内の物
体に触れると，装iに仕 込 まれ た ア ク チ ュエータ が 人
間の運動 を拘束する こ と で ，そこに物 体 がある と いう
感覚を作り出 す ．
SPIDAR は，四つの支 点 からプーリ
ーを 経 由 し て 1
白：
線的に張 ら れ た 四 本 の糸が取ワ付け ら
れたリングを 指 にはめて操作する装置であ り，糸が抵
抗して反力が伝わる仕組みであ る ．
こ れ ら 以 外にも様 々
な 力 覚 提 示 装置が存在 す る が，そ れ らは前述の通り大
別して，「装着型 」，「
把持型」，「遭 遇 型 」
といった 三 つ
の型に分類することが・∫能 であ る．ヒで 触れ た PHAN ・
ToM とSPIDAR は装着型 に 分 類 さ れ る．
RUI を用いることで，既存のPHANToM や
SPIDAR など「装着型 」，「
把持 型」，「遭遇型」に分類
さ れ る 力覚提示装 置とは違った，身 体 性 を 有 し た 「保
持型」の力覚提示装置が開 発 出 来 る．RUI を力覚提示
装置 として使 用 した場 合 ，従来の力覚提示装置 との間
には次の よ うな違 いが存 在 す る．考え ら れ る 点は以 下
の三つである．
一つ目は，力覚 の提 示 方 法 である．従来では人の体
に装置を装着さ せ た り 人が装置を手で把 持 して操作 し
，
人の体に 対 し て 直接的に力の大 きさや方 向 を提 示 す る．
一方RUI で は ，身体性 を有した装置 を人 が手でもって
操作 し，RUI 自体 の動 き を 通 じ て 持 っている人に対し
て力 を提 示 する．
つまりRUI では，従来のように直接
的ではな く間 接 的 に力 覚 が提示さ れ る．
二つ目は，
VR 空 間 とのインタラクション の 方法 であ
る．従来では人 自 身が直接的に実 世 界 と同 サ イ ズのVR
空 間 にインタラクシ ョンするものであった．だ が RUI
では，RUI をVR 空間内に存在 させ ，そのRUI を八間
が操作す ること で インタ ラ クションする．
三つ目 は ，力覚提示装置 で使用す る アプリケーショ
ンの違いで あ る ．従来のものであれば，その装置の形
状・
使 用 法 に沿ったアプリ ケ ーションを実行するしか
な か った．つまり，装置がペン型 と なっていればペン
と し て VR 空間にインタラクションするのみであった．
対 してRUI では，人間を投影 した RUI アバタがVR 空
間に存在 し，そのRUI アバタに様々なッールを 持 たせ
ることも可能である．これによって一つの装置に 対 し
て様セな ア プリケーションを 用 意 す ることが で き，装
置としての汎 用 性が高いことがわかる．
これ ら力覚 提 示方 法 とVR 空間に対す るインタラク
ション方法，装置の汎用性が，従来の力覚提示装置 と
RUI を力覚提示装置と し て 使 用 す る 上 での大きな 違 い
であると考えられ る．
214 VoL1 アNo ．
2
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保持型ロボ テ ィ．
ノクユー
ザイン タ 7エース の 研 究
3．RUI 構 成
力覚提示装置 と し て 使 用 叮能 な ロボ テ ィックユーザ
インタフェースー
RUI 一
と して，
RobotPHONE がある．
8］．
RQbotPHONE は対称型のマスタース レ ー
ブ 制 御を用い
ることで，
遠 隔地 に 離れた二対のRobotPHONE を繋
いで形状同期を行 うこ と が で き る ものである．
こ の RobotPHONE を用いることで，遠 隔 地 の人同
frがお．彑いに力 を 伝え合ったり，ジェス チ ャを用 いた
コミュニケーションを可能 とする．
このRobotPHONE に対し て 今回製作するRUI は，
実 肚 界 に存 在 するRUI と，
PC 内の物理モデル世界に
存在す るRUI アバタ と を繋いで形 状 同 期 を 行うも
の，
と言うことが で きる．
「保持型」のRUI は．操作者 が RUI を 両 于
・
で持ちな
が ら 操 作 し，情 報 世 界と イ ンタラクションを行 う た め
のものである．このた め に最低限必要な 自 巾 度 を満 た
すものと し て，上半身のみで片 腕 が2臼由度 ，両 腕 で
合計4臼由度 と設定した．
RUI は ア バタ と 形 状 同 期 を行 うものであリ，RUI の
図2 RobotPHONE の形状同期
カ
⇔
⇔
形状
幽
← レ
形状
図 3 RUI の形 状 同 期
上一
RobotPHONE 「
一
提案す るRUI
7．9
関節角の検出 と関節の駆 動 を 行 う こ と が 必 要である．
今回は，関節 角検出用のボテンショと関節駆 動用 のモ
ータ が 一つのユ ニ ットと し て構成され ている サ ーボモ
ータ を 改 造 して利用することで，簡単な機構 での実 装
を可 能 と し た ．
また．
今回の保 持 型RUI は両 手 で持ちながらRUI の
関節を動か し て 操 作 す る と同 時に，
RUI を持 っている
手を通 して人は触 覚 や 形 状 情 報 を 得ること が でき，RUI
白身の形状や動作 を冖で見 る ことで 視 覚情報 を 得 る こ
とが で き る ．よって，関節動作時に抵 抗 が 少 な くバッ
ク ド ライバビリ テ ィを有す るサーボモータを選択，RUI
の操作性や身体性 を失わないように全 体 の各パーツ の
寸法 を 設定，外 観 を 考慮して機構を縫いぐるみ内に内
蔵 させるといった実 装 を 行 った．
RUI の各関 節 には市販の小型ラ ジ コンサーボ（
Gws
製MICRO −MG ） を 改 造 した ポ テンショ内蔵 の小 型 ギ
アドモータを使 用 し た ．そのモータは，駆 動 用に自作
のサーボ回 路 を 使 用してPWM 駆 動 と し，ワンボード
マイコンを使 用 し て 制 御 を 行 う．
そ し て ，
RUI とPC 内
のRUI アバタは，
ポテンショの値を利 用 して各関 節 を
動 作 させ，形状同 期 を 行 う．
今同製作 した RUI の寸 法 等の仕様は次の通りであ る．
腕パーツ の 長さが94mm ，体の幅が76mm ，両 腕 を 広 げ
た状態での右腕の先端 か ら 左腕の先 端 ま での長 さ が 267
mm ，腕の関節から先端 まで（
腕関節のサーボヘッドの
中心から腕バーツの先 端 ま で ） の長 さ が70mm と な っ
ている．また，重量 は260g ，各関節のモータの減速比
は410分 の L提 示 冂∫能反力は6．4kgf ・
cm となってい
る．操 作者がRUI の関 節 を 曲 げ る と き に 必 要 な ト
ルク
は測定の結果，0．69kgf
・
cm であった．若干，操作時
に重さを 感 じる もの の 大入から子 供 まで レ分 操作・
∫能
なバックドラ イ バビリ テ ィである と 考 え られ る．
RUI は 操 作 者に対して力覚提 示を行えるものであ る
．
実 際 に製作し た RUI において ど の程度の力提 示が可 能
で あ る か ，サーボ に 入 力す る電流 値を変化 させて発 生
し た トルクの測 定 を 行 った．な お ，サーボ駆動用の電
源はDC6V である．
測定の結果，
410 分の1という大きな減速比のサーボ
図4 製作し た RUI
左一
内 部 機構 右一
外 観
2005／4215
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80 知 能 と情 報 （
凵本知能情報ファジィ学 会誌 ）
図5 製作 し た RUI 寸法 （
上面図）
3．e
図6 製作 した RUI 寸 法 （正 面 図 ）
ハ
唐2，掛
整
S1
，02
o．o
竃流値 伽《
）
図7 電流値とト
ルク の 関係
であ るが，図7のように概ね電流値 とトルクの比例 関
係を得 た ．また本システム に お けるト
ルク提示の幅は
約0，7〜2．7（kgf ・
cm ）
である こ ヒ が 分 か った．
4．物理モデル
4．
1離散時間系運動方程式
コンピュータ で 物 体 の運 動 をシミュレートする 場 合
に は ，運動方程式 を 離散的に解 く必要がある．今 囘 は，
リアルタ イ ム処理に適 し た方法 と し て オ イラー法を使
用 し た ．
また，今 回 製 作 す る物 理 モ デルは，RUI を通 じ て情
報世界において静 止 している物体 ではな く，何らかの
動 作 を 行 っている物体 に対し て インタラクションが可
能であ る ものとして，今 回 は 二 次元平面内で並 進 ・
同
転運動を 行 う物体に対し て インタラクションが可 能 で
あ るエア ホ ッケーを選択 し た ．
このエア ホ ッケーで は ，パックは薄い円 盤 と し て 二
次 元 平 面 で 並 進 回 転 を 行 っているもの と する．ストラ
イカーはパック と 同一の二次 元 平 面 に お いて，RUI モ
デル の 腕の根元から先端 までを 半 径 と した 円 周 上 を，
RUI の腕 を 左 右 方 向 に動作さ せ る サ ーボのポテンショ
値に従って動作する．ま た ，RUI の関 節 制 御 はP制 御
で行 う．ストラ イ カーがパック に 衝突 した 時の操作者
への力覚提示 に 関し て は ，今回製 作 した保持型 RUI の
腕の機 構 は直交し た 二 軸リンクのため二次 元 方 向 への
力覚提 示 は 行 え な い．よって，ストライカーの円 軌 道
の接線方向に対し て スト ラ イカーがパックか ら 受け る
力を求め，その力の値に応じ て RUI の左右方向に動 作
する サ ーボの動作 目標 値 を 設 定 す る．その目標 値に従
ってRUI の腕 を回転させ ることで，操作者 に対 して力
覚提 示 を 行 う．
エア ホ ッケーの物理モデルを製作す る Lで，剛 体 で
あるパックの運動方程式が必要となる．パックの二次
元の回転・
並進 の運動方 程 式 を解 いた結 果 として得ら
れた，以下の（
1》
〜（
6）
の6つの式 を 用 いてパックの運
動の計算 を 行 った．
x（
t十dt）
＝
x（の十vx （
t）
dt
y（
t＋dt＞
＝y ω ＋ z竺
・ω4’
vx （t＋dt）
−v。（
t）
＋Lt°SLe
dt
m
VN （t＋ ・
・
）
−v・
・
（
t）
≠留
％
θ
（t一
トdt）
＝θ
（
t）
＋ω（
t）
dt
F2 ×r
ω（t十dt）
＝ω（
t）
十 dt
I
（
1）
（2）
（3）
（
4）
（
5）
（
6）
4．2 反 発 運 動
パック が 壁 や ストライカーと衝突すると，パック は
反発運動を 行 う．物 体 の運 動 シ ミ ュレータにおいて，
物体同十の反 発 運 動を 計 算す る場合 に利用 で きる手法
として，大 別 して三つの剛体運動の シ ミュレーション
216 ＞oL1アNO ．
2
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保持 型 ロボ テ ィックユー
ザインタ7エースの 研 究 81
手法が提 案 さ れ ている．
1つ口は，剛 体 間 に働く
接触力 を 解 析 的 に解 く もの
である［
9］．運動方程 式 と拘 束 条件か ら 接触力 を 解 く手
法であ り，お．互いに侵入しな いという剛体 の性質を正
確に再現する が ，シ ミ ュレーション時において同時に
多 数 の接 触 が 起 こる場 合に多くの計 算 量 を 必 要 とす る．
2つ目は，剛 体 が衝突す る際に発生する力を撃力に
よって衣 現 す るものである［
10
］．衝突時に2物体に働
く撃力によって抗 力を表現 す る手法であり，衝突が発
生 し た 時 刻 を 求 め，2物体問の衝 突 を 順 に処 理 す る．
こ の 下
．
法 は ．1衝突の処理にかかる計算時間 は 短いが，
衝突を順番に一つずつ処理するため，矩時間に多数の
剛体の衝突が起こ る 場合に は 多 くの計算時間 を必要と
する．なお，一般 的 に こ の手法は撃力べ一ス法 と呼 ば
れている．
3つ目は，バネ・
ダンパモデルを用いて衝 突 時 に働
く力 を求める于法 ：
11
］
である．これ は ，物体間で衝突
が起 き た時，拘束を侵 し た 物 体 に拘束を 侵 し た 量 に応
じ て ，ペナルティと して拘束 を侵 し た 物 体 に力 を与え
る．こ の 力をeJ．
えて反発運動をさ せ ることによって拘
束違 反 を 解 消 す る ．ま た こ の 手 法 は，1ステップあた
りの計算量が少 な くてすむ．なお，ペナルティに応 じ
て力 を与えるた め，こ の 手 法 はペナルティ法 と 呼 ば れ
ている．
リ ア ルタイム で 物体の運動 をシ ミ ュレーションする
場 合 には，一定期間のシ ミ ュレーション が 一定時 間に
反力パック
ck 壁
図8 ベナルティ法
力
図9 パック と スト ラ イ カ ーの反 発
呷
、
・
勢
ア
’
輒訟』
伊
RUI アバタ
腱．
さ
ア
遮
ライカー
台
「
綻
’
図10 エア ホ ッケー物理 モ デル
静、
，，t鬱
収ま ら なければならない．1，2の手 法 で は 計算時間
が多大 になる場合や，大 き く変 動 す る場合がある．つ
まり，この二つの手 法 は リ ア ルタイムシ ミ ュレーショ
ンに は向かない手法であ る と言える．
よって，
1ステップあ た りの計算量が少な くてすみ，
リアルタ イ ムシ ミ ュレーションを 行 う kで適している
と思 わ れ る ペナルティ法 を 使 用 して，物俸衝突時の反
発 運 動の計算を行 った．
5．運動ルーチン の 高 速 化
物体同士 が 衝突し た 時の反力計算にペナルティ法 を
使用 し た が ，ペナルティ法 を 使 用する 上 で ，ブ．
ログラ
ム内で運動を行 う 時 間 間 隔 を短 くす る必要がある．何
故なら，運 動 を 行 う時 間 間 隔 が長いと物体の侵 入 量 が
大 き くな りすぎ，物体に加 え る 反 ノJも 大 き くな り すぎ
て し まって反発の表現が不安定 となる か ら で ある．よ
ってt運 動 ルーチンの高速化が 必 要とな る．運動ルー
チンをどれだけ 高 速 化 させ る か の目安 としては，安 定
的に物 体 同 士 の接触を表現できる最低限の目安 と し て
の値であるlkHz （運 動 の時間間隔がlms ）
とする口2］．
また，運動ルーチンのサンプリングレート
がlkHz よ
りも高く な る ほ ど ，よ り硬 い物体の力覚を提示するこ
と が 可 能 とな る ．これ を 受 け た 力覚提示装置に関 す る
既存の研 究 として，よ り 高い史 新 レートを実 現 さ せ る
こ と を 目的 と して赤羽 ら［
13］
は，PC と力覚提示装榿の
中間層にハプティックコ ン トローラを配 置 す ること で
1kHz という高 速 制 御 を 実 現 し，より硬い物体の丿」覚
提示に成功 した．これ を考慮 し，1kHz よ1
）
一一
桁Elpl
る10kHz への高 速 化 を 目標 と し，
最低 限でも1kHz の
高 速 化 を 目指 した ．
なお，エ ン タテインメント分 野への応用 を 鑑 み出来
るだ け一般 的 な環境 下での高速化 を目指し，リア ルタ
イムOS は用いずWindows 系OS ヒで 使え る 手 法を考
2005／4217
N工工一
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Fuzzy
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82 知 能 と情 報 Ul 本知能情報ファジィ学会誌）
表2 高速化手法 1で 使 用 したPC
PC 名CPU メモリ ビ デ オ カ ード
Celeron 無し
Singlel
I1 ．4GHz382 ．48MB36 ．0｛IMB
GeForce4
CelerQn
Singie2 1、4GHz383 ，48MB Ti4800124
，38MB
GeForce2
P−III
DuaU800MHz ×2255 、48MBMXIOO ／
20
5 59 ．12MB
RADEON
AしhlonMP
Dua12 510．98MB 9200SE
2400 十x2 E
60，28MB
案，実装し，実 験 を行った．
実験には，os は 全 て Windows2000 で，メモリ，ビ
デ オ カ ードやCPU 数の異 な る複数のPC を 使 用し
た．
PC 名はCPU が 二 つ の 場合 Dual1，CPU が・
一
つの場 合
はSingle1というように お いた．
一つ冂の高速化手法 1として，計算 と描 画の処理を
分 担 ・
並列に行えるよ う に，マルチスレッドと ミュー
テックスを 使 用する手 法 を 実 装 ，実 験 を 行 った。実 験
方法と し て は ，描画と計算 を同時 に行うプ ログ ラ ムを
実 行 し，計算処理 に 関して1ループ毎にかかった時 間
を計測 した ．計 測 した データは，1ループに か か った
時間が1ループに設定した 時間の倍の200μs以上をエラ
ーとみな し，そのエラーの総数を総データ数で割った
結果 をエラー率と し た ．また，力覚提示に最低 限必要
なサ ン プリングレートを 1kHz と し て，
ループにlms
以Lかかった場合は別に算出 した ．
こ の 高 速 化 手 法 1では，
SingleCPU のPC ではなく
DualCPU のPC を使 用 し た場 合 に，大幅な速度の向 上
が見られ た．
二つ目の手法は 予法 1よL
） も
，よ り一般 的 な 環 境 一
ド
での実装を考え て SingleCPU のPC での高速化を目指
し た ．手 法 として は ，プログ ラ ム内に お いて描 画 を 更
新 す る 時 に，前回の描 画 更 新 か ら の経過時間を計算し，
その掛かった時間に相当 す る回数だけまとめて運 動 処
理を行 うものである．この手法 2により，物理モデル
の運動に関しては1kHz の高速化は・
丁能になった と 言
える．
力覚提示は描 画の更新 レートに依存して お り ，本シ
ステムでは一般的なレート
である60Hz と し た ．
ここで，
力覚提示 は 力覚演算の連続性 とその提示タイミングの
2つ の 要素に分けられる．丿」覚演算の連続性 は 先 の赤
羽 ら の論 文 に報 告 さ れ ているように対象物体の硬さの
正 確 な 提 示 に必要であり，1kHz 以Eに て 制 御 を 行 う
ことが必 要 で あ る．しかしな がらその提示 タイミング
は視覚や聴覚等他の感 覚 統 合 に関 わ る 問 題 であ り，視
覚提示 の 吏新レート に よ る 60分の1秒程度のずれがあ
っても違 和 感 は少 な くなっている．
ま た，高速化手法 2とペナルティ法 を使 用 した物理
モデル内で，物体同士の衝突 ・
反発運動に関しての精
度 を測 定する実験 を行った．
実験内容は，
一次元運動の み を行 う二つの円盤 を 用
意し，静止 し て いる一つの円 盤 Aに対し，あ る 初速度
を 持 ったも う一っの円盤 Bを 円盤 Aに衝 突 ・
反 発 さ せ
る物理モデルを製作す る．そして，衝突前 と衝突後の
［ト →ロ
ー→口描画演算
→驪 斷 囓醗「→ 噸驪力覚 演 算
77 隔
力覚 提 示
一一→レ時間
H
l6．7ms
図12 高速化手 法 2
Dual2 （
F＞0
D凵alKF ）
匚1呂鶚f上1
麻列
Duall ［ ＝ コ
靂
、、
。。 ，，
，
，
−
y、、，gl，2（
，、
［
一＝ コ
s．1oo5
Sl・gl ・1（F）
〔：エ＝ ：コ ＝ ：＝ Cti
it：二 ＝ ＝ ：xe コ
57o99
S…・gl ・1（
W）
［ ：エ＝ ＝ こ 二 ：∠±土 ＝ ＝ コ
0 0、5 1．0 1．5
エラー
率（
％
）
図11
高 速 化 手 法 1の結 果
勿
≧o．10
彦
護
α ・
0．0
円盤Bの初速 度 （
m／
s）
図13 ペナル テ ィ法 を 用 いた物体 同十 の衝突反発運動
に お け る 運 動景の関 係
218 VOI
．17
NO ．2
N工工一
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Fuzzy
Theory
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intelligent informatios
保持型 ロボ テ ィックユー
ザインタフェー
スの研究83
全 体 の運動量か保存 されて いるかの計算を行った．計
算結果は以一
ド
の通り で ある．なお，円 盤 Aの質 量 は40
g，円盤Bの質量は120g と設 定 し た ．
結果 より，離 散 的 に物体の衝突反発計 算を 行 ってい
るにもか か わ ら ず，解析的に計算 を行った 場 合と同 様
に物体同上の衝突反発連動の前後で全運動量 が 保存さ
れていること が 分 か る ．よってペナルティ法 を使 用 し，
高速化 r
ト法 2のように運動ルーチンを高速 化 させるこ
とで，正確な運動を行う物理モデルを製作できる と 考
え ら れ る．
また，バネ・
ダンバモデ ル を使用 し て いるペナルテ
ィ法で は ，バネ定数とダンパ定 数 ，物体の質 量 ，運 動
を 行 う時 間 間 隔 ，といった設定値に従って物体同十の
衝突反 発 運動が行わ れ る ．よって，物体同 上の反 発 係
数 を設定することは難しい．し か し，前 述 した よ う に
ペナルティ法では全運動 量 が保 存 さ れているた め，衝
突反発運動の結 果 か ら 物 体 同 十の反 発 係 数 を 求 めるこ
とができ，今回の 二 つの物体間の反発係数 は約0．75と
求め ら れ た ．
6．マ ル チユーザ 型 の実 装
エンタテインメント分 野 にお け る マルチユーザ型 を
用いた ものと しては，同．一
の場にいる複数人で協力や
対 戦 を 行 う もの，ネットワーク を 通 じ て 遠 隔 地にいる
複数 人で行 う MMORPG といった もの が 挙げ られ る ．
マルチユーザ型のアプリケーションは，ただ情報 世 界
に対 してインタラクションを 行 う だ け でな く，情報 世
界と通 じて他 者 とのコミュニケーションを同時に行 え
る と いう点 で，シ ン グルユーザ 型 に比べてよ りエンタ
テイメント性 を 向 Eさ
せる と考 え ら れ る．よって，本
システムに お いて も マルチユーザ型の実 装 を 行 う．
まず，物理モデル内のRUI アバタ と、実世界のRUI
を各二体用意 す る こ と で ，二八同時の対戦を可能と し
プレイ ヤ ー1
力
⇔
＜→
形 状
プレイヤー
2
宀
く→
形 状
PC1
PC2
図14 ネ．
ソトワーク対 戦 システム構成
た．さ ら に，
一台のPC に 二 つのRUI を繋 ぐのではな
く，
RUI とPC を各二台用意し，
二台のPC をネットワ
ークで結ぶ こ とで，
二入でRUI を用いたエアホッケー
の対戦を可 能 と し た ．
PC 間の通 信 にはDirectPlayを
用いた．パックの運動や反発力の計算は サ ーバー
側の
PC のみ で 行い，
ク ラ イ ア ント側 では，
RUI の関節角の
情報のみをサーバー側に通信する サ ーバークラ イア ン
ト シ ステムを 用 いている．
今 回 は，
ローカルネット
ワーク内の2台のPC でサー
バークライアントシステムの実 装 ・
試 験 を 行 ったが，
この結 果 ，描画の史新 レートは サ ーバー
側では約60Hz ，
クライアント側 で は 約5811zであった．クライアント側
で若干描 画の更新 レートが低下 した理由としては 次 の
ことが考え ら れ る．今回の実装したシステム に おいて，
クライアント
側ではサーバーか ら 受信す る デ ータに関
し て ，過去の受 信 データ を 全 て 破棄してか ら最 新 のデ
ータを取 得 し，その後描画を 行 う と いう処理を行って
いる．こ の 過去の受信データを全て破棄するという処
理により，ク ラ イアント側で描画の更 新 レート が 若 干
低下し た のだ と考え ら れる．操作性や力覚提示に関し
て は ，
サーバー側，
クラ イ アント側に繋いだRUI 共 に ，
シングルユーザ型の時と比較して主観 的 に変化は感じ
られなかった．しか し，グローバルネットワーク内で
2台のPC を 用 いる場 合 には，通信における時間遅れに
よって，RUI とRUI モ デ ルと の 形状 同期や力覚提示に
おいて影響が出ると考え ら れ る ．
また，映像のみではな く音 という聴 覚 に 対 する 出 力
を 用 意 す る こ とで，臨場感 を 高めること が できるの で
はないか と 考 え られ る．そこで，背景音 とバック が ス
トライカーやエアホッケー台の壁と衝突 した時の衝突
音を用 意 し た ．衝突音は物理モデルに従って音の大 小
を 変 化 さ せることで現 実 感 を増 す よ う に生 成 して いる．
7．結 論
情報 空間内でアパタ が 受 け る 力 を物 理モデルにより，
実時間で計算することを可能とした．また，計算値 に
比例した値をRUI のサーボ動作の目標 角 に設定して 動
作させることで，力覚提示を可能と した．
以 上 よ り，
RUI を使用することで従来にはない入 と
同様の身 体 性 を持 った 保 持 型 の力覚提示装置 を開発 し，
エンタ テ イ ンメントの分 野 においての試 験 的 実 装 を 行
うことができた．
従来のゲームで は ，情報世 界 内 のアバタを含ん だ 物
体の運動に関する物理計算 はあいまいな ものであり，
操作者に対 す る出力としてはジョイス テ tックの振 動
や抵抗感といったもので しかなかった．近年，オ ブ ジ
ェクト
の運 動 に関して綿密 な 物 理計算を行 う ゲームが
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intelligent informatios
84 知 能 と情 報 （日本 知 能情 報 ファジィ学 会 誌 ）
増 え てきた が ，これを活かす出力装置が無いため に 依
然と し て 振動等でしか出 力 が行われていない．今回試
験的実装を行った よ うにRUI を入出 力 装 置 と して使 用
すると，物 理 モデル の 計算結果 を忠実 に力と して表現
す る ことが可 能 とな る．そ れ ゆえ物 理 モデルが 正 確で
あ る 程，
RUI の有効性が 活 か せ ら れ る と 考 え られる．
今 回 試 験 的 実 装 を 行 ったRUI で は ，
モータとギアによ
る関節駆 動のた め に 提示 で き る 力の範囲と精 度 に制 約
があったが，今後駆動に精度のよいギアを用いるこ と
や，ワイヤー減速機 を用いることで正確 な 力 提 示 を 可
能とすることが出来る．また，RUI という操作者とは
「
サイズ が 異なる」 イ ンタフェースに お いて，提示す
る力の絶対量は計算量のま ま返 す ことが良いのか，ど
の程度変 化 さ せ た 方が臨場感の向．Eに繋が る の か とい
う問題が考え ら れ る．
また，本研究の手 法 で は ，操作者への力覚提 示に お
け る更 新 レート
の高速化 に関する問題，情報世界への
インタ ラ ク シ ョン の 方法として，RUI モデル に 近づい
てくる物体に対し て インタ ラ ク シ ョンを行 うのみであ
りt操作者 自身が情報世界内 を自内に移動し て 様々な
物体へのインタラクションが不可能 という問題等が発
生 した．高 速 化 に関 してはPC −RUI 間の通信速度の向
ヒ，インタラク シ ョン方法 に関し て は RUI モデルを情
報世界内で移動さ せ る た め の入力方法の考案 ・
実装，
対応す る物理モデルの開発によって解決できると考 え
られる．
Lユ］
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2002．
（
2004年9月16日 受付）
（2004年12月21凵 採 録 ）
［連 絡 先］
〒182−8585 東京都調布市調布 ヶ丘1−5−1
電気通信大学大学院電気通信学研究科
知能機械工学 専攻 稲 見研究室
清水 紀芳
TELIFAX ：0424−43−5532
Email ：shilnizu ＠hi．mce ．uec ．ac ，
jp
220 Vol
．1アNo ．2
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Sooiety
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Fuzzy
Theory
and
intelligent informatios
保持 型ロボ テ ィックユー
ザインタフェ
ース の 研 究 85
著 者 紹 介一・．−
Lみ ず の F
〕よ L
清水 紀 芳 「
非会則
2004年電 気通信大学電気通信学部知
能 機 械 L学 科 卒業 ．同年，同大学大学院
電気通信学研究科 知能機械 工 学専攻 に 入
学．現在に至る．
ヒュー
マ ン インタフェー
スに 関 す る 研 究 に従事．冂本バー
チャル
リアリテ．
イ学 会 学 生 会員 ．
マぎ
も と ： き
杉本 麻 樹 卩 陰 則
2〔）OO年干葉工 業 大 学 ⊥ 学部 電 子 ⊥ 学
科卒業，
2002 年 同大学大学 院 ．11
学 研 究科
博士前期課程情報⊥学専 攻 修 了．同年か
ら2003 年まで科学技 術振興事 業 団戦略的
創造研 究推進事業 「
協調と 制 御 」 領 域 グ
ルー
プメ ン バー
．2003年10月から電 気 通
信 大 学大学院電気通 信学 研究 科博．ir
後期
課程機 械制御工学 専攻．主に非 言語情 報
を 利 旧 し た ヒ ュー
マンインタフ ェース に
関する研 究 に従事．H本学術振興会特別
研究眞．日本バー
チャルリア リティ学 会
会員，
A．
ム4
・
也
雛
直
嚇
泉
ポ
2004 年 @電気
iditl亨大
’
1
｝
’：電
な
丸
」由｛
i
．
1
’
」
？
，：菖B知
能機 械 工学科
・ 卒業．
iii
］年．同メ
こ学大学
寛気通信学研 究科知能 機械1：
学 7攻
入‘
了 ： ，現 在に至る．主に
ロボ． ソト を
用 し たヒューマンイン
タフェース に
する研究に
従事
．冂本 バ ー チ ャ ルリ
リティ学
学
生会
員， に
ひ で あき 新居
明 ：」陰員 ： 1993 年 東京
工
業大学
大 学
徒［1．
1：学科卒業．1995 年
同
大
学
大学院
Il ‘』 ｝・
研
究科 博 上 課稈liil 期
課程制御
wt ？攻f［多∫． 同 年（株｝ト キ メ ノ ク
朴．2003 年4月同礼退
社後（株
）テック
キスパーツ入社 ．2003 年10 月 竃 気
信人学 大」1≧院電気通 信学 研究 科
士後期課程機械 制 御
匚学専攻 に 入 学 ， 現
に至る．
i｛
に光を利用 し た通信やヒ
． 一 マ ン イ ンタフェー
スに関する研
に従事．日 本バ
チャルリ
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テ ィ 学 会 学 生 会
．dtt ．h
さぐら だ
い ろ く関 ロ 大 陸 ［ 非 会 員
2DO1 年東京大 学 大
学院工学系研
科博上課程修ゴ，博十（工学｝． 同年よ
科 学 技 術 振 興事
業団研 究 員 ． 200
N東 京 大学入学院情 報理［1学系研
科 助 手となり現在 に至る．ネットワ
ク ロ ポ テ ィス
よびテ
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イグ
ジスタン スに関
る 研 究に従 事
d魯」 Lt，
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こ
稲見昌彦 卩
陰
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199
N 東芽 く ユ：
業
．大
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’ ； ’ ， ノ虹 命 理 ．1：
幽f’剖∫｛k物．r学科卒 業．19
年 同
大
学院生
命理．1： 学研 究科
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l參r．1999 年
東 京大”i’二二1
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系 研究手 斗 先 端学際工 学専 攻 博 ． ｝二課程 修
．博
．王： ｛ ． ． 丁： 学 ）．同隼
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20D1 年8月まで東京丿く 学 国 際・
産
学
共
同
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センターリ サ ー
チ ・ ア ソ シ
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獅謔闢結枳！1｝：，k学院
情 報 理
二 学系 研究科助丁 ．．20 （
13 年4
よリ電気 通 信大学知能機械1二
学科講 師
なり 現在に
至る．ロ ポ．ノト及び バーチ
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ルリアリテ ィ
の研
究
に
従
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）ciety ，
1青幸艮処王里
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会
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日本ロポソト
学
会．日本VR学
会， f］
本VR医 学会 各会
員
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Teddy bear −like Robotic User InterfacebyNoriyoshi SHIMIZU
Naoya KOIZUMI ， Maki SUGIMOTO ， Hideaki NII
Dairoku
SEKIGUCHI，
Masahiko INAMIAbstract ： Robots have chiefly been
considered as lnachines that pe
orm work ｛n the place 〈）f human beings ．
such asindustrial robots「However，
a rQbot can be
used as
an interface
be
een
the rea1 、vorld
and the information world
．This concept
can
be referred to
as
a
Robotic User Interface （R
＞
．In this paper ， we
propose
a RUI as a hapticfeedback interface ． We can
illteract
with
information world by usi
this RUI synchronize a CG m
el
that has thesame fDrm and
joints as RUI． Keyword Robotic
Uscr Interface ，
h
tic feeClback ， entertainment ， Vir
al RealityContact Address Noriyoshi SHIMIZU Graduate S
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TEL ：0424 −43
−5532 FAX ：0424
43−553
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