空気圧バルーンを用いた体積型ハプティックディスプレ イ 阿部 幸司∗1 矢野 博明∗2 岩田 洋夫∗2 Volume Haptic Display Using an Air-balloon Array Koji Abe∗1 , Hiroaki Yano∗2 and Hiroo Iwata∗2 – This paper describes development of a haptic display that displays 3D shape in real environment using an air-balloon array. The device employs many small balloons arranged by cubic array. It enables user whole palm interaction; not only touch virtual objects but also to hold them. We developed a balloon control unit that control the volume of the balloon and evaluated it. Then we constructed a balloon array using 5 control units and created some sample shapes of virtual object. Abstract Keywords : virtual reality, haptic interface, volume display, air-balloon 1. はじめに 近年、情報の電子化とその利用の高度化に伴い、表 Display [1] や筑波大学の FEELEX [2] が開発されてい る。しかし 、これらは面の凹凸を表現することはでき ても三次元立体は表現できていない。 現手法としてバーチャルリアリティ技術が利用される そこで本研究では、空気圧バルーンを複数個用いる ようになってきた。そして、電子化された事象や物体 ことで、連続した「面」を呈示するだけでなく、把持 をより直感的に認識するため、従来重視されてきた視 行動のように多方向からのコンタクトも可能なディス 覚呈示技術と共に、力覚の呈示技術に関する要求が高 プレ イ（ 体積型ハプティックディスプレ イ）を開発し まってきている。力覚呈示デバイスは、バーチャル物 た。本稿では 、基本的な動作原理を提案すると共に 、 体の認識だけでなく、それに対して操作を行うことが 実際にシステムを製作し 、評価を行ないその有効性を でき、医療シミュレーションや遠隔作業など 多くの分 検証する。 野への応用が期待されている。 現在、力覚の呈示について様々な装置が研究されて きており、その形態により大きく３つに分類される。 ペンなどの道具を介してバーチャル物体と「点」で接 触した感覚を呈示する「道具媒介型」、腕や手の甲な ど 体の一部に装着し 、複数の「関節」に力覚を呈示す 2. 従来の研究と体積型ハプティックディスプレ イ 現在研究されている連続した「面」を呈示する対象 指向型ハプティックディスプレ イの多くは、その面を 駆動するために直動機構のロッドをアレ イ状に配置し ている（ 図 1 ） 。 る「外骨格型」、バーチャル物体の形状の一部を機構 によって実世界に再現し 、体験者が実物体と同じよう に指や手全体で直接触れる「対象指向型」である。 それぞれの方式には呈示するのに適している対象 がある。本研究では、バーチャル物体を実物体と同様 の臨場感をもって表現することを考えた。実物体は連 続した面で構成されており、その物体認識には深部感 ๒␜㕙 ࡠ࠶࠼ 覚と触圧覚の両方に対する刺激が重要である。実物体 をシミュレーションするような用途でバーチャル物体 呈示するには、指や手のひら全体で触ることができる 対象指向型のディスプレ イが有効である。これまでに 図 1 直動機構による面呈示 Fig. 1 Surface deformation with linear actuators 対象指向型デ ィスプレ イとして、東京大学の Surface しかし構造上、変形及び力覚呈示ができるのはロッ *1：筑波大学大学院 理工学研究科 *2：筑波大学機能工学系 *1：Master’s Program in Science and Engineering at University of Tsukuba *2：Institute of Engineering Mechanics and Systems, University of Tsukuba ドの動作方向の一次元のみで、物体の裏側の形状やロッ ド の横方向などからの力の入力を検出することは困難 である。動作方向を工夫することによってボリューム を呈示することもできるが 、ロッド 間に谷ができてし まうなど 、ボリュームを持つバーチャル物体を呈示す 㪈㪍㪇 るのに適しているとは言えない。 㪈㪋㪇 なく、空気圧バルーンを用いて力覚呈示を行う。バルー ンはその特性上、全方向に等しい力を発生させ、また、 その形状（ 大きさ）も全ての方向に同時に変化する。 また逆に、力の入力があった場合、その影響はバルー ン内部のどの個所においても検出が可能である。 そこ ജ㩿㪾㪽㪆㪺㫄㪵㪉㪀 本研究では面呈示部にロッド のような直動機構では 㪈㪉㪇 㪈㪇㪇 㪏㪇 㪍㪇 㪋㪇 㪉㪇 㪇 㪇 㪉㪇 㪋㪇 㪍㪇 㪏㪇 Ⓧ㩿㫄㫃㪀 図 3 バルーンの体積対圧力特性 Fig. 3 Pressure-volume characteristic of a balloon 結果、単に圧力を制御するだけでは意図した形状（ 大 ࡃ࡞ࡦ きさ）にすることができなかった。 ๒␜㕙 3. 2 体積制御 内部の圧力を制御するだけでは、膨張／収縮し続け 図 2 バルーンによる面呈示 Fig. 2 Surface deformation with balloon る不具合があるので、内部に送り込む空気の量を制御 することを考えた。そこで、圧縮空気供給機とバルー ンの間にバルブと流量計を設置し 、バルーンに流れる で、小型バルーンを複数個配置し 、それぞれのバルー 空気の流量を測定・制御し 、バルーンの形状を制御す ンの体積を制御することにより、ボリュームの概念を る装置を試作した。配管を流れる空気量とバルーン体 含んだ面の形状と力覚の呈示・インタラクションが可 積はほぼ同じ量で変化するので、バルーンは意図した 能を実現した（ 図 2 ） 。 大きさになり、その手法自体は形状呈示に適している。 3. バルーンの特性と制御 しかし 、流量計によって正確に測定できる範囲には制 約があり、微少の流量は測定できず、時間経過と共に 体積型ハプティックディスプレ イでは、バルーンの バルーン体積との誤差が蓄積され 、拡大する。最終的 体積の膨張、収縮、維持の３つの状態を素早く切り換 には意図した大きさにはならない場合があった。さら えられる機構が必要である。これを実現するため、い に、この手法では、バルーンを収縮させる際には、配 くつかの機構を検討した。 管の太さをパラメータとし 、内部圧力と大気圧との差 3. 1 圧力制御 バルーンの体積は、 「外部の空気圧＋バルーン自体の を利用した受動的な排気であり、応答速度は良好では なかった。 収縮力」と「内部の空気圧」のつり合いによって決ま そこでバルーンとタンクを密閉して接続し 、外部と る。そこで、バルーンに圧力センサを取り付け、圧縮 の空気の出入りをなくし 、タン クの要領を変化させ 空気の供給・排気により任意の圧力に制御することで ることで、形状を制御することを考えた。すなわち、 ボリュームの呈示を行なう装置を試作した。これは 、 シリンダのピストンをアクチュエータによって駆動す バルーンに対し て操作が 加えられたことも圧力セン ることで、バルーンの体積を制御する。この手法は 、 サで検出が可能で、外部の制御装置が単純で済む利点 シリンダやアクチュエータなど 装置が複雑かつ大型に がある。しかし 、実際のバルーンの体積と内部圧力の なってしまう。しかし 、アクチュエータの作動量から 関係を計測した（ 図 3 ）ところ、バルーンは体積と内 バルーンの体積を算出可能で、高精度で制御できるこ 部圧力の関係が一意でないことが分かった。 これは、 とが大きな利点である。また、バルーンの空気の出入 バルーン自体のゴ ムの収縮力が体積によって変化する りはアクチュエータによって能動的に行われるため、 ことによるものと考えられる。これを無視して、一定 比較的高速な応答を得ることができる。さらに、シリ 圧力に保とうと制御した時、ピークを超えられず、バ ンダとバルーンの間に圧力センサを設置し 、バルーン ルーンが膨らまないか、膨張がいつまでも止まらない の体積と圧力の関係と照らし合わせることで、外部か かのど ちらかの現象を示すものである。実際の検証の らの力の入力が検出可能である。 4. 4. 1 体積型ハプティックディスプレ イシステム 力覚呈示部 バルーンの圧力・送りねじの回転数情報は PC に入 力され 、処理された結果、PC からモータ制御の信号 を出力する（ 図 6 ）。この駆動装置をバルーン１つに バーチャル物体の形状を正確に呈示するためには 、 可能な限り小さなバルーンを採用するべきだが 、本研 つき１台割り当てることで任意の数のバルーンをリア ルタイムで制御する。 究では 、バルーンに空気送る配管の径など も考慮し 、 バルーンの制御範囲を直径 20mm-46mm（バルーン直 #& 径 46mm 時の体積は約 50ml ）とした。バルーンは隙 2% 間をできるだけ小さくするように、体心立方格子状に ജࡦࠨ ࠞ࠙ࡦ࠲ ࡈࠜ࠻ ࠗࡦ࠲ࡊ࠲ ࡕ࠲࠼ࠗࡃ ࡕ࠲ 2+1 配置した。また、バルーン間にできる谷間を補完する ために、図 2 の呈示面のようにバルーン群を布（ネッ 図 6 制御システム構成 Fig. 6 Configuration of control system ト包帯）で覆うことにした。この布はバルーンの膨張 率やバルーンの位置拘束を考慮して伸縮性のあるもの を用いる。さらに、バルーン位置の相対関係を保つた 5. め、配管同士をスプリングによって結合する（ 図 4 ） 。 システム評価 実際に製作したバルーン制御装置１ユニットの外観 を図 7 に示す。 ࡃ࡞ࡦ ࠬࡊࡦࠣ ㈩▤ ࿕ቯౕ 図 7 体積制御ユニット Fig. 7 Overview of volume control unit 㕙 㕙 図 4 バルーン配置 Fig. 4 Balloon arrangement まず、バルーンの制御応答速度について評価を行っ た。バルーン体積がほぼ 0ml の状態から、想定されて 4. 2 いる制御体積の上限である 50ml まで上限速度で変化 駆動制御部 バルーン制御としてシリンダのピストンを駆動させ させた時の時間変化を測定した。 （図 8 ）これより、バ るために、DC モータ（ 4:1 の減速機付き）と送りねじ ルーンの体積変化はほぼ時間経過に対してリニアであ （ねじピッチ 0.5mm ）機構を用いた。また、バルーンの ると言える。これは、アクチュエータの駆動能力が負 体積とピストン位置は一意の関係にあり、同様にピス 荷に対して十分大きく、バルーンの状態に関わらず一 トン位置は送りねじの回転数から判断できるので、送 定の変化速度で目標状態へ遷移が可能であることを示 りねじ部にフォトインタラプタによる光学式エンコー し 、自然な力覚呈示が可能であると考えられる。 ダを取り付け、回転数を計測する（ 図 5 ） 。バルーンと 㪍㪇 ブ（外径 6mm 、内径 4mm ）によって接続し 、この間 㪌㪇 に外力計測用の圧力センサを取り付ける。 㪋㪇 ࡃ࡞ࡦ Ⓧ㩿㫄㫃㪀 シリンダは SMC 社のソフトポリウレタン製のチュー 㪊㪇 㪉㪇 ࡈࠜ࠻ࠗࡦ࠲ࡊ࠲ 㪈㪇 ࿁ォ᧼ 㪇 㪇 ࡕ࠲ ജࡦࠨ ࠪࡦ࠳ 図5 ㅍࠅߨߓ 㪈㪇㪇㪇 㪉㪇㪇㪇 㪊㪇㪇㪇 㪋㪇㪇㪇 㪌㪇㪇㪇 ᤨ㑆㩿㫄㫊㪀 ᷫㅦᯏ 制御機構 Fig. 5 Basic mechanism of volume control unit 図 8 バルーンの時間経過に対する体積変化応答 Fig. 8 The volume change response to time progress of a balloon OO 6. 考察 実装したシステムの検証を行い、変化率の大きい物 OO OO OO 体や 、複雑な形状の物体の立体形状を滑らかに呈示 可能であることが分かった。しかし 、実装システムに おいて見られた考慮すべき問題点として、応答速度と バルーンの配管が挙げられる。他のハプティックイン タフェースと比較して応答速度がやや遅く、現状では 高い周波数で変化するバーチャル物体を表現すること は困難である。よって、モータと送りねじの間にある ギアや送りねじ自身の減速比、モータ出力などを再検 討する必要がある。また、バルーンを配置する際にバ ルーンと配管が干渉し 、全体として形状変化が阻害さ れる可能性あり、さらに大きなシステムとなった際に は無視できない要因になると考えられる。配管の素材 図 9 ５バルーンシステムの最小形状と最大形状 や径、配管経路そのものの変更までをも視野に入れて Fig. 9 Minimal and maxmal deformation of our display 検討していく必要性がある。 7. まとめと今後の展望 本研究では、空気圧バルーンを用いることで、従来 ５つのバルーンを用いてシステムを実装し 、バルー 困難であったボリュームを持ったバーチャル物体の呈 ンの体積変化に伴う位置の移動や、ボリュームの呈示 示を実現する装置の提案・開発を行った。実装システ について検証した。図 9 は、最収縮時（ 左）、最膨張 ムの検証により、ハプティックディスプレ イに対する 時（右）であり、上段が理論値であり、下段が実際の 空気圧バルーンの有効性を確認した。 写真である。実際の寸法を測定したところ、ネット包 今後の展望として、より大きな物体の呈示のために 帯の外寸 (W,H) は最収縮時で 40mm × 60mm 、最膨 バルーン数を増やしたシステムを実装し（ 図 11 ） 、呈 張時で 85mm × 90mm であった。最収縮時の高さ方 示可能である物体形状の詳細な検証の後、触診シミュ 向が理論値より大きいが 、これは包帯のダブつきによ レータなど 実際のアプリケーションへの適用が挙げら るものであり、これを考慮するとど ちらもほぼ理論値 れる。 に近い値となっていた。また、バルーン毎に体積を変 えることで、図 10 のような形状の呈示ができること が確認できた。 全体を通し 、バルーンの大きな膨張率変化に対して も、位置の著しいずれなどがなく、違和感なくバーチャ ル物体の表現が可能であると考えられる。 図 11 目標とするハプティックディスプレ イ Fig. 11 Objective haptic display 参考文献 図 10 多様な形状呈示 Fig. 10 Various deformations of our display [1] 広田, 廣瀬: 面提示型触覚デ ィスプレ イのための曲面 表現デバイス; 第 10 回ヒューマン インタフェースシ ンポジウム, pp.193-196 (1994) [2] Iwata,H., Yano,H., Nakaizumi,F., Kawamura,R.: Project FEELEX; Adding Haptic Surface to Graphics, SIGGRAPH 2001 Conference Proceedings, pp.469-475 (2001)
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