In a class of practical work for physiotherapy students and nursing students, those students experience simulation of hemiplegia patient to improve understanding on situation of such patient. A well-known method on the simulation is to load weight and restraint on extremities of an able-bodied subject, and weaknesses of the method are pointed out. Therefore applicants have focused on significance of introspection of hemiplegia patient during walking, and we have devised a novel method on a simulation of hemiplegia patient by influencing on an interaction between action and perception of lower extremity. Based on this idea, we have designed and developed an experimental device that vibrates tendons of leg joints for generating illusory kinesthesia and reflex action. Finally we investigated how our device influenced a gait of able-bodied person, and we gave workshops on experiencing our device forsimulation of hemiplegic walk

昨年度において,小型のトイディスクを回転させると同期して相手の椅子が回転するシステム,さらには自身の椅子を回転させることで相手の椅子も回転させるコミュニケーションシステムを開発した.本年度は,その回転椅子型トイコミュニケーションシステムを利用したコミュニケーション実験のために,実験システム,データ解析ソフトを開発し,さらに実験,およびデモンストレーションを行った.実験システムに関しては,昨年度開発した回転椅子アクチュエータユニットでは,椅子の回転角度を数度単位で制御することが困難であったため,椅子部と軸部の接合機構,およびその制御ソフトを設計開発することで,より精度高く,2台の椅子の同期回転制御を実現した.そして,2台の回転椅子ユニットを制御するコンピューターの時刻を計測し,データ処理時にその時刻を同期させることで,データ通信時間遅れを考慮した,回転角度位置,トルクの時間変位を計測するソフトウェアの開発を行った.さらには,計測データに様々な処理を施すための再サンプリングや相関を算出する処理ソフトウェアの開発も行った.これら新たに開発したシステムを利用し,遠隔コミュニケーション実験を行った結果,自身の椅子の動きと相手の椅子の動きを同期して動かすシステムの方が,自身のディスクの動きによって相手の椅子の動きを同期して動かすシステムと比較して,互いの椅子の動きを一致しやすく,相手との身体的つながりが強まる可能性を確認した.さらには,本システムを小中高生から保護者まで(30名程度)という極めて幅広い対象において体験してもらうデモンストレーションも行った

申請者は,身体イメージ(目を閉じても自身の手や腕などの空間的な位置を意識することが可能であるその身体の表象)の変化による慢性痛軽減の知見に着目し,工学的なアプローチから痛みを軽減するリハビリテーション支援を目指している.そこで,腱振動刺激による運動錯覚を活用し,身体イメージの再構築を促すために,身体の運動のイメージを変化させる身体的インタフェースの開発とその評価手法を検討した.昨年度において,振動刺激と上腕の他動的な伸展運動を組み合わせる身体的インタフェースの設計・開発に取り組み,上腕が過伸展した錯覚を生じさせることに成功した.本年度はさらに,上腕が動いていない,あるいは少ししか動いていないにもかかわらず,上腕の運動のイメージをそれ以上に変化させるための手法と,上腕の運動のイメージの変化を検証するための方法について検討した.以下に詳細について述べる.昨年度においては,上腕を他動的に動かすタイミングと運動のイメージの変化との関係については明らかになっていなかった.そこで,より強い運動イメージの変化を起こすための制御タイミングについて,他動運動の移動量,移動速度,移動回数のパラメタに着目し,錯覚した上腕位置の角度変化の計測と,その時の運動錯覚の強さの主観的な調査に関する基礎的な実験を行った.その結果,上腕を他動的に操作することと,移動速度の大きさが,運動錯覚の強さに影響を及ぼす可能性を見出した.また,言葉による主観記述とデッサンによる運動のイメージの表現に関する調査も行った.さらにこれらの結果を踏まえ,身体の運動のイメージの変化の自由度を高めるために,振動刺激の同時刺激箇所を2か所にし,上腕を屈伸・伸展の両方向に他動的に操作することが可能な機構を新たに開発した.その結果,屈伸・伸展の両方向に運動錯覚を生じさせることが可能であることを確認した

ロードバイクでは，ビンディングペダルを使用することにより，ペダリング効率向上に寄与する引き足動作が可能となる．本研究グループでは先に，ペダリング中に局所的な制動を付与するアイディアを考案し，試作ツールでの体験を通して，引き足動作に関与する筋活動の誘発を示唆した．本年度はこの方法を実際のトレーニングへと活用することを目指し，競技者が通常使用している自転車を対象に，着脱が容易となる工夫を施した装置の開発に取り組んだ．そこで，工具を用いた調整を不要とするため，後輪を外して取り付けるハブに後輪用規格のギヤを組み込み，制動のためのパッド位置が調整可能な円板とチェーン伝動する機構を構築した．

見えている像が移動するとあたかも自身が動いたかのように感じる現象を日常的に経験している．この現象は動的な映像表現でよく活用されているものの，自身が直接見ている現実空間を対象にした技術の事例は多くない．本研究では，自身が現前する現実空間において，自身と対象との相対位置が変位したように視野を変化させることによる，運動感覚への影響を調査するための装着型視野回転ツールの開発に取り組んだ．左右眼前にそれぞれ2個ずつ設置したウェッジプリズムを独立に回転させることで±約50°の範囲でヨー・ピッチ軸回りに視線方向を変化させ，さらに，両眼視線のなす角である輻輳角を変化させることで奥行き方向においても視野を変化可能とした．

競技自転車特有のビンディングペダル使用時の「引き足」動作を対象とした，技能の習得と向上を目的とするトレーニング手法に関する基礎的研究に取り組んだ．本研究の特長として，①ペダリング中に利用者が引き足動作を確実に繰り返し体験するための左右独立型クランク構造と，②引き足動作に関わる筋部位を選択的に調整できるように，ペダリング軌道（クランク長の可変範囲：140－200[mm]）ならびにクランク回転の負荷（電磁ブレーキ：最大5[Nm]）を動的に操作可能な実験システムを独自に開発した点があげられる．さらにペダリング中は，クランク角度，ペダル踏力，引き足動作に関わる下肢の筋活動の同時計測も可能とした．

中枢神経疾患者において，環境の視覚的な変化に起因する歩行障害を，健常者においても非侵襲かつ安全に擬似体験するための方法に関する研究である．対象物への距離感に変容が生じるという患者の報告を踏まえ，両眼視差を操作することによって奥行き感を変化させる装置をこれまでに開発し，本研究では装置の効果について検証を行った．さらに，装置利用時の身体動作への影響を調査するために，主に下肢の関節角度を対象にしたゴニオメータ，全身を対象にした三次元位置センサ，特定の部位に焦点あてた三軸加速度センサおよび表面筋電位測定装置を同期計測する実験システムを構築した．また，患者世界を擬似体験することの応用方法についても調査を行った．

　乗り手の身体形状や漕ぎ方の特性を考慮して最適なパフォーマンスを引き出すことを目指す，動的可変クランク機構を利用した自転車の最適ペダリングに関する研究である．特に本課題では，最適ペダリングのデザインに必要な，乗り手の様々な姿勢に応じて変化する，ペダル踏力，ハンドル・サドルへの荷重，各身体部位の動作・筋電図を同時計測するシステムの構築と，ペダリング軌道のシミュレーション手法を検討した．

　パーキンソン病患者にみられるすくみ足のような歩行障害を，健常者においても非侵襲かつ安全に擬似体験をするための方法に関する研究である．患者においては対象物との距離感に異常が生じているという報告を踏まえ，対象の奥行き感が変容するという現象を，両眼視差を変更することによって体験する方法に着眼した．そして，階段や狭所での歩行を可能とするために身体装着型であり，ミラーの位置調整によって両眼視差を拡大・反転するツールの開発に取り組んだ．特に，装着時の重量バランスと有効視野(水平約30[deg])に着目し，顔全体を覆う装置形状を実現するための機構配置と，顔先の小さな領域で左右の眼に入力する像を入れ替える機構に特長がある．

近年，書籍や操作マニュアルなど従来紙媒体であった多量の情報を電子化し，閲覧するといった利用が広まっている．これら電子情報の閲覧にはスクロール操作が行われており，従来の方法として，キーボードやマウスホイールの使用，あるいは対象を弾いて動かすフリック操作が頻繁に利用される．従来の方法では，入力量がある一定の量に決まっており，情報量が急激に変化した際にユーザは一定の入力量を基に何度も調整を行うか，その都度入力を中断して入力量のモードを切り替えて調整しなければならず，微調整が困難であり認知的な負荷が大きいという問題があった．このような問題に加え，さらに近年急速に広まってきたタッチディスプレイで利用される，フリック操作における位置操作のパフォーマンス向上の問題も踏まえることにした．そこで，力触覚モダリティによる調整が可能である，実物体を操作するときの特性を考慮した，新たなスクロール操作手法に関する研究に取り組んだ．まずは，フリック操作における力触覚の特性を調べるために，対象を押しつける力と，対象を指で弾く方向に与える力の計測は3軸小型力覚センサ，指で弾く対象の動きは非接触での計測が可能なレーザー変位計を組み込んだ実験装置を構築した．そして，一軸のスライダ機構上において，条件ごとに設定された対象を目標位置まで指で弾く実験を行い，移動距離と付与する力の関係について検討した．さらに，従来のフリック操作では困難な，早く大きく動かしたり，細かく調整したりなどの幅広い操作量の調整方法に関する問題に着目し，新たなスクロール操作として，実際に回転するホイールを接触しながら調整する操作方法について検討した．そこで，ホイールとギヤードモータの回転数の差を検出し，その状況に応じたクラッチのON・OFFによって，ホイールの回転力の調節を行う回転駆動装置を製作した．そして，ホイール回転に応じてデータをスクロール表示するインタフェースシステムを構築した．続いて，従来のホイール操作やフリック操作との比較として，数字を記載した表の中から，特定の数字をスクロール操作によって探索し，選択する実験を行った．その結果，目標の予測ができる場合には，考案の回転駆動インタフェースにおいて，細かな調整を行うことで無駄な動作を減らし，操作しやすく疲れにくい特長があることを示した．一方，目標値を予測できない場合には，ホイールを軽く止めて逆方向にすぐに動かすなどの，より細かな動作ができることの必要性を見出した．最後に，従来の操作方法も含め，反復動作，連続動作という観点から，反復動作の一部自動化によって連続動作を実現しているという，考案した回転駆動インタフェースの特性について考察し，フリック操作の可能性を拡げるためのスクロール操作方法の指針について提案した．

　離れた相手と装置を介して握手することや，手にした道具を互いが動かしあうことなど，身体の一部の動きに着目した様々な遠隔インタラクションツールに関する研究が進められている．一方申請者らは, ロッキングチェアを使用する時のように，常に揺らさずとも揺れが持続し，足で床を蹴る，あるいは重心位置の変化で揺れを起こすことなどによる全身揺動に着目し，二者間の身体の揺れを伝え合うための装置開発にこれまで取り組んできた．そして，本申請研究では，こうした互いの全身の揺れの共有に関し，揺動している身体の動きや二台の椅子の座面角度の変化，そしてタイミングの共有などの動作のダイナミクスについて，さらには揺動中の二者間における主体性や他者性の問題などについて検討するために，様々なインタラクション実験に対応可能な基盤システムの開発をまずは行い，続いてインタラクションに関する予備的な調査を行った．　本システムは駆動部，計測・制御部から構成される．駆動部のアクチュエータは座面と繋がっており，高出力かつ高いバックドライバビリティと滑らかな動きが必要になる．そこでダイレクトモータ（横河電機製, DR5E130）を使用することにした．このモータは，最大回転数（1.2[rps]）は低いものの，最大出力トルク（130[Nm]）は非常に大きいという特徴がある．そのため減速機が要らず，比較的小型でバックラッシュも無いという利点がある．一方，高出力・高精度のモータのため，機械剛性が低いと構造が歪み，モータが発振する恐れがある．そのためモータ両端から突き出した軸を，座面フレームの左右の側板とそれぞれ接合し，軸やフレームにかかる力を分散させる構造とした．この駆動部の構築により，最大で体重80[kg]までの人が座面に乗っても，揺動させることが十分可能となった．計測・制御部では座面駆動と座面の動きの取得のために，モータの角度・トルクの計測・制御をおこなう．角度はモータに組み込まれている高分解能エンコーダ（1228800[ppr]）によって検出され，その値はエンコーダカウンタおよび位置指令パルス発振機能を有するモーションコントロールボードを介してコンピュータに入力される．そしてトルクは，出力軸両端の２箇所に張り付けたひずみゲージを利用して計測されるが，ひずみ値は増幅後にA/D・D/A ボード（分解能16bit）を介してコンピュータに入力され，モータの計測・制御に使用する．また，非常時に停止できるよう，被験者の足元と実験者の手元には停止スイッチを用意した．　以上に記述したシステムを構築し，制御参照値としてはモータ軸角度，軸トルクの値を，制御値としてはモータ軸角度，モータトルクを自由に組み合わせることを可能とする，2台の座面の協調制御方法を実装した．この制御方法の組み合わせの例として，モータトルク制御の方式においては，モータ角度と軸トルクを参照してトルク制御するコンプライアンス制御を実現した．これは剛性や粘性を自由に変更できる仮想物体を介して互いの座面が繋がれたように感じる制御である．　最後に，2台の座面の協調制御方法の違いによる，相手の動きの感じ方や動かし方の変化への影響を調べるために，実装した複数の制御方法を比較条件とした予備的なインタラクション実験を行った．インタラクション中の二者にスイッチを持たせ，相手と共に揺れていると感じたらスイッチを押すよう指示し，座面角度・軸トルクの計測データと二者の回答を同時に取得した．これらの実験により，持続的な揺動が生じやすいコンプライアンス制御や，座面を動かしにくい角度制御など，2台の座面を協調動作する制御方法によって，揺動の共有に影響を与える可能性が示唆された．

身体全身の揺動を互いに共有することを目指し，ロッキングチェアに座っているような揺れを与えるためのロッキング・インタラクションシステムを先に提案した．しかしその機構は座面とモータ軸を直結していたため，座面揺動を実現するには頻繁にモータを反転させなければならず，モータ制御への過度の負荷が問題であった．そこで本研究では，長時間の使用とスムーズな揺動の実現を目指し，モータの回転方向は一定として，揺動に応じその出力を反転するクラッチ機構を開発した．クラッチは伝達トルクを調整できるパウダクラッチ（定格25[N・m]）を椅子１台につき２台使用した．モータの出力はギヤとベルトを介し正・逆転する２系統に分割してそれぞれのクラッチに入力し，各クラッチからの出力は座面と接合した回転軸にそれぞれ入力した．またロータリーエンコーダ（1800[P/R]），制御用コンピュータ，パワーアンプからなる制御システムにより，２台の座面の揺動を一致させる．すなわち，各座面の側板に繋いだ軸の角度が互いの制御目標の角度となるよう，PID制御による操作量を算出し，その値に応じて各クラッチの出力を操作する．これにより，各クラッチの出力の回転方向とトルクを変化させて座面傾斜角度が一致するように制御を行う．座面機構の大きさは幅740[mm]高さ465[mm]奥行805[mm]である．無負荷時の目標傾斜角度1[deg]におけるステップ応答の結果，無駄時間は94[msec]，時定数は609[msec]，また最大傾斜角度は±1.6[deg]であった．以上のクラッチ機構によりモータ制御への負荷が減少したため，座面に人が乗った状態や，モータに最大負荷がかかる状態でも長時間安定したスムーズな動作を実現できた．

ブランコに共に乗り身体の揺れを共有する際に，他者との一体感を我々は日常的に経験している．そこで，離れた相手との一体感の創出を目指し，ロッキングチェアのような座面の揺動による身体の揺れを互いに共有させることを目的とする．そして，使用者が動かす座面の傾きやトルクが互いに一致するように動作するインタラクションシステムの開発を行った．本システムは座面駆動機構と位置･トルク制御システムより構成する．座面駆動機構はDCモータ(定格トルク8.8[N･m])，ロータリーエンコーダ(1000[P/R])，トルクセンサ(±5.0[N･m])から構築した．座面はロッキングチェアと類似した動きをし，さらにはその傾斜角度やトルクの検出･制御を行うために，座面四隅と底面の中心軸上に片側4本の回転軸を設置し，その回転軸を左右2枚ずつの側板両端の軸受にはめ込む機構を考案した．そして，1枚の側板の座面側回転軸に，DCモータとトルクセンサをカップリングで接続することで，座面の自在な傾斜動作を実現した．さらに，座面の回転軸に重力方向の荷重に対するカウンターバランスのためのねじりコイルばね(7.24[N･m/deg])を組み込むことで，モータの出力を抑えることが可能となった．位置･トルク制御システムは，モータコントローラ，モータドライバ，PC上で動作するソフトウェアから構築した．互いのトルク値をTCP/IP通信によってPC間で送り合い，座面の傾斜角度が一致するように算出した目標値に基づき，PWM出力によるPID制御によりモータの回転制御を行う．その結果，座面（奥行600×横700[mm]，最大傾斜角度±15°，最大傾斜速度60[deg/s]，最大荷重980[N]）の上に立つ，座るといった様々な状態で，離れた互いの座面の揺れを共有するシステム開発の見通しを得た．

自身の身体があたかも相手の空間にまで拡張しているかのような感覚や，離れた相手が自身の現場に居合わせているかのような感覚を産み出すために，双方の身体行為を実体の道具の動きを介して表現し，さらにはその道具を操作している状況を映像空間で共有する手法をこれまでに提案した．本研究では，まずはこの手法の有効性について検討し，設計手法の構築を目指して，先に開発したコミュニケーション・システムを活用し，２，３の実験を行った．そしてこの結果に基づき，コミュニケーション・トイ（コミュニケーションを支援する玩具）という視点から，家庭などでの利用へ向けて，離れた双方の場所においてあるトイ・オブジェクトを動かし合いながらコミュニケーションするというアイデアを考案し，以下に示す３つの点から要素技術やそのシステム開発に取り組んだ．１つめは，映像上の相手のトイ・オブジェクトを遠隔から操作することを実現するため，画像処理により，自身のテーブル上のマーカーを移動させると，それにしたがって相手の実体のディスクが回転する制御システムを開発した．２つめは，互いが操作するトイ・オブジェクトの動きを制御するために，情報コンセントに装置を接続するだけで自動的に遠隔の相手の装置を認識し，かつ自身の現場のトイ・オブジェクトの動きを制御する小型の通信制御システムを開発した．そして，３つめには，小型のトイ・オブジェクトのみならず，身体サイズのオブジェクトとしてアクチュエータユニットを組み込んだ椅子システムを開発し，小型のトイディスクを操作すると相手の椅子が回転したり，あるいは自身の椅子を操作することで相手の椅子を操作可能なシステムを開発した．以上により，自身の手で実際に操作可能であるトイ・オブジェクトを利用して，離れた相手とあたかも同じ場所にいるかのような感覚を創出し,対話コミュニケーションを支援するための技術を開発した．

インターネットの普及に伴い，離れた場所にいても人と人とが必要な情報を共有できるようになってきた．しかし一方で，互いの間における信頼感や安心感の創出には，人と人が直接出会わないとうまくいかないことが指摘されており，このことがコミュニティ支援にコンピュータメディア技術を活用する際の大きな問題にもなっている．このような問題が発生する要因として次のことが挙げられる．すなわち，対面時のように同じ場所（空間）におけるコミュニケーションでは，互いの身体性（身体の働き）を介して存在そのものが伝わることで，コミュニケーション可能な場が創出され，それによってコンテキストの共有が起きると考えられている．しかしながら，これまでのコンピュータメディア技術は，異なる空間において，そのような場を創出できるインタフェースの開発が遅れているといえよう．そこで著者らは，この問題を解決する手がかりを得るために，離れた場所間において，互いの身体性を強め合うことが可能なインタフェースの設計手法についてこれまで検討してきた．その結果，共存在感の創出には，行為を介して自身と相手との関係を創りながら，互いを共通の空間に位置付けることが必要であることが分かってきた．また，これにより，相手との距離感や一体感なども創出されると考えることができる．以上のような観点から，本研究では，異なる空間で互いが同じツールを共有して，それを共同で操作すると同時に，その身体的行為の現場をリアルタイムに映像表現し，仮想空間上にそれぞれの現場における行為を統合することで，共存在感を創出させる二重表現的な手法について検討することにした．具体的には，回転盆（“Lazy Susan”）を複数人で囲んだコミュニケーションの場を想定したインタフェースシステムを開発した．そして，本システムを利用したコミュニケーション実験を行い，相手の仮想的な身体と実体のテーブルとのインタラクションにおいて，相手の仮想手に存在感が創出されるという興味深い現象を確認し，共存在感の創出支援や対話支援における有効性を示した．さらに，本システムを拡張し，遠隔地間での共同作業を支援するためのプラットフォームとしての活用について若干の検討を加えた．すなわち，積み木を用いたテーブル上での作業やホワイトボード上での共同描画などにおいて，本システムを用いることで，互いの身体性を強められ，共存在感が創出されやすくなることを示した．