触覚インタフェースを用いた視覚障害者支援のための電子指揮棒システムの研究
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(2) くな り配 線 が絡 ま っ た り、配線 に 足 が 取 られ た り と問題 が. そ れ の 受容 器 ご とに 関 与す る刺 激 が決 ま っ て い る。手 首 に. 発 生 す る 可 能性 が あ る。 しか し、 この 電子 指 揮 棒 シ ス テ ム. 取 り付 け たHIDか. らの振 動 は 、パ チ ニ小 体 が 主 に 関与 す. は 、無 線 装 置 を使 って い るた め 、歌 い 手 側 が 多 くな って も、. る。 パ チ ニ 小 体 か ら送 られ た触 覚 情 報 は 、 脊 髄 か ら延 髄 、. 問題 な く指揮 棒 の動 き を伝 達 す る こ とが 可能 とな る。. 視 床 を経 て 大 脳 皮 質 へ 送 られ る[9,10]。そ の 後 、 刺 激 と状. 音 楽 の演 奏 に お い て 、重 要 な こ とは 同 期 で あ る。指 揮 者. 況 か ら指 揮 と して認 識 す る。. は 指 揮棒 に よ り指 示 を 出す が 、視 覚 と触 覚 とで反 応 速 度 に. これ らの 直 接 的 な刺 激 に よ る反 応 と合 わ せ て 重 要 に な. ず れ を 生 じる こ とは 問題 とな る。著 者 らは 、これ ま で視 覚. るの が 、注 意 のネ ッ トワー ク とい わ れ る もの で あ る。人 は. と触 覚 の反 応 時 間 に つ い て の 特 性 を 明 らか にす る研 究 を. 無意 識 の とき に受 け る刺 激 と、あ らか じめ状 況 に注 意 を払. 行 っ て き た[7]。本 論 文 で は 、指揮 法 で 予備 動 作 と呼 ばれ る. っ て い る とき に受 け る刺 激 とで は 、反 応 時 間 に差 が 出 る こ. 振 りか ぶ りの動 作 に着 目 し、視 覚 お よび 触 覚 に お い て 、予. とが 知 られ て い る[11]。特 に視 覚 的方 位 のネ ッ トワー ク に. 備 動 作 が反 応 速 度 に どの よ うな 影 響 を 与 え る か を 実 験 に. お け る研 究 と、今 回 対象 とす る指 揮 棒 の動 き とで は深 い 関. よ り検 証 す る。. 係 が あ る。指 揮 法 で は、拍 子 を 的確 に演 奏 者 に伝 え る た め に 予備 動 作 が重 要 で あ る。予 備 動 作 とは 、一 般 に は振 りか 2.背. 景 と目的. ぶ り動 作 な ど と もい われ るが 、視 覚 的 に注 意 を与 え、反 応. 2.1指 揮法 一般 的 に 、音 楽 で い う指揮 とは集 合 に よる演 奏 に対 して. 速 度 を 向 上 させ る効 果 が あ る。. 統 一 を 与 して い く行 為 で あ る[8]。 指 揮 で最 も重 要 な こ と. 与 え る こ とに よ り、反 応 速 度 を 向上 させ 方 法 を提 案 し、実. は拍 子 を刻 む こ とで あ る。 音 楽 に は2拍 子 、3拍 子 、4拍. 験 に よ り検 証 す る。. 本 論 文 で は 、視 覚 と 同様 に、触 覚 に お い て も予 備 動 作 を. 子 な どが あ り、この拍 子 の テ ン ポ を演 奏 者 全 員 で合 わせ る こ とが 重 要 で あ る。指 揮 者 は 、 この拍 子 を指 揮 棒 の動 き に よ り演奏 者 に 指示 す る。指 揮 棒 の 振 り方 には 、「 叩 き」、「 平 均移 動 」、「しゃ くい 」な どが あ り、図1は 最 も代 表 的 な 「叩 き 」 に よる 各拍 子 の例 で あ る。 2-beat. 3-beat A. Fig.1Basicallyswingmethodofmusicbaton. 2.2注. 意 の ネ ッ トワー ク. 視 覚 に よる認 識 は 、外 界 か らの 光刺 激 は レン ズ に対 応 す る水 晶 体 を経 て 、網 膜 に至 る。網 膜 は 高度 に発 達 した構 造. Fig.2Blockdiagramofthesystem. を 持 ち 、そ の性 能 を 十分 に発 揮 す る た め に 、瞳 孔 径 調 節(光 量 調 節)、 焦 点調 節 、 眼 球 運 動 な どの 精 密 な制 御 が あ る。. 3.反. 網 膜 で 処理 され た視 覚情 報 は視 交叉 、外 側 膝 状 体 を経 て大. 3.1シ. 応 速度 に関す る実験. ステム構成. 脳 皮 質 に運 ばれ る[9,10]。そ の後 、指 揮 棒 の 形 や 動 き な ど. 電 子 指 揮 棒 シ ス テ ム は 、図2に 示 す よ うに、指 揮 者 側 の. か ら指 揮 と して 認 識 す る。 一 方 、 触 覚 に よ る認 識 は 、皮. 送 信 シ ス テ ム と演 奏 者 側 の受 信 シ ス テ ム と で構 成 され て. 膚 の 上皮 お よび真 皮 に は さま ざま な受 容 器 が存 在 し、それ. い る 。 送 受 信 の 無 線 装 置 に は 、 ア サ ッ プ シ ス テ ム製 の. 42一.
(3) 2.4GHzデ. ー タ ロガ[12]を 使 用 した 。. 受 信 側 の装 置 は 、伝 達装 置 と して携 帯電 話 な どで使 われ て い る小 型 振 動 モ ー タ を用 い て い る。このモ ー タ を 図4の. 送 信 側 の装 置 は 、指 揮 棒 内 に3軸 加 速 度 セ ン サ を 内蔵 し て お り、 指揮 棒 の動 き を10ms間. 隔 で 測 定 して い る。 図3. よ うに 手 首部 分 に装 着 す る。振 動 に対 す る受 容 能 力 は指 先. が そ の外 観 で あ る。先 の 平 岩 らの 研 究 で は 、指 揮 棒 内 に無. や 手 の ひ らが 高 い が 、視 覚 障 害 者 の 意 見 と して 、演 奏 時 に. 線 装 置 ま で を 一 体化 して い た が 、指 揮 棒 の 重 量 は 、長 時 間. ス テ ー ジ に 上 が っ た 時 に 目立 た な い もの に して ほ しい と. 指揮 を行 うに は 非 常 に重 要 な要 素 で あ り、で き る だ け軽 い. の 要 望 が あ っ た。そ こで 、衣 装 な どで 隠 しつ つ 受 容 能 力 の. こ とが 望 ま れ て い る。そ こで 、本 シ ス テ ム で は無 線 装 置 を. 高 い 手 首 に装 着 す る こ と と した。. 別 体 と した。 ま た 、音 楽 で は フ ェル マ ー ター な どの 音 を 伸 ば す 、音. 3.2拍. 子の抽出. を 止 め る な どの指 揮 が重 要 で あ る。 この 場 合 は 、指 揮 棒 を. 指 揮 棒 の動 き 、す なわ ち拍 子 の 抽 出 は 、指 揮 棒 に 内蔵 し. ゆ っ く り移 動 させ た り、ま た は 一 定 の ポ ー ズ で止 め た りす. た3軸 加 速 度 セ ンサ に よ り行 う。セ ンサ の 軸 の 向 きは 、図. る。 これ らの動 き は加 速 度 セ ンサ の み で は 、伝 達 が で き な. 5の よ うに前 後 がX軸. い。そ こで 、指 揮 棒 に任 意 で合 図 を送 れ る ボ タ ン を用 意 し. 今 回X軸. た。. 加 速 度aと. 、左 右 がY軸. は使 用 せ ずY、Z軸. 、 上 下 がZ軸. と し、. の 出力 を使 用 した 。指 揮 棒 の. して 、 式1に よ りY、Z軸. の合 成 ベ ク トル の大. き さを 計算 す る。. Fig.3TheMusicbatonandtheradiomodule. Fig.5Thedirectionsofthesensoraxis. 拍 子 を刻 ん で い る ポイ ン トは 、図1中 の 「点 」の部 分 で あ り、指 揮 棒 が 下 向 き か ら急 激 に 上 向 き に転 じる部 分 で あ る。 こ の よ うな部 分 を抽 出す る方 法 と して 、脈 波 な どの 解 析(2)で 用 い られ る式2の. 加 加 速 度(Jerk)に よる演 算 処 理. を使 用す る。. α一vア マ ノ=α.. 図6は. (1). α. 、 「叩 き 」2拍. か ら の 出 力 で あ り 、図7が. (2). η 一1. 子 のY軸 式1と. とZ軸 式2に. の加 速 度 セ ンサ よ り計 算 し た 加 加. 速 度 デ ー タ で あ る 。 「点 」 の 位 置 で は っ き り と し た ピー ク Fig.4Thereceiverandthevibrationmotor. 波形 を抽 出す る こ とが で き る. 3一.
(4) グ を合 わせ る上 で重 要 とな る 。 そ こ で 、 視 覚 で の 非 定 周 期 ・定 周 期 の実 験 で は、図9の. よ うに予 備 動 作 の代 わ りに. 図形 が指 揮 棒 の動 き と同 じ よ うにV字. を描 く よ うに動 き、. V字 の折 り返 し点 を 拍 子 の タ イ ミン グ と して反 応 速 度 を 測 定 した。 実 験 の被 験 者 は、20歳10名. で あ る。 実 験 結 果. を表1に 示 す 。. 3.4触. 覚 イ ンタ フ ェー ス の 反 応 速 度 に 関 す る実 験. 触 覚 イ ンタ フ ェ ー ス に よ る反 応 時 間 を 図10の. 振動モー. タ を 用 い て 実験 した。実 験 で は振 動 モ ー タ の振 動 を認 識 し、 ボ タ ン を押 す ま で の時 間 を計 測 した。 それ ぞ れ の 計 測 は 、 視 覚 と同様 に 非 定周 期(ラ. ンダ ム)と 定 周 期(リ ズ ム)の. 場 合 の 実験 を行 っ た。 実 験 の 被 験 者 は、20歳10名. で行 っ. た。 ま た 、触 覚 イ ンタ フ ェ ー ス の予 備 動 作 を与 え る方 法 と して 、 図11の. よ うに本 振 動 の 約400ms前. えた。 実 験 の被 験者 は 、20歳5名. に予 備 振 動 を与. で あ る。 実 験 結 果 を表2. に 示 す。 ま た 、 予備 動 作 あ りの 実験 結 果 は 、 図12に デ ー タ を示 す よ うに 、2つ の グル ー プ に分 かれ た。. Table2Theresultofthehapticexperiment. 3.3視. Random Normal. Random Pre-motion. Rhythm Normal. Rhythm Pre-motion. Max.[ms]. 293.9. 175.9. 209.7. 169.8. Min.[ms]. 199.8. 20.9. 32.0. 43.3. Ave.[ms]. 247.7. 93.9. 137.9. 82.4. Std.dev.. 27.1. 69.9. 60.1. 46.2. 覚 イ ンタ フ ェー ス の 反 応 速 度 に 関 す る実 験. 視 覚 イ ン タ フ ェー ス に よ る反 応 時 間 を 図8の. よ うに コ. ン ピ ュー タ 上 で 実 験 用 ア プ リケ ー シ ョ ン を用 い て 実 験 し た。 この 実験 で は 、画 面 上 に水 色 の 四角 が表 示 し、そ の タ イ ミン グ で 被 験 者 に ボ タ ン を 押 して も らい そ の反 応 時 間 を 測 定 した。 四角 の 表 示 は 、非 定 周 期(ラ ン ダ ム)と 定周 期(リ ズ ム)の2つ. の タ イ ミン グ で表 示 させ た。 非 定周 期. は 、 単 純 に 刺 激 に対 す る反 応 速 度 を測 定す るた め で あ る。 定 周 期 は 、実 際 の 音 楽 が 定 周 期 で あ り、次 の タ イ ミン グ を 予 測 しな が ら認 識 して い る と考 え られ る た め 、重 要 で あ る と考 え た。 実験 の被 験 者 は 、20歳12名. で あ る。. ま た 、実 際 の 指 揮 者 の 動 作 で は 、予備 動 作 が タ イ ミン. Fig.8Theviewofthevisualcharacteristicexperiment. その.
(5) Fig.9Thescreenshotofpre-motionexperiment. Fig.12Theresultofthehapticexperiment withthepre-motion. 4.実. 験 の 考察. ま ず 、視 覚 の 非 定周 期 と定周 期 の 関係 に つ い て考 察 す る。 予備 動 作 を と もな わ な い場 合 、非 定周 期 の 平均 反 応 時 間 が 207.9ms、 定 周期 の 場合 が77.4msと. な っ たお り、 定周 期 の. 方 が反 応 時 間 は短 い。 しか し、標 準偏 差 は逆 に非 定周 期 で 19.2に 対 し、 定 周 期 で は72.0と. 大 き くな っ て い る。 これ. は 非 定周 期 で は 、視 覚 に よ る刺 激 に対 し、反 射 反 応 のみ で ボ タ ンを押 して い るが 、定 周 期 で は、刺 激 に加 え次 の タイ ミ ン グを 予測 し よ うとす るが 、そ の 予測 が今 回 の実 験 で は 、 不完 全 で あ る こ とを意 味 して い る。今 回 の 実 験 で は 、被 験 者 に数 回 の練 習 を行 っ た の ち 、実 験 を行 った 。練 習 を続 け る こ とで 、 この ば らつ き が減 少 す る こ と も考 え られ るが 、 定周 期 の 予測 の み で は 、反 応 時 間 に あ る程 度 の ば らつ き が 発 生 す る とい え る。 触 覚 に 関す 非 定周 期 と定周 期 の 関係 で は 、傾 向 と して視 覚 と 同様 の 結 果 が得 られ た。 非 定 周 期 の 平 均 反 応 時 間 は 247.7msで. あ り、 定 周 期 の 場 合 は137.9msで. 偏 差 は 、27.1と60.1で. あ っ た。 標 準. あ り、触 覚 の場 合 も非 定周 期 の方. が ば らつ き は小 さい 。 視 覚 と触 覚 の反 応 時 間 の 違 い で は 、 視 覚 の方 が 短 くな っ て い る。 これ は 、今 回 の 実 験 で は 、 HIDと. して携 帯 電 話 で使 用 され て い る振 動 モ ー タ を使 用. して い るが 、 この デバ イ ス は起 動 時 間 が70ms前. 後 かかる. こ とが これ ま で の研 究[13]で分 か っ て い る。 触 覚 の反 応 時 間 か ら この 起動 時 間 を差 し引 く と、視 覚 と触 覚 の反 応 時 間 は 、ほ ぼ 同程 度 あ る とい え る。触 覚 の反 応 時 間 を短 くす る た め に は 、起 動 時 間 の速 い デ バ イ ス が 必 要 で あ り、電 動 歯. 》.
(6) ブ ラ シ な ど に使 わ れ て い る偏 心 タイ プ の モ ー タ が 起 動 時 間 も短 く、 小型 で あ る た め候 補 と して検 討 して い る。 次 に 予備 動 作 の 有無 に つ い て考 察 す る。視 覚 の 実験 で は 、 反 応 時 間 が10ms以 も50ms以. 下 とな り、ば らつ き も30前 後 で最 大 で. 下 とな っ て い る。 これ は 著者 らが考 え る理 想 に. 近 い 状 態 で あ る。 同様 の 研 究 実 験 と して ボ ス ナ ー らの 「 空 間 的 注 意 の 実験 」[14]が あ る が 、今 回 の 実験 は こ の実 験 と 同 じ傾 向 を示 して お り、視 覚 に とっ て 予備 動 作 が重 要 で あ る こ とを示 して い る。 触 覚 に 関 す る 予備 動 作 の 実験 で は 図12に. 示 す よ うに 、. 反 応 時 間 が 大 き く改 善 し、 モ ー タ の起 動 時 間分 で あ る約 50msに な っ たAグ. ル ー プ と、そ れ よ り多 少 大 き い なBグ. ル ー プ に 分 か れ た が 、 す べ て の被 験 者 で 改 善 が 見 られ た 。. Fig.14Relationbetweenjerkandspeed. 普 段 か ら指 揮 棒 の動 き を視 覚 で 捉 え る こ と に な れ た 被 験 者 に 対 し、触 覚 で の 予 備 動 作 認 知 に対 応 す るた め に は 、練 習 時 間 が 不 足 して い た こ とが考 え られ る。 図13に. 視覚 と. 触 覚 の 結果 を ま とめ た。 この 実 験 に よ り予備 動 作 は 、触 覚 イ ンタ フ ェ ー ス で も反 応 時 間 の 向 上 に有 用 で あ る。 これ ま で の触 覚 イ ン タ フ ェ ー ス で は 、視 覚 の 予備 動 作 に 相 当 す る伝 達方 法 を備 え て い な い。そ こで 、本 研 究 の電 子 指 揮 棒 シ ス テ ム で は 、予備 動 作 の代 わ り と して加 速 度 セ ン サ の 測 定値 か ら速 度 を 計算 し、速度 が最 大 とな る タ イ ミン グ を検 出 し、予備 動 作 と して 演奏 者 に伝 達 を検 討 して い る。 指揮 棒 の動 作 に つ い て 、拍 子 の タ イ ミン グ を抽 出す る加 加 速 度 と速 度 の 関係 を 図14に 示 す 。 Fig.15Theviewofpracticewithachoruscircle. 5.ま. とめ. 視 覚 障 害者 支 援 の た め の電 子 指 揮 棒 シ ス テ ム の 研 究 と して 、以 下 の視 覚 と触 覚 に よ る反 応 時 間測 定 の た め の実 験 を行 い 、触 覚 イ ンタ フェ ー ス の 問題 点 とそ の解 決 策 を 明 ら か に した。 なお 、最 後 に 実 際 の合 唱 サ ー クル で の練 習 風 景 を 図15に 示 す 。. 1.非. 定 周 期 と定 周 期 に よ る反 応 時 間 は 、 定 周 期 の 方 が 短 い が 、 ば らつ き は 大 きか っ た。 ま た 、 触 覚 と視 覚 で 同 じ傾 向 で あ っ た。. II.触. 覚 の 反応 時 間 は 、HIDの. 起 動 時 間 の影 響 で視 覚 よ. り遅 くな っ て お り、 起動 時 間 の 改 善 が必 要 で あ る。 III.視 覚 イ ン タ フ ェ ー ス に よ る実 験 で予 備 動 作 を加 え た Fig.13Theimprovementofresponsetimebythepre-motion. 場 合 、 反 応 時 間 が 非 定 周 期 、 定周 期 と もに ほぼOms. VRA:VisualRandomVRH:VisualRhythm. とな り、 予備 動 作 の 重 要 さを確 認 した。 IV.触. HRA:HapticRandomHRY:HapticRhythm. 覚 イ ン タ フ ェ ー ス に よ る実 験 で 予備 動 作 を加 え た 場 合 、 視 覚 と同様 に反 応 時 間 が 向 上 し、 触 覚 で も予. NM:NoPre-motionWM:WithPre-motion. 備 動 作 が 重 要 で あ る こ とを 明 らか に した。. 46一.
(7) 参 考 文 献 [1]我. が 国 の 文 教 施 策,文. [12]ケ. 部 科 学 省,http:〃www.mext.gojp. ー ブ ル レ ス デ ー タ ロ ギ ン グ シ ス テ ムAS-RS168/. RR168,(株)ア. サ ッ プ シ ス テ ム,http://wwwasap.sys.cojp. /b _menu/hakusho/html/hpadl98801/index.html. [13]TakashiASAKAWA,KazueNISHIHARAandNoriyuki. [2]生. KAWARAZAKI,"AMusicBatonfbranAssistanceofVisual. 涯 学 習 の振 興 の た め の施 策 の推 進 体 制 等 の整 備 に 関. す る 法 律,平. 成2・6・29・. 法 律71号. 川 貴 史,斎. 計,"視. 覚 障 害 者 の 音 楽 学 習 支援 の た め の 電 子 指揮 棒 の 開. 発",日. 藤 信 之,河. HandicappedPersons",The6thChina-JapanConfbrenceon. [3]浅. 原 崎 徳 之,吉. 留 忠 史,西. 本 機 械 学 会 福 祉 シ ン ポ ジ ウ ム2009講. 原 主. 演 論 文 集,. pp.112-113,2009 [4]平. 岩. 明,福. 條 誠,"触. [14]PosnerM.1.andRaichleME,"ImagesofMind.Scientific AmericanLibrary",W.H.FreemanandCompany,NewYbrk, 1994. 本. 盲 人 用 表 示 装 置,特 [5]下. Mechatronics,PJOO2(4),(2010). 雅 朗,内. 山. 匡,他,指. 願 平6-55985,特. 覚 技 術. 揮者 指揮 棒 動 作. 開 平7-261751. 触 覚 技 術 展 望",計. 測 と 制 御,第. 47巻7号,pp.548-553,2008. [15]浅 川 貴 史,斎. 藤 信 之,河. 原 崎 徳 之,吉. 留 忠 史,西. 原 主. 計,"視. 覚 障 害者 の 音 楽 学 習支 援 の た め の電 子 指 揮 棒 の 開. 発",日. 本 機 械 学 会 福 祉 シ ン ポ ジ ウ ム2009講. 演 論 文 集,. pp.ll2-113,2009. [6]YUkiMORI,TakayukiTAAKAandShun'ichiKANEKO, ``VibrationAlertInterfacefbrDetectingSurroundings". ,Third. AsaiIntemationalSymposiumonMechatronics,FA1-1(3),. 神 奈 川 県 ライ トセ ン ター(神 川 貴 史,河. 原 崎 徳 之,西. 原 主 計,斉. 藤 信 之,"視. 覚 障. 害 者 支 援 の た め の 触 覚 イ ン タ フ ェ ー ス に 関 す る 研 究",日 本 機 械 学 会 ロボ テ ィ ク ス. ・メ カ ト ロ ニ ク ス 講 演 会2010,. 1Al-C26、2010 田 好 男 、"は. [9]赤. 澤 堅 造 、"生 体 情 報 工 学"、 東 京 電 気 大 学 出 版 局 、2001 木 昭 宏 、"知. 奈川県横 浜市旭 区二俣川. 1-80-2)は 神 奈 川 県 が設 置 し、 日本 赤 十 字 社 神 奈 川 県 支 部 が そ の運 営 を神 奈 川 県 か ら委 託 され て い る。 主 な活 動 内容 は 、視 覚 障 害者 へ の情 報 提 供(録 音 ・点 字 図 書 類 の 発 行 ・貸 し出 し他)、 視 覚 障 害 者 の 指 導 訓 練 、 ボ. [8]斉. [10]八. 録. A.1神 奈 川 県 ライ トセ ン ター につ い て. 2008 [7]浅. A付. じ め て の 指 揮 法"、. 覚 と 認 知"、. 音 楽 之 友 社 、2009. 培 風 館 社 、1997. ラ ンテ ィア の 育成 、ス ポ ー ツ振 興 、ク ラ ブ活 動 の援 助 、交 歓 行 事 、健 常者 へ の啓 発 で あ る。 セ ンタ ー の活 動 を支 援 す るた め 、数 百名 の ボ ラ ン テ ィ ア. [11]PosnerM.1.,"Attentionnetworks",TrendsinNeuroscience. が神 奈 川 県視 覚 障 害援 助 赤 十 字 奉 仕 団 に登 録 し、各 種 の援. l7:75-79,1994. 助 活 動 を行 っ て い る。.
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