バイオメカニクスモデルを用いた疲労を考慮するVRインタフェースの設計

Abstract

仮想現実（VR）における長時間の空中でのインタラクションは、腕の疲労や不快感を引き起こし、ユーザー体験を悪化させます。VRユーザーインターフェース（UI）設計にエルゴノミクス（人間工学）の考慮を取り入れるには、通常、広範な人を介した評価（human-in-the-loop evaluation）が必要です。バイオメカニクス（生体力学）モデルはHCIタスクにおける人間の行動をシミュレートするために用いられてきましたが、エルゴノミクスに基づくVR UI設計における代理ユーザー（surrogate users）としての利用は、十分に調査されていません。私たちは、生体力学に基づくユーザーモデルを活用して、空中インタラクション向けのVRインターフェースを評価し最適化する階層型強化学習フレームワークを提案します。モーションエージェントは、現実的な移動戦略を用い、検証済みの3コンパートメント制御と回復（3CC-r）疲労モデルにより筋レベルの労力を推定しながら、VRにおけるボタン押下タスクを、逐次条件下で実行するように訓練されます。シミュレーションされた疲労出力は、疲労を最小化するために強化学習（RL）によりUI要素のレイアウトを最適化するUIエージェントへのフィードバックとして機能します。RLにより最適化されたレイアウトを、手作業で設計した中央基準（centered baseline）およびベイズ最適化による基準と比較します。その結果、生体力学モデルから得られる疲労の傾向が、人間ユーザーデータと一致することが示されました。さらに、シミュレートされた疲労フィードバックを用いたRL最適化レイアウトは、追実験となる人間を対象とした調査において、知覚疲労を有意に低減しました。加えて、相互作用頻度が一様でない長い逐次タスクに関するシミュレーション事例研究によって、このフレームワークの拡張性も実証します。私たちの知る限り、本研究は、VR UIレイアウト設計の直接的な最適化シグナルとして、シミュレートされた生体力学的な筋疲労を用いた最初の取り組みです。本研究の知見は、生体力学に基づくユーザーモデルが、エルゴノミクスに配慮したVRインターフェース設計において有効な代理ツールとなり得る可能性を示しており、大規模な人の参加への依存を減らしつつ、効率的に初期段階の反復を行えることを示唆します。