TVRSJ Vol.13 No.1, 2008

ショートペーパー（基礎）

指先の皮膚感覚による凹凸知覚特性の研究
神明前方嗣*1

仲谷正史 ∗1

川上直樹 ∗1∗1舘

Convex-Concave Perception in ﬁngertip
Masatsugu Shimmeimae*1 , Masashi Nakatani∗1 , Naoki Kawakami∗1 and Susumu Tachi∗1
Abstract– Human can readily identify convex and concave geometry with his/herﬁngertip. Human characteristics of geometric perception have been studied in the ﬁeldof Braille to optimize its readability. However, how accurate human can identify convex
and concave geometry has not been studied very well. If such study would be performed,
the result would give some insights on how the design parameters of a tactile display orsensor should be determined. Our experimental results revealed that signal detection
performance and shape identiﬁcation performance was almost the same for convex andconcave geometry when the height (or depth) of the raised (or indented) area is over 0.2
mm. This method we used in the experiment can be applied in evaluating the performanceof a developed robotic ﬁnger comparing with human shape identiﬁcation performance inﬁngertip.

Keywords : tactile sensation, geometric perception, convex-concave perception1

触覚における凹凸知覚の意義

3mm3mm

指先の皮膚感覚による凹凸知覚は，形状知覚の基礎
hhmm的な知見として広く研究が行われてきている．Johnson
格子形状を利用した指先の空間解像度の感度や，ア40らは，心理物理学の手法を用いて凹凸形状が含まれる
30 mm

Convex shape

Flat surface

Concave shape

ルファベット文字認識精度について調べた [1]．また，Phillips らは神経生理学の側面から凹凸形状の押し込みに対して遅順応型 (SA I) 神経のインパルス発射頻度が再現性よく形状情報をエンコードしていることを示した [2]．しかし，人間の主観的知覚が凹凸形状に対

図 1 実験に使用した触覚刺激形状．
Fig. 1 The experimental surface used in theexperiment 1 and 2.

して物理的な形状と一致して凹凸が正しく同定されておける凸形状・凹形状に対する検出感度を調べた．実

いるかに関する検討は十分とはいえない．実際，主観験 2 では，何らかの凹凸情報が検出されたときに，そ的な凹凸同定の結果が物理形状とは一致しない錯触覚れらを凸・凹形状と正しく同定されるかを調べた．
実験装置

現象も報告されている [3]．ゆえに人間の凹凸知覚特性

2.1について詳しく調べることは，皮膚感覚における凹凸触覚刺激として，図 1 のような 30 mm×40 mm，厚知覚のメカニズムを解明する基礎知見となると考えら

さ 5 mm の 6 枚のアルミ板を用意した．3D プロッタ

れる．加えて VR 技術の観点から考えると，凹凸知覚の知見は，正しく凹凸情報を提示もしくは計測可能な(Roland 社製 Modela MDX-20) により，中央部には幅 3 mm で，高さ差 h がそれぞれ 0.1 mm〜0.3 mm

触覚ディスプレイ・センサの設計パラメータを決めるの凹，凸形状を製作した (信号＋ノイズ刺激)．加えて，際に重要である．本稿は上述の視座に立った上で，人3D プロッタによって表面を平らにした凹凸のないアルミ板片を用意した（ノイズ刺激）．3 次元プリンタ間の指先皮膚感覚における凹凸知覚特性を報告する．

2

実験：指先の皮膚感覚による凹凸の同定

本実験では 2 つの実験を通して人間の指先における凹凸検出感度を測定する．実験 1 では人間の指腹部に*1 東京大学大学院 情報理工学系研究科*1 Graduate School of Information Physics and Computing,
The University of Tokyo(Dimension 社製 BST 768) で作成した治具によって固定した．治具の下には 3 軸力センサ (ニッタ株式会社製 PD3-32) を取り付け，被験者がアルミ板片を触れているときの力を計測した．

日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.13, No.1, 2008

2.2

実験１: 指先の皮膚感覚による凹凸形状検出実験

2.2.1

実験手順

実験１では，指先の皮膚感覚において，接触表面に凸形状，もしくは凹形状が存在しているか否かを実験参加者に答えさせた．凸形状条件では，実験者は平らな板と 0.1 mm〜0.3 mm の凸を持つ板の計 4 種類を

表 1 実験 1：人間の凸・凹形状信号検出感度実験 (N=6)
Table 1 The result of experiment 1. The
detection threshold d′ and ∆m forraised and indented surface is shown(N=6).
ಲAverage

Variance

Standard
Deviation

d'ΔmN

0.10

0.06

0.25――

SN(0.1)

0.63

0.23

0.48

2.3

0.57

被験者に対してランダムに提示した．被験者は提示さSN(0.2)

1.0

0.0

0.0

3.00.94

れたアルミ板片を目視することなく利き腕の人差し指SN(0.3)1.0

0.00.03.00.94

ಳAverage

Variance

Standard
Deviation

d'ΔmN

0.10

0.09

0.3――

SN(0.1)

0.72

0.20

0.45

2.10.62

被験者自らが印加する力を 1 N となるように調節した．

SN(0.2)

1.0

0.0

0.0

3.00.90

被験者は接触表面に凸があるか否かを強制 2 択で回答

SN(0.3)

1.0

0.0

0.0

3.00.90で触れた．被験者はなぞり動作をせずに，刺激片に対して鉛直方向にのみ力をかけるようにするよう指示された．印加している力は液晶モニタ上に常時表示され，した．熱の移動が凹凸知覚の手がかりにならないよう，各実験試行の前にアルミ板片を恒温プレート (日伸理
実験結果

化製 NHP-45N) 上で 32 ℃に保温した．試行は各アル2.3.2

ミ板片を 10 回ずつ，計 40 回提示した．同様の手順を実験結果を図 2 に示す．凸・凹形状に関わりなく，凹形状に対しても行った（凹形状条件と呼ぶ）．
被験者は 20 代の男性 6 名であった．

2.2.2

高さ差が 0.2 mm，0.3 mm の場合に実験参加者はほぼ正しく形状を同定した．一方，高さが 0.1 mm の場
合には正答率が下がり，凸形状では 43%，凹形状では実験結果

験データの解析結果を表 1 に示す． d は信号検出の67%であった．なお凸形状の高さ 0.1 mm での誤答の内訳は凹凸無し 47%，凹 53%，凹形状の深さ 0.1 mm容易さを表す指標である．また，∆m は S+N 分布のでの誤答の内訳は，凹凸無し 40%，凸 60%であった．

実験の結果を，信号検出理論により解析した [4]．実′平均値から N 分布の平均値を引いた値であり，S+N2.4

実験結果の考察

分布と N 分布の分散が異なる場合に使われる指標で

実験 1 と実験 2 の結果より，人間は幅 3mm，高さある．いずれも，数値が大きいほど信号が検出しやすいと考えられる．解析結果から，0.2 mm，0.3 mm で0.2 差 mm 以上の凹凸をほぼ正確に同定できることが示唆された．また，高さ差が 0.1 mm での正答率が凸は凹凸ともに誤答がなかったため，∆m は 0.9 以上でよりも凹の方が若干高いことがわかった．以上の結果あった．一方，凸と凹の 0.1 mm でのΔ m を比べたとより，人間の凹凸検出感度は同程度であるが，同定ところ，凸では 0.57，凹では 0.62 であった．以上の結なると凸よりも凹の方が物理形状と一致した回答を行果から，平らな面と凸，平らな面と凹の検出しやすさう傾向がわかった．

はほぼ同程度であった．

2.3

実験２：指先の皮膚感覚による凹凸形状同定
実験

2.3.1

実験手順

3

まとめと展望人間の指先における凹凸の検出感度は，凹凸の高さ差が 0.2 mm 以上であれば同程度であることが分かっ

実験 1 より，凹凸の高さ差が 0.2 mm 以上である場た．ゆえに，触覚ディスプレイ等を設計する際には凸と合，凹凸形状それぞれの信号検出感度に大きな違いは凹のどちらを信号として利用しても高さ差が 0.2 mm見られなかった．実験 2 では，凹凸のあるアルミ板片以上であれば同程度に検出されることがわかった．まをランダムに提示し，どの程度正しく形状を同定できた，凹凸刺激の同定にも高さ差が 0.2 mm 以上あればるかを調べた．触覚刺激としてのアルミ板片は実験 1できることが分かった．ゆえに触覚ディスプレイではと同じ凸・凹形状それぞれ 3 種類と平面形状 1 種類，ムに提示し，知覚された形状を凸，凹，平らの強制 3

0.2 mm 以上の凹凸を提示すればよいことが分かった．
一方，今回の実験パラダイムはロボットフィンガの性能評価にも利用可能である．もし人間と同程度の凹凸択で答えさせた．各アルミ板片を各 10 回ずつ，計 70検出ができるロボットフィンガを作成したと主張した

回提示した．被験者は 20 代の男性 6 名であった．

いのであれば，ロボットフィンガが達成できる信号検の計 7 種類を使用した．実験者はアルミ板片をランダ

出性能 d′ (もしくは ∆m) を求めることによって，評価すればよいと考えられる．また，人間の同程度の凹凸

神明前・仲谷・川上・舘 : 指先の皮膚感覚による凹凸知覚特性の研究

Rate for answering as raised surface

1subject 1
subject 2
subject 3
subject 4
subject 5
subject 6average

0.75

73, 2006.
[4] A. H. Gescheider(著), 宮岡徹, 金子利佳, 倉片憲治,
芝崎 朱美 (翻訳)：心理物理学―方法・理論・応用 , 北大路書房, 2002.
(2007 年 10 月 24 日受付)

0.5

0.25

000.10.2
The height of the raised central strip mm

0.3

Rate for answering as indented surface

1
subject 1
subject 2
subject 3
subject 4
subject 5
subject 6
average0.75［著 者 紹 介］
神明前 方嗣 （学生会員）
2005 東大工学部・計数工学科・システ
ム情報工学コース修了．同年より同大学
院修士課程に在籍．オーグメンティドリ
アリティ，触知覚の研究に従事．

0.5

0.25

仲谷 正史 （学生会員）
000.1
0.2
The depth of the indented central strip mm

2005 年東大大学院・情報理工学・修士課程修了．同年より同大学院博士課程に在籍．日本学術振興会特別研究員 (DC1)．
触知覚メカニズム・触覚ディスプレイの研究に従事．

0.3

図 2 実験 2 上：凸形状提示時の回答率．下：凹形状提示時の回答率 (N=6)．エラーバー
は標準偏差を表す．
Fig. 2 The result of Experiment 2 (N=6).
Top: The rate for answering as raised
surface for ﬂat and raised surfaces.
Bottom: The rate for answering as indented surface for ﬂat and indented
surfaces. Error bar indicates standard
deviation.

川上直樹 （正会員）
1996 年東工大・理工・電気電子修士課
程修了．1999 年東大・工・先端学際工博
士課程修了．工学博士．同年大学院・工・計数工助手，2002 年東大院・情報理工・システム情報学専攻講師．バーチャルリ
アリティの研究に従事．

舘
同定ができると主張したいのであれば，同定性能を人間の性能と比較すればよい．今後は過去に我々が作ったロボットフィンガ等の評価を，今回の実験系で評価する手法についても報告してゆく．
謝辞
本研究を行うにあたり，東京大学 工学部の畑中哲生さんのご協力を得ました．
参考文献[1] K. O. Johnson, J. R. Phillips：Tactile SpatialResolution. I. Two-point Discrimination, Gap Detection, Grating Resolution, and Letter Recognition, Journal of Neurophysiology Vol. 46. No. 6,pp.1177-1191, 1981.
[2] J. R. Phillips, K. O. Johnson：Tactile Spatial Resolution. II. Neural Representation of Bars, Edges,and Gratings in Monkey Primary Aﬀerents, Journal of Neurophysiology Vol. 46. No. 6, pp.11921203, 1981.
[3] M. Nakatani, R. D. Howe, S. Tachi: The Fishbone
Tactile Illusion, in Proc. of EuroHaptics, pp. 69–（正会員）
昭 43 東大・工・計数卒．昭 48 同大
大学院博士課程修了．工学博士．同年同大助手．昭 50 通産省工技院機械技研研究員，マサチューセッツ工科大学客員研究員を経て，平 1 東大先端科学技術セン
ター助教授，平 4 同センター教授，平 6
同大・工・計数工教授，平 13 同大大学
院・情報理工・システム情報学専攻教授．
テレイグジスタンス，人工現実感の研究に従事．IEEE/EMBS 学会賞，通産大臣表彰，国際計測連合 (IMEKO) 特別功労賞，IEEE-VR Career Award など受賞．
IMEKO ロボティクス会議議長，計測自動制御学会会長，日本バーチャルリアリ
ティ学会初代会長．