日本バーチャルリアリティ学会 変形と力覚研究委員会 2002.11.26

弾性物体の柔らかさの 認知と提示に関する実験的検討

柔らかさ（変形/力 ）の認知
指先変位= 固有感覚で知覚（筋紡錘，関節受容器）

1.固有覚・触覚・視覚の寄与率

2.つまみ動作の法則性

3.接触面積制御による柔らかさ提示

4.受動的遠隔共有

接触面積変化＝触覚で知覚

指先で力印加 → 変位
東京農工大学＋ 接触面積増加（固有感覚）（触覚）

藤田欣也

1.弾性物の柔らかさ知覚における固有覚・触覚・視覚の寄与率

力覚提示装置による柔らかさ提示
Grounded Force Display（基準座標系 ：外部空間 ）PHANToMカタログよ り

Ungrounded Force Display（基準座標系 ：上肢）

指先反力提示装置「指先変位」と「指先反力」の関係を制御

1

力覚提示による柔らかさの認知

実験１：柔らかさ識別実験
塩化ビニール板

物体の変形 （視覚）

指先位置の変化 （視 覚）
変形知覚
指 先 位 置 の 変 化（ 固 有 感 覚 ）物体を摘 む(力を加える）物体の変形

接触面積の変化（触覚）

筋収縮力 （腱紡錘：力覚）

柔らかさ認識(a) P+T

(b) P

(c) T

力知覚

指先圧 （圧受容器：力覚）(遠心性 コピー）

P:固有感覚T:触覚
V:視覚力覚提示装置につまみ力を加えると→物体の変形に応じて反力が提示され，そのときの指先位置が深部体性感覚で知覚される→力覚提示装置の場合，触覚による変形知覚がない

(d) P

P+V
（
指先位置変化はゴニオメータで計 測）

(e )

研究の動機
• 柔らかさの 知覚には変位感覚（固有感覚）＋圧分布感覚（触覚）が関与• 力覚提示装置のみでは 不十分だが．．．
力覚＋触覚提示は装置複雑化，実装困難• 力覚と触覚の機能的重要性の比率は？
（力覚提示装置のみでも問題ないのか／触覚提示装置が必要なのか）

2得られた知見と疑問

実験条件• 課題：一対比較の柔らかさ識別（同一柔らかさ含む）• 固有覚・視覚より触覚が寄与率大– ２つの物体を順に提示（一度だけ再試行可）– 回答は「同じ」を含む３者択一

触覚 ＞ 視覚 ＞ 固有感覚
11.2%
6.8%
1.4%

• 柔らかさ：４段階– 0.015,0.028, 0.042, 0.060 (Kgf/mm)（ロードセルとマイクロメータによる実測値）• 被験者：１０人（21〜37歳）• 試行数：１０通り（全組合せ）
×５回

柔らかさ知覚における各感覚の寄与
触覚

固有感覚

• 触覚と動作の関係は？
→ ２へ• 触覚制御で柔らかさを提示可能？ → ３へ

弾性物体の柔らかさの 認知と提示に関する実験的検討

視覚触覚 ＞ 視覚 ＞ 固有感覚
11.2%
6.8%
1.4%

1.固有覚・触覚・視覚の寄与率

2.つまみ動作の法則性

3.接触面積制御による柔らかさ提示

4.受動的遠隔共有3

計測結果の例

2.つまみ動作の法則性• つまみ中の– つまみ力
– 指先変位– 接触面積を解析

接触面積波形はつまみ力，指先変位と大差なし• 課題：
一対比較の柔らかさ識別（同一柔らかさ含む）– 識別率はほぼ100%– １つめの試料のつまみ動作のみ解析• 柔らかさ：５段階（ゼラチン２種，シリコンゴム３種）– 21.4, 100, 687, 2070, 5280 (gf/mm)• 被験者：
10人（21〜37歳）• 試行数：20（全組合せ）– 試料あたり４回

つまみ力，指先変位，接触面積のピーク値と柔らかさの関係
正規 化
接触 面 積/つ まみ 力 /押 込 変位

実験条件

1

１回目
□接触面積
○つまみ力
△押込量

0.80.6

２回目

0.4

■接触面積
●つまみ力
▲押込量

0.2010210

3410510硬さ（反力/押込変位） (N/m)

接触面積は柔らかさによらずほぼ一定（傾きも同様→物理的飽和ではない）

4

仮想変位仮説による解釈

対象物の変形による変位
仮想変位

平衡点仮説(Feldman)

仮想変位 (mm)力
対象物体(柔)指の変形による変位

5対象物体( 固)指柔らかさ提示との関連
○ 実測

4

△理論値

3

接触面積が一定になるまでつまむとつまみ力のみから柔らかさ（押込量/力）を知覚可能

2
10 2
10

3

4

1010
10
硬さ（反力/押込量）(N/m)

5「人間は力ではなく筋の自然長を制御（平衡点を変位＝仮想変位制御） → 関節角度は筋と対象物（または拮抗筋）の弾性力の平衡点として決定される」 （つまみ動作に拡張VanDoren）「対象物の柔らかさを知覚してフィードバックしなくても柔らかいものを そっと 持つことができる」→接触面積が一定に柔らかさ知覚のためのつまみ動作のメカニズム

接触面積が一定値に到達するまでの接触面積増加速度（圧受容器の発火受容器数は一定にして発火頻度増加率を増減）を制御すれば柔らかさを提示可能

弾性物体の柔らかさの 認知と提示に関する
実験的検討

人間が柔らかさを知覚するときには
１．仮想変位一定でつまむ
２．接触面積が一定になる（柔らかいものは そっと 把持）（発火圧受容器数は一定）（２重に上位中枢の処理が軽減される）•フィ−ドバックなしでも接触面積が一定•圧受容器の発火頻度のみが柔らかさに関係

1.固有覚・触覚・視覚の寄与率

2.つまみ動作の法則性

3.接触面積制御による柔らかさ提示

4.受動的遠隔共有

5柔らかさ提示システムの構成

3.接触面積制御による柔らかさ提示触れたときに接触面積が増加すると本当に人間は「柔らかい」と知覚するのか

接触面積制御による柔らかさ提示
実物体（指先変位＋接触面積変化）
力覚提示装置（変位するが接触面積不変）

接触面積の制御方法
接触面積

装置の特性

液量1.5ml
液量0

押下力

物体に加えられる接触力を検出して指先との接触面積を制御（接触面積制御の効果を証明するため変位は制御しない）

接
触面積

表現したい物体の特性(事前に計測)

押下力

接触面積

押下力

押下力を検出 →物体特性から接触面積算出①と②間の内分比から送出液量決定

6実物体の「接触力-接触面積」特性と再現結果

１．柔らかさ識別実験結果（受動触）接触面積（ｍｍ２）100
識別率 (% )

ゼラチン
シリコン
シリコン
シリコン

9 8 .39 4 .7 93 .4

9 6.7

86.7 90 .0

9 0.1

識別率９５％(能動触９７％)

80
60

確率レベル

40

提示装置
試料

20
押下力（ｇf）

0

試作装置：押下力検出‑接触面積制御
により柔軟物の特性を再現

Ａ
B

Ａ
Ａ
C
D
識別課題

BC

B
D

C
D
N=10

「柔らかさの違い」を表現可能

２．柔らかさ認識実験結果（受動触）

評価実験

9 5.0
100
7 6 .8

96.7

9 0.1
76.9

6 3 .490 .0
80.2

識別率７７％(能動触８９％)80
どちらが柔らかく感じるかを回答

識 別率(%)

１．柔らかさ識別（相対的）（２つの柔らかさの識別）
1.1 能動触1.2 受動触

平均

60
提示装置
試料

40

確率レベル

20

２．柔らかさ認識（絶対的）（実物体との比較）
2.1 能動触2.2 受動触0

同じ柔らかさに感じる
実験試料を選択回答

平均

Ａ

Ｂ
識別課題

Ｃ

Ｄ
N=10

「物体の柔らかさ」をある程度表現可能

7

本実験でわかったこと• 柔らかさ識別率９７％（能動触），９５％（受動触）• 柔らかさ認識率８９％（能動触），７７％（受動触）•4.柔らかさ感覚の受動的遠隔共有
触覚制御は受動触でも柔らかさが提示可能だが，システムが複雑→力覚提示装置で近似的に実現できないか

接触力検出-接触面積制御によって，受動的に触れる場合を含め物体の柔らかさを提示可能（力覚提示装置では原理的に受動触（物体の変形による変位を表現しなくても）時の柔らかさ表現は不可能）

弾性物体の柔らかさの 認知と提示に関する実験的検討

1.固有覚・触覚・視覚の寄与率

2.つまみ動作の法則性

背景と目的・
高速ネットワークの普及
・
力覚提示システムの普及
・力触覚提示を伴う協同作業(木村他1999，廣瀬他2000)
・
弾性物体の柔らかさ感覚の遠隔共有（遠隔触診などへの応用可能性）
反力

ネットワーク変位

3.接触面積制御による柔らかさ提示

4.受動的遠隔共有
柔らかさ感覚送信柔らかさ感覚受信

8

柔らかさ感覚の受動的共有の問題
変位・反力伝送法
提示反力 f=fr+fx

物体からの反力 fr++

システム構成• 指先反力提示システム(最大提示反力5［N］) ×２• ネットワーク
指先力覚提示装置

指先変位
牽引力

位置制御のための力 f xモータ

ポテンショ

ワイヤ牽引装 置+‑

指 先力覚 提示装 置

指先 変位
牽引力

モ ータ

ポ テンシ ョワ イヤ牽 引装置

指先変位xs

指先変位xr

変位と反力を伝送

電圧−電流
変換回路

電圧− 電流
変換回 路

CG

D /A
A /D

CG

D/A

×：位置と力の同時制御は不可能

A/D（提示される反力が本来の反力と異なる）

視覚を用いた受動的共有法
物体からの反力

情報の流れ

提示反力

ユーザＡ
反力
CG

指先変位x s

ＣＧの指先変位（力覚提示装置には反映させない）

CGにより送信者の指先変位情報を提示（
弾性感覚の 知覚において視 覚による変位情報は 固有感覚よりも優位 識別率差6.8>1.4）○：２人の動作が同期，２人の反力が一致△：
変位に関する固有感覚の矛盾→実験的検討

反力情 報
変位情報
指先変位

ユーザＢ
反力

指先力覚提示装置

指先力覚提示装置
ＣＧ（変位情報）

ＣＧ（変位情報）
計算機計算機ネットワーク(UDP)
サーバ（送信側）

クライアント（受信側）

9

• 柔らかさ識別実験– 知覚した柔らかさ違いの識別能力を検証–（一対比較法）柔らかさ識別結果(一対比較法 )10 080
正 答率(%)

評価実験

随意 把 持60

変位 一 定40

反力 一 定20• 柔らかさ認識実験– 知覚した柔らかさの定量性を検証–（調整法）

柔らかさ識別実験• 実験課題0平均50100• 実験条件• 仮想物体弾性係数（0, 50, 100, 200, 400 N/m)
• 試行数10(全組合せ) × ３回 × ６名

20 040 0(n=6)• 柔らかさの 違いを受動的に知覚可能• 随意把持＝変位一定＞反力一定

柔らかさ認識実験• 実験課題（調整法による柔らかさの回答）
１：受動的に弾性物体の柔らかさを遠隔提示
２：能動的にローカルな仮想物体を把持
３：遠隔提示により知覚した柔らかさと同程度になるよう
仮想物体 の弾性係数 を調整– 被験者に仮想物体の柔らかさ遠隔提示→ 一対比較法による弾性の識別• ①随意把持：験者が仮想物体を随意的に把持• ②変位一定：最大押込量を一定に制御(10mm)• ③反力一定：最大反力を一定に制御(1N)

5050- 1 00- 100200
400
20 040 0
弾性 係 数の 組み 合わ せ(N/m)• ①随意把持：験者が仮想物体を随意的に把持• ②変位一定：
最大押込量を一定に制御(10mm)• ③反力一定：
最大反力を一定に制御(1N)• 実験条件• 仮想物体弾性係数（50, 100, 200, 400 N/m)
• 試行数 4(各弾性) × ３回 × ３課題 × ６名

10

柔らかさ認識結果（調整法）

本実験でわかったこと

回答弾性係数 (N/m)

600500• 人間の柔らかさ知覚のためのつまみ動作
は「変位一定」に近い（仮想変位制御？）

400
随意把持

300変位一定200反力一定• 「画像による変位提示」と「力覚提示装置による反力提示」によって，弾性物体の柔らかさの受動的遠隔共有が可能

100050100200
設定弾性係数 (N/m)

400(n=6)• 送信側と同程度の柔らかさと認識

弾性物体の柔らかさの 認知と提示に関して得られた実験的知見

柔らかさ認識結果（調整法）

10 01010y = 0.89x + 0.039
R 2 = 0.69
100
設定弾性係数 (N/m)

傾き 0.891000

回答弾性 係数 (N/m)

回答弾性 係数 (N/m)

変位一定
1 000

随意 的把 持

反力一定
10 00

変位 一定

100y = 0.97x + 0.028
R 2 = 0.63
1010100
設定 弾性係数 (N /m)

10000.97

回答弾性 係数 (N/m)

随意的把持
1 00 0

反 力一定1001010y = 0.59x + 0.054
R2 = 0.49
100
設定弾性係数 (N/m)

1000

触覚＞視覚＞固有覚

仮想変位一定＝接触面積一定

接触面積増加率（触覚）制御で柔らかさ提示可能

視覚優位利用で受動的共有可能
変位一定提示が有効

0.59(n=6)• 変位一定でつまんだ時の反力を伝えると良好に柔らかさを認知（反力一定は×）→ 仮想変位制御仮説を間接的に支持11