剪断力法線振動提示触覚デバイスに関する研究
A tactile device with a tangential force and a normal vibration
1. はじめに
VR 技術は、視覚・聴覚だけでなく、触覚を含む多種類の感覚を駆使した多感覚メディアの実現を目標としている: finger motion: finger motion: tangential force direction: the rotation dir

が、触覚への提示表現は未だに広く一般に利用される水準には至っていない。一方、情報通信基盤が充実する中で、実空間に対する遠隔/間接操作のための触覚フィードバッ

:normal force direction

Voice coil：the vibration dクの重要性は、今後一層高まると考えられる。また、３次元モデルの設計や評価などにおいても触覚提示は対象の

図１

剪断力法線振動触覚提示手法

特性の理解に有効な情報を与える。
対象の精密な操作を行う際、人間は対象面と指先との間に生じる接線方向の力の変化や滑りの情報を利用していJoint

Shaft contactor

ることが知られており[1]、対象面のなぞり運動時、物体把持時に生じる剪断力分布を提示することは、対象の精密Moter
Encoderな制御に繋がると考えられる。一方，皮膚面の法線方向の振動は，対象表面の材質感や比較的小さな凹凸形状に起因

Vice coil

する触感覚の提示において有効である[2]．従って，剪断力と法線振動を同時に提示することで，面のなぞり感覚，滑り感覚とその凹凸をより正確に提示できると期待される．
図２

本研究では，複数の回転接触子による剪断力を生成する

ＳＦＤ４

手法，および法線方向の振動刺激との統合提示を行う手法の開発を目的とする．

2. 剪断力法線振動提示触覚デバイス(SFD4)の設計
本研究の触覚提示手法を図１に示す．なぞりの対象が凹凸形状を有する面であった場合，剪断力はその頂点で大きくかかり，周囲に向かうにつれて小さくなるものと考えられる．また，なぞり対象に凸があった場合，皮膚は垂直方向に凹むといった変形が起こる．これらを疑似的に再現する方法として，複数の回転接触子とそれらを指に対して垂直方向に振動させる方法を提案する．製作した剪断力法線
図３

振触覚デバイス(SFD4)を図２に示す．

刺激提示部

剪断力を皮膚表面に与える4本の接触子は，直径2.0mmの 真 鍮 製 の 軸 で あ る ． ４ 台 の Ｄ Ｃ モ ー タ (RE16,maxon

3. 剪断力法線振動デバイス特性の調査

moter ag)により接触子を駆動した．法線振動は，ボイス3.1 高さ知覚量の計測コイル(サンワサプライ社)を4つ使用し，それぞれの接触接線力提示に法線振動を加えることで，提示される凸の子に対して動力を伝達した（図３）．接触子中心間距離は高さの知覚量が増加する度合いを計測した．なぞり動作に入手可能な小型ジョントのサイズに制約されたため, 3.0おいて，標準刺激は，回転数 100，380，1000 rpm の接線mm としている．制御のアルゴリズムは, 操作入力電圧を力による凸提示とした．比較刺激は，標準刺激に 50 Hz で両側振幅 0.25，0.5，0.75，1.0 mm の振動刺激を加えた．

Yn V として，次式を用いた．

Yn = −𝐾𝐾𝑝𝑝 𝜀𝜀(𝑛𝑛) − 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝜀𝜀̇(𝑛𝑛) − 𝐾𝐾𝑖𝑖 ∑𝑛𝑛𝑖𝑖=1 𝜖𝜖(𝑖𝑖)(１)

ただし，ϵ(n) は回転数誤差，Kp, Kd, Ki は定数である．

被験者には，標準刺激に対して高さの増加量を回答させた．
刺激提示位置は，第１点と第２点である．接触子を２本使用し，法線荷重は 20 g とした．なぞり速度は 0.1 m/s で 5cm 間を 1 s で往復させた．２本の接触子の回転方向は，どちらもなぞり方向と逆方向とした．

100

3.2 計測結果および考察

90で，提示される凸は高く知覚されることがわかる．また，

統合刺激

70
正答率(%)

接線力だけの凸提示に比べて，法線方向振動を加えること

法線刺激

80

図３は，各標準刺激に対する高さの知覚量である．横軸は，加えた振幅値を示し，縦軸は，高さの知覚量を示す．

接線刺激60504030

振幅値が増加するにつれて，高さの知覚量が大きくなる．

20

振幅 0.25 mm では，接線力の強度により，高さ知覚量の100差が明確に見られる．これは，小さい振動刺激の場合，接3線力による指先表面に対する刺激量の方が，支配的となる

56提示凸数

図 5 凸の計数の正答率からであると考えられる．
3.3 凸の明確さの計測

4となり，高さの表現において有効であることを示した．さ

接線力提示に法線振動を加えることで，連続して提示さらに，単独の刺激の場合よりも，連続した凸表現の知覚がれる凸形状の明確さが増加する度合いを計測した．なぞり正確になることを示唆した．今後は，剪断力と法線振動の動作において，連続する凸を接線刺激，法線振動刺激，統特性を更に調査するとともに，統合刺激の特性について調合刺激の３通りで提示する．接線刺激は，回転数 300 rpm査する．そして，得られた知見をもとに，より精度の高いによる凸相当提示とし，法線振動刺激は，両側振幅 0.1 mm

触覚テクスチャのなぞり感覚の提示を目指す．

で周波数 50 Hz で凸相当提示を行った．統合刺激は，接図６に，第 17 回日本バーチャルリアリティ学会にて技

線刺激に法線振動刺激を加えた．被験者には，なぞること術展示を行った様子を示す．PC のモニターで写された 5で提示される凸の数量を回答させた．刺激提示位置は第１枚のテクスチャのなぞり感覚を SFD4 を介して体験者には点と第２点である．接触子を２本使用し，法線荷重は 20 g提示している．とした．なぞり速度は 0.1 m/s で 5 cm 間を 1 s で往復させ，５回往復させた．２本の接触子の回転方向は，どちら謝辞もなぞり方向と逆方向とした．

本研究は，情報通信研究機構の委託研究の一部として実施された．

3.4 計測結果および考察
図４は，各刺激で提示された凸の個数に対する正答率である．横軸は，提示された凸の数を示し，縦軸は正答率を参考文献示す．接線刺激と法線振動刺激を独立して凸提示をした場[1]R. S. Johansson, G. Westling: Roles of glabrous skin

合よりも，それらを統合した提示の場合の方が，正答率はreceptors and sensorimotor memory in automatic control

増加し，より明確に凸を知覚できた．

of precision grip when lifting rougher or more slippery

また，正答率は，凸の数が増加するほど，下がることがわかる．正答するのが困難になる，凸 6 つの提示の場合でも，統合刺激では，42％もの正答率を可能としている．

objects, Experimental Brain Research, Vol.56, pp.
550-564,(1984).
[2]Y. Ikei, M. yamada, S. Fukuda: A new design of haptic
texture display –TextureDisplay2- and its preliminary

4. おわりに

evaluation, Proc. IEEE-VR2001, pp. 21-28, Yokohama,

本研究では，接線力と法線振動に基づく触覚提示手法の2001.

特性について調査した．統合刺激により，剪断力の凸知覚量が，法線方向振動によってさらに増加することが明らか
5

Height increase ratings

4.5
4
3.5

100[rpm]
380[rpm]
1000[rpm]

32.5
2
1.5
10.5
00.25

0.5
0.75
Amplitude [mm]1

図 4 法線振動刺激による高さ知覚増加量

図 6 テクスチャ触覚提示の様子