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第 22 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集（2017 年 9 月）

テレイグジスタンスの研究 （第９２報）―力／振動／温度を触原色とする触感の提示手法と提示装置の提案―
田島優輝 1)2)，加藤史洋 2)，井上康之 2)，舘暲 2)1) 東京大学 新領域創成科学研究科 （〒277-8561 千葉県柏市柏の葉５丁目１−５, tajima@hapis.k.u-tokyo.ac.jp）
2) 東京大学 高齢社会総合研究機構 （〒113-8654 東京都文京区本郷７丁目３−１,{tajima, fumihiro.kato, y-inoue,tachi}@tachilab.org）
概要：触覚受容器を選択的に活動させる触原色を多元的に出力することで，触覚受容器の活動をより高い自由度で制御できる．そのような触覚提示システムにおいては，提示触感のリアリティの向上，表現の幅の増大などが期待できる．これまで別々に提案されていた力覚提示システムと，振動覚・温覚提示システムを統合し，力・振動・温度を触原色とした触覚提示デバイスを開発した．また，デバイスの評価を目的として VR 環境を用いた実験システムを考案した．本稿では開発したデバイスの提案と今後予定しているデバイス評価の手法について述べる．
キーワード：触覚ディスプレイ，触原色，テレイグジスタンス

1. はじめに

2. 提案デバイス

実空間の触感をよく再現するリアルな触覚提示システ

2.1 触原色の選定

ムを実現することで，VR 体験時における没入感や自己投触感は触原色から成る多次元空間において表現するこ射性の向上が期待できる．触覚提示システムのリアリテとが可能である．舘らは力・振動・温度を触原色とし，ィの向上を図るには，接触に伴う物理現象を忠実に再現持続時間，中心周波数，低下速度をパラメータとするこすればよい．しかし，そのようなシステムを構成するにとで，定性的な触感を物理空間の中で表現することを提は，任意の物質特性に瞬時に変質，及び変形可能な素材案した[3]（図 1）．我々は舘らの提案をもとに，力・振の開発が不可欠であり，実現は困難である．これに対し

動・温度を触原色とし，力成分（垂直力・水平力）について当研究室では触原色原理に基づき，触感を幾つかの触ては負荷力を，振動については振動子に入力する振動波原色の合成により提示することを検討している．

形を，温度については加熱速度，及び冷却速度を時変に

触原色[1]とは触覚受容器を選択的に活動させる刺激の制御できる触覚提示デバイスを提案する（図 2）．本研究ことを指し，皮膚表層を変形させてメルケル細胞を活動では本デバイスの応用により，上述の 3 つの触原色を独させる力刺激がこれに当たる．触原色を適切に出力する立に組み合わせて合成し，触感を選択的に提示できるシことで，実際の触感に対応する触覚受容器の活動を再現ステムを目指す．

できる．また，触原色を多元化して出力することで，触覚受容器の活動をより多元的に表現できることが予想できる．これはすなわち，触感を再現するためのパラメータが多元化するとも言え，よりリアルな触覚提示の実現や，提示触感のバリエーションの増大が期待できる．触
原色を多元的に出力する触覚提示システムとしては，例
えば，村上らが力と温度の 2 つの触原色を出力するデバイスとして Altered Touch[2]を提案している．
我々は，触原色の多元的な出力によるリアルな触覚提示を目的として，3 つの触原色を出力するデバイスを開発した．本稿ではその触覚提示デバイス，および，デバイスの評価手法について述べる．

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図 1:力・振動・温度を基底とした空間で表現された触感の例- 1G2-04 -1G2-04

2.2 デバイス構成要素

モータ

プーリー

提案するデバイスは Gravity Grabber と振動・温度提示モジュールとからなり、それぞれの詳細を 2.2.1，2.2.2 で述べる．
2.2.1 Gravity Grabber

ベルト

指腹部における力成分を提示する機構として，南澤らが考案した Gravity Grabber[4]の機構を用いた．図 2 （ａ)中の赤枠点線部に相当する部分である．

保持具

Gravity Grabber の基本構成要素は 2 つのモータと，モー振動・温度提示モジュール

タにより巻き上げられるベルト，及び，モータを保持し（ａ)つつ指への装着を可能にする保持具である．指にデバイスを装着し，モータの回転トルクや回転方向を制御する

モータ
プーリーことでベルトを指腹部に押し付けて垂直力を提示したり，提示したりすることが可能になる．我々は Gravity Grabber

ベルトの機構を提案デバイスにおいて再現・実装し，力成分の提示を実現した．
モータは Maxon mortor 社の提供する DC モータ(333358)，

保持具

ベルトは 12×70× 0.058mm のアセテートフィルムを 2 枚重ねたもの，ベルトの取り付け用のプーリーとして振動・温度提示モジュール

φ8×20mm のアクリル円柱を用い，保持具はエポキシ系紫（ｂ)外線硬化樹脂を用いて造形した．

図 2:提案デバイス 3D モデル

2.2.2 振動・温度提示モジュール（ａ)斜視図中谷らによって提案された振動と温度を提示するモジ（ｂ)指に装着した場合の正面図

ュール[5]を使用する．モジュールの模式図を図 3 に示す．
モジュールは振動提示部と温度提示部とで構成される．

加熱用ペルチェ素子

振動提示部にはアルプス電気株式会社の提供するフォ冷却用ペルチェ素子ースリアクタ™ AF シリーズを小型化したもの[6]が実装されている．制御用マイコンを介してアナログ波形を出力し，振動させることが可能である．
温度提示部には株式会社 KELK が提供するペルチェ素子(KSMH029F)が，図 3 赤枠点線部に示すように４つ実振動提示部（筐体中に位置）装されている．ペルチェ素子はペルチェ効果により加熱と冷却の両方が可能だが，素子を冷却直後に加熱する場

図 3:振動・温度提示モジュールの模式図

合，また，その逆の場合において温度提示の応答速度が悪化する問題がある．この解決を目的として，図 3 に示温度提示部が可能になると考えられる．

すように 4 つの素子のうち 2 つは冷却用，残りの 2 つは加熱用として運用する．この機構を温度提示デバイスに用

3. 提案実験

いることで，温度提示による温度変化を知覚するまでの提案デバイスが提示する触感の評価を目的として，被時間を平均 36％改善できることが佐藤らによって報告[7]験者実験を予定している．本章では実験の概要ついて述されている．素子の加熱速度や冷却速度は電流のデューべる．

ティ比の設定により制御が可能である．

3.1 実験方針

2.3 デバイス仕様

本実験では実際の物体を触れることで得られる触感（以我々は Gravity Grabber の基本機構を踏襲した上で，ベ下，R 触感と呼ぶ）と，提案デバイスがもたらす触感（以ルト部分に振動・温度提示モジュールを接着し，指腹部下，V 触感と呼ぶ）を被験者に提示し，R 触感に最も類似における力・振動・温度の提示を実現した（図 2）．村上

していると感じた V 触感を回答してもらう．

らが提案した Altered Touch[2] では温度提示を指の背面R 触感は素材片の試料を実際に触れることで知覚され（爪側）において行っていた．一方，提案デバイスは温度る触感である．本実験では「つるつる」「ざらざら」といっ及び振動の提示箇所が力提示の媒体であるベルトに位置た特定の触感的特徴を 5 つ設定し，1 つの触感的特徴につしており，加えて，ベルトの厚さが薄い．したがって温き 3 種類の試料を用意する．したがって 15 種類の試料を度・振動の伝達を妨げず，より応答性の高い触感の提示R 触感として提示に用いることになる．

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V 触感は提案デバイスを駆動することで提示される触提案デバイス感である．V 触感については R 触感で設定した触感的特徴の数，すなわち 5 種類の触感生成パターンを用意する．

V 触感

それぞれのパターンは，舘らが提案した触覚変換装置[3]試料R 触感マーカーを参考にして，R 触感で設定した触感的特徴を再現する

HMDようにセッティングを行う．
実験では被験者の右手に R 触感，左手に V 触感というように左右の手に異なる触感を提示する．1 つの R 触感に対して 5 種類全ての V 触感を提示し，R 触感に最も類似していると感じた V 触感を被験者に回答してもらう．もし提案デバイスが所望の特徴を再現できていれば，R 触図 4:実験環境の模式図（俯瞰図）

感の特徴に対応する V 触感において，有意な結果が得られることが予想される．上記の回答結果の分析から提案試料を模したCG モデル

デバイスが再現可能な触感的特徴の種類，また，その再現度について考察が可能になる．
3.2 実験システム
R 触感・V 触感を被験者の左右の手に提示するシステムについて述べる．システムの模式図を図 4 に示す．
3.2.1 R 触感

図 5:HMD 内で表示する映像のイメージ図

図 4 の赤枠点線部の構成で触感を提示する．R 触感を提示する右手には提案デバイスと手の位置・姿勢を取得するためのマーカーを装着し，試料を被験者の右前方に配置する．このとき，提案デバイスは人差し指に装着する．提案デバイスを装着するのは V 触感との対照実験のためであり，試料を触れるときに干渉するベルト，プー

3.3 実験手順
実験は以下の 2 段階で行う．
①

R 触感と V 触感の提示
被験者に HMD で表示される試料に触れてもらい，リー，振動・温度提示モジュールは取り外した状態で実R 触感と V 触感を提示する．このとき R 触感の生成験を行う．に使用する試料を 1 種類に固定するが，V 触感につ3.2.2 V 触感

いては用意した触感生成パターン 5 種類全てについ

図 4 の青枠点線部の構成で触感を提示する．R 触感とて提示を行う．

同様に提案デバイスとマーカーを左手に装着するが，試料は配置しない．提案デバイスについてもパーツの取り②

類似した触感の回答
被験者に，現在提示されている R 触感に最も類似外しは行わずに使用する．

していると感じた V 触感を回答してもらう．

3.2.3 HMD
前述のほか，被験者には HMD を装着してもらう．
HMD では図 5 のように，試料と被験者の両手を模したCG モデルが表示されている．このとき，光学式モーショントラックシステムである OptiTrack[8]と両手の甲に装着したマーカーを用いて，被験者の手の位置や姿勢を手のCG モデルに反映させており，実際の手のように CG モデルの操作が可能である．また，映像において R 触感を提示する領域（右側）に表示されている試料と実空間における試料は，位置と形状が対応している．一方，V 触感を提示する領域（左側）に表示されている試料は実空間では試料は存在していないが，手の CG モデルを操作して触れることによって提案デバイスが駆動し，触感を提示する．
したがって，被験者は HMD 内の映像により，実空間で試料に触るのと同様な光景を見ながら試料に触れることになる．

以上の 2 つの行程を，用意する 15 の試料全てにおいて実施する．その後，左右の手における知覚感度の差を考慮し，左右のシステムを入れ替えて同様の実験を行う．
したがって，被験者一人あたりから 15 種類の試料に対し，30 の回答結果が得られることになる．

4. まとめ本稿ではリアルな触感を提示するシステムの実現を目的として，力・振動・温度の 3 つの触原色を出力するデバイスを提案した．また，デバイスがもたらす触感の評価手法として，片方の手には実際の試料を触れることでもたらされる触感，もう一方の手にはデバイスからもたらされる触感を提示し，左右の手で知覚される触感を比較する手法を提案した．デバイスは用意された試料の触感特徴を再現するように制御されており，被験者は実際の試料に最も類似する触感を 5 種類の触感生成パターンから回答する．

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5. 展望

[3]

舘 暲，南澤孝太，梶本裕之，佐藤克成，仲谷正史：触提案した実験を実施し，提案デバイスがも提示す

覚情報変換装置，触覚情報変換方法，および触覚情報る触感のリアリティを評価する．また，3 つの触原色変換プログラム， 特願 2016-077692 (2016-04-07)， 国を出力する場合だけでなく，1 つや 2 つの触原色を出際出願番号 PCT/JP2017/014570 (2017-04-07)

力した場合についても同様の評価を行い，触原色の[4]Kouta

Minamizawa,

Souichiro

Fukamachi,Hiroyuki

多元出力による触感の再現度への影響について検討

Kajimoto, Naoki Kawakami and Susumu Tachi：Wearable

していく．

Haptic Display to Present Mass and Internal Dynamics ofVirtual Objects, Virtual Real. Soc. Japan, vol. 13, no.1, pp.

謝辞

本研究は国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業（ACCEL）「触原色に立脚した15–23, 2008.
[5]

Masashi Nakatani, Katsunari Sato, Kunio Sato, Yuzuru

身体性メディア技術の基盤構築と応用展開」の支援によっ

Kawana, Daisuke Takai, Kouta Minamizawa and Susumuて行われた．

Tachi：A novel multimodal tactile module that can provide
vibro-thermal feedback, AsiaHaptics, 2016.

参考文献
[1]

[6]

Hiroyuki Kajimoto, Naoki Kawakami, Taro Maeda,

vibration generator system, Pub No. (JP) 2002-348993, Pub.

Susumu Tachi： Electrocutaneous display with receptor

No. US 2004/0104625 A1

selective stimulations, Electron. Commun. Japan, Part IIElectron.

(EnglishTransl.

Denshi[7]

Tsushin Gakkai

stimuli, Robot. Mechatronics, vol. 25, pp. 497–505, 2013.

Takaki Murakami, Tanner Person, Charith Lasantha[8]Fernando, Kouta Minamizawa：Altered Touch: Miniature
Haptic Display with Force, Thermal and Tactile Feedback forAugmented Haptics, SIGGRAPH, 2017.

© 2017 日本バーチャルリアリティ学会

Katsunari Sato, Takashi Maeno ： Presentation of rapid
temperature change using spatially divided hot and cold

Ronbunshi), vol. 85, no. 6, pp. 40–49, 2002.
[2]

Hiroshi Wakuda, Takahiro Kawauchi ： Bodily sensed- 1G2-04 -OptiTrack Japan, Ltd. : Optitrack：http://optitrack.com/