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日本バーチャルリアリティ学会誌第 14 巻 2 号 2009 年 6 月

特集

超五感特集 ■ 超五感

バルーンの膨張現象を利用した触覚計測技術

田中由浩

名古屋工業大学

TANAKA YOSHIHIRO

佐野明人

名古屋工業大学

SANO AKIHITO

1．はじめに藤本英雄

名古屋工業大学

FUJIMOTO HIDEO

は，表面状態に関する情報は硬さと独立した因子である

ものづくり産業や医療分野等において，ヒトの触覚がことが布 [4] やヒト肌 [5] において報告されており，生頼りとなる技能が多く存在する．ヒトは対象に触れるこ体組織においてもこれらの情報を得ることができれば，とにより硬さや粗さ，様々な質感を得ることができ，繊ヒトの触知覚に即した評価が期待できる．

細な作業が行える．触覚情報は対象との力学的な相互作

また，生体内で使用する触覚センサを考えると，生体用により生まれる自身の皮膚の変形が基となっている．

安全性を十分に確保できなければならない．生体内で使

ただし，我々は自身の皮膚がどのように変形されたかは用するとき，人体への漏れ電流防止から，電気を使用し意識することはない．
皮膚や機械受容器細胞の構造には，ないことが望まれる．また，電気を使用しないセンサは，巧妙な触覚情報処理機構が仕組まれており，その特徴は電気メス等に対する耐ノイズ性を有し，MRI 環境下で力学ベースで議論できる [1]．触覚の本質が能動触であるも使用できる可能性を有している．なお，近年，生体安ことを考慮して，触覚情報処理機構を力学的 ( 動的 ) 側全性を考慮したセンサも開発されつつあるが [6][7]，表面により解明し，その仕組みや本質的な原理を工学的に面のぬめり等の触覚情報に注目しているものはない．
本稿では，筆者らが開発を進めているバルーンの膨張応用することが重要である．
医師は，通常の手術において，生体組織の触覚情報を現象を利用した触覚計測技術 [8][9] について紹介する．

診断・治療の重要な手がかりとして取得している．一方，生体安全性に優れ，生体組織の硬さおよびぬめり等の表近年，患者の負担の低減，術後の早期回復の観点から，面情報を計測できる可能性を有する．

内視鏡等を用いた低侵襲治療の発展，普及が望まれてい2．ヒトの滑り検出メカニズムとバルーンの膨張現象る．しかし，画像情報を中心とした遠隔操作と言え，高い技能を必要とする．現在の低侵襲治療における課題のヒトが把持動作を行う際には，摩擦の検出が行われて一つは，触覚情報の不足である．触覚情報が取得できれおり，対象に触れた際に指表面に起こる初期の局所滑りば，より安全で効果的な治療につながると考えられる．

が重要な役割を担っている [10][11]．物体との摩擦に依存

患部の触覚情報として重要なものには，硬さがある．

する皮膚の横伸びあるいはせん断から摩擦係数が特定で腫瘍等の病巣部では正常部と硬さが異なることが多い．

き，皮膚内部のひずみ分布パターンから滑りを検出でき

また，生体組織表面には粘膜が存在し，表面の触覚情報る．ヒトは無意識の内にこれを検知し，適正な力で対象( ぬめり等 ) も診断・治療に重要な手がかりとなる．

を把持できる．ヒトの滑り検出メカニズムを基にした触覚センサ内蔵ソフトフィンガも開発され，触れた瞬間にこのような背景の中，近年，様々なタイプの医療用触滑りやすさを検知できることが示されている [12]．

覚センサが提案されている [2][3]．しかしながら，多くは硬さを対象としており，表面の情報を検討しているもこの局所滑りが本研究のヒントになった．流体で満たのはない．そこで，筆者らは硬さとともにぬめり等の表したバルーンを対象表面に押し当て膨張させると，その面の触覚情報にも注目している．ヒトの触知覚において膨張過程において対象への押し込みが生じるが，同時に

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超五感

接触面において局所的に滑りが生じる．したがって，そ1385

Polyurethane tubeの膨張は対象の硬さや表面の摩擦状態に依存し変化する

Tube coupling

ことになる．これにより，バルーンの膨張過程を何らかの方法で計測することで，対象の硬さやぬめり等の触覚情報が取得できると考えられる．
バルーンの膨張過程は，Slidable tube for loading

バルーンに通じるチューブ内を流れる流体の流量変化やSilicone rubber sheet
Acrylic tube

圧力変化により計測できる．本研究では，バルーンの圧Fixed tube for loading

力変化に注目した．

Baloon3．バルーンセンサプローブ

図1

バルーンセンサプロープ

3. 1 構造
センシングのために対象に接触させるプローブ ( 以下，バルーンセンサプローブと呼ぶ ) の構造および外観を図1 に示す．アクリル製チューブ ( 外径 4 [mm]，内径 2 [mm])の先端に半円球のラテックス製バルーン ( 膨張前の直径 4 [mm]，厚さ 0.15 [mm]) が取り付けられている．バルーンと逆側には，コネクタが取り付けられ，ウレタンチューブ ( 外径 4 [mm]，内径 2 [mm]) とつながっている．
本チューブを通じて，流体がバルーンに送られる．
さらに，バルーンのついたチューブには，荷重負荷機構が搭載されている．荷重負荷機構は，バルーンの

図2

荷重特性ついたチューブより一回り大きい 2 本のチューブ ( 固定チューブ ( 光硬化樹脂製，内径 4 [mm])，可動チューブ ( アブ部分を内視鏡先端で固定し，内視鏡を動かすことで，クリル製，内径 4 [mm])) および 2 枚の円弧断面形状をバルーンを対象に接触させることができる．対象に接触有するシリコーンゴムシートから構成される．図 1 かし荷重がかかると，シリコーンゴムシートは始め圧縮変

らわかるように，バルーンのついたチューブは，2 本の形を受けやがて座屈を起こす．座屈後は，シートが大変チューブに挿入されている．これらのチューブの内の形を起こし，対象およびプローブにかかる荷重はほとん

固定チューブは，バルーンのついたチューブ先端に固定ど変化せず，ほぼ一定になる．この区間は目視により確され，もう一方の可動チューブは，チューブ上でスライ認できるほど十分に長い．したがって，例えば，一定とドできる．また，2 枚のシリコーンゴムシートはチューなる区間に相当するバルーンのついたチューブ表面に色ブと対称に配置され，その両端がそれぞれ，固定チューを塗るなどして，一定荷重は簡単に確認できる．

ブと可動チューブに接着されている．シートは，厚さ 1

図 2 に，本プローブを硬い対象に接触させた際の，可[mm]，長さ 22 [mm]，断面形状の円弧角 90 [deg] である．

動チューブの移動量と荷重を，プローブの様子と共に示センシングでは，プローブにより対象に与えられる荷す．各移動量について 5 回計測を行った．図より，約 1

重を一定にする必要がある．これは生体に対する安全性[mm] から 12 [mm] の範囲で平均値 1.06 [N]，標準偏差 0.03の面からも望ましい．ただし，前に述べたように，生体[N] の一定荷重を実現できていることがわかる．なお，内で電気を使用することは避けたい．そこで，機械的にシリコーンゴムシートのヤング率や寸法，枚数を変更す一定荷重を実現することを考え，上述した荷重負荷機構ることで，荷重の大きさや座屈後の荷重一定となる区間を追加した．

は調節可能である．

3. 24．センサシステム

荷重負荷機構本プローブでは，可動チューブ部分を持ち，スライドセンサシステムの概略図を図 3 に示す．システムは，させることで，対象にバルーンを接触させ荷重を負荷す

貯水槽，ギアポンプ，安全弁，レギュレータ，ソレノイることができる．内視鏡においては，
例えば，可動チュー

ドバルブ，圧力センサ，バルーンセンサプローブから構13日本バーチャルリアリティ学会誌第 14 巻 2 号 2009 年 6 月

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特集

超五感成されている．ポンプによって送り出された水がレギュレータによって一定内圧に調整され，バルブ 1 を通じて，バルーンに送られる．また，バルブ 2 はセンシング前にバルブ 1 までの内圧を一定に保つために用いられる．センシング時に圧力が変化するため，センシング後もレギュレータによる設定値にすぐに戻らず不安定になる．そこで，バルブ 2 を用いて，水を貯水槽に開放し，循環させることでチューブ内の圧力をリセットする．これにより，毎回のセンシングを一定内圧で行うことが可能になる．
なお，バルブは 3 ポートとなっており，センシングの後

図3および条件のリセット中は，バルーン中の水は貯水槽にセンサシステム戻される．また，圧力センサ 1 により，内圧状態の観測は行っている．バルーンの内圧は圧力センサ 2 により計測が可能であり，これをセンサ出力信号として扱う．
バルブ 1 の開閉は，パソコンで制御される．バルブを開いた後，バルーンの内圧がピーク値をとり，その後一定値 (0.08 [MPa]) まで減少すると，自動的にバルブを閉じる．なお，圧力センサ 1，2 の出力信号は A/D ボード
図4を通じてパソコンに記録される．

実験試料

5．実験象から受ける力が変化するためである．図 6 にこれを説

5. 1 実験試料および方法明する概略図を示す．膨張の前半では，バルーン以外の

図 4 に示すように，柔軟なウレタンゲルの上に液体を部分も対象に接触しているため，荷重が分散する．その塗布し，表面に粘膜を有する生体組織を模擬した試料をため，膨張に従いバルーンが対象を押し込み，対象から準備した．ウレタンゲルには，硬さの異なる 2 種類 ( ゲ

受ける力が増加していく．その後，膨張が進み対象から

ル A：E = 0.14 [MPa]，
ゲル B：E = 0.44 [MPa]) を準備した．

受ける力の法線方向成分がプローブによる荷重と等しく塗布する液体には，乳液，擦った山芋を水で溶かした液なると，バルーンのみが対象と接触した状態となる．こ体 ( 以下，山芋水と呼ぶ )，水を準備した．なお，塗布のれ以降は，法線方向の力は一定のまま，膨張が進行する．

条件を同じにするため，液体の体積は 2 [ml] に統一した．

したがって，後半においては，対象への押し込みは生じ

ゲル A，B のどちらについても，水，山芋水，乳液の順ず，膨張が対象と逆側に進行する．
各試料について得られた代表的な圧力変化を図 7 に示にぬるぬるした触感を感じる．
実験は，これらを組み合わせて，計 6 種類の試料につす．圧力はいずれの試料も初め上昇し，ピーク値を取っいて各 5 回ずつ行った．レギュレータの内圧条件は 0.11た後，緩やかに減少することがわかる．変化の特徴は各[MPa] とした．また，一軸のスライダが先端に付いたアー試料で異なる．なお，出力波形にはノイズ成分を除去す

ムにバルーンセンサプローブを取り付け，スライダを動るためカットオフ周波数 4 [Hz] のローパスフィルタ処

かし，プローブ先端のバルーンを対象に接触させた．

理がされている．
バルーン自体の特性により，バルーンを負荷のない状

5. 2

実験結果

態で膨張させると，圧力は初め上昇し，ピーク値を取っ実験時のバルーンの膨張の様子をビデオカメラで撮影た後，減少することが知られている [13]．本センシングした．図 5 に代表的な結果を示す．1 [sec] のところで，では，この特性に，図 6 に示したように対象から受けるバルーンに流体が送られ始めた．

力が付与され，圧力変化が生じると考えられる．対象に初めバルーンは対象に押し込むように膨張が進み，そ応じてピーク値や圧力変化の傾きも異なる．の後，対象への押し込みよりも，対象と逆側に膨張が進硬さに注目すると，同じ塗布液体では，硬い試料 ( ゲんでいることがわかる．これは，膨張の前半と後半で対ル B) の方が柔らかい試料 ( ゲル A) よりもピーク値が大14

特集

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超五感

図51587

バルーンの膨張の様子 ( 対象物：ゲル A ＋水 )＊口絵にカラー版掲載

Force by probe

Sensor probe
BalloonPressure

Object

図8

Force by object

図6

膨張時に対象から受ける力

センサ出力分布図[MPa/sec] とし，これらを特徴量として求め，各試料の差を比較する．なお，傾きは最小ニ乗法を用いて算出した．
結果を分布図で図 8 に示す．各試料につき 5 回の計測すべての結果を記載した．図より，試料によって異なる領域に分布することがわかる．柔らかい試料では，Pp が小さく，ぬるぬるする試料では，Gd が小さい傾向にある．
以上の結果により，本センシングによる硬さや表面状態の計測の可能性が示された．今後，圧力変化と対象の硬さや表面状態の関係を詳細に明らかにしていくことで，計測精度や計測時間の向上が期待できる．
6．医療応用図7

バルーンの圧力変化

本センシングを生体内に適用した場合，バルーンセンサプローブが生体内に挿入される．ここで，バルーンのきいことがわかる．対象が硬いほど対象から受ける力も膨張を知るための圧力変化は，生体外で取得可能 ( 圧力大きいため圧力が大きくなる．また，塗布液体についてセンサ 2) であり，計測のための一定荷重もプローブの見ると，同じ硬さでは，ぬるぬるするものほど，ピーク荷重負荷機構により実現される．したがって，生体内で後の後半における圧力減少のタイミングが早いことがわ

電気を用いる必要がない．また，バルーンは柔軟であり，かる．バルーン表面での滑りは膨張時に一貫して起こっ安全な接触が期待できる．以上の点から，本センシングており，滑りにくいものほど膨張が抑えられ，膨張に時は生体安全性に優れている．さらに，バルーン自体は現間がかかり圧力もゆっくり変化すると考えられる．さら在医療現場に用いられており ( バルーンカテーテル等 )，に，前述したように，膨張の後半では，対象への押し込小型化等，実用化の面でも可能性が高いと考えている．

みが生じないことから，表面状態の影響が圧力変化に優

また，本センシングは上述した安全性以外に，生体位に表れると推測される．

組織に対して有効な一面を持つ．本センシングにおける対象との接触領域は，2 章で述べたように局所的で5. 3 異なる触感の試料判別ある．一般的に滑りやすさなどの表面状態の計測には，前節の結果を鑑みると，ピーク値と後半の圧力減少に対象に対しセンサをなぞることが必要と考えられるが，注目することで，硬さおよび表面の情報を取得できる可

様々な形状をしている生体組織に対して安定したなぞり能性がある．そこで，圧力の極大値を Pp [MPa]，バルー動作は望めない．これに対し本センシングは局所的な能ンの膨張が終了される時点 ( バルブ 1 が閉じられた瞬間 )動接触であり，なぞり動作を必要としないため，安定しから 0.5 [sec] 前までの区間における圧力変化の傾きを Gdたセンシングが期待できる．

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超五感

the Control of Precision Grip, In Jeannerod M (ed), Attention

7．まとめ
本稿では，バルーンの膨張現象を利用した触覚計測技

and Performance, pp.677-713, Erlbaum, Hillsdale (1990)

術について紹介した．これは，ヒトが摩擦の検知に指表[11] T. Maeno, T. Kawai, and K. Kobayashi: Analysis and Design面で生じる局所滑りを利用していることをヒントにしてof a Tactile Sensor Detecting Strain Distribution inside anいる．生体安全性に優れ，生体組織の硬さおよび表面状

Elastic Finger, Proc. of the IEEE/RSJ International Conference

態を計測できる可能性を示した．今後は，膨張による対on Intelligent Robots and Systems, pp.1658-1663 (1998)[12] 佐野明人，西象とバルーンとの力学的相互関係を明らかにし，定量的恒介，宮西英樹，藤本英雄：触覚情解析を行っていく予定である．また，感度向上に向けヒ報に基づく遠隔臨場感多指ハンドシステムの構築，計トの指特性 [12] を考慮したバルーンの改良も行いたい．

測自動制御学会論文集，Vol.40, No.2, pp.164-171 (2004)[13] W. Ogden: Large Deformation Isotropic Elasticity--on

参考文献

the Correlation of Theory and Experiment for Incompressible[1] R. Kikuuwe, A. Sano, H. Mochiyama, N. Takesue and H.

Rubberlike Solids, Proceedings of the Royal Society of London,Fujimoto: Enhancing Haptic Detection of Surface Undulation,

A, Vol.326, pp.565-584 (1972)

ACM Transactions on Applied Perceptions, Vol.2, No.1,
pp. 46-67 (2005)【略歴】[2] S. Sokhanvar, M. Pachirisamy, and J. Dargahi: A

田中由浩（TANAKA Yoshihiro）

Multifunctional PVDF-Based Tactile Sensor for Minimally

名古屋工業大学大学院工学研究科

Invasive Surgery, Smart Materials and Structures, Vol.16,

2006 年東北大学大学院工学研究科バイオロボティクス

pp.989-998 (2007)

専攻博士課程後期 3 年の課程修了．触覚センサ，触覚情特任助教[3] A.P. Miller, W.J. Peine, J.S. Son, and Z.T. Hammoud: Tctile

報処理メカニズムなどの研究に従事．2007 年度日本機

Imaging System for Localizing Lung Nodules during Video

械学会賞 ( 論文 ) 受賞．日本機械学会，計測自動制御学会，Assisted Thoracoscopic Surgery, Proc. of the IEEE International

ロボット学会などの会員．博士 ( 工学 )．

Conference on Robotics and Automation, pp.2996-3001 (2007)[4] M. Tanaka, Y. Tanaka, and S. Chonan: Measurement

佐野明人（SANO Akihito）

and Evaluation of Tactile Sensations Using a PVDF sensor,

名古屋工業大学大学院工学研究科

Journal of Intelligent Material Systems and Structures,1987 年岐阜大学大学院工学研究科精密工学専攻修士課

Vol.19, No.1, pp.35-42 (2008)

程修了．触覚テクノロジー，受動歩行，人間 – 機械系の

[5] 飯田一郎 : 触知覚の科学 , 表面科学 , Vol.10, No.12,

教授

研究に従事．2004 年度日本機械学会ロボティクス・メ

pp.839-843 (1998).

カトロニクス部門一般表彰 (ROBOMEC 表彰 )，2005 年[6] 岡安はる奈，岡本 淳，藤江正克：バルーンを用いた度計測自動制御学会論文賞・友田賞などを受賞．日本機

手術支援マニピュレータの開発 - バルーンのセンサ機

械学会フェロー，日本ロボット学会評議員，日本バーチャ

能性評価 -，日本機械学会ロボティクス・メカトロニ

ルリアリティ学会，計測自動制御学会などの会員．博士

クス講演会講演論文集，2A1-G10, (2007)( 工学 )．

[7] M. Kaneko and T. Kawahara: Co-Axis Type Non-Contact
Impedance Sensor, Proc. of the IEEE International Conference

藤本英雄（FUJIMOTO Hideo）

on Robotics and Automation, Vol.1, pp.709-714 (2004)

名古屋工業大学教授[8] Y. Tanaka, K. Doumoto, A. Sano and H. Fujimoto: Active

1970 年名古屋大学工学部機械学科卒業．医学工学や感Tactile Sensing of Stiffness and Surface Condition Using

性工学，ロボティクスなどに興味を持つ．ASME 最優秀

Balloon Expansion, Proc. of the 2nd International

論文賞，2004 年グッドデザイン賞など多数受賞．スケ

Conference on Human System Interaction, accepted (2009)

ジューリング学会会長，計測自動制御学会中部支部長，[9] 堂本和樹，田中由浩，佐野明人，藤本英雄：バルー

文科省科学技術・学術審議会文化資源委員会委員などを

ンの膨張現象を利用した触覚センサ，日本機械学会ロ歴任．現在，愛知県産業人材育成推進協議会座長，日本

ボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集 (2009)

機械学会フェロー・評議員．工学博士．

[10] S. Johansson and G. Westling: Tactile Afferent Signals in16