TVRSJ Vol.14 No.3, 2009

ショートペーパー（基礎）高密度ピンマトリクスを利用した触覚ディスプレイのピン径・ピン間隔と形状認識率の基礎検討
仲谷正史*1

川上直樹 ∗1舘∗1

Tactile Shape Recognition on a Tactile Display Using a High Density Pin Matrix
Masashi Nakatani∗1 , Naoki Kawakami∗1 and Susumu Tachi∗1
Abstract– Tactile displays composed of a plenty of pins (pin matrix) are one of themost common types of developed tactile displays so far. However, only a few studies examined the appropriate diameter of pins and the interval between adjacent pins to convey
comprehensible tactile information. We conducted an experiment in which participantsevaluated the shape primitives either through a pin matrix tactile display or through abare finger. The interval between adjacent pins (from 1.0 to 2.0 mm) and the diameter ofpins (from 0.8 to 1.8 mm) were manipulated. We found that participants could correctly
answered tactile shape primitives as touching with a bare finger when they touched witha pin matrix of 1.0 mm spatial interval between adjacent pins. Yet, the time for answering the shape when touching with a pin matrix took about 25 % longer comparing whentouching with a bare finger.

Keywords : tactile perception, shape primitives, pin matirx, tactile display
1

はじめに手の指腹部における触覚ディスプレイとして，様々なものが開発されてきている．その中でも，過去の多くの触覚ディスプレイはピンマトリクス型触覚ディスプレイ（以下ではピンマトリクスを PM と呼ぶ）である．Optacon の開発をはじめとして [1]，これまで多くの PM 触覚ディスプレイが様々な種類のアクチュエータを利用して開発されてきている [2]．一方で，PM 型触覚ディスプレイのピン接触子（以下，ピンと呼ぶ）の空間配置などの設計パラメータに特化した研究文献は，開発されてきた触覚ディスプレイの数と比すると少ない．一般的な触知覚特性（例えば，物体の softness,roughness など）や触覚受容器の特性について調べた心理学的・神経生理学的な文献は多数見受けられる．
それに比べると，PM 触覚ディスプレイの具体的な設計パラメータ決定に直接的に役に立つ知見は少ない．
しかし，テレビジョンの画素数を決める際のように，あるピン径・ピン間隔，ピンストロークを持つ PM 触覚ディスプレイに触れた際の人間の触知覚特性や触覚情報の認識率が既知となっていれば，触覚ディスプレイの設計時に有用である．

PM 触覚ディスプレイの設計パラメータに関する先行研究例として，Shimojo らはピン径 1.75 mm および 2.75 mm のピンを 2, 3, 5 mm 間隔で細密構造にならべたパッシブなピンマトリクスを用意した実験を*1 東京大学大学院 情報理工学系研究科

行っている [3]．また森園らは，PM 触覚ディスプレイにおいて高品位触感呈示のためには，ピンマトリクスであるがゆえに離散感を感じさせないピンの間隔を求める必要があると考え，心理実験を行っている [4]．
上述の２つの研究では，PM 触覚ディスプレイが静的（時間変化しない）であることを前提に，評価実験が行われていた. 一方で，Optacon に代表されるように，ピンが動的に上下動して触覚情報を呈示する場合も考えられる．すなわち，渡辺ら [5] の検討を参考に，PM 触覚ディスプレイの呈示方法としては次の 2 つ，(a) スタティック呈示：ピンマトリクスによって呈示された触覚情報は時間変化せず，体験者が手指腹部および手掌部で触覚ディスプレイ表面をスキャンするもの．

(b) ダイナミック呈示：ピンマトリクスによって呈示される触覚情報は時間変化し，体験者の手指腹部もしくは手掌部は触覚ディスプレイ表面に対して静止しているもの．のように２つに大別できる．前者 (a) に関しては，前述の Shimojo らや森園らのように研究手法が確立している．一方で，後者 (b) に関しては，研究例が少ない．その理由として，ピンが動的に動くためにはまず何らかのアクチュエータを利用し触覚ディスプレイを開発しなければならない背景が考えられる．
そこで本論文は，後者 (b) のダイナミック呈示を行う PM 触覚ディスプレイの開発する際に必要となるピン径とピン間隔について，簡易に調査する手法を提案する．加えて，提案手法を利用して，PM 触覚ディスプレイで形状プリミティブを呈示する際の形状認識

日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.14, No.3, 2009率についての検討した結果を示す．ピン径とピン間隔の 2 点に注目した根拠として，PM 触覚ディスプレイにおける設計パラメータに関し仲谷らが提案するピンマトリクス型３次元形状ディスプレイ必要な設計パラ
メータ (1) ピンの径 (2) 隣り合うピンの間隔（空間解像度）(3) ピンの縦方向のストローク (4) ピン数の拡張性の 4 点を参考とした [6]．

21mm Bakelite

30mm

高密度ピンマトリクスを利用した触覚情報呈示に必要な空間解像度の検討手法の提案

5 mm
図 1 に本研究で作成した高密度ピンマトリクスを示す．30 mm x 30 mm の支持板（ベークライト製，厚5 mm

さ 1.0 mm）にピン径よりもわずかに大きいホールを等間隔に空け，そこにステンレス (SUS 303) 製で径のTexture surface

細いピン (0.8〜1.8 mm, 長さ 17.0mm) を挿入することで構成したものである．ピンの水平方向変位は制限されており，垂直方向にのみスムーズに上下動できる．
ゆえに，下に物体を押し当てるとその高さ情報を離散的にサンプリングして，上面に伝えることができる．

図 1 提案する高密度ピンマトリクスの概観図
Fig. 1 A schematic of a high density pin matrix.

ピンの下側は半球形状であり，ピン径の半分までの高0.10 mm）を使用した．上述の３つの形状は，Shimojo

さ差の表面形状であれば滑らかに追従できるように設らが先行研究で報告している Shape Primitives の中計した．例えば，0.8mm 径のピンであれば，0.4mmでも，Edge type および Vertex type の検討の一例との高さ差までは表面形状に滑らか追従して高さ情報を考えて選定した．すなわち，Edge type として直線と上部に伝達することができる．

曲線を区別できるか否かを検討し，かつ Vertex type

PM を利用してダイナミックな触覚情報を呈示する
際には，体験者が PM 上面に人差し指を置き，かつとして交わる直線の角度が 90 度か 60 度かを区別でき

PM を親指と中指で把持しながら任意の表面形状をなぞる，もしくは物体が PM に対して相対的に移動す

今回の実験で利用した理由は，形状判断を指先の皮膚ることが必要である．後者の場合には，可動リニアスを認識しないように配慮したからである．指先の接触テージに物体を固定しておき，PM に対して物体が移面積とほぼ同程度もしくはそれよりも少し大きいもの動させるなどの方法が考えられる．本論文では，前者とし，スタティックな触覚情報呈示（ピンマトリクスのように触覚情報体験者が自ら PM を動かして表面形と表面形状との間に相対運動がない場合）だけで被験状をスキャンする場合の実験結果を示す．以下では，者が物体表面を認識してしまわないように呈示形状サピン間隔とピン径の異なる PM を利用して触覚情報呈イズを決定した．以上より，指を刺激する各形状全体示をした場合の人間の形状識別率を検討した実験を報の面積が一律に 78.5mm2 になるよう，円の半径・三告する．

角形と正方形の辺の長さを決めた．これら３つの形状

2.1 実験
【実験参加者】 指先の触覚に特に問題を持たないるか否かを検討することを目標とした．薄いシールを感覚だけに依存させ，関節の曲げ角度の変化等で形状をベークライト製の薄板板 (100mm x 100mm) に貼り付けたものを呈示する形状プリミティブとして使用

8 名（男性 6 名，女性 2 名，年齢 22〜25 歳，平均 23.4歳）が実験に参加した．参加者は，実験の目的についした．て知らされていなかった．

らどのような形状を触覚を通じて呈示するのかについ【実験手順】 実験者は実験参加者に対し，これか【実験器具】 実験器具として，図 2 に示した PM(PMてあらかじめ目視で確認させた．その後，実験参加者

1〜3，ピン直径はそれぞれ 0.8, 1.3, 1.8 mm，およびはアイマスクを装着した．実験者は任意の表面形状がPM 4〜5 はピン径が 0.8 mm) を使用した．ピン間隔
は PM 1〜3 でそれぞれ 1.0, 1.5, 2.0 mm，PM 4〜5貼り付けられたベークライト板の上に，5 種類の PM1で 1.5, 2.0 mm であった．

手と呼ぶ）で実験参加者の前に置いた．その後，実験〜5 のいずれか・もしくは何も載せない状態（以後，素【呈示形状】 指先の触覚を通して認識する形状プ

参加者の利き手の人差し指を PM 越しもしくは素手でリミティブとして図 3 に示すような円・正三角形・正呈示形状プリミティブの上に載せた．実験参加者は，方形（○・△・□）の形状を持つ薄い塩ビシール（厚さ仲谷・川上・舘 : 高密度ピンマトリクスを利用した触覚ディスプレイのピン径・ピン間隔と形状認識率の基礎検討

PM を通してもしくは素手で表面形状を自由にスキャンし，呈示されている形状が○・△・□のいずれであ10mmるかを強制三択で，判断がつき次第できるだけ早く正確に答えるように指示された．試行数は PM1〜5 を利用したもしくは素手の 6 条件下で，各○・△・□の3 形状を 4 回ずつなぞらせ，計 72 回の試行を行った．
72 回の試行中に休憩時間は設けなかったが，実験参加者の要望があれば任意のタイミングで休憩をとること

PM 1
Pin diamter
0.8 mmPin pitch
1.0 mm

PM 2

PM 3PM 4

PM 5

1.3 mm

1.8 mm

0.8 mm

0.8 mm

1.5 mm

2.0 mm

1.5 mm

2.0 mm

を許した．全ての試行を終えるまでに必要な時間は約40 分であった．
【データ処理】 実験後，PM1〜5 を利用もしくは素手で触れた場合の形状プリミティブの認識正答率を図 2 実験で使用したピンマトリクス
Fig. 2 A set of high density pin matrix usedin the experiment.

算出した．各被験者が素手で形状プリミティブを判断をするまでの回答時間によって，各条件の回答時間を0.1mm
in thickness

正規化し評価に用いた．上述で得られた正答率および回答時間を，分散分析 (One-way Repeated ANOVA)により検定を行った．球面性の仮定が成立しない場合には，Greenhouse-Geisser による修正を行った．
【実験結果】 実験結果を図 4 に示す．どの PM を用いても，被験者はチャンスレベル (33.3%) よりも有意に正しく形状を同定した．正答率に関して，素手の10.0 mm

13.47 mm 8.86 mm

CircleTriangle

Square

図 3 実験で用いた形状プリミティブの概観
Fig. 3 Shape primitives as tactile stimuli usedin the experiment.

条件を含めた分散分析の結果 (素手, PM1〜5)，触り方の効果は有意 (F (5, 35) = 16.43, p < .001) であっよりも広がるにつれて長くなる傾向が見られた．以上た．多重比較の結果，素手と PM1 間の正答率に有意より，形状プリミティブを呈示された場合の正答率と差はなかった．素手と PM3, および PM5 の間で正答回答時間に関して次のことが考えられる．今回提案し率は素手のほうが，また，PM1 と PM2, PM1 と PM3

たピンマトリクスは図形の高さ情報のみを垂直変位とおよび PM1 と PM5 との間で正答率は PM1 のほうがして触覚に伝達している．この垂直変位による触覚情有意に高かった (p < .05)．ピン間隔が同じでピン径の報呈示は，Edge type や Vertex type の特徴量に関し異なる組み合わせである PM2 と PM4, PM3 と PM5て，ピン間隔が 1.0 mm であれば形状を判断するに足の間で正答率に有意差は無かった.

る情報を伝達できていると考えられる．一方で，素手一方，回答時間に関して，素手の条件を含めた分散で触った場合と比べて回答時間が長くなっていること

分析の結果，触り方の効果は有意 (F (1.4, 9.9) = 17.53,から，単位時間あたりの情報量は PM 越しに触ったほp < .01, Greenhouse-Geisser による修正）であった．
多重比較の結果，素手と PM を使用した全ての組み合わせにおいて，回答時間が素手の場合の方が有意に短うが素手で触るよりも有意に少なくなっていると考えかった (p < .05)．素手と PM1 の間では，回答に至るによって同時に与えられることから，もっともらしいまでの時間が平均で約 25%増加した．また，PM1 と結果と考えられる．

PM3, PM1 と PM4 との間で，回答時間が PM1 の方が有意に短かった (p < .05)．
3
3.1

考察

ピン径・ピン間隔について

前節の実験結果より，ピン間隔が 1.0mm であれば今回呈示したような形状プリミティブを触覚呈示する
場合には素手と同程度の正答率であった．また，ピン間隔が 1.0mm より広くなる場合には，正答率が低下することがわかった．一方で，たとえピン間隔が 1.0mmであっても素手の場合よりも回答時間は長くかかることがわかった．また，回答時間はピン間隔が 1.0mmられる．これは，素手で形状に触れた場合に，指先には垂直方向の変位に加えて，せん断方向の変位も接触

また，今回の実験で利用したピン径 (0.8 mm, 1.3mm, 1.8 mm) の間では，形状認識率・回答時間ともに有意差はなかった．ただし，ピン間に隙間のある PM4,PM5 では標準偏差が大きく，一部の被験者では形状認識率が低下，もしくは回答時間が長くなった点は留意する必要があると考えられる．以上より，ピン間に間隙は無いほうが望ましいと示唆する結果と考えられる．

3.2

本提案手法の課題と展望

本論文では，触覚情報をダイナミック呈示する PM
触覚ディスプレイにおいて，ヒトの触知覚特性に基づいてピン径とピン間隔を設計する際に有用な新しい日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.14, No.3, 2009

らかじめ調査し，ピン径・ピン間隔を設計する の２つ* (PM 3, PM 5)

Percentage of correct recognition[%]BareFinger**の方法が挙げられる．今後は，直近のアプリケーショ

PM 1ン開発時には (a) による手法を用いながらも，(b) の100

ようなヒトの触知覚特性についても調査を行い，経験PM 2と科学的な裏付けに基づいた PM 型触覚ディスプレイ

PM 3の開発・設計につなげてゆきたいと考えている．

75

参考文献

PM 4
PM 5
*
500

Normalized recognition time

31
Pin pitch [mm]*1.52

PM 5*2

PM 4PM 1BareFinger

PM 2PM 31*01
Pin pitch [mm]1.52

図 4 実験結果 (N=8)．エラーバーは標準偏差．
上：各 PM を使用した際の形状プリミティブの認識率．下：回答までにかかった時間を素手の時に要した時間で正規化したもの．
Fig. 4 Results of the experiment. Mean ofeight participants is plotted, and error
bar indicates the standard deviation.

手法を提案した．そして，提案手法を実際に使って形[1] J. Bliss, “Dynamic tactile displays in man-machinesystems,” IEEE Transactions on Man-Machine
Systems, vol. 11 (no.1), pp. 58–65, 1970.
[2] F. Vidal-Verdu and M. Hafez, “Graphical Tactile Displays for Visually-Impaired People,” IEEE
Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 15 (no. 1), pp. 119–130,
2007.
[3] M. Shimojo, M. Shinohara, Y. Fukui, “Humanshape recognition performance for 3D tactile display,” IEEE Trans. Sys. Man and Cyber. Part A,
vol. 29 (no. 6), pp. 637–44, 1999.
[4] 森園, 山田, 荒井, 梅谷, “ピンマトリクス型触覚ディ
スプレイにおいて離散感なく面を呈示するためのピンピッチの研究,” 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, vol. 6 (no. 3), pp. 235–238, 2001.
[5] 渡辺, 須貝, 為近, “ グラフィカル情報提示のための触覚ディスプレイシステムに関する研究−視覚障害者に対する触覚と聴覚を用いた情報提示法に 関 す る 研 究 −,” 日 本 障 害 者 雇 用 促 進 協 会 障害者職業総合センター 調査研究報告書, no. 41,http://www.nivr.jeed.or.jp/ (2009 年 3 月 31 日現在).
[6] 仲谷, 梶本, Vlack, 関口, 川上, 舘, “コイル状形状記憶合金を用いた３次元形状ディスプレイの研究,” 映像情報メディア学会論文誌, vol. 60 (no. 2), pp. 183–191,2006.
(2009 年 3 月 31 日受付)

状プリミティブの中でも Shimojo らの分類に基づき，Edge type と Vertex type を呈示する際に求められる必要条件を調べた．一方，本提案手法では，ピン径の半分の高さ差までの凹凸形状しか呈示できないため，［著 者 紹 介］
仲谷 正史 （正会員）
2008 年東大大学院・情報理工学・博士課程修了．博士（情報理工学）．日本 VR学会触覚デザイン研究委員会 幹事．触知覚メカニズム・触覚ディスプレイの研究や，TECHTILE 展を通した触覚デザインの普及に従事．

局所で急激に高さが変化するような形状呈示に関する評価が難しいというデメリットも存在する．このデメリットを解決するためには，Shimojo らの先行研究にならい下から物体を押し付けるスタティックな形状プリミティブ呈示手法の併用が望まれる．
また，本論文で検討した形状プリミティブは○・△・

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．

□の３種類だけであるため，少なくとも当該形状を呈示する際には，1.0mm 間隔の PM 型触覚ディスプレイで十分である，という結果を示したに過ぎない．しかし，Shimojo らが指摘するように実験で全ての形状に対して，PM が持つべき適切なピン径・ピン間隔を検討することは現実的ではない．本課題を解決するためには，(a) 実際に PM 型触覚ディスプレイが使われる使用場面・アプリケーションを先に決めた上で，本研究が提案した手法によって PM に求められるピン径・ピン間隔を経験的に検討する (b) 人間が触知覚において利用している触覚情報の空間周波数の上限をあ舘（正会員）

1973 年東大大学院博士課程了．工学博士．1994 年より東大・工・計数工教授,2001
年，同大学大学院・情報理工教授．2009年, 慶應義塾大学大学院メディアデザイン研究科 教授．バイスペクトル，盲導犬ロボット，テレイグジスタンスなどの研究に従事．