力触覚の提示と計算研究委員会

第 5 回研究会(2010 年 11 月)

電気刺激を用いた指先への滑り感提示
Pseudo Slipping Sensation to the Fingertip with Electrical Stimulation
岡部浩之 1)，大原淳 1) ，蜂須拓 1)，古川正紘 1) 2) ，福嶋政期 1)，梶本裕之 1) 3)
Hiroyuki OKABE, Jun OHARA, Taku HACHISU, Masahiro FURUKAWA,
Shogo FUKUSHIMA and Hiroyuki KAJIMOTO
1) 電気通信大学(〒182-8585 東京都調布市調布ヶ丘 1-5-1, {h.okabe, oohara, hachisu, furukawa, shogo, kajimoto }@kaji-lab.jp)
2) 日本学術振興会特別研究員PD 3) 科学技術振興機構さきがけ
Abstract: We found a new haptic illusion that causes pseudo slipping sensation. An electro-tactile display
constantly presents moving pattern to a finger. When shearing force is applied to the finger which direction isopposite to the presented motion, the participant feels as if his/her finger moves with constant speed. As thisillusion presents pseudo motion, it can be applied to a new type of pointing device that does not move, but
presents motion to the user by the illusion, resulting in smaller workspace. In this paper, we investigated theoccurrence condition of the illusion focusing on the shearing force of the fingertip and the velocity of theelectrical stimulation.

Key Words: Electrical stimulation, slipping illusion, pointing device

1. はじめにと，ユーザがポインティングスティックに力を加えただけ

1.1. 背景で自身の指が滑ったように知覚する．これによりあたかもPC のポインタ操作などの GUI 環境において，ポインタ位置による入力をしているように錯覚させることができを操作する為の入力インタフェースはポインティングデると考える．つまり，ポインティングスティック型のようバイスと呼ばれ，ユーザの操作感を向上させる為に様々なな小面積な入力環境でありながら，タッチパット型の位置ポインティングデバイスが提案されている．それらのポイ入力のような直感的操作が可能なポインティングデバインティングデバイスは，力を入力する方式のポインティンスが実現できると考えられる．

グスティック型と，位置を入力する方式のタッチパッド型

本稿では，指先の水平方向の力と電気刺激の移動速度にに大別される．前者は小面積での入力が可能であるが，入着目して実験を行い，滑り錯覚の生起メカニズムを検討す力した力でポインタの位置を制御するため，曲線を描くよる．

うな細かい操作が困難である．一方で，後者は位置の変位

1.3. 先行研究を入力してポインタの位置を制御するので，直感的であり指先への滑り感提示の先行研究として，Okamoto らは細かい操作が可能であるが，前者に比べ設置面積が大きく指先の触運動に応じて振動刺激を調節することで，指先となってしまう．つまり，従来のポインティングデバイスで接触対象の摩擦感を含む物性値の変化を表現できることは，入力環境の小面積化と直感性の両立は困難であった．

を示した[1]．また Ooka らは振動ファントムセンセーショ

1.2. 研究の目的

ン位置の動的制御によって指先へ把持物体の滑り感を提本研究では小面積かつ直観的操作が可能なポインティ示した[2].

ングデバイスの実現のために，我々が発見した触錯覚現象

これらの従来手法は機械的機構を用いるため，ポインテを利用する．この触錯覚とは，指の腹を接触させた状態でィングスティックに実装するには触覚の提示部が大型化

指先に水平方向の力を加えながら指腹を歪ませている時してしまう問題がある．また，対象物が滑った感覚を提示に，力の方向と逆の方向に移動する電気刺激を提示すると，するものであり，自らの指が滑った感覚を提示するもので指先が動いていないにも関わらず，力を加えた方向に自分はない．それらに対して我々の電気刺激を用いた滑り錯覚の指が滑っていくように感じるものである（以降，この触は，触覚の提示に電気刺激を用いるため機械的駆動部が不錯覚を“滑り錯覚”と呼ぶ）．

要で薄型化が可能であり，提示する滑りも接触物の移動でポインティングスティックにこの滑り錯覚を利用するはなく自らの指の滑りを知覚させるものである．

2. 実験
2.1. 実験概要
電気刺激を用いた滑り錯覚の生起メカニズムを調べる
為に，本稿では複数考えられるパラメータのうち水平方向の力と電気刺激の移動速度に着目し，実験を行った．
2.2. 実験装置
2.2.1. 電気触覚ディスプレイ
指の腹に電気刺激を提示する刺激装置には，Kajimoto[3]が開発した電気触覚ディスプレイを使用した(図 1 )．
指の腹が接触する基盤部分に 61 個の直径 1mm の電極が六角形に電極間中心距離 2mm の間隔で最密充填配置され

図 2 実験設備の模式図た電極を使用した．電気刺激の提示はパルスでおこない，刺激パルス周期 60 pps (pulses per sec)，刺激パルス幅2.3. 予備実験

50us，刺激パルス高さ 0-3mA で提示した．なお，被験者

まず，滑り錯覚における移動する電気刺激の移動速度をごとに指先の皮膚抵抗値が異なるため電気刺激を知覚で検討する．移動する電気刺激を人が線と知覚できる最大のきる閾値が異なる．そのため実験では，電気刺激を明瞭に移動速度を求める実験を行った．被験者は PC 上に表示さ感じるように被験者自身に刺激パルスの高さ（電流値）をれる電気刺激の移動速度や刺激位置などのステータス(図調節した．

3)を見た状態で，線の移動を確認しながら 10mm/sec ずつ電気刺激の移動速度を調整法で調整していき，線と知覚出来る最大の移動速度を記録した．実験は 6 名の被験者(男性 5 名，女性 1 名，22-24 歳)に対して行った．

図 1 電気触覚ディスプレイ[3]の外観
2.2.2. 指先の水平・垂直方向の力の計測

図 3 予備実験で表示したステータス画面

上部に接触子を固定した電気触覚ディスプレイ（図 1）を，底面を机に固定した硬い箱の中に入れた．箱の内部に実験結果を表 1 に示す．各被験者が，移動する電気刺激

電気触覚ディスプレイが水平方向に 1 軸で可動できる溝を線と知覚出来る最大の移動速度は平均すると 53.3 mmを設け，箱の内壁にフィルム状圧力センサ(ニッタ製，Flexi/sec であった．そこで，次節以降の実験で提示する電気刺Force)を固定した．被験者が電気刺激部に指の腹を接触さ激の移動速度は最大 50 mm/sec とした．

せ，指先に水平方向の力を加えると，接触子が圧力センサを押付け，指先の水平方向の力を計測する．計測した力はAD ボード(Interface 社，PCI3523A)を介し PC に送信さ

表 1 電気刺激において人が線と知覚できる移動速度の最大値れ，画面に表示させた．そして，垂直方向の力の測定は前記の装置の下部に電子ばかりを固定し，液晶画面を観察した（図 7）．

速さ[mm/sec]

被験
者
１

被験
者
２

被験
者
３

被験
者
４

被験
者
５

被験者
６505050903050

平均

標
準偏差

53.3

19.7

2.4. 実験 1

うに感じたと回答している．つまり，指を水平方向に歪ま水平方向の力と電気刺激の移動速度との関係を調べるせた状態で移動する電気刺激を提示すると錯覚が生じ，滑実験を行った．視覚情報を遮るため被験者は，閉眼状態でりを知覚するのに必要な水平方向の力を減衰させたと考全ての試行を行った．電気刺激の移動速度として 4 パタンえられる．つまり，移動する電気刺激によって滑りを知覚(0，10，30，50 mm/sec ) 提示した．速さ 0 mm/sec におする閾値を低下させたと言える．

ける試行は，電気刺激を行わず，力を加えて指が滑ったともし，人が滑りを知覚する際に図 6 のような物理現象と感じた条件での試行を指す．図 4 に示すように，被験者に同様のモデルで滑りを知覚しているならば，水平方向の力指先を水平方向へ徐々に力を加えるように指示した．自分の減衰は知覚の上での最大静止摩擦力を減少させたことの指が滑ったと感じたところで手元のボタンを押させ，そを意味する．この仮説については次章で検討する．の時の圧力センサの値を記録した．電気刺激の移動速度 1
パタンにつき 5 試行，計 20 回試行を行った．実験は 3 名の被験者(男性 2 名，女性 1 名，22-23 歳)に対して行った．

図 6 指に生じる力のイメージ
2.5. 実験 2
実験 1 の結果より，滑り錯覚において電気刺激の移動速度と水平方向の力には何らかの相関関係があると考えられる．そこで，実験 2 では電気刺激の移動速度を細分し実図 4 実験 1 の実験装置験を行った．また，2.4 節の滑り錯覚の考察より，滑り錯覚は最大静止摩擦力を低下させる効果があるのではない

実験結果を図 5 に示す．グラフの横軸は電気刺激の移動かと考えられた．最大静止摩擦力は最大静止摩擦係数と垂する速さ，縦軸は水平方向の力が電気刺激なしの場合と比直抗力の 2 変数に依存するので，実験 1 で統制のとれて較してどの程度変化をしたかを示す．例えば 10mm/sec

いなかった垂直方向の力も統制し、本錯覚の最大静止摩擦で移動する電気刺激を提示した場合は，電気刺激なしで滑係数への寄与も検討した．

りを知覚した水平方向の力と比較して 3.14N 低い力で滑垂直抗力を一定に保つために，実験 1 の装置の下に電子りを知覚したことを示す．エラーバーは標準偏差である．

量りを設置し固定した（図 7）．実験 1 の試行手順に加え，被験者には電子ばかりの液晶画面を見ながら垂直方向の力を 1-3 N に保つように指示を与え実験を行った．電気刺激は 0-20 mm/sec を 2 mm/sec 間隔でランダムに提示し，各試行 3 回の計 33 試行を行った．
被験者は 6 名(男性 4 名，女性 2 名，21-28 歳)である．

図 5 水平方向の力と電気刺激の移動速度の関係
指先が基盤の上を滑ったと知覚するには，本来電気刺激なしの 0mm/sec 時に滑ったと知覚した水平方向の力と同等の力を加えなければならないはずである．しかし，移動する電気刺激を提示すると，水平方向の力が，滑ったと知覚する力に満たないにも関わらず，自分の指先が滑ったよ

図 7 実験 2 の実験装置

実験結果を図 8 に示す．グラフの縦軸，横軸，エラーバーは図 5 と同様である．

3. 考察全実験を通じて全被験者が本滑り錯覚を生起した為，ポインティングデバイスへの実装が可能であると期待できる．また内観報告によると，滑り錯覚の感覚は基盤の上を手汗でぬるぬると滑っていく様だと全被験者が答えた．

4. おわりに
本稿では，指の腹を接触させた状態で，指先に水平方向へ力を加えている時に，力の方向と逆の方向に移動する電気刺激を提示すると，滑り錯覚が生じることを報告した．
今後は本錯覚が生じる条件をさらに解明すると共に，ポインティングデバイスへの実装を試みる．
参考文献
[1]

S. Okamoto et al., Detectability and Perceptual
Consequences of Delayed Feed-back in a

図 8 垂直抗力を統制した状態での，水平方向の力と電気Vibrotactile Texture Display, IEEE Trans. on

刺激の移動速度の関係

Haptics, vol.2, issue 2, pp. 73-84,2009
実験結果より，垂直抗力を統制した条件においても水平[2]T. Ooka et al., Virtual Object Manipulation System

方向の力が減衰し滑り錯覚が生じた．本滑り錯覚は知覚のwith Substitutive Display of Tangential Force and上での最大静止摩擦係数を変化させていたと考えられる．

Slip by Control of Vibrotactile Phantom Sensation,

また 4-6 mm/sec の間で水平方向の力が顕著に減少してい2010 IEEE Haptics Symposium, pp. 215-18, 2010.

る．つまり電気刺激の移動速度が 4-6mm/s 以上でないと，水平方向の力の減衰は生じない事が分かった．

[3]

H. Kajimoto, Electro-tactil display with real-time
impedance feedback, EuroHaptics 2010, pp.
285-291, 2010