異なる力覚呈示装置による形状知覚の比較
韓 恵栄
山下 樹里y
藤代 一成
お茶の水女子大学 大学院人間文化研究科
y
産業技術総合研究所 人間福祉医工学研究部門

お茶の水女子大学 理学部 情報科学科

1 はじめにベクトルである．これによって物理的に「自然な」反力触覚・力覚呈示装置による力覚呈示法は，触覚・力覚が呈示され，実形状に近い形状が知覚される．

情報をユーザに呈示する技術で，仮想現実感 (Virtual2.2Reality；VR) における重要な研究分野の一つである [1]．

CG における bump mapping や smooth shading のよう

これまでに開発された種々の触覚・力覚呈示装置のなかに，反力を生じる位置を変化させずに，面の法線方向とでは，「 点接触型」とよばれる装置が普及しつつある．そ異なる方向への反力を発生させると，形状認識の錯触現の代表である PHANToM[2] では，ユーザが手に持ったペンの先端の一点（すなわちカーソルの位置）を通じて3 次元の反力を呈示する．それに対して触覚マウス [3] では，画面中のマウスカーソルの走査に合わせた触覚呈示
部の 2 次元平面での動きを通じて，指に感触を伝える．

Force Shading

象 [5] を生じさせることが可能である．この錯覚現象を利用した force shading[6](図 1(b)) は，本来と異なる形状を呈示する手法として知られている．先行研究 [4] では，「 自然な」反力呈示方法と force shading による形状の弁別閾が比較されている．

これらのような触覚・力覚呈示装置を用いて，力覚呈示

cursorの基本手法である haptic rendering[2] を適用すると，仮Feedback Force

想形状を実際にヒトが触って感じられるように呈示する

P
Penetration
Depth:Lことができる．形状知覚の先行研究は PHANToM を用いた文献 [4] などが知られている．しかし，触覚マウスによる形状知覚の研究および異なる呈示装置間での比較

Feedback ForceN

Virtual Object (plane)(a) Haptic Rendering(b) Force Shading

図 1: 力覚呈示装置で仮想形状を表現する場合研究はまだ報告されていない．
そこで本研究では，同等の形状を異なるデバイスによって呈示した場合に，ヒトの知覚特性の違いを定量的に明らかにすることを目的として，2 次元触覚マウスにおける形状の知覚限界（ 弁別閾）を実験的に求め，PHANToM を用いた既存の結果 [4] と比較する．
2
2.1

力覚呈示装置における形状知覚
仮想形状の呈示原理{Haptic Rendering

3

実験

本研究では，触覚マウスを用いて，仮想の山型形状をforce shading 法によってユーザに呈示し ，平面との知覚限界（ 弁別閾）を計測する．
刺激形状と実験装置：実験装置には触覚マウスを用いる．図 2 のような山型の刺激形状がスクリーン (xy 平面)Z

点接触型力覚呈示装置を用いた多くの場合 (図 1(a)) では，カーソルと仮想形状との位置関係を計測し，衝突しh-w

Xcursor計算する．ただし，s は仮想物体の硬さ，L はカーソル

仮想の法線方向 N にそった反力を発生する．カーLyComparing Force Feedback Devices in Shape Perception
by Huirong Han, Juli Yamashitay, and Issei Fujishiro
Grad. School of Humanities and Sciences, Ochanomizu Univ.
y Inst. for Human Science & Biomedical Engineering, AIST
 Dep. of Information Sciences, Ochanomizu Univ.

force shading を利用して，wている場合，反力ベクトルを式 F = s  L  N によってが仮想物体に侵入した深さ，N は仮想物体表面の法線上に存在すると仮定し ，N

図 2: 刺激形状

ソルの xy 座標（スクリーン上での位置）を計測し，形状に侵入した深さを常に L，形状の硬さを s とする．
触覚マウスの力覚呈示部を通じて被験者の指に呈示する
反力は F = s  L  N の x; y 成分である．視覚情報の影

響をなるべく避けるために，被験者に呈示したのは山型が存在する区間範囲を示す 2 本の線だけである．

パラメタと手順：刺激形状の幅 w は 10,20,30(mm) の3 通りで行った．刺激形状の硬さ は 0.4N/mm，カーソ
ルが形状に侵入した深さ を 1mm とした．被験者は右利きの成人 8 名（男性 4 人，女性 4 人）であった．実験sL

4 まとめと今後の課題
触覚マウスを用いて force shading という力覚呈示方法により，仮想の山型形状の平面との弁別閾を定量的に求める実験を行い，3 次元点接触型力覚呈示装置である

PHANToM を用いた既存研究の結果と比較した．その結果，同じ形状・同じ力覚呈示手法では，デバイス間に開始前に，上下反復法によって各被験者の知覚中心値を閾値の差は見られず，異なるデバイスでもほぼ同じ形状決定した．その値を中心にして，計測対象となる山型のが知覚されていることを明らかにした．これは，仮想形高さを間隔が定数になる 4 つの異なる値に設定した．各高さについて 10 回ずつ試行した．毎回平面と山型の刺状をユーザに提供する場合に同じ知覚効果を提供するために有益である．

激形状を呈示し ，被験者には山型のほうを選択させた．

今後は仮想形状の硬さを変化させたり，曲面を刺激形順序効果を避けるために，試行順序をランダムにした．

状として形状の曲率知覚実験，また，触覚・力覚呈示装

実験結果と考察：各々の刺激形状の幅 w に対して，各置を備えない普通のデバイス環境で，共感覚を利用した被験者の 4 つの高さ条件での正答率から，正答率 75%を擬似力覚 [7] による実験などを行う予定である．それら与える高さ h0を推定し ，h0をその被験者の閾値の代表の実験を通じて異なるデバイス・呈示手法におけるヒト値とした．それぞれ条件でのすべての被験者の代表値との知覚特性を追究する考えである．

その回帰直線を図 3 に示す．各々の幅に対する全被験者の代表値の平均と標準偏差および PHANToM による先行研究の結果 [4] を表 1 に示す．

謝辞
触覚マウスを提供してくださった富士ゼロックス株式会社の小澤 一志氏及び DPC 研究開発センター第 3 研究室 1 グループの皆様に深く感謝いたします．本研究の一部は，NEDO ジュニアフェローシップ事業における奨励金研究として実施された．

参考文献[1] 山下 樹里，福井 幸男，森川 治，佐藤 滋：「点接触型力覚呈示装置による変位情報に基づいた平面形状知覚特性」，
情報処理学会論文誌，2000 年 5 月

図 3: 触覚マウスによる仮想形状の弁別閾
表 1: 異なるデバイスによる弁別閾（ mm ）{ 平均高さ（ 標準偏差）{w(mm)102030

触覚マウス
PHANToM PHANToM
force shading force shading
real
0.62 (0.22)
0.6
0.5
1.21 (0.51)
0.9
0.7
1.73 (0.88)
1.3
1.0

触覚マウスと PHANToM という 2 種類デバ イスのforce shading 条件の結果から，高さ を幅hwで割った形状の勾配 h=w を求め，刺激形状の幅とデバイスの種類について 2 元配置の分散分析を行った結果，幅 (F (2; 2) =2 21 = 0 31)，デバイスの種類 ( (1 2) = 6 03 =0 13) とも効果は認められなかった．すなわち，閾値
:;p::F;:;ph=wはほぼ一定であることから，異なるデバイスでも同じforce shading 条件でほぼ同じ知覚を与えられることが期待される．

[2] K. Salisbury, D. Brock, T. Massie, N. Swarup, and C.
Zilles: \Haptic Rendering: Programming Touch Interaction with Virtual Objects," In Proc. ACM 1995 Symposium on Interactive 3D Graphics, April 1995.
[3] 塚本 一之，竹内 伸，岡村 浩一郎，坂巻 克己：「 2 次元リニアアクチュエータを用いた触覚呈示マウスの開発」，情報処理学会第 61 回全国大会，2000 年 10 月

[4] 島田 義之，日隈 直紀，福井 幸男，山下 樹里：「仮想形状の力覚表現における知覚特性」，インタラクション 2000，2000 年 2 月[5] M. Minsky, M. Ouh-Young, O. Stllel, F. Brooks, andM. Behensky: \Feeling and Seeing: Issues in Force Display," In Proc. ACM SIGGRAPH'90, 1990.
[6] H.B. Morgenbesser and M.A. Srinivasan: \Force Shading for Haptic Shape Perception," In Proc. ASME Dynamics Systems and Control Division, 1996.
[7] 杉本 美香，藤代 一成：「共感覚を用いた擬似ハプタイゼーションシステム」，情報処理学会インタラクション '99 論文集，1999 年 3 月