コミュニケーションに用いる力感覚の基礎的な研究

05-01034
コミュニケーションに用いる力感覚の基礎的な研究
代表研究者
共同研究者
藪 田 哲 郎
黄
健
横浜国立大学工学研究院教授
横浜国立大学工学研究院助手
1 はじめに
現在、携帯電話のようなマルチメディアサービスとし
て、音（聴覚）及び映像（視覚）に関連する技術が華々
しく発展してきている。一方、近年では仮想空間の対象
物に触れた力感覚を実現する研究や、遠隔医療を可能に
力感覚
する手術ロボットに力感覚を与えるための研究など、力
感覚（触覚）に関する研究が活発に進んでいる。しかし、
今までの力感覚通信に関する研究は、ロボットの遠隔制
御の場合が主体に検討されており[1]、対象物の力感覚を
オペレータに伝達する研究に限定されていた。このため、
本研究で対象としている人間同士の力感覚通信に関する
研究が、殆ど進められていないのが現状である。図 1 に
Fig.1 Image of force feeling telecommunication
示すような双方向の力感覚通信が実現すれば、マルチメ
ディアの通信領域に、音（聴覚）
、映像（視覚）に力感覚
（触覚）を付加することになり、新たなコミュニケーション時代の幕開けが期待される。
Ｈ17 年度の研究成果報告では、遠隔の力感覚通信の基本的な問題点を解明してきた。一方、力感覚の研究
については、定性的な研究が主体で、定量的な研究が殆ど進んでいなかった。本年度の研究成果報告は、我々
が行なってきた力感覚の一連の研究成果を示すものである。
2 力感覚研究の背景とこれまでの研究
従来の触知覚の実験分野では、具体的な対象物を作成して実験を進めるので、非常に実験条件に制限が加
わっていた。しかし、力感覚提示装置（ハプティックインタフェース）[2]を用いると、バーチャルリアリテ
ィ技術を活用できるので、仮想対象物を数学的に容易に作成することが出来、物理的な制限条件の除去でき
るので、自然界では実験困難な条件も実現できる。さらには、実験時の被験者運動データの取得も容易なの
で、実験ツールとしても非常に効果的であり、触知覚分野の力感覚の実験には非常に有用なツールとなる。
図２に、ロボットハンドを再構成したハプティックインタフェースを示す。この装置は、３自由度のハプ
Experimental System
GF Sensor
Amplifier
Wheatstone Bridge
F Sensor
Load Force
Experimental Environment
Amplifier
Grip Force
Voltage
Angle Data
Controller
Computer
Fig.2 Haptic interface system
544
Encoder
Vertical Extent[mm]
Holizontal Extent[mm]
V
ar
ia
b
le
ex
t
en
t
50
m
m
ティックインタフェースと仮想環境を示すディスプレイ
Variable extent
装置から構成される[3]。
このハプティックインタフェースの有効性を評価す
るために錯覚現象に着目した。錯覚現象とは、実環境に
おいて対象が有する本来の物理量を人間はしばしば誤っ
50mm
て認識してしまうという現象であり、個人差はあるもの
の作為的な行動がなく理性的に判断されるならば、ほぼ
Virtual object
必ず起きてしまうという非常に興味深い現象である。し
Comparison of extent
たがって、力感覚提示装置が実現する仮想の力感覚にお
いても、実環境と同様の錯覚現象をユーザに対して生じ
させることができれば、力感覚提示装置（ハプティック
Fig.3 Horizontal-vertical illusion experiment
インタフェース）が提供する力感覚のリアリティを証明
することができる。
Experiment
Average
Standard
70
錯覚現象として、まず最初に水平―垂直錯覚を取り
60
上げた。この錯覚現象は、視覚の場合が有名で、同じ長
さの線については、水平より垂直を長く感じる。
50
L.Armstrong は、触知覚分野でも、この現象が生じるこ
とを明らかにした[4]。この錯覚現象を、ハプティックイ
40
ンタフェースで再現するために、図３に示す実験を行な
30
った。具体的には、仮想物体として直方体を作成し、水
B
C
D
E
F6
0
1A
2
3
4
5
7
平と垂直のどちらか一方の長さを基準値 50mm で一定と
Subject Name
し、もう一方の長さを実験者が任意に変化させるように
(a) Case variable vertical extent
した。被験者は、一方の長さを変化させた時に、基準の
Experiment
Average
Standard
70
長さと一致する長さを答えてもらうものである。水平―
60
垂直錯覚が起こっていると、水平より垂直が長く感じる
ので、垂直を一定の基準値とした場合、水平の長さが長
50
い時に一致していると答え、水平を一定の基準値とした
場合、垂直の長さが短い場合に一致したと答えるはずで
40
ある。図４に実験結果を示すが、図４(a)は垂直を基準値
30
とし水平方向を変化させた場合であり、全ての被験者が
E
F6
0
1A
2B
3C
4D
5
7
水平の長さが垂直より長い時に、長さが一致したと答え
Subject Name
ている。また、図４(b)は水平を基準値とし垂直方向を変
(b) Case variable horizontal extent
化させた場合であり、全ての被験者が垂直の長さが短い
Fig.4 Experimental results of
時に、長さが一致していると答え、水平―垂直錯覚が再
horizontal-vertical illusion
現できたことがわかる[6][8]
次に、大きさ―重さ錯覚について検討した。図５に
Lift & Compare
Real
Real
その概念図を示すが、同一の重さの対象物に対しても、
人間は大きい対象物であればあるほど軽いとの錯覚を起
こす現象である。この実験では、二つの立方体の対象物
Heavier
Heavier
Lighter
Lighter
を持ち上げてもらい、どちらがどの程度軽いかを被験者
Virtual
Virtual
に主観的に答えてもらった。その一例を図６に示すが、
図６(a)に被験者の一例を示すが、基準物体の１辺を 40
Fig.5 Size-weight illusion
ｍｍとし、次第に一辺の長さを大きくした立方体を示す
と、大きさが大きくなるにしたがって、被験者は軽くな
っていると答えている。一方、１辺の長さを 140ｍｍとして、次第に１辺の長さを小さくした立方体を示す
と、大きさが小さくなるにつれて、被験者は重くなっていると答えており、ハプティックインタフェースを
用いて大きさ―重さ錯覚を再現できていることがわかる。この結果は単に提示した力感覚のリアリティを実
証しただけでなく、バーチャルリアリティ技術を上手く組み合わせて利用することで、実環境に特有な錯覚
現象を被験者に対して引き起こすことができ、心理学で行なわれるような知覚実験が可能になるということ
を示唆している。この成果を踏まえて、ハプティックインタフェース技術の特徴を活かして、人間の力感覚
メカニズムの解明した結果を次章以降に示す。
545
Heavy
3 対象物の動的重さ変化に対する力感覚メカニズム
5
Proportion possibel perception %
Light
⇔
Heavy
Light
⇔
Standard error
4
この実験では、支持する対象物体の重さを瞬間的に微
Average
小変化させた時の力感覚メカニズムを検討したものであ
3
る[7]。対象物の重さが瞬間的に微小変化する現象は自然
2
現象では起こりえず、バーチャルリアリティ技術を用い
て始めて実験できるものである。実験装置としては、図
1
20
40
60
80
100
120
140
160
２の実験装置を用いた。図７に実験結果を示すが、被験
Object
size
mm
者の重さ変化を感知する認識率は、瞬間的に重さが印可
される場合と重さが除去される場合で差があり、重さが
(a) Case standard size is 40 mm
印可される場合の方が重さが除去される場合より感度が
5
高くなっている傾向が得られた。この現象については、
人間はパッシブな刺激変化（除重）に対して、人間の重
4
さ知覚を鈍らせる傾向があることを示している。また、
3
図８に重さ変化時の支持力の変化として、認識率 90％の
Standard error
2
重さ変化の場合と認識率 10％の重さ変化の場合を示す。
Average
認識率 90％は被験者が重さ変化を認知できた場合で意
1
20
40
60
80
100
120
140
160
識下の支持力変化の例であり、認識率 10％は無意識下の
Object size mm
支持力変化の例として示している。図８(a)は重さが印可
された例であり、図８(b)は重さが除去された例を示して
(b) Case standard size is 140 mm
Fig.6 Experimental results of size-weight
いるが、意識下では当然のことながら重さの変化を認識
illusion
しているので、支持力も変化に対応して変化している。
一方、無意識下（殆どの被験者が重さを変化できない場
合）でも、支持力は重さ変化に対応しているような反応
100
がみられる。この時の、グリップ力についても評価した
11.56
75
が、重さの変化が認識できる場合はグリップ力に明らか
Adding load
な変化が認められるが、無意識下の時はグリップ力に変
Elimination load
13.42
50
Difference threshold
化がなく、重さ変化を認識していなことが伺える。この
現象は、無意識下での重さ変化の対応も示唆しているが、
25
今後、さらなる検討が必要と考えられる。
0
今回の検討は、急激な重さ変化を主体に検討を進め
0
5
10
15
20
てきたが、逆に重さ変化を時間軸上を漸近的に変化させ
Weight change rate %
た場合の例を図９に示す。この図は、最初に 2 ニュート
Fig.7 Sudden weight change perception
ンの重さを与えておき、時間的に重さ変化を次第に起こ
した時に、どの程度重さが変化すれば、重さ変化を認識
できるかといった実験である。この図に示すように、単
位時間の重さ変化が小さいほど、大きな重さ変化が起こるまで被験者は重さ変化が認識できないことがわか
る。一般的に感覚器官は、刺激の変化量に大きな影響をうけると言われており、力感覚も同様な傾向がある
ことがわかる。
4 動的タスク中の対象物の重さ変化に対する力感覚メカニズム
３章では、対象物重量の微小変化の知覚メカニズムに及ぼす影響を明らかにしてきた。この問題を手の運
動中の問題に拡張すると、運動の影響が力感覚の知覚メカニズムにどのような影響を与えるかが明らかにで
き非常に興味ある問題となる[9]。このため、図 10(a)に示す手のリーチング動作をベースに、動的タスク中
の力感覚についての検討を進めた。この図に示すように、リーチング動作は、一般的に加速減速空間を含む
単峰性のプロフィールを持つことが知られており、加速空間では粗い運動制御が行なわれ、減速空間では目
標位置への最終調整のために精密な運動制御が行なわれているものと考えられている。手の運動制御の観点
からこの特徴に着目すると、減速空間では、より精密な制御が要求されるので、より多くの外界情報を必要
とし、人間のセンシング能力は向上しているものと推定される。
この仮説を、図 10(b)の対象物の持ち上げ動作に適用すると、持ち上げ開始時の粗い運動制御区間と目標
546
547
Supporting force N
2.4
Weight change
Under : 10%
Over : 90%
2.2
2.0
1.8
1.6
0
1
2
3
4
5
Time s
(a) Case of adding load phase
Supporting force N
2.2
Weight change
2
1.8
1.6
Under : 10%
Over : 90%
1.4
0
1
2
3
4
5
Time s
(b) Case of reducing load phase
Fig.8 Supporting force changge
2.5
Supporting force N
-0.2N/s
-0.4N/s
-0.6N/s
2.0
1.5
1.35N
1.0
1.27N
1.20N
0.5
0.0
0
1
2
3
4
5
Time s
Goal
Path
Accurate
Lifting velocity
Fig.9 Weight change perception under gradual
weight change
Max v
elocity
Acceleration
Deceleration
Time
Motion profile
Rough
(a) Reaching task
Goal
Accurate
Max velocity
Lifting velocity
位置に到達する精密な運動制御区間に大別できる。この
人間のセンシング能力に関する仮説を検証するために、
対象物体の持ち上げ動作において、３章で示した対象物
の重さを急激に微小変化させた時の人間の力感覚に対す
る知覚メカニズムを測定した。実験装置を図 11 に示すが、
ハプティックインタフェースは図２のロボットハンドを
用いた従来の装置とは異なり、垂直方向の力提示に特化
した１自由度のシンプルな構成とした。これは、多自由
度の構成だと、モータの干渉等の機構および制御面から
の影響が出現する可能性があり、この問題を回避するた
めに、本研究目的に特化した装置としている。また、画
像提示についても、ＨＭＤを通して仮想環境の 3D グラッ
フィクスを提示できるようになっており、外界の視覚情
報を遮断しつつ、物体を操作する仮想現実感および被験
者の集中力の向上を図っている。
図 12 に典型的な持ち上げ動作プロフィールを示す。こ
の図に示すように、持ち上げ動作は加減速区間を含む単
峰性の速度プロフィールとなり、図 10 での手のリーチン
グ動作と同様な運動制御が確認できる。この図で、最大
値速度の 75％の速度が出ている位置を重量の変化を与
える地点とし、図中に○印で示している。被験者の速度
プロファイルを実験の前に取得することで重さ変更点を
決定し、加速空間と減速空間の一方で重さの変化操作を
行った。持ち上げ動作後、被験者に持ち上げ動作中に重
さ変化が知覚できたかどうかを判断して貰った。被験者
の速度プロフィールを検討すると、多数の被験者は今回
の仮説のように持ち上げ動作開始時に大きな加速度の運
動を行なっており、減速空間では加速度を小さくして慎
重な制御を行なっていた。しかし、一部の被験者は減速
空間でも加速空間と比較して、大きな加速度で制御した
例もあり、このデータは仮説に合わないので除去してい
る。
図 13(a)に弁別閾の実験結果を、図 13(b)に感度の推定
値を示す。この図には、Weber の実験、３章での運動を
伴わない実験を Static として、本実験結果と一緒に示
している。本実験は Dynamic(Acc)と Dynamic(Dec)とし
て示しており、それぞれ加速空間および減速空間のデ
ータである。また、Weber の実験とは、有名な古典的
な実験で、二つの対象物を持ち上げて、その重さの差
を認知できるかどうかの実験である。この実験は他の
実験とは異なり、重さの時間変化ではなく恒常的な重
さ変化を扱っている。図中の Weber の実験は、本実験
装置を用いて仮想空間上で再現したもので、従来の自
然環境での実験とほぼ同様な傾向が得られており、本
装置を用いる妥当性の補強データにもなっている。
まず、動的タスク中の重さ変化の知覚メカニズムに
ついては、減速空間の弁別閾は加速空間に比較して、
小さな重さ変化で認識できることを示している。この
結果は、減速空間でのより繊細な速度制御時には感覚
も向上している今回の仮説の妥当性を示している。ま
た、力感覚メカニズムを弁別閾の観点から考察すると、
Acceleration
Deceleration
Rough
Time
Motion profile
(b) Goal-directed lifting task
Fig.10 Control accuracies during motion
Grip force
CNT
D/A
Computer
V max
100
Amplifiers
HMD
Position
25 %
75
0.2
: Weight change point
50
25
0.1
75 %
0
Counter value
Velocity
-25
Command voltage
-50
0.0
Subject
0.3
Deceleration zone
Acceleration zone
125
Height (mm)
A/D
150
Force
Velocity (m/s)
Graphic data
VGA
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Time (s)
Motor driver
Force display device
Fig.12 Motion profile of lifting
Structure of finger grip
Sensible proportion (%)
Rubber mesh
Bearing
Main conponents
Fig.11
Sketch diagram of the experiment
運動の影響については、Static と Dynamic の結果比
較からわかるように、運動が印可されると弁別閾が
低下することがわかる。また、重さの時間変化の影
響については、Weber と Dynamic を比較するとわか
る よ う に 、 Weber の 恒 常 的 な 重 さ 変 化 の 方 が 、
Dynamic の瞬間的な重さ変化に比較して弁別閾が向
上していることがわかる。一方、弁別曲線の変化率
は 力感覚 の感 度を表 して おり、 その 変化率 を図
13(b)に示す。この図に示すように、Static の場合
が最も感度が良くなっており、重さ変化の時間変化
率が最も感度に影響を及ぼしていることが分かる。
続いて、Dynamic の結果であるが、これは重さ変化
の時間変化率は Static と同様であるが運動の影響
が感度を少し引き下げたものと考えられる。最も、
感度が低いのは Weber の場合であり、この場合は恒
常的変化で時間変化がないので感度が最も低くなっ
ていることが推定される。
100
Static
75
Dynamic (Dec)
50
25
Weber
Dynamic (Acc)
0
0
10
20
30
40
Weight change rate (%)
(a) Comparison of difference thresholds
Sensitivity
12
Static
9
6
Dynamic (Dec)
Dynamic (Acc)
Weber
3
0
0
10
20
30
40
Weight change rate (%)
(b) Comparison of sensitivity
Fig.13 Force change perception
5 まとめ
本論文では、ハプティックインタフェース（力提示装置）のバーチャルリアリティ技術を用いて力感覚メ
カニズムに迫ったものである。このバーチャルリアリティ技術を用いることで、従来の自然界では実験でき
なかった領域にまで、
実験条件を拡大することができ、力感覚メカニズムの全体像を解明することができた。
具体的な成果としては、感度が重さの時間変化率に密接に関係すること、運動の知覚に及ぼす影響が明らか
にできたことと等である。この結果は、従来の自然界で物理実験では、踏み込めない領域であり、本研究結
果の有効性が示されたと考える。
【参考文献】
[1] 内 山 勝 、 金 田 悟 、 北 垣 高 成 ： “ 宇 宙 ロ ボ ッ ト の 遠 隔 操 作 力 制 御 シ ス テ ム ” 、 日 本 ロ ボ ッ ト 学 会 学 術 論
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548
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[5]原正之、樋口貴広、藪田哲郎：“ハプティックインタフェースを用いた仮想環境上の触知覚錯覚”,計測自動制
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Proceedings of 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,
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Based on Muscular Using Virtual Reality”, Proceedings of 2005 IEEE International Conference
on Systems. Man, and Cybernetics, pp.2701-2706(2005)
[8]M.Hara,T.Higuchi,A.Ohtake,J.Huang and T.Yabuta: “Verfication of Haptic Illusion Using a
Haptic Interface”, Journal of Robotics and Mechatoronics, Vol18,No.4,pp.476-488 (2006)
[9]M.Hara,T.Higuchi,T.Yamagishi,N.Ashitaka,J.Huang and T.Yabuta: “Analysis of Human Weight
Perception for Sudden Weight Changes during Lifting Task Using Force Display Device”,
Proceedings
of
2007
IEEE
Inernational
Conference
on
Robotics
and
Automation,pp.1808-1813(2007)
〈発
題
名
Verification of Haptic Illusion Using a
Haptic Interface and Consideration on Its
Mechanism
Basic Study on Sensory Aspects of a
Master/Slave System for Force Telecommunication
Analysis of Human Weight Perception for
Sudden Weight Changes during Lifting
Task Using a Force Display Device
視覚的奥行き情報が大きさ重さ錯覚に及ぼ
す影響
ハプティックインターフェースを用いた大
きさ重さ錯覚の解析
力提示装置を用いた動的タスク時における
人間の重さ知覚メカニズムの解析
表
資
料〉
掲載誌・学会名等
Journal
of
Robotics
and
Mechatronics,
Vol.18,
No.4,
pp.476-488
Proceedings of 2006 IEEE/RSJ
International Conference on
Intelligent Robots and Systems,
pp.1706-1711
2007
IEEE
International
Conference on Robotics and
Automation, pp.1808-1813,
日本機械学会ロボティクス・メカ
トロニクス講演会'06, 2P1-A16
日本機械学会ロボティクス・メカ
トロニクス講演会'06, 1P1-D05
第 7 回計測自動制御学会システム
インテグレーション部門講演会，
pp.494-495.
549
発表年月
2006/8
2006/10
2007/4
2006/6
2006/6
2006/12