JP6857355B2 - 触覚再現装置 - Google Patents

Description

本発明は、指で接触した物体の感覚を再現できるようにした触覚再現装置に関するものであり、より詳しくは、接触する素材の特性に応じた振動を強調して再現できるようにした触覚再現装置に関するものである。

従来より、人間の指などで接触した際に得られる触覚を再現できるようにした触覚再現装置が提案されている。

例えば、下記の非特許文献には、人間の指のＤＩＰ関節とＰＩＰ関節の間に取り付けられる皮膚振動検知センサと、その皮膚振動検知センサで検知された振動を皮膚の伝達関数を考慮して周波数帯域毎に増幅させるイコライザーと、そのイコライザーでパワーの増幅させた信号を出力する振動子などを備えた触覚再現装置が提案されている。このような装置を用いれば、皮膚振動検知センサで検出した振動を再現することにより、リアル性の高い振動を出力することができるようになる。

皮膚伝搬振動の無人称化による触覚伝達の基礎的検討（第16回システムインテグレーション部門講演会（2015年12月14日〜16日・名古屋））

しかしながら、このような触覚再現装置で触感を再現する場合、次のような問題が生ずる。

すなわち、従来の触覚再現装置で触感を再現する場合、皮膚の伝達関数の逆関数をすべての接触対象物に適用して振動子を振動させるようにしているため、実際に得られる触感に近い振動を得ることができるが、例えば、リハビリテーションなどの分野においては、接触対象物ごとに特徴ある感覚を強調して再現したい場合もある。

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、実際に皮膚から伝わる振動のうち、接触対象物に特徴ある振動を強調して再現できるようにした触覚再現装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、指に取り付けられ、当該指から伝わる振動を検出する皮膚振動センサと、当該皮膚振動センサによって得られた振動のうち、サ ンプリング時間内の最大もしくは所定の閾値を越えるパワースペクトルを有する周波数を 増幅させるイコライザーと、当該イコライザーから出力された信号に基づいて振動する振動子とを備えるようにしたものである。

このように構成すれば、実際に得られた振動のうち特徴のある周波数帯域の振動を増幅して出力させることができるため、接触対象物に対応した特徴ある触感を強調して再現させることができるようになる。また、自動で特徴ある周波数帯域を見つけ出すことができ るため、この特徴ある周波数帯域の振動を強調させて振動子を振動させることができるよ うになる。

また、このような発明において、前記皮膚振動センサによって得られた時間−振幅信号から、最大もしくは所定の閾値を越えるパワースペクトルを解析したサンプリング時間における時間−振幅信号の面積の大きさに基づいて前記イコライザーを増幅させるようにする。

このように構成すれば、特徴ある周波数に対応する振動の強さを、その時間の振動波形の状況に応じて出力することができるため、より特徴ある振動を強調して再現することができるようになる。

また、このような振動子を取り付ける場合、半身不随を患う被験者の麻痺側の手足から対応する脳までの神経伝達経路の近傍に取り付けるようにする。

このようにすれば、脳梗塞などで半身麻痺を患っている患者に対してのリハビリを行うことができるようになる。特に、神経伝達経路の近傍に振動子を取り付けることで、振動を介して脳への刺激を行うことができるようになる。

また、前記振動子に、振動を増減させるボリューム部を設けるようにする。

このように構成すれば、患者に対して最適な振動子の取り付け位置を探しながらボリュームを調整して触感を再現することができるようになる。

本発明では、実際に得られた振動のうち特徴のある周波数帯域の振動を増幅して出力させることができるため、接触対象物に対応した特徴ある触感を強調して再現させることができるようになり、また、自動で特徴ある周波数帯域を見つけ出すことができるため、こ の特徴ある周波数帯域の振動を強調させて振動子を振動させることができるようになる。

本発明の一実施の形態における触覚再現装置の使用例を示す図 同形態における指に取り付けられた皮膚接触センサを示す図 同形態における機能ブロック図 同形態における振動子の取り付け位置と神経伝達経路を示す図 同形態における周波数解析を示す図 同形態における時間−振幅（電圧）の信号を示す図 同形態における触覚再現装置の処理を示すフローチャート

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態における触覚再現装置１は、接触対象物に触れた際の触感を再現できるようにしたものであって、図１や図２に示すように、被験者の手指に取り付けられる皮膚振動センサ２と、その皮膚振動センサ２からの振動のうち、所定の周波数帯域の振動を増幅させるイコライザー５と、そのイコライザー５で調整された振動周波数の振動を調整して出力する振動子７とを備えるようにしたものである。そして、特徴的に、自動的に特徴ある振動を強調する場合は、皮膚振動センサ２から出力された信号を周波数解析部で解析し、最大もしくは所定の閾値を越えるパワースペクトルに対応する周波数の振動を大きくして振動子７から出力できるようにしたものである。もしくは、プリセットによって特徴ある振動を強調する場合は、接触対象物の種類に応じてあらかじめ周波数帯域毎の信号の増幅率を記憶させておき、その増幅率に応じて特徴ある振動を強調して出力できるようにしたものである。以下、本実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態における触覚再現装置１を利用する分野として、遠隔地にいる人間に触感を伝えられるような分野や、体感ゲームで触覚を再現できるようにした分野を始めとして、様々な分野を考えることができるが、本実施の形態では、一例として、脳梗塞などで半身不随を患っている被験者のリハビリに使用する場合を挙げて説明する。

皮膚振動センサ２は、麻痺側の手指に取り付けられるものであって、その手指が接触対象物を触った際に伝わる振動を検出できるようなものが用いられる。この皮膚振動センサ２としては、接触による振動によって表面に電荷を発生させる接触型センサなどを用いることができる。このような皮膚振動センサ２を取り付ける場合、図２に示すように、被験者のＤＩＰ関節（第一関節）とＰＩＰ関節（第二関節）の間に取り付ける。このように、ＤＩＰ関節とＰＩＰ関節の間に取り付けるようにすれば、指先で接触対象物を直接触ることができるようになる。なお、ここでは、ＤＩＰ関節とＰＩＰ関節の間に取り付けるにしたが、ＰＩＰ関節とＭＰ関節の間に取り付けるようにしてもよい。

このように皮膚振動センサ２で検出された信号は、アナログ信号で出力されてアンプ３（図３参照）で増幅された後、周波数解析部４に出力され、イコライザー５で特徴ある周波数帯域の信号が増幅される。なお、ここでは、アンプ３からの信号から特徴ある周波数帯域の信号を増幅させるようにしたが、実際には、どのような周波数帯域の信号をどの程度増幅させるのが最適であるのか分からない場合もある。このため、アンプ３から出力された信号を記憶部８に保存させておき、事後的にその保存された信号に基づいて、周波数帯域毎の信号の増幅率などを調整してもよい。なお、このように調整された信号を出力する場合、自動的に増幅された信号やプリセットされた増幅率で増幅された信号などとともに、今回テスト的に調整された信号を、複数の振動子７からそれぞれ出力して比較できるようにしてもよい。

この周波数解析部４は、アンプ３から出力されたアナログ信号（時間−振幅信号）に皮膚振動センサ２および皮膚の特性を考慮した伝達関数を掛け合わせ、その信号をサンプリング時間ごとに高速フーリエ解析（ＦＦＴ）する。そして、そのサンプリング時間ごとの周波数とパワースペクトルの関係を解析し、そのサンプリング時間ごとに、特徴を有する周波数の振動を抽出する。図６にそのサンプリング時間で抽出された時間と振幅（電圧）の信号を示し、図５に、そのサンプリング時間内における時間−振幅信号を周波数解析した図を示す。

イコライザー５では、この周波数解析された周波数帯域の信号に基づいて、自動的に、あるいは、プリセットされた状態で特徴ある周波数帯域の振動を増幅させる。

まず、イコライザー５で自動的に特徴ある周波数帯域の振動を増幅させる場合、そのサンプリング時間内における最大のパワースペクトルを有する周波数を抽出して増幅させる方法や、あるいは、そのサンプリング時間内において所定の閾値を越えるパワースペクトルを有する周波数を抽出して増幅させる方法などを用いる。このように抽出された最大のパワースペクトルもしくは所定の閾値を越えるスペクトルを有する周波数は、その時間において支配的な振動となっているため、これを増幅させることで、接触感度を強調させることができるようになる。このような増幅を行う場合、その解析されたサンプリング時間における時間−振幅信号の積算値（図６の斜線で示された面積）の大きさに基づいて増幅させるようにする。あるいは、サンプリング時間内における他の周波数帯域のスペクトルの平均値とそのパワースペクトルの平均値の比率に基づいて増幅させるようにしてもよい。

一方、プリセットによって周波数帯域毎の周波数を増幅させる場合は、接触対象物の種類に応じて周波数帯域毎の増幅率を設定しておき、その接触対象物に対するボタンなどが選択させることによって、周波数帯域毎の増幅を行うようにすることもできる。

このように周波数帯域毎のパワーが調整された信号は、時間−振幅信号に変換された状態でボリューム部６に出力される。このボリューム部６は、振動子７からの振動を増幅させるようにしたものであって、ボリュームによって調整できるようになっている。このボリューム部６は、オペレーターや被験者自身の操作によって電圧を調整できるようになっており、ボリュームを増大させることによって、振動子７からの振動を大きくできるようにしている。このボリュームを、図１に示すように、振動子７側に設けることで、振動子７の最適な取り付け位置を探しながら、同時に、ボリュームも調整することができるようになる。

この振動の出力を行う振動子７は、イコライザー５やボリューム部６から出力された信号に基づいて振動を出力するものであって、被験者の身体に取り付けられる。

一般に、脳梗塞を患った被験者は、症状に応じて感覚の麻痺具合が異なる。このため、比較的感覚鈍磨の程度が低い部位を選択して振動子７を取り付けるようにする。この場合、例えば、脳梗塞を発症した脳側（右脳もしくは左脳）から手指までの神経伝達経路であって、まだ感覚が残っている部位を選択して取り付けるようにする。

具体的には、親指から中指までに皮膚振動センサ２を取り付けた場合において、手首に振動子７を取り付ける場合、図４に示すように、正中神経が通る手首の内側であって手首関節付近に振動子７を取り付けるようにする。また、薬指から小指に皮膚振動センサ２を取り付けた場合は、尺骨神経が通る位置である手首の内側からやや外側（小指側）に振動子７を取り付けるようにする。このように振動子７を取り付ける場合、バンド７１を用いて振動子７の位置を固定できるようにしておく。そして、その振動子７に設けられたボリューム部６を用いて振動の強さを調整し、手指から伝わる感覚を正中神経や尺骨神経に伝達させるようにする。このとき、ボリューム部６を振動子７の近くに設けるようにすれば、感覚を有する位置を探りながら振動の強さも同時に調整することができるようになる。

また、腕に振動子７を取り付ける場合は、正中神経や癪骨神経が通る肘の内側部分に振動子７を取り付けるようにする。この場合も同様に、バンド７１を用いて肘に振動子７を固定できるようにしておき、これによって肘関節の骨を介して、振動を直接神経に伝達させるようにする。

また、肩や鎖骨付近に振動子７を取り付ける場合は、肩関節のやや内側であって小胸筋や鎖骨・肋骨間にバンド７１を用いて取り付けるようにする。この場合においても同様に、鎖骨などの骨に直接振動子７が当たるように取り付けるようにする。

さらに、頭部にこのような振動子７を取り付けることもできる。この場合、麻痺側に対応した脳（左手であれば右脳、右手であれば左脳）であって、運動野に対応する位置に取り付けるようにする。

このような位置に振動子７を取り付ける場合、手首や肘、肩、頭部のいずれかに取り付けるようにしてもよいし、あるいは、これらの取り付け箇所の複数位置に振動子７を取り付けるようにしてもよい。このように複数箇所に振動子７を取り付けるようにすれば、神経経路全体を刺激することができ、よりリハビリを促進することが期待される。

次に、このように構成された触覚再現装置１の動作フローについて、図７のフローチャートを用いて説明する。

まず、使用に際して、被験者の指に皮膚振動センサ２を取り付ける。この皮膚振動センサ２を取り付ける際には、図２に示すように、指先の皮膚部分である三指を覆わないように、被験者のＤＩＰ関節とＰＩＰ関節の間、もしくは、ＤＩＰ関節に当たるようにバンド２１を介して取り付ける。また、これとともに、振動子７をその指を有する手から、それに対応する脳の神経伝達経路の近傍に取り付けるようにする。このとき、例えば、手首に振動子７を取り付けるようにした場合は、図４に示すように、正中神経が通る手首の内側であって手首関節付近、あるいは、尺骨神経が通る位置である手首の内側からやや外側（小指側）に振動子７を取り付けるようにする。また、腕に振動子７を取り付ける場合は、正中神経や癪骨神経が通る肘の内側部分に振動子７を取り付け、肩や鎖骨付近に振動子７を取り付ける場合は、肩関節のやや内側であって小胸筋や鎖骨・肋骨間にバンド７１を用いて取り付けるようにする。もしくは、頭部に取り付ける場合は、麻痺側に対応した脳（左手であれば右脳、右手であれば左脳）であって、運動野に対応する位置に取り付ける。

そして、このように皮膚振動センサ２と振動子７を取り付けた状態で、その麻痺側の手や指を動かして、接触対象物を接触するようにする。この接触対象物を接触する場合は、オペレーターがその麻痺側の手指を動かしたり、あるいは、被験者が自ら麻痺側の手指を動かしたり、健常側の手を使って麻痺側の手指を動かしたりすることで接触対象物を触るようにする。

すると、その指の動作によって接触対象物からの振動が皮膚振動センサ２で検出され（ステップＳ１）、アンプで増幅された後（ステップＳ２）、その信号が記憶部８に記憶される（ステップＳ３）。

そして、自動的に特徴ある振動を抽出する場合（ステップＳ４「自動」）、周波数解析部４で、サンプリング時間をずらしながらＦＦＴを行い、そのサンプリング時間内で最大もしくは所定の閾値を越えるパワースペクトルの周波数を抽出する（ステップＳ５）。

また、これとともに、そのサンプリング時間における時間−振幅信号の面積も算出し（ステップＳ６）、その面積である積算値をもとに先に抽出された周波数の信号を増幅させる（ステップＳ７）。

あるいは、プリセットによって周波数帯域毎の周波数を増幅させる場合（ステップＳ４「プリセット」）は、予め接触対象物毎に設定された周波数帯域毎のパワースペクトルの増幅率に応じて信号を増幅させる（ステップＳ１０）。

そして、その増幅された信号を振動子７に向けて出力し、ボリューム部６でボリュームが調整された後（ステップＳ８）、振動子７を振動させる（ステップＳ９）。

このとき、振動子７を麻痺側の手から脳までの神経伝達経路の近傍に設けるようにすれば、特徴付けられた触覚を、そのまま神経経路に伝達させることができ、実際の指から得られた感覚に基づくリハビリを行うことができるようになる。

このように上記実施の形態によれば、指に取り付けられ、当該指から伝わる振動を検出する皮膚振動センサ２と、当該皮膚振動センサ２によって得られた振動のうち、サンプリ ング時間内の最大もしくは所定の閾値を越えるパワースペクトルを有する周波数を増幅さ せるイコライザー５と、当該イコライザー５から出力された信号に基づいて振動する振動子７とを備えるようにしたので、実際に得られた振動のうち特徴のある周波数帯域の振動を増幅して出力させることで、実際に皮膚との接触状態に応じた触感を強調して再現することができるようになる。また、自動で特徴ある周波数帯域を見つけ出すことができるた め、この特徴ある周波数帯域の振動を強調させて振動子を振動させることができるように なる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、人間の手の指から得られる振動を再現するようにしたが、これに限らず、足の指などから得られる振動を出力するようにしてもよい。この場合において、足から得られる振動としては、歩行の際に伝わる衝撃や裸足で足を摺り動かした際の振動などを再現できるようにしてもよい。

また、このように足に皮膚振動センサ２を取り付ける場合は、足の甲側などのように歩行に邪魔にならない位置に取り付けるようにするとよい。

さらに、上記実施の形態では、皮膚振動センサ２を指先の皮膚部分である三指以外に取り付けるようにしたが、この皮膚振動センサ２を直接接触対象物に接触させるようにしてもよい。この場合においては、可能な限り指からの振動を再現できるように、皮膚振動センサ２の接触部分を指先と同じ素材を取り付けておくようにする。

また、上記実施の形態では、アンプ３からアナログ信号で周波数解析部４に出力して周波数解析を行うようにしたが、これに限らず、例えば、その信号をパソコンなどの情報端末に出力し、その情報を記憶・再生させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、時間−振幅信号の面積に応じて増幅率を決定するようにしたが、これに限らず、あらかじめ定められた増幅率や、他の信号との振幅比率などによって増幅率を決定するようにしてもよい。

１・・・触覚再現装置
２・・・皮膚振動センサ
２１・・・バンド
３・・・アンプ
４・・・周波数解析部
５・・・イコライザー
６・・・ボリューム部
７・・・振動子
７１・・・バンド

Claims (4)

1. 指に取り付けられ、当該指から伝わる振動を検出する皮膚振動センサと、
   当該皮膚振動センサによって得られた振動のうち、サンプリング時間内の最大もしくは所 定の閾値を越えるパワースペクトルを有する周波数を増幅させるイコライザーと、
   当該イコライザーから出力された信号に基づいて振動する振動子と、
   を備えるようにしたことを特徴とする触覚再現装置。
2. さらに、前記皮膚振動センサによって得られた時間−振幅信号から、最大もしくは所定の閾値を越えるパワースペクトルを解析したサンプリング時間における時間−振幅信号の面 積の大きさに基づいて前記イコライザーを増幅させるようにした請求項１に記載の触覚再現装置。
3. 前記振動子が、半身不随を患う被験者の麻痺側の手足から対応する脳までの神経伝達経路に取り付けられるものである請求項１に記載の触覚再現装置。
4. 前記振動子の振動を増減させるボリューム部を設けるようにした請求項１に記載の触覚再現装置。

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