JP7401797B2 - 触覚刺激提示装置、および、触覚刺激提示方法 - Google Patents

触覚刺激提示装置、および、触覚刺激提示方法 Download PDF

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Description

本発明は、触覚刺激提示装置、および、触覚刺激提示方法に関する。
触覚刺激を提示する場合、例えば触覚ピンを指先や掌に装着する方法が用いられる。
JOSEPH C. STEVENS、外１名、"Temperature sensitivity of the body surface over the life span"、Somatosensory & Motor Research、1998年、15(1)、p.13-p.28 JOSEPH C. STEVENS、外１名、"Spatial Acuity of the Body Surface over the Life Span"、Somatosensory and Motor Research、Vol.13、No.2、1996年、p.153-p.I66
しかし、触覚刺激を知覚する受容器はユーザの全身に分布しているものの、その感度は部位によって大きく異なるため、触覚ピンを装着する位置（例えば、指、母指球など）によっては、正確に触覚刺激を提示できないという課題があった。
例えば、指先は、皮膚機械受容単位の分布密度が高いため、触２点閾（触覚刺激を２点と感じられる２点間の最小距離）は小さく敏感であるが、温度を感じるための温覚及び冷覚の感度は低く鈍感である。一方、掌は、触２点閾は指先よりも大きく鈍感であるが、温度刺激の感度は指先よりも敏感である（非特許文献１，２）。
そのため、ヒトがものに触れたとき、触れた部位によっては、ものの触感を細かく知覚できないことが考えられる。例えば、０．５℃未満の温度差のある２種類の物体を指先で触れた場合には、どちらも同じ温度に感じてしまう。また、２点間が１ｍｍ未満の物体を掌で触れた場合には、１点と感じてしまう。このような感度差があるため、例えば指先の感覚を掌に伝える場合、同じ物理量の触覚刺激を提示しても、その感度差によりうまく伝えられないことが考えられる。例えば、触覚刺激の個数を圧力で伝える場合、指先では複数点として感じられても掌では単数点で感じられてしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ものに触れている部位とは別の部位に触覚刺激を伝える場合に、触覚情報の知覚感度を向上可能な技術を提供することである。
本発明の一態様の触覚刺激提示装置は、人体の第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を測定する測定部と、前記第１物理量を前記第１物理量とは異なる種類の第２物理量に変換する制御部と、前記第２物理量を前記第１部位とは異なる第２部位に与える提示部と、を備える。
本発明の一態様の触覚刺激提示方法は、測定部が、人体の第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を測定し、制御部が、前記第１物理量を前記第１物理量とは異なる種類の第２物理量に変換し、提示部が、前記第２物理量を前記第１部位とは異なる第２部位に与える。
本発明によれば、ものに触れている部位とは別の部位に触覚刺激を伝える場合に、触覚情報の知覚感度を向上可能な技術を提供できる。
図１は、触覚刺激提示装置の構成を示す図である。 図２は、触覚刺激提示方法の処理フローを示す図である。 図３は、触覚刺激提示装置の実装例を示す図である。 図４は、制御部のハードウェア構成を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。
［１．本発明の概要］
本発明は、ものに触れている第１部位とは別の第２部位に触覚刺激を伝える場合に、第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を、当該第１物理量とは種類の異なる第２物理量に変換する。種類の異なる物理量に変換して触覚刺激を伝えることで、知覚の分解能を高めることができる。例えば、指先で計測した圧力を温度刺激に変換して掌に伝えることで、触覚の差をより細かく識別可能となる。
［２．触覚刺激提示装置の構成］
図１は、本実施形態に係る触覚刺激提示装置１の構成を示す図である。触覚刺激提示装置１は、測定部１１と、制御部１２と、提示部１３と、を備える。測定部１１と制御部１２は、ケーブルで物理的に接続されている。制御部１２と提示部１３も、ケーブルで物理的に接続されている。
測定部１１は、人体の第１部位に設置され、当該第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を測定する機能を備える。測定部１１は、例えば、圧力を測定する圧力センサである。圧力センサ１１は、例えば、人体の指先に装着され、当該指先に与えられた圧力を測定し、測定した圧力値を制御部１２に出力する。尚、測定部１１は、圧力センサ以外のセンサでもよく、触覚センサであればよい。
制御部１２は、上記第１物理量を上記第１物理量とは異なる種類である触覚に関する第２物理量に変換する機能を備える。制御部１２は、例えば、圧力を温度に変換するマイクロコンピュータである。マイクロコンピュータ１２は、例えば、手首に巻き付けて装着可能な小型端末（例えば、Ａｒｄｕｉｎｏなど）、又はタブレット端末やスマートフォン内で動作する装置であり、人体の指先に与えられた圧力値を当該圧力値の大きさに応じた温度に変換し、変換した温度を提示部１３に与える。
提示部１３は、第１部位とは異なる人体の第２部位に設置され、上記第２物理量を当該第２部位に与える機能を備える。提示部１３は、例えば、金属表面を発熱させるペルチェ素子（熱電素子）である。ペルチェ素子１３は、例えば、人体の母指球に装着され、マイクロコンピュータ１２から受信した温度に対応する熱を当該母指球に与える。尚、提示部１３は、ペルチェ素子以外の素子でもよく、触覚アクチュエータであればよい。
［３．触覚刺激提示装置の動作］
図２は、触覚刺激提示装置１で行う触覚刺激提示方法の処理フローを示す図である。触覚刺激提示装置１は、測定した触覚物理量を別の触覚物理量に変換してから触覚刺激を提示する。図３に示すように、マイクロコンピュータ１２を人体の手首に巻き付け、圧力センサ１１を指先に装着し、ペルチェ素子１３を拇指球に装着する。
［３．１．動作例１］
ステップＳ１；
まず、圧力センサ１１が、人体の指先に与えられた圧力を測定し、測定した圧力値をマイクロコンピュータ１２に出力する。
ステップＳ２；
次に、マイクロコンピュータ１２は、圧力センサ１１から出力された圧力値を当該圧力値の大きさに応じた大きさの電流量に変換し、変換した電流量の電流をペルチェ素子１３に印加する。
ステップＳ３；
最後に、ペルチェ素子１３は、マイクロコンピュータ１２により印加された電流量の大きさに応じた温度の熱を金属表面に発熱させる。
動作例１は、圧力センサ１１の圧力値をペルチェ素子１３に印加する電流量に変換するので、指先に与えられた圧力に応じた温度の熱を母指球に提示可能となり、母指球にとって温度刺激の感度は敏感であることから、触覚情報の知覚感度を向上することができる。
［３．２．動作例２］
動作例２では、触覚物理量の変換方法が動作例１と異なる。
ステップＳ１；
まず、圧力センサ１１が、人体の指先に与えられた圧力を測定し、測定した圧力値をマイクロコンピュータ１２に出力する。圧力センサ１１は、例えば、隔膜に加わる圧力を膜の変形として検出するセンサであり、検出したアナログ値をデジタル値に変換し、変換したデジタル値（例えば、０～１０２３の範囲内の値）を圧力値として出力する。
ステップＳ２；
次に、マイクロコンピュータ１２は、圧力センサ１１から出力された圧力値（０～１０２３の範囲内の値）を４で除算し、除算した値をペルチェ素子１３のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御値（例えば、０～２５５の範囲内の値）として設定する。マイクロコンピュータ１２は、圧力値をＰＷＭ制御値の範囲内の値に対応付けるため、圧力値を当該圧力値の上限値とＰＷＭ制御値の上限値の比率である約４で除算している。
ステップＳ３；
最後に、ペルチェ素子１３は、マイクロコンピュータ１２からのＰＷＭ制御値をもとに、対応する温度の熱を金属表面に発熱させる。
動作例２は、圧力センサ１１の圧力値をペルチェ素子１３に印加するＰＷＭ制御値に変換するので、指先に与えられた圧力に応じた温度の熱を母指球に提示可能となり、母指球にとって温度刺激の感度は敏感であることから、触覚情報の知覚感度を向上することができる。
［３．３．動作例３］
動作例３は、動作例１，２の変形例である。
マイクロコンピュータ１２は、圧力センサ１１からの圧力値と予め設定された圧力値との差分を計算し、計算した差分がマイナスの場合、ペルチェ素子１３に低電流を印加することで母指球に冷覚刺激を提示し、当該差分がプラスの場合、ペルチェ素子１３に高電流を印加することで温覚刺激を提示してもよい。ＰＷＭ制御を用いた場合であっても、冷覚刺激及び温覚刺激を提示可能である。冷覚刺激と温覚刺激との切り替えは、例えば、モータードライバで電流の向きを変えることで実現でき、刺激の強さは、電流の値を変えることで実現できる。
［４．触覚刺激提示装置の応用例］
［４．１．応用例の概要］
ここまで、一の人体が１つの触覚刺激提示装置１を使用し、当該人体で測定した触覚物理量に対応する別の触覚物理量を同一の人体に与える態様について説明した。
一方、複数の人体Ｈ１，Ｈ２，…が、各触覚刺激提示装置１をそれぞれ使用する態様も想定される。例えば、一の人体Ｈ１で測定した触覚物理量を他の人体Ｈ２側へ送信し、送信された触覚物理量に対応する別の触覚物理量を当該他の人体Ｈ２に与える利用形態が想定される。例えば、ヒト同士が直接握手するなど、同一場所で触覚コミュニケーションを行う場合である。
また、一の場所Ｐ１に位置する一の人体Ｈ１で測定した触覚物理量を、他の場所Ｐ２に位置する他の人体Ｈ２側へ送信し、送信された触覚物理量に対応する別の触覚物理量を、当該他の場所Ｐ２に位置する当該他の人体Ｈ２に与える態様も想定される。例えば、遠隔地間で間接的に握手するなど、離れた場所同士で触覚コミュニケーションを行う場合である。
［４．２．応用例の構成］
これら２つの態様の場合、測定部１１は、有線又は無線で通信を行う通信回路を備え、又は通信装置を接続して備え、測定した第１物理量を他の触覚刺激提示装置１’へ送信する機能を備える。例えば、人体Ｈ１の備える触覚刺激提示装置１の圧力センサ１１は、人体Ｈ１の指先に与えられた圧力値を、通信ネットワーク（例えば、インターネット回線、モバイル回線、ＬＡＮ、Ｗｉ－Ｆｉ、ブルートゥース）を介して、人体Ｈ２の備える他の触覚刺激提示装置１’の制御部１２’へ送信する。
制御部１２は、有線又は無線で通信を行う通信回路を備え、又は通信装置を接続して備え、他の触覚刺激提示装置１’の測定部１１’から送信された第１物理量を受信して第２物理量に変換する機能を備える。例えば、人体Ｈ１の備える触覚刺激提示装置１のマイクロコンピュータ１２は、インターネット回線を介して、人体Ｈ２の備える他の触覚刺激提示装置１’の圧力センサ１１’からの圧力値を受信して温度に変換し、変換した温度を触覚刺激提示装置１の提示部１３に与える。
また、制御部１２は、測定部１１から出力された人体Ｈ１に係る第１物理量と、他の触覚刺激提示装置１’から送信された人体Ｈ２に係る第１物理量と、をそれぞれ受け取り、２つの第１物理量の差の大きさに応じて、提示部１３に与える第２物理量の大きさを調整する機能を備える。例えば、マイクロコンピュータ１２は、２つの第１物理量の差が小さい場合には、手の平均温度よりも高い温度に変換し、２つの第１物理量の差が大きい場合には、手の平均温度よりも低い温度に変換する。これにより、互いの握り方の違いを温度で伝えることができる。
提示部１３は、既に説明した提示部１３と同じ機能を備える。具体的には、提示部１３は、制御部１２で変換された第２物理量（本応用例においては、他の触覚刺激提示装置１’から受信した人体Ｈ２に係る第１物理量を変換した第２物理量、制御部１２で調整された第２物理量）を、人体Ｈ１の第２部位に与える。
［４．３．応用例の動作］
離れた場所同士で触覚コミュニケーションを行う場合について説明する。離れた場所同士で触覚コミュニケーションを行う場合、双方の遠隔地に手の模型をそれぞれ設置しておき、圧力センサ１１とマイクロコンピュータ１２とペルチェ素子１３とを仕込んだ手袋を用いる。圧力センサ１１は、手の模型側に取り付けておいてもよい。
遠隔地である２つの場所Ｐ１，Ｐ２に位置する各ユーザ（人体Ｈ１，Ｈ２）が当該手袋をそれぞれ装着し、各手の模型とそれぞれ握手した場合、人体Ｈ１の備える触覚刺激提示装置１の圧力センサ１１は、人体Ｈ１の指先に与えられた圧力値を当該触覚刺激提示装置１のマイクロコンピュータ２に出力する。同時に、人体Ｈ２の備える他の触覚刺激提示装置１’の圧力センサ１１’は、インターネット回線を介して、人体Ｈ２の指先に与えられた圧力値を上記触覚刺激提示装置１のマイクロコンピュータ２に送信する。
次に、触覚刺激提示装置１のマイクロコンピュータ２は、人体Ｈ１に係る圧力値と人体Ｈ２に係る圧力値とを比較し、双方の圧力値が近い場合には、高電流をペルチェ素子１３に印加し、双方の圧力値が大きく異なる場合には、低電流をペルチェ素子１３に印加する。
その後、触覚刺激提示装置１のペルチェ素子１３は、高電流が印加された場合には、高い温度の熱を発生させる。これにより、人体Ｈ１に対して心地よい温度を提示できる。一方、ペルチェ素子１３は、低電流が印加された場合には、低い温度の熱を発生させる。これにより、人体Ｈ１に対して不快な温度を提示できる。
応用例では、握手相手の手の握る力に応じた温度の熱を自身の母指球に提示可能となり、握り方の違いを温度で伝えることができる。
［５．効果］
本実施形態によれば、触覚刺激提示装置１が、人体の第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を測定する測定部１１と、前記第１物理量を前記第１物理量とは異なる種類の第２物理量に変換する制御部１２と、前記第２物理量を前記第１部位とは異なる第２部位に与える提示部１３と、を備えるので、ものに触れている部位とは別の部位に触覚刺激を伝える場合に、触覚情報の知覚感度を向上可能な技術を提供できる。
［６．その他］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
上記説明した本実施形態の制御部１２には、例えば、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（Hard Disk Drive、Solid State Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。メモリ９０２及びストレージ９０３は、記憶装置である。このコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、制御部１２の各機能が実現される。
尚、制御部１２は、１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されてもよい。また、制御部１２は、コンピュータに実装される仮想マシンであってもよい。
制御部１２用のプログラムは、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。
１：触覚刺激提示装置
１１：測定部
１２：制御部
１３：提示部
９０１：ＣＰＵ
９０２：メモリ
９０３：ストレージ
９０４：通信装置
９０５：入力装置
９０６：出力装置

Claims (2)

  1. 人体の第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を測定する測定部と、
    前記第１物理量を前記第１物理量とは異なる種類の第２物理量に変換する制御部と、
    前記第２物理量を前記第１部位とは異なる第２部位に与える提示部と、を備え、
    前記人体は、互いに異なる第１人体と第２人体とであって、
    前記測定部は、前記第１人体に係る前記第１物理量を他の触覚刺激提示装置へ送信し、
    前記制御部は、前記他の触覚刺激提示装置から受信した前記第２人体に係る前記第１物理量を前記第２物理量に変換し、前記第１人体に係る前記第１物理量と前記第２人体に係る前記第１物理量との差の大きさに応じて、当該第２物理量の大きさを調整し、
    前記提示部は、当該第２物理量を前記第１人体の前記第２部位に与える、
    触覚刺激提示装置。
  2. 測定部が、人体の第１部位に与えられた触覚に関する第１物理量を測定する第１ステップを行い、
    制御部が、前記第１物理量を前記第１物理量とは異なる種類の第２物理量に変換する第２ステップを行い、
    提示部が、前記第２物理量を前記第１部位とは異なる第２部位に与える第３ステップを行い、
    前記人体は、互いに異なる第１人体と第２人体とであって、
    前記第１ステップでは、前記第１人体に係る前記第１物理量を他の触覚刺激提示装置へ送信し、
    前記第２ステップでは、前記他の触覚刺激提示装置から受信した前記第２人体に係る前記第１物理量を前記第２物理量に変換し、前記第１人体に係る前記第１物理量と前記第２人体に係る前記第１物理量との差の大きさに応じて、当該第２物理量の大きさを調整し、
    前記第３ステップでは、当該第２物理量を前記第１人体の前記第２部位に与える、
    触覚刺激提示方法。
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