JPWO2007066717A1 - 電気触覚ディスプレイ - Google Patents
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Abstract
Description
[A−1]電気触覚提示装置
本発明の基本となる電気触覚提示装置の一つの態様例について説明する。電気触覚提示装置は、刺激電極、スイッチング回路、制御部(コンピュータを主体として構成される)、電流源を備えている。刺激電極は、複数の電極を経緯方向(xy方向)に配列して構成されるアレイ電極ないしマトリクス状の電極であり、アレイ電極を構成する各電極と電流源とがスイッチング回路を介して電気的に接続されており、制御部(刺激パターン生成部)からの制御信号によって刺激電極における電流源電極を選択して電流を供給し、電流が供給された電極から刺激を行う。電極サイズは好ましい態様では、直径0.5mmから2.0mmで、典型的には1.0mmである。電気触覚提示装置は、各電極と電流源、各電極とグランドとの接続を時間的に切替えて、刺激したい位置の電極及びグランド電極の選択を変化させることでアレイ電極により情報提示を行う。電流源とグランドとの接続の切り替えはスイッチング回路(例えば、ハーフブリッジ回路)により行う。刺激したい位置の電極及びグランド電極の選択は制御部によって行う。刺激したい場所の電極を電流源に接続し、その他の電極をグランドに接続することにより、皮膚下に電流経路を形成して、神経を刺激する。さらに、この刺激点(刺激したい位置の電極)を時間的に切替えることでアレイ電極によって面的な情報を提示する。
FRS(額網膜システム)は、額における触覚を網膜の代替とする技術を用いている。1960年代から電気刺激による感覚代行は提案されてきたが、額を刺激部位とする本方式は比較的新しい手法である。額を刺激部位として使用することは合理的である。着け外しが容易であり、脳内での座標系の変換が体の他の部位に装着する場合に比べて簡単になる。例えばサングラスにつけられた小型カメラが装着者の眼前の視界を取り込む。FRSシステムでは、小型カメラにより取り込まれた視界の画像は電気刺激による触覚情報に変換され、触覚情報は装着者に提供される。カメラで取得された画像情報は2つの処理を経て触覚情報に変換される。第一の処理では、輪郭情報を強調するために空間的な輪郭抽出が行われる。第二の処理では、時間変化する情報を強調するため、時間的なバンドバスフィルタリングが行われる。FRSは実際の視覚系の前処理を模倣することで、画像理解を容易にする。適切な訓練プログラムを経ることで、FRSは目の不自由な方にとって、外科手術の必要のない人工的な網膜として機能する。
[B−1]従来の額装着電気刺激提示板の問題点
従来の額装着電気刺激提示部は、額に電極マトリクスを配置する具体的な手法については言及していなかった。しかし電極基板をただ額に並べるだけでは、まず額の湾曲に適応できず、また電極数が増えると各電極にのびるケーブルの重量が問題となった。
さらに軽量化、および額形状への適応のために基板をフレキシブル基板4とする(図3)。フレキシブル基板の材質としては現在最も一般的に用いられているポリイミドフィルムが考えられるが、シリコンゴム等の収縮性を持つ材料を用いた伸縮性フィルム、また熱可塑性樹脂を用いたもので基板配線後に熱を加えて成形できるタイプのフィルムを用いても良い。特に人の額はある程度決まった曲率を有しているので、それに沿うように成形し得るものが望ましく、熱可塑性樹脂を用いたものはその候補である。電極ピン5は基板4のランド(ハンダ付け用にむき出しになった部分)への金メッキ処理5Aによって形成する。
(1)ゲルの抵抗値が皮膚の抵抗値より相対的に低い場合、電流経路はゲル層内部に形成され、皮膚に到達しにくくなる。これは消費電力の大半をゲル層でのジュール熱発生に費やしてしまうことを意味し、携帯型の触覚提示装置としては極めて重大な問題となる。
(2)ゲルの厚みが電極間隔に対して相対的に大きい場合も同様に電流経路はゲル層内部に形成され、皮膚に到達しにくくなる。
(3)ゲルの厚みが薄い場合は電流の拡散効果が減少するため痛覚を生じやすくなる。
(4)ゲルの抵抗値が大きい場合、やはり消費電力の大半をゲル層でのジュール熱発生に費やしてしまう。
前述のように、導電性ゲル層は弾性体であるためある程度皮膚の凹凸を吸収するが、最適な厚みは別の要件によって決定され、0.5mm〜1.0mm程度となるため額形状への適応の役割を果たすには限界がある。ここで、もし厚み方向にのみ電流を通す弾性体層が有れば、その層を電極とゲルの間に挟むことにより、弾性体全体の厚みを増す事が可能となる。
[C−1]従来の電気刺激回路における問題点
ゲルの厚みおよび抵抗値の最適設計でも述べたように、消費電力の削減は携帯型電気刺激装置にとって極めて大きな課題である。論理演算部の消費電力は大して問題にならないが、電気刺激のためには100V〜400V程度の高電圧が必要であり、この電圧を生成し、電流制御を行うアナログ回路部での消費電力が最も大きい。
電気刺激において、触覚を生じるために重要なパラメータは電圧ではなく電流であるため、刺激回路は電流制御を行っている。これは電圧による指令値を電圧-電流変換する回路部と、変換された電流を電極に出力する電流ミラー回路から構成される。この構成は電気刺激において一般的なものである。
[D−1]現行の直列システムにおける問題点
本刺激システムは、大量の電気刺激点に対して、ある瞬間は一点ないし全体の一部の電極だけを刺激し、テレビの走査線と同様に時間的に刺激する電極を変更する走査によって面パターンを提示している。しかし視覚-触覚変換の場合、刺激点数は従来より格段に多く(例えば従来の指先型電気刺激装置で64点であったものが、現在の額電気刺激システムは512点である)、刺激点数が増えるにつれ、走査にかかる時間は膨大になり、全体の刺激周波数が下がる。一点の刺激にかかる時間は現在100μs程度であり、512点刺激するには51.2msかかることになる。つまり刺激周波数は約20Hzとなる。
従来、刺激回路を並列化し、同時に刺激する点数を増やすことによる解決手段がとられてきた。例えば刺激点が512点ある場合、これを64点のモジュール8つに分割し、同時に8箇所の刺激を行うことにより走査周波数を8倍に向上させることが出来る。しかし8chを並列に駆動するため電流容量が8倍必要となる。高電圧電源は電流容量の増加に比例してサイズが大きくなるが、現状の1chを駆動するための電源が既に携帯型装具として許容できる限界のサイズであるため、並列化による解決は現実的ではない。
電気刺激を行うかどうかの判定関数をリアルタイムに変化させることにより、刺激回数が、ある最大刺激数を超えないように調整する。最大刺激数は、全体の刺激にかかる時間がある値を超えないように設定される。特に刺激周波数が30Hz未満の(すなわち一周期が33msより大きい)場合前述のように生起感覚に強い不快感を生じるため、刺激周波数を30Hz以上に保つよう、最大刺激数の代表的な値としては33ms/100μs = 330点、通信等のオーバーヘッドを考慮して200点以下が妥当な値である。
「あるデータが、閾値以上の大きさを持つ場合刺激する。そうでない場合刺激しない」
この時、一点ずつ走査によって刺激しているため、次の式で規定される「刺激の総回数」が多すぎると刺激の周波数が遅くなってしまう。
現在2次元パターンを提示する際、単純なラプラシアン演算子によるエッジ抽出により、パターンの空間的なエッジを強調する処理を行っている。これによって例えば3角形を提示したとき、3つの「辺」が抽出、刺激される。しかしこれでは不十分であり、より知覚を容易にするためには、さらにこの三角形の3つの「頂点」が強調されて刺激される必要がある(図10)。特に人工物の多い環境では、画像処理の代表的な手法である「ハフ変換」により直線、円、楕円を自動認識し、さらに認識された線の交点を計算することによって頂点位置を求めることが出来る。これを利用して頂点を認識、強く刺激することで高品位な感覚提示を行う。
時間的な変化(時間微分)のあった場所を強調して刺激する手法は、触覚受容器の一種であるMeissner小体の活動を模擬することにもなるため、一般的に提示される感覚の高品位化に繋がる(図11)。これ自体は従来研究でも実装されている。
(1)空間的なエッジ抽出、特に辺、頂点を検出することによる刺激の高品位化を図る。
(2)特定色抽出を行うことによる刺激の高品位化を図る。
(3)特定輝度抽出による刺激の高品位化を図る。
(4)特定時間変化パターン抽出による刺激の高品位化を図る。
(5)特定画像、特に人の顔の認識、抽出による刺激の高品位化を図る。
(6)時間的な動きを検出することによる刺激の高品位化を図る。
(7)画像全体の動きをオフセットとして除去することによる、頭部回転運動による画像変動の効果を除去する。1つの態様では、頭部回転運動による画像変動の効果を除去するため、回転角速度センサを用いる。他の態様では、運動検出機能を持つ人工網膜チップを用いる。
(8)さらなる態様では、画像全体の動きをオフセットとして除去した後に残った時間的な変動を強調表示することにより、頭部並進運動による運動視差を強調し、奥行き手がかりとする。
[E−1]画像取得に広角レンズを用いた際の提示手法
視野が狭い。このため装着者は自分の全周囲の環境情報を得るために頭部を頻繁に動かす必要がある。さらにカメラの視野が狭いことにより、頭部の移動に対して提示される刺激パターンの変動が激しく、不快感を生じていた。さらに本システムを装着した視覚障害者と健常者の対面コミュニケーションの場面を想定した場合、対面コミュニケーションでは互いが同程度の視野を持っていることを無意識のうちに仮定するため、健常者側が視覚障害者側と上手くコミュニケーションを取りづらいという問題がある。
画像取得の際、奥行き情報を検出することにより装着者に提示する情報を絞り込むことが出来る。例えば装着者から数mまでの物体だけを提示の対象とすることで、遠くにある物体、例えば建造物等による刺激を防止することができる。装着者にとっての安全性という面からもこの手法は望ましく、これまでに提案された多くの視覚-触覚変換装置も奥行きのセンシングができることを前提としてきた。しかし従来の提案で奥行き情報取得を現実の使用に耐えるレベルで実装できたものはない。
Claims (21)
- 複数の刺激電極を備えた電極基板と、
前記刺激電極と装着者の皮膚との間に位置して設けた導電性ゲル層と、
前記刺激電極に電気的に接続されたスイッチング回路部と、
前記スイッチング回路部に電気的に接続された刺激パターン生成部と、
前記刺激電極により装着者において生起される生起感覚の緩和手段と、
を備えた、電気触覚ディスプレイ。 - 前記電気触覚ディスプレイは、額装着用電気触覚ディスプレイである、請求項1に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記生起感覚の緩和手段は、前記導電性ゲル層から構成されており、
前記導電性ゲル層は、皮膚角質と同等の抵抗値を有する、請求項1,2いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。 - 前記導電性ゲル層の厚みは、0.3〜2.0mmである、請求項3に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記導電性ゲル層の厚みは、0.5〜1.0mmである、請求項4に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電気触覚ディスプレイは、刺激判定関数の閾値に基づいて電気刺激を行うか否かを判定する刺激判定手段と、刺激判定手段における閾値を調整する閾値調整手段とを含んでおり、
前記生起感覚の緩和手段は、前記刺激判定手段及び前記閾値調整手段から構成されており、前記閾値調整手段は、所定の一定時間間隔における刺激回数が、所定の最大刺激数を超えないように、閾値を変化させる、請求項1乃至5いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。 - 所定の一定時間間隔における刺激総回数を抑えることで、少なくとも30Hz以上の刺激周波数を確保する、請求項6に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 所定の一定時間間隔における1点の刺激回数を増やすことで、中間諧調表現を実現する、請求項6,7いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電極基板と、前記導電性ゲル層と、前記スイッチング回路部と、から電気刺激提示部が構成されている、請求項1乃至8いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電極基板はフレキシブル基板である、請求項9に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記フレキシブル基板には、少なくとも1つの切れ込みが形成してある、請求項10に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記フレキシブル基板には、端縁を残すようにして経緯方向に複数の切り込みを形成することで複数の領域に区画し、各領域には所定数の電極が設けてある、請求項11に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記各領域に対して一組のスイッチング回路及び通信回路を設け、前記端縁に各通信回路同士の通信配線を設けた、請求項12に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記フレキシブル基板は、電気刺激提示部の長手方向に延出する複数の帯状領域を有しており、各帯状領域には所定数の電極が設けてある、請求項11に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電気刺激提示部は、前記電極基板の表面側あるいは/および裏面側に位置して1つ以上の弾性体層を備えている、請求項9乃至13いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記弾性体層は、前記電極基板の表面側に設けられた異方性導電性弾性層である、請求項15に記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記スイッチング回路部は、前記フレキシブル基板に設けてある、請求項10乃至14いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電気刺激提示部は、前記フレキシブル基板とは独立した回路基板を備えており、前記スイッチング回路部は、当該回路基板に設けてある、請求項10乃至14いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電気触覚ディスプレイは、刺激電圧を測定する手段と、電源電圧調整手段と、を有し、電源電圧調整手段により、電源電圧を、測定された刺激電圧よりも所定V高めの電圧に設定する、請求項1乃至18いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
- 前記電気触覚ディスプレイは額装着用電気触覚ディスプレイであり、
前記ディスプレイは時間的な変化があった場所を強調して刺激する手段を有し、
前記手段は、装着者の運動に起因する画像変化をキャンセルし、外部環境で動く物体を強調する、請求項1乃至19いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。 - 前記電気触覚ディスプレイは、奥行き検出手段を有し、距離に依存した感覚提示を提供する、請求項1乃至20いずれかに記載の電気触覚ディスプレイ。
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