材質感判別に関する研究
小 川 博 教
電 気 通 信 大 学 大 学 院 電 気 通 信 学 研 究 科 博 士（ 工 学 ）の 学 位 申 請 論 文
年
月
材質感判別に関する研究
博 士 論 文 審 査 委 員 会
主 査 下 条 誠 教 授
委 員 清 水 豊 教 授
委 員 田 中 一 男 教 授
委 員 稲 見 昌 彦 教 授
委 員 明 愛 国 助 教 授
小 川 博 教
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材 質 感 判 別 に 関 す る 研 究 小 川 博 教
概 要
近 年 ，ヒュー マ ン イ ン タ ー フェー ス 分 野 に お い て ハ プ ティク ス 装 置 の 研 究 開 発 が 数 多 く 行 わ れ て い る ．ハ プ ティク ス イ ン タ フェー ス と は ，人 間 の 力 覚 お よ び 触 覚 を 通 し て 計 算 機 と の 双 方 向 的 情 報 伝 達 を 行 う た め の イ ン タ フェー ス 方 式 で あ る ．こ の よ う な イ ン タ フェー ス 方 式 の 重 要 性 は ，主 に バ ー チャル リ ア リ ティ技 術 と の 関 連 に お い て 近 年 広 く 認 識 さ れ る よ う に なって き た ．特 に 最 近 ，情 報 ，医 療 ，生 産 ，ス ポ ー ツ，ア ミュー ズ メ ン ト 等 の 分 野 に お い て そ の 重 要 性 が 高 まって い る ．
視 覚・聴 覚 の 呈 示 に は モ ニ タ ー や ス ピ ー カ ー な ど 標 準 的 な 装 置 が あ る ．し か し ，触 覚 の 呈 示 に は ま だ 存 在 し な い ．こ れ は 視 覚・聴 覚 が 受 動 的 な 感 覚 で ，し か も 非 接 触 で よ い の に 比 べ ，触 覚 は 能 動 的 感 覚 で ，か つ 接 触 で 呈 示 す る た め ，そ の 困 難 さ が 格 段 に 高 い こ と に よ る ．
ハ プ ティク ス ディス プ レ イ の 開 発 に お い て ，開 発 者 は 高 速 応 答 性 や 安 全 性 等 の 要 求 仕 様 を 満 た す 必 要 が あ る ．そ の 結 果 ，従 来 の デ バ イ ス は 大 型 ，大 重 量 ，高 価 格 な も の が 多 く，設 置 場 所 や 利 用 範 囲 が 限 定 さ れ る こ と が 多 かっ た ．こ の 技 術 的 課 題 を 克 服 す る た め の ひ と つ の 提 案 と し て ，本 研 究 で は シ ン プ ル な 構 造 の 材 質 感 の 呈 示 を 目 的 と し た ハ プ ティク ス ディス プ レ イ を 開 発 し ，様々な 触 力 覚 呈 示 を 行 う．装 置 を シ ン プ ル に し た こ と で ，小 型 化 ，軽 量 ， 低 価 格 な 可 搬 性 に 富 ん だ ディス プ レ イ に す る こ と が で き ，利 用 者 が 様々な 場 所 で 容 易 に 使 用 す る こ と を 可 能 に す る ．
本 論 文 は7章 か ら 構 成 さ れ ，そ の 内 容 の 要 旨 は 以 下 の 通 り で あ る ．
本 研 究 の 背 景 と し て 触 覚 を 呈 示 す る こ と の 重 要 性 を 述 べ ，従 来 の ハ プ ティック ディス プ レ イ を 述 べ ，小 型 で 簡 便 な 触 覚 を 呈 示 す る 標 準 的 な 装 置 が 無 い こ と を 指 摘 す る ．そ し て ，本 研 究 の 目 的 が 以 上 の 条 件 を 満 た す 呈 示 装 置 を 開 発 す る こ と で あ る こ と を 述 べ ，さ ら に ，本 論 文 の 構 成 と 概 要 を 述 べ る ．
第章 材 質 感 の 情 報
人 間 が 感 じ る 材 質 感 は 視 覚 ，聴 覚 ，触 覚 な ど の 複 数 の 感 覚 を 脳 で 統 合 す る こ と に よって 得 ら れ て い る こ と を 述 べ ，そ の 中 で 触 覚 の 情 報 は 物 体 の 存 在 を 確 定 し ，ア ク ティブ タッチ に よって 対 象 物 の 様々な 特 性 を 得 て い る こ と を 述 べ て い る ．そ し て ，人 間 の 皮 膚 に あ る 触 覚 の 受 容 器 の 種 類 と 特 徴 を 述 べ ， 人 間 が 材 質 感 を 識 別 す る 動 作 に つ い て 述 べ て い る ．
第章 人 間 の 材 質 感 識 別 能 力 の 検 討
本 論 文 で は 人 間 に 材 質 感 を 呈 示 す る こ と が 目 的 で あ る ．そ の た め ，呈 示 し た 材 質 感 を 被 験 者 に 識 別 さ せ る 実 験 を 予 定 し て い る ．そ こ で ，ま ず 被 験 者 が 識 別 で き る 材 質 感 の 違 い を 持 つ 素 材 を 調 査 し て い る ．触 覚 に よ る 材 質 感 の 寄 与 が 大 き い 素 材 と し て 布 地 を 取 り 上 げ，布 地 の 種 類 に つ い て 織 り 方 や 糸 に つ い て 分 類 し ，被 験 者 に 実 際 の 素 材 サ ン プ ル を 使 用 し て ，材 質 感 の 違 い を 識 別 す る 実 験 を 行った ．そ の 結 果 ，綿 の み の グ ル ー プ で は 判 別 が 難 し い が ，綿 と ポ リ エ ス テ ル に よ る グ ル ー プ で は 判 別 で き た こ と を 述 べ て い る ．
第章 布 地 質 感 測 定 実 験
現 在 ，布 地 の 材 質 感 に つ い て 人 間 に 呈 示 す る た め の デ ー タ を 計 測 す る 装 置 が 存 在 し て い な い 事 を 指 摘 し ，そ の た め に 新 た に 人 間 へ の 材 質 感 の 呈 示 を 目 的 と し た 布 地 質 感 測 定 装 置 を 試 作 し た ．ま ず そ の 装 置 の 構 成 に つ い て 述 べ ，実 際 に 布 地 の 材 質 感 を 測 定 し た 結 果 に つ い て 述 べ て い る ．そ し て ，得 ら れ た 測 定 結 果 の う ち 振 動 成 分 の デ ー タ の み を 用 い て 布 地 の 識 別 を 試 み て
第章 布 地 質 感 呈 示 実 験
小 型 で 簡 便 な 材 質 感 呈 示 装 置 の 製 作 を 目 的 と し ，!個 の モ ー タ と+枚 の 円 板 を 用 い た 布 地 質 感 呈 示 装 置 を 試 作 し て い る ．ま ず そ の 装 置 の 構 成 に つ い て 述 べ ，基 本 特 性 と し て 周 波 数 応 答 を 計 測 し て い る ．そ の 結 果!0 程 度 の バ ン ド 幅 を 持って お り，触 覚 情 報 の 呈 示 に 必 要 と さ れ る! 程 度 の 振 動 の 出 力 が 可 能 だ と し て い る ．そ し て 測 定 装 置 で 測 定 し た 材 質 感 を 実 際 に 被 験 者 に 呈 示 し ，識 別 を 行って い る ．そ の 結 果 ，用 意 し た 全 て の 素 材 に つ い て 判 別 が 成 功 し た ．
第章 自 由 度 ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 型 材 質 感 呈 示 装 置
第/章 で 挙 げ た 問 題 点 か ら ，垂 直 方 向 の 自 由 度 を 持 ち ，さ ら に 呈 示 面 が 直 線 軌 道 で 動 作 す る+自 由 度 ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 型 材 質 感 呈 示 装 置 を 試 作 し て い る ．そ の 装 置 の 構 成 に つ い て 述 べ ，基 本 特 性 と し て 応 答 周 波 数 を 計 測 し て い る ．通 常 ，呈 示 装 置 の 応 答 周 波 数 の 計 測 で は モ ー タ を 固 定 し た 状 態 に お い て モ ー タ に 流 れ る 電 流 を 計 測 す る が ，本 論 文 で は 加 速 度 セ ン サ に よ る モ ー タ を 固 定 し な い 状 態 に お け る 計 測 を 試 み て お り，モ ー タ を 固 定 し な い 状 態 で の 計 測 の 必 要 性 を 指 摘 し て い る ．ま た ，能 動 的 接 触 に お け る 人 間 の 感 覚 を 計 測 し て お り，垂 直 方 向 の 変 位 振 動 が 水 平 方 向 の 力 振 動 に よって 呈 示 で き る 可 能 性 を 示 し て い る ．そ し て ，材 質 感 呈 示 実 験 を 試 み ，結 果 を 述 べ て い る ．
第章 お わ り に
本 研 究 の 成 果 ，結 論 を ま と め ，今 後 の 課 題 ，展 望 に つ い て 述 べ て い る ．
は じ め
!! 背 景 !
!+ 従 来 の ディス プ レ イ に 関 す る 研 究 +
!2 本 研 究 の 目 的 !0
!1 本 論 文 の 構 成 +"
材 質 感 の 情 報
+! は じ め に +2
++ 材 質 感 の 構 成 +2
+2 触 覚 に 関 す る 知 見 +/
+2! 感 覚 の メ カ ニ ズ ム +/
+2+ 機 械 受 容 器 +/
+1 ア ク ティブ タッチ 2!
+/ 人 間 の 材 質 感 識 別 動 作 22
+/! な ぞ り 動 作 22
+/+ こ す り 合 わ せ 動 作 21
+8 ま と め 28
人 間 の 材 質 感 識 別 能 力 の 検 討
2! は じ め に 27
2+ 布 地 の 種 類 27
2+! 糸 の 太 さ 20
21 判 別 能 力 測 定 実 験 18
21! 布 地 素 材 グ ル ー プ 18
21+ 直 接 接 触 に よ る 判 別 /"
212 間 接 接 触 に よ る 判 別 /!
211 評 価 方 法 /+
21/ 実 験 結 果 /2
218 考 察 81
2/ ま と め 8/
布 地 質 感 測 定 装 置
1! は じ め に 87
1+ ハ ー ド ウェア 構 成 87
1+! 力 セ ン サ 80
1++ 加 速 度 セ ン サ 89
12 計 測 実 験 7"
12! 計 測 方 法 7"
12+ 計 測 結 果 7+
11 判 別 実 験 9"
11! 判 別 方 法 9"
11+ 計 測 デ ー タ 処 理 9"
112 結 果 98
111 考 察 !"!
1/ ま と め !"+
布 地 質 感 呈 示 装 置
/! は じ め に !"2
/+ ハ ー ド ウェア 構 成 !"1
/2 特 性 測 定 実 験 !"0
/1 ソ フ ト ウェア 構 成 !"9
//+ 結 果 !!!
//2 考 察 !!1
/8 ま と め !!1
２ 自 由 度 ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 型 材 質 感 呈 示 装 置
8! は じ め に !!/
8+ 材 質 感 呈 示 に 関 す る 基 本 方 式 !!8
82 呈 示 装 置 !!7
82! ハ ー ド ウェア 構 成 !!7
82+ シ ス テ ム 構 成 !++
822 制 御 !+2
821 特 性 測 定 実 験（ 固 定 ，非 固 定 周 波 数 応 答 ） !+1
81 能 動 的 接 触 に お け る 人 間 の 感 覚 の 計 測 !+9
81! 絶 対 閾 !2"
81+ 弁 別 閾 !2!
812 主 観 的 等 価 点 !22
811 考 察 !21
8/ ま と め !28
88 そ れ ぞ れ の 呈 示 方 法 に 対 す る 考 察 !27
お わ り に
7! 本 研 究 の ま と め !29
7+ 装 置 の ス ペック !1+
72 結 論 !12
71 今 後 の 課 題 !12
謝 辞
参 考 文 献
図 目 次
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表 目 次
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第 章 はじめ
背 景
近 年 ，ヒュー マ ン イ ン タ ー フェー ス 分 野 に お い て ハ プ ティク ス 装 置 の 研 究 開 発 が 数 多 く 行 わ れ て い る ．ハ プ ティク ス イ ン タ フェー ス と は ，人 間 の 力 覚 お よ び 触 覚 を 通 し て 計 算 機 と の 双 方 向 的 情 報 伝 達 を 行 う た め の イ ン タ フェー ス 方 式 で あ る ．こ の よ う な イ ン タ フェー ス 方 式 の 重 要 性 は ，主 に バ ー チャル リ ア リ ティー 技 術 と の 関 連 に お い て 近 年 広 く 認 識 さ れ る よ う に なって き た ． 特 に 最 近 ，情 報 ，医 療 ，生 産 ，ス ポ ー ツ，ア ミュー ズ メ ン ト 等 の 分 野 に お い て そ の 重 要 性 が 高 まって い る ．
こ れ は ，触 覚 の み が ，力 ，硬 さ ，温 冷 感 な ど を 伝 え る 感 覚 で あ り，対 象 の 詳 し い 情 報 の 取 得 ，お よ び 巧 み な 操 作 に は 欠 か せ な い 感 覚 で あ る こ と に よ る ．ま た ，視・聴 覚 は 存 在 を 推 定 す る 感 覚 で あ る の に 対 し て ，触 覚 は そ の 存 在 を 確 定 す る 感 覚 で あ り，現 実 感 向 上 の た め に は 必 要 不 可 欠 な 感 覚 で も あ る ．例 え ば 見 え て い る も の に 手 を 伸 ば し た と き ，触 れ た 感 覚 が な い 場 合 に は 違 和 感 を 覚 え ，臨 場 感 を 大 き く 損 ね て し ま う．
表!!に 視 覚 ，聴 覚 ，触 覚 の 情 報 呈 示 に つ い ま と め た も の を 示 す．現 在 ，視 覚・聴 覚 の 呈 示 技 術 は 非 常 に 高 い 水 準 に あ り，モ ニ タ ー や ス ピ ー カ ー な ど 標 準 的 な 装 置 が あ る ．し か し な が ら ，触 覚 に つ い て は 現 在 盛 ん に 研 究 が 行 わ れ て い る 段 階 で あ り，標 準 的 な 装 置 は 無 い ．こ れ は 視 覚・聴 覚 は 感 覚 器 が 目 や 耳 と いった 器 官 に 集 中 的 に 分 布 し て お り，非 接 触 で 情 報 の 呈 示 が 可 能 で あ る の に 比 べ て ，触 覚 は 皮 膚 全 体 に 分 布 し て お り，接 触 で 情 報 を 呈 示 す る 必 要 が あ る こ と ．ま た ，触 覚 の 感 覚 器 で あ る 機 械 受 容 器 の 周 波 数 帯 域 は! 以 下 か ら 数 ま で の 非 常 に 広 い 帯 域 を 持って い る た め ，呈 示 が 困 難 で あ る と 考 え ら れ る ．
!!
視 覚 聴 覚 触 覚
技 術 レ ベ ル 高 水 準 高 水 準 研 究 中
標 準 的 な ディス プ レ イ
テ レ ビ モ ニ タ ス ピ ー カ な し 感 覚 器 集 中（ 目 ） 集 中（ 耳 ） 分 布（ 皮 膚 ）
情 報 明 る さ 空 気 の 振 動 力・振 動・温 度 呈 示 時 の
接 触 状 態
非 接 触 非 接 触 接 触
従 来 の ディス プ レ イ に 関 す る 研 究
こ れ ま で 様々な ハ プ ティック ディス プ レ イ が 研 究・開 発 さ れ て き た ．そ れ ら の ハ プ ティック ディス プ レ イ は,!-力 覚 呈 示 装 置 と,+-触 覚 呈 示 装 置 に 分 類 で き る ．
力 覚 呈 示 装 置 は 物 体 の 硬 さ や 形 状 ，重 さ な ど の 情 報 の 呈 示 を 目 的 と し て 手 指 腕 等 に 力 感 覚 を 呈 示 す る ．触 覚 呈 示 装 置 は 主 に テ ク ス チャの よ う な 繊 細 な 情 報 や パ タ ー ン 情 報 の 呈 示 を 目 的 と し て 手 指 の 皮 膚 に 分 布 す る 圧 感 覚 を 呈 示 す る ．
力 覚 呈 示 装 置
力 覚 呈 示 装 置 は 設 置 形 態 か ら,!'!-装 置 を 卓 上 や 床 な ど に 接 地 し て 使 う 接 地 型 と ，,!'+-装 置 を 体 に 装 着 し て 使 用 す る 装 着 型 に 大 別 で き る ．
接 地 型 力 覚 呈 示 装 置
接 地 型 は 呈 示 装 置 を 机 上 な ど に 配 置 す る ．そ の た め ，一 般 的 に デ バ イ ス の 重 量 負 荷 を ユ ー ザ に か け ず，大 き な ア ク チュエ ー タ の 使 用 が 可 能 で あ る ． こ の こ と か ら 高 速・高 出 力 の 呈 示 が 可 能 と い う 特 徴 を 持 つ ．ま た ，出 力 に 対
し て 発 生 す る 反 力 を 接 地 点 で 吸 収 さ せ る こ と が で き る た め ，外 力 を 表 現 出 来 る な ど の 長 所 が あ る ．短 所 と し て は 使 用 中 に 装 置 の 位 置 を 動 か す こ と が で き な い た め ，可 動 範 囲 が 制 限 さ れ る 点 が 挙 げ ら れ る ．
接 地 型 デ バ イ ス の 例 と し て は ，,- ら が 開 発 し た4(: ;2 <;1<，,-B ら が 開 発 し た54)(=;/<，,-岩 田 ら が 開 発 し た ;0<，, -稲 見 ら が 開 発 し た5;9<;!"<な ど が あ る ．
4(: は 現 在 最 も 普 及 し て い る 力 覚 呈 示 装 置 で あ る ．こ の 装 置 は マ ニ ピュレ ー タ の 形 状 を し て お り，そ の 先 端 に ペ ン や 指 ぬ き が 取 り 付 け ら れ て い る ．利 用 者 は こ の ペ ン や 指 ぬ き を 介 し て 操 作 を 行 う．駆 動 部 に は)?モ ー タ を 使 用 し ，ワ イ ヤ を 用 い て 駆 動 す る こ と で 低 バック ラッシ ，高 バック ド ラ イ バ ビ リ ティを 実 現 し て い る ．し か し な が ら ，4(: の 制 御 ル ー プ の 更 新 周 波 数 は! で あ り，ま た ，ア ク チュエ ー タ の 出 力 を ワ イ ヤ に よって 伝 達 し て い る た め ，ワ イ ヤ の 伸 び な ど の 影 響 を 受 け る た め ，高 い 周 波 数 帯 域 ま で の 呈 示 が 必 要 と 思 わ れ る 繊 細 な 触 覚 の 呈 示 は 困 難 だ と 考 え ら れ る ．4(: の 外 観 を 図!!に ，仕 様 を 表!+に 示 す．
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作 業 領 域 +/1# & !70& !+7) 位 置 分 解 能 ""2
機 械 摩 擦 抵 抗 ""1:
最 大 提 示 力 0/:
最 大 連 続 提 示 力 !1:
硬 さ +/:D
台 座 サ イ ズ 22" & +/1 力 覚 自 由 度 2自 由 度 更 新 周 波 数 !
54)(=は 指 先 に 対 し て 立 方 体 の1隅 か ら 糸 を 張 り，そ の 先 に モ ー タ と ロ ー タ リ エ ン コ ー ダ が 取 り 付 け て あ る（ 図!+）． そ れ ぞ れ の 糸 の 長
% !+ * 54)(=;/ <
さ を 計 測 す る こ と に よって ，指 先 の 位 置 を2次 元 で 計 測 す る こ と が で き ，糸 の 張 力 を 制 御 す る こ と に よって 指 先 へ の 力 を2次 元 で 与 え る こ と が で き る ． ワ イ ヤ を 使 用 し て い る た め 装 置 の 構 造 が 簡 単 で 可 動 部 の 慣 性 が 低 い ．ま た ， 作 業 領 域 の 拡 大 が 比 較 的 簡 単 に 行 え る ．現 在 は 立 方 体 の 全 て の 頂 点 か ら 糸 を 張 り，グ リップ に8自 由 度 の 力 の 呈 示 ，位 置 姿 勢 の 計 測 が 可 能 な54)(='>
が あ る;8<．ま た ，更 新 周 波 数 を!" に す る こ と で ，さ ら に 高 イ ン ピ ー ダ ン ス の 仮 想 壁 の 呈 示 を 可 能 に し た も の も あ る;7<．し か し ，ワ イ ヤ を 用 い た 構 造 の た め ，ワ イ ヤ の 伸 び な ど の 影 響 を 受 け，高 い 周 波 数 域 ま で の 呈 示 は 困 難 で あ る と 思 わ れ る ．54)(='>の 外 観 を 図!2に ，仕 様 を 表!2に 示 す．
% !2 * 54)(='>;8<
!2 5$ 54)(='>
作 業 空 間 +""# & !+"& +"")
力 覚 出 力 自 由 度 8自 由 度
通 信 周 期 +
は パ ラ レ ル リ ン ク を 用 い た8自 由 度 の 力 覚 ディ ス プ レ イ で あ る ．通 常 ，パ ラ レ ル マ ニ ピュレ ー タ に は ス チュワ ー ト プ ラット フォー ム が 使 わ れ る が ，こ の 装 置 で は2つ の パ ン タ グ ラ フ 機 構 を 用 い て 実 現 し て い る ．パ ン タ グ ラ フ の 先 端 は 球 面 継 ぎ 手 を 介 し て 呈 示 部 の 三 角 形 の 頂 点 と つ な がって お り，任 意 の 方 向 の 力 ，ト ル ク を 呈 示 す る こ と が で き る ．し か し な が ら ，更 新 周 波 数 が!"" と 低 い こ と か ら ，高 周 波 数 の 情 報 の 呈 示 は 困 難 だ と 思 わ れ る ． の 外 観 を 図!1に ，仕 様 を 表!1に 示 す．
% !1 * ;0 <
!1 5$
最 大 出 力 +!
最 大 連 続 出 力 !+
最 大 連 続 ト ル ク /8 最 大 硬 さ "+9D
力 分 解 能 +9
位 置 分 解 能 "1 機 械 摩 擦 抵 抗 "!
周 波 数 帯 域 +2/
遅 れ !"
更 新 周 波 数 !""
自 由 度 8自 由 度
!" 5は ア ク チュエ ー タ と し て)?モ ー タ を 使 用 し ，ギ ア や ワ イ ヤ で 伝 達 す る ．装 置 に メ ス な ど の ツ ー ル を 取 り 付 け そ の 先 端 位 置 に
2自 由 度 の 力 を 呈 示 す る こ と が で き る 構 造 に なって い る ．そ し て ，作 業 支 援 を 行 う こ と に よって 手 術 な ど で ，危 険 部 位 へ の 進 入 を 防 ぐ 事 な ど が 目 的 と なって い る ．5の 外 観 を 図!/に 示 す．
% !/ * 5;9<;!"<
装 着 型 力 覚 呈 示 装 置
装 着 型 は デ バ イ ス を 利 用 者 の 体 に 装 着 す る そ の た め ，使 用 者 は 装 着 し た ま ま 移 動 す る こ と も 可 能 で あ る ．し か し な が ら ，デ バ イ ス の 重 量 負 荷 が 直 接 利 用 者 に か か る た め ，大 き い 装 置 や 重 た い 装 置 を 使 用 す る こ と は 困 難 で あ る ．ま た ，出 力 に 対 し て 発 生 す る 反 力 が 装 着 部 に 発 生 す る た め ，外 力 の 呈 示 が で き な い と い う 欠 点 が あ る ．
装 着 型 と し て は ，身 体 に 装 着 す る も の と し て 筧 ら が 開 発 し た,->6(=;!+<， 腕 に 装 着 す る も の と し て 岩 田 ら が 開 発 し た,-# ;!2<，手 指 に 装 着 す る も の と し て,-社 製 の?>;!1<，, -仁 木 ら が 開 発 し た 高 速 応 答 の 簡 易 型 ハ プ ティク ス ディス プ レ イ が あ る;!/<．
#$ >6(=は 糸 の 張 力 を 用 い て 反 力 を 呈 示 す る ．操 作 者 は ペ ン を 持 ち 操 作 す る ．ア ク チュエ ー タ を 背 中 に 背 負 う 構 造 に なって お り，
重 量 負 担 を 軽 減 し て い る ．そ の ペ ン の 先 端 か ら 操 作 者 が 背 負って い る 装 置 の1隅 に 糸 が 伸 び て お り，そ の 張 力 を 制 御 す る こ と で ，力 を 呈 示 す る ．そ の た め ，呈 示 で き る 力 の 向 き は 操 作 者 方 向 の み に 限 定 さ れ る ．>6(=の 外 観 を 図!8に 示 す．
% !8 * >6(=;!+<
%" # は パ ン タ グ ラ フ 機 構 の 本 体 を 腕 に 固 定 し ，機 構 の 先 端 を 把 持 す る こ と で ，2自 由 度 の 力 を 呈 示 す る こ と が で き る ． し か し な が ら ，呈 示 し た 力 の 反 力 が 腕 に 伝 達 さ れ る 構 造 に なって お り，外 力 の 呈 示 は で き な い ．# の 外 観 を 図!7に 示 す．
% !7 * # ;!2 <
&'# ?>は 外 骨 格 型 の 力 覚 呈 示 装 置 で あ り，各 指 の 先 端 に ワ イ ヤ を 取 り 付 け，そ れ を 引 く こ と に よって 開 く 方 向 の 力 を 呈 示 す る こ と が 可 能 に なって い る ．そ の た め ，手 で 物 体 を 把 持 し た 感 覚 を 呈 示 す る こ と が 可 能 で あ る ．し か し な が ら ，そ れ 以 外 の 外 力 の 呈 示 に 関 す る 機 構 は 有 し て い な い ．?>の 外 観 を 図!0に 示 す．
% !0 * ?>;!1 <
高 速 応 答 簡 易 型 ハ プ ティック ディス プ レ イ 仁 木 ら が 開 発 し た 簡 易 型 ハ プ ティク ス ディス プ レ イ は モ ー タ に レ バ ー を 取 り 付 け，そ の レ バ ー で 把 持 動 作 を 行った 時 に 物 体 衝 突 時 に 発 生 す る 振 動 を 呈 示 し す る ．彼 ら は!" の 更 新 周 波 数 に よって 振 動 波 形 を 生 成 し 呈 示 す る こ と で ，木 や 金 属 の 違 い の 表 現 に 成 功 し た と し て い る ．高 速 応 答 簡 易 型 ハ プ ティック ディス プ レ イ の 外 観 を 図!9に 示 す．
% !9 * ' ;!/<
触 覚 呈 示 装 置
触 覚 呈 示 装 置 は テ ク ス チャや パ タ ー ン 情 報 の 呈 示 を 目 的 と し て ，皮 膚 に 分 布 す る 圧 感 覚 を 主 に 呈 示 す る ．そ の よ う な 分 布 感 覚 を 呈 示 す る た め に こ れ ま で ，様々な 方 法 が 試 み ら れ て き た ．
触 覚 呈 示 装 置 と し て は ，,-昆 陽 ら に よ る 繊 毛 状 テ ク ス チャディス プ レ イ
;!8<，,-梶 本 ら に よ る 触 原 色 原 理 に 基 づ く 電 気 触 覚 ディス プ レ イ な ど が 挙 げ ら れ る;!7<．他 に ，,-*，, -高 密 度 で ピ ン を 並 べ そ の 上 下 に よって 触 覚 情 報 を 呈 示 す る ディス プ レ イ に 関 す る 研 究 な ど が あ る;!9<．
繊 毛 状 テ ク ス チャディス プ レ イ 昆 陽 ら に よ る 繊 毛 状 テ ク ス チャディス プ レ イ で は ア ク チュエ ー タ と し て?4%,? 4 %-ア ク チュ エ ー タ を 用 い て い る ．?4%はオ ー ダ ー ま で の 小 型 化 が 容 易 で2"" 程 度 ま で の 刺 激 の 呈 示 が 可 能 だ と い う 特 徴 が あ る ．そ こ で 繊 毛 状 の?4%ア ク チュエ ー タ を 任 意 の 周 波 数 で 振 動 さ せ る こ と に よって 様々な 手 触 り 感 覚 の 呈 示 を 試 み て い る ．繊 毛 状 で あ る た め あ る 程 度 の 範 囲 の 皮 膚 を 同 時 に 刺 激 す る こ と が で き ，布 地 等 の 感 覚 を 呈 示 す る こ と に 成 功 し た と し て い る ．し か し な が ら ，?4%は 柔 軟 な ア ク チュエ ー タ で あ る た め ，硬 い 材 質 感 の 呈 示 は 困 難 で あ る と 思 わ れ る ．ま た ，ア ク チュエ ー タ の 動 作 に 水 が 必 要 な た め ，使 用 で き る 環 境 が 限 ら れ る ．
Flexible wiring board
Silicone ICPF Actuator
4 mm 3 mm
1 mm 2 mm Au-Nafion type
ICPF Actuator
25 mm
% !!" * ;!8<
電 気 触 覚 ディス プ レ イ 電 気 触 覚 ディス プ レ イ で は ，機 械 的 な 振 動 で は な く，皮 膚 表 面 か ら 電 気 刺 激 を 用 い る こ と に よって 機 械 受 容 器 や 神 経 軸 索 の 直 接 的 な 刺 激 を 試 み て い る ．数(の!" か ら0"" の パ ル ス 周 波 数 を 持 つ 電 気 刺 激 を 加 え て 生 起 し た 間 隔 を 調 査 し て い る ．刺 激 に 使 用 し た 電 極 は 長 さ
!"，幅"/の 電 極 を!間 隔 で0本 並 べ た も の で あ る ．電 気 刺 激 で は 必 要 な エ ネ ル ギ ー が 少 な く，装 置 の 小 型 化 も 容 易 で あ る ．し か し ，実 際 に 対 象 物 に 触 れ る 時 に は 同 時 に 複 数 の 機 械 受 容 器 が 刺 激 す る と 考 え ら れ る が ，彼 ら は 個々の 異 な る 機 械 受 容 器 を 個 別 で 発 火 さ せ る こ と に は 成 功 し た と し て い る が ，複 数 の 機 械 受 容 器 を 同 時 に 刺 激 す る 事 は 行って い な い ．
現 在 は 図!!!に 示 す よ う な 視 覚 障 害 者 の た め の 視 触 覚 変 換 装 置 と し て の 応 用 を 目 的 と し た ，額 に 装 着 す る 電 気 触 覚 ディス プ レ イ が 提 案 さ れ て い る
;!0<．
% !!! * % ;!0<
() *は 視 覚 障 害 者 の た め の 文 字 読 み 取 り 装 置 で あ る ．触 覚 呈 示 部 と ，文 字 読 み 取 り 部 か ら 構 成 さ れ て い る ．呈 示 部 は 横+1，縦!+
ピッチ で ，/ +"の マ ト リ ク ス 状 に ピ エ ゾ 素 子 が 並 べ ら れ て お り，そ れ ぞ れ を 独 立 し て 振 動 さ せ る こ と に よって 文 字 の パ タ ー ン 形 状 を 指 先 の 皮 膚 に 呈 示 す る ．*の 外 観 を 図!!+に 示 す．
% !!+ * *
ピ ン 型 触 覚 ディス プ レ イ こ の 研 究 は 視 覚 障 害 者 に 対 し て>,>
-を 提 供 す る こ と を 目 的 と し て 研 究 が 進 め ら れ て い る ．触 覚 呈 示 部 に ，!/28本,2+&10-の 触 知 ピ ン を+1ピッチ で 配 置 し たA>5社 の)'を 使 用 し て い る ．そ し て ，8軸 力 セ ン サ を 入 力 装 置 と し て 使 用 し ，操 作 者 が 呈 示 面 へ か け る 力 に よって 操 作 を 可 能 に し て い る ．ピ ン 型 触 覚 ディス プ レ イ の 外 観 を 図!!2に 示 す．
% !!2 * > ;!9<
各 ディス プ レ イ の 呈 示 情 報 の ま と め
表!/に ，こ れ ま で 紹 介 し た 各 ディス プ レ イ の 呈 示 情 報 を ま と め た も の を 示 す．本 研 究 で は 呈 示 方 法 と し て ，力 と 振 動 を 用 い て 材 質 感 の 呈 示 を 行って い く．
!/ 4
呈 示 内 容 呈 示 方 法
4(: 形 状・硬 さ 力
54)(= 形 状・硬 さ 力
形 状・硬 さ 力
5 形 状 力
?> 硬 さ 力
>6(= 形 状・硬 さ 力 繊 毛 状 テ ク ス チャディス プ レ イ 表 面 状 態 振 動
* 図 形 情 報 振 動
電 気 触 覚 ディス プ レ イ 図 形 情 報 電 気 高 密 度 ピ ン ディス プ レ イ 図 形 情 報 凹 凸 形 状
本 研 究 の 目 的
従 来 の 研 究 に 対 す る 本 研 究 の 位 置 づ け を 図!!1に 示 す．4(: ，54)(=，
% !!1 4
な ど の 従 来 の 力 覚 呈 示 装 置 で は 呈 示 で き る 自 由 度 が 高 く，物 体 の 形 状 の 呈 示 が 可 能 で あ る が ，出 力 の 伝 達 に ワ イ ヤ を 用 い て い た り，更 新 周 波 数 が 低 い た め テ ク ス チャの 呈 示 に は 至って い な い ．ま た ，昆 陽 ら が 開 発 し た?4%ア ク チュエ ー タ を 用 い た 触 覚 呈 示 装 置 は 繊 毛 状 の ア ク チュエ ー タ を 用 い て タ オ ル や デ ニ ム の 触 感 の 呈 示 が あ る 程 度 可 能 だ が ，ア ク チュエ ー タ が 柔 軟 な た め ，木 や 金 属 の よ う な 硬 い 素 材 の 材 質 感 の 呈 示 は 困 難 だ と 思 わ れ る ．本 研 究 で は 呈 示 装 置 を ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 構 造 に す る こ と で ，高 周 波 数 の 呈 示 を 可 能 に し ，材 質 感 の 呈 示 を 試 み る ．ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 構 造 に す る こ と で 装 置 の 構 造 が シ ン プ ル に な り，小 型 ，軽 量 な ディス プ レ イ と な る ．そ の た め ，利 用 者 が 様々な 場 所 で 容 易 に 使 用 す る こ と を 可 能 に で き る と 考 え ら れ る ．
こ の よ う な 簡 便 な 材 質 感 呈 示 ディス プ レ イ は 現 在 発 達 し て い る イ ン タ ー ネット ショッピ ン グ 等 へ の 利 用 が 考 え ら れ る ．現 在 ，視 覚 や 聴 覚 に 関 し て は ビ デ オ カ メ ラ や マ イ ク ロ ホ ン の よ う な 標 準 的 な 測 定 装 置 が あ り，テ レ ビ モ ニ タ や ス ピ ー カ の よ う な 標 準 的 な 呈 示 装 置 が あ る ．し か し ，触 覚 に 関 し て は そ の よ う な 標 準 的 な 装 置 は 無 い ．そ の た め ，布 地 の よ う な 材 質 感 の 識 別 に 触 覚 が 重 要 な 物 に 関 し て は ，そ の 情 報 が 欠 落 し て し ま う．そ こ で ，触 覚 の 材 質 感 を 測 定 し ，呈 示 す る こ と が で き れ ば ，よ り リ ア リ ティを 向 上 さ せ る こ と が で き る と 考 え ら れ る ．
以 上 の こ と か ら ，ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 型 材 質 感 呈 示 装 置 を 開 発 し ，力 情 報（ 力 覚 ）と 振 動 情 報（ 触 覚 ）を 同 時 に 呈 示 し ，ア ク ティブ タッチ に よ る 材 質 感 の 呈 示 を 試 み る こ と を 本 研 究 の 目 的 と す る ．
本 論 文 の 構 成
本 論 文 は 全7章 に よ り 構 成 さ れ る ．
第!章 で は ，は じ め に こ の 研 究 を 行 う こ と に なった 背 景 と し て 触 覚 が 現 実 感 向 上 の た め に 必 要 な 感 覚 で あ る た め ハ プ ティク ス イ ン タ フェー ス の 研 究 が 盛 ん に 行 わ れ て い る こ と を 述 べ ，ハ プ ティク ス ディス プ レ イ の 現 状 を 述 べ る ．そ し て 素 材 の 材 質 感 識 別 に お い て 触 覚 が 大 き く 寄 与 す る と 考 え ら れ る 布 地 の 材 質 感 に 関 す る 研 究 に つ い て 述 べ ，研 究 の 研 究 の 目 的 を 明 確 に し ， 最 後 に 本 論 文 の 構 成 を 示 す．
第+章 で は ，人 間 が 感 じ る 材 質 感 の 情 報 を 感 じ 取って い る 原 理 に つ い て 述 べ る ．ま ず 材 質 感 を 構 成 す る 情 報 に つ い て 述 べ ，触 覚 が 材 質 感 を 得 る た め に 重 要 な 感 覚 で あ る こ と を 述 べ る ．そ し て 触 覚 に 関 す る 知 見 を 述 べ ，表 面 状 態 の 判 別 に は 対 象 物 と 対 象 物 と 指 先 と の 相 対 的 運 動 が 必 要 な こ と を 述 べ る ．続 い て ア ク ティブ タッチ に お け る 能 動 的 ハ プ ティク ス 知 覚 が テ ク ス チャ知 覚 の た め に 重 要 で あ る こ と を 述 べ ，最 後 に 我々が 行って い る 材 質 感 識 別 動 作 に つ い て ま と め る ．
第2章 で は ，布 地 を 織 物 組 織 に よって 分 類 し ，糸 の 太 さ の 一 般 的 な 表 記 方 法 に つ い て 述 べ る ．そ し て ，被 験 者 実 験 に よって な ぞ り 動 作 と こ す り 合 わ せ 動 作 に お け る 触 覚 の 布 地 の 判 別 を 行った 結 果 に つ い て 報 告 す る ．
第1章 で は ，布 地 質 感 測 定 装 置 を 試 作 し ，そ の ハ ー ド ウェア 構 成 に つ い て 述 べ ，布 地 の 材 質 感 の 計 測 を 行った 結 果 に つ い て 述 べ る ．そ し て ，得 ら れ た 結 果 に そ れ ぞ れ の 布 地 の 違 い が 含 ま れ て い る か 確 認 す る た め に ，数 値 計 算 に よ る 判 別 を 試 み た 結 果 を 述 べ ，考 察 す る ．
第/章 で は ，布 地 質 感 呈 示 装 置 を 試 作 し ，そ の 構 成 に つ い て 述 べ ，基 本 特 性 と し て 周 波 数 応 答 を 計 測 し た 結 果 に つ い て 述 べ る ．そ し て ，実 際 に 開 発 し た 呈 示 装 置 を 用 い て 布 地 の 材 質 感 を 被 験 者 に 呈 示 し ，識 別 を 行った 結 果 を 述 べ る ．
第8章 で は ，垂 直 方 向 と 水 平 方 向 に!自 由 度 ず つ を 有 す る シャフ ト モ ー タ を 用 い た+自 由 度 ダ イ レ ク ト ド ラ イ ブ 型 材 質 感 呈 示 装 置 を 試 作 し ，そ の 構 成 に つ い て 述 べ ，基 本 特 性 と し て 周 波 数 応 答 を 計 測 し た 結 果 に つ い て 述 べ る ．そ し て ，呈 示 装 置 が+自 由 度 を 有 し て い る こ と か ら ア ク ティブ タッチ に お け る 人 間 の 感 覚 の 計 測 を 行った 結 果 に つ い て 述 べ る ．
第7章 で は ，本 論 文 を ま と め る ．
第
章
材質感の情報
は じ め に
本 章 で は ，人 間 が 感 じ る 材 質 感 の 情 報 を 感 じ 取って い る 原 理 に つ い て 述 べ る ．ま ず 材 質 感 を 構 成 す る 情 報 に つ い て 述 べ ，触 覚 が 材 質 感 を 得 る た め に 重 要 な 感 覚 で あ る こ と を 述 べ る ．そ し て 触 覚 に 関 す る 知 見 を 述 べ ，表 面 状 態 の 判 別 に は 対 象 物 と 対 象 物 と 指 先 と の 相 対 的 運 動 が 必 要 な こ と を 述 べ る ． 続 い て ア ク ティブ タッチ に お け る 能 動 的 ハ プ ティク ス 知 覚 が テ ク ス チャ知 覚 の た め に 重 要 で あ る こ と を 述 べ ，最 後 に 我々が 行って い る 材 質 感 識 別 動 作 に つ い て ま と め る ．
材 質 感 の 構 成
わ れ わ れ は 日 常 生 活 に お い て ，周 り の 様 子 を 見 た り，音 を 聴 い た り，物 に 触 れ た り し て い る ．こ の よ う な 様々な 感 覚 を 通 し て 外 界 を 認 知 し ，さ ら に は 認 知 し た 結 果 に 基 づ い て 必 要 な 行 動 を と り，外 界 の 環 境 に 上 手 く 適 応 し な が ら 生 き て い る の で あ る ．
そ の よ う な 感 覚 は 感 覚 器 に 外 界 か ら の 刺 激 が 加 わ る こ と で 起 こ る ．感 覚 器 に は 様々な 刺 激 に 特 化 し た 受 容 器 細 胞 が あ り，そ れ ら が 興 奮 す る こ と に よって 電 気 信 号 の イ ン パ ル ス に 変 換 さ れ る ．刺 激 は 感 覚 神 経 線 維 を 通 り 脳 に 送 ら れ 感 覚 が 生 じ る の で あ る ．
物 体 の 材 質 感 の 構 成 要 素 と 感 覚 器 の 対 応 を 表+!に 示 す．色 に 関 し て は 光 を 感 じ 取 る こ と が で き る 視 覚 以 外 に は 得 る 方 法 は 無 い と 考 え ら れ る ．形 状 に 関 し て は 視 覚 か ら 得 る 以 外 に も ，手 探 り に よって 形 状 を 知 る こ と は 可 能 で あ る ．視 覚 で は 短 時 間 で あ る 程 度 の 形 状 を 知 る こ と が で き る が ，触 覚 で
+!
視 覚 聴 覚 触 覚
色 ◎ × ×
形 状 ◎ × ○
表 面 状 態 △ △ ◎
硬 さ △ ○ ◎
熱 伝 導 × × ◎
は 見 え な い 部 分 や 暗 い 状 態 で も 形 状 の 情 報 を 得 る こ と が で き ，視 覚 よ り も よ り 細 か い 情 報 を 知 る こ と が で き る ．表 面 状 態 で は 例 え ば ピ ア ノ の 表 面 の よ う な 滑 ら か な 表 面 の 場 合 ，光 の 反 射 を 見 る こ と に よって 知 る こ と が で き る だ ろ う．ま た ，紙 や す り な ど を こ す れ ば そ の 音 か ら 表 面 が ざ ら つ い て い る こ と が わ か る だ ろ う．触 覚 で は ，さ ら に そ の 紙 や す り の 目 の 細 か さ ま で 得 る こ と が 可 能 で あ る ．硬 さ に つ い て は 力 を 加 え た 時 の 変 形 を 見 る こ と に よって 硬 さ を 知 る こ と が で き る だ ろ う．し か し ，そ の 加 え た 力 の 大 き さ を 知 る こ と が で き な け れ ば 硬 さ を 知 る こ と が で き な い ．ま た ，叩 い た 時 に 発 生 す る 音 に よって も 硬 さ を 知 る こ と が で き る だ ろ う．し か し ，叩 い て も 音 が 出 な い よ う な 柔 ら か い 素 材 の 場 合 に は 判 別 は 不 可 能 で あ る ．触 覚 で は 実 際 に 押 し 込 み ，そ の 時 の 力 と 押 し 込 み 量 を 知 る こ と で 判 別 が 可 能 で あ る ．熱 伝 導 は 触 れ た 時 に 起 こ る 皮 膚 の 温 度 変 化 か ら 得 る こ と が 可 能 で あ る ．
以 上 の こ と か ら ，物 体 の 材 質 感 は 視 覚 ，聴 覚 ，触 覚 の 複 数 の 感 覚 を 脳 で 統 合 す る こ と で 得 る こ と が で き る と 考 え ら れ る ．そ し て ，色 ，形 状 が 同 じ ，も し く は 判 別 の 対 象 で な い の で あ れ ば ，触 覚 の 情 報 が 材 質 感 の 判 別 に 重 要 な 感 覚 に な る と 言 え る ．
触 覚 に 関 す る 知 見
感 覚 の メ カ ニ ズ ム
触 覚 と は 主 に 物 理 的 な 皮 膚 の 変 形 や 振 動 な ど を 感 じ 取 る 機 械 受 容 器 の 情 報 を 指 す．ま た ，こ の 他 に 侵 害 受 容 器 や ，温 度 受 容 器 な ど も 含 む ．
侵 害 受 容 器 は 痛 み 等 を 感 じ 取 る 受 容 器 で あ り，今 回 の 実 験 で 呈 示 す る 材 質 感 に は 大 き く 関 わって い な い と 考 え ら れ る ．
ま た ，温 度 受 容 器 は 言 葉 通 り 温 度 を 感 じ 取 る 受 容 器 で あ る ．皮 膚 が 物 体 表 面 に 触 れ た 瞬 間 に 指 先 に 温 度 変 化 が 発 生 す る ．た と え ば 金 属 と 木 材 で は 触 れ た と き の 温 度 感 覚 が 違 う と いった よ う に ，物 体 の 材 質 感 の １ つ の 重 要 な 情 報 に な り え る ．
人 間 の 触 感 覚 を 通 し て 材 質 感 を 呈 示 す る 研 究 に つ い て ，材 質 感 を 構 成 す る 物 理 的 パ ラ メ ー タ の 推 測 と そ の 材 質 感 へ の 寄 与 に つ い て の 報 告 が あ る
;+"<．そ れ に よ る と 材 質 感 の 判 別 に は ，温 度 変 化 パ タ ー ン 情 報 が 深 く 関 与 し ， ま た 表 面 荒 さ・粘 着 度 と いった 物 理 量 が 寄 与 す る こ と が 述 べ ら れ て い る ．ま た 触 運 動 に よ る 材 質 感 の 伝 達 情 報 量 の 違 い に つ い て も 述 べ ら れ て い る ．し か し な が ら ，彼 ら は 試 料 と し て 同 一 形 状 で 指 先 に 比 べ て 十 分 に 滑 ら か で 硬 い も の を 使 用 し て い る ．そ の た め ，温 度 変 化 パ タ ー ン 情 報 が 深 く 関 与 す る 結 果 が 得 ら れ た と 考 え ら れ る ．こ の こ と か ら ，表 面 状 態 の 違 い が 識 別 可 能 に な る た め に は 機 械 受 容 器 に 対 す る 刺 激 が 最 も 重 要 に な る と 考 え ら れ る ．
機 械 受 容 器
皮 膚 構 造 と 機 械 受 容 器
図+!に 皮 膚 構 造 と 機 械 受 容 器 の 配 置 を 示 す． 皮 膚 の 構 造 は 表 皮 ，真 皮 ， 皮 下 組 織 か ら な る ．表 皮 は 手 掌 で の 厚 さ は 約"7程 度 で あ る ．真 皮 は 厚 さ"2〜+1程 度 で 強 い 繊 維 性 結 合 組 織 で あ る ．ま た 手 掌 の よ う に か な り の 摩 擦 力 を 受 け る 部 位 で の 表 皮 と 真 皮 の 協 会 で は ，下 方 で 突 出 す る 表 皮 の ヒ ダ（ 表 皮 隆 起 ）と ，上 方 に 突 出 す る 真 皮 乳 頭 と が 噛 み 合って 表 皮 と 真 皮 の
% +! 5 ;27<
癒 着 を 強 め て い る ．皮 下 組 織 は ，緩 い 網 状 の 疎 性 結 合 組 織 で ，網 目 に は 脂 肪 組 織 が 充 満 し て い る ．通 常 は 真 皮 と 固 く 結 合 し 骨 膜 ，筋 膜 ，腱 膜 と は 緩 く 結 合 し て い る;+!<．こ の 皮 膚 の 手 掌 面 内 に は お よ そ!7，"""の 機 械 受 容 器 が あ る ．こ れ ら 機 械 受 容 器 の 種 類 と し て は ，皮 膚 変 形 刺 激 に 対 す る 応 答 の 時 間 変 化 の 違 い と ，そ の 受 容 野 の 広 さ の 特 徴 か ら 次 の よ う に 分 類 さ れ て い る;27<;++<;+2<;+1<．ま ず，ス テップ 状 に 皮 膚 を 押 し 込 む と 受 容 器 は 刺 激 に 応 じ て 発 火 し パ ル ス を 出 力 す る ．こ の と き 刺 激 の 強 度 に 応 じ て 発 火 す る 遅 順 応 型（5( E 5(）と ，刺 激 の 時 間 変 化 に 応 じ て 発 火 す る 速 順 応 型,%
( E %(-と が あ る ．ま た 受 容 野 の 特 徴 か ら は型 と型 に 分 け ら れ る ． 型 は 受 容 野 が 狭 く 境 界 が 明 瞭 で あ る ．型 は 受 容 野 が 広 く 境 界 が 不 明 瞭 で あ る ．よって ，こ れ ら 特 徴 の 組 合 せ と し て5('，5('，%('，%('の ４ つ の タ イ プ に 分 類 さ れ て い る ．こ れ ら 機 能 的 分 類 と 形 態 学 的 に 同 定 さ れ た 受 容 器 ， 即 ち メ ル ケ ル 細 胞, - ,5('-，ル フィニ 終 末,=Æ - ,5('-，マ イ ス ナ ー 小 体, - ,%('-，パ チ ニ 小 体,4- ,%('- が そ れ ぞ れ 対 応 す る も の と 現 在 の と こ ろ 推 定 さ れ て い る ．メ ル ケ ル 細 胞 は ， 狭 義 の メ ル ケ ル 細 胞 と 神 経 終 末 で あ る メ ル ケ ル 触 覚 円 板 が 一 体 と なった も の で あ る ．表!に は こ れ ら 受 容 器 の 特 性 を 幾 つ か の 文 献 を も と に ま と め た も の を 示 す．
触 覚 の 情 報 量
こ の 感 覚 受 容 器 の 数 は 全 身 体 で は!" 個 あ る と さ れ て い る;+/<．ま た 大 脳 皮 質 へ の 神 経 伝 達 繊 維 本 数 は!"本 で 感 覚 受 容 器 と 信 号 線 数 の 比 は!"と なっ て い る ．感 覚 受 容 器 の 密 度 が 高 い と さ れ る 指 先 の 例 で は 大 脳 皮 質 の 感 覚 野 に 伝 達 す る 神 経 線 維 は!当 り!本 と い わ れ て い る ．こ の こ と は 指 先 で の 空 間 分 解 能 が!〜+程 度 と さ れ て い る こ と に 関 係 す る 思 わ れ る ．通 信 容 量 か ら み る と ，触 覚 は!",D-で あ る と い わ れ て い る ．ち な み に ，視 覚 は
!" ,D-，聴 覚 は!",D-，嗅 覚 は!",D-，味 覚 は!",D-で あ る ．さ す が に 視 覚 は 多 い が ，触 覚 も そ の!割 程 度 も あ り，な か な か 多 く の 情 報 を 担って い る ．
空 間 分 解 能
皮 膚 感 覚 の 空 間 的 弁 別 能 に つ い て は ，代 表 的 な も の と し て ，,!-+点 弁 別 能 ，
,+-継 時 ２ 点 弁 別 能 が あ る ．
点 弁 別 能 +点 弁 別 能 は ，コ ン パ ス の よ う な 器 具 を 用 い て 空 間 的 に 離 れ た+点 刺 激 を 加 え ，こ れ が!点 か+点 か を 識 別 で き る 最 も 短 い 距 離 を 計 測 す る 方 法 で あ る ．こ の+点 弁 別 能 は 身 体 の 部 位 に よって 能 力 が 異 な る ．図++に ま と め た も の を 示 す．
し か し 近 年 の 報 告 で は 上 記 の 方 法 に よ る 空 間 分 解 能 の 測 定 値 は ，再 計 測 を 行った 場 合 の 信 頼 性 が 良 く な い 等 の 問 題 が あ る こ と が 指 摘 さ れ て い る ．新 た な 方 法 と し て 半 球 状 の 物 体 に 格 子 状 の 溝 を 各 種 の 幅 及 び ピッチ で 作 り，そ れ を 測 定 部 位 に 押 し 当 て 格 子 溝 幅 と 方 向 を 判 別 さ せ る 方 法 が 提 案 さ れ て い る;+8<．こ の 方 法 で 測 定 し た 結 果 は 身 体 部 位 の 神 経 分 布 密 度 と 良 い 一 致 を 示 す と の こ と で あ る ．
継 時 ２ 点 弁 別 継 時 ２ 点 弁 別 と は ，コ ン パ ス の 両 端 を 順々に 呈 示 し た ２ つ の 点 が 同 じ 位 置 で あ る か 否 か を 判 断 さ せ る 方 法 で あ る ．こ の 結 果 は+点 弁 別 能 の 値 と 高 い 相 関 を 示 す．だ が 値 と し て は よ り 小 さ く な る ．例 え ば 指 先 で は!/，前 額 部 で は/，背 中 で は!+/ほ ど の 値 で あ る;+7<．
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1 2 3 4
% ++ 4 3 3 ,5 -
触 覚 の 空 間 分 解 能 の 特 徴 は ，場 所 に よ り 感 度 が はっき り と 異 な る こ と で あ る ．空 間 的 鋭 敏 さ は 指 先 で 最 大 で ，手 首 に 向 か う に つ れ て 低 下 す る ．例 え ば 指 先 で の+点 弁 別 能 は+，手 掌 で は!"程 で あ る ．こ の 感 度 傾 斜 は
%('お よ び5('受 容 器 の 密 度 に よ る も の と 考 え ら れ る ．%('と5('ユ ニッ ト は ど ち ら か と い え ば 一 様 に 分 布 し て い る ．%('お よ び5('の 密 度 と 空 間 分 解 能 を 比 較 す る と ，両 者 は 指 先 で 最 大 で あ り，手 首 に 向 かって 最 小 と な る な ど よ く 対 応 し て い る ．例 え ば 指 先 で は ，%('と5('の 密 度 は そ れ ぞ れ ，
!1"
，7"で あ る ．受 容 野 の 中 心 を 一 様 に 並 べ た と す る と ，中 心 間 の 距 離 は そ れ ぞ れ"9と!2と な る ．手 掌 部 で 同 様 な 計 算 を 行 う と そ れ ぞ れ++と20と な る;+1<．
時 間 応 答 特 性
振 動 刺 激 に 対 し て 人 間 の 閾 値 の 周 波 数 特 性 が 調 べ ら れ て い る ．こ の 閾 値 に つ い て は 刺 激 子 の 面 積 ，身 体 部 位 ，刺 激*:時 間 ，皮 膚 温 な ど 多 く の パ ラ メ ー タ の 影 響 を 受 け る ．Bら は 感 覚 受 容 器 の 特 性 が 皮 膚 温 に よって 異 な る こ と 等 を 用 い て 図+2に 示 す よ う な1種 の 機 械 受 容 器 の 振 動 閾 値 の 周 波 数 特 性 を 計 測 し た;2/<．刺 激 と し て は 皮 膚 変 位 を 取 り，! を" Bと し て 示 し て あ る ．
% +2 % ;2/ <
5('は 非 常 に 低 い 周 波 数,数 十 -に お い て 最 も 感 度 が 高 く!"" 程 度 ま で 広 がって い る ．皮 膚 が 緩 や か に 動 い て い る よ う に 感 じ ら れ る 低 い 正 弦 周 波 数 で は ，5(タ イ プ の 受 容 器 が 決 定 的 な 情 報 を 担って い る と 考 え ら れ る ．%(' は 数 か ら!"" 程 度 ま で 広 がって い る ．/ 〜1" の 周 波 数 の パ タ パ タ し た 感 じ,@-の 検 出 は%('が 担って い る と 思 わ れ る ．%('は+/" 当 た り に 最 小 値 を 持 つ字 型 の 特 性 を 示 し ，最 小 閾 値 は"+ 以 下 と な る ．な お! 程 度 の 閾 値 を 持 つ の は%('の み で あ る ．こ の こ と か ら 我々が 日 常 生 活 で 微 小
刺 激 の 存 在 を 感 じ る の は 主 に こ の%('に よ る も の で あ ろ う．こ の 他 触 刺 激 の 時 間 分 解 能 と し て ，!の 刺 激 を+つ 続 け て 提 示 し た 時 ，分 離 し て 知 覚 で き る た め に は//の 時 間 間 隔 が 必 要 な こ と ，/秒 間 で 知 覚 で き る 連 続 刺 激 は9つ ま で と の こ と で あ る;++<．
表 面 状 態 識 別
人 間 が 検 出 可 能 な 表 面 凹 凸 に つ い て 幾 つ か の 研 究 が あ る ．Fら は 人 間 の 指 先 検 知 能 力 を ドット パ タ ン の 直 径 が/" で は8 ，/"" で は! の 凸 を 検 出 可 能 と し て い る;+9<．ま た ，表 面 の 細 か な 凹 凸 の 判 別 に は 対 象 と 指 先 と の 相 対 的 運 動 が 必 要 で ，対 象 物 が 動 く 受 動 触 と ，指 先 を 動 か す 能 動 触 と の 実 験 結 果 に 実 質 的 な 差 は な い と し て い る ．
滑 り 検 出 に つ い て は5ら は ，平 面 の み 及 び! ドット パ タ ン 付 平 面 な ど の 試 験 片 を 用 い て 実 験 を 行った;2"<．そ の 結 果 ，被 験 者 は 滑 り の 有 無 に 関 わ ら ず こ れ ら 試 験 片 の 引 張 り 方 向 を 検 知 で き る が ，し か し ドット パ タ ー ン が 無 い と 滑 り 状 態 は 検 知 で き な い こ と を 示 し た ．こ れ は5('の 作 用 に よ り 方 向 を 判 別 し ，%('，%('に よ り 滑 り に よって 生 ず る 振 動 を 検 知 し て い る の で は な い か と し て い る ．A*Fも 同 様 に ，表 面 状 態（ ア ラ サ ）の 検 出 は ，そ の 違 い に よ る 振 動 パ タ ー ン の 差 異 を%('，%('の 発 火 の 相 違 に よっ て 検 出 し て い る と の 仮 説 を 報 告 し て い る;+0<．
ア ク ティブ タッチ
こ れ ま で ，触 覚 の 研 究 で は ，圧 力 ，温 度 ，振 動 な ど の 物 理 的 な 刺 激 と ，そ れ に 対 応 す る 皮 膚 感 覚 受 容 器 の 同 定 や ，刺 激 の 物 理 量 と 感 覚 量 と の 関 係 付 け な ど ，主 に 受 動 的 認 識 機 構 と し て 研 究 が 行 わ れ て き た ．外 界 の 認 識 に 対 し て も ，皮 膚 感 覚 受 容 器 か ら の 情 報 が 大 脳 の 体 性 感 覚 野 に そ の 位 置 関 係 が 忠 実 に マッピ ン グ さ れ て い る こ と ，つ ま り 体 部 位 再 現 性 か ら 皮 膚 感 覚 受 容 器 か ら の 情 報 が そ こ に 再 現 さ れ る こ と で 外 界 を 認 識 さ れ た と す る ，ど ち ら か と い え ば 受 動 的 な 枠 組 で 考 え ら れ て い た ．し か し な が ら ，材 質・表 面 状 態 な ど の 物 性 情 報 の 認 識 の た め に は ，た だ 単 に 手 指 を 押 し 当 て る の で は な く，
手 で 対 象 を 探 る ，ま た は 指 で な ぞ る 等 の 何 ら か の 意 図 に 基 づ い た 探 索 的 な 要 素 が 必 要 と な る ．
例 え ば ，人 間 は 触 運 動 を 用 い る こ と に よって ，ガ ラ ス 表 面 の! の 粗 さ も 検 知 可 能 と な る ．>は こ の よ う な 触 知 覚 に お け る 皮 膚 感 覚 と 運 動 感 覚 と の 統 合 を ア ク ティブ タッチ と し て ，そ の 重 要 性 を 述 べ て い る;10<．し か し な が ら>は ，探 索 的 触 運 動 を 行 う と き 手 な ど を 動 か す 筋 肉 へ の 運 動 指 令 が ，同 時 に 体 性 感 覚 野 へ も 投 射 さ れ て い る こ と（ 遠 心 性 コ ピ ー 情 報 ）を あ ま り 重 要 視 し て い お ら ず，例 え ば 人 に 手 を ガ イ ド し て も ら い な が ら 触 運 動 を 行った 場 合 と 自 主 的 に 行った 場 合 で の 違 い を 説 明 し 得 な かった ．こ の よ う な 経 緯 か ら ，皮 膚 感 覚 受 容 器 情 報 ，筋 肉・関 節 角 等 の 運 動 感 覚 情 報 ，そ れ と 遠 心 性 コ ピ ー 情 報 と の 組 合 わ せ か ら ，現 在 で は 人 間 の 触 知 覚 モ ー ド を ５ 種 に 分 け て い る;+2<．こ の 中 で 能 動 的 ハ プ ティク ス 知 覚 と 言 わ れ る も の が 細 か い テ ク ス チャ知 覚 の た め の 触 覚 を 用 い た 認 識 の 方 式 と し て 考 え ら れ て い る ．
こ の ハ プ ティク ス 知 覚 を 人 間 が 行 う 材 質 の 知 覚 を 例 に とって 図+1を 用 い て 説 明 す る ． こ の 図 は;2+<お よ び 岩 村;22<の 図 に 修 正・加 筆 し た も の で あ る ．我々が 対 象 の 材 質 を 認 識 す る 場 合 ，ま ず 硬 さ ，表 面 状 態 ，温 度 特 性 な ど を 調 べ ，そ れ ら を 統 合 し た 知 覚 像 と こ れ ま で の 経 験 に よ る 記 憶 像 と の 照 合 を 基 に 判 断 を 行って い る ．こ の 過 程 を 大 ま か に 分 け て み る と ，対 象 理 解 の た め の 探 索 的 戦 略 を つ く り 手 指 に 探 索 的 運 動 を 行 わ せ る 行 動 生 成 部 分 と ， 手 指 部 受 容 器 か ら の 情 報 か ら 知 覚 像 の 形 成 を 行 い ，記 憶 像 の 照 合 を 行 う 感
% +1 @
覚 情 報 処 理 部 分 と に 大 別 さ れ る ．ま ず 行 動 生 成 部 は ，,!-押 す・撫 で る と いっ た 探 索 行 動 戦 略 の 決 定 ，,+-手 指 の 動 作・力 の 入 れ 方 な ど の 探 索 動 作 の 制 御 と 運 動 ア ル ゴ リ ズ ム の 生 成 ，,2-探 索 動 作 に 関 わ る 個々の 筋 活 動 の 制 御 を 行 い ，手 指 に 触 運 動 等 の 探 索 的 運 動 を 行 わ せ る ．次 に 感 覚 情 報 処 理 部 で は ，手 指 の 運 動 に 伴 い 皮 膚 と 対 象 と の 力 学 的 相 互 干 渉 に よ る 発 生 す る ，,1-温 度 変 化 ，振 動 ，変 形 ，測 方 向 力 な ど の 皮 膚 感 覚 受 容 器 か ら の 情 報 と ，,/-手 指 運 動 に よ る 筋・関 節 か ら の 運 動 感 覚 情 報 が ，,8-手 指 の 運 動 制 御 系 に フィー ド バック さ れ る と 同 時 に ，,7-遠 心 性 コ ピ ー 情 報 と が 統 合 さ れ 知 覚 像 の 形 成 が 行 わ れ ，,0-そ の 知 覚 像 と こ れ ま で の 経 験 に よ る 記 憶 像 と の 照 合 を 行 う こ と に よって 材 質 の 判 別 が 行 わ れ る ．,9-そ し て 照 合 が 一 致 す れ ば 材 質 が 判 別 さ れ た と し ，一 致 し な け れ ば 探 索 行 動 の ル ー プ を 再 度 繰 返 す こ と に な る ．す な わ ち ，探 索 戦 略 の 決 定 → 行 動 → 検 証 → 戦 略 の 変 更 と い う ル ー プ を 経 て 対 象 の 材 質 の 認 識 を 行 う こ と に な る ．
人 間 の 材 質 感 識 別 動 作
で は 実 際 に ど の よ う な 動 作 に よって 我々が ア ク ティブ タッチ を 用 い て 材 質 感 判 別 を 行って い る か 考 え た い ．こ れ ま で 述 べ た 通 り，触 覚 の+点 弁 別 能 は 最 も 鋭 敏 な 指 先 で も!/程 度 で あ る;+7<．し か し な が ら 対 象 物 表 面 を 撫 で る と いった よ う な ア ク ティブ タッチ を 行 う こ と に よって! の 粗 さ の 検 知 が 可 能 と な る ．能 動 的 触 察 で は な ぞ り 動 作 に よって 対 象 物 と 皮 膚 の 間 で ス ティッ ク・ス リップ 現 象 が 発 生 す る ．そ の た め 皮 膚 に 振 動 が 生 じ ，材 質 感 の 読 み 取 り に は 圧 覚 と 振 動 覚 の 機 械 受 容 器 が 関 与 す る と 井 野 ら は 報 告 し て い る;+"<． こ れ ら の こ と か ら ，本 研 究 で は ア ク ティブ タッチ に よって 対 象 物 表 面 を 滑 ら せ た と き に 発 生 す る 摩 擦 力 と 振 動 を 呈 示 す る こ と に よって 材 質 感 の 呈 示 が 可 能 だ と 考 え た ．
材 質 感 を 識 別 す る 能 動 的 動 作 と し て は ，表 面 を な ぞ る 動 作 が 挙 げ ら れ る ． そ れ 以 外 に ，対 象 物 が 布 地 や 紙 の よ う な 薄 い 素 材 の 場 合 ，対 象 物 を こ す り 合 わ せ る 動 作 が 行 わ れ て い る ．以 下 で は そ れ ぞ れ の 動 作 に つ い て 述 べ る ．
な ぞ り 動 作
図+8に 示 す よ う な 対 象 物 の 表 面 を 指 先 で な ぞ る 動 作 は 一 般 的 に 様々な 対 象 物 に 対 し て 行 わ れ て い る ． こ の 動 作 の 場 合 ，通 常 は ひ と さ し 指 の 指 先 で 対 象 物 の 表 面 に 触 れ ，押 し 付 け 力 を 変 化 さ せ な が ら 左 右 に な ぞ る ．こ の 時 ， 指 先 の 皮 膚 と 対 象 物 表 面 の 間 で 発 生 す る 振 動 や 摩 擦 力 か ら 対 象 物 の 表 面 状 態 を 得 る こ と が で き る ．ま た ，押 し 付 け 力 と 指 先 の 沈 み 込 み 量 の 関 係 な ど か ら 対 象 物 の コ ン プ ラ イ ア ン ス な ど を 得 る こ と が で き る ．
そ の た め ，な ぞ り 動 作 に よ る 材 質 感 を 呈 示 す る た め に は ，な ぞ り 動 作 を 行 い ，そ の 時 に 発 生 す る 摩 擦 力 と 振 動 を 呈 示 す る た め の 水 平 方 向 の 自 由 度 と ，指 先 の 押 し 付 け 力 に よって 変 化 す る 指 先 の 沈 み 込 み を 呈 示 す る た め の 垂 直 方 向 の 自 由 度 が 必 要 に な る ．
Tracing
% +/ * ,-
こ す り 合 わ せ 動 作
対 象 物 が 布 地 や 紙 の よ う に 薄 い 素 材 の 場 合 ，図+8に 示 す よ う に 対 象 物 同 士 を こ す り 合 わ せ て 材 質 感 を 読 み 取 る 動 作 が し ば し ば 行 わ れ る ． こ の よ う な 材 質 感 の 読 み 取 り 方 法 の 場 合 ，一 般 的 に 親 指 と ひ と さ し 指 で 対 象 物 を 挟 み こ す り 合 わ せ る 動 作 を 行 う．そ し て ，ス ティック・ス リップ 現 象 が 対 象 物 同 士 の 接 触 面 で 発 生 す る ．こ す り 合 わ せ 動 作 で は 対 象 物 を 指 先 で つ ま む 必 要 が あ る た め ，対 象 物 は 布 地 や 紙 の よ う な 薄 い 素 材 で あ る 必 要 が あ る ．し か し な が ら ，薄 い 構 造 の た め ，垂 直 方 向 の 変 位 は 小 さ く，無 視 で き る と 考 え る と す べ り が 発 生 す る 方 向 の!自 由 度 の み に よって 材 質 感 の 呈 示 が 可 能 だ と 考 え ら れ る ．
本 研 究 で は ま ず 布 地 の 材 質 感 呈 示 の た め ，こ す り 合 わ せ 動 作 に 焦 点 を 絞 り，研 究 を 行った ．本 呈 示 方 法 に つ い て は2章 ，1章 ，/章 で 述 べ る ．
そ し て ，8章 で は な ぞ り 動 作 の た め の+自 由 度 の 材 質 感 呈 示 装 置 を 開 発 し ， 材 質 感 の 呈 示 を 試 み た ．
% +8 * ,=-
