博 士 （ 情 報 科 学 ） 森 友 揮
学 位 論 文 題 名
振動感覚特性を考慮したVibration Alert Interface の振動 提示方法
学位論文内容の要旨
近 年 で は ， 携 帯m話 等 の通 信 機 器 や ロボ ッ ト に お ぃて 触 感 提 示 や 感覚 フ ィ ー ド バッ ク な ど 触 覚を 利 用 し た 新 た な イ ン タ フ ェ ー ス の 開 発が 盛 ん に 行 われ て お り ， こ れに 伴 い 触 覚 に関 す る 研 究 ニー ズ が 高ま っ て い る ． 本論 文では 触覚 を利用 した情 報伝達 装置で あるVibration Alert Interface (VAl)の 振 動 感 覚 特 性 を 考 慮 し た設 計 に つ い て述 べ る.VAIは 手 持 ち 型の 振 動 デ バ イス で あ り ．VAIの 振 動 周 波 数 の 違 い を 利 用 し て ユ ー ザ に 情 報を 伝 達 す る 装置 で あ る ． 従 来の 振 動 に よ る情 報 提 示 は 振動 の ON/OFF制 御 に よ る も の で あ り ， こ れ は 危険 ・ 安 全 と いっ た 悄 欟 の 竹無 を 伝 え る も ので あ っ た の に 対 し，VAIで は振 動 周 波 数 を変 化 さ せ る こと で よ り 情 報 の有 無 だ けで はなく 。危険 度や距 離と いった 情 報の 内 容 を ユ ー ザに 伝 達 す る こと が 可 能 で あり ， 視 覚 ・ 聴覚 に よ る 情 報 伝達 が 困 難 な場合 でも 情 報 を伝 え る こ と が 可能 で あ る.VAIの 振 動に よ っ て ， ユー ザ に は 振 動 の周 波 数 や 強 度の 複 合感覚 であ る 振 動 感 覚 が 発 生 し ， この 振 動 感 覚 がVAIの 伝 える べ き 情 報 に対 応 す る こ とに な る ， こ の ユー ザ の 振 動感 覚 をVAIの 川 波 数 に より 制 御 す る こと で 情 報 を 伝 達す る が ，VAIは そ の 性ぬ 上 ， 正確 な 腑 鞭 を ユー ザ に 伝 達 す るこ と が 要 求 され る ． し か し，VAIが 同じ 周 波 数で 振動し た場合 でも様 々な 外乱に よ って ユ ー ザ の 振 動感 覚js‑定 に は を ら ずに 変 化 し ， 正 確を 情 報 を提 示でき ない事 が分か った ，そこ で 本 研 究 で はVAIの振 動 周 波 数 と ユー ザ の 感 じ る振 動 感 覚 の 関係 を 明 ら か にし ， 外 乱 に 対 する 振 動 感 覚の 変 化 と そ の 補正 方 法 を 提 案す る ．
本 論 文 で 扱 う 外 乱 は2つで あ る ，1つはVAIを把 持 す る 把 持 カで あ る.VAIは 手 持 ち増 ！ の デ バ イス で あ る 事 か らVAIを 握 る 把 持 カ の 変 化 が 振 動 感 覚 を 変 化 さ せ る要 因 と な り 得る ． 把 持 カ を 考慮 し た VAIの 設 計 で は ， 初 め にVAIを 周 波 数 に より 前 方 の 障 害物 と の 距 離 を伝 え る 歩 行 用 の障 害 物 警 告 装 置 と し て ， 周 波 数 に よ る振 動 感 覚 と 障害 物 ま で の 距 離の 関 係 を 求 める 実 験 を 行 った ． 被 験 者 にVAI を 把持 さ せ た 状 態 で， 提 示 さ れ た振 動 に 対 し て感 じ た 振 動 強度 か ら 想 像 す る障 害 物 ま での距 離を 口 答 させ る 尖 験 で あ り， そ の 結 果 ，VAIの 振動 川波 数と￠H離 は対数 の惻係 にあり ，脳 波数が ぬいほ ど近 い 距離 を 答 え た ． 把持 カ に よ る 振動 感 覚 の 変化を 調べる ために ，この 得ら れた距 離を被 験者に 教え た う えで ，VAIの振 動 か ら 距 離を 口 答 す る 実験 を 被 験 者 の 把持 カ を 変化 させを がら行 ったと ころ ．把持 カ に よ っ て 口 答 す る 距 離に 変 化 が 見 られ た ， す な わ ちVAIの 周波 数 が 一 定 でも ， そ の 時 の ユー ザ の 把 持カ に よ っ て 異 なる 情 報 と し て認 識 さ れ ること にをる ．さら に，把 持カ が強い ほど口 答した 距離 は 近 く， 把 拑 カ が 蝴 いほ ど 斟t離 は速 く な っ た囀か ら，VAIを 憶く把 持する と振動 を強 く感じ ること が分 か った ， こ の 要 因 とし て 皮 膚 の 変形 に 着 目 した． 皮膚中 には振 動を感 じる 受容器 （パチ 二小体 ）が 存 在 する が ， 皮 膚 の 変形 に よ っ て 皮膚 表 面 と パ チ二 小 体 と の 距離 が 変 化 す る こと で 振 動 の減衰 度合 い が 変化 し ， パ チ 二 小体 が 受 容 す る振 動 が 異 なる事 になる ．超音 波工コ ーに より把 持カと 皮膚表 面一 パ チ 二小 体 間 距 離 を 測定 し 定 式 化 した ． ま た ， 精神 物 理 学 の 法則 で あ るWeber・Fechnerの 法則を べー ス にし て ， 皮 膚 の 変形 や 皮 膚 中 の振 動 の 滅 衰 を考 慮 す る こ とで 把 持 カ が 変 化し た と き の周波 数補 正
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式 を 導 出 し た， こ の 周 波 数 補正 式 では 把持カ がパ ラメー タとを ってお り， 把持カ の変化 に応じ て．補 正 周 波 数 を 求め る こ と が で きる ． 補正 周波数 はあ る周波 数にお ぃて把 持カ が変化 したと きに． 振動感 覚 を 変 化 さ せな い た め の 周 波数 で あり ，この 補正 周波数 を用い て被験 者実 験を行 い．周 波数補 正式の 有 効 性 に つい て 確 認 し た． 補 正 実 験 では 被 験 者 の 把持 カ が 変 化 し たと き で もVAI補 正 周 波数 で 振 動 さ せる ことに より， 距離感 覚を， 一定 にする ことが でき， これ により 把持カ によら をい振 動による情報 伝 達を 可能に した．
2つ 目 の外 乱 は 振 動 感 覚の 順 応 で あ る． 視 覚 に お ける 明 順 応 ・ 暗順 応 の よ う に 人間 の 感 覚 に は順 応 が 存 在 し ， 触覚 に お ぃ て も 順応 に より 振動感 覚が 変化す ること が考え られ る，マ グニチ ュード 推定法 に よる 被験嶺 尖験に より，Ji[f応に よる振 動感 覚の変 化を＃W定 した． ここでいう振動感覚のmi応とは振 動 周 波 数 が 変化 し た と き に ，ユ ー ザが 感じる 変化 後の振 動感覚 が，変 化前 の振動 周波数 に影響 を受け る こ と を 意 味し て い る.VAIの 周 波 数を 変 化 前 周 波数 → 変 化 後 周波 数 と 変 化 さ せ，変 化後 周波数 の振 動 感 覚 を 口 答さ せ る こ と で 変化 前 周 波 数 が振 動 感 覚 に 与え る 影 響 を 測定 し た ． 実験結 果では 順応に よ っ て 振 動 感覚 に 変 化 が 現 れた ， 変 化 後 の周 波 数 が 同 一で も 変 化 前 の周 波 数 が 異なる ことで ，被験 肯 は 雛 を る 振動 と 認 識 し た ．っ ま り被 験帯の 振動 感覚は ，現在 振動し てい る周波 数だけ ではを く。過 去 の 周 波 数 にも 依 存 し て い るこ と に な る ，変 化 前 周 波 数が 高 い ほ ど ，変 化 後 の 周波数 をより 弱く感 じ ， 変 化 前 の周 波 数 が 低 い ほど 変 化 後 の 振動 を 強 く 感 じる こ と が 分 かっ た ， こ のよう に順応 によっ て 振 動 感 覚が 変 化 す る ため ，VAIに お ぃ て 正 確 な情 報 を 伝 達 する に は 順 応 を考 慮 し て 設 計を す る 必 要 が あ る ， 把持 カ に よ る 振 動感 覚 の変 化と同 様， 補正周 波数に より順 応の 影響を 補正す るが． 補正周 波 数 を 求 め るた め にJl呱応 に よ る 振動 感覚の 変化の モデル 化を行 った ，モデ ル化で は興罐 性二 ユー口 ン と 抑 制 性二1ー 口 ン から 構 成 さ れ る神 経 回 路 モ デル で あ るKI (Katagiri‑Aida model)モ デ ル を利 用 し たKI―VPA(Vibratory Perception Adaptation） モデル を提案 した， モデ ルの入 カを振 動周波 数と し ，1Hz毎に 各 二 ユ ー ロン が そ れ ぞ れ1回 ず っ 発 火す る ． 興 奮 性ニ ュ ー ロ ン は 正の方 向に 発火し 、抑 制 性 は 負 の 方向 に 発 火 ， さ らに 抑 制性 二ユー 口ン は興奮 性より 遅れて 発火 するた め，こ れによ り変化 曲 の 川 波 数 に依 イfす る 振動 感 党 の 特性を 表現す ること が可 能であ った． 讎適なIくI−VPAモ デルの バ ラ メ ー タ を 選択 し 行 っ た シ ミュ レ ーシ ョンで は， 順応に よる振 動感覚 の変 化を表 現する ことが でき、
さ ら に 実 験 結果 と ほ ば 一 致 する 結 果と をった ，ま た，ク ロスバ リデー ショ ンによ ルモデ ル化精 度を検 証 し た が ， 十分 を 精 度 で 順 応を モ デル 化でき るこ とが示 され， 順応に よる 振動感 覚の変 化をモ デルに よ り 表 現 す るこ と が 可 能 と をっ た.KI−VPAモ デル か ら 変 化 前周 波 数 に 応 じた 変 化後 の補正 周波数 を 求 め， わH正 川波 数を被 験彬に 提示し た補正 尖験 では変 化d6の川 波数 によら毅い，li弧応の影嚮を受けな い 結 果 が 示 さ れ 振 動 感 覚 の 順 応 に 対 し て ロ バ ス ト なVAIの 設 計 が 可 能 と な っ た ． 本 論 文 で は 振動 を 利 用 し た 情報 伝 達 装 置 であ るVibration Alert Interfaceの振 動強度 の設 計を行 っ た ． ユ ー ザ の特 性 を 考 慮 す るた め ，把 持カと 順応 による 振動感 覚の変 化を 明らか にし， モデル 化を行 い ， そ の 補 正手 法 を 提 案 し た， 補 正手 法の効 果は それぞ れ補正 実験に より 確かめ られ， 十分に 有効で あ り，VAIに おいて 外乱に よらを ぃ正 確な竹 欟伝辻 が尖現 した．
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学位論文審査の要旨 主査 准教授 田中孝之 副 査 教 授 金子 俊 一 副 査 教 授 山下 裕
学 位 論 文 題 名
振動感覚特性を考慮したVibration Alert Interface の振動 提示方法
近 年 で は， 携 帯 電 話 等 の通 信 機 器 や 口ボ ｀ ソ卜に おいて 触感提 示や 感覚フ ィード バック をど 触覚を 利用 し た 新 た をイ ン タ フ ェ ース の 開 発 が 贐ん に 行 わ れ て おり 、 こ れ に 伴い 触 覚 に 関 する 研究 ニーズ が高 ま っ て い る． 本 論 文では 触覚を 利用 した情 報伝達 装置で あるVibration Alert Interface (VAI)の 振 動 感 覚 特 性 を 考 慮 し た設 計 方 法 に つい て 述 べ る.VAIは 手 持ち 型 の 振 動 デバ イ ス で あ り、VAIの 振 動周 波 数 の 違 いを 利 用 し て ユー ザ に 情 報 を伝 達 す る 装 置 であ る ， 従 来 の振 動 に よ る 情報 提示 は振動 のON/OFF制 御 に よ る も の で あ り ， こ れ は危 険 ・ 安 全 とい っ た 情 報 の有 無 を 伝 え るも の で あ っ た の に対 し ，VAIで は 振 動 周波 数 を 変 化 さ せる こ と で よ り情 報 の 有 無 だけ ではな く、危 険度や 距離 といっ た情 報 の 内 容 をユ ー ザ に 伝 達す る こ と が 可能 で あ り ， 視 覚・ 聴 覚 に よ る情 報 伝 達 が 困難 を場 合でも 情 幸 臣 を 伝 え る こ と が 可能 で あ る.VAIの 振 動に よ っ て 誘 起 され る ユ ー ザ の振 動 感 党 がVAIの 伝 え る 情 報 に 対 応 す る こ と に な り ， こ の 振 動 感 覚 をVAIの 周 波 数 を 制 御 す る こ とで 情 報 を 伝 達す る.VAI はそ の 性 質 上 ，正 確 な 情 報 をユ ー ザ に 伝 達す る こ と が 要 求さ れ る が，VAIの 意図す る情報 が一 定であ り ，VAIが 同 じ 周 波数 で 振 動 し た場 合 で も 様 々 を外 乱 に よ っ てユ ー ザ の 振 動感 覚 が 一 定 には な ら ず に 変 化 し ， 正 確 な 情 報 を提 示 で き な ぃ事 が 分 か っ た． そ こ で 本 研 究で はVAIに よ る 情 報 伝達 に お い て 外 乱 に 対 す る 振 動 感 覚 の 変 化 を 明 ら か に し 、 そ の 補 正 方 法 を 提 案 す る ． 本 論 文 で 扱 う 外 乱 は2つ で あ る ．1つ はVAIを 把 持 す る 把 持 カ で ある.VAIは 手 持 ち 型 の デバ イ ス で あ りVAIを 握 る 把 持 カ の 変 化 が 振 動 感 覚 を 変 化 さ せ る 要 因 と な り 得 る ． 把 持 カ を 考慮 し たVAI の 設 計 で は ， 初 め にVAIを 周 波 数に よ り 前 方 の 障害 物 と の 距 離を 伝 え る 歩 行者 用 の 障 害 物警 告 装 置 と し て ， 周 波 数 に よ る 振動 感 覚 と 障 害物 ま で の 距 離の 関 係 を 求 め る実 験 を 行 っ た， 被 験 者 にVAIを 把持 さ せ た 状 態で ， 提 示 さ れた 振 動 に 対 して 感 じ た 振 動 強度 か ら 想 像 する 障 害 物 ま での 距離 を口答 させ る 実 験 で あり ， そ の 結 果，VAIの 振動 周 波 数 と 距離 は 対 数 の 関係 にあり ，周波 数が高 いほ ど近い 距離 を 答 え た ．把 持 カ に よ る振 動 感 覚 の 変化 を 調 べ る た めに ， こ の 得 られ た 距 離 を 被験 者に 教えた うえ で ，VAIの 振 動 か ら距 離 を 口 答 す る実 験 を 被 験 者の 把 持 カ を 変化 させな がら行 ったと ころ ．把持 カ に よ っ て 口 答 す る 距 離に 変 化 が 見 られ た ． す な わちVAIの 周波 数 が 一 定 でも 、 そ の 時 のユ ー ザ の 把持 カ に よ っ て異 を る 情 報 とし て 認 識 さ れる こ と に な る ，さ ら に ， 把 持カ が 強 い ほ ど口 答し た距離 は近 く ， 把 持 カが 嚠 い ほ ど 距離 は 速 く を った ｜Hから，VAIを強く 把持す ると振 動を強 く感 じるこ とが 分か っ た ． こ の要 因 と し て 皮膚 の 変 形 に 着目 し た ， 皮 膚 中に は 振 動 を 感じ る 受 容 器 ・パ チ二 小体が 停在 す る が ， 皮膚 の 変 形 に よっ て 皮 膚 表mjと ′ヾチ 二小体 との距 離が 変化す ること でパチ 二小 体に到 達す る 振 動 の 減衰 度 合 い が 変化 し ， パ チ 二小 体 が 受 容 す る振 動 が 異 な る事 に な る ， 超音 波エ コーに より 把 持 カ と 皮膚 表 面 ― パ チ二 小 体 間 距 離を 測定 し定式 化を行 った． また ，精神 物理学 の法則 である Weber・Fechnerの 法 則を べ ー ス に し て， 皮 膚 の 変 形や 皮 膚 中 の 振動 の 減 衰 を 考慮 す る こ とで把 持カ が変 化 し た と きの 周 波 数 補 正式 を 導 出 し た． こ の 周 波 数 補正 式 で は 把 持カ が パ ラ メ ータ とを ってお
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り 、 把 持カ の 変 化 に 応じ て ， 補正周 波数を 求める ことが でき る．補 正周波 数はあ る周 波数に おいて 把 持 カ が 変化 し た と き に， 振 動 感覚を 変化さ せをい ための 周波 数であ り，こ の補正 周波 数を用 いて被 験 者 実 験 を行 い ， 周 波 数補 正 式 の有効 性につ いて確 認した ．補 正実験 では被 験者の 把持 カが変 化した と き で もVAIを 補 正 周波 数 で 振 動 させ る こ と に より ， 距 離 感 覚を 一 定 に す る こと が で き ， これ に より 把持 カに よらな い振動 による 情報伝 達を 可能に した．
2つ 目 の 外 乱 は 振動 感 覚 の 順 応で あ る ． 視 覚に お け る 明 順応 ・ 暗 順 応 の よう に 人 間 の 感覚 に は順 応 が 存 在し ， 触 覚 に おい て も 順応に より振 動感覚 が変化 する ことが 考えら れる． マグ ニチュ ード推 定 法 に よ る被 験 者 実 験 によ り ， 順応に よる振 動感覚 の変化 を測 定した ．ここ でいう 振動 感覚の 順応と は 振 JJN波 数 が 変化 し た と き に，ユ ーザが 感じ る変化 後の振 動感覚 が， 変化ndの 振動川 波数 に影響 を受 け る こ とを 意 味 し て いる.VAIの周 波 数 を 変 化前 周 波 数 → 変化 後 周 波 数 と変 化させ ，変化 後周波 数の 振 動 感 覚を 口 答 さ せ るこ と で 変 化 前 周波 数 が 振 動 感覚 に 与 え る 影響 を 測 定した ．実 験結果 では順 応 に よ っ て振 動 感 覚 に 変化 が 現 れた． 変化後 の周波 数が同 一で も変化 前の周 波数が 異な ること で，被 験 者 は 異 なる 振 動 と 認 識し た ， っまり 被験者 の振動 感覚は ，現 在振動 してい る周波 数だ けでは なく， 過 去 の 周 波数 に も 依 存 して い る こ と に なる ， 変 化 前 周波 数 が 高 い ほど ， 変 化後の 周波 数をよ り弱く 感 じ ， 変 化前 の 周 波 数 が低 い ほ ど 変 化 後の 振 動 を 強 く感 じ る こ と が分 か っ た．こ のよ うに順 応によ っ て 振 動 感覚 が 変 化 す るた め ，VAIに お い て 正 確な 情 報 を 伝 達す る に は 順 応 を考 慮 し て 設 計を す る必 要 が あ る． 把 持 カ に よる 振 動 感覚の 変化と 同様， 補正周 波数 により 順応の 影響を 補正 するが ，補正 周 波 数 を 求め る た め に 順応 に よ る 振 動 感覚 の 変 化 の モデ ル 化 を 行 った ， モ デル化 では 興傭性 二ユー 口 ン と 抑 制性 ニ ュ ー ロ ンか ら 構 成 さ れ る神 経 回 路 モ デルで あるKI (Katagiri―Aida model)モデル を利 用し たlくII‑VIA(Vibratory Perception Adaptation） モデル を提案した，モデルの入カを振動周波数と し ．1Hz毎 に 各 二 ユー ロ ン がそ れぞ れ1回 ずつ 発火す る．． 興奮性 二ユ ー口ン は正の 方向に 発火し ，抑 制 性 は 負の 方 向 に 発 火， さ ら に抑制 性ニュ ーロン は興奮 性よ り遅れ て発火 するた め， これに より変 化 前 の 周 波数 に 依 存 す る振 動 感 覚 の 特 性を 表 現 す る こと が 可 能 で あっ た ． 最適なKI‑VI）Aモデル のパ ラ メ ー タを 選 択 し 行 った シ ミ ュレー ション では， 順応に よる 振動感 覚の変 化を表 現す ること ができ ， さ ら に 実験 結 果 と ほ ば一 致 す る結果 となっ た，ま た，ク 口ス バリデ ーショ ンによ ルモ デル化 精度を 検 証 し た が， 十 分 を 精 度で 順 応 をモデ ル化で きるこ とが示 され ，順応 による 振動感 覚の 変化を モデル に よ り 表現 するこ とが 可能と をった ．1くI‑VPAモデル から 変化nイ周 波数に 応じた 変化後 の棚 正川波 数を 求 め ． 補正 周 波 数 を 被験 者 に 提示し た補正 実験で は変化 前の 周波数 によら をい， 順応 の影響 を受け を い 結 果 が 示 さ れ 振 動 感 覚 の 順 応 に 対 し て ロ バ ス ト なVAIの 設 計 が 可 能 と を っ た ． 以 上を要 する と，著 者は振 動を利 用し た情報 伝達装 置であ るVibration Alert Interfaceの振 動強 度 の 設 計 を行 っ た ， そ の上 で ， ユーザ の特性 を考慮 した設 計を 行うた め，把 持カの 変化 と順応 による 振 動 感 覚 の変 化 を 明 ら かに し ， そのモ デル化 を行っ た．モ デル から把 持カや 順応に 応じ て変化 する補 正 周 波 数 を求 め ， 補 正 周波 数 で 振 動 さ せた 補 正 実 験 では 把 持 カ の 変化 や 順 応に対 して 口バス トを振 動 感党 を提 示でき ，その 付効性 を確認 して いる，
本 研究 は 触 覚 に よる 情 報 伝 達 にお い て ， 外 乱に よ る 振 動 感 覚の 変 化 とそ の補 正方法 を提案 した点 に お い て新 規 性 がI齬く ， ま た，研 究成 果はVAIだけ ではな く，近 年， 開発の 艤んな 触覚イ ンタフ ェー ス に 応 用す る こ と で その 発 展 に寄与 できる もので ある． よっ て，著 者は北 海道大 学博 士（情 報科学 ） の学 位を 授与さ れる資 格があ るもの と認 める，
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