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( A061 )

触覚認識メカニズムと応用技術-触覚センサ・触覚ディスプレイ-

触覚認識メカニズムと応用技術-触覚センサ・触覚ディスプレイ-

【監修】
下条 誠
前野隆司
篠田裕之
佐野明人

発刊日
2010年09月29日
体裁
B5判上製本 499頁
ISBN
978-4-907002-27-5
Cコード
3058
価格(税込)
64,800
( STbook会員価格(税込)STbook会員価格
61,508 円)


【絶版】



触覚認識メカニズムと応用技術
-触覚センサ・触覚ディスプレイ-【増補版】
 をご購入ください。



著者リスト

宮岡 徹 静岡理工科大学
北田 亮 自然科学研究機構
白土 寛和 慶應義塾大学
前野 隆司 慶應義塾大学
野々村 美宗 山形大学
望山 洋 筑波大学
佐野 明人 名古屋工業大学
下条 誠 電気通信大学
篠田 裕之 東京大学
大村 吉幸 東京大学
武縄 悟 神戸市立工業高等専門学校
多田 泰徳 名古屋工業大学
大岡 昌博 名古屋大学
神山 和人 電気通信大学
金子 真 大阪大学
日高 佑輔 慶應義塾大学
田中 由浩 名古屋工業大学
東 輝明 ニッタ(株)
坂本 富士見 (有)シスコム
河原 宏太郎 イナバゴム(株)
河邊 憲次 シーエムシー技術開発(株)
山本 晃生 東京大学
昆陽 雅司 東北大学
塩川 雄太 慶應義塾大学
梶本 裕之 電気通信大学
澤田 秀之 香川大学
韓 星民 立命館大学
竹内 伸 富士ゼロックス(株)
坂井 忠裕 NHK放送技術研究所
半田 拓也 NHK放送技術研究所
井野 秀一 (独)産業技術総合研究所
牧野 泰才 慶應義塾大学

趣旨

 「触覚」技術が脚光を浴び始めて久しい。近年は学会会場が満杯になるほどの活況を呈している。また、携帯端末、パソコン、家電、自動車、コスメティック、日用品、文房具、飲料、医療・福祉用品など、人が触る様々な製品に携わる産業界の方々からの「触覚」技術への引き合いが近年急増している。
 活況の理由としては以下のようなものが考えられる。ロボット分野においては、「痛み」「心地よさ」「接触状態」「固着・滑り状態」など、身体にとって基本的な情報を検出するためにロボットの全身に高度な触覚センサを配置する必要があるにもかかわらず、触覚センシング技術は発展途上にあった。その原因の一つとして、人間の触覚メカニズムの解明が、視聴覚メカニズムの解明に比べて萌芽的な段階にあったことがあげられる。また、作成が困難であったこともあげられる。バーチャルリアリティー分野においても、同様な構造が見られる。安全性、快適性、エンターテイメント性のために触覚技術が視聴覚と同様に重要と考えられるにもかかわらず、である。このため、未踏の触覚技術の「面白さ」が研究者・技術者を引き付けて止まないのである。
 産業界からの引き合いの急増も、同様な理由が考えられる。上述の携帯端末・・・の目的は、いずれも触覚ではなかった。携帯端末は視聴覚情報の伝達、自動車は移動、化粧品は見た目、飲料は味が重要であった。これら、製品のプライマリーな用途に関する研究開発が進展し、技術が飽和しつつある現在、新たな付加価値のチャンネルとして触覚技術が見直されているという側面がある。また、他の技術は飽和しつつあるのに対し、触覚技術は未開のフロンティアであるため、大きな可能性を秘めていると直感されるという側面もある。
 以上のような触覚技術への期待の高まりに伴い、計測自動制御学会システムインテグレーション部門に触覚部会が設立されるなど、学術界では、触覚関連技術は近年大きく進展した。しかし、触覚技術を学問として体系化するための試みはこれまで十分に行われてきたとはいえなかった。このため、初学者や実践技術者は、学会に参加したり専門的な論文を調査するなどの高いハードルをクリアしなければ触覚技術の全貌を理解できないのが現状であった。
 このような状況に初めて応えたのが本書である。すなわち、本書は、世界で初めて、人の触覚認識メカニズム(第1章)、触の錯覚(第2章)の基本から、触覚センサ(第3章)、触覚ディスプレイ(第4章)への応用、そして応用展望(第5章)まで、学術界から企業まで、技術のSEEDS(種)からNEEDS(必要性)まで、生理学、心理学、脳神経科学、計算科学から工学まで、様々な分野の内容を体系的・網羅的に述べたものである。しかも、入門書としての基礎的事項から、研究開発の最先端まで、32名に及ぶそれぞれの分野の第一人者が執筆している。このため、本書は、工学、心理学、脳神経科学、医学・生理学から製品開発、生産技術、マーケティング、デザイン、アートにわたる初学者から実践技術者、専門家まで、触覚技術に興味を持たれた様々な分野の技術者・研究者の方々にとって有益な内容に満ちていると信ずる。また、視聴覚や味覚・嗅覚などの他の感覚の研究者・技術者の方、感覚ではなく運動・行動・認知等の研究者・技術者の方にとっても、アイデアとヒントに満ちた本になったと信ずる。 (「はじめに」より抜粋)


目次

第1章 ヒトの触覚認識メカニズム
 第1節 触受容器と末梢における触覚情報処理
  1. 諸感覚中における触覚の位置
  2. 皮膚と皮膚感覚器
  3. 皮膚機械受容単位
  4. 皮膚機械受容単位の活動と触覚の心理物理学
  4.1 微小刺激法
  4.2 振動検出閾曲線
  4.3 触覚の分解能
  4.4 触テクスチャー知覚

 第2節 脳における触覚情報処理
  1. 体性感覚野
  1.1 1次体性感覚野 (Primary somatosensory cortex)
  1.2 2次体性感覚野(Secondary somatosensory cortex)
  2. 触覚の情報処理に関わるその他の大脳皮質
  2.1 振動刺激の弁別に関する研究
  2.2 後頭葉や下側頭葉も触覚の情報処理に関わる
  3. 触覚で物体の特徴を知るときの情報処理
  3.1 空間的な触知覚に関わる脳領域
  3.2 材質の触知覚に関わる脳領域

 第3節 触覚の数値シミュレーション
  1. 受容部の数値シミュレーション
  2. 知覚部の数値シミュレーション

 第4節 触覚の心理物理特性
  1. 触覚の心理特性
  2. 触覚の物理特性
  3. 触覚の心理物理特性のモデル化
  4. 素材別の心理物理特性

第2章 触覚の錯覚 
 第1節 触の錯覚:基礎編
  1. はじめに
  1.1 触の錯覚とは?
  1.2 重要文献
  2. 触の錯覚 Selected
  2.1 “魚の骨”模様が生み出す凹みの錯覚(Fishbone Tactile Illusion)
  2.2 回る棒の錯覚(Screw Thread Illusion)
  2.3 風合いの錯覚(Velvet Hand Illusion)
  2.4 やわらかさの錯覚
  2.5 触タイミングの錯覚
  2.6 身体像の錯覚(ゴム手鏡像錯覚)

 第2節 触の錯覚:応用編
  1. はじめに
  1.1 不可能を可能に
  1.2 第3のビールならぬ第3の触覚製品
  2. 触覚の増強と触覚コンタクトレンズ
  2.1 メリヤス編みの軍手による皮膚変形
  2.2 触覚コンタクトレンズ
  3. 触覚の操作と触覚ネイルチップ
  3.1 マニキュアによる爪変形
  3.2 触覚ネイルチップ
  3.3 指先の応力分布
  4. 触感の生成とソフトフィール硬質面

第3章 触覚センサ
 第1節 触覚センサの基礎(前半):センサの概要,および構造と機能
  1. ユーザが触覚に期待する分野・技術
  1.1 目的による分類
  1.2 主な応用による分類
  2. 触覚センサの難しさ
  2.1 触覚の他の感覚との違い
  3. 触覚センサの概要
  3.1 機能による分類
  4. 変換方式
  4.1 触圧覚センサ:力・電気量変換方式
  4.2 すべり覚センサ:すべり検出方式
  4.3 近接覚センサ:近接情報検出方式
  4.4 伝送方式
  5. これまで開発されてきた触覚センサの例
  5.1 触圧覚センサ
  5.2 すべり覚センサ
  5.3 近接覚センサ
  6. 触覚センシングで解決すべき問題
  6.1 自由曲面への装着
  6.2 多数の配線処理
  6.3 多方向力の検出
  6.4 すべりの検出
  6.5 高速応答性
  6.6 伸縮性
  6.7 触覚は接触しないと情報が取れない
  6.8 触感覚を計る
  6.9 標準的センサがない

 第1節 触覚センサの基礎(後半): センサの情報処理
  1. 皮膚の情報処理
  2. 完全触覚センサ
  3. 皮膚の3次元構造と複数受容器特性の利用~完全触覚センサは過剰性能
  4. 皮膚センサの分解能
  5. 触覚特徴抽出機構の工学的実現例
  6. 計測精度
  7. 方向の検出と摩擦特性の知覚
 
 第2節 触覚センサの実例
 〔1]触覚センサのモジュール化
  1. 背景
  2. 触覚センサ実装上の課題
  3. 触覚センサモジュール
  4. 触覚センサモジュールの実現
  4.1 光拡散方式の触覚センサ
  4.2 リアルタイム通信システム
  5. 触覚センサモジュールの適用例

 〔2〕網目状触覚センサ
  1. センサの構造
  2. センサの原理
  2.1 基礎方程式
  2.2 触覚エレメントの位置座標
  2.3 境界条件
  2.4 電流分布に関する一次モーメント
  2.5 荷重分布の中心位置
  3. 触覚エレメントの配置法
  4. 試作したセンサ
  5. 試作した触覚エレメント
  6. 2次元状近接覚センサ

 〔3〕磁気式触覚センサ
  1. 磁気式触覚センサの原理
  2. 永久磁石とチップインダクタで構成した磁気式センサ
  3. 実施例

 〔4〕伸縮性のある触覚センサ
  1. リード線に伸縮性を持たせた触覚センサ
  1.1 導電性ゴムによるリード線の形成
  1.2 銀粒子導電性ペーストとPVDFフィルムを利用した伸縮性触覚センサ
  2. 触覚センサ素子に伸縮性を持たせた静電気式触覚センサ
  2.1 静電気式触覚センサの原理
  2.2 特性評価実験

 〔5〕ワイヤレス触覚センサ
  1. 2次元結合方式の周波数選択
  2. マイクロ波帯無線触覚システムの実現例
  3. 共鳴近接コネクタ
  4. RFID タグを利用したプロトタイプ

 〔6〕3軸触覚センサ
  1. 力学的意味
  2. 歴史
  3. 原理
  3.1 半導体形
  3.2 円柱触子-円すい触子形
  3.3 触子移動形
  3.4 CT利用形
  4. 情報処理
  4.1 プロダクションシステム
  4.2 ニューラルネットワーク
  4.3 確率共鳴
  5. ロボットへの適用
  6. 展望

 〔7〕ゲルフォース
  1. 原理
  1.1 マーカー位置の計測方法
  1.2 マーカー群移動情報を用いた力ベクトル場の計算
  2. 力ベクトル場の計測とセンサ性能
  2.1 力の大きさに関する性能
  2.2 力の角度に関する性能
  2.3 弾性体変形のヒステリシスと粘性
  2.4 センサ性能に影響を与える要素
  2.5 マーカー深さに関して


 〔8〕硬さ計測触覚センサ
  1. 直接硬さ計測と間接硬さ計測
  2. 力印加系と変位取得系
  3. 引きつれ効果を考慮した硬さ計測
  4. 順問題と逆問題

 〔9〕ヒトの触覚受容機構に学ぶ柔軟触感センサ
  1. 触感センサを用いた触感評価法
  2. 表面形状を表す特徴量
  3. 弾性を表す特徴量
  4. 摩擦特性を表す特徴量
  5. 触感センサの詳細設計
  6. 触感センサの性能評価
  7. 粗さ感の検出に関する評価
  8. 硬軟感の検出に関する評価
  9. 摩擦感の検出に関する評価

〔10〕触覚センサの産業・医療への応用
  1. 現場導入に向けて
  2. 産業応用-微小凹凸のセンシング
  2.1 研究背景
  2.2 指装着型触覚センサ
  2.3 介在物による感度強化
  3. 医療応用-硬さやぬめりのセンシング
  3.1 研究背景
  3.2 医療用機器に特有の課題
  3.3 バルーンの膨張現象を利用した触覚センサ

第3節 センサ製品
 〔1〕分布型触覚センサ
  1. フィルム式圧力分布センサ
  1.1 原理と特徴
  1.2 製品の事例
  2. 光ファイバー触覚センサ(KINOTEX)
  2.1 経緯
  2.2 原理・特徴
  2.3 トライアルキット
  2.4 今後の展開
  3. 三次元力ベクトル分布触覚センサ(GelForce)
  3.1 経緯
  3.2 原理・特徴
  3.3 デモキット
  3.4 今後の可能性
  4. これからの触覚センサ

 〔2〕フレキシブル静電容量型触覚センサと応用事例
  1. 原理と特徴
  2. 触覚アレイセンサ装置モデルT4000 & T6000
  3. ワイヤレス触覚測定システムFingerTPS
  4. シングル・エレメント触覚センサ

 〔3〕ナノコンポジット触覚センサ
  1. 触覚ゴムセンサの基本構造とナノ複合化
  2. 評価方法
  2.1 経時変化と応答性
  2.2 環境による特性変化
  2.3 耐久性と機械的特性

 〔4〕CMC(カーボンマイクロコイル)触覚センサ
  1. CMCのセンサ特性
  1.1 機械的特性
  1.2 電気的特性
  2. CMCを活用した触覚センサ
  2.1 CMC 触覚センサ素子と動作原理
  2.2 CMC 触覚センサ回路
  2.3 CMC 接近・接触センサ回路
  2.4 CMC センサ製品紹介

第4章 触覚ディスプレイ 
 第1節 触覚提示の物理
  1. 表面テクスチャ感の提示
  1.1 表面テクスチャ感提示の形態面からの分類
  1.2 テクスチャ感提示装置におけるアクチュエータ
  2. その他の触感要素
  2.1 硬軟感
  2.2 粘着感
  2.3 温度感

 第2節 触覚のレンダリング
  1. 触覚レンダリングのための一般論
  1.1 触覚の多様性と受容プロセス
  1.2 バーチャルリアリティとしての触覚ディスプレイ
  2. 選択的刺激法
  3. 触覚プリミティブの提示
  3.1 テクスチャ感のレンダリング
  3.2 硬軟感のレンダリング
  3.3 摩擦感のレンダリング

 第3節 触覚提示システムの実例
 〔1〕超音波振動子と力覚提示装置の統合に基づく複合触感提示法
  1. 複合触感提示法
  2. 触感提示システム
  3. 触感提示法の概要
  4. 複合触感提示法の有効性の検証

 〔2〕振動刺激への錯覚を用いた触覚ディスプレイ
  1. 振動刺激を用いた選択的刺激法
  2. 振動刺激を用いた圧覚の提示
  2.1 目的
  2.2 原理
  2.3 心理物理実験による検証
  2.4 有限要素解析を用いた触覚受容器活動の推定
  3. 振動刺激を用いた摩擦感の提示
  3.1 目的
  3.2 原理
  3.3 固着・滑り振動の近似モデル
  3.4 摩擦感の評価実験
  4. 応用研究
  4.1 触運動との連携:2 つのアプローチ
  4.2 ICPF アクチュエータを用いた装着型触感ディスプレイ
  4.3 携帯情報端末向けの触覚インタフェース

 〔3〕多様な触感のリアルタイム遠隔伝達システム
  1. 従来研究
  2. 触感伝達システムのコンセプト
  2.1 触感因子の選定
  2.2 触感伝達システムの構成
  2.3 通信遅延への対応
  3. 触感伝達システムの実装
  3.1 触覚センサ
  3.2 触覚ディスプレイ
  4. 粗さ因子の伝達
  4.1 伝達方法
  4.2 センシング法
  4.3 ディスプレイ法
  5. 摩擦因子の伝達
  5.1 伝達方法
  5.2 センシング法
  5.3 ディスプレイ法
  6. 硬軟因子の伝達
  6.1 伝達方法
  6.2 センシング法
  6.3 ディスプレイ法
  7. 各因子の刺激の統合
  8. 素材の弁別実験
  8.1 実験手順
  8.2 実験結果
  9. 実証デモンストレーション

 〔4〕電気触覚ディスプレイ
  1. 原理
  1.1 Activating Function
  1.2 パルス幅とパルス高さの関係
  1.3 陰極刺激と陽極刺激
  2. ハードウエア
  2.1 電圧-電流変換部
  2.2 スイッチング部
  2.3 電極と導電性ゲル
  3. 感覚の安定化
  3.1 ユーザによる明示的フィードバック
  3.2 ダイナミックレンジの拡大
  3.3 インピーダンスのフィードバック

 〔5〕静電気力による表面テクスチャ触感の提示
  1. 静電気力による触感提示
  2. フィルムを介したテクスチャ感提示
  2.1 装置構成
  2.2 テクスチャ感提示手法
  3. 振動センサとの統合による遠隔提示システム
  4. 透明電極によるタッチパネルディスプレイとの統合
  5. 実用への課題

 〔6〕微小振動子アレイを用いた触覚ディスプレイと触感覚の提示
  1. 触覚提示ディスプレイ
  1.1 触覚の高次知覚
  1.2 SMAアクチュエータ
  1.3 触覚の高次知覚を利用した提示デバイス
  2. 文字の書き順付き呈示
  3. パルス発生の確率密度制御による触感覚の提示
  3.1 パルス発生確率密度関数の利用
  3.2 提示テクスチャの要素評価
  3.3 実素材との比較評価
  4. 視覚と触覚の同時刺激によるテクスチャ提示システム
  5. タッチパネルへの実装

 〔7〕触覚情報処理特性から見た視覚障害者用ハプティクエイド
  1. Haptics Aids
  2. オプタコンと点字ディスプレイ
  3. 能動触と受動触による触覚(点字)ディスプレイ
  4. 言語情報と図形情報の触覚ディスプレイ

 〔8〕空中超音波触覚ディスプレイ
  1. 非接触で触覚を付与する方法
  2. 空中超音波触覚提示法の基本原理
  2.1 提示可能な圧力の上限
  2.2 提示可能範囲と空間分解能
  2.3 時間応答
  3. アプリケーション

 〔9〕触覚マウスの開発と応用
  1. デジタルドキュメントの進化とコンピュータのインタフェース
  2. 汎用触力覚インタフェースの実装形態の検討
  3. VCM方式触覚デバイスの製作と発生推力
  4. システム構成と制御方式
  5. アプリケーションと制御方式

〔10〕インタラクティブ触覚インタフェースと視覚障害者向けコンテンツの提示法
  1. 視覚に表現される情報と触覚提示技術
  1.1 データ放送のアクセス環境と視覚的コンテンツを伝えるための課題
  1.2 GUIナビゲーションと視覚的コンテンツの触覚提示とその必要性
  2. 触覚インタフェースとコンテンツ提示技術
  2.1 触覚ナビとコンテンツ提示技術
  2.2 インタラクティブ触覚ディスプレイとコンテンツ提示技術
  3. GUIナビゲーションや視覚的コンテンツの提示評価
  3.1 触覚ナビによる階層,表の探索評価
  3.2 触覚ディスプレイにおける抽象オブジェクト提示の評価

第5章 触覚技術の応用展望 
 第1節 福祉機器への応用展開
  1. 福祉工学と触覚技術
  2. 感覚代行と触覚
  3. 感覚代行の留意点
  4. 運動機能支援と触覚
  5. 指先皮膚の生体力学的特性
  6. 触覚刺激による伝達情報量
  7. 聴覚代行と触覚ディスプレイ
  8. 視覚代行と触覚ディスプレイ
  8.1 触覚ジョグダイアル
  8.2 触図ディスプレイ
  8.3 力覚コンパス
  9. 身体動作支援のためのソフトアクチュエータ

 第2節 触覚のニーズ分析からみた応用展開
  1. 触覚ディスプレイのアプリケーション
  1.1 触感ディスプレイのアプリケーション(基本情報をリアルに再現)
  1.2 触感ディスプレイのアプリケーション(基本情報をカスタマイズ)
  1.3 触感ディスプレイのアプリケーション(基本情報を異なる皮膚感覚情報に変換)
  1.4 情報ディスプレイのアプリケーション
  1.5 その他のディスプレイのアプリケーション
  2. 触覚センサのアプリケーション
  2.1 触感情報の調査
  2.2 検出した触感情報の利用
  2.3 触感情報の保存