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-

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
5.　まとめ

第2節　皮膚機械受容器の構造
1.　機械受容器
2.　機械受容器の機能的分類
3.　機械受容器の構造
　3.1　自由神経終末
　3.2　メルケル細胞神経複合体
　3.3　マイスナー小体
　3.4　パチニ小体
　3.5　柵状終末

第3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4節　触覚の時空間知覚における情報統合
1.　皮膚感覚と自己受容感覚の脳生理学的基盤
2.　刺激の検出
3.　単一刺激による単純属性の知覚
　3.1　強度知覚
　3.2　周波数知覚
　3.3　時間知覚
4.　複数刺激の時間関係の知覚
　4.1　同時性判断
　4.2　位相弁別
5.　複数刺激の時空間関係の知覚
　5.1　刺激定位
　5.2　運動感
　5.3　運動方向判断
　5.4　順序判断
6.　時空間関係の相互作用
　6.1　複数運動の方向判断
　6.2　複数運動の順序判断
7.　対象属性の知覚
　7.1　粗さの知覚
　7.2　硬さの知覚
　7.3　凹凸面の知覚
　7.4　長さの知覚

第5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6節　温冷覚の知覚特性
1.　温度変化の検出メカニズム
　1.1　温冷覚受容器
　1.2　感覚伝導路
2.　心理物理学的知見
　2.1　知覚感度
　2.2　空間特性
　2.3　時間特性
3.　多感覚相互作用
　3.1　温冷覚と触覚の相互作用
　3.2　温冷覚と視覚の相互作用
　3.3　温冷覚と感情の相互作用

第7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8節　触覚テクスチャの材質感次元と知覚メカニズム
1.　材質感次元の調査手法
　1.1　主観データの取得方法
　1.2　多変量解析の手法
　1.3　試料の選定に関わる注意点
　1.4　形容詞の選定に関わる注意点
2.　材質感次元構成に関する研究例
3.　5種の材質感次元
　3.1　基本的な3種の次元:粗さ感(Roughness),硬軟感(Hardness),温冷感(Warmness)
　3.2　2種の粗さ感:マクロな粗さ感(Macro roughness, Coarse roughness)とファインな粗さ感(Fine roughness)
　3.3　摩擦感(Friction)
　3.4　5種の材質感次元
4.　5種の材質感次元の知覚メカニズム
　4.1　粗さの知覚メカニズム(Roughness/Smoothness)
　4.2　摩擦の知覚メカニズム(Friction)
　4.3　温冷の知覚メカニズム(Warmness/Coldness)
　4.4　硬軟の知覚メカニズム(Hardness/Softness)

第9節　触覚のオノマトペとその定量化
1.　オノマトペの音韻と触感の結びつき
2.　オノマトペの音象徴性による質感評価システム
3.　オノマトペによる触感カテゴリの可視化


第2章　触の錯覚
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～分解能を理解するために
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
3.　センサ応用:ロボットの指先への搭載

〔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〕　反射像を利用した触覚センサ
1.　原理
　1.1　反射を利用した特徴点の計測
　1.2　特徴点群移動情報を用いた表面形状計算
　1.3　アクティブセンシング
　1.4　実機への実装
2.　提案する計測方式の応用
　2.1　形状の自由度
　2.2　計測方式の自由度

〔11〕　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
4.　自己言及性と双方向性の組み込み
　4.1　自己言及性と双方向性
　4.2　自己言及性や双方向性をセンサに組み込む意義
　4.3　指装着型皮膚振動センサ
　4.4　双方向触覚鉗子

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FingerTPSTM
4.　シングル・エレメント触覚センサ
　Pressure Profile Systems社(米国)について

〔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

〔5〕　触覚の評価 -伸縮性,弾性,摩擦係数-
1.　触覚接触子
2.　TRILAB トライボマスター 静・動摩擦測定機 TL201Ts
3.　TRILAB トライボ解析ソフト
4.　加速度センサを用いたタッチパネルの手触り測定例
5.　肌の手触り測定例

〔6〕　指型・生体模倣触覚センサ
1.　生体模倣型触覚センサ
2.　テクノロジー
　2.1　力情報の計測
　2.2　振動情報の計測
　2.3　熱情報の計測
3.　BioTacの応用例


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
　1.1　触感提示システム
　1.2　触感提示法の概要
2.　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.　文字の書き順付き提示
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〕　剪断力を利用したタッチスクリーン型触覚ディスプレイ
1.　はじめに
　1.1　錯覚を利用した平面上での凹凸感提示
　1.2　デプスマップからゲインの導出
　1.3　提案手法による提示実験
2.　振動を利用した平面上でのテクスチャ感提示
　2.1　振動記録手法
　2.2　提示における振動方向の制御
　2.3　振動再生手法
　2.4　リアリティの評価実験
3.　凹凸とテクスチャの同時提示

〔8〕　視覚障害者用ハプティクエイド(Haptic Aid)
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

〔9〕　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

〔10〕　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

〔11〕　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

〔12〕　「触覚のAR」もしくは「可触化」技術
1.　触覚のARとは
　1.1　触覚のARの構成法分類
　1.2　可触化(Haptization)と触覚のAR
　1.3　触覚のARのための情報取得方法の分類
2.　触覚のARの具体的構成
　2.1　Feel-Through方式の触覚のARのためのハードウェア構成条件
　2.2　触覚のARのための装置:SmartTool
3.　触覚のARの利用
　3.1　インタフェース(境界面)に触るインタフェース
　3.2　触覚のARを利用した作業支援:特定領域の保護
4.　クロスモーダルを利用した触覚のAR
　4.1　Chewing JOCKEY:聴覚による食感操作

〔13〕　温冷覚の提示と応用
1.　温冷覚の提示技術
　1.1　皮膚温度を変化させる手法
　1.2　皮膚温度を変化させない手法
　1.3　知覚特性を利用した提示手法
2.　バーチャルリアリティ応用
　2.1　環境の再現
　2.2　接触物の触感再現
　2.3　温度変化情報の生成
3.　インタフェース/メディアアートへの応用
　3.1　情報提示
　3.2　メディアアート
　3.3　温冷覚の情動性に着目した音楽インタフェース


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

第3節　触覚と記号
1.　触覚と記号のかかわり
2.　アイコンとしての触覚提示
3.　インデックスとしての触覚提示
4.　シンボルとしての触覚提示


第6章　触覚技術の普及と教育への活用
第1節　テクタイル:触感表現の一般普及に向けた取り組み
　　　　-触感に親しむツールキットの開発とワークショップの実践-
1.　触感の3要素:モノ・身体・イメージ
2.　テクタイルツールキット
3.　ツールキットを利用したワークショップの実践
　3.1　触感表現ワークショップの構成
　3.2　触感表現ワークショップの実施例
　3.3　ワークショップ実施後の考察
4.　将来展望
　4.1　触感ムービーの制作とウェブサイトでの共有
　4.2　「触れる」を取り入れた教育
　4.3　触感をテーマとする対話の促進

第2節　触覚と身体性に関するボディワークショップを通した触覚教育とその普及
1.　触覚ボディワークショップ
2.　触覚ボディワークショップのデザイン
　2.1　プレワークショップの例
　2.2　メインワークショップ
3.　触覚教育とその普及
　3.1　触譜
　3.2　触譜を用いた触覚教育“触れきかせ”ワークショップ
4.　触覚教育と普及に向けて