能動触時の触感覚向上機能の実現とVR触診訓練システムの開発

• Project/Area Number: 23K20383
• Project/Area Number (Other): 20H04227 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 61020:Human interface and interaction-related
• Research Institution: Nagaoka University of Technology (2024); Kyoto University (2020-2023)
• Principal Investigator: 遠藤 孝浩 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (70432185)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 触力覚 / 触感覚向上 / 確率共鳴 / 技能訓練 / バーチャルリアリティ

Outline of Research at the Start

触診手技をはじめ、手指を動かし対象を触ることでそれを知覚する能動触を行う技能は多い。ここで手指の触知覚能力の向上は、能動触の効果を大いに高める可能性がある。本研究の目的は、確率共鳴現象を応用し、能動触時における複数指先の触感覚向上機能を実現することである。そしてその触感覚向上機能を利用し、学習者が訓練支援用の触覚情報を感度良く得ることができるVR触診訓練システムを構築することである。

Outline of Annual Research Achievements

触診手技をはじめ、手指を動かし対象を触ることでそれを知覚する能動触を行う技能は多い。ここで手指の触知覚能力を向上できれば、能動触の効果を大いに高める可能性がある。本研究の目的は、確率共鳴現象を応用し、能動触時における複数指先の触感覚向上機能を実現することである。そしてその触感覚向上機能を利用し、学習者が訓練支援用の触覚情報を感度良く得ることができるVR触診訓練システムを構築することである。本年度の研究実績としては、複数指先を用いたしこりの有無を高検出できる触感覚向上機能の実現を検討した。また、触感覚向上機能を有するVR触診訓練システムの実現に向けた、能動訓練法の検討を行った。
本研究における確率共鳴現象を用いた指先触知覚向上では、指先から離れたノイズ提示部に、機械的ノイズを与える。このノイズが指先における外部からの刺激に重畳し、その刺激を感度良く検知できる。一方、タスクによって指先で使用する機械受容器は異なり、タスクに寄与する機械受容器のみを活性化するノイズ帯域をもったノイズを用いることで、確率共鳴の効果が高められることを、これまで明らかにした。特に、しこりには様々な種類があり、複数指を用いて触診をする際、しこりによって指に発生する力やそれにより生じる振動の周波数は異なる。これまで研究開発してきた複数指先における能動触感覚向上機能と、特定のしこりを検知するのに寄与する受容器を選択的に活性化するノイズ帯域幅提示法を組み合わせ、複数指を用いたしこりの高検出化機能の可能性を検討した。また、昨年度まで研究開発してきた訓練支援用力情報を提示可能なVR触診訓練システムを用いた、訓練法の確立を目指した。特に、前述の指先触知覚向上機能を有しつつ、訓練支援用情報として、熟練者と初学者の動作の誤差を提示し、初学者が誤差を打ち消すように訓練する能動訓練を検討した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、（１）複数指先における能動触感覚向上機能の構成法、（２）指先における2つの力の差（力の変化）に対する能動触感覚向上機能の構成法、（３）触感覚向上機能を有するVR触診訓練システムの検証について研究開発を行い、研究目的の達成を目指している。交付申請書における本年度の目標は、（２）に関しては、複数指先を用いたしこりの有無を高検出できる触感覚向上機能の実現を目標としていた。また（３）に関しては、能動訓練法の研究を行う計画であった。現在までの各項に対する進捗は、以下の通りである。
複数指先を用いたしこりの有無を高検出できる触感覚向上機能の実現に関しては、複数のしこりを指で触診した際に、指に生じる力の周波数を計測した。そして計測した力の周波数データから、その力の検知に特化したノイズ帯域幅の解明をおこなった。そして、これまで研究開発してきた複数指先における能動触感覚向上機能に対して、そのノイズ帯域をもった機械ノイズを用いることで、しこりの高検出化機能の可能性を検討した。さらに実験を通し、提案手法の有効性を示した。また能動訓練法に関しては、昨年度まで研究開発してきた訓練支援用力情報を提示可能なVR触診訓練システムを用い、前述の指先触知覚向上機能を有しつつ、訓練支援用情報として、熟練者と初学者の動作の誤差を提示し、初学者が誤差を打ち消すように訓練する能動訓練を検討した。このように、現在までの進捗状況は、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策として、触感覚向上機能を有するVR触診訓練システムの検証として、受動訓練法および能動訓練法に関するVR触診訓練法の検討を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Two-finger Stiffness Discrimination with the Stochastic Resonance Effect (2024)
  • Author(s): Chamnongthai Komi、Endo Takahiro、Matsuno Fumitoshi
  • Journal Title: ACM Transactions on Applied Perception Volume: 21 Issue: 2 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1145/3630254
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Band-Limited Vibrotactile Noise Enhances Fingertip Haptic Sensation (2024)
  • Author(s): Chamnongthai Komi、Li Zhu、Endo Takahiro
  • Journal Title: Journal of Computing and Information Science in Engineering Volume: 24 Issue: 6
  • DOI: 10.1115/1.4064651
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancing Fingertip Tactile Sensitivity by Vibrotactile Noise and Cooling Skin Temperature Effect (2023)
  • Author(s): Endo Takahiro、Kim Dong-Hwan、Chamnongthai Komi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Haptics Volume: 16 Issue: 3 Pages: 391-399
  • DOI: 10.1109/toh.2023.3299575
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-finger stiffness discrimination of a virtual object with haptic sensation enhancement via the stochastic resonance effect (2023)
  • Author(s): Komi Chamnongthai、Takahiro Endo、Fumitoshi Matsuno
  • Journal Title: Displays Volume: - Pages: 102429-102429
  • DOI: 10.1016/j.displa.2023.102429
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiple Remote Vibrotactile Noises Improve Tactile Sensitivity of the Fingertip via Stochastic Resonance (2021)
  • Author(s): Ikemura Shohei、Endo Takahiro、Matsuno Fumitoshi
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 9 Pages: 17011-17019
  • DOI: 10.1109/access.2021.3053297
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two-Dimensional Fingertip Force Training With Improved Haptic Sensation via Stochastic Resonance (2020)
  • Author(s): Chamnongthai Komi、Endo Takahiro、Matsuno Fumitoshi、Fujimoto Kenta、Kosaka Marina
  • Journal Title: IEEE Transactions on Human-Machine Systems Volume: 50 Issue: 6 Pages: 593-603
  • DOI: 10.1109/thms.2020.3022859
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Enhancement of fingertip haptic sensation by band-limited vibrotactile noise (2023)
  • Author(s): Takahiro Endo、Komi Chamnongthai
  • Organizer: The 9th IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of Fingertip Tactile Sensation Utilizing the Effect of Cooling Skin Temperature (2022)
  • Author(s): Dong Hwan Kim, Takahiro Endo, Fumitoshi Matsuno
  • Organizer: The 8th IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 確率共鳴現象による指先触知覚の向上システム (2021)
  • Author(s): 遠藤孝浩
  • Organizer: 2021年電気学会産業応用部門大会
• [Presentation] Enhanced Haptic Sensation by Effects of Stochastic Resonance when a Finger Touches an Object (2021)
  • Author(s): Chamnongthai Komi、Endo Takahiro、Matsuno Fumitoshi
  • Organizer: 2020年度 計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
• [Presentation] Enhancement of Haptic Sensation on Dominant and Non-dominant Hands for Stiffness Discrimination Task by Stochastic Resonance (2021)
  • Author(s): Chamnongthai Komi、Endo Takahiro、Matsuno Fumitoshi
  • Organizer: The 7th IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization (SAMCON2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stiffness Discrimination by Two Fingers with Stochastic Resonance (2020)
  • Author(s): Chamnongthai Komi、Endo Takahiro、Ikemura Shohei、Matsuno Fumitoshi
  • Organizer: EuroHaptics 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非利き手による 2 本指を用いた剛性弁別課題における確率共鳴の効果について (2020)
  • Author(s): チャンムノンタイ コーミー、遠藤孝浩、松野文俊
  • Organizer: 電気学会研究会 メカトロニクス制御研究会