2022 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding Tactile Functions that Contribute to Human Dexterity Based on Reproductions of Cutaneous Sensation with Real-time Simulation
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21H04542
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
昆陽 雅司 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (20400301)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐瀬 一弥 東北学院大学, 工学部, 准教授 (20805220)
永野 光 神戸大学, 工学研究科, 助教 (70758127)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 触覚ディスプレイ / 皮膚感覚 / マニピュレーション / 実時間シミュレーション / 多指力覚提示 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，指と対象物との接触を実時間で高速にシミュレーションし，分布触覚ディスプレイにより皮膚感覚を再現する触覚サイバー・フィジカル・システムを構築して，ヒトの把持・操り戦略を実証論的に調査することを目的とする．
まず，基盤技術の確立のために，1）世界最高水準の分布触覚提示技術，2）柔軟物体・複数接触・摩擦に対応した高速シミュレーション技術，3）皮膚感覚と力覚を独立提示可能な多指操作環境，に関して，以下の研究開発を行った．
1) 昨年度開発した32chの吸引触覚ディスプレイを用いて硬軟感の提示精度の向上を弁別実験および丁度可知差異の実験により確認した．また硬軟感の丁度可知差異を求め，2次元有限要素解析により吸引圧とSED分布の関係を求めるとともに，2点弁別閾および刺激閾の心理物理実験から，SED分布の知覚量の統合範囲および吸引刺激による再現法を導出した．さらに，多孔チューブを用いた省配線装置を試作した．
2) CT画像に基づき指モデルを作成し，商用解析ソフトおよび実験によりモデルの妥当性検証を行った．圧力分布の再現精度には課題があるが，剛体平面押し込み時の反力はよく再現した．計算機構成再検討により高速化し柔軟指モデル（節点数645）で高速計算（約100Hz）を達成した．
3) 冗長性を有する6自由度パラレルリンク型力覚ディスプレイについて，昨年度シミュレータ上での仕様検討が完了していた力覚ディスプレイの実機設計および製作を行った．また，モータおよびシミュレータとの通信周期をそれぞれ1kHzおよび100Hzで実現するインタフェースも併せて構築し，シミュレータとの通信に基づく動作確認を実施した．
また，知覚的「なじみ」の科学的実証と応用開拓を目指して，1指の力触覚統合ディスプレイを開発し，皮膚刺激と力覚による硬軟感の弁別能力を調査した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，基盤技術の確立を目指して，1）世界最高水準の分布触覚提示技術，2）柔軟物体・複数接触・摩擦に対応した高速シミュレーション技術，3）皮膚感覚と力覚を独立提示可能な多指操作環境，の各研究開発項目について，計画してしていた技術開発を行い，従来の吸引ディスプレイよりも硬軟の弁別性能の向上を確認することができた．さらに，触覚分野の国際会議AsiaHaptics 2023 Tokyo Sateliteで技術展示を行った力触覚統合ディスプレイが，Best Demonstration Award Silver Winnerを受賞し，その先進性が認められた．以上から，進捗状況は，概ね順調であると判断する．
以下に各項目の評価を述べる．
1）昨年度開発した32ch高解像吸引触覚ディスプレイの性能を実証することができた．本成果は触覚分野の有力国際誌IEEE Trans. on Hapticsに投稿し出版の準備をしている．また，2次元有限要素解析と心理物理実験を組み合わせてSED分布から知覚特性の基づく吸引刺激による再現法を導出することができた．
2) 柔軟物体把持の再現を目指し，まず指モデル作成とその妥当性評価に取り組んだ．ヒト指実験との比較では，圧力分布の計算誤差が大きく，モデルの形状，解剖学的構造， 材料特性の観点からの改良が必要となった．実時間計算については計算機構成を見直すことで高速化し，柔軟指モデルで約100Hzの計算を達成した．摩擦モデルには簡易実装を行ったが把持の再現には至らず引き続き取り組む．
3) 6自由度パラレルリンク型力覚ディスプレイについて，昨年度シミュレータで検討した可動範囲および提示力と設計仕様との関係に基づき，実機を製作した．提示力の制限から当初想定していたモータからの変更があったものの，複数台の製作が完了し，評価実験に向けた準備が進んだ．
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| Strategy for Future Research Activity |
触力覚統合ディスプレイによる硬軟感提示実験では，剛体指モデルでは，皮膚感覚提示の文献値に比べて，硬軟の弁別性能に及ばないことが確認されたものの，今年度開発した柔軟指モデルの導入により性能は改善すると期待される．
本年度開発したひずみエネル分布に基づく吸引刺激法のせん断力提示性能については，3次元柔軟指モデルの指形状の見直しも含めて，引き続き評価をおこなう．
また，物体把持時のSED分布の再現を目指し，解剖学的構造を考慮した3次元指モデルの開発と把持に対応可能な摩擦モデルの実装を行う，3指以上による把持シミュレーションに取り組む．また，引き続き並列処理による高速化を図るとともに，オフライン解析結果のデータを活用した実時間計算手法について検討する．3指での評価実験に向けて，単指での動作が確認されたディスプレイを拡張した力覚ディスプレイシステムを開発する．また，シミュレータとの併用による応用的な評価実験だけでなく，力覚ディスプレイ単体での定量的な基礎評価実験にも併せて取り組む．
知覚的「なじみ」の科学的実証と応用開拓に関しては，1指および多指を対象として，被験者が知覚的に「なじんでいる」と感じる把持状態に調整させ，対象物の剛性を変化させた際の把持状態の変化を抽出し，知覚的「なじみ」を生み出す皮膚感覚の情報処理の可能性について検証をおこなう．
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