Transcript 振動による材質感提示が 把持操作に及ぼす影響

材質感提示のための振動を用いた
力覚インタラクション環境の提案
電気通信大学大学院 松野・長谷川研究室
池田 有冬 ・ 長谷川 晶一
力覚インタラクション

実世界での物体操作
→ 物体と手の間に働く力(＝力覚)を利用

バーチャルリアリティ世界での物体操作

現実に近い感覚
→ 力覚の提示
器用な物体操作が可能
従来の力覚インタラクションの問題点

提示可能な物体の硬さ

力覚提示の更新周期が一般的な周期(１kHz)では提示可能
なバーチャル物体の硬さに限界


実世界の物体に比べて柔らかい
実世界での硬さ認知の手掛かり
指先位置の制御(抗力による形状提示)
 再現されていない実世界での現象

指先の接触面積変化
接触物体の固有振動

高周波更新による力覚レンダリング
東京工業大学 赤羽克仁、小池康晴、佐藤誠
物理シミュレーション
 映像提示
⇒ １kHz更新

提示する力覚の計算
⇒ １０kHz更新




１kHz更新よりも高インピーダンスな仮想壁の提示が可
能
映像提示と力覚提示のマッチングの問題
高周波更新可能なデバイスが必要
指先接触面積の変化
東京農工大学 池田義明、藤田欣也

現実世界での現象
指先の接触面積の
変形を再現
従来の力覚提示
指先接触面積を変化させる
力覚提示


リアリティのある柔らかい物体を表現
指先の接触面積を変化させるデバイス
⇒特殊なデバイスが必要
力覚インタラクションの構成
3次元コンピュータ
グラフィックス
映像提示
力覚インタフェース
力覚レンダリング
物理シミュレーション
•物体の運動を生成
•提示する力覚の
計算
•ユーザの入力
•力覚の提示
物体の固有振動再現
Allison.M.Okamura

接触時に起きる
物体の振動を提示

振動によって材質の違いが
表現可能
力覚インタフェースで提示可能
⇒特殊なデバイスを必要としない
力覚インタラクション環境への適
用はなされていない


目的

実世界環境に近い、バーチャル世界の力覚インタラク
ション環境を構築
 特殊なデバイスが必要ない
 実世界での現象を再現

提案手法



力覚インタラクション環境内で物体の固有振動を再現
固有振動を再現することにより硬さ表現を行う
振動を提示することによる人の知覚変化の評価
提案手法

抗力提示
バネ・ダンパモデルによる計算
Fn   Kx  Bv
K : バネ係数、
B : ダンパ係数
X : 物体への侵入量、 V : 接触時のポインタの速度
力
6
抗力
床位置
5
4
3
X
2
F
1
0
-1
時間
提案手法

固有振動の再現
振動のモデル化(Allisonら)
物体に触れた瞬間に起きる振動をモデル化
Q(t )  vet sin(t )
Q : 提示力の変化、 α : 振幅係数、 β : 減衰係数
V : 接触時のポインタの速度、 ω : 材質ごとの角速度
t : 接触開始時刻からの経過時間
振動
提案手法
力覚レンダリング
力
力
6
6
6
5
5
5
4
4
4
3
3
2
2
1
1
1
0
0
0
-1
-1
-1
X
3
F
2
X
X
F+V
V
時間
バネ・ダンパモデルによる抗力 Fn
提示する力振動モデルによる変化量
F
Q
提示力 F = 抗力 Fn + 振動による変化量 Q

振動を力として提示することで力覚インタフェースで提示可能
時間
評価システムの構築

提示デバイス
力覚インタフェース
SPIDAR
佐藤誠(東京工業大学)
糸とモータによるパラレル機
構
 グリップに取り付けられた糸
を引くことで、ユーザに力を
提示
 目的に応じて、モータの数、
取り付け位置を変更可能

6自由度力覚インタフェース
SPIDAR-G
実験
SPIDARの振動伝達特性

目的 ： モータが糸を介して、どの程度の振動を伝搬
するのか調べる

内容




モータから伸びる糸の先に力センサーを固定
ファンクションジェネレータにより、交流電流を入力（1.2A）
糸の張力変化を測定
条件

使用した力センサー ：
PCB製 PIEZOTRONICS Model No.208C01
実験結果
入力電流と測定データの
位相差 [度]
360
300
240
180
120
60
位相おくれ
0
1
10
100
1000
10000
周波数 [Hz]
0.6
0.5
測定データ [N]
0.4
0.3
0.2
最小値
0.1
最大値
0
-0.1
1
10
100
-0.2
-0.3
1000
10000
糸の張力変化
周波数 [Hz]
考察
100Hz以降、共振が周期的に発生


実験中、糸が横波に振動 → 糸の共振
共振が起きている周波数帯では糸の
張力が非常に小さい
→ 共振が起きている周波数帯では振
動提示は不可
SPIDARは断続的であるが２kHz程度
までの振動を提示できる
360
300
240
180
120
60
0
1
100
10000
周波数 [Hz]
位相おくれ
測定データ [N]

入力電流と測定データ
の
位相差 [度]

0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
1
10
100
1000 10000
周波数 [Hz]
最小値
最大値
糸の張力変化
実験
振動提示による知覚変化
目的 ： 振動を提示したとき、人がどのように知覚して
いるのか調べる
 内容
• 提示されている壁の硬さを振動なしバネ係数で評価
• ７種類の評価刺激をランダムに、各５回ずつ回答

評価刺激
(バネ係数一定＋振動)
調節したバネ係数
(バネ係数変化＋振動無)
バネ係数
調節
実験

振動提示による知覚変化
条件

評価刺激 ・・・ 基準となる硬さ ７種類
・2N/mm ･0.3N/mm+振動A ･0.3N/mm+振動B ･
1N/mm+振動A
･1N/mm+振動B ･2N/mm+振動A ･2N/mm+振動B
振動A(アルミ) ： α : -1500、 β : 90、 ω : 300
振動B(木)
： α : -750、
β : 80、 ω : 100

調節法 ・・・ バネ係数 ±0.1N/mm
s
1

ダンパ係数 ・・・ 10N/mm・

被験者にはヘッドホンを用いてピンクノイズ
実験結果
振動別平均
調節したバネ係数 [N/mm]
振動無
アルミ
木
A
B
C
A
B
C
A
B
C
D
E
F
D
E
F
D
E
F
14
14
14
12
12
12
10
10
10
8
8
8
6
6
6
4
4
4
2
2
2
0
0
2
0
0.3
1
2
評価刺激 [N/mm]
0.3
1
2
考察

振動を提示すると固く感じる


硬さの知覚に振動が関わっている
振動の違いによって感じる硬さが変化


振動提示による知覚変化
振動によって材質感提示が可能
硬さの知覚に個人差
被験者A、C : バネ係数ベース
 被験者B、D、E、F : バネ係数・振動全体

アルミの振動では被験者間の差が大きい
 木の振動では被験者間の差が小さい



バネ係数による硬さとの差が大きくなると個人差が大きくなる
アンケートの結果からバネ係数が小さい時の振動提示に
違和感
まとめ

力覚インタラクション環境下で物体の固有振動を再現
抗力に振動による変化量を足し合わせ、力として提示
 特殊なデバイスを必要としない


振動を提示することで硬さの知覚が変化
振動を提示することで硬く感じる
 振動の違いによっても変化

展望

材質感を提示するための振動の作成
実物体での振動測定
 パラメータの設定


タスク実験による評価

振動による硬さ提示が及ぼす操作性への影響