発表資料

触覚・触感に関わる計測技術
東北大学
東北大学
大学院
教授
大学院
准教授
医工学研究科
田中真美
工学研究科
奥山武志
1
触覚とは・・
五感の一つ
皮膚を通して感じる機械的刺激（圧力、暑さ、寒さ、痛みなど）
皮膚：最も大きな感覚器官
（最も大きな感覚器：成人は平均1.8平方メートル、4kg）
外皮機能は胎児9週目から、赤ん坊は手や口で判断
触れることは能動的かつ受動的
○自分からモノに触れる
○衣服を着る、虫が触る
作用反作用の法則に支配される
⇒ 相手の変形等の情報も必要（他の感覚と異なる）
⇒ 記録・再生技術が困難
ヒトの皮膚無毛部の触覚受容器
（G. M. Shepherd, Neurobiology改訂）
自由神経末端
パチニ小体
メルケル盤
マイスナー小体
種類
温度、痛み
接触ー振動
接触ー圧
接触ーゆらぎ
反応刺激
冷たさ、つままれ
た痛み、温かさ、
ひりひり（した痛
み）
圧・振動
（250～300Hz)
接触・圧
接触・振動
（30～40HZ)
順応性
とても遅い
とても速い
遅い
速い
触覚・触感
触覚：五感の一つ、人間の生活において必要不可欠な感覚、他の感覚と違い大きな面
積のため機能全てを失うことはほとんどない。⇒ 他の感覚の代わりになりうる
ヒトの指：
触れるだけでなく撫でる
擦るなどの動作
感性量（質感・手触り感）
等の情報を収集が可能
皮膚感覚器官と同様の
反応をするセンサ素子
ヒトの指のような駆
動機構・熟練者の
ような指の動作／
触動作
手触り感
極めて複雑かつ曖昧な主観的
な感覚量。また、経験に大きく左右
され、熟練者と一般の人の評価の
差が大きいことが医療（触診）や工
業、様々な分野などで報告されて
いる。
ヒトの感覚器官の
特徴等を用いた
信号処理
触覚・触感
にかかわる計測技術
3/10
高分子圧電材料を用いた
センサシステムの開発
機能性材料（スマート材料）の一つ
圧電効果
力を加える ⇒ 変形 ⇒ 電圧が生じる
高分子圧電材料
PVDF（ポリフッ化ビニリデン）
厚さは28マイクロメートル
PVDFフィルムとパチニ小体の出力特性
PVDFフィルムの出力特性
パチニ小体の出力特性
(a) 圧刺激
(b)パチニ小体の出力応答
（G. M. Shepherd, Neurobiologyより）
PVDFを触感センサのセンサ材料として使うことが有効なのではないか？
対象の特性とそれに対する探索的行為
7
触覚感性を計測するロボットフィンガ
システム構成
PVDF output
A/D Card
Computer
8
PVDF出力波形の一例
試料１
試料４
試料２
試料５
試料３
試料６
接触力：0.20N
9
パワースペクトル密度分布（周波数解析）
試料１
試料４
試料２
試料５
試料３
試料６
接触力：0.20N
10
信号処理
ヒトの触覚受容器の特性を考慮した信号処理を用いて
振動感評価に用いるセンサ出力を求める。
パチニ小体とマイスナー小体
の応答特性
・振幅の大きさの評価 Var
Var
1
N
2
N
1
x (i )
マイスナー小体
x
パチニ小体
i 1
N ：1s間のPVDF出力のデータ点数（N=5000）
x(i)：i番目のPVDF出力，：PVDF出力の平均
・ 100~500Hzのパワースペクトル密度の
分布比 Rs
Rs
Sa
, S a
Sb
500
P( f ) , Sb
f 100
2000
P( f )
f 100
（G. M. Shepherd, Neurobiologyより）
Var – Rs 分布図
接触力：0.20[N]
1
0.8
試料１
0.7
試料２
0.6
試料３
試料４
0.5
試料５
試料６
0.4
0
0.2
0.4
0.6
“ふんわりやわらか感”
1.5
0.9
Rs
2
1
0.5
試料１
0
試料２
-0.5
試料３
-1
試料４
-1.5
試料５
試料６
-2
-2
-1
0
1
2
“じっとりウェット感”
-6
Var (×10 )
相関係数
Rs とふんわりやわらか感 - 0.79
Varとじっとりウェット感 - 0.81
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生体硬さ計測用指装着型能動センサ
Rubber 6
計測する人の指先に取り付け、対象物にあてた後、モーターで駆動し
一定の押し付け動作を実現し、出力により硬さを計測する。
計測システムと検証実験結果
0.01
0.01
PVDE output [V]
PVDE output [V]
シリコーンゴムを対象とした検証実験
0
–0.01
0
計測はセンサをつけた手にグローブを
はめて、センサと加振機（モータ）を用い
て行われる。
0
–0.01
0.05
Time [s]
0.1
硬さ：ヤング率
0.45×105 [N/m2]
(健常組織)
0
0.05
Time [s]
硬さ：ヤング率
7.58×105 [N/m2]
(がん組織)
0.1
臨床実験結果
患者
前立腺の状態
F [N]
μ [mV]
Imax [mV]
Imin [mV]
A
正常
0.436
6.64
7.84
5.18
B
ほぼ正常
0.404
7.34
9.36
5.90
C
正常と肥大症の中間
0.382
13.91
20.00
9.35
D
癌の治療中
0.357
13.47
25.76
8.29
E
結石が存在
0.522
21.20
22.79
19.99
F
結石が存在
0.455
19.00
26.04
12.89
G
結石が存在
0.368
9.72
18.78
7.12
※1 患者Dは触診による硬さの判別が困難
※2 患者Gは正常状態の硬さであるが，ある一点にのみ結石が存在
前立腺の状態によって出力値が異なり，
センサを用いた病状診断に役立つ
受動的な触刺激の定量化
～擦れや締め付け感の計測～
乳幼児
触刺激の影響を受けやすい
皮膚が薄い
抵抗力が弱い
意志伝達能力が未発達
紙オムツを着用した際の触
刺激がオムツかぶれ等の
非アレルギー性接触皮膚炎
の原因となる場合がある
コミュニケーションを通じての触刺激の評価が困難であり、
官能評価などでの評価は不可能
触刺激と非アレルギー性接触皮膚炎の関係を解明するためには
触刺激の定量化が必要である
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計測概観
触刺激測定装置特許第537658 東北大学
田中真美、奥山武志
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センサ構造
表面接触層が受ける触刺激の測定を行う
• PVDFフィルム
– 柔軟な機械特性
– 広い周波数応答
– 圧力変動に対して，出力を生じる
• ひずみゲージ
擦れによる比較的高い
周波数の圧力変動を測定
押し付けによるひずみを測定
(厚さ0.1 mmのアルミ板に貼り付ける)
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触刺激計測用測定システム
乳幼児の胸部下から膝上までを模擬したドールを使用
歩行動作を行い測定を行う
センサ貼り付け位置
紙オムツのギャザーが当たる位置
センサ表面接触層
センサA : ポリエチレン製テープ
センサB : レース
表面に1 mm間隔で
微小な凹凸がある
10 mm
ポリエチレン製テープ表面形状
19
実験方法
この部分を把持し，手動で前後に動かす
20
ドール実験(測定の様子)
21
測定結果 (ひずみゲージ出力)
(a) センサA，オムツ未着用
(b) センサA，オムツ着用
オムツ着用状態において，より大きな出力が得られている
紙オムツによる締め付け（押し付け）を確認できる
22
測定結果 (PVDF出力)
(a) センサA，オムツ未着用
左足の動作に対応した周
期的な出力が得られている
(b) センサA，オムツ着用
動作に対応した周期的な出力は
小さくなっている
未着用状態より高い周波数の振
動が含まれている
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解析結果 (PSD計算結果)
(a) センサA，オムツ未着用
(b) センサA，オムツ着用
オムツ着用の有無により，PSDの分布範囲
が異なっている
24
各周波数から2000HzまでのPSDの総和
6.0E-04
A-未着用
A-着用
PSD summation
5.0E-04
4.0E-04
3.0E-04
2.0E-04
1.0E-04
0.0E+00
0
500
1000
1500
2000
fs [Hz]
2000
PSDsummati on
PSD f
f
fs
PSD f :周波数 f [Hz]におけるパワースペクトル密度の値
25
各周波数から2000HzまでのPSDの総和
6.0E-04
A-未着用
A-着用
PSD summation
5.0E-04
4.0E-04
3.0E-04
2.0E-04
1.0E-04
0.0E+00
50
150
250
350
450
550
650
750
fs [Hz]
50Hz~400Hzでオムツ着用時のPSDが増加
26
擦れ検出の指針
PSDの値が増加する周波数帯が確認できること
から，擦れ検出の指針となる値として Rsp を定
義する
f2
Rsp
PSD f
f
f1
f3
f
PSD f
f1
50 [Hz]
f2
400 [Hz]
f3
750 [Hz]
f2
PSD f :周波数 f [Hz]におけるパワースペクトル密度の値
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Rsp計算結果
オムツ未着用状態とオムツ着用状態で計算結果に明らか
な差異を確認できる
オムツ着用による擦れの指標を得ることが可能
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従来技術とその問題点
従来は物質の触感を評価しようとした場合、官能
評価を用いることになり、その場合個人差があること、
経験に富んだ熟練者が必要になること、熟練者がい
ない場合には多量の被験者数が必要であること、さ
らに官能評価が行えないような問題には対応できな
いなどがあげられる。
また、人の触覚や触感情報を数値で得ようとする
場合、摩擦や力などの計測から行われるが、得られ
た計測結果と人間の感覚とは十分な対応が得られ
ない。
新技術の特徴・従来技術との比較
• 本技術では皮膚の受容器特性を有するセンサを
作製し、それを用いて触覚・触感について関わり
が深い動作をさせ、受容器特性を検討した信号処
理を行うことにより、触感と良好の対応が得られる。
• 従来技術の問題点であった対応が十分にみられ
ない触感について、種々の触感を計測することが
でき、どのような触覚信号が触感に関係するかな
どを明らかにできる。
• 本技術では官能評価ができない（官能な評価が困
難な）対象に対しても、指針を示すことが可能とな
る。
想定される用途
• あらゆるものの触覚・触感の定量化、ものづく
りの設計指針に貢献できる。
• 触感に関わる要素の解明や触感の制御に貢
献できる。
• 触動作に関連して、熟練者の動作や触感を解
明することによる、伝統工芸や医師の動作な
どのトレーニング装置の開発も可能となる。
実用化に向けた課題
• 現在、様々な種々のものに対して触覚・触感の計測が
可能となっている。各々の触動作などを解析検討して
対応しているが、より普遍的なものを対象とする場合に
は、様々な動作もでき、触覚・触感を計測、設計・コント
ロールするという点については未解決である。
• 今後、熟練者の手の動きや、人体の動作などについて
の実験データを取得し精査し、必要な情報を抽出し、セ
ンサを有するフィンガなどの動作に適用する。
• また、より精度を向上させることや個人差を解明するた
めにも、人の指と対象物の接触状態の詳細計測なども
行い、センサの改良や信号処理法の検討などを進める。
企業への期待
• より普遍的な触覚・触感センサ技術として確立したいと考えており、
そのためには、自分達だけで作成できるサンプルには限界があり、
基礎的な触覚サンプル、また基礎的な各触感が組み合わせてで
きるような複合触感サンプル、さらにこれらが統合された高次的
な触感のサンプルを計測対象として研究を行いたいと考えている。
• 触感サンプルについては、触感データ、熟練者の触動作について
のデータ、物性値の特性データなどを提示していただきながら、こ
ちらの計測結果と共に検討できることを希望する。
• 研究実施中にこちらからサンプルについて希望特性を作製してい
ただける、あるいはこちらの触感計測結果と共にサンプルの物性
値を検討できるなどの共同研究を希望する。
• 上記サンプルという表現をとっているが、様々な対象物に対して
研究を行いたいと考えている。
本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称：触刺激測定装置
登録番号：特許第5376588号
出願人
：東北大学
発明者
：田中真美、奥山武志
産学連携の経歴
• 2009年-2013年おむつメーカー某社と本研究に関連
して共同研究実施
そのほか、繊維、皮膚や毛髪（化粧品メーカー）、車の
内装、携帯などのタッチパネルなどを対象として触覚・
触感に関する計測する技術を共同研究として実施
お問い合わせ先
東北大学産学連携機構総合連携推進部
産学連携コーディネーター山田、松野
ＴＥＬ 022－217 － 6043
ＦＡＸ 022－217 － 6047
e-mail [email protected]

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