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超音波音場の制御による定在空中立体触覚像の提示
(An Aerial Volumetric Haptic Display with Active Touch produced by Airborne Ultrasonic Field)

井上 碩

(指導教員:篠田 裕之 教授/システム情報第四研究室

研究概要

本論文では, 能動触覚性を備えた空中立体触覚ディスプレイの提案を行う. 能動触覚とは, 身体の自発的な運動の結果生じる触覚と固有感覚とのクロスモーダルであり, ヒトが空間的あるいは環境的な情報を取得するために不可欠な認知構造である. 能動触覚を実現する触覚ディスプレイはこれまでにも多く提案されているが, それらには触覚の持つ高い時間応答分解能のために運動の速度に制限があったり, ごく狭いワークスペース内での実現にとどまっている. 本論文で提案する手法は, 提示物体を変位しない柔軟体に限定し, センシングとアクチュエーションという機構を廃することで, 空中超音波の定在する空間音圧分布によって音響放射圧が発生する「力場」を生成する. その結果, 素手による自由な運動とその結果生じる能動触覚を, およそ30cm立方のワークスペースに作り出すことが可能である. ワークスペースを取り囲むような振動子配置にすることで, 振動子の指向性を考慮しつつ多数の振動子の配置を実現し, それらを用いて音圧分布を形成する問題に対して効率的かつロバストなアルゴリズムを提案する. 本手法は空間的な静圧とユーザが超音波の空間的な振動パターンをなぞった時に生じる自発的な振動を知覚する. これは, 実際の剛体に触れた時と同じメカニズムによる触覚の体験であり, 能動的運動の速度, 対象となる体の部位, 同時ユーザ数に制限がないことが最大の特徴である. また, 時間変調を用いないために可聴音ノイズが発生せず, また取り囲むフェーズドアレイにより音響流の発生も抑えられる. 加えてポリゴンモデルから超音波立体触覚像を生成するシステムを実装し, その効果を主観心理物理実験にて検証した. 心理物理実験の結果, 音圧分布と矛盾しないサイズ, 配置での触覚が得られることが示された.

Abstract

In this paper, I propose an aerial volumetric haptic display with free active touch motion. Active touch is indispensable recognition system for obtaining spatial and environmental information from haptic sensations such as shapes, locations, textures or deformations. In contrast to passive touch which is pure cutaneous sense, active touch is a compound of cutaneous sensation and proprioception resulting from voluntarily motor activity. Achieving programmable three dimensional space for active touch is an attractive topic and many studies and proposals have been done so far but each has limitations for speed and field area of finger movements. My approach produces a spatially standing haptic image with ultrasonic stationary waves which enables multi-users to touch the 3D images actively even without any sensor feedback. Skin deformation occurs naturally and voluntarily attendant on user's motor activity. Compared to the previous methods, the proposed method can create a completely silent image without ultrasound modulation noises and free from the problems caused by the feedback delay and the errors. I show the method to synthesize the haptic hologram images, the algorithm evaluations, the results of pressure measurements and the subjective experiments to investigate the active touch profiles of ultrasonic image.
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