JP2002328596A - Method and device for presenting tactile sense - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device which accommodate to changes of sense with lapse of long time and enable elimination or mitigation of infringing impression which electric stimulation gives to a testee. SOLUTION: In the method for presenting tactile sense information from the skin by electric stimulation when a fingertip is brought into contact with a stimulating electrode, contact pressure generated when the fingertip is brought into contact with the electrode is measured, and the electric stimulation intensity is increased according as the contact pressure increases.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気刺激を用いた
触角提示方法および装置に係り、より詳しくは、指先に
対して電気触覚提示により記号提示を行う方法および装
置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for presenting a tactile sensation using electric stimulation, and more particularly to a method and an apparatus for presenting a symbol to a fingertip by an electric tactile presentation.

【０００２】[0002]

【従来の技術】電気刺激による皮膚感覚提示には多くの
メリットが存在する。特に従来の機械的刺激提示手法に
比べた場合、サイズを極めて小さく作ることが可能、
可動部分がないためにより壊れにくい、機械式の場
合常に問題となる共振の問題がない、というメリットを
持つ。しかし現実には電気刺激による皮膚感覚提示は医
療現場におけるリハビリテーション（FES:機能的電気刺
激）等に使われる程度であり、日常生活の中で使われる
には至っていない。これには幾つかの理由が挙げられる
が、本明細書においては、以下の二つの問題について言
及する。2. Description of the Related Art There are many merits in the presentation of skin sensation by electrical stimulation. Especially when compared with the conventional mechanical stimulus presentation method, the size can be made extremely small,
It has the advantages of being less susceptible to breakage due to the absence of moving parts, and having no problem of resonance, which is always a problem in mechanical systems. However, in reality, presentation of skin sensation by electrical stimulation is used only for rehabilitation (FES: functional electrical stimulation) in medical practice and has not been used in daily life. There are several reasons for this. In this specification, the following two problems are referred to.

【０００３】第一に長期的な感覚の経時変化である。こ
れは発汗等により，皮膚の電気的インピーダンスが変化
し、このため分単位で同じ電流量に対して生じる感覚量
が変化すると言うものである。従来の電気刺激に関する
研究は、これを安定化させるために皮膚インピーダンス
に依存した電流制御を行うことを目指しており、例えば
電流ではなくエネルギー（電流×電圧）を一定にする制
御や、電流量を皮膚の等価的なキャパシタンスに比例さ
せる制御が提案されている。しかしこれらは一定の成功
を収めたものの、個人差、個人内でも刺激部位による違
い等に大きく依存するため、日常的な用途に耐え得ると
は言いがたい。The first is a long-term change in sensation over time. This means that the electrical impedance of the skin changes due to sweating or the like, and therefore, the amount of sensation generated for the same amount of current changes in minutes. Research on conventional electrical stimulation aims at performing current control depending on the skin impedance in order to stabilize this. For example, control that keeps energy (current × voltage) instead of current and control of the amount of current Controls have been proposed that are proportional to the equivalent capacitance of the skin. However, although these have achieved a certain degree of success, since they greatly depend on individual differences and differences among individual stimulus sites, it cannot be said that they can withstand daily use.

【０００４】第二に、例えば接触状態の変化などによっ
て生じる突然の刺激変動が被験者に与える侵害的印象が
挙げられる。これは被験者によっては恐怖感につなが
り、電気触覚ディスプレイの普及を著しく阻害する要因
となっている。[0004] Second, there is an intrusive impression given to a subject by a sudden change in stimulus caused by, for example, a change in a contact state. This leads to fear of some subjects, and is a factor that significantly impedes the spread of electro-tactile displays.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記二つの
課題を解決することを目的とするものであって、すなわ
ち、長期的な感覚の経時変化に対応でき、電気刺激
が被験者に与える侵害的印象を無くすあるいは和らげる
ことができる方法および装置を提供するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to solve the above two problems, that is, it is possible to cope with a long-term sensational change in sensation, and it is possible to prevent the electrical stimulation from inflicting on the subject. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus capable of eliminating or mitigating a visual impression.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】前記二つの課題を解決す
るために本発明が採用した技術手段は、刺激電極に皮膚
が触れることで電気刺激によって該皮膚から触覚情報を
提示する方法において、該電極に該皮膚が接触した際の
応力に応じて該電気刺激の強度を制御することを特徴と
するものであり、好ましくは、該応力が大きくなるにし
たがって、該電気刺激強度を大きくしていくものであ
る。Means for Solving the Problems To solve the above two problems, the technical means adopted by the present invention is a method of presenting tactile information from the skin by electrical stimulation by touching the skin with a stimulation electrode. It is characterized in that the intensity of the electric stimulus is controlled according to the stress when the skin comes into contact with the electrode, and preferably, the intensity of the electric stimulus increases as the stress increases. Things.

【０００７】本発明が採用した技術手段の背景につい
て、機械的刺激と比較して説明する。電気刺激では侵襲
的印象を受けるのに対して、Optaconのような機械的な
刺激ではそのような印象を受けない。機械的な刺激であ
っても、電気刺激の場合と等量、あるいはそれ以上の強
い感覚を生成する状況は容易にあり得る。例えば画鋲や
かみそりを扱う状況である。しかし我々はそれらを日常
的に扱い、もし痛覚を生じてもそれに「驚く」ことはな
い。なぜならこのような物体を扱うとき、人の内部では
皮膚感覚をある一定以上にしないように指の力を調整す
るという制御が行われており、このため生じる皮膚感覚
の量は調節可能なばかりではなく、予測も可能であるか
らである。ここに機械的刺激と電気的刺激の差異があ
る。すなわち、日常生活においては、常に力の制御によ
り皮膚感覚を適切な量に調整するスキルを身に付けてい
るのに対し、従来の電気刺激においては接触状況に依存
しない皮膚感覚提示を行っており、このような自律的な
制御が不可能な状況であった。つまり、いわゆる「電気
ショック」の不快感は、「電気的であること」それ自体か
ら生まれるのではなく、「ショックである」こと、つま
り感覚量の自律的な調整と予測が不可能であることから
生じているということである。The background of the technical means employed by the present invention will be described in comparison with mechanical stimulation. Electrical stimulation gives an invasive impression, whereas mechanical stimulation like Optacon does not. Even mechanical stimuli can easily produce a strong sensation that is equal to or greater than that of electrical stimulation. For example, a situation where a thumbtack or a razor is handled. But we treat them on a daily basis, and if we do develop a pain sensation, we will not be "surprised" by it. Because, when handling such an object, the inside of a person is controlled to adjust the force of the finger so that the skin sensation does not exceed a certain level, so that the amount of skin sensation generated is not only adjustable It is also possible to make predictions. Here is the difference between mechanical stimulation and electrical stimulation. In other words, in daily life, while always having the skill to adjust the skin sensation to an appropriate amount by controlling the force, conventional electric stimulation provides skin sensation presentation that does not depend on the contact situation However, such autonomous control was impossible. In other words, the discomfort of the so-called "electric shock" does not arise from being "electric" itself, but "shock", that is, it is impossible to adjust and predict the amount of sensation autonomously. It is that it comes from.

【０００８】そこで、通常、刺激部位は指先であること
に着目し、指の接触圧に依存した電流制御によって触運
動知覚（Ｈａｐｔｉｃ）提示を実現すれば侵害感は消滅
することを見出した。具体的に言うと、まず指先皮膚と
触覚ディスプレイの接触圧を何らかの方法で計測する。
そして刺激として与える電流パルスのパルス高さか
パルス幅を、この接触圧に対する単調増加関数として制
御を行う。例えば最も簡単には図１（ａ）のように比例
関係を用いることができる。また図１（ｂ）のようにパ
ルス幅、高さを接触圧のlog関数とした場合、被験者に
よる調整が図１（ａ）の場合に比べて行いやすいことを
見出した。さらに、図１（ｃ）のようにパルス幅、高さ
にヒステリシス（履歴）を設けることにより、接触を強
めていったときには刺激量の上昇が早く、接触を弱めた
ときには速やかに刺激が減るように設定することも考え
られる。また、刺激電流に対する触覚には個人差がある
こと等から、本発明に係る装置においては、応力と刺激
強度との対応関係の初期設定を行うための調節用ボリュ
ーム等の刺激強度調節手段を備えていることが望まし
い。例えば、刺激電極を搭載したマウスに電流強度調節
用つまみを設ける。[0008] Then, paying attention to the fact that the stimulus site is usually the fingertip, it has been found that if the tactile movement perception (Haptic) presentation is realized by current control depending on the contact pressure of the finger, the sense of infringement disappears. Specifically, first, the contact pressure between the fingertip skin and the tactile display is measured by some method.
Then, the pulse height or pulse width of the current pulse given as a stimulus is controlled as a monotonically increasing function with respect to this contact pressure. For example, in the simplest case, a proportional relationship can be used as shown in FIG. In addition, when the pulse width and height are used as log functions of the contact pressure as shown in FIG. 1B, it has been found that the adjustment by the subject is easier to perform than the case of FIG. 1A. Further, by providing hysteresis (history) to the pulse width and height as shown in FIG. 1 (c), the stimulus amount increases quickly when the contact is strengthened, and the stimulus is reduced promptly when the contact is weakened. It is also conceivable to set it to. Also, since there is an individual difference in the tactile sensation with respect to the stimulation current, the apparatus according to the present invention includes stimulation intensity adjustment means such as an adjustment volume for performing initial setting of the correspondence between stress and stimulation intensity. Is desirable. For example, a mouse equipped with a stimulation electrode is provided with a current intensity adjusting knob.

【０００９】より一般化するなら、本手法は被験者に与
える電流波形を接触圧依存の関数とすることによって刺
激量の被験者による自律的な調整を可能とする手法と言
える。そしてこの手法の本質的な部分は、これまで純粋
な「皮膚感覚」(Cutaneous Sensation)を提示するデバ
イスであった電気触覚ディスプレイを、体性感覚も含め
た広義の触覚、特に能動触(Haptic Sensation)を提示す
るデバイスに変えたところにある。この考えからすれ
ば、接触圧のみでなく、例えば指を動かす速度に併せた
刺激強度の調整も考えられる。More generally, it can be said that the present method enables the subject to autonomously adjust the amount of stimulation by making the current waveform given to the subject a function dependent on the contact pressure. The essential part of this method is that the electric tactile display, which used to be a device that presents pure `` cutaneous sensation '' (cutaneous sensation), has been replaced by a tactile sensation in a broad sense including somatic sensation, especially active haptic (Haptic Sensation). ) Is changed to the device that presents. Based on this idea, not only the contact pressure but also the adjustment of the stimulus intensity according to, for example, the speed at which the finger is moved can be considered.

【００１０】本明細書は、指先と刺激電極との接触圧に
基づいて刺激電流制御を行なうことを中心として展開さ
れている。しかし、刺激電流の制御に用いるための、皮
膚と電極との接触時に働く力は、必ずしも接触圧に限定
されるものではない。本発明に係るシステムでは指表面
と電極面の間に生じる６自由度の応力を独立に測定する
ことができる。それぞれ水平のずれ応力２自由度、垂直
抗力１自由度、回転トルク３自由度である。本明細書に
おいては特に垂直抗力のみ（具体的には接触圧として測
定している）を用いたものについて言及している。しか
しより自然な接触状況と感覚の関係を実現するためには
これら６自由度情報を活用することが望ましい。例えば
水平方向の力がかかっている状態は現実世界では「なぞ
り」動作を行っている状況と考えられるから、提示パタ
ーンを力の方向とは反対方向に流すことが考えられる。
また、回転トルクによって接触の重心が計算できるが、
一般的な接触状況では接触重心付近でははその外側より
も強い単位面積あたりの応力が生じていると考えられる
ため、この重心付近の電極では刺激量を増加させること
により自然な触感が生じると考えられる。ただしこれは
指１本に対して力センサが１つしかない場合に対する解
決法であって、本発明において力センサが分布型、例え
ば各電極がそれぞれ個別の力センサを持つようなものを
採用してもよく、その場合には各力センサエレメントに
よる計測は上記トルクを除いた３自由度の計測で充分で
ある。また、指先は最も好ましい刺激部位ではあるが、
刺激電極と接触する皮膚は必ずしも指先の皮膚に限定さ
れるものではない。[0010] The present specification has been developed focusing on performing stimulation current control based on the contact pressure between a fingertip and a stimulation electrode. However, the force acting on the contact between the skin and the electrode to be used for controlling the stimulation current is not necessarily limited to the contact pressure. With the system according to the present invention, the stress of 6 degrees of freedom generated between the finger surface and the electrode surface can be measured independently. There are two degrees of freedom for horizontal displacement stress, one degree of vertical drag, and three degrees of rotation torque. This specification particularly refers to a method using only a normal force (specifically, measured as a contact pressure). However, in order to realize a more natural relationship between the contact state and the sense, it is desirable to utilize these six degrees of freedom information. For example, a state in which a horizontal force is applied is considered to be a situation where a “tracing” operation is performed in the real world, and therefore, it is conceivable that the presentation pattern is caused to flow in a direction opposite to the direction of the force.
Also, the center of gravity of the contact can be calculated by the rotational torque,
Under general contact conditions, it is considered that a stronger stress per unit area is generated near the center of gravity of contact than outside of the center of gravity. Can be However, this is a solution to the case where there is only one force sensor for one finger. In the present invention, the force sensor is of a distributed type, for example, each electrode has its own individual force sensor. In such a case, the measurement by each force sensor element requires only three degrees of freedom excluding the torque. Also, the fingertip is the most preferred stimulation site,
The skin in contact with the stimulation electrode is not necessarily limited to the skin at the fingertip.

【００１１】[0011]

【発明の実施の形態】システムの概念図を図２（ａ）に
示す。電極はステンレス製、直径1mm、間隔2.54mmで2x5
アレイに配置されている。電極の下には6自由度力セン
サ（ロードセル）が設置されている。 刺激提示は図２
（ｂ）のようにして行う。基本的にある瞬間にはある点
のみ刺激する。図ではある電極から陽極(Anode)性パル
スを発生させる。この時その電極の周りの電極をグラン
ドに落としてやる。すると電気は電極から発し、接触し
ている皮膚を通って回りの電極に吸収されることにな
る。この電極を短時間に切り替えることにより丁度テレ
ビの走査線と同じ原理によりあらゆる記号提示が可能と
なる。もちろん場合によっては複数の電極を同時に陽極
としてもよい。また、陽極性パルスを使うのは刺激提示
の空間解像度を上げるためであるが、生じる感覚を変化
させるために陰極性パルスを用いてもよい。FIG. 2A is a conceptual diagram of the system. Electrodes made of stainless steel, diameter 1mm, spacing 2.54mm, 2x5
Arranged in an array. A six-degree-of-freedom force sensor (load cell) is installed below the electrodes. Figure 2 shows the stimulus presentation
This is performed as shown in FIG. Basically, only a certain point is stimulated at a certain moment. In the figure, an anode pulse is generated from a certain electrode. At this time, the electrodes around the electrodes are dropped to the ground. Electricity then emanates from the electrodes and is absorbed by the surrounding electrodes through the skin in contact. By switching this electrode in a short time, any symbol can be presented by the same principle as the scanning line of a television. Of course, depending on the case, a plurality of electrodes may be simultaneously used as the anode. Although the use of the anodic pulse is for increasing the spatial resolution of the stimulus presentation, the cathodic pulse may be used for changing the sense to be generated.

【００１２】電極下には力センサが配設されている。力
センサによって、センサ末端にかかる3自由度の力と3自
由度のトルクを測定することができる。刺激パルスの
幅、高さを測定した接触圧に依存させた。走査の周波数
は20〜100Hz、パルス幅は0-400μs,パルス高さは0-10mA
である。実験の結果，全ての被験者においてパルス幅を
制御した場合も、パルス高さを制御した場合も同様に、
安定した刺激提示を実現することができた。また、この
システムでは力を6自由度測定できるが、現在はそのう
ちの下方向の力、すなわち接触圧そのもののみを使って
いる。例えば水平方向に押すことにより提示した刺激を
移動させるといった操縦桿（ノートパソコンに指示装置
として多く実装されているアキュポイントが近い）とし
ての使い方も考えられる。本実験ではパルス幅制御とパ
ルス高さ制御について顕著な違いは見られなかった。シ
ステムとしてはパルス幅制御のほうが実現しやすいた
め、次に述べる第二の実装ではパルス幅制御を採用し
た。A force sensor is provided below the electrodes. The force sensor can measure three degrees of freedom force and three degrees of freedom torque applied to the sensor end. The width and height of the stimulation pulse depended on the measured contact pressure. Scan frequency 20 ~ 100Hz, pulse width 0-400μs, pulse height 0-10mA
It is. As a result of the experiment, when the pulse width was controlled and the pulse height was controlled in all subjects,
Stable stimulus presentation was realized. In addition, this system can measure force with 6 degrees of freedom, but currently only uses the downward force, that is, the contact pressure itself. For example, it is conceivable to use it as a control stick (close to an Accu point, which is often implemented as a pointing device in a notebook computer), to move a presented stimulus by pressing it horizontally. In this experiment, no significant difference was found between the pulse width control and the pulse height control. Since pulse width control is easier to realize as a system, pulse width control was adopted in the second implementation described below.

【００１３】また、注意すべきは，本手法では経皮電気
刺激における感覚量調節の二つの課題、すなわち長期
的な感覚の経時変化、突然の刺激変動が被験者に与え
る侵害的印象のうち、第二の問題点に対する解決策とし
て提案したものであるが、ごく自然な形で第一の問題点
を解決しているという点である。すなわち、長時間にわ
たって使用している間に感覚量が小さくなってきたと感
じたなら、被験者は単に接触圧を高めればよい。また、
力センサによって被験者の接触圧は常に記録されている
から、被験者が徐々に接触圧を高めているならそれは刺
激量が足りなくなったことを意味している。この場合先
に定義した刺激パルスと接触圧の関数に含まれるパラメ
ータを自動的に調節していけばよい。こうして長期的に
も常に最適な刺激量を調節することが可能である。また
これらの調整は従来の、皮膚の電気的インピーダンス測
定による刺激量調整と併用することが望ましい。本手法
では、電極アレイ全体に対する制御はできるものの、個
々の電極に対する調整は難しいからである。もっとも、
本発明には、各電極の下に独立した力センサを設けるこ
とも含まれる。It should also be noted that, in the present method, the two issues of sensory volume adjustment in transcutaneous electrical stimulation, namely, long-term changes in sensation with time, and sudden influx of impulsive stimuli, Although proposed as a solution to the second problem, it is a very natural solution to the first problem. That is, if the user feels that the amount of sensation has decreased during prolonged use, the subject may simply increase the contact pressure. Also,
Since the contact pressure of the subject is always recorded by the force sensor, if the subject gradually increases the contact pressure, it means that the amount of stimulation has become insufficient. In this case, the parameters included in the function of the stimulation pulse and the contact pressure defined above may be automatically adjusted. Thus, it is possible to always adjust the optimal stimulus amount even in the long term. These adjustments are desirably used together with the conventional stimulation amount adjustment by measuring the electrical impedance of the skin. This is because, in the present method, control for the entire electrode array can be performed, but adjustment for individual electrodes is difficult. However,
The invention includes providing an independent force sensor under each electrode.

【００１４】［電気触覚マウス］最初の実装を全盲の被
験者に使用してもらった時、電極が固定されているため
に感覚生起点の定位が難しいというコメントを得た。我
々は日常生活において、接触対象のことをよく知ろうと
する場合には「なぞり」、すなわち能動的な触運動を行
うことで情報収集を行う。触覚ディスプレイになぞりを
サポートしたものとしては従来からマウスに取り付ける
タイプのものがある。そこで、第二の実装としてマウス
に電極と力センサを組み込むことで電気触覚マウスを試
作した。[Electro-Tactile Mouse] When the first implementation was used by a completely blind subject, a comment was obtained that it was difficult to localize the sensation origin because the electrodes were fixed. In daily life, when trying to get to know the contact target well, we collect information by performing "tracing", that is, active tactile movement. As a tactile display that supports tracing, there is a type that is conventionally attached to a mouse. Thus, as a second implementation, an electro-tactile mouse was prototyped by incorporating an electrode and a force sensor into the mouse.

【００１５】図３が電気触覚マウスを含む全体のシステ
ム構成図である。電気マウス本体は4x4のアレイ状電極
（ステンレス製 直径1mm間隔2mm）をエポキシ樹脂で固
めた電極をマウスの中指部分に配置し、さらに電極直下
にLoad Cell (TEAC製SR10N直径13mm,厚み3mm)を配し指
の圧力を測定する。FIG. 3 is an overall system configuration diagram including the electric tactile mouse. The electric mouse body has a 4x4 array of electrodes (stainless steel, 1mm in diameter, 2mm in intervals), an electrode made of epoxy resin fixed on the middle finger of the mouse, and a Load Cell (TEAC SR10N diameter 13mm, thickness 3mm) directly under the electrode. Measure finger pressure.

【００１６】刺激装置の前面には、電圧計、スイッチ、
ポテンショメータ（可変抵抗）が配設されており、ポテ
ンショメータは装置全体のベースクロックを設定してお
り、これにより刺激パルス幅、すなわち、刺激強度が決
定される。一方、刺激装置の背面には次のアダプタが配
されている。On the front of the stimulator, a voltmeter, a switch,
A potentiometer (variable resistor) is provided, and the potentiometer sets the base clock of the entire device, and determines the stimulation pulse width, that is, the stimulation intensity. On the other hand, the following adapter is arranged on the back of the stimulator.

【００１７】図３において、Pic-ADCはPICマイクロプロ
セッサ（マイクロチップテクノロジー社製）を内蔵した
電圧変換アダプタ(ADコンバータ、ＡＤＣ)である。Load
Cellの出力は刺激装置内で0-5Vに増幅され、このADCで
シリアル通信用に変換される。プログラム中ではこのコ
ンバータとのシリアル通信を行い、力を測定している。
電流出力アダプタがマウスに直結されており、刺激出力
を行う。パラレルポートアダプタはPCのパラレルポート
に接続される。PCから刺激制御信号が送られ、刺激装置
内部のメモリに蓄えられ、刺激が行われる。ロードセル
用アダプタはロードセルへの電力供給を行い、また、ロ
ードセルからの電圧出力を兼ねる。PCから刺激装置に
は、パラレルポートを介して「パルス幅」と「陽極パタ
ーン」「グランドパターン」の３つの情報が送られる。
「陽極パターン」は4x4電極アレイ中の一点であり、グラ
ンドパターンはそれを囲むようにして選ばれる。刺激装
置からPCに送られる情報はLoad Cell(力センサ)の出力
である。In FIG. 3, Pic-ADC is a voltage conversion adapter (AD converter, ADC) incorporating a PIC microprocessor (manufactured by Microchip Technology). Load
The output of the cell is amplified to 0-5V in the stimulator and converted by this ADC for serial communication. The program performs serial communication with this converter and measures the force.
A current output adapter is directly connected to the mouse to provide stimulus output. The parallel port adapter is connected to the parallel port of the PC. The stimulus control signal is sent from the PC, stored in the memory inside the stimulator, and stimulated. The load cell adapter supplies power to the load cell and also serves as a voltage output from the load cell. Three pieces of information of “pulse width”, “anode pattern”, and “ground pattern” are sent from the PC to the stimulator through the parallel port.
The "anode pattern" is a point in the 4x4 electrode array, and the ground pattern is selected to surround it. The information sent from the stimulator to the PC is the output of the Load Cell (force sensor).

【００１８】図４は刺激パルス（ディジタル）を電流パ
ルス信号に変換するV-I converterの部分である。オペ
アンプに、抵抗を解した電圧を帰還させることによりV-
I変換を実現している。さらに、指先皮膚を貫通する程
度の電圧に上げるために、電流ミラー回路(current mir
ror)で中継している。また、図のGround SignalがONし
た場合、下のFETがスイッチとしてONするため、電極は
グランドに直結することになる。FIG. 4 shows a part of a VI converter for converting a stimulus pulse (digital) into a current pulse signal. By feeding back the voltage obtained through the resistance to the operational amplifier, V-
I conversion is realized. Furthermore, in order to increase the voltage to a level that penetrates the fingertip skin, a current mirror circuit (current mirror) is used.
ror). Also, when the Ground Signal in the figure is turned on, the lower FET is turned on as a switch, so that the electrode is directly connected to the ground.

【００１９】図５は刺激装置のディジタル部分である。
左下のパラレルポートからは8chのデータ信号とClock,C
lear,Stimulate Startの各信号が出る。ここで言うCloc
kは図の左上に位置する発振回路のクロックではなく、
すぐあとに述べるShift Resistorのデータをシフトさせ
るための制御信号である。合計してパラレルの出力を11
ch使っている。これらの信号はShift Resistorに順に蓄
えられていく。8bitのデータ転送は5回行われる。最初
にパルス幅を表す0-255の値が送られ、そのあとの4回
で，4x4のアレイ中で陽極、グランドそれぞれのパター
ンが送られる。全てのデータがセットされるとパラレル
ポートからStart信号が出される。この信号で左上のカ
ウンタはリセットされ、0から順にアップカウントされ
た値を8bitで出力する。この値と、先にShift Resisto
rの先頭に保存したパルス幅データをequal-to comparat
orで比較し、比較結果がイコールになるまで刺激パルス
が出力される。メモリの状態によって陽極刺激パルス側
がONするか、グラウンドとしてONするかは異なる。FIG. 5 shows the digital part of the stimulator.
From the lower left parallel port, 8ch data signal and Clock, C
Each signal of lear and Stimulate Start comes out. Cloc here
k is not the clock of the oscillation circuit located at the upper left of the figure,
This is a control signal for shifting the data of the Shift Resistor described immediately below. A total of 11 parallel outputs
I use ch. These signals are sequentially stored in the Shift Resistor. 8-bit data transfer is performed five times. First, a value of 0-255 representing the pulse width is sent, and then four times, the anode and ground patterns are sent in a 4x4 array. When all data is set, a Start signal is output from the parallel port. The upper left counter is reset by this signal, and the value counted up from 0 is output in 8 bits. This value and the Shift Resisto
The pulse width data stored at the beginning of r is equal-to comparat
The comparison is made with or, and the stimulation pulse is output until the comparison result becomes equal. Whether the anode stimulation pulse side is turned on or turned on as ground differs depending on the state of the memory.

【００２０】前述のように、本システムでは刺激パルス
幅を接触圧力の関数とすることによって自律的な刺激強
度の調整を可能としている。また、過去の研究によって
明らかとなった事実として、刺激の周波数が高まると、
同じパルス幅でも刺激強度が強くなったように知覚され
ることが知られている。この事を利用し、刺激周波数に
関して次のような二つの工夫を行っている。As described above, in the present system, the stimulation pulse width is made a function of the contact pressure to enable autonomous stimulation intensity adjustment. Also, past research has revealed that as the frequency of stimulation increases,
It is known that the stimulus intensity is perceived as being strong even with the same pulse width. Taking advantage of this fact, the following two ideas are applied to the stimulation frequency.

【００２１】第一にカーソル（すなわちマウス）の移動
速度が速い時には刺激の周波数を高めるという工夫であ
る。第二にある刺激すべき点の周囲を見たときに刺激点
が見当たらないとき（これを孤立刺激点と呼ぶことにす
る）、刺激周波数を増やすという工夫である。これらは
現実世界のアナロジーとなっている。すなわち指を速く
なぞれば高い周波数の刺激を受ける。また、小さな突起
物を触ったときには、同じ接触圧でも強い刺激を受け
る。もちろんこれらは、刺激周波数を上げるのではな
く、これまでと同様に刺激パルス幅を調整することでも
実現可能である。逆に刺激周波数を接触圧の関数とする
ことも当然考えられる。First, when the moving speed of the cursor (ie, mouse) is high, the stimulus frequency is increased. Second, when a stimulus point is not found when looking around a point to be stimulated (this is referred to as an isolated stimulus point), the stimulus frequency is increased. These are real-world analogies. In other words, if you swipe your finger quickly, you will receive high frequency stimulation. Also, when a small projection is touched, a strong stimulus is received even with the same contact pressure. Of course, these can be realized not by increasing the stimulation frequency but by adjusting the stimulation pulse width as in the past. Conversely, it is naturally conceivable to make the stimulation frequency a function of the contact pressure.

【００２２】［環境配置型の電気触覚ディスプレイの場
合の実装］これまで述べてきた電気触覚ディスプレイの
実装は、いずれも装着型、すなわちディスプレイと指が
一体となった形のものであった。これに対して、据え置
き型の電気触覚ディスプレイを考えることもでき、いく
つか試作例もある。空間に固定された電極アレイの上を
指先がなぞる事になる（図６（ａ））。しかしこの場
合、やはり最大の問題は、指と電極の接触が全く安定し
ていないことから生じる感覚の不安定性である。よって
今回提案した力依存制御はこの環境配置型の電気触覚デ
ィスプレイに対しても有効に活用することができると考
えられる。[Mounting in the case of an environmentally arranged electric tactile display] The mounting of the electric tactile display described so far has been of a wearable type, that is, a form in which the display and a finger are integrated. On the other hand, a stationary electric tactile display can be considered, and there are some prototype examples. The fingertip traces on the electrode array fixed in the space (FIG. 6A). However, in this case, again, the biggest problem is the instability of the sensation caused by the instability of the contact between the finger and the electrode. Therefore, it is considered that the force-dependent control proposed this time can be effectively used for this environment-type electro-tactile display.

【００２３】また環境型の問題点として電極の個数が多
くなるために用意しなければならない回路規模が大きく
なることが上げられるが、第一に一つ一つの回路規模は
前に見たように非常に小さく、シリコンプロセスによっ
て電極と一体で作成できる程度のものである。第二に、
今回の提案のように力センサを配置した場合、力センサ
の出力によって接触位置がわかるため、これを利用した
効率のよい刺激ができる。その実装例が次の図６（ｂ）
である。Also, as a problem of the environmental type, the circuit scale which must be prepared for increasing the number of electrodes is increased. First, each circuit scale is as described above. It is very small and can be made integrally with the electrode by a silicon process. Secondly,
When a force sensor is arranged as in the present proposal, the contact position can be determined based on the output of the force sensor, so that efficient stimulation can be performed using the contact position. The example of the implementation is shown in FIG.
It is.

【００２４】電極アレイは指のサイズより大きな群によ
って一つのユニットをなす。これらのユニットにおける
電極は、図６（ｂ）に示すように並列に接続されてい
る。このため、全てのユニットは同時に駆動される。し
かし指の位置は力センサによって把握されているため、
その指の位置に適した刺激パターンを与えることが可能
である。The electrode array forms one unit with groups larger than the size of a finger. The electrodes in these units are connected in parallel as shown in FIG. Therefore, all units are driven simultaneously. However, since the position of the finger is known by the force sensor,
It is possible to give a stimulation pattern suitable for the position of the finger.

【００２５】これを説明したのが図７である。(a)が空
間的に提示したいパターンであり、この場合は"AM"とい
う文字列である。これに対して(b)のように指が左端に
あるときにはAの一部を提示する。以下同様に指の位置
にあわせたパターン提示を行うことにより、あたかも指
にとっては空間的に固定された"AM"という文字列がある
かのように感じられる。この手法のメリットは先ほど述
べたように電気刺激回路を電極アレイの個数分用意せず
とも、電極ユニット（図の4x4部分）個数分用意すれば
よいことにある。FIG. 7 illustrates this. (a) is a pattern to be spatially presented, in this case, a character string "AM". On the other hand, when the finger is at the left end as shown in (b), a part of A is presented. In the same manner, by presenting a pattern according to the position of the finger in the same manner, the finger feels as if there is a character string "AM" fixed spatially. The merit of this method is that, as described above, it is sufficient to prepare the number of electrode units (4x4 portion in the figure) instead of preparing the number of electrical stimulation circuits.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】接触圧とパルス幅あるいはパルス高さとの関係
を示す図であって、（ａ）は電流パルス幅、またはパル
ス高さを接触圧に比例させた場合、（ｂ）はパルス幅、
高さを接触圧のｌｏｇ関数とした場合、（ｃ）はパルス
幅、高さにヒステリシスを持たせた場合を示す。1A and 1B are diagrams showing a relationship between a contact pressure and a pulse width or a pulse height, wherein FIG. 1A shows a case where a current pulse width or a pulse height is proportional to a contact pressure, and FIG.
When the height is a log function of the contact pressure, (c) shows the case where the pulse width and the height have hysteresis.

【図２】（ａ）は電流の力依存制御の概念図であって、
電極の下には６自由度の力センサ（ロードセル）が配設
されている。（ｂ）は刺激パルスの走査（Ｓｃａｎ）に
よって多点の提示を可能とする場合を示す図である。FIG. 2A is a conceptual diagram of force-dependent control of a current,
Below the electrodes, a force sensor (load cell) having six degrees of freedom is provided. (B) is a diagram showing a case where multiple points can be presented by scanning a stimulus pulse (Scan).

【図３】電気触覚マウスを含むシステム構成図である。FIG. 3 is a system configuration diagram including an electric tactile mouse.

【図４】電圧−電流変換部を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a voltage-current converter.

【図５】刺激装置のディジタル部を示す図である。FIG. 5 shows the digital part of the stimulator.

【図６】（ａ）は据え置き（環境配置）型の電気触覚デ
ィスプレイを示す概略図である。（ｂ）はアレイ電極ユ
ニット群によって構成される据え置き型電極アレイを示
す概略図であり、それぞれのユニット間は電気的に並列
に接続されており、同時に駆動される。FIG. 6A is a schematic view showing a stationary (environmental arrangement) type electric tactile display. (B) is a schematic diagram showing a stationary electrode array constituted by an array electrode unit group. The units are electrically connected in parallel and driven simultaneously.

【図７】アレイ電極ユニット群によって構成される据え
置き型電極アレイの駆動方式を示す図であり、（ａ）が
提示したいパターン（ＡＭという文字）であり、指の位
置によって（ｂ）〜（ｄ）のように提示パターンを変化
させる。FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a driving method of a stationary electrode array constituted by an array electrode unit group, wherein FIG. 7A is a pattern (character “AM”) to be presented, and FIGS. ) To change the presentation pattern.

フロントページの続き (72)発明者 梶本 裕之 横浜市戸塚区下倉田町828−362 Ｆターム(参考） 5B087 AA09 AB02 AB12 BB12 BB21Continued on the front page (72) Inventor Hiroyuki Kajimoto 828-362 Shimokuratacho, Totsuka-ku, Yokohama F-term (reference) 5B087 AA09 AB02 AB12 BB12 BB21

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】刺激電極に皮膚が触れることで電気刺激に
よって該皮膚から触覚情報を提示する方法において、該
電極に該皮膚が接触した際に生じる応力に応じて該電気
刺激の強度を制御することを特徴とする触覚提示方法。1. A method of presenting tactile information from the skin by electrical stimulation by touching the skin with a stimulation electrode, wherein the intensity of the electrical stimulation is controlled according to a stress generated when the skin comes into contact with the electrode. A tactile presentation method characterized in that: 【請求項２】請求項１において、該応力は該皮膚と該電
極との接触圧であることを特徴とする触覚提示方法。2. The method according to claim 1, wherein the stress is a contact pressure between the skin and the electrode. 【請求項３】請求項１，２いずれかにおいて、該応力が
大きくなるにしたがって、該電気刺激強度を大きくして
いくことを特徴とする触覚提示方法。3. The tactile presentation method according to claim 1, wherein the intensity of the electric stimulus is increased as the stress increases. 【請求項４】請求項１乃至３いずれかにおいて、電気刺
激強度の制御は、刺激電流のパルス波形を変化させるこ
とで行うことを特徴とする触覚提示方法。4. The tactile presentation method according to claim 1, wherein the control of the electric stimulation intensity is performed by changing a pulse waveform of the stimulation current. 【請求項５】請求項４において、パルス高さ、あるい
は、パルス幅のいずれかを制御することを特徴とする触
覚提示方法。5. The tactile presentation method according to claim 4, wherein either the pulse height or the pulse width is controlled. 【請求項６】請求項１乃至５いずれかにおいて、該皮膚
は指先の表面の皮膚であることを特徴とする触覚提示方
法。6. A tactile presentation method according to claim 1, wherein said skin is skin on the surface of a fingertip. 【請求項７】電気刺激によって皮膚から触覚情報を提示
する刺激電極と、該刺激電極に電流を供給する刺激電流
制御部と、該刺激電極に該皮膚が接触した際の応力を計
測する手段とを有し、計測された応力に応じて該電気刺
激の強度を制御するように構成されていることを特徴と
する触覚提示装置。7. A stimulating electrode for presenting tactile information from the skin by electrical stimulation, a stimulating current control unit for supplying a current to the stimulating electrode, and means for measuring a stress when the skin comes into contact with the stimulating electrode. A tactile sensation providing device, wherein the tactile presentation device is configured to control the intensity of the electrical stimulus according to the measured stress. 【請求項８】請求項７において、該刺激電極はディスプ
レイに連繋したマウスに搭載されていることを特徴とす
る触覚提示装置。8. The tactile presentation device according to claim 7, wherein the stimulus electrode is mounted on a mouse connected to a display. 【請求項９】請求項７において、該刺激電極がディスプ
レイを構成することを特徴とする触覚提示装置。9. The tactile presentation device according to claim 7, wherein the stimulus electrodes constitute a display. 【請求項１０】請求項７乃至９いずれかにおいて、該応
力の計測手段は該電極の下に配設されたロードセルであ
ることを特徴とする触覚提示装置。10. A tactile presentation device according to claim 7, wherein said stress measuring means is a load cell disposed below said electrode.