JP4769342B2 - 触感再現方法、装置、コンピュータプログラムおよびコンピュータプログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、ヒトが対象物に触れて感じる感覚のうち、特に対象物表面の素材や形状の影響を受けて感じる触感を擬似的に再現する技術に関する。

近年の視聴覚技術の発展と、ネットワーク技術の発展およびそのインフラの広まりにより、映像（視覚情報）および音響（聴覚情報）は、かなり高い現実感を持って遠隔地に伝達することが可能になってきた。今後は、さらに現実感・臨場感を高めたコミュニケーションの実現が求められるようになると考えられる。そのため、視聴覚技術のさらなる向上だけではなく、視覚、聴覚以外の情報、すなわち触覚、嗅覚などの伝達、再現技術への要求が高まってくるものと予想される。中でも触覚は、ヒトが対象物に触れた時に感じる感覚であるため、極めて日常的な感覚であり、高い臨場感を出すためには非常に重要な感覚であると言える。

ヒトが対象物に触れた時に感じる感覚には、熱い、冷たいなどの温冷覚、圧力や応力として対象物の固さや形状を知覚する力覚、「ふんわり」、「ざらざら」など対象物表面の素材や形状の影響を受けて素材感を感じる触覚など、幾つかの感覚に分類することができる。その中で力覚と触覚は、皮膚下に存在するマイスナー小体、メルケル細胞、パチニ小体、ルフィニ終末と呼ばれる４つの機械的受容器が関与していることが知られている（非特許文献１）。さらに近年の研究により、これらの機械受容器は、皮膚と対象物の接触によって生じる圧力や振動を歪エネルギー密度分布の変化として知覚していることが判っている（非特許文献２、３）。これらのことから、アクチュエータ等を触感再現器として用いて圧力や振動などの機械的刺激を皮膚表面に与えて、上記機械受容器を刺激することで触感再現器の素材の触感とは異なる触感を知覚させ得ることが、幾多の先行研究で示されてきた。

例えば特許文献１では、凹凸を持った対象物に触れた場合当該対象物の凹凸の法線方向の反力が指腹表面に加わることに着目し、呈示する反力の方向を制御することで対象物表面の凹凸を擬似的に知覚させる方法が開示されている。すなわち、再現したい対象物表面の凹凸情報に合わせてあらかじめ微少区間ごとの法線ベクトルを求めておき、この法線ベクトルに応じた反力を力トランスデューサで発生することで、凹凸面の接触感を再現している。このように反力の呈示など力の再現に基づくものは、主として固さや形状などを知覚する力覚の再現を行っていると言える。

一方、ヒトが対象物の素材感を触れることによって感じようとする場合、指で「こする」という動作をする。これは「こする」ことに伴って発生する指表面の摩擦振動を、指皮膚下の機械受容器で捉えて触感として知覚するためであると考えられる。したがって振動刺激を皮膚面に呈示することは、特に触覚の再現に有効である。

このような考えに立った先行研究例として、例えば特許文献２では、電磁コイルを有した微少なアクチュエータを多数用いて触感を呈示する触感呈示方法が開示されている。微少アクチュエータは２ｍｍ程度の微少な間隔で並べて手掌に押し当てられる。個々のアクチュエータに適切に制御された異なった位相の駆動電流を流すことで、押し当て部位に複数種類の触感が知覚されることが実験的に確かめられている。

同様に非特許文献４では、「ＩＣＰＦアクチュエータ」と呼ばれるイオン導電性高分子ゲルを繊毛状にして２次元に配置し、これに振動電圧を印加することで振動刺激を指腹面に呈示する方法が示されている。本先行例では印加する振動電圧として２種類の周波数の信号の合成波を用いており、それぞれの周波数の組み合わせを変えることで複数の布地に近い触感が知覚されることが心理実験により確かめられている。

これらの例では、触感再現器を駆動する信号と触感の関係は実験的に求められているに過ぎないが、特定の触感を再現するための触感再現信号をいかに合成するかについても様々な発明がなされている。たとえば特許文献３では、対象物との接触によって得たセンサ信号からテーブルを参照して触感再現信号を合成し、対象物の触感を呈示する方法が開示されている。テーブルには、触覚再現信号を決定するパラメータである波形周期、振幅、立ち上がり・立ち下り時間など、再現する触感に固有なパラメータが格納されており、これをもとに触感再現信号が合成される。

また特許文献４では、基本形となる触感再現信号を複数種類事前に求めておく方法が開示されている。これは、表面形状が類似する対象物どうしでは、接触によって発生する反力の振動波形が類似したものになることに着目したものである。対象物の触感再現信号を生成する際には、いずれの基本再現信号を用いるか決定し、対象物の表面形状などの差異に応じて基準信号を変形させて触感再現信号とする。

さらに特許文献５では、センサによって取得した力の振動波形から代表的な周波数、振幅の波を抽出して分解し、これをヒトの触感知覚特性に合わせて変形して再合成することで、触感再現信号とする方法が開示されている。

特開２０００−４７５６７号公報（第８−９頁、図８、９） 特開平１１−１５０７９４号公報（第３−５頁、図１） 特開平９−１５５７８５号公報（第３−４頁、図１） 特開２００１−３０６２００号公報（第６頁、図１０） 特開２００６−５８９７３号公報（第９−１１頁、図１１）

岩村、「タッチ」 、 医学書院、 ｐｐ２６−２８、 ｐｐ２０８−２１１、 （２００１） Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ Ｍ．Ａ．， Ｄａｎｄｅｋａｒ Ｋ．， "Ａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｔａｃｔｉｌｅ Ｓｅｎｓｅ Ｕｓｉｎｇ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｉｍａｔｅ Ｆｉｎｇｅｒｔｉｐ"， Ｔｒａｎｓ． ＡＳＭＥ， Ｊ． Ｂｉｏｍｅｃｈ． Ｅｎｇ．， １１８， （１９９６）， ｐｐ４８−５５． 小林、前野、「ヒトの指腹部構造と触覚受容器位置の力学的関係（第２報， 動的接触解析手法および移動する平面と指の接触解析結果）」、機械学会論文集６４−６２８、Ｃ編、 （１９９８） 、ｐｐ４７９８−４８０５． 昆陽、田所、高森、小黒、徳田、「高分子ゲルアクチュエータを用いた布の手触り感覚を呈示する触感ディスプレイ」、ＴＶＲＳＪ， Ｖｏｌ．６， Ｎｏ．４， （２００１）， ｐｐ３２３−３２８．

しかしながら、従来の技術では、触覚再現可能な対象物が限定的であり、また、再現される触感の種類が限定的で不自然であった。

触覚再現信号の合成は一般に大きく２つのステップからなる。すなわち、再現対象である対象物をセンシングして素材情報を取得するステップ１、および、センシング結果を元に再現信号を合成するステップ２である。図１は、触覚再現信号を合成するための２つのステップ１および２を具体的に示している。ステップ２では、事前に求めておいた情報とステップ１で取得した再現対象物に関わる情報のみから再現信号の合成をする。従ってこれ以外の情報を必要とする対象物の触感再現はできないことになる。

例えば特許文献３では、触感再現信号を合成するために、触感再現信号を決定するパラメータが格納されたテーブルを参照している。このような方法を採る場合、ステップ１の対象物のセンシングで得た結果に該当する項目がテーブルに存在しないと、触感再現信号は合成できないことになる。

同様に特許文献４でも、基準となる触感再現信号を事前に用意しており、この基準信号の範囲に収まらない対象物については触感再現信号を合成することができない。この結果、事前に準備された対象物の触感しか再現できないことになり、触感再現可能な対象物が限定されることになる。

また触覚再現信号の合成に関しては、大きく２つのアプローチに分けられる。１つは、物理的知見、あるいはヒトの触感知覚特性に関する知見に基づいてあらかじめ信号合成のためのモデルを構築しておき、ステップ１で取得した対象物の情報からパラメータを設定して、信号合成するものである。もう１つは、センサから得た時間波形信号を整形して触感再現信号とする方法である。

前者の例として、例えば特許文献３では、ボイスコイルモータの振動で触感を再現するために、その振動周期、振幅、立ち上がり、立ち下がり時間といったパラメータを、対象物のセンシング結果から決定する。しかし２つの素材がこすり合わされてどのような摩擦振動が発生するか、あらゆる素材の組み合わせについて完全に記述できるモデルは未だ発見されていない。またヒトが、例えば「ふんわり感」や「ざらざら感」を知覚するのは、各触覚受容器のどのような発火パタンが組み合わさることによるものか、あるいは皮膚表面のどのような振動によるものかといったことについても、未だ十分な知見は得られていない。

このような中にあっては、モデルに基づいて合成した触覚再現信号によって、ヒトが様々な素材から感ずる多種多様な触感が再現できるとは考えにくい。とりわけ特許文献３ではアクチュエータの振動の周波数は単一周波数であるため、再現される触感は限定的であると考えられる。

一方、センサから得た信号波形を整形する後者のアプローチでは、触感再現器によって皮膚表面に呈示する振動刺激を、対象物と皮膚が実際にこすり合わされた時に生起する摩擦振動といかに類似させるかという点が重要である。２つの素材をこすり合わせる時、一方の素材が共通であっても、もう一方が異なる素材であると異なる摩擦振動が発生することから、センサと対象物のこすり合わせで発生する振動と、皮膚と対象物のこすり合わせで発生する振動は異なったものになる。したがって後者のアプローチを採る場合、このような振動波形の変化を考慮した信号変形が必要であると言える。その意味で特許文献５では、グローブの指先に取り付けられた力検出センサや加速度センサで時間波形信号を取得し、これをヒトの触覚感度特性に合わせて加工しているが、グローブの振動特性と指弾性体の振動特性が異なることに着目した処理は行っておらず、先に述べた理由により現実感のある触感を伝えることはできないと考えられる。

本発明は上記課題を解決するためになされたなされたものであり、その目的は、様々な対象物に触れた時にヒトが感じる多種多様な触感を再現することである。

本発明による触感再現システムは、対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去する除去部と、ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳する重畳部と、前記指腹部起因の振動波形が重畳された第１の接触子起因波形に基づいて振動刺激を呈示する再現部とを備えている。

前記接触子起因の振動波形は、前記対象物の物理計測量、および、接触子と前記対象物との接触動きに基づいて決定され、前記指腹部起因の振動波形は、前記物理計測量および前記接触動きに基づいて決定されてもよい。

前記接触動きは、前記接触子と前記対象物の相対速度に基づいて定まってもよい。

前記接触動きは、前記接触子の前記対象物への押し付け荷重に基づいて定まってもよい。

前記接触子起因の振動波形は、前記接触子と前記対象物による摩擦振動波形に含まれてもよい。

前記指腹部起因の振動波形は、指腹と前記対象物による摩擦振動波形に含まれる、パワーピークに基づいて決定されてもよい。

前記接触子起因の振動波形は、接触子で複数の対象物をなぞって得られる複数の摩擦振動波形の中で、パワーピークが所定範囲内に属する摩擦振動波形の数に基づき決定されてもよい。

前記指腹部起因の振動波形は、指腹で複数の対象物をなぞって得られる複数の摩擦振動波形の中で、パワーピークが所定範囲内に属する摩擦振動波形の数に基づき決定されてもよい。

前記第１の接触子起因波形、および、前記第２の接触子起因波形は周波数とパワーとの関係を示すパワースペクトルで表され、前記接触子起因の振動波形は、前記第１の接触子起因波形のパワースペクトルおよび前記第２の接触子起因波形のパワースペクトルに共通する波形成分であってもよい。

前記第１の指腹部起因波形および前記第２の指腹部起因波形は、周波数とパワーとの関係を示すパワースペクトルで表され、前記指腹部起因の振動波形は、前記第１の指腹部起因波形のパワースペクトルおよび前記第２の指腹部起因波形のパワースペクトルに共通する波形成分であってもよい。

本発明による触感再現方法は、対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去するステップと、ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳するステップと、前記指腹部起因の振動波形が重畳された第１の接触子起因波形に基づいて振動刺激を呈示するステップとを包含する。

本発明によるコンピュータプログラムは、コンピュータによって実行されることにより、前記コンピュータに対し、対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去するステップと、ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳するステップと、記指腹部起因の振動波形が重畳された第１の接触子起因波形に基づいて振動刺激を呈示するステップとを実行させる。

本発明による記録媒体は、上述のコンピュータプログラムを記録した記録媒体であってもよい。

本発明による他の触感再現システムは、対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去する除去部と、ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳する重畳部とを備えている。

本発明の触感再現装置によれば、接触子で対象物をなぞって得た情報と、事前に求めておいた接触子と指腹に関する情報から、指腹で対象物をなぞった時に指腹部に生起する摩擦振動を模擬する触感再現信号を合成することが可能になるため、再現可能な対象物が限定されることなく、自然な触感を再現することができる。

触覚再現信号を合成するための２つのステップ１および２を具体的に示す図である。 実施形態１による触感再現装置１のブロック図である。 摩擦振動取得部２０３の具体例を示す図である。 図３の弾性体で発生した摩擦力による振動波形の例を示す図である。 摩擦振動のパワースペクトルの一例を示す図である。 摩擦振動取得部２０３および接触動き取得部２０４に対応する機能を備えたＸＹＺ３次元プロッタ５０１の構成例を示す図である。 パワーピーク抽出の処理手順を示すフローチャートである。 同一の接触子および同一の接触動きに対して複数の対象物から取得した摩擦振動の周波数解析結果の例を示す図である。 接触子起因ピーク格納部２０７への格納例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、指腹部の表面振動を推定する方法の一例を示す図である。 なぞり器１０１構成例を示す図である。 接触子起因振動除去部２１０によるパワーピークの除去処理の手順を示すフローチャートである。 除去されたパワーピーク１２３を示すパワースペクトルを示す図である。 パワースペクトル１３１と、重畳されたパワーピーク１３２およびパワーピーク１３３を示す図である。 実施形態２による触感再現装置２のブロック図を示す図である。 接触子起因ピーク格納部１４０６の格納テーブルの例を示す図である。 実施形態３による触感再現装置３のブロック図である。 実施形態４による触感再現システム４のブロック図である。

本発明は、指腹部で対象物をなぞった時に指腹部表面に発生する摩擦振動と同じ振動を再現することで、任意の素材に触った時の触感を再現することを目的としている。

各実施形態の説明に先立って、触感を再現することが可能であるとする本発明の動作原理を述べる。

２つの素材がこすり合わされて発生する摩擦振動は、こすり合わされる２つの素材Ｍ１、Ｍ２と、そのこすり合わせ方、すなわち接触動きｍｖで決まると考えられるため、Ｆ（Ｍ１，Ｍ２，ｍｖ）という形で表現することが可能である。この時、対象物Ｔの触感を再現するために接触子Ｍｐでこすり合わせて得た摩擦振動をＦｐ（Ｔ，Ｍｐ，ｍｖ１）、指腹面に呈示すべき摩擦振動をＦｆ（Ｔ，Ｍｆ，ｍｖ２）と表現する（ただし、Ｍｆは指腹の素材項を表すとする）。

本発明の目的は、ＦｐからＦｆを求めることであるが、素材Ｍ１、Ｍ２と接触動きｍｖは摩擦振動に関して非線形に絡んでおり容易に解くことはできない。しかしながらＦｐにおける接触動きｍｖ１とＦｆにおける接触動きｍｖ２が同一であるとすると、Ｆｐ、Ｆｆに関して異なるのは素材項の一つであるＭｐとＭｆの違いのみとなるので、この条件の下で解くことを考える。このｍｖ１＝ｍｖ２という条件の持つ意味は、接触子で対象物をなぞった時の接触動きと指腹に呈示する摩擦振動の接触動きが同じということを意味する。つまり触感再現器に触れた指腹に伝わる触感は、接触子で対象物をなぞった時と全く同じ接触動きを指腹で行った時に知覚される触感と同じになる。この条件を満たすため、触感再現器に触れた指腹は触感再現器上で停止していることが望ましい。一般に体の一部を対象物に当て能動的に動かして触感を知覚することを能動触と呼ぶのに対して、逆に対象物が動くことで触感を知覚することを受動触と呼ぶ。本願は主として受動触による触感再現を目指している。

素材項のＭｐ、Ｍｆの違いによる摩擦振動Ｆｐ、Ｆｆの違いを補正する問題を考える。ある系に対して時刻０に時間幅０、エネルギー無限大の信号（インパルス）を入力した際の系の出力をｈ（ｔ）とした場合、任意の時間波形信号ｘ（ｔ）を系に入力した際の出力ｙ（ｔ）は、次式の畳み込みと呼ばれる演算で求まる。

この両辺ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｈ（ｔ）のそれぞれのフーリエ変換をＸ（ｆ）、Ｙ（ｆ）、Ｈ（ｆ）とすると、数１の両辺をフーリエ変換したものは、下記数２に示されるように単純な積の形になる。

つまり時間波形信号の系への入出力関係が、周波数空間では積という形で表現できることを意味する。系の特性を示す項Ｈ（ｆ）は伝達特性と呼ばれる。このような関係を利用して、たとえば音声の収録環境の特性を補償して目的とする特性の音声を出力するシステムなどが考案・実用化されている。この方法の基本的な考え方は、収録環境の伝達特性をＨ（ｆ）、目的とする音声の伝達特性をＧ（ｆ）とすれば、下記数３で求まる伝達特性Ｈｒ（ｆ）を収録音声に掛け合わせるというものである。

本願は、このような考え方を摩擦振動に適用する。すなわち、対象物と接触子による摩擦振動の周波数空間表現をＶｐ（ｆ）として、これが仮想的な信号源Ｓ（ｆ）が対象物と接触子で決まる伝達特性Ｈ（ｆ）を持つ系を経た出力であるとみなす。ここでＳ（ｆ）が仮想的というのは、等価的に信号源と伝達系Ｈ（ｆ）の積で表現するという意味である。摩擦振動はこすり合わされる２つの素材によって生じるものであるが、摩擦振動を起こす独立な信号源というものは存在しないためである。この場合、以下のように記述することができる。

ただしここでは、仮想的な伝達特性であるＨ（ｆ）が接触子と対象物それぞれに独立な仮想的な伝達特性の積とみなすことができると仮定して、それぞれをＨｐ（ｆ）、Ｈｍ（ｆ）とする。さらに信号源Ｓ（ｆ）を白色雑音と考えると定数項となるので、これを対象物の伝達特性側に掛け合わせると、数４は以下のように記述できる。

上記の関係は、指腹部と対象物のこすり合わせによって生じる摩擦振動Ｖｆ（ｆ）についても同様に成り立ち、下記数６のようになる。

よって指腹部と対象物のこすり合わせによる振動は、次のように求めることができる。

すなわち、あらかじめ接触子の仮想的な伝達特性Ｈｆ（ｆ）と指腹の仮想的な伝達特性Ｈｐ（ｆ）が求まっていれば、接触子でなぞった摩擦振動Ｖｐ（ｆ）から、指腹でなぞった摩擦振動Ｖｆ（ｆ）が求まる。

次に、数５および数６で表された摩擦振動に関する接触子および指腹部の仮想的な伝達特性Ｈｐ（ｆ）、Ｈｆ（ｆ）の算出について検討する。

音響工学などで伝達特性を求める際には、一般には単位インパルス応答など、基準信号に対する系の応答を求めて算出する。しかし摩擦振動においては、基準信号あるいは基準素材と呼べるものは存在しないため、上記のような一般的な方法は使えず一般解を求めることはできない。

ところで摩擦振動発生のメカニズムについては未だ完全には解明されていないが、大きく２つの要因が挙げられている（「クーロン摩擦モデルに基づくＳｔｉｃｋ−Ｓｌｉｐ運動の発生条件式（第１報）」、中野、菊池、トライポロジスト、Ｖｏｌ． ５１、（２００６）、 ｐｐ１３１−１３９。以下、「非特許文献５」と記述する）。１つは、摩擦係数の相対速度特性が負勾配を示すとき、摩擦特性が負減衰として作用することにより発生すると考えられており、物質の固有振動数に近い振動となる。もう１つは、相対面の固着とすべりが反復することにより発生するＳｔｉｃｋ−Ｓｌｉｐ運動と呼ばれているもので、静止摩擦係数と動摩擦係数の差により生ずると考えられている。

従ってこれらの振動は、特定の周波数にパワーピークを持ち、かつそのパワーピークは固有振動数など物質により決まる周波数に現れるものであると考えることができる。これらのパワーピークは機械力学的モデルと、素材に関する詳細な物理計測とにより、ある程度予測することができるが、破壊検査を含むような厳密な測定環境を必要とする。そのため、触感を再現するための対象物の測定手段としてはもう少し簡便な手段が求められる。また数４において、摩擦振動の伝達特性は２つの物質に固有な伝達特性の積に分解可能であると仮定したが、これは前述したように接触動きを規定した下で成り立つと考える。例えば非特許文献５で示されているＳｔｉｃｋ−Ｓｌｉｐ運動の運動周期についても、これを決定する重要なパラメータの中に２物体の相対速度と垂直荷重を意味する項が含まれている。これらは接触動きを規定するパラメータであるので、接触動きはＨｐ（ｆ）、Ｈｆ（ｆ）の導出に必須のパラメータであるといえる。一方非特許文献４での実験でも示されている通り、単純な２つの周波数の振動の合成波だけでも複数種類の触感を感じることができる。このことから、伝達特性Ｈｐ（ｆ）、Ｈｆ（ｆ）すなわち周波数ごとのパワースペクトルを求めて振動波形を変形させるほどの高精細な方法でなくとも、パワーの強い周波数の分布を再現するだけでも一定レベルの触感再現は可能であると考える。以上のことを踏まえ、上述の伝達特性の考え方による触感再現の近似的解法として次の方針（１）〜（４）を立てる。（１）Ｈｐ（ｆ）、Ｈｆ（ｆ）を求めるために、接触動きを考慮する。（２）様々な対象物とのこすり合わせによって得られた複数の摩擦振動Ｖｐ（ｆ）、Ｖｆ（ｆ）をそれぞれ用いて、統計的にＨｐ（ｆ）、Ｈｆ（ｆ）を求める。（３）触感再現においては、全ての周波数におけるパワースペクトルが判明していなくても特徴的なパワーピークが再現されればよい。（４）パワーピーク条件をより明確にするため、測定可能な物理的計測量も活用する。

本実施形態では上記方針に則って、パワーピークの集合によって伝達関数Ｈｐ（ｆ）、Ｈｆ（ｆ）を代用するものとして触感再現を行う。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による触感再現装置の実施形態を説明する。

（実施形態１）
本発明による基本的な機能を実現するものとして、本実施形態では、接触子による摩擦振動の発生パタンを事前に学習しておくことで、どんな素材に触ったときの触感もヒトの指腹に呈示可能な、信号変換、摩擦振動発生方法を説明する。

図２は、本実施形態による触感再現装置１のブロック図を示す。触感再現装置１は大きく２つの構成要素を有している。具体的には、パワーピーク学習部２０１および触感再現実行部２０２である。

パワーピーク学習部２０１は、こすり合わせによる摩擦振動を等価的に信号源と伝達系の積と考える数５、数６に従い、Ｈｐ（ｆ）およびＨｆ（ｆ）に対応するパラメータを、学習によって求める。ここでＨｐ（ｆ）とは、接触子と対象物がこすり合わされた時に発生する摩擦振動のうち、対象物に非依存で接触子に起因して表れる振動成分である。本実施形態１では接触子起因で表れるパワーピーク、すなわち接触子起因ピークで、Ｈｐ（ｆ）を近似する。同様にＨｆ（ｆ）は、指腹部と対象物がこすり合わされて発生する摩擦振動のうち、対象物に非依存で指腹部に起因して表れる振動成分で、これを指腹部起因で表れるパワーピークすなわち指腹部起因ピークで近似する。なお、ここでパワーピークとは、摩擦振動のパワースペクトルにおいて、素材の固有振動に伴う共振と考えられるような特定の条件を満たしたパワーの極大点を意味する。（図８の破線で囲った楕円部分参照）。学習部２０１を用いてこれらパラメータを求めるステップを、以下では「学習ステップ」と呼ぶ。

触感再現実行部２０２は、触感再現したい対象物を接触子でなぞって得た摩擦振動と、パワーピーク学習部２０１で求めた接触子および指腹部のパワーピーク情報を元に、数７の考え方に基づいて指腹部の摩擦振動を合成し呈示する。以下ではこれを用いた処理ステップを「実行ステップ」と呼ぶことにする。

パワーピーク学習部２０１は、摩擦振動取得部２０３と、接触動き取得部２０４と、周波数解析部２０５と、パワーピーク判別部２０６と、接触子起因ピーク格納部２０７と、指腹部起因ピーク格納部２０８とを備えている。

なお、図２では、パワーピーク学習部２０１および触感再現実行部２０２が一部重複している。これは、重複部分の接触子起因ピーク格納部２０７および指腹部起因ピーク格納部２０８が、物理的にはパワーピーク学習部２０１および触感再現実行部２０２のいずれか一方に含まれていればよいことを意味している。ここでは、接触子起因ピーク格納部２０７および指腹部起因ピーク格納部２０８は、物理的にはパワーピーク学習部２０１に含まれているとしている。なお、接触子起因ピーク格納部２０７および指腹部起因ピーク格納部２０８は、触感再現実行時には、ピークの除去・重畳のために触感再現実行部２０２に必要になる。

以下、パワーピーク学習部２０１の各構成要素の機能を説明しながら、パワーピーク学習部２０１による学習ステップの大まかな処理の流れを説明する。

摩擦振動取得部２０３は、対象物をなぞることで対象物と接触子あるいは対象物と指腹の摩擦を起こし、この摩擦振動を表す時間波形信号を出力する。また接触動き取得部２０４は、摩擦振動取得部２０３での接触子あるいは指腹と対象物のなぞり動作における相対速度や押し付け力に関する信号を出力する。なぞり動作や押しつけ動作は、たとえば図６に示すＸＹＺ３次元プロッタ（後述）などを利用して行うことが可能である。周波数解析部２０５は、摩擦振動取得部２０３の出力を周波数解析してパワースペクトルなどの情報に変換する。

パワーピーク判別部２０６は、様々な種類の対象物について様々な接触動きを行って取得した周波数解析部２０５の各出力と、接触動き取得部２０４の出力を統計的に処理する。そして、摩擦振動のパワースペクトルに含まれる複数のパワーピークから対象物に非依存なものを接触動きごとに抽出する。

接触子起因ピーク格納部２０７は、接触子と対象物の摩擦振動からパワーピーク判別部２０６が抽出した接触動きと対象物計測量ごとのパワーピーク情報を、接触動き情報、対象物計測量と関連付けて格納する。指腹部起因ピーク格納部２０８は、指腹と複数の対象物との摩擦振動からパワーピーク判別部２０６が抽出した接触動きと対象物計測量ごとのパワーピーク情報を、接触動き情報と対象物計測量と関連付けさせて格納する。

一方の触感再現実行部２０２は、摩擦振動取得部２０９と、接触動き取得部２１０と、周波数解析部２１１と、接触子起因振動除去部２１２と、指腹部起因振動重畳部２１３と、摩擦振動合成部２１４と、触感再現器２１５とを備えている。

以下、触感再現実行部２０２の各構成要素の機能を説明しながら、触感再現実行部２０２による実行ステップの大まかな処理の流れを説明する。

摩擦振動取得部２０９は、再現対象である対象物を接触子でなぞって発生した摩擦振動を表す時間波形信号を出力する。接触動き取得部２１０は、対象物と接触子のなぞり動作における相対速度や押し付け力に関する信号を出力する。周波数解析部２１１は、摩擦振動取得部２０９の出力を周波数解析してパワースペクトルなどの情報に変換する。接触子起因振動除去部２１２は、周波数解析部２１１のパワースペクトル情報から接触子起因のパワーピークを除去する。ここで除去するパワーピークは、接触動き取得部２１０の出力に基づいて接触子起因ピーク格納部２０７を検索して利用する。さらに指腹部起因振動重畳部２１３では、接触子起因振動除去部２１２の出力に指腹部起因ピークを重畳する。ここで重畳するパワーピークは、接触動き取得部２１０の出力に基づいて指腹部起因ピーク格納部２０８を検索して利用する。摩擦振動合成部２１４は、指腹部起因振動重畳部２１３の出力を時間波形信号に復元する。触感再現器２１５では、摩擦振動合成部２１４の合成信号を振動刺激として呈示して触感を再現する。

次に各部の詳細を説明する。学習ステップでは、まず特定の接触子であらかじめ定めた複数の対象物をなぞって、摩擦振動取得部２０３で時間波形信号（たとえば電圧波形）を取り出す。接触子と対象物の摩擦振動から時間波形信号を取り出すには、例えばＰＶＤＦ（高分子圧電素子）フィルムなどの圧電素子を直接接触子として用いたり、あるいは弾性体を接触子とすることが考えられる。そして、その接触面近くに圧電素子を貼り付けたり、内部に埋め込むなどして取り出すことが可能である。

図３は、摩擦振動取得部２０３の具体例を示す。弾性体Ａ０１は、対象物とこすり合わされて摩擦振動を発生する。この振動を、多数配列されたセンサＡ０２，Ａ０３で電気信号として取り出す。センサＡ０２、Ａ０３は、たとえば歪ゲージである。なお、図３には、後述する加速度センサＡ０４も示されている。

図４は、図３の弾性体で発生した摩擦力による振動波形の例を示す。この図にあるように、接触子で対象物をなぞった場合、初期段階では静止摩擦力により両者は固着した状態にある。せん断方向への引っ張り力が最大静止摩擦力を超えると、動摩擦による接触運動状態に移行する。本願で述べている摩擦振動とは動摩擦状態での振動を意味している。摩擦振動取得部２０３では、図４のような時間波形信号から動摩擦状態へ移行した後、さらに一定時間経過した後の安定した波形を自動的に切り出す。

摩擦振動取得部２０３で振動波形を取得すると同時に、接触動き取得部２０４は接触子と対象物との接触によって生じる相対的な動き（接触動き）の情報を取得する。ここで「接触動きの情報」とは、接触子と対象物の相対速度ｖ、接触子の対象物への押し付け力Ｆなどの、接触動きを規定するパラメータである。

図３に示した摩擦振動取得部２０３の構成例における加速度センサＡ０４は、接触子の動きの積分値から接触子の接触速度を計算する。これにより、接触子の動きを取得することが可能である。加速度センサＡ０４は、接触動き取得部２０４の具体例である。またセンサＡ０２は素材方向への押し付け力も計測できるようになっている。たとえば摩擦振動のうちの直流成分を押し付け力Ｆとして出力する。

前述したように摩擦振動は、同一の接触子と対象物でこすり合わせた時でも接触動きが変われば異なる。従って様々な接触動きについて摩擦振動を取得しておく必要がある。

特に本願では接触子によるなぞり動作と同じ動作をした時の触感を指腹に再現するため、ヒトが対象物の触感を知覚する時に一般的に採る様々ななぞり動作に対応する接触動きについては、摩擦振動を取得しておくことが望ましい。また接触子の伝達関数Ｈｐ（ｆ）に対応するパワーピーク群は接触動きごとに求めることが望ましい。つまり複数の対象物ごとに共通の複数の接触動きで摩擦振動を取得することが望ましい。

このため接触子で対象物をなぞって複数の摩擦振動ｖを取得する過程では、ＸＹＺ３次元プロッタなどを用いて接触動きを制御した取得をすることが有効である。たとえば図６は、摩擦振動取得部２０３および接触動き取得部２０４に対応する機能を備えたＸＹＺ３次元プロッタ５０１の構成例を示す。ＸＹＺ３次元プロッタ５０１を用いることにより、摩擦振動および接触動きの情報を取得することが可能である。以下、その取得方法を説明する。

ＸＹＺ３次元プロッタ５０１は、あらかじめ規定した接触動きで接触子を動かして対象物との摩擦振動を取得する。ＸＹＺ３次元プロッタ５０１は、支持ポール５０２および支持ポール５０３の２本で、接触子を含んだセンサ部５０４を保持する。支持ポール５０２はモータ５０５でレール５０６に沿ってＸ軸方向に移動でき、加えてモータ５０７でレール５０８に沿ってＺ軸方向に移動できる。一方支持ポール５０３は、モータ５０９でレール５１０に沿ってＹ軸方向に移動できる。

モータ制御部５１１は、接触動き制御部からの制御信号に従ってモータ５０５、モータ５０７、モータ５０９の動きを制御し、センサ部５０４を移動させ対象物５１３との摩擦振動を発生させる。センサ部５０４には、接触子と摩擦振動を取得するためのせん断力センサのほか、対象物への押し込み力を測定するための法線力センサが取り付けられている。センサ部５０４は、これらの構成により接触動きの押し付け力Ｆを取得することができる。またモータ５０７によるＺ方向への移動量と押し込み力Ｆの関係から、対象物の弾性率を求めることができる。

さらに接触動き制御部５１２からの制御信号情報のうち、単位時間あたりのＸおよびＹ方向への移動量によって、接触子と対象物の相対速度ｖを取得することができる。なおここでは接触動きとして接触子と対象物の相対速度ｖと押し付け力Ｆを挙げたが、加速度ａあるいは運動方向Ｘ，Ｙを区別した速度ｖｘ、ｖｙや加速度ａｘ、ａｙを用いることも有効である。

また、全ての対象物を同じ接触動きで調べる方法を例示した。しかしながら接触動きにある程度の変動がある場合でも、摩擦振動の変動を事前に構築したモデルで補正する方法を採ることも可能である。この場合のモデルとは、接触動きや対象物の物理計測量の変化に対してパワーピークがどのように変化するかということを、摩擦振動に関する物理モデルや、様々な対象物様々な接触動きに基づいて統計的に求めたモデルなどを指す。

こうして得られる時間波形信号は、なぞる対象物およびなぞり方を表す接触動きの組み合わせごとに複数取り出される。今、対象物ｊ、接触動きの種類ｉによって発生する摩擦振動をｖ（ｊ，ｉ）とすると、ｖ（１，１）、…、ｖ（ｍ，ｎ）が得られる。ただし、ｍ（ｍ≧１）は対象物の数であり、ｎ（ｎ≧１）は接触動きの種類の数である。これらのｍ×ｎ個の時間波形信号それぞれを、周波数解析部２０５で周波数空間表現に変換する。これは例えば信号のパワースペクトルを求めることを意味する。そのため一般的には、時間波形信号を一定時間間隔でサンプリングし、これをＦＦＴなどの方法で離散フーリエ変換する。

図５は、摩擦振動のパワースペクトルの一例を示す。パワースペクトルは実線で示されている。この図にあるように、一般に摩擦振動のパワースペクトルは周波数ごとにパワーが大きく変動する。しかし摩擦振動は素材の固有振動数などにパワーピークを持つ周期的な振動であり、また触覚再現において特徴的なパワーピークを再現することが重要であると考えると、微少な周波数の変動ごとのパワーの変動には大きな関心はない。

そこで音声の周波数解析などにおいて用いられるＬＰＣ（線形予測分析）などの手法を用いて（例えば、「音声・音情報のディジタル信号処理」、鹿野、中村、伊勢、昭晃堂、ｐｐ１０−１６．、１９９７。）、スペクトル包絡を求めてこれを周波数解析結果とすることも可能である。図５には、このような手法によって求めたスペクトル包絡を破線で示している。以上のように時間波形信号を周波数解析した結果を、Ｖ（１，１）、…、Ｖ（ｍ，ｎ）とする。

ワイルドカード「＊」を使って、変数の全ての要素の集合を表すと、ｍ種類の対象物とｎ種類の接触動き全ての組み合わせについて求めた周波数解析結果の集合は、Ｖ（＊，＊）と表現できる（ここでは「＊」は任意の１文字を示している）。パワーピーク判別部２０６では、接触子起因のパワーピークの抽出を行う。

図７は、パワーピーク抽出の処理手順を示すフローチャートである。接触動きごとのデータ抽出ステップ６１では、まずｎ種類の接触動きごとに周波数解析結果Ｖ（＊，＊）を取り出す。仮に今、ｉ番目の接触動きについてのデータ抽出を行っているなら、全てのＶ（＊，ｉ）が抽出される。次に対象物ごとのデータ抽出ステップ６２では、上記Ｖ（＊，ｉ）からさらに対象物ｊに関する出力Ｖ（ｊ，ｉ）を抽出する。前述した通りＶ（ｊ，ｉ）は、たとえば図５に示すデータである。パワーピーク抽出ステップ６３では、Ｖ（ｊ，ｉ）からローカルピーク（極大点）の周波数とパワーを抽出する。図５では抽出したローカルピークが小さな点線の円で示されている。一般にこれは複数抽出される。この時、ローカルピーク抽出に条件を加えてもよい。例えばローカルピークのパワーのレベルやローカルピークにおける共振のＱ値などが、所定の条件を満たしたもののみを抽出するなどである。このような抽出条件の追加によりより顕著なピークのみが抽出され、触感再現にとって重要ではないまたは雑音とみなし得るローカルピークを無視することができる。こうして複数抽出されたローカルピークをパワーピークとする。その情報を、数８のように記述するとする。

ここでインデックスｋは、対象物ｊ、ｉ番目の接触動きに対する摩擦振動の低い周波数からｋ番目のパワーピークという意味である。またθｆはパワーピークの周波数、θｐはパワーピークのパワーを表わすものとする。このようなθの抽出を、同一の接触動きｉでの摩擦振動Ｖ（＊，ｉ）に関するｍ種類の対象物全てについて求める。得られた｛θｆ｝の集合についてパワーピーク周波数の生起確率算出ステップ６４では、｛θｆ｝に含まれる周波数ｆｘごとに、下記数９を満たすｋが存在する対象物ｊの数をカウントする。

例えば、ｍ種類の対象物のうちｍ’個の対象物において数９を満たすｋが存在したならば、パワーピーク周波数ｆｘの生起確率は数１０のようになる。

さらに数９の条件を満たした対象物ｊとインデックスｋの全ての組み合わせについて、θｐを平均することで、下記数１１で求まるパワーピークの平均パワーも同時に求めておく。

また平均パワーだけでなく、共振のＱ値の平均を同様の計算で求めておくことも有効である。なお生起確率算出のための条件式数９では、θｆが厳密にｆｘと同一であることを条件としたが、周波数に関して一定の幅を持たせることも有効である。たとえば窓幅を示す係数αに対して、

なる条件式などを用いることも有効である。この場合パワーピーク周波数は一意に決まらないので、条件数１２を満たす対象物ｊとインデックスｋの全ての組み合わせについてθｆを平均することで、数１３などを用いてもよい。

さらに摩擦振動は、複数の共振系を持つ系から個々の共振が発現したものと捉え、これら共振は周波数やピークのパワーにおいて確率的な変動をして現れるものと考える。この時周波数解析された摩擦振動はこの系の観測値となるので、最ゆう法、ベイズ学習などの統計学習の枠組みでパラメータを推定して確率Ｐ（ｆｘ｜ｉ）を求めることもできる。また摩擦振動をこのような枠組みで捕らえるなら、パワーピークを決定する要因となり得る対象物の弾性率Ｅや、摩擦係数μもモデルの中に取り込むことができ、Ｐ（ｆｘ｜ｉ，Ｅ）、Ｐ（ｆｘ｜ｉ，μ）、Ｐ（ｆｘ｜ｉ，Ｅ，μ）などの形でより詳細な確率分布の推定が可能になる。ピーク抽出判断ステップ６５では、Ｐ（ｆｘ｜ｉ）ごとに所定の閾値以上の確率を有しているか否かを判断する。もし閾値以上の確率があれば、ピーク情報出力ステップ６６でパワーピーク周波数ｆｘとその平均パワー数１１、平均Ｑ値、および接触動きｉに対応する相対速度ｖ、押し込み力Ｆなどを出力する。そうでなければ棄却する。なお前述したようなパワーピーク発生確率を確率分布として求めた場合には、分布を表す平均値、分散などのパラメータを出力することも有効である。

図８は、同一の接触子および同一の接触動きに対して複数の対象物から取得した摩擦振動の周波数解析結果の例である。この図に示したように出現するパワーピークは、対象物の変化に対して変わらずに出現するパワーピーク（７Ａの円で示したピーク）と、対象物ごとに変化するパワーピーク（７Ｒの円で示したピーク）に分かれる。上述したパワーピークの生起確率数１０を求め、適切な閾値で判断することにより、円７Ａで示したようなパワーピークがパワーピーク判別部２０６から出力され、円７Ｒで示したようなパワーピークは棄却されることになる。以上のような処理をｎ種類の接触動きごとに繰り返して、接触動きごとのパワーピーク情報とする。このような処理を集合｛θｆ｝内の全てのｆｘについて行い、さらにｎ種類の接触動き全てについてステップ６２〜６６の処理を繰り返す。

出力された接触動きごとの複数のパワーピークは、接触子と対象物とのこすり合わせによる摩擦振動において、対象物に依存せずに現れるパワーピークであるため、接触子起因のパワーピークである。この接触子起因のパワーピークは、数５の接触子の伝達特性Ｈｐ（ｆ）に対応するものである。よってパワーピーク判別部２０６からの出力を、接触子起因ピーク格納部２０７に格納する。

ここで、図９は、接触子起因ピーク格納部２０７への格納例を示す。図９では、パワーピーク判別部２０６からの出力であるパワーピークの周波数と平均パワーが、接触動きを表す相対速度ｖ、押し付け力Ｆと関連付けされて格納されている。パワーピーク判別部２０６での処理フローの説明でも述べた通り、同一の接触動きに対してパワーピーク周波数は複数抽出される可能性がある。このような場合の具体的な数値の例が図９の１行目、２行目等で示されている。なお、前述した通り接触動きとして格納される情報は、図９に挙げたもの以外にも相対加速度や、さらに速度および加速度のＸ，Ｙ方向成分を個別に記録したものであってもよい。またパワーピーク情報として、ピーク周波数とその平均パワーだけでなく、パワーピークの共振のＱ値の平均値が格納されていることも、有効である。さらにパワーピーク判別部２０６で発生確率の分布を求めたのであれば、単に周波数や平均パワーのみを格納するのではなく、それらの分散など確率分布を規定するパラメータを格納する。

以上、接触子で対象物をなぞることによって得られる接触子起因ピークの抽出と格納方法を説明した。

なお、指腹部で対象物をなぞることによって得られる指腹部起因ピークの抽出と格納方法も本質的な処理の流れは同じである。すなわち、被験者の指腹部を使って所定のｎ種類の接触動きでｍ種類の対象物をなぞり、その時に発生する摩擦振動を摩擦振動取得部２０３で取得する。同時にこの時の接触動き情報を接触動き取得部２０４で取得する。摩擦振動信号は周波数解析部２０５で周波数空間の信号に変換する。ｍ種類の対象物とｎ種類の接触動きの組み合わせについて取得した周波数解析済み摩擦振動信号を使って、パワーピーク判別部２０６で対象物によらず高い頻度で出現するパワーピークを抽出し、これを指腹部起因ピーク格納部２０８に格納する。ここに格納されるパワーピーク情報は、指腹部で対象物をなぞった際に対象物によらず出現するパワーピークであることから、指腹部起因ピークと見ることができ、数６の指腹の伝達特性Ｈｆ（ｆ）に対応するものである。この格納方法も、図９に例示した接触子起因ピークの格納方法と同様である。ただし接触子起因ピークと指腹部起因ピークは明確に区別する必要があるので、個別の表に格納する、あるいはいずれのピークであるかが判るようなフラグ項目を追加するなどして両者が区別できるようにしておく。

このように指腹部起因ピークの抽出と格納方法の処理は、接触子起因ピークの抽出と格納方法同様であるが、解決すべき問題が１つある。それは、学習ステップにおいて指腹部の摩擦振動を取得する際に、指腹部表面に生起する摩擦振動を直接取得するのが困難であるという点である。すなわち、指腹部表面に生起する摩擦振動を取得するため、圧電フィルムなどのセンサを指腹部表面に貼り付けるなどすると、指腹ではなくフィルムセンサと対象物が摩擦することにより摩擦振動そのものが変化してしまうため意味をなさない。また指腹部と対象物の接触位置のごく近く、対象物とは接触しない位置にセンサを貼り付けたとしても、指腹部表面で発生している摩擦振動とは同じものが得られる訳ではない。さらに摩擦振動に対する特性として指腹と等価であるとみなすことのできる人口指を作り、この接触子内部の接触面近くにセンサを埋め込んで摩擦振動を取得しようとしても、弾性、摩擦特性、形状・構造などの条件がヒトの指のそれと全く同じ接触子を製造することは現実的には不可能である。

そこで以下では、指腹部起因ピーク学習時において上記の問題を解決し、指腹部表面の摩擦振動を取得する方法を述べる。上記の問題は、「生体指の振動計測に基づく触覚センシング」（岩本， 星， 篠田， 第２３回センシングフォーラム論文集，（２００６）， ｐｐ２８５−２８８）にあるように、指腹部表面から指腹部振動取得位置までの伝達特性を求めておき、この逆特性を用いて指腹部表面振動を推定する方法が有効である。

図１０（ａ）および（ｂ）は、指腹部の表面振動を推定する方法の一例を示す。まず図１０（ａ）に示すように、指腹部表面から指腹振動取得位置までの伝達特性を求める際には、指に接した基準振動発生部９１から単位インパルスなどの基準振動を発生させ、指腹を加振する。この振動は指を伝わり、基準信号発生部９１とは異なる位置で指に接している指腹振動取得部９２で振動信号として取得される。指腹振動取得部９２は、できるだけそれ自身による影響が小さいことが望ましいので、針状の接触子などで指腹振動を取得することが望ましい。また指腹振動取得部９２の指との接触位置も、振動の減衰や雑音の影響を考慮すればできるだけ指腹の接触面に近いことが望ましい。基準信号発生部９１で加振した振動と、指腹振動取得部９２で取得した振動信号を演算することにより、指腹部接触面から指腹振動取得部９２の取り付け位置までの伝達関数Ｇ（ｆ）が求まる。例えば基準信号発生部９１において単位インパルスで加振したのであれば、指腹振動取得部９２で取得した信号波形ｇ（ｔ）をフーリエ変換したＧ（ｆ）が欲しい伝達関数となる。

指腹部で対象物をなぞった時の摩擦振動を取得する際には、図１０（ｂ）に示すように、基準振動発生部９１を取り除いて代わりに対象物９３を配置する。これにより、指腹部で対象物をなぞった時に指腹部表面で発生する摩擦振動をフーリエ変換したＶ（ｆ）は、次式で得ることができる。

ただし、Ｖ’（ｆ）は指腹部で対象物をなぞった時に指腹振動取得部９２で得られた時間波形信号をフーリエ変換したものである。周波数空間で表現された摩擦振動Ｖ（ｆ）が得られた後は、接触子と対象物の摩擦振動の周波数解析部２０５以降と全く同じ手順によってパワーピークが求まる。このパワーピークが指腹部起因のパワーピークとなる。

以上、パワーピーク学習部２０１における学習ステップについて説明した。次に、対象物Ｔを接触子でなぞることによって得られる摩擦振動を用いて対象物Ｔの触感を触感再現器に再現する実行ステップを、図２の触感再現実行部２０２を用いて説明する。

摩擦振動取得部２０９は、触感再現するための対象物Ｔを接触子によってなぞり摩擦振動に対応する時間波形信号ｖｐ（ｔ）を出力する。接触子でなぞる際には、図６に示したものと同様なＸＹＺ３次元プロッタを用いたなぞり装置によってなぞることも可能である。また、接触子を内蔵したなぞり器を構成してこれを手に把持してなぞることも可能である。

図１１は、なぞり器１０１構成例を示している。なぞり器１０１は、接触子１０２と、押し付け力センサ１０３と、位置センサ１０４と、信号ケーブル１０５とを有している。

接触子１０２は、対象物Ｔと接触し摩擦振動の時間波形信号ｖｐ（ｔ）を出力する。押し付け力センサ１０３は、接触子の対象物への押し付け力を計測する。位置センサ１０４は、接触子と対象物のＸＹＺ方向への相対移動量を計測する。信号ケーブル１０５は、これらの各構成要素から信号を出力する。

本明細書の原理の項で述べた通り、触感再現器２１５で再現される触感は、接触子で対象物Ｔをなぞった接触動作と同一の接触動作で、指腹により対象物Ｔをなぞった時の触感がそのまま出力される。このため摩擦振動取得部２０９で摩擦振動を取得するための接触動きは、再現する触感を考慮した接触動きであるべきである。よって触感再現の用途に応じて、図６に示したようななぞり装置を用いてコントロールされた接触動きをするか、図１１に例示したなぞり器を手に把持してより自然な接触動きをするか、使い分けることが望ましい。

摩擦振動取得部２０９からの時間波形信号ｖｐ（ｔ）は、学習ステップと同様に静止摩擦領域と動摩擦領域が判断され、静止摩擦領域から動摩擦領域へ移行後一定時間経過した動摩擦領域の安定領域の切り出しが行われる（図４参照）。この時間波形信号はサンプリングされ、周波数解析部２１１で離散フーリエ変換などの手法によりパワースペクトルＶｐ（ｆ）に変換される。また後での時間波形信号への復元のために位相情報も保持しておく。

摩擦振動取得部２０９での接触子の接触動きは、学習ステップにおける接触動き取得部２０４と同様に、接触動き取得部２１０で接触子と対象物の相対速度ｖおよび押し付け力Ｆなどとして出力される。図１１ではこの接触動き取得部２０４の構成例が示されている。接触動き取得部２０４は、押し付け力センサ１０３および位置センサ１０４によって構成される。この例では、押し付け力センサ１０３の出力から押し付け力Ｆが得られ、位置センサ１０４の出力から単位時間あたりのＸ方向への移動量とＹ方向への移動量を求め相対速度ｖを計算する。

周波数解析部２１１の出力として得られた摩擦振動のパワースペクトルＶｐ（ｆ）は、接触子起因振動除去部２１０において、数５における接触子の伝達特性Ｈｐ（ｆ）に対応する接触子起因パワーピークをＶｐ（ｆ）中から除去する。除去するためのパワーピーク情報は、接触子起因ピーク格納部２０７に格納された情報から接触動き情報（ｖ，Ｆ）を用いて検索される。

図１２は、接触子起因振動除去部２１０によるパワーピークの除去処理の手順を示すフローチャートであり、図１３は、除去されたパワーピーク１２３を示すパワースペクトルを示す。

図１２の平滑化パワースペクトル算出ステップ１１１では、図１３に示すように接触子起因振動除去部２１０が、パワースペクトル１２１に対して平滑化パワースペクトル１２２を算出する。接触子起因振動除去部２１０は、周波数解析部２１１の出力Ｖｐ（ｆ）からローカルピークを除去したなだらかな平滑化パワースペクトル１２２を計算により求める。

次にローカルピーク抽出ステップ１１２では、接触子起因振動除去部２１０は、周波数解析部２１１の出力Ｖｐ（ｆ）に現れる各ローカルピークを抽出する。ローカルピークの抽出時は、パワーが単に極大値を取っていることだけでなく、そのパワーレベルや共振のＱ値を条件としてもよい。接触子起因ピーク検索ステップ１１３では、接触動き取得部２１０の出力（ｖ，Ｆ）を元に図９に例示したようなテーブルを参照し、最も近い接触動きの中からローカルピークの周波数に最も近いパワーピーク情報を検索する。ローカルピークに対応するパワーピーク情報検索時には、最も類似した接触動きに対応するパワーピーク情報のみを検索するのではなく、所定の閾値以内の類似度を有する接触動きに対応するパワーピークの中からローカルピークの周波数に近いパワーピークを検索しても構わない。

判断ステップ１１４では、接触子起因振動除去部２１０は、ローカルピークが接触子起因ピークであるか否かを判定する。この処理は、ローカルピークの周波数と検索されたパワーピークの周波数が所定の差以内であるか否かを判断することによって行われる。所定の差以内であれば当該ローカルピークは接触子起因のパワーピークであると判断して、処理はステップ１１５に進む。一方、所定の差以内でなければ、ローカルピークが接触子起因ピークではないと判定し、特段の処理は行わず、処理はステップ１１２に戻る。

ローカルピークパワー削減ステップ１１５では、接触子起因振動除去部２１０は、当該周波数を中心として平滑化パワースペクトルのレベルより高いパワーレベルを持っている領域のパワースペクトル全体を、平滑化パワースペクトルのレベルにまで下げる。

ここで、ローカルピークが接触子起因ピークである場合、および、ない場合の処理を、図１３を参照しながら説明する。

図１３において、周波数ｆ１およびｆ２はローカルピーク抽出ステップ１１３で取り出されたローカルピークの周波数であるとする。接触子起因ピーク格納部２０７の格納テーブルを検索した結果、判断ステップ１１４において周波数ｆ１に対応するパワーピーク情報は存在しないと判断されたとすると、これについては何もしない。

一方周波数ｆ２は該当するパワーピーク情報が見つかったとするなら、平滑化パワースペクトルより高いパワーレベルを有している除去パワーピーク１２３部分のパワーを、平滑化パワースペクトルのレベルに落とす。

以上のような処理をピーク周波数抽出ステップ１１３で抽出される全ての周波数について繰り返す。ここではパワーレベルの下げ方として、パワースペクトルＶｐ（ｆ）から算出した平滑化パワースペクトルのレベルまで下げる例を示した。しかし、接触子起因ピーク格納部２０７に格納されたパワーピーク情報のうち平均パワーの情報を用いて、この平均パワーのレベルに応じた量だけパワーピークの山をなだらかに下げる方法も有効である。

接触子起因ピーク格納部２０７の格納形式が、単に周波数と平均パワーではなく周波数の確率分布を示すパラメータであった場合も、同様のステップで除去すべきパワーピークを決定することができる。すなわちローカルピーク抽出ステップ１１２で求めたローカルピークの周波数ｆに対して、接触子起因ピーク検索ステップ１１３では同一の接触動き条件ｉに対して最も高い確率Ｐ（ｆ｜ｉ）を有するパワーピーク情報を確率分布パラメータから決定する。判断ステップ１１４ではこの確率Ｐ（ｆ｜ｉ）があらかじめ定めた閾値以上であるか否かを判断して、ローカルピークが接触子起因ピークであるかどうかを決定する。接触子起因ピークである場合にはローカルピークパワー削減ステップ１１５を実行する。

以上に述べた接触子起因振動除去部２１２の処理は、前述した数７の伝達関数Ｈｐ（ｆ），Ｈｆ（ｆ）を用いる考え方において１／Ｈｐ（ｆ）の演算を行うことに対応している。

次に図２の指腹部起因振動重畳部２１３は、数６の指腹部の伝達特性Ｈｆ（ｆ）に対応する指腹部パワーピークを、接触子起因ピーク除去部２１２の出力に重畳する。重畳するパワーピーク情報は、接触動き取得部２１０からの出力（ｖ、Ｆ）に基づいて指腹部起因ピーク格納部２０８を検索して抽出される。抽出されるパワーピーク情報は、接触動き（ｖ，Ｆ）に最も類似する接触動きに対応するパワーピーク情報である。指腹部起因ピーク格納部２０８に格納されたパワーピーク情報は、図９に示すように同一の接触動きに対して複数格納されていることもあり、これら全てを抽出する。

指腹部起因振動重畳部２１３は、抽出した各パワーピーク情報のピーク周波数とピーク平均パワーを用いて、ピーク周波数位置のパワーが平均パワーのレベルとなるよう所定のＱ値を有したパワーピークを形成する。または、もしパワーピーク情報として平均Ｑ値が格納されている場合には、この値を使ってパワーピークを形成することも可能である。

図１４は、パワースペクトル１３１と、重畳されたパワーピーク１３２およびパワーピーク１３３を示す。

いま、接触動き（ｖ，Ｆ）に対して指腹部起因ピーク格納部２０８から検索されたパワーピーク情報のピーク周波数が、ｆ３、ｆ４であったとする。この場合、指腹部起因振動重畳部２１３は、パワーピーク情報に格納された平均パワー情報を用いて、パワーピーク１３２およびパワーピーク１３３を形成してパワースペクトル１３１に重畳する。

なお指腹部起因ピーク格納部２０８のパワーピーク情報の格納形式が周波数とパワーではなく確率分布である場合には、次のようにして重畳すべきパワーピークを決定することができる。すなわち、指腹部起因振動重畳部２１３は、接触動き条件ｉに対応するパワーピーク情報（それぞれが確率分布を示すパラメータ）について、周波数を振って最大の確率となる周波数とその確率値の組をそれぞれ求める。これらのうち確率値が所定の値を超える周波数を抽出し、これを重畳するパワーピークの周波数として重畳処理を行う。

以上に述べた指腹部起因振動重畳部２１３の処理は、前述の数７の考え方において指腹部の伝達特性Ｈｆ（ｆ）を乗算することに対応している。

なお上述の説明では、接触動きを条件として接触子起因ピークおよび指腹部起因ピークの検索を行う方法を示した。しかしこの限りではなく、接触子起因ピーク格納部２０７に格納されたパワーピーク情報の集合から、自動的に最適な接触動きを予測して決定することも可能である。図１３を用いてこの方法を説明する。

まず前述の方法と同様に、指腹部起因振動重畳部２１３は、周波数解析された摩擦振動からパワーピークと認定しうるローカルピークを抽出する。図１３では、ローカルピークに対応する周波数ｆ１および周波数ｆ２が示されている。

一方接触子起因ピーク格納部２０７は、接触動きごとにパワーピークの周波数集合を規定できる。例えば接触動きｉに対するパワーピークの集合を｛ｆｉ１，ｆｉ２，．．．｝などと規定できる。摩擦振動から得た周波数集合｛ｆ１，ｆ２｝と接触動きごとの周波数集合｛ｆｉ１，ｆｉ２，．．．｝の合致スコアを、例えば双方に共通に存在する周波数の数などとすると、最もスコアの高い接触動きごとの周波数集合を１つ選択することができる。選ばれた周波数集合に対応する接触動きが予測された接触動きとなる。

接触動きを予測した以降の処理手順は上述の方法と全く同じである。この方法は、パワーピーク情報を確率分布として格納している場合にも同様に適用可能である。すなわち、摩擦振動の周波数集合｛ｆ１，ｆ２｝が接触動きごとの確率分布集合からの観測値であると考えて確率スコア計算をすれば、最適な接触動きを予測することが可能である。

以上の処理によれば、接触子起因ピーク格納部２０７、指腹部起因ピーク格納部２０８から接触子起因ピーク、指腹部起因ピークを検索する際に接触動き情報が不要になるので、接触動き取得部２１０なる構成要素が不要になる。

以上により指腹部起因振動重畳部２１３からの出力は、指腹部で対象物Ｔをなぞった時に得られる摩擦振動のパワースペクトルＶｆ（ｆ）を推定したものとなっている。よってこれを再度時間波形信号に戻すことで、指腹部表面で発生する摩擦振動を推定することができる。摩擦振動合成部２１４は、この処理を行う。

周波数空間で表現された信号を時間波形信号に戻すためには、パワースペクトルのみならず位相情報も必要である。接触子起因振動除去部２１２および指腹部起因振動重畳部２１３は、パワースペクトルのみを変換し、位相情報については何も変換していない。しかし触感知覚において、接触子と指腹の位相特性の違いはそれ程重要でないと考えられるので、周波数解析部２１１で得られた位相情報をそのまま使っても、再現される触感には大きな影響はないと考えられる。よって摩擦振動合成部２１４は、この両者を用いて逆フーリエ変換等の手法で、周期的な時間波形信号に変換する。

触感再現器２１５では、摩擦振動合成部２１４の出力である周期時間波形を振動として呈示し、触感再現器２１５に押し当てた指腹表面を振動させる。これにより、触感再現器２１５に触れた指腹には、対象物Ｔをなぞっているかのような触感が与えられる。

以上の構成により、接触子で対象物をなぞって得た摩擦振動情報と、あらかじめ求めておいた接触子起因のパワーピークと指腹部起因のパワーピークを用いることで、対象物を指腹でなぞったような触感を対象物に限定されず自然に再現することが可能になる。

図２に示される各構成要素は、以下のようなハードウェアによって実現される。すなわち、摩擦振動取得部２０３、２０９および接触動き取得部２０４，２１０は、上述の図３，図１１に示したようなセンサを用いて実現できる。また、周波数解析部２０５、２１１、パワーピーク判別部２０６、接触子起因振動除去部２１２、指腹部起因振動重畳部２１３、摩擦振動合成部２１４は、たとえばコンピュータを用いて実現することが可能である。そして、接触子起因ピーク格納部２０７、指腹部起因ピーク格納部２０８は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、メモリカード、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの記録媒体によって実現可能である。また、触感再現器２１５は、ボイスコイルモーターなど振動機構を備えたアクチュエータによって実現可能である。

本実施形態による触感再現装置は、主としてコンピュータシステムによって実現される。たとえばコンピュータシステムに含まれるプロセッサがメモリ（ＲＡＭ）に格納されているコンピュータプログラムを実行することによって、上述の動作を実現する。

たとえば、実施形態１による触感再現システム（触感再現装置）のプロセッサは、図７に示すフローチャートに基づくコンピュータプログラムを実行し、接触子起因振動除去部２１０によるパワーピークの除去処理を実現する。また、プロセッサは、図１２に示すフローチャートに基づくコンピュータプログラムを実行し、接触子起因振動除去部２１０によるパワーピークの除去処理を実現する。すなわち、各々の処理において、プロセッサは、接触子起因振動除去部２１０として機能し、または、接触子起因振動除去部２１０として機能している。プロセッサがコンピュータプログラムを実行することにより、全体として触感再現システム（触感再現装置）の動作を実現することができる。

そのようなコンピュータプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録されて製品として市場に流通され、または、インターネット等の電気通信回線を通じて伝送される。なお、半導体回路にコンピュータプログラムを組み込んだＤＳＰ等のハードウェアとして実現されてもよい。

なお、後述する実施形態についても、本実施形態と同様のハードウェアを利用したコンピュータプログラムを実行するコンピュータシステムとして実現され得る。

（実施形態２）
本実施形態２は、実施形態１に述べた基本的な構成に加え、再現したい素材の触感を取得するための接触子とその接触子に関する接触子起因ピーク情報を複数組有する。これにより、再現したい素材の状況などに応じて、接触子または接触子起因ピーク情報を切り替えて、触感再現することを可能にする。

図１５は、本実施形態による触感再現装置２のブロック図を示す。

図１５において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１５に基づく触感再現装置２も、実施形態１による図２の触感再現装置１と同様、大きく２つの構成要素を有している。具体的には、パワーピーク学習部１４０１および触感再現実行部１４０２である。

パワーピーク学習部１４０１には、図２のパワーピーク学習部２０１に対し接触子切替決定部１４０４が追加されている。接触子切替決定部１４０４を利用すると、複数の接触子に対する接触子起因ピーク情報を学習、格納することができる。

また触感再現実行部１４０２にも接触子切替決定部１４０８が追加されている。接触子切替決定部１４０８は、摩擦振動取得部１４０７で用いられる接触子に合わせて接触子同定信号を出力し、これに応じた接触子起因ピーク情報を利用して触感再現を行う。

パワーピーク学習部１４０１での処理を、実施形態１におけるパワーピーク学習部２０１（図２）との差異を中心に説明する。

実施形態１では、接触子起因ピーク学習時にはｍ（ｍ≧１）種類の対象物に対してｎ（ｎ≧１）種類の接触動きで摩擦振動を取得した。本実施形態ではさらにｐ（ｐ≧２）種類の接触子を有した摩擦振動取得部１４０３を用いて、接触子それぞれについての摩擦振動を取得する。すなわち取得される摩擦振動はｐ×ｍ×ｎ個となる。

摩擦振動取得時には、ｐ種類の接触子のうちいずれの接触子ｇを用いたかに関する信号を接触子切替決定部１４０４が出力する。パワーピーク判別部１４０５では、接触子ごとに実施形態１におけるパワーピーク判別部２０６の処理手順でパワーピークの抽出を行う。出力される周波数および平均パワーなどのパワーピーク情報は、パワーピーク判別部２０６の出力同様の接触動き情報（たとえば相対速度ｖ、押し付け力Ｆ）と接触子の種類を示すインデックスｇに関連付けられて接触子起因ピーク格納部１４０６に格納される。

図１６は、接触子起因ピーク格納部１４０６の格納テーブルの例を示している。図９と比較すれば明らかなように、各パワーピーク情報がいずれの接触子起因のものであるかを識別するためのインデックスを格納するための列が追加されている。なお、指腹部起因ピークの抽出など、パワーピーク学習部１４０１でのその他の処理は実施形態１のパワーピーク学習部２０１と同様であるので説明を省略する。

続いて触感再現実行部１４０２における触感再現方法を説明する。

触感再現実行部１４０２における摩擦振動取得部１４０７は複数の接触子を有しており、これらを切り替えて触感再現対象物の摩擦振動を取得することができる。切り替える方法は、摩擦振動取得部１４０３の外部に設けられた切替スイッチ（図示せず）を利用者が手動で切り替えてもよいし、接触子切替を自動判断するためのセンサの出力に基づいて接触子を切り替えてもよい。いずれにしても選択された接触子を識別するための信号が、接触子切替決定部１４０８より出力される。

接触子起因振動除去部２１２が除去するパワーピークは、接触動き取得部２１０の信号と接触子切替決定部１４０８の信号を元に接触子起因ピーク格納部１４０６を検索することで、摩擦振動取得部１４０７で用いた接触子に適合したパワーピークが利用される。指腹部起因振動重畳部での処理など、触感再現実行部１４０２でのその他の処理は実施形態１と同様であるので省略する。

なお本実施形態では、摩擦振動取得部１４０３および摩擦振動取得部１４０７では物理的に複数の接触子がある例を示したが、これはこの限りではない。たとえば、接触子に加える力や電圧、電磁場さらには磨耗や経年変化などによって接触子の振動特性が変化することで、擬似的に複数の接触子があるようにみなす事ができる場合にも全く同様に適用することができる。

以上のような構成とすることで、本実施形態による触感再現装置２によれば、実施形態１に示した触感再現装置１による触感再現機能に加え次のような効果を期待できる。金属、衣類、粘性物質など触感再現対象の大まかな分類ごとに最適な接触子を切り替えて摩擦振動を取得することができるようになる。そのため、触感再現のための摩擦振動の質が向上し、再現される触感のリアリティが向上する。また、触感再現対象物が高温の場合には接触子が痛んでしまう恐れがある場合を考慮して、対象物とこすり合わせに耐えうる接触子を対象物の状態に合わせて切り替えて利用することができるようになる。そのため、接触子を含むセンサ部の可搬性が広がる。さらに接触子の磨耗や経年変化による振動特性の変化に対応することができるようになる。そのため、長時間の使用にも耐えうる触感再現装置を構築できる、といった効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態は、実施形態１に述べた基本的な構成に加え、異なる物理的特性を有する指腹に関する指腹部起因ピーク情報を複数学習、格納しておく。そして、触感再現時には触感再現装置に触れている指腹の特性に応じて、触感再現に利用する指腹部起因ピーク情報を切り替えて利用する。これにより、指腹の特性の不一致によって呈示される触感の違和感を解消する。

図１７は、本実施形態による触感再現装置３のブロック図を示す。

図１７において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また本実施形態の触感再現装置３は、実施形態２が接触子起因ピーク格納部に複数の接触子ごとのパワーピーク情報を格納したのに似て、指腹部起因ピーク格納部に複数の指特性に応じたパワーピーク情報を格納する。以下、適宜図１５に基づく実施形態２を参照しながら説明する。

図１７に基づく触感再現装置３も、実施形態１および２の触感再現装置と同様、大きく２つの構成要素を有している。具体的には、パワーピーク学習部１６０１および触感再現実行部１６０２である。

パワーピーク学習部１６０１には、図２のパワーピーク学習部２０１に対し指特性切替決定部１６０４が追加されている。指特性切替決定部１６０４を利用すると、複数種類の指特性に対応させて指腹部起因ピーク情報を学習、格納することができる。

また触感再現実行部１６０２にも指特性切替決定部１６０７が追加されている。触感再現実行部１６０２は、指特性切替決定部１６０７の出力に示される指特性に応じたパワーピークを指腹部起因ピーク格納部１６０６から検索する。そして、検索して得られたパワーピークを指腹部起因振動重畳部２１３で重畳して触感再現する。これにより、触感再現器２１５に触れている指の特性に応じた触感再現信号を合成することが可能になり、指腹部に生起する摩擦振動をより忠実に模擬することができる。

パワーピーク学習部１６０１での処理を、実施形態１におけるパワーピーク学習部２０１（図２）とパワーピーク学習部１４０１（図１５）との差異を中心に説明する。

実施形態１では、指腹部起因ピーク学習時にはｍ（ｍ≧１）種類の対象物に対してｎ（ｎ≧１）種類の接触動きで、指腹部でなぞり摩擦振動を取得した。本実施形態ではさらにｑ（ｑ≧２）名の被験者に指腹部で対象物をなぞってもらい、そのなぞり動作に基づく摩擦振動を取得する。すなわち取得される摩擦振動はｑ×ｍ×ｎ個となる。指腹部の摩擦振動取得時には、ｑ名の被験者のうちいずれの被験者ｈであったかに関する信号を指特性切替決定部１６０４が出力する。

パワーピーク判別部１６０５は、指腹部ごとに実施形態２におけるパワーピーク判別部２０６の処理手順でパワーピークの抽出を行う。出力される周波数および平均パワーなどのパワーピーク情報は、パワーピーク判別部２０６の出力同様の接触動き情報（たとえば相対速度ｖ、押し付け力Ｆ）と被験者を示すインデックスｈに関連付けられて指腹部起因ピーク格納部１６０６に格納される。その格納テーブルの例は実施形態２における図１６同様で、接触子インデックスを格納する代わりに被験者インデックスｈを格納する。

なおこの例ではランダムに選ばれたｑ名の被験者の結果をそれぞれ指腹部起因ピーク格納部１６０６に格納する例を示した。しかし、この限りではなく、ｑ名より多いｑ’名の被験者を集めてそれぞれ摩擦振動を取り、その結果をクラスタリングなどの方法でｑ種類にまとめて格納してもよい。あるいはｑ’名の被験者の指腹部の弾性率など物理特性をいくつか計測し、この特性が類似した被験者でｑのグループに分け、各グループから指腹の物理特性値などに基づいて代表者を選択してこのｑ名による摩擦振動を利用してもよい。ただし、これらｑ’名の被験者の指腹を利用して指腹部起因ピークを抽出した場合には、指腹部起因ピーク格納部１６０６に格納される格納テーブル中の被験者インデックスの列は、被験者そのものではなく指の特性などに基づいて振り分けたものを意味する指特性インデックスとなる。その他接触子起因ピークの抽出など、パワーピーク学習部１６０１でのその他の処理は実施形態１同様であるので省略する。

続いて触感再現実行部１６０２における触感再現方法を説明する。触感再現実行部１６０２の処理手順は、接触子起因振動除去部２１２の処理までは実施形態１の触感再現実行部２０２の処理手順と全く同じである。実施形態１との相違点は、指腹部起因振動重畳部２１３で重畳する指腹部起因ピークを検索する手順である。すなわち、指腹部起因ピーク格納部１６０６には異なる被験者（触感再現器２１５の触者）ごと、あるいは異なる指腹特性ごとに指腹部起因ピークが格納されている。これを切り替えるための信号を、指特性切替決定部１６０７が出力する。

指特性切替決定部１６０７は、被験者（触者）を同定するための入力Ｉ／Ｆがついており、その入力に応じた被験者インデックスを出力してもよい。また、単に女性用、男性用、子供用などといった指特性を大まかに分類するラベルが付与されたスイッチがついており、このいずれかを選択することでそれに応じた指特性インデックスが出力されてもよい。さらには指腹の弾性特性などを計測するセンサがついており、触感再現器２１５の触者がこのセンサに触れることで最適な指特性インデックスを選択して出力するようになっていてもよい。指腹部起因ピークの検索時には、指特性切替決定部１６０７の出力と接触動き取得部２１０の出力に基づいて最適な指腹部起因ピークの集合が選ばれる。選ばれたパワーピーク情報を元に触感を再現する手順は、実施形態１の触感再現実行部２０２と同じなので省略する。

なお本実施形態では、複数の指腹特性に対応させて格納された指腹部起因ピークを、被験者インデックスまたは指腹特性を示すインデックスによっていずれか１つに絞り込んで検索するという例を示した。しかしこの限りではなく、複数の指腹特性それぞれの指腹部起因ピークを組み合わせて合成された指腹部起因ピークを生成し、これを用いるようにしてもよい。このような方法を採れば、指特性切替決定部１６０７で指腹特性を計測した場合、指腹部起因ピーク格納部１６０６にその特性に完全に合致するデータが存在しない場合でも、計測された指腹に合った指腹部起因ピークを生成できる。そのため、触感再現器２１５の触者に合った触感再現が可能になる。

以上のような構成とすることで、実施形態１に示した触感再現装置による触感再現機能に加え次のような効果が期待できる。一言に指腹と言っても、性別の違い、年齢の違いあるいは日常的に触れているものの違いなどで、柔らかく小さな指からごつごつした大きな指まで指腹の振動特性は様々に異なる。それにも関わらず、たとえば標準的な固さの指で求めた指腹部起因ピークを使って再現した指腹面振動を、ごつごつした皮の指腹に呈示してもリアリティのある触感が伝えられるとは考えにくい。このような問題を解消するため、あらかじめ異なる指腹の振動特性ごとに指腹部起因ピークを求めておき触感再現器２１５の触者に応じてこれを切り替えれば、触者ごとの指腹の振動特性の違いによる齟齬も小さくなる。そのため、誰に対してもリアリティのある触感を再現することができるようになる。さらには、事前に触感再現器２１５の触者が判っているのであれば、この触者の指腹で指腹部起因ピークを求めておくことでより確実に触者に合った触感再現を行うことが可能になる。

なお、複数の接触子に対応させる実施形態２と、複数の指腹特性に対応させる実施形態３はそれぞれ個別に説明したが、両者を組み合わせた構成とすることも有効である。この場合、両者の効果が同時に享受できる触感再現装置が構成できる。

（実施形態４）
本実施形態は、実施形態１に述べた基本的な構成に加え、素材と接触子の摩擦振動から得た情報を、ネットワークを介して遠隔地に送信することが可能な構成となっている。これにより、ネットショッピングなど、直接対象物に触ることができない状況で、触感を利用したコミュニケーションが可能になる。

図１８は、本実施形態による触感再現システム４のブロック図を示す。

本触感再現装置においても実施形態１から３で述べた触感再現装置と同様、パワーピーク学習部（例えば図１７のパワーピーク学習部１６０１）、および触感再現実行部（例えば図１７の触感再現実行部１６０２）を構成要素として含む。ただし、パワーピーク学習部については実施形態３で述べたものと同一であるため、図では省略されている。

図１８では、図２の触感再現装置１、および図１７の触感再現装置３と同じ構成要素に対しては同じ符号を用い説明を省略する。

本実施形態の触感再現システム４は、実施形態３にかかる触感再現装置３の触感再現を実行するための機能が通信回線１７０３を介して実現される点が大きく異なっている。以下では、実施形態３に示した方法によって、パワーピーク学習部で複数の対象物と複数の接触動きによって決定された接触子起因ピークと指腹部起因ピークが、接触子起因ピーク格納部２０７および指腹部起因ピーク格納部１６０６に格納されたものとして触感再現手順を説明する。

触感再現システム４は、大きく２つの構成要素を有している。具体的には、触感送信部１７０１および触感受信部１７０２である。触感送信部１７０１は、対象物との摩擦振動に基づいて得た触感情報を、通信回線１７０３に送信する。触感受信部１７０２は、通信回線１７０３から触感情報を受信して触感再現を行う。

触感送信部１７０１は、摩擦振動取得部２０９、接触動き取得部２１０、周波数解析部２１１、接触子起因振動除去部２１２、接触子起因ピーク格納部２０７を有している。図２に示す実施形態１の触感再現装置１の構成要素と同じ機能を有する構成要素には同じ参照符号が付されている。

たとえば、摩擦振動取得部２０９は、対象物Ｔを接触子でなぞりその摩擦振動を取得する。これは周波数解析部２１１で解析されてパワースペクトルなどの周波数空間表現に変換され、接触子起因振動除去部２１２で接触子起因のパワーピークが除去される。除去されるパワーピークは、接触動きを条件として接触子起因ピーク格納部２０７を検索して決定する。接触子起因振動除去部２１２からの出力は、接触子と対象物の摩擦振動から接触子起因で現れるパワーピークを除去したものとなっており、接触子に依存しない一般化された摩擦振動と見ることができる。この情報を触感情報として、接触動き取得部２１０の接触動き情報と共に通信回線１７０３に送信する。

触感受信部１７０２は、指腹部起因ピーク格納部１６０６、指腹部起因振動重畳部２１３、摩擦振動合成部２１４、指特性切替決定部１６０７、触感再現器２１５を有している。

触感受信部１７０２は、まず触感情報と接触動き情報を、通信回線１７０３を介して受信する。受信された触感情報は、指腹部起因振動重畳部２１３によって指腹部起因ピークが重畳される。より具体的には、指腹部起因振動重畳部２１３は、受信した接触動き情報と触感再現器２１５の触者の指腹特性を示す指特性切替決定部１６０７からの出力を条件として、指腹部起因ピーク格納部１６０６を検索して重畳するパワーピークを決定する。摩擦振動合成部２１４は、指腹起因のパワーピークが重畳された触感情報を周期時間波形に変換する。触感再現器２１５は、これを振動として触者の指腹に呈示して触感を再現する。

このような構成とすることにより、対象物を直接触れることのできない触者に対して、遠隔で自然な触感を呈示することが可能になる。しかもこの時送受信される触感情報には、触感送信部１７０１で使われた接触子に依存する要素が除去されているため、触感受信部１７０２側で接触子の種類について考慮する必要がない。そのため、触感送信部１７０１と触感受信部１７０２で独立性の高い構成とすることが可能となる。また通信回線１７０３は、１対１のみならず、１対多、多対多であってもよい。たとえば通信回線１７０３は、インターネットなどの広域ネットワーク（ＷＡＮ）であってもよいし、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）であってもよい。また、通信回線１７０３は、有線であってもよいし、無線であってもよい。

このような通信回線１７０３を介して通信することにより、たとえば、遠隔医療で患者の患部の触感を遠隔の医師に伝達する用途や、ネットショッピングにおいて商品の肌触りを顧客に呈示する用途に利用可能である。また１対多で１つの触感を複数のユーザに同時配信できると、触感を使った新たなコミュニケーションツールとすることも可能になる。

なお、ここでは通信回線１７０３を介して送受信する情報は触感情報のほか接触動き情報のみであるが、実施形態１で例示したように対象物の弾性率や摩擦係数などを併用してパワーピークを推定する場合、このようなパラメータも加えて送受信する構成であってもよい。

本実施形態では、通信回線１７０３を利用して複数の装置が相互に接続されることを考慮して、触感再現装置ではなく、「触感再現システム」という名称を利用して説明した。しかしながら、１つの筐体で実現されることを想定した実施形態１〜３の場合に関しても、「触感再現システム」という名称を利用してもよい。１つの筐体で実現された触感再現装置の内部には配線が備えられており、信号を伝送する機能を有するという観点からすると、この配線は広義には実施形態４における通信回線１７０３と同じといえるためである。よって、本明細書における「システム」は、本発明の構成が複数の機器によって実現される場合のみならず、１つの筐体によって実現される装置をも含む広い概念である。

本願発明の触感再現装置では、接触子起因振動が除去された信号に、指腹部起因振動を重畳した信号を得る事ができる点が、従来の技術に対して有用な点である。そのため、時間波形信号に復元することなく、触覚を再現する事が出来れば、摩擦振動合成部は必要ない。

また、上記実施形態１から４まででは、触感受信部が触感再現器を有する構成としたが、必ずしも触感受信部が触感再現器を有する構成とする必要はない。

たとえば、触感再現器を有する端末などが、摩擦振動合成部からネットワーク等を介して送られてくる合成信号を受信して、前述の端末上で触感を再現して呈示しても良い。また、触感を再現することなく、摩擦振動合成部からの合成信号自体を分析するために用いる事も考えられる。また、摩擦振動合成部からの合成信号に対応するような文字情報を触感受信部に設けられた記憶部が有し、たとえば、この文字情報を出力することも考えられる。たとえば、どのような触感かを説明するような文字表示であったり、音声出力が考えられる。この場合も、時間波形信号に復元する必要がなければ、摩擦振動合成部は必要ない。

本発明にかかる触感再現方法は、接触子起因振動除去方法と指腹部起因振動除去方法を有し、対象物に指で触れて知覚される触感を対象物に触ることのできない環境で擬似的に再現することができ、通信販売などで商品の肌触りを伝えるといった用途や、遠隔医療において患部の触感を医師に伝えるといった用途に応用できる。

１、２、３ 触感再現装置
４ 触感再現システム
２０１ パワーピーク学習部
２０２ 触感再現実行部
２０３ 摩擦振動取得部
２０４ 接触動き取得部
２０５ 周波数解析部
２０６ パワーピーク判別部
２０７ 接触子起因ピーク格納部
２０８ 指腹部起因ピーク格納部
２０９ 摩擦振動取得部
２１０ 接触動き取得部
２１１ 周波数解析部
２１２ 接触子起因振動除去部
２１３ 指腹部起因振動重畳部
２１４ 摩擦振動合成部
２１５ 触感再現器

Claims (14)

1. 対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去する除去部と、
   ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳する重畳部と、
   前記指腹部起因の振動波形が重畳された第１の接触子起因波形に基づいて振動刺激を呈示する再現部と
   を備えた触感再現システム。
2. 前記接触子起因の振動波形は、前記対象物の物理計測量、および、接触子と前記対象物との接触動きに基づいて決定され、
   前記指腹部起因の振動波形は、前記物理計測量および前記接触動きに基づいて決定される、請求項１に記載の触感再現システム。
3. 前記接触動きは、前記接触子と前記対象物の相対速度に基づいて定まる、請求項１に記載の触感再現システム。
4. 前記接触動きは、前記接触子の前記対象物への押し付け荷重に基づいて定まる、請求項１に記載の触感再現システム。
5. 前記接触子起因の振動波形は、前記接触子と前記対象物による摩擦振動波形に含まれる、パワーピークに基づいて決定される、請求項１に記載の触感再現システム。
6. 前記指腹部起因の振動波形は、指腹と前記対象物による摩擦振動波形に含まれる、パワーピークに基づいて決定される、請求項１に記載の触感再現システム。
7. 前記接触子起因の振動波形は、接触子で複数の対象物をなぞって得られる複数の摩擦振動波形の中で、パワーピークが所定範囲内に属する摩擦振動波形の数に基づき決定される、請求項１に記載の触感再現システム。
8. 前記指腹部起因の振動波形は、指腹で複数の対象物をなぞって得られる複数の摩擦振動波形の中で、パワーピークが所定範囲内に属する摩擦振動波形の数に基づき決定される、請求項１に記載の触感再現システム。
9. 前記第１の接触子起因波形、および、前記第２の接触子起因波形は周波数とパワーとの関係を示すパワースペクトルで表され、
   前記接触子起因の振動波形は、前記第１の接触子起因波形のパワースペクトルおよび前記第２の接触子起因波形のパワースペクトルに共通する波形成分である、請求項１に記載の触感再現システム。
10. 前記第１の指腹部起因波形および前記第２の指腹部起因波形は、周波数とパワーとの関係を示すパワースペクトルで表され、
    前記指腹部起因の振動波形は、前記第１の指腹部起因波形のパワースペクトルおよび前記第２の指腹部起因波形のパワースペクトルに共通する波形成分である、請求項１に記載の触感再現システム。
11. 対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去するステップと、
    ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳するステップと、
    前記指腹部起因の振動波形が重畳された第１の接触子起因波形に基づいて振動刺激を呈示するステップと
    を包含する、触感再現方法。
12. コンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
    前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに対し、
    対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去するステップと、
    ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳するステップと、
    前記指腹部起因の振動波形が重畳された第１の接触子起因波形に基づいて振動刺激を呈示するステップと
    を実行させる、コンピュータプログラム。
13. 請求項１２に記載のコンピュータプログラムが記録された記録媒体。
14. 対象物と接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第１の接触子起因波形と、前記対象物とは異なる他の対象物と前記接触子との接触で発生する摩擦振動波形である第２の接触子起因波形と、に共通する波形成分である接触子起因の振動波形を、前記第１の接触子起因波形から除去する除去部と、
    ヒトの指の指腹部と前記対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第１の指腹部起因波形と、前記指腹部と前記他の対象物との接触で発生する摩擦振動波形である第２の指腹部起因波形と、に共通する波形成分である指腹部起因の振動波形を、前記接触子起因の振動波形が除去された第１の接触子起因波形に重畳する重畳部と
    を備えた触感再現システム。

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