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触感の定量化と創出に向けた 計測・シミュレーション・提示技術 ·...
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触感の定量化と創出に向けた計測・シミュレーション・提示技術
関西学院大学
理工学部・人間システム工学科
教授井村誠孝
感性価値創造研究センター
特任助教山﨑陽一
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「ファブ地球社会」に向けた取り組み
「標準化」+「個別化」=「適合化」
共通部分を標準化し,さらに個別の部分を組み合わせることにより,一人一人に対し適合された多様な環境を実現する.高度にカスタマイズ可能な社会になる.
新しい職能の創生人間と機械の創造的な関係が構築され,それを活用する新たな職能と職種が生じる.
モノ・人の流通の削減パーソナル・ファブや知の集積の発展により「半径5m・5km以内」の移動で世界と繋がる社会.資源の循環型社会の達成で,物流コストが減少する.
エンゲージメント中心社会
ヒトが自らをとりまくモノや社会と,能動的で楽しみをもって強固な結びつき(engagement)を形成する.
ファブ地球社会とは?
必要とする全ての人が,「自らの感性に基づいて」「欲しいモノや必要なモノを作り出す」ことができる「個人の多様性を尊重」した社会であり,そのために「必要な創意工夫を互いに共有」することで,自己充実感や成長感,達成感に満ちた生活を送ることができる持続可能な社会
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JST COI STREAM感性とデジタル製造を直結し,生活者の創造性を拡張するファブ地球社会創造拠点
Human:感性価値指標化技術のサービス化
Techology:拡張ファブリケーション技術のパッケージ化
Society:社会制度・ライセンスの整備
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触感プロセッシング: 触感の定量化と創出
ファブ地球社会における生産物を実際に使用する際に,感性価値の高い触感を与える
目的
アプローチ
触感を生み出す階層構造の理解
触感の階層構造を利用したモノの生成
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アクティブ:接触状態変化あり
パッシブ:接触状態変化なし
二種類の触感 -対象物と指の接触状態
Taptic Engine (Apple iPhone)HD振動 (ニンテンドースイッチ)
本研究で取り組む対象
触察動作 動的な接触・非接触
大変形道具の操作
把持 振動のみ
部分的に実用化
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接触状態変化なし: パッシブな触感
触対象皮膚感覚受容器
材質の解析器
触感触対象から得られる物理刺激の一方向の伝達により生じる
物理刺激
脳内機構(中枢)
神経信号
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アクティブタッチによる触感の知覚
触対象皮膚感覚受容器
材質の解析器
運動の分析器
運動感覚受容器
運動の制御
行動の制御
筋活動の制御
触感
手指の運動
脳内機構(中枢)
手で自由に触ること(触察行動)によって生じる対象の知覚
行動指令
行動指令
運動指令
物理刺激神経信号
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触感を生み出す階層構造
物体材質・表面形状・手指との相対運動
手指の物理的挙動反発力・摩擦力・変形
生理的反応機械受容器
感性
触察動作時の物理量計測と解析
接触の物理シミュレーション
生体組織のシミュレーション
機械受容器反応のモデリング
感性価値と対応付けるデータマイニング
客観的・一般的
主観的・個別的
1 2
3
3
サイバー空間
フィジカル空間
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触感階層構造を利用したモノの生成
物体材質・表面形状・手指との相対運動
手指の物理的挙動反発力・摩擦力・変形
生理的反応機械受容器
感性
3Dプリンティングによる実体化
アクチュエータによるアクティブ触感生成
物理挙動を生み出す物体形状の探索
感性価値を創出する物理挙動の算出
客観的・一般的
主観的・個別的 サイバー空間
フィジカル空間
力触覚ディスプレイによるプレタッチ
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4
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物理量と感性価値の関係
マクロ粗さ ファイン粗さ
硬軟感 摩擦感
感性指標(岡本等による材質次元)
物理量(反発力,摩擦力,変形)
物理特徴量
変換
関係性の分析
摩擦時に感じる触感を提示
(触感の定量化)
反発力・摩擦力を計測
要素技術1: 触察動作時の物理量計測
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触察動作時の指とモノとの相互作用力を計測
振動板(縦方向)
振動板(横方向)
接触対象物
重力方向
摩擦方向
指先
負荷センサ(ロードセル)
負荷センサ(ロードセル)
物理量の計測
装置構成
計測データ例
装置外観
反発力(縦方向の力)及び摩擦力(横方向の力)を縦横方向に配置した振動板を介して負荷センサにより計測
指変形の観測
要素技術1: 触察動作時の物理量計測
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事例: 布地の風合いの計測と感性指標推定
布地の風合い(触感)を計測された物理特徴量に基づき定量化可能
マクロ粗さ
ファイン粗さ摩擦感
硬軟感
要素技術2: 計測された物理量に基づく触覚情報処理
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計測データ
7次元物理特徴量
統計的解析
周波数解析
周波数特性
MDS(多次元尺度構成法)により計測対象(19サンプル)の知覚マップを構成
マクロなザラザラ感 大小
小
大
ミクロなザラザラ感
可視化二次元空間に射影
一般性のある物理特徴量空間の構築
要素技術2: 計測された物理量に基づく触覚情報処理
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• 指: バネ-ダンパ-質点モデル
• 質点間の接続: Kelvin-Voigtモデル
– バネとダンパが並列に接続したモデル
接触状態変化のシミュレーション
指: バネ(-ダンパ)-質点
物体表面: 剛体
バネ
ダンパ
指紋を模擬した指モデル 指先拡大図
計測不可能な情報を補う制作物の触感を実体化前にシミュレートする
要素技術3: アクティブタッチの物理シミュレーション
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1指接触前
2指接触時=凝着接触した質点と表面との相対位置を固定
3指接触中接触した質点は表面と一緒に移動
4接触点剥離一定以上の力が質点に加わると凝着が外れる
指
物体
接触の凝着モデルによる表現
摩擦係数
接触する2物体の材質
表面の微細な構造
既知
未知
よりミクロな凝着モデル
摩擦係数の限界
要素技術3: アクティブタッチの物理シミュレーション
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スクリーンショット
物理特徴量→
指モデル
物体表面グラフ:剪断力の時間変化
赤: 接触点
マクロ粗さ
ファイン粗さ 硬軟感 摩擦感
要素技術3: アクティブタッチの物理シミュレーション
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展望: シミュレーション精度の向上
• Material Point Methodの導入→大変形する物体の表現
– Sulskyらが1994年に提案
• 粒子法と格子法のハイブリッド手法
– 粒子で物体を表現する.
– 運動方程式は格子で解き,その結果に従って粒子を運動させる.
• 特徴
– 粒子法を基礎としている→大変形に強い
– 有限要素法と同じく保存則を弱形式で表現→物理的な正確性が高い
変形する対象物のシミュレーション精度向上を図る
今後の予定
要素技術3: アクティブタッチの物理シミュレーション
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触感生成の二つの方法
動的:アクチュエータの埋め込みと制御
道具使用者
操作
使い心地
センシング
アクチュエータ
シミュレーション使用者・道具の状態
静的:3Dプリンティング
道具の使い心地をバーチャルに生成する
要素技術4: アクティブな触感の生成
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事例:多様な筆記感を提示するスタイラスペン
筆記具ごとに多様な筆記感 タブレット上では単一
なのに…
単一のデバイスを用いて,多様な触覚提示を実現したい
要素技術4: アクティブな触感の生成
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筆記感の記録・モデル化・生成
線形予測係数に筆記感の情報を集約する
小型マイクロフォン(Knowles Corp., SP0103NC3-3)
線形予測分析によるモデル化 小型振動子
(Alps Electric, Forcereactor)
導電性繊維
ペンホルダ
小型振動子
アンプからの振動信号1
ˆk
n n i n i
i
x e a x
推定値
ガウシアンノイズ
線形予測係数
過去のサンプル値
次数
周波数 [Hz]
ボールペン
鉛筆
クレヨン
振動の周波数特性
振動のモデル化 振動の提示振動の計測
要素技術4: アクティブな触感の生成
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実験結果・展示事例
イノベーションジャパン2016「超スマート社会」分野に選出
グランフロント大阪ナレッジキャピタルで一般展示Knowledge Innovation Award 優秀賞(2017)
要素技術4: アクティブな触感の生成
3種類の筆記具の違いを区別する実験の正答率(n=9)
ボールペン
鉛筆 クレヨン
95%
84% 77%
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まとめ
• 触感プロセッシング技術により,モノに触感を付与して感性価値を向上させる取り組みを紹介した.
– 人が物体表面に触る際の物理特性計測について述べた.
– 計測された物理特性に基づいて,触感を分類するための周波数特性に基づく特徴量を構築した.
– 物体と指との接触状況を反映したシミュレーション手法の現状について述べた.
– 道具にアクティブな触感を付与する事例として,多様な筆記感を生成するスタイラスペンについて紹介した.
触感を生み出すメカニズムを計測・シミュレーション・心理実験を通じて理解し,その知見を利用することで,
触感の自在な生成を実現する
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企業への期待
• 想定される本技術の導入先
– 様々な製品において,「手ざわり感」「使い心地」などの触覚的価値の向上を考えておられる企業
– それら製品の外装素材となる材料を開発しておられる企業
– デジタルデバイスのユーザインタフェースの質向上を考えておられる企業
• 開発の推進に必要な技術
– 計測: 物体や生体の非破壊・非侵襲な変形計測技術,振動や変位の非接触計測技術
– 提示: 小型のアクチュエータ,粘弾性を動的かつ可逆的に制御可能な材料
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産学連携の経歴
• 2004年-2007年: 共同研究 (環境関連ベンチャー企業A社)
• 2007年-2008年: 共同研究 (制御機器メーカB社)
• 2010年-2011年: 共同研究 (空調機メーカC社)
• 2012年-2013年: JST 研究成果最適展開支援プログラム(A-STEP)探索タイプ採択
• 2015年-: 共同研究 (自動車メーカD社)
• 2017年-: 共同研究 (化学メーカE社)
• 2017年-: 共同研究 (電気メーカF社)
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お問い合わせ先
関西学院大学
研究推進社会連携機構知財産学連携センター
◆住所 〒669-1337 兵庫県三田市学園2-1
関西学院大学神戸三田キャンパス VI号館内
◆電話 079-565-9052
◆FAX 079-565-7910
◆電子メール [email protected]
◆ホームページ http://www.kwansei.ac.jp/kenkyu/