触覚フィードバックを用いた体性感覚の操作

人間が自らの肉体に対して持つ興味は大きい．多くの人間は体力的・知能的・美的な面で他の人間よりも優れた肉体を欲すると考えられ，また様々な特殊な体を持つ空想上のキャラクターに憧れ人間とは異なる構造の身体に興味を持つ物も多いであろう．だが身体機能の向上のためには通常長期間の継続した訓練を必要とし，人間とは異なる身体への変身は不可能であるといえる．科学技術の発展に伴い肉体形状および運動機能への物理的な介入方法が広まりつつあるが，未だに身体的リスクと金銭的コストが高く，複雑な装置を必要とするため誰もが気軽に利用できるものではない．このような背景から本研究では，人間の肉体そのものに介入するのではなく，肉体が生成する感覚である体性感覚を肉体外部から操作することで肉体の主観的特性を操作することを目標とする．主に身体表面の感覚を刺激するアクチュエータとして広く使われているボイスコイル型振動子は，様々な触感の呈示を簡便なセットアップで実現できる．したがってこれを身体運動に同期させて駆動する振動フィードバックシステムを開発し，運動に伴って発生する身体内部の感覚を操作することを試みる．体性感覚の操作に関する本研究は2 つの戦略によって構成される．一つは体性感覚の「増強」である．これは自己身体運動を把握する能力を高め，より鮮明に，あるいは詳細に運動状態を知覚させる量的な操作である．一方で，もう一つの戦略は体性感覚の質的な操作である「変調」である．これは身体自体の硬さや重さといった特性を変化させることであり，結果として身体を構成する材質・構造を主観的に変調することになる．これら2 つの戦略に沿った具体的な手法を，体性感覚の増強に関して2 件，変調に関しても2件設計した．体性感覚の増強に関しては，第一にロータリスイッチの回転に伴うカチカチとした触覚・力覚フィードバック「カチカチ感」に着目した．これを肘関節に付与して運動時の体性感覚を鮮明化し，腕立て伏せ姿勢の教示を試みた（第3 章）．第二に，自動車運転におけるアクセルペダルの操作を補助するため，ペダルの角度が一定値変化する度に瞬間的なクリック振動を呈示することで，ペダル角度の把握能力向上および操作性向上を試みた（第4 章）．体性感覚の変調に関しては，第一に様々な材質の衝突振動を再現する減衰正弦波モデルに着目し，これを身体運動に同期させて呈示することで身体材質感の変調を試みた（第5 章）．これによりロボットやゴム人間といった特殊なキャラクターの体性感覚の再現を目指した．第二に，ロボットキャラクターのみに着目し，実際のロボットに生じる振動加速度を記録・モデリング・再生する手法によりロボットの内部構造に起因する体性感覚まで再現することを試みた（第6 章）．またロボット感体験の総合的なリアリティ向上のため高品質な視覚・聴覚刺激を組み合わせたバーチャルリアリティゲームを開発した．また体性感覚の操作をより広範囲で行うため，既存の触覚ディスプレイの問題点を考察し，身体広範囲に均等な触覚刺激を呈示する触覚ディスプレイを開発した（第7 章）．最後に本研究全体のまとめと結論を述べ，今後の展望を示す（第8 章）．電気通信大学201

Altering one's body-perception through e-textiles and haptic metaphors

Tajadura-Jiménez A, Väljamäe A and Kuusk K (2020) Altering One's Body-Perception Through E-Textiles and Haptic Metaphors. Front. Robot. AI 7:7.Technologies change rapidly our perception of reality, moving from augmented to virtual to magical. While e-textiles are a key component in exergame or space suits, the transformative potential of the internal side of garments to create embodied experiences still remains largely unexplored. This paper is the result from an art-science collaborative project that combines recent neuroscience findings, body-centered design principles and 2D vibrotactile array-based fabrics to alter one's body perception. We describe an iterative design process intertwined with two user studies on the effects on body-perceptions and emotional responses of various vibration patterns within textile that were designed as spatial haptic metaphors. Our results show potential in considering materials (e.g., rocks) as sensations to design for body perceptions (e.g., being heavy, strong) and emotional responses. We discuss these results in terms of sensory effects on body perception and synergetic impact to research on embodiment in virtual environments, human-computer interaction, and e-textile design. The work brings a new perspective to the sensorial design of embodied experiences which is based on "material perception" and haptic metaphors, and highlights potential opportunities opened by haptic clothing to change body-perception.This work was partially supported by PSI2016-79004-R Magic Shoes project grant (AEI/FEDER, UE), from Ministerio de Economía, Industria y Competitividad of Spain and the Magic Lining VERTIGO project as part of the STARTS program of the European Commission, based on technological elements from the project Magic Shoes. AT-J was supported by RYC- 2014–15421 grant from the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad of Spain and AV was supported by the Estonian Research Council grant PUT1518

A transdisciplinary collaborative journey leading to sensorial clothing

Recent science funding initiatives have enabled participants from a diverse array of disciplines to engage in common spaces for developing solutions for new wearables. These initiatives include collaborations between the arts and sciences, fields which have traditionally contributed very different forms of knowledge, methodology, and results. However, many such collaborations often turn out as science communication and dissemination activities that make no concrete contribution to technological innovation. Magic Lining, a transdisciplinary collaborative project involving artistic and scientific partners working in the fields of e-textile design, cognitive neuroscience and human-computer interaction, creates a shared experiential knowledge space. This article focuses on the research question of how a transdisciplinary collaborative design processinvolving material explorations, prototyping, first-person-perspective and user studies, can lead to the creation of a garment that invites various perceptual and emotional responses in its wearer. The article reflects on the design journey, highlighting the transdisciplinary team's research through design experience and shared language for knowledge exchange. This process has revealed new research paths for an emerging field of 'sensorial clothing', combining the various team members' fields of expertise and resulting in a wearable prototype.This work was partially supported by the VERTIGO project as part of the STARTS program of the European Commission, based on technological elements from the project Magic Shoes (grant PSI2016-79004-R, Ministerio de Economía, Industria y Competitividad of Spain, AEI/FEDER). The work was also supported by the project Magic outFIT, funded by the Spanish Agencia Estatal de Investigación (PID2019-105579RB-I00/AEI/10.13039/501100011033). Aleksander Väljamäe’s work was supported by the Estonian Research Council grant PUT1518; and Ana Tajadura-Jiménez’s work was supported by RYC-2014–15421 grant, Ministerio de Economía, Industria y Competitividad of Spain

Altering One's Body-Perception Through E-Textiles and Haptic Metaphors

Technologies change rapidly our perception of reality, moving from augmented to virtual to magical. While e-textiles are a key component in exergame or space suits, the transformative potential of the internal side of garments to create embodied experiences still remains largely unexplored. This paper is the result from an art-science collaborative project that combines recent neuroscience findings, body-centered design principles and 2D vibrotactile array-based fabrics to alter one's body perception. We describe an iterative design process intertwined with two user studies on the effects on body-perceptions and emotional responses of various vibration patterns within textile that were designed as spatial haptic metaphors. Our results show potential in considering materials (e.g., rocks) as sensations to design for body perceptions (e.g., being heavy, strong) and emotional responses. We discuss these results in terms of sensory effects on body perception and synergetic impact to research on embodiment in virtual environments, human-computer interaction, and e-textile design. The work brings a new perspective to the sensorial design of embodied experiences which is based on “material perception” and haptic metaphors, and highlights potential opportunities opened by haptic clothing to change body-perception

Exploring the Design Space for Body Transformation Wearables to Support Physical Activity through Sensitizing and Bodystorming

Negative or disturbed body perceptions are often interwoven with people's physical inactivity. While wearables can support body perception changes (body transformation), the design space of body transformation wearables supporting physical activity remains narrow. To expand this design space, we conducted an embodied co-design workshop with users. Using conceptual and tangible sensitizing tools, we explored/reflected on bodily sensations at three moments of movement execution (before/during/after). Conceptual tools were used to evoke/reflect/capture past lived experiences, while tangible tools were used as ideation probes for sensory bodystorming. Two design concepts emerged, reflecting diverging approaches to body transformation wearables: one focused on reminders and movement correction; the other on sensory augmentation and facilitation. We reflect on how each facilitates useful representations of body sensations during movement, and present methodological recommendations for designing technology for sensory augmentation in this area. Finally, we propose a preliminary prototype based on our design concepts and discuss future steps

Increasing Transparency and Presence of Teleoperation Systems Through Human-Centered Design

Teleoperation allows a human to control a robot to perform dexterous tasks in remote, dangerous, or unreachable environments. A perfect teleoperation system would enable the operator to complete such tasks at least as easily as if he or she was to complete them by hand. This ideal teleoperator must be perceptually transparent, meaning that the interface appears to be nearly nonexistent to the operator, allowing him or her to focus solely on the task environment, rather than on the teleoperation system itself. Furthermore, the ideal teleoperation system must give the operator a high sense of presence, meaning that the operator feels as though he or she is physically immersed in the remote task environment. This dissertation seeks to improve the transparency and presence of robot-arm-based teleoperation systems through a human-centered design approach, specifically by leveraging scientific knowledge about the human motor and sensory systems. First, this dissertation aims to improve the forward (efferent) teleoperation control channel, which carries information from the human operator to the robot. The traditional method of calculating the desired position of the robot\u27s hand simply scales the measured position of the human\u27s hand. This commonly used motion mapping erroneously assumes that the human\u27s produced motion identically matches his or her intended movement. Given that humans make systematic directional errors when moving the hand under conditions similar to those imposed by teleoperation, I propose a new paradigm of data-driven human-robot motion mappings for teleoperation. The mappings are determined by having the human operator mimic the target robot as it autonomously moves its arm through a variety of trajectories in the horizontal plane. Three data-driven motion mapping models are described and evaluated for their ability to correct for the systematic motion errors made in the mimicking task. Individually-fit and population-fit versions of the most promising motion mapping model are then tested in a teleoperation system that allows the operator to control a virtual robot. Results of a user study involving nine subjects indicate that the newly developed motion mapping model significantly increases the transparency of the teleoperation system. Second, this dissertation seeks to improve the feedback (afferent) teleoperation control channel, which carries information from the robot to the human operator. We aim to improve a teleoperation system a teleoperation system by providing the operator with multiple novel modalities of haptic (touch-based) feedback. We describe the design and control of a wearable haptic device that provides kinesthetic grip-force feedback through a geared DC motor and tactile fingertip-contact-and-pressure and high-frequency acceleration feedback through a pair of voice-coil actuators mounted at the tips of the thumb and index finger. Each included haptic feedback modality is known to be fundamental to direct task completion and can be implemented without great cost or complexity. A user study involving thirty subjects investigated how these three modalities of haptic feedback affect an operator\u27s ability to control a real remote robot in a teleoperated pick-and-place task. This study\u27s results strongly support the utility of grip-force and high-frequency acceleration feedback in teleoperation systems and show more mixed effects of fingertip-contact-and-pressure feedback

As Light as You Aspire to Be: Changing body perception with sound to support physical activity

Supporting exercise adherence through technology remains an important HCI challenge. Recent works showed that altering walking sounds leads people perceiving themselves as thinner/lighter, happier and walking more dynamically. While this novel approach shows potential for physical activity, it raises critical questions impacting technology design. We ran two studies in the context of exertion (gym-step, stairs-climbing) to investigate how individual factors impact the effect of sound and the duration of the after-effects. The results confirm that the effects of sound in body-perception occur even in physically demanding situations and through ubiquitous wearable devices. We also show that the effect of sound interacted with participants’ body weight and masculinity/femininity aspirations, but not with gender. Additionally, changes in body-perceptions did not hold once the feedback stopped; however, body-feelings or behavioural changes appeared to persist for longer. We discuss the results in terms of malleability of body-perception and highlight opportunities for supporting exercise adherence

誇張表現に基づいた触覚インタラクションの設計・開発

物体に触れた際の体験を再現する触覚インタラクションの設計・開発はバーチャルリアリティの体験の質を向上する手段として注目されている．一方で，視聴覚と比較して触覚研究の歴史は浅く，質の高い触覚インタラクションの設計・開発は発展途上であるといえる．触覚インタラクションの設計・開発のアプローチに現象を忠実に再現する写実的なアプローチがある．しかし，写実的な触覚インタラクションは現象の再現性は高いものの，現実に起こりうる体験しか表現できない．また，視聴覚と比較して触覚から得られる情報は不明瞭であり，感覚統合において劣位に扱われてしまう．以上から，現象の再現性が必ずしも必要なく，幅広い表現や体験の明瞭さが重要であるエンタテインメント等での触覚インタラクションの応用を考えた際，写実的なアプローチとは別のアプローチが必要であるといえる．これに対し，著者は漫画やアニメーションで用いられる誇張表現の概念を触覚インタラクションの設計・開発に適用することを考えた．漫画やアニメーションでは現実を基に大げさに描くという誇張表現を用いて，視聴者に非現実的ではあるがもっともらしいという印象（本論文では実感性と定義）を与える．本論文は誇張表現の概念を触覚インタラクションの設計・開発に適用することで，再現性は高くないが実感性に優れた触覚インタラクションを設計・開発することを目的とする．これにより，触覚インタラクションの表現の幅の拡張，および分かりやすく実感性のあるも体験の実現を期待する．また，設計・開発した触覚インタラクションを総括することで誇張表現に基づいた触覚インタラクションの実感性を向上させるための要件を明らかにする．本論文では，まず誇張表現の論理構造を見いだし，3つの論理モデルを設定する．次に，3つのモデルを基に8つの触覚インタラクションの設計・開発に関する研究について述べる．各研究では，個別の研究背景および目的について述べ，触覚インタラクションを実装し，目的に則した評価によって個々の有効性を検証する．そして，設計・開発した触覚インタラクションおよびモデルを総括し，実感性を向上させるための要件を明らかにする．本論文は全6章から構成され，内容の要旨は以下のとおりである．第1章では，まず触覚インタラクションが注目されるようになった背景について述べ，写実的アプローチの限界について指摘する．次に，漫画やアニメーションに見られる誇張表現について述べ，本論文の目的として「誇張表現に基づいた触覚インタラクションの設計・開発」および「誇張表現に基づいた触覚インタラクションの実感性を向上するための要件を明らかにすること」を設定する．そして，誇張表現の論理的な分類を行い，触覚インタラクションの設計・開発の指針とするための3つのモデル（代替モデル，変調モデル，重畳モデル）を見いだす．代替モデルでは，感覚Aを別の感覚Bに置換して提示する．変調モデルでは，感覚Aに操作kを加えて変調し提示する．重畳モデルでは，感覚Aに別の感覚Bを提示して重畳する．第2章では，本論文で扱う触覚について定義する．触覚に関する基礎的な生理学的，心理学的知見に関して述べ，次章以降で述べる触覚インタラクションの設計・開発において必要な知見を共有する．第3章では，代替モデルに基づいた2つの触覚インタラクションの設計・開発について述べる．1つ目は肘部の屈伸運動に伴ってロータリスイッチを回した時に生じる周期的な触覚フィードバック（カチカチ感）を提示するカチカチ感提示装置の設計・開発である．本装置によって視覚的運動知覚が困難な状況において触覚的運動知覚を拡張することでユーザの身体姿勢の制御の向上を試みる．2つ目は視覚から材質感を提示する手法VisualVibrationの設計・開発である．本手法では，現実では聴覚・触覚で感じられる高周波数振動を視覚で感じられるように変調して疑似触覚提示を行う．本手法のケーススタディとして物体を叩いた時に生じる振動を取り上げ，視覚的な振動提示による材質感提示を試みる．第4章では，変調モデルに基づいた3つの触覚インタラクションの設計・開発について述べる．1つ目は叩き動作に対して振動提示することでタッチスクリーンが異なる材質になったかのような体験を提供するHaCHIStick&HACHIStackの設計・開発である．本システムは時間応答性に優れており，叩いた瞬間に振動提示が可能である．そのため，ユーザにとっては叩いた対象の材質が変わったように感じられる．2つ目は歯磨き音を変調して提示することで歯磨きの快感および達成感を増強する拡張歯ブラシの設計・開発である．羊皮紙錯覚（手を擦った際に生じる音の高周波成分を強調すると手のひらが乾いた紙のように感じられる）を利用して汚れている，美化されているといった歯の状態を疑似的に再現し，歯磨きの体験を拡張する．3つ目は徳利を傾けた際に内容液の流出によるトクトクという振動（トクトク感）提示の設計・開発である．実際に徳利から液体が流出する際に生じる振動を計測，モデリングし，実際に液体を注ぐことなくトクトク感を再現する．実験的に構築した振動モデルをもとに，粘性感および残量感を再現する．第5章では，重畳モデルに基づいた3つの触覚インタラクションの設計・開発について述べる．1つ目は前章で述べたトクトク感を実際のペットボトルで液体を注ぐ動作に重畳するトクトク感重畳の設計・開発である．トクトク感重畳による注がれる液体の量の錯誤効果を示し，飲食体験の触覚的演出の可能性を示す．2つ目は関節部の屈伸運動に伴って振動を提示することで関節が異なる材質になったかのような体験を提供するJointonationの設計・開発である．本システムによって，サイエンスフィクションに登場するゴム人間やロボットに視聴覚に加え触覚的にも変身したかのような体験を提供する．3つ目はタッチスクリーン上でのユーザの動作に対して引力提示を行う装置VacuumTouchの設計・開発である．本装置は引力提示によってタッチスクリーン上に摩擦感を重畳する．これにより例えばタッチスクリーン上に擬似的な引っかかりをつくりだし，ユーザの操作の補助を行う．第6章では，3つの誇張表現の論理モデルおよび8つの触覚インタラクションに関する研究を総括する．各々の研究を再評価し，課題を整理することで誇張表現に基づいた触覚インタラクションの実感性向上のための要件を明らかにする．そして，本論文の成果を基に誇張表現に基づいた触覚インタラクションの設計・開発に関する研究の今後の展望について論じる．電気通信大学201

経皮的神経電気刺激による上肢における力覚提示

電気通信大学202

Smart Technologies for Precision Assembly

This open access book constitutes the refereed post-conference proceedings of the 9th IFIP WG 5.5 International Precision Assembly Seminar, IPAS 2020, held virtually in December 2020. The 16 revised full papers and 10 revised short papers presented together with 1 keynote paper were carefully reviewed and selected from numerous submissions. The papers address topics such as assembly design and planning; assembly operations; assembly cells and systems; human centred assembly; and assistance methods in assembly