触感取得に効果的な人工指の構造およびポリモーダル皮膚センサの配置の解明

• Project/Area Number: 18K04072
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
• Research Institution: National Institute of Technology, Kumamoto College
• Principal Investigator: 湯治 準一郎 熊本高等専門学校, 生産システム工学系APグループ, 教授 (80332104)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 触覚センサ / サーミスタ / 温度 / 変位 / 静電容量 / ポリモーダル受容器 / 人工皮膚感覚 / 皮膚センサ / 人工指

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，接触動作を伴う触感の取得に適した人工指の構造，人工皮膚の材料や形状，信号処理を含むポリモーダル皮膚センサの配置や密度を明らかにすることを目的とする．温度センサとして用いられているサーミスタ素子の周囲に水分領域を設けたものを，力や温度の皮膚刺激に応答するポリモーダル皮膚センサと定義し，これを人工皮膚材料に埋め込む方式で製作する．
本研究では，市販されている超薄型NTC型サーミスタ素子（10.0 kΩ@25 °C，B 定数3435K）と電極が直接液体媒質に触れるように先端をむき出しに加工し，液体媒質として水で満たしたシリコンチューブ内に挿入したものをポリモーダル受容器の拡大モデル（皮膚センサ）とみなしている．サーミスタ素子を静電容量Cと抵抗Rの並列等価回路で表し，それらを取得することで皮膚センサの変位量とその場所の温度を推定する．令和３年度は，人工指内部への組込みを想定し，市販のC/VコンバータからPICマイコンの充電時間計測ユニット（Charge Time Measurement Unit）機能を用いた静電容量および並列抵抗を同時に取得する手法を検討した．測定対象の静電容量や抵抗の大きさに応じて外付けの基準抵抗および基準コンデンサを適切に選定することで，複数サーミスタ素子の静電容量および抵抗を同時に取得できることを実験によって確認した．令和５年度は，サーミスタの静電容量Cを測定する際に，電圧をCTMU機能（AD変換）で測定すると並列抵抗の影響で一次遅れ応答となることから，算出した電圧値と実際に波形観測によって測定した充電後の電圧値に差が生じていたため，補正を行うことで対応した．また，複数の超薄型NTC型サーミスタ素子を配置するためのレイアウトの製作と試作を行った．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

皮膚センサの多数化，静電容量や抵抗の同時測定の安定化に伴う課題があり，測定系や信号処理部を単純化するための検討やサーミスタ素子の複数配置に時間を要しているため．また，他の共同研究（科研費萌芽分担，受託研究）の実施にも時間を要しているため，予定よりも遅れている．

Strategy for Future Research Activity

マイコンを用いた測定系はほぼ使用できる状況であるため，今年度はポリモーダル素子としての複数配置による応答取得実験を行い，有効性を確認する．また，これまで実現できていない定期的なキャリブレーション機能を付加するなど，実際に使用することを想定した処理方法の検討も行い，これらの検証結果をもとに，複数配置と人工皮膚への組込みを試みる．

Research Products

• [Presentation] PICマイコンの充電時間計測ユニットを用いたRC同時測定手法 (2022)
  • Author(s): 右谷圭寿，湯治準一郎
  • Organizer: 計測自動制御学会計測部門 第39回センシングフォーラム
• [Presentation] サーミスタによるポリモーダル型触覚素子の提案 ―温度と変位の同時センシング― (2020)
  • Author(s): 湯治 準一郎
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2020
• [Presentation] Simultaneous Sensing Method of Temperature and Displacement for Multimodal Tactile Sensor (2019)
  • Author(s): Jun-ichiro Yuji
  • Organizer: 2019 International Conference on Electrical Engineering and Control Technologies
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] 触覚センサおよび触覚センシング方法 (2019)
  • Inventor(s): 湯治 準一郎
  • Industrial Property Rights Holder: 湯治 準一郎
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Patent Publication Number: 2020-201144
  • Filing Date: 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] 触覚センサおよび触覚センシング方法 (2019)
  • Inventor(s): 湯治準一郎
  • Industrial Property Rights Holder: 独立行政法人高等専門学校機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-108104
  • Filing Date: 2019