| 研究課題/領域番号 |
17K00243
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| 研究機関 | 前橋工科大学 |
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研究代表者 |
王 鋒 前橋工科大学, 工学部, 教授 (80323046)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 温度感覚 / 触覚センサ / 焦電特性 / PVDF / 熱特性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、人間の接触温度感覚を模擬・実現する温感センサを開発することである。具体的には、機能性材料の一種であるポリフッ化ビニリディンPVDF フィルムの焦電効果を利用して、センサシステムのハードウェアと信号処理のソフトウェアを構築し、対象物に触れるときの焦電出力から、対象物の温度のみならず、対象物の熱容量、熱伝導率、および比熱等の諸熱特性を同時に計測可能、かつ順応性を持つ人間の接触温度感覚を模擬・実現する温感センサを開発する。平成30年度中、以下の研究内容を実施した。
（１）人間の接触温度感覚をさらに考察した。温度コントローラを用いて、前年度に作成した鉄、銅、アルミ、真鍮、ステンレス、PVC、PE、アクリル等の異なる熱特性を持つサンプルを用いて人間の接触温度感覚の評価実験を行った。その結果に基づき、人間の温度感覚と接触対象物の温度および対象物の熱特性を表す諸物性値との関係の定量化解析を行った結果、人間の接触温度感覚に最も寄与が大きい因子は対象物の温度であり、対象物の諸熱特性の寄与は温度にも依存していることを明らかにした。
（２）センサのハードウェアの改良を行った。今までの研究知見をもとに、センサ受感部、センサヘース部およびセンサ駆動部の形状、構造、センサ出力の前処理電子回路の改良などを行い、新たなセンサおよびセンサ出力前処理電子回路等のハードウェアを構築した。
（３）改良されたセンサを用いて、上記(1)のサンプルを用いて計測実験を行った。センサがサンプルに触れた時の出力から、センサとサンプルとの間の温度差、サンプルの熱容量、熱伝導率等の熱特性を表すパラメータを検討した。センサ出力の振幅に、センサと接触対象物との温度差および対象物の熱伝導率等の情報を含まれている、また、センサ出力変化の時定数に主に対象物の材質の熱伝導率等の熱特性を含むことを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
（１）実験環境構築：鉄、銅、アルミ、真鍮、ステンレス、PVC、PE、アクリル等の異なる熱特性を持つ様々な材料を利用し、一定の質量、一定の熱容量の両パターンのサンプルを外注作成した。これらのサンプルをワンタッチで固定できるサンプル把持装置なドの実験環境を構築した。さらに環境温度の影響を削減のための実験環境を構築した。
（２）人間の接触温度感覚の再考察：最初年度にヌーメリック・レイティング・スケールNRS法およびビジュアル・アナログ・スケールVAS法の主観的評価尺度を用いて人間の接触温度感覚を客観的に定量化することを試みた。前年度にさらに主観的評価尺度の代わりに、温度コントローラを利用して人間の接触温度感覚を客観的に定量化することを行った。またサンプルの温度をより細かい刻みに設定し、サンプルに対して人間の接触温度感覚に関して評価データを収集し、重回帰分析を用いて人間の接触温度感覚の評価とサンプルの温度、サンプルの熱容量、熱伝導率、および比熱等の諸熱特性との関係を検討した。
（３）センサシステムハードウェア改良：前年度の研究知見をもとに、センサシステムのハードウェア改良を行った。このとき、特にPVDFフィルムの出力から焦電効果と圧電効果を分離できる積層構造、また、センサに一定温度を維持できる定温駆動、温度制御システムの設計し試作し、計測実験を進めている。
（４）パラメータの検討：開発されたセンサを用いて計測実験を行った。センサがサンプルに触れた時の焦電出力から、センサとサンプルとの間の温度差、サンプルの熱容量、熱流量等の熱特性を表すパラメータを定量的に検討し、対象物の温度のみならず、対象物の熱容量、熱伝導率等の材質の熱特性を同時に計測することを可能とした。また、これらの計測結果は、人間の接触温度感覚の主観評価に類似していることを確認できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和元年より、以下各面において研究を進展する予定である。
（１）人間の接触温度感覚をさらに解明する。現在まで、重回帰分析を用いて人間の接触温度感覚の主観評価とサンプルの温度、サンプルの熱容量、熱伝導率、および比熱等の諸熱特性との関係を検討した結果、温度の寄与が大きすぎ、人間の接触温度感覚に諸熱特性の寄与が確認でき、また、それらの寄与率は温度に依存していることがわかったものの、定量的な寄与率の確立ができなかった。今年度では、数学モデルを再検討し、人間の接触温度感覚に接触対象物の諸熱特性の定量的な寄与率の確立を目指す。また、視覚情報と接触温度感覚間の影響を解明する予定である。
（２）繰り返しセンサシステムハードウェアの改良を行う。今までの知見を元に、センサ構造、緩衝材料、駆動装置、信号前処理回路等を改良し、感度を向上させる。さらにバイプロダクトとして、センサ出力の圧電効果の成分から、従来の触圧を感じる触覚センサの機能も同時に実現する。
（３）パラメータおよびアルゴリズムを確立する。センサ出力から、センサとサンプルの間の温度差、サンプルの熱容量、熱伝導率、比熱等の熱特性を表す定量化パラメータをさらに確立する。さらにこれらのパラメータと、人間の接触温度感覚の主観評価の結果の関係を定量化にする。そのうえに上記各パラメータのリアルタイム的に取得する信号処理アルゴリズムを構築する。
（４）以上の実験を経て繰り返しセンサ改良改善を行い、人間の温度感覚を模擬・実現する温感センサを完成させ、将来提案した温感センサをロボットに装着し、ロボットに人間と同じような接触温度感覚を持たせる本研究の最終目的を目指して研究を進展する。
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