共同研究・競争的資金等の研究課題

本研究課題は、熱制御の観点から人とロボットとの双方向のやりとりを実現するヒューマンインタフェース技術を確立し、触れ合いによって創生されるロボットとの新しいコミュニケーションの在り方を見出すことを目的としている。系全体での熱循環を基盤とした、人への最適な触覚刺激や精度の高い認識を実現する、人とロボット双方において好ましい制御システムの設計方法について明らかにする。

本研究では廃熱を人・機械協調のための付加的な機能として有効活用すべく、機械内部の熱源から外部表面への効率的な熱輸送システムを開発し、廃熱を温度制御・接触対象物の認識に用いた新しい熱マネジメント手法を検討する。効率的な熱輸送を実現するための制御システムの構築について、ハードウェア（デバイス開発）・ソフトウェア（制御アルゴリズム）の双方について取り組む。技術の発展と環境問題の解決を両立した従来の熱対策手法を革新させる基盤技術として、幅広い場面での活用が期待できる。

本研究は、人間の温熱感覚が担う「接触物の認識」をロボットに実現させるための技術確立を目的とする。接触対象物の熱物性を温度に依らず抽出するため、ロボット表面と接触物の温度差を能動的に作り出す温度制御機能をロボットの手先に搭載し、温度制御系一体型の認識アルゴリズムについて検討する。 今年度の実施内容として、まずロボットグリッパー外装の開発を行った。接触表面の熱伝達や把持動作中の温度計測などに配慮したデザイン設計により、材料認識に適した温度情報を取得するための外装プロトタイプの開発に成功した。また卓上小型ロボットと水流による温度制御システムを統合した実験セットアップを構築し、接触物体間の温度差を変化させた際（グリッパー表表面または対象物を温熱・冷却）の、金属と木材ブロックの温度情報に基づく分類実験を行った。本実験により、接触物体間の温度差が分類精度に与える影響を明確化した。またグリッパー表面の温度制御により接触物体間に10度以上の温度差を作り出すことで、機械学習による高精度な分類を達成した。特に、従来のヒーターを用いた温度計測技術では認識しにくい熱された物体に対しても、ロボットグリッパーを冷却することにより分類を行うことが可能となった。 さらに産業応用を見据え協働ロボットアームに取り付けられたグリッパーに装着する外装の開発を行い、温度差に加え接触圧力の影響を考慮した材料認識についても検討を行った。また協働ロボットを用いて接触対象の把持を行い、金属（銅／アルミ／真鍮／亜鉛／鉄）と木材ブロックについての識別精度を検証した。 本年度得られた知見は、触覚センサ等では分類の難しい固さ・表面粗さに大きな違いがない接触対象に対し、熱物性の違いを利用した材料識別技術の有効性、有用性、また精度向上による技術発展性を示唆している。

本研究では、遠隔地間でのヒューマンインタラクションを向上する上で重要となる温熱覚の双方向呈示に関してハードウェア、ソフトウェアの両面から研究を行った。具体的には、ビスマステルル半導体をフィルム上に蒸着することで、フレキシブルペルチェ素子の開発に成功した。また、温度分布の制御システムの検討を行い、「ペルチェエレクトロニクス」創成に資する研究成果を得ることができた。

本研究では温熱技術を用いた人間支援の構築に向けて、高臨場温熱覚を呈示するための分布熱インタフェースの実現を研究目標としている。 本年度の研究では多熱源系の制御へ拡張すべく、ジュール熱等の非線形なモデルを考慮した制御手法や、二次元平面における温度分布制御手法を提案した。 非線形なモデルを用いた提案手法の制御補償器では、従来手法において外乱とされていた非線形要素を考慮しているため、補償電流が増えるにしたがって増加するジュール熱等の影響を考慮することができ、温度指令値への追従性の向上を実現できた。温度分布制御手法では、二次元熱拡散方程式に基づいたモデルを用いた制御器の設計を行い、平面上の任意の点における所望の温度制御を可能にした。 また、本技術を応用した指装着型の温熱覚呈示システムを開発し、指先での繊細な温度分布の再現を可能にした。本システムは4つの熱源と銅板で構成され、4つの熱源による指先での温度分布制御を実現した。さらに前年度に開発した手のひら装着型のサーマルインタフェース（サーモグローブ）を無線化・小型化した。制御PCにはアルディーノを用い、手の甲の部分にすべての回路や制御システムが収まる構成にした。またバッテリー駆動でペルチェ素子に電流を送り込むことができる。さらにグローブ内にバイオメタルファイバーを組み込み、握り動作を再現する収縮機能を搭載した。本技術は「イノベーション・ジャパン2018」にて展示を行い、多くの注目を集めた。 以上に述べた本研究内容に関して、国内論文誌への論文掲載や多くの査読付き国際会議の発表に結実した。また、日本学術振興会において「第9回（平成30年度）日本学術振興会 育志賞」を受賞し、学術的な視点からも評価された。したがって本年の研究成果は理論の自由度の拡張、ハードウェアの小型化・無線化を行い、理論面・応用面において多いに成果が得られた。