JP6648720B2 - Heat output control device - Google Patents
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Description
本発明は、熱出力制御装置に関する。 The present invention relates to a heat output control device.
従来より、皮膚表面の温度制御を周期状にすることにより温冷感覚を制御する方法が知られている（特許文献１）。 2. Description of the Related Art Conventionally, a method of controlling a thermal sensation by controlling the temperature of the skin surface in a periodic manner has been known (Patent Document 1).
また、短時間で実験参加者に対して効果的な温熱刺激を与えることのできるシートヒータ装置が知られている（特許文献２）。このシートヒータ装置では、基準温度Ｔ０から下限許容温度Ｔｂを減算した温度と、上限許容温度Ｔａを加算した温度との間の範囲となる温度振幅を設定する。そして、この温度振幅でヒータエレメントの温度が変化するように制御する。その結果、実験参加者の患部に周期的に温度が変化する効果的な温熱刺激を与えることができ、従来と対比して治療効果を高めることができる。 Further, a seat heater device capable of providing an effective thermal stimulus to an experiment participant in a short time is known (Patent Document 2). In this seat heater device, a temperature amplitude is set that falls between a temperature obtained by subtracting the lower limit allowable temperature Tb from the reference temperature T0 and a temperature obtained by adding the upper limit allowable temperature Ta. Then, control is performed so that the temperature of the heater element changes with this temperature amplitude. As a result, an effective thermal stimulus in which the temperature changes periodically to the affected part of the experiment participant can be given, and the therapeutic effect can be enhanced as compared with the related art.
また、温感覚の従来モデルの知見から、温冷感は部位ごとの皮膚温、深部温、それぞれの温度変化率が重要な因子であることが知られている（非特許文献１）。近年では温度受容器が表皮直下に存在すること（非特許文献２）、長期に暴露された温度によって、受容器の応答温度が変化する現象（非特許文献３）などが報告されている。 In addition, it is known from the knowledge of a conventional model of thermal sensation that thermal sensation is an important factor in skin temperature, deep temperature, and the rate of temperature change for each part (Non-Patent Document 1). In recent years, it has been reported that a temperature receptor exists immediately below the epidermis (Non-Patent Document 2), and a phenomenon that the response temperature of the receptor changes depending on the temperature exposed for a long period (Non-Patent Document 3).
しかしながら、従来技術では、皮膚表面温度にて温冷感の評価が実施されている。それによって過渡的な温度変化に対しては、精度が低下するという課題が存在する。その原因としては、前述の様に、温度を感じる受容器が皮膚表面でなく表皮直下に存在するため、過渡時にはその温度に差異が生じること、さらに暴露温度の馴化特性が考慮されていないこととが考えられる。 However, in the prior art, the evaluation of thermal sensation is performed at the skin surface temperature. As a result, there is a problem that the accuracy decreases with respect to a transient temperature change. The reason for this is that, as described above, the temperature-sensing receptor is located not under the skin surface but directly under the epidermis, so that there is a difference in the temperature during transients, and that the acclimatization characteristics of the exposure temperature are not considered. Can be considered.
また、特許文献１、２では皮膚表面に温度変化を周期的に加えることによって温冷感を制御できると主張しているが、設置部位の差異や個人差による皮膚の熱的特性の考慮がなされていないため効果的に温冷感を制御することが難しい。 Further, Patent Documents 1 and 2 claim that thermal sensation can be controlled by periodically applying a temperature change to the skin surface. It is difficult to control the thermal sensation effectively because it is not.
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、精度良く温冷感制御を行うことができる熱出力制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a heat output control device capable of performing thermal sensation control with high accuracy.
本発明の熱出力制御装置は、熱出力装置により熱を与えたときの熱入力位置における人体皮膚内部の温度受容器周辺の状態を推定する内部状態推定部と、前記推定された状態と、指定された温冷感とに基づいて、前記熱出力装置による熱を制御する熱制御部と、を含んで構成されている。 The heat output control device of the present invention is an internal state estimating unit that estimates a state around a temperature receptor inside the human body skin at a heat input position when heat is applied by the heat output device, and the estimated state, And a heat control unit that controls heat generated by the heat output device based on the sensed thermal sensation.
本発明の熱出力制御装置によれば、内部状態推定部によって、熱出力装置により熱を与えたときの熱入力位置における人体皮膚内部の温度受容器周辺の状態を推定する。そして、熱制御部によって、前記推定された状態と、指定された温冷感とに基づいて、前記熱出力装置による熱を制御する。 According to the heat output control device of the present invention, the internal state estimating unit estimates the state around the temperature receptor inside the human skin at the heat input position when heat is applied by the heat output device. Then, the heat control unit controls heat generated by the heat output device based on the estimated state and the designated thermal sensation.
このように、熱出力装置により熱を与えたときの熱入力位置における人体皮膚内部の温度受容器周辺の状態を推定することにより、精度良く温冷感制御を行うことができる。 As described above, by estimating the state around the temperature receptor inside the human skin at the heat input position when heat is applied by the heat output device, it is possible to accurately control the thermal sensation.
本発明に係る内部状態推定部は、皮膚表面温度、表皮層の熱伝導率、及び厚みに基づいて、前記温度受容器周辺の状態として、前記表皮層より内側の人体内部の温度を推定することができる。 The internal state estimating unit according to the present invention, based on the skin surface temperature, the thermal conductivity of the epidermis layer, and the thickness, as the state around the temperature receptor, to estimate the temperature inside the human body inside the epidermis layer. Can be.
本発明の熱出力制御装置によれば、熱出力装置により熱を与えたときの熱入力位置における人体皮膚内部の温度受容器周辺の状態を推定することにより、精度良く温冷感制御を行うことができる。 According to the heat output control device of the present invention, it is possible to accurately control thermal sensation by estimating the state around the temperature receptor inside the human skin at the heat input position when heat is applied by the heat output device. Can be.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（熱出力制御システム）
まず、熱出力制御システムの構成について説明する。
(Heat output control system)
First, the configuration of the heat output control system will be described.
図１は本発明の実施の形態に係る熱出力制御システム１０の構成の一例を示す概略図である。図１に示すように、熱出力制御システム１０は、入力装置１２と、熱出力装置１４と、センサ１６と、温度感受性推定装置１８と、制御装置２０とを備えている。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a heat output control system 10 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the heat output control system 10 includes an input device 12, a heat output device 14, a sensor 16, a temperature sensitivity estimating device 18, and a control device 20.
入力装置１２は、使用者から、温冷感の申告値を受け付けたり、希望する温冷感の指令値を受け付けたりする。 The input device 12 receives a report value of a thermal sensation from a user or receives a command value of a desired thermal sensation.
熱出力装置１４は、使用者の皮膚表面に対して、制御装置２０から指定された熱量の熱を与える。 The heat output device 14 gives a heat amount designated by the control device 20 to the skin surface of the user.
例えば、熱出力装置１４は、電熱線を透明フィルムの面状に配置した装置あるいはペルチェ素子を用いて，1cm以上の四辺を有する面状の熱出力デバイスを皮膚接触可能な位置にアレイ状に配置した装置である。 For example, the heat output device 14 uses a device in which heating wires are arranged in a plane of a transparent film or a Peltier element, and arranges a planar heat output device having four sides of 1 cm or more in an array at a position where the skin can contact the skin. Device.
衣服に熱出力装置１４を取り付けている場合は、電源とともに衣服の内側面にアレイ状に熱出力デバイスを配置してもよい。また、アレイ状に配置された熱出力デバイスに接触センサ（マルチタッチセンシング装置など）を具備し、接触している箇所の点数から接触面積を推定し、温度感受性推定装置１８に送信する。 When the heat output device 14 is attached to the clothes, the heat output devices may be arranged in an array on the inner surface of the clothes together with the power supply. Further, a contact sensor (such as a multi-touch sensing device) is provided in the heat output devices arranged in an array, and the contact area is estimated from the number of points in contact with each other, and is transmitted to the temperature sensitivity estimating device 18.
センサ１６は、熱出力装置１４により熱を与えられた箇所における皮膚表面温度を検出する。 The sensor 16 detects the temperature of the skin surface at a location where heat is applied by the heat output device 14.
（温度感受性推定装置１８）
温度感受性推定装置１８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピュータで構成されており、機能的には、図２に示すように、データ取得部３０と、係数推定部３２と、申告値取得部３４と、知覚感度推定部３６とを備えている。なお、係数推定部３２が、表皮層推定部の一例である。
(Temperature sensitivity estimation device 18)
The temperature sensitivity estimating device 18 is configured by a computer having a CPU, a ROM, and a RAM, and functionally includes a data acquiring unit 30, a coefficient estimating unit 32, and a declared value acquiring unit, as shown in FIG. 34 and a perceptual sensitivity estimating unit 36. The coefficient estimating unit 32 is an example of a skin layer estimating unit.
データ取得部３０は、皮膚に接触した熱出力装置１４により熱を与えたときの熱量、接触面積、及びセンサ１６によって検出された皮膚表面温度を取得する。 The data acquisition unit 30 acquires the amount of heat when the heat is applied by the heat output device 14 in contact with the skin, the contact area, and the skin surface temperature detected by the sensor 16.
係数推定部３２は、皮膚に接触した熱出力装置１４により熱を与えたときの熱量、接触面積、及びセンサ１６によって検出された皮膚表面温度に基づいて、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数を推定する。 The coefficient estimating unit 32 calculates the ratio of the thermal conductivity and the thickness of the epidermal layer based on the amount of heat when the heat is applied by the heat output device 14 in contact with the skin, the contact area, and the skin surface temperature detected by the sensor 16. Is estimated.
具体的には、皮膚に接触した熱出力装置１４により接触面積Ａから皮膚内へ流入した熱量をＱとする。その時のセンサ１６によって検出された皮膚表面の温度をｔsとし、表皮層直下の温度をｔlとすると式(1)が導かれる。 Specifically, the amount of heat flowing into the skin from the contact area A by the heat output device 14 in contact with the skin is defined as Q. Assuming that the temperature of the skin surface detected by the sensor 16 at that time is t s and the temperature immediately below the epidermis layer is t l , equation (1) is derived.
ここで、係数Ｃは、表皮層の熱伝導率λを表皮層の厚みdで除した比である。 Here, the coefficient C is a ratio obtained by dividing the thermal conductivity λ of the skin layer by the thickness d of the skin layer.
係数Ｃを定数として、式（１）を時間微分すると式(2)となる。 The equation (2) is obtained by differentiating the equation (1) with time using the coefficient C as a constant.
流入した熱量Ｑが微小で表皮層直下の温度ｔlの時間変化
が無視できるほど小さな場合、式(3)となる。
Time variation of the inflow quantity Q is temperature t l just below the skin layer at the micro
Is small enough to be neglected, Equation (3) is obtained.
その場合、係数Ｃを式(4)の様に求めることができる。 In that case, the coefficient C can be obtained as in equation (4).
係数推定部３２は、複数回の条件で式(4)により係数Ｃを求め、求めた係数Ｃの平均値Ｃ’を決定する。その値から表皮層直下の温度tlが式(5)で推定される。 The coefficient estimating unit 32 obtains the coefficient C by the equation (4) under a plurality of conditions, and determines an average value C ′ of the obtained coefficients C. Temperature t l just below the skin layer is estimated by equation (5) from that value.
なお、温度感受性推定装置１８以外の計測器、あるいはデータベースを用いて熱伝導率λと表皮層の厚みｄとを求め、係数Ｃを求めてもよい。例えば、非特許文献４に従う方法や超音波計測装置等を用いてもよい。
The coefficient C may be obtained by calculating the thermal conductivity λ and the thickness d of the skin layer using a measuring instrument other than the temperature sensitivity estimating device 18 or a database. For example, a method according to Non-Patent Document 4, an ultrasonic measuring device, or the like may be used.
[非特許文献４]R. Webb, R. Pielak, P. Bastien, et al: Thermal transport characteristics of human skin measured in vivo using ultrathin conformal arrays of thermal sensors and actuators, PLOS ONE, vol.10(2), e0118131, 2015 [Non-Patent Document 4] R. Webb, R. Pielak, P. Bastien, et al: Thermal transport characteristics of human skin measured in vivo using ultrathin conformal arrays of thermal sensors and actuators, PLOS ONE, vol. 10 (2), e0118131, 2015
申告値取得部３４は、入力装置１２によって使用者から受け付けた温冷感の申告値を取得する。 The reported value acquisition unit 34 acquires the reported value of thermal sensation received from the user via the input device 12.
知覚感度推定部３６は、熱出力装置１４により熱を与えたときの、使用者による温冷感の申告値に基づいて、表皮層直下の温度tlに対する知覚感度を推定する。 Perceptual sensitivity estimation unit 36, when given heat by heat output device 14, based on the reported value of the thermal sensation by the user, and estimates the perceptual sensitivity to temperature t l just below the skin layer.
具体的には、熱出力装置１４により面積Ａの接触面から皮膚内へ流入する熱量Ｑを変動させ、使用者に温冷感の申告を実施させた際の計測データを用いて知覚感度を推定する。 推定には式(5)、式(6)、及び式(7)を用いる Specifically, the heat output device 14 varies the amount of heat Q flowing into the skin from the contact surface of the area A, and estimates the perceptual sensitivity using measurement data when the user makes a report of a thermal sensation. I do. Use equations (5), (6), and (7) for estimation
温冷感として、ASHRAE7段階温冷感申告尺度のスケール（非特許文献5参照）を用い、各スケールに対して複数の申告値Ｓ（n回）が得られたのちに、下記の式（７）をもとに最小二乗法にて係数α、β、γ、δを決定する。 As the thermal sensation, a scale of the ASHRAE 7-stage thermal sensation report scale (see Non-Patent Document 5) was used. After a plurality of report values S (n times) were obtained for each scale, the following equation (7) was obtained. ), Coefficients α, β, γ, and δ are determined by the least squares method.
ただし、申告値Ｓ(n)は、ｎ回目の申告値であり、ｔs (n)は、ｎ回目においてセンサ１６によって検出された皮膚表面の温度であり、ｔl (n)は、上記式（５）で推定された表皮層直下の温度tlであり、
は、ｎ回目における表皮層直下の温度ｔlの時間変化である。
Here, the reported value S (n) is the n-th reported value, t s (n) is the temperature of the skin surface detected by the sensor 16 at the n-th time, and t l (n) is the above equation. a temperature t l just below the skin layer which is estimated in (5),
Is the time change of the temperature t l just below the skin layer in the n-th.
［非特許文献５］田辺新一，「住宅における温熱快適性の評価」，住宅総合研究財団，研究年報No.23，1996 [Non-Patent Document 5] Shinichi Tanabe, "Evaluation of thermal comfort in houses", Housing Research Foundation, Annual Research Report No.23, 1996
温度感受性推定装置１８は、上記式(7)により決定された係数α,β,γ,δ、皮膚表面の温度ｔs、接触面積Ａ、係数Ｃ’を制御装置２０へ送信する The temperature sensitivity estimating device 18 transmits to the control device 20 the coefficients α, β, γ, δ, the skin surface temperature t s , the contact area A, and the coefficient C ′ determined by the above equation (7).
なお、制御装置２０へ送信するデータを、通信を用いて制御装置２０以外のデータベースに蓄積し、次回以降そのデータベースからデータを取得するようにしてもよい。 The data to be transmitted to the control device 20 may be stored in a database other than the control device 20 using communication, and the data may be acquired from the database from the next time.
（制御装置２０）
制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピュータで構成されており、機能的には、図３に示すように、設定パラメータ取得部４０と、温冷感設定部４２と、内部温度計算部４４と、熱量目標値計算部４６と、皮膚内温度変化計算部４８と、温冷感予測値算出部５０と、熱量目標値判定部５２と、熱量制御部５４とを備えている。なお、内部温度計算部４４は、内部状態推定部の一例であり、熱量目標値計算部４６、皮膚内温度変化計算部４８、温冷感予測値算出部５０、熱量目標値判定部５２、及び熱量制御部５４は、熱制御部の一例である。
(Control device 20)
The control device 20 includes a computer having a CPU, a ROM, and a RAM. Functionally, as shown in FIG. 3, the control device 20 includes a setting parameter acquisition unit 40, a thermal sensation setting unit 42, and an internal temperature calculation unit. It includes a unit 44, a calorie target value calculator 46, a skin temperature change calculator 48, a thermal sensation predicted value calculator 50, a calorie target value determiner 52, and a calorie controller 54. The internal temperature calculator 44 is an example of an internal state estimator, and includes a calorie target value calculator 46, a skin temperature change calculator 48, a thermal sensation predicted value calculator 50, a calorie target value determiner 52, and The heat amount control unit 54 is an example of a heat control unit.
設定パラメータ取得部４０は、温度感受性推定装置１８から送信された係数α,β,γ,δ、皮膚表面の温度ｔs、接触面積Ａ、係数Ｃ’を取得する。 The setting parameter acquisition unit 40 acquires the coefficients α, β, γ, δ, the temperature t s of the skin surface, the contact area A, and the coefficient C ′ transmitted from the temperature sensitivity estimation device 18.
温冷感設定部４２は、入力装置１２によって使用者から受け付けた、希望する温冷感の指令値S’を設定する。 The thermal sensation setting unit 42 sets a desired thermal sensation command value S ′ received from the user via the input device 12.
内部温度計算部４４は、係数α,β,γ,δと、指定された温冷感S’と、皮膚表面温度tsと、接触面積Ａと、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数Ｃ’とに基づいて、予め設定された、表皮層直下の温度tlの勾配の各々に対し、熱出力装置１４により熱を与えたときの熱入力位置における温度受容器周辺の状態として、表皮層直下の温度tlを推定する。 The internal temperature calculation unit 44 calculates the coefficients α, β, γ, δ, the specified thermal sensation S ′, the skin surface temperature t s , the contact area A, and the ratio of the thermal conductivity and the thickness of the epidermal layer. based on that there coefficient C ', which is set in advance, for each of the gradient of the temperature t l just below the skin layer, as the state of the ambient temperature receptors in the heat input position when applying heat by heat output device 14 estimates the temperature t l just below the skin layer.
具体的には、まず、表皮層直下の温度tlの勾配
の各々を設定したベクトル
を用いて、式（８）により、表皮層直下の温度tlを要素としたベクトル
を計算する。
Gradient of Specifically, first, the temperature t l just below the skin layer
Vector with each set of
And a vector having a temperature t l immediately below the epidermal layer as an element by using equation (8).
Is calculated.
熱量目標値計算部４６は、計算された表皮層直下の温度tlのベクトルと、皮膚表面温度ｔsと、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数Ｃ’と、接触面積Ａとに基づいて、表皮層直下の温度tlの勾配の各々に対し、熱量目標値を算出する。 Heat target value calculation unit 46, the vector of the temperature t l just below the calculated skin layer and the skin surface temperature t s, the coefficients C 'is the thermal conductivity and ratio of the thickness of the skin layer, and the contact area A based on each of the gradient of the temperature t l just below the skin layer relative to calculate the heat quantity target value.
具体的には、皮膚表面の温度tsより流入させる熱量目標値のベクトルを式（９）で算出する。 Specifically, a vector of the target calorific value to be flowed in from the skin surface temperature t s is calculated by equation (9).
皮膚内温度変化計算部４８は、熱量目標値のベクトルから選択された熱量目標値ｑの熱を与えたときの、表皮層直下の温度tlの変化を計算する。 Skin in the temperature change calculation unit 48, when applying heat of heat target value q selected from the vector quantity of heat desired value, calculating the change in temperature t l just below the skin layer.
具体的には、熱量目標値のベクトルから熱量ｑを順に選択し、非特許文献６に紹介されている生体伝熱方程式を用いて熱量ｑに対する皮膚内温度変化を計算する。計算に用いるパラメータは文献値を使用してもよい。例えば、非特許文献６で示されている式(10)の解析解を、熱量ｑに対する皮膚内温度変化として計算する。 Specifically, the calorific value q is sequentially selected from the calorific value target value vector, and the change in skin temperature with respect to the caloric value q is calculated using the biological heat transfer equation introduced in Non-Patent Document 6. Literature values may be used as parameters used for the calculation. For example, the analytical solution of the equation (10) shown in Non-Patent Document 6 is calculated as a change in skin temperature with respect to the heat quantity q.
ただし、T(x,t)は、表皮からの深さｘ、時間tの時の温度であり、Taは、体内深部の温度であり、例えば36.5℃である。кは、皮膚の熱伝導率λと等価であり、上記非特許文献６では0.23である。cbは、血液の比熱であり、上記非特許文献６では3770J/(kg・℃)である。Wbは、皮膚内の血液質量流量であり、上記非特許文献６では0.5kg/（s・m3）である。ctは、皮膚の比熱であり、非特許文献６では3590J/(kg・℃)である。ρtは、皮膚の密度であり、非特許文献６では1200kg/m3 である。erfcは、相補誤差関数であり、 数学におけるシグモイド形状の特殊関数（非初等関数）の一種である。qは、流入する熱量J/(s・m3 )を表す。 However, T (x, t) is the depth x from the epidermis, and the temperature at the time t, T a is the temperature of the body core, for example, 36.5 ° C.. к is equivalent to the thermal conductivity λ of the skin, and is 0.23 in Non-Patent Document 6 described above. c b is the specific heat of blood, which is 3770 J / (kg · ° C.) in Non-patent Document 6. W b is the blood mass flow rate in the skin, and is 0.5 kg / (s · m 3 ) in Non-patent Document 6. c t is the specific heat of the skin, is a Non-Patent Document 6 3590J / (kg · ℃) . ρ t is the density of the skin, and in Non-Patent Document 6, it is 1200 kg / m 3 . erfc is a complementary error function, which is a kind of sigmoid-shaped special function (non-elementary function) in mathematics. q represents the amount of heat J / (s · m 3 ) that flows.
皮膚内温度変化計算部４８では、ｘ=d（表皮層の厚みd）として時刻ｔごとのT(x,t)をを計算し、表皮層直下の温度tlの変化とすればよい。 In intradermal temperature change calculation unit 48, x = d for each time t as (thickness d of the skin layer) T (x, t) to calculate the a, may be set to change in temperature t l just below the skin layer.
また事前にモデル化した対象に対して有限要素法を実施し、熱量ｑに対する表皮層直下の温度tlの変化を算定してもよい。例えば、図４に示す。 Alternatively, a finite element method may be performed on the object modeled in advance to calculate a change in the temperature t 1 immediately below the skin layer with respect to the heat quantity q. For example, FIG.
[非特許文献6] Ferras, L. L., Ford, N. J., Morgado, M. L., Nobrega, J. M., & Rebelo, M. S. (2015). Fractional Pennes’ Bioheat Equation: Theoretical and Numerical Studies. Fractional Calculus and Applied Analysis, 18(4), 1080-1106 [Non-Patent Document 6] Ferras, LL, Ford, NJ, Morgado, ML, Nobrega, JM, & Rebelo, MS (2015) .Fractional Pennes' Bioheat Equation: Theoretical and Numerical Studies. ), 1080-1106
温冷感予測値算出部５０は、熱量目標値のベクトルから順に選択された熱量ｑの各々に対して、計算された、当該熱量ｑに対する表皮層直下の温度tlの変化に基づいて、温冷感予測値を算出する。 Thermal sensation predicted value calculation unit 50, for each of the heat q from the vector quantity of heat target value is selected in order, were calculated, based on a change in temperature t l just below the skin layer relative to the quantity of heat q, temperature A cool sensation predicted value is calculated.
具体的には、計算された、当該熱量ｑに対する表皮層直下（深さｄ）の温度tl、およびその時間変化率と、皮膚表面温度ｔsとを用いて、式(11)にて温冷感予測値SPを算出する。算出時の時間T1,T2は例えば加温開始からの２秒後から10秒後とすればよい。 Specifically, using the calculated temperature t l immediately below the epidermis layer (depth d) with respect to the calorific value q, the time change rate thereof, and the skin surface temperature t s , the temperature is calculated by equation (11). Calculate the cooling sensation predicted value SP. The times T1 and T2 at the time of calculation may be, for example, 10 seconds after 2 seconds from the start of heating.
熱量目標値判定部５２は、熱量目標値のベクトルから順に選択された熱量ｑの各々に対する温冷感予測値ＳＰと、指定された温冷感Ｓ’とに基づいて、熱量目標値のベクトルから、熱出力装置１４による熱量を決定する。 The calorific value target value determination unit 52 calculates the calorific value prediction value SP for each calorific value q sequentially selected from the calorific value target value vector and the specified thermal sensation S ′ based on the calorific value target value vector. , The amount of heat by the heat output device 14 is determined.
具体的には、目標値S’とSPの絶対値差（DSP，式(12)）を、熱量目標値のベクトルから順に選択された熱量ｑの各々に対して計算する。 Specifically, the absolute value difference (DSP, equation (12)) between the target values S 'and SP is calculated for each of the heat quantities q sequentially selected from the vector of the heat quantity target values.
そして、絶対値差ＤＳＰが最も小さくなる熱量ｑであって、絶対値差ＤＳＰが閾値（が例えば0.2）以下となる熱量ｑを、熱出力装置１４による熱量として決定し、決定した熱量ｑを、熱量制御部５４へ出力する。なお、熱量目標値のベクトルから順に選択された熱量ｑのすべてにおいて、絶対値差ＤＳＰが閾値以下にならなかった場合はエラーメッセージ出力要請信号と、熱量ｑ＝０とを、熱量制御部５４を介して熱出力装置１４へ出力する。 Then, the calorie q at which the absolute value difference DSP is the smallest and the calorie q at which the absolute value difference DSP is equal to or smaller than a threshold (for example, 0.2) is determined as the calorie by the heat output device 14, and the determined calorie q is Output to the calorie control unit 54. If the absolute value difference DSP does not become equal to or smaller than the threshold value for all the heat quantities q sequentially selected from the vector of the heat quantity target value, the error message output request signal and the heat quantity q = 0 are transmitted to the heat quantity control unit 54. Output to the heat output device 14 via the
熱量制御部５４は、決定された熱量ｑに基づいて、熱出力装置１４による熱を制御する。 The heat amount control unit 54 controls heat by the heat output device 14 based on the determined heat amount q.
ここで、熱出力装置１４が、可変面積および可変時間で温度刺激出力を制御する機能を有する場合、熱量制御部５４により指定された熱量ｑを与えるように、熱出力装置１４において電源を供給する面積及び時間を制御する。 Here, when the heat output device 14 has a function of controlling the temperature stimulus output with a variable area and a variable time, power is supplied to the heat output device 14 so that the heat amount q specified by the heat amount control unit 54 is given. Control area and time.
（温度感受性推定処理）
次に、「温度感受性推定処理」の手順について説明する。
(Temperature sensitivity estimation processing)
Next, the procedure of “temperature sensitivity estimation processing” will be described.
図５は温度感受性推定装置１８で実行される「温度感受性推定処理」の手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the procedure of the “temperature sensitivity estimation process” executed by the temperature sensitivity estimation device 18.
まず、ステップＳ１００で、複数回の条件で熱を出力したときの、熱出力装置１４により与えた熱量、接触面積、及びセンサ１６によって検出された皮膚表面温度を取得する。 First, in step S100, the amount of heat applied by the heat output device 14, the contact area, and the skin surface temperature detected by the sensor 16 when the heat is output under a plurality of conditions are acquired.
ステップＳ１０２では、上記ステップＳ１００で取得したデータに基づいて、複数回の条件の各々について、式(4)で係数Ｃを求め、係数Ｃの平均値Ｃ’を算出する。 In step S102, based on the data acquired in step S100, the coefficient C is obtained by Expression (4) for each of the plurality of conditions, and the average value C 'of the coefficient C is calculated.
ステップＳ１０４では、熱出力装置１４により面積Ａの接触面から皮膚内へ流入する熱量Ｑを変動させ、使用者に温冷感の申告を実施させた際の計測データを取得する。 In step S104, the heat output device 14 changes the amount of heat Q flowing into the skin from the contact surface having the area A, and acquires measurement data when the user makes a report of thermal sensation.
ステップＳ１０６では、上記ステップＳ１０４で取得した計測データに基づいて、式（７）をもとに最小二乗法にて係数α、β、γ、δを推定する。 In step S106, based on the measurement data acquired in step S104, the coefficients α, β, γ, and δ are estimated by the least squares method based on equation (7).
そして、上記で得られた係数α,β,γ,δ、皮膚表面温度ｔs、接触面積Ａ、係数Ｃ’を制御装置２０へ送信し、温度感受性推定処理を終了する。 Then, the coefficients α, β, γ, and δ, the skin surface temperature t s , the contact area A, and the coefficient C ′ obtained above are transmitted to the control device 20, and the temperature sensitivity estimation processing ends.
（熱量制御処理）
次に、「熱量制御処理」の手順について説明する。
(Heat control processing)
Next, the procedure of the “heat amount control process” will be described.
まず、制御装置２０は、温度感受性推定装置１８から送信された係数α,β,γ,δ、皮膚表面の温度ｔs、接触面積Ａ、係数Ｃ’を取得する。また、制御装置２０は、希望する温冷感Ｓ’の指定を受け付ける。 First, the control device 20 acquires the coefficients α, β, γ, δ, the temperature t s of the skin surface, the contact area A, and the coefficient C ′ transmitted from the temperature sensitivity estimating device 18. In addition, control device 20 accepts designation of desired thermal sensation S ′.
図６は制御装置２０で実行される「熱量制御処理」の手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of the procedure of the “heat amount control process” executed by the control device 20.
ステップＳ１２０において、係数α,β,γ,δと、指定された温冷感S’と、皮膚表面温度tsと、接触面積Ａと、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数Ｃ’とに基づいて、予め設定された、表皮層直下の温度tlの勾配の各々に対し、表皮層直下の温度tlを推定する。 In step S120, the coefficients α, β, γ, δ, the specified thermal sensation S ′, the skin surface temperature t s , the contact area A, and the coefficient C, which is the ratio of the thermal conductivity and the thickness of the epidermal layer, based on the 'set in advance, for each of the gradient of the temperature t l just below the skin layer, to estimate the temperature t l just below the skin layer.
ステップＳ１２２において、上記ステップＳ１２０で計算された表皮層直下の温度tlのベクトルと、皮膚表面温度ｔsと、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数Ｃ’と、接触面積Ａとに基づいて、表皮層直下の温度tlの勾配の各々に対し、熱量目標値を算出する。 In step S122, the vector of the temperature t l just below the skin layer which is calculated in step S120, and the skin surface temperature t s, the coefficients C 'is the thermal conductivity and ratio of the thickness of the skin layer, and the contact area A based on each of the gradient of the temperature t l just below the skin layer relative to calculate the heat quantity target value.
ステップＳ１２４において、上記ステップＳ１２２で算出された熱量目標値ｑのいずれか一つを選択する。 In step S124, one of the calorific value target values q calculated in step S122 is selected.
ステップＳ１２６において、上記ステップＳ１２４で選択された熱量目標値ｑの熱を与えたときの、表皮層直下（深さｄ）の温度tlの変化を計算する。 In step S126, when applying heat of heat target value q selected in the step S124, the calculating the change in temperature t l of the skin layer just below (depth d).
ステップＳ１２８において、上記ステップＳ１２６で計算された表皮層直下（深さｄ）の温度tlの変化に基づいて、算出時の時間T1,T2における、当該熱量目標値ｑに対する表皮層直下（深さｄ）の温度tl、およびその時間変化率と、皮膚表面温度ｔsとから、温冷感予測値SPを算出する。 In step S128, based on the change in the temperature t l immediately below the skin layer (depth d) calculated in step S126, the time immediately below the skin layer (depth) with respect to the calorie target value q at times T1 and T2 at the time of calculation. a temperature t l, and the time rate of change d), from the skin surface temperature t s, is calculated the thermal sensation predictive value SP.
ステップＳ１３０では、全ての熱量目標値について、上記ステップＳ１２４〜ステップＳ１２８の処理を実行したか否かを判定する。 In step S130, it is determined whether or not the processes in steps S124 to S128 have been performed for all the heat amount target values.
ステップＳ１３２では、指定された温冷感S’と温冷感予測値SPとの絶対値差DSPを、順に選択された熱量目標値ｑの各々に対して計算し、指定された温冷感S’との絶対値差DSPが一番小さくなるときの熱量目標値ｑを選択する。 In step S132, an absolute value difference DSP between the designated thermal sensation S 'and the thermal sensation predicted value SP is calculated for each of the calorie target values q selected in order, and the designated thermal sensation S is calculated. Is selected as the calorific value target value q when the absolute value difference DSP with respect to 'becomes smallest.
ステップＳ１３４において、上記ステップＳ１３２で選択された熱量目標値ｑを与えるように熱出力装置１４を制御し、熱量制御処理を終了する。 In step S134, the heat output device 14 is controlled so as to give the heat amount target value q selected in step S132, and the heat amount control process ends.
以上の通り、本発明の実施の形態に係る熱出力制御システムよれば、熱出力装置により熱を与えたときの熱入力位置における表皮層直下の温度を推定することにより、精度良く温冷感制御を行うことができる。 As described above, according to the heat output control system according to the embodiment of the present invention, by estimating the temperature immediately below the skin layer at the heat input position when heat is applied by the heat output device, thermal sensation control can be accurately performed. It can be performed.
また、人体の皮膚表面でなく、皮膚内の温度受容器付近の温度および温度勾配を制御目標値として用いる。また、部位間、個人間の皮膚特性を考慮した熱出力装置の制御が実施される。これにより、個人の特性、暴露環境、および皮膚特性に基づいた熱出力制御を行うことができ、精度の高い温冷感制御が達成可能となる。 In addition, a temperature and a temperature gradient near the temperature receptor in the skin, not the surface of the human skin, are used as control target values. In addition, control of the heat output device is performed in consideration of skin characteristics between regions and between individuals. As a result, heat output control based on individual characteristics, exposure environment, and skin characteristics can be performed, and highly accurate thermal sensation control can be achieved.
例えば、図７のようにブレスレット型の装置に、上記実施の形態で説明した熱出力制御システムを適用することにより、ブレスレット型の装置を装着した使用者に対して、希望した温冷感を与えることができる。 For example, as shown in FIG. 7, by applying the heat output control system described in the above embodiment to a bracelet-type device, a user wearing the bracelet-type device is given a desired thermal sensation. be able to.
また、図８のように、ディスプレイ部分に、上記実施の形態で説明した熱出力制御システムを適用することにより、ディスプレイに触れた使用者に対して、希望した温冷感を与えることができる。 In addition, as shown in FIG. 8, by applying the heat output control system described in the above embodiment to the display portion, a desired thermal sensation can be given to the user touching the display.
なお、上記各実施の形態で説明した熱出力制御システムの構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。 Note that the configuration of the heat output control system described in each of the above embodiments is an example, and it goes without saying that the configuration may be changed without departing from the gist of the present invention.
例えば、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数を推定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、表皮層の熱伝導率及び厚みをそれぞれ推定した上で、表皮層の熱伝導率及び厚みの比である係数を推定してもよい。また、熱出力装置からの出力結果をもとに、表皮層の熱伝導率及び厚みの推定結果を補正するようにしてもよい。 For example, the case of estimating the coefficient which is the ratio of the thermal conductivity and the thickness of the skin layer has been described as an example, but the present invention is not limited to this.After estimating the thermal conductivity and the thickness of the skin layer, respectively, A coefficient that is a ratio between the thermal conductivity and the thickness of the skin layer may be estimated. Further, the estimation result of the thermal conductivity and the thickness of the skin layer may be corrected based on the output result from the heat output device.
また、知覚感度である係数を、事前に推定してもよいし、知覚感度である係数を、データベースから取得するようにしてもよい。 Further, the coefficient which is the perceptual sensitivity may be estimated in advance, or the coefficient which is the perceptual sensitivity may be obtained from the database.
また、指定された温冷感を与えるための熱量目標値を、クラウドサーバー等へ送信して、データベースを作成し、熱力学計算あるいはニューラルネットなどの手法を用いた熱量目標値の学習を行うようにしてもよい。 In addition, the target calorie value for giving the specified thermal sensation is transmitted to a cloud server, etc., a database is created, and the calorie target value is learned using a method such as thermodynamic calculation or a neural network. It may be.
１０ 熱出力制御システム
１２ 入力装置
１４ 熱出力装置
１６ センサ
１８ 温度感受性推定装置
２０ 制御装置
３０ データ取得部
３２ 係数推定部
３４ 申告値取得部
３６ 知覚感度推定部
４０ 設定パラメータ取得部
４２ 温冷感設定部
４４ 内部温度計算部
４６ 熱量目標値計算部
４８ 皮膚内温度変化計算部
５０ 温冷感予測値算出部
５２ 熱量目標値判定部
５４ 熱量制御部
Reference Signs List 10 heat output control system 12 input device 14 heat output device 16 sensor 18 temperature sensitivity estimation device 20 control device 30 data acquisition unit 32 coefficient estimation unit 34 reported value acquisition unit 36 perceptual sensitivity estimation unit 40 setting parameter acquisition unit 42 thermal sensation setting Unit 44 internal temperature calculator 46 calorie target value calculator 48 skin temperature change calculator 50 thermal sensation predicted value calculator 52 calorie target value determiner 54 calorie controller
Claims (4)
前記推定された状態と、指定された温冷感とに基づいて、前記熱出力装置による熱を制御する熱制御部と、
を含み、
前記内部状態推定部は、皮膚表面温度と、表皮層の熱伝導率と、厚みと、予め推定された、表皮層より内側の人体内部の温度に対する知覚感度と、指定された温冷感とに基づいて、予め設定された、前記人体内部の温度の勾配の各々に対し、熱出力装置により熱を与えたときの熱入力位置における人体皮膚内部の温度受容器周辺の状態として、前記表皮層より内側の人体内部の温度を推定し、
前記熱制御部は、前記推定された状態と、皮膚表面温度と、表皮層の熱伝導率、及び厚みとに基づいて、予め設定された、前記人体内部の温度の勾配の各々に対し、熱量目標値を算出し、前記熱量目標値の熱を与えたときの、前記表皮層より内側の人体内部の温度変化を計算し、前記計算された温度変化に基づいて、温冷感予測値を算出し、
前記人体内部の温度の勾配の各々に対する前記温冷感予測値と、指定された温冷感とに基づいて、前記熱量目標値から、前記熱出力装置による熱量を決定し、
前記決定された熱量に基づいて、前記熱出力装置による熱を制御する
熱出力制御装置。 An internal state estimating unit for estimating the state around the temperature receptor inside the human body skin at the heat input position when heat is applied by the heat output device,
A heat control unit that controls heat by the heat output device, based on the estimated state and the specified thermal sensation,
Only including,
The internal state estimating unit, the skin surface temperature, the thermal conductivity of the epidermal layer, the thickness, and the estimated perceived sensitivity to the temperature inside the human body inside the epidermal layer, and the specified thermal sensation On the basis of, for each of the preset gradients of the temperature inside the human body, as the state around the temperature receptor inside the human skin at the heat input position when heat is applied by the heat output device, from the epidermis layer Estimate the temperature inside the human body,
The heat control unit, based on the estimated state, the skin surface temperature, the thermal conductivity of the epidermis layer, and the thickness, based on the preset, each of the temperature gradient inside the human body, the amount of heat Calculating a target value, calculating a temperature change inside the human body inside the skin layer when the heat of the heat amount target value is given, and calculating a thermal sensation predicted value based on the calculated temperature change And
Based on the thermal sensation predicted value for each of the gradients of the temperature inside the human body, and the specified thermal sensation, from the calorific value target value, determine the amount of heat by the heat output device,
A heat output control device that controls heat generated by the heat output device based on the determined amount of heat.
前記熱制御部は、皮膚表面温度と、表皮層の熱伝導率及び厚みの比と、前記推定された状態と、指定された温冷感とに基づいて、前記熱出力装置による熱を制御する請求項１又は請求項２記載の熱出力制御装置。 Based on the amount of heat and skin surface temperature when heat is applied by the heat output device, further includes a skin layer estimating unit that estimates the ratio of the thermal conductivity and thickness of the skin layer,
The heat control unit controls heat by the heat output device based on a skin surface temperature, a ratio of a thermal conductivity and a thickness of an epidermal layer, the estimated state, and a specified thermal sensation. The heat output control device according to claim 1 or 2 .
前記内部状態推定部は、皮膚表面温度と、前記推定された前記知覚感度と、指定された温冷感とに基づいて、前記温度受容器周辺の状態を推定し、
前記熱制御部は、前記推定された前記知覚感度と、前記推定された状態と、指定された温冷感とに基づいて、前記熱出力装置による熱を制御する請求項３記載の熱出力制御装置。 When heat is applied by the heat output device, the calorific value and the reported value of thermal sensation by the user, the ratio of the thermal conductivity and thickness of the skin layer, and the skin surface temperature, based on the skin layer, Further comprising a perceptual sensitivity estimator for estimating perceptual sensitivity to the temperature inside the inner human body,
The internal state estimating unit, based on the skin surface temperature, the estimated perceptual sensitivity, and the specified thermal sensation, estimates the state around the temperature receptor,
The heat output control according to claim 3 , wherein the heat control unit controls heat by the heat output device based on the estimated perceptual sensitivity, the estimated state, and a specified thermal sensation. apparatus.
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