Tokyo Denki University Repository (TDU) / 学術リポジトリ

陳, 耀威

岩瀬, 将美

イワセ, マサミ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21D-06 
課題名（和文） 変形車輪の伸縮機構の改善及び走行環境適応性の検討 
課題名（英文） 
Improvement of stretch mechanism of deformed wheel and Study on Adaptability of 
running environment 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科 先端技術創成専攻 
氏名 陳耀威（チンヨウイ） 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学学部 ロボット・メカトロニクス学科 教授 
氏名 岩瀬 将美 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
多くの住民が便利な生活を送るために都市化が進められ，都市の土地が高密度で多様に利用されつつあり，更
に高齢化社会の問題で，バリアフリー化の要求が深刻になった。本研究はインフラ以外の手段，段差や坂等多
様化の都市地形をに対応する地形汎用型移動デバイスを考えた。 
本研究は坂に走行するような安定的な姿勢で段差を走破することを考えた：段差と傾斜の異なる所はいく
つの三角状の空間を車輪自身の構造の伸縮でその空間を埋め；平面にまた普通の円形に戻り，通常の走行を行
う汎用移動方法を提案した。伸縮機構は，拡大円卓のカム機構を参考し，タイヤの放出状態で段差の形に合わ
せて伸縮，三角状の空間を埋めることを実現する。 
本研究には，Solidworks キャドゥソフトでのシミュレーションと実物モデルによる実験結果を比較し，そ
れらの結果を同一する。また，車輪の有用性を定量的に解明する為に，対照組(収納状態円形車輪―拡大同一
径の円形車輪―展開状態変形車輪)は同一段差モデルでシミュレーションし，変位、速度、運動エネルギー、
必要なトルク等の定量的なデータを得た。さらに，段差スペックの違いによる走破性能への影響も，段差スペ
ック(高さと角度)のパラメータを変えつづ，以上のデータを得て比較し，特徴を得た。 
今後人乗りデモのため，強度を保つ上，変形車輪の金属モデルを作り，人搭載実験を行う。その実験結果を
シミュレーションの結果を比較して，統一する。人搭載実用化向けの必要なデータをとると考えている。 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
研究成果の概要（英文） 
In order to carry out the convenient life, the urbanization has been advanced. The land of the city is being 
used variously in high density, to meet the increased to meet the demand of barrier free because of the 
problem of the aging society. In this study, we will purpose a transfer device to run in diversities of urban 
terrain such as a step and a slope other than a method of infrastructure. 
The purpose of this study is to run the step in the stable posture as running on the slope: we propose a 
general purpose method of running on a step like slope to fill some triangular space by  stretch of the 
structure by the wheel itself; and returning to the circular wheel for running on a plane normally. The 
expansion mechanism refers to the cam mechanism of the enlarged round table, in order to fill the 
triangular space by the expansion and contraction of the tire according to the shape of step. 
In this research, we will simulate the situation of deformed wheel running the step by SolidWorks CAD 
software to  compare with the result of the real model, and confirm the results whether are consistent. 
In order to quantitatively analyze the usefulness of wheels, we sort out the control group(round wheel in 
storage status , expanded round wheel with the same radius, deformed wheel in unfolded state) to simulate 
with the same step. Through the simulation, we can earn the quantitative data such as displacement, 
speed, kinetic energy, and necessary torque were obtained. In addition, we will analysis the effect, which 
the difference of the step spec on the running performance, and change the parameters of the step spec 
(height and angle) to simulate the situation to obtain the data for comparison. 
To carry out the human riding demonstration, we will keep the strength to make the metal model of the 
deformed wheel , and carry out experimentation the person carrying. The result of the simulation is 
compared and unified. We want to take the necessary data for the practical use of the human riding. 
 
 
 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
本文（９ポイント：明朝）現在，高齢化社会の
問題がより深刻化すると共に，都市化により地面
状況が複雑になり，段差，階段等増えている。高
齢者や要介助者の効率的な移動手段を考える必
要がある。特に階段や段差等の不整地はどこにで
もあり，都市部であっても遠回りやエレベーター
等の手段を利用しなければならない。 
このような段差でも移動できる車両として従
来の車輪型，足型，クローラ型などが研究されて
いる。車輪型は平面において効率で高速な移動が
可能であり，足型は地形に頑健な移動が可能であ
る。クローラ型はその中間的な性質をもち，それ
ぞれのメリット・デメリットがある。 
従来の研究では，それぞれのメリットを上手く
利用している。大道らは，足型とクローラ型を融
合し，蜘蛛のような段差面に歩く。松本らは，足
型と車輪型を融合し，前後足を交代で上下移動
し，その上下移動の高度差で段差を乗り越える方
法を提案している。小柳らは，車輪型をベースに
し，複数の車輪を使って，車輪の相対位置関係で
段差を乗り越える方法を提案している。然し，以
上のよう段差走破する方法は，効率が悪く安定性
が低い。平面から段差を走破するには，センサー
等で段差を検知し，徐々に上り，連続走行するし
かない。そして，段差上に走行する時は，車体の
移動は安定ではない。特に足型タイプは，車体の
上下動は明らかである。 
そこで，本研究では，これらの良い性質を兼ね
備えた新しい移動デバイスの実現を目指す。車輪
が平面において高効率・高速性であることを保持
しながら，これに可変径ハブを加えて，段差等の
不整地に対応できる変形車輪を，新たな段差克服
方法として提案し，その実用性を検討する。 
 
2.研究の目的 
本文（９ポイント：明朝）車輪は平地において
効率的に移動できることから，古来から現代まで
多くの車両に使われている。しかし階段などの段
差は走行が困難である為，車両の移動範囲に大き
な制約がついてきた。これから高齢化社会がさら
に深刻化すると，車椅子などの車輪型移動補助具
やパーソナルモビリティへの需要が益々増える
と予測される。ゆえに段差を乗り越える車輪にニ
ーズが生まれることは必至である。 
本研究では，この背景を鑑み，安定して段差を走
行できる新しい移動デバイスの実現を目指す。平
地において高効率・高速性である車輪の性能を保
持しながら，これに車輪の直径変化機構と段差の
乗り越え機構を兼備した変形車輪を提案し，段差
等の不整地に対応できる新たな段差走破デバイ
スとしてその実用性を高める。 
 
3.研究の方法 
本文（９ポイント：明朝）本研究が，二つ部分
で構成されており：①機構再設計；②適応性の検
討。 
 
【機構再設計】本研究で提案する変形車輪は，中
国の拡大円卓の変形機構を参考し，1 つの円盤に
湾曲したアームをフットの数だけ取り付け，円盤
の回転角によりアームの他端につけたスライデ
ィングブロックが放射状に移動し車輪の直径変
化をもたらすものである。平地走行時はアームを
円盤に沿わせスライディングブロックを回転軸
に近づけることで，通常の「車輪モード」にする
ことができる。一方，階段などの段差を昇降する
直前に円盤を回転させアームを展開し，スライデ
ィングブロックを放射状に広げる「展開モード」
にすることができる。段差移動時には，段差に当
たる部分のフットが半径方向に収縮することで，
段差の形に沿って安定した状態で移動すること
が可能になる。なお、この車輪は 3 年前にイノベ
ーションジャパン 2019 展覧会で発表し，可変ハ
ブを通してハブに連結するタイヤが伸縮可能な
車輪の改良型である。可変ハブを利用した車輪は
部品数が多く、変形に大きなトルクを要するとい
う課題があった。そこで円盤と湾曲アームを用い
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ることで部品数を半分以上削減し、変形に要する
トルクも大幅に削減した。 
 
 
 
図 1 改良型Ⅰ変形車輪 
（左：円形状態；右：展開状態） 
 
図 2 IJ2019 可変ハブ変形車輪 
（左：円形状態；右：展開状態） 
 
 
【適応性の検討】本研究は Solidworks の
Motion 分析機能で，変形車輪の適応性シミュレ
ーション(比較組と地形組)を行う。合わせて， 
 Motion 分析で，比較組と地形組のデータを取っ
た。 
比較組は変形車輪の円形状態、変形車輪展開状態
と同じ径の円形車輪、変形車輪の展開状態三つの
車輪を三段段差で（高さ 10cm、深さ 25cm）走ら
せる。 
それぞれの変位、速度、運動エネルギー、エネル
ギー消費、モータートルクを記録し，比較する。 
 
図 3 比較組 
（上：円形状態；中：変形車輪展開状態と同じ
径の円形車輪；下：展開状態） 
 
 地形組は段差スペックの影響を図るため，段差
の高さと角度を微調整する。高さを 1cm から
10cm まで 1cm ずつ増え，角度を 20°から 45°
まで 5°ずつ増えるパタンで，二つのパラメータ
を任意で組んだ段差スペックで，変形車輪走行の
変位、速度、運動エネルギー、エネルギー消費、
モータートルクを記録し，段差の高さや角度それ
ぞれ影響を解明する。 
 
図 4 段差スペック 
 
 また，シミュレーションの結果と連動するた
め，変形車輪を搭載した車両モデルを上らせて，
データを取って，比較する。 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
図 5 車両モデル 
 
4.研究成果 
本文（９ポイント：明朝）本研究の二つ課題：
①機構再設計；②適応性の検討，に対しては，以
下の成果を出た。 
 【機構再設計】は IJ2019 バージョンが残った
変形必須トルクという課題を大幅に減少してで
きた。伸縮機構による負荷は変形にかけず，伸縮
ユニットごと全体移動する方法で，単なるユニッ
ト移動必須のトルクを克服すればの仕組みにア
レンジした。 
 
図 6 改良版の伸縮ユニット 
 
 また，中国拡大円卓の機構を参考して，伸縮ユ
ニットの移動方法を改善した。中央円盤の回転に
より、アームでの繋がりを通して、伸縮ユニット
の位置を切り替えることによって、径の変化する
ことができる。この方法で機構運動必要なトルク
をさらに減少した。 
 
図 7 改良版の変形機構 
 
【適応性の検討】は変形車輪の走行性能をけんと
うする。ここで変形車輪の円形状態、変形車輪展
開状態と同じ径の円形車輪、変形車輪の展開状態
三つの車輪状況を対照するの比較組と異なるス
ペックの段差での影響を解明する地形組二つ方
向で検討する。 
 比較組には，径の増大で，段差との衝突よる速
度の減衰は著しく減少し，段差の走行性能は明白
に向上している。変形車輪の方は，その速度減衰
は更に減少している。平面上には車輪の特徴で，
少しの変動があるが，段差上の速度変化も大きい
変動がない。 
 
 
図 8 比較組速度変化 
  
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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 トルクの場合は，径の増大による慣性モーメン
トは増大し，トルクは大きくなる；展開状態はそ
のトルクはまた減少していた。また三段段差の走
行時間は，変形車輪の円形状態→変形車輪展開状
態と同じ径の円形車輪→変形車輪の展開状態の
順番で減少していた。一段にかかる時間は円形状
態と比べ，展開状態の方は半分以上に短縮し，展
開状態と同じ径の円形車輪と比べでも，五分の二
を減少できた。 
 
 
図 9 比較組トルク変化 
 
 地形組は段差のスペック：高さと角度の影響を
分析してきた。高さ 10cm の三段段差上で，段差
角度の増大より，段差上の速度変化は大きくな
る。また角度 45°の三段段差上で，段差高さの増
大より，段差上の速度変化は大きくなる。 
 
図 10 地形組速度（高さ：10cm） 
 
 
図 11 地形組速度（角度：45°） 
 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① Realization of A Deformable Wheel 
Adapting to Running Conditions（Yaowei 
Chen ,Masmi Iwase ,Jun Inoue ,Shoshiro 
Hatakeyama and Atsusi Suyama） 
Journal of Physics: Conference Series, 
Volume 1487, 2020 4th International 
Conference on Control Engineering and 
Artificial Intelligence (CCEAI 2020) 17-19 
January 2020, Singapore 査読あり 
 


変形車輪の伸縮機構の改善及び走行環境適応性の検討

東京電機大学博士（理学）2021doctoral thesi

小西, 智之

コニシ, トモユキ

KONISHI, Tomoyuki

Analysis of microbial flora in soil cultivated with Komatsuna and characteristics of a new strain of microorganism, skT53, isolated from the soil

佐藤, 友映

サトウ, トモエ

ハート, ペギー

SATO, Tomoe

HARDT, Peggy

Connecting Peers Across the Globe

佐藤, 修一

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21E-05 
課題名（和文） くし型電極を使用したシースルー無機ELデバイスの開発とその長期安定性に関する研究 
課題名（英文） 
Emission and the long-term stability of see-through dispersed‐type inorganic EL 
devices with comb electrode 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部、電子システム工学科、准教授 
氏名 佐藤修一 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
無機 EL は、現在ディスプレイで採用される有機 EL よりも、蛍光体の長期安定性が優れている。しかしなが
ら、その輝度が有機 ELよりも大きく劣っているのが課題となっている。 
本申請では、この輝度の問題を解決するために、デバイス上部と下部から見ても、その発光が観察できる、す
なわち両側から光を取り出す輝度向上が狙える面内電極構造を有するシースルー無機 EL デバイスを開発し、
そのデバイスの長期安定性を実現するために電極材料が発光特性の長期安定性に与える影響について研究を行
う。 
 
研究成果の概要（英文） 
Among such Electro-Luminescence (EL) devices, the phosphor that emits light is an inorganic material in 
the inorganic EL, and the long-term stability of the phosphor is superior to that of the organic EL currently 
used in displays. However, the problem is that its brightness is significantly inferior to that of organic EL. 
To solve this brightness problem, we develop a see-through inorganic EL device with in-plane comb 
electrode in this study. The emission of this EL device can be observed from both the upper and lower parts 
of the device. We systematically investigated the effect of electrode materials on the long-term stability of 
light emission to achieve long-term stability of the device. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
1.研究開始当初の背景 
Electroluminescence (EL)は、電界の印加に応じ
て蛍光物質が発光する現象である。この EL を利用
した EL ディスプレイは、従来の液晶ディスプレイ
では必須の光源や偏光板が不要であるため、薄膜状
のディスプレイ、ランプなどへの応用が期待できる
ため近年注目されている。このような EL デバイス
であるが、実は発光する蛍光体が有機物か無機物に
よって有機 EL、無機 ELに分けられる。 
中でも、無機 EL は、図１上に示すような蛍光体
層と誘電体層の２層を電極間に挟み込む単純な構造
である。蛍光体層内の電子は、高周波で高電界を加
えることによって加速され、電極界面でトラップさ
れ、ある程度蓄積されたら弾道的に走行し、衝突・
励起し、励起された発光中心は、基底状態に戻る際
に発光をする。 
2.研究の目的 
図１上に示すような分散型無機ELデバイスでは、
発光層片面に誘電体や金属電極層が形成されてお
り、発光層の片側からしか光を取り出すことができ
なかった。しかしながら、デバイス構造を変更し、
図１下に示すように、くし形電極を用いた面内電極
式無機 EL にすることで両面から光を取り出すこと
が可能になると考えられる。 
 
 
図１ 対面電極と面内電極の無機 ELデバイス 
 本研究では、この発光エネルギー効率に優れた面
内電極型のシースルー無機 EL デバイスに注目し、
その電極材料が光電的性質に与える影響について系
統的に研究を行った。 
3.研究の方法 
本研究で使用した無機 EL デバイスの構造を図２
に示す。まずは、基本構造となる ITO透明電極、蛍
光体、誘電体、背面電極で構成されたもの（No.1）
を作製した。ここには、ドナー・アクセプタ対型の
ZnS:Cu,Cl 蛍光体をイソホロンとフッ素樹脂でイン
ク状にしたものと、BaTiO3 誘電体をイソホロンと
フッ素樹脂でインク状にしたものを使用した。 
次に、くし形電極上に先程の蛍光体インクを塗工
した面内電極型のシースルー無機 EL デバイスも作
製した。くし形電極材料として ITO（No.2）、Au
（No.3）、Pt（No.4）の３種類を使用している。以
上の４種類の無機 EL デバイスの特性について研究
を行った。 
 
図２ 製作した無機 ELデバイス 
4.研究成果 
研究成果の一部として、図３に各デバイスの発光
時の様子を示す。140 VP-P、2.4 kHzの電圧を印加す
ると、各 EL デバイスが発光したが、No.1 の無機
EL デバイスでは、片面のみ発光したのに対して、
Cell No.2から No.4の無機 ELデバイスでは、No.1
に比べて明るさは劣っているように見えるが、蛍光
体層側とガラス基板側の両面から青色発光が観察さ
れた。加えて各電極により発光強度をわずかに異な
っていることも明らかとなった。 
 
図３ 発光時の様子 


くし形電極を使用したシースルー無機ELデバイスの開発とその長期安定性に関する研究

東, 孝文

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21J-02 
課題名（和文） 
芸術制作活動における制作者技能と制作難易度にもとづいた機械学習による技能習得化
に関する研究 
課題名（英文） Skill learning by combining skills and difficulty in artistic production 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
システムデザイン工学部 デザイン工学科 助教 
氏名 東 孝文 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，芸術創作活動の 1 つである切り絵の製作を焦点とした．切り絵製作はペン形状のデザインナイ
フを操舵することで紙を裁断することから，ヒューマンコンピュータインタラクション(HCI)分野の観点か
ら，製作物の難度と製作者の技能を定量化する．その結果，難度と技能の評価，製作時の心理状態を評価する
ことで製作へのユーザ体験が変化すること，また製作者にあわせて難度をもとに下絵を選別することで HCI
分野にもとづいた芸術製作における UX の向上させることを確認した． 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, I focused on producing paper-cutting, an artistic, creative activity. Paper cutouts are cut by 
steering a pen-shaped design knife. I quantify the difficulty of the production and the maker's skill from 
the perspective of the field of human-computer interaction (HCI). As a result, this study quantitatively 
reveals that differences in difficulty affect the user's flow experience by evaluating the maker's 
psychological state. I also confirmed that the selection of drafts based on the difficulty level of the artwork 
according to the maker improves the UX in art production based on the HCI field. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
  芸術創作活動において，多くの製作物にはそれ
ぞれの難度があるとともに，製作者にも難度に対
応可能な技能がある．しかし，下絵の素材集では
製作物の難度について「初心者向け」や「レベル
3」など曖昧な表記なものが多く，初心者自身の技
能に見合った難度を選択することは困難である．
技能と不釣り合いな難度での製作は簡単すぎる
場合，技能向上の効果が弱く体験を飽きやすく感
じる．また，難しすぎる場合は失敗と挫折により
制作を諦めてしまう．本研究では，難度と技能と
のバランスを制御することは技能向上だけでな
く，製作へのユーザ体験(UX: User eXperience）
の向上を目指す．  
  本研究では，芸術創作活動の 1つである切り絵
の製作に焦点をあてた．切り絵は紙に印刷した黒
色と白色の 2色に塗り分けた下絵から不要な白色
の部分を切り落とすことで製作する．切り絵製作
はペン形状のデザインナイフを操舵することで
紙を裁断することから，ヒューマンコンピュータ
インタラクション(HCI)分野におけるヒューマン
タスクモデルにもとづき製作物の難度と製作者
の技能をモデル化することで HCI分野にもとづい
た芸術製作における技能習得の効率化と UX の向
上を支援する．  
2.研究の目的 
① 製作物の難度評価と制作者の技能評価，② 
様々な難度での製作時の製作者の心理状態，につ
いて分析することで，製作者の技能と製作物の難
度の関係を明らかとすることで製作の体験価値
の向上を支援する． 
3.研究の方法 
① 難度評価について，切り絵の難易度は裁断
する線の距離とその周辺の線までの幅に大きな
影響を受けることから，裁断する線が持つ距離と
間隔について，HCI 領域におけるヒューマンタス
クモデルの 1 つであるステアリングの法則を適用
することで難度を定量化する．また技能につい
て，未経験な初心者は下絵の線とナイフで裁断し
た軌跡を比較したとき，裁断の精度が低いことを
確認した．本研究では，この精度からの評価をも
とに定量的に製作者の技能を評価する．  
② 様々な難度での製作時の製作者の心理状態: 
製作時の心理状態について，難度と技能をもとに
フロー理論から各要素のバランス及び技能向上
の変化を調査する．実験では，7 名の初心者(未経
験者)，5 名の中級者(月に 1,2 回の頻度で練習する
者)，5 名の熟練者(アーティストとして活動する
者)が，様々な難度の絵(初心者向けの素材集の下
絵)を裁断したときの体験についてフロー状態を
評価するためのアンケート調査(FlowStateScale)
をもとに評価する． 
4.研究成果 
  ①と②の結果より，初心者，中級者，熟練者が
それぞれフロー状態で製作できる難度の範囲を
確認した．特に初心者は難度レベル(本研究での難
度指標)が 10 未満の裁断する線を多く持つ下絵で
の製作で高いフロー状態であることを確認した．
この結果をもとに，他のデザイン集からも，本研
究での難度の計測をもとに，同程度の難度の下絵
で製作したときも同様に高いフローを確認した．
本研究の難度と技能の評価，製作時の心理状態を
評価することで製作へのユーザ体験が変化する
こと，また製作者にあわせて難度をもとに下絵を
選別することで UX を向上させることを確認し
た． 
 
5.主な発表論文等 
掲載論文別刷り一部提出 
〔学会発表〕（計 2 件） 
1. Takafumi HIGASHI “ Relationship 
between the Difficulty of Drafting and 
Cutting Skills in Paper Cutting” HCI 
International 2022.6 
2. Takafumi HIGASHI “ Improve User 
Experience by Adjusting Draft Design 
through Retouching System for Paper-
cutting Production”  ACM Creativity & 
Cognition 2022.6  poster 


芸術制作活動における制作者技能と制作難易度にもとづいた機械学習による技能習得化に関する研究

小河, 誠巳

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21J-03 
課題名（和文） 下水管路画像を用いた異常判定のためのスモールデータ学習に関する研究 
課題名（英文） 
Study on Small Data Learning for Abnormality Determination Using Sewerage Pipe 
Images 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部情報システムデザイン学系 助教 
氏名 小河 誠巳 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，スモールデータ解析の観点から下水管画像の異常検知を試みた。スモールデータ解析の観点か
ら下水管画像を用いた検査を検討すると，画像の分類によって下水管の検査項目は不均衡データとなることが
わかった。そこで，不均衡データに適した異常検知のための手法を検討した。 
異常検知手法としては，下水管の画像に対して物体検出（YOLOv5）を用いて，15 種類の異常ラベルに基づ
く異常検知を試みた。その結果，ラベル全体の評価指標である mAP(mean Average Precision)で約 60%を得た，
また，15 種類の異常ラベルの中で 6 種類のラベルにおいて AP70%の精度を得た。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, abnormality detection of the sewer pipe image was tried from the viewpoint of small data 
analysis. When sewer pipe inspection was examined from that, it was found that sewer pipe inspection 
items become imbalanced data according to the classification of sewer pipe images. As an abnormality 
detection technique, we tried using YOLOv5 for abnormality detection based on 15 kinds of abnormal 
labels. As the result, about 60% was obtained in mAP which was an evaluation index of the whole label, 
and the accuracy of AP 70% was obtained in 6 kinds of labels. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
 近年，日本では下水管の老朽化が進み，検査のた
めの人員や費用の不足が指摘されている。そのため， 
AI 関連技術を用いたシステムの効率化や低コスト
化が望まれている。 
他方で，近年スモールデータ解析が注目されてい
る。これまでビッグデータが注目されてきたが，デ
ータの発生が稀であったり収集可能なデータが制限
されていたりする場合など，データの収集が困難な
場合があることも認識され始めている。ここで，ス
モールデータの中でも多数クラスと少数クラスのデ
ータが混在するデータを不均衡データという。 
下水管の異常検知は検査員による経験と専門知識
が必要であり，ラベルの付与のためのコストが高い。
また，異常にも偏りがあり，収集が困難なデータも
ある。よって，下水管画像データはスモールデータ
としての特徴を持ったデータといえる。 
2.研究の目的 
 そこで本研究では，上記背景を踏まえた下水管画
像の異常判定をスモールデータの観点から検討し
た。下水管画像には 1 枚の画像に複数の異常ラベル
が付与されてるため，通常のマルチクラス分類では
分類が不十分となる。そこで，画像中にラベルとと
もに位置情報も推定できる物体検出の手法を用い
る。さらに，ラベル数が少ないデータでも検出精度
が向上するようにデータ拡張も試みる。 
3.研究の方法 
まず，下水管画像の異常ラベルの再分類による不
均衡データとなることの整理と物体検出を用いた異
常検知を行った。異常ラベルの再分類を行った理由
は，元々の検査項目は 58 種類（異常ラベルに相当）
あったが，このままではデータが少なすぎるラベル
(0 のものも存在)や画像では非常に判別が難しいラ
ベルがあったためである。また，異常検知に物体検
出を用いた理由は，応用上の観点から将来的な応用
において検査員に視覚的に異常箇所を提示した方が
良いと考えたこと，下水管画像の異常が 1 枚の画像
に複数の異常を含む場合があるマルチラベル問題で
あること，不均衡データであること，の 3 点による。 
 異常ラベルの再分類の結果，58 種類の異常ラベル
を 15 種類に再分類した。物体検出は，このラベル
に基づいて，画像ごとに適用する。 
 物体検出には処理速度と精度を考慮して，
YOLOv5 を用いた。また，データ拡張は回転と反転
を用いた。その結果，5,571 枚から 37,095 枚のアノ
テーション（どこにどのラベルの物体があるのか指
定した情報）画像を得た。これを物体検出のための
学習データ，評価データ，テストデータとした。 
4.研究成果 
本研究では，スモールデータ解析の観点から下水
管画像の異常検知を試みた。この観点から下水管検
査を検討すると，下水管画像の分類によって下水管
の検査項目は不均衡データとなることがわかった。
そこで，不均衡データに適した異常検知のための手
法を検討した。物体検出では事前にアノテーション
が必要であるが，異常によってはアノテーションが
困難な異常があることが明らかになった。例えば，
「管のたるみ」や「油脂付着」等である。これは，
「管のたるみ」が，底面に“水が貯まる”ことをも
って「管のたるみ」と判定しているためである。ま
た，「油脂付着」が「石灰乳」と誤判定される例が多
く，これは管の種類が影響するためであったが物体
検出に管の情報が反映されないからと考えられる。 
異常検知手法としては，下水管の画像に対して物
体検出（YOLOv5）を用いて，15 種類の異常ラベル
に基づく異常検知を試みた。その結果，ラベル全体
の評価指標であるmAP(mean Average Precision)で
約 60%を得た，また，15 種類の異常ラベルの中で 6
種類のラベルにおいて AP70%の精度を得た。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 1 件） 
① 鈴木昌弘，小河誠巳，松本浩樹：物体検出を用
いた下水管画像の自動異常検知，情報処理学会
第 84 回全国大会，愛媛大学， 2ZK-03，
pp.791-792，3 月 3-5 日(2022),オンライン 
（「計測と検知」セッション学生奨励賞受賞） 
 


下水管路画像を用いた異常判定のためのスモールデータ学習に関する研究

戸塚, 穂高

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 2021038 
課題名（和文） 連続析出域での時効処理による Mg―Al 系鋳造用マグネシウム合金の塑性加工性改善 
課題名（英文） 
Improvement of plastic workability of Mg-Al casting magnesium alloys by aging 
treatment in the continuous precipitation region 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
総合研究所 特任助手 
氏名 戸塚穂高 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究はマグネシウム合金の熱間塑性加工性の向上を目的として，動的再結晶が生じやすい初期組織を有
する鍛造用素材の作製を目指すものである．本実験から，静的再結晶と連続析出を同時に生じさせることで，
粒径約 20 μmの母相中に直径約 1 μmの球形状の連続析出物が分散した組織が得られることがわかった．一般
的に Mg17Al12 相は結晶粒界に晶出し塑性加工性を低下させるため低減が目指される．本研究で得られた組織
は，Mg17Al12 相を塑性加工性向上に利用する新たな組織制御手法の基礎となるものである． 
 
研究成果の概要（英文） 
This study aims to improve the hot plastic workability of magnesium alloys by preparing a forging 
material with an initial microstructure that is prone to dynamic recrystallization. From this experiment, 
it was found that by simultaneous static recrystallization and continuous precipitation, a microstructure 
with spherical continuous precipitates of approximately 1 μm in diameter dispersed in a matrix phase of 
approximately 20 μm in grain size could be obtained. In general, the Mg17Al12 phase crystallizes at grain 
boundaries and reduces plastic workability, so it is aimed to be reduced. The microstructure obtained in 
this study is the basis for a new microstructure control method that utilizes the Mg17Al12 phase to improve 
plastic workability. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
 マグネシウム合金は塑性加工性に欠点を有す
るため現在実用化されているマグネシウム合金
製品のほとんどが鋳造品であり，比強度に優れる
特徴が構造材料として活かされていない． 
本研究では，マグネシウム合金の資源が豊富と
いう利点を保つため希少金属元素の添加を行わ
ない合金設計であること，現状の加工プロセスに
容易に組み込める手法であることを条件として
熱間塑性加工性を向上させる．本研究の対象は熱
間鍛造用の素材である円柱ビレットと板鍛造用
の素材である中板材である． 
 
2.研究の目的 
 Mg-Al系マグネシウム合金の熱間変形能を向上
させるためには動的再結晶を生じやすくするこ
とが重要である．低炭素鋼や A3003 では結晶粒
内に母相よりも硬い 1 μm 以上の化合物や析出物
を分散させることで動的再結晶の生成サイトを
増やす手法が行われている．しかし，マグネシウ
ム合金の粒内に析出する連続析出物 Mg17Al12 相
は底面と平行な棒形状であるため，転位の蓄積サ
イトにはならないことが報告されている． 
本研究では(1)連続析出物を転位が蓄積しやす
い向きまたは形状に変化させること，(2)結晶粒内
の析出物数を増加させることにより，動的再結晶
粒の生成サイトを増やすことを目的とする． 
 マグネシウム合金において Sn 元素の添加は
Mg17Al12 相が析出する際に核となる Mg2Sn 相を
晶出させること，柱面すべりの CRSS を約 30 %
低下させることが報告されている． 
本研究では Sn 元素の添加量が異なるマグネシ
ウム合金鋳造材（質別 T4）から試験片を切り出し，
冷間加工による圧縮変形を加えた状態，圧縮とせ
ん断変形を同時に加えた状態及び予ひずみを加
えない状態の 3 条件を初期組織として連続析出温
度域で時効処理を行い，結晶組織の観察を行う． 
 
 
3.研究の方法 
円柱ビレットを対象とした実験では金型鋳造
材から切り出したφ14 mm×21 mm の円柱を試
験片とし，圧縮変形は圧下率 15 %の冷間据込み鍛
造により与える． 
中板材を対象とした実験では双ロール鋳造材
から切り出した 240 mm×45 mm×5 mm の板材
を試験片とし，圧縮変形は圧下率 10 %の冷間圧延
（潤滑及び無潤滑）により，圧縮及びせん断変形
は異周速比 1.11 圧下率 10 %の冷間異径ロール圧
延（無潤滑）により与える． 
試験片の材料は AM100，AMT1000 及び
AMT1002 である．Sn 元素の添加量はそれぞれ 0 
mass%，0.5 mass%，2 mass%である． 
 時効処理は熱風循環炉を用いて連続析出が生
じる温度域である 633 K で 8 h 保持後水冷した． 
 
4.研究成果 
本実験により以下の成果が得られた． 
(1) 冷間据込みにより生じた双晶により，連続析
出物の向きが同一結晶粒内で変化することがわ
かった． 
(2) 静的再結晶と連続析出を同時に生じさせるこ
とで，粒径約 20 μmの母相中に直径約 1 μmの球
形状の連続析出物が分散した組織が得られるこ
とがわかった． 
(3) Sn 元素を 2 mass%添加することで，結晶粒内
全体に連続析出が生じることがわかった． 
一般的に Mg17Al12 相は結晶粒界に晶出し塑性
加工性を低下させるため低減が目指される．本研
究の成果(2)は，Mg17Al12 相を塑性加工性向上に利
用する新たな組織制御手法の基礎となるもので
ある．今後は，成果(2)で得られた組織の熱間加工
性の調査をホットロール式 4 段圧延機にて行う． 
 
5.主な発表論文等 
なし． 
（軽金属学会第 142 回春期大会 2022 年 5 月 28
日～29 日にて 3 件講演申し込み済．） 


連続析出域での時効処理によるMg-Al系鋳造用マグネシウム合金の塑性加工性改善

東京電機大学博士（情報学）2021doctoral thesi

岡本, 鉄兵

オカモト, テッペイ

OKAMOTO, Teppei

Design Solutions Optimization Method Based on Consistency Evaluation of User Interfaces in Interactive Systems

東京電機大学博士（工学）2021doctoral thesi

井戸, 航洋

イド, コウヨウ

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 166号 氏 名 井戸 航洋 
論文題目 プラズマ分光分析用高機能試料導入システムの開発とその応用 
 
プラズマ分光分析法は，高温（～10,000 K）の大気圧プラズマを励起源とする高感度な元素分析
法である。最も汎用されている無機分析法の一つであり，高感度かつ多元素同時分析が可能である。
プラズマに導入された溶液試料は，高温のプラズマ内で分解され，原子化，イオン化される。この
ときプラズマで励起された元素固有の発光スペクトルによって元素の定性・定量を行うのが誘導結
合プラズマ発光分析法（ICP-OES），プラズマによってイオン化された元素の質量スペクトルによっ
て元素の定性・定量を行うのが誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）である。本論文では，こ
れらのプラズマ分光分析用に高機能試料導入システムを開発し，溶液中の分析対象物（微量元素ま
たはナノ粒子）を簡便，迅速かつ正確に定量するための分析方法について検討を行っている。本論
文は全 5 章から構成される。 
第 1 章では本論文の背景と目的について述べている。プラズマ分光分析法は高感度かつ多元素同
時分析が可能なので，工場排水や環境水の有害元素分析，RoHS 規制対象元素の分析，生体試料中
の微量元素分析など，学術から産業まで幅広い分野で用いられている。一方で，試料の液性によっ
て溶液の噴霧・導入効率が変化したり，プラズマの電子密度や原子発光挙動が変化したり，プラズ
マ分光分析装置の信号強度は様々な干渉を受けることが知られている。種々の試料中の微量元素を
正確に定量するためには，分析対象試料と検量線試料のマトリクスを一致（マトリクスマッチング）
させる必要がある。一般的には，分析対象試料に検量線用標準試料を添加する標準添加法が有効と
されている。そこで第 1 章では，二液を同時に導入可能な試料導入系を開発する必要性およびオン
ラインマトリクスマッチングシステムを構築する意義について詳述している。 
第 2 章では，多液同時噴霧型同軸グリッドネブライザー（m-CGrid）の開発と，m-CGrid を応用
したオンライン標準添加システムの構築について述べている。開発した m-CGrid は，単一ノズル内
に流路を 2 つ有し，その単一ノズル先端部にグリッド（多孔薄膜）を有する構造である。このグリ
ッドがダンパーのような役割を果たすことで，ノズル内部空間でガスと溶液が乱流状態で攪拌され，
独立した 2 つの液体を同時に噴霧・混合することができる。また，上記の構造はガスの運動エネル
ギが水へ伝達される効率が高く，生成された一次エアロゾルのメジアン径（D50＝2.9 - 3.1 μm）は，
汎用のネブライザーMHN（D50＝19.5 μm）に比べて微細であった。この微細液滴化によりプラズマ
への試料導入効率が改善され，ICP-OES において MHN より 2～3 倍の信号強度が得られている。
さらに，m-CGrid の各流路に試料インジェクションバルブを取り付け，ポンプで送液するオンライ
 
ン標準添加システムを構築した。生体認証標準物質を用いて，オンライン標準添加/ICP-OES 法の妥
当性を実証したところ，ナトリウム，マグネシウム，リン，カリウム，カルシウムなど測定した 10
元素の定量結果は，その認証値および参照値と不確かさの範囲内でよく一致した。これらの結果は，
m-CGrid が ICP-OES におけるオンライン標準添加法に有効であることを示している。 
第 3 章では，m-CGrid システムを有機溶媒に適した仕様に改良し，バイオディーゼル燃料（BDF）
中の不純物レベルの微量元素分析に応用している。改良した m-CGrid は，水と油のような混ざらな
い 2 液の混合噴霧が可能であり，ケロシンと水を同時噴霧したときに生成される一次エアロゾルは
非常に微細（D50 = 2.2 μm）であった。開発した本法の信号強度は，従来の混合システムよりも 3
倍高く，また信号強度の相対標準偏差は 1.4 %以下と小さくなり，安定した計測が可能となった。
また，BDF の認証標準物質の定量分析を行い，本法の妥当性を評価している。水溶液の標準液と
BDF（ケロシン希釈）の物性（表面張力，粘度，蒸発エンタルピーなど）の違いは，プラズマへの
導入量に差を生じる。このため，内部標準補正を適用したところ，ナトリウム，マグネシウム，リ
ン，カリウム，カルシウムの 5 元素の分析値は，その不確かさの範囲内で，認証値や参照値とよく
一致した。このように ICP-OES による BDF 中無機不純物の定量分析に，本法が有効であることを
実証している。 
第 4 章では，m-CGrid を低流量仕様に改良し，単一粒子 ICP-MS（spICP-MS）による有機溶媒中
ナノ粒子のサイズ評価に応用している。改良した低流量 m-CGrid は噴霧効率が高く，かつ一次エア
ロゾルのメジアン径は D50 = 2.3 µm となっており，既存の低流量ネブライザーD50 ＝5.8 - 6.1 µm よ
りはるかに微細であった。また，水とトルエンのような混ざり合わない 2液を同時噴霧した際でも，
ICP-MS における 20 分間の信号強度のばらつきは約 3 %程度であった。このように改良した低流量
m-CGrid を適用すると，混ざり合わない 2 液の高効率な噴霧混合が可能となり，より安定した信号
が得られることを示している。粒子サイズ法を用いて，本システムの試料導入効率を算出したとこ
ろ，硝酸／2-プロパノールの 2 液混合系では 86 %，硝酸／トルエンの 2 液混合系では 96 %となり，
汎用的な低流量試料導入系で得られる 22.4 %と比較して約 3.5 倍も高くなった。さらに，サイズ既
知の Pt ナノ粒子（30 nm, 50 nm, 70 nm）を 2-プロパノールあるいはトルエンに分散させて，本シス
テムの妥当性評価を行っている。spICP-MS から算出したナノ粒子のサイズは，透過型電子顕微鏡
の観察によって評価された参考値と，不確かさの範囲内で一致しており，本分析法の妥当性が示さ
れている。一般的にナノ粒子は，凝集しないように各種溶媒に分散させて，ナノ粒子としての機能
が利用されている。本法は，分散剤のような複雑なマトリクスと共存するナノ粒子のサイズ評価へ
有効であるといえる。 
第 5 章では，本論文の内容を総括し，さらに今後の展望について述べている。開発した m-CGrid
およびその改良タイプを利用したオンライン標準添加システムの構築により，プラズマ分光分析の
サンプルスループットを向上し，従来は分析が困難であった複雑なマトリクス中の目的成分を正確
に定量することが可能になったと結論づけている。また m-CGrid の多液同時噴霧や微細エアロゾル
が生成可能な特長を活かし，分析機器以外への用途への展開についても議論している。 


Development and application of high performance sample introduction system for plasma spectrometry

神谷, 匠

カミヤ, タクミ

東京電機大学大学院  
学位論文内容の要旨 
報告番号 先端科学技術甲第168号 氏 名 神 谷 匠 
論文題目 Softsatisficing：確率論的満足化方策 
 
 
21世紀に入ってからの急速な変化として、深層学習技術の進展に支えられて、機械学習
が社会の広汎な範囲で実用に供されるようになってきた。機械学習の中でも強化学習分野
は、ある特定の環境において自律的な試行錯誤を通じて適切な行動を獲得するもので、深
層学習との組み合わせである深層強化学習技術の進展に伴い、ロボットの身体制御やプラ
ンニングなども射程に入っており、発展の暁には産業的な価値も非常に高い。実際、現在
までに強化学習技術により、数々のビデオゲームのみならず囲碁や将棋を含むボードゲー
ムなどにおいても人間のチャンピオンを超えるパフォーマンスを示している。 
今後強化学習がゲームのような仮想空間における限定された問題でなく現実の問題に応
用できるほど成熟するためには、数々の障害がある。その中でも最も根本的な障害として
は、問題が現実に近づき複雑化するほど（つまり可能な状態数と行動種類が増えるほど） 
深刻化する、試行錯誤の必要回数の爆発の問題がある。そこで本論文は、動物や人間、そ
して動物の群れや社会的組織などの意志決定傾向として定性的に観察されている「満足化
satisficing」の新たなアルゴリズムを提案し、深層強化学習への応用の可能性を切り拓
くことを目的とした。満足化とは、適切な行動を試行錯誤を通じて探索する際に、ある基
準を上回る行動が見つかり次第探索を打ち切るという行動選択の方策（ポリシー）であ 
り、会社組織（黒字になるまで事業内容を変更）、人間（合格点を取るまで勉強）、動物 
（生存に必要なカロリーを得るまで採餌）に実際に観察される行動傾向のモデルである。
論文は６章構成である。 
第１章は序論であり、近年の急速な深層強化学習技術の発展を概観したのち、現実的タ
スクが提示する問題を論じ、それへの解答としての限定合理性の理論と満足化の概念を導
入している。また、1950年代に提案された限定合理性の理論が近年どのようにリバイバル
しつつあるかを概観している。満足化を用いた国内外の先行研究を整理し、背景を明確に
した上で、研究の目的を述べている。 
第２章は第１章で簡単に触れた限定合理性の理論と満足化の概念を、従来の強化学習分
野の最適化の概念と対比し、より明確にしている。満足化方策の実装の問題点の一つであ
る探索の仕方については、これまで具体的な議論が少なく、従来の研究では単純な一様乱
数を用いて行動をランダムに選択してきた。しかし例えばアスリートであれば、自己ベス
トの更新を目標とするならば、自己ベストを出した際のフォームを微調整するだろう。他
方で世界記録を目指して大きく自己記録を上回る必要があれば、フォームの大幅な変更や
肉体改造も視野に入れるだろう。このような探索・試行錯誤方式の動的な調整の必要性と
いう先行研究になかった点が議論されている。 
第３章は本論文において具体的な強化学習タスクとして扱うＫ本腕ベルヌーイバン 
ディット問題（以下バンディット問題）の問題設定とパフォーマンス指標を述べ、またバ
ンディット問題のベンチマークアルゴリズムとして代表的な Upper Confidence Bounds 
(UCB)アルゴリズムとThompson Sampling (TS)アルゴリズムを導入している。 
第４章は、先行研究で導入された、環境の不確実性（リスク）を考慮した満足化アルゴ
リズムである Risk-sensitive Satisficing (RS) を分析し、UCBやTSと比較可能な形式
(RSβ) を導いている。バンディット問題におけるRSの基本的なパフォーマンスを示し、
またUCBやTSとの挙動の違いを具体的な数値実験で実証している。また、RSの振る舞いと 
して「非満足時損失均衡」という概念を提案し、RSの探索の仕方が、ある種の均衡を目指
す形で行われていることを示している。 
第５章は、これまでの準備と分析に基づき、RSと同等の挙動をもたらす確率論的な方策
である Softsatisficing アルゴリズムを導いている。そのためにまず、強化学習の行動
選択に用いられる Softmax 関数を導入し、非満足時損失均衡を仮定することでRSの挙動
を確率分布に変形し、Softsatisficing 関数を導出している。また、Softmax において行
動選択のランダム性を制御するハイパーパラメータである逆温度に対応する値が
Softsatisficing にも存在し、それが自律的に制御されることを示している。さらには、
数値実験でRSとSoftsatisficingが同等の探索傾向とパフォーマンスを示すことを確認 
し、SoftmaxとSoftsatisficingの振る舞いの違いをも詳細に分析している。最後に、
Softsatisficing (とRS) の探索の傾向について明らかになったことをまとめている。強
化学習における探索には、指向性を持った探索（環境の不確実性を縮減することを目的と
する）と、ランダムな探索（一様乱数を用いた探索）という二種類の探索がある。
Softsatisficingは、指向的探索とランダム探索の間のギャップを連続的に繋ぎ、満足化
基準の設定値に応じて、自律的に指向性とランダム性を制御できることを示している。ま
た、二種類のエントロピーを用いて、Softsatisficingの探索の仕方を明らかにしてい 
る。 
第６章は、本論文の主張をまとめ、今後の課題を述べている。Softsatisficing の提案
により、満足化による意思決定が深層強化学習においても容易となる。様々な工学的応用
が可能となるのみならず、満足化という行動方策を具体的にはどのように組織や人間や動
物が行っているかに関する、定量的・科学的な検証も可能となった。人や動物の意思決定
が  Softsatisficing により満足化として記述できるか、あるいは個人の基準の推定が可
能かどうかの検討と、その実証が今後の課題である。 


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