JP2005342218A - 誘導システム - Google Patents

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一成 曲谷
Hironori Kaneko
裕紀 金子
Tetsuya Harada
哲也 原田
Yoshiro Hirahara
義朗 平原
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Abstract

【課題】白杖を利用している視覚障害者が病院や施設などの屋内において、安全かつ正確に単独歩行でき、目的地まで到達できるような安価な誘導システムを提供すること。
【解決手段】床面等の歩行可能な表面に帯状に色表示された誘導ラインLに対して白色光を照射する光照射部22と、誘導ラインから反射された光を受光するカラーセンサ部21と、カラーセンサ部の出力電流値に基づいて誘導ラインLの色を識別する色識別部と、識別された色認識に基づいて振動や音等の認識可能な誘導情報へと変換する変換部8とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、建物の床面等に貼付された道案内用色テープなどの誘導ラインを光学的に検出し、その検出結果に基づいた情報を、道案内を必要とする対象者へ認識可能な方法で伝達又は知覚させる誘導システムに関する。
視覚障害者が歩行時に用いる補助器具の代表的なものとして杖(以降白杖と呼ぶ)がある。白杖は身の周りの障害物を検出し、これを避けながら歩行することを目的とする補助器具である。白杖の使用に習熟した視覚障害者は目的地が既知の場所であるならば、白杖を使用して単独歩行することが可能である。しかし未知の場所、つまりメンタルマップ地理感が十分でない場所で行動する場合には、安全かつスムーズな単独歩行ができず、他者の介助が必要となる。これは視覚障害者の自由を妨げるばかりでなく介助者にも負担を強いることになる。
このような背景から視覚障害者の単独歩行を支援するための補助器具の研究開発がさまざまな場所で行われている。例えば広く普及している点字ブロックや、カーナビゲーションのようにGPSを利用したもの、さらには、地上の音声発生装置を動作させて音声による案内情報を出力させる白杖等があるが、これらは屋外での誘導を前提としたものであり、ビルや建物などの屋内での利用は困難である。また、これらのシステムの多くは高価であり、設備を整える上でも大掛かりな工事が必要なことがある。
特開2001−123890号公報 特開平9−140754号公報
本発明の課題は、白杖を利用している視覚障害者が病院や種々の施設などの屋内において、安全かつ正確に単独歩行でき、目的地まで容易に到達できるような安価な誘導システムを提供することにある。
本発明の誘導システムは、床面等の歩行可能な表面に帯状に色表示された誘導ラインに対して白色光を照射する光照射部と、誘導ラインから反射された光を受光するカラーセンサ部と、カラーセンサ部の出力に基づいて誘導ラインの色を識別する色識別部と、識別された色認識に基づいて振動や音等の認識可能な誘導情報へと変換する変換部と、を備えている。
本発明によれば、誘導ラインの色に反応するカラーセンサ部の出力電流値や電圧値等の出力に基づいて誘導ラインの色を識別し、振動や音等の認識可能な誘導情報へと変換する考え方を採用したので、例えば、これらを白杖等に組み込むことにより、視覚障害者は振動や音(音声を含む)等により誘導ラインを確認しつつ、その誘導ラインに沿って歩行することが可能になる。したがって、誘導ラインが例えば病院や施設等の屋内の床面に設けられている色テープなどであっても、これを検出しながら安全かつ正確に単独歩行することができる。また、光照射部やカラーセンサ部、色認識部、変換部等は小型で安価に製作できるため、屋外に設ける誘導設備に比べて低コストで実現することができる。
前記光照射部及びカラーセンサ部は白杖の先端部に設けられ、色識別部及び変換部は白杖の杖本体又は把持部の少なくとも一方に設けられていることが望ましい。このように構成した場合、白杖の通常の使用形態において光照射部及びカラーセンサ部を誘導ラインに極めて近接させることができるため、色識別機能を高精度に発揮させることができるだけでなく、白杖の機能、即ち使用形態を損なわないように配慮することができる。
前記白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、前記石突き内に前記光照射部及びカラーセンサ部が設けられ、前記把持部内に前記色識別部及び変換部が設けられ、前記石突き及び把持部は前記杖本体に対して着脱可能に設けられていることが望ましい。このように構成した場合、全体を少なくとも3つにユニット化することができる上に、各部をその内部に組み込まれた各種機器ごと交換することも可能になる。
前記白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、石突きの外周部分に光照射部が設けられ、石突きの外周部分又は石突き内の何れか一方にカラーセンサ部が設けられ、杖本体又は把持部の少なくとも一方の外周部分に色認識部及び変換部が設けられていることが望ましい。このように構成した場合、白杖の外周部分に光照射部、カラーセンサ、色認識部、及び変換部を設けることもできるので、既存の白杖をそのまま利用できる利点がある。また、これらの光照射部、カラーセンサ、色認識部、及び変換部の一部を白杖の内部に設ける構成とすることもできるが、特に、カラーセンサを石突き内に設ける構成とした場合、カラーセンサを中心としてその周囲に光照射部を配置する構成が極めて容易になり、その分、構造の簡素化を図ることができる。
また、本発明の誘導システムは、床面等の歩行可能な表面に帯状に色表示された誘導ラインに対して白色光を照射する光照射部と、誘導ラインから反射された光を受光するカラーセンサ部と、入射光のRGBからYxy変換する演算部と、演算部で得られたxy値に基づく色情報とあらかじめ測定しておいた誘導ラインのYxy値とを比較する色識別部と、識別された色認識に基づいて振動や音等の認識可能な誘導情報へと変換する変換部と、を備えている。
この発明によれば、認識させる誘導ラインに白色光を照射し、その反射光のRGB成分をRGBカラーセンサを用いて読み取り識別するものである。この方式には同じ色であれば明るさによらず反射光のRGB比率は変わらないので、その場の光量の影響を受けにくいという利点がある。
ここで、光照射部及びカラーセンサ部は白杖の先端部に設けられ、演算部、色識別部及び変換部は白杖の杖本体又は把持部の少なくとも一方に設けられていることが望ましい。また、白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、石突き内に光照射部及びカラーセンサ部が設けられ、把持部内に演算部、色識別部及び変換部が設けられ、石突き及び把持部は杖本体に対して着脱可能に設けられていることが望ましい。さらに、白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、石突きの外周部分に光照射部が設けられ、石突きの外周部分又は石突き内の何れか一方に前記カラーセンサ部が設けられ、杖本体又は把持部の少なくとも一方の外周部分に演算部、色認識部及び変換部が設けられていることが望ましい。
本発明によれば、白杖を利用している視覚障害者が病院や施設などの屋内において、多
種類の色表示が誘導ラインとして使用されていても安全かつ正確に単独歩行を可能とし、目的地まで容易に到達できるような安価な誘導システムを提供することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係るシステム概要図であり、図2はそのブロック図である。図3〜図7は本発明を白杖に適用した実施の形態に係る概略構成図である。
この実施の形態に係る道案内システムは、図1〜図7に示すように、白杖1に装備されたセンシングユニット2と、コントロールユニット3とを備えている(図2参照)。白杖1は、内部中空で円形の棒状に形成された杖本体11と、杖本体11の先端に設けられた石突き12と、杖本体11の基端側に設けられた把持部13とを有する(図3参照)。そして、各部の適宜箇所に配分されてセンシングユニット2やコントロールユニット3が組み込まれている。センシングユニット2は、フォトセンサ(カラーセンサ部)21と、光照射部22とを備え、それらは白杖1先端の石突き12内に組み込まれている。
このフォトセンサ21は、図4及び図5に示すように、石突き12の中央部に配置されている。即ち、石突き12を図5に示すように正面から見た状態で、その中心にフォトセンサ21が配置されている。石突き12には、フォトセンサ21へ入射光を導くための開口121が設けられている。
光照射部22は、フォトセンサ21に入射する光量を一定に保つために設けられている。この光照射部22には、例えば図1に示すように、病院や施設などの屋内の床面に貼付された色テープ(誘導ライン)Lに対して白色光を照射できる白色LED23が複数個用いられている。
これらの白色LED23は、図4及び図5に示すように、白杖1の石突き12の外周寄りに配置されている。即ち、石突き12を図5に示すように正面から見た状態で、その中心に位置するフォトセンサ21の周囲に円形状に配置されている。石突き12には、白色LED23からの照射光を外部へ導くための開口122が複数設けられている。なお、石突き12は杖本体11に対して着脱可能に取り付けられている。これにより、センシングユニット2を含む石突き12全体を交換可能に構成することができる。
コントロールユニット3は、図2及び図6に示すように、オペアンプ4、コンパレータ5、論理回路6、タイミング回路7、バイブレータ8、電源9、等を備え、それらは白杖1の把持部13内に組み込まれている。電源9には、乾電池や充電池が利用される。その際、必要に応じて電池交換も可能なように、把持部13の基端には開閉可能な蓋131が設けられている。バイブレータ8は、電源9から距離を離す目的で、杖本体11寄りに配置されている。勿論、充分な振動対策を採ることで電源9に近接して配置することもできる。
把持部13は、杖本体11に対して着脱可能に取り付けられている。これにより、コントロールユニット3を含む把持部13全体を交換可能に構成することができる。センシングユニット2とコントロールユニット3との間は、杖本体11内に配置した配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。
図7は、センシングユニット2及びコントロールユニット3を含む誘導システムのブロック図を示している。この誘導システムは、同図に示すように、電流電圧変換回路4aと、増幅回路4bと、ローパスフィルタ4cと、差動増幅回路4dと、コンパレータ5と、
論理回路6と、ワンショット回路(タイミングサーキット)7aと、バイブレータ8とを備えている。
フォトセンサ21への入射光用の開口121内、あるいはフォトセンサ21の受光面には、緑もしくは赤色のカラーフィルタ(図示せず)が付いている。これが赤もしくは緑テープの上にくると、「赤と緑が重なって暗くなる」という条件から、フォトセンサ21の電流が減少する。しかしこの電流は微少のため、この電流をオペアンプ4の増幅回路4bにより例えば100倍に増幅させる。そして、誤動作の原因となる、蛍光灯などからのノイズを遮断するためにローパスフィルタ回路(20Hz)4cを通し、高周波成分を通さないようにする。
そのあと、差動増幅回路4dにより出力差を大きくし、コンパレータ5によりしきい値を決定し、出力のON、OFFを決定する。また、論理回路6により赤と緑の切り替えを同一回路にて行えるようにし、ワンショット回路7により振動時間を定める補助的な回路(タイミング回路)を取り付けている。
そして、出力がONのとき、手元の把持部13に取り付けられているバイブレータ8が振動する。したがって、この白杖1の利用者は赤もしくは緑テープ上をたどることができる。
なお、本システムにおけるフォトセンサ21にはフォトダイオードが用いられている。このフォトダイオードは、Blue(波長=460nm)、Green(波長=540nm)、Red(波長=660nm)にそれぞれ感度を有する3ch(RGB)フォトダイオードを1パッケージに収めたカラーセンサである。受光部は直径2mmの円型/3分割(RGB)となっている。
アナログ回路による本システムの誘導実験においては、被験者を迅速かつ正確に目的地まで誘導することに成功した。
(第2の実施形態)
図8〜図11は、本発明の第2の実施形態を実験例と共に示す図である。これらの図に示す実施形態では、システムの安定性の向上、および誘導路の認識の多色化を実現するために、本発明の誘導システムをアナログ構成の回路からディジタル回路の構成へと移行させたものである。その主な目的は、システムのさらなる安定性の向上に加えて、晴眼者用の誘導ラインを利用可能にすることにある。
この実施形態の誘導システムも、基本的には白杖1に組み込まれたセンシングユニットとコントロールユニットとを備えている。この誘導システムを実現するためのブロック図を図8に示している。即ち、この誘導システムは、同図に示すように、RGBカラーセンサ部(フォトダイオード)31と、電流電圧変換回路32と、増幅回路33と、ローパスフィルタ34と、差動増幅回路35と、ワンチップマイクロプロセッサ(図8ではコンパレータと記載してある)36と、ワンショット回路37と、バイブレータ38とを備えている。ワンチップマイクロプロセッサ36は、後述するADコンバータ機能及びパターン認識機能(色認識)の両方を備えている。
この誘導システムでは、まず、フォトダイオード31により色をRGB成分に分解し、センサ出力が電流であるため(ここではセンサ出力は電流であるが電圧を出力してもよい。)、電流電圧変換回路32により電圧値に変換する。変換した出力を増幅回路33で増幅し、ローパスフィルター34によりノイズをカットし、差動増幅回路35によりホワイトバランスを調整し、ワンチップマイクロプロセッサ36によりAD変換を行ってその出
力をパターン認識させ、測定物の色を認識させる。
フォトセンサには色々な種類があるが、ここでは、第1の実施形態のアナログ回路のときに用いたRGBカラーセンサ(浜松フォトニクス社製、Siフォトダイオード、S9032−02)を使い、色認識を試みた。具体的には、アナログシステムと同様に、電流電圧変換回路32にてセンサ出力を電流値から電圧値に変換し、100倍の増幅をし、ローパスフィルター34により20Hz以下のノイズをカットし、ホワイトバランスをとるため差動増幅回路35を用い、そのセンサ出力をワンチップマイクロプロセッサ36に送る。そして、ワンチップマイクロプロセッサ36にてAD変換を行い、変換されたディジタルデータを、予め記憶しておいたディジタルデータと比較してパターン認識させる。そのパターン認識結果に基づいてバイブレータ38への出力のON、OFF制御を行う。
次にパターン認識に必要な色彩色度計について述べる。色彩色度計とは色を数値化する光学機器のことで色を数値で確認することができる。測定原理は、非測定物から出た光は、対物レンズ保護フィルター、対物レンズなどの光学系を通り、チョッパーからファイバーに入射する。ファイバーで3分割された光は、それぞれ分光感度補正フィルターによって、CIE(国際照明委員会(Commission International de l'Eclairage))で定められたスペクトル三刺激値x2λ、yλ、zλの分光感度を持つように調整されている。センサ及び光電変換部で入射光は電流から電圧に変換され、更に次のAD変換部でディジタル化され三刺激値を算出し、マイクロコンピュータ部でこの三刺激値から色度点x、yを演算して表示部に表示する測定機である。
この色彩色度計によりカラーサンプルである配色カードのYxy値を測定し、配色カードに対するカラーセンサの値と比較しパターン認識を行った。この色度計による配色カードのYxyデータを採った。配色カードと色度計の距離は1.4mとし、光源には先程使用した白色LEDを用いた。図9にそのYxyデータを示す。ここで、Yxyとは色を数値化して示すXYZ(Yxy)表色系のことであり、Yが反射率で明度に対応し、xyが色度になる。
色認識を行うため、対象物に対するセンサ出力を測定すると共に、色度計によるYxy値を測定しなければならない。まず、あらかじめ外部光を遮蔽し暗室を作り、光源として白色LEDを用いて配色カードに対するセンサ出力を測定した。光源として用いる白色LEDはカラーセンサを囲むように円状に18個取り付けスイッチの切替により6個、12個、18個点灯の3パターンの切り替えを可能にし、光源の光量を調節できるようにした。
また、白色LEDの構造が原因で、光が直線状になり、そのままではカラーセンサの受光部分が暗くなるため、白色LEDの先端をトレーシングペーパで覆い、光を散乱させ、均等に照明できるようにした。データを採取する際に、センサと測定対象の距離を2cmに固定し、センサから2cm後方に白色LEDを円状に固定し、測定対象に照射した。
色の測定を行う前にホワイトバランスを取った。白に対するR、G、Bの各センサ出力を3.2V一定とし、測定を行った。同時にホワイトバランス時のセンサ出力を4、6、8、10Vに上げたときのデータも比較として採取することとした。白を基準としてセンサのデータを正規化した実験結果を図10に示す。
この実験結果を見てみると、理論と同じように各色に対応する特徴が現れている。例えば赤はRの出力が最も高く、黄色は赤(R)と緑(G)の出力が最も高いことがわかる。
次に、各配色カードに対するセンサ出力と、色度計によるYxy値とを比較しパターン
認識を行う。パターン認識の際には数1に示す3行3列変換行列を用いることとした。
Figure 2005342218
この数1に配色カードに対するセンサ出力と、色度計によるYxy値を代入し、3行3列の変換行列a、b、c、d、e、f、g、h、iを求め、変換行列とセンサ出力を掛け合わせ、センサ出力RGB値をYxy値に変換する。変換したYxy値をYxy色度図上に当てはめて色を認識させるというものである。
実験においては、光量を変え同じ配色カードにていくつかのパターンのデータを採取した。以下の変換式(数2、数3)及びAD変換後のセンサ出力とセンサ出力を計算後のYxy値を図11の色度図上に示す。配色カードに対するセンサ出力とYxy値を代入することにより変換行列式を解いたが、変換行列式は3色のデータを用いることにより解くことができる。
Figure 2005342218
Figure 2005342218
先述した変換式と以下に示す色のセンサ出力を掛け合わせ、算出された値をYxy色度図上にプロットした。認識に用いた色は、白、赤、橙、黄、緑、青、紫の7色である。光量を調節し、三種類のデータを載せた。この図11から判るように、誘導ラインを多色化した場合でも各色を正確に識別できる。したがって、晴眼者用の多色の誘導ラインを利用した道案内が可能である。
(第3の実施形態)
図12、図13、図14は、本発明の第3の実施形態を示す概略説明図である。この実施形態では、白杖1の石突き12内にカラーセンサ21を配置し、石突き1の外周部分に白色LED23を複数配置して光照射部22を構成したものである。ただし、この実施形態では、光照射部22を石突き12の外周部分に配置する関係で、各白色LED23は保護筒25内に収めている。これにより、白杖の先端部にセンシングユニット2が装備されている。
一方のコントロールユニット3は、白杖1の把持部13付近の外周部分に装備されている。このコントロールユニット3は、いわゆる外付けとなるため、保護ケース内に収納されている。センシングユニット2とコントロールユニット3は、外部配線26や内部配線(図示せず)等を介して電気的に接続されている。
この第3の実施形態では、カラーセンサ21を石突き12内に設ける構成としているので、カラーセンサ21を中心としてその周囲に光照射部22を配置する構成が極めて容易になり、その分、構造の簡素化や製作性の向上等を図ることができる。
(第4の実施形態)
図15は本発明の第4の実施形態を示す要部の説明図である。この実施形態では、カラーセンサ21及び白色LED23(光照射部)の両方を石突き12の外周部分に装備した例を示している。カラーセンサ21は、ここではフォトトランジスタ21fと、赤フィルタ21R、緑フィルタ21Gとを備えている。カラーセンサ21及び光照射部22は、いずれも石突き12の外周部分に装備される関係で、保護筒25にそれぞれ収納されている。そして、赤フィルタ21R、緑フィルタ21Gはこの保護筒25の先端開口部に設けられている。
この第4の実施形態では、カラーセンサ21、光照射部22の両方を石突き12の外周部分に設ける構成としているので、既存の白杖1を利用して誘導システムを構成することもできる。勿論、カラーセンサ21として、先の実施形態で用いたRGBカラーセンサを用いることもできる。
本発明の第1の実施形態に係る誘導システムの概要図である。 第1の実施形態に係る誘導システムのブロック図である。 第1の実施形態に係る白杖の概略図である。 第1の実施形態に係る白杖の先端部の拡大図である。 第1の実施形態に係る白杖の先端部の正面図である。 第1の実施形態に係る白杖の把持部の拡大図である。 第1の実施形態に係る誘導システムのコントロールユニットの機能ブロック図である。 第2の実施形態に係る誘導システムのコントロールユニットの機能ブロック図である。 色度計による配色カードのYxy値を示す図である。 第2の実施形態に係る誘導システムの各色のセンサ出力図である。 算出された値のプロット後の色度図である。 第3の実施形態に係るセンシングユニットのカラーセンサの正面図である。 第3の実施形態に係るセンシングユニットの一部断面拡大図である。 第3の実施形態に係る白杖の概略図である。 第4の実施形態に係るセンシングユニットの一部断面拡大図である。
符号の説明
1 白杖
2 センシングユニット
3 コントロールユニット
4 オペアンプ
4a 電流電圧変換回路
4b 増幅回路
4c ローパスフィルタ回路
4d 差動増幅回路
5 コンパレータ
6 論理回路
7 タイミング回路
8 バイブレータ
11 杖本体
12 石突き
13 把持部
21 フォトセンサー
22 光照射部
23 白色LED
31 フォトセンサ
32 電流電圧変換回路
33 増幅回路
34 ローパスフィルタ回路
35 差動増幅回路
36 ワンチップマイクロプロセッサ(色識別部)
37 ワンショット回路
38 バイブレータ
L 誘導ライン

Claims (8)

  1. 床面等の歩行可能な表面に帯状に色表示された誘導ラインに対して白色光を照射する光照射部と、
    誘導ラインから反射された光を受光するカラーセンサ部と、
    カラーセンサ部の出力に基づいて誘導ラインの色を識別する色識別部と、
    識別された色認識に基づいて振動や音等の認識可能な誘導情報へと変換する変換部と、を備えた誘導システム。
  2. 前記光照射部及びカラーセンサ部は白杖の先端部に設けられ、色識別部及び変換部は白杖の杖本体又は把持部の少なくとも一方に設けられている、請求項1記載の誘導システム。
  3. 前記白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、前記石突き内に前記光照射部及びカラーセンサ部が設けられ、前記把持部内に前記色識別部及び変換部が設けられ、前記石突き及び把持部は前記杖本体に対して着脱可能に設けられている、請求項2記載の誘導システム。
  4. 前記白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、前記石突きの外周部分に前記光照射部が設けられ、前記石突きの外周部分又は石突き内の何れか一方に前記カラーセンサ部が設けられ、前記杖本体又は把持部の少なくとも一方の外周部分に前記色認識部及び変換部が設けられている、請求項2記載の誘導システム。
  5. 床面等の歩行可能な表面に帯状に色表示された誘導ラインに対して白色光を照射する光照射部と、
    誘導ラインから反射された光を受光するカラーセンサ部と、
    入射光のRGBからYxy変換する演算部と、
    演算部で得られたxy値に基づく色情報とあらかじめ測定しておいた誘導ラインのYxy値とを比較する色識別部と、
    識別された色認識に基づいて振動や音等の認識可能な誘導情報へと変換する変換部と、を備えた誘導システム。
  6. 前記光照射部及びカラーセンサ部は白杖の先端部に設けられ、前記演算部、色識別部及び変換部は白杖の杖本体又は把持部の少なくとも一方に設けられている、請求項5記載の誘導システム。
  7. 前記白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、前記石突き内に前記光照射部及びカラーセンサ部が設けられ、前記把持部内に前記演算部、色識別部及び変換部が設けられ、前記石突き及び把持部は前記杖本体に対して着脱可能に設けられている、請求項6記載の誘導システム。
  8. 前記白杖は、杖本体と、杖本体の先端に設けられた石突きと、杖本体の基端側に設けられた把持部とを有し、前記石突きの外周部分に前記光照射部が設けられ、前記石突きの外周部分又は石突き内の何れか一方に前記カラーセンサ部が設けられ、前記杖本体又は把持部の少なくとも一方の外周部分に前記演算部、色認識部及び変換部が設けられている、請求項6記載の誘導システム。
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