JP4751072B2 - 障害物位置検知システム - Google Patents

Description

本発明は、視覚障害者等が使用し、照射器と受光器から構成される距離測定装置及び指触検知部材により人間及び物体等の障害物までの距離を感知する距離感知装置からなる障害物検知システムに関する。

一般的な測距方法には、光学的な三角測量や超音波・レーザ光等の発信から反射波の受信までの所要時間から距離を算出方法などがある。また、カメラの自動焦点調節を行うシステムの中でも様々な測距方法が提案されている。（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。これに対して、視覚障害者が杖の届かない範囲の障害物を測距する方法としては、音波や赤外線発射による反射波の受信信号を感知装置の出力に変換する方法等が盲人誘導に関する公知文献において提案されている。
特開昭４８−３９２６号 特開昭４９−４９６２５号

しかしながら、視覚障害者等が自己の周辺に存在する障害物（人を含む）までの距離を簡易に測定するためには、上述の三角測量や超音波・レーザ等の反射波を利用する一般的な測距方法では、装置が大型であること、操作の手間が大きいことなどが問題となる。また、上述の視覚障害者の測距方法についても、操作の手間が大きいことや、消費電力が大きいことに加えて、反射光の受信処理にノイズ除去機能が欠落しているため、正確な測距が困難であるという問題がある。一方、カメラの自動焦点調節システムにおいては、小型・軽量化および操作の簡易化が図られているものの、物体までの距離を人間が感知することはできない。

そこで、本発明は、小さい消費電力で簡易かつ正確に物体までの距離を測定し、使用者が測定結果を指触で感知することにより、物体までの距離を測定（感知）する装置からなる障害物位置検知システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の距離測定装置では、まず、障害物（物体）に対して光源より光線を照射し、物体からの反射光を物体の距離に対応する複数領域に分割した受光器で受け、この受光器の出力に基づいて測距を行う。次に、測定結果を物体までの距離を感知できる距離感知装置の動作に対応させる。

使用者は、足元の確認を行う白い杖に相当する距離測定装置の光線を視界前方に向けて照射し、距離感知装置の検知部材を指で触れて検知部材の突出の長さと予め記憶した仮想位置とを照合することで物体までの距離を感知することが出来る。さらに距離測定装置の光線を周辺の物体に対して、連続して照射して測距を行うことにより、視界の概要を感知できる。これまで、視覚障害者は、白い杖の届かない距離にある物体の確認が不可能であったが、本発明により、視界前方（視点）の物体の確認が可能になる。

なお、本発明は、特開昭４９−４９６２５号における、測距装置と同様の機構をもつ測距装置の出力を、視覚障害者が物体までの距離を感知できる距離感知装置の動作に対応させたものである。この距離測定装置では、光源が点灯状態にある場合の受光器の出力と、消灯状態での受光器の出力の差信号を出力する差動回路の差動信号に基づき物体までの距離を測定する。この方法は、周囲光に起因するノイズ成分をキャンセルし正確な測距を可能にし、消費電力の節約も図られている。

視覚障害者が常用する白い杖では確認出来ない距離にある障害物の存在とそこまでの距離を使用者が手で握っている距離感知装置により、簡便に感知することが出来る。さらに、使用者の周辺の物体までの距離を連続して測定することにより、視界の概要を感知できる。

以下、本発明の実施の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１において、使用者は、距離測定装置１を額部に装着し、視界前方の物体までの距離を測定し、手で握っている距離感知装置２によって物体までの距離を感知する。これら距離測定装置１と距離感知装置２が障害物位置検知システムを構成する。なお、距離測定装置１を距離感知装置２に内蔵し一体化することも可能である。

図２において、距離測定装置１は、測距用光線の照射部Ｅと障害物たる物体８からの反射光を受ける受光部Ｒから構成され、その両端には、それを使用者の額部へ装着するためのバンド３が取り付けられている。照射部Ｅは、光源４及び光源４から発生する光を物体８に向けて照射する放物面反射鏡６から構成される。

前記受光部Ｒは、受光レンズ５及び光電受光器７から構成される。受光レンズ５は、照射部Ｅから物体８に照射された光線の反射光を受けるために、照射部Ｅに対し横方向に所定の間隔に配置される。また、光電受光器７は、受光レンズ５によって収斂される光線を受ける部分であり、物体８までの距離Ｌ_１、Ｌ_２・・・Ｌ_ｎに対応したｎ個の受光素子７_１、７_２・・・７_ｎの配列から成る。これら受光素子としては、フォトレジスタやフォトダイオード等の光電変換素子が使われる。

さらに、光電受光器７の前方に、かまぼこ状のレンズレットを有するレンチキュラープリズム（図示せず）を配置することにより、各受光素子７_１、７_２・・・７_ｎに物体までの距離Ｌ_１、Ｌ_２・・・Ｌ_ｎに対応した反射光線を独立的に受光させることが可能になり、測距精度を高めることができる。

図３において、距離感知装置２はコンピュータのマウス形のケーシングｍ、使用者の指が触れる検知部材の指触部９、図示しない電源をＯＮ、ＯＦＦする電源スイッチ１０及び距離感知装置２を使用者の手首に固定するバンド１１から構成されている。指触部９は、突出位置が変化する検知棒１３の頂面であり、前記指触部９の突出長が大きいほど手前に物体８が存在し、最も突出長が小さいときに、測距可能な範囲に物体８が存在しないことになる。

図４に、検知棒１３の突出量調整機構を示す。検知棒１３はその軸体９ｂの頂部に指触部９を持ち、バネ３１の作用で上下に移動する。以下、検知棒１３の最も引っ込んだ位置を無限遠仮想位置、最も突出した位置を最至近仮想位置とそれぞれ呼ぶことにする。検知棒１３の下方の延出部には、係合爪２８が設けられ、その中間部には上記光電受光器７における受光素子７_１〜７_ｎの数に応じたｎ個の係合爪２９が設けられている。前記係合爪２８に対向して第一係止レバー３０が設けられ、第一係止レバー３０は、検知棒１３の係合爪２８と係合することにより、検知棒１３を無限遠仮想位置に係止するものである。第一係止レバー３０は、ピン３２によって回動自在に設けられており、かつバネ３３によって時計回り（検知棒１３の係合爪２８と係合する方向）に回転力が付与されている。なお、ここでは図示を省略してあるが、係合爪２８が第一係止レバー３０の爪先ｈより上方位置にあるとき、すなわち検知棒１３が突出した位置にあるときに、そこから押し下げられると、係合爪２８が第一係止レバー３０の爪先ｈを乗り越える。このとき、第一係止レバー３０はバネ３３に抗して反時計回りに回動させられてその爪先ｈが係合爪２８に係合して無限遠仮想位置で停止し、その位置から検知棒１３が上方に突出したときには係合爪２８は第一係止レバー３０を反時計方向に回動させながらその爪先ｈと係合爪２８との係合が外れる。

第二係止レバー３４は、係合爪２９に対向して設けられ、電磁石３７の作用力により、検知棒１３の係合爪２９の一つと係合して検知棒１３を物体８までの距離に対応する位置で係止させるものである。第二係止レバー３４は、ピン３５により回動自在に設けられており、かつバネ３６により反時計回りに回転力が付与されている。前記検知棒１３の係合爪２９の反対側には、走査端子２１が設けられ、この走査端子２１の先端は検知棒１３の上下動に応じて出力端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎの１つに選択的に接触する。

図５に、距離感知装置２の検知部材の他の実施例を示す。ここでは、駆動用モータを利用して、検知部材３０の内筒１３の指触部３１を上下に移動させている。外筒１２は、モータの回転を伝える駆動ギア２３を持ち、外筒１２内に中間筒１４が係合し、この中間筒１４内に内筒１１３が係合し、内筒１１３は、その天部に指触部３１を、その下端部に突起１６を有し、この突起１６は、中間筒１４の切り溝１７内に位置して外筒１２の溝１５に係合している。外筒１２のモータによる回転に伴い、外筒１２の内面の溝１５に沿って、内筒１１３の突起１６が上下動するため、内筒１１３の天部にある指触部３１が突出したり引っ込んだりすることになる。

図８に、図５に示した検知部材の駆動機構の実施例を示す。図５の外筒１２の駆動ギア２３は、扇状のギア部２４を持ち、軸２６を中心に回転自在に固定されたセクタギア２５に噛合している。このセクタギア２５と、モータに結合されたセクタギア２７とが噛み合い、駆動用モータの回転がセクタギア２７、２５を通して駆動ギア２３に伝わることにより、外筒１２が回転する。前記セクタギア２５は走査端子２１を有し、この走査端子２１は出力端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎに選択的に接触する。

ここで、駆動用モータとしては、電磁式モータと超音波モータを利用することができる。特に、超音波モータは、大きさ、形状、コスト等の面で電磁式より優れることに加え、低速回転、高トルク出力が得られるため、超音波モータを利用することが好ましい。

図６に、検知部材の先端部の他の実施例を示す。検知部材４０は、内筒１１３の天部に設けられた指接触部３８を有し、中間筒１４の頂部は、傾斜して切断され、この傾斜切断により、指接触部３８の突出長さを感覚で捉え易くなるため、指接触部３８を指で触れ検知部材の突出長と予め記憶した仮想距離とを照合する際に有効である。

図７に、図１の距離測定装置１の電気的な構成を示す。距離測定装置１は、物体８からの反射光が入力した時に出力する差動回路１８、システム全体の電源となる電源回路１９、光源４の点灯制御回路２０、検知棒１３およびセクタギア２５に設けた走査端子２１、及び物体８の位置に応じて検知部材の突出位置を定める距離検出回路２２等から構成されている。差動回路１８は、光源４の点灯状態での光電受光器７における各受光素子７_１〜７_ｎの出力を記憶した後、当該記憶出力から光源４の消灯状態での各受光素子７_１〜７_ｎの出力を差し引いた差分信号を各受光素子７_１〜７_ｎに対応した出力端子Ｔ₁、Ｔ₂・・・Ｔ_nに出力する距離信号出力回路である。検知棒１３に設けられた走査端子２１（図４）は、検知棒１３の突出に際して当該検知棒１３の突出位置に応じて出力端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎを端子Ｔ_ｎからＴ_１端子に向かって順次走査する。距離検出回路２２は、走査端子２１を通じて付与される距離信号に基いて、物体８までの距離に対応する突出位置に検知棒１３を停止させるように電磁石３７を制御する回路である。

図９に、図７の差動回路１８及び距離検出回路２２を示す。まず、差動回路１８の構成を示す。Ｒ_1、Ｒ₂・・・Ｒ_nは光電受光器７の各受光素子７_１、７_２・・・７_ｎに対して接続された分圧用抵抗、Ｄ_１、Ｄ₂・・・Ｄ_nは各分圧点Ｂ₁、Ｂ₂・・・Ｂ_nに接続された逆流防止用ダイオード、Ｃ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_nは光源４の点灯状態での各分圧点Ｂ₁、Ｂ₂・・・Ｂ_ｎの電位を記憶するために逆流防止用ダイオードＤ´_１、Ｄ´_２・・・Ｄ´_ｎを介して各分圧点Ｂ₁、Ｂ₂・・・Ｂ_nに接続された記憶用コンデンサ、Ｓ₁、Ｓ₂・・・Ｓ_nは検出の都度各コンデンサＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_nの記憶値をリセットするべく各コンデンサＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_nに並列に設けられたリセット用常開型スイッチ、Ａ₁、Ａ₂・・・Ａ_nはその非反転入力に各コンデンサＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_nの記憶出力を、またその反転入力に各ダイオードＤ₁、Ｄ₂・・・Ｄ_nの出力を受けて両入力の差を各出力端子Ｔ₁、Ｔ₂・・・Ｔ_nを通じて出力するようになされた差動増幅器である。

次に、距離検出回路２２の構成を以下に示す。コンパレータＣＰは、走査端子２１を通じて得られる出力をその非反転入力に、また所定の参照電位をその反転入力に受けて、非反転入力のレベルが反転入力のレベルを上回った際にハイレベル信号を出力するようになされた距離検出用コンパレータ、ＳＴはコンパレータＣＰのハイレベル出力に基いて電磁石３７のオン、オフを制御するスイッチング回路である。Ｅは電源電池、ＳＷは検知棒の第一段の押下によって投入される常開型の電源スイッチで、これらは図７の電源回路１９に含まれる。

図４の検知棒１３を押すと以下の３つの動作が行なわれる。まず、最も深く検知棒１３を押し下げると、検知棒１３は、無限遠仮想位置に係止される。次に、この押し下げにより、図９の電源スイッチＳＷの投入及び図２の光源４の点灯が行われる。その後、検知棒１３は障害物が存在する位置迄上昇し、各作動機構を起動させて距離検知を行う。

図７の点灯制御回路２０は、検知棒１３の押し下げに応答して光源４を点灯させる。次に、検知棒１３の押し下げ後のバネ３１の作用による上昇によって、第一係止レバー３０による検知棒１３の係止が解除される際に、光源４を消灯させるように構成されている。なお、点灯制御回路２０は、タイマー回路等を内蔵しておくことにより、検知棒１３の押し下げに応答して光源４を所定時間点灯させ、所定時間経過後に光源４を消灯させるように構成することも可能である。

図９の差動回路１８において、リセット用スイッチＳ₁、Ｓ₂・・・Ｓ_n は、物体位置確認に際して、検知棒１３の第一段階の押し下げにより、一瞬投入されることで、コンデンサＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_n の記憶をリセットするように構成されている。

以下、上記構成の動作を説明する。

図４に示されるように、先ず、距離測定装置１を障害物に対して向けた後、検知棒１３が無限遠仮想位置まで押し下げられる。この際、第一係止レバー３０が、バネ３３の作用により係合爪２８に係合してそれらを係止することにより、走査端子２１は、出力端子Ｔｎに接触する。また、このとき、図９に示されるリセット用スイッチＳ₁〜Ｓ_nが一瞬投入されて、コンデンサＣ₁〜Ｃ_nの記憶がリセットされる。次いで、電源スイッチＳＷが投入されて点灯制御回路２０が作動する。これにより、光源４が点灯し物体８に向けて光線が照射される。

物体８からの反射光は、受光レンズ５（または、レンチキュラープリズム：図示せず）により、物体までの距離に応じて、光電受光器７を構成する受光素子７_１〜７_ｎのひとつに収斂される。例えば、図２に示すように、物体８が距離測定装置１から距離Ｌ_２の位置にある場合、物体８からの反射光は、Ｌ_２に対応した受光素子７_２上に収斂される。この際、差動回路１８では、各要素７_１、７_２・・・７_ｎの抵抗値変化に応じて、各分圧点Ｂ₁、Ｂ_２・・・Ｂ_nの電位が変化する。各分圧点における変化後の電位は、各分圧点に対応したコンデンサＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_nに各々記憶される。

次いで、点灯制御回路２０の作動により、光源４が消灯する。このとき、差動回路１８中の各差動増幅器Ａ₁、Ａ₂・・・Ａ_nは、光源４の点灯時の各受光素子の出力と、光源４の消灯時の各受光素子の出力との差分信号を、端子Ｔ₁、Ｔ₂・・・Ｔ_nに出力する。この差分処理により、周囲光に起因するノイズ成分をキャンセルして、光源４から物体８に照射した光線の反射光を正確に測定することができる。

また、検知棒１３は、バネ３１の作用により、上昇しはじめ第一係止レバー３０がバネ３３に抗して反時計方向回りに回動する。これにより、検知棒１３はその係止を解除され、無限遠仮想位置から至近仮想位置に向けて移動する。この際、検知棒１３に取り付けられている走査端子２１は、差動回路１８の出力端子Ｔ₁〜Ｔ_nを端子Ｔ_nからＴ₁に向かって順次走査して行くことになる。

この際、距離検出回路２２のコンパレータＣＰは、走査端子２１からの入力と所定の参照電圧とを比較する。そして、走査端子２１からの入力が参照電圧を上回ると、コンパレータＣＰの出力は、ロウからハイに転じる。これによりスイッチング回路ＳＴは、オフからオンに転じて電磁石３７が励磁されるようになる。例えば、物体８が距離Ｌ_２の位置に存在する場合、物体８からの反射光は、受光素子７_２に収斂するため、走査端子２１には、受光素子７_２に対応する出力端子Ｔ₂の出力が取り込まれる。これにより電磁石３７が励磁されると、第二係止レバー３４は、これに引き寄せられ時計方向に回動し、検知棒１３の係合爪２９のうち物体８までの距離に相当する一つの係合爪と係合する。これにより、検知棒１３は、物体までの距離に対応する仮想位置に係止される。このときの検知棒１３の突出位置を指で検知し、障害物の存在とその距離を検知する。

上記の構成において、図４の実施例では、バネの作用力を利用して検知棒１３を突出させているが、図５と図８に示される実施例のように、モータの駆動力を利用して検知部材３０を突出させることも可能である。この場合、図８の走査端子２１は、図４の実施例と同様に、検知部材３０の無限遠仮想位置から至近仮想位置への移動に伴い、差動回路１８の出力端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎを端子Ｔ_ｎからＴ_１に向かって順次走査するように、セクタギア２５の一部に取りつけられている。この場合のモータ制御回路は、検知部材３０の押し下げに対応してギア２７を矢示方向に回転させるようにモータを作動させ、図９のコンパレータＣＰのハイレベル出力に対応して当該モータを停止させるように構成される。

図５の実施例においては、光源４の点灯時間制御は、検知部材を押し下げた後、上昇し始めるまでの時間によって制御していたが、点灯制御回路２０中にタイマー回路等を内蔵させて、光源４の点灯時間を所定時間に調整することも可能である。

複数物体までの距離を測定する際には、使用者が、検知棒を押し下げたまま、距離測定装置１を他の物体に向けて移動することで、モータを停止することなく、コンパレータＣＰの出力に応じて使用者周辺に存在する複数物体までの距離測定が可能になる。この場合、距離検出回路２２は、コンパレータＣＰのみを備えていれば良い。

以上詳述したように、本発明で提案する能動型距離感知装置は、光源を常時点灯せずにある期間のみ点灯させて、光源が点灯状態に在る場合の光電受光器の出力と光源が消灯状態に在る場合の光電受光器の出力との差分信号に基づいて距離測定を行う。この装置では、周囲光に起因したノイズを有効にキャンセルして、正確な距離測定が可能になる。また、距離測定の際に、光源を常時点灯しないことで、当該光源の点灯時間が短縮されて消費電力の節約を図れる。さらに、手元の距離感知装置により、視野内の物体までの距離を簡易に感知することが可能である。

本発明の一実施例を示す距離測定装置と距離感知装置からなる障害物位置検知システムの装着図である。 距離測定装置における照射器と受光器の配置を示す断面図である。 距離感知装置の斜面図である。 距離感知装置の機構を示す断面図である。 距離感知装置の感知ボタンの模式図である。 距離感知装置の感知ボタンの先端部分の拡大模式図である。 距離計測装置の電気的ブロック図である。 図５に示す伸縮ボタンの駆動機構の実施例を示す平面図である。 図７に示す距離測定装置の構成の実施例を示す電気回路図である

符号の説明

１ 距離測定装置
２ 距離感知装置
３ 額部取り付けバンド
４ 光源
５ 受光レンズ
６ 放物面反射鏡
７ 光電受光器
８ 物体
９ ボタン
１２ 外筒
１３ 検知棒
１４ 中間筒
１５ 溝
１８ 差動回路
１９ 電源回路
２０ 点灯制御回路
２１ 走査端子
２２ 距離検出回路
２３ 駆動ギア
２７ セクタギア

Claims (4)

1. 視界内の障害物に対して光線を照射する照射部と、該障害物からの反射光を受ける受光部とを備えた距離測定装置と、
   測定した距離を突出量が変化する検知部材により感知できる距離感知装置と、
   からなる障害物位置検知システムにおいて、
   該照射部は光源を備え、該光源は該検知部材の押し下げに応答して点灯し、該検知部材の上昇により消灯するように構成され、
   前記距離測定装置は、該照射部が点灯状態にある場合の該受光部の応答出力から、該照射部が消灯状態にある場合の該受光器の出力を差し引いた差分信号を記憶する記憶装置を更に有し、
   記憶された該差分信号によって、該検知部材の上昇を制御することにより該障害物の存在と距離を検知可能に構成された障害物位置検知システム。
2. 前記差分信号が記憶装置に記憶された後に前記光源が消灯する請求項１記載の障害物位置検知システム。
3. 前記距離測定装置は使用者の額に装着するようになっている請求項１記載の障害物位置検知システム。
4. 前記距離感知装置に距離測定装置を内蔵して、一体化した請求項１記載の障害物位置検知システム。

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