JPH1147196A - 電動車椅子の走行制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 手の不自由な利用者にも負担をかけることな
く容易に操作することができる電動車椅子の走行制御装
置を提供する。 【解決手段】 一対のＣＣＤカメラ４Ｌ，４Ｒで利用者
の顔をステレオ撮像し、距離データ生成部１２でステレ
オ画像を基に利用者の顔の三次元距離画像データを生成
する。画像認識処理部１３において、三次元距離画像デ
ータとテンプレート記憶部１４に記憶された三次元距離
テンプレートとを比較するとともに、元画像から利用者
の顔の輪郭形状を抽出し、この輪郭形状データとテンプ
レート記憶部１４に記憶された輪郭画像テンプレートと
を比較して利用者の顔の向きを認識し、さらに、利用者
の顔の動きを認識する。この認識した利用者の顔の動き
を基に走行制御部１５で車椅子１の走行制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、利用者に負担をかける
ことなく容易に操作することのできる操作手段を備えた
電動車椅子の走行制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、身体障害者や手足の不自由な高齢
者の自立を促す手段として、車椅子の必要性は益々高ま
っている。中でも電動式の駆動装置を持った電動車椅子
は移動に伴う労力負担軽減の手段として普及が高まりつ
つある。

【０００３】ところで、上記電動車椅子を運転する際
は、その操作手段として、一般に、レバー方式のジョイ
スティックを採用している。このレバー方式のジョイス
ティックは、電動車椅子の前後動，左右回転，速度調節
等の全ての操作を一本のレバーで行うことができ、人間
の移動感覚を手の操作に置き換えるものとして極めて有
用な操作手段である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このレバー方
式のジョイスティックによる運転は、手の不自由な利用
者にとっては困難なものとなり、むしろ負担となる。こ
の場合、例えば、利用者は顎や舌等を使って不自然な姿
勢を保ちながら操作に専念することになる。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、手の不自由な利用者にも負担をかけることなく容
易に操作することができる電動車椅子の走行制御装置を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による電動車椅子の走行制御装置は、電動車
椅子に搭載され、利用者の顔を異なる視点からステレオ
撮像するステレオ撮像系と、上記ステレオ撮像系で撮像
したステレオ画像対を処理して利用者の顔の三次元距離
画像を生成する距離データ生成手段と、予め設定した三
次元距離画像テンプレートと輪郭形状テンプレートとを
記憶するテンプレート記憶手段と、上記生成された三次
元距離画像と上記三次元距離画像テンプレートとを比較
して利用者の顔の向きを検出するとともに上記ステレオ
撮像系で撮像した画像のうちの元画像を入力してこの元
画像を基に利用者の顔の輪郭形状を抽出しこの輪郭形状
と上記輪郭形状テンプレートとを比較して利用者の顔の
向きを検出しこれらの検出結果から利用者の顔の動きを
認識する画像処理認識手段と、上記画像認識処理手段で
認識した利用者の顔の向きに基づいて車椅子の走行制御
を行う走行制御手段とを備えたことを特徴とし、また、
上記画像認識処理手段は上記三次元距離画像から検出し
た利用者の顔の向きと上記輪郭形状から検出した利用者
の顔の向きとを比較しこれらの向きが一致したときの利
用者の顔の向きを認識しこの認識した顔の向きを基に利
用者の顔の動きを認識することを特徴とする。

【０００７】すなわち、本発明によれば、ステレオ撮像
系によってステレオ画像対を撮像し、距離データ生成手
段で上記撮像されたステレオ画像対から三次元距離画像
を生成する。そして、画像認識処理手段で、上記三次元
距離画像と三次元距離テンプレートとを比較して利用者
の顔の向きを検出するとともに、元画像から利用者の顔
の輪郭形状を抽出しこの輪郭形状と輪郭形状テンプレー
トとを比較して利用者の顔の向きを検出し、これらの検
出結果から利用者の顔の動きを認識する。そして、走行
制御手段において上記認識した利用者の顔の動きを基に
車椅子の走行制御を行う。

【０００８】この場合、上記画像認識処理手段による利
用者の顔の動きの認識は、上記三次元距離画像から検出
した利用者の顔の向きと上記輪郭形状から検出した利用
者の顔の向きとを比較し、これらの向きが一致したとき
の利用者の顔の向きを認識し、この認識した顔の向きを
基に行う。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。図面は本発明の一実施の形態に係
わり、図１は、電動車椅子の走行制御装置の機能ブロッ
ク図、図２は、電動車椅子の走行制御装置の概略構成
図、図３は、利用者が車椅子を操作する際の基本動作を
示す説明図、図４は、輪郭画像の例を示す説明図、図５
は、距離分布データの例を示す説明図、図６は、主制御
ルーチンのフローチャート、図７は、テンプレート作成
処理ルーチンのフローチャート、図８は、車椅子走行制
御ルーチンのフローチャートである。

【００１０】図１，２において、符号１は左右後輪が走
行用モータ６Ｌ，６Ｒによって駆動される電動式の車椅
子であり、この車椅子１には、利用者の顔の動きを検出
し、この検出結果を基に上記車椅子１の走行制御を行う
機能を一つの機能として備えた走行制御装置２が搭載さ
れている。

【００１１】上記走行制御装置２は、マイクロコンピュ
ータとその周辺機器で形成された画像処理部３と走行制
御部１５を有し、上記画像処理部３に、上記利用者の顔
をステレオ撮像するステレオ光学系４と、利用者の顔の
向きを検出する際の基準画像データを作成するための画
像取り込み操作用スイッチ５とが接続されて主要部が構
成されている。

【００１２】上記ステレオ光学系４は、例えば電荷結合
素子（ＣＣＤ）等の固体撮像素子を用いた１組の（左右
の）ＣＣＤカメラ４Ｌ，４Ｒを有している。これら左右
のＣＣＤカメラ４Ｌ，４Ｒは、例えば上記車椅子１の肘
掛けから延出されたステー４ａによって、利用者の顔を
異なる視点から撮像可能な場所に支持されている。

【００１３】また、上記画像取り込み操作用スイッチ５
は、例えば上記車椅子１の肘掛けに設置されている。

【００１４】上記画像処理部３は、図１に示すように、
画像入力部１０Ｌ，１０Ｒ、画像記憶部１１、距離デー
タ生成部１２、画像認識処理部１３、テンプレート記憶
部１４で主に構成されている。

【００１５】上記画像入力部１０Ｌ，１０Ｒは、上記Ｃ
ＣＤカメラ４Ｌ，４Ｒにそれぞれ対応し、図示しないＡ
／Ｄコンバータ，ルックアップテーブル（ＬＵＴ）等を
備えた画像入力手段として構成されている。そして、上
記ＣＣＤカメラ４Ｌ，４Ｒから入力された映像信号は、
Ａ／Ｄ変換、低輝度部分に対するコントラスト補正、Ｃ
ＣＤアンプの固有ゲインの補正等が行われた後、上記画
像記憶部１１に出力される。

【００１６】また、上記左右の画像入力部１０Ｌ，１０
Ｒは、タイミング線を介して上記距離データ生成部１２
と接続されている。

【００１７】上記画像記憶部１１は、上記画像入力部１
０Ｌ，１０Ｒから入力された画像データを一時的に記憶
する画像記憶手段として形成されている。この画像記憶
部１１は、データアドレスバスを介して上記距離データ
生成部１２及び上記画像認識処理部１３に接続されてお
り、上記距離データ生成部１３にステレオ画像データが
出力されるとともに、上記画像認識処理部１３に上記ス
テレオ画像データの内の元画像データが出力される。な
お、本実施の形態では、上記ＣＣＤカメラ４Ｌから入力
される画像データを元画像データとし、上記ＣＣＤカメ
ラ４Ｒから入力される画像データを比較画像データとす
る。

【００１８】上記距離データ生成部１２は、入力された
左右２枚のステレオ画像に対し、対応する位置のずれ量
から三角測量の原理によって距離データを求め、三次元
距離画像を生成する距離データ生成手段として形成され
ており、この距離データ生成部１２で生成された三次元
距離画像データは、データ・アドレスバスを介して上記
画像認識処理部１３に出力される。

【００１９】上記テンプレート記憶部１４は、上記画像
認識処理部１３で利用者の顔の向きを判定する際の基準
画像データを記憶するテンプレート記憶手段として形成
されている。

【００２０】このテンプレート記憶部１４には、利用者
の顔が基準位置（例えば利用者が真正面を向いた状態）
にあるときの輪郭形状テンプレートと三次元距離画像テ
ンプレートとが記憶されており、これらのデータは、デ
ータ・アドレスバスを介して上記画像認識処理部１３に
読み込まれるようになっている。

【００２１】ここで、上記テンプレート記憶部１４に記
憶される上記三次元距離画像テンプレート及び上記輪郭
形状テンプレートは、上記画像認識処理部１３から入力
されるものであり、上記画像認識処理部１３に接続され
た上記画像取り込み用スイッチ５がオンされると、この
とき上記ステレオ光学系４で撮像された画像に対応する
輪郭形状データ（後述する）及び三次元距離画像データ
がテンプレートデータとして上記テンプレート記憶部１
４に記憶される。勿論、上記輪郭形状データと上記三次
元距離画像データは、同一の元画像データ（及び比較画
像データ）を基に作成されたものである。

【００２２】上記画像認識処理部１３は、上記画像記憶
部１１から入力される元画像データを基に利用者の顔の
輪郭形状データを抽出するとともに、上記距離データ生
成部１２から三次元距離画像データを入力し、これらの
データから利用者の顔の動きを認識する画像認識処理手
段として形成されている。

【００２３】詳しくは、上記画像認識処理部１３では、
先ず、上記画像記憶部１１から入力される元画像データ
から画像の明るさの変化点（エッジ）を検出して対象物
の輪郭線を求めることによって上記輪郭形状データ抽出
するとともに、上記三次元距離画像データを上記距離デ
ータ生成部１２から入力する。

【００２４】そして、上記テンプレート記憶部１４から
輪郭形状テンプレート及び三次元距離画像テンプレート
を読み込み、これらのテンプレートと今回形成された輪
郭形状データ及び今回入力された三次元距離画像データ
とをそれぞれ比較し、各データ中の特徴部分（利用者の
髪，鼻，眉等）のずれから利用者の顔の向きを検出す
る。

【００２５】さらに、上記画像認識処理部１３では、上
記輪郭形状データから検出した利用者の顔の向きと上記
三次元距離データから検出した利用者の顔の向きとが一
致しているか否かを調べ、これらが一致したときの顔の
向きを今回検出した利用者の顔の向きとして認識する。

【００２６】さらに、上記画像認識処理部１３には、予
め設定された複数回分の利用者の顔の向きを示すデータ
が記憶されるようになっており、これら複数の利用者の
顔の向きを示すデータから利用者の顔の動き（利用者の
動作パターン：利用者の首の振りの速度，首振り角度
等）を認識する。

【００２７】ここで、上記画像認識処理部１３では、利
用者が例えば正面を向いた状態（図３（Ｆ）参照）を基
準として、利用者が上下左右方向（図３（Ｕ），
（Ｄ），（Ｌ），（Ｒ）参照）のどの方向にどれだけ顔
を向けたかを検出するようになっている。また、上記画
像認識処理部１３で、利用者の顔の向きが上記図３
（Ｆ），（Ｌ），（Ｒ）に示す状態の元画像から利用者
の顔の輪郭形状を抽出すると図４（Ｆ），（Ｌ），
（Ｒ）に示すようになり、また、上記図３（Ｆ），
（Ｌ），（Ｒ）に示す状態の距離データを処理した利用
者の顔の三次元距離画像は図５（Ｆ），（Ｌ），（Ｒ）
に示すようにる。

【００２８】上記走行制御部１５は、上記画認識処理部
１３で認識した利用者の顔の動きを基に上記車椅子１の
動作を決定して、この決定した動作に応じた走行信号
（駆動電力）を走行用モータ６Ｌ，６Ｒにそれぞれ出力
する走行制御手段として形成されている。

【００２９】詳しくは、上記走行制御部１５には、利用
者の顔の動きに応じた走行制御コマンドが、予め設定さ
れ格納されており、この走行制御コマンドに上記画像認
識処理部１３で認識した利用者の顔の動きを対応させて
上記車椅子１の動作を決定し、この決定された車椅子１
の動作に応じた制御信号を上記走行用モータ６Ｌ，６Ｒ
の駆動回路に出力する。

【００３０】ここで、上記走行制御部１５に格納される
車椅子１の走行制御コマンドの一例を下記の表１に示
す。

【表１】 上記表１に示すように、本実施の形態では、利用者の顔
の上下左右方向への動きを組み合わせることにより、上
記車椅子１の様々な動作を実現することができる。

【００３１】次に、上記走行制御装置２における上記車
椅子１を走行制御するための処理を、主として距離デー
タ生成部１２，画像認識処理部１３及び走行制御部１５
による図６、図７及び図８のプログラムで説明する。図
６は、走行制御装置２における主制御ルーチンを示し、
図示しないメインスイッチがオンされ、上記走行制御装
置２に電源が投入されると、ステップS101で、前回の走
行制御でテンプレート記憶部１４に記憶された、輪郭形
状テンプレートデータ及び三次元距離画像テンプレート
データを消去しステップS102に進む。

【００３２】上記ステップS102では、画像取り込み用ス
イッチ５がオンされたか否かを確認し、上記画像取り込
み用スイッチがオンされると、ステップS103に進みテン
プレート作成ルーチンを実行する。

【００３３】次に、ステップS104に進み、車椅子制御処
理ルーチンを繰り返し実行する。

【００３４】図７のテンプレート作成ルーチンでは、ま
ずステップS110で、画像記憶部１１から画像認識処理部
１３に元画像データを入力し、ステップS111で、上記元
画像データを基に利用者の顔の輪郭形状を抽出した後、
ステップS112に進み、上記抽出された輪郭形状データを
輪郭形状テンプレートとしてテンプレート記憶部１４に
記憶する。

【００３５】次いで、ステップS113で、上記画像記憶部
１１から距離データ生成部１２にステレオ画像を入力
し、ステップS114で、上記ステレオ画像を基に利用者の
顔の三次元距離画像を算出した後、ステップS115に進
み、上記算出された三次元距離画像データを三次元距離
画像テンプレートとして上記テンプレート記憶部１４に
記憶し、ルーチンを抜ける。ここで、利用者は、図３
（Ｆ）に示す状態で上記画像取り込み用スイッチ５をオ
ンすることで、図４（Ｆ），５（Ｆ）に示す輪郭形状テ
ンプレート及び距離画像テンプレートを得ることができ
る。

【００３６】図８の車椅子制御処理ルーチンでは、ま
ず、ステップS120で、画像記憶部１１から元画像データ
を入力し、ステップS121で、この元画像データを基に利
用者の顔の輪郭形状を抽出した後、ステップS122に進
む。

【００３７】上記ステップS122では、上記テンプレート
作成ルーチンで作成されテンプレート記憶部１４に記憶
された輪郭形状テンプレートを読み込み、この輪郭形状
テンプレートと今回抽出した輪郭形状とを比較し、輪郭
線のずれから利用者の顔の向きを判断する（この処理結
果を判断結果Ａとする）。

【００３８】次に、ステップS123に進み、上記画像記憶
部１１から距離データ生成部１２にステレオ画像を入力
し、ステップS124で利用者の顔の三次元距離画像を算出
した後、ステップS125に進む。

【００３９】上記ステップS125では、上記テンプレート
ルーチンで作成され上記テンプレート記憶部１４に記憶
されている三次元距離画像テンプレートを読み込み、こ
の三次元距離画像テンプレートと今回算出した三次元距
離画像データとを比較し、両画像の特徴部分のずれから
利用者の顔の向きを判断する（この処理結果を判断結果
Ｂとする）。

【００４０】次に、ステップS126に進み、上記判断結果
Ａと上記判断結果Ｂとが一致しているか否かを調べる。
すなわち、このステップS126では、輪郭形状を基に判断
した利用者の顔の向きと三次元距離画像を基に判断した
利用者の顔の向きとを比較する。そして、これらが一致
しない場合は上記ステップS120に戻る。

【００４１】一方、上記輪郭形状を基に判断した顔の向
きと上記三次元距離画像を基に判断した顔の向きとが一
致した場合はステップS127に進み、この一致した顔の向
きを今回認識した利用者の顔の向きとして上記画像認識
処理部１３に記憶し、ステップS128に進む。

【００４２】上記ステップS128では、上記ステップS127
で認識され記憶された複数の利用者の顔の向きを示すデ
ータから利用者の顔の動きを（動作パターン）認識しス
テップS129に進む。

【００４３】上記ステップS129では、表１に示す走行制
御コマンドに上記ステップS128で認識した利用者の顔の
動きを対応させて車椅子１の動作を決定し、この決定し
た動作に応じた走行用モータ６Ｌ，６Ｒの制御量を算出
し、この制御量に応じた制御信号を上記走行用モータ６
Ｌ，６Ｒに出力してルーチンを抜ける。

【００４４】このようにして上記車椅子１は、上記走行
制御装置２によって、利用者の顔の動きに応じた走行制
御が行われる。

【００４５】このように、本発明によれば、利用者の顔
の動きを認識し、この認識した顔の動きによって車椅子
１を走行制御するので、手の不自由な重度の身体障害者
や高齢者でも容易に運転することのできる電動式の車椅
子を提供することができる。

【００４６】また、上記走行制御装置２による車椅子１
の走行制御（運転）は、ジョイスティック等を用いるこ
となく非接触で行うことができるので、特に手の不自由
な利用者が顎や舌などを操作機器に触れることを防止で
き衛生的である。

【００４７】さらに、上記走行制御装置２による利用者
の顔の動きの認識は、利用者の顔の輪郭形状と三次元距
離データとの２通りの検出方法によって行うので利用者
の意に則した確実な走行制御を行うことができる。

【００４８】なお、本実施の形態では、上述のように、
輪郭形状と三次元距離画像とによる２通りの検出方法に
よって利用者の顔の向きを検出して車椅子１の走行制御
を行ったが、例えば、三次元距離画像のみを用いて利用
者の顔の向きを検出して走行制御を行ってもよい。この
場合、上記走行制御装置２の構成を簡素化できるととも
に、利用者の顔の動きの認識処理の高速化を図ることが
できる。

【００４９】

【発明の効果】以上、説明したように本発明による走行
制御装置は、利用者の顔の動きを基に車椅子の走行制御
を行うことができる機能を有するので、手の不自由な利
用者にも負担をかけることなく容易に操作することがで
きる電動車椅子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電動車椅子の走行制御装置の全体構成図

【図２】電動車椅子の走行制御装置の概略構成図

【図３】利用者が車椅子を操作する際の基本動作を示す
説明図

【図４】輪郭画像の例を示す説明図

【図５】距離分布データの例を示す説明図

【図６】主制御ルーチンのフローチャート

【図７】テンプレート作成処理ルーチンのフローチャー
ト

【図８】車椅子走行制御ルーチンのフローチャート

【符号の説明】

１ 車椅子 ２ 走行制御装置 ４ ステレオ光学系 ４Ｌ，Ｒ ＣＣＤカメラ １０Ｌ，Ｒ 画像入力部 １１ 画像記憶部 １２ 距離データ生成部 １３ 画像認識処理部 １４ テンプレート記憶部 １５ 走行制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電動車椅子に搭載され、利用者の顔を異
   なる視点からステレオ撮像するステレオ撮像系と、 上記ステレオ撮像系で撮像したステレオ画像対を処理し
   て利用者の顔の三次元距離画像を生成する距離データ生
   成手段と、 予め設定した三次元距離画像テンプレートと輪郭形状テ
   ンプレートとを記憶するテンプレート記憶手段と、 上記生成された三次元距離画像と上記三次元距離画像テ
   ンプレートとを比較して利用者の顔の向きを検出すると
   ともに、上記ステレオ撮像系で撮像した画像のうちの元
   画像を入力して、この元画像を基に利用者の顔の輪郭形
   状を抽出し、この輪郭形状と上記輪郭形状テンプレート
   とを比較して利用者の顔の向きを検出し、これらの検出
   結果から利用者の顔の動きを認識する画像処理認識手段
   と、 上記画像認識処理手段で認識した利用者の顔の向きに基
   づいて車椅子の走行制御を行う走行制御手段とを備えた
   ことを特徴とする電動車椅子の走行制御装置。
2. 【請求項２】 上記画像認識処理手段は、上記三次元距
   離画像から検出した利用者の顔の向きと上記輪郭形状か
   ら検出した利用者の顔の向きとを比較し、これらの向き
   が一致したときの利用者の顔の向きを認識し、この認識
   した顔の向きを基に利用者の顔の動きを認識することを
   特徴とする請求項１に記載の電動車椅子の走行制御装
   置。