JPWO2005046542A1

JPWO2005046542A1 - Ultrasound visual aid

Info

Publication number: JPWO2005046542A1
Application number: JP2005510579A
Authority: JP
Inventors: 兼古　悟; 悟兼古
Original assignee: 兼古　悟; 悟兼古
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2007-09-06
Also published as: AU2003280835A1; AU2003280835A8; WO2005046542A1

Abstract

視覚障害者に対し、超音波センサーにより距離を測定し、距離に対応する複数の神経刺激素子と警告用の神経刺激素子によりセンサー前方の情報を伝達する装置。反射波の振幅に対応して刺激周波数を変化させることで物体の性質を伝達することが可能。神経刺激素子は皮膚表面を擦過する形態とする。刺激素子はこれまで装着に不適とされた部位にも装着可能。角度センサーを併用することにより、床面に凹部があることを検出し警告用の刺激素子を駆動する。A device that measures the distance with an ultrasonic sensor and transmits information in front of the sensor to a visually impaired person using a plurality of nerve stimulation elements corresponding to the distance and a nerve stimulation element for warning. It is possible to convey the nature of an object by changing the stimulation frequency according to the amplitude of the reflected wave. The nerve stimulation element is configured to scrape the skin surface. Stimulation elements can be mounted on previously unsuitable parts. By using the angle sensor together, it is detected that there is a recess on the floor surface, and the warning stimulating element is driven.

Description

本発明は、周囲の状況を、距離に対応する複数の神経刺激素子と警告用の神経刺激素子とによって、視神経以外の神経への刺激として使用者に伝達する常時装着型の超音波センサーである。 The present invention is an always-mounted ultrasonic sensor that transmits a surrounding situation to a user as a stimulus to a nerve other than the optic nerve by a plurality of nerve stimulation elements corresponding to a distance and a nerve stimulation element for warning. .

視覚障害者は、杖によって前方の状況を確認しているが、その範囲は杖の届く１．５ｍ程度に限られ、それより遠方の情報を得ることは不可能である。彼らにとって、前方状況に関する情報は、眼前１．５ｍに突如出現する突発的な情報である。この状態は、正常視覚者が、暗闇で足元のみに懐中電灯を向けながら歩くことを想像すれば、その不自由さが容易に理解出来る。さらに、杖によって得られる情報が常に１次元的であるため、ある瞬間に障害物がないと判断されても、それは、その瞬間に杖の向いている方向に障害物が無いことしか意味していない。このため、前方に進みながら杖による走査を行うと、杖の走査からはずれた障害物に激突する危険性が発生する。実際、視覚障害者が電柱のような細い障害物に激突したり、立ち止まっている人に後ろから衝突して自らが怪我をしたり、相手に怪我をさせたりする事故は頻発している。また、杖による走査が床面を対象にしているため、トラックの荷台や看板など突き出た物体を検出する事が出来ず、激突して怪我をする事故も多発している。
この様な事故を防止する目的で、超音波や電波、それにカメラの自動焦点機能を使用した前方センサーが提案されており、超音波センサーについてはすでに市販されている。しかし、これらのセンサーは、前方の障害物情報を使用者に伝達する手段として、音、もしくは単純な振動あるいは皮膚圧迫素子を利用しており、障害物までの距離は、警告音、振動の周波数や振幅を変化させることで表現している。このため、これらの機器を使用しても、障害物までの距離を実用的なレベルで把握できるようなるまでには、特殊な訓練が必要である。さらに、必要とされる特殊な訓練をしたとしても、皮膚感覚では振動周波数や振幅の微妙な変化を感知することは不可能なため、センサーから得られる情報はかなり曖昧となり、使用者には、訓練の苦労に値しないと感じさせてしまう。また、音の変化により障害物までの距離を伝達する機器は、微妙な変化を感知可能であるが、視覚障害者にとって重要な外界情報である周囲音の取得を阻害してしまうため、まったく実用的でない。これとは別に、より高解像度の情報を伝達する目的で多数の皮膚刺激素子を配列させた機器も提案されているが、皮膚の弁別解像度が低いため、多数の素子を使用した効果をまったく発揮出来ないでいる。
以上の様に、これまで提案、市販されてきた機器は、使用者への情報伝達部分に問題があり、広く使われるに至っていない。また、これらの前方センサーの中で、カメラの自動焦点機能を利用したセンサー以外では、下り階段や、駅プラットホームにおける線路部分のような床面に存在する凹面の検出が出来ないことも難点の一つである。
視覚障害者と同様、建物内部に煙が充満した火災現場で、救助・消火のために突入することを要求される消防士は、まさに手探りで周囲の状況を把握している。危険な現場であるため、煙で視界を奪われた中での歩行の困難さは視覚障害者以上である。消防活動は一刻を争い、消防活動の最中に建物の内部構造が判明していることはまずあり得ない。このため、視界が完全に遮られた状態では建物の奥深く進入すること自体が困難で、仮に進入しても建物内で迷う危険がある。消防では、活動の制限とならないよう小型の酸素ボンベを使用しており、このボンベは最長２５分の容量しか無い。そのため、煙の充満した現場で建物の奥深くまで踏み込み、万一迷った場合には死に直結する。この様に、煙の充満した火災現場では、活動が著しく制限される結果、本来救助可能な人命を死に至らしめ、自らの命に危険が及ぶこともあるのが現状である。現在のところ、火災現場で要求されるレベルを満たす前方センサーは提案されていない。The visually handicapped person confirms the front situation with the cane, but the range is limited to about 1.5 m which can reach the cane, and it is impossible to obtain information farther than that. For them, the information on the forward situation is abrupt information that suddenly appears 1.5m in front of the eyes. This situation can be easily understood if the normal viewer imagines walking in the dark with the flashlight pointing only at his feet. Furthermore, since the information obtained by the cane is always one-dimensional, even if it is determined that there is no obstacle at a certain moment, it means that there is no obstacle in the direction that the cane is facing at that moment. Absent. For this reason, if scanning with a cane is performed while proceeding forward, there is a risk of crashing into an obstacle that deviates from the scanning of the cane. In fact, accidents in which visually impaired people collide with thin obstacles such as telephone poles, collide with people who are stopped from behind, and injure themselves or injure the other party. In addition, since scanning with a cane targets the floor surface, it is impossible to detect protruding objects such as a truck bed or a signboard, and there are many accidents that result in crashes and injuries.
In order to prevent such an accident, a front sensor using ultrasonic waves, radio waves, and an autofocus function of a camera has been proposed, and the ultrasonic sensor is already on the market. However, these sensors use sound or simple vibration or skin compression elements as a means of transmitting obstacle information ahead to the user, and the distance to the obstacle is the frequency of the warning sound or vibration. It is expressed by changing the amplitude. For this reason, even if these devices are used, special training is required until the distance to the obstacle can be grasped at a practical level. Furthermore, even if special training is required, it is impossible to sense subtle changes in vibration frequency and amplitude with the skin sensation, so the information obtained from the sensor becomes quite ambiguous. It makes me feel that it is not worth the training. In addition, devices that transmit the distance to obstacles through sound changes can detect subtle changes, but they impede the acquisition of ambient sounds, which are important external information for visually impaired people, so they are completely practical. Not right. Apart from this, devices with a large number of skin stimulation elements arranged for the purpose of transmitting higher resolution information have also been proposed, but because the skin discrimination resolution is low, the effect of using a large number of elements is fully demonstrated. I can't.
As described above, the devices that have been proposed and marketed so far have a problem in information transmission to users and have not been widely used. In addition, among these front sensors, sensors other than those that use the camera's auto-focus function cannot detect down stairs or concave surfaces that exist on the floor surface such as railway tracks on station platforms. One.
Firefighters who are required to rush to rescue and extinguish a fire in a building full of smoke, like the visually impaired, know the surroundings by groping. Because it is a dangerous scene, it is more difficult for people to walk while they are deprived of their visibility with smoke. Fire fighting activities compete for a moment, and it is unlikely that the internal structure of the building is known during the fire fighting activities. For this reason, when the field of view is completely obstructed, it is difficult to enter deeply into the building, and there is a risk of getting lost in the building even if it enters. Firefighting uses a small oxygen cylinder so as not to limit activities, and this cylinder has a capacity of up to 25 minutes. Therefore, if you step deep into the building at a site full of smoke and get lost, you will be directly linked to death. In this way, in a fire site full of smoke, the current situation is that the activities are remarkably restricted, resulting in the death of life that can be rescued and the danger to their own lives. At present, no forward sensor has been proposed that meets the level required in a fire scene.

前方センサーによって得られた電気信号の情報を使用者に正確に伝達する方法が確立されておらず、使用者に過大な訓練を必要する。また、その訓練の結果得られる情報が、訓練の苦労に値しないと感じさせる程曖昧である。
皮膚感覚を利用した伝達装置が、皮膚の生理的機能を無視しているため、感度・弁別能の低い方法となっており、装着部位や、情報伝達量に制限が生じ、結果として日常生活での機器使用が困難であったり、曖昧な情報しか伝達できない。
超音波センサーでは床面凹部の存在を検知出来ず、また、逆に凹部を検知出来るカメラの自動焦点機能を利用した方法では、煙が充満した場所では使用不可能である。
煙が充満した火災現場で使用出来る前方センサーが無いため、消火・救助活動に制限を受ける。この結果、本来救助可能な人命を死に至らしめ、自らの命に危険が及ぶこともある。A method for accurately transmitting information on the electrical signal obtained by the front sensor to the user has not been established, and the user needs excessive training. Also, the information obtained as a result of the training is so vague that it makes me feel that it is not worth the training.
Since the transmission device using the skin sensation ignores the physiological function of the skin, it has become a method with low sensitivity and discrimination ability, resulting in restrictions on the wearing site and the amount of information transmission, resulting in daily life. The device is difficult to use or can transmit only vague information.
The ultrasonic sensor cannot detect the presence of a floor recess, and conversely, the method using the camera's autofocus function that can detect the recess cannot be used in a place full of smoke.
Because there is no front sensor that can be used in a fire site full of smoke, fire and rescue activities are limited. As a result, human lives that can be rescued can be killed, and their lives can be at risk.

複数の神経刺激素子を用意し、それぞれに、担当する距離の区間を割り当てる。超音波センサーにより、前方の物体までの距離を計測し、その距離に割り当てられている刺激素子のみを駆動させた。この方法により、どの素子が駆動しているかを認識するだけで、簡単に物体までの距離を認知することが出来る様になった。
皮膚への振動や圧迫刺激は、指先や口唇部にのみ分布するマイスナー小体以外では精度の高い認知が不可能であるため、体表に広く存在する高精度認知が可能な皮膚の自由神経終末と毛終末器官を刺激するよう、皮膚擦過による刺激素子を、刺激素子の一形態として開発した。
超音波センサーと角度センサーの利用により、予想される床面からの反射波が認められない場合には、凹部があると判断させ、煙などの存在の有無にかかわらず、床面凹部の存在を検出可能となった。また、反射波の振幅により、刺激周波数を変化させ、超音波を反射した物体の性状に関する情報を得られるようにした。このことにより、今まで以上に高品質の情報を得ることが可能となった。A plurality of nerve stimulation elements are prepared, and a section of a distance to be assigned is assigned to each. The distance to the object ahead was measured with an ultrasonic sensor, and only the stimulating element assigned to that distance was driven. This method makes it possible to easily recognize the distance to an object simply by recognizing which element is driving.
Skin vibration and pressure stimulation cannot be recognized with high accuracy except by the Meissner body that is distributed only on the fingertips and lips. In order to stimulate the hair end organs, a stimulating element by rubbing the skin was developed as a form of stimulating element.
By using an ultrasonic sensor and an angle sensor, if the expected reflected wave from the floor surface is not recognized, it is judged that there is a concave portion, and the presence of the concave portion on the floor is determined regardless of the presence or absence of smoke. It became detectable. In addition, by changing the stimulation frequency according to the amplitude of the reflected wave, information on the properties of the object that reflected the ultrasonic wave can be obtained. This makes it possible to obtain higher quality information than ever before.

距離と刺激素子が対応しているため、どの素子が駆動されているかの識別さえ可能であれば、距離の認識が可能である。このため、使用するにあたって訓練が一切必要なく、使用者に負担をかけず簡単に使用することが可能となった。
体表面の殆ど全てで精度の高い認知が可能な皮膚擦過素子を開発することにより、情報の精度を失うことなく、日常行動に支障を与えない部位への装置の装着が可能となった。これまでの刺激素子では、精度を高めるには事実上指先以外には装着不可能で、それでは日常行動に著しく支障を生じるため、精度を落として他の部位を刺激せざるを得なかった。
角度センサーの利用により、床面の凹部を検出可能となったため、下り階段や駅ホームでの転落事故を防止することが可能となった。また、神経を刺激する周波数を変化させることで、対象物の性状を伝達することも可能となり、床面凹部の検出と合わせ、消防の現場での使用にも耐えうる高精度の機器となった。Since the distance corresponds to the stimulating element, the distance can be recognized as long as it is possible to identify which element is driven. For this reason, no training is required at the time of use, and it has become possible to use it without burdening the user.
By developing a skin-rubbing element that can recognize with high accuracy on almost all body surfaces, it has become possible to attach the device to a site that does not interfere with daily activities without losing the accuracy of information. With conventional stimulating elements, it is practically impossible to wear other than fingertips in order to increase the accuracy, and this causes a significant hindrance to daily behavior, so the accuracy has been reduced and other parts have to be stimulated.
By using the angle sensor, it became possible to detect the concave part of the floor surface, and it was possible to prevent falling accidents at downstairs and station platforms. In addition, by changing the frequency that stimulates the nerve, it is also possible to transmit the properties of the object, and in combination with the detection of the floor recesses, it has become a highly accurate device that can withstand use in the field of firefighting. .

超音波送受信部および神経刺激素子は、頭周囲に固定するゴーグル形状の装着器に一体化させ、頭の方向を変えることで、容易に超音波の走査方向を変えられるようにした（図１）。装着器には、角度センサーが取り付けられ、超音波の発信方向をモニターさせた（図１）。
神経刺激素子は、装着器の両内側に取り付けられ、近距離を担当する素子ほど中央に配置することで、心理的な遠近感と実際の対象物の遠近を一致させた。また、超音波送受信部を左右独立回路とし、それぞれ左右の素子を駆動することで、より自然な距離感を認知することが可能となった。神経刺激素子は、頭部の装着器にではなく、腕輪として装着するなど方法も可能であるが、ここでは頭部装着器と一体の場合のみを図示した。
神経刺激素子の一形態として開発した擦過型の刺激素子は、超小型モータによる回転運動（図２）、あるいはピストン運動（図３）によって皮膚表面を擦過する。
続いて超音波信号の処理経路を説明する（図４）。組込型マイクロコンピュータ（マイコン）によって超音波送信信号を作成し、送信部から超音波を発信する。受信素子からの信号は受信部内で増幅された後、アナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）を通してマイコンに入力される。同時に、角度センサーからの信号もマイコンに入力される。送信から受信までの時間から距離を計算し、距離による反射波の減衰を補正した上で、計算した距離に対応する神経刺激素子に刺激用信号を送出する。刺激信号の周波数は、減衰を補正した値に基づいて決定する。
異なった距離に複数の物体が存在する場合は、対応する刺激素子を同時に駆動するが、心理的な解像度を保つため、最近接の物体に対応する刺激素子は必ず駆動させるが、隣同士の素子が同時に駆動されないようにする。また、物体が接近したり、新たな物体が走査方向に進入して、現在駆動中の刺激素子よりさらに近傍側の素子を駆動することになった際には、注意を喚起するために、新たに駆動することになった近傍側の素子のみを短期間駆動させる。
床面に存在する階段などの凹部を検出させるため、角度センサーからの情報を基に床面から反射される超音波を受信するまでの時間を計算し、この時間内に超音波を受信出来なければ、凹部があると判断して、警告用の神経刺激素子を駆動する。The ultrasonic transmission / reception unit and the nerve stimulation element are integrated into a goggle-shaped wearer that is fixed around the head, and the direction of the ultrasonic wave can be easily changed by changing the direction of the head (FIG. 1). . An angle sensor was attached to the wearer to monitor the direction of ultrasonic transmission (FIG. 1).
The nerve stimulation elements are attached to both inner sides of the wearer, and the elements that are in charge of a short distance are arranged at the center so that the psychological perspective matches the distance of the actual object. In addition, it is possible to recognize a more natural sense of distance by making the ultrasonic transmission / reception unit a left and right independent circuit and driving the left and right elements respectively. The nerve stimulating element can be mounted as a bracelet instead of the head mounting device, but here, only the case of being integrated with the head mounting device is illustrated.
A scratch-type stimulating element developed as one form of a nerve stimulating element scrapes the skin surface by a rotational motion (FIG. 2) by a micro motor or a piston motion (FIG. 3).
Subsequently, the processing path of the ultrasonic signal will be described (FIG. 4). An ultrasonic transmission signal is created by an embedded microcomputer (microcomputer), and ultrasonic waves are transmitted from the transmission unit. A signal from the receiving element is amplified in the receiving unit and then input to the microcomputer through an analog-digital converter (A / D converter). At the same time, a signal from the angle sensor is also input to the microcomputer. The distance is calculated from the time from transmission to reception, the attenuation of the reflected wave due to the distance is corrected, and a stimulation signal is sent to the nerve stimulation element corresponding to the calculated distance. The frequency of the stimulus signal is determined based on the value corrected for attenuation.
When there are multiple objects at different distances, the corresponding stimulating elements are driven at the same time, but in order to maintain psychological resolution, the stimulating element corresponding to the nearest object is always driven, but the neighboring elements Are not driven simultaneously. In addition, when an object approaches or a new object enters the scanning direction and drives an element closer to the currently driven stimulating element, Only the neighboring elements that are to be driven are driven for a short period of time.
In order to detect depressions such as stairs on the floor surface, calculate the time to receive the ultrasonic wave reflected from the floor surface based on the information from the angle sensor, and be able to receive the ultrasonic wave within this time. For example, it is determined that there is a recess, and the nerve stimulation element for warning is driven.

図１
頭部装着器の外観図。
図２
超小型モーターの回転運動を利用した皮膚擦過素子。
図３
超小型モーターの回転をピストン運動に変化させた皮膚擦過素子。
図４
本装置の基本的な回路構成。FIG.
The external view of a head mounting device.
FIG.
Skin rubbing element that uses the rotational motion of a micro motor.
FIG.
Skin scraping element that changes the rotation of a micro motor to piston motion.
FIG.
Basic circuit configuration of this device.

Explanation of symbols

１超音波送受信素子
２超音波送信素子
３超音波受信素子
４超音波送信駆動回路
５超音波受信増幅回路
６角度センサー
７Ａ／Ｄコンバータ
８マイコン制御部
９刺激素子駆動部
１０神経刺激素子
１１警告用神経刺激素子
１２超小型モーター
１３擦過子（毛髪、ナイロン糸、馬毛、豚毛など）
１４長さ調節留め具DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic transmission / reception element 2 Ultrasonic transmission element 3 Ultrasonic reception element 4 Ultrasonic transmission drive circuit 5 Ultrasonic reception amplification circuit 6 Angle sensor 7 A / D converter 8 Microcomputer control part 9 Stimulation element drive part 10 Neural stimulation element 11 Warning Nerve stimulating element 12 Ultra-small motor 13 Scraper (hair, nylon thread, horse hair, pig hair, etc.)
14 Length adjustment fastener

Claims

A plurality of nerve stimulation elements and warning nerve stimulation elements with different distance sections are attached, and only the elements corresponding to the distance measured by the ultrasonic sensor are driven at a frequency corresponding to the amplitude of the reflected wave of the ultrasonic wave. By doing so, a device that easily and high-quality transmits the distance to the object in front of the sensor and the nature of the object by means other than vision. By using the information from the angle sensor together, it is possible to transmit the presence of the concave portion of the floor surface with a warning nerve stimulation element.

An element capable of transmitting highly accurate information to the skin other than fingertips and lips as a form of a nerve stimulation element used in the apparatus of 1 described above, by stimulating by skin abrasion.