WO2005046542A1 - 超音波視覚補助装置 - Google Patents

Description

明細書 超音波視覚補助装置 技術分野

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。 背景技術

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 1.5 m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 1.5 m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、 卜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。 し力 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、 P章害物までの距離は、 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、 P章害物までの距離 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瞹眛となり、 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力 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べを使用しており、 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 レ、。 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

前方センサーによつ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 V、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。

課題を解決するための手段

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 サ一により、 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 馬区動させた。 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。 · 発明の効果

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。 発明を実施するための最良の形態

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 部内で增幅された後、 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 的な解像度を保っため、 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 { 則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。 図面の簡単な説明

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ビ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。

符号の説明

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

7 A/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

Claims

請求の範囲 受け持つ距離の区間が異なる複数の神経刺激素子と警告用神経刺激素子とを装着させ、 超音波 センサーによって計測された距離に該当する素子のみを、超音波の反射波の振幅に対応した周波 数で駆動することにより、センサー前方の物体までの距離と物体の性質を視覚以外の方法で容易 に、かつ高品質に伝達する装置。角度センサーからの情報を併用することで、床面の凹部の存在 を警告用神経刺激素子で伝達することが可能。 上記 1の装置に使用する神経刺激素子の一形態として、皮膚擦過により刺激を行う方式で、指先 や口唇以外でも精度の高い情報を皮膚に伝達することが可能な素子。