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技術 超音波視覚補助装置

出願人 兼古悟
発明者 兼古悟
出願日 2003年11月17日 (15年3ヶ月経過) 出願番号 2005-510579
公開日 2007年9月6日 (11年5ヶ月経過) 公開番号 WO2005-046542
状態 未査定
技術分野 リハビリ用具 眼耳の治療、感覚置換 音波、超音波を用いた位置、速度等の測定
主要キーワード 装着器 マイスナー小体 超音波送信素子 下り階段 刺激素子 情報伝達量 超小型モータ 消防活動
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この項目の情報は公開日時点(2007年9月6日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題・解決手段

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。反射波振幅に対応して刺激周波数を変化させることで物体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。

概要

背景

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、トラック荷台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、超音波電波、それにカメラ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。

概要

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。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

受け持つ距離の区間が異なる複数の神経刺激素子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、超音波反射波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。

請求項2

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。

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1.5m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、トラック荷台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、超音波電波、それにカメラ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。

発明が解決しようとする課題

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。

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

符号の説明

超音波送受信素子
超音波送信素子
超音波受信素子
4超音波送信駆動回路
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

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