(57)【要約】      （修正有）【課題】弱視者または全盲者等の視覚障碍者の知覚を補助するための技術を提供する。【解決手段】知覚補助装置１００は、触覚刺激を付与する複数の振動体を含む刺激付与部と、画像信号に応じて前記複数の振動体の各々を相異なる振動特性で振動させる振動制御部とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触覚刺激を付与する複数の振動体を含む刺激付与部と、
画像信号に応じて前記複数の振動体の各々を相異なる振動特性で振動させる振動制御部と
を具備する知覚補助装置。
【請求項２】
前記複数の振動体は、
周波数が２０Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下であり振幅が６μｍ以上かつ８０μｍ以下である第１振動特性で振動する第１振動体と、
周波数が２００Ｈｚ以上かつ５００Ｈｚ以下であり振幅が１μｍ以上かつ２０μｍ以下である第２振動特性で振動する第２振動体と、
周波数が１Ｈｚ以上かつ５Ｈｚ以下であり振幅が８０μｍ以上かつ３００μｍ以下である第３振動特性で振動する第３振動体と
のうちの少なくとも２個以上を含む
請求項１の知覚補助装置。
【請求項３】
前記刺激付与部は、前記複数の振動体を各々が含む複数の振動体群を具備し、
前記振動制御部は、前記複数の振動体群の各々について、当該振動体群における前記複数の振動体の振動を前記画像信号に応じて制御する
請求項１または請求項２の知覚補助装置。
【請求項４】
前記複数の振動体群は、１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期で配置される
請求項３の知覚補助装置。
【請求項５】
前記複数の振動体は、面積が１ｍｍ２以下である単位領域内に配置される
請求項１から請求項４の何れかの知覚補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弱視者または全盲者等の視覚障碍者の知覚を補助するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
弱視者または全盲者等の視覚障碍者が周囲の環境を知覚するための各種の技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、行列状に配列された複数のアクチュエータを障害物までの距離に応じて駆動する視覚障碍者歩行用補助具が開示されている。特許文献１の技術によれば、視覚障碍者等の利用者が、障害物の存在を触覚により知覚することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−７９６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術のもとでは、複数のアクチュエータの各々を特定の振動特性で振動させるに過ぎないから、利用者が知覚できる情報量が少ないという問題がある。以上の事情を考慮して、本発明の好適な態様は、利用者が触覚により知覚できる情報量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る知覚補助装置は、触覚刺激を付与する複数の振動体を含む刺激付与部と、画像信号に応じて前記複数の振動体の各々を相異なる振動特性で振動させる振動制御部とを具備する。以上の態様では、触覚刺激を付与可能な複数の振動体の各々が相異なる振動特性で振動するから、複数の振動体を共通の振動特性で振動させる構成と比較して、利用者が触覚により知覚できる情報量を増加させることが可能である。
【０００６】
本発明の好適な態様において、前記複数の振動体は、周波数が２０Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下であり振幅が６μｍ以上かつ８０μｍ以下である第１振動特性で振動する第１振動体と、周波数が２００Ｈｚ以上かつ５００Ｈｚ以下であり振幅が１μｍ以上かつ２０μｍ以下である第２振動特性で振動する第２振動体と、周波数が１Ｈｚ以上かつ５Ｈｚ以下であり振幅が８０μｍ以上かつ３００μｍ以下である第３振動特性で振動する第３振動体とのうちの少なくとも２個以上を含む。以上の態様では、第１振動特性の振動がマイスナー小体(FAI)により優勢に感知され、第２振動特性の振動がパチニ小体（FAII）により優勢に感知され、第３振動特性の振動がメルケル細胞（SAI）により優勢に感知される。したがって、各振動特性の振動を利用者が触覚により弁別し易いという利点がある。
【０００７】
本発明の好適な態様に係る知覚補助装置は、前記刺激付与部は、前記複数の振動体を各々が含む複数の振動体群を具備し、前記振動制御部は、前記複数の振動体群の各々について、当該振動体群における前記複数の振動体の振動を前記画像信号に応じて制御する。以上の態様では、複数の振動体を各々が含む複数の振動体群が配置されるから、各振動体群に対応する複数の情報の平面的な分布を利用者が触覚により知覚できるという利点がある。
【０００８】
本発明の好適な態様において、前記複数の振動体群は、１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期で配置される。以上の態様では、複数の振動体群が１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期で配置されるから、利用者が、振動体群毎の振動を弁別しながら複数の情報の平面的な分布も把握できるという利点がある。
【０００９】
本発明の好適な態様において、前記複数の振動体は、面積が１ｍｍ２以下である単位領域内に配置される。以上の態様では、面積が１ｍｍ２以下である単位領域内に複数の振動体が配置されるから、複数の振動体の各々の振動を、１個の地点に付与された振動として利用者が触覚により弁別できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態における知覚補助装置の外観図である。
【図２】知覚補助装置の機能的な構成図である。
【図３】刺激付与装置の斜視図である。
【図４】刺激付与装置の平面図である。
【図５】画像解析装置の処理の説明図である。
【図６】触覚受容器の感度特性である。
【図７】第１振動体および第２振動体の各々の駆動の説明図である。
【図８】第２実施形態の知覚補助装置における振動体群の平面図である。
【図９】第２実施形態の変形例における振動体群の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る知覚補助装置１００の外観図である。第１実施形態の知覚補助装置１００は、周囲の状況を触覚により利用者Ｕに知覚させるためのシステムであり、例えば弱視者や全盲者等の視覚障碍者により使用される。図１に例示される通り、第１実施形態の知覚補助装置１００は、相互に別体で構成された知覚ユニット１２と制御ユニット１４とを具備する。知覚ユニット１２は利用者Ｕの頭部に装着され、制御ユニット１４は利用者Ｕにより携帯される。例えば知覚補助装置１００に専用される情報端末のほか、例えば携帯電話機やスマートフォン等の汎用の情報端末を制御ユニット１４として利用することも可能である。制御ユニット１４は、有線または無線により知覚ユニット１２と通信可能である。
【００１２】
図２は、知覚補助装置１００の機能に着目した構成図である。図２に例示される通り、第１実施形態の知覚補助装置１００は、情報取得装置２０と振動制御装置３０と刺激付与装置４０とを具備する。情報取得装置２０と刺激付与装置４０とは知覚ユニット１２に搭載され、振動制御装置３０は制御ユニット１４に搭載される。なお、知覚ユニット１２と制御ユニット１４とを一体に構成することも可能である。
【００１３】
情報取得装置２０は、利用者Ｕの周囲の画像を表す画像信号Ｖを生成する情報入力機器である。第１実施形態の情報取得装置２０は、利用者Ｕの前方の画像を撮像して画像信号Ｖを生成する２個の撮像装置２２である。例えばデジタルカメラまたはデジタルカムコーダー等の映像機器が情報取得装置２０として好適に利用される。他方、刺激付与装置４０（刺激付与部の例示）は、情報取得装置２０が生成した画像信号Ｖに応じた触覚刺激（すなわち触覚により知覚可能な刺激）を利用者Ｕの身体に付与する情報出力機器である。図１に例示される通り、情報取得装置２０を構成する２個の撮像装置２２は、例えば刺激付与装置４０の左右上方に設置される。
【００１４】
図３は、刺激付与装置４０の斜視図である。図３に例示される通り、第１実施形態の刺激付与装置４０は、利用者Ｕの前額（ひたい）に対向する表面（以下「作用面」という）４２に複数の振動体４５が設置された触覚ディスプレイである。複数の振動体４５の各々は、作用面４２に垂直な方向に振動可能な棒状の部材であり、振動により利用者Ｕの身体（具体的には前額）に触覚刺激を付与することが可能である。刺激付与装置４０は、振動制御装置３０から供給される制御信号Ｃに応じて複数の振動体４５の各々を振動させる。各振動体４５の駆動には、例えば圧電素子やソレノイドが好適に利用される。複数の振動体４５の各々の振動特性（具体的には周波数および振幅）が制御信号Ｃに応じて制御される。
【００１５】
図４は、刺激付与装置４０の作用面４２の平面図である。図４に例示される通り、刺激付与装置４０は複数の振動体群Ｇを具備する。複数の振動体群Ｇは、相互に交差するＸ方向（例えば水平方向）とＹ方向（例えば鉛直方向）とに沿って行列状に配列する。複数の振動体群Ｇの各々は、第１振動体４５aおよび第２振動体４５bの２個の振動体４５の集合である。刺激付与装置４０の複数の振動体４５が２個単位で複数の振動体群Ｇに区分された構成とも換言され得る。
【００１６】
任意の１個の振動体群Ｇが設置される領域（以下「単位領域」という）Ｓの面積は１ｍｍ２以下である。１個の単位領域Ｓは、Ｘ方向に平行な２辺とＹ方向に平行な２辺とで包囲され、第１振動体４５aと第２振動体４５bとを内包する最小の矩形領域である。振動体群Ｇを構成する第１振動体４５aと第２振動体４５bとの配列の態様は、複数の振動体群Ｇについて共通する。具体的には、単位領域Ｓ内の対角線上に第１振動体４５aと第２振動体４５bとが位置する。
【００１７】
複数の振動体群Ｇは、１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期（ピッチ）で作用面４２に配置される。具体的には、複数の振動体群ＧがＸ方向に配列する周期Ｐxと、複数の振動体群ＧがＹ方向に配列する周期Ｐyとの双方が、１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下である。したがって、例えば単位領域Ｓを１辺が１ｍｍの正方形と仮定すると、Ｘ方向またはＹ方向に相互に隣合う２個の単位領域Ｓの間隔は０.５ｍｍ以上かつ２.０ｍｍ以下である。例えば作用面４２を縦６０ｍｍ×横１２０ｍｍの長方形状とした場合、縦４０行×横８０列にわたる合計３２００個の振動体群Ｇが行列状に配列する。
【００１８】
図２の振動制御装置３０（振動制御部の例示）は、情報取得装置２０が生成する画像信号Ｖに応じて刺激付与装置４０の複数の振動体４５の各々を振動させる。具体的には、振動制御装置３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の演算処理回路と半導体メモリ等の記録媒体とを含むコンピューターシステムで実現される。図２に例示される通り、第１実施形態の振動制御装置３０は、画像解析部３２および信号生成部３４を具備する。画像解析部３２および信号生成部３４は、汎用の演算処理回路（例えばＣＰＵ）がプログラムを実行することで実現される機能である。ただし、振動制御装置３０の一部の機能を専用の信号処理回路（例えば画像処理回路）で実現することも可能である。
【００１９】
画像解析部３２は、情報取得装置２０から供給される画像信号Ｖを解析する。具体的には、画像解析部３２は、図５に例示される通り、画像信号Ｖが表す画像（以下「観測画像」という）Ｑに設定された複数の解析点ｐの各々について距離Ｄを算定する。観測画像Ｑには、刺激付与装置４０の相異なる振動体群Ｇに対応する複数の解析点ｐが設定される。任意の１個の解析点ｐに対応する距離Ｄは、観測画像Ｑ内で当該解析点ｐに位置する物体と利用者Ｕとの間の距離である。解析点ｐ毎の距離Ｄの算定には、輪郭抽出や距離推定等の公知の画像処理が利用される。
【００２０】
図２の信号生成部３４は、画像解析部３２が画像信号Ｖを解析した結果（解析点ｐ毎の距離Ｄ）に応じた制御信号Ｃを生成して刺激付与装置４０に供給することで、複数の振動体４５の各々を振動させる。第１実施形態の信号生成部３４は、複数の振動体群Ｇの各々について、当該振動体群Ｇの第１振動体４５aと第２振動体４５bとを、相異なる振動特性（例えば周波数および振幅）で振動させる。
【００２１】
人間の触覚は、皮膚内部に存在する複数種の触覚受容器（マイスナー小体，メルケル細胞，パチニ小体，ルフィニ終末）により実現される。図６は、皮膚を刺激する振動の周波数と、触覚受容器が感知し得る振動の最小振幅（検出閾値）との関係を、複数種の触覚受容器の各々の感度特性として併記したグラフである。図６の特性FAIIはパチニ小体の感度特性であり、特性FAIはマイスナー小体の感度特性であり、特性SAIはメルケル細胞の感度特性である。図６から理解される通り、触覚刺激に対する感度特性は、触覚受容器の種類毎に相違する。例えば、パチニ小体（FAII）は、周波数が２００Ｈｚ以上かつ５００Ｈｚ以下である振動を高い感度で感知し得るが、マイスナー小体（FAI）は、周波数が２０Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下である振動を高い感度で感知し得る。したがって、利用者Ｕの身体に付与する振動の振動特性を変動させた場合には、相異なる種類の触覚受容器が機能し、結果的に相異なる触感を利用者Ｕに知覚させることが可能である。
【００２２】
振動制御装置３０は、複数の振動体群Ｇの各々について、第１振動体４５aを第１振動特性で振動させ、第２振動体４５bを第２振動特性で振動させる。１個の振動体群Ｇを構成する第１振動体４５aと第２振動体４５bとは並列に振動する。第１振動特性と第２振動特性とは相違する。具体的には、第１振動特性は、周波数が２０Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下であり、かつ、振幅を６μｍ以上かつ８０μｍ以下とした特性である。また、第２振動特性は、周波数が２００Ｈｚ以上かつ５００Ｈｚ以下であり、かつ、振幅を１μｍ以上かつ２０μｍ以下とした特性である。図６から理解される通り、第１振動特性の振動が利用者Ｕの身体に付与された場合には、マイスナー小体（FAI）が他の触覚受容器と比較して優勢に当該振動を感知する。他方、第２振動特性の振動が利用者Ｕの身体に付与された場合には、パチニ小体（FAII）が他の触覚受容器と比較して優勢に当該振動を感知する。したがって、第１振動体４５aが第１振動特性で振動した場合と第２振動体４５bが第２振動特性で振動した場合とでは、利用者Ｕが知覚する触感が相違する。以上の説明から理解される通り、第１振動特性による第１振動体４５aの振動と第２振動特性による第２振動体４５bの振動とを利用して、相異なる２種類の情報を利用者Ｕに伝達することが可能である。
【００２３】
第１実施形態の振動制御装置３０は、各振動体群Ｇにおける第１振動体４５aおよび第２振動体４５bの各々を振動させるか否かを制御する。具体的には、振動制御装置３０は、行列状に配列された複数の振動体群Ｇを所定長の期間（以下「単位期間」という）毎に行単位で順次に選択し、各単位期間内では、選択行の各振動体群Ｇについて第１振動体４５aおよび第２振動体４５bの振動を制御する。第１振動体４５aの振動の有無と第２振動体４５bの振動の有無とは相互に独立に制御され得る。したがって、図７から理解される通り、第１振動体４５aおよび第２振動体４５bの各々について振動の有無を制御することで、１個の振動体群Ｇについて単位期間毎に合計４通り（２ビット）の情報を利用者Ｕが触覚により弁別することが可能である。
【００２４】
第１実施形態の振動制御装置３０（信号生成部３４）は、任意の１個の解析点ｐについて画像解析部３２が算定した距離Ｄに応じて、当該解析点ｐに対応する振動体群Ｇの第１振動体４５aおよび第２振動体４５bの各々に振動を付与するか否かを制御する。具体的には、距離Ｄの値域を区分した４個の範囲のうち、画像解析部３２が実際に算定した距離Ｄが属する範囲に応じて、第１振動体４５aおよび第２振動体４５bの各々を、図７に例示した４通りの何れかの態様で振動させる。したがって、観測画像Ｑの各解析点ｐについて距離Ｄに応じた合計４通りの触感を利用者Ｕに知覚させることが可能である。
【００２５】
以上に説明した通り、第１実施形態では、触覚刺激を付与可能な複数の振動体４５（第１振動体４５a，第２振動体４５b）の各々を相異なる振動特性で振動させる。したがって、複数の振動体４５を共通の振動特性で振動させる構成と比較して、利用者Ｕが触覚により知覚できる情報量を増加させることが可能である。第１実施形態では特に、第１振動体４５aと第２振動体４５bとを各々が含む複数の振動体群Ｇが設置されるから、複数の情報（距離Ｄ）の平面的な分布を触覚により利用者Ｕに知覚させることが可能である。
【００２６】
ところで、複数の振動体群Ｇが過度に近接した構成では、振動体群Ｇ毎の振動を利用者Ｕが触覚により弁別できない（例えば複数の振動体群Ｇの振動が１点の振動と知覚される）可能性がある。他方、複数の振動体群Ｇが過度に離間した構成では、複数の情報（例えば距離Ｄ）の平面的な分布を利用者Ｕが知覚し難い可能性がある。以上の課題を解決するという観点から、第１実施形態では、複数の振動体群Ｇが１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期（Ｐx，Ｐy）で配置される。以上の構成によれば、利用者Ｕが、振動体群Ｇ毎の振動を弁別しながら複数の情報の平面的な分布も把握できるという利点がある。
【００２７】
また、各振動体群Ｇにおいて第１振動体４５aと第２振動体４５bとが過度に近接した構成では、第１振動特性の振動と第２振動特性の振動とを利用者Ｕが触覚により弁別できない可能性がある。他方、第１振動体４５aと第２振動体４５bとが過度に離間した構成では、第１振動体４５aの振動と第２振動体４５bの振動とが相異なる地点に付与された刺激と知覚され得る。以上の課題を解決するという観点から、第１実施形態では、面積が１ｍｍ２以下である単位領域Ｓ内に第１振動体４５aと第２振動体４５bとが配置される。したがって、利用者Ｕが、利用者Ｕの身体の１個の地点に付与された振動として、第１振動特性の振動と第２振動特性の振動とを触覚により弁別できるという利点がある。
【００２８】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を説明する。なお、以下に例示する各態様において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【００２９】
図８は、第２実施形態における任意の１個の振動体群Ｇの平面図である。図８に例示される通り、第２実施形態の各振動体群Ｇは、第１振動体４５aと第２振動体４５bと第３振動体４５cとの３個の振動体４５を包含する。第１実施形態と同様に、単位領域Ｓの面積は１ｍｍ２以下である。なお、図８では振動体群Ｇの３個の振動体４５を三角形の頂点に配置した構成を例示したが、図９に例示される通り、単位領域Ｓの対角線上に３個の振動体４５を直線状に配列することも可能である。なお、複数の振動体群Ｇが１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期で行列状に配列された構成は第１実施形態と同様である。
【００３０】
第２実施形態の振動制御装置３０は、第１振動体４５aを第１振動特性で振動させ、第２振動体４５bを第２振動特性で振動させるほか、第３振動体４５cを第３振動特性で振動させる。第３振動特性は、第１振動特性および第２振動特性とは相違する。具体的には、第３振動特性は、周波数が１Ｈｚ以上かつ５Ｈｚ以下であり、かつ、振幅を８０μｍ以上かつ３００μｍ以下とした特性である。図６から理解される通り、第３振動特性の振動が利用者Ｕの身体に付与された場合には、メルケル細胞が他の触覚受容器と比較して優勢に当該振動を感知する。以上の説明から理解される通り、第１振動体４５aの振動と第２振動体４５bの振動と第３振動体４５cの振動とを利用して、１個の振動体群Ｇにより相異なる３種類の情報を利用者Ｕに伝達することが可能である。
【００３１】
さらに、振動制御装置３０は、第１振動体４５aと第２振動体４５bと第３振動体４５cとの各々を振動させるか否かを、画像解析部３２による画像信号Ｖの解析結果に応じて振動体群Ｇ毎に制御する。したがって、第２実施形態では、振動体群Ｇ毎に合計８通り（３ビット）の情報を利用者Ｕが触覚により弁別することが可能である。
【００３２】
＜変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。
【００３３】
（１）第１実施形態では、第１振動特性で振動する第１振動体４５aと第２振動特性で振動する第２振動体４５bとを振動体群Ｇが含む構成を例示したが、振動体群Ｇの各振動体４５の振動特性は以上の例示に限定されない。例えば、第２振動特性で振動する第２振動体４５bと第３振動特性で振動する第３振動体４５cとの２個の振動体４５を振動体群Ｇが含む構成や、第１振動特性で振動する第１振動体４５aと第３振動特性で振動する第３振動体４５cとの２個の振動体４５を振動体群Ｇが含む構成も採用され得る。以上の例示から理解される通り、本発明の好適な態様における振動体群Ｇは、第１振動体４５aと第２振動体４５bと第３振動体４５cとのうちの少なくとも２個以上を包含する。なお、１個の振動体群Ｇに含まれる振動体４５の個数は、前述の各形態での例示（２個または３個）に限定されない。
【００３４】
（２）第１実施形態では、第１振動体４５aと第２振動体４５bとで振動の周波数および振幅の双方を相違させたが、周波数および振幅の一方のみを相違させて他方は共通させることも可能である。第２実施形態においても同様に、第１振動体４５aと第２振動体４５bと第３振動体４５cとの振動について周波数および振幅の一方を共通させることも可能である。
【００３５】
（３）前述の各形態では、圧電素子またはソレノイドを各振動体４５の駆動に利用したが、各振動体４５を駆動する方法は以上の例示に限定されない。例えば、電圧の印加により伸縮する導電性高分子（導電性ポリマー）を利用して振動体４５を振動させる構成や、空気圧を利用して振動体４５を振動させる構成も採用され得る。また、温度に応じて変形する形状記憶合金を利用して振動体４５を振動させることも可能である。
【００３６】
（４）各振動体４５の振動特性を調整可能な構成も好適である。例えば、第１振動特性と第２振動特性と（第２実施形態では更に第３振動特性）の各々における周波数または振幅を利用者Ｕからの指示に応じて調整する構成が想定される。利用者Ｕが実際に知覚可能な振動特性には個人差がある。各振動体４５の振動特性を調整できる構成によれば、個々の利用者Ｕが知覚し易い振動特性で各振動体４５を振動させることが可能である。
【００３７】
（５）前述の各形態では、視覚障碍者が知覚補助装置１００を利用する場面を例示したが、知覚補助装置１００の用途は視覚障碍者の知覚の補助に限定されない。例えば、健常者が暗闇で周囲の環境を知覚する場面でも、前述の各形態に係る知覚補助装置１００を有効に利用できる。また、前述の各形態では、利用者Ｕの頭部に装着される構成の知覚補助装置１００を例示したが、知覚補助装置１００（特に刺激付与装置４０）が触覚刺激を付与する部位は利用者Ｕの前額に限定されない。例えば、刺激付与装置４０が利用者Ｕの指先や掌に触覚刺激を付与する構成も採用され得る。
【符号の説明】
【００３８】
１００…知覚補助装置、１２…知覚ユニット、１４…制御ユニット、２０…情報取得装置、２２…撮像装置、３０…振動制御装置、３２…画像解析部、３４…信号生成部、４０…刺激付与装置、４２…作用面、４５…振動体、４５a…第１振動体、４５b…第２振動体、Ｇ…振動体群、Ｓ…単位領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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