(57)【要約】【課題】利用者が触覚により知覚できる情報量を増加させる。【解決手段】振動により触覚刺激を付与する振動体を含む刺激付与部と、画像信号に応じて複数の期間の各々で相異なる振動特性により前記振動体を振動させる振動制御部とを具備する知覚補助装置。【選択図】図２
2018102665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動により触覚刺激を付与する振動体を含む刺激付与部と、
画像信号に応じて複数の期間の各々で相異なる振動特性により前記振動体を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】
前記複数の期間は、
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振動特性で前記振動体を振動させる第１期間と、
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振動特性で前記振動体を振動させる第２期間と、
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振動特性で前記振動体を振動させる第３期間と
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、複数の振動体を含み、
前記振動制御部は、前記複数の振動体の各々について、前記複数の期間における当該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。
【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、振動により触覚刺激を付与する振動体を含む刺激付与部と、画像信号に応じて複数の期間の各々で相異なる振動特性により前記振動体を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振動体が複数の期間の各々で相異なる振動特性により振動するから、振動体を特定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、前記複数の期間は、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振動特性で前記振動体を振動させる第１期間と、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振動特性で前記振動体を振動させる第２期間と、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振動特性で前記振動体を振動させる第３期間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おいて、前記刺激付与部は、複数の振動体を含み、前記振動制御部は、前記複数の振動体の各々について、前記複数の期間における当該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、複数の振動体が配置されるから、各振動体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、前記複数の振動体は、１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期で配置される。複数の振動体が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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】単位期間における振動体の振動特性の説明図である。
【図８】各振動体の駆動の説明図である。
【図９】第２実施形態における振動体の振動特性の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
図４は、刺激付与装置４０の作用面４２の平面図である。複数の振動体４５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。作用面４２に垂直な方向からみて１個の振動体４５が存在する領域（以下「単位領域」という）Ｓの面積は１ｍｍ２以下である。また、複数の振動体４５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４５がＸ方向に配列する周期Ｐxと、複数の振動体４５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４５が行列状に配列する。
【００１５】
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。
【００１６】
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４５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。
【００１７】
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、時間軸上で相前後する複数の期間（第１期間，第２期間）の各々で相異なる振動特性（例えば周波数および振幅）により各振動体４５を振動させる。すなわち、各振動体４５には、相異なる複数の振動特性の振動が時分割で発生し得る。
【００１８】
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。
【００１９】
図７に例示される通り、複数の振動体４５の各々が駆動される所定長の期間（以下「単位期間」という）Ｈは、時間軸上で第１期間ｈ1と第２期間ｈ2とに区分される。第２期間ｈ2は第１期間ｈ1に後続する期間である。第１期間ｈ1の時間長と第２期間ｈ2の時間長とは同等である。
【００２０】
振動制御装置３０は、任意の１個の振動体４５が駆動される単位期間Ｈのうち、第１期間ｈ1では第１振動特性により当該振動体４５を振動させ、第２期間ｈ2では第２振動特性により当該振動体４５を振動させる。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、振動体４５が第１振動特性で振動した場合（第１期間ｈ1）と振動体４５が第２振動特性で振動した場合（第２期間ｈ2）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、振動体４５の第１振動特性の振動と第２振動特性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。
【００２１】
第１実施形態の振動制御装置３０は、各単位期間Ｈ内の第１期間ｈ1および第２期間ｈ2の各々において振動体４５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４５を単位期間Ｈ毎に行単位で順次に選択し、各単位期間Ｈ内では、選択行の各振動体４５の振動の有無を第１期間ｈ1および第２期間ｈ2の各々について制御する。第１期間ｈ1での振動の有無と第２期間ｈ2での振動の有無とは、振動体４５毎に相互に独立に制御され得る。したがって、図８から理解される通り、第１期間ｈ1および第２期間ｈ2の各々について振動体４５の振動の有無を制御することで、１個の振動体４５について単位期間Ｈ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。
【００２２】
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４５を第１期間ｈ1および第２期間ｈ2の各々で振動させ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、図８に例示した４通りの何れかの態様で振動体４５を振動させる。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。
【００２３】
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振動体４５を第１期間ｈ1および第２期間ｈ2の各々で相異なる振動特性により振動させる。したがって、各振動体４５を特定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、複数の振動体４５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。
【００２４】
ところで、複数の振動体４５が過度に近接した構成では、振動体４５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４５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４５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４５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４５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。
【００２５】
＜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。なお、情報取得装置２０および刺激付与装置４０の構成は第１実施形態と同様である。例えば、刺激付与装置４０の作用面４２には、複数の振動体４５が１.５ｍｍ以上かつ３.０ｍｍ以下の周期で行列状に配列される。
【００２６】
図９は、第２実施形態における任意の１個の単位期間Ｈの説明図である。図９に例示される通り、第２実施形態の各単位期間Ｈは、第１期間ｈ1と第２期間ｈ2と第３期間ｈ3との３個の期間を包含する。第２実施形態の振動制御装置３０は、任意の１個の単位期間Ｈにおいて、振動体４５を、第１期間ｈ1では第１振動特性により振動させ、第２期間ｈ2では第２振動特性により振動させ、第３期間ｈ3では第３振動特性により振動させる。
【００２７】
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振動特性と第２振動特性と第３振動特性との３種類の振動を利用して、１個の振動体４５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。
【００２８】
さらに、振動制御装置３０は、第１期間ｈ1と第２期間ｈ2と第３期間ｈ3との各々において振動体４５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４５毎に制御する。したがって、第２実施形態では、振動体４５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。
【００２９】
＜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。
【００３０】
（１）第１実施形態では、第１振動特性で振動体４５を振動させる第１期間ｈ1と、第２振動特性で振動体４５を振動させる第２期間ｈ2とを単位期間Ｈが含む構成を例示したが、単位期間Ｈ内での振動特性の組合せは以上の例示に限定されない。例えば、第２振動特性で振動体４５を振動させる第２期間ｈ2と、第３振動特性で振動体４５を振動させる第３期間ｈ3との２個の期間を単位期間Ｈが含む構成や、第１振動特性で振動体４５を振動させる第１期間ｈ1と、第３振動特性で振動体４５を振動させる第３期間ｈ3との２個の期間を単位期間Ｈが含む構成も採用され得る。以上の説明から理解される通り、本発明の好適な態様における単位期間Ｈ内の複数の期間は、第１期間ｈ1と第２期間ｈ2と第３期間ｈ3とのうちの少なくとも２個以上を包含する。なお、単位期間Ｈ内で振動特性を相違させる期間の個数は、前述の各形態での例示（２個または３個）に限定されない。
【００３１】
（２）第１実施形態において、振動体４５を第１振動特性で振動させる第１期間ｈ1と第２振動特性で振動させる第２期間ｈ2とについて単位期間Ｈ内での順序は逆転され得る。第２実施形態においても同様に、第１期間ｈ1と第２期間ｈ2と第３期間ｈ3との順序は任意に変更され得る。
【００３２】
（３）第１実施形態では、第１期間ｈ1と第２期間ｈ2とで振動体４５の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期間ｈ1と第２期間ｈ2と第３期間ｈ3とにおいて振動の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。
【００３３】
（４）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。
【００３４】
（５）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。
【００３５】
（６）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】
【００３６】
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、Ｓ…単位領域。
【図１】
2018102665.tif 000003
【図２】
2018102665.tif 000004
【図３】
2018102665.tif 000005
【図４】
2018102665.tif 000006
【図５】
2018102665.tif 000007
【図６】
2018102665.tif 000008
【図７】
2018102665.tif 000009
【図８】
2018102665.tif 000010
【図９】
2018102665.tif 000011