(57)【要約】【課題】従来の視覚補助器だけでは十分な歩行補助の効果を奏するものではなかった。【解決手段】この発明による足元探知具１は、右靴２の右センサ部３には、靴底からの路面高を測る超音波式の路面高センサ４が爪先付近に搭載され、前方の障害物までの障害物距離を測る超音波式の障害物距離センサ５が前面右端に搭載されている。衝撃センサ６の出力で周期トリガ回路７が起動し、計測を開始する。信号は、ＦＭ発振器８から電波で、左靴９の左センサ部１０に伝えられて、トリガ回路１４を起動し、路面高センサ１１と、障害物距離センサ１２の計測を開始する。左右の信号は、可聴音域の間欠発振器１５によって、左右の高い路面高が発振周波数に、左右の小さい障害物距離が間欠比にされる。出力はＦＭ発振器１６から電波にのり、ラジオ１７で間欠振動音にされ、その発振周波数から路面高を、間欠比から障害物距離を認識できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
路面からの高さを測る路面高センサと、前方の障害物までの距離を測る障害物距離センサと、路面高と障害物距離とを感覚にする感覚伝達手段とを含む足元探知具。
【請求項２】
路面高センサと障害物距離センサとを靴に載せたことを特徴とする請求項１記載の足元探知具。
【請求項３】
路面高センサを靴の爪先付近に設けたことを特徴とする請求項２記載の足元探知具。
【請求項４】
路面高センサを足の第１指と第２指の間を通して設けたことを特徴とする請求項３記載の足元探知具。
【請求項５】
路面高センサの測定エネルギー送受面を、周囲を一体に囲まれた靴底のくぼみ内に設けたことを特徴とする請求項２ないし請求項４記載の足元探知具。
【請求項６】
感覚伝達手段は、周波数と間欠比を、路面高と障害物距離に関連づけた間欠振動信号を発生することを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の足元探知具。
【請求項７】
感覚伝達手段を、足に接する電動体にしたことを特徴とする請求項１ないし請求項６記載の足元探知具。
【請求項８】
衝撃センサで、動作を開始することを特徴とする請求項１ないし請求項７記載の足元探知具。
【請求項９】
靴に磁気センサを設け、磁気センサの出力信号を感覚伝達手段で再生することを特徴とする請求項２ないし請求項８記載の足元探知具。
【請求項１０】
左右一方のセンサのタイミング信号を、他方のセンサに伝達する手段を持つことを特徴とする請求項１ないし請求項９記載の足元探知具。
【請求項１１】
電波受信器と電波受信器の信号受信タイミングで作動する超音波送信器とを載せた帽子、および、斜め前方に向けた超音波受信器とその受信タイミングを出力する電波送信器とで構成された張出し障害物センサを搭載する請求項１０記載の足元探知具とを備えた足元前方探査システム。
【請求項１２】
電波でタイミング信号を伝達する請求項１０記載の足元探知具からの電波を受ける電波受信器と、その電波受信器の出力で制御される交通信号器とを含む交通制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、視覚障害者の歩行のための視覚補助器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
視覚障害者は、杖を使えば、前方の状況を把握しながら、安全に歩行できる。ところが、混雑している場所では、杖で人をたたくことに抵抗があった。足元は、足で触れて確認しないと、転倒などの不安があった。このため、非接触で足元の状況を探知する視覚補助器が求められてきた。
【０００３】
実願昭４０−７２６８号公報には、メガネに付けた超音波センサで、物体の位置を知る技術が公開されている。ところがこれは、前方の全景を認知するもので、足元の状況をつかむものではなかった。
【０００４】
実開昭６０−２５９８３号公報には、赤外線センサを上部に付けて、物体までの距離を、手元の振動子の周波数や振幅に変換して、感覚判断できる障害物探知用の杖が公開されている。ところがこれは、上に張り出した障害物を探知するもので、足元の状況をつかむものではなかった。
【０００５】
特開平９−３２８７２５号公報には、路面の磁性シートを、電波や磁気の探知器で誘導するシステムが公開されている。ところがこれは、道の案内をするものなので、足元の状況をつかむものではなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の視覚補助器だけでは十分な歩行補助の効果を奏するものではなかった。
【０００７】
本発明は、以上の従来例が持つ課題を解決するためになされたもので、視覚障害者の足元の安全を確認し、歩行を助ける視覚補助器になる足元探知具を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明による足元探知具は、路面からの高さを測る路面高センサと、前方の障害物までの距離を測る障害物距離センサと、両センサを載せた靴と、路面高と障害物距離を独立に知覚できる感覚にする感覚伝達手段からなっている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は、この発明の第１の実施形態による足元探知具１を装着した全体斜視図を示す。右靴２の右センサ部３には、靴底からの路面高を測る超音波式の路面高センサ４が、爪先付近の左端下部から下向きに搭載されている。前方の障害物までの障害物距離を測る超音波式の障害物距離センサ５は、前面右端の前方から内向きに搭載されている。衝撃センサ６の出力で、周期トリガ回路７が起動し、計測を開始する。路面高と障害物距離の信号は、ＦＭ発振器８から電波で、左靴９の左センサ部１０に伝えられる。
【００１０】
ＦＭ発振器８からの電波は、ＦＭ受信器１３に入り、右センサ部３の路面高と障害物距離の信号を復調する。左センサ部１０には、路面高センサ１１と、障害物距離センサ１２が内蔵され、右センサ部３の障害物距離の信号によって、トリガ回路１４が起動し、計測を開始する。左右の信号は、可聴音域の間欠発振器１５に入力する。その発振周波数は、注意を要する左右の高い路面高に決められる。間欠比は、注意を要する左右の小さい障害物距離に決められる。
【００１１】
間欠発振器１５の出力はＦＭ発振器１６から電波にのり、歩行者の耳近くのラジオ１７で受けて間欠振動音にされる。その発振周波数から、注意を要する路面高を、間欠比から、注意を要する障害物距離を認識できる。
【００１２】
図２は、この発明に使われる超音波式の距離計測の原理説明図を示す。トリガ信号で単安定マルチバイブレータ１８が０．２ｍｓのパルスを作り、その間だけ４０ｋＨｚの非安定マルチバイブレータ１９を発振させ、音響ホーンで指向性を持たせた超音波マイクロフォン２０から超音波を発射する。
【００１３】
路面や障害物から反射してきた超音波は、音響ホーンで指向性を持たせた超音波マイクロフォン２１で受けて、増幅器２２と整流・平滑器２３を通してフリップ・フロップ２４に入り、時間差Ｔが出力される。常温では、長さＬ（ｍ）と時間差Ｔ（ｓ）は次式で与えられる。
【００１４】
Ｌ（ｍ）＝音速度３４０（ｍ／ｓ）×Ｔ（ｓ）／２
【００１５】
路面高Ｈまたは障害物距離Ｄは、外形からの長さに補正されている。路面高センサは、泥水や応力などの環境が悪い靴底を避けて、足の周囲の上方に搭載されて、路面を計測している。
【００１６】
遠くや、反射が小さい場合は、守備限度に想定した長さ相当の時間遅れを持つ単安定マルチバイブレータ２５で、フリップ・フロップ２４がリセットされる。路面高センサ４、１１では、階段の段差として、守備限度３４ｃｍ相当の２ｍｓの時間遅れにする。障害物距離センサ５、１２は、手が伸ばせる範囲を考えて、守備限度６８ｃｍ相当の４ｍｓの時間遅れにする。
【００１７】
超音波式距離計測器は、距離を時間差で出力するので、後段処理において情報が劣化しにくい利点がある。超音波マイクロフォン２０、２１は、４０ｋＨｚの共振周波数を持たせて、感度向上と周波数フィルタの役割をさせている。複数の超音波式距離計測器が接近して存在しても、個々の超音波式距離計測器に、例えば５００Ｈｚずつ異なる共振周波数を割り当てることで、混信を防ぐことができる。測定精度を上げるには、周波数を４０ｋＨｚより高く、例えば２００ｋＨｚにすればよい。
【００１８】
図３は、この発明の第１の実施形態による足元探知具１の詳細構成・タイミング図を示す。右センサ部３において、衝撃センサ６は、加速時計とピーク検出回路を組み合わせて、衝撃の度に２ｓの信号を出して、２秒以上歩みを止めるまで連続動作する。
【００１９】
周期トリガ回路７は、２０ｍｓ周期の非安定マルチバイブレータと５ｍｓの単安定マルチバイブレータを組み合わせている。２０ｍｓ周期のトリガ信号で、路面高センサ４を動作させ、右の路面高ＨＲに対応する路面高時間差ＴＨＲを出力する。さらに５ｍｓ遅れのトリガ信号で障害物距離センサ５を起動し、右の障害物距離ＤＲに対応する障害物距離時間差ＴＤＲを出力する。５ｍｓ遅らせたのは、混信が生じない程度に超音波が減衰する時間であることと、最長４ｍｓになる両方の時間差が重ならないためである。２０ｍｓ周期にしたのは、左右で計４つの時間差信号を、５ｍｓ間隔で連続させるためである。設計で最適値を選ぶことができる。
【００２０】
両方の時間差の信号は、ＦＭ発振器８で正負逆相に合成されてアンテナから電波出力される。１ｍ届けばよいので電波出力は小さくてよく、路面近くなので、他へ電波妨害を与える恐れは小さい。
【００２１】
時間遅れなく瞬時に信号伝送できればいいので、電磁波の一種である赤外線を使うこともできる。電波でなく、電線でつないでも構わないのはもちろんである。
【００２２】
左センサ部１０において、ＦＭ受信器１３で電波を受けて、右の路面高時間差ＴＨＲと障害物距離時間差ＴＤＲを復調する。単安定マルチバイブレータを組み合わせたトリガ回路１４は、右の路面高時間差ＴＨＲの信号から５ｍｓ遅れのトリガ信号と、１０ｍｓ遅れのトリガ信号を出す。５ｍｓ遅れのトリガ信号で、左の路面高センサ１１が動作し、路面高時間差ＴＨＬを出力する。１０ｍｓ遅れのトリガ信号で、左の障害物距離センサ１２を起動し、障害物距離時間差ＴＤＬを出力する。
【００２３】
左右の路面高と障害物距離の信号は、可聴音域の間欠発振器１５に入力され、間欠振動がＦＭ発振器１６から電波で飛ばされ、ラジオ１７で間欠振動音にされる。
【００２４】
図４は、間欠発振器１５の詳細構成・タイミング図を示す。Ｔ−Ｖ変換器２６において、各時間差信号は、サンプリングとリセットの役割も兼ねて、時間差に応じた電圧に変換される。近くの感度を高くするため、抵抗とコンデンサで指数関数的に電圧変換している。
【００２５】
信号選択器２７において、左右いずれか高い路面高電圧を選択して、路面高電圧ＶＨにし、左右いずれか低い障害物距離電圧を選択して、障害物距離電圧ＶＤにしている。
【００２６】
Ｖ−ｆ間欠発振器２８は、路面高電圧ＶＨに従って、２〜６ｋＨｚを間欠で発振する。注意喚起のため、路面高が高くなると周波数を高くして刺激的にする。発振は、間欠周波数の３３Ｈｚ、つまり３０ｍｓ周期で行われ、間欠比は、障害物距離電圧ＶＤに従って１００％から５％まで連続変化する。注意喚起のため、障害物が近いと間欠比を小さくして刺激的にしている。
【００２７】
発振周波数を２〜６ｋＨｚにしたのは、人間の耳に敏感な周波数帯域だからで、個人差や年令に応じて範囲を変えてよい。周波数変化で伝えるのは、音の大きさよりも音色の変化に敏感だからである。間欠周波数を３３Ｈｚにしたのは、振動の頻度を感じ取れ、かつ、歩行スピードに対応できるほど高速だからである。個人差や年令で、Ｖ−ｆ間欠発振器２８の可変抵抗器Ｒで、調整してもよい。
【００２８】
間欠比を例えば３０％に固定して、障害物距離電圧ＶＤに従って間欠周波数を例えば１０〜４０Ｈｚにしても、認識が可能である。これは、Ｖ−ｆ間欠発振器２８のａ点とｂ点の接続を入れ替えればよい。
【００２９】
次に、この発明の第１の実施形態による足元探知具１の使い方について説明する。
歩行を開始する度に、右足で路面にたたいて衝撃センサ６を作動させ、足元探知具１を起動する。慣れるため、間欠振動音を聞いて、発振周波数と路面高、間欠比と障害物距離の関係を記憶しておく。発振周波数は、両足を路面につけると２ｋＨｚ、片足を上げて何もない後ろに向けると６ｋＨｚになる。間欠比は、前方に障害物がないと１００％、片足を前傾して路面に向けると５％になる。
【００３０】
使用中の信頼性を確保するため、足を上下して、間欠振動音の発振周波数が変化するのを確認する。さらに、壁に向けて、かかとを軸にして足を左右に振って、間欠比が変化するのを確認する。
【００３１】
杖も併用するには、地面となす角を４５°よりも水平に杖を寝かせておけば、障害物距離センサからの超音波は、反射して去っていくので、じゃまになることはない。
【００３２】
足を一定の高さに保ったまま前方に動かして、間欠振動音の発振周波数が変化しなければ、路面が平坦であり、そのまま着地しても安全なことが認識できる。足を一定の高さに保ったまま前方に動かして、間欠振動音の発振周波数が高くなるなら、路面高が高くなったこと、つまり、穴や下り階段などの存在が察知される。守備限度３４ｃｍ相当の発振周波数なら、足が届くのが困難な高さで、落下の危険がある駅のプラットホームなどである。
【００３３】
下り階段は、足を一定の高さに保ったまま前方に動かして、間欠振動音の発振周波数が２０ｃｍ相当くらい高くなることで認識できる。足を下げる時には、記憶の２ｋＨｚをめざして周波数変化を確認しながら着地にそなえていく。砂利地や雪面などで凹凸があると、超音波が干渉して弱くなって、守備限度の発振周波数が出たり、不安定に変動することがある。そのような路面は、不安定なので、慎重に歩くことである。
【００３４】
路面高センサが測定する路面高と、靴底からの路面高とは微妙な違いがある。しかしながら、安定に体重を支えられる爪先あたりに路面高センサを配置したので、凹凸で不安定な路面に着地しても、バランスの立て直しに備えることができる。
【００３５】
足を前方に動かして、間欠振動音の間欠比が変化せずに連続なら、守備限度６８ｃｍ以内に障害物はないことが認識でき、そのまま歩いていける。障害物距離センサは左右の靴の最側端から内向きに搭載しているので、足の進む全幅を守備範囲にしている。
【００３６】
足を前方に動かして、間欠振動音の間欠比が小さくなるなら、前方に障害物が認識できる。かかとを軸として足を左右に振って、間欠比の変化から、障害物の幅と形状を認識する。障害物の幅が小さいなら、その横を歩いていける。障害物の幅が広く平面なら、壁の可能性があるので、地形を考え直す。側方には音響ホーンの指向性が無く、検知しないので、壁にそって歩くこともできる。
【００３７】
かかとを軸として片足を上下に振って、間欠比の変化から、障害物の高さと形状を認識する。高さが連続的に変化するなら、壁の可能性が高まる。高さが階段状に変化するなら、上がり階段の可能性があるので、その端の手すりを探す。上がり階段を上がるには、間欠比で３０ｃｍほど障害物距離が急に遠ざかるまで足を水平に保ったまま上げ、その高さで、間欠比で０ｃｍほど障害物距離が近づくまで足を前進させ、発振周波数で０ｃｍほどの路面高まで足を下げて着地する。それを繰り返す。
【００３８】
実施形態２．
図５は、この発明の第２の実施形態による足元探知具２９を装着した全体斜視図を示す。右センサ部３０の路面高センサ４と障害物距離センサ５の信号は、間欠発振器３１によって、路面高と障害物距離に応じた間欠比の出力に変換され、右靴２の内面に付けられた振動子３２、および振動子３３を振動させて、足に押し当てられた歩行者へ伝えられる。
【００３９】
障害物距離時間差ＴＤのタイミングは、電波で左センサ部３４に伝えられ、右センサ部３０と同様に、路面高センサ１１と障害物距離センサ１２の信号は、間欠発振器３５によって、路面高と障害物距離に応じた間欠比の出力に変換され、右靴９の内面に付けられた振動子３６、および振動子３７を振動させて、足に押し当てられた歩行者へ伝えられる。他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４０】
図６は、間欠発振器３１、３５の構成図を示す。路面高と障害物距離の時間差は、それぞれＴ−Ｖ変換器で電圧に変換され、さらに３０ｍｓ周期のＶ−ｆ間欠発振器で、それぞれ間欠比に変換されて、振動子を駆動する。振動子は、例えば偏心ウェイトをつけた振動モータである。回転の立ち上がりの時定数のため、間欠比によって振動の振幅と周波数が変化し、その振動の感覚から、路面高や障害物距離を認識できる。
【００４１】
路面高Ｈが高くなると、路面高間欠比％Ｈが、例えば０％から３０％に増加し、振動子３２、３６の振動が大きくなる。障害物距離Ｄが近くなると、障害物距離間欠比％Ｄが、例えば０％から３０％に増加し、振動子３３、３７の振動が大きくなる。
【００４２】
それぞれの振動子は離れているので、独立の感覚として認識できる。さらに、それぞれのセンサの側に振動子を設けているので、センサと振動子の関係を直感できる。
【００４３】
この発明の第２の実施形態による足元探知具３４の使い方は、間欠音を振動で置き換えれば、第１の実施形態による足元探知具１と同様である。第２の実施形態の利点は、耳を使わないので、車両の接近や、警報や、音声情報に集中できることがある。さらに、センサ近くで情報を感じられるので、路面状況に対する反射動作をすばやくできる。
【００４４】
振動子には、電磁バイブレータも使える。さらに、振動ではなく、変位アクチュエータで押圧点を足の上で移動させて、路面高や障害物距離を認識させることも可能である。
【００４５】
実施形態３．
図７は、この発明の第３の実施形態の足元探知具３８の下面斜視透過図を示す。右靴３９の右センサ部４０の路面高センサ４１は、送信と受信の超音波マイクロフォンが音響ホーンで延長され、足の第１指と第２指の間を通して、それぞれの開放口４２、開放口４３が靴底くぼみ部４４に向けて搭載されている。動作は第１の実施形態と同様である。
【００４６】
この第３の実施形態の利点は、路面高センサが測定する路面高と、靴底からの路面高との違いを少なくできることである。さらに、より安定に体重を支えられる部位なので、足元の安定性を高くできる。
【００４７】
開放口４２、開放口４３が靴底にあるが、その周囲を靴底くぼみ部４４で囲まれているため、水たまりに踏み入れても、靴底くぼみ部４４の空気が留まって逃げないので、開放口に水が侵入する恐れは少ない。開放口４２、開放口４３を一緒の靴底くぼみ部４４に入れたので、着地している時でも開放口４２から開放口４３まで超音波が届くことができる。
【００４８】
実施形態４．
図８は、この発明の第４の実施形態の構成と動作説明図を示す。靴底に磁気センサ４５を埋め込み、その出力をＦＭ発振器１６から電波でラジオ１７に送る。路面には、道路や階段などの道案内が記録された磁気テープ４６が張り付けられ、なぞってラジオ１７で聞くことができる。路面に埋め込んだ磁気コイル４７に交通信号器などの変化情報を流せば、足を置くだけで情報を聞くシステムができる。
【００４９】
磁気センサ４５の出力をＦＭ発振器８の逆相入力を使って電波に乗せることでも、同様の構成が可能である。
【００５０】
この発明の第２の実施形態に応用するには、磁気センサの信号を優先して振動子に伝えることでも、同様の構成を得ることができる。専用の第３の振動子を設けて、磁気センサの情報を伝えることもできる。
【００５１】
実施形態５．
図９は、この発明の第５の実施形態の構成と動作説明図を示す。足元探知具４８のＦＭ発振器８からの電波を、帽子４９に設けたＦＭ受信器５０で受けて、そのタイミングで、帽子４９の先端から斜め下方を向いた送信の超音波マイクロフォン５１から超音波を送信し、足元探知具４８の前端に斜め上方を向いた受信の超音波マイクロフォン５２で受信することによって、超音波式の張出し障害物センサを構成したものである。
【００５２】
この発明の第５の実施形態によれば、足元だけでなく、机や車両など、前方に張出した障害物も探知できるので、より安全に歩くことができる。
【００５３】
実施形態６．
図１０は、この発明の第６の実施形態の構成と動作説明図を示す。足元探知具１のＦＭ発振器８からの電波を受信するＦＭ受信器５３によって、交通信号器５４を点灯制御させ、スピーカ５５で歩行できるタイミングを知らせるものである。
【００５４】
足元探知具１を履いた歩行者が、交通信号器５４に近づくと、歩行者の存在を検知して、自動的に信号器の点灯を制御し、スピーカ５５からの指示を受けて、安全に横断することができる。
【００５５】
各々の実施形態は、杖や、他の視覚補助器と一緒や、協調して使うことは自由である。アナログ回路で説明した動作を、デジタル回路で実現させることも自由である。さらに人間に限定せず、歩行ロボットの足の感覚に応用した制御に使うことで、人間と共生させることもできる。
【００５６】
【発明の効果】
この発明による足元探知具は、路面高と障害物距離を定量化して人体感覚にする感覚伝達手段を有する構成になっているので、足元の状況を非接触で探査しながら、安全歩行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による足元探知具１を装着した全体斜視図である。
【図２】この発明に使われる超音波式距離計測の原理説明図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による足元探知具１の詳細構成・タイミング図である。
【図４】この発明の第１の実施形態に使われる間欠発振器１５の詳細構成・タイミング図である。
【図５】この発明の第２の実施形態による足元探知具２９を装着した全体斜視図である。
【図６】この発明の第２の実施形態に使われる間欠発振器３１、３５の構成図である。
【図７】この発明の第３の実施形態の足元探知具３８の下面斜視透過図である。
【図８】この発明の第４の実施形態の構成と動作説明図である。
【図９】この発明の第５の実施形態の構成と動作説明図である。
【図１０】この発明の第６の実施形態の構成と動作説明図である。
【符号の説明】
１　足元探知具、２　右靴、３　右センサ部、４　路面高センサ、５　障害物距離センサ、６　衝撃センサ、７　周期トリガ回路、８　ＦＭ発振器、９　左靴、１０　左センサ部、１１　路面高センサ、１２　障害物距離センサ、１３　ＦＭ受信器、１４　トリガ回路、１５　間欠発振器、１６　ＦＭ発振器、１７　ラジオ、１８　単安定マルチバイブレータ、１９　非安定マルチバイブレータ、２０　超音波マイクロフォン、２１　超音波マイクロフォン、２２　増幅器、２３整流・平滑器、２４　フリップ・フロップ、２５　単安定マルチバイブレータ、２６　Ｔ−Ｖ変換器、２７　信号選択器、２８　Ｖ−ｆ間欠発振器、２９　足元探知具、３０　右センサ部、３１　間欠発振器、３２　振動子、３３　振動子、３４　左センサ部、３５　間欠発振器、３６　振動子、３７　振動子、３８　足元探知具、３９　右靴、４０　右センサ部、４１　路面高センサ、４２　開放口、４３　開放口、４４　靴底くぼみ部、４５　磁気センサ、４６　磁気テープ、４７　磁気コイル、４８　足元探知具、４９　帽子、５０　ＦＭ受信器、５１超音波マイクロフォン、５２　超音波マイクロフォン、５３　ＦＭ受信器、５４　交通信号器、５５　スピーカ
【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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【図１０】
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