(57)【要約】      （修正有）【課題】重度の障害者でも使用できる頭部運動による光照射で電気電子機器の選択的な入力情報を得る装置において、環境光の影響を受けずに命令選択を実行できる、照射選択による入力装置を提供する。【解決手段】操作者の状況を検出し事前に定めた条件を満たす場合のみ照射許可信号を出力する照射許可部６と、照射許可信号に基づいて指向性を有する光線を送光する送光部１と、１つ１つが選択すべき命令を意味して受光量に応じた信号を出力する１個以上の命令選択用受光部２１と、照射許可信号がない場合に各命令選択用受光部からの信号を取得し演算処理した大きさを保持しておき、照射許可信号がある場合に各命令選択用受光部の信号と比較して特定の命令選択用受光部が受光したことを検知し、その命令選択用受光部に対応する命令が選択されたことを意味する信号を生成して電気電子機器に送る処理部３とから構成される、照射選択による入力装置。【選択図】図３
2007190330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者の状況を検出し事前に定めた条件を満たした場合のみ照射許可を意味する信号を出力する照射許可部と、照射許可信号に基づいてレーザ光のような指向性を有する光線を送光する送光部と、１つ１つが操作者が選択すべき命令を意味しており受光量に応じた信号を出力する１個以上の命令選択用受光部と、照射許可信号がない場合に各命令選択用受光部からの受光量に相当する信号を取得してそれを演算処理した大きさを環境光受光信号として保持しておき、照射許可信号がある場合に各命令選択用受光部の信号と環境光受光信号とを比較して特定の命令選択用受光部が受光したことを検知し、その命令選択用受光部に対応する命令が操作者により選択されたことを意味する信号を生成して電気電子機器に送る処理部とから構成される、照射選択による入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、重度の上肢運動機能障害者でも使用できるような頭部運動による光照射で電気電子機器の選択的な入力情報を得る、照射選択による入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】上肢の運動機能に重度の障害を有する者は、手指の運動が困難であるために、キーボードのような多数の小さなスイッチ類を操作することができず、そのような入力装置を有する電気電子機器を扱うことが困難である。【０００３】そのため、重度の上肢運動機能障害者でも運動機能が残存している頭部を活用し、頭部運動で光によって命令を選択し、それを他の機器に与える入力装置が開発されている。（非特許文献１）【０００４】
【非特許文献１】村上肇・野村祐介・渡辺高志・星宮望：光素子を用いた頭部運動による障害者用制御命令入力装置に関する基礎的検討、第１０回日本ＦＥＳ研究会学術講演会講演論文集、ｐｐ．２１−２６（２００３）
【０００５】ここでは図１を参照して、従来の照射選択による入力装置の原理を説明する。【０００６】この照射選択による入力装置は、レーザ光のような指向性を有する光線４を発する送光部１、１個以上の受光部２０、処理部３、から構成される。【０００７】送光部１を眼鏡やカチューシャ、ゴーグル等に取り付け、操作者の頭部５に装着する。【０００８】机やテーブルのような作業空間に、１個以上の受光部２０を設置する。受光部２０、２０、……は、１つ１つが操作者が選択すべき命令（例えはキーボードのキーに相当する）を意味しており、受光量に応じた信号を出力する。【０００９】操作者が所望の受光部２０Ａを選択し、操作者頭部５の運動によって、指向性を有する光線４で照射する。【００１０】処理部３は各受光部２０、２０、……の信号の大きさを比較し、受光部２０Ａが受光したことを検知し、その受光部２０Ａに対応する命令が操作者により選択されたことを意味する信号を生成して、次段に接続される外部の電気電子機器に送る。【００１１】本入力装置で命令を選択することにより、重度の上肢運動機能障害者でも、福祉機器のような電気電子機器を制御できる。【００１２】なお、図１のように光源を頭部に装着するのではなく、周囲の設備機器に設置する例がある。（特許文献１）【００１３】
【特許文献１】特許公開平９−２２４９６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】従来の照射選択による障害者用入力装置では、受光部の受光量によって、光線照射の有無を判定していた。【００１５】図２に、その原理を示す。【００１６】選択すべき命令に対応する受光部（以下、「命令選択用受光部」）２１、２１、……を作業空間に配置する。【００１７】この入力装置を操作する場合、通常は室内照明のような環境光が入力装置周辺に存在する。よって、命令選択用受光部２１、２１、……は、送光部１からの指向性を有する光線４が入射しない場合でも、常に環境光にさらされている。【００１８】よって、命令選択用受光部２１が受光していたとしても、それが送光部１からの指向性を有する光線４によるものなのか、あるいは環境光だけなのかを、区別する必要がある。【００１９】そこで、環境光を検出する受光部（以下、「環境光検出用受光部」）２２を作業空間に１個以上配置し、その信号と命令選択用受光部２１、２１、……の信号とを比較する。【００２０】ある命令に対応する命令選択用受光部２１Ａの信号が、環境光検出用受光部２２の信号に比べて大きければ、その命令選択用受光部２１Ａに環境光よりも強い光が照射されていることを意味する。【００２１】命令選択用受光部２１Ａに対する環境光以外の光源として妥当なものは本装置の送光部１であり、すなわち、操作者がその命令選択用受光部２１Ａを選択して指向性を有する光線４を照射していると推定する。【００２２】ある命令に対応する命令選択用受光部２１Ｂの信号が、環境光検出用受光部２２の信号と同程度であれば、その命令選択用受光部２１Ｂには環境光だけが照射されており、照射選択のための送光部１からの指向性を有する光線４が照射されていないことを意味する。すなわち、操作者がその命令選択用受光部２１Ｂを選択していないと推定する。【００２３】この方法では、天井に取り付けられた蛍光灯のように、作業空間全体に対して比較的均一な環境光を与える場合に対して有効である。【００２４】一方、机上の電気スタンドのように、作業空間に対して局所的な環境光を与える場合には、前述の推定に誤りが生ずる可能性がある。【００２５】それは、局所的な環境光は、本来の環境光検出用受光部２２に弱く、ある特定の命令選択用受光部２１に強く当たる可能性があるからである。すなわち環境光のみの場合でも、環境光検出用受光部２２の受光量よりも当該命令選択用受光部２１の信号が大きくなり、送光部１からの指向性を有する光線４が入射していないにも関わらず、操作者が当該受光部を選択したものと誤認識してしまう。【００２６】そこで本発明の目的は、重度の上肢運動機能障害者でも使用できるような頭部運動による光照射で電気電子機器の選択的な入力情報を得る装置において、環境光の影響を受けずに命令選択を実行できる、照射選択による入力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】本発明に係る照射選択による入力装置は、照射許可部、送光部、１個以上の命令選択用受光部、処理部、とから構成される。【００２８】照射許可部は、操作者の状況を検出し、事前に定めた条件を満たした場合のみ、「照射許可」を意味する信号を出力する。【００２９】送光部は、照射許可信号に基づいてレーザ光のような指向性を有する光線を送光する。【００３０】命令選択用受光部は、１つ１つが操作者が選択すべき命令を意味しており、受光量に応じた信号を出力する。【００３１】処理部は、照射許可信号がない場合に、各命令選択用受光部からの受光量に相当する信号を取得し、それを演算処理した大きさを「環境光受光信号」として保持しておき、照射許可信号がある場合に、各命令選択用受光部の信号と、環境光受光信号とを比較し、特定の命令選択用受光部が受光したことを検知し、その命令選択用受光部に対応する命令が操作者により選択されたことを意味する信号を生成して、電気電子機器に送る。
【発明の効果】
【００３２】本発明は、以下の効果を奏する。【００３３】本装置を用いることにより、局所的な環境光の下であっても、命令選択が正しく行えるようになり、性能が向上する。【００３４】また、環境光検出用受光部２２を別に設ける必要がないので、機器構成が単純になり、コスト低減に寄与すると共に、システムの信頼性が向上する。【００３５】また、照射許可の条件として、例えば操作者頭部の傾きを評価する場合には、頭部運動だけで送光のオン・オフを切り替えられるので、操作者が命令選択したいときだけ照射でき、周囲に不要な光線照射をしないようになる。【００３６】そのため、常時送光しないことから、電力消費が小さくなる。これは消費電力の低減にも寄与し、電源コストの削減や、乾電池等使用時の動作時間の延長につながり、利便性が高まる。【００３７】それと共に、操作者の頭部の動きに伴う周囲への誤照射の危険性も小さくなる。【００３８】本装置は、上肢運動機能障害者でない、健常者のような上肢を随意に動かせる人々でも使用可能である。本装置によって上肢を用いずに命令入力ができるので、例えば、あるレバー類を手で操作しながら別の操作を頭部で行うといったような活用もでき、より快適な機器操作が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】本発明の実施の形態を説明する。【００４０】図３に、本発明に係る照射選択による入力装置の概要を示す。【００４１】本発明に係る照射選択による入力装置は、照射許可部６、送光部１、１個以上の命令選択用受光部２１、処理部３、とから構成される。【００４２】照射許可部６は、操作者頭部５の角度といった操作者の状況を検出し、例えば操作者頭部傾斜角度と基準値との比較のように、事前に定めた条件を満たした場合のみ、「照射許可」を意味する信号を出力する。【００４３】送光部１は、照射許可信号に基づいてレーザ光のような指向性を有する光線４を送光する。【００４４】命令選択用受光部２１、２１、……は、１つ１つが操作者が選択すべき命令を意味しており、受光量に応じた信号を出力する。【００４５】処理部３は、照射許可信号がない場合に、各命令選択用受光部２１、２１……からの受光量に相当する信号を取得し、それを演算処理した大きさを「環境光受光信号」として保持しておき、照射許可信号がある場合に、各命令選択用受光部２１、２１、……の信号と、環境光受光信号とを比較し、特定の命令選択用受光部２１Ａが受光したことを検知し、その命令選択用受光部２１Ａに対応する命令が操作者により選択されたことを意味する信号を生成して、次段に接続される外部の電気電子機器に送る。【００４６】図４は、本発明に関わる照射選択による入力装置のブロック図である。【００４７】照射許可部６は、送光部１と一体化させることもできるが、送光部１と分離させることもできる。例えば眼鏡フレーム等に設置する場合、右側に送光部１、左側に照射許可部６といったように、振り分けることもできる。【００４８】図４では、照射許可部６からの信号は、送光器１と処理部３にそれぞれ直接接続されている。
しかし、照射許可部６から送光器１を経て処理部３に接続することもできる。【００４９】また、照射許可部６から照射許可信号を発生させる後述の処理を処理部３で行うこともできる。
その場合、配線は照射許可部６から処理部３を経て送光器１に接続される。【００５０】これより、本発明に係る照射選択による入力装置において、その命令入力の手順を説明する。【００５１】第一に、照射許可部６における「照射許可」信号の発生、及び、送光部１における送光の手順を説明する。【００５２】照射許可部６は、操作者の状況を検出し、事前に定めた条件を満たした場合のみ、「照射許可」を意味する信号を出力する。ここでは、操作者頭部５の角度を検出し、操作者頭部傾斜角度と基準値とを比較することによる照射の可否を例に挙げて説明する。【００５３】照射許可部６が操作者頭部５の角度を検出する機器としては、角度等に応じたアナログ信号を出力するセンサや、一定の角度で振幅が切り換わるディジタル信号を出力するセンサ、一定の角度でオン・オフするスイッチ、３次元運動計測装置の、いずれも使用可能である。【００５４】以下の説明では、命令選択用受光部２１、２１、……は机やテーブルのような作業空間に設置され、操作者頭部５は命令選択用受光部２１、２１、……よりも高く、照射時において操作者は命令選択用受光部２１、２１、……を見下ろすような位置関係になるものと仮定する。【００５５】照射許可部６は、操作者頭部５の傾斜角度（以下、「頭部傾斜角度」）を求める。頭部傾斜角度は、俯角方向を正とする。【００５６】「頭部傾斜角度」と、ある角度（以下、「照射判定俯角」）とを比較する。【００５７】「頭部傾斜角度」が「照射判定俯角」以下の場合には、操作者頭部５の俯角が小さいので、操作者頭部５が下を向いていない。この状態は、操作者が命令選択用受光部２１、２１、……に対して照射する意思がないと判定される。よって、光の照射を中止する。すなわち、照射許可部６は照射許可信号を発生しない。【００５８】「頭部傾斜角度」が「照射判定俯角」を上回る場合には、操作者頭部５の俯角が大きいので、操作者頭部５が下を向いている。この状態は、操作者が命令選択用受光部２１、２１、……に対して照射する意思があると判定される。よって、光の照射を許可する。すなわち、照射許可部６は照射許可信号を発生する。【００５９】照射許可信号は、送光部１へ送られる。送光部１は、照射許可信号が得られた場合のみ、レーザ光のような指向性を有する光線４を送光する。送光部１は、照射許可信号が得られない場合には、送光しない。【００６０】例えば、操作者がベッド上で仰臥位をとり、命令選択用受光部２１、２１、……がベッド上方に設置される場合には、操作者頭部５は命令選択用受光部２１、２１、……よりも低く、照射時において操作者は命令選択用受光部２１、２１、……を見上げるような位置関係になる。【００６１】その場合には、照射許可部６は、「頭部傾斜角度」と、ある角度（以下、「照射判定仰角」）とを比較する。なお頭部傾斜角度は、仰角方向を正とする。【００６２】「頭部傾斜角度」が「照射判定仰角」以下の場合には、操作者頭部５の仰角が小さいので、操作者頭部５が上を向いていない。この状態は、操作者が命令選択用受光部２１、２１、……に対して照射する意思がないと判定される。よって、光の照射を中止する。すなわち、照射許可部６は照射許可信号を発生しない。【００６３】「頭部傾斜角度」が「照射判定仰角」を上回る場合には、操作者頭部５の仰角が大きいので、操作者頭部５が上を向いている。この状態は、操作者が命令選択用受光部２１、２１、……に対して照射する意思があると判定される。よって、光の照射を許可する。すなわち、照射許可部６は照射許可信号を発生する。【００６４】さらに、例えば、照射許可部６の操作者頭部５の角度検出器として、前後方向の俯角・仰角だけでなく、左右方向の回旋角度をも検出できるものを採用すれば、命令選択用受光部２１、２１、……が配置された範囲内に指向性を有する光線４の光軸が限定される場合のみに照射許可信号を生成することも可能である。【００６５】第二に、命令選択用受光部２１、２１、……における受光、及び、処理部３における命令発生の手順を説明する。【００６６】命令選択用受光部２１、２１、……からの受光信号により、処理部３は、以下の手順によって、電気電子機器の制御のための命令を生成する。【００６７】この説明においては、命令選択用受光部２１、２１、……からの信号は、受光量が大きいほど大きくなるものと仮定する。実際の検出器自体の出力信号においてその関係が成り立たなかったとしても、電子回路や信号処理なとにより容易に変換できる。【００６８】命令選択用受光部２１、２１、……を区別するため、それぞれに、１、２、……、ｉ、……の番号を付すこととする。【００６９】命令選択用受光部２１は、受光量に相当する信号を出力する。その大きさをＰと表し、命令選択用受光部２１の前述の番号ｉを添えて、Ｐ（ｉ）と表現する。【００７０】処理部３は、各命令選択用受光部２１、２１、……からの信号Ｐ（１）、Ｐ（２）、……、Ｐ（ｉ）、……を取得する。また、照射許可部６からの信号を取得することで、操作者が光照射をしているか否かを判定できる。【００７１】操作者が光照射をしない状態において、Ｐ（ｉ）はｉ番目の命令選択用受光部２１での環境光の特性を表している。光照射をしていない時間帯でのＰ（ｉ）を処理した結果を環境光受光信号Ｐｅ（ｉ）と表現する。例えば、Ｐ（ｉ）の、送光部が光照射をしていない最近の一定時間（例：３秒）での時間平均値をＰｅ（ｉ）とする。【００７２】操作者が光照射をしている状態に際して、ｉ番目の命令選択用受光部２１Ａにおいて、環境光受光信号Ｐｅ（ｉ）よりも現在の受光信号Ｐ（ｉ）が大きければ、環境光よりも大きな光が照射されていることを意味する。【００７３】命令選択用受光部２１Ａに対する環境光以外の光源として妥当なものは本装置の送光部１であり、すなわち、操作者がｉ番目の命令選択用受光部２１Ａを選択して指向性を有する光線４を照射していると推定する。【００７４】操作者が光照射をしている状態に際して、ｊ番目の命令選択用受光部２１Ｂにおいて、環境光受光信号Ｐｅ（ｊ）と現在の受光信号Ｐ（ｊ）が同程度であれは、環境光だけが照射されており、照射選択のための送光部１からの指向性を有する光線４が照射されていないことを意味する。すなわち、操作者がｊ番目の命令選択用受光部２１Ｂを選択していないと推定する。【００７５】操作者が光照射をしていない状態に際して、命令選択用受光部２１の受光信号Ｐによらず、操作者がいずれの命令選択用受光部２１をも選択していないと推定する。【００７６】このように処理部３では、ｉで定まる命令選択用受光部２１Ａでの受光を検知し、その受光部の番号ｉに対応する命令が操作者により選択されたことを意味する信号を生成し、電気電子機器に送る。【００７７】これにより、本入力装置で、電気電子機器を制御できる。【００７８】受光信号Ｐ（ｉ）と環境光受光信号Ｐｅ（ｉ）との比較であるが、単なる大小関係では一時的な光学ノイズの影響を受ける可能性がある。それを避けるため、許容幅ΔＰ（ｉ）を設け、Ｐ（ｉ）が、Ｐｅ（ｉ）＋ΔＰ（ｉ）よりも大きくなった場合に、命令選択として認識するようにする。【００７９】ΔＰ（ｉ）の大きさは、過去の受光信号Ｐ（ｉ）の値から、統計的に定めることができる。例えば、光照射をしていない時間帯におけるＰ（ｉ）の標準偏差、あるいはダイナミックレンジが、その候補となる。【００８０】あるいは、Ｐ（ｉ）とＰｅ（ｉ）との比較における光学ノイズの影響を避けるため、許容率ｋ（ｉ）を設け、Ｐ（ｉ）が、Ｐｅ（ｉ）×｛１＋ｋ（ｉ）｝よりも大きくなった場合に、命令選択として認識するようにする。【００８１】ｋ（ｉ）の大きさは、過去の受光信号Ｐ（ｉ）の値から、統計的に定めることができる。例えば、光照射をしていない時間帯におけるＰ（ｉ）の標準偏差、あるいはダイナミックレンジを、その時間帯での受光信号Ｐ（ｉ）の平均値（すなわちＰｅ（ｉ））で除した値が、その候補となる。【００８２】なお、環境光の状態によっては、環境光受光信号Ｐｅに比べて受光信号Ｐが大きい命令選択用受光部２１が複数存在する場合がありうる。【００８３】その場合には、例えば、環境光受光信号Ｐｅに比べて受光信号Ｐが上回った信号量が最も大きい命令選択用受光部２１を、「選択された命令受光部」と判定する方法が考えられる。【００８４】あるいは、前述のΔＰやｋをわずかずつ大きくしていき、環境光受光信号Ｐｅに比べて受光信号Ｐが大きい命令選択用受光部２１が１つになるまで絞り込む、という方法も考えられる。【００８５】以上のように、照射選択による入力装置において、操作者が命令選択のための光照射をしていない状態で、命令選択用受光部２１、２１、……からの受光量に相当する信号を取得し、処理部３においてその大きさを「環境光受光信号」として保持しておき、操作者による光照射時に、各命令選択用受光部２１、２１、……の信号と、環境光受光信号とを比較することで、処理部３は環境光の影響を受けずに命令選択を正しく推定できる。【００８６】推定された選択命令は、キーボードのような多数の小さなスイッチ類の信号と等価なものである。処理部３からのその情報を電気電子機器に送ることで、本発明に係る頭部運動による入力装置により、重度の上肢運動機能障害者であっても頭部運動による光照射で電気電子機器を操作することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】従来の照射選択による障害者用入力装置の概要を示した模式図である。
【図２】従来の照射選択による障害者用入力装置における、光線照射の有無の判定の原理図である。
【図３】本発明に係る照射選択による入力装置の概要を示した模式図である。
【図４】本発明に係る照射選択による入力装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００８８】１：送光部
２０：受光部
２０Ａ：光線が照射されている受光部
２１：命令選択用受光部
２１Ａ：光線が照射されている命令選択用受光部
２１Ｂ：光線が照射されていない命令選択用受光部
２２：環境光検出用受光部
３：処理部
４：指向性を有する光線
５：操作者頭部
６：照射許可部
【図１】
2007190330.tif 000003
【図２】
2007190330.tif 000004
【図３】
2007190330.tif 000005
【図４】
2007190330.tif 000006