〔マイクロコンビュ ー タ応用実例〕

マイクロコンビュ ー タの盲導犬ロボットの研究における応用たち

すすむ舘

はじめに ー1.

暗い部屋に急に入った時や， 不意の停電時などに， 光がないといかに不安で不便であるかを経験したことがあるに違いない． ゆ っくりと注意深く動いてみ るけ れ ども， すぐに何か物にぶつかってしまう． そのとき感じたことを盲人は 一生の間， 感じ続けているのである． どこへ行くにしても， 自分たちを導いてくれる何かが必要である． われわれは暖かいまなざしを持ち続け た い と 思う．
身体障害者福祉法でいう身体障害者手帳を持つ視覚障害者は， 昭和51年3月現在で40万人に達するが， 実数はさらにこれを上回るものと思われる． そうした人たちの最も望んでいることは何であろうか． それは， 簡単に言えば歩行の問題（Orientation and Mobility〕とコミュ
ニケ ー ションの問題 （Com municatim）の解決である．
機械技術研究所では， 昭和52年度から5ヵ年計画で歩行誘導機械の研究を開始した． これは， ランドマ ー クを利用した機械の誘導技術， 人と機械の協調による障害物識別技術， 環境モデル作成技術といった基礎的な技術の確立を図ることにより前述の盲人の歩行の問題解決への手がかりを与えようとするものである．
歩行の問題を解決するために， 現在までに行なわれてきた盲人の歩行誘導手段とし て は， 大別すれば，（1）杖(2）盲導犬（3）超音波眼鏡， レ ー ザ杖などの装置の三つに分類できょう． その内（1）の杖は， 盲人が自立するための基礎ともなるべきもので， 残存機能の訓練による歩行技術を教える， いわゆるHuber Techniqueと密接な関係を持つものである． 盲人はこの杖を利用し， さらに残存機能を最大限に発揮して， 自分なりに頭の中に外界のある種の像（Mental Map）を作り出し． それにしたがって歩行する． どの歩行誘導手段を使うにしても， この種の訓練は必要不可欠である．
また（2）は犬の持つ優れたパタ ー ン認識と情報処理能力， 臨機応変の判断力などを利用する試みである． 本格的な訓練が始まったのは， ドイツのオノレテプノレクで1916年から， また米国では1日29 年に，Seeing Eye が設立されてから， さらに日本においては昭和 10年代後半の国立f機械技術研究所 システム部（東京都杉並区井草4-12ー 1)

瞳T

第 一病院での訓練が始まってからであるが， 古来， 優秀な犬が人を案内した例は数多い． この方式は動物の持つ優れた能力を使っているため非常に融通性に富み， 優れた歩行誘導手段ではあるが， また動物であるがため， そ“の 訓練ぺ“飼育”に莫大の労力を要する， すなわち，その訓練に耐え得る犬の数は極めて少なく， 昭和51年 2月現在で登録されている保有盲導犬は全国で 172頭にすぎない． また食事， 排f世， 手入れ， 病気などの問題が常にあり， 家族が 1人ふえた程度の手間がかかり， 都市化された環境， とくにマンション， アパ ー ト， 社宅などの住居では実際問題として利用することができない．
機器を利用して歩行を補助しようとする試みが（3）のレ ー ザ ー 杖や超音波眼鏡であるが， その中には超音波の反射音を盲人の耳に逐次フィ ー ドパックの形でかえしているため， 盲人に負担を与え， かえって残存機能までも奪う結果となることも少なくない．

エレクトロニクスの進展につれて， 眼鏡や杖の中に入れた回路で信号処理を行なって， 情報を取捨選択して盲人に送れるようにして行くことが， この方向の進展であろう． また， 遠い将来を見とおした研究 と し て は， 大脳の祝覚野に電極をうめ， 直接脳を刺激する人工眼球の研究があり， 英国や米国では人体を利用して実験しているが， 脳のメカニズム等が全く未解決に近い現在では， かなりの危険を含んでおり， 実用化にはほど遠いと思われる．
(3）の超音波眼鏡と人工眼球の中間段階の研究として，盲導犬の持つ機能を目標とした機械を開発することは，それなりの意義を有するものである． すなわち， 障害物識別用の情報処理機能を持たせることができるため， 盲人は障害物に関する情報の逐次フィ ー ドパッ ク を受けず， ある程度取捨選択された情報を利用で、きる したがって盲人は残存機能を十分に利用した上で， さらに機械からの情報も有効利用できる． また路上に機械が識別す‘るための目印（ランド マ ー ク）を設けるため， ある程度の道案内もできることなどである． さらに， これらの試みは， 例えば病院内や工場内の物品運搬用ロボットなどにも役立つであろう．
以下に， この計画の目標とするシステムの機能について説明し， 現在汎用実験用に用いているマイクロコンビ
ュ ー タシステムとそのインタ ー フェイスを簡単に紹介す5

盲人の速度に合わせて ロ ボットの速度を調報伝達， また障害物を検出した際の人間と機械の協力に盲人の前方1〔m〕の間隔を保つ制御と， 盲人があよる障害物認識と， それにもとずく障害物回避などを含る． さらに，整し，らかじめ設定された許容領域外にコ ー スずれをおこした
際に， 電気刺戟を利用して盲人に伝える機能を実現した試作1号機（MELDOG MARK I ）について， その ハー

以上の観点から盲導犬 ロ ボットシステムに求められる機能仕様を整理すると次のようになる．
(a）歩行の主導権は主人（盲人〉が持ち， ロ ボットにドウェアの概要と実験結果を紹介する．

2.

む．

有線のスイッチ操作で指令を与えて先導させる． そしてシステムの概要
盲導犬の機能を，（i）盲人の命令にしたがって直進， 左“折， 右折などを先導する 服従”

機能，(ii）障害物がある場合には盲人の命令にしたがわず停止し， そのことを盲“

人に知らせる かしこい不服従”

機能，｛iii)人間と犬＜機“械＞との情報伝達や， それらによる共同作業の マンマ”
シ ー ンコミュ ニ ケ ー ション 機能とに大別し， それらの機械による実現を図っている．
( i）は具体的には， 路上の交差点付近などの要所にランドマ ー クと呼ぶ目印を離散的に敷設し， 機械内に記憶したランドマ ー クに関するマップを利用して 盲人の命令を解読しながら先導し実現する．
(ii）は超音波素子や CCD カメラからの入力により障害物等の有無を機械が検出し， 盲人に知らせる機構である．
(iii）は人聞から機械への命令と， 機械から人間への情交差点ごとのランドマ ー ク上で一旦停止し， 位置修正を行ない， 主人からの次の指令（直進， 右 折， 左折， 停止）を待ち， それに従う． （図。
(h)
せ，

ロ
ロ

ボットの走行速度は， 主人の走行速度 に 合 わボットと主人の間隔を 一定に保ち， ロ ボットの後方に歩行領域を設定し， もしその領域外に出 た 場 合には， それを主人に知らせるための警告を与える．（図2)(c）路上に歩行通過不能な危険物， 障害物 の あ る 場
合， それを検出し， 主人の指令には従わず停止し， 主人に警告の情報を与える． 主人は残存機能や杖の他， ロ ボットをもセンサとして使い， 状況を判断し， 次の行動をおこす． （図3)但） あらかじめランドマ ー クを設置した地域については， その地図を読みこむことにより指定された目的地まで自動的に主人を誘導することもできる．
上記機能を満足する移動 ロ ボットは，

ω 移動方向制

御サプシステム， Oヨ） 中枢サブシステム，（C）動力サブシステム， 同 通信サブシステム， � 誘導サブシステ
ム， 刷障害物検出サプシステムなどのサブシステムを必要とする．
それらをまとめた概念図を図4に示す． 誘導サブシス
テムからのランドマ ー ク情報が前処理由路を通して中枢サブシステムに入札 中枢内の誘導情報処理装置内のマップとてらしあわされ， 移動制御装置に送られる． その結果停止すべき時には， 通信サブシステムを通して人にその旨伝えられる． 障害物検出サブシステムからの出力も前処理され中枢サブシステムに送られ， 人に危険な障一四

図1

6

服従の機能害物と判断された場合， 移動方向制御サブシステムに働らきかけて停止し 通信サブシステムを通して人に停止

図2

マスタ ー ガイド（ハ ー ネスの機能）

を呼びかける． 移動方向制御装置は， 通常は超音波距離

害物情報から停止を必要とする時にそ ー ドを切りカ通えて計測により主人の位置を検出し， 主人が止っていれば止中枢の支配下におくとしみ方式を採っている．

ったままで， 主人が歩くとその速度に合せて進行する．
そのモ ー ドは中枢サブシステムに負担をかけない形で行なわれる． すなわち， 通常はそれ専用の回路が動作し中‘枢サブ＼ンステムがそれを監視し， ランド マ ー ク情報や障3.

盲導犬ロボットにおけるマイクロコンビュ ータとそのインタ ー フェイス

3. 1

マイク口コンビュ ー タ

前述の概念図の中枢サブシステムをマイクロコンビュータで実現することを計画している． その場合， 通常の工業製品等の開発と違う大きな点として，（｜）全体のシステムがまだ未踏の部分を多く含み， したがって中枢サブシステムの処理も確定していない. (ii) 開発がサブシステム単位あるいは実現する機能単位で行なわれ， そのタイムスパンが年のオ ー ダ ー である，(iii）最終的には多くの機能を持つ多数のサブシステムを中枢サブシステムが統括管理しなければならない点である．
その結果として中枢サブシステムは， ソフトウェアの開発が容易で， しかもそのソフトウェアを簡単に拡張できることを必要とする． また， 多数の外部装置と容易にデ ー タの受けわたしができること， また多くのメモリを有することも必要となる．
また騒音を発せず安全であるとL、う盲導犬ロボッ トとしての制約から， その動力源が現在のところでは蓄電池となるため電力消費が少ないことが望まれる．
これらの条件をすべて満足する最適のマイクロコンピ（盲人）

ュ ー タは現在のところみあたらないように思われる． 電
力消費からすればCMOSを用いたコンピュ ー タ が よく， ソフトウェア開発の容易性， またその拡張性からす図3

ればミニコンピュ ー タをエミュレ ー トしたマイクロコン

かしこい不服従の機能

障害物検出サブシステム「ニニニニニニ.：：，，
11L!

ーd＝＝＝」
テ

動力サプンステム

盲導犬ロボット

図4

盲人

盲導犬ロボ ットの概念図

7

入力ゲ ー ト状面重視

ブレ ー キ（NO-OFF)( 1
コマンド（入力有輯）ランドマ ー ク（鍍近）コー スずれ（左右）国量産（許容範囲外）

人との距雄日司上）

障害物（宥輯）図5

インタ ー フェイスの概略

γグ用に用いている．

4.

人と 一 定位置関係を保つ移動ロポットの制御3)4. 1

MELD似； MARK Iのハ ー ドウェア

各種センサと情報処理装置を運ぶ移動本体は， 足移動方式を採ることが環境に対する適応性から好ましいが，現在のところそれは未解決の研究段階にある4）. したがって， MARK Iは車輪移動方式を採用して いる． 移動機構に要求される機能は， 離散的なランドマ ー クによる誘導的を考えているため（ i ）速度制御性のよいこと (ii)
同 一コ ー ス走行の繰り返し精度のよいこと (iii）小回りのきくことの3点である． この3点、について種々検討した
結果， 三輸方式前輸駆動操舵型を選択した． 写真1に試作したロボットの概観を示す．
4. 1. 1 速度制御部
軽量化のため前輸ドラム内に組み込んだ直流プリント
モ ー タをオンオフ制御により駆動する． 制御のためモ ータ軸に取り付けけたェγコ ー ダからの信号と速度指定電圧を V-f変換した基準信号とをPLLで比較し， それにより加速・減速信号を作り出す． そのプロ ック図を

写真1

MELDOG MARK lの概観
9y・コ ー スずれ
晶n－ー

スタ ー ト地点

11111110＇・(1.63 ）

←X
1伽n

5ードー1

写真211111111(0.82")
00000000( 0・ ）

I6ト－2oo醐001・(-0.82 ）2 ト－酬0010（ー1.63＇・ ）I

図9ステアリング角2

コ ー スずれ3

コ ー スずれの評価

MARK Iによる実験（ロボット後方に設定した歩行領域， 図lO(B）外に人が出た場合， それにたいする警告を盲人の残存機能を制限しない方式で伝達する）の二つに分けて行なう． この機能を持つ装置をここではマスタ ガイドと呼ぶ．
4.2. 1 マスタ ー ガイドの構成
ー

ロボットから発せられた40〔kHz〕のパルスはコミュ
ニケ ー ションコ ー ドを通り， 盲人のベルトに取り付けらス
れた送信素子で超音波パルスとなる． 送信されたパルが左右受信素子へ到着するまでの時聞から，j定する.

ri, r 2を測

a, r i , r 2 から次式でR, 81, 82に関す る情報を得る．
)/2Ree( +cos 8 1 = (a + r 12 - r 22 ) /2r1a2

cos8 2 = (a2 + r 22 - r の ／2r2a

したがって， Rと基準値との偏差を利用してRがーII布マイクr』一一一一� －60<,桐一一一ー・吋

A区ヤイタ

バ 叫I

却（cm)

i40
160

64I d80

a－1帥

－t1却。

141曲1帥

L3'

盟加。

・・一理畠特性ー一実輔特例：(B）｛立置測定
図12

マスタ

ー

ガイドの特性て盲人が左右に体を転回して正しい位置を保つ．
4.2.2

マス

マスタ

タ ー ガイドの実験結果

5.

おわりにとして， 人間と ボット

人の機能を機械で倣ねることは人類の永遠の興味であ間の距離測定の結果を 図12似）に示す． これは一定間隔り， 動物の機能と言えども， たやすく実現されるもので1〔m〕との距離の偏差が 一定値はない． 本研究は機械は機械としての特徴を生かしながーガイドの動作の第として 1〔m〕を設定しーロとなる点を送信素子を移動して求めたもので， 図の点線ら全体のシステムとして動物， 特に盲導犬の持つ， “服の理論特性とは近距離における 0〔deg〕付近 のへこみと， ±90〔deg〕付近のずれを除けばよく一致していることがわかる．
次に図12(B）にロボット後方の歩行領域の評定結果を示す．これは図中の調整点Li ～La, R1 ～ Raで理想的になるように回路を調整した場合の結果で，最大誤差7〔cm〕以内に領域を設定でき， 実用上十分であることを示している．
4.23.

人の誘導実験

移動本体， マス タ ー ガイドを総合して実際の人の誘導の屋外実験を行なった． 写真2に示した位置関係で ロ ボ
ットは人の歩行に合わせて一定間隔を保って走行し， また人が歩行領域外に出た場合， コー スずれ警報が発せられるのが確認できた． その警報は湿式表面電極による電気刺激を腕に与えることで実験した． 写真3 は人がゆっくり歩いた時の ロ ボットの速度と偏差2ムRの記録である．人がスタ ー トしたあと，2ムRがプラ ス の値になるとロボットは走りはじめ，定常走行時 2 ム R は 10 土 5〔cm〕程度に保たれ， ロ ボットの速度はほぼ3〔km/h〕となり，定間隔が保たれている． この持， 人と ロ ボットの速度一は一致している．

写真3

速度追従実験結果
13