1．は じ め に 現在，電動車いすの主な操作インタフェースとして用 いられているのが，ジョイスティックである。しかし， 不随意運動がある脊髄損傷者には希望通りのジョイス ティック操作が困難である。また，筋ジストロフィー患 者には，筋力が低下しているためジョイスティックを操 作すること自体が不可能である。このように，障害が重 くてジョイスティック操作ができなくても，指先，舌， 頭などのかすかな力でスイッチを押すことができる人は 多い。そこで，重度の障害者には，わずかに残された残 存機能で操作できるスイッチ操作が用いられている。さ らに，障害が重度になるにつれ，利用できる操作インタ フェースは限られている。そこで，本研究では，電動車 いすの操作インタフェースの 1 つとして音声を利用する ことを考える。インタフェースとしての音声指令は，① 自然言語と動作の対応づけを上手くすれば，フレキシブ ルな操作が可能である。例えば，ある指令を出すと次の 指令が出るまで，その動作をし続けるラッチモードやあ る時間だけ動作を行うモメンタリーモードおよびその組 合せによるハイブリッドモードの実現は容易である。ま た，操作するための訓練が少なくて済む。②操作時の姿 勢の自由度が大きい。つまり，発声ができれば特定の姿 勢を保持し続ける必要がない。③スイッチ操作は，指令 数が増えるにつれ，スイッチ数を増やさなければならな いが，音声指令ではその必要がない等の利点がある。こ のような利点に着目して，かなり以前から音声指令によ る電動車いすの走行の研究が行われてきたが1)–3) ，まだ 試作段階で基礎的実験にとどまっている。 本研究で考えている走行システムを Figure 1 に示す。 まず，搭乗者が音声で指令を出し，それを，市販の音声 認識ボードでテキスト形式の指令に変換する。次にテキ スト形式の指令をコンピュータで受け取り，制御信号を 車いすへ送るものである。 本報告は，実機にパソコンを積み込んだシステムでの 実験に先立ち，電動車いすの部分をシミュレータにおき かえ，屋外走行を想定した基本コースと市街地コース， 屋内の狭い空間を想定した障害者用トイレでの音声指令 走行実験を行い，それぞれの場合における指令語選択の 立場から問題点と解決策を検証したものである。最終的
電動車いすシミュレータによる音声指令走行実験
小宮加容子 *
Running Tests by Voice using the Simulator of Powered-Wheelchair
Kayoko KOMIYA*
This study aims at the realization of running a powered-wheelchair safely and comfortably by voice commands. Usual input forms of a powered-wheelchair are joystick or switch button pushed by fingers, a head or tongs. This report discussed characteristics of voice input and differences among these input forms. Next, the tests of running using the simulator of powered-wheelchair are stated. This simulator has courses both in out door and indoor. Results of running of powered-wheelchair by voice shows what problems to be solved in running by voice depending on different environ-ments.
Vol. 38, No. 1, 2004
*機械デザイン工学科 助手
に，マクロ指令語等の提案を行い，その有効性を確かめ た。 2．実 験 環 境 実験環境を Figure 2 に示す。シミュレータをプロジェ クタにつなぎ，前方にあるスクリーンへ仮想の空間を表 示する。被験者は，これを見ながら走行を行う。この実 験の被験者は健常者である。 2.1 シミュレータシステム構成 システム構成を Figure 3 に示す。ジョイスティックま たは音声指令で操作を行う毎にシミュレータへ操作信号 が送られる。操作信号は，方向制御と速度制御の 2 つの 信号（0 V5 V の電圧）が送られ，その電圧変化により 車いすのタイヤの回転速度が変化する。 今回使用した（株）三菱プレシジョン製のシミュレー タの構成は，直線，旋回，クランクの基本コースと市街 地コース，障害者用トイレコースからできている。入力 方法としては，ジョイスティック，キーボード，音声入 力が可能であり，キーボード入力の場合はむだ時間を挿 入することができる。データとしては，操作入力，車い すの速度，重心位置，キャスター角など 16 種類の変数 が 0.1 秒間隔で記録され，結果表示は車いすの走行軌跡 が 10 秒間隔ごとに色を変えて表示される。 2.2 音声認識ボード (PARROTBOARD-NTT-IT) 音声認識ボードの仕様を Table 1 に示す。この音声認 識ボードは特定話者対応なので，事前に個人ごとに単語 登録をして認識辞書を作成しておく必要がある。今回の 実験では，1 つの指令語につき 5 回ずつ登録し，そのい ずれかに一致すれば認識できたと判断させて，認識率を 高めている。 2.3 指令語 今回の実験で用いる指令語は，基本語選択テストの結 果得られた，高使用頻度の単語である4) 。「まっすぐ」， 「右」，「左」，「ストップ」，「ちょっと右」，「ちょっと左」 に危険回避の為の「後進」の 7 語である。今回の実験で は電動車いすの走行速度は一定としているので，「ちょっ と右（左）」は，回転角度に対する命令であり，各方向 に予め設定しておいた指定の角度分回転する。各指令語 に対する電動車いすの動きを Table 2 に示す。つまり，走 行モードはラッチモードである。 3．シミュレータを用いた屋外走行テスト 3.1 基本コース 操作方法は音声指令，キーボード入力および音声認識 処理に要する時間と同等のむだ時間約 1 秒間を持った キーボード入力の 3 通りで行った。最大走行速度は約 1.0 km/hである。 実験結果を操作方法別に所要時間，指令回数，音声認 識ミスの項目について Table 3 に示す。
Fig. 2. Experimental system.
Fig. 3. Simulator system.
どの入力方法でもほぼ同じの走行精度かつ所要時間で 走行できている。これは，走行速度が約 1.0 km/h と低速 だったので，音声認識による時間遅れが悪影響を与えな かったからだと考えられる。 音声指令走行軌跡のコース中心からのずれ面積による 評価を Figure 4 に示す。この円グラフは，初心者レベル の複数の人がジョイスティック操作をした場合の平均値 を標準として，そのばらつきを標準偏差の幅でリングを 画いたものである。外へいくほど評価が良く，中心に近 いほど評価が良くないことを示す。Figure 4 は，直線走 行とクランク走行は精度が良かったが，旋回走行の精度 が良くなかったことを示している。 3.2 市街地コース 走行コースは，Figure 5 に示す横断歩道や Figure 6 に 示す自転車などの障害物がある市街地を 1 周（約 130 m） するコースである。コースは傾斜，凸凹などが設定され ている。走行速度は 1.0 km/h で，入力は音声で行った。 実験結果を Figure 7 に示す。旋回時に蛇行が見られたの で，方向転換の時だけ減速するように改善し実験を行っ た。例えば，「右」と指令をだすと自動的に 1.0 km/h か ら 0.6 km/h に減速する。改善後の実験結果として，走行 軌跡を Figure 8 に示す。Figure 7 と比べて，最初の右折 も蛇行せずに走行していることがわかる。その結果，旋 Table 2. Definition of command.
Table 3. Experimental result.
Fig. 4. Squared error of running by voice.
Fig. 5. Pedestrian crossing. Fig. 6. Obstacle. Fig. 7. Locus. (Constant speed) Fig. 8. Locus. (Speed down at turning)
回時に減速するにもかかわらず全体的に良い走行精度で 走行でき，コース 1 周にかかった所要時間は短縮された。 さらに所要時間を短縮するために，今までの基本指令 語に走行速度を調整するための指令語として「速く」と 「遅く」を追加した。走行速度は，指令語「まっすぐ」 は 1.0 km/h，指令語「速く」は 2.0 km/h，指令語「遅く」 は 0.6 km/h に設定した。その結果，追加前と同等の良い 走行精度で走行を行い，かつ所要時間は半減した。 以 上 3 種類の実験について所要時間の比較を Figure 9 に示 す。指令語「速く」，「遅く」を追加することによって 400秒ほど短縮された。 4．シミュレータを用いた屋内走行テスト 室内走行で問題となるのは狭い空間での走行である。 狭い空間はトイレばかりでなく，扉の通過，キッチンで の移動，障害物の回避など日常的走行で頻繁に遭遇す る。狭い場所で基本指令語 7 語だけでどの程度の走行を 行うことができるのか，どのような問題点があるのか本 章で検討する。 4.1 実験環境 障害者用トイレを模擬した狭い空間を Figure 10 に示 す。このトイレの規格は，東京都が指定する標準的障害 者用トイレを参考にしている。画面表示として，搭乗者 の真上からの視線による平面画面を Figure 11，搭乗者の 視線による視線画面を Figure 12，搭乗者の斜め上からの 鳥瞰視線による鳥瞰画面を Figure 13 の 3 通りがある。実 験は，平面画面を用いた。この理由は，真上からの視線 のため壁および便器までの距離が視認でき，自分の位置 も確認できるので，もっとも操作しやすいと考えられる からである。しかし，この表示画面だと壁面が固定して いるので，搭乗者の向きが反転すると左右が逆転するの で指令語の選択に慣れが必要であった。その点，搭乗者 の視線による視線画面の利用が良いが，目標までの距離 把握が難しいのでやや大きな動きとなり，予めテストし た結果では大きな相異はなかった。 4.2 便器へのアプローチ 便器へのアプローチ経路は，障害者によって異なる。 本実験では，便器への車いすの位置，向き，出入口にお ける車いすの向きをパラメータとして 15 コースを選び， 走行を行った。コースの例を Figure 14 に示す。 4.3 実験結果例と考察 この 15 コースによる音声指令走行テストを走行速度 Fig. 9. Comparison of time needed.
Fig. 10. Plan of toilet for the disabled person.
Fig. 11. Example in top.
Fig. 12. Example in perspective.
Fig. 13. Example in a bird’s eye view.
は約 0.18 km/h (5 cm/s)で行った。 コース別の走行テスト結果を Figure 15 に示す。所要 時間，指令回数，衝突回数，認識ミス回数はコース毎の 変化が大きい。 走行成績を代表する所要時間は，コースの難度と搭乗 者の操作方法によって決まると考えられる。そこで，特 性値として，指令回数 (X1)，衝突時間 (X2)，認識ミス回 数 (X3)，走行距離 (X4)，バックの距離 (X5)，前後切り換え の回数 (X6)の 6 つを考えて，所要時間を重回帰式として 表してみた。その結果は， 所要時間60.35.7X11.0X28.5X318.0X4 54.3X59.4X6 (1) である。この式をみると，後進距離 (X5)の係数が，特に 正の大きな数値である。このことから，後進距離が所要 時間に与える影響が大きく，後進距離が長いほど所要時 間が長くなることがわかる。さらに，走行距離 (X4)と前 後切り換えの回数 (X6)の係数が負の数値である。同じ目 的地までのコースでも，前後切り換えしをすると，後進 距離が短くなるが，切り換えしの動作のために走行距離 は長くなる。これらのことより，後進で走行せずに， コースの途中で前後切り換えを行い，前進で走行する方 が所要時間は短くなることがわかる。 コース 3 を例にとり，音声指令による走行軌跡を詳細 に画いたものを Figure 16 に示す。Figure 16 は真上から の視線によって走行した結果である。Figure 16 は，a, b, cの 3 枚の図からできる。a は往復における走行軌跡で 10秒毎の時間目盛りが記入されており，b には指令が発 せられた位置，c には衝突の起きた位置が記入されてい る。また，この図で前進は太線で後進は細線で区別して いる。 Figure 16か ら ， Figure 14 に 示 し たコース 3のス テップ②③④⑤におけるバックしながら方向転換に時間 と指令がいかに多く費やされているのかが読み取れる。 この理由は，ジョイスティック操作なら容易に進める斜 め方向への動きが自由にならない。また，微小距離の移 動も容易でない。幅寄せのような平行移動も苦手なよう である。 以上をまとめると，精度の良い走行をするためには， 前後切り換えしを行い，出来るだけ前進で走行する方が 良い。しかし，基本指令語だけによる走行には，以下の Fig. 14. Typical courses.
問題点があるため改善が必要であることが明らかになっ た。 (1) 斜め後方への後進 (2) 微小距離の移動 (3) 幅寄せ 4.4 指令語の追加 実験結果よりわかった 3 つの問題点を改善するために， 指令語の追加を行う。追加した指令語の一覧を Table 4 に示す。動作例として，指令語「ちょっと右後ろ」と 「幅よせ右」の動作を Figure 17 に示す。 以下に問題点の改善のために追加した指令語について まとめる。 改良点 1：斜め後方への後進 基本指令語には，後進についての指令は指令語「バッ ク」だけであった。そこで，指令語「ちょっと右後ろ」， 「 ち ょ っ と 左 後 ろ 」 を 追 加 す る 。 Figure 18 に 指 令 語 Fig. 16a. Locus of running and
lapse.
Fig. 16c. Locus of running and points of collision.
Fig. 16b. Locus of running and points of command.
Table 4. Definitioon of command.
Fig. 17. Motion of wheelchair by commands newly added.
「ちょっと右後ろ」の走行距離（Y 座標）を示す。指令 に対する車いすの動作は，まず，右（左）回転し，その 方向へそのまま後進する。 改良点 2：微小距離の移動 基本指令語は，指令を出すと次の指令がでるまで，そ の動作をしつづける。そのために，微小距離の移動が難 しい場合がある。そこで，前後進については一定距離だ け走行した後必ず停止し，回転については一定角度だけ 回転した後必ず停止する指令語を追加する。Figure 19 に 5 cmから 30 cm だけ前進する指令を用意し，それらの指 令語で走行した際のデータ記録を示す。この結果から， 微小距離だけ走行するための指令語が実現できることが わかる。 そこで，指令語「10 cm まっすぐ」，「10 cm バック」， 「20 度右」，「20 度左」のマクロ指令語を追加する。例え ば，指令語「10 cm まっすぐ」は，指令をだすと約 10 cm だけ前へ進み停止する。次に，指令語「20 度右」は，指 令をだすと約 20 度右へ回転し停止する。 改良点 3：幅寄せ 指令語「幅寄せ右」，「幅寄せ左」を追加する。これ は，指令をだした時の車いすの位置から，右（左）へ任 意の距離だけ移動を行う。そのために，4 つの基本指令 語を連続して，1 つの複合指令語にしている。 例えば，「幅寄せ左」という指令をだすと，まず，指 定の角度左回転する。次に，回転した方向へ前進する。 つづけて，最初の左回転と同じ角度分だけ右回転を行 う。最後に，前進した距離と同じ距離だけ後進する。 Figure 20 に指令語「幅寄せ左」の走行軌跡を示す。 改良点 4：旋回 出入口や便器の隣への進入の際に，安全かつスムーズ に進入できるように，指令語「旋回右前」，「旋回左前」， 「旋回右後ろ」，「旋回左後ろ」を追加する。Figure 21 に 指令語に対する車いすの動作を示す。これは，指令をだ すと，片方の車輪は停止させたまま，その車輪を軸に回 転する。車いすの動作と指令の対応付けは，「旋回 軸 となる車輪（右 or 左） 旋回方向（前向き or 後向き）」
Fig. 18. Motion of wheelchair by “chotto-migi-usiro”.
Fig. 19. Motion data of macro command “go some steps”.
Fig. 20. Locus of running (“habayose-hidari”).
としている。例えば，「旋回右前」という指令がでると， 右車輪を軸に前向きに旋回する。それに対し，「旋回右 後ろ」は右車輪を軸に後向きに旋回する。 以上，基本指令語に新たに指令語を追加した 19 語を 用いて走行実験を行う。 コース 3 を例にとり，音声指令による走行軌跡を詳細 に画いたものを Figure 22 に示す。Figure 16 と同様に，真 上からの視線によって走行した結果である。実験結果か ら，指令語の追加を行う前の結果 (Figure 16) と比べると， 壁などへの衝突はなく，良い走行精度でかつ全体的に同 じ速度で走行することができた。さらに，基本指令語と 指令語の追加後の実験結果における所要時間と指令回数 の比較を Figure 23 に示す。所要時間，指令回数ともに 追加後の方が少なくなっていることが分かる。この理由 としては，便器へアプローチするために追加前は時間と 指令を多く費やしていたが，追加後は「旋回右後ろ」を 用いることで，便器の前方を便器に沿うように旋回する ことができ，さらに指令語「幅寄せ左」を用いることで， 便器への幅寄せが少ない指令回数でできるようになった からである。この結果から，操作の負担を減らすことが できたと考えられる。 また，出入口へ進入する際も，指令語「旋回左前」を 用いることで，衝突もなくスムーズに進入することがで きた。これらの結果，指令回数と所要時間が小さくなっ たうえ，安全に走行できるようになった。 以上をまとめると，狭い場所での走行では，後進に対 する指令語，微小距離を移動する指令語，幅寄せを行う 指令を追加することにより，安全かつ操作しやすい走行 が可能となることがわかった。 5．お わ り に 本報告は，実機による走行実験に先立ち，電動車いす シミュレータを用いて屋外走行を想定した基本コース， 市街地コースおよび室内走行を想定した障害者用トイレ コースの 3 種類のコースについて音声指令走行実験を 行った結果を述べ，それぞれの場合における指令語選択 の立場から問題点と解決策を提案し検証した。 主な結果は， 1) 基本コースは基本指令語のみで走行できる。 2) 市街地コースでは速度調整の指令語の追加が必要で ある。 3) 障害者用トイレコースでは後進のための指令語，マ クロ指令語，複合指令語の追加が必要である。 Fig. 22a. Locus of running and lapse.
Fig. 23. Improvements of running.
4) 基本はラッチモード走行であるが，モメンタリー動 作を部分的に導入したハイブリッド･モードが有効で ある。 なお，本研究は一部，福岡県飯塚市から研究助成を受 けた。記して感謝する。 文 献 1) 田川善彦，電動車の音声制御—電動車いすへの応 用を目的として—，第 3 回バイオメカニズム学術講 演会，(1982), 227–230. 2) 手嶋教之，シミュレーションによる電動車いすの効 率的な音声操作法，日本機械学会ロボティクス・メ カトロニクス講演会 ’97 講演論文集，(1997), 1015– 1016. 3) 小河原加久治・上田忠雄・内村 諭，音声指令走 行のためのコマンドモード比較，日本機会学会論文 集，(2001), 235–240. 4) 小宮加容子，守田 圭，景川耕宇，黒須顕二，音 声指令による電動車椅子の走行—その 1 マイクロロ ボット･ケペラを用いた基本走行実験—，ヒューマ ンインタフェースシンポジウム ’99 論文集，(1999), 277–280.
