電動車椅子
【課題】雑音中であっても正確に使用者の発生する操作用の音声を聞き取り、それに基づき制御する電動車椅子を提供する。
【解決手段】電動車椅子は、ユーザ音声をマルチチャンネルで複数受音するために任意数のマイクロフォンを設けたマイクロフォンアレイ３０ａ、３０ｂを複数個相互に離間して配置してなる受音手段を備えた音声入力手段と、３次元空間中の任意の位置に配置された前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づいてＭＵＳＩＣ法によりユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、前記発声位置推定信号に基づき車輪３５ａ、３５ｂ、３６ｂの駆動源を制御する制御手段を有する。
【解決手段】電動車椅子は、ユーザ音声をマルチチャンネルで複数受音するために任意数のマイクロフォンを設けたマイクロフォンアレイ３０ａ、３０ｂを複数個相互に離間して配置してなる受音手段を備えた音声入力手段と、３次元空間中の任意の位置に配置された前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づいてＭＵＳＩＣ法によりユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、前記発声位置推定信号に基づき車輪３５ａ、３５ｂ、３６ｂの駆動源を制御する制御手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
自分の意思で自分の行きたいところへ行くという自立移動は、人にとって重要な生活機能である。重度の障害により、身体機能に制限がある場合、自立移動の実現は、生活や精神的側面に絶大な効果を発揮する。本発明は、このような自立移動を支援するために、声や「スー」という摩擦音、また口笛など音をある程度発することができ、更に目的の方向に首や上半身を使って口先などの音源位置を移動することができる障害者を対象として、発声位置を推定しその情報に基づいて電動車椅子の操作をする発声位置推定方法およびそれを用いた発声位置推定装置、電動車椅子に関する。
【背景技術】
【０００２】
音声により制御可能な電動車椅子に関する先行技術として特許文献１や特許文献２などがあるが、いずれも音声の入力装置としてシングルマイクロフォンの使用を前提としている。よって、このような先行技術では、ユーザ音声の発声位置を検出することは不可能であり、電動車椅子を制御するためには、音声認識技術と組み合わせる必要がある。
【特許文献１】特開２００３−３１０６６５号公報
【特許文献２】特開平６−２２５９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
様々な環境騒音が存在する実環境下において、音・音声を用いたインタフェースにより電動車椅子を操作する場合、雑音に対する頑健性が必要不可欠である。従来のシングルマイクロフォンから入力される音声で制御する電動車椅子では、雑音の混入を抑えるためにヘッドセットなどの接話型マイクロフォンが広く用いられている。しかし、ヘッドセットマイクロフォンは、電動車椅子を使用する度に装着する必要があり、また使用中に位置がずれた場合は、自分でその位置を修正する必要がある。これでは、例えば、手を自由に動かすことが困難な障害者などにとって、必ずしも実用的とは言えない。また、車椅子制御に音声認識を用いる従来技術では、ユーザが識別可能な音声を発声できることが前提となるが、重度の障害を持つ障害者の中には、明瞭な音声を出すことが困難な場合もある。
本発明の目的は、上記従来例の欠点に鑑み、雑音中であっても正確に使用者の発生する操作用の音声を聞き取り、それに基づき制御する電動車椅子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記課題を解決するために以下の解決手段を採用する。
（ａ）電動車椅子は、ユーザ音声をマイクロフォンアレイで受音する音声入力手段と、そのマルチチャネル音声データから、周囲雑音に対して頑健なユーザ音声の発声位置推定手段と、ジョイスティックと緊急停止ボタンによる補助操作手段と、ユーザ音声の発声位置推定結果や車椅子の状態を視覚的に示す表示手段と、車椅子の車輪を駆動する駆動手段と、前記推定した発声位置に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段を有することを特徴とする。
（ｂ）ユーザ音声の発声位置推定方法および発声位置推定装置は、平行マイクロフォンアレイを用いることを特徴とする。
（ｃ）電動車椅子は、マイクロフォンアレイを用いてユーザ音声の発声位置を推定し、それに基づいて操作および制御される。
具体的には、以下の手段を採用する。
【０００５】
（１）電動車椅子は、ユーザ音声をマルチチャンネルで複数受音するために任意数のマイクロフォンを設けたマイクロフォンアレイを複数個相互に離間して配置してなる受音手段を備えた音声入力手段と、３次元空間中の任意の位置に配置された前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づいてＭＵＳＩＣ法によりユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、前記発声位置推定信号に基づき車輪の駆動源を制御する制御手段を有し、前記発声位置推定手段が、座標Ｐ＝（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）にある音源の位置ベクトルａ（ω，Ｐ）と、マイクロフォン入力の連続するフレームの短時間フーリエ変換値を要素とした観測ベクトルを求め、前記観測ベクトルから相関行列Ｒ（ω）の雑音部分空間相関行列Ｒｎ（ω）を求め、下記数１式の関数Ｆ（Ｐ）を計算し、
【数１】
関数Ｆ（Ｐ）を最大にする座標Ｐ０＝（Ｐｘ０，Ｐｙ０，Ｐｚ0）を求め、その座標Ｐ０から最大値Ｆ（Ｐ０）を求め、その座標から到来する音源のパワーを下記数２式の関数Ｐ（Ｐ０）により求め、
【数２】
求めた関数Ｆ（Ｐ０）と関数Ｐ（Ｐ０）の値を所定の閾値と比較し、ともに所定の閾値以上で有る場合に前記座標Ｐ０において発音があったと判断するようになっていることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の電動車椅子は、前記音声入力手段は、ユーザがシートに座ったときにユーザの両側にそれぞれ配置されるマイクロフォンを含むことを特徴とする。
（３）上記（２）記載の電動車椅子は、前記複数個相互に離間して配置してなるマイクロフォンアレイを、互いに平行配置したマイクロフォンアレイとしたことを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の電動車椅子は、ユーザ音声を受音するために相互に離間して配置した複数のマイクロフォンアレイからなる受音手段を備えた音声入力手段と、前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づきユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、座標位置指定手段および停止ボタンにより補助操作信号を出力する補助操作手段と、前記発声位置推定信号および車椅子の状態を視覚的に示す画像表示手段と、車椅子の車輪の駆動源を駆動制御する駆動手段と、前記発声位置推定信号および前記補助操作信号に基づき前記駆動手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
車椅子に固定されたマイクロフォンアレイを用いることで、ユーザはコードや機器を一切身につける必要がなくなり、電動車椅子の利用が容易になる。
このため、手を自由に動かすことが困難な障害者などが使用しても、マイクロフォンの装着やマイクロフォン位置の修正などの手続きを必要としない実用的な電動車椅子が実現される。
平行マイクロフォンアレイ音声入力装置を利用することで、周囲に妨害雑音が複数存在しても、ユーザの発声位置を推定することが可能になる。
そして、その発声位置を利用して電動車椅子を制御することが可能になる。
このため、ユーザは明瞭な音声を発声する必要はなく、例えば、不明瞭な音声、「スー」という摩擦音、また口笛などであっても、そのような音をある程度発することができ、更に目的の方向に首や上半身を使って口先などの音源位置を移動することができさえすれば、本発明の電動車椅子が利用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
以下、本発明の電動車椅子の実施形態について説明する。なお、以下に示す電動車椅子は、本発明の一実施形態であり、当該実施形態に限定されるものではない。
図１は本実施形態の電動車椅子の外観図、図２は図１に示す電動車椅子の機能ブロック図である。図１に示すように、電動車椅子、例えば、２つの後輪３６ａ（図示省略）、３６ｂ、２つの前輪３５ａ，３５ｂ、後輪３６ａ、３６ｂの上方に設置されたシート３７と背もたれ４０、背もたれ４０の両側に設置された肘掛３３ａ，３３ｂ、前輪３５ａ，３５ｂの前方に設置された足置き４１ａ、４１ｂを有する。肘掛３３ａにはディスプレイ３１が、そして肘掛３３ｂにはジョイスティック３２と緊急停止ボタン３４がそれぞれ固定されている。背もたれ４０には、支柱４２ａ、４２ｂを介して取り付け金具を設けた調節バー３９を取り付ける。支柱４２ａおよび４２ｂと、取り付け金具を設けた調節バー３９によりスタンド金具を構成する。調節バー３９に設けた取り付け金具に、マイクロフォンアレイ３０ａ、３０ｂを先端部分に設けたマイクロフォン取付体３０ｃ、３０ｄを摺動自在に設ける。
一対のマイクロフォン取付体３０ｃ、３０ｄは、平行に配置され、ユーザの背後から両肩上を通ってユーザの口元より先まで達する程度の長さを持ち、その上にマイクロフォンを配置できるようにする。
また、図２に示すように、電動車椅子は、例えば、２本のマイクロフォンアレイ３０ａ，３０ｂで構成する平行マイクロフォンアレイ、マイクロフォンアンプとＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）６１が本発明の平行マイクロフォンアレイ音声入力手段、ディスプレイ３１が本発明の表示手段、ＣＰＵ（中央演算処理装置）ボード６３、記憶装置６４が本発明の制御手段、駆動制御６５、駆動モータ６７が本発明の駆動手段、ジョイスティック３２や緊急停止ボタン３４などの操作スイッチ６６が本発明の操作手段にそれぞれ対応している。ＣＰＵ６３と駆動制御６５は、シリアルケーブル６９で接続する。
【０００８】
（平行マイクロフォンアレイ音声入力装置）
音声入力手段は、ユーザ音声を受音するために相互に離間して配置した複数のマイクロフォンアレイからなる受音手段を備える。
図１および図２に示した平行マイクロフォンアレイ音声入力装置の構成について、以下に説明する。図１に示すように、マイクロフォンを取り付ける２本の金具３０ａ，３０ｂは、一端をスタンドの金具３９に固定し、任意の間隔、例えば３７ｃｍの間隔で平行に背後から両肩上を通ってユーザの口元より先まで達する程度の長さを持ち、左右それぞれの金具上に任意数、例えば４つのマイクロフォン（計８個）を任意の間隔、例えば３ｃｍ間隔で配置している。走行中の振動に対しては、制振機構、例えば２本の支柱４２ａ，４２ｂの下にショックアブソーバを入れ、更にその２本の支柱を繋ぐ金具の中央に上下に移動可能な金具を取り付け、そこにスプリングを入れる等により上下の振動を吸収する機構を用いる。また、必要に応じて、前記上下移動可能な金具を挟んで左右にもスプリングを入れることで、横方向の振動を吸収する。マイクロフォンスタンドの高さ・幅およびマイクロフォンの位置は使用者毎に調整可能となっている。
図２に示すように、音声入力手段は、平行マイクロフォンアレイ３０ａ、３０ｂと、マイクロフォンアンプとＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）６１を有する。
受音手段は、少なくとも複数のマイクロフォンを備え、好ましくは多数個のマイクロフォンをアレイ状に配置したマイクロフォンアレイが好ましい。また、マイクロフォンの配置方向は、少なくとも相互に離間して、音源からのベクトルが異なるようにする。さらに好ましくは、マイクロフォンがユーザの両側に配置されていることが好ましい。このようにユーザの両側に配置されることにより、ユーザの音声入力が容易に且つ明瞭になる。
【０００９】
（発声位置推定手段と制御手段）
ＣＰＵ（中央演算処理装置）ボード６８は、ＣＰＵを搭載したボードからなり、発声位置推定手段および制御手段を含む。発声位置推定手段および制御手段は、ＣＰＵボード６８に接続される記憶装置６４を備える。
発声位置推定手段は、前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づきユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する。
制御手段は、前記発声位置推定信号および前記補助操作信号に基づき前記駆動手段を制御する。
ＡＤＣ６１とＣＰＵボード６３はＵＳＢケーブル６８を介して接続し、マイクロフォンアンプおよびＡＤＣ６１の電源はＣＰＵボード６３から供給する。サンプリングレートは任意に設定でき、例えば８ｋＨｚとし、量子化ビット数は任意に設定でき、例えば１６ｂｉｔとする。処理精度を上げるときには、サンプリングレートおよび量子化ビット数を上げる。
【００１０】
（補助入力手段）
補助操作手段は、操作スイッチ６６で代表され、例えばジョイスティック（図示省略）からなる座標位置指定手段、および、緊急停止ボタン（図示省略）により補助操作信号を出力する。
【００１１】
（画像表示手段）
画像表示手段は、ディスプレイ３１を有し、前記発声位置推定信号および車椅子の状態等を視覚的に示す。
【００１２】
（駆動手段）
駆動手段は、駆動制御装置６５を備え、車椅子の車輪の駆動源である駆動モータ６７を駆動制御する。
【００１３】
（発声位置推定）
上記発声位置推定手段による、複数の受音手段を備えた音声入力装置からの入力信号を用いた発声位置推定処理について、以下に説明する。
3次元空間中の任意の位置
【数３】
に置かれた点音源から出力された音響信号を、3次元空間中の任意の位置
【数４】
に配置されたＱ個のマイクロフォンで受音する。点音源と各マイクロフォン間の距離Ｒｑは次式で求められる。
【数５】
点音源から各マイクロフォンまでの伝播時間τｑは、音速をｖとすると、次式で求められる。
【００１４】
【数６】
各マイクロフォンで受音した中心周波数ωの狭帯域信号の、点音源のそれに対する利得ｇｑは、一般的に、点音源とマイクロフォン間の距離Ｒｑと中心周波数ωの関数として定義される。
【数７】
中心周波数ωの狭帯域信号に関する、点音源と各マイクロフォン間の伝達特性は、
【数８】
と表される。そして、位置Ｐ０にある音源を表す位置ベクトルａ（ω，Ｐ０）を、次式のように、狭帯域信号に関する、点音源と各マイクロフォン間の伝達特性を要素とする複素ベクトルとして定義する。
【００１５】
【数９】
発声位置推定はＭＵＳＩＣ法（相関行列を固有値分解することで信号部分空間と雑音部分空間を求め、任意の音源位置ベクトルと雑音部分空間の内積の逆数を求めることにより、音源の到来方向や位置を調べる手法）を用いて、以下の手順で行う。ｑ番目のマイクロフォン入力の短時間フーリエ変換を
【数１０】
で表し、これを要素として観測ベクトルを次のように定義する。
【数１１】
ここで、ｎはフレーム時刻のインデックスである。連続するＮ個の観測ベクトルから相関行列を次式により求める。
【数１２】
【００１６】
この相関行列の大きい順に並べた固有値を
【数１３】
とし、それぞれに対応する固有ベクトルを
【数１４】
とする。そして、音源数Ｓを次式により推定する。
【数１５】
雑音部分空間相関行列Ｒｎ（ω）を次のように定義し、
【数１６】
【００１７】
周波数帯域
【数１７】
および発声領域Ｕ
【数１８】
として、
【数１９】
を計算し、関数Ｆ（Ｐ）を最大にする座標を求める。
【数２０】
【００１８】
次に、上記座標から到来する音源のパワーを、
【数２１】
により推定する。そして、２つの閾値Ｆｔｈｒ， Ｐｔｈｒを用意し、次の条件を満足するときに、
【数２２】
連続するＮ個のフレーム時間内の座標Ｐ＝（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）において発声があったと判断する。
発声位置推定処理は連続するＮ個のフレームを１つのブロックとして処理する。発声位置推定をより安定に行うためには、フレーム数Ｎを増やす、そして／また連続するＮｂ個のブロックの全てで数２２の式の条件が満たされたら発声があったと判断する。ブロック数は任意に設定する。ブロック数が多いほど、一般に精度が向上する傾向にある。
【００１９】
以下では、具体例として、図３に示すように、8個のマイクロフォンを平面上に平行に配置する場合について説明する。座標（Ｐｘ，Ｐｙ）にある音源の位置ベクトルａ（ω，Ｐｘ，Ｐｙ）は次式のように表される。
【数２３】
ここで、ｍはマイクロフォンアレイ番号（右＝１、左＝２）、ｉはマイクロフォン番号を表す。また、ここでは利得の関数を簡単に音源-マイクロフォン間距離ｒだけに依存する関数ｇ（ｒ）として、例えば、実験的に求めた次式のような関数を用いる。
【００２０】
【数２４】
なお上記関数はマイクロフォンアレイが平行でなくても使うことができる。
発声位置推定は以下の手順で行う。（ｍ，ｉ）番目のマイクロフォン入力の短時間フーリエ変換を
【数２５】
で表し、これを要素として観測ベクトルを次のように定義する。
【数２６】
【００２１】
ここで、ｎはフレーム時刻のインデックスである。連続するＮ個の観測ベクトルから相関行列を次式により求める。
【数２７】
この相関行列の大きい順に並べた固有値を
【数２８】
とし、それぞれに対応する固有ベクトルを
【数２９】
とする。そして、音源数Ｓを次式により推定する。
【００２２】
【数３０】
行列Ｒｎ（ω）を次のように定義し、
【数３１】
周波数帯域
【数３２】
および発声領域
【数３３】
として、
【数３４】
を計算し、関数Ｆ（Ｐｘ，Ｐｙ）を最大にする座標を求める。
【００２３】
【数３５】
次に、上記座標から到来する音源のパワーを、
【数３６】
により推定する。
【００２４】
そして、２つの閾値Ｆｔｈｒ，Ｐｔｈｒを用意し、次の条件を満足するときに、
【数３７】
連続するＮ個のフレーム時間内の座標（Ｐｘ０，Ｐｙ０）において発声があったと判断する。
発声位置推定処理は連続するＮ個のフレームを１つのブロックとして処理する。発声位置推定をより安定に行うためには、フレーム数Ｎを増やす、そして／また連続するＮｂ個のブロックの全てで数３７の式の条件が満たされたら発声があったと判断する。ブロック数は任意に設定する。ブロック数が多いほど、一般に精度が向上する傾向にある。
【００２５】
（電動車椅子の制御方法）
上記の平行マイクロフォンアレイ音声入力装置による発声位置推定手段を用いた電動車椅子の制御方法について、以下に述べる。
図４は、当該動作例を説明するためのフローチャートである。また、図５は、ディスプレイ３１に表示する、電動車椅子制御インタフェースのレイアウト例である。
当該実施例では、上記式１２で表される発声領域を、図５に示すように４つの領域に区分けし、それぞれの領域に、前進１００、右折１０１、左折１０２、停止１０３という４種類の車椅子の動作を割り振る。ユーザは、希望する車いすの動作に相当する領域に口先など音源位置が入るように首など上半身を使って姿勢をつくる。そして、声に限らず、口笛、摩擦音など様々な音を発することにより、車椅子に対して動作を指示する。
【００２６】
このユーザの発声に対して本発明装置は、以下の手順により電動車椅子の制御を行う。
ステップ１：８０
ユーザの発した音のＮフレーム（１ブロック）分のデータを、平行マイクロフォンアレイ音声入力装置から入力する。
ステップ２：８１
前述の発声位置推定手段によりユーザの発声位置（Ｐｘ０，Ｐｙ０）を求める。
ステップ３：８２
式１６の条件が満足されていれば発声ありと判断し、ステップ４へ進む。そうでない場合は発声なしと判断し、ステップ１へ戻る。
ステップ４：８３
発声位置（Ｐｘ０，Ｐｙ０）が図５のどの領域に対応するかを、以下の手順で調べる。
はじめに、２つの関数を次式のように定義する。
【数３８】
【数３９】
【００２７】
次の条件を満たす場合は前進１００と判断する。
【数４０】
次の条件を満たす場合は右折１０１と判断する。
【数４１】
次の条件を満たす場合は左折１０２と判断する。
【数４２】
【００２８】
次の条件を満たす場合は停止１０３と判断する。
【数４３】
ステップ５：８４
ディスプレイ３１に表示されている図５のレイアウトで、発声位置から特定された電動車椅子の動作に該当する領域の色を反転させることで、動作の特定結果を表示する。そして、ＣＰＵ６３から駆動制御６５に制御信号を送信することで、電動車椅子が目的の動作をするように制御する。その後、ステップ１へ戻る。
当該実施形態の電動車椅子は、ＣＰＵ６８と記憶装置６４で構成する本発明の制御手段から制御信号を駆動制御６５に送信する他に、ジョイスティック３４と緊急停止ボタン３２からなる操作スイッチ６６から直接駆動制御６５を制御することが可能である。
【実施例】
【００２９】
平行マイクロフォンアレイを搭載した当該実施形態の電動車椅子のシートに座って、口先がマイクロフォンアレイ内で円を２周描くように移動しながら摩擦音を発し、その口先の動きを本発明装置で推定する実験を行った。発声位置の推定は、周波数を２〜４ｋＨｚに制限し、発声領域は
【数４４】
［ｃｍ］として１ｃｍ間隔のグリッド上で行った。ＦＦＴのフレーム幅は６４ｍｓ、フレーム周期は１２．５ｍｓ、相関行列はＮ＝１５フレーム分のデータから求めた。
図６は、周囲に妨害雑音が無い状態で発声位置推定を行った結果である。図示されている領域が実験条件の発声領域を示し、横軸と縦軸の交点が発声位置推定のグリッドを示している。また、グリッド上に置かれたドットが検出された発声位置を示している。
次に、進行方向右手60度の方向の、マイクロフォンアレイの中心から１．２ｍ離れた場所に、マイクロフォンアレイの中心方向に向けてスピーカを設置し、妨害音（テレビ音声）を流し、その妨害音だけを収録する。そして、先に妨害音がない状態で収録した摩擦音に、マイクロフォンで受音した信号のＳＮＲがほぼ０ｄＢとなるようにレベル調整した妨害音を、計算機上で加え合わせることで、妨害音のある雑音環境下で収録したデータを人工的に生成する。
図７は、雑音環境下のデータから発声位置推定をした結果である。図6の妨害雑音が無い状態で発声位置を検出した結果と、図７の妨害雑音がある状態で発声位置を推定した結果を比べると、いずれの結果も、周囲の妨害雑音の有無に係わらず、ユーザの意図したとおり、口先の移動した軌跡が円状になっていることがわかる。これらより、本発明装置は、電動車椅子を制御するのに十分な精度を持って発声位置を推定できていることがわかる。
図６および図７の縦軸および横軸はマイクロフォンアレイの先端からの距離（単位ｃｍ）を表す。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
電動車椅子だけでなく、クレーン車やショベルカーなど雑音が大きく複雑な操作のため手が使えないような重機、また、リビングのソファーなどにマイクロフォンアレイを仕込むことで、テレビやビデオなど様々な家電機器を操作するインタフェースとしの応用など、その他様々な雑音があり更に振動を伴うような環境下で音・音声による操作を必要とする状況において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】平行マイクロフォンアレイ音声入力装置を搭載した電動車椅子の概観である。
【図２】図１に示す電動車椅子の機能ブロック図である。
【図３】平行マイクロフォンアレイ音声入力装置の配置図である。
【図４】動作例を説明するためのフローチャートである。
【図５】電動車椅子制御インタフェースのレイアウト例である。
【図６】周囲に妨害雑音が無い状態で発声位置検出を行った結果である。
【図７】周囲に妨害雑音がある状態で発声位置検出を行った結果である。
【符号の説明】
【００３２】
３０ａ、３０ｂ マイクロフォンアレイ
３０ｃ、３０ｄ マイクロフォン取付体
３１ ディスプレイ
３２ ジョイスティック
３３ａ、３３ｂ 肘掛
３４ 緊急停止ボタン
３５ａ、３５ｂ 前輪
３６ａ、３６ｂ 後輪
３９ 調節バー
４０ 背もたれ
４１ａ、４１ｂ 足置き
４２ａ、４２ｂ 支柱
６１ マイクロフォンとＡＤＣ
６３ ＣＰＵ
６５ 駆動制御手段
６６ 操作スイッチ
６７ 駆動モータ
【技術分野】
【０００１】
自分の意思で自分の行きたいところへ行くという自立移動は、人にとって重要な生活機能である。重度の障害により、身体機能に制限がある場合、自立移動の実現は、生活や精神的側面に絶大な効果を発揮する。本発明は、このような自立移動を支援するために、声や「スー」という摩擦音、また口笛など音をある程度発することができ、更に目的の方向に首や上半身を使って口先などの音源位置を移動することができる障害者を対象として、発声位置を推定しその情報に基づいて電動車椅子の操作をする発声位置推定方法およびそれを用いた発声位置推定装置、電動車椅子に関する。
【背景技術】
【０００２】
音声により制御可能な電動車椅子に関する先行技術として特許文献１や特許文献２などがあるが、いずれも音声の入力装置としてシングルマイクロフォンの使用を前提としている。よって、このような先行技術では、ユーザ音声の発声位置を検出することは不可能であり、電動車椅子を制御するためには、音声認識技術と組み合わせる必要がある。
【特許文献１】特開２００３−３１０６６５号公報
【特許文献２】特開平６−２２５９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
様々な環境騒音が存在する実環境下において、音・音声を用いたインタフェースにより電動車椅子を操作する場合、雑音に対する頑健性が必要不可欠である。従来のシングルマイクロフォンから入力される音声で制御する電動車椅子では、雑音の混入を抑えるためにヘッドセットなどの接話型マイクロフォンが広く用いられている。しかし、ヘッドセットマイクロフォンは、電動車椅子を使用する度に装着する必要があり、また使用中に位置がずれた場合は、自分でその位置を修正する必要がある。これでは、例えば、手を自由に動かすことが困難な障害者などにとって、必ずしも実用的とは言えない。また、車椅子制御に音声認識を用いる従来技術では、ユーザが識別可能な音声を発声できることが前提となるが、重度の障害を持つ障害者の中には、明瞭な音声を出すことが困難な場合もある。
本発明の目的は、上記従来例の欠点に鑑み、雑音中であっても正確に使用者の発生する操作用の音声を聞き取り、それに基づき制御する電動車椅子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記課題を解決するために以下の解決手段を採用する。
（ａ）電動車椅子は、ユーザ音声をマイクロフォンアレイで受音する音声入力手段と、そのマルチチャネル音声データから、周囲雑音に対して頑健なユーザ音声の発声位置推定手段と、ジョイスティックと緊急停止ボタンによる補助操作手段と、ユーザ音声の発声位置推定結果や車椅子の状態を視覚的に示す表示手段と、車椅子の車輪を駆動する駆動手段と、前記推定した発声位置に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段を有することを特徴とする。
（ｂ）ユーザ音声の発声位置推定方法および発声位置推定装置は、平行マイクロフォンアレイを用いることを特徴とする。
（ｃ）電動車椅子は、マイクロフォンアレイを用いてユーザ音声の発声位置を推定し、それに基づいて操作および制御される。
具体的には、以下の手段を採用する。
【０００５】
（１）電動車椅子は、ユーザ音声をマルチチャンネルで複数受音するために任意数のマイクロフォンを設けたマイクロフォンアレイを複数個相互に離間して配置してなる受音手段を備えた音声入力手段と、３次元空間中の任意の位置に配置された前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づいてＭＵＳＩＣ法によりユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、前記発声位置推定信号に基づき車輪の駆動源を制御する制御手段を有し、前記発声位置推定手段が、座標Ｐ＝（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）にある音源の位置ベクトルａ（ω，Ｐ）と、マイクロフォン入力の連続するフレームの短時間フーリエ変換値を要素とした観測ベクトルを求め、前記観測ベクトルから相関行列Ｒ（ω）の雑音部分空間相関行列Ｒｎ（ω）を求め、下記数１式の関数Ｆ（Ｐ）を計算し、
【数１】
関数Ｆ（Ｐ）を最大にする座標Ｐ０＝（Ｐｘ０，Ｐｙ０，Ｐｚ0）を求め、その座標Ｐ０から最大値Ｆ（Ｐ０）を求め、その座標から到来する音源のパワーを下記数２式の関数Ｐ（Ｐ０）により求め、
【数２】
求めた関数Ｆ（Ｐ０）と関数Ｐ（Ｐ０）の値を所定の閾値と比較し、ともに所定の閾値以上で有る場合に前記座標Ｐ０において発音があったと判断するようになっていることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の電動車椅子は、前記音声入力手段は、ユーザがシートに座ったときにユーザの両側にそれぞれ配置されるマイクロフォンを含むことを特徴とする。
（３）上記（２）記載の電動車椅子は、前記複数個相互に離間して配置してなるマイクロフォンアレイを、互いに平行配置したマイクロフォンアレイとしたことを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の電動車椅子は、ユーザ音声を受音するために相互に離間して配置した複数のマイクロフォンアレイからなる受音手段を備えた音声入力手段と、前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づきユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、座標位置指定手段および停止ボタンにより補助操作信号を出力する補助操作手段と、前記発声位置推定信号および車椅子の状態を視覚的に示す画像表示手段と、車椅子の車輪の駆動源を駆動制御する駆動手段と、前記発声位置推定信号および前記補助操作信号に基づき前記駆動手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
車椅子に固定されたマイクロフォンアレイを用いることで、ユーザはコードや機器を一切身につける必要がなくなり、電動車椅子の利用が容易になる。
このため、手を自由に動かすことが困難な障害者などが使用しても、マイクロフォンの装着やマイクロフォン位置の修正などの手続きを必要としない実用的な電動車椅子が実現される。
平行マイクロフォンアレイ音声入力装置を利用することで、周囲に妨害雑音が複数存在しても、ユーザの発声位置を推定することが可能になる。
そして、その発声位置を利用して電動車椅子を制御することが可能になる。
このため、ユーザは明瞭な音声を発声する必要はなく、例えば、不明瞭な音声、「スー」という摩擦音、また口笛などであっても、そのような音をある程度発することができ、更に目的の方向に首や上半身を使って口先などの音源位置を移動することができさえすれば、本発明の電動車椅子が利用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
以下、本発明の電動車椅子の実施形態について説明する。なお、以下に示す電動車椅子は、本発明の一実施形態であり、当該実施形態に限定されるものではない。
図１は本実施形態の電動車椅子の外観図、図２は図１に示す電動車椅子の機能ブロック図である。図１に示すように、電動車椅子、例えば、２つの後輪３６ａ（図示省略）、３６ｂ、２つの前輪３５ａ，３５ｂ、後輪３６ａ、３６ｂの上方に設置されたシート３７と背もたれ４０、背もたれ４０の両側に設置された肘掛３３ａ，３３ｂ、前輪３５ａ，３５ｂの前方に設置された足置き４１ａ、４１ｂを有する。肘掛３３ａにはディスプレイ３１が、そして肘掛３３ｂにはジョイスティック３２と緊急停止ボタン３４がそれぞれ固定されている。背もたれ４０には、支柱４２ａ、４２ｂを介して取り付け金具を設けた調節バー３９を取り付ける。支柱４２ａおよび４２ｂと、取り付け金具を設けた調節バー３９によりスタンド金具を構成する。調節バー３９に設けた取り付け金具に、マイクロフォンアレイ３０ａ、３０ｂを先端部分に設けたマイクロフォン取付体３０ｃ、３０ｄを摺動自在に設ける。
一対のマイクロフォン取付体３０ｃ、３０ｄは、平行に配置され、ユーザの背後から両肩上を通ってユーザの口元より先まで達する程度の長さを持ち、その上にマイクロフォンを配置できるようにする。
また、図２に示すように、電動車椅子は、例えば、２本のマイクロフォンアレイ３０ａ，３０ｂで構成する平行マイクロフォンアレイ、マイクロフォンアンプとＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）６１が本発明の平行マイクロフォンアレイ音声入力手段、ディスプレイ３１が本発明の表示手段、ＣＰＵ（中央演算処理装置）ボード６３、記憶装置６４が本発明の制御手段、駆動制御６５、駆動モータ６７が本発明の駆動手段、ジョイスティック３２や緊急停止ボタン３４などの操作スイッチ６６が本発明の操作手段にそれぞれ対応している。ＣＰＵ６３と駆動制御６５は、シリアルケーブル６９で接続する。
【０００８】
（平行マイクロフォンアレイ音声入力装置）
音声入力手段は、ユーザ音声を受音するために相互に離間して配置した複数のマイクロフォンアレイからなる受音手段を備える。
図１および図２に示した平行マイクロフォンアレイ音声入力装置の構成について、以下に説明する。図１に示すように、マイクロフォンを取り付ける２本の金具３０ａ，３０ｂは、一端をスタンドの金具３９に固定し、任意の間隔、例えば３７ｃｍの間隔で平行に背後から両肩上を通ってユーザの口元より先まで達する程度の長さを持ち、左右それぞれの金具上に任意数、例えば４つのマイクロフォン（計８個）を任意の間隔、例えば３ｃｍ間隔で配置している。走行中の振動に対しては、制振機構、例えば２本の支柱４２ａ，４２ｂの下にショックアブソーバを入れ、更にその２本の支柱を繋ぐ金具の中央に上下に移動可能な金具を取り付け、そこにスプリングを入れる等により上下の振動を吸収する機構を用いる。また、必要に応じて、前記上下移動可能な金具を挟んで左右にもスプリングを入れることで、横方向の振動を吸収する。マイクロフォンスタンドの高さ・幅およびマイクロフォンの位置は使用者毎に調整可能となっている。
図２に示すように、音声入力手段は、平行マイクロフォンアレイ３０ａ、３０ｂと、マイクロフォンアンプとＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）６１を有する。
受音手段は、少なくとも複数のマイクロフォンを備え、好ましくは多数個のマイクロフォンをアレイ状に配置したマイクロフォンアレイが好ましい。また、マイクロフォンの配置方向は、少なくとも相互に離間して、音源からのベクトルが異なるようにする。さらに好ましくは、マイクロフォンがユーザの両側に配置されていることが好ましい。このようにユーザの両側に配置されることにより、ユーザの音声入力が容易に且つ明瞭になる。
【０００９】
（発声位置推定手段と制御手段）
ＣＰＵ（中央演算処理装置）ボード６８は、ＣＰＵを搭載したボードからなり、発声位置推定手段および制御手段を含む。発声位置推定手段および制御手段は、ＣＰＵボード６８に接続される記憶装置６４を備える。
発声位置推定手段は、前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づきユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する。
制御手段は、前記発声位置推定信号および前記補助操作信号に基づき前記駆動手段を制御する。
ＡＤＣ６１とＣＰＵボード６３はＵＳＢケーブル６８を介して接続し、マイクロフォンアンプおよびＡＤＣ６１の電源はＣＰＵボード６３から供給する。サンプリングレートは任意に設定でき、例えば８ｋＨｚとし、量子化ビット数は任意に設定でき、例えば１６ｂｉｔとする。処理精度を上げるときには、サンプリングレートおよび量子化ビット数を上げる。
【００１０】
（補助入力手段）
補助操作手段は、操作スイッチ６６で代表され、例えばジョイスティック（図示省略）からなる座標位置指定手段、および、緊急停止ボタン（図示省略）により補助操作信号を出力する。
【００１１】
（画像表示手段）
画像表示手段は、ディスプレイ３１を有し、前記発声位置推定信号および車椅子の状態等を視覚的に示す。
【００１２】
（駆動手段）
駆動手段は、駆動制御装置６５を備え、車椅子の車輪の駆動源である駆動モータ６７を駆動制御する。
【００１３】
（発声位置推定）
上記発声位置推定手段による、複数の受音手段を備えた音声入力装置からの入力信号を用いた発声位置推定処理について、以下に説明する。
3次元空間中の任意の位置
【数３】
に置かれた点音源から出力された音響信号を、3次元空間中の任意の位置
【数４】
に配置されたＱ個のマイクロフォンで受音する。点音源と各マイクロフォン間の距離Ｒｑは次式で求められる。
【数５】
点音源から各マイクロフォンまでの伝播時間τｑは、音速をｖとすると、次式で求められる。
【００１４】
【数６】
各マイクロフォンで受音した中心周波数ωの狭帯域信号の、点音源のそれに対する利得ｇｑは、一般的に、点音源とマイクロフォン間の距離Ｒｑと中心周波数ωの関数として定義される。
【数７】
中心周波数ωの狭帯域信号に関する、点音源と各マイクロフォン間の伝達特性は、
【数８】
と表される。そして、位置Ｐ０にある音源を表す位置ベクトルａ（ω，Ｐ０）を、次式のように、狭帯域信号に関する、点音源と各マイクロフォン間の伝達特性を要素とする複素ベクトルとして定義する。
【００１５】
【数９】
発声位置推定はＭＵＳＩＣ法（相関行列を固有値分解することで信号部分空間と雑音部分空間を求め、任意の音源位置ベクトルと雑音部分空間の内積の逆数を求めることにより、音源の到来方向や位置を調べる手法）を用いて、以下の手順で行う。ｑ番目のマイクロフォン入力の短時間フーリエ変換を
【数１０】
で表し、これを要素として観測ベクトルを次のように定義する。
【数１１】
ここで、ｎはフレーム時刻のインデックスである。連続するＮ個の観測ベクトルから相関行列を次式により求める。
【数１２】
【００１６】
この相関行列の大きい順に並べた固有値を
【数１３】
とし、それぞれに対応する固有ベクトルを
【数１４】
とする。そして、音源数Ｓを次式により推定する。
【数１５】
雑音部分空間相関行列Ｒｎ（ω）を次のように定義し、
【数１６】
【００１７】
周波数帯域
【数１７】
および発声領域Ｕ
【数１８】
として、
【数１９】
を計算し、関数Ｆ（Ｐ）を最大にする座標を求める。
【数２０】
【００１８】
次に、上記座標から到来する音源のパワーを、
【数２１】
により推定する。そして、２つの閾値Ｆｔｈｒ， Ｐｔｈｒを用意し、次の条件を満足するときに、
【数２２】
連続するＮ個のフレーム時間内の座標Ｐ＝（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）において発声があったと判断する。
発声位置推定処理は連続するＮ個のフレームを１つのブロックとして処理する。発声位置推定をより安定に行うためには、フレーム数Ｎを増やす、そして／また連続するＮｂ個のブロックの全てで数２２の式の条件が満たされたら発声があったと判断する。ブロック数は任意に設定する。ブロック数が多いほど、一般に精度が向上する傾向にある。
【００１９】
以下では、具体例として、図３に示すように、8個のマイクロフォンを平面上に平行に配置する場合について説明する。座標（Ｐｘ，Ｐｙ）にある音源の位置ベクトルａ（ω，Ｐｘ，Ｐｙ）は次式のように表される。
【数２３】
ここで、ｍはマイクロフォンアレイ番号（右＝１、左＝２）、ｉはマイクロフォン番号を表す。また、ここでは利得の関数を簡単に音源-マイクロフォン間距離ｒだけに依存する関数ｇ（ｒ）として、例えば、実験的に求めた次式のような関数を用いる。
【００２０】
【数２４】
なお上記関数はマイクロフォンアレイが平行でなくても使うことができる。
発声位置推定は以下の手順で行う。（ｍ，ｉ）番目のマイクロフォン入力の短時間フーリエ変換を
【数２５】
で表し、これを要素として観測ベクトルを次のように定義する。
【数２６】
【００２１】
ここで、ｎはフレーム時刻のインデックスである。連続するＮ個の観測ベクトルから相関行列を次式により求める。
【数２７】
この相関行列の大きい順に並べた固有値を
【数２８】
とし、それぞれに対応する固有ベクトルを
【数２９】
とする。そして、音源数Ｓを次式により推定する。
【００２２】
【数３０】
行列Ｒｎ（ω）を次のように定義し、
【数３１】
周波数帯域
【数３２】
および発声領域
【数３３】
として、
【数３４】
を計算し、関数Ｆ（Ｐｘ，Ｐｙ）を最大にする座標を求める。
【００２３】
【数３５】
次に、上記座標から到来する音源のパワーを、
【数３６】
により推定する。
【００２４】
そして、２つの閾値Ｆｔｈｒ，Ｐｔｈｒを用意し、次の条件を満足するときに、
【数３７】
連続するＮ個のフレーム時間内の座標（Ｐｘ０，Ｐｙ０）において発声があったと判断する。
発声位置推定処理は連続するＮ個のフレームを１つのブロックとして処理する。発声位置推定をより安定に行うためには、フレーム数Ｎを増やす、そして／また連続するＮｂ個のブロックの全てで数３７の式の条件が満たされたら発声があったと判断する。ブロック数は任意に設定する。ブロック数が多いほど、一般に精度が向上する傾向にある。
【００２５】
（電動車椅子の制御方法）
上記の平行マイクロフォンアレイ音声入力装置による発声位置推定手段を用いた電動車椅子の制御方法について、以下に述べる。
図４は、当該動作例を説明するためのフローチャートである。また、図５は、ディスプレイ３１に表示する、電動車椅子制御インタフェースのレイアウト例である。
当該実施例では、上記式１２で表される発声領域を、図５に示すように４つの領域に区分けし、それぞれの領域に、前進１００、右折１０１、左折１０２、停止１０３という４種類の車椅子の動作を割り振る。ユーザは、希望する車いすの動作に相当する領域に口先など音源位置が入るように首など上半身を使って姿勢をつくる。そして、声に限らず、口笛、摩擦音など様々な音を発することにより、車椅子に対して動作を指示する。
【００２６】
このユーザの発声に対して本発明装置は、以下の手順により電動車椅子の制御を行う。
ステップ１：８０
ユーザの発した音のＮフレーム（１ブロック）分のデータを、平行マイクロフォンアレイ音声入力装置から入力する。
ステップ２：８１
前述の発声位置推定手段によりユーザの発声位置（Ｐｘ０，Ｐｙ０）を求める。
ステップ３：８２
式１６の条件が満足されていれば発声ありと判断し、ステップ４へ進む。そうでない場合は発声なしと判断し、ステップ１へ戻る。
ステップ４：８３
発声位置（Ｐｘ０，Ｐｙ０）が図５のどの領域に対応するかを、以下の手順で調べる。
はじめに、２つの関数を次式のように定義する。
【数３８】
【数３９】
【００２７】
次の条件を満たす場合は前進１００と判断する。
【数４０】
次の条件を満たす場合は右折１０１と判断する。
【数４１】
次の条件を満たす場合は左折１０２と判断する。
【数４２】
【００２８】
次の条件を満たす場合は停止１０３と判断する。
【数４３】
ステップ５：８４
ディスプレイ３１に表示されている図５のレイアウトで、発声位置から特定された電動車椅子の動作に該当する領域の色を反転させることで、動作の特定結果を表示する。そして、ＣＰＵ６３から駆動制御６５に制御信号を送信することで、電動車椅子が目的の動作をするように制御する。その後、ステップ１へ戻る。
当該実施形態の電動車椅子は、ＣＰＵ６８と記憶装置６４で構成する本発明の制御手段から制御信号を駆動制御６５に送信する他に、ジョイスティック３４と緊急停止ボタン３２からなる操作スイッチ６６から直接駆動制御６５を制御することが可能である。
【実施例】
【００２９】
平行マイクロフォンアレイを搭載した当該実施形態の電動車椅子のシートに座って、口先がマイクロフォンアレイ内で円を２周描くように移動しながら摩擦音を発し、その口先の動きを本発明装置で推定する実験を行った。発声位置の推定は、周波数を２〜４ｋＨｚに制限し、発声領域は
【数４４】
［ｃｍ］として１ｃｍ間隔のグリッド上で行った。ＦＦＴのフレーム幅は６４ｍｓ、フレーム周期は１２．５ｍｓ、相関行列はＮ＝１５フレーム分のデータから求めた。
図６は、周囲に妨害雑音が無い状態で発声位置推定を行った結果である。図示されている領域が実験条件の発声領域を示し、横軸と縦軸の交点が発声位置推定のグリッドを示している。また、グリッド上に置かれたドットが検出された発声位置を示している。
次に、進行方向右手60度の方向の、マイクロフォンアレイの中心から１．２ｍ離れた場所に、マイクロフォンアレイの中心方向に向けてスピーカを設置し、妨害音（テレビ音声）を流し、その妨害音だけを収録する。そして、先に妨害音がない状態で収録した摩擦音に、マイクロフォンで受音した信号のＳＮＲがほぼ０ｄＢとなるようにレベル調整した妨害音を、計算機上で加え合わせることで、妨害音のある雑音環境下で収録したデータを人工的に生成する。
図７は、雑音環境下のデータから発声位置推定をした結果である。図6の妨害雑音が無い状態で発声位置を検出した結果と、図７の妨害雑音がある状態で発声位置を推定した結果を比べると、いずれの結果も、周囲の妨害雑音の有無に係わらず、ユーザの意図したとおり、口先の移動した軌跡が円状になっていることがわかる。これらより、本発明装置は、電動車椅子を制御するのに十分な精度を持って発声位置を推定できていることがわかる。
図６および図７の縦軸および横軸はマイクロフォンアレイの先端からの距離（単位ｃｍ）を表す。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
電動車椅子だけでなく、クレーン車やショベルカーなど雑音が大きく複雑な操作のため手が使えないような重機、また、リビングのソファーなどにマイクロフォンアレイを仕込むことで、テレビやビデオなど様々な家電機器を操作するインタフェースとしの応用など、その他様々な雑音があり更に振動を伴うような環境下で音・音声による操作を必要とする状況において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】平行マイクロフォンアレイ音声入力装置を搭載した電動車椅子の概観である。
【図２】図１に示す電動車椅子の機能ブロック図である。
【図３】平行マイクロフォンアレイ音声入力装置の配置図である。
【図４】動作例を説明するためのフローチャートである。
【図５】電動車椅子制御インタフェースのレイアウト例である。
【図６】周囲に妨害雑音が無い状態で発声位置検出を行った結果である。
【図７】周囲に妨害雑音がある状態で発声位置検出を行った結果である。
【符号の説明】
【００３２】
３０ａ、３０ｂ マイクロフォンアレイ
３０ｃ、３０ｄ マイクロフォン取付体
３１ ディスプレイ
３２ ジョイスティック
３３ａ、３３ｂ 肘掛
３４ 緊急停止ボタン
３５ａ、３５ｂ 前輪
３６ａ、３６ｂ 後輪
３９ 調節バー
４０ 背もたれ
４１ａ、４１ｂ 足置き
４２ａ、４２ｂ 支柱
６１ マイクロフォンとＡＤＣ
６３ ＣＰＵ
６５ 駆動制御手段
６６ 操作スイッチ
６７ 駆動モータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザ音声をマルチチャンネルで複数受音するために任意数のマイクロフォンを設けたマイクロフォンアレイを複数個相互に離間して配置してなる受音手段を備えた音声入力手段と、３次元空間中の任意の位置に配置された前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づいてＭＵＳＩＣ法によりユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、前記発声位置推定信号に基づき車輪の駆動源を制御する制御手段を有し、
前記発声位置推定手段が、座標Ｐ＝（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）にある音源の位置ベクトルａ（ω，Ｐ）と、マイクロフォン入力の連続するフレームの短時間フーリエ変換値を要素とした観測ベクトルを求め、前記観測ベクトルから相関行列Ｒ（ω）の雑音部分空間相関行列Ｒｎ（ω）を求め、下記数４５式の関数Ｆ（Ｐ）を計算し、
【数４５】
関数Ｆ（Ｐ）を最大にする座標Ｐ０＝（Ｐｘ０，Ｐｙ０，Ｐｚ0）を求め、その座標Ｐ０から最大値Ｆ（Ｐ０）を求め、その座標から到来する音源のパワーを下記数４６式の関数Ｐ（Ｐ０）により求め、
【数４６】
求めた関数Ｆ（Ｐ０）と関数Ｐ（Ｐ０）の値を所定の閾値と比較し、ともに所定の閾値以上で有る場合に前記座標Ｐ０において発音があったと判断するようになっていることを特徴とする電動車椅子。
【請求項２】
前記音声入力手段は、ユーザがシートに座ったときにユーザの両側にそれぞれ配置されるマイクロフォンを含むことを特徴とする請求項１記載の電動車椅子。
【請求項３】
前記複数個相互に離間して配置してなるマイクロフォンアレイを、互いに平行配置したマイクロフォンアレイとしたことを特徴とする請求項２記載の電動車椅子。
【請求項４】
ユーザ音声を受音するために相互に離間して配置した複数のマイクロフォンアレイからなる受音手段を備えた音声入力手段と、前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づきユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、座標位置指定手段および停止ボタンにより補助操作信号を出力する補助操作手段と、前記発声位置推定信号および車椅子の状態を視覚的に示す画像表示手段と、車椅子の車輪の駆動源を駆動制御する駆動手段と、前記発声位置推定信号および前記補助操作信号に基づき前記駆動手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の電動車椅子。
【請求項１】
ユーザ音声をマルチチャンネルで複数受音するために任意数のマイクロフォンを設けたマイクロフォンアレイを複数個相互に離間して配置してなる受音手段を備えた音声入力手段と、３次元空間中の任意の位置に配置された前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づいてＭＵＳＩＣ法によりユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、前記発声位置推定信号に基づき車輪の駆動源を制御する制御手段を有し、
前記発声位置推定手段が、座標Ｐ＝（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）にある音源の位置ベクトルａ（ω，Ｐ）と、マイクロフォン入力の連続するフレームの短時間フーリエ変換値を要素とした観測ベクトルを求め、前記観測ベクトルから相関行列Ｒ（ω）の雑音部分空間相関行列Ｒｎ（ω）を求め、下記数４５式の関数Ｆ（Ｐ）を計算し、
【数４５】
関数Ｆ（Ｐ）を最大にする座標Ｐ０＝（Ｐｘ０，Ｐｙ０，Ｐｚ0）を求め、その座標Ｐ０から最大値Ｆ（Ｐ０）を求め、その座標から到来する音源のパワーを下記数４６式の関数Ｐ（Ｐ０）により求め、
【数４６】
求めた関数Ｆ（Ｐ０）と関数Ｐ（Ｐ０）の値を所定の閾値と比較し、ともに所定の閾値以上で有る場合に前記座標Ｐ０において発音があったと判断するようになっていることを特徴とする電動車椅子。
【請求項２】
前記音声入力手段は、ユーザがシートに座ったときにユーザの両側にそれぞれ配置されるマイクロフォンを含むことを特徴とする請求項１記載の電動車椅子。
【請求項３】
前記複数個相互に離間して配置してなるマイクロフォンアレイを、互いに平行配置したマイクロフォンアレイとしたことを特徴とする請求項２記載の電動車椅子。
【請求項４】
ユーザ音声を受音するために相互に離間して配置した複数のマイクロフォンアレイからなる受音手段を備えた音声入力手段と、前記受音手段で受音したマルチチャネル音声データに基づきユーザの発声位置を推定し発声位置推定信号を出力する発声位置推定手段と、座標位置指定手段および停止ボタンにより補助操作信号を出力する補助操作手段と、前記発声位置推定信号および車椅子の状態を視覚的に示す画像表示手段と、車椅子の車輪の駆動源を駆動制御する駆動手段と、前記発声位置推定信号および前記補助操作信号に基づき前記駆動手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の電動車椅子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０７７１４（Ｐ２０１１−１０７７１４Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７５１７５（Ｐ２０１０−２７５１７５）
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【分割の表示】特願２００６−４５０９６（Ｐ２００６−４５０９６）の分割
【原出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度文部科学省「科学技術振興調整費 障害者の安全で快適な生活の支援技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【分割の表示】特願２００６−４５０９６（Ｐ２００６−４５０９６）の分割
【原出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度文部科学省「科学技術振興調整費 障害者の安全で快適な生活の支援技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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