研究内容人を見守るデジタルヒューマン

超音波3次元タグシステム 〜センチメートルオーダで人間の行動を観察する技術〜

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概要
人間中心のサービスを提供する知的空間を構築するには、人間の行動を観察する技術が不可欠である。 そうした行動観察システムの研究は数多くあるが、構築されたシステムの安定性、操作性や費用の点で問題があり、広く利用できなかった。 デジタルヒューマン研究センターでは、これらの問題を解決する技術として、超音波を用いて人間の行動を観察する「超音波3次元タグ」を開発し、企業 (古河産機システムズ(株)) との共同研究によってこれを製品化、外部機関への提供を開始した。
はじめに
環境に埋め込まれたセンサを用いて、人間の行動を観察し、人間中心のサービスを提供する知的生活空間を研究することが世界的に活発になっている。 このような知的空間を構築するには、人間行動観察技術が不可欠である。 家庭、工場、病院、オフィスといった人間が実際に行動するにおいて適切な精度で、かつ、安定 な計測ができること、さらに、観察システムを、安価に、手早く構築できること が重要となる。 ここでは、これまで当研究センターで開発してきた人間行動観察のための日常環境センサ化技術として、超音波3次元タグについて紹介する。
日常環境における人間行動観察のための日常環境センサ化技術
メートルオーダの検出精度では、人がどの部屋にいるのかぐらいしか観察できないが、センチメートルオーダで人間の行動が観察できれば、リモコンを使っているとか、ベッドから降りるといった日常動作が記述できる。 一方、ミリメートルオーダでこれらの行動を確実に観察しようとするときわめて高コストなシステムが必要になる。 そこで当研究センターでは、人間行動をセンチメートルオーダで観察して解析する技術として、超音波 3 次元タグシステムを開発してきた。 このシステムは、対象物や人に取り付けられた超音波3次元タグ(小型超音波発信器)から発せられた超音波を、天井や壁に設置した複数の受信器で計測し、到達時間の差から、超音波タグの 3 次元の位置を計測するシステムである。 ミリメートルオーダで位置が計測できる市販システムの1/100 〜 1/10 程度の価格である。図 1 に、開発した超音波 3 次元タグと、このタグを用いた対象物の軌跡の計測例を示す。


図 1 開発した超音波 3 次元タグ

手早いセットアップが可能なポータブル超音波3次元タグ
家庭やオフィスといった現場での人の行動を観察しようとする場合、手早くセットアップが可能なシステムが必要となる。 セットアップには、受信器の正確な位置決めが必要である。この研究では、図2に示すような、ポータブル超音波タグシステムを開発した。 3個以上の発信器が取り付けられたこの装置を適当に動かすだけで受信器の位置決めを行える手法を開発した。


図 2  ポータブル超音波 3 次元タグ

設置コストを低減する全方位超音波位置センサ
いかに超音波センサが安くても、その設置回数が多ければ、設置の際の人件費により、システムの総コストを上げることにつながる。設置回数を減少させるため、この研究では、図 3 に示すような全方位超音波位置センサを開発した。これは多面体の頂点に受信器を配置して、全方位を計測可能なセンサである。 5 × 5[m] の部屋にこの全方位超音波位置センサを取り付けると、図 4 のような配置となる。これまでの超音波受信器では個必要であったが、 この全方位超音波位置センサでは 3 個となり、受信器を取り付ける手間が大幅に軽減できる。


図 3  全方位超音波位置センサ




図 4  全方位超音波位置センサの検出範囲(灰色・青色・黄色の範囲)

おわりに
当研究センターでは、次の目標として、超音波3次元タグによる人間観察技術を応用して、人ができないことをさせたり、 不得意なことを簡単にできるようにさせたり、逆に、やってはいけない行動を起こしにくくする環境 “Enabling Environment”の構築を始めている。 少子高齢化社会を支える見守り支援環境や、国際社会を支えるスキル向上支援環境など、応用の幅は広い。 当研究センターでは、これまで開発してきた超音波3次元タグと関連技術を、 古河産機システムズ(株)との共同研究によって製品化し、 知的空間研究のツールとして、また、人間観察に基づくアプリケーションの要素技術として外部への提供を始めている。

参考文献

  • 西田佳史,堀俊夫,金出武雄, "超音波3次元タグを用いた日常環境のセンサ化とその応用," ケミカルエンジニアリング, Vol. 50, No. 7, pp. 520-526, 2005
  • Y. Nishida, K. Kitamura, T. Hori, A. Nishitani, T. Kanade, H. Mizoguchi, "Quick Realization of Function for Detecting Human Activity Events by Ultrasonic 3D Tag and Stereo Vision," Proc. of 2nd IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications (PerCom2004), pp. 43-54, 2004
  • 西田佳史, "行動観察システムの手早い構築法とその応用," 画像ラボ (2004年1月号), Vol. 15, No.1, pp. 38-41, 2004
  • Y. Nishida, H. Aizawa, T. Hori, N.H. Hoffman, T. Kanade, M. Kakikura, "3D Ultrasonic Tagging System for Observing Human Activity, " in Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2003), pp.785-791, October 2003
  • A. Nishitani, Y. Nishida, H. Mizoguchi, "Omnidirectional Ultrasonic Location Sensor," in Proceedings of 2005 IEEE International Conference on Sensors (Sensors 2005), October 2005 (in press)
  • A. Nishitani, Y. Nishida, T. Hori, T. Kanade, H. Mizoguchi, "Global Calibration Based on Local Calibration for an Ultrasonic Location Sensor," in Proceedings of 1st International Conference on Sensing Technology (ICST2005), pp. 11-16, 2005