近未来の電動車椅子

　美術館、博物館の中で、乗った人が話しかけるだけで自由自在に動き回る車椅子−−高齢者や障害者に優しい施設や街づくりが、全国各地で進められる中、キャンパスの中やエリアを限れば、こんな車椅子があちこちで見られるのもそう遠い将来のことではないでしょう。

　この車椅子の仕組みは簡単。まず、あらかじめキャンパス内など限定された施設内で車椅子の通行できるバリアフリーマップを作成します。そしてキャンパスの要所要所に超音波発信装置を設置しておき、車椅子に搭載した受信機を組み合わせ、車椅子の位置情報が数cm〜10 cm程度の精度で把握できるようにしておきます。（このシステムは、GPSに対して局所エリア内測位システムLPSと呼びます）

　車両は市販の電動車椅子を改造して使います。他には車搭載用の小型コンピュータ、人の音声指示を認識するマイク。前方の様子を映し出すカメラ、それを補う赤外線センサーと音波センサー、そして左右車輪の移動距離と速度を個々に計則するフォトセンサーがあれば十分です。システムとしては、音声認識、画像処理および各センサーによる検出システム、それとコンピュータによるこれらの処理判断を駆動部に伝えるインターフェース回路、それに位置情報確認システム、自動走行システムなどの開発が必要です。

これがそのプロトタイプだ

　実はこのような電動車椅子については、そのプロトタイプがすでに出来上がっています。右の写真は2003年度に、卒業研究として当時の４年生５人と一緒に製作したものです。

　１がマイクおよび頭脳となるコンピュータ。2がカメラ。3が超音波センサーで、左右2箇所から超音波を発し、それが跳ね返ってくるまでの時間から距離がわかります。前方５ｍ先までの比較的硬い物体を検出します。

　4は赤外線センサーで、前方80度内の８ｍ先までの人間や生物を検出します。人間などの生物は表面が軟らかく、超音波をあてても反射しにくいため、ドアセンサーと同様、体温に反応する赤外線を使います。カメラでは２ｍ先までの床面の画像しか視野に入りませんから、それより先の物体については超音波センサーと赤外線センサーとであらかじめ検知しておき、それがカメラの設定した危険ゾーンに入ると制御部に危険を知らせるようにしておきます。

　5は段差センサーで、超音波センサーと同じ原理で20 cm先のくぼみ、段差、溝などを検出します。６は移動量センサーと呼ばれるもので、銀、黒の反射板とそれを読み取るフォトセンサーからなります。左右の車輪のそれぞれの速度と移動量を連続的に測り、危険物に接触するまでの時間や、これまでの移動経路・距離、現在のスピードなどを運転席に伝えます。

制御システムの改良が今後の課題

　この車椅子では、制御はすべて乗っている人の音声で行ないます。使用される言葉は前進、後退、右折、左折、停止、加速、減速の７種類で、特定の人がトレーニングした場合の認識率は98％ですが、指示する人が不特定の場合は60〜70％まで低下します。今後は認識率の向上をはかるとともに、人ごみの中でも雑音に迷わされず指示だけが聞き分けられるようにしなければなりません。また現状ではカメラやセンサーからの情報はコンピュータで処理され、運転者には伝えられますが、直接制御システムには連動していません。ブレーキがなく、《停止！》でモーターが止まるだけです。今後実用に当たっては、画像やセンサーによる情報をいかに制御システムへ組み入れるかも大きな課題です。また、段差センサーの計測到達距離を長くしたり、緊急停止機能の開発も欠かせません。さらにカメラを２台にして前方の障害物を立体的に捉え、それだけで単独に認識したり、動いている物と止まっている物とを区別できるようにすることも計画しています。その上で、衝突を予測したら、単に停止するだけでなく、うまく回避するような自動制御のアルゴリズムも考えていきたいと思っています。

クローズアップ

トピックス

アナザーフェイス

　コンピュータ科学科で教える岡田先生のもう一つの顔は原子核物理学者。世界一の陽子を使った大型加速器を持つあのＣＥＲＮ（欧州合同素粒子原子核研究機構）の国際実験にも、日本チームの一員として参加している。最新の研究は、湯川博士が予測したことで知られているパイ(π)中間子、そのπ＋粒子とπ-粒子がくっついたパイ原子とでも言うべきものを作り、それが再びバラバラに壊れるまでの時間、理論上は１兆分の１のさらに千分の３秒ともいわれるパイ原子の超短い寿命を測っている。この難しい実験を可能にしたのは、日本チームが開発した直径280ミクロンの髪の毛の太さほどのシンチレーティングファイバーを500列７段重ねで作った高分解能ファイバーホドスコープ。この検出器がとらえる粒子群の高精度の位置と時間それに粒子間の距離情報が高エネルギー陽子と標的の原子核反応で発生する膨大な数の雑音粒子の中からほんの微弱なパイ原子の崩壊信号を取り出す。世界の総人口65億人の中から1人の人を見つけるような実験だ。

　現代の物理学は、自然界の現象を「重力」、「電磁気力」、「強い力(の相互作用)」、「弱い力（の相互作用）」の4つの力で説明する。原子核やそれを構成する陽子・中性子、その間で力を媒介するパイ中間子、さらにそれらを構成するクォークは主に「強い力」、小柴博士のノーベル賞受賞につながったニュートリノで知られるレプトンは「弱い力」が働き、それぞれ標準理論と呼ばれる理論が正しいとされている。

　このうち「強い力」は量子色力学（ＱＣＤ）によって記述されるが、ＱＣＤはクォーク同士が接近していて自由に動き回っているところでは正しいことが多くの実験で証明されているが、離そうとした時に働く大きな力の下ではまだ正しいことが実験で証明されていない。このパイ原子の寿命測定実験が最終的に目指すのは、このＱＣＤの正しさを検証すること。2007年春からは同様の手法でπ粒子とＫ粒子とでつくったπＫ原子の寿命測定を始める。