JP3200592B2 - 歩行感覚生成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は歩行感覚生成装置
に関し、特に、任意の方向に歩行が可能であって、大規
模仮想空間内部あるいは遠隔実空間を歩行して移動でき
るような歩行感覚生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】限定された空間で広範囲にわたる大規模
な空間を任意の方向に自由に移動する感覚を模擬する技
術を実現できれば、新たに設計する移動環境の事前の設
計確認や時空間を越えた通信など多くの応用が期待でき
る。

【０００３】これまでにいくつかの方式が提案されてき
たが、最も単純な例では、「Walk Through」と呼ばれ
る、通常の計算機のインタフェースであるキーボードや
マウスあるいはジョイスティックなどを用い、計算機の
画面内に表示される仮想空間の視点のみを移動する手法
である。これらでは、計算機インタフェースによる操作
入力を車や航空機などの移動機器を模したハンドル操縦
メタファに反映させ、実際に操縦しているかのような操
縦感覚を提示する。

【０００４】より進んだ実施例は、通常シミュレータと
呼ばれている装置である。これらでは前者においてメタ
ファによって間接的に利用していたハンドルやアクセル
などが操作入力手段と車両や航空機の操縦席ユニットの
一部、あるいはそれら全体を原寸大模型として設置す
る。そして、操作者の操作に合せてそれらを平行移動，
傾斜させて移動に伴う加速や振動を仮想的に再現し、よ
り臨場感の高い移動感覚を提示する。多くの場合、これ
らは模擬している移動機器の操作を習得あるいは操作自
体を楽しむ遊技機器として用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】歩行による移動は移動
手段として日常では最も身近な手段であり、かつ空間の
広さを知覚するに適した手法であるが、これまでに前述
のような歩行シミュレーション装置が実現された例は少
ない。その理由として、まず従来の移動機器のシミュレ
ーション装置では人間と装置の間の情報の流れが機器を
介するために単純であり、計算機による処理が容易であ
ったが、歩行運動では単純に前進するだけでなく進路変
更や並進などの多様な動作がなされ、これらの挙動計測
が容易に実現できない点にあった。

【０００６】また、それらの運動は一般に自由度が高く
また高速であるために、歩行移動動作がなされた際に歩
行者を定点に保持する動作相殺機構には同じ程度の自由
度と応答性が必要である。

【０００７】また、特開平６−２１００２４号公報で提
案されているような歩行訓練機では、歩行者の位置に関
するＰＩフィードバック手法のみを用いているために、
一般に応答性が悪く、ベルトからなる落下防止のために
長大なベルト機構が必要となる問題がある。

【０００８】また、本願発明者は、特願平１０−５６７
１０号において、歩行感覚生成装置を提案したが、この
装置では、直進動作のみを計測して相殺可能にしたもの
であり、進路変更などの動作には対応できず、進路変更
動作には頭部方向などの代替的な手法を用いるほかにな
かった。

【０００９】さらに、２次元のベルト機構と等価な機構
の例として、「無限平面を用いた仮想歩行装置」日本バ
ーチャルリアリティー学会第２回大会論文集（１９９７
年９月）の方法では、小型のトレッドミルを横方向に複
数連結し、それらを連動させてトーラス形状のベルトの
面を実現して任意方向の歩行面を実現している。しか
し、これらは任意方向へ無限平面を設定できるが、駆動
に必要な装置が大型化し、高速な応答を要する行動動作
には十分追従できず、歩行というよりは摺足歩行のよう
な動作にしか対応できなかった。

【００１０】それゆえに、この発明の主たる目的は、歩
行者の歩行動作に連動する歩行面により、限られた空間
内で斜面を含む仮想の３次元大空間あるいは遠隔の実空
間を歩行しているかのような感覚を生成できるような歩
行感覚生成装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
人間による歩行動作から前進移動と進路変更動作を計測
し、歩行による移動を相殺する歩行感覚生成装置であっ
て、その上で両足を踏み出して歩行したときに、歩行に
よる移動を相殺するためのベルト機構と、ベルト機構の
ベルト面を水平面内で回転させる回転機構と、歩行動作
を非接触で計測するための歩行計測手段と、歩行計測手
段によって任意方向への歩行であることが計測されたと
き、その任意方向までの角度だけベルト機構を回転機構
によって回転させる制御手段とを備えて構成される。

【００１２】請求項２に係る発明では、請求項１の歩行
計測手段は足先の動きを計測し、制御手段は、足先の横
方向への動きが検出されたことに応じて進路変更角度を
推定する角度推定手段と、推定された角度だけ回転機構
によってベルト機構を回転させて斜め前方に振り出され
た足が常にベルトの左右方向の中央付近に着地させるた
めの回転制御手段と備えて構成される。

【００１３】請求項３の制御手段は、歩行計測手段によ
って足先の直進動作が検出されたことに応じて、歩行者
の歩行速度と歩行者位置を推定する歩行推定手段と、そ
の推定に応じて歩行者をベルトの前後方向中央位置で保
持するようにベルト機構を駆動させるベルト機構制御手
段とを備えて構成される。

【００１４】請求項４に係る発明は、さらに、歩行者に
仮想空間または実空間の画像を提示する画像提示手段を
設け、仮想空間の画像をソフトウェアによって生成して
画像提示手段に与える仮想空間生成手段と、歩行者の歩
行に連動して実空間を移動し、実空間の画像を撮像して
画像提示手段に与える移動ロボットとの少なくともいず
れか一方を備えて構成される。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の概念を説明する
ための図であり、特に、（ａ）は直進動作の計測，相殺
方法を示し、図１（ｂ）は進路変更動作の計測，相殺方
法を示す。

【００１６】この発明では、歩行者の歩行動作に連動す
る歩行面により、限られた空間内で斜面を含む仮想の３
次元大空間あるいは遠隔の実空間を歩行しているかのよ
うな感覚を生成する。すなわち、図１（ａ）に示すよう
に、トレッドミル上の歩行者の足先動作をビデオカメラ
で計測し、直進動作についてはトレッドミルのベルト運
転速度を歩行動作に連動させて常に歩行者をベルトの前
後方向中央位置に保持する。このとき、歩行動作からの
歩行速度と歩行者位置を推定してベルト制御に用いるこ
とで、従来の歩行者の位置に関するＰＩフィードバック
手法よりも高速な応答が実現される。

【００１７】また、進路変更動作については、図１
（ｂ）に示すように、進路変更時のみ発生する足先の横
方向の動きを前述のビデオカメラで計測し、横方向の動
きが発生した際にベルト面全体を水平方向に回転させ
て、斜め前方に振り出された足が常にベルトの左右方向
の中央付近に着地するように動作の相殺を行なう。な
お、後者の動作の際には、歩行者のバランスを確保する
ために、常に歩行者をベルト面水平回転の中央付近に保
持する必要があるため、これらの歩行者位置保持制御に
は高速な応答性が要求される。この発明では、この点に
ついて前述のベルト速度制御手法によって高速応答性が
確保されている。

【００１８】さらに、この発明では利用者に装着感の低
い反射シールを利用者の足先に貼り付けるだけで、前進
移動動作と進路変更動作を計測，推定することを特徴と
しており、使用にあたってはごく自然な歩行動作を行な
うだけでよい。同時に、ベルト面の２軸歩行ベルト面姿
勢保持機構を用いて歩行面の３次元形状である傾斜面な
どの状態とベルトの加減速時に発生する慣性力や進路変
更時の遠心力を擬似的に提示する。

【００１９】この歩行感覚提示装置によって得られた歩
行動作結果をもとに、対象空間での移動量を計算するシ
ミュレーション処理によって対象空間での位置情報を管
理し、対象とする遠隔実空間、あるいは仮想空間の映像
を得る。

【００２０】得られた映像や音響情報は、大スクリーン
と複数のスピーカ、あるいは頭部搭載型ディスプレイと
ヘッドホンによる映像，音響情報提示手段を適宜組合せ
る。

【００２１】また、遠隔の実空間を歩行しているかの感
覚を提示するために、計測される利用者の歩行動作によ
って制御される移動ロボットとそのロボットに搭載され
る映像，音響情報計測手段およびその情報を遠隔地から
利用者に伝送する無線通信手段も利用する。

【００２２】図２はこの発明の一実施形態の全体の構成
を示すブロック図である。図２において、ベルト機構１
は歩行者２がその上で歩行したときに、歩行による移動
を相殺する機構であり、３軸歩行面保持機構３の上に設
置されている。３軸歩行面保持機構３は歩行ベルト面回
転機構と２軸歩行ベルト面姿勢保持機構とを有してい
る。歩行ベルト面回転機構はＪ１軸を中心に回転し、歩
行者２が進路変更したときにベルト機構１がその進路を
向くように回転させる。２軸歩行ベルト面姿勢保持機構
はＪ２軸まわりを回転可能であって、ベルト機構を上り
と下りの斜面にするとともに、Ｊ３軸まわりを回転し、
歩行者２に生じる慣性力を相殺する。

【００２３】ベルト機構１の前方には、歩行者２の足先
動作を計測するために、赤外線フィルタ付のＣＣＤカメ
ラ４が設置されるとともに、その上には赤外線ランプ５
が設けられる。歩行者２の両足先端部には赤外線の反射
シール２１，２２が貼り付けられる。赤外線シール２
１，２２は赤外線ランプ５からの赤外線を反射させ、そ
の反射光をＣＣＤカメラ４が撮像することによって歩行
者２の歩行情報が獲得される。

【００２４】また、歩行者２の頭部の位置姿勢を計測す
るために磁気式位置姿勢センサ６が歩行者２の頭部に取
付けられる。さらに、歩行者２の前方には、歩行動作に
連動して仮想空間や実空間の映像情報を提示するための
後方投影方式の画像提示装置７が設置されている。映像
情報は計算機８によって与えられる。このために、計算
機８はソフトウェアによって仮想空間を生成するための
仮想空間管理および画像情報生成，移動ロボット制御管
理，大規模空間移動情報管理，全システム統合管理，歩
行動作解析，歩行感覚提示装置制御管理機能を有してい
る。

【００２５】また、ＣＣＤカメラ４で検出された歩行情
報と磁気式位置姿勢センサ６で検出された頭部位置情報
は計算機９に入力される。計算機９は光学式位置追跡装
置と磁気式位置姿勢計測装置制御部と計測系制御部と駆
動系制御部とを有している。

【００２６】さらに、ベルト機構１と３軸歩行面保持機
構３を駆動するために、駆動装置１０が設置される。駆
動装置１０はベルト機構駆動装置とベルト面回転保持機
構駆動装置とベルト面姿勢保持機駆動装置とを内蔵して
いる。そして、駆動装置１０は計算機９の駆動系制御部
によって制御される。

【００２７】さらに、遠隔地の実空間の画像や映像情報
や音声情報を取得するために移動ロボット１１が設けら
れている。移動ロボット１１にはＣＣＤカメラ１２とマ
イクロホン１３とが搭載されていて、遠隔地の実空間映
像情報や音声情報が取得され、無線通信機１４によりア
ンテナ１５を介して伝送される。これらの情報はアンテ
ナ１８を介して無線通信機１７によって受信され、計算
機８に与えられる。

【００２８】なお、図２に示した実施例では、歩行動作
に連動して仮想空間の映像情報を提示するために、後方
投影方式の画像提示装置７が設置されているが、実施形
態によっては複数のスクリーンを用いて装置の周辺全体
を取り囲む方式や、頭部搭載型のディスプレイを使用し
てもよい。また、音響情報提示に関しても、多数のスピ
ーカを用いたり、ヘッドホンを使用することも可能であ
る。

【００２９】図３はこの発明の一実施形態の歩行動作を
示す図であり、図４は同じく動作を説明するためのフロ
ーチャートである。

【００３０】まず、図３および図４を参照して直進動作
について説明する。直進動作では歩行者が意識すること
なく歩行による体の移動を相殺するために、足先位置情
報と腰部位置情報を計測し、ベルト機構１のベルト速度
を制御する。

【００３１】すなわち、歩行者２がベルト機構１上で歩
行を開始すると、ステップ（図示ではＳＰと略称する）
ＳＰ１において、ＣＣＤカメラ４が歩行者２の両足先端
部に貼り付けられた反射シール２１，２２からの反射光
を検知する。ＣＣＤカメラ４の検知出力は計算機９に与
えられ、ステップＳＰ２において光学式位置追跡装置に
よって歩行者２の足先の運動情報が計測される。

【００３２】歩行者２の直進動作では、図３（ａ）に示
すように、歩行者２がある速度Ｖｗで歩行していると
き、歩行者２をベルト機構１上でのある歩行者保持目標
位置Ｘ０に保つ必要がある。理想的には、歩行速度に完
全に連動した速度で逆向きにベルトを走行することで目
的を達成できる。しかし、ベルト上での歩行速度を直接
計測することは難しいため、歩行者２の歩行動作から歩
行動作を推定することにより、ベルト機構１を制御す
る。制御量であるベルトの速度指令Ｖｂは以下に述べる
２種類のフィードフォワードＦ１（歩行速度に関するフ
ィードバック）と、Ｆ２（歩行位置に関するＰＩフィー
ドバック）から決定される。

【００３３】まず、フィードフォワードＦ１について説
明する。ステップＳＰ３において、計測可能な立脚時間
から歩行速度が推定される。ここで、立脚時間とは歩行
時に片足が地面に接地し、体に対して相対的に後方に移
動するモードである。一方、歩行時に後方に下がった足
を前方に振り出すモードは遊脚モードと呼ばれ、歩行は
この立脚と遊脚を左右の足で交互に繰返す運動である。
ここで、実際の歩行動作からこれらの立脚時間と遊脚時
間を計測したところ、第（１）式に示すような形式で、
歩行者によらず立脚時間がほぼ歩行速度に反比例するこ
とが判明した。

【００３４】Ｖｗ´＝ａ／Ｔ＋ｂ … （１） ただし、Ｖｗ´は推定歩行速度、Ｔは立脚時間、ａ，ｂ
は定数である。厳密には、定数係数ａ，ｂには個人差が
ある。そのため、この実施形態では事前にベルトを一定
速度で動かして利用者に歩行してもらい、このパラメー
タの調整を行なって個人の歩行特性に合せた調整機能を
有する。

【００３５】次に、足先の運動の立・遊脚モードの判定
方法について説明する。ここでは、歩行者２の両足先位
置に反射シール２１，２２を貼り付け、前方に設置され
たＣＣＤカメラ４によって光学的に反射シール２１，２
２を計測する。そして、得られた両足先の検出信号を時
間的に差分して両足の速度情報を算出し、別に計測され
たベルト速度情報と比較すると、足先の運動の立・遊脚
モードが判定できる。この時間情報をもとにベルト上で
の歩行状態の解析を行ない、前述の計測から得られた回
帰式により歩行速度Ｖｗ′を推定して速度に関するフィ
ードフォワードを行なう。

【００３６】ここでは推定誤差と時間遅れを考慮して、 Ｆ１＝−α・Ｖｗ′ … （２） としている。

【００３７】図５は、１次ホールドによる歩行者速度推
定値を修正する方法を説明するための図である。

【００３８】この実施形態では、歩行速度推定はいずれ
かの足が着地する際にのみ行なわれるが、連続して変化
する歩行速度にできるだけ誤差を低減させて追従するた
めに、図５に示すような１次ホールドを用いて連続的に
補正している。ここで用いた１次ホールド手法は、最新
の推定値をＶｗ′（ｎ）とし、１つ前の推定値をＶｗ′
（ｎ−１）とし、Ｖｗ′（ｎ）を計測してから現在まで
の経過時間をΔｔ，Ｖｗ′（ｎ−１）を推定してからＶ
ｗ′（ｎ）を推定するまでの時間をΔＴとすると、現在
の修正された推定歩行速度Ｖｗ′は次式で表わされる。

【００３９】 Ｖｗ′＝Ｖｗ′（ｎ）＋｛Ｖｗ′（ｎ）−Ｖｗ′（ｎ−１）｝・Δｔ／ΔＴ …（３） しかし、フィードフォワード制御では応答性が大幅に改
善するものの、依然として発生する推定誤差と機構部の
応答の時間遅れの影響が位置誤差となる。よって、補助
的に位置に関するフィードバックＦ２を付加する。

【００４０】Ｆ２に関しては、ステップＳＰ５およびＳ
Ｐ６において、歩行者のベルト上での位置Ｘと歩行者保
持目標位置Ｘ０との距離誤差ｅをパラメータとして、Ｐ
Ｉフィードバックによる位置制御を行なう。ここでの歩
行者位置Ｘは前述のＣＣＤカメラ４によって得られる両
足先位置の歩行方向の中点とする。これによって、ここ
では糸や超音波などによる特別な歩行者位置計測手段を
余分に必要としない。

【００４１】ここで、 Ｘ′＝（Ｐｌ＋Ｐｒ）／２ … （４） ｅ＝Ｘ′−Ｘ０ … （５） Ｆ２＝β・ｅ＋γ・∫ｅｄｔ … （６） である。

【００４２】なお、Ｆ２の計算は歩行者の足先位置情報
が更新されるたびに連続的に実行される。以上をまとめ
ると、ベルト速度指令Ｖｂは次式で定義できる。

【００４３】Ｖｂ＝Ｆ１＋Ｆ２ … （７） なお、係数αとβ，γは制御が発散しない範囲で決定す
る定数である。

【００４４】次に、進路変更動作相殺のための歩行動作
計測手段とベルト面水平回転制御方法について説明す
る。進路変更動作については、前述のように、進路変更
時のみ発生する遊脚の足先が斜め前方に踏み出される動
きを前述のＣＣＤカメラ４と同じ手法で計測し、この横
方向の動きが発生した際にベルト面自体を水平方向に回
転させて、斜め前方に振り出された足が常にベルトの左
右方向の中央付近に着地するように動作の相殺を行な
う。

【００４５】図３（ｂ）には、右足を前方に振り出した
状態で、右方向に進路を変えようとしている歩行動作を
示している。図３（ｂ）において、右足が離床した位置
をＰｒ０とすると、直進歩行している場合には遊脚動作
終了時にはＰｒ０の正面のＰｒ′に足が着地するが、右
に進路変更する際には、右斜め前方位置のＰｒへ足が着
地する。ＣＣＤカメラ４は足先の運動を連続的に計測し
ており、遊脚時にこのような横方向の運動が計測された
場合には、図３（ｂ）に示すように、直進方向からの足
位置のずれ角ａｎｇを０とするようにベルト面全体をＪ
１軸で水平回転させる。この斜め前方への踏み出し動作
は、左右両足ともに同様に処理される。

【００４６】具体的には、図４のステップＳＰ７におい
て、遊脚動作時に有意に振り出される足が左右に振れる
場合、つまりずれ角ａｎｇが予め規定されているしきい
値以上に計測されると、図２に示した計算機８の歩行動
作解析部で進路変更動作に入っていると判定され、これ
を０とするようにステップＳＰ８の修正処理によりθ _j1
が制御される。制御系はステップＳＰ９において、ずれ
角ａｎｇを制御誤差入力，θ_j1を制御量とするＰＩフィ
ードバックを行なう。

【００４７】なお、後者の動作のためには、回転に伴う
遠心力の影響を最小限として歩行者２のバランスを確保
するために、常に歩行者２をベルト面水平回転の中央付
近に保持する必要がある。ここではベルト速度制御手法
によって高速応答性が確保されている。

【００４８】また、歩行者の動作に連動して水平回転す
るベルト面にはベルト駆動系や計測系が設置されてい
る。これらの制御、あるいは電源のための複数の信号線
が基部からベルト面に接続されているが、これらの機械
的制約によりベルト面の回転は有限となる。しかし、た
とえば歩行者２が対象空間内で右に曲がる動作を何度も
繰返した場合、ベルト面自体もその動作を相殺するため
に右方向に回転せねばならない。そこで、水平面回転機
構の回転範囲の中央値から進路変更動作によってある角
度だけ回転している場合には、直進動作時に歩行動作に
影響の出ない低速で回転角度を回転範囲の中央部まで戻
す制御を同時に作用させる。これによって、機械的制約
のある水平回転機構においても、制約角度以上に進路変
更動作を実現できる。この部分はステップＳＰ８の修正
処理に相当する。

【００４９】図６は仮想空間内での位置更新手法を説明
するための図である。次に、図６を参照して、対象空間
内の移動動作管理方法について説明する。この実施形態
を用いることによって、歩行者２はベルト上をごく普通
に歩くだけで、合成される仮想空間内または遠隔地を実
際に歩行する感覚を得ることができる。以下では、前述
の歩行動作解析結果をもとに、対象移動空間内での移動
を実現するための手法についてまとめる。なお、これら
は計算機８に実装されている大規模空間移動情報管理部
によって処理される。

【００５０】対象空間内を移動する際には、前進移動に
関しては前述の推定された方向速度Ｖｗ′を時間積分
し、仮想空間内での歩行者２の位置情報を連続的に更新
する。左右への進路変更は、前述の図３（ｂ）を参照し
て説明した進路変更動作計測で得られた情報をもとに実
現される。すなわち、図６に示すように、ある遊脚時に
発生した直進方向からのずれ角ａｎｇを、Ｖｗ′の方向
変化成分として時間積分時に加算する。

【００５１】以上を数式として実現する。ある時間ｔで
の歩行者の位置をＰ（ｔ）＝（Ｐ_x（ｔ），Ｐ
_y （ｔ））と２次元の位置ベクトルで表現する。このと
きの歩行者の歩行速度をベルト表現でＶｗ′（ｔ）＝
（Ｖｗ′_x （ｔ），Ｖｗ′_y （ｔ））、歩行空間に固定
される座標系のｘ軸を基準とした時刻ｔでの足先のずれ
角をａｎｇとする。これらにより、位置更新処理の１ス
テップ経過後の時刻ｔ＋１での歩行者の位置Ｐ（ｔ＋
１）は以下のように得られる。

【００５２】 Ｐ_x （ｔ＋１）＝Ｐ_x （ｔ）＋ｃｏｓ（ａｎｇ） ・｜Ｖｗ′（ｔ＋１）・Δｔ｜ …（８） Ｐ_y （ｔ＋１）＝Ｐ_y （ｔ）＋ｓｉｎ（ａｎｇ） ・｜Ｖｗ′（ｔ＋１）・Δｔ｜ …（９） ただし、前述の第（３）式とは異なり、Δｔは時刻ｔ＋
１と時刻ｔの間の経過時間とする。

【００５３】この実施形態の利用目的は、仮想の世界、
あるいは遠隔の実世界を歩行しているかのような感覚を
提供することであり、移動動作の結果としての移動空間
を生成する。仮想空間と遠隔実空間のそれぞれを対象と
した場合の提示する映像・音響情報の取得方法とそれら
の提示方法ならびに歩行者の３次元形状の提示方法につ
いて説明する。

【００５４】移動運動の結果を歩行者２に伝える手段と
して、ユーザの眼前に何らかの映像提示手段と音響情報
提示手段を設ける。ここでは、図２に示すように、一例
として後方投影式の大形スクリーンを用いた画像提示装
置７を設置し、歩行動作に合せて変化する対象空間の映
像を提示する。しかし、これはたとえば歩行者の周囲全
天を覆うような映像投影装置やあるいは頭部搭載型の小
型ディスプレイであってもよい。また、対象となる空間
で発生する音響情報についても、複数のスピーカあるい
はヘッドホンによって歩行者に提示することができる。

【００５５】仮想空間は一般にＣＡＤなどで生成される
数値データの集合であり、これを計算機８の仮想空間管
理および画像情報生成部により映像信号として画像提示
装置７に表示する。この際には、前述の位置変更アルゴ
リズムからの移動情報とＣＡＤデータから得られる歩行
移動可能領域データとを照合して対象仮想空間内での位
置を決定する。続いて、歩行者２の頭部の姿勢を計測す
る磁気式位置姿勢センサ６の情報を組合せて仮想カメラ
の位置を決定することにより、任意の位置から見た任意
の方向のコンピュータグラフィックス画像を生成する。
音響情報に関しては、同じくＣＡＤデータ内に格納され
ている音響発生モデルを通じて計算機９によって合成さ
れ、歩行者２に提示される。

【００５６】遠隔実空間を歩行移動対象空間とする場合
は、ＣＣＤカメラ１２とマイクロホン１３を搭載した移
動ロボット１１をその空間に配置し、位置変更アルゴリ
ズムからの移動情報を無線通信機１７からアンテナ１６
を介して伝送し、移動ロボット１１ではアンテナ１５を
介して無線通信機１４がその情報を受けて自走する。移
動ロボット１１に取付けられたＣＣＤカメラ１２の映像
とマイクロホン１３による音響情報は無線通信機１４か
らアンテナ１５を介してシステム側のアンテナ１６から
無線通信機１７で受信され、前述の映像・音響情報提示
手段によって歩行者２に提示される。

【００５７】図７は歩行者の姿勢制御による斜面の提示
方法を説明するための図である。この実施形態のもう１
つの特徴として、歩行面の立体形状である斜面の再現機
能がある。ここでは、図７に示すように、仮想空間の場
合はＣＡＤデータの地形情報から、実空間の場合は移動
ロボット１１に実装される傾斜角センサ（図示せず）に
よって、歩行者の存在する領域の傾きＮ２が得られる。
そして、ベルト面自体をＪ２，Ｊ３軸を有する歩行面保
持機構によって傾斜させて歩行ベルト面を同一の傾斜Ｎ
ｂに一致させ、傾斜面が再現される。

【００５８】さらに、この実施形態では、実際の歩行と
は異なる慣性力が作用する。この慣性力を２軸歩行ベル
ト面姿勢保持機構により擬似的に再現する。

【００５９】図８は慣性力の擬似的な相殺と生成方法を
説明するための図である。まず、歩行者２が前方に加速
する場合、図８（ａ）に示すように、歩行者２が歩行速
度を上げた結果として、ベルト速度が加速度ａ_beltで加
速した場合、歩行者２の質量をｍとすると、歩行者には
ｍ・ａ_beltの慣性力が前方に作用する。加速度が大きい
ときには、この慣性力によって転倒の危険が生じる。そ
こで、ベルトの加速が発生する場合には、加速度に連動
してベルト面姿勢保持機構Ｊ２軸まわりにθ_j2だけ傾
け、歩行者２に作用する重力成分の斜面の前後方向に対
する水平分力によって擬似的に相殺する。θ_j2は次式の
ように計算される。

【００６０】 θ_j2＝ｓｉｎ^-1（ａ_belt／ｇ） … （１０） ただし、ｇは重力加速度である。

【００６１】一方、実際に歩行者２が進路を変更する場
合には、歩行者２には回転する方向と外側に遠心力が作
用するが、この実施形態では回転動作自体を相殺するた
めに、この遠心力が作用しない。そこで、回転速度と連
動して２軸歩行ベルト面姿勢保持機構のＪ３軸まわりに
θ_j3だけ傾け、歩行者２に作用する重力成分の斜面の横
方向に対する水平分力によって擬似的に生成する。θ_j3
は次式により計算される。

【００６２】 θ_j3＝ｓｉｎ^-1（ｒ・ω² ／ｇ） … （１１） ただし、ｇは重力加速度であり、ｒとωは進路変更時の
回転半径と回転速度である。

【００６３】上述のごとく、この実施形態によれば、歩
行者２はわずかな空間内で広域にわたる実空間あるいは
仮想空間内を歩行移動でき、情報さえあれば現実の有無
を問わず再現が可能である。また、いずれの空間も平面
だけでなく斜面などを含む３次元的な世界を対象として
いる。この利点により、たとえば建築物の構築の際に、
ＣＡＤデータの段階で対象空間を実際に歩いてみること
で空間設計の評価が可能となる。また、古代の遺跡ある
いは開発などで既に存在しない空間を計算機によって再
現し、その空間配置の直感的な認識も可能となる。さら
に、何らかのロボットと組合せて遠隔実空間の歩行感覚
を再現することにより、テレビ電話の拡張として遠隔地
に離れたユーザ同士が歩行しながらの会話が可能とな
る。さらに、この実施形態による移動は既存のトレッド
ミルのような外部から強制される運動ではなく、歩行者
の意思による歩行が実現できるため、歩行のリハビリテ
ーションにも応用できる。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、歩行
者がベルト機構上で任意の方向へ歩行したとき、その歩
行動作を非接触で計測し、計測した角度だけベルト機構
を回転させるようにしたので、歩行者の斜め前方に振り
出された足が常にベルトの左右方向の中央付近に着地す
るように動作の相殺を行なうことができる。したがっ
て、歩行者はごく自然な歩行動作を行なうだけで済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の概念を説明するための図である。

【図２】この発明の一実施形態の全体の構成を示すブロ
ック図である。

【図３】この発明の一実施形態の歩行動作を説明するた
めの図である。

【図４】この発明の一実施形態の動作を説明するための
フローチャートである。

【図５】１次ホールドによる歩行者速度推定値を修正す
る方法を説明するための図である。

【図６】仮想空間内での位置更新方法を説明するための
図である。

【図７】歩行面の姿勢制御による斜面の提示方法を説明
するための図である。

【図８】慣性力の擬似的な相殺と生成方法を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１ ベルト機構 ２ 歩行者 ３ ３軸歩行面保持機構 ４ ＣＣＤカメラ ５ 赤外線ランプ ６ 磁気式位置姿勢センサ ７ 画像提示装置 ８，９ 計算機 １０ 駆動装置 １１ 移動ロボット １２ ＣＣＤカメラ １３ マイクロホン １４，１７ 無線通信機 １５，１６ アンテナ ２１，２２ 反射シール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−308876（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−55132（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G09B 9/00 A61H 1/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人間による歩行動作から前進移動と進路
   変更動作を計測し、歩行による移動を相殺する歩行感覚
   生成装置であって、 その上で両足を踏み出して歩行したときに、歩行による
   移動を相殺するためのベルト機構、 前記ベルト機構のベルト面を水平面内で回転させる回転
   機構、 歩行動作と歩行位置とを非接触で計測する歩行計測手
   段、および前記歩行計測手段によって任意方向への歩行
   であることが計測されたとき、その任意方向までの角度
   だけ前記ベルト機構を前記回転機構によって回転させる
   制御手段を備えた、歩行感覚生成装置。
2. 【請求項２】 前記歩行計測手段は、足先の動きを計測
   し、 前記制御手段は、 前記歩行計測手段によって足先の横方向への動きが検出
   されたことに応じて、進路変更角度を推定する角度推定
   手段と、 前記角度推定手段によって推定された角度だけ前記回転
   機構によって前記ベルト機構を回転させて斜め前方に振
   り出された足が常にベルトの左右方向の中央付近に着地
   させるための回転制御手段とを含む、請求項１に記載の
   歩行感覚生成装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、 前記歩行計測手段によって足先の直進動作が検出された
   ことに応じて、歩行者の歩行速度と歩行者位置を推定す
   る歩行推定手段と、 前記歩行推定手段による推定に応じて、前記歩行者をベ
   ルトの前後方向中央位置で獲得するように前記ベルト機
   構を駆動させるベルト機構制御手段とを含む、請求項２
   に記載の歩行感覚生成装置。
4. 【請求項４】 さらに、歩行者に仮想空間または実空間
   の画像を提示する画像提示手段を設けるとともに、さら
   に前記仮想空間の画像をソフトウェアによって生成して
   前記画像提示手段に与える仮想空間生成手段と、前記歩
   行者の歩行に連動して遠隔実空間を移動し、実空間の画
   像を撮像して前記画像提示手段に与える移動ロボットと
   の少なくとも一方を備えた、請求項１に記載の歩行感覚
   生成装置。