(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略水平に配置される支持手段と、
前記支持手段の上面を覆って巻き掛けられる無端帯状のベルトと、
ベルト上面に路面映像を映し出す映写手段と、
前記ベルトおよび映写手段を制御し、ベルト上面が後方に移動するようにベルトを循環駆動させるとともに、ベルト上面の移動に合わせて前記路面映像を変化させることで、ベルト上面に乗載する使用者に歩行感覚を提示する制御手段とを有し、
前記支持手段は、略水平に配列される複数のローラを有し、
前記各ローラごとに備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するローラ移動支持手段を有し、
前記制御手段は、ベルト上面が、設定した所定の路面形状となるように、各ローラの上下位置を制御するとともに、ベルト上面が後方に移動するようにベルトを循環駆動させるように、前記ローラ移動支持手段を制御することを特徴とする歩行感覚提示装置。
【請求項２】
複数のローラを有し、前記ベルトが巻き掛けられ、ローラ間の間隔を調整することで、ベルトに所定の張力を与えるベルト張力調整手段を備えることを特徴とする請求項１記載の歩行感覚提示装置。
【請求項３】
映写手段は、路面映像としてＣＧ映像または実写映像をベルト上面に映し出すことを特徴とする請求項１または２記載の歩行感覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば人間の歩行に関する能力を測定するときに用いられる歩行感覚提示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＶＲ（Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ）またはＶＥ（Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ）などの人工仮想空間技術に用いられるものに、使用者に歩行感覚を提示する歩行感覚提示装置がある。たとえば、トレッドミルを用いた歩行感覚提示装置が、特許第２９２３４９３号「歩行感覚生成装置」に開示されている。これに用いられるトレッドミルは、複数のローラに無端帯状のベルトを巻きかけて構成され、ベルト上に使用者が乗り、使用者の歩行に合わせてベルトを後方に移動させる。
【０００３】
また、使用者の前面の大型スクリーンには、使用者の歩行に応じた仮想空間の映像が映し出される。これによって、実際に歩行している状態を模擬することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では使用者の前面には、歩行に合わせた映像が映写されるが、足元のベルトには特に工夫が施されていないため、使用者が足元を見ると違和感が生じるといった問題がある。
【０００５】
このような問題を解決するために、ＨＭＤ（ｈｅａｄ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ）で使用者の視野全体に模擬映像を見せるといった方法もあるが、ＨＭＤの装着による違和感や、頭を動かしたときの映像の追従遅れによるＶＲ酔いなどを起こす問題がある。さらに、ＨＭＤの装着感をなくすような小型軽量化や、映像の追従遅れをなくすような高速映像処理を実現しようとした場合、非常に高価な設備となってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決し、より現実感のある歩行感覚提示装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、略水平に配置される支持手段と、
前記支持手段の上面を覆って巻き掛けられる無端帯状のベルトと、
ベルト上面に路面映像を映し出す映写手段と、
前記ベルトおよび映写手段を制御し、ベルト上面が後方に移動するようにベルトを循環駆動させるとともに、ベルト上面の移動に合わせて前記路面映像を変化させることで、ベルト上面に乗載する使用者に歩行感覚を提示する制御手段とを有し、
前記支持手段は、略水平に配列される複数のローラを有し、
前記各ローラごとに備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するローラ移動支持手段を有し、
前記制御手段は、ベルト上面が、設定した所定の路面形状となるように、各ローラの上下位置を制御するとともに、ベルト上面が後方に移動するようにベルトを循環駆動させるように、前記ローラ移動支持手段を制御することを特徴とする歩行感覚提示装置である。
【０００８】
本発明に従えば、映写手段は、ベルト上面に使用者の歩行に合わせて変化する路面映像を映写する。すなわち、使用者には周囲の映像だけでなく、足元にも映像が提供される。したがって、使用者が足元を見たとしても、違和感を感じることがなくなり、より現実感のある歩行感覚提示装置を提供することができる。
【０００９】
また、ＨＭＤとは異なり、実際に足元に映像を映写するので、映像の追従遅れによるＶＲ酔いも防ぐことができる。
【００１１】
また本発明に従えば、ローラの上下位置を制御することで、凹凸のある路面形状を形成することができる。また、使用者の歩行速度と同じ速度でベルトおよび形成された路面が後方に移動するように制御されるので、使用者側から見れば、凹凸のある路面の上を歩いているように感じられる。このようにして、任意の路面形状の歩行を模擬することができる。
【００１２】
請求項２記載の本発明は、複数のローラを有し、前記ベルトが巻き掛けられ、ローラ間の間隔を調整することで、ベルトに所定の張力を与えるベルト張力調整手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
ローラの上下位置を調整して路面形状を変えると、路面形状に応じてベルトの長さも変える必要がある。本発明では、複数のローラを有するベルト張力調整手段が設けられるので、このベルト張力調整手段でローラ間の間隔を調整することによって、ベルトの弛みを調整し、これによって、ベルトに所定の張力を与えることができる。
請求項３記載の本発明は、映写手段は、路面映像としてＣＧ映像または実写映像をベルト上面に映し出すことを特徴とする。
映写手段によって、シミュレーションする環境、たとえば岩場や砂漠に応じた路面の映像として、ＣＧ（Computer Graphic）映像または実写映像をベルト上面に映写し、ベルトの移動に合わせて、その路面映像を変化させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である歩行感覚提示装置１を用いた環境シミュレーションシステムの構成を示す図である。環境シミュレーションシステムは、人工的に様々な環境をシミュレーションするシステムであり、たとえば様々な環境のなかで歩行する人間の体力を測定する場合などに用いられる。
【００１５】
環境シミュレーションシステムは、シミュレーションする環境に応じた歩行感覚を使用者６に提示する歩行感覚提示装置１と、環境に応じた映像を使用者の前面、または周囲に表示する表示装置、音響を発生する音響装置を備え、さらに空調機器、降雨降雪模擬装置、日射模擬装置、風洞などと組み合わせられて環境シミュレーションシステムが構築される。
【００１６】
歩行感覚提示装置１は、トレッドミル２、制御装置３、および映写手段であるプロジェクタ４を有する。トレッドミル２は、並列に密に配列された複数のローラから成る支持手段を有し、この支持手段を覆ってベルト１４が巻き掛けられ、このベルト１４の上を使用者６が歩行する。制御装置３は、トレッドミル２およびプロジェクタ４を制御し、統括制御用コンピュータ１２と、トレッドミル２を制御するトレッドミル制御装置１３とを有する。統括制御用コンピュータ１２には、生成する環境として、たとえば岩場や砂漠などが指示され、この指示された環境に応じた映像データおよび歩行感覚データを出力する。映像データを受け取ったＣＧ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｇｒａｐｈｉｃ）表示用コンピュータ１５は、このデータに基づいて使用者６の足元に表示するＣＧ映像を算出し、プロジェクタ４に出力する。プロジェクタ４は、環境に応じた映像を、トレッドミル２のベルト１４上面に映写する。映写する映像は、ＣＧに限らず、実写映像でもよい。
【００１７】
トレッドミル２は、ベルト１４を駆動する駆動ローラ２０、ベルトの張力を調整するベルト張力調整手段２１、各ローラごとに備えられ、各ローラを昇降させる昇降駆動源である油圧シリンダ３１（以下、シリンダ３１と略記する）、使用者６の位置を検出する使用者位置検出装置１０、および荷重を検出する荷重検出装置１１を備える。また、昇降駆動源は、ボールネジなどで実現されてもよい。トレッドミル制御装置１３は、統括制御コンピュータ１２からの歩行感覚データ、使用者位置検出装置１０からの使用者位置データ、および荷重検出装置１１からの荷重データに基づいて、トレッドミル２を制御する。
【００１８】
駆動ローラ２０は、制御装置３の駆動ローラ回転速度制御部１８によって制御され、シリンダ３１は、シリンダ昇降位置制御部１９によって制御される。
【００１９】
トレッドミル制御装置１３は、統括制御用コンピュータ１２からの歩行感覚データに基づいて、生成する環境の路面を表面形状と路面状態とに分けてトレッドミル２で再現する。さらに詳細に説明すると、トレッドミル制御装置１３は、歩行感覚データから表面形状データと路面状態データを算出し、歩行位置検出装置１０に基づいて使用者６の歩行速度を算出し、荷重検出装置１１に基づいて、使用者６の足からトレッドミル２に作用する荷重を算出する。そして、表面形状データと歩行速度を表面形状制御部１６に与える。
【００２０】
表面形状制御部１６は、トレッドミル制御装置１３からの表面形状データに基づいて、シリンダ昇降位置制御部１９を制御して路面の表面形状を生成するとともに、駆動ローラ回転速度制御部１８を制御して使用者６の歩行速度でベルト１４を駆動させるとともに、生成した路面の表面形状が後方に移動するようにシリンダ昇降位置制御部１９を制御する。つまり、形成された路面の表面形状が、ベルト１４とともに、歩行速度と等速度で後方に移動するので、使用者６にとっては、実際に歩いていると感じることができる。
【００２１】
路面状態とは、生成する路面の土質のことであり、土質とは、足を置いた地面がどのくらい沈み込むかで表される。つまり、トレッドミル制御装置１３は、統括制御用コンピュータ１２からの歩行感覚データに基づいて路面状態データを算出し、使用者位置検出装置１０に基づいて使用者６の歩行速度および着地する地点のローラ、足を上げようとする位置のローラを算出し、荷重検出装置１１に基づいて各ローラに作用する荷重を算出し、これらのデータを、路面状態制御部１７に与える。路面状態制御部１７は、着地する足の位置のローラおよび踏ん張る足の位置のローラに作用する荷重に基づき、これらのローラが、設定された路面状態の硬さを模擬して昇降するように、シリンダ昇降位置制御部１９を制御する。
【００２２】
図２は、トレッドミル２の使用状態を示す側面図であり、図３は、トレッドミル２の平面図であり、図４は、トレッドミル２の正面図である。これらの図を参照してトレッドミル２の構造についてさらに詳細に説明する。
【００２３】
図２に示すように、トレッドミル２は、ピット４０に格納して使用され、ベルト１４の上面の使用者歩行面のみが露出するように設置される。プロジェクタ４は、トレッドミル２の前方に配置され、ベルト１４の上面に路面映像を映写する。この路面映像は、シミュレートする環境に応じた路面の映像であり、トレッドミル制御装置１３で算出した使用者６の歩行速度に合わせて映写する路面映像が後方に移動するように制御する。つまりベルト１４の移動速度にあわせて後方に路面が移動するような映像を映写する。
【００２４】
図３に示すように、トレッドミル２の上面には、ローラ４１が複数本、密に略水平に配列される。実施形態では、外径が５０ｍｍφで、長さが約１．２ｍのローラ４１が、約４０本配列され、トレッドミル２の使用者歩行面は、幅Ｗ＝１．２ｍ、長さＬ＝２．０ｍとなる。
【００２５】
図４に示すように、各ローラ４１は、両端部がそれぞれシリンダ３１によって支持される。各シリンダ３１は、架台４２に立設され、それぞれシリンダ位置検出器４２によってシリンダ３１の高さが検出される。このシリンダ位置検出器４２は、ポテンションメータまたは磁歪式センサを用いることができ、またシリンダと一体型となったものでもよい。シリンダ昇降位置制御部１９は、シリンダ位置検出器４２に基づいて、各ローラ４１の高さ位置を制御する。
【００２６】
シリンダ３１で各ローラ４１の高さ位置を個別に調整することで、任意の路面形状を形成することができる。たとえば、連続して一定の段差をつければ、ベルト１４は前後傾斜路面を模擬できる。また、水平面と段差とを組み合わせると階段や凹凸状の路面を模擬できる。
【００２７】
また、シリンダ３１のピストンロッド先端にローラ４１の端部が角変位可能に連結される。したがって、左右のシリンダ３１の高さ位置を変えることで、ローラ４１を左右に傾斜させることができる。これによって、左右に傾斜した路面形状なども形成することができる。
【００２８】
また、各ローラ４１の両側には、使用者位置検出装置１０が設けられる。使用者位置検出装置１０は、光センサ４５からなり、発光素子４５ａと受光素子４５ｂとを有する。発光素子４５ａからの光は受光素子４５ｂで受光しており、使用者６の足が置かれたとき、光が遮断され、これによって使用者６の足位置を検出することができる。このようにして、各ローラ４１ごとに使用者位置を検出する。使用者位置検出装置１０は、光センサを並べて足首位置を検出する方法に限らず、カメラで使用者を撮影し、画像解析して使用者位置を検出する方法や、使用者に磁気センサを付けて使用者位置を検出する方法であってもよい。
【００２９】
また、各ローラ４１の両端部には、ベルト１４を押えるベルト押えローラ４６が取り付けられる。このベルト押えローラ４６とローラ４１とでベルトを挟持する。このような構成によって、ローラ４１を個別に上下させて路面形状を変化させたとき、ベルト１４がローラ４１から浮き上がってしまうといったことが防がれる。
【００３０】
トレッドミル２の後部には、駆動ローラ２０が設けられ、前部には、ベルト張力調整手段２１が設けられる。これら駆動ローラ２０およびベルト張力調整手段２１は、使用者歩行面よりも下で、使用時には露出しない位置に配置される。駆動ローラ２０は、外径約３０センチの大径のローラであり、このローラ２０がサーボモータ４７によって回転駆動される。駆動源は、電動モータに限らず、油圧モータであってもよい。
【００３１】
無端状のベルト１４は、駆動ローラ２０から各ローラ４１の上面を介してベルト張力調整手段２１にわたって巻き掛けられる。路面形状は、ローラ４１の高さ位置を調整することによって設定され、この路面形状を変更した場合、使用者歩行面上で、所定の張力でベルトを張架するのに必要なベルトの長さも変化する。そこで、この路面形状の変更に追従して、必要なベルトの長さを調整し、ベルト１４に所定の張力を付与するために、ベルト張力調整手段２１が設けられる。
【００３２】
ベルト張力調整手段１４は、ローラ４１と同じ径のローラ５０を有し、複数、ここでは４本のローラ５０からなる可動ローラセット５１および、５本のローラ５０から成る固定ローラセット５２から構成される。可動ローラセット５１は、平行な４本のローラ５０が一体に構成され、固定ローラセット５２は、５本のローラ５０が平行に配置されて構成される。この固定ローラセット５２は、架台４２に固定配置され、可動ローラセット５１は、固定ローラセット５２の上方に配置され、架台４２に固定されるシリンダ５３によって、可動ローラセット５１は、固定ローラセット５２に対して近接／離反変位駆動される。
【００３３】
トレッドミル２の使用者歩行面上に張架されたベルト１４は、ベルト張力調整手段２１の固定ローラセット５２の各ローラ５０と可動ローラセット５１の各ローラ５０との間にわたって交互に巻き掛けられる。つまり、ベルト１４は、ベルト張力調整手段２１で複数回折り返され、その後、使用者歩行面の下で後部まで延び、駆動ローラ２０に巻き掛けられ、使用者歩行面上のベルトに連なる。
【００３４】
ベルト張力調整手段２１でベルト１４は複数回折り返されているので、可動ローラセット５１を動かして、可動ローラセット５１と固定ローラセット５２との間隔を変えることで、ベルトの折り返し量を変えて、使用者歩行面上に巻き出されるベルトの長さを大きく調整することができる。たとえば、凹凸の大きい路面形状を形成するときには、使用者歩行面上で多くのベルトが必要であるので、可動ローラセット５１を下降させてベルトの折り返し量を減らし、逆に、平坦な路面の場合には、可動ローラセット５１を上昇させてベルトの折り返し量を増加させる。このようにして、路面形状にかかわらず、使用者歩行面上のベルトを、常に所定の張力とすることができる。
【００３５】
本発明のトレッドミル２では、ローラ４１の上下位置を調整することで、任意の凹凸形状の路面を形成することができ、たとえば岩場や、木の根が張り出す山道などを模擬することができる。プロジェクタ４からは、この模擬する路面に応じ、岩場や山道などの映像を使用者歩行面上に映写する。たとえば、木の根や岩を模擬して凸に形成した部分には、木の根や岩の映像が映写されるように制御する。プロジェクタ４は、使用者の視界に光源が入らない角度で前方から映写するが、前方からのみの映写だけでは、路面の凹凸によって影ができるので、トレッドミル２の側方からも映写してもよい、これによって、凹凸による影を少なくすることができ、より現実感のある映像を提供することができる。
【００３６】
形成した路面形状は、使用者の歩行速度で後方に移動するように制御し、これに合わせて、ベルト１４も、使用者の歩行速度で後方に移動させる。さらに、映写する映像も、歩行速度で路面が後方に動くように制御する。これによって、現実の歩行に近い状態を模擬することができる。またさらに、模擬する路面が砂地などの場合、砂地映像をベルト上に映写するとともに、使用者６の荷重を検出し、これに応じてローラ４１を下降させて、足元の沈み込みを模擬することができる。これによって、より現実感のある歩行感覚を提供することができる。さらに、模擬する環境に合わせて周囲映像、温度、湿度、風、気圧、におい、雨、雪、日射などの空調、気象環境を組み合わせることで、さらに現実感を高めることができる。
【００３７】
上述した実施形態では、ベルトが巻き掛けられる支持手段は複数のローラで構成したが、本発明はこのような円柱に限らず、上面でベルトが滑るように構成されるものであれば良く、たとえば平板であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、映写手段は、ベルト上面に使用者の歩行に合わせて変化する路面映像を映写するので、使用者には周囲の映像だけでなく、足元にも映像が提供される。したがって、使用者が足元を見たとしても、違和感を感じることがなくなり、より現実感のある歩行感覚提示装置を提供することができる。
【００３９】
また、ＨＭＤとは異なり、実際に足元に映写するので、使用者の視線位置の変化に伴う映像の追従遅れによるＶＲ酔いも防ぐことができる。
【００４０】
また本発明によれば、使用者の歩行速度と同じ速度でベルトおよび形成された路面が後方に移動するように制御することによって、任意の路面形状の歩行を模擬することができる。
【００４１】
また本発明によれば、ベルト張力調整手段が設けられるので、このベルト張力調整手段でローラ間の間隔を調整することによって、ベルトの弛みを調整し、これによって、つねにベルトに所定の張力を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である歩行感覚提示装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】トレッドミル２の側面図である。
【図３】トレッドミル２の平面図である。
【図４】トレッドミル２の正面図である。
【符号の説明】
１  歩行感覚提示装置
２  トレッドミル
３  制御装置
４  プロジェクタ
１４  ベルト
２１  ベルト張力調整手段
４１  ローラ
【図１】
0003550087.tif 000002
【図２】
0003550087.tif 000003
【図３】
0003550087.tif 000004
【図４】
0003550087.tif 000005