(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略水平に並列に配置される円筒状の複数のローラと、
各ローラに個別に備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するシリンダと、
使用者からシリンダに与えられる荷重に応じて、予め定められる模擬すべき路面の硬度および粘度に応じた反発力を、使用者から荷重が与えられたローラに与えるように、各シリンダを制御して各ローラの上下方向の位置を制御する路面状態模擬手段とを含むこと特徴とする歩行感覚提示装置。
【請求項２】
前記路面状態模擬手段は、使用者の歩行距離毎に、予め定める比例ゲインおよび微分ゲインがそれぞれ設定された路面状態テーブルと、
前記各ローラの上下位置の指令値と、各ローラの上下位置のフィードバック制御量と、前記路面状態テーブルからの比例ゲインおよび微分ゲインとが入力され、これに基づいて前記シリンダの操作量を出力する可変ゲインＰＩＤ制御部とを含む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】
前記路面状態テーブルは、硬度の高い路面を模擬するときには、前記比例ゲインが高く設定され、粘度の高い路面を模擬するときには、前記微分ゲインが高く設定されていることを特徴とする請求項２記載の歩行感覚提示装置。
【請求項４】
前記シリンダを制御して各ローラの上下位置を制御することによって、路面の起伏を模擬する路面形状模擬手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の歩行感覚提示装置。
【請求項５】
前記複数のローラを覆って巻き掛けられる無端帯状のベルトと、
前記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ベルト駆動手段とを有し、
前記路面形状模擬手段は、模擬された地面の起伏が、ベルトの移動速度と同じ速度で後方に移動するように、各ローラの上下位置を制御することを特徴とする請求項４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。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。また、トレッドミル全体を傾斜させるなどして、傾斜地を模擬することもできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行技術では、路面状態が常に一定であり、岩場やコンクリートなどの硬い路面状態、あるいは砂地や沼地などの軟らかい路面状態を模擬することができない。
【０００４】
したがって本発明の目的は、沼地を歩行するときのように使用者の足が沈み込むような路面状態を模擬できる歩行感覚提示装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、略水平に並列に配置される円筒状の複数のローラと、
各ローラに個別に備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するシリンダと、
使用者からシリンダに与えられる荷重に応じて、予め定められる模擬すべき路面の硬度および粘度に応じた反発力を、使用者から荷重が与えられたローラに与えるように、各シリンダを制御して各ローラの上下方向の位置を制御する路面状態模擬手段とを含むこと特徴とする歩行感覚提示装置である。
【０００６】
本発明に従えば、並列に配列された複数の円筒状のローラと、このローラに個別に備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するシリンダとによって路面が模擬される。さらに路面状態模擬手段が、使用者から与えられる荷重に応じて、各シリンダを制御することによって、ローラの下降速度を調整することができる。たとえば使用者の荷重に応じてローラがゆっくり下降するようにシリンダを制御することによって、沼地などの粘度の高い路面を再現することができる。また使用者の荷重が作用してもローラが下降しないようにシリンダを制御することによって、コンクリートや岩場などの硬度の高い路面を再現できる。
【０００７】
請求項２記載の本発明は、前記路面状態模擬手段は、使用者の歩行距離毎に、予め定める比例ゲインおよび微分ゲインがそれぞれ設定された路面状態テーブルと、
前記各ローラの上下位置の指令値と、各ローラの上下位置のフィードバック制御量と、前記路面状態テーブルからの比例ゲインおよび微分ゲインとが入力され、これに基づいて前記シリンダの操作量を出力する可変ゲインＰＩＤ制御部とを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明に従えば、路面状態模擬手段は、路面状態テーブルを有し、この路面状態テーブルには予め定める歩行距離毎に、予め定める比例ゲインと、予め定める微分ゲインとが設定されている。路面状態模擬手段は、さらに可変ゲインＰＩＤ制御部を有し、この可変ゲインＰＩＤ制御部には、使用者の歩行距離に応じた各ローラの上下位置の目標値が入力されるとともに、各ローラを支持するシリンダからの各ローラの上下位置の制御量とがフィードバックして入力される。また、可変ゲインＰＩＤ制御部には、上記路面状態テーブルから、使用者の歩行距離に応じた比例ゲインと微分ゲインとが入力される。
【０００９】
可変ゲインＰＩＤ制御部は、目標値と制御量との差である制御偏差に比例ゲインを乗じた値と、制御偏差の積分値に積分ゲインを乗じた値と、制御偏差の微分値に微分ゲインを乗じた値との和である操作量を出力する。ここで、シリンダはバネとダッシュポットとによって構成されると見なせるので、比例ゲインをバネ定数に等価であるとして、比例ゲインを大きく設定しておくことによって硬度の高い路面を再現でき、微分ゲインを粘性減衰係数に等価であるとして、微分ゲインを大きく設定しておくことによって粘度の高い路面を再現できる。
【００１０】
請求項３記載の本発明は、前記路面状態テーブルは、硬度の高い路面を模擬するときには、前記比例ゲインが高く設定され、粘度の高い路面を模擬するときには、前記微分ゲインが高く設定されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に従えば、路面状態テーブルの比例ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足が沈み込まない岩場やコンクリートなどの硬度の高い路面を再現することができ、路面状態テーブルの微分ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足がゆっくりと沈み込む沼地などの粘度の高い路面を再現することができる。
【００１２】
請求項４記載の本発明は、前記シリンダを制御して各ローラの上下位置を制御することによって、路面の起伏を模擬する路面形状模擬手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、路面形状模擬手段によって各ローラの上下方向の位置を制御することによって、使用者が乗載される面を任意の形状にすることができる。このようにして、任意の路面形状を再現することができる。
【００１４】
請求項５記載の本発明は、前記複数のローラを覆って巻き掛けられる無端帯状のベルトと、
前記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ベルト駆動手段とを有し、
前記路面形状模擬手段は、模擬された地面の起伏が、ベルトの移動速度と同じ速度で後方に移動するように、各ローラの上下位置を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、ベルト上面は、設定した路面形状を保ち、ベルトの移動速度と同じ速度で後方に移動するように制御される。たとえば、ローラによって上下に複数の凹凸を形成してベルト上面を波状にし、各ローラを上下に移動させて凹凸の波を後方に送り出し、いわば進行波のようにローラが制御される。そして、この波の移動速度とベルトの移動速度が等速度となるように制御することによって、ベルトに乗り、ベルトに合わせて歩く使用者から見れば、波状の路面を歩いているかのように感じられる。つまり、任意の路面形状をベルトに合わせて後方に移動させることによって、任意の路面形状を歩く時の状態を模擬することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の実施の一形態である歩行感覚提示装置１の使用状態の斜視図を参照して、歩行感覚提示装置１の機械的構成について説明する。歩行感覚提示装置１は、トレッドミル２と、表示手段３と、これらを制御する制御手段４とから構成される。この歩行感覚提示装置１は、トレッドミル２に乗載される使用者１２に歩行感覚を提示する装置であり、この歩行感覚提示装置１にさらに、音響装置、空調機器、降雨降雪模擬装置、日射模擬装置または風洞などを組み合わせて環境シミュレーションシステムが構築される。
【００１７】
トレッドミル２は、支持ローラ５、ベルト６、押し上げローラ７、および油圧シリンダ８を有し、これらは制御手段４によって制御される。支持ローラ５は、たとえば外径が５０〜２００ｍｍ程度であり、長さが１ｍ程度の円筒状のローラである。この支持ローラ５が、複数、たとえば１５〜２０本（本実施形態では９本に略）が、略水平に等間隔、たとえば３０ｍｍ程度の間隔を空けて並列に配置される。これらの複数の支持ローラ５を覆って、無端帯状のベルト６が巻き掛けられる。ベルト６は、たとえばゴムから成り、可撓性および弾発性を有し、各ローラ５に緊張状態で巻き掛けられる。また、複数の支持ローラ５のうち、本実施形態では最も後方に配置されるローラ５ａが駆動ローラとなり、この駆動ローラ５ａに接続される駆動源、たとえばサーボモータ１７などによって駆動ローラ５ａを回転駆動させることによって、ベルト上面６ａが後方に移動するようにベルト６は循環駆動する。
【００１８】
押上げローラ７は、支持ローラ５と同じ形状であり、各支持ローラ５に対応して１本ずつ設けられる。そして、それぞれ対応する支持ローラ５の方からベルト６を挟むように支持ローラ５に平行に配置される。対を成す支持ローラ５と押上げローラ７とは、それぞれ左右両端部に設けられるローラ保持具１３によって軸支される。
【００１９】
各ローラ保持具１３の上端部には、押さえローラ１０が設けられる。押さえローラ１０は、支持ローラ５の回転軸線に平行な回転軸線を有する小型のローラであり、ベルト６の幅方向両側で支持ローラ５との間でベルト６を挟む。
【００２０】
そして、ローラ保持具１３を介して支持ローラ５および押し上げローラ７が、油圧シリンダ８によって上下に移動可能に支持される。油圧シリンダ８のストローク量は、１００〜５００ｍｍ程度であり、それぞれ基台１５に立設して固定される。これらの複数の油圧シリンダ８が個別に上下に伸縮することによって、支持ローラ５および押上げローラ７の上下位置が個別に制御される。
【００２１】
したがって、図２に示すように、支持ローラ５が波状に配置されるように支持ローラ５の高さを調整することによって、使用者１２が乗るベルト上面６ａの形状を波状とすることができる。このようにして、制御手段４に路面形状を設定することによって、トレッドミル２の路面形状を任意の形状とすることができる。また、図２に示すように、ベルト６の上面が波状となった場合であっても、前記押さえローラ１０がベルト６の上面で幅方向両側を押さえることによって、ベルト６が支持ローラ５から浮上することが防がれ、路面となるベルト上面６ａを確実に支持ローラ５に沿って走行させることができる。
【００２２】
またベルト６の下側では、押上げローラ７によってベルト６が支持ローラ５に押付けられるので、支持ローラ５を上下させても、ベルト６を確実に支持ローラ５に当接させ、安定してベルト６を循環駆動させることができる。また、支持ローラ５の左右を支持する対をなす油圧シリンダ８は、同時に上下に移動する場合に限らず、左右個別に上下に移動することができ、これによって路面を左右に傾斜させることも可能である。このように左右の傾斜が許容できるように、油圧シリンダ８のピストンロッドとローラ保持具１３とは、ヒンジまたはユニバーサルジョイントによって角変位が許容できるように接続される。
【００２３】
図３は、制御手段４の制御構成を簡略化して示すブロック図である。なお、ここでは駆動ローラ５ａを上下移動させる油圧シリンダ８についてのみ説明するが、他の油圧シリンダ８についても同様の制御構成である。
【００２４】
油圧シリンダ８には、切換弁１５を介して油圧ポンプＰから作動油が供給され、排出された作動油はタンクＴに戻される。制御手段４は切換弁１５を制御して油の流路を切換え、油圧シリンダ８を伸縮させる。
【００２５】
油圧シリンダ８には、油圧シリンダ８の伸縮量を検出するストロークセンサ１６が取付けられている。制御手段４は、前記ストロークセンサ１６の検出値に基づいて、駆動ローラ５ａが所定の高さに配置されるように切換弁１５を制御する。この駆動ローラ５ａは、モータ１７によって回転駆動され、駆動ローラ５ａの回転速度はモータ１７を制御する制御手段４によって制御される。また制御手段４は、グラフィックコントローラを制御することによって、表示手段３を制御する。
【００２６】
表示手段３は、トレッドミル２に乗った使用者１２の正面に表示画面を有し、使用者１２が歩いているときに見える風景を、実写またはコンピュータグラフィックで、ベルト６の移動速度に合わせた動画として表示する。この表示手段３は、たとえば液晶ディスプレイ、ＣＲＴ、または液晶プロジェクタによって実現される。
【００２７】
図１に示されるように、歩行感覚提示装置１には、トレッドミル２上を歩行する使用者１２のトレッドミル２上の位置を検出する位置検出器２０が備えられる。この位置検出器２０の一例として、使用者が所定の位置よりも前方に来たことを検出する前方位置検出器２０、および所定の位置よりも後方に来たことを検出する後方位置検出器２１が設けられる構成が挙げられる。これらの検出器２０，２１の検出出力に応答して、制御手段４はベルト６の速度を制御する。ベルト６の速度は、たとえば０〜２０ｋｍ／時の範囲で制御され、通常は人の歩行速度である３〜５ｋｍ／時程度でベルト６が移動するように制御する。このように制御した状態で、たとえば使用者１２の歩行速度が速くなり、トレッドミル２上で前方に移動し、前方位置検出器２０によって検出されると、使用者１２の歩行速度が速くなったものと判断し、制御手段４はベルト６の移動速度を速くする。逆に、使用者１２の歩行速度が遅くなると使用者１２の位置が後退し、後方位置検出器２１でこれが検出される。制御手段４は、これに応答してベルト６の移動速度を低下させる。このように制御することによって、ベルト６は使用者１２の歩行速度に合わせた最適な速度で制御される。
【００２８】
また使用者１２の位置を検出する位置検出器の他の例として、各支持ローラ５の回転軸線方向両端部に一対の発光素子と受光素子とを設け、使用者１２の足によって発光素子から受光素子に向かう光線が遮断されたことを検出することによって、使用者１２のトレッドミル２上の位置を検出する構成であっても良い。
【００２９】
前述したように設定した路面が進行波のように進行するように、油圧シリンダ８を制御している場合には、ベルト６の走行速度に合わせて路面が移動するように油圧シリンダ８の移動速度も制御する。また、表示手段３で表示する映像もベルト６の速度に合わせて変化させる。
【００３０】
またトレッドミル２は、３自由度あるいは６自由度のモーションベース・ターンテーブル上に乗載されていてもよい。これによって、トレッドミル２を鉛直方向に平行な軸線まわりに回転させることが可能に成るとともに、トレッドミル２のベルト上面６ａの姿勢を任意の角度に保持して斜面を形成することができる。また、このモーションベース・ターンテーブルも、制御手段４によって制御される。
【００３１】
次に歩行感覚提示装置１の制御系５０について、図４に示すブロック図を参照して詳細に説明する。制御系５０は、トレッドミル２のベルト上面６ａの後方への進行速度を制御するために、モータ１７の回転速度を制御するベルト走行制御系５２と、トレッドミル２のベルト上面６ａに、凹凸や傾斜などの路面形状、および岩場や沼地などの路面状態を模擬するために、油圧シリンダ８の上下位置を制御するための路面形状・路面状態制御系５１とから構成される。
【００３２】
ベルト走行制御系５２は、減算器６６と、ＰＩＤ制御部６７と、急動作防止フィルタ６８と、使用者位置演算部６９と、切換スイッチ７０とを含む。まず図４に示すように、切換スイッチ７０の第１接点７０ａと第２接点７０ｂとが接続されて、ＰＩＤ制御部６７の出力端とモータ１７の入力端とが接続されている場合について説明する。
【００３３】
位置検出器２０によって、使用者１２のトレッドミル２上の位置が検出され、この検出値が使用者位置演算部６９および非常停止制御部７１に与えられる。使用者位置演算部６９によって、位置検出器２０の検出値から使用者１２のトレッドミル２上の位置が演算され、トレッドミル２上の使用者１２が位置している実際の座標値が、急動作防止フィルタ６８、路面形状・路面状態制御系５１の加算器６１、および非常停止制御部７１に与えられる。
【００３４】
非常停止制御部７１は、位置検出器２０による検出値、または使用者位置演算部によって算出された座標値に基づいて、使用者１２がトレッドミル２上の所定の歩行範囲内に位置しているか否かを判断し、所定の歩行範囲内に位置していないと判断すると、トレッドミル２を停止させる。
【００３５】
急動作防止フィルタ６８は、モータ１７の急動作防止用の伝達関数を有しており、座標値を代入して急動作防止伝達関数を演算して得られる座標値を減算器６６に与える。これによって、ＰＩＤ制御部６７から出力されるモータ速度指令値によって制御されるモータ１７が急動作することが防止される。
【００３６】
減算器６６には、使用者１２のトレッドミル２上の最適な座標値が指令値として常に入力される。減算器６６は、上記最適な座標値から、急動作防止フィルタ６８を通った座標値を減算して、制御偏差をＰＩＤ制御部６７に与える。なお、上記最適な座標値とは、たとえばトレッドミル２の中心位置などを指す。
【００３７】
ＰＩＤ制御部６７は、所定の制御伝達関数を有しており、制御偏差を代入して制御伝達関数を演算し、この制御偏差を補正するためのモータ速度指令値を算出し、このモータ速度指令値をモータ１７に出力する。モータ１７は、モータ速度指令値に基づいて回転速度を変化させる。このようにして、モータ１７の回転速度が制御され、トレッドミル２のベルト上面６ａの後方への移動速度が制御される。
【００３８】
従って使用者１２の歩行速度が速くなって、使用者が最適な座標位置よりも前方に位置されると、ＰＩＤ制御部６７は、使用者１２が最適な座標位置に位置されるようにベルト上面６ａの後方への移動速度が速くなるようにモータ１７を制御する。また、使用者１２の歩行速度が遅くなって、使用者１２が最適な座標位置よりも後方に位置されると、ＰＩＤ制御部６７は、使用者１２が最適な座標位置に位置されるようにベルト上面６ａの後方への移動速度が遅く成るように、モータ１７を制御する。これによって、使用者１２が歩行速度を変化させたとしても、使用者１２はトレッドミル２の最適座標位置に常に位置することになる。
【００３９】
また、切換スイッチ７０の第２接点７０ｂと第３接点７０ｃとが接続されている場合には、モータ１７の入力端に、モータ１７の回転速度を手動で入力するための外部入力手段（図示せず）とが接続され、このとき、モータ１７は外部入力手段から入力される強制歩行速度指令値に基づいて、回転駆動する。
【００４０】
路面形状・路面状態制御系５１は、積分器６０と、加算器６１と、路面形状・路面状態データテーブル記憶部６２と、路面形状演算部６３と、減算器６４と、可変ゲインＰＩＤ制御部６５とを含む。
【００４１】
積分器６０は、ベルト走行制御系５２のＰＩＤ制御部６７から出力されるモータ速度指令値をサンプリングして、逐次加算することによって、モータ１７の駆動開始からの総回転数を算出して、ベルト上面６ａの後方への総走行距離値を算出し、この総走行距離値を、加算器６１および路面形状演算部６３に与える。
【００４２】
加算器６１には、上記ベルト上面６ａの総走行距離値と、ベルト走行制御系５２の使用者位置演算部６９からの座標値とが与えられ、この加算器６１は、総走行距離値と座標値とを加算する。つまり、加算器６１が上記ベルト６の総走行距離値と使用者１２の座標値とを加算することによって、使用者１２の歩行開始時からの総歩行距離値が算出されることになり、この総歩行距離値が、たとえば表示手段３のグラフィックコントローラに入力される。従って、グラフィックコントローラが総歩行距離値に基づいて、表示手段３に風景などの画像を表示させることによって、使用者１２に、実際に歩いている感覚を与えることができる。
【００４３】
路面形状・路面状態データテーブル記憶部６２には、路面形状データテーブルと路面状態データテーブルとが、予め記憶されている。路面形状データテーブルには、予め定める走行距離毎に、それぞれ個別に対応した路面形状データが設定されている。この路面形状データとしては、油圧シリンダ８の伸縮量（路面の凹凸）およびモーション・ターンテーブルの傾斜量（路面の傾き）などが路面形状データとして設定されている。従って、積分器６０から総走行距離値が路面形状演算部６３に入力されると、路面形状演算部６３は路面形状データテーブルから、入力された総走行距離に対応する路面形状データを読み出し、この読み出した路面形状データに基づいて油圧シリンダ８の指令値、つまり支持ローラ５の高さ位置の指令値を減算器６４に与える。これによって、路面形状を模擬することができる。上記路面形状データテーブルと路面形状演算部６３とによって、路面形状模擬手段が構成される。
【００４４】
また路面形状データは、モーションベース・ターンテーブルにも与えられる。この路面形状データに基づいて、モーションベース・ターンテーブルの鉛直方向に平行な軸線まわりの回転位置が制御されるとともに、その姿勢が所定の角度に制御される。従って、モーションベース・ターンテーブル上のトレッドミル２の回転位置が制御され、さらにベルト上面６ａの姿勢が任意の角度に制御されて、斜面を模擬することができる。
【００４５】
また減算器６４には、上述した油圧シリンダ指令値の他に、ストロークセンサ１６による油圧シリンダ８の伸縮量、つまり支持ローラ５の高さ位置の検出量がフィードバックして入力される。減算器６４は、指令値から検出量を減算して、制御偏差を可変ゲインＰＩＤ制御部６５に与える。
【００４６】
路面状態テーブルには、予め定める走行距離毎に、予め定める比例ゲインＫＰと予め定める積分ゲインＫＩと予め定める微分ゲインＫＤとが、それぞれ設定されている。可変ゲインＰＩＤ制御部６５に入力された制御偏差に、比例ゲインを乗じた値と、制御偏差の積分値に積分ゲインを乗じた値と、制御偏差の微分値に微分ゲインを乗じた値との和である操作量を算出し、この操作量を油圧シリンダ８に出力する。上記操作量に基づいて、油圧シリンダ８のストローク量が変化する。路面状態模擬手段は、上記可変ＰＩＤ制御部６５と、路面状態テーブルとによって構成される。
【００４７】
可変ゲインＰＩＤ制御部６５について、図５を参照してさらに詳細に説明する。図５は、可変ゲインＰＩＤ制御部６５を詳細に示すブロック図である。図５に示すように、可変ゲインＰＩＤ制御部６５は、比例ゲイン乗算器８３と、積分器８１と、積分ゲイン乗算器８４と、微分器８２と、微分ゲイン乗算器８５と、加算器８６とを含む。
【００４８】
減算器６４を出た制御偏差は比例ゲイン乗算器８３に与えられる。比例ゲイン乗算器８３は、路面形状・路面状態データテーブル記憶部６２に記憶された路面状態テーブルから、図４の加算器６１によって算出された使用者１２の総歩行距離に対応する比例ゲインＫＰを読み出し、与えられた制御偏差に、読み出した比例ゲインＫＰを乗算し、その出力値を加算器８６に与える。この比例ゲインＫＰを大きく設定しておくことによって、岩場やアスファルトなどの硬度の高い路面状態を再現できる。
【００４９】
また減算器６４を出た制御偏差は積分器８１に与えられ、この積分器８１によって積分された後、積分ゲイン乗算器８４に与えられる。積分ゲイン乗算器８４は、路面状態テーブルから使用者１２の総歩行距離に対応する積分ゲインＫＩを読み出し、積分器８１からの出力値に読み出した積分ゲインＫＩを乗算して、加算器８６に与える。
【００５０】
また、減算器６４を出た制御偏差は微分器８２に与えられ、この微分器８１によって微分された後、微分ゲイン乗算器８５に与えられる。この微分ゲイン乗算器８５は、路面状態テーブルから使用者１２の総歩行距離に対応する微分ゲインＫＤを読み出し、微分器８２からの出力値に読み出した微分ゲインＫＤを乗算して、加算器８６に与える。この微分ゲインＫＤの値を大きく設定しておくことによって、沼地などの粘度の高い路面状態を再現することができる。
【００５１】
比例ゲイン乗算器８３、積分ゲイン乗算器８４および微分ゲイン乗算器８５を出た各出力値は、加算器８６によって加算され、その操作量が油圧シリンダ８に与えられ、油圧シリンダ８は、この与えられた操作量に基づいて、ストロークの伸縮量を変化させる。
【００５２】
パラメータである比例ゲインＫＰおよび微分ゲインＫＤは、以下に説明するようにして決定される。油圧シリンダ８は、バネとダンパとによって構成されると見なせるので、粘性減衰のある場合の振動における減衰比ξ＝ｃ／√（ｍ・ｋ）を使用して、比例ゲインＫＰおよび微分ゲインＫＤを決定する。なお上記式において、ｃは粘性減衰係数であり、ｋはバネ定数であり、ｍは荷重である。
【００５３】
路面の硬度は、位置フィードバックゲインである比例ゲインＫＰ（バネ定数と等価）で表現し、路面の粘度は、速度フィードバックゲインである微分ゲインＫＤ（粘性減衰係数ｃと等価）で表現する。
【００５４】
つまり、比例ゲインＫＰの値を大きく設定して、加算器８６から出力される操作量うちの比例項の割合を大きくすることによって、コンクリートやアスファルトなどの硬度の高い路面状態を再現することができる。前述したように、油圧シリンダ８はバネとダンパとによって構成されると見なせるので、比例ゲインＫＰ、つまりバネ定数ｋを大きくすることによって、使用者１２が支持ローラ５に乗載して、油圧シリンダ８のピストンが縮退すると、支持ローラ５の高さ方向の位置偏差に比例した力で反発するように、油圧シリンダ８が制御され、硬度の高い路面を模擬することができる。
【００５５】
また、微分ゲインＫＤの値を大きく設定して、加算器８６から出力される操作量のうちの微分項の割合を大きくすることによって、沼地などの粘度の高い路面状態を再現することができる。前述したように、油圧シリンダ８がバネとダンパとによって構成されると見なせるので、微分ゲインＫＤ、つまり粘性減衰係数ｃを大きくすることによって、使用者１２が支持ローラ５に乗載して、油圧シリンダ８のピストンが縮退すると、支持ローラ５の高さ方向の速度偏差に比例した力で反発するように、油圧シリンダ８が制御されるので、支持ローラ５がゆっくりと沈み込むようになり、粘度の高い路面を再現することができる。
【００５６】
次に図６を参照して支持ローラ５の動きについて説明する。本発明の歩行感覚提示装置１は、支持ローラ５の高さを調整することによって任意の路面形状を生成することができ、さらに制御手段４によって、生成した路面を進行波のように送ることによって、使用者１２はあたかも起伏のある路面を歩いているように感じることができる。
【００５７】
図６では、たとえばサインカーブ状に続く路面を生成するときの支持ローラ５およびベルト６の動きについて説明する。なお、ベルト６では同時に１周期分のサインカーブが再現されるものとする。
【００５８】
まず初期状態では、（ａ）に示すように、両端部が盛り上がった１周期のサインカーブ生成されるように各支持ローラ５が配置されているものとする。また、このときベルト６の前端の頂点の位置をＡとする。制御手段４は、このようなサインカーブ状の路面が後方に進行するように、油圧シリンダ８によって支持ローラ５の上下位置を制御するとともに、路面の進行速度に合わせて、ベルト６を循環駆動する。
【００５９】
ここで、図６（ｂ）は初期状態（ａ）から位相が９０°後方に進んだ状態を示し、（ｃ）は１８０°進んだ状態を示し、（ｄ）は２７０°進んだ状態を示し、（ｅ）は３６０°進んだ状態を示す。これらの図に示されるように、制御手段４によって、路面が順次後方に送られるように、支持ローラ５は制御され、この路面の進行に合わせてベルト６も移動する。つまり、ベルト６のＡで示す位置は常にサインカーブの頂点にある。
【００６０】
このように、支持ローラ５が移動するように各油圧シリンダ８および駆動源１７を制御することによって、使用者１２はあたかも起伏のある路面を実際に歩いていたかのように感じることができる。また、路面状態として沼地を模擬する場合には、前述したように微分ゲインＫＤを大きく設定しておくことによって、使用者１２に、あたかも沈み込むような粘度の高い路面状態を提示することができる。また、路面状態として岩場やコンクリートを模擬する場合には、前述したように比例ゲインＫＰを大きく設定しておくことによって、使用者１２に硬度の高い路面状態を提示することができる。また路面形状は、サインカーブに限らず、任意の形状に設定することができる。
【００６１】
また、本発明では、このような進行波を形成する場合に限らず、たとえば図７（ａ）に示すように、前方になるにつれて支持ローラ５の高さが高くなるように各支持ローラ５を固定的に配置し、ベルト６のみ駆動することによって、使用者１２はあたかも坂道を上っているように感じることができる。
【００６２】
また、図７（ｂ）に示すように、前方になるにつれて支持ローラ５が低くなるように固定的配置することによって、下り坂を形成することができる。
【００６３】
またさらに、図７（ｃ）に示すように、各支持ローラ５を交互に上下固定的に配置させた状態でベルト６のみを駆動するようにしてもよい。
【００６４】
また、この歩行感覚提示装置１は、このようなトレッドミル２と表示手段３との組み合わせだけでなく、たとえば複数のスピーカを設けて、表示する画像に応じた音響を提供し、さらに本装置を風洞内に設置し、雨や風などの人工的な環境を提示し、さらに空調機器によって温度を管理することによって、より現実の環境に近い環境シミュレーションシステムを構築することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、表示手段として使用者１２の前面に表示画面が設けられる構成としたが、本発明はこのような形態に限らず、たとえば使用者１２の頭部に装着するＨＭＤによって構成してもよい。
【００６６】
また、上述した歩行感覚提示装置１では、表示手段３とトレッドミル２とを組み合わせ、環境を提示する装置として説明したが、本発明はこのような適用に限らず、たとえばトレッドミル２のみを用いて、たとえば使用者の体力を測定するために用いてもよい。この場合にも、設定した路面形状を進行波のように移動させることによって、起伏のある路面を走行するときの体力測定などを行うことができる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、路面状態模擬手段が、使用者の荷重に応じてローラが下降するようにシリンダを制御することによって、沼地などの粘度の高い路面を再現することができ、使用者の荷重が作用してもローラが下降しないようにシリンダを制御することによって、コンクリートや岩場などの硬度の高い路面を再現できる。
【００６８】
請求項２記載の本発明によれば、可変ゲインＰＩＤ制御部は、指令値と制御量との差である制御偏差に比例ゲインを乗じた値と、制御偏差の積分値に積分ゲインを乗じた値と、制御偏差の微分値に微分ゲインを乗じた値との和である操作量を出力する。シリンダをバネとダッシュポットとに見なして制御すると、比例ゲインはバネ定数に等価であるので、比例ゲインを大きく設定しておくことによって硬度の高い路面を再現でき、微分ゲインは粘性減衰係数に等価であるので、微分ゲインを大きく設定しておくことによって粘度の高い路面を再現できる。
【００６９】
請求項３記載の本発明によれば、路面状態テーブルの比例ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足が沈み込まない岩場やコンクリートなどの硬度の高い路面を再現することができ、路面状態テーブルの微分ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足がゆっくりと沈み込む沼地などの粘度の高い路面を再現することができる。
【００７０】
請求項４記載の本発明によれば、路面形状模擬手段によって各ローラの上下方向の位置を制御することによって、使用者が乗載される面を任意の路面形状を再現することができる。
【００７１】
請求項５記載の本発明によれば、任意の路面形状をベルトに合わせて後方に移動させることによって、任意の路面形状を歩く時の状態を模擬することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の歩行感覚提示装置１の使用状態を示す斜視図である。
【図２】トレッドミル２を示す斜視図である。
【図３】歩行感覚提示装置１の制御構成を示すブロック図である。
【図４】歩行感覚提示装置１の制御系５０を示すブロック図である。
【図５】可変ゲインＰＩＤ制御部６５を示すブロック図である。
【図６】支持ローラ５およびベルト６の動作を示す図である。
【図７】支持ローラ５の配置状態の例を示す図である。
【符号の説明】
１  歩行感覚提示装置
２  トレッドミル
３  表示手段
４  制御手段
５  支持ローラ
６  ベルト
７  押上げローラ
８  油圧シリンダ
１７  モータ
５１  路面形状・路面状態制御系
５２  ベルト走行制御系
６２  路面形状・路面状態データテーブル記憶部
６３  路面形状演算部
６５  可変ゲインＰＩＤ制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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