(57)【要約】【課題】本発明は、特別な部材を被験者に装着すること無く、足踏み動作によって生じる荷重中心の経時変化に基づいて身体の向きを検出する身体方向検出装置、身体方向検出方法及び該装置を用いた仮想環境疑似体験システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる身体方向検出装置は、人が乗って足踏み可能な天板を有するターンテーブル２３と、平面を構成するようにターンテーブル２３の底面に配置され圧力を検出する複数の圧力センサ２８と、複数の圧力センサ２８の検出出力に基づいて被験者２５０の重心点を平面に投影した点である荷重中心を演算すると共に、演算した荷重中心の経時変化に基づいて被験者２５０の身体の向きを演算する制御用ＰＣ２６を備えて構成される。【選択図】　図１
2004102800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人が乗って足踏み可能な板と、
平面を構成するように前記板の一方面に配置され圧力を検出する複数の圧力検出手段と、
前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の重心点を前記平面に投影した点である荷重中心を演算する荷重中心演算手段と、
演算した前記荷重中心の経時変化に基づいて前記人における身体の向きを演算する身体向き演算手段とを備えること
を特徴とする身体方向検出装置。
【請求項２】
前記身体向き演算手段は、前記荷重中心の移動方向に対して垂直な方向を前記人における身体の向きであると判断すること
を特徴とする請求項１に記載の身体方向検出装置。
【請求項３】
前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の足踏み開始を検出する足踏み開始検出手段をさらに備えること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の身体方向検出装置。
【請求項４】
前記板は、ターンテーブルの回動自在な天板であって、
演算した前記身体の向きを相殺するように前記天板を回動させる制御手段をさらに備えること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の身体方向検出装置。
【請求項５】
人が乗って足踏み可能な板の一方面に平面を構成するように配置された複数の圧力検出手段によって各圧力をそれぞれ検出するステップと、
前記各圧力に基づいて前記人の重心点を前記平面に投影した点である荷重中心を演算するステップと、
前記荷重中心の経時変化に基づいて前記人における身体の向きを演算するステップとを備えること
を特徴とする身体方向検出方法。
【請求項６】
スクリーンと、
前記スクリーンに仮想環境の映像を投影する投影機と、
人が乗って足踏み可能であって回動自在な天板を有するターンテーブルと、
平面を構成するように前記ターンテーブルの一方面に配置され圧力を検出する複数の圧力検出手段と、
前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の足踏み開始を検出する足踏み開始検出手段と、
前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の移動速度を演算する移動速度演算手段と、
前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の重心点を前記平面に投影した点である荷重中心を演算する荷重中心演算手段と、
演算した前記荷重中心の経時変化に基づいて前記人における身体の向きを演算する身体向き演算手段と、
演算した前記身体の向きを相殺するように前記天板の回動を制御すると共に、検出した前記足踏み開始及び演算した前記移動速度に対応するように前記映像の場面を制御する制御手段を備えること
を特徴とする仮想環境擬似体験システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、足踏み動作によって生じる荷重中心の経時変化に基づいて身体の向きを検出する身体方向検出装置、身体方向検出方法及び該装置を用いた仮想環境疑似体験システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
住宅や都市などの設計においては、安全で快適な暮らしを実現するために、予め安全性や快適性などの評価を行う必要がある。そこで、設計に基づいて完成状態を画像によって仮想的に実現し、実現した仮想環境を疑似体験することによってこれらを評価する手法が考え得る。この評価を得るためには、被験者に仮想環境を歩き回らせ疑似体験させる必要がある。そのために、移動方向及び移動速度の移動指示を被験者が仮想環境に入力するインターフェースが必要となる。
【０００３】
従来、このような疑似体験させる装置として、仮想環境疑似体験システムがある。図１２は、従来の仮想環境擬似体験システムの構成を示す図である。図１２において、仮想環境擬似体験システム２００は、スクリーン２１１と、スクリーン２１１に仮想環境の映像を投影する複数の投影機２１２と、被験者２５０に装着され被験者２５０の身体の向きを検出する角度センサ２１３と、天板が回動するターンテーブル２１４と、ターンテーブル２１４の底面に固着され圧力を検出する複数の圧力センサ２１５と、圧力センサ２１５の出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するアナログ／ディジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）２１６と、角度センサ２１３の出力とＡ／Ｄコンバータ２１６の出力とが入力され、これらに基づいて投影機２１２で投影される映像の場面とターンテーブル２１４の回転方向及び回転速度とを制御する制御用コンピュータ２１７と、制御用コンピュータ２１７からターンテーブル２１４への制御信号をディジタル信号からアナログ信号に変換するディジタル／アナログコンバータ（Ｄ／Ａコンバータ）２１８とを備えて構成される。投影機２１２は、スクリーン２１１に被験者２５０の影が写らないようにするために、被験者２５０の左右に配置され、さらに、被験者２５０の略正面の映像を作るために、スクリーン２１１の後方にも配置される（不図示）。
【０００４】
このような仮想環境疑似体験システム２００では、被験者２５０は、ターンテーブル２１４の天板に乗り、天板上で足踏みしたり（直進）足踏みしながら身体の向きを変えたりすることによって仮想環境を歩き回る。仮想環境を被験者２５０に疑似体験させるために、制御用ＰＣは、移動開始及び移動速度を圧力センサ２１５の出力に基づいて判断し、被験者２５０の身体の向き（移動方向）を角度センサ２１３の出力に基づいて判断する。これらの判断結果を用いて、制御用ＰＣ２１７は、投影機２１２がスクリーン２１１に投影する場面を移動速度及び移動方向に応じて変更する。さらに、被験者２５０が身体の向きを変え進行方向を変えると、視野からスクリーン２１１が外れてしまうことから、制御用ＰＣ２１７は、角度センサ２１３の出力に基づいてターンテーブル２１４の天板を被験者２５０の身体の向きと逆方向に回転させることによって、被験者２５０をスクリーン２１１に正対させるようにしている。
【０００５】
この仮想環境疑似体験システム２００は、被験者２５０の身体の向きを検出するために角度センサ２１３を被験者２５０の略腰の位置に装着し、検出出力を角度センサ２１３から有線で制御用ＰＣ２１７に入力していた。一方、検出出力を無線で制御用ＰＣ２１７に伝送する方法も考えられる。
【０００６】
また、例えば、３次元位置計測装置ＯＰＴＯＴＲＡＫ（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｎｃ．）を利用して被験者２５０の身体の向きを検出する仮想環境疑似体験システムもある。この方法は、被験者２５０の略腰の位置に赤外線マーカを装着し、赤外線マーカから放射される赤外線を３つのカメラで検出することによって被験者２５０の身体の向きを検出する（例えば、非特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】
佐藤誠・小池康晴他「等身大仮想環境のためのターンテーブルを用いた移動インタフェースの開発」（日本バーチャルリアリティ学会第６回大会論文集（２００１年９月）Ｐ８７〜Ｐ９０
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の仮想環境疑似体験システムでは、被験者の身体の向きを検出するために角度センサを装着する必要があった。角度センサの出力を有線で制御用ＰＣに転送する場合には、出力信号を伝送するためのケーブルが被験者にとって煩わしく、被験者の動きを妨げるという問題があった。特に、被験者が一方向にばかり向きを変えるとケーブルが被験者に絡まるという問題があった。そのため、角度センサの出力を無線で送信するようにすると、角度センサと制御用ＰＣとに出力信号を送受信するためのハードウェアが必要となり、被験者に装着する角度センサが重くなって被験者の動きを妨げるという問題がある。そして、送受信のための費用でコストアップするという問題もある。また、上述の３次元位置計測装置ＯＰＴＯＴＲＡＫの場合には、この装置が高価であり、かなりの費用が掛かるという問題がある。
【０００９】
上記何れにしても被験者の身体の向きを検出するために、従来技術は、何らかの部材を被験者に装着しなければならず、被験者の装着の煩わしさ、装着によって被験者の動きを妨げ、又は、動きの妨げから擬似体験感を損なうといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みて為された発明であり、被験者に部材を装着すること無く、被験者の身体の方向を検出し得る身体方向検出装置、身体方向検出方法及び該身体方向検出装置を用いた仮想環境疑似体験システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明にかかる身体方向検出装置は、人が乗って足踏み可能な板と、平面を構成するように前記板の一方面に配置され圧力を検出する複数の圧力検出手段と、前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の重心点を前記平面に投影した点である荷重中心を演算する荷重中心演算手段と、演算した前記荷重中心の経時変化に基づいて前記人における身体の向きを演算する身体向き演算手段とを備えて構成される。そして、本発明にかかる身体方向検出方法は、人が乗って足踏み可能な板の一方面に平面を構成するように配置された複数の圧力検出手段によって各圧力をそれぞれ検出するステップと、前記各圧力に基づいて前記人の重心点を前記平面に投影した点である荷重中心を演算するステップと、前記荷重中心の経時変化に基づいて前記人における身体の向きを演算するステップとを備えて構成される。さらに、本発明にかかる仮想環境疑似体験システムは、スクリーンと、前記スクリーンに仮想環境の映像を投影する投影機と、人が乗って足踏み可能であって回動自在な天板を有するターンテーブルと、平面を構成するように前記ターンテーブルの一方面に配置され圧力を検出する複数の圧力検出手段と、前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の足踏み開始を検出する足踏み開始検出手段と、前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の移動速度を演算する移動速度演算手段と、前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の重心点を前記平面に投影した点である荷重中心を演算する荷重中心演算手段と、演算した前記荷重中心の経時変化に基づいて前記人における身体の向きを演算する身体向き演算手段と、演算した前記身体の向きを相殺するように前記天板の回動を制御すると共に、検出した前記足踏み開始及び演算した前記移動速度に対応するように前記映像の場面を制御する制御手段を備えて構成される。
【００１２】
このような構成の身体方向検出装置、身体方向検出方法及び仮想環境疑似体験システムでは、人が板に及ぼす力を複数の圧力検出手段で検出して、この検出出力に基づいて演算した荷重中心の経時変化から身体の方向を求めるので、従来のように、身体の方向を検出するための部材を被験者は装着する必要がない。そのため、被験者は、装着の煩わしさや装着による運動性の阻害から解放される。そして、運動性の阻害によって擬似体験感を損なうことがない。さらに、従来の仮想環境疑似体験システムが備える圧力検出手段によって身体の向きを求めるので、従来の仮想環境疑似体験システムよりコストを削減することができる。
【００１３】
そして、上述の身体方向検出装置において、前記身体向き演算手段は、前記荷重中心の移動方向に対して垂直な方向を前記人における身体の向きであると判断する。また、これら上述の身体方向検出装置において、足踏み開始も検出できるようにする観点から、前記複数の圧力検出手段の検出出力に基づいて前記人の足踏み開始を検出する足踏み開始検出手段をさらに備える。さらに、これら上述の身体方向検出装置において、人を常に正面に向けるようにする観点から、前記板は、ターンテーブルの回動自在な天板であって、演算した前記身体の向きを相殺するように前記天板を回動させる制御手段をさらに備える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
（実施形態の構成）
図１は、仮想環境擬似体験システムの構成を示す図である。図２は、ターンテーブルの断面図である。図３は、圧力センサの配置位置を示す図である。図４は、センシング回路の回路図である。図５は、制御用ＰＣの構成を示す図である。
【００１５】
図１において、仮想環境擬似体験システム１０は、スクリーン２１、投影機２２、ターンテーブル２３、センシング回路２４、Ａ／Ｄコンバータ２５、制御用ＰＣ２６、Ｄ／Ａコンバータ２７及び圧力センサ２８を備えて構成される。
【００１６】
スクリーン２１は、仮想環境を疑似体験させるための映像を投影する部材であり、本実施形態では、後述の図１０に示す平面スクリーン６１より仮想環境への没入感を与えるために、正面投影平面部分に続けて上下左右に投影面が延長されている。投影機２２は、仮想環境の映像を生成する機器であり、本実施形態では、被験者２５０の影がスクリーン２１に投影されることを防ぎ、そして、正面投影平面部分の上下左右に延長された投影面にも投影するために、被験者２５０の背後の上下左右に複数の投影機２２が配置され、さらに、これら投影機２２ではカバーすることができない被験者２５０の真正面部分の映像を投影するためにスクリーン２１の背後にも投影機２２（不図示）が配置される。このように、映像の各部分を複数の投影機２２が分担することによって一つの映像を構成するため、各投影機２２は、制御用ＰＣ２６によって、各投影機２２が投影する映像の境界部分が整合するように同期を取りながら、後述のように映像の場面が調整される。
【００１７】
なお、仮想環境の映像を略実物大とすることで、より現実に近い等身大の仮想環境を疑似体験させることができる。
【００１８】
ターンテーブル２３は、回動自在の天板を備える機器であり、制御用ＰＣ２６によって後述のように天板の回転方向及び角速度が制御される。天板を回動させるモータのトルクは、天板に被験者２５０が乗ることから、被験者を乗せて天板を回転させることができるトルクが必要である。また、被験者２５０に仮想環境への没入感をより与える観点から、回転時に高静粛性と滑らかで安定した回動動作性とを有することが好ましい。
【００１９】
例えば、本実施形態では、日機電装製ＮＭＲ−ＦＥＤＡ２Ａ−４０１ＥＡを使用した。このターンテーブル２３は、モータの最大トルクが６２Ｎ・ｍで被験者２５０を天板に乗せた状態で駆動するために充分なトルクを出力でき、回転時における高静粛性と滑らかで安定した回動動作性とを実現している。図２において、このターンテーブル２３は、底面円板及び該底面円板の外周に固設された低高円筒状の側壁板を有するシャーシ３１と、シャーシ３１の底面円板内側の中央に突設される円筒状の軸受部３２と、シャーシ３１の側壁部上面に底面円盤と平行に固設されたドーナツ型板上に複数のコイルが配置されるステータコイル３３と、外周下方に側壁部を形成された円形の天板３４と、天板３４の中央内側に突設され軸受部３２に回動自在に嵌合される円柱状の軸３６と、ステータコイル３３を挟み込むように形成され天板３４の内側に周方向に固着されたロータ磁石３５とを備えて構成される。ステータコイル３３とロータ磁石３５とがリニアモータを構成し、これらが吸引・反発することによって天板３４が自在に回動する。
【００２０】
ターンテーブル２３の底面円板外側には、４個の圧力センサ２８が図３に示すように直行する２直線（ｘ軸・ｙ軸）上に２個ずつ設置され、各直線上における２個の圧力センサ２８は一定距離を置いてそれぞれ設置される。また、後述の演算式を簡略化するために、直行する２直線の交点がターンテーブル２３の回転軸に略一致するように圧力センサ２８が設置される。圧力センサ２８は、被験者２５０により天板にかかる圧力を検出する。例えば、本実施形態ではＴｅｋｓｃａｎ社製ＦｌｅｘｉＦｏｒｃｅＡ１０１−５００が使用された。この圧力センサは、フィルム状の可変抵抗で、その抵抗値Ｒｓが圧力センサにかかる圧力値に反比例するので、圧力値を電圧値（又は電流値）に変換し得る。
【００２１】
各圧力センサ２８の出力は、所定のレベルまで入力を増幅するセンシング回路２４にそれぞれ入力される。一例として図４に本実施形態のセンシング回路２４を示す。センシング回路２４は、コンデンサ（容量；Ｃ）４２、抵抗器（抵抗値；Ｒｆ）４３及びオペアンプ４４を備えて構成される。並列に接続されるコンデンサ４２及び抵抗器４３は、オペアンプ４４の反転入力（−）と出力Ｖｏｕｔとの間に接続され、オペアンプ４４の非反転入力（＋）は接地される。圧力センサ２８の出力は、オペアンプ４４の反転入力に入力される。即ち、圧力センサ２８は、電源電圧Ｖｔと反転入力との間に接続される。センシング回路２４の出力Ｖｏｕｔは、−Ｖｔ×（Ｒｆ／Ｒｓ）であり、コンデンサ４２が抵抗器４３とで積分回路を構成することで高周波ノイズを除去し平滑化するので、安定した圧力信号となる。このようなセンシング回路２４は、圧力センサ２８毎にそれぞれ設けられる。各センシング回路２４の出力は、それぞれＡ／Ｄコンバータ２５に入力され、例えば２０ｍｓ（５０Ｈｚ）毎にサンプリングされる。各Ａ／Ｄコンバータ２５の出力は、制御用ＰＣ２６に入力される。
【００２２】
制御用ＰＣ２６は、被験者２５０の足踏みによって生じる各圧力センサ２８の出力変化に基づいて、被験者２５０の移動開始、移動方向及び移動速度を演算し、演算結果に応じてターンテーブル２３の回転方向及び角速度と投影機２２の映像の場面とを後述のように制御する。図５において、制御用ＰＣ２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）５１、インターフェース部５２、バス５３、入力部５４、表示部５５、外部記憶部５６、補助記憶部５７及び内部記憶部５８を備えて構成される。
【００２３】
ＣＰＵ５１は、圧力センサ２８の出力を補正する補正部５１−１、荷重中心を演算する荷重中心演算部５１−２、身体の向きを演算する身体向き演算部５１−３、足踏みを検出する足踏み検出部５１−４、ターンテーブル２３の天板３４の角速度を演算する角速度演算部５１−５、圧力センサ２８の出力に基づいて移動速度を演算する移動速度演算部５１−６、これら各部の出力に基づいてターンテーブル２３を制御するターンテーブル制御部５１−７、及び、これら各部の出力に基づいて投影機２２を制御する投影機制御部５１−８を備えて構成される。
【００２４】
インターフェース部５２は、ＲＳ２３２Ｃなどの規格に従って外部とデータを入出力する機器であり、Ａ／Ｄコンバータ２５の出力を入力し、投影機２２やＤ／Ａコンバータ２７へ制御信号を出力する。入力部５４は、仮想環境疑似体験システム１０の起動指示などの各種コマンドやデータを入力する機器であり、例えば、キーボードやマウスなどである。表示部５５は、入力部５４から入力されたコマンド、投影機２２の動作状況及び圧力センサ２８の出力などを表示する機器であり、例えばＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ又は有機ＥＬディスプレイである。外部記憶部５６は、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ及びＤＶＤ−Ｒなどの記憶媒体とデータを読み書きする装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＣＤ−Ｒドライブ及びＤＶＤ−Ｒドライブなどである。補助記憶部５７は、例えばハードディスクなどのデータを記憶する装置であり、仮想環境疑似体験システム１０を動作させるためのプログラムなどの各プログラムを記憶する。各プログラムが格納されていない場合には、これらを記録した記録媒体から外部記憶部５６を介して補助記憶部５７にインストールする。内部記憶部５８は、ＣＰＵ５１が実行するプログラムを補助記憶部５７から読み込んだり、プログラム実行中の各データを記憶するＲＡＭである。これらＣＰＵ５１、インターフェース部５２、入力部５４、表示部５５、外部記憶部５６、補助記憶部５７及び内部記憶部５８は、データを相互に交換することができるようにバス５３でそれぞれ接続される。
（実施形態の動作）
図６は、仮想環境疑似体験システムの動作を示すフローチャートである。
【００２５】
仮想環境を疑似体験しようとする被験者２５０は、入力部５４から仮想環境疑似体験システム１０を実行するようコマンドを入力し、ターンテーブル２３の天板３４上にスクリーン２１と正対するように乗る。制御用ＰＣ２６は、コマンドの入力を受けると、仮想環境疑似体験システム１０のプログラムを実行する。各圧力センサ２８は、天板３４上に被験者２５０が乗ることによって生じた圧力を検出すると検出出力を各センシング回路２４にそれぞれ出力する。各センシング回路２４は、検出出力から高周波ノイズを除去すると共に圧力に応じた電圧をＡ／Ｄコンバータ２５にそれぞれ出力する。各Ａ／Ｄコンバータ２５は、アナログ信号からディジタル信号にそれぞれ変換して制御用ＰＣ２６に出力する。
【００２６】
制御用ＰＣ２６のＣＰＵ５１は、インターフェース５２及びバス５３を介して、Ａ／Ｄコンバータ２５の出力（圧力センサ２８の出力に相当）を受信すると（Ｓ１１）、補正部５１−１を用いて圧力センサ２８の出力を補正する（Ｓ１２）。
【００２７】
図３に示すように配置された圧力センサ２８に対して同じ圧力がかかった場合の値がばらつかないようにするために、補正部５１−１は、式１を用いて圧力センサ２８の出力値を補正する。
【００２８】
【数１】
2004102800.tif 000003
【００２９】
ここで、ｎは圧力センサ２８のセンサ番号であり、図３において負のｘ軸上にある圧力センサ２８−１がｎ＝１、正のｙ軸上にある圧力センサ２８−２がｎ＝２、正のｘ軸上にある圧力センサ２８−３がｎ＝３及び負のｙ軸上にある圧力センサ２８−４がｎ＝４である。そして、Ｕｎは圧力センサ２８−ｎの検出出力であり、Ｕｎ＿ｍｉｎは天板３４上に何も乗っていない場合のＵｎの値であり、Ｕｎ＿ｍａｘは圧力センサ２８−ｎの真上に相当する天板３４上に被験者２５０が乗った場合のＵｎの値である。
【００３０】
次に、ＣＰＵ５１は、Ｕ１〜Ｕ４をそれぞれ補正したＰ１〜Ｐ４に基づき被験者２５０の荷重中心を荷重中心演算部５１−２を用いて式２より求め、求めた荷重中心を内部記憶部５８に格納する（Ｓ１３）。荷重重心とは、被験者２５０の重心を複数の圧力センサ２８が作る平面上に投影した場合における重心の投影点である。図３に示すように天板３４の中心をｘｙ座標の原点に略一致させると、時刻ｔにおける荷重中心の座標値Ｐ（ｔ）は、式２のように表すことができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｃ１×Ｐ１＋Ｃ２×Ｐ２＋Ｃ３×Ｐ３＋Ｃ４×Ｐ４　　・・・（２）
ここで、Ｃ１〜Ｃ４は各圧力センサ２８−１〜２８−４の座標値である。
【００３１】
次に、ＣＰＵ５１は、身体向き演算部５１−３を用いて、Ｐ（ｔ）に基づき被験者２５０の身体の向きを式３及び式４より演算する（Ｓ１４）。
【００３２】
図７は、身体の向きと荷重中心位置の経時変化との関係を示す図である。図７（ａ）は身体が正面方向（０°）を向いている場合を示し、（ｂ）は身体が右４５°の方向を向いている場合を示し、（ｃ）は身体が右９０°の方向を向いている場合を示す。
【００３３】
各圧力センサ２８は、被験者２５０の足からターンテーブル２３の天板３４にかかる圧力を検出する。被験者２５０が静止している場合には、両足から略均等に天板３４に圧力がかかるので、被験者２５０が天板３４の略中心に立てば、荷重中心は座標原点付近にあることになる。足踏み中は、天板３４と接触している足の方に自己の体重が集中して、天板３４にかかる圧力も該足の方に集中する。その結果、荷重中心も天板３４と接触している足の方にズレる。即ち、天板３４と右足が接触している場合には右足の方に荷重中心があり、天板３４と左足が接触している場合には左足の方に荷重中心がある。足踏みは、左右両足を交互に天板３４と接触させることになるから、荷重中心は、足踏みに従って両足を含む直線上で略肩幅の半分の振幅で振動することになる。従って、被験者２５０が正面を向いて足踏みをすると、荷重中心は、図７（ａ）に示すようにｘ軸方向で振動する。被験者２５０が正面右４５°を向いて足踏みをすると、荷重中心は、図７（ｂ）に示すようにｙ＝−ｘ方向で振動する。被験者２５０が正面右９０°を向いて足踏みをすると、荷重中心は、図７（ｃ）に示すようにｙ軸方向で振動する。即ち、荷重中心は、足踏み中の身体の向きと略直行する方向で振動することになる。このため、荷重中心の移動方向に対して垂直な方向を被験者２５０における身体の向きであると判断するこができる。このような実験事実を踏まえて身体の向きは、次のようにして検出される。
【００３４】
まず、ターンテーブル２３の天板３４上の何処で足踏みをした場合でも、上述の関係を検出し得るようにするために、左足と右足との中間座標を推定して基準点［Ｐ］とする。荷重中心は、上述のように両足間を往復すると考えられるので、基準点［Ｐ］は、荷重中心の時間平均として求められる。よって、時刻ｔにおける基準点［Ｐ（ｔ）］は、式３のように表される。
［Ｐ（ｔ）］＝０．９［Ｐ（ｔ−△ｔ）］＋０．１Ｐ（ｔ）
［Ｐ（０）］＝（０，０）　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）
次に、上述のように身体の向きＢ（ｔ）は、荷重中心の移動方向に対して垂直であり、また、ノイズによる誤差を少なくする観点から過去数回分の平均を用いて、式４より求められる。
【００３５】
【数２】
2004102800.tif 000004
【００３６】
次に、ＣＰＵ５１は、足踏み検出部５１−４を用いて、Ｐ（ｔ）に基づき被験者２５０の足踏み開始を式５及び式６より演算する（Ｓ１５）。
【００３７】
上述したように荷重中心は天板３４と接触している足の方にズレるので、基準点から身体の向きに平行な直線を引くと、足踏み時に該直線を挟んで左右に荷重中心が移動することになる。よって、式５が成立する場合に足踏みを開始したと判断することができる。
｛Ｂ（ｔ−△ｔ）Ｄ（ｔ−△ｔ）｝｛Ｂ（ｔ）Ｄ（ｔ）｝≦０　　・・・（５）
ここで、この５式の条件だけでも足踏み開始を検出することはできるが、足踏みはしていないが身体が左右に微小に揺れた場合も足踏み開始と判断してしまう可能性がある。そこで、より確実に足踏み開始を検出するために、荷重中心の移動速度ｄを検出し、荷重中心の移動速度ｄが所定の閾値を越えた場合に、足踏み開始と判断する。荷重中心の移動速度ｄは、以前の荷重中心と現在の荷重中心とを比べることによって求められ、例えば５回前の荷重中心と比べる場合には式６によって求められる。また、所定の閾値は、０．２や０．４などのように小さい値に決定すると揺れを足踏み開始と誤判断する可能性が高くなり、１．５や１．７のように大きな値にすると足踏み開始を揺れと誤判断する可能性が高くなる。本実施形態では、実験的に決定され、例えば、１．０ｍ／ｓとされた。
【００３８】
【数３】
2004102800.tif 000005
【００３９】
次に、ＣＰＵ５１は、角速度演算部５１−５を用いて、Ｂ（ｔ）に基づきターンテーブル２３の回転を制御すべく、式７−１及び式７−２より角速度Ｖ（ｔ）を求める（Ｓ１６）。
【００４０】
仮想環境疑似体験システム１０は、スクリーン２１が上下左右に延設されているとは言え被験者２５０を全周しているわけではないので、被験者２５０が身体の向きを変えた場合に、視野からスクリーン２１が無くなる前にターンテーブル２３の天板３４を反対方向に回転させ、被験者２５０の向きと相殺する。例えば、図８において、被験者２５０が図８（ａ）に示すスクリーン２１上のａ点の方に行こうと思い身体の向きをθだけ変えた場合に、ターンテーブル２３の天板３４を−θだけ角速度Ｖ（ｔ）で回転させ、被験者２５０の視点を図８（ｂ）に示すように正面のｂ点に戻す。これによって被験者２５０が身体の向きを変えたとしてもスクリーン２１に正対させるようにできるので、スクリーン２１を被験者２５０に対して全周で囲うことなく被験者２５０に仮想環境を疑似体験させることができる。
【００４１】
ここで、被験者２５０の身体の向きが正面より大きくずれた場合には、なるべく早く被験者２５０を正面に向かせるためにターンテーブル２３の天板３４の角速度を速くすべきであるが、角速度を急変させると被験者２５０に不快感を与え、没入感を損なってしまう。そのため、被験者２５０の身体の向きと正面とのズレが急に変化した場合には、天板３４の角速度を所定の加速度ａを用いて変化させ、さらに、ズレの大きさによって角速度の上限（−ｋ・θ）を設定する。また、天板３４が常に左右どちらかに回転するという状態を防止する観点から、不感帯を設けることが好ましい。例えば、本実施形態では正面より左右５°以内のズレを不感帯として、回転させない。
【００４２】
以上の条件を数式で表すと式７−１及び式７−２になる。θの絶対値が５°より大きい場合には、
【００４３】
【数４】
2004102800.tif 000006
【００４４】
θの絶対値が５°未満の場合には、
【００４５】
【数５】
2004102800.tif 000007
【００４６】
ここで、−ｋ・θは、被験者２５０と正面とのズレがθである場合のターンテーブルの最大角速度である。また、例えば、本実施形態ではｋ＝２．０、加速度ａ＝２．０ｒａｄ／ｓ２とした。
【００４７】
次に、ＣＰＵ５１は、移動速度演算部５１−６を用いて、足踏みのインターバルに基づき被験者２５０の移動速度を式８よりを求める（Ｓ１７）。
【００４８】
実世界の歩行動作において、移動速度は、一歩のストライドである“歩幅”と、単位時間あたりの歩数である“ピッチ”との積によって求めることができる。ピッチは、足踏みのインターバルを計測することにより、その逆数として求めることができる。足踏みのインターバルは、一方の足がターンテーブル２３の天板３４に接触してから離れ更に接触するまでの時間であるから、振動する荷重中心の半周期として求めることができる。一方、歩幅は、実際の歩行動作におけるピッチと歩幅との関係を実測したデータより決定した。図９は、実際の歩行動作におけるピッチと歩幅との関係を示す図である。図９の横軸はピッチ（ステップ／秒）を表し、縦軸は歩幅（ｍ）を示す。この図９より、本実施形態では、
歩幅＝０．２×ピッチ＋０．５
移動速度＝歩幅×ピッチ＝（０．２×ピッチ＋０．５）×ピッチ　・・・（８）
とした。式８は、一実験結果であって他の実験により歩幅を決定しても良い。
【００４９】
次に、ＣＰＵ５１は、天板３４が角速度演算部５１−５で演算した角速度Ｖ（ｔ）となるようにターンテーブル制御部５１−７を用いてターンテーブル用の制御信号を生成し、ターンテーブル用の制御信号をインターフェース部５２を介してＤ／Ａコンバータ２７に出力する。そして、ＣＰＵ５１は、投影機２２が投影する映像の場面が移動速度演算部５１−６で演算した移動速度と整合するように投影機制御部５１−８を用いて投影機用の制御信号を生成し、投影機用の制御信号をインターフェース部５２を介して投影機２２に出力する（Ｓ１８）。
【００５０】
そして、ＣＰＵ５１は、仮想環境疑似体験システム１０の動作を終了するコマンドが入力部５４から入力されたか否かを判断し、終了の場合には（Ｙｅｓ）、プログラムを終了し、終了ではない場合には（Ｎｏ）、処理をＳ１１に戻す。以下、疑似体験を終了するまで、Ｓ１１からＳ１９の処理を繰り返す。ここで、Ｓ１１からＳ１９の処理が一定時間内に行われるので、上述の角速度は回転量に相当し、上述の移動速度は移動量に相当することになる。
【００５１】
このように動作することによって、本実施形態における仮想環境疑似体験システム１０は、被験者２５０の足踏みを圧力センサ２８の出力に基づいて検出することにより、足踏みの開始（移動開始）、身体の向き（移動方向）及び移動速度を検出することができる。そして、仮想環境疑似体験システム１０は、検出した身体の向きからターンテーブル２３の天板３４を回転させる角速度を演算することができ、被験者２５０が身体の向きを変えた場合に再び被験者２５０の正面にスクリーン２１が位置するように天板３４を回転させることができる。さらに、天板３４の角速度が急激に変化しないように制御するので、被験者２５０に不快感を与えること無く、没入感を維持することができる。また、仮想環境疑似体験システム１０は、足踏みの開始及び移動速度を検出することができるので、被験者２５０の移動速度に合わせて映像の場面を変化させることができる。そのため、被験者２５０は、仮想環境を疑似体験することができる。これらのため仮想環境疑似体験システム１０では、被験者２５０は、仮想環境中を歩き回ることができる。
【００５２】
そして、本実施形態における仮想環境疑似体験システム１０は、身体の向きを圧力センサ２８の出力に基づいて検出するので、従来のように、角度センサや赤外線マーカなどの部材を装着する必要がない。このため、被験者２５０に装着の煩わしさがなく、装着による運動性を阻害することもない。
【００５３】
なお、本実施形態では、４個の圧力センサ２８を用いたが、上述のように荷重中心が求められれば良いので、３個以上の圧力センサでよい。
【００５４】
また、本実施形態では、仮想環境への没入感を被験者２５０により与えるために、図１に示す正面投影平面部分に続けて上下左右に投影面が延長されたスクリーン２１を用いたが、通常の平面のスクリーンでもよい。図１０は、仮想環境疑似体験システムの他の構成を示す図である。図１０において、仮想環境疑似体験システム１１は、スクリーン面が平面であるスクリーン６１、投影機２２、ターンテーブル２３、センシング回路２４、Ａ／Ｄコンバータ２５、制御用ＰＣ２６、Ｄ／Ａコンバータ２７及び圧力センサ２８を備えて構成される。投影機２２は、投影によって被験者２５０の影がスクリーン６１に投影されないようにするために、スクリーン６１の背後に配置され、被験者２５０は、スクリーン６１の前方に配置されたターンテーブル２３の天板３４上に乗って仮想環境を疑似体験する。なお、ターンテーブル２３及び投影機２２の制御は、図６を用いて説明した上述の実施形態と同様なのでその説明を省略する。このような仮想環境疑似体験システム１１は、平面のスクリーン６１を用いるので１台の投影機で仮想環境の映像を生成することができる。このため、仮想環境疑似体験システムをより安価に提供することができ、仮想環境疑似体験システムをより簡便に設置することができる。
【００５５】
さらに、本実施形態では、スクリーン２１を被験者２５０の略前面に配置して仮想環境を生成したが、スクリーンを被験者２５０の下面に配置して仮想環境を生成しても良い。図１１は、仮想環境疑似体験システムの他の構成を示す図であり、図１１（ａ）は側面図であり、図１１（ｂ）は上面図である。図１１において、仮想環境疑似体験システム１２は、スクリーン６２、投影機２２、ターンテーブル２３、センシング回路２４（不図示）、Ａ／Ｄコンバータ２５（不図示）、制御用ＰＣ２６（不図示）、Ｄ／Ａコンバータ２７（不図示）及び圧力センサ２８を備えて構成される。スクリーン６２は、スクリーン面が平面であって、天板３４が回動自在の状態でターンテーブル２３を嵌め込むことができるようにスクリーン面の一部に孔が空けられている。例えば、孔は、被験者２５０の前方に投影部分を広く取ると共に被験者２５０の影を後方に生成させる観点から、図１１（ｂ）に示すように投影機２２の下であって後方のスクリーン面に設けられる。そして、スクリーン６２は、床面に平行となるように床に設置される。投影機２２は、スクリーン６２の上方に配置される。被験者２５０は、スクリーン６２に嵌め込まれたターンテーブル２３の天板３４上に乗って仮想環境を疑似体験する。なお、ターンテーブル２３及び投影機２２の制御は、図６を用いて説明した上述の実施形態と同様なのでその説明を省略する。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる身体方向検出装置、身体方向検出方法及び仮想環境疑似体験システムでは、複数の圧力検出手段による検出出力に基づいて演算した荷重中心の経時変化から身体の方向を求めるので、従来のように、身体の方向を検出するための部材を被験者は装着する必要がない。そのため、被験者は、装着の煩わしさや装着による運動性の阻害から解放される。そして、運動性の阻害によって擬似体験感を損なうことがない。さらに、従来の仮想環境疑似体験システムが備える圧力検出手段によって身体の向きを求めるので、従来の仮想環境疑似体験システムよりコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】仮想環境擬似体験システムの構成を示す図である。
【図２】ターンテーブルの断面図である。
【図３】圧力センサの配置位置を示す図である。
【図４】センシング回路の回路図である。
【図５】制御用ＰＣの構成を示す図である。
【図６】仮想環境疑似体験システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】身体の向きと荷重中心位置の経時変化との関係を示す図である。
【図８】身体の向きの変更とターンテーブルの回転との関係を説明するための図である。
【図９】実際の歩行動作におけるピッチと歩幅との関係を示す図である。
【図１０】仮想環境疑似体験システムの他の構成を示す図である。
【図１１】仮想環境疑似体験システムの他の構成を示す図である。
【図１２】従来の仮想環境擬似体験システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
２１、２１１　スクリーン、２２、２１２　投影機、２３、２１４　ターンテーブル、２４　センシング回路、２６、２１７　制御用コンピュータ、２８、２１５　圧力センサ、５１　中央処理装置、５１−１　補正部、５１−２　荷重中心演算部、５１−３　身体向き演算部、５１−４　足踏み検出部、５１−５　角速度演算部、５１−６　移動速度演算部　５１−７　ターンテーブル制御部、５１−８　投影機制御部
【図１】
2004102800.tif 000008
【図２】
2004102800.tif 000009
【図３】
2004102800.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004102800.tif 000016
【図１０】
2004102800.tif 000017
【図１１】
2004102800.tif 000018
【図１２】
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