情報処理学会 インタラクション 2021
IPSJ Interaction 2021

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2021/3/10

歩行速度に合わせた速度を提示する
アクティブトレッドミルの開発
久保村尚樹 1,a) Denielsen Paulus1,b) 大井翔 1,c) 松村耕平 1,d) 野間春生 1,e)
概要： 数年間，健康寿命と平均寿命の差はあまり変化していない．本研究では，健康寿命の延伸を目的とした，歩行速度に合わせた速度を提示するアクティブトレッドミルの開発をする．また，歩行者の位置と歩容を計測することで位置のフィードバック制御と速度のフィードバックフォワードを実装し，歩行者の歩行速度が変化しても，歩行者を制御目標の位置から前後 10cm 以内の範囲に留めることができた．今後の展望として，VR 空間を利用したインターフェイスを開発することで，歩行者に対して歩行を促進させるシステムへ発展させる．

1. はじめに

通常のトレッドミルでは，歩行者は操作による速度の制御を行い，ベルトの速度を上げることによって，歩行速度近年，健康寿命の延伸を目的とした取り組みが多くある．

を速くするため，受動的な歩行であると考える．一方でア

健康寿命とは，自立して生活を送れる期間を指しており，クティブトレッドミルは歩行者がベルト上での歩行時に，平均寿命と健康寿命の差は数年間ほとんど変化していない．

歩容から速度を推定してベルト速度を自動制御するため，そのため，本研究は健康寿命の延伸を目的として，運動を能動的な歩行が可能になる．そのため，外出時と同じよう支援する装置の開発を行う．に自然な歩行をトレッドミル上でも再現できる．さらに，厚生労働省の「健康意識に関する調査」（2014 年）[1]よVR 空間を利用し，歩行者に興味のある風景を見せることり，生活習慣に関する病気に気を使っているが運動を行っで，歩行することに付加価値をつけることができる．さらていない人について調査した結果，「時間がない」，「何をどに，速度の制御のための操作が必要ないため，別途の要素のようにやったらいいのか分からない」などの要因が挙げとして VR 空間でのインターフェイスを作成し，アクティられた．これらの要素を解決する方法として，単純で日常ブトレッドミルを使用することで，VR 空間内での歩行を的に行っている動作であり，1 日の活動量を歩数として計提示できるなど，通常のトレッドミルにはできない付加価測できる，歩行による生活習慣の改善に着目した．また，値をつけることができる．本稿では，歩行者の歩行速度が1 日の歩数を計測した結果から，不足していた歩数を補う変化しても，歩行者を制御目標の位置から前後 10cm 以内という方法で 1 日の目標の活動量を維持できると考える．の範囲に留めることができた事を確認した．

しかし，日常的に運動としての歩行習慣のない人にとっては，健康寿命の延伸を目的とした長時間の歩行は，継続できないばかりか逆にストレスをためてしまう原因になり，かえって不健康になってしまう可能性がある．そのため，健康寿命の延伸以外に歩行に対しての付加価値をつけることでの解決を考える．また，天候，気温などによる外出時間の低下を考慮した結果，室内で歩行ができるシステムが望ましいと考えた．さらに，付加価値として，VR 空間での歩行の実現をすることで，外出が困難である状況でも意欲的な歩行を促進できると考える．
このような背景のもと，本研究では歩行感覚提示装置であるアクティブトレッドミルを開発する．アクティブトレッドミルとは，歩行者の歩行速度が変化しても，歩行者の位置を制御目標に留める事ができるトレッドミルである．
1 立命館大学a) nkubomura@mxdlab.netb) dpaulus@mxdlab.netc) SHO.OOI@outlook.jpd) matsumur@acm.orge) hanoma@fc.ritsumei.ac.jp© 2021 Information Processing Society of Japan

2. 関連研究
野間らは，トレッドミル上の歩行者の両足の先端に反射マーカーを取り付け，CCD カメラで位置を取得することで，歩行者の歩行速度に合わせた制御が可能な ATLAS を開発した[2]．制御方法として，重心位置による位置のフィードバック制御と両足の立脚時間による速度のフィードフォワード制御を採用することで，歩行者を制御目標の位置にとどめた状態での走行が実装できたと報告している．塩澤ら
は，歩行シミュレータを開発した[3]．足部，上半身，体重心の位置にマーカーを装着することで位置計測を行っており，制御方法としては，基本速度を入力し，制御量としてPID 制御を行うことで，位置のフィードバック制御を行っていた．また，圧力センサによって両足の立脚か遊脚かの判定を行い，動作開始，停止の制御を行っていた．上田らは，2 次元歩行打消型ロコモーションインターフェイスであるボールアレイトレッドミルを開発した[4]．磁石を内蔵したスリッパを装着し，走行面のセンサアレイ版にホール

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IC 素子を取り付けることで足の位置を計測している．また，株式会社製)でトレッドミルのベルトを回転させ，速度を制制御方法としては，PID 制御による位置のフィードバック御している．そのため，アクティブトレッドミルは計算機からインバータに制御量𝑉̃を RS-485（ラトックシステム株制御を採用している．
本研究では，歩行者の歩行を促進することを目的としており，歩行に対してストレスが発生することを防止したい

式会社製）経由でシリアル送信することで実装している．と考える．そして，歩行者のストレスを軽減する方法とし

4. フィードバック制御のための計測て，自然な歩行を提示することでストレスが軽減されると

4.1

考えた．具体的には，歩行者が歩行を開始するまでの工程

身体の位置を取得するために使用する機器として，センである足部，身体へのマーカーの装着は日常的な歩行としサからの距離を ToF 方式で計測する LiDAR センサとして，て考えた際に，自然な歩行ができなくなる可能性があり，Benewake の製品である TFMini を採用する．プログラム実歩行の促進に対して悪影響を与えると考える．そして，本装中のサンプリングレートは 80Hz であった．TFMini セン

研究ではマーカーを装着する必要のない計測方法での歩行サをトレッドミル前方から 20cm，床からの高さ約 90 ㎝の感覚提示装置の開発を試みる．

位置に設置し身体の位置を計測する．また，TFMini の設置位置を図 2 に示す．

3. 基本設計
3.1

身体の位置取得について

4.2

PID 制御について

PID 制御は制御目標の位置と取得データとの差の値ΔX

制御方法

開発するアクティブトレッドミルの目標は，歩行者が歩から値を計算する．そして，トレッドミルの走行面の長さ

行速度を変更したとしても，設定したトレッドミル上の制が 150 ㎝であり，図２の赤線の位置で示した，前方から 90御目標の位置に歩行者を維持できる事として設定している．

㎝(センサから 70cm)を制御目標の位置とする．また，ΔX

図１にアルゴリズム全体の構造を示す．本研究では，速度のフィードフォワード制御に加え，位置の PI フィードバッについて図 2 に示す．そして，PI フィードバックで使用する，制御量𝑉̃𝐴 は，P 制御と I 制御の算出結果の和を代入す

ク制御を行うことで実装を試みる．PI フィードバックはトる．また，PI フィードバック制御を式（2）に示す．P 制御

レッドミル上の身体の位置を把握し，目標地点と身体の位置の差から制御量𝑉̃𝐴 を計算し，PI フィードバック制御を行の引数として制御目標と歩行者の身体との差の値ΔX と Iう．フィードフォワードは歩容から立脚時間を計測することで歩行速度𝑉̃𝐵 を推定し，速度のフィードフォワード制御

ΔX の和を使用する．また，定数α，βを使用することで，を行う．また，式(1)のように PI フィードバック制御で算出した制御量𝑉̃𝐴 とフィードフォワード制御で算出した歩行速で計測している．

度𝑉̃𝐵 の和を制御量𝑉̃としてトレッドミルの制御を行う．
𝑉̃3.2

=

𝑉̃𝐴+

𝑉̃𝐵

制御の引数として過去約 0.5 秒間で取得した 30 個のデータ重みを変化させることができる．αの値は 40，βの値は 1

𝑉̃𝐴＝ 𝛼 × 𝛥𝑋+

𝛽 × ∫ 𝛥𝑋 𝑑𝑡

(2)

(1)

使用するトレッドミルについて

5. フィードフォワード制御のための計測

歩行者を制御目標の位置に留める制御を行う際に，使用

前章で紹介した PI フェードバック制御だけでは，歩行するトレッドミルは，セノー株式会社の製品である

者が制御目標に達した場合，トレッドミルのベルトが停止

LABORDONEXT を採用する．走行面の長さは 158cm であしまい，制御目標の位置に歩行者をとどまらせたままの歩り，幅は 50cm である．制御方法としては，LABORDO NEXTに内蔵されているインバータの，FREQROL-D700(三菱電機

図 ２
図 １

センサの設置位置・ΔX の値の取り方

アルゴリズム全体の構造© 2021 Information Processing Society of Japan202情報処理学会 インタラクション 2021
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行は実現できない．そして，PI フィードバック制御は，応る足の速度を知る必要がある．そして，計測方法として，答性が遅く，そのため，歩行者の歩行速度を推定し，位置

過去 3 つの X 方向における足の位置の値とその時点で取得の PI フィードバック制御に付け加えることで，目標としてした X 方向における足の位置から，最小二乗法で計算を行いた，歩行者を制御目標の位置に維持することが可能にない、得られた過去との差分より、X 方向における足の速度ると考える．

として取得した．

そして，立脚時間と歩行速度は相関しているという報告

次に，X 方向における足の速度によって立脚判定を行い，がある[1]．そのため，歩容から立脚時間を計測し，立脚時立脚に要した時間である立脚時間を計測する．まず，立脚間と歩行速度の関係について調査した．そして，立脚時間時の足先の速度はベルトの速度と同一の速度に一致するとから歩行速度を推定するために，近似曲線を作成した．

考える．そして，図３の足の速度のグラフに示した様に，5.1

足の位置取得について

足の位置取得には，北陽電気株式会社の製品である UTM-ベルトの速度の値を基準に立脚判定の幅をもうけ，幅の中に入っている時間を立脚時間とする．

30LX-EW を使用する．UTM-30LX-EW は 270°の方向に対5.3して，周囲の距離データを取得する LiDAR センサであり，トレッドミルを（0.3・0.6・0.9・1.2・1.5・1.8・2.4m/s）

プログラム実装中のサンプリングレートは 30Hz である．の 7 つの速度を各速度に対して 2 分間歩行を行う．そして，取得方法は，UTM-30LX-EW をトレッドミル前方，床から縦軸をトレッドミルの速度，横軸を立脚時間として，結果の高さ約 20 ㎝の位置に設置し足の位置を計測する．UTM-を図２に示す．図４より，立脚時間と歩行速度には相関が30LX-EW の設置位置を図２に示し，トレッドミルの進行方ある，歩容から立脚時間を計測することで，歩行速度を推向を X 方向とする．

定し，推定速度によるフィードフォワード制御を行う．ま5.2

速度計測と立脚時間の計測方法

立脚時間と歩行速度の関係

た，図２で示した，立脚時間と歩行速度の関係を累乗近似

足の位置取得から足の速度へ変換する手順について図３にで求めることで，推定速度を計算している．累乗近似を式示す．立脚時間の計測方法をするためには，X 方向におけ(3)に示し，𝑇𝑠 は取得した立脚時間の値，（γ，δ）は定数を入力しており，推定速度𝑉̃𝐵 計算している．
𝑉̃𝐵=𝛾×𝑇𝑠𝛿

(3)

6. 実験結果
前章で紹介した，位置の PI フィードバック制御と速度のフィードフォワード制御を実装し，実験を行った．実験手順として，動作開始から約 20 秒間，低速で歩行を行い，その後，立脚時間を短くすることでベルトの速度を増加させた．また，一定時間速歩を行った後，徐々に速度を低下さ
図 ３

足の位置取得と速度への変換せ，トレッドミルを停止させた．そして，制御による胴体の位置の変化について図 5 に，実験での歩行者の位置を図6 に示す．
結果として，立脚時間から速度のフィードフォワード制御を行い，推定速度を計算することでトレッドミルの速度調整を行い，胴体の位置が制御目標よりトレッドミル前方に動いた場合，位置の PI フィードバック制御によって計算された値が推定速度に加算されることで，アクティブトレッドミル送信する速度を計算している．また，アクティブ
トレッドミル稼働中の TFMini から取得した胴体の位置の平均は 72cm であり，標本偏差は 9.1cm であった．制御目標

図４

立脚時間と歩行速度の関係© 2021 Information Processing Society of Japan203

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は TFMini から 70cm であるため，制御できていると考える．

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7. おわりに本研究では，歩行者の歩行速度に合わせた制御を行う，アクティブトレッドミルの開発を行った．そして，速度のフィードフォワード制御と位置の PI フィードバック制御の２つの制御方式を用いた．これにより，歩行者の歩行速度が変化しても，歩行者を制御目標の位置から前後 10cm以内での制御を実現した．
今後の展望として，VR 空間内でのインターフェイスの開発を行い，利用者に興味を持たせることで，健康習慣の改善が図れると考える．

8. 謝辞
図５

実験での制御量本研究は，JST，COI，”運動の生活カルチャー化により活力ある未来をつくるアクティブ・フォー・オール拠点”
JPMJCE1306 の支援を受けたものである．

参考文献

図６

実験での歩行者の位置© 2021 Information Processing Society of Japan

厚生労働省政策統括官付政策評価官室委託 第 1 部 健康
長寿社会の実現に向けて ―健康・予防元年
https://www.mhlw.go.jp/wp/hakusyo/kousei/14/dl/1-02-1.pdf(2020.12.21 参照)
野間 春生, 宮里 勉, 中津 良平, 能動的歩行動作に対応した歩行感覚提示装置の開発(<特集>三次元サイバースペース実現と利用), 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 1999,
4 巻, 2 号, p. 407-415
塩澤 成弘, 有馬 秀一, 牧川 方昭, 歩行意思推定を用いた歩行シミュレータコントロールによる方向転換動作の実現,
生体医工学, 2005, 43 巻, 1 号, p. 124-132
上田 貴徳, 宍戸 俊輔, 高橋 嶺以, 伊藤 稔, 仮想空間内歩行のための 2 次元歩行打消型ロコモーションインタフェー
ス : ボールアレイトレッドミル, 日本バーチャルリアリテ
ィ学会論文誌, 2012, 17 巻, 3 号, p. 269-278

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