歩行感覚提示装置の開発過程とその応用展開
・- 以身伝心：体で感じる電話とスポーツ観戦 ＡＴＲ知能映像通信研究所

野間 春生に体験させる。同時に、Tel-E-Mege 環境では高原側においても夫が仮想的に"そこに来た"ことを彼女にも体感させることが重要なポイントとなる。
ここで、夫を呼び寄せた女性を Tele-Inviter、呼び寄せられた夫を Tele-Visitor と呼ぶこととする。Tel-EMergeとは、この例のように、対話の環境へ入り込んでくる Tele-Visitor と Tele-Inviter が、従来の通信手段のよ
1．はじめにうに単に発せられる音声や映像情報のみを交換するのこれまでに見たこともない風景に出くわしたとした ではなく、情報を発する主体自体の存在感を体感としら、その体験を身近な人に伝えたくなるのは自然な感 て相互に感じさせることで双方に同様の体験をさせ、情であろう。そのためには写真やビデオを撮るかもし 結果的に気持ちまでも通わせる事、つまり、身を以て・れない。しかし、最も確実にその感動を伝えるには、相 心を伝える 以身伝心 を目指した対話手法である。
手をその時、その場に連れてきて同じ体験をさせるこ
我々はTel-E-Mergeの実施形態の一つとして、まず歩とに他ならないであろう。我々は、このような日常の 行動作時の体感伝送に着目し、遠隔地にいる対話者とコミュニケーションにおいて、お互いの意図や感情を 一緒に会話しながら歩行しているかのような感覚を提より深く理解するためには、通常の音声と映像に加え、 示できる通信装置を開発し、これを用いた通信手段を対話者の経験している場所の情報や自身の動きの感覚、 提案した。本稿では、この体感通信システムのキーデつまり、対話者の体感する情報を伝えることが必要で バイスである歩行感覚提示装置について既存研究例とあろうと考え、Virtual Reality(VR)技術を応用して相互 我々の開発した装置についてまとめ、ついで体感通信に体感を伝送する新しい通信方式、"Tel-E-Merge" につ システムの展開について述べる。
いて提案してきた[1]。
2．歩行環境提示システムとは
Tel-E-Merge環境下で想定する対話の場とは、会話のVR 研究において歩行環境提示装置（Locomotionきっかけとなる一方の対話者の存在する場所である。
例えば、図１では高原を散策する女性が風光明媚な景 Interface:以下と LI と表記する)とは ユーザが自身の歩色の美しさに感動し、これを遠隔の自宅にいる夫にも 行動作によって仮想空間の移動感覚を得る装置 を意伝えたいと考えたとする。そのために彼女は通信回線 味する。具体的には、ユーザーがごく普通の歩行、あによって夫を呼びだし、夫は自宅に備え付けられたコ るいは走行動作を行った際に、その動作を相殺してミュニケーションブースを介して高原の環境を妻と共 ユーザーを定点に保持し、遠隔地や仮想空間内を実際に歩行しているかのような感覚を提示する装置である。
従来の航空機や車両のシミュレーター、さらに、一世を風靡した VRML のような Walk-through システムにTele-Invitor
Tele-Visiter
おいても、同様の機能が実現されるとも考えられる。
こ
れらと LI が最も異なるのは、LI では操作（動作）の入出力関係とともに、ユーザーと移動対象環境との間で動力学的な運動エネルギーの入出力関係をも再現する点である。これはつまり、疲労や距離感覚といった体感そのものをディスプレイするインタフェース技術であるといえる。
これまでに提案されている多くのLIの実現例の構成は、いずれもユーザーの歩行動作を計測する手段とその結果を用いて歩行動作相殺する手段から構成される。
そこで、それぞれの特徴が反映される動作相殺機構に
図１ Tel-E-Merge 通信のモデル
歩行感覚提示装置とは，遠隔地あるいは仮想空間内を実際に歩行移動しているかのような感覚を提示する装置の総称である．ここでは，これまでに ATR 他で提案されている歩行感覚提示装置の研究例の紹介と，それらを次世代の通信システムへと応用する手段について解説する．

る Theter と呼ばれる棒による腰部への反力提示手法[15]が考えられる。
2.3 スライディングサフェース型

図２機構に着目した Locomotion Interface の分類
着目して図２に示すように分類可能である。以下ではこの観点から既存の報告例について整理しそれらの特徴を述べる。

歩行面を固定しユ−ザ側に相殺機能を持たせる例として、岩田らのスライド式インタフェ−ス[6]の提案がある。ここではユ−ザの足の裏に車輪、あるいは、摩擦係数の低い素材を取り付けた特殊な靴によって実現された。ユ−ザの上体の固定には特殊ハ−ネスや円形の手摺状の保持機構を用いており、基本的にはパッシブ型となるが、装置が非常に簡略化される。
2.4 ペダル型

動作計測を単純化するために歩行動作の自由度を下げ、歩行に近い動作によって移動感覚を実現する手法
2.1 フットパッド型
フットパッド型は歩行者の足先動作に追従する複数 として、ペダルを用いる手法がある。Darken らは軍事の可動板によって歩行運動を計測し、相殺する手法で 訓練のためにUniPortと呼ばれる固定された一輪車形状あり、最も自然な歩行動作への対応が可能である。2機 装置を提案した。さらに自転車そのものにセンサをとの多自由度ロボットアームによる装置を利用した例と りつけ、インタフェ−スとして用いる例も提案されてしては、Latham の OmniTrek[3]、岩田らの GaitMaster[4]、 いる。ペダルへの負荷調整で、若干の地形情報の提示[16,17]。
Roston らの Whole Body Display[5]、Sarcos 社の Biport な 機能が実現される
どが提案されている。いずれも、高い周波数応答と高 2.5 その他の方式
剛性リンク機構が必要となるが、斜面や凸凹面などのさらに単純化を進め、歩行動作に類似した動きに任意の地形形状提示機能を有している。
よって仮想空間内の移動操作を行なう手法も数多く提2.2 トレッドミル型
トレッドミル型はベルト機構によりユーザの歩行動作を相殺する手法であり、ユ−ザへのアクチュエ−タの装着が必要なくなる。ベルトの駆動方式によってさらにユ−ザの重力分力で駆動するパッシブ型と、アクチュエ−タでベルトを制御するアクティブ型に細分できる[6]。前者の場合は動作計測系と相殺系がハードウェアとして統合されるが、対象となる世界が常に上り斜面に限定される[7,8]。後者の場合は下り斜面や柔軟な平面などを再現可能であるが、動作計測とアクチュエ−タの駆動系が複雑化する[9]。
トレッドミル型の問題点として、歩行方向がベルトの運転方向に限定される点が挙げられる。Hollerbachらの Treadport ではハンドルや上体、あるいは頭部の方向による方向指示手段を併用している。一方で、DarkenらのOmni Directional Treadmill[10]、岩田らのTorus Treadmill[11]では 2 方向ベルトを構成する手法で、Eyre らのSpherical Projection System[12]、Time s Up 社の SPIN[13]では巨大な半透明球殻内に歩行面を生成して、パッシブ型ではあるが 2 次元平面の任意方向への移動を実現している。
また、ベルトが動作に連動して加減速する際に生じる慣性力が実歩行と異なる。この慣性力を打ち消す手段として、加減速が充分小さくなるような長大なベルト用いる手法[14]、あるいは、Treadport で採用されてい案されている。Choi らは靴底に配置した４個の圧力センサによって足踏み動作を検出するCyberBoot[18]を提案した。移動と動作をマッピングする方式として、門林らの VISTA Walk[19] では画像処理により得られるユ−ザの位置情報を、小林らの Tilting Disc[20]ではユ−ザの重心位置を、それぞれ移動方向と移動速度に対応させて仮想空間移動を行なう装置を提案した。
3. 体感通信システム ATLAS & AIR[21]
ここでは ATR で開発を進める研究について述べる。
Tel-E-Mergeコンセプトに基づき歩行時の会話環境を対象として、ATR では双方の歩行動作を体感として通信する遠隔体感通信システムを開発した。これは、TeleVisitorに仮想的な歩行感覚を提示するATLAS:(ATR Locomotion Interface for Active Self Motion)と、Tele-Visitorの代理として Tele-Inviter 環境を移動するロボット AIR(Advanced Imaging Robot of Tele-E-Merge)を組み合わせたものである（図３）。
AIR はテレビ電話機能を持ち、ATLAS 上の TeleVisitor と Tele-Inviter の会話チャンネルを提供するとともに、その動作によって Tele-Visitor の存在感を提示する。逆に、Tele-Visitor には VR システムによって、自宅に居ながらにして離れた対話の場を自由に歩いているかのような感覚を提示する。アクティブトレッドミル型の LI である
ATLAS は、ユーザーの自由な歩行、つまり、任意速御し、歩行者を常にベルト上の定点に保持する。
一方、左右への進路変更動作に対しては、歩行時の遊脚の軌道の違いに着目した。直進歩行の際は遊脚はほぼ正面に弓なりの軌道を描きながら着地するのに対し、進路変更時には遊脚が斜前方に大きく振り出される。ATLAS ではこの動作を画像処理によって計測し、進路変更動作が計測されるとベルト面自体を姿勢保持装置によって水平方向に回転させ、振り図３ 移動ロボット AIR & 歩行感覚提示装置 ATLAS 出された足を常にベルトの中央に着地させることで進度での前進歩行、さらに左右へ曲がる進路変更動作を 路変更動作を相殺する手法を実現した。
試作環境では画像処理装置は QuickMug-IV(OKK 製)相殺し、どのように移動してもユーザーを室内の一点に保持可能な歩行感覚提示装置である。ATLAS では、 を使用し、60Hz での両足先位置追跡処理を行ってい図４に示すように、画像処理によってユーザーの足先 る。また、動作解析および機構制御系は PC 上に実装さの動作を計測して歩行動作推定し、前進動作について れ、画像追跡に連動して 60Hz で実行されている。
はトレッドミルのベルト速度を制御することで対応し、 ３．自由面歩行感覚提示装置 GSS[22]進路変更動作についてはベルト機構全体を回転させる
ATLASでは平坦な傾斜面の提示は可能であるが、現手法を採用した。これによって従来のトレッドミルタ
実の歩行面は階段や段差等の起伏に富んだ環境であろイプ LI の問題点を解消し、ユーザーは単に足先に反射う。そこで、このような歩行面のテクスチャーを再現マーカーを取り付けて装置上に乗り、意識的に操作すする手段としてGSS(Ground Surface Simulator)を開発しるのではなく通常の自由歩行動作を行うだけで運用でた(図５）。GSS では、ATLAS で導入したトレッドミルきる点を特徴としている。
機構に、トレッドミルの床面を前後方向に分割してそ試作ATLASは速度制御可能なトレッドミルとそれをれぞれを独立に上下する機構を追加した。それぞれの３軸で回転させる姿勢保持装置、さらに、トレッドミ床面の高さを歩行速度と再現する地形形状に合わせてル先端に固定された CCD カメラから構成される。AT制御することで、任意の傾斜面や凹凸面を再現可能と
LAS の処理は、画像処理によってユーザーの両足先のなる。また、AIR の有する距離センサー情報を用いて、トレッドミル上での位置と速度を計測し、この結果と遠隔地の地形をリアルタイムに計測し、その場の地形ベルト速度を比較することで足の遊・立脚の状態判定を再現して歩行する方法も実現した。
を行う。事前の計測により、歩行速度と立脚時間が反[23]比例関係にあることが確かめられており、画像処理系 ４．仮想二人三脚システム
これらのシステムにおいて歩行動作がデジタル化さによって計測される立脚時間をから歩行速度を推定すれることに着目して、ネットワークを介して複数の歩る。ATLAS ではこの速度推定結果によるフィードフォワード制御と、この推定結果誤差を補償するために画 行感覚提示装置を接続し、拡張された歩行関係として像処理から得られるベルト上での歩行者位置に基づく 仮想二人三脚システムも実現しました。ここでは歩行PI フィードバック制御を組み合わせてベルト速度を制 動作相殺機構を相互接続することで、相手の歩行動作

図４ ATLAS の動作

図５ 自由面歩行感覚提示装置 GSS

いる映像に選手の走行位置や走行速度などの情報を付加して家庭に放送する中継環境と、家庭Walking motion
Walking motion
detectingunit
detecting unit
側としてATLASと大型スクリーンからなる再生
B's left
A's right
環境を実現した。これまでに行った印象評価実
foot motion
foot motion
A's left
B's right
foot motion
foot motion
験結果から、被験者が従来の中継に比してよりISDN
MotionMotioncanceling unit
canceling unit
64kbpscontroller
controller
積極的にレースを体感した印象を得ていたこと
User
Userが分った。[25]AB
また、選手の走行速度に連動してATLASのベルトを動かして視聴者を受動的に走行させた場
MotionSensorMotionSensor 合、選手と視聴者の運動能力が異なれば、同じ
Locomotion Interface
ATLAS
Locomotion Interface
走行速度であっても各々が感じる苦しさや辛さ
in ATR
GaitMasterin Tsukuba Univ.
も異なる。そこで、私達は選手の走行速度に一致して視聴者が走るのではなく、選手の競技中
図６ 仮想二人三脚システム
における疲労感や辛さを正規化して一致させる手法をを自身の足の動きの拘束感によって感じることが実現 提案した。ここでは、安静時と運動時の脈拍値から算できた。これは歩行動作のリハビリテーションにおい 出される個人毎の指標である運動負荷と走行速度によて療法士が患者の歩行訓練を Body to Body で行う手法 る運動強度の制御方式を用い、選手が感じている辛さを日常的に運動をしている視聴者とそうでない視聴者への応用が考えられる。の間で同程度の辛さの感覚として再現可能なことを実
５．体感型スポーツ中継
験により確認した。
Tel-E-Mergeの概念を放送にも応用し、体感を伝える以上の成果は従来の一対多の単一方向放送の概念をスポーツ中継手段を提案した。従来のスポーツを楽し拡張したものであるが、次世代放送方式である双方向むアプローチとして「自分で競技する」方法と「他人放送として Tele-E-Merge を応用することも計画していの行う競技を観戦する」方法がある。後者のスポーツる。ここでは、視聴者の動作に連動する AIR を競技会を見て応援するアプローチでは、視聴者の立場は選手場側に送り込んで競技コースを走行させることで、に対して完全に第三者的な立場になってしまうため、ATLAS上で走行体験をしている世界中のファンと共に視聴者には選手自身の運動の感覚や競技の楽しさが十
あこがれの選手と一緒に競技に参加する体験が実現可分に伝わり難いのではないかと我々は考えた。そこで、能となる。
見るだけでは伝わり難い"するスポーツの楽しさ"をも伝える放送方式として体感型スポーツ中継を提案した。 ６．おわりに[24]
有線から始まった電気通信技術が、現代ではTV電話
究極的には、図７に示すように、選手の見聞きしてLocomotion
interface controller

Locomotion
interface controller

図７

体感マラソン中継システム

と個人化した携帯電話へと発展してきた。我々はこの次にやってくる通信の新たなる進化は体感通信であると考えて、ここで紹介したような体感通信システムを提案し、個人間通信システムと放送への応用の研究を進めている。これらの技術が実用化すれば、４年後のアテネの空の下のマラソン競技を誰もが金メダリストとして体感できるかもしれない。
参考文献
[1]

宮里

テレイマ−ジシステムに関する基礎的検討 , 信

T. Miyasato, R. Nakatsu, "User Interface Technologies for a
Virtual Communication Space", proc. of CVVRHC'98(IEEEand ATR Workshop on Computer Vision for Virtual Reality
Based Human Communications), pp.105-110, (1998)[3]

R. Latham, "Device for Three Dimensional Walking in VirtualSpace", http://www.cgsd.com/OmniTrek.html.

[4]

H. Iwata, "Locomotion Interface for Virtual Environments",
proc. of 9th International Symposium of Robotics Research(ISRRﾕ99) pp.220-226, (1999).

[5]

[6]

[8]

[14] 高橋 , 稲見 , 柳田 , 前田 , 舘 , " 人工現実環境における歩行感覚提示に関する研究", ヒューマンインタフェース学会研究報告集 , Vol.1, No.2, 25-28, 1999[15] R. Christensen, J.M. Hollerbach, Y. Xu, S. Meek, "Inertialforce feedback for the Treadport locomotion interface,''
Presence: Teleoperators and Virtual Environments, pp. 1-14,[16] J. R. Ensor and G. U. Carraro, "Pelton: A VRML-Based
Bicycling Simulator," SIGGRAPH'97 Visual proc., pp. 198,
1997.
[17] D. C. Brogan, R. A. Metoyer, and J. K. Hodgins, "DynamicallySimulated Characters in Virtual Environments,"
SIGGRAPH'97 Visual proc., pp. 216, 1997.
[18] I. Choi and C. Ricci, "Foot-Mounted Gesture Detection and itsApplication in a Virtual Reality Environment," proc. of IEEE
Int'l conf. on System, Man and Cybernetics, pp. 4248-4253,
vol.5, 1997.

G. P. Roston, T. Peurach, "A Whole Body Kinesthetic Display[19] R. Kadobayashi, K. Nishimoto, and K. Mase, "Design andEvaluation of Gesture Interface for an Immersive Virtual Walk-Device for Virtual Reality Applications", proc. of IEEE
International Conference on Robotics and Automation, pp.

through Application for Exploring Cyberspace," proc. of Third
IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture3006-3011, 1997.

Recognition (FG98), pp.534 -539 ,1998.

H. Iwata and T. Fujii, "Virtual Preambulator: A Novel Interface
Device for Locomotion in Virtual Environment," proc. of IEEE

[20] M. Kobayashi, S. Shiwa, A. Kitagawa and T. Ichikawa, "Tilting
Disc: A Real Scale Interface for Cyberspace", proc. of SID 98,
pp.333-336,1998.

VRAIS'96, pp. 60-65,1996.
[7][13] http://www.timesup.org/Spin/index.html,2000.

2000.

学技報 MVE97-82, pp.11-16, 1997.
[2]

http://www.bbc.co.uk/tw/9798/9804sphere.shtml

F. P. Brooks Jr., "Walk Through-a Dynamic Graphics System[21] 野間、宮里、中津、" 能動的歩行動作に対応した歩行感

for Simulating Virtual Buildings.," proc. of 1986 Workshop
on Interactive 3D Graphics, pp. 9-21, 1986.

覚提示装置の開発 "、日本 VR 学会論文誌、Vol.4, No.2,pp.407-416,1999.

M. Hirose and K. Yokoyama, "Synthesis and transmission of[22] H. Noma, T. Sugihara, T. Miyasayo, "Development of Groundrealistic sensation using virtual reality technology.,"Transactions of the Society of Instrument and Control

Surface Simulator for Tel-E-Merge System", proc of IEEEVirtual Reality 2000 Conference, pp. 217-224, 2000.
[23] H. Yano, H. Noma, H. Iwata, T. Miyasato, "Shared Walk

Engineers, vol.33, no.7, pp. 716-722, 1997.
http://Wnvironment Using Locomotion Interface", proc. of ACM
CSCW2000, 2000

[10] R.P. Darken, W.R. Cockayne, D. Carmein, "The OmniDirectional Treadmill: A Locomotion Device for Virtual[24] 野間、磯野、宮里、" 体感型マラソン中継システムにおける運動負荷再現のための一手法 "、日本バーチャルリ[9]J. M. Hollerbach, "Locomotion Interfaces",www.cs.utah.edu/˜jmh/Locomotion.html.

Worlds", proc. of UIST'97, pp. 213-221, 1997.
[11] 岩田 , 吉田、" 無限平面を用いた仮想歩行装置 "、日本ＶＲ学会第２回大会論文集、pp. 254-257, 1997.
[12] J. Eyre, http://www.ndirect.co.uk/˜vr-systems/sphere1.html

アリティ学会第５回大会論文誌、pp. 443-446,2000.
[25] 杉原、野間、宮里、川合、" 競技者の印象を用いた仮想マラソンの評価 "、ヒューマンインタフェースシンポジ
ウム 2000 予稿集、pp. 415-418, 2000.