日本機械学会 2000 年度年次大会資料集(V)2000-8.1 - 4 , 名古屋 , pp.577-578

歩行環境提示システムのプログラミング
ATR 知能映像通信研究所
１．歩行環境提示システムとはＶＲ研究において歩行環境提示システム（LocomotionInterface:以下とLIと表記する)とは ユーザが自身の歩行動作によって仮想空間の移動感覚を得る装置 を意味する。具体的には、ユーザーがごく普通の歩行、あるいは走行動作を行った際に、その動作を相殺して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システムにおいても、同様の機能が実現されるとも考えられるが、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、ユーザーと移動面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。
以降では、まず LI の基本構成と既存研究例の分類を示し、次に我々の開発したLIによって具体的な処理の一例を示すこととする。

野間 春生

宮里 勉

必要となるが、斜面や凸凹面などの任意の地形形状提示機能を有している。
・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。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。
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。
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、岩田らの Torus Treadmill では
2 方向ベルトを構成する手法で、Eyre らは SphericalProjection Systemで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
２．歩行環境提示システムの実例動を実現している。
これまでに提案されている多くのLIの実現例での処理
また、ベルトが動作に連動して加減速する際に生じるの流れは、いずれもユーザーの歩行動作を計測する手段 慣性力が実歩行と異なる。この慣性力を打ち消す手段と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 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。しかし、それぞれの特徴が反映される動作相殺機構 る手法、あるいは、Treadport で採用されている Theter とに着目すればこれらを大別できる。なお、紙面の都合上、 呼ばれる棒によって腰部へ反力提示手法が考えられる。
各実施例の引用先は参考文献[1,2]を参照されたい。
・スライディングサフェース型
・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の可動板によって歩行運動を計測し、相殺する手法であり、最も自然な歩行動作への対応が可能である。2 機の多自由度ロボットアームによる装置を利用した例としては、
Latham の OmniTrek、岩田らの GaitMaster、Roston らのWhole Body Display、Sarcos 社の Biport などが提案されている。いずれも、高い周波数応答と高剛性リンク機構が歩行面を固定しユ−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。
・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として、ペダルを用いる手法がある。Darken らは軍事訓練のために UniPort と呼ばれる固定された一輪車形状装置を提案した。さらに自転車そのものにセンサをとりつけ、インタフェ−スとして用いる例も提案されている。ペダルへの負荷調整で、若干の地形情報の提示機能が実現される。
・その他の方式

図１

歩行環境提示システムの分類

さらに単純化を進め、歩行動作に類似した動きによって仮想空間内の移動操作を行なう手法も数多く提案されている。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 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 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 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．ATLAS でのプログラミング
ATRで開発した、アクティブトレッドミル型
図２歩行感覚提示装置 ATLAS
図 3 移動ロボット AIRのLIであるATLAS(ATR Locomotion Interface forを実現した。
active self-motion、図２)の実現方式について示す。
試作環境では画像処理装置は QuickMug-IV(OKK 製)をATLAS は、ユーザーの自由な歩行、つまり、任意速度で使用し、60Hz での両足先位置追跡処理を行っている。まの前進歩行、さらに左右へ曲がる進路変更動作を相殺し、どのように移動してもユーザーを室内の一点に保持する た、動作解析および機構制御系はPC上に実装され、画像追跡に連動して 60Hz で実行されている。
ことを目指した LI である。
ATLAS では、動作計測手段として画像処理によってユーザーの足先の動作を計測して歩行動作推定する方式を採用し、動作相殺手段として前進動作についてはトレッドミルベルト速度制御機構を用い、進路変更動作についてはベルト機構全体を回転させて相殺する手法を採用した。これにより、ユーザーは単に足先に反射マーカーを取り付けて装置上に乗り、意識的に操作するのではなく通常の自由歩行動作を行うだけで運用できる点を特徴としている。
試作機は速度制御可能なトレッドミルとそれを３軸で回転させる姿勢保持装置、さらに、トレッドミル先端に固定された CCD カメラから構成される。処理の流れは、まず、画像処理によってユーザーの両足先のトレッドミル上での位置と速度が計測され、この結果とベルト速度を比較することで足の遊・立脚の状態判定を行う。事前の計測により、歩行速度と立脚時間が反比例関係にあることが確かめられており[1]、画像処理系によって計測さ４．歩行環境提示システムの応用

前述のようにLIは移動におけるユーザーの体感再現機能を特徴とする。
この特徴を生かす応用例を以下に示す。
まず通信手段として、ユーザーの存在を遠隔地に提示可能な通信システムが考えられる。LI で得られる歩行動作検出結果を遠隔の移動ロボットの動作指令として反映させる。図３に試作した移動ロボット AIR を示す。AIRの上部にはユーザーの顔画像を表示するモニターとスピーカー、さらにユーザーに提示する映像を撮影するカメラが装着されている。これによって、ユーザーは実際に遠隔地に行ったかのような感覚を得ると共に、遠隔地でも LI ユーザーの動作がロボットによって提示される。
また、歩行動作検出結果を仮想環境へ反映させると、例えば設計段階での都市や公園内の歩行者環境の確認や、大規模空間を対象としたゲームにも適用可能である。
さらに、複数台の LI をネットワーク接続し、それらのユーザーの歩行動作を相互に交換することで、相手の動れる立脚時間をからこの関係により歩行速度を推定する。
ATLASではこの速度推定結果によるフィードフォワード 作を体感するシステムも提案される。これは歩行動作の制御と、この推定結果誤差を補償するために画像処理か リハビリテーションにおいて療法士が患者の歩行訓練を[3]ら得られるベルト上での歩行者位置に基づくPIフィード Body to Body で行う手法への応用が考えられる 。
バック制御を組み合わせてベルト速度を制御し、歩行者参考文献を常にベルト上の定点に保持する。
[1] 野間、宮里、中津、 能動的歩行動作に対応した歩行感覚提一方、左右への進路変更動作に対しては、歩行時の遊示装置の開発 、日本 VR 学会論文誌、Vol.4, No.2, pp.407脚の軌道の違いに着目した。直進歩行の際は遊脚はほぼ416,1999.
正面に弓なりの軌道を描きながら着地するのに対し、進 [2] Noma, Sugihara, Miyasayo, "Development of Ground Surface
路変更時には遊脚が斜前方に大きく振り出される。
Simulator for Tel-E-Merge System", Proc. of IEEE-Virtual
ATLASではこの動作を画像処理によって計測し、進路変
Reality 2000 Conference, pp. 217-224, 2000.
更動作が計測されるとベルト面自体を姿勢保持装置に [3] 野間、矢野、宮里、岩田、" ネットワーク接続された歩行感覚提示装置による協調歩行感覚の提示 "、インタラクショ
よって水平方向に回転させ、振り出された足を常にベル
ン 2000 論文集 , Vol.2000, No. 4, pp.147-148, 2000.
トの中央に着地させることで進路変更動作相殺する手法