JP4269646B2 - 歩行装置及び歩行装置を用いた疑似体験装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行する感覚を呈示する歩行装置及び疑似体験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータ能力の向上に伴い、複雑で広大な仮想現実空間を表現することが可能になっている。仮想現実空間の広大さを表現するためには、仮想現実空間を実際に歩行する感覚を呈示することも有効である。
【０００３】
仮想現実空間を歩行する感覚を呈示する装置として、無端帯状のベルトの上を使用者が歩き、ベルトを使用者の進行方向の逆方向に搬送する送りベルト機構を用いることにより使用者を移動させることなく歩行する感覚を使用者に呈示するいわゆるトレッドミル方式の歩行装置がある（例えば、特許文献１参照）。一般的な歩行装置においては使用者が歩行する面は常に水平であるが、送りベルト機構自体を傾けることにより坂道を歩行する感覚を呈示することができる歩行装置が提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。また、無端状のベルトの内側に配置された複数のローラを上下させるアクチュエータを備え、凹凸面を歩行する感覚を呈示することができる歩行装置も提案されている（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）。
【０００４】
上述した歩行装置はどれも、ベルトが一方向にのみ搬送されるため一方向への歩行にしか対応できず、例えば向きを変えて歩く感覚を呈示することができなかった。そこで、上記の問題を解決するため、水平面内において回転可能なターンテーブル上に送りベルト機構を設置し、使用者の足先の横方向の動きに合わせて送りベルト機構を回転させることにより、向きを変えて歩く感覚を呈示することができる歩行装置が提案されている（例えば、特許文献６参照）。また、複数の送りベルト機構を組み合わせることで、向きを変えて歩く感覚を呈示可能な歩行装置も提案されている（例えば、非特許文献１及び特許文献７参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−０７１２１６号公報（第４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平９−２３３４６４号公報（第１−２頁、第１図）
【特許文献３】
特開平１０−２７７１７８号公報（第４頁、第６図）
【特許文献４】
特開２００１−６１９９２号公報（第３−１０頁、第１図）
【特許文献５】
特開２００１−１８７１６６号公報（第３−６頁、第１図）
【特許文献６】
特許第３２００５９２号明細書（第５頁、第１図）
【特許文献７】
特表２０００−５１６８２９号公報（第１４−１７頁、第１図）
【非特許文献１】
「無限平面を用いた仮想歩行装置」日本バーチャルリアリティ学会第２回大会論文集、１９９７年９月、ｐ．２５５右段の５行目からｐ．２５７まで
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献６に示されているような送りベルト機構を回転させる歩行装置では、送りベルト機構とともに使用者の体が回転するために、遠心力が知覚されることで仮想現実感が損なわれるという問題があった。また、向きを変えながら歩く際には左右の歩幅が異なっているが、送りベルト機構を回転させる歩行装置では、左右の足に対してベルトが搬送される長さが常に同じであるために違和感が生じていた。
【０００７】
さらに、非特許文献１に示されているような複数の送りベルト機構を用いる歩行装置では、駆動力を生じる装置を複数用いるために装置が大型化し、高速な応答を要する動作に十分に追従できないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、向きを変えながら歩く感覚を簡易な構成で自然に呈示することができる歩行装置及び歩行装置を用いた疑似体験装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備え、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうちの一方を移動させることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備え、前記方向駆動手段は前記２個の支持体に対してそれぞれ設けられ、前記方向制御手段は各方向駆動手段を個別に制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうち前記ベルトの上面が搬送される方向における前方の支持体を移動させることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明において、各支持体はそれぞれ前記ローラを支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段を有し、各高さ駆動手段をそれぞれ制御することにより各支持体の前記ローラを支持する部位の高さ寸法を制御する高さ制御手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させることを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させ、前記高さ駆動手段は前記ベルトが搬送される速度に応じた速度で前記ベルトの起伏が前記ベルトの搬送方向へ移動するように前記高さ駆動手段を動作させることを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項４又は請求項６の発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御し、前記高さ制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度に応じた速度で使用者の後方に起伏が移動するように前記高さ駆動手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項７の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項８の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備え、前記高さ制御手段は前記仮想現実空間制御手段の指令に基づいて動作することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
（実施形態１）
本実施形態における歩行装置は、図２に示すように、複数個（図２においては７個）の円筒形状のローラ２に巻きかけられた無端帯状のベルト１を備え、ベルト１の上を歩行する使用者Ｕの進行方向の逆向きにベルト１を搬送することによって、使用者Ｕに歩行感覚を呈示するものである。
【００２３】
詳しく説明すると、図１に示すように、ローラ２はそれぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられている。ベルト１は例えば合成ゴムからなり伸縮自在であって、ローラ２の軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラ２に巻きかけられている。以下、ローラ２の軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラ２のうち、使用者Ｕの前方に位置するものを「第１のローラ２ａ」と呼び、使用者Ｕの後方に位置するものを「第２のローラ２ｂ」と呼ぶ。ローラ２の軸方向の両端部は、軸が略水平な状態で軸を中心に回転可能となるようにそれぞれ支持体３に支持されている。
【００２４】
各支持体３には、図３に示すように、ローラ２を軸を中心に回転させる搬送モータ３１がそれぞれ設けられている。ベルト１は、搬送モータ３１によってローラ２が回転することにより搬送される。つまり搬送モータ３１とローラ２とがベルト搬送手段として機能する。また、各支持体３の下端には、キャスターのように向きが自在に変化する車輪３２が設けられている。さらに、第１のローラ２ａを支持する支持体３（以下、「第１の支持体３ａ」と呼ぶ）と第２ローラ２ｂを支持する支持体３（以下、「第２の支持体３ｂ」と呼ぶ）とには、それぞれ車輪３２を回転させる方向駆動モータ３３（図４参照）が設けられている。また、床面に敷設される円形状のレール４を備え、第１の支持体３ａ及び第２の支持体３ｂの各車輪３２はそれぞれレール４上を移動可能になっている。つまり、車輪３２と駆動モータ３３とレール４とが方向駆動手段として機能する。レール４が円形であることにより、第１の支持体３ａ及び第２の支持体３ｂがレール４上でどのように移動しても、第１の支持体３ａの上端と第２の支持体３ｂの上端とは常に同一円周上に位置する。ベルト１の幅方向の両端であってローラ２の軸方向に交差する方向の両端は第１の支持体３ａ及び第２の支持体３ｂに伴って移動するから、常に同一円周上に位置する。
【００２５】
本実施形態における歩行装置はまた、図４に示すように、ベルト１上を歩行する使用者Ｕの歩行速度を検出する歩行速度検出手段５ａと、進行方向を検出する進行方向検出手段５ｂとを備える。歩行速度検出手段５ａおよび進行方向検出手段５ｂとしては、例えば、使用者の足の関節が曲がる角度を検出するゴニオメータや、超音波や磁気を用いた周知の測位装置などの動作センサによって使用者の足先の位置を検出し、動作センサの出力をコンピュータで処理することにより使用者Ｕの歩行速度と進行方向とを得る構成を用いる。
【００２６】
さらに、搬送モータ３１の駆動・停止と回転速度とを制御する搬送制御手段６ａと、方向駆動モータ３３の駆動・停止と回転方向と回転速度とを制御する方向制御手段６ｂとが設けられている。搬送制御手段６ａと方向制御手段６ｂとについては、従来周知の技術を用いて実現可能であるから詳細な説明は省略する。
【００２７】
搬送制御手段６ａは、例えば図２において使用者Ｕが歩行速度Ｖ１で歩いているときに、使用者Ｕの進行方向の逆向きにベルト１が搬送される速度Ｖ２がＶ１に等しくなるように搬送モータ３１を制御する。上記制御の結果、使用者Ｕの歩行による移動はベルト１の搬送によって相殺される。
【００２８】
方向制御手段６ｂは、進行方向検出手段５ｂによって検出された使用者Ｕの進行方向の逆向きにベルト１が搬送されるように、第１の支持体３ａと第２の支持体３ｂとの各方向駆動モータ３３をそれぞれ個別に制御する。例えば、図５（ａ）において進行方向Ｄ１に歩行していた使用者Ｕが左を向いたとき、使用者Ｕの前方に位置する第１の支持体３ａを図５（ａ）の矢印ｄ１で示すように左回りに移動させるとともに使用者Ｕの後方に位置する第２の支持体３ｂを矢印ｄ２で示すように左回りに第１の支持体３ａよりも小さく移動させ、図５（ｂ）に示すように使用者の新たな進行方向Ｄ２の逆向きにベルト１が搬送されるように制御する。ここで、方向制御手段６ｂは、搬送制御手段６ａが搬送モータ３１を動作させるのに合わせて方向駆動モータ３３を動作させる。例えば、ベルト１が搬送される速度に合わせて、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）の順でベルト１の向きと形状とが変化するように連続的に方向駆動モータ３３を動作させれば、図７に示すような曲がり道Ｌ１を歩く感覚を使用者に呈示することができる。ここで、領域Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃは図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）にそれぞれ対応する。また、Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５はそれぞれ使用者Ｕの進行方向を示す。
【００２９】
上記構成によれば、第１のローラ２ａの軸と第２のローラ２ｂの軸とのなす角を変化させることによって、向きを変えて歩く際の左右の歩幅の差に対応して左右の足に対してベルト１の移動量に差をつけることができるから、ベルト１の全体を回転させる場合に比べ、向きを変えながら歩く感覚をより自然に呈示することができる。また、ベルト１の全体を回転させる場合に比べ、使用者Ｕの向きの変化を小さくすることができるから、遠心力によって生じる違和感を抑えることができる。さらに、複数の送りベルト機構を組み合わせて用いる場合に比べて簡易な構成であるため、より高速な応答が得られる。
【００３０】
なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように使用者の前方に位置する第１の支持体３ａを固定し、使用者の後方、言い換えるとベルト１の上面が搬送される方向における前方に位置する第２の支持体３ｂのみを矢印ｄ３で示すように移動させる構成としてもよい。この構成を採用すれば、第１の支持体３ａに車輪３２や方向駆動モータ３３を設ける必要がないから、コストを抑えることができる。また、使用者の向きの変化を最小限に抑えることができるから、例えば室内に固定されたスクリーンによって仮想現実空間の画像を呈示する疑似体験装置に好適である。
【００３１】
また、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１の支持体３ａを図９（ａ）の矢印ｄ４で示す方向に移動させるときに第２の支持体３ｂを同時に同じ回転方向ｄ５に同じ速度で移動させる構成としてもよい。この構成を採用すれば、その場で体の向きを変える感覚を呈示することができる。また、方向転換後、即座に直進する感覚を呈示することができる。
【００３２】
（実施形態２）
本実施形態における基本構成は実施形態１と同様であるので、実施形態１と共通する構成については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
【００３３】
各支持体３は、図１０に示すように、それぞれローラ２を支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段３４を備える。高さ駆動手段３４には、例えば送りネジ機構を用いる。各高さ駆動手段３４は、図１１に示す高さ制御手段６ｃによって個別に制御される。
【００３４】
上記構成によれば、高さ駆動手段３４によってローラ２を上下させてベルト１の上面に凹凸を生じさせることにより、凹凸のある面を歩く感覚を呈示することができる。例えば、図１２に示すように各ローラ２の高さを使用者Ｕの前方ほど高くすることにより上り坂を歩く感覚を呈示することができる。
【００３５】
また、使用者Ｕの各々の足の高さを検出する構成を設けておけば、以下に説明するように高さ制御手段６ｃと搬送制御手段６ａとがそれぞれ高さ駆動手段３４と搬送モータ３１とを動作させる構成を採用することによって階段を上る感覚を呈示することもできる。まず、図１３に示すように、使用者Ｕの前方において隣り合う複数本（図１３においては２本）のローラ２を同程度に上昇させることにより、ベルト１の上面に段状に突出した突出部Ｓを形成する。使用者Ｕの前方に踏み出した足が突出部Ｓを踏み、後方に残した足がベルト１から離れた後に、ベルト１を搬送しながら使用者Ｕが踏んだ突出部Ｓの突出量を徐々に小さくしてゆく。そして、使用者Ｕのベルト１から離れた側の足が再びベルト１に接触する前に、使用者Ｕの前方に当初の突出部Ｓと同様の突出部を形成する。以下、同様の動作を繰り返す。ここで、高さ駆動手段３４の動作を上下逆にすれば、階段を降りる感覚を呈示することもできる。
【００３６】
さらに、ベルト１が搬送される速度と同じ速度でベルト１上面の起伏が移動するように高さ制御手段６ｃが高さ駆動手段３４を制御する構成としてもよい。上記構成を採用すれば、連続した凹凸のある地面を歩く感覚を呈示することができる。例えば、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）の順でベルト１上面の形状が変化するように高さ駆動手段３４を制御すれば、図１５に示すような連続した凹凸のある地面Ｌ２を歩く感覚を呈示することができる。ここで、範囲Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃの各形状はそれぞれ図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）の各時点でのベルト１の上面の形状に対応する。
【００３７】
なお、実施形態１及び本実施形態において、搬送制御手段６ａと方向制御手段６ｂと高さ制御手段６ｃとが、使用者の動作に関わり無く、予め設定されたプログラム通りに動作する構成としてもよい。この構成によれば、ベルト１が搬送される速度にあわせて使用者Ｕが歩くフィットネスやリハビリテーションの用途に用いることができる。
【００３８】
（実施形態３）
本実施形態の疑似体験装置は、図１６に示すように、実施形態２の歩行装置と、歩行装置の使用者Ｕに対して画像を呈示する画像呈示手段７と、画像呈示手段７を制御する仮想現実空間制御手段６ｄとを備える。仮想現実空間制御手段６ｄは、例えば仮想現実空間を作成するための専用プログラムが搭載されたコンピュータで実現される。仮想現実空間制御手段６ｄには、予め、森などの自然空間や都市空間を模した仮想現実空間の形状や、使用者の仮想現実空間における初期位置など、仮想現実空間に関する情報がメモリ等に格納されている。また、本実施形態においては、高さ制御手段６ｃは仮想現実空間制御手段６ｄの指令に基づいて動作する。画像呈示手段７としては、例えばプロジェクタ及びスクリーンや、ヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」と呼ぶ）などを用いる。ここで、画像呈示手段７としてＨＭＤを用いる場合、使用者の頭の位置や向きを検知する頭部位置センサ（図示せず）を設け、頭部位置センサの出力を仮想現実空間制御手段６ｄに入力することが現実感を増すためには望ましい。
【００３９】
以下、本実施形態の動作を図１７を用いて説明する。動作を開始すると（Ｓ１）、仮想現実空間制御手段６ｄが、仮想現実空間における使用者Ｕの視点を決定するとともに、使用者Ｕの視点からの仮想現実空間の画像を生成し、生成した画像を使用者に呈示するように画像呈示手段７を制御する（Ｓ２）。仮想現実空間制御手段６ｄが仮想現実空間における使用者Ｕの視点を決定するに当たっては、上述した頭部位置センサの出力や、歩行装置の歩行速度検出手段５ａの出力や、進行方向検出手段５ｂの出力などが用いられる。
【００４０】
次に、搬送制御手段６ａが、使用者が歩いたかどうかを歩行速度検知手段５ａの出力に基づいて判定する（Ｓ３）。使用者Ｕが歩いていなければ、次に、仮想現実空間制御手段６ｄが、使用者Ｕに呈示する仮想現実空間の画像を変化させるべきかどうかを調べ（Ｓ４）、変化させるべき場合はＳ２に戻って仮想現実空間の更新された画像を画像呈示手段７に呈示させる。例えば、画像呈示手段７としてＨＭＤを用い、かつ使用者Ｕの頭の位置や向きを検知する頭部位置センサを設けた場合であって、使用者Ｕの頭の向きや高さの変化が検知された場合には、使用者Ｕが歩かなくとも使用者Ｕに呈示する画像を変化させなければならない。
【００４１】
一方、使用者Ｕが歩いていれば、搬送制御手段６ａが、使用者の歩行速度と同じ速度で使用者Ｕの後方へベルト１が搬送されるように搬送モータ３１を作動させる（Ｓ５）。次に、仮想現実空間制御手段６ｄが、使用者Ｕの仮想現実空間における進行方向の地面に凹凸があるかどうかを判定する（Ｓ６）。凹凸があれば、仮想現実空間における使用者Ｕの進行方向の地面の凹凸に応じた凹凸をベルト１の上面に生じさせてベルト１の搬送に合わせて移動させるように、高さ制御手段６ｃに指令を与える。高さ制御手段６ｃは、仮想現実空間制御手段６ｄの指令に基づいて高さ駆動手段３４を制御する（Ｓ７）。次に、方向制御手段６ｂが、ベルト１の搬送方向が使用者Ｕの進行方向の逆向きになっているかどうかを進行方向検出手段５ｂの出力に基づいて判定する（Ｓ８）。一方、Ｓ６において凹凸がなければ、Ｓ７の処理は行わずにＳ８に進む。
【００４２】
Ｓ８において、ベルト１の搬送方向が使用者Ｕの進行方向の逆向きになっていれば、Ｓ２に戻り、以後、Ｓ３〜Ｓ９の処理を繰り返す。一方、使用者Ｕの進行方向がベルト１の搬送方向の逆向きに対してずれていれば、方向制御手段６ｂが、ベルト１が搬送される速度に合わせて、ベルト１の搬送方向が使用者Ｕの進行方向の逆向きになるように方向駆動モータ３２を作動させ（Ｓ９）、その後、Ｓ２に戻り、以後、Ｓ３〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００４３】
上記構成によれば、凹凸のある地面を向きを変えながら歩く感覚を、仮想現実空間の画像に対応させて呈示することが可能になる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備えるので、左右の足に対してベルトの移動量に差をつけることができるから、送りベルト機構を回転させる場合に比べて向きを変えながら歩く感覚をより自然に呈示することができる。また、複数の送りベルト機構の組み合わせによって向きを変えながら歩く感覚を呈示する場合に比べて簡易な構成であるため、より高速な応答が得られる。さらに、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうちの一方を移動させるので、前記２個の支持体を両方移動させる場合に比べて方向駆動手段が少なくてすむから、コストを低減することができる。
【００４６】
請求項２の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備えるので、左右の足に対してベルトの移動量に差をつけることができるから、送りベルト機構を回転させる場合に比べて向きを変えながら歩く感覚をより自然に呈示することができる。また、複数の送りベルト機構の組み合わせによって向きを変えながら歩く感覚を呈示する場合に比べて簡易な構成であるため、より高速な応答が得られる。さらに、前記方向駆動手段は前記２個の支持体に対してそれぞれ設けられ、前記方向制御手段は各方向駆動手段を個別に制御するので、前記２個の支持体を連動させる場合や、前記２個の支持体の一方のみを移動させる場合に比べて柔軟な動作が可能になる。
【００４７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうち前記ベルトの上面が搬送される方向における前方の支持体を移動させるので、方向駆動手段の動作に伴う使用者の向きの変化を最小限に抑えることができる。
【００４９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明において、各支持体はそれぞれ前記ローラを支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段を有し、各高さ駆動手段をそれぞれ制御することにより各支持体の前記ローラを支持する部位の高さ寸法を制御する高さ制御手段を備えるので、凹凸のある面を歩行する感覚を呈示することができる。
【００５０】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させるので、連続した曲がり道を歩行する感覚を呈示することができる。
【００５１】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させ、前記高さ駆動手段は前記ベルトが搬送される速度に応じた速度で前記ベルトの起伏が前記ベルトの搬送方向へ移動するように前記高さ駆動手段を動作させるので、連続した凹凸のある面を歩行する感覚を呈示することができる。
【００５２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御するので、使用者の動作に合わせてベルト搬送手段と方向制御手段とが動作することにより、歩行する自然な感覚を呈示することができる。
【００５３】
請求項８の発明は、請求項４又は請求項６の発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御し、前記高さ制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度に応じた速度で使用者の後方に起伏が移動するように前記高さ駆動手段を制御するので、使用者の動作に合わせてベルト搬送手段と方向制御手段と高さ制御手段とが動作することにより、歩行する自然な感覚を呈示することができる。
【００５４】
請求項９の発明は、請求項７の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備えるので、向きを変えながら歩く感覚を、仮想現実空間の画像に対応させて呈示することができる。
【００５５】
請求項１０の発明は、請求項８の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備え、前記高さ制御手段は前記仮想現実空間制御手段の指令に基づいて動作するので、凹凸のある面を向きを変えながら歩く感覚を、仮想現実空間の画像に対応させて呈示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す斜視図である。
【図２】同上を示す概略構成図である。
【図３】同上におけるローラと支持体とを示す斜視図である。
【図４】同上を示すブロック図である。
【図５】同上の方向駆動モータによる動作を示す動作説明図である。
【図６】同上の動作の一例を示す説明図である。
【図７】同上によって表現される曲がり道を示す説明図である。
【図８】同上の別の形態を示す動作説明図である。
【図９】同上のさらに別の形態を示す動作説明図である。
【図１０】本発明の実施形態２を示す概略構成図である。
【図１１】同上を示すブロック図である。
【図１２】同上の動作の一例を示す説明図である。
【図１３】同上の動作の別の例を示す説明図である。
【図１４】同上の動作のさらに別の例を示す動作説明図である。
【図１５】同上によって表現される起伏の形状を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施形態３を示すブロック図である。
【図１７】同上の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ベルト
２，２ａ，２ｂ ローラ
３，３ａ，３ｂ 支持体
４ レール
５ａ 歩行速度検出手段
５ｂ 進行方向検出手段
６ａ 搬送制御手段
６ｂ 方向制御手段
６ｃ 高さ制御手段
６ｄ 仮想現実空間制御手段
７ 画像呈示手段
３１ 搬送モータ
３２ 車輪
３３ 方向駆動モータ
３４ 高さ駆動手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行する感覚を呈示する歩行装置及び疑似体験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータ能力の向上に伴い、複雑で広大な仮想現実空間を表現することが可能になっている。仮想現実空間の広大さを表現するためには、仮想現実空間を実際に歩行する感覚を呈示することも有効である。
【０００３】
仮想現実空間を歩行する感覚を呈示する装置として、無端帯状のベルトの上を使用者が歩き、ベルトを使用者の進行方向の逆方向に搬送する送りベルト機構を用いることにより使用者を移動させることなく歩行する感覚を使用者に呈示するいわゆるトレッドミル方式の歩行装置がある（例えば、特許文献１参照）。一般的な歩行装置においては使用者が歩行する面は常に水平であるが、送りベルト機構自体を傾けることにより坂道を歩行する感覚を呈示することができる歩行装置が提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。また、無端状のベルトの内側に配置された複数のローラを上下させるアクチュエータを備え、凹凸面を歩行する感覚を呈示することができる歩行装置も提案されている（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）。
【０００４】
上述した歩行装置はどれも、ベルトが一方向にのみ搬送されるため一方向への歩行にしか対応できず、例えば向きを変えて歩く感覚を呈示することができなかった。そこで、上記の問題を解決するため、水平面内において回転可能なターンテーブル上に送りベルト機構を設置し、使用者の足先の横方向の動きに合わせて送りベルト機構を回転させることにより、向きを変えて歩く感覚を呈示することができる歩行装置が提案されている（例えば、特許文献６参照）。また、複数の送りベルト機構を組み合わせることで、向きを変えて歩く感覚を呈示可能な歩行装置も提案されている（例えば、非特許文献１及び特許文献７参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−０７１２１６号公報（第４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平９−２３３４６４号公報（第１−２頁、第１図）
【特許文献３】
特開平１０−２７７１７８号公報（第４頁、第６図）
【特許文献４】
特開２００１−６１９９２号公報（第３−１０頁、第１図）
【特許文献５】
特開２００１−１８７１６６号公報（第３−６頁、第１図）
【特許文献６】
特許第３２００５９２号明細書（第５頁、第１図）
【特許文献７】
特表２０００−５１６８２９号公報（第１４−１７頁、第１図）
【非特許文献１】
「無限平面を用いた仮想歩行装置」日本バーチャルリアリティ学会第２回大会論文集、１９９７年９月、ｐ．２５５右段の５行目からｐ．２５７まで
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献６に示されているような送りベルト機構を回転させる歩行装置では、送りベルト機構とともに使用者の体が回転するために、遠心力が知覚されることで仮想現実感が損なわれるという問題があった。また、向きを変えながら歩く際には左右の歩幅が異なっているが、送りベルト機構を回転させる歩行装置では、左右の足に対してベルトが搬送される長さが常に同じであるために違和感が生じていた。
【０００７】
さらに、非特許文献１に示されているような複数の送りベルト機構を用いる歩行装置では、駆動力を生じる装置を複数用いるために装置が大型化し、高速な応答を要する動作に十分に追従できないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、向きを変えながら歩く感覚を簡易な構成で自然に呈示することができる歩行装置及び歩行装置を用いた疑似体験装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備え、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうちの一方を移動させることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備え、前記方向駆動手段は前記２個の支持体に対してそれぞれ設けられ、前記方向制御手段は各方向駆動手段を個別に制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうち前記ベルトの上面が搬送される方向における前方の支持体を移動させることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明において、各支持体はそれぞれ前記ローラを支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段を有し、各高さ駆動手段をそれぞれ制御することにより各支持体の前記ローラを支持する部位の高さ寸法を制御する高さ制御手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させることを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させ、前記高さ駆動手段は前記ベルトが搬送される速度に応じた速度で前記ベルトの起伏が前記ベルトの搬送方向へ移動するように前記高さ駆動手段を動作させることを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項４又は請求項６の発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御し、前記高さ制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度に応じた速度で使用者の後方に起伏が移動するように前記高さ駆動手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項７の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項８の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備え、前記高さ制御手段は前記仮想現実空間制御手段の指令に基づいて動作することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
（実施形態１）
本実施形態における歩行装置は、図２に示すように、複数個（図２においては７個）の円筒形状のローラ２に巻きかけられた無端帯状のベルト１を備え、ベルト１の上を歩行する使用者Ｕの進行方向の逆向きにベルト１を搬送することによって、使用者Ｕに歩行感覚を呈示するものである。
【００２３】
詳しく説明すると、図１に示すように、ローラ２はそれぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられている。ベルト１は例えば合成ゴムからなり伸縮自在であって、ローラ２の軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラ２に巻きかけられている。以下、ローラ２の軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラ２のうち、使用者Ｕの前方に位置するものを「第１のローラ２ａ」と呼び、使用者Ｕの後方に位置するものを「第２のローラ２ｂ」と呼ぶ。ローラ２の軸方向の両端部は、軸が略水平な状態で軸を中心に回転可能となるようにそれぞれ支持体３に支持されている。
【００２４】
各支持体３には、図３に示すように、ローラ２を軸を中心に回転させる搬送モータ３１がそれぞれ設けられている。ベルト１は、搬送モータ３１によってローラ２が回転することにより搬送される。つまり搬送モータ３１とローラ２とがベルト搬送手段として機能する。また、各支持体３の下端には、キャスターのように向きが自在に変化する車輪３２が設けられている。さらに、第１のローラ２ａを支持する支持体３（以下、「第１の支持体３ａ」と呼ぶ）と第２ローラ２ｂを支持する支持体３（以下、「第２の支持体３ｂ」と呼ぶ）とには、それぞれ車輪３２を回転させる方向駆動モータ３３（図４参照）が設けられている。また、床面に敷設される円形状のレール４を備え、第１の支持体３ａ及び第２の支持体３ｂの各車輪３２はそれぞれレール４上を移動可能になっている。つまり、車輪３２と駆動モータ３３とレール４とが方向駆動手段として機能する。レール４が円形であることにより、第１の支持体３ａ及び第２の支持体３ｂがレール４上でどのように移動しても、第１の支持体３ａの上端と第２の支持体３ｂの上端とは常に同一円周上に位置する。ベルト１の幅方向の両端であってローラ２の軸方向に交差する方向の両端は第１の支持体３ａ及び第２の支持体３ｂに伴って移動するから、常に同一円周上に位置する。
【００２５】
本実施形態における歩行装置はまた、図４に示すように、ベルト１上を歩行する使用者Ｕの歩行速度を検出する歩行速度検出手段５ａと、進行方向を検出する進行方向検出手段５ｂとを備える。歩行速度検出手段５ａおよび進行方向検出手段５ｂとしては、例えば、使用者の足の関節が曲がる角度を検出するゴニオメータや、超音波や磁気を用いた周知の測位装置などの動作センサによって使用者の足先の位置を検出し、動作センサの出力をコンピュータで処理することにより使用者Ｕの歩行速度と進行方向とを得る構成を用いる。
【００２６】
さらに、搬送モータ３１の駆動・停止と回転速度とを制御する搬送制御手段６ａと、方向駆動モータ３３の駆動・停止と回転方向と回転速度とを制御する方向制御手段６ｂとが設けられている。搬送制御手段６ａと方向制御手段６ｂとについては、従来周知の技術を用いて実現可能であるから詳細な説明は省略する。
【００２７】
搬送制御手段６ａは、例えば図２において使用者Ｕが歩行速度Ｖ１で歩いているときに、使用者Ｕの進行方向の逆向きにベルト１が搬送される速度Ｖ２がＶ１に等しくなるように搬送モータ３１を制御する。上記制御の結果、使用者Ｕの歩行による移動はベルト１の搬送によって相殺される。
【００２８】
方向制御手段６ｂは、進行方向検出手段５ｂによって検出された使用者Ｕの進行方向の逆向きにベルト１が搬送されるように、第１の支持体３ａと第２の支持体３ｂとの各方向駆動モータ３３をそれぞれ個別に制御する。例えば、図５（ａ）において進行方向Ｄ１に歩行していた使用者Ｕが左を向いたとき、使用者Ｕの前方に位置する第１の支持体３ａを図５（ａ）の矢印ｄ１で示すように左回りに移動させるとともに使用者Ｕの後方に位置する第２の支持体３ｂを矢印ｄ２で示すように左回りに第１の支持体３ａよりも小さく移動させ、図５（ｂ）に示すように使用者の新たな進行方向Ｄ２の逆向きにベルト１が搬送されるように制御する。ここで、方向制御手段６ｂは、搬送制御手段６ａが搬送モータ３１を動作させるのに合わせて方向駆動モータ３３を動作させる。例えば、ベルト１が搬送される速度に合わせて、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）の順でベルト１の向きと形状とが変化するように連続的に方向駆動モータ３３を動作させれば、図７に示すような曲がり道Ｌ１を歩く感覚を使用者に呈示することができる。ここで、領域Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃは図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）にそれぞれ対応する。また、Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５はそれぞれ使用者Ｕの進行方向を示す。
【００２９】
上記構成によれば、第１のローラ２ａの軸と第２のローラ２ｂの軸とのなす角を変化させることによって、向きを変えて歩く際の左右の歩幅の差に対応して左右の足に対してベルト１の移動量に差をつけることができるから、ベルト１の全体を回転させる場合に比べ、向きを変えながら歩く感覚をより自然に呈示することができる。また、ベルト１の全体を回転させる場合に比べ、使用者Ｕの向きの変化を小さくすることができるから、遠心力によって生じる違和感を抑えることができる。さらに、複数の送りベルト機構を組み合わせて用いる場合に比べて簡易な構成であるため、より高速な応答が得られる。
【００３０】
なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように使用者の前方に位置する第１の支持体３ａを固定し、使用者の後方、言い換えるとベルト１の上面が搬送される方向における前方に位置する第２の支持体３ｂのみを矢印ｄ３で示すように移動させる構成としてもよい。この構成を採用すれば、第１の支持体３ａに車輪３２や方向駆動モータ３３を設ける必要がないから、コストを抑えることができる。また、使用者の向きの変化を最小限に抑えることができるから、例えば室内に固定されたスクリーンによって仮想現実空間の画像を呈示する疑似体験装置に好適である。
【００３１】
また、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１の支持体３ａを図９（ａ）の矢印ｄ４で示す方向に移動させるときに第２の支持体３ｂを同時に同じ回転方向ｄ５に同じ速度で移動させる構成としてもよい。この構成を採用すれば、その場で体の向きを変える感覚を呈示することができる。また、方向転換後、即座に直進する感覚を呈示することができる。
【００３２】
（実施形態２）
本実施形態における基本構成は実施形態１と同様であるので、実施形態１と共通する構成については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。
【００３３】
各支持体３は、図１０に示すように、それぞれローラ２を支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段３４を備える。高さ駆動手段３４には、例えば送りネジ機構を用いる。各高さ駆動手段３４は、図１１に示す高さ制御手段６ｃによって個別に制御される。
【００３４】
上記構成によれば、高さ駆動手段３４によってローラ２を上下させてベルト１の上面に凹凸を生じさせることにより、凹凸のある面を歩く感覚を呈示することができる。例えば、図１２に示すように各ローラ２の高さを使用者Ｕの前方ほど高くすることにより上り坂を歩く感覚を呈示することができる。
【００３５】
また、使用者Ｕの各々の足の高さを検出する構成を設けておけば、以下に説明するように高さ制御手段６ｃと搬送制御手段６ａとがそれぞれ高さ駆動手段３４と搬送モータ３１とを動作させる構成を採用することによって階段を上る感覚を呈示することもできる。まず、図１３に示すように、使用者Ｕの前方において隣り合う複数本（図１３においては２本）のローラ２を同程度に上昇させることにより、ベルト１の上面に段状に突出した突出部Ｓを形成する。使用者Ｕの前方に踏み出した足が突出部Ｓを踏み、後方に残した足がベルト１から離れた後に、ベルト１を搬送しながら使用者Ｕが踏んだ突出部Ｓの突出量を徐々に小さくしてゆく。そして、使用者Ｕのベルト１から離れた側の足が再びベルト１に接触する前に、使用者Ｕの前方に当初の突出部Ｓと同様の突出部を形成する。以下、同様の動作を繰り返す。ここで、高さ駆動手段３４の動作を上下逆にすれば、階段を降りる感覚を呈示することもできる。
【００３６】
さらに、ベルト１が搬送される速度と同じ速度でベルト１上面の起伏が移動するように高さ制御手段６ｃが高さ駆動手段３４を制御する構成としてもよい。上記構成を採用すれば、連続した凹凸のある地面を歩く感覚を呈示することができる。例えば、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）の順でベルト１上面の形状が変化するように高さ駆動手段３４を制御すれば、図１５に示すような連続した凹凸のある地面Ｌ２を歩く感覚を呈示することができる。ここで、範囲Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃの各形状はそれぞれ図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）の各時点でのベルト１の上面の形状に対応する。
【００３７】
なお、実施形態１及び本実施形態において、搬送制御手段６ａと方向制御手段６ｂと高さ制御手段６ｃとが、使用者の動作に関わり無く、予め設定されたプログラム通りに動作する構成としてもよい。この構成によれば、ベルト１が搬送される速度にあわせて使用者Ｕが歩くフィットネスやリハビリテーションの用途に用いることができる。
【００３８】
（実施形態３）
本実施形態の疑似体験装置は、図１６に示すように、実施形態２の歩行装置と、歩行装置の使用者Ｕに対して画像を呈示する画像呈示手段７と、画像呈示手段７を制御する仮想現実空間制御手段６ｄとを備える。仮想現実空間制御手段６ｄは、例えば仮想現実空間を作成するための専用プログラムが搭載されたコンピュータで実現される。仮想現実空間制御手段６ｄには、予め、森などの自然空間や都市空間を模した仮想現実空間の形状や、使用者の仮想現実空間における初期位置など、仮想現実空間に関する情報がメモリ等に格納されている。また、本実施形態においては、高さ制御手段６ｃは仮想現実空間制御手段６ｄの指令に基づいて動作する。画像呈示手段７としては、例えばプロジェクタ及びスクリーンや、ヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」と呼ぶ）などを用いる。ここで、画像呈示手段７としてＨＭＤを用いる場合、使用者の頭の位置や向きを検知する頭部位置センサ（図示せず）を設け、頭部位置センサの出力を仮想現実空間制御手段６ｄに入力することが現実感を増すためには望ましい。
【００３９】
以下、本実施形態の動作を図１７を用いて説明する。動作を開始すると（Ｓ１）、仮想現実空間制御手段６ｄが、仮想現実空間における使用者Ｕの視点を決定するとともに、使用者Ｕの視点からの仮想現実空間の画像を生成し、生成した画像を使用者に呈示するように画像呈示手段７を制御する（Ｓ２）。仮想現実空間制御手段６ｄが仮想現実空間における使用者Ｕの視点を決定するに当たっては、上述した頭部位置センサの出力や、歩行装置の歩行速度検出手段５ａの出力や、進行方向検出手段５ｂの出力などが用いられる。
【００４０】
次に、搬送制御手段６ａが、使用者が歩いたかどうかを歩行速度検知手段５ａの出力に基づいて判定する（Ｓ３）。使用者Ｕが歩いていなければ、次に、仮想現実空間制御手段６ｄが、使用者Ｕに呈示する仮想現実空間の画像を変化させるべきかどうかを調べ（Ｓ４）、変化させるべき場合はＳ２に戻って仮想現実空間の更新された画像を画像呈示手段７に呈示させる。例えば、画像呈示手段７としてＨＭＤを用い、かつ使用者Ｕの頭の位置や向きを検知する頭部位置センサを設けた場合であって、使用者Ｕの頭の向きや高さの変化が検知された場合には、使用者Ｕが歩かなくとも使用者Ｕに呈示する画像を変化させなければならない。
【００４１】
一方、使用者Ｕが歩いていれば、搬送制御手段６ａが、使用者の歩行速度と同じ速度で使用者Ｕの後方へベルト１が搬送されるように搬送モータ３１を作動させる（Ｓ５）。次に、仮想現実空間制御手段６ｄが、使用者Ｕの仮想現実空間における進行方向の地面に凹凸があるかどうかを判定する（Ｓ６）。凹凸があれば、仮想現実空間における使用者Ｕの進行方向の地面の凹凸に応じた凹凸をベルト１の上面に生じさせてベルト１の搬送に合わせて移動させるように、高さ制御手段６ｃに指令を与える。高さ制御手段６ｃは、仮想現実空間制御手段６ｄの指令に基づいて高さ駆動手段３４を制御する（Ｓ７）。次に、方向制御手段６ｂが、ベルト１の搬送方向が使用者Ｕの進行方向の逆向きになっているかどうかを進行方向検出手段５ｂの出力に基づいて判定する（Ｓ８）。一方、Ｓ６において凹凸がなければ、Ｓ７の処理は行わずにＳ８に進む。
【００４２】
Ｓ８において、ベルト１の搬送方向が使用者Ｕの進行方向の逆向きになっていれば、Ｓ２に戻り、以後、Ｓ３〜Ｓ９の処理を繰り返す。一方、使用者Ｕの進行方向がベルト１の搬送方向の逆向きに対してずれていれば、方向制御手段６ｂが、ベルト１が搬送される速度に合わせて、ベルト１の搬送方向が使用者Ｕの進行方向の逆向きになるように方向駆動モータ３２を作動させ（Ｓ９）、その後、Ｓ２に戻り、以後、Ｓ３〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００４３】
上記構成によれば、凹凸のある地面を向きを変えながら歩く感覚を、仮想現実空間の画像に対応させて呈示することが可能になる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備えるので、左右の足に対してベルトの移動量に差をつけることができるから、送りベルト機構を回転させる場合に比べて向きを変えながら歩く感覚をより自然に呈示することができる。また、複数の送りベルト機構の組み合わせによって向きを変えながら歩く感覚を呈示する場合に比べて簡易な構成であるため、より高速な応答が得られる。さらに、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうちの一方を移動させるので、前記２個の支持体を両方移動させる場合に比べて方向駆動手段が少なくてすむから、コストを低減することができる。
【００４６】
請求項２の発明は、それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備えるので、左右の足に対してベルトの移動量に差をつけることができるから、送りベルト機構を回転させる場合に比べて向きを変えながら歩く感覚をより自然に呈示することができる。また、複数の送りベルト機構の組み合わせによって向きを変えながら歩く感覚を呈示する場合に比べて簡易な構成であるため、より高速な応答が得られる。さらに、前記方向駆動手段は前記２個の支持体に対してそれぞれ設けられ、前記方向制御手段は各方向駆動手段を個別に制御するので、前記２個の支持体を連動させる場合や、前記２個の支持体の一方のみを移動させる場合に比べて柔軟な動作が可能になる。
【００４７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうち前記ベルトの上面が搬送される方向における前方の支持体を移動させるので、方向駆動手段の動作に伴う使用者の向きの変化を最小限に抑えることができる。
【００４９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明において、各支持体はそれぞれ前記ローラを支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段を有し、各高さ駆動手段をそれぞれ制御することにより各支持体の前記ローラを支持する部位の高さ寸法を制御する高さ制御手段を備えるので、凹凸のある面を歩行する感覚を呈示することができる。
【００５０】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させるので、連続した曲がり道を歩行する感覚を呈示することができる。
【００５１】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させ、前記高さ駆動手段は前記ベルトが搬送される速度に応じた速度で前記ベルトの起伏が前記ベルトの搬送方向へ移動するように前記高さ駆動手段を動作させるので、連続した凹凸のある面を歩行する感覚を呈示することができる。
【００５２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御するので、使用者の動作に合わせてベルト搬送手段と方向制御手段とが動作することにより、歩行する自然な感覚を呈示することができる。
【００５３】
請求項８の発明は、請求項４又は請求項６の発明において、前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御し、前記高さ制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度に応じた速度で使用者の後方に起伏が移動するように前記高さ駆動手段を制御するので、使用者の動作に合わせてベルト搬送手段と方向制御手段と高さ制御手段とが動作することにより、歩行する自然な感覚を呈示することができる。
【００５４】
請求項９の発明は、請求項７の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備えるので、向きを変えながら歩く感覚を、仮想現実空間の画像に対応させて呈示することができる。
【００５５】
請求項１０の発明は、請求項８の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備え、前記高さ制御手段は前記仮想現実空間制御手段の指令に基づいて動作するので、凹凸のある面を向きを変えながら歩く感覚を、仮想現実空間の画像に対応させて呈示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す斜視図である。
【図２】同上を示す概略構成図である。
【図３】同上におけるローラと支持体とを示す斜視図である。
【図４】同上を示すブロック図である。
【図５】同上の方向駆動モータによる動作を示す動作説明図である。
【図６】同上の動作の一例を示す説明図である。
【図７】同上によって表現される曲がり道を示す説明図である。
【図８】同上の別の形態を示す動作説明図である。
【図９】同上のさらに別の形態を示す動作説明図である。
【図１０】本発明の実施形態２を示す概略構成図である。
【図１１】同上を示すブロック図である。
【図１２】同上の動作の一例を示す説明図である。
【図１３】同上の動作の別の例を示す説明図である。
【図１４】同上の動作のさらに別の例を示す動作説明図である。
【図１５】同上によって表現される起伏の形状を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施形態３を示すブロック図である。
【図１７】同上の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ベルト
２，２ａ，２ｂ ローラ
３，３ａ，３ｂ 支持体
４ レール
５ａ 歩行速度検出手段
５ｂ 進行方向検出手段
６ａ 搬送制御手段
６ｂ 方向制御手段
６ｃ 高さ制御手段
６ｄ 仮想現実空間制御手段
７ 画像呈示手段
３１ 搬送モータ
３２ 車輪
３３ 方向駆動モータ
３４ 高さ駆動手段
Claims (10)
- それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備え、前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうちの一方を移動させることを特徴とする歩行装置。
- それぞれ円筒形状に形成され軸方向に交差する方向に並べられた複数のローラと、それぞれ前記ローラを軸を中心に回転可能に支持する複数の支持体と、伸縮自在な無端帯状であって前記複数のローラを囲む形で軸方向に交差する方向の両端に位置する２個のローラに巻きかけられたベルトと、前記ベルトを搬送するベルト搬送手段と、少なくとも前記ベルト搬送手段の駆動・停止と前記ベルトを搬送する速度とを制御する搬送制御手段と、ベルトの幅方向の両端であってローラの軸方向に交差する方向の両端が常に同一円周上に位置するように前記２個のローラをそれぞれ支持する２個の支持体の少なくとも一方を移動させる方向駆動手段と、前記方向駆動手段の駆動・停止と前記支持体を移動させる向き及び速度とを制御する方向制御手段とを備え、前記方向駆動手段は前記２個の支持体に対してそれぞれ設けられ、前記方向制御手段は各方向駆動手段を個別に制御することを特徴とする歩行装置。
- 前記方向駆動手段は前記２個の支持体のうち前記ベルトの上面が搬送される方向における前方の支持体を移動させることを特徴とする請求項１記載の歩行装置。
- 各支持体はそれぞれ前記ローラを支持する部位の高さ寸法を変化させる高さ駆動手段を有し、各高さ駆動手段をそれぞれ制御することにより各支持体の前記ローラを支持する部位の高さ寸法を制御する高さ制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の歩行装置。
- 前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の歩行装置。
- 前記方向制御手段は前記ベルト搬送手段の動作に合わせて前記方向駆動手段を動作させ、前記高さ駆動手段は前記ベルトが搬送される速度に応じた速度で前記ベルトの起伏が前記ベルトの搬送方向へ移動するように前記高さ駆動手段を動作させることを特徴とする請求項４記載の歩行装置。
- 前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の歩行装置。
- 前記ベルト上を歩行する使用者の歩行速度を検出する歩行速度検出手段と、使用者の進行方向を検出する進行方向検出手段とを備え、前記搬送制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度と同じ速度で使用者の後方に前記ベルトが搬送されるように前記ベルト搬送手段を制御し、前記方向制御手段はベルトの搬送方向が前記進行方向検出手段によって検出された使用者の進行方向の逆向きになるように前記方向駆動手段を制御し、前記高さ制御手段は前記歩行速度検出手段によって検出された使用者の歩行速度に応じた速度で使用者の後方に起伏が移動するように前記高さ駆動 手段を制御することを特徴とする請求項４又は請求項６記載の歩行装置。
- 請求項７記載の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備えることを特徴とする疑似体験装置。
- 請求項８記載の歩行装置と、前記歩行装置の使用者に対して画像を呈示する画像呈示手段と、前記歩行速度検出手段の出力と前記進行方向検出手段の出力とに応じて変化する仮想現実空間の画像を前記画像呈示手段に呈示させる仮想現実空間制御手段とを備え、前記高さ制御手段は仮想現実空間制御手段の指令に基づいて動作することを特徴とする疑似体験装置。
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