JP3581321B2

JP3581321B2 - Walking sensation presentation device

Info

Publication number: JP3581321B2
Application number: JP2001050043A
Authority: JP
Inventors: 哲也久保田; 栄一八木; 繁一志子田; 哲男野上; 勇森田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002251128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば人間の歩行に関する能力を測定するときに用いる歩行感覚提示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＶＲ（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ）またはＶＥ（ＶｉｒｔｕａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ）などの人工仮想空間技術に用いられるものに、使用者に歩行感覚を提示する歩行感覚提示装置がある。たとえば、トレッドミルを用いた歩行感覚提示装置が、特許第２９２３４９３号「歩行感覚生成装置」に開示されている。これに用いられるトレッドミルは、複数のローラに無端帯状のベルトを巻きかけて構成され、ベルト上に使用者が乗り、使用者の歩行に合わせてベルトを後方に移動させる。これによって、実際に歩行している状態を模擬することができる。また、トレッドミル全体を傾斜させるなどして、傾斜地を模擬することもできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行技術では、路面状態が常に一定であり、岩場やコンクリートなどの硬い路面状態、あるいは砂地や沼地などの軟らかい路面状態を模擬することができない。
【０００４】
したがって本発明の目的は、沼地を歩行するときのように使用者の足が沈み込むような路面状態を模擬できる歩行感覚提示装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、略水平に並列に配置される円筒状の複数のローラと、
各ローラに個別に備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するシリンダと、
使用者からシリンダに与えられる荷重に応じて、予め定められる模擬すべき路面の硬度および粘度に応じた反発力を、使用者から荷重が与えられたローラに与えるように、各シリンダを制御して各ローラの上下方向の位置を制御する路面状態模擬手段とを含むこと特徴とする歩行感覚提示装置である。
【０００６】
本発明に従えば、並列に配列された複数の円筒状のローラと、このローラに個別に備えられ、各ローラを個別に上下に移動可能に支持するシリンダとによって路面が模擬される。さらに路面状態模擬手段が、使用者から与えられる荷重に応じて、各シリンダを制御することによって、ローラの下降速度を調整することができる。たとえば使用者の荷重に応じてローラがゆっくり下降するようにシリンダを制御することによって、沼地などの粘度の高い路面を再現することができる。また使用者の荷重が作用してもローラが下降しないようにシリンダを制御することによって、コンクリートや岩場などの硬度の高い路面を再現できる。
【０００７】
請求項２記載の本発明は、前記路面状態模擬手段は、使用者の歩行距離毎に、予め定める比例ゲインおよび微分ゲインがそれぞれ設定された路面状態テーブルと、
前記各ローラの上下位置の指令値と、各ローラの上下位置のフィードバック制御量と、前記路面状態テーブルからの比例ゲインおよび微分ゲインとが入力され、これに基づいて前記シリンダの操作量を出力する可変ゲインＰＩＤ制御部とを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明に従えば、路面状態模擬手段は、路面状態テーブルを有し、この路面状態テーブルには予め定める歩行距離毎に、予め定める比例ゲインと、予め定める微分ゲインとが設定されている。路面状態模擬手段は、さらに可変ゲインＰＩＤ制御部を有し、この可変ゲインＰＩＤ制御部には、使用者の歩行距離に応じた各ローラの上下位置の目標値が入力されるとともに、各ローラを支持するシリンダからの各ローラの上下位置の制御量とがフィードバックして入力される。また、可変ゲインＰＩＤ制御部には、上記路面状態テーブルから、使用者の歩行距離に応じた比例ゲインと微分ゲインとが入力される。
【０００９】
可変ゲインＰＩＤ制御部は、目標値と制御量との差である制御偏差に比例ゲインを乗じた値と、制御偏差の積分値に積分ゲインを乗じた値と、制御偏差の微分値に微分ゲインを乗じた値との和である操作量を出力する。ここで、シリンダはバネとダッシュポットとによって構成されると見なせるので、比例ゲインをバネ定数に等価であるとして、比例ゲインを大きく設定しておくことによって硬度の高い路面を再現でき、微分ゲインを粘性減衰係数に等価であるとして、微分ゲインを大きく設定しておくことによって粘度の高い路面を再現できる。
【００１０】
請求項３記載の本発明は、前記路面状態テーブルは、硬度の高い路面を模擬するときには、前記比例ゲインが高く設定され、粘度の高い路面を模擬するときには、前記微分ゲインが高く設定されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に従えば、路面状態テーブルの比例ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足が沈み込まない岩場やコンクリートなどの硬度の高い路面を再現することができ、路面状態テーブルの微分ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足がゆっくりと沈み込む沼地などの粘度の高い路面を再現することができる。
【００１２】
請求項４記載の本発明は、前記シリンダを制御して各ローラの上下位置を制御することによって、路面の起伏を模擬する路面形状模擬手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、路面形状模擬手段によって各ローラの上下方向の位置を制御することによって、使用者が乗載される面を任意の形状にすることができる。このようにして、任意の路面形状を再現することができる。
【００１４】
請求項５記載の本発明は、前記複数のローラを覆って巻き掛けられる無端帯状のベルトと、
前記ベルト上面が後方に移動するようにベルトを循環駆動させるベルト駆動手段とを有し、
前記路面形状模擬手段は、模擬された地面の起伏が、ベルトの移動速度と同じ速度で後方に移動するように、各ローラの上下位置を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、ベルト上面は、設定した路面形状を保ち、ベルトの移動速度と同じ速度で後方に移動するように制御される。たとえば、ローラによって上下に複数の凹凸を形成してベルト上面を波状にし、各ローラを上下に移動させて凹凸の波を後方に送り出し、いわば進行波のようにローラが制御される。そして、この波の移動速度とベルトの移動速度が等速度となるように制御することによって、ベルトに乗り、ベルトに合わせて歩く使用者から見れば、波状の路面を歩いているかのように感じられる。つまり、任意の路面形状をベルトに合わせて後方に移動させることによって、任意の路面形状を歩く時の状態を模擬することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の実施の一形態である歩行感覚提示装置１の使用状態の斜視図を参照して、歩行感覚提示装置１の機械的構成について説明する。歩行感覚提示装置１は、トレッドミル２と、表示手段３と、これらを制御する制御手段４とから構成される。この歩行感覚提示装置１は、トレッドミル２に乗載される使用者１２に歩行感覚を提示する装置であり、この歩行感覚提示装置１にさらに、音響装置、空調機器、降雨降雪模擬装置、日射模擬装置または風洞などを組み合わせて環境シミュレーションシステムが構築される。
【００１７】
トレッドミル２は、支持ローラ５、ベルト６、押し上げローラ７、および油圧シリンダ８を有し、これらは制御手段４によって制御される。支持ローラ５は、たとえば外径が５０〜２００ｍｍ程度であり、長さが１ｍ程度の円筒状のローラである。この支持ローラ５が、複数、たとえば１５〜２０本（本実施形態では９本に略）が、略水平に等間隔、たとえば３０ｍｍ程度の間隔を空けて並列に配置される。これらの複数の支持ローラ５を覆って、無端帯状のベルト６が巻き掛けられる。ベルト６は、たとえばゴムから成り、可撓性および弾発性を有し、各ローラ５に緊張状態で巻き掛けられる。また、複数の支持ローラ５のうち、本実施形態では最も後方に配置されるローラ５ａが駆動ローラとなり、この駆動ローラ５ａに接続される駆動源、たとえばサーボモータ１７などによって駆動ローラ５ａを回転駆動させることによって、ベルト上面６ａが後方に移動するようにベルト６は循環駆動する。
【００１８】
押上げローラ７は、支持ローラ５と同じ形状であり、各支持ローラ５に対応して１本ずつ設けられる。そして、それぞれ対応する支持ローラ５の方からベルト６を挟むように支持ローラ５に平行に配置される。対を成す支持ローラ５と押上げローラ７とは、それぞれ左右両端部に設けられるローラ保持具１３によって軸支される。
【００１９】
各ローラ保持具１３の上端部には、押さえローラ１０が設けられる。押さえローラ１０は、支持ローラ５の回転軸線に平行な回転軸線を有する小型のローラであり、ベルト６の幅方向両側で支持ローラ５との間でベルト６を挟む。
【００２０】
そして、ローラ保持具１３を介して支持ローラ５および押し上げローラ７が、油圧シリンダ８によって上下に移動可能に支持される。油圧シリンダ８のストローク量は、１００〜５００ｍｍ程度であり、それぞれ基台１５に立設して固定される。これらの複数の油圧シリンダ８が個別に上下に伸縮することによって、支持ローラ５および押上げローラ７の上下位置が個別に制御される。
【００２１】
したがって、図２に示すように、支持ローラ５が波状に配置されるように支持ローラ５の高さを調整することによって、使用者１２が乗るベルト上面６ａの形状を波状とすることができる。このようにして、制御手段４に路面形状を設定することによって、トレッドミル２の路面形状を任意の形状とすることができる。また、図２に示すように、ベルト６の上面が波状となった場合であっても、前記押さえローラ１０がベルト６の上面で幅方向両側を押さえることによって、ベルト６が支持ローラ５から浮上することが防がれ、路面となるベルト上面６ａを確実に支持ローラ５に沿って走行させることができる。
【００２２】
またベルト６の下側では、押上げローラ７によってベルト６が支持ローラ５に押付けられるので、支持ローラ５を上下させても、ベルト６を確実に支持ローラ５に当接させ、安定してベルト６を循環駆動させることができる。また、支持ローラ５の左右を支持する対をなす油圧シリンダ８は、同時に上下に移動する場合に限らず、左右個別に上下に移動することができ、これによって路面を左右に傾斜させることも可能である。このように左右の傾斜が許容できるように、油圧シリンダ８のピストンロッドとローラ保持具１３とは、ヒンジまたはユニバーサルジョイントによって角変位が許容できるように接続される。
【００２３】
図３は、制御手段４の制御構成を簡略化して示すブロック図である。なお、ここでは駆動ローラ５ａを上下移動させる油圧シリンダ８についてのみ説明するが、他の油圧シリンダ８についても同様の制御構成である。
【００２４】
油圧シリンダ８には、切換弁１５を介して油圧ポンプＰから作動油が供給され、排出された作動油はタンクＴに戻される。制御手段４は切換弁１５を制御して油の流路を切換え、油圧シリンダ８を伸縮させる。
【００２５】
油圧シリンダ８には、油圧シリンダ８の伸縮量を検出するストロークセンサ１６が取付けられている。制御手段４は、前記ストロークセンサ１６の検出値に基づいて、駆動ローラ５ａが所定の高さに配置されるように切換弁１５を制御する。この駆動ローラ５ａは、モータ１７によって回転駆動され、駆動ローラ５ａの回転速度はモータ１７を制御する制御手段４によって制御される。また制御手段４は、グラフィックコントローラを制御することによって、表示手段３を制御する。
【００２６】
表示手段３は、トレッドミル２に乗った使用者１２の正面に表示画面を有し、使用者１２が歩いているときに見える風景を、実写またはコンピュータグラフィックで、ベルト６の移動速度に合わせた動画として表示する。この表示手段３は、たとえば液晶ディスプレイ、ＣＲＴ、または液晶プロジェクタによって実現される。
【００２７】
図１に示されるように、歩行感覚提示装置１には、トレッドミル２上を歩行する使用者１２のトレッドミル２上の位置を検出する位置検出器２０が備えられる。この位置検出器２０の一例として、使用者が所定の位置よりも前方に来たことを検出する前方位置検出器２０、および所定の位置よりも後方に来たことを検出する後方位置検出器２１が設けられる構成が挙げられる。これらの検出器２０，２１の検出出力に応答して、制御手段４はベルト６の速度を制御する。ベルト６の速度は、たとえば０〜２０ｋｍ／時の範囲で制御され、通常は人の歩行速度である３〜５ｋｍ／時程度でベルト６が移動するように制御する。このように制御した状態で、たとえば使用者１２の歩行速度が速くなり、トレッドミル２上で前方に移動し、前方位置検出器２０によって検出されると、使用者１２の歩行速度が速くなったものと判断し、制御手段４はベルト６の移動速度を速くする。逆に、使用者１２の歩行速度が遅くなると使用者１２の位置が後退し、後方位置検出器２１でこれが検出される。制御手段４は、これに応答してベルト６の移動速度を低下させる。このように制御することによって、ベルト６は使用者１２の歩行速度に合わせた最適な速度で制御される。
【００２８】
また使用者１２の位置を検出する位置検出器の他の例として、各支持ローラ５の回転軸線方向両端部に一対の発光素子と受光素子とを設け、使用者１２の足によって発光素子から受光素子に向かう光線が遮断されたことを検出することによって、使用者１２のトレッドミル２上の位置を検出する構成であっても良い。
【００２９】
前述したように設定した路面が進行波のように進行するように、油圧シリンダ８を制御している場合には、ベルト６の走行速度に合わせて路面が移動するように油圧シリンダ８の移動速度も制御する。また、表示手段３で表示する映像もベルト６の速度に合わせて変化させる。
【００３０】
またトレッドミル２は、３自由度あるいは６自由度のモーションベース・ターンテーブル上に乗載されていてもよい。これによって、トレッドミル２を鉛直方向に平行な軸線まわりに回転させることが可能に成るとともに、トレッドミル２のベルト上面６ａの姿勢を任意の角度に保持して斜面を形成することができる。また、このモーションベース・ターンテーブルも、制御手段４によって制御される。
【００３１】
次に歩行感覚提示装置１の制御系５０について、図４に示すブロック図を参照して詳細に説明する。制御系５０は、トレッドミル２のベルト上面６ａの後方への進行速度を制御するために、モータ１７の回転速度を制御するベルト走行制御系５２と、トレッドミル２のベルト上面６ａに、凹凸や傾斜などの路面形状、および岩場や沼地などの路面状態を模擬するために、油圧シリンダ８の上下位置を制御するための路面形状・路面状態制御系５１とから構成される。
【００３２】
ベルト走行制御系５２は、減算器６６と、ＰＩＤ制御部６７と、急動作防止フィルタ６８と、使用者位置演算部６９と、切換スイッチ７０とを含む。まず図４に示すように、切換スイッチ７０の第１接点７０ａと第２接点７０ｂとが接続されて、ＰＩＤ制御部６７の出力端とモータ１７の入力端とが接続されている場合について説明する。
【００３３】
位置検出器２０によって、使用者１２のトレッドミル２上の位置が検出され、この検出値が使用者位置演算部６９および非常停止制御部７１に与えられる。使用者位置演算部６９によって、位置検出器２０の検出値から使用者１２のトレッドミル２上の位置が演算され、トレッドミル２上の使用者１２が位置している実際の座標値が、急動作防止フィルタ６８、路面形状・路面状態制御系５１の加算器６１、および非常停止制御部７１に与えられる。
【００３４】
非常停止制御部７１は、位置検出器２０による検出値、または使用者位置演算部によって算出された座標値に基づいて、使用者１２がトレッドミル２上の所定の歩行範囲内に位置しているか否かを判断し、所定の歩行範囲内に位置していないと判断すると、トレッドミル２を停止させる。
【００３５】
急動作防止フィルタ６８は、モータ１７の急動作防止用の伝達関数を有しており、座標値を代入して急動作防止伝達関数を演算して得られる座標値を減算器６６に与える。これによって、ＰＩＤ制御部６７から出力されるモータ速度指令値によって制御されるモータ１７が急動作することが防止される。
【００３６】
減算器６６には、使用者１２のトレッドミル２上の最適な座標値が指令値として常に入力される。減算器６６は、上記最適な座標値から、急動作防止フィルタ６８を通った座標値を減算して、制御偏差をＰＩＤ制御部６７に与える。なお、上記最適な座標値とは、たとえばトレッドミル２の中心位置などを指す。
【００３７】
ＰＩＤ制御部６７は、所定の制御伝達関数を有しており、制御偏差を代入して制御伝達関数を演算し、この制御偏差を補正するためのモータ速度指令値を算出し、このモータ速度指令値をモータ１７に出力する。モータ１７は、モータ速度指令値に基づいて回転速度を変化させる。このようにして、モータ１７の回転速度が制御され、トレッドミル２のベルト上面６ａの後方への移動速度が制御される。
【００３８】
従って使用者１２の歩行速度が速くなって、使用者が最適な座標位置よりも前方に位置されると、ＰＩＤ制御部６７は、使用者１２が最適な座標位置に位置されるようにベルト上面６ａの後方への移動速度が速くなるようにモータ１７を制御する。また、使用者１２の歩行速度が遅くなって、使用者１２が最適な座標位置よりも後方に位置されると、ＰＩＤ制御部６７は、使用者１２が最適な座標位置に位置されるようにベルト上面６ａの後方への移動速度が遅く成るように、モータ１７を制御する。これによって、使用者１２が歩行速度を変化させたとしても、使用者１２はトレッドミル２の最適座標位置に常に位置することになる。
【００３９】
また、切換スイッチ７０の第２接点７０ｂと第３接点７０ｃとが接続されている場合には、モータ１７の入力端に、モータ１７の回転速度を手動で入力するための外部入力手段（図示せず）とが接続され、このとき、モータ１７は外部入力手段から入力される強制歩行速度指令値に基づいて、回転駆動する。
【００４０】
路面形状・路面状態制御系５１は、積分器６０と、加算器６１と、路面形状・路面状態データテーブル記憶部６２と、路面形状演算部６３と、減算器６４と、可変ゲインＰＩＤ制御部６５とを含む。
【００４１】
積分器６０は、ベルト走行制御系５２のＰＩＤ制御部６７から出力されるモータ速度指令値をサンプリングして、逐次加算することによって、モータ１７の駆動開始からの総回転数を算出して、ベルト上面６ａの後方への総走行距離値を算出し、この総走行距離値を、加算器６１および路面形状演算部６３に与える。
【００４２】
加算器６１には、上記ベルト上面６ａの総走行距離値と、ベルト走行制御系５２の使用者位置演算部６９からの座標値とが与えられ、この加算器６１は、総走行距離値と座標値とを加算する。つまり、加算器６１が上記ベルト６の総走行距離値と使用者１２の座標値とを加算することによって、使用者１２の歩行開始時からの総歩行距離値が算出されることになり、この総歩行距離値が、たとえば表示手段３のグラフィックコントローラに入力される。従って、グラフィックコントローラが総歩行距離値に基づいて、表示手段３に風景などの画像を表示させることによって、使用者１２に、実際に歩いている感覚を与えることができる。
【００４３】
路面形状・路面状態データテーブル記憶部６２には、路面形状データテーブルと路面状態データテーブルとが、予め記憶されている。路面形状データテーブルには、予め定める走行距離毎に、それぞれ個別に対応した路面形状データが設定されている。この路面形状データとしては、油圧シリンダ８の伸縮量（路面の凹凸）およびモーション・ターンテーブルの傾斜量（路面の傾き）などが路面形状データとして設定されている。従って、積分器６０から総走行距離値が路面形状演算部６３に入力されると、路面形状演算部６３は路面形状データテーブルから、入力された総走行距離に対応する路面形状データを読み出し、この読み出した路面形状データに基づいて油圧シリンダ８の指令値、つまり支持ローラ５の高さ位置の指令値を減算器６４に与える。これによって、路面形状を模擬することができる。上記路面形状データテーブルと路面形状演算部６３とによって、路面形状模擬手段が構成される。
【００４４】
また路面形状データは、モーションベース・ターンテーブルにも与えられる。この路面形状データに基づいて、モーションベース・ターンテーブルの鉛直方向に平行な軸線まわりの回転位置が制御されるとともに、その姿勢が所定の角度に制御される。従って、モーションベース・ターンテーブル上のトレッドミル２の回転位置が制御され、さらにベルト上面６ａの姿勢が任意の角度に制御されて、斜面を模擬することができる。
【００４５】
また減算器６４には、上述した油圧シリンダ指令値の他に、ストロークセンサ１６による油圧シリンダ８の伸縮量、つまり支持ローラ５の高さ位置の検出量がフィードバックして入力される。減算器６４は、指令値から検出量を減算して、制御偏差を可変ゲインＰＩＤ制御部６５に与える。
【００４６】
路面状態テーブルには、予め定める走行距離毎に、予め定める比例ゲインＫ_Ｐと予め定める積分ゲインＫ_Ｉと予め定める微分ゲインＫ_Ｄとが、それぞれ設定されている。可変ゲインＰＩＤ制御部６５に入力された制御偏差に、比例ゲインを乗じた値と、制御偏差の積分値に積分ゲインを乗じた値と、制御偏差の微分値に微分ゲインを乗じた値との和である操作量を算出し、この操作量を油圧シリンダ８に出力する。上記操作量に基づいて、油圧シリンダ８のストローク量が変化する。路面状態模擬手段は、上記可変ＰＩＤ制御部６５と、路面状態テーブルとによって構成される。
【００４７】
可変ゲインＰＩＤ制御部６５について、図５を参照してさらに詳細に説明する。図５は、可変ゲインＰＩＤ制御部６５を詳細に示すブロック図である。図５に示すように、可変ゲインＰＩＤ制御部６５は、比例ゲイン乗算器８３と、積分器８１と、積分ゲイン乗算器８４と、微分器８２と、微分ゲイン乗算器８５と、加算器８６とを含む。
【００４８】
減算器６４を出た制御偏差は比例ゲイン乗算器８３に与えられる。比例ゲイン乗算器８３は、路面形状・路面状態データテーブル記憶部６２に記憶された路面状態テーブルから、図４の加算器６１によって算出された使用者１２の総歩行距離に対応する比例ゲインＫ_Ｐを読み出し、与えられた制御偏差に、読み出した比例ゲインＫ_Ｐを乗算し、その出力値を加算器８６に与える。この比例ゲインＫ_Ｐを大きく設定しておくことによって、岩場やアスファルトなどの硬度の高い路面状態を再現できる。
【００４９】
また減算器６４を出た制御偏差は積分器８１に与えられ、この積分器８１によって積分された後、積分ゲイン乗算器８４に与えられる。積分ゲイン乗算器８４は、路面状態テーブルから使用者１２の総歩行距離に対応する積分ゲインＫ_Ｉを読み出し、積分器８１からの出力値に読み出した積分ゲインＫ_Ｉを乗算して、加算器８６に与える。
【００５０】
また、減算器６４を出た制御偏差は微分器８２に与えられ、この微分器８１によって微分された後、微分ゲイン乗算器８５に与えられる。この微分ゲイン乗算器８５は、路面状態テーブルから使用者１２の総歩行距離に対応する微分ゲインＫ_Ｄを読み出し、微分器８２からの出力値に読み出した微分ゲインＫ_Ｄを乗算して、加算器８６に与える。この微分ゲインＫ_Ｄの値を大きく設定しておくことによって、沼地などの粘度の高い路面状態を再現することができる。
【００５１】
比例ゲイン乗算器８３、積分ゲイン乗算器８４および微分ゲイン乗算器８５を出た各出力値は、加算器８６によって加算され、その操作量が油圧シリンダ８に与えられ、油圧シリンダ８は、この与えられた操作量に基づいて、ストロークの伸縮量を変化させる。
【００５２】
パラメータである比例ゲインＫ_Ｐおよび微分ゲインＫ_Ｄは、以下に説明するようにして決定される。油圧シリンダ８は、バネとダンパとによって構成されると見なせるので、粘性減衰のある場合の振動における減衰比ξ＝ｃ／√（ｍ・ｋ）を使用して、比例ゲインＫ_Ｐおよび微分ゲインＫ_Ｄを決定する。なお上記式において、ｃは粘性減衰係数であり、ｋはバネ定数であり、ｍは荷重である。
【００５３】
路面の硬度は、位置フィードバックゲインである比例ゲインＫ_Ｐ（バネ定数と等価）で表現し、路面の粘度は、速度フィードバックゲインである微分ゲインＫ_Ｄ（粘性減衰係数ｃと等価）で表現する。
【００５４】
つまり、比例ゲインＫ_Ｐの値を大きく設定して、加算器８６から出力される操作量うちの比例項の割合を大きくすることによって、コンクリートやアスファルトなどの硬度の高い路面状態を再現することができる。前述したように、油圧シリンダ８はバネとダンパとによって構成されると見なせるので、比例ゲインＫ_Ｐ、つまりバネ定数ｋを大きくすることによって、使用者１２が支持ローラ５に乗載して、油圧シリンダ８のピストンが縮退すると、支持ローラ５の高さ方向の位置偏差に比例した力で反発するように、油圧シリンダ８が制御され、硬度の高い路面を模擬することができる。
【００５５】
また、微分ゲインＫ_Ｄの値を大きく設定して、加算器８６から出力される操作量のうちの微分項の割合を大きくすることによって、沼地などの粘度の高い路面状態を再現することができる。前述したように、油圧シリンダ８がバネとダンパとによって構成されると見なせるので、微分ゲインＫ_Ｄ、つまり粘性減衰係数ｃを大きくすることによって、使用者１２が支持ローラ５に乗載して、油圧シリンダ８のピストンが縮退すると、支持ローラ５の高さ方向の速度偏差に比例した力で反発するように、油圧シリンダ８が制御されるので、支持ローラ５がゆっくりと沈み込むようになり、粘度の高い路面を再現することができる。
【００５６】
次に図６を参照して支持ローラ５の動きについて説明する。本発明の歩行感覚提示装置１は、支持ローラ５の高さを調整することによって任意の路面形状を生成することができ、さらに制御手段４によって、生成した路面を進行波のように送ることによって、使用者１２はあたかも起伏のある路面を歩いているように感じることができる。
【００５７】
図６では、たとえばサインカーブ状に続く路面を生成するときの支持ローラ５およびベルト６の動きについて説明する。なお、ベルト６では同時に１周期分のサインカーブが再現されるものとする。
【００５８】
まず初期状態では、（ａ）に示すように、両端部が盛り上がった１周期のサインカーブ生成されるように各支持ローラ５が配置されているものとする。また、このときベルト６の前端の頂点の位置をＡとする。制御手段４は、このようなサインカーブ状の路面が後方に進行するように、油圧シリンダ８によって支持ローラ５の上下位置を制御するとともに、路面の進行速度に合わせて、ベルト６を循環駆動する。
【００５９】
ここで、図６（ｂ）は初期状態（ａ）から位相が９０°後方に進んだ状態を示し、（ｃ）は１８０°進んだ状態を示し、（ｄ）は２７０°進んだ状態を示し、（ｅ）は３６０°進んだ状態を示す。これらの図に示されるように、制御手段４によって、路面が順次後方に送られるように、支持ローラ５は制御され、この路面の進行に合わせてベルト６も移動する。つまり、ベルト６のＡで示す位置は常にサインカーブの頂点にある。
【００６０】
このように、支持ローラ５が移動するように各油圧シリンダ８および駆動源１７を制御することによって、使用者１２はあたかも起伏のある路面を実際に歩いていたかのように感じることができる。また、路面状態として沼地を模擬する場合には、前述したように微分ゲインＫ_Ｄを大きく設定しておくことによって、使用者１２に、あたかも沈み込むような粘度の高い路面状態を提示することができる。また、路面状態として岩場やコンクリートを模擬する場合には、前述したように比例ゲインＫ_Ｐを大きく設定しておくことによって、使用者１２に硬度の高い路面状態を提示することができる。また路面形状は、サインカーブに限らず、任意の形状に設定することができる。
【００６１】
また、本発明では、このような進行波を形成する場合に限らず、たとえば図７（ａ）に示すように、前方になるにつれて支持ローラ５の高さが高くなるように各支持ローラ５を固定的に配置し、ベルト６のみ駆動することによって、使用者１２はあたかも坂道を上っているように感じることができる。
【００６２】
また、図７（ｂ）に示すように、前方になるにつれて支持ローラ５が低くなるように固定的配置することによって、下り坂を形成することができる。
【００６３】
またさらに、図７（ｃ）に示すように、各支持ローラ５を交互に上下固定的に配置させた状態でベルト６のみを駆動するようにしてもよい。
【００６４】
また、この歩行感覚提示装置１は、このようなトレッドミル２と表示手段３との組み合わせだけでなく、たとえば複数のスピーカを設けて、表示する画像に応じた音響を提供し、さらに本装置を風洞内に設置し、雨や風などの人工的な環境を提示し、さらに空調機器によって温度を管理することによって、より現実の環境に近い環境シミュレーションシステムを構築することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、表示手段として使用者１２の前面に表示画面が設けられる構成としたが、本発明はこのような形態に限らず、たとえば使用者１２の頭部に装着するＨＭＤによって構成してもよい。
【００６６】
また、上述した歩行感覚提示装置１では、表示手段３とトレッドミル２とを組み合わせ、環境を提示する装置として説明したが、本発明はこのような適用に限らず、たとえばトレッドミル２のみを用いて、たとえば使用者の体力を測定するために用いてもよい。この場合にも、設定した路面形状を進行波のように移動させることによって、起伏のある路面を走行するときの体力測定などを行うことができる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、路面状態模擬手段が、使用者の荷重に応じてローラが下降するようにシリンダを制御することによって、沼地などの粘度の高い路面を再現することができ、使用者の荷重が作用してもローラが下降しないようにシリンダを制御することによって、コンクリートや岩場などの硬度の高い路面を再現できる。
【００６８】
請求項２記載の本発明によれば、可変ゲインＰＩＤ制御部は、指令値と制御量との差である制御偏差に比例ゲインを乗じた値と、制御偏差の積分値に積分ゲインを乗じた値と、制御偏差の微分値に微分ゲインを乗じた値との和である操作量を出力する。シリンダをバネとダッシュポットとに見なして制御すると、比例ゲインはバネ定数に等価であるので、比例ゲインを大きく設定しておくことによって硬度の高い路面を再現でき、微分ゲインは粘性減衰係数に等価であるので、微分ゲインを大きく設定しておくことによって粘度の高い路面を再現できる。
【００６９】
請求項３記載の本発明によれば、路面状態テーブルの比例ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足が沈み込まない岩場やコンクリートなどの硬度の高い路面を再現することができ、路面状態テーブルの微分ゲインを大きく設定しておくことによって、使用者の足がゆっくりと沈み込む沼地などの粘度の高い路面を再現することができる。
【００７０】
請求項４記載の本発明によれば、路面形状模擬手段によって各ローラの上下方向の位置を制御することによって、使用者が乗載される面を任意の路面形状を再現することができる。
【００７１】
請求項５記載の本発明によれば、任意の路面形状をベルトに合わせて後方に移動させることによって、任意の路面形状を歩く時の状態を模擬することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の歩行感覚提示装置１の使用状態を示す斜視図である。
【図２】トレッドミル２を示す斜視図である。
【図３】歩行感覚提示装置１の制御構成を示すブロック図である。
【図４】歩行感覚提示装置１の制御系５０を示すブロック図である。
【図５】可変ゲインＰＩＤ制御部６５を示すブロック図である。
【図６】支持ローラ５およびベルト６の動作を示す図である。
【図７】支持ローラ５の配置状態の例を示す図である。
【符号の説明】
１歩行感覚提示装置
２トレッドミル
３表示手段
４制御手段
５支持ローラ
６ベルト
７押上げローラ
８油圧シリンダ
１７モータ
５１路面形状・路面状態制御系
５２ベルト走行制御系
６２路面形状・路面状態データテーブル記憶部
６３路面形状演算部
６５可変ゲインＰＩＤ制御部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a walking sensation presentation device used, for example, when measuring the ability of a person to walk.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART A walking sensation presentation device that presents a walking sensation to a user is used in an artificial virtual space technology such as VR (Virtual Reality) or VE (Virtual Environments). For example, a walking sensation presentation device using a treadmill is disclosed in Japanese Patent No. 2923493, “A walking sensation generation device”. The treadmill used for this is configured by winding an endless belt around a plurality of rollers. A user rides on the belt and moves the belt backward in accordance with the user's walking. Thereby, it is possible to simulate the state of actually walking. In addition, it is also possible to simulate an inclined ground by inclining the entire treadmill.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned prior art, the road surface condition is always constant, and it is not possible to simulate a hard road surface condition such as a rocky shore or concrete, or a soft road surface condition such as a sandy shore or a swamp.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a walking sensation presentation device that can simulate a road surface condition in which a user's feet sink, such as when walking in a swamp.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes a plurality of cylindrical rollers arranged substantially horizontally in parallel,
A cylinder that is individually provided for each roller and supports each roller so that it can be individually moved up and down,
According to the load applied to the cylinder from the user, the resilience according to the predetermined hardness and viscosity of the road surface to be simulated, to control each cylinder so as to apply to the roller to which the load is applied by the user. A walking sensation presentation device including: a road surface state simulation unit that controls a vertical position of each roller.
[0006]
According to the present invention, the road surface is simulated by a plurality of cylindrical rollers arranged in parallel and cylinders individually provided for the rollers and individually supporting the rollers so as to be vertically movable. Further, the road surface state simulating means controls each cylinder according to the load given by the user, so that the descending speed of the roller can be adjusted. For example, by controlling the cylinder so that the roller descends slowly according to the load of the user, a highly viscous road surface such as a swamp can be reproduced. In addition, by controlling the cylinder so that the roller does not descend even when a load of the user acts, it is possible to reproduce a road surface having high hardness such as concrete or rocky terrain.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, the road surface state simulating means includes a road surface state table in which a predetermined proportional gain and a differential gain are set for each walking distance of the user,
A command value of the vertical position of each roller, a feedback control amount of the vertical position of each roller, and a proportional gain and a differential gain from the road surface state table are input, and the operation amount of the cylinder is output based on the input. And a variable gain PID control unit.
[0008]
According to the present invention, the road surface state simulation means has a road surface state table in which a predetermined proportional gain and a predetermined differential gain are set for each predetermined walking distance. The road surface state simulating means further includes a variable gain PID control unit. The variable gain PID control unit receives a target value of a vertical position of each roller according to a walking distance of a user, and controls each roller. The control amount of the vertical position of each roller from the supporting cylinder is fed back and input. Further, the proportional gain and the differential gain according to the walking distance of the user are input to the variable gain PID control unit from the road surface state table.
[0009]
The variable gain PID control unit calculates a value obtained by multiplying a control deviation, which is a difference between a target value and a control amount, by a proportional gain, a value obtained by multiplying an integral value of a control deviation by an integral gain, and a differential gain by a differential value of the control deviation. The manipulated variable is output as the sum of the value and the value obtained by multiplying by. Here, since the cylinder can be considered to be composed of a spring and a dashpot, the proportional gain is equivalent to the spring constant, and by setting the proportional gain large, a road surface with high hardness can be reproduced, and the differential gain can be reduced. Assuming that the differential gain is equivalent to the viscous damping coefficient, a high-viscosity road surface can be reproduced by setting a large differential gain.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the road surface state table, when simulating a road surface with high hardness, the proportional gain is set high, and when simulating a road surface with high viscosity, the differential gain is set high. It is characterized by the following.
[0011]
According to the present invention, by setting the proportional gain of the road surface state table to be large, it is possible to reproduce a hard surface such as a rocky place or concrete where the user's feet do not sink, and to differentiate the road surface state table from the differential. By setting a large gain, it is possible to reproduce a high-viscosity road surface such as a swamp where the user's feet slowly sink.
[0012]
The present invention according to claim 4 is characterized in that it includes a road surface shape simulating means for simulating the undulation of the road surface by controlling the vertical position of each roller by controlling the cylinder.
[0013]
According to the present invention, the surface on which the user rides can be formed in an arbitrary shape by controlling the position of each roller in the vertical direction by the road surface shape simulation means. In this way, an arbitrary road surface shape can be reproduced.
[0014]
The present invention according to claim 5, wherein an endless belt shaped to be wound around the plurality of rollers,
Belt driving means for circulating the belt so that the belt upper surface moves rearward,
The road surface shape simulation means controls the vertical position of each roller so that the simulated undulation of the ground moves backward at the same speed as the movement speed of the belt.
[0015]
According to the present invention, the belt upper surface is controlled so as to maintain the set road surface shape and move backward at the same speed as the belt moving speed. For example, a plurality of irregularities are formed up and down by a roller to make the upper surface of the belt wavy, and each roller is moved up and down to send out a wave of the irregularity, so that the roller is controlled like a traveling wave. By controlling the moving speed of the waves and the moving speed of the belt to be equal, the user who rides on the belt and walks along with the belt feels as if walking on a wavy road surface. Can be That is, by moving an arbitrary road surface shape rearward in accordance with the belt, it is possible to simulate a state of walking on an arbitrary road surface shape.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The mechanical configuration of the walking sensation presentation device 1 will be described with reference to the perspective view of the usage state of the walking sensation presentation device 1 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The walking sensation presentation device 1 includes a treadmill 2, display means 3, and control means 4 for controlling these. The walking sensation presentation device 1 is a device that presents a walking sensation to a user 12 mounted on a treadmill 2. The walking sensation presentation device 1 further includes an acoustic device, an air conditioner, a rainfall and snowfall simulation device, and a solar radiation device. An environment simulation system is constructed by combining a simulation device or a wind tunnel.
[0017]
The treadmill 2 has a support roller 5, a belt 6, a push-up roller 7, and a hydraulic cylinder 8, which are controlled by a control unit 4. The support roller 5 is, for example, a cylindrical roller having an outer diameter of about 50 to 200 mm and a length of about 1 m. A plurality of the support rollers 5, for example, 15 to 20 (in the present embodiment, abbreviated as 9) are arranged in parallel at substantially equal intervals, for example, at intervals of about 30 mm. An endless belt 6 is wound around the support rollers 5. The belt 6 is made of, for example, rubber, has flexibility and elasticity, and is wound around each roller 5 in a tension state. In the present embodiment, the rearmost roller 5a of the plurality of support rollers 5 is a driving roller, and the driving roller 5a is rotationally driven by a driving source connected to the driving roller 5a, for example, a servomotor 17 or the like. By doing so, the belt 6 is circulated so that the belt upper surface 6a moves rearward.
[0018]
The push-up rollers 7 have the same shape as the support rollers 5, and are provided one for each support roller 5. Then, they are arranged in parallel with the support roller 5 so as to sandwich the belt 6 from the corresponding support roller 5. The pair of support roller 5 and push-up roller 7 are supported by roller holders 13 provided at both left and right ends.
[0019]
A pressing roller 10 is provided at an upper end of each roller holder 13. The holding roller 10 is a small roller having a rotation axis parallel to the rotation axis of the support roller 5, and sandwiches the belt 6 between the support roller 5 on both sides in the width direction of the belt 6.
[0020]
The support roller 5 and the push-up roller 7 are supported by the hydraulic cylinder 8 via the roller holder 13 so as to be able to move up and down. The stroke amount of the hydraulic cylinder 8 is about 100 to 500 mm, and each of the hydraulic cylinders 8 is erected on the base 15 and fixed. The vertical positions of the support roller 5 and the push-up roller 7 are individually controlled by vertically expanding and contracting the plurality of hydraulic cylinders 8 individually.
[0021]
Therefore, as shown in FIG. 2, by adjusting the height of the support roller 5 so that the support roller 5 is arranged in a wave shape, the shape of the belt upper surface 6a on which the user 12 rides can be made in a wave shape. By setting the road surface shape in the control means 4 in this way, the road surface shape of the treadmill 2 can be set to an arbitrary shape. As shown in FIG. 2, even when the upper surface of the belt 6 is wavy, the pressing roller 10 presses both sides in the width direction with the upper surface of the belt 6 so that the belt 6 floats from the supporting roller 5. And the belt upper surface 6a serving as a road surface can be reliably run along the support roller 5.
[0022]
Further, since the belt 6 is pressed against the support roller 5 by the push-up roller 7 below the belt 6, even if the support roller 5 is moved up and down, the belt 6 is securely brought into contact with the support roller 5 so that the belt 6 is stably formed. 6 can be driven in circulation. The pair of hydraulic cylinders 8 supporting the left and right sides of the support roller 5 can move not only vertically but also individually vertically up and down, and can also tilt the road surface left and right. It is. As described above, the piston rod of the hydraulic cylinder 8 and the roller holder 13 are connected to each other by a hinge or a universal joint so that the angular displacement can be permitted so that the left and right inclination can be permitted.
[0023]
FIG. 3 is a simplified block diagram showing the control configuration of the control means 4. Here, only the hydraulic cylinder 8 that moves the drive roller 5a up and down will be described, but the other hydraulic cylinders 8 have the same control configuration.
[0024]
The hydraulic cylinder 8 is supplied with hydraulic oil from a hydraulic pump P via a switching valve 15, and the discharged hydraulic oil is returned to the tank T. The control means 4 controls the switching valve 15 to switch the oil flow path, and causes the hydraulic cylinder 8 to expand and contract.
[0025]
A stroke sensor 16 for detecting the amount of expansion and contraction of the hydraulic cylinder 8 is attached to the hydraulic cylinder 8. The control means 4 controls the switching valve 15 based on the detection value of the stroke sensor 16 so that the driving roller 5a is disposed at a predetermined height. The driving roller 5a is rotationally driven by a motor 17, and the rotation speed of the driving roller 5a is controlled by a control unit 4 that controls the motor 17. The control means 4 controls the display means 3 by controlling the graphic controller.
[0026]
The display means 3 has a display screen in front of the user 12 riding on the treadmill 2, and adapts the scenery seen when the user 12 is walking to the moving speed of the belt 6 by real photography or computer graphic. Display as a movie. The display means 3 is realized by, for example, a liquid crystal display, a CRT, or a liquid crystal projector.
[0027]
As shown in FIG. 1, the walking sensation presentation device 1 includes a position detector 20 that detects a position of the user 12 walking on the treadmill 2 on the treadmill 2. As an example of the position detector 20, a front position detector 20 for detecting that the user has come ahead of a predetermined position, and a rear position detector 21 for detecting that the user has come behind a predetermined position. Is provided. Control means 4 controls the speed of belt 6 in response to the detection outputs of these detectors 20 and 21. The speed of the belt 6 is controlled, for example, in a range of 0 to 20 km / hour, and is controlled so that the belt 6 moves at a speed of about 3 to 5 km / hour, which is a normal human walking speed. In such a controlled state, for example, when the walking speed of the user 12 increases, the user moves forward on the treadmill 2 and is detected by the front position detector 20, and the walking speed of the user 12 increases. Then, the control means 4 increases the moving speed of the belt 6. Conversely, when the walking speed of the user 12 decreases, the position of the user 12 moves backward, and this is detected by the rear position detector 21. The control means 4 decreases the moving speed of the belt 6 in response to this. By performing such control, the belt 6 is controlled at an optimum speed in accordance with the walking speed of the user 12.
[0028]
As another example of a position detector for detecting the position of the user 12, a pair of light emitting elements and a light receiving element are provided at both ends in the rotation axis direction of each support roller 5, and light is received from the light emitting element by the feet of the user 12. A configuration in which the position of the user 12 on the treadmill 2 is detected by detecting that the light beam toward the element is blocked.
[0029]
When the hydraulic cylinder 8 is controlled so that the road surface set as described above travels like a traveling wave, the moving speed of the hydraulic cylinder 8 is adjusted so that the road surface moves in accordance with the traveling speed of the belt 6. Also control. The image displayed on the display means 3 is also changed according to the speed of the belt 6.
[0030]
The treadmill 2 may be mounted on a motion-based turntable having three or six degrees of freedom. This makes it possible to rotate the treadmill 2 about an axis parallel to the vertical direction, and to form a slope by keeping the attitude of the belt upper surface 6a of the treadmill 2 at an arbitrary angle. The motion base turntable is also controlled by the control means 4.
[0031]
Next, the control system 50 of the walking sensation presentation device 1 will be described in detail with reference to the block diagram shown in FIG. The control system 50 includes a belt running control system 52 that controls the rotation speed of the motor 17 and a belt running control system 52 that controls the rotation speed of the motor 17 in order to control the forward traveling speed of the belt upper surface 6 a of the tread mill 2. A road surface shape / road surface control system 51 for controlling the vertical position of the hydraulic cylinder 8 for simulating a road surface shape such as an inclination and a road surface state such as a rocky area or a swamp.
[0032]
The belt running control system 52 includes a subtractor 66, a PID control unit 67, a sudden operation prevention filter 68, a user position calculation unit 69, and a changeover switch 70. First, as shown in FIG. 4, a case will be described in which the first contact 70a and the second contact 70b of the changeover switch 70 are connected, and the output terminal of the PID control unit 67 and the input terminal of the motor 17 are connected. .
[0033]
The position of the user 12 on the treadmill 2 is detected by the position detector 20, and the detected value is given to the user position calculator 69 and the emergency stop controller 71. The position of the user 12 on the treadmill 2 is calculated from the detection value of the position detector 20 by the user position calculation unit 69, and the actual coordinate value of the position of the user 12 on the treadmill 2 is suddenly calculated. The operation prevention filter 68, the adder 61 of the road surface shape / road surface state control system 51, and the emergency stop control unit 71 are provided.
[0034]
The emergency stop control unit 71 determines whether the user 12 is located within a predetermined walking range on the treadmill 2 based on the value detected by the position detector 20 or the coordinate value calculated by the user position calculation unit. If it is determined that the vehicle is not located within the predetermined walking range, the treadmill 2 is stopped.
[0035]
The sudden operation prevention filter 68 has a transfer function for preventing sudden operation of the motor 17, and supplies a coordinate value obtained by substituting coordinate values to calculate the sudden operation prevention transfer function to the subtractor 66. This prevents the motor 17 controlled by the motor speed command value output from the PID control section 67 from suddenly operating.
[0036]
The optimum coordinate value of the user 12 on the treadmill 2 is always input to the subtractor 66 as a command value. The subtracter 66 subtracts the coordinate value passed through the sudden action prevention filter 68 from the optimum coordinate value to give a control deviation to the PID control unit 67. Note that the optimum coordinate value indicates, for example, the center position of the treadmill 2 or the like.
[0037]
The PID control unit 67 has a predetermined control transfer function, calculates a control transfer function by substituting the control deviation, calculates a motor speed command value for correcting the control deviation, and calculates the motor speed command value. The value is output to the motor 17. The motor 17 changes the rotation speed based on the motor speed command value. In this way, the rotation speed of the motor 17 is controlled, and the moving speed of the treadmill 2 to the rear of the belt upper surface 6a is controlled.
[0038]
Therefore, when the walking speed of the user 12 increases and the user is positioned ahead of the optimal coordinate position, the PID control unit 67 determines that the user 12 is positioned at the optimal coordinate position. The motor 17 is controlled so that the backward moving speed of the motor 6a is increased. Further, when the walking speed of the user 12 becomes slow and the user 12 is positioned behind the optimal coordinate position, the PID control unit 67 causes the user 12 to be positioned at the optimal coordinate position. The motor 17 is controlled so that the backward moving speed of the belt upper surface 6a is reduced. Thereby, even if the user 12 changes the walking speed, the user 12 is always located at the optimum coordinate position of the treadmill 2.
[0039]
When the second contact 70b and the third contact 70c of the changeover switch 70 are connected, external input means (not shown) for manually inputting the rotation speed of the motor 17 to the input end of the motor 17 is provided. At this time, the motor 17 is driven to rotate based on the forced walking speed command value input from the external input means.
[0040]
The road shape / road condition control system 51 includes an integrator 60, an adder 61, a road shape / road condition data table storage unit 62, a road shape calculation unit 63, a subtractor 64, and a variable gain PID control unit 65. And
[0041]
The integrator 60 samples the motor speed command value output from the PID control unit 67 of the belt traveling control system 52 and sequentially adds the sampled value to calculate the total number of rotations from the start of driving of the motor 17, The total travel distance value behind the upper surface 6a is calculated, and the total travel distance value is provided to the adder 61 and the road surface shape calculation unit 63.
[0042]
The adder 61 is provided with the total travel distance value of the belt upper surface 6a and the coordinate value from the user position calculation unit 69 of the belt travel control system 52. The adder 61 provides the total travel distance value and the coordinates. Add the value. That is, the adder 61 adds the total travel distance value of the belt 6 and the coordinate value of the user 12 to calculate the total walk distance value of the user 12 from the start of walking. The total walking distance value is input to, for example, a graphic controller of the display unit 3. Therefore, the graphic controller causes the display unit 3 to display an image such as a landscape on the basis of the total walking distance value, thereby giving the user 12 a feeling of actually walking.
[0043]
The road surface shape / road surface data table storage unit 62 stores a road surface shape data table and a road surface state data table in advance. In the road surface shape data table, road surface shape data individually corresponding to each predetermined traveling distance is set. As the road surface data, the amount of expansion and contraction of the hydraulic cylinder 8 (irregularities of the road surface), the amount of inclination of the motion turntable (the inclination of the road surface), and the like are set as road surface shape data. Therefore, when the total travel distance value is input from the integrator 60 to the road surface shape calculation unit 63, the road surface shape calculation unit 63 reads out the road surface shape data corresponding to the input total travel distance from the road surface shape data table. The command value of the hydraulic cylinder 8, that is, the command value of the height position of the support roller 5 is given to the subtractor 64 based on the read road surface shape data. Thereby, the road surface shape can be simulated. The road surface shape data table and the road surface shape calculation unit 63 constitute a road surface shape simulation unit.
[0044]
The road surface shape data is also given to the motion base turntable. Based on the road surface shape data, the rotational position of the motion base turntable about an axis parallel to the vertical direction is controlled, and the posture is controlled to a predetermined angle. Therefore, the rotational position of the treadmill 2 on the motion base turntable is controlled, and the attitude of the belt upper surface 6a is controlled to an arbitrary angle, so that a slope can be simulated.
[0045]
In addition to the above-described hydraulic cylinder command value, the amount of expansion and contraction of the hydraulic cylinder 8 by the stroke sensor 16, that is, the detected amount of the height position of the support roller 5 is fed back to the subtractor 64. The subtractor 64 subtracts the detection amount from the command value and gives a control deviation to the variable gain PID control unit 65.
[0046]
The road surface state table contains a predetermined proportional gain K for each predetermined traveling distance. _P And a predetermined integral gain K _I And the predetermined differential gain K _D Are set respectively. The value obtained by multiplying the control deviation input to the variable gain PID control unit 65 by a proportional gain, the value obtained by multiplying the integral value of the control deviation by the integral gain, and the value obtained by multiplying the differential value of the control deviation by the differential gain An operation amount that is a sum is calculated, and the operation amount is output to the hydraulic cylinder 8. The stroke amount of the hydraulic cylinder 8 changes based on the operation amount. The road surface state simulating means includes the variable PID control unit 65 and a road surface state table.
[0047]
The variable gain PID control section 65 will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 5 is a block diagram showing the variable gain PID control section 65 in detail. As shown in FIG. 5, the variable gain PID control unit 65 includes a proportional gain multiplier 83, an integrator 81, an integral gain multiplier 84, a differentiator 82, a differential gain multiplier 85, and an adder 86. including.
[0048]
The control deviation output from the subtractor 64 is given to a proportional gain multiplier 83. The proportional gain multiplier 83 calculates a proportional gain K corresponding to the total walking distance of the user 12 calculated by the adder 61 in FIG. 4 from the road surface state table stored in the road surface shape / road surface data table storage unit 62. _P Is read, and the read proportional gain K is added to the given control deviation. _P , And the output value is given to the adder 86. This proportional gain K _P By setting large, road conditions with high hardness such as rocky areas and asphalt can be reproduced.
[0049]
The control deviation output from the subtractor 64 is supplied to an integrator 81, integrated by the integrator 81, and then supplied to an integral gain multiplier 84. The integral gain multiplier 84 calculates the integral gain K corresponding to the total walking distance of the user 12 from the road surface state table. _I And the integral gain K read out to the output value from the integrator 81. _I , And the result is given to the adder 86.
[0050]
Further, the control deviation output from the subtractor 64 is supplied to a differentiator 82, and after being differentiated by the differentiator 81, is supplied to a differential gain multiplier 85. The differential gain multiplier 85 calculates a differential gain K corresponding to the total walking distance of the user 12 from the road surface state table. _D And the differential gain K read out from the output value from the differentiator 82. _D , And the result is given to the adder 86. This differential gain K _D By setting a large value, it is possible to reproduce a high-viscosity road surface state such as a swamp.
[0051]
The output values output from the proportional gain multiplier 83, the integral gain multiplier 84, and the differential gain multiplier 85 are added by an adder 86, and the operation amount is given to the hydraulic cylinder 8, and the hydraulic cylinder 8 The amount of expansion / contraction of the stroke is changed based on the operated amount.
[0052]
Proportional gain K which is a parameter _P And differential gain K _D Is determined as described below. Since the hydraulic cylinder 8 can be considered to be constituted by a spring and a damper, the proportional gain K is obtained by using the damping ratio ξ = c / √ (mk) in the vibration with viscous damping. _P And differential gain K _D To determine. In the above equation, c is a viscous damping coefficient, k is a spring constant, and m is a load.
[0053]
The hardness of the road surface is determined by a proportional gain K which is a position feedback gain. _P (Equivalent to a spring constant), and the viscosity of the road surface is represented by a differential gain K which is a speed feedback gain. _D (Equivalent to the viscous damping coefficient c).
[0054]
That is, the proportional gain K _P Is set to a large value and the proportion of the proportional term in the manipulated variable output from the adder 86 is increased, thereby making it possible to reproduce a high-hardness road surface such as concrete or asphalt. As described above, since the hydraulic cylinder 8 can be considered to be constituted by the spring and the damper, the proportional gain K _P That is, by increasing the spring constant k, when the user 12 rides on the support roller 5 and the piston of the hydraulic cylinder 8 contracts, it rebounds with a force proportional to the positional deviation of the support roller 5 in the height direction. Thus, the hydraulic cylinder 8 is controlled, so that a road surface having high hardness can be simulated.
[0055]
Also, the differential gain K _D Is set to be large and the ratio of the differential term in the manipulated variables output from the adder 86 is increased, whereby a highly viscous road surface state such as a swamp can be reproduced. As described above, since the hydraulic cylinder 8 can be considered to be constituted by the spring and the damper, the differential gain K _D That is, by increasing the viscosity damping coefficient c, when the user 12 rides on the support roller 5 and the piston of the hydraulic cylinder 8 retracts, the user 12 rebounds with a force proportional to the speed deviation in the height direction of the support roller 5. Since the hydraulic cylinder 8 is controlled as described above, the support roller 5 sinks slowly, and a road surface with high viscosity can be reproduced.
[0056]
Next, the movement of the support roller 5 will be described with reference to FIG. The walking sensation presentation device 1 of the present invention can generate an arbitrary road surface shape by adjusting the height of the support roller 5, and further sends the generated road surface like a traveling wave by the control means 4. The user 12 can feel as if he / she is walking on an uneven road surface.
[0057]
FIG. 6 illustrates the movement of the support roller 5 and the belt 6 when a road surface following a sine curve is generated, for example. It is assumed that a sine curve for one cycle is simultaneously reproduced on the belt 6.
[0058]
First, in the initial state, as shown in (a), it is assumed that each support roller 5 is arranged so that a sine curve of one cycle in which both ends are raised is generated. At this time, the position of the vertex at the front end of the belt 6 is assumed to be A. The control means 4 controls the vertical position of the support roller 5 by the hydraulic cylinder 8 so that the sine-curved road surface advances backward, and circulates the belt 6 in accordance with the traveling speed of the road surface. .
[0059]
Here, FIG. 6B shows a state in which the phase has advanced 90 ° from the initial state (a), FIG. 6C shows a state in which the phase has advanced 180 °, and FIG. 6D shows a state in which the phase has advanced 270 °. , (E) shows a state advanced by 360 °. As shown in these figures, the support roller 5 is controlled by the control means 4 so that the road surface is sequentially fed backward, and the belt 6 moves in accordance with the progress of the road surface. That is, the position indicated by A of the belt 6 is always at the top of the sine curve.
[0060]
As described above, by controlling the hydraulic cylinders 8 and the drive source 17 so that the support roller 5 moves, the user 12 can feel as if he / she were actually walking on an uneven road surface. When simulating a swamp as a road surface condition, the differential gain K _D Is set to be large, it is possible to present to the user 12 a road surface state having a high viscosity as if sinking. Further, when simulating a rocky place or concrete as a road surface condition, the proportional gain K _P Is set to be large, the user 12 can be presented with a high hardness road surface condition. Further, the road surface shape is not limited to a sine curve and can be set to any shape.
[0061]
The present invention is not limited to the case where such a traveling wave is formed. For example, as shown in FIG. 7A, each support roller 5 is formed such that the height of the support roller 5 becomes higher toward the front. By fixedly arranging and driving only the belt 6, the user 12 can feel as if he is climbing a hill.
[0062]
In addition, as shown in FIG. 7B, a downward slope can be formed by fixedly disposing the support roller 5 so as to be lower toward the front.
[0063]
Further, as shown in FIG. 7C, only the belt 6 may be driven in a state where the support rollers 5 are alternately fixed vertically.
[0064]
Further, the walking sensation presentation device 1 provides not only the combination of the treadmill 2 and the display means 3 but also, for example, a plurality of speakers to provide sound according to the image to be displayed. An environment simulation system that is closer to the real environment can be constructed by installing it in a wind tunnel, presenting an artificial environment such as rain and wind, and managing the temperature with an air conditioner.
[0065]
Further, in the present embodiment, the display screen is provided in front of the user 12 as the display means. However, the present invention is not limited to such a form, and is configured by, for example, an HMD mounted on the head of the user 12. May be.
[0066]
Further, in the walking sensation presentation device 1 described above, the display means 3 and the treadmill 2 are combined and described as a device for presenting an environment. However, the present invention is not limited to such an application, and for example, only the treadmill 2 is used. For example, it may be used to measure a user's physical strength. Also in this case, by moving the set road surface shape like a traveling wave, it is possible to measure the physical strength when traveling on an uneven road surface.
[0067]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the road surface state simulating means can reproduce a high viscosity road surface such as a swamp by controlling the cylinder so that the roller descends according to the load of the user. By controlling the cylinder so that the roller does not descend even when the load of the user acts, it is possible to reproduce a hard surface such as concrete or rocky road.
[0068]
According to the second aspect of the present invention, the variable gain PID control unit multiplies a value obtained by multiplying the control deviation, which is a difference between the command value and the control amount, by the proportional gain, and a value obtained by multiplying the integral value of the control deviation by the integral gain. An operation amount that is the sum of the value and the value obtained by multiplying the differential value of the control deviation by the differential gain is output. If the cylinder is controlled as a spring and a dashpot, the proportional gain is equivalent to the spring constant.Therefore, setting a large proportional gain can reproduce a hard road surface, and the differential gain is equivalent to the viscous damping coefficient. Therefore, a road surface with high viscosity can be reproduced by setting a large differential gain.
[0069]
According to the third aspect of the present invention, by setting the proportional gain of the road surface state table to be large, it is possible to reproduce a hard road surface such as a rocky place or concrete where a user's feet do not sink, By setting a large differential gain in the road surface state table, a highly viscous road surface such as a swamp where the user's feet slowly sink can be reproduced.
[0070]
According to the present invention, by controlling the vertical position of each roller by the road surface shape simulating means, it is possible to reproduce an arbitrary road surface shape on the surface on which the user rides.
[0071]
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to simulate a state of walking on an arbitrary road surface shape by moving the arbitrary road surface shape rearward according to the belt.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a use state of a walking sensation presentation device 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a treadmill 2. FIG.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a control configuration of the walking sensation presentation device 1.
FIG. 4 is a block diagram showing a control system 50 of the walking sensation presentation device 1.
FIG. 5 is a block diagram showing a variable gain PID control unit 65.
FIG. 6 is a diagram showing the operation of a support roller 5 and a belt 6.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an arrangement state of a support roller 5;
[Explanation of symbols]
1 Walking sensation presentation device
2 Treadmill
3 Display means
4 control means
5 Support rollers
6 belt
7 Push-up roller
8 Hydraulic cylinder
17 Motor
51 Road surface shape / road surface condition control system
52 Belt running control system
62 Road surface shape / road surface data table storage unit
63 Road surface shape calculation unit
65 Variable gain PID control unit

Claims

A plurality of cylindrical rollers arranged substantially horizontally in parallel,
A cylinder that is individually provided for each roller and supports each roller so that it can be individually moved up and down,
According to the load applied to the cylinder from the user, the resilience according to the predetermined hardness and viscosity of the road surface to be simulated, to control each cylinder so as to apply to the roller to which the load is applied by the user. A walking sensation presentation device, comprising: road surface state simulation means for controlling the vertical position of each roller.

The road surface state simulation means, for each walking distance of the user, a road surface state table in which a predetermined proportional gain and differential gain are set, respectively,
A command value of the vertical position of each roller, a feedback control amount of the vertical position of each roller, and a proportional gain and a differential gain from the road surface state table are input, and the operation amount of the cylinder is output based on the input. The walking sensation presentation device according to claim 1, further comprising a variable gain PID control unit.

The said road surface state table, when simulating a road surface with high hardness, the proportional gain is set high, and when simulating a road surface with high viscosity, the differential gain is set high. Walking sensation presentation device.

The walking sensation presentation device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a road surface shape simulating unit that simulates the undulation of the road surface by controlling the vertical position of each roller by controlling the cylinder.

An endless belt shaped to be wound around the plurality of rollers,
Belt driving means for circulating the belt so that the belt upper surface moves rearward,
5. The walking sensation according to claim 4, wherein the road surface shape simulation means controls the vertical position of each roller so that the simulated undulation of the ground moves rearward at the same speed as the movement speed of the belt. Presentation device.