特開 2022-149250 足裏触覚デバイス、ＶＲシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022149250

(43)【公開日】2022-10-06

(54)【発明の名称】足裏触覚デバイス、ＶＲシステム

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/01 20060101AFI20220929BHJP

【ＦＩ】

G06F3/01 560

G06F3/01 510

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021051312

(22)【出願日】2021-03-25

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 公開日：令和２年１２月１１日 公開場所：電子通信情報学会 公開方法：学会（同年１２月１８日）の要旨集に掲載

(71)【出願人】

【識別番号】598123138

【氏名又は名称】学校法人 創価大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 義哉

(72)【発明者】

【氏名】今村 弘樹

【テーマコード（参考）】

5E555

【Ｆターム（参考）】

5E555AA08

5E555AA11

5E555AA27

5E555BA02

5E555BB02

5E555BC30

5E555BE17

5E555CA41

5E555CA44

5E555DA08

5E555DA24

5E555DB32

5E555DC85

5E555FA00

(57)【要約】

【課題】人が歩行する動作に対応させて、様々な地面状態に応じた触覚を発生させることができる足裏触覚デバイスを提供する。
【解決手段】足裏触覚デバイス４０は、足裏用の感圧センサ１２を有する入力装置１０と、足裏の複数箇所のそれぞれに当接する複数の足裏側シリンジ２２と、足裏側シリンジ２２を駆動させるステッピングモータ２６を有する出力装置２０と、入力装置１０及び出力装置２０を搭載する台座２８と、入力装置１０からの検出信号と外部信号とを受信して出力装置２０に出力信号を出力する制御装置３０を備えている。制御装置３０は、地面情報Ｑを受信したとき、感圧センサ１２で検出される圧力が地面情報Ｑに応じた値となるように足裏側シリンジ２２のそれぞれを駆動させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被験者の足裏に対して触覚を発生させる足裏触覚デバイスであって、
前記足裏にかかる圧力を検出する感圧センサを有する入力装置と、
前記足裏の複数箇所のそれぞれに当接するように設けられた複数の当接部と、前記当接部のそれぞれを駆動させる１又は複数の駆動部とを有する出力装置と、
前記入力装置及び前記出力装置を搭載する台座と、
前記入力装置からの検出信号と前記入力装置以外からの外部信号とを受信し、前記出力装置に出力信号を出力する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記外部信号として少なくとも地面の固さ情報を有する地面情報を受信したとき前記駆動部を制御し、前記感圧センサで検出される圧力が前記地面情報に応じた値となるように前記当接部の各々を駆動させることを特徴とする足裏触覚デバイス。

【請求項2】

前記地面情報は、地面の３次元座標情報をさらに有し、
前記制御装置は、前記３次元座標情報に基づいて前記当接部の各々を駆動させることを特徴とする請求項１に記載の足裏触覚デバイス。

【請求項3】

両足に対応した請求項１又は２に記載の足裏触覚デバイスと、
前記足裏触覚デバイスを装着した被験者のアバターを仮想空間上で表示可能な画像表示装置と、
前記被験者の足の動きに連動して前記アバターの足が動くように画像処理を行う画像処理装置と、を備えるＶＲシステムであって、
前記入力装置は、前記被験者の足が移動したとき、前記台座の移動量を検出する移動量検出部と、前記台座の加速度及び角速度を計測することにより前記被験者の移動方向を検出する移動方向検出部とをさらに有し、
前記制御装置は、前記感圧センサが検出した圧力と、前記移動量検出部が検出した前記移動量と、前記移動方向検出部が検出した前記移動方向とを前記画像処理装置に送信し、
前記画像表示装置において、前記画像処理装置に基づいて前記アバターを動作させることを特徴とするＶＲシステム。

【請求項4】

前記制御装置は、前記アバターが前記仮想空間上で歩行したとき、前記地面情報に基づいて前記駆動部を制御することにより前記当接部の各々を駆動させることを特徴とする請求項３に記載のＶＲシステム。

【請求項5】

前記移動量検出部は、前記被験者の足が移動したとき、磁石が埋め込まれたローラが回転することにより前記移動量を検出するホールセンサであり、
前記ホールセンサは、前記感圧センサの圧力検出時に前記移動量を検出可能であることを特徴とする請求項３又は４に記載のＶＲシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、足裏に対して触覚を発生させる足裏触覚デバイス、当該足裏触覚デバイスを備えるＶＲシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、Virtual Reality（ＶＲ）技術がシミュレーション、トレーニング等の様々な分野に取り入れられ、人々の生活に役立っている。また、ＶＲ技術と触覚技術とが組み合わされ、遠隔地から仮想空間上の３次元オブジェクトに触れる体験等が可能となっている。このような技術は、手の触覚のみならず、足の触覚にも応用されている。

【0003】

下記の特許文献１（公知技術１）のスマートシューズにおいては、シューズ上に組み込まれたコントローラが、１つ以上のセンシング要素から受け取られたデータを用いて圧力マッピング表示を生成する。圧力マッピング表示は、モバイルデバイスのユーザインターフェース中に提示される。

【0004】

当該コントローラは、当該センシング要素からのデータを用いて、動きアニメーション表示を生成することができる。動きアニメーション表示は、スマートシューズを履いている人と同様に動き得るアバターを含み、その人の動きはアバターに実質的に反映される（特許文献１／段落００５１，００５２、図６）。

【0005】

また、近年では、足裏の位置に複数のシリンジを備えた装置をスライドさせ、触覚を得ることができる触覚デバイスが知られている。この装置では、スライドさせたときに各シリンジを押し上げるように制御することで、足裏に触覚を発生させることができる（公知技術２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０２０－５１８２９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

公知技術１のスマートシューズは、固い表面（剛体）上であれば圧力マッピングを行い易いが、比較的柔らかい表面（可塑性体）上においては、正確な圧力マッピングが難しいという問題があった。

【0008】

また、公知技術２の触覚デバイスは、足裏の触覚の大小を被験者に認識させることができる点で優れているが、スライド動作のみを想定しており、足を持ち上げる動作には対応していない。そのため、３次元オブジェクトの表面をなぞる触覚は得られるが、歩行しているとき人が足裏で感じるような触覚は得られなかった。

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、人が歩行する動作に対応させて、様々な地面状態に応じた触覚を発生させることができる足裏触覚デバイスを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１発明は、被験者の足裏に対して触覚を発生させる足裏触覚デバイスであって、
前記足裏にかかる圧力を検出する感圧センサを有する入力装置と、前記足裏の複数箇所のそれぞれに当接するように設けられた複数の当接部と、前記当接部のそれぞれを駆動させる１又は複数の駆動部とを有する出力装置と、前記入力装置及び前記出力装置を搭載する台座と、前記入力装置からの検出信号と前記入力装置以外からの外部信号とを受信し、前記出力装置に出力信号を出力する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記外部信号として少なくとも地面の固さ情報を有する地面情報を受信したとき前記駆動部を制御し、前記感圧センサで検出される圧力が前記地面情報に応じた値となるように前記当接部の各々を駆動させることを特徴とする。

【0011】

第１発明の足裏触覚デバイスは、入力装置と、出力装置と、制御装置とを備えている。制御装置は、外部信号として地面情報（地面の固さ情報）を受信したとき、足裏触覚デバイスの被験者がその触覚を感じることができるように、当接部の各々を駆動させる。特に、使用時には、感圧センサが常に圧力を検出しているため、制御装置は、その圧力が地面情報に応じた値となるように当接部の各々を駆動して制御する。これにより、本デバイスは、様々な固さの地面に応じた触覚を発生させることができる。

【0012】

第１発明の足裏触覚デバイスにおいて、前記地面情報は、地面の３次元座標情報をさらに有し、前記制御装置は、前記３次元座標情報に基づいて前記当接部の各々を駆動させることが好ましい。

【0013】

地面情報は、地面の固さ情報に加えて、地面の３次元座標情報を有している。このため、制御装置は、圧力が当該地面情報に応じた値となるように当接部の各々を駆動して制御する。これにより、本デバイスは、所定の位置、傾斜又は凹凸のある地面に応じた触覚を発生させることができる。

【0014】

第２発明は、両足に対応した上記の足裏触覚デバイスと、前記足裏触覚デバイスを装着した被験者のアバターを仮想空間上で表示可能な画像表示装置と、前記被験者の足の動きに連動して前記アバターの足が動くように画像処理を行う画像処理装置と、を備えるＶＲシステムであって、
前記入力装置は、前記被験者の足が移動したとき、前記台座の移動量を検出する移動量検出部と、前記台座の加速度及び角速度を計測することにより前記被験者の移動方向を検出する移動方向検出部とをさらに有し、前記制御装置は、前記感圧センサが検出した圧力と、前記移動量検出部が検出した前記移動量と、前記移動方向検出部が検出した前記移動方向とを前記画像処理装置に送信し、前記画像表示装置において、前記画像処理装置に基づいて前記アバターを動作させることを特徴とする。

【0015】

第２発明のＶＲシステムは、上記足裏触覚デバイスと、被験者のアバターを仮想空間上で表示可能な画像表示装置と、アバターの足が被験者の足と連動して動くように画像処理を行う画像処理装置とを備えている。足裏触覚デバイスの被験者が足を動かすと台座が移動するため、感圧センサの圧力、移動量検出部の移動量、そして移動方向検出部の移動方向が制御装置に送信され、制御信号が画像処理装置に送信される。これにより、本システムは、画像表示装置において、アバターが被験者の足の動きを再現することができる。

【0016】

第２発明のＶＲシステムにおいて、前記アバターが前記仮想空間上で歩行したとき、前記地面情報に基づいて前記駆動部を制御することにより前記当接部の各々を駆動させることが好ましい。

【0017】

例えば、アバターが仮想空間上で凹凸のある固い地面を歩行したとき、地面情報を受けた制御装置が駆動部を制御する。このとき、制御装置が地面状態に応じて各当接部の各々を駆動させるので、被験者が当該地面状態に応じた足裏の触覚を得ることができる。

【0018】

また、第２発明のＶＲシステムにおいて、前記移動量検出部は、前記被験者の足が移動したとき、磁石が埋め込まれたローラが回転することにより前記移動量を検出するホールセンサであり、前記ホールセンサは、前記感圧センサの圧力検出時に前記移動量を検出可能であることが好ましい。

【0019】

移動量検出部は、被験者の足（台座）が移動してローラが回転したとき、ホールセンサが磁石の磁気を検出することで移動量を検出する。また、ホールセンサは、感圧センサの圧力検出時に前記移動量を検出可能であるため、ローラの空転は検出されず、アバターの不要な動きを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１実施形態に係るＶＲシステムの概要を説明する図。

【図2】第１実施形態に係る足裏触覚デバイスの詳細を説明する図。

【図3】被験者が歩行したときの足裏の接触パターンの一例を示す図。

【図4】足裏触覚デバイスの足裏側シリンジの配列を説明する図。

【図5】被験者が歩行したときの圧力変化のタイミングチャート。

【図6A】ＶＲシステムで行われる各種制御のフローチャート（前半）。

【図6B】ＶＲシステムで行われる各種制御のフローチャート（後半）。

【図7】本発明の第２実施形態に係るＶＲシステムに含まれる足裏触覚デバイスの詳細を説明する図。

【図8】第２実施形態の足裏触覚デバイスの入出力の相関グラフを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る足裏触覚デバイス、当該足裏触覚デバイスを備えるＶＲシステムの実施形態について説明する。

【0022】

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態のＶＲシステム１の概要を示している。

【0023】

ＶＲシステム１は、主に入力装置１０、出力装置２０、制御装置３０、コンピュータ５０及びヘッドマウントディスプレイ６０で構成されている。また、入力装置１０、出力装置２０及び制御装置３０は、後述する足裏触覚デバイス４０を構成する。

【0024】

入力装置１０は、感圧センサ１２と、ホールセンサ１４と、慣性計測装置１６とからなる。感圧センサ１２は、被験者が足裏触覚デバイス４０を装着したとき、足裏触覚デバイス４０の底部が地面に接触しているか否かを判定する圧力センサである。

【0025】

ホールセンサ１４は、半導体のホール効果を利用した磁気センサである。詳細は後述するが、ホールセンサ１４がローラに埋め込まれた磁石の接近を検知することにより、足裏触覚デバイス４０の移動量を検出する。

【0026】

また、慣性計測装置（IMU：Inertial Measurement Unit）１６は、加速度センサにより並進方向の運動を検出し、角速度（ジャイロ）センサにより回転方向の運動を検出する装置である。慣性計測装置１６は、合計６軸の運動を計測して足裏触覚デバイス４０の向きを決定する。感圧センサ１２、ホールセンサ１４及び慣性計測装置１６の各検出信号は、制御装置３０に送信される。

【0027】

出力装置２０は、足裏側シリンジ２２と、モータ側シリンジ２４と、ステッピングモータ２６とからなる。足裏側シリンジ２２、モータ側シリンジ２４及びステッピングモータ２６は、制御装置３０からの出力信号を受信して駆動し、被験者の足裏に与える圧力を調整することができる。

【0028】

足裏側シリンジ２２（本発明の「当接部」）は、被験者の足Ｆ（図２参照）の足裏に当接するように立てて設けられたシリンジであり、モータ側シリンジ２４は、ステッピングモータ２６と接続されたシリンジである。なお、本実施形態の「シリンジ」は円筒部とピストンからなり、空気圧によりピストンが移動する、いわゆるエアシリンダである。

【0029】

ステッピングモータ２６（本発明の「駆動部」）は、入力パルス信号の数に応じて回転するモータであり、正確な位置決めを行うことができる。今回使用するステッピングモータ２６は、軸部が直線運動することによりモータ側シリンジ２４を駆動させるアクチュエータである。

【0030】

制御装置３０は、入力装置１０及び出力装置２０と信号の送受信が可能であり、コンピュータ５０とは有線又は無線で制御信号の送受信が可能となっている。今回、制御装置３０として、ワンボードマイコン“Arduino（登録商標）”を使用した。また、コンピュータ５０は、ゲームエンジン“Unity（登録商標）”を搭載しており、所定の画像処理を行って映像信号を作成し、仮想空間上のアバターの動作に反映させる。

【0031】

当該映像信号による映像は、被験者が装着可能な表示装置であるヘッドマウントディスプレイ６０にて表示される。また、制御装置３０は、アバターが存在する仮想空間における地面の形状及び材質（地面テクスチャ）、そして被験者の足の動きに合わせてステッピングモータ２６を駆動し、被験者の足裏への圧力による触覚を再現する。なお、当該アバターは、コンピュータ５０のディスプレイに表示してもよいので、ヘッドマウントディスプレイ６０はＶＲシステム１の必須の構成ではない。

【0032】

ここで、図２に、第１実施形態に係る足裏触覚デバイス４０（被験者が装着した状態）の詳細を示す。

【0033】

足裏触覚デバイス４０において、複数の足裏側シリンジ２２は、足裏の複数箇所のそれぞれに当接するように台座２８上に設けられている。台座２８の下面側には、感圧センサ１２ａ，１２ｂ、ホールセンサ１４及び慣性計測装置１６が設けられている。また、台座２８は、被験者の足Ｆを足裏触覚デバイス４０に固定するためのバンド２９を有している。

【0034】

図示するように、感圧センサ１２ａ，１２ｂは、それぞれ台座２８の前後方向に１つずつ配置されている。例えば、アバターの存在する仮想空間の地面が柔軟な可塑性体である場合は、感圧センサ１２ａ，１２ｂが踏み込む足の力に応じた圧力の差異を検出する。そして、制御装置３０が制御情報として地面情報Ｑを受信したとき、地面テクスチャ（可塑性体の地面）に応じてステッピングモータ２６を駆動させる。なお、可塑性体の地面とは、例えば、ラバー状、スポンジ状又はゼリー状の地面、マット、砂場、草原、雪面等の表面上を意味する。

【0035】

制御装置３０に送信される地面情報Ｑは、仮想空間上の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）に加えて、地面の固さのパラメータρを含む。制御装置３０は、地面情報Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ρ）に基づいて、足裏に圧力の強弱が発生するようにステッピングモータ２６の駆動を調整する。

【0036】

例えば、地面情報Ｑの座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０，ρ１）、（ｘ０，ｙ５，ｚ０，ρ１）、（ｘ５，ｙ０，ｚ０，ρ１）、（ｘ５，ｙ５，ｚ０，ρ１）で囲まれる平面領域は地面の固さがρ１であり、それ以外の領域は地面の固さがρ２（＜ρ１）であるとする。この場合、制御装置３０は、当該領域内では足裏に、床反力に応じた同等のフィードバック圧力Ｐ１が発生するように制御するが、当該平面領域の外側に移動したとき、フィードバック圧力Ｐ１よりもΔＰだけ小さいフィードバック圧力Ｐ２が発生するように制御する。

【0037】

また、地面情報Ｑは、ｚ座標の値が徐々に変化する傾斜面、又はｚ座標の値がランダムに変化する凹凸面を表すことができる。このような地面情報Ｑが入力された場合には、制御装置３０は、足裏の各位置（つま先、中央、踵等）で異なるフィードバック圧力Ｐが発生するように制御する。

【0038】

ホールセンサ１４は、前側の感圧センサ１２ａの下方に配置されている。ホールセンサ１４は、主に足裏触覚デバイス４０の前後方向に回転するローラ１４ａを有し、ローラ１４ａが回転したときに接近する磁石１４ｂの磁気を検知して、足（台座２８）の移動量を検出する。当該移動量は、上述のアバターの動作に反映される。後側の感圧センサ１２ｂの下方には、ローラ１４ａ’が設けられ、足が移動し易い構成となっているが、ホールセンサ及び磁石は有していない。

【0039】

また、ホールセンサ１４は、感圧センサ１２ａが圧力を検知しているときにのみ移動量を検知する。これにより、ローラ１４ａ，１４ａ’の空転時にアバターが移動してしまうことを防止することができる。

【0040】

慣性計測装置１６は、台座２８の最も後方側に配置されている。両足に対応した足裏触覚デバイス４０の慣性計測装置１６の各々は、左右の足の向きを計測する。制御装置３０は、計測された左足の向きと右足の向きがなす角を二等分した方向をアバターの進行方向として設定する。

【0041】

ステッピングモータ２６は、台座２８とは別体となっている。ステッピングモータ２６は、制御装置３０からの出力信号を受信して、被験者の足裏に地面テクスチャに応じた触覚を発生させる。モータ側シリンジ２４はステッピングモータ２６の鉄心と結合されている

【0042】

また、足裏側シリンジ２２とモータ側シリンジ２４とは、チューブ２５で接続されている。このため、モータ側シリンジ２４及びステッピングモータ２６は、足裏側シリンジ２２と物理的距離を離すことができる。ステッピングモータ２６が駆動（直線運動）してモータ側シリンジ２４が押し出されると、チューブ２５を介して足裏側シリンジ２２が押し上げられ、足裏に圧力が発生する。

【0043】

詳細は後述するが、本実施形態の足裏側シリンジ２２は１０分割されているため、足裏に圧力を発生させる面を細分化して地面テクスチャの触覚を再現する。なお、ステッピングモータを複数用意して、１つのステッピングモータで２個の足裏側シリンジを駆動させる等の態様としてもよい。

【0044】

次に、図３～図５を参照して、足裏触覚デバイス４０を装着した被験者が歩行したときの圧力検出について説明する。

【0045】

まず、図３に、被験者が歩行したときの足裏の接触パターンの一例を示す。当該接触パターンは、被験者が足裏触覚デバイス４０を装着したときも同様である。

【0046】

まず、（ａ）時刻Ｔ＝ｔ_０は、被験者の足が地面に着地する直前の状態である。その後、（ｂ）時刻Ｔ＝ｔ_１にて踵から地面に着地し、さらに（ｃ）時刻Ｔ＝ｔ_２にて足裏の踵部分が地面に接触する。

【0047】

そして、（ｄ）時刻Ｔ＝ｔ_３にて足裏全体が地面に接触した状態となり、（ｅ）時刻Ｔ＝ｔ_４にて踵が地面から離れる。さらに、（ｆ）時刻Ｔ＝ｔ_５にてつま先のみ地面に接触した状態となり、（ｇ）時刻Ｔ＝ｔ_６にて足裏全体が地面から離れる。すなわち、時刻Ｔ＝ｔ_０～ｔ_６が被験者の片足の一歩の動作である。

【0048】

次に、図４に、足裏触覚デバイス４０の足裏側シリンジ２２の配列を示す。足裏側シリンジ２２は、シリンジ２２ａ～２２ｊを２×５で配列しており、それぞれが独立して駆動する。

【0049】

ここで、シリンジ２２ａのフィードバック圧力は「ｆ１１」であり、シリンジ２２ｂのフィードバック圧力は「ｆ１２」である。つま先部分にかかる圧力Ｆ１は、シリンジ２２ａの圧力ｆ１１とシリンジ２２ｂの圧力ｆ１２との和で与えられる。

【0050】

また、シリンジ２２ｃのフィードバック圧力は「ｆ２１」であり、シリンジ２２ｄのフィードバック圧力は「ｆ２２」であるため、つま先に隣接する部分にかかる圧力Ｆ２は、シリンジ２２ｃの圧力ｆ２１とシリンジ２２ｄの圧力ｆ２２との和で与えられる。

【0051】

同様にして、シリンジ２２ｉのフィードバック圧力は「ｆ５１」であり、シリンジ２２ｊのフィードバック圧力は「ｆ５２」であるため、踵部分にかかる圧力Ｆ５は、シリンジ２２ｉの圧力ｆ５１とシリンジ２２ｊの圧力ｆ５２との和で与えられる。

【0052】

足裏側シリンジ２２を構成するシリンジは２×５の配列に限られず、例えば、より細かい３×６の配列としてもよい。特に、可塑性体の地面の場合、土踏まずの部分も地面と接触するため、より正確に足裏の触覚を再現することができる。

【0053】

また、足裏側シリンジ２２を構成するシリンジは、つま先に隣接する部分の２箇所（例えば、拇指球と小指球）、踵部分の１箇所のような最小の構成としてもよい。特に、固い地面の場合、土踏まずの部分は地面と接触しないため、この部分のシリンジを省略したり、仮想空間上のアバターが凹凸のある地面を歩行した場合にのみ作動するシリンジを設けるようにしたりしてもよい。

【0054】

次に、図５を参照して、足裏触覚デバイス４０を装着した被験者が歩行したときの圧力変化のタイミングチャートを説明する。なお、図５において、横軸が時刻Ｔ［ｓ］、縦軸が圧力Ｐ［Ｎ／ｍ^２］である。

【0055】

図示するように、時刻Ｔ＝ｔ_０～ｔ_１の期間において、踵部分の圧力Ｆ５が２０［Ｎ／ｍ^２］まで上昇するような触覚が発生する。踵部分は、時刻Ｔ＝ｔ_４で地面から完全に離れてしまうため、時刻Ｔ＝ｔ_１～ｔ_４の期間で圧力Ｆ５が徐々に減少するように制御される。

【0056】

また、踵に隣接する部分の圧力Ｆ４は、時刻Ｔ＝ｔ_１～ｔ_２の期間において徐々に上昇し、時刻Ｔ＝ｔ_２～ｔ_４の期間において徐々に減少するように制御される。

【0057】

一方、つま先部分は、時刻Ｔ＝ｔ_３で地面に接触するため、時刻Ｔ＝ｔ_３～ｔ_４の期間で圧力Ｆ１が徐々に増加し、時刻Ｔ＝ｔ_５から減少するように制御される。

【0058】

つま先に隣接する部分は、時刻Ｔ＝ｔ_２～ｔ_５の期間において圧力Ｆ２が約１４［Ｎ／ｍ^２］まで上昇するような触覚が発生する。その後、圧力Ｆ２は、時刻Ｔ＝ｔ_２～ｔ_４の期間において徐々に減少するように制御される。

【0059】

また、足裏中央の圧力Ｆ３は、時刻Ｔ＝ｔ_１と時刻Ｔ＝ｔ_２の間の時刻から上昇し、時刻Ｔ＝ｔ_３で最大となり、その後、徐々に減少するように制御される。

【0060】

上記結果は、地面が比較的固い場合の例であるが、足裏触覚デバイス４０を用いることで、被験者の足裏に地面を歩いた時の触覚を発生させることができる。地面が柔らかい場合においても、足裏に発生させる触覚は同様の傾向になると考えられるが、圧力Ｐの値は小さくなる。本実施形態のステッピングモータ２６は、このような圧力の調整が可能となっている。

【0061】

次に、図６Ａ、図６Ｂを参照して、ＶＲシステム１で行われる各種制御のフローチャートを説明する。なお、ここでは、被験者が両足に足裏触覚デバイス４０を装着していることを前提とする。

【0062】

図６Ａにおいて、まず、アバターの表示を開始する（ステップＳ０１）。これにより、被験者は、ヘッドマウントディスプレイ６０によって、仮想空間上で動作するアバター（特に、アバター視点の風景）を確認することができる。

【0063】

その後、被験者が動かした足が左足か否かが判定される（ステップＳ０２）。動かした足が左足と判定された場合にはステップＳ０３に進み、右足と判定された場合にはステップＳ１３（図６Ｂ参照）に進む。

【0064】

初めに、動かした足が左足と判定された場合（ステップＳ０２で「ＹＥＳ」）を説明する。この場合、慣性計測装置１６によって左足の向きを計測する（ステップＳ０３）。続いて、アバターの左足の向きを決定する（ステップＳ０４）。具体的には、アバターの左足の向きが慣性計測装置１６で計測された左足の向きと一致するように制御される。

【0065】

このとき、アバターの右足の向きも同時に決定するため、アバターの進行方向が決定する（ステップＳ０５）。進行方向は、慣性計測装置１６で計測された左足の向きと右足の向きから計算により決定される。

【0066】

次に、左足の感圧センサ１２がオンしているか否かが判定される（ステップＳ０６）。これは、左足の足裏触覚デバイス４０が地面と接触しているかの判定である。感圧センサ１２がオンしている場合にはステップＳ０７に進み、オンしていない場合にはステップＳ０８に進む。

【0067】

感圧センサ１２がオンしている場合（ステップＳ０６で「ＹＥＳ」）、アバターの左足を着地させる（ステップＳ０７）。一方、感圧センサ１２がオンしていない場合（ステップＳ０６で「ＮＯ」）、アバターの左足を地面から離す（ステップＳ０８）。このとき、被験者は、ヘッドマウントディスプレイ６０によって、左足の動きに対応したアバターの動作を確認することができる。

【0068】

ステップＳ０７の後、左足のホールセンサ１４がオンしているか否かが判定される（ステップＳ０９）。左足のホールセンサ１４がオンしている場合にはステップＳ１０に進み、オンしていない場合にはステップＳ１２に進む。

【0069】

左足のホールセンサ１４がオンしている場合（ステップＳ０９で「ＹＥＳ」）、アバターの右足を移動する（ステップＳ１０）。ここでは、ステップＳ０５（図６ＢのステップＳ０５’）の進行方向の情報を利用する。歩行の動作では、片足を前に進めると逆足は相対的に後ろに下がることになるため、地面に着いた状態である左足とは逆足（右足）が進行方向に移動する。

【0070】

次に、左足用のステッピングモータ２６を制御する（ステップＳ１１）。これにより、仮想空間の地面テクスチャに応じた圧力（触覚）が生じるように、左足の足裏触覚デバイス４０（足裏側シリンジ２２）が動作する。その後、ステップＳ１２に進む。

【0071】

次に、動かした足が右足と特定された場合（ステップＳ０２で「ＹＥＳ」）を説明する。図６Ｂにおいて、慣性計測装置１６によって右足の向きを計測する（ステップＳ１３）。続いて、アバターの右足の向きを決定する（ステップＳ１４）。ここでは、アバターの右足の向きが慣性計測装置１６で計測された右足の向きと一致するように制御される。そして、アバターの進行方向が決定する（ステップＳ０５’）。

【0072】

次に、右足の感圧センサ１２がオンしているか否かが判定される（ステップＳ１６）。これは、右足の足裏触覚デバイス４０が地面と接触しているかの判定である。感圧センサ１２がオンしている場合にはステップＳ１７に進み、オンしていない場合にはステップＳ１８に進む。

【0073】

感圧センサ１２がオンしている場合（ステップＳ１６で「ＹＥＳ」）、アバターの右足を着地させる（ステップＳ１７）。一方、感圧センサ１２がオンしていない場合（ステップＳ１６で「ＮＯ」）、アバターの右足を地面から離す（ステップＳ１８）。このとき、被験者は、ヘッドマウントディスプレイ６０によって、右足の動きに対応したアバターの動作を確認することができる。

【0074】

ステップＳ１７の後、右足のホールセンサ１４がオンしているか否かが判定される（ステップＳ１９）。右足のホールセンサ１４がオンしている場合にはステップＳ２０に進み、オンしていない場合にはステップＳ１２（図６Ａ）に進む。

【0075】

右足のホールセンサ１４がオンしている場合（ステップＳ１９で「ＹＥＳ」）、アバターの左足を移動する（ステップＳ２０）。具体的には、地面に着いた状態である右足とは逆足（左足）が進行方向に移動する。なお、ステップＳ０５’（図６ＡのステップＳ０５）の進行方向の情報を利用する。

【0076】

次に、右足用のステッピングモータ２６を制御する（ステップＳ２１）。これにより、仮想空間の地面テクスチャに応じた圧力（触覚）が生じるように、右足の足裏触覚デバイス４０（足裏側シリンジ２２）が動作する。その後、ステップＳ１２に進む。

【0077】

最後に、アバターの動作を停止する（ステップＳ１２）。具体的には、足裏触覚デバイス４０の検出信号に対応したアバターの動作が終了となるため、被験者は、ヘッドマウントディスプレイ６０によって、仮想空間上の停止したアバターを確認することができる。以上のように、ＶＲシステム１の被験者は、仮想空間の映像を見つつ地面テクスチャに応じた足裏の触覚を得ることで、あたかも仮想空間を歩行したような体験をすることができる。

【0078】

［第２実施形態］
次に、図７、図８を参照して、第２実施形態に係る足裏触覚デバイス７０を説明する。なお、第１実施形態の足裏触覚デバイス４０と同じ構成については同じ符号を付し、一部説明を省略する。

【0079】

図７に示す足裏触覚デバイス７０において、複数の足裏側シリンジ２２は、足裏の複数箇所のそれぞれに当接するように台座２８上に設けられている。台座２８は、その下面側に感圧センサ１２ａ，１２ｂ、ホールセンサ１４，１４’及び慣性計測装置１６が設けられている。

【0080】

ホールセンサ１４’は、後方の感圧センサ１２ｂの下方に取り付けられており、ローラ１４ａ’を有し、ローラ１４ａ’の磁石１４ｂ’の接近を検知して足（台座２８）の移動量を検出する。被験者の歩行は、つま先だけ地面に接地している時間と、踵だけ地面に接地している時間があるため（図３参照）、足裏触覚デバイス７０の前方及び後方でそれぞれ移動量を検出した方が正確な数値が得られる。

【0081】

なお、ホールセンサ１４から得られた移動量と、ホールセンサ１４’から得られた移動量とは、何れか一方（最大値又は最小値）の値を採用したり、双方の平均値を採用したりして適宜調整すればよい。

【0082】

感圧センサ１２ａ，１２ｂは、第１実施形態と同様にそれぞれ足裏触覚デバイス７０の前後方向に１つずつ配置されている。さらに、第２実施形態では、足裏側シリンジ２２の各々が、足裏と接触する上面側に感圧センサ１３を備えている。

【0083】

足裏側シリンジ２２が１０個のシリンジ２２ａ～２２ｊで構成されるとき（図４参照）、それぞれのシリンジ２２ａ～２２ｊに対して感圧センサ１３ａ～１３ｊが配置される。これにより、被験者の足裏の圧力を正確に検出することができる。

【0084】

ステッピングモータ２６は、制御装置３０からの出力信号を受信して、被験者の足裏に地面テクスチャに応じた触覚を発生させる。入力装置１０の圧力信号（倍率）が変化すると、それに伴い出力装置２０の圧力信号（倍率）が変化する。

【0085】

最後に、図８を参照して、足裏触覚デバイス７０の入出力の相関グラフを説明する。相関グラフにおいて、横軸は感圧センサ１２，１３による入力倍率であり、縦軸はステッピングモータ２６の出力倍率である。

【0086】

図示するように、感圧センサ１２，１３による入力倍率が１．０未満の場合、ステッピングモータ２６の出力倍率は０であり、圧力（出力信号）は出力されない。しかし、入力倍率が１．０に到達すると出力倍率が１．０となり、入力倍率が１．５のとき出力倍率が１．５というように比例関係となる。足裏触覚デバイス７０は、これを応用して所望の出力を得ることができる。

【0087】

以上、本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。上記各実施形態の足裏側シリンジ２２及びモータ側シリンジ２４は何れもエアシリンダであったが、それぞれ上下動を制御することが可能なアクチュエータ（例えば、油圧式又は機械式のシリンダ）に置き換え可能である。

【0088】

また、ホールセンサ１４の代わりに光学的に移動量を検出するセンサを用いてもよいし、ステッピングモータ２６の代わりにソレノイドコイル等を用いた駆動部を採用してもよい。

【符号の説明】

【0089】

１…ＶＲシステム、１０…入力装置、１２，１２ａ，１２ｂ，１３，１３ａ～１３ｊ…感圧センサ、１４，１４’…ホールセンサ、１４ａ，１４ａ’…ローラ、１４ｂ，１４ｂ’…磁石、１６…慣性計測装置、２０…出力装置、２２…足裏側シリンジ、２２ａ～２２ｊ…シリンジ、２４…モータ側シリンジ、２５…チューブ、２６…ステッピングモータ、２８…台座、２９…バンド、３０…制御装置、４０，７０…足裏触覚デバイス、５０…コンピュータ、６０…ヘッドマウントディスプレイ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】