仮想現実における全方向歩行プラットフォームの発展の歴史

現在、仮想現実（VR）におけるユーザーの全方向歩行プラットフォーム（VRロコモーションプラットフォーム）の発展には、主に4つの方向性が存在します。現在利用されている多くのソリューションは、日本の筑波大学VRラボの研究者による科学研究を起点としており、仮想移動技術の発展に大きな影響を与えてきました。

以下では、全方向VRプラットフォームの各発展方向、その現状、そして多くの装置が依然として快適で現実的、かつ生理学的に正しい移動体験を提供できていない理由について順を追って解説します。

※本ページの最後には、本文で紹介したすべての装置の動作を示すYouTube動画を、本文と同じ順序でまとめて掲載しています。

1. 全方向トレッドミル（Omni-Directional Treadmill）

このカテゴリーには、構造的には従来のトレッドミルに類似しつつ、前後移動だけでなく左右移動も可能とする追加の自由度を備えた装置が含まれます。歩行面は複数のセグメントやモジュールに分割され、向きを変えることができ、システム全体としてユーザーを作業エリアの中央へ動的に戻す設計となっています。

この原理は、1997年に発表されたTorus TreadmillおよびOmni-Directional Treadmill（ODT）によって確立されました。

Torus Treadmillは筑波大学（日本）で開発され、ODTは米国のVirtual Space Devices社の技術者によって設計されました。詳細な構造は、米国特許US5562572A「Omni-Directional Treadmill」に記載されています。

Torus Treadmill 1997

Virtual Space Devices 1997

この分野における最大規模の商業的試みの一つが、欧州のCyberWalkプロジェクトです。その現代的な発展形としては、専門・産業用途向けに小型化・高度化されたINFINADECKが挙げられます。

制約と欠点

このタイプの全方向トレッドミルの主な欠点は以下の通りです。

構造が非常に複雑で大型であること

摩擦を伴う機械部品が多いこと

高出力の駆動系が必要であること

重量が大きく、消費電力や保守負担が高いこと

CybercarpetやStriderVRといったプロジェクトでは小型化が試みられましたが、原理的な制約は解消されていません。いずれも従来型トレッドミル機構にボール構造を組み合わせています。

Cybercarpetでは、ボールの下でトレッドミルが回転します

StriderVRでは、トレッドミルの上に配置されたボールブロックが回転します

実装の違いはあるものの、基本原理とその制約は同一です。

Disney Holotile

全方向トレッドミルの一種として、Disney Holotileは特筆すべき存在です。本装置では、個別に駆動される多数の電動ローラーによって歩行面が構成され、ユーザーの動きをリアルタイムで補正し、常にプラットフォーム中央へ戻します。

この方式により、ユーザーは作業領域内に留まりながら、あらゆる方向への歩行動作が可能となります。本コンセプトは、米国特許US20180217662A1（2017年）「Floor system providing omnidirectional movement of a person walking in a virtual reality environment」に詳述されています。

しかしながら、技術的に高度で独創的である一方、機械構造の複雑さやコスト、自然な動作の再現が難しいといったトレッドミル特有の課題は依然として残っています。

リアリズムの制限

この分野のすべての装置に共通する大きな欠点として、階段の上り下りや不整地での複雑な移動を現実的に再現できない点が挙げられます。これにより没入感が大きく低下し、リアルなVRシナリオでの利用が制限されます。

Cybercarpet StriderVR

2. 滑走および低摩擦効果を有するプラットフォーム

第2の方向性は、摩擦低減効果の利用に基づいている。
このようなシステムでは、以下が使用される。

・使用者の履物の靴底に取り付けられたローラー

・プラットフォーム上のローラーまたは球状要素

・特殊な低摩擦コーティング

このアプローチは、1995年に筑波大学の研究者がSIGGRAPHで発表した実験プロジェクト「Virtual Perambulator」に端を発しています。これは、ユーザーの歩行をシミュレートするために設計された、最も初期のVR移動インターフェースの一つでした。このデバイスは滑らかなプラスチックの表面と滑りやすい靴を使用し、歩行動作中に足が自由に滑ることを可能にしました。

この方向性の次の発展段階として登場したのが
Omni-direction Ball-bearing Disc Platform（OBDP）（1999年）であり、支持面に直接配置された多数のボールベアリングローラーが使用されていた。

現代の類似装置

このタイプの現代の商用装置（Virtuix Omni、Wizdish ROVR、WalkMouse、Cyberith Virtualizer、Kat Walk など）は、初期のプロトタイプと本質的にほとんど違いがない。改良点は主に安全およびハーネスシステムに関するものであり、歩行のリアリズムを向上させるものではない。

根本的な問題は滑走原理そのものにあり、使用者は足を表面上で「滑らせる」ことを強いられる。その感覚は主観的に氷上歩行に似ており、人間の自然な生体力学に適合しない。

Virtual Peranbulator

OBDP

3. 電動駆動靴（Powered Shoes）

第3の方向性は、使用者の履物に直接取り付けられた電動駆動ローラーの使用に基づいている。最初の装置は VR Lab, University of Tsukuba によって開発された Powered Shoes である。

Freeaim VR Shoes プロジェクトを含む現代の類似装置は、基本概念から大きく進化しておらず、依然として以下のような客観的問題を抱えている。

・歩行時における靴部品同士の衝突

・高い騒音レベル

・関節にかかる大きな衝撃負荷

・階段昇降や不整地移動を実現できないこと

昇降機構を使用者の脚部に直接配置することにより、システムは大型化し、実用性が低下する。

Powered Shoes

Freeaim VR Shoes

4. 足ごとに独立したプラットフォームを有する装置

第4の方向性は、各足に独立したプラットフォームを備える装置を含む。この種の多くのソリューションは、科学論文や試作機としてのみ存在していた。

この種の初期の開発例の一つは、「A foot following locomotion device with force feedback capabilities」と題された研究において報告されている。

本構造は、二つの可動アームと四自由度を備えたプラットフォームから構成されており、運用時に大きな負荷が発生するため、高出力の駆動装置を必要とする点が本装置の主要な欠点である。

同じ方向性に属する装置として Gait Master シリーズがある。

・Gait Master 1 ― 伸縮機構を備えた2つの可動フットプラットフォーム

・Gait Master 2 および Gait Master 5 ― University of Tsukuba の VR Lab による学術論文に記載。第

2および第5バージョンは医療リハビリテーション用途として開発された。

分類外の装置

CirculaFloor および VirtuSphere は、いずれの方向性にも属さないため、別途言及する必要がある。

CirculaFloor は、複数のロボット化されたプラットフォームが使用者の足元に順次配置されるシステムである。

VirtuSphere は、直径約2メートルの透明な回転球体であり、その内部に使用者が入る。
VirtuSphere の動作原理は、特許 RU2109336C1（1995年）

「仮想現実へのユーザー没入方法およびその実現装置」において初めて記載された。

結論

既存の VR 用全方向歩行デバイスを調査・試験した結果、リアリズム、快適性、安全性を同時に高水準で満たすソリューションは存在しないという結論に至った。

既存の類似装置と根本的に異なる Radix Omnidirectional Treadmill は、VR ロコモーション技術を新たな段階へ引き上げる可能性を有している。本装置に組み込まれたコンセプトは、構造の大幅な簡素化、生産コストの低減を可能にし、リアルな仮想移動をより広範なユーザーに提供するものである。