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Motor learning model with reuse of partial dynamics based on estimation of transformation of mapping

Publicly Offered Research

Project AreaHyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
Project/Area Number 20H05467
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionShizuoka University

Principal Investigator

小林 祐一  静岡大学, 工学部, 准教授 (60373304)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords運動学習 / 情報の再利用 / 変数変換推定 / 分散型計算法 / ダイナミクス / 知識の再利用 / 部分ダイナミクス推定 / 関数マッチング / 格子状マップ生成 / 再利用
Outline of Research at the Start

人間の適応力には,身体または脳に部分的機能不全が起きた際に,過去に獲得した神経回路を再利用して機能を適応的に回復させる能力が含まれ,その過程を理解することが求められている.本研究では,運動制御において種々のセンサ信号の間の依存関係を推定し制御器を自動生成するモデルを提案し,そのモデルに新たに写像間の変換推定という機構を導入することで,過去に獲得した制御器の中の部分的なダイナミクスを再利用する過程を説明する運動学習モデルを開発する.双腕の運動制御モデルのシミュレーションを実装し,部分ダイナミクスの転用学習を実装しその効果を検証する.

Outline of Annual Research Achievements

人間の適応力には,身体または脳に部分的機能不全が起きた際に,過去に獲得した神経回路を再利用して機能を適応的に回復させる能力が含まれる.例えば,神経回路の代替の例として,片手が麻痺した場合,その手を通常とは異なる神経回路によって制御できることが分かっている.上肢の運動制御においては,筋肉長,筋収縮力,関節トルク,関節角度,手先位置など,異なるモダリティをもつ複数のセンサ変数(体性感覚情報)によりその状態を表現することができる.さらに,それらのセンサ変数間には,関節角度と手先位置を関係づける運動学,関節角トルクと関節角加速度を関係づける運動方程式など,複数の因果(依存)関係が存在する.本研究では,運動制御において種々のセンサ信号の間の依存関係を推定し制御器を自動生成するモデルを過去の研究成果にもとづいて提案し,そのモデルに新たに写像間の変換推定という機構を導入することで,過去に獲得した制御器の中の部分的な因果関係を再利用する過程を説明する運動学習モデルを開発した.
具体的には,運動学習過程における運動制御器の情報の再利用を可能にする運動学習モデルの提案のために,適応的な格子による関数のマッチングを行うことによる部分的な因果関係の間の変換推定手法を提案した.格子状に分布するノードによる分散型のアルゴリズムによる座標の対応づけ方法を定義し,エネルギー関数によって変換の滑らかさを正則化項として用いながら関数同士のマッチングを推定する.実装方法の一つとして遺伝的アルゴリズムを用いた最適化が適用可能であることを示した.例題として左右対称の運動学的特性をもつ双腕の手先位置制御課題を設定した.左腕制御器の内部で表現されている観測変数間の部分的な因果関係を,入力の座標変換によって右腕制御器で利用可能にするための座標変換が分散的な計算方法によって獲得できることを示した.

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Supervised learning of mapping from sensor space to chained form for unknown non-holonomic driftless systems2021

    • Author(s)
      Francisco. G. Arjonilla and Yuichi Kobayashi
    • Journal Title

      Industrial Robot

      Volume: -

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 上肢運動学習における部分的因果関係の変換推定のための適応的格子配置方法の検討2022

    • Author(s)
      小林祐一
    • Organizer
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] A Grid-Based Estimation of Transformation of Partial Dynamics using Genetic Algorithm for Motor Learning2021

    • Author(s)
      Yuichi Kobayashi
    • Organizer
      The 32nd 2021 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 遺伝的アルゴリズムを用いた運動学習における部分ダイナミクス間の格子状座標変換推定2021

    • Author(s)
      中村壮太
    • Organizer
      計測自動制御学会システム・情報部門学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 運動学習における部分ダイナミクスの変換推定のための分散型計算法の検討2021

    • Author(s)
      小林祐一
    • Organizer
      第33回自律分散システム・シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Acquisition of observer mapping in driftless, non-holonomic system2020

    • Author(s)
      Francisco Jesus Arjonilla Garcia, Yuichi Kobayashi
    • Organizer
      ロボティクス・メカトロニクス講演会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 静岡大学小林研究室HP:過去に獲得した部分的な運動スキルの再利用を説明できる運動学習モデルの開発

    • URL

      https://sensor.eng.shizuoka.ac.jp/~koba/previous_research/research_j.html#hyperadapt

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 過去に獲得した部分的な運動スキルの再利用を説明できる運動学習モデルの開発

    • URL

      https://sensor.eng.shizuoka.ac.jp/~koba/previous_research/research_j.html#hyperadapt

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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