2019 Fiscal Year Annual Research Report
運動系と知覚系の共学習を含むヒトの平衡制御原理の工学的理解
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16H02879
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
伊藤 聡 岐阜大学, 工学部, 教授 (70291911)
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2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 知能ロボット / 平衡制御 / 運動計測 / 運動学習 / 知覚変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの運動の特徴は，環境に合わせてそのパターンを変えていく適応・学習機能にある．近年の研究では環境の変化に対する学習により運動パターンという運動系の動的遷移ばかりでなく，知覚という感覚系にも内的変化が起きることが明らかになった．本研究では，ヒトの平衡を対象として運動系と感覚系の同時学習の数理メカニズムを解明し，ロボットや人間支援機器の制御への応用に繋げることを目的とする．
平衡の運動と知覚に関するヒトの行動を実験時の安全を考え，座位状態で計測してきた．特別な椅子を製作し，椅子全体の側方向平行移動による慣性力外乱と，座面下ロードセルで計測される圧力中心位置によりロール軸周りに座面を不安定化させる回転外乱の２種類を被験者に与える．外乱方向を選択して被験者に平衡維持の運動学習を行わせると，その前後で主観的直立姿勢すなわち左右のどちらにも傾いていないと判断される姿勢感覚が側方向に変位することを報告してきた．
しかし昨年までの成果では，主観的直立姿勢の変化方向の予測や，その変化を起こす主要因の解明は達成されていない．そこで本年度は，ヒトの運動計測に基づく実験的アプローチと，シミュレーションでの再現による構成論的アプローチの２つの側面から研究を行った．
昨年度と同様の手法である前者で十分な結果が得られない理由の一つに，被験者に課す運動学習タスクの難易度が高いことがあると考えた．そこで，運動学習時にこれまで移動させていた座面回転方向決定の基準軸を固定し，タスクを容易化してみた．しかし，運動学習前後で有意な主観的直立姿勢の変化を見出すには至らなかった．
一方後者では，運動学習時に例えば右に傾けて平衡維持を続けると，その方向を直立と学習し右側に主観的直立姿勢が移動する，という制御仮説に基づきヒトの計測データの説明を試みた．その結果，過去の計測データを定性的に再現することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究の目的は，ヒトが示す運動学習とそれに伴う知覚変化の制御メカニズムを，平衡制御を対象に解明し，それをロボットの行動として再現することである．
平衡知覚を主観的直立姿勢で評価し，運動学習前後でその変化が観察できることを発見したが，その現象が起きる条件が明らかになっていない点では，研究の進捗に後れを感じている．
条件が明らかになっていない理由の一つは，同じような条件で行った場合に，主観的直立姿勢が右側に移動する場合と反対の左側に移動する場合の両方が観測され，その違いを起こす理由が明確にならない点にある．その点では，新たな仮説を設けて検証する実験を継続する必要があると考える．
しかし，もう一つの目標であるロボットによる再現は，主観的直立姿勢が外乱と同じ方向，すなわち運動学習時に傾けて直立を維持していた方向に移動すると仮定した場合，シミュレーションによりデータの再現が可能となった．ロボットの設計にも目処が立ち，この観点では後れを取り戻したと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度シミュレーションにより定性的にデータ再現した運動を，ロボットにより実現させる．制御には，研究代表者が提案した床反力中心に基づく平衡制御法を利用し，実機には力センサと角度センサ（エンコーダ）を実装させる．実験時の安全性を考えて，ロボットの大きさは40cm程度の2リンク系を考えているが，運動学習の時間スケールはヒトの実験と同程度での達成を試みる．
他方，ヒトの運動計測に基づく実験的アプローチでは，シミュレーションで再現する主観的直立姿勢変化を確実に得るための実験条件を模索する．シミュレーションでは，「運動学習時の直立維持時に向いている方向を直立方向として学習する」という仮説に基づいて現象を説明した．逆にその仮説に基づき，その仮説が正しいことを証明するような実験条件を設定することで，再現性の高い実験プロトコルを確立する．
以上の２つのアプローチにより，上記仮説が平衡制御と知覚変化のメカニズムを説明する制御原理の一つ可能性であることを実証し，これに基づき一連の研究をまとめる予定である．
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Research Products
(2 results)
