運動の誤差感度解析に基づく投擲の最適化と教示

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K01654
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 岡田 昌史 東京工業大学, 工学院, 教授 (60323523)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 感度解析 / 投擲運動 / 動きの人らしさ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，バスケットボールのフリースローなどの投擲運動を対象として(a) 運動の誤差感度解析に基づいて命中率の高い投げ方を設計すること，(b) 得られた運動を人に適切に提示し運動を誘導すること，(c) 人の習熟度，疲労などによる運動の変化に伴い提示運動を変更することを目的としている．
これらの目的のため，平成28年度は以下の内容を行った．(1) 運動の感度解析結果と命中率の関係を明らかにするため，ロボットの姿勢の誤差分散と投擲物の着地点の誤差分散との間の関係が感度解析結果と一致することを検証した．また，この結果に基づき感度が最小化される投擲運動を求め，この運動によって投擲物の着地点のばらつきが著しく小さくなることを検証した．特に，これまでの結果はシミュレーションで行われていたのに対し，平成28年度は実験による検証を行った．(2) 人へ運動を提示することをねらい，モーションキャプチャデータから人の運動の制御則に対して仮説を設け，「動きの人らしさ」を評価軸としてその妥当性を検証した．人の動きを時々刻々と変化する区分スプラインで関数化し，逐次トルク変動最小化を評価関数としたスプライン関数で運動軌道を設計することで人に近い運動を生成することを示した．(3) 人のフリースローをモーションキャプチャし，運動におけるばらつきの要素を調べると共に，運動の感度解析を行うことで熟練者のフリースローが感度の小さい投げ方になっていることを検証した．この結果，初心者と熟練者では初期姿勢のばらつきに大きな差はないが，投擲の瞬間のばらつきは熟練者が小さくなることから，熟練者の運動が動的な感度が小さいことが導かれた．特に，肘の関節に関する感度の影響が大きく，これより初心者の肘関節の動きを修正することで感度が小さくなることが示された．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

感度解析結果と実際の命中率の関係が不明確であったため，平成28年度にこの検証を行った．これは当初の予定にはなかった内容であるが，人の動きで行う前に必要な手順であり，研究の基礎の部分を確実にすることができた．
当初の目的であったフリースローの感度解析は行えた．ただし，感度解析にはノミナルな運動(ゴールが可能な平均的な運動)が必要であるが，人の計測データは誤差が含まれており，特に初心者では平均の運動を求めてもボールはゴールには入らないため，これをどう定めていくかが今後の課題となる．
当初の予定では，平成29年度以降に運動の提示に関する研究を開始するものであったが，平成28年度よりその準備のための人の制御則の解析をスタートさせた．これは予定を早めて開始したものであり，今後この結果を利用して運動提示の手法，適切な運動の設計を行う予定である．

Strategy for Future Research Activity

運動の提示手法に取り組む前に，制御則と感度の関係を明らかにする．平成28年度に行ったロボットによる感度の実験検証では，ロボットが先に固定されたフィードバックゲインによってPD制御されていることを前提とした．しかし，人の場合はPD制御ではないこと，また，フィードバックゲインは固定値ではなく，疲労や習熟によって変化することが予想される．そこで，平成29年度はまず感度とフィードバックゲインの関係を明らかにするために，感度解析に基づいたフィードバックゲインの最適化を行うとともに，この値による感度の変化量を調べる．これは人の場合にはある特定の関節の「力を抜く/入れる」ことで感度を変化させられることに相当する．また，これまでの研究，胸骨圧迫を対象として強調姿勢を提示することで行動誘導する手法の提案を行ってきた．ここでは人の制御系を含めた運動を自律制御系でモデル化し，これより強調運動を導いてこれを提示するものである．しかし，自律制御系の収束の「強さ」によって強調運動は大きく変化し，人に適切な制御系を構成する必要がある．また，例えば投擲点はある特定の場所ではなく，ゴールを通る放物線上の点であればよく，これは投擲姿勢・速度の拘束条件がある多様体を構成することに相当する．そこで平成29年度に平衡多様体を持つ系に対する安定化制御系の構成を行うと共に，制御系の収束の強さとフィードバック系の安定性，特に入力の大きさの制限について考察する．