2021 Fiscal Year Annual Research Report
解剖学的神経筋骨格モデルに基づく二足歩行生成の深層強化学習とその人類学応用
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20H03331
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
荻原 直道 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70324605)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村井 昭彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究チーム長 (90637274)
伊藤 幸太 大阪大学, 大学院人間科学研究科, 助教 (20816540)
叶賀 卓 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究員 (40803903)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 歩行シミュレーション / 深層強化学習 / 歩行生成 / 順動力学 / 足部モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ヒトの精密３次元神経筋骨格モデルを構築し、深層強化学習を活用してヒトの実３次元歩行運動を相応の精度で再現できる二足歩行運動の動力学的シミュレーションを構築する。そしてヒトの二足歩行運動の神経情報処理と、ヒトの身体構造に内在する歩行生成知能を構成論的に読み解くとともに、その人類学への応用可能性を示すことを目指している。
本年は、深層強化学習に基づく３次元筋骨格モデルの二足歩行生成を試みた。筋骨格モデルは、Stanford大学で開発された７節片側11筋からなる３次元筋骨格モデルを用いた。股関節が２自由度、膝関節と足関節がそれぞれ１自由度を有するため、この筋骨格モデルの自由度は14である。筋には長さ―力関係、速度―力関係といった筋の力学特性が考慮されており、神経系からの運動指令（0～1の連続量）により筋張力を生成する。一方、神経系には、前庭器官、関節受容器、足裏触覚受容器、筋紡錘、ゴルジ腱器官が感知する信号に対応する計97の感覚情報が入力される。本研究では、97の感覚情報から22の運動指令を出力する深層ニューラルネットワークを構築し、Deep Deterministic Policy Gradient法に基づいて運動制御の深層強化学習を試みた。その結果、実歩行データと必ずしも類似しないなど問題が残されているが、二足歩行の生成を実現することが可能となった。
また、前年に構築した解剖学的に精密なヒト足部の３次元有限要素モデルを用いて、二足歩行中の足部と床面との力学的相互作用を計算機内に再現することを試みた。具体的には、ヒト二足歩行中の運動力学データをもとに、立脚期中の足部運動を強制変位として与え、骨格動態やそれによって生じる力作用を計算機内に再現することを試みた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
深層強化学習を用いた３次元筋骨格モデルの運動制御の枠組みを構築し、二足歩行の生成を実現することが可能となったため。また解剖学的に精密なヒト足部の３次元有限要素モデルを用いて、二足歩行中の足部と床面との力学的相互作用を計算機内に再現する足がかりを構築できたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、深層強化学習に基づいて実二足歩行に類似する二足歩行運動の再現を試みる。具体的には、報酬関数とモデルの初期条件を変更することで、二足歩行の生成を目指す。そして、構築されたニューラルネットワークを解析することにより、どの感覚入力が各筋の活動に影響を及ぼしているのかを明らかにし、姿勢制御・歩行制御の神経回路網の構造を検討する。また、外乱に対して歩行運動がどのように調整されているのかを既設のスプリットベルトトレッドミルを用いた外乱歩行実験により観察し、その結果に基づいて深層強化学習法を改良する。
さらに、有限要素法を用いて構築したヒト足部の筋骨格モデルを用いて、ヒトの二足歩行中の足部と床面との力学的相互作用を詳細にシミュレートし、ヒトの足部構造に内在する歩行知能の解明を目指す。
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