2021 Fiscal Year Annual Research Report
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21H04860
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
野崎 大地 東京大学, 大学院教育学研究科(教育学部), 教授 (70360683)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平島 雅也 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所脳情報通信融合研究センター, 主任研究員 (20541949)
門田 宏 高知工科大学, 情報学群, 准教授 (00415366)
萩生 翔大 京都大学, 人間・環境学研究科, 講師 (90793810)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 運動制御 / 運動学習 / 多自由度 / 冗長性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
運動制御・制御系が、身体全体の多自由度にわたる動きをどのように協調させながら、運動の成否に関わる低次元の量を制御しているのかという問題はこれまで十分に検討されてこなかった重要テーマである。本研究は、(1)多自由度を有する冗長な身体運動の制御・学習機序を明らかにすること、(2)その機序の視点から実践的な全身運動制御・学習動態を解明すること、(3)この機序を利用した動作変容システムを開発すること、の３点を目的とする。2021年度は(1),(3)に主眼を置いて以下のとおり研究を実施した。
多自由度運動課題を用いた制御・学習機序の解明：ロボットマニピュランダムとVR環境を利用し、スティック状の物体を両手で操作し、その先端を標的に向かって到達させる多自由度運動課題を開発した。被験者に、標的を様々な位置に呈示して課題を行ってもらったところ、動作習熟につれてスティックの角度をうまく変化させ両手の移動距離が最小になるように運動することが明らかになった。また、スティック先端位置に誤差を加えたとき、スティック角度をうまく変化させて誤差を打ち消すような修正動作を行っていた。さらに、動作の成否に無関係なスティック角度のみに誤差を加えたとき、動作修正をする必要はないにも関わらず角度修正動作が観察された。運動制御・学習系は動作の成否に関与する・しないに関わらず、スティック全体の動き方を予測しており，この予測と実際の動きの乖離が動作修正につながったものと示唆される。
全身運動中の外乱印加システムの開発：慣性センサ等で身体運動を計測しながらリアルタイムで筋への電気刺激強度を自在に変化させるシステム、モーションキャプチャによって実際の身体の動きに座標変換を施して視覚的に呈示するシステムを開発した。歩行動作を対象として、これらのシステムにより、脚の運動パターンの変化、歩隔の変化などの動作変容を実際に引き起こすことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」に記載したとおり、多自由度運動課題の開発・実装と予備的な実験の遂行、全身運動の動作変容を促す筋電気刺激システムおよび全身運動視覚情報呈示システムの開発、とほぼ計画通りに研究を実施することができた。
多自由度運動課題の実験については、スティック先端位置のカーソルやスティック角度を瞬時に変化させたときに観察される動作修正応答を調べることによって、動作の成否に関わるスティック先端位置、動作の成否には直接関わらないスティック角度、それぞれの修正の潜時を比べる新しい実験にも着手できている。
全身運動の動作変容システムについては、モーションキャプチャによって計測した全身の身体運動パターンに座標変換を加えて被験者に呈示するシステムについては完成度が高く、すでに多くの実験を積み重ねて、歩隔の変化などを実際に引き起こせることが実証されている。一方、筋電気刺激システムについては、身体運動を簡便に計測するためのセンサ選定も含めてまだ改善すべき点は多いが、運動計測とそれに基づいた筋電気刺激強度の変調、のコアの部分では実装が済んでいる。
具体的な研究実績を報告するまでには至っていないが、野球のバッティングやゴルフのショットなど、実践的運動を対象とした研究目標（上記「研究実績の概要」記載の目標(2))のための実験系の構築にも着手している。例えば、野球のバッティングではバットがボールに当たる時点をトリガとしてバットの位置、角度を高精度で計測できる目処がついている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の計画を実施するにあたって、主に多自由度運動課題の検討に関する研究に取り組んでもらう特任研究員を雇用する。また他の２項目には、博士課程の学生を1,2名ずつ割り当てる。さらに、コロナ禍のため2021年度はできなかった対面形式での研究グループ間の交流の機会を設け、プロジェクト推進を加速する体制を整えたい。
2022年度の研究計画は以下のとおりである。
・多自由度運動課題を用いた運動制御・学習機構の解明：今年度に引き続き、この運動課題において、スティック先端位置に強制的に誤差を加えた場合、スティックの角度に変化を与えた場合、またはこれらの誤差を組み合わせた場合に、スティックの位置や角度をどのように変化させながら動作修正が行われるのかについて検討する。
・実践的な動作の検討：野球やゴルフなど静止したボールを打つ際のバットやクラブヘッドの動きを高速撮影し、ボールにコンタクトする際のずれ、またそのときのバットやクラブの角度等（姿勢）を計測し、パフォーマンスに直接関与するボールコンタクト時のバットやクラブ位置と姿勢の関連を明らかにする。
・動作変容システムの開発：慣性センサ、レーザー変位センサ、C-stretchセンサなどを用いて計測した身体動作パターンに応じてリアルタイムで刺激強度を変化させ、複数の筋や前庭感覚に電気刺激を加えるシステムの開発を継続する。このシステムを用いて、筋・前庭感覚電気刺激によって外乱を加えたときに生じる動作変容を検討する。また、計測した身体運動データに座標変換を加えた自分のアバターの動きを被験者にリアルタイムで呈示できるようにしたシステムを用いた動作変容を引き起こす可能性について引き続き検討するともに、広い空間にカメラを配置し、視覚情報をヘッドマウントディスプレイによって呈示するフィールド用のシステム開発にも着手する。
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