時空間最適化による人の身体力学系のバイオメカニカルコンピューティング

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25820082
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鮎澤 光 東京大学, 情報理工学(系)研究科, 助教 (60649086)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 動力学計算 / システム同定 / 運動解析 / 運動最適化

Research Abstract

人体モデルの幾何・力学パラメータは、運動解析結果に大きな影響を与えるため、これらのパラメータの同定は重要なプロセスとなる。一般的な同定問題は、事前に計測された運動を真として、直接計測困難な静的・動的パラメータを同定・推定する。しかし近年の計算技術の発展により、観測された時系列データを真とせず、動力学シミュレーションから生成される軌道が観測データを最も再現するようなパラメータを算出することが可能になってきた。力学的整合性を確実に満たし精度の高い解析を実現できるが、詳細な筋骨格モデルにおいて、計算コストという障壁は非常に高い。
本年度は、力学的整合性を満たすための運動解析や動作解析のため、その部分問題である筋骨格力学モデルの計算エンジンおよびアルゴリズムの開発を行ってきた。動力学計算において時間軌道に対する最適化を行う場合、現時刻に関する力学的整合条件が未来に及ぼす影響を考慮して計算を行う必要がある。しかし既存の多リンク系の動力学計算の多くは、現在の時刻に対して動力学拘束条件を解く。時間軌道に関する最適化において、未来の時刻においても動力学拘束条件を満たすような動力学計算の陰的な解法が重要となってくる。初年度ではこの問題に対して、既存のワイヤ駆動多リンクの力学計算を陰解法を用いて実装した。ただし筋骨格モデルのように自由度が大きな問題に対しては計算量の増加が課題となった。本課題では、スパース行列のオーダリング法である近似最小次数順序法を利用することで、多リンク系の接続に関するスケジューリングを行い計算量の削減を目指した。これら実装により、ワイヤ駆動多リンク系の陰解法によるシミュレーションを実現できた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度では、人体モデルの動作解析や動作計画にむけて、その部分問題である筋骨格モデルの陰解法シミュレーションのためのアルゴリズムや計算ソフトウェアを開発してきた。開発経過はおおむね順調である。一方、次年度からの所属機関の変更のための開発環境やソフトウェアの移行など、当初予定していなかった作業が発生したため、次年度に向けた当初の準備作業に遅れが生じている。

Strategy for Future Research Activity

次年度では、詳細な人体モデルのための動力学計算ソフトウェアの開発を継続して行う。また観測された時系列データを真とせず、動力学シミュレーションから生成される軌道が観測データを最も再現するような、筋骨格運動解析の時空間最適化問題およびその解法を開発する。一方、質量などの力学パラメータは、動力学シミュレーションよる実データの再現性を改善させるために重要となる。そこで別途に実データの再現性を高めるような力学モデルの同定法を開発する。既に開発してきた非駆動ベースリンクの運動方程式を用いた脚システムの同定法を拡張することで実現する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

計画当初に見積もりを行っていた計算機の金額よりも購入金額が安くなったことがあげられる。また平成２６年度からの所属機関の変更のため、一部のソフトウェア環境や計算機設備の利用が困難になることが想定されたため、金額の一部を次年度以降に繰り越す必要が生じた。
平成２６年度からの所属機関の変更のため、一部のデータ解析および解析結果の視覚化のためのソフトウェア・計算機設備が利用不能となったため、これらのための必要な経費を計上する。また、国内外の研究者との詳細な討論や情報交換、及び国内外の学会にて研究成果を発表するための旅費を計上する。さらに研究成果を学術論文として発表する際に関連する費用も計上する。