ヒト3関節腕の運動物体捕獲特性とそのフィードフォワード制御モデル

摘要

ヒトは，運動している物体を手で捕獲することができる．この運動物体捕獲動作は，日常生活の中で頻繁に起こる動作の一つであるが，その動作メカニズムに関しては必ずしも明確ではない．運動物体捕獲に関しては，ロボットアームを対象とした研究が多い．例えば，手先加速度二乗和で表される評価関数を最小化することにより運動物体とロボットアームの相対位置・相対速度を0 にする最適捕獲軌道を導出する研究や運動物体捕獲位置の予測と運動能力の限界値（関節トルクの限界値）を考慮して最短時間制御に似た手法を用いて運動物体捕捉軌道を導出する研究などが挙げられる．これらの捕獲軌道導出法では，ロボットアームを対象としているため，捕獲軌道の形状や速度特性がヒトの場合と異なるだけでなく，運動時間や運動物体捕獲時間を指定しなければならない点でもヒトの場合とは異なる．ヒトの腕運動制御機構では，運動時間を決めてから腕を動かすのではなく，腕を動かした後の結果として運動時間が決定されると考えられるからである．即ち，ヒトの運動物体捕獲動作機構では，運動時間や運動物体捕獲時間を指定しなくても腕を動かすことができる．さらに，ヒト腕の到達運動は最短時間制御ではないことが報告されており，この点からもヒトの運動物体捕獲動作機構とは異なる．ヒト腕を対象にした運動物体捕獲に関しては，運動物体とアーム手先の位置・速度誤差とエネルギー要素（トルク消費量）の瞬時最適化を通して最適軌道を逐次生成・連結することにより，人間らしい手先軌道の生成を行なう方法が提案されている．しかし，これも，運動時間や捕獲時間を指定しなければならない点でヒトの運動物体捕獲動作機構の数理モデルとしては問題が残る．ヒト腕の静止物への到達運動をシミュレートする数理モデルも提案されているが，これらに関しても同様であり，運動時間を指定しなければならない点でヒトの到達運動機構の数理モデルとしては問題が残る．したがって，ヒトの運動物体捕獲動作が適切にシミュレート可能な数理モデルを構築するには，運動時間や捕獲時間の導出を最適化し，それらの指定が不必要となる仕組みの導入が不可欠である．この様な数理モデルが構築できれば，ヒトの運動物体捕獲動作機構の適切な数理モデルが構築できるだけでなくヒト腕運動制御機構のより深い解明，及び，より完全な数理モデル化に貢献できるという観点からも意義がある．