JP2000504854A - 仮想環境における人間の動作軌道学習装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 運動技量を人間の被検体に教示する装置と方法においては学生の学習は教師の動作の模倣に基づいている。教師の動作を動作感知装置が感知し、それをコンピュータがデジタル化してからメモリに記録する。コンピュータはコンピュータ表示器に学生が見て真似るようにコンピュータ発生仮想環境と相互作用する教師の仮想像シーケンスを発生させる。教師の運動を記録するに用いたのと同じ動作感知装置が学生の運動を追跡し、コンピュータがその表示器に学生の運動とそれのリアルタイムでの仮想環境との相互作用に対応する仮想像シーケンスを創造すると同時に教師の運動の画像シーケンスを提示する。学生のタスクは教師の運動を模倣するにある。このプロセスを教師と学生の軌道が空間、時間的によく合うまで反復する。

Description

【発明の詳細な説明】 仮想環境における人間の動作軌道学習装置 発明の背景 最近の動作学習装置では、学生は教師の動作を見て模倣することにより運動技 量を獲得する。学生と教師の動作シーケンスを一般にビデオカメラで記録してビ デオテープに記憶する。ビデオ画像をデジタル化して動作シーケンスをコンピュ ータメモリに記憶する装置がある。学生は自分のモニタ上のビデオ画像を見て自 分の動作を教師の動作と比較する。 セルスポット（ＳＥＬＳＰＯＴ）^TMとオプトトラック（Ｏｐｔｏｔｒａｃｋ）^TM は一般に普及している人間の動作分析装置である。これらの装置は複数の発光 ダイオードマーカを採用し、それらを被検体の解剖学的に興味のある位置に固定 している。コンピュータはビデオカメラが被検体の動作を記録するときに所定の 順にマーカを活動化する。信号処理ソフトウェアはモニタ上で動画化（アニメー ト）された人間の形をした、あるいは棒状の姿として見られる被検体の動作シー ケンスを編集する。エリート（Ｅｌｉｔｅ）^TM装置は発光ダイオードの代りに反 射マーカを用いている。ビデオカメラに取り付けた光源がマーカを周期的に照ら す。ソフトウェアがビデオ画像を処理して、被検体の動作シーケンスを作り出す 。 米国特許第3,408,750号は学生にゴルフスイングの動作の教示する方法を開示 している。ビデオカメラは特殊プラットホーム上に立ってゴルフクラブを振って いる学生のビデオ画像を記録する。プラットホームは壁と矩形座標格子パターン で覆った床とを備える。ビデオカメラは学生がゴルフクラブを振る時の学生の側 面と前面の姿を記録する。第三のビデオカメラはゴルフボールの結果として生じ る軌道を記録する。学生はプラットホーム上の格子線に対する自分の体の位置を 知覚して空間的情報を得る。 一般的な指導セッションにおいて、学生はプラットフォームに上がっ てボールを打つ位置に体を置く。同じ装置を使って以前に記録した教師の前面ビ デオ画像を第一ビデオ表示器に映写し、以前に記録した教師の側面のビデオ画像 を第二ビデオ表示器に映写する。教師の画像を開始位置で休止させて学生が自分 の体を教師の開始位置に対応させるために配置するようにする。ビデオカメラが 学生の側面と前面の画像を捕らえ、それらを対応する教師の画像と並べてビデオ 表示器に映写する。学生は定位置に来ると、教師の画像の側面と正面をスローモ ーション、または全速で再生し始める。ここで学生はビデオ表示器から注意をそ らして教師の錯雑な運動を思い出しながらボールを打とうとする。この時点で学 生はビデオ表示器ではなくボールに注意を集中しているので、これは本来難しい タスクである。すなわち学生は自分の記憶に頼って自分の運動を対応する教師の 運動に調節しなければならない。後に指導員はスローモーションあるいは全速で 記録された学生と教師のスイングを再生し運動の違いについて口頭で意見を言う 。学生が前面側面の画像を合わせて三次元フィードバックを効果的に受け取るこ とはできそうにない。学生がボールを打ちながらビデオ画像を同時に見ることは 不可能に近い。学生は注意集中を表示器とボールの間で移行するよう強いられる 。これは学生の記憶、指導員の解釈、および運動後の口頭の指導に大きく依存し ているので、学生にフィードバックを与えるには非効率的で時代遅れの方法であ る。 上記装置の各々においては、三次元動作分析に複数のカメラが必要である。二 つ以上のカメラの付いた装置には複雑な同期化ハードウェアと一層しっかりした 信号処理ソフトウェアが必要である。マーカ系の装置のさらに一つの難点は、三 次元位置決めをするのに二つのカメラからマーカが同時に見えなければならない 。被検体が動くと、大抵のマーカは少なくとも二三のフレームでカメラ視野から 隠れて装置の確度が落ちる。 従来のビデオ支援動作学習装置はさらに空間と時間の問題がある。教 師と学生は大きさの違うことが多いので空間の問題が起こる。教師の画像と学生 の画像の較正には精巧な信号処理技術が必要である。ビデオ教示は重ね合わせた 画像の差異に基づいているので、教師と学生の画像が本来整合しないために学生 が補償することのできない重ね合せ画像にエラーが起こる。教師の実際の画像で なく教師の一連の静止輪郭を表示することによって空間の問題を解決する試みが なされている。この方法では、ビデオ系処理技法を用いて教師のオフラインの運 動学的モデルを計算する。このモデルはリアルタイムでなく、教師の行動を記録 した後若干遅れてオフラインで計算する。次いで教師のこの運動学的モデルを学 生の生ビデオ表示に添えて学生に表示する。 この手法によって空間の問題は解決できるが、時間の問題は解決できない。時 間の問題は学生と教師の表示動作を同期させるのが難しい、すなわち一つのビデ オが再生中の他のビデオより遅れることから起こる。教師／学生画像の空間およ び時間的の違いが補償されないために、学生を混乱させ動作の時間合わせが難し くなる。学生と教師の画像を同期させるに精巧な信号処理が必要で、開始点が同 期されていても、学生はモニタ上で教師の画像との関係で自分の画像を見て、同 時に打つボールに注意を集中することができない。さらに、生ビデオには時間間 隔ごとに所定のフレーム数で画像を記録する必要がある。教師によって作られる 動作は、大概、学生とは異なる速度および加速度となる。教師と学生の運動を表 示する時に、学生に得られるデータはその時の教師の位置と比較した学生の位置 だけである。教師と比べた学生の速度や加速度に関しては何らの情報も学生に与 えられない。 ビデオ支援教示方法を改良しようとする最近の試みでは、コンピュータを用い てビデオカメラによって捕らえた学生と教師の動作のデジタル画像を記憶する。 コンピュータは信号処理方法を用いて学生と教師の体格の違いを補償しようとし ている。学生の再生成されたビデオ画像をモニタ上に表示して、学生が、再生成 された形で教師と学生の運動の違い を見ることができるようにする。棒状の姿、詳細図、あるいはビデオ画像の形で の視覚フィードバックにスプリットスクリーンニング法と重畳法を採用する。こ の装置では学生が自分の注意をゴルフボールを打つという実際のタスクとビデオ 画像を見ることの間で移行させるよう要求される。上述のように、こうするには 学生の記憶に依存するようになり、これは動作を追跡するには非効率な方法であ る。ビデオ画像を用いると、装置ではさらに上述の時間の問題と信号プロセッサ で補償できない学性と教師の体格の違いから生ずる空間の問題が起こる。 発明の概要 本発明は動作学習の装置と方法を提供するものである。本発明の装置は運動を 感知する動作感知装置、この動作感知装置に応答する電子回路、コンピュータメ モリおよび表示画面を含むものである。電子回路は学生の運動が起こるとそれに 対応する仮想像シーケンスを表示画面上に発生させる。同時に、教師の運動に対 応する仮想像シーケンスが表示画面上に提示される。このようにして学生は教師 の運動を模倣し、学ぶ。 「仮想像」という語はビデオ画像に対して、アニメーションと定義される。ア ニメーションとはできるだけ少ない量の情報例えば時間の関数としての位置と向 きあるいはそのいずれかから得られる図形創作物である。ビデオ画像とは一アレ ーのビデオセンサによって感知される、あるいは写真フィルムに撮影される画像 である。ビデオ画像は棒状の姿あるいは動作している体の輪郭のような複雑さが 少ない画像に低減されることがある。これは動作している体について収集された データの関数として人工的に発生せられる動画式仮想像と対比せられるものであ る。 ビデオ支援技術と対比して本発明は教師または学生のビデオ画像に依存しない 。そうではなく対応する教師の運動の仮想像シーケンスに添えて学生の運動の仮 想像シーケンスをコンピュータモニタ上に発生させる。本発明の好適な実施形態 においてはコンピュータは電子回路が感知す る位置と向きのデータから学生が動かし始めるメンバの図形画像を発生させる。 コンピュータアニメーションは奥行きの知覚を創出して、それによって動いてい るメンバの三次元的な解釈を生成し、それを学生の運動中リアルタイムに表示す る。例えばボールを打つ場合、ボールは仮想環境で見られ打たれる。従来のビデ オ系技術では学生が表示器と実物体の間で注意を移行させねばならないが、この 場合学生は仮想物体に注意を集中したままにしておくことができる。学生のタス クは全く仮想環境で、同じ対象枠内で実時間に学生の仮想像シーケンスに教師の 仮想像シーケンスを模倣させるか見習わせる。これで学生に近代的で効率的な動 作学習ツールが提供せられることになる。 本発明においては、学生に自分の肢あるいは学生が動かし始める道具の望まし い軌道、そうでなければ「終点軌道」についての提供するデータのセットを少な くすると好ましい。体の他の部分の姿勢や動きに関する情報はほとんどまたは全 然明示しない。提示の実施形態では、一つの道具と各人の身体の一部だけしか表 示していない。別法では、道具か各人の身体の一部を色と細部あるいはそのいず れかで大写しにして比較的特定しない全身表示をなしている。学生は自分の体の 残部を統合して所望の終点軌道となるようにする自身の戦略を開発する。動作の 時間的、空間的部面を解離させるコンピュータソフトウェアによって学習が容易 になる。本発明において発生される学生と教師の動作の「仮想」画像は大きさと 形を同様にして、ビデオ支援学習装置に関連した空間の問題を解決するようにし ている。訓練をリアルタイムに行って画像を自動的に同期させ、従来装置の時間 的制約を解消している。教師の仮想像が動き、学生は教師の動作に自分の動作を 整合させて自然に経時的に同期させるようにする。 動作感知装置は道具、例えばラケットに取り付けられる。装置は、時間の関数 として道具の位置および向きの情報をコンピュータに提供する。電子回路は、道 具の感知した位置および向きから道具の仮想像を生成 し、学生が道具を動かすリアルタイムに挿入される速度および加速度にもとづい てこの画像を更新する。 本発明の目的はリアルタイムに共通座標フレームで教師の動作パターンを学生 が学習するのを支援するにある。学生は例えばラケットの新しい動きを例えば次 の三ステップで学習する。第一に、動き感知装置を教師の手またはラケットにつ なぎ記憶装置を用いて教師の動作を記録する。第二に、学生が動き感知装置を自 分の手またはラケットに載置する。第三に、教師の運動に対応する画像シーケン スを表示画面に表示し、学生が学生の運動の仮想像が教師と対応するように学生 のラケットを動かして教師を見習う。学生の目標は教師の軌道を模倣するにある 。教師の運動は学生の必要に応じて格納されている教師の運動のライブラリから 選ぶか、教師の運動と学生の前の運動の差異から補間することができる。学生が 教師の運動に従うことに習熟するにつれて、電子回路によって教師の運動の画像 シーケンスの速度を全速まで漸増する。 学生の学習を向上させるに各種のフィードバック法が使える。例えば、電子回 路によって学生の運動の仮想像と教師の運動の仮想像の間に線を発生させる。こ れらの線は運動間の位置の相対的差異を表現するものである。線はこの差異の増 減によって長さが変わる。位置の相対的差異を学生に音声フィードバックするた めに可聴周波音調も発生させることができる。この場合、学生とエキスパートの 動作の相違が変わると音調の周波数が変わる。学生が運動を起こさせた道具の映 像を拡大するとその道具の位置と向きがより精密にフィードバックされるように なる。これはその運動の目標が静止物体か動いている投射物を打つ場合にことに 役に立つ。モニタ画像における仮想壁または床へ道具と投射物の影を映写して学 生に付加的な基準次元を提示することができる。 動作感知装置は一つの固定装置の一つの方向付けした電磁場を伝送し、それを 動いている一つ以上の身体の一部に取り付けた少なくとも一つの動いている装置 が受信するものとする。 本発明は教師の動作と学生の動作を密接につなぐものである。学生には自分の 記憶と教師の動作の視覚的解釈に頼ることなくリアルタイムに視覚フィードバッ クが提供される。さらに、本発明は従来の動作分析装置より大きさ、複雑さ、お よびコストが低減されている。 本発明においては、学生へのフィードバックは剛性物体、例えば道具または肢 の終点軌道の仮想像に減らされている。これは幾つかの肢についてのデータを収 集して、学生または教師の全身のビデオ画像または再生ビデオ画像を表示するの が普通である従来技術と対象的である。従来法では、学生がフィードバックデー タで負担過重になるので学習過程の妨げとなっている。本発明では不必要なフィ ードバックをなくしているので、学生が真の目標、すなわち動画化されたエンド エフェクトの動きに注意を集中させることができるようにして学習過程を簡略に している。学生は教師の全動作を見習おうとせずに、教師のエンドエフェクタの 運動を模倣するように自身の特有の動作特性を適合させることができる。 図面の簡単な説明 以下、添付の図面に示す本発明の好ましい実施形態により本発明の前述その他 の目的、特徴および利点について詳細に説明する。なおこれらの図面においては 、どの図面でも同じ符号で同じ部分に用いられている。図面の寸法はは必ずしも 正確ではなく、本発明の原理を例示することに重点を置いている。 第１図は、本発明による動作教示装置の主構成要素を例示する。 第２図は、本発明によるボールをラケットで打つ動作を学生に教示する仮想環 境のモニタ画像である。 第３図は、動作追跡発信器の基準軸とラケットに取り付けた動作追跡センサす なわち受信器の軸の間の関係を例示する。 第４図は、本発明による練習モードを図式に例示する。 第５図は、本発明による訓練モードを図式に例示する。 第６図は、本発明によるフィードバックモードを図式に例示する。 第７図は、本発明のオペレーションの流れ図で、その閉ループ性を示す。 第８Ａ、８Ｂ図は、装置ソフトウェアの詳細流れ図である。 第９図は、学生とエキスパートの三次元の相対的位置付け、および仮想ラケッ トの間に線を引いてそれらの間の距離と向きの差異を示す仮想環境における付加 的フィードバック法を例示するモニタ画像である。 第１０図は、エキスパートの仮想ラケットに対する学生の仮想ラケットのスイ ングの図式フィードバック含み、またラケットとボールの影を含んで奥行きの知 覚をよくするモニタ画像である。 第１１図は、ラケットの画像を拡大して精度をよくするフィードバックモード のモニタ画像である。 第１２Ａ〜１２Ｂは、スポーツ学習に適用した本発明の実施形態である。 第１３Ａ〜１３Ｂは、リハビリの学習に適用された本発明の実施形態である。 第１４図は、ピンポンボールを打つ動作の仮想訓練のためのモニタ画像である 。 第１５図は、第１４図の環境で訓練する学生が能力の向上をモニタするための 実験環境を例示する。 第１６図は、この実験の第一回試験の試行結果を表わすグラフで、対照、先導 および訓練の群の学生の技能向上を比較する。 第１７図は、この実験の第二回試験の試行結果を表わすグラフで、訓練の群の 学生間の試行における技能向上を比較する。 第１８Ａ〜１８Ｃはシミュレータを用いる実験的訓練群、実タスクの訓練群お よび対照群各々についての終点軌道の三次元映写である。 好適な実施形態の詳細な説明 本発明は、学生の基準フレームと同じフレームに教師の動作の画像発生させる もので、従来のシステムよりも効果的な学習方法を提供する。教師と学生の軌道 が直ちにおよび直接に時間および空間的に比較できる。ビデオカメラを要せずセ ンサの位置に無関係にデータが連続的に記録される。したがって、他の装置にお けるようにデータを記録するためにセンサをカメラにとって「見える」所に置か なくてよい。 本発明は従来の装置に関連する空間および時間ともの問題を解決する。空間の 問題を解決するために、教師の体の大きさとは無関係にラケットのようなエンド エフェクタの仮想像を学生に提示する。時間の問題については、学生と教師とも の道具の運動学的時間系モデルを計算する。このようにして、教師と学生の速度 と加速度のパターンが得られ比較に供される。さらに、この情報を用いて学生が 道具を動かし動いているか静止している物体を打ち、その結果の軌道を観察する 仮想動力学的環境を発生させる。これで被検者が仮想ボールを打ち教師の動作を 観察しながらコンピュータモニタを見ることができるようになる。被検者はリア ルタイムに学生の動作、教師の動作、およびボールをともに見る。本質的に、仮 想環境において訓練が行われる。 本発明を先行技術からさらに区別すれば、本発明は学生に教示するためのフィ ードバック信号として運動の速度、加速度成分を与えることのできるものである 。この特徴は機械システムにおける軌道制御の理論と一致している。被検者が教 師の軌道または他の基準軌道に合わせるためには、学生に教師の速度情報も教師 の位置情報と同様に与えることが望ましい。位置情報だけでは、人の動作を速く 動く教師の軌道に適合させるのは難しいことが多い。ビデオを使うのでは速度を 正確に測定できないので、従来のビデオ系技術は速い運動を教示するのに効果が ない。 本発明はさらに教師と学生の軌道から得られる中間運動軌道を計算することが できる。これは、エキスパート（熟達者）やプロのような運動 をマスターした経験のある教師の動作は学生の動作からかけ離れていることが多 いので重要である。適当な教示装置は正しい運動を表示するだけでなく、最終的 にはマスターの動作を真似るためにどのように学生の動作を変更すればよいかを 学生に知らせるものであるとよい。マスターと学生の軌道の違いが大きいと、学 生が自分の運動のどの部面を変える必要があるかが見分けられそうにない。この ため学生は失望し遂には練習を放棄するに至る。本発明は、マスターと学生の運 動学的データのモデルを作り、学生とマスターの軌道の間の補間である中間の教 師の軌道を計算するシステムを提供する。このようにすると、学生がすこし変化 しただけで二つの軌道の間のエラーに及ぼす影響が有意になって学生へのフィー ドバックが確実になり、学習に励みが付くようになりそうである。 第１図は本発明による動作学習装置の主構成要素を例示している。プログム可 能なホストコンピュータ１２はキーボード１４、マウス１５、モニタ１０、メモ リ１１、ならびにフロッピー装置、ハード装置およびCD-R0Mを含む永久メモリ１ ３を含むものである。動作感知装置１５はコンピュータ１２と連絡しており、好 ましくは運動処理装置１６、発信器１８、およびセンサ２０を含む市販の運動追 跡装置である。センサ２０は動いている物体、例えばピンポンラケット２２に取 り付ける。 コンピュータ１２上で作動するソフトウェアは運動処理装置１６で発生される センサ２０の位置と向きのデータを連続的にモニタしてモニタ１０上で動いてい る物体２２の画像を更新する。ユーザはキーボード１４とマウス１５でソフトウ エアを制御する。 訓練の第一ステップは、その特定の動作を行うに習熟している教師から動作シ ーケンスを獲得するにある。センサ２０を教師の肢の適切な部分あるいは動いて いる道具、例えばラケットの上に置くことができる。教師がテニス指導員であれ ば、センサはテニスラケットのハンドル上に置く。発信器１８は教師の範囲内に 置く。センサ２０は動作シーケンス の間に発信器１８が発生する信号を受信する。各サンプリング間隔ごとに、運動 処理装置１６が発信器１８に対するセンサ２０の位置と向きを判定して、そのデ ータをコンピュータ１２へ転送し、そこで処理されメモリ１１、１３に記憶され る。ラケットの終点軌道を発生させるにハンドルにセンサが一つあれば十分であ る。初心学生には終点軌道一つで十分であるが、より経験のある学生は付加的フ ィードバックを発生させればより効果的に技能が向上される。より多くのフィー ドバックを提供するには、付加的なセンサが追加され、被検者の他の興味のある 位置、例えば、前腕、上腕、頭、胴、足をモニタする。 学生は、同じセンサ装備をして、空間的および時間的に教師の動作を真似る。 コンピュータ１２は以前に記憶した教師の軌道に沿ってモニタ１０上に学生の軌 道の仮想像を表示する。したがって、学生は各動作中リアルタイムに直ちにフィ ードバックを受け取る。 学生の動作がモニタ１０上に表わされる移動物体または静止物体との接触をな すものであれば、コンピュータ１２はその物体の結果として生じる軌道の情報を 提供する。一例を第２図に示すが、これは学生がピンポンボール２８をラケット ２６で打つ動作を学ぶためにモニタ１０上で見るものを例示している。この例で は、学生は、コンピュータはその仮想ピンポンボール２８を仮想ラケット２６で 打って、仮想ボール２８を所望の速度で標的３０の中央に送ることを学ぶ。初速 度で最初の位置から投射された仮想ボール２８がモニタ１０上に出される。仮想 ボール２８の最初の運動を用いて教師と学生の動作を助言することができる。ラ ケット２６がボール２８を打つと、結果として生じるボール２８の軌道は簡単な 力学の方程式から得られてモニタ１０に表示される。結果として生じる軌道には ボールに与えられるスピンと並進運動が含まれる。教師の仮想ラケット２４は学 生の仮想ラケットと同じ基準フレームに表示せられ、装置が学生の進歩を直ちに フィードバックして学生がリアルタイムに教師の動作を真似ることができる。 ソフトウェアは学生がスローモーションからリアルタイムまでの範囲に渡る教 師の速度を制御できるようにする。スローモーションで作動することによって学 生は必要とされる所の詳細に注意することができる。ソフトウェアは打たれた仮 想ボールの結果として生ずる軌道を減速させることができるので、学生はラケッ トとボールの間の衝撃点を正確に見ることができるようになる。 数人の教師を学生が利用できるので、学生はいくつかの観点から運動技量を学 ぶことができるようになる。多くの応用において、学生は技量レベルの高いエキ スパートよりも学生の技量よりわずかに優れた技量の教師から最も効率的に学習 する。最初、学生は基本技量を有する教師を選び、学生が進歩するにつれ教師の 技量レベルを上げる。 学生が繰り返し仮想ボールを打ち損ねるか標的に当て損ねると、ソフトウェア に介入させる。反復失敗の時、ソフトウェアは教師の技量レベルを下げて、学生 にただちにフィードバックを提供して、失敗の原因である欠陥を直ちに矯正でき るようにして学生が基本に再び注意を集中できるようにする。 再び第１図を参照して、好ましい実施形態においては、コンピュータ１２は図 形作成能力のあるＰＣである。コンピュータは運動追跡装置１８、２０とよくイ ンターフェースのとれた型のものとするとよい。 運動追跡装置は市販の三つの直角に配置されたアンテナ付きの発信器１８と、 三つの直角に配設されたコイルとを有する自由度六の絶対位置、方向センサであ ることが好ましい。発信器１８は各アンテナから低周波数の電磁波を周期的に放 射する。発信器１８から放出されるパルスはセンサ２０のコイルに電流を誘起す る。各コイルに誘起される電流の相対強度は、センサ２０のコイルの発信器から の距離と発信器１８に対するセンサ２０の相対的な向きに依存する。運動処理装 置１６はセンサ２０のコイルに誘起される電流に基づいて発信器１８に対するセ ンサ２０の位置と向きを計算する。位置と向きのデータは運動処理装置１６から コンピュータ１２へ周期的に転送される。 現代の運動感知装置はパルス直流磁場を発生させる。直流技術は多数の受信器 を同時に追跡し、交流電磁追跡器よりも金属のある所でのゆがみを減らし、また 長距離性能を増す利点がある。交流技術では多重化の問題が起こる、すなわち、 センサを一つ増すごとに測定速度が落ちる。例えば、一般に普及している市販の 交流追跡器はセンサ一つで操作するとき毎秒１２０回、センサ二つでは毎秒６０ 回、センサ四つでは毎秒３０回測定できる。現代の直流電磁追跡器では、受信器 の数とは無関係に測定速度を毎秒１００〜１４４回に維持される。これは幾つか の肢、関節、あるいは身体の一部についてフィードバックを必要とする動作を学 習するために本発明でセンサを一つより多く用いる場合に便益がある。 直流電磁技術は付近に金属のあることによる場のゆがみも低減させる。ステン レス鋼やアルミニウムのような導電性金属の付近の電磁場は、連続的に渦電流を 誘起して測定を有意にゆがめる。他方直流磁場は付近の導電性金属に連続的の渦 電流を誘起しない。それで、直流運動追跡器は一般に交流運動追跡器よりも導電 性金属の妨害を受けることが３〜１０倍少ない。フェラスメタルについては、直 流技術は一般に交流技術よりも５倍エラーが少ない。 直流電磁技術はさらに交流技術よりも距離性能を向上させる。受信器を発信器 から八フィートの距離の所において完全な精度が得られる。超長距離の性能を得 るには、直流発信器は８フィート間隔に配置するが、例えば八フィート平方の角 に発信器を四つ置いた配列は全測定精度で２４フィート×２４フィートの空間に 渡るものである。これと比較して、市販の交流磁場技術では発信器の2.5フィー ト以内では完全に正確であり、精度は距離が2.5から１０フィートへと伸びるに つれて漸減する。 第３図に例示するように、一般的な運動追跡装置と連携した二つの座標系があ る。第一は空間に固定された発信器１８の座標系である。第二は三次元空間で自 由に移動するセンサ２０の座標系である。発信器１８ の基準フレームに対するセンサ２０の基準フレームの位置と向きとの情報が運動 処理装置１６によって与えられる。この情報は１×６ベクトルの形で記憶される 。但しXsensor、Ysensor、およびZsensorは三つの主軸に沿った発信器１８に対す るセンサ２０の変位を表し、ψ、θ、及びφは発信器１８に対するセンサ２０の 方位角、仰角およびロール方位である。方位角はＸＹ座標のＺ軸の周りの回転で 定義する。仰角は回転したＺＸ座標の回転したＹ軸の周りの回転で定義する。ロ ールは回転したＸＺ座標のＸ軸周りの回転で定義する。 本発明の好適な実施形態においては、運動処理装置１６からのデータはあるRS -232シリアルポートを介してＰＣ１２へ38.4Kボーの速度で伝送される。ＰＣ１ ２で実行するソフトウェアはデータを損失しないコトを保証するバッファ付き割 込み機構駆動通信プロトコルを用いている。コンピュータはインテル^TMプロセッ サ一つ、二メガバイトのランダムアクセスメモリ、および超ＶＧＡモニタを有す る標準ＰＣである。本発明者はＣ＋＋コンパイラを用いてＣ言語およびアセンブ リ言語で開発した。 本発明者によりアセンブリ言語で開発された最適化図形ライブラリは訓練セッ ション中にユーザが保持する物体の三次元モデルを生成する。この装置は毎秒６ ０フレーム作り、結果として高品質のアニメーションとしている。画像は解像度 が画素６４０×４８０個の２５６色で表現される。現実的な三次元表現のために 標準照明モデルを用いている。 学生にピンポンボールを打つ動作を教示するに本発明を適用したところを第４ 図に例示する。学生５０が仮想ラケット５２の方向に投射された仮想ボール２８ を知覚する。この練習の目標は仮想ボール２８を仮想ラケット５２で打って標的 ３０の真中に当てる動作を学ぶにある。 運動追跡装置がセンサ２０の位置と向きを連続的にモニタするので、ピンポン ラケット２２のような剛性物体の終点軌道をラケット２２のハンドルに取り付け た一つのセンサ２２で求めることができる。仮想ラケット５２は学生の腕や体な しにモニタ１０上に表示される。ラケットだけしか見せないので、学生は学習す べき最も重要な運動の部分、すなわちラケットの終点軌道に注意を集中すること ができる。被検者は所望の終点軌道を得るために身体の他の部分を調整するため の被験者自身のユーザ決め戦略を開発する。 学生の身体の位置のアニメーションを提示して、学生により詳細なフィードバ ックをなすためにさらにセンサ２０を付加することができるが、これはより多く のセンサでさらにフィードバックするのは初心者に余剰の情報で負担がかかりす ぎるようになるので、初歩の学生には一般に是認することはできない。学生がエ ンドエフェクタの動作の模倣に習熟すれば、さらにセンサを付加して学生が動作 のより錯雑な細目に注意を集中できるようにする。例えば、センサを手、前腕、 胴、および足あるいはそのいずれかに取り付けて、学生が運動の精度に影響のあ る肢の軌道に注意を集中できるようにする。例えば、プロはさらにセンサを付加 しなくては技能の向上を望めないほどエンドエフェクタの運動を完成させている ことがある。 運動学習装置には三つの操作モード、練習、訓練、およびフィードバックがあ る。練習モードを第４図に例示するが、そこで学生は運動を練習して仮想環境に 慣れるようになる。練習モードでは学生５０が運動追跡センサ２０を取付けた実 際のピンポンラケット２２を動かしながら、彼はリアルタイムにモニタ１０上に 仮想ラケット５２の応動を見る。最 初は、仮想ボールなしに仮想ラケットのアニメーションを発生させて、学生５０ を仮想環境に慣れさせる。学生５０は十分用意ができれば、仮想ボール２８をモ ニタ１０上に設けた標的３０の真中に当てるのを目標として、学生が仮想ラケッ ト５２で打つようにモニタ１０上に仮想ボール２８を発生させるようコンピュー タに命令する。 第５図に例示するように、動作学習の次の段階は教師のラケット５８Ｂがモニ タ１０上に提示され、仮想ボール２８を標的３０に当てる運動を実行する。学生 の目標はこのモードでは仮想ボール２８を打つのではなくて、教師の仮想ラケッ ト５８Ｂが仮想ボール２８を打つときの教師の運動を学生の仮想ラケット５６Ｂ に真似させるのである。最初は教師の運動５８Ｂを最初の位置５８Ａから最終位 置５８Ｂヘスローモーションで動かして見せるので、学生５０がその運動の軌道 だけを練習することができる。漸次教師のラケット５８Ｂの速度をリアルタイム まで増し、学生５０がその軌道を学んで、その後その運動の速度に注意を集中す ることができる。教師を模倣する学生の能力が向上すれば、コンピュータは自動 的に教師の動作の速度を増す。 ソフトウェアは教師の軌道から最も大きい偏差のある学生の軌道の部分を判定 することができる。その後の表示では、スローモーションの図形でこれらの部分 を強調し、まだ適切に学習されていない動作シーケンスのセグメントに学生５０ の注意を集中させる。この特徴は被訓練者を注視して適正でない運動を被訓練者 に知らせるコーチの口頭の意見を補うことである。 訓練モードの後、学生は練習モードヘ戻り、再び練習試験を行って進歩をモニ タする。一連の仮想ボールを再び学生に表示する。所定数の練習試験の後、装置 はフィードバックモードに切り替わる。 第６図に例示するように、フィードバックモードにおいて、学生５０の記録さ れた運動５６Ａ〜Ｂは教師の運動５８Ａ〜Ｂに重畳されて再生される。教師の軌 道５８Ｂから逸れている学生の軌道５６Ｂの部分が強 調される（６０）。ソフトウェアは各練習試験の後か所定回数の練習試験の後に フィードバックを表示するが、その回数は学生５０の成績によって適合させる。 学生５０は一般に成績が横ばいとなる。学生は数回試験に成績がよかった後連続 して数回うまく行かなくなるかもしれない。学生５０が反復して的３０に当て損 ねる時が訓練モードかフィードバックモードに切り替えるのに適切な時期である 。 第７図は本発明の操作の流れ図で、それの閉ループ性を示している。ユーザ７ ０が物体７２を動かすと、動作センサ７２がその動きを検知しその物体について の位置と向きの情報７６をＰＣ８０に送る。ＰＣは練習、訓練、あるいはフィー ドバックのモードのいずれかで作動しており、操作のモードにより、運動が起こ る時のそのアニメーション８２をモニタ８４上に表示する。モニタ８４はユーザ ７０にリアルタイムに視覚フィードバック８６を提示してユーザが自分の動作７ ２をどう改善するかを決めることができるようにする。 第８Ａ、８Ｂ図はシステムソフトウェアの詳細な流れ図である。プログラムは 発信器に対するセンサ位置の目盛り付けから始まる（１００）。ボールと標的を 含む三次元作業空間を描く（１０２）。センサの位置と向きを読み取り（１０４ ）、センサの位置と向きに応じて被検者のラケットの三次元モデルを描く（１０ ６）。次に、ボールに初速度を与える（１０８）。 学生が練習モードにあれば（１１０）、センサの位置と向きを読み取り、ファ イルに記録する（１１２）。学生のラケットの三次元モデルを描き、ボールの位 置を更新する（１１４）。学生のラケットがボールに当たらなかったら（１１６ ）、センサの位置と向きを更新、記録し（１１２）、学生のラケットとボールの 位置のモデルを更新する（１１４）。ボールがラケットに当たる時に（１１６） 、その衝突の力学的データとボールの加速を計算し（１１８）、表示画面で更新 する（１２０）。ボールが標的に当たらなければ（１２２）、ボールの位置を再 び更新す る（１２０）。ボールが標的に当たれば（１２２）、評点を計算して学生に知ら せ（１２４）、このプロセスを再び繰り返す（１１０）。 学生が訓練モードにあれば（１１０）、教師の軌道をファイル（第８Ｂ図）か ら読み出して（１２６）教師のラケットの三次元モデルを描く（１２８）。学生 のセンサ情報を読み取り、学生のラケットの三次元モデルを描き、ボールの位置 を更新する（１３０）。ユーザ選択更新速度に応じて教師のラケットの位置を更 新し（１３２）、教師の軌道を完了するまで（１３４）、学生のラケットと教師 のラケットの位置を連続的に更新する。教師の軌道を完了すれば、学生と教師の 運動の相関評点を計算して学生に示す（１３６）。１１０からプロセスを反復す る。 教師の動作を形成する別法では、学生の運動を記録してから学生の動作と似た やり方でボールが標的にうまく当たる軌道になると予測されるようにコンピュー タをプログラムする。学生は予め記録した教師の軌道でなくユーザに由来した教 師の軌道を用いて学生に不自然となることのある動作を無理強いされることなく 自身の運動のスタイルで学び改善することができる。 教師の動作を形成するもう一つの手法では、少なくとも一つの動作で所望の結 果が得られるまで幾つかの学生の試験動作を記録する自己教授を含む。コンピュ ータが最高の結果の得られた動作シーケンスを選択し、そのシーケンスを用いて 学生を訓練する。 別の一実施例においては、センサを学生のラケット上とともに教師のラケット 上に取り付ける。学生と教師の運動をともにリアルタイムにモニタ上に表示する 。このようにすると学生はメモリに記憶されている教師の運動に加えて現実の教 師から学ぶことになる。 肢の運動の実施において、「エンドエフェクタ」の運動学が、動作を学習する ための制御変数として顕著な役割を演じる証拠は多数ある。エンドエフェクタは 、人が環境と相関する要素と考えることができる。例えば、１本のチョークで書 く際、それを手あるいは足で持つか上腕に縛り付けたレバーの端に取り付けるか を問わず、エンドエフェクタはチョークの先端である。腕、手、あるいは足の異 なった関節がエンドエフェクタとして働いても、手書きの特性は保持されるとい うことは周知である。簡単な伸長運動の運動学は、環境における視覚フィードバ ックと力学的条件が極端に変わってもそれらの特性を維持する。生物学的動作に 関する実験で暗所で動いている人の幾つかの関節に発光ダイオードを取り付ると 、これは人間の姿を知覚するための対象を発生させ、さらにある個人的特性に関 する情報を含ませるのに十分であることが分かる。これらの研究によって、最高 レベルの運動計画と制御により肢のエンドエフェクタの運動学的な目標が維持さ れ、またこの視覚系によって抽出される運動情報の多くがエンドエフェクタ運動 学に含まれていることが分かった。 エンドエフェクタの運動学についてフィードバックが可能な特定のフォーマッ トは多数ある。一つ可能なのは、異なった変数を時間の関数とするグラフを用い ることである。重要でないと考えられる運動変数を除去して、学生の運動と教師 の運動の比較を簡略化することができる。別法として、１次元の腕の運動を教示 するのに時間の関数とした位置のグラフを用いることができる。このようにする と、教師の運動のグラフを学生の運動に重畳して相違点を比較することができる 。これらの方法はそれら自体二つの理由で不適切である。第一に、ほとんどどの 現実的な タスクの場合にもそうであるように、フィードバックに幾つかの変数があるとき 、幾つかのグラフを同時に解釈し比較するのは難しい。第二に、そのような表示 を知覚することができても、この異常な形で得られる運動情報を運動系に同化す るのが容易かどうかはっきりしない。 本発明に組み込まれた好適なフィードバック法は、空間の運動の絶対位置を指 定するのに十分な図形的手掛かりのあるエンドエフェクタのアニメーションであ る。正常な状態にある知覚運動系が運動の形で視覚フィードバックを受け取るの で、この直接表現でフィードバックが増大してもその処理が容易になる。アニメ ーションによって、運動の表現が、最も重要な変数に低減される。アニメーショ ンされた特性は、画像により容易に抽出され、学生の運動に組み入れられる。学 生の運動と教師のそれの比較は、仮想環境に含まれるエンドエフェクタの仮想ア ニメーションとともに、学生の運動と教師の運動を対照して、同じフレーム内で 同時かつ即座に表示することによってなされる。 学生の運動中にフィードバックが即座にすなわち同時に提示されるので、従来 の遅延ビデオ系提示法より幾つかの潜在的利点がある。同時フィードバックで、 学生は記憶に頼らないでオンラインリアルタイム矯正をなすことができる。同時 フィードバックのもう一つの利点は、矯正フィードバックが得られるまで、運動 系が、今作り出した運動についての情報を記憶しなくてもよいことである。 第９〜１２図は、別のフィードバック法を提示している。第９図では、教師の 仮想ラケット３２０と学生の仮想ラケット３２２の間に図形線、言い替えればス トリング３１４を引いている。ストリング３１４は、任意の時間における仮想ラ ケット３２０、３２２の位置の相対的相違を表現している。学生が教師の動作を よりよく真似ると、ストリング３１４は短くなるので学生により知覚し難くなる 。学生はこれを自分の運動が正しいことを示すものと受け取る。学生の目標は、 自分の動作を変えて動作の全範囲でストリング３１４をできるだけ短くすること にある。 ストリング３１４の代替として、コンピュータはラケット３２０、３２２の間 隔が変わると変わる特定周波数の音を発生させる。例えば、学生のラケットが教 師のそれ３２０に近いと、低いピッチの音が発生される。学生のラケットが教師 のものから距離が増すと、次第に高いピッチが発生され、運動の相対的相違を学 生に聴覚フィードバックする。 画像の上部に、教師ラケット３２０Ｃと学生ラケット３２２Ｃの拡大輪郭を提 示している。輪郭は、点Ｐでラケットの方位軸を合わせて固定して相互の相対的 なラケットの３次元方位（方向）を表示している。第９図では、学生ラケット３ ２２Ｃが３次元方位のすべてにおいて教師ラケット３２０Ｃとほぼ整列している ことが明らかである。 第１０図は、第９図のラケットのモニタ画像と異なった角度でのものである。 第１０図では、ラケット間のストリング３１４がより長く、その時点で、学生の ラケット３２２の位置が、教師のラケット３２０から、より離れていることを示 していることが観察される。さらに、ラケット３２０Ｃ、３２２Ｃの拡大輪郭か ら、教師のラケット３２０Ｃに対する学生のラケット３２２の３次元整列が、第 １０図では、第９図よりも悪いことが分かる。教師のラケット３２０Ｃは学生の ラケットより扁平に見え、教師のラケット３２０Ｃが仮想台３０８の表面にほぼ 平行であることを示している。学生のラケット３２２Ｃはずっと広く見え、それ の向きが台３０８にほぼ垂直であることを示している。 奥行き知覚をよくするために学生のラケット３２２Ｄ、教師のラケット３２０ Ｄ、およびボール３０４Ｄに影を付けている。影はラケット相互の３次元方位も 示す。仮想光が真上であるとすると、ボール３０４Ｄの影が教師のラケット３２ ０Ｄの影よりも画像の後壁に近いということは、ボール３０４が教師のラケット ３２０よりも後壁に近いことを示している。さらに、影の幅は台３０８に対する ラケットの３次元方位を示している。学生ラケット３２２の影３２２Ｄが狭いの は、ラケットが台にほぼ垂直に向けられていることを示している。教師ラケット ３２０の 影３２０Ｄがより広いのは、ラケットが台３０８の平面にほぼ平行に向いている ことを示している。 教師と学生の軌道の図形表示３４０を画像の上端に表示して、学生に付加的な フィードバックを与えている。各画像において教師の軌道は破線で表し、学生の 軌道は実線で表している。最初の画像３４０Ａは側から見たそれぞれの軌道を提 示しているが、第２の画像３４０Ｂは上から見たそれぞれの軌道を表している。 エキスパート（熟達者）の軌道からの学生の軌道の最も大きく相違する部分が、 すべての３次元に容易に見付けられる。学生がエキスパートを真似た程度を表す 総評点３４０Ｃも表示する。 第１１図は、仮想教師ラケット３２０が仮想ボール３０４を打っており、仮想 学生ラケット３２２が仮想教師ラケット３２０を真似ているところの大写しのモ ニター画像である。大写し画像を提示することによって、学生はラケット３２０ がボール３０４に当たるラケット上の正確な位置とそれによる効果を知ることが できる。このようにして、学生は、ラケットの「スイートスポット」でボールを どのようにして打つか、あるいはボール３０４にトップスピン、バックスピン、 またはサイドスピンを与えることを学ぶことができる。 コンピュータでは、動作を教示するのにフィードバック構成に限界がない。指 導員は、特定の学生にどの方法が最も効率的かを決め、コンピュータにそれを提 供するように命令することができる。ある動作の型には異なったフィードバック 法がより適切であることがあり、また、ある学生は異なったフィードバックの型 に特有に反応する。フィードバックが自由に選択できると学生の興味を増し、学 習が加速されることになる。 第１２Ａ、１２Ｂ図は、それぞれテニスラケット３４４とゴルフクラブ３４６ を振る動作の学習に本発明を適用したところを例示している。各々の場合、映写 画面３４８上に学生２５０の道具の仮想画像を表示し て、道具の実物大画像３４４Ａ、３４６Ａとなしている。動作感知装置用の電磁 発信器をコンピュータ１０か表示画面３４８に埋め込む。上述のように、道具の ハンドルにセンサ２２０を取り付けて、コンピュータ１２に位置と向きの情報を 与える。学生に遠隔制御スイッチ３５４を取り付けて、例えばエキスパート動作 の開始や訓練モードの変更など訓練セッションの特徴を学生２５０が制御できる ようにする。 本発明は、運動障害患者が運動技量を学び直すための訓練にも適用できる。研 究者は、最近中央神経系統がいかに肢の方向、振幅、および速度の神経的象徴を 変形するかについて研究している。神経的象徴は肢を動かす筋肉を活動的にする 信号に変換された皮質と皮質下の神経単位の集団の活動の関数である。この考え 方によって、直接筋肉を制御することによるのではなく、例えば動く肢または体 の一部の終点軌道を制御するというようにもっと理論的な方法により、頭脳が運 動を制御するということが現実的になる。これらの軌道は次いで、脊椎神経単位 の不連続群に符号付けされたプリミティブ、すなわち力場の組合せを活動化する ことによって運動に用いられる関節の周りの筋張力の平衡点をセットする運動プ ログラムによって達成される。 実際、この考えが本当であれば、そのような理論に基づく処置技術は、筋電図 描画法（ＥＭＧ）バイオフィードバックに基づく現在の方法よりもずっと効果的 であるかも知れない。またある種の患者には、二つの手法を組み合わせると、い ずれか一つを単独に用いるよりもより効果的であることがある。例えば、ある特 定の患者の神経運動障害により、計画の軌道を適切なプリミティブの活動化のマ ップに変形する神経系統の部分が損傷を受けるような場合は手法の組合せは一層 効果的であろう。 本発明は、身体リハビリ医療、学習不能、職場医療の３カテゴリに分割できる リハビリ医療に広範な応用がある。身体的リハビリ医療は、生存する卒中患者、 外傷的脳傷害患者、基本運動タスクの再学習を要求されている運動系統障害患者 の介護に適用される。このタスクには、ドア をあけるとかベッドから出るといった簡単なことや、ペンで字を書くとか歩行す るといったもっと複雑な行動も含まれる。また、これには、整形外科やスポーツ 医療の分野も含まれる。神経発生障害の子供の学習不能は、計算処理系仮想環境 におけるエキスパートの運動挙動の模倣で、運動技量に直接有益な作用を受け効 果的に能力増強される。作業場医療と作業者補償評価手続きによって患者評価プ ロセスの客観的自動化を実現し、患者のデータを収集して分析するのに要する時 間を短縮するとともに、一貫した、正確な、そして数量化できる結果が得られる ことになる。 学習するタスクの例には胴制御、下肢制御、および上肢制御がある。胴制御に は着座位置と起立位置の間あるいはベッド上の横臥、ベッド上の着座、および起 立の間の移動が関係している。頭と肩あるいはそのいずれかの軌道を訓練のフィ ードバック変数として用いることができる。第２の例は障害を受けた腕を伸ばし て空間の種々の点に届かせることである。患者がそれに向かって届かせる仮想目 標をコンピュータ表示画面に発生させることができる。 下肢制御には、障害を受けた側の膝や尻の運動軌道を制御しようとしながら、 障害を受けていない肢で前方と後方に歩く動作がある。訓練中、障害を受けた膝 や尻と障害を受けなかった足にセンサを取り付ける。 上肢制御には、肘を伸ばして腕を前方水平位置へ上げたり、手を体の後ろに置 くようなタスクがある。他の例には、障害を受けた腕を障害を受けていない腕の 表面に上下に滑らせるとか、肩を２０〜４０度曲げたままで、肘を曲げ伸ばしし て手を前後に移動させるものがある。これらのタスクのすべては入浴や着服の活 動に役立つ要素運動技能である。 本発明には、例えば作業者に重量物を安全に持ち上げる訓練をするといった産 業上の応用もある。また、きつい組立て作業あるいは手根管症候群のような疾病 にかからないようにする適正な技術に作業者を訓練することができる。 本発明は、リハビリ病院、外来患者リハビリ設備、リハビリ装置のある短期医 療目的の病院、ホームケアサービス提供者、物理療法設備、およびスポーツ訓練 設備を含む種々の設備での使用に適用される。院内患者から、外来患者へ、最終 的にはホームケアに至る環境のリハビリ設備の連続線上で、回復期の患者が本発 明を用い続けることになる。本発明の主な受益者には、回復期の歩脚卒中患者、 外傷的脳傷害患者、運動系統疾患患者、整形外科患者、スポーツ医療患者、およ び運動選手である。 第１３Ａ図は、患者２５０に適正な歩行動作を教示するために本発明をリハビ リに適用されたところを例示している。この場合、センサ２２０を患者２５０の エンドエフェクタすなわち足３５０に取り付けている。患者２５０は、自分の足 ３５０Ａの仮想画像を見て、教師の足３５０Ｂの仮想画像の運動を真似ようとす る。第１３Ｂ図では、本発明はスプーン３５２をテーブルから患者の口へ持ち上 げる時の手の運動の動作を患者２５０に教えるのに適用されている。上述のよう に、患者はモニタ１０を見て自分のスプーン３５２Ａの仮想画像でエキスパート ３５２Ｂの運動を真似ようとする。 仮想現実環境での訓練が実生活状況に移される。第１４〜１８図は、実験装置 と仮想ピンポンボールを打つという複雑な動作タスクの訓練を受けた被検者のグ ループで得られた結果を例示している。仮想現実訓練の後、被倹者は、従来の指 導を受けた対照群よりも実際の装置で有意によい成績をあげた。 第１４図にピンポンボールを打つタスクの仮想訓練用装置を例示する。訓練中 、コンピュータは、台２０８の左側で便利な高さの所に置かれたモニタ２００に 実装置の現実的な３次元仮想シミュレーションを表示した（第１５図参照）。訓 練モード中の学生の目標は、次空的に教師の仮想動作シーケンスを真似ることに あった。照明、閉鎖、および斜視映写を行って奥行き感を添えた。仮想ラケット ３２０と仮想ボール３０４ の衝突時の逸失自己受容情報に取り代る適切な音響効果も含めた。シミュレータ 中の学生のラケット３２２の位置を４０Ｈｚで更新し、センサ遅延は２０ミリ秒 以下であった。 訓練中、仮想ボール３０４は仮想斜面３０６に落ち、仮想台３０８から跳ね返 り、仮想教師ラケット３２０で打たれ、仮想ボール３０４が仮想目標３１２へ送 り込まれた。学生は、実ラケットを扱ったが実ボールは使わなかった。学生の目 標は、教師仮想ラケット３２０が仮想ボールを打って後、開始位置３２２Ａから 終止位置３２２Ｂまでそれの運動を自分の仮想ラケット３２２が真似るように自 分の実ラケットを制御することにあった。各運動の後、教師と学生の軌道の類似 性の測定値を反映する評点を、第１０図の上部に示したように数字と図表の両方 で表示した。学生がスイングの細目に注意を集中することができるように、スロ ーモーション訓練も行った。 訓練には、第１０図に示したように教師の仮想ラケット３２０と学生の仮想ラ ケット３２２をつなぐ図形「ストリング」３１４も入れた。ストリングは、学生 の運動と教師の運動の間の相対位置エラーを表すものである。ストリングが長い ほどエラーも大きい事を示す。これで学生が運動の空間的要素を速度的要素から 分離して学ぶことができ、また学生が奥行きについても注意深く調節できるよう になった。 仮想環境で訓練して後、被検者のピンポンの能力を実環境で試験した。この目 的に、第１５図の実験装置を用いた。 実験装置には、台２０８があり、学生２５０に最も近い台の端から１６５ｃｍ 離れた所に標準ピンポンネット２１２を取り付けた。ネット２１２の上１５ｃｍ の所に黒テープ２１４を張って、ネット２１２とテープ２１４の間に開口２１６ を画定した。台上ネット２１２の後２ｃｍの所に、矩形目標２１８を置いた。台 ２０８の左側で斜面２０６に取り付けた透明管２０２を通して白いピンポンボー ル２０４を落した。ボール２０４は、中間ピンポンショットとして一般的な速度 と角度で管を励振 し、全く一貫して予想できるように台から跳ね返った。学生２５０は、左手にラ ケット２２２を握り、台２０８の前方の便利な距離の所に立った。学生は、皆も ともと右ききであり、実際新しい動作を学ぶことになるよう左手で行うこととし た。 練習試験中、学生のタスクは、ボール２０４を台上で一度跳ね返らせ、ラケッ ト２２２でそれを打ち、それをネット２１２とテープ２１４の間の水平の開口２ １６を通して目標２１８へ送ることにあった。各試験の後、評点を記録した。試 験の間隔は５〜１０秒の範囲であった。 電磁センサは、ラケットの位置と向きを追跡した。上述のように、センサとし ては小さい受信器２２０をラケット２２２に取り付け、発振器２２４を台２０８ の下に配設した。センサは、６０Ｈｚでラケットの３次元の位置と向きの標本を 採って、そのデータをコンピュータ２２６へ伝送した。練習モード中、コンピュ ータは、実ラケット２２２軌道と評点を記録した。 第１回試験は、先導群の被検者１３人、対照群の被検者２０人、訓練群の被検 者１９人で行った。各被検者を装置とタスクに導入し、第１５図の実環境で練習 用ボールを１０個与えたが、試験の評点は記録しなかった。観察者が、各被検者 のベースラインを試験５０回に渡って記録した。どの群の被検者も、ボールが目 標２１８に対してどこに落ちたかを知覚して目標にうまく当たったかどうかを知 ることができた。被検者は、ベースライン段階中、その他の形のフィードバック は与えられなかった。ベースライン段階は、各学生に約１０分続いた。 ベースラインデータ収集の後、対照群の被検者を経験のある教師が実地指導し た。実地指導では、被検者のした何が悪かったかの討論を約１０分行い、それを 実演と余分の練習ボールで補足した。 対照群と対比して、先導、訓練群は、第１４図の仮想環境で訓練した。訓練は 、学生が教師の軌道のスローモーションバージョンを模倣することから始め、次 いで受け身のモードで、学生は運動の空間要素を練習 した。この訓練の段階は、各学生に約１〜２分かかった。スローモーション訓練 の後、先導群と訓練群は主訓練モードに入り、仮想環境で教師と同時に所望の運 動を反復した。先導、訓練群の各学生は、対照群の学生の１０分の実地指導に合 わせて、全部で約１０分訓練モードで過ごした。先導群と訓練群の違いは、訓練 群被検者はモニタ上で教師の仮想ラケットが仮想ボールを打つのを知覚すること ができたが、先導群被検者には仮想環境でボールを見せられなかった点だけであ る。 被検者が向上したかどうかを判定するために、２回目の試験５０回は、第１５ 図の実環境で記録した。ベースライン試験と同様に、この第２試験中、追加のフ ィードバックは与えられなかった。先導群と訓練群の被検者には、この練習の目 標が標的にボールを当てることで、必ずしも訓練モードシミュレータから教師の 動作を真似る必要はないと指示した。 各被検者に対して、標的に当たった全数をベースラインセッションの試験５０ 回と第２セッションの試験５０回について記録し、実地指導や訓練の前後の成績 の測定値を得た。向上を、第１から第２セッションへの成績の絶対増と定義した 。第２セッションで成績のとても悪い（当り五回以下）被検者は分析から除外し た。 第１６図は、成績を要約している。分散分析によって、すべての群は、試験５ ０回の第１セッションで同様な成績で開始したことが示された。対照群は、標準 実地指導により、第１ブロックと第２ブロックの間で平均点が少しよくなった。 しかし、訓練群は第２ブロックの試験で評点が有意に上がり、対照群と比較して 向上が大であった。 第２試験では、タスクの難度を増した。第１５図に示すように、高さ３０ｃｍ で学生２５０から８０ｃｍ離れた所で透明テープ２１０を台２０８に取り付けた 。第１試験におけるよりも管２０２をより長くし角度を小さく傾けて、ボールを より小さい角度でまたより高い速度で台２０８の端により近いところで跳ね返ら せるようにしたので、より難しいシ ョットに対応している。学生のタスクは、ボールが透明テープ２１０の下を通過 せねばならないという付加的な規則を付けたほかは、第１試験と同じであった。 第１試験では、もっと高い方物線軌道でボールを打つこと、すなわちより制御し やすいショットができたが、このタスクは、大体水平なボール軌道にするよう要 求されるのでずっと難しかった。仮想訓練環境は、上述の物理的設定の変更を反 映しているが、そのほかは全く同じであった。新しい教師の運動を記録し、教師 ボールを表示した。 第２実験は、毎日２セッションを３日続けて全部で６セッション行った。被検 者１０人の対照群は、この場合も実環境で実地指導され、被検者１１人の訓練群 は、第１実験の場合のように仮想環境で訓練を受けた。対照群には、練習用ボー ルを３０個与え口頭指導で補足した。訓練群は、仮想環境における訓練で各セッ ションを開始した。被検者の運動と教師の運動の類似性評点が所定の合格値を充 足した後、終了した。対照群と訓練群には、同じ訓練時間を与えた。練習中、対 照被検者は訓練被検者よりも５０％多い実ボールを打たせた。訓練群の被検者の 残余の練習時間は、仮想環境で過ごされた。 第２試験の結果を第１７図にグラフで示す。試験結果の分析で、両群とも成績 のよくなったことが示された。第６の最終セッションにおいて、訓練群４００の 評点は対照群４０６の評点よりも有意に高かった。また、この場合も、訓練群４ ０４の向上は対照群４０６の向上よりも大きかった。向上は、第１日の終り（セ ッション２）から第３日の終り（セッション６）までの成績の絶対増と定義した 。 第１試験の結果は、仮想環境と教師エンドエフェクタ軌道を用いる訓練法で成 績の向上が速くなり、これは実タスクで実地指導で補足される練習よりも好まし い。訓練群と比較した第１試験における先導群の結果は、ピンポンボールを打つ 動作の効果的な学習には、仮想環境にボールが存在しなければならないことを示 している。ボールを導入すると訓練 群に対照の時間的フレームを与えるので、訓練群がその動作の適切な開始時期を 適正に学習したことが明らかである。他方、先導群は開始の時について訓練され なかったので同期に欠けることになった。第２試験では、技量が少なくとも数日 に渡って向上するので、訓練法による向上は、ただ短期の効果でないことが示さ れた。実際、訓練群と対照群の向上の違いは、第２試験のセッションからセッシ ョンへと増加した。 第１８Ａ〜１８Ｃ図は、第２実験における対照群と訓練群の差異の量的測定値 を例示している。各グラフには、教師軌道３３０と学生軌道３３２が示されてい る。軌道上のリング３３４は、周期的に採られた標本に対応している。それで、 リング３３４間隔は速度に比例している。学生軌道３３２の主軸は、学生軌道の 集合に渡る平均軌道に対応している。各標本点における管の太さは、その点にお ける標準偏差の１／３である。各標本点において、平均軌道に直角な平面を見出 し、その標本点における各個の軌道沿いの３次元位置を平面に直角投影した。各 平面上に投影された点に２次元の正規分布を適合させると、分布の主軸沿いに方 向付けされた楕円となった。この楕円を視覚提示をよりよくするために１／３を かけて縮小し、対応するサンプル点における管の太さを決めるのに用いた。 第１８Ａ〜１８Ｃ図は、仮想環境における訓練群について（第１８Ａ図）、実 タスク時の訓練群について（第１８Ｂ図）、および実タスク時の対照群について （第１８Ｃ図）の第２試験の全部で６セッションに渡って集めた軌道を例示して いる。訓練群３３２Ａ、３３２Ｂの被検者の軌道が、対照群３３２Ｃの軌道より も教師軌道３３０により近似していることは、直ちに明らかである。また、衝突 点３３６あたりで変動性が低減したことも明らかである。変動性の大部分は、奥 行き次元ｘにおいてであった。これは、仮想環境における奥行き知覚が実環境に おける奥行き知覚ほど強健でないことから予期されることである。シミュレータ の平面映写像に平行な２次元ｙｚにおいては、仮想環境で訓練する被検 者の軌道は、同じ被検者の実タスク時（第１８Ｂ図）の軌道と比較して、訓練中 （第１８Ａ図）においてより一致していた。 学生と教師の軌道の間の距離測定に基づく数量的分析において、実施中、訓練 群は、対照群より教師に有意に近かった。訓練群のこの近さは、仮想と実の環境 の両方においてよくなった。各被検者の平均点と、シミュレータでの訓練開始時 における教師への距離の間に有意な相関が見出された。これより、シミュレータ での最初の成績が、実タスク時の総合成績を占うものであったという結論になる 。 この実験によって、フィードバックを増大して訓練すると、実地指導や実タス ク自体での余分の練習と比較して、実タスク時の成績が向上されることになる。 第１試験では、模擬仮想環境での訓練により、相当する量の実地指導による向上 よりも大きい成績向上が直ちに得られる結果になった。第２試験における困難な タスクでは、フィードバックを増した訓練を受けた群は、実タスク時に相当する 量の余分の練習をした対照群より成績がよかった。必要な訓練の量は経時的に減 らしたが、この向上は３日間持続した。増やしうるフィードバックの多くの特性 のうち最も適切と思われる特性を選択することを考えることによって、特定のタ スクのための最適訓練法を編み出そうと試みられた。その結果、有意な成績上の 利益があり、このなされた選択のよかったことが確認された。 本発明はその好適な実施例を参照して例示し説明したが、本技術に精通する人 には、付帯の請求項に規定する本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、その 形式細目を種々変更できることが分かる。 例えば、本発明は移動物体に応動する動作の学習に、静止物体を打つ動作の学 習に、また学生の身体外の物体の関係しない動作の学習に用いることができる。 移動物体を打つ関係の動作には、ピンポン、テニス、ラケットボール、およびス カッシュのような、動くボールをラケットで打つ、野球やクリケットのように鈍 器で動くボールを打つ、ハンドボールにおけるように体の一部で動いているボー ルを打つ、野球やフットボ ールにおけるように移動物体を受けて捕らえるものがある。固定物体を運動させ る動作には、ホッケーパックを打つこと、ゴルフボールのティーショット、バス ケットボールのシュート、およびフットボールのキックがある。身体外の物体の 関らない運動には歩行、スキー、およびオーケストラの指揮がある。 本発明は、無線センサ装置を含む広範な位置、方向センサ技術と互換性がある 。 本発明は、上述のピンポン例におけるようにセンサ１つだけしか要らない動作 の学習に用いられるだけでなく、複数のセンサの要るより複雑な動作にも用いら れるものである。例えば、ピンポンプレーヤがラケットの動きだけでなく、ピン ポンラケットを動かす際の自分の肘、肩、および胴の運動にも関心のある場合に は、これらの位置にセンサを取り付けて、その人の動作を分析し、同様にセンサ を配置して動作を記録した教師と比較することができる。 学習する動作により、本発明で、コンピュータモニタでなく大画面テレビ、あ るいは投射テレビでもっとよい結果が得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ (72)発明者 ムッサイバルディ・フェルディナンド・エ ー アメリカ合衆国，イリノイ州 60201，エ バンストン，メープル アベニュー 301 番 1501 (72)発明者 シャドメア・レザ アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 02154，ウオルトハム，サーテル ロード 72

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．運動を感知する動作感知装置と、 表示器と、 前記動作感知装置に応答して、学生の運動中に、学生の運動に対応して前記表 示器に学生の仮想像シーケンスを発生し、同時に教師の運動に対応して前記表示 器に教師の仮想像シーケンスを発生して、学生が学生の仮想像シーケンスで教師 の仮想像シーケンスを真似られるようにする電子回路とを備えた教示システム。 ２．請求項１において、前記電子回路が、前の学生の運動と教師の運動を補間 して中間の教師の運動を発生する教示システム。 ３．請求項１または２において、前記電子回路が、学生の運動の仮想像と教師 の運動の仮想像の位置の相対的差異を表し、その差異の変化に応じて長さが変わ る図形線を発生する教示システム。 ４．請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記電子回路が、前記位置の相対 的差異を表わす音を発生する教示システム。 ５．請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記動作感知装置が、学生が動か し始めた道具の動きを感知し、前記電子回路が、投射物を打つ道具の普通と拡大 の映像を発生する教示システム。 ６．請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記動作感知装置が、学生が動か し始めた道具の動きを感知し、前記電子回路が、その道具の影を発生する教示シ ステム。 ７．請求項１ないし６のいずれかにおいて、教師の仮想像シーケンスが検索さ れるメモリをさらに備える教示システム。 ８．学生の運動を動作感知装置で感知し、 学生の運動に対応して学生の仮想像シーケンスをリアルタイムで表示し、 学生の仮想像シーケンスと同じ対照フレームに教師の運動の仮想像シーケンス を表示して、学生が学生の仮想像シーケンスを教師の仮想像シ ーケンスに従うようにできる動作教示方法。 ９．請求項８において、前の学生の運動と教師の運動を補間して中間の教師の 運動を発生するステップをさらに含む動作教示方法。 １０．請求項８または９において、学生の運動の仮想像と教師の運動の仮想像の 位置の相対的差異を表し、その差異の変化に応じて長さが変わる図形線を発生す るステップをさらに含む動作教示方法。 １１．請求項８ないし１０のいずれかにおいて、学生の運動の仮想像と教師の運 動の仮想像の位置の相対的差異を表し、その差異の変化に応じて周波数が変わる 音を発生するステップをさらに含む動作教示方法。 １２．請求項８ないし１１のいずれかにおいて、前記動作感知装置が学生が動か し始めた道具の位置を感知するものであり、その道具の普通と拡大の映像を交互 に表示することをさらに含む動作教示方法。 １３．請求項８ないし１２のいずれかにおいて、前記動作感知装置が学生が動か し始めた道具の位置を感知するものであり、その道具の影を交互に表示すること をさらに含む動作教示方法。 １４．請求項８ないし１３のいずれかにおいて、教師の運動の仮想像シーケンス をメモリから検索する動作教示方法。