JP7284742B2

JP7284742B2 - 身体運動生成装置、身体運動生成方法および身体運動生成プログラム

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Publication number: JP7284742B2
Application number: JP2020214525A
Authority: JP
Inventors: 裕行神原; 康晴小池; 健太富永
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2023-05-31
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: JP2022100509A

Description

本発明はデータ処理技術に関し、特に身体運動生成装置、身体運動生成方法および身体運動生成プログラムに関する。

本発明者は、実際に腕を制御しながら到達運動の制御則を学習可能な上肢運動制御モデルを提案している（例えば、非特許文献１参照）。また、本発明者は、小脳における学習モデルとしてのフィードバック誤差学習と、大脳基底核におけるそれとしての強化学習の枠組みの一つであるＡｃｔｏｒ－Ｃｒｉｔｉｃ法とを組み合わせた運動学習モデルを提案している（例えば、非特許文献２参照）。

Kambara H, Kim K, Shin D, Sato M, Koike Y、"Learning and generation of goal-directed arm reaching from scratch"、Neural Netw、2009/01/06、2009;22、p.348－361 神原裕行、閔庚甫、金載烋、佐藤誠、小池康晴、"強化学習とフィードバック誤差学習を用いた腕の姿勢制御"、電子情報通信学会技術研究報告ＮＣ、ニューロコンピューティング、2003;103、p.55－60

従来提案された身体の運動制御モデルでは外力が十分に考慮されていなかった。本発明者は、より改善された身体の運動モデルを開発するに至った。

本発明は、本発明者の上記課題認識に基づきなされたものであり、１つの目的は、身体の運動を精度よく生成（または推定）する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の身体運動生成装置は、身体の所定部位の目標状態を受信する目標受信部と、所定部位の目標状態に基づいて、筋への運動指令を演算する運動指令演算部と、運動指令と、運動指令から算出される力とは別の外力により生成される所定部位の現在の状態とに基づいて、次時刻における所定部位の運動状態を生成する生成部と、次時刻における所定部位の運動状態に関するデータを出力する出力部とを備える。

本発明の別の態様もまた、身体運動生成装置である。この装置は、上肢の目標関節角度と目標関節角速度とを受信する目標受信部と、目標関節角度と目標関節角速度とに基づいて、筋への運動指令を演算する運動指令演算部と、運動指令に基づいて、手先力を生成する第１生成部と、手先力に基づく第１の制御入力値と、手先力とは異なる外力に基づく第２の制御入力値とをもとに、制御対象の移動量を生成する第２生成部と、制御対象の移動量に基づいて、現在の手先位置を生成する第３生成部と、を備える。第１生成部は、第３生成部により生成された現在の手先位置と、運動指令とに基づいて、次時刻における手先力を生成する。

本発明のさらに別の態様は、身体運動生成方法である。この方法は、身体の所定部位の目標状態を受信するステップと、所定部位の目標状態に基づいて、筋への運動指令を演算するステップと、運動指令と、運動指令から算出される力とは別の外力により生成される所定部位の現在の状態とに基づいて、次時刻における所定部位の運動状態を生成するステップと、次時刻における所定部位の運動状態に関するデータを出力するステップとをコンピュータが実行する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を、装置、システム、方法、プログラム、プログラムを格納した記録媒体などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、身体の運動を精度よく生成（または推定）することができる。

実施例のシミュレーションシステムの構成を示す図である。図１の目標設定部、身体運動生成部、ステアリングモデルの詳細を示すブロック図である。シミュレーションパターンを示す図である。グローバル座標系の定義を示す図である。図５（ａ）～（ｇ）は、各変数の時系列データを示す図である。

上記の非特許文献１において、本発明者は、実際に腕を制御しながら到達運動の制御則を学習可能な上肢運動制御モデルを提案している。しかし、非特許文献１の上肢運動制御モデルでは外力が十分に考慮されておらず、外力が存在する場合の腕の運動を生成することができなかった。本実施例では、外力が存在する場合であっても、腕の運動を精度よく生成（または推定）可能な技術を提案する。

図１は、実施例のシミュレーションシステム１０の構成を示すブロック図である。シミュレーションシステム１０は、人と、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）の両方がステアリングを操作する場合の車両の挙動を生成（または推定）する情報処理システムである。シミュレーションシステム１０は、目標設定部１２、身体運動生成部１４、ＥＰＳモデル１６、ステアリングモデル１８を備える。

本明細書のブロック図において示される各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵ・メモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。これらの機能ブロックがハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

また、本明細書のブロック図において示される複数の機能ブロックのうち少なくとも一部の機能ブロックは、コンピュータプログラムとして実装されてもよい。上記コンピュータプログラムは、記録媒体に格納されてもよく、その記録媒体を介して上記コンピュータプログラムがコンピュータ（情報処理装置）にインストールされてもよい。または、上記コンピュータプログラムは、通信ネットワークを介してダウンロードされ、コンピュータにインストールされてもよい。コンピュータのＣＰＵは、上記コンピュータプログラムをメインメモリに読み出して実行することにより、上記コンピュータプログラムに実装された機能ブロックの機能を発揮してもよい。

さらにまた、本明細書のブロック図において示される複数の機能ブロックの機能は、単一のコンピュータに実装されてもよく、複数台のコンピュータに分散して実装されてもよい。例えば、複数の機能ブロックの機能は、複数台のコンピュータがシステムとして連携することにより実現されてもよい。また、身体運動生成部１４の機能が単一または複数のの装置に実装されることにより身体運動生成装置が実現されてもよい。また、身体運動生成部１４とステアリングモデル１８の機能が単一または複数の装置に実装されることにより身体運動生成装置が実現されてもよい。

図１の各機能ブロックを説明する。目標設定部１２は、車両が走行する道路に関する情報（「道路情報」とも呼ぶ。）に基づいて、当該車両のステアリングを操作するドライバの上肢の目標状態を示す情報（「目標情報」とも呼ぶ。）を設定する。道路情報は、車両に搭載されたセンサ装置（レーダー、ソナー、カメラ等）により検知された情報であってもよい。例えば、道路情報は、道路内での車両の位置を示す情報であってもよい。目標設定部１２の詳細な構成は後述する。

身体運動生成部１４は、外力が存在する中での人の身体の運動を生成（または推定）する。実施例の身体運動生成部１４は、ドライバモデルとも言え、車両のステアリングを操作するドライバの上肢の運動を模擬する。後述するように、身体運動生成部１４は、目標設定部１２から出力された目標情報に基づいて、ドライバの手先がステアリングに与える手先力を生成する。手先力に基づいて導出された操舵トルク（例えばドライバの手先がステアリングを回す力）の大きさを示す信号は、後述の舵角追従制御部２４、操舵アシスト制御部２６、ステアリング部３２に入力される。身体運動生成部１４の詳細な構成は後述する。

ＥＰＳモデル１６は、車両の電動パワーステアリングの挙動を模擬する。ＥＰＳモデル１６は、経路生成部２０、目標舵角演算部２２、舵角追従制御部２４、操舵アシスト制御部２６を備える。経路生成部２０は、道路情報に基づいて、車両が進むべき経路を示す情報（「目標経路」とも呼ぶ。）を生成する。経路生成部２０は、例えば、車両が車線の中央を走行するための経路を目標経路として生成してもよい。目標経路は、例えば、車両が進むべき目標位置のＸ座標（Ｘ_ｒ）、Ｙ座標（Ｙ_ｒ）、および車両の向きを含んでもよい。

車両のステアリングの角度を「舵角」とも呼ぶ。目標舵角演算部２２は、目標経路を実現するための舵角（「目標舵角」とも呼ぶ。）を計算により求める。舵角追従制御部２４は、目標舵角演算部２２から入力された目標舵角と、身体運動生成部１４から入力された操舵トルクとに基づいて、目標舵角を達成するための制御を行う。実施例では、舵角追従制御部２４は、車線の中央を走行するための車線維持制御を行う。車線維持制御は、自動運転制御とも言える。舵角追従制御部２４は、目標舵角と実際の舵角の偏差が大きいほど、また、操舵トルクが小さいほど、車線維持制御の力を大きくしてもよい。舵角追従制御部２４は、車線維持制御の力の大きさに応じたＬＫＡ（Lane Keeping Assist）電流を出力する。

操舵アシスト制御部２６は、身体運動生成部１４から入力された操舵トルクに基づいて、ドライバによる操舵をアシストする制御（「操舵アシスト制御」とも呼ぶ。）を行う。操舵アシスト制御部２６は、操舵トルクが大きいほど、操舵アシストの力を大きくしてもよい。操舵アシスト制御部２６は、操舵アシストの力の大きさに応じたアシスト電流を出力する。ＥＰＳモデル１６は、ＬＫＡ電流とアシスト電流を合成したＥＰＳ電流をステアリングモデル１８へ入力する。

ステアリングモデル１８は、車両のステアリングの挙動を模擬する。ステアリングモデル１８は、ゲイン３０とステアリング部３２を備える。ステアリング部３２には、操舵トルク以外の外力として、ＥＰＳトルクと反力トルクが入力される。ＥＰＳトルクは、ＥＰＳがステアリングを回す力である。ゲイン３０は、ＥＰＳ電流を増幅し、ＥＰＳトルクの大きさを示す信号をステアリング部３２へ入力する。反力トルクは、道路のうねりや傾き等、ドライバの操作とＥＰＳ以外の要因がステアリングを回す力である。シミュレーションシステム１０では、シミュレーションのシナリオやパターンに応じた様々な波形の反力トルクを示す信号がステアリング部３２に入力され得る。

ステアリング部３２は、ＥＰＳトルク、反力トルク、操舵トルクに基づいて、ステアリングの角度（すなわち舵角）を生成する。ステアリング部３２は、生成した舵角を外部へ出力する。例えば、ステアリング部３２は、コンピュータの記憶部に、生成した舵角データを逐次記録してもよい。また、ステアリング部３２は、ステアリングの舵角を利用する装置やシステム（例えばステアリングの舵角の妥当性を判定する装置や、車両全体の挙動を模擬する装置等）に生成結果としての舵角データを逐次送信してもよい。

図２は、図１の目標設定部１２、身体運動生成部１４、ステアリングモデル１８の詳細を示すブロック図である。目標設定部１２は、経路生成部４０、目標舵角演算部４２、手先位置演算部４４、ＩＫＭ（Inverse Kinematic Model）４６を備える。これらのブロックの具体的な機能は後述する。

身体運動生成部１４は、目標受信部５０、運動指令演算部５２、手先力生成部６０、出力部６２を備える。目標受信部５０は、身体の所定部位の目標状態（目標位置とも言える）を受信する。実施例では、目標受信部５０は、人の上肢（例えば肩や肘等）の各関節に関する目標状態として、目標関節角度と目標関節角速度とを受信する。

運動指令演算部５２は、目標受信部５０が受信した目標状態に基づいて、その目標状態に到達するための筋への運動指令を演算する。実施例では、運動指令演算部５２は、目標関節角度と目標関節角速度とに基づいて、各関節に対応する筋であり、各関節に予め関連付けられた筋への運動指令を演算する。運動指令演算部５２は、ＩＳＭ（Inverse Static Model）５４、ＦＢＣ（Feed Back Controller）５６、ＦＤＭ（Forward Dynamics Model）５８を含む。これらのブロックの具体的な機能は後述する。

手先力生成部６０は、第１の生成部として、運動指令演算部５２から出力された運動指令と、運動指令から算出される力とは別の外力により生成される身体の所定部位の現在の状態（関節角度や関節角速度等）に基づいて、次時刻における所定部位の運動状態を生成（または推定）する。後述するように、手先力生成部６０は、ステアリングモデル１８からフィードバックされた情報に基づいて、所定部位の現在の状態を得る。出力部６２は、次時刻における身体の所定部位の運動状態に関するデータを出力する。実施例では、手先力生成部６０は、次時刻におけるドライバの手先力を生成し、出力部６２は、次時刻におけるドライバの手先力をステアリングモデル１８へ出力する。

ステアリングモデル１８は、図１に示した機能ブロックに加えて、操舵トルク換算部３４と手先位置生成部３６をさらに備える。操舵トルク換算部３４は、公知の換算アルゴリズムに基づいて、身体運動生成部１４から入力された手先力を、ステアリング部３２に対する操舵トルクに変換する。ステアリング部３２は、第２の生成部として、手先力に基づく第１の制御入力値と、手先力とは異なる外力に基づく第２の制御入力値とをもとに、制御対象の移動量を生成する。具体的には、ステアリング部３２は、手先力に基づく操舵トルクと、手先力とは異なる外力に基づくトルク（実施例ではＥＰＳトルクおよび反力トルク）とをもとに、ステアリング角度を生成（または推定）する。

手先位置生成部３６は、第３の生成部として、ステアリング部３２により生成された制御対象の移動量に基づいて、ドライバの現在の手先位置を生成する。具体的には、手先位置生成部３６は、ステアリング部３２により生成されたステアリング角度に基づいて、現在の手先位置を生成する。手先位置生成部３６により生成された現在の手先位置のデータは、身体運動生成部１４にフィードバックされる。身体運動生成部１４の手先力生成部６０は、手先位置生成部３６により生成された現在の手先位置と、運動指令とに基づいて、次時刻における手先力を生成する。

以上の構成によるシミュレーションシステム１０の動作を説明する。
シミュレーションシステム１０のユーザまたは外部装置は、道路情報を目標設定部１２に入力する。目標設定部１２の経路生成部４０は、ＥＰＳモデル１６の経路生成部２０と同様に、道路情報に基づいて目標経路（Ｘ_ｒ、Ｙ_ｒ、車両の向き）を生成する。目標設定部１２の目標舵角演算部４２は、ＥＰＳモデル１６の目標舵角演算部２２と同様に、目標経路に基づいて目標舵角δ_ｒを計算により求める。目標舵角δ_ｒは、例えば、ステアリングの初期位置から反時計回りに０から＋１８０の値であり、初期位置から時計回りに０から－１８０の値であってもよい。なお、目標舵角δ_ｒは、＋１８０より大きい値になってもよく、また、－１８０より小さい値になってもよい。

目標設定部１２の手先位置演算部４４は、目標舵角δ_ｒを実現するための、目標となるドライバの手先位置Ｐ_ｈ，ｒを公知の舵角演算により求める。目標設定部１２のＩＫＭ４６は、逆運動学の手法を用いて、目標となる手先位置Ｐ_ｈ，ｒから、上肢の複数の関節に関する目標関節角度θ_ｒと目標関節角速度θ・_ｒを導出する。ＩＫＭ４６は、目標関節角度θ_ｒと目標関節角速度θ・_ｒを含む目標情報を身体運動生成部１４へ出力する。なお、実施例の関節角度は、腕の姿勢を決定する複数の要素として、複数の自由度に対応した複数の関節角度を含んでもよい。４自由度の場合、例えば、θ1（外転・内転）、θ2（肩の屈曲・伸展）、θ3（外旋・内旋）、θ4（肘の屈曲・伸展）を含んでもよい。

身体運動生成部１４の目標受信部５０は、目標設定部１２から出力された目標関節角度θ_ｒと目標関節角速度θ・_ｒを含む目標情報を受け付ける。身体運動生成部１４のＩＳＭ５４は、或る関節角度で腕を静止している場合（すなわち関節角速度が０である場合）に、目標関節角度θ_ｒまで腕を動かすための筋活動量を求める。ＩＳＭ５４は、その筋活動量を実現するための運動指令ｕ_ＩＳＭの値（０～１に正規化した値）を出力する。

身体運動生成部１４のＦＤＭ５８は、手先力生成部６０からフィードバックされた直前の関節角度と関節角速度（ｘ）と、運動指令ｕとをもとに、ＦＢＣ５６による計算時点の（言わば現在の）関節角度と関節角速度を求める（「現在関節角度θ_ｆ」、「現在関節角速度θ・_ｆ」と呼ぶ）。身体運動生成部１４のＦＢＣ５６には、目標関節角度θ_ｒと目標関節角速度θ・_ｒに加えて、現在関節角度θ_ｆと現在関節角速度θ・_ｆが入力される。

ＦＢＣ５６は、目標関節角度θ_ｒと現在関節角度θ_ｆとの差、および、目標関節角速度θ・_ｒと現在関節角速度θ・_ｆとの差を０にするための筋活動量を求める。ＦＢＣ５６は、その筋活動量を実現するための運動指令ｕ_ＦＢＣの値（－１～１に正規化した値）を出力する。身体運動生成部１４の手先力生成部６０には、運動指令ｕ_ＩＳＭの値と運動指令ｕ_ＦＢＣの値の合計値（ただし合計が負の場合、０とする）が運動指令ｕとして入力される。運動指令ｕは、上肢の複数の筋に対する複数の運動指令の値を含む。なお、身体運動生成部１４の目標受信部５０および運動指令演算部５２は、非特許文献１等の公知の技術により実現されてもよい。

手先力生成部６０は、運動指令ｕと、ステアリングモデル１８からフィードバックされた現在の手先位置Ｐ_ｈとに基づいて、次時刻のドライバの手先力Ｆ_ｈを導出する。手先力生成部６０は、導出した次時刻のドライバの手先力Ｆ_ｈを出力部６２に渡す。出力部６２は、次時刻のドライバの手先力Ｆ_ｈをステアリングモデル１８へ出力する。

手先力Ｆ_ｈの導出手順を説明する。
（手順１）手先力生成部６０は、公知の逆運動学の計算を用いて、現在の手先位置Ｐ_ｈから、上肢の各関節に関する現在の関節角度θ、関節角速度θ・、関節角加速度θ・・を導出する。なお、手先力生成部６０は、手順１で求めた各関節に関する現在の関節角度θ、関節角速度θ・を上記のｘとしてＦＤＭ５８に送る。

（手順２）手先力生成部６０は、式１によりｊ番目の筋の筋張力Ｔ_ｊを求める。

Ｋ_ｊは、ｊ番目の筋のバネの弾性（既定値）である。ΔＬ_ｊは、ｊ番目の筋の自然長からの伸びであり、運動指令と関節角度に関する既定の一次式で近似する。Ｂｊは、ｊ番目の筋に関するダンパの粘性であり、運動指令ｕ_ｊに関する既定の一次式で近似する。筋の収縮速度ΔＬ・_ｊは、関節角速度に関する既定の一次式とする。

（手順３）手先力生成部６０は、関節の回転トルクの値を、筋張力とモーメントアームの積によって計算する。ｉ番目の自由度に関する回転トルクτ_ｉは式２で求められる。

ｄ_ｊiは、ｉ番目の回転自由度に対するｊ番目の筋肉のモーメントアーム（既定値）である。Ｎ_ｍは筋肉の総数（既定値）である。

（手順４）手先力生成部６０は、式３に示す腕の運動方程式にしたがって、手先力Ｆ_ｈを求める。

例えば、関節角度θが、θ1（外転・内転）、θ2（肩の屈曲・伸展）、θ3（外旋・内旋）、θ4（肘の屈曲・伸展）を含む場合、Ｍ（θ）は、４×４の慣性行列である。ｈ（θ，θ・）は、遠心力とコリオリ力を表す４次元ベクトルである。ｇ（θ）は、重力項を表す４次元ベクトルである。τは、筋が生成する関節トルク（例えば４変数）である。τ_extは、ステアリングから手先への反力による関節トルク（例えば４変数）である。Ｊ（θ）はヤコビ行列である。

ステアリングモデル１８の操舵トルク換算部３４は、身体運動生成部１４から入力されたドライバの手先力Ｆ_ｈを操舵トルクＴ_ｄに換算し、操舵トルクＴ_ｄの大きさを示す信号をステアリング部３２へ入力する。図１に関連して説明したように、ステアリング部３２には、ＥＰＳモデル１６から出力されたＥＰＳ電流に基づくＥＰＳトルク（Ｔ_ＥＰＳ）の大きさを示す信号と、シミュレーションにおける反力トルク（Ｔ_ＲＦ）の大きさを示す信号とがさらに入力される。

ステアリングモデル１８のステアリング部３２は、予め定められたステアリングの運動方程式にしたがって、ＥＰＳトルク、反力トルク、操舵トルクから、ＥＰＳ、反力、およびドライバ操作の組み合わせの結果としてのステアリング角度δとステアリング角速度δ・を導出する。例えば、ＥＰＳトルクが大きい場合、ドライバの意図（手先力Ｆ_ｈ）を超えて、ステアリング角度δが大きくなることがある（δ＞δ_ｒ）。一方、反力トルクが大きい場合、ドライバの意図（手先力Ｆ_ｈ）に反して、ステアリング角度δが小さくなることがある（δ＜δ_ｒ）。

ステアリングモデル１８の手先位置生成部３６は、公知の舵角演算により、ステアリング角度δとステアリング角速度δ・に対応するドライバの現在の手先位置Ｐ_ｈを求める。手先位置生成部３６は、現在の手先位置Ｐ_ｈを身体運動生成部１４（手先力生成部６０）に出力する。

既述したように、手先力生成部６０は、現在の手先位置Ｐ_ｈから現在の上肢の関節角度θ等を導出する。ＥＰＳトルクや反力トルク等、外力の影響により、現在の上肢の関節角度θは、身体運動生成部１４に入力された目標関節角度θ_ｒに整合しないことがある。シミュレーションシステム１０では、現在の上肢の関節角度θが目標関節角度θ_ｒに整合するように、手先力生成部６０～手先位置生成部３６のループが繰り返し実行される。

次に、シミュレーションシステム１０を用いた実験結果を説明する。
図３は、シミュレーションパターンを示す。
車両７０が走行する道路：直線
車両７０の速度：６０ｋｍ／時
車両７０の操舵パターン：車線中央からの横偏差が±０．２ｍになるように、０．２Ｈｚでｓｉｎ状に操舵する。
ステアリングの把持位置：ステアリング角度０ｄｅｇのときにステアリングの一番上を右手で把持する。
電動パワーステアリング（ＥＰＳ）の動作：アシスト制御（ドライバの操舵のアシスト）と、車線維持制御（車線中央を走行するための制御）。

シミュレーションでの変数定義は以下の通りである。
hand_pos_x_m：Ｘ軸方向の手先位置（単位：ｍ）
hand_pos_y_m：Ｙ軸方向の手先位置（単位：ｍ）
hand_pos_z_m：Ｚ軸方向の手先位置（単位：ｍ）
hand_force_N：接線方向の手先力（単位：Ｎ）
str_trq_Nm：ドライバによる操舵トルク（単位：Ｎｍ）
str_ang_deg：ステアリング角度（単位：ｄｅｇ）
lat_off_m：車線中央からの横偏差（単位：ｍ）
手先力、操舵トルク、ステアリング角度は、反時計回りを正とする。
横偏差は、車線中央に対して左側を正とする。

図４は、グローバル座標系の定義を示す。グローバル座標系Σ_Ｇの原点Ｏ_Ｇの位置は、肩の位置とする。Σ_Ｇの座標軸は、Ｘ_Ｇが上方向（superior）、Ｙ_Ｇが外方向（lateral）、Ｚ_Ｇが前方向（anterior）とする。

図５（ａ）～（ｇ）は、実験結果としての各変数の時系列データを示す。図５（ａ）は、hand_pos_x_mの時系列データを示し、図５（ｂ）は、hand_pos_y_mの時系列データを示し、図５（ｃ）は、hand_pos_z_mの時系列データを示している。hand_pos_x_m、hand_pos_y_m、hand_pos_z_mは、ステアリングモデル１８からフィードバックされるＰ_ｈに相当する。図５（ｄ）は、hand_force_Nの時系列データを示している。hand_force_Nは、手先力生成部６０により生成される手先力Ｐ_ｈに相当する。

図５（ｅ）は、str_trq_Nmの時系列データを示している。str_trq_Nmは、hand_force_N（手先力Ｐ_ｈ）に基づき操舵トルク換算部３４が導出した操舵トルクＴ_ｄである。図５（ｆ）は、str_ang_degの時系列データを示している。str_ang_degは、ステアリング部３２により導出されたステアリング角度δである。図５（ｇ）は、lat_off_mの時系列データを示している。lat_off_mは、str_ang_degに追従して変化していく。

実施例の身体運動生成部１４によると、３次元のタスク空間での到達運動において、身体の部位の目標状態（例えば目標関節角度や目標関節角速度等）を与えるだけで、途中の部位の起動や関節角度の軌道を指定することなく、冗長自由度を有する筋骨格系の到達運動を生成することができる。また、身体運動生成部１４は、筋への運動指令ｕに基づき身体の動きを生成するため、関節の自由度を容易に拡張することができる。また、身体運動生成部１４は、力場下の運動であっても、力場の知識を必要とせず運動を生成することができる。

また、実施例のシミュレーションシステム１０によると、人の操作を伴う装置やシステムの動作を効率的に確認できる。例えば、シミュレーションシステム１０を用いた実験で示したように、操舵パターンが与えられた場合に、外力も加味して腕の動きを生成し、また、ステアリングの状態を生成できる。これにより、例えば、ＥＰＳのモジュール（経路生成部２０、目標舵角演算部２２、舵角追従制御部２４、操舵アシスト制御部２６等）のアルゴリズムや制御が正しいか否かの確認を低コストで実現できる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記実施例の身体運動生成部１４は人の腕の動きを生成したが、実施例に記載の技術思想は、これに制限されない。実施例に記載の技術思想は、外力を加味して人の筋骨格系の動きを生成すること全般に適用可能である。

上述した実施例および変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施例および変形例それぞれの効果をあわせもつ。また、請求項に記載の各構成要件が果たすべき機能は、実施例および変形例において示された各構成要素の単体もしくはそれらの連携によって実現されることも当業者には理解されるところである。

１０シミュレーションシステム、１４身体運動生成部、１８ステアリングモデル、３２ステアリング部、３６手先位置生成部、５０目標受信部、５２運動指令演算部、６０手先力生成部、６２出力部。

Claims

身体の所定部位の目標状態を受信する目標受信部と、
前記所定部位の目標状態に基づいて、筋への運動指令を演算する運動指令演算部と、
前記運動指令と、前記運動指令から算出される力とは別の外力により生成される前記所定部位の現在の状態とに基づいて、次時刻における前記所定部位の運動状態を生成する生成部と、
前記次時刻における前記所定部位の運動状態に関するデータを出力する出力部と、
を備える身体運動生成装置。
上肢の目標関節角度と目標関節角速度とを受信する目標受信部と、
前記目標関節角度と前記目標関節角速度とに基づいて、筋への運動指令を演算する運動指令演算部と、
前記運動指令に基づいて、手先力を生成する第１生成部と、
前記手先力に基づく第１の制御入力値と、前記手先力とは異なる外力に基づく第２の制御入力値とをもとに、制御対象の移動量を生成する第２生成部と、
前記制御対象の移動量に基づいて、現在の手先位置を生成する第３生成部と、
を備え、
前記第１生成部は、前記第３生成部により生成された現在の手先位置と、前記運動指令とに基づいて、次時刻における手先力を生成する身体運動生成装置。
前記目標状態は目標関節角度と目標関節角速度とを含む請求項１に記載の身体運動生成装置。
前記第１の制御入力値は操舵トルクであり、前記第２の制御入力値は前記操舵トルクとは別のトルクであり、前記制御対象はステアリングであり、前記制御対象の移動量は前記ステアリングの角度である請求項２に記載の身体運動生成装置。
前記外力は、電動パワーステアリングのトルクと路面反力トルクの少なくとも一方を含む請求項２または４に記載の身体運動生成装置。
前記パワーステアリングのトルクは、少なくとも目標舵角を達成するための舵角追従制御部とドライバによる操舵をアシストする操舵アシスト制御部とを含むＥＰＳモデルにより算出される請求項５に記載の身体運動生成装置。
前記運動指令演算部は、ＩＳＭとＦＢＣとＦＤＭとを含む請求項１から６のいずれか１項に記載の身体運動生成装置。
身体の所定部位の目標状態を受信するステップと、
前記所定部位の目標状態に基づいて、筋への運動指令を演算するステップと、
前記運動指令と、前記運動指令から算出される力とは別の外力により生成される前記所定部位の現在の状態とに基づいて、次時刻における前記所定部位の運動状態を生成するステップと、
前記次時刻における前記所定部位の運動状態に関するデータを出力するステップと、
をコンピュータが実行する身体運動生成方法。
身体の所定部位の目標状態を受信する機能と、
前記所定部位の目標状態に基づいて、筋への運動指令を演算する機能と、
前記運動指令と、前記運動指令から算出される力とは別の外力により生成される前記所定部位の現在の状態とに基づいて、次時刻における前記所定部位の運動状態を生成する機能と、
前記次時刻における前記所定部位の運動状態に関するデータを出力する機能と、
をコンピュータに実現させるための身体運動生成プログラム。