JPH04270372A - 技能開発方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業技術あるいは芸能
等において技能を習得するためにコンピュータを用いて
習得すべき技能を解析し、教程を作成する方法に関する
。

【従来の技術】

【０００２】工業技術あるいは芸能において技能を習得
するには、その技能を解析し、習得教程を作成する必要
がある。従来は解析者がその技能を習得している者の技
能を観察し、その観察結果に基づいて技能習得のための
教程を作成していた。この観察は人間によってなされる
ため主観的で不十分なものであった。

【０００３】一方、工業技術あるいは芸能等においてコ
ンピュータを用いて技能を解析し、その結果に基づいて
その技能の習得、錬磨あるいは新しい技能の開発を行う
ことが最近行われている。このコンピュータを用いる解
析もその基となるデータが解析者の主観により、位置・
速度・加速度のみを用いる運動学を用いて解析を行って
いる。そのため、この方法によって解析し画面上に表示
することができるのは人体を構成する部分を線で表す線
画（ライン・ピクチャ）のみであり、人体を立体的に肉
付けしてリアルに表示することはできない。したがって
、表示された内容の理解が困難であるばかりでなく、動
作内容は不合理的なものになりがちであり、新規な技能
の開発を行うことも困難である。

【０００４】また、コンピュータを用いて技能を分析し
、新しい技能を開発するには使いやすい対話形式により
リアルタイムに応答する方法が適しているにもかかわら
ず、従来の方法においては実際に動作をさせてその動作
内容の確認及びその結果に基づく微調整が必要なため、
対話形式によるリアルタイムにすることはできなかった
。

【０００５】物体の運動を論じる方法として位置・速度
及び加速度を用いる運動学の他に、物体の運動を力との
関係で論じる動力学と呼ばれる方法があり、この方法を
コンピュータによる技能解析に用いれば少ない操作で複
雑な動きを解析できる。しかし、動力学による技能解析
においては、計量が困難な慣性モーメント・重心・関節
の摩擦・筋肉／靭帯の弾性等のデータが必要であり、こ
れらのデータがないと運動学による技能解析と同様に不
合理な結果になってしまう。また、比較的手間のかかる
動力学方程式を解く必要があり、関節を有し自由度が２
００もある人体の動きを解析し設計するには、６００も
の微分方程式を同時に解く必要がある。

【０００６】従来のコンピュータを用いる動力学を用い
る技能解析は、 １．人体モデルを作成 ２．人間の実際の動作を入力 ３．入力された動作を解析 ４．解析された動作を再現 の４つの段階から構成されている。

【０００７】この解析された技能を再現する段階におい
ては、動力学方程式を精密に解けばよいが、この方法は
概念が複雑であるうえに、ｎを技能解析において動きの
最小単位になる人体を構成する部分の数とした場合の計
算量Ｏ（ｆ（ｎ））がｎ４の関数Ｏ（ｎ４）であり計算
量が多く計算に時間がかかるため、コンピュータによる
計算が高くつく。

【０００８】一方、軸の回りの関節の回転についての無
視することにより計算量がｎの関数Ｏ（ｎ）である計算
を用いた技能解析方法が提案されているが、この方法に
よって画面上に表示することができるのは人体を構成す
る部分を線で表す線画（ライン・ピクチャ）のみであり
、軸の回りの関節の回転について無視することができな
い場合には、この方法を用いることはできない。したが
って、この方法によっても人体を立体的に肉付けしてリ
アルに表示することはできない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は試行錯誤ある
いは解析者の直感によることなく、コンピュータを用い
て対話形式により技能を解析し、新しい技能の開発をす
ることができる技能解析方法を提供することを課題とす
るものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本発明の技能解析方法においては最初に、人間の基本
的な動きを解析し、人体のそれぞれの関節に発生する力
及びトルクを含む動的パラメータのデータを基本的な動
きに関する知識としてデータベースに入力する。

【００１１】次に、解析者はデータベースにアクセスし
、得られたデータを加工するが、コンピュータは制約条
件を制約された動きの形で、逆動力学の結果を力の形で
リアルタイムで解析者にフィードバックし、満足の行く
結果が得られるまでこの過程を繰り返すことにより、動
きを対話形式により設計する。

【００１２】この技能解析方法の計算量はｎの関数Ｏ（
ｎ）であり、コンピュータによる計算が高くつくという
問題を解決している。また、試行錯誤あるいは解析者の
直感によることなく、対話形式により線画ではないなめ
らかに肉付けされた立体的でリアルな人体の動きの作成
を実現することができる技能解析方法を提供することが
できる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を用いて本願発明の実施例につい
て説明する。図１に本発明のフローチャートを示すが、
このフローチャートは １．人体モデルを作成 ２．実際の技能を入力 ３．入力された技能を解析 ４．新しい技能を設計 ５．動力学を適用 ６．制約条件を適用 ７．逆動力学を適用 ８．結果を表示 の各段階から構成されている。

【００１４】第１段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分に分解し、これら各々の
部分固有の性質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の
制約条件に基づき人体モデルを作成し、コンピュータに
データベースとして入力しておく。

【００１５】第２段階の「実際の技能を入力」では、解
析の対象となる技能をビデオ画像のフレーム単位あるい
はフィルム画像のコマ単位に入力する、この場合複数の
方向から同時に撮影した画像を用いれば、次の段階の解
析をより具体的に行うことができる。

【００１６】第３段階の「入力された技能を解析」では
、第２段階で入力された技能を逆動力学を用いて計算し
、各部分の重心、各関節に働く力及びトルク、全体の重
心、重心に働く力及びトルクを解析する。

【００１７】技能の解析のみを行う場合は、第３段階で
得られた各部分の重心、各関節に働く力及びトルク、全
体の重心、全体の重心に働く力及びトルクを矢印等によ
りデータベースの人体モデルに重ねて画面上に表示する
。このようにして、技能の解析が行われる。

【００１８】次に、上記の解析結果を利用して新しい技
能を開発する場合について説明する。新しい技能を開発
するためには、予め第１段階の人体モデルのデータ、第
２段階で得られた実際の技能のデータ及び第３段階で得
られた解析結果のデータをデータベースに入力しておく
。

【００１９】第４段階の「新しい技能を設計」において
は、開発者は最初にデータベースから基本的な動作を選
択する。図２に示すのはある動作における左肘の動きを
データベースに基いて作成した制御グラフであるが、こ
の制御グラフにおいて横軸は時間を、縦軸は体のそれぞ
れの関節に発生する力をｘ、ｙ，ｚの３軸について表し
ている。なお、当然のこととして同一の関節に発生する
２つの力は、大きさが同じで方向が逆である。

【００２０】また、複雑な動作は数個の制御グラフによ
り表される。例えば人物がイスから立ち上がって歩くと
いう動作を表す制御グラフは、連続した動作を合成して
構成される。なお、他の部分のそれぞれのグラフは例に
挙げた左肘の場合と同じ方法で設計する。

【００２１】次に、力が発生するすべての人体の部分に
ついて、制御グラフの横軸および縦軸の拡大・縮小を含
む物理的変数の変更を一括に行う全体的な変更及び体の
ある一部分に発生する力等の物理的変数を変更する部分
的な変更を行う。

【００２２】第５段階の「動力学を適用」においては、
各部分の動作は開発者により指定された力及び各部分の
動きを支配する動力学方程式に基づいて計算される。そ
の場合、図３（ａ）に示すように本来体の各部分は相互
に結合関係にあるのであるが、計算量を減らすため（ｂ
）に示すように体の各部分は他の部分と切り放され、人
体の各部分の相互結合関係と関節の動作の範囲に関する
制約条件も一時的に無視される。

【００２３】各部分の動作を計算するため、本発明の動
作解析においては重心の線加速度を求めるのにニュート
ンの方程式を用い、重心の角加速度を求めるのにオイラ
ーの方程式を用い、線加速度及び角加速度が得られたら
、これらを積分して速度を求め、さらに積分して位置を
求める。

【００２４】第７段階の「制約条件を適用」では、各部
分の動きの計算結果について、人体の各部分の相互結合
関係と関節の動きの範囲の２つの物理的制約条件がチェ
ックされる。この処理は、基本的な部分から始まり、そ
の下位のそれぞれの部分の位置、配列方向が順次チェッ
クされる。ここでは下位の部分が上位の部分に常に接続
されているか否か及び個々の関節の動作が決められた範
囲を越えているか否かの２つのチェックを行う。

【００２５】その結果、図４（ａ）に示すように下位の
部分が上位の部分に接続されていない場合には、下位の
部分が上位の部分に接続されるように下位の部分を並行
移動させ、個々の関節の動きが一定の範囲を越えている
場合には、回転させてその関節の動きが範囲内になるよ
うに調整し、（ｂ）に示すような自然な姿勢に修正する
。

【００２６】第７段階の「逆動力学を適用」においては
、力と動作の関係を表現するラグランジュの方程式を用
いて体の各関節に起こる力を計算する。

【００２７】新しい技能を開発する場合に、満足の行く
結果が得られない場合には第５段階から第７段階までの
過程を繰り返して、対話形式により新しい技能の開発を
行う。

【００２８】第８段階の「結果を表示」においては設計
の途中あるいは設計が終了した新しい動きを画面に表示
する。その際に表示された人体の重心の位置、発生して
いる力の方向を人体に合成して表示することができ、こ
のようにすれば表示された動作をより具体的に表示する
ことができる。また、この表示は第３段階の「入力され
た技能を解析」した結果を表示することも可能である。

【００２９】本発明においては、図１に示すように単純
な線回帰アルゴリズムによっているから、逆動力学を行
うための計算量はｎの関数であるＯ（ｎ）である。

【００３０】逆動力学により、合理的で完全な力の組合
せを得ることができる。また、逆動力学によらなければ
設計者が完全な力の設計を見つけることは不可能である
。本発明においては、体の部分の個々の配列方向はその
関節の限界を越えると変化し、体の各部分の個々の位置
は体の物理的な制約条件にあてはまるようにされる。

【００３１】このようにして得られた人体の動きは人体
の下位の部分が上位の部分に常に接続され、個々の関節
の動作が決められた範囲を越えていていない自然なもの
であるから、そのまま肉付けして立体的にリアルな表示
をすることができる。

【００３２】また、本発明は試行錯誤あるいは設計者の
直感によることなく、コンピュータを用いて対話形式に
より新しい技能を開発することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の技能開発
方法は、実際の人間の基本的な動きの解析及び新しい技
能を開発する２つの過程からなる。そして、人間の基本
的な動きの解析は人体モデルの作成、実際の技能の入力
、入力された技能の解析の３段階で進み、新しい技能の
開発は動力学の適用、制約条件の適用、逆動力学の適用
の３段階で進み。動力学の適用の段階では人体を関節に
よって分離された５０個のそれぞれ独立した部分に分け
、個々の部分の動きはニュートンの方程式とオイラーの
方程式を用いて他の部分の動きとは切り放して計算され
る。制約条件の適用の段階では体の部分の相互結合関係
及び関節の動きの範囲がチェックされる。逆動力学の適
用の段階では、制約条件により修正された新しい動きを
生む力を計算する。その場合の全体の計算量はＯ（ｎ）
である。

【００３４】したがって、本発明の技能開発方法により
、これまでの動力学によるコンピュータを利用する技能
開発方法にあった計算の問題を解決し、動力学を実際の
技能開発作業にうまく応用できるようにし、動力学を用
いたリアルタイムのフィードバックができるようになっ
た。

【００３５】そして、人体の各部分の動きを計算するた
め、重心の線加速度をニュートンの方程式を用いて、重
心の角加速度をオイラーの方程式を用いて求めているか
ら、体の部分の各々の重心の位置及びそれらの重心にか
かる力を求めて表示することができ、同様に全体の重心
の位置及びその重心にかかる力も求めて表示することが
できる。すなわち、動作のコツといえる重心の位置、力
の方向及び大きさ等を表示することができるから、容易
に技能を習得することができる。

【００３６】また、線画ではないなめらかに肉付けされ
た立体的でリアルな人体の表示を実現することができる
。

【００３７】その上、開発者はモデルの人体をディスプ
レイ画面上で様々な視点から見ることができ、対話形式
により体の部分を並行移動させたり、回転させたりする
ことができる。従って、開発者は絵とモデルの人体との
間の対応関係を正確に把握することができる。

【００３８】従来の技能開発方法における知識には人体
の動きの基本的データ及びそれぞれの関節の動きの範囲
を規定する制約条件が含まれるが、この知識は開発者の
直観により得られるのに対して、本発明の技能開発方法
における知識は人間の実際の動きを解析して得られた実
際の動的パラメータを指している。したがって、この知
識から作られた動きは科学的で信頼性があり、リアルな
動きを作ることができる。

【００３９】なお、最近オブジェクト指向のモデルが様
々な分野で用いられており、オブジェクト指向の方法に
よるとユーザインターフェースは直接操作モデルになる
。この直接操作モデルは画面に表示された映像が対象物
に反応するものであるから、本発明の技能開発析方法を
用いれば対象物を対象物空間で直接扱ったり操作したり
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】技能開発方法のフローチャート

【図２】関節に
働く力の例の制御グラフ

【図３】動力学による計算の模
式図

【図４】逆動力学による計算の模式図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　コンピュータを用いて新しい技能を開
   発する方法であって、該方法は、人体を動きの最小単位
   となる部分に分解し、これら各々の部分固有の性質、相
   互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基づき人
   体モデルを作成しデータベースに入力する段階と、人間
   の実際の動作を入力する段階と、入力された動作を逆動
   力学を適用して計算し、各部分の重心・各関節に働く力
   ・トルク、全体の重心・重心に働く力・トルクを計算す
   る段階と、前記データベースから基本的な動作を選択し
   その物理的変数を変更する段階と、体の各部分を他の部
   分と切り放し、前記実際の動作を相互結合関係と関節の
   動きの範囲に関する制約条件を無視して指定された力及
   び動力学方程式のみに基づいて新しい動きを計算する段
   階と、該計算結果について相互結合関係と関節の動きの
   範囲の物理的制約条件をチェックして修正する段階と、
   前記計算した結果を用いて画面上に人間の動きを表示す
   る段階とからなることを特徴とする技能開発方法。
2. 【請求項２】　　コンピュータを用いて新しい技能を開
   発する方法であって、該方法は、人体を動きの最小単位
   となる部分に分解し、これら各々の部分固有の性質、相
   互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基づき人
   体モデルを作成しデータベースに入力する段階と、人間
   の実際の動作を入力する段階と、入力された動作を逆動
   力学を適用して計算し、各部分の重心・各関節に働く力
   ・トルク、全体の重心・重心に働く力・トルクを計算す
   る段階と、前記データベースから基本的な動作を選択し
   その物理的変数を変更する段階と、体の各部分を他の部
   分と切り放し、前記実際の動作を相互結合関係と関節の
   動きの範囲に関する制約条件を無視して指定された力及
   び動力学方程式のみに基づいて新しい動きを計算する段
   階と、該計算結果について相互結合関係と関節の動きの
   範囲の物理的制約条件をチェックして修正する段階と、
   力と動きの関係を逆動力学を適用して計算する段階と、
   前記動力学により計算した動きと逆動力学により計算し
   た力及び重心を合成して画面上に表示する段階とからな
   ることを特徴とする技能関発方法。