立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (C) ]熟練技術における指先による巧みな修正動作の解明
Elucidation of correction behavior by fingertips in expert skills
2217003

研究代表者

東京大学

大学院総合文化研究科

博士課程

草深あやねに収まっていればボールを目標位置に到達させ[研 究 の 目 的]られることが明らかとなっている。そこで投射
スポーツ動作や楽器演奏，職人仕事における角度を基準にボールの理想的な状態を特定し，熟練者は身体を“巧みに”操ることができる。

それに対する指先の運動の関わりを明らかにす

しかし，その多くはほぼ無意識に身体を動かし，ることとした。

思い通りに目的を達成できるようになっている

しかしながら，投球中の指先やボールのようため，自身の技術を他者に言語化して伝えるこに，高速かつ微細な動きを計測する場合，例えとは難しい。さらに，近年は少子化などによるば，マーカーを貼付する従来の動作計測方法で継承者の減少が重なり，ロストテクノロジー化は正確に計測することが困難であった。そこでが社会問題となっている。本研究は，熟練技術

本研究では，深層学習を利用した自動画像認識の中でも，熟練者が正確な動作を繰り返すため技術を援用することで，マーカーを貼付せずにに感覚的に行っていると考えられる，指先によ高速で微細な動きを取得することを試みた。具

る修正動作の定量化を目的とする。

体的には，上記実験プロトコルの構築及び従来手法との精度比較を行った後，投球中の指先が[研究の内容，成果]正確性に与える影響について明らかにした。

本研究では，熟練者が指先による微細な修正実験プロトコルの構築と精度検証を行っていると考えられる野球のピッチング動方法

作 (Hore & Watts, 2011) を対象とした。動作

野球投手経験者 1 人 (右投げ) が捕手の構え遂行中に結果 (ボール到達位置) の正確性を高たミットに向かって行った 30 球の投球を対象めるための修正を行うには，結果を決定する最とした。ボールは軟式球を用い，球種は全球ス

後 の 瞬 間 (ボ ー ル リ リ ー ス 時) に 向 か っ て，トレートとした。ミット (幅，長さ約 20 cm)

ボールを理想的な状態に近づける・維持する能は地面から 90 cm，ホームベース (ピッチャー力が重要である。この能力を明らかにするには，プレートから 10 m) の後方 50 cm に中心を設

まず理想的な状態とは何かを明確にする必要が定した。参加者は「目標にできるだけ正確に全ある。一般的にボールの理想的な状態とは，リ力で投げるように」指示された。実験は屋内のリース時の速度や回転など多変数の組み合わせ実験室で行った。

によって決まるが，これまでの研究から，ピッ投球腕の手関節，示指及び中指における中手チングにおいては，投射角度さえ適切な範囲内

指 節 関 節 (Metacarpophalangeal joint: MP)，― 1 ―立石科学技術振興財団

近位指節間関節 (Proximal interphalangeal jo-m 間隔) の計 27 点の校正点を用い，ボールとint: PIP)，遠 位 指 節 間 関 節 (Distal interpha-指 の 位 置 座 標 を 直 接 線 形 変 換 (direct linear

langeal joint: DIP)，爪 (Tip of finger: TIP) のtransformation: DLT) 法 に よ り 算 出 し た。

中心に計 10 点のマーカーを貼付し，赤外線カカットオフ周波数 60 Hz の 4 次ローパスデジ

メラ 10 台を含む光学式 3 次元動作分析装置，タルバターワースフィルタを使用した後，11及び投手の後方と投球腕側に置かれた 2 台のハ点の特徴点について 2 種類のモーションキャプ

イスピードカメラを用いて撮影した (いずれもチャシステムにより得られた 3 次元座標間の絶960 fps ; 図 1)。ボールには中心位置を算出す対距離及び相対距離を算出した。また，各特徴るため，6 点のマーカーを貼付した。

点の 3 次元座標について相関解析を行った。三2 台のハイスピードカメラの同期には LED

次元直交座標は，マウンド上のピッチャープ照明と市販の同期装置を用い，光学式 3 次元動レートの中心を原点とし，x 軸を三塁方向 (水作分析装置との同期には，LED 照明点灯と同平軸)，y 軸をホームベース方向 (矢状軸)，z時に入力されるアナログ信号を用いた。データ軸を鉛直上方向 (鉛直軸) と定義した (図 1)。

を取得した動作局面は肩関節の最大外旋からボールの速度ベクトルは中心位置を微分する

ボールリリース後約 20 ms までの約 60 ms とことで算出し，投射角度は，ボールリリース時した。の速度ベクトルの向きを極座標における仰角θ1 (−90−90°) と 方 位 角 θ2 (−90−90°) で表した。θ1 の正方向を上方向，θ2 の正方向を三塁側方向とした。投射角度のばらつきは，投手ごとの全試行における標準偏差とした。
結果

図 2a はある 1 試行におけるマーカーレス
図1モーションキャプチャシステム (左)，及び従実験設定

来のモーションキャプチャシステム (右) によハイスピードカメラ画像上のボールと指の各り得られた各特徴点の座標を図式化したもので

点 は，深 層 学 習 に 基 づ く 自 動 画 像 認 識 技 術ある。また，図 2b はその試行における各 3 次

DeepLabCut (Nath et al., 2019) を用いて取得

元座標の時系列を重ねて示したものである。全した。学習前に動画はボールリリースフレームての特徴点において 2 種類のモーションキャプを基準にトリミングされた。ボールリリースフ

チャシステムにより得られた各 3 次元座標の時レームは，投手の横に置かれたカメラ画像の定性的な観察によって特定された。1 試行から 20枚の画像を DeepLabCut の自動機能で抽出し，手動でのラベル付けを行った。得られたラベル付き画像を用いて学習を 35000 から 55000 回繰
り返した後，これらのモデルを用いて残りの全ての試行の画像上の点を追跡した。モデルはカメラごとに個別に作成した。
位置座標の変換には，水平方向に 3 点 (0.1m 間隔)，垂直方向に 3 点 (0.2 m 間隔)，ホームベース-ピッチャープレート方向に 3 点 (0.1― 2 ―

図 2 実験設定

Tateisi Science and Technology Foundation

系列プロファイルは類似していた。

結果

各試行における 2 種類のモーションキャプ

ボールに加わる力の主な作用点と考えられる

チャシステムにより得られた各 3 次元座標の差TIP において，投射角度のばらつきとの関係の平均を算出した。3 次元空間上での両座標のを検討した。図 3a は，各投手の前額面 (x-z

絶対距離の平均は 15.5 mm〜29.4 mm の範囲と平面) において，人差し指と中指の TIP の相なった。ただし，ボールの中心については，試対位置 (PRI) の時系列変化を示したものであ行によりハイスピードカメラの画角にデータ取る。

得局面が全て含まれていなかったため，ボールリリースの瞬間までを解析対象とした。さらに，2 種類のモーションキャプチャシステムより得られた各 3 次元座標の時系列について相関解析を行った。両者の相関係数は 0.932〜0.999 の範囲となり，2 種類のモーションキャプチャシステムより得られた各 3 次元座標の時系列が高い相関を示すことが分かった。
投球中の指先・ボールの動作計測と誤差修正
方法

20 人の 大学野球投 手 (男性；年齢：20.6±1.9 歳；身長：176.6±4.8 cm；体重：73.5±8.6kg；右投げ 17 人) が実験に参加した。参加者

図3は捕手の構えたミットに向かって 30 球の投球を行った。ボールは準硬式球を用い，球種は全ボールと指先の位置関係

中指の PRI の z 方向における平均値と SDθ1球ストレートとした。ミットは地面から 90 cm， との相関を調べると，両者間に有意な相関が見ホームベース (ピッチャープレートから 18.44られる局面が存在することが分かった (p<m) の後方 50 cm に中心を設定した。参加者は0.05)。図 3b は，各投手の中指の PRI の z 方向

「目標にできるだけ正確に全力で投げるように」における時系列を示したものであり，図 4a は，指示された。実験は全て屋外のグラウンドで各時刻の中指の PRI の z 方向における平均値行った。と SDθ1 との相関係数，及びその p 値である。

投手の後方及び側方に設置した 2 台のハイス

リリースの 20-30 ms 前の中指の位置がボール

ピードカメラでボールと指の動きを撮影した。

に対して下部に位置するほど，SDθ1 の値は小身体の各特徴点の座標算出方法は構築したプロさくなった。この傾向は SDθ2 においても同様トコル通りとした。ボールと手指の各特徴点の位置関係を明らかにするため，特徴点ごとに
ボ ー ル の 中 心 に 対 す る 相 対 位 置 (PositionalRelationship Index: PRI) を調べた。この指標は，グローバル座標系におけるボールの中心に対する相対 3 次元位置とした。この指標と投射角度のばらつき (SDθ1，SDθ2) との関係を，投手ごとにピアソンの相関検定により調べた。
― 3 ―

図4

指先位置と投射角度のばらつき立石科学技術振興財団を解析する手法が確立していくことは，肉眼でであった (図 4b)。
またリリース前において，中指の PRI の zは捉えにくい微細な運動を可視化することがで方向における SD と SDθ1，SDθ2 には有意な相きるという点で意義を持つものと考えられる。

関がそれぞれ見られた (図 4c, d)。これらの局

最後に，近年の科学技術の進歩に伴い，計測面では中指の相対位置のばらつきが小さいほど，機器やデータ解析技術の進歩はめざましいもの投射角度のばらつきも小さくなった。一方で，があるが，これらの技術を用いても，ピッチン

中 指 の PRI の x 方 向 や，人 差 し 指 の PRI とグのようなヒトの高速全身運動における微細なSDθ1 や SDθ2 との間には，有意な相関が見ら力を，動作や感覚を妨げずに正確に計測するこれなかった。とは現状では不可能である。本研究では，ボールの動きから逆計算により加速度を推定し，力の大きさ・向きの検討を行ったが，この方法で[今後の研究の方向，課題]

はボールに働く力を各指からの力を詳細に解析
本研究で構築したプロトコルのようにマーすることは困難である。中指のふるまいにのみカーを貼付しない動作解析方法には，従来手法相関が見られたことから，指によってボールにと比べた利点がいくつか存在する。従来手法に作用する力は異なる可能性がある。今後，力をは，手法そのものの特性に加え，高価な赤外線簡単に取得できる計測技術 (例えば，ボールのカメラを含む実験室環境を想定した機器を必要表面に取り付けるセンサー) が開発されれば，とするために，トレーニングやリハビリテー今回見出した位置関係と合わせて，ボールの動ションなどの場には応用させづらいという問題

きを決定するプロセスの詳細を得ることができが存在する。実際に，動作解析システムは特定る可能性がある。また，本研究では，ボールのの研究機関に局在していることも指摘されてい中心に対する指先の位置を接触点として考えたる (Lopes et al., 2018)。一方で，本手法は民生が，指とボールの接触点は指先だけでなく，複用のカメラを用いることができるため，これま数存在する可能性がある。指とボールの実際ので限られた研究者しかアクセスできなかった実接触点をすべて考慮するためには，やはりボー験室外の環境でもヒトの動作を比較的容易に計ルに加わる力を正確に把握する必要がある。

測することを可能にするものである。したがって，動作計測の利用環境を広げるものとして今後の発展が望まれるものである。

[成果の発表，論文等]
学術雑誌等に発表した論文

さらに，本研究で対象とした手指動作は，こAyane Kusafuka, Kohei Nishikawa, Naoki Tsukamoto,

れまでヒトの動作研究において手掌部を代表とKazutoshi Kudo. “Positional Relationship between

して解析されることが多く，特に全身運動におBall and Fingers for Accurate Baseball Pitching”.
Available at SSRN 4054181, 2022

ける指に関する研究は，他の身体部位の運動に草深あやね，塚本直樹，宮田紘平，工藤和俊．
「高速投関する研究と比較して限られてきた。この背景

動作における手指のマーカーレスモーションキャプには，従来手法の持つ制約ゆえに，指の運動をチャとその精度検証」スポーツ・アンド・ヒューマ

正確に計測することが困難であったことが考え

ン・ダイナミクス講演論文集 2022，A-15, 2022

られる。一方で，制御工学分野などでは，物体国際会議における発表を扱う上で指先の微細な部分まで考慮する必要

Ayane Kusafuka, Kohei Nishikawa, Naoki Tsukamoto,があることが明らかとなっており (Murray etal., 2017)，その検討の必要性は指摘されている。
これまで着目されてこなかった身体部位の運動― 4 ―Kazutoshi Kudo. “Ball-Finger Positioning for Accurate Baseball Pitching”. Congress of The European Society of Biomechanics (ESB), Porto, Portugal, June, 2022 (口頭・査読有)Tateisi Science and Technology Foundation

Ayane Kusafuka, Kohei Nishikawa, Naoki Tsukamoto,
Kazutoshi Kudo. “Control in Accurate Baseballげ方｣ ――」日本野球科学研究会 第 8 回大会，石川，2021 年 (ポスター・査読有)Pitching Explored from Positional Relationship

草深あやね，西川晃平，塚本直樹，工藤和俊．
「正確なbetween Ball and Fingers”. European College of

投球コントロールのためのボールと手指の位置関Sport Science (ECSS), Sevilla, Spain, August, 2022係」第 4 回彗ひろば(日本バイオメカニクス学会)，(ポスター・査読有)

大阪，2022 年 (口頭・査読有)
草深あやね，塚本直樹，宮田紘平，工藤和俊．
「高速投国内学会・シンポジウム等における発表

動作における手指のマーカーレスモーションキャプ

草深あやね，西川晃平，塚本直樹，工藤和俊．「ボールチャとその精度検証」日本機械学会 スポーツ工と手指の位置関係から探る投球コントロール ――

学・ヒ ュ ー マ ン ダ イ ナ ミ ク ス，北 海 道，2022 年

コントロールの「しやすい投げ方」と「しにくい投(口頭・査読有)― 5 ―