1(57)【特許請求の範囲】【請求項１】 運動技能を学習者に学習させる運動技能学習装置であって、前記学習者の複数の筋肉の活動に応じた信号を検出する検出手段と、前記検出手段の各検出出力を各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす信号に変換し、その信号に基づいて非線形ダイナミクスモデルを用いて運動パターンを推定する推定手段と、前記推定手段によって推定された運動パターンと予め記 10憶された理想パターンを比較して、その誤差を擬似張力の誤差に変換する変換手段と、前記変換手段によって変換された擬似張力の誤差に基づいて、前記学習者に前記理想パターンの運動を行なわせるための刺激を与える刺激付与手段とを備えた運動技能

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学習装置。
【請求項２】 前記剌激付与手段は、前記変換手段によって変換された擬似張力の誤差を前記学習者が運動を開始したときから記憶し続ける記憶手段と、前記記憶手段に記憶された擬似張力の誤差に基づいて、前記学習者に付与する刺激の時間パターンを生成する生成手段と、前記生成手段で生成された時間パターンで前記学習者に刺激を付与するために刺激を制御する制御手段とを含む、請求項１記載の運動技能学習装置。
【請求項３】 前記変換手段は、巡回型誤差逆伝搬学習則を用いて、前記運動パターンと理想パターンの誤差を時間を遡って逆伝搬して、前記擬似張力の誤差に変換することを特徴とする、請求項１記載の運動技能学習装

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置。
【請求項４】 前記刺激付与手段は、前記各筋肉が発生する張力を増加させるために高い振動数の刺激を与えるか、または前記各筋肉が発生する張力を減少させるために低い振動数を与えることを特徴とする、請求項１記載の運動技能学習装置。
【請求項５】 前記推定手段は、神経回路を含み、前記神経回路は、前記検出手段から入力されている複数の筋肉の活動に応じた信号をフィルタリングし、各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす信号を出力する前段回路と、前記前段回路から信号を受け、運動パターンを推定する複数層からなる後段回路とを含む、請求項１記載の運動技能学習装置。
【請求項６】 前記神経回路は、パラメータを決定するために所定の学習則を用いて学習することを特徴とする、請求項５記載の運動技能学習装置。
【請求項７】 前記検出手段は前記筋肉の活動に応じた信号を検出するために前記学習者の身体に装着される表面電極を含む、請求項１記載の運動技能学習装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】この発明は運動技能学習装置に関し、たとえばゴルフ、テニス、スキー、水泳を習得するためのスポーツ技能や自動車操縦技術などを習得するための特殊技能に対して指導者を必要とせず、さらに個人に対しては自宅で、または多数の人々に対しては一堂に会してもしくは同時通信回線を介して運動技能を苦痛なく容易に習得させることができるような運動技能学習装置に関する。
【０００２】【従来の技術】従来の運動技能の学習では、スポーツや特殊操作法に関しての専門家が学習者を指導することによって行なわれていたが、学習者に対して科学的に指導するための教育プログラムに一貫性がなかった。さらに、言語による運動技能の記述が実際に脳神経系で行なわれている計算と全く関連がないという批判さえあった。
【０００３】【発明が解決しようとする課題】ところで、人体の運動やその指令である筋電信号、床反力などを高時間分解能、高精度で計測する計測装置があるが、運動技能学習に対して直接的には役立っていない。
【０００４】それゆえに、この発明の主たる目的は、運動を生じさせる原因である脳、神経系の活動を何らかの非侵襲的な方法で計測し、予め理想とされる脳、神経系の活動と計測された活動とを比較し、その計測された活動を修正することで学習者に理想的な動作を行なわせることができるような運動技能学習装置を提供することである。

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特許２６１１９２０4【０００５】この発明の他の目的は、学習者が特別な苦労、苦痛、疲労、危険を感じることなく、さらに安価にかつ短時間に運動技能を習得することができるような運動技能学習装置を提供することである。
【０００６】【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、運動技能を学習者に学習させる運動技能学習装置であって、学習者の複数の筋肉の活動に応じた信号を検出する検出手段と、検出手段の各検出出力を各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす信号に変換し、その信号に基づいて非線形ダイナミクスモデルを用いて運動パターンを推定する推定手段と、推定手段によって推定された運動パターンと予め記憶された理想パターンを比較して、その誤差を擬似張力の誤差に変換する変換手段と、変換手段によって変換された擬似張力の誤差に基づいて、学習者に理想パターンの運動を行なわせるための刺激を与える刺激付与手段とを備える。
【０００７】請求項２の発明では、請求項１の刺激付与
手段は、変換手段によって変換された擬似張力の誤差を学習者が運動を開始したときから記憶し続ける記憶手段と、記憶手段に記憶された擬似張力の誤差に基づいて、学習者に付与する刺激の時間パターンを生成する生成手段と、生成手段で生成された時間パターンで学習者に刺激を付与するために刺激を制御する制御手段とを含む。
【０００８】請求項３の発明では、請求項１の変換手段
は、巡回型誤差逆伝搬学習則を用いて、運動パターンと理想パターンの誤差を時間を遡って逆伝搬して、擬似張力の誤差に変換する。
【０００９】請求項４の発明では、請求項１の刺激付与
手段は、各筋肉が発生する張力を増加させるために高い振動数の刺激を与えるか、または各筋肉が発生する張力を減少させるために低い振動数を与える。
【００１０】請求項５の発明では、請求項１の推定手段
は神経回路を含み、神経回路は、検出手段から入力されている複数の筋肉の活動に応じた信号をフィルタリングし、各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす信号を出力する前段回路と、前段回路から信号を受け、運動パターンを推定する複数層からなる後段回路とを含む。
【００１１】請求項６の発明では、請求項５の神経回路
は、パラメータを決定するために所定の学習則を用いて学習する。
【００１２】請求項７の発明では、請求項１の検出手段
は、筋肉の活動に応じた信号を検出するために学習者の身体に装着される表面電極を含む。
【００１３】【作用】この発明に係る運動技能学習装置は、学習者の複数の筋肉の活動に応じた信号を検出手段によって検出し、その検出信号を各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす信号に変換した後、非線形ダイナミクス

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モデルによって推定された運動パターンと予め記憶された運動パターンとを比較して、その誤差を変換手段によって擬似張力の誤差に変換し、その擬似張力の誤差に基づいて刺激を付与することで運動技能を学習者に学習させる。
【００１４】【実施例】図１は、この発明の一実施例による運動技能学習装置の概略ブロック図である。
【００１５】図１を参照して、身体１に装着された表面
電極３は、身体１の筋肉の活動に応じて筋電信号を検出する。検出された筋電信号は、筋電信号増幅器４に与えられて増幅され、フィルタ５に与えられる。フィルタ５は、増幅された筋電信号をフィルタリングし、擬似張力を表わす信号に変換し、身体ダイナミクスモデル６に与える。身体ダイナミクスモデル６は、たとえば非線形神経回路が用いられ、擬似張力を表わす信号に基づいて運動パターンを推定し、減算回路８に与える。
【００１６】減算回路８には、身体ダイナミクスモデル
６からの入力の他に理想運動パターン記憶装置７からの理想運動パターンが入力されており、２つの運動の差によってその誤差を計算し、身体ダイナミクスモデルのコピー９に与える。身体ダイナミクスモデルのコピー９は、運動パターンの誤差を擬似張力の誤差に変換して、刺激時間パターン生成器１１と筋張力誤差記憶装置１０に与える。筋張力誤差記憶装置１０は、学習者が運動を開始したときからの誤差の時間関数を蓄えており、それを刺激時間パターン生成器１１に与える。
【００１７】刺激時間パターン生成器１１は、筋張力誤差記憶装置１０によって与えられた筋張力の誤差の時間関数と身体ダイナミクスモデルのコピー９によって与えられた筋張力の誤差とに基づいて、刺激時間パターンを生成し、刺激制御器１２に与える。刺激制御器１２は刺激電極およびバイブレータ１３に制御信号を与え、刺激電極およびバイブレータ１３は身体１に刺激を与える。
【００１８】図２は、この発明の一実施例による運動技能学習装置の動作を説明するためのフローチャートであり、図３は、フィルタ５と身体ダイナミクスモデル６とを接続した４層パーセプトロン神経回路を示した図である。以下、図２および図３を参照して、図１の動作について説明する。
【００１９】表面電極３を身体１に装着した学習者が、運動開始のキュー２に合わせて身体１を動かしたり力を発生したりすると、複数の筋肉から筋電信号が表面電極３によって検出される。なお、運動開始のキュー２に合わせて運動を始めるのは、学習者の身体１だけでなく、後で説明するが理想運動パターン記憶装置７と筋張力誤差記憶装置１０も動作を始める。検出された筋電信号は、筋電信号増幅器４によって増幅された後、フィルタ５に与えられ、擬似張力を表わす信号に変換されて身体ダイナミクスモデル６に与えられる。身体ダイナミクス

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特許２６１１９２０6
モデル６は、与えられた擬似張力に基づいて、肩と肘の２つの関節角度で表わされた運動パターンを推定する。
次に、フィルタ５と身体ダイナミクスモデル６について図３を用いて詳細に説明する。
【００２０】フィルタ５と身体ダイナミクスモデル６を接続した巡回型４層パーセプトロン神経回路は、第１層１４、第２層１５、第３層１６および第４層１７とを含み、第１層には過去から現在に至る筋電信号ＥＭＧｍａ（ｎ）…ＥＭＧｍａ（ｎ−Ｎ＋１）を表現したニューロ
ン１８があり、そのニューロン１８の出力は第２層１５のニューロン１９のそれぞれに入力される。第１層１４から第２層１５までの変換によってフィルタ３を実現しており、第２層１５のニューロン１９は擬似張力を表わす。
【００２１】第２層１５には、ニューロン１９の他に、肩の関節角度θs1 、肘の関節角度θe1 、肩の関節角速度
θs2 および肘の関節角速度θe2 を表わすニューロン２
０，２１，２２および２３が設けられており、第２層１５のニューロン１９，２０，２１，２２，２３の出力は、第３層１６のニューロン２４のそれぞれに入力される。第３層１６は非線形活動関数を有しており、その出力は第４層１７のニューロン２５に入力される。なお、第２層１５と第３層１６はシナプス結合２６によって結合されており、、第３層１６と第４層１７もシナプス結合２７によって結合されている。
【００２２】これらの第２層１５から第４層１７までの非線形変換によって図１に示した身体ダイナミクスモデ
ル６を実現しており、最終的に第４層１７のニューロン
２５の出力は、擬似張力、関節角度および関節角速度から推定された関節角加速度（図３には肩の関節角加速度
θs3 のみを示した）である。この関節角加速度を数値積分することで関節角の時間波形で表わした運動パターンを推定することができる。そのため、身体ダイナミクス
モデル６はその関節角の時間波形で表わされた運動パターンを減算回路８に入力する。一方、理想運動パターン記憶装置７は、運動開始のキュー２とともに記憶された関節角の時間波形で表わされた理想運動パターンを読出し、減算回路８に入力する。減算回路８は、２つの運動パターンを比較し差を計算することで、理想運動パターンに対する推定された運動パターンの誤差を身体ダイナミクスモデルのコピー９に入力する。
【００２３】身体ダイナミクスモデルのコピー９は、身体ダイナミクスモデル６と逆の動作、すなわち巡回型４層パーセプトロン神経回路に入力された運動パターンの誤差を巡回型誤差逆伝搬学習則によって、擬似張力の誤差に変換する。ここで、巡回型誤差逆伝搬学習則は、巡回結合を持つ神経回路モデルに対し、前向き結合だけを用い、巡回結合を持たないフィードフォワード型神経回路モデルの最も広く使われている誤差逆伝搬学習則を拡張したものである。変換された擬似張力の誤差を減らす

(4)特許２６１１９２０7
ように刺激時間パターン生成器１１が電気刺激または機械振動刺激を身体１に与える時間パターンを決定するが、ある時刻での運動パターンの誤差は、その時点での緊張力の誤差だけで決定されるわけではなく、その時点以前の緊張力の誤差にも依存している。
【００２４】そのため、身体ダイナミクスモデルのコピー９を通した時間を遡る誤差逆伝搬学習によって、その時点以前の筋張力を修正しなければならない。しかし、時間の流れを逆転することができないため、運動開始のキュー２を原点として筋張力の誤差の時間関数を記憶す 10る筋張力誤差記憶装置１０が設けられている。これにより、刺激時間パターン生成器１１は、筋張力誤差記憶装置１０によって読出される筋張力の誤差の時間関数と身体ダイナミクスモデルのコピー９によって変換されたその時点での擬似張力の誤差とに基づいて、刺激の強度と時間パターンを計算し、刺激制御器１２に入力する。刺激制御器１２が刺激電極およびバイブレータ１３に制御信号を与えることによって刺激電極およびバイブレータ１３が駆動し、身体１に刺激が与えられる。
【００２５】以上のことをまとめると、学習者は運動開 20始のキュー２を与えられることにより運動を開始し、理想運動パターンはそのキューに合わせて理想運動パター
ン記憶装置７から読出され始める。学習者の運動にかかわる複数の筋肉から表面電極３を用いることによって筋電信号が計測され、フィルタ５と身体ダイナミクスモデ
ル６によって実時間で運動パターンが推定される。理想運動パターンと推定された運動パターンは上述のキューによってタイミングがあっているので、それぞれの時刻ごとに２つの運動パターンの差が計算されることで運動パターンの誤差は時間の関数として実時間で計算され30る。この誤差は、身体ダイナミクスモデルのコピー９の出力端に与えられ、ダイナミクスモデルのコピー９を通じて誤差逆伝搬されることにより筋張力の誤差に変換される。計算された筋張力の誤差を補償するように刺激制御器１２によって学習者の筋肉へ電気刺激または振動機
械刺激が実時間で与えられる。このようにして、学習者の身体１の運動は、理想運動パターンに対応した運動に修正される。

8【００２６】【発明の効果】以上のように、この発明によれば、学習者の複数の筋肉の活動に応じた信号を検出し、その検出信号を各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす信号に変換し、その信号に基づいて推定された運動パターンと予め記憶された理想運動パターンとの誤差を修正するための刺激を学習者に与えるようにしたので、学習者は実時間で運動技能を学習することができる。しかも、訓練を受けるときにおいて、学習者は特別な苦労、苦痛などを感じることなく、安価でかつ短時間に運動技能を学習することができる。
【図面の簡単な説明】【図１】この発明の一実施例による運動技能学習装置の概略ブロック図である。
【図２】図１に示した運動技能学習装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】筋電信号と位置、速度から関節角加速度を推定する基本的な４層構造のパーセプトロンを示す図である。
【符号の説明】
１ 身体
３ 表面電極４ 筋電信号増幅器
５ フィルタ６ 身体ダイナミクスモデル
７ 理想運動パターン記憶装置
８ 減算回路９ 身体ダイナミクスモデルのコピー
１０ 筋張力誤差記憶装置
１１ 刺激時間パターン生成器
１２ 刺激制御器
１３ 刺激電極およびバイブレータ
１４ 第１層１５ 第２層１６ 第３層１７ 第４層１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５ ニューロン

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【図１】

特許２６１１９２０

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【図２】

特許２６１１９２０

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【図３】

特許２６１１９２０