計測自動制御学会東北支部第247回研究集会（2008．12．19）
資料番号247tl
ヒトの視覚情報処理にもとづいた運動制御〜やわらかな制御システム系の構築〜

Motioncontrolbasedonvi8ualinbrmationproceB81ng○ 佐瀬 一弥
O KaヱuyaSase
東北大学，NPO法人naturalscience

TbhokuUniversity
林 叔克
東北工業大学，NPO法人naturalsciencerIbhokulnstituteofTbchnology
沢田康次

東北工業大学

TbhokuInstituteofTbchnology
キーワード：視覚情報処理（visualin鮎rmationprocessing）
運動制御（motioncontrol）

連絡先：東北大学 〒980−8579仙台市青葉区荒巻字青葉6−6 TEL．022・717−7800
NPO法人naturalscience 〒980−0023 宮城県仙台市青葉区北目町4−7 HSGビル3階FIVE
BRIDGE内TEL．022・721・2035

1．はじめに
本研究では、現象論的なアプローチで脳の研究を行い、抽象度の高い脳の機能を追求し、そ覚情報は、物体の位置のみであると仮定し、物体の位置と手の運動の間にある関係を調べる。

今回の実験は、対象物を追いかけるときの視覚情報に基づいた運動制御を調査する。

れをもとに神経細胞や、その集合に意味を与えることを目的とする。その手法として、人に入出力のあるシステムとして着目し、入出力され2．2 実験系構築の概要
暗室でスクリーンとむきあうように被験者る、定量的に測定可能な物理量から、人の脳のに座ってもらう。スクリーンには色のついた丸もつ情報処理メカニズムのモデルを構築し、人が映し出される。赤がターゲットで、青がトレの脳の普遍的かつ抽象度の高い機能を実験にーサーである。ターゲットは、あらかじめプロ基づいて解明する。

グラムされた運動をし、トレーサーは被験者の手元にあるマウスと同期して運動する。

2． 視覚追従実験
2．1実験の目的
ヒトを、視覚情報が入力され、脳による位置、速さ、加速度の制御の結果生じた、手の運動を出力するシステムとして捉える。入力される視今回は、ターゲットの運動を等速直線運動に設定した。実験を開始すると、ターゲットが一定の速度で左から右へ運動する。被験者には「ターゲットにトレーサーをできるだけ正確に合わせる」ことを課題として与える。

ここで、ターゲットの速さは、十分速く感じる速度と、十分遅く感じる速度の中間の速度3・試行ごとのT（t）−Ⅹ（t）の時系列を得る

つを速度差が均等になるように抽出して5段階

・LevelごとにT（t）・Ⅹ（t）の時系列の10回平に設定。速さを小さい順にLevell，Leve12，均をとると表現する。

・LevelごとにT（t）・Ⅹ（t）の分布をとり、その分布をガウスフィッティングした時の中央値と標準偏差を得る

得られたbvelごとの中央値と標準偏差をそれぞれ、正確さ、精度と呼ぶ。
次に、速さについて以下のように解析する。
・試行ごとのdXノdt−dT／dtの時系列を得る
・試行ごとのdX／dt−dT／dtをフーリエ変換する・LevelごとのdX／dt・dT／dtのフーリエ変換
したものの平均をとる
表1．速さの設定

2．5 実験結果

4人の被験者に対して行った結果をまとめる。

level VeIocity［m／s］

0．08

図5はターゲットの速度と正確さの相関図であ20．4

る。正確さは、ガウスフィッティング後の中央30．8値で定義した。すなわち、正確さが正であれば、41．2

全体的にターゲットよりも先行していること51．6を示す。

図6はターゲットの速度と精度の相関図である。
精度はガウスフィッティングの標準偏差で定2．3 実験の流れ義しており、値が大きいほどターゲットに合わターゲットの速さをLevellに設定し、実行。

せる際のぶれが大きいことを示す。

スクリーン上にカウントダウンが表示され、図7は、ターゲットから見たトレーサーの速度それに合わせてターゲットが左から右へ等速をフーリエ変換したものを各bvelごとに平均直線運動を始める。画面から消えると再び、左をとり、そのうちでもっともスペクトル強度が側へもどり、被験者のタイミングに合わせて、大きい周波数を縦軸にプロットしたものであもう一度繰り返す。

る。つまり、あるターゲットの速さに対するトこの作業を10回線り返して、bvell終了とすレーサーの運動のうち最も顕著だった速度のる。

周波数成分を知ることができる。

kve12以降も同様におこない、kve15が終了したら、実験終了とする。
2．4 解析方法

被験者1人当たり、各試行に対してターゲッ
トの座標T（t）の時系列とトレーサーの座標Ⅹ（t）の時系列が得られる。これを以下のように解析してゆく。

﹂む ︸ ∪ む 05∩︶亡コ二U−bn︶5一じ一〇 ハ リ 5 0 5 ▲ U 5 0 5 0 5 ∧ U
2211−112233445■b二b二〇7■ ︻ ︻ ■ 一 ︻ −一■ ■ 一一

も、速いほど合わせることが困難であると考えられる。

図7において、速度が′トさい時は被験者ごとに顕著な周波数成分が異なっているが、速度が1．2【m／s】の時には、どの被験者も同様の値をとっており、共通の性質が現れている。

0．0 0．2 0．4 0．6 0．8 1．0 1，2 1，4 1．6 1．8

Velos托yoftheねrget［m／s］

図5．ターゲットの速度と正確さの相関図

2．7 ぱねの振動との比較
図7の結果をばねの振動と対応付けて考察してみる。
ばねは伸びに比例した復元力をあたえる。釣り合

いの位置で、速度が0にならないので、単振動する。

80

これを人間の運動制御と対応付けてみる。距離に6D比例して加速度を制御した結果、ターゲットの位40置で止まることができず、通り越してしまう。こ2∩﹀

れを繰り返すことで、ターゲット付近を振動する∩︶

uO芋薫＞苛PJqPu雲TS

100

0．80．2

0．4 0．6D．8

仁0 1．2 l．4 1．6 1．8

VeEoskyofthetarget［m／s］

図6．ターゲットの速度と精度の相関図

ような運動をすると説明できる。
また、ばねの振動の周期はばね定数によって決定

し、ばね自体が等速直線運動する場合は、その速度によらず周期は一定である。

一方で、ヒトの連動制御における振動の周期は、﹇Nターゲットが等速直線運動する場合でも、速さの09﹈毒∈影響をうける。図7では、ターゲットの速さによ87丘U54している。ただし、遅い時は値が散らばっていた

3 21．〇〇 〇巾＞2聖b巴﹂ってスペクトル強度最大における周波数は変動〇 ▲U O O O

ものが、しだいに収束しているともとれる結果で0．0 0．2

0．4 0．6 0．8 1．0 1．2 1．4 1．6 1．8

VeJosityofthetarget［m／s］ある。そのことから、収束した値がヒトに普遍的な周波数であり、この実験条件の場合においては、図7．ターゲットの速度とスペクトル強度最大ターゲットの速さが1．2［m／s］に近づくにつれて、の周波数ヒトに普遍的な連動制御が顕著になったと考えられる。

2．6 考察3．まとめ

図5において、速度が速くなるにつれて、いず・速さの周期性からヒトは位置の差をもとれの被験者にも正確さが小さくなっていく様に、加速度を制御していると思われる。

子がみられる。速いほど合わせることが困難で・スペクトル強度が最大となる周波数はタあると考えられる。

ーゲットの速さに応じて変化し、ある速さ

図6において、速度が速くなるにつれて、いずの時に一つの値に収束する傾向が見られた。

れの被験者にも精度が悪くなっている。こちら