JPH0916804A - 動物調教方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力学的解析に基づいた動物調教方法を提供
する。 【解決手段】 動物の基本的な動きを分析し関節に働く
力あるいはトルクをデータベースに入力しておき、体の
各部分を他の部分と区別して動力学方程式を適用して計
算し、体の各部分の相互結合関係及びそれぞれの関節の
動きの範囲を含む制約条件をチェックし、これらの制約
条件によりチェックされた動き及び力を逆動力学を適用
して計算し、新しい運動動作を開発するために、体の各
部分を他の部分と区別して動力学方程式を適用して計算
し、体の各部分の相互結合関係及びそれぞれの関節の動
きの範囲を含む制約条件をチェックし、これらの制約条
件によりチェックされた動き及び力を逆動力学を適用し
て計算し、この動きや力などの結果を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動物調教方法、特
に調教すべき動物体の動作を解析し、その結果を用いて
調教を行う動物調教方法に関する。

【従来の技術】

【０００２】犬、馬等の動物に調教を行うためには、そ
の調教するべき動作を解析し、調教方法を作成する必要
がある。従来は調教師がその動作を習得している動物の
動作を観察し、その観察結果に基づいて調教のためのプ
ログラムを作成していた。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】コンピュータを用いて動物の動作を解析
し、その結果に基づいてその動作の調教あるいは新規な
動作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
観によるものであるため、確実なものとはいえない。ま
た、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動物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、動物体を立
体的に肉付けしてリ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
な動作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（キネマテックス）の他に、
物体の運動を力との関係で論じる動力学（ダイナミック
ス）と呼ばれる方法がある。この方法をコンピュータに
よる動作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、動力学による動作解析においては、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動作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
解く必要がある。なお、上記の以下の説明中、「動力
学」は指定された力に基づいて加速度等の動きデータを
計算する意味で用い、これとは逆に動きデータから力を
計算する場合を「逆動力学（インバースダイナミック
ス）」と称する。

【０００６】従来のコンピュータを用い動力学による動
物の動作解析は、 １．動物体のモデルを作成 ２．動物体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】第１段階の「動物体モデルを作成」では、
動物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動物体モデルのデータを適宜のコ
ンピユータ言語で記述したデータとし、これをコンピユ
ータのデータベースに入力しておく。

【０００８】第２段階の「動物の実際の動作を入力」で
は、計算の対象となる動作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で記述して上記第１段
階と同様にデータベースに入力する。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、次の段階の計
算をより具体的に行うことができる。

【０００９】第３段階の「入力された動作を解析」で
は、第２段階で入力された動作について各部分の重心お
よび全体の重心を計算し、逆動力学（例えば、加速度か
ら力を計算する計算手法）を用いて各関節に働く力及び
トルク、全体の重心に働く力及びトルクを解析する。具
体的にはラグランジェの方程式を用いる。

【００１０】この解析された動作を表現する段階におい
ては、動力学（ダイナミックス）方程式を精密に解けば
よいが、この方法はｎを動作解析において動きの最小単
位になる動物体を構成する部分の数とした場合の計算量
Ｏ（ｆ（ｎ））がｎ^４の関数Ｏ（ｎ^４）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。

【００１１】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
を用いた方法が提案されているが、この方法によっても
画面上に表示することができるのは動物体を構成する部
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動物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。

【００１２】

【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
て対話形式により動物の動作を解析し、新しい動作の開
発をすることができる動物調教方法を提供することを課
題とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の動物調教方法においては最初に、動物体の
基本的な動きを解析し、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知識
としてデータベースに入力する。

【００１４】動作の解析を行う場合は、解折の対象とな
る動作を複数の方向から撮影したフィルムのコマあるい
はビデオ画像のフレームをデータベースのデータを利用
して解析し、その動作に関して動物体の各々の関節に発
生する力及びトルクを算出して表示する。

【００１５】新しい動作を開発する場合は、データベー
スにアクセスしてデータを加工するが、その場合コンピ
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調教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、対話形式により新しい動作の開発を行う。

【００１６】この動物調教方法の計算量は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、試行錯誤あるいは調教者
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動物体の動きを
表現することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】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．動物体モデルを作成 ２．実際の動作を入力 ３．入力された動作を解析 ４．新しい動作の開発 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。

【００１８】第１段階の「動物体モデルを作成」では、
動物の体を動きの最小単位となる部分（すなわち、関節
で分離される部分）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
基づき動物モデルを作成し、適宜のコンピユータ言語で
記述したデータとしてコンピュータのデータベースに入
力しておく。

【００１９】第２段階の「実際の動作を入力」では、解
析の対象となる動作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で上記第１段階と同様に入力
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。

【００２０】第３段階の「入力された動作を解析」で
は、第２段階で入力された動作について各部分の重心及
び全体の重心を計算し、動物体の動作と力の関係に逆動
力学を適用してラグランジェの方程式を用いて各部分の
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計算する。

【００２１】動作の解析のみを行う場合は、第３段階で
得られた各部材の重心、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
りデータベースの動物モデルに重ねて画面上に表示す
る。このようにして、動作の解析が行われる。

【００２２】次に、上記の解析結果を利用して新しい動
作を開発する場合について説明する。新しい動作を開発
するためには、予め第１段階の動物体モデルのデータ、
第２段階で得られた実際の動作のデータ及び第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。

【００２３】第４段階の「新しい動作の開発」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。この動作は図２に示すように動きをデータベー
スに基いて作成した制御グラフで表されるが、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。

【００２４】また、複雑な動作は数個の制御グラフによ
り表される。例えば止まっていた馬が走り出す動作を表
す制御グラフは、連続した動作を合成して構成される。

【００２５】次に、力が発生するすべての動物の体の部
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。

【００２６】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各部分の動きが
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
減らすため同図（ｂ）に示すように体の各部分は他の部
分と切り放され、動物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。

【００２７】各部分の動きを計算するため、本発明にお
ける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。

【００２８】第６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、動物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（例えば、動物体の中心部から離れた部分）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（例えば、動物体
の中心部に近い部分）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。

【００２９】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、同図（ｂ）に示すような自然な姿勢に修正
する。

【００３０】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
用いて動きのデータから体の各関節に起こる力を計算す
る。

【００３１】新しい動作を開発する場合に、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、コンピユータ画面の表示との対話形
式により新しい動作の開発を行う。

【００３２】第８段階の「結果を表示」においては開発
の途中あるいは開発が終了した新しい動作を画面に表示
する。その際に表示された動物体の重心の位置、発生し
ている力の方向を動物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、この表示には第３段階の
「入力された動作を解析」した結果を表示することも可
能である。

【００３３】本発明においては、図１に示すように単純
な線形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。

【００３４】これにより、ｎ個の関節をもつ動物体モデ
ル全ての動作に適用でき、３次元関節モデルの各部分に
時間ｔにおける前記Ｘ，Ｙ，Ｚの値を与えることによ
り、物理的には現実世界と同じ動きがコンピユータ内部
に再現できる。このように、所謂逆動力学により、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開発者が完全な力の開発を見つける
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
各部材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。

【００３５】このようにして得られた動物の動きは動物
の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。

【００３６】また、本発明は試行錯誤あるいは開発者の
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。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の動物調教
方法は、実際の動物の基本的な動作の解析及び新しい動
作を開発する２つの過程からなる。そして、動物の基本
的な動作の解析は動物体モデルの作成、実際の動作の入
力、入力された動作の解析の３段階で進み、新しい動作
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動物体を関
節によって分離された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）とな
り、従来のＯ（ｎ^４）と比較して大幅に計算量が低減さ
れる。したがって、本発明の方法により、これまでの動
力学によるコンピュータを利用する方法にあった計算の
問題を解決し、動力学を実際の動物調教にうまく応用で
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。そして、動物体の各部分
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、体の部材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、動物の調教を容易に行うことができ
る。また、線画ではないなめらかに肉付けされた立体的
な動物体の表示を実現することができる。その上、調教
者はモデルの動物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、コンピユータ画面との対話形式に
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、解析者は絵とモデルの動物体との
間の対応関係を正確に把握することができる。従来の動
物調教方法における知識には動物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、この知識は解析者の直観により得られる
のに対して、本発明の動作解析方法における知識は動物
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。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、本発明の技能解析方法を用いれば
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】 動物調教方法のフローチャートである。

【図２】 関節に働く力の例の制御グラフである。

【図３】 動力学による計算の模式図である。

【図４】 逆動力学による計算の模式図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】動物体を関節で分離された動きの最小単位
   となる部分に分解し、これら各々の部分の固有の性質、
   相互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基づい
   て適宜の言語で記述したデータにより動物体モデルをデ
   ータベースに入力する段階と、 実際の動物体の動作を、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で、前記関節で分離された
   動きの最小単位となる部分について記述したデータによ
   りデータベースに入力する段階と、 前記入力された動物体の実際の動作について、前記各部
   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、前記各部
   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・トルクについて、その物理的変数を変更する
   段階と、 前記動物体モデルの各部分を他の部分と切り放し、前記
   実際の動物体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に基づいて新
   しい動きを計算する段階と、 前記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過程を繰り返
   して所望の動作を得る段階と、 前記修正途中および修正結果の動物体の動きを画面上に
   表示する段階と、からなり、前記修正結果の動物体の動
   きに基づいて当該動物体に相当する動物の調教を行うす
   ることを特徴とする動物調教方法。