JP2003114101A - 磁気式３次元位置検出装置および検出方法 - Google Patents
磁気式３次元位置検出装置および検出方法Info
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- JP2003114101A JP2003114101A JP2001307639A JP2001307639A JP2003114101A JP 2003114101 A JP2003114101 A JP 2003114101A JP 2001307639 A JP2001307639 A JP 2001307639A JP 2001307639 A JP2001307639 A JP 2001307639A JP 2003114101 A JP2003114101 A JP 2003114101A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明の課題は、実際の磁界パタンを十分な精
度で表現することが可能となり、受信コイルの位置推定
の精度を高めることが可能となる磁気式３次元位置検出
装置および検出方法を提供することにある。 【解決手段】本発明は、複数の送信コイルＳ１〜Ｓ６か
ら相互に異なる周波数の交流磁界を生成し、受信コイル
に誘導される受信信号を用いて、受信コイルの３次元的
な位置を計測する磁気式３次元位置検出装置において、
測定領域内の座標位置を説明変数とする区分的多項式関
数の磁界関数を用いて、送信コイルＳ１〜Ｓ６と受信コ
イルの間の相対的な位置関係に対して受信コイルに誘導
される信号の強度を表現し、さらに、前記磁界関数から
予測される信号強度と実際に測定される信号強度との誤
差が最小になるように受信コイルの３次元的な位置を計
算する手段と、上記の手段によって受信コイルの位置を
計測することを特徴とする。
度で表現することが可能となり、受信コイルの位置推定
の精度を高めることが可能となる磁気式３次元位置検出
装置および検出方法を提供することにある。 【解決手段】本発明は、複数の送信コイルＳ１〜Ｓ６か
ら相互に異なる周波数の交流磁界を生成し、受信コイル
に誘導される受信信号を用いて、受信コイルの３次元的
な位置を計測する磁気式３次元位置検出装置において、
測定領域内の座標位置を説明変数とする区分的多項式関
数の磁界関数を用いて、送信コイルＳ１〜Ｓ６と受信コ
イルの間の相対的な位置関係に対して受信コイルに誘導
される信号の強度を表現し、さらに、前記磁界関数から
予測される信号強度と実際に測定される信号強度との誤
差が最小になるように受信コイルの３次元的な位置を計
算する手段と、上記の手段によって受信コイルの位置を
計測することを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、送信コイルから
生成した磁界によって受信コイルに電気信号を誘導して
受信コイルの３次元的な位置を決定する、磁気式３次元
位置検出装置および検出方法に関するものである。
生成した磁界によって受信コイルに電気信号を誘導して
受信コイルの３次元的な位置を決定する、磁気式３次元
位置検出装置および検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、送信コイルから生成した交流磁界
によって受信コイルに電気信号を誘導し、この受信信号
の強度をもとにして受信コイルの３次元的な位置を検出
する位置検出装置が用いられている。これらの装置にお
いては、受信信号から受信コイルの空間的な位置情報を
得るため、送信コイルと受信コイルの間の相対的な位置
関係に対して、受信される信号の強度を磁界関数として
表現する。このような磁界関数には、送信コイルの生成
する磁界に関する、電磁理論に基づいた物理式が用いら
れている（例えば、阿刀田，中村，冨澤，横山，今田，
「磁気式モーションキャプチャ装置における双極子配置
と座標逆算アルゴリズムの一設計法」，計測自動制御学
会，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．５，４４５−４５３，１９９
８．に記載）。受信コイルの３次元位置は、この磁界関
数から予測される受信信号と、実際に計測される信号強
度の間の誤差が最小になるように決定される。
によって受信コイルに電気信号を誘導し、この受信信号
の強度をもとにして受信コイルの３次元的な位置を検出
する位置検出装置が用いられている。これらの装置にお
いては、受信信号から受信コイルの空間的な位置情報を
得るため、送信コイルと受信コイルの間の相対的な位置
関係に対して、受信される信号の強度を磁界関数として
表現する。このような磁界関数には、送信コイルの生成
する磁界に関する、電磁理論に基づいた物理式が用いら
れている（例えば、阿刀田，中村，冨澤，横山，今田，
「磁気式モーションキャプチャ装置における双極子配置
と座標逆算アルゴリズムの一設計法」，計測自動制御学
会，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．５，４４５−４５３，１９９
８．に記載）。受信コイルの３次元位置は、この磁界関
数から予測される受信信号と、実際に計測される信号強
度の間の誤差が最小になるように決定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】磁気式位置検出装置に
おいては、受信コイルの３次元的な座標位置と磁界に対
する傾きとを同時に推定するために、これらの未知変数
の個数より多い個数の送信コイルが同時に使用される。
このとき、送信コイルは磁界を生成すると同時に受信コ
イルとしても機能し、送信コイル近傍の磁界を打ち消す
ような向きに電気信号が誘導される。従って、位置検出
装置における磁界の空間的パタンは、送信コイル間の相
互作用による局所的な歪みを伴なったものとなる。この
とき、送信コイルの生成する磁界パタンにのみ着目した
従来の磁界関数では、このような送信コイル間の相互作
用の影響が考慮されないため、局所的な歪みを伴なった
実際の磁界パタンを十分な精度で表現することができ
ず、受信コイルの位置を推定する際の精度が劣化する問
題があった。
おいては、受信コイルの３次元的な座標位置と磁界に対
する傾きとを同時に推定するために、これらの未知変数
の個数より多い個数の送信コイルが同時に使用される。
このとき、送信コイルは磁界を生成すると同時に受信コ
イルとしても機能し、送信コイル近傍の磁界を打ち消す
ような向きに電気信号が誘導される。従って、位置検出
装置における磁界の空間的パタンは、送信コイル間の相
互作用による局所的な歪みを伴なったものとなる。この
とき、送信コイルの生成する磁界パタンにのみ着目した
従来の磁界関数では、このような送信コイル間の相互作
用の影響が考慮されないため、局所的な歪みを伴なった
実際の磁界パタンを十分な精度で表現することができ
ず、受信コイルの位置を推定する際の精度が劣化する問
題があった。
【０００４】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、位置検出装置において磁界の局所的な歪みが発生す
る問題に対して、実際の磁界パタンを十分な精度で表現
することが可能となり、受信コイルの位置推定の精度を
高めることが可能となる磁気式３次元位置検出装置およ
び検出方法を提供することを目的とする。
で、位置検出装置において磁界の局所的な歪みが発生す
る問題に対して、実際の磁界パタンを十分な精度で表現
することが可能となり、受信コイルの位置推定の精度を
高めることが可能となる磁気式３次元位置検出装置およ
び検出方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、位置検出装置における磁界の空間的パタ
ンは、測定領域内の座標位置を説明変数とする区分的多
項式関数の磁界関数によって表現される。区分的多項式
関数は、座標空間内の部分的な区間でのみ値をもつ、局
所的な台を有する多項式関数である。本発明によれば、
磁界の全体的なパタンは、測定領域を分割した時の各部
分領域で値をもつ区分的多項式関数の足し合わせの形で
表現される。従って、送信コイルの近傍で発生する局所
的な磁界歪みに対して、個別の区分的多項式関数によっ
て磁界パタンの高精度な近似が可能となる。さらに、こ
のような磁界関数を用いることによって、受信コイルの
位置と磁界に対する傾きとを未知変数として、受信コイ
ルに誘導される信号の強度を予測することができる。受
信コイルの位置の推定は、この予測信号強度と実際に観
測される信号強度の間の誤差が最小となるように未知変
数の値を決定することによって行われる。
に本発明では、位置検出装置における磁界の空間的パタ
ンは、測定領域内の座標位置を説明変数とする区分的多
項式関数の磁界関数によって表現される。区分的多項式
関数は、座標空間内の部分的な区間でのみ値をもつ、局
所的な台を有する多項式関数である。本発明によれば、
磁界の全体的なパタンは、測定領域を分割した時の各部
分領域で値をもつ区分的多項式関数の足し合わせの形で
表現される。従って、送信コイルの近傍で発生する局所
的な磁界歪みに対して、個別の区分的多項式関数によっ
て磁界パタンの高精度な近似が可能となる。さらに、こ
のような磁界関数を用いることによって、受信コイルの
位置と磁界に対する傾きとを未知変数として、受信コイ
ルに誘導される信号の強度を予測することができる。受
信コイルの位置の推定は、この予測信号強度と実際に観
測される信号強度の間の誤差が最小となるように未知変
数の値を決定することによって行われる。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態例を詳細に説明する。
形態例を詳細に説明する。
【０００７】図１は、本発明の実施形態例に基づいて磁
界の空間パタンを表現し、受信コイルの位置を決定する
ための手順を示している。まず、位置検出装置を用い
て、測定領域内の既知の位置に受信コイルを配置して受
信信号を計測し、座標位置と信号強度データとが対とな
った校正用データセットを作成する。図２（ａ）に示し
た図は、３次元装置における送信コイルの配置の例を示
したものである。ここでは、６個の送信コイル（Ｓｉ，
ｉ＝１，２，３，４，５，６）によって、相互に周波数
の異なる交流磁界が生成される。また、ｘ，ｙ，ｚは、
受信コイルの位置を表すための座標軸である。校正用デ
ータセットは、座標原点付近に直方体の観測領域をと
り、この領域を格子状に分割した時の各々の格子点に受
信コイルを配置し、計測を行うことが考えられる。
界の空間パタンを表現し、受信コイルの位置を決定する
ための手順を示している。まず、位置検出装置を用い
て、測定領域内の既知の位置に受信コイルを配置して受
信信号を計測し、座標位置と信号強度データとが対とな
った校正用データセットを作成する。図２（ａ）に示し
た図は、３次元装置における送信コイルの配置の例を示
したものである。ここでは、６個の送信コイル（Ｓｉ，
ｉ＝１，２，３，４，５，６）によって、相互に周波数
の異なる交流磁界が生成される。また、ｘ，ｙ，ｚは、
受信コイルの位置を表すための座標軸である。校正用デ
ータセットは、座標原点付近に直方体の観測領域をと
り、この領域を格子状に分割した時の各々の格子点に受
信コイルを配置し、計測を行うことが考えられる。
【０００８】次に、得られた校正用データセットを用い
て、磁界の空間パタンを区分的多項式関数の磁界関数と
して表現する。磁界の空間パタンを表現するための区分
的多項式関数には、Ｂスプライン関数を用いることがで
きる。３次元装置では、測定領域内の座標位置ｘ，ｙ，
ｚを説明変数とする３変数のＢスプライン関数によっ
て、磁界の空間パタンを以下のように表現できる。
て、磁界の空間パタンを区分的多項式関数の磁界関数と
して表現する。磁界の空間パタンを表現するための区分
的多項式関数には、Ｂスプライン関数を用いることがで
きる。３次元装置では、測定領域内の座標位置ｘ，ｙ，
ｚを説明変数とする３変数のＢスプライン関数によっ
て、磁界の空間パタンを以下のように表現できる。
【数１】
【０００９】ここで、ｖx（ｘ，ｙ，ｚ），ｖy（ｘ，
ｙ，ｚ），ｖz（ｘ，ｙ，ｚ）は、座標位置（ｘ，ｙ，
ｚ）における磁界のｘ軸方向成分、ｙ軸方向成分、ｚ軸
方向成分をそれぞれ表している。また、Ｎp（ｘ），Ｎq
（ｙ），Ｎr（ｚ）は、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸に関する区分
的な基底多項式関数である。ａpqr ，ｂpqr ，ｃ
pqr は、基底多項式関数の足し合わせの際の重みを表す
係数である。これらの重み係数は、先に計測した校正用
のデータセットを用いて決定される。たとえば、式
（１），（２），（３）のスプライン関数が校正用デー
タに対する補間関数となるように、重み係数の値を決定
することが可能である。
ｙ，ｚ），ｖz（ｘ，ｙ，ｚ）は、座標位置（ｘ，ｙ，
ｚ）における磁界のｘ軸方向成分、ｙ軸方向成分、ｚ軸
方向成分をそれぞれ表している。また、Ｎp（ｘ），Ｎq
（ｙ），Ｎr（ｚ）は、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸に関する区分
的な基底多項式関数である。ａpqr ，ｂpqr ，ｃ
pqr は、基底多項式関数の足し合わせの際の重みを表す
係数である。これらの重み係数は、先に計測した校正用
のデータセットを用いて決定される。たとえば、式
（１），（２），（３）のスプライン関数が校正用デー
タに対する補間関数となるように、重み係数の値を決定
することが可能である。
【００１０】次に、スプライン関数を用いて表現された
磁界の空間パタンと、測定実験中の受信信号とを用い
て、受信コイルの位置の推定を行う。３次元観測におけ
る未知変数は、図２（ｂ）に示すように、受信コイルの
座標位置ｘ，ｙ，ｚと、座標系に対する受信コイルの傾
きを表す変数θ１，θ２である。これらの未知変数に対
して、受信コイルに誘導される信号の強度を、以下のよ
うに表すことができる。
磁界の空間パタンと、測定実験中の受信信号とを用い
て、受信コイルの位置の推定を行う。３次元観測におけ
る未知変数は、図２（ｂ）に示すように、受信コイルの
座標位置ｘ，ｙ，ｚと、座標系に対する受信コイルの傾
きを表す変数θ１，θ２である。これらの未知変数に対
して、受信コイルに誘導される信号の強度を、以下のよ
うに表すことができる。
【数２】
【００１１】ここで、ｖx ，ｖy ，ｖz は、式（１），
（２），（３）のように座標位置ｘ，ｙ，ｚを説明変数
として表現された磁界成分である。ψは、受信コイルの
軸と磁界ベクトルがなす角度であり、この値は座標位置
ｘ，ｙ，ｚとコイルの傾きθ１，θ２とによって定めら
れる。
（２），（３）のように座標位置ｘ，ｙ，ｚを説明変数
として表現された磁界成分である。ψは、受信コイルの
軸と磁界ベクトルがなす角度であり、この値は座標位置
ｘ，ｙ，ｚとコイルの傾きθ１，θ２とによって定めら
れる。
【００１２】受信コイルの３次元的な位置は、この
【数３】
【００１３】と、実際に測定される信号強度ｅｉの間の
誤差が最小になるように受信コイルの３次元的な位置を
計算することにより推定される。この受信信号に関する
誤差評価式は、以下のように表すことができる。
誤差が最小になるように受信コイルの３次元的な位置を
計算することにより推定される。この受信信号に関する
誤差評価式は、以下のように表すことができる。
【数４】
【００１４】ここで、ｉは６個の送信コイルを表すイン
デックスである。式（５）の誤差が最小となる未知変数
の最適値を求める問題は、スプライン関数の基底関数が
多項式として表されることから非線形となる。この非線
形最適化問題に対して、ガウス・ニュートン法を適用す
ることにより、受信コイルの位置を推定することが可能
である。
デックスである。式（５）の誤差が最小となる未知変数
の最適値を求める問題は、スプライン関数の基底関数が
多項式として表されることから非線形となる。この非線
形最適化問題に対して、ガウス・ニュートン法を適用す
ることにより、受信コイルの位置を推定することが可能
である。
【００１５】上記の方法では、スプライン関数における
個々の基底関数を、測定領域の各部における磁界の局所
的なパタンに対してフィッティングすることができる。
従って、位置検出装置において磁界の局所的な歪みが発
生する問題に対して、実際の磁界パタンを十分な精度で
表現することが可能となる。受信コイルの位置の推定
は、磁界パタンを表現する磁界関数に基づいて行われる
ため、本法によれば、受信コイルの位置推定の精度を高
めることが可能となる。
個々の基底関数を、測定領域の各部における磁界の局所
的なパタンに対してフィッティングすることができる。
従って、位置検出装置において磁界の局所的な歪みが発
生する問題に対して、実際の磁界パタンを十分な精度で
表現することが可能となる。受信コイルの位置の推定
は、磁界パタンを表現する磁界関数に基づいて行われる
ため、本法によれば、受信コイルの位置推定の精度を高
めることが可能となる。
【００１６】また本発明は、複数の送信コイルＳ１〜Ｓ
６から相互に異なる周波数の交流磁界を生成し、さらに
受信コイルに誘導される受信信号を用いて、受信コイル
の３次元的な位置を計測する磁気式３次元位置検出装置
において、測定領域内の座標位置を説明変数とする区分
的多項式関数の磁界関数を用いて、送信コイルＳ１〜Ｓ
６と受信コイルの間の相対的な位置関係に対して受信コ
イルに誘導される信号の強度を表現し、さらに、前記磁
界関数から予測される信号強度と実際に測定される信号
強度との誤差が最小になるように受信コイルの３次元的
な位置を計算する手段と、上記の手段によって受信コイ
ルの位置を計測することを特徴とする。
６から相互に異なる周波数の交流磁界を生成し、さらに
受信コイルに誘導される受信信号を用いて、受信コイル
の３次元的な位置を計測する磁気式３次元位置検出装置
において、測定領域内の座標位置を説明変数とする区分
的多項式関数の磁界関数を用いて、送信コイルＳ１〜Ｓ
６と受信コイルの間の相対的な位置関係に対して受信コ
イルに誘導される信号の強度を表現し、さらに、前記磁
界関数から予測される信号強度と実際に測定される信号
強度との誤差が最小になるように受信コイルの３次元的
な位置を計算する手段と、上記の手段によって受信コイ
ルの位置を計測することを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、位
置検出装置において磁界の局所的な歪みが発生する問題
に対して、実際の磁界パタンを十分な精度で表現するこ
とが可能となり、受信コイルの位置推定の精度を高める
ことが可能となる。
置検出装置において磁界の局所的な歪みが発生する問題
に対して、実際の磁界パタンを十分な精度で表現するこ
とが可能となり、受信コイルの位置推定の精度を高める
ことが可能となる。
【図１】本発明の実施形態例に係る受信信号からの受信
コイル位置の計算手順を示すフロー図である。
コイル位置の計算手順を示すフロー図である。
【図２】本発明の実施形態例に係る３次元位置検出装置
における適用例を示す説明図である。
における適用例を示す説明図である。
Ｓ１〜Ｓ６ 送信コイル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 2F063 AA04 CA09 DA01 DA21 GA01
GA58 LA18
2G017 AA01 AD02
Claims (4)
- 【請求項１】 複数の送信コイルから相互に異なる周波
数の交流磁界を生成し、さらに受信コイルに誘導される
受信信号を用いて、受信コイルの３次元的な位置を計測
する磁気式３次元位置検出装置において、 測定領域内の座標位置を説明変数とする区分的多項式関
数の磁界関数を用いて、送信コイルと受信コイルの間の
相対的な位置関係に対して受信コイルに誘導される信号
の強度を表現し、さらに、前記磁界関数から予測される
信号強度と実際に測定される信号強度との誤差が最小に
なるように受信コイルの３次元的な位置を計算する手段
と、上記の手段によって受信コイルの位置を計測するこ
とを特徴とする磁気式３次元位置検出装置。 - 【請求項２】 区分的多項式関数として、スプライン関
数を用いることを特徴とする請求項１記載の磁気式３次
元位置検出装置。 - 【請求項３】 複数の送信コイルから相互に異なる周波
数の交流磁界を生成し、さらに受信コイルに誘導される
受信信号を用いて、受信コイルの３次元的な位置を計測
する磁気式３次元位置検出方法において、 位置検出装置を用いて、測定領域内の既知の位置に受信
コイルを配置して受信信号を計測し、座標位置と信号強
度データとが対となった校正用データセットを作成する
ステップと、 前記ステップで得られた校正用データセットを用いて、
測定領域内の座標位置を説明変数とする区分的多項式関
数によって、磁気の空間パターンを表現するステップ
と、 前記ステップで区分的多項式関数を用いて表現された磁
気の空間パターンの予測信号強度と、測定した受信信号
の信号強度の間の誤差が最小になるように受信コイルの
３次元な位置を計算することにより受信コイルの位置を
求めるステップとを有することを特徴とする磁気式３次
元位置検出方法。 - 【請求項４】 区分的多項式関数として、スプライン関
数を用いることを特徴とする請求項３記載の磁気式３次
元位置検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001307639A JP2003114101A (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | 磁気式３次元位置検出装置および検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001307639A JP2003114101A (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | 磁気式３次元位置検出装置および検出方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003114101A true JP2003114101A (ja) | 2003-04-18 |
Family
ID=19127073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001307639A Pending JP2003114101A (ja) | 2001-10-03 | 2001-10-03 | 磁気式３次元位置検出装置および検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003114101A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006214979A (ja) * | 2005-02-07 | 2006-08-17 | Nec Tokin Corp | 磁気式位置検出装置 |
| JP2008275395A (ja) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 位置姿勢検出システム及びその検出方法並びに位置姿勢検出装置 |
| JP2009047470A (ja) * | 2007-08-15 | 2009-03-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 磁気式３次元位置検出装置 |
| WO2011155383A1 (ja) * | 2010-06-09 | 2011-12-15 | オリンパスメディカルシステムズ株式会社 | プローブ形状検出装置及びプローブ形状検出方法 |
-
2001
- 2001-10-03 JP JP2001307639A patent/JP2003114101A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006214979A (ja) * | 2005-02-07 | 2006-08-17 | Nec Tokin Corp | 磁気式位置検出装置 |
| JP2008275395A (ja) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 位置姿勢検出システム及びその検出方法並びに位置姿勢検出装置 |
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| WO2011155383A1 (ja) * | 2010-06-09 | 2011-12-15 | オリンパスメディカルシステムズ株式会社 | プローブ形状検出装置及びプローブ形状検出方法 |
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| JP5231681B2 (ja) * | 2010-06-09 | 2013-07-10 | オリンパスメディカルシステムズ株式会社 | プローブ形状検出装置及びプローブ形状検出装置の作動方法 |
| US8566052B2 (en) | 2010-06-09 | 2013-10-22 | Olympus Medical Systems Corp. | Probe shape detection apparatus and probe shape detection method |
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