ニューラルネットワークを用いた磁気運動計測システム

物体の空間内での位置及び向きを非接触で多自由度でけいそくすることは、工業計測
や生態運動計測等の様々な分野で重要であり、種々の方法により計測が試みられて
いる。特に磁界を利用した方法は原理的に非接触計測が可能であるため、計測その
ものによって影響を受けやすい生体各部の運動等に対しても適用することが可能で
ある。制御対象の周辺に磁束を歪める磁性体が無ければ、物体によって遮蔽され、
不可視な測定対象の運動測定にも適用可能である。現在使用されている磁界を用い
た多自由度運動計測には変動磁界とセンサコイルを併用するものがほとんどである。
原理的にはセンサコイルに誘起される誘導電流が各自由度毎に位相の違いとして検
出できるよう周波数や振幅、位相の異なる変動磁界を生成し、その中にセンサコイルを
置く方法が用いられる。一方永久磁石を使う方法は位置のみまたは特定方向の
回転のみといった自由度自由度の小さい運動の計測にしか用いられない。これは小型磁石
の位置と向きから周辺の磁束密度分布を求める問題は、逆問題の1種であり一般に
解くことができないためである。
本論では小型永久磁石周辺の磁束密度分布から磁石の位置と向きを求める逆問題
に、任意関数の汎用近似器としてバックプロパゲーション・ニューラルネットワーク
を用いることにより、高速、高精度に多自由度運動計測が可能なシステムを提案
し、計算機シミュレーションを用いてその有用性を検討した。その結果、上記の
逆問題の解の近似を位置、向きついてそれぞれ平均で0.4％、0.04度程度の精度で行う
ことが可能であることが確認された。これにより例えば多次元ポインティングデバ
イス等へ本システムを適用可能であるものと思われる。
生体運動計測の一種として古くから盛んに計測が試みられているものに顎運動計測
がある。これは顎運動が咬合機能の解明や顎関節症等の診断等に関する様々な情報
を含んでいると考えられるためである。しかし測定対象である下顎骨が皮膚によ
り覆い隠されており外部から見ることができないこと、下顎運動が6自由度を持って
いること、測定による下顎運動への影響が出やすいこと、数10μm、0.1度程度の
精度が必要なことなど生体運動計測の中でも特に困難な部類に入る。従来の計測法
には、機械的計測法、光学的計測法そして磁気的計測法が用いられてきたが上のよう
な条件を全て満たすものはほとんど無い。本論文で提案した運動計測システムは測
定対象に小型の磁石を固定するだけで良く顎運動にも制限を加えないことから、下
顎の運動計測への応用は特に有用を思われる。測定空間を下顎前肢部計測用に最適化
するなどして、計算機シミュレーションにより検討した結果、位置、向きついてそれ
ぞれ平均で7μ、0.002度程度の制度で測定可能なネットワークを構築することが
できた。これは制度的には下顎運動計測システムとして実用可能であると思われる。

画像データは国立国会図書館から提供(2011/9/26。JPEG2000形式を本学でpdfに変換して公開)