JP2004118266A

JP2004118266A - マニピュレータの設計支援方法及び設計支援システム

Info

Publication number: JP2004118266A
Application number: JP2002276660A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsunewaki; 常脇　寛; Hiroyuki Kanazawa; 金澤　宏幸
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】マニピュレータの開発期間を短縮する。
【解決手段】マニピュレータの設計支援方法及びシステムであって、マニピュレータの関節軸を関節モジュールとしてデータベース１として蓄積しておき、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論エンジン３で推論し、前記データベース１の中から推論した軸構成及びリンク長に適合する関節モジュールを選択して、策定手段によりマニピュレータをデジタルモックアップし、デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシュミレーションして動作を確認するもの。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータの設計支援方法及びそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在行なわれている代表的なマニピュレータの開発手順の一例を図４に示す。先ず、要求仕様に基づき設計を行なう（ステップ１０１）。要求仕様とは、マニピュレータに要求される要件であり、自由度、動作範囲、負荷、移動の精度などである。次に、設計した中で最も条件の厳しい部品、例えばある関節軸を製作（試作）し（ステップ１０２）、次いで、その機能試験を行なう（ステップ１０３）。機能試験の結果が、要求仕様を満足しているかどうか判断し（ステップ１０４）、満足していない場合には改造（ステップ１０５）を行ない、再度機能試験を行なう（ステップ１０３）。要求仕様を満足するまで、改造、機能試験を行なう（ステップ１０５、１０３、１０４）。
【０００３】
要求仕様を満足したら、改造結果を設計に反映させて（ステップ１０６）、他の部分を含めた実機全体の設計を行ない、それに基づきマニピュレータを製作する（ステップ１０７）。最後にマニピュレータの動作確認を行なう（ステップ１０８）。
【０００４】
このように現在のマニピュレータの設計製作においては、物作りの工程が試作（ステップ１０２）と製作（ステップ１０７）の二段階となっており、しかも試作が適切でないと、何回も改造を繰り返すことになり、開発期間が長くなってしまい、ひいてはコスト高を招いてしまう。つまり、開発者の熟練度により開発期間の長短が左右されていた。
【０００５】
なお、特開平５−２４５７８３号公報には、ロボットの設計支援方法が開示されている。しかし、この公報に開示のものは、ロボットの動きを数値解析し、どういう軸構成にしたらよいかを演算的に求めるものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２４５７８３号公報（第３−７頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑み、演算により軸構成を決めるのではなく、熟練者の知識、経験の蓄積を利用して、たとえ熟練者でなくても、より短い開発期間でマニピュレータを設計できるようにすることを目的としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１の発明（請求項１）に係る構成は、マニピュレータの各関節軸を関節モジュールとしてデータベース化しておき、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論し、前記データベース化した関節モジュールの中から、推論した軸構成及びリンク長を満足する関節モジュールを選択してデジタルモックアップし、デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションして動作を確認することを特徴とするマニピュレータの設計支援方法に存する。
【０００９】
データベース化された関節モジュールから、要求仕様にあった適切なものを選択して積み重ねることにより、コンピュータ画面上でモックアップされる。そのマニピュレータが画面上でシミュレーションされる。つまり、設計の終了までが物作りをせずに行なえる。
【００１０】
上記目的を達成する第２の発明（請求項２）に係る構成は、第１の発明において、前記３Ｄシミュレーションにおいては、動特性解析、振動解析、制御性解析、メカ特性解析を行なうことを特徴とするマニピュレータの設計支援方法に存する。
この方法では、動特性解析等を行なってマニピュレータの動作を確認し、その結果を設計に反映させる。
【００１１】
上記目的を達成する第３の発明（請求項３）に係る構成は、第１又は第２の発明において、前記３Ｄシミュレーションにおいて、更に、構成品をリスト化してあるＣＡＤカタログと組み合わせることにより、必要な構成品を選択することを特徴とするマニピュレータの設計支援方法に存する。
この方法では、必要なモータ等の構成品が自動で選択される。
【００１２】
上記目的を達成する第４の発明（請求項４）に係る構成は、第１乃至第３の発明において、前記デジタルモックアップされたマニピュレータの動作を確認し、要求仕様を満足していない場合には改造することを特徴とするマニピュレータの設計支援方法に存する。
この方法では、要求仕様を満足するまで改造することにより、完成度の高いマニピュレータが得られる。
【００１３】
上記目的を達成する第５の発明（請求項５）に係る構成は、マニピュレータの関節軸を関節モジュールとし、多数の関節モジュールのデータを蓄積した関節モジュールデータベースと、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論する推論エンジンと、推論エンジンでの推論結果より前記関節モジュールデータベースより関節モジュールを選択してデジタルモックアップする策定手段とを有することを特徴とするマニピュレータの設計支援システムに存する。
【００１４】
このシステムでは、データベース化された関節モジュールから、要求仕様にあった適切なものを選択して積み重ねることにより、コンピュータ画面上で求めようとするマニピュレータがモックアップされる。
【００１５】
上記目的を達成する第６の発明（請求項６）に係る構成は、上記第５の発明において、デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションする３Ｄシミュレータを有することを特徴とするマニピュレータの設計支援システムに存する。
このシステムによれば、コンピュータの画面上で、マニピュレータの動作確認のためのシミュレーションがなされる。つまり、物作りをせずに、動作を確認しての設計が行なえる。
【００１６】
上記目的を達成する第７の発明（請求項７）に係る構成は、上記第５、６の発明において、更に、マニピュレータと組み合わせる構成品をリスト化してあるＣＡＤカタログを有することを特徴とするマニピュレータの設計支援システムに存する。このシステムでは、必要なモータ等の構成品が自動で選択される。
【００１７】
上記目的を達成する第８の発明（請求項８）に係る構成は、第５の発明において、前記関節モジュールデータベースは熟練者の経験に基づくデータであることを特徴とするマニピュレータの設計支援システムに存する。
このシステムによれば、熟練者の経験と知識が他の者でも利用できることになる。
【００１８】
上記目的を達成する第９の発明（請求項９）に係る構成は、第５の発明において、前記デジタルモックアップの動作確認により、要求仕様を満足していない場合に改造する手段を有することを特徴とするマニピュレータの設計支援システム。
このシステムによれば、要求仕様を満足するまで改造することにより、完成度の高いマニピュレータが得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１には、実施の形態に係るマニピュレータ設計支援システムのフローチャートであり、図２は、その一部の詳細である。図３には、マニピュレータの一例を示す。
【００２０】
図３において、（Ａ）には７軸のマニピュレータ１１を示してあり、各関節軸は先端から１番、２番・・・７番と呼ばれる。各関節軸が関節モジュールを構成し、（Ｂ）にはロール軸の関節モジュール１２を示し、（Ｃ）にはピンチ軸の関節モジュール１３を示す。
【００２１】
図１に示すように、本発明に係る方法及びシステムはコンピュータのプログラムとして実現される。関節モジュールデータベース１は、すでに製作したマニピュレータの関節軸に関するデータが関節モジュールデータとして蓄積されている。つまり、マニピュレータの設計には、机上の設計だけではまかないきれない部分があり、設計過程において改造などがなされて製作される。そのような経験を加味して得られた関節モジュールに関するデータをデータベース化して、関節モジュールデータベース１に蓄積しておくのである。例えば、ロール軸関節モジュール及びピンチ軸関節モジュールが、それぞれリンク長、先端負荷などに応じて分類され、記憶されている。
【００２２】
コンピュータには演算装置２が搭載されている。演算装置２の推論エンジン３は、設計に当たっての要求仕様、つまり作業内容、リーチ、自由度、制御方式（位置制御、姿勢制御等）に基づき、複数の関節モジュールによる軸構成、各関節モジュールのリンク長を推論するエンジンである。その推論結果に基づき、演算装置２における策定手段により、前記関節モジュールデータベース１から関節モジュールの組合せ、つまりマニピュレータがモックアップされる。
【００２３】
演算装置２には、プログラムとしては、動特性プログラム４、振動解析プログラム５、制御性解析プログラム６、メカ特性解析プログラム７が組み込まれている。動特性プログラム４は、ＰＩＤ等の制御系をシミュレーションするプログラムである。振動解析プログラム５は、各部の固有振動数を計算するプログラムである。既知のアームの長さ、重さ、剛性、板厚等により固有振動数を求めることができる。制御性解析プログラム６は、関節軸の制御性を解析するプログラムである。メカ特性解析プログラム７は、機械構成部品の剛性、強度、寿命等を解析するプログラムである。
【００２４】
演算装置２とは別に設けられている３Ｄ　ＣＡＤ８には、マニピュレータを構成するのに必要な、関節モジュール以外のモータ、減速機、リミットスイッチ等の構成品に関するデータが貯蔵され、それらが設計に利用されるようになっている。
【００２５】
３Ｄシュミレータは、モックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションするものであり、これにより製作しようとしているマニピュレータの動きを画面上で見ることができる。また、手先の移動軌跡を表すことができ、その精度等が要求仕様を満たすものかどうか確認することができる。
【００２６】
次に、上記システムによる設計手順（設計支援方法）について説明する。
先ず、コンピュータのキーボードにより、マニピュレータの要求仕様を入力する（ステップ（１））。つまり、マニピュレータに要求される作業内容、リーチ、自由度、制御方式等が入力される。
【００２７】
次に、デジタルモックアップによるシミュレーションを行なう（ステップ（２））。ここでは、指令値（前述の作業内容、リーチ、自由度、制御方式等）が演算か装置２に入力される（ステップ（２−１））。指令値に基づき、推論エンジン３により関節モジュールの軸構成、リンク長が推論され、関節モジュールデータベース１に蓄積されている関節モジュールから軸構成が選択される（ステップ（２−２））。例えば、７軸のマニピュレータであれば、先端の１番の関節軸から根元側の７番の関節軸に至るまでの組合せが選択される。関節モジュールデータベース１に蓄積されている関節モジュールの中から選択するので、ベストではないが実現性のあるマニピュレータがモックアップされる。
【００２８】
デジタルモックアップされたマニピュレータの３Ｄシミュレーションがなされる（ステップ（２−３））。併せて、動特性プログラム４、振動解析プログラム５、制御解析プログラム６、メカ剛性解析プログラム７により各解析がなされる。例えば、振動解析によりマニピュレータの各部の振動状況が把握される。他の要件についても解析結果が把握される。
【００２９】
要求仕様により、マニピュレータの手先のある点から他の点（ａ点からｂ点）までの移動の許容誤差（＋−１ｍｍ）が決められている場合、それを越えている場合には要求仕様を満足していない（ステップ（２−４））。尚、図１中には、ステップ（２−４）として手先の移動軌跡を示してある。
【００３０】
要求仕様が満足しているかどうか判断され（ステップ（２−５））、満足していない場合には、モータ等のアクチュエータの変更、部材形状の変更（寸法、厚みの変更など）がなされる（ステップ（２−６））。例えば、振動が原因であれば、剛性を高めたりするなどの処置が取られる。勿論、変更はマニピュレータを構成している関節モジュールや構成品のデータに修正を加えることによりなされる。
このように、ステップ（２−６）が改造手段に相当する。
【００３１】
変更が加えられたら、再度マニピュレータの動特性解析等を行ない（ステップ（２−２））、要求仕様を満足しているかどうか確認する。この手順を要求仕様が満足されるまで繰り返すが、すでにある程度のものができ上がっているので、その回数は少なくて済む。
【００３２】
なお、図３に示すように、デジタルモックアップされたマニピュレータには、３Ｄ　ＣＡＤ８との組合せにより、アクチュエータとしてのモータ、減速機、リミットスイッチ等の構成品が組み合わせられ、その状態で動作確認のためのシミュレーションがなされる。
【００３３】
要求仕様が満足されたら（ステップ（２−５））、その内容が設計に反映される（ステップ（３））。次いで、実際にマニピュレータを製作し（ステップ（４））、つまりこの段階で初めて物の製作がなされるのである。最後に、製作されたマニピュレータを実際に動かし、その動作を確認する（ステップ（５））。
【００３４】
３Ｄ　ＣＡＤ８にはモータ等の構成品がリストアップされており、設計されるマニピュレータに必要なものは、選択されることと合わせて発注するようにシステム（発注選定システム）を組むこともできる。これにより在庫を不要として、しかもマニピュレータの製作までには構成品を準備しておくことができる。
【００３５】
更に、マニピュレータの販売所と製作所とを情報インフラで接続し、販売状況に応じてそのマニピュレータの構成品を自動的に発注するようにシステム（発注書作成システム）を構成することもできる。こうすることにより、やはり在庫を不要として、しかもマニピュレータの製作までには構成品を準備しておくことができる。
【００３６】
【発明の効果】
第１の発明に係るマニピュレータの設計支援方法によれば、マニピュレータの各関節軸を関節モジュールとしてデータベース化しておき、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論し、前記データベース化した関節モジュールの中から、推論した軸構成及びリンク長を満足する関節モジュールを選択してデジタルモックアップし、デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションして動作を確認するようにしたので、マニピュレータの設計の終了までが物作りをせずに行なえるので、マニピュレータの開発期間の短縮、ひいてはコストダウンが図れる。
【００３７】
第２の発明に係るマニピュレータの設計支援方法によれば、第１の発明において、前記３Ｄシミュレーションにおいては、動特性解析、振動解析、制御性解析、メカ特性解析を行なうので、その結果を設計に反映させることにより、マニピュレータの完成度を高めることができる。
【００３８】
第３の発明に係るマニピュレータの設計支援方法によれば、前記３Ｄシミュレーションにおいて、更に、構成品をリスト化してあるＣＡＤカタログと組み合わせることにより、必要な構成品を選択するようにしたので、必要なモータ等の構成品の選択が自動的になされ、設計の効率化が図れる。
【００３９】
第４の発明に係るマニピュレータの設計支援方法によれば、第１乃至第３の発明において、前記デジタルモックアップされたマニピュレータの動作を確認し、要求仕様を満足していない場合には改造するようにしたので、完成度の高いマニピュレータが得られる。
【００４０】
第５の発明に係るマニピュレータの設計支援システムによれば、マニピュレータの関節軸を関節モジュールとし、多数の関節モジュールのデータを蓄積した関節モジュールデータベースと、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論する推論エンジンと、推論エンジンでの推論結果より前記関節モジュールデータベースより関節モジュールを選択してデジタルモックアップする策定手段とを有するので、データベース化された関節モジュールから、要求仕様にあった適切なものを選択して積み重ねることにより、コンピュータ画面上で求めようとするマニピュレータがモックアップされ、更に、そのマニピュレータを画面上で、動作確認のためのシミュレーションを行なうので、実際の物作りをせずに設計を行なうことができ、マニピュレータの開発期間の短縮が図れ、ひいてはコストダウンが図れる。また、熟練を要せず、設計者は、コンピュータとの対話方式により設計を進め、設計を終了することができ、マニピュレータの設計において究めて有効となる。
【００４１】
第６の発明に係るマニピュレータの設計支援システムによれば、上記第５の発明において、デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションする３Ｄシミュレータを有するものとしたので、コンピュータの画面上で、完成品したマニピュレータの動作確認のためのシミュレーションがなされる。つまり、物作りをせずに、動作を確認しての設計が行なえる。
【００４２】
第７の発明に係るマニピュレータの設計支援システムによれば、上記第５、６の発明において、更に、マニピュレータと組み合わせる構成品をリスト化してあるＣＡＤカタログを有するものとしたので、必要なモータ等の構成品が自動で選択され、設計の効率化が図れる。
【００４３】
第８の発明に係るマニピュレータの設計支援システムによれば、第５の発明において、前記関節モジュールデータベースを熟練者の経験に基づくデータにより構築するので、熟練者の経験と知識が他の者でも利用でき、効率のよいマニピュレータの設計が行なえる。
【００４４】
第９の発明に係るマニピュレータの設計支援システムによれば、第５の発明において、前記デジタルモックアップの動作確認により、要求仕様を満足していない場合に改造する手段を有するので、要求仕様を満足するまで改造することにより、完成度の高いマニピュレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すフローチャートである。
【図２】図１の一部の詳細図である。
【図３】マニピュレータの一例の概略図であり、（Ａ）は７軸のマニピュレータの全体を示し、（Ｂ）はロール軸の関節モジュールを示し、（Ｃ）はピンチ軸の関節モジュールを示す。
【図４】従来のマニピュレータの設計手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　関節モジュールデータベース
２　演算装置
３　推論エンジン
４　動特性解析プログラム
５　振動特性解析プログラム
６　制御性解析プログラム
７　メカ剛性解析プログラム
８　３Ｄ　ＣＡＤ

Claims

マニピュレータの関節軸を関節モジュールとしてデータベース化しておき、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論し、前記データベース化した関節モジュールの中から推論した軸構成及びリンク長を満足する関節モジュールを選択してマニピュレータをデジタルモックアップし、デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションして動作を確認することを特徴とするマニピュレータの設計支援方法。
前記３Ｄシミュレーションにおいては、動特性解析、振動解析、制御性解析、メカ特性解析を行なうことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータの設計支援方法。
前記３Ｄシミュレーションにおいて、更に、構成品をリスト化してあるＣＡＤカタログと組み合わせることにより、必要な構成品を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載のマニピュレータの設計支援方法。
前記デジタルモックアップされたマニピュレータの動作を確認し、要求仕様を満足していない場合には改造することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマニピュレータの設計支援システム。
マニピュレータの関節軸を関節モジュールとし、多数の関節モジュールのデータを蓄積した関節モジュールデータベースと、設計すべきマニピュレータの要求仕様から軸構成及びリンク長を推論する推論エンジンと、推論エンジンでの推論結果より前記関節モジュールデータベースより関節モジュールを選択してデジタルモックアップする策定手段とを有することを特徴とするマニピュレータの設計支援システム。
デジタルモックアップされたマニピュレータを３Ｄシミュレーションする３Ｄシミュレータを有することを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータの設計支援システム。
マニピュレータと組み合わせる構成品をリスト化してあるＣＡＤカタログを有することを特徴とする請求項５又は６に記載のマニピュレータの設計支援システム。
前記関節モジュールデータベースは熟練者の経験に基づくデータであることを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータの設計支援システム。
前記デジタルモックアップの動作確認により、要求仕様を満足していない場合に改造する改造手段を有することを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータの設計支援システム。