JP2005276156A - Numerical control method and device - Google Patents

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JP2005276156A JP2004250373A JP2004250373A JP2005276156A JP 2005276156 A JP2005276156 A JP 2005276156A JP 2004250373 A JP2004250373 A JP 2004250373A JP 2004250373 A JP2004250373 A JP 2004250373A JP 2005276156 A JP2005276156 A JP 2005276156A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the definition formula of a new three-dimensional clothoid curve succeeding to the characteristics of a two-dimensional clothoid curve in which a curvature change pattern for independent variables is simple for executing the numerical control of the motion of a tool. <P>SOLUTION: This numerical control method is provided to express the route of a tool or the profile of a work by using a three-dimensional curve_(called three-dimensional clothoid curve) in which each of a pitch angle and yaw angle in tangential direction is given by the quadratic of curve length or curve length variables, and to control the motion of a tool by the three-dimensional curve. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ロボット、工作機械、組立機械、検査機械などの作業機械(ロボット等という)における工具(ハンド等の把持部や各種のツールを含む)の運動を制御する数値制御方法及び装置に関し、特に工具の3次元的な運動を制御する数値制御方法及び装置に関する。   The present invention relates to a numerical control method and apparatus for controlling the movement of a tool (including a gripping part such as a hand and various tools) in a work machine (referred to as a robot) such as a robot, a machine tool, an assembly machine, and an inspection machine. In particular, the present invention relates to a numerical control method and apparatus for controlling a three-dimensional movement of a tool.

溶接、塗装、接着剤塗布などの数値制御を行うロボットにおいては、一般に入力図形は離散的な点列データとして入力される。したがって、連続的な図形を生成するには、なんらかの方法を用いて点列を補間する必要がある。   In a robot that performs numerical control such as welding, painting, and adhesive application, an input figure is generally input as discrete point sequence data. Therefore, in order to generate a continuous figure, it is necessary to interpolate the point sequence using some method.

任意に与えられた点列間を補間する方法としては、折れ線の角部を丸める方法やBスプライン補間、3次式スプライン補間などが知られているが、与えられた各点を厳密に通りうる補間法としては、3次式スプライン補間が知られている(非特許文献1参照)。   As methods for interpolating between arbitrarily given point sequences, methods of rounding the corners of broken lines, B-spline interpolation, cubic spline interpolation, etc. are known, but they can pass through each given point strictly. As an interpolation method, cubic spline interpolation is known (see Non-Patent Document 1).

しかし、3次式スプライン補間は、幾何学的意味を持たない独立変数を媒介変数として表現されているため、独立変数と曲線の幾何学的諸量との関係が不定である、という大きな欠点を持っている。この3次式スプライン補間は、始点からの移動距離と曲率の関係が複雑であり、線速度を一定に保つような制御には不向きである。   However, since cubic spline interpolation is expressed as an independent variable that has no geometric meaning, the relationship between the independent variable and the geometric quantities of the curve is indefinite. have. This cubic spline interpolation has a complicated relationship between the moving distance from the starting point and the curvature, and is not suitable for control that keeps the linear velocity constant.

2次元においては与えられた各点を通る補間方法として、クロソイド補間法が発明者らによって提案され、滑らかに補間できることが知られている(非特許文献2参照)。そこでクロソイド曲線を3次元に拡張し、自由点列の補間に用いれば、曲線の長さの関数として表されるクロソイド曲線の特徴より、線速度を一定に保ったり、線長に応じて変化させたりするような制御を容易に実現できると思われる。また、曲線長をパラメータとしているため、他の方法と違い、線長を後から求める必要もない利点もあり、クロソイド補間を3次元に拡張することは数値制御などの分野において有益であることが期待される。これまでにクロソイド曲線を3次元に拡張したものとしては、Liらの"3D Discrete Clothoid Splines"(非特許文献3参照)などが知られているが、式の形でクロソイド曲線を3次元に拡張したものは知られていない。式の形での拡張は、各値を容易に算出できる点で優位である。   In two dimensions, clothoid interpolation is proposed by the inventors as an interpolation method that passes through each given point, and it is known that smooth interpolation can be performed (see Non-Patent Document 2). Therefore, if the clothoid curve is extended to three dimensions and used for interpolation of a free point sequence, the linear velocity can be kept constant or changed according to the line length due to the characteristics of the clothoid curve expressed as a function of the curve length. It seems that such control can be easily realized. Moreover, since the curve length is used as a parameter, there is an advantage that the line length does not need to be obtained later, unlike other methods. It is useful to extend clothoid interpolation to three dimensions in fields such as numerical control. Be expected. Lith et al.'S "3D Discrete Clothoid Splines" (see Non-Patent Document 3) is known as an extension of clothoid curves to three dimensions, but the clothoid curves have been extended to three dimensions in the form of equations. What you did is not known. The expansion in the form of an expression is advantageous in that each value can be easily calculated.

そこで本発明は、工具の運動を数値制御するために、独立変数に対する曲率変化パターンが単純な2次元クロソイド曲線の特性をできるだけ引き継ぐ新たな3次元クロソイド曲線の定義式を提供し、この3次元クロソイド曲線によって点列を補間することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a new three-dimensional clothoid curve definition formula in which the curvature change pattern with respect to the independent variable inherits the characteristics of a simple two-dimensional clothoid curve as much as possible in order to numerically control the movement of the tool. The purpose is to interpolate a sequence of points with a curve.

穂坂衛・佐田登志夫著,"統合化CAD/CAMシステム",オーム社、1997Hosaka Mamoru and Sada Toshio, "Integrated CAD / CAM System", Ohmsha, 1997 仇時雨,牧野洋,須田大春,横山恭男,"クロソイドによる自由曲線補間法"(日本ロボット学会誌8巻6号,pp40-47)Aoi Tome, Hiroshi Makino, Daiharu Suda, Yasuo Yokoyama, "Free Curve Interpolation Method Using Clothoid" (Journal of Robotics Society of Japan, Vol. 8, No. 6, pp40-47) Li Guiqing, Li Xianmin, Li Hua "3D Discrete Clothoid Splines",(CGI’01,pp321-324)Li Guiqing, Li Xianmin, Li Hua "3D Discrete Clothoid Splines", (CGI’01, pp321-324)

以下、本発明について説明する。   The present invention will be described below.

請求項1の発明は、3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイド曲線(3次元クロソイドセグメント)を用いて補間し、この3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する数値制御方法により、上述した課題を解決する。   The invention according to claim 1 is a three-dimensional clothoid curve in which a pitch angle and a yaw angle in a tangential direction are each given by a quadratic expression of a curve length or a curve length variable between point sequences arbitrarily given in three-dimensional coordinates. The above-described problems are solved by a numerical control method that interpolates using (three-dimensional clothoid segment) and controls the movement of the tool using the three-dimensional clothoid segment.

請求項2の発明は、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイド曲線(3次元クロソイドセグメント)を複数本接続し、この複数本の3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する数値制御方法である。   The invention of claim 2 connects a plurality of three-dimensional clothoid curves (three-dimensional clothoid segments) in which the pitch angle and the yaw angle in the tangential direction are each given by a quadratic expression of a curve length or a curve length variable. This is a numerical control method for controlling the movement of the tool by the three-dimensional clothoid segment.

請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の数値制御方法において、3次元クロソイド曲線を以下の式で定義する。   According to a third aspect of the present invention, in the numerical control method according to the first or second aspect, a three-dimensional clothoid curve is defined by the following equation.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、

Figure 2005276156
はそれぞれ、3次元クロソイド曲線上の点の位置ベクトル、及びその初期値を示す。 here,
Figure 2005276156
Indicates the position vector of the point on the three-dimensional clothoid curve and its initial value.

始点からの曲線の長さをsとし、その全長(始点から終点までの長さ)をhとする。sをhで割った値をSで表わす。Sは無次元の値であり、これを曲線長変数と呼ぶ。
i,j,kはそれぞれ、x軸、y軸、及びz軸方向の単位ベクトルである。
uは点Pにおける曲線の接線方向を示す単位ベクトルであり、式(2)によって与えられる。Ekβ及びEjαは回転マトリクスであり、それぞれ、k軸まわりの角度βの回転及びj軸まわりの角度αの回転を表わしている。前者をヨー(yaw)回転、後者をピッチ(pitch)回転という。式(2)は、i軸方向の単位ベクトルを、まずj軸まわりにαだけ回し、しかるのちにk軸まわりにβだけ回すことによって、接線ベクトルuが得られることを示している。
,a,a,b,b,bは定数。
Let the length of the curve from the start point be s, and the total length (the length from the start point to the end point) be h. The value obtained by dividing s by h is represented by S. S is a dimensionless value and is called a curve length variable.
i, j, and k are unit vectors in the x-axis, y-axis, and z-axis directions, respectively.
u is a unit vector indicating the tangent direction of the curve at point P, and is given by equation (2). Ekβ and Ejα are rotation matrices representing the rotation of the angle β around the k axis and the rotation of the angle α around the j axis, respectively. The former is called yaw rotation, and the latter is called pitch rotation. Equation (2) shows that the tangent vector u is obtained by first rotating the unit vector in the i-axis direction by α around the j-axis and then by β around the k-axis.
a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 , b 2 are constants.

請求項4の発明は、請求項3に記載の数値制御方法において、一つの3次元クロソイドセグメントと次の3次元クロソイドセグメントの継ぎ目において、両者の位置、接線方向(及び場合によっては曲率)が連続するように、前記3次元クロソイドセグメントの7つのパラメータa,a,a,b,b,b2,hを算出することを特徴とする。位置及び接線方向は必ず連続し、曲率は必要に応じて連続する場合がある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the numerical control method according to the third aspect, in the joint of one three-dimensional clothoid segment and the next three-dimensional clothoid segment, the position and tangential direction (and curvature in some cases) of both are continuous. As described above, seven parameters a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 , b 2, h of the three-dimensional clothoid segment are calculated. The position and tangential direction are always continuous, and the curvature may be continuous as necessary.

請求項5の発明は、3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイドセグメントを用いて補間し、この3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する数値制御装置である。   The invention according to claim 5 is a three-dimensional clothoid segment in which a pitch angle and a yaw angle in a tangential direction are each given by a quadratic expression of a curve length or a curve length variable between point sequences arbitrarily given in three-dimensional coordinates. Is a numerical control device that controls the movement of the tool by this three-dimensional clothoid segment.

請求項6の発明は、工具の運動を数値制御するために、コンピュータを、3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイドセグメントを用いて補間する手段として機能させるためのプログラムである。   According to the sixth aspect of the present invention, in order to numerically control the movement of the tool, the tangential pitch angle and yaw angle are respectively set to a curve length or a curve between points arbitrarily given in three-dimensional coordinates. This is a program for functioning as a means for interpolation using a three-dimensional clothoid segment given by a quadratic expression of a long variable.

請求項7の発明は、工具の運動を数値制御するために、コンピュータを、3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイドセグメントを用いて補間する手段として機能させるためのプログラム又はそのプログラムによる計算結果を記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。   According to the seventh aspect of the present invention, in order to numerically control the movement of the tool, the computer is arranged between a sequence of points arbitrarily given in three-dimensional coordinates, and each of the tangential pitch angle and yaw angle is a curve length or a curve. A computer-readable recording medium on which a program for functioning as means for interpolating using a three-dimensional clothoid segment given by a quadratic expression of a long variable or a calculation result by the program is recorded.

本発明によれば、3次元クロソイドセグメントの主変数が曲線長または曲線長変数であり、その接線方向のピッチ角及びヨー角がそれぞれ曲線長または曲線長変数の二次式で与えられるので、3次元クロソイドセグメントを1回微分して得られる法線方向、および2回微分して得られる曲率が曲線長または曲線長変数に関して連続であることが保証される。言い換えれば、一つのクロソイドセグメントの中では法線方向および曲率が連続である。したがって、滑らかで性質の良いクロソイドセグメントが得られ、力学的に無理のない速度変化を実現する数値制御方式が可能となる。   According to the present invention, the main variable of the three-dimensional clothoid segment is the curve length or the curve length variable, and the pitch angle and yaw angle in the tangential direction are given by the quadratic expression of the curve length or the curve length variable, respectively. It is guaranteed that the normal direction obtained by differentiating the dimensional clothoid segment once and the curvature obtained by differentiating twice are continuous with respect to the curve length or the curve length variable. In other words, the normal direction and the curvature are continuous in one clothoid segment. Accordingly, a smooth and good clothoid segment can be obtained, and a numerical control system that realizes a speed change that is mechanically reasonable is possible.

以下本発明について、3次元クロソイド曲線の定義と特徴、3次元クロソイド曲線による補間法、3次元クロソイド補間を用いた数値制御方法に分けて順次説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in order by defining and characterizing a three-dimensional clothoid curve, and an interpolation method using a three-dimensional clothoid curve and a numerical control method using three-dimensional clothoid interpolation.

1. 3次元クロソイド曲線の定義と特徴
(1)3次元クロソイドの基本式
クロソイド曲線(Clothoid curve)は、別名コルニューの螺旋(Cornu’s spiral)とも呼
ばれ、曲線の長さに比例して曲率が変化する曲線である。
従来知られている2次元のクロソイド曲線は、平面曲線(2次元曲線)の一種であり、図1に示されるxy座標上において、次式で表される。
1. Definition and Features of 3D Clothoid Curve (1) Basic Formula of 3D Clothoid Clothoid curve, also known as Cornu's spiral, is a curve whose curvature changes in proportion to the length of the curve. It is.
A conventionally known two-dimensional clothoid curve is a kind of plane curve (two-dimensional curve), and is represented by the following expression on the xy coordinates shown in FIG.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、   here,

Figure 2005276156
Figure 2005276156

は曲線上の点を表わす位置ベクトル、 Is a position vector representing a point on the curve,

Figure 2005276156
Figure 2005276156

は、その初期値(始点の位置ベクトル)である。 Is the initial value (start point position vector).

Figure 2005276156
Figure 2005276156

は、曲線の接線方向を表わす単位ベクトル(長さが1のベクトル)であり、その方向φは原線(x軸方向)から反時計まわりに測られる。この単位ベクトルに微小長さdsをかけて積分すると曲線上の点Pが求められる。 Is a unit vector (vector with a length of 1) representing the tangential direction of the curve, and its direction φ is measured counterclockwise from the original line (x-axis direction). When this unit vector is integrated over a minute length ds, a point P on the curve is obtained.

曲線に沿って測った曲線の始点からの長さをsとし、その全長(始点から終点までの長さ)をhとする。sをhで割った値をSで表わす。Sは無次元の値であり、これを曲線長変数と呼ぶ。   The length from the start point of the curve measured along the curve is s, and the total length (the length from the start point to the end point) is h. A value obtained by dividing s by h is represented by S. S is a dimensionless value and is called a curve length variable.

クロソイド曲線の特徴は、式(2)で示したように、接線方向角φが曲線長sまたは曲線
長変数Sの二次式で表わされることにある。c,c,cまたはφ,φ,φは二次式の係数であり、これら及び曲線の全長hをクロソイドのパラメータと呼ぶ。図2は一般的なクロソイド曲線の形状を示す。
The characteristic of the clothoid curve is that the tangential direction angle φ is expressed by a quadratic expression of the curve length s or the curve length variable S as shown in the equation (2). c 0 , c 1 , c 2 or φ 0 , φ v , φ u are quadratic coefficients, and the total length h of these curves is called a clothoid parameter. FIG. 2 shows the shape of a general clothoid curve.

以上の関係を3次元に拡張して、3次元クロソイド曲線の式を作る。従来3次元クロソイド曲線を与える式は知られていなかったが、発明者らは初めてこれを導いた。   The above relationship is expanded to three dimensions to create a three-dimensional clothoid curve equation. Conventionally, the formula giving a three-dimensional clothoid curve has not been known, but the inventors have derived this for the first time.

3次元クロソイド曲線を以下の式で定義する。   A three-dimensional clothoid curve is defined by the following equation.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、
here,

Figure 2005276156
Figure 2005276156

はそれぞれ、3次元クロソイド上の点の位置ベクトル、及びその初期値を示す。i,j,kはそれぞれ、x軸、y軸、及びz軸方向の単位ベクトルである。 Indicates the position vector of the point on the three-dimensional clothoid and its initial value. i, j, and k are unit vectors in the x-axis, y-axis, and z-axis directions, respectively.

uは点Pにおける曲線の接線方向を示す単位ベクトルであり、式(7)によって与えられる
。式(7)において、Ekβ及びEjαは回転マトリクスであり、図3に示されるように、そ
れぞれ、k軸(z軸)まわりの角度βの回転及びj軸(y軸)まわりの角度αの回転を表わしている。前者をヨー(yaw)回転、後者をピッチ(pitch)回転という。式(7)は、i軸(
x軸)方向の単位ベクトルを、まずj軸(y軸)まわりにαだけ回し、しかるのちにk軸(z軸)まわりにβだけ回すことによって、接線ベクトルuが得られることを示している。
u is a unit vector indicating the tangent direction of the curve at point P, and is given by equation (7). In Equation (7), E and E are rotation matrices, and as shown in FIG. 3, the rotation of the angle β around the k axis (z axis) and the angle α around the j axis (y axis), respectively. Represents the rotation. The former is called yaw rotation, and the latter is called pitch rotation. Equation (7) is expressed as i-axis (
It is shown that the tangent vector u can be obtained by first rotating the unit vector in the x-axis direction by α around the j-axis (y-axis) and then by β around the k-axis (z-axis). .

すなわち、2次元の場合は、曲線の接線方向を表す単位ベクトルeは、x軸からの
傾き角度φから得られる。3次元の場合は、曲線の接線ベクトルuは、ピッチ角α及びヨー角βから得ることができる。ピッチ角αが0だと、xy平面で巻いた2次元クロソイド曲線が得られ、ヨー角βが0だと、xz平面で巻いた2次元クロソイド曲線が得られる。接線方向ベクトルuに微小長dsをかけて積分すると3次元クロソイド曲線が得られる。
That is, in the two-dimensional case, the unit vector ejφ representing the tangential direction of the curve is obtained from the inclination angle φ from the x axis. In the three-dimensional case, the tangent vector u of the curve can be obtained from the pitch angle α and the yaw angle β. When the pitch angle α is 0, a two-dimensional clothoid curve wound in the xy plane is obtained, and when the yaw angle β is 0, a two-dimensional clothoid curve wound in the xz plane is obtained. A three-dimensional clothoid curve is obtained by integrating the tangential vector u with a minute length ds.

3次元クロソイド曲線においては、接線ベクトルのピッチ角α及びヨー角βはそれぞれ式(8)及び式(9)に示すように、曲線長変数Sの2次式で与えられる。このことによって接線方向の変化を自由に選びながら、なおかつ、その変化に連続性を持たせることが可能になる。   In the three-dimensional clothoid curve, the pitch angle α and the yaw angle β of the tangent vector are given by the quadratic expression of the curve length variable S as shown in the equations (8) and (9), respectively. This makes it possible to freely select a change in the tangential direction and to give the change continuity.

以上の式によって示したごとく、3次元クロソイド曲線は「接線方向のピッチ角及びヨー角が、それぞれ曲線長変数の二次式で表わされる曲線である」と定義される。   As shown by the above formula, the three-dimensional clothoid curve is defined as “the tangential direction pitch angle and yaw angle are curves each represented by a quadratic expression of a curve length variable”.

から始まる一つの3次元クロソイドセグメントは、 One 3D clothoid segment starting from P 0 is

Figure 2005276156
Figure 2005276156

の7個のパラメータによって決定される。aないしbの6つの変数は角度の単位を持ち、クロソイドセグメントの形状を表わしている。これに対しhは長さの単位を持ち、クロソイドセグメントの大きさを表わしている。 Determined by the seven parameters. The six variables a 0 to b 2 have angular units and represent the shape of the clothoid segment. In contrast, h has a unit of length and represents the size of the clothoid segment.

3次元クロソイド曲線の典型的な例としては、図4に示されるような螺旋状の曲線がある。   A typical example of a three-dimensional clothoid curve is a spiral curve as shown in FIG.

(2)動標構
式(7)において、基本接線方向ベクトルiの代りに基本座標系[i,j,k]を代入する
と、次の動標構(moving frame)Eを得る。
(2) In the moving frame structure (7), substituting the basic coordinate system [i, j, k] for the basic tangent direction vector i, the following moving frame frame E is obtained.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、v及びwは曲線の接線に垂直な面に含まれる単位ベクトルであり、互いに直交
するとともに、接線方向単位ベクトルuと直交する。この3つの単位ベクトルの組(トラ
イアド)は動点Pとともに動くフレーム(座標系、標構)であり、これを動標構という。
Here, v and w are unit vectors included in a plane perpendicular to the tangent of the curve, and are orthogonal to each other and orthogonal to the tangential unit vector u. The set of three unit vectors (triad) is a frame (coordinate system, frame) that moves with the moving point P, and this is called a moving frame.

動標構が上式で求められるため、主法線、副法線の計算が容易になり、曲線の形状解析が容易にできる。   Since the moving frame is obtained by the above formula, the calculation of the main normal and the sub normal is facilitated, and the shape analysis of the curve can be easily performed.

また、Eを用いて、ロボットの工具点の姿勢を求めることができ、ロボットハンドによって把持された物体の位置姿勢を求めることが可能になる。   Further, the posture of the tool point of the robot can be obtained using E, and the position and posture of the object held by the robot hand can be obtained.

Eの初値及び終値をそれぞれE,Eとすると、 If the initial value and the closing price of E are E 0 and E 1 respectively,

Figure 2005276156
Figure 2005276156

となる。 It becomes.

(3)ローリング
動標構を考慮することによって、3つ目の回転「ロール(roll)」を扱うことができる。
ロールは接線方向まわりの回転である。ロールの存在は3次元クロソイド自身の形状には影響を与えないが、3次元クロソイドに誘導される動標構には影響する。曲がりくねった針金に通した算盤玉は、針金のまわりで自由に回転することができるが、そのことによって針金の形を変えるわけではない。
(3) Rolling By considering the moving frame, the third rotation “roll” can be handled.
The roll is a tangential rotation. The presence of the roll does not affect the shape of the 3D clothoid itself, but does affect the moving frame structure induced by the 3D clothoid. An abacus ball passed through a winding wire can freely rotate around the wire, but that does not change the shape of the wire.

ロール回転を考慮するとき、動標構は下式となる。   When considering roll rotation, the moving frame structure is as follows.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ロール角γについても、これをSの関数として表現することができる。  The roll angle γ can also be expressed as a function of S.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(4)3次元クロソイド曲線の幾何学的性質
(a)3次元クロソイド曲線の法線
3次元曲線の法線ベクトルは、接線方向ベクトルuを用いて次の式で表されることが知られている。
(4) Geometric properties of 3D clothoid curves
(a) Normal of 3D clothoid curve
It is known that a normal vector of a three-dimensional curve is expressed by the following equation using a tangential direction vector u.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、(7)式より3次元クロソイド曲線の接線ベクトルの1次微分は下記となる。   Here, from equation (7), the first derivative of the tangent vector of the three-dimensional clothoid curve is as follows.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

すなわち、3次元クロソイド曲線の法線ベクトルは、Sを用いて下記の形で表される。   That is, the normal vector of the three-dimensional clothoid curve is expressed in the following form using S.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b)回転を用いた3次元クロソイド曲線の法線
ここで(7)の接線uの決定と同様に法線nについても考えてみる。初期接線方向(1,0,0)に対して、初期法線方向を定数γを用いて(0,cosγ,−sinγ)で表わすとする。これを
接線と同じように回転させると、法線nは下記のように表される。
(b) Normal of a three-dimensional clothoid curve using rotation Here, consider the normal n as well as the determination of the tangent u in (7). Assume that the initial normal direction is represented by (0, cos γ, −sin γ) using a constant γ with respect to the initial tangential direction (1,0, 0). When this is rotated in the same way as the tangent line, the normal n is expressed as follows.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(20)(21)の式を比較すると、sinγ, cosγは下記に対応していることがわかる。   (20) Comparing the equations of (21), it can be seen that sin γ and cos γ correspond to the following.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(c)3次元クロソイド補間における接続点での法線連続
3次元クロソイド補間における接続点での法線連続を達成するには式(22)より、
(c) Normal continuity at the connection point in 3D clothoid interpolation To achieve normal continuity at the connection point in 3D clothoid interpolation, from equation (22),

Figure 2005276156
Figure 2005276156

が、連続であればよいことがわかる。 However, it turns out that it should just be continuous.

(d)3次元クロソイド曲線の曲率
3次元クロソイド曲線の曲率は、下記の式で表される。
(D) Curvature of 3D clothoid curve
The curvature of the three-dimensional clothoid curve is expressed by the following equation.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(19)式より、曲率は、   From equation (19), the curvature is

Figure 2005276156
Figure 2005276156

と表される。 It is expressed.

(5)3次元クロソイド曲線の特徴
(a)曲線の連続性
一つのクロソイドセグメント(同一のパラメータで表わされるクロソイド)においては、その接線方向のピッチ角及びヨー角がそれぞれ曲線長変数Sの2次式で与えられるので、これを1回微分して得られる法線方向、及び、2回微分して得られる曲率が曲線長変数Sに関して連続であることが保証される。言い換えれば、一つのクロソイドセグメントの中では法線方向及び曲率が連続である。したがって、滑らかで性質の良い曲線が得られる。また、二つのクロソイド曲線を連結する場合にも、そのつなぎ目において接線、法線、曲率が連続になるようにパラメータを選択することによって、滑らかなひとつなぎの曲線を作ることができる。これをクロソイドスプラインという。
(5) Features of 3D clothoid curve
(a) Continuity of curve In one clothoid segment (a clothoid represented by the same parameter), the pitch angle and yaw angle in the tangential direction are given by the quadratic expression of the curve length variable S. It is guaranteed that the normal direction obtained by the second differentiation and the curvature obtained by the second differentiation are continuous with respect to the curve length variable S. In other words, the normal direction and the curvature are continuous in one clothoid segment. Therefore, a smooth and good characteristic curve can be obtained. Also, when two clothoid curves are connected, a smooth single curve can be created by selecting parameters so that the tangent, normal, and curvature are continuous at the joint. This is called clothoid spline.

(b)適用性
曲線の接線方向を二つの角度(ピッチ角及びヨー角)で振ることができるので、さまざまな条件に合わせた3次元曲線を任意に作ることができ、いろいろな用途に用いることができる。
(b) Applicability Since the tangential direction of the curve can be swung by two angles (pitch angle and yaw angle), a three-dimensional curve can be arbitrarily created according to various conditions and used for various applications. Can do.

(c)幾何曲線との整合性
直線・円弧・ねじ曲線などの幾何曲線は、クロソイドパラメータのいくつかを0にし、あるいは、いくつかのパラメータ間に特定の関数関係を与えることによって作ることができる。これらの曲線はクロソイド曲線の一種であり、クロソイドのフォーマットを用いて表現できる。したがって、従来のNCのように、直線・円弧・自由曲線等によって記述するフォーマットを変えて取り扱う必要はなく、同じフォーマットを用いて計算したり、制御したりできる。
(c) Consistency with geometric curves Geometric curves such as straight lines, arcs, and screw curves can be created by setting some of the clothoid parameters to zero, or by giving a specific functional relationship between some parameters. . These curves are a kind of clothoid curve and can be expressed using a clothoid format. Therefore, unlike the conventional NC, it is not necessary to change the format described by straight lines, arcs, free curves, etc., and calculation and control can be performed using the same format.

また、αまたはβのいずれかを常に0と置くことによって、2次元クロソイドを作るこ
とができるので、これまで2次元クロソイドについてすでに得られている資源を活用することができる。
In addition, by always setting either α or β to 0, a two-dimensional clothoid can be created, so that resources already obtained for the two-dimensional clothoid can be utilized.

すなわち、既に知られている2次元クロソイドを含めて、円弧や直線などの個別の曲線も、αやβを適切に設定することで表現できる。このような個別の曲線について同一の形式3次元クロソイド曲線式を用いることができるので、計算手順を単純化できる。   That is, individual curves such as arcs and straight lines including the already known two-dimensional clothoid can be expressed by appropriately setting α and β. Since the same three-dimensional clothoid curve formula can be used for such individual curves, the calculation procedure can be simplified.

(d)見通しの良さ
スプライン補間などの従来の補間法では、自由曲線を数式化した際に、その全体の形、あるいは局部的な形が分かりにくいことが多いが、3次元クロソイドにおいては、ピッチ角及びヨー角のそれぞれを想定することによって、比較的容易に全体像を把握することができる。
(d) Good visibility With conventional interpolation methods such as spline interpolation, the overall shape or local shape of a free curve is often difficult to understand, but in 3D clothoids, the pitch By assuming each of the angle and the yaw angle, the entire image can be grasped relatively easily.

また、クロソイド曲線として表現した途端に線長・接線方向・曲率等の値は既知となっており、従来の補間法のように、あらためて計算する必要がない。すなわち、曲線のパラメータSに対応して、(7),(20)及び(26)式に示すように、曲線の接線や、法線、曲率が直接的に求められる。このことは、後述する数値制御方式にきわめて有効な特徴である。このことによって、大幅に計算時間を短縮し、メモリーなどの資源を節約することができ、また、リアルタイムでの補間演算を可能にする。   Further, as soon as it is expressed as a clothoid curve, values such as line length, tangential direction, curvature, etc. are already known, and there is no need to recalculate like the conventional interpolation method. That is, corresponding to the parameter S of the curve, the tangent, normal, and curvature of the curve can be directly obtained as shown in equations (7), (20), and (26). This is a very effective feature for the numerical control method described later. As a result, the calculation time can be greatly shortened, resources such as memory can be saved, and real-time interpolation can be performed.

NC加工において、工具軌跡の最小曲率半径は重要な問題であり、スプライン補間などではこれを求めるのに面倒な計算を要するが、クロソイドでは一般にセグメントごとに最小曲率半径の値が既知であるため、カッター径の選定などにおいて有利である。   In NC machining, the minimum curvature radius of the tool trajectory is an important problem, and spline interpolation and the like require complicated calculations. However, in clothoids, the value of the minimum curvature radius is generally known for each segment. This is advantageous in selecting the cutter diameter.

(e)運動制御のやりやすさ
曲線の主変数が長さ
または正規化された長さSであり、曲線の方程式はこの長さに対する自然方程式で与えら
れている。このため、長さsを時間tの関数として定めることによって、加減速などの運動特性を任意に与えることができ、従来カムなどに用いられてきた特性の良い運動曲線を採用することによって、加工作業の高速化を図ることができる。長さsは実在のカルテシアン空間における値として与えられ、速度・加速度は接線方向に対して求められるので、従来の補間法のように各軸ごとに与えられた値を合成する必要がない。また、曲率の計算が容易なため、運動時の遠心加速度も容易に求められ、運動軌跡に応じた制御を行うことができる。
(6)曲線の生成と各パラメータの性質
定義によれば3次元クロソイド曲線の各パラメータが曲線に及ぼす影響は以下のとおりである。各パラメータを与えることによって図4のように3次元クロソイド曲線を生成することができる。
表1は、3次元クロソイド曲線の各パラメータの性質をまとめたものである。
(e) Ease of motion control The main variable of the curve is the length or the normalized length S, and the equation of the curve is given by the natural equation for this length. For this reason, by defining the length s as a function of the time t, motion characteristics such as acceleration / deceleration can be arbitrarily given, and by adopting a motion curve with good characteristics that has been used in conventional cams and the like, Work speed can be increased. Since the length s is given as a value in the actual Cartesian space, and the velocity / acceleration is obtained with respect to the tangential direction, it is not necessary to synthesize the given values for each axis as in the conventional interpolation method. Further, since the curvature can be easily calculated, the centrifugal acceleration during the exercise can be easily obtained, and the control according to the motion trajectory can be performed.
(6) Generation of curve and property of each parameter According to the definition, the influence of each parameter of the three-dimensional clothoid curve on the curve is as follows. By giving each parameter, a three-dimensional clothoid curve can be generated as shown in FIG.
Table 1 summarizes the properties of each parameter of the three-dimensional clothoid curve.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

2. 3次元クロソイド曲線による補間法
(1)滑らかな接続の数学的条件
1本の3次元クロソイド曲線では、曲線の形状表現に限界がある。ここでは、数値制御による工具の運動制御を主な目的として、3次元クロソイド曲線(3次元クロソイドセグメント)を複数本接続し、この複数本の3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する。
2. Interpolation method using three-dimensional clothoid curve (1) Mathematical condition for smooth connection A single three-dimensional clothoid curve has a limit in the expression of the shape of the curve. Here, a plurality of three-dimensional clothoid curves (three-dimensional clothoid segments) are connected for the purpose of controlling the movement of the tool by numerical control, and the movement of the tool is controlled by the plurality of three-dimensional clothoid segments.

2本の3次元クロソイド曲線がその端点で滑らかに接続されていることは、端点位置、接線および曲率が連続に接続されていることであると定義される。上述の定義式を用いて、この条件は、以下のように記述される。最初の3式は位置の連続性、次の2式は接線の連続性、次の1式は法線の一致、最後の式は曲率の連続性を示している。   The smooth connection of two three-dimensional clothoid curves at their end points is defined as the end point position, tangent and curvature being connected continuously. Using the above definition, this condition is described as follows: The first three formulas represent position continuity, the next two formulas represent tangent continuity, the next one represents normal coincidence, and the last formula represents curvature continuity.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

これは、接続点で接線ベクトルと法線ベクトル、曲率とα、β連続であるための十分条件であり、条件がきつすぎる場合がある。そこで純粋に条件を満たすように下記のように条件を変えることもできる。   This is a sufficient condition for tangent and normal vectors, curvature and α, β continuity at the connection point, and the condition may be too tight. Therefore, the conditions can be changed as follows so as to satisfy the conditions purely.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここでさらに、   Further here

Figure 2005276156
Figure 2005276156

であることを考慮にいれると Considering that

Figure 2005276156
Figure 2005276156

は、下記の条件で置き換えられる。 Is replaced by the following conditions:

Figure 2005276156
Figure 2005276156

結局下記の条件を満たせば目的を達成することが出来ることがわかる。   It turns out that the objective can be achieved if the following conditions are satisfied.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(28)式において、最初の3式は位置の連続性、次の2式は接線方向の連続性、次の1式
は法線方向の一致、最後の式は曲率の連続性を示している。G連続な補間を行うには、2本の3次元クロソイド曲線がその端点で(28)式の7つの条件式を満たす必要がある。
In equation (28), the first three equations indicate position continuity, the next two equations represent tangential continuity, the next equation represents normal direction coincidence, and the last equation represents curvature continuity. . To do G 2 continuous interpolation, it is necessary to three-dimensional clothoid curve two meet seven conditional expression (28) at its end points.

連続(GはGeometryの頭文字)について補足する。図5はG連続な補間の条件を示す。 G 2 continuous (G is Geometry initials of) supplement for. Figure 5 shows the condition of G 2 consecutive interpolation.

連続とは2本の3次元クロソイド曲線がその端点で位置が一致することをいい、G連続とは接線方向が一致することをいい、G連続とは接触平面(法線)及び曲率が一致することをいう。以下の表にスプライン曲線で用いられるC〜C連続と本発明のクロソイド曲線で用いられるG〜G連続とを対比する。 G 0 means that the three-dimensional clothoid curve two coincide is located at its end points and continuous refers to the tangential direction coincides with G 1 continuous, and G 2 continuous contact plane (normal) and This means that the curvatures match. The following table compares the C 0 to C 2 continuity used in the spline curve and the G 0 to G 2 continuation used in the clothoid curve of the present invention.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

2本の3次元クロソイド曲線の連続性を考えたときに、C→C→C、G→G→Gになるにしたがって補間条件が厳しくなる。C連続では接線の大きさも方向も一致する必要があるが、G連続では接線方向だけが一致すればよい。2本の3次元クロソイド曲線で接線を滑らかに接続する場合は、G連続で条件式を作成するほうがよい。スプライン曲線のようにC連続で条件式を作成すると、幾何学的には関係のない接線の大きさが一致するという条件が入るので、条件が厳しくなりすぎる。G連続で条件式を作成すると、一次微分係数の大きさを自由にとれるという利点がある。 When considering the continuity of two three-dimensional clothoid curves, the interpolation conditions become more severe as C 0 → C 1 → C 2 and G 0 → G 1 → G 2 . For C 1 continuation, the size and direction of the tangent need to match, but for G 1 continuation, only the tangential direction needs to match. If smoothly connecting tangents with 3-dimensional clothoid curve two has better to create a condition in G 1 continuous. If a conditional expression is created with C 1 continuation like a spline curve, a condition that the sizes of tangents which are not geometrically related coincide with each other, so that the condition becomes too strict. Creating a conditional expression with G 1 continuous has the advantage that the magnitude of the primary differential coefficient can be freely set.

連続では接触平面(法線)を一致させる。接触平面とは図6に示されるように曲線
Cが局所的に含まれる平面S1,S2をいう。この図6では点Pにおいて接線方向が連続であるが接触平面S1,S2が不連続の例を示している。3次元曲線の連続性を考えたときに、接線方向の一致の次に考えなければいけないことは接触平面の一致である。曲率を議論するときには接触平面が一致していないと意味がなく、接触平面を一致させた上で曲率を一致させる必要がある。2本の3次元曲線で、座標、接線方向、接触平面(法線方向)及び曲率を一致させることがG連続を満たす条件になる。
G 2 is the continuous match contact plane (normal). The contact plane means planes S1 and S2 in which the curve C is locally included as shown in FIG. FIG. 6 shows an example in which the tangential direction is continuous at the point P but the contact planes S1 and S2 are discontinuous. When considering the continuity of the three-dimensional curve, what must be considered next to the coincidence in the tangential direction is the coincidence of the contact planes. When discussing the curvature, it is meaningless if the contact planes do not match, and it is necessary to match the curvatures after matching the contact planes. In 3-dimensional curve of the two coordinates, tangential, contact plane (normal direction) and to match the curvature becomes a condition satisfying G 2 continuous.

(2)具体的な計算手順
次の2種類の計算手順がある。
(2) Specific calculation procedures There are the following two types of calculation procedures.

(a)曲線のパラメータh,α,βを与えて、1本の3次元クロソイド曲線を発生させ、その
端点で、(28)式を満たすように次の3次元クロソイド曲線のパラメータを定める。このよ
うにして、次々と滑らかに接続する3次元クロソイド曲線を発生させることができる。この計算手順によれば、曲線パラメータの算出は容易であり、これを順解と呼ぶ。この方式によれば、様々な形状の曲線を容易に発生できるが、曲線が通過する接続点を明示的に指定することはできない。
(a) A curve parameter h, α, β is given to generate one three-dimensional clothoid curve, and the parameters of the next three-dimensional clothoid curve are determined so as to satisfy the equation (28) at the end point. In this way, it is possible to generate a three-dimensional clothoid curve that connects smoothly one after another. According to this calculation procedure, calculation of curve parameters is easy, and this is called a forward solution. According to this method, curves having various shapes can be easily generated, but the connection point through which the curve passes cannot be explicitly specified.

(b)予め指定された点群が曲線の接続点となるように、3次元クロソイド曲線を接続す
ることが出来る。ここでは、離散的に任意に与えられた点列の各区間毎に短いクロソイド曲線(クロソイドセグメント)を作成する。この場合には、(28)式を満たすように曲線パラメータを決定する計算手順は(a)より複雑であり、繰り返し収束計算となる。この計算
手順を、接続条件から逆に曲線パラメータを決定する、ということから、逆解と呼ぶ。
(b) A three-dimensional clothoid curve can be connected so that a point group designated in advance becomes a connection point of the curve. Here, a short clothoid curve (clothoid segment) is created for each section of a point sequence arbitrarily given discretely. In this case, the calculation procedure for determining the curve parameters so as to satisfy the equation (28) is more complicated than (a), and is repeated convergence calculation. This calculation procedure is called an inverse solution because the curve parameter is determined in reverse from the connection conditions.

上記(b)の逆解について、計算手法を詳細に記述する。解くべき計算問題は、次のよう
に定式化される。
The calculation method is described in detail for the inverse solution of (b) above. The calculation problem to be solved is formulated as follows.

未知パラメータ:曲線パラメータ
拘束条件:(28)式、あるいはその一部
要求される問題に応じて、拘束条件の数は変化し、それに見合う数の曲線パラメータを未知パラメータとして設定すればよい。例えば、曲率の連続性が要求されない場合には、一部の曲線パラメータを自由に動かすことが出来る。あるいは、曲率連続でかつ接線方向が指定されている場合には、補間に用いる3次元クロソイド曲線の数を分割により増やして、対応する未知曲線パラメータを増やす必要がある。
Unknown parameter: curve parameter Constraint condition: Equation (28) or a part thereof Depending on the required problem, the number of constraint conditions changes, and the number of curve parameters corresponding to the constraint condition may be set as unknown parameters. For example, when curvature continuity is not required, some curve parameters can be moved freely. Alternatively, when the curvature is continuous and the tangential direction is specified, it is necessary to increase the number of corresponding unknown curve parameters by increasing the number of three-dimensional clothoid curves used for interpolation by division.

上記の繰り返し収束計算を安定に収束させるためには、計算上の工夫が必要である。計算の発散を避け、収束を速めるために、未知パラメータについてより良い初期値を設定することは有効である。そのために、与えられた接続点などの拘束条件を満たす、より単純な補間曲線、例えば線形スプライン曲線などを発生させ、その曲線形状から、3次元クロソイド曲線の曲線パラメータを推算して、繰り返し収束計算の初期値とすることは有効である。   In order to make the above-mentioned repeated convergence calculation converge stably, a device for calculation is required. In order to avoid divergence of calculation and speed up convergence, it is effective to set better initial values for unknown parameters. For this purpose, a simpler interpolation curve, such as a linear spline curve, that satisfies the constraint conditions of a given connection point, etc. is generated, and the curve parameters of the three-dimensional clothoid curve are estimated from the curve shape to repeatedly calculate convergence. It is effective to set the initial value of.

あるいは、満たすべき拘束条件を一気に満たすのではなく、順次条件式を増やしていく方式も、安定に解を得る手法として有効である。例えば、曲線発生の手順を次のような三つのSTEPに分けて、順次実行する。第1STEPとして位置情報と接線方向が一致するように補間した後で、第2STEPとして法線方向を一致するように補間を行い、第3STEPで曲率も一致するように補間する。この手法の流れの概要を図7に記す。必要な3次元クロソイド曲線式及びその接線、法線や曲率の定義式は既に示した。   Alternatively, a method of sequentially increasing the conditional expressions instead of satisfying the constraint conditions to be satisfied at once is also an effective method for obtaining a stable solution. For example, the curve generation procedure is divided into the following three STEPs and executed sequentially. Interpolation is performed so that the position information and the tangential direction coincide with each other as the first STEP, and then interpolation is performed so that the normal direction coincides with the second STEP, and interpolation is performed so that the curvature also coincides with the third STEP. An outline of the flow of this method is shown in FIG. The necessary three-dimensional clothoid curve formula and its tangent, normal and curvature definition formulas have already been shown.

(3)3次元クロソイド曲線を用いた補間法の実施例
(a)補間法の流れ
3次元クロソイド曲線を用いて与えられた点列の間を滑らかに補間していく手法の実施例について詳しく述べる。3次元クロソイド曲線を用いた補間法を以降、3次元クロソイド補間と呼ぶ。補間によって生成される曲線群全体を3次元クロソイド曲線と呼び、それを構成する単位曲線を3次元クロソイドセグメントと呼ぶ。
(3) Example of interpolation method using 3D clothoid curve
(a) Flow of interpolation method An embodiment of a method for smoothly interpolating between given point sequences using a three-dimensional clothoid curve will be described in detail. The interpolation method using a three-dimensional clothoid curve is hereinafter referred to as three-dimensional clothoid interpolation. The entire curve group generated by the interpolation is called a three-dimensional clothoid curve, and the unit curve constituting the group is called a three-dimensional clothoid segment.

3次元クロソイド補間の基本の流れとしては、補間対象の点間を結ぶ3次元クロソイドセグメントの各パラメータを未知数とし、厳密に補間対象の点を通り、かつG2連続とな
るような条件を満たす解をニュートン・ラプソン法で求めて曲線を生成する。この流れの概要をまとめたものが図8である。ここでG2連続とは、2本の3次元クロソイド曲線が
その端点で位置、接線方向、法線方向及び曲率が一致することをいう。
The basic flow of three-dimensional clothoid interpolation is to make each parameter of the three-dimensional clothoid segment connecting the points to be interpolated unknowns, satisfy the conditions that strictly pass through the points to be interpolated and are G 2 continuous. Is generated by the Newton-Raphson method to generate a curve. A summary of this flow is shown in FIG. Here, G 2 continuity means that the positions, tangential directions, normal directions, and curvatures of two three-dimensional clothoid curves coincide at the end points.

(b)G連続な補間の条件
3次元クロソイド補間において、厳密に補間対象の点を通り、かつG2連続となるような
条件について具体的な条件を考える。
(B) G 2 consecutive interpolation conditions
In three-dimensional clothoid interpolation, specific conditions are considered for conditions that pass strictly through the points to be interpolated and are G 2 continuous.

今、簡単に3つの点P1={ Px1, Py1, Pz1}, P2={ Px2, Py2, Pz2}, P3={ Px3, Py3, Pz3}があり、その点を3次元クロソイドセグメントで補間することを考える。図9は点P1, P2, P3の3次元クロソイド補間を示す。点P1, P2間を結ぶ曲線を曲線C1、点P2, P3間を結ぶ
曲線を曲線C2とすると、この場合未知数は、曲線C1のパラメータa01, a11, a21, b01,b11, b21, h1、曲線C2のパラメータa02, a12, a22, b02, b12, b22, h2の14個となる。また
、以後説明にでてくる文字のサブスクリプトは各曲線のサブスクリプトに対応している。
Now there are simply three points P 1 = {Px 1 , Py 1 , Pz 1 }, P 2 = {Px 2 , Py 2 , Pz 2 }, P 3 = {Px 3 , Py 3 , Pz 3 } Consider interpolating the point with a 3D clothoid segment. FIG. 9 shows three-dimensional clothoid interpolation of points P 1 , P 2 and P 3 . Point P 1, P 2 between curve C 1 and curve connecting, the curve connecting the points P 2, P 3 and curve C 2, unknowns in this case, the parameter a0 1 of the curve C 1, a1 1, a2 1 , b0 1 , b1 1 , b2 1 , h 1 and 14 parameters a0 2 , a1 2 , a2 2 , b0 2 , b1 2 , b2 2 , h 2 of the curve C 2 . The character subscripts described below correspond to the subscripts of each curve.

ここで厳密に補間対象の点を通り、かつG2連続となるような条件を考える。まず、始点においては厳密に補間対象の点を通るという条件は3次元クロソイド曲線の定義から考え
ると、始点を与えた時点で必然的に達成されるので補間条件はない。次に接続点P1では位置について3つ、接線ベクトルについて2つ、曲率連続の条件の式が大きさと方向について2つの合計7個成り立つ。また終点については、点P2では位置について3つの3個である。以上より条件式は合計で10個ある。しかし、これでは未知数14個に対して、条件式が10個しか存在しないので未知数の解を求めることができない。そこで、本研究においては、両端点の接線ベクトルを与え、両端点について2つづつの条件を増やし条件式と未知数の数を等しくした。また、始点における接線方向を決定すればa01, b01は、その定義式より求めることができるので未知数として扱わないことにした。以下、各条件について考えていく。
Here, let us consider a condition that strictly passes through the point to be interpolated and is G 2 continuous. First, considering the definition of a three-dimensional clothoid curve, the condition that the starting point strictly passes through the interpolation target point is inevitably achieved when the starting point is given, so there is no interpolation condition. Next, at the connection point P 1 , three expressions for the position, two for the tangent vector, and two expressions for the continuity of curvature, two in terms of magnitude and direction, hold. As for the end point, the point P 2 has three positions. From the above, there are 10 conditional expressions in total. However, since there are only 10 conditional expressions for 14 unknowns, it is not possible to obtain an unknown solution. Therefore, in this study, tangent vectors of both end points are given, and two conditions are increased for both end points to make the number of conditional expressions equal to the number of unknowns. In addition, if the tangent direction at the starting point is determined, a0 1 and b0 1 can be obtained from their defining formulas, so they are not treated as unknowns. Each condition will be considered below.

まず、位置の条件について考えると、(1-1)(1-2)(1-3)式より、下記の3つのが成り立つ。(以下自然数i<3とする。)   First, considering the position conditions, the following three are established from the equations (1-1), (1-2), and (1-3). (Hereafter, natural number i <3)

Figure 2005276156
Figure 2005276156

次に、接線方向について考えると(1-4)(1-5)の2つの式が成り立つ。   Next, considering the tangential direction, the following two expressions (1-4) and (1-5) hold.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

曲率κの大きさについては、次の式(1-6)が成り立つ。   As for the magnitude of the curvature κ, the following equation (1-6) is established.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

最後に法線方向ベクトルnについて考える。3次元クロソイド曲線の法線ベクトルnは、 (21)式で表される。   Finally, consider the normal direction vector n. The normal vector n of the three-dimensional clothoid curve is expressed by equation (21).

ここで3次元クロソイド曲線の接線ベクトルuの決定と同様に回転を用いて、法線ベクトルnを考えてみる。初期接線方向(1,0,0)に対して、初期法線方向を定数γを用いて(0,cosγ,−sinγ)で表すとする。これを接線と同じように回転させると、法線nは式(1-7)
のように表される。
Here, let us consider the normal vector n using rotation in the same manner as the determination of the tangent vector u of the three-dimensional clothoid curve. Assume that the initial normal direction is expressed by (0, cos γ, −sin γ) using a constant γ with respect to the initial tangent direction (1,0, 0). If this is rotated in the same way as the tangent, the normal n is given by the equation (1-7)
It is expressed as

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(21)(1-7)式を比較すると、sinγ, cosγは (1-8) 式に対応していることがわかる。
(21) Comparing equations (1-7), it can be seen that sinγ and cosγ correspond to equation (1-8).

Figure 2005276156
Figure 2005276156

つまり、式(1-8)より、3次元クロソイド補間における接続点での法線連続を達成するにはtanγが、連続であればよいことがわかる。
That is, it can be seen from Equation (1-8) that tan γ needs to be continuous in order to achieve normal continuity at the connection point in three-dimensional clothoid interpolation.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

つまり法線連続である条件は、式(1-10)であることがわかる。
That is, it can be seen that the condition of normal continuity is the expression (1-10).

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここでさらに、   Further here

Figure 2005276156
Figure 2005276156

であることを考慮にいれると条件式(1-10)は、下記の条件式(1-12)で置き換えられる。つまり、法線連続である条件は(1-12)式である。 Taking this into consideration, the conditional expression (1-10) is replaced by the following conditional expression (1-12). That is, the condition of normal continuity is the expression (1-12).

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上をまとめると厳密に補間対象の点を通り、かつG2連続となるような条件は接続点では式(1-13)のようになることがわかる。また、始点・終点においてもこれらのうちのいくつかの条件が選択される。 Summarizing the above, it can be seen that the condition that exactly passes through the points to be interpolated and is G 2 continuous is as shown in Equation (1-13) at the connection point. Also, some of these conditions are selected at the start and end points.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上より、未知数a11, a21, b11, b21, h1, a02, a12, a22, b02, b12, b22, h2の12個
に対して、条件式は下記の12個が成り立つことがわかる。(点P3における接線方向回転角をα3、β3とする。)
From the above, for 12 unknowns a1 1 , a2 1 , b1 1 , b2 1 , h 1 , a0 2 , a1 2 , a2 2 , b0 2 , b1 2 , b2 2 , h 2 , the conditional expression is It can be seen that 12 of these hold. (The tangential rotation angles at the point P 3 are α 3 and β 3 )

Figure 2005276156
Figure 2005276156

これで未知数12個について12個の式が成り立つので解を求めることができる。これをニュートン・ラプソン法によって解き、解を求める。   Since 12 equations are established for 12 unknowns, a solution can be obtained. Solve this by the Newton-Raphson method to find the solution.

また、一般的にn個の点列を補間するときを考えるときも、条件式は今述べてきた自然
数iをi<nと拡張すればよい。後は未知数と条件式の数の問題である。
In general, when considering interpolation of n number of point sequences, the conditional expression may be expanded from the natural number i described above to i <n. The remaining problem is the number of unknowns and conditional expressions.

例えばn-1個の点列があるとき、N個の未知数とN個の関係式が成り立つとする。ここでさらに1点増えたとすると、未知数は3次元クロソイドセグメントPn-1,Pnのクロソイドパラメータa0n, a1n, a2n, b0n, b1n, b2n, h nの7つが増える。一方で、条件式は、接続
点がひとつ増えるので点Pn-1で位置について3つ、接線ベクトルについて2つ、点Pn-1の曲率連続の条件の式が大きさと方向について2つの合計7つ増える。
For example, when there are n−1 point sequences, N unknowns and N relational expressions hold. If the number further increases by one point, the number of unknowns increases by seven of the clothoid parameters a0 n , a1 n , a2 n , b0 n , b1 n , b2 n , and h n of the three-dimensional clothoid segments P n−1 and P n . On the other hand, since the number of connection points increases by one, the conditional expression has three points for the position at the point P n-1 , two for the tangent vector, and two for the continuity of curvature at the point P n-1 for the size and direction. Increase by 7.

n=3では未知数、関係式ともに12個であることがわかっているから、n≧3では、未知数は7(n−2)+5個、これに対して成り立つ式も7(n−2)+5個ある。これで未知数とそれに関する条件の数が等しくなるので、n個の自由点列の場合も3点の場合と同様の方法で解を求めることが可能である。解法としては、未知数と条件式の間には (1-15) (1-16) 式の関係が成り立つことを利用したニュートン・ラプソン法を用いて解いた。(条件をF未知数をu、誤差ヤコビアン行列Jとする。)   Since it is known that there are 12 unknowns and relational expressions when n = 3, when n ≧ 3, 7 (n−2) +5 unknowns and 7 (n−2) +5 There are pieces. Since the unknown and the number of conditions related thereto are equalized, it is possible to obtain a solution in the same manner as in the case of n free point sequences with 3 free points. The solution was solved using the Newton-Raphson method, which utilizes the fact that the relationship of (1-15) and (1-16) holds between the unknown and the conditional expression. (Conditions are F unknown u and error Jacobian matrix J.)

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上より、n個の点列に対しても厳密に補間対象の点を通り、かつG2連続となるような3次元クロソイド補間が行えることがわかる。 From the above, it can be seen that n-dimensional sequence interpolation can be performed so that n point sequences strictly pass through the interpolation target points and are G 2 continuous.

(c)初期値の決定
ニュートン・ラプソン法においては、解の探索を始める際に適当な初期値を与える必要
がある。初期値はどのように与えられてもいいが、ここではその初期値の与え方の一例について述べる。
(c) Determination of initial value In the Newton-Raphson method, it is necessary to give an appropriate initial value when starting the search for a solution. The initial value may be given in any way, but here, an example of how to give the initial value will be described.

先行研究である3D Discrete Clothoid Splinesは、厳密に補間対象点を通り、曲率が始点からの移動距離に対して滑らかに変化するような性質を持っている。そこで、本研究では3次元クロソイド補間のための初期値を、図10のようなr=4の3D Discrete Clothoid SplinesのポリゴンQを作り、そこから計算で決定した。   3D Discrete Clothoid Splines, which is a previous research, has the property that the curvature changes smoothly with respect to the moving distance from the starting point, strictly passing through the interpolation target point. Therefore, in this study, the initial value for 3D clothoid interpolation was determined by calculating the polygon Q of 3D Discrete Clothoid Splines with r = 4 as shown in Fig. 10 and calculating from that.

ここで3D Discrete Clothoid Splinesについて補足説明する。図11に示されるようにまず、補間対象の点列を頂点とする多角形Pを作り、Pの各頂点間に同じ数r個づつ新たな
頂点を挿入し、P⊂Qとなるような多角形Qを作る。ここでPの頂点がn個あるとすると、ポ
リゴンQは閉じている場合でrn個、開いている場合でr(n-1)+1個の頂点を持つことになる
。以後サブスクリプトを始点からの通し番号として、各頂点をqiで表すことにする。また、各頂点において、方向として従法線ベクトルbを、大きさとして曲率κを持つようなベ
クトルkを定める。
Here is a supplementary explanation of 3D Discrete Clothoid Splines. As shown in FIG. 11, first, a polygon P having vertices as a sequence of points to be interpolated is created, and new vertices are inserted between the vertices of P by the same number r so that P 多 Q is obtained. Make a square Q. Here, assuming that there are n vertices of P, the polygon Q has rn vertices when closed, and r (n-1) +1 vertices when open. Hereinafter, each vertex is represented by qi with the subscript as a serial number from the starting point. At each vertex, a vector k having a normal vector b as a direction and a curvature κ as a magnitude is determined.

このとき、下記の頂点同士が等距離になるような式( 1 -17)を満たし、曲率が始点からの移動距離に比例するような条件に最も近くなるときの(式( 1 -18)の関数を最小化するときの)ポリゴンQを 3D Discrete Clothoid Splinesと言う。   At this time, the following formula (1-17) is satisfied so that the following vertices are equidistant, and when the curvature is closest to the condition in which the curvature is proportional to the moving distance from the start point (of formula (1-18) Polygon Q (when minimizing the function) is called 3D Discrete Clothoid Splines.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

3D Discrete Clothoid Splinesでは各頂点のフレネ標構がすでに求まっている。そこで、その単位接線方向ベクトルtよりパラメータa0, b0を求める。この接線方向ベクトル
tはポリゴンQを求めたときにすでに既知となっており、このtと3次元クロソイド曲線の接線の式とにより、ポリゴンQの頂点の接線方向回転角α,βが求まる。これにより各曲線のa0, b0の初期値が求まる。また、始点から始まる3次元クロソイド線分においては、その値を与える。
In 3D Discrete Clothoid Splines, the Frene frame of each vertex has already been obtained. Therefore, parameters a 0 and b 0 are obtained from the unit tangent direction vector t. This tangential direction vector t is already known when the polygon Q is obtained, and the tangential direction rotation angles α and β of the apex of the polygon Q are obtained from this t and the tangent equation of the three-dimensional clothoid curve. Thereby, initial values of a 0 and b 0 of each curve are obtained. The value is given for the 3D clothoid line segment starting from the start point.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、3D Discrete Clothoid Splinesは、頂点が等距離に並んでいることを考えると、図10の点q4i+1では、曲線長変数Sが1/4であると近似することができる。同様に点q4(i+1)-1では、曲線長変数Sが3/4であると近似することができる。これらを3次元クロソイ
ド曲線のαの式とをあわせて考慮すると下記の式(1-20)が成り立つ。
Here, 3D Discrete Clothoid Splines can be approximated as having a curve length variable S of 1/4 at a point q 4i + 1 in FIG. 10, considering that the vertices are arranged at equal distances. Similarly, at the point q 4 (i + 1) −1 , it can be approximated that the curve length variable S is 3/4. Considering these together with the α equation of the three-dimensional clothoid curve, the following equation (1-20) is established.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

この式は未知数がa14iとa24iの2次元連立方程式になっており、これを解いてパラメー
タa1, a2の初期値とする。同様にパラメータb1, b2の初期値も決定できる。
This equation is a two-dimensional simultaneous equation with unknown numbers a1 4i and a2 4i , which are solved and set as initial values of parameters a 1 and a 2 . Similarly, the initial values of the parameters b 1 and b 2 can be determined.

残る未知数は曲線長hであるが、この初期値ついては3次元クロソイド曲線の曲率の式より算出する。3次元クロソイド曲線の曲率は、式(1-21)で表される。   The remaining unknown is the curve length h. The initial value is calculated from the curvature equation of the three-dimensional clothoid curve. The curvature of the three-dimensional clothoid curve is expressed by equation (1-21).

Figure 2005276156
Figure 2005276156

この式を変形すると式(1-22)になり、hの初期値が決定される。   When this equation is transformed, it becomes the equation (1-22), and the initial value of h is determined.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上の方法で7つの3次元クロソイドパラメータについて初期値を決定することができる。この決定した初期値を用い(b)で述べたようなG2連続となるような条件下で各曲線のパ
ラメータの近似値をニュートン・ラプソン法によって求めた。これによって得られたパラメータから3次元クロソイド線分を生成し、点列間を3次元クロソイド曲線で補間することを行った。
With the above method, initial values can be determined for seven three-dimensional clothoid parameters. The approximate value of the parameter of each curve under conditions such that G 2 consecutive as described in reference to the determined initial value (b) were determined by the Newton-Raphson method. A three-dimensional clothoid line segment was generated from the obtained parameters, and the point sequence was interpolated with a three-dimensional clothoid curve.

(d)補間例
実際に以上に述べた手法で点列を補間した例として(0.0, 0.0, 0.0), (2.0, 2.0, 2.0), (4.0, 0.0, 1.0), (5.0, 0.0, 2.0)の4点を3次元クロソイド補間した例を挙げる。補間により生成された3次元クロソイド曲線の透視図を図12に載せた。図12は実線が3次元クロソイド曲線であり、破線、一点鎖線、二点鎖線は曲線上の各点における、大きさをlog(曲率半径+自然対数e)に、方向を法線ベクトルにとった曲率半径変化パターンである。
(d) Interpolation example As an example of interpolating the point sequence by the method described above, (0.0, 0.0, 0.0), (2.0, 2.0, 2.0), (4.0, 0.0, 1.0), (5.0, 0.0, 2.0 ) Is a three-dimensional clothoid interpolation example. A perspective view of the three-dimensional clothoid curve generated by the interpolation is shown in FIG. In FIG. 12, the solid line is a three-dimensional clothoid curve, and the broken line, the alternate long and short dash line, the magnitude of each point on the curve is log (curvature radius + natural logarithm e), and the direction is a normal vector. It is a curvature radius change pattern.

さらに表3に各曲線のパラメータを、また表4に、各接続点での座標・接線・法線・曲率のずれを載せた。これらより各接続点でG2連続となるような3次元クロソイド曲線が生
成されていることがわかる。また、図13は横軸に始点からの移動距離、縦軸に曲率を取った曲率変化グラフである。
Table 3 shows the parameters of each curve, and Table 4 shows the deviation of coordinates, tangents, normals, and curvatures at each connection point. It can be seen that three-dimensional clothoid curve such that G 2 consecutive each from these connection points are generated. FIG. 13 is a curvature change graph in which the horizontal axis represents the movement distance from the starting point and the vertical axis represents the curvature.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(4)両端における各値の制御を考慮したG2連続な3次元クロソイド補間
(a)補間条件と未知数
(3)で述べたように、曲線が開いている場合で補間対象の点がn個あるとき、点列はn-1個の曲線で3次元クロソイド補間される。厳密に各点を通るなら各3次元クロソイド線分
について未知数はa0, a1, a2, b0, b1, b2, hの7つあるので、未知数は全体で7(n-1)個あることになる。一方、条件式については、n-2個ある接続点ごとに座標、接線、法線、曲
率の7個づつと終点における座標の3個が存在するので、全部で7(n-2)+3個である。2-3の
手法ではこれに始点・終点における接線ベクトルを与え、条件を4個増やすことによって
、条件式と未知数の数を合わせていた。
(4) G 2 continuous 3D clothoid interpolation considering the control of each value at both ends
(a) Interpolation conditions and unknowns As described in (3) above, when a curve is open and there are n points to be interpolated, the point sequence is interpolated with n-1 curves and three-dimensional clothoid interpolation is performed. There are seven unknowns a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 , b 2 , h for each three-dimensional clothoid line segment if exactly passing through each point, so the unknowns are 7 (n-1 There will be). On the other hand, for the conditional expression, there are 7 coordinates, tangent, normal, curvature, and 3 coordinates at the end point for every n-2 connection points, so 7 (n-2) +3 in total It is a piece. In the method of 2-3, tangent vectors at the start and end points were given to this, and the number of conditional expressions and the number of unknowns were matched by increasing the number of conditions by four.

ここで、始点・終点における接線・法線・曲率を制御し、かつG2連続となるように補間するなら、条件は両端における接線を制御したときと比べて、さらに始点・終点で法線・曲率について2個づつの合計4個増えることになる。すると、条件式は全部で7n-3個ということになる。この場合、未知数の数が条件より少なくなるため、ニュートン・ラプソン法で解を求めることはできない。そのため、なんらかの方法で未知数を増やす必要がある。 Here, to control the tangential-normal-curvature at the starting and end points, and if interpolated so that G 2 continuous conditions than when a controlled tangential line at both ends, the normal-yet start and end points There will be a total of 4 additional curvatures, 2 each. The total number of conditional expressions is 7n-3. In this case, since the number of unknowns is smaller than the condition, a solution cannot be obtained by the Newton-Raphson method. Therefore, it is necessary to increase the unknowns by some method.

そこで、ここでは、補間対象点を新たに挿入することによって未知数と条件式の数とを等しくすることにした。例えば、4つ未知数の方が多いのであれば、新たな点を2つ挿入し、各点の座標のうち2つを未知数として扱う。   Therefore, here, the number of unknowns and the number of conditional expressions are made equal by newly inserting interpolation target points. For example, if there are more four unknowns, two new points are inserted, and two of the coordinates of each point are treated as unknowns.

この場合接続点が2つ増えるので、各接続点につい条件が座標、接線、法線、曲率の7個づつの14個増える。一方で、未知数は3次元クロソイド線分が2つ増えるので、a0, a1, a2, b0, b1, b2, hの7つづつの合計14個の未知数が増えることになる。このとき点列に含まれる点の数はn+2個であるから、全体で考えると未知数は7(n+1)個、条件式は7(n+1)+4個
ということになる。ここでさらに、新たに挿入した点の座標のうち2つを未知数として扱
うとすると、未知数は4つ増えることになる。すると、未知数も条件式も7(n+2)-3個とな
り、未知数の解を求めることができるようになる。このように新たな点を挿入することによって、与えられた各点を厳密に通りG2連続かつ、両端点の接線・法線・曲率を制御した補間を行うことが可能になる。
In this case, since the number of connection points is increased by 2, the condition for each connection point is increased by 14 including 7 coordinates, tangent, normal, and curvature. On the other hand, since the unknown number increases by two three-dimensional clothoid line segments, a total of 14 unknowns of 7 each of a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 , b 2 , h increase. At this time, since the number of points included in the point sequence is n + 2, the total number of unknowns is 7 (n + 1) and the conditional expression is 7 (n + 1) +4. Furthermore, if two of the coordinates of the newly inserted point are treated as unknowns, the unknowns will increase by four. Then, there are 7 (n + 2) -3 unknowns and conditional expressions, and it becomes possible to find solutions for unknowns. With such an insert the new point, exactly as G 2 continuously and the points given, it is possible to perform interpolation with a controlled tangential-normal-curvature end points.

さらに一般的な場合について考える。n個の点列を補間するとき、両端点でm個の項目を制御する場合についての挿入する点の数とその点において未知数として扱う座標の数について考える。先にも書いたが、曲線が開いている場合、点列はn-1個の曲線で補間される
。もし、厳密に各点を通るなら各3次元クロソイド線分について未知数はa0, a1, a2, b0,
b1, b2, hの7つあるので、未知数は全体で7(n-1)個あることになる。一方、条件式につ
いては、n-2個ある接続点ごとに座標、接線、法線、曲率の7個づつと終点における座標の3個が存在するので、全部で7(n-2)+3個であり、条件式の方が4つ少ない。つまり、両端点おいて制御されるべき項目は4つ以上ということになる。以下、説明中でmは4以上の自然
数、kは2以上自然数であるとして、新たに点を挿入したときに条件式と未知数の数を等しくする方法について述べる。
Consider the more general case. When n points are interpolated, the number of points to be inserted and the number of coordinates handled as unknowns at that point when m items are controlled at both end points are considered. As mentioned earlier, if the curve is open, the point sequence is interpolated with n-1 curves. If exactly through each point, the unknowns for each 3D clothoid line segment are a 0 , a 1 , a 2 , b 0 ,
Since there are 7 b 1 , b 2 , and h, there are 7 (n-1) unknowns in total. On the other hand, for the conditional expression, there are 7 coordinates, tangent, normal, curvature, and 3 coordinates at the end point for every n-2 connection points, so 7 (n-2) +3 in total There are four fewer conditional expressions. In other words, there are four or more items to be controlled at both end points. In the description below, a method is described in which m is a natural number of 4 or more and k is a natural number of 2 or more, so that the conditional expression and the number of unknowns are equal when a new point is inserted.

(i) m=2kのとき
両端であわせてm=2k個の項目を制御するとき、未知数は全体で7(n-1)個、条件式は全体で7(n-1)-4+2k個である。このとき過剰な条件式は2k-4個である。今、k-2個の点を新たに挿入することを考えると、3次元クロソイド線分がk-2本、接続点がk-2個増えるので、未
知数は全体で7(n+k-3)個、条件式は全体で7(n+k-3)-4+2k個となる。ここでさらに新たに
挿入した各点の座標の値のうち2つ(例えばx,y)を未知数として扱うとすると、未知数は全体で7(n+k-3)+2(k-2)個、条件式は全体で7(n+k-3)+2(k-2)個となり未知数と条件式の数が等しくなる。
(i) When m = 2k When controlling m = 2k items at both ends, the total number of unknowns is 7 (n-1), and the total number of conditional expressions is 7 (n-1) -4 + 2k It is a piece. At this time, there are 2k-4 excessive conditional expressions. Considering that k-2 points are newly inserted, there are k-2 3D clothoid line segments and k-2 connection points. ) And conditional expressions are 7 (n + k−3) −4 + 2k in total. Here, if two of the coordinate values of each newly inserted point are treated as unknowns (for example, x, y), the total number of unknowns is 7 (n + k-3) +2 (k-2). The total number of conditional expressions is 7 (n + k-3) +2 (k-2), and the number of unknowns and conditional expressions is equal.

(ii) m=2k+1のとき
両端であわせてm=2k+1個の項目を制御するとき、未知数は全体で7(n-1)個、条件式は全体で7(n-1)+2k-3個である。このとき過剰な条件式は2k-3個である。今、k-1個の点を新たに挿入することを考えると、3次元クロソイド線分がk-1本、接続点がk-1個増えるので、
未知数は全体で7(n+k-2)個、条件式は全体で7(n+k-2)-3+2k個となる。ここでさらに新た
に挿入した各点の座標の値のうち2つ(例えばx,y)を未知数として扱うとすると、未知数は全体で7(n+k-2)+2(k-2)個、条件式は全体で7(n+k-2)+2k-3個となり条件式の数が1つ多
くなる。そこで、m=2k+1の場合には挿入した点のうちひとつの点においては座標の値のうち1つだけを未知数として扱うとする。そうすることで、未知数は全体で7(n+k-2)+2(k-2)個、条件式は全体で7(n+k-2)+2(k-2)個となり未知数と条件式の数が等しくなる。
(ii) When m = 2k + 1 When controlling m = 2k + 1 items at both ends, the total number of unknowns is 7 (n-1), and the total number of conditional expressions is 7 (n-1) + 2k-3 pieces. At this time, there are 2k-3 excessive conditional expressions. Now, considering that k-1 points are newly inserted, there are k-1 3D clothoid line segments and k-1 connection points.
The total number of unknowns is 7 (n + k-2), and the total number of conditional expressions is 7 (n + k-2) -3 + 2k. Here, if two of the coordinate values of each newly inserted point (for example, x, y) are treated as unknowns, the total number of unknowns is 7 (n + k-2) +2 (k-2). The total number of conditional expressions is 7 (n + k-2) + 2k-3, which increases the number of conditional expressions by one. Therefore, in the case of m = 2k + 1, it is assumed that only one of the coordinate values is treated as an unknown at one of the inserted points. By doing so, there are 7 (n + k-2) +2 (k-2) unknowns in total, and 7 (n + k-2) +2 (k-2) conditional expressions in total. The number of conditional expressions is equal.

以上に述べた方法のように、追加される条件の数に合わせて、挿入した点の座標のうち未知数にする数を調整することで接線、法線、曲率以外の例えば接線回転角αを制御する場合などの種々の場合でも未知数と条件式の数をあわせることができ、理論上両端点の各値を制御することができる。また、制御項目と未知数、条件式の数についてまとめたものを表5に記す。   As in the method described above, the tangent rotation angle α other than tangent, normal, and curvature is controlled by adjusting the number of coordinates of the inserted point to be unknown according to the number of added conditions. Even in various cases, such as when to do, the number of unknowns and conditional expressions can be combined, and theoretically each value at both end points can be controlled. Table 5 summarizes the control items, the unknowns, and the number of conditional expressions.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b)手法
始点・終点で各値を制御する3次元クロソイドを用いた補間法は、図14及び図15に
示されるように以下の流れで行われる。
(b) Method An interpolation method using a three-dimensional clothoid that controls each value at the start point and the end point is performed according to the following flow as shown in FIGS.

Step1)制御する条件のうち4つだけを用いて厳密に補間対象点を通り、かつG2連続な補
間を行い曲線を生成する。
Step1) strictly through the interpolation target point by using only four of the control conditions, and to generate a curve subjected to G 2 continuous interpolation.

Step2)生成された曲線上に新たな点を挿入し、条件式と未知数の数を調整する。   Step2) Insert a new point on the generated curve and adjust the conditional expression and the number of unknowns.

Step3)の曲線パラメータを初期値として、目的の条件を満たすような各曲線のパラメ
ータの近似値をニュートン・ラプソン法によって求める。
Using the curve parameters in Step 3) as initial values, approximate values of the parameters of each curve that satisfy the target condition are obtained by the Newton-Raphson method.

以下、各Stepについて説明を補足する。まずStep1においては、接線方向を制御するの
であれば、(3)の手法を用いて曲線を生成する。また、接線方向を制御しない場合につい
ても、その曲線のパラメータを求める際の初期値としては、(3)の手法と同じ初期値を用
いる。
Hereinafter, a supplementary explanation will be given for each step. First, in Step 1, if the tangential direction is controlled, a curve is generated using the method (3). Even when the tangential direction is not controlled, the same initial value as that in the method (3) is used as the initial value when determining the parameter of the curve.

次にStep2において新たな点を挿入し、条件と未知数の数の調整を行うことになる。こ
の際、新たに挿入する点は、各補間対象点間において可能な限り1つ以下になるようにす
る。また、挿入される点としては補間対象点同士を結ぶStep1で生成された3次元クロソイド線分の中間の点を挿入した。さらに、挿入される点は両端から順々に挿入していくものとする。つまり、最初に挿入されるのは始点とその隣の点の間と終点とその隣の点の間である。
Next, in Step 2, a new point is inserted, and the condition and the number of unknowns are adjusted. At this time, the number of newly inserted points should be one or less as much as possible between each interpolation target point. In addition, as a point to be inserted, an intermediate point of the three-dimensional clothoid line segment generated in Step 1 connecting the interpolation target points was inserted. Furthermore, the points to be inserted are inserted in order from both ends. That is, the first insertion is between the start point and the adjacent point and between the end point and the adjacent point.

最後にStep3についてであるが、Step3で行うニュートン・ラプソン法のための初期値を新たに決定する必要がある。そのため、新たな点が挿入された曲線については、1-4で述べた3次元クロソイド曲線を分割する手法を用いて曲線を分割し、生成された曲線の各値
から決定した。点が挿入されていない曲線については、Step1で生成した曲線の値をその
まま用いる。以上で、Step3における曲線の各パラメータの初期値を決定した。この初期
値を用いて、ニュートン・ラプソン法によって得られたパラメータから3次元クロソイド
曲線を生成し、点列間を目的の条件を満たすような3次元クロソイド曲線で補間を行った
Finally, as for Step 3, it is necessary to newly determine an initial value for the Newton-Raphson method performed in Step 3. Therefore, the curve in which a new point is inserted is determined by dividing the curve using the method for dividing the three-dimensional clothoid curve described in 1-4, and determining the value from each value of the generated curve. For a curve with no points inserted, the value of the curve generated in Step 1 is used as it is. The initial value of each parameter of the curve in Step 3 was determined as described above. Using these initial values, a three-dimensional clothoid curve was generated from parameters obtained by the Newton-Raphson method, and interpolation was performed with a three-dimensional clothoid curve that satisfies the target conditions between point sequences.

(C)補間例
実際に両端での接線、法線、曲率を表6の条件で制御するように3次元クロソイド補間
した例を示す。厳密に通るべき補間対象の点に通し番号を振り、P1, P2, P3とした。
(C) Interpolation Example An example of three-dimensional clothoid interpolation so that the tangent, normal, and curvature at both ends are controlled under the conditions shown in Table 6 is shown. Serial numbers were assigned to the points to be interpolated strictly, and P 1 , P 2 and P 3 were assigned.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

この条件で、実際に補間を行った結果を図16に示す。実線が3次元クロソイド曲線、
破線・一点鎖線・二点鎖線・三点鎖線は各曲線の曲率半径変化パターンを示している。また、図17に図16の曲線の種類を対応させた各曲線の始点からの移動距離と曲率の関係のグラフを記す。生成された曲線は、表7からわかるように与えた条件を満たしていることがわかる。
FIG. 16 shows the result of actual interpolation under these conditions. The solid line is a 3D clothoid curve,
A broken line, a one-dot chain line, a two-dot chain line, and a three-dot chain line indicate a curvature radius change pattern of each curve. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the moving distance from the start point of each curve and the curvature corresponding to the types of curves in FIG. As can be seen from Table 7, the generated curve satisfies the given conditions.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(d)中間点での値の制御
(b)の手法により、両端点における各値を制御しつつ、G2連続な補間が行えるようにな
った。ここで、両端点でなく中間点において値を制御する場合について考える。
(d) Control of values at midpoints
The method (b), while controlling the values of both end points, was able to perform the G 2 consecutive interpolation. Here, consider a case where the value is controlled at the intermediate point instead of the end points.

例えば図18のような点列を補間する場合において、中間点Pcで接線、法線を制
御することを考える。しかし、今まで述べてきた手法では中間点における値を制御することはできない。そこで、ここではこの点列を2つに分けることによって中間点での値を制御した。
For example, in the case of interpolating a sequence of points as shown in FIG. 18, given that controlling tangent, the normal at the intermediate point P c. However, the method described so far cannot control the value at the midpoint. Therefore, here, the value at the intermediate point is controlled by dividing this point sequence into two.

すなわち、点列に対して一挙に補間を行うのではなく、中間点Pcを挟んで曲線C1とC2とに分けて補間を行う。その場合点Pcは、端点にあたることになるので(b)の手法を用いれ
ば値を制御することができるようになる。
That is, the interpolation is not performed on the point sequence at once, but is performed by dividing into the curves C 1 and C 2 across the intermediate point P c . In this case, since the point Pc corresponds to an end point, the value can be controlled by using the method (b).

このように制御したい値のある点で区分を分け、その両端における値を制御して補間した結果生成される曲線を繋いでいけば、理論上、各点において接線・法線・曲率の制御可能な3次元クロソイド補間を行うことができる。   In this way, if you divide a section at a point with a value you want to control and connect the curves generated as a result of controlling and interpolating the values at both ends, you can theoretically control the tangent, normal, and curvature at each point. 3D clothoid interpolation can be performed.

(5)両端点での接線、法線、曲率を制御した3次元クロソイド補間
(a)手法の流れ
始点・終点で各値を制御する3次元クロソイドを用いた補間法は、図19に示される以
下の流れで行われる。以後、この流れに沿って説明する。
(b-1)補間対象の点を与える
この例では3次元空間の3点{0.0, 0.0, 0.0},{5.0, 5.0, 10.0},{10.0, 10.0, 5.0}を与えた。その他各点に与えた接線、法線、曲率などの条件をまとめて表8に記した。
(5) 3D clothoid interpolation with controlled tangent, normal and curvature at both ends
(a) Flow of method The interpolation method using a three-dimensional clothoid that controls each value at the start point and the end point is performed according to the following flow shown in FIG. In the following, description will be made along this flow.
(B-1) Give points to be interpolated In this example, three points in the three-dimensional space {0.0, 0.0, 0.0}, {5.0, 5.0, 10.0}, {10.0, 10.0, 5.0} are given. Other conditions such as tangent, normal, curvature, etc. given to each point are summarized in Table 8.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b-2) r=4の3DDCSの生成
ニュートン・ラプソン法においては、解の探索を始める際に適当な初期値を与える必要がある。ここではその初期値を得るための準備をする。先行研究である3D Discrete Clothoid Splinesは、厳密に補間対象点を通り、曲率が始点からの移動距離に対して滑らかに変化するような性質を持っている。そこで、本研究では3次元クロソイド補間のための初
期値を、図20のようなr =4の3D Discrete Clothoid SplinesのポリゴンQを作り、そこ
から計算で決定した。また、実際にこの点列より生成されたポリゴンを図21に、頂点の座標を表9に載せた。
(b-2) Generation of 3DDCS with r = 4 In the Newton-Raphson method, it is necessary to give an appropriate initial value when starting the search for a solution. Here, preparation is made to obtain the initial value. The previous research, 3D Discrete Clothoid Splines, has the property that the curvature changes smoothly with respect to the moving distance from the starting point, strictly passing through the interpolation target point. Therefore, in this study, the initial value for 3D clothoid interpolation was determined by making a polygon Q of 3D Discrete Clothoid Splines with r = 4 as shown in Fig. 20, and calculating it from there. Further, polygons actually generated from this point sequence are shown in FIG. 21 and vertex coordinates are shown in Table 9.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b-3) 初期値の決定
ニュートン・ラプソン法で解を求めるには、各未知数の初期値を決定する必要がある。本手法ではその値をb-2で生成したポリゴンQを使って、各未知数の近似値を求めて決定する。3D Discrete Clothoid Splinesでは各頂点のフレネ標構がすでに求まっている。そこで、b-2で生成したポリゴンQの単位接線方向ベクトルtよりパラメータa0, b0を求める
。この接線方向ベクトルtはポリゴンQを求めたときにすでに既知となっており、このtと3次元クロソイド曲線の接線の式とにより、ポリゴンQの頂点の接線方向回転角α,βが求まる。これにより各曲線のa0, b0の初期値が求まる。また、始点から始まる3次元クロソイドセグメントにおいては、その値を与える。
(b-3) Determination of initial values In order to obtain a solution using the Newton-Raphson method, it is necessary to determine the initial values of each unknown. In this method, the value is determined by calculating the approximate value of each unknown using the polygon Q generated in b-2. In 3D Discrete Clothoid Splines, the Frene frame of each vertex has already been obtained. Therefore, parameters a 0 and b 0 are obtained from the unit tangent direction vector t of the polygon Q generated in b-2. This tangential direction vector t is already known when the polygon Q is obtained, and the tangential direction rotation angles α and β of the apex of the polygon Q are obtained from this t and the tangent equation of the three-dimensional clothoid curve. Thereby, initial values of a 0 and b 0 of each curve are obtained. For 3D clothoid segments starting from the start point, the value is given.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

ここで、3D Discrete Clothoid Splinesは、頂点が等距離に並んでいることを考えると、図20の点q4i+1では、曲線長変数Sが1/4であると近似することができる。同様に点q4(i+1)-1では、曲線長変数Sが3/4であると近似することができる。これらを3次元クロソイ
ド曲線のαの式とをあわせて考慮すると下記の式が成り立つ。
Here, 3D Discrete Clothoid Splines can be approximated to have a curve length variable S of 1/4 at a point q 4i + 1 in FIG. 20, considering that the vertices are arranged at equal distances. Similarly, at the point q 4 (i + 1) −1 , it can be approximated that the curve length variable S is 3/4. Considering these together with the formula of α of the three-dimensional clothoid curve, the following formula is established.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

この式は未知数がa14iとa24iの2次元連立方程式になっており、これを解いてパラメー
タa1, a2の初期値とする。同様にパラメータb1, b2の初期値も決定できる。
This equation is a two-dimensional simultaneous equation with unknown numbers a1 4i and a2 4i , which are solved and set as initial values of parameters a 1 and a 2 . Similarly, the initial values of the parameters b 1 and b 2 can be determined.

残る未知数は曲線長hであるが、この初期値ついては3次元クロソイド曲線の曲率の式より算出する。3次元クロソイド曲線の曲率は、下記で表される。   The remaining unknown is the curve length h. The initial value is calculated from the curvature equation of the three-dimensional clothoid curve. The curvature of the 3D clothoid curve is expressed as follows.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

この式を変形すると以下の式になり、hの初期値が決定される。   By transforming this equation, the following equation is obtained, and the initial value of h is determined.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上の方法で7つの3次元クロソイドパラメータについて初期値を決定することができる。   With the above method, initial values can be determined for seven three-dimensional clothoid parameters.

実際にこの手法により求めた初期値を表10に記す。   Table 10 shows the initial values actually obtained by this method.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b-4) 厳密に各点を通り、G2連続な3次元クロソイド補間
(b-3)で決定した初期値を用いてG2連続となるような条件下で各曲線のパラメータの近
似値をニュートン・ラプソン法によって求める。これによって得られたパラメータから3
次元クロソイドセグメントを生成し、点列間を3次元クロソイド曲線で補間することを行
った。
(b-4) G 2 continuous 3D clothoid interpolation strictly passing through each point
(b-3) using the initial value determined by obtaining the Newton-Raphson method to an approximation of the parameter of each curve under conditions such that G 2 continuous. From the parameters obtained by this, 3
A three-dimensional clothoid segment was generated and interpolated between point sequences with a three-dimensional clothoid curve.

ここで、3点の3次元クロソイド補間において、厳密に補間対象の点を通り、かつG2連続となるような条件について具体的な条件を考える。図22は点P1, P2, P3の3次元クロソ
イド補間を示す。点P1, P2間を結ぶ曲線を曲線C1、点P2, P3間を結ぶ曲線を曲線C2とすると、a01とb01は既に既知であるから、未知数は、曲線C1のパラメータa11, a21, b11, b21, h1、曲線C2のパラメータa02, a12, a22, b02, b12, b22, h2の12個となる。以後説明にでてくる文字のサブスクリプトは各曲線のサブスクリプトに対応しており、各曲線における座標、接線回転角α、β、法線、曲率を曲線長変数Sの関数としてPxi, Pyi, Pzi, αii, ni, κiのように表す。
Here, in the three-point three-dimensional clothoid interpolation, a specific condition is considered for a condition that exactly passes through the interpolation target point and is G 2 continuous. FIG. 22 shows three-dimensional clothoid interpolation of points P 1 , P 2 , P 3 . Assuming that the curve connecting the points P 1 and P 2 is the curve C 1 and the curve connecting the points P 2 and P 3 is the curve C 2 , since a0 1 and b0 1 are already known, the unknown is the curve C 1 12 parameters a1 1 , a2 1 , b1 1 , b2 1 , h 1 , and parameters a0 2 , a1 2 , a2 2 , b0 2 , b1 2 , b2 2 , h 2 of the curve C 2 . The character subscripts described below correspond to the subscripts of each curve. The coordinates, tangent rotation angles α, β, normals, and curvatures of each curve are used as functions of the curve length variable S as Px i , Py i , Pz i , α i , β i , n i , and κ i are expressed as follows.

まず、点P1においては厳密に補間対象の点を通るという条件は3次元クロソイド曲線の
定義から考えると、始点を与えた時点で必然的に達成される。また接線方向についても既に既知な値として与えるので点P1における条件は特に指定しない。
First, the condition that the point P 1 strictly passes through the point to be interpolated is inevitably achieved when the starting point is given in view of the definition of the three-dimensional clothoid curve. Since the tangential direction is also given as a known value, the condition at the point P 1 is not specified.

次に点P2について考える。点P2は曲線同士の接続点であり、G2連続になるには位置、接線、法線、曲率が連続する必要がある。つまり点P2において成り立つべき条件は下記のようになる。 Then think about the point P 2. Point P 2 is a connection point between curves, and the position, tangent, normal, and curvature must be continuous in order to be G 2 continuous. That is, the condition that should be satisfied at the point P 2 is as follows.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

最後に点P3について考える。点P3は終点であり、満たすべき条件は位置、接線のみであるので以下の5つの条件が成り立つ。ここでα3、β3は、与える終点における接線ベクト
ルを決める接線方向回転角α、βであるとする。
Finally, think about the point P 3. Point P 3 is the end point, the condition to be satisfied is located, because it is tangent only the following five conditions is satisfied. Here, α 3 and β 3 are tangential direction rotation angles α and β that determine a tangent vector at the given end point.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上より、未知数a11, a21, b11, b21, h1 , a02, a12, a22, b02, b12, b22, h2の12
個に対して、条件式は下記の12個が成り立つことがわかる。まとめると成り立つ条件式は下記のようになる。
From the above, unknowns a1 1 , a2 1 , b1 1 , b2 1 , h 1 , a0 2 , a1 2 , a2 2 , b0 2 , b1 2 , b2 2 , h 2 12
It can be seen that the following 12 conditional expressions hold for each. In summary, the conditional expressions that hold are as follows.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

これで未知数12個について12個の式が成り立つので解を求めることができる。この式をニュートン・ラプソン法によって解き、解を求めた。表11に初期値と解を記す。   Since 12 equations are established for 12 unknowns, a solution can be obtained. This equation was solved by the Newton-Raphson method to find a solution. Table 11 shows initial values and solutions.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b-5) 曲線の生成
図23は(b-4)で求めたパラメータを元に生成した曲線とb-2で生成したポリゴンとを同時に表示したものである。実線の曲線が曲線C1、破線の曲線が曲線C2である。この段階では始点・終点で接線方向を制御したG2連続な3次元クロソイド曲線になっている。
(b-5) Generation of Curve FIG. 23 shows the curve generated based on the parameter obtained in (b-4) and the polygon generated in b-2 at the same time. The solid curve is the curve C 1 , and the dashed curve is the curve C 2 . At this stage, it is a G2 continuous 3D clothoid curve with the tangent direction controlled at the start and end points.

(b-6)条件式と未知数
ここで、さらに始点P1と終点P3における法線と曲率も表8で与えた値にすることを考える。始点・終点でさらに法線と曲率を制御するには、始点と終点における条件をそれぞれ2つ増やす必要がある。しかし、条件が4つ増えた状態では未知数の数との関係からその条件を満たす解を求めることが出来ない。そこで、未知数と条件式の数を合わせるために、図24に示されるように曲線C1の曲線長変数S =0.5の位置に点DP1を新たに挿入した。ま
た、曲線C2についても曲線長変数S =0.5の位置に点DP2を新たに挿入した。
(b-6) Conditional expression and unknown number Here, it is considered that the normal and curvature at the start point P 1 and the end point P 3 are also set to the values given in Table 8. To further control the normal and curvature at the start and end points, it is necessary to increase the conditions at the start and end points by two. However, when the number of conditions increases by four, a solution that satisfies the condition cannot be obtained from the relationship with the number of unknowns. Therefore, in order to match the unknown and the number of conditional expressions, a point DP 1 is newly inserted at the position of the curve length variable S = 0.5 of the curve C 1 as shown in FIG. For the curve C 2 , a point DP 2 is newly inserted at the position of the curve length variable S = 0.5.

このとき、点P1と点DP1を結ぶ曲線を曲線C’1、点DP1と点P2を結ぶ曲線を曲線C’2、点P2と点DP2を結ぶ曲線を曲線C’3、点DP2と点P3を結ぶ曲線を曲線C’4とする。以後説明にでてくる文字のサブスクリプトは各曲線名に対応しており、例えば曲線Cにおける座標、
接線回転角α、β、法線、曲率を曲線長変数Sの関数としてPxc, Pyc, Pzc, αcc, nc,
κcのように表す。また、始点・終点においては、座標、接線回転角α、β、法線、曲率を始点ではPxs, Pys, Pzs, αss, ns, κs、終点ではPxe, Pye, Pze, αee, ne,
κeのように表す。
At this time, the curve connecting point P 1 and point DP 1 is curve C ′ 1 , the curve connecting point DP 1 and point P 2 is curve C ′ 2 , and the curve connecting point P 2 and point DP 2 is curve C ′ 3. A curve connecting the points DP 2 and P 3 is defined as a curve C ′ 4 . The character subscripts that appear in the description below correspond to each curve name, for example, the coordinates in curve C,
Px c , Py c , Pz c , α c , β c , n c , with tangent rotation angles α, β, normal, and curvature as a function of curve length variable S
expressed as κ c. At the start and end points, the coordinates, tangential rotation angles α, β, normal, and curvature are set to Px s , Py s , Pz s , α s , β s , n s , κ s at the start point, and Px e , Py e , Pz e , α e , β e , n e ,
It is expressed as κ e .

以下に各点において成り立つ条件を記す。   The conditions that hold at each point are described below.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上より、全体で成り立つべき条件式は32個である。ここで、各曲線が持つクロソイドパラメータはa0, a1, a2, b0, b1, b2, hの7つづつであり、かつ、曲線が4本なので未知数は28個となる。しかし、これでは未知数と条件式の数が等しくないので、解を求めることが出来ない。そこで新たに挿入した2つの点DP1,DP2のy,z座標を未知数として扱い、未
知数を4つ増やした。こうすることで未知数も条件式も32個となり、解を求めることがで
きる。
From the above, there are 32 conditional expressions that should be satisfied as a whole. Here, the clothoid parameters of each curve are 7 each of a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 , b 2 , h, and the number of unknowns is 28 because there are 4 curves. However, since the number of unknowns is not equal to the number of conditional expressions, a solution cannot be obtained. Therefore, the y and z coordinates of the two newly inserted points DP 1 and DP 2 were treated as unknowns, and the unknowns were increased by four. By doing so, there are 32 unknowns and conditional expressions, and a solution can be obtained.

(b-7)初期値の決定2
(b-6)で立てた条件式を満たす解を求めるためにニュートン・ラプソン法を用いるが、
その収束率を上げるために未知数の初期値を決定する。方法としては、図25のように(b-5)で生成した3次元クロソイド曲線を新しく挿入した点の前後で分割することにより、3
次元クロソイド曲線を4本作り、そのクロソイドパラメータを与えた。
(b-7) Determination of initial value 2
The Newton-Raphson method is used to find a solution that satisfies the conditional expression established in (b-6).
In order to increase the convergence rate, an initial value of unknown is determined. As a method, as shown in FIG. 25, by dividing the 3D clothoid curve generated in (b-5) before and after the newly inserted point,
Four dimensional clothoid curves were made and their clothoid parameters were given.

曲線の分割法については、曲線C1を曲線C’1と曲線C’2とに分割する方法を説明すると、曲線C’1のクロソイドパラメータh’, a’0, a’1, a’2, b’0, b’1, b’2は、曲線C1のパラメータを用いて、下記の式で表せる。ここでSdは分割点における曲線長変数でこ
こでは0.5である。
Regarding the method of dividing the curve, the method of dividing the curve C 1 into the curve C ′ 1 and the curve C ′ 2 will be described. The clothoid parameters h ′, a ′ 0 , a ′ 1 , a ′ 2 of the curve C ′ 1 , b ′ 0 , b ′ 1 , b ′ 2 can be expressed by the following equations using the parameters of the curve C 1 . Here, S d is a curve length variable at the dividing point, and is 0.5 here.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

次に分割点DP1を始点とする曲線C’2について考える。まず、曲線C1と大きさ、形状が
同じで向きが逆な曲線を曲線C’’ 1とすると、その曲線はのクロソイドパラメータh’’, a’’0, a’’1, a’’2, b’’0, b’’1, b’’2は、曲線C1の曲線のパラメータを用いて、下記の式で表せる。
Next, consider a curve C ′ 2 starting from the dividing point DP 1 . First, if a curve C '' 1 is the same size and shape as the curve C 1 but the opposite direction, the curve is the clothoid parameter h '', a '' 0 , a '' 1 , a '' 2 , b ″ 0 , b ″ 1 , b ″ 2 can be expressed by the following equation using the parameters of the curve C 1 .

Figure 2005276156
Figure 2005276156

この曲線上において分割点DP1は、DP1=C’’1(1- Sd)で表される。ここで曲線C’’1を点DP1で分割することを考えると、その分割された曲線のうち点P2を始点とする曲線C’’
2は、曲線C’ 2と大きさ、形状が同じで向きが逆な曲線になっている。曲線C‘1を生成
した方法により曲線C’’2は、生成することができる。ここで、さらに曲線C’’2に対して大きさ、形状が同じで向きが逆な曲線を生成すれば、曲線C2は生成することができる。
On this curve, the dividing point DP 1 is represented by DP 1 = C ″ 1 (1-S d ). Here, considering that the curve C '' 1 is divided at the point DP 1 , the curve C '' starting from the point P 2 among the divided curves is shown.
2 is a curve having the same size and shape as the curve C ′ 2 but opposite in direction. '2' curve C by the method that generated 1 'curve C can be produced. Here, if a curve having the same size and shape with respect to the curve C ″ 2 but having the opposite direction is generated, the curve C 2 can be generated.

この曲線C2のクロソイドパラメータh’’, a’’0, a’’1, a’’2, b’’0, b’’1,
b’’2は、曲線C0のパラメータを用いて下記の式で表される。
The clothoid parameter h '', a '' 0 , a '' 1 , a '' 2 , b '' 0 , b '' 1 , of this curve C 2
b ″ 2 is expressed by the following equation using the parameters of the curve C 0 .

Figure 2005276156
Figure 2005276156

以上の方法で、3次元クロソイド曲線C1上の曲線長変数がS =0.5である点DP1で曲線C1
を曲線C’1とC’2とに分割することができる。同様の手法で、曲線C2上の曲線長変数がS =0.5である点DP2で曲線C2を曲線C’3とC’4とに分割することができる。
In the above method, the curve C 1 in a three-dimensional clothoid curve C 1 on the curve length variable S = 0.5 at which point DP 1
Can be divided into curves C ′ 1 and C ′ 2 . In a similar manner, it is possible to curve length variables on the curve C 2 divides the curve C 2 in DP 2 points are S = 0.5 to the curve C '3 and C' 4.

この方法で分割した4つの曲線のパラメータを表12に載せた。この曲線のパラメータ
をb-6で立てた条件式を満たす解を求める際のニュートン・ラプソン法の初期値に用いた
The parameters of the four curves divided by this method are listed in Table 12. The parameters of this curve were used as the initial values for the Newton-Raphson method when finding a solution that satisfies the conditional expression established in b-6.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b-8)条件を満たすクロソイドパラメータを求める
(b-7)で決定した初期値を元に、(b-6)で立てた条件式を満たす解をニュートン・ラプソン法で求めた。表13は算出された各曲線のパラメータである。また、表14は与えた値と生成された曲線の始点・終点の接線、法線、曲率の差を示したものである。
(B-8) Find a clothoid parameter that satisfies the conditions
Based on the initial value determined in (b-7), a solution satisfying the conditional expression established in (b-6) was obtained by the Newton-Raphson method. Table 13 shows the calculated parameters of each curve. Table 14 shows the difference between the given value and the tangent, normal, and curvature of the start and end points of the generated curve.

Figure 2005276156
Figure 2005276156

Figure 2005276156
Figure 2005276156

(b-9)曲線の生成
(b-8)で求めたパラメータにより生成された曲線を図26に示す。実線が3次元クロソイド曲線、破線・一点鎖線・二点鎖線・三点鎖線は各曲線の方向を主法線方向に、大きさを曲率半径に自然対数を足して対数を取った曲率半径変化パターンを示している。また、図27に図26の線の種類に対応させた各曲線の始点からの移動距離sと曲率κの関係のグ
ラフを記す。生成された曲線は、表12からわかるように与えた条件を満たしていることがわかる。
(b-9) Curve generation
FIG. 26 shows a curve generated with the parameters obtained in (b-8). The solid line is a three-dimensional clothoid curve. The broken line, alternate long and short dashed lines, two-dot chain line, and three-dot chain line are the curvature radius change pattern in which the direction of each curve is the main normal direction and the magnitude is the radius of curvature plus the natural logarithm. Is shown. FIG. 27 is a graph showing the relationship between the moving distance s from the starting point of each curve and the curvature κ corresponding to the type of line in FIG. As can be seen from Table 12, the generated curve satisfies the given conditions.

以上で、両端で接線、法線、曲率を制御した3次元クロソイド補間法による曲線生成の
例を記した。
The above describes an example of curve generation by the three-dimensional clothoid interpolation method in which the tangent, normal, and curvature are controlled at both ends.

3. 3次元クロソイド補間を用いた数値制御方式
上記の3次元クロソイド補間曲線は、工作機械の工具やその他の運動対象物の運動制御
のための数値制御情報の発生に有効に用いられる。その特徴は、速度制御が容易なこと、及び、速度変化を滑らかにすることが可能なことである。
3. Numerical control method using three-dimensional clothoid interpolation The above-mentioned three-dimensional clothoid interpolation curve is effectively used for generating numerical control information for controlling the motion of a tool of a machine tool and other moving objects. The feature is that speed control is easy and speed change can be smoothed.

(1)3次元クロソイド補間を用いた数値制御方式
3次元クロソイド補間曲線を用いた数値制御方式は、図28に示される次の手順からな
る。
(1) Numerical control method using three-dimensional clothoid interpolation The numerical control method using a three-dimensional clothoid interpolation curve consists of the following procedures shown in FIG.

(a)工具運動軌跡の設計(図28、S1)
前節に述べた手法により、条件を満たす3次元クロソイド補間曲線を決定する。ロボッ
ト等の工具が動くとき、その工具の代表点(工具点、tool center point)は平面的ある
いは空間的に描かれた連続な軌跡曲線(直線を含む)の上を時間的に移動すると考えることができる。工具点の位置は、座標(x、y、z)で表され、工具点の姿勢は、例えばx、y、z軸に対する回転角度で表される。どのような複雑な動きでも、工具点の軌跡は途切れ途切れになることなく、連続的に繋がっている。運動制御の第1段階は、この軌跡の形状を、3次元クロソイド曲線に設計することにある。
(a) Tool motion trajectory design (Fig. 28, S1)
The method described in the previous section is used to determine the 3D clothoid interpolation curve that satisfies the conditions. When a tool such as a robot moves, the representative point of the tool (tool center point) is considered to move in time on a continuous trajectory curve (including straight lines) drawn planarly or spatially. Can do. The position of the tool point is represented by coordinates (x, y, z), and the posture of the tool point is represented by a rotation angle with respect to the x, y, z axis, for example. In any complicated movement, the tool point trajectory is continuously connected without interruption. The first stage of motion control is to design the shape of this locus into a three-dimensional clothoid curve.

(b)運動曲線の当てはめ(図28、S2)
数値制御からの要求により、3次元クロソイド補間曲線に沿って、曲線上の制御対象点
の移動速度の分布を指定する。すなわち、運動制御の第2段階は、設計された軌跡上を動く工具点の速度・加速度を決定することである。軌跡上を工具点がどのような時間の関数として動くかは、工具点の速度・加速度を決定することで定められる。工具点の速度・加速度は、時間に対して決定される場合と、軌跡の形状に付随して決定される場合がある。一般的には時間に対して決定される場合が多いが、例えば曲面加工をする場合、平らな部
分では高速で移動させ、曲がっている部分では低速で移動させたいという要請から、軌跡の形状に付随して速度が決定される。
(b) Fit the motion curve (Fig. 28, S2)
According to the request from numerical control, the distribution of the moving speed of the control target point on the curve is specified along the 3D clothoid interpolation curve. That is, the second stage of motion control is to determine the speed / acceleration of the tool point moving on the designed locus. How the tool point moves as a function of time on the trajectory is determined by determining the speed and acceleration of the tool point. The speed / acceleration of the tool point may be determined with respect to time or may be determined accompanying the shape of the trajectory. In general, it is often determined with respect to time, but for example, when processing a curved surface, the shape of the trajectory is changed from a request to move at a high speed in a flat part and at a low speed in a bent part. Concomitantly, the speed is determined.

本実施形態においては、例えばカム機構に採用されている特性の良い曲線を採用する。カルテシアン空間(実在空間)で定義された位置・姿勢は連続した曲線群を構成しているが、その一つ一つの曲線に運動曲線を当てはめ、加減速を指定する。カルテシアン空間とは、原点で互いに直交するx、y、zの3軸を用いてつくられる3次元座標系であり、工具点の位置のみならず姿勢も表すことができる。   In the present embodiment, for example, a curve having good characteristics adopted in the cam mechanism is adopted. Positions and postures defined in the Cartesian space (real space) constitute a continuous curve group, and an acceleration / deceleration is designated by applying a motion curve to each curve. The Cartesian space is a three-dimensional coordinate system created using three axes x, y, and z that are orthogonal to each other at the origin, and can represent not only the position of the tool point but also the posture.

(c)時分割(図28、S3)及びカルテシアン座標系による工具の位置・姿勢の計算(
図8、S4)
ここでは、数値制御情報を計算する単位時間ごとに、制御対象の指定された移動速度に従って、工具点の移動位置及び姿勢を算出する。軌跡と運動が確定したので、工具点の位置・姿勢が時間tの関数として与えられたことになる。これにより、時間tを微小時間間隔で与えたとき、それぞれの時刻に対する工具点の変位を求めることができる。(c)の計
算は、具体的には以下のように行なわれる。現在点においては、位置情報や接線、曲率などの値がわかっている。指定された移動速度に単位時間を乗ずれば、単位時間中の移動曲線長がわかり、これにより移動後の曲線長パラメータが計算できる。この移動後の曲線長パラメータにより、移動後の点における位置情報や接線、曲率などの値を計算することが出来る。
(c) Time division (FIG. 28, S3) and calculation of tool position / orientation using Cartesian coordinate system (
(FIG. 8, S4)
Here, for each unit time for calculating the numerical control information, the movement position and orientation of the tool point are calculated in accordance with the designated movement speed of the control target. Since the trajectory and motion are determined, the position / orientation of the tool point is given as a function of time t. Thereby, when the time t is given at a minute time interval, the displacement of the tool point with respect to each time can be obtained. Specifically, the calculation in (c) is performed as follows. At the current point, values such as position information, tangent, and curvature are known. If the specified moving speed is multiplied by the unit time, the moving curve length during the unit time can be obtained, and the curve length parameter after movement can be calculated. Based on the curve length parameter after movement, values such as position information, tangent, and curvature at the point after movement can be calculated.

以上の手続きによって、カルテシアン座標系(実在空間)における時間tに対する工具点の位置と姿勢が計算される。変数としては、3次元では(x、y、z、λ、μ、ν、θ)となる。ただし、(λ、μ、ν、θ)は姿勢Eを等価回転で表したもので(λ、μ、ν
)は等価回転の軸を、θは回転角を示す。
With the above procedure, the position and orientation of the tool point with respect to time t in the Cartesian coordinate system (real space) are calculated. The variables are (x, y, z, λ, μ, ν, θ) in three dimensions. However, (λ, μ, ν, θ) represents the posture E in equivalent rotation (λ, μ, ν
) Represents an equivalent rotation axis, and θ represents a rotation angle.

また、数値制御からの要求により、3次元クロソイド補間曲線に沿って、法線方向へ指定寸法だけオフセットしたオフセット点を求めて、これをカッターパス(工具中心の軌跡)とする。この計算も、法線方向が求まっているので、容易である。   Further, an offset point offset by a specified dimension in the normal direction is obtained along a three-dimensional clothoid interpolation curve according to a request from numerical control, and this is used as a cutter path (tool center trajectory). This calculation is also easy because the normal direction is determined.

(d)逆機構解(図28、S5)
次に、上記の工具点の位置・姿勢を与えるために必要な各軸の回転角を求める。この過程は一般に逆機構解(inverse kinematics)と呼ばれている。例えば6軸のロボットがあるとすると、関節が6つあるので、肩の関節、腕の関節、ひじの関節、手首の関節等が何度回転したかで工具点の位置・姿勢が決まる。これが順機構解と呼ばれる。逆機構解は、これとは反対に実在の空間の位置・姿勢から軸空間の回転角θ1〜θ6を求めるものである。各軸のアクチュエータは回転モータであるとは限らず、リニアモータ等の直動アクチュエータである場合もあるが、その場合でも最低限度実変位をリニアモータの入力パルス数に変換する電子ギアの計算が必要となる。逆機構解は、ロボット等の機構の型ごとに固有なので、種々のロボット等について個別に解を用意しておく。
(d) Reverse mechanism solution (Fig. 28, S5)
Next, the rotation angle of each axis necessary to give the position / posture of the tool point is obtained. This process is generally called inverse kinematics. For example, if there is a six-axis robot, there are six joints, so the position / posture of the tool point is determined by how many times the shoulder joint, arm joint, elbow joint, wrist joint, etc. have been rotated. This is called the forward mechanism solution. On the contrary, the reverse mechanism solution is to obtain the rotation angles θ1 to θ6 of the axial space from the position / posture of the actual space. The actuator for each axis is not necessarily a rotary motor, but may be a linear actuator such as a linear motor, but even in that case, the calculation of electronic gears that convert the actual displacement to the number of input pulses of the linear motor at the minimum is still possible. Necessary. Since the reverse mechanism solution is unique to each type of mechanism such as a robot, a solution is prepared for each of various robots.

(e)軸座標系による各軸モータ変位の計算(図28、S6)
時分割された各工具点につき逆機構解を求め、これを各軸モータ(直動アクチュエータを含む)の変位パルスとして整数化する。パルス制御でない場合には、各軸変位の最少分解単位(分解能)を用いて、パルス数相当の整数化されたデータとして求める。
(e) Calculation of motor displacement of each axis in the axis coordinate system (FIG. 28, S6)
An inverse mechanism solution is obtained for each time-divided tool point, and this is converted into an integer as a displacement pulse of each axis motor (including a linear actuator). When the pulse control is not used, the data is obtained as integerized data corresponding to the number of pulses using the minimum resolution unit (resolution) of each axial displacement.

上記、(a)及び(b)は準備的な手順であり、一度だけ行なわれる。(c)〜(e)は、指定された単位時間ごとに実行され、目的時間あるいは目的の条件を満たすまで続行される。   The above (a) and (b) are preliminary procedures and are performed only once. Steps (c) to (e) are executed every specified unit time, and are continued until the target time or the target condition is satisfied.

上記の全ての計算を、数値制御装置の中で行うことも可能であり、あるいは、(a)及び(b)を別のコンピュータ(計算機)により計算及び設定しておき、その曲線パラメータなどを数値制御装置に送り込み、(c)〜(e)の計算を数値制御装置内で行うこともできる。   All of the above calculations can be performed in a numerical controller, or (a) and (b) are calculated and set by another computer (computer), and the curve parameters are numerically set. The calculation of (c) to (e) can also be performed in the numerical control device.

(2)NC装置とCNC装置
以下、独立の数値制御装置(NC装置)を使用する場合と、プログラマの役割を持ったコンピュータとNC装置とが一体化されたCNC装置を使用する場合について説明する。
(a)独立のNC装置を用いる場合
従来の通常のNC機械では、プログラミングを行ってNCデータを作成するプログラマと、このNCデータを用いて機械装置を動かすNC装置との二つの装置にハードウェアが分離されている。それに対して、最近のCNC機械では、プログラミングを行うコンピュータはNC装置に内蔵されて、一体化されたものとなっている。
(2) NC device and CNC device Hereinafter, a case where an independent numerical control device (NC device) is used and a case where a CNC device in which a computer having the role of a programmer and the NC device are integrated will be described. .
(A) In the case of using an independent NC device In a conventional ordinary NC machine, hardware is composed of two devices: a programmer that creates NC data by programming and an NC device that moves the machine using this NC data. Are separated. On the other hand, in a recent CNC machine, a computer that performs programming is integrated in the NC apparatus.

まず、前者の、独立のNC装置を用いる場合について、3次元クロソイドによる数値制御方式を提案する。この場合、クロソイドデータの受け渡しにはクロソイドパラメータを用いるものとし、Gコードの中にクロソイドのフォーマットを定義する。これは例えば、次のようなものである。   First, a numerical control method using a three-dimensional clothoid is proposed for the former case where an independent NC device is used. In this case, clothoid data is exchanged using clothoid parameters, and a clothoid format is defined in the G code. This is, for example, as follows.

G***
A0, A1, A2, B0, B1, B2, H
ここで、G***はGコードの番号を示す。A0〜Hは3次元クロソイドセグメントの7
つのパラメータを示す。このコードを実行する前に、工具はPの位置に来ている。NC装置ではこのパラメータを用いて、瞬時の工具位置または工具位置の差分を計算して実行する。この操作を「順解」という。順解をNC装置側で行う理由はデータの大量化を防ぐ目的からであるが、そのためにNC装置では、ある種の演算を必要とする。Gコードでク
ロソイドを表現することによって、既設のNC装置にクロソイド曲線を組み込むことが可能となる。
G ***
A0, A1, A2, B0, B1, B2, H
Here, G *** indicates a G code number. A0 ~ H is 7 of 3D clothoid segment
Indicates one parameter. Before you run this code, the tool has come to the position of P 0. The NC device uses this parameter to calculate and execute an instantaneous tool position or a tool position difference. This operation is called “order solution”. The reason for performing the forward solution on the NC device side is to prevent the data from becoming too large. For this purpose, the NC device requires some kind of calculation. By expressing clothoid with G code, it is possible to incorporate clothoid curves into existing NC devices.

(b)CNC方式
プログラマの役割を持ったコンピュータとNC装置との一体化されたCNC装置の場合について述べる。この場合、クロソイドに関する計算がどの部分のハードで行われるかは問題にならない。また、データの量や転送のスピードも解決されつつある。
(b) CNC method The case of a CNC device in which a computer having the role of a programmer and an NC device are integrated will be described. In this case, it does not matter which part of the hardware is used to calculate the clothoid. In addition, the amount of data and the speed of transfer are being solved.

一般に、このプログラマには、それぞれの条件に適したクロソイドのパラメータを決定する過程が含まれる。これを「逆解」という。逆解の中には、例えば、いくつかの離散的な点列を与えて、これらの点を厳密に通る滑らかな曲線を計算するプログラム(自由点列補間)も含まれる。また、加工上必要となる工具軌跡の決定プログラム(いわゆるCAM)も含まれることが多い。   In general, the programmer includes a process of determining the proper clothoid parameters for each condition. This is called “reverse solution”. The inverse solution includes, for example, a program (free point sequence interpolation) that gives some discrete point sequences and calculates a smooth curve that exactly passes through these points. In addition, a tool path determination program (so-called CAM) necessary for machining is often included.

(3) 3次元クロソイド補間を用いた数値制御方式の特徴
3次元クロソイド補間を用いた数値制御方式には、次のような利点がある。
(3) Features of numerical control method using three-dimensional clothoid interpolation The numerical control method using three-dimensional clothoid interpolation has the following advantages.

(a)上記のように、曲線が基準点からの曲線長を独立パラメータとして表現されている
ので、指定された移動速度に対応する数値制御情報を生成することが出来る。曲線長とは無関係な独立パラメータにより表現されているスプライン曲線などの他の曲線では、移動後の点が算出できても、その点に対応する独立パラメータの値を算出することが困難であり、指定された移動速度に対応する数値制御情報を生成することが容易ではない。
(a) As described above, since the curve is expressed with the curve length from the reference point as an independent parameter, numerical control information corresponding to the designated moving speed can be generated. In other curves such as a spline curve expressed by an independent parameter unrelated to the curve length, even if the point after movement can be calculated, it is difficult to calculate the value of the independent parameter corresponding to that point, It is not easy to generate numerical control information corresponding to the designated moving speed.

これを詳述するに、図29に示されるように、スプライン曲線R(t)で表現される軌跡
上の点Rから工具をある線速度で運動させる場合を考える。一定時間間隔毎に工具の目標点を算出するとき、単位時間経過後の工具の移動量ΔSはわかるが、独立変数tは時間とか曲線長とかに関係するものではないので、独立変数の変化量Δtは直ちには求めることはできない。R+ΔS=R(t+Δt)の式を解いてΔtを求めなければ、目標点を算出することができないので、一定時間間隔毎にこの計算を繰り返さなければならないことになる。
In detail, as shown in FIG. 29, consider a case where the tool is moved at a certain linear velocity from a point R0 on the locus represented by the spline curve R (t). When the target point of the tool is calculated at regular time intervals, the tool movement amount ΔS after the unit time elapses can be known, but the independent variable t is not related to the time or the curve length. Δt cannot be obtained immediately. Unless Δt is obtained by solving the equation R 0 + ΔS = R (t 0 + Δt), the target point cannot be calculated. Therefore, this calculation must be repeated at regular time intervals.

(b)3次元クロソイド曲線では、曲線長に対する曲率の変化の仕方が、近似的に一定であることが期待され、これに対応する数値制御情報は、運動制御の観点から、力学的に無理の少ない制御情報となることが期待される。一般のスプライン補間などでは、曲率変化を予測・制御することは困難である。   (b) In the 3D clothoid curve, it is expected that the curvature change with respect to the curve length is approximately constant, and the numerical control information corresponding to this is difficult from the viewpoint of motion control. Expected to be less control information. In general spline interpolation or the like, it is difficult to predict and control the change in curvature.

(c)3次元クロソイド曲線は、その特殊な場合として、直線、円弧、螺旋曲線などを含
んでおり、個別の曲線式を組み込むことなく、多様な曲線に対する数値制御情報を厳密に表現することが出来る。
(c) 3D clothoid curves include straight lines, arcs, spiral curves, etc. as special cases, and it is possible to accurately express numerical control information for various curves without incorporating individual curve formulas. I can do it.

(d)3次元クロソイド曲線は座標軸のとり方によらない自然方程式である。x,y,z軸で曲
線が表される従来のNC装置では、例えばワークを斜めに傾けて加工するときに、ワークの取り付け方によっては、斜めの面を加工しやすかったり、加工しにくかったりすることがある。3次元クロソイド曲線では、曲線が線長によって与えられるので、斜めの面を加工する場合でも、斜めの面上に軌跡を作成すれば、水平面を加工するのと同様に加工できる。
(d) The 3D clothoid curve is a natural equation that does not depend on the coordinate axes. In conventional NC devices where the curves are represented by the x, y, and z axes, for example, when machining a workpiece obliquely, depending on how the workpiece is attached, it may be difficult or difficult to machine an oblique surface. There are things to do. In a three-dimensional clothoid curve, the curve is given by the line length. Therefore, even when processing an oblique surface, if a locus is created on the oblique surface, it can be processed in the same manner as processing a horizontal plane.

なお本発明の、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元曲線(3次元クロソイド曲線という)を用いて工具軌跡またはワークの輪郭形状を表現するプログラムをコンピュータで実行する際には、コンピュータのハードディスク装置等の補助記憶装置にプログラムを格納しておき、メインメモリーにロードして実行する。また、そのようなプログラムは、CD−ROM等の可搬型記録媒体にプログラムを格納して売買したり、ネットワークを介して接続されたコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを通じて他のコンピュータに転送することもできる。また、そのようなプログラムによる計算結果(3次元クロソイド曲線のの曲線パラメ
ータ、各軸モータの変位パルス等)をCD−ROM等の可搬型記録媒体に格納して売買す
ることもできる。
Note that the tool trajectory or the contour shape of the workpiece can be obtained by using a three-dimensional curve (referred to as a three-dimensional clothoid curve) in which the pitch angle and the yaw angle in the tangential direction are given by a quadratic expression of a curve length or a curve length variable according to the present invention. When a program to be expressed is executed by a computer, the program is stored in an auxiliary storage device such as a hard disk device of the computer, loaded into the main memory and executed. In addition, such a program is stored in a portable recording medium such as a CD-ROM for sale, or stored in a recording device of a computer connected via a network, and transmitted to another computer via the network. It can also be transferred. Moreover, the calculation results (curve parameters of a three-dimensional clothoid curve, displacement pulses of each axis motor, etc.) by such a program can be stored and sold in a portable recording medium such as a CD-ROM.

本発明の3次元クロソイド曲線によれば、工業製品の設計生産に必要となる空間曲線の汎用的な発生方法を提供することができる。空間曲線に沿って物体が加減速を伴って運動する場合に、拘束力変化が滑らかな設計を可能とする。この特徴は、数値制御装置に広く応用される。数値制御装置以外にも、曲線長に対して曲率の変化を適切に設計できることにより、審美的な意匠曲線設計など、様々な産業分野に有効に適用される。   According to the three-dimensional clothoid curve of the present invention, it is possible to provide a general method for generating a spatial curve necessary for the design and production of industrial products. When an object moves with acceleration / deceleration along a space curve, it is possible to design with a smooth change in restraining force. This feature is widely applied to numerical control devices. In addition to the numerical control device, the ability to appropriately design the change in curvature with respect to the curve length enables effective application to various industrial fields such as aesthetic design curve design.

x、y座標上の2次元クロソイド曲線を示す図。The figure which shows the two-dimensional clothoid curve on x and y coordinate. 2次元クロソイド曲線を示す図。The figure which shows a two-dimensional clothoid curve. 3次元クロソイド曲線のα、βの定義を示す図。The figure which shows the definition of (alpha) and (beta) of a three-dimensional clothoid curve. 典型的な3次元クロソイド曲線の形状を示す図。The figure which shows the shape of a typical three-dimensional clothoid curve. 連続な補間の条件を示す図。Shows the G 2 consecutive interpolation conditions. 接触平面の概念を示す図。The figure which shows the concept of a contact plane. クロソイド補間の手法の流れの概要を示す図。The figure which shows the outline | summary of the flow of the method of clothoid interpolation. 連続となるような条件を満たすクロソイド補間の手法の流れの概要を示す図。Shows a satisfying clothoid overview of the flow of interpolation techniques such as the G 2 continuous. 点P1, P2, P3の3次元クロソイド補間を示す図。Shows a three-dimensional clothoid interpolation of points P 1, P 2, P 3 . r =4の3D Discrete Clothoid Splinesを示す図。The figure which shows 3D Discrete Clothoid Splines of r = 4. 3D Discrete Clothoid Splinesを説明する図。The figure explaining 3D Discrete Clothoid Splines. 補間により生成された3次元クロソイド曲線の透視図。A perspective view of a 3D clothoid curve generated by interpolation. 横軸に始点からの移動距離、縦軸に曲率を取った曲率変化グラフ。A curvature change graph in which the horizontal axis represents the movement distance from the start point and the vertical axis represents the curvature. 両端点で各値を制御する3次元クロソイド補間の流れの概要を示す図。The figure which shows the outline | summary of the flow of the three-dimensional clothoid interpolation which controls each value by a both-ends point. 両端点で各値を制御する3次元クロソイド補間の概略図。Schematic of 3D clothoid interpolation that controls each value at both end points. 実際に補間を行った結果を示す図。The figure which shows the result of actually performing interpolation. 各曲線の始点からの移動距離と曲率の関係のグラフ。A graph of the relationship between the moving distance from the start point of each curve and the curvature. 中間点における値の制御を示す図。The figure which shows control of the value in an intermediate point. 始点・終点で各値を制御する3次元クロソイドを用いた補間法の流れの概要を示す図。The figure which shows the outline | summary of the flow of the interpolation method using the three-dimensional clothoid which controls each value by a start point and an end point. r =4の3D Discrete Clothoid Splinesを示す図。The figure which shows 3D Discrete Clothoid Splines of r = 4. 生成されたポリゴンを示す図。The figure which shows the produced | generated polygon. 点P1, P2, P3の3次元クロソイド補間を示す図。Shows a three-dimensional clothoid interpolation of points P 1, P 2, P 3 . 生成された曲線とポリゴンとを示す図。The figure which shows the produced | generated curve and polygon. 点を挿入した図。The figure which inserted the point. 分割された3次元クロソイド曲線を示す図。The figure which shows the divided | segmented three-dimensional clothoid curve. 生成された曲線を示す図。The figure which shows the produced | generated curve. 各曲線の始点からの移動距離sと曲率κの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the movement distance s from the starting point of each curve, and curvature κ. 数値制御方法を示す工程図。Process drawing which shows a numerical control method. 従来のスプライン曲線を示す比較図。The comparison figure which shows the conventional spline curve.

Claims (7)

3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイド曲線(3次元クロソイドセグメント)を用いて補間し、この3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する数値制御方法。   A 3D clothoid curve (3D clothoid segment) in which the pitch angle and yaw angle in the tangential direction are each given by a quadratic expression of the curve length or the curve length variable, between points given arbitrarily in 3D coordinates. A numerical control method in which interpolation is performed and the movement of the tool is controlled by the three-dimensional clothoid segment. 接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイド曲線(3次元クロソイドセグメント)を複数本接続し、この複数本の3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する数値制御方法。   Connect multiple three-dimensional clothoid curves (three-dimensional clothoid segments) in which the pitch angle and yaw angle in the tangential direction are given by the curve length or the quadratic equation of the curve length variable, and the tools are connected by these three-dimensional clothoid segments. Numerical control method to control the movement of the body. 3次元クロソイド曲線を以下の式で定義する請求項1又は2に記載の数値制御方法。
Figure 2005276156
ここで、
Figure 2005276156
はそれぞれ、3次元クロソイド曲線上の点の位置ベクトル、及びその初期値を示す。
始点からの曲線の長さをsとし、その全長(始点から終点までの長さ)をhとする。sをhで割った値をSで表わす。Sは無次元の値であり、これを曲線長変数と呼ぶ。
i,j,kはそれぞれ、x軸、y軸、及びz軸方向の単位ベクトルである。
uは点Pにおける曲線の接線方向を示す単位ベクトルであり、式(2)によって与えられる。Ekβ及びEjαは回転マトリクスであり、それぞれ、k軸まわりの角度βの回転及びj軸まわりの角度αの回転を表わしている。前者をヨー(yaw)回転、後者をピッチ(pitch)回転という。式(2)は、i軸方向の単位ベクトルを、まずj軸まわりにαだけ回し、しかるのちにk軸まわりにβだけ回すことによって、接線ベクトルuが得られることを示している。
,a,a,b,b,bは定数。
The numerical control method according to claim 1, wherein the three-dimensional clothoid curve is defined by the following formula.
Figure 2005276156
here,
Figure 2005276156
Indicates the position vector of the point on the three-dimensional clothoid curve and its initial value.
Let the length of the curve from the start point be s, and the total length (the length from the start point to the end point) be h. The value obtained by dividing s by h is represented by S. S is a dimensionless value and is called a curve length variable.
i, j, and k are unit vectors in the x-axis, y-axis, and z-axis directions, respectively.
u is a unit vector indicating the tangent direction of the curve at point P, and is given by equation (2). E and E are rotation matrices representing the rotation of the angle β around the k axis and the rotation of the angle α around the j axis, respectively. The former is called yaw rotation, and the latter is called pitch rotation. Equation (2) shows that the tangent vector u is obtained by first rotating the unit vector in the i-axis direction by α around the j-axis and then by β around the k-axis.
a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 , b 2 are constants.
一つの3次元クロソイドセグメントと次の3次元クロソイドセグメントの継ぎ目において、両者の位置、接線方向(及び場合によっては曲率)が連続するように、前記3次元クロソイドセグメントの7つのパラメータa,a,a,b,b,b,hを算出することを特徴とする請求項3に記載の数値制御方法。 The seven parameters a 0 , a 1 of the three-dimensional clothoid segment are set so that the positions and tangential directions (and sometimes the curvature) of the three-dimensional clothoid segment are continuous at the joint of one three-dimensional clothoid segment and the next three-dimensional clothoid segment. , A 2 , b 0 , b 1 , b 2 , h are calculated, the numerical control method according to claim 3. 3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイドセグメントを用いて補間し、この3次元クロソイドセグメントによって工具の運動を制御する数値制御装置。   Interpolate between point sequences arbitrarily given in 3D coordinates using 3D clothoid segments in which the tangential pitch angle and yaw angle are given by the curve length or the quadratic expression of the curve length variable. A numerical controller that controls the movement of a tool by means of a three-dimensional clothoid segment. 工具の運動を数値制御するために、
コンピュータを、
3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイドセグメントを用いて補間する手段として機能させるためのプログラム。
To numerically control the movement of the tool,
Computer
As means for interpolating between a sequence of points arbitrarily given in three-dimensional coordinates using a three-dimensional clothoid segment in which the pitch angle and yaw angle in the tangential direction are each given by a quadratic expression of a curve length or a curve length variable A program to make it work.
工具の運動を数値制御するために、
コンピュータを、
3次元座標内に任意に与えられた点列間を、接線方向のピッチ角およびヨー角のそれぞれが曲線長または曲線長変数の二次式で与えられる3次元クロソイドセグメントを用いて補間する手段として機能させるためのプログラム又はそのプログラムによる計算結果を記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
To numerically control the movement of the tool,
Computer
As means for interpolating between a sequence of points arbitrarily given in three-dimensional coordinates using a three-dimensional clothoid segment in which the pitch angle and yaw angle in the tangential direction are each given by a quadratic expression of a curve length or a curve length variable A computer-readable recording medium on which a program for functioning or a calculation result by the program is recorded.
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