JP2021117519A - シミュレーション装置およびシミュレーションプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
上述の開示によれば、ケーブルの挙動を、物理シミュレータで算出することができる。
上述の開示によれば、各剛体にかかる負荷を算出することができる。
上述の開示において、パラメータは、ケーブルの硬さを表すパラメータを含む。
本発明が適用される場面の一例について説明する。図1は、本実施の形態にかかるケーブルシミュレーション装置1Bの適用場面の一例を模式的に示す図である。図1を参照して、ケーブルシミュレーション装置1Bは、FAの生産ラインに備えられる機器の一例であるロボット30に取付けられ得るケーブルの挙動を算出(推定)する。なお、ケーブルが取付けられる機器は、ロボット30に限定されない。また、ロボット30は、限定されないが、例えば多関節で構成されるアーム301を備える。ロボット30は、先端のアーム301に、コネクタ7によって脱着自在に装着されるロボットハンド210を備える。アーム301には、それぞれ、ケーブル341、342および343が、アーム301の表面306(図10)のケーブルガイド350,351、352および353を用いて取付けられる。ケーブルガイド350は、ロボットハンド210に取付けられている。ケーブル341は、ケーブルガイド350と351の間に取付けられて、ケーブル342は、ケーブルガイド351と352の間に取付けられて、ケーブル343は、ケーブルガイド352と353の間に取付けられる。
<B.制御システムの例>
図2は、本実施の形態にかかるシミュレーション装置1によってシミュレーションされる機器を模式的に示す図である。シミュレーション装置1は、FAの生産ラインに備えられる制御システム2のPLC(プログラマブルロジックコントローラ)200が制御する実機である機器の挙動を推定するシステムシミュレーション装置1Aを備える。シミュレーション装置1は、たとえば、PC(Personal Computer)、タブレット端末などの端末装置を含む汎用コンピュータで構成される情報処理装置100に実装され得て、情報処理装置100が、所定のプログラムを実行することにより、機器の挙動を推定するシステムシミュレーションが実現される。情報処理装置100は、ユーザーが制御システム2を運用するのを支援するための支援ツールを提供する。支援ツールは、シミュレーションの実行環境、制御システム2のための制御プログラムの実行環境、および制御システム2の通信環境等を準備するための設定ツールを含む。支援ツールは、例えばUI(User Interface)によってユーザに提供される。
図2を参照して、システムシミュレーションの対象機器であるロボット30とコンベア230の制御と、これら機器の3次元仮想空間における挙動について説明する。
本実施の形態にかかるロボット30の各アーム301に相当する軸の3次元仮想空間における位置を算出する過程の一例を説明する。本実施の形態では、3次元仮想空間における座標系をロボット30およびPLC200などの各部が共通して備えるワールド座標系を例示する。ワールド座標系における位置を算出する際に、本実施の形態では、サーボモータ1301の回転量をαA、サーボモータ1302の回転量をαB、サーボモータ1303の回転量をαCおよびサーボモータ1304の回転量をαDとして示す。サーボモータ回転量(αA、αB、αC、αD)それぞれに対し、所定関数を用いて演算を施すことで、サーボモータ回転量(αA、αB、αC、αD)それぞれを、3次元仮想空間における位置に変換することができる。例えばワーク232をピックする各アーム301の軸の3次元座標P(x、y、z)が算出されると、各アーム301の3次元座標P(x、y、z)の時系列の変化によりロボット30に対応するオブジェクトの3次元仮想空間における挙動を示すことができる。本実施の形態では、システムシミュレーション装置1Aが、機器(より特定的には、ロボット30)に対応する3次元仮想空間に配置される第1の対象の挙動(3次元座標P(x、y、z)の時系列の変化)を算出し、算出結果である機器挙動データ2520を出力する。
図3は、本実施の形態にかかる制御システム2のユニット構成の一例を示す模式図である。図3を参照して、制御システム2は、PLC200と、PLC200とフィールドネットワーク22を介して接続されるサーボモータドライバ531,532およびリモートIOターミナル5と、ケーブル340を接続するロボットコントローラ310と、フィールドに設けられたIOデバイスである例えば、光電センサ6、ストッパ8が備える近接センサ87およびエンコーダ236、238を含む。
次に、本実施の形態にかかるシミュレーション装置1のハードウェア構成の一例について説明する。
次に、本実施の形態にかかるシミュレーション装置1の機能構成の一例について説明する。図5は、本実施の形態にかかるシミュレーション装置1を実現するための機能構成の一例を示す模式図である。図5に示す機能は、典型的には、情報処理装置100のプロセッサ102がプログラム(仮想時刻生成プログラム120、中継プログラム121、物理シミュレーションプログラム122、PLCシミュレーションプログラム126、ロボットエミュレーションプログラム130、統合プログラム134、画像処理プログラム136、ケーブルシミュレーションプログラム137、評価プログラム143およびパラメータ設定プログラム145など)を実行することで実現される。シミュレーション装置1は、システムシミュレーション装置1Aおよびケーブルシミュレーション装置1Bのための機能と、システムシミュレーションおよびケーブルシミュレーションの実行周期を生成する周期生成モジュール154と、シミュレーション結果に基づき3次元仮想空間にオブジェクトを描画するための3Dビジュアライザ164を備える。3Dビジュアライザ164は、画像処理プログラム136が実行されることにより実現される機能を含み得る。
図5を参照して、システムシミュレーション装置1Aは、仮想空間情報管理モジュール150と、PLCシミュレータ152と、ワーク挙動シミュレータ155と、物理シミュレータ156と、中継モジュール158と、ロボットエミュレータ160と、ワークトラッキングモジュール162と、3Dビジュアライザ164とを含む。
図5を参照して、ケーブルシミュレーション装置1Bは、ケーブルシミュレーションプログラム137が実行されることにより実現されるケーブルシミュレータ165および評価プログラム143が実行されることにより実現される評価モジュール167を含む。ケーブルシミュレータ165は、負荷算出モジュール166を有する。負荷算出モジュール166は、負荷算出プログラム138が実行されることにより実現される。なお、負荷算出モジュール166は、ケーブルシミュレータ165内に備えられずに、ケーブルシミュレータ165から独立していてもよい。
図6は、本実施の形態にかかるケーブルシミュレーション装置1Bの処理のシーケンスの一例を模式的に示す図である。図6では、ケーブルシミュレーション装置1Bが実施するケーブルシミュレーションの処理が、周辺処理と関連付けて示されている。説明のために、以下のケーブルシミュレーションが用いる機器挙動データ2520は、ロボット30(より特定的にはアーム301)に対応するオブジェクトの挙動を示している。
上記に述べたケーブル340のパラメータ設定(ステップS91)のために、パラメータ設定プログラム145はUIツールを提供する。このようなUIツールを、図7と図8を参照して説明する。図7は、本実施の形態にかかるケーブルのパラメータ設定にかかるUI画面の一例を模式的に示す図である。図8は、本実施の形態にかかるケーブルのパラメータ設定にかかるUI画面の他の例を模式的に示す図である。本実施の形態にかかるケーブルシミュレーションにおいては、ケーブル340とケーブルガイド350は一体化しているものとして扱う。
図9は、本実施の形態にかかるケーブルシミュレーションのデータの関連性をケーブルデータ146を用いて模式的に示す図である。本実施の形態では、図7と図8のユーザー設定操作によって、例えば、図1のように、4個のケーブルガイド350,351,352および353の取付け位置が設定される。これにより、各ケーブルガイド間に接続されるケーブル341,342および343が設定される。
図10は、本実施の形態にかかるケーブルの物理シミュレーションモデルの一例を模式的に示す図である。
さらに、ケーブルシミュレーションでは、位置ベースの物理シミュレーション(Position Based Dynamics:PBD)に従って、剛体304の位置が更新(修正)される。図12は、本実施の形態にかかる物理シミュレーションの位置の更新を模式的に示す図である。図12を参照して、ケーブルシミュレータ165が実施する剛体304の位置の更新処理を説明する。
本実施の形態にかかるケーブルシミュレーションでは、ケーブル340の挙動を安定状態に移行させるための拘束条件にかかるパラメータとして、ケーブル340の硬さを表すパラメータ149を含めることができる。硬さパラメータ149としては、例えば、ケーブル340の材料に固有のパラメータStiffnessおよびパラメータDampingを含む。パラメータStiffnessは、剛体304の変形のしにくさを示し、例えばヤング率と等価である。また、パラメータDampingは、剛体304の振動に対する減衰特性を示す。
var_geometricError=distance-data.maxDistance(式2);この(式2)では、隣接する2つの剛体304の間の距離(distance)と許容最大距離である閾値(data.maxDistance)との差(var_geometricError)が算出される。ケーブルシミュレータ165は、(var_geometricError=0)の条件が満たされたと判定すると、隣接する2つの剛体304が衝突(一方が他方に侵入)しないと検出し、当該条件が満たされないと判定すると、当該衝突(侵入)があったと検出する。
velocity += positionForce * Time.deltaTime(式4);
velocity += Vector3.down * gravity * Time.deltaTime(式5);
velocity *= damping(式6);
[STEP2]ケーブルシミュレータ165は、上記の[STEP1]において算出した速度(velocity)に基づき、(式7)および(式8)を演算することより、現在のタイムステップにおける位置(positions[current])を更新する。
positions[current] = positions[current] + velocity * Time.deltaTime(式8);
[STEP3]ケーブルシミュレータ165は、剛体304が隣接する他の剛体304に侵入した(めり込んだ)と検出した場合、侵入を解消する(めり込まない)位置まで、現在位置(positions[current])を変更する。この位置の変更は、図12で示した位置更新に従い実施される。
図13は、本実施の形態にかかるケーブルシミュレーションと、それに関連する処理を概略的に示すフローチャートである。図13を参照して、ケーブルシミュレータ165は、ケーブルパラメータ139からパラメータ(ケーブル340の長さ(Cable length)パラメータ、ケーブル340の取付け位置(Offset From Guide Cad Data)パラメータ)を取得し、ケーブルシミュレーションプログラム137に設定する(ステップS103)。これにより、各ケーブルガイド間のケーブル340の長さ、すなわち剛体304の個数が設定される。ケーブルシミュレーションの開始時には、ステップS103では、初期値140のパラメータが設定される。説明のために、各ケーブルガイド間のケーブル340の長さは同じである。
負荷算出モジュール166は、ケーブル挙動データ2521に基づき、図14に示すような、負荷情報142を算出する。本実施の形態では、ケーブル340にかかる負荷の種類1412として、曲げ、伸び、ひねり、衝突の回数、反発力を含むが、これらに限定されない。図14は、本実施の形態にかかる負荷情報142の一例を模式的に示す図である。図14では、ケーブル挙動データ(0)、ケーブル挙動データ(1)およびケーブル挙動データ(2)それぞれに関連付けられる、負荷情報(0)、負荷情報(1)および負荷情報(2)が示される。負荷情報(0)〜負荷情報(2)は、同様の項目を含むので、これらに共通した説明では負荷情報142と総称する。
評価モジュール167は、負荷情報142(負荷情報(0)、負荷情報(1)および負荷情報(2))のそれぞれに基づき、当該負荷情報142に関連付けられた剛体リンクの挙動(ケーブル挙動データ2521)を評価する。評価モジュール167は、評価結果である評価データ144(評価データ(0)、評価データ(1)および評価データ(2))を、当該ケーブル挙動データ2521に関連付けて格納する(図9)。
図16は、本実施の形態にかかる負荷情報142の表示画面の一例を示す図である。負荷算出モジュール166または評価モジュール167は、ディスプレイ109に、負荷情報142に基づく画像を表示する。図16では、例えば、曲げの負荷情報142のグラフが示される。グラフは、横軸に各剛体304の識別子(セグメント番号)である位置情報がとられて、縦軸には、曲げの値がとられている。また、図16では、タイムステップ毎のグラフが、タイムステップの時系列に従い、画面の奥行き方向に並べて表示されている。例えば3D表示により、各タイムステップにおけるオブジェクトの各位置にかかる負荷(曲げ)の大きさと、当該位置における負荷の大きさの経時的な変動を一画面で示すことができる。
ケーブルシミュレーションは、図4の情報処理装置100のプロセッサ102がストレージ111などのメモリに格納されるプログラムを実行することにより提供される構成を例示したが、これらの提供される構成の一部または全部を、専用のハードウェア回路(たとえば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)またはFPGA(Field-Programmable Gate Array)など)を用いて実装してもよい。あるいは、情報処理装置100の主要部を、汎用的なアーキテクチャに従うハードウェアを用いて実現してもよい。この場合には、仮想化技術を用いて、用途の異なる複数のOSを並列的に実行させるとともに、各OS上で必要なアプリケーションを実行させるようにしてもよい。
上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。
[構成1]
機器(30)に取付けられるケーブル(340)の挙動を算出するシミュレーション装置(1B)であって、
前記機器に対応する仮想空間に配置された第1の対象の挙動(2520)に基づき、前記ケーブルの取付けに関するパラメータ(139)を用いて、当該ケーブルに対応する前記仮想空間に配置された第2の対象の挙動(304、305)を算出するケーブル挙動算出部(165)と、
前記ケーブル挙動算出部により算出された前記第2の対象の挙動を、当該挙動に基づき評価する評価部(167)とを備える、シミュレーション装置。
[構成2]
前記第1の対象の挙動は、所定のタイムステップ毎(ti)に算出された挙動を含み、
前記ケーブル挙動算出部は、
前記タイムステップ毎に、当該タイムステップに対応の前記第1の対象の挙動に基づき、前記パラメータを用いて、前記第2の対象の挙動を算出する、構成1に記載のシミュレーション装置。
[構成3]
前記ケーブル挙動算出部は、物理シミュレータを含む、構成2に記載のシミュレーション装置。
[構成4]
前記第2の対象は、隣接する剛体(304)間をジョイント(304)で接合して連ねられてモデル化された剛体リンクを含み、
前記物理シミュレータは、
前記モデル化された前記剛体リンクにおける隣接する剛体同士の位置および姿勢の関係と、前記ジョイントに対応する条件であって剛体同士の位置および姿勢の関係に課された拘束条件とを表す方程式に従う演算を、前記第1の対象の挙動に基づいて実施することにより、前記第2の対象の挙動を算出する、構成3に記載のシミュレーション装置。
[構成5]
前記ケーブル挙動算出部により算出された前記第2の対象の挙動に基づき、当該第2の対象にかかる負荷を算出する負荷算出部(166)を、さらに備える、構成4に記載のシミュレーション装置。
[構成6]
前記負荷は、前記第2の対象が備える各前記剛体にかかる負荷を含む、構成5に記載のシミュレーション装置。
[構成7]
前記タイムステップの時系列に従い、各タイムステップで算出された前記第2の対象の挙動に基づく前記負荷を表示する、構成5または6に記載のシミュレーション装置。
[構成8]
閾値を超える負荷の表示態様を変更する、構成7に記載のシミュレーション装置。
[構成9]
前記評価部は、
前記負荷算出部により算出された前記負荷に基づき、前記第2の対象の挙動を評価する、構成5から8のいずれか1に記載のシミュレーション装置。
[構成10]
前記パラメータを設定するパラメータ設定部(145)を備え、
前記負荷が所定条件を満たすとき、前記第2の対象の挙動の算出時に設定されたパラメータを出力する、構成5から7のいずれか1に記載のシミュレーション装置。
[構成11]
前記パラメータは、前記ケーブルの長さまたは前記ケーブルの取付け位置(140、141)を含む、構成1から8のいずれか1に記載のシミュレーション装置。
[構成12]
前記パラメータは、前記ケーブルの硬さを表すパラメータ(149)を含む、構成1から11のいずれか1に記載のシミュレーション装置。
[構成13]
前記機器は、ロボット(30)を含み、
前記第1の対象の挙動は、前記ロボットを操作する指令コードを有したロボットプログラムのエミュレーションにより算出される、構成1から12のいずれか1に記載のシミュレーション装置。
[構成14]
前記仮想空間をビジュアル化した画像を生成する画像生成部(164)を、さらに備える、構成1から13のいずれか1に記載のシミュレーション装置。
[構成15]
コンピュータ(100)に、機器(30)に取付けられるケーブル(340)の挙動を算出する方法を実行させるシミュレーションプログラム(138)であって、
前記方法は、
前記機器に対応する仮想空間に配置された第1の対象の挙動に基づき、前記ケーブルの取付けに関するパラメータを用いて、当該ケーブルに対応する前記仮想空間に配置された第2の対象の挙動を算出するステップ(S100)と、
算出された前記第2の対象の挙動を、当該挙動に基づき評価するステップ(S130)とを備える、シミュレーションプログラム。
Claims (15)
- 機器に取付けられるケーブルの挙動を算出するシミュレーション装置であって、
前記機器に対応する仮想空間に配置された第1の対象の挙動に基づき、前記ケーブルの取付けに関するパラメータを用いて、当該ケーブルに対応する前記仮想空間に配置された第2の対象の挙動を算出するケーブル挙動算出部と、
前記ケーブル挙動算出部により算出された前記第2の対象の挙動を、当該挙動に基づき評価する評価部とを備える、シミュレーション装置。 - 前記第1の対象の挙動は、所定のタイムステップ毎に算出された挙動を含み、
前記ケーブル挙動算出部は、
前記タイムステップ毎に、当該タイムステップに対応の前記第1の対象の挙動に基づき、前記パラメータを用いて、前記第2の対象の挙動を算出する、請求項1に記載のシミュレーション装置。 - 前記ケーブル挙動算出部は、物理シミュレータを含む、請求項2に記載のシミュレーション装置。
- 前記第2の対象は、隣接する剛体間をジョイントで接合して連ねられてモデル化された剛体リンクを含み、
前記物理シミュレータは、
前記モデル化された前記剛体リンクにおける隣接する剛体同士の位置および姿勢の関係と、前記ジョイントに対応する条件であって剛体同士の位置および姿勢の関係に課された拘束条件とを表す方程式に従う演算を、前記第1の対象の挙動に基づいて実施することにより、前記第2の対象の挙動を算出する、請求項3に記載のシミュレーション装置。 - 前記ケーブル挙動算出部により算出された前記第2の対象の挙動に基づき、当該第2の対象にかかる負荷を算出する負荷算出部を、さらに備える、請求項4に記載のシミュレーション装置。
- 前記負荷は、前記第2の対象が備える各前記剛体にかかる負荷を含む、請求項5に記載のシミュレーション装置。
- 前記タイムステップの時系列に従い、各タイムステップで算出された前記第2の対象の挙動に基づく前記負荷を表示する、請求項5または6に記載のシミュレーション装置。
- 閾値を超える負荷の表示態様を変更する、請求項7に記載のシミュレーション装置。
- 前記評価部は、
前記負荷算出部により算出された前記負荷に基づき、前記第2の対象の挙動を評価する、請求項5から8のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。 - 前記パラメータを設定するパラメータ設定部を備え、
前記負荷が所定条件を満たすとき、前記第2の対象の挙動の算出時に設定されたパラメータを出力する、請求項5から7のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。 - 前記パラメータは、前記ケーブルの長さまたは前記ケーブルの取付け位置を含む、請求項1から8のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。
- 前記パラメータは、前記ケーブルの硬さを表すパラメータを含む、請求項1から11のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。
- 前記機器は、ロボットを含み、
前記第1の対象の挙動は、前記ロボットを操作する指令コードを有したロボットプログラムのエミュレーションにより算出される、請求項1から12のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。 - 前記仮想空間をビジュアル化した画像を生成する画像生成部を、さらに備える、請求項1から13のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。
- コンピュータに、機器に取付けられるケーブルの挙動を算出する方法を実行させるシミュレーションプログラムであって、
前記方法は、
前記機器に対応する仮想空間に配置された第1の対象の挙動に基づき、前記ケーブルの取付けに関するパラメータを用いて、当該ケーブルに対応する前記仮想空間に配置された第2の対象の挙動を算出するステップと、
算出された前記第2の対象の挙動を、当該挙動に基づき評価するステップとを備える、シミュレーションプログラム。
Priority Applications (2)
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