JP2024003150A - シミュレーション装置、シミュレーションプログラムおよびシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機器と、その付属機器の挙動をシミュレーションする。【解決手段】装置は、付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出部と、第２の機器に対応する仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出部を備え、第２の機器は付属機器を含む。所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップにおいて、第１の挙動算出部は付属機器が装着された第１の機器に対応する第１の対象の挙動を算出し、その後に、第２の挙動算出部が当該算出された第１の対象の挙動に基づき第１の機器に装着された付属機器の挙動を算出する。【選択図】図１

Description

本開示は、仮想空間に配置されたロボットの挙動を推定できるシミュレーション装置、シミュレーションプログラムおよびシミュレーション方法に関する。

コンピュータを用いたシミュレーションは様々な技術分野に応用されている。このようなシミュレーションを用いることで、現実の装置が存在しない状態であっても、様々な事前検討が可能となる。このようなシミュレーションをＦＡ（Factory Automation）に利用した例として、例えば、特開２０１６－０４２３７８号公報（特許文献１）は、仮想撮影部に対応する実空間の視覚センサを含めた機械システムの統合シミュレーションを開示する。

特開２０１６－０４２３７８号公報

特許文献１に開示される統合シミュレーションでは、仮想空間における仮想ワークが、実空間のロボットに対応する仮想空間における仮想ロボットによってハンドリングされる。現実には、産業用ロボットの場合は、ロボットアームの先端に装着される付属機器（エンドエフェクタともいう）を、ワークまたは工程に応じた種類の機器に交換することで、ロボットの高い汎用性を実現している。特許文献１は、このようなロボットなどの機器に装着される付属機器を含めたシミュレーションについて何ら開示していない。

本開示は、機器と、当該機器に装着される付属機器との挙動をシミュレーションできる構成を提供することである。

本開示にかかるシミュレーション装置は、機器の挙動を算出するシミュレーション装置であって、付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出部と、第２の機器に対応する仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出部と、を、備え、第２の機器は、付属機器を含み、所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップにおいて、第１の挙動算出部は付属機器が装着された第１の機器に対応する第１の対象の挙動を算出した後に、第２の挙動算出部が当該算出された第１の対象の挙動に基づき第１の機器に装着されている付属機器の挙動を算出する。

上述の開示によれば、第１の機器と、これに装着される付属機器の両者の同一仮想空間における挙動を算出して、両者の挙動をシミュレーションできる。また、このシミュレーションは、共通したタイムステップにおいて実行されるので、両者の挙動を、同期をとりながらシミュレーションすることができる。

上述の開示において、付属機器は、装着されることにより第１の機器にワークを操作する操作機能を付加する機器を含む。

上述の開示によれば、付属機器として、第１の機器のワークの操作機能を提供するような機器について、その挙動をシミュレーションすることができる。

上述の開示において、第２の挙動算出部は、物理シミュレータを含む。
上述の開示によれば、第１の挙動算出部に変更を加えずに、物理シミュレータを流用して第２の機器の挙動算出部を提供することができる。

上述の開示において、第１の機器は、ロボットを含み、第１の挙動算出部は、ロボットにワークを操作させ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を実行する。

上述の開示によれば、第１の挙動算出部を、ロボットの挙動を算出するために、当該ロボットを制御するロボットプログラムのエミュレータで実現することができる。

上述の開示において、第１の挙動算出部によって算出される第１の対象の挙動は、仮想空間における第１の対象の位置を含み、物理シミュレータは、第１の挙動算出部によって算出される第１の対象の位置を用いた物理演算に従いに基づき、第２の対象の挙動を算出する。

上述の開示によれば、第２の対象の挙動を、同一タイムステップにおいて物理シミュレータが物理演算で算出した第１の対象の挙動に基き算出することができる。

上述の開示においては、物理シミュレータは、第２の対象に対する力の発生を無効化して物理演算を実施する。

上述の開示によれば、物理シミュレータが物理演算により第２の対象の挙動を算出する場合に、当該物理演算では力の成分がゼロとされる。したがって、物理演算で第２の対象の挙動を算出するとしても、力の成分が影響しない値として算出することができる。

上述の開示において、付属機器の第２の対象について算出された挙動は、仮想空間における当該第２の対象の位置を含み、第２の挙動算出部は、さらに、第２の対象の仮想空間における位置と、当該仮想空間における所定対象の位置とから両者の衝突を検出する。

上述の開示によれば、第２の挙動算出部は、付属機器に対応する対象の、仮想空間における他の所定対象との衝突を検出することができる。

上述の開示において、シミュレーション装置は、第３の機器に対応する仮想空間に配置された第３の対象の挙動を算出する第３の挙動算出部を、さらに備え、第３の機器は、第１の機器とデータを遣り取りしながら連携動作し、第１の機器と第３の機器が遣り取りするデータは、生産ラインに備えられる実機から取得する。

上述の開示によれば、第１の機器とデータを遣り取りしながら連携動作する第３の機器に対応するオブジェクトの挙動を算出する場合に、このような遣り取りされるデータを、実機から取得することができる。これにより、生産ラインで稼働中の実機と連携させながら、第１の機器または第３の機器の挙動をシミュレーションすることができる。

上述の開示において、付属機器は、第１の機器に取り付け可能なケーブルを含む。
上述の開示によれば、第１の機器の装着可能なケーブルに対応するオブジェクトの挙動を含むシミュレーションを実現できる。

上述の開示において、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。

上述の開示によれば、第１の機器および第２の機器を含むシミュレーション対象の挙動を仮想空間で可視化して再現することができる。

本開示の他の局面によれば、コンピュータに機器の挙動を算出する方法を実行させるためのシミュレーションプログラムが提供される。シミュレーションプログラムは、付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出ステップと、第２の機器に対応する仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出ステップと、を、備え、第２の機器は、付属機器を含み、所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップでは、第１の挙動算出ステップにおいて付属機器が装着された第１の機器に対応する第１の対象の挙動を算出した後に、第２の挙動算出ステップにおいて当該算出された第１の対象の挙動に基づき第１の機器に装着されている付属機器の挙動を算出する。

上述の開示によれば、シミュレーションプログラムが実行されると、第１の機器と、これに装着される付属機器の両者の同一仮想空間における挙動を算出して、両者の挙動を再現（シミュレーション）できる。また、このシミュレーションは、共通したタイムステップにおいて実行されるので、両者の挙動を、同期をとりながらシミュレーションすることができる。

本開示のさらなる他の局面によれば、機器の挙動を算出するシミュレーション方法が提供される。シミュレーション方法は、付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１のステップと、第２の機器に対応する仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２のステップと、を、備え、前記第２の機器は、付属機器を含み、所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップでは、第１のステップにおいて付属機器が装着された第１の機器に対応する第１の対象の挙動を算出した後に、第２のステップにおいて、第１のステップにおいて算出された第１の対象の挙動に基づき第１の機器に装着されている付属機器の挙動を算出する。

上述の開示のシミュレーション方法によれば、第１の機器と、これに装着される付属機器の両者の同一仮想空間における挙動を算出して、両者の挙動を再現（シミュレーション）できる。また、このシミュレーションは、共通したタイムステップにおいて実行されるので、両者の挙動を、同期をとりながらシミュレーションすることができる。

本開示によれば、第１の機器と、これに装着される付属機器の両者の同一仮想空間においてシミュレーションできる。

本実施の形態に係るシミュレーション装置１の適用例を示す模式図である。 本実施の形態に係るシミュレーションの対象となる機器の外観の一例を制御システムと関連づけて示す図である。 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。 本実施の形態に係るシミュレーション装置１を実現するためのハードウェア構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に係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。 本実施の形態にかかる物理シミュレータ１５６のシミュレーション対象を説明する図である。 本実施の形態にかかるシミュレーション装置１の処理のシーケンスの一例を模式的に示す図である。 本実施の形態にかかる表示の一例を示す図である。 本実施の形態にかかるシミュレーション装置１と実機の組合せの一例を模式的に示す図である。 本実施の形態にかかるロボット３０に付属するケーブルのシミュレーションを説明する図である。

＜Ａ．適用例＞
まず、本発明が適用される場面の一例について説明する。

本実施の形態に係るシミュレーション装置１は、ＦＡに備えられる複数の機器を制御するシステムの挙動を推定するシミュレーション装置である。複数の機器は、限定されないが、ＰＬＣ（プログラムブルロジックコントローラ）と協調して動作するロボットと、当該ロボットに装着されてロボットと連動する付属機器を含み得る。このような付属機器は、装着されることによりロボットにワークを操作する操作機能を付加する機器を含む。典型的には、例えばエンドエフェクタとしてロボットのアームに着脱自在のロボットハンドを含む。シミュレーション装置１は、限定されないが、例えば、ロボットハンドがワークを扱う「ピックアンドプレース」を実施するアプリケーションに適用可能である。「ワーク」としては、最終生成物あるいはその一部、または、中間生成物あるいはその一部など、その位置をトラッキング可能なものであれば、どのようなものであってもよい。なお、シミュレーション装置１は、例えば、ロボットハンドによりワークの組み立てを実施するアプリケーションにも適用することができる。

「ピックアンドプレース」は、搬送されるワークが所定のトラッキングエリアまで到達すると、トラッキングエリア内のワークをロボットで把持して、所定エリアまで搬送し、所定エリアに配置するという、ロボットによる把持・搬送・配置の一連の動作を表す。

ワーク搬送のための搬送部は、典型的にはコンベアであるが、これに限定されない。ＰＬＣは、コンベアを駆動するためのアクチュエータを制御する。アクチュエータとして、本実施の形態では、例えばサーボモータを例示する。

図１は、本実施の形態に係るシミュレーション装置１の適用例を示す模式図である。図１を参照して、シミュレーション装置１は、仮想空間および仮想空間に配置されたオブジェクトを規定する仮想空間情報１０５を含む。仮想空間における各オブジェクトの挙動が算出されることで、仮想空間情報１０５の内容は適宜更新される。

シミュレーション装置１は、ワークの搬送部の仮想空間における挙動を算出するＰＬＣシミュレータ１５２、当該仮想空間に配置されたロボットの挙動を算出するロボットエミュレータ１６０、主にロボットに装着されたロボットハンドの挙動を算出する物理シミュレータ１５６および３Ｄ（３-dimensional）ビジュアライザ１６４を含む。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、コンベアなど仮想空間におけるワークの搬送に関連する機器に対応する対象（以下、オブジェクトと称する）の挙動を算出するとともに、算出された挙動に応じた動作指令を出力する。ワークの搬送に関する機器として、限定されないが、コンベアの駆動機器を含む。コンベアベルトの搬送面上には、ワークを載置するためのトレイが載置される。これらワークの搬送にかかる機器は、第３の機器に相当し、このようなワークの搬送にかかる機器に対応する仮想空間に配置されたオブジェクトは、第３の対象に相当し、ＰＬＣシミュレータ１５２は、第３の挙動算出部に相当する。

ロボットエミュレータ１６０は、ＰＬＣシミュレータ１５２から出力され上記の動作指令に基づいて、ワークを扱うロボットに対応する仮想空間におけるオブジェクトの挙動を算出する。ロボットは第１の機器に相当し、ロボットに対応のオブジェクトは第１の対象に相当し、ロボットエミュレータ１６０は第１の挙動算出部に相当する。

物理シミュレータ１５６は、ＰＬＣシミュレータ１５２およびロボットエミュレータ１６０によって算出された仮想空間におけるオブジェクトの挙動に基づき、ロボットに装着されたロボットハンドに対応する仮想空間におけるオブジェクトの挙動を算出する。ロボットのハンドは第２機器に相当し、ロボットハンドに対応のオブジェクトは第２の対象に相当し、物理シミュレータ１５６は第２の挙動算出部に相当する。

３Ｄビジュアライザ１６４は、オブジェクトが配置される仮想空間をビジュアル化（視覚化）した画像を生成する。本実施の形態では、３Ｄビジュアライザ１６４は、例えば３次元仮想空間において、各オブジェクトを仮想空間情報１０５に基づきディスプレイに表示するための画像を生成する。３Ｄビジュアライザ１６４は、画像生成部に相当する。

シミュレーション装置１は、例えばユーザが設定した所定のタイムステップ毎に、第１の挙動算出部（ロボットエミュレータ１６０）がロボットに対応の仮想空間に配置されたオブジェクトの挙動を算出し、その後、第２の挙動算出部（物理シミュレータ１５６）が当該算出されたロボットの挙動に基づき、当該ロボットに装着されるロボットハンドに対応の当該仮想空間におけるオブジェクトの挙動を算出する。これにより、仮想空間におけるロボット自体の挙動と、当該ロボットに装着されるロボットハンドの当該仮想空間における挙動とを推定することができる。また、あるタイムステップにおいて、ロボットに対応の仮想空間におけるオブジェクトの挙動が算出されるとともに、算出された当該挙動に基づきロボットハンドに対応の当該仮想空におけるオブジェクトの挙動が算出される。

シミュレーション装置１は、これらのコンポーネントおよびモジュールが互いに連携させることで、現実のシステムが存在しなくても、現実のシステムで、第１の機器と、第１の機器に装着される第２の機器を、ワークを処理したときに生じるであろう各機器の挙動を推定できる。

図１によれば、タイムステップにおいて、物理シミュレータ１５６とロボットエミュレータ１６０が同期するので、シミュレーションを実行するたびに算出される挙動は同期させることが可能となり、シミュレーションにより正確なタクトタイムの見積もりができる。

＜Ｂ．対象システムの例＞
シミュレーション装置１は、生産ラインに備えられる制御システム２が制御する実機である機器の挙動を推定する。このように挙動の推定がなされる対象の機器として、実施の形態では、可動のコンベア２３０とロボット３０を例示するが、対象の機械はこれらに限定されない。ロボッと３０は、アームの先端に、コネクタ７を介してロボットハンド２１０が脱着自在に装着される。ロボットハンド２１０は、例えば平行ハンド、多指ハンド、多指関節ハンドなどの複数種類を含む。ロボットハンド２１０の種類は、これに限定されず、例えば吸着式によりワーク２３２をピックおよびプレースする種類も含み得る。ロボット３０には、ワーク２３２または工程に応じた種類のロボットハンド２１０が装着される。

ロボット３０は、コンベア２３０上のトレイ９に載置されたワーク２３２をロボットハンド２１０によりピックし、ピックしたまま所定位置のテーブル５５までワーク２３２を移動させてテーブル５５上に置く（プレースする）。ロボットハンド２１０は、後述するロボットコントローラ３１０からの制御指令に従い、ワーク２３２をピックまたはプレースするためのハンドの開閉動作が制御される。

制御システム２は、さらに、コンベア２３０に関連して光電センサ６および開閉可能なストッパ８を備える。光電センサ６は、コンベア２３０の搬送面上に備えられるトレイ９が所定のワークトラッキングエリアの前に到達したことを検出する。ストッパ８は、トラッキングエリア内に到達したトレイ９を停止（固定）させるように閉動作する。シミュレーション装置１は、これら実機に備えられる機器のシミュレーションを実施する。

図２は、本実施の形態に係るシミュレーションの対象となる機器の外観の一例を制御システムと関連づけて示す図である。図２を参照して、制御システム２は、情報処理装置１００、ＰＬＣ２００、ロボット３０を制御するロボットコントローラ３１０およびサーボモータドライバ５３１，５３２を含む。情報処理装置１００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。サーボモータドライバ５３１，５３２は、対応するサーボモータ４１，４２を駆動する。

ＰＬＣ２００には、ネットワーク８０を介して情報処理装置１００が接続されている。ネットワーク８０には、有線または無線の任意の通信手段が採用され得る。ＰＬＣ２００および情報処理装置１００は、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）に従い通信する。情報処理装置１００は、制御システム２の挙動をシミュレーションするシミュレーション環境と、ロボット３０および搬送に関連する機械を制御するための制御プログラムを設計する環境などを提供する。制御プログラムは、シミュレーションの結果を用いて設計されてもよい。情報処理装置１００上で設計された制御プログラムは、フィールドネットワークを介してＰＬＣ２００に送られる。

ＰＬＣ２００は、設計された制御プログラムを実行し、実行の結果に従ってロボットコントローラ３１０またはサーボモータドライバ５３１，５３２に対してそれぞれ目標値を与えることで、ロボット３０およびコンベア２３０の搬送に関連する機械などを制御する。

ＰＬＣ２００には、ロボットコントローラ３１０およびサーボモータドライバ５３１，５３２が接続されている。ＰＬＣ２００、ロボットコントローラ３１０およびサーボモータドライバ５３１，５３２は、フィールドネットワーク２２を介してデイジーチェーンで接続されている。フィールドネットワーク２２には、たとえば、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）が採用される。但し、フィールドネットワーク２２は、ＥｔｈｅｒＣＡＴに限定されない。

同様に、サーボモータドライバ５３１，５３２は、コンベア２３０のサーボモータ４１，４２を駆動する。サーボモータ４１，４２の回転軸にはエンコーダ２３６，２３８が配置されている。当該エンコーダは、サーボモータ４１，４２のフィードバック値として、サーボモータの位置（回転角度）、回転速度、累積回転数などをＰＬＣ２００へ出力する。

ロボット３０とコンベア２３０は、相互に連携しながらワーク２３２を移動させる。なお、ここでは説明を簡単にするために、ワーク２３２の移動を説明するが、移動に限定されない。例えば、トレイ９に載置されたワーク２３２のロボット３０による加工であってもよい。

図２では、ロボット３０のドライブ装置の一例として、ロボット３０に設けられるサーボモータ１３０１～１３０４（以下、「ロボットサーボモータ」とも総称する。）と、ロボットサーボモータを駆動するロボットコントローラ３１０を例示する。同様に、コンベア２３０のドライブ装置の一例として、コンベア２３０に設けられるサーボモータ４１，４２を駆動するサーボモータドライバ５３１，５３２を例示する。ロボット３０は駆動されることにより、その挙動は、直交するＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸の３次元空間内で変化する。コンベア２３０は駆動されることにより、その挙動はロボット３０と同じ３次元空間内において規定されるが、Ｘ軸およびＹ軸の平面内において規定される。

ドライブ装置としては、サーボドライバに限定されることなく、被駆動装置であるモータに応じて、対応するドライブ装置が採用される。たとえば、誘導モータまたは同期モータを駆動する場合には、ドライブ装置として、インバータドライブなどが採用されてもよい。

ロボットコントローラ３１０は、ロボット３０のロボットサーボモータを駆動する。各ロボットサーボモータの回転軸にはエンコーダ（図示しない）が配置されている。当該エンコーダは、ロボットサーボモータのフィードバック値として、サーボモータの位置（回転角度）、回転速度、累積回転数などをロボットコントローラ３１０へ出力する。

＜Ｃ．制御と仮想空間の位置＞
図２を参照して、制御システム２におけるロボット３０とコンベア２３０の制御について説明する。ロボット３０とコンベア２３０は、上記に述べたように、複数の駆動軸により移動可能な可動部を有する。これらの各駆動軸は、サーボモータによって駆動される。具体的には、ロボット３０は、ロボットサーボモータ（サーボモータ１３０１～１３０４）が回転することで駆動される複数のアームを有している。ロボットサーボモータは、それぞれ回転することで、対応する各アームを駆動する。ロボットコントローラ３１０がロボットサーボモータの駆動を制御することで、各アームが３次元に駆動される。このような各アームの駆動により、ロボット３０の挙動が実現される。同様に、コンベア２３０も、サーボモータ４１，４２が回転することでコンベア２３０および搬送面上のトレイ９が移動する。この移動量（移動の速度、向き、距離など）は、サーボモータ４１，４２の回転量（回転の向き、角度）により決まる。このようなサーボモータ４１，４２の駆動により、コンベア２３０およびトレイ９などの機器の挙動が実現される。

実施の形態では、ロボット３０の各アームは、仮想的な軸が対応付けられ、各軸の位置からロボット３０の位置が決まる。制御システム２は、ロボット３０の各軸の時系列に変換する目標位置に従い制御し、これにより、各アームの移動の速度および軌道は、目標に従う速度および軌道となるように変化する。

ロボット３０の目標位置は、例えばＰＬＣ２００に予め格納されている。ロボットコントローラ３１０は、ＰＬＣ２００から目標位置を受信し、受信した目標位置に基づき各ロボットサーボモータの回転量を決定し、決定した回転量を指定する指令値を、各ロボットサーボモータに対し出力する。

（ｃ１．３次元仮想空間の座標系）
本実施の形態にかかるロボット３０の各アームに相当する軸の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）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）をｘｙｚの３次元仮想空間における位置に変換することができる。図２では、例えばワーク２３２をピックするアームの軸の３次元仮想空間に対応したワールド座標系における位置である３次元座標Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）を示すが、他の軸の対応する３次元座標も同様に算出することができる。たがって、各アームの３次元座標Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）の時系列の変化によりロボット３０の３次元仮想空間における挙動を示すことができる。

また、実施の形態では、説明を簡単にするために、ワーク２３２をピックするアームの軸の３次元座標Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）を、後述する３次元仮想空間における「衝突」を検出するためのロボットハンド２１０に対応したオブジェクトの位置を算出するために用いる。なお、このような「衝突」の検出には、他の軸の３次元座標Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）を用いてもよく、または２つ以上の軸の３次元座標Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）の組合せを用いてもよい。

コンベア２３０も、ロボット３０と同様に、コンベア２３０の挙動が目標挙動を示すように、コンベア２３０の移動の速度および軌道は目標位置を示すように時系列に変化する。コンベア２３０の目標位置は、ＰＬＣ２００に予め格納されている。

サーボモータドライバ５３１，５３２は、ＰＬＣ２００からの目標位置に基づきサーボモータ４１，４２の回転量を決定し、決定した回転量を指定する指令値を、サーボモータ４１，４２に対し出力する。このようなサーボモータ４１，４２の回転量に対し、所定関数を用いて演算を施すことで、コンベア２３０についても、ロボット３０と同じ３次元仮想空間に対応するワールド座標系における３次元座標Ｑ（ｘ、ｙ、０）に変換することができる。このような３次元座標Ｑ（ｘ、ｙ、０）の時系列の変化によりコンベア２３０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、コンベア２３０の３次元仮想空間における位置から、コンベア２３０の搬送面上に載置されたトレイ９の位置と、トレイ９に配置されたワーク２３２の位置が決まる。

なお、ここでは、コンベア２３０は平面内の挙動を示すことから、３次元座標Ｑのｚ軸は値０で固定としているが、他の固定値であってもよい。

（ｃ２．時刻同期の制御）
図２を参照して、制御システム２における時刻同期を説明する。制御システム２において、フィールドネットワーク２２に接続される複数の機器、すなわちＰＬＣ１００、ロボットコントローラ３１０、サーボモータドライバ５３１，５３２およびロボットハンド２１０は、互いに時刻同期されたタイマ９０～９４をそれぞれ有し、機器の間では、これらタイマに基き動作することで、制御指令を含むデータの送受信タイミングが同期されている。このタイマは、同期してインクリメントまたはデクリメントされるカウンタに相当する。

なお、本実施の形態では「タイミング」は何らかの事象が生じる時期、時間または時刻の概念を表す。また、「時刻同期」とはお互いの装置が有するタイマ，時間データ等を同期させることを示す。

＜Ｄ．制御システムの全体構成＞
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には、図２の構成を備える制御システム２の全体的な構成が示される。

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、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。

ＰＬＣ２００は、主たる演算処理を実行する演算ユニット１３、１つ以上のＩＯユニット１４および特殊ユニット１７を含む。これらのユニットは、システムバス８１を介して、データを互いに遣り取りできるように構成されるとともに、電源ユニット１２から電源が供給される。演算ユニット１３には、シミュレーション装置１が接続される。

ＩＯユニット１４は、光電センサ６、ストッパ８の近接センサ８７、エンコーダ２３６，２３８などを含むＩＯデバイスから検出値６１、７１および２３７および２３９を収集する。近接サンサ８７は、ストッパ８に対するトレイ９が所定距離まで接近したことを非接触で検出する。各ＩＯデバイスからの検出値は、例えばＩＯユニット１４が備えるメモリの対応ビットに設定（書込）される。演算ユニット１３は、ＩＯユニット１４により収集された値を用いて制御プログラムの演算を実行し、演算結果の値をＩＯユニット１４の対応のビットに設定（書込）する。周辺機器またはＩＯデバイスは、ＩＯユニット１４の各ビットの値を参照して動作する。このように、ＰＬＣ２００は、ＩＯユニット１４を介してＩＯデバイスおよび周辺機器と相互にデータを遣り取りしながら、制御対象であるロボット３０またはコンベア２３０を制御することができる。

特殊ユニット１７は、アナログデータの入出力、温度制御、特定の通信方式による通信といった、ＩＯユニット１４ではサポートしない機能を有する。

フィールドネットワーク２２は、ロボットコントローラ３１０、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が接続されてもよい。いる。リモートＩＯターミナル５は、基本的には、ＩＯユニット１４と同様に、一般的な入出力処理に関する処理を行う。より具体的には、リモートＩＯターミナル５は、フィールドネットワーク２２でのデータ伝送にかかる処理を行うための通信カプラ５２と、１つ以上のＩＯユニット５３とを含む。これらのユニットは、リモートＩＯターミナルバス５１を介して、データを互いに遣り取りできるように構成される。

サーボモータドライバ５３１，５３２は、フィールドネットワーク２２を介して演算ユニット１３と接続されるとともに、演算ユニット１３からの指令値に従ってサーボモータ４１，４２を駆動する。具体的には、サーボモータドライバ５３１，５３２は、ＰＬＣ２００からタイマ９０に同期した制御周期などの一定周期で、位置指令値、速度指令値、トルク指令値といった指令値を受ける。演算ユニット１３は、これら指令値を、エンコーダ２３６，２３８からの検出値２３７，２３９に基き生成する。

演算ユニット１３は、上記に述べたＩＯデバイスからの検出値を参照して、所定の制御プログラムを実行することで、ロボット３０にピックアンドプレースを実施させる。具体的には、演算ユニット１３は、光電センサ６の検出値６１および近接センサ８７の検出値７１からワーク２３２が、所定のトラッキングエリアに接近したことを検出すると、ピックアンドプレースを実施させるロボットアームのための制御指令２１１と、ロボットハンド２１０のための制御指令２２２を生成し、ロボットコントローラ３１０を介してロボット３０に出力する。制御指令２１１を生成する際には、上記に述べたＩＯデバイスからの検出値６１，７１に加えて、ロボット３０の状態値を参照する。

＜Ｅ．ハードウェア構成＞
次に、本実施の形態に係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。

図４は、本実施の形態に係るシミュレーション装置１を実現するためのハードウェア構成の一例を示す模式図である。シミュレーション装置１は、図４に示すような情報処理装置１００が必要なプログラムを実行することで実現される。

情報処理装置１００は、主たるコンポーネントとして、オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating System）および後述するような各種プログラムを実行するプロセッサ１０２と、プロセッサ１０２でのプログラム実行に必要なデータを格納するための作業領域を提供する主メモリ１０４と、キーボードやマウスなどのユーザ操作を受付ける操作ユニット１０６（操作受付部）と、ディスプレイ１０９、各種インジケータ、プリンタなどの処理結果を出力する出力ユニット１０８と、ネットワーク８０を含む各種ネットワークに接続されるネットワークインターフェイス１１０と、光学ドライブ１１２と、外部装置と通信するローカル通信インターフェイス１１６と、ストレージ１１１とを含む。これらのコンポーネントは、内部バス１１８などを介してデータ通信可能に接続される。

情報処理装置１００は、光学ドライブ１１２を有しており、コンピュータ読取可能なプログラムを非一過的に格納する光学記録媒体（例えば、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）など）を含むコンピュータ読取可能な記録媒体１１４から、各種プログラムを読取ってストレージ１１１などにインストールする。

情報処理装置１００で実行される各種プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体１１４を介してインストールされてもよいが、ネットワーク上の図示しないサーバ装置などからネットワークインターフェイス１１０を介してダウンロードする形でインストールするようにしてもよい。

ストレージ１１１は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Flash Solid State Drive）などで構成され、プロセッサ１０２で実行されるプログラムを格納する。具体的には、ストレージ１１１は、本実施の形態に係るシミュレーションを実現するためのシミュレーションプログラムとして、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と、ＰＬＣシミュレーションプログラム１２６と、ロボットエミュレーションプログラム１３０と、統合プログラム１３４を格納する。ストレージ１１１は、さらに、仮想空間に配置されたオブジェクトを表示する画像を生成する画像処理プログラム１３６を格納する。

仮想時刻生成プログラム１２０は、シミュレーションのための仮想時刻を生成する。シミュレーション装置１は、仮想時刻に基づき周期でシミュイレーションを実行する。

物理シミュレーションプログラム１２２は、ワーク２３２の移動に関連して動作する機器に対応するオブジェクトの挙動を算出する。物理シミュレーションプログラム１２２により対応するオブジェクトの挙動が算出される機器は、例えば、ワーク２３２の搬送または移動に関連する光電センサ６、コンベア２３０、トレイ９、ストッパ８およびロボットハンド２１０を含む。物理シミュレーションプログラム１２２には、このような機器に対応したオブジェクトの挙動を規定するためのパラメータ、および、ワーク２３２の重さまたは形状などを規定するパラメータを含む、物理シミュレーションパラメータ１２４が与えられる。物理シミュレーションパラメータ１２４の値は、ユーザ操作または統合プログラム１３４などにより適宜変更されるようにしてもよい。

物理シミュレーションパラメータ１２４として、ワーク２３２の搬送または移動に関連した機器およびワーク２３２のＣＡＤ（Computer Aided Design）データを用いてもよい。ＣＡＤデータを用いることで、オブジェクトを用いて現実の機器の挙動をより正確に再現できる。

ＰＬＣシミュレーションプログラム１２６は、物理シミュレーションプログラム１２２により対応のオブジェクトの挙動が算出される機器およびワーク２３２の位置を算出する。算出された位置は、物理シミュレーションプログラム１２２に与えられる。ＰＬＣシミュレーションプログラム１２６には、上記の位置を算出するために必要なパラメータを含むＰＬＣパラメータ１２８が与えられる。

ロボットエミュレーションプログラム１３０は、ロボット３０の挙動をオブジェクトによって再現するシミュレータとして機能する。ロボットエミュレーションプログラム１３０は、物理シミュレーションプログラム１２２によって算出される結果（オブジェクトの挙動）に基づいて、ロボット３０によるワーク２３２のピックアンドプレースを再現する。ロボットエミュレーションプログラム１３０には、ロボット３０の挙動を対応するオブジェクトで再現するために必要なパラメータを含むロボットパラメータ１３２が与えられる。

中継プログラム１２１は、物理シミュレーションプログラム１２２とロボットエミュレーションプログラム１３０とが互いのデータを遣り取りするための中継機能を提供する。中継プログラム１２１は、限定されないが、例えばスクリプトの命令で記述されている。

統合プログラム１３４は、物理シミュレーションプログラム１２２と、ＰＬＣシミュレーションプログラム１２６と、ロボットエミュレーションプログラム１３０と、中継プログラム１２１とを互いに連携させるための処理を実行する。具体的には、統合プログラム１３４は、典型的には主メモリ１０４上に、仮想空間のオブジェクトの状態を記述する仮想空間情報１０５を生成および更新する。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、および、ロボットエミュレーションプログラム１３０は、仮想空間情報１０５を参照（読出）して各シミュレーションの処理を実行するとともに、その実行結果のうち必要な情報を仮想空間情報１０５に反映する。統合プログラム１３４が提供する機能により、ワーク２３２を搬送する機器と、ピックアンドプレースによりワーク２３２を移動させるロボット３０とを備える制御システム２における、機器の挙動および処理を再現する。

画像処理プログラム１３６は、仮想空間情報１０５に基づきディスプレイ１０９に表示するための３Ｄビジュアライズデータ１３５が与えられる。３Ｄビジュアライズデータ１３５は、軌跡データ２５２と画像データ２５３を含む。画像データ２５３は、シミュレートされる機器に対応のオブジェクトを描画するためのデータを含み、軌跡データ２５２は、仮想空間情報１０５の各機器の位置に所定関数を用いて算出された３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）およびその時系列データを含む。画像処理プログラム１３６は、このような３Ｄビジュアライズデータ１３５を用いて、ワーク２３２，ワーク２３２の搬送に関連する機器およびロボット３０、ロボット３０に装着されたロボットハンド２１０に対象のオブジェクトの挙動を、３次元仮想空間内で立体的に描画するための画像データを生成し、ディスプレイ１０９に出力する。これにより、ディスプレイ１０９には、シミュレーションにより算出された挙動に従いオブジェクトが表示されて、制御システム２の機器の挙動が再現される。することができる。なお、画像データ２５３は、ＣＡＤデータなどを含んでもよい。

図４には、単一の情報処理装置１００でシミュレーション装置１を実現する例を示したが、複数の情報処理装置を連係させてシミュレーション装置１を実現するようにしてもよい。この場合には、シミュレーション装置１を実現するために必要な処理の一部を情報処理装置１００で実行させるとともに、残りの処理をネットワーク上のサーバ（クラウド）などで実行するようにしてもよい。

図４には、プロセッサ１０２が１または複数のプログラムを実行することで、シミュレーション装置１が実現される例を示すが、シミュレーション装置１を実現するために必要な処理および機能の一部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などを用いて実装するようにしてもよい。

＜Ｆ．機能構成＞
次に、本実施の形態に係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、本実施の形態に係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および画像処理プログラム１３６など）を実行することで実現される。

図５を参照して、シミュレーション装置１は、備える機能として、仮想空間情報管理モジュール１５０と、ＰＬＣシミュレータ１５２と、周期生成モジュール１５４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、ビジュアライザ１６４とを含む。

仮想空間情報管理モジュール１５０は、統合プログラム１３４（図４）が実行されることで実現され、シミュレーションが実施される仮想空間の各オブジェクトの挙動（位置および姿勢など）の情報を規定する仮想空間情報１０５を管理する。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、ＰＬＣシミュレーションプログラム１２６（図４）が実行されることで実現され、物理シミュレーションパラメータ１２４に従って、ワーク２３２の搬送に関連する機器に対応のオブジェクトの挙動を算出する。ＰＬＣシミュレータ１５２により算出される情報は、仮想空間情報１０５に反映される。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、ワーク２３２の搬送にかかる機器の挙動を推定するプログラムであって、ＰＬＣプログラムに含まれた複数の命令を含むシミュレーションプログラムに相当する。これら複数の命令は、ＰＬＣプログラムに含まれた搬送にかかる機器の挙動を制御するための命令群を含み得る。ＰＬＣプログラムは、例えばサイクリック実行型言語（例えば、ラダー言語）で記載されたプログラム言語）で記述される。

ＰＬＣシミュレータ１５２のこれら命令は、仮想空間情報１０５のデータに基づき実行される毎に、例えばコンベア２３０のサーボモータ４１，４２を制御するための指令値が生成されて、仮想空間情報１０５に格納される。このような指令値は共有データ１２Ａ（図１）として示される。

ロボットエミュレータ１６０は、仮想空間に配置されたワーク２３２を移動させるロボット３０の挙動を算出する。より具体的には、ロボットエミュレータ１６０は、ロボットエミュレーションプログラム１３０（図４）が、ロボットパラメータ１３２に基づき実行されることで実現される。ロボットエミュレータ１６０により算出されるロボット３０の挙動の情報は、仮想空間情報１０５に反映される。ロボットエミュレータ１６０は、ロボット３０のアームおよびその先端に装着されたロボットハンド２１０を一体的な剛体とみなしてシミュレーションを実施する。

具体的には、ロボットエミュレーションプログラム１３０は、ロボットコントローラ３１０のプログラムに含まれる命令群を含む。この命令群は、ロボット３０にワーク２３２を操作させる指令コードを有したロボットプログラムの指令を含む。これら指令は、仮想空間情報１０５の共有データ１２Ａ（ＰＬＣシミュレータ１５２の出力データを含む）に基づき、ロボット３０の目標の軌跡を算出し、算出された軌跡に基づき各軸の挙動を示す指令値など算出する命令などを含む。

ロボットエミュレータ１６０の命令が、仮想空間情報１０５のデータ（ＰＬＣシミュレータ１５２からの出力データを含む）に基づき実行されると、ロボット３０の各軸のための指令値が生成されて、仮想空間情報１０５にデータとして格納される。このような指令値は、共有データ１２Ａ（図１）として示される。

このように、ＰＬＣシミュレータ１５２とロボットエミュレータ１６０により生成される指令値は、ロボット３０とコンベア２３０のワーク２３２の搬送にかかる機器（コンベア２３０のサーボモータ４１，４２など）の推定された挙動を示し得る。また、ＰＬＣシミュレータ１５２とロボットエミュレータ１６０は、仮想空間情報１０５の共有データ１２Ａを介して、それぞれ、他方が算出した指令値に基づき、新たな指令値を算出する。したがって、このように算出される指令値により推定されるサーボモータの挙動により、ロボット３０とワーク２３２の搬送にかかる機器の相互の連携した動作が示され得る。

ワーク挙動シミュレータ１５５は、仮想空間に配置された１または複数のワーク２３２のオブジェクトの挙動を算出する。具体的には、ワーク挙動シミュレータ１５５は、物理シミュレーションプログラム１２２（図４）が実行されることで実現され、ＰＬＣシミュレータ１５２によるワーク２３２の搬送機器に対応するオブジェクトの挙動の情報に応じて、仮想空間に配置されるワーク２３２の挙動を算出して更新する。ワーク挙動シミュレータ１５５は、ワーク２３２の挙動を算出するにあたって、ワーク２３２の位置、姿勢、移動速度、移動方向などを算出する。ワーク２３２の位置および姿勢は、ユーザなどから任意に設定されるワークパラメータに基づいて算出される。ワーク挙動シミュレータ１５５により算出されるワーク２３２の位置および姿勢の情報は、仮想空間情報１０５に反映される。ワークパラメータは、物理シミュレーションパラメータ１２４に含めることもできる。

物理シミュレータ１５６は、物理シミュレーションプログラム１２２（図４）が実行されることで実現される。物理シミュレータ１５６は、物理シミュレーションパラメータ１２４に従い、ワーク２３２を搬送または移動させるための機器に対応するオブジェクトの挙動（位置、姿勢、移動速度、移動方向など）を算出するとともに、これらオブジェクトどうしの仮想空間における衝突を検出する。衝突の検出結果は、ＰＬＣシミュレータ１５２またはロボットエミュレータ１６０に出力される。

物理シミュレータ１５６は、仮想空間において算出されたオブジェクトどうしの位置関係に基づき、オブジェクトどうしの衝突の有無を検出する。「衝突」は、例えば、仮想的空間におけるオブジェクトの座標Ｐと他のオブジェクトの座標Ｑとの両者の距離とが、例えば閾値以下の距離を含む特定距離であるとことを含む。または、座標Ｐと次位の座標Ｐを結ぶ軌跡が、対応の座標Ｑと次位の座標を結ぶ軌跡と交差したことを含む。閾値は、各オブジェクトのサイズ（幅、高さなど）に基づく値であって、例えば、閾値またはオブジェクトのサイズは物理シミュレーションパラメータ１２４に含まれ得る。なお、「衝突」を検出するための位置関係は、これらの位置関係に限定されない。

図６は、本実施の形態にかかる物理シミュレータ１５６のシミュレーション対象を説明する図である。物理シミュレータ１５６が挙動を算出するとともに、衝突を検出するオブジェクトは、図６に示されるように、光電センサ６、ストッパ８、トレイ９、ロボットハンド２１０、コンベア２３０およびワーク２３２を含む。物理シミュレータ１５６は、これらオブジェクトの位置、姿勢などの挙動を所定の物理演算に従い算出し、算出された位置などの挙動に基きオブジェクトの衝突を検出する。物理シミュレータ１５６は、この物理演算に用いるパラメータのうち、オブジェクトの質量のパラメータをゼロに設定して演算を実施する。

質量をゼロにセットする意味は次の通りである。すなわち、質量のパラメータがゼロでない場合、物理シミュレータ１５６は物理演算により各オブジェクトについて、当該オブジェクトの質量に基づく速度、加速度および重力などのオブジェクトに対する力学的作用の成分を算出し、その算出された力学的作用の成分によって、物理シミュレータ１５６が次のタイムステップにおけるオブジェクトの位置を計算（更新）することになる。その一方で、本実施の形態では、ＰＬＣシミュレータ１５２およびロボットエミュレータ１６０が各オブジェクトの位置を決定（支配）することになる。したがって、物理シミュレータ１５６によるオブジェクトの位置の更新成分をゼロ（無効化）するために、物理シミュレータ１５６の物理演算に用いる各オブジェクトの質量のパラメータをゼロに設定する。

物理演算により質量をゼロとして位置（挙動）が算出されたオブジェクトについては速度、加速度、重力などもゼロとなっているから、これらオブジェクトどうしが衝突した場合でも、物理演算では力学的成分（反発などのようなオブジェクトの跳ね返りなどの成分）はゼロ（無効化）と算出されるので、オブジェクトの衝突を、力学的作用が無効化されたオブジェクトの位置に基き検出することができる。

ワークトラッキングモジュール１６２は、ロボットエミュレーションプログラム１３０が実行されることで実現され、ロボットエミュレータ１６０からのロボット３０の挙動情報に基づいて、仮想空間においてロボット３０によりピックアンドプレースされるワーク２３２をトラッキングする。ワークトラッキングモジュール１６２によりトラッキングされるワーク２３２の位置情報（ワーク位置）は、仮想空間情報１０５に反映される。

３Ｄビジュアライザ１６４は、仮想空間を視覚化した画像を生成する画像生成部に相当する。３Ｄビジュアライザ１６４は、仮想空間情報管理モジュール１５０が管理する仮想空間情報１０５に基づいて、仮想空間の各オブジェクト（ワーク２３２、ワーク２３２の搬送に関連する機器、ロボット３０、ロボットハンド２１０など）の挙動を視覚化する。

周期生成モジュール１５４は、仮想時刻生成プログラム１２０が実行されることにより実現される。周期生成モジュール１５４は、プロセッサ１０２が有するタイマ（図示せず）の出力に基づき、タイマの出力に同期した信号ＳＴを他の各部に出力する。各部は、周期生成モジュール１５４から信号ＳＴが出力される周期（以下、所定のタイムステップという）に同期して処理またはプログラムを実行する。これにより、図５の各部は、所定のタイムステップ毎に互いに同期して実行される。信号ＳＴの周期は、図３の制御システム２のフィールドネットワーク２２の通信周期（以下、「制御周期」ともいう。）に基き決定されてもよい。

図５に示すような各機能が互いに連携することで、シミュレーション対象のシステム（例えば、制御システム２）の挙動を高精度に再現できる。

＜Ｇ．シミュレーション＞
図７は、本実施の形態にかかるシミュレーション装置１の処理のシーケンスの一例を模式的に示す図である。図７では、シミュレーション装置１の各部の処理が、周期生成モジュール１５４、ＰＬＣシミュレータ１５２、ロボットエミュレータ１６０、中継モジュール１５８および物理シミュレータ１５６の各部間で遣り取りされるデータまたは指令と関連付けて示される。これら各部間で遣り取りされるデータは、これら各部間で共有するワールド座標系の座標に対応した位置を含む。また、これら遣り取りされるデータまたは指令は、仮想空間情報１０５を介して遣り取りされるデータまたは指令を含み得るが、図７では、説明のために、仮想空間情報１０５および仮想空間情報管理モジュール１５０の図示は略されている。

図７を参照して、シミュレーション装置１は、物理シミュレーションパラメータ１２４のうち図６に示されたワーク２３２およびワーク２３２の搬送または移動にかかる機器に対応のオブジェクトの質量パラメータをゼロに設定する（ステップＴ１）。その後、各部を起動させてステップＴ２以降の処理を開始する。ステップＴ２の処理は、周期生成モジュール１５４が出力する信号ＳＴに基づく所定のタイムステップ毎に、繰り返し実行される。３Ｄビジュアライザ１６４は、タイムステップよりも長い周期毎に、３Ｄ画像をディスプレイ１０９に描画するための画像を生成する処理（ステップＴ３）を実施する。これにより、シミュレーション装置１は、例えば、ステップＴ２の周期処理が複数回繰り返し実行された結果を示す仮想空間情報１０５および３Ｄビジュアライズデータ１３５に基づき、シミュレーション結果を示す３Ｄ画像を生成し、ディスプレイ１０９に表示させることができる。

周期生成モジュール１５４は操作ユニット１０６を介してユーザから起動指令を受付けると起動されて、信号ＳＴの出力を開始する。これにより、ステップＴ２の周期処理が開始する。さらに、周期処理の開始時に、中継モジュール１５８は、物理シミュレータ１５６にオブジェクトの位置（座標）を、初期設定する指令を出力する（ステップＳ１）。物理シミュレータ１５６は、当該指令に従い各オブジェクトの位置（座標）を仮想空間情報１０５が有する初期位置に設定する。

周期生成モジュール１５４は、周期処理（ステップＴ１）が開始されるとき、サーボモータの駆動の指令Tickを出力する（ステップＳ３）。ＰＬＣシミュレータ１５２は、周期生成モジュール１５４からの指令Tickに従いシミュレーションプログラムを実行し、ロボット３０を待機させるための指令Tickを生成して出力する（ステップＳ５）とともに、光電センサ６の入力変数にＯＮを設定する（ステップＳ９）。これにより、サーボモータ４１，４２が駆動されてコンベア２３０が移動し、コンベア２３０の位置が光電センサ６により検出されるという一連の挙動が算出される。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、さらに、コンベア２３０の移動に伴う搬送面上のトレイ９の位置を更新する（ステップＳ１１）。物理シミュレータ１５６は、当該更新に応答して、衝突検出の演算処理を実施する（ステップＳ１３）。具体的には、物理シミュレータ１５６は、ステップＳ１で設定されたトレイ９のオブジェクトの位置に、仮想空間情報１０５の更新後のトレイ９の位置を上書きして更新するとともに、更新後のトレイ９の位置と光電センサ６の位置に基づき、ワールド座標系における上述した衝突の有無を検出する（ステップＳ１３）。ここでは、物理シミュレータ１５６は、トレイ９と光電センサ６のオブジェクトどうしの衝突を検出する。物理シミュレータ１５６は、トレイ９と光電センサ６の衝突を検出した旨を出力する（ステップＳ１５）。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、物理シミュレータ１５６から出力された上記の衝突検出に応答して、トレイ９がストッパ８に近づくように、トレイ９の位置を更新（変更）し（ステップＳ１９）、ストッパ８を閉じる（すなわち、ストッパ８の位置を更新する）指令を出力する（ステップＳ２３）。

物理シミュレータ１５６は、ステップＳ２３の指令に応答して、衝突検出の演算処理を実施する（ステップＳ２５）。具体的には、物理シミュレータ１５６は、ステップＳ１で設定されたストッパ８とトレイ９のオブジェクトの位置に、それぞれ、仮想空間情報１０５の更新後の位置を上書きして更新するとともに、更新後のトレイ９の位置とストッパ８の位置とに基づき、ワールド座標系における上述した衝突の有無を検出する（ステップＳ２５）。ここでは、物理シミュレータ１５６は、トレイ９とストッパ８のオブジェクトどうしの衝突を検出する。物理シミュレータ１５６は、トレイ９とストッパ８の衝突を検出した旨を出力する（ステップＳ２９）。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、物理シミュレータ１５６からの出力（トレイ９がストッパ８に衝突したことの検出）に応答して、ロボット３０にワーク２３２の位置を設定する指令を出力する（ステップＳ３３）。このワーク２３２の位置は、ステップＳ１９における更新後のトレイ９の位置に基づいた位置を示す。

中継モジュール１５８は、ステップＳ３３でＰＬＣシミュレータ１５２から出力された指令に応答して、物理シミュレータ１５６とロボットエミュレータ１６０との間で、ロボットハンド２１０でワーク２３２をピックする挙動を算出するためのデータの遣り取りを中継するための処理を開始する（ステップＳ３５）。

具体的には、中継モジュール１５８は、ロボットハンド２１０でワーク２３２をピックする指令を出力する（ステップＳ３９）。ロボットエミュレータ１６０は、中継モジュール１５８から出力された当該指令に応答して、ロボットハンド２１０の位置を、ワーク２３２の位置に基づき更新する（ステップＳ４３）。

物理シミュレータ１５６は、更新されたロボットハンド２１０の位置とワーク２３２の位置とに基づき、衝突検出の演算を実行し（ステップＳ４５）、演算結果に基づき、ロボットハンド２１０がワーク２３２に衝突したかを検出する。

中継モジュール１５８は、物理シミュレータ１５６の出力に基づき、ロボットハンド２１０がワーク２３２と衝突したことを判断する（ステップＳ４７）。判断に応答して、中継モジュール１５８は、仮想空間情報１０５におけるロボットハンド２１０とワーク２３２のオブジェクトの挙動に関連した情報をグルーピング（相互に関連付）する（ステップＳ４９）。中継モジュール１５８は、その後、ロボットハンド２１０のハンドが閉じた状態を示す変数をＯＮに設定する（ステップＳ５３）。

ＰＬＣシミュレータ１５２は、中継モジュール１５８がロボットハンド２１０のハンドの変数をＯＮに設定したことに応じて、プレース場所（テーブル５５の位置）まで、ピックしたままでワーク２３２を移動させることの指令を出力する（ステップＳ５５）。テーブル５５の位置は、ロボットエミュレータ１６０に設定されている。これにより、ステップＴ２の当該タイムステップにおける処理は終了する。

ロボットエミュレータ１６０は、ＰＬＣシミュレータ１５２からの指令（ステップＳ５５の指令）に応答して、ロボットハンド２１０とワーク２３２の位置を更新する指令を物理シミュレータ１５６に出力する（ステップＳ５７）とともに、プレース完了の通知を中継モジュール１５８に出力する（ステップＳ６１）。物理シミュレータ１５６は、ロボットエミュレータ１６０からの指令（ステップＳ５７）に応答して、物理シミュレータ１５６が有するロボットハンド２１０とワーク２３２の位置を、プレースされた位置に対応するように更新する。

その後は、次のタイムステップにおいて、ステップＴ２の処理が上記に述べた手順と同様に実行される。

ステップＴ３では、３Ｄビジュアライザ１６４は、物理シミュレータ１５６から、物理シミュレータ１５６が算出したワーク２３２および各機器（図５）の位置を取得し（ステップＳ７３）、取得した位置と画像データ２５３が示す対応するオブジェクトのデータを含む３Ｄビジュアライズデータ１３５とに基づき、レンダリング（Render）処理を実施し（ステップＳ７５）、ロボットエミュレータ１６０が算出したロボット３０の挙動が示す位置を仮想空間情報１０５から取得する（ステップＳ７７）。３Ｄビジュアライザ１６４は、レンダリング処理後のオブジェクトのデータとロボット３０の位置とから、ディスプレイ１０９に描画する画像のデータを生成する。

図６のシーケンスでは、物理シミュレータ１５６における衝突検出処理（ステップＳ１３、Ｓ２５およびＳ４５）それぞれにおいて、衝突が検出されないときは、ステップＴ２における以下の処理をスキップしてもよい。

これにより、シミュレーション装置１は、ロボットハンド２１０がワーク２３２と衝突したことが検出される（ステップＳ４５）までのタイムステップをカウントすることにより、シミュレートされたＰＬＣプログラムおよびロボットプログラムにより制御システム２（図２）を駆動させた場合のタクトタイムを見積りことができる。

また、ロボットハンド２１０の種類毎に、物理シミュレータ１５６が参照する物理シミュレーションパラメータ１２４を切り替えることにより、１個の物理シミュレータ１５６をロボット３０に装着される複数種類のロボットハンド２１０に共用することができる。

また、周期生成モジュール１５４からの信号ＳＴに基づき、ＰＬＣシミュレータ１５２、ロボットエミュレータ１６０、中継モジュール１５８および物理シミュレータ１５６を互いに時刻同期させることができるので、シミュレーションを繰り返し実行する場合に、各シミュレーションにおいて同じ衝突検出を再現することができる。

また、図６では、ロボットハンド２１０およびワーク２３２の位置は、物理シミュレータ１５６で算出されたが、これらの位置は、ロボットエミュレータ１６０で算出してもよい。また、ユーザは、これら位置をロボットエミュレータ１６０および物理シミュレータ１５６のいずれで算出するかを指定してもよい。

＜Ｈ．表示例＞
図８は、本実施の形態にかかる表示の一例を示す図である。図８では、例えば、ロボットハンド２１０がワーク２３２に衝突が検出された時点で、３Ｄビジュアライザ１６４の処理が開始されるケースを示している。図７を参照して、３Ｄビジュアライザ１６４が生成した画像により、ディスプレイ１０９には領域１０９２に３Ｄ画像が描画される。図７のディスプレイ１０９の領域１０９１には、シミュレーションされているプログラムの一部が表示されている。領域１０９２の３Ｄ画像では、ロボットハンド２１０がワーク２３２に衝突１０９３が検出（図７のステップＳ４５）された状態が示されている。

＜Ｉ．実機との組合せ＞
図９は、本実施の形態にかかるシミュレーション装置１と実機の組合せの一例を模式的に示す図である。図９によれば、実機に仮想の機器（ＰＬＣ２００またはロボット３０）を組合せた場合の当該機器の挙動を算出することができる。具体的には、ロボット３０とデータ（共有データ１２Ａ）を遣り取りしながら連携動作するＰＬＣ２００について、シミュレーション装置１は、両者の少なくとも一方のデータの取得経路を、図２のような生産ラインに備えられる実機とすることができる。

図９では、シミュレーション装置１が搭載される情報処理装置１００が実機の一例であるＰＬＣ２００にネットワーク８０を介して接続されたシーンが示される。具体的には、ＦＡシステムのネットワーク２２０には、実機のＰＬＣ２００は接続されているが、ロボット３０は接続されていない。ロボット３０の挙動は、実機のＰＬＣ２００からのデータを用いて情報処理装置１００のシミュレーション装置１によって算出される。

図９では、シミュレーション装置１は、ＰＬＣシミュレータ１５２を起動せずに（ＰＬＣシミュレータ１５２に代えて）実機の稼働中のＰＬＣ２００からワーク２３２の搬送にかかる機器への指令値などを示すデータを受信し、受信したデータを仮想空間情報１０５（共有データ１２Ａ）に設定する。これにより、シミュレーション装置１では、ロボットエミュレータ１６０と実機のＰＬＣ２００との間で仮想空間情報１０５を介したデータの遣り取りをしながら、実機のＰＬＣ２００と連携して動作するロボット３０に対応するオブジェクトの挙動が推定されて、推定された挙動に基き物理シミュレータ１５６によって衝突が検出される。

このようにシミュレーション装置１が実機と組合せられる場合、実機の動作速度にかかる制御周期は、一般的にシミュレーション装置１のタイムステップの周期よりも短いので、シミュレーション装置１はシミュレーションのタイムステップに整合するように実機の制御周期を調整する。

なお、図９では、実機のＰＬＣ２００とロボットエミュレータ１６０の組合せであったが、これに限定されず、実機のロボット３０とＰＬＣシミュレータ１５２の組合せであってもよい。

＜Ｊ．ロボット３０のケーブルのシミュレーション＞
本実施の形態では、ロボット３０の動作に伴うケーブルの挙動を算出（再現）するためのケーブルシミュレーションを提供することができる。本実施の形態では、ロボット３０に付属するケーブルであってロボット３０に装着可能なケーブルとそれに関連する機器の挙動をシミュレーションする。

図１０では、例えば多関節のロボット３０におけるケーブルをガイドするロボットハンド２１０の位置、ならびびリング３５１，３５２および３５３の位置（ガイド位置ともいう）と、これら隣接するガイド位置どうしを接続するケーブル３４１，３４２および３４３が示される。シミュレーション装置１は、これらケーブルとロボット３０の干渉、すなわちケーブルとロボット３０（より特定的にはアーム）の衝突を検出する。このようなリング３５１，３５２および３５３ならびにケーブル３４１，３４２および３４３は、ロボット３０に装着される付属機器の一例として扱うことができる。

具体的には、ロボットエミュレータ１６０は、ロボット３０の挙動を算出する場合に、ロボットハンド２１０の位置、ならびびリング３５１，３５２および３５３の位置（ガイド位置）を算出する。物理シミュレータ１５６は、ロボットエミュレータ１６０が算出したガイド位置を、質量をゼロとした物理演算によりロボットハンド２１０ならびにリング３５１，３５２および３５３の各位置を算出し、算出した各位置に基き、質量をゼロとしたケーブル３４１、３４２および３４２の挙動（位置、姿勢など）が所定関数を用いて算出される。物理シミュレータ１５６は、算出されたケーブル３４１、３４３および３４３の位置に基き衝突（他の部材（隣接するケーブルなど））を検出する。

このようにシミュレーションによって、ケーブル３４１，３４２および３４３の衝突検出の結果に基き、現実のロボット３０が存在しなくても、ケーブル３４１，３４２および３４３の長さ、取り付け位置（ガイド位置）の適否を検出することが可能になる。

＜Ｋ．付記＞
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］
機器の挙動を算出するシミュレーション装置（１）であって、
付属機器（２１０）が装着された第１の機器（３０）に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出部（１６０）と、
第２の機器に対応する前記仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出部（１５８）と、を、備え、
前記第２の機器は、前記付属機器を含み、
所定のタイムステップ毎（ＳＴ）に、当該タイムステップにおいて前記第１の挙動算出部が前記付属機器が装着された第１の機器に対応する前記第１の対象の挙動を算出した後、前記第２の挙動算出部が当該算出された前記第１の対象の挙動に基づき前記第１の機器に装着されている前記付属機器の挙動を算出する、シミュレーション装置。
[構成２]
前記付属機器は、装着されることにより前記第１の機器にワークを操作する操作機能を付加する機器を含む、構成１に記載のシミュレーション装置。
[構成３]
前記第２の挙動算出部は、物理シミュレータを含む、構成１または２に記載のシミュレーション装置。
[構成４]
前記第１の機器は、ロボットを含み、
前記第１の挙動算出部は、前記ロボットにワークを操作させ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を実行する、構成３に記載のシミュレーション装置。[構成５]
前記第１の挙動算出部によって算出される前記第１の対象の挙動は、前記仮想空間における前記第１の対象の位置を含み、
前記物理シミュレータは、前記第１の挙動算出部によって算出される前記第１の位置を用いた物理演算に従いに基づき、前記第２の対象の挙動を算出する、構成３または４に記載のシミュレーション装置。
[構成６]
前記物理シミュレータは、前記第２の対象に対する力の発生を無効化して前記物理演算を実施する、構成５に記載のシミュレーション装置。
[構成７]
前記付属機器に対応の第２の対象について算出された挙動は、前記仮想空間における当該第２の対象の位置を含み、
前記第２の挙動算出部は、さらに、
前記付属機器の前記仮想空間における前記第２の対象の位置と、当該仮想空間における所定対象の位置とから両者の衝突（１０９３）を検出する、構成１から６のいずれか１に記載のシミュレーション装置。
[構成８]
第３の機器（２００）に対応する仮想空間に配置された第３の対象の挙動を算出する第３の挙動算出部（１５２）を、さらに備え、
前記第３の機器は、前記第１の機器とデータを遣り取りしながら連携動作し、
前記第１の機器と前記第３の機器が遣り取りするデータ（１２Ａ）は、生産ラインに備えられる実機から取得する、構成１から７のいずれか１に記載のシミュレーション装置。[請求項９]
前記付属機器は、前記第１の機器に取り付け可能なケーブルを含む、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１０]
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９のいずれか１に記載のシミュレーション装置。
[構成１１]
コンピュータ（１００）に機器の挙動を算出する方法を実行させるためのシミュレーションプログラムであって、
付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出ステップと、
第２の機器に対応する前記仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出ステップと、を、備え、
前記第２の機器は、前記付属機器を含み、
所定のタイムステップ毎に、前記第１の挙動算出ステップでは前記付属機器が装着された第１の機器に対応する前記第１の対象の挙動を算出し、その後、前記第２の挙動算出では当該算出された前記第１の対象の挙動に基づき前記第１の機器に装着されている前記付属機器の挙動を算出する、シミュレーションプログラム。
[構成１２]
機器の挙動を算出するシミュレーション方法であって、
付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１のステップと、
第２の機器に対応する前記仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２のステップと、を、備え、
前記第２の機器は、前記付属機器を含み、
所定のタイムステップ毎に、前記第１のステップでは前記付属機器が装着された第１の機器に対応する前記第１の対象の挙動を算出し、その後、前記第２のステップでは、前記第１のステップにおいて算出された前記第１の対象の挙動に基づき前記第１の機器に装着されている前記付属機器の挙動を算出する、シミュレーション方法。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ シミュレーション装置、２ 制御システム、６ 光電センサ、７ コネクタ、８ ストッパ、９ トレイ、１２Ａ 共有データ、１３ 演算ユニット、３０ ロボット、４１，４２，１３０１，１３０２，１３０３，１３０４ サーボモータ、８７ 近接センサ、１００ 情報処理装置、１０２ プロセッサ、１０４ 主メモリ、１０５ 仮想空間情報、１０６ 操作ユニット、１０８ 出力ユニット、１０９ ディスプレイ、１１１ ストレージ、１１２ 光学ドライブ、１２０ 仮想時刻生成プログラム、１２１ 中継プログラム、１２２ 物理シミュレーションプログラム、１２４ 物理シミュレーションパラメータ、１２６ シミュレーションプログラム、１３０ ロボットエミュレーションプログラム、１３２ ロボットパラメータ、１３４ 統合プログラム、１３６ 画像処理プログラム、１５０ 仮想空間情報管理モジュール、１５２ ＰＬＣシミュレータ、１５４ 周期生成モジュール、１５５ ワーク挙動シミュレータ、１５６ 物理シミュレータ、１５８ 中継モジュール、１６０ ロボットエミュレータ、１６２ ワークトラッキングモジュール、１６４ ３Ｄビジュアライザ、２１０ ロボットハンド、２３０ コンベア、２３２ ワーク、２３６，２３８ エンコーダ、３１０ ロボットコントローラ、３４１，３４２，３４３ ケーブル、３５１，３５２，３５３ リング、５３１，５３２ サーボモータドライバ、１０９３ 衝突。

Claims (12)

1. 機器の挙動を算出するシミュレーション装置であって、
   付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出部と、
   第２の機器に対応する前記仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出部と、を、備え、
   前記第２の機器は、前記付属機器を含み、
   所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップにおいて、前記第１の挙動算出部が前記付属機器が装着された第１の機器に対応する前記第１の対象の挙動を算出した後に、前記第２の挙動算出部が当該算出された前記第１の対象の挙動に基づき前記第１の機器に装着されている前記付属機器の挙動を算出する、シミュレーション装置。
2. 前記付属機器は、装着されることにより前記第１の機器にワークを操作する操作機能を付加する機器を含む、請求項１に記載のシミュレーション装置。
3. 前記第２の挙動算出部は、物理シミュレータを含む、請求項１または２に記載のシミュレーション装置。
4. 前記第１の機器は、ロボットを含み、
   前記第１の挙動算出部は、前記ロボットにワークを操作させ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を実行する、請求項３に記載のシミュレーション装置。
5. 前記第１の挙動算出部によって算出される前記第１の対象の挙動は、前記仮想空間における前記第１の対象の位置を含み、
   前記物理シミュレータは、前記第１の挙動算出部によって算出される前記第１の対象の位置を用いた物理演算に従いに基づき、前記第２の対象の挙動を算出する、請求項３または４に記載のシミュレーション装置。
6. 前記物理シミュレータは、前記第２の対象に対する力の発生を無効化して前記物理演算を実施する、請求項５に記載のシミュレーション装置。
7. 前記付属機器に対応の前記第２の対象について算出された挙動は、前記仮想空間における当該第２の対象の位置を含み、
   前記第２の挙動算出部は、さらに、
   前記第２の対象の前記仮想空間における位置と、当該仮想空間における所定対象の位置とから両者の衝突を検出する、請求項１から６のいずれか１項に記載のシミュレーション装置。
8. 第３の機器に対応する仮想空間に配置された第３の対象の挙動を算出する第３の挙動算出部を、さらに備え、
   前記第３の機器は、前記第１の機器とデータを遣り取りしながら連携動作し、
   前記第１の機器と前記第３の機器が遣り取りするデータは、生産ラインに備えられる実機から取得する、請求項１から７のいずれか１項に記載のシミュレーション装置。
9. 前記付属機器は、前記第１の機器に装着可能なケーブルを含む、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。
10. 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９のいずれか１項に記載のシミュレーション装置。
11. コンピュータに機器の挙動を算出する方法を実行させるためのシミュレーションプログラムであって、
    付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１の挙動算出ステップと、
    第２の機器に対応する前記仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２の挙動算出ステップと、を、備え、
    前記第２の機器は、前記付属機器を含み、
    所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップにおいて、前記第１の挙動算出ステップにおいて前記付属機器が装着された第１の機器に対応する前記第１の対象の挙動が算出された後に、前記第２の挙動算出ステップにおいて当該算出された前記第１の対象の挙動に基づき前記第１の機器に装着されている前記付属機器の挙動を算出する、シミュレーションプログラム。
12. 機器の挙動を算出するシミュレーション方法であって、
    付属機器が装着された第１の機器に対応する仮想空間に配置された第１の対象の挙動を算出する第１のステップと、
    第２の機器に対応する前記仮想空間における第２の対象の挙動を算出する第２のステップと、を、備え、
    前記第２の機器は、前記付属機器を含み、
    所定のタイムステップ毎に、当該タイムステップでは、前記第１のステップにおいて前記付属機器が装着された第１の機器に対応する前記第１の対象の挙動を算出した後に、前記第２のステップにおいて、前記第１のステップにおいて算出された前記第１の対象の挙動に基づき前記第１の機器に装着されている前記付属機器の挙動を算出する、シミュレーション方法。

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