JP4544881B2 - Physical model creation device, simulation device equipped with the physical model creation device, and program in the physical model creation device - Google Patents
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本発明は物理モデル作成装置、該物理モデル作成装置を備えたシミュレーション装置、及び物理モデル作成装置におけるプログラムに関し、特に、機構部分を含む制御対象と制御装置とからなるシステムをシミュレーションするに際して、機構部分を含む制御対象の物理モデルを作成する物理モデル作成装置、該物理モデル作成装置を備えたシミュレーション装置、及び物理モデル作成装置におけるプログラムに関する。 The present invention relates to a physical model creation device, a simulation device including the physical model creation device , and a program in the physical model creation device , and in particular, when simulating a system including a control target including a mechanism portion and a control device, the mechanism portion The present invention relates to a physical model creation device that creates a physical model of a control target including the above, a simulation device including the physical model creation device , and a program in the physical model creation device .
従来、機構部品を備えた制御対象をコンピュータ制御する場合、実際の機構部品を使用することなく、コンピュータを使用した立体画像（３Ｄ画像）を作成してシミュレーションすることが行われている。このようなシミュレーションに必要となるのは、ハードウエアとシミュレーションソフトウエアから構成されるシミュレーション装置である。このシミュレーション装置を用いてシミュレーションを行う場合には、機構、回路等を含んだ制御システムをモデル化した物理モデルを作成し、この物理モデルによってシミュレーションを行うことが一般的である。 2. Description of the Related Art Conventionally, when a controlled object including a mechanical component is controlled by a computer, a stereoscopic image (3D image) using a computer is created and simulated without using an actual mechanical component. What is necessary for such a simulation is a simulation apparatus composed of hardware and simulation software. When performing simulation using this simulation apparatus, it is common to create a physical model that models a control system including mechanisms, circuits, and the like, and perform simulation using this physical model.
ハードウエアの構成は、通常のパーソナルコンピュータと同様であり、これにコンピュータ設計支援装置が追加されることもある。図１は従来のシミュレーション装置４の構成の一例を示すものであり、パーソナルコンピュータ１０にコンピュータ設計支援装置２０が組み合わされた例を示している。
The hardware configuration is the same as that of an ordinary personal computer, and a computer design support device may be added to this. FIG. 1 shows an example of the configuration of a conventional simulation apparatus 4 and shows an example in which a computer
パーソナルコンピュータ１０には、ＣＤ−ＲＯＭ等のディスク媒体に記録されたソフトウエアを読み込むディスクドライブ１１、ソフトウエアやデータを記録する外部記憶装置であるハードディスクドライブ（図にはＨＤＤと記載）１２、ハードディスク１２上のソフトウエアやデータを展開するメモリ１３、ソフトウエアやデータの処理（演算）を行うＣＰＵ１４、処理の結果を表示する表示器１５、外部装置との通信を行う通信装置１６、および外部からのデータを入力するためのデータ入力装置１７があり、バス１８によって相互に接続されている。また、データ入力装置１７にはキーボード１９や図示しないマウスが接続されている。
The
コンピュータ設計支援装置２０は、この例では通信ケーブル２１によってパーソナルコンピュータ１０と接続されている。コンピュータ設計支援装置２０の内部には、この通信ケーブルに接続する通信装置２２、メモリ２３、ＣＰＵ２４、およびハードディスク２５が設けられており、バス２８で相互に接続されている。
In this example, the computer
ソフトウエアは、大きく分けて「物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示」を行うソフトウエアと、「物理モデル演算」を行うソフトウエアの２つから構成される。ここでは、「物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示」をパーソナルコンピュータ１０で行い、「物理モデル演算」をコンピュータ設計支援装置２０で行う場合について説明する。
The software is roughly divided into two types: software that performs “physical model creation, simulation information setting, and result display” and software that performs “physical model calculation”. Here, a case where “physical model creation, simulation information setting, and result display” are performed by the
この例では、ディスク媒体である３枚のＣＤ−ＲＯＭ１，２，３を用いてパーソナルコンピュータ１０にソフトウエアがインストールされる。ＣＤ−ＲＯＭ１には、例えば３Ｄ画像の支援を行う３次元のコンピュータ支援設計装置（３Ｄ−ＣＡＤ）のデータを読み込んだり、３Ｄのアニメーション機能を有する３Ｄ用ソフトウエア１Ｓが記録されている。また、ＣＤ−ＲＯＭ２には、例えば物理モデル作成機能を有する物理モデル作成ソフトウエア２Ｓが記録されている。更に、ＣＤ−ＲＯＭ３には、例えばシミュレーション情報設定・操作・結果表示・結果解析機能、及び物理モデル演算機能を有するシミュレーションソフトウエア３Ｓが記録されている。
In this example, software is installed in the
パーソナルコンピュータ１０のディスクドライブ１１で読み込まれた各ソフトウエアは、ハードディスクドライブ１２上に記憶される。そして、このソフトウエアを実際にＣＰＵ１４が使用する際は、ハードディスクドライブ１２上に記憶されたソフトウエアがメモリ１３上に展開され、ＣＰＵ１４が処理を行う。処理の結果は表示器１５に表示される。
Each software read by the
一方、コンピュータ設計支援装置２０側では、パーソナルコンピュータ１０のディスクドライブ１１からシミュレーションソフトウエア３Ｓが読み込まれると、これをハードディスクドライブ２５に記憶させる。ＣＰＵ２４がこのシミュレーションソフトウエア３Ｓを実際に使用する際は、ハードディスクドライブ２５上に記憶されたソフトウエアをメモリ２３上に展開して処理が行われる。即ち、ディスクドライブ１１又は通信装置１６を介して入力された３Ｄ−ＣＡＤデータは、パーソナルコンピュータ１０で物理モデルに変換された後に、コンピュータ設計支援装置２０のＨＤＤ２５に格納され、コンピュータ設計支援装置２０でその物理モデルを使用してシミュレーションが行われる。
On the other hand, on the computer design support
例えば、実際のエンジンや車両の代わりにこのコンピュータ設計支援装置２０を用いて、制御装置の開発、設計を行う場合は、コンピュータ設計支援装置２０に制御装置（ＥＣＵ等）が接続される。そして、エンジンのメカニズムや電気信号の果たす役割がパーソナルコンピュータ１０でモデル化され、実際のエンジンシステムと同等の動きをこのコンピュータ設計支援装置２０が模擬することにより、技術者は実際のエンジンを使用することなく、机上で制御系の動きを見ながら制御装置の開発、設計ができるようになる。
For example, when developing and designing a control device using the computer
以上のように構成されたシミュレーション装置４において、物理モデルとしてロボットアームＲＡを扱う場合の例を図２を用いて説明する。 An example of handling the robot arm RA as a physical model in the simulation apparatus 4 configured as described above will be described with reference to FIG.
図２は、３つの棒状の部品Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ１自由度の関節Ｄ，Ｅにより接続されたロボットアームＲＡを示すものである。各関節Ｄ，Ｅにはそれぞれモータが内蔵され、関節を駆動するようになっている。 FIG. 2 shows a robot arm RA in which three rod-like parts A, B, and C are connected by joints D and E with one degree of freedom, respectively. Each joint D, E has a built-in motor to drive the joint.
３Ｄ−ＣＡＤのデータとしては、部品の形状、部品同士の位置関係、部品の材質等がある。材質と形状とから部品の質量、重心等が算出できる。次に、そのまま３Ｄ−ＣＡＤを用いて、或いは機構シミュレーションソフトウエアを用いて、関節の種類（この場合は１軸）、拘束条件、モータの種類（ＤＣモータ、パルスモータ等）や、位置や加速度等を検出するスペック（トルク特性）センサの種類等が入力される。そして、これらの情報を基にして物理モデルが作成される。 The 3D-CAD data includes the shape of the parts, the positional relationship between the parts, the material of the parts, and the like. The mass, center of gravity, etc. of the part can be calculated from the material and shape. Next, using 3D-CAD as it is or using mechanism simulation software, joint type (in this case, 1 axis), constraint conditions, motor type (DC motor, pulse motor, etc.), position and acceleration The type of a spec (torque characteristic) sensor that detects etc. is input. Based on these pieces of information, a physical model is created.
このような物理モデルを作成する技術としては、例えば、Ｐｒｅ／Ｐｏｓｔプロセッサと呼ばれるソフトウエアを使用した３次元形状物の有限要素法解析において、３Ｄ−ＣＡＤデータを中間ファイル形式で出力し、この中間ファイルをＰｒｅ／Ｐｏｓｔプロセッサで読み込むことにより３次元形状データからなるマスターモデルを形成する技術が特許文献１に開示されている。
As a technique for creating such a physical model, for example, in a finite element method analysis of a three-dimensional shape object using software called a Pre / Post processor, 3D-CAD data is output in an intermediate file format.
この特許文献１に記載の方法は、３次元形状物の有限要素法解析でのモデル作成方法であり、３ＤーＣＡＤのデータから各部品及び部品間の接続情報等からモデルを作成する方法（後述する本発明のモデル作成方法）とは異なるものである。また、特許文献１に記載の中間ファイルに情報を追加してからモデル完成までのモデル作成手順は、本発明におけるモデル作成手順とは異なる。
The method described in
しかしながら、このような物理モデルを作成する場合、モデル作成の情報として、３Ｄ−ＣＡＤや機構シミュレーションソフトウエアで入力可能なものしか用いることができない。このため、以下のような問題点があった。
（１）関節の摩擦やガタツキ等の任意の要素を追加することが困難であった。
（２）新しい種類のモータ、センサ等の部品を追加することが困難であった。
（３）物理シミュレーションに必要のない要素を削除することが困難であった。
However, when creating such a physical model, only information that can be input by 3D-CAD or mechanism simulation software can be used as model creation information. For this reason, there were the following problems.
(1) It was difficult to add arbitrary elements such as joint friction and rattling.
(2) It was difficult to add new types of parts such as motors and sensors.
(3) It was difficult to delete elements that are not necessary for the physical simulation.
そこで、本発明は、前記従来のシミュレーション装置の有する課題を解消し、物理モデルに任意の要素を追加したり、任意の要素を削除したりでき、一層正確なシミュレーションを実行することができる物理モデル作成装置、該物理モデル作成装置を備えたシミュレーション装置、及び物理モデル作成装置におけるプログラムを提供することを目的としている。 Therefore, the present invention solves the problems of the conventional simulation apparatus, and can add an arbitrary element to the physical model, delete an arbitrary element, and execute a more accurate simulation. An object of the present invention is to provide a creation device, a simulation device including the physical model creation device , and a program in the physical model creation device .
前記目的を達成する本発明の第１の形態は、制御装置と機構部分を含む制御対象とからなるシステムのシミュレーションで使用する制御対象の物理モデルを作成する物理モデル作成装置であって、３次元のコンピュータ設計支援装置である３Ｄ−ＣＡＤ装置を使用して作成された制御対象の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、物理モデルを作成するための中間形式データであり、演算式の形式で表される物理モデル要素の情報と、当該物理モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される物理モデルデータを作成する物理モデルデータ作成手段と、物理モデルデータの変更を変更操作入力に基づいて可能にする物理モデルデータ変更手段と、物理モデルデータ変更手段により変更された物理モデルデータから、シミュレーションの実行処理が可能な実行体の形式である物理モデルを作成する物理モデル作成手段とを備え、物理モデルデータ変更手段は、物理モデルデータに基づいて、物理モデル要素を表すブロックと当該物理モデル要素間の接続関係を表す接続線の表示を行った状態で、変更操作入力を可能とし、制御対象に含まれる機構部品間の摩擦情報と、制御対象に含まれる機構部品間のガタツキ情報の、少なくとも一方の情報の物理モデルデータへの追加を、摩擦情報もしくはガタツキ情報を表す物理モデル要素のブロックを追加することで可能にすることを特徴としている。 A first aspect of the present invention that achieves the above object is a physical model creation device that creates a physical model of a controlled object used in a simulation of a system that includes a control device and a controlled object including a mechanism portion. Intermediate format data for creating a physical model based on 3D-CAD data to be controlled created using a 3D-CAD device , which is a computer design support device, and is expressed in the form of an arithmetic expression Based on physical model data creation means for creating physical model data configured to set physical model element information and information on the connection relationship between the physical model elements , and change physical model data based on change operation input a physical model data changing means for allowing Te, from the physical model data changed by the physical model data changing unit, simulation fruit And a physical model generating means for generating a physical model of the form that can be processed executable unit, the physical model data changing means, based on the physical model data between blocks and the physical model elements that represent the physical model element In the state where the connection line indicating the connection relation is displayed, it is possible to input a change operation, and at least one of friction information between the mechanical parts included in the control target and backlash information between the mechanical parts included in the control target. It is characterized in that information can be added to physical model data by adding a block of physical model elements representing friction information or backlash information .
本発明の第２の形態は、制御装置と機構部分を含む制御対象とからなるシステムのシミュレーションで使用する制御対象の物理モデルを作成する物理モデル作成装置であって、３次元のコンピュータ設計支援装置である３Ｄ−ＣＡＤ装置を使用して作成された制御対象の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、物理モデルを作成するための中間形式データであり、制御対象の機構部分を構成する機構部品をモデル化した機構モデル要素の情報と、当該機構モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される第１の中間データを作成する第１の中間データ作成手段と、第１の中間データの変更を変更操作入力に基づいて可能にする第１の中間データ変更手段と、第１の中間データに基づいて、物理モデルを作成するための中間形式データであり、演算式の形式で表される物理モデル要素の情報と、当該物理モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される物理モデルデータである第２の中間データを作成する第２の中間データ作成手段と、第２の中間データの変更を変更操作入力に基づいて可能にする第２の中間データ変更手段と、第２の中間データ変更手段により変更された第２の中間データから、シミュレーションの実行処理が可能な実行体の形式である物理モデルを作成する物理モデル作成手段とを備え、第２の中間データ変更手段は、第２の中間データに基づいて、物理モデル要素を表すブロックと当該物理モデル要素間の接続関係を表す接続線の表示を行った状態で、変更操作入力を可能とし、制御対象に含まれる機構部品間の摩擦情報と、制御対象に含まれる機構部品間のガタツキ情報の、少なくとも一方の情報の第２の中間データへの追加を、摩擦情報もしくはガタツキ情報を表す物理モデル要素のブロックを追加することで可能にすることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention , there is provided a physical model creation device for creating a physical model of a control target used in a simulation of a system including a control device and a control target including a mechanism portion, and a three-dimensional computer design support device. This is intermediate format data for creating a physical model based on 3D-CAD data to be controlled created using a 3D-CAD device, and models the mechanical parts that make up the mechanism part to be controlled. First intermediate data creating means for creating first intermediate data configured in such a manner that information on the mechanism model elements and information on connection relations between the mechanism model elements are set; and First intermediate data changing means for enabling a change based on a change operation input, and intermediate format data for creating a physical model based on the first intermediate data Second to create second intermediate data that is physical model data configured in such a manner that information on physical model elements expressed in the form of arithmetic expressions and information on connection relations between the physical model elements are set. Intermediate data creating means, second intermediate data changing means for enabling the change of the second intermediate data based on the change operation input, and the second intermediate data changed by the second intermediate data changing means A physical model creating means for creating a physical model in the form of an executable body capable of executing a simulation, and the second intermediate data changing means represents a physical model element based on the second intermediate data The change operation input is possible with the connection line indicating the connection relation between the block and the physical model element displayed, and the friction information between the mechanical parts included in the control target and the control target are included in the control target. Rattling information between mechanical parts, it is characterized in that possible by adding additional to the second intermediate data of at least one of the information, the block of the physical model elements that represent the friction information or rattling information.
本発明の第３の形態は、制御装置と機構部分を含む制御対象とからなるシステムのシミュレーションを実行するシミュレーション装置であって、第１又は２の形態の物理モデル作成装置を備えることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention , there is provided a simulation apparatus for executing a simulation of a system including a control device and a control target including a mechanism portion, and including the physical model creation device according to the first or second aspect. Yes.
更に、前記目的を達成する本発明の物理モデル作成装置におけるプログラムは、制御装置と機構部分を含む御対象とからなるシステムのシミュレーションで使用する制御対象の物理モデルを作成する物理モデル作成装置におけるプログラムであって、物理モデル作成装置に、３次元のコンピュータ設計支援装置である３Ｄ−ＣＡＤ装置を使用して作成された制御対象の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、物理モデルを作成するための中間形式データであり、演算式の形式で表される物理モデル要素の情報と、当該物理モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される物理モデルデータを作成する物理モデルデータ作成ステップと、物理モデルデータの変更を変更操作入力に基づいて可能にする物理モデルデータ変更ステップと、物理モデルデータ変更ステップで変更された物理モデルデータから、シミュレーションの実行処理が可能な実行体の形式である制御対象の物理モデルを作成する物理モデル作成ステップとを実行させ、物理モデルデータ変更ステップでは、物理モデル作成装置に、物理モデルデータに基づいて、物理モデル要素を表すブロックと当該物理モデル要素間の接続関係を表す接続線の表示を行った状態で、変更操作入力を可能とさせ、制御対象に含まれる機構部品間の摩擦情報と、制御対象に含まれる機構部品間のガタツキ情報の、少なくとも一方の情報の物理モデルデータへの追加を、摩擦情報もしくはガタツキ情報を表す物理モデル要素のブロックを追加することで可能にさせることを特徴としている。 Furthermore, the program in the physical model creating apparatus of the present invention for achieving the above object, a program in the physical model creating apparatus for creating a control target of the physical model used in the simulation of a system consisting of a control object including a control device and mechanical parts An intermediate format for creating a physical model based on 3D-CAD data of a control target created using a 3D-CAD device , which is a three-dimensional computer design support device, in the physical model creation device A physical model data creation step for creating physical model data configured in a form in which information of physical model elements expressed in the form of arithmetic expressions and information on connection relations between the physical model elements is set ; Physical model data change step that enables physical model data change based on change operation input, and physical From the physical model data changed in the model data change step, a physical model creation step for creating a physical model to be controlled, which is in the form of an executable body capable of executing simulation, is executed . In the physical model data change step, Based on the physical model data, the physical model creation device enables the input of change operation while displaying the block representing the physical model element and the connection line representing the connection relationship between the physical model element, and the control target Add the friction information between the mechanical parts included in the control part and the backlash information between the mechanical parts included in the control target to the physical model data of at least one of the information, add a block of physical model elements representing the friction information or backlash information It is characterized by being made possible by adding .
本発明の物理モデル作成装置、該物理モデル作成装置を備えたシミュレーション装置、及び物理モデル作成装置におけるプログラムによれば、機構部分を含む制御対象と制御装置とからなるシステムをシミュレーションするに際して、機構部分を含む制御対象の物理モデルを作成してシミュレーションを行うので、物理モデルに任意の要素を追加したり、任意の要素を削除したりでき、一層正確なシミュレーションを実行することができるという効果がある。 According to the physical model creation device of the present invention, the simulation device provided with the physical model creation device , and the program in the physical model creation device , when simulating a system composed of a control object including a mechanism portion and a control device, the mechanism portion Since the simulation is performed by creating a physical model of the control target including, arbitrary elements can be added to or deleted from the physical model, and a more accurate simulation can be executed. .
また、任意の要素の削除、即ち、冗長なモデルの具体的モデルへの置き換え、多自由度の関節の１自由度の関節への置き換えにより、シミュレーション速度を向上させることができるという効果もある。 Further, there is an effect that the simulation speed can be improved by deleting an arbitrary element, that is, replacing a redundant model with a specific model, or replacing a multi-degree-of-freedom joint with a one-degree-of-freedom joint.
更に、予め定めた部品間の部品情報モデルや、モデルライブラリから部品の物理モデルを選択／配置することにより、容易に制御対象の物理モデルを作成することができるという効果もある。 Furthermore, there is an effect that a physical model to be controlled can be easily created by selecting / arranging a part information model between predetermined parts and a physical model of the part from a model library.
以下図面を用いて本発明の実施の形態を具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、図１で説明した従来のシミュレーション装置と同じ構成部材については、同じ符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on specific examples with reference to the drawings. The same components as those of the conventional simulation apparatus described with reference to FIG.
図３は、本発明のシミュレーション装置４の一実施例の構成を示すブロック図である。この実施例では、シミュレーション装置４は、パーソナルコンピュータ１０とコンピュータ設計支援装置２０とから構成されている。コンピュータ設計支援装置２０は接続されない場合もあり、この場合はコンピュータ設計支援装置２０の機能がパーソナルコンピュータ１０側に備えられている。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the simulation apparatus 4 of the present invention. In this embodiment, the simulation apparatus 4 includes a
パーソナルコンピュータ１０には、ＣＤ−ＲＯＭ等のディスク媒体に記録されたソフトウエアを読み込むディスクドライブ１１、ソフトウエアやデータを記録する外部記憶装置であるＨＤＤ（ハードディスクドライブ）１２、ＨＤＤ１２上のソフトウエアやデータを展開するメモリ１３、ソフトウエアやデータの処理（演算）を行うＣＰＵ１４、処理の結果を表示する表示器１５、外部装置との通信を行う通信装置１６、及び外部からのデータを入力するためのデータ入力装置１７があり、バス１８によって相互に接続されている。また、データ入力装置１７にはキーボード１９や図示しないマウスが接続されている。
The
通信装置１６は、通信ケーブル２１を介してコンピュータ設計支援装置２０に接続される他に、電話回線や光ケーブルを介してインターネットに接続させることができる。即ち、通信装置１６は、インターネットを介してソフトウエアやデータをパーソナルコンピュータ１０に取り込むことができる。
In addition to being connected to the computer
コンピュータ設計支援装置２０の内部には、この通信ケーブル２１に接続する通信装置２２、メモリ２３、ＣＰＵ２４、及びハードディスク２５が設けられており、バス２８で相互に接続されている。なお、本発明の従来技術として、「物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示」をパーソナルコンピュータ１０で行い、「物理モデル演算」をコンピュータ設計支援装置２０で行う場合について説明したが、前述のように、コンピュータ設計支援装置２０の機能がパーソナルコンピュータ１０側に備えられている場合には、「物理モデル演算」はパーソナルコンピュータ１０側でも可能である。
Inside the computer
そこで、図４に示す本発明を実現するためのシミュレーション装置のシステム構成図では、「物理モデル演算」をパーソナルコンピュータ１０とコンピュータ設計支援装置２０のどちらで行うかについては分けて説明せず、シミュレーション装置４に、「物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示」を行う物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４Ａと、「物理モデル演算」を行う物理モデル演算部分４Ｂとがあるものとして説明する。
Therefore, the system configuration diagram of the simulation apparatus for realizing the present invention shown in FIG. 4 does not separately explain whether the “physical model calculation” is performed by the
この図に示されるように、ディスク媒体である３枚のＣＤ−ＲＯＭ１，２，３がディスクドライブ１１にセットされ、記録されているソフトウエアがＨＤＤ１２にインストールされる。ＨＤＤ１２の物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４Ａには、ＣＤ−ＲＯＭ１に記録された３Ｄ用ソフトウエアからは、３Ｄ−ＣＡＤデータの読込みと、３Ｄアニメーション機能を有するソフトウエアＳＦ１が読み込まれる。また、ＣＤ−ＲＯＭ２に記録された物理モデル作成ソフトウエアからは、物理モデル作成機能を有するソフトウエアＳＦ３が、ＨＤＤ１２の物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４Ａに読み込まれる。更に、ＣＤ−ＲＯＭ３に記録されたシミュレーションソフトウエアからは、シミュレーション情報設定・操作・結果表示・結果解析機能を有するソフトウエアＳＦ２が、ＨＤＤ１２の物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４Ａに読み込まれ、物理モデル演算機能を有するソフトウエアＳＦ４が、ＨＤＤ１２の物理モデル演算部分４Ｂに読み込まれる。ソフトウエアＳＦ２には、３Ｄ−ＣＡＤのデータをモデリングツールで読み込めるように変換し、変換したものを更に実行体にコンパイルする変換ツールを備えたシミュレーションソフトウエアが含まれている。
As shown in this figure, three CD-
物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４Ａでは、ＨＤＤ１２上に記憶されたソフトウエアＳＦ１，ＳＦ２、及びＳＦ３は、それぞれメモリ１３上に展開され、ＣＰＵ１４によって処理が行われる。ＣＰＵ１４によって処理が行われたソフトウエアＳＦ１は表示器１５に３Ｄ−ＣＡＤ、或いはアニメーション画像として立体表示される。また、ＣＰＵ１４によって処理が行われたソフトウエアＳＦ２は表示器１５にハードウエアシミュレータの画像として表示される。また、ＣＰＵ１４によって処理が行われたソフトウエアＳＦ３は表示器１５にテクニカルコンピューティング環境のデータとして、電気系モデル等の形で表示される。物理モデル演算部４Ｂでも、ＨＤＤ１２上に記憶されたソフトウエアＳＦ４がメモリ１３上に展開され、ＣＰＵ１４で処理が行われる。
In the physical model creation, simulation information setting, and result
以上のように構成されたシミュレーション装置において、物理モデルとしてロボットアームを扱う場合の例を図５を用いて説明する。図５は、３つの棒状の部品Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ１自由度の関節Ｄ，Ｅにより接続されたロボットアームＲＡを示すものである。各関節Ｄ，Ｅにはそれぞれモータが内蔵され、関節Ｄ，Ｅを駆動するようになっている。 An example in which a robot arm is handled as a physical model in the simulation apparatus configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a robot arm RA in which three rod-like parts A, B, and C are connected by joints D and E with one degree of freedom, respectively. Each joint D, E has a built-in motor to drive the joints D, E.
３Ｄ−ＣＡＤのデータとしては、部品の形状、部品同士の位置関係、部品の材質等がある。材質と形状とから部品の質量、重心等が算出できる。従来は、前述のように、このまま３Ｄ−ＣＡＤを用いて、或いは機構シミュレーションソフトウエアを用いて、関節の種類（この場合は１軸）、拘束条件、モータの種類（ＤＣモータ、パルスモータ等）や、位置や加速度等を検出するスペック（トルク特性）センサの種類等が入力され、これらの情報を基にして物理モデルが作成されていた。 The 3D-CAD data includes the shape of the parts, the positional relationship between the parts, the material of the parts, and the like. The mass, center of gravity, etc. of the part can be calculated from the material and shape. Conventionally, as described above, using 3D-CAD as it is or using mechanism simulation software, the joint type (in this case, one axis), constraint conditions, motor type (DC motor, pulse motor, etc.) In addition, the type of spec (torque characteristic) sensor that detects position, acceleration, and the like is input, and a physical model is created based on the information.
一方、この実施例では、３Ｄ−ＣＡＤのデータとして、部品の形状、部品同士の位置関係、部品の材質等が入力され、材質と形状とから部品の質量、重心等を算出した後、ソフトウエアＳＦ２に搭載された変換ツールにより、３Ｄ−ＣＡＤのデータがモデリングツールで読み込めるファイル（ＨＤＤ１２に作られた中間ファイル）に変換される。この結果、３つの棒状の部品Ａ，Ｂ，Ｃと関節（モータ部）Ｄ，Ｅの３Ｄ−ＣＡＤのデータは、図５の下側に示すように、全てソフトウエアＳＦ２形式のデータに変換される。この状態では自由にモデル情報を追加することが可能であるので、例えば、この図に示すように、摩擦力の情報や、部品間のガタの情報を加えることができる。このようにソフトウエアＳＦ２形式のデータに変換されたファイルは、ソフトウエアＳＦ２に搭載された変換ツールにより、モデル実行体にコンパイルされる。 On the other hand, in this embodiment, as the 3D-CAD data, the shape of the part, the positional relationship between the parts, the material of the part, etc. are input, and after calculating the mass, the center of gravity, etc. of the part from the material and the shape, the software The 3D-CAD data is converted into a file (an intermediate file created in the HDD 12) that can be read by the modeling tool by the conversion tool installed in the SF2. As a result, the 3D-CAD data of the three rod-shaped parts A, B, C and joints (motor units) D, E are all converted into software SF2 format data as shown in the lower side of FIG. The Since model information can be freely added in this state, for example, as shown in this figure, information on frictional force and information on backlash between parts can be added. The file converted into data in the software SF2 format in this way is compiled into a model execution body by a conversion tool installed in the software SF2.
このように３Ｄ−ＣＡＤのデータがモデル実行体に変換されるまでのデータの流れを、図６に示すシステム図、及び図７に示すフローチャートを用いて説明する。ここで、図６に示す丸付き数字は、図７の各ステップの丸付き数字に対応している。 The data flow until the 3D-CAD data is converted into the model execution body will be described with reference to the system diagram shown in FIG. 6 and the flowchart shown in FIG. Here, the circled numbers shown in FIG. 6 correspond to the circled numbers in each step of FIG.
図７のフローチャートに示すデータ処理は、物理モデル作成、シミュレーション情報設定、結果表示部分４Ａにおいて、３Ｄ−ＣＡＤで機構部分を設計し、３Ｄ−ＣＡＤ形式のデータとして保存した後に実行される。まず、ステップ７０１ではソフトウエアＳＦ１に３Ｄ−ＣＡＤ形式のデータを読み込ませる。次のステップ７０２では、ソフトウエアＳＦ１の上で部品同士の接続（リレーション）情報、拘束条件等の３Ｄアニメーションに必要な情報を入力し、ソフトウエアＳＦ１形式のデータとして保存することが行われる。
The data processing shown in the flowchart of FIG. 7 is executed after the mechanism part is designed with 3D-CAD in the physical model creation, simulation information setting, and result
続くステップ７０３では、ソフトウエアＳＦ２に備えられたコンバータで、ソフトウエアＳＦ１形式のデータをソフトウエアＳＦ２形式のデータに変換する。そして、ステップ７０４において、ソフトウエアＳＦ２形式に変換されたデータをソフトウエアＳＦ３で開く。この状態では自由にモデル情報を追加することが可能であるので、ステップ７０５において、例えば、ソフトウエアＳＦ３上で摩擦力の情報や、部品間のガタの情報を加えたり、モデルの追加、修正を実行する。
In the
この後、ステップ７０６において、ソフトウエアＳＦ３上のモデルからＣコード（Ｃ言語）を作成する。物理モデルは最終的にはＣ言語で表示された演算式の形で表される。しかしながら、このＣ言語表記のままでは、ＣＰＵで処理できないため、ＣＰＵで処理できる形(実行体)にコンパイルする、即ち、ソフトウエアＳＦ２で実行できる形式にコンパイルする。そして、このコンパイルによって本発明の特徴であるモデル実行体が作られて本発明が完了する。このモデル実行体を作るまでが本発明の重要な特徴である。
Thereafter, in
このようにして作られたモデル実行体は、次のステップ７０７において、物理モデル演算部分４ＢのソフトウエアＳＦ４によりこのモデル実行体が演算し、シミュレーションを実行してこのルーチンを終了する。
In the
シミュレーションを行うと結果がサンプリングデータという形で出るので、これをもう一度、物理モデル作成、シミュレーション情報設定、結果表示部分４Ａに返す。返されたデータはＨＤＤ１２の共有メモリに入る。この共有メモリに入ったデータを、ソフトウエアＳＦ１のアニメーション画面に渡してアニメーション表示を行う。すると、このシミュレーションの通りにアニメーションが動作するので、リアルなアニメーションの挙動を確認することができる。また、シミュレーションを実機を用いることなく機構モデルを用いて行うことができるので、実機の試作前に機構の設計評価が可能となる。
When the simulation is performed, the result is obtained in the form of sampling data, and this is again returned to the physical model creation, simulation information setting, and result
以上説明したように、本発明による物理モデルの作成装置では、３Ｄ−ＣＡＤで作成された機構部分を含む制御対象のデータを、一旦汎用の物理モデル作成ソフトウエア形式に変換し、これにより、３Ｄ−ＣＡＤで作成された機構部分を含む制御対象のデータに対して、任意の要素の追加、新しい種類の部品の追加、物理シミュレーションに必要のない要素の削除が可能である。また、本発明の物理モデルの作成装置では、制御対象のそれぞれの部品のモデルを作成して部品と同様に扱い、その部品化されたモデルをシステムに応じて選択／配置することで、物理モデルの作成が容易に行えるようになるのである。この例を図８を用いて説明する。 As described above, in the physical model creation apparatus according to the present invention, the data to be controlled including the mechanism part created by 3D-CAD is once converted into a general-purpose physical model creation software format, thereby 3D -Arbitrary elements can be added, new types of parts can be added, and elements that are not necessary for physical simulation can be added to the control target data including the mechanism part created by CAD. Further, in the physical model creation apparatus of the present invention, a model of each part to be controlled is created and handled in the same way as the part, and the model converted into the part is selected / placed in accordance with the system, whereby the physical model is created. Can be easily created. This example will be described with reference to FIG.
図８は、本発明の物理モデル作成装置における物理モデルがロボットアームＲＡである場合の、ロボットアームＲＡの機構要素のそれぞれを、汎用のモデル作成ソフトウエアを用いてモデル部品化し、システムに応じて選択、配置を行うことにより、物理モデルを作成する実施例を説明する図である。図８に示されるロボットアームＲＡは、３つの棒状の部品Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ１自由度の関節Ｄ，Ｅにより接続されたものである。 FIG. 8 shows a case where each of the mechanical elements of the robot arm RA when the physical model in the physical model creation apparatus of the present invention is the robot arm RA is converted into a model part using general-purpose model creation software. It is a figure explaining the Example which produces a physical model by performing selection and arrangement | positioning. The robot arm RA shown in FIG. 8 has three rod-like parts A, B, and C connected by joints D and E with one degree of freedom, respectively.
汎用のモデル作成ソフトウエア（例えば、ＭＡＴＬＡＢ（商標）と呼ばれる高級プログラミング言語を使用したテクニカルコンピューティング環境のモデル作成ソフトウエアが知られている。）のシミュレーション、システムモデルの検証機能を使用すると、図８の上側の表示画面に示されるロボットアームＲＡの機構要素のそれぞれは、図８の下側の画面に示されるような部品毎のモデルとして構築することができる。即ち、機構の各要素、部品間の摩擦情報、ガタツキ情報がモデル部品化され、システムに応じて選択、配置を行うことにより、物理モデルの形で表現することができる。 Using simulation and system model verification functions of general-purpose model creation software (for example, model creation software for technical computing environments using a high-level programming language called MATLAB is known) Each of the mechanical elements of the robot arm RA shown on the upper display screen of FIG. 8 can be constructed as a model for each part as shown on the lower screen of FIG. That is, each element of the mechanism, friction information between parts, and backlash information are modeled, and can be expressed in the form of a physical model by selecting and arranging according to the system.
このように、汎用のモデル作成ソフトウエアを使用して３Ｄ−ＣＡＤのデータに基づいた物理モデルを作成すると、この汎用のモデル作成ソフトウエア上で自由にモデル部品、例えば、任意の部品Ｆや部品Ｇを追加したり、部品情報、例えば、部品間の摩擦力やガタツキのデータ、を追加することができる。この結果、物理モデルの作成が容易に行えるようになると共に、任意の部品の追加や部品情報の追加により、より精度の高いシミュレーションを行うことができる。 When a physical model based on 3D-CAD data is created using general-purpose model creation software in this way, model parts such as arbitrary parts F and parts can be freely created on the general-purpose model creation software. G can be added, or part information, for example, frictional force between parts or rattle data can be added. As a result, it is possible to easily create a physical model, and it is possible to perform a more accurate simulation by adding arbitrary parts or adding part information.
図９は、本発明の物理モデル作成装置における物理モデルがロボットアームＲＡである場合の、ロボットアームＲＡの機構要素のそれぞれを、汎用のモデル作成ソフトウエアに対応したライブラリソフトウエアを用いてライブラリソフトウエア形式のデータに変換し、これを更に汎用のモデル作成ソフトウエアシステムを用いて汎用のモデル作成ソフトウエア形式のデータに変換することにより、物理モデルを作成する実施例を説明する図である。即ち、図９に示す実施例は、汎用の物理モデル作成ソフトウエア用のライブラリソフトウエアを仲介させることにより、物理モデルの作成をより簡単にできるようにしたものである。図９に示されるロボットアームＲＡも、３つの棒状の部品Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ１自由度の関節Ｄ，Ｅにより接続されたものである。 FIG. 9 shows the library software using the library software corresponding to the general-purpose model creation software for each of the mechanical elements of the robot arm RA when the physical model in the physical model creation apparatus of the present invention is the robot arm RA. FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment in which a physical model is created by converting data into data in a hardware format and further converting the data into data in a general-purpose model creation software format using a general-purpose model creation software system. That is, in the embodiment shown in FIG. 9, physical model creation can be made easier by mediating library software for general-purpose physical model creation software. The robot arm RA shown in FIG. 9 also has three rod-like parts A, B, and C connected by joints D and E with one degree of freedom, respectively.
汎用の物理モデル作成ソフトウエアに対応したライブラリソフトウエアには、例えば、分かり易いアイコンで表現されたモデル要素が多数記憶されており、モデル要素の内容を参照し、必要なモデル要素をドラッグ・アンド・ドロップして引き出し、それらを組み合わせることにより、複雑なマルチドメインのモデルを作成することができるものである。図９の上の画面の３Ｄ−ＣＡＤ等の持つ構成データを、このライブラリソフトウエアを用いて、ロボットアームＲＡのそれぞれの部品をライブラリソフトウエア形式のデータ（モデル要素）に変換すると図９の中央に示す画面のようになる。この画面上では、自由にライブラリ部品、例えば部品Ｆや部品Ｇを追加することができる。 Library software that supports general-purpose physical model creation software, for example, stores many model elements represented by easy-to-understand icons, and refers to the contents of model elements, and drags and drags necessary model elements. -Drop and pull out and combine them to create a complex multi-domain model. 9 is converted into data (model elements) in the form of library software by converting each component of the robot arm RA into data (model elements) in the library software using the library software. It looks like the screen shown in. On this screen, library parts such as part F and part G can be freely added.
このライブラリソフトウエアは、汎用の物理モデル作成ソフトウエアとの連携が可能であり、ライブラリソフトウエアを用いて選択／配置されたモデル要素は更に汎用の物理モデル作成ソフトウエアの上で動く形式に変換される。この変換されたモデル要素は、図９の下の画面に示すようになる。この図９の下の画面に示されるものは、図８の下の画面に示されるものと同じ概念のものである。よって、この画面に示される構成に、自由にモデル部品とモデル情報を追加することができる。 This library software can be linked with general-purpose physical model creation software, and model elements selected / placed using the library software are further converted into a format that can be run on general-purpose physical model creation software. Is done. The converted model element is as shown in the lower screen of FIG. What is shown in the lower screen of FIG. 9 has the same concept as that shown in the lower screen of FIG. Therefore, model parts and model information can be freely added to the configuration shown on this screen.
そして、図９の下の画面に示されるモデル要素は、最終的にはＣ言語（Ｃコード）で表記された演算式の形式で表される。更に、Ｃ言語表記のままではＣＰＵで処理できないため、この後に、ＣＰＵで処理できる形の実行体に変換（コンパイル）し、この実行体がＣＰＵで処理される。 The model elements shown in the lower screen of FIG. 9 are finally expressed in the form of an arithmetic expression written in C language (C code). Further, since it cannot be processed by the CPU in the C language notation, it is converted (compiled) into an executable that can be processed by the CPU, and this executable is processed by the CPU.
このように、汎用の物理モデル作成ソフトウエア用のライブラリソフトウエアを仲介させることにより、３Ｄ−ＣＡＤのデータからライブラリソフトウエア上でモデル要素を用いてライブラリソフトウエア形式のモデルを構築し、これを更に汎用のモデル作成ソフトウエア上のモデルに変換すれば、物理モデルの作成が容易に行える。 In this way, by interposing the library software for general-purpose physical model creation software, a model of the library software format is constructed from the 3D-CAD data using the model elements on the library software. Furthermore, if it is converted to a model on general-purpose model creation software, a physical model can be created easily.
４…シミュレーション装置
１０…パーソナルコンピュータ
１８…バス
２１…通信ケーブル
ＲＡ…ロボットアーム
4 ...
Claims (4)
３次元のコンピュータ設計支援装置である３Ｄ−ＣＡＤ装置を使用して作成された前記制御対象の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、前記物理モデルを作成するための中間形式データであり、演算式の形式で表される物理モデル要素の情報と、当該物理モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される物理モデルデータを作成する物理モデルデータ作成手段と、
前記物理モデルデータの変更を変更操作入力に基づいて可能にする物理モデルデータ変更手段と、
前記物理モデルデータ変更手段により変更された前記物理モデルデータから、シミュレーションの実行処理が可能な実行体の形式である前記物理モデルを作成する物理モデル作成手段と、を備え、
前記物理モデルデータ変更手段は、前記物理モデルデータに基づいて、前記物理モデル要素を表すブロックと当該物理モデル要素間の接続関係を表す接続線の表示を行った状態で、変更操作入力を可能とし、前記制御対象に含まれる機構部品間の摩擦情報と、前記制御対象に含まれる機構部品間のガタツキ情報の、少なくとも一方の情報の物理モデルデータへの追加を、前記摩擦情報もしくは前記ガタツキ情報を表す物理モデル要素のブロックを追加することで可能にする、ことを特徴とする物理モデル作成装置。 A physical model creation device for creating a physical model of the control object used in a system simulation comprising a control device and a control object including a mechanism part ,
It is intermediate format data for creating the physical model based on 3D-CAD data to be controlled created using a 3D-CAD device , which is a three-dimensional computer design support device, and is in the form of an arithmetic expression Physical model data creation means for creating physical model data configured in a form in which information on physical model elements represented by the above and information on connection relations between the physical model elements are set ;
Physical model data changing means for enabling change of the physical model data based on a change operation input ;
Wherein the physical model the physical model data changed by the data changing means comprises a physical model generating means for generating the physical model in the form of execution of the simulation can run bodies, and
The physical model data changing means enables a change operation input in a state in which a block representing the physical model element and a connection line representing a connection relation between the physical model elements are displayed based on the physical model data. The friction information between the mechanical parts included in the control target and the backlash information between the mechanical parts included in the control target are added to the physical model data of at least one of the friction information or the backlash information. A physical model creation device characterized by being made possible by adding blocks of physical model elements to be represented .
３次元のコンピュータ設計支援装置である３Ｄ−ＣＡＤ装置を使用して作成された前記制御対象の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、前記物理モデルを作成するための中間形式データであり、前記制御対象の機構部分を構成する機構部品をモデル化した機構モデル要素の情報と、当該機構モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される第１の中間データを作成する第１の中間データ作成手段と、
前記第１の中間データの変更を変更操作入力に基づいて可能にする第１の中間データ変更手段と、
前記第１の中間データに基づいて、前記物理モデルを作成するための中間形式データであり、演算式の形式で表される物理モデル要素の情報と、当該物理モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される物理モデルデータである第２の中間データを作成する第２の中間データ作成手段と、
前記第２の中間データの変更を変更操作入力に基づいて可能にする第２の中間データ変更手段と、
前記第２の中間データ変更手段により変更された前記第２の中間データから、シミュレーションの実行処理が可能な実行体の形式である前記物理モデルを作成する物理モデル作成手段と、を備え、
前記第２の中間データ変更手段は、前記第２の中間データに基づいて、前記物理モデル要素を表すブロックと当該物理モデル要素間の接続関係を表す接続線の表示を行った状態で、変更操作入力を可能とし、前記制御対象に含まれる機構部品間の摩擦情報と、前記制御対象に含まれる機構部品間のガタツキ情報の、少なくとも一方の情報の第２の中間データへの追加を、前記摩擦情報もしくは前記ガタツキ情報を表す物理モデル要素のブロックを追加することで可能にする、ことを特徴とする物理モデル作成装置。 A physical model creation device for creating a physical model of the control object used in a system simulation comprising a control device and a control object including a mechanism part,
The intermediate format data for creating the physical model based on the 3D-CAD data of the control object created using the 3D-CAD apparatus which is a three-dimensional computer design support apparatus, First intermediate data for creating first intermediate data configured in such a manner that information on a mechanism model element obtained by modeling a mechanism part constituting the mechanism portion and information on a connection relation between the mechanism model elements are set. Creating means;
First intermediate data changing means for enabling the change of the first intermediate data based on a change operation input;
Intermediate format data for creating the physical model based on the first intermediate data, and information on physical model elements expressed in the form of arithmetic expressions and information on connection relationships between the physical model elements Second intermediate data creating means for creating second intermediate data that is physical model data configured in a set form;
Second intermediate data changing means for enabling change of the second intermediate data based on a change operation input;
Physical model creation means for creating, from the second intermediate data changed by the second intermediate data change means, the physical model that is in the form of an executable body capable of executing a simulation,
The second intermediate data changing means performs a change operation in a state where a block representing the physical model element and a connection line representing a connection relation between the physical model elements are displayed based on the second intermediate data. The friction information between the mechanical parts included in the control target and the backlash information between the mechanical parts included in the control target are added to the second intermediate data of at least one of the information. A physical model creation apparatus , which is made possible by adding a block of physical model elements representing information or the backlash information .
３次元のコンピュータ設計支援装置である３Ｄ−ＣＡＤ装置を使用して作成された前記制御対象の３Ｄ−ＣＡＤデータに基づいて、前記物理モデルを作成するための中間形式データであり、演算式の形式で表される物理モデル要素の情報と、当該物理モデル要素間の接続関係の情報が設定される形で構成される物理モデルデータを作成する物理モデルデータ作成ステップと、
前記物理モデルデータの変更を変更操作入力に基づいて可能にする物理モデルデータ変更ステップと、
前記物理モデルデータ変更ステップで変更された前記物理モデルデータから、シミュレーションの実行処理が可能な実行体の形式である前記制御対象の物理モデルを作成する物理モデル作成ステップとを実行させ、
前記物理モデルデータ変更ステップでは、前記物理モデル作成装置に、前記物理モデルデータに基づいて、前記物理モデル要素を表すブロックと当該物理モデル要素間の接続関係を表す接続線の表示を行った状態で、変更操作入力を可能とさせ、前記制御対象に含まれる機構部品間の摩擦情報と、前記制御対象に含まれる機構部品間のガタツキ情報の、少なくとも一方の情報の物理モデルデータへの追加を、前記摩擦情報もしくは前記ガタツキ情報を表す物理モデル要素のブロックを追加することで可能にさせる、ことを特徴とする物理モデル作成装置におけるプログラム。 A program in a physical model creation device for creating a physical model of the control target to be used in a simulation of a system including a control device and a target including a mechanism part , the physical model creation device,
It is intermediate format data for creating the physical model based on 3D-CAD data to be controlled created using a 3D-CAD device , which is a three-dimensional computer design support device, and is in the form of an arithmetic expression A physical model data creation step for creating physical model data configured in a form in which information of physical model elements represented by and information on connection relations between the physical model elements is set ;
A physical model data changing step that enables the physical model data to be changed based on a change operation input ;
Executing the physical model creation step of creating the physical model of the controlled object in the form of an executable body capable of executing a simulation from the physical model data changed in the physical model data change step ;
In the physical model data changing step, the physical model creation device displays a block representing the physical model element and a connection line representing a connection relationship between the physical model elements based on the physical model data. , Enabling change operation input, adding friction information between mechanical parts included in the control target and backlash information between mechanical parts included in the control target to at least one of the information to the physical model data, A program in a physical model creation apparatus , which is made possible by adding a block of physical model elements representing the friction information or the backlash information .
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