JP4549077B2 - シミュレーション装置及び該装置のプログラム - Google Patents

Description

本発明はシミュレーション装置及び該装置のプログラムに関し、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し、シミュレーション結果を立体（以後３Ｄと記す）アニメーション画像として表示するに際して、機構部分を含む制御対象の物理モデルを用いた物理シミュレーションの結果で３Ｄアニメーションを動作させるシミュレーション装置及び該装置のプログラムに関する。

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３Ｄ画像を何枚も作成し、これを連続して動く動画（アニメーション）と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３Ｄアニメーションのシミュレーションに必要になるのは、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、この物理モデルを使用してシミュレーションを行うことが一般的である。

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、高速なシミュレーションを行うために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とＥＣＵ（電子制御ユニット）３０が組み合わされた例を示している。

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（以後ＨＤＤと記載、図にもＨＤＤと記載）１２、ＨＤＤ１２から読み出された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）を行う処理装置（以後ＣＰＵと記す）１４、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。

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、及びＨＤＤ（ハードディスクドライブ）２５が設けられており、バス２８で相互に接続されている。

ＥＣＵ３０はケーブル３１によってコンピュータ設計支援装置２０の通信装置２２に接続されている。ＥＣＵ３０の内部の構造は図示しないが、コンピュータ設計支援装置２０と同様にマイクロコンピュータを内蔵しており、通信ケーブル３１に接続する通信装置、メモリ、ＣＰＵ、及びＨＤＤが設けられていて、バスで相互に接続されているものとする。ＥＣＵ３０はシミュレーション装置を用いて開発しようとする制御装置に相当するものである。ＥＣＵ３０は、実際の制御装置の機能を果たすので、実際の製品に組み込まれる組込みシソフトウエアが格納されている。

シミュレーション装置４に必要なソフトウエアは、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、及び「制御装置シミュレーション」を行うソフトウエアの３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で行い、「制御装置シミュレーション」をＥＣＵ３０で行う場合について説明する。

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。また、ＥＣＵ３０には既にソフトウエアがインストールされているものとする。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設計支援装置（以後３Ｄ−ＣＡＤと記す）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。そして、ＥＣＵ３０は、実際の制御装置の機能を果たすので、実際の製品に組み込まれる組込みソフトウエアが格納されている。

パーソナルコンピュータ１０のディスクドライブ１１によって読み込まれた各ソフトウエアは、ＨＤＤ１２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、ＨＤＤ１２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。表示器１５には、３Ｄ−ＣＡＤのアニメーションやシミュレーション情報が表示される。なお、ソフトウエアは、ＣＤ−ＲＯＭ１，２，３によってＨＤＤ１２に読み込まれる他、通信装置１６を介してインターネット経由で入手したものを、ＨＤＤ１２に読み込むことも可能である。

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、これを通信装置１６，２２と通信ケーブル２１を介してＨＤＤ２５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、ＨＤＤ２５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。

そして、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に組込みソフトウエアが格納されたＥＣＵ３０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、机上で表示器１５に示される制御系の３Ｄアニメーション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。

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。

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。

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）センサの種類等を入力する。すると、これらの情報を基にしてロボットアームＲＡの物理モデルが作成される。

このような３Ｄ−ＣＡＤの技術としては、例えば、組込みソフトウエア開発部から３Ｄモデルシミュレータに、モータ等のアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ指令信号を送り、３Ｄモデルシミュレータから組込みソフトウエア開発部には、センサのオン、オフ等を表す信号が送られる技術が特許文献１に開示されている。

特開２００１−２２２５７２号公報

しかしながら、このような機構部品のシミュレーションでは、そのシミュレーション結果を機構部分の３Ｄアニメーションとして表示するだけであり、３Ｄアニメーションにおける機構部分の部品間の位置関係、距離等の情報を物理モデルの演算に反映することはできなかった。そのため、例えば、３Ｄアニメーションにおける機構部品の部品間で干渉が発生している場合でも、その干渉に応じたシミュレーションを行うことができなかった。また、干渉に応じたシミュレーションを行う場合、干渉を判定するための演算等を物理モデルに加える必要があるが、その実現が困難であった。更に、実現できたとしても物理モデルが複雑となり、高速な演算を行うことができなかった。

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、機構部品のシミュレーションを行い、その結果を機構部分の３Ｄアニメーションとして表示する場合、物理モデル演算の結果として、機構部品の動作パラメータ（例えば、モータの回転角）を３Ｄアニメーション用のデータとして使用すると共に、３Ｄアニメーションから機構部分の部品間の位置関係、距離等の動作データをフィードバックして物理モデル演算に反映させることにより、３Ｄアニメーションの状態、例えば、機構部分の部品間の衝突等、を反映したシミュレーションを行うことができ、かつ高速な演算をリアルタイムに行うことができるシミュレーション装置及び該装置のプログラムを提供することを目的としている。

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をリアルタイムにシミュレーションするシミュレーション装置であって、制御対象の物理モデルを用いて前記シミュレーションを行うシミュレーション手段と、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データと、シミュレーション手段によるシミュレーションの結果である、制御対象に含まれる機構部品の動作状態に基づいて、制御対象の動作の３Ｄ解析を行い、３Ｄアニメーション表示を行うための描画処理を行う３Ｄ解析描画処理手段と、３Ｄ解析描画処理手段で描画処理された制御対象の動作を、シミュレーションを行っている際に３Ｄアニメーション表示する３Ｄアニメーション表示手段と、を備え、３Ｄ解析描画処理手段は、３Ｄアニメーション表示の描画処理のために行った３Ｄ解析の結果をシミュレーション手段に供給し、シミュレーション手段は、３Ｄ解析描画処理手段から供給される３Ｄ解析の結果である、制御対象に含まれる機構部品間の衝突状態を含む機構部品間の位置関係に関する情報を、シミュレーションの物理モデル演算に反映することを特徴としている。

本発明の第２の形態は、第１の形態において制御対象に含まれる機構部品間の衝突状態が発生した場合の、当該機構部品の動作をシミュレーションする場合に、追加情報として、機構部品の質量と重心、機構部品間の摩擦力とガタツキ情報の少なくとも１つを考慮してシミュレーションを行うものであり、追加情報を、記シミュレーション手段での物理モデル演算に用いる物理モデルに追加することを特徴としている。

本発明の第３の形態は、第１又は第２の形態において、シミュレーションを行っている際に、３Ｄアニメーション表示手段によって表示を行っている３Ｄアニメーションに対して、操作入力に基づいて物体の追加を行う設定を可能に構成しており、３Ｄ解析描画処理手段は、追加された物体に対する制御対象に含まれる機構部品の衝突状態を含めた、機構部品間の位置関係に関する情報を、３Ｄ解析の結果としてシミュレーション装置に供給することを特徴としている。

本発明の第４の形態は、第１から第３の何れかに記載のシミュレーション装置において、機構部品間の位置関係に関する情報が、機構部品の動作時の動作速度に干渉する情報、機構部品間の距離情報、機構部品の動作時に干渉する物体との距離情報の少なくとも１つであることを特徴としている。

本発明の第５の形態は、第１から第４の何れかのシミュレーション装置において、シミュレーション手段は、制御対象をシミュレーションする制御対象シミュレーション手段を有し、３Ｄ解析描画手段における処理を行う３Ｄ解析描画処理部と、制御対象シミュレーション手段における処理を行う制御対象シミュレーション処理部とは、それぞれ独立に設けられていることを特徴としている。

本発明の第６の形態は、第５の形態のシミュレーション装置において、制御装置が実際の制御装置であることを特徴としている。

更に、前記目的を達成する本発明のシミュレーション装置のプログラムは、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をリアルタイムにシミュレーションするシミュレーション装置のプログラムであって、シミュレーション装置に、制御対象の物理モデルを用いてシミュレーションを行うシミュレーションステップと、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データと、シミュレーションステップにおけるシミュレーションの結果である、制御対象に含まれる機構部品の動作状態に基づいて、制御対象の動作の３Ｄ解析を行い、３Ｄアニメーション表示を行うための描画処理を行う３Ｄ解析描画処理ステップと、３Ｄ解析描画処理手ステップで描画処理された制御対象の動作を、シミュレーションを行っている際に３Ｄアニメーション表示する３Ｄアニメーション表示ステップとを実行させ、３Ｄ解析描画処理ステップでは、３Ｄアニメーション表示の描画処理のために行った３Ｄ解析の結果である、制御対象に含まれる機構部品間の衝突状態を含む機構部品間の位置関係に関する情報を、シミュレーションの物理モデル演算に反映させることを特徴としている。

本発明の第１と第２の形態のシミュレーション装置によれば、３Ｄ解析手段から制御対象の部品の位置情報等をシミュレーションにフィードバックしてシミュレーションに反映させることにより、例えば、制御対象の部品同士が干渉した場合（部品同士が衝突し、その動作が停止した場合の制御装置のフェイルセーフ）のシミュレーションを行うことができ、シミュレーション精度を向上させることができる。

本発明の第３と第４の形態のシミュレーション装置によれば、外的な干渉情報として、例えば、制御装置を構成する部品の動きを妨げる物体を設定できることにより、制御対象の部品と物体が干渉した場合（部品と物体が衝突し、部品の動作が停止した場合の制御装置のフェイルセーフ）のシミュレーションを行うことができ、シミュレーションの精度を向上させることができる。

本発明の第５の形態のシミュレーション装置によれば、制御対象の３Ｄ表示を参照しながら、ユーザは視覚的に容易に外的な干渉情報（例えば、制御装置を構成する部品の動きを妨げる物体）を設定することができる。

本発明の第６の形態のシミュレーション装置によれば、部品の位置情報、部品間の距離情報、部品の動作時に干渉する情報等を３Ｄ解析の結果としてシミュレーションにフィードバックするために、シミュレーションの精度を向上させることができる。

本発明の第７から第９の形態のシミュレーション装置によれば、それぞれ独立した処理部を設けることにより、一層シミュレーションの精度を向上させることができる。

本発明の第１０の形態のシミュレーション装置によれば、制御対象シミュレーション処理部の処理をリアルタイムに行うことにより、リアルタイムで動作する実際の制御装置またはラピッドコントローラを接続してシミュレーションを行うことができる。

本発明のシミュレーション装置のプログラムによれば、３Ｄ解析から得られる制御対象の位置情報等をシミュレーションにフィードバックしてシミュレーションに反映させることにより、制御対象の部品同士が干渉した場合のシミュレーションを行うことができ、シミュレーション精度を向上させることができる。

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。

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、及びＥＣＵ３０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、ＥＣＵ３０はパーソナルコンピュータ１０に接続されることになる。

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。

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に接続させる他に、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。

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ＨＤＤ２５が設けられており、バス２８で相互に接続されている。また、ＥＣＵ３０は通信ケーブル３１を介してコンピュータ設計支援装置２０に接続される。ＥＣＵ３０の内部には、コンピュータ設計支援装置２０の通信装置２２に接続される通信装置３２、メモリ３３、ＣＰＵ３４、及びＨＤＤ（ハードディスクドライブ）３５があり、相互にバス３８で接続されている。

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。また、ＥＣＵ３０のＨＤＤ３５には、予め実際の製品に組み込まれる組込みソフトウエアが、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体、或いは通信手段を用いて記憶されているものとする。

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、或いは「制御装置のシミュレーション」を何処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、及び「制御装置のシミュレーション」を行う制御装置シミュレーション部分４Ｃとがあるものとして説明する。

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３Ｓには、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と、物理モデル演算機能を有するソフトウエアＳＦ４が含まれている。ソフトウエアＳＦ２は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、ソフトウエアＳＦ４は、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。

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。

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。

３Ｄ−ＣＡＤのデータとしては、部品の形状、部品同士の位置関係、部品の材質等を入力する。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）センサの種類等を入力し、これらの情報を基にして物理モデルが作成されていた。

しかしながら、このような機構部品のシミュレーションでは、そのシミュレーション結果を機構部分の３Ｄアニメーションとして表示するだけであり、３Ｄアニメーションにおける機構部分の部品間の位置関係、距離等の情報を物理モデルの演算に反映することはできなかった。そのため、例えば、３Ｄアニメーションにおける機構部品の部品間で干渉が発生している場合でも、その干渉に応じたシミュレーションを行うことができなかった。また、干渉に応じたシミュレーションを行う場合、干渉を判定するための演算等を物理モデルに加える必要があるが、その実現が困難であった。更に、実現できたとしても物理モデルが複雑となり、高速な演算を行うことができなかった。

そこで、本発明では、このような機構部品のシミュレーションを行い、その結果を機構部分の３Ｄアニメーションとして表示する場合、物理モデル演算の結果として、モータの回転角を３Ｄアニメーション用のデータとして使用すると共に、図に斜線入りの矢印で示すように、３Ｄアニメーションから機構部分の部品間の位置関係、距離等の動作データを物理モデル側にフィードバックし、フィードバックしたデータを物理モデル演算に反映させることにより、３Ｄアニメーションの状態（例えば、機構部分の部品間の衝突等）を反映したシミュレーションを行うことができ、かつ高速な演算を行うことができるようにした。

即ち、本発明では、機構部分を含む制御対象とこの制御対象を制御する制御装置とからなるシステムをシミュレーションし、シミュレーション結果を３Ｄアニメーション画像として表示するシミュレーション装置において、物理モデル作成ソフトウエアにより機構部分を含む制御対象の物理モデルを作成し、この物理モデルを用いて物理シミュレーション演算を行うシミュレーションソフトウエアと、３Ｄアニメーション動作を行わせるアニメーションソフトウエアとを設け、シミュレーションソフトウエアは、機構部分の３Ｄアニメーションに必要なデータをアニメーションソフトウエアに供給し、アニメーションソフトウエアは、機構部分の３Ｄアニメーション動作中のシミュレーションデータを、シミュレーションソフトウエアに送り返し、シミュレーションソフトウエアは、アニメーションソフトウエアからのデータを物理シミュレーション演算に反映させるようにした。即ち、本発明における制御対象の３Ｄ解析は、シミュレーションの結果に基づいて制御対象を構成する部品を動作させた場合の干渉解析である。

このような本発明の実施の形態を、以下に幾つかの具体的な実施例に基づいて、図６から図１２を用いて説明する。

図６は図４に示した本発明を実施するためのシステム構成図において、機構部分の３Ｄアニメーションに必要なデータをアニメーションソフトウエアに供給し、アニメーションソフトウエアは、機構部分の３Ｄアニメーション動作中のシミュレーションデータを、物理演算ソフトウエアに供給し、物理演算ソフトウエアは、アニメーションソフトウエアからのデータを物理シミュレーション演算に反映されるまでのデータの流れを示すものである。また、図７は図６におけるデータの流れの手順を説明するフローチャートである。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ので、図６を参照しながら図７のフローチャートの各ステップを説明する。

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（図６の丸付き数字１を参照）。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。（図６の丸付き数字２を参照）
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（図６の丸付き数字３を参照）。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（図６の丸付き数字４を参照）。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（図６の丸付き数字５を参照）。

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）を作成し、ソフトウエアＳＦ２で実行できる形式にコンパイルする。このコンパイルによってモデル実行体が作られる（図６の丸付き数字６を参照）。そして、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される（図６の丸付き数字７を参照）。続いて、ステップ７０８において、制御装置シミュレーション部分４Ｃとの間で信号を送受信し、制御装置を含むシステム全体をシミュレートする（図６の丸付き数字８を参照）。

演算を行うと結果がサンプリングデータという形で出る。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は物理モデル演算部分４Ｂからこの演算結果を受け取り、演算結果の解析と表示を行う（図６の丸付き数字９を参照）。次のステップ７１０では、物理モデル演算の結果（ここでは、例えばモータの回転角とする）、３Ｄ解析とアニメーションの描画処理を行う（図６の丸付き数字１０を参照）。この結果、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。

最後のステップ７１１では、アニメーションからの機構部品の部品間の位置関係、距離等のデータを物理モデル演算部分４Ｂにフィードバックし、アニメーションの状態を反映したシミュレーションを行う（図６の丸付き数字１１を参照）。そして、ステップ７１１の終了後にこのルーチンを終了する。

以上説明したように、本発明によるシミュレーション装置では、物理モデル演算中に、３Ｄアニメーションから機構部分の部品間の位置関係、距離等のデータを物理モデル演算に反映させることができるので、３Ｄアニメーションの状態（例えば、機構部分の部品間の衝突等）のシミュレーションを行うことが可能となる。例えば、アニメーションで表示した物体がアニメーションの中で動き、アニメーションの中の他の物体に接近していった場合、２つの物体のお互いの位置の情報を見れば、２つの物体が接近した、或いは衝突した等の状況を把握することができる。そして、この位置の情報を逆に物理モデルに与えることにより、２つの物体が接近した時、或いは衝突した時等の状況を反映したシミュレーションが可能となる。即ち、単にアニメーションに情報を流すだけではなく、逆にアニメーションの中の情報を取り出すことによって、よりリアルなシミュレーションを実行することができる。

このリアルなシミュレーションの実行について、以下にいくつかの具体的な例を挙げて説明する。

第１の具体例は、例えば、アニメーションの中に通常は衝突しない第１と第２の部品があるが、何らかの原因で第１の部品が第２の部品に衝突して停止した場合の例である。アニメーションの中で第１の部品が第２の部品に衝突して停止した場合は、停止したそれらの部品の位置情報等を物理モデルの演算にフィードバックすることにより、第１の部品が第２の部品に衝突して停止した場合のシステムのシミュレーションを行うことができる。つまり、第１の部品が３０°回転するはずが、２０°回転したところで第２の部品に衝突して停止した場合、この２０°という情報が物理モデルの演算にフィードバックされるのである。

この例では、例えば、制御信号の通りに第１の部品が動作しなかった場合に、第１の部品を動作前の位置に戻すという制御装置のロジックを、シミュレーションによって検証することができる。

第２の具体例は、例えば、アニメーションの中に制御対象の動作に影響する外的な干渉情報を設定する例である。この場合は、アニメーションの中に、突然その部品の動作を止めるような物体が出現したような場合である。実際の例では、ＣＤ−ＲＯＭのようなディスク装置の中のディスク媒体を排出しようとしたところ、ディスク装置のディスク媒体を出し入れする扉の前に異物が置かれていたような場合がこれに相当する。この場合は、アニメーションの中に突然壁や棒等の障害物を出現させる設定を行うことによって、この情況に応じたシミュレーションを行うことができる。

第３の具体例は、例えば、アニメーションの中に制御対象の動作に影響する外的な干渉情報の設定として、アニメーションの中に制御対象の動作速度を遅くする、或いは速くするような設定を行う例である。アニメーションの中の物体の動作速度を遅くするために、その動作を遅くするような要素をアニメーションの中に設定する場合は、例えば、物体の移動方向の後ろ側に弱い引っ張りばね要素を接続する、或いは、物体の移動方向の前方側に弱い圧縮ばね要素を接続する等してその動作速度を遅くする設定を行うことによりこれを実現することができる。また、逆に、アニメーションの中の物体の動作速度を速くする場合は、例えば、物体の移動方向の後ろ側に弱い圧縮ばね要素を接続する、或いは、物体の移動方向の前方側に弱い引っ張りばね要素を接続する等してこれを実現することができる。実際の例では、ＣＤ−ＲＯＭのようなディスク装置へのディスク媒体の挿入中に、操作者がディスク媒体を引っ張ったり、ディスク媒体を押し込んだりするような場合がこれに相当する。この場合も、アニメーションの中の物体の位置情報等をフィードバックすることにより、このような情況に応じたシミュレーションを行うことができる。

図８は、図６で説明した本発明のシミュレーション装置において、物理モデル演算部分４Ｂを独立させて、例えば、図３に示したコンピュータ設計支援装置２０の中に設けた実施例におけるデータの流れを説明する図である。この場合には、シミュレーション装置４の中に、通信装置として機能するネットワークコントローラ６が設けられており、同様に、コンピュータ設計支援装置２０の中に、通信装置として機能するネットワークコントローラ２６が設けられている。ネットワークコントローラ６とネットワークコントローラ２６とは通信ケーブル７で接続されている。この図におけるデータの流れを説明するものが図９に示すフローチャートである。ここで、図８に示す丸付き数字は、図９の各ステップの丸付き数字に対応しているので、図８を参照しながら図９のフローチャートの各ステップを説明する。

図９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。そして、図８に示す丸付き数字１から丸付き数字６までのデータの流れ、即ち、モデル実行体が作られるまでのデータの流れは、図６で説明した手順と全く同じであるので、図８に示す丸付き数字１から丸付き数字６までのデータの流れを説明するフローチャートのステップには、図７のフローチャートのステップ番号と同じステップ番号を付してその説明を省略する。図８に示す丸付き数字１から丸付き数字６までのデータの流れを説明する図９のフローチャートのステップ番号は、ステップ７０１からステップ７０６までである。

このようにしてステップ７０６において、モデル実行体が作られる（図８の丸付き数字６を参照）と、次のステップ９０１において、コンパイルされたモデル実行体をネットワークコントローラ６、２６経由でコンピュータ設計支援装置２０内にある物理モデル演算部分４Ｂに送る（図８の丸付き数字７を参照）。物理モデル演算部分４Ｂには、この実施例では、メモリ２３、ＣＰＵ２４、及びＨＤＤ２５がある。そして、ステップ９０２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される（図８の丸付き数字８を参照）。続いて、ステップ９０３において、ネットワークコントローラ６、２６経由で制御装置シミュレーション部分４Ｃとの間で信号を送受信し、制御装置を含むシステム全体をシミュレートする（図８の丸付き数字９を参照）。

演算を行うと結果がサンプリングデータという形で出る。次のステップ９０４では、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は、ネットワークコントローラ６、２６経由で物理モデル演算部分４Ｂからこの演算結果を受け取り、演算結果の解析と表示を行う（図８の丸付き数字１０を参照）。次のステップ９０５では、物理演算の結果（ここでは、例えばモータの回転角とする）を受け取り、３Ｄ解析とアニメーションの描画処理を行う（図８の丸付き数字１１を参照）。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。

最後のステップ９０６では、アニメーションからの機構部品の部品間の位置関係、距離等のデータを物理モデル演算部分４Ｂにフィードバックし、アニメーションの状態を反映したシミュレーションを行う（図８の丸付き数字１２を参照）。そして、ステップ９０６の終了後にこのルーチンを終了する。

以上説明したように、この実施例でも、物理モデル演算中に、３Ｄアニメーションから機構部分の部品間の位置関係、距離等のデータを物理モデル演算に反映させることができるので、３Ｄアニメーションの状態（例えば、機構部分の部品間の衝突等）のシミュレーションを行うことが可能となる。

図１０は、図８に示したシミュレーション装置において、更に制御装置シミュレーション部分４Ｃも独立させて、例えば、図３に示したＥＣＵ３０の中に設けた実施例におけるデータの流れを説明する図である。この場合には、ＥＣＵ３０の中に、通信装置として機能するネットワークコントローラ３６が設けられており、このネットワークコントローラ３６は、図８で説明したネットワークコントローラ６、２６と通信ケーブル８で接続されている。

また、ＥＣＵ３０の中には、物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４ＡにおけるＨＤＤ１２に相当するＨＤＤ３５、メモリ１３に相当するメモリ３３、及びＣＰＵ１４に相当するＣＰＵ３４が設けられている。ネットワークコントローラ３６を通じてＨＤＤ３５に記憶されたデータが、それぞれメモリ３３上に展開され、ＣＰＵ３４によって処理が行われる点は、物理モデル作成、シミュレーション情報設定、及び結果表示部分４Ａにおける前述の動作と同じである。

そして、図１０に示したシミュレーション装置におけるデータの流れは、図８に示したシミュレーション装置におけるデータの流れと同じであるので、フローチャートを用いた説明は省略する。

図１１は、図１０に示したシミュレーション装置において、制御装置シミュレーション部分４Ｃを構成するＥＣＵ３０を実際の装置（以後実機と記す）５０で置き換えた場合のデータの流れを説明する図である。この場合には、ＥＣＵ３０におけるネットワークコントローラ３６、ＨＤＤ３５、メモリ３３、及びＣＰＵ１４の代わりに、通信を行うインタフェースＩ／Ｆ２、駆動回路４２、データ処理を行うマイクロコンピュータ４４、制御ソフトウエア（前述の組込みソフトウエア）が格納されているＲＯＭ４５、及びデータの展開を行うメモリ４３がある。駆動回路４２、マイクロコンピュータ４４、ＲＯＭ４５、及びメモリ４３はバス４８で相互に接続されている。また、物理モデル演算部分４Ｂを備えたコンピュータ設計支援装置２０側には、ＥＣＵ３０のインタフェースＩ／Ｆ２に接続するインタフェースＩ／Ｆ１が設けられている。

この実施例に記載の実際の制御装置５０では、インタフェースＩ／Ｆ２を通じて入力された制御対象等からの信号が入力され、駆動回路４２でマイクロコンピュータ４４で処理できる信号に変換される。そして、ＲＯＭ４５に記録された制御ソフトウエアがメモリ４３上に展開され、内部状態や入力信号がマイクロコンピュータ４４によって処理される。この処理の結果得られた制御信号は、駆動回路４２において制御対象を駆動できる信号に変換され、インタフェースＩ／Ｆ２から出力される。この処理を繰り返すことにより、連続した制御が可能になる。

そして、図１１に示したシミュレーション装置４におけるデータの流れは、図８に示したシミュレーション装置４におけるデータの流れと同じであるので、フローチャートを用いた説明は省略する。

なお、図１１に示したシミュレーション装置では、物理モデル演算をリアルタイム（実時間）で行うことにより、制御装置シミュレーション部分４Ｃを実際の制御装置５０に置き換えてシミュレーションを行うことができる。即ち、制御装置シミュレーション部分４Ｃをシミュレーションで行う場合は、制御対象となる物理モデルの演算と制御装置のシミュレーションとはいずれもソフトウエアによる演算で処理が行われるので、演算が早く終わった方が演算に時間がかかる方に合わせて待っていれば良く、シミュレーション内部の演算時間が外部の実際の時間（実時間）と異なっていてもシミュレーションに影響は生じない。一方、図１１のように、制御装置シミュレーション部分４Ｃに実際の制御装置５０が接続された場合は、実際の制御装置５０は電気回路で構成されたハードウエアで実時間で動作するため、処理を早めたり待ったりすることはできない。そこで、実際の制御装置５０が接続されている場合は、物理モデル演算を実時間（リアルタイム）で行って実際の制御装置５０の動作と同期を取るのである。

図１２は、図１１に示したシミュレーション装置において、制御装置シミュレーション部分４Ｃを構成する実機をラピッドコントローラ４０で置き換えた場合のデータの流れを説明する図である。ラピッドコントローラ４０は、実際の制御装置の動作を汎用コンピュータを用いて代用するものであり、エミュレータと呼ばれるものである。ラピッドコントローラ４０を使用することにより、実際の制御装置が完成する前に、制御装置で実行する制御ソフトウエアの検証が可能になる。

制御装置シミュレーション部分４Ｃを構成する実機をラピッドコントローラ４０で置き換えた場合には、実機におけるインタフェースＩ／Ｆ２、駆動回路４２、マイクロコンピュータ４４、ＲＯＭ４５、及びメモリ４３が、インタフェースＩ／Ｆ２、制御ソフトウエアを格納するＨＤＤ４１、データを展開するメモリ４６、及びＣＰＵ４７によって構成される。このラピッドコントローラ４０の駆動回路４２、マイクロコンピュータ４４、ＲＯＭ４５、及びメモリ４３はバス４８で相互に接続されている。また、物理モデル演算部分４Ｂを備えたコンピュータ設計支援装置２０側には、ラピッドコントローラ４０のインタフェースＩ／Ｆ２に接続するインタフェースＩ／Ｆ１が設けられている。

この実施例では、インタフェースＩ／Ｆ２を通じて入力されたデータが、ＨＤＤ４１に格納された後にメモリ４３上に展開され、ＣＰＵ４７によって処理が行われる。

そして、図１２に示したシミュレーション装置におけるデータの流れは、図８に示したシミュレーション装置におけるデータの流れと同じであるので、フローチャートを用いた説明は省略する。この実施例においても、物理モデル演算をリアルタイムに行うことにより、制御装置シミュレーション部分４Ｃをラピッドコントローラに置き換えてシミュレーションを行うことができる。

従来のシミュレーション装置の構成を示すブロック構成図である。 従来のシミュレーション装置における物理モデルが二軸ロボットアームである場合の応用例を説明する図である。 本発明のシミュレーション装置のハードウエアの構成の一実施例を示すブロック構成図である。 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を示す図である。 本発明のシミュレーション装置における物理モデルが二軸ロボットアームである場合の、アニメーションデータの機構部分の部品間のデータの物理モデル演算への反映を説明する図である。 本発明のシステムにおけるデータの流れの一実施例を示す図である。 図６のシステムにおける動作手順を説明するフローチャートである。 本発明のシミュレーション装置において、物理モデル演算部分を独立させた場合のデータの流れを説明する図である。 図８のシステムにおける動作手順を説明するフローチャートである。 図８に示したシミュレーション装置において、更に制御装置シミュレーション部分も独立させた場合のデータの流れを説明する図である。 図１０に示したシミュレーション装置において、制御装置シミュレーション部分を実機で置き換えた場合のデータの流れを説明する図である。 図１１に示したシミュレーション装置において、実機をラピッドコントローラに置き換えた場合のデータの流れを説明する図である。

符号の説明

４…シミュレーション装置
７、８、９、２１、３１…通信ケーブル
１０…パーソナルコンピュータ
１８、２８、３８、４８…バス
２０…コンピュータ設計支援装置
３０…ＥＣＵ
４０…ラピッドコントローラ
５０…実際の制御装置
ＲＡ…ロボットアーム

Claims (7)

1. 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をリアルタイムにシミュレーションするシミュレーション装置であって、
   前記制御対象の物理モデルを用いて前記シミュレーションを行うシミュレーション手段と、
   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データと、前記シミュレーション手段による前記シミュレーションの結果である、前記制御対象に含まれる機構部品の動作状態に基づいて、前記制御対象の動作の３Ｄ解析を行い、３Ｄアニメーション表示を行うための描画処理を行う３Ｄ解析描画処理手段と、
   前記３Ｄ解析描画処理手段で描画処理された前記制御対象の動作を、前記シミュレーションを行っている際に３Ｄアニメーション表示する３Ｄアニメーション表示手段と、を備え、
   前記３Ｄ解析描画処理手段は、前記３Ｄアニメーション表示の描画処理のために行った前記３Ｄ解析の結果を前記シミュレーション手段に供給し、
   前記シミュレーション手段は、前記３Ｄ解析描画処理手段から供給される前記３Ｄ解析の結果である、前記制御対象に含まれる機構部品間の衝突状態を含む機構部品間の位置関係に関する情報を、前記シミュレーションの物理モデル演算に反映することを特徴とするシミュレーション装置。
2. 請求項１に記載のシミュレーション装置であって、
   前記制御対象に含まれる機構部品間の衝突状態が発生した場合の、当該機構部品の動作をシミュレーションする場合に、追加情報として、前記機構部品の質量と重心、前記機構部品間の摩擦力とガタツキ情報の少なくとも１つを考慮してシミュレーションを行うものであり、
   前記追加情報を、前記シミュレーション手段での物理モデル演算に用いる物理モデルに追加することを特徴とするシミュレーション装置。
3. 請求項１又は２に記載のシミュレーション装置であって、
   前記シミュレーションを行っている際に、前記３Ｄアニメーション表示手段によって表示を行っている３Ｄアニメーションに対して、操作入力に基づいて物体の追加を行う設定を可能に構成しており、
   前記３Ｄ解析描画処理手段は、前記追加された物体に対する前記制御対象に含まれる機構部品の衝突状態を含めた、機構部品間の位置関係に関する情報を、前記３Ｄ解析の結果として前記シミュレーション装置に供給することを特徴とするシミュレーション装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のシミュレーション装置であって、
   前記機構部品間の位置関係に関する情報が、前記機構部品の動作時の動作速度に干渉する情報、前記機構部品間の距離情報、前記機構部品の動作時に干渉する物体との距離情報の少なくとも１つであることを特徴とするシミュレーション装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のシミュレーション装置であって、
   前記シミュレーション手段は、前記制御対象をシミュレーションする制御対象シミュレーション手段を有し、
   前記３Ｄ解析描画手段における処理を行う３Ｄ解析描画処理部と、前記制御対象シミュレーション手段における処理を行う制御対象シミュレーション処理部とは、それぞれ独立に設けられていることを特徴とするシミュレーション装置。
6. 請求項５に記載のシミュレーション装置であって、
   前記制御装置が実際の制御装置であることを特徴とするシミュレーション装置。
7. 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をリアルタイムにシミュレーションするシミュレーション装置のプログラムであって、前記シミュレーション装置に、
   前記制御対象の物理モデルを用いて前記シミュレーションを行うシミュレーションステップと、
   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データと、前記シミュレーションステップにおける前記シミュレーションの結果である、前記制御対象に含まれる機構部品の動作状態に基づいて、前記制御対象の動作の３Ｄ解析を行い、３Ｄアニメーション表示を行うための描画処理を行う３Ｄ解析描画処理ステップと、
   前記３Ｄ解析描画処理手ステップで描画処理された前記制御対象の動作を、前記シミュレーションを行っている際に３Ｄアニメーション表示する３Ｄアニメーション表示ステップと、を実行させ、
   前記３Ｄ解析描画処理ステップでは、前記３Ｄアニメーション表示の描画処理のために行った前記３Ｄ解析の結果である、前記制御対象に含まれる機構部品間の衝突状態を含む機構部品間の位置関係に関する情報を、前記シミュレーションの物理モデル演算に反映させることを特徴とするシミュレーション装置のプログラム。

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