JPH04309837A - データベースを利用した機構解析シミュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボットをはじめとする
各種自動機を対象とした機構・制御系の動特性解析技術
に係り、解析時に必要となる機構形状パラメータの設定
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の機構運動特性解析シミュレータは
、解析の対象となる機構をモデル化し、そのモデルのリ
ンクや対偶の位置、姿勢等の機構形状パラメータを入力
装置より入力し、解析演算部で機構の各種特性を解析し
、さらにその結果を出力装置により出力表示している。 さらに、特開平２−７６０７７号公報に記載のように、
機構が動作途中でそのモデルを変更する場合には解析演
算部にモデルの変更の要否を判定するモデル変更判定部
や、その判定結果に応じて前記計算モデルを自動的に変
更する変更処理部等をもつ機構解析システムもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、機構
の特性を解析するのに必要となる機構の形状や構造等の
機構パラメータをあらかじめ決められた入力データフォ
ーマットに従って、入力装置（例えばキーボード）を用
いながらデータ入力しているのが殆んどである。そのた
め機構パラメータ値の入力の際には、データの入力ミス
をしないように注意を払う必要があり、そのため、デー
タ入力に要する時間も多くかかっていた。

【０００４】また、リンクを結合させている対偶部分が
、本来の機構（対偶）の動き以外にも運動成分を持つも
のとみなした柔対偶では、対偶を構成する対偶素同士が
互いにばねで結合していると考えているため、そのばね
係数やばねによる機構の振動を安定化させるための粘性
抵抗係数をも入力する必要がある。ばね係数および粘性
抵抗係数は機構の剛性を表現できるパラメータであるが
、機構の対偶として用いる部品ごとに固有の値である。 それらの値をシミュレータに入力する場合には部品や機
構そのものの固有振動数や減衰振動における時定数をも
とに計算しなければならない。このように柔対偶の機構
パラメータ設定には、その対偶に使う部品一つ一つに固
有振動数や時定数を求めるための実験を行わなければな
らないので入力のための時間は多大であり、一方でこれ
を経験と勘だけで決めていては機構解析シミュレータの
解析精度を低下させることになってしまう。

【０００５】本発明の目的は、自動機機構の特性解析を
行うのに必要となる機構の形状パラメータ値を容易で、
かつ、確実に入力することが可能な機構解析シミュレー
タを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、柔対偶部の
機構パラメータであるばね係数と粘性抵抗係数をシミュ
レータの入力装置（キーボード等）から数値を直接入力
するのではなく、あらかじめフロッピーディスク等の磁
気媒体に、ばね係数と粘性抵抗係数を一つの組にしてデ
ータベースとして登録しておき、パラメータの設定時に
はデータベースとアクセス可能な入力装置へ任意の名前
や番号であるキーネームを入力することで、データベー
スからばね係数と粘性抵抗係数値を検索して設定できる
機構解析シミュレータにより達成される。

【０００７】

【作用】データベースに登録するばね係数と粘性抵抗係
数の組は、それぞれの組ごとに任意の名前や番号等で各
組を識別できるキーネームを属性として持たせているた
め、それらの組とキーネームの対応がついたテーブルを
参照すれば、ばね係数と粘性抵抗係数の設定にはこのキ
ーネームを入力装置より入力するだけで、実際の数値デ
ータと対応をとることができる。このデータベースの検
索に使うテーブル構造を検索が行いやすいものにしてお
けば、ばね係数と粘性抵抗係数の設定を迅速に行うこと
が可能になる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施例
を説明する。

【０００９】図１は機構解析シミュレータの全体を表わ
している。入力装置１は機構解析に要する機構パラメー
タが登録されたデータベース４とアクセス可能であり、
必要に応じてデータベース４から検索することで機構パ
ラメータを設定し、この機構パラメータ値を機構解析シ
ミュレータ２に受け渡すことで機構解析部で解析演算を
行い、その解析結果を出力装置３に出力する。ロボット
に代表される自動機は複数のリンクと、リンクとリンク
を結合させる対偶部より構成され所定の動きを行ってい
る。代表的な対偶を図２に示す。従来の機構解析シミュ
レータは、図２の（ａ）および（ｂ）のように対偶部が
単に対偶軸方向の並進運動や（ｃ）のように対偶軸回り
の回転運動という、対偶の動きを一自由度運動に拘束し
て、機構の運動方程式を作成し計算を行っていた。しか
し製品の超小型化や高機能化に伴い、自動機そのものも
高機能化・高性能化を要求されるようになってきている
。そのため図２に示す対偶のような、対偶の動きを一自
由度に厳しく拘束して考えていた従来の機構解析手法の
場合、複雑な自動機機構の場合は運動方程式を作成する
際に、この拘束条件が積み上げられてしまうため機構の
変位解析が不可能となってしまう。そのため、回転運動
や並進運動といった機構のとりうる運動の種類や、平面
機構・空間機構という機構の構造、さらにどんな形状寸
法の機構でも統一的に汎用的に解析可能なシミュレータ
を実現するため、この対偶の拘束を少し緩め対偶の動き
にやわらかさを持つ柔対偶を考案、採用している。柔対
偶とは対偶部の二つの対偶素は互いに多自由度のばね系
で結合されているとみなし、対偶の持つ自由度を多くし
たものである。この柔対偶の一例を図３に示す。対偶の
拘束を柔対偶のように緩めることで、今まで不可能であ
った機構の特性解析を行うことが可能となる。

【００１０】図４は柔対偶における対偶素の動きを表わ
している。柔対偶に何らかの力が作用すると、対偶素は
、図４に示すように、ばね５や６が伸縮して元の位置と
の間に偏差Ｄが生じる。そこでこの偏差Ｄに応じたばね
の復元力が、リンクに作用する力およびモーメントと考
える。図５に示すように、第ｉ番目の対偶における偏差
をＤｉとし、ばね系のばね係数をＫｉとする。またばね
の振動を安定させるためのばね粘性抵抗係数をＣｉとす
る。このばね係数Ｋｉと粘性抵抗係数Ｃｉの設定に、デ
ータベース４を用いる。

【００１１】図６はデータベース４の構造を表わしたも
のである。図６に示すように機構形状データとしてシミ
ュレータ２に入力すべき機構パラメータは、リンクと対
偶それぞれについて多数ある。そのうち柔対偶のばね係
数と粘性抵抗係数は、あらかじめデータ登録させておい
たデータベース４から検索することにより入力させる。 まず、データベース４の作成方法について説明する。い
ま、柔対偶に相当する多数の部品の中からベアリングを
選んだとする。例えば、Ａ社のある型番のベアリングの
ばね係数と粘性抵抗係数をデータベースに登録させるに
は、そのベアリングにあらかじめ加速度ピックアップな
どを取付けておき、まず、そのベアリングを実際にイン
パルスハンマ等で直接たたく。そのとき、加速度ピック
アップとつなげておいた周波数解析装置（ＦＦＴ）等か
らベアリングの固有振動数を読み取っておく。いま、ベ
アリングの重量をｍ，ばね係数をＫとすればこの固有振
動数ｆは次の式で表わされる。

【００１２】

【数１】

【００１３】従って、固有振動数ｆとベアリングの重量
ｍからばね係数Ｋを計算することができる。また同時に
ＦＦＴ装置等からはハンマでたたいたときの加速度波形
も検出しておき、加速度波形から読み取れる時定数より
粘性抵抗係数Ｃを計算しておく。このようにしてもとめ
たばね係数Ｋと粘性抵抗係数Ｃは、データベース４に登
録する場合、おのおのばらばらに登録するのではなく、
一つの組にして登録させる。さらに、おのおのの組には
あとで検索しやすいようにキーネームとして固有の番号
あるいは名前を属性として付加させておき、図７に示す
ようなキーネームとばね係数および粘性抵抗係数の組と
の間で一対一の対応がつくパラメータテーブルを構成さ
せておく。従って、実際のパラメータ設定の時には、入
力装置よりキーネーム（ＢＥＡ１）を入力することで、
データベースからばね係数と粘性抵抗係数（Ｋｂ１，Ｃ
ｂ１）を選択し、設定することが可能となる。

【００１４】柔対偶のばね係数と粘性抵抗係数以外の機
構のパラメータの入力もすべて終了させると、あとはシ
ミュレータ２の解析部ではこのパラメータ値をもとに実
際の解析を行う。図８に示すように、リンクｉには柔対
偶ｉ，ｊを介して、隣り合ったリンクｈ，ｊから力およ
びモーメントを受ける。この力およびモーメントが、柔
対偶における偏差によって生じるばねの復元力と考える
。今、柔対偶ｉ，ｊでの偏差、ばね係数、粘性抵抗係数
をそれぞれＤｉ，Ｄｊ，Ｋｉ，Ｋｊ，Ｃｉ，Ｃｊとする
と、ばねの復元力Ｆｉ，Ｆｊは Ｆｉ＝Ｋｉ　Ｄｉ Ｆｊ＝Ｋｊ　Ｄｊ となる。また、摩擦力Ｑｉ，Ｑｊはリンクｉおよびリン
クｊの速度をＶｉ，Ｖｊとすれば、　　　　Ｑｉ＝Ｃｉ
　ＶｉＱｊ＝Ｃｊ　Ｖｊ となる。図８に示す柔対偶ｉおよびｊを介して、リンク
ｉに作用する力・モーメントはばねの復元力Ｆｉ，Ｆｊ
や摩擦力Ｑｉ，Ｑｊの総和であるので、ニュートン・オ
イラーの公式より、リンクｉの運動方程式を立てるとそ
れは以下のようになる。

【００１５】

【数２】

【００１６】但し、ここでＪｉはリンクｉの慣性テンソ
ルを表わす。

【００１７】リンクの運動方程式を、ルンゲクッタ法に
よって繰返し数値演算を行えば、図９に示すように、ま
ず任意時刻ｔ１におけるリンクの加速度、速度、位置等
を計算した後、この値をもとに次の時刻ｔ２におけるリ
ンクの加速度、速度、位置等を計算でき、機構の動的な
特性を順々に求めることが可能となる。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、機構の構成要素である
柔対偶のばね係数と粘性抵抗係数がデータベース上に組
になって、その組と任意の名前や番号のキーネームが一
対一に対応づいているので、機構解析シミュレータへ入
力するデータのうちばね係数と粘性抵抗係数の設定につ
いては、そのキーネームを入力装置より入力するだけで
行うことができる。そのため、機構パラメータの入力ミ
スの減少や入力時間の短縮、それら係数値の修正変更に
対しても本発明によればすみやかに対処することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】機構解析シミュレータのブロック図、

【図２】
代表的な対偶のタイプの斜視図、

【図３】柔対偶の例を
表わした斜視図、

【図４】柔対偶における対偶素の動き
を表わした説明図、

【図５】柔対偶の機構パラメータの説明図、

【図６】デ
ータベースの構造を表わした説明図、

【図７】キーネー
ムとデータの対応を表わした説明図、

【図８】リンクに
作用する力・モーメントを表わした説明図、

【図９】ルンゲクッタ法による反復演算を表わしたブロ
ック図。

【符号の説明】

１…入力装置、２…機構解析シミュレータ、３…出力装
置、４データベース、５，６…ばね。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】任意個のリンクおよび対偶より構成される
   機構の運動特性を解析するシミュレータにおいて、前記
   機構の構造および形状パラメータを前記シミュレータに
   入力する際、前記リンクを結合する対偶部のコンプライ
   アンスを考慮するために前記対偶が多自由度のばね系で
   構成されるとみなした柔対偶のばね係数および粘性抵抗
   係数は、前記ばね係数と粘性抵抗係数を組にしてその組
   と一対一に対応したキーネームをシミュレータの入力装
   置より入力することで、前記ばね係数と粘性抵抗係数が
   複数個登録されているデータベースより検索して設定す
   ることを特徴とする機構解析シミュレータ。