JPH07168952A - Method and device for simulating collision of object - Google Patents

Method and device for simulating collision of object

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JPH07168952A
JPH07168952A JP31305293A JP31305293A JPH07168952A JP H07168952 A JPH07168952 A JP H07168952A JP 31305293 A JP31305293 A JP 31305293A JP 31305293 A JP31305293 A JP 31305293A JP H07168952 A JPH07168952 A JP H07168952A
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collision
virtual
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state
equation
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Shinichiro Uno
紳一郎 宇野
Tomoyuki Noda
智之 野田
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Abstract

PURPOSE:To provide a system and a device for simulating the collision of an object in which the motion of objects at the time of the collision between the objects can be approximated with high precision. CONSTITUTION:A CPU 200 controls a whole data processor, and while reading out a simulation program stored beforehand in a memory 202, it interprets and executes it. In the memory 200, the simulation program of this embodiment and various necessary data are stored. A keyboard 203 and a pointing device 204 input the data related to the object to be simulated and an execution command, etc. A display monitor 201 displays the data of the result of the simulation and the motion image of the object and so on.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータ・グラフ
ィックス、特にアニメーションやバーチャル・リアリテ
ィー等で、物体の衝突をシュミレートする方法とその装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for simulating the collision of objects in computer graphics, particularly animation and virtual reality.

【0002】[0002]

【従来の技術】コンピュータ内部に構築された仮想3次
元空間内で、仮想物体同士の衝突をシミュレーションす
る場合、従来は物体形状を質点あるいは球とみなし、ま
た物体間の反発係数や摩擦係数は考慮せず、摩擦のない
剛体とみなして計算していた。
2. Description of the Related Art When simulating a collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space built inside a computer, the object shape is conventionally regarded as a mass point or a sphere, and the coefficient of restitution and friction coefficient between objects are taken into consideration. Instead, it was calculated as a rigid body without friction.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のように、物体形
状を質点あるいは球とみなして衝突シミュレーションを
行う方法は、計算は簡単であるが、複雑な形状の物体に
関して、正確な計算ができないのは明らかである。また
物体間の反発係数や摩擦係数を考慮しない方法は、実際
の様々な衝突現象に対応できないという欠点があった。
The conventional method of performing collision simulation by regarding the shape of an object as a mass point or a sphere is easy to calculate, but cannot accurately calculate an object having a complicated shape. Is clear. Further, the method that does not consider the coefficient of restitution and the coefficient of friction between objects has a drawback that it cannot cope with various actual collision phenomena.

【0004】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、物体間の衝突の際の物体の運動を高精度に近似でき
る物体の衝突シミュレーション方式とその装置を提供す
ることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional example, and an object thereof is to provide an object collision simulation method and apparatus capable of approximating the motion of the objects at the time of collision between the objects with high accuracy.

【0005】[0005]

【問題点を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の物体の衝突シミュレーション方式とその装
置は以下の構成を備える。即ち、仮想物体の特性データ
と衝突時の仮想物体の状態データに基づいて、衝突後の
前記仮想物体の状態データを計算する計算工程と、前記
衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記衝突
後の前記仮想物体の状態を表示する表示工程とを備え
る。
In order to achieve the above object, an object collision simulation method and apparatus of the present invention have the following configurations. That is, based on the characteristic data of the virtual object and the state data of the virtual object at the time of collision, a calculation step of calculating the state data of the virtual object after the collision, based on the state data of the virtual object after the collision, A display step of displaying the state of the virtual object after the collision.

【0006】また、別の発明は、仮想物体の特性データ
と衝突時の仮想物体の状態データに基づいて、衝突後の
前記仮想物体の状態データを計算する計算手段と、前記
衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記衝突
後の前記仮想物体の状態を表示する表示手段とを備え
る。
Further, another invention is to calculate the state data of the virtual object after the collision based on the characteristic data of the virtual object and the state data of the virtual object at the time of collision, and the virtual means after the collision. Display means for displaying the state of the virtual object after the collision based on the state data of the object.

【0007】[0007]

【効果】以上説明したように本発明によれば、仮想物体
の特性データと衝突時の仮想物体の状態データに基づい
て、衝突後の前記仮想物体の状態データを計算し、前記
衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記衝突
後の前記仮想物体の状態を表示する。
As described above, according to the present invention, the state data of the virtual object after the collision is calculated based on the characteristic data of the virtual object and the state data of the virtual object at the time of the collision, and the state data after the collision is calculated. The state of the virtual object after the collision is displayed based on the state data of the virtual object.

【0008】また、別の発明は、仮想物体の特性データ
と衝突時の仮想物体の状態データに基づいて、衝突後の
前記仮想物体の状態データを、計算手段が計算し、前記
衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記衝突
後の前記仮想物体の状態を、表示手段が表示する。
According to another aspect of the invention, the calculating means calculates the state data of the virtual object after the collision based on the characteristic data of the virtual object and the state data of the virtual object at the time of collision, and the state data after the collision is obtained. The display means displays the state of the virtual object after the collision based on the state data of the virtual object.

【0009】[0009]

【実施例】コンピュータ内部に構築された仮想3次元空
間内の、仮想物体群の挙動を自動的に計算することは、
アニメーションやバーチャル・リアリティー等において
有益な技術である。本実施例は物体同士が衝突した場合
の挙動をシミュレーションする方法に関するもので、衝
突時の物体の状態と、衝突の状態から、衝突直後の物体
の状態を計算する方法を示している。
[Embodiment] To automatically calculate the behavior of a virtual object group in a virtual three-dimensional space built in a computer,
This is a useful technique in animation and virtual reality. The present embodiment relates to a method of simulating the behavior when objects collide with each other, and shows a method of calculating the state of an object immediately after collision from the state of the object at the time of collision and the state of collision.

【0010】本実施例では、仮想物体同士の衝突をシミ
ュレーションする場合に、衝突時の仮想物体の状態(位
置、傾き、速度、角速度)、衝突位置、衝突方向(衝突
位置の接平面方向)から、衝突後の仮想物体の状態を計
算する。この方法は、物体の質量と慣性モーメントが分
かっていれば、任意の形状に関して計算を行うことがで
きる。また、衝突時間、衝突位置、衝突方向は2物体の
状態や形状により決定されるもので、これらを利用する
ことにより、物体形状によらず同一の処理を行うことが
できる。
In this embodiment, when simulating a collision between virtual objects, the state of the virtual objects at the time of collision (position, inclination, velocity, angular velocity), collision position, collision direction (tangential plane direction of collision position) , Calculate the state of the virtual object after the collision. This method can perform calculations for arbitrary shapes if the mass and moment of inertia of the object are known. Further, the collision time, the collision position, and the collision direction are determined by the states and shapes of the two objects, and by using these, the same processing can be performed regardless of the object shapes.

【0011】衝突後の仮想物体の状態計算は、衝突によ
り生じた力積を計算することにより求めるのであるが、
2物体間の反発係数および摩擦係数を考慮に入れて計算
することにより、様々な衝突現象に対応した計算を行う
ことができる。2物体間の反発係数と摩擦係数が不明の
場合は、各物体に固有の反発係数(0〜1)と摩擦係数
(0〜1)を定義し、2物体間の各係数の積により表
す。また、2物体間の反発係数あるいは摩擦係数が0か
1でない場合は、それぞれの係数が0および1の場合の
力積を求め、補間することにより求める。
The state of the virtual object after the collision is calculated by calculating the impulse generated by the collision.
By calculating in consideration of the coefficient of restitution and the coefficient of friction between two objects, it is possible to perform calculations corresponding to various collision phenomena. When the coefficient of restitution and the coefficient of friction between two objects are unknown, the coefficient of restitution (0 to 1) and coefficient of friction (0 to 1) unique to each object are defined and expressed by the product of the coefficients between the two objects. When the coefficient of restitution between two objects or the coefficient of friction is not 0 or 1, the impulses when the coefficients are 0 and 1 are calculated and interpolated.

【0012】なお物体間の摩擦係数が0の時は、衝突位
置で滑りが生じ、力は衝突方向に働く。摩擦係数が1の
時は、衝突位置で転がりが生じ、衝突位置での衝突接平
面内での速度が等しくなる様な力が働く。物体間の反発
係数が0の時は、衝突方向に力が働かず、衝突位置にお
いて衝突方向に同一速度で動く。反発係数が1の時は剛
体同士の衝突とみなされ、摩擦係数が0のあるいは1の
時運動エネルギが保存される。
When the friction coefficient between the objects is 0, slippage occurs at the collision position and the force acts in the collision direction. When the friction coefficient is 1, rolling occurs at the collision position, and a force acts so that the velocities in the collision tangent plane at the collision position become equal. When the coefficient of repulsion between objects is 0, no force acts in the collision direction, and the objects move at the same speed in the collision direction at the collision position. When the coefficient of restitution is 1, it is regarded as a collision between rigid bodies, and when the coefficient of friction is 0 or 1, the kinetic energy is saved.

【0013】第1図は、2つの物体、即ち、直方体形状
の物体1(1)と球形状の物体2(2)が衝突した瞬間
の状態を示したものである。ここで、それぞれ質量はM
1,M2、慣性テンソルが[I1 ],[I2]であるとす
る。衝突時の各物体の状態を以下のパラメータで表現す
る。即ち、 物体Aの重心座標:O1, 物体Bの重心座標:O2、 物体Aの速度: V1, 物体Bの速度: V2、 物体Aの傾き: [S1 ] 物体Bの傾き: [S2
]、 物体Aの角速度: W1 物体Bの角速度: W2、 ここで、O1、O2、V1、V2は慣性系におけるベクトル
量、[S1]、[S2]は物体座標系から慣性系に変換す
る3×3の回転マトリックス、W1、W2は物体座標系に
おけるベクトル量であり、慣性系と物体座標系とは[S
1]、[S2]により結びつけられ相互に変換が可能であ
る。また衝突位置Pおよび衝突方向Nが慣性系に対して
与えられていれば、それぞれの物体座標系における重心
に対する衝突位置R1 ,R2 も、[S]を利用して即座
に求めることができる。即ち、
FIG. 1 shows a state at the moment when two objects, that is, a rectangular parallelepiped object 1 (1) and a spherical object 2 (2) collide with each other. Here, each mass is M
1, M2 and inertia tensors are [I1] and [I2]. The state of each object at the time of collision is expressed by the following parameters. That is, the barycentric coordinates of the object A: O1, the barycentric coordinates of the object B: O2, the speed of the object A: V1, the speed of the object B: V2, the tilt of the object A: [S1] the tilt of the object B: [S2
], Angular velocity of object A: W1 Angular velocity of object B: W2, where O1, O2, V1 and V2 are vector quantities in the inertial system, and [S1] and [S2] are converted from the object coordinate system to the inertial system 3 A rotation matrix of × 3, W1 and W2 are vector quantities in the object coordinate system, and the inertial system and the object coordinate system are [S
1] and [S2] are linked and can be converted mutually. Further, if the collision position P and the collision direction N are given to the inertial system, the collision positions R1 and R2 with respect to the center of gravity in each object coordinate system can be immediately obtained by using [S]. That is,

【数1】 (式1)[Equation 1] (Equation 1)

【数2】 (式2)ここで、[S]-1は[S]の逆行列 なお、本実施例においては物体座標系を、主軸の方向と
一致するように選び、慣性テンソル[I]は以下のよう
に物体座標系において対角化されている。
[Equation 2] (Equation 2) Here, [S] -1 is an inverse matrix of [S]. In this embodiment, the object coordinate system is selected so as to match the direction of the principal axis, and the inertia tensor [I] is as follows. Is diagonalized in the object coordinate system.

【0014】[0014]

【数3】 第2図は、衝突後の物体の状態を示したもので、衝突に
より2物体に衝撃力F,−Fがそれぞれ働き、運動状態
が変化している。なお衝突力は作用反作用の法則より、
大きさが等しく方向が反対となる。衝突直後には、各物
体の重心座標および傾きは変化しない理想物体として、
衝突直後の速度V'1,V'2および角速度W'1,W'2を求
める。衝突前後の運動量および角運動量の変化より、以
下の式が得られる。
[Equation 3] FIG. 2 shows the state of the object after the collision. The impact states F and −F act on the two objects by the collision, and the motion state changes. The collision force is based on the law of action and reaction,
The sizes are equal and the directions are opposite. Immediately after the collision, the barycentric coordinates and inclination of each object do not change, and as an ideal object,
The velocities V'1 and V'2 and the angular velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are obtained. From the changes in momentum and angular momentum before and after the collision, the following equation is obtained.

【0015】[0015]

【数4】 (式3)[Equation 4] (Formula 3)

【数5】 (式4)[Equation 5] (Equation 4)

【数6】 (式5)[Equation 6] (Equation 5)

【数7】 (式6) 式(3),式(4)は慣性系に関する各物体の運動量の
変化を示しており、式(5),式(6)は物体座標系に
関する各物体の角運動量の変化を示している。Ftは衝
突時に衝突位置において発生する力積であり、F1 ,F
2 はFtを物体座標系に変換したものである。各力積は
以下の関係で結ばれており、上式は運動量保存則、角運
動量保存則を満たしている。
[Equation 7] (Equation 6) Equations (3) and (4) show changes in momentum of each object with respect to the inertial system, and Equations (5) and (6) show changes in angular momentum of each object with respect to the object coordinate system. Shows. Ft is the impulse generated at the collision position at the time of collision, and F1, F
2 is a transformation of Ft into the object coordinate system. The impulses are connected by the following relations, and the above equations satisfy the momentum conservation law and the angular momentum conservation law.

【0016】[0016]

【数8】 (式7) 式(3)〜式(7)より、V'1、V'2,W'1、W'2は力
積Ftを用いて以下のように表すことができる。
[Equation 8] (Equation 7) From Equations (3) to (7), V′1, V′2, W′1 and W′2 can be expressed as follows using the impulse Ft.

【0017】[0017]

【数9】 (式8)[Equation 9] (Equation 8)

【数10】 (式9)[Equation 10] (Equation 9)

【数11】 (式10)[Equation 11] (Equation 10)

【数12】 (式11) ここで、[C1]、[C2]は、慣性テンソル[I1],
[I2]、回転マトリックス[S1],[S2]、重心に対
する衝突位置Rにより決定される3×3の角速度変換マ
トリックスであり、
[Equation 12] (Equation 11) Here, [C1] and [C2] are inertia tensors [I1],
[I2], rotation matrices [S1], [S2], and a 3 × 3 angular velocity conversion matrix determined by the collision position R with respect to the center of gravity,

【数13】 [Equation 13]

【数14】 [Equation 14]

【数15】 のとき、[Equation 15] When,

【数16】 (式12) を計算して求められる。[Equation 16] (Equation 12) is calculated.

【0018】以上説明したように、力積Ftを決定すれ
ば、衝突直後の速度V'1、V'2および角速度W'1、W'2
を求めることができる。以下、力積Ftの求め方に関し
て説明する。
As described above, if the impulse Ft is determined, the velocities V'1 and V'2 and the angular velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are determined.
Can be asked. The method for obtaining the impulse Ft will be described below.

【0019】衝突前後の運動エネルギーE,E’は、The kinetic energies E and E'before and after the collision are

【数17】 (式13)[Equation 17] (Equation 13)

【数18】 (式14) となる。また衝突直後の接触点での相対速度dVは、移
動速度と回転速度を考慮して、
[Equation 18] (Equation 14) is obtained. The relative velocity dV at the contact point immediately after the collision is calculated by taking the moving velocity and the rotation velocity into consideration.

【数19】 (式15) となる。全ての速度を慣性系で表現するために、回転速
度は[S]を用いて物体座標系から慣性系への変換を行
っている。式(14),式(15)は式(8)〜(1
1)を用いて、以下のように力積Ftを用いて表すこと
ができる。
[Formula 19] (Equation 15) In order to express all the speeds in the inertial system, the rotation speed is converted from the object coordinate system to the inertial system using [S]. Expressions (14) and (15) are expressions (8) to (1).
Using 1), it can be expressed using the impulse Ft as follows.

【0020】[0020]

【数20】 (式16)[Equation 20] (Equation 16)

【数21】 (式17) ここで、E0 は定数、Ef (Ft)はFtに関する2次
式、V0 はベクトル量、[Vf ]は3×3の相対速度変
換マトリックスである。これらの両式を利用してFtが
決定される。
[Equation 21] (Equation 17) Here, E0 is a constant, Ef (Ft) is a quadratic expression regarding Ft, V0 is a vector quantity, and [Vf] is a 3 × 3 relative velocity conversion matrix. Ft is determined using both of these equations.

【0021】Ftの決定に際しては、物体同士の反発力
や摩擦力も考慮して計算を行う。摩擦力は、各物体に対
して摩擦係数μ(0〜1)を与え、物体間の摩擦力は物
体同士の摩擦係数の積(0〜1)で表現する。物体間の
摩擦係数が0のときは、衝突位置で滑りが生じ、力は衝
突方向に働く。摩擦係数が1のときは、衝突位置で転が
りが生じ、衝突位置での衝突接平面内での速度が等しく
なるような力が働く。
In the determination of Ft, the repulsive force and the frictional force between the objects are also taken into consideration in the calculation. The frictional force gives a friction coefficient μ (0 to 1) to each object, and the frictional force between the objects is expressed by the product (0 to 1) of the frictional coefficient between the objects. When the coefficient of friction between the objects is 0, slippage occurs at the collision position and the force acts in the collision direction. When the coefficient of friction is 1, rolling occurs at the collision position, and a force acts so that the velocities in the collision tangent plane at the collision position become equal.

【0022】反発力も摩擦力と同様に、各物体に対して
反発係数ε(0〜1)を与え、物体間の反発力は物体同
士の反発係数の積(0〜1)で表現する。物体間の反発
係数が0のときは、衝突方向に力が働かず、衝突後は衝
突方向に同一速度で動く。反発係数が1のときは、剛体
同士の衝突とみなされ、摩擦係数が0あるいは1のとき
運動エネルギーが保存される。
Similar to the frictional force, the repulsive force is given a repulsion coefficient ε (0 to 1) to each object, and the repulsive force between the objects is expressed by the product (0 to 1) of the repulsive coefficients between the objects. When the restitution coefficient between objects is 0, no force acts in the collision direction, and after the collision, the objects move at the same speed in the collision direction. When the coefficient of restitution is 1, it is regarded as a collision between rigid bodies, and when the coefficient of friction is 0 or 1, kinetic energy is stored.

【0023】2物体間の反発係数あるいは摩擦係数が0
か1でない場合は、それぞれの係数が0および1の場合
の力積を求め、補間することにより求める。以下、反発
係数と摩擦係数の値の各組み合わせごとに、Ftの求め
方を説明する。 [ケース1] 摩擦係数μ=0、反発係数ε=1のとき 摩擦係数μ=0より、接触点が滑らかで摩擦がないた
め、力積Ftの方向は衝突方向Nと一致する。また摩擦
がなく反発係数ε=1より、衝突前後で運動エネルギー
が保存される。 Ft=kN (式18) E’=E (式19) ここで、式(16)のエネルギーの式に、式(18)を
代入してE’をkを用いて表し、式(19)よりkを求
める。この時のFtをF01とおく。 [ケース2] 摩擦係数μ=1、反発係数ε=1のとき 摩擦係数μ=1より、接触点で滑らずに転がりが生じ、
衝突接平面上での2物体の衝突後の速度が等しくなる。
即ち、2物体の相対速度の向きは衝突方向と一致する。
また滑らずに転がり反発係数ε=1より、衝突前後で運
動エネルギーが保存される。 dV=kN (式20) E’=E (式21) ここで、式(17)の相対速度の式に式(20)を代入
して、Ftをkを用いて表わす。
The coefficient of restitution or the coefficient of friction between two objects is 0.
If not, the impulses when the respective coefficients are 0 and 1 are obtained and interpolated. Hereinafter, how to obtain Ft will be described for each combination of the values of the coefficient of restitution and the coefficient of friction. [Case 1] When Friction Coefficient μ = 0 and Repulsion Coefficient ε = 1 From the friction coefficient μ = 0, the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N because the contact point is smooth and there is no friction. Also, since there is no friction and the coefficient of restitution ε = 1, kinetic energy is preserved before and after the collision. Ft = kN (Equation 18) E ′ = E (Equation 19) Here, by substituting the equation (18) into the energy equation of the equation (16), E ′ is represented by k, and from the equation (19), Find k. Ft at this time is set to F01. [Case 2] When the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 1 From the coefficient of friction μ = 1, rolling occurs without slipping at the contact point,
The velocities of the two objects after the collision on the collision tangent plane become equal.
That is, the direction of the relative speed of the two objects matches the collision direction.
In addition, since the rolling repulsion coefficient ε = 1 without slipping, kinetic energy is preserved before and after the collision. dV = kN (Equation 20) E '= E (Equation 21) Here, Ft is represented by k by substituting the equation (20) into the equation of the relative speed of the equation (17).

【0024】[0024]

【数22】 (式22) これを、式(16)のエネルギーの式に代入して、E’
をkを用いて表し、式(21)よりkを求める。この時
のFtをF11とおく。 [ケース3] 3摩擦係数μ=0、反発係数ε=0のとき 摩擦係数μ=0より、接触点が滑らかで摩擦がないた
め、力積Ftの方向は衝突方向Nと一致する。また、反
発係数ε=0より、衝突後で衝突方向の速度が一致し、
相対速度の向きは衝突方向と垂直になる。 Ft=kN (式23) dV・N=0 (式24) ここで、式(23),式(24)を式(17)の相対速
度を式に代入するとkが求まる。 k=−V0 ・N/([Vf ]N)・N (式25) この時のFtをF00とおく。 [ケース4] 摩擦係数μ=1、反発係数ε=0のとき 摩擦係数μ=1より、接触点で滑らずに転がりが生じ、
衝突接平面上での2物体の衝突後の速度が等しくなる。
また反発係数ε=0より、衝突後で衝突方向の速度が一
致する。即ち、衝突位置において2物体の衝突後の速度
は一致する。 dV=0 (式26) ここで、式(26)を式(17)の相対速度を式に代入
するとFtが求まる。
[Equation 22] (Equation 22) Substituting this into the energy equation of Equation (16), E ′
Is expressed using k, and k is calculated from the equation (21). Ft at this time is set as F11. [Case 3] 3 When coefficient of friction μ = 0 and coefficient of restitution ε = 0 From the coefficient of friction μ = 0, since the contact point is smooth and there is no friction, the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N. Also, from the coefficient of restitution ε = 0, the velocity in the collision direction after collision will match,
The direction of relative velocity is perpendicular to the collision direction. Ft = kN (Equation 23) dV · N = 0 (Equation 24) Here, by substituting the relative speeds of the equations (23) and (24) into the equation, k is obtained. k = -V0.N / ([Vf] N) .N (Equation 25) Let Ft be Ft at this time. [Case 4] When friction coefficient μ = 1 and repulsion coefficient ε = 0 From the friction coefficient μ = 1, rolling occurs without slipping at the contact point,
The velocities of the two objects after the collision on the collision tangent plane become equal.
Further, from the coefficient of restitution ε = 0, the velocities in the collision direction match after the collision. That is, the velocities of the two objects after the collision match at the collision position. dV = 0 (Equation 26) Here, Ft is obtained by substituting the relative speed of the equation (17) into the equation (26).

【0025】[0025]

【数23】 (式27) この時のFtをF10とおく。[Equation 23] (Formula 27) Ft at this time is set to F10.

【0026】[ケース5] 摩擦係数μ(0〜1)、反発
係数ε(0〜1)のとき 摩擦係数μおよび反発係数εが0〜1の範囲にある時、
力積Ftはこれまでに求めた力積F00,F01,F10,F
11を用いて以下のように補間して計算する。 Ft=F00+(F10−F00)μ+(F01−F00)ε +(F11−F01−F10+F00)εμ (式28) こうして摩擦係数および反発係数を考慮して、力積Ft
を求めることができるので、式(8)〜(11)から衝
突直後の速度V'1,V'2および角速度W'1,W'2を計算
することができる。
[Case 5] When the coefficient of friction μ (0 to 1) and the coefficient of restitution ε (0-1) When the coefficient of friction μ and the coefficient of restitution ε are in the range of 0 to 1,
The impulse Ft is the impulses F00, F01, F10, F obtained so far.
Calculation is performed by using 11 as follows. Ft = F00 + (F10−F00) μ + (F01−F00) ε + (F11−F01−F10 + F00) εμ (Equation 28) Thus, the impulse Ft considering the friction coefficient and the restitution coefficient.
Therefore, the velocities V′1 and V′2 and the angular velocities W′1 and W′2 immediately after the collision can be calculated from the equations (8) to (11).

【0027】次に、具体的に、各種の物体の衝突例をあ
げて説明する。
Next, a concrete example of collision of various objects will be described.

【0028】[具体例1] 球同士の衝突 図3は、同一直線上を同一方向に回転しながら進む球同
士、球3と球4が衝突した瞬間の状態を示したものであ
る。ここで、10はこれら球の座標を規定する3次元の
基本直交座標軸を示し、x軸5、y軸7、z軸6で構成
される。球1(3)と球2(4)の進行方向はx軸5と
並行で、それらの回転軸は、z軸6と平行である。2物
体は共に、半径L=1、質量M=1、回転速度W=1
で、球1(3)がx軸上を正の方向に速度V1 =1で、
球2(4)がx軸上を負の方向に速度V2 =−1で進ん
でいる。この時、球1(3)の中心から見た衝突位置R
1 は(1,0,0)で、球2(4)の中心から見た衝突
位置R2は(−1,0,0)で、衝突方向はx軸5方向
となる。
Specific Example 1 Collision between Spheres FIG. 3 shows a state in which spheres traveling on the same straight line while rotating in the same direction and at the moment when sphere 3 and sphere 4 collide. Here, 10 indicates a three-dimensional basic Cartesian coordinate axis that defines the coordinates of these spheres, and is composed of an x axis 5, ay axis 7, and az axis 6. The traveling directions of the sphere 1 (3) and the sphere 2 (4) are parallel to the x-axis 5, and their rotation axes are parallel to the z-axis 6. The two objects have a radius L = 1, a mass M = 1, and a rotation speed W = 1.
Then, the sphere 1 (3) has a velocity V1 = 1 in the positive direction on the x-axis,
Sphere 2 (4) is moving in the negative direction on the x-axis at a speed V2 = -1. At this time, the collision position R seen from the center of the sphere 1 (3)
1 is (1, 0, 0), the collision position R2 seen from the center of the sphere 2 (4) is (-1, 0, 0), and the collision direction is the x-axis 5 direction.

【0029】図4〜図8は、摩擦係数と反発係数の様々
な条件において、球同士が衝突した時に発生する力積F
1 ,F2 、衝突後の速度V'1,V'2、衝突後の角速度
W'1,W'2、および時間Δt=1だけ経過した時の2物
体の状態を示している。力積、速度、角速度に関して
は、方向を矢印で、大きさを矢印の長さおよび数値で表
示し、数値にはx,y,z方向の値をたし合わせた時の
符合を付加している。
4 to 8 show the impulse F generated when the balls collide with each other under various conditions of the coefficient of friction and the coefficient of restitution.
1 and F2, velocities V'1 and V'2 after the collision, angular velocities W'1 and W'2 after the collision, and the states of two objects when the time Δt = 1 has elapsed. For impulses, velocities, and angular velocities, the direction is indicated by an arrow, the magnitude is indicated by the length of the arrow and a numerical value, and the numerical value is added with the sign when the values in the x, y, and z directions are added. There is.

【0030】また以下の説明では、z軸6成分の値が0
の時は、(x,y)成分のみを示す。さらに、y軸7成
分の値も0の時は、x成分のみを示す。
In the following description, the value of the z-axis 6 component is 0.
In the case of, only the (x, y) component is shown. Furthermore, when the value of the y-axis 7 component is also 0, only the x component is shown.

【0031】図4は、摩擦係数μ=0、反発係数ε=1
の時の衝突後の状態を示す。この状態では、摩擦がない
ために力積は衝突方向(x軸5の方向)を向き、球1
(3)と球2(4)の物体座標系での力積はそれぞれ、
F1 =−2,F2 =2となる。力積が球の中心を向いて
いるため衝突前後で角速度は変化せず、W'1=1,W'2
=1である。また、x軸5上をV'1=−1,V'2=1の
速度で進む。即ち、2物体とも角速度は変化せず、衝突
前と同じ大きさでかつ反対方向の速度で進む。
FIG. 4 shows a friction coefficient μ = 0 and a restitution coefficient ε = 1.
The state after the collision at the time of is shown. In this state, since there is no friction, the impulse is directed in the collision direction (the direction of the x-axis 5) and the ball 1
The impulses of (3) and sphere 2 (4) in the object coordinate system are
F1 = -2 and F2 = 2. Since the impulse is toward the center of the sphere, the angular velocity does not change before and after the collision, and W'1 = 1, W'2
= 1. Further, the vehicle travels on the x-axis 5 at the speeds of V'1 = -1, V'2 = 1. That is, the angular velocities of the two objects do not change, and the two objects travel at the same magnitude as before the collision and in the opposite direction.

【0032】図5は摩擦係数μ=1、反発係数ε=1の
時の衝突後の状態を示したものである。この状態では、
摩擦があるために力積はy軸7方向成分も含み、球1
(3)と球2(4)の物体座標系での力積はそれぞれ、
F1 =(−2.13,−0.29),F2 =(2.13,
0.29)となる。力積が球の中心を向いていないため
衝突前後で角速度の大きさが変化し、球3と球4の角速
度はそれぞれ、W'1=0.29,W'2=0.29、速度は
y方向成分を含み、それぞれV'1=(-1.13,-0.2
9),V'2=(1.13,0.29)となる。即ち、2物
体とも角速度の向きは変化しないが、大きさは同じ量減
少し、2物体は、それぞれ大きさが等しくかつ反対方向
の速度で進む。
FIG. 5 shows the state after the collision when the friction coefficient μ = 1 and the restitution coefficient ε = 1. In this state,
Because of friction, the impulse also includes the y-axis 7-direction component, and the sphere 1
The impulses of (3) and sphere 2 (4) in the object coordinate system are
F1 = (-2.13, -0.29), F2 = (2.13,
0.29). Since the impulse is not directed to the center of the sphere, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision, and the angular velocities of sphere 3 and sphere 4 are W'1 = 0.29 and W'2 = 0.29, respectively. Including the y-direction component, V'1 = (-1.13, -0.2)
9), V'2 = (1.13, 0.29). That is, the directions of the angular velocities of both objects do not change, but the size decreases by the same amount, and the two objects move at the same speed and in opposite directions.

【0033】図6は、摩擦係数μ=0、反発係数ε=0
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦がないために力積は衝突方向(x軸7の方向)
を向き、球1(3)と球2(4)の物体座標系での力積
はそれぞれ、F1 =−1,F2=1となる。力積が球の
中心を向いているため衝突前後で角速度は変化せず、そ
れぞれ、W' 1 =1,W' 2 =1となる。また、速度は
衝突方向に反発しないために両物体とも0になる。即
ち、2物体は衝突後は衝突位置で回転するだけで位置は
変化しない。
FIG. 6 shows a friction coefficient μ = 0 and a restitution coefficient ε = 0.
It shows the state after the collision at the time. In this state, because there is no friction, the impulse is in the collision direction (x-axis 7 direction).
And the impulses of the sphere 1 (3) and the sphere 2 (4) in the object coordinate system are F1 = -1 and F2 = 1 respectively. Since the impulse is directed toward the center of the sphere, the angular velocities do not change before and after the collision, and W ′ 1 = 1 and W ′ 2 = 1 respectively. Further, the velocity does not repel in the collision direction, so both objects become 0. That is, after the collision, the two objects only rotate at the collision position and the positions do not change.

【0034】図7は、摩擦係数μ=1、反発係数ε=0
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦があるために力積はy軸7成分も含み、球1
(3)と球2(4)の物体座標系での力積はそれぞれ、
F1 =(−1,−0.29),F2=(1,0.29)と
なる。力積が球の中心を向いていないため、衝突前後で
角速度の大きさが変化し、それぞれW' 1 =0.29,
W' 2 =0.29、速度は衝突方向に反発しないために
y軸7成分のみとなり、V' 1 =−0.29,V' 2=
0.29となる。即ち、x軸5上を進んできた2物体
が、回転速度が同量だけ減少してy軸7と平行にかつ互
いに反対方向に進む。
FIG. 7 shows that the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 0.
It shows the state after the collision at the time. In this state, because of friction, the impulse also includes the y-axis 7 component, and the sphere 1
The impulses of (3) and sphere 2 (4) in the object coordinate system are
F1 = (-1, -0.29) and F2 = (1, 0.29). Since the impulse is not directed toward the center of the sphere, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision, and W'1 = 0.29,
W'2 = 0.29, the velocity does not repel in the collision direction, so there are only 7 components on the y-axis, and V'1 = -0.29, V'2 =
It becomes 0.29. That is, the two objects moving on the x-axis 5 decrease in rotational speed by the same amount and move in parallel to the y-axis 7 and in opposite directions.

【0035】図8は、摩擦係数μ=0.5、反発係数ε
=0.5の時の衝突後の状態を示したものである。この
状態では、力積はそれぞれ、F1 =(-1.53,-0.1
4),F2 =(1.53,0.14)となる。角速度は大
きさが変化し、それぞれ、W'1 =0.64,W' 2 =
0.64、速度はそれぞれ、V' 1 =(−0.53,−
0.14),V' 2 =(0.53,0.14)となる。即
ち、2物体は角速度の大きさが同量だけ減少し、速度は
大きさが等しく反対方向に進む。 [具体例2] 直方体と球の衝突 図9は、静止している直方体8に回転しながら進む球9
が衝突した瞬間の状態を示したものである。ここで、直
方体8は、x軸5,y軸7,z軸6とそれらのそれぞれ
の軸に対応する直方体8の各辺がそれぞれ平行になるよ
うにおかれている。球9の回転軸の方向は、z軸6方向
であり、また進行方向はx軸5と平行である。直方体8
の各辺の長さは、x,y,z軸各方向に対してそれぞれ
Lx =2,Ly =3,Lz =1であり、質量はM1 =1
である。一方、球9は半径L2 =1、質量M2 =1、角
速度W2 =1、速度V2 =−1である。この時、直方体
の中心から見た衝突位置R1は(1,1,0)であり、
球の中心から見た衝突位置R2は(−1,0,0)であ
り、衝突方向はx軸方向となる。
FIG. 8 shows the coefficient of friction μ = 0.5 and the coefficient of restitution ε.
It shows the state after the collision when = 0.5. In this state, the impulse is F1 = (-1.53, -0.1
4), F2 = (1.53, 0.14). The magnitudes of the angular velocities change, W'1 = 0.64 and W'2 =, respectively.
0.64, the velocity is V ′ 1 = (-0.53,-
0.14) and V'2 = (0.53, 0.14). That is, the two objects decrease in angular velocity by the same amount, and the velocity is equal in magnitude and travel in opposite directions. [Specific Example 2] Collision of a cuboid and a sphere FIG. 9 shows a sphere 9 traveling while rotating on a stationary cuboid 8.
Shows the state at the moment of collision. Here, the rectangular parallelepiped 8 is arranged so that the sides of the rectangular parallelepiped 8 corresponding to the x-axis 5, the y-axis 7, the z-axis 6 and the respective axes are parallel to each other. The direction of the rotation axis of the sphere 9 is the z-axis 6 direction, and the traveling direction is parallel to the x-axis 5. Box 8
The length of each side is Lx = 2, Ly = 3, Lz = 1 in each of the x-, y-, and z-axis directions, and the mass is M1 = 1.
Is. On the other hand, the sphere 9 has a radius L2 = 1, a mass M2 = 1, an angular velocity W2 = 1, and a velocity V2 = -1. At this time, the collision position R1 seen from the center of the rectangular parallelepiped is (1, 1, 0),
The collision position R2 viewed from the center of the sphere is (-1, 0, 0), and the collision direction is the x-axis direction.

【0036】図10〜図14は、摩擦係数と反発係数の
様々な条件で、直方体8と球9が衝突した時に発生する
それぞれの力積F1 ,F2 と、衝突後のそれぞれの速度
V'1,V'2、衝突後でのそれぞれの角速度W'1,W'2、
および時間Δt=1だけ経過した時の2物体の状態を示
している。力積、速度、角速度に関しては、方向を矢印
で、大きさを矢印の長さおよび数値で表示し、数値には
x軸5,y軸7,z軸6方向の値をたし合わせた時の符
合を付加している。
FIGS. 10 to 14 show the respective impulses F1 and F2 generated when the rectangular parallelepiped 8 and the sphere 9 collide and the respective velocities V'1 after the collision under various conditions of the friction coefficient and the restitution coefficient. , V'2, the respective angular velocities W'1, W'2 after the collision,
And the states of the two objects when the time Δt = 1 has elapsed. For impulse, velocity, and angular velocity, the direction is indicated by an arrow, and the size is indicated by the length and numerical value of the arrow. The numerical values are the values in the x-axis 5, y-axis 7, and z-axis 6 directions. Is added.

【0037】また以下の説明では、z軸成分の値が0の
時は、(x,y)成分だけ示す。さらに、y軸成分の値
も0の時は、x成分だけ示す。
In the following description, when the value of the z-axis component is 0, only the (x, y) component is shown. Furthermore, when the value of the y-axis component is 0, only the x component is shown.

【0038】図10は、摩擦係数μ=0、反発係数ε=
1の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦がないために力積は衝突方向(x軸5の方向)
を向き、F1 =−0.68,F2 =0.68となる。力
積は球9に対しては中心を向いているため、衝突前後で
角速度は変化せずW'2=1であるが、直方体8に対して
は回転力を与え、角速度はz軸6の周りにW'1=0.6
3となる。速度は2物体ともx軸と並行に負の方向に進
み、それぞれ、V'1=−0.68,V'2=−0.32で
ある。
FIG. 10 shows that the friction coefficient μ = 0 and the coefficient of restitution ε =
It shows the state after the collision at the time of 1. In this state, since there is no friction, the impulse is in the collision direction (x-axis 5 direction).
And F1 = -0.68 and F2 = 0.68. Since the impulse is directed toward the center with respect to the sphere 9, the angular velocity does not change before and after the collision, and W′2 = 1, but a rotational force is applied to the rectangular parallelepiped 8 and the angular velocity of the z-axis 6 W'1 = 0.6 around
It becomes 3. The velocities of both objects proceed in the negative direction in parallel with the x-axis, and V'1 = -0.68 and V'2 = -0.32, respectively.

【0039】図11は摩擦係数μ=1、反発係数ε=1
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦があるために力積はy軸7方向成分も含み、F
1 =(−0.92,−0.34),F2 =(0.92,
0,34)となる。力積の向きが両物体の中心から外れ
ているため、衝突前後で角速度の大きさが変化しW'1=
0.53,W'2=0.15となり、速度はV'1=(−
0.92,−0.34),V'2=(−0.08,0.3
4)となる。
FIG. 11 shows a friction coefficient μ = 1 and a restitution coefficient ε = 1.
It shows the state after the collision at the time. In this state, because of friction, the impulse also includes the y-axis 7-direction component, and F
1 = (-0.92, -0.34), F2 = (0.92,
0,34). Since the direction of the impulse is off the center of both objects, the angular velocity changes before and after the collision, and W'1 =
0.53, W'2 = 0.15, the speed is V'1 = (-
0.92, -0.34), V'2 = (-0.08, 0.3
4).

【0040】図12は摩擦係数μ=0、反発係数ε=0
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦がないために力積は衝突方向(x軸5の方向)
を向き、F1 =−0.34,F2 =0.34となる。力
積は球9に対しては中心を向いているため、衝突前後で
角速度は変化せずW'2=1であるが、直方体8に対して
は回転力を与え、角速度はz軸の周りにW'1=0.32
となる。速度は2物体ともx軸5と並行に負の方向に進
み、V'1=−0.34,V'2=−0.66である。ここ
で、球9と直方体8の両物体が重なって表示されている
が、これは衝突方向に反発しないために、球9が一定時
間、直方体8を押し続けることを示している。正確に計
算するには、微小時間後の直方体8と球9の衝突状態を
求め、更に衝突の計算を繰り返さなければならない。例
えば、本実施例において微小時間を1に設定すると、衝
突方向はN=(0.95,0.31)、衝突位置は直方
体の中心から見てR1 =(0.73,0,69)、球の
中心から見てR2 =(−0.95,−0.32)とおい
て計算すれば良い。
FIG. 12 shows a friction coefficient μ = 0 and a restitution coefficient ε = 0.
It shows the state after the collision at the time. In this state, since there is no friction, the impulse is in the collision direction (x-axis 5 direction).
And F1 = -0.34, F2 = 0.34. Since the impulse is directed toward the center with respect to the sphere 9, the angular velocity does not change before and after the collision and W′2 = 1, but a rotational force is applied to the rectangular parallelepiped 8 and the angular velocity is around the z-axis. W'1 = 0.32
Becomes The velocities of both objects proceed in the negative direction in parallel with the x-axis 5, and V'1 = -0.34 and V'2 = -0.66. Here, both objects of the sphere 9 and the rectangular parallelepiped 8 are displayed in an overlapping manner, but this indicates that the sphere 9 continues to push the rectangular parallelepiped 8 for a certain period of time because it does not repel in the collision direction. In order to calculate accurately, it is necessary to obtain the collision state of the rectangular parallelepiped 8 and the sphere 9 after a short time, and to repeat the collision calculation. For example, when the minute time is set to 1 in this embodiment, the collision direction is N = (0.95,0.31), the collision position is R1 = (0.73,0,69) when viewed from the center of the rectangular parallelepiped, It may be calculated by setting R2 = (-0.95, -0.32) as viewed from the center of the sphere.

【0041】図13は、摩擦係数μ=1、反発係数ε=
0の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦があるために力積はy軸7成分も含み、F1 =
(−0.42,−0.26),F2 =(0.42,0,
26)となる。力積の向きが両物体の中心から外れてい
るため、衝突前後で角速度の大きさが変化しW'1=0.
15,W'2=0.36となり、速度はV'1=(−0.4
2,−0.26),V'2=(−0.58,0.26)と
なる。
In FIG. 13, the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε =
It shows the state after the collision at 0. In this state, because of friction, the impulse also includes the y-axis 7 component, and F1 =
(-0.42, -0.26), F2 = (0.42, 0,
26). Since the direction of the impulse is off the center of both objects, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision, and W'1 = 0.
15, W'2 = 0.36, and the speed is V'1 = (-0.4
2, -0.26) and V'2 = (-0.58, 0.26).

【0042】図14は、摩擦係数μ=0.5、反発係数
ε=0.5の時の衝突後の状態を示したのである。この
状態では、力積はF1 =(−0.59,−0.15),
F2=(0.59,0.15)となる。角速度は大きさ
が変化し、W'1=0.41,W'2=0.63、速度は
V'1=(−0.59,−0.15),V'2=(−0.4
1,0.15)となる。
FIG. 14 shows the state after the collision when the friction coefficient μ = 0.5 and the restitution coefficient ε = 0.5. In this state, the impulse is F1 = (-0.59, -0.15),
F2 = (0.59, 0.15). The magnitudes of the angular velocities change, W′1 = 0.41, W′2 = 0.63, and the velocities V′1 = (− 0.59, −0.15), V′2 = (− 0. Four
1, 0.15).

【0043】最後に、摩擦係数μや反発係数εが0〜1
の間の値の場合に行う補間に関して、妥当性を調べるた
めに、衝突前後における運動エネルギーの変化を調べ
る。衝突前後の運動エネルギーE,E’は式(13),
式(14)を用いて求めることができ、2物体の質量、
慣性モーメント、速度、角速度により決定される。
Finally, the coefficient of friction μ and the coefficient of restitution ε are 0 to 1
In order to check the validity of the interpolation performed when the value is between, the change in kinetic energy before and after the collision is examined. The kinetic energies E and E ′ before and after the collision are given by equation (13),
Equation (14) can be used to obtain the mass of two objects,
It is determined by the moment of inertia, velocity, and angular velocity.

【0044】図15は、図3で示した球同士が衝突した
場合において、摩擦係数μと反発係数εを様々に変化さ
せた場合の、衝突後の運動エネルギーを示したものであ
る。また、図16は図9に示した直方体と球が衝突した
場合における、衝突後の運動エネルギーである。
FIG. 15 shows the kinetic energy after the collision when the friction coefficient μ and the restitution coefficient ε are variously changed when the balls shown in FIG. 3 collide with each other. Further, FIG. 16 shows kinetic energy after the collision when the cuboid and the sphere shown in FIG. 9 collide.

【0045】図15を参照して、球同士が衝突する前の
運動エネルギーは2.8で、反発係数εが1、摩擦係数
μが0か1の時に、運動エネルギーが保存されており、
ε=0,μ=1の時に運動エネルギーが最も失われるこ
とがわかる。また、反発係数εが1でも摩擦係数μが0
〜1間の値の場合は、衝突前後で運動エネルギーが減少
している。これは、実際に球が滑りながら転がる場合は
運動エネルギーを保存しないので、自然現象と良く一致
している。
Referring to FIG. 15, the kinetic energy before the balls collide with each other is 2.8, and the kinetic energy is stored when the coefficient of restitution ε is 1 and the coefficient of friction μ is 0 or 1,
It can be seen that the kinetic energy is most lost when ε = 0 and μ = 1. Even if the coefficient of restitution ε is 1, the coefficient of friction μ is 0.
For values between 1 and 1, the kinetic energy decreases before and after the collision. This is in good agreement with a natural phenomenon because it does not store kinetic energy when the sphere actually rolls while sliding.

【0046】また、図16を参照して、直方体と球が衝
突する前の運動エネルギーは1.4で、反発係数εが
1、摩擦係数μが0か1の時に、運動エネルギーが保存
されており、ε=0,μ=1の時に運動エネルギーが最
も失われることがわかる。また、反発係数εが1でも摩
擦係数μが0〜1間の値の場合は、衝突前後で運動エネ
ルギーが減少している。これは、実際に球が滑りながら
転がる場合は運動エネルギーを保存しないので、自然現
象と良く一致している。
Referring to FIG. 16, the kinetic energy before the cuboid and the sphere collide is 1.4, and the kinetic energy is saved when the coefficient of restitution ε is 1 and the coefficient of friction μ is 0 or 1. It can be seen that the kinetic energy is most lost when ε = 0 and μ = 1. Further, even if the coefficient of restitution ε is 1, and the coefficient of friction μ is a value between 0 and 1, the kinetic energy decreases before and after the collision. This is in good agreement with a natural phenomenon because it does not store kinetic energy when the sphere actually rolls while sliding.

【0047】次に、本実施例のシミュレーションを行う
データ処理装置の概要について、図17を参照しながら
以下説明する。
Next, an outline of the data processing device for performing the simulation of this embodiment will be described below with reference to FIG.

【0048】CPU200は、データ処理装置全体の制
御を行い、メモリ202に予め格納されているシミュレ
ーションプログラムを読み出しながら、解釈し実行す
る。メモリ200は、本実施例のシミュレーションプロ
グラムと所要の各種データが予め格納されている。キー
ボード203とポインテイングデバイス204は、シミ
ュレーションを行う物体に関するデータや、実行指令コ
マンド等を入力する。デイスプレイモニタ201は、シ
ミュレーション結果のデータや物体の運動イメージ等を
表示する。
The CPU 200 controls the entire data processing device, interprets and executes the simulation program stored in the memory 202 while reading it out. The memory 200 stores the simulation program of this embodiment and various required data in advance. The keyboard 203 and the pointing device 204 input data regarding an object to be simulated, execution command commands, and the like. The display monitor 201 displays simulation result data, a motion image of an object, and the like.

【0049】次に、図18〜図23のフローチャートを
参照して、2物体が衝突した直後の運動状態を計算する
手順を説明する。
Next, the procedure for calculating the motion state immediately after the collision of two objects will be described with reference to the flowcharts of FIGS.

【0050】ステップS100では、2つの物体自身と
その運動状態を表現する各種データをキーボード203
やポインテイングデバイス204等を用いて入力する。
物体のデータとして、質量M1,M2、慣性テンソル[I
1 ],[I2]、物体1の重心座標:O1,物体2の重心
座標:O2、物体1の速度:V1,物体2の速度:V2、
物体1の傾き:[S1 ]、物体2の傾き:[S2 ]、物
体1の角速度:W1、物体Bの角速度:W2、そして、摩
擦係数μ、反発係数εのデータを入力する。
In step S100, the keyboard 203 receives various data representing the two objects themselves and their motion states.
Or pointing device 204 or the like.
As data of the body, masses M1 and M2, inertia tensor [I
1], [I2], the barycentric coordinate of the object 1 is O1, the barycentric coordinate of the object 2 is O2, the speed of the object 1 is V1, the speed of the object 2 is V2,
The inclination of the object 1 is [S1], the inclination of the object 2 is [S2], the angular velocity of the object 1 is W1, the angular velocity of the object B is W2, and the data of the friction coefficient μ and the coefficient of restitution ε are input.

【0051】ステップS101では、2物体の重心に対
する衝突位置R1,R2を、式1、式2に基づいて計算す
る。
In step S101, the collision positions R1 and R2 with respect to the center of gravity of two objects are calculated based on the equations (1) and (2).

【0052】ステップS102は、摩擦係数μ、反発係
数εのデータ値をチェックする。そして、摩擦係数μ=
0、反発係数ε=1ならば、ステップ103へ進む。摩
擦係数μ=1、反発係数ε=1ならば、ステップ106
へ進む。摩擦係数μ=0、反発係数ε=0ならば、ステ
ップ109へ進む。摩擦係数μ=1、反発係数ε=0な
らば、ステップ112へ進む。摩擦係数μが0から1の
間の値で、反発係数εが0から1の間の値であれば、ス
テップ115へ進む。
A step S102 checks the data values of the friction coefficient μ and the restitution coefficient ε. And the friction coefficient μ =
If 0 and the coefficient of restitution ε = 1, the process proceeds to step 103. If the friction coefficient μ = 1 and the restitution coefficient ε = 1, step 106
Go to. If the friction coefficient μ = 0 and the restitution coefficient ε = 0, the process proceeds to step 109. If the friction coefficient μ = 1 and the restitution coefficient ε = 0, the process proceeds to step 112. If the coefficient of friction μ is a value between 0 and 1 and the coefficient of restitution ε is a value between 0 and 1, the routine proceeds to step 115.

【0053】ステップS103では、摩擦係数μ=0よ
り、接触点が滑らかで摩擦がないため力積Ftの方向は
衝突方向Nと一致する。また摩擦がなく反発係数ε=1
より、衝突前後で運動エネルギーが保存されるという条
件から、式(16)のエネルギー式に、式(18)を代
入して、式(19)よりkを計算し、そして、この時の
力積F01を計算する。
In step S103, since the friction coefficient μ = 0, the contact point is smooth and there is no friction, so the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N. There is also no friction and the coefficient of restitution ε = 1
From the condition that the kinetic energy is preserved before and after the collision, the formula (18) is substituted into the energy formula of the formula (16), k is calculated from the formula (19), and the impulse at this time is calculated. Calculate F01.

【0054】ステップS104では、力積F01を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S104, the impulse F01 is calculated by the equation 8
By substituting this into equation 9, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated.

【0055】ステップS105では、力積F01を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S105, the impulse F01 is calculated by the equation 1
By substituting 0 into Equation 11, the velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are calculated.

【0056】ステップS106では、摩擦係数μ=1よ
り、接触点で滑らずに転がりが生じ、衝突接平面上での
2物体の衝突後の速度が等しくなり2物体の相対速度の
向きは衝突方向と一致し、また、反発係数ε=1より、
衝突前後で運動エネルギーが保存されるという条件か
ら、式22を式16のエネルギー式に代入して、式21
よりkを計算し、そしてこの時の力積F11を計算する。
In step S106, from the friction coefficient μ = 1, rolling occurs at the contact point without slipping, the velocities of the two objects on the collision tangential plane after collision are equal, and the direction of the relative speed of the two objects is the collision direction. And the coefficient of restitution ε = 1,
From the condition that the kinetic energy is preserved before and after the collision, Equation 22 is substituted into the energy equation of Equation 16 to obtain Equation 21
Then k is calculated, and the impulse F11 at this time is calculated.

【0057】ステップS107では、力積F11を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S107, the impulse F11 is calculated by the equation 8
By substituting this into equation 9, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated.

【0058】ステップS108では、力積F11を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S108, the impulse F11 is calculated by the equation 1
By substituting 0 into Equation 11, the velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are calculated.

【0059】ステップS109では、摩擦係数μ=0よ
り、接触点が滑らかで摩擦がないため、力積Ftの方向
は衝突方向Nと一致し、また、反発係数ε=0より、衝
突後で衝突方向の速度が一致し相対速度の向きは衝突方
向と垂直になるという条件から、式25からkを計算
し、そしてこの時の力積F00を計算する。
In step S109, since the contact point is smooth and there is no friction from the friction coefficient μ = 0, the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N, and from the restitution coefficient ε = 0, the collision after collision occurs. Under the condition that the directional velocities match and the relative velocity direction becomes perpendicular to the collision direction, k is calculated from Equation 25, and the impulse F00 at this time is calculated.

【0060】ステップS110では、力積F00を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S110, the impulse F00 is calculated by the equation 8
By substituting this into equation 9, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated.

【0061】ステップS111では、力積F00を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S111, the impulse F00 is calculated by the equation 1
By substituting 0 into Equation 11, the velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are calculated.

【0062】ステップS112では、摩擦係数μ=1よ
り、接触点で滑らずに転がりが生じ、衝突接平面上での
2物体の衝突後の速度が等しくなり、また反発係数ε=
0より、衝突後で衝突方向の速度が一致するという条件
から、式(26)を式(17)の相対速度を式に代入し
て、力積F10を計算する。
In step S112, from the friction coefficient μ = 1, rolling occurs without slipping at the contact point, the velocities of the two objects on the collision tangent plane after the collision become equal, and the restitution coefficient ε =
From 0, the impulse F10 is calculated by substituting the relative velocity of the equation (17) into the equation on the condition that the velocities in the collision direction after the collision match.

【0063】ステップS113では、力積F10を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S113, the impulse F10 is calculated by the equation 8
By substituting this into equation 9, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated.

【0064】ステップS114では、力積F10を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S114, the impulse F10 is calculated by the equation 1
By substituting 0 into Equation 11, the velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are calculated.

【0065】ステップS115では、まず、力積F00,
F01,F10,F11を求める。求める方法は、それぞれ、
ステップS109、ステップS104、ステップS11
2、ステップS106で各力積を求めた方法と同様であ
る。そして、求めた力積F00,F01,F10,F11を式2
8の補間式に代入して力積Ftを計算する。
In step S115, the impulse F00,
Find F01, F10, and F11. The method to obtain is
Step S109, Step S104, Step S11
2. The method is the same as the method for obtaining each impulse in step S106. Then, the obtained impulses F00, F01, F10, F11 are calculated by the equation 2
The impulse Ft is calculated by substituting it into the interpolation formula of FIG.

【0066】ステップS116では、力積Ftを、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S116, the impulse Ft is calculated by the equation 8
By substituting this into equation 9, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated.

【0067】ステップS114では、力積Ftを、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S114, the impulse Ft is calculated by the equation 1
By substituting 0 into Equation 11, the velocities W'1 and W'2 immediately after the collision are calculated.

【0068】以上説明した手順をCPU200が実行す
ることにより、2物体の衝突後の運動状態を容易に求め
ることができる。そして、求められた2物体の衝突後の
運動状態を、デイスプレイモニタに表示する。
When the CPU 200 executes the procedure described above, the motion state of the two objects after the collision can be easily obtained. Then, the calculated motion state of the two objects after the collision is displayed on the display monitor.

【0069】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても1つの機器から成る装置に適用し
ても良い。また、本発明は、システム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることはいうまでもない。
The present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices or an apparatus composed of a single device. Further, it goes without saying that the present invention can be applied to the case where it is achieved by supplying a program to a system or an apparatus.

【0070】以上説明してきたように、コンピュータ内
部に構築された仮想3次元空間において、仮想物体同士
の衝突をシミュレーションする場合に、衝突時の仮想物
体の状態、衝突位置、衝突方向から、衝突後の仮想物体
の状態の計算することにより、任意の物体形状に対して
計算を行うことができる。また衝突後の仮想物体の状態
計算を、2物体間の反発係数および摩擦係数を考慮に入
れて、衝突により生じた力積を計算することにより求め
ることにより、様々な衝突現象に対応した計算を行うこ
とができる。その結果、反発係数が1でも、摩擦係数が
0と1の間の場合(滑りながら転がる場合)は、運動エ
ネルギーが保存しない等、実際の自然現象が良く表すも
のとなっている。
As described above, when simulating a collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space built inside a computer, the state of the virtual objects at the time of collision, the collision position, the collision direction, By calculating the state of the virtual object, the calculation can be performed for any object shape. Also, by calculating the state of a virtual object after a collision by taking into account the coefficient of restitution between two objects and the coefficient of friction, and calculating the impulse generated by the collision, calculations corresponding to various collision phenomena can be performed. It can be carried out. As a result, when the coefficient of restitution is 1 but the coefficient of friction is between 0 and 1 (when rolling while sliding), actual natural phenomena such as kinetic energy not being stored are well represented.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、物
体間の衝突の際の物体の運動を高精度に近似できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to highly accurately approximate the motion of objects at the time of collision between objects.

【0072】[0072]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】2物体が衝突した瞬間の状態を説明する図であ
る。
FIG. 1 is a diagram illustrating a state at a moment when two objects collide with each other.

【図2】衝突後の2物体の運動を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the movement of two objects after a collision.

【図3】球同士が衝突した瞬間の状態を示した図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a state at the moment when balls collide with each other.

【図4】摩擦係数=0,反発係数=1の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a state after the balls have collided with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0 and a coefficient of restitution = 1.

【図5】摩擦係数=1,反発係数=1の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a state after the balls have collided with each other under the condition of the friction coefficient = 1 and the restitution coefficient = 1.

【図6】摩擦係数=0,反発係数=0の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a state after the balls have collided with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0 and a coefficient of restitution = 0.

【図7】摩擦係数=1,反発係数=0の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a state after the balls have collided with each other under the condition of a friction coefficient = 1 and a restitution coefficient = 0.

【図8】摩擦係数=0.5,反発係数=0.5の条件下
で、球同士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state after the balls have collided with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0.5 and a coefficient of restitution = 0.5.

【図9】直方体と球が衝突した瞬間の状態を示した図で
ある。
FIG. 9 is a diagram showing a state at a moment when a rectangular parallelepiped and a sphere collide with each other.

【図10】摩擦係数=0,反発係数=1の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a sphere collide with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0 and a coefficient of restitution = 1.

【図11】摩擦係数=1,反発係数=1の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a sphere collide with each other under the condition of friction coefficient = 1 and repulsion coefficient = 1.

【図12】摩擦係数=0,反発係数=0の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0 and a coefficient of restitution = 0.

【図13】摩擦係数=1,反発係数=0の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a state after a cuboid and a sphere collide with each other under the condition of friction coefficient = 1 and repulsion coefficient = 0.

【図14】摩擦係数=0.5,反発係数=0.5の条件
下で、直方体と球が衝突した後の状態を説明する図であ
る。
FIG. 14 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0.5 and a coefficient of restitution = 0.5.

【図15】球同士が衝突した後の運動エネルギーを示し
た図である。
FIG. 15 is a diagram showing kinetic energy after balls collide with each other.

【図16】直方体と球が衝突した後の運動エネルギーを
示した図である。
FIG. 16 is a diagram showing kinetic energy after a rectangular parallelepiped and a sphere collide.

【図17】本実施例のデータ処理装置の構成を示す図で
ある。
FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a data processing device of this embodiment.

【図18】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating a simulation processing flow of this embodiment.

【図19】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 19 is a diagram illustrating a simulation processing flow of the present embodiment.

【図20】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating a simulation processing flow of the present embodiment.

【図21】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a simulation processing flow of this embodiment.

【図22】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【図23】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 23 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 物体1 2 物体2 3 球1 4 球2 5 x軸 6 y軸 7 z軸 8 直方体 9 球 10 基本直交座標軸 P 衝突位置 N 衝突方向 F 衝突時に発生する力積 O1 ,O2 各物体の重心位置 R1 ,R2 各物体の重心に対する衝突位置 M1 ,M2 各物体の質量 [I1 ],[I2 ] 各物体の慣性モーメントを表す行
列 [S1 ],[S2 ] 各物体の傾きを表す行列 L1 ,L2 各球の半径、 Lx ,Ly ,Lz 直方体の各辺の長さ、 V1 ,V2 衝突前の各物体の速度、 W1 ,W2 衝突前の各物体の角速度 F1 ,F2 衝突時に発生する各物体に対する力積 V'1,V'2 衝突後の各物体の速度 W'1,W'2 衝突後の各物体の角速度 μ 摩擦係数 ε 反発係数。
1 object 1 2 object 2 3 sphere 1 4 sphere 2 5 x-axis 6 y-axis 7 z-axis 8 rectangular parallelepiped 9 sphere 10 basic Cartesian coordinate axis P collision position N collision direction F center of gravity O1 and O2 center of gravity of each object R1, R2 Collision position with respect to the center of gravity of each object M1, M2 Mass of each object [I1], [I2] Matrix representing the moment of inertia of each object [S1], [S2] Matrix representing the inclination of each object L1, L2 Radius of sphere, Lx, Ly, Lz Length of each side of rectangular parallelepiped, V1, V2 Velocity of each object before collision, W1, W2 Angular velocity of each object before collision F1, F2 Impulsive force for each object generated during collision V'1, V'2 Velocity of each object after collision W'1, W'2 Angular velocity of each object after collision μ Friction coefficient ε Repulsion coefficient.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 仮想3次元空間における仮想物体同士の
衝突をシミュレーションする方法であって、 仮想物体の特性データと衝突時の仮想物体の状態データ
に基づいて、衝突後の前記仮想物体の状態データを計算
する計算工程と、 前記衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記
衝突後の前記仮想物体の状態を表示する表示工程と、を
備えることを特徴とする仮想3次元物体の衝突シミュレ
ーション方法。
1. A method for simulating a collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space, wherein the state data of the virtual object after the collision is based on characteristic data of the virtual object and state data of the virtual object at the time of the collision. And a display step of displaying the state of the virtual object after the collision based on the state data of the virtual object after the collision, the collision simulation of the virtual three-dimensional object. Method.
【請求項2】 前記衝突時の仮想物体の状態データは、
運動位置、または傾き、または運動速度、または回転運
動角速度、または衝突方向を備えることを特徴とする請
求項1に記載の仮想3次元物体の衝突シミュレーション
方法。
2. The state data of the virtual object at the time of collision is
The collision simulation method for a virtual three-dimensional object according to claim 1, further comprising a motion position, an inclination, a motion velocity, a rotational motion angular velocity, or a collision direction.
【請求項3】 前記計算工程はさらに、前記仮想物体間
の所定の反発係数に基づいて、衝突後の前記仮想物体の
状態を計算することを特徴とする請求項1に記載の仮想
3次元物体の衝突シミュレーション方法。
3. The virtual three-dimensional object according to claim 1, wherein the calculating step further calculates a state of the virtual object after the collision based on a predetermined coefficient of restitution between the virtual objects. Collision simulation method.
【請求項4】 前記計算工程はさらに、前記反発係数に
基づいて、衝突により生じた力積を計算することによ
り、衝突後の前記仮想物体の状態を計算することを特徴
とする請求項3に記載の仮想3次元物体の衝突シミュレ
ーション方法。
4. The state of the virtual object after the collision is calculated by calculating the impulse generated by the collision based on the coefficient of restitution, in the calculating step. The virtual three-dimensional object collision simulation method described.
【請求項5】 前記計算工程はさらに、前記仮想物体間
の所定の摩擦係数に基づいて、衝突後の前記仮想物体の
状態を計算することを特徴とする請求項1に記載の仮想
3次元物体の衝突シミュレーション方法。
5. The virtual three-dimensional object according to claim 1, wherein the calculation step further calculates a state of the virtual object after collision based on a predetermined coefficient of friction between the virtual objects. Collision simulation method.
【請求項6】 前記計算工程はさらに、前記摩擦係数に
基づいて、衝突により生じた力積を計算することによ
り、衝突後の前記仮想物体の状態を計算することを特徴
とする請求項5に記載の仮想3次元物体の衝突シミュレ
ーション方法。
6. The method according to claim 5, wherein the calculating step further calculates a state of the virtual object after the collision by calculating an impulse generated by the collision based on the friction coefficient. The virtual three-dimensional object collision simulation method described.
【請求項7】 仮想3次元空間における仮想物体同士の
衝突をシミュレーションする装置であって、 仮想物体の特性データと衝突時の仮想物体の状態データ
に基づいて、衝突後の前記仮想物体の状態データを計算
する計算手段と、 前記衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記
衝突後の前記仮想物体の状態を表示する表示手段と、を
備えることを特徴とする仮想3次元物体の衝突シミュレ
ーション装置。
7. A device for simulating a collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space, wherein the state data of the virtual object after the collision is based on characteristic data of the virtual object and state data of the virtual object at the time of the collision. And a display unit for displaying the state of the virtual object after the collision based on the state data of the virtual object after the collision. apparatus.
【請求項8】 前記衝突時の仮想物体の状態データは、
運動位置、または傾き、または運動速度、または回転運
動角速度、または衝突方向を備えることを特徴とする請
求項7に記載の仮想3次元物体の衝突シミュレーション
装置。
8. The state data of the virtual object at the time of collision is
The collision simulation apparatus for a virtual three-dimensional object according to claim 7, further comprising a movement position, an inclination, a movement speed, a rotational movement angular velocity, or a collision direction.
【請求項9】 前記計算手段はさらに、前記仮想物体間
の所定の反発係数に基づいて、衝突後の前記仮想物体の
状態を計算することを特徴とする請求項7に記載の仮想
3次元物体の衝突シミュレーション装置。
9. The virtual three-dimensional object according to claim 7, wherein the calculation means further calculates a state of the virtual object after collision based on a predetermined coefficient of restitution between the virtual objects. Collision simulator.
【請求項10】 前記計算手段はさらに、前記反発係数
に基づいて、衝突により生じた力積を計算することによ
り、衝突後の前記仮想物体の状態を計算することを特徴
とする請求項9に記載の仮想3次元物体の衝突シミュレ
ーション装置。
10. The calculation means further calculates a state of the virtual object after the collision by calculating an impulse generated by the collision based on the restitution coefficient. The virtual three-dimensional object collision simulation device described.
【請求項11】 前記計算手段はさらに、前記仮想物体
間の所定の摩擦係数に基づいて、衝突後の前記仮想物体
の状態を計算することを特徴とする請求項7に記載の仮
想3次元物体の衝突シミュレーション装置。
11. The virtual three-dimensional object according to claim 7, wherein the calculation means further calculates a state of the virtual object after collision based on a predetermined friction coefficient between the virtual objects. Collision simulator.
【請求項12】 前記計算手段はさらに、前記摩擦係数
に基づいて、衝突により生じた力積を計算することによ
り、衝突後の前記仮想物体の状態を計算することを特徴
とする請求項11に記載の仮想3次元物体の衝突シミュ
レーション装置。
12. The calculation means further calculates the state of the virtual object after the collision by calculating the impulse generated by the collision based on the friction coefficient. The virtual three-dimensional object collision simulation device described.
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