專利名稱：模擬線條體的動作的機器人模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉 及模擬配設于機器人上的軟管或電纜等線條體的動作的機器人模擬裝置。
背景技術：
在脫機示教機器人時等使用的機器人模擬裝置，一般進行通過物理模擬再現配設于機器人機構部的軟管或電纜等線條體的動作。例如在日本特開平10 - 275007號公報中，公開了對機器人檢查電纜或軟管等向機器人卷繞或過伸縮的機器人動作模擬方法。在此認為由于以求出預定角度進行比較運算這樣的較少的運算量檢測出非剛性物整體向其臂的卷繞，因此能夠十分高速且十分準確地檢查非剛性物向臂的卷繞。在日本特開平10 - 275007號公報所記載的技術中，通過將非剛性物卷繞在機器人上時的動作投影在二維平面，從而簡易地算出。因而，實際上難于準確地模擬三維物體即線條體的動作。即，在現有的機器人模擬中，在對配置于機器人的線條體的動作進行物理模擬時，為了與實際的線條體的動作一致，難于調整彈簧常數、衰減力系數等物理模擬模型的各系數。

發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種機器人模擬裝置，具備按照線條體的實際動作而自動調整在物理模擬模型中使用的各系數的功能。為了實現上述目的，本發明提供一種機器人模擬裝置，以配設于機器人機構部的線條體的露出于該機器人機構部的外側的部分作為模擬對象部位，模擬伴隨上述機器人機構部的動作的該模擬對象部位的動作，其特征在于，具有三維模型生成部，將上述模擬對象部位的三維模型，作為由多個質點及連結該多個質點之間的彈簧構成的立體結構而生成；模擬部，進行如下物理模，在每單位時間算出作用于上述質點的彈簧的彈力、重力及衰減力，在上述質點與上述機器人機構部或周邊裝置干涉時，在每單位時間算出施加于上述質點的回彈力，利用施加于上述質點的上述彈簧的彈力、重力、衰減力及回彈力，在每單位時間變更上述質點的位置；存儲部，預先存儲實際的線條體的靜態動作、動態動作及線條體與剛體碰撞時的動態動作；以及自動調整部，自動地調整上述彈簧的彈簧常數，使得存儲于上述存儲部的實際的線條體的靜態動作與上述物理模擬的結果一致，還自動地調整上述衰減力的系數，使得存儲于上述存儲部的實際的上述線條體的動態動作與上述物理模擬的結果一致，自動地調整上述回彈力的系數，使得存儲于上述存儲部的實際的上述線條體與剛體碰撞時的動態動作與上述物理模擬的結果一致。上述機器人模擬裝置也可以還具有動畫顯示上述模擬對象部位的動作的顯示部。


本發明的上述或其他的目的、特征和優點，通過參照

以下的優選實施方式而更明確。圖I是表示本發明一實施方式的機器人模擬裝置的概略結構的圖。圖2是表示圖I的機器人模擬裝置的處理流程的流程圖。圖3是表示線條體的模擬模型的一例的圖。圖4是說明彈簧常數的自動調整的圖。圖5是說明衰減力的系數的自動調整的圖。 圖6是說明回彈力的系數的自動調整的圖。
具體實施例方式圖I是本發明的機器人模擬裝置(以下稱為模擬裝置)的一實施方式的概要圖。另夕卜，本發明以配設于機器人機構部的線條體的露出于該機器人機構部的外側的部分作為模擬對象部位，模擬伴隨該機器人機構部的動作的該模擬對象部位的動作。具體而言，機器人模擬裝置10具有三維模型生成部12，將作為模擬對象部位的線條體的三維模型(參照圖
3)，作為由多個質點和連結質點之間的彈簧構成的立體結構而生成；模擬部14，進行后述的物理模擬；存儲部16，預先存儲實際的線條體的靜態動作、動態動作及線條體與剛體碰撞時的動態動作；以及自動調整部18，進行后述的自動調整，以使存儲在存儲部16的實際的線條體的靜態動作與物理模擬的結果一致。另外，模擬裝置10也可以還具有以動畫來顯示作為模擬對象部位的線條體的動作的顯示部2 O。圖2是表示機器人模擬裝置10的處理流程的流程圖。以下，對各步驟詳細進行說明。步驟SI在步驟SI中，生成配置了虛擬的機器人(機構部)及線條體的工作單元。工作單元的生成既可以由操作者輸入模擬裝置10所需要的數據而生成，也可以用預定的機器人程序等讀入預先準備的各種數據而生成。另外，所生成的工作單元能夠顯示于上述的顯示部20。步驟S2在步驟S2中，生成線條體的三維模型，進行線條體的動作的物理模擬。線條體的模擬模型(三維模型)22例如圖3所示，定義為由多個質點24和連結各質點24之間的彈簧26構成的立體結構物。而且，彈簧26包括連結在圓周上排列的質點之間的彈簧26a ;在線條體的長度方向(圖3中為上下方向)連結質點之間的彈簧26b ;以及相對于長度方向傾斜地連結質點之間的彈簧26c。連結在圓周上排列的質點之間的彈簧26a表示相對于以使線條體22向徑向壓扁的方式作用的力的彈性。在線條體的長度方向連結質點之間的彈簧26b表示相對于伸縮方向的力的彈性。另外，相對于長度方向傾斜地連結質點之間的彈簧26c表示相對于彎曲及扭轉方向的力的彈性。各質點24為具有質量、三維位置、三維速度的信息的點。各質點的質量為用質點的個數除線條體的質量所得的值。另外，速度的初始值以靜止的狀態作為初始狀態(0，0，O)。上述條件下，作用于各質點的力如下算出。
(a)彈簧的彈力假設在某一根彈簧上連接有質點A及B。此時，施加于質點A的彈力Fl用以下的式(I)表示。Fl= (A —B的單位矢量)X (彈簧常數)X (彈簧的伸縮量) (I)另外，彈簧的伸縮量設為從某狀態下的彈簧的長度減去彈簧的自然長度(即線條體的物理模擬模型沒有伸縮、彎曲的自然狀態時的質點A、B之間的距離)所得的值。(b)彈簧的振動的衰減力抑制彈簧的振動的衰減力F2用以下的式(2)表示。其中，V為(質點B的速度一質點A的速度)的單位矢量。 F2=vX (V的內積)X (振動的衰減系數)(2)( c )平移運動的衰減力抑制各質點的平移運動的衰減力F3用以下的式(3)表示。F3=(各質點的速度)X (平移運動的衰減系數)(3)另外，彈簧的振動的衰減力F2及平移運動的衰減力F3起作用使得彈簧的運動推遲。(d)回彈力在質點與某個干涉面碰撞時，該質點的速度在碰撞的面的垂直方向上的分量的值，成為碰撞前的值乘上恢復系數并將符號取反的值。此時，回彈力F4通過在用單位時間除碰撞前后的速度的位移所得的加速度乘上質點的質量而算出。(e)重力施加于各質點的重力F5用以下的式(4)表示。F5=(重力方向的單位矢量)X (重力加速度)X (質點的質量)(4)如上所述，在算出施加于各質點的力Fl F5時，加速度作為((Fl F5的合力)/質量)而算出。另外，將速度的位移量作為(加速度X單位時間)而算出，將該速度的位移量加在質點的速度。而且，將各質點的位置的位移量作為(速度X單位時間)而算出，將該位置的位移量加在質點的位置。在每隔單位時間，按照機器人的運動而變更兩端的質點的位置之后，如上所述算出施加于各質點的力，更新各質點的位置及速度，由此模擬線條體的動作。步驟S3在步驟S3中，將實際的線條體的靜態動作、動態動作及在線條體碰撞剛體時的動態動作存儲于上述的存儲部16。這些動作能夠通過后述的實驗等測定。另外，步驟S3也可以在步驟SI或步驟S2之前進行。實際的線條體的靜態動作例如能夠如下計測。如圖4所示，準備在2個剛體28、30之間懸架了線條體32的試驗裝置34，處于線條體32因重力而下垂的狀態。此時，固定線條體32的兩端的方法實際上與在機器人上固定線條體的方法相同。另外，在線條體32上預先以均等的間隔標注多個標記(記號)36，在線條體32成為靜止狀態的時刻計測各標記的位置，由此能夠計測出線條體32的靜態下垂方位。實際的線條體的動態動作例如能夠如下計測。如圖5所示，在上述的試驗裝置34中，從線條體32靜止的狀態擺動至少一方的剛體(圖示例中右側的剛體30)。將此時的線條體32的運動用高速攝像機等攝像機構拍攝，通過計測所取得的各個圖像中的標記36的位置，從而計測動態動作。在線條體碰撞剛體時的實際的線條體的動態動作，例如能夠如下計測。如圖6所示，在上述的試驗裝置34中，使至少一方的剛體(圖示例中右側的剛體30)擺動，使線條體32碰撞其他的剛體(周邊物)38。將此時的線條體32的運動用高速攝像機等攝像機構拍攝，通過計測所取得的各個圖像中的標記36的位置，從而計測與剛體38碰撞時的線條體32的動態動作。步驟S4在步驟S4中，進行彈簧常數的自動調整。詳細而言，首先將與上述的試驗裝置34同樣的狀態作為模擬模型進行再現。接著，執行模擬足夠時間直到成為靜止狀態，通過計算出線條體32的標記36的各個位置與在模擬模型上相當的位置的距離之差，從而計測出線條體的靜態動作(下垂方位)。進而，使彈簧常數變化的同時反復執行該處理，自動地計算出 距離之差最小的彈簧常數(參照式(I))。并且此時，通過將兩端附近的彈簧常數設為與其他的彈簧常數不同的值，從而能夠再現由于線條體的固定方法的不同而引起的線條體的動作的不同。步驟S5在步驟S5中，進行衰減力的系數的自動調整。詳細而言，首先在模擬模型上，與擺動剛體同樣，在變更向擺動的剛體的安裝位置上的線條體的質點的位置的同時執行模擬，計算出在相當于各圖像的時間的線條體32的標記36的位置和在模擬模型上相當的位置的距離之差。進而，使彈簧的振動的衰減系數(參照式(2))和平移運動的衰減系數(參照式
(3))變化的同時反復執行該處理，自動地計算出距離之差最小的各衰減力的系數。步驟S6在步驟S6中，進行回彈力的系數(恢復系數)的自動調整。詳細而言，首先在模擬模型上，與擺動剛體同樣，在變更向擺動的剛體的安裝位置上的線條體的質點的位置的同時執行模擬，計算出在相當于各圖像的時間的線條體32的標記36的位置和在模擬模型上相當的位置的距離之差。進而，使回彈力的系數變化的同時反復執行該處理，自動地計算出距離之差最小的回彈力的系數。這樣在上述實施方式中，能夠階段性且自動地調整線條體的三維模型中的彈簧常數、衰減力的系數及回彈力的系數，基于物理模擬的線條體的動作與實際的線條體的動作高精度地一致。如果利用該模擬，則能夠進行更準確且實際的脫機示教。根據本發明，由于階段性地調整構成線條體的三維模型的彈簧的彈簧常數、衰減力的系數及回彈力的系數，因此基于物理模擬的線條體的動作與實際的線條體的動作極其接近，能夠進行更實際的脫機示教。
權利要求
1.一種機器人模擬裝置(10)，以配設于機器人機構部的線條體的露出于該機器人機構部的外側的部分作為模擬對象部位，模擬伴隨上述機器人機構部的動作的該模擬對象部位的動作，其特征在于， 具有三維模型生成部(12)，將上述模擬對象部位的三維模型(22)，作為由多個質點(24)及連結該多個質點之間的彈簧(26)構成的立體結構而生成； 模擬部(14)，進行如下物理模擬，在每單位時間算出作用于上述質點(24)的彈簧(26)的彈力、重力及衰減力，在上述質點(24)與上述機器人機構部或周邊裝置干涉時，在每單位時間算出施加于上述質點(24)的回彈力，利用施加于上述質點(24)的上述彈簧(26)的彈力、重力、衰減力及回彈力，在每單位時間變更上述質點(24)的位置； 存儲部(I 6)，預先存儲實際的線條體(32)的靜態動作、動態動作及線條體與剛體(38)碰撞時的動態動作；以及 自動調整部(I 8)，自動地調整上述彈簧(26)的彈簧常數，使得存儲于上述存儲部(16)的實際的線條體(32)的靜態動作與上述物理模擬的結果一致，還自動地調整上述衰減力的系數，使得存儲于上述存儲部(16)的實際的上述線條體(32)的動態動作與上述物理模擬的結果一致，自動地調整上述回彈力的系數，使得存儲于上述存儲部(16)的實際的上述線條體(32)與剛體(38)碰撞時的動態動作與上述物理模擬的結果一致。
2.根據權利要求I所述的機器人模擬裝置，其特征在于， 還具有動畫顯示上述模擬對象部位的動作的顯示部(20 )。
全文摘要
本發明提供機器人模擬裝置，機器人模擬裝置具備按照線條體的實際的動作而自動調整在物理模擬模型中使用的各系數的功能。模擬裝置具有三維模型生成部，將線條體的三維模型作為由多個質點和連結質點之間的彈簧構成的立體結構而生成；模擬部，進行物理模擬；存儲部，預先存儲實際的線條體的靜態動作、動態動作及線條體與剛體碰撞時的動態動作；以及自動調整部，進行自動調整，以使存儲在存儲部的實際的線條體的靜態動作與物理模擬的結果一致。
文檔編號B25J9/22GK102909725SQ201210229368
公開日2013年2月6日 申請日期2012年7月3日 優先權日2011年8月4日
發明者武田俊也 申請人:發那科株式會社