模拟线条体的动作的机器人模拟装置

摘要

本发明提供机器人模拟装置，机器人模拟装置具备按照线条体的实际的动作而自动调整在物理模拟模型中使用的各系数的功能。模拟装置具有：三维模型生成部，将线条体的三维模型作为由多个质点和连结质点之间的弹簧构成的立体结构而生成；模拟部，进行物理模拟；存储部，预先存储实际的线条体的静态动作、动态动作及线条体与刚体碰撞时的动态动作；以及自动调整部，进行自动调整，以使存储在存储部的实际的线条体的静态动作与物理模拟的结果一致。

权利要求

1.一种机器人模拟装置（10），以配设于机器人机构部的线条体的露出于该机器人机构部的外侧的部分作为模拟对象部位，模拟伴随上述机器人机构部的动作的该模拟对象部位的动作，其特征在于，具有：三维模型生成部（12），将上述模拟对象部位的三维模型（22），作为由多个质点（24）及连结该多个质点之间的弹簧（26）构成的立体结构而生成；

模拟部（14），进行如下物理模拟，在每单位时间算出作用于上述质点（24）的弹簧（26）的弹力、重力及衰减力，在上述质点（24）与上述机器人机构部或周边装置干涉时，在每单位时间算出施加于上述质点（24）的回弹力，利用施加于上述质点（24）的上述弹簧（26）的弹力、重力、衰减力及回弹力，在每单位时间变更上述质点（24）的位置；

存储部（1 6），预先存储实际的线条体（32）的静态动作、动态动作及线条体与刚体（38）碰撞时的动态动作；以及自动调整部（1 8），自动地调整上述弹簧（26）的弹簧常数，使得存储于上述存储部（16）的实际的线条体（32）的静态动作与上述物理模拟的结果一致，还自动地调整上述衰减力的系数，使得存储于上述存储部（16）的实际的上述线条体（32）的动态动作与上述物理模拟的结果一致，自动地调整上述回弹力的系数，使得存储于上述存储部（16）的实际的上述线条体（32）与刚体（38）碰撞时的动态动作与上述物理模拟的结果一致。

2.根据权利要求1所述的机器人模拟装置，其特征在于，

还具有动画显示上述模拟对象部位的动作的显示部（20）。

说明书

模拟线条体的动作的机器人模拟装置

技术领域

[0001] 本发明涉及模拟配设于机器人上的软管或电缆等线条体的动作的机器人模拟装置。

背景技术

[0002] 在脱机示教机器人时等使用的机器人模拟装置，一般进行通过物理模拟再现配设于机器人机构部的软管或电缆等线条体的动作。

[0003] 例如在日本特开平10－275007号公报中，公开了对机器人检查电缆或软管等向机器人卷绕或过伸缩的机器人动作模拟方法。在此认为：由于以求出预定角度进行比较运算这样的较少的运算量检测出非刚性物整体向其臂的卷绕，因此能够十分高速且十分准确地检查非刚性物向臂的卷绕。

[0004] 在日本特开平10－275007号公报所记载的技术中，通过将非刚性物卷绕在机器人上时的动作投影在二维平面，从而简易地算出。因而，实际上难于准确地模拟三维物体即线条体的动作。即，在现有的机器人模拟中，在对配置于机器人的线条体的动作进行物理模拟时，为了与实际的线条体的动作一致，难于调整弹簧常数、衰减力系数等物理模拟模型的各系数。

发明内容

[0005] 因此，本发明的目的在于提供一种机器人模拟装置，具备按照线条体的实际动作而自动调整在物理模拟模型中使用的各系数的功能。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种机器人模拟装置，以配设于机器人机构部的线条体的露出于该机器人机构部的外侧的部分作为模拟对象部位，模拟伴随上述机器人机构部的动作的该模拟对象部位的动作，其特征在于，具有：三维模型生成部，将上述模拟对象部位的三维模型，作为由多个质点及连结该多个质点之间的弹簧构成的立体结构而生成；模拟部，进行如下物理模，在每单位时间算出作用于上述质点的弹簧的弹力、重力及衰减力，在上述质点与上述机器人机构部或周边装置干涉时，在每单位时间算出施加于上述质点的回弹力，利用施加于上述质点的上述弹簧的弹力、重力、衰减力及回弹力，在每单位时间变更上述质点的位置；存储部，预先存储实际的线条体的静态动作、动态动作及线条体与刚体碰撞时的动态动作；以及自动调整部，自动地调整上述弹簧的弹簧常数，使得存储于上述存储部的实际的线条体的静态动作与上述物理模拟的结果一致，还自动地调整上述衰减力的系数，使得存储于上述存储部的实际的上述线条体的动态动作与上述物理模拟的结果一致，自动地调整上述回弹力的系数，使得存储于上述存储部的实际的上述线条体与刚体碰撞时的动态动作与上述物理模拟的结果一致。

[0007] 上述机器人模拟装置也可以还具有动画显示上述模拟对象部位的动作的显示部。

附图说明

[0008] 本发明的上述或其他的目的、特征和优点，通过参照附图说明以下的优选实施方式而更明确。

[0009] 图1是表示本发明一实施方式的机器人模拟装置的概略结构的图。

[0010] 图2是表示图1的机器人模拟装置的处理流程的流程图。

[0011] 图3是表示线条体的模拟模型的一例的图。

[0012] 图4是说明弹簧常数的自动调整的图。

[0013] 图5是说明衰减力的系数的自动调整的图。

[0014] 图6是说明回弹力的系数的自动调整的图。

具体实施方式

[0015] 图1是本发明的机器人模拟装置（以下称为模拟装置）的一实施方式的概要图。另外，本发明以配设于机器人机构部的线条体的露出于该机器人机构部的外侧的部分作为模拟对象部位，模拟伴随该机器人机构部的动作的该模拟对象部位的动作。具体而言，机器人模拟装置10具有：三维模型生成部12，将作为模拟对象部位的线条体的三维模型（参照图3），作为由多个质点和连结质点之间的弹簧构成的立体结构而生成；模拟部14，进行后述的物理模拟；存储部16，预先存储实际的线条体的静态动作、动态动作及线条体与刚体碰撞时的动态动作；以及自动调整部18，进行后述的自动调整，以使存储在存储部16的实际的线条体的静态动作与物理模拟的结果一致。另外，模拟装置10也可以还具有以动画来显示作为模拟对象部位的线条体的动作的显示部20。

[0016] 图2是表示机器人模拟装置10的处理流程的流程图。以下，对各步骤详细进行说明。

[0017] 步骤S1

[0018] 在步骤S1中，生成配置了虚拟的机器人（机构部）及线条体的工作单元。工作单元的生成既可以由操作者输入模拟装置10所需要的数据而生成，也可以用预定的机器人程序等读入预先准备的各种数据而生成。另外，所生成的工作单元能够显示于上述的显示部20。

[0019] 步骤S2

[0020] 在步骤S2中，生成线条体的三维模型，进行线条体的动作的物理模拟。线条体的模拟模型（三维模型）22例如图3所示，定义为由多个质点24和连结各质点24之间的弹簧26构成的立体结构物。而且，弹簧26包括：连结在圆周上排列的质点之间的弹簧26a；在线条体的长度方向（图3中为上下方向）连结质点之间的弹簧26b；以及相对于长度方向倾斜地连结质点之间的弹簧26c。连结在圆周上排列的质点之间的弹簧26a表示相对于以使线条体22向径向压扁的方式作用的力的弹性。在线条体的长度方向连结质点之间的弹簧
26b表示相对于伸缩方向的力的弹性。另外，相对于长度方向倾斜地连结质点之间的弹簧
26c表示相对于弯曲及扭转方向的力的弹性。

[0021] 各质点24为具有质量、三维位置、三维速度的信息的点。各质点的质量为用质点的个数除线条体的质量所得的值。另外，速度的初始值以静止的状态作为初始状态（0，0，0）。

[0022] 上述条件下，作用于各质点的力如下算出。

[0023] （a）弹簧的弹力

[0024] 假设在某一根弹簧上连接有质点A及B。此时，施加于质点A的弹力F1用以下的式（1）表示。

[0025] F1=（A→B的单位矢量）×（弹簧常数）×（弹簧的伸缩量） （1）[0026] 另外，弹簧的伸缩量设为从某状态下的弹簧的长度减去弹簧的自然长度（即线条体的物理模拟模型没有伸缩、弯曲的自然状态时的质点A、B之间的距离）所得的值。

[0027] （b）弹簧的振动的衰减力

[0028] 抑制弹簧的振动的衰减力F2用以下的式（2）表示。其中，v为（质点B的速度－质点A的速度）的单位矢量。

[0029] F2=v×（v的内积）×（振动的衰减系数）（2）

[0030] （c）平移运动的衰减力

[0031] 抑制各质点的平移运动的衰减力F3用以下的式（3）表示。

[0032] F3=（各质点的速度）×（平移运动的衰减系数）（3）

[0033] 另外，弹簧的振动的衰减力F2及平移运动的衰减力F3起作用使得弹簧的运动推迟。

[0034] （d）回弹力

[0035] 在质点与某个干涉面碰撞时，该质点的速度在碰撞的面的垂直方向上的分量的值，成为碰撞前的值乘上恢复系数并将符号取反的值。此时，回弹力F4通过在用单位时间除碰撞前后的速度的位移所得的加速度乘上质点的质量而算出。

[0036] （e）重力

[0037] 施加于各质点的重力F5用以下的式（4）表示。

[0038] F5=（重力方向的单位矢量）×（重力加速度）×（质点的质量）（4）[0039] 如上所述，在算出施加于各质点的力F1～F5时，加速度作为（（F1～F5的合力）/质量）而算出。另外，将速度的位移量作为（加速度×单位时间）而算出，将该速度的位移量加在质点的速度。而且，将各质点的位置的位移量作为（速度×单位时间）而算出，将该位置的位移量加在质点的位置。

[0040] 在每隔单位时间，按照机器人的运动而变更两端的质点的位置之后，如上所述算出施加于各质点的力，更新各质点的位置及速度，由此模拟线条体的动作。

[0041] 步骤S3

[0042] 在步骤S3中，将实际的线条体的静态动作、动态动作及在线条体碰撞刚体时的动态动作存储于上述的存储部16。这些动作能够通过后述的实验等测定。另外，步骤S3也可以在步骤S1或步骤S2之前进行。

[0043] 实际的线条体的静态动作例如能够如下计测。如图4所示，准备在2个刚体28、30之间悬架了线条体32的试验装置34，处于线条体32因重力而下垂的状态。此时，固定线条体32的两端的方法实际上与在机器人上固定线条体的方法相同。另外，在线条体32上预先以均等的间隔标注多个标记（记号）36，在线条体32成为静止状态的时刻计测各标记的位置，由此能够计测出线条体32的静态下垂方位。

[0044] 实际的线条体的动态动作例如能够如下计测。如图5所示，在上述的试验装置34中，从线条体32静止的状态摆动至少一方的刚体（图示例中右侧的刚体30）。将此时的线条体32的运动用高速摄像机等摄像机构拍摄，通过计测所取得的各个图像中的标记36的位置，从而计测动态动作。

[0045] 在线条体碰撞刚体时的实际的线条体的动态动作，例如能够如下计测。如图6所示，在上述的试验装置34中，使至少一方的刚体（图示例中右侧的刚体30）摆动，使线条体32碰撞其他的刚体（周边物）38。将此时的线条体32的运动用高速摄像机等摄像机构拍摄，通过计测所取得的各个图像中的标记36的位置，从而计测与刚体38碰撞时的线条体32的动态动作。

[0046] 步骤S4

[0047] 在步骤S4中，进行弹簧常数的自动调整。详细而言，首先将与上述的试验装置34同样的状态作为模拟模型进行再现。接着，执行模拟足够时间直到成为静止状态，通过计算出线条体32的标记36的各个位置与在模拟模型上相当的位置的距离之差，从而计测出线条体的静态动作（下垂方位）。进而，使弹簧常数变化的同时反复执行该处理，自动地计算出距离之差最小的弹簧常数（参照式（1））。并且此时，通过将两端附近的弹簧常数设为与其他的弹簧常数不同的值，从而能够再现由于线条体的固定方法的不同而引起的线条体的动作的不同。

[0048] 步骤S5

[0049] 在步骤S5中，进行衰减力的系数的自动调整。详细而言，首先在模拟模型上，与摆动刚体同样，在变更向摆动的刚体的安装位置上的线条体的质点的位置的同时执行模拟，计算出在相当于各图像的时间的线条体32的标记36的位置和在模拟模型上相当的位置的距离之差。进而，使弹簧的振动的衰减系数（参照式（2））和平移运动的衰减系数（参照式（3））变化的同时反复执行该处理，自动地计算出距离之差最小的各衰减力的系数。

[0050] 步骤S6

[0051] 在步骤S6中，进行回弹力的系数（恢复系数）的自动调整。详细而言，首先在模拟模型上，与摆动刚体同样，在变更向摆动的刚体的安装位置上的线条体的质点的位置的同时执行模拟，计算出在相当于各图像的时间的线条体32的标记36的位置和在模拟模型上相当的位置的距离之差。进而，使回弹力的系数变化的同时反复执行该处理，自动地计算出距离之差最小的回弹力的系数。

[0052] 这样在上述实施方式中，能够阶段性且自动地调整线条体的三维模型中的弹簧常数、衰减力的系数及回弹力的系数，基于物理模拟的线条体的动作与实际的线条体的动作高精度地一致。如果利用该模拟，则能够进行更准确且实际的脱机示教。

[0053] 根据本发明，由于阶段性地调整构成线条体的三维模型的弹簧的弹簧常数、衰减力的系数及回弹力的系数，因此基于物理模拟的线条体的动作与实际的线条体的动作极其接近，能够进行更实际的脱机示教。