JP7611763B2 - Simulation device and simulation method - Google Patents
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Description
本発明は、シミュレーション装置及びシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a simulation device and a simulation method.
近年、少子高齢化に伴う労働力不足や、自然災害による危険区域での作業などの代替として、ロボットの活用が推進されている。ロボットの運用領域を広げるためには、ケーブルやホース、布類などの柔軟物をロボットが操作できることが求められている。例えば、自然災害による危険区域で復旧作業を代替するロボットにおいては、電源プラグや消火栓ホースなどをプラグへ接続するタスクが想定されている。また、介護ロボットにおいては、着衣を支援するために衣類を操作することが求められている。 In recent years, the use of robots has been promoted as an alternative to labor shortages caused by the declining birthrate and aging population, and to work in dangerous areas due to natural disasters. In order to expand the range of robots' operational areas, robots are required to be able to manipulate flexible objects such as cables, hoses, and fabrics. For example, robots that take over recovery work in dangerous areas due to natural disasters are expected to have the task of connecting power plugs and fire hydrant hoses to plugs. Additionally, nursing care robots are required to manipulate clothing to assist with dressing.
ロボットによって柔軟物が操作される場合、該操作に応じて柔軟物の形状が変化する。したがって、ロボットによる柔軟物の操作方法を計画する場合、その計画は、柔軟物の形状変化の推定内容に基づくものである必要がある。このとき、推定の精度が低いと、操作方法の計画内容に基づいて動作するロボットにおいて、柔軟物に対する所望の操作が得られず、タスクが失敗する恐れがある。また、柔軟物の形状変化の推定精度が低い場合、柔軟物が周辺環境やロボット自身などと干渉し、安全性が損なわれる可能性がある。 When a flexible object is manipulated by a robot, the shape of the flexible object changes in response to the manipulation. Therefore, when planning a method for manipulating a flexible object by a robot, the plan needs to be based on an estimate of the shape change of the flexible object. In this case, if the accuracy of the estimation is low, the robot operating based on the planned content of the manipulation method may not be able to perform the desired manipulation of the flexible object, and the task may fail. Furthermore, if the accuracy of the estimation of the shape change of the flexible object is low, there is a possibility that the flexible object may interfere with the surrounding environment or the robot itself, compromising safety.
例えば、非特許文献1には、柔軟物の変形を2次元平面上で近似することによって、高速な解析を行う技術が開示されている。しかしながら、柔軟物の移動速度が一定でない場合や、柔軟物がねじりなどの複雑な変形をする場合などには、非特許文献1に記載の技術では、解析精度が低下することが想定される。
For example, Non-Patent
特許文献1には、実際の柔軟物の挙動と物理シミュレーションとの結果が一致するように、解析モデルのばね定数、減衰係数、反発係数を自動調整することによって、柔軟物の3次元的な挙動を推定する技術が開示されている。
ところで、柔軟物の挙動を物理シミュレーションにより推定する場合、実際の柔軟物を解析モデルで再現する際の離散化による誤差や、解析アルゴリズムの高速化のための近似などに起因して、実物と解析モデルにおける挙動との間に誤差が生じる。また、実際の柔軟物の挙動を測定により得る場合にも、センサ固有の誤差や、外乱によって、実物と解析モデルにおける挙動との間に誤差が生じる。 However, when estimating the behavior of a flexible object through physical simulation, errors occur between the behavior of the actual object and that of the analytical model due to discretization errors when reproducing the actual flexible object in an analytical model, and approximations made to speed up analytical algorithms. Even when obtaining the behavior of an actual flexible object through measurement, errors occur between the behavior of the actual object and that of the analytical model due to sensor-specific errors and external disturbances.
このような誤差に基づく推定内容に基づいてロボットを動作させた場合、安全性が保障されているはずの動作において、危険を伴う動作が実行されてしまう可能性がある。このような状況の発生を防ぐためには、柔軟物の解析モデルの挙動の確率的な分布を評価することが有効であると考えられる。すなわち、柔軟物の解析モデルの係数がとる値と、その値をとる確率との対応の様子を示す分布が、確率的に評価される必要がある。 If a robot is operated based on estimates that are based on such errors, there is a possibility that dangerous actions will be performed, even though safety should be guaranteed. In order to prevent such situations from occurring, it is considered effective to evaluate the probabilistic distribution of the behavior of an analytical model of a flexible object. In other words, the distribution that shows the correspondence between the values taken by the coefficients of an analytical model of a flexible object and the probability of taking those values needs to be evaluated probabilistically.
しかしながら、特許文献1に記載の技術においてはこのような評価が行われないため、柔軟物の挙動の推定精度が低くなる恐れがある。
However, the technology described in
本発明は、上記の状況を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、柔軟物の挙動を確率的に評価できるようにすることにある。 The present invention was made in consideration of the above situation, and its purpose is to make it possible to probabilistically evaluate the behavior of flexible objects.
本発明の一態様に係るシミュレーション装置は、一端が境界点に固定された、柔らかく形状が一定に定まりにくい不定形の物体である柔軟物の他端に接続される操作部に対して所定の操作が実施された場合における柔軟物の挙動として、柔軟物の時間方向における動的変位の測定結果が記憶される記憶部と、操作を実施したときの柔軟物の解析モデルの挙動を物理シミュレーションにより解析するシミュレーション部と、記憶部に記憶された柔軟物の挙動と、シミュレーション部で解析された柔軟物の解析モデルの挙動とが一致するように、解析モデルのモデルパラメータを修正し、修正後のモデルパラメータの確率分布を推定するパラメータ推定部と、シミュレーション部が柔軟物の挙動を解析することによって、柔軟物の解析モデルと、柔軟物との干渉が評価される評価対象の解析モデルとが干渉する干渉確率を計算する干渉評価部と、を備える。そして、パラメータ推定部は、データ同化の手法を用いてモデルパラメータの確率分布を推定し、シミュレーション部は、記憶部から読みだした柔軟物の動的変位における時間履歴に従う外力を操作部の解析モデルに設定し、モデルパラメータの確率分布に基づいて、柔軟物の挙動を解析し、干渉評価部は、モデルパラメータの確率分布に基づいて乱数を発生させることによって取得した複数のモデルパラメータを用いて、柔軟物に所定の操作を実施した場合における物理シミュレーションを実施することにより、干渉確率を計算し、物理シミュレーションが実施される仮想空間において評価対象の解析モデルが占める領域、又は、評価対象の解析モデルに設定された干渉判定領域と、柔軟物の解析モデルが占める領域と、が重なる場合に、柔軟物の解析モデルと評価対象の解析モデルとが干渉していると評価する。 A simulation device according to one embodiment of the present invention comprises a memory unit that stores measurement results of the dynamic displacement of a flexible object in the time direction as the behavior of the flexible object when a predetermined operation is performed on an operation unit connected to the other end of the flexible object , the flexible object being an amorphous object whose one end is fixed to a boundary point and whose other end is fixed to a boundary point; a simulation unit that analyzes the behavior of an analytical model of the flexible object when the operation is performed by physical simulation; a parameter estimation unit that modifies model parameters of the analytical model so that the behavior of the flexible object stored in the memory unit matches the behavior of the analytical model of the flexible object analyzed by the simulation unit, and estimates the probability distribution of the modified model parameters; and an interference evaluation unit that calculates the probability of interference between the analytical model of the flexible object and an analytical model to be evaluated whose interference with the flexible object is evaluated by analyzing the behavior of the flexible object by the simulation unit . The parameter estimation unit estimates the probability distribution of the model parameters using a data assimilation technique, the simulation unit sets external forces according to the time history of the dynamic displacement of the flexible object read out from the memory unit in the analytical model of the operation unit, and analyzes the behavior of the flexible object based on the probability distribution of the model parameters, and the interference evaluation unit calculates the interference probability by performing a physical simulation when a specified operation is performed on the flexible object using multiple model parameters obtained by generating random numbers based on the probability distribution of the model parameters, and evaluates that the analytical model of the flexible object and the analytical model of the evaluation object interfere with each other when the area occupied by the analytical model of the evaluation object in the virtual space where the physical simulation is performed, or the interference detection area set in the analytical model of the evaluation object overlaps with the area occupied by the analytical model of the flexible object.
また本発明の一態様に係るシミュレーション方法は一端が境界点に固定された、柔らかく形状が一定に定まりにくい不定形の物体である柔軟物の他端に接続される操作部に対して所定の操作が実施された場合における柔軟物の挙動としての、柔軟物の時間方向における動的変位の測定結果が記憶される記憶部を有するシミュレーション装置によるシミュレーション方法であって、パラメータ推定部が、柔軟物の解析モデルを構築する手順と、操作を実施したときの柔軟物の解析モデルの挙動を物理シミュレーションにより解析する手順と、記憶部に記憶された柔軟物の挙動と、解析された柔軟物の解析モデルの挙動とが一致するように、解析モデルのモデルパラメータを修正し、修正後のモデルパラメータの確率分布を推定する手順と、干渉評価部が、シミュレーション部が柔軟物の挙動を解析することによって、柔軟物の解析モデルと、柔軟物との干渉が評価される評価対象の解析モデルとが干渉する干渉確率を計算する手順と、を有し、パラメータ推定部は、データ同化の手法を用いてモデルパラメータの確率分布を推定し、シミュレーション部は、記憶部から読みだした柔軟物の動的変位における時間履歴に従う外力を、操作部の解析モデルに設定し、モデルパラメータの確率分布に基づいて、柔軟物の挙動を解析し、干渉評価部は、モデルパラメータの確率分布に基づいて乱数を発生させることによって取得した複数のモデルパラメータを用いて、柔軟物に所定の操作を実施した場合における物理シミュレーションを実施することにより、干渉確率を計算し、物理シミュレーションが実施される仮想空間において評価対象の解析モデルが占める領域、又は、評価対象の解析モデルに設定された干渉判定領域と、柔軟物の解析モデルが占める領域と、が重なる場合に、柔軟物の解析モデルと評価対象の解析モデルとが干渉していると評価する。 Furthermore, a simulation method according to one aspect of the present invention is a simulation method using a simulation device having a memory unit that stores measurement results of dynamic displacement in the time direction of a flexible object as behavior of the flexible object when a predetermined operation is performed on an operation unit connected to an operation unit connected to one end of the flexible object, the flexible object being an indefinite object whose shape is not easily determined and whose one end is fixed to a boundary point, the method including a parameter estimation unit that constructs an analytical model of the flexible object, a parameter estimation unit that analyzes the behavior of the analytical model of the flexible object when the operation is performed by using a physical simulation, a parameter estimation unit that modifies model parameters of the analytical model so that the behavior of the flexible object stored in the memory unit matches the behavior of the analyzed analytical model of the flexible object and estimates a probability distribution of the modified model parameters, and an interference evaluation unit that evaluates interference between the analytical model of the flexible object and the flexible object by the simulation unit analyzing the behavior of the flexible object. and a procedure for calculating the probability of interference between the analytical model of the flexible object and the analytical model of the object , wherein the parameter estimation unit estimates the probability distribution of the model parameters using a data assimilation technique, the simulation unit sets an external force that follows the time history of the dynamic displacement of the flexible object read out from the memory unit in the analytical model of the operation unit and analyzes the behavior of the flexible object based on the probability distribution of the model parameters, and the interference evaluation unit calculates the interference probability by performing a physical simulation when a predetermined operation is performed on the flexible object using a plurality of model parameters obtained by generating random numbers based on the probability distribution of the model parameters, and evaluates that the analytical model of the flexible object and the analytical model of the object interfere with each other when an area occupied by the analytical model of the flexible object in the virtual space in which the physical simulation is performed or an interference judgment area set in the analytical model of the object overlaps with an area occupied by the analytical model of the flexible object .
本発明の少なくとも一態様によれば、柔軟物の挙動を確率的に評価できるようになる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to at least one aspect of the present invention, it becomes possible to probabilistically evaluate the behavior of flexible objects.
Problems, configurations and effects other than those described above will become apparent from the following description of the embodiments.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」と称する)の例について、添付図面を参照しながら説明する。本発明は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値等は例示である。また、本明細書及び図面において、同一の構成要素又は実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付することとし、重複する説明は省略する。 Below, examples of modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "embodiments") will be described with reference to the attached drawings. The present invention is not limited to the embodiments, and the various numerical values in the embodiments are merely examples. Furthermore, in this specification and drawings, identical components or components having substantially the same functions will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
<第1の実施形態>
[シミュレーション装置の構成]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション装置10の構成を説明する図である。シミュレーション装置10は、不図示のロボットによって柔軟物が操作された場合における、柔軟物の挙動をシミュレーションする装置である。柔軟物は、柔らかく形状が一定に定まりにくい不定形の物体であり、柔軟物には、例えば、ケーブル、ワイヤー、ホース、布類、シートなどがある。なお、柔軟物は、素材が柔らかくなくても、その物体の一端に加えた操作によって生じる動きが他端にも伝わるような物体、例えば、間接部を介して複数の棒状の物体が接続された物等であってもよい。
First Embodiment
[Configuration of the simulation device]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a
図1に示すように、シミュレーション装置10は、記憶部11、解析モデル構築部12、シミュレーション部13、パラメータ推定部14、干渉評価部15、表示制御部16及び表示部17を含む。
As shown in FIG. 1, the
記憶部11には、柔軟物に対して所定の操作を実施した場合における挙動、すなわち、柔軟物の時間方向における動的変位の測定結果が記憶される。柔軟物に対して所定の操作が行われた場合、柔軟物の挙動には、柔軟物の揺動や捩じり、静止が含まれ得るため、記憶部11に記憶される柔軟物の動的変位にも、これらの状態が含まれ得る。
The
なお、本実施形態では、柔軟物が衝突したり、引掛ったり、巻付いたりする評価対象が存在する場合を想定しているため、柔軟物に対する所定の操作として、柔軟物との干渉が想定される評価対象との接触動作も実施されるものとする。 In this embodiment, it is assumed that there is an evaluation object that the flexible object may collide with, get caught on, or wrap around, so that a contact operation with the evaluation object that is expected to interfere with the flexible object is also performed as a specified operation on the flexible object.
柔軟物の動的変位の測定は、例えば、複数箇所にマーカー(特徴点)を配置した柔軟物に操作を実施し、操作された柔軟物を高速カメラ等で撮影した動画像を解析し、各マーカーの座標や移動速度などの時間変化を取得すること等によって行うことができる。もしくは、ひずみセンサ等のセンサを用いて、柔軟物の変位を直接測定してもよい。 The dynamic displacement of a flexible object can be measured, for example, by performing an operation on a flexible object on which markers (feature points) are placed at multiple locations, analyzing video images of the manipulated flexible object captured by a high-speed camera or the like, and acquiring time-dependent changes in the coordinates and moving speed of each marker. Alternatively, the displacement of the flexible object can be measured directly using a sensor such as a strain sensor.
カメラを用いた測定方法は、変位を直接測定する方法と比較して外乱による影響が大きいが、測定機器の設置が簡便であるため、短時間での測定が可能であるというメリットがある。本発明の適用条件によって最適な測定方法は変わるが、いずれの測定方法も適用することが可能である。例えば、ロボットが自律型ロボットである場合であって、ロボット自身が測定を実行する必要がある場合には、柔軟物にセンサを貼付することが困難であると考えられる。このような場合には、カメラを用いた簡易的な測定が行われることが望ましい。 Measurement methods using cameras are more susceptible to disturbances than methods that directly measure displacement, but have the advantage that measurements can be made in a short time because the measuring equipment is easy to install. The optimal measurement method varies depending on the application conditions of the present invention, but any measurement method can be applied. For example, if the robot is an autonomous robot and needs to perform measurements by itself, it may be difficult to attach a sensor to a flexible object. In such cases, it is desirable to perform simple measurements using a camera.
なお、本実施形態では、測定データを統計的に扱うことを目的として、柔軟物の動的変位の測定を複数回実行し、動的変位の平均と分散を算出する。つまり、記憶部11には、柔軟物の動的変位として、柔軟物の測定データの平均と分散とが記憶される。もしくは、測定を複数回実行する代わりに、センサに関する事前情報に基づいて、測定誤差を経験的に決定することも可能である。
In this embodiment, in order to statistically treat the measurement data, the dynamic displacement of the flexible object is measured multiple times, and the average and variance of the dynamic displacement are calculated. In other words, the
柔軟物の動的変位の測定や、測定データの平均と分散の算出などは、シミュレーション装置10によるシミュレーションの実施時に行われてもよく、シミュレーションの前に予め実施しておいてもよい。
Measurement of the dynamic displacement of the flexible object and calculation of the average and variance of the measurement data may be performed when the simulation is performed by the
解析モデル構築部12は、シミュレーション部13におけるシミュレーション(物理シミュレーション)の実行時に用いられる解析モデルを構築する。具体的には、解析モデル構築部12は、シミュレーション部13が柔軟物の挙動をシミュレーションする場合に用いられる仮想空間を構築する。解析モデル構築部12は、シミュレーションを実施する仮想空間において、操作対象である柔軟物の解析モデルと、柔軟物との干渉の評価対象に関する解析モデル(いずれも3次元モデル)と、を出現させる。そして、解析モデル構築部12は、3次元モデルに対し、物理シミュレーションで用いる計算格子を設定し、複数の要素で分割する。解析モデル構築部12による仮想空間の構成例については、後述の図3を参照して詳述する。
The analytical
シミュレーション部13は、解析モデル構築部12によって構築された解析モデルと、後述するパラメータ推定部14から取得した解析パラメータとを用いて、物理シミュレーションを実施する。シミュレーション部13が実施する物理シミュレーションの方法の一つに、有限要素法のように、物理法則に基づいて連続的な弾性体モデルを解析する方法がある。他の方法として、ばね質量モデルやPBD(Position Based Dynamics)などのように、モデルやアルゴリズムなどに近似を施す方法がある。
The
ばね質量モデルやPBDなどによるシミュレーションは、有限要素法と比較して物理的に不正確なものとなるが、解析にかかる時間は有限要素法と比較して短くなる。本発明の適用条件により最適な解析方法は変わるが、本実施形態では、いずれの解析方法も適用することが可能である。例えば、公共の場や災害現場において、自律型ロボットが、対象となる柔軟物を数回操作するのみのシチュエーションであれば、シミュレーションの精度よりも、解析の速度が重視される。したがって、このような場合には、物理シミュレーションの方法として、ばね質量モデルやPBDなどのような近似モデルが用いられることが好ましい。 Simulations using the spring-mass model, PBD, etc. are physically inaccurate compared to the finite element method, but the time required for analysis is shorter compared to the finite element method. The optimal analysis method varies depending on the application conditions of the present invention, but any analysis method can be applied in this embodiment. For example, in a public place or disaster site, in a situation where an autonomous robot only operates a target flexible object a few times, the speed of analysis is more important than the accuracy of the simulation. Therefore, in such cases, it is preferable to use an approximation model such as the spring-mass model or PBD as a physical simulation method.
パラメータ推定部14は、記憶部11から読みだした柔軟物の動的変位と、解析モデル構築部12によって構築された解析モデルによる物理シミュレーションによって取得された柔軟物の動的変位と、が一致するように、解析モデルのモデルパラメータを修正する。そして、パラメータ推定部14は、修正後のモデルパラメータの確率分布を推定する。
The
モデルパラメータには、少なくとも柔軟物の弾性係数が含まれる。本発明の適用条件に応じて、モデルパラメータには、柔軟物の他の材料パラメータ(減衰係数、密度など)や境界条件、柔軟物及び評価対象間の接触力(摩擦力、垂直力)に関する係数なども含めることが可能である。 The model parameters include at least the elastic coefficient of the flexible object. Depending on the application conditions of the present invention, the model parameters can also include other material parameters of the flexible object (such as damping coefficient and density), boundary conditions, and coefficients related to the contact force (friction force, normal force) between the flexible object and the object to be evaluated.
本実施形態では、パラメータ推定部14は、データ同化の手法を用いることにより、これらの複数のモデルパラメータを同時に推定する。データ同化には、逐次的に同化するカルマンフィルタや粒子フィルタ、非逐次的に同化するアジョイント法などがある。本実施形態では、アンサンブルカルマンフィルタを適用した場合について説明するが、本発明にはいずれのデータ同化手法を適用することも可能である。アンサンブルカルマンフィルタを用いたモデルパラメータの推定については、後述の図4を参照して詳述する。
In this embodiment, the
干渉評価部15は、パラメータ推定部14で推定されたモデルパラメータの確率分布に基づいて、シミュレーション部13で任意の操作が実施された場合における柔軟物の挙動を解析することによって、柔軟物と評価対象とが干渉する確率を計算する。干渉評価部15による、柔軟物と評価対象との干渉確率の算出方法については、後述の図5及び図6を参照して詳述する。
The
表示制御部16は、シミュレーション部13による物理シミュレーションの結果や、干渉評価部15により算出された干渉確率などを、表示部17に表示させる制御を行う。
The
表示部17は、LCD(Liquid Crystal Display)や有機エレクトロルミネッセンスなどによって構成されるモニタであり、表示制御部16による制御に基づいて、画面に文字や図面、動画像などを表示する。
The
[計算機のハードウェア構成]
次に、図1に示したシミュレーション装置10の機能を実現するための各装置のハードウェア構成について、図2を参照して説明する。図2は、シミュレーション装置10が備える各装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。
[Computer hardware configuration]
Next, the hardware configuration of each device for realizing the functions of the
計算機50は、いわゆるコンピューターとして用いられるハードウェアである。計算機50は、バスBにそれぞれ接続されたCPU(Central Processing Unit)501、ROM502及びRAM(Random Access Memory)503を備える。さらに、計算機50は、表示部504、操作入力部505、不揮発性ストレージ506及びネットワークインターフェース507を備える。
CPU501は、本実施形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをROM502から読み出し、RAM503に展開して実行する。なお、計算機50は、CPU501の代わりに、MPU(Micro-Processing Unit)等の処理装置を備えてもよい。RAM503には、CPU501による演算処理の途中に発生した変数やパラメータ等が一時的に書き込まれる。
The
表示部504は、例えば、LCD等で構成されるモニタであり、計算機50で行われる処理の結果等を表示する。本実施形態に係るシミュレーション装置1の表示部17の機能は、表示部504によって実現される。
The
操作入力部505は、ユーザーによる操作が入力されるブロックであり、例えば、キーボード、マウス、タッチセンサ等によって構成される。なお、表示部504と操作入力部505とは、タッチパネルとして一体に構成されてもよい。
The
不揮発性ストレージ506には、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、CD-R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード等を用いることができる。この不揮発性ストレージ506には、OS(Operating System)、各種のパラメータの他に、計算機50を機能させるためのプログラムが記録される。ROM502及び不揮発性ストレージ506は、CPU501が動作するために必要なプログラムやデータ等を記録しており、計算機50によって実行されるプログラムを格納したコンピューター読取可能な非一過性の記憶媒体の一例として用いられる。
For example, the
ネットワークインターフェース507には、例えば、NIC(Network Interface Card)等が用いられ、LAN等のネットワーク又は通信線を介して外部装置との間で各種のデータを送受信することが可能である。
The
[仮想空間の構成]
次に、解析モデル構築部12が構築する仮想空間について説明する。図3は、仮想空間Vsの構成例を示す図である。図3に示すように、シミュレーションが実施される仮想空間Vsには、操作対象である柔軟物の解析モデルMa11と、柔軟物との干渉の評価対象の解析モデルMa21と、が設けられる。また、仮想空間Vsには、不図示のロボットにより柔軟物の一端が把持される箇所であり、ロボットによる操作が加えられる箇所である操作部の解析モデルMa31と、柔軟物の他端が固定される境界点の解析モデルMa32と、が設けられる。
[Virtual space configuration]
Next, the virtual space constructed by the analytical
シミュレーション部13は、各解析モデルを用いた物理シミュレーションの各タイムステップにおいて、記憶部11から読みだした柔軟物の動的変位における時間履歴に従う外力(強制変位)を、操作部の解析モデルMa31に設定する。このとき、シミュレーション部13は、操作部の解析モデルMa31に対して、柔軟物の解析モデルMa11の挙動を、記憶部11から読みだした柔軟物の動的変位と同様にすることを可能とする外力を設定する。
The
なお、本実施形態では、境界点が不図示の壁等に固定支持される例を挙げるが、本発明はこれに限定されない。境界点が弾性支持される設定としたり、境界点の解析モデルMa32に外力を設定したりすることも可能である。境界点を弾性支持とした場合には、境界点の解析モデルMa32の弾性係数をモデルパラメータへ加えることによって、パラメータ推定部14は、境界点の挙動を推定できる。
In this embodiment, an example is given in which the boundary point is fixedly supported by a wall or the like (not shown), but the present invention is not limited to this. It is also possible to set the boundary point to be elastically supported, or to set an external force on the analytical model Ma32 of the boundary point. When the boundary point is elastically supported, the
[アンサンブルカルマンフィルタを用いたモデルパラメータの推定]
次に、図4を参照して、パラメータ推定部14によるアンサンブルカルマンフィルタを用いたモデルパラメータの推定方法について説明する。図4は、アンサンブルカルマンフィルタを用いたモデルパラメータの推定例を示すグラフである。
[Model parameter estimation using ensemble Kalman filter]
Next, a method of estimating model parameters using the ensemble Kalman filter by the
図4に示すグラフの縦軸は、確率密度を示し、横軸は状態変数を示す。パラメータ推定部14は、アンサンブルカルマンフィルタを用いて、以下の手順a~dによって解析モデルのモデルパラメータを推定する。
The vertical axis of the graph shown in FIG. 4 indicates the probability density, and the horizontal axis indicates the state variable. The
手順a:複数の状態変数(モデルパラメータ及び柔軟物の変位)からなる状態ベクトルの実現値を複数発生させ、それぞれの状態ベクトルを、アンサンブルメンバーMaとする。アンサンブルメンバーMaは、図4において、グラフの横軸上に配置された白い丸印によって示される。 Step a: Generate multiple realizations of a state vector consisting of multiple state variables (model parameters and displacements of flexible objects), and define each state vector as an ensemble member Ma. Ensemble members Ma are indicated in Figure 4 by white circles placed on the horizontal axis of the graph.
手順b:シミュレーション部13が、各アンサンブルメンバーMaについて物理シミュレーションを実施し、時間更新する。すなわち、物理シミュレーションの時間をΔt(tは時間単位を示す)分進める(計算する)。
Step b: The
手順c:パラメータ推定部14は、アンサンブルメンバー41の平均及び分散を求め、求めた各値に基づいて、データ同化前の状態ベクトル(予報値)の確率密度関数Dp1を表現する。確率密度関数Dp1は、図4において、実線の曲線によって示される。
Step c: The
手順d:パラメータ推定部14は、予報値の確率密度関数Dp1を事前分布とし、記憶部11から読みだした柔軟物の動的変位の測定値の平均及び分散より得られる確率密度関数Dp2を尤度とする。そして、パラメータ推定部14は、下記の式(1)に示すベイズの定理に基づいて、データ同化後の状態ベクトル(解析値)の確率密度分布Dp11を計算することによって、観測を更新する。
Step d: The
p(x|y)∝p(y|x)・p(x)…式(1) p(x|y)∝p(y|x)・p(x)...Equation (1)
上記式(1)において、「p(x|y)」は解析値の確率密度分布Dp11、「p(y|x)」は測定値の確率密度関数Dp2、「p(x)」は予報値の確率密度関数Dp2を示す。 In the above formula (1), "p(x|y)" represents the probability density distribution Dp11 of the analytical value, "p(y|x)" represents the probability density function Dp2 of the measured value, and "p(x)" represents the probability density function Dp2 of the forecast value.
パラメータ推定部14が、上述した手順b~手順dを繰り返すことによって、アンサンブルメンバーMaの各値は真値へと収束していく。そして、パラメータ推定部14は、最終的に得られた(真値に収束した)アンサンブルメンバーMaを用いて、モデルパラメータの確率分布を表現する。
By repeating steps b to d described above, the
このとき、柔軟物の解析モデルMa11(図3参照)における離散化(有限個の要素に分割)された各要素の材料パラメータを、異なる状態変数としてデータ同化することによって、パラメータ推定部14は、柔軟物の非均質な材料パラメータなども推定することができる。
At this time, the
このように、逐次的にデータ同化する方法を用いる場合、柔軟物の動的変位の情報を記憶部11に記憶させる手順は、上述したアンサンブルカルマンフィルタを用いたモデルパラメータの推定手順における手順dより前の段階で、逐次的あるいは非逐次的に実行されればよい。
In this way, when using the method of sequential data assimilation, the procedure of storing information on the dynamic displacement of the flexible object in the
上述したように、解析モデル構築部12は、解析モデルの構築において、3次元モデルに対して、物理シミュレーションで用いる計算格子を設定し、3次元モデルを複数の要素に分割する。一般的に、3次元モデルの形状が簡素化された場合や、計算格子数が十分でない場合などには、解析の精度が低下する。
As described above, when constructing an analytical model, the analytical
これに対して、本実施形態では、パラメータ推定部14が、記憶部11から読みだした実際の柔軟物の動的変位と、物理シミュレーションによって取得された柔軟物の動的変位と、が一致するように、柔軟物の解析モデルMa11のモデルパラメータを修正し、修正後のモデルパラメータの確率分布を推定する。つまり、パラメータ推定部14によって、解析モデルの粗さを考慮したモデルパラメータの推定が行われることになるため、3次元モデルの形状が簡素化された場合や、計算格子数が不十分である場合にも、解析モデルのある程度の粗さは許容される。
In contrast, in this embodiment, the
したがって、3次元モデルをあらかじめ用意できない場合にも、カメラによる測定データ等に基づいて推定した、柔軟物の解析モデルMa11や評価対象の解析モデルMa21などを用いて、物理シミュレーションをすることが可能となる。つまり、このような物理シミュレーションを行った場合でも、干渉評価部15による柔軟物の挙動の推定精度を保つことが可能となる。
Therefore, even if a three-dimensional model cannot be prepared in advance, it is possible to perform a physical simulation using an analytical model Ma11 of a flexible object and an analytical model Ma21 of an evaluation target, which are estimated based on measurement data from a camera, etc. In other words, even when such a physical simulation is performed, it is possible to maintain the accuracy of the estimation of the behavior of the flexible object by the
[柔軟物と評価対象との干渉確率の算出方法]
次に、干渉評価部15による、柔軟物と評価対象との干渉確率の算出方法について説明する。干渉評価部15による柔軟物と評価対象との干渉確率の算出は、以下の手順A~手順Cに基づいて行われる。
[Method of calculating the probability of interference between a flexible object and an evaluation target]
Next, a description will be given of a method for calculating the probability of interference between a flexible object and an evaluation target by the
手順A:干渉評価部15は、パラメータ推定部14で推定されたモデルパラメータの確率密度関数Dp1の分布に従って乱数を発生させ、その乱数を複数のモデルパラメータPmiとして取得する。
手順B:干渉評価部15は、操作部に任意の操作を実施した場合における物理シミュレーションを、取得された異なるモデルパラメータPmiにおいて複数回実施する。
手順C:複数回実施された柔軟物の解析結果に基づき、柔軟物が評価対象と干渉する確率を計算する。
Step A: The
Step B: The
Step C: Based on the results of multiple analyses of the flexible object, the probability that the flexible object will interfere with the evaluation target is calculated.
図5は、干渉評価部15によるモデルパラメータの取得例を示すグラフである。図5Aは、モデルパラメータの取得方法の例を示すグラフであり、図5Bは、モデルパラメータを用いて行われた柔軟物の挙動の解析結果の例を示す図である。
Figure 5 is a graph showing an example of model parameter acquisition by the
図5Aの左側のグラフは、予報値の確率密度関数Dp1における確率密度と弾性係数との対応を示し、図5Aの右側のグラフは、予報値の確率密度関数Dp1における確率密度と、モデルパラメータの密度(kg/m3)との対応を示す。 The graph on the left side of FIG. 5A shows the correspondence between the probability density in the probability density function Dp1 of the forecast value and the elastic modulus, and the graph on the right side of FIG. 5A shows the correspondence between the probability density in the probability density function Dp1 of the forecast value and the density (kg/m 3 ) of the model parameter.
図5Aの左側のグラフ及び右側のグラフにおいて、実線の曲線は予報値の確率密度関数Dp1を示し、横軸上に配置された様々な形状のマークのそれぞれは、モデルパラメータPmiを示す。図5Bにおいて、左側の立方体は操作部の解析モデルMa31を示し、右側の立方体は境界点の解析モデルMa32を示す。また、複数の実線の曲線のそれぞれは、複数回の柔軟物の解析結果Raを示し、複数の解析結果Raの線上に配置された様々な形状のマークのそれぞれは、モデルパラメータPmiを示す。 In the graphs on the left and right of FIG. 5A, the solid curve indicates the probability density function Dp1 of the forecast value, and each of the marks of various shapes arranged on the horizontal axis indicates the model parameter Pmi. In FIG. 5B, the cube on the left indicates the analytical model Ma31 of the operation unit, and the cube on the right indicates the analytical model Ma32 of the boundary point. In addition, each of the multiple solid curves indicates the analysis results Ra of multiple flexible objects, and each of the marks of various shapes arranged on the line of the multiple analysis results Ra indicates the model parameter Pmi.
図5A及び図5Bには、確率密度が高い区間ほどモデルパラメータPmiが多く取得されること、及び、柔軟物の解析結果Raが密に存在する位置(確率密度関数Dp1の平均値に近い位置)ほど、確率密度が高いことが示されている。 Figures 5A and 5B show that the higher the probability density, the more model parameters Pmi are obtained, and that the probability density is higher in positions where the analysis results Ra of the flexible object are densely present (positions closer to the average value of the probability density function Dp1).
図6は、干渉評価部15による、柔軟物と評価対象との干渉の評価方法の例を示す図である。図6において、左側の立方体は操作部の解析モデルMa31を示し、右側の立方体は境界点の解析モデルMa32を示し、複数の実線の曲線のそれぞれは、複数回の柔軟物の解析結果Raを示す。また、丸印は評価対象の解析モデルMa21を示す。
Figure 6 is a diagram showing an example of a method for evaluating interference between a flexible object and an evaluation target by the
図6に示す評価方法では、仮想空間上において評価対象の解析モデルMa21が占める領域と、柔軟物の解析モデルMa11が占める領域とが重なる場合に、干渉ありと評価する。なお、評価対象の解析モデルMa11が占める領域の代わりに、評価対象の解析モデルMa11の周辺に判定領域を設定し、判定領域と、柔軟物の解析モデルMa11が占める領域とが重なる場合に、干渉ありと評価しても良い。判定領域を用いた干渉の評価については、後述の図8を参照して詳述する。 In the evaluation method shown in FIG. 6, when the area occupied by the analytical model Ma21 to be evaluated and the area occupied by the analytical model Ma11 of the flexible object overlap in the virtual space, it is evaluated that there is interference. Note that instead of the area occupied by the analytical model Ma11 to be evaluated, a judgment area may be set around the analytical model Ma11 to be evaluated, and when the judgment area and the area occupied by the analytical model Ma11 of the flexible object overlap, it may be evaluated that there is interference. The evaluation of interference using the judgment area will be described in detail with reference to FIG. 8 below.
図6に示す例では、評価対象の解析モデルMa11の形状として示される複数回の物理シミュレーションの結果のうち、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21とが重なっている領域、すなわち、干渉が生じている領域は、破線の曲線によって示されている。また、図6には、上記式(2)を用いて計算された柔軟物と評価対象との干渉確率が、「29%」のように数値で示されている。 In the example shown in Figure 6, among the results of multiple physical simulations shown as the shape of analytical model Ma11 of the evaluation target, the area where analytical model Ma11 of the flexible object and analytical model Ma21 of the evaluation target overlap, i.e., the area where interference occurs, is shown by a dashed curve. Also, in Figure 6, the probability of interference between the flexible object and the evaluation target calculated using the above formula (2) is shown numerically, such as "29%."
干渉評価部15は、物理シミュレーションの試行回数をN(回)とし、干渉ありと判定された数をM(回)とし、下記式(2)を用いることによって、柔軟物が評価対象と干渉する確率を算出する。
The
M/N×100[%]…式(2) M/N×100[%]…Formula (2)
上記式(2)を用いた物理シミュレーションにおいては、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21との接触力は考慮していないため、接触力を考慮した場合と比較して、解析時間は短くなる。したがって、干渉評価までの時間を短縮させたい場合や、評価対象の挙動が予測できないために、判定領域を大きくとる必要がある場合などには、上記式(2)を用いた評価を採用することが好ましい。 In the physical simulation using the above formula (2), the contact force between the flexible object analysis model Ma11 and the evaluation target analysis model Ma21 is not taken into account, so the analysis time is shorter than when the contact force is taken into account. Therefore, when it is desired to shorten the time until the interference evaluation, or when it is necessary to set a large judgment region because the behavior of the evaluation target cannot be predicted, it is preferable to adopt the evaluation using the above formula (2).
なお、シミュレーション部13による解析結果、及び、干渉評価部15による干渉評価の結果は、例えば、シミュレーション装置10の表示部17、又は、ユーザーが操作する不図示の端末装置等の表示部に表示される。これにより、ユーザーは、物理シミュレーションにおける柔軟物の解析モデルMa11の挙動や、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21との干渉確率等を画面上で確認することができる。
The analysis results by the
また、上述した実施形態では、柔軟物との干渉の評価対象が一つである場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。また、評価対象は複数であってもよく、評価対象が複数である場合にも、各評価対象に対して干渉評価を実施することが可能である。 In addition, in the above-described embodiment, an example was given of a case in which there was only one evaluation target for interference with a flexible object, but the present invention is not limited to this. In addition, there may be multiple evaluation targets, and even in the case in which there are multiple evaluation targets, it is possible to perform interference evaluation for each evaluation target.
[シミュレーション装置によるシミュレーション方法]
次に、図7を参照して、本実施形態に係るシミュレーション装置10によるシミュレーション方法について説明する。図7は、シミュレーション装置10によるシミュレーション方法の手順の例を示すフローチャートである。
[Simulation method using a simulation device]
Next, a simulation method performed by the
まず、柔軟物に対して所定の操作を実施した場合における柔軟物の挙動(動的変位)を、ユーザーが記憶部11(図1参照)に記憶する(ステップS1)。次いで、シミュレーション装置10の解析モデル構築部12は、シミュレーション部13がシミュレーションを実施する際に用いる解析モデルを構築する(ステップS2)。
First, the user stores in the memory unit 11 (see FIG. 1) the behavior (dynamic displacement) of the flexible object when a specific operation is performed on the flexible object (step S1). Next, the analysis
次いで、パラメータ推定部14は、記憶部11に記憶された柔軟物の挙動と、柔軟物の解析モデルMa11における柔軟物の挙動とが一致するように、モデルパラメータの確率分布を修正する(ステップS3)。具体的には、パラメータ推定部14は、上述したように、予報値の確率密度関数Dp1(図5参照)を事前分布とし、実環境における柔軟物の動的変位の測定値の平均及び分散より得られる確率密度関数Dp2を尤度とする。そして、パラメータ推定部14は、ベイズの定理に基づいてデータ同化後の状態ベクトルの確率密度分布Dp11を計算することにより、モデルパラメータの確率分布を修正する。
Next, the
次いで、干渉評価部15は、任意の操作を実施した場合における柔軟物の挙動を解析し、柔軟物が評価対象に干渉する確率を算出する(ステップS4)。具体的には、干渉評価部15は、パラメータ推定部14で推定(修正)されたモデルパラメータの確率密度関数Dp1の分布に従って発生させた乱数を、複数のモデルパラメータPmiとして取得し、複数のモデルパラメータPmiに基づいて、物理シミュレーションを複数回実施する。そして、複数回実施された柔軟物の解析結果に基づき、柔軟物が評価対象と干渉する確率を計算する。ステップS4の処理後、シミュレーション装置10によるシミュレーション方法は終了する。
Next, the
上述した実施形態では、シミュレーション装置10のパラメータ推定部14は、記憶部11に記憶された柔軟物の挙動と、シミュレーション部13で解析された柔軟物の解析モデルMa11の挙動とが一致するように、柔軟物の解析モデルMa11のモデルパラメータを修正し、修正されたモデルパラメータの確率分布を推定する。したがって、本実施形態によれば、物理シミュレーションを実施する際に行う離散化や、解析アルゴリズムの高速化を目的とした近似などに起因して誤差が生じたり、実際の柔軟物の挙動を測定するセンサ固有の誤差、外乱による誤差が生じたりした場合にも、その誤差を定量的(確率的)に評価することが可能となる。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、柔軟物の解析モデルMa11の挙動の確率的な分布が推定されるため、実際の柔軟物の挙動に一致させるための自動調整が行われない未知のパラメータ又は境界条件等が存在する場合であっても、これらの要因に基づく柔軟物の挙動の推定精度の低下を防ぐことができる。 In addition, in the above-described embodiment, the probabilistic distribution of the behavior of the flexible object analysis model Ma11 is estimated, so that even if there are unknown parameters or boundary conditions that are not automatically adjusted to match the actual behavior of the flexible object, it is possible to prevent a decrease in the estimation accuracy of the behavior of the flexible object due to these factors.
また、上述した実施形態では、パラメータ推定部14は、データ同化の手法を用いて、柔軟物の解析モデルMa11のモデルパラメータの確率分布を推定する。したがって、柔軟物の解析モデルMa11の再現性を高めることが可能となるため、柔軟物の挙動の推定精度を向上させることができる。
In addition, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、干渉評価部15は、パラメータ推定部14で推定されたモデルパラメータの確率分布に基づいて、シミュレーション部13が所定の操作を実施した場合における柔軟物の挙動を解析することによって、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21とが干渉する干渉確率を計算する。したがって、本実施形態によれば、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21とが干渉する干渉確率の推定精度を向上させることができる。それゆえ、本実施形態によれば、柔軟物を操作するロボットの安全性の担保を目的として、ロボットの動作に過剰な安全率を設定する必要がなくなる。よって、ロボットの動作や該動作のスケジュールにかかる制約をなくすことができるため、本実施形態によれば、より効率的な動作又は動作のスケジュールを計画することが可能となる。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、干渉評価部15は、モデルパラメータの確率分布に基づいて乱数を発生させることによって取得した複数のモデルパラメータを用いて、柔軟物に所定の操作を実施した場合における物理シミュレーションを実施することにより、干渉確率を計算する。したがって、本実施形態によれば、柔軟物が評価対象と干渉する確率を、より正確に算出することができる。
In addition, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、干渉評価部15は、物理シミュレーションが実施される仮想空間上において評価対象の解析モデルMa21が占める領域、又は、評価対象の解析モデルMa21に設定された干渉判定領域と、柔軟物の解析モデルMa11が占める領域と、が重なる場合に、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21とが干渉していると評価する。したがって、本実施形態では、物理シミュレーションにおいて、実際に干渉が生じる状態をより正確に再現できるため、柔軟物と評価対象との干渉確率の推定精度を上げることができる。
In addition, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、シミュレーション部13は、柔軟物の解析モデルと評価対象の解析モデルとの接触力を考慮した物理シミュレーションを実施する。そして、干渉評価部15は、物理シミュレーションにおける接触力の大きさに基づいて、柔軟物の解析モデルと評価対象の解析モデルとの干渉状態を評価する。したがって、本実施形態では、干渉が生じている状態を、現実に近い形で評価可能となるため、柔軟物と評価対象との干渉確率の推定精度を上げることができる。
In addition, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、接触力は、柔軟物の解析モデルの伸び、又は、柔軟物の解析モデルに生じる応力の大きさによって表され、干渉評価部15は、接触力が、予め接触力に設定された閾値を超えた場合に、柔軟物の解析モデルと評価対象の解析モデルとが干渉していると評価する。したがって、本実施形態では、ロボットが実際に柔軟物を操作する場合において発生することが想定される状況を考慮した上で柔軟物と評価対象との干渉確率が算出されるため、柔軟物と評価対象との干渉確率の推定精度を上げることができる。
In addition, in the above-described embodiment, the contact force is represented by the stretch of the analytical model of the flexible object or the magnitude of the stress generated in the analytical model of the flexible object, and the
<変形例>
なお、本発明は上述した実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
<Modification>
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other applications and modifications are possible without departing from the gist of the present invention as set forth in the claims.
[変形例1]
本発明の実施形態の変形例1では、干渉評価部15は、評価対象に設けられた干渉判定領域に柔軟物の解析モデルが接触した場合に、柔軟物と評価対象とが接触したと判定する。
[Modification 1]
In the first modification of the embodiment of the present invention, the
図8は、変形例1に係る干渉評価部15による柔軟物と評価対象との干渉の評価例を示す図である。図8に示すように、シミュレーションが実施される仮想空間Vsには、柔軟物の解析モデルMa11と、評価対象の解析モデルMa21と、操作部の解析モデルMa31と、境界点の解析モデルMa32と、が設けられる。
Figure 8 is a diagram showing an example of an evaluation of interference between a flexible object and an evaluation target by the
図8に示す例では、評価対象の解析モデルMa21の一部の面に、干渉判定領域211(図中に右下がりの斜線で示す領域)が設けられている。変形例1では、干渉評価部15は、干渉判定領域211に柔軟物の解析モデルMa11が接触した場合に、干渉ありと評価する。
In the example shown in FIG. 8, an interference detection region 211 (a region indicated by diagonal lines slanting downward to the right in the figure) is provided on a portion of the surface of the analytical model Ma21 to be evaluated. In variant example 1, the
変形例1によれば、評価対象の特定の面に対する柔軟物の干渉の有無を適切に判定することができる。なお、変形例1では、干渉判定領域を、評価対象の解析モデルMa21の側面に設ける例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。干渉判定領域は、例えば、評価対象を横切る面(x-y平面)であってもよく、その他の面であってもよい。 According to the first modification, it is possible to appropriately determine whether or not a flexible object interferes with a specific surface of the evaluation target. Note that, in the first modification, an example is given in which the interference detection region is provided on the side surface of the analytical model Ma21 of the evaluation target, but the present invention is not limited to this. The interference detection region may be, for example, a surface (x-y plane) that crosses the evaluation target, or may be another surface.
[変形例2]
変形例2では、干渉評価部15は、柔軟物と評価対象とが接触した場合における接触力を考慮して、柔軟物と評価対象との干渉を評価する。具体的には、干渉評価部15は、例えば垂直力や摩擦力等の、柔軟物が評価対象から受ける接触力を、柔軟物の支配方程式における外力へ加えた上で物理シミュレーションを行い、該物理シミュレーションの結果に基づいて、柔軟物と評価対象との干渉を評価する。
[Modification 2]
In the second modification, the
図9は、変形例2に係る干渉評価部15による柔軟物と評価対象との干渉の評価例を示す図である。図9においても、シミュレーションが実施される仮想空間Vsには、柔軟物の解析モデルMa11と、評価対象の解析モデルMa21と、操作部の解析モデルMa31と、境界点の解析モデルMa32と、が設けられる。
Figure 9 is a diagram showing an example of an evaluation of interference between a flexible object and an evaluation target by the
図9に示す例では、干渉評価部15は、柔軟物の解析モデルMa11の伸び、又は、柔軟物の解析モデルMa11に生じる応力等に対して閾値を設定し、物理シミュレーションによって得られた測定値が、閾値を超過した場合に干渉ありと評価する。つまり、変形例2では、干渉評価部15は、接触の有無の情報だけではなく、接触時における接触力の情報も考慮して干渉の評価を行う。
In the example shown in FIG. 9, the
したがって、柔軟物の解析モデルMa11に対して、操作部の解析モデルMa31が所定の外力を加えた場合にも、モデルパラメータの値の違いによって、柔軟物の解析モデルMa11の評価対象の解析モデルMa21への引掛りの状態(強弱等)は異なってくる。 Therefore, even when the analytical model Ma31 of the operating unit applies a predetermined external force to the analytical model Ma11 of the flexible object, the state (strength, etc.) of the catch of the analytical model Ma11 of the flexible object on the analytical model Ma21 being evaluated will differ depending on the values of the model parameters.
図9に示す変形例2においても、干渉評価部15は、上述した式(2)等を用いて干渉確率を計算することができる。
Even in the second modification shown in FIG. 9, the
変形例2によれば、柔軟物と評価対象との接触力を考慮した判定が行われるため、干渉評価部15は、柔軟物と評価対象との干渉の評価をより厳密に行うことができる。変形例2に係るシミュレーション装置及びシミュレーション方法は、例えば、柔軟物を評価対象へ引掛ける動作によって作業がルーティングするシチュエーションや、引掛りが生じた場合における作業への制約の発生の有無を検討したい場合などにおいて、特に有効となる。
According to the second modification, a judgment is made taking into account the contact force between the flexible object and the evaluation target, so the
なお、上述した実施形態、変形例1、2においては、干渉評価部15は、柔軟物の評価対象への引掛りに基づいて柔軟物と評価対象との干渉を評価しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、干渉評価部15は、柔軟物の評価対象への巻付きに基づいて、柔軟物と評価対象との干渉を評価しても良い。また、干渉の判定基準や判定結果の表示方法も、上述した実施形態、変形例1、2に示される方法に限定されず、様々な方法が採用され得る。
In the above-described embodiment and modified examples 1 and 2, the
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態に係るシミュレーション装置及びシミュレーション方法について、図10~図14を参照して説明する。まず、図10を参照して、第2の実施形態に係るシミュレーション装置の構成について説明する。図10は、第2の実施形態に係るシミュレーション装置10Aの構成例を示す図である。
Second Embodiment
Next, a simulation apparatus and a simulation method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 10 to Fig. 14. First, the configuration of the simulation apparatus according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a diagram showing an example of the configuration of a
図10に示すシミュレーション装置10Aが、図1に示した第1の実施形態に係るシミュレーション装置10と異なる点は、本実施形態に係るシミュレーション装置10Aが、計画部18を備える点である。計画部18は、干渉評価部15による柔軟物と評価対象との干渉の評価結果に基づいて、ロボットの動作又はロボットの動作スケジュールを計画するブロックである。計画部18以外の各ブロックは、図1に示したシミュレーション装置10と同様であるため、ここではこれらの説明は省略する。
The
[実施例1]
図11は、第2の実施形態の実施例1に係るロボットの動作計画の例を示す図である。図11には実環境が示されており、壁等に固定された境界点21と、不図示のロボット等によって把持される操作部22とを柔軟物23が繋いでいる状態が示されている。また、図11に示す実環境には、柔軟物23との干渉が評価される評価対象24も設けられている。
[Example 1]
Fig. 11 is a diagram showing an example of a motion plan of a robot according to Example 1 of the second embodiment. Fig. 11 shows a real environment, in which a
実施例1に係る動作計画において、ロボットは、柔軟物23を評価対象24に干渉させることなく、操作部22を、破線の丸印で示される初期位置P0から実線の丸印で示される目的位置Ptまで、太字の破線で示された経路Rに沿って移動させる。干渉評価部15による柔軟物23と評価対象24との干渉の判定方法は、例えば、変形例1(図8参照)に示したもの等を用いることができる。すなわち、干渉評価部15は、評価対象24の解析モデルに設けられた干渉判定領域に、柔軟物の解析モデルが接触した場合に、干渉ありと評価する。
In the motion plan according to Example 1, the robot moves the
本実施例では、干渉評価部15は、操作部22の一定の速度で移動させる場合と、評価対象近傍の位置(経由位置)において操作部22の移動速度を減速させる場合との2つのパターンにおいて、物理シミュレーションを実施する。
In this embodiment, the
図12は、操作部22の一定の速度で移動させた場合における物理シミュレーションの結果の例を示す図である。図12Aには、操作部の解析モデルMa32が、初期位置P0から経由位置Pvを経由して目的位置Ptまで移動した状態が示されている。また、図12Aには、複数回実施された物理シミュレーションのうちの2回において、柔軟物の解析モデルMa11が評価対象の解析モデルMa21に巻き付いたこと、及び、柔軟物と評価対象との干渉確率は29%であることが示されている。
Figure 12 shows an example of the results of a physical simulation when the operating
図12Bには、操作部の解析モデルMa32の移動速度の時間方向における遷移の例が、グラフで示される。図12Bの縦軸は操作部22の移動速度(m/s)を示し、横軸は、仮想空間Vsにおける操作部の解析モデルMa32の位置を示す。図12Bには、初期位置P0を出発後所定の時間が経過した位置P1から、目的位置Ptの手前の位置P2までの間において、操作部の解析モデルMa32の移動速度が一定(1.0[m/s])であることが示されている。
Figure 12B shows a graph of an example of the transition over time of the movement speed of the analytical model Ma32 of the operating unit. The vertical axis of Figure 12B shows the movement speed (m/s) of the operating
図13は、評価対象近傍の位置(経由位置)において操作部22の移動速度を減速させた場合における、物理シミュレーションの結果の例を示す図である。図13Aには、操作部の解析モデルMa32が、初期位置P0から経由位置Pvを経由して目的位置Ptまで移動した状態が示されている。また、図13Aには、複数回実施された物理シミュレーションのうちの1回において、柔軟物の解析モデルMa11が評価対象の解析モデルMa21に巻き付いたこと、及び、柔軟物と評価対象との干渉確率は14%であることが示されている。
Figure 13 shows an example of the results of a physical simulation in which the moving speed of the operating
図13Bには、操作部の解析モデルMa32の移動速度の時間方向における遷移の例が、グラフで示される。図13Bの縦軸及び横軸が示す値は、図12Bにおけるそれらと同様である。図13Bには、経由位置Pvの少し前の位置P11から、経由位置Pvの少し後の位置P12までの間において、操作部の解析モデルMa32の移動速度が減速していることが示されている。 Figure 13B shows a graph of an example of the transition over time of the moving speed of the analytical model Ma32 of the operating unit. The values indicated by the vertical and horizontal axes of Figure 13B are the same as those in Figure 12B. Figure 13B shows that the moving speed of the analytical model Ma32 of the operating unit decelerates between position P11, which is slightly before the via position Pv, and position P12, which is slightly after the via position Pv.
図13Aに示した、操作部22の移動速度を途中で減速させた例における柔軟物と評価対象との干渉確率は14%であり、図12Aに示した、操作部22を一定の速度で移動させた場合における干渉確率29%よりも低い。これは、操作部22の移動速度を途中で減速させることにより、減速が行われた経由位置Pv周辺を操作部22が通過する際における、柔軟物の解析モデルMa11に生じる遠心慣性力が減少し、柔軟物の解析モデルMa11が評価対象の解析モデルMa21に干渉する確率も、その分低くなるためである。
In the example shown in FIG. 13A where the moving speed of the operating
一方、図13A及びBに示した、操作部22の移動速度を途中で減速させた例では、速度を減速させた分だけ、目的位置Ptに到達するまでの時間が、図12A及びBに示した、操作部22を一定の速度で移動させた例よりも長くなる。
On the other hand, in the example shown in Figures 13A and 13B where the moving speed of the
柔軟物と評価対象との干渉が生じた場合、干渉を検知してから干渉状態から復帰するまでの時間を「td(min)」とすると、操作部の解析モデルMa32が目標位置Ptに到達するまでの時間の期待値「tm(min)」は、以下の式(3)によって表される。 When interference occurs between a flexible object and the evaluation target, if the time from detection of the interference to recovery from the interference state is "td (min)", the expected value "tm (min)" of the time until the analytical model Ma32 of the operation unit reaches the target position Pt is expressed by the following formula (3).
tm=(1-α)tn+α(tn+td)=tn+αtd…式(3) tm=(1-α)tn+α(tn+td)=tn+αtd…Equation (3)
上記式(3)において、「α」は干渉確率を示し、「tn」は干渉が生じない場合における移動の遂行(実行)時間である。計画部18(図10参照)は、実行時間tnの期待値であるtmが最小となるように、操作部22の移動速度の修正を繰り返すことにより、操作部22の移動速度を最適化することができる。
In the above formula (3), "α" indicates the interference probability, and "tn" is the time to perform (execute) the movement when no interference occurs. The planning unit 18 (see FIG. 10) can optimize the movement speed of the
なお、計画部18によるロボットの動作計画の方法は、図12及び図13に例示した方法に限定されない。例えば、計画部18は、干渉評価部15が算出した干渉確率の値に基づいて、強化学習において用いる報酬を確率的に評価し、該評価の結果に基づいてロボットの動作計画を行ってもよい。
The method of planning the robot's motion by the
また、計画部18は、ロボットの動作の安全性を重視する場合には、干渉確率に閾値を設け、干渉確率が閾値以下となるように、ロボットの動作を計画してもよい。さらに、計画部18は、干渉を検知するまでの時間が一意に定まらない場合等には、干渉により生じる遅延時間tdを確率分布として与えてもよい。
When the safety of the robot's operation is important, the
[実施例2]
実施例2では、計画部18は、干渉評価部15が算出した干渉確率に基づいて、ロボットの稼働スケジュールを計画する。具体的には、計画部18は、上述した第2の実施形態の実施例1に示したような動作を複数組み合わせ、それらの各計画にロボットを割り当てることにより、ロボットのスケジュールを作成する。
[Example 2]
In Example 2, the
このとき、計画部18は、ダイクストラ法等の探索アルゴリズムを用いてスケジュールを作成することにより、スケジュールの最適化を図る。なお、スケジュールを最適化する方法には、ダイクストラ法に限定されず、A*アルゴリズムや、遺伝的アルゴリズム、深層学習などを使用可能である。
At this time, the
ダイクストラ法では、ノードごとに設定されたスケジュールのコストを評価関数に従って計算し、コストが良いノードを探索することにより、最適なスケジュールを決定する。本実施例では、評価関数にスケジュールの実行時間を割り当てるが、スケジュールの実行時間の代わりに、ロボットの使用電力などを割り当ててもよい。 In Dijkstra's algorithm, the cost of the schedule set for each node is calculated according to an evaluation function, and the optimal schedule is determined by searching for nodes with good costs. In this embodiment, the execution time of the schedule is assigned to the evaluation function, but instead of the execution time of the schedule, the power consumption of the robot, etc. may also be assigned.
ロボットに割当てた動作の実行時間が確率的に変化する場合、計画部18は、確率的に変化する実行時間ごとにスケジュールを構築し、下記の式(4)に従ってコストの期待値Costを計算する。
When the execution time of an operation assigned to a robot varies probabilistically, the
Cost=tsm=(1-α)tsn+αtsa…式(4) Cost=tsm=(1-α)tsn+αtsa...Formula (4)
上記式(4)において、「α」は干渉確率を示し、「tsm」はスケジュールの実行時間の期待値を示す。「tsn」は干渉が生じない場合におけるスケジュールの実行時間を示し、「tsa」は干渉が生じる場合のスケジュールの実行時間を示す。 In the above formula (4), "α" indicates the interference probability, "tsm" indicates the expected execution time of the schedule, "tsn" indicates the execution time of the schedule when no interference occurs, and "tsa" indicates the execution time of the schedule when interference occurs.
図14は、計画部18によるノードn(nは1以上の自然数)におけるロボットの動作計画の策定例を示す図である。図14には、ロボット102による「動作E」の実行時における干渉確率が10%であり、干渉状態からの復帰時間が0.5[min]である場合における、ロボットの動作計画の例を示す。また、図14に示す例においては、「動作C」と「動作E」とは同じ時刻に実行することができない、という制約条件が存在するものとする。
Figure 14 is a diagram showing an example of the robot motion plan formulated by the
図14Aには、ロボット102による「動作E」の実行時に柔軟物と評価対象との干渉が生じない場合におけるロボットの動作計画の例を示し、図14Bには、「動作E」の実行時に柔軟物と評価対象との干渉が生じる場合におけるロボットの動作計画の例を示す。 Figure 14A shows an example of a robot motion plan in the case where no interference occurs between the flexible object and the evaluation target when the robot 102 performs "motion E," and Figure 14B shows an example of a robot motion plan in the case where interference occurs between the flexible object and the evaluation target when the robot 102 performs "motion E."
図14Aには、ロボット101による動作の実行時間の期待値(tsm)が5.5[min]であることが示されており、図14Bには、ロボット101による動作の実行時間の期待値(tsa)が6[min]であることが示されている。したがって、期待値tsm及び期待値Tsaを上記式(4)に代入した場合、ノードnのコストは5.55[min]と算出される。計画部18は、このコストが最小であるノードを探索することにより、評価関数が最小となる最適なスケジュールを決定することができる。
Figure 14A shows that the expected value (tsm) of the execution time of the operation by the robot 101 is 5.5 [min], and Figure 14B shows that the expected value (tsa) of the execution time of the operation by the robot 101 is 6 [min]. Therefore, when the expected values tsm and Tsa are substituted into the above formula (4), the cost of node n is calculated to be 5.55 [min]. The
なお、計画部18は、干渉により生じる遅延時間を確率分布によって与え、その確率分布に基づいて変化するスケジュールをそれぞれ求め、それらのコストの期待値に基づいて、期待値tsmを算出してもよい。
The
上述した第2の実施形態では、計画部18が、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21との干渉確率に基づいて、ロボットの動作、及び/又は、ロボットの動作のスケジュールを計画する。したがって、計画部18は、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21との干渉確率に基づいて、ロボットによる柔軟性の操作の安全性を保障可能なロボットの動作、及び/又は、ロボットの動作のスケジュールを計画することができる。したがって、本実施形態によれば、ロボットの動作及び/又は動作のスケジュールの安全率の過剰な設定を防止することができ、ロボットの動作及び/又は動作のスケジュールの効率化も図ることができる。
In the second embodiment described above, the
なお、計画部18は、柔軟物の解析モデルMa11と評価対象の解析モデルMa21との干渉確率に基づいて、ロボットの動作及び/又は動作のスケジュールだけでなく、柔軟物の配置位置又は配置方法等を計画することもできる。具体的には、計画部18は、柔軟物が引っ掛かりやすい位置を、柱等の境界点に固定する等の処置も取ることができる。
The
なお、上述した実施形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。 The above-mentioned embodiment examples are provided to explain the device and system configurations in detail and specifically in order to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those that include all of the configurations described.
また、図1において矢印で示した制御線又は情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In addition, the control lines or information lines indicated by arrows in Figure 1 are those considered necessary for explanation, and do not necessarily show all control lines or information lines in the product. In reality, it can be assumed that almost all components are interconnected.
また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理(例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理)をも含むものである。 In addition, in this specification, the processing steps describing chronological processing include not only processing that is performed chronologically in the order described, but also processing that is not necessarily performed chronologically but is performed in parallel or individually (for example, parallel processing or processing by objects).
また、上述した本開示の一実施形態にかかるシミュレーション装置の各構成要素は、それぞれのハードウェアがネットワークを介して互いに情報を送受信できるならば、いずれのハードウェアに実装されてもよい。また、ある処理部により実施される処理が、1つのハードウェアにより実現されてもよいし、複数のハードウェアによる分散処理により実現されてもよい。 Furthermore, each component of the simulation device according to one embodiment of the present disclosure described above may be implemented in any hardware as long as each piece of hardware can transmit and receive information to and from each other via a network. Furthermore, the processing performed by a certain processing unit may be realized by a single piece of hardware, or may be realized by distributed processing using multiple pieces of hardware.
10、10A…シミュレーション装置、11…記憶部、12…解析モデル構築部、13…シミュレーション部、14…パラメータ推定部、15…干渉評価部、16…表示制御部、17…表示部、18…計画部 10, 10A...simulation device, 11...storage unit, 12...analysis model construction unit, 13...simulation unit, 14...parameter estimation unit, 15...interference evaluation unit, 16...display control unit, 17...display unit, 18...planning unit
Claims (5)
前記操作を実施したときの前記柔軟物の解析モデルの挙動を物理シミュレーションにより解析するシミュレーション部と、
前記記憶部に記憶された前記柔軟物の挙動と、前記シミュレーション部で解析された前記柔軟物の解析モデルの挙動とが一致するように、前記柔軟物の解析モデルのモデルパラメータを修正し、修正後の前記モデルパラメータの確率分布を推定するパラメータ推定部と、
前記シミュレーション部が前記柔軟物の挙動を解析することによって、前記柔軟物の解析モデルと、前記柔軟物との干渉が評価される評価対象の解析モデルとが干渉する干渉確率を計算する干渉評価部と、を備え、
前記パラメータ推定部は、データ同化の手法を用いて前記モデルパラメータの確率分布を推定し、
前記シミュレーション部は、前記記憶部から読みだした柔軟物の動的変位における時間履歴に従う外力を、前記操作部の解析モデルに設定し、前記モデルパラメータの確率分布に基づいて、前記柔軟物の挙動を解析し、
前記干渉評価部は、前記モデルパラメータの確率分布に基づいて乱数を発生させることによって取得した複数のモデルパラメータを用いて、前記柔軟物に所定の操作を実施した場合における物理シミュレーションを実施することにより、前記干渉確率を計算し、
前記物理シミュレーションが実施される仮想空間において前記評価対象の解析モデルが占める領域、又は、前記評価対象の解析モデルに設定された干渉判定領域と、前記柔軟物の解析モデルが占める領域と、が重なる場合に、前記柔軟物の解析モデルと前記評価対象の解析モデルとが干渉していると評価する、
シミュレーション装置。 a memory unit that stores a measurement result of dynamic displacement of a flexible object in a time direction as a behavior of the flexible object when a predetermined operation is performed on an operation unit connected to an end of the flexible object , the flexible object being an indefinite object whose shape is not easily determined and whose one end is fixed to a boundary point ;
a simulation unit that analyzes a behavior of an analytical model of the flexible object when the operation is performed by a physical simulation;
a parameter estimation unit that modifies model parameters of the analytical model of the flexible object so that the behavior of the flexible object stored in the storage unit coincides with the behavior of the analytical model of the flexible object analyzed by the simulation unit, and estimates a probability distribution of the modified model parameters ;
an interference evaluation unit that calculates an interference probability between an analytical model of the flexible object and an analytical model to be evaluated for interference with the flexible object by analyzing a behavior of the flexible object with the simulation unit;
The parameter estimation unit estimates a probability distribution of the model parameters using a data assimilation technique;
the simulation unit sets an external force according to a time history in the dynamic displacement of the flexible object read from the storage unit in an analysis model of the operation unit, and analyzes the behavior of the flexible object based on a probability distribution of the model parameters;
the interference assessment unit calculates the interference probability by performing a physical simulation in a case where a predetermined operation is performed on the flexible object, using a plurality of model parameters obtained by generating random numbers based on a probability distribution of the model parameters; and
when an area occupied by the analytical model of the evaluation target in a virtual space in which the physical simulation is performed, or an interference detection area set in the analytical model of the evaluation target, overlaps with an area occupied by the analytical model of the flexible object, the analytical model of the flexible object is evaluated to interfere with the analytical model of the evaluation target;
Simulation device.
前記干渉評価部は、前記物理シミュレーションにおける前記接触力の大きさに基づいて、前記柔軟物の解析モデルと前記評価対象の解析モデルとの干渉状態を評価する
請求項1に記載のシミュレーション装置。 the simulation unit performs a physical simulation taking into account a contact force between an analytical model of the flexible object and an analytical model of the evaluation target;
The simulation device according to claim 1 , wherein the interference evaluation unit evaluates an interference state between the analysis model of the flexible object and the analysis model to be evaluated, based on a magnitude of the contact force in the physical simulation.
前記干渉評価部は、前記接触力が、予め前記接触力に設定された閾値を超えた場合に、
前記柔軟物の解析モデルと前記評価対象の解析モデルとが干渉していると評価する
請求項2に記載のシミュレーション装置。 the contact force is represented by an elongation of the analytical model of the flexible object or a magnitude of a stress generated in the analytical model of the flexible object;
When the contact force exceeds a threshold value that is set in advance for the contact force, the interference assessment unit
The simulation device according to claim 2 , wherein the analysis model of the flexible object and the analysis model of the evaluation target are evaluated as interfering with each other.
請求項1に記載のシミュレーション装置。 The simulation device according to claim 1 , further comprising a planning unit that plans an operation of a robot that manipulates the flexible object and/or a schedule for the operation of the robot, based on the interference probability acquired by the interference evaluation unit.
シミュレーション部が、前記操作を実施したときの前記柔軟物の解析モデルの挙動を物理シミュレーションにより解析する手順と、
パラメータ推定部が、記憶部に記憶された前記柔軟物の挙動と、解析された前記柔軟物の解析モデルの挙動とが一致するように、前記解析モデルのモデルパラメータを修正し、修正後の前記モデルパラメータの確率分布を推定する手順と、
干渉評価部が、前記シミュレーション部が前記柔軟物の挙動を解析することによって、前記柔軟物の解析モデルと、前記柔軟物との干渉が評価される評価対象の解析モデルとが干渉する干渉確率を計算する手順と、を有し、
前記パラメータ推定部は、データ同化の手法を用いて前記モデルパラメータの確率分布を推定し、
前記シミュレーション部は、前記記憶部から読みだした柔軟物の動的変位における時間履歴に従う外力を、前記操作部の解析モデルに設定し、前記モデルパラメータの確率分布に基づいて、前記柔軟物の挙動を解析し、
前記干渉評価部は、前記モデルパラメータの確率分布に基づいて乱数を発生させることによって取得した複数のモデルパラメータを用いて、前記柔軟物に所定の操作を実施した場合における物理シミュレーションを実施することにより、前記干渉確率を計算し、
前記物理シミュレーションが実施される仮想空間において前記評価対象の解析モデルが占める領域、又は、前記評価対象の解析モデルに設定された干渉判定領域と、前記柔軟物の解析モデルが占める領域と、が重なる場合に、前記柔軟物の解析モデルと前記評価対象の解析モデルとが干渉していると評価する、
シミュレーション方法。 A simulation method using a simulation device having a memory unit that stores a measurement result of dynamic displacement of a flexible object in a time direction as a behavior of the flexible object when a predetermined operation is performed on an operation unit connected to an end of the flexible object , the flexible object being an indefinite object having one end fixed to a boundary point and a shape that is difficult to determine, the simulation method comprising:
a simulation unit analyzing, by physical simulation, a behavior of an analytical model of the flexible object when the operation is performed;
a parameter estimation unit correcting model parameters of the analytical model so that the behavior of the flexible object stored in a storage unit coincides with the behavior of the analyzed analytical model of the flexible object, and estimating a probability distribution of the corrected model parameters ;
an interference evaluation unit includes a procedure in which the simulation unit analyzes the behavior of the flexible object, thereby calculating an interference probability between an analytical model of the flexible object and an analytical model to be evaluated for interference with the flexible object;
The parameter estimation unit estimates a probability distribution of the model parameters using a data assimilation technique;
the simulation unit sets an external force according to a time history in the dynamic displacement of the flexible object read from the storage unit in an analysis model of the operation unit, and analyzes the behavior of the flexible object based on a probability distribution of the model parameters;
the interference assessment unit calculates the interference probability by performing a physical simulation in a case where a predetermined operation is performed on the flexible object, using a plurality of model parameters obtained by generating random numbers based on a probability distribution of the model parameters;
when an area occupied by the analytical model of the evaluation target in a virtual space in which the physical simulation is performed, or an interference detection area set in the analytical model of the evaluation target, overlaps with an area occupied by the analytical model of the flexible object, the analytical model of the flexible object is evaluated to interfere with the analytical model of the evaluation target;
Simulation method.
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