▶ ダッソー システムズ アメリカス コーポレイションの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-11
(45)【発行日】2023-05-19
(54)【発明の名称】製造リソースシミュレーションのための仮想化ケーブルモデル化
(51)【国際特許分類】
G06Q 50/04 20120101AFI20230512BHJP
G06F 30/10 20200101ALI20230512BHJP
G06F 30/20 20200101ALI20230512BHJP
B25J 9/22 20060101ALI20230512BHJP
G06F 111/10 20200101ALN20230512BHJP
【ＦＩ】
G06Q50/04
G06F30/10 200
G06F30/20
B25J9/22 A
G06F111:10
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2021125390
(22)【出願日】2021-07-30
(65)【公開番号】P2022027699
(43)【公開日】2022-02-14
【審査請求日】2021-07-30
(31)【優先権主張番号】16/944,859
(32)【優先日】2020-07-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】514180812
【氏名又は名称】ダッソー システムズ アメリカス コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ウダイ パサー
【審査官】石田 紀之
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１２４２３０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０７－１８２０１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２１／１４９４１９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／０１８１１３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｑ ５０／０４
Ｇ０６Ｆ ３０／１０
Ｇ０６Ｆ ３０／２０
Ｂ２５Ｊ ９／２２
Ｇ０６Ｆ １１１／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ケーブルを含む製造リソースをシミュレートするためのコンピューター実装方法であって、ケーブルのポリラインモデルをコンピューターメモリーにおいて生成するステップであって、前記生成されたモデルは、前記ケーブルを表す点の集まりを含む、ステップと、
前記点の集まりのうちの各点に対して、
前記点へ点質量を関連付けることと、
前記点へ零質量球を関連付けることであって、前記零質量球のジオメトリは、前記零質量球によって表される場所における前記ケーブルの大きさに対応する、ことと、
前記点と隣接する点との間に弾性およびねじり剛性を割り当てることと、
時間ステップの終わりに製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの始点および終点の位置および向きを定義するステップと、
（ｉ）前記関連付けられた点質量と、（ｉｉ）前記関連付けられた零質量球と、（ｉｉｉ）前記点と隣接する点との間に前記割り当てられた弾性およびねじり剛性と、（ｉｖ）前記点の集まりのうちの前記始点および前記終点の前記定義された位置および向きとを使用して前記点の集まりのうちの各点の力を計算することと、
前記計算された力に基づいて前記時間ステップの前記終わりに前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の位置を決定することと
によって、前記時間ステップに対して前記ケーブルのシミュレーションを行うステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項2】
ケーブル長、ケーブル終点、前記ケーブルを表す点の数、ケーブル密度、前記ケーブルの剛性、前記ケーブルの初期形状、およびケーブル直径のうちの少なくとも１つを示すユーザー入力を受信するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ケーブルの前記ポリラインモデルは、前記受信されたユーザー入力に基づいて生成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項4】
各点に関連付けられた前記点質量は、ケーブル密度を示す前記受信されたユーザー入力に基づくことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項5】
各点に関連付けられた前記零質量球は、ケーブル直径を示す前記受信されたユーザー入力に基づくことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項6】
前記計算された力は、各点の重力、各点の弾性力、各点のねじり等価力のペア、および各点の各零質量と障害物との間の衝突力とのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記計算された力に基づいて前記時間ステップの終わりに前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の位置を決定するステップは、各点の前記計算された力の組合せのために加速度および速度を積分して、前記時間ステップの前記終わりに各点の３次元空間内の前記位置を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記製造リソースのモデルと、前記製造リソースの運動学と、前記製造リソースに対するモーションプランニングと、前記製造リソースの動作環境における１つまたは複数の障害物の動きとのうちの少なくとも１つを使用して前記製造リソースをシミュレートすることによって、前記時間ステップの前記終わりに前記製造リソースの３次元空間内の前記位置を決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記製造リソースの前記モデルは、前記製造リソースと前記製造リソースが動くワークセル環境とを表すことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記点の集まりのうちの各点質量と外部の重力加速度を関連付けるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項11】
次の時間ステップに対して前記ケーブルをシミュレートするステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記次の時間ステップに対して前記ケーブルをシミュレートするステップは、前記ポリラインモデルを更新するステップと、
（ａ）前記関連付けられた点質量と、（ｂ）前記関連付けられた零質量球と、（ｃ）前記点と隣接する点との間に前記割り当てられた弾性およびねじり剛性と、（ｄ）前記更新されたポリラインモデルとを使用して前記次の時間ステップに対して前記点の集まりのうちの各点の前記力を計算することと、
前記更新されたポリラインモデルを使用して計算された前記力に基づいて前記次の時間ステップの終わりに前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の位置を決定することと
によって、前記次の時間ステップに対して前記ケーブルの前記シミュレーションを行うステップと
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記ポリラインモデルを更新するステップは、前記時間ステップの前記終わりに前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の前記決定された位置に基づいて各点の位置を更新するステップと、
前記次の時間ステップの前記終わりに前記製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの前記始点および前記終点の位置および向きを更新するステップと
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記製造リソースの前記モデルと、前記製造リソースの運動学と、前記製造リソースに対するモーションプランニングと、前記製造リソースの動作環境における１つまたは複数の障害物の動きとのうちの少なくとも１つを使用して前記製造リソースをシミュレートすることによって、前記次の時間ステップの前記終わりに前記製造リソースの３次元空間内の前記位置を決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
ケーブルを含む製造リソースをシミュレートするためのシステムであって、プロセッサーと、
格納されたコンピューターコード命令を有するメモリーと
を備え、前記プロセッサーおよび前記メモリーは、前記コンピューターコード命令により、前記システムに、
ケーブルのポリラインモデルをコンピューターメモリーにおいて生成し、前記生成されたモデルは、前記ケーブルを表す点の集まりを含み、
前記点の集まりのうちの各点に対して、
前記点へ点質量を関連付け、
前記点へ零質量球を関連付け、前記零質量球のジオメトリは、前記零質量球によって表される場所における前記ケーブルの大きさに対応し、
前記点と隣接する点との間に弾性およびねじり剛性を割り当て、
時間ステップの終わりに製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの始点および終点の位置および向きを定義し、
（ｉ）前記関連付けられた点質量と、（ｉｉ）前記関連付けられた零質量球と、（ｉｉｉ）前記点と隣接する点との間に前記割り当てられた弾性およびねじり剛性と、（ｉｖ）前記点の集まりのうちの前記始点および前記終点の前記定義された位置および向きとを使用して前記点の集まりのうちの各点の力を計算することと、
前記計算された力に基づいて前記時間ステップの前記終わりに前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の位置を決定することと
によって、前記時間ステップに対して前記ケーブルのシミュレーションを行う
ことをさせるように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項16】
前記プロセッサーおよび前記メモリーは、前記コンピューターコード命令により、前記システムに、ケーブル長、ケーブル終点、前記ケーブルを表す点の数、ケーブル密度、前記ケーブルの剛性、前記ケーブルの初期形状、およびケーブル直径のうちの少なくとも１つを示すユーザー入力を受信することをさせるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
前記ケーブルの前記ポリラインモデルを生成するために、前記プロセッサーおよび前記メモリーは、前記コンピューターコード命令により、前記システムに、前記受信されたユーザー入力に基づいて前記ケーブルの前記ポリラインモデルを生成することをさせるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記計算された力は、各点の重力、各点の弾性力、各点のねじり等価力のペア、および各点の各零質量と障害物との間の衝突力とのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項19】
前記計算された力に基づいて前記時間ステップの終わりに前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の位置を決定するために、前記プロセッサーおよび前記メモリーは、前記コンピューターコード命令により、前記システムに、各点の前記計算された力の組合せのために加速度および速度を積分して、前記時間ステップの前記終わりに各点の３次元空間内の前記位置を決定することをさせるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項20】
前記プロセッサーおよび前記メモリーは、前記コンピューターコード命令により、前記システムに、前記製造リソースのモデルと、前記製造リソースの運動学と、前記製造リソースに対するモーションプランニングと、前記製造リソースの動作環境における１つまたは複数の障害物の動きとのうちの少なくとも１つを使用して前記製造リソースをシミュレートすること
によって、前記時間ステップの前記終わりに前記製造リソースの３次元空間内の前記位置を決定することをさせるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項21】
ケーブルを含む製造リソースをシミュレートするためのコンピュータープログラムであって、前記コンピュータープログラムは、プロセッサーによって実行されると、前記プロセッサーに、ケーブルのポリラインモデルをコンピューターメモリーにおいて生成し、前記生成されたモデルは、前記ケーブルを表す点の集まりを含み、
前記点の集まりのうちの各点に対して、
前記点へ点質量を関連付け、
前記点へ零質量球を関連付け、前記零質量球のジオメトリは、前記零質量球によって表される場所における前記ケーブルの大きさに対応し、
前記点と隣接する点との間に弾性およびねじり剛性を割り当て、
時間ステップの終わりに製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの始点および終点の位置および向きを定義し、
（ｉ）前記関連付けられた点質量と、（ｉｉ）前記関連付けられた零質量球と、（ｉｉｉ）前記点と隣接する点との間に前記割り当てられた弾性およびねじり剛性と、（ｉｖ）前記点の集まりのうちの前記始点および前記終点の前記定義された位置および向きとを使用して前記点の集まりのうちの各点の力を計算することと、
前記計算された力に基づいて前記時間ステップの前記終わりに前記ケーブルを表す前記点の集まりのうちの各点の３次元空間内の位置を決定することと
によって、前記時間ステップに対して前記ケーブルのシミュレーションを行う
ことをさせるように構成されることを特徴とするコンピュータープログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、一般に、コンピュータープログラムおよびシステムの分野に関し、詳細には、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）、コンピューター支援エンジニアリング（ＣＡＥ）、３次元（３Ｄ）コンピュータグラフィックモデル化およびシミュレーション、ならびに製造プロセス、および産業用ロボットなどリソースのモデル化、シミュレーション、解析、使用プランニング、プログラミング、および最適化の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
部品、部品のアセンブリ、およびシステムの設計およびシミュレーションのために、いくつかのシステムおよびプログラムが市場で提供されている。これらのシステムおよびプログラム、たとえばＣＡＤプログラムは、ユーザーがオブジェクト、オブジェクトのアセンブリ、およびシステムの複雑な３次元モデルを構築および操作することを可能にする。ＣＡＤプログラムは、モデル化されたオブジェクトおよびシステムの表現を、エッジまたはライン、場合によってはフェイスを使用して提供する。ライン、エッジ、フェイス、またはポリゴンは、様々に、たとえば非一様有理Ｂスプライン（ＮＲＵＢＳ）で表現され得る。
【0003】
ＣＡＤシステムは、主にジオメトリの仕様であるモデル化オブジェクトの部品または部品のアセンブリを管理する。具体的には、ＣＡＤファイルが仕様を含み、そこからジオメトリが生成される。ジオメトリから、表現が生成される。仕様、ジオメトリ、および表現は、単一のＣＡＤファイルまたは複数のＣＡＤファイル内に記憶されてよい。ＣＡＤシステムは、モデル化オブジェクトを設計者に対して表現するためのグラフィックツールを含み、これらのツールは、複雑なオブジェクトの表示専用である。たとえば、アセンブリは、数千の部品を含むことがある。
【0004】
ＣＡＤシステムおよびＣＡＥシステムの出現は、他の例の中でもとりわけ、ＣＡＤモデルおよび有限要素モデル（ＦＥＭ）などオブジェクトのための広範な表現可能性を可能にする。ＦＥＭ、または他のそのようなＣＡＤもしくはＣＡＥモデル（一般にコンピュータベースのモデルと称される）は、それが表現する基礎となる１つまたは複数のオブジェクトの特性をコンピュータベースのモデルが有するようにプログラムされ得る。コンピュータベースのモデルは、そのようにプログラムされたとき、そのモデルが表現するオブジェクトのシミュレーションを実施するために使用され得る。たとえば、ＦＥＭは、車両の内部空洞、構造を囲む音響流体、および任意の数の実世界オブジェクトおよびシステムを表現するために使用され得る。所与のモデルは、オブジェクトを表現しそれに応じてプログラムされたとき、実世界オブジェクトそれ自体、および実世界オブジェクトと他のオブジェクトとの間の相互作用をシミュレーションするために使用され得る。たとえば、ステントを表現するＦＥＭは、実生活の医療セッティングにおけるステントの使用をシミュレーションするために使用され得る。
【0005】
さらに、コンピュータベースのモデルは、これらのモデルが表現するオブジェクトおよびプロセス、たとえば製造のための方法の設計を改善するために使用され得る。これらの改善は、コンピュータベースのモデルによって表現されるオブジェクトまたはプロセスの設計に対する変更を識別するためにコンピュータベースのモデル、たとえばＦＥＭモデルを使用して一連のシミュレーションを実施する最適化技法などシミュレーション技法の使用を通じて識別され得る。
【発明の概要】
【0006】
３次元（３Ｄ）コンピュータベースモデル、すなわちコンピュータグラフィックのシミュレーション方法および技法を、製造プロセスをシミュレーションするために、製造ワークセルおよびプロセスに適用することができる。シミュレーションからの結果、たとえば決定された手順およびプログラムは、製造リソース、たとえば産業用ロボットを駆動するために、工場フロア上の製造リソースにダウンロードし適用することができる。このプロセスの一部として、製造ワークセル（他の要素の中でもとりわけ機械、備品、および加工物を含み得る）の仮想３Ｄコンピュータモデル（コンピュータベースのモデル）が、プロセスの妥当性を検証し、到達可能性、衝突およびサイクル時間など問題を識別するためにシミュレーションされる。また、コンピュータシミュレーションは、工場内で産業用ロボットなど製造リソースにダウンロードされることになるオフラインプログラムの適正な動作、すなわち製造リソースの決定された動作を確保する。そのようなシミュレーション中、ロボットおよび機械の運動学的な動き（kinematic motion）に加えて、これらの製造リソースに取り付けられるフレキシブルケーブルをシミュレーションすることが必要とされる。これらのケーブルは、たとえば、動く製造リソースに取り付けられたスポット溶接ガンなどエンドエフェクタに電力および制御信号を搬送する電気および空気接続の束を含むフレキシブルな管状ホースを表現することができる。ロボットおよび機械の運動学的な動きの状況におけるそのようなフレキシブルケーブルのシミュレーションは、製造プロセスの間、フレキシブルケーブルが機械またはワークセル備品と巻き付くことまたは絡まることのために生じ得る問題を予測することが必要となる。
【0007】
これらのケーブルをシミュレーションするための方法は存在するが、既存の方法は不十分であり、ケーブルを含む製造リソースをシミュレーションするための改善された方法が必要とされている。本発明の実施形態は、ケーブルを含む製造リソースをモデル化しシミュレーションするための改善された方法およびシステムを提供する。さらに、実施形態は、実世界オブジェクト、たとえばロボットをシミュレーション結果に従って制御するために使用することができる。実施形態では、ケーブルは、単一のケーブル、ケーブルの集まり、すなわち束、フレキシブルなコード、および製造リソースなどオブジェクト上の概して任意の接続、たとえば接続ラインとすることができる。
【0008】
そのような例示的な一実施形態は、ケーブルを有する製造リソースをシミュレーションするためのコンピューター実装方法を提供する。そのような一実施形態は、コンピューターメモリー内でケーブルのポリラインモデルを作成する。作成されたモデルは、ケーブルを表現する点の集まりを含む。点の集まりの各点について、点質量（point mass）が点に関連付けられ、零質量球（zero mass sphere）が点に関連付けられ、弾性およびねじり剛性が点と、隣接する任意の点との間に割り当てられる。続けると、ケーブルを表現する点の集まりの始点および終点の位置および向きが、時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて定義される。このようにして、ケーブルと製造リソースそれ自体との間の関係、すなわち取付けの点が設定（定義）される。次に、その時間ステップについて、ケーブルのシミュレーションが実施される。シミュレーションを実施することは、（ｉ）関連付けられた点質量、（ｉｉ）関連付けられた零質量球、（ｉｉｉ）点と隣接する点との間の割り当てられた弾性およびねじり剛性、ならびに（ｉｖ）点の集まりの始点および終点の３次元空間内の定義された位置および向き、を使用して、点の集まりの各点に対する力を計算することを含む。また、シミュレーションを実施することは、計算された力に基づいて時間ステップの終わりにおけるケーブルを表現する点の集まりの各点（特に、他の点のそれぞれ）の３次元空間内の位置を決定する。
【0009】
一実施形態は、ケーブル長さ、ケーブル終点、ケーブルを表現するためのいくつかの点、ケーブル密度、ケーブルの剛性、ケーブルの初期形状、およびケーブル直径のうちの少なくとも１つを示すユーザー入力を受け取る。そのような実施形態は、受け取られたユーザー入力に基づいてケーブルのポリラインモデルを作成し得る。たとえば、例示的な一実装では、各点に関連付けられた点質量は、ケーブル密度を示す受け取られたユーザー入力に基づく。別の例示的な実施形態では、各点に関連付けられた零質量球は、ケーブル直径を示す受け取られたユーザー入力に基づく。たとえば、球の直径は、ユーザーによって提供された、または他の方法で指定されたケーブルの直径となるように設定されてよい。
【0010】
一実施形態によれば、計算された力は、各点に対する重力、各点に対する弾性力、各点に対するねじり等価力（torsion equivalent force）対、各点における各零質量球と、障害物、たとえば製造リソースおよびケーブル環境内のオブジェクトとの間の衝突力のうちの少なくとも１つを含む。本発明の一実施形態は、計算された力に基づいて時間ステップの終わりにおける点の集まりの各点の３次元空間内の位置を決定する。一実施形態によれば、これらの位置は、計算された力に基づいて、時間ステップの終わりにおける各点の３次元空間内の位置を決定するために、各点に対する計算された力の組合せのために加速度および速度を積分することによって決定される。
【0011】
本発明の別の例示的な実施形態は、時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置（始点および終点の位置および向きを定義するために使用される）を決定する。一実施形態によれば、時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置は、製造リソースのモデル、製造リソースの運動学（kinematics）、製造リソースのためのモーションプランニング、および製造リソースの動作環境内の１つまたは複数の障害物のモーションのうちの少なくとも１つを使用して製造リソースをシミュレーションすることによって決定される。別の例示的な実施形態は、外部の重力加速度を点の集まりの各点質量に関連付ける。
【0012】
さらに別の実施形態は、次の時間ステップについてケーブルをシミュレーションする。一実施形態によれば、次の時間ステップについてケーブルをシミュレーションすることは、ポリラインモデルを更新すること、および更新されたポリラインモデルを使用して次の時間についてケーブルのシミュレーションを実施することを含む。一実施形態では、そのような機能性は、次の時間ステップについて点の集まりの各点に対する力を計算することを含む。一実施形態では、次の時間ステップについての力は、（ａ）関連付けられた点質量、（ｂ）関連付けられた零質量球、（ｃ）点と隣接する点との間の割り当てられた弾性およびねじり剛性、ならびに（ｄ）更新されたポリラインモデルを使用して計算される。さらに、次の時間ステップについてケーブルのシミュレーションを実施することは、更新されたポリラインモデルを使用して計算された力に基づいて次の時間ステップの終わりにおけるケーブルを表現する点の集まりの各点の３次元空間内の位置を決定することをも含む。
【0013】
一実施形態によれば、ポリラインモデルを更新することは、時間ステップ、すなわち最初の時間ステップの終わりにおける点の集まりの各点の３次元空間内の決定された位置に基づいて、各点の位置を更新することを含む。このようにして、製造リソースのポリラインモデルは、前の時間ステップの終わりにおけるケーブルの決定された位置を反映するように更新される。別の実施形態では、ポリラインモデルを更新することは、次の時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置に基づいてケーブルを表現する点の集まりの始点および終点の位置および向きを更新することを含む。さらに別の実施形態は、次の時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置を決定する。例示的な一実施形態は、次の時間ステップの終わりにおける製造リソースの位置を、製造リソースのモデル、製造リソースの運動学、製造リソースのためのモーションプランニング、および製造リソースの動作環境内の１つまたは複数の障害物のモーションのうちの少なくとも１つを使用して製造リソースをシミュレーションすることによって決定する。このようにして、次の時間ステップの終わりにおける製造リソースの位置は、次の時間ステップの終わりにおける環境の状態を反映するように決定される。さらに、例示的な一実装では、製造リソースのモデルが環境および製造リソースが動作している環境内のオブジェクトを含む場合、モデルは、環境、たとえば障害物の位置に対する変更と共に更新される。
【0014】
実施形態は、全体的な製造環境、たとえばワークセル環境をシミュレーションするために使用することができる。したがって、本発明の実施形態では、製造リソースのモデルは、製造リソース、およびケーブルを有する製造リソースが動作するワークセル環境を表現することができる。そのようなモデルは、製造リソース、すなわちロボット、製造リソースに関連付けられた１つまたは複数のケーブル、作業を受けるオブジェクト、環境内の障害物、およびワークセル環境内の任意の他のオブジェクトを含み得る。このようにして、実施形態は、製造リソース、ケーブル、および任意の条件、たとえば製造環境の潜在的な障害物オブジェクトを含む実世界製造条件をシミュレーションすることができる。
【0015】
さらに別の実施形態は、プロセッサーと、コンピューターコード命令が記憶されているメモリーとを含むシステムを対象とする。そのような実施形態では、プロセッサーおよびメモリーは、コンピューターコード命令と共に、本明細書に記載の任意の実施形態または実施形態の組合せをシステムに実装させるように構成される。
【0016】
本発明の別の実施形態は、ケーブルを含む製造リソースをシミュレーションするためのクラウドコンピューティング実装を対象とする。そのような実施形態は、ネットワークにわたって１つまたは複数のクライアントと通信するサーバーによって実行されるコンピュータープログラム製品を対象とし、一方、コンピュータープログラム製品は、１つまたは複数のプロセッサーによって実行されたとき、１つまたは複数のプロセッサーに本明細書に記載の任意の実施形態を実装させる命令を備える。
【0017】
前述は、同様な符号が異なるビューを通じて同じ部品を指す添付の図面に示されている例示的な実施形態の以下のより特定の説明から明らかになるであろう。これらの図面は、必ずしも原寸に比例しておらず、それどころか実施形態を例示することに力点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】態様に係る製造リソースをシミュレーションするための方法のフローチャートである。
【図2】態様を使用してシミュレーションされ得る製造リソースおよび関連付けられたケーブル例示する。
【図3】本発明の態様に係る作成されたケーブルモデルを有するＣＡＤモデルを描く。
【図4】態様に係る実装されるシミュレーションのためのモデルおよびモデルの特性を定義するためのユーザインターフェースを描く。
【図5】態様において実装されおよびシミュレーションされ得るケーブルモデルにおける弾性力の概念図である。
【図6】態様において実装されおよびシミュレーションされ得るケーブルモデルにおける剛性力の概念図である。
【図7】態様に係るケーブルモデルにおける弾性が一因となる力の物理的性質を描く。
【図8】態様に係るケーブルモデルにおける剛性が一因となる力の物理的性質を描く。
【図9】態様に係る定義された剛性を有するケーブルを有するロボットのモデルを例示する。
【図10A】態様を使用してシミュレーションすることができる様々な剛性を有するケーブルのアウトラインを描く。
【図10B】態様を使用してシミュレーションすることができる様々な剛性を有するケーブルのアウトラインを描く。
【図10C】態様を使用してシミュレーションすることができる様々な剛性を有するケーブルのアウトラインを描く。
【図11A】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図11B】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図11C】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図11D】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図11E】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図11F】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図11G】本発明の態様を使用してシミュレーションされ得る様々な製造リソース構成を例示する。
【図12】態様に係る製造リソースをシミュレーションするためのコンピュータシステムの単純化されたブロック図である。
【図13】本発明の態様が実装され得るコンピュータネットワーク環境の単純化されたブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
例示的な態様の説明は、以下の通りである。
【0020】
製造リソースシミュレーション中のフレキシブルケーブルを有する製造リソースのモデル化およびモーション予測は、非常に難しい。シミュレーション中、リソース（たとえば、ロボットまたは機械）のモーション挙動は、ロボット標的位置および軸スピードのための知られているモーショントラジェクトリアルゴリズムおよびプランニングと組み合わせて、ロボットリンク機械軸の寸法および位置合わせに関する運動学に純粋に基づいて正確に予測することができる。
【0021】
しかし、そのようなロボットまたは機械に取り付けられたケーブルについては、ケーブルの位置および形状（すなわち３Ｄ空間内の場所）の予測は、運動学に限定されない。そうではなく、ケーブルの位置および形状を決定することは、（１）ケーブルの位置に起因する慣性および重力効果、（２）初期ケーブル形状、（３）ケーブル端のモーションの履歴、スピード、および加速度、ならびに（４）ケーブルを駆動している製造リソースの運動学的な動きに基づくケーブル制約アタッチメントと共に、ケーブル特性を含むケーブル動力学的性質のモデル化およびシミュレーションを必要とする。さらに、ケーブルのシミュレーションは、ケーブルと、ケーブルが使用されている環境、たとえば環境内の障害物との間の動的な接触の効果を含むことを必要とする。たとえば、ケーブルがロボットアームの上部で静止している、またはワークセル備品を押圧しているとき。
【0022】
そのようなケーブルシミュレーションのための挑戦課題は、ケーブル動力学的性質の従来の数学的モデルが、シミュレーションを非インタラクティブなものに、また（プロセッサー時間、ワーキングメモリなどにおいて）計算コストの高いものにする非常に計算集約的なアルゴリズムを必要とすることである。これは、既存の方法が反復的なシミュレーションおよび最適化で使用されることを妨げる。さらに、既存の方法の計算集約的なアルゴリズムは、ユーザーが動作条件および手順を用いて実験すること、すなわちインタラクティブなシミュレーションを実施することを妨げる。これは、製造リソースをシミュレーションするためのユーザー体験はそのようなインタラクションを可能にするべきであるため問題である。製造リソース、たとえばロボットをシミュレーションするシミュレーションエンジニアは、しばしば、シミュレーションソフトウェアにおける製造プロセスプランを微調整するようにロボット標的およびロボットモーションプログラムをリアルタイム修正する。ケーブルを有する製造リソースをシミュレーションするための既存の方法は、微分方程式のセットを使用してケーブルを単一のチューブとしてモデル化するなど計算集約的な方法に依拠しているので、既存の方法は、そのようなリアルタイム修正を容易にすることができない。また、ケーブルは製造リソースの連続的なモーションの間に環境内の障害物と接触するので、従来の方法は、ケーブルの常に変化する複雑かつ予測不可能な形状を正確に示すことが困難である。
【0023】
本発明の実施形態は、製造リソースアプリケーションのためのフレキシブルケーブルシミュレーション、またはケーブルを含む任意の他のシミュレーションを仮想化するための新しい手法を提供することによって、これらの問題を解決する。実施形態は、障害物接触および貫通回避のための非零衝突寸法を有する点質量のポリラインとしてフレキシブルケーブルをモデル化およびシミュレーションする。そのようなポリライン手法は、製造リソースと共に使用されるフレキシブルケーブル束の動的な挙動の既存のシミュレーションに比べて、実質的な計算性能の改善と、障害物接触ベースの形状予測とを提供する。実施形態は、インタラクティブなシミュレーションを可能にし、製造リソースの動きおよびアクションを微調整および最適化するためにユーザーが動作条件を変更することを可能にする。さらに、実施形態は、反復的な最適化方法が、所望の目標を達成し、一方、特定の制約および性能パラメータを満たす動作条件およびプランを自動的に決定するために使用されることを可能にする。
【0024】
実施形態は、ケーブルを表現するために新規のポリラインモデルを実装することによってこれらの改善を提供する。既存のポリラインモデルは不十分である。なぜなら、既存のポリラインモデルは、有用な予測製造シミュレーションを実装するために必要である、ケーブル剛性ベースの形状の考慮を含まず、張力および障害物衝突挙動を含まないからである。本発明の実施形態は、ケーブル弾性、およびポリラインモデルに沿った点質量の非零衝突寸法と共に、新しい概念的な仮想形状化剛性（new conceptual virtual shaping stiffness）を含む革新的な手法を実装する。ケーブルを表現するためにそのようなポリラインモデルを実装することにより、実施形態は、ケーブルの現実的な挙動をシミュレーションする際に、また製造アプリケーションのためのケーブル形状を予測するために非常に効果的かつ効率的であり、一方、インタラクティブなシミュレーションを可能にする性能をも提供する。
【0025】
本発明の実施形態によって実装される新しい仮想化ケーブルモデル化手法は、既存のシミュレーション方法に勝る劇的な改善を提供する。具体的には、実施形態は、ロボットおよび機械など製造リソースの運動学的な動きの状況において、フレキシブルケーブル挙動モデル化およびシミュレーションのためのより計算効率的な手法を提供する。実施形態は、ケーブルの現実的な形状、およびケーブルとシミュレーションされるワークセル環境内のオブジェクトとの間の正しい衝突挙動および貫通回避挙動を決定しながらこの機能性を提供する。したがって、実施形態は、ケーブル、たとえばフレキシブルケーブル束ホースの動力学的性質と共に製造リソースの運動学を含み、非常に現実的な結果を決定し、一方、依然としてインタラクティブなユーザー体験を可能にする製造シミュレーションを提供する。
【0026】
図１は、ケーブルを含む製造リソースをシミュレーションするための方法１００のフローチャートである。方法１００は、コンピューターメモリー内でケーブルのポリラインモデルを作成する（１０１）ことによって始まる。ステップ１０１で作成されたポリラインモデルは、ケーブルを表現する点の集まりから構成される。一実施形態によれば、ステップ１０１でモデルを作成することは、ポリラインの長さがケーブルの指定された長さに対応し、ポリラインの初期形状が指定された終点で終了する単純な放物線であるように、３次元空間内の点の集まりをケーブルのモデルとして定義することを含む。さらに、一実施形態では、ポリラインモデルは、ステップ１０１で、当技術分野で知られている原理に従って作成されてもよい。次いで、方法１００を続行して、ステップ１０１で作成されたポリラインモデルは、本明細書に記載のように修正される。方法１００のそのような実施形態では、ステップ１０１で最初に作成されるモデルは、当技術分野で知られているポリラインモデルであり、そのモデルは、本明細書に記載の本発明の実施形態を実装する新規のポリラインモデルを作成するように修正される。
【0027】
次に、ステップ１０２では、ステップ１０１で作成されたモデルの点の集まりの各点について、点質量が点に関連付けられ、零質量球が点に関連付けられ、弾性およびねじり剛性が点と、隣接する任意の１つまたは複数の点との間に割り当てられる。したがって、ステップ１０２の機能性により、ステップ１０１で作成されたモデルの各点は、関連付けられた点質量、関連付けられた零質量球、および点と、隣接する任意の点との間の定義された弾性およびねじり剛性を有するようになる。また、方法１００の一実施形態は、ステップ１０２で外部の重力加速度を点の集まりの各点質量に関連付ける。典型的には、ポリラインモデルでは、モデルを構成する点は、単に点である。したがって、これらの点は、密度も剛性も有していないことになる。ステップ１０２で点質量および零質量球を各点に関連付け、各点について弾性およびねじり剛性を割り当てることにより、実施形態は、シミュレーションされる実世界ケーブルの密度、剛性、および寸法を、ポリラインモデルの点のパラメータの等価なセットにマッピングする。ケーブルの実世界特性を点のパラメータ（点質量、零質量球、弾性、およびねじり剛性）にマッピングすることにより、ポリラインモデルは、実世界ケーブルと一致する物理的性質ベースの挙動を示す。
【0028】
一実施形態によれば、ステップ１０２では、点質量、零質量球、ならびに弾性およびねじり剛性のインジケーションが各点についてメモリーに記憶される。したがって、「設定」（点質量、零質量球、弾性、およびねじり剛性）は、ステップ１０２で各点についてメモリーに記憶させることができる。一実施形態では、これらの特性（点質量、零質量球直径、弾性、およびねじり剛性）は、各点に関連付けられたメタデータ特徴となり得る。そのような実施形態では、ステップ１０２で、これらのメタデータ特徴のための値が設定される。また、方法１００の別の例示的な実施形態は、ステップ１０２で外部の重力加速度を点の集まりの各点質量に関連付ける。一実施形態によれば、零質量球の直径は、シミュレーションされるケーブルの直径に対応する、すなわち等しい。
【0029】
方法１００の一実施形態によれば、ステップ１０２で各点に割り当てられた弾性は、図５および図７に関連して下記に記載されている弾性である。さらに、方法１００の実施形態では、各点と、隣接する任意の点との間に割り当てられたねじり剛性は、図６および図８に関連して下記に記載されている特性である。ステップ１０２で弾性およびねじり剛性力を点に追加することにより、方法１００は、ポリラインモデルの各点の加速度の一因となる追加の力を追加している。
【0030】
続行して、ステップ１０３では、ケーブルを表現する点の集まりの始点および終点の位置および向きが、時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて定義される。一実施形態によれば、ケーブルのポリラインモデルの始点および終点の位置および向きを定義することは、ポリラインモデルの始点および終点の位置および向きのインジケーションを記憶することを含む。一実施形態では、始点および終点は、ケーブルが製造リソースに取り付けられる点である。このようにして、ステップ１０３で、ケーブルと製造リソースそれ自体との間の関係、すなわち取付けの点が設定（定義）される。ステップ１０３で始点および終点の位置および向きを定義することに加えて、製造リソースに取り付けられるポリラインモデルの任意の点の位置および向きがステップ１０３で定義されてもよい。
【0031】
続行して、ステップ１０４では、その時間ステップについてケーブルのシミュレーションが実施される。ステップ１０４でシミュレーションを実施することは、点の集まりの各点に対する力を計算することを含む。これらの力は、ステップ１０４で、（ｉ）関連付けられた点質量、（ｉｉ）関連付けられた零質量球、（ｉｉｉ）点と隣接する点との間の割り当てられた弾性およびねじり剛性、ならびに（ｉｖ）点の集まりの始点および終点の定義された位置および向き、を使用して計算される。ステップ１０４で力を計算することに加えて、ステップ１０４でシミュレーションを実施することは、計算された力に基づいて時間ステップの終わりにおけるケーブルを表現する点の集まりの各点の３次元空間内の位置を決定することを含む。
【0032】
一実施形態では、ステップ１０４で計算される力は、各点に対する重力、各点に対する弾性力、各点に対するねじり等価力対、各点における各零質量球と障害物との間の衝突力のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態によれば、これらの力は、ステップ１０４で、図７および図８に関連して下記に記載されている機能性を使用して計算される。一実施形態によれば、球は、ケーブルの外径を表現し、したがって、点と任意のオブジェクトとの間の衝突をチェックするために使用される。
【0033】
ステップ１０４でシミュレーションを実施することは、計算された力に基づいて時間ステップの終わりにおけるケーブルを表現する点の集まりの各点の３次元空間内の位置を決定する。例示的な一実施形態では、ステップ１０４で、計算された力に基づいて位置を決定することは、時間ステップの終わりにおける各点の３次元空間内の位置を決定するために、各点に対する力の組合せのために加速度および速度を積分することを含む。一実施形態によれば、各点質量に対する加速度は、ステップ１０４において計算されたその点に対する全部の力をその点の質量値で割ったものに等しい大きさのベクトルである。一実施形態では、各点についての位置は、ステップ１０４で、ポリラインの各点について速度ベクトルを計算するように、シミュレーション時間ステップの期間の間、この加速度ベクトルを積分することによって決定される。次いで、速度ベクトルは、ポリラインの各点について位置ベクトルを計算するために、シミュレーション時間のこの同じ期間の間、積分される。ポリライン点について得られるベクトル位置の集まりは、時間ステップの終わりにおける各点の３次元空間内の位置を指定する。
【0034】
方法１００の別の実施形態は、環境の特徴およびシミュレーションのパラメータを示すユーザー入力を受け取ることを含む。実施形態では、ユーザー入力は、図４に関連して下記に記載されているグラフィックユーザインターフェースなど、当技術分野で知られている任意の方法を介して提供されてよい。一実施形態によれば、ユーザー入力は、ケーブル長さ、ケーブル終点、ケーブルを表現するためのいくつかの点、ケーブル密度、ケーブルの剛性、ケーブルの初期形状、およびケーブル直径のうちの少なくとも１つを示す。そのような実施形態は、受け取られたユーザー入力に基づいて、ステップ１０１でケーブルのポリラインモデルを作成しても、ステップ１０２でケーブルのモデルを修正してもよい。
【0035】
たとえば、例示的な一実装では、ステップ１０２で各点に関連付けられた点質量は、ケーブル密度を示す受け取られたユーザー入力に基づく。そのような一実施形態によれば、シミュレーションされるケーブルの密度は、ステップ１０２で各点に関連付けられた質量値にマッピングされる。別の実施形態では、ユーザー入力は、剛性を０から１００のパーセンテージとして示す。この剛性は、一実施形態において、ユーザー剛性入力を、５０％設定に対応する典型的なロボットドレスアップケーブルのための値と比較することによって、点間の等価点質量値および等価ねじりばね定数を決定するために使用される。０％のユーザー設定は、等価ねじりばね定数が零の値になることを暗示し、１００％のユーザー設定は、等価ねじりばね定数値が５０％設定のものの２倍になることを暗示する。別の例示的な実施形態では、ケーブル直径についてのユーザー入力は、ステップ１０２で各点に関連付けられた零質量球の直径を決定するために使用される。たとえば、ケーブルの直径についてのユーザー入力は、ステップ１０２で各点に関連付けられた球の直径となるように設定される。このようにして、方法１００の実施形態は、ケーブルのポリラインモデルの特性を決定するために、実世界ケーブルの物理特性をとる。
【0036】
ステップ１０３では、方法１００の一実施形態によれば、時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置が決定される。本明細書に記載のように、実施形態は、時間ステップについてケーブルをシミュレーションする。そうするために、ステップ１０３は、製造リソースに取り付けられる点が、シミュレーションされる時間ステップの終わりにどこになるか定義する。これらの位置および向きは、製造リソースの物理的性質の積であるためステップ１０３で設定される。そのような実施形態では、製造リソースまたはロボットのモーション、たとえば運動学的な動きは、ケーブルの物理的性質に影響を及ぼすが、ケーブルの物理的性質は、製造リソースの運動学的な動きに影響を及ぼさない。方法１００の一実施形態は、製造リソースをシミュレーションすることによって、時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置を決定する。一実施形態は、製造リソースをシミュレーションするために、当技術分野で知られている技法を使用して製造リソースをシミュレーションする。そのようなシミュレーションの結果は、時間ステップの終わりにおけるロボットの３次元空間内の位置（および向き）であり、この結果は、ステップ１０３で、点の集まりの始点および終点（または製造リソースに取り付けられる任意の他の点）の位置および向きを定義するために使用される。一実施形態は、製造リソースのモデル、製造リソースの運動学、製造リソースのためのモーションプランニング、および製造リソースの動作環境内の１つまたは複数の障害物のモーションのうちの少なくとも１つを使用して製造リソースの位置を決定する。別の実施形態では、ステップ１０３で使用される製造リソースの３次元空間内の位置は、製造リソースのモデルまたはユーザー入力の設定に基づく。
【0037】
始点および終点の位置および向きは、関連付けられた製造リソース、たとえばロボットまたは機械上の取付け点の運動学的な動きに基づいて設定される。一実施形態によれば、シミュレーションされる時間ステップにおける関連付けられた製造リソースの位置および向きは、製造リソースのための制御プログラムによって駆動されるその特定のリソースの運動学およびモーションプランニングに基づいて計算される。したがって、製造リソースの位置および向き、ならびにケーブルがリソースに取り付けられる製造上の点を、ステップ１０３で決定し、ケーブルの始点および終点、または製造リソースに取り付けられるケーブルの任意の他の点の位置および向きを設定するために使用することができる。一実施形態によれば、ロボットリソースのモーションは、その駆動制御プログラムにおいて指定されたその特定のロボットリソースの運動学的定義およびモーションプランニングアルゴリズムに基づいて、シミュレーションの各時間ステップにおけるそのロボットリソースの各剛体リンクの位置および向きによって定義される。シミュレーション時間ステップにおける製造リソースのリンクの位置の結果的な変化が決定され、これは、ケーブルの端部取付け部の変化した位置、およびステップ１０３で定義されるロボットリソースに対する制約接続を通じてケーブルに影響を及ぼす。したがって、時間ステップの終わりにおける新しい位置への製造リソースのモーションは、（ステップ１０３で定義された）ポリラインモデルに対する変化をもたらし、最終的に、ステップ１０４で更新された力が決定される。
【0038】
方法１００は、全体的な製造環境、たとえばワークセル環境をシミュレーションするために使用することができる。したがって、実施形態では、製造リソースのモデル（その位置がステップ１０３で使用される）は、製造リソース、および製造リソースが動作するワークセル環境を表現することができる。そのようなモデルは、製造リソース、たとえばロボット、作業を受けるオブジェクト、環境内の障害物、およびワークセル環境内の任意の他のオブジェクトを含み得る。このようにして、方法１００は、実世界環境内の製造リソースをシミュレーションするために使用することができる。製造リソースのモデルは、当技術分野で知られている任意のコンピュータベースのモデルであってよい。
【0039】
方法１００はステップ１０４でケーブルの各点の３次元空間内の位置を決定するので、ステップ１０４でのシミュレーションは、時間ステップ、すなわちある期間について実施されることに留意されたい。典型的には、時間ステップは、シミュレーションされるイベントの時間の数分の一である。例示すると、車を溶接するロボットがシミュレーションされており、溶接プロセスは完成するまでに５分かかる場合、全体的なプロセスを、それぞれ１秒の１０分の１の、５００時間ステップでシミュレーションすることができる。したがって、方法１００は、ステップ１０４の後、次の時間ステップおよび任意の数の所望の時間ステップについて、ケーブルを含む製造リソースをシミュレーションし続けてもよい。一実施形態では、時間零ステップに続く各時間ステップにおいて、方法１００の始まりにおけるケーブルの形状は、前の時間ステップの終わりにおける各ケーブルポリライン点の３次元空間内の位置に対応することになる。
【0040】
そのような実施形態は、シミュレーションされる次の時間ステップについてポリラインモデルを更新する。次いで、次の時間ステップについてのケーブルのシミュレーションが実施される。これは、（ａ）関連付けられた点質量、（ｂ）関連付けられた零質量球、（ｃ）点と隣接する点との間の割り当てられた弾性およびねじり剛性、ならびに（ｄ）更新されたポリラインモデルを使用して、次の時間ステップについての点の集まりの各点に対する力を計算することを含む。次の時間ステップについてのこのシミュレーションは、更新されたポリラインモデルを使用して計算された力に基づいて次の時間ステップの終わりにおけるケーブルを表現する点の集まりの各点の３次元空間内の位置を決定することをも含む。この機能性は、任意の数の時間ステップについて繰り返されてよい。たとえば、方法１００は、シミュレーションされる動作、すなわちタスクを実施するためにかかる期間の時間ステップごとに製造リソースおよびケーブルをシミュレーションし続けてもよい。
【0041】
一実施形態によれば、ポリラインモデルを更新することは、前の時間ステップ、すなわちシミュレーションされる時間ステップの直前の時間ステップの終わりにおける点の集まりの各点の３次元空間内の決定された位置に基づいて、各点の位置を更新することを含む。一実施形態では、ポリラインモデルを更新することは、次の時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置に基づいて、ケーブルを表現する点の集まりの始点および終点の位置および向きを更新することを含み得る。そのような実施形態は、製造リソースをシミュレーションすることによって次の時間ステップの終わりにおける製造リソースの３次元空間内の位置を決定することをさらに含み得る。一実施形態では、製造リソースは、製造リソースのモデル、製造リソースの運動学、製造リソースのためのモーションプランニング、および製造リソースの動作環境内の１つまたは複数の障害物のモーション（または位置）のうちの少なくとも１つを使用してシミュレーションされる。一実施形態によれば、製造リソースのプランニングされた運動学的な動きは、シミュレーションされる時間ステップの終わりにおける製造リソースの位置を決定するために使用される。一実施形態では、製造リソースのプランニングされた運動学的な動きは、そのリソースの運動学およびモーションプランニングに基づいて計算され製造リソースのための制御プログラムによって駆動されるシミュレーションの各時間ステップにおける製造リソースの位置および向きを指す。さらに別の実施形態では、更新することは、次の時間ステップについての製造リソースのプランニングされた運動学的な動きおよび製造リソースの動作環境内の１つまたは複数の障害物のモーションに基づいて製造リソースのモデルを更新することを含む。
【0042】
ステップ１０４で実施されたシミュレーションの結果は、実世界環境を修正するために使用することができる。たとえば、結果、たとえば決定された位置は、他の例の中でもとりわけ製造リソース、ケーブル、製造リソースが動作する環境、および製造リソースの動作を修正するために使用することができる。例示すると、ステップ１０４で決定された位置から、ケーブルの剛性を考えるとケーブルはその時間ステップ中にロボットと衝突することが識別され得る。この決定の結果として、ケーブルの剛性がシミュレーションにおいて更新されてもよく、ケーブルとロボットがもはや衝突しないと決定するためにシミュレーションが実施されてもよい。実世界環境では、ケーブルに、シミュレーションで決定されたものと同じ剛性をもたせることができる。同様に、シミュレーションは、衝突を回避するように、ロボットの代替の動きまたは動作を決定してもよい。さらに、方法１００は、ユーザーによって設定されたパラメータに従って最適化されるロボット、ケーブルおよび環境の最適な特性を決定するために、反復的に実施することができる。たとえば、１つのそのような例は、製造リソースと衝突しない（コストを最小限にするように）最小のケーブル直径を決定してもよい。方法１００は、最小のケーブル直径が決定されるまで、様々なケーブル直径で実施することができる。
【0043】
以下、一実施形態による製造リソースをシミュレーションする例示的な一実装のステップ（１～１２）について記載されている。しかし、本発明の実施形態は、下記の実装に限定されないことに留意されたい。たとえば、実施形態は、他の変形形態の中でもとりわけ、より多くの、またはより少ないステップを含んでもよく、これらのステップは、記載のものとは異なる順序で実行されてもよく、ステップは、同時に実行されてもよい。
【0044】
ステップ１
実施形態は、ケーブルを含む製造リソースをシミュレーションする。図２は、実施形態を使用してシミュレーションすることができるケーブル２２１を含む製造リソースの３Ｄモデル２２０を示す。図２は、例示的なモデル２２０を示すが、実施形態は、当技術分野で知られている任意のコンピュータベースのモデルと共に動作することができる。さらに、実施形態で使用されるモデルは、任意のオブジェクトを表現することができる。したがって、実施形態は、ケーブル、たとえばケーブル２２１を含む任意のオブジェクトをシミュレーションするために使用することができる。
実施形態は、ケーブルを含む製造リソースをシミュレーションする。図２は、実施形態を使用してシミュレーションすることができるケーブル２２１を含む製造リソースの３Ｄモデル２２０を示す。図２は、例示的なモデル２２０を示すが、実施形態は、当技術分野で知られている任意のコンピュータベースのモデルと共に動作することができる。さらに、実施形態で使用されるモデルは、任意のオブジェクトを表現することができる。したがって、実施形態は、ケーブル、たとえばケーブル２２１を含む任意のオブジェクトをシミュレーションするために使用することができる。
【0045】
モデル２２０は、実施形態において、モデル２２０が表現する製造リソースの挙動をシミュレーションするために使用され得る例示的なＣＡＤモデルである。モデル２２０を使用する製造リソースのシミュレーションは、タスク、たとえば車を組み立てることを実施しながらの、モデル２２０およびケーブル２２１によって表現されるリソースの動きを決定することができる。さらに、シミュレーションの結果は、製造リソースの実世界動作のための動作制御およびプログラミングを作成するために使用することができる。
【0046】
ステップ１においてモデル、たとえばモデル２２０によって表現されるオブジェクトをシミュレーションするために、一実施形態は、ユーザー入力に基づいて、ケーブル、たとえばケーブル２２１のための３Ｄ数学的ポリラインモデルを作成する。ケーブルのモデルは、取付けの物理的性質によって制約される点の集まりである。ケーブルのモデルを作成するために使用され得るユーザー入力は、長さ、区切りの数、および初期形状など、ケーブルの任意の特徴を含み得る。図３は、ケーブルを表現する一実施形態による、製造リソースのＣＡＤモデル３３０、および３Ｄ数学的ポリラインモデル３３１を示す。
【0047】
上記のように、実施形態は、ケーブルを表現するポリラインモデルを作成し、ポリラインモデルは、ユーザー入力に基づいて作成され得る。図４は、実施形態において、ユーザーがケーブルのポリラインモデル、たとえばモデル３３１を作成するために仕様４４１および制約４４２を提供することを可能にするように実装することができるユーザインターフェース４４０を示す。ユーザーは、ケーブルの開始場所４４３ａ、停止場所４４３ｂ、長さ４４４、直径４４５、区切り４４６、すなわちポリラインモデル内で使用するための点の数、密度４４７、および剛性４４８を提供することができる。一実施形態では、ケーブルの制約４４２は、実世界機械、たとえばロボット上の実際のケーブル構成に合致するような、ケーブルが製造リソースに取り付けられるケーブルの長さに沿った場所である。
【0048】
ステップ２
続行して、点の集まりを含むポリラインモデルを作成した後、非零密度の仮想点質量がポリラインモデルの各点に割り当てられる。一実施形態では、点質量の質量および密度は、ユーザー入力に基づく。さらに、一実施形態では、点質量の質量および密度は、シミュレーションされる実世界ケーブルの特性、たとえば材料に基づく。
続行して、点の集まりを含むポリラインモデルを作成した後、非零密度の仮想点質量がポリラインモデルの各点に割り当てられる。一実施形態では、点質量の質量および密度は、ユーザー入力に基づく。さらに、一実施形態では、点質量の質量および密度は、シミュレーションされる実世界ケーブルの特性、たとえば材料に基づく。
【0049】
ステップ３
次に、零質量球がポリラインモデルの各点に関連付けられる。一実施形態によれば、ポリラインモデルの各点に関連付けられた零質量球は、シミュレーションされるケーブルと同じ直径を有する。実施形態では、非限定的な例として、直径情報がユーザインターフェース４４０などを介してユーザーから受け取られてもよい。球をケーブルと同じ直径に関連付けることによって、実施形態は、ケーブルとオブジェクトとの間の起こり得る衝突を識別することができる。環境内のケーブルとオブジェクトとの間の衝突は、一実施形態において、製造シミュレーションシステムの一部である標準的な技術を使用して決定されてよい。一実施形態によれば、そのような製造シミュレーションシステムは、オブジェクト間の最小距離テストのための内蔵ユーティリティを呼び出すことによってケーブル衝突をチェックする。一実施形態では、このテストは、各時間ステップにおいて、各球について、各ポリライン点において実施され、このテストは、シミュレーションされた製造ワークセル内のすべての潜在的な衝突オブジェクトに照らして各球をチェックする。任意の球についての任意の他のオブジェクトに対する最小距離が零または負である場合、これは、最小距離ユーティリティによって返される深さおよび向き情報と共にケーブル点における衝突を暗示することになる。
次に、零質量球がポリラインモデルの各点に関連付けられる。一実施形態によれば、ポリラインモデルの各点に関連付けられた零質量球は、シミュレーションされるケーブルと同じ直径を有する。実施形態では、非限定的な例として、直径情報がユーザインターフェース４４０などを介してユーザーから受け取られてもよい。球をケーブルと同じ直径に関連付けることによって、実施形態は、ケーブルとオブジェクトとの間の起こり得る衝突を識別することができる。環境内のケーブルとオブジェクトとの間の衝突は、一実施形態において、製造シミュレーションシステムの一部である標準的な技術を使用して決定されてよい。一実施形態によれば、そのような製造シミュレーションシステムは、オブジェクト間の最小距離テストのための内蔵ユーティリティを呼び出すことによってケーブル衝突をチェックする。一実施形態では、このテストは、各時間ステップにおいて、各球について、各ポリライン点において実施され、このテストは、シミュレーションされた製造ワークセル内のすべての潜在的な衝突オブジェクトに照らして各球をチェックする。任意の球についての任意の他のオブジェクトに対する最小距離が零または負である場合、これは、最小距離ユーティリティによって返される深さおよび向き情報と共にケーブル点における衝突を暗示することになる。
【0050】
ステップ４
続行して、ポリラインモデルは、製造リソースのモデルからのケーブル端位置および向きを、ポリラインモデル開始および終点場所および方向と関連付けることによって強化される。換言すれば、ステップ４では、ケーブルが製造リソースモデルに取り付けられる３Ｄ空間内の場所が（製造リソースのモデルのユーザー入力または設定から）知られ、または（たとえば、シミュレーションを実施することによって）決定され、ポリラインモデルの始点および終点は、これらの開始場所および終了場所を３Ｄ空間内に有するものとして割り当てられる。このようにして、各時間ステップにおける製造リソースの運動学的な動きがケーブル終点場所および向きの適切な変化に関連付けられるように、ケーブルのモデルが、製造リソースのモデルに関連付けられる。一実施形態では、ケーブルの長さに沿った任意選択の制約点（たとえば、ケーブルとロボットとの間の別の取付け点）と、関連の製造リソースのモーションとの間に、やはり同様の関連付けがある。
続行して、ポリラインモデルは、製造リソースのモデルからのケーブル端位置および向きを、ポリラインモデル開始および終点場所および方向と関連付けることによって強化される。換言すれば、ステップ４では、ケーブルが製造リソースモデルに取り付けられる３Ｄ空間内の場所が（製造リソースのモデルのユーザー入力または設定から）知られ、または（たとえば、シミュレーションを実施することによって）決定され、ポリラインモデルの始点および終点は、これらの開始場所および終了場所を３Ｄ空間内に有するものとして割り当てられる。このようにして、各時間ステップにおける製造リソースの運動学的な動きがケーブル終点場所および向きの適切な変化に関連付けられるように、ケーブルのモデルが、製造リソースのモデルに関連付けられる。一実施形態では、ケーブルの長さに沿った任意選択の制約点（たとえば、ケーブルとロボットとの間の別の取付け点）と、関連の製造リソースのモーションとの間に、やはり同様の関連付けがある。
【0051】
ステップ５
ステップ５では、ポリラインモデルの各点質量が外部の重力加速度に関連付けられる。一実施形態によれば、外部の重力加速度は、シミュレーションされる製造リソースワークセルの物理世界座標の垂直方向に従って各点において下向きに働く。
ステップ５では、ポリラインモデルの各点質量が外部の重力加速度に関連付けられる。一実施形態によれば、外部の重力加速度は、シミュレーションされる製造リソースワークセルの物理世界座標の垂直方向に従って各点において下向きに働く。
【0052】
ステップ６
ステップ６では、仮想弾性、すなわち線形弾性が、ポリラインモデルの各区切り、すなわち互いにすぐ横の（隣接する）点間に割り当てられる。換言すれば、ステップ６では、隣接する点間の弾性制約が、これらの点間で仮想弾性力を生成するようにセットアップされる。このようにして、点間の相互作用を定義する点に、制約が適用される。
ステップ６では、仮想弾性、すなわち線形弾性が、ポリラインモデルの各区切り、すなわち互いにすぐ横の（隣接する）点間に割り当てられる。換言すれば、ステップ６では、隣接する点間の弾性制約が、これらの点間で仮想弾性力を生成するようにセットアップされる。このようにして、点間の相互作用を定義する点に、制約が適用される。
【0053】
上記のように、実施形態では、ケーブルを表現するポリラインモデルは、点の集まりである。ステップ６では、点間の関係を支配する特性、すなわち弾性が設定される。図５は、一実施形態によるケーブルモデル５５０におけるこの弾性特性の概念図である。ケーブルモデル５５０は、３つの点５５１ａ～ｃから構成されるポリラインモデルである。ステップ６では、各点５５１ａ～ｃ間の弾性力５５２ａ～ｄが定義される。このようにして、仮想ばね力が隣接する点間に作成される。この力は、ケーブルの挙動を定義するために使用されるコンストラクト／近似値であるが、シミュレーションされる実世界ケーブルの物理的性質に必ずしも基づかないので仮想と呼ばれる。換言すれば、微分方程式はケーブルの正確な物理特性に基づき得るが、微分方程式を使用するのではなく、実施形態は、挙動をシミュレーションするために仮想の力を利用する。
【0054】
例示すると、点５５１ａには、点５５１ａと、隣接する点５５１ｂとの間のばね力５５３ａの一因となる弾性力５５２ａが割り当てられる。点５５１ｂは、点５５１ａおよび点５５１ｃの両方に隣接する。したがって、弾性力５５２ｂ（ばね力５５３ａの一因となる）は、点５５１ｂに割り当てられ、弾性力５５２ｃ（ばね力５５３ｂの一因となる）は、点５５１ｂに割り当てられる。点５５１ｃには、点５５１ｃと、隣接する点５５１ｂとの間のばね力５５３ｂの一因となる弾性力５５２ｄが割り当てられる。
【0055】
弾性力５５２ａ～ｄに加えて、追加の力がポリラインモデル５５０の点５５１ａ～ｃに関連付けられてもよい。たとえば、モデル５５０では、近接弾性力５５４ａおよび弾性力５５４ｂが、それぞれ点５５１ａおよび点５５１ｃに割り当てられる。これらの追加の弾性力は、点５５１ａと点５５１ａの前の点との間のばね力、および点５５１ｃと点５５１ｃの後の点との間のばね力が、それら自体の線形弾性パラメータに基づいて一因となる弾性力である。さらに、各点５５１ａ～ｃは、点５５１ａ～ｃに対する重力の力を表現する、関連付けられた重力５５５ａ～ｃを有する。また、図５は、点５５１ａ～ｃにそれぞれ関連付けられる零質量球５５７ａ～ｃを示す。また、各点５５１ａ～ｃは、関連付けられた外部の衝突力５５６ａ～ｃを有してもよい。一実施形態によれば、衝突力５５６ａ～ｃは、点５５１ａ～ｃに関連付けられた零質量球５５７ａ～ｃが、シミュレーション中、何らかの時間ステップにおいて環境内の何らかのオブジェクトと偶然衝突した場合、これらの点５５１ａ～ｃに適用される仮想の力である。衝突力５５６ａ～ｃの方向は、接触点における球５５７ａ～ｃの表面に対して垂直である。衝突力５５６ａ～ｃの大きさは、シミュレーションのその時間ステップにおける衝突オブジェクトとの貫通の深さに比例する。衝突力５５６ａ～ｃの大きさを計算するときの比例定数は、ケーブルの線形弾性パラメータの値と同じである。
【0056】
ステップ７
ステップ７では、仮想ねじり剛性が、ポリラインモデルの隣接するポリライン区切りの各対、すなわち互いにすぐ横の（隣接する）点間に割り当てられる。換言すれば、ステップ７では、隣接する点間のねじり剛性制約が、これらの点間で仮想のねじりの力を生成するようにセットアップされる。このようにして、ポリラインモデルの点間の相互作用をさらに定義する別の制約が点に適用される。
ステップ７では、仮想ねじり剛性が、ポリラインモデルの隣接するポリライン区切りの各対、すなわち互いにすぐ横の（隣接する）点間に割り当てられる。換言すれば、ステップ７では、隣接する点間のねじり剛性制約が、これらの点間で仮想のねじりの力を生成するようにセットアップされる。このようにして、ポリラインモデルの点間の相互作用をさらに定義する別の制約が点に適用される。
【0057】
上記のように、ポリラインモデルは、ケーブルを表現する点の集まりである。ステップ７では、点間の関係の別の特性、具体的にはねじり剛性が設定される。図６は、一実施形態によるケーブルモデル６６０におけるねじり剛性の概念図である。ケーブルモデル６６０は、３つの点６６１ａ～ｃから構成される。ステップ７では、各点６６１ａ～ｃ間のねじり剛性が定義される。また、図６は、点６６１ａ～ｃにそれぞれ関連付けられる零質量球６６７ａ～ｃを示す。
【0058】
例示すると、モデル６６０では、ねじり力６６２ａを点６６１ａに、またねじり力６６２ｂを点６６１ｂに割り当てることによって、点６６１ａと点６６１ｂとの間にねじり等価力対が設定される。さらに、近接ねじり力６６３ａ～ｂが点６６１ａに割り当てられる。これらの追加のねじり力６６３ａ～ｂは、点６６１ａと点６６１ａの前の点との間の力対が一因となる力である。このようにして、ねじり力６６２ａおよびねじり力６６３ａ～ｂは、この革新的な新しい手法で、点６６１ａに対する仮想のばねのねじり６６４ａの物理的性質を効果的に再現することができる。
【0059】
上記のように、ねじり力６６２ａを点６６１ａに、またねじり力６６２ｂを点６６１ｂに割り当てることによって、点６６１ａと点６６１ｂとの間にねじり等価力対が設定される。さらに、点６６１ｂもまた点６６１ｃに隣接しており、ねじり力６６２ｃを点６６１ｂに、またねじり力６６２ｄを点６６１ｃに割り当てることによって、点６６１ｂと点６６１ｃとの間にねじり等価力対が設定される。点６６１ｂについては、点６６１ｂに関連付けられたねじり力６６２ｂ～ｃは、この革新的な新しい手法で、仮想のばねのねじり６６４ｂの物理的性質を効果的に再現することができる。
【0060】
ねじり力６６２ｄを点６６１ｃに、またねじり力６６２ｃを点６６１ｂに割り当てることによって、点６６１ｃと点６６１ｂとの間にねじり等価力対が設定される。また、点６６１ｃには、近接ねじり力６６３ｃ～ｄが割り当てられる。これらの追加のねじり力６６３ｃ～ｄは、点６６１ｃと点６６１ｃの後の点、すなわち図６に示されていない点６６１ｃに隣接する他方の点との間の力対が一因となる力である。点６６１ｃについては、ねじり力６６２ｄおよびねじり力６６３ｃ～ｄは、この革新的な新しい手法で、点６６１ｃに対する仮想のばねのねじり６６４ｃの物理的性質を効果的に再現することができる。
【0061】
ステップ８
ステップ８では、各点についての力が、各点の点質量、各点の零質量球、およびケーブルの現在の形状に基づいて計算される。一実施形態によれば、ステップ８において各点についての力を計算することは、（１）点質量に対する仮想重力を計算すること、（２）点質量の直接隣にあるものの位置に基づいて点質量に対する仮想弾性力を計算すること、（３）以前、現在、および次の仮想点質量の位置に基づいて点質量に対する仮想ねじり等価力対を計算すること、および（４）その点の零質量球と、ロボット製造リソースならびにワークセル環境との間の起こり得る衝突力を計算することを含む。次いで、以下のようにＦ＝ｍａ手法を使用して、力から点の加速度を決定することができる。一実施形態によれば、点質量に対する結果的に得られる加速度は、その点に対する上記の力のすべての総和をその点の質量値で割ったものに等しい大きさのベクトルである。加速度の計算に対するこの非常に効果的な手法は、零質量衝突球と共に零直径点質量を有するケーブルをモデル化するという革新的な手法によって可能にされる。この手法における零直径点質量は、慣性モーメントを有しておらず、したがって、システムの物理的性質は、純粋に点の集まりの線形速度および加速度からなり、角速度および角加速度を説明するために必要とされる追加の複雑さおよび計算を必要とすることがない。
ステップ８では、各点についての力が、各点の点質量、各点の零質量球、およびケーブルの現在の形状に基づいて計算される。一実施形態によれば、ステップ８において各点についての力を計算することは、（１）点質量に対する仮想重力を計算すること、（２）点質量の直接隣にあるものの位置に基づいて点質量に対する仮想弾性力を計算すること、（３）以前、現在、および次の仮想点質量の位置に基づいて点質量に対する仮想ねじり等価力対を計算すること、および（４）その点の零質量球と、ロボット製造リソースならびにワークセル環境との間の起こり得る衝突力を計算することを含む。次いで、以下のようにＦ＝ｍａ手法を使用して、力から点の加速度を決定することができる。一実施形態によれば、点質量に対する結果的に得られる加速度は、その点に対する上記の力のすべての総和をその点の質量値で割ったものに等しい大きさのベクトルである。加速度の計算に対するこの非常に効果的な手法は、零質量衝突球と共に零直径点質量を有するケーブルをモデル化するという革新的な手法によって可能にされる。この手法における零直径点質量は、慣性モーメントを有しておらず、したがって、システムの物理的性質は、純粋に点の集まりの線形速度および加速度からなり、角速度および角加速度を説明するために必要とされる追加の複雑さおよび計算を必要とすることがない。
【0062】
【0063】
ステップ８で実施され得る動作は、点質量に対する仮想弾性力を計算することである。図７は、一実施形態によるケーブルモデル７７０の点質量７７１ａに関連付けられた弾性力７７２ａ～ｄを計算する一例を示す。モデル７７０では、点質量７７１ａと点質量７７１ｂとの間のデフォルトのポリライン距離の変化に比例する、点質量７７１ａと点質量７７１ｂとの間の仮想ばね力７７４ａがある。同様に、点質量７７１ａと点質量７７１ｃとｎ間のデフォルトのポリライン距離の変化に比例する、点質量７７１ａと点質量７７１ｃとの間の仮想ばね力７７４ｂがある。実施形態では、ばね力７７４ａ～ｂは、弾性力の対として表されており、各対の１つの弾性力は、それぞれの点質量に対するものである。一実施形態によれば、力対は、大きさが等しく、隣接する点間の向きに位置合わせされた３Ｄベクトル方向が反対であり、対の１つの力は、隣接する点の対のそれぞれに適用される。力の大きさを計算するときの比例定数は、ケーブルの線形弾性パラメータの値と同じである。図７では、ばね力７７４ａは、弾性力７７２ａ～ｂの対として表されており、弾性力７７２ａは点質量７７１ｂに関連付けられ、弾性力７７２ｂは点質量７７１ａに関連付けられる。さらに、ばね力７７４ｂは、弾性力７７２ｃ～ｄの対として表されており、弾性力７７２ｃは点質量７７１ａに関連付けられ、弾性力７７２ｄは点質量７７１ｃに関連付けられる。モデル７７０では、これらの弾性力対は、各対応する点球に適用される。したがって、図７では、力７７２ｂおよび力７７２ｃは、点７７１ａに適用される。このようにして、実施形態は、点７７１ａに対するばね力７７４ａ～ｂを作成する。一実施形態によれば、力７７２ａ～ｄは、湾曲していることがあるケーブル７７０の長さに沿って完全３Ｄで計算される。これは、７７２ａ～ｂおよび７７２ｃ～ｄなど各力対が、隣接する点の３Ｄにおける場所に基づいて３Ｄでのベクトル方向を有することを暗示し、これらの場所は、シミュレーション時間ステップごとに、そのシミュレーションステップにおける点質量ポリラインの現在の３Ｄ形状に基づいて再計算されることになる。
【0064】
ステップ８で実施され得る別の動作は、点と隣接する点との間のねじり剛性に基づいて、その点に対するねじり力を計算することである。一実施形態によれば、点に対する、剛性によって誘導されるねじりモーメントは、この革新的な新しい手法で、ポリラインモデルの点に対するねじり等価力の対によって効果的に再現することができる。図８は、一実施形態によるケーブルモデル８８０の一部である点８８１ａに対するねじりモーメント８８３を計算する一例を示す。モデル８８０については、各球８８１ａ～ｃは、各点質量と近接点質量との間の初期の零度直線位置合わせからの３Ｄ角度の変化に比例する仮想ねじりを生成する。ねじりモーメントの大きさを計算するときの比例定数は、ケーブルのねじり剛性パラメータの値と同じである。たとえば、図８では、点質量８８１ａと、近接点質量８８１ｂおよび点質量８８１ｃとの間のねじりモーメント８８３は、所望のねじりモーメント８８３が力８８４ａまたは力８８４ｂの大きさを点質量８８１ｂと点質量８８１ａとの間の距離倍したものに等しくなるように、それぞれ点質量８８１ａ～ｂに対する力８８４ａ～ｂの対として再現される。この実装では、力対８８４ａ～ｂは、点質量８８１ａ～ｂに適用することができる。具体的には、力８８４ａは、点質量８８１ａに適用され、力８８４ｂは、点質量８８１ａに適用される。同様に、力８８４ｃは、点質量８８１ａに適用され、力８８４ｄは、点質量８８１ｃに適用される。そのような実施形態については、力ベクトルは、ケーブル８８０の長さに沿って完全３Ｄで計算され得る。一実施形態によれば、ねじり等価力のベクトル方向は、点とその隣接する点との間の３Ｄベクトル方向に対して直交する。これは、８８４ａ～ｂおよび８８４ｃ～ｄなど各力対が、隣接する点の３Ｄにおける場所に基づいて３Ｄでのベクトル方向を有することを暗示し、これらの場所は、シミュレーション時間ステップごとに、そのシミュレーションステップにおける点質量ポリラインの現在の３Ｄ形状に基づいて再計算されることになる。
【0065】
ステップ９
ステップ９は、シミュレーションの１つの時間ステップについて、前述の仮想ケーブルシステムの物理的性質（加速度および速度）を積分する。各点質量について３Ｄ加速度ベクトルを積分することにより、その点質量について３Ｄ速度ベクトルが決定され、これらの点について３Ｄ速度ベクトルを積分することは、ケーブルのこれらの点の３Ｄ位置ベクトルが決定されることを可能にする。このようにして、各点質量における力のシステムによって作り出される加速度は、各点質量についての新しい３Ｄ位置の場所に変化し、これは、時間ステップの終わりにおいて新しい仮想ケーブル形状をもたらす。加速度ベクトルおよび速度ベクトルの積分は、各シミュレーション時間ステップの持続時間について行われる。次いで、ポリライン点についての位置ベクトルの結果的に得られる集まりは、時間ステップの終わりにおける各点の３次元空間内の位置に基づいてケーブル形状を指定することが可能である。
ステップ９は、シミュレーションの１つの時間ステップについて、前述の仮想ケーブルシステムの物理的性質（加速度および速度）を積分する。各点質量について３Ｄ加速度ベクトルを積分することにより、その点質量について３Ｄ速度ベクトルが決定され、これらの点について３Ｄ速度ベクトルを積分することは、ケーブルのこれらの点の３Ｄ位置ベクトルが決定されることを可能にする。このようにして、各点質量における力のシステムによって作り出される加速度は、各点質量についての新しい３Ｄ位置の場所に変化し、これは、時間ステップの終わりにおいて新しい仮想ケーブル形状をもたらす。加速度ベクトルおよび速度ベクトルの積分は、各シミュレーション時間ステップの持続時間について行われる。次いで、ポリライン点についての位置ベクトルの結果的に得られる集まりは、時間ステップの終わりにおける各点の３次元空間内の位置に基づいてケーブル形状を指定することが可能である。
【0066】
ステップ１０
続行して、ケーブル端の位置および向きは、ステップ９中に決定された場所、およびシミュレーションの次の時間ステップのための準備中のロボット製造リソースのプランニングされた運動学的な動きに基づいて更新される。ロボット製造リソースのプランニングされた運動学的な動きは、その駆動制御プログラムにおいて指定されたその特定のロボットリソースの運動学的定義およびモーションプランニングアルゴリズムに基づいて計算されたシミュレーションの各時間ステップにおける、関連付けられたロボット製造リソースの各剛体リンクの位置および向きによって定義される。
続行して、ケーブル端の位置および向きは、ステップ９中に決定された場所、およびシミュレーションの次の時間ステップのための準備中のロボット製造リソースのプランニングされた運動学的な動きに基づいて更新される。ロボット製造リソースのプランニングされた運動学的な動きは、その駆動制御プログラムにおいて指定されたその特定のロボットリソースの運動学的定義およびモーションプランニングアルゴリズムに基づいて計算されたシミュレーションの各時間ステップにおける、関連付けられたロボット製造リソースの各剛体リンクの位置および向きによって定義される。
【0067】
ステップ１１
次いで、ステップ１１では、それら自体のプログラムを実行していることがあり、シミュレーションされている仮想ケーブルと相互作用（たとえば、衝突または拘束）し得る機械、工具、またはリソースの追加の運動学的な動きで、シミュレーションにおける仮想ワークセル環境が更新される。
次いで、ステップ１１では、それら自体のプログラムを実行していることがあり、シミュレーションされている仮想ケーブルと相互作用（たとえば、衝突または拘束）し得る機械、工具、またはリソースの追加の運動学的な動きで、シミュレーションにおける仮想ワークセル環境が更新される。
【0068】
ステップ１２
ステップ１２では、全体的な製造シミュレーションの持続時間の各時間ステップについて、開始から終了へ進むにつれて、ステップ８、９、１０、および１１が繰り返される。このようにして、そのような実施形態は、全体的な製造プロセスをシミュレーションすることができる。
ステップ１２では、全体的な製造シミュレーションの持続時間の各時間ステップについて、開始から終了へ進むにつれて、ステップ８、９、１０、および１１が繰り返される。このようにして、そのような実施形態は、全体的な製造プロセスをシミュレーションすることができる。
【0069】
一実施形態によれば、各シミュレーション時間ステップについて、（１）純粋な運動学およびモーションプランニングに基づいて、ロボットリンクが最初に動かされ、（２）次いで、このロボットの動きは、ケーブル端位置の変化（および潜在的なケーブルの長さに沿った制約または起こり得るケーブル衝突）を暗示し、（３）変化したケーブル端位置（ならびに制約および衝突）は、ケーブルの最初の始点およびケーブルの最後の終点（および制約または衝突によって影響を受ける任意の中間ケーブル点）に対して力を生成させ、（４）これらの「外部」のケーブル取付け端力（ならびに制約力および衝突力）の組合せは、重力、線形弾性、およびねじり剛性によって生成されるケーブル「内部」の力と共に、すべて一緒に、ありとあらゆるケーブル点に対する加速度の和を作り出し、（５）各点の総３Ｄベクトル加速度が、１回目は３Ｄ速度を得るために、２回目は点の３Ｄ位置を決定するために２回積分される。この手法は、力ならびに加速度および速度が、慣性モーメント行列または角加速度および角速度の追加の３次元なく、３Ｄ点に制限されるので、計算量が非常に少ない。
【0070】
上記のように、実施形態は、ユーザーが、シミュレーションされるケーブルの剛性を定義することを可能にする。図９は、実施形態に従って定義される剛性を有するケーブル９９１を有するロボットのモデル９９０を示す。
【0071】
実施形態では、ケーブル剛性は、ユーザーによって指定された最小（零剛性は、カテナリ曲線に対応する）からユーザーによって指定された最大まで変わり得る。図１０Ａ～Ｃは、それぞれが異なる剛性を有するケーブル１０１１ａ～ｃを有する製造リソースのモデル１０１０を表す。図１０Ａでは、ケーブル１０１１ａは、１０１２ａで割り当てられた１００％剛性を有する。図１０Ｂでは、ケーブル１０１１ｂは、１０１２ｂで割り当てられた５０％剛性を有し、図１０Ｃでは、ケーブルは、１０１２ｃで割り当てられた０％剛性を有する。図１０Ｃでわかるように、０％の剛性は、望ましいように、カテナリの形状をもたらす。
【0072】
実施形態は、インタラクティブなシミュレーション、すなわちシミュレーション条件をオンザフライでリアルタイムに変更することを可能にしながら、製造リソースに関連付けられたケーブルの物理的性質を現実的にシミュレーションする。実施形態は、製造リソースに関連付けられたケーブルについて、剛性、弾性、重力、および環境障害物衝突を正確にモデル化する。図１１Ａ～Ｇは、実施形態を使用してシミュレーションされ得る製造リソース１１０１およびケーブル１１０２の様々な製造リソース構成１１００ａ～ｇを示す。図１１Ａにおける構成１１００ａは、開始位置におけるケーブル１１０２を有する製造リソース１１０１を示す。図１１Ｂは、ケーブル１１０２を有するロボット１１０１が右から左へ水平にロボット工具中心点（ＴＣＰ）平行移動を受けた構成１１００ｂを示す。図１１Ｃは、ケーブル１１０２を有するロボット１１０１が４５度のロボット工具中心点回転を受けた構成１１００ｃを示す。図１１Ｄは、ケーブル１１０２を有するロボット１１０１が１８０度のロボット工具中心点回転を受けた構成１１００ｄを示す。同様に、図１１Ｅは、ケーブル１１０２を有するロボット１１０１が３００度のロボット工具中心点回転を受けた構成１１００ｅを示し、図１１Ｆは、ケーブル１１０２を有するロボット１１０１が４００度のロボット工具中心点回転を受けた構成１１００ｆを示す。さらに、図１１Ｇは、ケーブル１１０２を有するロボット１１０１が４５０度のロボット工具中心点回転を受けた構成１１００ｇを示す。図１１Ａ～Ｇは、実施形態を使用してシミュレーションされ得る一連の動きを示す。たとえば、各構成１１００ａ～ｇは、ある時間ステップ中のロボット１１０１を表現し、実施形態は、図１１Ａ～Ｇに示されている各時間ステップの終わりにおけるケーブル１１０２の位置を決定することができる。図１１Ａ～Ｇは、重力、弾性、剛性、および障害物衝突貫通回避を含む所望のケーブル挙動を示す例示的な一実施形態を示す。
【0073】
実施形態は、ケーブルをモデル化するために仮想化された慣性、剛性、減衰、および挙動間の衝突回避を有するポリラインを実装することによって、ケーブルを有するリソースの高性能な動的シミュレーションを提供する。本発明の方法およびシステムシミュレーション実施形態は、改善された計算効率、ならびに製造リソースおよび環境に対する実世界調整を可能にする結果を提供する。
【0074】
本発明の実施形態は、製造リソースアプリケーションのためにフレキシブルケーブルシミュレーションを仮想化するための新しい手法を提供する。そのようなアプリケーションでは、ケーブルは、典型的には、動くロボットに取り付けられたスポット溶接ガンなど製造リソースエンドエフェクタに電力および制御信号を搬送する電気および空気ケーブルの束を含むフレキシブルな管状ホースである。実施形態は、フレキシブルケーブルを障害物接触および貫通回避のための非零衝突寸法を有する点質量のポリラインとしてモデル化およびシミュレーションする。そのようなポリライン手法は、製造リソースと共に使用されるフレキシブルケーブル束の動的な挙動をシミュレーションするための実質的な計算性能改善を提供し、このタイプの製造シミュレーションに望ましいインタラクティブなシミュレーションを可能にする。具体的には、実施形態は、シミュレーションエンジニアが、シミュレーションソフトウェアにおける製造プロセスプランを微調整するようにロボット標的およびロボットモーションプログラムをリアルタイム修正することができる機能性を可能にする。そのようなポリラインモデルは、通常不十分である。なぜなら、既存のポリラインは、有用な予測製造シミュレーションに必要である、ケーブル剛性ベースの形状の考慮も張力および障害物衝突挙動も含まないからである。しかし、実施形態は、ケーブル弾性、およびポリラインに沿った点質量の非零衝突寸法と共に、現実的な挙動を提供する際に非常に効果的かつ効率的である新しい概念的な仮想形状化剛性を含むことによってこの問題を解決する革新的な手法を提供する。この革新的な手法を用いて、代わりにポリラインの各点におけるねじり等価力の対を生成することによって、ポリラインモデルの各点に対して予想されるねじりモーメントを再現することにより、ケーブル剛性の物理的性質がシミュレーションされる。これは、インタラクティブなシミュレーション性能を提供しながら、実施形態が製造アプリケーションのためのケーブル形状を予測することを可能にする。
【0075】
例示的な一実施形態は、ケーブルの３Ｄポリラインモデルを作成し、ポリラインの各点に仮想点質量を割り当てる。次いで、ユーザー入力のケーブル直径に対応する寸法を有する零質量球が各点に関連付けられる。続行して、各点質量に対する仮想重力、各点質量に対する仮想弾性力、各点質量に対する仮想ねじり等価力対、零質量球と障害物との間の起こり得る衝突力が、すべて計算される。これらの計算された力は、時間ステップについて点質量の加速度を決定するために処理され、加速度は、各点質量において力のシステムによって作り出される加速度が各点質量についての新しい３Ｄ位置の場所を決定するために使用されるように、シミュレーションの時間ステップについて２回積分される。これらの新しい場所は、シミュレーション時間ステップの終わりにおいて新しい仮想ケーブル形状をもたらす。
【0076】
図１２は、本明細書に記載の本発明の任意の様々な実施形態によるケーブルを含む製造リソースをシミュレーションするために使用され得るコンピュータベースのシステム１２２０の単純化されたブロック図である。システム１２２０は、バス１２２３を備える。バス１２２３は、システム１２２０の様々な構成要素間の相互接続として働く。バス１２２３には、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ディスプレイ、スピーカなど、様々な入力および出力デバイスをシステム１２２０に接続するために、入力／出力デバイスインターフェイス１２２６が接続される。中央処理装置（ＣＰＵ）１２２２がバス１２２３に接続され、コンピューター命令を実行する。メモリー１２２５は、コンピューター命令を実施するために使用されるデータのための揮発性ストレージを提供する。ストレージ１２２４は、オペレーティングシステム（図示せず）などソフトウェア命令のための不揮発性ストレージを提供する。また、システム１２２０は、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）およびローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を含む、当技術分野で知られている任意の様々なネットワークに接続するためにネットワークインターフェイス１２２１を備える。
【0077】
本明細書に記載の例示的な実施形態は、多数の異なる仕方で実装され得ることを理解されたい。いくつかの例では、本明細書に記載の様々な方法および機械はそれぞれ、図１３に関連して下記に記載されているコンピュータシステム１２２０など物理的、仮想、またはハイブリッド汎用コンピューター、またはコンピューター環境１３３０などコンピュータネットワーク環境によって実装されてよい。コンピュータシステム１２２０は、たとえば、方法１００を実装するソフトウェア命令を、ＣＰＵ１２２２によって実行するためにメモリー１２２５または不揮発性ストレージ１２２４にロードすることによって、本明細書に記載の方法を実行する機械に変換されてもよい。当業者なら、システム１２２０およびその様々な構成要素は、本明細書に記載の本発明の任意の実施形態または実施形態の組合せを実施するように構成され得ることをさらに理解するはずである。さらに、システム１２２０は、システム１２２０に内部で、または外部から動作可能に結合されたハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアモジュールの任意の組合せを利用して、本明細書に記載の様々な実施形態を実装してよい。
【0078】
図１３は、本発明の実施形態が実装され得るコンピュータネットワーク環境１３３０を示す。コンピュータネットワーク環境１３３０では、サーバー１３３１は、ネットワーク１３３２を通じてクライアント１３３３ａ～ｎにリンクされる。環境１３３０は、クライアント１３３３ａ～ｎが単独で、またはサーバー１３３１との組合せで、本明細書に記載の実施形態のいずれかを実行することを可能にするために使用され得る。非限定的な例として、コンピュータネットワーク環境１３３０は、クラウドコンピューティング実施形態、ソフトウェアアズサービス（ＳＡＡＳ）実施形態などを提供する。
【0079】
実施形態またはその態様は、ハードウェア、ファームウェア、またはソフトウェアの形態で実装され得る。ソフトウェアで実装される場合、そのソフトウェアは、プロセッサーがそのソフトウェアまたはその命令のサブセットをロードすることを可能にするように構成されている任意の非一時的なコンピューター可読媒体上に記憶されてもよい。次いで、プロセッサーは、その命令を実行し、本明細書に記載されているように装置を操作する、または動作させるように構成される。
【0080】
さらに、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、または命令は、本明細書では、データプロセッサのいくつかのアクションおよび／または機能を実施するものとして記載されていることがある。しかし、本明細書に含まれているそのような説明は、便宜的なものにすぎないこと、およびそのようなアクションは、実際、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、命令などを実行するコンピューティングデバイス、プロセッサー、コントローラ、または他のデバイスに起因することを理解されたい。
【0081】
フロー図、ブロック図、およびネットワーク図は、より多くの、またはより少ない要素を含んでもよく、異なるように配置されてもよく、異なるように表現されてもよいことを理解されたい。しかし、いくつかの実装は、実施形態の実行を示すブロック図およびネットワーク図ならびにブロック図およびネットワーク図の数が特定の仕方で実装されることを示し得ることをさらに理解されたい。
【0082】
したがって、様々なコンピュータアーキテクチャ、物理的、仮想、クラウドコンピュータ、および／またはそれらの何らかの組合せで、さらなる実施形態が実装されてもよく、したがって、本明細書に記載のデータプロセッサは、例示のためのものとして意図されているにすぎず、実施形態を限定するものとしては意図されていない。
【0083】
本明細書に記載のすべての特許、公開出願、および参照の教示は、それらの全体が参照により組み込まれている。
【0084】
例示的な実施形態が特に示され記載されているが、当業者には、添付の特許請求の範囲によって包含されるそれらの実施形態の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更がなされ得ることが理解されよう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図11F】
【図11G】
【図12】
【図13】