JP5959398B2 - 剛体多体系の運動方程式導出装置および剛体多体系の運動方程式導出方法 - Google Patents
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特許文献1に記載された従来の剛体多体系の運動方程式導出装置では、当該システムの一般化力を、各剛体に作用する外力ベクトルと当該剛体の部分速度との内積、および各剛体の質量中心まわりに作用する外モーメントベクトルと当該剛体の部分角速度との内積を全剛体について加算して導出している。このため、運動方程式の導出に必要な計算量が増加するという課題があった。
図1は、本発明の実施の形態1で説明する機械システムにおける剛体連結構成例を示す構成図である。図1に示すように、一般に機械システム10は、設置土台をベースとして、複数の剛体1〜剛体8が連結して構成された剛体多体系としてモデル化することができる。
(1)剛体kに関する剛体固定枠
(1−1)枠k:剛体kの慣性主軸に固定した慣性主軸剛体固定枠
(1−2)枠kl:剛体kと剛体lとの連結部を規定し、剛体kに固定した連結部剛体固定枠
(2)剛体lに関する剛体固定枠
(2−1)枠l:剛体lの慣性主軸に固定した慣性主軸剛体固定枠
(2−2)枠lk:剛体kと剛体lとの連結部を規定し、剛体lに固定した連結部剛体固定枠
(3)剛体kに対する剛体lの相対変位
(3−1)相対並進変位tkl=[xkl ykl zkl]T
:連結部剛体固定枠klで表現した、連結部剛体固定枠klに対する連結部剛体固定枠lkの相対並進変位代数ベクトル
(3−2)相対回転変位θkl=[θXkl θYkl θZkl]T
:オイラー角で表現した、連結部剛体固定枠klに対する連結部剛体固定枠lkの相対回転変位
・機械システム10を構成する全剛体数nb(図1ではnb=8に相当する)
・設置土台となるベースを剛体0として、剛体1→剛体nbの順に、各剛体のベース側接続剛体番号を定義した剛体接続元ベクトルBody_to_Base(図1ではBody_to_Base=[0 1 2 3 4 3 1 7]に相当する)
を用いて、剛体多体系を構成する各剛体に対して、先端側に接続された全ての剛体を導出し、剛体連結構成行列Connected_Bodysとして出力する。
図1に示すように、対象とする機械システム10に関して、設計者は、設置土台をベース(剛体0)とし、複数の剛体が連結して構成された剛体多体系として機械システム10をモデル化する。この際、複数の剛体に割り付けるそれぞれの剛体番号を、ベースから先端に向かって増加するように、剛体1、剛体2、・・・と定義する。
・全剛体数nb
・剛体接続元ベクトルBody_to_Base
を用いて、剛体多体系を構成する各剛体に対して、先端側に接続された全ての剛体を導出し、剛体連結構成行列Connected_Bodysとして出力する。
・剛体kに対する剛体lの相対回転変位θkl=[θXkl θYkl θZkl]T
を用いて、剛体多体系を構成する各剛体の剛体連結部における変換行列として、連結部剛体固定枠klから連結部剛体固定枠lkへの座標変換行列Alk、klを、下式(5)で導出する。
・剛体質量ml
・剛体慣性テンソルCIl、l
・剛体kに対する剛体lの相対並進変位tkl
・剛体kに対する剛体lの相対回転変位θkl
・変換行列Al、lkおよびAkl、k
・剛体構成rl l、lkおよびrk k、kl
と、変換行列導出部13で導出された座標変換行列Alk、klおよびGklを用いて、はじめに剛体多体系を構成する剛体l(l=1〜nb)に関して、慣性基準枠Oに対する慣性主軸剛体固定枠lの角速度代数ベクトルωl Ol(慣性主軸剛体固定枠l表現)を、ベース側から先端側に向かって剛体l=1、2、3・・・の順に、下式(8)で導出する。
・剛体kに対する剛体lの相対並進変位tkl
・変換行列Al、lkおよびAkl、k
・剛体構成rl l、lkおよびrk k、kl
・剛体駆動力fkl、klおよび剛体外力fl、O
・剛体駆動トルクnkl、klおよび剛体外モーメントnl、O
と、剛体連結構成導出部12で導出された剛体連結構成行列Connected_Bodysと、変換行列導出部13で導出された座標変換行列Alk、klおよびGklを用いて、はじめに剛体多体系を構成する剛体l(l=1〜nb)に関して、ベース側からの剛体連結構成を剛体j→剛体k→剛体lとして、ベース側から先端側に向かって剛体l=1、2、3・・・の順に、下式(15)〜(17)で与えられる座標変換行列を導出する。
・剛体kに対する剛体lの相対並進変位tkl
・剛体kに対する剛体lの相対回転変位θkl
と、慣性力・慣性トルク導出部14で導出した各剛体の質量中心速度代数ベクトルvl Ol、および角速度代数ベクトルωl Olを用いて、はじめに相対並進変位tklに対応する一般化スピードut、および相対回転変位θklに対応する一般化スピードurを、それぞれ下式(23)、(24)で導出する。
本実施の形態2では、一般化慣性力導出部17の機能を詳細に説明する。
図1に示すような機械システム10に関して、設計者によるモデル化の方法は、先の実施の形態1と同一である。
先端側接続剛体mに対する全ての先端側接続剛体、つまりConnected_Bodys[:、m]における全ての非ゼロ要素lについて、剛体iの相対並進運動に対応する部分速度のうち剛体lに対応する項である下式(38)
先端側接続剛体mに対する先端側接続剛体が存在せず、上式(37)が成立する。
先端側接続剛体mに対する全ての先端側接続剛体、つまりConnected_Bodys[:、m]における全ての非ゼロ要素lについて、剛体iの相対回転運動に対応する部分角速度のうち剛体lに対応する項である下式(44)
本実施の形態3では、所定剛体の相対並進運動および相対回転運動に微小量が含まれる場合に、運動方程式導出に必要な計算量、および導出した運動方程式の記述量の低減を図る場合について詳細に説明する。なお、この「微小量」とは、所定量以下の変位量を意味している。
図1に示すような機械システム10に関して、設計者によるモデル化の方法は、先の実施の形態1と同一である。また、図2に示す剛体連結構成導出部12、および変換行列導出部13における処理内容も、先の実施の形態1と同一である。
Claims (10)
- 各剛体の接続構成が開ループ構成となる機械システムに対して、設計者が当該機械システムを剛体多体系としてモデル化した際に、モデル構成を定義づけて入力するための手段である剛体多体系構成定義部と、
前記剛体多体系構成定義部で定義された前記モデル構成に基づいて、各剛体の連結構成を導出する剛体連結構成導出部と、
前記剛体多体系構成定義部で定義された前記モデル構成に基づいて、剛体連結部で相互に連結される剛体間の相対回転変位から,前記剛体間の相対回転姿勢を規定する座標変換行列と,前記剛体間の相対回転速度を相対角速度に変換する第1変換行列とを、剛体連結部における変換行列として導出する変換行列導出部と、
前記剛体多体系構成定義部で定義された前記モデル構成、および前記変換行列導出部で導出された前記剛体連結部における変換行列に基づいて、各剛体の質量中心速度、角速度、慣性力、および質量中心まわりの慣性トルクを導出する慣性力・慣性トルク導出部と、
前記剛体多体系構成定義部で定義された前記モデル構成、前記剛体連結構成導出部で導出された前記各剛体の連結構成、および前記変換行列導出部で導出された前記剛体連結部における変換行列に基づいて、各剛体の一般化力を導出する一般化力導出部と、
前記剛体多体系構成定義部で定義された前記モデル構成、および前記慣性力・慣性トルク導出部で導出された各剛体の前記質量中心速度と前記角速度に基づいて、各剛体の部分速度および部分角速度を導出する部分速度・部分角速度導出部と、
前記剛体連結構成導出部で導出された前記各剛体の連結構成、前記慣性力・慣性トルク導出部で導出された各剛体の前記慣性力および前記質量中心まわりの慣性トルク、前記一般化力導出部で導出された前記各剛体の一般化力、および前記部分速度・部分角速度導出部で導出された各剛体の前記部分速度および前記部分角速度に基づいて、各剛体の一般化慣性力および運動方程式を導出する一般化慣性力導出部と
を備えることを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記剛体連結構成導出部は、所定剛体に対して先端側に接続された全ての剛体を導出することで、前記各剛体の連結構成を導出する
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1または2に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記一般化力導出部は、
所定剛体lと、前記所定剛体lが接続されているベース側剛体kとの剛体連結部を規定し、
かつ前記ベース側剛体kに固定された連結部剛体固定枠klに対して、
前記ベース側剛体kから前記剛体連結部を介して前記所定剛体lへ作用する駆動力の前記連結部剛体固定枠klによる表現を駆動力項とし、
前記所定剛体lおよび前記所定剛体lに対して先端側に接続された全ての剛体に関して、各剛体の質量中心に作用する外力の和の前記連結部剛体固定枠klによる表現を外力項とし、
前記駆動力項と前記外力項との和を、前記所定剛体lの並進運動に対応する一般化力として導出する
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記一般化力導出部は、
所定剛体lと、前記所定剛体lが接続されているベース側剛体kとの剛体連結部を規定し、
かつ前記ベース側剛体kに固定された連結部剛体固定枠klと、所定剛体lに固定された連結部剛体固定枠lkに対して、
前記ベース側剛体kから前記剛体連結部を介して前記所定剛体lへ作用する駆動トルクの前記連結部剛体固定枠klによる表現を駆動トルク項とし、
前記所定剛体lおよび前記所定剛体lに対して先端側に接続された全ての剛体に関して、各剛体の質量中心に作用する外モーメントの和の前記連結部剛体固定枠klによる表現を外モーメント項とし、
前記所定剛体lおよび前記所定剛体lに対して先端側に接続された全ての剛体に関して、各剛体の質量中心に作用する外力による、前記連結部剛体固定枠lkの原点に対するモーメントの和の前記連結部剛体固定枠klによる表現を外力項として、
前記駆動トルク項、前記外モーメント項、および前記外力項の和に対して、前記変換行列導出部で導出された前記剛体連結部における変換行列のうち、前記剛体間の相対回転速度を相対角速度に変換する前記第1変換行列を作用させたものを、前記所定剛体lの回転運動に対応する一般化力として導出する
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記一般化慣性力導出部は、所定剛体の相対並進運動に対応する部分速度と、前記所定剛体に対して先端側に接続された先端側剛体の相対並進運動に対応する部分速度とにおいて、前記所定剛体の相対並進運動に対応する部分速度のうち先端側剛体に対応する項と、前記先端側剛体の相対並進運動に対応する部分速度とが一致する場合に、並進運動に関して前記所定剛体の運動方程式から先端側剛体の運動方程式を減じたものを、前記所定剛体の運動方程式として導出する
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
一般化慣性力導出部は、所定剛体の相対回転運動に対応する部分角速度と、前記所定剛体に対して先端側に接続された先端側剛体の相対回転運動に対応する部分角速度とにおいて、前記所定剛体の相対回転運動に対応する部分角速度のうち先端側剛体に対応する項と、前記先端側剛体の相対回転運動に対応する部分角速度とが一致する場合に、回転運動に関して前記所定剛体の運動方程式から先端側剛体の運動方程式を減じたものを、前記所定剛体の運動方程式として導出する
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記慣性力・慣性トルク導出部は、所定剛体の相対並進運動および相対回転運動に微小量が含まれる場合に、各剛体の前記質量中心速度、前記角速度、前記慣性力、および前記質量中心まわりの慣性トルクを導出するに当たって、当該微小量に関する2次以上の項を消去することで、線形化を行う
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記一般化力導出部は、所定剛体の相対並進運動および相対回転運動に微小量が含まれる場合に、前記各剛体の一般化力を導出するに当たって、当該微小量に関する2次以上の項を消去することで、線形化を行う
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の剛体多体系の運動方程式導出装置において、
前記一般化慣性力導出部は、所定剛体の相対並進運動および相対回転運動に微小量が含まれる場合に、各剛体の一般化慣性力を導出するに当たって、当該微小量に関する2次以上の項を消去することで、線形化を行う
ことを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出装置。 - 各剛体の接続構成が開ループ構成となる機械システムを設計者が剛体多体系としてモデル化し、当該モデルの構成を入力することで、ケイン法に基づいて自動的に当該システムの運動方程式を導出する剛体多体系の運動方程式導出装置に用いられる剛体多体系の運動方程式導出方法であって、
前記機械システムに対して、設計者が当該機械システムを剛体多体系としてモデル化した際に、モデル構成を定義づけて入力する剛体多体系構成定義ステップと、
前記剛体多体系構成定義ステップで定義された前記モデル構成に基づいて、各剛体の連結構成を導出する剛体連結構成導出ステップと、
前記剛体多体系構成定義ステップで定義された前記モデル構成に基づいて、剛体連結部で相互に連結される剛体間の相対回転変位から,前記剛体間の相対回転姿勢を規定する座標変換行列と,前記剛体間の相対回転速度を相対角速度に変換する第1変換行列とを、剛体連結部における変換行列として導出する変換行列導出ステップと、
前記剛体多体系構成定義ステップで定義された前記モデル構成、および前記変換行列導出ステップで導出された前記剛体連結部における変換行列に基づいて、各剛体の質量中心速度、角速度、慣性力、および質量中心まわりの慣性トルクを導出する慣性力・慣性トルク導出ステップと、
前記剛体多体系構成定義ステップで定義された前記モデル構成、前記剛体連結構成導出ステップで導出された前記各剛体の連結構成、および前記変換行列導出ステップで導出された前記剛体連結部における変換行列に基づいて、各剛体の一般化力を導出する一般化力導出ステップと、
前記剛体多体系構成定義ステップで定義された前記モデル構成、および前記慣性力・慣性トルク導出ステップで導出された各剛体の前記質量中心速度と前記角速度に基づいて、各剛体の部分速度および部分角速度を導出する部分速度・部分角速度導出ステップと、
前記剛体連結構成導出ステップで導出された前記各剛体の連結構成、前記慣性力・慣性トルク導出ステップで導出された各剛体の前記慣性力および前記質量中心まわりの慣性トルク、前記一般化力導出ステップで導出された前記各剛体の一般化力、および前記部分速度・部分角速度導出ステップで導出された各剛体の前記部分速度および前記部分角速度に基づいて、各剛体の一般化慣性力および運動方程式を導出する一般化慣性力導出ステップと
を備えることを特徴とする剛体多体系の運動方程式導出方法。
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JP2012224753A JP5959398B2 (ja) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | 剛体多体系の運動方程式導出装置および剛体多体系の運動方程式導出方法 |
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