JPH05204430A - 数値制御プログラム作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】動力学に基づいた数値制御プログラム作成方法
を提供する。 【構成】実際の人間の動きを分析し、分析の結果得られ
た人体の実際の動きを解析して得られる関節に加えられ
る力とトルク等の知識を用いて、プログラマの希望する
新しい動作についてのプログラムを設計する。本発明の
方法は、動力学、制約条件、逆動力学の３つの段階に分
かれており、第１番目の動力学の段階では、機械の各要
素を区別してその動きを動力学方程式の形で取り出す。
第２番目の制約条件の段階では、要素の相互結合関係及
びそれぞれの動きの範囲を含む制約条件をチェックす
る。第３番目の逆動力学の段階では、これらの制約条件
によりチェックされた動き及び力を動力学方程式を用い
て計算し、この動きや力などの結果を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、数値制御プログラムに
より工作機械等を制御する数値制御方法に関するもので
ある。

【従来の技術】

【０００２】工作機械において予め作成しておいた数値
制御プログラムにしたがって機械が自動的に工作を行う
数値制御技術が普及している。この数値制御技術におい
て、最近は計算機援用設計（ＣＡＤ）方式により設計を
行い、計算機援用生産（ＣＡＭ）方式により生産を行う
計算機援用（ＣＡＥ）システムあるいは計算機統合生産
（ＣＩＭ）システムと呼ばれる複合システムが増えてき
ている。

【０００３】これらの数値制御プログラムは、熟練した
人間の技能において重要な位置を占める加工の方向、加
える力の大きさあるいは速度等の加工方法に関する事項
については規定されていないため、数値制御技術によっ
ては加工の方向、加える力の大きさあるいは加工速度等
が重要な意味を有するいわゆる名人芸的な加工をするこ
とはできず、比較的単純な作業にしか用いることができ
なかった。

【０００４】また、数値制御プログラムの作成には使い
やすい対話形式によりリアルタイムに応答する方法が望
ましいにもかかわらず、従来の数値制御プログラム作成
においては動作シミュレーションによる内容確認及び作
業現場での微調整が必要であるため、プログラミング作
業は複雑であり対話形式のみによって行うことはできな
かった。

【０００５】そして、名人芸的な作業を数値制御によっ
て行うためには、人間の動作を解析しその結果得られた
知識に基づいて制御プログラムを作成する必要がある
が、従来は作成者の直観により得られた不正確な知識を
用いているため、得られるプログラムは必ずしも合理的
なものとはいい難い。また、動作の解析及び設計を行う
ために用いる力学も位置，速度，加速度のみを用いる運
動学によるものであるため不正確なものになりがちであ
る。そのため、従来の方法によっては新規な数値制御プ
ログラムをコンピュータのみによって作成することは困
難であった。

【０００６】物体の運動を論じる方法として、位置・速
度及び加速度を用いる運動学の他に物体の運動を力との
関係で論じる動力学と呼ばれる方法がある。この方法を
数値制御プログラム作成に用いれば少ない操作で複雑な
動きをプログラムすることができる。また、この動力学
を用いた数値制御プログラム作成方法によれば、もう一
つの大きな長所すなわち運動学を用いた数値制御プログ
ラム作成方法では不可能な新規なプログラムを作成する
ことができる。

【０００７】このように、物体の運動を力との関係で論
じる動力学的方法を用いれば少ない操作により複雑な動
きをプログラムすることができる。しかし、動力学的方
法においては慣性モーメント、重心、摩擦、弾性等の計
量が困難なデータが必要であるため、動力学を数値制御
プログラミングに用いるのは困難であった。

【０００８】また、この方法はｎを数値制御プログラム
において動きの最小単位の数とした場合の計算量Ｏ（ｆ
（ｎ））がｎ^４の関数Ｏ（ｎ^４）であり計算量が多いた
め、コンピュータによる計算が高くつくという理由で実
用的ではない。

【０００９】一方、計算量がｎの関数Ｏ（ｎ）である計
算を用いた動力学的方法もあるが、この方法は軸の回り
の回転がない時にのみ成立する。したがって、軸の回り
の回転がある場合にはこの方法を用いることはできな
い。

【００１０】このように、これまでの数値制御プログラ
ミング作業は試行錯誤により行わざるをえず対話形式に
よるリアルタイムに応答するものではなかった。そこ
で、本発明においては複雑な作業にも対応することがで
きる新しい動力学数値制御プログラム作成方法を提案す
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては実際
の人間の動きを動力学的に解析することによって得られ
た人間の動きについての知識を用いて工作機械の新しい
動きを作成することのできる新しい数値制御プログラミ
ング作成方法を提案する。すなわち、本発明は試行錯誤
あるいはプログラマの直感によることなく、コンピュー
タを用いて対話形式により数値制御プログラムを作成す
る方法を提供することを課題とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の動力学を用いる数値制御プログラム作成方
法においては、最初に人間の基本的な動きを解析する。
そのために、人体のそれぞれの関節に発生する力及びト
ルクを含む動的パラメータのデータを人体の基本的な動
きに関する知識としてデータベースに入力しておく。

【００１３】次に、プログラマはデータベースにアクセ
スし、得られたデータを加工するが、コンピュータは制
約条件を制約された動きの形で、逆動力学の結果を力の
形でリアルタイムでプログラマにフィードバックし、満
足の行く結果が得られるまでこの過程を繰り返すことに
より、動きを対話形式により設計する。

【００１４】この動力学を用いる数値制御プログラム作
成方法の計算量はｎの関数Ｏ（ｎ）であり、従来の方法
に存在したコンピュータによる計算が高くつくという問
題を解決している。また、試行錯誤あるいはプログラマ
の直感によることなく、対話形式により実行することが
できる数値制御プログラム作成方法を提供することがで
きる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を用いて本願発明の実施例につい
て説明する。図１に本発明のフローチャートを示すが、
このフローチャートは １．人体モデルを作成 ２．人間の実際の動作を入力 ３．入力された動作を解析 ４．動作の設計 ５．動力学の適用 ６．制約条件の適用 ７．逆動力学の適用 ８．結果を表示 の各段階から構成されている。

【００１６】第１段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分に分解し、これら各々の
部分固有の性質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の
制約条件に基づき人体モデルを作成し、コンピュータに
データベースに入力する。

【００１７】第２段階の「人間の実際の動作を入力」で
は、解析の対象となる動作をビデオ画像のフレーム単位
あるいはフィルム画像のコマ単位に入力する、この場合
複数の方向から同時に撮影した画像を用いれば、次の段
階の解析をより具体的に行うことができる。

【００１８】第３段階の「入力された動作を解析」で
は、第２段階で入力された動作を逆動力学を用いて計算
し、各部材の重心、各関節に働く力及びトルク、全体の
重心、重心に働く力及びトルクを解析しその解析結果の
データをデータベースに入力する。

【００１９】次に、上記の解析結果を利用して新しい動
きの数値制御プログラムを作成する場合について説明す
る。第４段階の「動きの設計」においては、プログラマ
は最初にデータベースから基本的な動きを選択する。そ
のデータは例えば図２に示すような制御グラフで表され
る。この制御グラフにおいて横軸は時間を、縦軸は体の
それぞれの関節に発生する力をｘ，ｙ，ｚの３軸につい
て表している。なお、当然のこととして同一の関節に発
生する２つの力は、大きさが同じで方向が逆である。ま
た、複雑な動きは数個の制御グラフにより表される。

【００２０】この制御グラフに基づいて数値制御プログ
ラムを作成するが、被加工物の大きさ及び材質、機械の
動作範囲等に対応するため制御グラフの軸の拡大縮小を
含む物理的変数の変更を行う。

【００２１】第５段階の「動力学を適用」においては、
工作機械の各要素の動きはプログラマにより指定された
力及び動力学方程式に基づいて計算される。その場合、
本来各要素は相互に結合関係にあるのであるが、計算量
を減らすために他の要素と切り放され、各要素の相互結
合関係と動きの範囲に関する制約条件も一時的に無視さ
れる。

【００２２】各要素の動きを計算するため、本発明にお
いては線加速度を求めるのにニュートンの方程式を用
い、角加速度を求めるのにオイラーの方程式を用い、線
加速度及び角加速度が得られたら、これらを積分して速
度を求め、さらに積分して位置を求める。

【００２３】第６段階の「制約条件を適用」では、各要
素の動きの計算結果について、各要素の相互結合関係と
動きの範囲の２つの物理的制約条件がチェックされる。
この処理は、基本的な要素から始まり、その下位のそれ
ぞれの要素の位置、配列方向が順次チェックされる。こ
こでは下位の要素が上位の要素に常に接続されているか
否か及び個々の要素の動作が決められた範囲を越えてい
るか否かの２つのチェックを行う。

【００２４】その結果、下位の要素が上位の要素に接続
されていない場合には、下位の要素が上位の要素に接続
されるように下位の要素を並行移動させ、個々の要素の
動きが一定の範囲を越えている場合には、回転させてそ
の要素の動きが範囲内になるように調整する。

【００２５】第７段階の「逆動力学を適用」において
は、力と動作の関係を表現するラグランジュの方程式を
用いて各要素の接続点に起こる力を計算する。

【００２６】新しい動きをプログラムする場合に、満足
の行く結果が得られない場合には第５段階から第７段階
までの過程を繰り返して、対話形式により新しい動きの
設計を行う。

【００２７】第８段階の「結果を表示」においてはプロ
グラミングの途中あるいはプログラミングが終了した新
しい動きを画面に表示する。

【００２８】本発明においては、図１に示すように単純
な線回帰アルゴリズムによっているから、計算量はｎの
関数であるＯ（ｎ）である。また、本発明は試行錯誤あ
るいは設計者の直感によることなく、コンピュータを用
いて対話形式により人体の動きを設計することができ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の動力学数
値制御プログラミング方法は、実際の人間の基本的な動
きの解析及び新しい動力学数値制御プログラムの作成す
るとの２つの過程から成る。そして、人間の基本的な動
きの解析は人体モデルの作成、実際の動作の入力、入力
された動作の解析の３段階で進み、動力学数値制御プロ
グラムの作成は動力学、制約条件、逆動力学の３段階で
進み、動力学の段階では機械をそれぞれ独立した要素に
分け、個々の要素の動きはニュートンの方程式とオイラ
ーの方程式を用いて他の要素の動きとは切り放して計算
される。制約条件の段階では要素の相互結合関係及び動
きの範囲がチェックされる。逆動力学の段階では、制約
条件により修正された新しい動きを生む力を計算する。
その場合の全体の計算量はＯ（ｎ）である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、数値制御プログラミング方法のフロ
ーチャート

【図２】関節に働く力の例の制御グラフ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 数値制御装置に人間の動作に基く動作を
   プログラムするための数値制御プログラム作成方法であ
   って、該方法は人体を動きの最小単位となる部分に分解
   し、これら各々の部分固有の性質、相互の関係及び関節
   の動きの範囲等の制約条件に基づき人体モデルを作成し
   データベースに入力する段階と、人間の実際の動作を入
   力する段階と、入力された動作を逆動力学を適用して計
   算し、各部分の重心・各関節に働く力・トルク、全体の
   重心・重心に働く力・トルクを計算する段階と、前記デ
   ータベースから基本的な動作を選択しその物理的変数を
   変更する段階と、体の各部分を他の部分と切り放し、前
   記実際の動作を相互結合関係と関節の動きの範囲に関す
   る制約条件を無視して指定された力及び動力学方程式の
   みに基づいて新しい動きを計算する段階と、該計算結果
   について相互結合関係と関節の動きの範囲の物理的制約
   条件をチェックして修正する段階と、前記計算した結果
   を用いて画面上に数値制御装置の動きを表示する段階と
   からなることを特徴とする数値制御プログラム作成方
   法。
2. 【請求項２】 数値制御装置に人間の動作に基く動作を
   プログラムするための数値制御プログラム作成方法であ
   って、該方法は人体を動きの最小単位となる部分に分解
   し、これら各々の部分固有の性質、相互の関係及び関節
   の動きの範囲等の制約条件に基づき人体モデルを作成し
   データベースに入力する段階と、人間の実際の動作を入
   力する段階と、入力された動作を逆動力学を適用して計
   算し、各部分の重心・各関節に働く力・トルク、全体の
   重心・重心に働く力・トルクを計算する段階と、前記デ
   ータベースから基本的な動作を選択しその物理的変数を
   変更する段階と、体の各部分を他の部分と切り放し、前
   記実際の動作を相互結合関係と関節の動きの範囲に関す
   る制約条件を無視して指定された力及び動力学方程式の
   みに基づいて新しい動きを計算する段階と、該計算結果
   について相互結合関係と関節の動きの範囲の物理的制約
   条件をチェックして修正する段階と、前記動力学により
   計算した動きと逆動力学により計算した力及び重心を合
   成して画面上に表示する段階とからなることを特徴とす
   る数値制御プログラム作成方法。