JP2005115430A - Immersive design support apparatus and method - Google Patents
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Abstract
【課題】 実機(試作機)を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性を人間の主観に依存する感性に基づいて組立てし評価することができ、評価が不十分な場合でも、CADによる再設計、再評価を繰り返し行うことができる没入型設計支援装置および方法を提供する。
【解決手段】 設計対象1を構成する複数の部品2の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データ3を記憶する部品データベース12と、各部品間の幾何学的拘束条件を記憶する拘束条件データベース14と、部品データベースと拘束条件データベースを用いて3次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求める3次元動力学シミュレータ15を記憶するコンピュータ16と、3次元仮想空間内において設計対象とその運動を設計者に視覚的に提示する没入型ディスプレイ装置18とを備える。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To assemble and evaluate ergonomic characteristics of a new product based on sensibilities depending on human subjectivity without producing a real machine (prototype machine), even if evaluation is insufficient Provided is an immersive design support apparatus and method capable of repeatedly performing redesign and re-evaluation according to.
A part database 12 for storing part data 3 such as shapes, dimensions, weights, moments of inertia and colors of a plurality of parts 2 constituting a design object 1 and a geometric constraint condition between the parts are stored. A constraint condition database 14, a computer 16 for storing a three-dimensional dynamic simulator 15 for calculating a motion of a design object in the three-dimensional virtual space using the parts database and the constraint condition database, and a design object in the three-dimensional virtual space And an immersive display device 18 that visually presents the movement to the designer.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、実機を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性を人間の主観に依存する感性に基づいて組立てし評価する没入型設計支援装置および方法に関する。 The present invention relates to an immersive design support apparatus and method for assembling and evaluating ergonomic characteristics of a new product based on sensibilities depending on human subjectivity without manufacturing an actual machine.
コンピュータグラフィクスで立体的な仮想空間を体験させる技術として、CAVEシステム(非特許文献1)に代表される没入型の立体映像表示技術が知られている。この技術では、ユーザが立体視用の特殊眼鏡を装着することによって、立体的な仮想空間を体現することができる。 An immersive stereoscopic image display technique represented by the CAVE system (Non-patent Document 1) is known as a technique for experiencing a three-dimensional virtual space with computer graphics. In this technology, a user can embody a stereoscopic virtual space by wearing special glasses for stereoscopic viewing.
CAVEシステムでは、2.5〜3m四方のスクリーンを用い、それらをユーザを取り囲むように、前面、左右、床面に設置する。床面のスクリーンには上方から、それ以外のスクリーンには後方から、それぞれ立体用プロジェクタにより立体映像が投影される。ユーザの頭部には6自由度の位置センサが取り付けられ、ユーザの視点位置から見た立体映像がスクリーン上に表示される。ユーザは立体視可能な眼鏡を装着してCAVEの中に立つことで、広い視野の立体映像に囲まれ、没入感の高い感覚を得ることができる。 In the CAVE system, 2.5 to 3 m square screens are used and installed on the front, left, right, and floor surfaces so as to surround the user. Stereoscopic images are projected by a stereoscopic projector from above on the screen on the floor and from behind on the other screens. A 6-degree-of-freedom position sensor is attached to the user's head, and a stereoscopic image viewed from the user's viewpoint position is displayed on the screen. The user wears glasses that can be viewed stereoscopically and stands in CAVE, so that the user is surrounded by a wide-view stereoscopic image and can obtain a highly immersive sensation.
また、CAVEシステムの発展形として開発されたCABIN(5面スクリーン版CAVE)が非特許文献2の論文で発表されている。
さらに、没入型画像提示装置として、特許文献1〜3が開示されている。
Further, CABIN (CAVE screen version CAVE) developed as an extension of the CAVE system has been published in a paper of Non-Patent
Further,
特許文献1の「没入型表示システム」は、周囲環境中の特徴及びオブジェクトに対するユーザーの頭部の位置及び角度を判定することを可能にすることを目的とし、図9に示すように、光学相関器30を含む表示ユニットと、該光学相関器からのイメージ出力信号に基づいてイメージを表示する視覚的表示装置32とを備えたものである。
The “immersive display system” of
特許文献2の「臨場感型仮想現実提供処理方法および装置」は、臨場感の高い仮想世界を体験者に提供することを目的とするものであり、立体視による仮想環境とフォースフィードバックを用いており、体験者の動きデータを計測し、視点を検出し、体験者のアバタの動きを決定して動き可能に表示させ、フォースフィードバック処理によって仮想物体の動きをもとに体験者が持つ操作インターフェースに力覚提示を行うものである。
The “realistic virtual reality provision processing method and apparatus” in
特許文献3の「没入型表示装置および方法」は、図10に示すように、コンピュータで生成された3次元仮想世界映像をユーザ41を取り囲むように立体視可能なかたちで表示するものであり、視点位置検知部42、合成情報表示部43、3次元情報表示部44、2次元情報生成部45、3次元情報生成部46、および情報合成部47を有するものである。
As shown in FIG. 10, the “immersive display device and method” of
一方、「力覚提示装置」とは、コンピュータ上にデータとして構築された仮想世界において、仮想の対象をあたかも現実の対象であるかのように感じ、操作することができる装置を意味する。 On the other hand, the “force sense presentation device” means a device that can feel and operate a virtual object as if it were a real object in a virtual world constructed as data on a computer.
かかる力覚提示装置として、床面(机上)に固定するタイプのものが非特許文献3、4に紹介されている。また、ワイヤの張力によって使用者の身体を引っ張ることで力を発生する力覚提示装置として、部屋そのものに巻き取り機構を備えたものが、非特許文献5に提案されている。さらに巻き取り装置を使用者が背負い込む形で使用するものが、非特許文献6で発表されている。
Non-Patent
また、人の手や身体に直接取り付けて使用する力覚提示装置としては、特許文献4〜8が開示されている。 Moreover, patent documents 4-8 are disclosed as a force sense presentation apparatus used by directly attaching to a human hand or body.
特許文献4の「力覚提示装置」は、図11に示すように、柔軟な材料により手袋型に形成された外郭部材52と、外郭部材に組み込まれ内部に流体を満たしたチューブ54と、外郭部材内の物体の動きによって生じる流体の流れを制御する電磁弁59とからなるものである。
As shown in FIG. 11, the “force sense presentation device” of Patent Document 4 includes an
特許文献5の「力覚提示装置」は、図12に示すように、柔軟な材料により形成され、上着型をした外郭部材52と、外郭部材に組み込まれ内部に流体を満たしたチューブ54と、外郭部材内の物体の動きによって生じる流体の流れを制御する電磁弁59とから構成されるものである。
As shown in FIG. 12, the “force sense presentation device” of Patent Document 5 includes an
特許文献6の「力覚提示装置」は、図13に示すように、力覚提示対象(人の手指63)に取り付けられる取付手段62と、一端が取付手段に連結されたワイヤー66と、ワイヤーの他端に連結されワイヤーの移動を規制するブレーキ手段(シリンダ69)と、ブレーキの利き具合を制御する制御手段64とを有するものである。
As shown in FIG. 13, the “force sense presentation device” of
特許文献7の「動作認識装置及び動作認識方法、並びに力触覚提示装置及びその制御方法」は、図14に示すように、対象の骨格構造を構成する関節部の近辺に一対又は複数対の被覆部材S1、S2を装具として装着するとともに、被覆部材同士の相対的な位置関係を光学的又は磁気的に、あるいはワイヤー部材の長さから検出するための位置検出手段を、対をなす被覆部材S1、S2のそれぞれに付設し、又は両被覆部材に亘って設けたものである。 As shown in FIG. 14, “a motion recognition device and motion recognition method, and a force-tactile sensation presentation device and a control method thereof” disclosed in Patent Document 7 are provided with a pair or a plurality of pairs of coverings in the vicinity of a joint portion constituting a target skeleton structure. The members S1 and S2 are mounted as a brace, and the position detection means for detecting the relative positional relationship between the covering members optically or magnetically or from the length of the wire member is paired with the covering member S1. , S2 respectively, or provided over both covering members.
特許文献8の「力覚提示装置及び仮想空間システム」は、図15に示すように、仮想空間73を表現する環境の下で、把持部と支点部と可変長連結部とを有する力覚提示手段71が操作者に取り付けられ、仮想空間における仮想力覚受信オブジェクト75および/または仮想オブジェクト74の状態に応じて、操作者に力覚を与えるものである。
As shown in FIG. 15, the “force sense presentation device and virtual space system” of Patent Document 8 has a force sense presentation having a grip portion, a fulcrum portion, and a variable length connection portion under an environment representing a
さらに本発明に関連する「3次元動力学シミュレータ」は、仮想空間内の仮想対象物の運動を計算によって求めるソフトウェアライブラリであり、例えば非特許文献7に開示されている。 Furthermore, the “three-dimensional dynamic simulator” related to the present invention is a software library for obtaining the motion of a virtual object in a virtual space by calculation, and is disclosed in Non-Patent Document 7, for example.
何等かの新しい製品(例えば知覚ロボット)を開発し量産するために、これまでに提案されてきたCADでは、設計者はマウスやキーボードなどのインターフェイスを介してコンピュータに数値データを入力し、モニターに表示された2次元のコンピュータグラフィック(CG)を確認することで作業を行っていた。そして設計された部品は各種のシミュレーションによって数値的に評価していた。 In the CAD that has been proposed so far to develop and mass-produce some new products (eg perceptual robots), designers input numerical data to a computer via an interface such as a mouse or a keyboard and put it on a monitor. Work was done by checking the displayed two-dimensional computer graphic (CG). The designed parts were evaluated numerically by various simulations.
すなわち従来の製品開発では、コンピュータを用いたCADで部品を設計し、これをモニターに表示された2次元のコンピュータグラフィック(CG)において組立て、次いで各種のシミュレーションによって動作確認する。次にこの動作確認で所望の性能・動作が確認された後、設計した各部品を実際に製作して実機(試作機)を組立て、試作機の人間工学的な特性(大きさ、位置、使い易さ、動作等)や動作特性を再度人間の主観に依存する感性に基づいて評価し、この評価で満足が得られた後に量産している。 That is, in conventional product development, a part is designed by CAD using a computer, this is assembled in a two-dimensional computer graphic (CG) displayed on a monitor, and then operation is confirmed by various simulations. Next, after confirming the desired performance and operation in this operation check, each designed part is actually manufactured and the actual machine (prototype) is assembled, and the ergonomic characteristics (size, position, use of the prototype) Easiness, motion, etc.) and motion characteristics are evaluated again based on the sensitivity that depends on human subjectivity, and mass production is performed after satisfaction is obtained in this evaluation.
シミュレーションによる動作確認は、コンピュータを用いて繰り返し自由に行うことができる。しかし、人間工学的な特性の評価は、実機に基づくため、実機を作り直して繰り返し実施するには費用がかかりすぎる問題点があった。また、人が実機(試作機)を直接操作する場合、試作機が重すぎたり、誤動作すると、人に怪我を与えるおそれもあった。 The operation check by simulation can be freely performed repeatedly using a computer. However, since the evaluation of ergonomic characteristics is based on the actual machine, there is a problem that it is too expensive to re-implement and repeat the actual machine. In addition, when a person directly operates an actual machine (prototype), there is a risk of injury to the person if the prototype is too heavy or malfunctions.
言い換えれば、従来の製品開発プロセスには、以下の問題点があった。
(1)新しい製品の人間工学的な特性(大きさ、位置、使い易さ、動作等)を人間の主観に依存する感性に基づいて評価するためには、実機(試作機)の製作が不可欠であった。
(2)実機による評価が不十分な場合、CADによる再設計、実機(試作機)の再製作を繰り返す必要があり、時間がかかるばかりでなく、開発コストが膨大となるおそれがある。
(3)実機の試作を省略して設計対象(新しい製品)から受ける印象をモニター上の2次元のCGのみから判断しようとする場合、新しい製品が使用者に対してどのような心的影響を与えるかといった評価が十分にできず、使い難い製品が生まれ、新しい製品が市場に受け入れられないおそれがある。
In other words, the conventional product development process has the following problems.
(1) In order to evaluate the ergonomic characteristics (size, position, ease of use, operation, etc.) of a new product based on the sensibility that depends on human subjectivity, it is indispensable to manufacture a real machine (prototype). Met.
(2) If the evaluation with the actual machine is insufficient, it is necessary to repeat the redesign by CAD and the remanufacturing of the actual machine (prototype machine), which not only takes time but also may result in a huge development cost.
(3) When trying to judge the impression received from the design object (new product) only from the two-dimensional CG on the monitor without omitting the prototype of the actual machine, what kind of mental influence the new product has on the user There is a risk that the product will not be fully evaluated, resulting in a product that is difficult to use and new products may not be accepted by the market.
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、実機(試作機)を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性(大きさ、位置、使い易さ、動作等)を人間の主観に依存する感性に基づいて組立てし評価することができ、評価が不十分な場合でも、CADによる再設計、再評価を実機(試作機)を製作することなく、繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる没入型設計支援装置および方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems. That is, the object of the present invention is based on the sensibility that depends on human subjectivity for the ergonomic characteristics (size, position, ease of use, operation, etc.) of a new product without producing a real machine (prototype). Even if the evaluation is insufficient, CAD redesign and re-evaluation can be repeated without producing a real machine (prototype), which shortens the development period of new products. Another object of the present invention is to provide an immersive design support apparatus and method that can reduce development costs.
本発明によれば、設計対象を構成する複数の部品の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データを記憶する部品データベースと、
各部品間の幾何学的拘束条件を記憶する拘束条件データベースと、
前記部品データベースと拘束条件データベースを用いて3次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求める3次元動力学シミュレータを記憶するコンピュータと、
3次元仮想空間内において設計対象とその運動を設計者に視覚的に提示する没入型ディスプレイ装置とを備える、ことを特徴とする没入型設計支援装置が提供される。
According to the present invention, a parts database that stores part data such as shapes, dimensions, weights, moments of inertia, and colors of a plurality of parts constituting a design object;
A constraint database that stores geometric constraints between parts;
A computer for storing a three-dimensional dynamics simulator for calculating a motion of a design object in a three-dimensional virtual space using the component database and the constraint condition database;
There is provided an immersive design support device comprising an immersive display device that visually presents a design object and its motion to a designer in a three-dimensional virtual space.
上記本発明の構成によれば、部品データベースに設計対象を構成する複数の部品の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データを記憶し、拘束条件データベースに各部品間の幾何学的拘束条件を記憶することにより、3次元動力学シミュレータを記憶するコンピュータで3次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求めることができる。
また、没入型ディスプレイ装置により、3次元仮想空間内において設計対象と3次元動力学シミュレータで求めた運動を設計者に視覚的に提示することにより、実機(試作機)を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性(大きさ、位置、使い易さ、等)を人間の主観に依存する感性に基づいて評価することができる。
According to the configuration of the present invention, part data such as the shape, size, weight, moment of inertia, and color of a plurality of parts constituting the design object is stored in the part database, and the geometric data between the parts is stored in the constraint database. By storing the constraint conditions, the motion of the design object in the three-dimensional virtual space can be obtained by calculation with a computer storing the three-dimensional dynamic simulator.
In addition, by using the immersive display device to visually present the design object and the motion obtained by the 3D dynamic simulator in the 3D virtual space to the designer, it is possible to create a new machine without producing a real machine (prototype). The ergonomic characteristics (size, position, ease of use, etc.) of the product can be evaluated based on the sensitivity depending on human subjectivity.
本発明の好ましい実施形態によれば、前記没入型ディスプレイ装置は、3次元仮想空間内に位置する実在する設計者の位置及び動作を検出する設計者検出手段と、該設計者の位置及び動作を3次元仮想空間内に仮想設計者として提示する仮想設計者提示手段とを備え、
前記コンピュータは、加速度を伴った運動、部品同士の衝突判定、部品間に働く幾何学的拘束、および没入型ディスプレイ装置による3次元仮想空間内の設計対象と仮想設計者の力学的干渉を演算する。
According to a preferred embodiment of the present invention, the immersive display device includes designer detection means for detecting the position and motion of an actual designer located in a three-dimensional virtual space, and the position and motion of the designer. A virtual designer presenting means for presenting as a virtual designer in a three-dimensional virtual space,
The computer calculates motion accompanied by acceleration, collision judgment between parts, geometric constraints acting between parts, and mechanical interference between a design object and a virtual designer in a three-dimensional virtual space by an immersive display device. .
この構成により、設計者検出手段で3次元仮想空間内に位置する実在する設計者の位置及び動作を検出し、仮想設計者提示手段により設計者の位置及び動作を3次元仮想空間内に仮想設計者として提示することができる。
また、前記コンピュータを用いて、通常の運動の他に、没入型ディスプレイ装置による3次元仮想空間内の設計対象と仮想設計者の力学的干渉を演算することにより、仮想設計者の力学的干渉による設計対象の運動を設計者が3次元仮想空間内で直接視覚的に感性に基づいて評価することができる。
With this configuration, the designer detection means detects the position and action of an existing designer located in the three-dimensional virtual space, and the virtual designer presentation means virtually designs the designer position and action in the three-dimensional virtual space. Can be presented as a person.
Further, by using the computer to calculate the mechanical interference between the design object in the three-dimensional virtual space by the immersive display device and the virtual designer in addition to the normal motion, The motion of the design object can be directly evaluated based on the sensibility by the designer directly in the three-dimensional virtual space.
また設計者に仮想設計者が受ける3次元仮想空間内での力を体感させる力覚提示装置を更に備える、ことが好ましい。
かかる力覚提示装置を備えることにより、設計者は仮想設計者を介して3次元仮想空間内での力(重さ、強さ、反力、感触、等)を実機(試作機)を製作することなく、体感することができる。
Moreover, it is preferable to further include a force sense presentation device that allows the designer to experience the force in the three-dimensional virtual space received by the virtual designer.
By providing such a force sense presentation device, a designer produces a real machine (prototype) with a force (weight, strength, reaction force, touch, etc.) in a three-dimensional virtual space via a virtual designer. Without experiencing it.
また、本発明によれば、設計対象を構成する複数の部品の形状,寸法,重量,慣性モーメント,色などの部品データを部品データベースに入力する部品設計工程と、コンピュータを用いて部品データベースから設計対象を構成する複数の部品を3次元仮想空間内で組み立てる組立工程と、コンピュータを用いて組立てた設計対象とその運動を3次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を3次元仮想空間内で評価する評価工程とからなり、前記組立工程と評価工程を交互に繰り返す、ことを特徴とする没入型設計支援方法が提供される。 Further, according to the present invention, a part design process for inputting part data such as the shape, dimensions, weight, moment of inertia, and color of a plurality of parts constituting a design object into the part database, and designing from the part database using a computer An assembly process that assembles multiple parts that make up an object in a three-dimensional virtual space, and a design object and its movement assembled using a computer are visually presented to the designer in the three-dimensional virtual space and ergonomic characteristics There is provided an immersive design support method characterized by comprising an evaluation step for evaluating a three-dimensional virtual space and repeating the assembly step and the evaluation step alternately.
本発明の方法によれば、部品設計工程において設計対象を構成する複数の部品の形状,寸法,重量,慣性モーメント,色などの部品データを部品データベースに入力し、組立工程においてコンピュータを用いて部品データベースから設計対象を構成する複数の部品を3次元仮想空間内で仮想的に組み立て、評価工程においてコンピュータを用いて組立てた設計対象とその運動を3次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を3次元仮想空間内で評価することができる。
また、前記組立工程と評価工程を交互に繰り返すことにより、評価が不十分な場合でも、CADによる再設計、再評価を実機(試作機)を製作することなく、繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる。
According to the method of the present invention, part data such as the shape, dimensions, weight, moment of inertia, and color of a plurality of parts constituting the design object in the part design process is input to the part database, and the part is used using the computer in the assembly process. Multiple parts that make up the design object from the database are virtually assembled in a three-dimensional virtual space, and the design object and its movement assembled using a computer in the evaluation process are visually presented to the designer in the three-dimensional virtual space. The ergonomic characteristics can be evaluated in the three-dimensional virtual space.
Also, by repeating the assembly process and the evaluation process alternately, even if the evaluation is insufficient, redesign and re-evaluation by CAD can be repeated without producing a real machine (prototype), and a new product The development period can be shortened and the development cost can be reduced.
前記組立工程は、組立準備工程と仮想組立工程からなり、組立準備工程において、部品データに拘束条件を与える拘束点を自由に設定し、仮想組立工程において、3次元仮想空間内の各部品の相対位置、姿勢を自由に決定し、かつ各部品間の拘束条件を自由に設定する。 The assembly process includes an assembly preparation process and a virtual assembly process. In the assembly preparation process, constraint points that give constraint conditions to part data are freely set, and in the virtual assembly process, the relative positions of the respective parts in the three-dimensional virtual space are set. The position and orientation are determined freely, and the constraint conditions between the parts are set freely.
この方法により、組立準備工程において、部品データに拘束条件を与える拘束点を自由に設定でき、仮想組立工程において、3次元仮想空間内の各部品の相対位置、姿勢を自由に決定し、かつ各部品間の拘束条件を自由に設定して、評価工程を繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる。 By this method, it is possible to freely set a constraint point that gives a constraint condition to the part data in the assembly preparation process, and in the virtual assembly process, the relative position and orientation of each part in the three-dimensional virtual space can be freely determined, and each The evaluation process can be repeated by freely setting the constraint conditions between the parts, the development period of a new product can be shortened, and the development cost can be reduced.
前記3次元仮想空間内での拘束条件の設定は、動作入力及び/又は数値入力からなり、
動作入力は、設計者が装着した磁気センサ又は力覚提示装置によって仮想設計者を操作することにより行い、
数値入力は、動作入力により部品を選択し、3次元仮想空間内の入出力装置のキー入力を用いて入力用のウインドウを開き、そこへ数値データを入力する。
The setting of the constraint condition in the three-dimensional virtual space includes an operation input and / or a numerical input.
The operation input is performed by operating the virtual designer with a magnetic sensor or a force sense presentation device worn by the designer,
For numerical input, a part is selected by an operation input, an input window is opened using key input of an input / output device in the three-dimensional virtual space, and numerical data is input thereto.
この方法により、動作入力で大まかな位置設定や、あらかじめ決められた相対角度での配置を簡単にでき、数値入力で、より数値的に細かく指定した組み立てを行うことができる。 By this method, it is possible to easily set a rough position by an operation input and to arrange at a predetermined relative angle, and to perform an assembly specified more numerically by numerical input.
また、前記評価工程は、評価準備工程と仮想評価工程の2工程からなり、
評価準備工程において、設計対象の動作を設定し、
仮想評価工程において、3次元仮想空間内の設計対象を視覚的に確認すると共に、設計者によって仮想設計者を操作して、設計対象と力学的な相互作用を行い、その運動を3次元仮想空間内で確認する。
Moreover, the said evaluation process consists of two processes of an evaluation preparation process and a virtual evaluation process,
In the evaluation preparation process, set the operation of the design object,
In the virtual evaluation process, the design object in the three-dimensional virtual space is visually confirmed, and the designer manipulates the virtual designer to perform a dynamic interaction with the design object, and the motion is expressed in the three-dimensional virtual space. Check in.
この方法により、評価準備工程において設計対象の動作を設定するので、引き続き仮想評価工程において、設定した設計対象の動作を3次元仮想空間内で視覚的に確認することができる。
また、設計者によって仮想設計者を操作して、設計対象と力学的な相互作用を行うことにより、3次元仮想空間内で設計対象の動作を直接操作し、その運動を3次元仮想空間内ですぐに確認することができる。
By this method, the operation of the design object is set in the evaluation preparation process, so that the operation of the set design object can be visually confirmed in the three-dimensional virtual space in the virtual evaluation process.
In addition, by operating the virtual designer by the designer and performing a dynamic interaction with the design object, the operation of the design object is directly manipulated in the three-dimensional virtual space, and the movement is performed in the three-dimensional virtual space. You can check immediately.
上述したように本発明の没入型設計支援装置および方法は、実機(試作機)を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性(大きさ、位置、使い易さ、等)を人間の主観に依存する感性に基づいて評価することができ、評価が不十分な場合でも、CADによる再設計、再評価を実機(試作機)を製作することなく、繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる、等の優れた効果を有する。 As described above, the immersive design support apparatus and method according to the present invention allows the human product to have the ergonomic characteristics (size, position, ease of use, etc.) of a new product without producing a real machine (prototype). It can be evaluated based on the sensibility that depends on the subjectivity, and even if the evaluation is insufficient, redesign and re-evaluation by CAD can be repeated without producing a real machine (prototype), and new products It has excellent effects such as shortening the development period and reducing development costs.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a common part and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の没入型設計支援装置のシステム構成図である。この図に示すように、本発明の没入型設計支援装置10は、部品データベース12、拘束条件データベース14、3次元動力学シミュレータ15を記憶するコンピュータ16、没入型ディスプレイ装置18、および力覚提示装置20を備える。
FIG. 1 is a system configuration diagram of an immersive design support apparatus according to the present invention. As shown in this figure, the immersive
部品データベース12は、設計対象1を構成する複数の部品2の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データ3を記憶する。この部品データベース12は、CADで設計され、コンピュータ16又はその他のコンピュータ17の記憶装置に内蔵されている。部品データベース12は、必ずしも本発明を構成するコンピュータで設計する必要はなく、別のコンピュータを用いて設計し、これを入力してもよい。
The
拘束条件データベース14は、各部品2の間の幾何学的拘束条件を記憶する。この拘束条件データベース14も、コンピュータ16又はその他のコンピュータ17の記憶装置に内蔵されている。
The
また、本発明を構成する単一又は複数のコンピュータは、互いにネットワークで連結されており、ほとんどリアルタイムでデータを通信し、それらのデータを基にデータの更新及び演算を行うように構成されている。 In addition, the single computer or the plurality of computers constituting the present invention are connected to each other via a network, communicate data in almost real time, and are configured to update and perform data based on the data. .
3次元動力学シミュレータ15を記憶するコンピュータ16を、以下「演算部コンピュータ」と呼ぶ。3次元動力学シミュレータ15は、仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求めるシミュレーションソフトである。この3次元動力学シミュレータ15は、部品データベース12に記憶された部品2のサイズ、形状、質量特性などの部品データ3を基に物理法則に則った運動を計算する。この計算は、毎サンプリング周期ごとに行い、各部品の位置と姿勢をリアルタイムで出力するのがよい。
The
この計算では加速度を伴った運動(動力学)や、物体同士の衝突判定、物体間に働く幾何学的拘束(回転軸やスライダジョイントなど)を扱う。次に挙げる没入型ディスプレイ部内の設計者からの入力もこの計算には加味される。演算部コンピュータは仮想空間内に設計対象だけでなく仮想設計者も用意する。設計者はこの仮想設計者を操作することで、仮想空間内の物体(設計対象など)と力学的に干渉することとなる。
より使いやすいシステムを構成するためには、演算部コンピュータは実時間演算が可能であること、すなわち計算結果と実世界での運動とが同程度の速度での表現されることが望ましい。逆に著しく実時間性が損なわれている場合、設計者による入力がいつまでも仮想空間内での事象に反映されないため、後述する評価モードにおいて満足な機能を発揮できない。
This calculation deals with motion with acceleration (dynamics), collision detection between objects, and geometric constraints (rotation axis, slider joint, etc.) acting between objects. The following inputs from designers in the immersive display are also included in this calculation. The computing unit computer prepares not only the design object but also the virtual designer in the virtual space. By operating this virtual designer, the designer dynamically interferes with an object (such as a design target) in the virtual space.
In order to configure a system that is easier to use, it is desirable that the computing unit computer can perform real-time computation, that is, the calculation result and the motion in the real world can be expressed at the same speed. On the other hand, when the real-time property is remarkably impaired, the input by the designer is not reflected in the event in the virtual space indefinitely, so that a satisfactory function cannot be exhibited in the evaluation mode described later.
没入型ディスプレイ装置18を、以下「表示部」と呼ぶ。表示部は、演算部コンピュータで得られた仮想空間内の設計対象の運動を設計者に視覚的に提示する部分である。視覚情報のほかに複数のスピーカを使った立体音場生成による聴覚情報の提示も可能である。表示部には1)設計者に高い没入感を与えることと、2)設計者の運動を計測し、それを演算部コンピュータに届ける機能も備えている必要がある。
The
没入型ディスプレイ装置18は、例えば、CAVEシステムであるのがよい。
CAVEシステムは、図1に示すように、設計者4(眼鏡をかけた白い人物)を取り囲むスクリーン5に4方向から映像を投影し、設計者4に高い臨場感を持った映像を提示する画像表示システムである。投影される画像は1フレームごとに右目用と左目用の情報が交互に投影される画像であり、それに同期して液晶シャッター眼鏡6を通した視線が片方ずつ遮断されることで、投影されたCGは設計者4に立体的な映像として観測される。さらに、液晶シャッター眼鏡6の位置と姿勢は常に計測され、その情報に従って画像が更新されることで、設計者はあたかも自分が投影された仮想空間内に存在するかのように認識できる。
CAVE(スクリーン5で囲まれた3次元仮想空間)内の設計者4は、液晶シャッター眼鏡6の他に磁気センサ7を身体に装備している。これらの磁気セッサ7の位置や姿勢の情報も常時計測されており、システムのインターフェイスとして機能する。投影されるCGの運動は設計者4の運動による影響と物理法則(力学的法則)を考慮したものが、演算部コンピュータでシミュレートされることで得られる。
図1の没入型ディスプレイ装置18は、没入型ディスプレイ部に6台(内訳は、設計者に付けられたセンサや液晶シャッター眼鏡の制御に1台、画像を投影するために4台、CAVE内に音場を生成するコンピュータが1台)のコンピュータ17によって構成されている。
The
As shown in FIG. 1, the CAVE system projects images from four directions onto a screen 5 surrounding a designer 4 (white person wearing glasses), and presents an image with a high sense of presence to the designer 4. It is a display system. The projected image is an image in which information for the right eye and the left eye is alternately projected for each frame, and is projected by blocking the line of sight through the liquid
The designer 4 in CAVE (a three-dimensional virtual space surrounded by the screen 5) equips the body with a magnetic sensor 7 in addition to the liquid
The
以上のような没入型ディスプレイ装置18によって、これまでにCAVE内の設計者が仮想空間内の物体に力学的作用を及ぼすことが可能であることは実験によって確認されている。
It has been confirmed by experiments that the
なお没入型ディスプレイ装置18は、前述の2つの機能を備えていれば必ずしもCAVEシステムを用いる必要はない。例えば、十分に視野角の広いヘッドマウントディスプレイ(HMD)に立体視映像を出力させ、HMDに搭載したジャイロセンサなどを用いることで設計者の位置を検出し、同時に何らかの方法(モーションキャプチャや装具による運動計測)によって設計者の運動をモニターすれば、表示部としての機能は満足される。
The
力覚提示装置20を、以下「力覚提示部」と呼ぶ。力覚提示部は設計者に仮想設計者が受ける仮想空間内での力を体感させる装置である。これを用いることで後述する組み立てモードでは部品配置の際の位置決めを容易にし、評価モードにおいては設計対象との衝突を容易に認識できるだけでなく、設計対象との協調動作時における力のやり取りを通じての評価も可能となる。
こうした力覚提示装置には既に多くのものが発表されているが、その多くは床面に固定することで用いるロボットアームタイプのものである。設計者が自由に移動しながら設計対象を評価するためには、床面設置型の力覚提示装置は望ましくない。
本発明の力覚提示装置20は、以下の4つの要件を満たしていることが好ましい。
(1)使用者の手先や腕部に運動を拘束する程度の力を発生することができること。
(2)使用者の関節角度ないし手先位置を計測する機能が備わっていること。
(3)使用者は装着した状態で移動可能であり、かつその移動が妨げられないこと。
(4)表示部による情報提示を妨げないこと。
The force
Many such force sense presentation devices have already been announced, but many of them are of the robot arm type used by being fixed to the floor surface. In order for the designer to evaluate the design object while moving freely, a floor-mounted force sense presentation device is not desirable.
The force
(1) It should be possible to generate a force that restrains exercise on the user's hand or arm.
(2) A function for measuring the joint angle or hand position of the user is provided.
(3) The user should be able to move while wearing it, and the movement should not be hindered.
(4) Do not disturb information presentation by the display unit.
図2は、本発明の没入型設計支援方法を示す模式図である。この図に示すように、本発明の方法は、部品設計工程S0と組立工程S1と評価工程S2とからなる。
部品設計工程S0は、設計対象を構成する複数の部品の形状,寸法,重量,慣性モーメント,色などの部品データを部品データベース12に入力する工程である。また組立工程S1は、設計対象を構成する複数の部品を3次元仮想空間内で組み立てる工程であり、以下「組み立てモード」と呼ぶ。さらに、評価工程S2は、組立てた設計対象とその運動を3次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を3次元仮想空間内で評価する工程であり、以下「評価モード」と呼ぶ。本発明の方法は、前記組立工程(組み立てモード)と評価工程(評価モード)を交互に繰り返すことで行われる。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the immersive design support method of the present invention. As shown in this figure, the method of the present invention comprises a part design process S0, an assembly process S1, and an evaluation process S2.
The part design process S0 is a process in which part data such as shapes, dimensions, weights, moments of inertia, colors, and the like of a plurality of parts constituting the design object are input to the
図3は、本発明の没入型設計支援方法を示すフローチャートである。以下、図2と図3に基づき本発明の方法を各段階について順に説明する。 FIG. 3 is a flowchart showing the immersive design support method of the present invention. Hereinafter, the method of the present invention will be described in order for each stage based on FIG. 2 and FIG.
部品設計工程S0において、設計対象1を構成する複数の部品2の部品データ3は、既存のCADによって設計する。部品データ3には形状、大きさ、質量、慣性モーメント、色などの情報が含まれているが、部品間をつなぐ幾何的拘束は含まれない。ここでいう部品2とは、あくまで設計対象を構成する単一の部品のことである。この部品データは演算部コンピュータに送られ部品データベース12に保存される。ここでの部品データ3は汎用CADが出力できるデータ形式であり、従来の方法で設計されたCADデータの使用も可能である。
In the part design process S0, the
組立工程S1(組立モード)において、設計者は、演算部コンピュータが記憶している部品データ3を組み合わせて設計対象を組み立てる。「組み立て」とは設計者によって部品データの相対位置・姿勢および幾何的拘束が与えられることであり、対象となる部品、その取り付け位置、拘束の種類と方向、その拘束における摩擦等のパラメータといった、部品単体のみでなく複数の部品間にまたがる幾何的拘束の細目に関する選択・決定をする操作である。
In the assembly step S1 (assembly mode), the designer assembles a design object by combining the
組み立てモードS1は、組立準備工程S11(以下「組み立て準備」と呼ぶ)と仮想組立工程S12(以下「組み立て」と呼ぶ)との2つの段階からなる。「組み立て準備」S11では、演算部コンピュータで部品データに拘束条件を与えることのできる拘束点(Constrained Point、以下CPと表記)を設定する。これは演算部コンピュータを構成するコンピュータのキーボードからの入力により行われる。 The assembly mode S1 includes two stages: an assembly preparation step S11 (hereinafter referred to as “assembly preparation”) and a virtual assembly step S12 (hereinafter referred to as “assembly”). In “Assembly Preparation” S11, a constraint point (Constrained Point, hereinafter referred to as CP) that can give a constraint condition to the component data by the computing unit computer is set. This is performed by inputting from a keyboard of a computer constituting the arithmetic unit computer.
その後、加工済みの部品データ3によって設計対象を組み立てる作業「組み立て」S12になるが、これは部品の相対位置・姿勢を決定し、その部品間の拘束を設定するという操作の繰り返しとなる。その入力方法には2つの方法が用いられる。ひとつは動作入力(動作による入力)であり、もうひとつは数値入力(数値による入力)である。
Thereafter, an operation “assembly” S12 for assembling a design object based on the processed
大まかな位置の設定(部品Aの中心線と部品Bの中心線をそろえる、など)や、あらかじめ決められた相対角度での配置(0°、45°、90°等)は“動作による入力”によって行われる。この操作は設計者が装着した磁気センサか、力覚提示装置によって仮想設計者を操作することにより行う。より数値的に細かく指定した組み立てを要する際には“数値による入力”を行う。表示部内の入出力装置のキー入力を用いて入力用のウインドウを開き、そこへ数値データを入力する。このとき部品の選択は“動作による入力”で部品を指し示すことにより行う。 Rough position setting (part A center line and part B center line aligned, etc.) and arrangement at predetermined relative angles (0 °, 45 °, 90 °, etc.) are “input by operation” Is done by. This operation is performed by operating the virtual designer using a magnetic sensor worn by the designer or a force sense presentation device. When more detailed numerically specified assembly is required, “input by numerical value” is performed. An input window is opened using the key input of the input / output device in the display unit, and numerical data is input thereto. At this time, the component is selected by indicating the component by “input by operation”.
拘束条件についての設定は部品の配置された位置関係により次の2通りに分かれる。部品が配置された時点でCP間の距離がある程度以上短かった場合、部品配置後にそれらのCPをつなげるための拘束条件についての入力画面が開く。設計者はこれに入出力装置を用いて回答し、拘束条件を与える。そうでない場合は配置終了後に対となるCPを指定して、それぞれの拘束条件を入力する。この入力も“数値による入力”同様入力用ウインドウを用いて入力する。
組み立てモードでは演算部コンピュータは力学的な物理現象を再現しない。これは部品の慣性を無視することで部品の位置と姿勢を即座に望んだとおりに決定できるようにするためである。
また、“動作による入力”を採用した部品の移動では、力覚提示装置に位置あわせのガイドのための力を提示することで、操作性の向上を図る。
必要な部品で設計対象を組み立てたら、設計者は「評価」モードへと切り替える。このときに組み立てられた結果は、演算部コンピュータが「評価」モードで動力学モデルとして扱える形式(以下、アセンブリと表記)として保存される。
The setting of the constraint condition is divided into the following two types depending on the positional relationship of the parts. When the distance between the CPs is shorter than a certain point when the parts are placed, an input screen for a constraint condition for connecting the CPs after the parts placement is opened. The designer answers this using an input / output device, and gives a constraint condition. Otherwise, after the arrangement is completed, a paired CP is designated and the respective constraint conditions are input. This input is also input using an input window in the same way as “input by numerical value”.
In the assembly mode, the computing unit computer does not reproduce the dynamic physical phenomenon. This is to ignore the inertia of the part so that the position and orientation of the part can be immediately determined as desired.
Further, in the movement of a part that employs “input by movement”, the operability is improved by presenting a force for guiding alignment to the force sense presentation device.
After assembling the design object with the necessary parts, the designer switches to the “evaluation” mode. The result assembled at this time is stored in a format that can be handled as a dynamic model in the “evaluation” mode (hereinafter referred to as assembly).
評価工程S2(評価モード)は、その評価準備工程S21(以下「評価準備」と呼ぶ)と仮想評価工程S22(以下、実際の「評価」と呼ぶ)とに分けられる。
「評価準備」S21とは設計対象の動作を設定する作業で、これは必ずしも表示部内で行なわず、演算部コンピュータを構成するコンピュータのキーボードによる入力でこれを行ってもよい。これは、現段階では表示部内での大きな動作でもプログラム言語を操作できるような優れたグラフィカルユーザインターフェイス(GUI)がないためである。従って、このようなGUIが開発された時点ではこれを用い、表示部内で行なうのがよい。
The evaluation step S2 (evaluation mode) is divided into an evaluation preparation step S21 (hereinafter referred to as “evaluation preparation”) and a virtual evaluation step S22 (hereinafter referred to as actual “evaluation”).
“Evaluation preparation” S21 is an operation for setting the operation of the design object, which is not necessarily performed in the display unit, but may be performed by input using a keyboard of a computer constituting the computing unit computer. This is because there is no excellent graphical user interface (GUI) that can operate the program language even in a large operation in the display unit at this stage. Accordingly, when such a GUI is developed, it is preferable to use this GUI in the display unit.
「評価準備」S21が終了したら、設計者は表示部内で対象を実際の「評価」S22で評価する。ここでいう「評価」とは、設計対象のデザインや動作を視覚的に確認するだけではなく、設計者が装着した磁気センサによって仮想設計者を操作することで、設計対象と力学的な相互作用を行い、その振る舞いを確認することも含める。磁気センサでなく力覚提示装置を用いている場合には、仮想空間内で仮想設計者が受けた力を感じることでより直感に訴えた評価が可能となる。
視覚的な評価で不満を感じた場合は組み立てモードの「組み立て準備」または「組み立て」へと移り、動作に難があると判断した場合は「評価準備」に戻って制御則を変更してから再び「評価」する。この繰り返しにより設計を進める。評価の結果が十分に満足の行くものであれば設計完了であり、そのときのアセンブリおよび制御則が最終結果となる。
When the “evaluation preparation” S21 is completed, the designer evaluates the target in the display section with the actual “evaluation” S22. “Evaluation” here means not only visual confirmation of the design and operation of the design object, but also the interaction of the design object with the mechanical object by operating the virtual designer with a magnetic sensor worn by the designer. And confirming its behavior. When a force sense presentation device is used instead of a magnetic sensor, it is possible to evaluate more intuitively by feeling the force received by the virtual designer in the virtual space.
If you feel dissatisfied with the visual evaluation, move to the assembly mode “preparation for assembly” or “assembly”, and if you find it difficult to operate, return to “preparation for evaluation” and change the control law. “Evaluate” again. The design is advanced by repeating this process. If the evaluation result is sufficiently satisfactory, the design is complete, and the assembly and control law at that time are the final results.
以下、本発明の具体例として設計対象1が人間と接するロボット(以下、ロボットと表記)の場合を説明する。
Hereinafter, as a specific example of the present invention, a case where the
図4は部品データの設計工程を示す模式図である。ロボット(設計対象1)を構成する部品2を、汎用CADを用いて設計する。ここではロボットに必要となる部品を用意し、これらの部品データを演算部コンピュータ16へ送る。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a part data design process. A
図5は拘束点の設定工程を示す模式図である。各部品2に拘束点(CP)を設定し仮想空間内で扱うことのできる部品とする。CPはほかの部品との拘束条件を設定する可能性のある場所に設けておく。こうして設定を終えた部品は「組み立て」での初期位置である、仮想空間内の整理場所に配置される。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a process for setting a constraint point. A constraint point (CP) is set for each
図6は、運動入力により組み立てる様子を示す模式図である。
組立工程S1(組立モード)において、設計者は空間内に各部品を配置する。配置が終わった時点で十分近い位置にあるCP対については演算部コンピュータ16が入力ウインドウを開き、拘束条件のタイプと(必要ならば)方向の入力を求めてくる。配置した時点でCPが離れている場合は設計者自身が拘束を設定したいCP対を指定し、入力ウインドウから拘束条件を入力する。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of assembly by motion input.
In the assembly step S1 (assembly mode), the designer arranges each part in the space. For CP pairs that are close enough at the end of placement, the
例として胴体の上のほうの端に上腕を回転関節で接続したいとする。このときは次のような手順を踏む。
(1)整理場所から胴体を選び出して空間に配置する
(2)整理場所から上腕を取り出して、胴体の上のほうのCPと上腕の端のCPが近づくように配置する。
(3)近いCP対に対して演算部コンピュータが拘束条件入力ウインドウを開くので、そこに拘束条件(回転軸拘束、回転はX軸周り)を入力する。
For example, suppose you want to connect the upper arm to the upper end of the torso with a rotating joint. At this time, the following steps are taken.
(1) Select the torso from the organizing place and place it in the space. (2) Take out the upper arm from the organizing place and place it so that the upper CP of the torso and the CP at the end of the upper arm are close.
(3) Since the computing unit computer opens a constraint condition input window for the close CP pair, a constraint condition (rotation axis constraint, rotation is around the X axis) is input thereto.
図7は、数値入力により組み立てる様子を示す模式図である。
部品間の相対位置・姿勢があらかじめ決めておいた関係にない場合には数値による入力のために入力ウインドウを開いて部品の位置や姿勢を数値で入力する。また、離れたところにあるCP同士間に拘束を与える場合には、CP対を指定してから入力ウインドウへ拘束条件を入力する。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a state of assembly by numerical input.
If the relative position / orientation between parts is not in a predetermined relationship, an input window is opened for numerical input, and the position and orientation of the part are input numerically. In addition, when constraining between CPs located apart from each other, a constraint condition is input to the input window after designating a CP pair.
上腕と前腕の接合を例にとり説明する。手順は以下のとおりである。
(1)整理場所から前腕を選び出して空間に配置する。
(2)上腕のひとつのCPと前腕のCPを指定する。
(3)入力ウインドウから(2)で選んだ2点間の距離を数値で入力する。(相対位置の決定)
(4)前腕のCPをひとつ選択する。
(5)入力ウインドウから(4)で選んだ点周りの空間座標軸に対する回転角を入力する。(絶対姿勢の決定)
(6)上腕のひとつのCPと前腕のCPを指定する。(拘束を与えるCP対の選択)
(7)入力ウインドウから(6)で選んだCP対を接続する拘束条件を入力する。
(8)完成
An example of joining the upper arm and the forearm will be described. The procedure is as follows.
(1) Select the forearm from the organizing place and place it in the space.
(2) Designate one CP of the upper arm and CP of the forearm.
(3) From the input window, enter the distance between the two points selected in (2) numerically. (Determination of relative position)
(4) Select one forearm CP.
(5) From the input window, input the rotation angle with respect to the spatial coordinate axis around the point selected in (4). (Decision of absolute posture)
(6) Specify one CP of the upper arm and CP of the forearm. (Selection of CP pair giving constraint)
(7) Input a constraint condition for connecting the CP pair selected in (6) from the input window.
(8) Completion
こうした手順を繰り返してロボットを仮想空間内に構築する。手順では(2)と(3)、(4)と(5)、(6)と(7)が、選択と入力で対となっているが、図のように一度の選択で全ての項目を設定する入力ウインドウを開くことも可能である。
構築が終了したら入力ウインドウからアセンブリの出力を指示する。この時点で、全ての部品を用いていなくてもかまわない(図7の頭のデータはここでは用いられない)。
The robot is constructed in the virtual space by repeating these procedures. In the procedure, (2) and (3), (4) and (5), and (6) and (7) are paired by selection and input. It is also possible to open an input window for setting.
When construction is complete, the assembly window is instructed from the input window. At this time, not all parts may be used (the data at the head of FIG. 7 is not used here).
図8は、力学を考慮した制御側設計の模式図である。
「評価準備」S21の段階では、アセンブリを基に制御則の設計を行う。この作業は演算部コンピュータ16を構築するコンピュータのキーボードを用いたプログラミングにより行う。
FIG. 8 is a schematic diagram of the control side design considering dynamics.
In the stage of “preparation for evaluation” S21, a control law is designed based on the assembly. This operation is performed by programming using the keyboard of the computer that constructs the
評価工程S2(評価モード)では演算部コンピュータ16は物理法則を考慮したロボットの運動を計算により求め、表示部にその結果を送る。表示部内では設計者がロボットの運動や外観を視覚的に、力覚提示装置を用いている場合は、ロボットの運動の妥当性を仮想設計者を通じた相互作用力によって評価する。
デザインに不満がある場合は「組み立て」に移行して違うパーツを取り付ける。保管場所に適切な部品がない場合は再びCADを用いて部品の設計を行う。設定したCPでは取り付け位置を満足できない場合は、「組み立て準備」へ移行してCPの再設定を行う。動作に不備がある場合には「評価準備」へ移行して制御則を変更し、再び評価を行う。
In the evaluation step S2 (evaluation mode), the
If you are not satisfied with the design, go to “Assembly” and install different parts. If there is no suitable part in the storage location, the part is again designed using CAD. If the set CP cannot satisfy the mounting position, the process proceeds to “assembly preparation” and the CP is reset. If there is a deficiency in the operation, the process proceeds to “Evaluation preparation”, the control law is changed, and the evaluation is performed again.
上述したように、本発明は、設計者に設計対象の映像を原寸大で立体映像として提示することで、設計時の評価に人間の主観に基づいた感性を導入することを可能にするものである。大型ディスプレイまたはヘットマウントディスプレイなどの没入型画像提示装置を用い、設計者に設計対象がそこに存在するかのように体感させることで、設計対象を目の前にしてそれを使用した際の印象を主観的に評価することを可能にするものである。設計対象の運動は3次元動力学シミュレータにより計算されて設計者に提示される。同時に設計者の運動もシミュレータ内に反映させることで、設計対象との力学的相互作用を通した評価を可能とする。 As described above, the present invention makes it possible to introduce a sensibility based on human subjectivity into the evaluation at the time of design by presenting the design target video as a full-scale stereoscopic video to the designer. is there. Impression when using a design object in front of the eyes by using an immersive image presentation device such as a large display or a head-mounted display, and letting the designer feel as if the design object exists there It is possible to evaluate subjectively. The motion of the design object is calculated by a three-dimensional dynamic simulator and presented to the designer. At the same time, by reflecting the movement of the designer in the simulator, evaluation through mechanical interaction with the design object is possible.
なお、組み立てモードから評価モードへ移行する際に、組み立てによって生じたロボットの部品間の力学的拘束条件等を記述した設定ファイルを作成し、評価モード開始時にこのファイルを使用して力学シミュレータの初期状態を決定する。
評価モードでは、組み立て終わったロボットに対して設計者はその性能評価を行うことができる。このモードでは仮想空間内の全ての物体(すべてのCG)に力学法則が適用され、かつまた衝突判定も行われる。ロボットの運動はシミュレータから与えられる目標値に追従するための制御入力と、設計者から受ける力によって決定される。設計者は原寸大のロボットを見ることで、視覚的にロボットの主観的な評価をすることができるのに加えて、力覚提示装置を介してロボットと力のやり取りをすることで、より臨場感溢れるロボットの印象を得られる。シミュレーション内では仮想空間内の全ての物体を数値的に管理しているので、ロボットの性能を従来のCADシステム同様数値的に評価することも可能である。
When shifting from the assembly mode to the evaluation mode, create a setting file that describes the mechanical constraints between the robot parts generated by the assembly, and use this file at the start of the evaluation mode. Determine the state.
In the evaluation mode, the designer can evaluate the performance of the assembled robot. In this mode, the laws of mechanics are applied to all objects (all CGs) in the virtual space, and collision determination is also performed. The movement of the robot is determined by a control input for following the target value given from the simulator and a force received from the designer. In addition to being able to visually evaluate the robot subjectively by looking at the full-scale robot, the designer can more realistically interact with the robot through a force sense presentation device. You can get a full impression of the robot. Since all objects in the virtual space are numerically managed in the simulation, it is possible to evaluate the performance of the robot numerically in the same way as a conventional CAD system.
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention.
1 設計対象、2 部品、3 部品データ、4 設計者、5 スクリーン、6 液晶シャッター眼鏡、7 磁気センサ、10 没入型設計支援装置、12 部品データベース、14 拘束条件データベース、15 3次元動力学シミュレータ、16 コンピュータ(演算部コンピュータ)、18 没入型ディスプレイ装置、20 力覚提示装置
1 Design object, 2 parts, 3 parts data, 4 designer, 5 screen, 6 liquid crystal shutter glasses, 7 magnetic sensor, 10 immersive design support device, 12 parts database, 14 constraint database, 15 3D dynamic simulator, 16 computers (computers), 18 immersive display devices, 20 haptic devices
Claims (7)
各部品間の幾何学的拘束条件を記憶する拘束条件データベースと、
前記部品データベースと拘束条件データベースを用いて3次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求める3次元動力学シミュレータを記憶するコンピュータと、
3次元仮想空間内において設計対象とその運動を設計者に視覚的に提示する没入型ディスプレイ装置とを備える、ことを特徴とする没入型設計支援装置。 A parts database that stores parts data such as the shape, dimensions, weight, moment of inertia, and color of multiple parts that make up the design object;
A constraint database that stores geometric constraints between parts;
A computer for storing a three-dimensional dynamics simulator for calculating a motion of a design object in a three-dimensional virtual space using the component database and the constraint condition database;
An immersive design support apparatus comprising an immersive display device that visually presents a design object and its motion to a designer in a three-dimensional virtual space.
前記コンピュータは、加速度を伴った運動、部品同士の衝突判定、部品間に働く幾何学的拘束、および没入型ディスプレイ装置による3次元仮想空間内の設計対象と仮想設計者の力学的干渉を演算する、ことを特徴とする請求項1に記載の没入型設計支援装置。 The immersive display device includes designer detection means for detecting the position and movement of an actual designer located in the three-dimensional virtual space, and the position and movement of the designer as a virtual designer in the three-dimensional virtual space. A virtual designer presenting means for presenting,
The computer calculates motion accompanied by acceleration, collision judgment between parts, geometric constraints acting between parts, and mechanical interference between a design object and a virtual designer in a three-dimensional virtual space by an immersive display device. The immersive design support apparatus according to claim 1.
組立準備工程において、部品データに拘束条件を与える拘束点を自由に設定し、
仮想組立工程において、3次元仮想空間内の各部品の相対位置、姿勢を自由に決定し、かつ各部品間の拘束条件を自由に設定する、ことを特徴とする請求項4に記載の没入型設計支援方法。 The assembly process comprises an assembly preparation process and a virtual assembly process,
In the assembly preparation process, freely set the constraint points that give constraint conditions to the part data,
5. The immersive mold according to claim 4, wherein in the virtual assembly process, the relative position and orientation of each part in the three-dimensional virtual space are freely determined, and a constraint condition between the parts is freely set. Design support method.
動作入力は、設計者が装着した磁気センサ又は力覚提示装置によって仮想設計者を操作することにより行い、
数値入力は、動作入力により部品を選択し、3次元仮想空間内の入出力装置のキー入力を用いて入力用のウインドウを開き,そこへ数値データを入力する、ことを特徴とする請求項5に記載の没入型設計支援方法。 The setting of the constraint condition in the three-dimensional virtual space includes an operation input and / or a numerical input.
The operation input is performed by operating the virtual designer with a magnetic sensor or a force sense presentation device worn by the designer,
6. The numerical input is characterized in that a part is selected by an operation input, an input window is opened by using a key input of an input / output device in a three-dimensional virtual space, and numerical data is input thereto. Immersive design support method described in 1.
評価準備工程において、設計対象の動作を設定し、
仮想評価工程において、3次元仮想空間内の設計対象を視覚的に確認すると共に、設計者によって仮想設計者を操作して、設計対象と力学的な相互作用を行い、その運動を3次元仮想空間内で確認する、ことを特徴とする請求項4に記載の没入型設計支援方法。
The evaluation process consists of two processes, an evaluation preparation process and a virtual evaluation process.
In the evaluation preparation process, set the operation of the design object,
In the virtual evaluation process, the design object in the three-dimensional virtual space is visually confirmed, and the designer manipulates the virtual designer to perform a dynamic interaction with the design object, and the motion is expressed in the three-dimensional virtual space. 5. The immersive design support method according to claim 4, wherein the immersive design support method is characterized in that:
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018101366A (en) * | 2016-12-21 | 2018-06-28 | トヨタ自動車株式会社 | Assembly work evaluation device |
| KR20240047880A (en) * | 2022-10-05 | 2024-04-12 | 부산과학기술대학교 산학협력단 | Method and apparatus for providing user-customized machine assembly expience learning |
-
2003
- 2003-10-03 JP JP2003345246A patent/JP2005115430A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018101366A (en) * | 2016-12-21 | 2018-06-28 | トヨタ自動車株式会社 | Assembly work evaluation device |
| KR20240047880A (en) * | 2022-10-05 | 2024-04-12 | 부산과학기술대학교 산학협력단 | Method and apparatus for providing user-customized machine assembly expience learning |
| KR102798854B1 (en) * | 2022-10-05 | 2025-04-23 | 부산과학기술대학교 산학협력단 | Method and apparatus for providing user-customized machine assembly expience learning |
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