(57)【要約】【課題】  予め触覚デバイスから得られたフィーリング曲線に基づいて、接触解析によりフィーリング曲線を得られるような形状を設計し、部品形状の最適化を実現することを可能とした接触部品の設計支援システム、その支援プログラム、及び該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。【解決手段】  接触部品の形状を設計する際、前記接触部品の初期設計情報に基づいて、前記接触部品の形状モデルを作成するモデル化手段１２と、前記作成された形状モデルを用いて接触境界条件を定義することで、接触解析を行う解析手段１３と、前記解析手段により接触解析された解析結果と予め触覚デバイスから得られたフィーリング曲線とを比較して、前記接触部品の形状を変更する最適化手段１４とを設ける。【選択図】  図２
2005346497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触部品の形状を設計する際、前記接触部品の初期設計情報に基づいて、前記接触部品の形状モデルを作成するモデル化手段と、
前記作成された形状モデルを用いて接触境界条件を定義することで、接触解析を行う解析手段と、
前記解析手段により接触解析された解析結果と予め触覚デバイスから得られたフィーリング曲線とを比較して、前記接触部品の形状を変更する最適化手段と、
を備えたことを特徴とする接触部品の形状設計支援システム。
【請求項２】
前記解析手段は、
前記作成された形状モデルを用いて接触解析を行うための境界条件を入力する入力部と、
前記入力部から入力された境界条件を基に接触解析を行う解析部と、
前記解析部による接触解析によって得られた解析結果を出力する出力部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システム。
【請求項３】
前記触覚デバイスは、接触により生じた接触力と同レベルな力を生成することを特徴とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システム。
【請求項４】
前記触覚デバイスにおける各パラメータを調整することで、生成された力の各特性を変更し、適宜なフィーリング曲線を取得することを特徴とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システム。
【請求項５】
前記触覚デバイスから得られたフィーリング曲線と前記解析手段により接触解析された解析結果の差分を、前記最適化計算の目的関数とすることを特徴とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システム。
【請求項６】
前記モデル化手段から得られた形状モデルにおける各パラメータを、前記最適化計算の設計変数とすることを特徴とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システム。
【請求項７】
前記モデル化手段は、コンピュータを機能させるモデル作成プログラムであり、
前記解析手段は、コンピュータを機能させる接触解析プログラムであり、
前記最適化手段は、コンピュータを機能させる最適計算プログラムであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の接触部品の形状設計支援プログラム。
【請求項８】
コンピュータに請求項１から６のいずれか１項に記載の接触部品の形状設計支援システムを動作させるためのプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＡＤのようなコンピュータ設計支援システムにおける形状設計技術に関する。特に、触覚デバイスを備えることで、接触の際に生じた接触力によるフィーリングが人間に対して適宜なものとして得られるように、部品の形状を最適設計するための触覚デバイスのフィーリング曲線に基づいた接触部品の形状設計支援システム、その支援プログラム及び該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンピュータの設計支援では、設計データに基づいて、ディスプレイ画面を見ながら、マウスなどの入力装置を使って、対話的に入力修正していく方法がとられている。しかし、視覚情報のみをフィードバック情報として手で修正操作するのは、微妙な形状を把握するのは困難である。
このような課題を解決するため、特許文献１に示される「コンピュータ支援設計システム」では、人間の動作に対するフィードバック情報として、視覚情報のみならず、動作を起こす手の動きに直接位置と力の触覚フィードバック情報を与えることによって、より自然に形状の把握、修正が行えるようにする技術が開示されている。
【特許文献１】特公平６−４０３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１に示される「コンピュータ支援設計システム」では、接触部品に対して、細かい形状を把握できても、部品の形状から操作者に与える感触(フィーリング)が考慮されてなく、部品の最適化を図れていない。例えば、キーボードのような部品に対して、打つフィーリングは、重要な評価要素となっている。
【０００４】
本発明は、上記のような問題点に鑑み、形状設計を行う前、予め触覚デバイスから得られた操作者に適宜なフィーリング曲線に基づいて、接触解析によって、前記フィーリング曲線を得られるような形状を設計し、これによって部品形状の最適化を実現することを可能とした触覚デバイスのフィーリング曲線に基づいた接触部品の形状設計支援システム、その支援プログラム及び該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、接触部品の形状を設計する際、前記接触部品の初期設計情報に基づいて、前記接触部品の形状モデルを作成するモデル化手段と、前記作成された形状モデルを用いて接触境界条件を定義することで、接触解析を行う解析手段と、前記解析手段により接触解析された解析結果と予め触覚デバイスから得られたフィーリング曲線とを比較して、前記接触部品の形状を変更する最適化手段とを備えた接触部品の形状設計支援システムとしたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、前記解析手段は、前記作成された形状モデルを用いて接触解析を行うための境界条件を入力する入力部と、前記入力部から入力された境界条件を基に接触解析を行う解析部と、前記解析部による接触解析によって得られた解析結果を出力する出力部とを備えた請求項１記載の接触部品の形状設計支援システムとしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、前記触覚デバイスは、接触により生じた接触力と同レベルな力を生成する請求項１記載の接触部品の形状設計支援システムとしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、前記触覚デバイスにおける各パラメータを調整することで、生成された力の各特性を変更し、適宜なフィーリング曲線を取得する請求項１記載の接触部品の形状設計支援システムとしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の発明は、前記触覚デバイスから得られたフィーリング曲線と前記解析手段により接触解析された解析結果の差分を、前記最適化計算の目的関数とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システムとしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項６記載の発明は、前記モデル化手段から得られた形状モデルにおける各パラメータを、前記最適化計算の設計変数とする請求項１記載の接触部品の形状設計支援システムとしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項７記載の発明は、前記モデル化手段は、コンピュータを機能させるモデル作成プログラムであり、前記解析手段は、コンピュータを機能させる接触解析プログラムであり、前記最適化手段は、コンピュータを機能させる最適計算プログラムである請求項１から６のいずれか１項に記載の接触部品の形状設計支援プログラムとしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項８記載の発明は、コンピュータに請求項１から６のいずれか１項に記載の接触部品の形状設計支援システムを動作させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、形状設計を行う前、予め触覚デバイスから得られた操作者に適宜なフィーリング曲線に基づいて、接触解析によって、前記フィーリング曲線を得られるような形状を設計し、これによって部品形状の最適化を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態は、接触部品の形状を設計する際、前記接触部品の初期設計情報に基づいて、前記接触部品の形状モデルを作成するモデル化手段と、前記作成された形状モデルを用いて接触境界条件を定義することで、接触解析を行う解析手段と、前記解析手段により接触解析された解析結果と予め触覚デバイスから得られたフィーリング曲線とを比較して、前記接触部品の形状を変更する最適化手段とを設ける。
【実施例】
【００１５】
以下、添付図面を用いて、本実施例の触覚デバイスのフィーリング曲線に基づいた接触部品の形状設計支援システムについて説明する。なお、本実施例は、本発明の代表的な例を示したに過ぎない。本発明は、本実施例に限定されるものではなく、接触部品の形状設計に適用できるものである。
【００１６】
まず、本実施例の形状設計支援システムを説明するために、例として採りあげる形状設計の対象である接触部品について説明する。接触部品は、図１に示すように接触部品１と接触部品２とからなる。そして、接触部品１が、操作者によって速度ｖで落下し、固定されている接触部品２と接触して、接触部品２の内側に入る場合を想定する。
【００１７】
次に、添付図面を用いて、本実施例の触覚デバイスのフィーリング曲線に基づいた接触部品の形状設計支援システムの概略構成及び動作について説明する。図２は、本実施例の触覚デバイスのフィーリング曲線に基づいた接触部品の形状設計支援システムの概略構成図である。図２に示すように、本実施例の接触部品の形状設計支援システムは、入力手段１０、モデル化手段１１、解析手段１２、最適化手段１３、出力手段１４とを備えている。
【００１８】
まず、入力手段１０において、接触部品１と接触部品２の初期設計情報、例えば寸法等が入力される。
次に、モデル化手段１１は、入力された接触部品１と接触部品２の初期設計情報、例えば寸法等に基づいて、図１に示すような接触部品１及び２の形状モデルを作成する。そして、更に、入力手段１０において、この作成した形状モデルについての接触部品１及び接触部品２の物性値、例えば、密度などが入力される。
【００１９】
次に、解析手段１２は、モデル化手段１１により作成された形状モデルに、接触解析ができるように、接触部品１と接触部品２の間、例えば、以下に示す式１を用いて、接触力を定義する。
【００２０】
【数１】
2005346497.tif 000003
【００２１】
ｇe：弾性項（非線形弾性力）
ｓｔｅｐ（ｇ，０，０，ｄmax，ｃmax）：粘性項（減衰力の不連続性を避けるため、減衰係数はステップ関数で定義
ｇ：食い込み量
ｃmax：最大減衰係数
ｄmax：最大減衰係数に達する時の食い込み量
【００２２】
ＳＴＥＰ関数は、食い込み量が０の際、減数係数が０で、食い込み量がｄmaxに達するとき減衰係数がｃmaxになるように、減衰力の不連続性を避けるため、両時点の間に、減数係数をＳＰＬＩＮＥによる内挿したものである。
【００２３】
次に、解析手段１２は、接触部品２の弾性変形を考慮するため、接触部品２に対して、有限要素解析を行い、その結果を形状モデルに反映する。これによって、接触解析の準備を整える。この接触解析の様子は図３に示し、解析結果は、図４に示す。横軸と縦軸はそれぞれ接触部品１の変位と接触部品１が受ける力になっている。
【００２４】
最後に、図２に示すように、まず、最適化手段１３は、触覚デバイスから適宜なフィーリング曲線を取得する。使用する触覚デバイスは、接触力と同レベルな力を出力することができる。また、触覚デバイスにおける各パラメータ、例えば、モータ電流の強さなどを調整することで、生成された力の各特性、例えば、力の大きさや発生する位置などを変更することもできる。生成された力を操作者が実際に繰り返して体験することで、適宜なフィーリング曲線を見つける。その例として、得られたフィーリング曲線を図５に示す。図５に示すフィーリング曲線（初期解析時）は、上述したパラメータ調整前に触覚デバイスから得られたフィーリング曲線の例を示す。また、図５に示すフィーリング曲線Ａは、触覚デバイスにおける各パラメータ調整後に得られた適宜なフィーリング曲線を示す。
【００２５】
次に、この得られたフィーリング曲線Ａを用いて、前記解析手段１２からの解析結果との差分を目的関数とする。そして、この目的関数を最小化するように、最適化手段１３は、最適化計算を行う。続いて、最適化手段１３は、前記形状モデルにおける各パラメータ、例えば、寸法や材質などを最適化計算の設計変数として扱う。そして、最適化手段１３は、各データ差分の合計値（ｙ）の勾配を式２で計算し、これによって適切な探索方向を決定する。
【００２６】
【数２】
2005346497.tif 000004
【００２７】
次に、最適化手段１３において、決定された探索方向に沿って、新しい設計変数が設定され、最適化手段１３は、算出された接触力と前記フィーリング曲線における各データ差分の合計値が最小になるまで上記計算を繰り返す。その計算結果は、図５のフィーリング曲線Ｂに示す。また、解析前後を比較した接触部品１の形状を図６に示す。最後に、出力手段１４により、上述した計算結果が出力される。
【００２８】
なお、上記モデル化手段は、コンピュータを機能させるモデル作成プログラムとして、また、上記解析手段は、コンピュータと機能させる接触解析プログラムとして、上記最適化手段は、コンピュータを機能させる最適計算プログラムとして、上記接触部品の形状設計支援プログラムを構成することもできる。また、該形状設計支援プログラムは、上記接触部品の形状設計支援システムを動作させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施例における設計対象である接触部品の斜視図である。
【図２】本実施例の触覚デバイスのフィーリング曲線に基づいた接触部品の形状設計支援システムの概略構成図である。
【図３】本実施例の接触部品の形状設計支援システムの解析手段による解析の内容について説明するための図である。
【図４】本実施例の接触部品の形状設計支援システムの解析手段による解析の内容について説明するための図である。
【図５】本実施例の接触部品の形状設計支援システムの最適化手段による最適化の内容について説明するための図である。
【図６】本実施例の接触部品の形状設計支援システムの最適化手段による最適化の内容について説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    接触部品
２    接触部品
１０    入力手段
１１    モデル化手段
１２    解析手段
１３    最適化手段
１４    出力手段
【図１】
2005346497.tif 000005
【図２】
2005346497.tif 000006
【図３】
2005346497.tif 000007
【図４】
2005346497.tif 000008
【図５】
2005346497.tif 000009
【図６】
2005346497.tif 000010