[論文レビュー] Haptic devices and objects, robots and mannequin simulation in a CAD-CAM software: eM-Virtual Desktop

Damien Chablat, Fouad Bennis+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2011

Manufacturing Process and Optimization被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、工業設計におけるロボット、マネキン、物体のシミュレーションに、Phantomデバイスからのヒューマンフィードバックを統合したCAD-CAMソフトウェアeM-Virtual Desktopを提示する。グラフィックス、衝突検出、ヒューマンフィードバックの3つの独立したループを、それぞれ異なる周波数で動作させることで、リアルタイムで没入感のあるインタラクションを実現し、自動車分野における製品開発サイクルの短縮に寄与する。

ABSTRACT

This paper presents the development of a new software in order to manage objects, robots and mannequins in using the possibilities given by the haptic feedback of the Phantom desktop devices. The haptic device provides 6 positional degrees of freedom sensing but three degrees force feedback. This software called eM-Virtual Desktop is integrated in the Tecnomatix's solution called eM-Workplace. The eM-Workplace provides powerful solutions for planning and designing of complex assembly facilities, lines and workplaces. In the digital mockup context, the haptic interfaces can be used to reduce the development cycle of products. Three different loops are used to manage the graphic, the collision detection and the haptic feedback according to theirs own frequencies. The developed software is currently tested in industrial context by a European automotive constructor.

研究の動機と目的

• より良いワークプレイスおよび組立ライン設計のため、仮想的な産業環境における没入型でヒューマンフィードバック付きのインタラクションを可能にする。
• PhantomデスクトップデバイスからのヒューマンフィードバックをTecnomatix eM-Workplaceプラットフォームに統合し、デジタルマockup機能を強化する。
• エンジニアが力覚フィードバックを用いて仮想プロトタイプと物理的にインタラクトできるようにすることで、製品開発サイクルを短縮する。
• 統合的かつインタラクティブな仮想ワークスペース内でロボット、マネキン、作業オブジェクトのシミュレーションを可能にする。
• 特にヨーロッパの自動車メーカーを対象として、実際の産業現場でのシステムの妥当性を検証する。

提案手法

• 6自由度の位置検出と3自由度の力覚フィードバックを備えたPhantomデスクトップデバイスを、eM-Workplace CAD-CAM環境に統合する。
• リアルタイムのグラフィックスレンダリング、衝突検出、ヒューマンフィードバックの各処理を別々に実行する3つの並列処理ループを実装し、それぞれ最適な周波数で動作させる。
• Phantomデバイスの力覚フィードバックを活用して、仮想オブジェクト、ロボット、人間モデル（マネキン）との物理的インタラクションをシミュレートする。
• オブジェクトのダイナミクス、ロボットの運動学、ヒューマンフィードバックの論理を管理するソフトウェアレイヤーをeM-Virtual Desktop環境内に開発する。
• 産業用デジタルマockupワークフローとの互換性を確保するため、Tecnomatix eM-Workplaceプラットフォームを活用する。
• 仮想操作タスク中に正確なヒューマンフィードバックを提供するために、リアルタイムの衝突検出アルゴリズムを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Phantomデバイスからのヒューマンフィードバックを、産業設計向けのCAD-CAM環境に効果的に統合する方法は何か？
• RQ2 仮想シミュレーションにおいて、グラフィックス、衝突検出、ヒューマンフィードバックの3つが安定したリアルタイムでの相互作用を実現するためのアーキテクチャ的アプローチは何か？
• RQ3 ヒューマンフィードバック付きシミュレーションは、産業用組立計画における製品開発サイクルをどの程度短縮できるか？
• RQ4 ヒューマンフィードバックを備えたロボットおよびマネキンの統合は、仮想ワークプレイスシミュレーションの現実性と使いやすさをどのように向上させるか？
• RQ5 このようなシステムを産業用自動車分野に導入するにあたり、実際の課題と利点は何か？

主な発見

• eM-Virtual Desktopシステムは、産業用シミュレーション向けに、PhantomデバイスからのヒューマンフィードバックをTecnomatix eM-Workplaceプラットフォームに成功裏に統合した。
• グラフィックス、衝突検出、ヒューマンフィードバックの3つの独立したループを用いることで、最小限の遅延で安定したリアルタイムパフォーマンスを実現した。
• エンジニアは力覚フィードバックを用いて、仮想ロボット、マネキン、作業オブジェクトと物理的にインタラクトでき、設計検証の質が向上した。
• 本ソフトウェアはヨーロッパの自動車メーカーによる実産業現場でのテストが行われ、実用的応用性が裏付けられた。
• 物理的プロトタイプへの依存度が低下し、複雑な組立施設計画における開発サイクルが加速した。
• ヒューマンフィードバックを備えた没入型でインタラクティブなデジタルマockupワークフローをサポートし、仮想環境内でのエルゴノミクスとプロセス計画の質が向上した。