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Prismatic Joint

1 本の軸を中心とする相対運動が可能なジョイント

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ライブラリ:
Simscape / Multibody / Joints

説明

Prismatic Joint ブロックは、2 つの座標系間の相対運動を並進自由度 1 に制限する接続をモデル化します。この種の運動は油圧または空気圧シリンダーで一般的です。

Prismatic Joint ブロックは直進プリミティブを 1 つだけもちます。これは base 座標系の z 軸に沿っています。シミュレーション中、次の図に示すように base 座標系と follower 座標系の z 軸が揃い、follower 座標系が base 座標系を基準に z 軸に沿って移動します。

その間、follower 座標系の x 軸と y 軸は、それぞれ base 座標系の x 軸と y 軸と並行に保たれます。

ジョイント プリミティブの初期状態のターゲットを指定するには、[State Targets] の下にあるパラメーターを使用します。ターゲットは base 座標系で指定されます。ターゲットの優先順位レベルも設定できます。ジョイントがすべての状態ターゲットを満たすことができない場合、優先順位レベルに基づいて、どのターゲットを先に満たすか、およびそれらをどの程度正確に満たすかが決まります。例については、アセンブリのガイドを参照してください。

ジョイント プリミティブの減衰とバネの動作をモデル化するには、[Internal Mechanics] の下にあるパラメーターを使用します。エネルギーの散逸をモデル化するには [Damping Coefficient] パラメーターを使用し、エネルギーの蓄積をモデル化するには [Spring Stiffness] パラメーターを使用します。ジョイントのバネは、ジョイント プリミティブを平衡位置から変位させようとします。ジョイント ダンパーはエネルギーの散逸要素として機能します。バネとダンパーは厳密に線形です。

ジョイント プリミティブの範囲を指定するには、[Limits] の下にあるパラメーターを使用します。下限と上限で自由領域の幅を定義します。このブロックは、ジョイントの位置がこの範囲を超えると、ジョイントの位置をこの自由領域に戻すよう加速する力を適用します。このブロックは、平滑化されたバネ-ダンパー手法を使用してその力を計算します。平滑化されたバネ-ダンパー手法の詳細については、Spatial Contact Force ブロックのDescriptionセクションを参照してください。

シミュレーション中のジョイント プリミティブの運動は、[Actuation] セクションの [Force] パラメーター、[Torque] パラメーター、および [Motion] パラメーターによって制御されます。詳細については、ジョイントの作動入力の指定を参照してください。さらに、ジョイント ブロックには位置、速度、加速度、力、トルクなどの検出データを出力する端子があり、これを使用してモデルに対する解析タスクを実行できます。詳細については、検出と力とトルクの検出を参照してください。

ジョイント モード構成を指定するには、[Mode] パラメーターを使用します。詳細については、[Parameters] セクションと [Ports] セクションの [Motion Configuration] を参照してください。

例

Simulink でのマルチボディの作成方法

この例では、Simscape™ Multibody™ を使用した機械モデル作成の主な概念と推奨手順を取り上げます。この目的のために簡単な設計問題を選びました。次の節でこの設計問題について、その後の節でそれを解決する方法について説明します。

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端子

座標系

B — base 座標系

座標系

ジョイント ブロックの base 座標系。

F — follower 座標系

座標系

ジョイント ブロックの follower 座標系。

入力

f — 作動力

物理量信号

ジョイント プリミティブに対する作動力を受け入れる物理量信号入力端子。この信号はジョイント プリミティブの base 座標系と follower 座標系の両方に適用される力の値を提供します。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Actuation] で、[Force] を Provided by Input に設定します。

p — 運動プロファイル

物理量信号

ジョイント プリミティブに対する運動プロファイルを受け入れる物理量信号入力端子。信号により、ジョイント プリミティブの軸に沿った、base 座標系を基準とする follower 座標系の変位が与えられます。この信号には変位の 1 階微分および 2 階微分も含まれていなければならないことに注意してください。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Actuation] で [Motion] を Provided by Input に設定します。

Mode Configuration

mode — ジョイント モード制御

スカラー

ジョイントのモードを制御する入力端子。信号は単位なしのスカラーです。ジョイント モードは、入力信号が 0 の場合はノーマル、入力信号が -1 の場合は解放、入力信号が 1 の場合はロックになります。モードはシミュレーション中にいつでも変更できます。

次の表は、モード間の遷移時にジョイントの位置と速度がどのように変化するかを示しています。

遷移	位置	速度
ノーマルからロック	ジョイントの位置は現在の値のまま維持され、一定に保たれます。	ジョイントの速度はゼロになり、一定に保たれます。
ノーマルから解放	ジョイントの位置は、力またはトルクによって変化が生じるまで現在の値のまま維持されます。	ジョイントの速度は、力またはトルクによって変化が生じるまで現在の値のまま維持されます。
ロックからノーマル	ジョイントの位置は、力またはトルクによって変化が生じるまで現在の値のまま維持されます。	ジョイントの速度は、力またはトルクによって変化が生じるまでゼロのまま維持されます。
ロックから解放	ジョイントの位置は、力またはトルクによって変化が生じるまで現在の値のまま維持されます。	ジョイントの速度は、力またはトルクによって変化が生じるまでゼロのまま維持されます。
解放からノーマル	ジョイントの自由度 (DOF) と一致する方向の場合、ジョイント プリミティブの位置にはニュートン法で計算された値が使用されます。このような位置は、力またはトルクによって変化が開始されるまでその値のまま維持されます。拘束方向では、ジョイント プリミティブの位置はゼロになり、一定に保たれます。	ジョイントの DOF と一致する方向の場合、ジョイント プリミティブの速度は、力またはトルクによって変化が開始されるまで現在の値のまま維持されます。拘束方向では、ジョイント プリミティブの速度はゼロになり、一定に保たれます。
解放からロック	ジョイントの DOF と一致する方向の場合、ジョイント プリミティブの位置にはニュートン法で計算された値が使用され、一定に保たれます。拘束方向では、ジョイント プリミティブの位置はゼロになり、一定に保たれます。	ジョイントの速度はゼロになり、一定に保たれます。

依存関係

この端子を有効にするには、[Mode Configuration] で [Mode] を Provided by Input に設定します。

出力

p — プリミティブの位置

物理量信号

プリミティブの位置を出力する物理量信号端子。値は、base 座標系に対する follower 座標系の変位です。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Sensing] で、[Position] を選択します。

v — プリミティブの速度

物理量信号

プリミティブの速度を出力する物理量信号端子。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Sensing] で、[Velocity] を選択します。

a — プリミティブの加速度

物理量信号

プリミティブの加速度を出力する物理量信号端子。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Sensing] で、[Acceleration] を選択します。

f — ジョイント プリミティブに作用するアクチュエータの力

物理量信号

ジョイント プリミティブに作用するアクチュエータの力を出力する物理量信号端子。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Sensing] で、[Actuator Force] を選択します。

fll — 下限の力

物理量信号

下限の力を出力する物理量信号端子。ジョイント プリミティブの位置が自由領域の下限を下回ると、ブロックはこの力を適用します。この力はジョイント プリミティブの base 座標系と follower 座標系の両方に適用され、位置を加速させて自由領域に戻します。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Sensing] で、[Lower-Limit Force] を選択します。

ful — 上限の力

物理量信号

上限の力を出力する物理量信号端子。ジョイント プリミティブの位置が自由領域の上限を上回ると、ブロックはこの力を適用します。この力はジョイント プリミティブの base 座標系と follower 座標系の両方に適用され、位置を加速させて自由領域に戻します。

依存関係

この端子を有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Sensing] で、[Upper-Limit Force] を選択します。

fc — Constraint Force

物理量信号

ジョイントに作用する拘束力を出力する物理量信号端子。この力はジョイントの並進拘束を維持します。詳細は、ジョイントの拘束力の測定を参照してください。

依存関係

この端子を有効にするには、[Composite Force/Torque Sensing] で [Constraint Force] を選択します。

tc — Constraint torque

物理量信号

ジョイントに作用する拘束トルクを出力する物理量信号端子。このトルクはジョイントの回転拘束を維持します。詳細は、力とトルクの検出を参照してください。

依存関係

この端子を有効にするには、[Composite Force/Torque Sensing] で [Constraint Torque] を選択します。

ft — Total force

物理量信号

ジョイントに作用する合計力を出力する物理量信号端子。合計力は、一方の座標系からジョイントを通じて他方の座標系に伝達される力の和です。次の図に、Prismatic Joint ブロックを使用してモデル化されたクランクスライダー ピストンを示します。

ジョイントに作用する合計力には、アクチュエータの力 (F_A)、内力 (F_I)、および拘束力 (F_C) が含まれます。詳細は、力とトルクの検出を参照してください。

依存関係

この端子を有効にするには、[Composite Force/Torque Sensing] で [Total Force] を選択します。

tt — Total torque

物理量信号

ジョイントに作用する合計トルクを出力する物理量信号端子。合計トルクは、一方の座標系からジョイントを通じて他方の座標系に伝達されるトルクの和です。このトルクには、作動トルク、内部トルク、制限トルク、拘束トルクが含まれます。詳細は、力とトルクの検出を参照してください。

依存関係

この端子を有効にするには、[Composite Force/Torque Sensing] で [Total Torque] を選択します。

パラメーター

Z Prismatic Primitive (Pz)

[State Targets]、[Specify Position Target] — 位置ターゲットを指定するかどうか

off (既定値) | on

ジョイント プリミティブの位置ターゲットを指定するパラメーターを有効にするには、このパラメーターを選択します。

[State Targets]、[Specify Position Target]、[Priority] — 位置ターゲットの優先順位レベル

High (desired) (既定値) | Low (approximate)

位置ターゲットの優先順位レベル。[High (desired)] または [Low (approximate)] として指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [State Targets] で、[Specify Position Target] を選択します。

[State Targets]、[Specify Position Target]、[Value] — 位置ターゲット

0 m (既定値) | 長さの単位のスカラー

ジョイント プリミティブの位置ターゲット。長さの単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [State Targets] で、[Specify Position Target] を選択します。

[State Targets]、[Specify Velocity Target] — 速度ターゲットを指定するかどうか

off (既定値) | on

ジョイント プリミティブの速度ターゲットを指定するパラメーターを有効にするには、このパラメーターを選択します。

[State Targets]、[Specify Velocity Target]、[Priority] — 速度ターゲットの優先順位レベル

High (desired) (既定値) | Low (approximate)

速度ターゲットの優先順位レベル。[High (desired)] または [Low (approximate)] として指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [State Targets] で、[Specify Velocity Target] を選択します。

[State Targets]、[Specify Velocity Target]、[Value] — ジョイント プリミティブの速度ターゲット

0 m/s (既定値) | 線形速度の単位のスカラー

ジョイント プリミティブの速度ターゲット。線形速度の単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [State Targets] で、[Specify Velocity Target] を選択します。

[Internal Mechanics]、[Equilibrium Position] — 内力が 0 となる場所

0 m (既定値) | 長さの単位のスカラー

バネの力が 0 になる場所。長さの単位のスカラーとして指定します。この値はプリミティブの位置を指定します。

[Internal Mechanics]、[Spring Stiffness] — 力の法則の剛性

0 N/m (既定値) | 線形剛性の単位のスカラー

ジョイント プリミティブの内部バネ-ダンパー力の法則の剛性。線形剛性の単位のスカラーとして指定します。

[Internal Mechanics]、[Damping Coefficient] — 力の法則の減衰係数

0 N(m/s) (既定値) | 線形減衰係数の単位のスカラー

ジョイント プリミティブの内部バネ-ダンパー力の法則の減衰係数。線形減衰係数の単位のスカラーとして指定します。

[Limits]、[Specify Lower Limit] — 位置の下限を指定するかどうか

off (既定値) | on

ジョイント プリミティブの下限を指定するパラメーターを有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Limits]、[Specify Lower Limit]、[Bound] — 自由領域の下限

-1 m (既定値) | 長さの単位のスカラー

ジョイント プリミティブの自由領域の下限。長さの単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Lower Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Lower Limit]、[Spring Stiffness] — 下限でのバネの剛性

1e6 N/m (既定値) | 線形剛性の単位のスカラー

下限でのバネの剛性。線形剛性の単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Lower Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Lower Limit]、[Damping Coefficient] — 下限での減衰係数

1e3 N/(m/s) (既定値) | 線形減衰係数の単位のスカラー

下限での減衰係数。線形減衰係数の単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Lower Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Lower Limit]、[Transition Region Width] — バネとダンパーの力を平滑化する領域

1e-4 m (既定値) | 長さの単位のスカラー

バネとダンパーの力を平滑化する領域。長さの単位のスカラーとして指定します。

このブロックは、侵入が遷移領域の幅に達したとき、この力の全量を適用します。領域が小さいほど、力の発生がシャープになり、ソルバーの必要なタイム ステップが小さくなります。シミュレーション精度とシミュレーション速度の間にはトレードオフがあり、遷移領域を小さくすると精度が向上し、大きくすると速度が向上します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Lower Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Upper Limit] — 位置の上限を指定するかどうか

off (既定値) | on

ジョイント プリミティブの上限を指定するパラメーターを有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Limits]、[Specify Upper Limit]、[Bound] — 自由領域の上限

1 m (既定値) | 長さの単位のスカラー

ジョイント プリミティブの自由領域の上限。長さの単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Upper Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Upper Limit]、[Spring Stiffness] — 上限でのバネの剛性

1e6 N/m (既定値) | 線形剛性の単位のスカラー

上限でのバネの剛性。剛性の単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Upper Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Upper Limit]、[Damping Coefficient] — 上限での減衰係数

1e3 N/(m/s) (既定値) | 線形減衰係数の単位のスカラー

上限での減衰係数。線形減衰係数の単位のスカラーとして指定します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Upper Limit] を選択します。

[Limits]、[Specify Upper Limit]、[Transition Region Width] — バネとダンパーの力を平滑化する領域

1e-4 m (既定値) | 長さの単位のスカラー

バネとダンパーの力を平滑化する領域。長さの単位のスカラーとして指定します。

このブロックは、侵入が遷移領域の幅に達したとき、この力の全量を適用します。領域が小さいほど、力の発生がシャープになり、ソルバーの必要なタイム ステップが小さくなります。シミュレーション精度とシミュレーション速度の間にはトレードオフがあり、遷移領域を小さくすると精度が向上し、大きくすると速度が向上します。

依存関係

このパラメーターを有効にするには、[Z Prismatic Primitive (Pz)] 、 [Limits] で、[Specify Upper Limit] を選択します。

[Actuation]、[Force] — 作動力を提供するオプション

None (既定値) | Provided by Input | Automatically Computed

ジョイント プリミティブに作動力を提供するオプション。テーブル内の値として指定します。

作動力の設定	説明
None	作動力なし。
Provided by Input	入力端子 [f] は、ジョイント プリミティブの作動力を指定します。
Automatically computed	このブロックは、機構への運動入力を満たすのに必要な力の大きさを自動的に計算します。このパラメーターを [Automatically computed] に設定しても、同じジョイント プリミティブの [Motion] パラメーターに [Provided by Input] を使用しなければならないわけではないことに注意してください。自動的に計算された力は、機構の別の場所の運動入力を満たすために使用することもできます。

[Actuation]、[Motion] — 作動運動を提供するオプション

Automatically Computed (既定値) | Provided by Input

ジョイント プリミティブに作動運動を提供するオプション。テーブル内の値として指定します。

作動運動の設定	説明
Automatically computed	このブロックは、モデルのダイナミクスに基づいてジョイント プリミティブの運動を計算し、適用します。
Provided by Input	入力端子 [p] は、ジョイント プリミティブの作動運動を指定します。

[Sensing]、[Position] — ジョイント プリミティブの位置を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

出力端子 [p] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Sensing]、[Velocity] — ジョイント プリミティブの速度を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [v] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Sensing]、[Acceleration] — ジョイント プリミティブの加速度を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [a] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Sensing]、[Actuator Force] — ジョイント アクチュエータの力を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [f] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Sensing]、[Lower-Limit force] — 下限の力を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [fll] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

[Sensing]、[Upper-Limit force] — 上限の力を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [ful] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

Mode Configuration

Mode — ジョイント モード

Normal (既定値) | Locked | Disengaged | Provided by Input

シミュレーションのジョイント モード。以下のいずれかの値として指定します。

方法	説明
Locked	ロック モードでは、ジョイントの自由度 (DOF) が拘束されます。ロックされたジョイントは、シミュレーション全体を通じてアセンブリ内での初期位置を維持し、その速度はゼロになります。導入された拘束は、ジョイントの拘束力および拘束トルクに寄与します。
Normal	ノーマル モードでは、シミュレーション全体を通じてジョイントの DOF と拘束が通常の動作になります。
Disengaged	解放モードでは、シミュレーション全体を通じてジョイントのすべての拘束が解放されます。
Provided by Input	[Provided by Input] オプションを使用すると、端子 mode が表示されます。入力信号を使用してジョイント モードを制御できます。

Composite Force/Torque Sensing

Direction — 測定の方向

Follower on Base (既定値) | Base on Follower

測定の方向。以下のいずれかの値として指定します。

• Follower on Base — ブロックは、follower 座標系が base 座標系に及ぼす力およびトルクを検出します。

• Base on Follower — ブロックは、base 座標系が follower 座標系に及ぼす力およびトルクを検出します。

このパラメーターは、[Composite Force/Torque Sensing] セクションの出力信号にのみ影響します。この方向を反転すると、測定の符号が変わります。詳細は、力とトルクの測定の方向を参照してください。

Resolution Frame — 測定値の解決に使用される座標系

Base (既定値) | Follower

測定値の解決に使用される座標系。以下のいずれかの値として指定します。

• Base — ブロックは base 座標系の座標で測定値を解決します。

• Follower — ブロックは follower 座標系の座標で測定値を解決します。

このパラメーターは、[Composite Force/Torque Sensing] セクションの出力信号にのみ影響します。

Constraint Force — ジョイントの拘束力を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [fc] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

Constraint Torque — ジョイントの拘束トルクを検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [tc] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

Total Force — ジョイントの合計力を検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [ft] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

Total Torque — ジョイントの合計トルクを検出するかどうか

オフ (既定値) | オン

端子 [tt] を有効にするには、このパラメーターを選択します。

拡張機能

C/C++ コード生成
Simulink® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

バージョン履歴

R2012a で導入

参考

トピック

• 力とトルクの検出
• アセンブリのガイド
• ジョイントの拘束力の測定