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マルチボディダイナミクスarXiv:2601.21413

特異点のないリー群積分と標準絶対座標で記述されたマルチボディシステムモデルの幾何学的に整合した評価

Singularity-Free Lie Group Integration and Geometrically Consistent Evaluation of Multibody System Models Described in Terms of Standard Absolute Coordinates

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マルチボディシステムの標準的な絶対座標定式化にリー群積分法を適用するためのフレームワークを提案し、剛体運動の幾何学を評価に整合的に組み込む手法を示した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- マルチボディシステム(MBS)のモデリングにおいて、絶対座標を用いた運動方程式(EOM)の時間積分における特異点問題を解決するための研究。 - Lie群積分法を標準的なEOM定式化と互換性を持たせるフレームワークを提案。 - 剛体運動の幾何学をEOM評価に一貫して組み込む手法を提示。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来は単位四元数を用いて特異点を回避していたが、Lie群積分法は特異点のない時間積分の代替として提案されていた。 - しかし、Lie群積分法は標準的なEOM定式化と互換性がなく、既存のMBSシミュレーションコードに実装するには大規模な再構築が必要だった。 - 本研究は、Lie群積分器を標準的なEOM定式化にインターフェースするフレームワークを提供し、既存コードへの統合を可能にする点が優れている。

3. 技術・手法の肝は?

- 剛体運動の表現に直積群SO(3)×R3および半直積群SE(3)を使用。 - 鍵となるのはlocal-global transitions (LGT) 遷移写像で、Lie群上の局所座標を用いてグローバルな絶対座標を更新する。 - LGT写像は、絶対座標、Lie群上の局所座標、および剛体配置を表すLie群に依存する。 - これにより、Lie群積分スキームと標準的なEOM定式化のインターフェースを実現。

4. どうやって有効だと検証した?

- 要旨からは不明。

5. 議論はある?

- 要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されている研究は明示されていないが、関連手法として単位四元数を用いた方法やLie群積分法が挙げられる。 - 同分野の定番として、マルチボディシステムの絶対座標定式化やLie群理論に関する論文が考えられる。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Andreas Mueller

分類: cs.RO

原文アブストラクト

A classical approach to the multibody systems (MBS) modeling is to use absolute coordinates, i.e., a set of (possibly redundant) coordinates that describe the absolute position and orientation of the individual bodies with respect to an inertial frame (IFR). A well-known problem for the time integration of the equations of motion (EOM) is the lack of a singularity-free parameterization of spatial motions, which is usually tackled by using unit quaternions. Lie group integration methods were proposed as an alternative approach to the singularity-free time integration. At the same time, Lie group formulations of EOM naturally respect the geometry of spatial motions during integration. Lie group integration methods, operating directly on the configuration space Lie group, are incompatible with standard formulations of the EOM, and cannot be implemented in existing MBS simulation codes without a major restructuring. The contribution of this paper is twofold: (1) A framework for interfacing Lie group integrators to standard EOM formulations is presented. It allows describing MBS in terms of various absolute coordinates and at the same using Lie group integration schemes. (2) A method for consistently incorporating the geometry of rigid body motions into the evaluation of EOM in absolute coordinates integrated with standard vector space integration schemes. The direct product group and the semidirect product group SO(3)xR3 and the semidirect product group SE(3) are used for representing rigid body motions. The key element is the local-global transitions (LGT) transition map, which facilitates the update of (global) absolute coordinates in terms of the (local) coordinates on the Lie group. This LGT map is specific to the absolute coordinates, the local coordinates on the Lie group, and the Lie group used to represent rigid body configurations.

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