JP2016115218A - 振動抑制システム、振動抑制指令装置、制振仕様装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボット等サーボ制御を用いた装置において、目標位置到達後の惰性振動に対する振動を効果的に抑制できるとともに、振動整定時間を短縮させることのできる振動抑制システムを提供すること。【解決手段】 振動抑制システム３０は、制御対象機器２０の振動発生部位に搭載された角速度センサ２と、角速度センサ２により得られる角速度信号に基づいて制御対象機器２０のサーボ制御を行うサーボ制御構造３とからなる構成とする。角速度センサ２を搭載する箇所である振動発生部位は要するに可動部であるが、特にこれを制御対象機器２０の先端部とすればよい。【選択図】 図１

Description

本発明は振動抑制システム、振動抑制指令装置、制振仕様装置およびロボットに係り、特にサーボ制御を用いた装置において、目標位置到達後の惰性振動に対する振動を効果的に抑制できるとともに、振動整定時間を短縮させることのできる、振動抑制システム等に関するものである。

産業機器やロボット等のサーボ制御を利用したシステムにおいては、近年、装置の低コスト化、軽量化が進む中、タクトの高速化という相反する要求が高まっている。しかしその結果、自身の震動や外乱に弱い構造となってしまう。かかる問題への対処法として従来のシステムでは、サーボアンプの中に振動抑制フィルタ生成処理部を備え、周波数解析機能や共振解析機能によって振動抑制を図っている。

ロボット等の振動抑制については従来、技術的提案もなされている。たとえば後掲特許文献１には、ロボットの振動を抑制しつつ、容易に機能を拡張できるロボット制御装置として、角速度センサおよび位置センサからの信号を受信する第１受信部と、角速度センサ信号から特定周波数帯域の信号を除去する第１フィルタリング処理部とを有する第１チップと、第１フィルタリング処理部からの信号および第１受信部を介した位置センサ信号を受信する第２受信部と、第２受信部で受信した信号に基づきアームの角速度の振動成分を求める演算部と、得られた振動成分に基づいて駆動源の作動を制御する制御部とを有する第２チップとを備えた構成が開示されている。

特開２０１４−５０９３５号公報「ロボット制御装置、ロボットおよびロボットシステム」

産業機器・ロボット等において、タクトタイム（工程の均等なタイミングを図るための工程作業時間）は最も重要なものであるが、剛性の低い機械では、高速動作後の停止時において、機械先端部に振動が発生してしまう。その振動がタクトタイムに大きな影響を及ぼす。また、発生する振動により製造する製品を破損する危険もある。そこで、上述したようにサーボアンプ中に振動抑制フィルタ生成処理部を備えた方式がなされているのだが、この方式では、周囲環境の変化や動作プログラムの変更等が生じた場合、その都度、振動抑制フィルタの調整が必要となる。また、外乱等の予期せぬ振動に対応できないという問題もある。

一方、上記文献開示技術では、角速度センサを利用した振動抑制技術が提案されてはいるが、一方向の角速度データに基づく制御方法では、あらゆる方向の振動に対する対応をリアルタイムに適切に行うことが不可能である。したがって、タクトタイムに対する振動の影響を抑制する効果は限定的であり、より有効かつ実用性の高い方式が必要である。

そこで本発明が解決しようとする課題は、かかる従来技術の問題点をなくし、ロボット等サーボ制御を用いた装置において、目標位置到達後の惰性振動に対する振動を効果的に抑制できるとともに、振動整定時間を短縮させることのできる、振動抑制システム、振動抑制指令装置、制振仕様装置およびロボットを提供することである。

さらに本発明の課題は、振動をリアルタイムに得られるとともに周囲環境の変化や予期せぬ外乱にも対応可能であり、振動抑制をリアルタイムに行うことができ、タクトタイムに対する振動の影響を効果的に抑制できる、実用性の高い振動抑制システム等を提供することである。

本願発明者は上記課題について検討した結果、剛性の低い産業機器等において、可動部すなわち先端部へ角速度センサ（ジャイロ）を搭載し、その振動成分すなわち３方向Ｘ、Ｙ、Ｚの角速度データをリアルタイムに得て、得られた振動成分に基づきそれを打ち消すようサーボ制御することで課題解決できることを見出し、これに基づいて本発明を完成するに至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。

〔１〕 制御対象機器の振動発生部位に搭載された角速度センサと、該角速度センサにより得られる角速度信号に基づいて該制御対象機器のサーボ制御を行うサーボ制御構造とからなる、振動抑制システム。
〔２〕 前記振動発生部位は制御対象機器の先端部であることを特徴とする、〔１〕に記載の振動抑制システム。
〔３〕 前記角速度センサを３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）仕様であることを特徴とする、〔１〕または〔２〕に記載の振動抑制システム。
〔４〕 前記サーボ制御構造は、角速度情報処理部と、該角速度情報処理部において得られる情報に基づきサーボ指令を生成するサーボ指令生成部と、該サーボ指令生成部からのサーボフィードバックを受けるサーボアンプと、該サーボアンプに接続するサーボモータとを備えていることを特徴とする、〔１〕ないし〔３〕のいずれかに記載の振動抑制システム。

〔５〕 前記サーボアンプ内には振動抑制フィルタ処理機能が設けられていないことを特徴とする、〔４〕に記載の振動抑制システム。
〔６〕 前記サーボ制御構造には、振動整定時間を短縮させるための整定時間調整フィルタ処理部が含まれていることを特徴とする、〔１〕ないし〔５〕のいずれかに記載の振動抑制システム。
〔７〕 前記サーボ制御構造を構成する要素にはサーボアンプおよびサーボモータが含まれており、それら以外の要素は制御対象機器とは独立した振動抑制指令装置に含まれていることを特徴とする、〔１〕ないし〔６〕のいずれかに記載の振動抑制システム。

〔８〕 前記サーボ制御構造は制御対象機器固有の振動情報を学習しこれを保持する学習処理部を備えていることを特徴とする、〔１〕ないし〔６〕のいずれかに記載の振動抑制システム。
〔９〕 前記角速度センサ具備が任意であることを特徴とする、〔８〕に記載の振動抑制システム。
〔１０〕 〔１〕ないし〔９〕のいずれかに記載の振動抑制システムを構成するための振動抑制指令装置であって、制御対象機器のサーボ制御を行うサーボ制御構造を構成する角速度情報処理部、および該角速度情報処理部において得られる情報に基づきサーボ指令を生成するサーボ指令生成部とを備えていることを特徴とする、振動抑制指令装置。

〔１１〕 振動整定時間を短縮させるための整定時間調整フィルタ処理部が含まれていることを特徴とする、〔１０〕に記載の振動抑制指令装置。
〔１２〕 〔１〕ないし〔９〕のいずれかに記載の振動抑制システムの制御対象であり、サーボアンプおよびサーボモータを備え、振動発生部位には角速度センサが搭載されていることを特徴とする、制振仕様装置。
〔１３〕 〔１〕ないし〔９〕のいずれかに記載の振動抑制システムの制御対象であり、サーボアンプおよびサーボモータを備え、振動発生部位には角速度センサが搭載されていることを特徴とする、ロボット。

本発明の振動抑制システム、振動抑制指令装置、制振仕様装置およびロボットは上述のように構成されるため、これによれば、ロボット等サーボ制御を用いた装置において、目標位置到達後の惰性振動に対する振動を効果的に抑制できるとともに、振動整定時間を短縮させることができる。つまり本発明の振動抑制システム等によれば、振動情報をリアルタイムに得られることによって、周囲環境の変化や予期せぬ外乱にも対応可能であり、振動抑制をリアルタイムに行うことができ、タクトタイムに対する振動の影響を効果的に抑制することができ、実用性が高い。

本発明では、角速度センサによって振動がリアルタイムに得られ、それを打ち消すようなサーボ制御が行われることにより、リアルタイムでの振動抑制が可能となる。さらに、振動整定時間を短縮させるためのフィルタ調整機能を備えるため、振動整定時間も短縮できる。さらに、学習機能を持たせて機械固有の振動情報を保持することによって、センサレス振動抑制が可能となる。したがって、ロボットや産業機器等の剛性の低い機器の動作において、先端部に発生する振動に対する効果的な振動抑制を行うことができ、その結果、整定時間が短縮され、タクトタイムを向上させることができる。

なお、上記文献でも角速度センサを使用した振動制御手段が開示されているが、これは一方向の角速度データのみによる制御であり、振動抑制効果は限定的なものである。一方、本発明は、３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の角速度データを一度にリアルタイムで処理する制御方式であり、あらゆる振動に対応でき、優位性が高い。

本発明振動抑制システムの構成を示すブロック図である。 本発明制振仕様装置の基本構成を示す説明図である。

以下、図面により本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明振動抑制システムの構成を示すブロック図である。また、
図２は、本発明制振仕様装置の基本構成を示す説明図である。これらに示すように本振動抑制システム３０は、制御対象機器２０の振動発生部位に搭載された角速度センサ２と、角速度センサ２により得られる角速度信号に基づいて制御対象機器２０のサーボ制御を行うサーボ制御構造３とからなることを、基本構成とする。なお、角速度センサ２を搭載する箇所である振動発生部位は要するに可動部であるが、特にこれを制御対象機器２０の先端部とすれば、本発明の作用効果を最大限に得ることができる。

また、本発明振動抑制システム３０の角速度センサ２としては、３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の角速度センサを用いる。これにより、あらゆる方向の振動をリアルタイムに取得することができる。すなわち、剛性の低い産業機器等である制御対象機器２０において、角速度センサ２の搭載された可動部の振動を、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の角速度データという振動成分として、リアルタイムに得ることができる。そして得られた振動成分は、サーボ制御構造３によって、振動を打ち消すように制御対象機器２０をサーボ制御するための所定処理がなされ、制御対象機器２０の振動抑制制御が行われる。本システム３０により、リアルタイムでの振動抑制が可能となる。

図示するように本振動抑制システム３０のサーボ制御構造３は、角速度情報処理部５と、角速度情報処理部５において得られる情報に基づきサーボ指令を生成するサーボ指令生成部７と、サーボ指令生成部７からのサーボフィードバックを受けるサーボアンプ８と、サーボアンプ８に接続するサーボモータ９とを備えた構成とすることができる。なお、角速度センサ２からの角速度情報を取得して後続の角速度情報処理部５に伝達するための角速度信号受信部４も、サーボ制御構造３を構成する。また角速度情報処理部５は、角速度センサ２から得られた信号波形に対して周波数およびピーク検出を行うものである。

かかる構成によりサーボ制御構造３では、角速度信号受信部４にて受信された角速度センサ２からの３軸の角速度情報が角速度情報処理部５に伝達され、角速度情報はここで信号波形からの周波数およびピーク検出が行われ、かかる角速度情報の処理に基づいてサーボ指令生成部７においてサーボ指令が生成され、サーボ指令生成部７からのサーボ指令はサーボアンプ８にフィードバックされ、これに接続するサーボモータ９に帯するサーボ制御が実行される。なお本発明システム３０では、サーボアンプ８内に、従来システムのような振動抑制フィルタ処理機能の搭載は不要である。

図示するようにサーボ制御構造３には、振動整定時間を短縮させるための整定時間調整フィルタ処理部６を含めた構成とすることができる。整定時間調整フィルタ処理部６では、カットオフ周波数設定、出力レベル設定、および出力オフセット（伝達遅れ）算出の各処理が行われる。なお、出力オフセット設定とは、制御対象機器２０に搭載した角速度センサ２から信号が出力されてから、動作させるモータ９にサーボ指令がフィードバックされるまでの間の伝達遅れを補正する処理である。

かかる構成により本振動抑制システム３０では、サーボ制御構造３を構成する整定時間調整フィルタ処理部６において、カットオフ周波数設定、出力レベル設定、および出力オフセット（伝達遅れ）算出の各処理が行われることによって、角速度信号出力からサーボ指令フィードバックまでの間の伝達遅れが補正され、振動整定時間が短縮される。したがって、より短時間での振動抑制が可能となる。

なお図示するように、サーボ制御構造３を構成する要素のうちサーボアンプ８およびサーボモータ９は制御対象機器２０に備えられるが、それら以外の要素、すなわち角速度信号受信部４、角速度情報処理部５、整定時間調整フィルタ処理部６、およびサーボ指令生成部７は、制御対象機器２０とは独立した振動抑制指令装置１０に含まれた構成とすることができる。もちろん、両者が一体不可分の構成でもよい。なお、制御対象機器２０とこれを制御するための振動抑制指令装置１０とが分離独立しているという構成には、制御対象機器２０の所定箇所に振動抑制指令装置１０が取り付けられている場合も含む。

本発明の振動抑制システム３０は、サーボ制御構造３に、制御対象機器２０固有の振動情報を学習しこれを保持する学習処理部が備えられた構成とすることもできる。かかる構成とすることにより、制御対象機器２０固有の動作時振動がシステム３０において把握され、それに基づくサーボ制御が可能となるため、その後は制御対象機器２０から角速度センサ２を取り外して用いることも可能となる。すなわち、センサレス振動抑制方式が可能となる。

なお、上述の振動抑制指令装置１０もまた本発明の範囲内である。また、サーボアンプおよびサーボモータを備え、振動発生部位には角速度センサが搭載されている制御対象機器２０、すなわち制振仕様装置も本発明の範囲内である。かかる制振仕様装置２０としては、ロボットや産業機器が含まれる。

本発明の振動抑制システム、振動抑制指令装置、制振仕様装置およびロボットによれば、振動情報をリアルタイムに得られることによって、周囲環境の変化や予期せぬ外乱にも対応可能であり、振動抑制をリアルタイムに行うことができ、タクトタイムに対する振動の影響を効果的に抑制することができる。したがって、ＦＡ、産業機器、ロボット等のサーボ制御利用分野、および関連する全分野において、産業上利用性が高い発明である。

２…角速度センサ
３…サーボ制御構造
４…角速度信号受信部
５…角速度情報処理部
６…整定時間調整フィルタ処理部
７…サーボ指令生成部
８…サーボアンプ
９…サーボモータ
１０…振動抑制指令装置
２０…制御対象機器（制振仕様装置）
３０…振動抑制システム

Claims (13)

1. 制御対象機器の振動発生部位に搭載された角速度センサと、該角速度センサにより得られる角速度信号に基づいて該制御対象機器のサーボ制御を行うサーボ制御構造とからなる、振動抑制システム。
2. 前記振動発生部位は制御対象機器の先端部であることを特徴とする、請求項１に記載の振動抑制システム。
3. 前記角速度センサは３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）仕様であることを特徴とする、請求項１または２に記載の振動抑制システム。
4. 前記サーボ制御構造は、角速度情報処理部と、該角速度情報処理部において得られる情報に基づきサーボ指令を生成するサーボ指令生成部と、該サーボ指令生成部からのサーボフィードバックを受けるサーボアンプと、該サーボアンプに接続するサーボモータとを備えていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の振動抑制システム。
5. 前記サーボアンプ内には振動抑制フィルタ処理機能が設けられていないことを特徴とする、請求項４に記載の振動抑制システム。
6. 前記サーボ制御構造には、振動整定時間を短縮させるための整定時間調整フィルタ処理部が含まれていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の振動抑制システム。
7. 前記サーボ制御構造を構成する要素にはサーボアンプおよびサーボモータが含まれており、それら以外の要素は制御対象機器とは独立した振動抑制指令装置に含まれていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の振動抑制システム。
8. 前記サーボ制御構造は制御対象機器固有の振動情報を学習しこれを保持する学習処理部を備えていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の振動抑制システム。
9. 前記角速度センサ具備が任意であることを特徴とする、請求項８に記載の振動抑制システム。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の振動抑制システムを構成するための振動抑制指令装置であって、制御対象機器のサーボ制御を行うサーボ制御構造を構成する角速度情報処理部、および該角速度情報処理部において得られる情報に基づきサーボ指令を生成するサーボ指令生成部とを備えていることを特徴とする、振動抑制指令装置。
11. 振動整定時間を短縮させるための整定時間調整フィルタ処理部が含まれていることを特徴とする、請求項１０に記載の振動抑制指令装置。
12. 請求項１ないし９のいずれかに記載の振動抑制システムの制御対象であり、サーボアンプおよびサーボモータを備え、振動発生部位には角速度センサが搭載されていることを特徴とする、制振仕様装置。
13. 請求項１ないし９のいずれかに記載の振動抑制システムの制御対象であり、サーボアンプおよびサーボモータを備え、振動発生部位には角速度センサが搭載されていることを特徴とする、ロボット。