JP5388956B2 - Vibration suppression method - Google Patents

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Description

本発明は、加速または減速運動に伴って運動体に生じる振動を抑制する振動抑制方法に関するものであり、特に、上記運動中に運動体自体の姿勢が変化する場合に、運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法に関する。   The present invention relates to a vibration suppression method for suppressing vibration generated in a moving body in association with acceleration or deceleration movement, and in particular, when the posture of the moving body itself changes during the movement, at least generated in the moving body. The present invention relates to a vibration suppressing method that suppresses time-varying vibration with one degree of freedom.

様々な作業を行うために運動動作を行うロボットアームは、モータとアームの間に減速機を用いている。減速機はねじりばねとして振る舞うため、モータ停止後もアームの振動が残留する。その結果、振動が収まるまで次の作業に移ることができず、作業効率を向上させることができない。   A robot arm that performs motion to perform various operations uses a speed reducer between the motor and the arm. Since the speed reducer behaves as a torsion spring, the vibration of the arm remains even after the motor stops. As a result, it is not possible to move to the next work until the vibration is settled, and work efficiency cannot be improved.

このような残留振動に伴う課題は、ロボットアームだけに限られず、加速または減速運動を含む運動動作を行う運動体、例えば、工作機械やクレーン等についても共通する。   The problem associated with such residual vibration is not limited to only the robot arm, but is common to moving bodies that perform motions including acceleration or deceleration, such as machine tools and cranes.

フィードバック制御で振動を抑える場合は検出器が必要となるため、検出器が不要なフィードフォワード制御で振動を抑える方法が求められている。   In order to suppress vibration by feedback control, a detector is required. Therefore, a method for suppressing vibration by feedforward control that does not require a detector is required.

フィードフォワード制御での振動抑制方法としては、インプットシェイピング法が知られている(例えば、非特許文献1参照)。このインプットシェイピング法は、工作機械などのように、固有振動数が変化しない場合に有効な振動抑制方法であり、様々な提案がなされている。   An input shaping method is known as a vibration suppression method in feedforward control (see, for example, Non-Patent Document 1). This input shaping method is a vibration suppression method that is effective when the natural frequency does not change as in a machine tool, and various proposals have been made.

特開2009−29617号公報JP 2009-29617 A

Neil C. Singer and Warren P. Seering : Preshaping Command Inputs to Reduce System Vibration, Trans.ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.112, No.1, 76-82 (1990)Neil C. Singer and Warren P. Seering: Preshaping Command Inputs to Reduce System Vibration, Trans. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.112, No.1, 76-82 (1990) Pyung Hun Chang and Hyung-Soon Park : Time-varying input shaping technique applied to vibration reduction of an industrial robot, Control Engineering Practice 13 (2005) 121-130Pyung Hun Chang and Hyung-Soon Park: Time-varying input shaping technique applied to vibration reduction of an industrial robot, Control Engineering Practice 13 (2005) 121-130

ロボットアームは、様々な作業に対応可能とするために、一般に多関節および多自由度を有している。そのため、ロボットアームにおいて、一の関節が駆動された運動動作を行っている間に他の関節が駆動されると、運動動作を行っているアーム自体の姿勢が変化する。そのため、アームの固有振動数が時間によって変化することになる。このような場合にあっては時変の振動系となるため、時不変の振動系を対象として従来のインプットシェイピング法を単に適用するだけでは、振動抑制に対応することができない。   The robot arm generally has multiple joints and multiple degrees of freedom in order to be able to handle various tasks. Therefore, in a robot arm, when another joint is driven while performing a motion operation in which one joint is driven, the posture of the arm itself performing the motion operation changes. Therefore, the natural frequency of the arm changes with time. In such a case, since it becomes a time-varying vibration system, simply applying the conventional input shaping method for a time-invariant vibration system cannot cope with vibration suppression.

このような時変の振動系において振動を抑制する方法としては、いくつかの提案がなされている(例えば、特許文献1および非特許文献2参照)。しかしながら、時変の振動抑制に対して、インプットシェイピング法を効果的に適用できる振動抑制方法が求められている。   Several proposals have been made as methods for suppressing vibration in such a time-varying vibration system (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). However, there is a need for a vibration suppression method that can effectively apply the input shaping method to time-varying vibration suppression.

従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を、インプットシェイピング法を効果的に適用して抑制する振動抑制方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, and to effectively apply at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body in accordance with acceleration or deceleration movement by using an input shaping method. An object of the present invention is to provide a vibration suppression method that suppresses vibrations.

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の一態様によれば、加速または減速運動が行われる運動体において、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法において、運動体に付加された第1のインパルス入力によって運動体に生じる第1のインパルス応答に、第1のインパルス応答の変位が0となる時刻において、第2のインパルス入力を運動体に付加して生じる第2のインパルス応答を重ね合わせて、互いに打ち消し合うインプットシェイピング法を適用する場合に、加速または減速運動を行っている間に運動体自体の姿勢が変化することにより生じるコリオリの力がした仕事を考慮して、第1のインパルス入力に対する第2のインパルス入力の大きさを決定する、振動抑制方法を提供する。   According to one aspect of the present invention, in a vibration body that performs acceleration or deceleration motion, in the vibration suppression method that suppresses vibration of at least one degree of freedom and time-varying generated in the motion body in association with acceleration or deceleration motion, The first impulse response generated in the moving body by the first impulse input added to the body is generated by adding the second impulse input to the moving body at the time when the displacement of the first impulse response becomes zero. When applying the input shaping method in which two impulse responses are overlaid and cancel each other out, the work with Coriolis force caused by the posture of the moving body itself changing during acceleration or deceleration is taken into account. And the vibration suppression method which determines the magnitude | size of the 2nd impulse input with respect to a 1st impulse input is provided.

本発明によれば、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を、インプットシェイピング法を用いて抑制する場合に、運動体自体の姿勢変化に伴って生じるコリオリの力がする仕事を考慮して、第2のインパルス入力の大きさを決定しているため、時間によって第1のインパルス応答の振幅が変化する時変の振動系に対して、第2のインパルス応答を重ね合わせることで効果的に振動を抑制することができる。   According to the present invention, when suppressing at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body with acceleration or deceleration movement using the input shaping method, it occurs with a change in posture of the moving body itself. Since the magnitude of the second impulse input is determined in consideration of the work performed by the Coriolis force, the second impulse input is compared with the time-varying vibration system in which the amplitude of the first impulse response changes with time. Vibration can be effectively suppressed by superimposing impulse responses.

本発明の実施の形態1にかかる振動抑制方法が適用されるロボットアームの模式図Schematic diagram of a robot arm to which the vibration suppressing method according to the first embodiment of the present invention is applied. ロボットアームの運動における加速度変化を示す図Diagram showing changes in acceleration during robot arm movement ロボットアームの運動における速度変化を示す図Diagram showing speed change in robot arm movement 時不変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図Relationship between impulse response displacement and time in time invariant 時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図Relationship between time and displacement of impulse response and time 時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図Relationship between time and displacement of impulse response and time 時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図Relationship between time and displacement of impulse response and time 実施例1の振動抑制方法を適用するモデルの模式図Schematic diagram of a model to which the vibration suppression method of Embodiment 1 is applied アームの面内方向の運転パターンの図Illustration of the operation pattern in the in-plane direction of the arm 慣性モーメントの変化を示す図Diagram showing changes in moment of inertia モデルに生じるインパルス応答を示す図Diagram showing the impulse response generated in the model インパルス入力の大きさの割合αの算出結果を示す図The figure which shows the calculation result of ratio α of the size of impulse input 固有周期の変化による補正を考慮してインパルス入力の大きさの割合γの算出結果を示す図The figure which shows the calculation result of the ratio γ of the magnitude of the impulse input in consideration of the correction due to the change of the natural period インパルス応答の重ね合わせ結果を示す図Diagram showing impulse response overlay result 強制加振力の継続時間と振動レベルとの関係を示す図Diagram showing the relationship between the duration of forced excitation force and vibration level 振動抑制を行うための加速度パターンを示す図Diagram showing acceleration pattern for vibration suppression 振動抑制を行うための強制加振力パターンを示す図The figure which shows the forced excitation force pattern for performing vibration suppression 強制加振力の継続時間と振動レベルとの関係を示す図Diagram showing the relationship between the duration of forced excitation force and vibration level 振動抑制方法を適用して駆動装置により運動体の運転を行う手順のフローチャートFlow chart of a procedure for operating a moving body by a drive device by applying a vibration suppression method 本発明の実施の形態2にかかる振動抑制方法において、インパルス入力の大きさの割合α(t)の算出結果を示す図The figure which shows the calculation result of ratio (alpha) (t) of the magnitude | size of an impulse input in the vibration suppression method concerning Embodiment 2 of this invention. インパルス入力の時間幅の割合β(t)について、1/β(t)の算出結果を示す図The figure which shows the calculation result of 1 / (beta) (t) about ratio (beta) (t) of the time width of an impulse input インパルス入力の大きさの割合γ(t)の算出結果を示す図The figure which shows the calculation result of ratio (gamma) (t) of the magnitude | size of an impulse input アームの動作の全継続時間における運転パターンを示す図であり、(a)は外力パターンを示す図、(b)は加速度パターンを示す図、(c)は速度パターンを示す図It is a figure which shows the driving | running pattern in the whole duration of operation | movement of an arm, (a) is a figure which shows an external force pattern, (b) is a figure which shows an acceleration pattern, (c) is a figure which shows a speed pattern.

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1にかかる運動体の振動抑制方法について、運動体の一例であるロボットアーム10を用いて説明する。また、このロボットアームの模式図を図1に示す。
(Embodiment 1)
A method for suppressing vibration of a moving body according to the first embodiment of the present invention will be described using a robot arm 10 which is an example of a moving body. A schematic diagram of this robot arm is shown in FIG.

図1に示すように、ロボットアーム10は、複数のアームと、それぞれのアームを回転運動可能に連結する複数の関節と、先端のアームに取り付けられたハンドツールとを備えている。具体的には、ロボットアーム10には、関節11a、11b、11cと、アーム12a、12bと、アーム12bの先端に取り付けられたハンドツール13とが備えられている。さらに、それぞれの関節11a〜11cにおいて、アーム12a、12bを回転駆動させる駆動装置(例えば、モータ等、図示せず)と、この駆動装置からの駆動力をそれぞれの関節に伝達させる減速機(図示せず)とが備えられている。   As shown in FIG. 1, the robot arm 10 includes a plurality of arms, a plurality of joints that connect the respective arms so as to allow rotational movement, and a hand tool attached to the arm at the tip. Specifically, the robot arm 10 includes joints 11a, 11b, and 11c, arms 12a and 12b, and a hand tool 13 attached to the tip of the arm 12b. Further, in each of the joints 11a to 11c, a driving device (for example, a motor, not shown) that rotationally drives the arms 12a and 12b, and a reduction gear that transmits the driving force from the driving device to each joint (see FIG. Not shown).

図1のロボットアーム10において、関節11aは、鉛直方向の回転軸14a周りにアーム12aを旋回(旋回角度θ)させることができ、関節11bは、水平方向の回転軸14b周りにアーム12aを回転運動(回転角度ψ)させることができ、関節11cは、水平方向の回転軸14c周りにアーム12bを回転運動(回転角度ψ)させることができる。 In the robot arm 10 of FIG. 1, the joint 11a can turn the arm 12a around the vertical rotation axis 14a (turning angle θ), and the joint 11b rotates the arm 12a around the horizontal rotation axis 14b. movement (rotation angle [psi 1) is to be able, joints 11c can be rotated movement arm 12b around the horizontal rotation axis 14c (rotation angle [psi 2).

そのため、ロボットアーム10の動きは、垂直方向の回転軸14a周りの旋回運動(以降、「旋回方向の動き」とする。)と、水平方向の回転軸14bおよび14c周りの回転運動(以降、「面内(垂直面内)方向の動き」とする。)に分けることができる。ロボットアーム10において、旋回方向の動きと面内方向の動きとが同時に行われて、加速または減速運動が行われると、その後、旋回方向と面内方向に自由振動が生じることになる。本実施の形態1では、説明の理解を容易にするために、一例として、旋回方向における振動について取り扱うものとする。   Therefore, the movement of the robot arm 10 includes a turning motion around the vertical rotation axis 14a (hereinafter referred to as “movement in the turning direction”) and a rotation motion around the horizontal rotation shafts 14b and 14c (hereinafter “ In-plane (vertical plane) direction "). In the robot arm 10, when the movement in the turning direction and the movement in the in-plane direction are performed simultaneously and acceleration or deceleration movement is performed, free vibration is generated in the turning direction and the in-plane direction thereafter. In the first embodiment, in order to facilitate understanding of the description, as an example, vibration in the turning direction is handled.

本実施の形態1の振動抑制方法を説明するにあたって、このようなロボットアーム10をモデルとして、旋回方向に対するアーム(アーム12a、12b)の運動方程式についてまず説明する。   In describing the vibration suppressing method according to the first embodiment, the equation of motion of the arms (arms 12a and 12b) with respect to the turning direction will be described first using the robot arm 10 as a model.

時間をt、旋回方向の慣性モーメントをJ(ただし、Jは時間の関数とする。)、減速機の回転ばね定数をk、減速機の目標角度をθ、回転軸14aの回転角度をθとすると、旋回方向における角運動量の変化は外力のモーメントに等しいので、式(1)のように表すことができる。ここで、式(1)中の「・」は時間による微分を表す。

Figure 0005388956
この式(1)より、式(2)に示す運動方程式を導くことができる。
Figure 0005388956
さらに、式(2)にて、相対角変位を式(3)のようにおいて整理すると、式(4)を導くことができる。
Figure 0005388956
Figure 0005388956
なお、式(4)における左辺の第2項はコリオリの力であり、詳細については後述する。 The time is t, the moment of inertia in the turning direction is J (where J is a function of time), the reduction spring constant of the reduction gear is k, the target angle of the reduction device is θ 0 , and the rotation angle of the rotary shaft 14a is θ Then, since the change of the angular momentum in the turning direction is equal to the moment of the external force, it can be expressed as in Expression (1). Here, “·” in the formula (1) represents differentiation with respect to time.
Figure 0005388956
From this equation (1), the equation of motion shown in equation (2) can be derived.
Figure 0005388956
Furthermore, when the relative angular displacement is rearranged in the equation (2) as in the equation (3), the equation (4) can be derived.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Note that the second term on the left side in Equation (4) is the Coriolis force, which will be described in detail later.

このようなロボットアーム10において、図2に示すようにアームの加速運動、等速運動、その後減速運動が行われるような場合、駆動装置(モータ等)は図3に示すような台形速度則に沿って運転される。なお、図2は、加速度(縦軸)と時間(横軸)との関係を示すグラフであり、図3は、速度(縦軸)と時間(横軸)との関係を示すグラフである。
駆動装置の動きによって生じる強制加振力(モーメント)Fを式(5)とすれば、式(4)にて表される運動方程式は、式(6)に示すように駆動装置の動きによって生じる強制加振力Fが加わる振動系に相当することが分かる。

Figure 0005388956
Figure 0005388956
In such a robot arm 10, when the acceleration motion, constant velocity motion, and subsequent deceleration motion of the arm are performed as shown in FIG. 2, the driving device (motor, etc.) follows the trapezoidal velocity law as shown in FIG. Drive along. 2 is a graph showing the relationship between acceleration (vertical axis) and time (horizontal axis), and FIG. 3 is a graph showing the relationship between speed (vertical axis) and time (horizontal axis).
If the forced excitation force (moment) F generated by the movement of the driving device is expressed by equation (5), the equation of motion represented by equation (4) is generated by the movement of the driving device as shown in equation (6). It can be seen that this corresponds to a vibration system to which a forced excitation force F is applied.
Figure 0005388956
Figure 0005388956

さらに、このように台形速度則を前提にすると強制加振力Fが既知関数となり、インパルス応答との積分で相対角度変位を次の式(7)のように表すことができる。

Figure 0005388956
ここで、H(t,τ)は、時変のインパルス応答関数であり、時刻τにインパルス入力を与えた特の時刻tにおける応答の値である。 Further, assuming the trapezoidal velocity law as described above, the forced excitation force F becomes a known function, and the relative angular displacement can be expressed as the following equation (7) by integration with the impulse response.
Figure 0005388956
Here, H (t, τ) is a time-varying impulse response function, and is a response value at a particular time t when an impulse input is given at time τ.

次に、インプットシェイピング法の考え方について説明する。   Next, the concept of the input shaping method will be described.

インプットシェイピング法は、工作機械のように係数が定数となる1自由度の振動系に対して、一定外力を有限時間与えた場合の自由振動を抑制する方法である。上述した式(4)において、旋回方向の慣性モーメントJを定数、すなわち時間によって変化しないものとすると、次の式(8)を導くことができる。

Figure 0005388956
The input shaping method is a method of suppressing free vibration when a constant external force is applied for a finite time to a vibration system with one degree of freedom having a constant coefficient as in a machine tool. In the above equation (4), if the moment of inertia J in the turning direction is a constant, that is, it does not change with time, the following equation (8) can be derived.
Figure 0005388956

ここで、インプットシェイピング法におけるインパルス応答の重ね合わせの考え方を図4に示す。なお、図4はインパルス応答の変位(振動量:縦軸)と時間(横軸)との関係を表している。   Here, the concept of superimposition of impulse responses in the input shaping method is shown in FIG. FIG. 4 shows the relationship between the displacement of the impulse response (vibration amount: vertical axis) and time (horizontal axis).

図4に示すように、ある時刻tにロボットアームなどの運動体が受けた外力(強制加振力、第1のインパルス入力P)により生じた自由振動(第1のインパルス応答Q:実線にて示す。)を、この第1のインパルス応答Pの固有周期Tの半周期(T/2)後である時刻tに運動体に対して外力(強制加振力、第2のインパルス入力Q)を与えることにより生じた第2のインパルス応答Q(破線にて示す。)を重ね合わせる。この重ね合わせにより、時刻t以降において、第1のインパルス応答Qと第2のインパルス応答Qとが互いに打ち消し合って、インパルス応答を0にすることができる。 As shown in FIG. 4, the external force received moving body such as a robot arm in a certain time t 1 the free vibration generated by the (forced excitation force, the first impulse input P 1) (first impulse response Q 1: indicated by the solid line. the) half period (T / 2) later certain time t 2 to external force to the moving body (forced vibration force of the first natural period T of the impulse response P 1, the second A second impulse response Q 2 (indicated by a broken line) generated by applying the impulse input Q 2 ) is superimposed. By this superposition, after time t 2 , the first impulse response Q 1 and the second impulse response Q 2 cancel each other, and the impulse response can be made zero.

また、式(8)よりこのような振動を生じさせる外力である加振力は、駆動装置による運動体の加速運動または減速運動が行われる際に生じることが分かる。さらに、この振動系において短い時間系を考えて実質的な減衰がないものとした場合において、第1のインパルス応答Qを、第2のインパルス応答Qにより打ち消し合うようにするためには、第1のインパルス応答Qの半周期後に、第1のインパルス入力Pと同じ大きさの第2のインパルス入力Pを与え続ければ良い。したがって、駆動装置による運動体の加速運動または減速運動が行われる際に、第2のインパルス入力Pを付加するような一定加速度を、固有周期Tの区間に渡って運動体に対し与えることにより、自由振動を抑えることができる。なお、このような考え方は、固有周期Tの整数倍についても同じことが言える。 Further, it can be seen from Equation (8) that the excitation force, which is an external force that generates such vibrations, is generated when acceleration or deceleration of the moving body is performed by the driving device. Furthermore, in the case where a short time system is considered in this vibration system and there is no substantial attenuation, in order to cancel the first impulse response Q 1 by the second impulse response Q 2 , after the first half period of the impulse response Q 1, may be continues providing a first impulse input P 1 second as large as the impulse input P 2. Therefore, when acceleration or deceleration of the moving body is performed by the driving device, a constant acceleration that adds the second impulse input P2 is given to the moving body over the section of the natural period T. , Free vibration can be suppressed. Such a concept can be applied to an integer multiple of the natural period T.

次に、本実施の形態1の振動抑制方法、すなわち、時変の振動系に対する制御則について詳細に説明する。   Next, the vibration suppression method of the first embodiment, that is, the control law for the time-varying vibration system will be described in detail.

ロボットアームの旋回方向の動きが行われる際に、面内方向の動きも行われてロボットアームの姿勢が変化すると慣性モーメントJも変化する。すなわち、ロボットアーム10において、アーム12a、12bが旋回方向に運動される際に、例えば、アーム12aが面内方向に運動されると、アーム12bに対するアーム12aの相対的な姿勢が変化することになり、それに伴ってロボットアーム10の慣性モーメントJも変化することになる。このロボットアーム、すなわち運動体に対して、時刻tに大きさAのインパルス入力を与えるとすると、式(6)に示す運動方程式を、デルタ関数δ(t)を用いて、式(9)のように表すことができる。

Figure 0005388956
When the movement of the robot arm in the turning direction is performed, the movement in the in-plane direction is also performed, and the moment of inertia J changes when the posture of the robot arm changes. That is, in the robot arm 10, when the arms 12a and 12b are moved in the turning direction, for example, when the arm 12a is moved in the in-plane direction, the relative posture of the arm 12a with respect to the arm 12b changes. Accordingly, the moment of inertia J of the robot arm 10 also changes. If an impulse input of magnitude A i is given to the robot arm, that is, the moving body at time t i , the equation of motion shown in Equation (6) is expressed by Equation (9) using the delta function δ (t). ).
Figure 0005388956

慣性モーメントが時間とともに増加するとして、インパルス応答を計算したものを図5に示す。なお、図5では、インパルス応答の変位(振動量:縦軸)と時間(横軸)との関係を表している。図5においては、時刻t=0に第1のインパルス入力Pを運動体に対して与えることにより生じる第1のインパルス応答Q(実線)と、この第1のインパルス応答Qが変位0となる時刻をt(j=1,2...)とおき、時刻t=tに第2のインパルス入力Pを運動体に対して与えることにより生じる第2のインパルス応答Q(破線)とを示している。図5に示すように、第1のインパルス応答Qと第2のインパルス応答Qは、変位が0となる時刻は同じであるが、変位の振幅が異なっている。 FIG. 5 shows the impulse response calculated with the moment of inertia increasing with time. Note that FIG. 5 shows the relationship between the displacement of the impulse response (vibration amount: vertical axis) and time (horizontal axis). In FIG. 5, the first impulse response Q 1 (solid line) generated by applying the first impulse input P 1 to the moving body at time t = 0, and the first impulse response Q 1 is the displacement 0. the time to be t j (j = 1,2 ...) Distant, time t = t 1 to the second second caused by applying an impulse input P 2 relative movement of the impulse response Q 2 ( (Broken line). As shown in FIG. 5, the first impulse response Q 1 second impulse response Q 2 is the time at which the displacement becomes 0 are the same, the amplitude of the displacement is different.

次に、式(9)の運動方程式に「φの時間による微分」を乗じて時間で積分することにより、次の式(10)のエネルギの関係式が得られる。

Figure 0005388956
ここで、式(10)のエネルギの関係式における右辺の項は、時刻tでのインパルス入力により運動体に与えられたエネルギであり、一定値となる。ただし、この値はインパルス入力を与える時刻tによって異なるため、右辺の項を次の式(11)のようにおく。
Figure 0005388956
また、式(10)のエネルギの関係式における左辺の3つの項の和は一定となり、左辺の第2項はコリオリの力がする仕事に相当し、時間によりその値が変化するため、次の式(12)のようにおいて式(10)を整理すると、式(13)のようになる。
Figure 0005388956
Figure 0005388956
この式(13)より、運動エネルギとポテンシャルエネルギの和は、時間によって変化することが分かる。 Next, by multiplying the equation of motion of Equation (9) by “differentiation of φ with respect to time” and integrating with time, the following energy relational equation of Equation (10) is obtained.
Figure 0005388956
Here, the term on the right side in the energy relational expression of Expression (10) is the energy given to the moving body by the impulse input at time t i , which is a constant value. However, since this value differs depending on the time t i at which the impulse input is applied, the term on the right side is set as in the following equation (11).
Figure 0005388956
In addition, the sum of the three terms on the left side in the energy relational expression of Equation (10) is constant, and the second term on the left side corresponds to the work of Coriolis force, and its value changes with time. When formula (10) is rearranged in formula (12), formula (13) is obtained.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
From this equation (13), it can be seen that the sum of kinetic energy and potential energy varies with time.

ここで、時刻0に大きさAの第1のインパルス入力を与えた時の第1のインパルス応答をφ(t)、時刻tに大きさAの第2のインパルス入力を与えた時の第2のインパルス応答をφ(t)とする。第1および第2のインパルス応答において、変位が0となる時刻ではポテンシャルエネルギkφ/2は0となるため、式(14)、式(15)、式(16)を導くことができる。

Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Here, the first impulse response when the first impulse input having the magnitude A 0 is given at time 0 is φ 0 (t), and the second impulse input having the magnitude A 1 is given at time t 1 . Let the second impulse response at the time be φ 1 (t). In the first and second impulse responses, since the potential energy Keifai 2/2 is zero at the time the displacement is 0, the formula (14) can be derived equation (15), equation (16).
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956

また、第2のインパルス入力は、時刻tで変位が0である運動体に対して、式(17)にて示す初期速度を与えることに等しく、また、第1のインパルス応答は、時刻tで変位が0である運動体に対して、式(18)にて示す初期速度を与えることに等しい。したがって、式(19)に示すような関係が成り立つことで、第1のインパルス応答と第2のインパルス応答とが互いに打ち消し合うことが可能となる。

Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Further, the second impulse input is equivalent to giving the initial velocity shown by the equation (17) to the moving body whose displacement is 0 at the time t 1 , and the first impulse response is the time t This is equivalent to giving an initial velocity represented by the equation (18) to a moving body having a displacement of 1 and a displacement of 0. Therefore, when the relationship shown in Expression (19) is established, the first impulse response and the second impulse response can cancel each other.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956

そこで、第1のインパルス入力の大きさAと、第2のインパルス入力の大きさAとの関係を、A=αAとし、2つのインパルス応答が互いに打ち消し合うような入力の割合αを設定する。具体的には、式(16)は、式(14)より、αを用いて、次の式(20)のように表すことができる。

Figure 0005388956
式(15)および式(20)より、第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの割合(比)αは、次の式(21)のように表すことができる。
Figure 0005388956
ここで、E(0)は、時刻t=0にて第1のインパルス入力により運動体に与えられるエネルギであり、J(0)は、時刻t=0にて運動体が有する運動エネルギであり、J(t)は、時刻t=tにて運動体が有する運動エネルギであり、C(t)は、時刻t=tにて運動体においてコリオリの力がする仕事である。 Therefore, the relationship between the first impulse input magnitude A 0 and the second impulse input magnitude A 1 is A 1 = αA 0, and the ratio α of the inputs such that the two impulse responses cancel each other. Set. Specifically, the equation (16) can be expressed as the following equation (20) using α from the equation (14).
Figure 0005388956
From Expression (15) and Expression (20), the ratio (ratio) α of the second impulse input magnitude A 1 to the first impulse input magnitude A 0 is expressed as the following Expression (21). be able to.
Figure 0005388956
Here, E (0) is the energy given to the moving body by the first impulse input at time t = 0, and J (0) is the kinetic energy of the moving body at time t = 0. , J (t 1 ) is the kinetic energy of the moving body at time t = t 1 , and C (t 1 ) is the work that Coriolis force is exerted on the moving body at time t = t 1 .

このように、式(21)を用いることで、第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの割合αを算出することができる。その結果、算出された割合αを用いて、第2のインパルス入力の大きさAを決定して、時刻t=tにおいて、予め決定された大きさAの第2のインパルス入力を運動体に付加することで、第1のインパルス応答と第2のインパルス応答とを互いに打ち消し合うことができる。したがって、時変の振動系において、インパルス応答の振幅が時変する場合であっても、第2のインパルス入力の大きさを適切に設定することで、振動を効果的に抑制することができる。 Thus, by using the equation (21), the ratio α of the second impulse input magnitude A 1 to the first impulse input magnitude A 0 can be calculated. As a result, by using the ratio α calculated, to determine the magnitude of A 1 of the second impulse input, at time t = t 1, the second impulse input magnitude A 1, which is previously determined motion By adding to the body, the first impulse response and the second impulse response can cancel each other. Therefore, even when the amplitude of the impulse response varies with time in a time-varying vibration system, vibration can be effectively suppressed by appropriately setting the magnitude of the second impulse input.

次に、本実施の形態1の振動抑制方法において、固有周期が変化した場合に補正する方法について説明する。   Next, in the vibration suppressing method of the first embodiment, a method for correcting when the natural period changes will be described.

図5において、強制加振力が時刻0から時刻tまで運動体に対して働いたとすると、運動体に生じる振動は、式(7)を用いて、次の式(22)のように表すことができる。

Figure 0005388956
In FIG. 5, if the forced excitation force is applied to the moving body from time 0 to time t 2 , the vibration generated in the moving body is expressed by the following expression (22) using Expression (7). be able to.
Figure 0005388956

これまでは半周期遅れたインパルス応答の重ね合わせによる打ち消しを考えてきたが、時変の振動系のインパルス応答では固有周期が変化する場合が考えられる。そのため、図6に示すように、所定の時間だけ一定の外力を連続的に運動体に対して与え続けた時のインパルス応答の重ね合わせを考える。   So far, cancellation has been considered by superimposing impulse responses delayed by half a cycle, but the natural period may change in the impulse response of a time-varying vibration system. Therefore, as shown in FIG. 6, the superposition of impulse responses when a constant external force is continuously applied to the moving body for a predetermined time is considered.

具体的には、図6に示すように、時刻0から時間幅ΔTの間に大きさAの第1のインパルス入力Pを運動体に対して連続的に与えることによって、運動体に生じる第1のインパルス応答Qを、時刻tから時間幅(β・ΔT)の間に、適切な大きさ(A・γ)の第2のインパルス入力Pを運動体に対して連続的に与えることによって、運動体に生じる第2のインパルス応答Qで、打ち消すことを考える。分かり易く簡略化して表現すれば、図6において、時刻0から時間幅ΔTの間に大きさAの第1のインパルス入力Pが連続的に付加されることにより、運動体が受け取るエネルギ(ここでは、インパルス入力の大きさと時間との積とする。)(A・ΔT)と、時刻tから時間幅(β・ΔT)の間に大きさ(A・γ1)の第2のインパルス入力Pが連続的に付加されることにより、運動体が受け取るエネルギ{(A・γ)×(β・ΔT)}とが略同じとなるように、時間幅の割合(比)βとインパルス入力の大きさの割合(比)γとを設定する、という考え方である。すなわち、上述のそれぞれのエネルギのブロック同士を互いに相殺するという考え方を用いている。この考え方を式で示すと、次の式(23)のように表すことができる。

Figure 0005388956
このような考え方に基づくインパルス応答の打ち消しを時刻0から時刻tまでにわたって考えると、t>t(すなわち、時刻t以降の時間帯)で式(22)の値を0にすることができる。なお、時間幅ΔTは、インパルス応答の周期に比して十分に小さいものと仮定することができ、さらに、インパルス入力を発生させる駆動装置(モータ等)の駆動を制御するサンプリング時間は、インパルス応答の周期に比して十分に短い時間である。したがって、時間幅ΔTを過大に長くとらない限り、上述のようなブロック同士を相殺するという考え方を適用することができる。 Specifically, as shown in FIG. 6, the first impulse input P 1 having the magnitude A 0 is continuously given to the moving body from time 0 to the time width ΔT, and is generated in the moving body. The first impulse response Q 1 is applied to the moving body with the second impulse input P 2 having an appropriate magnitude (A 0 · γ 1 ) from the time t 1 to the time width (β 1 · ΔT). Let us consider canceling with the second impulse response Q 2 generated in the moving body by giving continuously. Expressed in a simplified and easy-to-understand manner, in FIG. 6, energy received by the moving body by the first impulse input P 1 having the magnitude A 0 is continuously added between the time 0 and the time width ΔT. Here, it is the product of the magnitude of impulse input and time.) (A 0 · ΔT) and the second (A 0 · γ1) between the time t 1 and the time width (β 1 · ΔT). by impulse input P 2 of are sequentially added, as energy moving body receives and {(a 0 · γ 1) × (β 1 · ΔT)} is substantially same, the ratio of the time width ( The ratio is set to β 1 and the ratio (ratio) γ 1 of the magnitude of the impulse input. That is, the concept of canceling out the respective energy blocks is used. This concept can be expressed by the following equation (23).
Figure 0005388956
Considering the cancellation of the impulse response based on this concept from time 0 to time t 2 , the value of equation (22) can be set to 0 at t> t 1 (ie, the time zone after time t 1 ). it can. Note that the time width ΔT can be assumed to be sufficiently smaller than the period of the impulse response, and further, the sampling time for controlling the driving of the driving device (motor or the like) that generates the impulse input is the impulse response. The time is sufficiently shorter than the period. Therefore, as long as the time width ΔT is not excessively long, the concept of canceling out the blocks as described above can be applied.

したがって、式(23)および図6にて示すような所定の時間幅を考慮したインパルス応答の重ね合わせの考え方を用いて、まず時間幅ΔTを設定することで、時間幅の割合βとインパルス入力の大きさの割合γとを設定することができ、さらに設定された割合β、γを用いて、運動体に対して第2のインパルス入力Pの大きさおよび付加する時間幅を決定して、インパルス応答の重ね合わせを行うことで、時変の振動系のインパルス応答において固有周期が変化する場合であっても、確実に振動を抑制することができる。 Therefore, the time width ratio β 1 and the impulse are set by first setting the time width ΔT using the concept of superimposing impulse responses in consideration of the predetermined time width as shown in the equation (23) and FIG. The ratio γ 1 of the input magnitude can be set, and the magnitude of the second impulse input P 2 and the time width to be added to the moving body using the set ratios β 1 and γ 1. Is determined and the impulse responses are overlapped, so that vibration can be reliably suppressed even when the natural period changes in the impulse response of the time-varying vibration system.

また、このように時変の振動系のインパルス応答において、固有周期の変化に加えて、振幅の変化を伴うような場合には、式(23)で示す考え方に式(21)にて示す割合αを併用することが望ましい。具体的には、図6に示すように、時刻0にて第1のインパルス入力Pを運動体に対して与えた時の第1のインパルス応答Qは、時刻tにて変位が0となるのに対して、時刻ΔT(すなわち、0+ΔT)にて第1のインパルス入力P’を運動体に対して与えた時の第1のインパルス応答Q’は、時刻(t+β・ΔT)で変位が0となる。これらより、時刻tにおける割合α(t)と、割合β、γとは、次の式(24)のような関係となる。

Figure 0005388956
インパルス応答の周期だけが変化する場合には、式(24)において、β=1と置けば良く、また、インパルス応答の振幅だけが変化する場合には、式(24)において、α(t)=1と置けば良い。なお、βおよびγは、式(23)および式(24)を満たす範囲で適切に設定すれば良い。このようにして、α(t)、β、γを設定することができる。 In addition, in the impulse response of the time-varying vibration system as described above, when the amplitude is changed in addition to the change of the natural period, the ratio shown by the equation (21) is added to the idea shown by the equation (23). It is desirable to use α together. Specifically, as shown in FIG. 6, the first impulse response Q 1 when the first impulse input P 1 is given to the moving body at time 0 has a displacement of 0 at time t 1 . On the other hand, the first impulse response Q 1 ′ when the first impulse input P 1 ′ is given to the moving body at the time ΔT (that is, 0 + ΔT) is the time (t 1 + β 1・ The displacement becomes zero at ΔT). Accordingly, the ratio α (t 1 ) at the time t 1 and the ratios β 1 and γ 1 have a relationship as shown in the following equation (24).
Figure 0005388956
When only the period of the impulse response changes, β 1 = 1 may be set in the equation (24), and when only the amplitude of the impulse response changes, α (t 1 ) = 1. Note that β 1 and γ 1 may be set appropriately within a range that satisfies the expressions (23) and (24). In this way, α (t 1 ), β 1 , γ 1 can be set.

上述の説明では、図5および図6に主に示すように、時間の経過に伴って、インパルス応答の振幅が減少し、かつ、固有周期が長くなるような場合を例として説明したが、本実施の形態1の振動抑制方法は、このような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、図7に示すように、時間の経過に伴って、インパルス応答の振幅が増大し、かつ、固有周期が短くなるような場合であっても、本実施の形態1の振動抑制方法を適用することができる。   In the above description, as mainly shown in FIGS. 5 and 6, the case where the amplitude of the impulse response decreases and the natural period becomes longer as time passes has been described as an example. The vibration suppressing method of the first embodiment is not limited only to such a case. Instead of such a case, for example, as shown in FIG. 7, even when the amplitude of the impulse response increases and the natural period becomes shorter as time passes, The vibration suppressing method of the first form can be applied.

具体的には、図7において、時刻t=0において、第1のインパルス入力Pを運動体に対して与えることにより生じた第1のインパルス応答Qにおいて、時間の経過に伴って、振幅が減少し、かつ、固有周期が短くなるような場合であっても、時刻t=tにおいて、第2のインパルス入力Pを運動体に対して与えることにより生じた第2のインパルス応答Qを重ね合わせることで、インパルス応答を互いに打ち消すことができる。また、このインパルス応答の重ね合わせを行う際に、式(21)、式(23)、および式(24)を適用することができる。 Specifically, in FIG. 7, the amplitude of the first impulse response Q 1 generated by applying the first impulse input P 1 to the moving body at time t = 0 is increased with time. Even when the natural period decreases, the second impulse response Q generated by applying the second impulse input P 2 to the moving body at time t = t 1 . By superimposing the two , impulse responses can be canceled out. Further, when superimposing the impulse responses, Expression (21), Expression (23), and Expression (24) can be applied.

(実施例1)
次に、本実施の形態1のインプットシェイピング法を利用した時変の振動系の振動抑制方法を、適用した実施例について説明する。
Example 1
Next, an example in which the time-varying vibration suppression method using the input shaping method of the first embodiment is applied will be described.

本実施例1では、図8に示すようなロボットアームを模擬した長さL、重さmのアーム21の先端に重さmの搬送物22があるモデル20を用いる。モデル20において、駆動装置24により垂直方向の回転軸23a周りにアーム21および搬送物22が一体的に旋回方向の動作(旋回角度θ)が行われる際に、駆動装置25により水平方向の回転軸23b周りにアーム21および搬送物22が一体的に面内方向の動作(回転角度ψ)が行われる場合を考える。なお、本実施例1のモデル20の動作は、図1に示すロボットアーム10において、面内方向の動きのうちの回転角度ψは変化せずに、回転角度ψだけが変化する場合に相当する。また、モデル20では、アーム21および搬送物22が運動体の一例となっている。 In the first embodiment, a model 20 having a conveyance object 22 having a weight m 1 at the tip of an arm 21 having a length L and a weight m simulating a robot arm as shown in FIG. 8 is used. In the model 20, when the arm 21 and the conveyed product 22 are integrally operated in the turning direction (turning angle θ) around the vertical rotation shaft 23 a by the drive device 24, the horizontal rotation shaft is driven by the drive device 25. Consider a case where the arm 21 and the conveyed product 22 are integrally operated in the in-plane direction (rotation angle ψ) around 23b. The operation of the model 20 according to the first embodiment is performed when only the rotation angle ψ 1 changes in the robot arm 10 shown in FIG. 1 without changing the rotation angle ψ 2 of the in-plane movement. Equivalent to. Moreover, in the model 20, the arm 21 and the conveyed product 22 are examples of a moving body.

具体的には、図8のモデル20において、アーム21の旋回方向の動きにより生じる慣性モーメントが大きく変化する場合を想定して、アーム21の面内方向の回転角度ψが、10°から90°に0.2秒で変化する運転パターンを考える。ただし、加速運動および減速運動を行う時間をそれぞれ0.05秒、定速運動を行う時間を0.1秒とする。ここで、図9にアーム21の面内方向の運転パターンを示し、図10に慣性モーメントの変化を示す。また、振動抑制方法を適用するにあたって、計算に用いた各種パラメータを表1に示す。

Figure 0005388956
Specifically, in the model 20 of FIG. 8, assuming that the moment of inertia generated by the movement of the arm 21 in the turning direction changes greatly, the rotation angle ψ 1 in the in-plane direction of the arm 21 is 10 ° to 90 °. Consider an operating pattern that changes to 0.2 ° in 0.2 seconds. However, the time for performing the acceleration motion and the deceleration motion is 0.05 seconds, and the time for performing the constant speed motion is 0.1 seconds. Here, FIG. 9 shows the operation pattern in the in-plane direction of the arm 21, and FIG. 10 shows the change of the moment of inertia. Table 1 shows various parameters used in the calculation when applying the vibration suppression method.
Figure 0005388956

このモデル20において、図9および図10に示す運転パターンにしたがって、旋回方向の動きおよび面内方向の動きを行った場合に、アーム21に生じるインパルス応答(第1のインパルス応答)を図11に示す。図11では、インパルス応答における変位が0となる時刻をt(j=1,2,3...)としている。アーム21の面内方向の運転は0.2秒で終了するため、旋回方向の運転もそれに合わせて0.2秒前後で終了させる。旋回方向の運転は、加速、定速、減速の3区間に分類され、それぞれの区間において自由振動が発生するが、本実施例1では、実際の運動において最も問題となる減速区間のみを対象として自由振動を考える。具体的には、減速時間をt≦t≦tとし、初期条件としてt=tの時点で振動が生じていないものとして減速終了後の自由振動を扱う。 In this model 20, the impulse response (first impulse response) generated in the arm 21 when the movement in the turning direction and the movement in the in-plane direction are performed according to the operation pattern shown in FIGS. 9 and 10 is shown in FIG. 11. Show. In FIG. 11, the time when the displacement in the impulse response becomes 0 is set to t j (j = 1, 2, 3,...). Since the operation in the in-plane direction of the arm 21 is finished in 0.2 seconds, the operation in the turning direction is also finished in about 0.2 seconds accordingly. Driving in the turning direction is classified into three sections of acceleration, constant speed, and deceleration, and free vibration occurs in each section. However, in the first embodiment, only the deceleration section that is the most problematic in actual motion is targeted. Consider free vibration. Specifically, the deceleration time is set to t 4 ≦ t ≦ t 6, and the free vibration after the end of deceleration is treated as an initial condition that no vibration is generated at the time t = t 4 .

まず、1自由度かつ時変のインパルス応答における振幅の変化による補正を考える。図11に示すインパルス応答に重ね合わせるべきインパルス応答を生じさせる入力の大きさの割合α(t)(ただし、減速時間t≦t≦tについて)を、式(21)を用いて求めた結果を図12に示す。ここで、インパルス応答の重ね合わせにより打ち消し合うために考えなければならない区間は、t≦t≦tの区間であるので、t≦t≦tの区間についてはα(t)=1としている。 First, let us consider a correction based on a change in amplitude in a one-degree-of-freedom and time-varying impulse response. The ratio α (t) of the magnitude of the input that generates the impulse response to be superimposed on the impulse response shown in FIG. 11 (however, for the deceleration time t 4 ≦ t ≦ t 6 ) was obtained using the equation (21). The results are shown in FIG. Here, since the section that must be considered to cancel each other by superimposing the impulse responses is the section of t 5 ≦ t ≦ t 6 , α (t) = 1 for the section of t 4 ≦ t ≦ t 5. It is said.

次に、1自由度かつ時変系のインパルス応答における固有周期の変化による補正を考える。ΔTが有限の値であるため、インパルス入力の大きさの割合γ(t)は近似となる。ΔT=0.005秒で計算して、時間幅の割合βを求め、式(24)にて表すγ=α(t)/βからγ(t)を求めたものを図13に示す。 Next, a correction based on a change in natural period in a one-degree-of-freedom time-varying impulse response will be considered. Since ΔT is a finite value, the ratio γ (t) of the magnitude of the impulse input is approximate. The time width ratio β i is calculated by ΔT = 0.005 seconds, and γ (t) is calculated from γ i = α (t i ) / β i represented by the equation (24). Shown in

図12および図13にて求めたそれぞれの割合αおよびγ(t)を用いて、旋回方向の減速時間t≦t≦tで、F(t)=Aγ(t)の強制加振力をアーム21に対して与えた時の応答、すなわち、残留振動を抑制するように、第1のインパルス応答に対して、第2のインパルス応答の重ね合わせを行った結果を図14に示す。なお、図14では、縦軸に相対角変位(φ[rad]:振幅)、横軸に時間(s)を示している。 Using the ratios α and γ (t) obtained in FIG. 12 and FIG. 13, the forced excitation force of F (t) = Aγ (t) with the deceleration time t 4 ≦ t ≦ t 6 in the turning direction FIG. 14 shows a result of superimposing the second impulse response on the first impulse response so as to suppress the residual vibration, that is, the response when applying to the arm 21. In FIG. 14, the vertical axis represents relative angular displacement (φ [rad]: amplitude), and the horizontal axis represents time (s).

図14に示すように、減速時間t≦t≦tの区間で生じる振幅の最大値(すなわち、振動の最大角変位)Rに対して、減速運動終了後の時間t≦tの区間で生じる残留振動の振幅Rはかなり低く抑えられていることが分かる。図14において、最大変位は、時刻t=tまで増大し、時刻t=t以降で減少に転じ、時刻t=tでは理想的に減少されている。 As shown in FIG. 14, with respect to the maximum value of the amplitude (that is, the maximum angular displacement of vibration) R 1 generated in the section of the deceleration time t 4 ≦ t ≦ t 6 , the time t 6 ≦ t after the end of the deceleration motion It can be seen that the amplitude R 2 of the residual vibration generated in the section is suppressed to be quite low. In FIG. 14, the maximum displacement increases until time t = t 5 , starts to decrease after time t = t 5 , and is ideally decreased at time t = t 6 .

次に減速時間t≦t≦tで、このようなF(t)=Aγ(t)の強制加振力をアーム21に対して与えた時に残留振動が抑えられることをさらにデータ解析を行うことにより確認する。 Next, in the deceleration time t 4 ≦ t ≦ t 6 , further data analysis shows that residual vibration can be suppressed when such a forced excitation force of F (t) = Aγ (t) is applied to the arm 21. Confirm by doing.

加振力の継続時間をTiとして、t≦t≦Tで強制加振力をアーム21に対して与えた場合の残留振動の振幅を比較したものを、図15に示す。ただし、t≦t≦Tの区間でF(t)=Aγ(t)、t6<tの区間でF(t)=A、Ti<tの区間でF(t)=0とする。また、図15の横軸は強制加振力の継続時間Tiを表し、縦軸は強制加振力の入力終了後の相対角変位φ(t)の最大値を、入力終了後の相対角変位φ(t)の最大値が一番大きい時(T=tの時)の値を基準としたデシベルで表したもの(振動レベル)である。図15から明らかなように、T=t付近でよく振動が抑制されていることが分かる。 FIG. 15 shows a comparison of the amplitudes of residual vibration when the excitation force duration is Ti and the forced excitation force is applied to the arm 21 at t 4 ≦ t ≦ T i . However, F (t) = Aγ (t) in the section of t 4 ≦ t ≦ T i , F (t) = A in the section of t6 <t, and F (t) = 0 in the section of Ti <t. Further, the horizontal axis of FIG. 15 represents the duration Ti of the forced excitation force, and the vertical axis represents the maximum value of the relative angular displacement φ (t) after the input of the forced excitation force and the relative angular displacement after the input ends. It is a value (vibration level) expressed in decibels based on the value when the maximum value of φ (t) is the largest (when T i = t 5 ). As is apparent from FIG. 15, it can be seen that vibration is well suppressed in the vicinity of T i = t 6 .

上述の式(5)にて示したように、このような強制加振力は次の式(25)のように表すことができる。

Figure 0005388956
As shown in the above equation (5), such a forced excitation force can be expressed as the following equation (25).
Figure 0005388956

そこで、図13に示すインパルス入力の大きさの割合γに基づいて、振動を抑えることができる強制加振力を求め、求められた強制加振力を発生できるように駆動装置(モータ)による加速度パターンを計算したものと図16に示す。なお、図16では、縦軸が加速度(rad/s)、横軸が時間(s)となっている。また、この図16に示す加速度パターンに基づいて駆動装置が駆動された時に、アーム21に対して付加される強制加振力を図17に示す。なお、図17では、縦軸が強制加振力F(t)、横軸が時間(s)となっている。さらに、図15と同様に外力の継続時間Tを変化させて入力終了後の相対角変位(残留振動)の大きさを比較したもの(振動レベル:デシベル表示)を図18に示す。 Therefore, based on the impulse input magnitude ratio γ shown in FIG. 13, the forced excitation force capable of suppressing the vibration is obtained, and the acceleration by the driving device (motor) so that the obtained forced excitation force can be generated. FIG. 16 shows the calculated pattern. In FIG. 16, the vertical axis represents acceleration (rad / s 2 ) and the horizontal axis represents time (s). FIG. 17 shows the forced excitation force applied to the arm 21 when the drive device is driven based on the acceleration pattern shown in FIG. In FIG. 17, the vertical axis represents the forced excitation force F (t) and the horizontal axis represents time (s). Further, FIG. 15 as well as the relative angular displacement of the finish entering by varying the duration T i of the external force compares the magnitude of the (residual vibration) (vibration level: decibel) is shown in Figure 18.

図16、図17、および図18に示すように、減速時間t≦t≦tの区間に、図16にて示す加速度パターンに沿った加速度を与えることにより、減速運動終了後における旋回方向の残留振動を効果的に抑制できることが分かる。 As shown in FIGS. 16, 17, and 18, by applying acceleration along the acceleration pattern shown in FIG. 16 to the section of deceleration time t 4 ≦ t ≦ t 6 , the turning direction after the end of the deceleration motion It can be seen that the residual vibration can be effectively suppressed.

ここで、本実施の形態1および実施例1にて説明した振動抑制方法を、加速または減速運動を行う運動体に生じる、1自由度かつ時変の振動を抑制するように適用して、駆動装置を用いて運動体の運転を行うための手順について、図19に示すフローチャートを用いて説明する。   Here, the vibration suppression method described in the first embodiment and the first embodiment is applied so as to suppress one-degree-of-freedom and time-varying vibration generated in a moving body that performs acceleration or deceleration. The procedure for operating the moving body using the apparatus will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、図19のフローチャートのステップS1において、駆動装置を用いて運転される運動体の運転条件の設定を行う。このような運転条件としては、例えば、運動体の運転開始位置および目標位置の空間座標、動作に要する時間的な制約条件、ならびに搬送物の有無などの条件がある。さらに、運動体の自重や駆動装置の駆動力を運動体に伝達するための減速機の仕様(回転ばね定数)なども運転条件として設定する。   First, in step S1 of the flowchart of FIG. 19, the operating condition of the moving body that is operated using the driving device is set. Examples of such driving conditions include spatial coordinates of the driving start position and target position of the moving body, time constraint conditions required for the operation, and the presence / absence of a transported object. Furthermore, the specification (rotation spring constant) of the speed reducer for transmitting the weight of the moving body or the driving force of the driving device to the moving body is also set as the operating condition.

次に、ステップS2において、運動体の運転パターンを設定する。この運転パターンの設定は、ステップS1にて設定された運転条件に基づいて行われる。具体的には、運動体の運転開始位置、目標位置、動作時間、および重量などの運転条件から、運動体の加速、定速、減速の運転区間や時間を設定するとともに、2つの異なる運動体の動作、例えば、旋回方向の動きと面内方向の動きとのそれぞれの運転パターンを設定する。   Next, in step S2, the driving pattern of the moving body is set. The operation pattern is set based on the operation condition set in step S1. Specifically, it sets the driving section and time for acceleration, constant speed, and deceleration of the moving body based on the driving conditions such as the driving start position, target position, operating time, and weight of the moving body, and two different moving bodies. , For example, each driving pattern of the movement in the turning direction and the movement in the in-plane direction is set.

次に、ステップS3において、設定された運動体の運転パターンに基づいて、残留振動を抑制するような駆動装置による運動体の加速度パターンの計算を行う。この加速度パターンの計算は、運動体における慣性モーメントの変化に伴う、コリオリの力がした仕事を考慮して、上述した式(21)、式(23)、および式(24)などを用いて、α(t)、β、γなどを算出することにより行う。また、この加速度パターンの計算は、特に自由振動が問題となる可能性が高い減速区間において行うことが望ましい。 Next, in step S3, based on the set driving pattern of the moving body, the acceleration pattern of the moving body by the driving device that suppresses the residual vibration is calculated. This acceleration pattern is calculated using the above-described equations (21), (23), and (24) in consideration of the work performed by the Coriolis force accompanying the change in the moment of inertia in the moving body. This is done by calculating α (t i ), β i , γ i and the like. In addition, it is desirable to calculate the acceleration pattern in a deceleration zone where free vibration is likely to be a problem.

その後、ステップS4において、計算された加速度パターンの情報に基づいて、駆動装置を駆動して、運動体の加速、定速、減速運転を実施する。運動体において、残留振動が抑制された運転を実施することができる。   Thereafter, in step S4, based on the calculated acceleration pattern information, the driving device is driven to perform acceleration, constant speed, and deceleration operations of the moving body. In the moving body, it is possible to perform an operation in which residual vibration is suppressed.

なお、ステップS1〜S4までの条件設定や計算処理は、例えば、駆動装置の駆動動作を制御する制御装置において実施することができる。また、このような場合に代えて、上述の計算処理を行うプログラムがインストールされたコンピュータ装置を用いて、ステップS1〜S3の条件設定や計算処理を行い、計算された加速度パターンの情報を、駆動装置の制御装置に入力して、駆動装置の駆動動作が制御装置により制御されても良い。   It should be noted that the condition setting and calculation processing from step S1 to S4 can be performed, for example, in a control device that controls the driving operation of the driving device. Further, instead of such a case, using the computer device in which the program for performing the above-described calculation processing is installed, the condition setting and calculation processing in steps S1 to S3 are performed, and the calculated acceleration pattern information is driven. The drive operation of the drive device may be controlled by the control device by inputting to the control device of the device.

また、運動体が複数の運転パターンを有するような場合にあっては、個々の運転パターン毎に、残留振動を抑制するような駆動装置による加速度パターンを計算して、制御装置に入力しておき、選択された運転パターンに対応する加速度パターンにて駆動装置の駆動動作を制御することもできる。この運転パターンの選択の際には、適切な運転パターンを選択する手段(例えば、センサなどを用いた手段など)を用いることもできる。   In addition, when the moving body has a plurality of driving patterns, an acceleration pattern by the driving device that suppresses the residual vibration is calculated for each driving pattern and input to the control device. The driving operation of the driving device can also be controlled by an acceleration pattern corresponding to the selected driving pattern. In selecting the operation pattern, means for selecting an appropriate operation pattern (for example, means using a sensor or the like) can be used.

(実施の形態2)
上記実施の形態1では、時変の振動系において短い時間系を考えて実質的な減衰がないものとした場合の振動抑制方法について説明したが、減衰を考慮した場合の時変の振動系における振動抑制方法について、本実施の形態2にて説明する。例えば、ロボットアームにおいて減速機が用いられている場合には、減速機において摩擦などにより生じる熱エネルギがこのような減衰となる。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the vibration suppression method in the case where the time-varying vibration system is considered to have no substantial attenuation considering a short time system is described. However, in the time-varying vibration system in consideration of the attenuation, A vibration suppression method will be described in the second embodiment. For example, when a speed reducer is used in the robot arm, thermal energy generated by friction or the like in the speed reducer is such attenuation.

時変の振動系において減衰を考慮する場合には、実質的な減衰を考慮しない場合と比して、式(21)のα、すなわち第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの割合(比)αが相違することになる。ただし、固有周期の変化に対する補正する方法(式(22)、式(23)、式(24)など)については、実質的な減衰を考慮しない場合と同様に考えることができる。したがって、本実施の形態2では、減衰を考慮した場合のαについてのみ説明する。 When damping is considered in the time-varying vibration system, the second impulse with respect to α in the equation (21), that is, the magnitude A 0 of the first impulse input, is compared with the case where substantial damping is not taken into consideration. The ratio (ratio) α of the input size A 1 is different. However, a method for correcting the change of the natural period (formula (22), formula (23), formula (24), etc.) can be considered in the same manner as when substantial attenuation is not considered. Therefore, in the second embodiment, only α when attenuation is considered will be described.

時変の振動系において減衰を考慮した場合、式(6)の運動方程式に減衰係数cの項を加えた運動方程式を考え、この運動方程式において時刻tに大きさAのインパルス入力を与えるとすると、式(26)のように表すことができる。

Figure 0005388956
When damping is considered in a time-varying vibration system, a motion equation in which the term of the damping coefficient c is added to the motion equation of Equation (6) is considered, and an impulse input of magnitude A i is given at time t i in this motion equation. Then, it can be expressed as in Expression (26).
Figure 0005388956

次に、この式(26)の運動方程式に「φの時間による微分」を乗じて時間で積分すると次の式(27)のように表すことができ、式(28)のエネルギの関係式が得られる。

Figure 0005388956
Figure 0005388956
ここで、式(28)のエネルギ関係式における左辺第2項は、減衰により損失するエネルギに相当し、時間により値が変化するため、同第2項を次の式(29)のようにおく。
Figure 0005388956
さらに、式(29)を式(28)に代入して整理すると、次の式(30)のようになる。
Figure 0005388956
Next, by multiplying the equation of motion of the equation (26) by “differentiation over time of φ” and integrating with time, it can be expressed as the following equation (27), and the energy relational expression of the equation (28) is can get.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Here, the second term on the left side in the energy relational expression of Equation (28) corresponds to energy lost due to attenuation, and the value changes with time. Therefore, the second term is set as in the following Equation (29). .
Figure 0005388956
Further, when formula (29) is substituted into formula (28) and rearranged, the following formula (30) is obtained.
Figure 0005388956

ここで、変位が0となる時刻では、ポテンシャルエネルギ(式(30)における左辺第2項)は0となるため、式(30)は次の式(31)のように表すことができる。

Figure 0005388956
また、インパルス入力を与えた時刻では、コリオリの力がする仕事C(t)および減衰による損失エネルギD(t)も0となるため、次の式(32)、式(33)、式(34)、式(35)を導くことができる。
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Here, at the time when the displacement becomes 0, the potential energy (the second term on the left side in the equation (30)) is 0, so the equation (30) can be expressed as the following equation (31).
Figure 0005388956
At the time when the impulse input is given, the work C (t) generated by the Coriolis force and the loss energy D (t) due to the attenuation are also zero, so the following equations (32), (33), and (34) ), Equation (35) can be derived.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Figure 0005388956

ここで、第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの関係をA=αAで表すときに、第1のインパルス応答と第2のインパルス応答とが互いに打ち消し合うような割合αは、式(33)および式(34)より、次の式(36)のように表すことができる。

Figure 0005388956
ここで、次の式(37)の関係を満たせば、第1のインパルス応答と第2のインパルス応答とは互いに打ち消し合うことが可能となる。したがって、減衰を考慮した場合における第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの割合αは、次の式(38)のように表すことができる。
Figure 0005388956
Figure 0005388956
Here, when the relationship between the first impulse input magnitude A 0 and the second impulse input magnitude A 1 is represented by A 1 = αA 0 , the first impulse response and the second impulse response are The ratio α that cancels each other out can be expressed by the following equation (36) from the equations (33) and (34).
Figure 0005388956
Here, if the relationship of the following equation (37) is satisfied, the first impulse response and the second impulse response can cancel each other. Accordingly, the ratio α of the second impulse input magnitude A 1 to the first impulse input magnitude A 0 when attenuation is considered can be expressed as the following equation (38).
Figure 0005388956
Figure 0005388956

したがって、時変の振動系において減衰を考慮した場合には、式(38)で表される割合αを用いることにより、インパルス応答の重ね合わせにより、振動を効果的に抑制することができる。   Therefore, when damping is considered in a time-varying vibration system, vibration can be effectively suppressed by superimposing impulse responses by using the ratio α represented by the equation (38).

また、このような減衰の考慮は、例えば、運動体の駆動装置において、減速機などが用いられている場合に実施することが好ましい。一方、駆動装置において、直結モータなどが使用されて減速機が用いられていないような場合であり、かつ減衰が比較的小さいと判断できるような場合には、実質的な減衰は生じないものと判断して、上記実施の形態1の式(21)を適用しても良い。   Further, such consideration of attenuation is preferably carried out, for example, when a reduction gear or the like is used in the moving body drive device. On the other hand, in a case where a direct-coupled motor or the like is used in the drive device and a reduction gear is not used, and when it can be determined that the attenuation is relatively small, no substantial attenuation occurs. Judgment may be made and equation (21) of the first embodiment may be applied.

(実施の形態3)
次に本発明の実施の形態3は、上述した実施の形態1または2の時変の振動系における振動抑制方法を採用して振動を抑制することに加えて、さらに運動体を目的の位置に精度良く移動させることができる振動抑制方法である。
(Embodiment 3)
Next, the third embodiment of the present invention employs the vibration suppression method in the time-varying vibration system of the first or second embodiment described above to suppress vibration, and further moves the moving body to the target position. This is a vibration suppressing method that can be moved with high accuracy.

上述したそれぞれの実施の形態1または2におけるインプットシェイピング法を利用した時変の振動系の振動抑制方法では、例えば、半周期遅れたインパルス応答の重ね合わせによる打ち消しを行う場合に、コリオリの力がする仕事を考慮して、インパルス応答の振幅の変化および固有周期の変化に応じたインパルス入力を大きさおよび連続的な付加時間を決めて、振動の抑制を行うものである。しかしながら、時変系の場合は、インパルス応答の振幅と固有周期が変化することに加えて、外力(インパルス入力)の大きさも一定ではないため、大部分のインパルス応答を打ち消し合うことはできるものの、完全に打ち消し合うことは難しい。一方、このような運動体、例えば、ロボットアームの先端に取り付けられたハンドツールでは、目的の位置に精確に移動できるようにその動作制御を行う必要がある。   In the vibration suppression method of the time-varying vibration system using the input shaping method in each of the first and second embodiments described above, for example, when canceling out by superimposing impulse responses delayed by a half cycle, the Coriolis force is In consideration of the work to be performed, the magnitude of the impulse input corresponding to the change in the amplitude of the impulse response and the change in the natural period and the continuous addition time are determined to suppress the vibration. However, in the case of a time-varying system, in addition to the change in the amplitude and natural period of the impulse response, the magnitude of the external force (impulse input) is not constant, so most impulse responses can be canceled, It is difficult to completely cancel each other. On the other hand, it is necessary to control the operation of such a moving body, for example, a hand tool attached to the tip of a robot arm so that it can be accurately moved to a target position.

このような観点から、本実施の形態3では、時変の振動系においてインプットシェイピング法を利用して運動体に生じる振動を抑制しながら、運動体を目的の位置に精度良く移動させることができる振動抑制方法について説明する。なお、本実施の形態3では、上述の実施例1で用いた図8のロボットアームのモデル20において、アーム21および搬送物22の一体的なの旋回方向の動作が行われるとともに、アーム21および搬送物22の一体的な面内方向の回転角度ψが、10°から90°に0.2秒で変化する運転パターン(図9、図10、図11参照)を例として説明する。 From such a viewpoint, in the third embodiment, the moving body can be accurately moved to the target position while suppressing the vibration generated in the moving body using the input shaping method in the time-varying vibration system. A vibration suppression method will be described. In the third embodiment, in the robot arm model 20 of FIG. 8 used in the first embodiment described above, the arm 21 and the transported object 22 are integrally operated in the turning direction, and the arm 21 and the transport are performed. An operation pattern (see FIGS. 9, 10, and 11) in which the rotation angle ψ 1 in the in- plane direction of the object 22 changes from 10 ° to 90 ° in 0.2 seconds will be described as an example.

アーム21の旋回方向の動作の継続時間を、t=0からt=t、t、tなどインパルス応答が0(ゼロ)になる偶数番目の時刻までに設定する(図11参照)。図8のモデル20の例では、アーム21の旋回方向の動作の継続時間は、0≦t≦tとなる。 The duration of the movement of the arm 21 in the turning direction is set by the even-numbered time when the impulse response becomes 0 (zero) such as t = 0 to t = t 2 , t 4 , t 6 (see FIG. 11). In the example of the model 20 in FIG. 8, the duration of the movement of the arm 21 in the turning direction is 0 ≦ t ≦ t 6 .

次に、図11に示す時変系のインパルス応答において、半周期ごとの一対の隣接する区間、すなわち、区間0≦t≦tと区間t≦t≦tとが、区間t≦t≦tと区間t≦t≦tとが、区間t≦t≦tと区間t≦t≦tとが、それぞれ互いに打ち消し合うようにする。隣接せず離れた区間同士を打ち消し合わせるようにすることも可能ではあるが、隣接区間同士であれば、打ち消し合うインパルス応答の誤差の拡大量が少ないため、より効果的に打ち消し合うことができる。 Next, in the time-varying impulse response shown in FIG. 11, a pair of adjacent sections for each half cycle, that is, the section 0 ≦ t ≦ t 1 and the section t 1 ≦ t ≦ t 2 are divided into the sections t 2 ≦ t 2. t ≦ t 3 and interval t 3 ≦ t ≦ t 4, and interval t 4 ≦ t ≦ t 5 and interval t 5 ≦ t ≦ t 6 cancel each other. Although it is possible to cancel the sections that are not adjacent to each other, the adjacent sections can cancel each other more effectively because the amount of expansion of the error of the impulse response to cancel is small.

また、隣接する一対の区間の前半または後半のいずれか一方の区間において、アーム21が上述の運転パターンを実施するために必要な加速度をアーム21に対して与え、他方の区間において付与する加速度は、重ね合わせるべきインパルス応答を生じさせる入力の大きさの割合γに基づいて決定する。通常は、隣接する一対の区間において、前半区間に運転パターン実施のための加速度を与え、重ねるべきインパルス応答を考慮して後半区間の加速度を計算により決定することが好ましい。   Further, in either the first half or the second half of a pair of adjacent sections, the arm 21 gives the arm 21 the acceleration necessary for carrying out the above-described driving pattern, and the acceleration given in the other section is , Based on the input magnitude ratio γ that produces the impulse response to be superimposed. Usually, in a pair of adjacent sections, it is preferable to give an acceleration for driving pattern execution to the first half section and determine the acceleration of the second half section by calculation in consideration of the impulse response to be overlapped.

具体的には、まず、時変系のインパルス応答における振幅の変化による補正を考える。アーム21の旋回方向の動作の継続時間0≦t≦tにおける3つの一対の区間において、図11に示すインパルス応答に重ね合わせるべきインパルス応答を生じさせる入力の大きさの割合α(t)、入力の時間幅の割合β(t)について、図20、図21に示す。なお、図21では、1/β(t)について示している。 Specifically, first, a correction by a change in amplitude in a time-varying impulse response is considered. The ratio α (t) of the magnitude of the input that generates the impulse response to be superimposed on the impulse response shown in FIG. 11 in three pairs of sections in the duration time 0 ≦ t ≦ t 6 of the arm 21 in the turning direction, FIG. 20 and FIG. 21 show the input time width ratio β (t). FIG. 21 shows 1 / β (t).

図20、図21に示すように、それぞれの一対の区間における前半区間において、α(t)=1、1/β(t)=1と設定し、後半区間においてインパルス応答の打ち消し合いを考慮したα(t)、1/β(t)を算出している。なお、このインパルス応答の打ち消し合いを考慮したα(t)、1/β(t)を算出は、上述の実施の形態1にて説明した手法により行うことができる。   As shown in FIGS. 20 and 21, α (t) = 1 and 1 / β (t) = 1 are set in the first half section of each pair of sections, and cancellation of impulse responses is considered in the second half section. α (t) and 1 / β (t) are calculated. Note that α (t) and 1 / β (t) in consideration of cancellation of the impulse responses can be calculated by the method described in the first embodiment.

次に、時変系のインパルス応答における固有周期の変化による補正を考える。図20、図21にて算出したα(t)および1/β(t)を用いて、インパルス入力の大きさの割合γ(t)を算出すると、それぞれの一対の区間におけるγ(t)は、図22に示すようになる。なお、γ(t)の算出は、式(24)を用いて行うことができる。   Next, let us consider the correction by the change of the natural period in the time-varying impulse response. When α (t) and 1 / β (t) calculated in FIGS. 20 and 21 are used to calculate the ratio γ (t) of the magnitude of impulse input, γ (t) in each pair of sections is As shown in FIG. Note that γ (t) can be calculated using Expression (24).

ここで、それぞれの一対の区間におけるインパルス応答を打ち消し合うためのインパルス入力(強制加振力(外力))F(t)の大きさは、前半区間と後半区間とにおいて図22に示す割合γ(t)の比を満たしていれば良く、必ずしも図22に示すγ(t)の形をした外力パターンに設定する必要はない。   Here, the magnitude of the impulse input (forced excitation force (external force)) F (t) for canceling the impulse responses in each pair of sections is the ratio γ (shown in FIG. 22 in the first half section and the second half section). It is only necessary to satisfy the ratio of t), and it is not always necessary to set the external force pattern in the form of γ (t) shown in FIG.

図22に示すそれぞれの一対の区間におけるインパルス入力の大きさの割合γ(t)に基づいて算出されたアーム21に対して付加する外力F(t)のパターンを図23(a)に示す。   FIG. 23A shows a pattern of the external force F (t) applied to the arm 21 calculated based on the impulse input magnitude ratio γ (t) in each pair of sections shown in FIG.

さらに、図23(a)の外力F(t)に基づいて、次の式(39)を用いて、それぞれの一対の区間における加速度を算出する。算出された加速度パターンを図23(b)に示す。

Figure 0005388956
また、算出された加速度パターンから、次の式(40)を用いて、その時刻における速度(駆動装置におけるモータの速度)を算出する。ただし、速度は1データ前、すなわち時間間隔Δt前のデータを用いる。速度の算出においては、時刻t、tにおいて連続するように算出する。また、アーム21の運動の開始時(t=0)は静止状態となるため速度ゼロとなり、アーム21の動作の継続時間の最終時刻(t=t)は停止状態となるため速度ゼロとなる。算出された速度パターンを図23(c)に示す。
Figure 0005388956
Further, based on the external force F (t) in FIG. 23A, the acceleration in each pair of sections is calculated using the following equation (39). The calculated acceleration pattern is shown in FIG.
Figure 0005388956
Further, from the calculated acceleration pattern, the speed at that time (the speed of the motor in the driving device) is calculated using the following equation (40). However, the speed is one data before, that is, data before the time interval Δt. In calculating the speed, it is calculated so as to be continuous at times t 2 and t 4 . Further, when the motion of the arm 21 starts (t = 0), the speed is zero because the arm 21 is in a stationary state, and the final time (t = t 6 ) of the duration time of the operation of the arm 21 is stopped, so the speed is zero. . The calculated speed pattern is shown in FIG.
Figure 0005388956

このようにして、アーム21の旋回方向の動作の全継続時間において、図23(c)に示すように速度パターンが算出されると、時間・速度の関係(すなわち、図23(c)のグラフの面積)よりアーム21の移動距離を算出する。この算出された移動距離が、アーム21の静止位置から目標の位置までの移動距離(すなわち制御指令値)に一致するように、それぞれの一対の区間で与えた加速度パターンを調節する。具体的には、算出された移動距離と制御指令値である移動距離との比を算出して、この比を相似比として用いて、図23(b)に示す全継続時間における加速度パターンおよび図23(a)に示す全継続時間における外力パターンを相似変形させる(すなわち相似比を乗じる)ことで、加速度パターンの調整および外力パターンの調整を行う。   In this manner, when the speed pattern is calculated as shown in FIG. 23C during the entire duration of the movement of the arm 21 in the turning direction, the time-speed relationship (that is, the graph of FIG. 23C). The movement distance of the arm 21 is calculated from The acceleration pattern given in each pair of sections is adjusted so that the calculated movement distance matches the movement distance (that is, the control command value) from the stationary position of the arm 21 to the target position. Specifically, the ratio between the calculated movement distance and the movement distance that is the control command value is calculated, and this ratio is used as the similarity ratio, so that the acceleration pattern and graph for the entire duration shown in FIG. The external force pattern for the entire duration shown in FIG. 23 (a) is similarly deformed (that is, multiplied by the similarity ratio) to adjust the acceleration pattern and the external force pattern.

このように調整された加速度パターンおよび外力パターンを用いて、アーム21の動作を行うことで、時変系の振動を抑制することができるとともに、アーム21を精度良く目的の位置に移動させることができる。   By performing the operation of the arm 21 using the acceleration pattern and the external force pattern adjusted as described above, it is possible to suppress time-varying vibration and to move the arm 21 to a target position with high accuracy. it can.

なお、選定できる加速度の大きさは、駆動装置の能力(モータの能力など)により制限があるため、加速度パターンを相似変形させる限度は、駆動装置の能力の範囲内とする必要がある。そのため、駆動装置の能力を超えるような場合には、一対の区間の数を増大、すなわち動作の継続時間を増大させて、速度パターン、加速度パターンを再度算出する。   Note that the magnitude of acceleration that can be selected is limited by the capability of the drive device (motor capability, etc.), and therefore the limit for similar deformation of the acceleration pattern must be within the range of the capability of the drive device. For this reason, when the capacity of the driving device is exceeded, the number of the pair of sections is increased, that is, the duration of the operation is increased, and the speed pattern and the acceleration pattern are calculated again.

また、時変系では、運動体が一定速度で運動している場合でも加振力が生じるため、一対の隣接区間の前半区間において加速度をゼロと設定し、後半区間で前半区間の振動を打ち消すように加減速値を決めても良い。   In addition, in a time-varying system, even when the moving body is moving at a constant speed, an excitation force is generated. Therefore, acceleration is set to zero in the first half of a pair of adjacent sections, and vibration in the first half is canceled in the second half. The acceleration / deceleration value may be determined as described above.

本実施の形態3にて説明した条件設定や計算処理は、例えば、駆動装置の駆動動作を制御する制御装置において実施することができる。また、このような場合に代えて、これらの計算処理を行うプログラムがインストールされたコンピュータ装置を用いて、条件設定や計算処理を行い、計算された加速度パターンの情報を、駆動装置の制御装置に入力して、駆動装置の駆動動作が制御装置により制御されるようにしても良い。   The condition setting and calculation processing described in the third embodiment can be performed, for example, in a control device that controls the driving operation of the driving device. Further, instead of such a case, using a computer device in which a program for performing these calculation processes is installed, condition setting and calculation processing are performed, and the information of the calculated acceleration pattern is transmitted to the control device of the driving device. The driving operation of the driving device may be input and controlled by the control device.

上述の実施の形態の説明では、加速または減速運動を行う際に、運動体自体の姿勢の変化(例えば、慣性モーメントの変化)を伴う運動体において生じる、1自由度かつ時変の振動を、インプットシェイピング法を利用して抑制する方法について説明した。このような運動体の代表的な例であるロボットアームでは、その運動動作の自由度を高めるために、多関節の自由度の高い構造が採用されている。そのため、現実的には、ロボットアームが駆動される場合には、複数の自由度かつ時変の振動が発生する。一方、このような運動体において、最も問題となるのは低周波振動である。そのため、このように複数の自由度についての時変の振動が生じるような場合には、複数の自由度の振動の中で、最も低い周波数の振動に対して、本実施の形態の振動抑制方法を適用すれば良い。   In the description of the above-described embodiment, when performing acceleration or deceleration movement, vibration of one degree of freedom and time variation generated in a moving body accompanied by a change in posture of the moving body itself (for example, change in moment of inertia) The method of suppressing using the input shaping method was demonstrated. In a robot arm which is a typical example of such a moving body, a multi-joint structure having a high degree of freedom is employed in order to increase the degree of freedom of movement. Therefore, in reality, when the robot arm is driven, a plurality of degrees of freedom and time-varying vibrations are generated. On the other hand, in such a moving body, the most serious problem is low-frequency vibration. Therefore, in the case where time-varying vibration with respect to a plurality of degrees of freedom occurs in this way, the vibration suppressing method of the present embodiment with respect to the vibration with the lowest frequency among the vibrations with a plurality of degrees of freedom. Should be applied.

また、本実施の形態の振動抑制方法は、運動体が加速運動または減速運動を行うことにより生じる振動に対して適用することができるが、定速運動中において運動体の姿勢が変化することによりコリオリの力が仕事を行うような場合には、このような定速運動を行うことにより生じる振動に対しても適用できる。   In addition, the vibration suppression method of the present embodiment can be applied to vibrations generated when the moving body performs acceleration motion or deceleration motion. However, when the posture of the moving body changes during constant speed motion. When the Coriolis force performs work, the present invention can also be applied to vibration generated by performing such a constant speed motion.

また、本実施の形態および実施例では、旋回方向の動きと面内方向の動きとが同時に行われる場合を例として、主に回転運動が行われる場合について説明したが、回転運動以外の運動にも適用することができる。   Further, in the present embodiment and examples, the case where the rotational motion is mainly performed has been described as an example in which the movement in the turning direction and the movement in the in-plane direction are performed simultaneously. Can also be applied.

本発明によれば、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を、インプットシェイピング法を用いて抑制する場合に、運動体の姿勢変化に伴って生じるコリオリの力がする仕事を考慮して、第2のインパルス入力の大きさを決定しているため、時間によって第1のインパルス応答の振幅または周期が変化する時変の振動系に対して、第2のインパルス応答を重ね合わせることで効果的に抑制することができる。したがって、ロボットアーム、工作機械、およびクレーンなど、その動作中に姿勢変化を伴うような動作を行う運動体に生じる振動を、フィードフォワード制御にて効果的に抑制することができる。   According to the present invention, when at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body with acceleration or deceleration movement is suppressed using the input shaping method, Coriolis generated with a change in posture of the moving body. Since the magnitude of the second impulse input is determined in consideration of the work performed by the force, the second impulse input is compared with the time-varying vibration system in which the amplitude or period of the first impulse response changes with time. Can be effectively suppressed by superimposing the impulse responses. Therefore, it is possible to effectively suppress vibration generated in a moving body that performs an operation that involves a posture change during the operation, such as a robot arm, a machine tool, and a crane, by feedforward control.

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.

10 ロボットアーム(運動体)、11a〜11c 関節、12a〜12b アーム、13 ハンドツール、14a〜14c 回転軸、20 モデル、21 アーム、22 搬送物、24 駆動装置、P 第1のインパルス入力、P 第2のインパルス入力、Q 第1のインパルス応答、Q 第2のインパルス応答 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Robot arm (moving body), 11a-11c joint, 12a-12b arm, 13 Hand tool, 14a-14c Axis of rotation, 20 model, 21 arm, 22 Carrying object, 24 Drive device, P1 1st impulse input, P 2 second impulse input, Q 1 first impulse response, Q 2 second impulse response

Claims (9)

加速または減速運動が行われる運動体において、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法において、
運動体に付加された第1のインパルス入力によって運動体に生じる第1のインパルス応答に、第1のインパルス応答の変位が0となる時刻において、第2のインパルス入力を運動体に付加して生じる第2のインパルス応答を重ね合わせて、互いに打ち消し合うインプットシェイピング法を適用する場合に、加速または減速運動を行っている間に運動体自体の姿勢が変化することにより生じるコリオリの力がした仕事を考慮して、第1のインパルス入力に対する第2のインパルス入力の大きさを決定する、振動抑制方法。
In a vibration suppression method for suppressing at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body in association with acceleration or deceleration movement in a moving body that performs acceleration or deceleration movement,
The first impulse response generated in the moving body by the first impulse input added to the moving body is generated by adding the second impulse input to the moving body at the time when the displacement of the first impulse response becomes zero. When applying the input shaping method that cancels each other by superimposing the second impulse response, the work with Coriolis force generated by the change of the posture of the moving body itself during acceleration or deceleration movement In consideration of the vibration suppression method, the magnitude of the second impulse input with respect to the first impulse input is determined.
駆動装置による外力が付加されて、加速または減速運動が行われる運動体において、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法であって、
時刻0において、運動体に付加された大きさAの第1のインパルス入力によって運動体に生じる第1のインパルス応答を、第1のインパルス応答の変位が0となる時刻tにおいて、第1のインパルス入力の大きさAとは異なる大きさAの第2のインパルス入力を運動体に付加して生じる第2のインパルス応答により、互いに打ち消し合う場合において、
時刻0にて第1のインパルス入力により運動体に与えられるエネルギをE(0)とし、時刻0にて運動体が有する運動エネルギをJ(0)とし、時刻tにて運動体が有する運動エネルギをJ(t)とし、時刻tにて運動体においてコリオリの力がする仕事をC(t)として、第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの割合αを数1により算出し、
算出された割合αを用いて、第2のインパルス入力の大きさAを決定して、時刻tにおいて第2のインパルス入力が運動体に付加されるように、駆動装置により運動体に付加される外力を制御する、振動抑制方法。
Figure 0005388956
A vibration suppressing method that suppresses at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body that accompanies acceleration or deceleration movement in a moving body that is accelerated or decelerated by an external force applied by a driving device. ,
At time 0, the first impulse response generated in the moving body by the first impulse input of magnitude A 0 added to the moving body is changed to the first impulse response at time t 1 when the displacement of the first impulse response becomes 0. In the case where the second impulse response generated by adding the second impulse input having the magnitude A 1 different from the magnitude A 0 of the impulse input to the moving body cancels each other,
The energy given to the moving body by the first impulse input at time 0 is E (0), the kinetic energy of the moving body at time 0 is J (0), and the movement the moving body has at time t 1 The magnitude of the second impulse input with respect to the magnitude A 0 of the first impulse input, where J (t 1 ) is the energy and C (t 1 ) is the work that the Coriolis force is exerted on the moving body at time t 1 . The ratio α of A 1 is calculated by Equation 1,
Using the calculated ratio alpha, to determine the size A 1 of the second impulse input, such that the second impulse input is added to the movement body at time t 1, added to the movement body by a drive device Vibration control method for controlling the external force applied.
Figure 0005388956
駆動装置による外力が付加されて、加速または減速運動が行われる運動体において、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法であって、
時刻0から時間幅ΔTの間に、連続的に付加された大きさAの第1のインパルス入力によって運動体に生じる第1のインパルス応答を、時刻tから時間幅(β・ΔT)の間に、大きさ(A・γ)の第2のインパルス入力を連続的に付加して生じる第2のインパルス応答により、互いに打ち消し合う場合において、
時刻0にて第1のインパルス入力により運動体に与えられるエネルギをE(0)とし、時刻0にて運動体が有する運動エネルギをJ(0)とし、時刻tにて運動体が有する運動エネルギをJ(t)とし、時刻tにて運動体においてコリオリの力がする仕事をC(t)として、時間幅ΔTの間における第1のインパルス入力の総入力(A・ΔT)に対する時間幅(β・ΔT)における第2のインパルス入力の総入力(A・γ・β・ΔT)の割合αを数2により算出するとともに、時間幅の割合βと、インパルス入力の大きさの割合γとを、数3を満たすように設定し、
設定された時間幅の割合βおよび大きさの割合γを用いて、第2のインパルス入力の付加時間幅および大きさを決定して、第2のインパルス入力が運動体に連続的に付加されるように、駆動装置により運動体に付加される外力を制御する、振動抑制方法。
Figure 0005388956
Figure 0005388956
A vibration suppressing method that suppresses at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body that accompanies acceleration or deceleration movement in a moving body that is accelerated or decelerated by an external force applied by a driving device. ,
The first impulse response generated in the moving body by the first impulse input of the magnitude A 0 continuously added between time 0 and time width ΔT is expressed as time width (β 1 · ΔT) from time t 1. In the case of canceling each other by the second impulse response generated by continuously adding the second impulse input of the magnitude (A 0 · γ 1 ) during
The energy given to the moving body by the first impulse input at time 0 is E (0), the kinetic energy of the moving body at time 0 is J (0), and the movement the moving body has at time t 1 Assume that the energy is J (t 1 ), and the work performed by the Coriolis force in the moving body at time t 1 is C (t 1 ). The total input (A 0 · ΔT) of the first impulse input during the time width ΔT and calculates the time width (β 1 · ΔT) second total input impulse input in (a 0 · γ 1 · β 1 · ΔT) number 2 the ratio α of for), the ratio beta 1 time width, The impulse input magnitude ratio γ 1 is set so as to satisfy Equation (3),
Using the set time width ratio β 1 and magnitude ratio γ 1 , the addition time width and magnitude of the second impulse input are determined, and the second impulse input is continuously added to the moving body. A vibration suppressing method for controlling an external force applied to a moving body by a driving device.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
駆動装置による外力が付加されて、加速または減速運動が行われる運動体において、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法であって、
時刻0において、運動体に付加された大きさAの第1のインパルス入力によって運動体に生じる第1のインパルス応答を、第1のインパルス応答の変位が0となる時刻tにおいて、第1のインパルス入力の大きさAとは異なる大きさAの第2のインパルス入力を運動体に付加して生じる第2のインパルス応答により、互いに打ち消し合う場合において、
時刻0にて第1のインパルス入力により運動体に与えられるエネルギをE(0)とし、時刻0にて運動体が有する運動エネルギをJ(0)とし、時刻tにて運動体が有する運動エネルギをJ(t)とし、時刻tにて運動体においてコリオリの力がする仕事をC(t)とし、時刻tにて減衰による損失エネルギをD(t)として、第1のインパルス入力の大きさAに対する第2のインパルス入力の大きさAの割合αを数4により算出し、
算出された割合αを用いて、第2のインパルス入力の大きさAを決定して、時刻tにおいて第2のインパルス入力が運動体に付加されるように、駆動装置により運動体に付加される外力を制御する、振動抑制方法。
Figure 0005388956
A vibration suppressing method that suppresses at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body that accompanies acceleration or deceleration movement in a moving body that is accelerated or decelerated by an external force applied by a driving device. ,
At time 0, the first impulse response generated in the moving body by the first impulse input of magnitude A 0 added to the moving body is changed to the first impulse response at time t 1 when the displacement of the first impulse response becomes 0. In the case where the second impulse response generated by adding the second impulse input having the magnitude A 1 different from the magnitude A 0 of the impulse input to the moving body cancels each other,
The energy given to the moving body by the first impulse input at time 0 is E (0), the kinetic energy of the moving body at time 0 is J (0), and the movement the moving body has at time t 1 The energy is J (t 1 ), the work performed by Coriolis force in the moving body at time t 1 is C (t 1 ), and the loss energy due to attenuation is D (t 1 ) at time t 1 . The ratio α of the second impulse input magnitude A 1 to the impulse input magnitude A 0 of
Using the calculated ratio alpha, to determine the size A 1 of the second impulse input, such that the second impulse input is added to the movement body at time t 1, added to the movement body by a drive device Vibration control method for controlling the external force applied.
Figure 0005388956
駆動装置による外力が付加されて、加速または減速運動が行われる運動体において、加速または減速運動に伴って運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法であって、
時刻0から時間幅ΔTの間に、連続的に付加された大きさAの第1のインパルス入力によって運動体に生じる第1のインパルス応答を、時刻tから時間幅(β・ΔT)の間に、大きさ(A・γ)の第2のインパルス入力を連続的に付加して生じる第2のインパルス応答により、互いに打ち消し合う場合において、
時刻0にて第1のインパルス入力により運動体に与えられるエネルギをE(0)とし、時刻0にて運動体が有する運動エネルギをJ(0)とし、時刻tにて運動体が有する運動エネルギをJ(t)とし、時刻tにて運動体においてコリオリの力がする仕事をC(t)とし、時刻tにて減衰による損失エネルギをD(t)として、時間幅ΔTの間における第1のインパルス入力の総入力(A・ΔT)に対する時間幅(β・ΔT)における第2のインパルス入力の総入力(A・γ・β・ΔT)の割合αを数5により算出するとともに、時間幅の割合βと、インパルス入力の大きさの割合γとを、数6を満たすように設定し、
設定された時間幅の割合βおよび大きさの割合γを用いて、第2のインパルス入力の付加時間幅および大きさを決定して、第2のインパルス入力が運動体に連続的に付加されるように、駆動装置により運動体に付加される外力を制御する、振動抑制方法。
Figure 0005388956
Figure 0005388956
A vibration suppressing method that suppresses at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in a moving body that accompanies acceleration or deceleration movement in a moving body that is accelerated or decelerated by an external force applied by a driving device. ,
The first impulse response generated in the moving body by the first impulse input of the magnitude A 0 continuously added between time 0 and time width ΔT is expressed as time width (β 1 · ΔT) from time t 1. In the case of canceling each other by the second impulse response generated by continuously adding the second impulse input of the magnitude (A 0 · γ 1 ) during
The energy given to the moving body by the first impulse input at time 0 is E (0), the kinetic energy of the moving body at time 0 is J (0), and the movement the moving body has at time t 1 energy and J (t 1), the task of Coriolis force in the moving body at time t 1 and C (t 1), the energy loss due to attenuation at time t 1 as D (t 1), the time width ratio of the total input of the first impulse input between ΔT (a 0 · ΔT) total input of the second impulse input in the time width (β 1 · ΔT) for (a 0 · γ 1 · β 1 · ΔT) α is calculated by Equation 5, and the time width ratio β 1 and the impulse input magnitude ratio γ 1 are set to satisfy Equation 6,
Using the set time width ratio β 1 and magnitude ratio γ 1 , the addition time width and magnitude of the second impulse input are determined, and the second impulse input is continuously added to the moving body. A vibration suppressing method for controlling an external force applied to a moving body by a driving device.
Figure 0005388956
Figure 0005388956
第1および第2のインパルス入力の大きさに基づいて運動体の加速または減速運動による移動距離を算出し、当該算出された移動距離に対する運動体の加速または減速運動による目標移動距離の比を算出し、当該比を相似比として第1および第2のインパルス入力値に乗じて第1および第2のインパルス入力の大きさを調整して決定する、請求項2から5のいずれか1つに記載の振動抑制方法。   Based on the magnitudes of the first and second impulse inputs, the movement distance by the acceleration or deceleration movement of the moving body is calculated, and the ratio of the target movement distance by the acceleration or deceleration movement of the movement body to the calculated movement distance is calculated. The ratio is determined by adjusting the magnitude of the first and second impulse inputs by multiplying the first and second impulse input values by using the ratio as a similarity ratio. Vibration suppression method. 加速および減速運動に加えて、運動体が定速運動する場合においても、第2のインパルス入力を付加して、運動体に生じる、少なくとも1自由度かつ時変の振動を抑制する、請求項1から6のいずれか1つに記載の振動抑制方法。   2. In addition to acceleration and deceleration movements, even when the moving body moves at a constant speed, a second impulse input is added to suppress at least one degree of freedom and time-varying vibration generated in the moving body. The vibration suppressing method according to any one of items 1 to 6. 運動体に生じる時変の振動系が、複数の自由度を有する場合には、最も低い周波数の自由度の振動系に対して、第2のインパルス入力を運動体に付加して振動を抑制する、請求項1から7のいずれか1つに記載の振動抑制方法。   When the time-varying vibration system generated in the moving body has a plurality of degrees of freedom, the second impulse input is added to the moving body to suppress the vibration with respect to the vibration system having the lowest frequency of freedom. The vibration suppressing method according to any one of claims 1 to 7. 予め設定された加速または減速運動における運動体の運転条件および運転パターンの情報に基づいて、運転中に運動体に付加される第1のインパルス入力および第1のインパルス応答を算出するとともに、算出された第1のインパルス応答を打ち消すような第2のインパルス入力を算出し、
算出された第1のインパルス入力および第2のインパルス入力を発生させる駆動装置の加速度パターンの情報を作成し、
作成された加速度パターンの情報に基づいて、駆動装置により運動体の加速または減速運動を行う際に、駆動装置より運動体に付加される外力を制御する、請求項1から8のいずれか1つに記載の振動抑制方法。
The first impulse input and the first impulse response added to the moving body during driving are calculated and calculated based on the driving condition and driving pattern information of the moving body in the preset acceleration or deceleration movement. Calculating a second impulse input that cancels the first impulse response,
Creating information on the acceleration pattern of the driving device that generates the calculated first impulse input and second impulse input;
9. The external force applied to the moving body by the driving device when the driving device accelerates or decelerates the moving body based on the generated acceleration pattern information. The vibration suppression method according to 1.
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