JP5932578B2 - Vibration suppression method, vibration suppression device, and industrial machine device having vibration suppression function - 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および装置、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、多自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制方法および装置に関する。   The present invention relates to a vibration suppression method and apparatus for suppressing vibration generated in a moving body in association with acceleration or deceleration movement, and in particular, a multi-degree of freedom generated in the moving body when the posture of the moving body itself changes during the movement. The present invention also relates to a vibration suppression method and apparatus for suppressing time-varying vibration.

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、クレーン、油圧ショベル等についても共通する。   The problem associated with such residual vibration is not limited to the robot arm, but is common to moving bodies that perform movement including acceleration or deceleration, such as machine tools, cranes, and hydraulic excavators.

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、特許文献1、特許文献2、非特許文献1、非特許文献2)。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。また、制御指令から固有振動を引きおこす周波数生分を取り除くため、ノッチフィルタを用いる方法や、適応的にカルマンフィルタを用いる方法が知られている(特許文献3)。   As a vibration suppression method in feedforward control, an input shaping method is known (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2). 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. In addition, a method using a notch filter and an adaptive method using a Kalman filter are known in order to remove a frequency component that causes natural vibration from a control command (Patent Document 3).

特開2009−029617号公報JP 2009-029617 A 特開2011−148078号公報JP 2011-148078 A 特開2009−042179号公報JP 2009-042179 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、特許文献2および非特許文献2参照)。しかしながら、例えば特許文献2は、1自由度かつ時変の振動抑制に関するものであり、多自由度かつ時変の振動抑制に対してインプットシェイピング法を普遍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 (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 2). However, for example, Patent Document 2 relates to vibration suppression with one degree of freedom and time-varying, and there is a need for a vibration suppression method that can universally apply the input shaping method to vibration suppression with multiple degrees of freedom and time. Yes.

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、多自由度かつ時変の振動を、インプットシェイピング法を普遍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 problems, and to apply the input shaping method universally to multi-degree-of-freedom and time-varying vibrations that occur in a moving body with acceleration or deceleration movement. The object is to provide a vibration suppressing method.

上記目的を達成するために、本願発明に係る振動抑制方法は、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、n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、参照入力値を振動モードごとの入力値に分解するステップと、前記振動モードごとの入力値について、(n−k)次モードの振動を抑制するため、入力位置が設定されたインパルスA・・・A k −1からロボットアームをモデル化した運動方程式により計算した(n−k)次モードの変位が再度ゼロになる時刻までを(n−k)次モードの固有周期の半周期として、最初のインパルスから半周期経過後に入力するように、インパルスA k・・・A k+1 −1の入力位置をそれぞれ設定し、加速または減速運度を行っている間に前記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、前記インパルスA k・・・A k+1 −1の大きさをそれぞれ設定することを、整数k=0から(n−1)まで順に実行することによって、入力位置と大きさがそれぞれ設定された合計2本のインパルスA・・・A n −1を重ね合わせるインプットシェイピングにより入力値を整形するステップと、整形された前記振動モードごとの入力値から、非線形項を考慮して、関節ごとの加減速パターンを生成するステップと、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the vibration suppressing method according to the present invention is a moving body that is accelerated or decelerated by an external force applied by a driving device, and is generated in the moving body with acceleration or deceleration. In the vibration suppression method for suppressing vibrations with time-varying degrees of freedom, a step of decomposing a reference input value into input values for each vibration mode, and (n−k) next-mode vibrations for the input values for each vibration mode. In order to suppress, from the impulse A 0 ... A 2 k −1 in which the input position is set to the time when the displacement of the (n−k) -order mode calculated by the equation of motion modeling the robot arm becomes zero again. as (n-k) half cycle of the natural period of the following modes, as input from first impulse after half cycle, the input position of the impulse a 2 k ··· a 2 k + 1 -1 , respectively Constant and, taking into account the work Coriolis force caused by the change in the posture of the moving body itself while performing acceleration or deceleration luck degree, the impulse A 2 k ··· A 2 k + 1 - 1 is set in order from the integer k = 0 to (n−1) in order, so that a total of 2 n impulses A 0. A step of shaping an input value by input shaping that superimposes 2 n −1 , and a step of generating an acceleration / deceleration pattern for each joint in consideration of a nonlinear term from the shaped input value for each of the vibration modes. It is characterized by having.

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、n自由度(n≧2)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、(n−k)次モードの振動を抑制するため、入力位置が設定されたインパルスA・・・A k −1からロボットアームをモデル化した運動方程式により計算した(n−k)次モードの変位が再度ゼロになる時刻までを(n−k)次モードの固有周期の半周期として、最初のインパルスから半周期経過後に入力するように、インパルスA k・・・A k+1 −1の入力位置をそれぞれ設定し、加速または減速運度を行っている間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、前記インパルスA k・・・A k+1 −1の大きさをそれぞれ設定することを、整数k=0から(n−1)まで順に実行することによって、入力位置と大きさがそれぞれ設定された合計2本のインパルスA・・・A n −1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 an n-degree-of-freedom (n ≧ 2) and time-varying vibration generated in a moving body with acceleration or deceleration motion using the input shaping method, (n−k) order mode In order to suppress the vibration, the (n−k) -order mode displacement calculated by the equation of motion modeling the robot arm from the impulse A 0 ... A 2 k −1 in which the input position is set becomes zero again. time until a half period of the natural period of the (n-k) order mode, to enter the first impulse after half cycle, the input position of the impulse a 2 k ··· a 2 k + 1 -1 , respectively The impulse A 2 k ... A 2 k + 1 −1 is set in consideration of the work performed by the Coriolis force generated in accordance with the posture change of the moving body itself while performing acceleration or deceleration maneuver. Set the size of each By executing sequentially from integer k = 0 to (n-1), by superimposing an impulse A 0 ··· A 2 n -1 of the total 2 n the input position and size are set, respectively, effect Vibration can be suppressed.


本発明の実施の形態1に係る振動抑制方法が適用されるロボットアームの模式図である。It is a schematic diagram of the robot arm to which the vibration suppression method according to Embodiment 1 of the present invention is applied. 図1のロボットアームの動的モデルを示す図である。It is a figure which shows the dynamic model of the robot arm of FIG. インプットシェイピング法が適用される1自由度系の動的モデルを示す図である。It is a figure which shows the dynamic model of the 1 degree-of-freedom system to which the input shaping method is applied. 1自由度時不変系における2本のインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of two impulse responses in a time-invariant system of 1 degree of freedom, and time. 2本のインパルス入力を示す図である。It is a figure which shows two impulse inputs. 2本のインパルス入力の周波数応答を示す図である。It is a figure which shows the frequency response of two impulse inputs. 3本のインパルス入力を示す図である。It is a figure which shows three impulse inputs. 3本のインパルス入力の周波数応答を示す図である。It is a figure which shows the frequency response of three impulse inputs. 4本のインパルス入力を示す図である。It is a figure which shows four impulse inputs. 4本のインパルス入力の周波数応答を示す図である。It is a figure which shows the frequency response of four impulse inputs. 2自由度時変系における物理座標系での2本のインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of two impulse responses in the physical coordinate system in a 2 degrees of freedom time-varying system, and time. モード座標系での2本のインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of two impulse responses in a mode coordinate system, and time. モード座標系での1次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of the impulse response of a primary mode in a mode coordinate system, and time. モード座標系での2次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the displacement of the impulse response of a secondary mode in a mode coordinate system, and time. モード座標系での2次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the displacement of the impulse response of a secondary mode in a mode coordinate system, and time. モード座標系での1次モードのインパルス応答の速度と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the speed of the impulse response of the primary mode in a mode coordinate system, and time. モード座標系での1次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of the impulse response of a primary mode in a mode coordinate system, and time. モード座標系での2次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the displacement of the impulse response of a secondary mode in a mode coordinate system, and time. 物理座標系での1次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of the impulse response of a primary mode in a physical coordinate system, and time. 物理座標系での2次モードのインパルス応答の変位と時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement of the impulse response of a secondary mode in a physical coordinate system, and time. ロボットコントローラの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a robot controller. 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である。It is a flowchart of the procedure which applies the vibration suppression method and operates a moving body with a drive device. アームの動作の全継続時間における本発明による整形前の加速度パターンを示す図である。It is a figure which shows the acceleration pattern before shaping by this invention in the total continuation time of operation | movement of an arm. アームの動作の全継続時間における本発明による整形後の加速度パターンを示す図である。It is a figure which shows the acceleration pattern after the shaping | molding by this invention in the total duration of the operation | movement of an arm. 1、2、3およびn自由度系におけるインパルス入力の本数と間隔を示す図である。It is a figure which shows the number and interval of an impulse input in a 1, 2, 3 and n degree-of-freedom system.

実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係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 FIG.
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).

これら駆動装置は、ロボットコントローラ20によって制御される。ロボットコントローラ20は、予め記憶しているロボットプログラム、または、インターフェイス30を介して入力された作業者からの命令に従って、ロボットアーム10の動作を制御する。なお、ロボットコントローラ20の構成については、後に詳細に説明する。   These driving devices are controlled by the robot controller 20. The robot controller 20 controls the operation of the robot arm 10 according to a robot program stored in advance or an instruction from an operator input via the interface 30. The configuration of the robot controller 20 will be described in detail later.

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。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。 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). 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 ").

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。なお、特許文献2では、旋回方向の1自由度系の振動について取り扱ったが、本実施の形態1では、面内方向の2自由度系の振動について取り扱うものとする。   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 Patent Document 2, the vibration of the one-degree-of-freedom system in the turning direction is dealt with. However, in Embodiment 1, the vibration of the two-degree-of-freedom system in the in-plane direction is handled.

このような2自由度系の振動を抑制する、本実施の形態1の振動抑制方法を説明するにあたって、図1のロボットアームを図2のように面内方向にモデル化した際の運動方程式について、まず説明する。   In describing the vibration suppressing method of the first embodiment for suppressing such vibrations of the two-degree-of-freedom system, the equation of motion when the robot arm of FIG. 1 is modeled in the in-plane direction as shown in FIG. First, I will explain.

パラメータとしてアームの慣性モーメントをJ(t)、J(t)、減速機の回転ばね定数をk、k2、モータの指令回転角度をφ01、φ02、アームの実回転角度をφ、φとする。ただし、(t)は時間の関数を示す。また、今回は減速機等で発生する粘性減衰を無視する。角運動量の変化は外力のモーメントに等しいので、次式(1)、(2)のように表すことができる。 As parameters, the inertia moment of the arm is J 1 (t), J 2 (t), the rotation spring constant of the reduction gear is k 1 , k 2, the command rotation angle of the motor is φ 01 , φ 02 , and the actual rotation angle of the arm is Let φ 1 and φ 2 . Here, (t) represents a function of time. In addition, this time neglects the viscous damping generated by the reducer. Since the change in angular momentum is equal to the moment of external force, it can be expressed as in the following equations (1) and (2).

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
式(1)、(2)を展開すると次の運動方程式(3)、(4)が導かれる。なお、ここで・は時間による微分を示す。
Figure 0005932578
When the equations (1) and (2) are expanded, the following equations of motion (3) and (4) are derived. Here, · indicates differentiation with respect to time.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
ここで、式(1)、(2)の相対角変位を式(5)(6)とおいて式(3)、(4)に代入して整理すると、次式(7)、(8)のように表すことができる。
Figure 0005932578
Here, when the relative angular displacements of the equations (1) and (2) are substituted into the equations (3) and (4) with the equations (5) and (6), the following equations (7) and (8) are obtained. Can be expressed as:

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
Figure 0005932578

式(7)、(8)の左辺第1項はコリオリの力である。また、右辺は外力であるため、モータによる強制変位の振動系となる。一般にモータは台形速度則に沿って運転される。台形則を前提にすると外力は既知関数になり、相対角変位はインパルス応答と外力の畳み込み積分で求まる。   The first term on the left side of equations (7) and (8) is the Coriolis force. Moreover, since the right side is an external force, it becomes a vibration system of forced displacement by a motor. In general, the motor is operated according to a trapezoidal speed law. If the trapezoidal rule is assumed, the external force becomes a known function, and the relative angular displacement is obtained by the convolution integral of the impulse response and the external force.

ここで、工作機械など、運動方程式の係数が変化しない時不変系で一般的に用いられており、系の固有振動数から振動を打ち消しあう入力を定める方法にインプットシェイピング法がある。   Here, it is generally used in a time-invariant system such as a machine tool in which the coefficient of motion equation does not change, and an input shaping method is a method for determining an input for canceling vibrations from the natural frequency of the system.

例えば、図3のような外力f、変位x、質量m、ばねkのみの1自由度時不変系の場合、運動方程式は次式となる。   For example, in the case of a one-degree-of-freedom invariant system with only external force f, displacement x, mass m, and spring k as shown in FIG. 3, the equation of motion is as follows.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

外力として時刻tに、大きさAのインパルスを入力し、系の半周期後の時刻tに同じ大きさAのインパルスを入力した際の応答を図4に示す。2つの応答を足し合わせた応答は時刻t以降ではゼロとなる。すなわち、系の固有周期のちょうど半周期の位置に1対のインパルスを発生させると、半周期以降の振動がゼロとなる。 FIG. 4 shows a response when an impulse having a magnitude A is input as an external force at time t 0 and an impulse having the same magnitude A is input at time t 1 after a half cycle of the system. Response to the sum of the two response is zero at time t 1 and later. That is, when a pair of impulses is generated at the position of exactly half the natural period of the system, the vibration after the half period becomes zero.

また、kΔT間隔の2本のインパルス入力の周波数応答を図5、6に示す。ここで、n、kは自然数、ΔTはサンプリング周期とする。図6の周波数領域でみると、谷に位置する周波数は2本のインパルス間隔の0.5周期、1.5周期となるノッチフィルタとなるため、同じ大きさの2つのインパルス入力は特定周波数の振動を励起しないと言える。なお、図5、6のグラフは、次式(10)、(11)に基づくものである。   5 and 6 show the frequency response of two impulse inputs at kΔT intervals. Here, n and k are natural numbers, and ΔT is a sampling period. In the frequency domain of FIG. 6, the frequency located in the valley is a notch filter having two periods of 0.5 and 1.5 periods, so two impulse inputs of the same magnitude have a specific frequency. It can be said that vibration is not excited. 5 and 6 are based on the following equations (10) and (11).

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
Figure 0005932578

次に、2自由度時不変系では固有振動数が2つ存在する。そのため、インパルスをもう1本入力して3本のインパルスを入力した場合に、ノッチフィルタのノッチ周波数を検討した。   Next, there are two natural frequencies in a two-degree-of-freedom time-invariant system. Therefore, the notch frequency of the notch filter was examined when another impulse was input and three impulses were input.

式(13)に3本のインパルスのフーリエ級数展開を、図7、8にその計算例(インパルス入力の大きさα=β=1、位置k=2、l=9を示す。ここで、n、k、lは自然数(l>k)、ΔTはサンプリング周期とする。3本のインパルスではノッチ周波数を任意の位置に設計することは困難だった。   Equation (13) shows the Fourier series expansion of three impulses, and FIGS. 7 and 8 show calculation examples (impulsive input magnitude α = β = 1, position k = 2, l = 9. Here, n , K, l are natural numbers (l> k), ΔT is a sampling period, and it is difficult to design the notch frequency at an arbitrary position with three impulses.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
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1自由度系ではインパルス2本で半周期以降の振動が抑制されていることから、2次の固有振動数を先に抑制することを考え、2本のインパルス間隔を2次の固有周期の半分に設定する。次に、1次の固有振動数を抑制するため、この2本を1セットとし1次の固有周期の半分の間隔で系にもう1セット加える。入力するインパルスは計4本となる。この4本のインパルスのフーリエ変換を図9、10に示す。ここで、n、k、l、mは自然数(m>l、k=m−l)、ΔTはサンプリング周期とする。   In a one-degree-of-freedom system, vibrations after a half cycle are suppressed by two impulses. Therefore, considering the suppression of the secondary natural frequency first, the interval between the two impulses is reduced to half of the secondary natural period. Set to. Next, in order to suppress the primary natural frequency, the two are set as one set, and another set is added to the system at an interval of half the primary natural period. A total of four impulses are input. FIGS. 9 and 10 show the Fourier transform of these four impulses. Here, n, k, l, and m are natural numbers (m> l, k = ml), and ΔT is a sampling period.

図10において、谷に位置する周波数は1本目と2本目のインパルス間隔の半周期ω=π/(kΔT)、1本目と3本目のインパルス間隔の半周期ω=π/(lΔT)である。これより、1次、2次に対応したノッチフィルタを設計できたことになる。そのため、2自由度時変系では系に合計4本インパルスを加えることで振動を抑制する。なお、図9、10のグラフは、次式(14)から(16)に基づくものである。   In FIG. 10, the frequency located in the valley is the half cycle ω = π / (kΔT) of the first and second impulse intervals, and the half cycle ω = π / (lΔT) of the first and third impulse intervals. Thus, the notch filter corresponding to the first order and the second order can be designed. Therefore, in a two-degree-of-freedom time-varying system, vibration is suppressed by adding a total of four impulses to the system. 9 and 10 are based on the following equations (14) to (16).

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以上、2自由度時不変系のインパルス応答について説明した。次に、当初のロボットアームのモデルに戻って、2自由度時変系のインパルス応答について説明する。   The impulse response of the time-invariant system with two degrees of freedom has been described above. Next, returning to the original model of the robot arm, the impulse response of the two-degree-of-freedom time-varying system will be described.

時変系では慣性モーメントが時間変化する。式(7)、(8)の右辺をそれぞれf、fとし、式(7)の右辺fの時刻tに大きさAのインパルスを入力する。デルタ関数δ(t)を用いると、f=Aδ(t−t)となる。これは、モータ1のみ動かすことに相当する。これにより、次式(17)、(18)が導かれる。 In a time-varying system, the moment of inertia changes with time. The right sides of Equations (7) and (8) are respectively f 1 and f 2, and an impulse of magnitude A 0 is input at time t 0 on the right side f 1 of Equation (7). When the delta function δ (t) is used, f 1 = A 0 δ (t−t 0 ). This corresponds to moving only the motor 1. As a result, the following expressions (17) and (18) are derived.

Figure 0005932578
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図11に示すように、時変系では慣性モーメントが時間変化するため固有振動数が時間変化し、また、式(17)、(18)には連成項が存在するため振動を抑制するインパルス入力の位置が定まらない。そこで、モード座標系に変換し、時変系に対応したインパルスの入力方法を検討する。   As shown in FIG. 11, in the time-varying system, the natural frequency changes with time because the moment of inertia changes with time, and the impulse that suppresses vibration because there is a coupled term in equations (17) and (18). The input position cannot be determined. Therefore, an impulse input method corresponding to a time-varying system is studied by converting to a mode coordinate system.

慣性モーメントが時間変化するため、固有ベクトルが時間変化することになる。1次、2次の固有振動数に対する式(19)を固有ベクトルR(t)、R(t)、モード座標系での変位を[q(t)]、(r=1、2)とすると、式(20)が導かれる。 Since the moment of inertia changes with time, the eigenvector changes with time. Equation (19) for the first and second natural frequencies is represented by eigenvectors R 1 (t) and R 2 (t), and the displacement in the mode coordinate system is [q r (t)], (r = 1, 2). Then, Expression (20) is derived.

Figure 0005932578
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Figure 0005932578
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式(17)、(18)の両辺に式(20)を代入し、直交性を利用することでモード座標系でのパラメータが求まる。時刻tに大きさAのインパルスを入力した式(17)、(18)のモード座標系での運動方程式は、次式(21)、(22)のようになる。 By substituting equation (20) for both sides of equations (17) and (18) and using orthogonality, parameters in the mode coordinate system can be obtained. Equations of motion in the mode coordinate system of equations (17) and (18) in which an impulse of magnitude A 0 is input at time t 0 are as shown in the following equations (21) and (22).

Figure 0005932578
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ただし、´(ダッシュ)はモード座標系でのパラメータであることを示し、モード質量を式(23)、モード剛性を式(24)とする。固有ベクトルが時間変化するため、モード座標系ではモード剛性も時間変化する。   However, '(dash) indicates a parameter in the mode coordinate system, and the mode mass is represented by Equation (23) and the mode rigidity is represented by Equation (24). Since the eigenvector changes with time, the mode stiffness also changes with time in the mode coordinate system.

Figure 0005932578
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Figure 0005932578
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モード座標系でのインパルス応答は、図12のようになる。固有振動数が変化し、コリオリの力が仕事をするため振幅も変化するが、モード座標系で重ね合わせの原理を用い、振動を抑制するインパルス入力の位置・大きさを以下に検討する。   The impulse response in the mode coordinate system is as shown in FIG. The natural frequency changes, and the amplitude also changes due to the work of Coriolis force. The position and size of the impulse input that suppresses vibration are examined below using the superposition principle in the mode coordinate system.

振幅、固有振動数の変化に対応した4本のインパルス入力を求める。4本のインパルスは2本を1セットとしており、1セットの時間間隔は2次モードが打ち消される間隔であるため入力位置が先に求まる。そのため、入力の位置を決めた後入力の大きさを求める。入力の大きさをA、位置をt(i=1、2・・・)とする。 Four impulse inputs corresponding to changes in amplitude and natural frequency are obtained. The four impulses are one set, and the time interval of one set is the interval at which the secondary mode is canceled, so the input position is determined first. Therefore, after determining the position of the input, the size of the input is obtained. Assume that the input size is A i and the position is t i (i = 1, 2,...).

図13、14は4本のインパルス応答であり、変位がゼロになる時刻を半周期とする。図14の2次モードの応答より、2本目の入力位置は1本目の半周期後、同様に4本目の入力位置は3本目の半周期後である。3本目の位置は図13の1次モードの応答より1本目と2本目の合成波q(t+t)を3本目と4本目の合成波q(t+t)で打ち消すことができる位置となる。 13 and 14 show four impulse responses, and the time when the displacement becomes zero is a half cycle. From the response of the secondary mode in FIG. 14, the second input position is after the first half cycle, and similarly the fourth input position is after the third half cycle. The third position is obtained by canceling the first and second combined waves q 1 (t 0 + t 1 ) with the third and fourth combined waves q 1 (t 2 + t 3 ) from the response of the primary mode in FIG. It will be a position where you can.

次に入力の大きさを求める。4本のインパルスは2本を1セットとし2次モードを抑制するため、2本目Aと4本目Aの大きさは2次モードから求め、最初の1セットと最後の1セットで1次モードを抑制するため3本目Aの大きさは1次モードから求める。振幅の変化を考慮するため式(22)の両辺にdq(t)/dtを掛け時間で積分することでエネルギの関係式(25)が得られる。つまり、半周期の間にコリオリの力がする仕事と固有ベクトルが時間変化する分を考慮した大きさを加えればよい。まず、大きさAについて述べる。 Next, the size of the input is obtained. In order to suppress the secondary mode with two impulses as one set, the magnitude of the second A 1 and the fourth A 3 is obtained from the secondary mode, and the first one and the last one are the primary. In order to suppress the mode, the size of the third A 2 is obtained from the primary mode. The energy relational expression (25) is obtained by multiplying both sides of the expression (22) by dq 2 (t) / dt and integrating with time in order to consider the change in amplitude. In other words, it is only necessary to add a size that takes into account the work that the Coriolis force is exerted during the half cycle and the eigenvector that changes over time. First, we describe the magnitude A 1.

Figure 0005932578
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式(25)右辺の第3項Adq/dtは、系に加えられたエネルギで時間変化はないが、インパルスを加える時刻によって異なるため式(26)とする。右辺の第1項はコリオリの力、第2項は固有ベクトルの変化による仕事であり時間により変化するため、式(27)とおいて整理すると、式(28)が導かれる。 The third term A 0 dq 2 / dt on the right side of Expression (25) does not change with time due to the energy applied to the system, but is different according to the time at which the impulse is applied, and therefore is Expression (26). The first term on the right-hand side is Coriolis force, and the second term is work due to the change of the eigenvector, which changes with time. Therefore, formulating (27) leads to formula (28).

Figure 0005932578
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式(28)より運動エネルギとポテンシャルエネルギに相当する項が時間変化することが分かる。式(28)において、変位がゼロとなる時刻では左辺第2項は0となり、時刻tと時刻tでは以下の式(29)から(31)が求まる。 It can be seen from equation (28) that terms corresponding to kinetic energy and potential energy change over time. In the formula (28), displacement left the second term becomes 0 at time t 0 and time t 1 from the following equation (29) (31) obtained at time becomes zero.

Figure 0005932578
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インパルス入力は系の変位を変えず初期速度を与えることと等しい。そのため、時刻tにおいて式(32)となればよい。そこで、A=αとおき式(29)〜(31)から2次モードを打ち消す入力の割合αが式(33)から求まる。 Impulse input is equivalent to giving initial velocity without changing system displacement. Therefore, it becomes Equation (32) at time t 1. Therefore, A 1 = α 1 A 0 and the ratio α 1 of the input that cancels the secondary mode is determined from the equations (29) to (31) from the equation (33).

Figure 0005932578
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図15より、コリオリの力、固有ベクトルの変化による仕事を考慮した大きさのインパルスを入力することで時刻t以降の振動が抑制されていることが分かる。 From FIG. 15, it is understood that the vibration after time t 1 is suppressed by inputting an impulse having a magnitude in consideration of work due to a change in Coriolis force and eigenvector.

同様に、大きさAの値を求める。大きさAの値は未知であるが、入力の割合は入力する時刻に依存し、大きさAの値には依存しない。入力する時刻が既知であるため、式(28)において、時刻tと時刻tで式(29)〜(31)の関係が成り立つのでA=αとなる入力の割合αが次式(34)のように求まる。つまり、大きさAが求まれば、大きさAは決まる。 Similarly, determine the magnitude value A 3. The value of the magnitude A 2 is unknown, but the input ratio depends on the input time and does not depend on the magnitude A 2 value. For a time to input is known, wherein in (28), time t 2 and time t 3 in the formula (29) to (31) of the relationship is established A 3 = ratio of alpha 2 A 2 become input alpha 2 Is obtained as in the following equation (34). That is, if the size A 2 is obtained, the size A 3 is determined.

Figure 0005932578
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次に、大きさAを求める。式(21)にdq(t)/dtを掛け時間で積分すると1次モードのエネルギの次式が得られる。 Next, determine the magnitude A 2. When dq 1 (t) / dt is multiplied by equation (21) and integrated over time, the following equation for the energy of the first-order mode is obtained.

Figure 0005932578
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dq/dtは系に加えられたエネルギで時間変化はないが、インパルスを加える時刻によって異なるため式(36)とする。右辺の第1項はコリオリの力、第2項は固有ベクトルの変化による仕事であり時間により変化するため、式(37)とおいて、式(35)を整理すると、式(38)が導かれる。 A 0 dq 1 / dt is energy applied to the system and does not change with time. However, since it varies depending on the time at which the impulse is applied, Equation (36) is used. The first term on the right side is the Coriolis force, and the second term is the work due to the change in the eigenvector, which varies with time. Therefore, when formula (35) is rearranged in formula (37), formula (38) is derived.

Figure 0005932578
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式(38)より運動エネルギとポテンシャルエネルギに相当する項が時間変化することが分かる。また、図16はインパルスを4本加えた際の1次モードの速度に対するインパルス応答である。A=αより大きさAは、時刻tでの系の速度と入力する初期速度が等しくなるようにすればよい。振幅の変化を考慮し、時刻tでのエネルギ保存の関係から次式が成り立ち、これにより大きさAが求まる。 It can be seen from equation (38) that terms corresponding to kinetic energy and potential energy change over time. FIG. 16 shows an impulse response with respect to the speed of the primary mode when four impulses are added. A 3 = α 2 A 2 than the size A 2, the initial velocity may be to be equal to enter the system speed of at time t 3. Considering the change in amplitude, the following equation holds from the relationship of energy conservation at time t 3 , whereby the magnitude A 2 is obtained.

Figure 0005932578
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インパルスは初期速度を系に与えることであり、重ね合わせの原理より、各項のエネルギの値は以下の式(40)から(46)のようになる。ただし、dq1t0(t)/dtのdq1t0/dtは時刻tにインパルスを与えた際のインパルス応答、(t)は時刻tの速度とする。 Impulse is to give the initial velocity to the system. From the superposition principle, the energy value of each term is expressed by the following equations (40) to (46). However, dq 1t0 (t 0) / dt of the dq 1t0 / dt is the impulse response when given an impulse at time t 0, (t 0) is the velocity at time t 0.

Figure 0005932578
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以上より、振動を抑制するインパルス入力4本すべての大きさが理論的に求まる。モード座標系で4本入力した際のインパル応答を図17、18に示す。図17、18において、各時刻に入力した際のインパルス応答を破線、一点鎖線および二点鎖線で示す。   From the above, the magnitudes of all four impulse inputs that suppress vibration are theoretically obtained. FIGS. 17 and 18 show impal responses when four lines are input in the mode coordinate system. 17 and 18, the impulse response when input at each time is indicated by a broken line, a one-dot chain line, and a two-dot chain line.

図17の1次モードの応答波形において、時刻tと時刻tの応答を足し合わせた応答q(t+t)を細い実線、時刻tと時刻tの応答を足し合わせた応答q(t+t)を実線、時刻tから時刻tの応答を全て足し合わせた応答q(t+t+t+t)を太い実線で示す。最初の1セットと最後の1セットで1次モードが抑制されている。 In the response waveform of the primary mode in FIG. 17, the response q 1 (t 0 + t 1 ) obtained by adding the responses at time t 0 and time t 1 is added with the thin solid line, and the responses at time t 2 and time t 3 are added. The response q 1 (t 2 + t 3 ) is indicated by a solid line, and the response q 1 (t 0 + t 1 + t 2 + t 3 ) obtained by adding all the responses from time t 0 to time t 3 is indicated by a thick solid line. The primary mode is suppressed in the first set and the last set.

また、図18の2次モードの応答波形において、1セットの1本目と2本目で2次モードが抑制されている。そのため、時刻t以降の振動が抑制されていることがわかる。 Further, in the response waveform of the secondary mode in FIG. 18, the secondary mode is suppressed in the first and second lines of one set. Therefore, the vibration at time t 3 or later be seen to have been suppressed.

また、モード座標系に入力した4本のインパルス入力の位置・大きさを変えずに物理座標系に4本のインパルスを入力した際のインパルス応答を図19、20に示す。図19、20において、各時刻に入力した際のインパルス応答を破線、一点鎖線および二点鎖線で示す。   19 and 20 show impulse responses when four impulses are input to the physical coordinate system without changing the position / size of the four impulse inputs input to the mode coordinate system. 19 and 20, the impulse response when input at each time is shown by a broken line, a one-dot chain line, and a two-dot chain line.

図19、20において、時刻tと時刻tの応答を足し合わせた応答を細い実線、時刻tと時刻tの応答を足し合わせた応答を実線、時刻tから時刻tの応答を全て足し合わせた応答を太い実線で示す。時刻tから時刻tの応答を全て足し合わせた応答からわかるように、時刻t以降の振動が抑制されていることから、2自由度時変系の自由振動は本手法で振動抑制が可能であると言える。 In Figure 19 and 20, the response time t 0 and time t thin solid line response obtained by adding the response of 1, the time t 2 and time t solid line response sum of responses of 3, time t 3 from time t 0 The response obtained by adding all of these is indicated by a thick solid line. As can be seen from the response obtained by adding all the responses from time t 0 to time t 3 , the vibration after time t 3 is suppressed. It can be said that it is possible.

また、時刻t以降の振動が抑制されているが、これは、時変系でも基本的に2次モードの振動は1次モードの振動に比べて固有周期が短いため、1次モードの半周期分にわずかな時間を追加するだけで、2次モードの振動まで抑制できることを示している。 Further, the vibration time t 3 or later is suppressed, this is because when the short natural period as compared to essentially vibration of the vibrating primary mode of second mode in varying system, the first-order mode half It shows that it is possible to suppress the vibration in the secondary mode only by adding a slight time to the period.

以上により、ロボットアームを2自由度系でモデル化し、ロボットアームの姿勢が変化するため、固有振動数が変化する時変系の振動抑制方法を提案した。1自由度系では2本のインパルスを入力することで振動を抑制されているが、2自由度系では2本のインパルスを1セットと考え、この1セットでは2次モードを励起しない間隔にインパルスを配置した。最初の1セットは2次モードを励起しないが1次モードを励起する。そこで、最初の1セットが励起した1次モードを打ち消すように2番目の1セットを配置した。結局、4本のインパルスを配置しコリオリの力とモードの変化を考慮してエネルギのつりあいを考えて、各インパルスの振幅を決定した。これより、理論的には2自由度時変系の自由振動を抑制可能となった。   Based on the above, we proposed a time-varying vibration suppression method in which the natural frequency changes because the robot arm is modeled in a two-degree-of-freedom system and the posture of the robot arm changes. In a one-degree-of-freedom system, vibration is suppressed by inputting two impulses. In a two-degree-of-freedom system, two impulses are considered as one set, and in this one set, impulses are generated at intervals where the secondary mode is not excited. Arranged. The first set does not excite the secondary mode but excites the primary mode. Therefore, the second set is arranged so as to cancel the primary mode excited by the first set. Eventually, four impulses were arranged, and the amplitude of each impulse was determined by considering the balance of energy in consideration of Coriolis force and mode change. This makes it possible to suppress the free vibration of the time-varying system with two degrees of freedom theoretically.

次に、上述の振動抑制方法を用いて駆動装置を制御するためのロボットコントローラ20の構成について、図21を参照らしながら説明する。   Next, the configuration of the robot controller 20 for controlling the drive device using the above-described vibration suppression method will be described with reference to FIG.

ロボットコントローラ20は、ロボットプログラムの実行やロボットの指令値の計算を行う演算部(CPU)201、ロボットプログラムや演算結果を記憶しておく記憶装置(ROM、RAMおよびハードディスク等)202、インターフェイス30等の外部の機器と通信する入力出装置203、および、演算部201で計算した指令値を元に駆動装置を駆動制御するサーボ制御部204を備えるハードウェア構成とすることができる。   The robot controller 20 includes a calculation unit (CPU) 201 that executes a robot program and calculates a robot command value, a storage device (ROM, RAM, hard disk, and the like) 202 that stores a robot program and calculation results, an interface 30, and the like. The hardware configuration may include an input / output device 203 that communicates with an external device and a servo control unit 204 that drives and controls the drive device based on the command value calculated by the calculation unit 201.

演算部201には、上述の振動抑制方法を実現するため、加減速パターン演算部201aを備えている。当該加減速パターン演算部201aによって、ロボットアーム10に振動を抑制した運転を行わせるための駆動装置の加減速パターンを計算(シェイピング)する。   The calculation unit 201 includes an acceleration / deceleration pattern calculation unit 201a in order to realize the vibration suppression method described above. The acceleration / deceleration pattern calculation unit 201a calculates (shapes) an acceleration / deceleration pattern of the driving device for causing the robot arm 10 to perform an operation with suppressed vibration.

次に、ロボットコントローラ20によって、ロボットアーム10に振動抑制した運転を行わせる手順について、図22のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。   Next, a procedure for causing the robot controller 10 to perform a vibration-suppressed operation by the robot controller 20 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.

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物理パラメータの同定を行う。すなわち、まず、運動体の姿勢を変えて自由度の数だけ固有振動数を計測する。次に、減衰を考慮しない運動体方程式から実固有値解析により求まる固有振動数が、実際に計測された固有振動数に対してよい近似となるように、最小2乗法により各関節のねじりばね定数を同定する。   In step S1, the physical parameters of the moving body operated using the drive device are identified. That is, first, the natural frequency is measured by the number of degrees of freedom by changing the posture of the moving body. Next, the torsion spring constant of each joint is calculated by the least square method so that the natural frequency obtained by the real eigenvalue analysis from the moving body equation without considering damping becomes a good approximation to the actually measured natural frequency. Identify.

ステップS2において、運動体の運転の加減速パターンを設定する。すなわち、まず、設計値から得られるパラメータとステップS1で同定したパラメータを入力する。次に、参照入力値(参照加減速パターン)を関節ごとに決めて入力する。   In step S2, an acceleration / deceleration pattern for driving the moving body is set. That is, first, the parameter obtained from the design value and the parameter identified in step S1 are input. Next, a reference input value (reference acceleration / deceleration pattern) is determined and input for each joint.

ステップS3において、ステップS2で設定された運動体の加減速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シェイピングを行う。この加速度パターンのシェイピングは、まず、ステップS2で入力した参照入力値を振動モードごとの入力に分解する。次に、既に説明した振動抑制方法、すなわち振動モードごとに、固有周期の変化に対する補正も考慮したインプットシェイピングにより、入力値整形する。最後に、整形されたモードごとの入力値から、非線形項を考慮して、関節ごとの加減速パターンを生成する。また、この加速度パターンのシェイピングは、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。   In step S3, based on the acceleration / deceleration pattern of the moving body set in step S2, shaping of the acceleration pattern of the moving body by the driving device that suppresses residual vibration is performed. In this acceleration pattern shaping, first, the reference input value input in step S2 is decomposed into inputs for each vibration mode. Next, the input value shaping is performed by the above-described vibration suppression method, that is, input shaping that also considers correction for the change of the natural period for each vibration mode. Finally, an acceleration / deceleration pattern for each joint is generated from the shaped input value for each mode in consideration of a nonlinear term. In addition, it is desirable that the shaping of the acceleration pattern is performed in a deceleration section where free vibration is likely to be a problem.

ステップS4において、ステップS3でシェイピングされた加速度パターンを2回積分した関節ごとの指令値を運動体に対して指令し、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。これによって、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。   In step S4, a command value for each joint obtained by integrating the acceleration pattern shaped in step S3 twice is commanded to the moving body, and the driving device is driven to perform acceleration, constant speed, and deceleration operations of the moving body. To do. Accordingly, it is possible to perform an operation in which the residual vibration is suppressed in the moving body.

以上のフローチャートによれば、ロボットアーム10に振動を抑制した運動を行わせるための駆動装置の加減速パターンを計算することができる。なお、図23に、関節ごとに入力を行う参照入力値(整形前参照加減速パターン)の1例を示す。また、図24に、図23の参照入力値を、上述の方法によってシェイピングした結果の加減速パターン(整形後参照加減速パターン)を示す。このシェイピング前後の加減速パターンを見比べてわかるように、加速を開始してから減速が終了するまでの総時間は、シェイピングを行ってもあまり長くはならない。   According to the above flowchart, it is possible to calculate the acceleration / deceleration pattern of the driving device for causing the robot arm 10 to perform a motion with suppressed vibration. FIG. 23 shows an example of reference input values (reference acceleration / deceleration pattern before shaping) that are input for each joint. FIG. 24 shows an acceleration / deceleration pattern (post-reference reference acceleration / deceleration pattern) as a result of shaping the reference input value of FIG. 23 by the above-described method. As can be seen by comparing the acceleration / deceleration patterns before and after shaping, the total time from the start of acceleration to the end of deceleration does not become very long even after shaping.

なお、ステップS1〜S4までのパラメータの同定や加減速パターンのシェイピング等の計算処理は、例えば、ロボットコントローラ20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のパラメータの同定や計算処理を行い、シェイピングされた加速度パターンの情報を、ロボットコントローラ20に入力して、駆動装置の駆動動作がロボットコントローラ20により制御されても良い。   Note that calculation processing such as parameter identification and acceleration / deceleration pattern shaping in steps S1 to S4 can be performed by the robot controller 20, for example. In addition, instead of such a case, using a computer device in which a program for performing the above-described calculation processing is installed, the parameters of steps S1 to S3 are identified and calculated, and information on the shaped acceleration pattern is obtained. The robot controller 20 may control the driving operation of the driving device by inputting to the robot controller 20.

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.

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.

実施の形態2.
実施の形態1では2自由度時変系の振動抑制方法について説明したが、次に、実施の形態2として3自由度時変系の場合について、図25を参照しながら、以下に説明する。図25は、1、2、3およびn自由度系におけるインパルス入力の本数とそれらの間隔を示す図である。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the method for suppressing vibration of a two-degree-of-freedom time-varying system has been described. Next, as a second embodiment, the case of a three-degree-of-freedom time-varying system will be described with reference to FIG. FIG. 25 is a diagram showing the number of impulse inputs and their intervals in the 1, 2, 3 and n-degree-of-freedom systems.

3自由度系の場合も、振動を抑制するのに必要なインパルスの入力本数は、2自由度系の場合と同様に考えることができる。すなわち、2自由度系ではインパルス4本で半周期以降の振動が抑制されていることから、3自由度系の場合、3次モードの振動を先に抑制することを考え、2本のインパルスA0、の間隔(すなわち、tからt間)を3次モードの半周期にする。次に、2次モードの振動を抑制するため、この2本を1セットとし2次モードの半周期の間隔で系にもう1セットA2、加える。さらに、1次モードの振動を抑制するため、これら4本を1セットとし1次モードの半周期の間隔で系にもう1セットA4、5、6、加える。 In the case of a three-degree-of-freedom system, the number of input impulses necessary to suppress vibration can be considered in the same manner as in the case of a two-degree-of-freedom system. That is, in the two-degree-of-freedom system, the vibration after the half cycle is suppressed by four impulses. Therefore, in the case of the three-degree-of-freedom system, considering the suppression of the third-order mode vibration first, two impulses A The interval between 0 and A 1 (ie, between t 0 and t 1 ) is set to a half cycle of the third-order mode. Next, in order to suppress the vibration of the secondary mode, the two are set as one set, and another set A 2 and A 3 is added to the system at intervals of a half cycle of the secondary mode. Further, in order to suppress the vibration of the primary mode, these four are made into one set, and another set A 4, A 5, A 6, A 7 is added to the system at intervals of a half cycle of the primary mode.

したがって、入力するインパルスは、AからAの2=2=計8本となり、これら全てのインパルスの入力位置が先に決まった。 Therefore, the number of impulses to be input is A 0 to A 7 and 2 n = 2 2 = 8 in total, and the input positions of all these impulses are determined first.

ここで、2自由度系におけるエネルギ保存式(28)、(38)と同様に、3自由度系における1次モードから3次モードのエネルギ保存式を求めると、次式(47)から(49)となる。なお、ここでは詳細な計算は省力する。   Here, similarly to the energy conservation equations (28) and (38) in the two-degree-of-freedom system, the energy conservation equation of the third-order mode is obtained from the first-order mode in the three-degree-of-freedom system. ) In addition, detailed calculation is saved here.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
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これらエネルギ保存式(47)から(49)より、A=α、A=α2、=α4、=αとなる入力の割合α、α2、α3、αはそれぞれ、次式(50)から(53)のように求まる。 From these energy conservation equations (47) to (49), the input ratio α where A 1 = α 1 A 0 , A 3 = α 2 A 2, A 5 = α 3 A 4, A 7 = α 4 A 6 1 , α 2, α 3, and α 4 are obtained from the following equations (50) to (53), respectively.

Figure 0005932578
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Figure 0005932578
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Figure 0005932578
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Figure 0005932578
Figure 0005932578

次に、2次モードのエネルギ保存式(48)より収束計算を行うと、AおよびAの大きさについて次式(54)、(55)がそれぞれ成り立つ。 Next, when convergence calculation is performed from the energy conservation formula (48) of the second-order mode, the following formulas (54) and (55) are established for the magnitudes of A 2 and A 6 , respectively.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

Figure 0005932578
Figure 0005932578

続けて、1次モードのエネルギ保存式(47)より収束計算を行うと、Aの大きさについて次式が成り立つ。 Subsequently, when the convergence calculation than the energy conservation equation for the first order mode (47), the following equation holds for the size of A 4.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

以上により、振動を抑制するインパルス入力8本すべての大きさが理論的に求まる。したがって、3自由度時変系の自由振動を抑制可能となった。   From the above, the magnitudes of all eight impulse inputs that suppress vibration are theoretically obtained. Therefore, it is possible to suppress the free vibration of the time varying system with three degrees of freedom.

実施の形態3.
次に、実施の形態3としてn自由度時変系(nは自然数)の場合について、図25を参照しながら、以下に説明する。
Embodiment 3 FIG.
Next, the case of an n-degree-of-freedom time-varying system (n is a natural number) as Embodiment 3 will be described below with reference to FIG.

n自由度系の場合も、2、3自由度系の場合と同様に考えることができる。すなわち、
n自由度系の場合、n次モードの振動を先に抑制することを考え、2本のインパルスA0、の間隔(すなわち、tからt間)をn次モードの半周期にする。次に、(n−1)次モードの振動を抑制するため、この2本を1セットとし(n−1)次モードの半周期の間隔(すなわち、tからt間)で系にもう1セットA2、加える。さらに、(n−2)次モードの振動を抑制するため、これら4本を1セットとし(n−2)次モードの半周期の間隔(すなわち、tからt間)で系にもう1セットA4、5、6、加える。同様に、(n−k)次モードの振動を抑制するため、既定のインパルス入力A・・・A k −1を1セットとし(n−k)次モードの半周期の間隔で系にもう1セットインパルス入力A k・・・A k+1 −1を加えることを、整数k=3から(n−1)まで順に実行する。
The case of the n-degree-of-freedom system can be considered in the same manner as the case of the 2- or 3-degree-of-freedom system. That is,
In the case of an n-degree-of-freedom system, considering the suppression of the vibration of the n-th mode first , the interval between the two impulses A 0 and A 1 (ie, between t 0 and t 1 ) is set to a half cycle of the n-th mode To do. Next, (n-1) for suppressing the vibration of the following modes, the two as one set (n-1) intervals of the half cycle of the next mode (i.e., from t 0 t between 2) anymore system at Add 1 set A 2, A 3. Further, (n-2) for suppressing the vibration of the following modes, these four were one set (n-2) other to the system at intervals of half cycle of the following modes (i.e., between t 4 from t 0) set A 4, A 5, A 6 , A 7 is added. Similarly, in order to suppress vibration of the (n−k) th order mode, a predetermined impulse input A 0 ... A 2 k −1 is set as one set, and (n−k) the half-cycle interval of the next mode is set in the system. Adding another set of impulse inputs A 2 k ... A 2 k + 1 −1 is executed sequentially from integer k = 3 to (n−1).

したがって、n自由度系の場合、入力するインパルスは計2本となり、これら全てのインパルスの入力位置が先に決まった。 Therefore, in the case of an n-degree-of-freedom system, the total number of impulses to be input is 2n, and the input positions of all these impulses are determined first.

ここで、n自由度系における1次モードからn次モードのエネルギ保存式は、次式(57)となる。なお、ここでは詳細な計算は省力する。   Here, the energy conservation formula from the first-order mode to the n-th order mode in the n-degree-of-freedom system is the following formula (57). In addition, detailed calculation is saved here.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

次に、式(57)のうちのn次モードのエネルギ保存式より、A=αAi−1となる奇数番号の入力の割合αは次式のように求まる。 Next, from the energy conservation equation of the nth-order mode in the equation (57), the odd-numbered input ratio α where A i = αA i−1 is obtained as the following equation.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

式(57)のうちの(n−1)次モードのエネルギ保存式より収束計算を行うと、偶数番号のインパルスの大きさAは、次式のようになる。 When the convergence calculation is performed from the energy conservation equation of the (n−1) th mode in the equation (57), the even-numbered impulse magnitude A i is expressed by the following equation.

Figure 0005932578
Figure 0005932578

以上により、振動を抑制するインパルス入力2n本すべての大きさが理論的に求まる。したがって、n自由度時変系の自由振動を抑制可能となった。 As described above, the magnitudes of all 2 n impulse inputs for suppressing vibration are theoretically obtained. Therefore, it is possible to suppress the free vibration of the time varying system with n degrees of freedom.

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、n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、発生する低周波振動から高周波振動の内で、問題となる低周波振動(例えば、3自由度系の場合、1次モードと2次モードの振動)に対してのみ、本実施の形態の振動抑制方法を適用しても良い。   In the description of the above-described embodiment, when performing acceleration or deceleration motion, vibration with n degrees of freedom and time-varying generated in a moving body accompanied by a change in posture of the moving body itself (for example, change in moment of inertia) is obtained. 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, when time-varying vibrations with respect to a plurality of degrees of freedom occur in this way, the low-frequency vibrations that pose a problem among the generated low-frequency vibrations to high-frequency vibrations (for example, in the case of a three-degree-of-freedom system) The vibration suppression method of the present embodiment may be applied only to the vibrations of the primary mode and the secondary mode.

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、本実施の形態では、面内方向の動きが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。   In the present embodiment, the case where the rotational motion is mainly performed has been described by taking the case where the motion in the in-plane direction is performed as an example, but the present invention can also be applied to motions other than the rotational motion.

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、n自由度(n≧2)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、(n−k)次モードの振動を抑制するため、入力位置が設定されたインパルスA・・・A k −1から(n−k)次モードの固有周期の半周期経過後に入力するように、インパルスA k・・・A k+1 −1の入力位置をそれぞれ設定し、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、前記インパルスA k・・・A k+1 −1の大きさをそれぞれ設定することを、整数k=0から(n−1)まで順に実行することによって、入力位置と大きさがそれぞれ設定された合計2本のインパルスA・・・A n −1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 an n-degree-of-freedom (n ≧ 2) and time-varying vibration generated in a moving body with acceleration or deceleration motion using the input shaping method, (n−k) order mode to suppress the vibration of, (n-k) from the impulse a 0 ··· a 2 k -1 which is set an input position to enter after elapse half cycle of the natural period of the following modes, impulse a 2 k · .. A 2 k + 1 −1 input positions are set, and the impulses A 2 k ... A 2 k + are set in consideration of the work performed by the Coriolis force caused by the posture change of the moving body itself. By sequentially setting the magnitudes of 1 −1 from integer k = 0 to (n−1), a total of 2 n impulses A 0. · by superposing a 2 n -1, effectively vibrate It can be suppressed.

したがって、例えばロボットアーム、工作機械、クレーンおよび油圧ショベルなどの、その動作中に姿勢変化を伴うような動作を行う産業用機械装置に生じる振動を、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。   Therefore, it is possible to effectively suppress vibration generated in an industrial machine device that performs an operation with a posture change during its operation, such as a robot arm, a machine tool, a crane, and a hydraulic excavator, by feedforward control. it can.

また、上記運動体の駆動源は、電動回転機や電動直動機に限定されない。すなわち、本発明は、動力発生機が油圧ポンプなどの非電動型の動力発生機である場合でも、支障なく適用可能である。   Moreover, the drive source of the said moving body is not limited to an electric rotary machine or an electric linear motion machine. That is, the present invention can be applied without any trouble even when the power generator is a non-electric power generator such as a hydraulic pump.

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の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 any of the above-described various embodiments, 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、A 第1のインパルス入力、A 第2のインパルス入力、A 第3のインパルス入力、A 第4のインパルス入力、q 1次モードのインパルス応答、q 2次モードのインパルス応答 10 robot arm (moving body), 11 a to 11 c joints, 12a-12b arm, 13 hand tools, 14 a to 14 c rotating shaft, 20 model, 21 arm, 22 conveyed, 24 drive, A 0 first impulse input, a 1 second impulse input, a 2 third impulse input, a 3 fourth impulse input, the impulse response of q 1 1 order mode, impulse response q 2 2-order mode

Claims (3)

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、該加速または減速運動に伴って前記運動体に生じる、n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、
参照入力値を振動モードごとの入力値に分解するステップと、
前記振動モードごとの入力値について、(n−k)次モードの振動を抑制するため、入力位置が設定されたインパルスA…A k −1からロボットアームをモデル化した運動方程式により計算した(n−k)次モードの変位が再度ゼロになる時刻までを(n−k)次モードの固有周期の半周期として、最初のインパルスから半周期経過後に入力するように、インパルスA k…A k+1 −1の入力位置をそれぞれ設定し、加速または減速運度を行っている間に前記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、前記インパルスA k…A k+1 −1の大きさをそれぞれ設定することを、整数k=0から(n−1)まで順に実行することによって、入力位置と大きさがそれぞれ設定された合計2本のインパルスA…A n −1を重ね合わせるインプットシェイピングにより入力値を整形するステップと、
整形された前記振動モードごとの入力値から、非線形項を考慮して関節ごとの加減速パターンを生成するステップと、
を有することを特徴とする振動抑制方法。
In a moving body in which an external force is applied by a driving device and acceleration or deceleration motion is performed, in a vibration suppressing method for suppressing vibration with n degrees of freedom and time-varying generated in the moving body along with the acceleration or deceleration motion,
Decomposing the reference input value into input values for each vibration mode;
The input value for each vibration mode was calculated from an impulse A 0 ... A 2 k −1 in which the input position was set according to an equation of motion modeling the robot arm in order to suppress (n−k) order mode vibration . The impulse A 2 k ... Is input so that the time until the time when the displacement of the next mode becomes zero again is a half cycle of the natural cycle of the (n−k) next mode, and is input after a half cycle has elapsed from the first impulse . In consideration of the work of Coriolis force generated by the posture change of the moving body itself while performing the acceleration or deceleration maneuver while setting the input position of A 2 k + 1 −1 , the impulse A 2 k ... A 2 k + 1 −1 is set in order from the integer k = 0 to (n−1) in order to set the size of A 2 k ... A 2 k + 1 −1. n book of Inpa A step for shaping the input value by the input shaping superposing scan A 0 ... A 2 n -1,
A step of generating an acceleration / deceleration pattern for each joint in consideration of a nonlinear term from the shaped input value for each vibration mode;
A vibration suppression method comprising:
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、該加速または減速運動に伴って前記運動体に生じる、n自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制装置において、
参照入力値を振動モードごとの入力値に分解し、
前記振動モードごとの入力値について、(n−k)次モードの振動を抑制するため、入力位置が設定されたインパルスA…A k −1からロボットアームをモデル化した運動方程式により計算した(n−k)次モードの変位が再度ゼロになる時刻までを(n−k)次モードの固有周期の半周期として、最初のインパルスから半周期経過後に入力するように、インパルスA k…A k+1 −1の入力位置をそれぞれ設定し、加速または減速運度を行っている間に前記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、前記インパルスA k…A k+1 −1の大きさをそれぞれ設定することを、整数k=0から(n−1)まで順に実行することによって、入力位置と大きさがそれぞれ設定された合計2本のインパルスA…A n −1を重ね合わせるインプットシェイピングにより入力値を整形し、
整形された前記振動モードごとの入力値から、非線形項を考慮して、関節ごとの加減速パターンを生成することによって運動体の振動抑制を行う振動抑制装置。
In a vibration body in which an external force is applied by a driving device and acceleration or deceleration motion is performed, the vibration suppression device suppresses n-degree-of-freedom and time-varying vibration generated in the motion body along with the acceleration or deceleration motion.
Disassemble the reference input value into input values for each vibration mode,
The input value for each vibration mode was calculated from an impulse A 0 ... A 2 k −1 in which the input position was set according to an equation of motion modeling the robot arm in order to suppress (n−k) order mode vibration . The impulse A 2 k ... Is input so that the time until the time when the displacement of the next mode becomes zero again is a half cycle of the natural cycle of the (n−k) next mode, and is input after a half cycle has elapsed from the first impulse . In consideration of the work of Coriolis force generated by the posture change of the moving body itself while performing the acceleration or deceleration maneuver while setting the input position of A 2 k + 1 −1 , the impulse A 2 k ... A 2 k + 1 −1 is set in order from the integer k = 0 to (n−1) in order to set the size of A 2 k ... A 2 k + 1 −1. n book of Inpa Shaping the input value by the input shaping superposing scan A 0 ... A 2 n -1,
A vibration suppression apparatus that suppresses vibration of a moving body by generating an acceleration / deceleration pattern for each joint in consideration of a nonlinear term from the shaped input value for each vibration mode.
複数の駆動装置と該駆動装置を制御する制御装置とを備え、装置自体の姿勢変化をさせながら前記駆動装置によって加速または減速運動を行う際に生じる、n自由度かつ時変の振動を抑制する振動抑制機能を備えた産業用機械装置において、
前記制御装置は、
参照入力値を振動モードごとの入力値に分解し、
前記振動モードごとの入力値について、(n−k)次モードの振動を抑制するため、入力位置が設定されたインパルスA…A k −1からロボットアームをモデル化した運動方程式により計算した(n−k)次モードの変位が再度ゼロになる時刻までを(n−k)次モードの固有周期の半周期として、最初のインパルスから半周期経過後に入力するように、インパルスA k…A k+1 −1の入力位置をそれぞれ設定し、加速または減速運度を行っている間に装置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、前記インパルスA k…A k+1 −1の大きさをそれぞれ設定することを、整数k=0から(n−1)まで順に実行することによって、入力位置と大きさがそれぞれ設定された合計2本のインパルスA…A n −1を重ね合わせるインプットシェイピングにより入力値を整形し、
整形された前記振動モードごとの入力値から、非線形項を考慮して、関節ごとの加減速パターンを生成する加減速パターン演算部を備え、
前記加減速パターン演算部により生成された前記加減速パターンに基づいて前記駆動装置を制御することにより、n自由度かつ時変の振動を抑制することを特徴とする産業用機械装置。
A plurality of driving devices and a control device for controlling the driving devices are provided, and vibrations with n degrees of freedom and time-varying that occur when performing acceleration or deceleration motion by the driving device while changing the posture of the device itself are suppressed. In industrial machinery with vibration suppression function,
The controller is
Disassemble the reference input value into input values for each vibration mode,
The input value for each vibration mode was calculated from an impulse A 0 ... A 2 k −1 in which the input position was set according to an equation of motion modeling the robot arm in order to suppress (n−k) order mode vibration . The impulse A 2 k ... Is input so that the time until the time when the displacement of the next mode becomes zero again is a half cycle of the natural cycle of the (n−k) next mode, and is input after a half cycle has elapsed from the first impulse . The impulse A 2 is set in consideration of the work performed by the Coriolis force caused by the change in the attitude of the apparatus itself while setting the input position of A 2 k + 1 −1 and accelerating or decelerating. k ... A 2 k + 1 −1 is set in order from the integer k = 0 to (n−1) in order, so that a total of 2 n input positions and sizes are set. Impulse A 0 ... Shape the input value by input shaping that superimposes A 2 n -1 ,
An acceleration / deceleration pattern calculation unit that generates an acceleration / deceleration pattern for each joint in consideration of a nonlinear term from the shaped input value for each vibration mode,
An industrial machine apparatus characterized by controlling the drive device based on the acceleration / deceleration pattern generated by the acceleration / deceleration pattern calculation unit, thereby suppressing vibrations with n degrees of freedom and time.
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