振動抑制方法
【課題】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を提供する。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９６１７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】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)
【非特許文献２】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) 121-130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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
【図２】ロボットアームの運動における加速度変化を示す図
【図３】ロボットアームの運動における速度変化を示す図
【図４】時不変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図５】時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図６】時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図７】時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図８】実施例１の振動抑制方法を適用するモデルの模式図
【図９】アームの面内方向の運転パターンの図
【図１０】慣性モーメントの変化を示す図
【図１１】モデルに生じるインパルス応答を示す図
【図１２】インパルス入力の大きさの割合αの算出結果を示す図
【図１３】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
【図１４】インパルス応答の重ね合わせ結果を示す図
【図１５】強制加振力の継続時間と振動レベルとの関係を示す図
【図１６】振動抑制を行うための加速度パターンを示す図
【図１７】振動抑制を行うための強制加振力パターンを示す図
【図１８】強制加振力の継続時間と振動レベルとの関係を示す図
【図１９】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
【図２０】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
【図２１】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
【図２２】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
【図２３】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
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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ψ１）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ψ２）させることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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θ０、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。
【数１】
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。
【数２】
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。
【数３】
【数４】
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。
【００２２】
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。
【数５】
【数６】
【００２３】
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。
【数７】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【数８】
【００２６】
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。
【００２７】
図４に示すように、ある時刻ｔ１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Ｐ１）により生じた自由振動（第１のインパルス応答Ｑ１：実線にて示す。）を、この第１のインパルス応答Ｐ１の固有周期Ｔの半周期（Ｔ／２）後である時刻ｔ２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Ｑ２）を与えることにより生じた第２のインパルス応答Ｑ２（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ｔ２以降において、第１のインパルス応答Ｑ１と第２のインパルス応答Ｑ２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。
【００２８】
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Ｑ１を、第２のインパルス応答Ｑ２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Ｑ１の半周期後に、第１のインパルス入力Ｐ１と同じ大きさの第２のインパルス入力Ｐ２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Ｐ２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。
【００２９】
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。
【００３０】
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ｔｉに大きさＡｉ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。
【数９】
【００３１】
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Ｐ１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Ｑ１（実線）と、この第１のインパルス応答Ｑ１が変位０となる時刻をｔｊ（ｊ＝１，２．．．）とおき、時刻ｔ＝ｔ１に第２のインパルス入力Ｐ２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Ｑ２（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Ｑ１と第２のインパルス応答Ｑ２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。
【００３２】
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。
【数１０】
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ｔｉ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ｔｉによって異なるため、右辺の項を次の式（１１）のようにおく。
【数１１】
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。
【数１２】
【数１３】
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。
【００３３】
ここで、時刻０に大きさＡ０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φ０（ｔ）、時刻ｔ１に大きさＡ１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φ１（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ｋφ２／２は０となるため、式（１４）、式（１５）、式（１６）を導くことができる。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【００３４】
また、第２のインパルス入力は、時刻ｔ１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ｔ１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。
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【００３５】
そこで、第１のインパルス入力の大きさＡ０と、第２のインパルス入力の大きさＡ１との関係を、Ａ１＝αＡ０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。
【数２０】
式（１５）および式（２０）より、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１の割合（比）αは、次の式（２１）のように表すことができる。
【数２１】
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（ｔ１）は、時刻ｔ＝ｔ１にて運動体が有する運動エネルギであり、Ｃ（ｔ１）は、時刻ｔ＝ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事である。
【００３６】
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Ａ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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Ａ１を決定して、時刻ｔ＝ｔ１において、予め決定された大きさＡ１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。
【００３７】
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。
【００３８】
図５において、強制加振力が時刻０から時刻ｔ２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。
【数２２】
【００３９】
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。
【００４０】
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Ａ０の第１のインパルス入力Ｐ１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Ｑ１を、時刻ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に、適切な大きさ（Ａ０・γ１）の第２のインパルス入力Ｐ２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Ｑ２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Ａ０の第１のインパルス入力Ｐ１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。）（Ａ０・ΔＴ）と、時刻ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に大きさ（Ａ０・γ１）の第２のインパルス入力Ｐ２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｛（Ａ０・γ１）×（β１・ΔＴ）｝とが略同じとなるように、時間幅の割合（比）β１とインパルス入力の大きさの割合（比）γ１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。
【数２３】
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ｔ２までにわたって考えると、ｔ＞ｔ１（すなわち、時刻ｔ１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。
【００４１】
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β１とインパルス入力の大きさの割合γ１とを設定することができ、さらに設定された割合β１、γ１を用いて、運動体に対して第２のインパルス入力Ｐ２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。
【００４２】
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Ｐ１を運動体に対して与えた時の第１のインパルス応答Ｑ１は、時刻ｔ１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Ｐ１’を運動体に対して与えた時の第１のインパルス応答Ｑ１’は、時刻（ｔ１＋β１・ΔＴ）で変位が０となる。これらより、時刻ｔ１における割合α（ｔ１）と、割合β１、γ１とは、次の式（２４）のような関係となる。
【数２４】
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、β１＝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（ｔ１）＝１と置けば良い。なお、β１およびγ１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（ｔ１）、β１、γ１を設定することができる。
【００４３】
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。
【００４４】
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Ｐ１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Ｑ１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＝ｔ１において、第２のインパルス入力Ｐ２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Ｑ２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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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ｍ１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ψ２は変化せずに、回転角度ψ１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。
【００４７】
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ψ１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。
【表１】
【００４８】
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ｔｊ（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ｔ４≦ｔ≦ｔ６とし、初期条件としてｔ＝ｔ４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。
【００４９】
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ｔ４≦ｔ≦ｔ６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、ｔ５≦ｔ≦ｔ６の区間であるので、ｔ４≦ｔ≦ｔ５の区間についてはα（ｔ）＝１としている。
【００５０】
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βｉを求め、式（２４）にて表すγｉ＝α（ｔｉ）／βｉからγ（ｔ）を求めたものを図１３に示す。
【００５１】
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ｔ４≦ｔ≦ｔ６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。
【００５２】
図１４に示すように、減速時間ｔ４≦ｔ≦ｔ６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）Ｒ１に対して、減速運動終了後の時間ｔ６≦ｔの区間で生じる残留振動の振幅Ｒ２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＝ｔ５まで増大し、時刻ｔ＝ｔ５以降で減少に転じ、時刻ｔ＝ｔ６では理想的に減少されている。
【００５３】
次に減速時間ｔ４≦ｔ≦ｔ６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。
【００５４】
加振力の継続時間をＴｉとして、ｔ４≦ｔ≦Ｔｉ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、ｔ４≦ｔ≦Ｔｉ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（Ｔｉ＝ｔ５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、Ｔｉ＝ｔ６付近でよく振動が抑制されていることが分かる。
【００５５】
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。
【数２５】
【００５６】
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／ｓ２）、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Ｔｉ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。
【００５７】
図１６、図１７、および図１８に示すように、減速時間ｔ４≦ｔ≦ｔ６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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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（ｔｉ）、βｉ、γｉ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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
（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。
【００６６】
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Ａ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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。
【００６７】
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ｔｉに大きさＡｉ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。
【数２６】
【００６８】
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。
【数２７】
【数２８】
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。
【数２９】
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。
【数３０】
【００６９】
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。
【数３１】
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。
【数３２】
【数３３】
【数３４】
【数３５】
【００７０】
ここで、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１の関係をＡ１＝αＡ０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。
【数３６】
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Ａ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１の割合αは、次の式（３８）のように表すことができる。
【数３７】
【数３８】
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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。
【００７４】
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。
【００７５】
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ψ１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。
【００７６】
アーム２１の旋回方向の動作の継続時間を、ｔ＝０からｔ＝ｔ２、ｔ４、ｔ６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≦ｔ６となる。
【００７７】
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≦ｔ１と区間ｔ１≦ｔ≦ｔ２とが、区間ｔ２≦ｔ≦ｔ３と区間ｔ３≦ｔ≦ｔ４とが、区間ｔ４≦ｔ≦ｔ５と区間ｔ５≦ｔ≦ｔ６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。
【００７８】
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。
【００７９】
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≦ｔ６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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【数３９】
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ｔ２、ｔ４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＝ｔ６）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。
【数４０】
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【符号の説明】
【００９５】
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、Ｐ１ 第１のインパルス入力、Ｐ２ 第２のインパルス入力、Ｑ１ 第１のインパルス応答、Ｑ２ 第２のインパルス応答
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２９６１７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】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)
【非特許文献２】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) 121-130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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
【図２】ロボットアームの運動における加速度変化を示す図
【図３】ロボットアームの運動における速度変化を示す図
【図４】時不変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図５】時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図６】時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図７】時変におけるインパルス応答の変位と時間の関係図
【図８】実施例１の振動抑制方法を適用するモデルの模式図
【図９】アームの面内方向の運転パターンの図
【図１０】慣性モーメントの変化を示す図
【図１１】モデルに生じるインパルス応答を示す図
【図１２】インパルス入力の大きさの割合αの算出結果を示す図
【図１３】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
【図１４】インパルス応答の重ね合わせ結果を示す図
【図１５】強制加振力の継続時間と振動レベルとの関係を示す図
【図１６】振動抑制を行うための加速度パターンを示す図
【図１７】振動抑制を行うための強制加振力パターンを示す図
【図１８】強制加振力の継続時間と振動レベルとの関係を示す図
【図１９】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
【図２０】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
【図２１】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
【図２２】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
【図２３】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
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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ψ１）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ψ２）させることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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θ０、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。
【数１】
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。
【数２】
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。
【数３】
【数４】
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。
【００２２】
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。
【数５】
【数６】
【００２３】
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。
【数７】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【数８】
【００２６】
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。
【００２７】
図４に示すように、ある時刻ｔ１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Ｐ１）により生じた自由振動（第１のインパルス応答Ｑ１：実線にて示す。）を、この第１のインパルス応答Ｐ１の固有周期Ｔの半周期（Ｔ／２）後である時刻ｔ２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Ｑ２）を与えることにより生じた第２のインパルス応答Ｑ２（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ｔ２以降において、第１のインパルス応答Ｑ１と第２のインパルス応答Ｑ２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。
【００２８】
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Ｑ１を、第２のインパルス応答Ｑ２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Ｑ１の半周期後に、第１のインパルス入力Ｐ１と同じ大きさの第２のインパルス入力Ｐ２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Ｐ２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。
【００２９】
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。
【００３０】
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ｔｉに大きさＡｉ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。
【数９】
【００３１】
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Ｐ１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Ｑ１（実線）と、この第１のインパルス応答Ｑ１が変位０となる時刻をｔｊ（ｊ＝１，２．．．）とおき、時刻ｔ＝ｔ１に第２のインパルス入力Ｐ２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Ｑ２（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Ｑ１と第２のインパルス応答Ｑ２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。
【００３２】
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。
【数１０】
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ｔｉ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ｔｉによって異なるため、右辺の項を次の式（１１）のようにおく。
【数１１】
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。
【数１２】
【数１３】
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。
【００３３】
ここで、時刻０に大きさＡ０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φ０（ｔ）、時刻ｔ１に大きさＡ１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φ１（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ｋφ２／２は０となるため、式（１４）、式（１５）、式（１６）を導くことができる。
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【００３４】
また、第２のインパルス入力は、時刻ｔ１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ｔ１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。
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【００３５】
そこで、第１のインパルス入力の大きさＡ０と、第２のインパルス入力の大きさＡ１との関係を、Ａ１＝αＡ０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。
【数２０】
式（１５）および式（２０）より、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１の割合（比）αは、次の式（２１）のように表すことができる。
【数２１】
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（ｔ１）は、時刻ｔ＝ｔ１にて運動体が有する運動エネルギであり、Ｃ（ｔ１）は、時刻ｔ＝ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事である。
【００３６】
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Ａ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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Ａ１を決定して、時刻ｔ＝ｔ１において、予め決定された大きさＡ１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。
【００３７】
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。
【００３８】
図５において、強制加振力が時刻０から時刻ｔ２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。
【数２２】
【００３９】
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。
【００４０】
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Ａ０の第１のインパルス入力Ｐ１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Ｑ１を、時刻ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に、適切な大きさ（Ａ０・γ１）の第２のインパルス入力Ｐ２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Ｑ２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Ａ０の第１のインパルス入力Ｐ１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。）（Ａ０・ΔＴ）と、時刻ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に大きさ（Ａ０・γ１）の第２のインパルス入力Ｐ２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｛（Ａ０・γ１）×（β１・ΔＴ）｝とが略同じとなるように、時間幅の割合（比）β１とインパルス入力の大きさの割合（比）γ１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。
【数２３】
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ｔ２までにわたって考えると、ｔ＞ｔ１（すなわち、時刻ｔ１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。
【００４１】
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β１とインパルス入力の大きさの割合γ１とを設定することができ、さらに設定された割合β１、γ１を用いて、運動体に対して第２のインパルス入力Ｐ２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。
【００４２】
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Ｐ１を運動体に対して与えた時の第１のインパルス応答Ｑ１は、時刻ｔ１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Ｐ１’を運動体に対して与えた時の第１のインパルス応答Ｑ１’は、時刻（ｔ１＋β１・ΔＴ）で変位が０となる。これらより、時刻ｔ１における割合α（ｔ１）と、割合β１、γ１とは、次の式（２４）のような関係となる。
【数２４】
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、β１＝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（ｔ１）＝１と置けば良い。なお、β１およびγ１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（ｔ１）、β１、γ１を設定することができる。
【００４３】
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。
【００４４】
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Ｐ１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Ｑ１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＝ｔ１において、第２のインパルス入力Ｐ２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Ｑ２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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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ｍ１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ψ２は変化せずに、回転角度ψ１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。
【００４７】
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ψ１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。
【表１】
【００４８】
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ｔｊ（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ｔ４≦ｔ≦ｔ６とし、初期条件としてｔ＝ｔ４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。
【００４９】
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ｔ４≦ｔ≦ｔ６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、ｔ５≦ｔ≦ｔ６の区間であるので、ｔ４≦ｔ≦ｔ５の区間についてはα（ｔ）＝１としている。
【００５０】
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βｉを求め、式（２４）にて表すγｉ＝α（ｔｉ）／βｉからγ（ｔ）を求めたものを図１３に示す。
【００５１】
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ｔ４≦ｔ≦ｔ６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。
【００５２】
図１４に示すように、減速時間ｔ４≦ｔ≦ｔ６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）Ｒ１に対して、減速運動終了後の時間ｔ６≦ｔの区間で生じる残留振動の振幅Ｒ２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＝ｔ５まで増大し、時刻ｔ＝ｔ５以降で減少に転じ、時刻ｔ＝ｔ６では理想的に減少されている。
【００５３】
次に減速時間ｔ４≦ｔ≦ｔ６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。
【００５４】
加振力の継続時間をＴｉとして、ｔ４≦ｔ≦Ｔｉ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、ｔ４≦ｔ≦Ｔｉ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（Ｔｉ＝ｔ５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、Ｔｉ＝ｔ６付近でよく振動が抑制されていることが分かる。
【００５５】
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。
【数２５】
【００５６】
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／ｓ２）、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Ｔｉ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。
【００５７】
図１６、図１７、および図１８に示すように、減速時間ｔ４≦ｔ≦ｔ６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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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（ｔｉ）、βｉ、γｉ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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
（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。
【００６６】
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Ａ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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。
【００６７】
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ｔｉに大きさＡｉ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。
【数２６】
【００６８】
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。
【数２７】
【数２８】
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。
【数２９】
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。
【数３０】
【００６９】
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。
【数３１】
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。
【数３２】
【数３３】
【数３４】
【数３５】
【００７０】
ここで、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１の関係をＡ１＝αＡ０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。
【数３６】
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Ａ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１の割合αは、次の式（３８）のように表すことができる。
【数３７】
【数３８】
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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。
【００７４】
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。
【００７５】
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ψ１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。
【００７６】
アーム２１の旋回方向の動作の継続時間を、ｔ＝０からｔ＝ｔ２、ｔ４、ｔ６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≦ｔ６となる。
【００７７】
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≦ｔ１と区間ｔ１≦ｔ≦ｔ２とが、区間ｔ２≦ｔ≦ｔ３と区間ｔ３≦ｔ≦ｔ４とが、区間ｔ４≦ｔ≦ｔ５と区間ｔ５≦ｔ≦ｔ６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。
【００７８】
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。
【００７９】
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≦ｔ６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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【数３９】
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ｔ２、ｔ４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＝ｔ６）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。
【数４０】
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【符号の説明】
【００９５】
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、Ｐ１ 第１のインパルス入力、Ｐ２ 第２のインパルス入力、Ｑ１ 第１のインパルス応答、Ｑ２ 第２のインパルス応答
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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Ａ０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ｔ１において、第１のインパルス入力の大きさＡ０とは異なる大きさＡ１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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）として、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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Ａ１を決定して、時刻ｔ１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。
【数１】
【請求項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、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Ａ０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ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に、大きさ（Ａ０・γ１）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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）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（Ａ０・ΔＴ）に対する時間幅（β１・ΔＴ）における第２のインパルス入力の総入力（Ａ０・γ１・β１・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β１と、インパルス入力の大きさの割合γ１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β１および大きさの割合γ１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。
【数２】
【数３】
【請求項４】
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Ａ０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ｔ１において、第１のインパルス入力の大きさＡ０とは異なる大きさＡ１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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて減衰による損失エネルギをＤ（ｔ１）として、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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Ａ１を決定して、時刻ｔ１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。
【数４】
【請求項５】
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Ａ０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ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に、大きさ（Ａ０・γ１）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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて減衰による損失エネルギをＤ（ｔ１）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（Ａ０・ΔＴ）に対する時間幅（β１・ΔＴ）における第２のインパルス入力の総入力（Ａ０・γ１・β１・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β１と、インパルス入力の大きさの割合γ１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β１および大きさの割合γ１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。
【数５】
【数６】
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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Ａ０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ｔ１において、第１のインパルス入力の大きさＡ０とは異なる大きさＡ１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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）として、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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Ａ１を決定して、時刻ｔ１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。
【数１】
【請求項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、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Ａ０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ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に、大きさ（Ａ０・γ１）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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）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（Ａ０・ΔＴ）に対する時間幅（β１・ΔＴ）における第２のインパルス入力の総入力（Ａ０・γ１・β１・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β１と、インパルス入力の大きさの割合γ１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β１および大きさの割合γ１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。
【数２】
【数３】
【請求項４】
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Ａ０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ｔ１において、第１のインパルス入力の大きさＡ０とは異なる大きさＡ１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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて減衰による損失エネルギをＤ（ｔ１）として、第１のインパルス入力の大きさＡ０に対する第２のインパルス入力の大きさＡ１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Ａ１を決定して、時刻ｔ１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。
【数４】
【請求項５】
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Ａ０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ｔ１から時間幅（β１・ΔＴ）の間に、大きさ（Ａ０・γ１）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ｔ１にて運動体が有する運動エネルギをＪ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて運動体においてコリオリの力がする仕事をＣ（ｔ１）とし、時刻ｔ１にて減衰による損失エネルギをＤ（ｔ１）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（Ａ０・ΔＴ）に対する時間幅（β１・ΔＴ）における第２のインパルス入力の総入力（Ａ０・γ１・β１・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β１と、インパルス入力の大きさの割合γ１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β１および大きさの割合γ１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。
【数５】
【数６】
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１１−１４８０７８（Ｐ２０１１−１４８０７８Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４１８６５（Ｐ２０１０−１４１８６５）
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 社団法人計測自動制御学会発行の「第１０回 社団法人計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会 ＳＩ２００９講演概要集」第１７８頁、ならびに「第１０回 社団法人計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会論文集（ＤＶＤ）」において平成２１年１２月２４日に発表した。
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代ロボット知能化技術開発プロジェクト 作業知能（生産分野）の開発 機種切り替えが迅速かつ長時間連続操業可能なロボットセル生産システムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 社団法人計測自動制御学会発行の「第１０回 社団法人計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会 ＳＩ２００９講演概要集」第１７８頁、ならびに「第１０回 社団法人計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会論文集（ＤＶＤ）」において平成２１年１２月２４日に発表した。
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代ロボット知能化技術開発プロジェクト 作業知能（生産分野）の開発 機種切り替えが迅速かつ長時間連続操業可能なロボットセル生産システムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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