(57)【要約】【課題】  構造が簡単であり、調整が容易で、ストロークの制約が無く、除振対象に容易に適用でき、軽量であり、スカイフック制御系を容易に構成して全周波数帯域に渡り減衰性能が優れた、柔軟構造物の除振装置を提供する。【解決手段】  柔軟構造物に設置される除振装置であって、前記除振装置に、除振装置自身の角速度検出手段１０６と、回転力発生手段１０２と、前記回転力発生手段により発生される駆動力を原動力とした回転反力発生手段１０１と、前記除振装置の柔軟構造物への固定手段１０８とを搭載し、前記回転力発生手段の回転力を調整する回転力調整手段１０５と、前記角速度検出手段から得られる角速度信号を計測する信号計測手段と、前記信号計測手段で計測された信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段により得られる信号を用いて前記回転力調整手段１０５に対する制御信号を生成する制御手段とを有することを特徴とする、柔軟構造物の除振装置。【選択図】図５
2011080581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔軟構造物に設置される除振装置であって、前記除振装置に、除振装置自身の角速度検出手段１０６と、回転力発生手段１０２と、前記回転力発生手段により発生される駆動力を原動力とした回転反力発生手段１０１と、前記除振装置の柔軟構造物への固定手段１０８とを搭載し、前記回転力発生手段の回転力を調整する回転力調整手段１０５と、前記角速度検出手段から得られる角速度信号を計測する信号計測手段と、前記信号計測手段で計測された信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段により得られる信号を用いて前記回転力調整手段１０５に対する制御信号を生成する制御手段とを有することを特徴とする、柔軟構造物の除振装置。
【請求項２】
前記回転反力発生手段が、フライホイールからなる、請求項１に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項３】
前記制御手段は、除振装置の回転に対するフィードバック制御系を成す、請求項１または２に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項４】
前記フィードバック制御系は、スカイフック制御系である請求項３に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項５】
前記フィードバック制御系は、状態フィードバック制御系である請求項３に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項６】
前記フィードバック制御系は、スカイフック制御系と状態フィードバック制御系の併合制御系である請求項３に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項７】
前記フィードバック制御系は、さまざまな柔軟構造物を除振対象とする場合に、対象の固有振動数に対して適切に動作するよう自動的に適応する適応制御系である請求項３〜６のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項８】
前記状態フィードバック制御系は、最適レギュレータ系である請求項５〜７のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項９】
前記状態フィードバック制御系は、オブザーバによる状態観測器で推定される状態量をフィードバックする出力フィードバック制御系である請求項５〜８のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１０】
前記柔軟構造物は、柔軟なアーム状の構造物である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１１】
前記柔軟構造物は、柔軟な帯状の構造物である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１２】
前記柔軟構造物は、柔軟な板状の構造物である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１３】
前記柔軟構造物の除振装置には、電力供給手段が前記除振装置上に搭載された、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１４】
前記角速度検出手段は、柔軟構造物のたわみ振動によるたわみ角の時間変化量を角速度として直接計測するジャイロセンサである、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１５】
前記回転力発生手段は、発生する駆動力を調整可能なサーボモータである、請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１６】
前記信号処理手段は、信号増幅処理手段である、請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１７】
前記信号処理手段は、中心周波数を除振対象の柔軟構造物の固有振動数に概ね一致させたバンドパスフィルタ処理手段である、請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１８】
前記信号処理手段は、信号増幅処理手段と、バンドパスフィルタ手段とから成る、請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項１９】
前記信号処理手段は、アナログ信号処理手段である、請求項１６〜請求項１８のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項２０】
前記信号処理手段は、デジタル信号処理手段である、請求項１６〜請求項１８のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項２１】
前記信号処理手段は、デジタル信号処理手段と、アナログ信号処理手段との双方で構成される信号処理手段である、請求項１６〜請求項１８のいずれか１項に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項２２】
前記デジタル信号処理手段は、コンピュータにより構成される、請求項２０または請求項２１に記載の柔軟構造物の除振装置。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれか１項に記載される除振装置を使用する柔軟構造物の除振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、柔軟構造物の除振装置に関し、特に柔軟アーム状構造物に取り付け可能な除振装置に関する。
さらに詳細には、軽量塗装用アームの制振、衛星太陽電池パネルの制振、農業用農薬散布機（ブームスプレーヤ）の制振、高層ビルの制振、金属板の連続圧延装置における制振に対して有効な制振装置となり得る柔軟構造物の除振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、振動の低減・除振のために、例えば特許文献１に記載のアクティブ制御を伴わない動吸振器（ダイナミックマスダンパー）、例えば特許文献２〜４に記載された動吸振器をアクティブ制御した（アクティブマスダンパー）が用いられている。柔軟構造物の制振に対してもこれら動吸振器を取り付けることで制振効果を付加する。
これらの除振装置は、図１のように直線上または図２のように円弧上を運動可能な慣性質量を有し、振動時の運動方向と反対向きの力を発生して振動を相殺する装置となっており、除振装置の慣性質量の運動方向と振動の方向が一致した構造となっている。動吸振器型の除振装置では、効果的な減衰性能を得るために、除振装置を取り付ける主系の振動数に応じて、動吸振器の固有振動数や減衰比を調整する必要がある。
一方で、例えば特許文献４、５に記載された絶対空間を基準とした絶対速度をフィードバックするアクティブ制御であるスカイフック制御法があり、これ適用することで、高周波数帯域にわたる高い除振性能を得ることができる。
最近では、衛星の太陽電池パネルなどを初めとして、柔軟で長大な構造物の利用がすすんでおり、そのような構造物の利用のためには、軽量で効果的な除振方法が求められる。
このような柔軟構造物の利用において、従来の除振装置では解決のできない問題が生じている。一例を挙げると、農業規模の拡大に伴い作業の効率化のために農業機械の大型化と高性能化が進んでおり、例えば、農薬散布用アーム（ブームスプレーヤ）を有する農業機械（トラクタなど）がある。トラクタに搭載またはトラクタで牽引するブームスプレーヤのアーム（以下単に「ブーム」という）は、全長１０〜２０ｍの柔軟な片持ちはり構造であり、農地走行時に持続的に加振され先端が数十センチメールの振幅で振動し、この振動のために単位面積あたりの農薬散布量にムラを生じることとなるため精密な作業の妨げとなるばかりでなく、アームの先端が地面に接触してアームが損傷する事故の危険がある。農薬散布作業時のトラクタの走行速度が大きいほど振動の振幅が大きくなるため、現在の作業では、振動の影響が無視できる程度の低速での作業を行っており、農作業の効率向上の妨げとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３２０１９
【特許文献２】特開平７−２６７８４
【特許文献３】特開平１０−２２７３３１
【特許文献４】特開平９−２５９８７
【特許文献５】特開平１０−４４７３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  従来除振装置において、図１のような直線ないし図２のような円弧上の運動を力の発生源とする動吸振器にはそのストロークに限界があり、除振性能を調整する際の制約となる。また、動吸振器の制振効果を上げるためには、慣性質量を大きくする必要があるが、除振装置自体の重量が増加してしまう問題がある。
スカイフック制御では、絶対空間を基準とした、絶対速度を計測する必要があるが、実装する上では、従来は図３のように加速度センサから得られる加速度を積分し、擬似的に絶対速度を推定して制御系を構成する必要があり、積分誤差の影響で除振効果の低下が避けられない。
直動型のアクティブ動吸振器では図４のようにモータの回転運動を、ボールねじ等を使用して直線運動に変換する必要があり、機械的な摩擦によるエネルギー損失のために制振効率が低下する。
そこで、本発明では、構造が簡単であり、調整が容易で、ストロークの制約が無く、除振対象に容易に適用でき、軽量であり、スカイフック制御系を容易に構成して全周波数帯域に渡り減衰性能が優れた、柔軟構造物に対する除振装置ならびに除振方法を実現することを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明は、以下の第１〜２３の発明である。【０００６】  本発明の第１の発明は、柔軟構造物に設置される除振装置であって、前記除振装置に、除振装置自身の角速度検出手段１０６と、回転力発生手段１０２と、前記回転力発生手段により発生される駆動力を原動力とした回転反力発生手段１０１と、前記除振装置の柔軟構造物への固定手段１０８とを搭載し、前記回転力発生手段の回転力を調整する回転力調整手段１０５と、前記角速度検出手段から得られる角速度信号を計測する信号計測手段と、前記信号計測手段で計測された信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段により得られる信号を用いて前記回転力調整手段１０５に対する制御信号を生成する制御手段とを有することを特徴とする、柔軟構造物の除振装置である。【０００７】  本発明の第２の発明は、前記回転反力発生手段が、フライホイールからなる、第１の発明の柔軟構造物の除振装置である。【０００８】  本発明の第３の発明は、前記制御手段は、除振装置の回転に対するフィードバック制御系を成す、第１または第２の発明の柔軟構造物の除振装置である。【０００９】  本発明の第４の発明は、前記フィードバック制御系は、スカイフック制御系である第３の発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１０】  本発明の第５の発明は、前記フィードバック制御系は、状態フィードバック制御系である第３の発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１１】  本発明の第６の発明は、前記フィードバック制御系は、スカイフック制御系と状態フィードバック制御系の併合制御系である第３の発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１２】  本発明の第７の発明は、前記フィードバック制御系は、さまざまな柔軟構造物を除振対象とする場合に、対象の固有振動数に対して適切に動作するよう自動的に適応する適応制御系である第３〜第６のいずれかの１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１３】  本発明の第８の発明は、前記状態フィードバック制御系は、最適レギュレータ系である第５〜第７のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１４】  本発明の第９の発明は、前記状態フィードバック制御系は、オブザーバによる状態観測器で推定される状態量をフィードバックする出力フィードバック制御系である第５〜第８のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１５】  本発明の第１０の発明は、前記柔軟構造物は、柔軟なアーム状の構造物である、第１〜第９のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１６】  本発明の第１１の発明は、前記柔軟構造物は、柔軟な帯状の構造物である、第１〜第９のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１７】  本発明の第１２の発明は、前記柔軟構造物は、柔軟な板状の構造物である、第１〜第９のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１８】  本発明の第１３の発明は、前記柔軟構造物の除振装置には、電力供給手段が前記除振装置上に搭載された、第１〜第１２のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００１９】  本発明の第１４の発明は、前記角速度検出手段は、柔軟構造物のたわみ振動によるたわみ角の時間変化量を角速度として直接計測するジャイロセンサである、第１〜第１３のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２０】  本発明の第１５の発明は、前記回転力発生手段は、発生する駆動力を調整可能なサーボモータである、第１〜第１４のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２１】  本発明の第１６の発明は、前記信号処理手段は、信号増幅処理手段である、第１〜第１５のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２２】  本発明の第１７の発明は、前記信号処理手段は、中心周波数を除振対象の柔軟構造物の固有振動数に概ね一致させたバンドパスフィルタ処理手段である、第１〜第１５のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２３】  本発明の第１８の発明は、前記信号処理手段は、信号増幅処理手段と、バンドパスフィルタ手段とから成る、第１〜第１５のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２４】  本発明の第１９の発明は、前記信号処理手段は、アナログ信号処理手段である、第１６〜第１８のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２５】  本発明の第２０の発明は、前記信号処理手段は、デジタル信号処理手段である、第１６〜第１８のいずれか１つの発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２６】  本発明の第２１の発明は、前記信号処理手段は、デジタル信号処理手段と、アナログ信号処理手段との双方で構成される信号処理手段である、第１６〜第１８のいずれか１つの柔軟構造物の除振装置である。【００２７】  本発明の第２２の発明は、前記デジタル信号処理手段は、コンピュータにより構成される、第２０または第２１の発明の柔軟構造物の除振装置である。【００２８】  本発明の第２３の発明は、第１〜第２２のいずれか１つの発明の除振装置を使用する柔軟構造物の除振方法である。
【発明の効果】
【００２９】  本発明によれば、既存の柔軟構造物に取り付けるだけで除振性能を付加することができ、小さな効果器によっても確実に減衰力を発生することが可能であり、広帯域にわたる減衰性能を付加することができ、軽量な減衰装置を構成することが可能である。
ジャイロセンサを用いることで、除振対象に別個にセンサなどを取り付ける必要が生じないユニット化が可能である。
さらに、フライホイールを用いて回転型とすることでストロークの制約を受けず、質量を増加することなく慣性質量（慣性モーメント）を変更することが可能である。
また、フライホイールにモータを直結することで、摩擦による機械的なエネルギー損失を低減し、効率良く制振効果を得ることができる。【００３０】  ブームスプレーヤのアームに本発明の除振装置を取り付けることにより農薬散布時に生じるムラを低減することができるだけでなく、直動型の除振装置を取り付ける場合に比べて質量の増大を抑制しつつ容易に除振効果を与えることができる。
また、本発明の除振装置は、慣性質量のストロークを確保する必要がある直動型除振装置とくらべて、小さなスペースに取り付けることが可能であるため、トラス構造アームのトラス間に除振装置を取り付けることも可能であり、作業を行わない場合に折りたたみが可能な農薬散布用アームの動作を妨げることなく取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来発明に係る直動型動吸振器の構成を示す図
【図２】従来発明に係る円弧状動吸振器の構成を示す図
【図３】従来発明に係るスカイフック制御系の実装法を示す図
【図４】従来発明に係る直動型能動動吸振器における慣性質量の駆動法の一例を示す図
【図５】本発明に係る除振装置の機械的な構成を示す図
【図６】本発明に係る除振装置の機械的な全体図
【図７】本発明に係る除振装置の電気的な構成を示す図
【図８】本発明に係る除振装置のバンドパスフィルタの設計指針を示す図
【図９】本発明に係る除振装置の制御系の構成を示すブロック図
【図１０】本発明の代表的な使用方法を示す図
【図１１】除振対象片もちはりの振動モードと除振装置の取り付け位置を示す図
【図１２】本発明を片もち梁に取り付けた場合の、はり先端の変位を示す図
【図１３】本発明を片もち梁に取り付けた場合の除振効果を示すための実験装置を示す図
【図１４】本発明の実施例として、本発明をアーム型の農薬散布機（ブームスプレーヤ）に取り付けた場合を示す図
【図１５】本発明の実施例として、本発明を衛星の太陽電池パネルに取り付けた場合を示す図
【図１６】本発明の実施例として、本発明を搭載して除振効果を高め、塗装のムラを低減する長尺塗装スプレー装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３２】  本発明の除振装置は、アームなどの柔軟構造物において構造物に蓄えられる弾性エネルギーを吸収して、結果的にはモータならびにモータ制御装置内の回路上で熱エネルギーに変換して消散するための装置である。
例を挙げるなら、旗を立てるためのポール（柔軟構造物）が地面に突き立てられている場合に、ポール先端はポールの持つ柔軟性のために振動する。これは、ポールの柔軟性のためにポールそのものが、例えば一次の固有振動モードでは弧を描くように弾性変形するために生じる現象であり、この場合弾性変形によりポールそのものに弾性エネルギーが蓄えられ、ポールの弾性エネルギーと運動エネルギーの交換が振動の周波数で周期的に起こる事で、振動という現象として現れていると考えられる。
本発明の除振装置は、柔軟構造物に設置することにより、柔軟性があるために構造物に蓄えられる弾性エネルギーを吸収し、モータならびにモータ制御回路で熱エネルギーに変換して消散する装置であり、原理的にはモータの回転力によってフライホイールを加速し、その反力としてフライホイールがモータに与える回転反力によって除振を実現していることを特徴とする。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３３】  除振装置の機械的な構成を図５に、除振装置の概観を図６に、本発明の電気的な構成を図７に示す。
ジャイロセンサを除振装置に搭載し、装置の構成要素をすべて装置に搭載することで、除振対象への脱着を容易に行うことができる。
図５、図６及び図７に示されるように、除振装置には、電源装置１０４、装置回転角速度１１１を検出する角速度センサ１０６、信号処理手段３０１などで構成される装置制御回路１１２、回転力調整手段であるモータドライバ１０５、サーボモータ１０２を搭載し、フライホイール１０１はサーボモータ１０２に取り付ける。さらに除振対象への取り付け機構１０８を搭載することにより、除振対象の柔軟構造物に着脱可能な除振装置を構成する。
柔軟構造物に設置するための取り付け機構１０８の具体例としては、例えば挟持、接着、溶接、ネジ締結、磁石を用いた固定、などを挙げることができる。
ここで、前記除振装置には、除振装置自身の装置回転角速度１１１の検出手段１０６と、回転力発生手段１０２と、前記回転力発生手段により発生される駆動力を原動力とした回転反力発生手段１０１と、前記除振装置の柔軟構造物への固定手段１０８の搭載があればよい。
電源装置１０４、モータドライバ１０５、さらに装置制御回路１１２を構成する信号処理装置３０１などの手段は、必ずしも装置本体に搭載されている必要はなく、例えばトラクタの場合、ケーブルで信号を引き出して、ブームスプレーヤの車体上に取り付け、装置上のセンサの信号を読み取り、信号の処理を行って、装置上のモータにモータ駆動電流を返すような構成とすることができる。
このように除振装置（除振用アクチュエータ）とコントローラを分離して、コントローラ部分はスプレーヤの車体上にとりつけ、アームに取り付ける除振用アクチュエータの重量を軽量化することができる。
【００３４】  本発明において、サーボモータ１０２をフライホイール１０１に直結し、モータによりフライホイールにモータ発生トルク１０９を与え、制振力にはフライホイール発生反トルク１１０を利用する。
モータにはサーボモータ１０２を用い、サーボモータ１０２の出力を回転力調整手段であるモータドライバ１０５によって調整することでモータ発生トルク１０９を調整する。実際には、サーボモータ１０２として交流サーボモータを用いモータドライバ１０５の電流制御によりモータ発生トルク１０９の調整を実現する。また、サーボモータ１０２として直流サーボモータを用い、モータドライバ１０５のパルス幅変調によって出力を制御することによってもモータ発生トルク１０９の調整を実現可能である。
本発明では、直線運動のストロークの制約を回避するため、フライホイール１０１の回転慣性（慣性モーメント）を慣性質量として利用する。フライホイール１０１にモータを直結することで、摩擦による機械的なエネルギー損失を低減し、制振効果の低減を回避することができる。フライホイール１０１の半径を増加することでフライホイールの質量を増加することなく慣性モーメントを増加することができ、装置の質量の増加を回避することができる。
フライホール１０１には、蓄積される運動エネルギーの散逸を目的に、羽状構造物を取り付けてもかまわない。これによって、更なる振動エネルギーの散逸効果が期待できるだけでなく、モータならびにモータ制御装置上の回路にかかる負荷を軽減することができる。
【００３５】  角速度センサ１０６には軽量小型のＭＥＭＳデバイスで構成されるジャイロセンサを用い、コンピュータ１０３にはマイクロコンピュータを用いることで、軽量で小型の上記除振装置を構成することができる。
角速度センサ１０６を除振装置上に搭載し、サーボモータ１０２と角速度センサ１０６の回転軸方向と位置が一致するように配置し、コロケーションの位置関係とすることで、高周波数領域を含めた広い周波数帯域でフィードバック制御系の安定性が得られる。
ジャイロセンサの検出する角速度は、空間に固定された座標系に対する絶対角速度であるため、これをフィードバックすることにより、従来の方法で用いられてきた加速度信号を信号処理により積分して速度信号を得る方法と比べ、容易にスカイフック制御系を構成することができる。従来法の加速度信号の積分では積分誤差の蓄積により、得られる速度信号の零点が移動する問題があるが、ジャイロセンサを利用すれば、絶対空間を基準とした絶対角速度を直接計測して、加速度の積分による絶対速度の推定を回避することができ、原理的に積分誤差は生じないため、除振効果を低下させることなくスカイフック制御法を構成できることになる。
【００３６】  図７にて電気的な構成より本発明を説明すると、装置制御回路１１２において角速度センサ１０６からの角速度信号が信号計測されてデジタル化され、これをデジタル信号処理したモータ指令信号が、制御信号に変換されモータ１０２の回転力を調整する回転力調整手段であるモータドライバ１０５へ信号が伝達される。制御信号によりモータの回転力が調整され、フライホールに伝わるモータ発生トルク１０９が調整される。本発明の除振装置は、柔軟構造物に蓄えられた弾性エネルギーが運動エネルギーに交換されることにより生じる柔軟構造物の変形による回転運動を角速度信号として捕らえ、モータ発生トルク１０９が適切に調整されることにより、回転運動と逆向きのトルクをフライホイール発生反トルクとして柔軟構造物に作用させる。このとき除振装置は、柔軟構造物に対して負の仕事を与えることとなる。つまり、除振装置は柔軟構造物に蓄えられた弾性エネルギーと運動エネルギーからなる力学的エネルギーを吸収することとなり、吸収した力学的エネルギーをモータ１０２ならびにモータドライバ１０５で熱として消散することで、結果的に柔軟構造物が除振されることになる。
ここで、デジタル信号処理と信号増幅処理は一体となって制御器を構成し、回転力調整手段１０５に対する制御信号を生成する制御手段として機能するものである。
制御器には、角速度信号から効率よく除振を行うためのモータ指令信号の生成ならびに変換用のアルゴリズムが組まれており、角速度センサ１０６からの信号を変換し、制御手段が、除振装置の回転に対するフィードバック系を成すことができる。
【００３７】  ここで、制御器を比例制御器とすることにより、フィードバック系としてスカイフック制御系を成すことができる。
また、フィードバック制御系は、制御器のアルゴリズムにて、さまざまな柔軟構造物を除振対象とする場合に、対象の固有振動数に対して適切に動作するよう自動的に適応する適応制御系とすることができる。
さらに、本除振装置を取り付ける対象の固有振動数および固有振動モードがあらかじめ分かっている場合には、対象の運動モデルを元に状態観測器（オブザーバ）を構成し、最適レギュレータを構成することで、除振対象の持つ各振動モードに対して、状態フィードバック系を構成でき、さらに高い除振性能を得ることができる。
本発明において、フィードバック制御系は、スカイフック制御系と状態フィードバック制御系の併合制御系であると、スカイフック制御系の特徴である広い周波数帯域での良好な除振性能と状態フィードバック制御系の高い制御性能が同時に得られることから好ましい。
【００３８】  次に、フィードバック制御系、スカイフック制御系、状態フィードバック制御系、最適レギュレータ系、オブザーバ、適応制御系について本件除振装置を片もちはりに取り付けた場合を例にとって説明する。
片もちはりに本件除振装置をはりの固定端からｌｕの位置に取り付けた場合について考える。ここで、微分演算子について、次のような表記を用いることとする。
【数１】
2011080581.tif 000003
【００３９】  ひずみ速度比例型の減衰を考慮したオイラー・ベルヌーイはり理論に基づく片もちはりの運動方程式はディラックのデルタ関数を用いて次式で表される。
【数２】
2011080581.tif 000004
【００４０】  この方程式は、はりの微小要素のせん断力に対する運動方程式となっており、本件除振装置で入力するモーメントの作用を直接表現することができない。また、本件除振装置はモータによりモータ発生トルクＴ（１０９）を発生し、その反作用としてフライホイール発生反トルク−Ｔ（１１０）がはりに作用する。トルクは偶力Ｕを用いて
【数３】
2011080581.tif 000005
【００４１】と表現できることから、この偶力Ｕを用いてはりに対するモーメントの作用を表現している。片もちはりは連続体である為、固有振動数と固有振動モードを有し、固有振動モードとそのモード座標を用いて片もちはりの変位を表現すると、モードの重ね合わせから次式となる。
【数４】
2011080581.tif 000006
【００４２】  ただし、Ｙｉ（ｘ）は片もちはりの境界条件を元に得られた片もちはりのｉ次の固有振動モードである。これを運動方程式に代入し、両辺にＹｊ（ｘ）を乗算してはりの全長にわたって積分すると、振動モードの直交性から、各振動モードのモード座標に関する運動方程式
【数５】
2011080581.tif 000007
【００４３】が得られる。Ｎ次振動までを考慮すると、片もちはりの運動方程式は、
【数６】
2011080581.tif 000008
【００４４】  ただし、
【数７】
2011080581.tif 000009
【００４５】と表すことができる。これを状態方程式で表現すると、
【数８】
2011080581.tif 000010
【００４６】  ただし、
【数９】
2011080581.tif 000011
【００４７】となる。本件除振装置をはりの固定端からｌＳの位置に取り付けた場合、除振装置に搭載されたジャイロセンサは、はりのｌＳの位置のたわみ角の時間変化割合、つまり、たわみ角の速度を角速度信号として計測することとなり、その角速度信号は、
【数１０】
2011080581.tif 000012
【００４８】と表される。Ｎ次までの振動を考慮した場合、上式は、
【数１１】
2011080581.tif 000013
【００４９】となる。
フィードバック制御系は、センサなどで計測された信号にもとづいて、制御対象に対して制御力を与える制御系である。本件除振装置では、片もちはりのたわみ角の時間変化量を表す角速度センサ１０６の情報をもとに制御力を決定し、モータを駆動して反モーメントを発生し、制御力を除振対象にフィードバックする。一例を挙げれば、本件除振装置上に設置した角速度センサ１０６により得られる角速度信号に対し、
【数１２】
2011080581.tif 000014
【００５０】として、比例ゲインを乗算して信号を増幅することにより、片もちはりに対する制御力を調整してフィードバックすることでフィードバック制御系となる。スカイフック制御系は、絶対空間での位置や速度をフィードバックすることにより、あたかも絶対空間に接続された仮想的なばねや仮想的なダンパーを実現する制御系である。仮想的なバネを構成する場合はスカイフックスプリング、仮想的なダンパーを構成する場合はスカイフックダンパーと呼ばれる。したがって、上述のフィードバックを行えば、除振対象の片もちはりの柔軟変形に伴うたわみ角速度に対してスカイフックダンパーを実現したこととなり、本件除振装置の特徴であるスカイフック制御系を構成したことになる。このとき、柔軟構造物の柔軟変形に伴う振動時の構造物のたわみ角をあたかも絶対空間に接続されたダンパーによって除振しているのと同様の効果を実現する。
【００５１】  状態フィードバック制御系は、例えば制御対象の運動の状態が状態方程式（数９）中の状態変数Ｘで表現できる場合に、制御対象の運動の状態を全てフィードバックするフィードバック制御系であり、高い制御性能を有する。本件除振装置を片もちはりに取り付けた場合について考える。この状態変数Ｘを元に次式
【数１３】
2011080581.tif 000015
【００５２】のように、系の状態を表す状態量全てを用いてモータが発生するモータ発生トルク１０９を決定してフィードバックを施すことで、状態フィードバック制御系を構成できる。この制御系では考慮したＮ次の振動モードを制御することができるため、高い除振効果を発揮する。
最適レギュレータ系は、評価関数
【数１４】
2011080581.tif 000016
【００５３】を導入し、この評価関数を最小とする数１３のフィードバックゲインＫを用いた状態フィードバック制御系である。これを満足する解はＲｉｃｃａｔｉ方程式
【数１５】
2011080581.tif 000017
【００５４】の解Ｐを用いて
【数１６】
2011080581.tif 000018
【００５５】として得られる。本件除振装置では、状態方程式について、最適レギュレータ理論によりフィードバックゲインを計算し、最適レギュレータ系を構成することにより、高い制御性能が得られる。
最適レギュレータ系などの状態フィードバック制御系を実現するためには、前述のとおりシステムの全状態量が計測され、状態ベクトルＸが分かっている必要があるが、一般的には多数のセンサが必要となりこれを実現することは容易でない。限られたセンサで計測できる状態量を用いて、計測できない状態量を推定するアルゴリズムがオブザーバである。本件除振装置では、片もちはりのたわみ角の角速度のみが計測により得られるため、状態変数Ｘを構成するシステムの状態量
【数１７】
2011080581.tif 000019
【００５６】及び数１７の状態量の時間変化速度を直接計測することはできない。そこで直接計測できない状態変数についてはオブザーバにより推定し、状態フィードバック系である最適レギュレータ系を実現する。具体的には、制御器上にオブザーバ
【数１８】
2011080581.tif 000020
【００５７】を構成し、状態量Ｘの推定値Ｚを計算により推定する。Ｇはオブザーバのゲインである。このとき上記オブザーバの状態方程式から片もちはりの状態方程式（数９）を辺々引き算すると、
【数１８】
2011080581.tif 000021
【００５８】が得られる。ただし
【数１９】
2011080581.tif 000022
【００５９】である。このとき
【数２０】
2011080581.tif 000023
【００６０】の固有値の実部が全て負となるようにＧを決定することで、時間とともにｅが０に収束することになる。このときＺがＸに収束することとなりＺは状態量Ｘの推定値となる。Ｚは制御器上で計算されるものであるため、このベクトル内の状態量が全て利用できるため、
【数２１】
2011080581.tif 000024
【００６１】とすることで、最適レギュレータ等の状態フィードバック制御系を実現したこととなって高い除振性能が得られる。
適応制御系は、制御対象の動特性が変化する場合に、その変化に応じて制御系のフィードバックゲインを自動的に調整することが可能な制御系である。本件除振装置は質量や剛性や固有振動数が異なるさまざまな対象に取り付けることができるが、ひとつの対象に対して最大限除振効果を発揮するように調整した場合、異なる対象に取り付けた場合など対象の動特性が変化した際に制御性能が劣化する。適応制御系を適用することにより本除振装置を取り付ける除振対象が変わった場合でも制御系のパラメータが自動的に調整され、常に最良の除振効果を得られる。
【００６２】  また、本発明において、信号処理手段は、中心周波数を除振対象の柔軟構造物の固有振動数に概ね一致させたバンドパスフィルタ処理手段であることが好ましい。
図８は、制御器３０２のデジタル信号処理に対して、固有振動数を中心周波数とするバンドパスフィルタを構成した例である。バンドパスフィルタの適用により構造物の柔軟性にもとづく振動のみを効率よく制振し、剛体的な運動に与える影響を小さくすることができ、構造物全体の回転運動の妨げとなることを回避できることになる。また、ジャイロセンサの特性として、温度ドリフトが生じ零点の移動が起こるが、バンドパスフィルタはこれについても除去することができるものである。
さらに、除振性能の向上のためには、信号処理手段は信号増幅処理手段とバンドパスフィルタ手段の両者の使用が好ましい。両者の使用により、制御対象の周波数領域におけるフィルタの位相特性の調整と、除振制御の感度の調整を独立して行うことが可能となり、信号処理の自由度を向上することとなる。
【００６３】  信号増幅処理は、信号に比例ゲインを乗算して出力する処理である。
バンドパスフィルタ処理は、入力信号の高周波数成分を透過するハイパスフィルタと低周波数成分を透過するローパスフィルタとを直結したフィルタであり、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｈをハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆｌより大きくし、除振する振動の周波数帯域をｆｌからｆｈに限定する処理であり、除振対象の柔軟構造物の固有振動数がｆｌとｆｈのほぼ中間となるようにｆｌとｆｈを調整することで、固有振動数付近のフィルタのゲインがおおよそ１、位相がおおよそ０度となり、それ以外のｆｌより低周波数帯域の信号ならびに、ｆｈより高周波数帯域の信号ノイズを低減することとなり、固有振動数付近の周波数帯域において除振効果を向上するために役立つ。
【００６４】  信号増幅処理手段とバンドパスフィルタ処理手段は、どちらもデジタル信号処理、アナログ信号処理およびその両者の組み合わせによって構成できる。デジタル信号処理とアナログ信号処理には次のような利点と欠点がある。
デジタル信号処理は、コンピュータを用いて実現する。デジタル信号処理では、コンピュータ上に信号処理アルゴリズムを自由に構築することができ、プログラムを書き換えることにより容易に信号処理のアルゴリズムを変更または更新することが可能である。また、信号処理そのものによるノイズが混入することを回避できる。しかしながら、入力される信号を一定時間周期でサンプリングすることとなり、時間方向の離散化が生じる。このとき、サンプリングのナイキスト周波数を超える高周波数帯域の信号が、除振の対象とする信号の周波数帯域に折り返しひずみとして表れ、制御性能を低下させ、本除振装置の除振効果を低下させる原因となる。また、Ａ／Ｄコンバータによるアナログ／デジタル変換を行うこととなり、信号の振幅方向の量子化が生じるため量子化の分解能が低い場合には計測の誤差が生じて除振性能が低下する原因となる。
【００６５】  アナログ信号処理は、オペアンプを利用した電子回路によりローパスフィルタ回路、ハイパスフィルタ回路などを構成する。従って、アナログ信号処理のアルゴリズムは、簡単な信号処理に限定される。しかしながら、デジタル信号処理と異なり、理論上、折り返しひずみが生じることが無いため、高周波数成分の除去の性能が高い。一方で、電子回路により構成されるため、簡単に回路の構成を変更して信号処理のアルゴリズムを変更することはできず、また、回路に対して周囲の電磁波等がノイズとして混入する可能性がある。
デジタル信号処理は、アナログ信号処理と組み合わせることで、デジタル信号処理とアナログ信号処理をそれぞれ単独で用いた場合と比べて、信号処理の性能を向上できる。具体的には、高周波数帯域の信号に対しては、あらかじめアナログ信号処理によってローパスフィルタ処理を施して、折り返しひずみを発生させる要因となる高周波数成分を前もって除去し、次にデジタル信号処理によって信号増幅処理を含む様々な信号処理を行う。これにより、デジタル信号処理で生じる折り返しひずみを低減し、アナログの信号処理で混入するノイズを避けることができる。
本件除振装置では、角速度センサ１０６からの角速度信号には除振対象の振動とは無関係の高周波数成分のノイズが含まれているため、角速度センサ１０６からの信号を計測する前に、アナログ信号処理によるローパスフィルタ処理によって高周波数成分をあらかじめ除去して、一定周期のサンプリングに起因する折り返しひずみを低減し、つづけて、デジタル信号処理によるノイズの混入の無い信号処理を用いることで、ノイズによる除振効果の低下を避けることができる。したがって、本件除振装置の除振性能を向上するためには、デジタル信号処理とアナログ信号処理の両者を組み合わせて用いることが好ましい。
また、デジタル信号処理を実現するコンピュータには、小型のマイコンを用いることにより、除振装置を小型化できる。
【００６６】  除振装置の制御系の構成を図９に示す。前述したように、本発明の特徴は柔軟構造物の振動時に生じるたわみ角の時間変化割合（たわみ角速度）をジャイロセンサにより、直接計測しこれを制御に用いることである。ジャイロセンサにより得られる角速度信号は空間に固定された絶対座標系を基準とした絶対角速度であるため、制御器を最も簡単な比例制御器としてフィードバック系を構成することで容易にスカイフック制御系を構成することができ、広い周波数帯域に渡って高い振動減衰効果を得られる。また、本除振装置を取り付ける対象の固有振動数および固有振動モードが分かっている場合には、状態観測器（オブザーバ）を構成し、最適レギュレータを構成することで、除振対象の持つ各振動モードに対して、状態フィードバック系を構成でき、さらに高い除振性能を得ることができる。
【００６７】  本発明の除振装置を片もちはり状の構造物に取り付けた場合の取り付け例を図１０に示す。
この場合、本発明の除振装置は、片もちはりの固有振動モードに対応させて取り付けることが好ましい。
図１１は本発明の除振装置を取り付けて除振対象とする片持ちはりの１次から３次までの固有振動モードを示す図である。図１１では一例として、３次の振動モードのたわみ角が０の位置に取り付け、３次振動モードを不可観測とする場合を示している。１次と２次の固有振動モードのたわみ角が０でない点に本発明を取り付けることで、３次を除いた振動モードに対して除振効果を発揮する。また、たわみ角の高次の振動モードが０の点に取り付けることで、高周波数の振動成分を不可観測とし制御系のスピルオーバを回避することができる。
本発明の除振装置は、このようにして柔軟構造物に取り付けて除振するものであるが、１個のみならず複数個取り付けてもかまわない。
【００６８】  本発明の除振装置は、図６に示すボックス型であることが好ましいが、その形状は使用の目的、状態に応じて、円筒型、円錐型、円錐台型等様々な形状で使用することができる。また、本発明が除振する柔軟構造物は、アーム構造や帯状構造や板状構造であってもかまわない。
【実施例】
【００６９】  実施例１（除振効果）
本発明による除振効果を図１２に示す。
図１２は次に述べる図１３に示す実験装置による実験結果を示す図である。実験装置は本発明の第１の発明を構成する除振装置である。除振装置の回転力発生手段１０２にはフライホイール（第２の発明を参照）を用いた。除振装置の角速度検出手段１０６には角速度センサを用い、前記角速度センサにはＭＥＭＳデバイスを用いて小型化されたジャイロセンサを用いた（第１４の発明を参照）。除振装置の回転力発生手段１０１には直流サーボモータを用いた（第１５の発明を参照）。より詳細には、柔軟構造物は長さ４０ｃｍ、幅３ｃｍ、厚さ０．６ｍｍのステンレス製の板の一端を固定した片もち（固定−自由）はりであり、帯状の柔軟構造物でかつ柔軟なアーム状構造物である（第１０、１１の発明を参照）。除振装置を片もちはりに接着し、除振対象への固定手段１０８とした。除振装置の制御手段である装置制御回路１１２とモータ制御装置１０５は除振装置上には搭載せずに外部に設置した。信号処理手段は、デジタル信号処理手段で構成した（第２０の発明を参照）。前記デジタル信号処理手段には、コンピュータを用い、前記コンピュータにはマイコンを用いた（第２２の発明を参照）。信号計測手段にはマイコンに搭載されたＡ／Ｄ変換器を用いた。前記信号処理手段は信号増幅処理手段と、バンドパスフィルタ処理手段とした（第１８の発明を参照）。前記バンドパスフィルタ処理手段は除振対象の１次固有振動数を中心周波数としたバンドパスフィルタとした。前記信号処理手段によって処理された信号を元に、回転力調整手段１０５への制御信号を生成する制御手段についても前記マイコン上に搭載した。前記制御手段は計測された角速度信号を元に制御対象に対して制御力を与えるフィードバック制御系を成し（第３の発明を参照）、前記ジャイロセンサにより計測される絶対角速度をフィードバックすることから、スカイフック制御系を成す（第４の発明を参照）。さらに制御手段にはオブザーバを構成し、オブザーバにより推定される状態量をフィードバックする状態フィードバック系を構成した（第５、第９の発明を参照）。また、前記状態フィードバック系は前記最適レギュレータ理論によって得られたフィードバックゲインを用いることで、最適レギュレータ系とした（第８、第９の発明を参照）。したがって、前記フィードバック制御系はスカイフック制御系と最適レギュレータ系を併合した併合制御系とした（第６、第８、第９の発明を参照）。前記直流モータの回転力調整手段１０５としてＨブリッジモータドライバＩＣを用いた出力調整回路を構成し、前記制御手段により生成された制御信号をパルス幅変調信号として回転力調整手段に与えた。図１１に示すように３次振動モードの固定端側のたわみ角の節に除振装置を取り付けて実験を行った。
図１２に示されるように、装置を稼動しない場合には振動が長時間持続しているのに対し、装置を稼動した場合は振動の振幅が急速に減衰していることが示されており本装置の高い除振効果がわかる。【００７０】  実施例２（農薬散布機での使用）
農薬散布機（ブームスプレーヤ）を例にとり本発明の実施例を示す。除振装置を農薬散布機（ブームスプレーヤ）に搭載する場合の実施例を図１４に示す。
前記の除振装置は、装置にすべての機能を搭載する構造として構成することが可能であり、この場合には除振装置をスプレーヤの左右のアーム１００１それぞれに簡単に取り付けることができる。
搭載する除振装置の電源には電源ケーブル１００２をトラクタに接続し、トラクタから供給される電源を用いる。
ブームスプレーヤのアーム１００１は軽量化のためにトラス構造が用いられる。前記の除振装置は小型化が可能であるため、トラス構造に生じた空間に除振装置を搭載することにより、ブームスプレーヤのアームの構造を変更することなく取り付けることが可能である。
除振装置を取り付けることにより、アームの柔軟性によって生じる振動を除振することが可能となり、走行時のアームの振動を低減することで高速走行中の農薬散布量のムラが解消され、アームが振動して地面に接触して損傷する事故を避けることができる。【００７１】  実施例３（衛星の太陽電池パネルでの使用）
本件除振装置を衛星の太陽電池パネルに搭載する場合の実施例を図１５に示す。
宇宙空間では空気抵抗による減衰が作用しないため、振動が発生するとその振動が長時間持続することとなり、振動を低減するための対策が必要となる。本件除振装置を衛星の太陽電池パネルに取り付けることにより、パネルの振動を効果的に除振することができる。【００７２】  実施例４（振動により生じる塗装のムラを低減した軽量塗装用アーム装置）
振動により生じる塗装のムラを、本件除振装置を搭載して除振することにより低減した長尺塗装スプレー装置として構成した場合の実施例を図１６に示す。
橋梁や高層ビルの老朽化が問題となっているが、橋梁や高層ビルの外装を塗装することで保護して長寿命化を図る場合に、本件除振装置を搭載することで振動により生じる塗装のムラを低減した軽量塗装用アーム装置を用いることで、安全かつ効率的に作業を遂行できる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】  軽量塗装用アームの制振、衛星太陽電池パネルの制振、農業用農薬散布機（ブームスプレーヤ）の制振、高層ビルの制振、金属板の連続圧延装置における制振に対して有効な制振装置となり得る柔軟構造物の除振装置を提供する。
【符号の説明】
【００７４】１０１  フライホイール
１０２  サーボモータ
１０３  コンピュータ
１０４  電源装置
１０５  モータドライバ
１０６  角速度センサ
１０７  取り付け用クランプ締め付けボルト
１０８  取り付け用クランプ
１０９  モータ発生トルク
１１０  フライホイール発生反トルク
１１１  装置回転角速度
１１２  装置制御回路
３０１  信号処理手段
３０２  制御器
５０１  除振対象柔軟構造物
１００１  ブームスプレーヤ農薬散布アーム
１００２  電源ケーブル
【図１】
2011080581.tif 000025
【図２】
2011080581.tif 000026
【図３】
2011080581.tif 000027
【図４】
2011080581.tif 000028
【図５】
2011080581.tif 000029
【図６】
2011080581.tif 000030
【図７】
2011080581.tif 000031
【図８】
2011080581.tif 000032
【図９】
2011080581.tif 000033
【図１０】
2011080581.tif 000034
【図１１】
2011080581.tif 000035
【図１２】
2011080581.tif 000036
【図１３】
2011080581.tif 000037
【図１４】
2011080581.tif 000038
【図１５】
2011080581.tif 000039
【図１６】
2011080581.tif 000040