質量測定装置
【課題】物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することのできる質量測定装置を提供する。
【解決手段】質量測定装置１００は、ロボットハンド２３と、ロボットアーム１１と、ロードセル２１と、加速度センサ２２と、制御部４０とを備えている。ロボットハンド２３は、物品Ｑを保持する。ロボットアーム１１は、ロボットハンド２３を移動させる。ロードセル２１は、ロボットハンド２３とロボットアーム１１との間に設けられて、移動時の物品Ｑに作用する力を測定する。加速度センサ２２は、移動時の物品Ｑに作用する加速度を測定する。制御部４０は、ロボットハンド２３およびロボットアーム１１を運転制御し、移動時の物品Ｑに作用する力および加速度に基づいて物品Ｑの質量を算出する。
【解決手段】質量測定装置１００は、ロボットハンド２３と、ロボットアーム１１と、ロードセル２１と、加速度センサ２２と、制御部４０とを備えている。ロボットハンド２３は、物品Ｑを保持する。ロボットアーム１１は、ロボットハンド２３を移動させる。ロードセル２１は、ロボットハンド２３とロボットアーム１１との間に設けられて、移動時の物品Ｑに作用する力を測定する。加速度センサ２２は、移動時の物品Ｑに作用する加速度を測定する。制御部４０は、ロボットハンド２３およびロボットアーム１１を運転制御し、移動時の物品Ｑに作用する力および加速度に基づいて物品Ｑの質量を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量測定装置に関し、特に移動している物品の質量をその移動時に測定する質量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ばね秤や電子秤では、重力加速度以外の加速度の影響を排除するために、静止状態で使用することを前提としている。しかし、近年、揺れる物体上に据え付けられ、揺動による計量誤差を除去した質量を測定する質量測定装置が普及している。例えば、特許文献１（特開平８−１１０２６１号公報）に開示されている質量測定装置では、通常の計量用ロードセルとは別に、分銅を載荷したダミー用ロードセルで床の上下動成分を検出し、検出した上下動成分を、計量用ロードセルの出力信号から減算することによって、床の上下動成分を含まない計量信号を出力するようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の質量測定装置も、物品に作用する重力によってロードセルが垂直方向へ変位することを利用しているので、ロードセルが重力によっては、変位しない状態になる場合、物品の質量を検出することができなくなる。
【０００４】
それゆえ、例えば、マニピュレータやロボットハンドのように、物品を持ち上げて移動させる先端部にロードセルを取り付けて、持ち上げた物品を移動している最中に、その物品の質量を測定しようとしても、従来技術では困難である。
【０００５】
本発明の課題は、物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することのできる質量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１観点に係る質量測定装置は、物品を移動させながらその物品の質量を測定する質量測定装置であって、保持機構と、移動機構と、力測定部と、加速度測定部と、制御部とを備えている。保持機構は、物品を保持する。移動機構は、保持機構を移動させる。力測定部は、保持機構と移動機構との間に設けられて、移動時の物品に作用する力を測定する。加速度測定部は、移動時の物品に作用する加速度を測定する。制御部は、保持機構および移動機構を運転制御し、移動時の物品に作用する力および加速度に基づいて物品の質量を算出する。
【０００７】
この質量測定装置では、物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することができるので、例えば、この質量測定装置をロボットハンドの先端部に取り付ければ、物品の搬送を兼ねて移動させながらその質量を測定することができる。
【０００８】
例えば、製造ラインから次々と送られてくる商品をロボットハンドで掴んで箱詰めする既設のラインでは、その前段に商品の内容量をチェックするウェイトチェッカーと、内容量が不足するものをラインから排除する振り分け装置とを設けなければならない。
【０００９】
しかし、この質量測定装置が組み込まれたロボットハンドを使用すれば、商品を掴んで移動させている最中に当該商品の質量を測定して内容量の適正をチェックすることができるので、これまで使用していたウェイトチェッカーや振り分け装置等を既設のラインから撤去することができる。
【００１０】
この他、商品の質量に応じて商品のランク選別を行う仕分けラインでは、まず商品をラインに投入する装置があり、次に投入された商品の質量を測定するウェイトチェッカーなどがあり、最後に測定された質量に応じて仕分けを行う装置がある。本発明に係る質量測定装置が組み込まれたロボットハンドを用いれば、商品の投入装置・ウェイトチェッカー・仕分け装置で行うすべての処理を１台で行うことができる。
【００１１】
また、重力加速度の影響を排除して物品の質量を測定することができるので、例えば、日本のように地域毎に重力が異なるために行っている秤の地区別重力補正が不要となる
本発明の第２観点に係る質量測定装置は、第１観点に係る質量測定装置であって、制御部が、移動時の物品に作用する力を、移動時の物品に作用する加速度で除算して物品の質量を算出する。
【００１２】
本発明の第３観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、力測定部および加速度測定部それぞれの検出方向が、重力の作用しない方向であり、且つその方向が一致している。
【００１３】
本発明の第４観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、力測定部および加速度測定部それぞれの検出方向が、重力の作用する方向であり、且つその方向が一致している。
【００１４】
本発明の第５観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、力測定部および加速度測定部が少なくとも二組設けられている。また、組ごとに力測定部および加速度測定部それぞれの検出方向が一致し、且つ、組ごとの検出方向が交差している。
【００１５】
本発明の第６観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、加速度測定部が、制御部から移動機構に出力される運転指令に基づいて物品に作用する加速度を算出する。
【００１６】
この質量測定装置は物理的な加速度検出器を備える必要がないので、装置の小型および軽量化を図ることができる。
【００１７】
本発明の第７観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、外部監視装置をさらに備えている。外部監視装置は、移動しない位置に固定され、物品または保持機構もしくは移動機構の動作を監視する。加速度測定部は、外部監視装置から得られるデータに基づいて物品に作用する加速度を算出する。
【００１８】
この質量測定装置では、物品に作用する加速度が、静止した外部監視装置のデータから求められるので、加速度センサの設置による配線等の影響がなく、使い勝手がよい。
【００１９】
本発明の第８観点に係る質量測定装置は、第７観点に係る質量測定装置であって、外部監視装置がレーザー変位計である。
【００２０】
本発明の第９観点に係る質量測定装置は、第７観点に係る質量測定装置であって、外部監視装置がカメラである。
【００２１】
本発明の第１０観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、保持機構に取り付けられるカメラをさらに備えている。加速度測定部は、外部に予め設けられる所定の基準点と、カメラから得られる画像データとに基づいて物品に作用する加速度を算出する。
【００２２】
従来、物品の搬送工程では、物品を取る或いは物品を置く手段として、カメラを装着した保持機構（例えば、ロボットハンド）によって掴みにいく構成が多い。それゆえ、この質量測定装置では、そのカメラからの画像データを基に保持機構が所定の基準点から他の所定の基準点まで移動した距離データを得ることができるので、その距離データから加速度も求めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る質量測定装置では、物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することができるので、例えば、この質量測定装置をロボットハンドの先端部に取り付ければ、物品の搬送を兼ねて移動させながらその質量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】質量測定装置の概略構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る質量測定装置の正面図。
【図３】エアー吸着機構の斜視図。
【図４】ロードセルおよび加速度センサによって検出された信号を処理する信号処理回路図。
【図５】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を示すグラフ。
【図６】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を基に除算演算により質量を算出した結果を示すグラフ。
【図７】本発明の第２実施形態に係る質量測定装置の正面図。
【図８】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を示すグラフ。
【図９】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を基に、除算演算により算出した質量結果を示すグラフ。
【図１０】第１変形例に係る質量測定装置の制御ブロック図。
【図１１】第２変形例に係る質量測定装置の斜視図。
【図１２】第３変形例に係る質量測定装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２６】
＜第１実施形態＞
（１）質量測定の原理
図１は、質量測定装置の概略構成図である。図１において、力検出器１は移動中の物品に作用する力を検出する。保持機構２は、物品Ｑを保持する。移動機構３は、保持機構２を三次元的に移動させる。加速度検出器４は、物品Ｑに作用する加速度を検出する。なお、力検出器１は保持機構２と移動機構３との間に設けられ、加速度検出器４は保持機構２に近接して設けられる。
【００２７】
力検出器１には、例えば、歪みゲージ式ロードセルが採用される。歪みゲージ式ロードセルは、移動によって自由端側が固定端側に対して相対的に変位し、それによって自由端側に作用する力を検出することができる。保持機構２は、ロボットハンド、エアー吸着機構、或いは、エアーチャック機構であってもよい。
【００２８】
移動機構３としては、三次元的に移動可能なロボットアームが好ましく、例えば、水平多関節ロボットや垂直多関節ロボット、あるいは、パラレルリンクロボット等が適切である。
【００２９】
加速度検出器４としては、例えば、歪みゲージ式ロードセル、ＭＥＭＳ型の小型加速度センサ、及び一般的な市販の加速度センサのいずれかが適宜採用される。
【００３０】
なお、移動機構３がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動することにより、物品Ｑには加速度が作用する。そのときの運動方程式は、次式のように表わされる。
（ｍ＋Ｍ）ｄ2Ｘ／ｄｔ2＝ＫｘＸ ・・・（１）
（ｍ＋Ｍ）ｄ2Ｙ／ｄｔ2＝ＫｙＹ ・・・（２）
（ｍ＋Ｍ）ｄ2Ｚ／ｄｔ2＝ＫｚＺ ・・・（３）
【００３１】
ここで、ｍは物品Ｑの質量、Ｍは力検出器１に負荷される風袋質量、すなわち、力検出器１に負荷される風袋の質量と保持機構２の質量と加速度検出器４の質量との和である。また、Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚは、力検出器１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれのばね定数である。また、Ｘ、Ｙ，Ｚは、力検出器１の静的平衡状態、すなわち、加速、減速をしていないときの状態からの変位量である。
【００３２】
計算式（１）、（２）及び（３）から明らかなように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかの方向、例えば、Ｘ軸方向だけの運動方程式に着目したとき、上記（１）式から、物品Ｑの質量ｍは、下記の計算式から求めることができる。
ｍ＝ＫｘＸ／（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）−Ｍ ・・・（４）
【００３３】
つまり、ＫｘＸは力検出器１が検出するＸ軸方向の力であり、（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）は加速度検出器４が検出するＸ軸方向の加速度であり、Ｍは既知質量であるので、求めたい物品Ｑの質量ｍは力検出器１の出力（ＫｘＸ）を加速度検出器４の出力（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）で除算しその結果から風袋質量Ｍを減算することによって求めることができる。
【００３４】
同様に、Ｙ軸方向の力と加速度とを検出しても、物品Ｑの質量を求めることができる。また、Ｚ軸方向（垂直方向）では、その場所における重力が検出結果に影響するが、静的平衡状態からの運動を考えるとばねの復元力と重力は釣り合うので、上記（３）式のようになり、重力加速度に影響されずに上記（４）式同様に物品の質量ｍを求めることができる。
【００３５】
（２）質量測定装置１００の具体的構成
（２−１）駆動系
図２は、本発明の第１実施形態に係る質量測定装置１００の正面図である。図２において、質量測定装置１００は、ロボットアーム１１と、歪みゲージ式のロードセル２１と、加速度センサ２２と、ロボットハンド２３とを備えている。
【００３６】
ロボットアーム１１は移動機構であり、ＤＥＮＳＯ製水平多関節ロボットＨＭ−４０７０３Ｅ２／Ｊを採用している。ロボットアーム１１の先端ベース部１２には、ロードセル２１の一端が固定されている。
【００３７】
ロードセル２１は力検出器であり、定格荷重８０ｋｇｆ、定格出力２ｍＶ／Ｖの歪みゲージ式ロードセルを採用している。また、加速度センサ２２とロボットハンド２３とがロードセル２１の自由端側に設けられている。なお、加速度センサ２２とロボットハンド２３とは、加速度検出器と保持機構として機能する。また、加速度センサ２２には、定格荷重８０ｋｇｆ、定格出力２ｍＶ／Ｖの歪みゲージ式ロードセルが採用されており、その自由端には３７４ｇの金属製の錘が固定されている。
【００３８】
ロボットハンド２３は保持機構であるが、フィンガー機構、又はエアー吸着機構（或いは、エアーチャック機構）で代用されてもよい。図２に示すロボットハンド２３は、フィンガー機構であり、物品Ｑが固形物である場合に適しており、以後、ロボットハンド２３ａとよぶ。また、エアー吸着機構やエアーチャック機構は、例えば袋詰商品のように、形状が一定しない場合に適している。
【００３９】
図３は、エアー吸着機構式のロボットハンド２３の斜視図を示す。ロボットハンド２３は、アルミニウム製の箱にシリコンゴムで形成された直径４０ｍｍの吸盤４個を備えたエアー吸着機構であり、このアルミニウム製の箱からエアーを吸引することにより、その４個の吸盤にて測定対象となる物品Ｑを吸着する。なお、第１実施形態では、エアー吸着機構式のロボットハンド２３を用い、以後、エアー吸着機構式のロボットハンドをロボットハンド２３ｂとよぶ。また、フィンガー機構式およびエアー吸着機構式のいずれでもよい場合は、ロボットハンド２３とよぶ。
【００４０】
また、エアーの吸引には、ＣＫＤ製真空発生器ＶＰＲ２−１０ＬＳＶＥＧを採用し、真空発生器には、０．５ＭＰａのドライエアーを供給する。さらに、測定する物品Ｑとして、１８７ｇの金属製ブロックを使用する。
【００４１】
図２及び図３において、物品Ｑの質量は、ロボットハンド２３に保持された物品Ｑがロボットアーム１１によって移動している最中に、ロードセル２１及び加速度センサ２２の出力に基づいて物品Ｑの質量が測定できるように構成されている。
【００４２】
（２−２）制御系
図４は、ロードセル２１及び加速度センサ２２によって検出された信号を処理する信号処理回路図である。図４において、ロードセル２１と加速度センサ２２には、それぞれ増幅器３１ａ、３１ｂが接続されており、これらの増幅器３１ａ、３１ｂは、ロードセル２１及び加速度センサ２２から入力された検出信号を増幅する。また、各増幅器３１ａ、３１ｂには、それぞれローパスフィルタ３２ａ、３２ｂが接続されている。このローパスフィルタ３２ａ、３２ｂは、入力された検出信号から一定周波数以上のノイズ成分を除去する。また、各ローパスフィルタ３２ａ、３２ｂには、それぞれＡ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂが接続されており、そのＡ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂは、入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する。また、各Ａ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂは、制御部４０に接続されている。
【００４３】
制御部４０は、入力された検出信号に基づいて各種の処理を実行する。先ず、両検出信号に含まれるノイズ周波数成分をローパスフィルタにより除去する処理を行う。そして、そのノイズ周波数成分が除去された両検出信号を用いて、ロードセル２１の検出信号を加速度センサ２２の検出信号で除算する処理を行い、その除算結果から風袋質量を減算して質量ｍを算出する処理を行う。なお、風袋質量とは、ロードセル２１に負荷される風袋質量とロボットハンド２３の質量と加速度センサ２２の質量との和である。
【００４４】
制御部４０としては、ＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）やマイコン等を使用することができる。
【００４５】
（３）動作
ロードセル２１及び加速度センサ２２は、重力が作用する方向に対して９０度傾けた状態で配置されており、ロードセル２１及び加速度センサ２２それぞれの検出方向は重力が作用しない方向であり、且つその方向が一致している。
【００４６】
先ず、重力が作用する鉛直方向下向きに距離１５０ｍｍだけロボットアーム１１の最大能力にて移動させ（所要時間は０．２５秒）、そこでロボットハンド２３ｂにより物品Ｑを吸着させて保持し、その後、鉛直方向上向きに距離１５０ｍｍだけロボットアーム１１の最大能力にて移動させる（所要時間は０．２５秒）。
【００４７】
次に、水平方向へ距離６４０ｍｍだけロボットの最大能力にて移動させる（所要時間は０．３５秒）。そして、再度、鉛直方向下向きに距離１５０ｍｍだけロボットの最大能力にて移動させ（所要時間は０．２５秒）、その後にロボットハンド２３ｂのエアー吸引を止めて物品を放す。実験では、上記動作を６０回繰り返した。
【００４８】
図５は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を示すグラフである。図５において、グラフ中の実線で示すデータはロードセル２１の検出信号である、破線で示すデータが加速度センサ２２の検出信号である。
【００４９】
両検出信号は、ロボットハンド２３ｂにより、物品Ｑを吸着した時を基点にデータ収集を行っている。このグラフを見て分かるように、重力の作用しない方向にロードセル２１及び加速度センサ２２が配置されているので、鉛直方向の移動の際には、検出信号にはその移動の影響は現れず、水平方向の移動区間にその移動による影響が現れている。
【００５０】
水平方向移動時に作用している力は、最大で約３ｋｇｆ、加速度は、最大で約１．５Ｇとなっている。このグラフから見て分かるように、水平移動中のロードセル２１の検出信号だけでは、質量を測定することはできないことが分かる。
【００５１】
図６は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を基に除算演算により質量を算出した結果を示すグラフである。図６において、グラフ中の実線で示すデータが質量の算出結果である。また、上記の式（４）からも分かるように、質量測定装置１００では、加速度センサ２２の検出信号で除算演算するが、加速度検出信号が０Ｇの時点については、除算演算が不可能である。そこで本実験では、加速度検出信号が０Ｇ付近については、演算を行わずに０ｇ表示としている。
【００５２】
このグラフから分かるように、物品Ｑが重力の作用しない水平方向に移動している間は、質量が測定出来ていることが分かる。物品Ｑの質量は、グラフ中の時間で０．４７３秒のポイントのデータを使用し算出した結果、１８７．１ｇとなった。物品の移動動作を６０回繰り返し行ったときの平均値は、１８７．５ｇ、標準偏差が０．３５ｇであった。
【００５３】
（４）特徴
（４−１）
例えば、製造ラインから次々と送られてくる商品をロボットハンドで掴んで箱詰めする既設のラインでは、その前段に商品の内容量をチェックするウェイトチェッカーと、内容量が不足するものをラインから排除する振り分け装置とを設けなければならない。
【００５４】
しかし、この質量測定装置１００では、ロボットハンド２３ｂが商品を保持して移動させている最中に当該商品の質量を測定して内容量の適正をチェックすることができるので、これまで使用していたウェイトチェッカーや振り分け装置等を既設のラインから撤去することができる。
【００５５】
（４−２）
また、商品の質量に応じて商品のランク選別を行う仕分けラインでは、まず商品をラインに投入する装置があり、次に投入された商品の質量を測定するウェイトチェッカーなどがあり、最後に測定された質量に応じて仕分けを行う装置がある。
【００５６】
しかし、この質量測定装置１００では、商品の投入装置・ウェイトチェッカー・仕分け装置で行うすべての処理を１台で行うことができる。
【００５７】
また、水平方向に加速するときに物品の質量を測定するので、重力加速度の影響を排除して物品の質量を測定することができる。それゆえ、日本のように地域毎に重力が異なるために行っている秤の地区別重力補正が不要となる。
【００５８】
＜第２実施形態＞
（１）質量測定装置２００の全体構成
上記第１実施形態では、ロードセル２１及び加速度センサ２２それぞれの検出方向が重力の作用しない方向となるように配置されているが、それに限定されるものではなく、以下に、ロードセル２１及び加速度センサ２２それぞれの検出方向が重力の作用する方向となるように配置されている場合について説明する。
【００５９】
図７は、本発明の第２実施形態に係る質量測定装置２００の正面図である。図７において、質量測定装置２００は、加振器５１、ロードセル２１、加速度センサ２２、ロボットハンド２３を備えている。
【００６０】
加振器５１は移動機構であり、ＩＭＶ製ＥＶ５０が採用されている。加振器５１の加振ベース部５２にはロードセル２１が固定されている。ロードセル２１には、定格荷重８０ｋｇｆ、定格出力２ｍＶ／Ｖの歪みゲージ式ロードセルが採用されている。
【００６１】
加速度センサ２２とロボットハンド２３とはロードセル２１の先端に取り付けられている。なお、この第２実施形態では、ロボットハンド２３にはフィンガー機構式のロボットハンド２３ａが採用され、加速度センサ２２にはＫＩＯＮＩＸ製加速度センサＫＸＲ９４−２０５０が採用されている。また、ロードセル２１と加速度センサ２２それぞれの検出方向は、重力の作用する方向であり鉛直方向に変位する。
【００６２】
物品Ｑの質量は、ロードセル２１及び加速度センサ２２とロボットハンド２３ａによって保持された物品Ｑが、加振器５１によって移動している最中に、物品Ｑの質量が測定される構成である。
【００６３】
（２）動作
ロボットハンド２３ａで物品Ｑが固定された状態で、加振器５１は加速度振幅０．５Ｇ、周波数１０Ｈｚにて動作し、この動作中で質量の算出を行った。なお、質量を測定する物品Ｑとしては、１８７ｇの金属製ブロックを使用する。
【００６４】
図８は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を示すグラフである。図８において、グラフ中の実線で示すデータがロードセル２１の検出信号、破線で示すデータが加速度センサ２２の検出信号となる。移動時に作用している力は、最大で約１ｋｇｆ、加速度は、最大で約０．５Ｇとなっている。
【００６５】
図９は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を基に、除算演算により算出した質量結果を示すグラフである。グラフ中の実線で示すデータが質量の算出結果となる。また、この場合、上記第１実施形態と同様に、加速度検出信号が０Ｇ付近については、演算を行わずに０ｇ表示としている。
【００６６】
図９のグラフに示すように、重力の作用する鉛直方向に移動している最中でも質量が測定出来ていることが分かる。物品Ｑの質量は、図８のグラフ中の波形で最大値をとるポイントのデータを使用して算出した。１００回測定した時の平均値は、１８７．２ｇ、標準偏差が０．１２ｇであった。
【００６７】
以上の実験結果を総合すると、ロボットハンド２３ａによって、例えば物品が鉛直方向に対して斜めに加減速する場合であっても、移動中の水平方向の分力について、あるいは、鉛直方向の分力について、力と加速度とをそれぞれ検出して演算すれば、物品の質量が求まることが解る。
【００６８】
＜第３実施形態＞
（１）質量測定装置３００の全体構成
ここでは、図２においてロードセル２１及び加速度センサ２２が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の三次元の各方向に対して検出可能な場合について説明する。
【００６９】
質量測定装置３００は、ロボットアーム１１の先端ベース部１２にロードセル２１の一端が固定され、それと反対側の自由端側に加速度センサ２２とロボットハンド２３とが設けられている。物品Ｑの質量は、ロードセル２１、加速度センサ２２、及びロボットハンド２３により保持された物品Ｑが、ロボットアーム１１によって移動している最中に、物品Ｑの質量が測定されるように構成されている。
【００７０】
（２）動作
ロードセル２１及び加速度センサ２２が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の三次元の方向に対してそれぞれ検出可能なため、物品Ｑの質量を測定する際には、それぞれの検出信号を合成する必要がある。
【００７１】
上記（１）、（２）、（３）式を合成すると、次式のように表すことができる。
（ｍ＋Ｍ）｛（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｙ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｚ／ｄｔ2）2｝0.5＝｛（ＫｘＸ）2＋（ＫｙＹ）2＋（ＫｚＺ）2｝0.5 ・・・（５）
【００７２】
上記（５）式から、物品Ｑの質量ｍは、下記の計算式から求めることができる。
ｍ＝｛（ＫｘＸ）2＋（ＫｙＹ）2＋（ＫｚＺ）2｝0.5／｛（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｙ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｚ／ｄｔ2）2｝0.5−Ｍ ・・・（６）
【００７３】
したがって、三次元の各方向に対してそれぞれ検出可能な検出器を使用し、（６）式を使用することで、三次元的に移動している最中でも移動方向を問わずに物品Ｑの質量が求まることが解る。
【００７４】
＜変形例＞
（１）第１変形例
上記第１〜第３実施形態に係る質量測定装置では、加速度センサによって加速度が測定されているが、これに限定されるものではない。
【００７５】
汎用のロボットアームなどの制御系は、関節を駆動するモータを制御するために、位置および速度のフィードバックループを有しており、さらに、モータへの動作指令値から加速度と慣性とを算出している。
【００７６】
例えば、図１０は第１変形例に係る質量測定装置の制御ブロック図を示しており、図１０において、制御部４０には、ロボット制御部４６及び加速度測定部４７が含まれている。加速度測定部４７は、ロボット制御部４６からロボットアーム１１に対して出力される動作指令値Ｖｆｇを取り込み、加速度を算出する。
【００７７】
それゆえ、第１変形例に係る質量測定装置では、物理的な加速度センサを備える必要がないので、装置の小型および軽量化を図ることができる。
【００７８】
（２）第２変形例
上記第１〜第３実施形態に係る質量測定装置では、加速度センサが物品とともに移動しているが、これに限定されるものではなく、別の加速度検知手段を所定の静止位置に配置してもよい。
【００７９】
例えば、図１１は第２変形例に係る質量測定装置の斜視図である。図１１において、Ａ位置はロボットハンド２３が物品Ｑを取る位置であり、Ｄ位置はロボットハンド２３が物品Ｑを置く位置である。ロボットアーム１１は、物品Ｑを「Ａ位置からＢ位置まで鉛直上昇させた後、Ｂ位置からＣ位置まで水平移動させ、その後、Ｃ位置からＤ位置まで鉛直降下させる」という定形動作を行う。
【００８０】
また、外部監視装置１２２は、Ｂ位置からＣ位置まで移動する物品Ｑの移動距離を監視する。外部監視装置１２２は、物品Ｑの単位時間当たりの変位量を測定できる機器であり、レーザー変位計、又はカメラが好ましい。
【００８１】
第２変形例に係る質量測定装置では、外部監視装置１２２と制御部４０とによって加速度測定部が構成されており、制御部４０は、外部監視装置１２２から送られてくるデータに基づいて物品Ｑに作用する加速度を算出する。なお、ロードセル２１は第１実施形態と同様に先端ベース部１２に固定されている。
【００８２】
この第２変形例によれば、物品Ｑに作用する加速度を静止姿勢の外部監視装置１２２のデータから求められるので、加速度センサの設置による配線等の影響がなく、使い勝手がよい。
【００８３】
なお、外部監視装置１２２は、物品Ｑの移動距離を監視することに限定されるものではなく、ロボットアーム１１の所定位置の移動距離、若しくはロボットハンド２３の移動距離を監視してもよい。
【００８４】
（３）第３変形例
物品の搬送工程では、物品を取る或いは物品を置く手段として、カメラを装着したロボットハンドによって掴みにいく構成が広く普及しており、そのカメラからの画像データを基に、ロボットハンドが所定の基準点から単位時間当たりに移動した距離のデータを得ることができるので、それから加速度も求めることができる。
【００８５】
例えば、図１２は第３変形例に係る質量測定装置の斜視図である。図１２において、図１２において、カメラ２２２がロボットアーム１１の先端ベース部１２の上部に設置されている。通常、カメラ２２２は、ロボットハンド２３が物品Ｑを取る或いは物品を置くときの位置を検知するカメラである。
【００８６】
第３変形例に係る質量測定装置では、このカメラ２２２と制御部４０とによって加速度測定部を構成している。図１２に示すように、物品ＱのＡ位置及びＢ位置において、カメラ２２２のレンズ２２２ａの前方には測定基準点となる第１物体４０１が配置されている。また、物品ＱのＣ位置及びＤ位置において、カメラ２２２のレンズ２２２ａの前方には測定基準点となる第２物体４０２が配置されている。
【００８７】
加速度測定部の一部を構成している制御部４０は、カメラ２２２から送られてくる画像データを基に、例えば、カメラ２２２が第１物体４０１を認識してから第２物体４０２を認識するまでの時間データを算出し、それを基に物品Ｑに作用する加速度を算出する。
【００８８】
以上のように、第３変形例に係る質量測定装置によれば、加速度センサを新たに設けることなく、既存のカメラを利用して物品Ｑに作用する加速度を測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上にように、本願発明によれば、物品を移動させながらその物品の質量を測定することができるので、アセンブリ製品の内部部品の欠品検査にも有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１ 力検出器（力検出部）
２ 保持機構
３ 移動機構
４ 加速度検出器（加速度検出部）
１１ ロボットアーム（移動機構）
１２ 先端ベース部
２１ ロードセル（力検出部）
２２ 加速度センサ（加速度検出部）
２３ ロボットハンド（保持機構）
３１ａ 増幅器
３１ｂ 増幅器
３２ａ ローパスフィルタ
３２ｂ ローパスフィルタ
３３ａ Ａ／Ｄ変換器
３３ｂ Ａ／Ｄ変換器
４０ 制御部
４１ 除算器
４２ 減算器
５１ 加振器（移動機構）
５２ 加振ベース
１２２ 外部監視装置
２２２ カメラ
Ｑ 物品（被計量物）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９１】
【特許文献１】特開平８−１１０２６１号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量測定装置に関し、特に移動している物品の質量をその移動時に測定する質量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ばね秤や電子秤では、重力加速度以外の加速度の影響を排除するために、静止状態で使用することを前提としている。しかし、近年、揺れる物体上に据え付けられ、揺動による計量誤差を除去した質量を測定する質量測定装置が普及している。例えば、特許文献１（特開平８−１１０２６１号公報）に開示されている質量測定装置では、通常の計量用ロードセルとは別に、分銅を載荷したダミー用ロードセルで床の上下動成分を検出し、検出した上下動成分を、計量用ロードセルの出力信号から減算することによって、床の上下動成分を含まない計量信号を出力するようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の質量測定装置も、物品に作用する重力によってロードセルが垂直方向へ変位することを利用しているので、ロードセルが重力によっては、変位しない状態になる場合、物品の質量を検出することができなくなる。
【０００４】
それゆえ、例えば、マニピュレータやロボットハンドのように、物品を持ち上げて移動させる先端部にロードセルを取り付けて、持ち上げた物品を移動している最中に、その物品の質量を測定しようとしても、従来技術では困難である。
【０００５】
本発明の課題は、物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することのできる質量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１観点に係る質量測定装置は、物品を移動させながらその物品の質量を測定する質量測定装置であって、保持機構と、移動機構と、力測定部と、加速度測定部と、制御部とを備えている。保持機構は、物品を保持する。移動機構は、保持機構を移動させる。力測定部は、保持機構と移動機構との間に設けられて、移動時の物品に作用する力を測定する。加速度測定部は、移動時の物品に作用する加速度を測定する。制御部は、保持機構および移動機構を運転制御し、移動時の物品に作用する力および加速度に基づいて物品の質量を算出する。
【０００７】
この質量測定装置では、物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することができるので、例えば、この質量測定装置をロボットハンドの先端部に取り付ければ、物品の搬送を兼ねて移動させながらその質量を測定することができる。
【０００８】
例えば、製造ラインから次々と送られてくる商品をロボットハンドで掴んで箱詰めする既設のラインでは、その前段に商品の内容量をチェックするウェイトチェッカーと、内容量が不足するものをラインから排除する振り分け装置とを設けなければならない。
【０００９】
しかし、この質量測定装置が組み込まれたロボットハンドを使用すれば、商品を掴んで移動させている最中に当該商品の質量を測定して内容量の適正をチェックすることができるので、これまで使用していたウェイトチェッカーや振り分け装置等を既設のラインから撤去することができる。
【００１０】
この他、商品の質量に応じて商品のランク選別を行う仕分けラインでは、まず商品をラインに投入する装置があり、次に投入された商品の質量を測定するウェイトチェッカーなどがあり、最後に測定された質量に応じて仕分けを行う装置がある。本発明に係る質量測定装置が組み込まれたロボットハンドを用いれば、商品の投入装置・ウェイトチェッカー・仕分け装置で行うすべての処理を１台で行うことができる。
【００１１】
また、重力加速度の影響を排除して物品の質量を測定することができるので、例えば、日本のように地域毎に重力が異なるために行っている秤の地区別重力補正が不要となる
本発明の第２観点に係る質量測定装置は、第１観点に係る質量測定装置であって、制御部が、移動時の物品に作用する力を、移動時の物品に作用する加速度で除算して物品の質量を算出する。
【００１２】
本発明の第３観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、力測定部および加速度測定部それぞれの検出方向が、重力の作用しない方向であり、且つその方向が一致している。
【００１３】
本発明の第４観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、力測定部および加速度測定部それぞれの検出方向が、重力の作用する方向であり、且つその方向が一致している。
【００１４】
本発明の第５観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、力測定部および加速度測定部が少なくとも二組設けられている。また、組ごとに力測定部および加速度測定部それぞれの検出方向が一致し、且つ、組ごとの検出方向が交差している。
【００１５】
本発明の第６観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、加速度測定部が、制御部から移動機構に出力される運転指令に基づいて物品に作用する加速度を算出する。
【００１６】
この質量測定装置は物理的な加速度検出器を備える必要がないので、装置の小型および軽量化を図ることができる。
【００１７】
本発明の第７観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、外部監視装置をさらに備えている。外部監視装置は、移動しない位置に固定され、物品または保持機構もしくは移動機構の動作を監視する。加速度測定部は、外部監視装置から得られるデータに基づいて物品に作用する加速度を算出する。
【００１８】
この質量測定装置では、物品に作用する加速度が、静止した外部監視装置のデータから求められるので、加速度センサの設置による配線等の影響がなく、使い勝手がよい。
【００１９】
本発明の第８観点に係る質量測定装置は、第７観点に係る質量測定装置であって、外部監視装置がレーザー変位計である。
【００２０】
本発明の第９観点に係る質量測定装置は、第７観点に係る質量測定装置であって、外部監視装置がカメラである。
【００２１】
本発明の第１０観点に係る質量測定装置は、第１観点または第２観点に係る質量測定装置であって、保持機構に取り付けられるカメラをさらに備えている。加速度測定部は、外部に予め設けられる所定の基準点と、カメラから得られる画像データとに基づいて物品に作用する加速度を算出する。
【００２２】
従来、物品の搬送工程では、物品を取る或いは物品を置く手段として、カメラを装着した保持機構（例えば、ロボットハンド）によって掴みにいく構成が多い。それゆえ、この質量測定装置では、そのカメラからの画像データを基に保持機構が所定の基準点から他の所定の基準点まで移動した距離データを得ることができるので、その距離データから加速度も求めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る質量測定装置では、物品が移動中であっても、その物品の質量を測定することができるので、例えば、この質量測定装置をロボットハンドの先端部に取り付ければ、物品の搬送を兼ねて移動させながらその質量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】質量測定装置の概略構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る質量測定装置の正面図。
【図３】エアー吸着機構の斜視図。
【図４】ロードセルおよび加速度センサによって検出された信号を処理する信号処理回路図。
【図５】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を示すグラフ。
【図６】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を基に除算演算により質量を算出した結果を示すグラフ。
【図７】本発明の第２実施形態に係る質量測定装置の正面図。
【図８】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を示すグラフ。
【図９】ロードセルおよび加速度センサから得られた検出信号を基に、除算演算により算出した質量結果を示すグラフ。
【図１０】第１変形例に係る質量測定装置の制御ブロック図。
【図１１】第２変形例に係る質量測定装置の斜視図。
【図１２】第３変形例に係る質量測定装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２６】
＜第１実施形態＞
（１）質量測定の原理
図１は、質量測定装置の概略構成図である。図１において、力検出器１は移動中の物品に作用する力を検出する。保持機構２は、物品Ｑを保持する。移動機構３は、保持機構２を三次元的に移動させる。加速度検出器４は、物品Ｑに作用する加速度を検出する。なお、力検出器１は保持機構２と移動機構３との間に設けられ、加速度検出器４は保持機構２に近接して設けられる。
【００２７】
力検出器１には、例えば、歪みゲージ式ロードセルが採用される。歪みゲージ式ロードセルは、移動によって自由端側が固定端側に対して相対的に変位し、それによって自由端側に作用する力を検出することができる。保持機構２は、ロボットハンド、エアー吸着機構、或いは、エアーチャック機構であってもよい。
【００２８】
移動機構３としては、三次元的に移動可能なロボットアームが好ましく、例えば、水平多関節ロボットや垂直多関節ロボット、あるいは、パラレルリンクロボット等が適切である。
【００２９】
加速度検出器４としては、例えば、歪みゲージ式ロードセル、ＭＥＭＳ型の小型加速度センサ、及び一般的な市販の加速度センサのいずれかが適宜採用される。
【００３０】
なお、移動機構３がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動することにより、物品Ｑには加速度が作用する。そのときの運動方程式は、次式のように表わされる。
（ｍ＋Ｍ）ｄ2Ｘ／ｄｔ2＝ＫｘＸ ・・・（１）
（ｍ＋Ｍ）ｄ2Ｙ／ｄｔ2＝ＫｙＹ ・・・（２）
（ｍ＋Ｍ）ｄ2Ｚ／ｄｔ2＝ＫｚＺ ・・・（３）
【００３１】
ここで、ｍは物品Ｑの質量、Ｍは力検出器１に負荷される風袋質量、すなわち、力検出器１に負荷される風袋の質量と保持機構２の質量と加速度検出器４の質量との和である。また、Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚは、力検出器１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれのばね定数である。また、Ｘ、Ｙ，Ｚは、力検出器１の静的平衡状態、すなわち、加速、減速をしていないときの状態からの変位量である。
【００３２】
計算式（１）、（２）及び（３）から明らかなように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかの方向、例えば、Ｘ軸方向だけの運動方程式に着目したとき、上記（１）式から、物品Ｑの質量ｍは、下記の計算式から求めることができる。
ｍ＝ＫｘＸ／（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）−Ｍ ・・・（４）
【００３３】
つまり、ＫｘＸは力検出器１が検出するＸ軸方向の力であり、（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）は加速度検出器４が検出するＸ軸方向の加速度であり、Ｍは既知質量であるので、求めたい物品Ｑの質量ｍは力検出器１の出力（ＫｘＸ）を加速度検出器４の出力（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）で除算しその結果から風袋質量Ｍを減算することによって求めることができる。
【００３４】
同様に、Ｙ軸方向の力と加速度とを検出しても、物品Ｑの質量を求めることができる。また、Ｚ軸方向（垂直方向）では、その場所における重力が検出結果に影響するが、静的平衡状態からの運動を考えるとばねの復元力と重力は釣り合うので、上記（３）式のようになり、重力加速度に影響されずに上記（４）式同様に物品の質量ｍを求めることができる。
【００３５】
（２）質量測定装置１００の具体的構成
（２−１）駆動系
図２は、本発明の第１実施形態に係る質量測定装置１００の正面図である。図２において、質量測定装置１００は、ロボットアーム１１と、歪みゲージ式のロードセル２１と、加速度センサ２２と、ロボットハンド２３とを備えている。
【００３６】
ロボットアーム１１は移動機構であり、ＤＥＮＳＯ製水平多関節ロボットＨＭ−４０７０３Ｅ２／Ｊを採用している。ロボットアーム１１の先端ベース部１２には、ロードセル２１の一端が固定されている。
【００３７】
ロードセル２１は力検出器であり、定格荷重８０ｋｇｆ、定格出力２ｍＶ／Ｖの歪みゲージ式ロードセルを採用している。また、加速度センサ２２とロボットハンド２３とがロードセル２１の自由端側に設けられている。なお、加速度センサ２２とロボットハンド２３とは、加速度検出器と保持機構として機能する。また、加速度センサ２２には、定格荷重８０ｋｇｆ、定格出力２ｍＶ／Ｖの歪みゲージ式ロードセルが採用されており、その自由端には３７４ｇの金属製の錘が固定されている。
【００３８】
ロボットハンド２３は保持機構であるが、フィンガー機構、又はエアー吸着機構（或いは、エアーチャック機構）で代用されてもよい。図２に示すロボットハンド２３は、フィンガー機構であり、物品Ｑが固形物である場合に適しており、以後、ロボットハンド２３ａとよぶ。また、エアー吸着機構やエアーチャック機構は、例えば袋詰商品のように、形状が一定しない場合に適している。
【００３９】
図３は、エアー吸着機構式のロボットハンド２３の斜視図を示す。ロボットハンド２３は、アルミニウム製の箱にシリコンゴムで形成された直径４０ｍｍの吸盤４個を備えたエアー吸着機構であり、このアルミニウム製の箱からエアーを吸引することにより、その４個の吸盤にて測定対象となる物品Ｑを吸着する。なお、第１実施形態では、エアー吸着機構式のロボットハンド２３を用い、以後、エアー吸着機構式のロボットハンドをロボットハンド２３ｂとよぶ。また、フィンガー機構式およびエアー吸着機構式のいずれでもよい場合は、ロボットハンド２３とよぶ。
【００４０】
また、エアーの吸引には、ＣＫＤ製真空発生器ＶＰＲ２−１０ＬＳＶＥＧを採用し、真空発生器には、０．５ＭＰａのドライエアーを供給する。さらに、測定する物品Ｑとして、１８７ｇの金属製ブロックを使用する。
【００４１】
図２及び図３において、物品Ｑの質量は、ロボットハンド２３に保持された物品Ｑがロボットアーム１１によって移動している最中に、ロードセル２１及び加速度センサ２２の出力に基づいて物品Ｑの質量が測定できるように構成されている。
【００４２】
（２−２）制御系
図４は、ロードセル２１及び加速度センサ２２によって検出された信号を処理する信号処理回路図である。図４において、ロードセル２１と加速度センサ２２には、それぞれ増幅器３１ａ、３１ｂが接続されており、これらの増幅器３１ａ、３１ｂは、ロードセル２１及び加速度センサ２２から入力された検出信号を増幅する。また、各増幅器３１ａ、３１ｂには、それぞれローパスフィルタ３２ａ、３２ｂが接続されている。このローパスフィルタ３２ａ、３２ｂは、入力された検出信号から一定周波数以上のノイズ成分を除去する。また、各ローパスフィルタ３２ａ、３２ｂには、それぞれＡ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂが接続されており、そのＡ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂは、入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する。また、各Ａ／Ｄ変換器３３ａ、３３ｂは、制御部４０に接続されている。
【００４３】
制御部４０は、入力された検出信号に基づいて各種の処理を実行する。先ず、両検出信号に含まれるノイズ周波数成分をローパスフィルタにより除去する処理を行う。そして、そのノイズ周波数成分が除去された両検出信号を用いて、ロードセル２１の検出信号を加速度センサ２２の検出信号で除算する処理を行い、その除算結果から風袋質量を減算して質量ｍを算出する処理を行う。なお、風袋質量とは、ロードセル２１に負荷される風袋質量とロボットハンド２３の質量と加速度センサ２２の質量との和である。
【００４４】
制御部４０としては、ＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）やマイコン等を使用することができる。
【００４５】
（３）動作
ロードセル２１及び加速度センサ２２は、重力が作用する方向に対して９０度傾けた状態で配置されており、ロードセル２１及び加速度センサ２２それぞれの検出方向は重力が作用しない方向であり、且つその方向が一致している。
【００４６】
先ず、重力が作用する鉛直方向下向きに距離１５０ｍｍだけロボットアーム１１の最大能力にて移動させ（所要時間は０．２５秒）、そこでロボットハンド２３ｂにより物品Ｑを吸着させて保持し、その後、鉛直方向上向きに距離１５０ｍｍだけロボットアーム１１の最大能力にて移動させる（所要時間は０．２５秒）。
【００４７】
次に、水平方向へ距離６４０ｍｍだけロボットの最大能力にて移動させる（所要時間は０．３５秒）。そして、再度、鉛直方向下向きに距離１５０ｍｍだけロボットの最大能力にて移動させ（所要時間は０．２５秒）、その後にロボットハンド２３ｂのエアー吸引を止めて物品を放す。実験では、上記動作を６０回繰り返した。
【００４８】
図５は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を示すグラフである。図５において、グラフ中の実線で示すデータはロードセル２１の検出信号である、破線で示すデータが加速度センサ２２の検出信号である。
【００４９】
両検出信号は、ロボットハンド２３ｂにより、物品Ｑを吸着した時を基点にデータ収集を行っている。このグラフを見て分かるように、重力の作用しない方向にロードセル２１及び加速度センサ２２が配置されているので、鉛直方向の移動の際には、検出信号にはその移動の影響は現れず、水平方向の移動区間にその移動による影響が現れている。
【００５０】
水平方向移動時に作用している力は、最大で約３ｋｇｆ、加速度は、最大で約１．５Ｇとなっている。このグラフから見て分かるように、水平移動中のロードセル２１の検出信号だけでは、質量を測定することはできないことが分かる。
【００５１】
図６は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を基に除算演算により質量を算出した結果を示すグラフである。図６において、グラフ中の実線で示すデータが質量の算出結果である。また、上記の式（４）からも分かるように、質量測定装置１００では、加速度センサ２２の検出信号で除算演算するが、加速度検出信号が０Ｇの時点については、除算演算が不可能である。そこで本実験では、加速度検出信号が０Ｇ付近については、演算を行わずに０ｇ表示としている。
【００５２】
このグラフから分かるように、物品Ｑが重力の作用しない水平方向に移動している間は、質量が測定出来ていることが分かる。物品Ｑの質量は、グラフ中の時間で０．４７３秒のポイントのデータを使用し算出した結果、１８７．１ｇとなった。物品の移動動作を６０回繰り返し行ったときの平均値は、１８７．５ｇ、標準偏差が０．３５ｇであった。
【００５３】
（４）特徴
（４−１）
例えば、製造ラインから次々と送られてくる商品をロボットハンドで掴んで箱詰めする既設のラインでは、その前段に商品の内容量をチェックするウェイトチェッカーと、内容量が不足するものをラインから排除する振り分け装置とを設けなければならない。
【００５４】
しかし、この質量測定装置１００では、ロボットハンド２３ｂが商品を保持して移動させている最中に当該商品の質量を測定して内容量の適正をチェックすることができるので、これまで使用していたウェイトチェッカーや振り分け装置等を既設のラインから撤去することができる。
【００５５】
（４−２）
また、商品の質量に応じて商品のランク選別を行う仕分けラインでは、まず商品をラインに投入する装置があり、次に投入された商品の質量を測定するウェイトチェッカーなどがあり、最後に測定された質量に応じて仕分けを行う装置がある。
【００５６】
しかし、この質量測定装置１００では、商品の投入装置・ウェイトチェッカー・仕分け装置で行うすべての処理を１台で行うことができる。
【００５７】
また、水平方向に加速するときに物品の質量を測定するので、重力加速度の影響を排除して物品の質量を測定することができる。それゆえ、日本のように地域毎に重力が異なるために行っている秤の地区別重力補正が不要となる。
【００５８】
＜第２実施形態＞
（１）質量測定装置２００の全体構成
上記第１実施形態では、ロードセル２１及び加速度センサ２２それぞれの検出方向が重力の作用しない方向となるように配置されているが、それに限定されるものではなく、以下に、ロードセル２１及び加速度センサ２２それぞれの検出方向が重力の作用する方向となるように配置されている場合について説明する。
【００５９】
図７は、本発明の第２実施形態に係る質量測定装置２００の正面図である。図７において、質量測定装置２００は、加振器５１、ロードセル２１、加速度センサ２２、ロボットハンド２３を備えている。
【００６０】
加振器５１は移動機構であり、ＩＭＶ製ＥＶ５０が採用されている。加振器５１の加振ベース部５２にはロードセル２１が固定されている。ロードセル２１には、定格荷重８０ｋｇｆ、定格出力２ｍＶ／Ｖの歪みゲージ式ロードセルが採用されている。
【００６１】
加速度センサ２２とロボットハンド２３とはロードセル２１の先端に取り付けられている。なお、この第２実施形態では、ロボットハンド２３にはフィンガー機構式のロボットハンド２３ａが採用され、加速度センサ２２にはＫＩＯＮＩＸ製加速度センサＫＸＲ９４−２０５０が採用されている。また、ロードセル２１と加速度センサ２２それぞれの検出方向は、重力の作用する方向であり鉛直方向に変位する。
【００６２】
物品Ｑの質量は、ロードセル２１及び加速度センサ２２とロボットハンド２３ａによって保持された物品Ｑが、加振器５１によって移動している最中に、物品Ｑの質量が測定される構成である。
【００６３】
（２）動作
ロボットハンド２３ａで物品Ｑが固定された状態で、加振器５１は加速度振幅０．５Ｇ、周波数１０Ｈｚにて動作し、この動作中で質量の算出を行った。なお、質量を測定する物品Ｑとしては、１８７ｇの金属製ブロックを使用する。
【００６４】
図８は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を示すグラフである。図８において、グラフ中の実線で示すデータがロードセル２１の検出信号、破線で示すデータが加速度センサ２２の検出信号となる。移動時に作用している力は、最大で約１ｋｇｆ、加速度は、最大で約０．５Ｇとなっている。
【００６５】
図９は、ロードセル２１及び加速度センサ２２から得られた検出信号を基に、除算演算により算出した質量結果を示すグラフである。グラフ中の実線で示すデータが質量の算出結果となる。また、この場合、上記第１実施形態と同様に、加速度検出信号が０Ｇ付近については、演算を行わずに０ｇ表示としている。
【００６６】
図９のグラフに示すように、重力の作用する鉛直方向に移動している最中でも質量が測定出来ていることが分かる。物品Ｑの質量は、図８のグラフ中の波形で最大値をとるポイントのデータを使用して算出した。１００回測定した時の平均値は、１８７．２ｇ、標準偏差が０．１２ｇであった。
【００６７】
以上の実験結果を総合すると、ロボットハンド２３ａによって、例えば物品が鉛直方向に対して斜めに加減速する場合であっても、移動中の水平方向の分力について、あるいは、鉛直方向の分力について、力と加速度とをそれぞれ検出して演算すれば、物品の質量が求まることが解る。
【００６８】
＜第３実施形態＞
（１）質量測定装置３００の全体構成
ここでは、図２においてロードセル２１及び加速度センサ２２が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の三次元の各方向に対して検出可能な場合について説明する。
【００６９】
質量測定装置３００は、ロボットアーム１１の先端ベース部１２にロードセル２１の一端が固定され、それと反対側の自由端側に加速度センサ２２とロボットハンド２３とが設けられている。物品Ｑの質量は、ロードセル２１、加速度センサ２２、及びロボットハンド２３により保持された物品Ｑが、ロボットアーム１１によって移動している最中に、物品Ｑの質量が測定されるように構成されている。
【００７０】
（２）動作
ロードセル２１及び加速度センサ２２が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の三次元の方向に対してそれぞれ検出可能なため、物品Ｑの質量を測定する際には、それぞれの検出信号を合成する必要がある。
【００７１】
上記（１）、（２）、（３）式を合成すると、次式のように表すことができる。
（ｍ＋Ｍ）｛（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｙ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｚ／ｄｔ2）2｝0.5＝｛（ＫｘＸ）2＋（ＫｙＹ）2＋（ＫｚＺ）2｝0.5 ・・・（５）
【００７２】
上記（５）式から、物品Ｑの質量ｍは、下記の計算式から求めることができる。
ｍ＝｛（ＫｘＸ）2＋（ＫｙＹ）2＋（ＫｚＺ）2｝0.5／｛（ｄ2Ｘ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｙ／ｄｔ2）2＋（ｄ2Ｚ／ｄｔ2）2｝0.5−Ｍ ・・・（６）
【００７３】
したがって、三次元の各方向に対してそれぞれ検出可能な検出器を使用し、（６）式を使用することで、三次元的に移動している最中でも移動方向を問わずに物品Ｑの質量が求まることが解る。
【００７４】
＜変形例＞
（１）第１変形例
上記第１〜第３実施形態に係る質量測定装置では、加速度センサによって加速度が測定されているが、これに限定されるものではない。
【００７５】
汎用のロボットアームなどの制御系は、関節を駆動するモータを制御するために、位置および速度のフィードバックループを有しており、さらに、モータへの動作指令値から加速度と慣性とを算出している。
【００７６】
例えば、図１０は第１変形例に係る質量測定装置の制御ブロック図を示しており、図１０において、制御部４０には、ロボット制御部４６及び加速度測定部４７が含まれている。加速度測定部４７は、ロボット制御部４６からロボットアーム１１に対して出力される動作指令値Ｖｆｇを取り込み、加速度を算出する。
【００７７】
それゆえ、第１変形例に係る質量測定装置では、物理的な加速度センサを備える必要がないので、装置の小型および軽量化を図ることができる。
【００７８】
（２）第２変形例
上記第１〜第３実施形態に係る質量測定装置では、加速度センサが物品とともに移動しているが、これに限定されるものではなく、別の加速度検知手段を所定の静止位置に配置してもよい。
【００７９】
例えば、図１１は第２変形例に係る質量測定装置の斜視図である。図１１において、Ａ位置はロボットハンド２３が物品Ｑを取る位置であり、Ｄ位置はロボットハンド２３が物品Ｑを置く位置である。ロボットアーム１１は、物品Ｑを「Ａ位置からＢ位置まで鉛直上昇させた後、Ｂ位置からＣ位置まで水平移動させ、その後、Ｃ位置からＤ位置まで鉛直降下させる」という定形動作を行う。
【００８０】
また、外部監視装置１２２は、Ｂ位置からＣ位置まで移動する物品Ｑの移動距離を監視する。外部監視装置１２２は、物品Ｑの単位時間当たりの変位量を測定できる機器であり、レーザー変位計、又はカメラが好ましい。
【００８１】
第２変形例に係る質量測定装置では、外部監視装置１２２と制御部４０とによって加速度測定部が構成されており、制御部４０は、外部監視装置１２２から送られてくるデータに基づいて物品Ｑに作用する加速度を算出する。なお、ロードセル２１は第１実施形態と同様に先端ベース部１２に固定されている。
【００８２】
この第２変形例によれば、物品Ｑに作用する加速度を静止姿勢の外部監視装置１２２のデータから求められるので、加速度センサの設置による配線等の影響がなく、使い勝手がよい。
【００８３】
なお、外部監視装置１２２は、物品Ｑの移動距離を監視することに限定されるものではなく、ロボットアーム１１の所定位置の移動距離、若しくはロボットハンド２３の移動距離を監視してもよい。
【００８４】
（３）第３変形例
物品の搬送工程では、物品を取る或いは物品を置く手段として、カメラを装着したロボットハンドによって掴みにいく構成が広く普及しており、そのカメラからの画像データを基に、ロボットハンドが所定の基準点から単位時間当たりに移動した距離のデータを得ることができるので、それから加速度も求めることができる。
【００８５】
例えば、図１２は第３変形例に係る質量測定装置の斜視図である。図１２において、図１２において、カメラ２２２がロボットアーム１１の先端ベース部１２の上部に設置されている。通常、カメラ２２２は、ロボットハンド２３が物品Ｑを取る或いは物品を置くときの位置を検知するカメラである。
【００８６】
第３変形例に係る質量測定装置では、このカメラ２２２と制御部４０とによって加速度測定部を構成している。図１２に示すように、物品ＱのＡ位置及びＢ位置において、カメラ２２２のレンズ２２２ａの前方には測定基準点となる第１物体４０１が配置されている。また、物品ＱのＣ位置及びＤ位置において、カメラ２２２のレンズ２２２ａの前方には測定基準点となる第２物体４０２が配置されている。
【００８７】
加速度測定部の一部を構成している制御部４０は、カメラ２２２から送られてくる画像データを基に、例えば、カメラ２２２が第１物体４０１を認識してから第２物体４０２を認識するまでの時間データを算出し、それを基に物品Ｑに作用する加速度を算出する。
【００８８】
以上のように、第３変形例に係る質量測定装置によれば、加速度センサを新たに設けることなく、既存のカメラを利用して物品Ｑに作用する加速度を測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上にように、本願発明によれば、物品を移動させながらその物品の質量を測定することができるので、アセンブリ製品の内部部品の欠品検査にも有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１ 力検出器（力検出部）
２ 保持機構
３ 移動機構
４ 加速度検出器（加速度検出部）
１１ ロボットアーム（移動機構）
１２ 先端ベース部
２１ ロードセル（力検出部）
２２ 加速度センサ（加速度検出部）
２３ ロボットハンド（保持機構）
３１ａ 増幅器
３１ｂ 増幅器
３２ａ ローパスフィルタ
３２ｂ ローパスフィルタ
３３ａ Ａ／Ｄ変換器
３３ｂ Ａ／Ｄ変換器
４０ 制御部
４１ 除算器
４２ 減算器
５１ 加振器（移動機構）
５２ 加振ベース
１２２ 外部監視装置
２２２ カメラ
Ｑ 物品（被計量物）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９１】
【特許文献１】特開平８−１１０２６１号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を移動させながら前記物品の質量を測定する質量測定装置であって、
前記物品を保持する保持機構と、
前記保持機構を移動させる移動機構と、
前記保持機構と前記移動機構との間に設けられて、移動時の前記物品に作用する力を測定する力測定部と、
移動時の前記物品に作用する加速度を測定する加速度測定部と、
前記保持機構および前記移動機構を運転制御し、移動時の前記物品に作用する力および加速度に基づいて前記物品の質量を算出する制御部と、
を備える質量測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、移動時の前記物品に作用する力を、移動時の前記物品に作用する加速度で除算して前記物品の質量を算出する、
請求項１に記載の質量測定装置。
【請求項３】
前記力測定部および前記加速度測定部それぞれの検出方向は、重力の作用しない方向であり、且つ前記方向が一致している、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項４】
前記力測定部および前記加速度測定部それぞれの検出方向は、重力の作用する方向であり、且つ前記方向が一致している、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項５】
前記力測定部および前記加速度測定部が少なくとも二組設けられ、前記組ごとに前記力測定部および前記加速度測定部それぞれの検出方向が一致し、且つ、前記組ごとの前記検出方向が交差している、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項６】
前記加速度測定部は、前記制御部から前記移動機構に出力される運転指令に基づいて前記物品に作用する加速度を算出する、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項７】
移動しない位置に固定され、前記物品または前記保持機構もしくは前記移動機構の動作を監視する外部監視装置をさらに備え、
前記加速度測定部は、前記外部監視装置から得られるデータに基づいて前記物品に作用する加速度を算出する、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項８】
前記外部監視装置が、レーザー変位計である、
請求項７に記載の質量測定装置。
【請求項９】
前記外部監視装置が、カメラである、
請求項７に記載の質量測定装置。
【請求項１０】
前記保持機構に取り付けられるカメラをさらに備え、
前記加速度測定部は、外部に予め設けられる所定の基準点と、前記カメラから得られる画像データとに基づいて前記物品に作用する加速度を算出する、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項１】
物品を移動させながら前記物品の質量を測定する質量測定装置であって、
前記物品を保持する保持機構と、
前記保持機構を移動させる移動機構と、
前記保持機構と前記移動機構との間に設けられて、移動時の前記物品に作用する力を測定する力測定部と、
移動時の前記物品に作用する加速度を測定する加速度測定部と、
前記保持機構および前記移動機構を運転制御し、移動時の前記物品に作用する力および加速度に基づいて前記物品の質量を算出する制御部と、
を備える質量測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、移動時の前記物品に作用する力を、移動時の前記物品に作用する加速度で除算して前記物品の質量を算出する、
請求項１に記載の質量測定装置。
【請求項３】
前記力測定部および前記加速度測定部それぞれの検出方向は、重力の作用しない方向であり、且つ前記方向が一致している、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項４】
前記力測定部および前記加速度測定部それぞれの検出方向は、重力の作用する方向であり、且つ前記方向が一致している、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項５】
前記力測定部および前記加速度測定部が少なくとも二組設けられ、前記組ごとに前記力測定部および前記加速度測定部それぞれの検出方向が一致し、且つ、前記組ごとの前記検出方向が交差している、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項６】
前記加速度測定部は、前記制御部から前記移動機構に出力される運転指令に基づいて前記物品に作用する加速度を算出する、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項７】
移動しない位置に固定され、前記物品または前記保持機構もしくは前記移動機構の動作を監視する外部監視装置をさらに備え、
前記加速度測定部は、前記外部監視装置から得られるデータに基づいて前記物品に作用する加速度を算出する、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【請求項８】
前記外部監視装置が、レーザー変位計である、
請求項７に記載の質量測定装置。
【請求項９】
前記外部監視装置が、カメラである、
請求項７に記載の質量測定装置。
【請求項１０】
前記保持機構に取り付けられるカメラをさらに備え、
前記加速度測定部は、外部に予め設けられる所定の基準点と、前記カメラから得られる画像データとに基づいて前記物品に作用する加速度を算出する、
請求項１または請求項２に記載の質量測定装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−７９９３１（Ｐ２０１３−７９９３１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３９１０７（Ｐ２０１２−３９１０７）
【出願日】平成２４年２月２４日（２０１２．２．２４）
【出願人】（０００１４７８３３）株式会社イシダ (859)
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２４日（２０１２．２．２４）
【出願人】（０００１４７８３３）株式会社イシダ (859)
[ Back to top ]