JP2013174503A - 質量測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】物品を移動させ、その際に物品に作用する力および加速度から前記物品の質量を算出する質量測定装置であって、力センサの出力に含まれる重力の分力を除去することが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、物品Qを移動させ、その際に物品Qに作用する力および加速度から物品Qの質量を算出するため、物品Qを保持する吸着部2と、吸着部2を移動させるロボットアーム3と、移動時の物品Qに作用する力を測定する力センサ1と、移動時の物品Qに作用する加速度を測定する加速度センサ4と、制御部40と、ハイパスフィルタ35a、35bとを備えている。ハイパスフィルタ35a、35bは、力センサ1の出力に含まれる直流成分を除去することができる。制御部40は、直流成分が除去された後の力センサ1の出力を用いて物品Qの質量を算出する。
【選択図】図8
【解決手段】質量測定装置100は、物品Qを移動させ、その際に物品Qに作用する力および加速度から物品Qの質量を算出するため、物品Qを保持する吸着部2と、吸着部2を移動させるロボットアーム3と、移動時の物品Qに作用する力を測定する力センサ1と、移動時の物品Qに作用する加速度を測定する加速度センサ4と、制御部40と、ハイパスフィルタ35a、35bとを備えている。ハイパスフィルタ35a、35bは、力センサ1の出力に含まれる直流成分を除去することができる。制御部40は、直流成分が除去された後の力センサ1の出力を用いて物品Qの質量を算出する。
【選択図】図8
Description
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。
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、通常の計量センサとして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測定信号を出力するようにしている。
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。
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。
そこで、出願人は、物品を移動させ、その際に物品に作用する力および加速度から物品の質量を算出する質量測定装置を開発した。開発段階では、水平に移動する物品に作用する加速度を測定することによって、物品に作用する重力加速度の影響を排除しようとしたが、力センサが傾いて取り付けられた場合、物品に作用する重力のうちの力センサの傾き方向の分力が、力センサの出力に現れることが判明した。
本発明の課題は、力センサの出力に含まれる重力の分力を除去することができる質量測定装置を提供することにある。
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、その際に物品に作用する力および加速度から物品の質量を算出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、直流成分除去手段とを備えている。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。直流成分除去手段は、少なくとも力測定部の出力に含まれる直流成分を除去する。また、制御部は、直流成分が除去された後の力測定部の出力を用いて物品の質量を算出する。
例えば、力測定部が歪みゲージであるような場合、それを完全な水平姿勢あるいは鉛直姿勢に取り付けることは困難である。それゆえ、物品に作用する重力のうちの歪みゲージの傾き方向の分力が、力測定部の出力に直流成分となって現れる。
しかしながら、この質量測定装置では、直流成分除去手段によって直流成分が除去された後の力測定部の出力を用いて物品の質量を算出するので、力測定部の傾きに起因する、力測定部の出力に含まれる重力の分力の影響が排除される。
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、直流成分除去手段がハイパスフィルタである。
この質量測定装置では、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を低くすることによって直流成分(周波数0)を除去して、他の周波数帯域を通過させることができる。そうすると、力測定部が傾いて取り付けられ、物品に作用する重力のうちの力測定部の傾き方向の分力が力測定部の出力に直流成分となって現れた場合でも、ハイパスフィルタがその直流成分を除去する。
本発明の第3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、直流成分除去手段がバンドパスフィルタである。
この質量測定装置では、バンドパスフィルタの下側のカットオフ周波数を低くすることによって直流成分(周波数0)を除去し、上側のカットオフ周波数を高くしてノイズを除去することができる。つまり、バンドパスフィルタが、直流成分除去機能とノイズ除去機能とを兼ねる。そうすると、力測定部が傾いて取り付けられ、物品に作用する重力のうちの力測定部の傾き方向の分力が力測定部の出力に直流成分となって現れた場合でも、バンドパスフィルタがその直流成分を除去する。さらに、ノイズ周波数成分も除去される。
本発明に係る質量測定装置は、直流成分除去手段によって直流成分が除去された後の力測定部の出力を用いて物品の質量を算出するので、力測定部の傾きに起因する、力測定部の出力に含まれる重力の分力の影響が排除される。
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。
(1)質量測定装置100の構成
図1は、本発明の一実施形態に係る質量測定装置100の概略構成図である。図1において、質量測定装置100は、力センサ1と、吸着部2と、ロボットアーム3と、加速度センサ4とを備えている。
図1は、本発明の一実施形態に係る質量測定装置100の概略構成図である。図1において、質量測定装置100は、力センサ1と、吸着部2と、ロボットアーム3と、加速度センサ4とを備えている。
力センサ1は移動中の物品Qに作用する力を検出する。また、力センサ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。
吸着部2は、物品Qを保持する。また、吸着部2には、エアー吸着機構、或いは、エアーチャック機構が採用される。なお、吸着部2は、エアー吸着機構やエアーチャック機構などに限定されるものではなく、モータ駆動のフィンガー機構であってもよい。
ロボットアーム3は、吸着部2を三次元的に移動させる。また、ロボットアーム3は、所定の回転軸CAを中心にしてCW方向およびCCW方向に回転することもできる。なお、ロボットアーム3としては、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。
加速度センサ4は、物品Qに作用する加速度を検出する。また、加速度センサ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。
なお、力センサ1は吸着部2とロボットアーム3との間に設けられ、加速度センサ4は吸着部2に隣接するように設けられる。以下で説明する実施形態では、力センサ1及び加速度センサ4ともに歪みゲージ式ロードセルが採用され、力センサ1及び加速度センサ4は水平方向に移動する物品Qに作用する力と加速度を検出する。
(2)質量測定の原理
図2は、図1の質量測定装置100をばね−質量系で表わしたときの当該質量測定装置の2自由度モデルである。
図2は、図1の質量測定装置100をばね−質量系で表わしたときの当該質量測定装置の2自由度モデルである。
図2において、mは物品Qの質量、M1は力センサ1の質量、M2は加速度センサ4の質量である。また、k1は力センサ1のばね定数、k2は加速度センサ4のばね定数である。x1は力センサ1の変位量、x2は加速度センサ4の変位量とする。
物品Qに加速度が作用したときの運動方程式は、
(m+M1)d2x1/dt2=−k1(x1−y)+k2(x1−x2) (1)
M2d2x2/dt2=−k2(x2−x1) (2)
として表される。また(1)式を変形すると、
m=[−k1(x1−y)+k2(x1−x2)]/(d2x1/dt2)−M1 (3)
となる。さらに、加速度センサ4の剛性が大きいことを考慮すると、
d2x1/dt2≒d2x2/dt2 (4)
として近似できる。それゆえ、(3)及び(4)式より、
m=[−k1(x1−y)+k2(x1−x2)]/(d2x2/dt2)−M1 (5)
が導き出される。また、(2)式を変形すると、
d2x2/dt2=−k2(x2−x1)/M2 (6)
となるので、(5)、(6)式より、
m=[−k1(x1−y)/−k2(x2−x1)]M2+M2−M1 (7)
が導き出される。
(m+M1)d2x1/dt2=−k1(x1−y)+k2(x1−x2) (1)
M2d2x2/dt2=−k2(x2−x1) (2)
として表される。また(1)式を変形すると、
m=[−k1(x1−y)+k2(x1−x2)]/(d2x1/dt2)−M1 (3)
となる。さらに、加速度センサ4の剛性が大きいことを考慮すると、
d2x1/dt2≒d2x2/dt2 (4)
として近似できる。それゆえ、(3)及び(4)式より、
m=[−k1(x1−y)+k2(x1−x2)]/(d2x2/dt2)−M1 (5)
が導き出される。また、(2)式を変形すると、
d2x2/dt2=−k2(x2−x1)/M2 (6)
となるので、(5)、(6)式より、
m=[−k1(x1−y)/−k2(x2−x1)]M2+M2−M1 (7)
が導き出される。
ここで、−k1(x1−y)は力センサ1の出力、−k2(x2−x1)は加速度センサ4の出力である。
図3は、零点調整用の既知の分銅を用いて力センサ1及び加速度センサ4から得られた検出信号を示すグラフである。図3において、力センサ1の出力のピーク値をFmz、加速度センサ4の出力のピーク値をFazとしたとき、(7)式より、
0=M2・C・(Fmz/Faz)+M2−M1 (8)
となる。但し、加速度は0でない場合を想定している。なお、Cは換算係数である。
0=M2・C・(Fmz/Faz)+M2−M1 (8)
となる。但し、加速度は0でない場合を想定している。なお、Cは換算係数である。
図4は、スパン調整用の既知の分銅を用いて力センサ1及び加速度センサ4から得られた検出信号を示すグラフである。図4において、力センサ1の出力のピーク値をFms、加速度センサ4の出力のピーク値をFasとしたとき、(5)式より、
ms=M2・C・(Fms/Fas)M2−M1 (9)
となる。そして、(8)−(9)式より、
C=ms/M2{(Fms/Fac)−(Fmz/Faz)} (10)
が導き出される。(10)式より、M2は固定係数として、スパン係数をSとすると、
S=C・M2=ms/{(Fms/Fac)−(Fmz/Faz)} (11)
である。
ms=M2・C・(Fms/Fas)M2−M1 (9)
となる。そして、(8)−(9)式より、
C=ms/M2{(Fms/Fac)−(Fmz/Faz)} (10)
が導き出される。(10)式より、M2は固定係数として、スパン係数をSとすると、
S=C・M2=ms/{(Fms/Fac)−(Fmz/Faz)} (11)
である。
図5は、質量mの被測定物を用いて力センサ1及び加速度センサ4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、力センサ1の出力のピーク値をFm、加速度センサ4の出力のピーク値をFaとしたとき、(11)式より、
m=S{(Fm/Fa)−(Fmz/Faz)} (12)
となる。
m=S{(Fm/Fa)−(Fmz/Faz)} (12)
となる。
(3)物品Qに作用する重力の影響
上記の質量測定の原理で説明した力センサ1は感度方向が水平に取り付けられているので、水平移動時の出力に重力の影響は現れない。しかしながら、力センサ1の感度方向を水平に取り付けることは容易ではなく、ある程度傾いた状態で取り付けられる。
上記の質量測定の原理で説明した力センサ1は感度方向が水平に取り付けられているので、水平移動時の出力に重力の影響は現れない。しかしながら、力センサ1の感度方向を水平に取り付けることは容易ではなく、ある程度傾いた状態で取り付けられる。
図6は、力センサ1が水平に対して角度θだけ傾いた状態で取り付けられたときの重力の分力方向を表す説明図である。また、図7は、水平に対して角度θだけ傾いた状態で取り付けられた力センサ1から得られた検出信号を示すグラフである。
図6及び図7において、力センサ1は水平に対して角度θだけ傾いているので、吸着部2が質量mの物品Qを保持した際に、力センサ1の出力に物品Qに作用する重力の分力(mg・sinθ)が現れる。その結果、図7に示すように、吸着部2が物品Qを保持せず水平移動したときの力センサ1から得られる出力に対して、物品Qを保持して水平移動したときの力センサ1から得られる出力は基準点がmg・sinθだけマイナス方向に変化する。
例えば、物品Qの質量mが力センサ1の出力のピーク値を加速度センサ4の出力のピーク値で除算して算出される場合には、基準点から視た力センサ1の出力のピーク値は重力の分力(mg・sinθ)を含んでいるので、物品Qの質量mが正確に測定されない。
(4)物品Qに作用する重力の影響を排除する手段
図8は、力センサ1及び加速度センサ4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8において、力センサ1と加速度センサ4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、力センサ1及び加速度センサ4から入力された検出信号を増幅する。また、増幅器31a、31bには、それぞれA/D変換器33a、33bが接続されている。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。
図8は、力センサ1及び加速度センサ4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8において、力センサ1と加速度センサ4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、力センサ1及び加速度センサ4から入力された検出信号を増幅する。また、増幅器31a、31bには、それぞれA/D変換器33a、33bが接続されている。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。
A/D変換器33a、33bには、それぞれハイパスフィルタ35a、35bが接続されている。このハイパスフィルタ35a、35bは、カットオフ周波数を低くすることによって入力された検出信号に含まれる直流成分(周波数0)を除去することができる。
ハイパスフィルタ35a、35bには、それぞれローパスフィルタ37a、37bが接続されている。このローパスフィルタ37a、37b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、ローパスフィルタ37a、37bは、制御部40に接続されている。なお、制御部40としては、DSP(ディジタル・シグナル・プロセッサ)やマイコン等が採用される。
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、制御部40は、力センサ1及び加速度センサ4の検出信号に含まれる直流成分をハイパスフィルタ35a、35bにより除去する処理を行う。
図9は、力センサ1から得られた検出信号の、直流成分除去前と除去後とを示すグラフである。図9において、力センサ1から得られた検出信号は、ハイパスフィルタ35aを経ることによって、上記で説明した重力の分力(mg・sinθ)が除去されている。
次に、制御部40は、力センサ1及び加速度センサ4の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37a、37b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力センサ1の検出信号を除算器41により加速度センサ4の検出信号で除算する処理を行い、その後、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、力センサ1に負荷される風袋質量と吸着部2の質量と加速度センサ4の質量との和である。
(5)特徴
質量測定装置100は、物品Qを移動させ、その際に物品Qに作用する力および加速度から物品Qの質量を算出するため、吸着部2と、ロボットアーム3と、力センサ1と、加速度センサ4と、制御部40と、ハイパスフィルタ35a、35bとを備えている。吸着部2は物品Qを保持し、ロボットアーム3は吸着部2を移動させる。力センサ1は、吸着部2とロボットアーム3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4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、吸着部2およびロボットアーム3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。ハイパスフィルタ35a、35bは、カットオフ周波数を低くすることによって少なくとも力センサ1の出力に含まれる直流成分を除去して、他の周波数帯域を通過させることができる。また、制御部40は、直流成分が除去された後の力センサ1の出力を用いて物品Qの質量を算出する。
質量測定装置100は、物品Qを移動させ、その際に物品Qに作用する力および加速度から物品Qの質量を算出するため、吸着部2と、ロボットアーム3と、力センサ1と、加速度センサ4と、制御部40と、ハイパスフィルタ35a、35bとを備えている。吸着部2は物品Qを保持し、ロボットアーム3は吸着部2を移動させる。力センサ1は、吸着部2とロボットアーム3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4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、吸着部2およびロボットアーム3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。ハイパスフィルタ35a、35bは、カットオフ周波数を低くすることによって少なくとも力センサ1の出力に含まれる直流成分を除去して、他の周波数帯域を通過させることができる。また、制御部40は、直流成分が除去された後の力センサ1の出力を用いて物品Qの質量を算出する。
力センサ1が完全な水平姿勢ではない状態で取り付けられたとき、物品Qに作用する重力のうちの力センサ1の傾き方向の分力が、力センサ1の出力に直流成分となって現れる。
しかしながら、この質量測定装置では、ハイパスフィルタ35a、35bによって直流成分が除去された後の力センサ1の出力を用いて物品Qの質量を算出するので、力センサ1の傾きに起因する、力センサ1の出力に含まれる重力の分力の影響が排除される。
(6)変形例
図10は、変形例に係る質量測定装置の力センサ1および加速度センサ4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。なお、上記実施形態と同様の部品については、図8で使用された符号と同じ符号を付して、それらの説明は省略する。
図10は、変形例に係る質量測定装置の力センサ1および加速度センサ4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。なお、上記実施形態と同様の部品については、図8で使用された符号と同じ符号を付して、それらの説明は省略する。
図10において、A/D変換器33a、33bには、それぞれバンドパスフィルタ39a、39bが接続されている。このバンドパスフィルタ39a、39bは、下側のカットオフ周波数を低くすることによって入力された検出信号に含まれる直流成分(周波数0)を除去し、上側のカットオフ周波数を高くしてノイズを除去することができる。
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、制御部40は、バンドパスフィルタ39a、39bにより力センサ1及び加速度センサ4の検出信号に含まれる直流成分とノイズ周波数成分を除去する処理を行う。
次に、制御部40は、そのノイズ周波数成分が除去された力センサ1の検出信号を除算器41により加速度センサ4の検出信号で除算する処理を行い、その後、減算器42によって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。
この変形例に係る質量測定装置では、仮に力センサ1が傾いて取り付けられ、物品Qに作用する重力のうち力センサ1の傾き方向の分力が力センサ1の出力に直流成分となって現れた場合でも、バンドパスフィルタ39aがその直流成分を除去することができる。
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。
1 力センサ(力検出部)
2 吸着部(保持機構)
3 ロボットアーム(移動機構)
4 加速度センサ(加速度検出部)
35a ハイパスフィルタ(直流成分除去手段)
39 バンドパスフィルタ(直流成分除去手段)
40 制御部
Q 物品(被計量物)
2 吸着部(保持機構)
3 ロボットアーム(移動機構)
4 加速度センサ(加速度検出部)
35a ハイパスフィルタ(直流成分除去手段)
39 バンドパスフィルタ(直流成分除去手段)
40 制御部
Q 物品(被計量物)
Claims (3)
- 物品を移動させ、その際に前記物品に作用する力および加速度から前記物品の質量を算出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、
少なくとも前記力測定部の出力に含まれる直流成分を除去する直流成分除去手段と、
を備え、
前記制御部は、直流成分が除去された後の前記力測定部の出力を用いて前記物品の質量を算出する、
質量測定装置。 - 前記直流成分除去手段が、ハイパスフィルタである、
請求項1に記載の質量測定装置。 - 前記直流成分除去手段が、バンドパスフィルタである、
請求項1に記載の質量測定装置。
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