JP2013174503A - 質量測定装置 - Google Patents

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

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。

本発明の一実施形態に係る質量測定装置の概略構成図。 図１の質量測定装置をばね−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。 零点調整用の既知の分銅を用いて力センサ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。 スパン調整用の既知の分銅を用いて力センサ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。 質量ｍの被測定物を用いて力センサ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。 力センサ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。 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から得られた検出信号を示すグラフ。 力センサ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。 力センサ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。 変形例に係る質量測定装置の力センサ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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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）

特開平８−１１０２６１号公報

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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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