JP2019093525A - 仕分け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の重量及び形状に寄らず、人の手を介さないで仕分けをする。【解決手段】ピッキング装置２は、固定部２１１及び可動部２１２を有するアクチュエータ２１と、可動部２１２に取付けられ、ベルトコンベア５を流れる物体５０を保持可能な保持部２２と、固定部２１１に対する可動部２１２の位置を検出する位置検出部２４と、固定部２１１の加速度を検出する加速度検出部２５と、検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び検出された加速度に基づいてアクチュエータ２１に対する駆動電流Ｉａを出力するアクチュエータ制御部２６１と、電流指令値Ｉｒｐ、又は、検出された加速度及び出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部２１２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部２６２と、検出された外力Ｆに基づいてアクチュエータ制御部２６１及び保持部２２を制御する作業制御部２７とを備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、仕分け作業を行う仕分け装置に関する。

従来、野菜又は果物等の農産物を仕分け箱に箱詰めする場合には、ベルトコンベアを流れる農産物の大きさを目視で判断し、人の手で仕分けをしている。

これに対し、吸着カップホルダを搭載したロボットを用い、農産物の仕分けを自動で行う方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法では、吸着カップホルダを農産物に対して隙間を設けて近づけ、ブロアで吸引を行うことで農産物を吸着カップホルダに吸着させ、トレイパックへの収納を行う。

特開２００６−２０６１９３号公報

このように、特許文献１に開示された方法では、吸着カップホルダを農産物に対して隙間を設けて近づけ、ブロアで吸引を行うことで農産物を吸着カップホルダに吸着させている。そのため、重量が大きい農産物及び形状が不均等な農産物では吸着が困難であるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、物体の重量及び形状に寄らず、人の手を介さないで仕分けをすることができる仕分け装置を提供することを目的としている。

この発明に係る仕分け装置は、ベルトコンベアを流れる物体を仕分けするピッキング装置を備え、ピッキング装置は、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、可動部に取付けられ、ベルトコンベアを流れる物体を保持可能な保持部と、固定部に対する可動部の位置を検出する位置検出部と、固定部の加速度を検出する加速度検出部と、位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び加速度検出部により検出された加速度に基づいてアクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、加速度検出部により検出された加速度及びアクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、外力検出部により検出された外力に基づいてアクチュエータ制御部及び保持部を制御する作業制御部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、物体の重量及び形状に寄らず、人の手を介さないで仕分けをすることができる。

この発明の実施の形態１に係る仕分け装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるピッキング装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における外力検出制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるゲイン調整部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における作業制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る仕分け装置による仕分け作業の一例を示すフローチャートである。 図７Ａ、図７Ｂは、この発明の実施の形態１における推力制御部の動作例を説明する図であり、図７Ａはアクチュエータが発生する推力を示す図であり、図７Ｂは可動部の位置を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるピッキング装置を複数台設けた場合でのピッキング動作の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る仕分け装置の構成例を示す図である。
仕分け装置は、ベルトコンベア５を流れる農産物等の物体５０を仕分けする装置である。この仕分け装置は、図１に示すように、撮影装置１及びピッキング装置２を備えている。なお図１では、物体５０が農産物である場合を示し、符号６は物体５０が収納される出荷箱等の仕分け箱を示している。また図１における矢印は、物体５０が流れる方向を示している。

撮影装置１は、ベルトコンベア５を流れる物体５０を撮影する。この撮影装置１により撮影された画像を示す情報は、ピッキング装置２に出力される。なお図１では、撮影装置１とピッキング装置２との間の信号線の図示を省略している。また、撮影装置１は必須の構成ではなく、仕分け装置から取除いてもよい。以下では、撮影装置１を使用する場合を記述する。

ピッキング装置２は、１台以上設けられ、ベルトコンベア５を流れる物体５０を仕分けする。図１では、ピッキング装置２が１台設けられた場合を示している。このピッキング装置２は、図２に示すように、アクチュエータ２１、保持部２２、移動部２３、位置検出部２４、加速度検出部２５、外力検出制御部２６及び作業制御部２７を備えている。なお図２では、撮影装置１も図示している。また、外力検出制御部２６は、アクチュエータ制御部２６１及び外力検出部２６２から構成される。

アクチュエータ２１は、固定部２１１、及び当該固定部２１１に対して変位可能な可動部２１２を有し、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで固定部２１１に対して可動部２１２を直動方向又は回転方向に変位可能とする。このアクチュエータ２１は、移動部２３に取付けられており、全体が移送され、また、姿勢が変更される。なお、可動部２１２又は保持部２２が複数方向の自由度を持ち、アクチュエータ２１全体の移送及び姿勢の変更が不要である場合、移動部２３はなくてもよい。以下では、移動部２３を使用する場合を記述する。

保持部２２は、可動部２１２に取付けられ、ベルトコンベア５を流れる物体５０を保持可能な機構である。図２では、保持部２２として、物体５０を把持可能なグリッパ（ハンド）が用いられている。なお、保持部２２としては、グリッパ以外にも、例えば、物体５０を吸着可能な吸着具（図８参照）を用いてもよい。また、ピッキング装置２が複数台設けられる場合には、各々のピッキング装置２が有する保持部２２が共同してベルトコンベア５を流れる物体５０のピッキングを行う。

移動部２３は、アクチュエータ２１を移動（移送及び姿勢変更）する。図２では、移動部２３として、先端にアクチュエータ２１（固定部２１１）が取付けられ、アクチュエータ２１を移動可能なロボットを示している。

位置検出部２４は、アクチュエータ２１に設けられ、固定部２１１に対する可動部２１２の位置（相対位置）を検出する。この位置検出部２４により検出された位置を示す信号（位置信号）は、アクチュエータ制御部２６１に出力される。

加速度検出部２５は、固定部２１１に設けられ、固定部２１１の加速度を検出する。この際、加速度検出部２５は、固定部２１１の重力加速度αｇ及び移動加速度α１のうちの一方、又は両方が加算された加速度（αｇ＋α１）を検出する。図３では、加速度検出部２５が加速度（αｇ＋α１）を検出する場合を示している。この加速度検出部２５により検出された加速度を示す信号（加速度信号）は、アクチュエータ制御部２６１に出力される。

アクチュエータ制御部２６１は、位置検出部２４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲイン（ループゲイン）を調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部２５により検出された加速度に基づいてアクチュエータ２１に対する駆動電流Ｉａを出力する。

外力検出部２６２は、アクチュエータ制御部２６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部２５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部２６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部２１２に加わる外力（反力）Ｆを検出する。
アクチュエータ制御部２６１及び外力検出部２６２の構成例については後述する。

作業制御部２７は、ピッキング装置２による仕分け作業を実現する。この際、作業制御部２７は、外力検出部２６２により検出された外力Ｆ及び撮影装置１により撮影された画像に基づいて、アクチュエータ制御部２６１、保持部２２及び移動部２３を制御することで、仕分け作業を実現する。なお、作業制御部２７は、基準位置Ｐｒ又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部２６１を制御する。また、作業制御部２７は、上記に加え、位置検出部２４により検出された位置、加速度検出部２５により検出された加速度、及び作業制御部２７で管理している時間等も考慮して、上記仕分け作業を実現してもよい。この作業制御部２７の構成例については後述する。

次に、外力検出制御部２６の構成例について、図３を参照しながら説明する。なお図３では、アクチュエータ２１、保持部２２、位置検出部２４及び加速度検出部２５も図示している。
外力検出制御部２６は、図３に示すように、位置速度変換部２６３、減算器２６４、ゲイン調整部２６５、質量推定部２６６、加速度補償部２６７、加減算器２６８、定電流制御部２６９、及び外力検出部２６２を有している。なお図３に示す外力検出制御部２６において、外力検出部２６２を除く機能部（位置速度変換部２６３、減算器２６４、ゲイン調整部２６５、質量推定部２６６、加速度補償部２６７、加減算器２６８及び定電流制御部２６９）は、アクチュエータ制御部２６１を構成する。

位置速度変換部２６３は、位置検出部２４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部２１１に対する可動部２１２の速度（相対速度）を示す。この位置速度変換部２６３により変換された速度を示す信号（速度信号）は、加減算器２６８に出力される。

減算器２６４は、基準位置Ｐｒから位置検出部２４により検出された位置を減算する。この減算器２６４による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部２６５に出力される。

ゲイン調整部２６５は、減算器２６４による減算結果（位置偏差）に対してゲインを調整し、電流指令値Ｉｒｐを出力する。ゲインは、アクチュエータ２１におけるコンプライアンスの値であり、コンプライアンスは、バネ定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。また、ゲイン調整部２６５において、上記位置偏差と電流指令値Ｉｒｐとの関係を示す関数は線形でもよいし非線形でもよい。このゲイン調整部２６５は、図３，４に示すように、ループゲイン測定部２６５１、ゲイン交点制御部２６５２及び可変ゲイン調整部２６５３を有している。

ループゲイン測定部２６５１は、減算器２６４から出力された信号のゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部２６５１は、図４に示すように、減算器２６４から出力された信号に、発振器２６５４によりゲインが１倍（０ｄＢ）となるべき基準となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された基準となる周波数の正弦波を、加算器２６５５を介して加算する。このループゲイン測定部２６５１による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部２６５２に出力される。

ゲイン交点制御部２６５２は、図４に示すように、比較器２６５６によりループゲイン測定部２６５１による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部２６５２による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部２６５３に出力される。

可変ゲイン調整部２６５３は、ゲイン交点制御部２６５２により比較された振幅比の倍率が１となるように、当該振幅比の倍率の逆数を調整値とし、減算器２６４から出力された信号のゲインを調整する。すなわち、可変ゲイン調整部２６５３は、ループゲイン測定部２６５１による正弦波の加算前の信号の振幅レベルＥａに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルＥｂが高い場合（Ｅａ＜Ｅｂ）には調整値を大きくし、当該正弦波の加算前の信号の振幅レベルＥａに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルＥｂが低い場合（Ｅａ＞Ｅｂ）には調整値を小さくすることで、ゲインが１倍となるように調整する。この可変ゲイン調整部２６５３によりゲインが調整された信号は、加減算器２６８に電流指令値Ｉｒｐとして出力される。また、可変ゲイン調整部２６５３によるゲインの調整値を示す信号は、質量推定部２６６に出力される。

なお、発振器２６５４でゲインが１倍となるべき基準となる周波数の正弦波を加算するのは、ゲインが１倍となる周波数においてＥａ／Ｅｂ＝１となるため、Ｅａ／Ｅｂ＝１となるようにゲインを調整することで、ゲイン交点を常に１に維持できるためである。

また、減算器２６４及びゲイン調整部２６５は、位置検出部２４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に基づく電流指令値Ｉｒｐを出力する位置制御手段（位相制御ループ）を構成する。

質量推定部２６６は、可変ゲイン調整部２６５３によるゲインの調整値から、可動部２１２側の質量を推定する。すなわち、質量推定部２６６は、ゲインの調整値の変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。ここで、可動部２１２側の質量とは、保持部２２が物体５０を保持していない場合には、可動部２１２の質量Ｍ１と保持部２２の質量Ｍ２とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２）であり、保持部２２が物体５０を保持している場合には、可動部２１２の質量Ｍ１と保持部２２の質量Ｍ２と物体５０の質量Ｍ３とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）である。なお図３では、質量推定部２６６が、可動部２１２の質量Ｍ１と保持部２２の質量Ｍ２とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２）を推定する場合を示している。
例えば、可動部２１２側の質量が規定値の２倍になったとすると、ゲインはその逆数倍の１／２となっており、Ｅａ／Ｅｂ＝１／２となる。これに対して、ゲインを１倍とするため、可変ゲイン調整部２６５３は２倍の調整値でゲインを調整する。そして、質量推定部２６６は、この可変ゲイン調整部２６５３の調整値から、可動部２１２側の質量が規定値の２倍に変化したと推定できる。
この質量推定部２６６により推定された質量を示す信号は、加速度補償部２６７に出力される。

なお上記では、質量推定部２６６により可動部２１２側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部２１２側の質量を取得してもよい。

加速度補償部２６７は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを出力する。この加速度補償部２６７は、乗算器２６７１及び係数乗算部２６７２を有している。

乗算器２６７１は、加速度検出部２５により検出された加速度と、質量推定部２６６により推定された質量とを乗算する。この乗算器２６７１による乗算結果を示す信号は、係数乗算部２６７２及び外力検出部２６２に出力される。

係数乗算部２６７２は、乗算器２６７１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。なお、Ｋｔは、アクチュエータ２１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部２６７２による乗算結果を示す信号は、加減算器２６８に加速度補償値Ｉｒｃとして出力される。

加減算器２６８は、ゲイン調整部２６５から出力された電流指令値Ｉｒｐに対し、加速度補償部２６７から出力された加速度補償値Ｉｒｃを加算し、位置速度変換部２６３から出力された速度信号を減算する。この加減算器２６８による加減算結果を示す信号は、定電流制御部２６９に電流指令値Ｉｒとして出力される。

定電流制御部２６９は、アクチュエータ２１を駆動する駆動電流Ｉａを電流指令値Ｉｒに一致させるように制御する。この定電流制御部２６９は、減算器２６９１、駆動ドライバ２６９２及び電流検出部２６９３を有している。

減算器２６９１は、加減算器２６８から出力された電流指令値Ｉｒから、電流検出部２６９３により検出された駆動電流Ｉａの電流値を減算する。この減算器２６９１による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ２６９２に出力される。

駆動ドライバ２６９２は、減算器２６９１による減算結果に応じた駆動電流Ｉａを発生する。この駆動ドライバ２６９２により発生された駆動電流Ｉａは、電流検出部２６９３を介してアクチュエータ２１に出力される。

電流検出部２６９３は、駆動ドライバ２６９２により発生された駆動電流Ｉａの電流値を検出する。この電流検出部２６９３により検出された電流値を示す信号は、減算器２６９１に出力される。

外力検出部２６２は、アクチュエータ制御部２６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部２５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部２６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部２１２に加わる外力Ｆを検出する。具体的には、外力検出部２６２は、電流指令値Ｉｒｐ、又は、駆動電流Ｉａの電流値から加速度補償値Ｉｒｃを減算した結果に基づいて、可動部２１２に加わる外力Ｆを検出する。なお、可動部２１２に加わる外力Ｆとしては、保持部２２が物体５０と接触した際に発生する力、及び、保持部２２により保持された物体５０が仕分け箱６と接触した際に発生する力が挙げられる。また図３では、外力検出部２６２が、加速度検出部２５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部２６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて可動部２１２に加わる外力Ｆを検出する場合を示している。図３に示す外力検出部２６２は、係数乗算部２６２１、減算器２６２２及び係数乗算部２６２３を有している。

係数乗算部２６２１は、加速度補償部２６７の乗算器２６７１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。この係数乗算部２６２１による乗算結果を示す信号は、減算器２６２２に出力される。

減算器２６２２は、定電流制御部２６９により発生された駆動電流Ｉａの電流値から、係数乗算部２６２１による乗算結果を減算する。この減算器２６２２による減算結果を示す信号は、係数乗算部２６２３に出力される。

係数乗算部２６２３は、減算器２６２２による減算結果に係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。この係数乗算部２６２３により得られた外力Ｆを示す信号は、作業制御部２７に出力される。

なお、外力検出部２６２が、アクチュエータ制御部２６１において得られた電流指令値Ｉｒｐに基づいて可動部２１２に加わる外力Ｆを検出する場合には、係数乗算部を有する。この係数乗算部は、ゲイン調整部２６５から出力された電流指令値Ｉｒｐに係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。そして、この係数乗算部により得られた外力Ｆを示す信号は、作業制御部２７に出力される。

次に、作業制御部２７の構成例について、図５を参照しながら説明する。
作業制御部２７は、図５に示すように、接触制御部２７１、推力制御部２７２、保持制御部２７３、第２接触制御部２７４及び収納制御部２７５を有している。

接触制御部２７１は、保持部２２がベルトコンベア５を流れる物体５０に力（第１の力）Ｆ１で接触するまで、当該保持部２２を移動させる。力Ｆ１は、保持部２２が物体５０に接触したことを認識可能な力であり、物体５０を破損しない程度に十分に弱い力である。

推力制御部２７２は、接触制御部２７１による処理後、力リセットを実行する。力リセットとは、保持部２２による物体５０への接触を維持しつつ可動部２１２に加わる外力Ｆが力（第２の力）Ｆ２となるようにアクチュエータ２１が発生する推力を制御することである。力Ｆ２は、力Ｆ１より小さい力であり、限りなく零に近い力である。

保持制御部２７３は、推力制御部２７２による処理後、保持部２２により当該保持部２２が接触している物体５０を保持させる。この際、保持制御部２７３は、撮影装置１により撮影された画像に基づいて、アクチュエータ制御部２６１、保持部２２及び移動部２３のうちの少なくとも一つを制御する。

第２接触制御部２７４は、保持制御部２７３による処理後、保持部２２により保持された物体５０が仕分け箱６に力（第３の力）Ｆ３で接触するまで、当該保持部２２を移動させる。力Ｆ３は、保持部２２により保持された物体５０が仕分け箱６に接触したことを認識可能な力であり、物体５０を破損しない程度に十分に弱い力である。

収納制御部２７５は、第２接触制御部２７４による処理後、保持部２２による物体５０の保持を解除する。

次に、外力検出制御部２６の動作原理について説明する。なお以下では、アクチュエータ２１として、発生した推力が保持部２２に直接伝わるダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用い、固定部２１１に対して可動部２１２を直動させるものとする。このアクチュエータ２１は、定電流制御部２６９が電流指令値Ｉｒに応じて発生した駆動電流Ｉａにより駆動する。

一方、位置検出部２４は、固定部２１１に対する可動部２１２の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部２６３は、位置検出部２４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部２１１に対する可動部２１２の速度を示す。

また、加速度検出部２５は、固定部２１１の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部２５は、固定部２１１の直動方向成分における移動加速度α１と、固定部２１１の直動方向成分における重力加速度αｇとが加算された加速度（α１＋αｇ）を検出するものとする。

また、位置検出部２４により検出された位置は、減算器２６４で基準位置Ｐｒと比較され、その差分がゲイン調整部２６５を介して電流指令値Ｉｒを構成する要素の一つである電流指令値Ｉｒｐとして加減算器２６８に与えられる。

電流指令値Ｉｒは、電流指令値Ｉｒｐの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃで構成され、次式（１）で表される。
Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （１）

なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部２６３からの速度信号をマイナーループとして加減算器２６８のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。

また、ゲイン調整部２６５では、位置制御ループのゲインを変えることで、アクチュエータ２１におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。

ここで、駆動電流Ｉａに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時に保持部２２から受ける反力Ｆ、重力加速度αｇ及び移動加速度α１により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ２１はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Ｉａは、作業時に保持部２２から受ける反力Ｆ、重力加速度αｇ及び移動加速度α１により発生する力に比例した値となる。なお以下では、反力Ｆは、保持部２２が物体５０に接触した際に発生する力であるとする。

ここで、アクチュエータ２１の駆動電流Ｉａ、作業時に保持部２２から受ける反力Ｆ、固定部２１１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部２１１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部２１２の質量Ｍ１、及び、保持部２２の質量Ｍ２から、次式（２）の関係が成り立つ。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）
なお、Ｋｔはアクチュエータ２１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。

また、式（２）において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを次式（３）のように設定する。
（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒｃ （３）

式（３）のように加速度補償値Ｉｒｃを設定した場合、式（２）からα１，αｇ，Ｍ１，Ｍ２の項が消え、次式（４）のように整理される。
Ｆ＝Ｋｔ・Ｉｒｐ （４）

このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを式（３）のように設定すると、作業時に保持部２２から受ける反力Ｆと電流指令値Ｉｒｐは、比例関係になることがわかる。

これは、作業時に保持部２２から受ける反力Ｆが零、つまり保持部２２が物体５０に接触していない場合、基準位置Ｐｒと実際の位置の差分に基づく電流指令値Ｉｒｐも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、保持部２２が物体５０に接触した際に生じる反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。

そして、式（４）には、固定部２１１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部２１１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部２１２の質量Ｍ１、保持部２２の質量Ｍ２の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動又は停止を行い移動加速度α１が発生した場合、及び、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度αｇが変化した場合でも、アクチュエータ２１の可動部２１２はゆれることなく反力Ｆを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。

なお、上述したように、保持部２２が物体５０と急激に衝突する等して発生する反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。また、アクチュエータ２１には、反力Ｆと拮抗するように誘導電流が発生するため、駆動電流Ｉａから反力Ｆを検出することもできる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Ｆに対する電流指令値Ｉｒｐの応答は一般的に速くない。一方、反力Ｆに対する駆動電流Ｉａの応答は、可動部２１２が移動することにより発生する誘導電流によるものであるため、比較的速い。そこで、電流指令値Ｉｒｐを直接監視するのではなく、駆動電流Ｉａを監視することで反力Ｆの検出を行う。

ここで、式（２）は以下の通りである。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）

一方、駆動電流Ｉａは次式（５）で表せる。
Ｉａ＝Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （５）

よって、式（２），（５）から下式（６）が得られる。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉａ （６）

そして、式（６）の両辺から、式（３）の左辺である（（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２））を減算して整理すると、下式（７）が得られる。
Ｆ＝Ｋｔ・（Ｉａ−（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｋｔ） （７）

この式（７）に示されるように、駆動電流Ｉａから加速度補償値（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｋｔを差し引いてトルク定数Ｋｔをかけることで、反力Ｆを求めることができる。

次に、外力検出制御部２６による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体５０の大きさの違い等により、予めプログラムされた物体５０の目標位置と実際の位置が異なる場合、保持部２２が物体５０に接触した際に大きな外力Ｆが発生し、物体５０に傷が付く恐れがある。

その対策として、ロボットと保持部２２との間に力センサを設置し、保持部２２と物体５０との接触時に過大な外力Ｆが発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力Ｆが発生しないようにする方法が考えられる。

しかしながら、過大な外力Ｆが発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、物体５０を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、保持部２２を物体５０に近付ける速度を遅くせざるを得ない。

上記の理由により、保持部２２が物体５０に接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、保持部２２を移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。

一方、実施の形態１では、ロボット（移動部２３）の先端にアクチュエータ２１を取付け、また、外力検出制御部２６は、アクチュエータ２１が急激に移動又は停止されて移動加速度α１が発生した場合、及び、アクチュエータ２１の姿勢が変更されて重力加速度αｇが変化した場合でも、可動部２１２に加わる反力Ｆを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより物体５０を押し潰してしまうことはない。よって、保持部２２を物体５０に近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。

また、ロボットと保持部２２との間に力センサを設置した場合、ロボットが急激に減速すると、保持部２２の質量Ｍ２による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と保持部２２の物体５０との接触により発生する外力Ｆとを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。

一方、外力検出制御部２６では、アクチュエータ２１が急激に加減速された場合でも正しく外力Ｆを検出でき、接触時にのみ外力Ｆを検出するため、アクチュエータ２１の減速時間を長くする必要はない。

また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、組立作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、ロボットと保持部２２との間に力センサを設置した場合には、ロボットの姿勢が水平ではないと、力センサには重力加速度αｇによる影響でロボットの姿勢と保持部２２の質量Ｍ２に応じた力が発生する。

一方、外力検出制御部２６では、アクチュエータ２１の姿勢が変更されて重力加速度αｇが変化した場合でも外力Ｆを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。

次に、作業制御部２７の動作例について、図６，７を参照しながら説明する。
作業制御部２７は、外力検出部２６２により検出された外力Ｆ及び撮影装置１により撮影された画像等に基づいて、アクチュエータ制御部２６１、保持部２２及び移動部２３を制御することで、ピッキング装置２による仕分け作業を実現する。なお、作業制御部２７は、基準位置Ｐｒ又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部２６１を制御する。ここで、ゲイン調整部２６５は位置偏差に基づいて電流指令値Ｉｒｐを出力しているが、上記ゲインの変更とは、上記位置偏差と電流指令値Ｉｒｐとの関係を示す関数の変更を意味している。また、上記関数の変更には、関数の傾きの変更も含まれる。

また図７Ａにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はアクチュエータ２１が発生する推力を示している。また図７Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は可動部２１２の位置を示している。また図７において、点ａは保持部２２がベルトコンベア５を流れる物体５０に接触したことを示し、点ｂは力リセットの開始を示し、点ｃは力リセットの完了を示している。

ピッキング装置２による仕分け作業では、まず、図６に示すように、接触制御部２７１は、保持部２２がベルトコンベア５を流れる物体５０に力Ｆ１で接触するまで、当該保持部２２を移動させる（ステップＳＴ１）。図７Ａに示すように、力Ｆ１は、保持部２２が物体５０に接触したことを認識可能な力であり、物体５０を破損しない程度に十分に弱い力である。なお図７Ｂに示すように、保持部２２が物体５０に接触するまでは、可動部２１２は、位置が変化しない場合（実線）に限らず、自ら伸びる場合（破線）もあり得る。

次いで、推力制御部２７２は、力リセットを実行し、保持部２２による物体５０への接触を維持しつつ可動部２１２に加わる外力Ｆが力Ｆ２となるようにアクチュエータ２１が発生する推力を制御する（ステップＳＴ２）。図７Ａに示すように、力Ｆ２は、力Ｆ１より小さい力であり、限りなく零に近い力である。このように、推力制御部２７２により可動部２１２の推力を制御することで、保持部２２による物体５０への接触を維持したまま保持部２２を物体５０上で移動させる（滑らせる）ことが可能となる。また、これにより、ピッキング装置２は、物体５０の高さを正確に検出可能となるため、その後の物体５０のピッキング制御が容易となる。

次いで、保持制御部２７３は、保持部２２により当該保持部２２が接触している物体５０を保持させる（ステップＳＴ３）。この際、保持制御部２７３は、撮影装置１により撮影された画像に基づいて、アクチュエータ制御部２６１、保持部２２及び移動部２３のうちの少なくとも一つを制御する。
ここで、ベルトコンベア５を流れる物体５０は姿勢がそれぞれ異なる場合がある。そこで、保持制御部２７３は、撮影装置１により撮影された画像から物体５０の姿勢を検出し、その姿勢に基づいて、保持部２２の向きを、物体５０を保持し易い向きに変える。これにより、ピッキング装置２は、ベルトコンベア５を流れる物体５０を容易にピッキングできる。また、保持制御部２７３は、撮影装置１により撮影された画像から物体５０の大きさを検出し、その大きさに基づいて、保持部２２（グリッパ）の可動域を制御することも可能である。

なお上記では、保持制御部２７３が、撮影装置１により撮影された画像から物体５０の姿勢又は大きさを検出する場合を示した。しかしながら、これに限らず、撮影装置１が、画像に基づく物体５０の姿勢又は大きさの検出を行い、その検出結果を示す情報をピッキング装置２に出力してもよい。

次いで、第２接触制御部２７４は、保持部２２により保持された物体５０が仕分け箱６に力Ｆ３で接触するまで、当該保持部２２を移動させる（ステップＳＴ４）。力Ｆ３は、保持部２２により保持された物体５０が仕分け箱６に接触したことを認識可能な力であり、物体５０を破損しない程度に十分に弱い力である。

収納制御部２７５は、保持部２２による物体５０の保持を解除する（ステップＳＴ５）。これにより、ピッキング装置２は、ピッキングしている物体５０を仕分け箱６に収納することができる。

以上の動作により、物体５０に傷を付けずに、且つ作業速度を落とさずに、ベルトコンベア５を流れる物体５０の仕分け作業が実施できる。

なお上記では、可動部２１２を直動方向に変位可能とするアクチュエータ２１を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、加速度検出部２５が角加速度を検出可能であれば、可動部２１２を回転方向に変位可能とするアクチュエータ２１を用いることもできる。

また上記では、移動部２３がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部２３として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。

また上記では、ピッキング装置２が１台設けられた場合を示した。一方、ピッキング装置２を複数台設けた場合には、例えば図８に示すように、各々のピッキング装置２が互いに異なる方向から１つの物体５０を保持するよう制御する。このように、複数台のピッキング装置２を用いた場合には、１台のピッキング装置２を用いた場合に対し、物体５０をピッキングする際の自由度が増す。

以上のように、この実施の形態１によれば、ピッキング装置２は、固定部２１１及び可動部２１２を有するアクチュエータ２１と、可動部２１２に取付けられ、ベルトコンベア５を流れる物体５０を保持可能な保持部２２と、固定部２１１に対する可動部２１２の位置を検出する位置検出部２４と、固定部２１１の加速度を検出する加速度検出部２５と、位置検出部２４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部２５により検出された加速度に基づいてアクチュエータ２１に対する駆動電流Ｉａを出力するアクチュエータ制御部２６１と、アクチュエータ制御部２６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部２５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部２６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部２１２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部２６２と、外力検出部２６２により検出された外力Ｆに基づいてアクチュエータ制御部２６１及び保持部２２を制御する作業制御部２７とを備えたので、物体５０の重量及び形状に寄らず、人の手を介さないで仕分けをすることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 体積測定装置
２ ピッキング装置
５ ベルトコンベア
６ 仕分け箱
２１ アクチュエータ
２２ 保持部
２３ 移動部
２４ 位置検出部
２５ 加速度検出部
２６ 外力検出制御部
２７ 作業制御部
５０ 物体
２１１ 固定部
２１２ 可動部
２６１ アクチュエータ制御部
２６２ 外力検出部
２６３ 位置速度変換部
２６４ 減算器
２６５ ゲイン調整部
２６６ 質量推定部
２６７ 加速度補償部
２６８ 加減算器
２６９ 定電流制御部
２７１ 接触制御部
２７２ 推力制御部
２７３ 保持制御部
２７４ 第２接触制御部
２７５ 収納制御部
２６２１ 係数乗算部
２６２２ 減算器
２６２３ 係数乗算部
２６５１ ループゲイン測定部
２６５２ ゲイン交点制御部
２６５３ 可変ゲイン調整部
２６５４ 発振器
２６５５ 加算器
２６５６ 比較器
２６７１ 乗算器
２６７２ 係数乗算部
２６９１ 減算器
２６９２ 駆動ドライバ
２６９３ 電流検出部

Claims (7)

1. ベルトコンベアを流れる物体を仕分けするピッキング装置を備え、
   前記ピッキング装置は、
   固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、
   前記可動部に取付けられ、前記ベルトコンベアを流れる物体を保持可能な保持部と、
   前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置検出部と、
   前記固定部の加速度を検出する加速度検出部と、
   前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び前記加速度検出部により検出された加速度に基づいて前記アクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、
   前記アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、前記加速度検出部により検出された加速度及び前記アクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、
   前記外力検出部により検出された外力に基づいて前記アクチュエータ制御部及び前記保持部を制御する作業制御部とを備えた
   ことを特徴とする仕分け装置。
2. 前記作業制御部は、
   前記保持部が前記ベルトコンベアを流れる物体に第１の力で接触するまで、当該保持部を移動させる接触制御部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の仕分け装置。
3. 前記作業制御部は、
   前記接触制御部による処理後、前記保持部による物体への接触を維持しつつ前記可動部に加わる外力が前記第１の力より小さい第２の力となるように前記アクチュエータが発生する推力を制御する推力制御部を有する
   ことを特徴とする請求項２記載の仕分け装置。
4. 前記作業制御部は、
   前記推力制御部による処理後、前記保持部により当該保持部が接触している物体を保持させる保持制御部を有する
   ことを特徴とする請求項３記載の仕分け装置。
5. 前記ベルトコンベアを流れる物体を撮影する撮影装置を備え、
   前記保持制御部は、前記撮影装置により撮影された画像に基づいて前記アクチュエータ及び前記保持部のうちの少なくとも一方を制御する
   ことを特徴とする請求項４記載の仕分け装置。
6. 前記保持部は、物体を把持可能なハンド又は物体を吸引吸着可能な吸着具である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか１項記載の仕分け装置。
7. 前記ピッキング装置は複数設けられた
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか１項記載の仕分け装置。

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