JP5977971B2 - 質量測定装置 - Google Patents

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。

特許文献１（特開平１０−３３９６６０号公報）に開示されている質量測定装置は、重力加速度センサによって重力加速度を検出し、その重力加速度で計量器の出力信号を除算して秤量台と被測定物との合計質量を求め、その合計質量から秤量台の質量を減じて被測定物の質量を求めている。それゆえ、振動や設置場所の影響を受けずに正確に質量を測定することができる。

しかしながら、上記特許文献１に記載の質量測定装置は、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、例えば、マニピュレータやロボットハンドの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、上記従来技術では対応できない。

本発明の課題は、質量測定時の物品の移動状態（静止を含む）に応じて測定方式を切り換え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、第１質量測定部と、第２質量測定部と、制御部とを備えている。第１質量測定部は、物品を保持する保持機構と、保持機構を移動させる移動機構と、移動時の物品に作用する力を測定する力測定部と、移動時の物品に作用する加速度を測定する加速度測定部と、を有し、移動時の物品に作用する力及び加速度に基づいて前記物品の質量を算出する。第２質量測定部は、物品に作用する鉛直方向の力を測定する力測定部あるいは力測定部とは別の第２力測定部を有し、物品に作用する鉛直方向の力に基づき物品の質量を算出する。制御部は、第１質量測定部および第２質量測定部を制御する。さらに、制御部は、加速度測定部によって測定された加速度に応じて、第１質量測定部での質量測定を採用するか第２質量測定部での質量測定を採用するか、を決める。

仮に、２つの質量測定装置を備え、条件に応じて好ましい質量測定装置を選択して質量測定する場合、物品をその都度、選択した装置側に保持させる（持ち替える）必要があり、たとえ自動であっても作業時間の無駄が発生する。

しかし、この質量測定装置では、物品を保持し直す（持ち替える）ことなく２つの方式で質量測定することができるので、生産状況に対応した精度の高い質量測定を実現するとともに、作業時間の無駄を解消することができる。

また、この質量測定装置では、物品を移動させながら質量を測定することができ、産業用ロボットと組み合わせることによって、質量検査、及びその質量検査結果に基づく振り分けをロボット側で行うことができる。その結果、ウエイトチェッカおよび振り分け装置を既存の生産工程から撤去することができる。

本発明の第２観点に係る質量測定装置は、第１質量測定部と、第２質量測定部と、制御部とを備えている。第１質量測定部は、物品を移動させる移動機構と、移動時の物品に作用する力を測定する力測定部と、移動時の物品に作用する加速度を測定する加速度測定部と、を有し、移動時の前記物品に作用する力及び加速度に基づいて物品の質量を算出する。第２質量測定部は、第１質量測定部に連動し、物品に作用する鉛直方向の力を測定する力測定部あるいは力測定部とは別の第２力測定部を有し、物品に作用する鉛直方向の力に基づき物品の質量を算出する。制御部は、第１質量測定部および第２質量測定部を制御する。さらに、制御部は、加速度測定部によって測定された加速度に応じて、第１質量測定部の測定値を採用するか第２質量測定部の測定値を採用するか、を決める。

この質量測定装置では、第１質量測定部の質量測定に連動して第２質量測定部が質量測定するので、所定条件が成立したあと、測定値が速やかに出力される。その結果、工程での生産性を損なうことなく、精度の高い質量測定が行われる。

また、この質量測定装置では、物品を移動させながら質量を測定することができ、産業用ロボットと組み合わせることによって、質量検査、及びその質量検査結果に基づく振り分けをロボット側で行うことができる。その結果、ウエイトチェッカおよび振り分け装置を既存の生産工程から撤去することができる。

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、第１質量測定部が、物品を移動させ、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。第２質量測定部は、物品に作用する鉛直方向の力と重力加速度とに基づいて、物品の質量を算出する。

この質量測定装置では、第２質量測定部は一般に静止状態または緩慢な揺れのある状態で利用される質量測定方式であり、移動しながら質量測定する第１質量測定部と併用されることによって、生産工程の変更、或いは生産品の変更などの生産状況の変化に応じて、測定方式を変更することができる。

本発明の第４観点に係る質量測定装置は、第１観点又は第２観点に係る質量測定装置であって、第１質量測定部では、力測定部および加速度測定部の感度方向は、鉛直方向を含む互いに直交する３方向である。

この質量測定装置では、物品の移動方向に制約されることなく物品を移動させながら質量を測定することができるので、産業用ロボットと組み合わせに適している。なお、感度方向とは、例えば、力に反応するセンサに対して、任意の力を様々な方向に作用させたとき、最もセンサ出力が大きくなる方向である。

本発明の第５観点に係る質量測定装置は、第１観点又は第２観点に係る質量測定装置であって、第１質量測定部では、力測定部および加速度測定部の感度方向が水平面に対して所定角度下方に傾斜している。

この質量測定装置では、鉛直方向の力および加速度も、水平方向の力および加速度も、力測定部および加速度測定部の感度方向の傾斜角度に応じた成分として現れる。それゆえ、鉛直方向および水平方向のいずれの方向に対しても、力測定部および加速度測定部を増設することなく力および加速度を測定することができる。

本発明の第６観点に係る質量測定装置は、第１観点又は第２観点に係る質量測定装置であって、第１質量測定部では、移動機構が鉛直軸を含む互いに直交する２軸まわりに回転し、力測定部および加速度測定部の感度方向を任意の方向に向ける。

この質量測定装置では、力測定部および加速度測定部を増設することなく、鉛直方向を含む互いに直交する３方向のいずれに対しても、力および加速度を測定することができる。

本発明の第７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、制御部は、第１質量測定部の加速度測定部の出力が所定値未満のとき、第２質量測定部での質量測定を採用する。

本発明の第８観点に係る質量測定装置は、第２観点に係る質量測定装置であって、制御部は、第１質量測定部の加速度測定部の出力が所定値未満のとき、第２質量測定部での測定値を採用する。

例えば、物品を低速且つ等速で移動させながら質量測定するとき、或いは物品を持ち上げるだけのほぼ静止状態で質量測定するときは、第１質量測定部であえて物品に加速度を与えて質量測定するよりも、第２質量測定部で対応する方が合理的である。

本発明の質量測定装置では、物品を保持し直す（持ち替える）ことなく２つの方式で質量測定することができるので、生産状況に対応した精度の高い質量測定を実現するとともに、作業時間の無駄を解消することができる。

本発明の一実施形態に係る質量測定装置の概略斜視図。 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。 零点調整のために、吸着部に何も保持させない状態で力センサ及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吸着部に保持させた状態で力センサ及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の被測定物を吸着部に保持させた状態で力センサ及び加速度センサから得られた検出信号を示すグラフ。 質量測定装置の制御系のブロック図。 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。 質量測定装置１００の第２質量測定方式における制御系のブロック図。 第１変形例に係る質量測定装置の概略斜視図。 第２変形例に係る質量測定装置の側面図。 力センサおよび加速度センサが所定姿勢をとる第３変形例に係る質量測定装置の概略側面図。 力センサおよび加速度センサが他の姿勢をとる第３変形例に係る質量測定装置の概略側面図。

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の概略斜視図である。図１において、質量測定装置１００は、力測定部としての力センサ１と、保持機構としての吸着部２と、移動機構としてのロボットアーム３と、加速度測定部としての加速度センサ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３次元の３方向それぞれについて検出する。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。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３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３次元の３方向それぞれについて検出する。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ている。

（２）質量測定の原理
（２−１）第１質量測定方式
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の自由端側の質量と吸着部２の質量および加速度センサ４の固定端側の質量の和、Ｍ₂は加速度センサ４の自由端の質量である。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、零点調整のために、吸着部２に何も保持させない状態で力センサ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吸着部２に保持させた状態で力センサ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、スパン質量をｍｓ、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、（７）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／Ｆａｓ）−（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／Ｆａｓ）−（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）｝ （１１）
である。

図５は、質量ｍの被測定物を吸着部２に保持させた状態で力センサ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。

上記のように、第１質量測定方式は、物品Ｑを移動させ、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Ｑの質量を算出する方式である。この第１質量測定方式を用いた質量測定を担う部分を総称して、第１質量測定部とよぶ。

（２−２）第２質量測定方式
第１質量測定方式の利用は物品が移動していることが前提条件であるが、ある特定の商品の生産においては、物品Ｑを持ち上げるだけで質量を測定したい場合もある。そのようなときに、第１質量測定方式で物品Ｑに加速度を与えて質量測定することは不合理である。そこで、質量測定装置１００は、物品Ｑを低速且つ等速で移動させながら質量測定するとき、或いは物品Ｑを持ち上げるだけのほぼ静止状態で質量測定するときは、第１質量測定方式と測定方式が異なる第２質量測定方式で測定する。

第２質量測定方式は、基本的には物品Ｑに作用する鉛直方向の力を重力加速度で除算して、又はその原理を応用して物品Ｑの質量を算出する方式である。したがって、理論的には力センサ１の出力が物品Ｑに作用する鉛直方向の力となるが、物品Ｑには生産現場の振動がロボットアーム３及び吸着部２を介して伝播してくる。それゆえ、力センサ１の出力には振動成分が含まれている。

したがって、第２質量測定方式では、加速度センサ４の出力を物品Ｑに作用する振動加速度とみなし、その出力に加速度センサ４に付帯する構造体の質量に基づく係数を掛けた値を、力センサ１の出力から減じる処理を行っている。この結果、振動の影響が取り除かれた物品の質量が測定される。この第２質量測定方式を用いた質量測定を担う部分を総称して、第２質量測定部とよぶ。

（３）制御系
（３−１）第１質量測定方式における制御系
図６は、質量測定装置１００の第１質量測定方式における制御系のブロック図である。図６において、制御部４０及び記憶部４９を含む制御回路５０には、力センサ１、吸着部２、ロボットアーム３、加速度センサ４、入力部７及びディスプレイ８が電気的に接続されている。なお、力センサ１、吸着部２、ロボットアーム３、及び加速度センサ４については、既に説明しているので、ここでは言及しない。

入力部７は、質量測定装置１００の始動前に、オペレータが力センサ１の定格や、被測定物の測定範囲などを入力するための機器であり、具体的には、キーボード、或いは、タッチパネルである。

ディスプレイ８は、質量測定装置１００の動作状況を逐次表示するための機器であり、力センサ１及び加速度センサ４の異常や、吸着部２及びロボットアーム３の動作異常が発生したときには、エラー表示を行う。

記憶部４９は、質量測定装置１００に搭載可能な力センサ１の定格、及び被測定物の質量範囲ごとに設定された被測定物に作用させるべき適用加速度を予め記憶している。

例えば、質量測定装置１００が、物品Ｑが搬送される工程で、「吸着部２によって物品Ｑを吸着し、ロボットアーム３によって物品Ｑを梱包容器まで移動させ、その間に質量を測定し、物品Ｑを梱包容器に納める」という動作を行う場合、オペレータは質量測定装置１００の始動前に、物品Ｑの質量測定範囲（例えば、ｍ±０．５ｇ）を入力する。

記憶部４９は、予め質量ｍ程度の物品Ｑの質量を測定するときに物品Ｑに作用させるべき最適加速度を記憶している。制御部４０は、入力された質量測定範囲に対応する適用加速度を記憶部４９から読み取り、ロボットアーム３を介して物品Ｑにその適用加速度を作用させ、そのときの力センサ１の出力を読み取る。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。

図７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７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。

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、制御部４０は、減算器４３として機能することで、その除算結果を用いて式（１２）の演算を行い、質量ｍを算出する処理を行う。即ち、制御部４０は、力センサ１及び加速度センサ４の検出信号に基づいて、物品Ｑの質量ｍを算出する。

（３−２）第２質量測定方式の制御系
図８は、質量測定装置１００の第２質量測定方式における制御系のブロック図である。図８において、制御部４０は、ローパスフィルタ３７ｂを経た加速度センサ４の検出信号を補正部４５で、加速度センサ４に付帯する構造体の重量分に相当する出力レベルを零レベルに補正する。次に制御部４０は、係数乗算部４７で補正部４５を経た検出信号に加速度センサ４に付帯する構造体の質量に基づく係数を掛ける。

そして、制御部４０は、ローパスフィルタ３７ａを経た力センサ１の検出信号から、係数乗算部４７を経た加速度センサ４の検出信号を減算して質量ｍを算出する。

（４）質量測定装置１００の動作
上記のように構成された質量測定装置１００について、その動作例を以下で説明する。例えば、ある生産工程においてコンベアを流れる物品について、質量測定後に質量チェックを行い、ダンボール詰めするものとする。質量チェックでは、物品の質量が所定許容範囲内であるか否かを判定して、ＯＫ品はダンボール詰めを行い、ＮＧ品は不良品箱に入れるものとする。また本生産工程では複数種類の物品の処理を行っているものとする。

（４−１）各動作での計量方式
制御部４０は、搬送コンベアを流れる物品Ｑを吸着部２で保持する。次に制御部４０は、ロボットアーム３の動作を制御して、物品Ｑに加速度が作用するように鉛直上方へ移動させる（コンベアから持ち上げる動作）。このとき、力センサ１および加速度センサ４の感度方向が鉛直になるように設定することで、鉛直方向移動による物品Ｑに作用する力と加速度が検出できる。なお、感度方向とは、ロードセルのような力に反応するセンサに対して、任意の力を様々な方向に作用させたとき、最もセンサ出力が大きくなる方向である。

制御部４０は、除算器４１により力センサ１の出力を加速度センサ４の出力で除算する処理を行う。その後、制御部４０は、減算器４３として機能することで、前段で求めた除算結果を用いて式（１２）の演算を行い、質量ｍを算出する。（第１質量測定方式）。

続いて制御部４０は、物品Ｑを水平に移動させる（コンベヤの上方からダンボール箱の上方へ移動させる動作）。このとき、力センサ１および加速度センサ４の感度方向が移動方向に対して垂直となるので、力センサ１および加速度センサ４は、移動方向の力と加速度をほとんど検出しない。したがって、力センサ１の出力を物品Ｑに作用する鉛直方向の力とみなすことができ、第２質量測定方式で物品Ｑの質量ｍを算出することができる。また、加速度センサ４の出力を物品Ｑに伝播した機械振動とみなして、力センサ１の出力から加速度センサ４の出力を減算することにより、力センサ１の出力から機械振動の影響を除去することで、計量精度を向上することができる。（第２質量測定方式）。

（４−２）質量測定方式の選択
第１質量測定方式では、移動の際の加速度が大きいほど、出力信号が大きくなるため、S/N比が向上し、精度の高い質量算出結果が得られる。一方、第２質量測定方式では、移動時の加速度が小さいほど、力センサ１の出力に加わる機械振動等の外乱が小さくなるため、計量精度が向上する。例えば、物品Ｑを低速且つ等速で移動させながら質量測定するとき、或いは物品Ｑを持ち上げるだけのほぼ静止状態で質量測定するときは、第１質量測定部であえて物品に加速度を与えて質量測定するよりも、第２質量測定部で対応する方が合理的である。

そこで、制御部４０は、第１質量測定方式での加速度センサ４の最大出力と事前に設定した閾値（例えば１．４Ｇ）を比較する。その結果、加速度センサ４の最大出力が閾値以上であれば第１質量測定方式による算出結果を採用し、閾値未満であれば第２質量測定方式の算出結果を採用する。

（４−３）質量チェックの処理
算出された物品Ｑの質量ｍが許容範囲内であれば、制御部４０は物品ＱをＯＫ品と判断する。その後、制御部４０はロボットアーム３の動作を制御して、物品Ｑをダンボール箱に箱詰めするように制御する。他方、算出された物品Ｑの質量ｍが許容範囲から外れていた場合、制御部４０は物品ＱをＮＧ品と判断する。その後、制御部４０はロボットアーム３の動作を制御して、物品Ｑを不良品箱まで運ぶ。

一般に、複数種類の物品が流れる生産工程では、物品の種類(大きさ・柔らかさ・保持の容易さ等)に応じて、物品を移動させる動作（加速度）を変更させる必要がある。そのため、物品を移動させる動作を一定にすることはできない。しかしながら、以上のように、物品Ｑを持ちかえることなく２つの異なる質量測定方式で物品Ｑの質量を測定することができるので、物品Ｑを移動させる動作に対応した精度の高い質量測定を行うことが可能となる。

（５）特徴
（５−１）
質量測定装置１００は、第１質量測定部と、第２質量測定部と、制御部４０とを備えている。第１質量測定部は、物品Ｑを保持してその質量を測定する。第２質量測定部は、物品Ｑを第１質量測定部に保持させたまま、第１質量測定部と異なる方式で物品Ｑの質量を測定する。制御部４０は、所定条件成立時、第２質量測定部での質量測定を優先する。この質量測定装置１００では、物品Ｑを持ち替えることなく２つの方式で質量測定することができるので、生産状況に対応した精度の高い質量測定を実現するとともに、作業時間の無駄を解消することができる。

（５−２）
また、質量測定装置１００では、第１質量測定部の質量測定に連動して第２質量測定部が質量測定するので、所定条件が成立したあと、測定値が速やかに出力される。その結果、工程での生産性を損なうことなく、精度の高い質量測定が行われる。

（５−３）
第１質量測定部が、物品Ｑを移動させ、移動時の物品Ｑに作用する力を移動時の物品Ｑに作用する加速度で除算して物品の質量を算出する。第２質量測定部は、物品Ｑに作用する鉛直方向の力を重力加速度で除算して、又はその原理を応用して物品の質量を算出する。第２質量測定部は一般に静止状態または緩慢な揺れのある状態で利用される質量測定方式であり、移動しながら質量測定する第１質量測定部と併用されることによって、生産工程の変更、或いは生産品の変更などの生産状況の変化に応じて、測定方式を変更することができる。

（５−４）
この質量測定装置１００では、第１質量測定部が、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、移動時の物品に作用する力を測定する力センサ１と、移動時の物品に作用する加速度を測定する加速度センサ４とを有している。質量測定装置１００は、物品Ｑを移動させながら質量を測定することができ、産業用ロボットと組み合わせることによって、質量検査、及びその質量検査結果に基づく振り分けをロボット側で行うことができる。その結果、ウエイトチェッカおよび振り分け装置を既存の生産工程から撤去することができる。

（６）変形例
（６−１）第１変形例
上記実施形態では、１つの力センサ１が３次元の３方向それぞれについて力を検出し、１つの加速度センサ４が３次元の３方向それぞれについて加速度を検出する構成であるが、これに限定されるものではない。

図９は、第１変形例に係る質量測定装置１５０の概略斜視図である。図９において、質量測定装置１５０は、吸着部１２、ロボットアーム１３、第１力センサ１１１、第２力センサ１１２、第３力センサ１１３、第１加速度センサ１４１、第２加速度センサ１４２、及び第３加速度センサ１４３を備えている。吸着部１２は、上記実施形態の吸着部２と同様に、エアー吸着機構が採用されている。ロボットアーム１３は、吸着部１２を３次元的に移動させる。また、ロボットアーム１３は、所定の回転軸ＣＢ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。

第１力センサ１１１、第２力センサ１１２及び第３力センサ１１３は歪みゲージ式ロードセルである。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。

第１力センサ１１１、第２力センサ１１２及び第３力センサ１１３は、それぞれの感度方向をＺ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に向けて配置されている。

第１力センサ１１１の一端（固定端）は取り付け部材１３１を介してロボットアーム１３に固定され、第１力センサ１１１の自由端には第１接続部材１６１が連結されている。

また、第２力センサ１１２の一端（固定端）は第１接続部材１６１に連結され、第２力センサ１１２の自由端には、第２接続部材１６２が連結されている。また、第３力センサ１１３の一端（固定端）は第２接続部材１６２に連結され、第３力センサ１１３の自由端には、第３接続部材１６３が連結されている。そして、吸着部１２が第３接続部材１６３を介して第３力センサ１１３と連結されている。

第１加速度センサ１４１、第２加速度センサ１４２及び第３加速度センサ１４３も歪みゲージ式ロードセルであり、それぞれの感度方向をＺ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に向けて配置されている。

第１力センサ１１１、第２力センサ１１２及び第３力センサ１１３には、くり貫き部とよばれる感度方向と直交する方向に貫通する孔が設けられており、これ以降、くり貫き部１１１ａ，１１２ａ，１１３ａとよぶ。

同様に、第１加速度センサ１４１、第２加速度センサ１４２及び第３加速度センサ１４３にも、くり貫き部とよばれる感度方向と直交する方向に貫通する孔が設けられており、これ以降、くり貫き部１４１ａ，１４２ａ，１４３ａとよぶ。

第１加速度センサ１４１、第２加速度センサ１４２及び第３加速度センサ１４３の大きさは、第１力センサ１１１、第２力センサ１１２及び第３力センサ１１３のくり貫き部１１１ａ，１１２ａ，１１３ａに収まる程度の大きさである。

第１加速度センサ１４１は、第１力センサ１１１のくり貫き部１１１ａ内に片持ち梁上に固定されている。また、第２加速度センサ１４２は、第２力センサ１１２のくり貫き部１１２ａ内に片持ち梁上に固定されている。また、第３加速度センサ１４３は、第３力センサ１１３のくり貫き部１１３ａ内に片持ち梁上に固定されている。

以上のような構成によって、第１力センサ１１１及び第１加速度センサ１４１は、物品ＱがＺ軸方向に移動するときに物品Ｑに作用する力と加速度を検出する。また、第２力センサ１１２及び第２加速度センサ１４２は、物品ＱがＹ軸方向に移動するときに物品Ｑに作用する力と加速度を検出する。第３力センサ１１３及び第３加速度センサ１４３は、物品ＱがＸ軸方向に移動するときに物品Ｑに作用する力と加速度を検出する。

この変形例１に係る質量測定装置１５０では、物品Ｑの移動方向に制約されることなく物品Ｑを移動させながら質量を測定することができるので、産業用ロボットとの組み合わせに適している。

（６−２）第２変形例
第１変形例では、３つの力センサ（ロードセル）によって物品Ｑに作用するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の力を検出し、さらに３つの加速度センサ（ロードセル）によって物品Ｑに作用するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出するので、合計６つのロードセルが必要となる。仮に、力および加速度の検出をそれぞれ１つのロードセルで対応することができるならばコスト低減となる。

図１０は、第２変形例に係る質量測定装置２００の側面図である。図１０において、質量測定装置２００は、力センサ２１と、ロボットハンド２２と、ロボットアーム２３と、加速度センサ２４とを備えている。力センサ２１及び加速度センサ２４は歪みゲージ式ロードセルであり、感度方向を傾けた姿勢で配置されている。

例えば、力センサ２１及び加速度センサ２４の感度方向が水平方向に対して角度θ傾斜している場合、質量ｍの物品Ｑに鉛直方向の加速度ａが作用するとき、力センサ２１はｍ・（ｇ＋ａ）ｓｉｎθの力を検出し、加速度センサ２４は（ｇ＋ａ）ｓｉｎθの加速度を検出する。なお、ｇは重力加速度である。他方、質量ｍの物品Ｑに水平方向の加速度ａが作用するとき、力センサ２１はｍ・ａ・ｃｏｓθの力を検出し、加速度センサ２４はａ・ｃｏｓθの加速度を検出する。

以上のように、第２変形例に係る質量測定装置２００は、１個の力センサ２１及び１個の加速度センサ２４が鉛直方向と水平方向のいずれの方向に移動しても、そのときに物品Ｑに作用する力および加速度の感度方向成分を検出することができる。

また、力センサ２１及び加速度センサ２４は水平軸６１まわりに回転可能であるので、力センサ２１及び加速度センサ２４の傾斜角度θは任意に設定可能である。さらに、力センサ２１及び加速度センサ２４は任意の傾斜角度θで傾斜した状態のまま鉛直軸６２まわりにも回転可能であるので、力センサ２１及び加速度センサ２４の感度方向は任意の方向に設定可能である。したがって、第２変形例に係る質量測定装置２００は、力センサ２１及び加速度センサ２４の感度方向を物品Ｑの移動方向の変化に追従させることができる。

その結果、第２変形例に係る質量測定装置２００では、力センサ２１および加速度センサ２４を増設することなく、鉛直方向を含む互いに直交する３方向のいずれに対しても、力および加速度を測定することができる。

（６−３）第３変形例
図１１Ａは、力センサ２１及び加速度センサ２４が所定姿勢をとる第３変形例に係る質量測定装置２５０の概略側面図である。また、図１１Ｂは、力センサ２１及び加速度センサ２４が他の姿勢をとる第３変形例に係る質量測定装置２５０の概略側面図である。図１１Ａ及び図１１Ｂにおける質量測定装置２５０の構成は図１０で示した第２変形例から鉛直軸６２まわりの回転機構を廃止した構成であり、その他の構成は第２変形例と同様である。

図１１Ａにおいて、質量測定装置２５０の力センサ２１及び加速度センサ２４は感度方向が鉛直方向となる姿勢をとっている。通常、物品Ｑの移動には鉛直移動が含まれているので、力センサ２１及び加速度センサ２４が反応する。また、物品Ｑの移動が３次元的傾斜方向であっても力センサ２１及び加速度センサ２４には鉛直方向の成分が出力される。

制御部４０は、ロボットハンド２２及びロボットアーム２２３を制御して物品Ｑを移動させるので、物品Ｑが鉛直方向を含む移動している期間、力センサ２１及び加速度センサ２４の出力に基づいて質量を算出することができる。

他方、図１１Ｂにおいて、質量測定装置２５０の力センサ２１及び加速度センサ２４は感度方向が水平方向となる姿勢をとっている。なお、姿勢の変更は、力センサ２１及び加速度センサ２４が水平軸６１まわりに回転可能であるので、力センサ２１及び加速度センサ２４の感度方向の傾斜角度は任意に設定可能である。

通常、物品Ｑの移動には水平移動が含まれているので、力センサ２１及び加速度センサ２４が反応する。また、物品Ｑの移動が３次元的傾斜方向であっても力センサ２１及び加速度センサ２４には水平方向の成分が出力される。

制御部４０は、ロボットハンド２２及びロボットアーム２２３を制御して物品Ｑを移動させるので、物品Ｑが水平方向を含む移動している期間、力センサ２１及び加速度センサ２４の出力に基づいて質量を算出することができる。

それゆえ、この第３変形例に係る質量測定装置２５０では、鉛直方向および水平方向のいずれの方向に対しても、力センサ２１及び加速度センサ２４を増設することなく力および加速度を測定することができる。

（７）その他
第２質量測定方式では、加速度センサ４，１４１，２４が物品Ｑに作用する振動加速度を検出しているが、加速度センサ４，１４１，２４とは別に機械振動を検出する振動センサをロボットアーム３，１３，２３，２２３側に設けても何ら支障はなく、本発明の技術的範囲であることは明らかである。

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、さらには物品を持ち替えることなく物品を静止させて質量測定することもできる。それゆえ、生産工程における物品の質量検査だけでなく、物品の振り分けにも有用である。

１，１１１，１１２，１１３，２１ 力センサ（力測定部）
２，１２ 吸着部（保持機構）
２２ ロボットハンド（保持機構）
３，１３，２３，２２３ ロボットアーム（移動機構）
４，１４１，１４２，１４３，２４ 加速度センサ（加速度測定部）
４０ 制御部
Ｑ 物品

特開平１０−３３９６６０号公報

Claims (8)

1. 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、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、を有し、移動時の前記物品に作用する力及び加速度に基づいて前記物品の質量を算出する第１質量測定部と、
   前記物品に作用する鉛直方向の力を測定する前記力測定部あるいは前記力測定部とは別の第２力測定部を有し、前記物品に作用する鉛直方向の力に基づき前記物品の質量を算出する第２質量測定部と、
   前記第１質量測定部および前記第２質量測定部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記加速度測定部によって測定された加速度に応じて、前記第１質量測定部での質量測定を採用するか前記第２質量測定部での質量測定を採用するか、を決める、
   質量測定装置。
2. 物品を移動させる移動機構と、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、を有し、移動時の前記物品に作用する力及び加速度に基づいて前記物品の質量を算出する第１質量測定部と、
   前記第１質量測定部に連動し、前記物品に作用する鉛直方向の力を測定する前記力測定部あるいは前記力測定部とは別の第２力測定部を有し、前記物品に作用する鉛直方向の力に基づき前記物品の質量を算出する第２質量測定部と、
   前記第１質量測定部および前記第２質量測定部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記加速度測定部によって測定された加速度に応じて、前記第１質量測定部の測定値を採用するか前記第２質量測定部の測定値を採用するか、を決める、
   質量測定装置。
3. 前記第１質量測定部は、前記物品を移動させ、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し、
   前記第２質量測定部は、前記物品に作用する鉛直方向の力と重力加速度とに基づいて、前記物品の質量を算出する、
   請求項１又は請求項２に記載の質量測定装置。
4. 前記第１質量測定部では、
   前記力測定部および前記加速度測定部の感度方向は、鉛直方向を含む互いに直交する３方向である、
   請求項１又は請求項２に記載の質量測定装置。
5. 前記第１質量測定部では、
   前記力測定部および前記加速度測定部の感度方向が水平面に対して所定角度下方に傾斜している、
   請求項１又は請求項２に記載の質量測定装置。
6. 前記第１質量測定部では、
   前記移動機構は、鉛直軸を含む互いに直交する２軸まわりに回転し、前記力測定部および前記加速度測定部の感度方向を任意の方向に向ける、
   請求項１又は請求項２に記載の質量測定装置。
7. 前記制御部は、前記第１質量測定部の前記加速度測定部の出力が所定値未満のとき、前記第２質量測定部での質量測定を採用する、
   請求項１に記載の質量測定装置。
8. 前記制御部は、前記第１質量測定部の前記加速度測定部の出力が所定値未満のとき、前記第２質量測定部での測定値を採用する、
   請求項２に記載の質量測定装置。

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