JP6348132B2 - ロボットを用いた重量測定システム及び重量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットを用いて物品の重量を測定する重量測定システム及び重量測定方法に関する。

多関節ロボット等のロボットでは、その各関節に減速機を介してモータが搭載されており、モータの負荷から、ロボットのハンドで持ち上げた物体の重量を推定（測定）することができる。これに関する従来技術として、例えば特許文献１には、サーボモータで駆動されるロボットや工作機械等の制御対象に、付加的に取り付けられるハンドやツール等についての負荷重量を、質量や重心位置を表わすパラメータを外部から入力することなく推定することを企図した負荷重量推定方法が記載されている。

また特許文献２には、ワーク重量を想定せずにモータに向けて送られたトルク指令と、把持されたワークの重量に応答して現実に生じているトルクとの差異に着目して、ワークの重量を推定することを企図した負荷推定装置及び負荷推定方法が記載されている。

特開平０８―１９０４３３号公報 特開２０１１―２３５３７４号公報

通常、ロボットの可搬重量は、その減速機やモータの仕様等に基づいて予め定められており、ロボットで持ち上げた物体の重量を測定する場合、該可搬重量が、測定可能な物体の重量の上限となる。従って測定対象物品の重量が該可搬重量を超える場合は、可搬重量がより大きい他のロボットを使用する必要があった。上述の特許文献１及び２はいずれも、ロボットの可搬重量を超える重量を測定可能とする手段や方法についての言及はない。

そこで本発明は、ロボットを用いて、該ロボットの可搬重量を超える重量も測定可能な重量測定システム及び重量測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、複数の支持点又は１つ以上の支持面が接地することで自重を支えている被測定物の重量を、ロボット及び梃子を用いて測定する重量測定システムであって、前記ロボットは、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも１つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記梃子の一端を押し下げて、前記梃子の他端に載置された前記被測定物の作用点を持ち上げるように構成されており、前記重量測定システムは、前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出し、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する演算処理装置を有する、重量測定システムを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記作用点の位置を検出する手段と、前記作用点の位置に基づいて前記支持点の少なくとも１つ又は前記支持面の一部の浮上を検知する手段とを有する、重量測定システムを提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記モータの負荷が、該モータの上限負荷以下の予め定めた閾値を下回った場合、又は上回った場合に、外部にアラーム又は信号を出力する手段を有する、重量測定システムを提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記支持点又は支持面と作用点との相対位置が同じである場合は、前記演算処理装置は、前記モータの負荷から比例計算によって前記被測定物の重量を計算する、重量測定システムを提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記被測定物は液体の入ったタンクであり、前記演算処理装置は、予め測定された空のタンクの重量を前記被測定物の重量から減算することにより、前記液体の重量を算出する、重量測定システムを提供する。

第６の発明は、複数の支持点又は１つ以上の支持面が接地することで自重を支えている被測定物の重量を、ロボット及び梃子を用いて測定する重量測定方法であって、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも１つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記ロボットを用いて前記梃子の一端を押し下げて、前記梃子の他端に載置された前記被測定物の作用点を持ち上げる工程と、前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出する工程と、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する工程と、を含む、重量測定方法を提供する。

本発明によれば、ロボットが被測定物を部分的に持ち上げることにより、モータの負荷と被測定物の重心位置から、被測定物の重量を測定することができるため、ロボットの負荷容量を超えた物体の重量も測定することができる。

本発明の好適な実施形態に係る重量測定システムの概略構成を示す図である。 図１の重量測定システムにおいて、重量が既知の錘を測定している状態を示す図である。 被測定物が、平面視において正方形の４隅にそれぞれ位置する４つの支持点を有する場合を説明する図である。 被測定物の支持点が構成する図形の平面形状が正方形や長方形等の対称形状である場合に、その重心の位置の求め方の一例を示す図である。 被測定物が、平面視において正三角形の頂点部にそれぞれ位置する３つの支持点を有する場合を説明する図である。 図３及び図５の実施例を一般化した図である。 タンク内の加工液の量が少ない状態を例示する図である。 タンク内の加工液の量が十分である状態を例示する図である。 ロボットが、梃子を押し下げる動作によって被測定物の一部を浮上させた状態を例示する図である。 ロボットが、タンクの側面を押す動作によって被測定物の一部を浮上させた状態を例示する図である。 ロボットが、ボルトとナットの組み合わせによって被測定物の一部を浮上させた状態を例示する図である。 図１１の部分拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係る重量測定システム１０を用いて、被測定物（ここでは加工液等の液体１２が入ったタンク１４）の重量を測定している状態を説明する図である。重量測定システム１０は、ロボット１６と、ロボット１６の動作（より具体的には、ロボット１６に搭載された各軸のモータ）を制御するロボット制御装置１８と、後述する重量計算等を行う演算処理装置２０とを有する。なお演算処理装置２０は、ロボット制御装置１８と一体でもよいし、図１に示すようにロボット制御装置１８とは別個の装置でもよい。

タンク１４は、複数の支持点又は１つ以上の支持面が接地することでその自重を支える構造を有しており、例えば後述する図３の例では、平面視で略矩形形状を有し、その４隅Ａ〜Ｄが支持点に相当する。

ロボット１６は、例えば６軸の多関節ロボットであり、アーム２２やアーム２２の先端に取り付けたハンド２４等の可動部を有し、該可動部は、タンク１４が、支持点Ａ〜Ｄの少なくとも１つ（図３の例では支持点Ａ及びＢ）又は支持面の一部が浮上すると同時に、支持点Ａ及びＢ以外の残りの支持点（図２の例では支持点Ｃ及びＤ）又は浮上した支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、タンク１４に連結された作用点に力を加えるように構成されている。図１の例では、ロボットハンド２４の先端に、タンク１４の上部に取り付けられたアイボルト２６に係合するフック２８が取り付けられており、フック２８がアイボルト２６に係合した状態でハンド２４を上方に（矢印３０の方向に）引き上げることによって、タンク１４が部分的に持ち上げられる。

図２は、ロボット１６を用いて負荷重量を測定する方法の一例を示す図である。先ず、図１に示した測定位置にロボット１６の各軸を移動させ、重量が既知（例えば５ｋｇ）の錘３２をハンド２４に取り付ける。参照符号３４で例示するように、このときの各軸のモータ負荷を求め、適当なメモリ等に記憶しておく、図２の例は、ロボット１６の手首軸等（例えば６軸（Ｊ１〜Ｊ６）のうちのＪ４、Ｊ５及びＪ６軸）のモータ負荷を、最大負荷能力に対する割合（％）で表している。なおこのようなモータ負荷は、ロボット制御装置１８の表示部３６又は演算処理装置２０の表示部３８等に表示されるようにしてもよい。

参照符号３４に例示するような、ロボットのある測定位置（姿勢）において既知の重量を測定したときの各軸のモータ負荷を用いることにより、同じ位置姿勢でロボット１６が被測定物の作用点に加えている力を求めることができる。例えば、図１のような状態においてＪ４、Ｊ５及びＪ６軸のモータ負荷がそれぞれ４５％、６０％及び９０％であれば、図２の参照符号３４で示すモータ負荷との比較から、ロボット１６が持ち上げている重量は７．５ｋｇと計算できる。

また、図２に示すように、錘３２を取り付けた状態でロボット１６の手首軸等（例えばＪ４、Ｊ５及びＪ６軸）を回転させ、同じ重量の錘を異なる測定位置姿勢で測定した場合のモータ負荷をさらに求めておいてもよい。このようにすれば、ロボット１６が異なる位置姿勢で作用点に力を加えている場合も正確に作用点にかかる力を測定することができる。

図３は、被測定物（加工液１２を含むタンク１４）が、平面視において正方形の４隅にそれぞれ位置する４つの支持点Ａ〜Ｄを有する場合に、ロボット１６がタンク１４の一部を持ち上げるための力を作用させる作用点Ｌとタンク１４の重心Ｇとの位置関係を説明する図である。ここでは、作用点Ｌは２つの支持点Ａ及びＢの中間に位置するものとする。演算処理装置２０は、ロボット１６の各軸のモータ負荷に基づいて作用点Ｌに加わる力の大きさを算出し、該力の大きさ、及び、作用点Ｌと、タンク１４の浮上した支持点又は支持面の一部以外の部分（ここでは支持点Ｃ及びＤ）と、タンク１４の重心Ｇとの位置関係から、切削液１２を含むタンク１４の重量を算出することができる。以下、これを詳細に説明する。

図３において、ロボット１６がタンク１４の作用点Ｌを持ち上げると、４つの支持点のうち支持点Ｃ及びＤは接地した状態のまま、支持点Ａ及びＢが上方に移動する。このとき、参照符号４０で示すように、梃子比の関係から、被測定物の重量がロボット１６の可搬重量の２倍以下であれば、ロボット１６は被測定物の一部を持ち上げることができる。また図３の例では梃子比が２なので、ロボット１６が作用点Ｌに加えている力（ロボット１６が持ち上げている重量）の２倍に相当する重量が、被測定物（加工液１２を含むタンク１４）の重量となる。なお図３及び後述する図５、６における「Ｍ」は、被測定物（本実施例では加工液１２を含むタンク１４）の重量を表す。

図４は、被測定物の支持点が構成する図形の平面形状が正方形や長方形等の対称形状である場合に、その重心Ｇの位置（座標）の求め方の一例を示す図である。図４の例では、支持点Ａ〜Ｄの座標がそれぞれ（ｘ１，ｙ１）、（ｘ１，ｙ２）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ２，ｙ１）であり、この場合、重心Ｇの座標（ｘ，ｙ）は以下の式で表すことができる。
ｘ＝（ｘ１＋ｘ２）／２
ｙ＝（ｙ１＋ｙ２）／２

図５は、図３の変形例として、被測定物の支持点が正三角形の各頂点に位置する場合を説明する図である。図５において、ロボット１６がタンク１４の作用点Ｌ（ここでは支持点Ａと同一）を持ち上げると、３つの支持点のうち２つの支持点Ｂ及びＣは接地した状態のまま、残りの支持点Ａが上方に移動する。このとき、参照符号４２で示すように、梃子比の関係から、被測定物の重量がロボット１６の可搬重量の３倍以下であれば、ロボット１６は被測定物の一部を持ち上げることができる。また図５の例では梃子比が３なので、ロボット１６が作用点Ｌに加えている力（ロボット１６が持ち上げている重量）の３倍に相当する重量が、被測定物（加工液１２を含むタンク１４）の重量となる。

図６は、図３及び図５の例を一般化したものである。同図に示すように、被測定物の形状並びに重心及び作用点の位置等によっては、梃子比を任意に設定することができ、より具体的には、物体の重心位置Ｍから把持位置（作用点）Ｌを離すほど、梃子比が大きくなり、より重い重量の被測定物の一部を持ち上げることができることがわかる。ちなみに図３の例はＲが１の場合に相当し、図５の例はＲが２の場合に相当する。

なお本実施形態では、ロボットの各軸のモータの回転角度位置等から、作用点Ｌの位置（ロボット１６によるタンク１４の把持位置）を検出することができる。各モータの回転角度位置は、例えば各モータに関連付けたエンコーダによって測定可能である。またこの作用点の位置が変化（上方に変位）したときに、ロボット制御装置１８又は演算処理装置２０は、被測定物の一部が浮上したと判断することができる。従って本実施形態では、被測定物の一部が浮上しているときの作用点及び重心の位置、並びにモータ負荷から、被測定物の重量を測定することができる。なお、被測定物が液体を有するタンクである等、被測定物の重心の位置がその一部を持ち上げることによって大きく変化する場合は、被測定物の浮上量は極力、小さくすることが好ましい。より具体的には、被測定物が浮上した瞬間のモータ負荷を用いて重量測定を行うことが好ましい。

図７は、ロボット１６の各軸のモータ負荷に、該モータ負荷の上限以下の閾値を設け、測定時のモータ負荷が該閾値を下回ったときにアラーム信号を出力する例を示している。詳細には、ロボット１６が切削液１２を含むタンク１４の一部を持ち上げたときのモータ負荷が閾値を下回っている場合は、切削液１２が少なくなったと判断して、切削液１２を使用する加工機等に対してロボット制御装置１８又は演算処理装置２０からアラーム又は信号を送り、切削液の供給を促すことができる。より具体的には、タンク１４には切削液１２の下限容量４４が予め設定されており、上記閾値は、下限容量４４に相当する量又はこれに所定のマージンを付加した量の切削液１２を含むタンク１４の重量を測定したときのモータ負荷として設定される。このようにすれば、切削液１２が不足して加工機等の動作が停止してしまう等の不具合を未然に防止することができる。また、ロボットによる重量測定を、上記閾値との比較のみに使用する場合は、ロボットの可搬重量は、該閾値に相当する重量を僅かに超える程度であれば足りる。

一方、図８は、ロボット１６の各軸のモータ負荷に、該モータ負荷の上限又はこれに近い閾値を設け、測定時のモータ負荷が該閾値を上回ったときにアラーム信号を出力する例を示している。詳細には、ロボット１６が切削液１２を含むタンク１４の一部を持ち上げたときのモータ負荷が閾値を上回っている場合は、重量オーバーのために被測定物の重量測定ができない旨をアラーム又は信号として、ロボット制御装置１８又は演算処理装置２０から外部に出力することができる。但しこの場合、タンク１４内には十分な量の切削液１２が残っていると判断できるので、切削液１２を使用する加工機等はそのまま所定の作業を続行することができる。

なお図７及び図８の例において、タンク１４のみ（空タンク）の重量を予め測定しておけば、測定値から空タンクの重量を減算することにより、タンク１４内の切削液１２のみの重量（容量）を測定することができる。

図９は、ロボット１６の可搬重量を増加させずに、測定可能な被測定物の重量の上限を上げる手段の一例を説明する図である。図９の例では、梃子４６を使って、切削液１２を含むタンク１４の重量を測定する。より具体的には、ロボット１６はその可動部の先端に（例えば棒状の）押圧部材４８を有し、押圧部材４８を梃子４６の一端（図示例では左端）に上方から押し当てることにより、梃子４６の他端（右端）に載置されているタンク１４の一部（作用点）を上方に持ち上げることができる。この場合、ロボット１６自体は持ち上げる動作ではなく、自重も利用した押し下げ動作を行うので、より強い力を梃子４６に加えることができることに加え、梃子４６の梃子比を適宜設定することにより、より重量の大きい被測定物の重量も測定することができる。

図１０は、ロボット１６がタンク１４を横向きに押すことによってタンク１４の一部を上昇させた状態を示す図である。詳細には、ロボット１６はその可動部の先端に（例えば棒状の）押圧部材４８を有し、押圧部材４８によってタンク１４の側部を押圧することにより、タンク１４を傾け、その結果、タンク１４の一部を浮上させることができる。この場合も、ロボット１６の各軸のモータ負荷に基づいて作用点に加わる力の大きさを算出し、該力の大きさ、及び、作用点と、タンク１４の浮上した支持点又は支持面の一部以外の部分と、タンク１４の重心との位置関係から、切削液１２を含むタンク１４の重量を算出することができる。このとき、図１０に示すように、タンク１４がロボット１６によって横方向に押圧されたときに設置面上を摺動することを防止するために、ロボット１６によって押される側と反対側のタンク１４の下端部に当接するストッパ５０を設置面に設けてもよい。

図１１は、タンク１４の一部をボルトとナットの組み合わせによって持ち上げることによってタンク１４の重量を測定している状態を説明する図であり、図１２は図１１の参照符号５２で示す部分の部分拡大図である。詳細には、ロボットの可動部（ハンド２４）の先端に回転可能に取り付けた回転部材５４にボルト５６を固定し、一方、タンク１４の下端部にナット５８を固定する。ボルト５６とナット５８とを螺合させ、ナット５８に対してボルト５６を回転させることにより、ナット５８を上方に変位させることができ、これに伴ってタンク１４の一部を浮上させることができる。この場合、回転移動を直線移動に変換するので大きな力を生じさせることができ、ボルト５６の回転量と重量比との関係を予め求めておけば、切削液１２を含むタンク１４の重量を測定することができる。

図９〜図１２を用いて説明したように、ロボットの動作は、必ずしも被測定物の一部を持ち上げる動作に限定されず、例えば横方向や下向きに押圧する動作も含まれ、結果として被測定物の一部が持ち上がるように、ロボットが力を作用させるものであればよい。

また上述の実施形態において、被測定物の支持点又は支持面と作用点との相対位置が常に同じである場合（例えば被測定物の形状が不変の場合）は、モータ負荷と被測定物の重量は一対一で対応する（両者は比例関係にある）ので、演算処理装置２０は単純な比例計算によって被測定物の重量計算を行うことができる。

なお図３及び図５では、被測定物（タンク１４）が複数の支持点を有する例を説明しているが、タンク１４が一定の面積を持つ支持面を有する場合も本発明は同様に適用可能である。

本発明では、ロボットが被測定物の1点を持ち上げるか、作用点に力を加えることで、被測定物を完全に持ち上げることなく、ロボットの各軸のモータの負荷及び被測定物の重心位置から、被測定物の重量を測定することができる。従って、ロボットの可搬重量を超える重量も測定することができる。

１０ 重量測定システム
１２ 加工液
１４ タンク
１６ ロボット
１８ ロボット制御装置
２０ 演算処理装置
２２ ロボットアーム
２４ ロボットハンド
２６ アイボルト
２８ フック
３２ 錘
３６、３８ 表示部
４６ 梃子
４８ 押圧部材
５６ ボルト
５８ ナット

Claims (6)

1. 複数の支持点又は１つ以上の支持面が接地することで自重を支えている被測定物の重量を、ロボット及び梃子を用いて測定する重量測定システムであって、
   前記ロボットは、前記被測定物が、前記支持点の少なくとも１つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記梃子の一端を押し下げて、前記梃子の他端に載置された前記被測定物の作用点を持ち上げるように構成されており、
   前記重量測定システムは、前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出し、前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する演算処理装置を有する、重量測定システム。
2. 前記作用点の位置を検出する手段と、前記作用点の位置に基づいて前記支持点の少なくとも１つ又は前記支持面の一部の浮上を検知する手段とを有する、請求項１記載の重量測定システム。
3. 前記モータの負荷が、該モータの上限負荷以下の予め定めた閾値を下回った場合、又は上回った場合に、外部にアラーム又は信号を出力する手段を有する、請求項１又は２に記載の重量測定システム。
4. 前記支持点又は支持面と作用点との相対位置が同じである場合は、前記演算処理装置は、前記モータの負荷から比例計算によって前記被測定物の重量を計算する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の重量測定システム。
5. 前記被測定物は液体の入ったタンクであり、前記演算処理装置は、予め測定された空のタンクの重量を前記被測定物の重量から減算することにより、前記液体の重量を算出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の重量測定システム。
6. 複数の支持点又は１つ以上の支持面が接地することで自重を支えている被測定物の重量を、ロボット及び梃子を用いて測定する重量測定方法であって、
   前記被測定物が、前記支持点の少なくとも１つ又は前記支持面の一部が浮上すると同時に、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分は接地した姿勢となるように、前記ロボットを用いて前記梃子の一端を押し下げて、前記梃子の他端に載置された前記被測定物の作用点を持ち上げる工程と、
   前記ロボットに搭載されたモータの負荷に基づいて前記作用点に加わる力の大きさを算出する工程と、
   前記力の大きさ、及び、前記作用点と、前記少なくとも１つの支持点以外の残りの支持点又は浮上した前記支持面の一部以外の部分と、前記被測定物の重心との位置関係から、前記被測定物の重量を算出する工程と、
   を含む、重量測定方法。

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