JP6472136B2 - 質量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、物品の速度が変化している間にその物品の質量を検出する質量計測装置の零点調整に関する。

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、物品を静止させた状態でその質量を測定している。しかし、最近では、ロボットハンドで物品を移動させる機会が増え、それに伴い、物品を移動させている間に、その質量を測定して、後処理に利用したいという要求がある。

この要求に応えるために、本件出願人は、下記特許文献に開示されるような一連の質量測定装置を開発してきた。この質量測定装置は、物品の速度が変化している間に、その物品に作用する力と加速度から物品の質量を測定することを基本としている。

特開２０１３−０７９９３１号公報 特開２０１３−１７４５０３号公報 特開２０１３−１７４５７０号公報 特開２０１３−１８５８４６号公報 特開２０１３−１８５８４７号公報 特開２０１３−１８５８４８号公報 特開２０１３−１９５１９７号公報 特開２０１３−１９５２００号公報

この質量測定装置は、物品に作用する力を検出する力センサと、物品を把持するロボットハンドと、物品を加速しながら移動させるロボットアームと、物品に作用する加速度を検出する加速度センサとを備えたものである。そして、ここで使用する力センサは、機械的歪を電気信号に変換して出力する歪みゲージ式ロードセルであるから、使用中にロボットハンドが何かにぶつかって力センサに衝撃が加わると、零点がずれてしまう。また、繰り返し使用によって、あるいは、周囲温度変化によって零点がずれてしまう問題がある。

こうした零点変化は、運転開始前に後述の「ゼロキー」を操作することによって解消することはできるが、この装置は、移動中に物品の質量を測定するものであるため、運転中は、そうした操作ができないという問題があった。

本発明は、こうしたロボットアームに組み込まれた質量測定装置に特有な問題を解決せんとするもので、力センサの零点調整を自動的に行って、計量精度を維持することのできる、使い勝手の良い質量測定装置を提供することを課題とする。

本発明に係る質量測定装置は、移動中の物品に作用する力と加速度から、該物品の質量を測定する質量測定装置であって、
前記物品に作用する力を検出する力センサと、
前記物品に作用する加速度を検出する加速度センサと、
前記各センサの出力を入力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記力センサの出力が無負荷であり、前記加速度センサの出力がゼロであるときに、前記力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする。

生産ラインに組み込まれるロボットアームの場合は、運転中であっても、次の物品が送られてくるまで待機する時間帯がある。制御部は、各センサの出力から、そうした時間帯を見つけ、力センサの出力が無負荷であるときに、力センサの零点を自動更新するのである。これにより、運転中にロボットアームを強制的に止めて零点調整を行う必要がないから、連続運転中であっても計量精度を一定に維持することができる。

また、前記制御部は、前記力センサの無負荷状態が所定時間持続しているときに、該力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする。例えば、この種のセンサ出力は、フィルタを介して出力されるから、入力に対して一定の遅れ時間が生ずる。そこで、その遅れ時間が経過し、続く複数回のサンプリングによって力センサの出力が無負荷状態であると確認されれば、そのときに入力した複数回のサンプリングデータの平均値を零点として自動更新するのである。これにより、より確実な零点更新が可能になる。

また、前記制御部は、前記加速度センサの出力に代えて、該加速度センサの移動を制御するコントローラからの信号を入力し、それによって前記加速度センサの出力がゼロと看做せるときは、そのときの力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする。

例えば、ロボットアームが停止しても、加速度センサとロボットアームとの間にバネ系が介在すると、加速度センサは、ロボットアームが静止するまで、バネ系の振動に起因する加速度を検出する。しかし、力センサは、そうした振動をフィルタで除去することができるから、コントローラから停止信号を受け、その後の力センサの無負荷状態が所定時間持続していれば、力センサの出力を零点として記憶更新する。これにより、例えば、ロボットアームが一連の処理を終えて次の物品を待機している僅かな時間帯であっても、力センサの零点更新を行うことができる。

本発明によれば、運転中にロボットアームをわざわざ止めて、力センサの零点調整を行う必要がないから、連続運転中であっても計量精度を一定に維持することができる。したがって、使い勝手の良い質量測定装置を提供することができる。また、制御部は、コントローラからの信号を入力し、それによって加速度センサの出力がゼロと看做せるときは、力センサの出力を零点として自動更新するから、ロボットアームが一連の処理を終えて次の物品を待機している僅かな時間帯であっても零点更新ができる。したがって、ロボットを連続運転していても、計量精度を低下させない効果がある。

本発明の一実施形態に係る質量測定装置と、それが組み込まれたロボットの概略構成図。 他の実施形態に係るロボットハンドの概略構成図。 上記質量測定装置とロボット制御系の構成ブロック図。 零点を自動更新するフローチャートの一例。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（１）質量測定装置とロボットの基本構成
図１は、本発明の一実施形態に係る質量測定装置１０と、それが組み込まれたロボット２０の概略構成図を示す。この図において、質量測定装置１０は、移動中の物品Ｑに作用する力を検出する力センサ１１と、物品Ｑに作用する加速度を検出する加速度センサ１２とを備える。ロボット２０は、ロボットアーム２１と、物品Ｑを把持するロボットハンド２２とを備える。

力センサ１１としては、例えば、歪みゲージ式ロードセルが使用される。歪ゲージ式ロードセルは、物品Ｑの負荷によって自由端側が固定端側に対して相対的に変位し、それによってロードセルに生ずる機械的歪を電気信号に変換し、それを負荷された力として出力する。

加速度センサ１２としては、例えば、歪みゲージ式ロードセルの他、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。この加速度センサ１２とロボットハンド２２が力センサ１１の自由端側に取り付けられている。

ロボットアーム２１は、ロボットハンド２２を３次元的に移動させるもので、その先端部２３には、力センサ１１の一端が固定されている。このロボットアーム２１としては、例えば、多関節ロボットやパラレルリンクロボット等が採用可能である。

ロボットハンド２２は、物品Ｑを把持するもので、図１のロボットハンド２２は、モータで駆動されるフィンガータイプの一例を示すが、これに代えて、図２に示すような負圧で物品Ｑを吸着保持するエアー吸着タイプを使用することができる。図１のフィンガータイプは、物品Ｑが固形物である場合に適し、図２のエアー吸着タイプは、例えば、袋詰め商品のように、形状が一定しない場合に適する。

図２は、このエアー吸着タイプの概略構成図を示したものである。このタイプは、アルミニウム製の箱Ｂにシリコンゴム製の蛇腹状の吸着パッドＰを取り付けて、吸着パッドＰと箱Ｂ内とを連通させたものである。このアルミニウム製の箱Ｂ内を負圧に保持することにより、各吸着パッドＰで物品Ｑを吸着保持する。また、多数の吸着パッドＰで複数の物品Ｑを同時に把持する場合もあるので、吸着パッドの数、形状、配置等は、物品Ｑの種類に応じて適宜変更される。したがって、物品Ｑの種類に応じてロボットハンド２２も複数種類用意され、これらを物品Ｑの種類に応じて使い分けている。

（２）制御系の基本構成
図３は、一実施形態に係る質量測定装置１０と、それが組み込まれたロボット２０の制御系の構成ブロック図を示す。この図において、質量測定装置１０の力センサ１１と加速度センサ１２は、制御部３０に電気的に接続され、力センサ１１からは、物品Ｑに作用する力が検出信号として制御部３０に入力され、加速度センサ１２からは、物品Ｑに作用する加速度が検出信号として制御部３０に入力されている。この制御部３０は、コンピュータで構成され、記憶部３１に記憶された各種のプログラムを読み出して実行することにより、後述の各種の機能を実現する。また、この制御部３０には、操作表示部１３が接続されている。

操作表示部１３は、質量測定に必要な各種のパラメータの設定や、ロボット２０に対する運転開始、停止等を操作するものである。具体的には、キーボードやタッチパネル等で構成され、キーの種類としては、図示はしていないが、数字キーの他に、後述の「スパンキー」と、移動中に操作する「第１のゼロキー」と、静止中に操作する「第２のゼロキー」とがある。

制御部３０は、プログラムを実行することにより、速度が変化している物品Ｑの質量を次の計算式から求める。
ｍ＝Ｓ｛（Ｆｍ／Ｆａ）−（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）｝
ここで、Ｓはスパン係数。Ｆｍは、質量ｍの物品Ｑを移動させている時の力センサ１１の出力、Ｆａは、そのときの加速度センサ１２の出力である。また、Ｆｍｚは、ロボットハンド２２を無負荷状態にして移動させた時の力センサ１１の出力、Ｆａｚは、そのときの加速度センサ１２の出力である。

また、スパン係数Ｓは、以下の関係式で表される係数である。
Ｓ＝ｍｓ／｛（Ｆｍｓ／Ｆａｓ）−（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）｝
ここで、ｍｓは、スパン分銅の質量、Ｆｍｓは、そのスパン分銅をロボットハンド２２が持ち上げたときの力センサ１１の出力、Ｆａｓは、そのときの加速度センサ１２の出力である。ＦｍｚやＦａｚは、前述と同様、ロボットハンド２２を無負荷状態にして移動させたときの力センサ１１の出力と、そのときの加速度センサ１２の出力である。

これらのスパン係数Ｓや出力比（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）は、初期設定において、次のような操作によって設定登録される。
まず、質量ｍｓのスパン分銅を用意し、次に「スパンキー」を押す。すると、ロボットハンド２２が質量ｍｓのスパン分銅を持ち上げて降ろす。その間、力センサ１１からは、Ｆｍｓが出力され、加速度センサ１２からは、Ｆａｓが出力されるから、制御部３０は、そのときの出力比（Ｆｍｓ／Ｆａｓ）を記憶部３１に記憶する。
続いて、「第１のゼロキー」を押す。すると、ロボットハンド２２は、何も持たずに、すなわち、無負荷状態で上下動する。その間、力センサ１１からは、Ｆｍｚが出力され、加速度センサ１２からは、Ｆａｚが出力されるから、制御部３０は、その出力比（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）を記憶部３１に記憶する。

一方、「第２のゼロキー」は、力センサ１１の初期荷重、すなわち、力センサ１１に負荷されるロボットハンド２２の質量と加速度センサ１２の質量の和を零点として記憶させるもので、ロボットハンド２２に何も持たせずに「第２のゼロキー」を操作すると、静止中の力センサ１１の出力（初期荷重）が零点として記憶される。この零点は、基本的には変化しない値であるが、ロボットハンド２２が物にぶつかって力センサ１１に衝撃が加わると、その零点がずれてしまう。また、周囲温度が変化した場合も零点がずれでしまう。制御部３０は、そうしたオフセット量を、零点の自動更新によって、キャンセルする。

運転中においては、各センサ１１、１２の出力は、制御部３０に常時入力される。そして、力センサ１１の出力が無負荷状態の範囲内にあり、加速度センサ１２の出力もゼロであると、制御部３０が判断すると、制御部３０は、そのときの力センサ１１の出力を零点として自動更新するのである。これにより、零点が変化しても、オフセット量がキャンセルされるから、計量誤差は解消される。

また、こうした自動更新において、力センサ１１の出力が無負荷になれば、直ちに零点を更新してもよいが、制御部３０は、それをより慎重に行うために、デジタルフィルタによる遅れ時間が経過し、続く複数回のサンプリングによって力センサ１１の出力が無負荷状態を持続していると確認できれば、そのときに入力した複数回のサンプリングデータの平均値を零点として自動更新する。これにより、より確実な零点更新を行う。

さらに、制御部３０は、後述のロボットコントローラ２４から停止信号を受け取ると、力センサ１１の出力が無負荷であり、かつ、その停止信号を受けてから所定時間、その無負荷状態が持続していると確認できれば、そのときの力センサ１１の出力を零点として自動更新する。これにより、例えば、ロボットアーム２１が物品Ｑを放出して元の位置に戻ろうとする僅かな時間でも零点更新を行うことができる。

記憶部３１は、制御部３０が実行する各種のプログラムの他に、初期設定されたスパン係数Ｓや初期荷重としての零点、自動更新された零点、さらには、算出された物品Ｑの質量等を記憶する。

一方、ロボットコントローラ２４は、コンピュータで構成され、そこにロボットアーム２１とロボットハンド２２が電気的に接続されている。また、図示しない撮像装置も接続されている。そして、内蔵のプログラムが実行されることにより、ロボットアーム２１とロボットハンド２２が駆動制御されて、撮像装置で物品Ｑの位置を確認しながら、物品Ｑを持ち上げたり、移動させたりするようになっている。

また、このロボットコントローラ２４と制御部３０とは、通信ケーブル４０を介して電気的に接続され、持ち上げられた物品Ｑの質量が求まると、それをロボットコントローラ２４に送信する。ロボット２０は、その質量に基づいて、それが基準値に満たない不良品と判断すれば、それをライン外へ排出し、正量品と判断すれば、それを規定の場所へ移動させる。また、そうした動作中に、例えば、次の物品Ｑの到来を待機するために、あるいは、元の位置に戻るために、ロボットアーム２１が僅かな時間停止すると、そのタイミングでコントローラ２４は、停止信号を制御部３０に出力する。制御部３０は、それに基づいて、前述の零点の自動更新に入るか否かを判断する。

次に、制御部３０の基本動作を、図4に示すフローチャートに基づいて説明する。
運転に際しては、まず、前述の初期設定を行う（ステップＳ１）。これにより、スパン係数Ｓと各センサ１１、１２の移動中の零点（Ｆｍｚ、Ｆａｚ）が記憶部３１に記憶される。続いて、スタートボタンを押して、ロボット２０の運転を開始する。すると、制御部３０は、各センサ１１、１２の出力を周期的に入力しそれを記憶する（ステップＳ２）。続いて、制御部３０は、力センサ１１の出力が安定状態にあるか否かをチェックする（ステップＳ３）。安定か否かの判断は、力センサ１１の出力が同じ値を所定回数示すかどうかで判断する。安定状態であれば、次のステップＳ４でタイマーがスタートしているか否かを確認し、不安定であれば、ステップＳ５に移行して、タイマーがリセットされたか否かを判断する。このタイマーは、デジタルフィルタの遅れ時間を経過したか否かを見るもので、ソフトタイマーで構成されている。

ステップＳ４において、タイマーがスタートしていないときは、次のステップＳ６でソフトタイマーをスタートさせてから、元のステップＳ２に戻る。タイマーがスタートしているときは、タイマーがタイムアップしたか否かをチェックする（ステップＳ７）。その結果、タイムアップしていなければ元のステップＳ２に戻り、タイムアップしていれば、次のステップＳ８でタイマーをリセットした後、零点の自動更新に移行する（ステップＳ９）。この自動更新は、タイマーが作動している間に入力した力センサ１１の複数個の出力値であり、それを平均して零点として記憶更新する。

一方、そのタイムアップまでに力センサ１１の出力が変化した場合、あるいは、当初から変化している場合は、ステップＳ５において、タイマーがリセットされたか否かをチェックする。リセットされていなければ、次のステップＳ１０で作動中のタイマーをリセットする。既にリセットされていれば、次のステップＳ１１で、各センサ１１、１２の出力のピーク値を検出する。ピーク値が検出できなければ、物品Ｑの移動速度が変化の途上にあるから、元のステップＳ２に戻って、ピーク値が現れるのを待つ。そして、再び、ステップＳ２からステップＳ１１に移行して、ピーク値が見つかれば、そのピーク値を使って前述の計算式から物品Ｑの質量ｍを求める。

以上のステップをコンピュータの演算処理速度で繰り返しながら、物品Ｑの質量ｍを求めるとともに、零点も自動更新していく。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、他の実施形態も採用可能である。例えば、この質量測定装置に、静止計量モードを新たに加え、ロボット２０の使い方に応じて、移動中の各センサの出力に基づいて物品の質量を求める動的計量モードと、静止計量モードとに切り替えようにしても良い。静止計量モードとは、例えば、ロボットハンド２２が物品Ｑを持ち上げて静止し、力センサ１１の出力が安定すれば、その出力から物品Ｑの質量を検出する。あるいは、ロボットハンド２２に容器を持たせ、その容器に流動物を供給する。そして、容器内の流動物が安定すると、力センサ１１の出力から流動物の質量を求める。そして、物品Ｑの質量が求まると、次の物品と持ち替える。あるいは、流動物を他の容器に移し替え、続いて、把持した容器に新たな物品を供給する。こうした場合においても、運転中に力センサの零点が自動更新されるから、より精度の高い計量を行うことができる。

本発明によれば、ロボットハンドで物品を移動しながらその物品の質量をより正確に測定することができるから、産業用ロボットを使用する分野において利用可能である。

Ｑ 物品
１０ 質量測定装置
１１ 力センサ
１２ 加速度センサ
２０ ロボット
２１ ロボットアーム
２２ ロボットハンド
２４ ロボットコントローラ
３０ 制御部

Claims (6)

1. 物品の速度が変化している間に該物品に作用する力と加速度から、前記物品の質量を測定する質量測定装置であって、
   前記物品に作用する力を検出する力センサと、
   前記物品に作用する加速度を検出する加速度センサと、
   前記各センサの出力を入力する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記力センサの出力が無負荷であり、前記加速度センサの出力がゼロであるときに、前記力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする、質量測定装置。
2. 前記制御部は、前記力センサの無負荷状態が所定時間持続しているときに、該力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする、請求項１に記載の質量測定装置。
3. 物品の速度が変化している間に該物品に作用する力と加速度から、前記物品の質量を測定する質量測定装置であって、
   前記物品に作用する力を検出する力センサと、
   前記物品に作用する加速度を検出する加速度センサと、
   前記各センサの出力を入力する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記加速度センサの移動を制御するコントローラからの信号をさらに入力し、前記力センサの出力が無負荷であり、前記コントローラからの信号によって前記加速度センサの出力がゼロと看做せるときは、そのときの前記力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする、質量測定装置。
4. 前記制御部は、振動をフィルタで除去した前記力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の質量測定装置。
5. ロボットハンドと、
   前記ロボットハンドと、前記加速度センサと、が取り付けられた前記力センサが固定されるロボットアームと、をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の質量測定装置。
6. 前記制御部は、前記ロボットハンドが何も持たない状態である無負荷状態で、前記力センサの出力を零点として自動更新することを特徴とする、請求項５に記載の質量測定装置。

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