(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度が変化している物品に作用する力又は加速度を検出するセンサの出力側に接続されるデジタルフィルタが、初期モードにおいて求めた時間を位相遅れとする線形位相フィルタであって、
前記初期モードが、前記センサからの量子化されたフィルタリングしていない時系列データの複数回の平均化された時系列データから、該時系列データの最終の極値をとる時点から前記速度変化がなくなる直前までの時間を求めるモードであり、求めた前記時間が、前記線形位相フィルタの位相遅れとされているデジタルフィルタ。
【請求項２】
前記デジタルフィルタが、プログラム可能な処理手段を備え、該処理手段が、初期モードのフィルタリングしていない前記時系列データを記憶する記憶手段を有し、そこに記憶された前記時系列データの平均値から、前記時間が検出されると、前記時間に相当する位相遅れの線形位相フィルタを前記デジタルフィルタに設定して、その後に量子化される時系列データをフィルタリングすることを特徴とする請求項１に記載のデジタルフィルタ。
【請求項３】
請求項２に記載のデジタルフィルタであって、前記処理手段が位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶するテーブルを備え、前記処理手段が前記時間を検出すると、その時間を超えない範囲で、その時間に最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記テーブルから読み出して前記デジタルフィルタに設定し、設定された線形位相フィルタで、その後に量子化される時系列データをフィルタリングすることを特徴とする、デジタルフィルタ。
【請求項４】
速度が変化している物品に作用する力又は加速度を検出するセンサからの量子化された時系列データをフィルタリングするデジタルフィルタが、プログラム可能な処理手段を備え、該処理手段が、初期モードにおいて、フィルタリングせずに入力する前記時系列データを記憶する記憶手段と、位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶するテーブルと、前記テーブルに記憶された何れかの線形位相フィルタを指定する指定手段と、前記初期モードにおいて前記記憶手段に記憶されたフィルタリングせずに入力した前記時系列データを表示する表示手段と、を備え、
オペレータが前記表示手段に表示された時系列データから、該時系列データに現れる極値をとる時点から速度変化がなくなる直前までの時間を割り出し、割り出した時間を超えない範囲で、その時間に最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記指定手段で指定すると、前記処理手段が、指定された線形位相フィルタを前記テーブルから読み出して前記デジタルフィルタとして設定し、設定された線形位相フィルタでもってその後に量子化される時系列データをフィルタリングすることを特徴とするデジタルフィルタ。
【請求項５】
前記記憶手段に記憶される時系列データが、複数回入力された時系列データの平均化されたデータであることを特徴とする請求項４に記載のデジタルフィルタ。
【請求項６】
速度が変化している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それぞれ量子化する第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器出力をそれぞれフィルタリングする第１、第２のデジタルフィルタと、を備え、
前記第１、第２のデジタルフィルタを、同じ位相特性を有する請求項１乃至５の何れかのデジタルフィルタで構成したことを特徴とする質量測定装置。
【請求項７】
物品を移動させるロボットに組み込まれ、該ロボットと交信しながら、速度が変化している物品に作用する力と加速度から該物品の質量を測定して前記ロボットに送信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それぞれ量子化する第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、
請求項１に記載の初期モードにおいて求めた位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶するテーブルと、
前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器出力をそれぞれフィルタリングする第１、第２のデジタルフィルタと、
前記第１、第２のデジタルフィルタの出力に基づいて前記物品の質量を求め、求めた質量を前記ロボットに送信する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ロボットから前記物品の加減速時間を含む同期信号を受信すると、前記加減速時間の１／４の時間を超えない範囲で、その時間に相当する位相遅れに最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記テーブルから選択し、選択した線形位相フィルタを前記第１、第２のデジタルフィルタとして設定することを特徴とする質量測定装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記同期信号を受信すると、各デジタルフィルタ出力の最大値又は最小値、或いは、最大値と最小値の偏差に基づいて前記物品の質量を求めることを特徴とする請求項７に記載の質量測定装置。
【請求項９】
物品を把持するロボットハンドと、
該ロボットハンドを移動させるロボットアームと、
前記ロボットハンドと前記ロボットアームとを駆動制御するコントローラと、
を備えたロボットと、
請求項７又は８に記載の質量測定装置とからなり、
前記質量測定装置の力センサは、前記ロボットハンドと前記ロボットアームとの間に設けられ、
前記質量測定装置の加速度センサは、前記ロボットハンドに設けられているロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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測定に最適なデジタルフィルタと、それを使用した質量測定装置と、その質量測定装置が組み込まれたロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、物品を持ち上げた際に、その質量を検出して、後処理に利用したいという要求がある。
【０００３】
この要求に応えるために、本出願人は、下記特許文献に示す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、移動中の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、移動中の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、物品の速度が変化する間に、これらのセンサ出力から物品の質量を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０７９９３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７４５０３号公報
【特許文献３】特開２０１３−１７４５７０号公報
【特許文献４】特開２０１３−１８５８４６号公報
【特許文献５】特開２０１３−１８５８４７号公報
【特許文献６】特開２０１３−１８５８４８号公報
【特許文献７】特開２０１３−１９５２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この質量測定装置をロボットに組み込むときは、ロボットの動きと質量測定装置による質量測定とを連動させる必要がある。例えば、ロボットが物品を持ち上げ、そのときの質量に応じて物品を仕分けようとするときは、ロボットが、持ち上げた物品の仕分け先を決めるまでに、質量測定装置から測定した質量を受け取る必要がある。
【０００６】
ところが、力センサや加速度センサの出力は、デジタルフィルタを介して出力されるから、その出力には、位相遅れがあり、それに起因して物品の質量算出が遅れてしまう。そのため、質量算出のタイミングと、ロボットの動きとをマッチさせる必要がある。
【０００７】
本発明は、こうしたロボットに組み込まれる質量測定装置に特有な問題を解決せんとするもので、ロボットの動きに合致させた最適なタイミングでフィルタリングができるデジタルフィルタと、それを使用した質量測定装置と、その測定装置が組み込まれたロボットシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明は、速度が変化している物品に作用する力又は加速度を検出するセンサの出力側に接続されるデジタルフィルタが、初期モードにおいて求めた時間を位相遅れとする線形位相フィルタであって、前記初期モードが、前記センサからの量子化されたフィルタリングしていない時系列データの複数回の平均化された時系列データから、該時系列データの最終の極値をとる時点から前記速度変化がなくなる直前までの時間を求めるモードであり、求めた前記時間が、前記線形位相フィルタの位相遅れとされていることを特徴とする。
【０００９】
図１は、ロボットが物品を持ち上げるときの力センサの出力波形ｆ１と、その出力波形ｆ１の量子化データを線形位相フィルタでフィルタリングした後の出力波形ｆ２とを示したものである。この図１に示すように、線形位相フィルタの出力波形ｆ２は、フィルタリング前の出力波形ｆ１に対して位相遅れ（Ｘ時間）を有する。加速度センサの出力も、振幅が異なるだけで同じ特性を示す波形となるから、ここでは表示していない。そして、このときのロボットの動きは、物品を掴んで加速しながら持ち上げる加速工程Ａと、所定速度に到達した時点から減速しながら停止させる減速工程Ｂとからなる。
【００１０】
こうした動作を行うロボットにおいて、ロボットを次の動作に円滑に移行させるには、ロボットが次の動作に入る時刻ｔ２までに物品の質量を求めておく必要がある。
【００１１】
物品の質量は、加減速中の物品に作用する力と加速度を検出することによって求めることができる。例えば、物品の質量をｍとすると、次の計算式から質量ｍが求まる。
ｍ＝Ｓ｛（Ｆｍ／Ｆａ）−（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）｝  
ここで、Ｓはスパン係数。Ｆｍは質量ｍの物品を移動させている時の力センサの出力。Ｆａは、そのときの加速度センサの出力である。また、Ｆｍｚは、ロボットを無負荷にして移動させた時の力センサの出力。Ｆａｚは、そのときの加速度センサの出力である。また、スパン係数Ｓと、無負荷時における各センサの出力比（Ｆｍｚ／Ｆａｚ）は、初期設定において設定登録される値である。したがって、物品が持ち上げられたときの各センサの出力比（Ｆｍ／Ｆａ）を求めれば、物品の質量ｍを求めることができる。
【００１２】
この出力比を求めるタイミングは、高い測定精度が要求されなければ、物品の加減速中であれば、どのタイミングであっても、同一タイミングの各センサ出力を用いることにより、物品の質量を求めることができる。
【００１３】
しかし、力センサと加速度センサは、異なるセンサであり、それらの出力を量子化するＡ／Ｄ変換器も異なるから、各センサ出力の位相特性は、若干異なっている。そのため、高い測定精度が要求されるときは、その差異による影響が最も出難いフィルタリング後の最大値と最小値を使用して物品の質量を求める。その際、各出力の最大値と最小値の偏差に基づいて物品の質量を求めると、各出力の零点の変動による影響を排除して測定精度をさらに向上することができる。
【００１４】
例えば、図１のフィルタリング後の最大出力をａ、最小出力をｂ、零点（基準値）をｃとすると、            最大値Fmax＝ａ−ｃ    最小値Fmin＝ｂ−ｃ
となるから、          最大値と最小値の偏差Ｆｍは、
Ｆｍ＝（ａ−ｃ）−（ｂ−ｃ）＝ａ−ｂ
となる。この式の右辺では、零点ｃの項が消去されるから、変動する零点の影響を排除することができる。加速度センサの場合も同様である。
【００１５】
こうした出力波形ｆ２の最大値や最小値は、図１のように、フィルタリング前の出力波形ｆ１に対して遅れて現れるから、フィルタリング後の出力波形ｆ２が最小値となる時刻ｔ１が、ロボットが次の動作に入る時刻ｔ２の直前に現れれば、その時刻ｔ１の最小値ｂを使って質量を求めると、ロボットの動きに遅れずに、精度の高い質量測定を行うことができる。その時の位相遅れは、図１では、時系列データの最終の極値をとる時点ｔ０から速度変化がなくなる直前の時点ｔ２までの時間Ｔである。
【００１６】
そこで、第１発明では、量子化された時系列データをフィルタリングするデジタルフィルタとして、速度変化中の時系列データに現れる最終の極値をとる時点から速度変化がなくなる直前までの時間を位相遅れとする線形位相フィルタを使用する。具体的には、図１の時系列データが減少から増加に転じる時点ｔ０から、速度変化が終了する時点ｔ２までの時間Ｔを位相遅れとする。
図２は、その位相遅れの線形位相フィルタでフィルタリングした後の出力波形ｆ２と、フィルタリング前の波形ｆ１とを対比させたものである。このフィルタを、力センサと加速度センサの出力側にそれぞれ接続して使用すると、両者の位相遅れを合致させた上に、ロボットが次の動作に入る時刻ｔ２の直前に、フィルタリング後の出力波形ｆ２の最大値と最小値の偏差（力センサでは、図１のａとｂの偏差）から物品の質量を求めることができるから、ロボットの動きに間に合わせることができる。
【００１７】
図１、図２では、物品を持ち上げるときの時系列データについて説明したが、ロボットが逆の動きをする場合、例えば、上方の物品を掴んで降ろす場合は、各センサの出力波形は、逆方向に変化するから、そのときは、時系列データが増加から減少に転じる極値をとる時点から速度変化がなくなる直前までの時間が位相遅れの時間となる。
【００１８】
この第１発明は、ロボットの加速・減速動作が一定である場合に効果を発揮するが、ロボットの加速・減速動作が変わる場合は、それに合わせて線形位相フィルタの位相遅れも調整する必要がある。
【００１９】
第２発明は、そうした要求に応えたもので、前記デジタルフィルタが、プログラム可能な処理手段を備え、該処理手段が、初期モードのフィルタリングしていない前記時系列データを記憶する記憶手段を有し、そこに記憶された前記時系列データの平均値から、前記時間が検出されると、前記時間に相当する位相遅れの線形位相フィルタを前記デジタルフィルタに設定して、その後に量子化される時系列データをフィルタリングすることを特徴とする。
【００２０】
記憶手段に記憶される時系列データは、フィルタリング前の量子化されたデータであるから、図１、図２に示すように、振動成分を含んだ微細に変化する波形となる。そこで、これを平滑化するために、同じ条件でセンサ出力を繰り返し入力して記憶し、同一時点の複数回のデータ平均化した時系列データを記憶手段に記憶しておく。こうして記憶した時系列データには、位相遅れはないから、それらの変化から前述の極値をとる時点から速度変化がなくなる直前までの時間を検出する。すなわち、減速工程Ｂの最終の極値は、センサ出力が減少から増加に転じる時刻（図１ではｔ０）で現れ、速度変化がなくなる時点はセンサ出力がゼロに戻る時刻（図１ではｔ２）で現れるから、記憶された時系列データの変化から、最終の極値をとる時点ｔ０と速度変化終了時点ｔ２を検出し、それらの時間差（Ｔ＝ｔ２−ｔ０）を求めると、線形位相フィルタの位相遅れ時間Ｔが得られる。そこで前記処理手段は、この位相遅れ時間Ｔを有する線形位相フィルタをデジタルフィルタに設定し、その線形位相フィルタで、その後に量子化される時系列データをフィルタリングしていく。
【００２１】
Ｔ時間の位相遅れを有する線形位相フィルタは、２Ｔ時間の時系列データを用いてフィルタリングすることになるから、その場合のフィルタ次数（タップ数）は、
２Ｔ／サンプリング周期      
となる。この場合のサンプリング周期は、使用するＡ／Ｄ変換器のクロックによって決まるから、求めた位相遅れＴに応じてタップ数が決まり、タップ数の時系列データを順次フィルタリングすることにより、位相遅れがＴ時間の線形位相フィルタが構成される。
【００２２】
第２発明は、位相遅れ時間に対応させてタップ数を変えるものであったが、そのタップ数に応じてフィルタ係数も変えたい場合がある。
次の第３発明は、そうした要求に応えたもので、前述の処理手段が位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶するテーブルを備え、前記処理手段が前述の時間を検出すると、その時間を超えない範囲で、その時間に最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記テーブルから読み出してデジタルフィルタに設定し、設定された線形位相フィルタで、その後に量子化される時系列データをフィルタリングすることを特徴とする。
【００２３】
図３は、位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶したテーブルの一例を示す。この図において、フィルタ時間とは、前述の２Ｔに相当する時間である。したがって、各線形位相フィルタは、それぞれに設定されたフィルタ時間の１／２の位相遅れを有する。また、各フィルタには、それぞれのフィルタ時間に応じた最適なフィルタ係数が設定されている。
【００２４】
そして、処理手段によって検出された遅れ時間Ｔが、例えば、52msecであれば、処理手段は、それを２倍した104msecを超えない範囲で、それに最も近い100msecのフィルタをテーブルから読み出し、読み出したフィルタでもって線形位相フィルタを構成する。この場合の位相遅れは、50msecとなる。
【００２５】
ここで、検出した遅れ時間(52msec)を超えない範囲で、それに最も近い位相遅れ時間（50msec）のフィルタを選択するのは、図２に示すように、フィルタリング後の出力波形ｆ２の極値ｂが現れる時点を、ロボットが次の動作に移る直前の時点ｔ２よりも若干早い時点とすることによって、質量の算出をロボットの動きに間に合わせるためである。
【００２６】
これまでの発明では、フィルタリング前の時系列データの変化から位相遅れ時間を検出したが、センサ出力に複数の極値が現れる場合は、時間検出に自動化が困難になることがある。例えば、図４は、加減速期間（Ａ＋Ｂ）において、出力波形の山がそれぞれ２箇所現れる場合を示したものであるが、このケースでは、減速工程Ｂにおいて、時系列データが減少から増加に転じる時点がｄ点とｆ点に現れ、増加から減少に転じる時点がｅ点に現れるから、どの時点の極値をとるかで、位相遅れ時間が異なってくる。
【００２７】
そこで、第４発明は、そうした変化に対応させたもので、速度が変化している物品に作用する力又は加速度を検出するセンサからの量子化された時系列データをフィルタリングするデジタルフィルタが、プログラム可能な処理手段を備え、該処理手段が、初期モードにおいて、フィルタリングせずに入力する前記時系列データを記憶する記憶手段と、位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶するテーブルと、前記テーブルに記憶された何れかの線形位相フィルタを指定する指定手段と、前記初期モードにおいて前記記憶手段に記憶されたフィルタリングせずに入力した前記時系列データを表示する表示手段と、を備え、
オペレータが前記表示手段に表示された時系列データから該時系列データに現れる極値をとる時点から速度変化がなくなる直前までの時間を割り出し、割り出した時間を超えない範囲で、その時間に最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記指定手段で指定すると、前記処理手段が、指定された線形位相フィルタを前記テーブルから読み出して前記デジタルフィルタとして設定し、設定された線形位相フィルタでもってその後に量子化される時系列データをフィルタリングすることを特徴とする。
【００２８】
前記記憶手段には、繰り返し入力された時系列データの平均化されたデータが記憶されており、それが読み出されて表示手段に表示される。図５の波形ｆｘは、記憶手段から読み出されて表示された平均化された時系列データの一例である。
【００２９】
オペレータがこの出力波形ｆｘを見て、減速工程Ｂの最小値ｄを示す時刻ｔ１から速度変化が殆ど収まった時刻ｔ３までの時間（Ｔ＝ｔ３−ｔ１）を採り、その時間が例えば、172msecとすると、それを２倍した344msecのフィルタ時間を超えない範囲で、それに最も近いフィルタ時間のフィルタを図３のテーブルから探し出す。この場合は、フィルタ時間340msecが最も近いフィルタ時間となるから、指定手段でその時間を有するフィルタを指定すると、処理手段は、指定されたフィルタをテーブルから読み出し、そのフィルタでもって、その後に量子化された時系列データをフィルタリングしていく。これにより、フィルタリング後の波形ｆｘ２は、図５の一点鎖線で示すようにフィルタリング前の波形ｆｘに対して170msec遅れた信号となるから、その波形ｆｘ２の最大値と最小値の偏差から物品の質量を求める。
【００３０】
以上の例では、最小となる極値が現れる時点ｔ１と、速度変化が殆ど収まった時点ｔ３とを選んで位相遅れ時間Ｔとしたが、これに代えて、速度変化がなくなった時点ｔ２を選んで、位相遅れ時間（Ｔ＝ｔ２−ｔ１）としても良い。また、次の極値が現れる時点ｔ５と、速度変化がなくなった時点ｔ２とを選んで、それらの時間差（ＴＸ＝ｔ２−ｔ５）から位相遅れ時間ＴＸを割り出しても良い。
【００３１】
第５発明は、前記記憶手段に記憶される時系列データが、繰り返し入力された時系列データの平均化されたデータであることを特徴とする。前述のように、各センサ出力を量子化しただけのデータには、微細な振動成分が含まれる。この振動成分は、物品を持ち上げたときに、内容物の振動や、それを持ち上げるロボットハンド等の振動によって現れるから、ロボットに同一条件で物品を複数回持ち上げさせて、量子化された時系列データを繰り返し記憶し、それらの時系列データを平均化したものを記憶する。これにより、微細な振動成分を除去したフィルタリング前の時系列データを記憶することができる。
【００３２】
なお、記憶した時系列データを使ってフィルタの位相遅れ時間を検出するときは、力センサと加速度センサの何れの時系列データを使っても良いが、力センサの場合は、物品を掴むロボットハンドの特性やその風袋、さらには、物品が固形物か流動物かによって、力センサの出力がかなり変化する。これに対し、加速度センサの出力は、そうした影響を排除することができるから、フィルタの位相遅れ時間を検出するときは、加速度センサの量子化されたデータを使う方が良い。
【００３３】
第６発明は、速度が変化している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、
各センサ出力をそれぞれ量子化する第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、
これらのＡ／Ｄ変換器出力をそれぞれフィルタリングする第１、第２のデジタルフィルタと、を備え、
この第１、第２デジタルフィルタを、同じ位相特性を有する前述のデジタルフィルタで構成したことを特徴とする。
【００３４】
力センサと加速度センサにそれぞれ接続されるデジタルフィルタを同じ位相遅れの線形位相フィルタで構成することにより、各センサの量子化された時系列データの位相差を無くして、高精度な質量測定が可能になる。
【００３５】
こうした質量測定装置をロボットに組み込むときは、ロボットの動きと質量測定装置の測定動作とを整合させる必要がある。
第７発明は、そうした要求に応えたもので、物品を移動させるロボットに組み込まれ、該ロボットと交信しながら、速度が変化している物品に作用する力と加速度から該物品の質量を測定して前記ロボットに送信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それぞれ量子化する第１、第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記初期モードにおいて求めた位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶するテーブルと、
前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器出力をそれぞれフィルタリングする第１、第２のデジタルフィルタと、
前記第１、第２のデジタルフィルタの出力に基づいて前記物品の質量を求め、求めた質量を前記ロボットに送信する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ロボットから前記物品の加減速時間を含む同期信号を受信すると、前記加減速時間の１／４の時間を超えない範囲で、その時間に相当する位相遅れに最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記テーブルから選択し、選択した線形位相フィルタを前記第１、第２のデジタルフィルタとして設定することを特徴とする。
【００３６】
例えば、ロボットが物品を持ち上げ、そのときの物品質量に基づいてそれを仕分けようとするときは、ロボットが物品を持ち上げるタイミングで同期信号を出力する。質量測定装置の制御部がそれを受信すると、そのときから各センサ出力を入力して物品の質量を求め、求めた質量をロボットに送信する。これにより、ロボットが持ち上げた物品を次の仕分け動作に移る前にその質量を測定することができるから、次の仕分け動作に間に合わすことができる。
【００３７】
ロボットが質量測定装置に送信する同期信号としては、例えば、図６（ａ）に示すような物品の移動開始を知らせる信号や、図６（ｂ）に示すような物品の加減速時間を知らせる信号がある。さらに、図６（ｃ）に示すような、加減速時間の始期と終期を知らせる信号がある。
【００３８】
加減速中の力センサ出力の最大値と最小値は、基本的には、図１に示すように、物品の加速工程Ａと減速工程Ｂに現れるから、同期信号としては、図６（ｂ）や図６（ｃ）の信号が好ましい。したがって、ロボットから図６（ｂ）や図６（ｃ）の信号が送信され、ロボットの加速や減速も一定の動きとるときは、その信号のＯＮ時間の１／４の時間を超えない範囲で、その時間に相当する位相遅れに最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記テーブルから選択し、選択した線形位相フィルタを前記第１、第２のデジタルフィルタとして設定する。
【００３９】
ロボットの動きは、プログラムによって自由に変えることができるから、例えば、図７に示すように、ロボットが、加減速時間（Ａ+Ｂ）を含む同期信号ｆ３を質量測定装置に出力すると同時に、物品を持ち上げたとする。その場合の力センサ、或いは、加速度センサの出力が、図７のような正弦波に近い波形ｆ４を描いて変化する場合は、同期信号ｆ３のＯＮ時間の１／４の時間を超えない範囲で、その時間に相当する位相遅れに最も近い位相遅れの線形位相フィルタを前記テーブルから選択する。そうすれば、フィルタリング後の波形ｆ５の最小値が現れる時刻ｔ４を、センサ出力ｆ４がほぼゼロに戻る時刻ｔ２の直前に合わせることができるから、前述のように、フィルタリング後の出力波形ｆ５の最大値と最小値の偏差を使って質量を求めることができる。
なお、図７の出力波形ｆ４は、加速度センサからの量子化された複数回の時系列データを平均化したものとして表している。
【００４０】
第８発明は、前記制御部が、ロボットから同期信号を受信すると、各デジタルフィルタ出力の最大値又は最小値、或いは、最大値と最小値の偏差に基づいて前記物品の質量を求めることを特徴とする。
【００４１】
力センサと加速度センサの各出力には、若干の位相差があるから、高い測定精度が要求されるときは、位相差の影響が最も小さくなるフィルタリング後の最大値や最小値を使用する。最大値は、フィルタリング後の波形ｆ５が、増加から減少に転じる時点（図７ではｈ時点）で現れ、最小値は、波形ｆ５が減少から増加に転じる時点（図７ではｉ時点）で現れるから、制御部は、ロボットから同期信号を受信すると、フィルタリング後の出力波形から最大値又は最小値を検出し、それらが検出できると、それらを使用して物品の質量を求める。或いは、検出した最大値と最小値の偏差に基づいて物品の質量を求める。
【００４２】
第９発明は、以上の質量測定装置と、それが組み込まれたロボットとを備えたロボットシステムであって、
物品を把持するロボットハンドと、 
該ロボットハンドを移動させるロボットアームと、
前記ロボットハンドと前記ロボットアームとを駆動制御するコントローラと、
を備えたロボットと、
前述の質量測定装置とからなり、該質量測定装置の力センサは、ロボットハンドとロボットアームとの間に設けられ、加速度センサは、ロボットハンドに設けられていることを特徴とする。
これにより、ロボットハンドは物品を掴み、ロボットアームはそれを持ち上げて移動させることができるから、そのときに、物品に作用する力が力センサで検出され、同時に物品に作用する加速度が加速度センサで検出される。質量測定装置の制御部は、各センサの出力に基づいて物品の質量を求め、求めた質量をロボットに返す。それに基づいてロボットは、物品を仕分けたり選別したりする。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、ロボットの動きに合致させた最適なタイミングで各センサ出力をフィルタリングすることができる。また、そうしたデジタルフィルタを質量測定装置に使用したから、加減速中の物品であっても、高精度な質量測定が可能になる。さらに、高精度な質量測定装置をロボットに組み込んだから、例えば、ロボットによって、持ち上げた物品を、その質量によって仕分ける場合でも、高精度な仕分け作業ができる。したがって、ロボットの利用分野をさらに広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】物品を持ち上げたときの力センサの出力波形と、それをフィルタリングした後の出力波形の一例。
【図２】前記力センサの出力波形と、その出力波形を位相遅れがＴ時間の線形位相フィルタでフィルタリングした、その出力波形の一例。
【図３】位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタが記憶されたテーブルの一例。
【図４】物品を持ち上げたときの力センサ出力のフィルタリング前の波形の一例。
【図５】表示された出力波形から位相遅れ時間を割り出すときの表示画面の一例。
【図６】ロボットから質量測定装置に送信される同期信号の一例。
【図７】ロボットからの同期信号ｆ３に基づいて位相遅れ時間Ｔを求める説明図。
【図８】本発明の一実施形態に係るロボットシステムの概略構成図。
【図９】ロボットハンドの他の実施形態の構成概略図。
【図１０】第２発明の一実施形態の構成ブロック図。
【図１１】第３発明の一実施形態の構成ブロック図。
【図１２】第４発明の一実施形態の構成ブロック図。
【図１３】第６〜第９発明の一実施形態の構成ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
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。
【００４６】
（１）ロボットシステムの基本構成
図８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とを備えたロボットシステム１００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とを備えている。一方、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とを備えている。
【００４７】
力センサ１１としては、例えば、歪みゲージ式ロードセルを使用する。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する。その電気信号は、図示しない増幅回路と、後述の第１Ａ／Ｄ変換器１３ａと、デジタルフィルタ１４とを介して後述の制御部３０にデジタル信号として出力される。
【００４８】
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にも、図示しない増幅回路と、第２Ａ／Ｄ変換器１３ｂと、デジタルフィルタ１４が組み込まれ、後述の制御部３０にデジタル信号として出力される。この加速度センサ１２とロボットハンド２２は、力センサ１１の自由端側に取り付けられている。
【００４９】
図１０〜図１３において、第１Ａ／Ｄ変換器１３ａと第２Ａ／Ｄ変化器１３ｂは、各センサ１１、１２のアナログ信号をデジタル信号に変換するもので、両変換器１３ａ、１３ｂには、図示しない高性能クロックから同期信号が同時に入力されて、それぞれの変換動作が同期するようになっている。これにより、各Ａ／Ｄ変化器１３ａ、１３ｂは、同じタイミングで各センサ１１、１２出力を量子化しそれをデジタルフィルタ１４に出力する。
【００５０】
デジタルフィルタ１４は、第１、第２Ａ／Ｄ変換器１３ａ、１３ｂの出力側にそれぞれ接続されて、Ａ／Ｄ変換器１３ａ、１３ｂから出力されるデジタルデータをフィルタリングする。特に、このデジタルフィルタ１４は、出力の位相遅れがコントロールできる線形位相フィルタとするため、プログラム可能なＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）やマイクロコンピュータで構成される。そして、このデジタルフィルタ１４は、コンピュータで構成される後述の制御部３０と接続されて、制御部３０から位相遅れの異なる種々の線形位相フィルタがこのデジタルフィルタ１４に設定されるようになっている。そのため、この制御部３０を、デジタルフィルタに種々の線形位相フィルタを設定するための処理手段としている。そして、この制御部（処理手段）３０には、記憶手段１５、検出手段１６、テーブル１７が備えられている。
【００５１】
記憶手段１５には、特に、フィルタリングする前の時系列データの平均化されたデータが記憶されている。フィルタリング前の時系列データには、ロボットアーム２１やロボットハンド２２の振動等によるノイズ成分が含まれているから、テスト運転時に、ロボット２０に同一条件で物品Ｑを複数回持ち上げさせて、フィルタリング前の量子化された時系列データを記憶し、それらの時系列データを平均化したものを記憶している。  
【００５２】
検出手段１６は、記憶手段１５に記憶された時系列データの変化から、時系列データが減少から増加へ転じる時点（例えば、図１のｔ０）、又は、増加から減少へと転じる時点から速度変化が終了する時点（例えば、図１のｔ２）までの時間を検出する。具体的には時系列データを逐次比較することによって最終の極点となる時点と速度変化が終了する時点を検出し、検出した時点の時間差（Ｔ＝ｔ２−ｔ０）を求めて、フィルタ１４の遅れ時間Ｔを検出する。
【００５３】
こうして遅れ時間Ｔが検出されると、Ｔ時間の位相遅れを有する線形位相フィルタは、２Ｔ時間の時系列データを用いてフィルタリングすることになるから、そのときのフィルタ次数は、                ２Ｔ／サンプリング周期      
となる。また、サンプリング周期は、各Ａ／Ｄ変換器１３ａ、１３ｂのクロックによって決まるから、求めた時間Ｔに応じてフィルタ次数が決まる。こうして、フィルタ次数が決まると、処理手段３０は、予め決めたフィルタ次数とともに、各デジタルフィルタ１４、１４にそれらを設定して、位相遅れがＴ時間の線形位相フィルタを構成する。その際、各デジタルフィルタ１４には、同じ位相遅れの線形位相フィルタが設定されることは言うまでもない。
【００５４】
図１１、図１２のテーブル１７は、位相遅れの異なる複数の線形位相フィルタを記憶したもので、具体的には、図３に示すように、フィルタ番号とフィルタ時間とを対応させて記憶したものである。また、テーブル１７に記憶された各線形位相フィルタには、それぞれのフィルタ時間に対応させた最適なフィルタ係数が設定されている。
【００５５】
そして、このテーブル１７が組み込まれるときは、検出手段１６は、検出した時間Ｔを超えない範囲で、それに最も近い位相遅れ時間を有する線形位相フィルタをテーブル１７から選択する。例えば、検出時間Ｔが、52msecであれば、検出手段１６は、それを２倍した104msecを超えない範囲で、それに最も近い100msecのフィルタ時間を有するフィルタをテーブル１８から読み出し、それをデジタルフィルタ１４、１４に設定する。
【００５６】
デジタルフィルタ１４、１４は、そうして設定された位相遅れ時間の線形位相フィルタに基づいて、第１Ａ／Ｄ変換器１３ａ或いは第２Ａ／Ｄ変換器１３ｂから出力される量子化されたデータをそれぞれフィルタリングし、その結果を制御部３０に出力する。
【００５７】
図８に戻って、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。
【００５８】
ロボットハンド２２は、物品Ｑを把持するもので、図８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９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８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９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。
【００５９】
図９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。
【００６０】
（２）制御系の基本構成
図１２は、ロボット２０に組み込まれる質量測定装置１０の構成ブロック図を示し、図１３は、ロボット２０と質量測定装置１０からなるロボットシステム１００の制御系の構成ブロック図を示す。これらの図において、質量測定装置１０の力センサ１１と加速度センサ１２の各出力は、対応するそれぞれのＡ／Ｄ変換器１３ａ、１３ｂと、デジタルフィルタ（処理手段）１４、１４とを介して制御部３０に入力される。制御部３０は、コンピュータで構成され、内蔵メモリに記憶された各種プログラムを実行することにより、各種の機能を実現する。また、この制御部３０には、図１３に示すように、ロボット２０と交信する交信手段３１が設けられ、さらに操作表示部３２が接続されている。
【００６１】
交信手段３１は、ロボット２０側の交信手段２５から同期信号を受信するとともに、測定した物品の質量を交信手段２５に返信するもので、シリアルやパラレルの通信ケーブルを介して交信手段２５と接続されている。
【００６２】
操作表示部３２は、タッチパネルで構成され、表示部の画面操作により各センサ１１、１２の量子化された時系列データを記憶手段１５に記憶させる操作や、テーブル１７に記憶された記憶内容を表示させる操作が可能となっている。また、表示部３２に表示されたテーブル１７の記憶内容から所望の線形位相フィルタを指定する指定手段３３と、記憶手段１５に記憶された、フィルタリング前の平均化された時系列データを表示する表示手段３４とを備えている。また、この操作表示部には、「スパンキー」や「ゼロキー」、さらには、後述の「フィルタ設定キー」が設けられている。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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）を記憶する。
続いて、「ゼロキー」を押すと、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）を記憶する。
【００６６】
また、制御部３０は、ロボット２０から物品Ｑの加減速時間を含む同期信号を受信すると、その加減速時間の１／４の時間を超えない範囲で、その時間に相当する位相遅れに最も近い位相遅れの線形位相フィルタをテーブル１７から選択し、選択した線形位相フィルタを前記第１、第２のデジタルフィルタ１４、１４に設定する。
【００６７】
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、ロボットアーム２１とロボットハンド２２の各駆動モータと電気的に接続されて、それらを駆動制御するようになっている。また、このコントローラ２４は、質量測定装置１０と交信する交信手段２５を備え、また、ロボットの起動停止を行う図示しない操作部と接続されている。
【００６８】
ロボットコントローラ２４は、内蔵のプログラムを実行することにより、ロボットアーム２１とロボットハンド２２に種々の動作をさせる。例えば、物品Ｑの質量に応じてそれを仕分けさせるときは、ロボットハンド２２が物品Ｑを掴みに行き、それを掴むと、それをロボットアーム２１で上昇させる。その上昇工程の直前に、交信手段２５から図６の同期信号が制御部３０に送信される。制御部３０が同期信号を受信すると、各センサ１１、１２の出力を逐次入力しながら、フィルタリングされた出力波形の最大値と最小値を検出し、検出した最大値と最小値の偏差に基づいて物品Ｑの質量を求め、その結果をロボットコントローラ２４に送信する。ロボットコントローラ２４は、受信した質量に基づいてその物品Ｑの仕分け先を決めて移動させる。
【００６９】
次に、デジタルフィルタを使用する際の操作と動作について説明する。
まず、ロボット２０と質量測定装置を初期モードに設定し、ロボット２０には、物品を持ち上げる動作をスタンバイさせ、質量測定装置１０には、力センサ１１又は加速度センサ１２から出力される量子化されたデジタルデータをフィルタリングせずに、そのまま内蔵の記憶エリアに取り込むモードに設定する。そして、ロボット２０を始動させると、ロボット２０は、同期信号を出力すると同時に物品を加速しながら持ち上げる。質量測定装置１０の制御部３０は、ロボット２０から同期信号を受け取ると、力センサ１１又は加速度センサ１２の量子化された時系列データを順次取り込む。その際に取り込むデータは、同期信号のＯＮ時間に出力される時系列データである。この操作を例えば１０回〜２０回繰り返して、その都度、時系列データを内蔵のメモリに、或いは、記憶手段１５に記憶していく。
【００７０】
次に、図示しない「フィルタ設定キー」を操作すると、制御部３０は、記憶した時系列データを平均化した時系列データを記憶手段１５に記憶し、続いて検出手段１６が、記憶された時系列データが最終の極値をとる時点から速度変化がなくなる直前までの時間Ｔを検出する。続いて、検出手段１６は、検出した時間Ｔで規定されるフィルタ次数（タップ数）を以下の計算式から求める。
フィルタ次数＝２Ｔ／サンプリング周期
これにより、フィルタ次数が決まるから、予め決めたフィルタ係数とともに、各デジタルフィルタ１４、１４に設定する。すると、各デジタルフィルタ１４、１４は、位相遅れ時間がＴ時間の線形位相フィルタとなって、その後に入力される量子化データをフィルタリングしていく。
【００７１】
また、テーブル１７が備えられているときは、検出手段１６は、テーブル１７からの選択を優先する。すなわち、検出した時間Ｔを超えない範囲で、その時間に最も近い位相遅れの線形位相フィルタをテーブル１７から読み出し、読み出した線形位相フィルタを各デジタルフィルタ１４、１４に設定する。これにより、各ジタルフィルタ１４、１４は、設定された位相遅れ時間Ｔを有する線形位相フィルタとなって、その後に入力される量子化データをフィルタリングしていく。
【００７２】
また、初期モードにおいて、前述の力センサ１１又は加速度センサ１２の量子化された時系列データをそのままメモリに取り込む操作をしないときは、ロボット２０から送信された同期信号の加減速時間の１／４の時間を超えない範囲で、その時間に相当する位相遅れに最も近い位相遅れの線形位相フィルタをテーブル１７から選択し、それを各デジタルフィルタ１４、１４に設定する。
【００７３】
以上の操作が終了すると、確認のために、ロボットシステム１００をテストモードで動かしてみて、既知質量の物品を実際に持ち上げさせて質量を測定する。その結果が十分な精度のものであれば、線形位相フィルタの位相遅れ時間は適正と判断できるが、不十分であれば、次の操作によって、高精度化を図る。
【００７４】
すなわち、ロボットシステム１００を初期モードに戻し、画面操作によって、記憶手段１５に記憶されたフィルタリング前の平均化された時系列データを操作表示部３２の表示手段３４に表示させる。表示された時系列データが、例えば、図５に示すような出力波形ｆｘであれば、その波形から、最適な位相遅れ時間Ｔ（ＴＸ）を割り出し、割り出した時間Ｔ（ＴＸ）を超えない範囲において、その時間に最も近い位相遅れの線形位相フィルタを指定手段３３で指定する。すると指定された線形位相フィルタがテーブル１７から読み出され、読み出された線形位相フィルタが各デジタルフィルタ１４、１４に設定される。これにより、各デジタルフィルタ１４、１４は、設定された位相遅れ時間Ｔを有する線形位相フィルタとなって、その後に入力される量子化データをフィルタリングしていく。
【００７５】
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、その他の実施形態も採用可能である。例えば、図１０〜図１２においては、質量測定装置１０の制御部３０に記憶手段１５、検出手段１６、テーブル１７等を設けたが、これらは同じくコンピュータで構成されるデジタルフィルタ１４、１４に設けることもできる。
【符号の説明】
【００７６】
１０    質量測定装置
１１    力センサ
１２    加速度センサ
１３ａ  第１Ａ／Ｄ変換器
１３ｂ  第２Ａ／Ｄ変換器
１４    デジタルフィルタ
１５    記憶手段
１６    検出手段
１７    演算手段
１８    テーブル
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
２５    交信手段
３０    制御部（処理手段）
３１    交信手段
３２    操作表示部
３３    指定手段
３４    表示手段
１００    ロボットシステム      
【図１】
0006579648.tif 000002
【図２】
0006579648.tif 000003
【図３】
0006579648.tif 000004
【図４】
0006579648.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006579648.tif 000007
【図７】
0006579648.tif 000008
【図８】
0006579648.tif 000009
【図９】
0006579648.tif 000010
【図１０】
0006579648.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0006579648.tif 000013
【図１３】
0006579648.tif 000014