特許 7427241 食品特性計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-26

(45)【発行日】2024-02-05

(54)【発明の名称】食品特性計測装置

(51)【国際特許分類】

   B25J 15/08 20060101AFI20240129BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20240129BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20240129BHJP

【ＦＩ】

B25J15/08 C

G01B11/24 K

G01L5/00 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020062886

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021160018

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-02-02

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）第２期／フィジカル空間デジタルデータ処理基盤／サブテーマＩＩＩＳｏｃｉｅｔｙ ５．０実現のための社会実装技術／ＣＰＳ構築のためのセンサリッチ柔軟エンドエフェクタシステム開発と実用化、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100080182

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 三彦

(74)【代理人】

【識別番号】100142572

【弁理士】

【氏名又は名称】水内 龍介

(72)【発明者】

【氏名】川村 貞夫

(72)【発明者】

【氏名】王 忠奎

【審査官】樋口 幸太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－０１０２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０８３５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１３１１８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １５／０８

Ｇ０１Ｂ １１／２４

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フレームと、前記フレームの下部に固定されたステージと、前記フレームに固定された第１リニアガイドと、前記フレームに固定され前記第１リニアガイドと対面して設けられた第２リニアガイドと、前記第１リニアガイドを摺動直動する押さえ板部と、前記第２リニアガイドを摺動直動する仮想把持装置と、前記仮想把持装置に力センサと、を具備していることを特徴とする食品特性計測装置。

【請求項2】

前記フレームにカメラとレーザー変位センサを具備していることを特徴とする請求項１に記載の食品特性計測装置。

【請求項3】

前記仮想把持装置は、外枠と、前記外枠内に設けられたレール部と、前記レール部上を摺動移動する把持部と、前記把持部に固定されている把持面と、前記レール部上を摺動移動する連結部と、前記連結部と前記把持部に固定されており前記レール部と並行移動するギア棒と、前記ギア棒と連動するピニオンギアと、前記ピニオンギアに接続されるモータと、を具備していることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の食品特性計測装置。

【請求項4】

前記把持面は着脱自在であることを特徴とする請求項３に記載の食品特性計測装置。

【請求項5】

対象物の物理特性を計測する方法であって、ステージにある対象物に対してそれぞれ互いに直交するｘ座標軸、ｙ座標軸において、前記ｘ座標軸は力センサを有した仮想把持装置により前記対象物が把持される法線力の方向座標軸であり、前記ｙ座標軸は押さえ板部により対象物が前記ステージに保持される保持力の方向座標軸と前記仮想把持装置が前記法線力の方向座標軸に対して垂直方向に移動する際に生じる摩擦力を前記力センサにより計測する摩擦力の方向座標軸であり、前記仮想把持装置の把持部の駆動距離、前記法線力、前記摩擦力により前記対象物の物理特性を導くことを特徴とする計測方法。

【請求項6】

前記物理特性は前記対象物表面の摩擦係数であることを特徴とする請求項５に記載の計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットハンドを設計する際に必要となる対象物として食品の表面形状、摩擦係数、粘弾性又は反発係数に関する情報等を、実際にハンドリングする状況に近い状態で一元的に実測することができる食品特性計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ロボットハンドを設計する際は、把持する対象物の形状や表面状態に合わせたロボットハンドを作製する必要があり、そのためにロボットハンドが把持する対象物の表面形状や摩擦係数、粘弾性及び反発係数といった物理特性に関する正しい情報が大量に必要となる。対象物の特性計測を行う際は各特性を独立で計測が行われてきている。そこで対象物の摩擦係数計測するために特許文献１に記載されているような形状計測装置を用いて対象物の摩擦係数の計測を行っている。

【0003】

特許文献１に記載の接触センサは、小型カメラを用いて接触面の変形を計測し、この変形情報、接触面に働く接線方向の力信号、及び対象物の物性定数を計算することにより対象物との滑り余裕を推定し摩擦係数を算出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

WO２００６/０３０５７０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１に記載の接触センサは、現実にロボットハンドリングの状況を想定して計測しておらず、接触面等の計算値により算出しているため、一般的な物理特性の摩擦係数の計測しかできなかった。ロボットハンドを設計する際は、大量のサンプルを実際にハンドリングした状況に近い状態において測定した実測値が大量に必要となる。また、動的な計測パターンが実現できないため、粘性の計測が難しい。

【0006】

また、大量のサンプルの摩擦係数、粘弾性、反発係数及び表面状態等の計測をそれぞれ行うのは手間を要する。そして食品を摩擦計測器に食品を固定することが難しい問題がある。

【0007】

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、実際のハンドリングに近い状況を作り出して対象物の表面の摩擦係数、粘弾性、反発係数及び表面形状について測定することができ、また一度の測定でその対象物の物理特性をまとめて計測する食品特性計測装置及び食品特性計測方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、フレームと、前記フレームの下部に固定されたステージと、前記フレームに固定された第１リニアガイドと、前記フレームに固定され前記第１リニアガイドと対面して設けられた第２リニアガイドと、前記第１リニアガイドを摺動直動する押さえ板部と、前記第２リニアガイドを摺動直動する仮想把持装置と、前記仮想把持装置に力センサと、を具備していることを特徴とする。

【0009】

前記フレームにカメラとレーザー変位センサを具備していることを特徴とする。

【0010】

前記仮想把持装置は、外枠と、前記外枠内に設けられたレール部と、前記レール部上を摺動移動する把持部と、前記把持部に固定されている把持面と、前記レール部上を摺動移動する連結部と、前記連結部と前記把持部に固定されており前記レール部と並行移動するギア棒と、前記ギア棒と連動するピニオンギアと、前記ピニオンギアに接続されるモータと、を具備していることを特徴とする。

【0011】

前記把持面は着脱自在であることを特徴とする。

【0012】

対象物の物理特性を計測する方法であって、ステージにある対象物に対してそれぞれ互いに直交するｘ座標軸、ｙ座標軸において、前記ｘ座標軸は力センサを有した仮想把持装置
により前記対象物が把持される法線力の方向座標軸であり、前記ｙ座標軸は押さえ板部により対象物が前記ステージに保持される保持力の方向座標軸と前記仮想把持装置が前記法線力の方向座標軸に対して垂直方向に移動する際に生じる摩擦力を前記力センサにより計測する摩擦力の方向座標軸であり、前記仮想把持装置の把持部の駆動距離、前記法線力、前記摩擦力により前記対象物の物理特性を導くことを特徴とする。

【0013】

前記物理特性は前記対象物表面の摩擦係数であることを特徴とする。

【0014】

前記物理特性は前記対象物の反発係数であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明の有益な効果は以下の通りである。

【0016】

フレームに固定された第２リニアガイドのガイドに摺動可能とする仮想把持装置が対象物を把持して第２リニアガイドが上方向に対象物の持ち上げ動作を行うことにより、実際にロボットハンドが対象物を把持するのに近い状況を作り出すことができる。また、その状況下において、第２リニアガイドに対面して設けられている第１リニアガイドのガイド上で摺動可能とする押さえ板部が対象物の上端で固定されており対象物を持ち上げ動作により持ち上がらないように保持している。これにより、仮想把持装置に具備されている力センサが、仮想把持装置が把持する力と仮想把持装置の把持面に働く対象物との摩擦力を感知することができ、法線力と摩擦力を把握できるため、実際にロボットハンドが対象物を把持するのに近い状況下での対象物表面の摩擦係数を求めることができる。

【0017】

さらに、フレーム上部にカメラとレーザー変位センサを具備することにより、対象物表面形状にていての情報を対象物の物理特性と同時に得ることができる。これにより本発明品を用いると対象物を一度ステージに固定するだけで物理特性や表面状態の複数の情報を同時に得ることができ、それぞれ別の装置に対象物を移し替えることないためその手間を省くことができる。また一つの対象物に対して様々な情報を得ることができるため、対象物を複数準備する手間も省く効果も得られる。また、同じ種類の対象物を複数測定するに際しても、対象物によって物理特性や表面状態は全く同一であることは考えられず、通常はそれぞれ異なるので、同一対象物を用いて複数の情報を得ることが望ましく、本発明品を用いることで、ある一つの対象物の表面状態の情報をカメラ及びレーザー変位センサにより得られ、同時にその表面状態に対応する摩擦係数といった物理特性の情報を得ることができ、正確に表面状態に関連した物理特性の関係性の情報を得ることができる。

【0018】

仮想把持装置を用いることにより、実際に工場等で把持装置が対象物を把持するときの状況を作り出すことができ、斜面法や摩擦計測器を用いて一般的な物理特性を計測するよりも、現に把持する際の実測値を求めることができる。また、ステージの上に対象物を置いて仮想把持装置が対象物を把持するだけでよく、固定する手間がかからない。

【0019】

また、仮想把持装置の把持面を着脱自在にすることにより様々な摩擦係数の種類の把持面を交換することができ、対象物の種類に応じて変えることができる。

【0020】

仮想把持装置を用いることにより、実際にハンドリングしている状況を想定して法線力及び摩擦力により対象物の物理特性を求めることができる。

【0021】

法線力と摩擦力を得ることで摩擦係数を算出することができる。

【0022】

仮想把持装置が把持する力である法線力及び仮想把持装置が対象物に接触してからの距離を用いて対象物の反発係数や粘弾性を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施の一形態に係る概略斜視図である。

【図2】図１の右側面図である。

【図3】図１の平面図である。

【図4】図１の背面図である。

【図5】仮想把持装置の概略斜視図

【図6】図５の左側面図

【図7】図５の正面図

【図8】図５の平面図

【図9】対象物が仮想把持装置により把持されており又押さえ板部により保持されているイメージ概念図

【図10】カメラとレーザー変位センサを有した実施形態における概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１から図４は本発明の実施の一形態に係る概略斜視図、右側側面図、平面図及び背面図である。

【0025】

本発明に係る食品特性計測装置１は、直方体型からなるフレーム２と、フレーム２の底面部に固定された対象物３を置くステージ４と、フレーム２に固定されており、押さえ板部５を上下移動させるための第１リニアガイド６と、フレーム２に固定され第１リニアガイド６と対面して設けられた第２リニアガイド７と、第１リニアガイド６を上下に摺動直動し対象物３を押さえるための押さえ板部５と、第２リニアガイド７を上下に摺動直動し対象物３を把持するための仮想把持装置８と、図面には図示されていない仮想把持装置８の把持部９に力センサ１０を具備している。主に対象物３は、工場等で作製される完成した固形の食品、又は加工前の食材であるが、仮想把持装置８が把持できれば、対象物３は食品や食材に限定されない。

【0026】

フレーム２はフレーム棒１１を組み合わせた直方体の構造となっており、三角金具１２よりフレーム棒１１を直角となるように固定されている。

【0027】

ステージ４はフレーム２の底面箇所の２本のフレーム棒１１に三角金具１２により固定されており、ステージ４上に対象物３を置くことができる。ステージ４は、衛星管理上、洗浄が容易であるステンレス製であることが望ましい。

【0028】

そして、ステージ４の面に対して平行の方向であり仮想把持装置８の把持部９が対象物３を把持する力の方向をｘ座標軸の力方向とし、ステージ４の面に対して垂直の方向であり、仮想把持装置８が第２リニアガイド７により持ち上げられる方向をｙ座標軸の力方向とする。

【0029】

第１リニアガイド６は、フレーム２内に固定されており、モータ１３ａ、ガイド１４ａ、ブロック１５ａ及び押さえ板部５を具備している。

【0030】

モータ１３ａによりガイド１４上をブロック１５が上下にｙ座標軸方向に摺動直動し、これによりブロック１５に固定された押さえ板部５が連動して上下に直動することができる。また、押さえ板部５が、ステージ４上にある対象物３を上から押さえつけるように上下に動かないように固定することができ、対象物３が保持される。また、第１リニアガイド６は対象物３を上から動かないように保持できればよいので、ガイド１４ａとブロック１５ａと押さえ板部５があればモータ１３ａはなくてもよい。

【0031】

第２リニアガイド７は、第１リニアガイド６と対面するようにフレーム２内に設けられており、第１リニアガイド６と同様にモータ１３ｂ、ガイド１４ｂ及びブロック１５ｂを具備しており、ブロック１５ｂに仮想把持装置８が連結されている。

【0032】

モータ１３ｂによりガイド１４ｂ上をブロック１５ｂが上下に摺動直動し、これによりブロック１５ｂに固定された仮想把持装置８が連動して上下に直動し、把持部９が対象物３を挟んで把持した後に対象物３を上に持ち上げることができる。

【0033】

図５から図８はそれぞれ仮想把持装置８の斜視図、左側面図、正面図及び平面図である。

【0034】

仮想把持装置８は、上記で述べたように、対象物３を挟んで把持するための装置であり、四角形の外枠１６と、外枠１６内に設けられた対面するレール部１７と、レール部１７上を摺動移動する把持部９と、レール部１７を摺動移動する連結部１８と、連結部１８と把持部９に固定されておりレール部１７と並行移動するギア棒１９を外枠１６内にそれぞれ２つ具備し、さらに図面には図示していないが把持部９の一方に６軸の力センサ１０を具備し、２つのギア棒１９の間にギア棒１９と連動するピニオンギア２０と、ピニオンギア２０に接続されるモータ２１と、を具備している。

【0035】

把持部９は対象物３を挟持するためのものであり、対象物３と接触する把持面２２は着脱自在となっている。把持面２２は対象物３の表面状況や物性に合った様々な材質や形状を選択することができる。また一方の把持部９の裏側に６軸の力センサ１０を有している。これにより、把持部におけるｘ軸座標方向に働く力やｙ座標軸方向に働く力を計測することができる。またモーメントについての力は計測しなくてもよいので６軸の力センサ１０でなく３軸の力センサでもよい。

【0036】

モータ２１が駆動することによりピニオンギア２０が駆動し、それと連動してギア棒１９が駆動することにより、ｘ座標軸の力方向に把持部９が互いに近づく又は離れるように動くことができ、対象物３を間に挟んで把持することができる。

【0037】

把持した後に、力センサ１０により対象物３からの反発力を測定し、ピニオンギア２０及びギア棒１９が駆動した距離を測ることで反発係数、粘弾性等を計測することができる。

【0038】

仮想把持装置８を用いて対象物３の特性を測定することで、実際に対象物３を把持する状況を作り出して測定をすることができるため、現実に把持装置を設計する際に必要な実測値を求めることができる。また、ステージ４の上に対象物３を置いて仮想把持装置８が対象物３を把持するだけでよく、固定する手間がかからない。

【0039】

また、挟持して把持する仮想把持装置８でなくても、掴むようにして把持する仮想把持装置８や対象物３表面に吸着して把持する仮想把持装置８を用いてもよい。このように実際にハンドリングする際の状況に合わせた仮想把持装置８とすることができる。

【0040】

図９は対象物３が仮想把持装置８により把持されており、また押さえ板部５により保持されているイメージ概念図である。

【0041】

把持部９はｘ座標軸方向に対して力を負荷しており、一方の把持部９に力センサ１０を有していることにより対象物３を把持する力を測定することができ、つまり対象物３と把持部９に働く法線力を求めることができる。また仮想把持装置８がｙ座標軸の上方向に移動することにより、把持された対象物３も同方向に移動しようとするが、押さえ板部５により対象物３が押さえられているため、仮想把持装置８のみが移動する。その移動するときに対象物３と把持部９に生じる摩擦力も測ることができる。これにより、法線力及び摩擦力により動的な対象物３表面の摩擦係数も求めることができる。

【0042】

図１０はカメラ２３とレーザー変位センサ２４を有した実施形態における概略斜視図である。

【0043】

フレーム２の上部に設けられており対象物３にカメラ２３およびレーザー変位センサ２４が向けられている。

【0044】

これによりフレーム２にカメラ２３とレーザー変位センサ２４を具備することにより、対象物３の形状や表面粗さについての情報を対象物３の物理特性と同時に得ることができ、その凹凸についての確率分布を導きだせることができる。

【0045】

また本発明品を用いると対象物３を一度ステージ４に固定するだけで物理特性や表面状態の複数の情報を同時に得ることができ、それぞれ別の物理特性を測定する装置に対象物３を移し替えることないためその手間を省くことができる。

【0046】

さらに一つの対象物３に対して様々な情報を得ることができるため、対象物３を複数準備する手間も省く効果も得られる。

【0047】

また、同じ種類の対象物３を複数測定するに際しても、対象物３によって物理特性や表面状態は全く同一であることは考えられず、通常はそれぞれ異なるので、同じ対象物３を用いて複数の情報を得ることが望ましく、本発明品を用いることで、ある一つの対象物３の表面状態の情報をカメラ２３及びレーザー変位センサ２４により得られ、同時にその表面状態に対応する摩擦係数といった物理特性の情報を得ることができるため、正確に表面状態に関連した物理特性の関係性の情報を得ることができる。

【0048】

以上の得られた摩擦係数や反発係数の平均値や形状の表面粗さの確立分布に基づき、その対象物３に最適な把持装置を設計することができる。また同時に最適な把持方法についても検討することができる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明に係る食品特性計測装置によれば、工場等で実際にハンドリングしている状況を作り出し、その状況下において対象物の摩擦係数や反発係数についての物理特性を導くことができ、また同時に対象物の表面状況についての情報を得られる。その結果その対象物についての情報を一度の測定で一元的に得られることができるため、効率よく把持装置を設計する際の情報を得られることができる。

【符号の説明】

【0050】

１ 食品特性計測装置
２ フレーム
３ 対象物
４ ステージ
５ 押さえ板部
６ 第１リニアガイド
７ 第２リニアガイド
８ 仮想把持装置
９ 把持部
１０ 力センサ
１１ フレーム棒
１２ 三角金具
１３ａ モータ
１３ｂ モータ
１４ａ ガイド
１４ｂ ガイド
１５ａ ブロック
１５ｂ ブロック
１６ 外枠
１７ レール部
１８ 連結部
１９ ギア棒
２０ ピニオンギア
２１ モータ
２２ 把持面
２３ カメラ
２４ レーザ変位センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】