JP2008020993A - 作業用ロボットの教示データ作成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットに搭載した三次元スキャナのデータに基づいて教示データを短時間かつ高精度に自動的に作成し得る作業用ロボットの教示データ作成装置を提供する。
【解決手段】作業用ロボットに付帯して設置された三次元スキャナと、該三次元スキャナで読み取ったデータを処理する演算装置を備え、演算装置は、三次元スキャナのスキャンにより得られるワーク平面の点群データと、該スキャン時の作業用ロボットのアームの位置情報とを取得し、これら両情報を演算処理して教示データを作成することを特徴とする。前記制御装置は、ワークが所定の大きさの場合にワーク平面の点群データを複数回取得しこれら複数の点群データを合成処理して１つの点群データとしたり、前記点群データに重複部分がある場合に予め設定した条件により間引き合成処理する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、作業用ロボットによりワークを施工する際に必要となる教示データの作成を自動的に行うことが可能な作業用ロボットの教示データ作成装置に関する。

従来、作業用ロボットの教示（ティーチング）方法としては、作業者がロボットのアームやハンドルを手で動かして教示するダイレクトティーチング、ティーチペンダントによりロボットを操作して教示するティーチングプレイバック、実際のロボットは使用せずコンピュータを利用したシュミレーションで教示するオフラインティーチングが行われている。なお、このような先行技術は、文献公知に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

しかしながら、前記ダイレクトティーチングにあっては、作業用ロボットのアームをワークの表面に正確に当接させつつ移動させることが困難で、慎重に作業を行わざるをえず、教示データを取得するのに時間が掛かると共に、ワークが複雑な形状の場合等に、ワークの各部にアームを正確に移動させることが困難で、教示データの精度を高めることが難しい。

また、前記ティーチングプレイバックにあっては、実際のワークとロボットを使用して教示するため、各ロボット個体間の機械的バラツキ、周囲温度変動に伴う伸縮、ワーク重量によるたわみやツールの取り付け誤差、ロボットとワークの位置関係等の影響を排除できて、精度良く教示できるという利点が得られるものの、次のような問題点を有している。すなわち、ティーチング作業をしている間、工場ラインを停止させる必要があると共に、ティーチング作業に熟練を要し、未熟練の作業者の場合にティーチング作業が長時間化し易い。また、誤操作によって教示中にロボットやツール、あるいはワーク等を破損する可能性があり、さらに、工場ラインの立ち上げ時に、ロボットを設置した後でないとティーチング作業を実施することができず、ライン立ち上げの長期化の要因ともなり易い。

さらに、前記オフラインティーチングにあっては、三次元ＣＡＤで作成されるロボットやワーク及び設置スペース等のモデルを仮想空間上に設置し、ロボット操作のシュミレーションを実施して教示データを作成するため、前記ティーチングプレイバックの問題点はある程度解決できるものの、工場の現場で実際にティーチング作業に従事し、専用の操作器具であるティーチペンダントを用いた操作に熟練している作業者にとっては、取り扱いが不便かつ煩雑で、作業効率の低下を招くことになり易い。また、オフラインティーチングを行っても、作成したプログラムを現場で実際に動かすと位置ズレが生じ、実機で実作業を行う前に必ず位置修正作業を行う必要が生じる等、その作業に時間が掛かることになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ロボットに搭載した三次元スキャナのデータに基づいて教示データを短時間かつ高精度に自動的に作成し得る作業用ロボットの教示データ作成装置を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の作業用ロボットは、作業用ロボットに付帯して設置された三次元スキャナと、該三次元スキャナで読み取ったデータを処理する演算装置を備え、前記演算装置は、前記三次元スキャナのスキャンにより得られるワーク平面の点群データと、該スキャン時の前記作業用ロボットのアームの位置情報とを取得し、これら両情報を演算処理して教示データを作成することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記制御装置が、一回のスキャンで取得しきれない大きさのワークに対して、ワーク平面の点群データを複数回取得し、これら複数の点群データを合成処理して１つの点群データとすることを特徴とする。さらに、請求項３に記載の発明は、前記制御装置が、前記点群データに重複部分がある場合に、予め設定した条件により間引き合成処理することを特徴とし、また、請求項４に記載の発明は、前記制御装置が、作成した教示データが連続しない場合に、取得した画像に基づき複数の運行データを作成し、そのデータ同士を接続処理することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、演算装置が、三次元スキャナを用いて、ワーク平面の点群データとスキャン時のアームの位置情報を取得し、これら両情報を合成処理して教示データを作成するため、三次元スキャナでワークの施工前にスキャンするだけで、教示データを短時間かつ高精度に自動的に作成することができて、作業用ロボットによるワークの施工作業を極めて能率的に行うことができる。

また、請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、制御装置が所定大きさのワーク対してワーク平面の点群データを複数回取得し、これら複数の点群データを合成処理して１つの点群データとするため、大きなワークであってもその教示データを簡単かつ短時間に作成することができる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果に加え、制御装置が点群データに重複部分がある場合に、予め設定した条件により間引き合成処理するため、処理時間を短縮化させると共に一層高精度な教示データを作成することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加え、作成した教示データが連続しない場合に、演算装置が取得した画像に基づき複数の運行データを作成し、そのデータ同士を接続処理するため、作業用ロボットによるワークの施工時に該ロボットを停止させることなく連続的に動作させることができて、施工の一層の能率化を図ることができる。

以下、本発明の最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図１２は、本発明に係わる教示データ自動作装置の一実施形態を示し、図１がそのシステム構成図、図２が制御系のブロック図、図３が動作の一例を示すフローチャート、図４〜図１２がその説明図である。

図１に示すように、教示データ作成装置１（以下、作成装置１という）は、作業用ロボット２（以下、ロボット２という）を有し、このロボット２は、工業製品の溶接や組み立て、塗装等を行う作業用ロボットであって、三次元的に駆動されるアーム３の例えば先端部分には三次元スキャナ４（以下、スキャナ４という）が搭載されている。なお、本実施形態では、ロボット２がアーム３の先端に溶接用のツールとしてのトーチ５を備える作業用ロボットである場合を例にして説明する。

このロボット２に搭載される前記スキャナ４は、トーチ５での溶接位置を認識するものでありロボット２の目に相当するものである。また、前記ロボット２は、その作動を制御するロボット制御装置６に接続され、このロボット制御装置６には、例えばパソコン等からなる演算装置７が接続されている。さらに、演算装置７には、スキャナ４を作動させたり該スキャナ４でスキャンしたデータを演算装置７に取り込むためのコントローラ８が接続されている。

そして、前記演算装置７は、図２に示すように、ＣＰＵ９と、点群データ記憶部１０及び運行データ記憶部１１と、入出力制御部１２等を有すると共に、入出力制御部１２には、液晶ディスプレイ等の表示器１３（モニター）とマウスやキーボード等の入力装置１４が接続されている。また、入出力制御部１２には、前記ロボット制御装置６及びコントローラ８が接続され、ロボット制御装置６にはロボット２が接続され、コントローラ８には前記スキャナ４が接続されている。

なお、前記ロボット２は、アーム３やトーチ５の位置を自ら把握するロボット座標系を有し、また、同様にスキャナ４もスキャナ座標系を備えている。そして、両者の座標系の情報を取り込んで、実際に溶接作業を制御するためのツール座標系を備えて、ロボット２の制御を行うのが、アーム３及びスキャナ４に接続された前記演算装置７である。また、図１に示すように、ロボット２のアーム３の作業範囲には、ワーク１６がセットされた作業台１７が設置されている。

次に、前記ロボット２の教示方法の一例を図３のフローチャート等に基づいて説明する。なお、図３のフローチャートは、演算装置７の記憶部内に予め記憶されているプログラムに従って自動的に実行される。プログラムがスタート（Ｓ１００）すると、スキャナ４が作動して点群データとスキャナ４のスキャン位置データが読み込まれ、読み込みが完了したか否かが判断（Ｓ１０２）される。この点群データ等の読み込みに当たっては、先ず、演算装置７の表示器１３に表示される図４に示すような「点群操作パラメータ」入力画面と、図５に示すような「ＬＯＯＰパラメータ」入力画面に基づいて、所定のパラメータが入力される。

この時、図４の「点群操作パラメータ」入力画面の点群の間引きパラメータＰ１の入力により、間引き処理が実行され、また、図５の「ＬＯＯＰパラメータ」画面の各パラメータの入力により、例えば次のような設定が可能となる。すなわち、アーム方向パラメータＰ２への入力によりトーチ５の制御点調整が、アーム前進後退角パラメータＰ３への入力によりワーク１６に対するトーチ５の向きが、アーム傾き角度パラメータＰ４への入力によりトーチ５の角度が、アーム回転角度パラメータＰ６への入力によりロボット手首軸の回転方向が、また、アーム臨界角度パラメータＰ５への入力により臨界角度が画面上で直接数値が入力されてこれが演算装置７に記憶されることになる。このうち、臨界角度の設定機能は、ソフト上ではワーク１６に対し面直角で作業ツール指示を出力できるものの、実際の加工時にロボット２の動作範囲外の座標となる場合があり、このような場合に強制的に臨界角度を変更して、ロボット２が動作限界を超えるのを防止する、すなわちロボット２が実働できるデータとするためである。

各種パラメータＰ１〜Ｐ６が入力設定された状態で、スキャナ４が作動して点群データとスキャン位置データが読み込まれ、これらのデータの演算装置７への読み込みが完了すると、図３の判断Ｓ１０２で「ＹＥＳ」となり、演算装置７において読み込んだ点群データとスキャナ位置データとがデータ合成（Ｓ１０３）されて表示器１３に表示され、この表示された画面上でマウスにより後述する基準線等の教示基準が入力（Ｓ１０４）される。教示基準が入力されると解析パラメータが入力（Ｓ１０５）され、この入力された解析パラメータにより解析処理（Ｓ１０６）が実行される。そして、解析結果の良否が判断（Ｓ１０７）されて、この判断で「ＮＧ」の場合は、ステップＳ１０５に戻り解析パラメータが再度入力される。

一方、判断Ｓ１０７で「ＯＫ」の場合は、解析したデータ（教示データ）を演算装置７内の記憶部に記憶（Ｓ１０８）させる。このステップＳ１０３からステップＳ１０８までが演算装置７内で実行（処理）され、その後、演算装置７内に記憶されたデータがロボット制御装置６にデータ伝送（Ｓ１０９）されて、データ伝送が完了したか否かが判断（Ｓ１１０）され、この判断Ｓ１１０で「ＹＥＳ」の場合に、ロボット２が実際に動作（Ｓ１１１）して、一連のプログラムがストップ（Ｓ１１２）する。

ここで、前記演算装置７における具体的な教示データの作成方法を、各種ワークの形態に基づき説明する。先ず、ワーク１６が図６に示すような渦巻き型の場合は、演算装置７の表示器１３の画面上に表示された点群データ上で入力装置としてのマウスで指示した図の白の太線で示す線を基準線とし、この基準線の内側と外側に一定ピッチで渦を巻くように凹凸に沿った状態で教示点を作成する。この時、ピッチ及び内側、外側の範囲等については、前出したステップＳ１０５における解析パラメータの値を変更することにより任意に変更でき、渦巻きの方向も右か左かを設定することで簡単に行うことができる。また、開始点と終了点もマウスの指示により行うことができる。

また、このデータ合成時に、前記基準線が図７に示すように複雑に曲がっている場合は、マウスで指示した線を基準にして、左右に一定ピッチで凹凸に沿って行ったり来たりした状態で教示点が作成される。この時も、ピッチ及び右側、左側の対称範囲については、図８に示す専用パラロータの入力画面を用いて解析時のパラメータを変更することにより任意に変更され、マウスの指示により開始点を決めたり、終了点は開始点と同一方向でも反対方向でも自由に指示することができるようになっている。

さらに、図９に示すように、ワーク１６の形状全体を対象とする場合は、点群データの中心部にマウスで直線と実ワークの点群位置を把握するために点群の縁を囲む線を引き、点群データの縁の点を用いて対象形状を忠実に延長することにより、ワーク１６の形状を崩さずに解析時に必要なエリアを確保する処理を行う。そして、その後、最初に囲んだワーク１６の縁の線より二回り大きい囲み線を教示し、この線の内側に階段状の一定ピッチで凹凸に沿った状態で教示点が作成されることにより、実ワークより大きな範囲で移動させるティーチングデータが作成できる。この場合も、図１０に示す専用のパラメータ画面等を用いてピッチ及び解析時のパラメータの値を変更することにより任意に変更でき、また、マウスの指示により、開始点を決めることができ、終了点も開始点と同一方向または反対方向に自由に指示することができる。

また、図１１に示すように、一つのワーク中で運行させたい経路が連続的に作成できないワーク１６の場合は、取得したデータでそれぞれの解析パラメータ条件により運行経路データを作成し、その運行経路データ同士を、図１２の「運行経路データの接続」画面で設定することにより、ロボット２を連続的に動作させることができる。

このように、本発明に係わる作成装置１で教示データを作成できるワーク１６の種類等は、上記した各例に限定されず、これ以外にも、スキャナ４を用いてワーク１６をデータ化できてしまえば、三次元ＣＡＤデータに頼ることなく各種ワーク形状に対応することができる。

つまり、上記実施形態の作成装置１によれば、ロボット２のアーム３にスキャナ４を搭載し、このスキャナ４で読み込まれた点群データと、スキャナ４（アーム３）の位置データとを合成処理して模擬的に一回でスキャンしたデータとして取り扱うと共に、複数回に分けて点群を取得するうえで重なった箇所が存在する場合は、これをデータ処理により重なった点群部分がなくなるようにしている。

また、ロボット２に教示させる場合は、演算装置７内の表示器１３に表示された点群データ上をマウスでクリックし連続した点として指示し、点群データからポリゴン処理を施すことにより面法線を導き出し、法線情報を基にロボット２の手首角度情報を付加してロボット２が動く場合にのみ必要な教示データが作成される。そして、作成された教示データは、ロボット制御装置６に通信にて伝送し、実際にロボット２が作業を開始することになる。

これにより、例えば１万ポイントの教示データを作成する場合でも、従来の作業者が教示ポイントを入力するという方法の場合には２〜３日必要であった作業を、点群合成処理等が完了してしまえば演算装置７内において１分程度で作成することができる。また、スキャナ４の１スキャン時間は、ロボット２の移動時間を合わせても約２０秒程度で、必要回数に合わせてスキャンすることになり、また、演算装置７からロボット制御装置６への座標伝送速度は約８０ポイント／秒とした場合、１万ポイントを伝送する場合１２５秒程度必要となるが、従来の方法に比較すれば格段の時間短縮となる。

さらに、ロボット２の外部で教示データを作成した場合、実際に作業をさせるにあたってはロボット２とワーク１６の据え付け位置を調整する必要があるが、前記作成装置１では、作業するロボット２自体が搭載したスキャナ４で据え付けられたワーク１６の点群データを作業直前にデータ化すれば良く、自動的にワーク１６との位置関係が認識されて、作業者が据え付け位置を気にする必要がなく作業を行うことができる。

このように上記作成装置１によれば、施工する前にワーク１６そのものをデータ化しているため、三次元ＣＡＤデータの必要性がなくなり、ワーク１６のデータと一緒にワーク１６とロボット２の位置関係も含まれているので、後から別の手順で位置データとワーク１６の据え付け位置を合わせる必要がなくなる。したがって、必要な条件数値を演算装置７に打ち込みだけで、誰でも精度の良いロボット教示データを短時間で作成することが可能となり、ロボット２を運用するにあたって最も工数の掛かる教示作業を極めて簡略化することができる。

なお、上記実施形態においては、スキャナ４がロボット２のアーム３に搭載されている場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、例えばロボット２との位置（座標）が予め確定しておれば、スキャナ４をロボット２とは別体で所定位置に設置したり図示しないスライダー上に移動可能に設置する等、適宜の構成を採用することができる。

本発明に係わる作成装置は、溶接用のトーチを備えた作業用ロボットの教示作業に限定されず、アームを有しこのアームに三次元スキャナが搭載可能な他の全ての作業ロボットの教示作業に適用できる。

本発明に係る教示データ作成装置の全体構成を示すシステム図 同その制御系のブロック図 同動作の一例を示すフローチャート 同パラメータ設定画面を示す図 同他のパラメータ設定画面を示す図 同解析結果を示す図 同他の解析結果を示す図 同そのパラメータ設定画面を示す図 同さらに他の解析結果を示す図 同そのパラメータ設定画面を示す図 同さらに他の解析結果を示す図 同そのパラメータ設定画面を示す図

符号の説明

１・・・・・・・教示データ作成装置
２・・・・・・・作業用ロボット
３・・・・・・・アーム
４・・・・・・・三次元スキャナ
５・・・・・・・トーチ
６・・・・・・・ロボット制御装置
７・・・・・・・演算装置
８・・・・・・・コントローラ
９・・・・・・・ＣＰＵ
１０・・・・・・点群データ記憶部
１１・・・・・・運行データ記憶部
１２・・・・・・入出力制御部
１３・・・・・・表示器
１４・・・・・・入力装置
１６・・・・・・ワーク
１７・・・・・・作業台

Claims (4)

1. 作業用ロボットに付帯して設置された三次元スキャナと、該三次元スキャナで読み取ったデータを処理する演算装置を備え、
   前記演算装置は、前記三次元スキャナのスキャンにより得られるワーク平面の点群データと、該スキャン時の前記作業用ロボットのアームの位置情報とを取得し、これら両情報を演算処理して教示データを作成することを特徴とする作業用ロボットの教示データ作成装置。
2. 前記制御装置は、一回のスキャンで取得しきれない大きさのワークに対して、ワーク平面の点群データを複数回取得し、これら複数の点群データを合成処理して１つの点群データとすることを特徴とする請求項１に記載の作業用ロボットの教示データ作成装置。
3. 前記制御装置は、前記点群データに重複部分がある場合に、予め設定した条件により間引き合成処理することを特徴とする請求項１または２に記載の作業用ロボットの教示データ作成装置。
4. 前記制御装置は、作成した教示データが連続しない場合に、取得した画像の複数の運行経路データを作成し、そのデータ同士を接続処理することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の作業用ロボットの教示データ作成装置。