JPH07104831A - レーザセンサを用いたロボットの自動位置教示方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットに多数の教示点を含む位置教示を自
動的に行なうこと。 【構成】 ロボット本体１のアーム先端部には溶接トー
チ２及びレーザセンサ３が取り付けられている。レーザ
センサ３は、レーザビームでロボット進行方向側のセン
シング領域を偏向走査し、ＣＣＤカメラでその軌跡を撮
像する。撮像された映像に基づいて、センサ制御装置１
０内で溶接線Ｐ1 Ｌ1 Ｒ1 Ｌ2 Ｐ2 の位置を表わすセン
サデータが計算される。センサデータはロボット制御装
置２０内でロボットデータに変換され、ロボットの位置
補正計算に使用される。予備的な位置教示として、始点
Ｐ1 と終点Ｐ2 のみを教示し、レーザセンサ３及びセン
サ制御装置１０を利用したリアルタイムトラキングによ
るロボット移動を実行する。その際に補正計算されたロ
ボット位置データの中から適当な間隔乃至頻度で教示点
となる点を選択指定し、多数の教示点データを含む教示
データを自動的に作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、レーザセンサを用い
たロボットの自動位置教示方法に関し、更に詳しく言え
ば、レーザセンサを利用して溶接線等の作業線をリアル
タイムにトラッキングしながら移動させるロボットに対
して、該作業線に対応した位置教示を自動的に行なう為
の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ロボットを溶接線等の作業線に
沿って移動させながら所定の作業を実行する為には、ロ
ボットに位置教示を行なう必要がある。その場合、単に
ロボットに作業線に沿った経路を辿らせることのみを考
えるのであれば、公知のレーザセンサを利用したリアル
タイムトラッキング方式を採用することにより、少数の
点を教示点に指定した位置教示を実行することで一応の
目的を達成することが出来る。しかし、現実のロボット
作業に際しては、作業内容に適合した移動速度の指定／
変更、経路途上におけるロボット姿勢の指定／変更、ハ
ンドやツールの動作に関する各種命令を含むプログラム
を作成して所望される諸条件の下で作業を実行する必要
があり、その為に充分な数の教示点を指定しておくこと
が重要となる。

【０００３】ところが、ロボットの位置教示をティーチ
ングプレイバック方式で行なった場合、多数の教示点を
含む位置教示を実行する為には多くの工数を要し、オペ
レータの作業負担が大きくなることが避けられない。事
前に作業線に関するオフラインデータが用意されている
場合には、オフラインで位置教示を行なうことも可能で
あるが、充分なオフラインデータが完備している場合は
限られており、また、オフラインデータを教示プログラ
ムの位置データに加工する為に相当の作業が必要となる
のが通例である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、充分
な数の教示点を含んだ形でロボットの位置教示を行なう
為には大きな作業負担を伴うことが多く、ロボット作業
全体の作業効率の向上を妨げる要因となっていた。本願
発明の目的は、充分な数の教示点を含むロボットの位置
教示を自動的に行なうことの可能な位置教示方法を提供
することによってこの問題点を解決することにある。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】本願発明は、「ツール
先端点に関してロボット進行方向側の領域における作業
線位置をセンシングするレーザセンサを支持するロボッ
トに前記作業線に関連した予備的な位置教示を行なう段
階と、該予備的な位置教示データを前記レーザセンサに
よる作業線位置センシングによって補正しながら前記ロ
ボットを前記作業線に沿って移動させる段階と、該移動
中に前記レーザセンサによって獲得された前記作業線位
置センシングデータに基づいて前記作業線を表現する教
示位置データを作成する段階を含むレーザセンサを用い
たロボットの自動位置教示方法。」によって上記技術課
題を達成したものである。

【０００６】

【作用】本願発明は、レーザセンサを用いたトラッキン
グ機能を備えたシステムにおいては、少数の教示点のみ
を指定した予備的な位置教示によってトラッキングが実
行可能であり、また、そのトラッキング実行時には作業
線位置がセンシングされて作業線位置データ（センサデ
ータまたはそれをロボットデータに変換したもの）が獲
得されることに着目し、それらデータに基づいて多数の
教示点を含む教示データを自動的に作成するものであ
る。

【０００７】予備的な教示及びそれに基づいたトラッキ
ング移動は、従来通りの手法によって実行すれば良く、
教示データの作成も簡単なソフトウェア処理によって、
作業線位置データ（センサデータまたはそれをロボット
データに変換したもの）を選択的に記憶しておくだけで
充分である（後述する実施例参照）。

【０００８】本願発明によれば、オペレータに要求され
る教示作業は、少数の教示点についての予備的位置教示
のみであるから、ロボットの位置教示に必要な工数を大
幅に減少させることが出来る。

【０００９】また、教示点が実際の作業線に沿った点列
で指定され、その位置データはレーザセンサを利用した
トラッキング実行時に獲得されたデータに基づき、一定
のルールに従って作成されるから、教示データの信頼性
が高く、また、その後のデータ加工も容易となる特徴が
ある。

【００１０】

【実施例】図１は、溶接トーチ及びレーザセンサを担持
したロボットを用いて溶接作業を行なうケースに本願発
明の自動位置教示方法を適用する際の全体配置を例示し
たものである。図中、ロボット本体は符号１で全体的に
指示されており、そのアーム先端部には溶接トーチ２及
びレーザセンサ３が取り付けられている。レーザセンサ
３には、レーザ発振器、レーザビーム偏向器及びＣＣＤ
カメラを備えた公知のものを使用することが出来る。レ
ーザセンサ３はセンサ制御装置１０に接続され、ロボッ
ト本体１はロボット制御装置２０に接続されている。一
方、センサ制御装置１０とロボット制御装置２０は、後
述するように、適当な通信インターフェイスを介して結
合され、専用のプロトコルに従ってセンサデータ等のシ
リアル通信を相互に行なう機能を備えている。

【００１１】４はワークで、板状の部材５に対してワー
ク４が溶接される。溶接は、ワーク４が板状部材５に接
する下縁部を連ねた第１直線部Ｌ1 （始端点Ｐ1 ）、円
弧部Ｒ1 及び第２直線部Ｌ2 （終端点Ｐ2 ）を溶接線と
し、レーザセンサ３を利用したリアルタイムトラッキン
グ方式によるロボット移動によって実行されるものとす
る。また、溶接線の位置センシングは、レーザセンサ３
の偏向レーザビーム３ａの照射点軌跡をＣＣＤカメラで
撮像し、照射点軌跡の屈曲点位置から溶接線位置を定め
る公知の方式によって実行されるものとする。

【００１２】従って、本事例の場合、溶接トーチ２の先
端２ａをツール先端点に設定し、点Ｐ1 及び点Ｐ2 を教
示点とするロボットに位置教示を行なえば、ロボットは
溶接線を辿るように移動することになる。既述したよう
に、実際の溶接作業を所望される諸条件の下で行なう為
には、相当数の教示点を含む位置教示を行なっておく必
要がある。

【００１３】そこで、まずロボットに点Ｐ1 を始点、点
Ｐ2 を終点とする位置教示を予備的に実行した上で、レ
ーザセンサ３を利用したリアルタイムトラッキング方式
によるロボットの再生運転を行ない、その間に取得され
る溶接線の位置データに基づいて適宜数の教示点を新た
に指定する。一連のプロセスは、以下に説明するよう
に、ロボット制御装置１０及びセンサ制御装置２０の各
ＣＰＵを利用したソフトウェア処理によって自動的に実
行される。

【００１４】図２は、図１中に示された事例に使用され
ているロボット制御装置１０及びセンサ制御装置２０の
概略構成を中心に、本実施例におけるロボットシステム
の構成を例示した要部ブロック図である。システム全体
はセンサ制御装置１０、ロボット制御装置２０、ロボッ
ト本体１、レーザセンサ３、溶接トーチ２の動作を制御
する溶接トーチ制御器３０から構成されている。センサ
制御装置１０は中央演算処理装置（以下、ＣＰＵとい
う。）１１を有し、該ＣＰＵ１１には、フレームメモリ
１２、ＲＯＭで構成されたコントロールソフト用メモリ
１３、ＲＡＭ等で構成されたプログラムメモリ１４、不
揮発性ＲＡＭで構成されたデータメモリ１５、センサイ
ンターフェイス１６、画像処理プロセッサ１７及び通信
インターフェイス１８がバス１９を介して接続されてい
る。

【００１５】センサインターフェイス１６には、レーザ
センサ３が接続されており、レーザセンサ３のセンシン
グ動作及び映像信号の取り込みは、ＣＰＵ１１からの指
令によって周期的に実行されるようになっている。通信
インターフェイス１８は、ロボット制御装置２０側の通
信インターフェイス２７に接続されており、両者を介し
て専用のプロトコルに従ってセンサデータ等のシリアル
通信を相互に行なわれることは既述した通りである。

【００１６】レーザセンサ３のＣＣＤカメラの視野で捉
えられた画像は、グレイスケールによる濃淡画像に変換
されてフレームメモリ１２に格納される。画像処理プロ
セッサ１７はフレームメモリ１２に格納された画像をＣ
ＰＵ１１の指令に従って処理する機能を有している。コ
ントロールソフト用メモリ１３には、ＣＰＵ１１がレー
ザセンサ３を制御する為のコントロールプログラム、治
具を用いてセンサ座標系を設定する為のキャリブレーシ
ョン用プログラム、適正なタイミングでロボット側へ各
種のデータを送信する為のプログラム等が格納される。

【００１７】なお、ＣＣＤカメラの捉えた画像やフレー
ムメモリ１２から呼び出された画像を視認する為のＴＶ
モニタを、モニタインタフェイスを介して接続すること
もできる（図示省略）。

【００１８】一方、ロボット制御装置２０は、中央演算
処理装置（ＣＰＵ）２１を有し、該ＣＰＵ２１には、制
御プログラムを格納したＲＯＭ２２、計算データの一時
記憶等の為に利用されるＲＡＭ２３、教示データや各種
設定値が格納される不揮発性ＲＡＭで構成されたメモリ
２４、ロボット本体１の各軸を制御する軸制御器２５
（サーボ回路を含む）、ロボットの手動操作、座標系設
定、位置教示、自動運転（再生動作）指令等を実行する
為の教示操作盤２６及びセンサ制御装置１０側の通信イ
ンターフェイス１８に接続された通信インターフェイス
２７がバス２８を介して接続されている。

【００１９】通信インターフェイス２７は、センサ制御
装置１０側の通信インターフェイス１８に接続されてい
る一方で、溶接トーチ制御器３０に接続されており、Ｃ
ＰＵ２１からの制御信号によって該溶接トーチ制御器３
０の動作（ＯＮ／ＯＦＦ、溶接電圧／溶接電流値等）が
制御される。

【００２０】以上のシステム構成及び機能は、従来のリ
アルタイムトラッキング方式による溶接作業を行なうレ
ーザセンサ付き溶接ロボットシステムと基本的に変わる
ところはないが、本願発明を具体化して実施する為に、
図３のフローチャートに記された処理を実行する自動位
置教示プログラムがロボット制御装置２０の不揮発性メ
モリ２４に格納されている。以下、図３のフローチャー
トを参照して自動位置教示を実行する手順及び処理につ
いて説明する。

【００２１】先ず、自動位置教示を実行する為の準備と
して、予備的教示と教示点選択ルールの設定を実行す
る。予備的教示は、一般に出来るだけ少数の点を教示点
に指定して行なうことが作業効率の面から考えて好まし
い。但し、溶接線（一般には作業線、以下同様。）が不
連続である場合や溶接線形状が複雑な場合には、レーザ
センサ３によるリアルタイムトラッキングに支障の無い
程度の教示点数が予備的教示の段階で必要になることも
あり得る。

【００２２】ここでは、図１に示されたように、Ｐ1
（始点）とＰ2 （終点）の２点を教示点とする予備的位
置教示を行なうものとする。予備的位置教示は、ロボッ
ト制御装置２０の教示操作盤２６を操作して、手動ジョ
グ送りによるティーチング・プレイバック方式によって
実行する（オフラインティーチングの採用も可能）。溶
接線には円弧部Ｒ1 が含まれているが、動作形式には
「チョクセン」を指定し、円弧部Ｒ1 の通過についはレ
ーザセンサ３を用いた位置補正トラッキングで処理す
る。

【００２３】また、教示点選択ルールは、溶接線に沿っ
て指定される教示点の分布乃至密度を定めるもので、例
えば、（１）レーザセンサ３によって位置センシングが
行なわれた溶接線上の点（以下、センシング点と言
う。）の列の中から、予備的位置教示で指定された教示
点から測ってロボットが所定距離移動する毎に１個の割
合で教示点を選択指定する方法、あるいは、（２）セン
シング点列の中から、予備的位置教示で指定された教示
点から数えて一定個数計数毎に教示点を選択指定する方
法がある。ここでは、（１）の方法を採用し、所定距離
（隣り合う教示点間の基準距離）をｄとする。ｄは例え
ば、直線部Ｌ1 ，Ｌ2 あるいは円弧部Ｒ1 の全長の数分
の１乃至数１０分の１の程度に設定される。特に、必要
があれば、ｄの値を区間別に変更することも考えられ
る。

【００２４】以上の準備の下に、図３のフローチャート
にその概略を記した自動位置教示の処理を開始する。処
理は、ロボット制御装置２０側で行なう主処理とセンサ
制御装置１０側で行なう副処理を並行させる形で実行す
る。尚、ロボット本体１は予め点Ｐ1 に近接した初期位
置に、必要な座標系設定（ベース座標系、ツール座標
系、センサ座標系等）を完了した状態で待機しているも
のとする。

【００２５】先ず、ロボット制御装置２０の教示操作盤
２６を操作して、主処理と副処理を同時に開始させる。
主処理では予備的な位置教示で指定した教示点Ｐ1 の位
置データを含むプログラム１ブロックを読み込み（ステ
ップＳ１）、初期位置から点Ｐ1 へ向けて移動を開始す
る（ステップＳ２）。また、レーザセンサ３のセンシン
グ領域が溶接線に重なり始めるタイミングで、レーザセ
ンサ３によるセンシングの開始指令を通信インターフェ
イス２７，１８を介してセンサ制御装置１０に送信する
（ステップＳ３）。

【００２６】センサ制御装置１０側では、副処理の開始
と共にレーザビームの起動／偏向とＣＣＤカメラの撮像
準備を完了し、直ちにロボット制御装置２０からのセン
シング開始指令の送信を待つ態勢に入る（ステップＴ
１）。主処理のステップＳ３によりセンシング開始指令
を受けると、レーザセンサ３によるセンシングを開始し
（第１回目のセンシング実行；ステップＴ２）、センシ
ング領域内を走査するレーザビーム軌跡の映像を取り込
んで、画像処理プロセッサ１７を利用したソフトウェア
処理により、レーザビームが溶接線（Ｌ1 Ｒ1 Ｌ2 ）を
横切る位置（センシング点位置）を表わすセンサデータ
を作成し（ステップＴ３）、データメモリ１５に格納す
る（ステップＴ４）。なお、データメモリ１５内には、
複数のセンシング点のセンサデータを循環的に書き込む
ことにの出来る領域が確保されているものとする。

【００２７】以後、レーザセンサ３を利用したセンシン
グとそれに続くセンサデータの記憶は、ロボット制御装
置２０からセンシング終了指令が送信される迄（主処
理、ステップＳ１３参照）周期的に繰り返される。即
ち、ステップＴ５でロボット制御装置２０からの指令の
受信の有無を確認し、センサデータの送信指令を受けて
いればセンサデータを送信した上で（ステップＴ６→ス
テップＴ７）、ステップＴ２以下に戻って、次回のセン
シング処理（ステップＴ２〜ステップＳ５）を実行す
る。ステップＴ５でロボット制御装置２０からの指令受
信が無ければ、直接ステップＴ２へ戻る。

【００２８】さて、主処理では、ステップＳ３に続くス
テップＳ４で、予備的な位置教示で指定した教示点Ｐ2
の位置データを含むプログラム１ブロックを読み込み、
Ｐ1Ｐ2 間の教示パスの補間計算を開始する。次いで、
リアルタイムトラッキングを実行する為に、センシング
点の位置を表わすセンサデータの送信指令を通信インタ
ーフェイス２７，１８を介してセンサ制御装置１０に送
信し、必要なセンサデータを受信する（ステップＳ
６）。これに対応するセンサ制御装置１０側の処理は、
副処理中ステップＴ５〜ステップＴ７で実行される。

【００２９】ロボット制御装置２０のＣＰＵ２１は、受
信したセンサデータをロボットデータに変換し（ステッ
プＳ７）、補正されたロボット移動目標位置を計算し
（ステップＳ８）、補正された目標位置へロボットを移
動させる（トラッキングの実行；ステップＳ９）。ここ
で、計算された目標位置と前回に指定された教示点（最
初はＰ1 ）との間の距離を計算して、基準値ｄに達して
いるか否かの判断を行い（ステップＳ１０）、イエスで
あればあれば該補正位置（センシング点位置）の位置デ
ータを不揮発性メモリ２４内の所定領域に格納して保存
する（ステップＳ１１）。

【００３０】そして、補間点が残存しているか（即ち、
Ｐ2 迄にロボットが到達したか）を確認し、残存してい
れば、ステップＳ５〜ステップＳ１２の処理を繰り返
す。ステップＳ１０で、ノーの場合には、ステップＳ１
１を経ることなく、ステップＳ１０からステップＳ１２
へ向かうことは、フローチャートに示した通りである。

【００３１】ロボットが溶接線Ｌ1 Ｒ1 Ｌ2 に沿った移
動を続行して、Ｐ2 に到達すると、ステップＳ１２で初
めてノーの判断が出され、ステップＳ１３へ進んでセン
シング終了指令がセンサ制御装置１０へ送信される。

【００３２】センサ制御装置１０がこれを受信すると、
副処理のステップＴ６で初めてノーの判断がなされて、
レーザセンサ３のセンシング動作を停止させて処理を終
了する。

【００３３】一方、ロボット制御装置２０側ではロボッ
トが終点Ｐ2 に到達した後に、ステップＳ１４におい
て、ステップＳ１１で保存された多数のセンシング点の
位置データを順次読み出してＰ1 ，Ｐ2 を両端の教示点
とする教示データを作成する。

【００３４】即ち、位置データが保存された溶接線上の
点がＱ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 ・・・・・Ｑn-1 ，Ｑn の
ｎ個であった場合には、自動位置教示によって作成され
る教示データには、溶接線経路に沿ったＰ1 ，Ｑ1 ，Ｑ
2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 ・・・・Ｑn-1 ，Ｑn ，Ｐ2 の計ｎ＋２
個の教示点の位置データが含まれることになる。作成さ
れた教示データは、ロボット制御装置２０の不揮発性メ
モリ２４内に格納され、全処理を終了する。

【００３５】以上、図１に示した溶接ロボットに本願発
明の自動位置教示方法を適用した実施例について説明し
たが、本願発明の技術思想が他のアプリケーションに対
しても適用可能であることは、特に説明を要しないであ
ろう。また、本願発明を実施する際に使用されるシステ
ムの構成に関しても、種々の変形が考えられる。例え
ば、図２に示した構成に代えて、レーザセンサをセンサ
インターフェイスを介して、必要な画像処理プロセッ
サ、フレームメモリ等と共にロボット制御装置のＣＰＵ
にバス結合させる形で、ロボット制御装置側に内蔵させ
る構成を採用しても良い。

【００３６】なお、本願発明に従って一旦作成された教
示データを、別のホストコンピュータ等に転送して、更
にデータの加工（例えば、直線部Ｌ1 ，Ｌ2 と円弧部Ｒ
1 の境界部分に教示点を追加し、直線部Ｌ1 ，Ｌ2 の中
央付近では教示点を間引きする等）を行なっても良いこ
とは言うまでもない。

【００３７】また、上記実施例における処理（ステップ
Ｓ１１）に代えて、センシング点のセンサデータを選択
ルールに従って別途保存し、Ｐ1 Ｐ2 間のトラッキング
移動の終了後に改めて保存されたセンサデータをロボッ
トデータに変換し、教示点の位置データを作成する等の
変形を適宜行なっても良い。

【００３８】

【発明の効果】本願発明によれば、少数の教示点につい
て位置教示（予備的位置教示）を行なっておくだけで、
レーザセンサを用いたトラッキング機能を利用して、多
数の教示点を含む位置教示が自動的に実行されるので、
ロボットの位置教示に必要な工数を大幅に減少させるこ
とが出来る。

【００３９】また、教示点が実際の作業線に沿った点列
で指定され、その位置データはレーザセンサを利用した
トラッキング実行時に獲得されたデータに基づき、一定
のルールに従って作成されるから、教示データの信頼性
が高く、また、その後のデータ加工も容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接トーチ及びレーザセンサを担持したロボッ
トを用いて溶接作業を行なうケースに本願発明の自動位
置教示方法を適用する際の全体配置を例示したものであ
る。

【図２】図１中に示された事例に使用されているロボッ
ト制御装置及びセンサ制御装置の概略構成を中心に、実
施例におけるロボットシステムの構成を例示した要部ブ
ロック図である。

【図３】ロボット制御装置及びセンサ制御装置の両ＣＰ
Ｕによって実行される自動位置教示の処理の概要を記し
たフローチャートである。

【符号の説明】

１ ロボット本体 ２ 溶接トーチ ２ａ 溶接トーチ先端（ツール先端点） ３ レーザセンサ ３ａ レーザビーム ４ ワーク ５ 板状部材 １０ センサ制御装置 １１ ＣＰＵ（センサ制御装置） １２ フレームメモリ １３ コントロールソフトメモリ １４ プログラムメモリ １５ データメモリ １６ センサインタフェース １７ 画像処理プロセッサ １８ 通信インタフェース（センサ制御装置） １９ バス（センサ制御装置） ２０ ロボット制御装置 ２１ ＣＰＵ（ロボット制御装置） ２２ メモリ（ＲＯＭ） ２３ メモリ（ＲＡＭ） ２４ 不揮発性メモリ ２５ 軸制御器 ２６ 教示操作盤 ２７ 通信インタフェース（ロボット制御装置） ２８ バス（ロボット制御装置） ３０ 溶接トーチ制御器 Ｐ1 溶接線始点 Ｐ2 溶接線終点 Ｌ1 ，Ｌ2 直線部 Ｒ1 円弧部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｂ 19/19 Ｈ 9064−3Ｈ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ツール先端点に関してロボット進行方向
   側の領域における作業線位置をセンシングするレーザセ
   ンサを支持するロボットに前記作業線に関連した予備的
   な位置教示を行なう段階と、該予備的な位置教示データ
   を前記レーザセンサによる作業線位置センシングによっ
   て補正しながら前記ロボットを前記作業線に沿って移動
   させる段階と、該移動中に前記レーザセンサによって獲
   得された前記作業線位置センシングデータに基づいて前
   記作業線を表現する教示位置データを作成する段階を含
   むレーザセンサを用いたロボットの自動位置教示方法。