JPH0790482B2 - 加工線始端の開先位置検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、加工線始端の開先位置検出方法に係り、特
に、例えば溶接ロボットの位置制御に際して、加工すべ
き開先位置の加工線始端の位置ずれを検出するのに好適
な加工線始端の開先位置検出方法に関するものである。

［従来の技術］ 物体面上の溶接線を溶接する従来の技術としては、特開
昭58−209481号公報記載の倣い制御方法が知られてい
る。

当該技術は、加工線方向に対して直交する方向に線状光
束すなわちスリット光を照射し、スリット光源と一体に
構成されている撮像装置により得た光切断画像から開先
部の三次元座標位置を検出していた。そして、この検出
位置と、教示位置との偏差ベクトル方向に加工線の始終
端を平行移動し、この加工線上を倣うように溶接トーチ
を移動していた。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術になる視覚センサでは、スリット光が照射
された面内における開先位置しか検出できず、検出を行
う際の姿勢、あるいは被加工部材の高さ方向の位置ずれ
によりスリット光の照射位置が加工線方向の前後に移動
するという点について配慮がされておらず、加工を行う
べき始端の位置が加工線方向にずれるという問題があっ
た。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになさ
れたもので、加工線方向に検出位置をずらすことなく、
加工線始端の開先位置ずれを検出しうる加工線始端の開
先位置検出方法の提供を、その目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る加工線始端の
開先位置検出方法の構成は、教示・再生機能をもつロボ
ットおよびロボット制御装置と、前記ロボットの支持軸
に固定され加工線始端部における開先の位置を検出する
視覚センサと、前記ロボットの支持軸の軸心に対して傾
斜して固定した加工手段とを備え、上記ロボット制御装
置の演算機能を用いて、教示位置と加工位置との位置ず
れを補正して加工を行う方法において、加工線始端の教
示位置から加工手段の軸心方向に一定距離だけ退避した
退避点を演算する第一のステップと、該退避点に加工手
段先端部を移動する第二のステップと、前記視覚センサ
を作動させて加工始端の開先位置を検出する第三のステ
ップと、視覚センサの検出基準点に対する前記第三のス
テップで検出された開先部の位置偏差ベクトルを演算す
る第四のステップと、前記位置偏差ベクトルのうち、ロ
ボットの支持軸の回転中心軸と前記加工手段の軸心とが
成す平面内の位置偏差ベクトル成分を演算する第五のス
テップと、前記第四のステップで得られる位置偏差ベク
トル方向にロボットの支持軸を移動する第六のステップ
とを備え、前記第四のステップにおける位置偏差ベクト
ルが零になるまで前記第三のステップないし前記第六の
ステップを順次繰返し、前記位置偏差ベクトルが零とな
った時点での前記第五のステップで得られる位置偏差ベ
クトル成分を開先位置のずれ量にしたものである。

［作用］ 上記の方法によれば、視覚センサは、検出した加工線始
端の開先の三次元位置偏差ベクトルのうち、ロボットの
支持軸の回転中心軸と加工手段の軸心とが成す平面内の
位置偏差ベクトル成分のみをロボット制御装置に送るよ
うにしているので、ロボットの支持軸は、前記平面内で
のみ移動し、したがって、位置偏差ベクトルが零になっ
た時点で視覚センサの基準点は、前記平面と一致する。

これによって、本視覚センサでは、前記平面内における
開先位置の検出が行えるようになるので、加工線の開始
点が加工線の前後方向にずれることがない。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を、溶接加工を行う場合を例に
とり、第１図ないし第11図を参照して説明する。

まず、溶接ロボットの位置制御装置の構成を第１図ない
し第４図を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る溶接ロボットの、視
覚センサを取付けたロボット支持部の側面図、第２図
は、第１図の正面図、第３図は、視覚センサを備えた溶
接ロボットシステムの機器構成図、第４図は、その制御
系のハードウエア構成を示す模式図である。

第1,2図において、１は、溶接線始端部における開先位
置を検出する視覚センサ、２は、加工手段に係る溶接ト
ーチ、３は、溶接トーチ２の位置制御手段であるロボッ
トの支持軸、４は、溶接トーチ２をロボットの支持軸３
に固定するための取付治具である。

６は、スリット状の光線５を照射する、例えば半導体レ
ーザなどのスリット光源、10は、レンズ７、ミラー８、
および固定撮像素子９を備えてなる観測用光学系であ
り、この観測用光学系10は、スリット光源６照射時に被
測定物である被加工部材11上に形成される光切断像を観
測するものである。前記スリット光源６および観測用光
学系10によって前記視覚センサ１が構成されている。

スリット光線５の中心軸と観測用光学系10の中心軸で形
成される平面は、加工手段の軸心、すなわち溶接トーチ
２の中心軸と所定の角度を成すように構成され、さらに
スリット光線５の中心軸と観測用光学系10の中心軸とが
成す角度を等分する線と、溶接トーチ２の軸心およびロ
ボット手首に相当する支持軸３の回転中心軸は一致し、
溶接トーチ２に組込まれた溶接ワイヤーの先端位置Ｏか
らの退避量（例えば10mm）分だけ溶接トーチ２の軸心方
向に延長した点に観測用光学系10の基準点Ｏ′を置き、
スリット光線５もこの基準点Ｏ′を通るように調整して
いる。

第３図に示す溶接ロボットシステムにおいて、12はロボ
ット、13はロボット制御装置、14は教示操作盤、18は画
像処理装置、19は、コンソール形式のティーチングボッ
クス、23は溶接機である。

ロボット12、ロボット制御装置13、および教示操作盤14
はケーブルで接続されている。ロボットの支持軸３に
は、視覚センサ１と溶接トーチ２とが固定され、視覚セ
ンサ１は信号ケーブル15により画像処理装置18に接続さ
れ、この画像処理装置18はテイーチングボックス19と接
続されている。

溶接用のワイヤは、ワイヤリール20からコンジットケー
ブル22を介して溶接トーチ２に供給されている。また、
ワイヤは同時にコンジットケーブル22を介して溶接機23
にもつながっており、ガスボンベ25から溶接機23へ、ケ
ーブル24を介してシールドガスが供給され、シールドガ
スはコンジットケーブル22を経て溶接トーチ２へ導かれ
る。

ロボット12は、回転関節による５自由度を有する垂直多
関節形であり、基部に近い関節から水平旋回、上腕回
転、前腕回転、手首曲げ、手首ひねりの各動作を行う。
各関節には、図示しないがモータの動力が減速機を介し
て伝達されるものである。視覚センサ１で得られた光切
断像は、画像処理装置18に送られ、画像処理装置18は、
前記光切断像から溶接線の画面内での位置とこれに基づ
く手首座標系での位置を求めるようになっている。

このような溶接ロボットシステムの制御系のハードウエ
ア構成を第４図を参照して説明する。

第４図の図中、第３図と同一符号のものは同一機器、部
品を示す。

第４図に示すロボット制御装置13は、メカインタフェー
ス26によりロボット12と、また溶接機インタフェース27
により溶接機23と接続されている。ロボット制御装置13
の中のコンピュータ間通話ボート28と画像処理装置18と
はシリアル信号線により接続されている。視覚センサ１
内にスリット光源６および固体撮像素子９は信号ケーブ
ル15によりそれぞれセンサインタフェース29を介して画
像処理装置18に接続されている。

次に、このような視覚センサを備えた溶接ロボットによ
り、溶接開始点における開先位置の位置偏差ベクトルを
検出する方法について、第１ないし第４図にあわせて、
第５図ないし第11図を参照して説明する。

第５図は、溶接径路の教示方法を示す説明斜視図、第６
図は、再生動作を示す説明斜視図、第７図は、退避動作
の説明図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、ワイヤ先端部
の拡大図、第８図は、光切断像検出画面を示す説明図、
第９図は、溶接開始点の開先検出位置と溶接トーチの移
動位置の説明斜視図、第10図は、検出点でのロボット動
作のフローチャート図、第11図は、検出点での検出経
過、溶接トーチの移動経路を示す説明斜視図である。

まず、ロボット12の手首に相当する溶接トーチ２が作動
すべき加工線すなわち溶接径路をテイチングボックス19
を用いて教示する。すなわち、第５図（ａ）に示すアプ
ローチ点を教示したのち、第５図（ｂ）の溶接開始点で
は、視覚センサ１による検出のためのセンサON、開先形
状、溶接トーチのシフトなどの教示を行う。すなわち、
溶接継手の種類、開先部の位置ずれの検出、検出に基づ
く溶接径路の補正などの各条件をロボット制御装置13内
の記憶部（バブルメモリ）に、予め記憶されているテイ
ーチデータ（例えば溶接位置，姿勢、溶接速度、溶接電
流など）に加えて記憶させる。

第５図（ｃ）に示す溶接終了点では、同様にシフトの教
示を加え、溶接開始点で得た検出データに基づき、溶接
終了点に到る径路の位置補正を行うことを記憶させる。

このような教示操作を行ったのち、再生動作を行うこと
になる。

ロボット12は、視覚センサ１による検出すなわちセンサ
ONが設定された溶接開始点に到るまで、予め教示された
径路に従って移動する。

センサONの点では、センサONを教示した位置データを基
に、第６図（ａ）に示す退避点を創成し、この点に溶接
トーチ２のワイヤ先端を位置決めする（第10図ステップ
）。

この退避点を決める方法を第７図を参照して説明する。

第７図（ｂ）において、Ｏ′は観測系の基準点となる教
示点、Ｏは、教示点Ｏ′から溶接トーチ２の軸心方向に
ワイヤ先端を退避させた退避点である。

図示したように、退避後の溶接トーチ２のワイヤ先端の
位置、すなわち退避点Ｏを原点として、この原点を通る
ロボットの支持軸３の回転中心軸方向をＺ′軸とし、こ
のＺ′軸と溶接トーチ２の軸心とを含む平面内でＺ′軸
に直交する方向にＸ′軸を設定した溶接トーチ２（ロボ
ット12の手首）の座標系Ｏ−Ｘ′Ｙ′Ｚ′を考える。

前記座標系に対する溶接トーチ２の取付角が45゜である
とすると、教示点Ｏ′から退避点Ｏへの退避ベクトル は、退避量をＬとして、 で与えられる。

この退避ベクトル は、このときのロボットの各関節角情報をもとに次式に
より、ロボット座標系 Ｏ−XYZ における退避ベクト
ル に変換できる。

ここで、座標変換行列Ｔは、テイーチ時における各関節
角情報から以下のように与えられる。

n_x＝C₁C₂₃₄C₅−S₁S₅ n_y＝S₁C₂₃₄C₅＋C₁S₅ n_z＝−S₂₃₄C₅ θ_ｘ＝−C₁C₂₃₄S₅−S₁C₅ θ_ｙ＝−S₁C₂₃₄S₅＋C₁C₅ θ_ｚ＝S₂₃₄S₅ d_x＝C₁S₂₃₄ d_y＝S₁S₂₃₄ d_z＝C₂₃₄ P_x＝C₂（d₅・D₂₃₄＋a₃・C₂₃＋a₂・C₂） ｐ＝S₁（d₅・D₂₃₄＋a₃・C₂₃＋a₂・C₂） p_z＝d₅・C₂₃₄−a₃・S₂₃−a₂S₂ ここに、 Ci＝cosθｉ（ｉ＝1,…,5） Si＝sinθｉ（ｉ＝1,…,5） Cijk＝cos（θｉ＋θｊ＋θｋ） Sijk＝sin（θｉ＋θｊ＋θｋ） θ₁:旋回関節回転角 θ₂:上腕関節回転角 θ₃:前腕関節回転角 θ₄:手首曲げ関節回転角 θ₅:手首ひねり関節回転角 a₂:上腕長さ a₃:前腕長さ d₅:手先部長さ である。

ロボット12は、（１）式で計算した退避点Ｏに、テイー
チング時のロボット座標系における姿勢を保ったまま溶
接トーチ２を移動させ、画像処理装置18に開先形状に関
する情報とともに検出指令を送る。

画像処理装置18は、スリット光源６からのスリット光線
５の照射により固体撮像素子９から得られた光切断画像
を取り込み、第８図に示すように、開先形状により決ま
る認識アルゴリズムに従って、すなわち、画像における
線の勾配が変る位置を溶接線の位置つまり開先位置と認
識して、画面内での開先位置（u,v）を求める。

視覚センサ１は、第７図（ｂ）に示した教示点Ｏ′を観
測系の基準点にしているため、第９図に示すように、ス
リット光線が照射されている点Ｓまでの位置偏差ベクト
ル を求めることができる（第10図ステップ）。

ここで、スリット光線５の照射中心軸および光切断像の
撮像系の中心軸が、溶接トーチ２およびロボットの支持
軸３の回転中心軸が作る面に対して成す角が等しく、角
α（図示せず）で表わされ、照射中心軸と撮像系の中心
軸とが作る面がＺ軸すなわちロボットの支持軸３の回転
中心軸と成す角をθ（図示せず）とし、撮像系の倍率を
Ａとすると位置偏差ベクトル は次式で与えられる。

画像処理装置18は、このデータのうち、Ｙ′＝０とした
位置偏差ベクトル成分 によって演算し、ロボット制御装置13に送る（第10図ス
テップ）。

ロボット制御装置13は、検出時の各関節角情報を基に
（１）式に座標変換を行い、ロボット座標系における溶
接トーチ２のワイヤ先端位置のシフトベクトル を求め、この位置に前記ワイヤ先端を移動する（第10図
ステップ）。

第10図は、このときのロボットの動作をフローチャート
で示したものである。

フローチャートで示したように、ロボットは、視覚セン
サ１による検出とロボットの支持軸３の移動とを一連の
動作として、位置偏差ベクトルが零となるまで、すなわ
ち、 になるまで、換言すれば、視覚センサ１の基準点である
教示点０′と開先位置とが一致するまで、この一巡の動
作を繰り返す。

そして、 となった最終的な溶接トーチ２の現在位置からセンシン
グ（検出）開始位置までの差ベクトル を計算し、これを開先位置のずれ量とする（第10図ステ
ップ）。

第11図は、この繰返し動作により、視覚センサ１の検出
ベクトルである位置偏差ベクトル および溶接トーチ２のワイヤ先端のベクトル が変化し、零に収束する様子を図示したものである。

Ｏにおける添字1,2,3…は繰返し動作回数を示し、ベク
トルの零に収束する変化を明らかにしている。

ロボット12は、この検出動作後、第６図（ｂ）および
（ｃ）に示す溶接開始および終了点からなる溶接径路、
すなわち溶接の始，終端ティチラインを上記差ベクトル 分のずれ量で修正を加え、その修正ラインに溶接トーチ
２を移動させて溶接を行う（第10図ステップ）。

前述の動作により、溶接線始端の開先部がＸ′,Z′方向
にそれぞれずれ、しかもＹ′軸と溶接線とが一致してい
ない状態であっても、ロボットの手首である支持軸３の
回転中心軸と溶接トーチ２の軸心とが成す面内における
開先位置を示す差ベクトル を検出することが可能となる。

このように本実施例によれば、溶接開始点で、溶接トー
チ２の軸心とロボットの支持軸３の回転中心軸とが成す
面内における開先位置を検出できるので、視覚センサ１
の検出を行う際の姿勢、あるいは被加工部材11の高さ方
向のずれがあっても、検出位置が溶接線方向の前後に移
動することがないという効果がある。

また、検出を、データが収束する方向に繰返し行うた
め、検出誤差の評価が可能となり、高精度で検出を行う
ことができるという効果もある。

さらに、退避した点で上記動作を行うため、溶接トーチ
２のワイヤ先端と被加工部材11とが衝突することなく検
出を行うことができるという効果もある。

なお、前述の実施例は、溶接加工を行う場合の溶接ロボ
ットシステムの溶接線始端部における開先位置検出方法
について説明したが、本発明は、溶接加工のみに限ら
ず、例えば自動車のシールなどシーリング加工等にも適
用可能であり、教示・再生機能をもち、視覚センサを備
えたロボットによる加工ラインの加工開先部位置検出に
汎用的に適用できる方法である。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、加工線方向に検出
位置をずらすことなく、加工線始端の開先位置ずれを検
出しうる加工線始端の開先位置検出方法を提出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る溶接ロボットの、視
覚センサを取付けたロボット支持部の側面図、第２図
は、第１図の正面図、第３図は、視覚センサを備えた溶
接ロボットシステムの機器構成図、第４図は、その制御
系のハードウエア構成を示す模式図、第５図は、溶接径
路の教示方法を示す説明斜視図、第６図は、再生動作を
示す説明斜視図、第７図は、退避動作の説明図で、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は、ワイヤ先端部の拡大図、第
８図は、光切断像検出画面を示す説明図、第９図は、溶
接開始点の開先位置と溶接トーチの移動位置の説明斜視
図、第10図は、検出点でのロボット動作のフローチャー
ト図、第11図は、検出点での検出経過、溶接トーチの移
動経過を示す説明斜視図である。 １……視覚センサ、２……溶接トーチ、３……ロボット
の支持軸、６……スリット光源、10……観測用光学系、
11……被加工部材、12……ロボット、13……ロボット制
御装置、14……教示操作盤、18……画像処理装置、19…
…ティーチングボックス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田 正道 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 川崎 恭一 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 志村 安規 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 日立京葉エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−87603（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−37273（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】教示・再生機能をもつロボットおよびロボ
   ット制御装置と、前記ロボットの支持軸に固定され加工
   線始端部における開先の位置を検出する視覚センサと、
   前記ロボットの支持軸の軸心に対して傾斜して固定した
   加工手段とを備え、上記ロボット制御装置の演算機能を
   用いて、教示位置と加工位置との位置ずれを補正して加
   工を行う方法において、 加工線始端の教示位置から加工手段の軸心方向に一定距
   離だけ退避した退避点を演算する第一のステップと、 該退避点に加工手段先端部を移動する第二のステップ
   と、 前記視覚センサを作動させて加工始端の開先位置を検出
   する第三のステップと、 視覚センサの検出基準点に対する前記第三のステップで
   検出された開先部の位置偏差ベクトルを演算する第四の
   ステップと、 前記位置偏差ベクトルのうち、ロボットの支持軸の回転
   中心軸と前記加工手段の軸心とが成す平面内の位置偏差
   ベクトル成分を演算する第五のステップと、 前記第四のステップで得られる位置偏差ベクトル方向に
   ロボットの支持軸を移動する第六のステップとを備え、 前記第四のステップにおける位置偏差ベクトルが零にな
   るまで前記第三のステップないし前記第六のステップを
   順次繰返し、前記位置偏差ベクトルが零となった時点で
   の前記第五のステップで得られる位置偏差ベクトル成分
   を開先位置のずれ量にしたことを特徴とする加工線始端
   の開先位置検出方法。