JP2003230959A

JP2003230959A - 遠隔操作型溶接ロボットシステム

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Publication number: JP2003230959A
Application number: JP2002029914A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Kojima; 正義小嶋; Satoru Asai; 知浅井; Keiji Taki; 圭史多紀; Yuichi Tonmiya; 雄一頓宮; Kazuo Aoyama; 和夫青山; Ryusuke Tsuboi; 竜介坪井; Tetsuo Aikawa; 徹郎相川; Hiroyuki Takebayashi; 弘之竹林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接施工を行なう際の教示作業や溶接施工をオ
ペレータによる遠隔操作で行え健全な溶接部が得られる
遠隔操作型溶接ロボットシステムを提供する。【解決手段】三次元的な動きが可能な多関節の溶接作業
ロボット１２を用い、溶接作業ロボットの動作に必要な
教示作業は、予め教示したデータをロボット制御装置２
０に記憶させることにより行ない、溶接施工中の溶接条
件修正作業はＣＣＤカメラ２１等の撮像手段による溶融
池映像の監視や、両眼立体視法による三次元的に遠隔計
測することによりティーチングペンダント２７およびツ
ールコントローラ２８を用いて遠隔操作で行なう。ま
た、裏波監視装置２３を設けることにより、溶接開先裏
側部の外観確認及び裏波溶融池の画像から溶接電流を自
動制御し、溶接欠陥の発生を未然にかつ有効的に防止し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔操作による溶
接施工に適した遠隔操作型溶接ロボットシステムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントの炉内機器等の補修
を伴う溶接作業には、遠隔操作型溶接ロボットシステム
が使用されており、この溶接ロボットシステムには多関
節溶接作業ロボットが用いられる。従来の多関節溶接作
業ロボットは、ティーチングプレイバック方式の溶接ロ
ボットが主流である。この溶接ロボットにおいては、溶
接施工前には、溶接施工したい溶接線上及び溶接線以外
のロボット動作線にある数ポイントの位置、並びにロボ
ットの姿勢の座標値の情報をロボット制御装置内のメモ
リに予め記憶させて置き、溶接作業ロボットはロボット
制御装置のメモリに予め記憶された情報に従って動作す
るようになっている。

【０００３】溶接作業ロボットによる溶接施工中は、各
ロボットの手足はロボット制御装置によって各軸駆動モ
ータの作動制御により溶接作業が実施される。各軸駆動
モータが８０Ｗを超えない場合には、安全柵の設置など
が義務づけられていないので、溶融池近傍を直接観察す
ることが可能である。この場合には、直接観察により、
溶接施工中に溶接電流や溶接電圧等の溶接条件を手元テ
ィーチングペンダントのボタン操作により修正すること
ができる。ただし、溶接狙い位置の修正は行なうことが
できなかった。

【０００４】原子力発電プラントの炉内作業では、溶接
ロボットによる溶接の教示作業時に、作業員がロボット
側に近付いたり、炉内に入ることはできない。炉内に入
ることができても長時間その場に居ることができず、そ
の場合には溶接ロボットへの教示作業が適切に行なえ
ず、従来の多関節溶接ロボットで溶接施工することが困
難となる場合がある。このため、例えば、原子力発電プ
ラントの原子炉内の様な環境下では、従来の多関節溶接
ロボットで溶接施工することは困難である。

【０００５】また、溶接部材の形状が複雑な部位や狭隘
部への溶接ロボットによる溶接施工に関しては、ロボッ
ト先端部に取付けた溶接トーチやロボットアームが溶接
部材と干渉する虞があり、十分な取付け精度をもって溶
接施工させることが困難となる場合がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、特願２０００−２８６５６５において図１３の構成
図に示されたプラントの遠隔操作型溶接ロボットシステ
ムを開発した。すなわち、溶接作業ロボット１は、移動
可能なロボット本体１ａから突出した多関節連結構造よ
りなるアーム機構１ｂに、溶接トーチ１ｃおよびＣＣＤ
カメラ１ｄを装着した溶接作業部１ｅを三次元的に動作
させるようにロボット制御装置２で駆動される。このロ
ボット制御装置２には、溶接部材形状の寸法を基に作成
した教示データが予め記憶され、その教示データに基づ
いて溶接作業ロボット１を制御することになる。

【０００７】前記溶接ロボット１の先端部には、溶接部
材の形状を撮影するＣＣＤカメラ１ｄが設けられ、この
ＣＣＤカメラ１ｄからの映像はモニタ装置３に表示され
るようになっている。また、溶接施工時には溶接電源４
からロボット制御装置２を介して溶接作業ロボット１に
電源が供給される。ティーチングペンダント５は、溶接
施工時に溶接電流や溶接電圧等の溶接条件や狙い位置を
修正するものである。

【０００８】ここで、パソコン６には三次元シミュレー
ションソフトがインストールされており、ロボット制御
装置２に予め記憶する教示データを作成したり、修正し
たりする際に使用される。

【０００９】しかし、この遠隔操作型溶接ロボットシス
テムでは依然以下の問題が残された。例えば沸騰水型原
子力発電プラント（ＢＷＲ）の原子炉圧力容器（ＲＰ
Ｖ）内に、ジェットポンプのライザ管を固定するブレー
スアームを、原子炉圧力容器に溶接する場合である。こ
の溶接は、溶接部位寸法が全て異なるものであるが、原
子炉内高被曝環境下での溶接作業であり、溶接施工を短
時間で完了させる必要がある。そのため被曝量の低減と
溶接施工期間の短縮のための遠隔操作型の溶接ロボット
システム構築が必須である。

【００１０】図１３に示された遠隔操作型溶接ロボット
システムの場合、溶接トーチ１ｃは溶接前の教示データ
の動きに支配され溶接最中における溶接トーチ１ｃの溶
接狙い位置や溶接ワイヤ供給位置の調整ができないため
溶接アンダーカットやブローホールなどの溶接欠陥の原
因になるという課題があった。

【００１１】また、パソコン６の三次元シミュレーショ
ンソフトは寸法データから教示データを作成したり修正
したりする機能を有するものではあるが、溶接部材を溶
接施工用に設置した状態でデータ測定を行なっている訳
ではないため、ティーチングペンダント５による教示デ
ータの修正に時間が掛かるという課題があった。

【００１２】さらに、ＣＣＤカメラ１ｄによる撮影画像
による検査は二次元的な映像であるため実際の溶接脚長
やのど厚，アンダーカットの溶接欠陥深さなど寸法測定
は遠隔計測ではなく検査員による直接測定であり、検査
員の被曝量が増大する要因であった。

【００１３】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、溶接中に溶接狙い位置や溶接ワイヤ供給位置
の調整ができ、溶接欠陥の発生を未然に有効的に防止で
きる遠隔操作型溶接ロボットシステムを提供することを
目的とする。

【００１４】また、本発明の他の目的は、溶接部材固有
部分の座標値を検出し、この座標値を用いて三次元シミ
ュレーションソフトにより溶接部材の形状を正確に精度
よく補正した教示データを作成することができる遠隔操
作型溶接ロボットシステムを提供するにある。

【００１５】さらに、本発明の別の目的は、両眼立体視
法の原理で画像内のポイントの距離を三次元的に算出し
た三次元データから遠隔操作で三次元形状計測する三次
元計測システムを備えた遠隔操作型溶接ロボットシステ
ムを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る遠隔操作型
溶接ロボットシステムは、上述した課題を解決するため
に、請求項１に記載したように、（Ａ）移動可能なロボ
ット本体から突出した多関節連結構造のアーム機構に、
溶接トーチを装着した溶接作業部を三次元的に取付けて
動作させる溶接ロボットと、（Ｂ）溶接部材の形状寸法
を基に予め作成した教示データを記憶し、その教示デー
タに基づいて前記溶接ロボットを作動制御するロボット
制御装置と、（Ｃ）前記溶接トーチに取付けられ、溶接
部材の形状を撮影する撮像手段と、（Ｄ）前記撮像手段
からの画像を表示するモニタ装置と、（Ｅ）溶接施工時
に溶接条件を修正し、前記ロボット制御装置に入力する
ティーチングシステムと、（Ｆ）前記溶接トーチの溶接
狙い位置ならびに溶接ワイヤ供給位置を溶接中に調整で
きるツールコントローラとを備えたものである。

【００１７】請求項１の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムにおいては、三次元的な動きが可能な多
関節の溶接作業ロボットを用い、溶接作業ロボットの動
作に必要な教示作業は、予め教示したデータをロボット
制御装置に記憶させることにより行ない、溶接施工中の
溶接条件修正（調整）作業はＣＣＤカメラからの映像を
基にティーチングシステムおよびツールコントローラを
用いて遠隔操作で行う。これにより、溶接オペレータが
危険な環境下に曝されることなく溶接最中における溶接
トーチの溶接狙い位置や溶接ワイヤ供給位置の調整がで
き、溶接アンダーカットやブローホールなどの溶接欠陥
を低減することができる。

【００１８】請求項２の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項１の発明において、前記溶接
トーチとしてＴＩＧ溶接トーチを用いたものである。

【００１９】これにより、請求項１の発明の作用に加
え、ＴＩＧ溶接トーチを用いた高品質な溶接が可能とな
る。

【００２０】請求項３の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項１の発明において、前記撮像
手段により溶接中に撮影した溶融池映像をモニタ装置で
監視することにより、前記ティーチングシステムで溶接
中の電流設定値を、前記ツールコントローラで溶接中の
溶接トーチの溶接ねらい位置や溶接ワイヤ供給位置をそ
れぞれ変更可能に設定したものである。

【００２１】請求項４の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項１の発明において、前記溶接
部材を撮像手段により２つの角度から撮像し、その画像
を基に、上記溶接部材の形状寸法を、両眼立体視法の原
理により画像内のポイントの距離を算出して三次元的に
遠隔計測する三次元計測システムを有するものである。

【００２２】これにより、請求項４の発明において、溶
接開先合わせでの溶接ギャップの測定や、溶接後の脚長
やのど厚，アンダーカット深さなど三次元寸法の測定が
作業員が危険な環境下に曝されることなく遠隔で行なう
ことができる。

【００２３】請求項５の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項１の発明において、前記溶接
トーチの電極に微細電流を流し、上記電極を溶接部材固
有部分と接触させて導通させることにより、前記溶接部
材固有部分の座標値を検出し、この座標値を用いてパソ
コンにインストールされている三次元シミュレーション
ソフトにより、溶接部材の形状を補正した三次元画像を
基に遠隔で教示データを作成するものである。

【００２４】これにより、請求項５の発明において、三
次元シミュレーションソフトに入力された座標値から自
動的に溶接部材の形状を補正した教示データが作成さ
れ、教示データ作成時間を短縮することできる。

【００２５】請求項６の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムにおいては、請求項１の発明に加え、溶
接部材と被溶接部材の溶接部の裏側を監視する裏波撮像
手段を有する裏波監視装置と、この裏波監視装置からの
裏波画像を表示するモニタ装置により溶接施工前後及び
溶接最中の溶接部の裏側部の外観確認を行なうものであ
る。

【００２６】請求項７の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項６の発明において、前記裏波
監視装置は溶接中の裏ガスを流すための裏ガス供給装置
を有するものである。

【００２７】請求項８の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項６の発明において、前記裏波
監視装置はその撮像手段が円錐ミラーを有する筐体構造
であり、上記裏波監視装置の撮像手段により上記円錐ミ
ラーを通して撮像され、前記モニタ装置に映し出された
画像を平面画像に画像処理する画像処理システムを有す
るものである。

【００２８】請求項９の発明に係わる遠隔操作型溶接ロ
ボットシステムは、請求項６の発明において、前記裏波
監視装置の撮像手段により撮像され前記モニタ装置に映
し出された画像により溶接施工中の裏波溶融池の画像確
認を行なうように設定したものである。

【００２９】請求項１０の発明に係わる遠隔操作型溶接
ロボットシステムは、請求項９の発明において、前記裏
波監視装置の撮像手段により撮像され、前記モニタに映
し出された画像により溶接施工中の裏波溶融池画像の明
るさを確認し、ティーチングシステムを用いて溶接設定
値の修正や調整を行なえるように設定したものである。

【００３０】請求項１１の発明に係わる遠隔操作型溶接
ロボットシステムは、請求項８の発明において、前記裏
波監視装置により教示された裏波溶融池の画像は、その
画像の明るさにより溶接電流を自動制御し、溶接欠陥を
発生させない裏波制御システムを有するものである。

【００３１】これにより、開先裏側に生じるおそれのあ
る溶接の溶け落ち等の溶接欠陥の発生を自動的に防止す
ることも可能となる。

【００３２】請求項１２の発明に係わる遠隔操作型溶接
ロボットシステムは、請求項１１の発明において、前記
裏波監視装置の撮像手段は、１台で裏波溶融池の監視と
裏波制御のための画像を撮影するものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る遠隔操作型溶
接ロボットシステムの実施の形態について添付図面を参
照して説明する。

【００３４】図１は、本発明に係る遠隔操作型溶接ロボ
ットシステムの第１実施形態を示す構成図である。

【００３５】この溶接ロボットシステム１０は、原子力
発電プラント等の各種プラント内の作業場１１に搬入さ
れる溶接作業ロボット１２と、この溶接作業ロボット１
２を遠隔操作により駆動させるロボット操作システム１
３とを有する。ロボット操作システム１３は溶接作業ロ
ボット１２から離れたオペレーションフロア１４内に設
置される。

【００３６】溶接作業ロボット１２は、走行移動可能に
設置された本体ベース部としての自走式のロボット本体
１６と、溶接トーチ１７を保持したトーチ保持機構とし
ての溶接作業部１８と、この溶接作業部１８をロボット
本体１６に移動自在に保持させるアーム機構１９とから
構成される。アーム機構１９は、溶接作業部１８をロボ
ット本体１６に多関節連結させる、例えば４節リンク機
構で形成される。アーム機構１９は、ロボット制御装置
２０により遠隔制御されて溶接作業部１８を三次元的に
動作させるようになっている。ロボット制御装置２０は
溶接作業ロボット１２から離れたオペレーションフロア
１４内に設置される。

【００３７】また、溶接作業ロボット１２の溶接トーチ
１７の先端部には、溶接部材の大きさ、形状を撮影する
撮影手段としてのＣＣＤカメラ２１が備えられる。ＣＣ
Ｄカメラ２１で撮影されたカメラ画像は、作業監視用モ
ニタ装置２２に送られ、このモニタ装置２２で溶接画像
として画像表示される。

【００３８】さらに、溶接作業ロボット１２とは別置き
あるいは一体的に裏波監視装置２３が設けられる。この
裏波監視装置２３にも撮像手段としてＣＣＤカメラが内
蔵され、このＣＣＤカメラにより、溶接前後の溶接部裏
側の溶接状態が撮影される。ＣＣＤカメラで撮影された
溶接部裏側である溶接開先部裏側の裏波画像は裏波監視
用モニタ装置２４に送られ、このモニタ装置２４に画像
表示されるようになっている。これにより、溶接前後の
溶接開先部裏側の目視確認や溶接施工時の裏波の溶融池
監視を行なうことができるようになっている。

【００３９】裏波監視用モニタ装置２４および溶接作業
監視用モニタ装置２２はオペレーションフロア１４上の
所要箇所に設置される。

【００４０】一方、ロボット作業装置２０は、溶接作業
ロボット１２の溶接作業部１８を遠隔地から三次元的に
動作させる一方、ロボット制御装置２０に溶接電源２６
が接続され、この溶接電源２６から溶接作業に必要な電
源が供給される。溶接施工時には、溶接電源２６からロ
ボット制御装置２０を介して溶接作業ロボット１２に電
源が供給される。

【００４１】また、ロボット制御装置２０には、ティー
チングシステムとしてのティーチングペンダント２７、
ツールコントローラ２８および教示データ作成用パソコ
ン２９がオンラインあるいはオフラインで接続され、こ
れらのティーチングペンダント２７、ツールコントロー
ラ２８および教示データ作成用パソコン２９により、ロ
ボット制御装置２０に溶接作業ロボット１２を遠隔操作
にて作動制御したり、必要な溶接作業情報を入力させる
ようになっている。

【００４２】ティーチングペンダント２７は、溶接前の
ロボット動作教示や溶接狙い位置、溶接電流、溶接電圧
等の溶接作業ロボット１２の溶接条件を設定したり、溶
接時の溶接条件等を修正するものである。

【００４３】また、ツールコントローラ２８は溶接トー
チ１７の脱着や裏波監視装置２３の円錐ミラー位置調
整、ＣＣＤカメラ２１と裏波監視装置２３に内蔵された
ＣＣＤカメラの溶融池監視のためのシャッター開閉、電
極脱着、溶接時の溶接狙い位置やワイヤ供給位置の修正
を行なうものである。

【００４４】教示データ作成用パソコン２９には三次元
シミュレータソフトがインストールされており、ロボッ
ト制御装置２０に予め記憶させるべき教示データを作成
したり、修正したりするためのオンラインあるいはオフ
ラインティーチングシステムを構成している。

【００４５】さらに、ロボット制御装置２０に付設され
る作業監視用モニタ装置２２に画像処理・電流制御用パ
ソコン３０が接続される。このパソコン３０には三次元
計測用画像処理ソフトがインストールされ、三次元計測
システム３１を構成している。

【００４６】画像処理・電流制御用パソコン３０にはＣ
ＣＤカメラ２１で撮像された画像がモニタ装置２４を通
して取り込まれ、このカメラ画像により三次元計測シス
テム３１は溶接前の溶接開先ギャップ測定や溶接後の脚
長、のど厚、アンダーカットの深さなどの三次元測定を
行なうようになっている。

【００４７】また、画像処理・電流制御用パソコン３０
は、裏波監視用モニタ装置２４に接続される一方、この
画像処理・電流制御用パソコン３０には裏波制御ソフト
もインストールされている。画像処理・電流制御用パソ
コン３０は裏波制御システム３５を構成したり、裏波監
視用モニタ装置２４を通して取り込まれた画像により溶
接による溶け落ちなどの溶接欠陥が生じないようなピー
ク電流設定値を計算し、電流制御インタフェース（Ｉ／
Ｆ）３３を通して溶接電源２６およびロボット制御装置
２０に適切な電流値指令を行なうようになっている。

【００４８】溶接作業ロボット１２はロボット制御装置
２０で三次元的に駆動され、ロボット溶接作業が実施さ
れる。ロボット制御装置２０には、溶接部材の形状寸法
を基に予め作成された教示データが記憶されており、こ
の教示データに基づいて溶接作業ロボット１２の溶接作
業が実施（溶接施工）される。

【００４９】溶接作業ロボット１２により溶接作業が実
施される前に、準備作業として、溶接部材の形状寸法が
把握される。溶接部材の形状寸法は、溶接部材の形状に
従って図示しない計測装置にてその寸法を予め計測する
ことにより行なわれる。

【００５０】次に溶接部材の開先部裏側を監視する裏波
監視装置２３を溶接部材に取付け、溶接部材３２を被溶
接部３３に当接させ、設置する。そして溶接トーチ１７
の電極に微細な電流を流し、予め教示してあるデータに
より溶接作業ロボット１２を動作させ電極が溶接部材３
２と接触することで導通したときに検出した座標値デー
タをタッチセンシング方式のセンサにて取り込む。この
取り込まれた座標値データと最初に測定した溶接部材３
２の寸法データを用いて三次元シミュレーションソフト
をインストールした教示データ作成用パソコン２９で、
所定の位置に設置された溶接部材画像を作成する。

【００５１】その溶接部材画像を用いて三次元シミュレ
ーションソフトにより溶接部材３２への溶接狙い位置や
溶接ワイヤ供給装置の溶接条件が自動的に算出され、こ
の算出結果から溶接作業ロボット１２の教示データを作
成する。そのうえで、パソコン２９で三次元シミュレー
ションを行ない、溶接作業ロボット１２やケーブル等が
溶接部材と干渉しないことを確認してその教示データの
検証を行なう。

【００５２】このように、計測した溶接部材の形状寸法
を用いて三次元シミュレーション画像上に表示された溶
接部材画像から教示データを作成し、この教示データを
基に予め教示してあるデータの修正を行う。そして、教
示データの検証後、この教示データをオンラインやフロ
ッピーディスク等でロボット制御装置２０に転送し記憶
させる。

【００５３】次に溶接作業ロボット１２を作動させてロ
ボット溶接作業が実施（溶接施工）されるが、このロボ
ット溶接作業を行なう溶接アーク出し前の空運転時、溶
接作業ロボット１２に取付けられたＣＣＤカメラ２１に
より得られた画像を作業監視用モニタ装置２４で見なが
ら、溶接部である溶接開先部の溶接前の健全性の外観目
視確認を行なう。

【００５４】また、オペレータは、ティーチングシステ
ムとしてのティーチングペンダント２７により、溶接狙
い位置、溶接電流、溶接電圧等の溶接条件の変更や両側
開先多層溶接時に溶接変形量に応じて溶接する側の選
択、教示データの微修正を行なう。

【００５５】さらに、ツールコントローラ２８により電
極交換やワイヤ供給位置の設定、裏波監視装置２３の円
錐ミラー位置調整、溶接中の溶接狙い位置やワイヤ供給
位置の修正、溶接トーチ１７のＣＣＤカメラ２１や裏波
監視装置２３の内蔵ＣＣＤカメラのシャッター開閉を行
なう。

【００５６】次に、ＣＣＤカメラ２１により２つの角度
から撮像した画像を作業監視用モニタ装置２２を通して
画像処理・電流制御用パソコン３０に取り込み、この２
つの画像を基に両眼立体視法の原理で画像内のポイント
の距離を算出した値から溶接前の溶接部である溶接開先
部先端と被溶接部材との三次元のギャップ測定を行な
う。

【００５７】ロボット溶接作業の実施による溶接アーク
出し最中は、溶接作業ロボット１２に取付けられたＣＣ
Ｄカメラ２１を通して作業監視用モニタ装置２２に得ら
れる画像を見ながら、オペレータは、必要があれば更
に、ティーチングペンダント２７を用いて溶接電流や溶
接電圧等の溶接条件を変更したり、ツールコントローラ
１８を用いて狙い位置やワイヤ供給位置を修正したりす
ることができる。

【００５８】また、溶接アーク出し最中は溶接部材に取
付けられた裏波監視装置２３に内蔵されたＣＣＤカメラ
から裏波監視用モニタ装置２４を通して画像処理・電流
制御用パソコン３０に溶接部裏側の裏波画像が入力され
る。この入力画像は画像処理、電流制御用パソコン３０
にインストールされた裏波制御ソフトによって溶接の溶
け落ち欠陥が生じないように自動制御される。

【００５９】溶接作業ロボット１２による溶接終了後
は、ＣＣＤカメラ２１により２つの角度から撮像した溶
接部画像を作業監視用モニタ装置２２を通して画像処理
・電流制御用パソコン３０に取り込まれる。取り込まれ
た２つの溶接モニタ画像を基に両眼立体視法の原理でモ
ニタ画像内のポイントの三次元距離を算出した値から溶
接後の脚長、のど厚を計測し、アンダーカットを発見し
た場合はその深さの測定を行ない、更に溶接作業の実施
を行なう。

【００６０】このように、溶接狙い位置の修正ができる
特別仕様の溶接作業ロボット１２を用い、溶接作業ロボ
ット１２の動作に必要な教示作業や、溶接施工中の溶接
条件修正作業を遠隔操作により行なう。

【００６１】ここで、溶接トーチ１７として例えばＴＩ
Ｇ溶接トーチが用いられる。このＴＩＧ溶接トーチを適
用した場合には、不活性ガスで溶融部をシールドする
為、不純物が溶融金属に混入しない極めて優れた品質の
溶接が可能となる。また、微小電流域の溶接電流コント
ロールが精確に出来る為、極薄板から大電流を使用した
厚板まで高品質な溶接が可能である。

【００６２】この場合、溶接箇所に応じてＴＩＧ溶接ト
ーチを自動的に交換する機構を溶接作業ロボット１２に
持たせることにより、溶接トーチの交換を自動的に行な
うことができる。この溶接トーチ１７を三次元シミュレ
ーションで検証した際、どうしても溶接作業ロボット１
２やケーブル等が溶接部材と干渉してロボット溶接がで
きない場合には、干渉を防ぐことができる溶接トーチ１
７を遠隔で交換して対応することができる。

【００６３】また、ＴＩＧ溶接トーチの消耗したタング
ステン電極を研磨する機構を溶接作業ロボット１２に持
たせることにより、ＴＩＧ溶接トーチの消耗したタング
ステン電極を研磨機構で研磨することも可能である。こ
の場合、短くなったタングステン電極長さをタングステ
ン電極を基準点に接地することにより把握し、その長さ
分を自動的に座標変換すれば、当初の教示データをその
まま使用することができる。

【００６４】図２は本発明に係る遠隔操作型溶接ロボッ
トシステム１０に用いられる三次元計測システム３１の
構成図である。

【００６５】この三次元計測システム３１による計測で
は測定対象を１つのＣＣＤカメラ２１で撮影し、その画
像をＣＣＤカメラ２１に移動させてさらに撮影し、両眼
立体視法を用いて対象点の三次元座標を算出する手法を
採用している。

【００６６】図２では溶接トーチ１７のトーチヘッドの
先端部に取付けられたＣＣＤカメラ２１を用い、溶接作
業ロボット１２の２つの作業姿勢から同一箇所を撮影
し、得られた２つの画像を作業監視用モニタ装置２２を
通して画像処理・電流制御用パソコン３０上で対応点を
決定し、三次元寸法の算出を行なっている。このとき、
計測前にあらかじめ既知の間隔で記された罫書き線等に
より基準点を定義しておき、キャリブレーションを行な
う。

【００６７】三次元計測システム３１による両眼立体視
法の概念を図３に従って説明する。

【００６８】（１）まず、あるカメラ位置Ａにおいて、
二つの基準点ａ、ｂ及び計測ポイントＰを含む領域をＣ
ＣＤカメラ２１により撮影し、モニタ装置２２を通して
画像処理・電流制御用パソコン３０にカメラ画像Ａが送
られる。基準点ａ、ｂは予め既知の間隔で記された罫書
き線の交点上にあるものとする。（２）同様に異なるカメラ位置Ｂにおいて、二つの基準
点ａ、ｂ及び計測ポイントＰを含む領域をＣＣＤカメラ
２１により撮影し、モニタ装置２２を通して画像処理・
電流制御用パソコン３０にカメラ画像Ｂが送られる。（３）ここで、基準点ａｂ間の相対距離は画面上の画素
数として各々求められる。（４）この場合、基準点ａｂ間の実際の距離はカメラ画
像Ａとカメラ画像Ｂの相対的な大きさをキャリブレーシ
ョンすることにより計算でき、それにより計測ポイント
Ｐの位置関係も三次元的に求めることができる。このようにして、ＣＣＤカメラが任意の２点にある場合
にも計測ポイントＰの位置をもとめることができる。

【００６９】図４および図５は本発明に係る遠隔操作型
溶接ロボットシステム１０に用いられる三次元計測シス
テムの変形例について示す図である。

【００７０】この三次元計測システム３１では、作業場
１１に複数台、例えば４台の溶接作業ロボット１２を設
置した例を示し、各溶接作業ロボット１２，１２はロボ
ット制御装置２０により遠隔操作でそれぞれロボット溶
接作業が実施される。各ロボット制御装置２０，２０に
は、溶接部材の形状寸法を予め作成した教示データが記
憶され、その教示データに基づいて溶接作業ロボット１
２が遠隔地から作動制御される。

【００７１】各ロボット制御装置２０，２０に記憶され
る教示データは教示データ作成用パソコン２９で作成さ
れたデータが入力されたものである。教示データ作成用
パソコン２９には、三次元シミュレータソフトがインス
トールされており、ロボット制御装置２０に予め記憶さ
れる教示データを作成したり、記憶された教示データを
修正することができるようになっている。この溶接作業
ロボット１２で溶接作業を行なう場合、図５に示すよう
に、まず、教示データ作成用パソコン２９により事前に
取付けられる側の被溶接部材モデルを生成する（ステッ
プＳ１）。

【００７２】また、予め溶接部材３２の形状に従ってそ
の寸法を計測して求められた溶接部材形状からロボット
の動作ポイントやパスを生成し、溶接条件を設定する
（ステップＳ２）。

【００７３】次に、実際の被溶接部材３３に設置された
溶接部材３２を使用し、溶接トーチ１７の電極に微細な
電流を流し、予め教示してあるデータにより溶接作業ロ
ボット１２を動作させ電極が溶接部材３２と接触するこ
とで導通したときに検出した座標値データをタッチセン
シング方式で取り込む（ステップＳ３）。

【００７４】こうして取り込まれた座標値データを教示
データ作成用パソコン２９に入力し三次元シミュレーシ
ョンソフトにより自動的に算出された溶接作業ロボット
１２の教示データを作成する。そして、教示データ作成
用パソコン２９内で三次元シミュレーションを行ない溶
接作業ロボット１２やケーブル等が溶接部材３２と干渉
しないことを確認してその教示データの検証を行なう
（ステップＳ４）。

【００７５】作成された教示データはフロッピーディス
クなどの媒体によりロボット制御装置２０にデータ転送
する。

【００７６】次に、三次元計測システム３１を用いてス
テレオ視による三次元計測手法を説明する。

【００７７】この三次元計測手法では、撮像手段として
２台のＣＣＤカメラ２１を用い、ＣＣＤカメラ２１間の
間隔が既知の場合の計測方法である。ＣＣＤカメラ２１
で撮影した画像は、二次元（平面）の情報しか持たな
い。この三次元計測手法は、二次元情報をそれぞれ持つ
２つの画像から、奥行き情報を伴った三次元の座標計測
を行なうものである。

【００７８】この三次元計測手法を説明する前に、図６
に示した撮影モデルにより、撮影した画像と被写体３４
の関係について説明する。

【００７９】図６に示した撮影モデルは、被写体３４が
レンズ２１ａを透かしてＣＣＤ２１ｂに写像される様子
を示したものである。ＣＣＤ２１ｂに写像される全ての
被写体面はレンズ中心を通るが、このレンズ中心を焦点
といい、また、ＣＣＤ２１ｂと焦点との距離を焦点距離
という。

【００８０】三次元計測システム３１を用いた三次元計
測手法では２つの画像を使用する。２つの画像は、同一
被写体面を撮影したもので視点位置（カメラ位置）が異
なる。この画像を用い、人間の両眼と同様に三角測量の
原理から目的箇所の三次元座標を求める。図７に三次元
計測手法による測定原理を示す。

【００８１】図８では、２台のＣＣＤカメラ２１Ａ，２
１Ｂを設置し、点Ｐおよび点Ｑを撮影した場合に、ＣＣ
Ｄ２１ｂ，２１ｂに写像される各点の位置Ｐ１，Ｑ１：
Ｐ２，Ｑ２を示した。点ＰをＣＣＤカメラ２１ＡとＣＣ
Ｄカメラ２１Ｂで撮影すると、ＣＣＤカメラ２１Ａで
は、焦点２１ａを通りＣＣＤ２１ｂ上の点Ｐ１に写像さ
れる。ＣＣＤ２１Ａでは、焦点２１ａを通りＣＣＤ２１
ｂ上の点Ｐ２に写像される。

【００８２】また、点Ｑにおいては、ＣＣＤカメラ２１
Ａで点Ｑ１、ＣＣＤカメラ２１Ｂで点Ｑ２が写像され
る。この三次元計測手法は、ＣＣＤカメラ２１Ａと２１
Ｂの写像位置から三次元座標を求めるようにしたもので
ある。

【００８３】また、ＣＣＤカメラ２１を二台設置しなく
ても、１台のＣＣＤカメラを移動させることにより、Ｃ
ＣＤカメラ２１で撮像した画像から三次元計測を行なう
ことができる。この単眼移動式による三次元計測方法を
図８に示す。

【００８４】この三次元計測手法では、１台のＣＣＤカ
メラ２１を移動させ視点位置（カメラ位置）の異なる２
つの画像を取得し、１台のＣＣＤカメラ２１で２台のＣ
ＣＤカメラと同様の効果を持たせている。撮影した画像
からカメラ位置を求めることで、任意の位置で取得した
画像が利用可能である。カメラ位置では、計測箇所と一
緒に映した既知形状のマークを利用して求める。

【００８５】カメラ位置の求め方を、簡易的な図９を例
にして説明する。

【００８６】図９において、求める値はθ１，θ２，Ｌ
１，Ｌ２である。点Ｐと点Ｑがカメラ位置を求めるため
のマーク（ポイント）である。よって、点Ｐと点Ｑの座
標は既知である。また、焦点距離ｆ１，ｆ２とｐ１，ｑ
１，ｐ２，ｑ２も同様に既知の値である。以上のことか
ら各点の座標は、

【外１】となる。

【００８７】これらの点を用い、θ１，θ２，Ｌ１，Ｌ
２の解を得ることで、三次元座標計測を行なうことがで
きる。

【００８８】図９は本発明に係る遠隔操作型溶接ロボッ
トシステムに用いられる裏波制御システムを示す図であ
る。

【００８９】裏波制御システム３５は、図９に示すよう
に、裏波監視装置２３と裏波監視用モニタ装置２４と画
像処理・電流制御用パソコン３０とを備え、画像処理・
裏波制御システム３５に裏波制御ソフトがインストール
されている。

【００９０】裏波監視装置２３に内蔵されたＣＣＤカメ
ラから撮像されたカメラ画像は、裏波監視用モニタ装置
２４を通して画像処理・電流制御用パソコン３０に送ら
れる。この画像は画像処理・電流制御用パソコン３０に
インストールされた裏波制御ソフトによって、溶接によ
る溶け落ちなどの溶接欠陥が生じないような溶接電流設
定値を計算している。この計算結果は、電流制御Ｉ／Ｆ
（インタフェース）３３を通して溶接電源２６とロボッ
ト制御装置２０に送られ、これらに適切な電流値指令を
行なうようになっている。

【００９１】また、溶接作業ロボット１２での溶接中の
裏波状況は裏波監視用モニタ装置２４からオペレータが
確認できるため、溶接による溶け落ちなどの溶接欠陥が
生じそうな場合は、オペレータ自身がティーチングペン
ダントの電流設定値の修正により溶接欠陥を回避するこ
とも可能である。

【００９２】図１０は本発明に係る遠隔操作型溶接ロボ
ットシステムに用いられる裏波制御システム３５の裏波
監視装置２３の詳細を示す図である。

【００９３】裏波監視装置２３には円錐ミラー３７、Ｃ
ＣＤカメラ用ケーブル３９、照明用光ファイバ３９、裏
ガスホース４０が内蔵されている。円錐ミラー３７は裏
波監視装置２３の本体ケース４１に支持部材４２を介し
て支持されている。裏波監視装置２３は溶接部材４３を
被溶接部材４４に設置する際に、事前に溶接部材４３に
取付けられる。

【００９４】オペレータはツールコントローラ２８の円
錐ミラー３７の位置調整スイッチでモータを駆動させる
ことにより裏波監視装置２３に内蔵されている円錐ミラ
ー３７をＣＣＤカメラによって溶接開先部４５の裏側部
４６が見える位置までスライドさせる。

【００９５】これにより、溶接前後における溶接開先裏
側部４６の溶接状況、溶接最中の溶接開先裏側部４６で
の溶融池の確認、裏波制御システム３５のための溶融池
の映像を画像処理・電流制御用パソコン１５への転送を
行ない、裏波制御装置２３で監視された裏波カメラ画像
から開先部裏側を監視するようになっている。

【００９６】図１１は本発明に係る遠隔操作型溶接ロボ
ットシステムの裏波制御システム３５による裏波制御の
手順を示すフローチャートである。

【００９７】まず、裏波制御システム３５の裏波制御装
置２３に備えられた円錐ミラー３７を溶接開先部４６の
裏側に挿入し（ステップＳ５）、溶接を開始する（ステ
ップＳ６）。裏波監視装置２３で撮像された映像は裏波
監視用モニタ装置２４を通して裏波溶融池画像として画
像処理・電流制御用パソコン３０に取り込まれる（ステ
ップＳ７）。この時の画像がステップＳ１４であるが、
この画像は円錐ミラー３７の影響で扇型の画像に変形さ
れたものであるため、画像変換作業がステップＳ１５で
行なわれる。実際には、ステップＳ１５で扇形の画像か
ら平面画像へ変換する（ステップＳ８）。さらに裏波溶
融池画像はコンピュータ処理できるように画像データと
して２値化され、面積と重心の演算を行なう（ステップ
Ｓ９）。この２値化された画像データを微分２値化し最
大幅の演算を行なう（ステップＳ１０）。この最大幅か
ら溶接電流制御量を演算し（ステップＳ１１）、溶接電
流制御を行う（ステップＳ１２）。このステップＳ７か
らステップＳ１２までの演算はおおよそ１秒間隔で行わ
れ、溶接が終了するまで繰り返される（ステップＳ１
３）。

【００９８】図１２は本発明に係る遠隔操作型溶接ロボ
ットシステムの裏波制御システム３５による裏波制御方
法の手順を示すフローチャートである。

【００９９】上述した（ステップＳ９）で２値化して得
られた裏波溶融池面積Ｓデータ（ステップＳ１７）と時
間変化量ΔＳは、画像処理・電流制御用パソコン３０に
入力され（ステップＳ１８）、このパソコン３０内でフ
ァジィ推論により溶接電流値を制御し（ステップＳ１
９）、溶接ピーク電流Ａとして出力される（ステップＳ
２０）。

【０１００】これにより、溶接作業ロボット１２を遠隔
操作して溶接作業を行なっても、溶接部４５の健全性を
監視でき、溶接欠陥の発生を未然にかつ有効的に防止で
きる。

【０１０１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る遠隔操
作型溶接ロボットにおいては、溶接の教示作業時に人が
溶接ロボットの設置側に近付けないような、または長時
間その場に居られない環境、例えば原子力プラントの原
子炉内のような環境下でも、多関節の溶接作業ロボット
を用いてティーチングシステムによる教示作業および三
次元計測システムや裏波制御システムにより最終検査を
含め溶接施工を全てオペレータによる遠隔操作で行ない
健全な溶接部を得ることができ、溶接欠陥の発生を未然
にかつ有効的に防止でき、さらに被曝量の低減と溶接施
工期間の短縮が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る遠隔操作型溶接ロボットシステム
の第１実施形態を示す構成図。

【図２】本発明の遠隔操作型溶接ロボットシステムに用
いられる三次元計測システムを示す構成図。

【図３】上記三次元測定システムにおける両眼立体視法
の測定概念を示す図。

【図４】上記三次元測定システムの変形例を示す構成
図。

【図５】図４に示された三次元測定システムにおける教
示手順作成手順を示す図。

【図６】三次元計測手法を説明するための撮影モデルを
示す図。

【図７】ステレオ視による三次元計測手法の測定原理を
示す図。

【図８】単眼移動式による三次元計測方法の測定原理を
示す図。

【図９】本発明の遠隔操作型溶接ロボットシステムに用
いられる裏波制御システムを示す構成図。

【図１０】図９に示された裏波制御システムの裏波監視
装置の詳細を示す図。

【図１１】前記裏波制御システムによる裏波制御の手順
を示すフローチャート。

【図１２】前記裏波制御システムによる裏波制御方法の
手順を示すフローチャート。

【図１３】特願２０００−２８６５６５に示された遠隔
操作型溶接ロボットシステムの構成図。

【符号の説明】

１０遠隔操作型溶接ロボットシステム１１作業場１２溶接作業ロボット１３ロボット操作システム１４オペレーションフロア１６ロボット本体１７溶接トーチ１８溶接作業部（トーチ保持機構）１９アーム機構２０ロボット制御装置２１ＣＣＤカメラ（撮像手段）２２作業監視用モニタ装置２３裏波監視装置２４裏波監視用モニタ装置２６溶接電源２７ティーチングペンダント２８ツールコントローラ２９教示データ作成用パソコン３０画像処理・電流制御用パソコン３１三次元計測システム３２溶接部材３３被溶接部材３５裏波制御システム３７円錐ミラー３８ＣＣＤカメラ用ケーブル３９照明用光ファイバ４０裏ガスホース４３溶接部材４４被溶接部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２３Ｋ 9/127 ５０８Ｂ２３Ｋ 9/127 ５０８Ｄ 9/167 9/167 ＡＢ２５Ｊ 13/00 Ｂ２５Ｊ 13/00 Ｚ (72)発明者多紀圭史神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者頓宮雄一神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者青山和夫神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者坪井竜介神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者相川徹郎神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者竹林弘之東京都府中市晴見町２丁目24番地の１東芝アイティー・コントロールシステム株式会社内Ｆターム(参考） 3C007 AS11 BS10 JS01 JU12 KS07 KT03 KT05 KT18 LS06 LV03 4E001 AA03 BB07 DD01 4E082 AA08 EA04 EF30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）移動可能なロボット本体から突出
した多関節連結構造のアーム機構に、溶接トーチを装着
した溶接作業部を取付けて三次元的に動作させる溶接ロ
ボットと、（Ｂ）溶接部材の形状寸法を基に予め作成した教示デー
タを記憶し、その教示データに基づいて前記溶接ロボッ
トを作動制御するロボット制御装置と、（Ｃ）前記溶接トーチに取付けられ、溶接部材の形状を
撮影する撮像手段と、（Ｄ）前記撮像手段からの画像を表示するモニタ装置
と、（Ｅ）溶接施工時に溶接条件を修正し、前記ロボット制
御装置に入力するティーチングシステムと、（Ｆ）前記溶接トーチの溶接狙い位置ならびに溶接ワイ
ヤ供給位置を溶接中に調整できるツールコントローラと
を備えたことを特徴とする遠隔操作型溶接ロボットシス
テム。
【請求項２】前記溶接トーチとしてＴＩＧ溶接トーチ
を用いることを特徴とする請求項１に記載の遠隔操作型
溶接ロボットシステム。
【請求項３】前記撮像手段により溶接中に撮影した溶
融池映像をモニタ装置で監視することにより、前記ティ
ーチングシステムで溶接中の電流設定値を、前記ツール
コントローラで溶接中の溶接トーチの溶接ねらい位置や
溶接ワイヤ供給位置をそれぞれ変更可能に設定したこと
を特徴とする請求項１に記載の遠隔操作型溶接ロボット
システム。
【請求項４】前記溶接部材を撮像手段により２つの角
度から撮像し、その画像を基に、上記溶接部材の形状寸
法を、両眼立体視法の原理により画像内のポイントの距
離を算出して三次元的に遠隔計測する三次元計測システ
ムを有することを特徴とする請求項１に記載の遠隔操作
型溶接ロボットシステム。
【請求項５】前記溶接トーチの電極に微細電流を流
し、上記電極を溶接部材固有部分と接触させて導通させ
ることにより、前記溶接部材固有部分の座標値を検出
し、この座標値を用いてパソコンにインストールされて
いる三次元シミュレーションソフトにより、溶接部材の
形状を補正した三次元画像を基に遠隔で教示データを作
成することを特徴とする請求項１に記載の遠隔操作型溶
接ロボットシステム。
【請求項６】溶接部材と被溶接部材の溶接部の裏側を
監視する裏波撮像手段を有する裏波監視装置と、この裏
波監視装置からの裏波画像を表示するモニタ装置により
溶接施工前後及び溶接最中の溶接部の裏側部の外観確認
を行なうことを特徴とする請求項１に記載の遠隔操作型
溶接ロボットシステム。
【請求項７】前記裏波監視装置は溶接中の裏ガスを流
すための裏ガス供給装置を有することを特徴とする請求
項６に記載の遠隔操作型溶接ロボットシステム。
【請求項８】前記裏波監視装置はその撮像手段が円錐
ミラーを有する筐体構造であり、上記裏波監視装置の撮
像手段により上記円錐ミラーを通して撮像され、前記モ
ニタ装置に映し出された画像を平面画像に画像処理する
画像処理システムを有することを特徴とする請求項６に
記載の遠隔操作型溶接ロボットシステム。
【請求項９】前記裏波監視装置の撮像手段により撮像
され前記モニタ装置に映し出された画像により溶接施工
中の裏波溶融池の画像確認を行なうように設定したこと
を特徴とする請求項６に記載の遠隔操作型溶接ロボット
システム。
【請求項１０】前記裏波監視装置の撮像手段により撮
像され、前記モニタに映し出された画像により溶接施工
中の裏波溶融池画像の明るさを確認し、ティーチングシ
ステムを用いて溶接設定値の修正や調整を行なえるよう
に設定したことを特徴とする請求項９に記載の遠隔操作
型溶接ロボットシステム。
【請求項１１】前記裏波監視装置により教示された裏
波溶融池の画像は、その画像の明るさにより溶接電流を
自動制御し、溶接欠陥を発生させない裏波制御システム
を有することを特徴とする請求項８に記載の遠隔操作型
溶接ロボットシステム。
【請求項１２】前記裏波監視装置の撮像手段は、１台
で裏波溶融池の監視と裏波制御のための画像を撮影する
ことを特徴とする請求項１１に記載の遠隔操作型溶接ロ
ボットシステム。