JP2008080360A - 自動溶接機の位置検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のサーチ動作が必要でないとともに継手形状（すなわち、開先形状）を選ぶことがなく、特徴点の対象を不連続点ではなく連続点にすることができる自動溶接機の位置検出システムを提供する。
【解決手段】
溶接ロボットの制御装置１０はレーザ変位センサＬＳからの測距データに基づいて例えばＶ字継手等の画像解析を行うレーザ変位センサ制御装置ＬＵを備える。レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、画像解析に基づいて、例えばＶ字継手の開先形状に関する特徴点や物理量（ギャップ量、開先深さ、開先角度θ１、開先角度θ２）を含む開先情報を取得する。そして、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、特徴点に基づいて例えばＶ字継手等の位置ずれを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は自動溶接機の位置検出システムに関するものである。

自動溶接機の位置検出システムでは、マニピュレータの溶接トーチに付設されたレーザ変位センサからレーザをワークに照射しながら、マニピュレータを動作させることによりワークの位置ずれを検出し、その位置ずれを溶接プログラムに反映している。

ここで、前記レーザ変位センサを制御するレーザ変位センサ制御装置は、ＣＰＵボード、ＡＤボード、中継プリント板などから構成される独立した別ユニットで構成されている。そして、前記マニピュレータを駆動制御するロボット制御装置とレーザ変位センサ制御装置は、シリアル通信で制御情報を授受している。

前記システムでは、前記位置ずれの検出のために、一方向サーチ機能を有している。この一方向サーチ機能は、図１９に示すよう任意の一方向（サーチ方向）にレーザ変位センサＬＳを動作させて検出点Ｐ１を検出し、基準点Ｐ０と検出点Ｐ１のずれ（ずれ量）を算出して、ワークＷの一方向のずれ量をずれ量補正ファイルＦへ保存する機能である。なお、基準点Ｐ０は、ワークＷが元位置に位置した場合にレーザ変位センサＬＳが検出する点である。そして、算出されたずれ量を溶接プログラムに反映することで実ワーク上を溶接できる。なお、図１９中、アプローチ点ＡＰは、レーザ変位センサＬＳのレーザ光が投射開始するポイントを示している。

一方向サーチ動作は、以下の手順で行われる。
図２０（ａ）に示すように、ロボット制御装置ＲＣでは、既ティーチングされた教示データであるプログラムによる再生動作で一方向サーチ命令の直前点に到達すると、レーザ変位センサ制御装置ＬＵにレーザ照射指令を出力し、その後一方向サーチ命令を出力する。このレーザ照射指令に応じてレーザ変位センサ制御装置ＬＵはレーザ変位センサＬＳをレーザＯＮ状態にするとともに、一方向サーチ命令の実行でレーザ変位センサＬＳは距離測定を開始する。又、同時にロボット制御装置ＲＣの制御によりマニピュレータの溶接トーチとともにレーザ変位センサＬＳはサーチ目標点に向かって動作を開始する。そして、レーザ変位センサＬＳは、レーザ光を投射し得られた測距データをレーザ変位センサ制御装置ＬＵに出力する。レーザ変位センサ制御装置ＬＵは前記測距データに基づいて、高さ検出を行い、この高さが決められた基準高さとなるまで計測を継続する。

図２０（ｂ）に示すように、レーザ変位センサＬＳがワークＷを検出すると、すなわち前記高さ検出の結果が、基準高さとなると、レーザ変位センサ制御装置ＬＵはレーザ変位センサＬＳのレーザを消灯させ、ロボット制御装置のタッチ検出入力をＯＮする。ロボット制御装置ＲＣはタッチ検出入力を受信するとマニピュレータを停止し、予め教示していた基準点とサーチ時に停止した点とのずれ量を計算し、ずれ量補正ファイルに格納する。

このように、レーザ変位センサを使って単に物体へのタッチ検出入力をロボット制御装置に入力することでワークの位置ずれを検出できる。
なお、レーザ変位計を使用した従来技術としては特許文献１〜５が公知である。特許文献１はレーザ変位計の光軸調整に関する特許であり、特許文献２はレーザ変位計による溶接位置補正に関する特許である。又、特許文献３〜５はレーザ変位計を用いた開先位置検出に関する技術である。
特開平０７−２９９７０２号公報 特開平０９−１８３０８７号公報 特開平１０−１４６６７５号公報 特開平１１−１２３６７８号公報、段落０００９ 特開２００１−３３４３６６号公報

ところで、従来の一方向サーチの位置検出においては、重ね継手の中点のように、特徴点としたい箇所に段差がない場合には、一方向サーチ単独では位置ずれ検出ができず、サーチを数回行い、その検出位置を演算することで開先位置を求める場合があるが、教示が煩雑になる上に、検出時間が長くなるという問題がある。

なお、特許文献１や特許文献２では、適用範囲がＶ字継ぎ手及びレ型継ぎ手開先に限定される問題がある。特許文献３はＶ字継ぎ手及びレ型継ぎ手開先に限定される上に、１開先の検出に対して複数のサーチ動作が必要である問題がある。特許文献４では、一方向サーチで距離データをサンプリングし、傾きが急に変化する仮の点（これを不連続点と呼んでいる）を求め、その左右に最小二乗近似による曲線を求め、その交点を真の特徴点とするものである。この特許文献４の手法は、特徴点の対象を不連続点のみに限定したものであり、連続点である特徴点を取得することができない問題がある。又、特許文献５は一方向サーチで距離データをサンプリングし、開先ギャップ中心を認識するようにされているが、具体的な開先ギャップ中心の算出の仕方については触れられていない。

本発明の目的は、複数のサーチ動作が必要でないとともに継手形状（すなわち、開先形状）を選ぶことがなく、特徴点の対象を不連続点ではなく連続点にすることができる自動溶接機の位置検出システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、溶接継手に対しレーザ光を投射して、測距データを取得するレーザ変位センサと、前記レーザ変位センサを溶接トーチとともに溶接線を横断する方向に移動させるマニピュレータと、前記レーザ変位センサからの測距データに基づいて前記溶接継手の画像解析を行う画像解析手段と、前記画像解析に基づいて、前記溶接継手の開先形状に関する特徴点を含む開先情報を取得する開先情報取得手段を備え、前記特徴点に基づいて溶接継手の位置ずれを検出することを特徴とする自動溶接機の位置検出システムを要旨とするものである。

請求項２の発明は請求項１において、前記開先情報取得手段は、さらに、開先情報として、前記画像解析に基づいて、前記溶接継手の開先形状に関する物理量を取得することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２において、記物理量に基づいて前記マニピュレータの制御量を補正するロボット制御手段を備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、開先形状に応じた画像解析プログラムを記憶する画像解析プログラム記憶手段を備え、前記画像解析手段は、前記画像解析プログラム記憶手段が記憶した画像解析プログラムのうち、選択された画像解析プログラムに従って画像解析を行い、前記開先情報取得手段は前記選択された画像解析プログラムに従って前記溶接継手に関する特徴点を含む開先情報を取得することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記画像解析手段と、開先情報取得手段と、ロボット制御手段は共通のコンピュータで兼用することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５において、前記コンピュータが、前記測距データを記憶する測距データ記憶手段を備え、さらに、前記コンピュータには、前記測距データを出力して表示する表示手段が設けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項５において、前記表示手段が、前記測距データをリアルタイムで表示することを特徴とする。

以上詳述したように、請求項１の発明によれば、複数のサーチ動作が必要でないとともに溶接継手形状（すなわち、開先形状）を選ぶことがなく、特徴点の対象を不連続点ではなく連続点にすることができる。

請求項２の発明によれば、開先形状に関する物理量を取得することができる。 請求項３の発明によれば、物理量に基づいてマニピュレータの制御量を補正することができる。
請求項４の発明によれば、画像解析手段及び開先情報取得手段が溶接継手形状に応じた画像解析プログラムに従って実行するため、種々の溶接継手形状に応じた特徴点を取得することができるとともに前記特徴点に基づいて溶接継手の位置ずれを検出することができる。

請求項５の発明によれば、画像解析手段と、開先情報取得手段と、ロボット制御手段が共通のコンピュータで兼用することにより、レーザ変位センサＬＳから受信した測距データのサンプリング、データのメモリへの保存および画像解析処理を共通のコンピュータで実現される。従って、上記のようなサーチ点数が多くなるほど、通信時間のロスが発生することはない。

請求項６の発明によれば、一方向サーチで検出されるまでの測距データの挙動は、表示手段上で確認でき、誤検出時には、オペレータは誤検出が発生している箇所の確認を簡単に行うことができる。

請求項７の発明によれば、マニピュレータを動作させた際、測距データがリアルタイムに表示されるため、誤検出が発生したとき、オペレータはリアルタイムでレーザ動作確認を行うことができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る自動溶接機の位置検出システムを溶接ロボットの制御装置に適用した第１実施形態を図１〜１０を参照して説明する。

図１は溶接ロボットの制御装置１０の構成を示すブロック図である。溶接ロボットの制御装置１０は、ワーク（作業対象物）Ｗに対してアーク溶接を自動で行うように制御するものである。溶接ロボットの制御装置１０は、溶接作業を行うマニピュレータＭと、マニピュレータＭを制御するロボット制御装置ＲＣと、ワークＷの形状を検出するセンサとしてのレーザ変位センサＬＳと、レーザ変位センサＬＳを制御するレーザ変位センサ制御装置ＬＵとを備える。

又、ロボット制御装置ＲＣには、可搬式操作部としてのティーチペンダントＴＰが接続されている。ティーチペンダントＴＰは図示しないキーボード及び液晶ディスプレイが設けられている。前記キーボードにより各種の教示データがロボット制御装置ＲＣに入力される。

マニピュレータＭは、フロア等に固定されるベース部材１２と、複数の軸を介して連結された複数のアーム１３とを備える。最も先端側に位置するアーム１３の先端部には、作業ツールとしての溶接トーチ１４が設けられる。溶接トーチ１４は、溶加材としてのワイヤ１５を内装し、図示しない送給装置によって送り出されたワイヤ１５の先端とワークＷとの間にアークを発生させ、その熱でワイヤ１５を溶着させることによりワークＷに対して溶接を施す。アーム１３間には複数のモータ（図示しない）が配設されており、モータの駆動によって溶接トーチ１４を前後左右に自在に移動できるように構成されている。なお、前後とは、溶接トーチ１４が溶接線に沿って進行する方向を前とし、その１８０度反対方向を後ろとする。又、左右とは進行する方向を人が向いたときを基準として、左右という。

ロボット制御装置ＲＣは、前記モータを駆動制御することにより、予め設定された教示データの主軌道に沿って溶接トーチ１４を動作させる。又、ロボット制御装置ＲＣは、溶接電流及び溶接電圧といった溶接条件を溶接電源ＷＰＳに対して出力し、溶接電源ＷＰＳからパワーケーブルＰＫを通じて供給される電力によって溶接作業を行わせる。ロボット制御装置ＲＣはロボット制御手段に相当する。

レーザ変位センサＬＳは、レーザの発光及び受光によりワークＷまでの距離を測定する走査型のレーザ変位センサであり、溶接トーチ１４に搭載される。レーザ変位センサＬＳは、レーザをワークＷに向けて発光する発光部と、ワークＷで反射したレーザを受光する受光部等（ともに図示しない）を備える。前記発光部で発光されたレーザは、ワークＷで乱反射され、受光部で受光される。受光部は、例えばＣＣＤラインセンサにより構成されており、受光量分布の重心位置からワークＷまでの距離を測定するようにされている。

レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、レーザ変位センサＬＳを駆動制御し、測定される距離情報からワークＷの開先形状を検出する。レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、中央処理装置（ＣＰＵ）や、各種の開先形状に応じて用意された複数の画像解析プログラムや、各種データを記憶するメモリ等を備えるコンピュータからなる。レーザ変位センサ制御装置ＬＵには、図１に示すようにディスプレイＤispや、調整用パソコンＰＣが接続され、レーザ変位センサ制御装置ＬＵによるレーザ変位センサＬＳの調整や、各種データの読み出しが可能である。

本実施形態では、レーザ変位センサ制御装置ＬＵ（コンピュータ）は、画像解析手段、開先情報取得手段、画像解析プログラム記憶手段に相当する。
次に、ロボットの制御装置１０における開先情報取得機能のための一方向サーチの手順を図９、図１０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

なお、上記機能を実現するために、前提条件として、前記レーザ変位センサＬＳのレーザ照射方向がツール座標系のいずれかの軸と平行となるようにセンサヘッドＬＳａが取り付けされ、図２（ａ）にはツールである溶接トーチ１４が示されており、ツール座標系は図２（ａ）のように表わされる。そして、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように溶接トーチ１４に対して、レーザ変位センサＬＳのセンサヘッドＬＳａはレーザ照射方向がＺ−方向となるように取付けされている。

又、ロボット制御装置ＲＣには、溶接作業が行われる前に、溶接が行われる際のマニピュレータＭの動作及び溶接条件等を示す教示データがティーチペンダントＴＰを介して入力され記憶されている。

（１） まず、ロボット制御装置ＲＣは前記教示データに従ってマニピュレータＭを再生動作させて、レーザ変位センサＬＳを図３に示すように一方向にサーチ動作を行い、予め基準点をロボット制御装置ＲＣに記憶する。この基準点の取得の仕方については説明の便宜上後述する。

（２） 次に、ロボット制御装置ＲＣは、マニピュレータＭをリターンさせた後、教示データに従って再生動作させ、開先情報取得命令の直前点にレーザ変位センサＬＳが到達すると、図９に示すようにレーザ変位センサ制御装置ＬＵにレーザ照射指令を出力する。同時に、ロボット制御装置ＲＣは予めティーチペンダントＴＰにて入力されていた画像解析のため検出パターン番号、該検出パターン番号に対応するとともに予めティーチペンダントＴＰにて入力された検出パラメータ及びデータサンプリング周期をレーザ変位センサ制御装置ＬＵに送信する。

ここで、検出パラメータとは、レーザ変位センサ制御装置ＬＵで画像解析時に使用される数値の集合である。検出パラメータは、検出パターン番号に対応して複数個有するものであり、検出パターン番号により検出パラメータの意味が変化する。

なお、検出パラメータの例については後述する。
なお、ロボット制御装置ＲＣはレーザ変位センサ制御装置ＬＵにレーザ照射指令を出力した時点での、マニピュレータＭの位置をサーチ開始点座標として記憶する。

（３） この後、ロボット制御装置ＲＣは開先情報取得命令をレーザ変位センサ制御装置ＬＵに出力する。
（４） 前記レーザ照射指令に応じたレーザ変位センサ制御装置ＬＵの制御によりレーザ変位センサＬＳは距離測定（すなわち、測距データの取得）を開始し、同時にマニピュレータＭの溶接トーチ１４はサーチ終了点に向かって動作を開始する。そして、レーザ光を投射し得られた測距データがレーザ変位センサＬＳからレーザ変位センサ制御装置ＬＵに入力される。

レーザ変位センサ制御装置ＬＵでは、レーザ照射中、前記データサンプリング周期で定めた周期でレーザ変位センサＬＳから受信した測距データ（すなわち、距離データ）をメモリに保存していく。

（５） マニピュレータＭがサーチ終了点に到達すると、ロボット制御装置ＲＣはレーザ消灯指令をレーザ変位センサ制御装置ＬＵに送信する。その指令を受けてレーザ変位センサ制御装置ＬＵはレーザ変位センサＬＳを消灯する。このとき、ロボット制御装置ＲＣは、レーザ変位センサ制御装置ＬＵにレーザ消灯指令を出力した時点での、マニピュレータＭの位置をサーチ終了点として記憶する。そして、レーザ消灯指令の送信と同時にロボット座標系におけるサーチ開始点及びサーチ終了点をロボット制御装置ＲＣはレーザ変位センサ制御装置ＬＵに送信する。

（６） サーチ動作終了後、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは時系列で得られた測距データに対して画像処理を行う。この画像処理が行われているデータを以下、画像データという。そして、メモリ上の該画像データに対する特徴点を求める。又、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは開先に応じてギャップ量や開先角度といった物理量を求める。なお、特徴点、及び物理量の求め方についての詳細な説明は例を挙げて後述する。

（特徴点と物理量）
ここで、特徴点と物理量を溶接継手としてのＶ字継手、重ね継手及び円弧位置を例にして説明する。

（Ｖ字継手）
Ｖ字継手の場合、図４に示すように、左右の溶接母材（ワークＷ）の開先において、両溶接部材上面の延長平面Ｅに位置する開先の中点Ｐを特徴点としている。Ｖ字継手の場合、ギャップ量、開先深さ、開先角度θ１、開先角度θ２を物理量としている。ギャップ量Ｇは図４に示すように開先の左右の溶接母材の互いに離間した端の縁部の距離（左右の溶接母材の開先端間距離）である。開先深さＨは、開先溝の深さである。開先角度θ１は、一方の溶接母材の開先側の角度であり、開先角度θ２は他方の溶接母材の開先側の角度である。

（重ね継手）
重ね継手の場合、図５に示すように、上板Ｕの端角（上板角という）のポイントを特徴点としている。又、上板Ｕと下板Ｓの離間距離を物理量であるギャップ量としている。なお、重ね継手のギャップ量は、レーザ変位センサＬＳから下板Ｓまでの測距データと上板Ｕまでの測距データとの差を取って、その値から、予め設定されている上板Ｕの板厚を引くことにより得ることができる。

（特徴点と物理量の算出）
ここで、レーザ変位センサ制御装置ＬＵが行う画像解析による特徴点及び物理量の算出について説明する。この画像解析は、表１に示される検出パターン番号に対応した画像解析プログラムがレーザ変位センサ制御装置ＬＵのコンピュータにて読み込まれて下記（１）〜（１０）の順序で実行される。なお、下記説明中、該コンピュータが実行するときに参考とされる検出パラメータは表１に示された検出パラメータ１〜９に記載されているものである。これらの検出パラメータは、特徴点及び物理量を算出するための検出条件である。

検出パラメータ１及び検出パラメータ２は、データの上限値及び下限値をそれぞれ規定する。検出パラメータ３及び検出パラメータ４は開先内のオフセット量及び直線長さをそれぞれ規定する。検出パラメータ５は、特徴点となるねらい位置を規定するものであり、「０」は開先溝の最深部を、「１」は開先溝の左上縁部を、「２」は開先溝の右上縁部を、「３」は開先の中点を、「４」は近似直線交点を指定する。どれを特徴点とするかは、オペレータが予めティーチペンダントＴＰから入力することにより、画像解析プログラムに設定される。

検出パラメータ６は端点検出の閾値を規定する。検出パラメータ７は開先外のオフセット量を規定する。検出パラメータ８は画像データに対するフィルタ処理のためのフィルタモードを規定し、「０」は、フィルタなし、「１」は移動平均、「２」はメディアン、「３」は移動平均とメディアンの両処理を意味する。どのフィルタ処理が行われるかは、オペレータが予めティーチペンダントＴＰからの入力により、画像解析プログラムに設定される。検出パラメータ９は、フィルタ窓幅を規定する。

（１）まず、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは検出パラメータ８でフィルタモードを設定する。

（２）次に、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは検出パラメータ９で指定したフィルタ窓幅で画像データを前記設定されたフィルタモードに従ってフィルタ処理する。
（３）続いて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは測距距離から検出パラメータ１（データ上限値）〜検出パラメータ２（データ下限値）の範囲外のデータを除外し、その中でデータ最深部を探索する（図６参照）。図６において、黒点は測距データ取得時のサンプリング点を示している。

（４）次に、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは最深部から検出パラメータ３で指定したオフセット量離れた位置を中心に、開先両端にそれぞれ検出パラメータ４で指定した直線長さの近似直線を引く（図６参照）。

（５）続いて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、測距したサンプリング点のうち、各直線から検出パラメータ６で指定した距離（すなわち、端点検出の閾値）離れ始める点を左右の開先端とする（図６参照）。

（６）次に、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは検出パラメータ５で特徴点を指定する（図６参照）。なお、本実施形態では、予めオペレータの入力により画像解析プログラムには「３」が選択されているものとする。なお、交差角としては、各々鋭角となる角度を選択する。

（７）続いて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは左右の溶接母材の開先端間距離をギャップ量Ｇとする（図６参照）。
（８）次に、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは開先左端から検出パラメータ７で指定したオフセット量分、左に移動した位置を中心に左開先外近似直線を引く。同様に右開先外近似直線を引く（図６参照）。

（９）続いて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは左開先外近似直線と最深部の距離を開先深さとする（図６参照）。
（１０）そして、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは左開先部近似直線と左開先外近似直線の交差角を開先角度θ１、右開先部近似直線と右開先外近似直線の交差角を開先角度θ２とする（図６参照）。

なお、重ね継手やＶ字継手では傾きが急峻に変化する場所が存在するが、そうではない場合にも開先情報取得機能は適用できる。例えば円弧位置を探索することもできる。円弧位置での画像解析手順は以下（１）〜（７）の通りである。

この画像解析は、表２に示される検出パターン番号に対応した画像解析プログラムがレーザ変位センサ制御装置ＬＵのコンピュータにて読み込まれて実行される。なお、画像解析プログラムの選択は、予めオペレータの入力により決定される。そして、該コンピュータが実行するときに参考とされる検出パラメータは表２に示された検出パラメータ１〜６に記載されているものである。この場合、これらの検出パラメータは、特徴点を算出するための検出条件である。

ここでの検出パラメータ１は頂点探索時の区間長さを規定する。又、検出パラメータ２は、頂点からの下がり量を規定する。検出パラメータ３は、点Ａ，Ｂ探索時の高さ差分閾値である。検出パラメータ４は探索する円弧の半径を規定する。検出パラメータ５は画像データに対するフィルタ処理のためのフィルタモードを規定し、「０」は、フィルタなし、「１」は移動平均、「２」はメディアン、「３」は移動平均とメディアンの両処理を意味する。どのフィルタ処理が行われるかは、オペレータが予めティーチペンダントＴＰから入力することにより、画像解析プログラムに設定される。検出パラメータ６は、フィルタ窓幅を規定する。

（１）レーザ変位センサ制御装置ＬＵは検出パラメータ５でフィルタモードを設定する。

（２）次に、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは検出パラメータ６で指定したフィルタ窓幅で画像データを前記設定されたフィルタモードに従ってフィルタ処理する。
（３）続いて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは頂点をサンプリング点を基にラフに探索する（図８参照）。図８の黒点は測距データ取得時のサンプリング点を示している。

（４）そして、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは頂点から検出パラメータ４以上離れたデータは除外する。
（５）次に、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは頂点から、検出パラメータ２下がった位置を探索する。（４）で整形したデータ（以下、整形データという）の左端から探索を開始し、
（（測距データ）−（頂点−検出パラメータ２））＜検出パラメータ３
となる点を点Ａとする。同様に整形データ右端から探索を行い、点Ｂを求める。

（６）続いて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは点Ａ〜点Ｂの中点Ｃを計算する。
（７）そして、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、左右方向はＣの座標、上下方向は頂点の高さの座標の位置を特徴点とする。

（特徴点の座標の算出）
さて、話を元に戻して、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、画像処理で得られた画像データ上の特徴点と、ロボット制御装置ＲＣより送信されたサーチ開始点及びサーチ終了点のロボット座標より、ロボット座標での特徴点座標を求め、物理量と合わせてロボット制御装置ＲＣに返信する。

ここで、前記特徴点は、サーチ方向及びレーザ照射方向に分けて求められる。以下、サーチ方向の特徴点の位置を「左右位置」、レーザ照射方向の特徴点の位置を「上下位置」と呼ぶ。このとき、左右位置、上下位置は以下のように求められる。

（基準点の位置）
そして、最初の一方向サーチ動作時にはこれらが基準点（基準位置）として記録される。その様子を図７に示す。なお、図７は説明の便宜上サーチ方向がロボット座標系のＸ軸と平行に図示しているが、実際のサーチは必ずしもＸ軸と平行である必要はない。

このようにして、基準点（基準位置）を取得した後は、前述した施工されるワークＷに対して同じように一方向サーチ動作を行う。
（ずれ量の算出）
上記のようにして、ロボット制御装置ＲＣがレーザ変位センサ制御装置ＬＵから返信された特徴点の座標と先に記憶した基準点の座標からずれ量を以下の式で算出し、ロボット制御装置ＲＣのコンピュータが備えるメモリ等の記憶装置のずれ量補正ファイルに格納する。

（制御量の補正）
又、ロボット制御装置ＲＣは、レーザ変位センサ制御装置ＬＵから返信された物理量、例えば、ギャップ量、開先深さ、開先角度θ１、開先角度θ２の大きさに応じて、制御量としての溶接電流や、溶接速度や、ウィービング振幅を変化させる。例えば、ギャップ量が基準としている量よりも長くなれば、ロボット制御装置ＲＣは溶接電流を増加させたり、溶接速度を遅くしたり、或いはウィービング振幅を広くする。又、逆にギャップ量が基準としている量よりも短くなれば、ロボット制御装置ＲＣは溶接電流を減少させたり、溶接速度を速くしたり、或いはウィービング振幅を狭くする。

本実施形態では、このようにレーザ変位センサという一次元の検出しかできないセンサで、二次元の開先情報の取得（特徴点および物理量）を一方向サーチと同じ動作で行うことができる。なお、ここで、二次元といっているのは、Ｘ軸とＺ軸を含む平面上で前記開先情報が得られることをいっている。

又、各々の開先に適した検出アルゴリズムを適用することで、重ね継手やＶ字継手以外にも様々な開先に対する特徴点や物理量を求めることができる。また、同一継手でも、例えば、表１の検出パラメータ５のように検出パラメータの切替により、特徴点を選択することができる。

第１実施形態の溶接ロボットの制御装置１０によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） 本実施形態の溶接ロボットの制御装置１０は、レーザ変位センサＬＳからの測距データに基づいて例えばＶ字継手等の画像解析を行う画像解析手段としてレーザ変位センサ制御装置ＬＵを備える。そして、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、開先情報取得手段として画像解析に基づいて、例えばＶ字継手の開先形状に関する特徴点や物理量（ギャップ量、開先深さ、開先角度θ１、開先角度θ２）を含む開先情報を取得する。そして、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、特徴点に基づいて例えばＶ字継手等の位置ずれを検出するようにしている。この結果、本実施形態によれば、特徴点の検出のために複数のサーチ動作が必要でなくなるとともに開先形状を選ぶことがない。又、両溶接部材上面の延長平面Ｅに位置する開先の中点Ｐを特徴点とするように特徴点の対象を、不連続点ではなく連続点にすることができる。これは、特許文献４が、一方向サーチで距離データをサンプリングし、そのサンプリング点を結んだ線の傾きが急に変化する仮の点（不連続点）を特徴点としていたこととは本実施形態の構成が大いに異なることから生ずる特徴である。

（２） 又、本実施形態のレーザ変位センサ制御装置ＬＵは、さらに、画像解析に基づいて、例えば、Ｖ字継手等の開先形状に関する物理量を取得することができる。
（３） 又、本実施形態のロボットの制御装置１０のロボット制御装置ＲＣは、物理量に基づいてマニピュレータＭの制御量を補正することができる。

（４） 又、本実施形態では、レーザ変位センサ制御装置ＬＵのコンピュータは、開先形状に応じた画像解析プログラムを記憶し、選択された画像解析プログラムに従って画像解析を行うとともに溶接継手に関する特徴点を含む開先情報を取得するようにした。この結果、レーザ変位センサ制御装置ＬＵは、溶接継手形状に応じた画像解析プログラムに従って実行するため、種々の溶接継手形状に応じた特徴点を取得することができるとともに特徴点に基づいて溶接継手の位置ずれを検出することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図１１〜１５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付してその詳細説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。

本実施形態のロボットの制御装置１０は、第１実施形態のレーザ変位センサ制御装置ＬＵの基本的機能を、ロボット制御装置ＲＣに持たせて、レーザ変位センサ制御装置ＬＵ、調整用パソコンＰＣ及びディスプレイＤispが省略されており、他の構成は第１実施形態と同様に備えている。図１２は、第２実施形態におけるロボット制御装置ＲＣとレーザ変位センサＬＳの関係を示す。すなわち、ティーチペンダントＴＰと交信可能に接続されたロボット制御装置ＲＣがレーザ変位センサＬＳに対して直接接続されている構成と成っている。

従って、本実施形態のロボット制御装置ＲＣ（コンピュータ）は、画像解析手段、開先情報取得手段、画像解析プログラム記憶手段、測距データ記憶手段及びロボット制御手段に相当する。

又、第１実施形態では説明をしなかったが、ティーチペンダントＴＰはキーボード４１及び表示手段としての液晶ディスプレイ４２が設けられている。キーボード４１により各種の教示データ等がロボット制御装置ＲＣに入力される。

以下、本実施形態の作用を説明する。
なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に上記開先情報取得機能を実現するために、前提条件として、前記レーザ変位センサＬＳのレーザ照射方向がツール座標系のいずれかの軸と平行となるようにセンサヘッドＬＳａが取り付けされている。又、ロボット制御装置ＲＣには、溶接作業が行われる前に、溶接が行われる際のマニピュレータＭの動作及び溶接条件等を示す教示データがティーチペンダントＴＰを介して入力され記憶されている。

（１） まず、ロボット制御装置ＲＣは前記教示データに従ってマニピュレータＭを再生動作させて、レーザ変位センサＬＳを図３に示すように一方向にサーチ動作を行い、予め基準点をロボット制御装置ＲＣに記憶する。この基準点の取得の仕方は、第１実施形態と同様である。

（２） 次に、ロボット制御装置ＲＣは、マニピュレータＭをリターンさせた後、教示データに従って再生動作させ、開先情報取得の直前点にレーザ変位センサＬＳが到達すると、図１３に示すようにレーザ変位センサＬＳにレーザ照射指令を出力する。

同時に、ロボット制御装置ＲＣ（コンピュータ）は予めティーチペンダントＴＰにて入力されていた画像解析のため検出パターン番号、該検出パターン番号に対応するとともに予めティーチペンダントＴＰにて入力された検出パラメータ及びデータサンプリング周期を加味して、図示しないメモリ等に記憶している画像解析プログラムを実行する。

（３） この後、ロボット制御装置ＲＣは開先情報取得を実行する。すなわち、前記レーザ照射指令に応じてレーザ変位センサＬＳは距離測定（すなわち、測距データの取得）を開始し、同時にマニピュレータＭの溶接トーチ１４はサーチ終了点に向かって動作を開始する。そして、レーザ光を投射し得られた測距データがレーザ変位センサＬＳからロボット制御装置ＲＣに入力される（図１４（ａ）参照）。

ロボット制御装置ＲＣでは、レーザ照射中、前記データサンプリング周期で定めた周期でレーザ変位センサＬＳから受信した測距データ（すなわち、距離データ）をメモリに保存していく。

（４） マニピュレータＭがサーチ終了点に到達すると、ロボット制御装置ＲＣはレーザ消灯指令をレーザ変位センサＬＳに送信する（図１４（ｂ）参照）。その指令を受けてレーザ変位センサＬＳは消灯する。このとき、ロボット制御装置ＲＣは、レーザ消灯指令を出力した時点での、マニピュレータＭの位置をサーチ終了点としてメモリに記憶する。

（５） サーチ動作終了後、ロボット制御装置ＲＣは、時系列で得られた測距データに対して画像処理を行う。そして、メモリ上の画像データに対する特徴点を求める。又、ロボット制御装置ＲＣは開先に応じてギャップ量や開先角度といった物理量を求める。

以下は、第１実施形態と同様にずれ量の算出を行い、物理量を使用してマニピュレータＭの制御量を補正する。
又、第２実施形態では、ロボット制御装置ＲＣはティーチペンダントＴＰが備えている液晶表示装置等からなるディスプレイの表示領域Ｄａ（図１５参照）に対して画像解析結果をグラフ化して表示するとともに、表示領域Ｄｂ（図１６参照）に対して各種の物理量を表示する。なお、本実施形態では表示領域Ｄｂには、開先（レーザ）データのデータ個数も示される。

以下に、第２実施形態の特徴を述べる。
（１） 第１実施形態では、レーザ変位センサＬＳの距離データや画像解析データはすべてレーザ変位センサ制御装置ＬＵが管理しているため、１回サーチするたびにロボット制御装置ＲＣとレーザ変位センサ制御装置ＬＵの間でシリアル通信を行うことになる。このとき、１回あたり計１０ｍｓ〜２０ｍｓ（１１５，２００ｂｐｓ時）の時間がかかる。このため、第１実施形態ではサーチ点数が多くなるほど、この通信時間のロスが大きくなる。

これに対して、第２実施形態ではこのような問題はなく、レーザ変位センサ制御装置ＬＵで行っているレーザ変位センサＬＳから受信した測距データのサンプリング、データのメモリへの保存および画像解析処理がロボット制御装置ＲＣで実現されている。従って、サーチ点数が多くなっても、通信時間のロスが発生することはない。

又、第２実施形態では、レーザ変位センサ制御装置ＬＵが無くなり、機器コストを削減することができる。
なお、本発明の第２実施形態におけるデータ表示方法は以下のように変更してもよい。

○ 第２実施形態において、さらにティーチペンダントＴＰの液晶ディスプレイ４２に図１７に示すように、一方向サーチ動作の後、後で測距データを表示するようにしてもよい。

この実施形態では、下記の特徴がある。
（１） 前記第１実施形態では、レーザ変位センサＬＳの距離データや画像解析データはすべてレーザ変位センサ制御装置ＬＵが管理している。このため、第１実施形態では開先情報取得機能の画像解析がうまくいかない場合、レーザ変位センサ制御装置ＬＵにモニタやパソコンを接続して、動作内容の確認作業が必要となるが、本実施形態では一方向サーチにおいても測距データをティーチペンダント上において、図１７に示すように表示することができる。なお、図１７中、横軸は時間、縦軸は距離を表す。

従って、本実施形態では、一方向サーチで検出されるまでの測距データの挙動は、ロボット制御装置ＲＣに接続されたティーチペンダントＴＰ上で確認できる。又、誤検出時には誤検出が発生している箇所の確認を簡単に行うことができる。すなわち、本実施形態では、わざわざモニタやパソコンを接続する必要がなくなり、ティーチペンダントを利用して誤検出が発生している箇所の確認を簡単に行うことができる。

○ さらに、第２実施形態において、さらにティーチペンダントＴＰの液晶ディスプレイ４２に図１８に示すように、測距データをティーチペンダントＴＰの液晶ディスプレイ４２にリアルタイムに表示するようにしてもよい。なお、図１８において横軸は時間、縦軸は距離である。

上記のよう構成されていることにより、レーザ照射を行い、測距データをティーチペンダントＴＰにリアルタイムに表示することができる。
そして、マニピュレータＭを手動で動作させることで、パソコンなどの外部ツールを使わなくて測定したい箇所の測距データの挙動をティーチペンダントＴＰ上で確認できるため、誤検出が発生したときのレーザ動作確認を簡単に行うことができる。

本発明を具体化した第１実施形態のロボットの制御装置のブロック図。 （ａ）はツール座標系の説明図、（ｂ）はレーザ変位センサＬＳの取付状態を示すレーザ変位センサＬＳの斜視図。 一方向サーチ動作の説明図。 Ｖ字継手の特徴点、物理量の説明図。 重ね継手の特徴点、物理量の説明図。 Ｖ字継手の画像解析の手順の説明図。 特徴点、物理量のロボット座標上への変換の様子を示す説明図。 円弧位置の画像解析の説明図。 第１実施形態の開先情報取得機能の動作を説明する説明図。 （ａ）、（ｂ）は第１実施形態の開先情報取得機能の動作を説明する説明図。 （ａ）は第２実施形態のロボットの制御装置のブロック図、（ｂ）はティーチペンダントＴＰの概略図。 第２実施形態におけるロボット制御装置ＲＣとレーザ変位センサＬＳの関係を示す説明図。 第２実施形態の開先情報取得機能の動作を説明する説明図。 （ａ）、（ｂ）は第２実施形態の開先情報取得機能の動作を説明する説明図。 画像解析結果をグラフ化してティーチペンダントＴＰのディスプレイに表示した表示した説明図。 各種の物理量をティーチペンダントＴＰのディスプレイに表示した説明図。 他の実施形態において、一方向サーチでティーチペンダントに測距データが表示された例を示す説明図。 他の実施形態において、ティーチペンダントに測距データリアルタイムの表示例を示す説明図。 一方向サーチ機能の説明図。 （ａ）〜（ｃ）は一方向サーチの説明図。

符号の説明

ＬＵ…レーザ変位センサ制御装置（画像解析手段、開先情報取得手段、画像解析プログラム記憶手段）、ＲＣ…ロボット制御装置（画像解析手段、開先情報取得手段、画像解析プログラム記憶手段）、ＬＳ…レーザ変位センサ、４２…液晶ディスプレイ（表示手段）。

Claims (7)

1. 溶接継手に対しレーザ光を投射して、測距データを取得するレーザ変位センサと、
   前記レーザ変位センサを溶接トーチとともに溶接線を横断する方向に移動させるマニピュレータと、
   前記レーザ変位センサからの測距データに基づいて前記溶接継手の画像解析を行う画像解析手段と、
   前記画像解析に基づいて、前記溶接継手の開先形状に関する特徴点を含む開先情報を取得する開先情報取得手段を備え、
   前記特徴点に基づいて溶接継手の位置ずれを検出することを特徴とする自動溶接機の位置検出システム。
2. 前記開先情報取得手段は、さらに、開先情報として、前記画像解析に基づいて、前記溶接継手の開先形状に関する物理量を取得することを特徴とする請求項１に記載の自動溶接機の位置検出システム。
3. 前記物理量に基づいて前記マニピュレータの制御量を補正するロボット制御手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の自動溶接機の位置検出システム。
4. 開先形状に応じた画像解析プログラムを記憶する画像解析プログラム記憶手段を備え、
   前記画像解析手段は、前記画像解析プログラム記憶手段が記憶した画像解析プログラムのうち、選択された画像解析プログラムに従って画像解析を行い、前記開先情報取得手段は前記選択された画像解析プログラムに従って前記溶接継手に関する特徴点を含む開先情報を取得することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の自動溶接機の位置検出システム。
5. 前記画像解析手段と、開先情報取得手段と、ロボット制御手段は共通のコンピュータで兼用することを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の自動溶接機の位置検出システム。
6. 前記コンピュータが、前記測距データを記憶する測距データ記憶手段を備え、
   さらに、前記コンピュータには、前記測距データを出力して表示する表示手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の自動溶接機の位置検出システム。
7. 前記表示手段が、前記測距データをリアルタイムで表示することを特徴とする請求項６に記載の自動溶接機の位置検出システム。

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