JP2017132014A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で被測定物の測定が可能な、ロボット装置を提供する。【解決手段】アーム１１の先端に設けられた測定工具により被測定物の３次元測定を行うためのロボット装置１００において、ワークＷを載置するための測定台１３と、測定台１３に鉛直方向に並んで設けられた第１および第２のタッチセンサと、第１のタッチセンサへの接触、および第２のタッチセンサへの接触がそれぞれ検知されたときのアーム１１の先端位置を記憶する記憶部と、記憶部に記憶されたアーム１１の先端位置に基づき、鉛直軸に対するこれら２点を通る直線の傾きを補正角度として算出する計算部とを有し、制御部は、ワークＷの測定を行う前に、補正角度に基づいてロボット１０に設定されたＺ軸が鉛直軸と一致するように補正する構成となっている。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット装置に関する。

例えば、アームの先端に磁気センサ等の測定工具を取り付け、該センサと被測定物と一定の距離・角度を保ちながら被測定物の非破壊検査を行う、産業用ロボットが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００６−３２９６２３号公報

しかしながら、産業用ロボットは、室温が変化したり、ロボット自身が発熱したりすると熱変形（伸縮）を起こすため、位置決め精度が低下し、高精度の測定が困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い精度で被測定物の測定が可能な、ロボット装置を提供することを目的とする。

本発明に係るロボット装置は、アームの先端に設けられた測定工具により被測定物の３次元測定を行うためのものであり、複数のリンクからなる前記アームを有する多関節ロボットと、前記リンクを動作させるアクチュエータと、前記ロボットに設定された互いに直交するХ軸，Ｙ軸およびＺ軸に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、前記被測定物を載置するための測定台と、前記測定台に鉛直方向に並んで設けられた第１および第２のタッチセンサと、前記第１のタッチセンサへの接触、および前記第２のタッチセンサへの接触がそれぞれ検知されたときの前記アームの先端位置を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記アームの先端位置に基づき、鉛直軸に対するこれら２点を通る直線の傾きを補正角度として算出する計算部とを有し、前記制御部は、前記被測定物の測定を行う前に、前記補正角度に基づいて前記ロボットに設定されたＺ軸が鉛直軸と一致するように補正する。

本発明に係るロボット装置において、前記測定工具は、渦電流を利用する非接触式の探傷センサであることが好ましい。

本発明によれば、高い精度で被測定物の測定が可能な、ロボット装置を提供することができる。

本実施形態に係るロボット装置の全体構成図である。 図１のロボット装置の要部を示す平面図である。 本実施形態に係るロボット装置による測定手順のフローチャート（前半）である。 本実施形態に係るロボット装置による測定手順のフローチャート（後半）である。 Ｚ軸補正用のタッチセンサの構成図である。 図５のタッチセンサを備えるロボット装置の制御ブロック図である。 Ｚ軸補正時に用いる補正角度の算出方法の説明図である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るロボット装置１００は、図１に示すように、架台３０と、架台３０上に設けられ被測定物であるワークＷが載置される測定台１３と、架台３０上に設置された多関節ロボット１０と、ロボット１０のアーム１１の先端に取り付けられた測定工具１５と、架台３０上に設けられ測定台１３の近傍に設置されたタッチセンサ２０と、図示しない制御部８０とを有する。

測定台１３は、その上面がワークＷを載置するため、高い平面度を有している。また、測定台１３は、架台３０の内部に設置された図示しない回転機構によって回転可能に支持されており、制御部８０からの指令に従って測定台１３に載置したワークＷを任意の角度に回転させることができる。

多関節ロボット１０は、複数のリンクにより構成されたアーム１１を持つ、いわゆる垂直多関節型ロボットである。

アーム１１の先端には、測定内容に応じて、ワークＷの把持工具や、測定工具を取り付ける。本実施形態では、アーム１１の先端に、測定工具のひとつである、非接触でワークＷの内部または表面の傷を検出することができる渦電流式の探傷センサ１５が取り付けられている。

渦電流式の探傷センサ１５は、磁場を発生させてワークＷの表面に渦電流を生じさせ、渦電流が発生させる磁場によってコイルに生じる起電力の大きさを測定することにより、ワークＷの表面に存在する微小な傷の有無を判別することができるものである。ワークＷに発生する渦電流の大きさは、探傷センサ１５とワークＷとの距離、いわゆる測定距離に強く依存する。このため、正確な探傷を行うためには、測定距離を高い精度で一定に保つ必要がある。

アーム１１の先端に近いリンクには、位置基準部材１７が設けられている。位置基準部材１７は、ロボット１０の座標のズレを校正するための基準となる、高い平面度で仕上げられた平面を有している。

タッチセンサ２０は、その先端に設けられた接触子２１が決められた量だけ押し込まれると、ＯＮ信号を出力するものであり、高い繰り返し精度を有することが特徴である。タッチセンサ２０は、接触子２１のストローク方向が、ワークＷの測定を行う際の探傷センサ１５の測定方向と略同一となるように、架台３０上に設置されている。また、タッチセンサ２０は、可能な限り、測定台１３の近傍に設置することが望ましい。具体的には、タッチセンサ２０は、図２に示すように、ロボット１０の架台３０との接地面の中心と測定台１３の中心との距離Ｌ１よりも、接触子２１の先端と測定台１３の中心との距離Ｌ２が、短くなるように設置する。

室温の変化や稼働に伴うロボット１０の温度変化によって、架台３０やアーム１１は膨張または収縮する。このような熱変形によって距離Ｌ１に生じる変化量は、距離Ｌ１の大きさに比例するため、距離Ｌ１が小さいほど探傷に対する熱変形の影響が少ない。しかしながら、ロボット装置１００は、使用するロボット１０やワークＷの種類によって様々な形態を取ることが可能とはいえ、ワークＷの搬入および搬出の作業性や種々の設計的事項により、ロボット１０は測定台１３からある程度は離れた位置に設置せざるを得ないと思われる。一方、タッチセンサ２０は小型であるため、測定台１３の近傍に設置することで距離Ｌ２を小さくすることが可能である。距離Ｌ２が小さいほど、熱変形の影響を最小限に留めることができる。

制御部８０は、ロボット１０に設定された互いに直交するХ軸，Ｙ軸およびＺ軸に基づいて各リンクを動作させるアクチュエータ１０ａ（図６参照）の駆動制御と、ロボット１０の現在の状態および目標の位置を座標上での管理と、測定台１３の回転や探傷センサ１５、タッチセンサ２０の出力を受け取って処理を行うものであり、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）やＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等で構成される。

本実施形態において、ロボット１０のアーム１１の状態は、制御部８０により、軸の設定方法が異なる数種類の座標によって常時管理されているが、ここでは説明を簡略化するために、ロボット１０の架台３０への接地面の中心を原点とし、前記接地面を含む平面内に互いに直交するХ軸とＹ軸を、前記接地面に垂直かつ上方にＺ軸を設定した座標系（以下、「ベース座標系」と称する）を言うものとする。

次に、上記構成のロボット装置１００によるワークＷの具体的な測定手順について、図３および図４のフローチャートを用いて説明する。ロボット装置１００は、表面に傷がないマスター体（以降、マスターワークＭと称する）と、測定対象であるワークＷとにおける探傷センサ１５の出力差により傷の有無を検査する。

マスターワークＭとは、ワークＷと同一または類似の材質、形状を備え、ワークＷと同一または類似の条件での熱処理が行われ、かつ表面に傷がないことを顕微鏡検査等により確認されているものである。マスターワークＭの寸法に関する情報は、予め図示しない記憶部８１に登録されているか、検査前に作業者が入力、もしくはネットワーク経由で図示しないサーバからダウンロードして、制御部８０が参照可能な状態となっている。

制御部８０は、リアルタイムでロボット１０のアームの状態（各リンクの角度、アーム１１の先端位置）をベース座標上で管理しており、さらに、タッチセンサ２０や測定台１３の位置も予め記憶部８１に登録されているので、それらの位置もベース座標上で把握している。しかしながら、室温の変化や稼働に伴うロボット１０の温度変化によって、ロボット装置１００は熱変形を起こし膨張または収縮するため、ロボット１０と測定台１３やタッチセンサ２０との距離が変化する。したがって、制御部８０が把握している測定台１３及びタッチセンサ２０の位置と、それらの実際の位置とは、わずかに異なっている可能性がある。

上記の位置のずれを考慮せずにワークＷの検査を行った場合、測定距離を一定に保つことが出来ない虞がある。すなわち、ワークＷを交換した場合や、あるワークＷの検査を行っている最中であっても、ロボット装置１００の熱変形によってロボット１０と測定台１３との距離が変化し、異なる測定距離でワークＷの検査が行われる可能性がある。渦電流による探傷では、測定距離が変化すると出力値が変動し、傷の誤検出に繋がるため、測定距離を正確に保つことが非常に重要である。ロボット装置１０では、タッチセンサ２０を用いて上記の位置ずれを補正し、測定距離を正確に保つことを特徴としている。

具体的に、本実施形態に係るワークＷの探傷検査は、マスターワークＭとワークＷとのセンサ出力を比較し、その差が許容値に収まっているかを評価する。そのため、ワークＷの傷検査に先立ち、マスターワークＭの検査を行う。これは、表面に傷が無いことが確認されているマスターワークＭを用いて、探傷センサ１５の出力の基準値を得るためである。

図３に示すように、まず、作業者は図示しないボタンの押下によって、ロボット１０および測定台１３を原位置に復帰させる（ステップＳ１）。そして、測定台１３にマスターワークＭを載置し（ステップＳ２）、測定台１３の回転中心とマスターワークＭの中心を合わせる作業を行う（ステップＳ３）。中心合わせ作業が完了すると、作業者は図示しないボタンの押下によって、制御部８０に対してマスターワークＭの検査開始を指示する（ステップＳ４）。

マスターワークＭの検査開始が指示されると、制御部８０は、アーム１１に設けられた位置基準部材１７がタッチセンサ２０の近傍において接触子２１と正対するよう、ロボット１０を動作させる（ステップＳ５）。但しこの時点では、位置基準部材１７を接触子２１には接触させない。なぜなら、この時点では熱変形の影響が未知であり、制御部８０は接触子２１の実際の位置を把握していないからである。

続いて、制御部８０は、アーム１１の位置基準部材１７の平面が、タッチセンサ２０の接触子２１を押し込む方向（ストローク方向）に、ロボット１０を動作させる（ステップＳ６）。

そして、制御部８０は、タッチセンサ２０の出力がＯＦＦからＯＮに切り替わったか否かを判定する（ステップＳ７）。ＯＮに切り替わったと判定したとき、この時点でのタッチセンサ２０（位置基準部材１７）の位置βを、記憶部８１に登録する（ステップＳ８）。位置βは、ベース座標上において（Хβ、ｙβ、ｚβ）で表される。この行列の要素であるХβ、ｙβ、ｚβはそれぞれХ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の位置である。

架台３０やロボット１０、アーム１１等に熱変形が発生していないならば、記憶部８１が予め記憶しているタッチセンサ２０の位置αと上記位置βは同じであるが、熱変形が生じている場合は位置αと位置βが異なる。そこで、位置αと位置βの差である補正量Δを求め、記憶部８１に記憶する（ステップＳ９）。このステップ以降、ロボット１０の動作目標位置をΔだけオフセットさせる（ステップＳ１０）。

具体的には、位置αはベース座標上で（Хα、ｙα、ｚα）で表されるので、Δの要素は（ХΔ、ｙΔ、ｚΔ）＝（Хβ−Хα、ｙβ−ｙα、ｚβ−ｚα）となる。このステップ以降、目標とする位置の座標にΔを加算する補正を行う。

続くステップとして、探傷センサ１５を用いてマスターワークＭを検査し、表面に傷が無い場合の探傷センサ１５の出力値を求める作業を行う。

まず、マスターワークＭの表面であって、ワークＷの検査位置に対応する位置に探傷センサ１５を移動させる（ステップＳ１１）。そして、マスターワークＭの表面から決められた測定距離において、探傷センサ１５によってマスターワークＭの表面に渦電流を発生させ、それによって探傷センサ１５側に内蔵されたコイルに発生する起電力の大きさを測定する（ステップＳ１２）。この時の起電力の値を、基準値Ｓとする。

マスターワークＭを検査する位置は、ワークＷの検査位置と同じであることが好ましい。また、同一の位置で複数回検査を行って、出力値を平均しても良い。この方法により、ノイズの影響が低減されて、出力値の信頼性が向上する。

マスターワークＭを用いて基準値Ｓを求めた後、制御部８０は、ロボット１０を原位置に復帰させる（ステップＳ１３）。作業者は測定台１３からマスターワークＭを取り外し（ステップＳ１４）、替わってワークＷを載置する（ステップＳ１５）。作業者はワークＷと測定台１３の芯合わせを行った後（ステップＳ１６）、図示しないボタンの押下によって、制御部８０にワークＷの検査開始を指示する（ステップＳ１７）。

ワークＷの検査においても、検査の前にロボット１０の位置補正を行う。これは、マスターワークＭの検査からワークＷの検査までの間に、ロボット装置１００やアーム１１が熱変形している可能性があるからである。そこで、ワークＷの検査が開始されると、制御部８０は、ワークＷに対してステップＳ１８〜Ｓ２２の処理を行う（図４も参照）。これらステップは、Ｓ５〜Ｓ９までの同様の処理であるため、説明を省略する。この作業によって得られた補正量Δ´を新たな補正量とする。

そして、図４に示すように、タッチセンサ２０（位置基準部材１７）による位置補正を行った後、制御部８０は探傷センサ１５をワークＷの検査すべき位置に移動させるとともに、図示しない回転機構によってワークＷを検査位置が探傷センサ１５と正対するよう回転させる（ステップＳ２３）。そして、探傷センサ１５を決められた測定距離となるまでワークＷの表面に接近させ（ステップＳ２４）、ワークＷの探傷検査を行う。

ここでの探傷検査は、ワークＷの表面から決められた測定距離において探傷センサ１５によってワークＭ表面に渦電流を発生させ、それによって探傷センサ１５側に内蔵されたコイルに発生する起電力の大きさを測定し（ステップＳ２５）、マスターワークＭの出力値とワークＷの出力値とを比較する（ステップＳ２６）ことにより行うものである。

具体的には、マスターワークＭとワークＷの互いに同じ位置を検査し、マスターワークＭでの出力値ＳとワークＷでの出力値∨との差を求め、その差が予め設定された許容値より小さければ傷のない良品と判定し（ステップＳ２７）、その差が許容値より大きければ傷ありと判定する（ステップＳ２８）。

上記判定結果は図示しない表示装置等により作業者に報知され、ワークＷの測定処理を終了する。

本実施形態では、検査する位置は１箇所であっても良いが、ワークＷの位相を変えて複数箇所（ｎ箇所、ｎ＞１）を検査することで、探傷検査の信頼性を向上させることができる。この場合、ワークＷの検査位置と同じ位置においてマスターワークＭも検査し、それぞれの検査位置に対応する基準値Ｓ１、Ｓ２・・・Ｓｎを求めておく。これら複数の基準値と、ワークＷの複数の出力値Ｖ１、Ｖ２・・・Ｖｎをそれぞれ比較し、許容値を超えた検査位置がなかった場合、ワークＷは傷のない良品と判定する。

ここまで本発明を分かりやすくするために実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

例えば、タッチセンサ２０に替えて、電気マイクロメータを用いることもできる。タッチスイッチは出力がＯＦＦからＯＮに変わる位置は固定であり、その位置を調整するにはタッチスイッチ自体の取り付け位置を変える必要があるが、電気マイクロメータは接触子のストロークに応じてその位置を出力するので、原位置を任意に設定することができる。

また、本実施形態においては、図２に示すように、ワークＷの検査位置における位置基準部材１７の位置と、タッチセンサ２０の接触子２１の位置を、探傷検査時の検査方向において同じとすることが好ましい。アーム１１の位置決め誤差は原位置からの移動量に比例するので、上記の２つの位置が探傷検査時の検査方向において大きく異なっている場合、位置決め誤差によって正確な測定距離を保つことができなくなる虞がある。上記の２つの位置を探傷検査時の検査方向において同じとすることで、さらに探傷検査の精度を向上させることができる。

また、本実施形態においては、図５および図６に示すように、測定台１３の近傍（例えば、測定台１３の台上や側壁）に鉛直方向に並んで設けられた第１のタッチセンサ５１および第２のタッチセンサ５２と、第１のタッチセンサ５１への接触、および第２のタッチセンサ５２への接触がそれぞれ検知されたときのアーム１１の先端位置を記憶する記憶部８１と、記憶部８１に記憶されたアーム１１の先端位置に基づき、鉛直軸に対するこれら２点を通る直線の傾きを補正角度θとして算出する計算部８２とを有し、制御部８０が、ワークＷの測定を行う前に、計算部８２により算出された補正角度θに基づいて、ロボット１０に設定されたＺ軸が鉛直軸と一致するように補正するように構成することも可能である。

なお、軸補正用のタッチセンサの数は、少なくとも２つ以上であることが好ましい。タッチセンサの数が増えれば、補正角度θをより正確に算出することが可能である。

一例をあげると、図７に示すように、２つのタッチセンサ５１，５２が鉛直方向に８５ｍｍ離れて測定台１３上に設けられている場合、アーム１１の先端がタッチセンサ５１，５２にそれぞれ接触した瞬間のアーム１１の先端位置の座標が（Х１，Ｙ１，Ｚ１）、（Х２，Ｙ２，Ｚ２）であるとき、補正角度θは次式（１）〜（３）を用いて算出される。

（補正角度θの算出方法）
三平方の定理から、α＝｛（Х２−Х１）＾２＋（Ｙ２−Ｙ１）＾２｝＾（１／２） …（１）
角θの正接は、ｔａｎθ＝α／８５ …（２）
式（１），（２）より、θ＝ａｒｃｔａｎ（α／８５） …（３）

制御部８０は、ワークＷの測定前に、上記のように求めた補正角度θに基づき、ロボット１０に設定されたХ軸周りにθ回転させ、鉛直軸と一致するように補正を行う。

さらに、本実施形態においては、測定台１３の近傍に少なくとも２つのタッチセンサを測定方向に沿って水平方向に並べれば、ロボット１０に設定されたХ軸、Ｙ軸の補正も可能である。

以上の構成により、本実施形態においては、ロボット装置１００に熱変形が生じた場合であっても、より高い精度でのワークＷの探傷検査を行うことができる。

１０ ロボット
１１ アーム
１３ 測定台
１５ 測定工具（探傷センサ）
１７ 位置基準部材
２０ （原点補正用）タッチセンサ
２１ 接触子
３０ 架台
５１ （Ｚ軸補正用）第１のタッチセンサ
５２ （Ｚ軸補正用）第２のタッチセンサ
８０ 制御部
８１ 記憶部
８２ 計算部
１００ ロボット装置
Ｗ ワーク（被測定物）

Claims (2)

1. アームの先端に設けられた測定工具により被測定物の３次元測定を行うためのロボット装置において、
   複数のリンクからなる前記アームを有する多関節ロボットと、
   前記リンクを動作させるアクチュエータと、
   前記ロボットに設定された互いに直交するХ軸，Ｙ軸およびＺ軸に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
   前記被測定物を載置するための測定台と、
   前記測定台に鉛直方向に並んで設けられた第１および第２のタッチセンサと、
   前記第１のタッチセンサへの接触、および前記第２のタッチセンサへの接触がそれぞれ検知されたときの前記アームの先端位置を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記アームの先端位置に基づき、鉛直軸に対するこれら２点を通る直線の傾きを補正角度として算出する計算部とを有し、
   前記制御部は、前記被測定物の測定を行う前に、前記補正角度に基づいて前記ロボットに設定されたＺ軸が鉛直軸と一致するように補正することを特徴とするロボット装置。
2. 、
   前記測定工具は、渦電流を利用する非接触式の探傷センサであることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。

Images