JP2543091B2 - ロボットの倣い制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、ロボットの制御装置に係り、特に三次元的
空間形状を有するワークの表面に沿ってロボットの手先
部の位置および姿勢を変えることを可能にしたロボット
の倣い制御装置に関する。

B.発明の概要 本発明は、被加工物の教示点へロボットの加工ヘッド
部を移動させて前記教示点に対して前記手先ヘッド部を
動作させる装置において、 前記加工ヘッド部近傍にワーク表面までの高さおよび
この表面の傾斜角度を計測する三次元計測センサを取り
付け、ワーク表面と加工ヘッドとの三次元的な相対位置
と姿勢を自動計測すると共に、ヘッドの位置および姿勢
角を所望の値に自動制御し、加工始点と終点の２点の位
置，姿勢を登録すると、その間の軌跡を自動生成し、予
め設定した一定のピッチ毎にヘッド部を移動させ、ワー
クとヘッド部とを所定の高さおよび姿勢角となるように
自動計測および姿勢補正動作を繰り返させることによ
り、 自動的にワークの溶接，研摩又はシーリング等の倣い
作業軌跡を生成するようにしたものである。

C.従来の技術 例えば材料の研摩，溶断，溶接等の加工又は解体工程
に設置されたロボットや遠隔操作のマニピュレータにお
いては、実際に稼働させる前に、ロボットやマニピュレ
ータ等に対して加工ヘッドの移動順序および動作順序を
三次元的な被加工物の形状に即して計測する必要があ
る。加工ヘッドの三次元動作軌跡を決定する装置を三次
元倣い装置とも呼んでいるが、例えばプラズマ溶断用ロ
ボットにおいては、加工ヘッドの近傍位置に磁気センサ
を設置して鉄板等の被切断材としてのワークに生じた渦
電流の大きさを検出して、その電流値によって加工ヘッ
ドとワーク表面との距離を算出していた。したがって、
実際のティーチング作業は、作業者がティーチングペン
ダントを操作しながら、目視で加工ヘッドをワーク表面
の所望の教示点へ近接させる作業と、やはり目視で加工
ヘッドの姿勢角を、教示点における表面に対して直角に
なるように加工ヘッドの姿勢を合わせる作業と、前述の
センサでもって加工ヘッドとワーク表面上の教示点との
間に距離を一定値に設定する作業との三つの作業を試行
錯誤で実施する必要があった。

しかし、上記のように作業者が角教示点毎に目視で三
つの作業からなるティーチング作業を実施すると、各教
示点間において加工ヘッドまでの距離や加工ヘッドの姿
勢角等の設定値にばらつきが生じるという問題点があっ
た。その結果、ワークの切断面が不揃いになったり、一
部切断できない場所が生じたりする欠点となった。

D.発明が解決しようとする問題点 上述の問題点を回避するために前述のティーチング作
業を丁寧かつ正確に実施すると、ティーチング作業時間
が増大し、ロボットが実際に切断作業を実行している時
間の割合を示す加工ヘッド稼動率が低下する問題があっ
た。さらに、ロボット操作に熟達した作業者を必要とし
た。

上記問題に対処するため、熟達した作業者を必要とせ
ず、しかも短時間にロボットのヘッドを所望の教示点へ
移動させる動作と、移動後のヘッドワーク表面に対する
姿勢角を一定に制御する作業を、ヘッドワーク表面との
間の距離を一定に制御する作業とを自動的にロボットに
ティーチングでき、ロボットに対するティーチング作業
を正確かつ能率的に実施でき、ロボットの稼動率を大幅
に向上できる二次元位置計測を主体としたロボットの三
次元ティーチング装置が特開昭61−100808号公報および
特開昭61−100809号公報に紹介されている。

しかしながら、上記各公開特許公報の方法では、３箇
以上のセンサを必ず必要とし、ワーク表面の端部，突
起，おう部等にこれらのセンサが一つでも遭遇すると、
位置補正計算，姿勢補正計算ができなくなるという欠点
があった。また、補正計算が二次元データを元にした近
似計算であるので、求めた補正値に誤差が多いという問
題点もあった。さらにまた、カメラの光軸に対するセン
サの取付角αを固定しているので、平坦な所では粗く計
測し、おう突角部では細かく計測したい場合にも簡単に
対応できないという欠点があった。

E.問題点を解決するための手段 本発明は、上述の点に鑑みなされたもので、被加工物
の教示始点から教示終点までロボットの手先部を誘導
し、各教示点における前記手先部の位置および姿勢を教
示する制御装置において、前記手先部に設けられ前記被
加工物の床面と、三次元座標系のうち２座標軸で形成す
る面に一致させ、上記２座標軸のうち一方の座標軸に平
行でかつ所定の長さを有するとともに、他方の軸方向に
所定の間隔を有する複数本のスリット光を投射する投影
器と、前記３次元座標系のさらに他の座標系軸上に設け
られ、前記投影器の複数本のスリット光による３次元の
スリット像を撮像する撮像手段と、前記画像処理手段に
よる処理データにもとづいて前記撮像手段の前記被加工
物に対する位置および姿勢を算出し、この算出値に基づ
いて前記ロボットの手先部の位置と姿勢を制御する演算
処理部からなり、前記演算処理部を、前記被加工物の教
示始点と教示終点間を予めピッチ間隔を可変にできるプ
ログラムにより予め設定したプログラム可変なピッチ間
隔に分割した分割基準点を使用して前記被加工物の表面
形状を計測する手段と、該計測データから前記被加工物
表面とセンサ間の相対位置および姿勢角を補正する補正
手段とによって構成したことを特徴とする。

F.作用 被加工物の加工面に投影されたスリット像は撮像手段
によって撮像され、この画像信号は画像処理部によって
処理され画像情報信号に変換される。制御部においては
画像情報信号とヘッド位置および姿勢角を演算処理し、
予め設定した一定のピッチ毎にヘッド部を移動させて倣
い作業軌跡を自動生成する。

G.実施例 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。第８
図は本発明を適用するロボットを示す。このロボット本
体１は操作駆動部2,この操作駆動部２に連設されたリン
ク部3,このリンク部３に連結されたアーム４およびアー
ム４に連結された手先部５からなり、さらにロボット本
体１はリンク部３はリンク６と、操作駆動部２に回動可
能に連結された第１回動軸7aと、該第１回動軸7aを操作
駆動部２に回動可能に連結する第２回動軸7bと、第１回
動軸7aとアーム４を回動可能に連結する第３回動軸7c
と、アーム４を回動可能に連結する第４回動軸7dと、手
先部５をアーム４に回動自在に連結する第５回動軸7e及
び回転可能に連結する第６回動軸7fを備えている。８は
手先部５に取り付けたプラズマトーチ、９は加工台10に
配設された被加工物たるワークである。

第１図は本発明の実施例に係るロボット制御装置のブ
ロック図であって、11は制御部で、信号変換回路12,演
算処理部（CPU）13,ドライバ回路14によって構成されて
いる。制御部11の信号変換回路12はセンサ15の検出信号
S₁を識別してディジタル化した識別信号S₂を出力する。
演算処理部13はマイクロコンピュータ等からなり、識別
信号S₂とロボット本体１の情報信号S₃を入力としこれら
をもとに演算処理する。

ドライバ回路14は演算処理部13の演算信号S₄をもとに
駆動制御信号S₅をロボット本体１に出力する。ロボット
本体１は駆動制御装置S₅にもとづいてセンサ15と加工部
16を制御する。

第２図は第１図の制御装置をさらに具体的に示したも
ので、センサ15として光学センサであるカメラ17とスリ
ット光投影器18を用いると共に、信号変換部として画像
識別回路19を用いたものである。ロボット本体１の手先
部５にはプラズマトーチ８とスリット光投影器18が取り
付けられていると共に、カメラ17が回動可能に取り付け
られている。すなわち、センサ15はスリット光投影型三
次元センサであり、図示のようにプラズマトーチ８と並
設され、それぞれ独立して上下方向に移動できるように
なっている。

第３図は溶断加工ヘッド部の座標系を示すもので、ス
リット光投影型センサは幅1mm,長さ10mm位のスリット光
をワーク９に照射し、ワーク表面の形状に応じて変形す
るスリット像20a,20bを固体カメラ17に取り込み画像信
号S₁を画像識別回路19に入力する。画像識別回路19は画
像信号S₁を解析処理してスリット像20a,20bの変形具合
を解析してワーク９の変形具合を解析し、解析データS₂
をCPU13に入力する。CPU13はワーク表面に対するカメラ
間の位置および姿勢を計測し、ロボット本体１に制御指
令S₃を送信すると共にドライバ回路14に制御信号S₄を供
給する。ロボット本体１はCPU13からの指令信号S₃と駆
動信号S₅に応じて所定の動作を行う。

第２図の例では、プラズマ溶断のアーク作動点とスリ
ット−カメラ計測点とは物理的に異なっているが、制御
部11においてハンドパラメータを適宜変更することによ
り、容易にスリット−カメラ計測点へプラズマ溶断の作
動点を移動することができる。

第４図はスリット−カメラ座標系を示すものでカメラ
はＺ軸上のz_c点にあり、焦点距離f,X軸とφをなす角度
で、Ｘ軸の正方向を観測するよになっている。また、ス
リット像20a,20bはＹ軸に平行にＺ＝０および を中心に２本の平行光線としてＸ軸方向に照射されるよ
うになっている。第４図において各点の座標としては、
点Ｏ（x_o,0,0）,P（x_p,y_p,0）,Q（x_o,y_o,0）であり、対
象表面上の点かつスリット平面上の点である。第５図は
第４図におけるスリット−カメラ系で計測するワーク表
面までの距離（高さL,姿勢角Δα（Ｚ軸回りの傾斜
角））の関係を示し、第６図は平行線スリットを用いた
三次元計測を説明するための図である。

第５図に示すように、スリット像のカメライメージ面
上の座標を とし、カメラの１画素の横の長さをｓ、縦の長さをｔと
すると、z_c,φ,x_f,s,tは既知とし、点Ｐの位置（x_p,y_p,
z_p）をカメラ画像上の点Ｐ′（ｘ′_p,y′_ｐ）から求め
る。点Ｐは下側スリット平面上の点であるから、 z_p＝０ …（１） となる。また、第４図の幾何光学系より、 tan（A₁₂）＝ｙ′_ｐ・t/f ∴A₁₂＝tan′^１（ｙ′_ｐ・t
/f） γ₁₂＝90）−φ−A₁₂であるから、 x_p＝z_ctan（γ₁₂）＝z_ctan（90）−φ−A₁₂） …（２） また、 であり、 式（１）〜（３）より、点Ｐの位置が計測される。

第５図において、点Ｏを測定平面上の点でありかつＸ
軸上の点とすると、スリット像から測定面までの距離Ｌ
はＬ＝x_o、姿勢は図示のようになる。第６図に示すよう
な２本のスリット光20a,20b（Ｚ＝０およびＺ＝z_t）を
用いた時の距離L,姿勢α，γは次式のように求まる。

距離:L＝x_o …（４） 姿勢：Δα＝tan^-1｛（x_o−x_p）／（y_o−y_p）｝ …
（５） Δγ＝tan^-1｛（x_R−x_o）/z_t …（６） 上記式（１）〜（６）は、第１図，第２図に示す制御
部１のCPU13によって演算処理される。この演算処理結
果に基づいて、第７図の処理フローを遂行しながらロボ
ットのティーチング処理を実行する。すなわち、二本の
スリット光の変形具合から、ワーク９の表面の前方形状
が大略平坦かおう突であるか、穴開き又はギャップ形状
かのいずれの形状かを判断し、各形状に応じて倣い動作
を変更し、複雑な形状の倣いも自動的に実行する。

第７図は第９図に示すような形状のワーク９を倣い加
工する場合の処理フローを示すもので、この処理フロー
は第１図および第２図に示す制御装置によって実行され
る。

まず、ジョイスティック（図示せず）等によりロボッ
ト本体１の手先部５を第９図（Ａ）に示す加工始点Ａか
ら終点Ｅへそれぞれ誘導し、これらの位置および姿勢を
ティーチングする（ステップQ₁）。次にCPU13は始点Ａ
から終点Ｅまでの距離を計算し、予め設定したピッチ
（例えばΔLx＝5mm）で割り算し、おおよその分割数Ｎ
を算出する（ステップQ₂）。続いて、ｉ回目の基準点付
近に移動し、スリット光の変形像を画像処理して局所形
状を計測する（ステップQ₃）。この計測結果により、前
方方向のワーク表面の形状を予測し（ステップQ₄）、ス
リット像が二本計測できた場合には、表面形状は前方方
向でも急激な変化は起きていないと判断し、ノーマル処
理を行う。

しかしながら、スリット光がこの１回目の画像処理で
二本のスリット光を検出できなかった場合、倣いの進行
方向前方ではワーク表面の形状が急激に変化していると
判断し、前方へ例えば15mm程度センサヘッド部を局所移
動せしめ、観測場所を変更して２回目の画像処理を行
い、ワーク表面前方の形状の程度を確認してから、セン
サヘッド部の補正移動量を個々のワーク形状に対応させ
て決定する。１回目の画像処理でスリット像20a,20bの
二本を計測できた場合には、画像処理回路19により、位
置補正量Δx,姿勢補正量Δα，Δγを全て計測する。し
かして、姿勢補正角｜Δα｜又は｜Δγ｜が予め設定し
た判定値（例えば30゜）より大きい時は、補正角度が大
きく計測誤差も大きいので、計測した補正角の総ての範
囲を移動させず、上記判定値まで（この例では30））し
か姿勢は変化させない。

すなわち、第７図のステップQ₅に示すように姿勢変化
角が制限値の範囲内にあるか否か判断し、オーバーして
いる場合には制限値の範囲内に納まるようにする。かく
して、位置，姿勢の補正量Δx,Δα，Δγが確定する
と、この量だけセンサヘッド部を移動させ、所定の倣い
位置，姿勢となるように補正動作を実行する（ステップ
Q₆）。

一方、スリット像20a,20bの二本を計測できなかった
場合には、スリット光投影器18とカメラ17との光軸が一
致していないため、ワーク９の影の部分にスリット像が
入ってしまって画像処理回路19がスリット像を検出でき
ない場合や、ワーク９の段差が激しく、スリット像がカ
メラ17の視野から外れて画像処理できない場合がある。
しかしながら、これらの形状のどちらに相当するかは、
１回の画像処理では判定できないので、センサヘッド部
を例えば15mmさらに局所移動させ（ステップQ₁₀）、こ
の局所移動した場所で２回目のスリット光による局所形
状計測を実行する（ステップQ₁₁）。さらに、この２回
目の画像処理を終了すると、まず15mm程センサを元の位
置に戻し（ステップQ₁₂）、スリット像の変形具合に応
じて次のような処理を進める。

まず、スリットを一本も検出できない場合（ステップ
Q₁₃）には、前方におう部があると判断し、例えばΔｘ
＝＋5mm,Δγ＝＋15゜の予め設定した値で位置および姿
勢をそれぞれ補正する（ステップQ₁₄）。一方、スリッ
トが一本以上計測できた場合には、スリットの中心部の
み映像が欠如しているか否かを判断し（ステップ
Q₁₅）、中心部にも映像がある時には突部と判定してΔ
ｘ＝−5mm,Δγ＝−15゜の予め設定した値で位置および
姿勢をそれぞれ補正する（ステップQ₁₆）。

また、中心部に映像が欠如している場合には当該場所
の形状は穴部であると判定し（ステップQ₁₇）、センサ
ヘッド部の位置および姿勢の補正は行わない。かくし
て、ワーク表面に対する所定の位置および姿勢補正動作
が終了した後、この現在位置をCPU13内の倣い軌跡用メ
モリに記憶する（ステップQ₇）。その後、終了点Ｅ到達
したか否か判定し（ステップQ₈）、到達していない場合
は、１ステップ進めて（ステップQ₉）、ステップQ₃から
上述の処理を終了点Ｅに到達するまで繰り返す。

なお、ステップQ₁₄およびQ₁₆にて姿勢と共に位置デー
タも補正しているのは、おう部ではワークとヘッド間の
距離が大きすぎてこれを近づけて焦点合わせを容易にす
るためであり、突部ではワークとヘッド間の距離が近す
ぎるので、これを遠ざけてヘッド部がワークに衝突しな
いようにするためである。

なお、実施例では撮像手段として固体カメラを使用し
たが、撮像管又は光ファイバー付撮像手段を用いてもよ
い。また、投光手段としてはハロゲンランプ，豆電球，
タングテンランプ，半導体レーザ，発行ダイオード，気
体レーザ又は光ファイバー付投光手段などを用いる。

H.発明の効果 本発明は、以上の如くであって、三次元の位置，付勢
計測を１回の映像信号の取り込みで実行できるので、セ
ンサヘッド部を局所変位させることなく高速に計測で
き、高速計測が可能にしてロボットの稼動率を大幅に向
上させることができる。また、三次元データを用いて位
置姿勢の計算を行っているので、補正結果が正確であ
り、不連続な一次微係数を持つ曲面に対しても安定して
かつ高速な自動倣い動作を実現できる等の効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るロボットの倣い制御装置
のブロック結線図、第２図は第１図の装置をより具体的
に示した説明図、第３図はロボットの手先部の座標系
図、第４図はスリットとカメラの座標系図、第５図はス
リットから測定面までの座標系図、第６図はスリットに
よる三次元計測図、第７図は第１図の装置の処理フロー
図、第８図はロボット本体の側面図、第９図（Ａ）〜
（Ｃ）はワークの形状と加工ヘッドの移動状態を示す説
明図である。 １……ロボット本体、５……手先部、８……プラズマト
ーチ、９……被加工部であるワーク、11……制御部、12
……信号変換回路、13……演算処理部、14……ドライバ
回路、15……センサ、16……加工部、17……カメラ、18
……スリット光投影器、20a,20b……スリット像。

フロントページの続き (72)発明者 塩月 正雄 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力 炉・核燃料開発事業団大洗工学センター 内 (72)発明者 遠藤 昇 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力 炉・核燃料開発事業団大洗工学センター 内 (72)発明者 岩田 耕一 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式 会社明電舎内 (72)発明者 井倉 浩司 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式 会社明電舎内 (72)発明者 高橋 常悦 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式 会社明電舎内 (72)発明者 根本 友文 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式 会社明電舎内 (56)参考文献 特開 昭61−100809（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−201791（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−42584（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工物の教示始点から教示終点までロボ
   ットの手先部を誘導し、各教示点における前記手先部の
   位置および姿勢を教示する制御装置において、 前記手先部に設けられ前記被加工物の床面と、三次元座
   標系のうち２座標軸で形成する面に一致させ、上記２座
   標軸のうち一方の座標軸に平行でかつ所定の長さを有す
   るとともに、他方の軸方向に所定の間隔を有する複数本
   のスリット光を投射する投影器と、 前記３次元座標系のさらに他の座標系軸上に設けられ、
   前記投影器の複数本のスリット光による３次元のスリッ
   ト像を撮像する撮像手段と、 前記撮像手段による３次元のスリット像の状態を３次元
   の画像座標系として検出し前記スリット像の変形具合を
   解析処理する画像処理手段と、 前記画像処理手段による処理データにもとづいて前記撮
   像手段の前記被加工物に対する位置および姿勢を算出
   し、この算出値に基づいて前記ロボットの手先部の位置
   と姿勢を制御する演算処理部からなり、 前記演算処理部を、前記被加工物の教示始点と教示終点
   間を予めピッチ間隔を可変にできるプログラムにより予
   め設定したプログラム可変なピッチ間隔に分割した分割
   基準点を使用して前記被加工物の表面形状を計測する手
   段と、該計測データから前記被加工物表面とセンサ間の
   相対位置および姿勢角を補正する補正手段とによって構
   成したことを特徴とする、 ロボットの倣い制御装置。