JP2654899B2 - 操作型マニピュレータの教示装置および操作型マニピュレータによる自動作業方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は操作型マニピュレータの
教示装置および操作型マニピュレータによる自動作業方
法に係り、特に船舶や大型構造物の表面のブラストや塗
装、洗浄作業等を操作型マニピュレータを用いて行う際
に、作業対象面を教示して自動運転を可能にした操作型
マニピュレータの教示装置および操作型マニピュレータ
による自動作業方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、造船や大型構造物構築などの現
場作業でのブラストや塗装作業は劣悪環境であり、ロボ
ット化が要求されているにも関わらず、従来の産業用ロ
ボットがすぐには適用できない問題がある。すなわち、
産業用ロボットによる塗装やブラスト作業の教示は、従
来、マニピュレータの手先を直接人間が操作して行うダ
イレクトティーチングの方法や、ティーチングペンダン
トやその他のオフライン教示装置により行っているが、
このような方法は、一回のティーチングパターンが多数
回使用できる多量生産ラインには有効である。

【０００３】しかしながら、造船のブロックや大型構造
物のブラストおよび塗装作業においては、マニピュレー
タ本体を移動して作業するため、マニピュレータと作業
面の位置関係は一定でなく、作業面形状も種々異なるた
め上記方法では経済的ではない。また、オフライン教示
装置に入力すべきデータが無かったり、作業環境が劣悪
でダイレクトティーチ自身意味がない場合がある。

【０００４】そこで、マスタ・スレーブ型マニピュレー
タのような操作型マニピュレータシステムによって、ブ
ラストおよび塗装作業を行わせることが考えられる。マ
スタ・スレーブ型マニピュレータシステムによると、操
作室内で人間がマスタアームを操作して、このマスタア
ームと同じ動作をスレーブアームに行わせることにより
ブラストまたは塗装作業を行わせることができ、現場状
況に応じて種々の動作パターンに対応できるものとな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マスタ
・スレーブ型マニピュレータによる作業では、操作者は
全ての動作をマスタアームを握りながら行わなくてはな
らないため、疲れやすいといった問題や、作業面からの
距離や速度を一定にすることが難しいため、品質がばら
つくといった問題点がある。

【０００６】したがって、従来では、産業用ロボットの
観点からは、現場で教示が簡単且つ迅速に教示できる教
示方法が要求されているとともに、マスタ・スレーブ型
マニピュレータの観点からは、全動作を人間に頼るので
はなく、繰返し動作はなるべく自動化して人間の負担を
軽減するような、コンピュータによる支援が要求されて
いた。すなわち、産業用ロボットにおける自動運転の機
能と、マスタ・スレーブ型マニピュレータにおける現場
対応機能の特徴を兼ね供えた操作型マニピュレータシス
テムが要求されていた。

【０００７】本発明は操作型マニピュレータでありなが
ら、作業領域を簡単に特定し、この領域内では自動作業
運転ができるようにした操作型マニピュレータの教示装
置および操作型マニピュレータによる自動作業方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題を解決
するためになされたもので、マニピュレータの制御装置
には、作業軌道データのうち、現場合わせが必要な作業
面位置と作業面領域を変数として格納しておき、現場の
作業時点において以下に説明する教示装置で３点以上の
レーザスポットの位置データを取込むことにより、該変
数を決定して作業軌道データを完成して、マニピュレー
タの自動運転を行わせるようにしたものである。

【０００９】すなわち、本発明に係る操作型マニピュレ
ータの教示装置は、マニピュレータに取り付けられた撮
像カメラおよびレーザ発振器により構成された視覚セン
サ部と、カメラ映像の画像処理を行ってレーザスポット
の２次元的位置データを生成するとともに前記レーザ発
振器とカメラの相対位置および同時点でのマニピュレー
タの関節角度からレーザスポットの３次元位置を演算す
る画像処理部とを有し、当該画像処理部は作業軌道デー
タのうち作業面位置と作業面領域を変数として格納して
おき、前記教示装置で複数点のレーザスポットの位置デ
ータを取込むことにより、該変数を決定して自動作業パ
ターンをマニピュレータ制御部に出力する演算部を備え
た構成としたものである。

【００１０】更に、本発明に係るマニピュレータによる
自動作業方法は、作業軌道データのうち作業面位置と作
業面領域を変数として格納しておき、マニピュレータの
先端に取り付けた視覚センサからの検出データおよび前
記マニピュレータの関節角度等を複数のレーザスポット
に対して求めることによりマニピュレータ本体に対する
作業面位置と作業領域を決定し、確定された作業領域を
予め設定された作業軌道データに基づいて走査駆動させ
て自動作業を行わせるように構成した。

【００１１】

【作用】作業位置および作業領域の教示を行う時、操作
者は操作室から、レーザ発振器が投射するレーザスポッ
トの位置を肉眼または、撮像モニタを通して確認しなが
ら、移動させる。移動させるためには、マニピュレータ
をジョイスティック等で動かすことにより行えばよい。
塗装またはブラスト作業等を行うとする作業領域の指定
方法をあらかじめ決められた数点の点で指定する。移動
して、指定する点の位置へ達したとき、操作者はトリガ
スイッチを押して、その点であることを画像処理装置、
マニピュレータ制御装置に知らせる。

【００１２】教示装置では、操作者からのトリガ信号を
受けた時、カメラ画像をＡＤ変換機を通してフレームメ
モリに取込み、該画像データを演算器で処理してレーザ
発振器から投射された作業面上のレーザスポットの２次
元位置を求め、レーザ発振器とカメラの取付位置および
角度から、レーザスポットのカメラからの位置を求め
る。画像処理部の演算器は、さらに同時点でのマニピュ
レータの関節角度を取込み、カメラの位置および方向を
マニピュレータの基準座標系に関して求め、上記演算に
よるカメラ座標を基準としたレーザスポットの距離デー
タと合わせて、レーザスポットのマニピュレータの基準
座標系に関する３次元位置を求めることができる。

【００１３】レーザスポットの３次元位置データが、最
低３点について得られると、演算により作業面の３次元
位置と姿勢が判明する。さらに例えば該３点を平面上の
長方形の作業領域の３頂点と定義すると、長方形の作業
面の位置、姿勢を得るとともに作業領域も同時に判明す
る。したがって、マニピュレータの制御装置は上記過程
で得られた作業面の位置および作業領域をもとに、塗
装、プラスト等の作業を、ある軌道パターンで自動実行
させることができるのである。

【００１４】

【実施例】本発明に係る操作型マニピュレータの教示装
置および操作型マニピュレータによる自動作業方法の具
体的実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１は操
作型マニピュレータの教示装置の構成ブロック図であ
り、図２はそれらの構成機器の配置図、図３は船体ブロ
ックに対するブラスト作業あるいは塗装作業を行ってい
る状態の説明図である。

【００１５】操作対象とされるマニピュレータ１０は多
関節構造とされて３次元動作が可能となっており、これ
は運転席が設けられたキャビン１２のベース１４を支点
として駆動されるようになっている。ベース１４は図３
に示すように高所作業車１６等におけるブーム１８に取
り付けられている。キャビン１２内の運転操作者は操作
装置としてジョイスティック２０を操作することによ
り、操作盤２２を介して操作信号が制御装置２４に出力
され、サーボドライバ２５により多関節構造のマニピュ
レータ１０をジョイスティック２０の操作に比例動作さ
せて任意の姿勢を取らせることができるものとなってい
る。そして、マニピュレータ１０の先端部にはブラスト
あるいは塗装をなすためのノズル２６が取り付けられ、
ここから作業面となる構造物鉄板２８に向けてショット
ブラストあるいは塗料の噴射をなすものとしている。

【００１６】このような基本構造に対し、マニピュレー
タ１０に作業位置および作業領域を教示するための教示
装置３０が設けられている。この教示装置３０は視覚セ
ンサ部３２と画像処理部３４とによって構成され、演算
結果をマニピュレータ１０の操作制御装置２４に出力
し、教示設定された作業位置および領域を自動作業プロ
グラムによって自動的に実行させるようにしている。

【００１７】前記視覚センサ部３２は、マニピュレータ
１０の手先部分にて前記ノズル２６の直上部に位置して
配置装着されている。この視覚センサ部３２は防塵ケー
スの中に固定された小型撮像カメラ３６および半導体レ
ーザ発振器３８を備えた構成とされている。これらは前
記ノズル２６の噴射方向に向けられており、作業面とな
る構造物鉄板２８を撮像し、またこれにレーザビームを
照射するように配置されている。撮像カメラ３８には広
角レンズを取付けて、近距離から数メートルの範囲で焦
点が一致する被写界深度を有し、照射されたレーザスポ
ットを撮像できるようになっている。

【００１８】一方、前記キャビン１２の内部にはマニピ
ュレータ１０を操作するための前記操作盤２２および制
御装置２４が装備されているが、これに併設して画像処
理部３４が設けられている。画像処理部３４はＡＤ変換
器４０、フレームメモリ４２、演算器４４から構成され
ており、前記撮像カメラ３６からの画像データをＡＤ変
換器４０を通してフレームメモリ４２に取込み、画像デ
ータを演算器４４で処理してレーザ発振器３８から投射
された作業面上のレーザスポットの２次元的位置を算出
するようにしている。すなわち、画像処理部３４では、
画像データを取込み、２値化およびフィルタリング処理
等で画像を処理し、レーザスポットの重心を求めること
で、スクリーン上の２次元位置を求めるのである。

【００１９】該２次元位置データはレーザスポットのカ
メラの中心軸からの投影角度に変換することができ、し
たがって、レーザ発振器３８と撮像カメラ３６の相対取
付位置および方向の既知データを入力すれば、三角測量
の法則からレーザスポットのカメラからの位置ベクトル
を演算することができる。そこで、既知データをメモリ
に入力しておき、演算器４４では上記法則に基づきレー
ザスポットのカメラ３６からの位置を求めるようにして
いる。

【００２０】この算出原理を図４を参照して説明する。
画像上の２次元位置の算出は、同図（１）に示すよう
に、レーザスポットの輝度が高い部分を取込み、撮像画
面における２次元座標（ｘs，ｙs）を求める。そして、
カメラ３６の中心軸とレーザの光軸をＸ-Ｚ平面でβの
角度で交差するように設定しておき、カメラ座標の原点
Ｏcをレンズ中心に同図（２）に示すように設定したＯc
−ＸＹＺの直交座標で定義しておく（ｙs＝０としてい
る）。この図から明らかなように、レーザポインタのカ
メラ座標に関する３次元位置Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）は、
次のようにして求める。

【００２１】

【数１】Ｘp＝Ｚp・tanα Ｘp＝−ｄ＋Ｚp・tanβ α＝−tan^-1（ｘs／ｙs） と求まるので、

【数２】Ｘp＝ｄ／（tanβ−tanα） Ｙp＝０ Ｚp＝ｄ・tanα／（tanβ−tanα） となって、算出することができるのである。

【００２２】一方、マニピュレータ１０の関節角度デー
タを取込むことで、マニピュレータ１０のベース座標系
原点Ｏを基準とした、手先位置に設置した撮像カメラの
位置（カメラ座標系の原点）および姿勢ベクトルを、マ
ニピュレータの運動学方程式により算出することができ
る。関節角度データはマニピュレータ１０の各関節に設
けた角度センサ４６からの信号を取込むようにすればよ
い。

【００２３】上記レーザスポットの画像取込みと、マニ
ピュレータの関節角度データの取込みを操作者によるト
リガ信号にて同タイミングで行わせることにより、マニ
ピュレータのベース座標系を基準としたレーザスポット
の３次元位置ベクトルを求めることができる。すなわ
ち、上記演算結果のレーザスポットのカメラからの位置
ベクトル（図２中に示すＶａ）と、マニピュレータのベ
ース座標系を基準とした、手先位置に設置した撮像カメ
ラの位置および姿勢ベクトル（図２中に示すＶｃ）を加
算処理すればよいのである。

【００２４】このようにして、作業対象となっている鉄
骨構造物２８の平面部にノズル２６が向けられた特定箇
所の位置が決定される。上記レーザスポットの３次元位
置ベクトルを３点について求めると、３点を含んだ平面
の位置および方向を演算することができる。この３点に
よって確定される平面はマニピュレータ１０側からすれ
ば、一定のパターンによってノズルを自動で移動できる
確定領域となる。そこで、本実施例では、レーザスポッ
トによる教示点を作業平面の位置および姿勢を求める目
的と同時に、作業領域を指定する点として定義してい
る。画像処理部３４の演算器４４では、各レーザスポッ
トの３次元位置ベクトルの算出とともに、複数のレーザ
スポット位置を含む平面を特定し、この平面データを作
業領域として演算出力するようにしている。演算器４４
はこの作業箇所と作業領域のデータをマニピュレータ１
０の作業軌道データの変数部に取込んで軌道データを完
成し、これを制御装置２４に出力し、マニピュレータ１
０を当該作業軌道データに基づいて自動実行させるので
ある。

【００２５】なお、キャビン１２内には前記画像処理部
に取込まれた撮像画像を写し出すモニタ４８が設けら
れ、操作者がこれを確認できるようにしている。

【００２６】このような構成の教示装置３０の作用は次
のようになる。塗装やブラスト作業の作業平面の位置、
方向および領域を教示する例を図６によって示す。図６
（１）は長方形の作業平面を教示する場合を示すが、こ
の場合のレーザスポットによる教示点は３点で充分であ
り、塗装やブラスト作業を行うとする長方形の領域の３
頂点であるＰｏ、Ｐｘ、Ｐｙを教示することによって、
マニピュレータのベース座標系を基準とした長方形の平
面の位置および姿勢を算出することができると共に、３
点Ｐｏ、Ｐｘ、Ｐｙを頂点とする長方形の領域を作業領
域として認識することができる。

【００２７】また、図６（２）はＬ字に溶接された造船
のブロックのある領域を示すが、このような場合の教示
点はＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の４点を教示することで、
図に示す２面の位置と方向及び領域を指定することがで
きる。

【００２８】マニピュレータの制御装置は作業領域が長
方形の場合のスプレーやブラストのガンの軌道パターン
をＰｏ、Ｐｘ、Ｐｙを変数としてあらかじめ記憶してお
き、上記教示作業の結果これらの変数Ｐｏ、Ｐｘ、Ｐｙ
の値が決定すると、軌道パターンが教示された作業面に
写像され、自動運転のための軌道が生成する。

【００２９】次に操作者から見た作業手順を図５を基に
説明すると、まず図３に示すブーム１８を動かしてマニ
ピュレータ１０のベース１４を移動し、作業面に接近す
る。最初、動作モード／軌道パターンを作業内容に合せ
て指定しておく（ステップ１００）。マニピュレータ１
０をマニュアル操作で動かして、先端のレーザ発振器３
８が投射するレーザスポットの位置を移動させ（ステッ
プ１１０）、指定したい場所でトリガスイッチをおして
指定する（ステップ１２０）。必要な数の教示点の教示
が完了すると（ステップ１３０）、制御装置２４は自動
運転の準備ができるので、自動運転開始のスイッチを押
すことにより、マニピュレータ１０は自動運転を開始す
る（ステップ１４０）。

【００３０】ここで、教示対象となる作業面が滑らかな
曲面の場合、例えば図７のような形状の場合、３頂点Ｐ
ｏ、Ｐｘ、Ｐｙを教示しただけでは、曲面形状をマニピ
ュレータ１０は知ることができない。この場合は曲面で
あることをマニピュレータ１０に通知することで、マニ
ピュレータ１０は３頂点Ｐｏ、Ｐｘ、Ｐｙで囲んだ領域
内を必要な点数を自動的にスキャニングすることによ
り、塗装やブラスト作業に必要な曲面形状を求めること
ができる。すなわち曲面形状になっても、上記方法によ
れば操作者がマニピュレータ１０を操作して教示すべき
教示点の数の増加を抑えることができる。

【００３１】なお、教示装置３０の内、視覚センサ部３
２をパン・チルト機構上に付いた装置として構成して、
これをマニピュレータ１０の取付けベース１４上に設置
することも可能である（図８）。このように構成した第
２実施例でもほぼ同様に操作型マニピュレータに自動作
業を実行させることができるが、当該第２実施例と第１
実施例との特徴を比較すると、第１実施例の場合は、パ
ン・チルト機構の機能をマニピュレータ１０の位置決め
座標系と、教示装置１０の検出位置座標系との位置構成
が簡単になるという優位点がある。また、視覚センサ部
３２をマニピュレータ１０の手先に設置して、マニピュ
レータ１０の自由度を利用することにより、視覚センサ
部３２はパン・チルト方向の制御機能だけでなく、視覚
センサ部３２自身の位置の移動も可能なため、操作室か
らでは遠くて認識しにくい作業部分や、陰になって見え
ない部分も、撮像モニタを通じて確認することができる
という利点がある。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果が得られる。

【００３３】（１）、ブラストまたは塗装作業のための
マニピュレータの軌道の教示は、レーザビームによる教
示装置によって数点のポインティングを行うだけなの
で、現場で作業面に即応した教示データを簡単に短時間
で作成することができる。

【００３４】（２）、塗装やブラストの作業の実行時は
自動運転で行うことができるため、人間の負担を軽減す
ることが出来ると共に、正確な位置決め、速度制御を達
成することができる。

【００３５】（３）、繰返し作業の少ない作業をロボッ
ト化する場合、教示時間と作業時間のトータル時間が、
従来の手作業の場合より長かったり、品質が劣るようで
あっては自動化の効果が損われるが、本発明によれば、
現場に即応した簡便で短時間で行える教示機能と、品質
を保持する自動運転機能の両方を兼ね備え持つため、ロ
ボット化の効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る操作型マニピュレータの教示装置
のシステム構成図である。

【図２】マニピュレータによる作業位置ベクトルの説明
図である。

【図３】造船または大型構造物を作業対象にした操作型
マニピュレータの作業状態説明図である。

【図４】レーザポインタのカメラ座標に関する３次元位
置の算出原理の説明図である。

【図５】教示から作業実行までの手順およびそれに伴う
データの流れを示すフローチャートである。

【図６】塗装作業の場合の作業位置および領域指定方法
の説明図である。

【図７】曲面の作業面の場合の説明図である。

【図８】第２実施例の操作型マニピュレータの教示装置
の配置構成図である。

【符号の説明】

１０ マニピュレータ １２ キャビン １４ ベース １６ 高所作業車 １８ ブーム ２０ ジョイスティック ２２ 操作盤 ２５ サーボドライバ ２６ ノズル ２８ 鉄骨構造物 ３０ 教示装置 ３２ 視覚センサ ３４ 画像処理部 ３６ 撮像カメラ ３８ レーザ発振器 ４０ ＡＤ変換器 ４２ フレームメモリ ４４ 演算器 ４６ 角度センサ ４８ モニタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マニピュレータに取り付けられ撮像カメ
   ラおよびレーザ発振器により構成された視覚センサ部
   と、カメラ映像の画像処理を行ってレーザスポットの２
   次元的位置データを生成するとともに前記レーザ発振器
   とカメラの相対位置および同時点でのマニピュレータの
   関節角度からレーザスポットの３次元位置を演算する画
   像処理部とを有し、当該画像処理部は作業軌道データの
   うち作業面位置と作業面領域を変数として格納してお
   き、前記教示装置で複数点のレーザスポットの位置デー
   タを取込むことにより、該変数を決定して自動作業パタ
   ーンをマニピュレータ制御部に出力する演算部を備えて
   なることを特徴とする操作型マニピュレータの教示装
   置。
2. 【請求項２】 作業軌道データのうち作業面位置と作業
   面領域を変数として格納しておき、マニピュレータに取
   り付けた視覚センサからの検出データおよび前記マニピ
   ュレータの関節角度等によりマニピュレータ本体に対す
   る作業面位置を特定し、この作業面位置を複数点検出し
   て作業領域を決定し、確定された作業領域を予め設定さ
   れた作業軌道データに基づいて走査駆動させて自動作業
   を行わせることを特徴とする操作型マニピュレータによ
   る自動作業方法。