JP3164648B2

JP3164648B2 - 接触式倣いセンサ装置

Info

Publication number: JP3164648B2
Application number: JP16018892A
Authority: JP
Inventors: 孝二今井; 縫夫土田; 陽滋山田; 泰宏神品
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JPH0747472A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は接触式倣いセンサ装置に
係り、詳しくは、二つの部材が交差する線などを対象と
して、その線上の位置を検出することができるセンサ装
置に関するものである。これは、例えば被溶接物に接触
して隅肉溶接部分を検出する場合の溶接線倣い装置など
において利用される。

【０００２】

【従来の技術】近年アーク溶接ロボットは著しい普及を
遂げてきたが、一般のプレイバック式のロボットでは、
同一形状のワークであっても、各々の組立精度やロボッ
トに把持させた取付位置に若干の誤差の生じるのは避け
られない。また、溶接中のワークが熱変形するなどし
て、その溶接線に狂いが生じることがある。したがっ
て、ワーク上の所望箇所に溶接を施す場合、上記の誤差
や狂いにまでいちいちきめ細かく対応させることはでき
ないのが一般的である。しかし、最近では被加工物上の
溶接部位を検出して、それをもとに溶接トーチの位置を
修正しながら溶接できるようにした提案が多くなされて
きている。例えば実公昭５８−４４９１８号公報や特公
昭５７−４４６０号公報には、スタイラスに二次元の可
動範囲を与え、これによって二次元の溶接線を接触検出
することができるようにした倣い装置が記載されてい
る。また、実公昭５６−６２２２号公報や特開昭６１−
２４２７６２号公報においては、接触子により溶接線を
二次元的に倣うことを可能にしたセンサ装置が開示され
ている。また、特公平３−１２９９８号公報に提案され
ている隅肉溶接倣い装置では、一対のセンサが倣い位置
との接触によってオン・オフ動作し、その信号で溶接線
を検出することができるようになっている。この装置に
おける各センサは溶接トーチの左右に位置するアームに
装着され、溶接トーチを挟んで対向するように配置され
ている。そして、各センサは、接触子が溶接線に向って
進退する方向のある位置を中立にして該進退方向の前後
で挟む二つの接点を有している。この一対のセンサを例
えば隅肉溶接される二枚の角度をなして配置された被溶
接物の面に接触させれば、各センサにおける二つの接点
のオン・オフ信号から、ワーク開先に対するトーチ姿勢
の良否が判定される。したがって、この判断をもとにし
て、溶接トーチおよびセンサを支持するスライドアーム
に必要な動作を行わせるべく、スライドアームの位置姿
勢を調整するマニプレータの動作が制御されるようにな
っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したいずれの先行
技術においても、スタイラスや接触子が溶接線を検出す
る際に、被溶接物もしくは溶接線との間で発生する摩擦
力を軽減する配慮がなされていない。したがって、被加
工物の表面粗度が大きい場合には、過大な摩擦力を受け
て、センサなどの円滑な追従動作が阻害され、その追従
精度が低下する。加えて、スタイラスや接触子の耐久性
も損なわれやすくなる欠点がある。上記した実公昭５８
−４４９１８号公報や特公昭５７−４４６０号公報の倣
い装置ではセンシング機構が複雑である。そのため、ス
タイラスを支持する機構の大型化が余儀なくされ、溶接
部位までの進入量を多くしなければならない懐の深い被
加工物を対象とする場合には、溶接線を検出することが
できなくなる欠点がある。とりわけ、後者の例において
は、スタイラスを溶接線上に拘束させる押付力として、
スタイラスやそれを支持して動作させる平行リンク機構
の自重を利用している。したがって、二つの被加工物で
形成される溶接開先が例えば上方に開口するように配置
されていなければならず、側方や下方から溶接線を検出
することができない難点がある。また、実公昭５６−６
２２２号公報や特開昭６１−２４２７６２号公報におい
ては、回動および摺動方向の位置を任意に決める機構が
設けられていない。そのために、マニプレータなどを用
いて溶接線の倣い制御を行う場合、溶接開始時に接触子
を確実に溶接線上へ拘束することが難しい。一方、特公
平３−１２９９８号公報では、隅肉溶接専用の装置とな
っているため、薄板重ね合わせ溶接に対応させることが
不可能である。また、接触による干渉力の回避方向が１
自由度であるため、溶接線が急激に変化するような被加
工物の接触倣いをするときに、被加工物からの接触力が
センサに大きく加わることが予想され、追従性が著しく
劣る欠点がある。加えて、センサは溶接線を形成する二
つの被溶接物の対向面への接触の有無を検出しているだ
けであり、溶接線の位置を直接検出していない。そのた
め、溶接トーチの位置姿勢の補正はあくまでも推定に頼
らざるをえず、倣い精度に信頼性が欠けて溶接精度にま
で影響を与える問題がある。

【０００４】本発明は上記の種々の問題に鑑みなされた
もので、溶接作業という悪環境下においても接触式の確
実な倣い動作を実現して、その倣い位置の信頼性の高い
検出値が得られ、従来よりも汎用性を大きく期待するこ
とができる接触式倣いセンサ装置を提案する。詳しく述
べると、本発明の目的とするところは、（１）小寸法の
側面を有する溶接線や懐の深い被加工物に形成された溶
接線などを検出対象として検出することができ、しか
も、その接触子の近傍が複雑かつ大きな構造とならない
ような簡素な機構のセンサ装置とすることができるこ
と、（２）検出精度および耐久性の向上のために、倣い
接触時に接触子と被加工物との間に生じる摩擦力を軽減
して、接触子を支持するリンク機構などに大きな力を及
ぼさず、その歪の発生を回避しまた接触子の移動を円滑
なものとすることができること、（３）検出姿勢に制約
されず、すなわち、接触子の位置姿勢が自重によって変
化するのを防止して倣い接触による検出動作を維持でき
ること、例えば横方向や下方向からでも所望部位の検出
が可能となること、（４）接触子の回動方向および摺動
方向の位置を所望する任意の位置に決めることができ、
マニプレータなどを用いて溶接線の倣い制御を行う際、
溶接開始時などに接触子を確実に溶接線上へ拘束するこ
とができるようにすること、（５）薄板重ね継手の溶接
線を接触検出することができるように、接触子ならびに
その支持機構などの可及的な小型化が図られること、溶
接線が急激に変化するような被加工物の接触倣い時に、
被加工物からの接触力が大きく作用することがあって
も、その接触力を緩和する柔軟性が接触子を支持してい
る関節に与えることができ、追従性の飛躍的な向上が得
られるようにすること、を実現した接触式倣いセンサ装
置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、二つの被加工
物が交差して形成される交差線もしくは突き合わされる
などして形成される凹み線などの線状部位を検出できる
ようになっている接触式倣いセンサ装置に適用される。
その特徴とするところは、図１および図４を参照して、
線状部位２を検出するために、線状部位２に直接接触し
ながら倣うように移動される接触子５が設けられる。そ
の線状部位２に向かって接触子５を直線的に進退させる
直動関節３が、線状部位２に対面する側に設けられる。
直動関節３による接触子５の直線的変位方向に対して垂
直な方向へ延びるアームによって直動関節３を支持する
アーム支持機構があり、このアーム支持機構に、接触子
５の直線的変位方向に対して垂直となる軸線のまわりに
回転し、上記直動関節３を回動させる一以上の回転関節
４が設けられる（二つの回転関節４₁，４₂が設けられ
ている例は図７参照）。直動関節３による直線的変位量
を関節変数として検出するための直動関節位置計測器８
₃が直動関節３に取りつけられ、回転関節４による直動
関節３の回動量を関節変数として検出するための回転関
節位置計測器８₄が回転関節４に取りつけられる。ま
た、線状部位２に沿って移動される接触子５と被加工物
１との間に発生する摩擦力を軽減するための高周波振動
を発生させ、接触子５に微小変位振動を与える高周波振
動発生体６が、接触子５に一体化して設置される。そし
て、直動関節位置計測器８₃および回転関節位置計測器
８₄からの出力信号により、接触子５が線状部位２を倣
いながら移動している位置を演算し、接触子５の線状軌
跡を所望する他の動作装置５０（図１８参照）に再現さ
せることができるように、その演算結果を出力する倣い
位置演算装置９が備えられる。

【０００６】なお、直動関節３にリニアガイド１０を装
着しておき、そのリニアガイド１０の動作により直動リ
ンク３Ａを変位させ、接触子５を直線的変位させるよう
にしておく。接触子５を線状部位２に拘束する押付力が
発生するとともに、接触子５の被加工物１に対する接触
力を直動関節３において緩和する柔軟性を与えるため、
直動関節３の直動リンク３Ａに圧縮コイルばね１２を装
着しておくとよい。線状部位２に沿って移動される接触
子５の被加工物１に対する接触力が所望値に維持される
ように回転関節４を動作させるため、接触子５にはその
接触力を検出する接触力検出器７を取りつけておき、接
触子５の被加工物１に対する接触力を回転関節４におい
て緩和して柔軟性を与えるため、接触力検出器７により
検出された接触力検出信号をもとに回転関節４を作動さ
せるサーボモータ１１₄を能動的に制御するコンプライ
アンス制御を採用する。

【０００７】図１５に示すように、直動関節３にサーボ
モータ１１₃が装着され、サーボモータ１１₃の回転に
より作動するラックアンドピニオン３１を介して直動リ
ンク３Ａを変位させ、接触子５を直線的変位させるよう
にしておく。線状部位２に沿って移動される接触子５の
被加工物１に対する接触力が所望値に維持されるように
直動関節３を動作させるため、接触子５にはその接触力
を検出する接触力検出器７を取りつけておき、直動関節
３にサーボモータ１１₃を装着し、サーボモータ１１₃
の回転により作動するラックアンドピニオン３１を設
け、接触子５を線状部位２に拘束する押付力を発生する
とともに、接触子５の被加工物１に対する接触力を直動
関節３において緩和する柔軟性を与えるため、接触力検
出器７により検出された接触力検出信号をもとにしてサ
ーボモータ１１₃を能動的に制御するコンプライアンス
制御を採用する。

【０００８】サーボモータ１１₃およびそれに作動する
ラックアンドピニオン３１を設けた直動関節３と、サー
ボモータ１１₄により駆動される回転関節４とを設け、
線状部位２に沿って移動される接触子５の被加工物１に
対する接触力が所望値に維持されるように直動関節３お
よび回転関節４を動作させるため、接触子５にはその接
触力を検出する接触力検出器７を取りつけておき、接触
子５を線状部位２に拘束する押付力を発生させるととも
に、接触子５の被加工物１に対する接触力を直動関節３
および回転関節４において緩和する柔軟性を与えるた
め、接触力検出器７により検出された接触力検出信号を
もとにして直動関節３のサーボモータ１１₃および回転
関節４のサーボモータ１１₄を能動的に制御するコンプ
ライアンス制御を採用することができる。図１３および
図１７に示すように、コンプライアンス制御は、スイッ
チＳＷ₄またはＳＷ₃によって関節位置決め制御と切り
替えられるようにしておく。

【０００９】

【作用】直動関節３によって、線状部位２に直接接触し
ながら倣うように移動される接触子５を、線状部位２と
対面する側から線状部位２に向かって接触子５を直線的
に進退させるとともに、直動関節３を支持するアーム支
持機構に設けられた回転関節４によって、接触子５の直
線的変位方向に対して垂直となる軸線のまわりに直動関
節３を回動させながら接触子５を線状部位２に位置さ
せ、かつ、移動させる。このように、本接触式倣いセン
サ装置は、曲線を有する溶接線などを接触検出するた
め、多自由度を有する構造となっている。接触子５が線
状部位２をたどる際は、接触子５に一体化して設けた高
周波振動発生体６によって接触子５に微小変位振動が与
えられ、接触子５と被加工物１との間に発生する摩擦力
が軽減され、線状部位２上に拘束されて移動する接触子
５の動きが滑らかとなる。すなわち、接触子５が被加工
物１から受ける摩擦が常時動摩擦状態におかれる。接触
子５が線状部位２上で停滞すると直動リンク３Ａや回転
リンク４Ａを歪ませることになるがそれが回避され、線
状軌跡の計測精度も向上する。線状部位２による倣い接
触検出は、まず、接触子５を線状部位２上に押しつけて
拘束し、その状態で、溶接線などの進行方向に接触子５
を移動させる。このとき、接触子５の先端の基準座標系
Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見た位置が、接触式倣いセンサ
装置の直動関節３に取りつけた直動関節位置計測器８₃
と、回転関節４に取りつけた回転関節位置計測器８₄と
で計測される。その直動関節位置計測器８₃および回転
関節位置計測器８₄からの出力信号により、接触子５が
線状部位２を倣いながら移動している位置が、計測され
た各関節変数の値から倣い位置演算装置９における順演
算により算出される。この演算結果は、接触子５の線状
軌跡を所望する他の動作装置５０に再現させるべく出力
される。

【００１０】直動関節３にリニアガイド１０を装着し、
そのリニアガイド１０の動作により直動リンク３Ａを変
位させると、接触子５が直線的に変位する。その直動関
節３の直動リンク３Ａに圧縮コイルばね１２を装着して
おくことができ、その弾発力が接触子５を線状部位２に
拘束する押付力になるとともに、接触子５の被加工物１
に対する接触力を直動関節３において緩和する柔軟性を
与える。接触子５は凹んだ線状部位２から逸脱すること
がなくなり、しかも、線状部位２が急激に変化していて
も、その弾発力によって接触子５を線状部位２上に拘束
しておくことができる。接触子５に被加工物１との接触
力を検出する接触力検出器７を取りつけておくと、接触
力検出器７により検出された接触力検出信号をもとにサ
ーボモータ１１₄が回転関節４を作動させるコンプライ
アンス制御が行われる。接触子５の被加工物１に対する
接触力が回転関節４において緩和されまた柔軟性が与え
られ、線状部位２から接触子５が逸脱するのを回避した
り、急激に変化する線状部位２においても、そのコンプ
ライアンス制御による回転関節４の動作によって、接触
子５が線状部位２上に拘束される。

【００１１】前記したリニアガイド１０に代えて、直動
関節３にラックアンドピニオン３１を導入し、そのピニ
オン３１Ａをサーボモータ１１₃で駆動することによっ
ても直動リンク３Ａを動作させ、接触子５を移動させる
ことができる。それのみならず、接触子５を線状部位２
に拘束する押付力も付与される。このサーボモータ１１
₃を採用すれば、次に述べるコンプライアンス制御を直
動関節３においても実行することができるようになる。
接触子５に接触力を検出する接触力検出器７を取りつけ
ておき、接触力検出器７により検出された接触力検出信
号をもとにしてサーボモータ１１₃を能動的に制御する
コンプライアンス制御を採用すれば、線状部位２に沿っ
て移動される接触子５の被加工物１に対する接触力を所
望値に維持させるように直動関節３を動作させるだけで
なく、接触子５の被加工物１に対する接触力を直動関節
３において緩和する柔軟性が与えられる。接触子５が線
状部位２から逸脱するのを防止したり、急激に変化する
線状部位２においても、そのコンプライアンス制御によ
る直動関節３の動作によって、接触子５を線状部位２上
に拘束しておくことができる。そして、接触検出を高速
・高精度で行うことが可能となる。

【００１２】回転関節４におけるコンプライアンス制御
と直動関節３におけるコンプライアンス制御とを併用す
ることもできる。その場合には、いずれの関節にもサー
ボモータ１１₃，１１₄が採用され、接触子５に取りつ
けられた接触力検出器７からの信号にもとづいて、所望
する接触力となる押付力が得られるように、直動関節３
および回転関節４がサーボモータ１１₃，１１₄によっ
て駆動される。回転関節４のみならず直動関節３におい
ても能動的なコンプライアンス制御がなされると、上記
したごとくの接触子５の線状部位２における倣い動作が
より一層確実なものとなる。したがって、接触子５の倣
い動作による線状軌跡の検出精度も向上される。なお、
コンプライアンス制御を必要としない場合には、スイッ
チＳＷ₄またはＳＷ₃によって関節位置決め制御に切り
替えると、接触式倣いセンサ装置をマニプレータによっ
て所望する位置へ運ばれる。その後にコンプライアンス
制御に切り替えれば、上記したようにして接触子５に所
定の押付力が与えられ、溶接線などが横向きや下向きと
なっていても、接触子５を側方からもしくは上下方向か
ら柔軟性を持たせながら線状部位２に拘束しておくこと
ができる。その状態で接触子５を移動させれば所望する
線状軌跡が、前述した手順で検出される。

【００１３】

【実施例】本発明に係る接触式倣いセンサ装置を、溶接
線倣い制御を実現するための溶接線位置情報が得られる
装置を例にして、詳細に説明する。なお、この接触式倣
いセンサ装置における「接触式倣い」とは、溶接トーチ
と一体で制御されるセンサ装置を溶接トーチ前方に配置
し、その接触子を溶接線上に倣わせる動作である。この
動作では、マニプレータにより溶接トーチを移動させる
際に、接触子を溶接線上に保持することにより、溶接線
をリアルタイムで検出することができる。そのために、
接触式倣いセンサ装置には少なくとも２自由度を持た
せ、溶接トーチとの位置姿勢関係を可変にすることによ
って、曲線を呈した溶接線に対しても接触子の倣いを可
能にするものである。以下に、図面をもとにして説明す
る。図１ないし図３は、本発明に係る接触式倣いセンサ
装置の第一実施例における全体構成を示す三面図であ
る。これは、図４および図５（Ａ）に示すように、二枚
の被加工物としての板材１Ａ，１Ｂが交差もしくは重ね
合わされて形成される隅肉溶接部位としての交差線２Ａ
や、図５（Ｂ）に示した二枚の板材１Ａ，１Ｂを突き合
わして形成される溶接開先２Ｂなどの線状部位２を検出
できるようになっているセンサ装置である。接触式倣い
センサ装置は、図１に示すように、直動関節３と回転関
節４を備えており、その直動関節３は回転関節４を構成
するアーム状の支持機構を介して装着されている。そし
て、センサとして機能する接触子５，高周波振動発生体
６，接触力検出器７，各関節装置の作動量を関節変数と
して検出する計測器８および溶接線２の位置を演算する
倣い位置演算装置９を備える。

【００１４】もう少し詳しく述べると、直動関節３は、
例えば図４に示す二つの板材１，１間に形成された線状
部位２に向かって、図１に示した矢印Ｍの方向に接触子
５を直線的に進退させるものである。また、回転関節４
は、上記の直動関節３の全体を図３に示す矢印Ｎ方向へ
回動させるもので、接触子５の直線的変位方向に延びる
直動リンク３Ａに対して垂直な方向へ延びる回転リンク
４Ａを備えている。この回転関節４は、直動リンク３Ａ
に対して垂直となる回転軸線のまわりに回転し、直動関
節３を回動させるために一つまたは二つが採用される。
なお、図１ないし図３の例においては、この回転関節４
が一つ採用され、図６に模式的に示した２自由度関節機
構の形態となっている。しかし、二つ採用する場合に
は、上記の直動リンク３Ａが三次元座標系の一つの軸方
向に延びているとみなして、図７に模式的に示した３自
由度関節機構のようになる。すなわち、直動関節３の関
節軸方向に垂直となるように回転関節４₂の関節軸をと
り、また、直動関節３と回転関節４₂の両方の軸方向に
対して垂直となるように回転関節４₁の関節軸をとる。
このように関節軸を定義することにより、回転関節４₂
においてはＮ₂方向に、回転関節４₁においてはＮ₁方
向に移動が可能となる。なお、図６および図７ならびに
その後に現れる図において、×印で表された軸は、本説
明においては紙面に垂直でかつ紙面の手前方向に延びる
ものを示し、・印の軸は紙面に垂直でかつ紙面の向こう
方向へ延びるものを示している。

【００１５】上記した接触子５は、線状部位２（図４参
照）を検出するために、その線状部位に直接接触しなが
ら倣うように移動されるものであり、前記した直動リン
ク３Ａの先端に装着される。その形状は例えば図１に示
したようにコーン状のものや図示しないがボール状のも
のが採用されるが、その材質は金属製でもプラスチック
製でもよく、耐摩耗性の優れたものであればよい。前述
した計測器８は、直動関節３や回転関節４のそれぞれの
関節変数を計測するためのものである。これは、直動関
節３における直動リンク３Ａの直動量を検出するため、
リニアガイド１０で駆動される直動リンク３Ａに間接的
に取りつけた直動関節位置計測器８₃と、回転関節４の
回転リンク４Ａの回転量を検出するため、ＤＣサーボモ
ータ１１₄で駆動される回転リンク４Ａに取りつけた回
転関節位置計測器８₄である。これらの計測器８₃，８
₄には、いずれも公知のポテンショメータが採用され
る。高周波振動発生体６と接触力検出器７とは、接触子
５の背部に一体化して装着されている。高周波振動発生
体６は、溶接線に沿って移動される接触子５と被加工物
との間に発生する摩擦力を軽減するため、高周波振動を
発生させて接触子５に微小変位振動を与えるためのもの
である。これには、圧電セラミック・アクチュエータ６
が採用される。接触力検出器７は、溶接線に沿って移動
される接触子５の被加工物に対する接触力を検出するも
のである。これは、圧電セラミック・アクチュエータ６
の上部に装着され、接触子５の先端での接触力の情報を
得るための公知の力覚センサ７が使用される。一方、接
触子５は後述するごとく常に所望する一定の大きさの力
で溶接線に作用するよう力がかけられており、交差した
り凹んだりしている溶接線から逸脱しないように配慮さ
れている。しかし、溶接線が急激に変化している場合
や、溶接線が横方向や下方向に開口している場合などの
ように接触子５を側方や下方から接近させて検出するよ
うな場合には、その接触子５をある程度大きい力で溶接
線に押しつけておく必要がある。そこで、上記した力覚
センサ７から検出される押付力が低下したときでも、接
触子５が倣い中に一定の押付力を発揮するように、力覚
センサ７からの信号に基づいて回転関節４を動作させ、
所定の押付力が発揮されるように制御することができる
ようになっている。倣い位置演算装置９は、直動ポテン
ショメータ８₃および回転ポテンショメータ８₄からの
出力信号により、接触子５が線状部位を倣いながら移動
している線状軌跡上の位置を演算し、接触子５の線状軌
跡を所望する他の動作装置に再現させることができるよ
うにその演算結果を出力するものである。なお、他の動
作装置とは、本接触式倣いセンサ装置が溶接ロボットに
装着されている場合には、そのマニプレータに取りつけ
られている冒頭で述べた溶接トーチなどの加工用ツール
である。

【００１６】ところで、接触検出を高速かつ高精度で行
うには、検出時に被検出物から接触子５が受ける接触力
と、被検出物と接触子５との間に発生する摩擦力が問題
となる。大きな接触力や摩擦力が接触子５に作用すると
接触子５を支持するリンクに歪みが生じ、位置検出精度
の低下や耐久性の悪化をきたす。そこで、接触子５に対
して押付力を加えると同時に受動的な柔軟性を与えるた
めに、圧縮コイルばね１２（図１参照）が直動関節３に
設けられている。これは、具体的には、直動リンク３Ａ
を取り巻くように取りつけられ、その接触力緩和機能
は、あくまでも直動リンク３Ａにおけるためのみのもの
である。しかし、溶接線が例えば湾曲などしていても、
この圧縮コイルばね１２によって、溶接線から外れない
ようにある程度の押付力を接触子５に付与しておくこと
ができる。一方、接触子５が溶接線から外れていなくて
も、接触子５が受ける反力が変化することに起因する接
触力の変化を防止して、所定の大きさの押付力を維持さ
せるように回転関節４の動作を制御することができるよ
うにもなっている。そのために、力覚センサ７により検
出された接触力検出信号をもとにして、回転関節４に設
けたＤＣサーボモータ１１₄を能動的に制御し、接触子
５の接触力に対する回転関節４の柔軟性ある押付力を発
揮させることができるように、後述するコンプライアン
ス制御が採用される。このような個々の装置を有する本
体構成の周辺装置として、関節位置計測器８₃，８₄に
より計測された関節変数を用いて接触子５がたどってい
る溶接線を算出する倣い位置演算装置９が設けられる。
この装置のほかに、力覚センサ７から検出された接触力
情報にもとにして回転関節４のＤＣサーボモータ１１₄
を能動的に制御し、回転関節４による押付力に柔軟性を
与る制御を行うためのコンプライアンス制御装置１３
と、圧電セラミック・アクチュエータ６を微小の高周波
振動させるために高周波電圧を発生させる高周波電圧発
生装置１４と、回転関節位置を任意の位置とするための
関節位置決め制御装置１５₄とが設けられる。

【００１７】ここで、本発明における検出原理を簡単に
述べる。溶接作業における二つのワークとしての被加工
物の溶接開先部位は、図８における二本の直線１ｍ，１
ｎの交点により表され、その交点が溶接線２上の一点と
なる。本接触式倣いセンサ装置においては、接触子５の
先端に対して押付力Ｆを発生させることにより、接触子
５を溶接線２上に拘束する。その押付力Ｆの条件は、交
点を通るそれぞれの直線１ｍ，１ｎの垂線１ｐ，１ｑ間
（図８中の斜線部）から接触子５の中心へ力のベクトル
が規定されている場合である。つまり、押付力Ｆの横方
向分力が二直線１ｍ，１ｎからの反力ｆ_m，ｆ_nで完全
に打ち消された状態になり、接触子５が溶接線２上に拘
束される。この状態を溶接トーチの移動時においても常
に保つことにより、後述する基準座標系からの溶接線情
報を直動関節３と回転関節４の動作変数から算出できる
ようにしているのである。

【００１８】図１に戻って、接触式倣いセンサ装置は溶
接線位置検出機能を有するが、溶接線の位置検出は、ま
ず、接触子５を圧縮コイルばね１２によって溶接線上に
拘束する。そして、接触子５を溶接線に沿って移動させ
（図４参照）、各関節に装着したポテンショメータ
８₃，８₄からそれぞれの関節における関節変数を測定
する。その関節変数が順演算されることにより、基準座
標系から見た接触子５の先端の位置が算出される。接触
子５が被検出物１と接触するときの反力としての接触力
を緩和させる柔軟機能は、直動関節３では圧縮コイルば
ね１２により与えられ、回転関節４では接触力情報に基
づきＤＣサーボモータ１１₄を能動的に制御するコンプ
ライアンス制御によって与えられる。接触子５が被加工
物１と接触する際に生じる摩擦力を低減する機能は、接
触子５に高周波微小振動を加えることにより行われる。
これによれば、静摩擦の発生が回避され、摩擦力を低減
させた動摩擦だけが作用するようになる。具体的に言え
ば、圧電セラミック・アクチュエータ６の逆圧電効果を
用いて、接触子５を加振する。接触式倣いセンサ装置の
回転関節位置決め制御機能は、回転関節４を所望する任
意の位置とするための機能であり、接触子５を所望する
倣い位置の近傍へ配置することができる。これは、回転
関節４におけるＤＣサーボモータ１１₄をドライバ２３
₄（後述する図１１参照）により位置決めすることによ
り実現される。そのために図１に示した関節位置決め制
御装置１５₄が設置される。溶接線位置検出機能を有す
る溶接線位置演算装置９は、溶接線２上に拘束されてい
る接触子５の先端の位置情報を検出するための装置であ
るが、これは、図９に示すように、直動ポテンショメー
タ８₃と回転ポテンショメータ８₄の抵抗値を測定する
ための測定回路１６₃，１６₄と、順演算アルゴリズム
から構成される。なお、各測定回路１６₃，１６Ｂ
₄は、ボルテージ・フォロア、ロー・パス・フィルタな
どからなるハードウエアで構成される。

【００１９】その演算処理における流れは、以下のよう
になる。各ポテンショメータ８₃，８₄から、その抵抗
値を測定回路１６₃，１６₄により各々読みとる。ここ
で、抵抗値は関節変数と比例関係にあり、補正処理部１
７において測定された抵抗値に比例定数を乗じ、また、
オフセット定数を加えることによって関節変数に補正さ
れる。この関節変数を順演算部１８に送って順演算すれ
ば、基準座標系から見た溶接線の位置が得られる。その
溶接線の位置情報を取得するための順演算アルゴリズム
は、以下のとおりである。図１０（Ａ），（Ｂ）を参照
して、基準座標系Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見た溶接線の
位置算出のアルゴリズムでは、まず、リンク間の関係を
求めるために、各リンクの座標系を図のように割りあて
る。ここで、Ｏ_S−Ｘ_SＹ_SＺ_Sは接触子５の先端を表
すセンサ座標系であり、Ｏ₁−Ｘ₁Ｙ₁Ｚ₁は回転リン
ク４Ａの座標系である。このように座標系を割りあてた
ときのリンクパラメータは、表１のようになる。なお、
図中の２０は、本接触式倣いセンサ装置全体を支持して
移動するマニプレータのエンドエフェクタである。

【表１】ただし、θは回転関節４の関節変数、ｄは直動関節３の
関節変数であって、具体的には図１０に示したごとくの
回転リンク４Ａの座標系の原点Ｏ₁とセンサ座標系の原
点Ｏ_Sとの距離である。L₁は回転リンク４Ａの座標系の
原点Ｏ₁と基準座標系の原点Ｏ_Eとの距離である。

【００２０】このリンクパラメータテーブルにより、基
準座標系Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見たセンサの座標系Ｏ
_S−Ｘ_SＹ_SＺ_Sを表す同次変換行列^EＴ_Sを求める。
まず、基準座標系Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見た回転リン
ク座標を表す座標変換行列^EＡ₁は、

【数１】同様に、回転リンク４Ａの座標系Ｏ₁−Ｘ₁Ｙ₁Ｚ₁か
らみたセンサ座標を表す座標変換行列¹Ａ_Sは、

【数２】式(1) と式(2) より、^EＴ_sを演算すると、

【数３】となる。同次変換行列では、４列目の１行，２行，３行
がそれぞれＸ，Ｙ，Ｚの位置を表すので、基準座標系Ｏ
_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見た接触子５の先端の座標は、回
転リンク４Ａの関節変数θと直動リンク３Ａの関節変数
ｄとにより、次のようにして求めることができる。 ^EＸ＝ｄsin θ ^EＹ＝ −ｄcos θ (4) ^EＺ＝ L₁

【００２１】次に、接触力緩和機能を有するコンプライ
アンス制御について述べる。これには、回転関節４によ
る接触子５の押付力に柔軟性を与えるためのコンプライ
アンス制御装置１３（図１参照）が採用される。そし
て、接触子５の上部に取りつけられた力覚センサ７から
接触力情報を取り込むための図１１に示す測定回路２１
₄と、コンプライアンス処理部２２₄と、ＤＣサーボモ
ータ１１₄と、このＤＣサーボモータ１１₄を駆動する
ためのドライバ２３₄と、ＤＣサーボモータ１１₄に取
りつけられたエンコーダ２４₄と、直動ポテンショメー
タ８₃とから構成される。ちなみに、接触力信号を取り
込む測定回路２１₄は、差動増幅器やロー・パス・フィ
ルタなどからなっている。その演算処理の流れは、次の
ようになる。力覚センサ７からの接触力の値を測定回路
２１₄を通して読みとり、コンプライアンス処理部２２
₄に送られる。コンプライアン処理部２２₄では、コン
プライアンス制御アルゴリズムに基づき、回転関節４に
おけるＤＣサーボモータ１１₄の制御量を算出し、ドラ
イバ２３₄へその制御量を指令値として伝える。ドライ
バ２３₄は、指令値にしたがいＤＣサーボモータ１１₄
を動作させるべく制御する。

【００２２】そのコンプライアンス制御のためのアルゴ
リズムは、以下のとおりである。接触子５の先端のセン
サ座標系Ｏ_S−Ｘ_SＹ_SＺ_Sで実現したい剛性^SＫを、

【数４】とする。なお、この剛性^SＫの逆数がコンプライアンス
すなわち柔軟性を意味する。このコンプライアンス制御
とは、接触子５の先端に発生する力Ｆより、剛性^SＫに
応じた基準座標系Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見た微小変位
Δ^Eｘを求める。そして、この微小変位Δ^EｘをＤＣサ
ーボモータ１１₄で制御することにより発生させ、剛性
^SＫをみかけ上実現しようとするものである。ちなみ
に、実験結果によると、仮想ばね定数^SＫ_xを０．４〜
１．０Ｎ／ｍｍ程度に設定すれば、押付力を０．５Ｎ以
下にすることができた。図１２には、コンプライアンス
制御のモデルが示されている。図において、基準座標系
Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見たセンサ座標系Ｏ_S−Ｘ_SＹ
_SＺ_Sの位置^EＰが、各関節の関節変数ｑの関数Ｔによ
り、

【数５】と表せるとする。また、センサ座標系Ｏ_S−Ｘ_SＹ_SＺ
_Sから基準座標系Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eへの回転変換行列
^EＲ_Sは、

【数６】である。ここで、接触子５の先端のセンサ座標系Ｏ_S−
Ｘ_SＹ_SＺ_Sに力^SＦが加わった場合、接触子５の先端
で実現したい剛性行列^SＫより、発生させるべき基準座
標系Ｏ_E−Ｘ_EＹ_EＺ_Eから見た接触子５の先端の微小
変位Δ^EＰは、 Δ^EＰ＝^EＲ_S・^SＫ^-1・^SＦ (8) ただし、^SＦ＝［^SＦ_X，^SＦ_Z］^T で表される。

【００２３】一方，微小変位Δ^EＰと、そのときの各関
節の微小変位Δｑには、式(6) より次の関係がある。 Δ^EＰ＝Ｊ・ΔｑＪ＝ ∂Ｔ／∂ｑここで、Ｊはヤコビ行列 (9) 式(8) と式(9) とから、接触子５の先端に力^SＦが加わ
るとき、関節に発生させるべき微小変位Δｑは、^SＫか
ら、 Δｑ＝Ｊ^-1・^EＲ_S・^SＫ^-1・^SＦ (10) として表される。具体的には、次のようになる。

【数７】実際には、関節変数ｄは圧縮コイルばね１２によって柔
軟性が与えられているので、コンプライアンス制御の対
象とはならない。コンプライアンス制御に必要な微小変
位はΔθのみであり、式(11)式より、Δθは、センサ座
標系Ｏ_S−Ｘ_SＹ_SＺ_SでＸ_S軸方向に発生している力
^SＦ_X、センサ座標系のＸ_S軸方向に実現する剛性^SＫ
_X、および、直動関節３の関節変数ｄの３つのパラメー
タから、次の式(12)により算出される。 Δθ ＝ ^SＦ_X／（ｄ・^SＫ_X） (12) センサ座標系でＸ_S軸方向に発生している力^SＦ_Xは、
接触子５の上部に設置される力覚センサ７により検出さ
れる。また、直動関節３の関節変数ｄは、直動ポテンシ
ョメータ８₃により検出される。なお、剛性^SＫ_Xは予
め設定しておくものである。コンプライアンス制御系の
ブロック線図が図１３に示されるが、図中のスイッチＳ
Ｗ₄を接点Ｆに接続することによって形成されるコンプ
ライアンス制御系では、上記したコンプライアンス制御
アルゴリズムに基づき、力覚センサ７からの接触力検出
値が目標値の０となるようにＤＣサーボモータ１１₄を
制御する。これによって、回転関節４が被検出物からの
接触力を緩和するよう制御され、回転関節４に柔軟性が
与えられたことになる。

【００２４】周辺装置の一つである摩擦力低減機能を有
する高周波電圧発生装置１４について述べる。これは、
接触子５を高周波微小振動させるために、圧電セラミッ
ク・アクチュエータ６に高周波電圧を印可する装置であ
り、図１４に示すように、直流電源２５，波形成形器２
６，電圧ブースタ２７より構成される。すなわち、波形
成形器２６で生成された高周波電圧波形を電圧ブースタ
２７によって昇圧し、圧電セラミック・アクチュエータ
６に印可すると、この高周波電圧波形に応じた高周波微
小変位が圧電セラミック・アクチュエータ６に生じる。
この高周波微小変位は、センサ座標系Ｏ_S−Ｘ_SＹ_SＺ
_SのＺ_S軸方向へ生じるもので、接触子５を同方向に加
振し、摩擦力が低減される。他の周辺装置としての関節
位置決め制御装置１５₄は、回転関節４に任意の位置を
与えるべく指令する装置である。これは、図１３に示す
ように、回転関節４を回転させるＤＣサーボモータ１１
₄と、このＤＣサーボモータ１１₄を駆動するためのド
ライバ２３₄と、エンコーダ２４₄とからなる。コンプ
ライアンス制御モードと回転関節位置決めモードの切り
替えは、スイッチＳＷ₄により行われる。このような構
成となっているので、スイッチＳＷ₄を接点Ｐに切り替
えておくと、教示するなどして別途記憶されている位置
目標値が指令値としてドライバ２３₄に伝えられ、ドラ
イバ２３₄はその指令値にしたがいＤＣサーボモータ１
１₄を制御して、回転関節４が当初目標とする位置へ位
置決めされる。ちなみに、図１０のところで少し述べた
ように、本接触式倣いセンサ装置はマニプレータのエン
ドエフェクタ２０などに装着され、被溶接物に対して溶
接作業するマニプレータの本来の動作が予め教示された
手順にしたがって行われ、溶接トーチと接触式倣いセン
サ装置とが移動される。なお、上記した位置目標値は、
教示されたある点もしくはその次に移動すべき教示点に
おける回転関節４のその都度の当初目標位置である。

【００２５】以上の説明から分かるように、本接触式倣
いセンサ装置によれば、直動関節３と回転関節４とによ
り、接触子５を図４などに示す二枚の板材１Ａ，１Ｂの
交差線２Ａに沿って移動させ、線状部位２をリアルタイ
ムで検出することができる。このような線状軌跡は各ポ
テンショメータ８₃，８₄からの出力信号をもとに上記
したアルゴリズムにしたがい演算される。この演算結果
がマニプレータのコントローラに入力されると、そのデ
ータに基づいて、マニプレータにより移動される溶接ト
ーチを、接触子５の倣ったとおり線状部位２に沿って即
座に移動させることができる。すなわち、その溶接線２
における所望する隅肉溶接などが円滑に行われ、溶接の
位置ずれなどが起こることは回避される。なお、この作
動については、図２０および図２１と図４を用いて後で
詳しく述べる。

【００２６】接触子５が線状部位２を倣いながら移動す
るとき、接触子５に微小な高周波振動が与えられ、接触
子５の被加工物１に対する動きの滑らかさが確保され
る。また、直動関節３や回転関節４により変位される接
触子５が線状部位２を倣う間に被加工物１に対する押付
力が変化しても、圧縮コイルばね１２の押付力と回転関
節４におけるコンプライアンス制御によって、押付力を
軽減したり加重したりしながら実質的に一定の接触力と
なるように柔軟性ある挙動が実現される。したがって、
溶接線が急激に変化するような場合でも、また、接触子
５を側方や下方から溶接線２に倣わせる場合でも、接触
子５が溶接線から外れるようなことはなく、正確な倣い
が実現される。すなわち、押付力が弱まれば接触子５が
凹んだ線状部位から外れることがあるが、常に同じ程度
の力で押しつけられていると、接触子５は常時溶接線上
に拘束されることになるからである。一方、接触子５に
設けた高周波振動発生体６の作動により、接触子５に高
周波微小振動が加えられ、接触子５が被加工物１から受
ける摩擦が常時動摩擦状態におかれる。実験の結果によ
れば、接触摩擦力の低減効果は７０％を超え、それゆえ
に、加振時の摩擦力は０．７Ｎ以下と十分に小さい値に
収められることが判明した。これによって、接触子５の
円滑な移行が確保され、溶接線２上で所望外の停滞を起
こすことなく直動リンク３Ａや回転リンク４Ａに歪の発
生をきたすことはない。もちろん、接触子５による溶接
線２の計測精度も高く維持しやすくなる。

【００２７】次に、異なる接触式倣いセンサ装置の例
を、図１５（Ａ），（Ｂ）をもとに第二実施例として説
明する。本装置も２自由度機構であり、直動関節３と回
転関節４などの主たる構成は図１の場合と同じである。
そこで、前記同一機能を有する部分には同じ符号を与え
て、その説明を省く。しかし、具体的には、リニアガイ
ドと圧縮コイルばねが採用されておらず、それに代え
て、直動関節３にラックアンドピニオン３１が付加さ
れ、そのピニオン３１Ａを駆動するＤＣサーボモータ１
１₃が装着されている点が相違する。なお、ラック３１
Ｂは、直動リンク３Ａに直接形成されている。この接触
式倣いセンサ装置においては、前述の例では採用されて
いなかった複合した形式のコンプライアンス制御が可能
となる。すなわち、力覚センサ７から検出される接触力
情報に基づいて、回転関節４のＤＣサーボモータ１１₄
と直動関節３のラックアンドピニオン３１のピニオン３
１Ａを駆動するＤＣサーボモータ１１₃とを能動的に制
御し、各関節に柔軟性を与えるように制御するコンプラ
イアンス制御装置１３Ａが設けられる。したがって、回
転関節４におけるＤＣサーボモータ１１₄と同様に、直
動関節３のＤＣサーボモータ１１₃は直動リンク３Ａを
駆動するだけでなく、コンプライアンス制御のための動
作もすることができるようになっている。加えて、他の
周辺装置として、回転関節４を任意の位置とするための
関節位置決め制御装置１５₄が設けられるとともに、直
動関節３のための関節位置決め制御装置１５₃も設けら
れている。

【００２８】この例における溶接線位置検出機能は前述
の例と同じであり、溶接線の位置検出のために接触子５
を溶接線上に拘束し、各関節に装着したポテンショメー
タ８₃，８₄から関節変数を測定して、その関節変数を
順演算することで基準座標系からみた接触子５の先端の
位置が得られる。接触子５が被加工物と接触する際に生
じる摩擦力の低減作動も前述の例と同じであり、圧電セ
ラミック・アクチュエータ６の逆圧電効果を用いて、接
触子５を加振することにより、静摩擦の発生を回避する
ようにしている。接触子５が溶接線を倣うときに生じる
接触力を緩和させる機能は、直動関節３および回転関節
４ともに力覚センサ７で検出する接触力情報に基づきＤ
Ｃサーボモータ１１₄，１１₃を能動的に制御するコン
プライアンス制御で柔軟性が与えられる。このコンプラ
イアンス制御により回転関節４に柔軟性を与える場合
は、前述した図１１と同じであるが、直動関節３におい
ては図１６に示すごとくである。すなわち、力覚センサ
７から接触力情報を取り込むための測定回路２１₃と、
コンプライアンス処理部２２₃と、ＤＣサーボモータ１
１₃と、このＤＣサーボモータ１１₃を駆動するための
ドライバ２３₃と、エンコーダ２４₃とから構成され
る。なお、測定回路２１₃は、差動増幅器やロー・パス
・フィルタなどからなっている。その演算処理は、次の
ようになる。図１１および図１６を参照して、力覚セン
サ７からの接触力の値を測定回路２１₄，２１₃を通し
て読みとり、コンプライアンス処理部２２₄，２２₃に
送られる。コンプライアンス処理部２２₄，２２₃で
は、コンプライアンス制御アルゴリズムに基づき、回転
関節４のＤＣサーボモータ１１₄と直動関節３のＤＣサ
ーボモータ１１₃の制御量を算出し、それぞれのドライ
バ２３₄，２３₃へその制御量を指令値として伝えて、
各ＤＣサーボモータ１１₄，１１₃を制御する。

【００２９】そのコンプライアンス制御のためのアルゴ
リズムは、以下のとおりである。このコンプライアンス
制御アルゴリズムは、前例と同様であり、前記の式(11)
から次のように表される。

【数８】コンプライアンス制御に必要な微小変位ΔθおよびΔｄ
は、次式で表される。 Δθ ＝ ^SＦ_X／（ｄ・^SＫ_X） (14) Δｄ＝ ^SＦ_Z／^SＫ_Z すなわち、Δθは、接触子５にセンサ座標系Ｏ_S−Ｘ_S
Ｙ_SＺ_SでＸ_S軸方向に発生している接触力^SＦ_X，直
動関節３の関節変数ｄ，接触子５の先端でセンサ座標系
のＸ_S軸方向に実現したい剛性^SＫ_Xから算出される。
一方、Δｄは、接触子５にセンサ座標系Ｏ_S−Ｘ_SＹ_S
Ｚ_SでＺ_S軸方向に発生している接触力^SＦ_Z，接触子
５の先端でセンサ座標系のＺ_S軸方向に実現したい剛性
^SＫ_Zから算出される。なお、接触子５の先端に発生し
た力^SＦ_Xおよび^SＦ_Zは、接触子５の上部に設置され
た力覚センサ７により検出され、また、直動関節３の関
節変数ｄは直動ポテンショメータ８₃により検出され
る。そして、剛性^SＫ_Xおよび^SＫ_Zは予め設定されて
いるものである。直動関節３のコンプライアンス制御系
のブロック線図は図１７に示すとおりであり、回転関節
４のブロック線図は図１３に示したものと同じである。

【００３０】回転関節４のコンプライアンス制御系は、
上記したコンプライアンス制御アルゴリズムに基づき、
力覚センサ７からの接触力検出値が目標値の０となるよ
うＤＣサーボモータ１１₄を制御する。これは、回転関
節４が被加工物からの接触力を緩和するよう制御し、回
転関節４に柔軟性を与える。一方、直動関節３のコンプ
ライアンス制御系では、上記したコンプライアンス制御
アルゴリズムに基づき、力覚センサ７からの接触力検出
値が設定された目標値の押付力となるようにＤＣサーボ
モータ１１₃を制御する。これは、直動関節３が接触子
５と被加工物との間に所定の大きさの押付力を発生させ
るよう制御することであり、また、被加工物からの接触
力が必要以上に大きくならないよう制御される。つま
り、直動関節３におけるコンプライアンス制御は、接触
子５を被加工物に一定の力で押しつける機能と、接触力
が例えば大きくなった場合には、それを軽減するように
直動関節３を動かす機能とを備えている。他の周辺装置
としての回転関節位置決め制御装置１５₄と直動関節位
置決め制御装置１５₃は、回転関節４と直動関節３とを
任意の位置とする装置である。回転関節４においては、
図１３の場合と同じであり、ＤＣサーボモータ１１₄，
それを駆動するためのドライバ２３₄，エンコーダ２４
₄からなる。コンプライアンス制御モードと位置決めモ
ードの切り替えは、別途指令を受けて動作するスイッチ
ＳＷ₄により行われる。一方、直動関節３におけるコン
プライアンス制御モードと位置決めモードとの切り替え
は、図１７に示すスイッチＳＷ₃により行われる。した
がって、位置目標値を指令値としてドライバ２３₃に伝
えると、ドライバ２３₃は指令値にしたがってＤＣサー
ボモータ１１₃を制御し、直動関節３が目標とする位置
へ位置決めされる。

【００３１】次に、本発明に係る接触式倣いセンサ装置
を溶接線倣い装置とした場合の例を図１８をもとにして
説明する。第二の実施例における接触式倣いセンサ装置
４０およびツールとしての溶接トーチ５０を、３以上の
自由度を有するマニプレータ６０のエンドエフェクタ２
０に装着した例である。この例においては、接触式倣い
センサ装置４０が溶接トーチ５０に先行するように配置
されている。マニプレータ６０の各関節を駆動するサー
ボモータ６１，溶接線位置演算装置９および関節位置決
め制御装置１５₃，１５₄はコントローラ６２に接続さ
れている。マニプレータ６０のコントローラ６２内に
は、図１９に示すように、中央処理装置ＣＰＵ，固定メ
モリＲＯＭ，随時書込メモリＲＡＭやサーボドライバ６
３さらには情報のやりとりをするためのインターフェイ
ス６４が格納されている。

【００３２】上記した随時書込メモリＲＡＭには、以下
のデータが格納される。作業開始点：Ｐ_O （教示
データである）被加工物１の近傍の位置：Ｐ_WS （教示
データである）接触子５の検出開始姿勢：Ｆ_S （教示
データである）スイッチＳＷ₃およびＳＷ₄によるコンプライアンス制
御モードの設定：ＳＷ_F （教示データである）接触子５の検出開始点：Ｐ_DS （教示
データである）教示された溶接トーチ５０の全移動量：Ｕ_ALL （教示
データである）スイッチＳＷ₃およびＳＷ₄による位置決め制御モード
の設定：ＳＷ_P （教示データである）接触子５の検出終了姿勢：Ｆ_E （教示
データである）溶接開始点：Ｐ_AS （検出
データである）溶接線２の位置検出値：ＤＳＰ（検出
データである）溶接終了点：Ｐ_AE （検出
データである）溶接トーチ５０の移動量累積値：Ｕinteg （コン
トローラ６２の演算データである）固定メモリＲＯＭには、溶接トーチ５０が随時書込メモ
リＲＡＭに記憶された教示データおよび接触式倣いセン
サ装置４０による検出データに基づいた位置姿勢となる
ように、マニプレータ６０の各関節を動作させるべくサ
ーボモータ６１を制御するプログラムが記憶されてい
る。この制御プログラムを用いて、マニプレータ６０の
姿勢を連続的に変化させ、マニプレータ６０のエンドエ
フェクタ２０に取りつけた溶接トーチ５０の先端を、接
触式倣いセンサ装置４０で検出した溶接線２に倣わすこ
とが可能となる。この制御を、以下「トーチの溶接線倣
い制御」ということにする。中央処理装置ＣＰＵは、固
定メモリＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行さ
せ、随時書込メモリＲＡＭに記憶した教示データおよび
接触式倣いセンサ装置４０の検出データに基づき、マニ
プレータ６０を制御するものである。これは、溶接トー
チ５０を教示データおよび教示データに応じた軌跡で移
動させるためのマニプレータ６０の各関節の指令値（マ
ニプレータ各関節の関節位置データ）を生成し、サーボ
ドライバ６３に伝えるようになっている。サーボドライ
バ６３は、ＣＰＵから受け取った指令値にしたがい、マ
ニプレータ６０の各関節を駆動するように機能する。

【００３３】以下に、接触式倣いセンサ装置４０の検出
データを用いたトーチの溶接線倣い制御を、図２０およ
び図２１と図４を参照しながら説明する。スイッチＳＷ
₄（図１３参照）およびスイッチＳＷ₃（図１７参照）
をそれぞれの接点Ｐに接続して、位置決め制御モード
（ＳＷ_P）に設定し、接触式倣いセンサ装置４０を教示
された検出開始姿勢（Ｆ_S）とする。そして、溶接トー
チ５０と接触式倣いセンサ装置４０とを、図２０に示す
作業開始点（Ｐ_O）から被加工物１の近傍の所定の位置
（Ｐ_WS）に、マニプレータ６０を用いて移動させる。こ
の時点では、接触式倣いセンサ装置４０の接触子５が被
加工物１に接触していない〔ステップ１〕。スイッチＳ
Ｗ₄およびスイッチＳＷ₃を接点Ｆに切り替え、位置決
め制御モード（ＡＷ_P）から、コンプライアンス制御モ
ード（ＳＷ_F）に切り替える。教示された検出開始点
（Ｐ_DS）に接触式倣いセンサ装置４０をアプローチさ
せ、接触子５を溶接線２上に拘束させる。その状態で、
接触式倣いセンサ装置４０による溶接線２の検出を行
い、その検出データを溶接開始点（Ｐ_AS）とし、コント
ローラ６２内のＲＡＭに記憶させる〔ステップ２〕。検
出された溶接開始点（Ｐ_AS）を目標に溶接トーチ５０
を、図４の白矢印の方向へ移動させる。この間も接触式
倣いセンサ装置４０は図２１に示すように溶接トーチ５
０に先行し、一定周期で溶接線２を接触検出する。その
検出データは、溶接線位置検出値（ＤＳＰ）としてＲＡ
Ｍに記憶される。溶接トーチ５０が溶接開始点（Ｐ_AS）
に到達した後に溶接を開始し、コントローラ６２内のＲ
ＡＭに記憶された溶接線位置データをもとに、溶接トー
チ５０の溶接線倣い制御を行う〔ステップ３〕。次に、
一定周期で接触式倣いセンサ装置４０による溶接線２の
検出を行い、検出データを溶接線位置データとしてＲＡ
Ｍに記憶させる〔ステップ４〕。その溶接開始点
（Ｐ_AS）からの溶接トーチ５０の移動量をトーチ移動量
累積値（Ｕinteg)として、ＲＡＭで管理する〔ステップ
５〕。このトーチ移動量累積値（Ｕinteg)と予め教示さ
れた溶接トーチ５０の全移動量（Ｕ_ALL) との比較を行
う。一致すれば次のステップへ移行し、トーチ移動量累
積値（Ｕinteg)が全移動量（Ｕ_ALL) 以下であれば、ス
テップ４へ戻って再度実行させる〔ステップ６〕。トー
チ移動量累積値と予め教示された全移動量とが一致した
時点で、その溶接線位置検出値（ＤＳＰ）を溶接終了点
（Ｐ_AE）とみなしてＲＡＭに記憶させる。これによっ
て、接触式倣いセンサ装置４０の溶接線検出動作は終了
する〔ステップ７〕。スイッチＳＷ₄およびスイッチＳ
Ｗ₃によって、コンプライアンス制御モード（ＳＷ_F）
から再び位置決め制御モード（ＳＷ_P）に切り替える。
そして、接触式倣いセンサ装置４０を予め教示された検
出終了姿勢（Ｆ_E）とする〔ステップ８〕。ステップ７
で検出された溶接終了点（Ｐ_AE）まで溶接トーチ５０を
移動させ、それが完了した時点で、溶接は終了する。溶
接トーチ５０および接触式倣いセンサ装置４０を、図２
０のように、次の被加工物１の近傍の所定の位置
（Ｐ_WS）へマニプレータ６０を用いて移動させる〔ステ
ップ９〕。なお、以上の説明はいずれも接触式倣いセン
サ装置を溶接ロボットなどのマニプレータに取りつけて
おき、接触子の倣い位置を溶接トーチの動きに反映させ
るようにした例で説明したが、本発明の接触式倣いセン
サ装置は、溶接ロボットなどに限らず、マニプレータを
使用して他の動作装置に、その倣い位置を再現させるよ
うな場合、例えば、被加工部に接着を施すいわゆるシー
リングロボットや形枠製作用ロボットなどにも適用する
ことができるのは述べるまでもない。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、直動関節と回転関節に
よって接触子を交差線や凹み部などに沿わせて移動さ
せ、その線状部位を接触子によって倣わせ、その線状軌
跡を各関節に設けた関節位置計測器からの出力信号をも
とに、接触子の位置を検出することができる。これによ
って、接触子の倣ったとおり溶接線などに沿って他の動
作装置（例えば溶接トーチ）を移動させることができ
る。すなわち、その溶接線からずれのない隅肉溶接など
を円滑に行うことができる。そして、所望する線状部位
を倣う接触子ならびにその支持機構のコンパクト化が図
られ、簡素な構造の接触式倣いセンサ装置でもって懐の
深い被検出物の線状部位の検出にも対応させることが可
能となる。接触子に高周波微小振動を加える高周波振動
発生体を装着しているので、接触検出時に接触子に微小
な高周波振動が与えられ、接触子と被検出物との間に生
じる摩擦力を低減することができる。これによって、接
触子の円滑な移動による検出精度の向上が図られ、ま
た、接触子ならびにそれを支持する各リンクへの無用の
力負担や歪の発生が抑制され、接触式倣いセンサ装置の
耐久性も飛躍的に改善される。

【００３５】直動関節にリニアガイドを装着しておく
と、その動作により直動リンクを変位させることによっ
て接触子を検出対象の線状部位に向かって直線的な変位
を極めて容易に行わせることができる。このような構成
としておく場合には、次に述べる圧縮コイルばねを装着
させることができる。直動関節の直動リンクに圧縮コイ
ルばねが装着されていると、溶接線などの凹んだ線状部
位に接触子を拘束する押付力を発生させることができ、
加えて、線状部位が急激に変化する場合でも、接触子の
被加工物に対する接触力を直動関節において緩和しなが
ら柔軟に対応させることができる。接触子に、その接触
力を検出する接触力検出器を取りつけ、その接触力検出
器により検出された接触力検出信号をもとにして回転関
節を作動させるサーボモータを能動的に制御するコンプ
ライアンス制御を採用しておくと、接触式倣いセンサ装
置の位置姿勢が自重の影響を受けなくなる。したがっ
て、線状部位に沿って移動される接触子の被加工物に対
する接触力が常時所望値に維持され、また、接触子の被
加工物に対する接触力を回転関節において緩和したり加
重したりする柔軟性ある挙動が実現される。これによれ
ば、溶接線などが急激に変化するような場合でも、ま
た、接触子を側方や下方から溶接線に倣わせられ、接触
子が溶接線から外れることなく、確実な倣いが常時実現
される。

【００３６】直動関節にサーボモータを装着し、その回
転により作動するラックアンドピニオンを設けておけ
ば、直動リンクを変位させて接触子を直線的変位させる
ことができる。これによって、直動リンクを積極的に動
作させたり、直動関節におけるコンプライアンス制御の
ために、そのサーボモータを利用することができるよう
になる。接触子に、その接触力を検出する接触力検出器
を取りつけ、上記のサーボモータとラックアンドピニオ
ンを設けた場合には、接触力検出器により検出された接
触力検出信号をもとにして、接触子を線状部位に拘束す
る押付力を発生させるとともに、サーボモータを能動的
にコンプライアンス制御することができ、線状部位に沿
って移動される接触子の被加工物に対する接触力が所望
値に維持されるように直動関節を動作させることが可能
となる。これによれば、接触式倣いセンサ装置の位置姿
勢が自重の影響を受けることがなくなり、立て向きや上
向きの溶接時などでも横方向や下方向などからも溶接線
の検出が可能となる。

【００３７】直動関節にサーボモータおよびそれに作動
するラックアンドピニオンを設け、回転関節にサーボモ
ータを設けて、コンプライアンス制御をそれぞれにおい
て行わせると、接触子を線状部位に拘束する押付力が発
生されるとともに、接触子の被加工物に対する接触力を
直動関節および回転関節において緩和し、接触力の柔軟
性を与えることができる。このような複合したコンプラ
イアンス制御を可能にすれば、接触子の倣い動作がより
一層確実なものとなり、線状軌跡の検出精度も向上す
る。スイッチによってコンプライアンス制御と関節位置
決め制御とが切り替えられるようになっていると、コン
プライアンス制御を行う前に、接触式倣いセンサ装置の
関節を、サーボモータを駆動して接触子を所望する任意
の位置へ移動させることが可能となり、接触子の基準座
標系から見た位置を任意に選定して、マニプレータなど
を用いた溶接作業において、溶接線の接触倣いを行う際
の溶接開始時に接触子を溶接線上に確実に拘束すること
ができる。そして、関節位置決め制御が完了すればコン
プライアンス制御とすることができ、以後の倣い動作に
おいて接触子の姿勢の如何にかかわらず、接触子に溶接
線などを確実にたどらせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る接触式倣いセンサ装置の一例を
示す全体正面図。

【図２】図１の平面矢視図。

【図３】図１の III−III 線矢視前面図。

【図４】交差する二枚の被加工物とそれに形成された
溶接線を示すとともに、接触子をその溶接線上でコンプ
ライアンス制御モードにより倣いを行わせる手順の説明
図。

【図５】（Ａ）は重ね合わされた二枚の被加工物とそ
の間に形成された溶接線を示す斜視図、（Ｂ）は二枚の
被加工物が突き合わされて形成した溶接開先を示す斜視
図。

【図６】２自由度を有する接触式倣いセンサ装置の模
式図。

【図７】３自由度を有する接触式倣いセンサ装置の模
式図。

【図８】本発明における検出原理を示し、押付力が二
つの反力で打ち消され、接触子が溶接線上に拘束される
状態の説明図。

【図９】倣い位置演算装置の構成ブロック図。

【図１０】（Ａ）は各関節における座標系を示した接
触式倣いセンサ装置の正面図、（Ｂ）は各関節における
座標系を示した接触式倣いセンサ装置の平面図。

【図１１】回転関節におけるコンプライアンス制御の
ための構成ブロック図。

【図１２】コンプライアンス制御における作動モデル
図。

【図１３】回転関節位置決め制御を含む回転関節にお
けるコンプライアンス制御のための制御ブロック線図。

【図１４】高周波振動発生装置の構成ブロック図。

【図１５】（Ａ）は第二実施例における接触式倣いセ
ンサ装置の正面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面矢視図。

【図１６】直動関節におけるコンプライアンス制御の
ための構成ブロック図。

【図１７】直動関節位置決め制御を含む直動関節にお
けるコンプライアンス制御のための制御ブロック線図。

【図１８】接触式倣いセンサ装置を溶接ロボットに組
み込んだ溶接線倣い装置の構成図。

【図１９】溶接線倣い装置のコントローラの内部構成
と周辺装置との関係を示すブロック図。

【図２０】直角に交差する二枚の被加工物の溶接線に
接触子を関節位置決め制御する手順の説明図。

【図２１】接触子とそれに追従する溶接トーチとが溶
接線上を移動している様子を示す概略的斜視図。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ…被加工物（板材，被検出物）、２…線
状部位（溶接線）、３…直動関節、３Ａ…直動リンク、
４，４₁，４₂…回転関節、５…接触子、６…高周波振
動発生体（圧電セラミック・アクチュエータ）、７…接
触力検出器（力覚センサ）、８₃…直動関節位置計測器
（直動ポテンショメータ）、８₄…回転関節位置計測器
（回転ポテンショメータ）、９…倣い位置演算装置（溶
接線位置演算装置）、１０…リニアガイド、１１₃，１
１₄…サーボモータ、１２…圧縮コイルばね、１３，１
３Ａ…コンプライアンス制御装置、１５₃，１５₄…関
節位置決め制御装置、３１…ラックアンドピニオン、４
０…接触式倣いセンサ装置、５０…他の動作装置（溶接
トーチ）、ＳＷ₃，ＳＷ₄…スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田陽滋愛知県名古屋市瑞穂区御莨町１丁目22番地 (72)発明者神品泰宏大阪府高槻市川西町１丁目33番13号 (56)参考文献特開昭62−50081（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−35926（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−3475（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−94050（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/127 505 B23Q 35/04 B23Q 35/121

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】二つの被加工物が交差して形成される交
差線もしくは突き合わされるなどして形成される凹み線
などの線状部位を検出できるようになっている接触式倣
いセンサ装置において、上記線状部位を検出するために、該線状部位に直接接触
しながら倣うように移動される接触子と、上記線状部位に対面する側に設けられ、該線状部位に向
かって前記接触子を直線的に進退させる直動関節と、上記直動関節による前記接触子の直線的変位方向に対し
て垂直な方向へ延びるアームによって該直動関節を支持
するアーム支持機構と、上記アーム支持機構に設けられ、前記接触子の直線的変
位方向に対して垂直となる軸線のまわりに回転し、上記
直動関節を回動させる一以上の回転関節と、前記直動関節による直線的変位量を関節変数として検出
するため、該直動関節に取りつけられた直動関節位置計
測器と、前記回転関節による直動関節の回動量を関節変数として
検出するため、各々の回転関節に取りつけられた回転関
節位置計測器と、前記接触子に一体化して設けられ、前記線状部位に沿っ
て移動される接触子と被加工物との間に発生する摩擦力
を軽減するための高周波振動を発生させ、該接触子に微
小変位振動を与える高周波振動発生体と、前記直動関節位置計測器および回転関節位置計測器から
の出力信号により、前記接触子が線状部位を倣いながら
移動している位置を演算し、該接触子の線状軌跡を所望
する他の動作装置に再現させることができるように、そ
の演算結果を出力する倣い位置演算装置とが備えられて
いることを特徴とする接触式倣いセンサ装置。
【請求項２】前記直動関節にリニアガイドが装着さ
れ、該リニアガイドの動作により直動リンクを変位さ
せ、前記接触子を直線的変位させるようになっているこ
とを特徴とする請求項１に記載された接触式倣いセンサ
装置。
【請求項３】前記接触子を前記線状部位に拘束する押
付力を発生するとともに、接触子の被加工物に対する接
触力を前記直動関節において緩和する柔軟性を与えるた
め、該直動関節の直動リンクには圧縮コイルばねが装着
されていることを特徴とする請求項２に記載された接触
式倣いセンサ装置。
【請求項４】前記線状部位に沿って移動される接触子
の被加工物に対する接触力が所望値に維持されるように
前記回転関節を動作させるため、前記接触子にはその接
触力を検出する接触力検出器が取りつけられ、前記接触子の被加工物に対する接触力を該回転関節にお
いて緩和して柔軟性を与えるため、上記接触力検出器に
より検出された接触力検出信号をもとに回転関節を作動
させるサーボモータを能動的に制御するコンプライアン
ス制御が採用されていることを特徴とする請求項１に記
載された接触式倣いセンサ装置。
【請求項５】前記直動関節にサーボモータが装着さ
れ、該サーボモータの回転により作動するラックアンド
ピニオンを介して直動リンクを変位させ、前記接触子を
直線的変位させるようになっていることを特徴とする請
求項１に記載された接触式倣いセンサ装置。
【請求項６】前記線状部位に沿って移動される接触子
の被加工物に対する接触力が所望値に維持されるように
前記直動関節を動作させるため、前記接触子にはその接
触力を検出する接触力検出器が取りつけられ、前記接触子の被加工物に対する接触力を前記直動関節に
おいて緩和する柔軟性を与えるため、前記接触力検出器
により検出された接触力検出信号をもとにして前記サー
ボモータを能動的に制御するコンプライアンス制御が採
用されていることを特徴とする請求項５に記載された接
触式倣いセンサ装置。
【請求項７】サーボモータおよびそれに作動するラッ
クアンドピニオンを設けた直動関節と、サーボモータに
より駆動される回転関節とが設けられ、前記線状部位に沿って移動される接触子の被加工物に対
する接触力が所望値に維持されるように前記直動関節お
よび回転関節を動作させるため、前記接触子にはその接
触力を検出する接触力検出器が取りつけられ、前記接触子を前記線状部位に拘束する押付力を発生する
とともに、接触子の被加工物に対する接触力を前記直動
関節および回転関節において緩和する柔軟性を与えるた
め、前記接触力検出器により検出された接触力検出信号
をもとにして前記直動関節のサーボモータおよび回転関
節のサーボモータを能動的に制御するコンプライアンス
制御が採用されていることを特徴とする請求項１に記載
された接触式倣いセンサ装置。
【請求項８】前記コンプライアンス制御は、スイッチ
によって関節位置決め制御と切り替えられるようになっ
ていることを特徴とする請求項４、請求項６請求項７の
いずれかに記載された接触式倣いセンサ装置。