JP3517529B2 - 画像入力型ロボットシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は画像入力型ロボット
システムに係り、特にダイレクトティーチングだけでな
くオフラインティーチングをも不要にする画像入力型ロ
ボットシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】工場の製造ラインにおいては、さまざま
なかたちでロボットが利用されている。主な用途として
は自動車ラインにおける溶接、電子部品の組立などがあ
げられるが、その他にも、マテハン・塗装・面取り作業
などのさまざまな分野で利用されている。

【０００３】ロボットの特徴は、ソフトウェアを変更す
ることによりさまざまな動きをさせることができる自動
機械であることにある。従来の機械は専用機械であり対
象ワークごとに最適な形状をしているために、ほかのワ
ークに対してはまた別の専用機械を用意する必要があっ
た。ロボットの場合は、ティーチングをし直すことによ
り、その動作範囲内においてどのような動きをもさせる
こともでき、従って、従来の機械と比較して汎用性を非
常に大きくできるのである。

【０００４】しかし、近年の多品種少量生産の流れの
中、多くの製造ラインにおいて同一のワークを生産する
機会が少なくなってきている。

【０００５】また、大量の部品に対し同一の作業を繰り
返し何週間・何カ月と繰り返せばよい作業の多くは、こ
れまでにすでにロボット化・自動化が行われてきた。現
在、自動化できずに残っている作業の多くは多品種少量
生産の現場における作業である。

【０００６】多品種少量生産の現場にいままで以上にロ
ボットを導入してゆくためには、ティーチングに要する
時間を短縮することが非常に重要になる。ダイレクトテ
ィーチングでは、現場での作業であるためにラインを止
めて行う必要がある上に、何時間あるいは何日にもわた
って時間がかかることも多い。このようなダイレクトテ
ィーチングの問題点を解決するものとして、オフライン
ティーチングが登場してきた。

【０００７】オフラインティーチングとは、計算機の中
にロボットや周辺機器、対象ワークの幾何形状モデルを
作成し、コンピュータグラフィックスを用いて、現場環
境を計算機の中に再現した状態で、ロボットの動きをコ
ンピュータ上で教えようというものである。現場のライ
ンを止める必要がない上に、実際のロボットをその安全
性を確認しつつ低速度で動かしながらティーチングする
場合に比べてより短時間でティーチングを行うことがで
きる。しかしながら、それでもひとつのティーチングに
何時間とかかることはよくあることであり、ひとつひと
つのワークが異なる場合にはそのティーチング時間が多
大なために、ロボット導入が不可能になることがある。

【０００８】近年、多品種少量生産ラインに対応できる
ように、それぞれの対象製品ごとの専用システムが開発
されており、この専用システムを用いて簡易なティーチ
ング作業により、自動的にロボットの作業プログラムが
作成されるオフラインティーチングシステムが開発され
てきている。このような専用システムの多くは、溶接用
ロボットにおけるものである。それらのシステムの特徴
としては、以下のようなものがあげられる。

【０００９】・対象物を限定し、限定された各対象物に
対する作業をあらかじめ解析しておき、システムに登録
しておく。 ・オペレータが、各対象ワークに対して、その形状分類
や寸法などの値をシステムに入力するだけで、あらかじ
め登録されていたロボットの動きを組み合わせることに
より、そのワークに対するロボットプログラムを自動生
成する。 ・オペレータが入力するかわりに、ＣＡＤとのインタフ
ェースを有し、オペレータが入力すべきデータが自動的
にオフラインティーチングシステムに入力されるように
したものもある。 ・生成されたロボットの動きで周辺物と衝突するかどう
かを、計算機内部の幾何形状モデルを用いて干渉チェッ
ク計算を行うことによりチェックし、干渉することが判
明した場合には、ユーザに軌道の修正を依頼したり、中
にはあらかじめ決められたルールにより、ロボットの新
しい軌道を自動的に生成するものもある。

【００１０】このようなシステムは、通常のオフライン
ティーチングソフトを用いたティーチングと比較すれば
非常に短時間でティーチングを行うことが可能となる。
特に、ＣＡＤ等とのインタフェースをとれば、ほとんど
ティーチングレスなロボットシステムを実現することが
できる。

【００１１】しかし、ＣＡＤデータが利用不可能な状況
もいまだ多く、そのような場合にはオペレータがひとつ
ひとつのワークに対してその形状データを入力しなけれ
ばならない。また、対象ワークの形状が単純であるかあ
るいはその種類が限られていれば、オペレータが入力す
るデータ量は少なくてすむが、対象ワークの形状が複雑
になるにつれて入力に要する時間が増大するとともに入
力ミスの可能性も増えてくる。

【００１２】一方、ＣＡＤデータ等とのインタフェース
が不可能な場合にも、画像処理等によりワーク形状およ
び位置を現場で各ワークについて計測を行うことができ
れば、やはりオペレータによるデータ入力を不要とする
ことができる。

【００１３】しかしながら、画像処理等によりワーク形
状および位置を現場で各ワークについて計測を行いオペ
レータによるデータ入力を不要とした例は、未だ存在し
ていない。

【００１４】上述のようなオフラインティーチングが必
要とされる状況では、計測すべきワークがさまざまであ
る。また、形状の定まったあらかじめ登録済みのいくつ
かのワークの中から入力画像の中にうつっているワーク
はどれであるのかを選べばよいのではなく、寸法や長さ
がわからないワークの寸法や長さを計測したり、形状に
対するある程度の限定はあるものの、あらかじめ形状の
わかっていないワークの形状を求める必要がある。ロボ
ットに画像処理装置を組み合わせて利用する例は数多く
あるものの、通常の使用例は、あらかじめ特定形状のワ
ーク、あるいは非常に限定された個数のワークの位置を
計測できるように画像処理のプログラムを作成してお
き、現場でそのプログラムが実行され、各ワークの位置
やワークの判別を行うことにより、治具等により正確に
位置決めされていない状況でもロボットによるハンドリ
ングを可能にするというものである。

【００１５】上述のようなオフラインティーチングが必
要とするワーク形状を測定する計測システムに要求され
る機能としては、以下のようになる。 ・ＣＡＤデータのような、いくつの面・稜線・頂点で構
成され、各面はどの稜線からどのように構成され、どの
ような種類の面（平面・２次曲面・スプライン等）、ま
た各稜線の種類や端点はどの頂点か、各頂点の座標値
は、数値だけでなく要素間の接続関係や形状の種類を表
すシンボリックな情報も含む、形状データを求める。 ・特に、オフラインティーチングシステムの中で、形状
データからロボットの動きを作成するために、あらかじ
めある形状に対するロボットの動きが登録されているこ
とが多いが、入力形状データとしては、各ロボットの動
きに対応するどの形状であるか、という情報が必要とな
る。

【００１６】一例として、面取り作業をロボットに行わ
せることを考えると、対象ワークが板を自動機械により
溶断したものであり、直線と円弧の組み合わせで表され
るとすると、オフラインティーチングシステムに必要と
なるワーク形状データは、ワークの高さ、ワークの上下
面の稜線はどのような直線と円弧の組み合わせで構成さ
れているか、という情報になる。あらかじめ、各ワーク
がどのような形状かわからなくても、入力画像からその
ワークがどのような直線と円弧で構成されているかを検
出できる画像処理装置はなく、従って、前述のような、
簡易オフラインティーチングシステムにワーク形状を計
測するために画像処理が適用される例はいまだなかっ
た。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のロ
ボットでは、多品種少量生産を可能とする非常に短時間
なオフラインティーチングを実現するために、ＣＡＤデ
ータ等から各ワーク形状データを入力するとともに、各
形状に対するロボットの動きをあらかじめシステム内に
登録しておき、各ワーク形状データが入力された時点
で、いくつかの登録済みのロボットの動きを組み合わせ
ることにより、ロボットプログラムを自動生成するシス
テムを開発する試みがなされてきた。

【００１８】しかし、ＣＡＤの普及はめざましいもの
の、いまだＣＡＤを設計に利用していなかったり、ある
いはＣＡＤを単に図面作成のみに利用しているだけであ
ったり、また、寸法値は正確でも形状データが正確では
ない等の理由により利用できる形状データが存在しない
状況が多い。このような場合には、オペレータが、各ワ
ークの形状をオフラインティーチングシステムに入力す
る必要があり、ワーク形状が複雑であると、そのデータ
入力に要する作業時間が無視できないという問題があっ
た。

【００１９】また特に、面取り作業やバリ取り作業にロ
ボットが適用される例は増えているものの、各ワークに
対する加工条件がさまざまに異なるために、これまでに
適用されている例は、あらかじめ加工条件を出してお
き、大量に同じワークがラインに流れてくるところで、
ロボットは同じ作業を繰り返し実行するものに限られて
いた。しかし、面取り作業やバリ取り作業が要求される
対象ワークは、むしろひとつひとつの個数が少ない現場
が多い。そのようなアプリケーションにはロボットはこ
れまでは適用されてこなかった。

【００２０】そこで本発明の目的は上記従来技術の有す
る問題を解消し、ダイレクトティーチングだけでなくオ
フラインティーチングをも不要にし、多品種少量ライン
への導入が容易な画像入力型ロボットシステムを提供す
ることである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による画像入力型ロボットシステムは、ワー
クに作業を施すロボットと、ワークの形状を表すワーク
画像を得るためのワーク画像化手段と、前記ワーク画像
化手段で得たワーク画像からワークの形状を表す形状デ
ータを演算してワーク形状を検出するワーク形状検出手
段と、ワーク形状の種類に応じて予め定めた前記ロボッ
トの作業工程に関する登録データと前記ワーク形状検出
手段で検出した形状データとを参照し所望の作業を前記
ロボットに指示するためのロボット言語列を生成するロ
ボット言語列生成手段とを備え、前記ワーク形状検出手
段は、ワーク画像からワークの背景を識別してワークの
領域を抽出し、抽出されたワーク領域の境界を構成する
境界点の点列を求め、求めた境界点の点列から前記ワー
ク領域の前記境界がどのような直線と円弧の組み合わせ
になっているかを求め、ワークの輪郭を演算し、前記ロ
ボット言語列生成手段は前記円及び前記直線に関する予
め登録されたロボット言語列を呼び出し可能であること
を特徴とする。

【００２２】

【００２３】また、好適には前記ワーク画像化手段は、
ビデオカメラまたはレーザレンジファインダまたはレー
ザ変位計を有する。

【００２４】上述の発明において、ワーク画像化手段で
得たワーク画像からワーク形状検出手段によって形状デ
ータを演算してワーク形状を検出する。ワーク形状検出
手段は、ワークが例えば円と直線とからなる場合のよう
に複数の形状要素からなる場合には形状要素の部分毎に
予め限定された範囲毎に形状データを演算しワーク形状
を検出する。ロボット言語列生成手段には加工諸条件等
のロボットの作業工程に関する登録データをワーク形状
の種類に応じて予め定めて登録されており、ロボット言
語列生成手段ははこの登録データとワーク形状検出手段
で検出した形状データとを参照し、所望の作業を特定し
この作業をロボットに指示するためのロボット言語列を
生成する。

【００２５】本発明の画像入力型ロボットシステムによ
れば、ビデオカメラ等で撮影された各ワークの画像が画
像入力手段によりコンピュータに取り込まれ、あらかじ
め限定されている範囲内のワークの形状を検出するよう
にプログラムされているワーク形状検出手段によりワー
ク形状が検出され、やはりあらかじめ定められた形式に
より出力される。たとえば、検出すべきワーク形状が２
次元平面であり、その稜線は直線と円弧の組み合わせに
限定されている場合には、入力画像からワーク輪郭を検
出して、その輪郭がどのような直線と円弧の組み合わせ
になっているかを検出する画像処理プログラムを用意し
ておき、出力形式としては、ワーク輪郭を構成するエッ
ジの個数、各エッジが直線か円弧か、さらに各エッジの
方程式および端点の座標値を表示することが考えられ
る。ワーク形状検出手段によりワーク形状が検出された
ら、あらかじめ登録、保存されている各形状に対するロ
ボットの動き等に関する登録データを参照して、検出さ
れたワーク形状に対するロボットの動きを表現するロボ
ット言語列からなるロボットプログラムを自動生成し、
生成されたロボットプログラムによりロボットが作業す
る。

【００２６】また、ワーク形状検出手段に、あらかじめ
直線と円弧の組み合わせからなるワークの形状を検出す
るようにプログラムされている場合には、ワーク輪郭を
構成するエッジの数、各エッジの直線・円弧の種別およ
び各エッジの方程式と端点の座標値が検出され、やはり
あらかじめ定められた形式により出力される。ワーク形
状検出手段により、ワーク形状が検出されたら、あらか
じめ登録、保存されている直線と円弧に対するロボット
の動きを取り入れ、検出されたワークに対するロボット
の動きを表現するロボット言語列からなるロボットプロ
グラムを自動生成し、生成されたロボットプログラムに
よりロボットが面取り作業やバリ取り作業を実行する。

【００２７】なお、ワーク形状検出手段としては、本出
願人により出願された特願平８−７９９号に記載された
エッジ検出画像処理手段を用いることが可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。

【００２９】図１は、本発明による画像入力型ロボット
システムの一実施形態例についての概略構成を示す図で
ある。

【００３０】図１において、画像入力型ロボットシステ
ムは、ワーク２、３に作業を施すロボット４と、ワーク
２、３の形状を表すワーク画像を得るためのワーク画像
化手段としてのビデオカメラ１と、ビデオカメラ１から
のワーク画像をコンピュータ１０に取り込むための画像
入力手段５と、ビデオカメラ１で得たワーク画像からワ
ーク２、３の形状を表す形状データを演算してワーク形
状を検出するワーク形状検出手段６と、ワーク形状の種
類に応じて予め定めたロボット４の作業工程に関する登
録データとワーク形状検出手段６で検出した形状データ
とを参照し所望の作業をロボット４に指示するためのロ
ボット言語列を自動的に生成するロボット言語列自動生
成手段７と、ロボット言語列自動生成装置７で生成した
ロボット言語列をロボット４に指示するロボットコント
ローラ８とから構成されている。

【００３１】ロボット４は溶接用のロボットであり、先
端に溶接トーチがとりつけられている。

【００３２】ワーク形状検出手段６は後述するように、
ワーク画像からワーク２、３の背景を識別してワーク
２、３の領域を抽出し、抽出されたワーク領域の境界を
構成する境界点の点列を求め、求めた境界点の点列から
ワークの輪郭を演算する。

【００３３】以下に、画像入力型ロボットシステムがダ
イレクトティーチングだけでなくオフラインティーチン
グをも受けることなく、ワーク２をワーク３に溶接する
ためのロボットプログラムを自動生成し溶接作業を行う
ことについて説明する。

【００３４】図２（ａ），（ｂ）は、作業対象となるワ
ークの種別を示す図である。ワーク３は常に同じ形状で
あるが、ワーク２は直方体形状をしたものと、円筒形を
したものの二種類が存在する。ワーク３はロボット４お
よびビデオカメラ１に対して、あらかじめ設定された位
置に正確に位置決めされるものとする。また、その位置
はあらかじめ既知であり、しかもワーク３の形状、厚み
も既知であるために、ワーク２が設置されるワーク３表
面の３次元空間における平面の方程式は既知であるもの
とする。これらのワークに対して、ワーク２とワーク３
が接している稜線を溶接することにより、ふたつのワー
クを結合することが要求される作業である。また形状と
しては、直方体と円筒の二種類であるが、それぞれの寸
法：各辺の長さ、高さ、円の半径等は各ワークごとに異
なる。なお、ワーク２のワーク３に対する設置位置は、
ワーク２中心位置は、あらかじめ定められた４種類の特
定の位置のどこかに正確に位置決めされているものと
し、ワーク２の姿勢はあらかじめ定められた向きに設定
されているものとする。またワーク２とワーク３の色は
はっきりと違い画像的に識別可能であるとする。

【００３５】まずはじめに、ビデオカメラ１の映像信号
出力が画像入力手段５にとりこまれる。その映像信号が
コンピュータ１０の画像入力手段によりデジタル化され
コンピュータ１０のメモリに取り込まれる。ワーク形状
検出手段６には、入力画像から直線および円弧の組み合
わせで稜線が構成されているワークの高さおよび上下面
の稜線がどのような直線および円弧の組み合わせである
かを検出できるようにプログラムされたものが格納され
ている。ワーク形状検出手段６がワーク形状として、ワ
ーク形状が直方体か円筒か、またその高さ、円筒であれ
ばその半径、直方体の場合は上下面のふたつの辺の長さ
を出力すると、ロボット言語列自動生成装置７はあらか
じめ登録されている、さまざまな条件における溶接条件
に従ってロボットを動かすロボットプログラムを生成し
て、ロボットコントローラ８に転送する。転送が完了す
るとロボットコントローラ８がそのプログラムを実行す
ることにより、溶接作業が行われる。

【００３６】図３はワーク形状検出手段６により、ワー
ク形状が検出される手続きを示したフローチャートであ
る。また、図５はこれらの手続きに対応するディスプレ
イ上の画像を示す。

【００３７】コンピュータ１０は、あらかじめワーク２
が設置されていない際の図５（ａ）に示すような画像を
保存しており、ステップＳ１０２にて図５（ｂ）に示す
ようにワーク２、３を含む入力画像とワーク２が設置さ
れていない際の画像との差分をとることにより差分画像
を生成する。差分画像ではワーク２の領域では値が大き
く、それ以外ではほとんど値が０になっているので、容
易にワーク２の領域を検出することができる。

【００３８】ステップＳ１０３では、差分画像をもとに
図５（ｃ）に示すように画面内におけるワーク２輪郭上
の点列を時計まわりに求めてゆく。点列を求める手続き
は、差分画像で、上から下へ向かって、各列について、
各要素の値があらかじめ設定したしきい値をはじめて越
える点を順次求めてゆき、次には右から左へ向かって同
様に各行について各要素の値がしきい値をはじめて越え
る点を順次求めてゆき、さらに下から上に向かって、そ
して左から右へ向かって行うことにより求められる。

【００３９】ステップＳ１０４では、求められたワーク
境界点列から、図５（ｄ）に示すように画面内における
ワーク輪郭がどのような直線と円弧の組み合わせである
かを検出する。まずワーク輪郭を折れ線近似により、ど
の点からどの点までがひとつの直線に属するか、を求め
てゆく。ひとつの直線に属するかどうかの判定は、点列
の両端の点を結んだ直線から、その両端の間にはさまれ
るすべての点までの距離を計算して、最も直線から離れ
ている点の距離により行う。距離が１．５画素を越えな
ければ、ひとつの直線とみなす。ワーク境界点列の最初
の点から順にひとつの直線とみなせるかどうかの判定を
行ってゆくことにより、ワークの境界はいくつの折れ線
により近似され、各折れ線はワーク境界点列の何番から
何番の点までであるかが求められる。求められた折れ線
はワーク２の上面に属する場合、下面に属する場合およ
び側面のエッジである場合がある。

【００４０】つぎに、図５（ｅ）に示すように各折れ線
がワーク上面に属するか、下面に属するか、側面に属す
るかを調べる。この判定は、差分画像での各折れ線中央
付近のワーク境界点上下の点の値を調べることにより容
易に行うことができる。たとえば境界点の上側の値は大
きいが、下側の値はほとんど０であれば、その折れ線は
下面に属する。側面に属する場合には、この判定では求
められないので、まずワーク３表面の平面の方程式を用
いて、折れ線の中からワーク２側面のエッジを検出す
る。各折れ線がワーク側面のエッジであると仮定する
と、その折れ線の端点の一方はワーク３表面に存在する
はずであり、ワーク３表面の平面の方程式とその端点の
画面内では座標値からその端点の３次元空間での座標値
が算出できる。また、その折れ線がワーク側面のエッジ
であればＢワーク表面にある端点を通り、ワーク３表面
に垂直であるはずであるので、その３次元空間での直線
の方程式が算出でき、従って画面内での直線の方程式も
算出できる。算出された直線の方程式と実際の折れ線の
傾きを比較することにより、各折れ線が側面のエッジで
あるかどうかを判定する。

【００４１】図４に、検出されたワークのエッジが側面
のエッジであると仮定したときのエッジの位置と、実際
の位置を比較する様子を示す。ワーク側面のエッジに
は、曲面の境界線が見えている場合もある。ワーク２が
円筒の場合はその例である。その場合には画面内でみえ
ている側面のエッジはワーク３表面に正確には垂直にな
らないが、傾きの判定に余裕をもたせるとともに、両隣
りのエッジがワーク上面に属するか下面に属するかを調
べることにより、判定を行う。

【００４２】ワーク側面のエッジが検出されると、ワー
ク３表面の平面の方程式を用いることにより、その両端
点の３次元空間での座標値が計算されるのでワーク高さ
が算出される。やはり、側面のエッジが曲面の境界線の
場合には、正確にワーク高さが求められない。そこで、
この大まかなワーク高さの推定値を用いて、ワーク下面
に属するエッジの中で、最も長いエッジを探し、そのエ
ッジと平行な上面に属するエッジの画面内での位置を、
ワーク高さの推定値を用いて計算し、その近傍領域のエ
ッジ検出を行うことにより、正確な位置を算出する。こ
のふたつの平行なエッジの画面内での位置からワーク高
さを正確に求める。

【００４３】ワーク高さが求められたら、ワーク上面の
３次元空間での方程式は容易に求められるので、各折れ
線が属する平面の３次元空間での方程式が定まる。その
後、連続する複数の折れ線がひとつの円弧からなると仮
定して、その円弧の３次元空間での方程式をワーク境界
点列の中の３点の座標値および折れ線が属する平面の方
程式を用いて算出した後に、残りのワーク境界点とのず
れから、ひとつの円弧とみなせるかどうかの判定を行っ
てゆくことにより、複数の折れ線がひとつの円弧で十分
近似できるものを探し、順次折れ線を円弧で置き換えて
ゆく。ひとつの円弧とみなせるかどうかの判定は、以下
のように行う。

【００４４】折れ線ＬｉからＬｊまでがひとつの円弧と
みなせるかどうかの判定を行うために、まず折れ線Ｌｉ
の端点Ｐ、折れ線Ｌｊの端点Ｑおよび、ワーク境界点列
の中で点Ｐと点Ｑの中間になる点の合計３点を通り、そ
れらの折れ線が含まれる平面の方程式上にある円弧の方
程式を算出する。円弧の方程式の算出は以下のように行
う。最初に選ばれた３点の画面内での位置から３次元空
間での座標値を算出する。点Ｘの画面内での座標値が
（ｘｆ０，ｙｆ０）、点Ｘが存在する平面の３次元空間
での方程式を ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０ とする。点Ｘの３次元空間での座標値（ｘｃ０，ｙｃ
０，ｚｃ０）と画面内での座標値（ｘｆ０，ｙｆ０）と
の間には以下のように関係がある。

【００４５】

【数１】 ｆはビデオカメラ１のレンズの焦点距離である。点Ｘの
画面内での座標値は、画面中心を原点とする座標系での
値であるものとする。また、座標系（ｘｃ，ｙｃ，ｚ
ｃ）と、座標系（ｘｆ，ｙｆ）のｘ，ｙ軸は平行である
ものとする。

【００４６】すると、上記のふたつの関係式から、点Ｘ
の３次元空間での座標値（ｘｃ０，ｙｃ０，ｚｃ０）が
算出できることが容易にわかる。

【００４７】前述の３点について、その３次元空間での
座標値が求められると、その３点を通る円弧の中心位置
は、やはり既知のワーク平面上に存在するはずであるの
で、円弧中心位置から３点までの距離は等しいというふ
たつの方程式および、円弧中心は既知のワーク平面上の
点であるという方程式により、円弧中心の座標値が算出
され、その結果、円弧の半径は容易に算出される。円弧
中心の座標値を（ｘｃｐ，ｙｃｐ，ｚｃｐ）とすると、
以下のように円弧中心の座標値が算出できる。

【００４８】

【数２】 算出された円弧の方程式から、その円弧上の点の座標値
を１度ごとに３６０点について計算して、各点について
画面内での座標値に変換して配列ｘｆｃｉｒｌｅに保存
する。点Ｐから点Ｑまでのワーク境界点の各点につい
て、配列ｘｆｃｉｒｃｌｅの中で、最も距離が小さい点
を探し、その点との距離ｌｉを計算する。各ワーク境界
点についての距離ｌｉの平均をとり、その値が１画素を
越えない場合には、ひとつの円弧としてみなせると判定
し、１画素以上の場合には、ひとつの円弧としてみなせ
ないと判定する。

【００４９】以上の処理の結果、ワーク境界がどのよう
に直線と円弧の組み合わせで構成されているかが求めら
れたので、ステップＳ１０５にて各直線部分や円弧部分
の方程式を入力画像にエッジ検出処理を直接ほどこすこ
とにより、より正確に求める。またそれらの方程式の交
点を算出することにより、各直線部分や円弧部分の交点
の座標値が求められる。

【００５０】ワーク上面のエッジの中には、輪郭を構成
するエッジとしてすでに検出されているエッジと、まだ
検出されていないエッジがある。ステップＳ１０６で
は、検出されていないエッジを、それと平行な下面のエ
ッジの画面内での位置、ワークの高さから、その画面内
でのおよその位置を推定した後に、推定された位置近傍
のエッジ検出処理を行い、正確な位置を算出する。ワー
ク上面のエッジの画面内の正確な位置が全て算出されれ
ば、ワークの高さが算出されているので、ワーク形状が
完全にわかったことになる。最後に、画面内の各エッジ
の位置、ワーク設置台の３次元的な位置およびワークの
高さの値から各エッジの３次元的な位置を算出すること
により、ワークの３次元的な完全な形状および位置を算
出できたことになる。なお、図５（ａ）〜（ｅ）にＴ字
型ワークに対して上記処理を順次行った結果を示す。

【００５１】最後に、ワーク形状検出手段６は、検出さ
れたワーク形状から、ワークが直方体か円筒かを判別す
るとともに、以下の形式によるワーク形状出力を作成す
る。。 ワーク形状（０：直方体，１：円筒） 寸法値 円筒の場合には、 半径 高さ 直方体の場合には ｘ軸方向の辺の長さ ｙ軸方向の辺の長さ 高さ ワーク位置 ワーク位置は、あらかじめ設定された４種類の位置のど
こであるかを示すために、０から３の値のどれかが設定
される。

【００５２】ロボット言語列自動生成手段７では、上記
のワーク形状データから、あらかじめ登録されている、
さまざまな条件における溶接条件に従ってロボット４を
動かすロボットプログラムが生成される。本実施形態例
では、溶接箇所では常にふたつのワーク２、３が垂直に
設置されている。また、溶接トーチ等が周辺の物体と衝
突する可能性もないので、ロボット４の動きとしては、
溶接すべきエッジに対して、常に４５度の姿勢でエッジ
に平行に所定の速度で移動するものとする。図６にロボ
ット先端の姿勢を示す。

【００５３】ロボットコントローラ８では、ロボット言
語でのロボット動作が可能であり、動作指示はロボット
関節角度指定とともに、作業座標指定も可能であるもの
とする。これは産業用ロボットにおいては、一般的な機
能である。ロボットコントローラ８における、直線移動
命令と円弧補間命令は以下のように表されるものとす
る。 直線移動命令： ｍｏｖｅｌ ｐ１ 円弧補間命令： ｍｏｖｅｃ ｐ１，ｐ２ ｐ１，ｐ２は教示点の位置を示すベクトル変数であり、
あらかじめ定義された座標系における、やはりあらかじ
め指定されたロボットツール座標系のｘ，ｙ，ｚ座標値
およびロール、ピッチ、ヨーの値である。上記直線移動
命令は、その命令が実行された時点での位置から点ｐ１
までロボットツールが直線移動する動作を指示する命令
であり、動作速度はあらかじめ指定された値となる。一
方、上記円弧補間命令は、その命令が実行された時点で
の位置から点ｐ１を通り点ｐ２まで、円弧補間された軌
道を一定の速度で移動する命令であり、やはり動作速度
はあらかじめ指定された値となる。円弧とは、命令実行
時の位置と点ｐ１，点ｐ２の３点を通る円弧である。

【００５４】ロボットコントローラ８では、あらかじめ
指定した作業座標系での目標値を指定することが可能で
あるので、前述のように、溶接すべきエッジに対する溶
接トーチの位置および姿勢関係が常に一定でよければ、
ロボットプログラムは非常に簡単になることがわかる。
ロボットによる溶接動作は、以下の手順になる。 １）作業開始位置までの移動 ２）溶接条件の設定 ３）溶接開始 ４）溶接するエッジに沿った、溶接トーチがとりつけら
れたロボットツール先端の一定速度での移動 ５）溶接停止 ６）基準位置への移動 ワーク２が円筒形状の場合を説明する。直方体形状の場
合も同様である。作業開始位置をｐ１，作業開始位置か
ら、ワークＡの中心に対して同一円周上に９０度間隔で
とった３点をそれぞれｐ２，ｐ３，ｐ４とする。また、
基準位置をｐ５とする。図７にその様子を示す。

【００５５】上記のロボット４による溶接動作はロボッ
トプログラムを用いれば以下のように記述できる。 上記プログラムにおける、「ｓｐｅｅｄ １０」は、ロ
ボットの動作速度を１０に設定することを意味する。そ
の後には、溶接電流、溶接電圧等の溶接条件の設定命令
が続く。「ｄｓｅｔ １」は、デジタル出力のチャネル
１の出力を１に設定するという意味であり、一方「ｄｒ
ｅｓｅｔ １」は、デジタル出力のチャネル１の出力を
０に設定するという意味であり、それぞれ溶接開始およ
び溶接停止に対応するようになっているものとする。

【００５６】ワークの位置、半径や高さによる動作の変
化は、上記プログラムの前に記述する作業座標系の設定
およびｐ１からｐ５までの教示点の座標値の定義を変更
することによりできる。また、ワーク高さの違いによる
溶接条件の変化は、動作速度も含めてあらかじめルール
化しておき、ワーク高さに従った設定を上記プログラム
の溶接条件の設定箇所で行えばよい。

【００５７】作業座標系の設定は、あらかじめワークＡ
の位置が４種類に限られているので、各位置において作
業座標系の原点がワークＡの底面中央になり、ｚ軸はワ
ークＡの高さ方向となる作業座標系を求めておき、ワー
ク形状検出手段６の出力に従って４種類の定義済み作業
座標系の中から選べばよい。ｐ１からｐ４は、作業座標
系の原点を中心として、ｚ＝（あらかじめ設定されたワ
ーク稜線から溶接トーチ先端までの距離のｚ軸への投影
成分、図６中のＬ１）平面内に、その半径がワークの半
径＋あらかじめ設定されたワーク稜線から溶接トーチ先
端までの距離のｘ−ｙ平面への投影成分（図６中のＬ
２）である円弧上に９０度間隔でとればよい。ワーク形
状検出手段６の出力にはワーク形状が含まれているの
で、ｐ１からｐ４の座標値は容易に計算できる。また、
ｐ５は、あらかじめロボットの作業終了後の待避場所と
して設定しておき、どのようなワークでも共通の値とす
ればよい。

【００５８】以上の手続きにより、ロボット言語列自動
生成手段７により、各ワークに対応したロボットプログ
ラムが生成される。その後、生成されたロボットプログ
ラムは、ロボットコントローラ８に転送され、ロボット
がそのプログラムを実行することにより、ティーチング
なしでのロボットによる溶接が実行される。

【００５９】次に、図８を参照して本発明の他の実施形
態例について説明する。図８は画像入力型ロボットシス
テムの他の実施形態例の概略構成を示す図である。図８
に示す実施形態例においては、ワーク画像化手段として
レーザレンジファインダ１１が採用されている。レーザ
レンジファインダ１１はレーザ光線をワーク２、３の表
面上を走査し、ワーク２、３の表面上の走査光線の長さ
等を三角測量法により演算し、ワーク２、３の３次元形
状データを求める。図１における画像入力手段５の機能
は、レーザレンジファインダ１１自身が持ち合わせてい
る。

【００６０】以下に図８に示す画像入力型ロボットシス
テムにより、ワーク２をワーク３に溶接する溶接作業が
行われる様子を説明する。

【００６１】対象ワークの種別は前述の実施形態例と同
様に図２に示す通りであるとする。ワーク３の形状は常
に同じであるが、ワーク２は直方体形状をしたものと円
筒形をしたものの二種類が存在する。ワーク３はロボッ
ト４およびレーザレンジファインダ１１に対して、あら
かじめ設定された位置に正確に位置決めされるものとす
る。また、その位置はあらかじめ既知であり、しかもワ
ーク３の形状、厚みも既知であるために、ワーク２が設
置されるワーク３表面の３次元空間における平面の方程
式は既知であるものとする。これらのワーク２、３に対
して、ワーク２とワーク３が接している稜線を溶接する
ことにより、ふたつのワーク２、３を結合することが要
求される作業である。また形状としては、直方体と円筒
の二種類であるが、それぞれの寸法：各辺の長さ、高
さ、円の半径等は各ワークごとに異なる。なお、ワーク
２のワーク３に対する設置位置は、何種類かあるもの
の、ワーク２中心位置は、あらかじめ定められた４種類
の位置のどこかに正確に位置決めされているものとし、
ワーク２の姿勢はあらかじめ定められた向きに設定され
ているものとする。

【００６２】まずはじめに、レーザレンジファインダ１
１からワークの３次元形状が出力される。出力フォーマ
ットは２次元配列 ｒａｎｇｅ［ｉ］［ｊ］ であり、各要素ｒａｎｇｅ［ｉ］［ｊ］はレーザレンジ
ファインダ１１の視野を格子状に区切り、左からｊ番
目、上からｉ番目の格子における、レーザレンジファイ
ンダ１１から対象物までの距離を表している。

【００６３】レーザレンジファインダ１１出力は、ワー
ク形状検出手段６に取り込まれ、ワーク３表面にｘ−ｙ
平面があるワーク座標系での値に変換された後に、ｚ座
標値が０から急激に増加している箇所である、ワーク２
とワーク３の接している稜線上の点列が検出される。検
出された点列から、ワーク形状が直方体か円筒か、円筒
であればその半径、直方体の場合は上下面のふたつの辺
の長さ、を検出した後に、レーザレンジファインダ１１
からの出力データよりワーク高さを検出する。以上のワ
ーク形状検出手段６の出力より、ロボット言語列自動生
成装置７はあらかじめ登録されている、さまざまな条件
における溶接条件に従ってロボットを動かすロボットプ
ログラムを生成して、ロボットコントローラ８に転送す
る。ロボットコントローラ８は転送が完了すると、その
プログラムを実行することにより、溶接作業が行われ
る。

【００６４】図９はワーク形状検出手段６により、ワー
ク形状が検出される手続きを示したフローチャートであ
る。ステップＳ２０１でレーザレンジファインダ９の出
力である２次元配列ｒａｎｇｅ［ｉ］［ｊ］が入力され
る。ステップＳ２０２では、まずレーザレンジファイン
ダ出力である配列ｒａｎｇｅ［ｉ］［ｊ］から、レーザ
レンジファインダに原点があり、レーザ照射方向をｚ軸
にとるカーティシャン座標系へのデータ変換を行う。配
列ｒａｎｇｅ［ｉ］［ｊ］は、画面内で上からｉ番目で
あり左からｊ番目である格子に対応する方向に距離がｒ
ａｎｇ［ｉ］［ｊ］だけ離れた位置に対象物が存在する
ことを示している。その点が、ｘ−ｙ−ｚの３次元で表
すとどのような座標値［ｘc ，ｙc ，ｚc ］になるのか
を計算した後に、ワーク３表面にｘ−ｙ平面を有する座
標系への座標変換計算を行い、新しい配列ｓｈａｐｅ
［ｉ］［ｊ］を生成する。ワーク３表面およびレーザレ
ンジファインダは常に固定位置にあるので、ふたつの座
標系の間の座標変換行列をあらかじめキャリブレーショ
ンにより求めておく。座標変換計算は、以下のように

【００６５】

【数３】 あらかじめ求めておいた座標変換行列Ｔを、レーザレン
ジファインダ１１に原点をもつ座標系での座標値［ｘc
，ｙc ，ｚc ］にかけてゆくことにより行われる。な
お、レーザレンジファインダ１１の出力である配列ｒａ
ｎｇｅ［ｉ］［ｊ］には、ワーク２側面上の点も含まれ
ている。しかし、この座標変換の結果、ワーク側面上
の、ワーク３表面と垂直な直線上の点列は、全て同一点
に重なってしまう。つまり、真上からみたときに、ワー
ク３表面と垂直な直線上の下から上へ向かって高さが高
くなってゆく点列は、全て同一点に重なる。真上からみ
たときの、ワークの高さは、それらの点の中で最も値が
大きい（高さが高い）点の値である。従って、上記の座
標変換計算を行った結果（ｘｗ，ｙｗ，ｚｗ）から、直
接配列ｓｈａｐｅ［ｉ］［ｊ］に値を代入するのではな
く、あらかじめ座標変換計算を行う前に配列ｓｈａｐｅ
［ｉ］［ｊ］の全要素を０に初期化しておき、座標変換
計算の結果（ｘｗ，ｙｗ，ｚｗ）が算出された際に、配
列ｓｈａｐｅ［ｘｗ］［ｙｗ］の値と、ｚｗの値を比較
し、ｚｗの方が大きい場合には、配列ｓｈａｐｅ［ｘ
ｗ］［ｙｗ］の値をｚｗに修正する、という手続きをと
る。

【００６６】ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２
で算出された配列ｓｈａｐｅ［ｉ］［ｊ］から、ワーク
２底面の稜線上にある点を検出する。ワーク２底面の稜
線上にある点とは、配列ｓｈａｐｅ［ｉ］［ｊ］の値が
０付近から、急激に増加する境界の点になっている。一
方、ワーク２上の点では、その値がワークの高さになっ
ており、ワーク３上の点はほとんど値が０となってい
る。点列を求める手続きは、配列ｓｈａｐｅ［ｉ］
［ｊ］において、上から下へ向かって、各列について、
各要素の値があらかじめ設定したしきい値をはじめて越
える点を順次求めてゆき、次には右から左へ向かって同
様に各行について各要素の値がしきい値をはじめて越え
る点を順次求めてゆき、さらに下から上に向かって、そ
して左から右へ向かって行うことにより求められる。

【００６７】ステップＳ２０４「稜線上の直線と円弧の
検出」では、求められたワーク境界点列から、画面内に
おけるワーク輪郭がどのような直線と円弧の組み合わせ
であるかを検出する。まずワーク輪郭を折れ線近似によ
り、どの点からどの点までがひとつの直線に属するか、
を求めてゆく。ひとつの直線に属するかどうかの判定
は、点列の両端の点を結んだ直線から、その両端の間に
はさまれるすべての点までの距離を計算して、最も直線
から離れている点の距離により行う。距離が１．５画素
を越えなければ、ひとつの直線とみなす。ワーク境界点
列の最初の点から順にひとつの直線とみなせるかどうか
の判定を行ってゆくことにより、ワークの境界はいくつ
かの折れ線により近似され、各折れ線はワーク境界点列
の何番から何番の点までであるかが求められる。

【００６８】その後、連続する複数の折れ線がひとつの
円弧からなると仮定して、その円弧の方程式をワーク境
界点列の中の３点の座標値を用いて算出した後に、残り
のワーク境界点とのずれから、ひとつの円弧とみなせる
かどうかの判定を行ってゆくことにより、複数の折れ線
がひとつの円弧で十分近似できるものを探し、順次折れ
線を円弧で置き換えてゆく。ひとつの円弧とみなせるか
どうかの判定は、以下のように行う。

【００６９】折れ線ＬｉからＬｊまでがひとつの円弧と
みなせるかどうかの判定を行うために、まず折れ線Ｌｉ
の端点Ｐ、折れ線Ｌｊの端点Ｑおよび、ワーク境界点列
の中で点Ｐと点Ｑの中間になる点の合計３点を通る円弧
の方程式を算出する。算出された円弧の方程式から、そ
の円弧上の点の座標値を１度ごとに３６０点について計
算して、各点について画面内での座標値に変換して配列
ｘｆｃｉｒｌｅに保存する。点Ｐから点Ｑまでのワーク
境界点の各点について、配列ｘｆｃｉｒｃｌｅの中で、
最も距離が小さい点を探し、その点との距離ｌｉを計算
する。各ワーク境界点についての距離ｌｉの平均をと
り、その値が１画素を越えない場合には、ひとつの円弧
としてみなせると判定し、１画素以上の場合には、ひと
つの円弧としてみなせないと判定する。

【００７０】以上の処理の結果、ワーク境界がどのよう
に直線と円弧の組み合わせで構成されているかが求めら
れたので、ステップＳ２０５「各エッジの方程式と交点
の算出」にて各直線部分や円弧部分の方程式を配列ｓｈ
ａｐｅ［ｉ］［ｊ］にエッジ検出処理を直接ほどこすこ
とにより、より正確に求める。またそれらの方程式の交
点を算出することにより、各直線部分や円弧部分の交点
の座標値が求まる。

【００７１】ワーク２の高さは、検出されたワーク２境
界の内部の配列 ｓｈａｐｅ［ｉ］［ｊ］ の値である。

【００７２】次にワーク形状検出手段６にて検出された
ワーク形状から、ワークが直方体か円筒かを判別すると
ともに、以下の形式によるワーク形状出力を作成する。 ワーク形状（０：直方体，１：円筒） 寸法値 円筒の場合には、 半径 高さ 直方体の場合には ｘ軸方向の辺の長さ ｙ軸方向の辺の長さ 高さ ワーク位置 ワーク位置は、あらかじめ設定された４種類の位置のど
こであるかを示すために、０から３の値のどれかが設定
される。ロボット言語列自動生成装置７における動作は
図１に示した場合と同様であり、ロボット言語列自動生
成手段７により、各ワークに対応したロボットプログラ
ムが生成される。その後、生成されたロボットプログラ
ムは、ロボットコントローラ８に転送され、ロボットが
そのプログラムを実行することにより、ティーチングな
しでのロボットによる溶接が実行される。

【００７３】次に図１０を参照して本発明のさらに他の
実施形態例について説明する。図１０はその概略構成を
示す図である。

【００７４】図１０に示す画像入力型ロボットシステム
は、ビデオカメラ１６とレーザ変位計１７と、画像入力
手段５と、画像入力手段５により入力された画像データ
およびレーザ変位計１７により検出されたワーク１８の
高さのデータから、あらかじめ限定されている範囲内の
ワーク形状を検出して、やはりあらかじめ定められた形
式により、検出されたワーク形状を出力するワーク形状
検出手段６と、あらかじめ各形状に対するロボットの動
きを保存しておき、ワーク形状検出手段６の出力からロ
ボット言語列を自動生成するロボット言語列自動生成手
段７と、ロボットコントローラ８およびロボット２０か
ら構成されている。本実施形態例ではあ、上述のように
ワーク１８の高さのデータを得るためにレーザ変位計１
７が設けられている。ロボット２０は面取り作業やバリ
取り作業などの仕上げ作業用のロボットであり、先端に
円錐工具がとりつけてある。ワーク１８は周辺装置によ
り台１９に固定されている。

【００７５】以下、図１０に示す画像入力型ロボットシ
ステムを用いてワーク１８を面取りするためのロボット
プログラムが自動生成され、その生成されたロボットプ
ログラムを実行することにより面取り作業が行われる様
子を説明する。

【００７６】図１１は、対象ワークの種別を示す図であ
る。ワーク１８は、板を切り出したものであり、互いに
平行な上下面を有し、エッジは直線と円弧の組み合わせ
であり、しかも形状は凸であるものとする。台１９はロ
ボット２０およびビデオカメラ１６、レーザ変位計１７
に対して、周辺装置によりあらかじめ設定された位置に
正確に位置決めされるものとする。ワーク１８は、台１
９中央に印されたマーカ上に置かれるものとする。ただ
し、正確な位置および姿勢はわかっていないものとす
る。ビデオカメラ１６は台１９中央のマーカ真上に設置
され、真下に向いている。従って、ビデオカメラ１６で
はワーク１８の上面のみが見える。一方、レーザ変位計
１７は台１９中央のマーカに向けられている。このよう
に設定されたワークに対して、ワーク１８の上面の１Ｃ
面取りをすることが要求される作業である。

【００７７】まずはじめに、ビデオカメラ１６の映像信
号出力が画像入力手段５にとりこまれる。その映像信号
がコンピュータ１０の画像入力手段によりデジタル化さ
れコンピュータ１０のメモリに取り込まれる。一方、レ
ーザ変位計１７のアナログ電圧出力がＡ／Ｄ変換ボード
により、デジタル化され、コンピュータに取り込まれ
る。ワーク形状検出手段６は、入力画像およびレーザ変
位計１７出力から直線および円弧の組み合わせで稜線が
構成されているワークの稜線がどのような直線および円
弧の組み合わせであるか、また高さがいくつであるのか
を検出できるようにプログラムされている。ワーク形状
検出手段６がワーク形状として、いくつのエッジがあ
り、各エッジは直線か円弧か、それぞれの方程式および
端点の座標値およびワーク高さ、を出力すると、ロボッ
ト言語列自動生成手段７はあらかじめ登録されている、
加工条件および直線エッジおよび円弧エッジに対する面
取り作業動作を組み合わせることによりロボットプログ
ラムを生成して、ロボットコントローラ８に転送する。
ロボットコントローラ８は転送が完了すると、そのプロ
グラムを実行することにより、面取り作業が行われる。

【００７８】図１２はワーク形状検出手段６により、ワ
ーク形状が検出される手続きを示したフローチャートで
ある。

【００７９】コンピュータ１０は、あらかじめワーク１
８が設置されていない際の画像を保存しており、ステッ
プＳ３０２にてワークを含む入力画像とワーク１８が設
置されていない際の画像との差分をとることにより差分
画像を生成する。差分画像ではワーク１８の領域では値
が大きく、それ以外ではほとんど値が０になっているの
で、容易にワーク１８の領域を検出することができる。

【００８０】ステップＳ３０３では、差分画像をもとに
画面内におけるワーク輪郭上の点列を時計まわりに求め
てゆく。点列を求める手続きは、差分画像で、上から下
へ向かって、各列について、各要素の値があらかじめ設
定したしきい値をはじめて越える点を順次求めてゆき、
次には右から左へ向かって同様に各行について各要素の
値がしきい値をはじめて越える点を順次求めてゆき、さ
らに下から上に向かって、そして左から右へ向かって行
うことにより求められる。

【００８１】ステップＳ３０４では、求められたワーク
境界点列から、画面内におけるワーク輪郭がどのような
直線と円弧の組み合わせであるかを検出する。まずワー
ク輪郭を折れ線近似により、どの点からどの点までがひ
とつの直線に属するか、を求めてゆく。ひとつの直線に
属するかどうかの判定は、点列の両端の点を結んだ直線
から、その両端の間にはさまれるすべての点までの距離
を計算して、最も直線から離れている点の距離により行
う。距離が１．５画素を越えなければ、ひとつの直線と
みなす。ワーク境界点列の最初の点から順にひとつの直
線とみなせるかどうかの判定を行ってゆくことにより、
ワークの境界はいくつの折れ線により近似され、各折れ
線はワーク境界点列の何番から何番の点までであるかが
求められる。

【００８２】つぎに連続する複数の折れ線がひとつの円
弧からなると仮定して、その円弧の方程式をワーク境界
点列の中の３点の座標値から算出した後に、残りのワー
ク境界点とのずれから、ひとつの円弧とみなせるかどう
かの判定を行ってゆくことにより、複数の折れ線がひと
つの円弧で十分近似できるものを探し、順次折れ線を円
弧で置き換えてゆく。ひとつの円弧とみなせるかどうか
の判定は、以下のように行う。

【００８３】折れ線ＬｉからＬｊまでがひとつの円弧と
みなせるかどうかの判定を行うために、まず折れ線Ｌｉ
の端点Ｐ、折れ線Ｌｊの端点Ｑおよび、ワーク境界点列
の中で点Ｐと点Ｑの中間になる点の合計３点を通る円弧
の方程式を算出する。円弧の方程式の算出は３点から円
弧中心までの距離は等しいというふたつの方程式をとく
ことにより、まず円弧中心位置を算出した後に３点の中
のひとつの点と算出された円弧中心点との距離を算出す
ることにより円弧半径の値を算出することにより行う。

【００８４】算出された円弧の方程式から、その円弧上
の点の座標値を１度ごとに３６０点について計算して、
各点について画面内での座標値に変換して配列ｘｆｃｉ
ｒｌｅに保存する。点Ｐから点Ｑまでのワーク境界点の
各点について、配列ｘｆｃｉｒｃｌｅの中で、最も距離
が小さい点を探し、その点との距離ｌｉを計算する。各
ワーク境界点についての距離ｌｉの平均をとり、その値
が１画素を越えない場合には、ひとつの円弧としてみな
せると判定し、１画素以上の場合には、ひとつの円弧と
してみなせないと判定する。

【００８５】以上の処理の結果、ワーク境界がどのよう
に直線と円弧の組み合わせで構成されているかが求めら
れたので、ステップＳ３０５にて各直線部分や円弧部分
の方程式を入力画像にエッジ検出処理を直接ほどこすこ
とにより、より正確に求める。またそれらの方程式の交
点を算出することにより、各直線部分や円弧部分の交点
の座標値が求められる。

【００８６】ステップＳ３０６では、レーザ変位計出力
である、レーザ変位計１７からワークまでの距離の値か
ら、ワーク高さを算出する。ワーク高さの算出は、あら
かじめレーザレンジファインダに原点を有し、レーザ照
射をｚ軸とする座標系から台１９中央のマーカを原点と
してｚ軸を台表面の法線方向にとった座標系への座標変
換行列をキャリブレーションにより求めておき、レーザ
変位計出力から以下のような座標変換計算を行うことに
より算出されるｚw 値を求めることにより行う。

【００８７】

【数４】 Ｔがキャリブレーションにより求めておく座標変換行列
であり、ｚ1 がレーザ変位計出力、［ｘw ，ｙw ，ｚw
］が台１９中央のマーカを原点とする座標系でのレー
ザ変位計による計測点の座標値となるので、そのｚ座標
値がワーク高さに対応している。ここで、上記ふたつの
座標系の関係を図１３に示す。

【００８８】最後に、ワーク形状検出手段６は、ワーク
高さの値から、検出されたエッジ方程式の値や端点の座
標値の値を３次元空間での座標値（図１３中の台１９中
央のマーカに原点を有する座標系での座標値）を算出し
て、以下の形式によるワーク形状出力を作成する。 ワークを構成するエッジの数 エッジｎｏ．１の直線・円弧の種別 方程式（直線では、方向ベクトル、円弧では中心の座標
値と半径） 両端点の座標値 エッジｎｏ．２の直線・円弧の種別 方程式（直線では、方向ベクトル、円弧では中心の座標
値と半径） 両端点の座標値 | | ワークの高さ ロボット言語列自動生成手段７では、上記のワーク形状
データから、あらかじめ登録されている、さまざまな条
件における溶接条件に従ってロボットを動かすロボット
プログラムを生成する。本実施形態例では、ロボット先
端に円錐工具をとりつけてあり、ロボット先端の姿勢を
一定にして、円錐工具をワークエッジに適切な力で押し
つけることにより１Ｃの面取りがとれる。図１４に作業
中のワークと工具の関係を示す。

【００８９】ロボットコントローラ８では、ロボット言
語でのロボット動作が可能であり、動作指示はロボット
関節角度指定とともに、作業座標指定も可能であるもの
とする。これは産業用ロボットにおいては、一般的な機
能である。また、ロボットコントローラ８は仕上げ作業
用のコマンドとして、以下のような押しつけながらの直
線移動命令と円弧補間命令を有するものとする。 直線移動命令： ｇｍｏｖｅｌ ｐ１ 円弧補間命令： ｇｍｏｖｅｃ ｐ１，ｐ２ ｐ１，ｐ２は教示点の位置を示すベクトル変数であり、
あらかじめ定義された座標系における、やはりあらかじ
め指定されたロボットツール座標系のｘ，ｙ，ｚ座標値
およびロール、ピッチ、ヨーの値である。上記直線移動
命令は、その命令が実行された時点での位置から点ｐ１
までロボットツールがあらかじめ指定された力で押しつ
けながら直線移動する動作を指示する命令であり、動作
速度はあらかじめ指定された値となる。一方、上記円弧
補間命令は、その命令が実行された時点での位置から点
ｐ１を通り点ｐ２まで、あらかじめ指定された力で押し
つけながら円弧補間された軌道を一定の速度で移動する
命令であり、やはり動作速度はあらかじめ指定された値
となる。円弧とは、命令実行時の位置と点ｐ１、点ｐ２
の３点を通る円弧である。

【００９０】一方、仕上げ作業時以外の移動命令として
は、以下のようにやはり直線移動命令と円弧補間命令を
有するものとする。 直線移動命令： ｍｏｖｅｌ ｐ１ 円弧補間命令： ｍｏｖｅｃ ｐ１，ｐ２ ロボットによる面取り作業は、以下の手順になる。 １）作業開始位置までの移動 ２）加工条件の設定 ３）工具動作開始 ４）面取りするエッジに沿った、円錐工具がとりつけら
れたロボットツール先端の一定速度での移動 ５）基準位置への移動 ６）工具停止 以上の手順を図１５に示すワークに対して行った例を以
下に示す。図１５に示すワークに対するワーク形状検出
手段６の出力は以下のようになる。

【００９１】 ワークを構成するエッジの数 ： ８ エッジｎｏ．１の直線・円弧の種別 ：直線 方程式 ：（１，０，０） 両端点の座標値 ：ｐ２，ｐ３ エッジｎｏ．２の直線・円弧の種別 ：円弧 方程式 ：中心ｐ１４、半径ｒ１ 両端点の座標値 ：ｐ３，ｐ５ エッジｎｏ．３の直線・円弧の種別 ：直線 方程式 ：（０，−１，０） 両端点の座標値 ：ｐ５，ｐ６ エッジｎｏ．４の直線・円弧の種別 ：円弧 方程式 ：中心ｐ１５、半径ｒ２ 両端点の座標値 ：ｐ６，ｐ８ エッジｎｏ．５の直線・円弧の種別 ：直線 方程式 ：（−１，０，０） 両端点の座標値 ：ｐ８，ｐ９ エッジｎｏ．６の直線・円弧の種別 ：円弧 方程式 ：中心ｐ１６、半径ｒ３ 両端点の座標値 ：ｐ９，ｐ１１ エッジｎｏ．７の直線・円弧の種別 ：直線 方程式 ：（０，１，０） 両端点の座標値 ：ｐ１１，ｐ１２ エッジｎｏ．８の直線・円弧の種別 ：円弧 方程式 ：中心ｐ１７、半径ｒ４ 両端点の座標値 ：ｐ１２，ｐ２ ワーク高さ ｈ 上記ワークエッジ円弧の半径ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４の
値、ワーク高さｈ、および各点の座標値は、実測値がは
いっているものとする。

【００９２】あらかじめ登録されている加工条件とは、
どのような力で押しつけながら、どの程度の速度で円錐
工具を送ると、いくら面取りがされるか、という条件で
ある。本実施例では１Ｃ面取りをとることが要求されて
いる作業であり、あらかじめ登録されているデータか
ら、１Ｃ面取りをするために、適した送り速度および押
しつけ力を読み出し、その値を以下のように設定する。 ｓｐｅｅｄ １０ ｆｏｒｃｅ １ 上記プログラムにおける、「ｓｐｅｅｄ １０」は、ロ
ボットの動作速度を１０に設定することを意味する。ま
た、「ｆｏｒｃｅ １」は、ｇｍｏｖｅｌ等の押しつけ
作業時の押しつけ力を１ｋｇに設定することを意味す
る。

【００９３】上記作業手順による面取り作業ロボットプ
ログラムは以下のように記述できる。 ｍｏｖｅｌ ｐ１ ｓｐｅｅｄ １０ ｆｏｒｃｅ １ ｄｓｅｔ １ ｍｏｖｅｌ ｐ２ ｇｍｏｖｅｌ ｐ３ ｇｍｏｖｅｃ ｐ４，ｐ５ ｇｍｏｖｅｌ ｐ６ ｇｍｏｖｅｃ ｐ７，ｐ８ ｇｍｏｖｅｌ ｐ９ ｇｍｏｖｅｃ ｐ１０，ｐ１１ ｇｍｏｖｅｌ ｐ１２ ｇｍｏｖｅｃ ｐ１３，ｐ２ ｍｏｖｅｌ ｐ１ ｄｓｅｔ ０ 「ｄｓｅｔ １」は、デジタル出力のチャンネル１の出
力を１に設定するという意味であり、一方「ｄｅｓｔ
０」は、デジタル出力のチャンネル１の出力を０に設定
するという意味である。それぞれ、円錐工具の回転開
始、回転停止に対応している。

【００９４】以上のように、ワーク形状検出手段６です
でに時計まわりにワークエッジが検出されているので、
検出された各エッジの直線と円弧の別により、それぞれ
「ｇｍｏｖｅｌ」命令および「ｇｍｏｖｅｃ」命令を対
応させることにより、ロボットプログラムを生成するこ
とができる。

【００９５】以上の手続きにより、ロボット言語列自動
生成手段７により、各ワークに対応したロボットプログ
ラムが生成される。その後、生成されたロボットプログ
ラムは、ロボットコントローラ８に転送され、ロボット
がそのプログラムを実行することにより、ティーチング
なしでのロボットによる面取り作業が実行される。

【００９６】上述したように、本発明の実施の形態によ
れば、多品種少量ラインでティーチングに要する時間が
不要にして生産性を向上させることができる。また、製
造現場でロボットの導入を容易化することができ、生産
性の向上だけでなく、各種３Ｋ作業を減少させることが
できる。また、画像処理により、ワーク形状を検出して
いるので、ＣＡＤデータ等からのワーク形状データの外
部からの供給を必要としないので、多くの現場に導入す
ることが可能になる。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、ＣＡＤデータ等のワークの形状データを外部から
供給しなくともロボットに所望の作業を指示することが
でき、ダイレクトティーチングだけでなくオフラインテ
ィーチングをも必要とせずにティーチングレスでロボッ
ト作業を可能にでき、多品種少量ラインへのロボットの
導入を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像入力型ロボットシステムの一実施
形態例の概略構成を示すブロックダイヤグラム。

【図２】作業対象となるワークの形状の種類を示す斜視
図（ａ），（ｂ）。

【図３】ワーク形状検出手段によって、ワーク形状を画
像から検出する手続きを示すフローチャート。

【図４】検出されたワークのエッジが側面のエッジであ
ると仮定したときのエッジの位置と、実際の位置を比較
することを示す図。

【図５】ワークの形状を示すためにディスプレイ上に表
示した原画像を示す写真（ａ）と、ディスプレイ上で表
示した修正差分画像を示す写真（ｂ）と、ワークの物体
輪郭を示すためにディスプレイ上で表示した画像を示す
写真（ｃ）と、ワークの物体輪郭の直線・円弧認識結果
を示すためにディスプレイ上で表示した画像を示す写真
（ｄ）と、ワークの物体上面のエッジ認識結果を示すた
めにディスプレイ上で表示した画像を示す写真（ｅ）。

【図６】溶接トーチとワークとの位置関係を示す図。

【図７】ロボット教示点の位置関係を示す図。

【図８】本発明の画像入力型ロボットシステムの他の実
施形態例の概略構成を示すブロックダイヤグラム。

【図９】図８に示す実施形態例において、ワーク形状を
画像から検出する手続きを示すフローチャート。

【図１０】本発明の画像入力型ロボットシステムのさら
に他の実施形態例の概略構成を示すブロックダイヤグラ
ム。

【図１１】作業対象となるワークの形状の種類を示す斜
視図（ａ），（ｂ）。

【図１２】ワーク形状を画像および変位計出力から検出
する手続きを示すフローチャート。

【図１３】レーザ変位計に原点を有する座標系とワーク
を固定する台の中央マーカに原点を有する座標系との関
係を示す図。

【図１４】円錐工具とワークの位置関係を示す図。

【図１５】ワークの面取り作業の手順を示す図。

【符号の説明】

１ ビデオカメラ（ワーク画像化手段） ２ ワーク ３ ワーク ４ ロボット ５ 画像入力手段 ６ ワーク形状検出手段 ７ ロボット言語列自動生成手段 ８ ロボットコントローラ １０ コンピュータ １１ レーザレンジファインダ（ワーク画像化手段） １６ ビデオカメラ １７ レーザ変位計 １８ ワーク １９ 台 ２０ ロボット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 19/18 - 19/46 B25J 1/00 - 21/02 B23Q 17/00 - 23/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークに作業を施すロボットと、ワークの
   形状を表すワーク画像を得るためのワーク画像化手段
   と、前記ワーク画像化手段で得たワーク画像からワーク
   の形状を表す形状データを演算してワーク形状を検出す
   るワーク形状検出手段と、ワーク形状の種類に応じて予
   め定めた前記ロボットの作業工程に関する登録データと
   前記ワーク形状検出手段で検出した形状データとを参照
   し所望の作業を前記ロボットに指示するためのロボット
   言語列を生成するロボット言語列生成手段とを備え、 前記ワーク形状検出手段は、ワーク画像からワークの背
   景を識別してワークの領域を抽出し、抽出されたワーク
   領域の境界を構成する境界点の点列を求め、求めた境界
   点の点列から前記ワーク領域の前記境界がどのような直
   線と円弧の組み合わせになっているかを求め、ワークの
   輪郭を演算し、 前記ロボット言語列生成手段は前記円及び前記直線に関
   する予め登録されたロボット言語列を呼び出し可能であ
   る ことを特徴とするロボットのオフライン教示装置。
2. 【請求項２】前記画像化手段は、ビデオカメラまたはレ
   ーザレンジファインダまたはレーザ変位計を有すること
   を特徴とする請求項１に記載のロボットのオフライン教
   示装置。