JP5927212B2 - 溶接トーチ検出装置および溶接ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、溶接ロボットに設けられる溶接トーチの傾きを検出する溶接トーチ検出装置および溶接ロボットシステムに関する。

従来より、溶接ロボットのアーム先端部に溶接トーチを取り付け、溶接トーチから送給される溶接ワイヤの先端位置と、溶接ワイヤの所定の狙い位置とのずれ量を検出するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、溶接ワイヤの先端位置をレーザセンサにより計測し、所定の狙い位置からのワイヤ先端位置のずれ量を求める。さらに、溶接トーチの先端位置を計測手段により計測し、トーチ先端位置の基準位置からのずれ量を求める。

特許第４６６５２４３号公報

ところで、アーム先端部に取り付けられる溶接トーチは比較的長尺であるため、例えばロボット教示後に溶接トーチが変形によって曲がった場合に、溶接トーチが溶接治具や周辺機器に干渉するおそれがある。この点、上記特許文献１記載の装置は、溶接ワイヤの先端位置と溶接トーチの先端位置とを計測するだけであり、溶接トーチが変形した場合の溶接トーチの干渉を防ぐことは困難である。

本発明の一態様である溶接トーチ検出装置は、溶接ロボットのアーム先端部に取り付けられた溶接トーチと溶接トーチから送給される溶接ワイヤとを複数方向から撮像して、溶接トーチおよび溶接ワイヤの画像信号を取得する撮像部と、撮像部により取得された画像信号に基づき、溶接ワイヤを表す複数方向の溶接ワイヤ画像と溶接トーチを表す複数方向の溶接トーチ画像を認識する画像認識部と、画像認識部により認識された溶接ワイヤ画像上に、溶接ワイヤの狙い位置に対応する目標点を設定する設定部と、画像認識部により認識された複数方向の溶接ワイヤ画像に基づき、目標点の３次元空間における位置を検出する位置検出部と、画像認識部により認識された複数方向の溶接トーチ画像に基づき、溶接トーチの３次元空間における傾きを検出する傾き検出部と、を備え、溶接トーチの傾きは、目標点における、溶接ロボットの位置制御に用いられる３次元直交座標系の傾きによって表されることを特徴とする。

本発明の別の態様である溶接ロボットシステムは、上記の溶接トーチ検出装置と、溶接トーチを移動するトーチ移動部と、溶接トーチから溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部と、トーチ移動部とワイヤ送給部と撮像部とを制御する制御部と、を備え、制御部は、溶接トーチと溶接ワイヤとを複数方向から撮像するように撮像部を制御することを特徴とする。

本発明によれば、溶接トーチと溶接ワイヤの画像信号に基づいて、溶接ワイヤの位置だけでなく、溶接トーチの傾きも検出するようにしたので、ロボット教示後に溶接トーチが変形した場合であっても、溶接トーチと溶接治具や周辺機器との干渉を防止することができる。

本発明の実施形態に係る溶接ロボットシステムの全体構成を示す図。 本発明の実施形態に係る溶接ロボットシステムの制御構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る溶接トーチ検出装置の構成を示すブロック図。 図３のカメラにより得られるカメラ画像の一例を示す図。 図４の溶接ワイヤ画像上における目標点の設定例を示す図。 図５の変形例を示す図。 メカニカル座標系とユーザ定義座標系との関係を示す図。 ツール先端座標の一例を示す図。 ツール先端座標の一例を示す図。 ツール先端座標の一例を示す図。 図３のワイヤ判定部の処理を説明するための図。 図３のトーチ判定部の処理を説明するための図。 図２のロボット制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャート。 図１３に続く処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る溶接ロボットシステムの動作の一例を示す図。

以下、図１〜図１５を参照して本発明の実施形態に係る溶接ロボットシステムについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る溶接ロボットシステムの全体構成を示す図である。溶接ロボットシステムは、アーク溶接を行う溶接ロボット１と、溶接ロボットを制御するロボット制御装置１０とを有する。

溶接ロボット１は、回動可能な複数のアーム２を有する多関節ロボットである。アーム２の各関節部２０にはサーボモータ２１（図２）が設けられ、サーボモータ２１の駆動により、アーム先端部の位置および姿勢が変更される。アーム２の先端部には溶接トーチ３が取り付けられ、アーム２の回動により、溶接トーチ３の位置および姿勢が変更される。溶接トーチ３は、アーム基端部から延在する第１延在部３ａと、第１延在部３ａの先端から第１延在部３ａに対し所定角度で延在する第２延在部３ｂとを有し、第２延在部３ｂの先端からアルゴンや炭酸ガスなどのシールドガスを噴射可能である。

溶接トーチ３（第２延在部３ｂ）の先端からは溶接ワイヤ４が突出している。溶接ワイヤ４は溶接ワイヤスタンド５に巻回され、ワイヤ送給機６を経由し、ワイヤ送給機６により溶接トーチ３の先端から送給される。溶接機７は、ロボット制御装置１０と通信し、ロボット制御装置１０からの指令により溶接ワイヤ４を荷電するとともに、ワイヤ送給機６を制御する。

溶接ロボット１の側方には、溶接トーチ３および溶接ワイヤ４を撮像するための撮像装置３０が設けられている。撮像装置３０は、防塵カバー３１と、防塵カバー３１の内部に設置されたカメラ３２と、撮影領域を照明するライト３３とを有し、溶接トーチ３は、開口部３４を介して防塵カバー３１内に進退可能である。カメラ３２は、ＣＣＤ等の撮像素子を有し、カメラ３２によって取得された画像信号は、ロボット制御装置１０に入力される。

ロボット制御装置１０は、溶接ロボット１のアーム駆動用のサーボモータ２１（図２）に制御信号を出力し、溶接トーチ３の位置および姿勢を制御するとともに、カメラ３２に制御信号を出力し、カメラ３２の撮像動作を制御する。なお、ロボット制御装置１０は、ワイヤ送給機６を駆動するためのロボット付加軸を制御することもできる。ロボット制御装置１０には、教示操作盤８が接続されている。教示操作盤８は、溶接ロボット１の動作を教示するための各種指令を入力する入力部８ａと、動作教示に関する各種情報を表示する表示部８ｂとを有する。

図２は、溶接ロボットシステムの制御構成を示すブロック図である。図２に示すようにロボット制御装置１０には、カメラ３２と、溶接機７と、アーム駆動用のサーボモータ２１とが接続されている。ロボット制御装置１０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成され、機能的構成として、カメラ３２の撮像動作、すなわちカメラ３２とライト３３の動作を制御するカメラ制御部１１と、溶接機７による溶接ワイヤ４の送給を制御する溶接機制御部１２と、サーボモータ２１の駆動を制御するモータ制御部１３と、カメラ３２からの画像信号に基づき所定の処理を実行する画像処理部１４とを含む。

図３は、本発明の実施形態に係る溶接トーチ検出装置１００の構成を示すブロック図である。図３に示すように、溶接トーチ検出装置１００は、カメラ３２と、画像処理部１４とを有する。画像処理部１４は、画像認識部１４１と、設定部１４２と、位置検出部１４３と、傾き検出部１４４と、ワイヤ判定部１４５と、トーチ判定部１４６と、補正部１４７とを有する。

カメラ３２は、撮像動作により所定の撮像領域の画像信号を取得する。図４は、溶接トーチ３の先端部を防塵カバー３１内に進入させた状態で得られる、撮像領域４０ａの内側のカメラ画像４０の一例を示す図である。図４では、溶接トーチ３（第２延在部３ｂ）の先端３ｃが撮像領域４０ａのほぼ中心に位置し、カメラ画像４０は、溶接ワイヤ４の全体画像（溶接ワイヤ画像４１）と溶接トーチ３の先端部の画像（溶接トーチ画像４２）とを含む。なお、本実施形態では、後述するように、溶接トーチ３をカメラ３２に対し相対移動させることで、溶接トーチ３の先端部をカメラ３２により複数方向（第１方向、第２方向）から撮像する。したがって、カメラ３２は、２つのカメラ画像４０（第１カメラ画像、第２カメラ画像）を取得する。

画像認識部１４１は、カメラ３２により取得された画像信号に基づき、パターンマッチングにより、溶接ワイヤ４の形状および溶接トーチ３の形状を認識する。すなわち、画像認識部１４１は、予め定められた溶接ワイヤ４および溶接トーチ３の形状を表す画像パターンと、カメラ画像４０とを比較する。そして、第１カメラ画像４０内に溶接ワイヤ画像４１（第１溶接ワイヤ画像）と溶接トーチ画像（第１溶接トーチ画像）４２とを認識し、第２カメラ画像４０内に溶接ワイヤ画像４１（第２溶接ワイヤ画像）と溶接トーチ画像４２（第２溶接トーチ画像）とを認識する。

設定部１４２は、画像認識部１４１により認識された第１溶接ワイヤ画像４１および第２溶接ワイヤ画像４１上に、それぞれ溶接ワイヤ４の狙い位置（ワイヤ狙い位置）に対応する目標点４３を設定する。ワイヤ狙い位置とは、溶接ワイヤ４の先端の目標位置であり、溶接ワイヤ画像４１上の目標点４３がワイヤ狙い位置を規定する。溶接作業時には、目標点４３（ツール先端点）がワイヤ狙い位置に一致するように溶接ワイヤ４が位置制御される。

図５は、目標点４３の設定例を示す図である。図５に示すように、溶接ワイヤ４は曲がり癖があるため、溶接ワイヤ４の先端部は、溶接トーチ３の長手方向の中心を通る中心線Ｌ１からそれている。したがって、目標点４３を中心線Ｌ１上に設定したのでは、目標点４３がワイヤ狙い位置からずれる。そこで、設定部１４２は、トーチ画像４２の先端４２１から中心線Ｌ１に沿って所定長ΔＬだけ離れた仮想線Ｌ２と、溶接ワイヤ画像４１との交点を目標点４３として設定する。所定長ΔＬは、所望の溶接品質を得るために必要となる溶接ワイヤ４の突き出し長さ（設計値）に相当する。

図６は、目標点４３の他の設定例を示す図である。図６では、溶接トーチ画像４２の先端４２１を中心として所定半径Ｒの円弧と、溶接ワイヤ画像４１との交点を目標点４３として設定している。所定半径Ｒは、例えば図５の溶接ワイヤ突出し長さΔＬに相当する。

位置検出部１４３は、画像認識部１４１により認識された第１溶接ワイヤ画像４１および第２溶接ワイヤ画像４１に基づき、目標点４３の３次元空間における位置を検出する。この場合、位置検出部１４３は、まず、ユーザ定義座標系による目標点４３の位置を算出し、その後、メカニカル座標系による目標点４３の位置を算出する。図７は、メカニカル座標系とユーザ定義座標系の関係を示す図である。メカニカル座標系は、溶接ロボット１の所定位置Ｐ０を原点としたＸＹＺの座標軸を有する３次元直交座標系であり、アーム先端部Ｐ１の位置（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）は、メカニカル座標系により表される。また、アーム先端部Ｐ１にＸＹＺの座標軸を設定し、この座標軸をアーム先端部Ｐ１の姿勢変化に伴い回転させることで、アーム先端部Ｐ１の姿勢もメカニカル座標系により表される。メカニカル座標系は溶接ロボット１の位置姿勢制御に用いられるものであり、アーム先端部Ｐ１は、予め定められたプログラムに従い位置姿勢が制御される。アーム先端部Ｐ１の位置姿勢は、サーボモータ２１に内蔵されたエンコーダにより検出できる。

一方、ユーザ定義座標系は、撮影領域４０ａの所定位置Ｐ２に原点を有する直交３軸の３次元座標系である。ユーザ定義座標系の各座標軸（αβγ軸）は、例えばメカニカル座標系の各座標軸（ＸＹＺ軸）と平行である。ユーザ定義座標系の原点Ｐ２は、メカニカル座標系の所定位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）に設定されている。したがって、ユーザ定義座標系の座標値に所定値（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）を加算することで、ユーザ座標系の座標値をメカニカル座標系の座標値に変換できる。

具体的には、位置検出部１４３は、まず、第１カメラ画像（第１溶接ワイヤ画像４１）に基づき、ユーザ定義座標系における目標点４３の二次元座標値を算出する。次いで、メカニカル座標系の原点Ｐ０とユーザ定義座標系の原点Ｐ２との位置関係を用いて、ユーザ定義座標系の二次元座標値をメカニカル座標系の座標値に変換する。さらに、この座標値とメカニカル座標系のアーム先端部Ｐ１の座標値との差を求め、第１方向を基準としたアーム先端部Ｐ１に対する目標点４３の相対位置を算出する。同様に、第２カメラ画像（第２溶接ワイヤ画像４１）に基づき、第２方向を基準としたアーム先端部Ｐ１に対する目標点４３の相対位置を算出する。これら第１方向および第２方向を基準とした２つの相対位置を用いて、位置検出部１４３は、アーム先端部Ｐ１に対する目標点４３の３次元位置を算出する。このように２方向から撮像したカメラ画像４０を用いることで、アーム先端部Ｐ１に対する目標点４３の正確な位置を求めることができる。

傾き検出部１４４は、画像認識部１４１により認識された第１溶接トーチ画像４２および第２溶接トーチ画像４２に基づき、アーム先端部Ｐ１に対する溶接トーチ３の３次元空間における傾きを検出する。この場合、傾き検出部１４４は、まず、第１溶接トーチ画像４２に基づき、二次元画像上における溶接トーチ３の中心線Ｌ１の傾斜角θを算出する。例えば、図４に示すように、ユーザ定義座標系の所定座標軸（例えばγ軸）に平行な仮想線Ｌ３に対する溶接トーチ３の中心線Ｌ１のなす角を、傾斜角θとして算出する。同様に、第２溶接トーチ画像４２に基づき、二次元画像上における溶接トーチ３の中心線Ｌ１の傾斜角を算出する。これら２つの二次元画像上の傾斜角を用いて、３次元空間の傾斜角を求める。この場合、図７に示すように、ユーザ定義座標系の座標軸（αβγ軸）をその傾斜角だけ傾けた直交３軸の座標軸を有するツール先端座標系を、目標点４３に設定する。すなわち、目標点４３を原点とするツール先端座標系を設定し、溶接トーチ３の傾きをツール先端座標系によって表す。

なお、ユーザ定義座標系の各座標軸（αβγ軸）はメカニカル座標系の各座標軸（ＸＹＺ軸）と平行であるため、図７に示すようにツール先端座標系の座標軸は、メカニカル座標系の座標軸（ＸＹＺ軸）の傾きとして表すことができる。これによりアーム先端部Ｐ１に対する溶接トーチ３の傾きを検出することができ、溶接トーチ３の変形の有無および変形の程度、すなわち溶接トーチの形状の初期状態からのずれ量を把握することができる。目標点４３は、ツール先端点であり、以下では、目標点４３の位置および溶接トーチ３の傾きを、ツール先端点の位置および傾きと称することがある。

図８〜図１０は、ツール先端座標の一例を示す図である。図８に示すように、溶接トーチ３の中心線Ｌ１がユーザ定義座標系のγ軸と平行であれば、中心線Ｌ１の傾斜角θは０である。したがって、ツール先端座標系の座標軸（ＸＹＺ）は、ユーザ定義座標系の座標軸（αβγ軸）を目標点４３に平行移動することにより得られる。溶接トーチ３の傾きは、目標点４３を中心とした各座標軸（αβγ軸）の回転角（θｘ，θｙ，θｚ）で表される。図８の例では、傾斜角は０であり、傾き検出部１４４は、回転角（０，０，０）を検出する。

図９に示すように、溶接トーチ３の中心線Ｌ１（Ｚ軸）がβ軸を中心として角度θ１だけ傾いていると、ツール先端座標系はβ軸を中心に角度θ１だけ回転した直交３軸（ＸＹＺ軸）の座標系となり、α軸とＸ軸およびγ軸とＺ軸のなす角は、それぞれθ１となる。この場合、傾き検出部１４４は、回転角（θ１，０，θ１）を検出する。

図１０に示すように、溶接トーチ３の中心線Ｌ１（Ｚ軸）がα軸を中心として角度θ２だけ傾いていると、ツール先端座標系はα軸を中心に角度θ２だけ回転した直交３軸（ＸＹＺ軸）の座標系となり、β軸とＹ軸およびγ軸とＺ軸のなす角は、それぞれθ２となる。この場合、傾き検出部１４４は、回転角（０，θ２，θ２）を検出する。

ワイヤ判定部１４５は、画像認識部１４１により所定範囲の溶接ワイヤ画像４１が認識されたか否かを判定する。所定範囲は、目標点４３を設定することが可能な程度のワイヤ突出し量、すなわち図５のΔＬに相当する。例えば図１１に示すようにワイヤ突出し量がΔＬよりも短いと、溶接ワイヤ画像４１上に目標点４３を設定することができない。この場合、ワイヤ判定部１４５は、所定範囲の溶接ワイヤ画像４１が認識されていないとの判定結果を出力する。この判定結果を受けて、溶接機制御部１２（図２）が溶接機７に制御信号を出力し、ワイヤ送給部６が溶接ワイヤ４を所定量送給する。

トーチ判定部１４６は、画像認識部１４１により所定範囲の溶接トーチ画像４２が認識されたか否かを判定する。所定範囲は、溶接トーチ３の傾きを検出することが可能な範囲である。例えば図１２に示すように溶接トーチ３の位置ずれにより、溶接トーチ先端部の所定範囲４０ｂが撮像領域４０ａに含まれていないと、溶接トーチ３の傾きを良好に検出することができない。この場合、トーチ判定部１４６は、所定範囲４０ｂの溶接トーチ画像４２が認識されていないとの判定結果を出力する。この判定結果を受けて、モータ制御部１３（図２）がサーボモータ２１に制御信号を出力し、溶接トーチ３を撮影領域４０ａの中心（図１２の矢印Ａ方向）に向けて平行移動する。

補正部１４７は、予め教示されたツール先端点（目標点４３）の位置および傾きの指令値を、位置検出部１４３により検出された位置検出値および傾き検出部１４４により検出された傾き検出値を用いて補正する。例えば、教示された指令値を、位置検出値および傾き検出値に書き換える。あるいは、教示された指令値と、位置検出値および傾き検出値との差を求め、この差を用いてツール先端点の位置および傾きの指令値を補正する。特定の動作時に補正を行うように、動作プログラムの内容を書き換えてもよい。ツール先端点の位置および傾きを補正する代わりに、溶接対象物であるワークあるいはワークを固定する治具等の位置情報を補正するようにしてもよい。

さらに補正部１４７は、異なる時点のカメラ画像を用いて、ツール先端点の位置および傾きを補正する。例えば、モータ制御部１３は、第１時点において、溶接トーチ３を防塵カバー３１内に移動するようにサーボモータ２１を制御する。カメラ制御部１１は、第１時点における溶接トーチ３および溶接ワイヤ４の画像信号を取得するようにカメラ３２とライト３３を制御する。位置検出部１４３および傾き検出部１４４は、第１時点におけるアーム先端部Ｐ１に対するツール先端点の位置および傾きを検出し、これらを基準値としてロボット制御装置１０の記憶部に記憶する。

第１時点から所定時間経過した第２時点において、モータ制御部１３およびカメラ制御部１１は、第１時点におけるのと同様の処理を行い、位置検出部１４３および傾き検出部１４４が、ツール先端点の位置および傾きを検出する。補正部１４７は、第１時点におけるツール先端点の位置および傾き（基準値）と、第２時点におけるツール先端点の位置および傾きとのずれ量を算出し、ずれ量に基づきツール先端点の位置および傾きの指令値を補正する。これにより、第１時点から第２時点の間に、溶接トーチ３の形状や溶接ワイヤ４の曲がり癖等が変化してツール先端点の位置または傾きがずれた場合に、そのずれを修正することができる。

なお、ワイヤ判定部１４５、トーチ判定部１４６、および補正部１４７のいずれかまたは全てを、画像処理部１４に含めるのではなく、画像処理部１４から独立してロボット制御装置１０に設けることもできる。すなわち、ワイヤ判定部１４５、トーチ判定部１４６、および補正部１４７を、溶接トーチ検出装置１００の構成に含めないようにすることもできる。

次に、本実施形態に係る溶接ロボットシステムの主要な動作を説明する。図１３，１４は、ロボット制御装置１０で実行される溶接トーチ検出処理の一例を示す図である。このフローチャートに示す処理は、例えばロボット制御装置１０に接続された入力部を介してユーザが溶接トーチ検出指令を入力すると開始される。なお、溶接ロボット１の動作プログラムに溶接トーチ検出指令を組み込み、溶接トーチ検出処理を自動的に開始することもできる。

図１３のステップＳ１では、モータ制御部１３からサーボモータ２１に制御信号を出力し、図７に示すように、溶接トーチ３の先端部を防塵カバー３１内の撮影領域４０ａ（第１ロボット位置）に移動する。さらに、カメラ制御部１１からカメラ３２に制御信号を出力し、溶接トーチ３の先端部を撮像する。なお、第１ロボット位置は、アーム先端部Ｐ１をメカニカル座標系のＸＹＺ軸を中心として所定量回転させた位置である。ここでは、便宜上、図７に示すように、アーム先端部Ｐ１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がそれぞれメカニカル座標系のＹ軸、Ｘ軸、−Ｚ軸と平行となるようにアーム先端部の姿勢を変化し、かつ、溶接トーチ先端部を撮像領域４０ａの中心部に配置した位置を、第１ロボット位置とする。第１ロボット位置において、カメラ３２の撮像方向はアーム先端部Ｐ１のＹ軸と平行であり、撮像動作によりカメラ３２は、溶接トーチ先端部をアーム先端部Ｐ１のＸＺ面に投影した第１カメラ画像４０を取得する。

ステップＳ２では、画像認識部１４１での処理により、カメラ３２によって取得された第１カメラ画像４０の画像信号を読み込み、第１溶接ワイヤ画像４１および第１溶接トーチ画像４２を認識する。さらに、トーチ判定部１４６での処理により、画像認識部１４１が所定範囲４０ｂ（図１２）の第１溶接トーチ画像４２を認識したか否かを判定する。ステップＳ２が否定されるとステップＳ３に進み、肯定されるとステップＳ６に進む。

ステップＳ３では、モータ制御部１３からサーボモータ２１に制御信号を出力し、溶接トーチ３を所定方向（例えば−Ｚ軸方向）に沿って所定量移動する。ステップＳ４では、溶接トーチ３の先端部を再度撮像する。ステップＳ５では、ステップＳ２と同様、所定範囲４０ｂの第１溶接トーチ画像４２が認識されたか否かを判定する。ステップＳ５が肯定されるとステップＳ６に進み、否定されるとステップＳ７でエラーを発生して処理を終了する。

ステップＳ６では、傾き検出部１４４での処理により、第１カメラ画像４０上での溶接トーチ３の傾きを検出する。すなわち、図７のＸＺ面上の溶接トーチ３の傾きを算出する。ステップＳ８では、算出された傾きが予め定めた許容範囲内である否かを判定する。ステップＳ８が肯定されるとステップＳ９に進み、否定されるとステップＳ７に進んで処理を終了する。ステップＳ９では、ワイヤ判定部１４５での処理により、画像認識部１４１が所定範囲の第１溶接ワイヤ画像４１を認識したか否か、すなわち、溶接ワイヤ４の突き出し量が十分か否かを判定する。ステップＳ９が否定されると、第１溶接ワイヤ画像４１上に目標点４３を設定不能であると判断してステップＳ１０に進み、肯定されるとステップＳ１３に進む。

ステップＳ１０では、溶接機制御部１２から溶接機７に制御信号を出力し、溶接ワイヤ４を溶接トーチ３の先端部から所定量送給する。ステップＳ１１では、ステップＳ４と同様、溶接トーチ３を再度撮像する。ステップＳ１２では、ステップＳ９と同様、溶接ワイヤ４の突き出し量が十分であるか否かを判定する。ステップＳ１２が肯定されるとステップＳ１３に進み、否定されるとステップＳ７に進んで処理を終了する。

ステップＳ１３では、設定部１４２での処理により、第１溶接ワイヤ画像４１上に目標点４３を設定する。さらに、位置検出部１４３での処理により、第１溶接ワイヤ画像４１上の目標点４３の位置を算出する。すなわち、ＸＺ面上の目標点４３の位置を算出する。ステップＳ１４では、溶接ワイヤ４の突き出し量が予め定めた許容範囲内であるか否かを判定する。ステップＳ１４が肯定されるとステップＳ２１に進み、否定されるとステップＳ７に進んで処理を終了する。

図１４のステップＳ２１では、モータ制御部１３からサーボモータ２１に制御信号を出力し、溶接トーチ３の先端部を防塵カバー３１内の撮影領域４０ａの第２ロボット位置に移動する。さらに、カメラ制御部１１からカメラ３２に制御信号を出力し、溶接トーチ３の先端部を撮像する。なお、第２ロボット位置は、便宜上、図１５に示すように、アーム先端部Ｐ１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がそれぞれメカニカル座標系のＸ軸、−Ｙ軸、−Ｚ軸と平行となるようにアーム先端部の姿勢を変化し、かつ、溶接トーチ先端部を撮影領域４０ａの中心部に配置した位置とする。すなわち、図７の状態からＺ軸を中心にアーム先端部Ｐ１を９０度回転させた状態を第２ロボット位置とする。したがって、第１ロボット位置と第２ロボット位置とでは、アーム先端部Ｐ１の位置および姿勢が異なる。第２ロボット位置において、カメラ３２の撮像方向はＸ軸と平行であり、撮像動作によりカメラ３２は、溶接トーチ先端部をアーム先端部Ｐ１のＹＺ面に投影した第２カメラ画像４０を取得する。

ステップＳ２２〜ステップＳ３４では、第２ロボット位置を基準として、ステップＳ２〜ステップＳ１４と同一の処理を実行する。すなわち、ステップＳ２１で第２カメラ画像４０を取得し、ステップＳ２６で第２溶接トーチ画像４２上の溶接トーチ３の傾きを算出し、ステップＳ３３で第２溶接ワイヤ画像４１上の目標点４３の位置を算出する。

ステップＳ３５では、ステップＳ６で求められた第１ロボット位置を基準とした溶接トーチ３の傾き（ＸＺ面上の傾き）と、ステップＳ２６で求められた第２ロボット位置を基準とした溶接トーチ３の傾き（ＹＺ面上の傾き）と、第１ロボット位置および第２ロボット位置におけるアーム先端部Ｐ１の傾き（姿勢）とに基づき、傾き検出部１４４での処理により、アーム先端部Ｐ１に対する溶接トーチ３の三次元空間における傾き（相対姿勢）を算出する。さらに、ステップＳ１３で求められた第１ロボット位置を基準とした目標点４３の位置（ＸＺ面上の位置）と、ステップＳ３３で求められた第２ロボット位置を基準とした目標点４３の位置（ＹＺ面上の位置）と、第１ロボット位置および第２ロボット位置におけるアーム先端部Ｐ１の位置とに基づき、位置検出部１４３での処理により、アーム先端部Ｐ１に対する目標点４３の三次元空間における位置（相対位置）を算出する。すなわち、ステップＳ３５では、ツール先端点の位置および傾きを算出する。なお、ステップＳ３５の処理では、ツール先端点の位置および傾きを算出する際に、アーム先端部Ｐ１の位置姿勢を用いるが、これはサーボモータ２１に内蔵されたエンコーダの検出値により求めることができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）溶接トーチ検出装置１００は、溶接ロボット１のアーム先端部に取り付けられた溶接トーチ３と溶接トーチ３から送給される溶接ワイヤ４とを第１方向および第２方向から撮像して、溶接トーチ３および溶接ワイヤ４の画像信号を取得するカメラ３２と、カメラ３２により取得された画像信号に基づき、第１方向および第２方向に対応した溶接ワイヤ画像４１と溶接トーチ画像４２とを認識する画像認識部１４１と、画像認識部１４１により認識された溶接ワイヤ画像４１上に、溶接ワイヤ４の狙い位置に対応する目標点４３を設定する設定部１４２と、画像認識部１４１により認識された溶接ワイヤ画像４１に基づき、目標点４３の３次元空間における位置を検出する位置検出部１４３と、画像認識部１４１により認識された溶接トーチ画像４２に基づき、溶接トーチ３の３次元空間における傾きを検出する傾き検出部１４４とを備える。

これにより溶接ワイヤ４に曲がり癖がある場合であっても、ツール先端点の位置を精度よく求めることができる。したがって、ツール先端点の位置を精度よくワイヤ狙い位置に一致させることができ、正確な位置で溶接作業を行うことができる。また、カメラ画像４０を用いて溶接トーチ３の傾きを検出するので、この検出値を用いることで、ロボット教示後に溶接トーチ３が変形により曲がった場合であっても、溶接トーチ３と溶接治具や周辺機器との干渉を防ぐことができる。

（２）溶接トーチ３の傾きを、溶接ロボット１の位置制御に用いられるメカニカル座標系のツール先端点（目標点４３）における傾きによって表すことで（図８〜図１０）、ツール先端点の位置姿勢の制御が容易となる。

（３）設定部１４２は、画像認識部１４１により認識された溶接トーチ画像４１の先端４２１を中心とした所定半径Ｒの円弧と、溶接ワイヤ画像４１との交点（図６）、あるいは画像認識部１４１により認識された溶接トーチ画像４１の先端４２１から溶接トーチ画像４２の中心線Ｌ１に沿って所定距離ΔＬ隔てた仮想線Ｌ２と、溶接ワイヤ画像４１との交点（図５）を、目標点４３として設定する。これにより、ツール先端点の位置を容易に認識することができる。また、溶接品質において重要である溶接トーチ３の先端から溶接ワイヤ４の先端までの距離を正しく設定できる。

（４）溶接ロボットシステムは、溶接トーチ３を移動するサーボモータ１２と、溶接トーチ３から溶接ワイヤ４を送給するワイヤ送給機６と、サーボモータ１２を制御するモータ制御部１３と、ワイヤ送給機６制御用の溶接機７を制御する溶接機制御部１２と、カメラ３２を制御するカメラ制御部１１とを備え、溶接トーチ３と溶接ワイヤ４を第１方向および第２方向から撮像するようにカメラ３２を制御する（図１３、図１４）。これによりツール先端点の位置および傾きの算出に適した複数方向からのカメラ画像４０を容易に取得することができる。

（５）溶接ロボットシステム（溶接トーチ検出装置１００）は、画像認識部１４１により所定範囲の溶接ワイヤ画像４１が認識されたか否かを判定するワイヤ判定部１４５を備える。そして、溶接機制御部１２は、ワイヤ判定部１４５により所定範囲の溶接ワイヤ画像４１が認識されていないと判定されると、溶接機７を制御して溶接ワイヤ４を送給し、カメラ制御部１１は、溶接ワイヤ４の送給後に、溶接トーチ３と溶接ワイヤ４を撮像するようにカメラ３２を制御する。これによりワイヤ突出し量が短い場合であっても、目標点４３を設定することができる。

（６）溶接ロボットシステム（溶接トーチ検出装置１００）は、画像認識部１４１により所定範囲の溶接トーチ画像４２が認識されたか否かを判定するトーチ判定部１４６を備える。そして、モータ制御部１３は、トーチ判定部１４６により所定範囲の溶接トーチ画像４２が認識されていないと判定されると、サーボモータ２１を制御して溶接トーチ３を撮像領域４０に向けて移動し、カメラ制御部１１は、溶接トーチ３の移動後に、溶接トーチ３と溶接ワイヤ４を撮像するようにカメラ３２を制御する。これにより溶接トーチ３の位置がずれている場合であっても、溶接トーチ３の傾きを検出することができる。

（７）溶接ロボットシステム（溶接トーチ検出装置１００）は、予め教示されたツール先端点（目標点４３）の位置および傾きの指令値を、位置検出部１４３により検出された位置および傾き検出部１４４により検出された傾きを用いて補正する補正部１４７を備える。これによりツール先端点の実際の位置および姿勢を指令値に一致させることができ、良好な溶接作業を行うことができる。

（８）位置検出部１４３により検出された目標点４３の位置および傾き検出部により検出された溶接トーチ３の傾きを、予め定められた許容値と比較し、許容値内にないときにエラーを発生するようにした（図１３、図１４）。これにより、溶接トーチ先端部の位置ずれが大きい場合の溶接トーチ３の点検や交換の要否を容易に判断することができる。

なお、上記実施形態（図７、図１５）では、溶接ワイヤ４と溶接トーチ３を撮像する第１方向および第２方向を、それぞれメカニカル座標系のＹ軸方向およびＸ軸方向に平行な方向としたが、異なる方向から撮像した複数のカメラ画像４０を取得するのであれば、第１方向と第２方向はメカニカル座標系の座標軸と平行でなくてもよい。第１方向と第２方向がメカニカル座標系の座標軸と平行でない場合、座標変換を用いて複数のカメラ画像４０からツール先端点の位置および傾きを算出することができる。２方向より多くのカメラ画像４０を取得してもよく、撮像部としてのカメラ３２の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態では、サーボモータ１２によりアーム２を移動して、カメラ３２と溶接トーチ３とを相対移動するようにしたが、カメラ３２を移動可能に設け、カメラ３２を移動することで、カメラ３２と溶接トーチ３とを相対移動するようにしてもよい。防塵カバー３１内に複数のカメラ３２を配置し、複数方向からのカメラ画像４０を一度に取得するようにしてもよい。

上記実施形態では、サーボモータ２１によりアーム２を駆動することで溶接トーチ３を移動するようにしたが、トーチ移動部の構成はこれに限らない。溶接トーチ３から溶接ワイヤ４を送給するワイヤ送給部としてのワイヤ送給機６の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、カメラ制御部１１、溶接機制御部１２およびモータ制御部１３により、それぞれカメラ３２、溶接機７およびサーボモータ２１を制御するようにしたが、これら制御部の構成は上述したものに限らない。溶接トーチ３や溶接ロボット１の構成も上述したものに限らず、本発明は、種々の溶接トーチ３を有する溶接ロボット１に適用することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

３ 溶接トーチ
４ 溶接ワイヤ
６ ワイヤ送給機
７ 溶接機
１０ ロボット制御装置
１１ カメラ制御部
１２ 溶接機制御部
１３ モータ制御部
１４ 画像処理部
２１ サーボモータ
３２ カメラ
１４１ 画像認識部
１４２ 設定部
１４３ 位置検出部
１４４ 傾き検出部
１４５ ワイヤ判定部
１４６ トーチ判定部
１４７ 補正部

Claims (8)

1. 溶接ロボットのアーム先端部に取り付けられた溶接トーチと該溶接トーチから送給される溶接ワイヤとを複数方向から撮像して、前記溶接トーチおよび前記溶接ワイヤの画像信号を取得する撮像部と、
   前記撮像部により取得された画像信号に基づき、前記溶接ワイヤを表す複数方向の溶接ワイヤ画像と前記溶接トーチを表す複数方向の溶接トーチ画像を認識する画像認識部と、
   前記画像認識部により認識された前記溶接ワイヤ画像上に、前記溶接ワイヤの狙い位置に対応する目標点を設定する設定部と、
   前記画像認識部により認識された前記複数方向の溶接ワイヤ画像に基づき、前記目標点の３次元空間における位置を検出する位置検出部と、
   前記画像認識部により認識された前記複数方向の溶接トーチ画像に基づき、前記溶接トーチの３次元空間における傾きを検出する傾き検出部と、を備え、
   前記溶接トーチの傾きは、前記目標点における、溶接ロボットの位置制御に用いられる３次元直交座標系の傾きによって表されることを特徴とする溶接トーチ検出装置。
2. 請求項１に記載の溶接トーチ検出装置において、
   前記設定部は、前記画像認識部により認識された前記溶接トーチ画像の先端を中心とした所定半径の円弧と、前記溶接ワイヤ画像との交点を、前記目標点として設定することを特徴とする溶接トーチ検出装置。
3. 請求項１に記載の溶接トーチ検出装置において、
   前記設定部は、前記画像認識部により認識された前記溶接トーチ画像の先端から該溶接トーチ画像の中心線に沿って所定距離隔てた仮想線と、前記溶接ワイヤ画像との交点を、前記目標点として設定するこことを特徴とする溶接トーチ検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接トーチ検出装置と、
   溶接トーチを移動するトーチ移動部と、
   前記溶接トーチから溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部と、
   前記トーチ移動部と前記ワイヤ送給部と前記撮像部とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記溶接トーチおよび前記溶接ワイヤを複数方向から撮像するように前記撮像部を制御することを特徴とする溶接ロボットシステム。
5. 請求項４に記載の溶接ロボットシステムにおいて、
   前記画像認識部により所定範囲の前記溶接ワイヤ画像が認識されたか否かを判定するワイヤ判定部をさらに有し、
   前記制御部は、前記ワイヤ判定部により前記所定範囲の前記溶接ワイヤ画像が認識されていないと判定されると、前記溶接ワイヤを送給するように前記ワイヤ送給部を制御し、さらに、前記ワイヤ送給部が前記溶接ワイヤを送給した後に、前記溶接トーチと前記溶接ワイヤを撮像するように前記撮像部を制御することを特徴とする溶接ロボットシステム。
6. 請求項４または５に記載の溶接ロボットシステムにおいて、
   前記画像認識部により所定範囲の前記溶接トーチ画像が認識されたか否かを判定するトーチ判定部をさらに有し、
   前記制御部は、前記トーチ判定部により前記所定範囲の前記溶接トーチ画像が認識されていないと判定されると、前記溶接トーチを前記撮像部の撮像領域に向けて移動するように前記トーチ移動部を制御し、さらに、前記トーチ移動部が前記溶接トーチを移動した後に、前記撮像領域を撮像するように前記溶接トーチおよび前記溶接ワイヤを制御することを特徴とする溶接ロボットシステム。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の溶接ロボットシステムにおいて、
   予め教示された前記目標点の位置および傾きの指令値を、前記位置検出部により検出された位置および前記傾き検出部により検出された傾きを用いて補正する補正部をさらに備えることを特徴とする溶接ロボットシステム。
8. 請求項７に記載の溶接ロボットシステムにおいて、
   前記制御部は、第１時点および該第１時点から所定時間経過した第２時点に、それぞれ前記溶接トーチを所定位置に移動して前記溶接トーチおよび前記溶接ワイヤの画像信号を取得するように前記トーチ移動部および前記撮像部を制御し、
   前記補正部は、前記第１時点に前記位置検出部により検出された前記目標点の位置および前記傾き検出部により検出された前記溶接トーチの傾きが、前記第２時点に前記位置検出部により検出された前記目標点の位置および前記傾き検出部により検出された前記溶接トーチの傾きからずれているとき、そのずれ量に基づき前記指令値を補正することを特徴とする溶接ロボットシステム。

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