JP7290562B2 - 溶接制御装置、溶接ロボットシステム、および、溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接制御装置、溶接ロボットシステム、および、溶接制御方法に関わる。

建設機械、電車、建物、発電プラントなどの製品製造には、アーク溶接による金属の溶接技術が用いられる。アーク溶接作業では手動溶接もしくは半自動溶接により、作業者が手作業で行う作業が多く存在するが、製品の品質は作業者の熟練度に大きく左右される。また、熟練作業者が減少していく中で、製品の品質が維持できなくなっている。それらを解決する課題として製品を製造する工場には、溶接作業の生産性を向上させるために溶接ロボットの導入が進んでいる。溶接ロボットは、溶接トーチの動きなどの溶接条件が事前に規定された動作データを読み込んで、その動作データどおりに溶接トーチを動作させることで、溶接作業を自動的に行う。よって、溶接ロボットを動作させる前に、溶接ロボットに動作データを設定（教示）する「ティーチング」と呼ばれる前準備が必要となる。

ティーチングは、大まかに（１）オフラインティーチングか、（２）ダイレクトティーチングかの２種類に分類される。
（１）オフラインティーチングは、作業者による手作業を必要とせず、製品の形状データなどからその製品を溶接するための動作データを自動計算する手法である。特許文献１には、オフラインティーチングの一例として、溶接トーチの基準姿勢に対する差が小さく、かつ姿勢変化量が小さくなるような溶接トーチの最適動作情報を生成する方法が記載されている。
しかし、オフラインティーチングでは、溶接速度や溶接高さなど単純な設定しか対応していないので、溶融池の状態に応じて１ｍｍ以下の精度で動かすような高精度な動作はできない。アーク溶接では溶接部の状態を把握しながらトーチ動作を１ｍｍ以下の精度で規定して動作する必要がある。

そこで、（２）ダイレクトティーチングは、作業者が実際に溶接トーチを手作業で動かして、その動作データを直接記録する手法である。特許文献２には、ダイレクトティーチングの一例として、作業者がロボットのハンドまたは工具を直接手に持って動かし、その動作をロボットに記憶させる方法が記載されている。
作業者の動作を直接ロボットのプログラムに反映するダイレクトティーチングは、オフラインティーチングよりもコストはかかるものの、その分精度の高い動作データを記録することができ、溶接体の形状が複雑に変化しても柔軟に条件をティーチングすることができる。

特開２００７-２１９９８９号公報 特開平５－３０５５９０号公報

熟練作業者の動作の模擬による溶接作業のティーチングでは複数の課題がある。
アーク溶接中は溶接部が強いアーク光を照射するため、遮光面を装着する必要があり、作業者は溶融池近傍以外が見えない。ロボットのアーム越しに溶融池を観察しながら溶接するダイレクトティーチングでは、ロボットのアームが視界を遮るため、溶融池近傍を微小量動作させて、１ｍｍ以下の動作を再現するには不向きである。

また、手でトーチを動かして操作する半自動溶接の熟練者は、定量化が難しい暗認知によって無意識で溶接状態を正常に行う技術を有している。半自動溶接の実作業と大きく乖離しているダイレクトティーチングでは、定量化・言語化が難しい暗認知をティーチングに反映することは困難である。

そこで、本発明は、作業者の暗認知動作を反映した溶接ロボットティーチングを実現することを、主な課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の溶接制御装置は、以下の特徴を有する。
本発明は、溶接対象物に対応づけた規定動作データが格納される溶接ＤＢと、
前記規定動作データに従って実環境で溶接を実行するロボットによる溶接の状況を、溶接状態データとして計測する状態センサと、
前記溶接状態データを、前記実環境を模して作業者に通知する模擬環境と、
前記模擬環境から前記作業者による溶接の動作を示す作業者動作データの入力を受け、前記規定動作データの代わりに前記作業者動作データを用いて前記実環境のロボットを操作させるとともに、入力された前記作業者動作データを新たな前記規定動作データとして前記溶接ＤＢに記録する動作制御部と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。

本発明によれば、作業者の暗認知動作を反映した溶接ロボットティーチングを実現することができる。

本発明の一実施形態に関する溶接ロボットシステムの機能図である。 本発明の一実施形態に関する溶接ロボットシステムを適用した工場の第１例を示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する溶接ロボットシステムを適用した工場の第２例を示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する溶接ロボットシステムを適用した工場の第３例を示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する溶接対象の母材の斜視図である。 本発明の一実施形態に関する図５の母材の開先に対してビードが流し込まれたときの斜視図である。 本発明の一実施形態に関する模擬部で動作データ取得のための模擬作業をする作業者の外観図である。 本発明の一実施形態に関する作業者が知覚する模擬環境の別の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態に関する作業者が把持する模擬トーチの構成図である。 本発明の一実施形態に関するマスタ部で動作するロボットの外観図である。 本発明の一実施形態に関する図１０の実溶接状況の詳細な外観図である。 本発明の一実施形態に関する溶接ＤＢの一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関する溶接ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に関する図５の母材に対して溶接が行われる様子を示す上面図である。 本発明の一実施形態に関するビードの溶接箇所に形成される溶融池の平面図である。 本発明の一実施形態に関する溶融池の形状に応じて動作を修正する処理の説明図である。

本発明は、製品製造の実環境でダイレクトティーチングを行う代わりに、ロボットが溶接している実環境での測定結果をリアルタイムに作業者の操作環境に表示し、実溶接に近い環境を作業者に通知できる模擬環境でのダイレクトティーチングを検討する。実際にロボットが溶接している状況をリアルタイムに通知する模擬環境では、シミュレーションによるオフラインティーチングより高精度な状況を作業者が把握できる。また、作業者は実際のロボットのアームを手でつかんで動作させるのではなく、実作業アーク光と遮光面によってロボットのアーム位置の認識を阻害されることなく模擬トーチを動作させることができる。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、溶接ロボットシステムの機能図である。
溶接ロボットシステムは、ティーチングする側である模擬部１０と、ティーチングされる側であるマスタ部２０と、マスタ部２０が作成した溶接プログラムをもとに溶接を行うサブシステム部３０とを含めて構成される。
図７～図９で後記するように、生身の人間である作業者１３は、模擬環境１２で作業する。この作業者１３が存在する場所である模擬部１０は、状態出力部１１と、模擬環境１２内の動作センサ１４とを備える。

図１０、図１１で後記するように、機械であるロボット２３は、実環境２２で作業する。実環境２２は実際に溶接を行う場所であり、模擬環境１２は実環境２２を模した仮想的な環境である。このロボット２３が存在する場所であるマスタ部２０は、実環境２２内の状態センサ２１と、動作制御部２４と、溶接ＤＢ２５とを備える。
なお、マスタ部２０は、溶接ＤＢ２５を内部に備えていなくてもよく、代わりに、外部のクラウド上に存在する溶接ＤＢ２５にアクセスできる機能を有することで、実質的にマスタ部２０が溶接ＤＢ２５を備えることと同等に構成してもよい。

状態出力部１１は、実環境２２で状態センサ２１が計測した溶接部の溶融池形状や形成したビードなどの溶接状態データを作業者１３に模擬環境１２としてリアルタイムに出力（画面表示、音出力など）することで、作業者１３があたかも実環境２２に存在しているかのように、モニタリングさせる。そして、作業者１３は、モニタリング中の模擬環境１２で模擬トーチを動かすなどのティーチングを行うと、その作業者動作データが動作センサ１４により計測されてマスタ部２０に伝達される。

動作制御部２４は、受信した作業者動作データを溶接動作データとして、ロボット２３にリアルタイムに読み込ませる。これにより、作業者１３があたかもロボット２３を実環境２２で遠隔操作しているかのように、ロボット２３に溶接の作業を行わせる。
マスタ部２０（状態センサ２１と、動作制御部２４と、溶接ＤＢ２５）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、ハードディスクなどの記憶手段（記憶部）と、ネットワークインタフェースとを有するコンピュータとして構成される。
このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部により構成される制御部（制御手段）を動作させる。

溶接ＤＢ２５には、溶接対象物に対応づけた溶接動作データが、溶接プログラムとして格納される。この溶接動作データは、作業者１３が模擬環境１２でティーチングした作業者動作データがデジタルデータとして記録されたものである。その後、溶接ＤＢ２５の溶接動作データは、ロボット２３が実環境２２でティーチングした動作を再現するときの規定動作データとして読み込まれる。つまり、動作制御部２４は、以下の２つのモードを切り替えて、ロボット２３を制御する。
（１）自動モード：過去に溶接ＤＢ２５に設定された規定動作データに従って、ロボット２３を制御するモード。
（２）手動モード：リアルタイムに入力された作業者動作データに従って、ロボット２３を制御するモード。この手動モードでは、ロボット２３の制御処理に加えて、溶接ＤＢ２５の記録処理も並行して行われる。

ロボット３３が実環境３２で作業するサブシステム部３０も、マスタ部２０と同様に状態センサ３１と、動作制御部３４と、溶接ＤＢ３５とを備える。なお、溶接ＤＢ３５に記録される溶接プログラムは、マスタ部２０から受信した溶接ＤＢ２５の溶接プログラムが書き込まれる（図１の破線矢印）。つまり、マスタ部２０がティーチングされた溶接プログラムは、量産型の（多数箇所の）サブシステム部３０に展開される。
なお、状態センサ３１は、溶接状態データを観察して、溶接プログラムで対応する溶接動作データによるロボット３３の制御に用いる点は状態センサ２１と同じである。一方、サブシステム部３０は模擬部１０から直接はティーチングされないので、状態センサ３１の溶接状態データは模擬部１０には送信されない。
動作制御部３４は、溶接ＤＢ３５の溶接プログラムに従って現物の製品を製造する。これにより、作業者１３の作業者動作データと同じような動作で溶接できる製造ラインが完成する。

以下、図２～図４に例示するように、溶接ロボットシステムはさまざまな工場に適用される。
図２は、溶接ロボットシステムを適用した工場の第１例を示す構成図である。
模擬部１０を収容する工場９１と、マスタ部２０を収容する工場９２と、サブシステム部３０を収容する工場９３とがそれぞれ別々の工場として構成されている。各工場は別々の事業者によって運営されていてもよい。
これにより、工場９１と遠隔地の工場９２とでネットワークをまたいでダイレクトティーチングを行うことで、製造ライン構成が変わるたびに、の工場９１にいる作業者１３を遠隔地の工場９２や工場９３に派遣しなくても済む。また、工場９１～９３の所在は１つの国内であっても、それぞれ異なる国であってもよい。
このような構成とすることで、工場９１の事業者は工場９２の動作データを設定するサービス提供が容易となる。また、工場９２の事業者は工場９３の事業者に製造の委託が可能である。

図３は、溶接ロボットシステムを適用した工場の第２例を示す構成図である。
模擬部１０およびマスタ部２０を収容する工場９４と、サブシステム部３０を収容する工場９５とがそれぞれ別々の工場として構成される。模擬部１０およびマスタ部２０は同じ事業者によって運営されている。
これにより、工場９４内でティーチングが完結するので、必要以上の技術情報を遠隔地や国外の工場９５に移転させずに済み、情報管理が容易となる。

図４は、溶接ロボットシステムを適用した工場の第３例を示す構成図である。
模擬部１０を収容する工場９６と、マスタ部２０およびサブシステム部３０を収容する工場９７とがそれぞれ別々の工場として構成される。マスタ部２０およびサブシステム部３０は同じ事業者によって運営されている。
これにより、２種類の実環境２２，３２を一箇所の工場９７に集約できるので、工場の設備コストを削減できる。

図５は、溶接対象の母材４１Ｌ，４１Ｒの斜視図である。母材４１Ｌ，４１Ｒ間には、Ｖ字型の空間が開先として存在する。
図６は、図５の母材４１Ｌ，４１Ｒの開先に対してビード４２が流し込まれたときの斜視図である。以下、ビード４２を流す溶接の進行方向（矢印）をＸ軸とし、進行方向に対して左右の横側をＹ軸とし、母材４１Ｌ，４１Ｒの高さ方向をＺ軸とする。

図７は、模擬部１０で動作データ取得のための模擬作業をする作業者１３の外観図である。
作業者１３は、図９の模擬トーチ１４ｂを作業者の腕１３ａで把持して、あたかも実際の溶接トーチであるかのように溶接動作を行う。
図７では、作業者１３が知覚する模擬環境１２として、溶接台１２Ｔの上面にマスタ部２０の実溶接状況に対応する仮想溶接状況１２Ｂが映し出されている。状態出力部１１は、例えば、物理的な溶接台１２Ｔの上面に配置された平面のディスプレイ１１Ｄとして構成され、そのディスプレイ１１Ｄが仮想溶接状況１２Ｂを表示することで模擬環境１２を具体化される。または、状態出力部１１は、物理的な溶接台１２Ｔの上面に、溶接対象物（またはその模型）を配置し、その溶接対象物に対してプロジェクションマッピングを使って、実溶接中のビードを撮影した映像を投影することで模擬環境１２を具体化される。仮想溶接状況１２Ｂは、実溶接と同一の大きさでも、拡大または縮小して表示することも可能であり、溶接対象物に併せて調整が可能である。
図７では、動作センサ１４としてのモーションカメラ１４ｃを例示している。モーションカメラ１４ｃは、作業者や模擬トーチ１４ｂの動作を検知し溶接動作のデータを計測する。

図８は、作業者１３が知覚する模擬環境１２の別の構成を説明する図である。仮想溶接状況を表示する溶接台１２Ｔやディスプレイ１１Ｄに代わり、ヘッドホン１１ＨおよびＶＲゴーグル１１Ｖを備え、作業者１３が装着したときの外観図である。
状態出力部１１としてのＶＲゴーグル１１Ｖは、作業者１３の前面の空間に模擬環境１２（図１参照）を仮想的に形成する。作業者１３は物理的には何も存在しない空間でも、溶接台や母材やビードがあたかも存在しているかのように視覚的に認識する。作業者の模擬トーチの操作に合わせ、溶接トーチより出るアークやレーザを併せて表示させてもよい。また、状態出力部１１としてのヘッドホン１１Ｈは、作業者１３に実環境２２の音を聴かせることで、視覚だけでなく聴覚においても模擬環境１２を認識させる。

図９は、作業者１３が把持する模擬トーチ１４ｂの構成図である。
模擬トーチ１４ｂには、モーションカメラ１４ｃによって３Ｄ座標が計測される対象である模擬トーチマーカ１４ｍが付加されている。模擬トーチ先端部１４ｎのふり幅や高さの３Ｄ座標を計測するため、模擬トーチマーカ１４ｍはとくに模擬トーチ先端部１４ｎに付加されることが望ましい。
これにより、作業者の腕１３ａの動きを作業者動作データとして計測することができる。なお、作業者動作データの計測手段として、加速度センサや機械的センサを模擬トーチ１４ｂに取り付けてもよいし、作業者の腕１３ａの撮影画像から姿勢認識を行うことができるキネクト（登録商標）センサを用いてもよい。

また、模擬トーチ１４ｂは、模擬トーチスイッチ１４ｓｗを備える。作業者１３は、模擬トーチスイッチ１４ｓｗをオンにすると、作業者動作データの記録期間（手動モード）を開始し、模擬トーチスイッチ１４ｓｗをオフにすると、作業者動作データの記録期間を終了する。
このように、作業者動作データの記録のオンオフを行うための操作を模擬トーチスイッチ１４ｓｗから受け付けることにより、作業者１３は、模擬ではない実際のトーチでアークを出す慣れた操作と同じように、ティーチングを指示できる。

図１０は、マスタ部２０で動作するロボット２３の外観図である。
実環境２２のロボット２３は、ロボット電源２２ｖからの電力供給と、動作制御部２４からの溶接動作データとを受けてロボットアーム２３ａを動作させ、ロボットアーム２３ａに取り付けられたロボットトーチ２３Ｔを用いて、実際の母材とビードを対象とする実溶接状況２２Ｂでアーク溶接を行う。
なお、実溶接状況２２Ｂから溶接状態データを計測する状態センサ２１として、ビードの溶融池の画像を撮影してＶＲゴーグル１１Ｖなどに出力するための溶融池カメラ２１Ｃと、溶接音を集音してヘッドホン１１Ｈに出力するための音センサ２１Ｍとが備えられている。実溶接状況２２Ｂではアーク溶接により強いアーク光が発生するため、溶融池カメラ２１Ｃにはアーク光を撮影せずに溶融池を撮影するための遮光フィルタを装着することが望ましい。

図１１は、図１０の実溶接状況２２Ｂの詳細な外観図である。
溶融池カメラ２１Ｃは、ロボットトーチ２３Ｔがアーク溶接により発生させたビードの溶融池の形状を撮影できる程度に、ロボットトーチ２３Ｔの近傍に配置される。また、溶接状態データを計測する状態センサ２１として、母材のこれから溶接を行う箇所（溶接部）にレーザ光２１ＬＢを当てて、溶接部の形状を測定するためのレーザ変位計２１Ｌも備えられている。

図１２は、溶接ＤＢ２５，３５の一例を示す説明図である。図１２の各グラフは、横軸がビードの進行方向（Ｘ軸）に対応し、縦軸がＸ軸の各位置における特徴量（開先形状、トーチ高さ、溶接方向速度）を示す。
図１で説明したように、溶接ＤＢ２５には溶接プログラムが記録され、その溶接プログラムは溶接状態データと、その溶接状態データに適した溶接動作データとを対応づける。つまり、ある溶接状態データが計測されたときには、溶接プログラムとして対応づけられている溶接動作データが採用されてロボット２３を動作させる。その後に別の溶接状態データが計測されたときには、別の溶接動作データがロボット２３に読み込まれる。

なお、説明上「溶接プログラム」と表記したが、計測された溶接状態データから、対応する溶接動作データを求めることができればよいので、溶接プログラムに限らず、相関関数や対応データとして溶接ＤＢ２５に格納してもよい。
溶接プログラムの溶接状態データとして、例えば、溶接製品全体の形状データ、溶接製品の一部である溶接部パターン（図１２の開先形状）の形状データ、および、溶接に関する特徴量（溶接部の輝度、溶接部の入熱量、溶接部の大きさ、母材のギャップ幅、母材の開先角度など）を用いてもよい。または、溶接状態データとして、聴覚情報（溶接音や、その周波数分布など）を用いてもよい。さらに、前記した各溶接状態データを複数組み合わせて、溶接動作データと対応づけてもよい。

なお、溶接部パターンなどの溶接状況を示す情報ごとに溶接動作データを対応づけておくことで、新しい溶接製品を初めて作成する場合でも、その部分ごとに既知の溶接部パターンが出現することで、対応する溶接動作データを求めることができる。
溶接プログラムの溶接動作データとして、ロボットアーム２３ａを動かすときの図１２のトーチ高さ、溶接方向速度などの溶接条件が挙げられる。トーチ高さなどの座標は、溶接状態データの溶接部からの相対座標である。

図１３は、溶接ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。
Ｓ１１１として、マスタ部２０の動作制御部２４は、溶接ＤＢ２５から読み込んだ規定動作データに従い、ロボット２３の自動動作を開始する。これにより、作業者１３が明示的に操作をしなくても、ロボット２３は実環境２２で溶接作業を行う。
Ｓ１１２として、状態センサ２１は、Ｓ１１１で自動動作された実環境２２から溶接状態データを取得し、模擬部１０に溶接状態データを送信する。
Ｓ１０１として、模擬部１０の状態出力部１１は、受信した溶接状態データを作業者１３に出力することで、実溶接状況２２Ｂの溶接状態データを仮想溶接状況１２Ｂとして作業者１３にモニタリングさせる。なお、Ｓ１１２→Ｓ１０１によるモニタリング処理は、溶接が完了するまで（Ｓ１１５，Ｙｅｓ）継続される。

図１４は、図５の母材４１Ｌ，４１Ｒに対して溶接が行われる様子を示す上面図である。図面の上部から、第１状態２０１→第２状態２０１→第３状態２０１の順に溶接が進行する。そして、図面の左側の溶接開始位置ｘ１から、途中位置ｘ２、ｘ３を経て、溶接終了位置ｘ４までビードが形成される。
まず、第１状態２０１では、母材４１Ｌ，４１Ｒ間の開先に対して、そのまま中央を直進する軌跡データ２０１ａが規定動作データとして読み込まれている。この軌跡データ２０１ａに従って、開先が狭い区間ｘ１－ｘ２までロボットトーチ２３Ｔが進行する（Ｓ１０２,No）。しかし、途中の位置ｘ２－ｘ４は、開先が広い区間になるので、このまま軌跡データ２０１ａに従って直線のビードを塗るだけでは、開先に塗り残しが発生してしまう。

図１３のＳ１０２として、作業者１３は直線の規定動作データでは塗り残しが発生してしまうと判断し、模擬トーチスイッチ１４ｓｗをオンにすることで（Ｓ１０２,Yes）、作業者動作データの記録を開始する。作業者１３は、作業者の腕１３ａで模擬トーチ１４ｂを動かすことにより、動作センサ１４に作業者動作データを計測させる。
動作センサ１４は作業者動作データをマスタ部２０に送信することで（Ｓ１０３）、動作制御部２４に対してその作業者動作データを溶接ＤＢ２５に記録させるとともに（Ｓ１１３）、作業者動作データに従ってロボットトーチ２３Ｔを動かす。

図１４の第２状態２０２では、作業者動作データとして作業者１３が直接教示した軌跡データ２０２ｂが示されている。この軌跡データ２０２ｂは、開先が広い区間ｘ２－ｘ３に対応して、幅広くウィービング（蛇行）しており、塗り残しを無くすことができる。
そして、作業者１３はウィービングの教示をある程度（ここでは開先の一往復）行ったと判断すると、模擬トーチスイッチ１４ｓｗをオフにすることで（Ｓ１０４,Yes）、作業者動作データの記録を終了する。

動作制御部２４は、模擬部１０から作業者動作データの送信処理を終了する旨を受け（Ｓ１０５）、Ｓ１１３の作業者動作データを溶接ＤＢ２５に記録する処理を終了する。これにより、開先が広い区間ｘ２－ｘ３で自動動作するための規定動作データは、第１状態２０１の直線の軌跡データ２０１ａから、第２状態２０２のウィービングした軌跡データ２０２ｂへと更新される（Ｓ１１４）。

なお、まだ溶接されていない区間ｘ３－ｘ４が残っているので、溶接は完了せず（Ｓ１１５,No）、引き続き、Ｓ１１２の自動動作が継続される。ここで、図１４の第３状態２０３では、区間ｘ３－ｘ４が教示済みの区間ｘ２－ｘ３と同じ溶接状態データ（開先幅が広い区間）なので、軌跡データ２０２ｂが軌跡データ２０３ｃとして繰り返し再生されている。
つまり、区間ｘ１－ｘ４のうちの一部の区間ｘ２－ｘ３だけ、作業者１３は実際にダイレクトティーチングを行えばよいので、模擬環境１２を用いる作業者１３の身体的負担を減らすことができた。

溶接が完了したら（Ｓ１１５,Yes）、動作制御部２４は、溶接状態データと溶接動作データとを対応づけた溶接プログラムを溶接ＤＢ２５に格納する。なお、Ｓ１１１～Ｓ１１５のティーチング処理は母材（試験片）に対して１回行ってもよい。一方、複数回のティーチング処理により溶接プログラムの更新処理を繰り返すことで、作業者１３が溶接プログラムを徐々に改良していくことにより、品質向上が期待できる。
作成された溶接プログラムは、マスタ部２０からサブシステム部３０に送信され（Ｓ１１６）、サブシステム部３０のロボット３３による自動動作に活用される。

なお、ロボット３３が複数個の母材それぞれから同じ製品を作製するとき、もし実環境３２における母材の配置が複数の製品ですべて同じ位置にズレなく固定できている場合には、溶接ＤＢ２５から同じ溶接対象物に対応づけられた１つの溶接動作データを使い回せばよい。
しかし、実際には部品の公差や、溶接前作業の影響などにより、同じ実環境３２で同じ製品を作製する場合でも、個々の製品で若干の位置ズレが発生する。溶接前作業の影響とは、例えば、仮止め溶接などで開先の溶接部の形状が溶接ＤＢ２５の溶接プログラムと微妙にずれる場合である。
そのためには、マスタ部２０の動作制御部２４は、溶接部とトーチの相対座標だけでなく、溶融池の大きさなどの溶接現象も記録して規定動作データに反映すればよい。そのために、動作制御部２４は、状態センサ２１が取得した溶融池形状や溶接音の解析を行い、各種特徴量を抽出して、模擬部１０から送信された作業者動作データと共に溶接ＤＢ２５に記録する。さらに、動作制御部２４は、溶接ＤＢ２５に記録する各種特徴量について、所定の数値範囲も併せて設定してもよい。

また、動作制御部３４（第二の動作制御部）は、実環境３２（第二の実環境）上で得られた溶接状態データの特徴量を抽出し、抽出した特徴量が所定の数値範囲を超える場合に、特徴量を所定数値に近づける方向にロボット３３（第二の溶接ロボット）の三次元動作を微修正してもよい。
例えば、動作制御部３４は、溶接状態データの特徴量として、溶融池の撮影画像から溶融池の左右面積比を抽出し、抽出した溶融池の左右面積比が同一となるようにロボット３３の三次元動作を修正する。
以下、図１５、図１６を参照して、左右面積比が同一となるように制御する具体例を説明する。

図１５は、ビード４２の溶接箇所に形成される溶融池の平面図である。この平面図では、ビードの進行方向（Ｘ軸方向）に対して、Ｙ軸の上側を左側とする。溶融池の左側領域ＰＳＬと、右側領域ＰＳＲとは、中心線ＣＬで区切られている。中心線ＣＬは、ビードの進行方向における溶接中心位置を示す。溶融池はＸ軸方向の長さＰｘと、Ｙ軸方向の幅Ｐｙをもつ。
ここで、溶融池形状の左右のバランスを評価する溶接状態データとして、溶融池の対称性Ｓｓｙｍを以下に定義する。
Ｓｓｙｍ＝（ＰＳＬ－ＰＳＲ）／（ＰＳＬ＋ＰＳＲ）＝（ＰＳＬ－ＰＳＲ）／Ｓ
対称性Ｓｓｙｍの値が小さいほど左右のバランスがよく高評価であり、Ｓｓｙｍ＝０がもっともバランスがよい状態である。なお、Ｓは溶融池全体の面積である。

図１６は、溶融池の形状に応じて動作を修正する処理の説明図である。符号１０１は溶接動作データを示し、符号１０２は各時刻における溶融池の形状を示す。
時刻ｔ１１での溶融池１０２ａは、対称性Ｓｓｙｍは良好であるが、溶融池全体の面積Ｓが小さい状態である。よって、この溶融池１０２ａを大きくするために、ロボット３３はトーチの位置を現状維持とする。
時刻ｔ１２での溶融池１０２ｂは、溶融池１０２ａよりも溶融池全体の面積Ｓは大きくできたものの、左側（Ｙ軸上側）に溶融池が大きく膨らんでしまい、対称性Ｓｓｙｍは悪化してしまった。

そこで、動作制御部３４は、中心線ＣＬよりも若干上側の位置が指定されていた符号１０１の溶接動作データを修正し、対称性Ｓｓｙｍが改善されるように中心線ＣＬよりも若干下側の位置にロボット３３のトーチを移動させる。
時刻ｔ１３での溶融池１０２ｃは、溶融池１０２ｂから対称性Ｓｓｙｍは改善され、かつ、溶融池全体の面積Ｓも充分である。

以上、図１５，図１６で説明したように、サブシステム部３０の動作制御部３４は、原則はマスタ部２０から配布された規定動作データに従うが、マスタ部２０の規定動作データとは独立して、自身のサブシステム部３０の範囲内で規定動作データを微修正する。換言すると、あるサブシステム部３０で微修正された規定動作データは、他のサブシステム部３０や、マスタ部２０には反映されない局所的なものである。
つまり、サブシステム部３０の動作制御部３４は、マスタ部２０のロボット２３を動作させる規定動作データを維持したまま、作業者１３の監視対象でないサブシステム部３０のロボット３３を動作させる規定動作データ（動的プログラム）のみ微修正を加える。

なお、サブシステム部３０の状態センサ３１は、自身の実環境３２からこの微修正の処理において参照される特徴量を抽出する。この特徴量として、図１５で例示した「左右面積比」の他に、溶融池の輝度、溶融池の形状、溶融池の面積、溶接部温度、入熱量、溶接音などが挙げられる。
また、動作制御部３４は、抽出した特徴量が特定範囲に該当するよう維持する一例として、図１６で例示した「左右面積比が同一となる」処理の他に、溶融池面積が広すぎず狭すぎず特定範囲内になる、輝度が特定範囲内になる、温度が特定範囲内になるなどの制御を行ってもよい。
さらに、特徴量が特定範囲に該当するか否かを判定する閾値は、溶接対象物の材質などにより異なるため、動作制御部３４は、適宜、閾値の設定を受け付けてもよい。

以上説明した本実施形態では、模擬部１０の作業者１３は、マスタ部２０のロボット２３による実環境２２での溶接作業を、状態センサ２１（溶融池カメラ２１Ｃなど）から状態出力部１１（ＶＲゴーグル１１Ｖなど）を介してリアルタイムにモニタリングする。そして、作業者１３は、模擬トーチ１４ｂを操作することで、作業者動作データをロボットアーム２３ａに反映させるとともに、作業者動作データを溶接ＤＢ２５の溶接プログラムにも反映する。
これにより、作業者１３は、あたかも作業者の腕１３ａの様にロボットアーム２３ａを操作しながら、ネットワークをまたいでダイレクトティーチングを実行できる。また、実態に近い模擬環境１２を構築して作業者１３の暗認知動作を反映した溶接ロボットプログラムを作製することができる。

さらに、作業者１３は、模擬トーチスイッチ１４ｓｗのオンオフでダイレクトティーチングの記録期間を指定できる。よって、作業者１３は、溶接期間中に模擬トーチ１４ｂを常時操作しなくても済み、介入が不要な場面ではすでに登録されている規定動作データに従ったロボット２３の動作を眺めているだけで済む。

なお、模擬部１０の作業者１３と、マスタ部２０のロボット２３とが密に連携してダイレクトティーチングを実行できる本実施形態の溶接ロボットシステムは、以下に示すような熟練作業者の高度な技能を溶接プログラムに反映する用途に特に適している。
熟練作業者は、長年経験を積み、卓越した溶接技能を習得しているので、大型構造物や複雑な形状の溶接作業でも高品質に仕上げることができる。熟練作業者は、例えば、直径１ｃｍ程度の溶融池の形を詳細に見ながら１ｍｍ以下の精度で細かく溶接トーチを操作することで、高品質な製品を作成する。

また、熟練作業者は、教科書的な典型の溶接動作だけではなく、初めて見る形の製品でも、どう動作して溶接すればよいか経験的にわかる。さらに、熟練作業者は、溶接作業中に発生する予期せぬ異常事態でも、長年の経験からどうすればリカバリできるかのコツもわかる。異常事態とは、例えば、開先の開きや溶接開先が設計とは少しずれていたり、イレギュラーな形だったりする場合である。
そして、熟練作業者は、異常事態の状況判断だけでなく、無意識的に身体で覚えている手先の器用さにも優れている。例えば、熟練作業者は、トーチの微妙な振り方で壁面を優先して溶かしたり、トーチの高さを絶妙に変えて入熱を少なくしたり、アークを一旦切ってから再スタートさせたりする。

このような熟練作業者のコツは言語化・数値化したり系統的に分類したりすることが難しい暗認知である。そこで、本実施形態の溶接ロボットシステムでは、言葉ではなく動きでティーチングを行うことができるので、熟練作業者が無意識的に最適な動作を行っている「暗認知」を直接ロボット３３の制御に反映できる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体におくことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線ＬＡＮに限定せず、有線ＬＡＮやその他の通信手段に変更してもよい。

１０ 模擬部
１１ 状態出力部
１１Ｄ ディスプレイ
１１Ｈ ヘッドホン
１１Ｖ ＶＲゴーグル
１２ 模擬環境
１２Ｂ 仮想溶接状況
１２Ｔ 溶接台
１３ 作業者
１３ａ 作業者の腕
１４ 動作センサ
１４ｂ 模擬トーチ
１４ｃ モーションカメラ
１４ｍ 模擬トーチマーカ
１４ｎ 模擬トーチ先端部
１４ｓｗ 模擬トーチスイッチ
２０ マスタ部（溶接制御装置）
２１ 状態センサ
２１Ｃ 溶融池カメラ
２１Ｌ レーザ変位計
２１ＬＢ レーザ光
２１Ｍ 音センサ
２２ 実環境
２２Ｂ 実溶接状況
２２ｖ ロボット電源
２３ ロボット（第一の溶接ロボット）
２３ａ ロボットアーム
２３Ｔ ロボットトーチ
２４ 動作制御部
２５ 溶接ＤＢ
３０ サブシステム部
３１ 状態センサ
３２ 実環境（第二の実環境）
３３ ロボット（第二の溶接ロボット）
３４ 動作制御部（第二の動作制御部）
３５ 溶接ＤＢ

Claims (10)

1. 溶接対象物に対応づけた規定動作データが格納される溶接ＤＢと、
   前記規定動作データに従って実環境で溶接を実行するロボットによる溶接の状況を、溶接状態データとして計測する状態センサと、
   前記溶接状態データを、前記実環境を模して作業者に通知する模擬環境と、
   前記模擬環境から前記作業者による溶接の動作を示す作業者動作データの入力を受け、前記規定動作データの代わりに前記作業者動作データを用いて前記実環境のロボットを操作させるとともに、入力された前記作業者動作データを新たな前記規定動作データとして前記溶接ＤＢに記録する動作制御部と、を有することを特徴とする
   溶接制御装置。
2. 前記状態センサは、溶接が行われた結果として溶接部に形成される溶融池を撮影する溶融池カメラを備え、前記作業者の前記模擬環境には溶融池の撮影画像が表示されることを特徴とする
   請求項１に記載の溶接制御装置。
3. 前記状態センサは、溶接対象の箇所である溶接部にレーザ光を当てて、溶接部の形状を前記溶接状態データとして測定するレーザ変位計を備えることを特徴とする
   請求項１に記載の溶接制御装置。
4. 前記状態センサは、前記実環境で溶接時に発生する溶接音を前記溶接状態データとして集音するための音センサを備え、前記作業者の前記模擬環境には溶接音が再生されることを特徴とする
   請求項１に記載の溶接制御装置。
5. 前記動作制御部は、前記状態センサが記録した前記溶接状態データから特徴量を抽出し、前記特徴量を溶接対象物の形状と対応づけて前記溶接ＤＢに記録し、前記特徴量について所定の数値範囲を設定することを特徴とする
   請求項１に記載の溶接制御装置。
6. 複数の溶接を実行するロボットを備える溶接ロボットシステムであって、
   第一の溶接ロボットは、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の溶接制御装置を備え、前記溶接制御装置が前記第一の溶接ロボットに前記規定動作データを設定し、
   第二の溶接ロボットは、前記溶接制御装置に接続されており、前記第一の溶接ロボットに設定される前記規定動作データを用いて、第二の実環境で溶接を実行するための第二の動作制御部を有することを特徴とする
   溶接ロボットシステム。
7. 前記第二の動作制御部は、前記第二の実環境上で得られた前記溶接状態データの特徴量を抽出し、抽出した特徴量が所定の数値範囲を超える場合に、特徴量を所定数値に近づける方向に前記第二の溶接ロボットの三次元動作を修正することを特徴とする
   請求項６に記載の溶接ロボットシステム。
8. 前記第二の動作制御部は、前記溶接状態データの特徴量として、溶融池の撮影画像から溶融池の形状の特徴量を抽出し、抽出した溶融池の形状の特徴量が所定の数値範囲内になるように前記第二の溶接ロボットの三次元動作を修正することを特徴とする
   請求項７に記載の溶接ロボットシステム。
9. 前記第一の溶接ロボットが溶接を実行する前記実環境と、前記作業者が前記作業者動作データを入力する前記模擬環境とは、互いに異なる場所に構築されるとともに、両環境はネットワークで接続されることを特徴とする
   請求項６に記載の溶接ロボットシステム。
10. 溶接制御装置は、溶接ＤＢと、状態センサと、模擬環境と、動作制御部とを有しており、
    前記溶接ＤＢには、溶接対象物に対応づけた規定動作データが格納されており、
    前記状態センサは、前記規定動作データに従って実環境で溶接を実行するロボットによる溶接の状況を、溶接状態データとして計測し、
    前記模擬環境は、前記溶接状態データを、前記実環境を模して作業者に通知し、
    前記動作制御部は、前記模擬環境から前記作業者による溶接の動作を示す作業者動作データの入力を受け、前記規定動作データの代わりに前記作業者動作データを用いて前記実環境のロボットを操作させるとともに、入力された前記作業者動作データを新たな前記規定動作データとして前記溶接ＤＢに記録することを特徴とする
    溶接制御方法。

Images