JP7464799B2

JP7464799B2 - ロボットシステム

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Publication number: JP7464799B2
Application number: JP2023536328A
Authority: JP
Inventors: 勇太並木
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: JPWO2021220949A1; DE112021001050T5; US20230129918A1; CN115397632A; JP2022028096A; WO2021220949A1

Description

本開示は、ロボットシステムに関するものである。

一対の板材の角継手溶接において、溶接線に直交するスリット状のレーザ光を斜め上方から両板材に照射し、投影された線像および両板材の交差角度と厚さとに基づいて、溶接トーチの最適位置を決定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平３－２０７５７７号公報

特許文献１の溶接トーチ位置の決定方法は、溶接トーチの最適位置を決定するものであるため、板材の位置がずれている場合などには、適切な溶接を行うことができない。
したがって、一対のワークのずれを適正に補正することが望まれている。

本開示の一態様は、隣接配置される第１ワークおよび第２ワークの少なくとも一方を把持するロボットと、前記第１ワークと前記第２ワークとの境界を挟んだ両側の前記第１ワークおよび前記第２ワークの表面に、前記境界に交差する平面に沿ってスリット状の光を照射する照明装置と、前記第１ワークの前記表面に形成される前記光の第１線像および前記第２ワークの前記表面に形成される前記光の第２線像を含む画像を、前記平面に対して傾斜する方向から撮影するカメラと、該カメラにより取得された前記画像における前記第１線像に対する前記第２線像のずれ量およびずれ方向に基づいて、前記ロボットを作動させ、前記第１ワークの前記表面と前記第２ワークの前記表面との段差を補正するロボット制御装置とを備えるロボットシステムである。

本開示の一実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。図１のロボットシステムにおける第１線像および第２線像の位置を示す図である。図１のロボットシステムにおいて、第１母材の表面に対して第２母材の表面が傾いている状態を示す図である。図３に示される状態のロボットシステムにおける第１線像および第２線像の位置を示す図である。

本開示の一実施形態に係るロボットシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、平板状の第１母材（第１ワーク）１０の一縁端に平板状の第２母材（第２ワーク）２０を突き合わせた状態に配置して溶接するために、第１母材１０と第２母材２０とを位置合わせするシステムである。

ロボットシステム１は、第２母材２０を把持するロボット２と、ロボット２の動作を制御するロボット制御装置３０と、照明装置４０と、カメラ５０とを備えている。
第１母材１０は、略水平に配置された状態で、例えば、図示しない作業台に固定されている。ロボット２は、把持した第２母材２０を、第１母材１０の一縁端近傍に略水平に配置する。

照明装置４０は、第１母材１０よりも上方に配置され、スリット状のレーザ光を照射する。スリット状のレーザ光は、第２母材２０が第１母材１０に隣接して配置された状態で、第１母材１０と第２母材２０との境界Ｂに直交する方向に延び、かつ、第１母材１０および第２母材２０の表面に対して所定の角度をなして傾斜する平面に沿って照射される。

すなわち、レーザ光は、第１母材１０および第２母材２０の表面に対して９０°よりも小さい角度をなして傾斜する平面に沿って、第１母材１０および第２母材２０の表面に照射される。
これにより、第１母材１０の表面には、境界Ｂに直交する方向に延びる第１線像１１が形成され、第２母材２０の表面には、境界Ｂに直交する方向に延びる第２線像２１が形成される。

カメラ５０も、第１母材１０の上方に配置されている。また、カメラ５０は、境界Ｂを挟んで両側に形成されている第１線像１１および第２線像２１を画角内に配置し、第１線像１１および第２線像２１の両方を含む２次元画像を取得する。

ロボット制御装置３０は、カメラ５０により取得された２次元画像を処理し、ロボット２に補正動作を行わせる。
具体的には、ロボット制御装置３０は、２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１とのずれ量およびずれ方向を測定し、測定したずれ量に所定の定数を乗算して補正量を算出する。そして、ロボット制御装置３０は、算出された補正量だけ、測定されたずれ方向とは反対側に第２母材２０を移動させるようロボット２を制御する。

２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１とのずれ方向は、２次元画像内において、第１線像１１に対して第２線像２１がいずれの方向にずれているかにより測定される。図２は、符号４０の位置に照明装置４０が配置されている場合の２次元画像例である。この２次元画像内において、右側の第１線像１１に対し、左側の第２線像２１が上側に配置されている場合には、第２母材２０は、第１母材１０に対して上方にずれていることが分かる。逆に、２次元画像内において、右側の第１線像１１に対し、左側の第２線像２１が下側に配置されている場合には、第２母材２０は第１母材１０に対して下方にずれていることが分かる。

また、２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１とのずれ量は、２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１との間のピクセル数により測定される。ピクセル数によって測定される２次元画像内の第１線像１１と第２線像２１とのずれ量と、第１母材１０と第２母材２０との実際のずれ量との換算係数については予め大まかに設定しておく。
本実施形態においては、補正量を算出するためにピクセル数に乗算する定数は、換算係数に所定の小数を乗算したものとする。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１によれば、図１に示されるように、ロボット２が第２母材２０を第１母材１０の一縁端に隣接する位置に配置すると、照明装置４０によってスリット状のレーザ光が照射される。

これにより、照明装置４０から射出されたレーザ光は、第１母材１０および第２母材２０の表面に、境界Ｂに直交する方向に延びる第１線像１１および第２線像２１を形成する。
レーザ光は、第１母材１０および第２母材２０の表面に対して９０°よりも小さい角度をなして傾斜しているので、第１母材１０および第２母材２０が板厚方向にずれていると、第１線像１１と第２線像２１とは、境界Ｂに沿う方向に互いにずれて形成される。

この状態で、カメラ５０を作動させることによって、図２に示される２次元画像が取得され、ロボット制御装置３０へと送られる。
カメラ５０から送られてきた２次元画像は、ロボット制御装置３０によって処理される。

これにより、２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１との間のピクセル数が計測される。そして、計測されたピクセル数に、正の小数と、単位ピクセルと第１母材１０および第２母材２０における実際のずれ量との換算係数とを乗算した定数が乗算されることにより、計測されたピクセル数に対応する補正量が算出される。

また、２次元画像内の第１線像１１に対する第２線像２１のオフセット方向が、第１母材１０に対して第２母材２０が上下いずれの方向にずれているのかのずれ方向として検出される。ロボット制御装置３０は、検出された第１母材１０と第２母材２０とのずれ方向とは反対方向を補正方向として決定する。

そして、ロボット制御装置３０は、決定した補正方向に向かって、算出された補正量だけロボット２を作動させる。
このとき、ピクセル数に乗算される換算係数の値が正確でない場合や、制御指令に対するロボット２の動作量に誤差がある場合であっても、正の小数が乗算されることによって、算出される補正量を実際のずれ量よりも小さくすることができる。これにより、第２母材２０の表面が第１母材１０の表面を通り越すことなく、第１母材１０と第２母材２０とのずれ量が補正される。

さらに、ロボット制御装置３０は、補正後における第１母材１０と第２母材２０とのずれ量を再び検出し、予め記憶される所定の閾値との比較を行う。
その結果、検出した補正後の第１母材１０と第２母材２０とのずれ量が閾値よりも大きい場合は、ロボット制御装置３０は、検出した補正後の第１母材１０と第２母材２０とのずれ量およびずれ方向に基づいて、ロボット２を再び作動させる。
これにより、第１母材１０と第２母材２０とのずれ量は、前回の補正後よりもさらに低減する。

このように、第１線像１１と第２線像２１とのずれ量が所定の閾値よりも小さくなるまで、補正動作が繰り返されることによって、第１母材１０と第２母材２０とのずれ量は、漸近的に補正される。また、この補正動作が繰り返されても、補正の方向は反転せず、同一方向に限定されるため、第１母材１０と第２母材２０との段差を正確に補正できるとともに、補正の制御方法を簡略化することもできる。

このように、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、第１母材１０および第２母材２０の相対位置を、突き合わせ溶接にとって最適な状態に補正することができ、良好な溶接を実施することができる。

なお、本実施形態においては、ロボット制御装置３０が、２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１とのずれ量に基づいて、ロボット２の補正量を算出した。これに代えて、ロボット制御装置３０が、２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１とのずれ量に対応する実空間における３次元座標情報に基づいて、ロボット２の補正量を算出してもよい。

この場合、カメラ５０は予めキャリブレーションされている必要がある。カメラ５０がキャリブレーションされていると、２次元画像上の任意の位置を３次元的な視線として求めることができる。さらに、カメラ５０と照明装置４０が照射するスリット光の位置関係は予めキャリブレーションされている必要がある。照明装置４０が照射するスリット光は平面として定義することができる。この平面とカメラ５０との位置関係を予め計測しキャリブレーション情報に記憶しておけばよい。２次元画像上で検出された第１線像１１と第２線像２１上の任意の一点への視線とスリット光の平面との交点をとることで、第１線像１１と第２線像２１上の任意の一点の３次元的な位置情報を求めることができる。これにより、第１線像１１と第２線像２１上の３次元線像を得ることができる。

したがって、ロボット制御装置３０は、２次元画像内の第１母材１０と第２母材２０との境界Ｂにおける第１線像１１と第２線像２１とのずれ量およびずれ方向を、実空間における３次元的なずれ量およびずれ方向に換算することができる。そして、ロボット制御装置３０は、換算した３次元的なずれ（ずれ量およびずれ方向）に基づいて算出される補正量だけ、ロボット２を作動させる。
その結果、第１母材１０と第２母材２０とのずれを、より正確に補正することができる。

また、本実施形態においては、ロボット制御装置３０が２次元画像内における第１線像１１と第２線像２１とのずれ量およびずれ方向に基づいて、第１母材１０の表面と第２母材２０の表面との板厚方向のずれ量を補正した。これに加えて、第１線像１１に対する第２線像２１の傾きに基づいて、第１母材１０の表面と第２母材２０の表面との傾きを補正してもよい。

例えば、図３および図４に示すように、第１母材１０の表面に対して、第２母材２０の表面が傾いて配置されている場合には、第１母材１０の表面と第２母材２０の表面との傾きに対応して、第２線像２１も第１線像１１に対して傾いて形成される。

ロボット制御装置３０は、予めレーザ光の照射角度およびカメラ５０の位置情報に基づいて、第１線像１１と第２線像２１とがなす角度と、第１母材１０の表面に対する第２母材２０の表面の傾き方向および傾き角度とを対応付けておく。そして、ロボット制御装置３０が、第１線像１１と第２線像２１とがなす角度に基づいてロボット２を作動させることにより、第１母材１０の表面と第２母材２０の表面との傾きを補正することができる。

この場合に、ロボット２による第２母材２０の傾きの補正は、例えば、境界Ｂと隣接する第２母材２０の縁端上にロボット２のツール先端点を配置し、第２母材２０の縁端に沿って延びる座標軸回りに第２母材２０を回転させて行われることが好ましい。これにより、境界Ｂに近接する第２線像２１の先端位置を移動させずに、第２線像２１の傾きを第１線像１１と平行にすることができる。
そして、この後に上述した第１線像１１と第２線像２１とを一致させる補正を行うことにより、第１母材１０と第２母材２０とを精度よく揃えることができ、より適正な溶接を実施することができる。

また、本実施形態では、第１母材１０および第２母材２０を平板状の母材を例示したが、これに限らず、任意の形状の母材であってもよい。
また、本実施形態においては、２次元画像内の第１線像１１と第２線像２１とのずれ量をピクセル数により求め、換算係数に正の小数を乗算した定数を乗算することにより補正量を求めたが、これに代えて、換算係数に１以上の係数を乗算した定数を用いてもよい。
この場合には、ロボット２による補正動作は振動的となるが、より迅速に位置決めすることができる場合もある。

また、本実施形態は、第１母材１０と第２母材２０との突き合わせ溶接を行うロボットシステムを例示したが、これに限らず、隣接するワークの表面の段差を揃える必要がある作業であれば、いかなる作業を行うロボットシステムであってもよい。

１ロボットシステム
２ロボット
１０第１母材（第１ワーク）
１１第１線像
２０第２母材（第２ワーク）
２１第２線像
３０ロボット制御装置
４０照明装置
５０カメラ
Ｂ境界

Claims

隣接配置される第１ワークおよび第２ワークの少なくとも一方を把持するロボットと、
前記第１ワークと前記第２ワークとの境界を挟んだ両側の前記第１ワークおよび前記第２ワークの表面に、前記境界に交差する平面に沿ってスリット状の光を照射する照明装置と、
前記第１ワークの前記表面に形成される前記光の第１線像および前記第２ワークの前記表面に形成される前記光の第２線像を含む画像を、前記平面に対して傾斜する方向から撮影するカメラと、
該カメラにより取得された前記画像における前記第１線像に対する前記第２線像のずれ量およびずれ方向に基づいて、前記ロボットを作動させ、前記第１ワークの前記表面と前記第２ワークの前記表面との段差を補正するロボット制御装置とを備えるロボットシステム。
前記カメラが２次元画像を取得し、
前記ロボット制御装置が、取得された前記２次元画像の前記境界の位置における前記第１線像と前記第２線像との前記ずれ量に対応するピクセル数に応じた補正量だけ、前記ロボットを作動させる請求項１に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御装置が、正の小数を乗算した前記ピクセル数に基づいて、前記補正量を算出する請求項２に記載のロボットシステム。
前記照明装置と前記カメラとが予めキャリブレーションされており、
前記カメラが２次元画像を取得し、
前記ロボット制御装置が、取得された前記２次元画像内の前記第１線像および前記第２線像に基づいて、前記２次元画像の前記境界の位置における前記第１線像と前記第２線像との３次元的なずれを算出し、算出された前記３次元的なずれに基づいて算出される補正量だけ、前記ロボットを作動させる請求項１に記載のロボットシステム。
前記ロボット制御装置が、前記補正後における前記第１線像と前記第２線像との前記ずれ量が、予め設定された閾値よりも小さくなるまで、前記補正を繰り返す請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボットシステム。
前記ロボット制御装置が、前記第１線像に対する前記第２線像の傾きに基づいて、前記第１ワークの前記表面と前記第２ワークの前記表面との傾きを補正する請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボットシステム。