JPH0343173A - ロボット位置決め方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はロボットの作業用手先の位置（被加工物と該手
先との離間距離）及び姿勢を求める方法とロボットの制
御装置に係り、特に、１つのセンサで位置及び姿勢の両
方を検出するに好適なロボットの位置決め方法と制御装
置に関する。

［従来の技術］ 例えば原子炉を解体する場合、作業の安全を図るために
、特開昭６０−１０４２９８号公報記載の様に、ロボッ
トやマニピュレータを使用する。ロボットやマニピュレ
ータの作業用手先に、例えば切断トーチを取付け、原子
炉の圧力容器を切断する場合、圧力容器中に液体を入れ
、液体中でプラズマアーク放電を発生させ、このアーク
放電の熱で圧力容器の切断箇所を溶融して切断する。液
体中でプラズマアーク放電を発生させ切断するには、切
断トーチを切断対象物に近接させ、しかも切断トーチを
切断対象物表面に直角に向けなければならない。つまり
、加工条件が厳しくなり、切断トーチの位置と姿勢の制
御を高精度に行う必要がある。このため、位置検出用セ
ンサと姿勢検出用センサが必要となる。

［発明が解決しようとする課題］ ロボットの作業用手先の姿勢を制御する場合、従来は手
先をカメラ等で撮影し、手先の姿勢がどうなっているか
を検出していた。しかし、前述した様に、加工条件が厳
しくなると、それだけ姿勢検出の精度が要求され、より
高精度の姿勢検出用センサが必要になる。また、一方で
。

ロボットの作業用手先は、小型軽量化の要請もあり、手
先に取り付けるセンサ数を増やすには限度がある。

本発明の目的は、１つのセンサで位置検出と姿勢検出を
兼用できるロボットの位置決め方法及び制御装置を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、伝播波を発しその反射波を受波するセンサ
を使用し１位置検出については、従来と同様に反射波が
戻ってくるまでの時間から位置つまり手先と被加工物と
の離間距離を求め、姿勢検出については、反射波の強度
から求めることで、達成される。

［作用］ 伝播波の反射波の強度、例えば超音波センサの場合には
反射波の波高値、光センサの場合には反射光の光強度は
、被加工物表面に入射する伝播波の入射角度により異な
ってくる。つまり、入射波が被加工物表面に対して垂直
のときが反射波の強度が最も強く、斜めに入射するほど
その反射波の強度は小さくなる。従って、反射波の強度
がピークとなるようにすることで、手先の姿勢を最適に
制御することが可能となる。

［実施例コ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第７図は、本発明の一実施例に係るマニピュレータ（ロ
ボット）３０で原子炉の圧力容器２１を手先に取り付け
た切断トーチｌで切断するところを示す図である。第１
図は、このマニピュレータ３０の全体構成図である。こ
のマニピュレータ３０は、鋼構造物水中遠隔切断装置を
構成するものであり、手先に取り付けられた切断トーチ
１と、該切断トーチ１を支持し開動するトーチ支持駆動
装置！２と、この駆動装［２を制御する制御盤３と、被
切断材を切断するためのプラズマアークを切断トーチ１
から発生させるプラズマアーク発生器４で構成されてい
る。

トーチ支持駆動装置！２は、走行台車５と、横行台車６
と、旋回台車７と、昇降軸駆動機構部８との４軸で構成
され、夫々Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸方向に移動動作を行
う。

走行台車５及び横行台車６は、夫々駆動用モータ９，９
′と、駆動用モータ９，９′のシャフトに固定されたボ
ールねじ１０，１０’と、ボールねじ１０，１０’のめ
す側に固定された台車とを備え、駆動用モータ９，９″
の回転力がボールねじ１０．１０’のおす側に伝達され
、めす側で直線運動に変換されて、台車を移動する。　
旋回台車７は、駆動用モータ１１と、駆動用モータｌｌ
のシャフトに直結された旋回ギヤ１２と、台車とを備え
、駆動用モータ１１の回転力が旋回ギヤ１２に伝達され
、旋回台車７を回転する。

昇降軸駆動機構部８は、昇降パイプ１３と、昇降パイプ
１３の上部外側軸方向に設けたラックピニオン１４と、
駆動用モータ１５とを備え、駆動用モータ１５の回転力
がラックピニオン１４によって直線運動に変換され、昇
降パイプ１３がトーチ支持駆動装置２に対し上下方向に
移動する。

上述したトーチ支持駆動装置２の駆動機構の構成におい
て、昇降機構部８は旋回台車７に、旋回台車７は横行台
車６に、横行台車６は走行台車５に設置される構成にな
っており、昇降パイプ１３の中心軸及び切断トーチ１の
先端がトーチ支持駆動装置２の任意の位置に移動可能に
なっている。トーチ支持駆動装置２のｘ、ｙ、ｚの各軸
と回転角度θの制御は、夫々、＊動用モータ９゜９’、
１１．１５の回転量で制御される。制御盤３は。

各駆動用モータ９〜１５への通電を制御することで、各
モータを制御する。

本実施例では、プラズマアーク切断方法を採用しており
、トーチ支持駆動装置２とは離れた位置に設置されてい
るプラズマアーク発生器４が切断トーチ１に接続されて
いる６プラズマア。

−ク発生器４は、切断トーチｌに大電流を供給す４る電
源装置１６と、動作ガスを供給するガス供給袋！！１７
と、電源装置１６及びガス供給装置ｉ１７に接続するケ
ーブルやガスホースを一束にまとめて切断トーチ１に接
続する中継ステーションＬ８と、プラズマ切断のアーク
の発生、消弧の操作を操作員が行う操作盤１９から構成
されている。プラズマアークは、切断トーチ１を負電極
とし、被切断材側を正電極として、その間に高電流を流
してアークを発生させ、そのアーク熱で被切断材を溶融
し切断する。

プラズマアークで切断する場合、上述したように、切断
トーチ１と被切断材との間にアークを発生させるので、
切断トーチ１と被切断材との離間路ｌ１１１（スタンド
オフ）を精度良く設定し、且つ切断中は一定に保ちアー
ク消火を防止する様に切断トーチｌの移動制御を行う必
要がある。

そこで１本実施例では、切断トーチ１のアーク形成方向
と同方向に超音波を発する超音波センサ２０を切断トー
チｌに取付け、該センサ２０の出力信号を制御盤３に入
力する。制御盤３は、このセンサ２０の出力信号を後述
するように解析し、更に、プラズマ発生器４の操作盤１
９から操作員によって入力されるトーチ支持能動装置２
の各軸の動作速度や停止指令等を解析し、各軸の罠動用
モータ９〜１５の通電電流を制御する。

次に、第２図〜第４図を参照して、超音波センサ２０を
用いた切断トーチの位置決め方法を説明する。

第２図は、切断トーチｌと被切断材２１との離間距離の
測定原理を説明する図である。センサ２０（切断トーチ
１と一体なので切断トーチ１は図示を省略しである。）
から伝播波としての超音波が発射されてから、被切断材
２１で反射された反射波がセンサ２０に戻るまでの時間
を測定し、距離に換算する。この距離が、スタンドオフ
値である。この測定原理は従来の超音波センサの使用方
法と同じなので、これ以上の説明は省略する。

第３図は、切断トーチ１の姿勢を検出する原理を説明す
る図である０本実施例の様に１円筒形状の構造物を切断
する場合、切断トーチｌの姿勢を被切断面に対して垂直
に設定する必要がある。従って、先ず、任意の箇所に切
断トーチ１を設定した後に、前述したθ方向に昇降゛パ
イプ１３を回転させことで、切断トーチ１の被切断面に
対する角度を変える。そして、このθの移動中における
超音波反射波の波高値（強度）を測定し、トーチ角度と
波高値との関係を求める。この関係は、第３図（ｂ）に
示す様に、トーチ角度が被切断面に対し垂直になったと
ころにピークを有する特性となる。従って、反射波の波
高値がピーク値となるトーチ角度を求めることで、最適
な切断トーチ１の姿勢を決定できることになる。

次に、上述した超音波センサを使用して行う切断トーチ
位置決め作業について述べる。第４図は、円筒構造物に
対する切断トーチ位置決め作業手順を説明する図である
。超音波センサ２０を備える切断トーチ１の位置決め作
業を遠隔にて監視する監視用カメラ２３を円筒構造物内
に設置する。そして、制御盤３には、超音波センサ２０
（切断トーチ１）のスタンドオフ値と波高値とを表示す
る位置姿勢表示機能と、スタンドオフ修正機能と、切断
トーチ移動速度制御機能と、切断トーチ移動経路修正機
能とが設けられている。

先ず、切断トーチｌを切断開始点Ａに移動し、この点Ａ
におけるスタンドオフ値と波高値を測定する。測定され
たスタンドオフ値が目標値と異なる場合には、スタンド
オフ値が目標値に近づく方向に切断トーチｌを移動し、
目標値との合致点を探索する。測定された波高値が目標
値（この場合はピーク値となる値）と異なる場合には、
切断トーチ１の角度を振り、目標値との合致点を探索す
る８以上の操作を行って、スタンドオフ値とトーチ角度
を設定し、その時の切断開始点Ａの位置を制御盤３に取
り込む、また、切断終了点Ｂにおいても、同様の操作を
行い、切断終了点Ｂの位置を制御盤３に取り込む、この
位置決め作業に当たって、監視カメラ２３により作業状
況を監視し１作業性の向上を図る１次に、切断開始点Ａ
と切断終了点Ｂとを円弧補間し、切断トーチｌの動作経
路のプログラムを作威し、切断トーチｌの模擬運転を行
う、模擬運転中は、動作経路上のスタンドオフ値とトー
チ角度を随時制御盤３に取り込み、目標値と異なる場合
は相違点において補正する様にプログラムを修正する。

以上の一連の作業が終了した後、プラズマ電流等の切断
条件を設定して、実切断を行う１本実施例では、切断ト
ーチの姿勢も高精度に制御できるので、極めて高い切断
加工の信頼性が得られる。

上述した方法は、トーチ位置決め作業をオフラインにて
実施する方法である。しかし、オンラインでも実施でき
ることはいうまでもない。

以下にその方法を述べる。このオンライン制御で使用す
る制御盤３としては、位置姿勢表示機能と、ＮＣ補間機
能と、スタンドオフ目標値及びトーチ角度に対する波高
値のデータを記録するデータバンク機能と、このデータ
バンク機能から目標データを取り込み位置姿勢表示機能
から実データを取り込んで両者を比較演算しＮＣ補間機
能にフィードバックする比較演算機能を備える制御盤を
使用する。切断作業を行う場合は、切断開始点Ａと切断
終了点Ｂを決めて切断トーチｌをＡ点からＢ点に移動さ
せながら、プラズマアークを発生させて実切断を行う。

この切断トーチｌの移動中は、随時スタンドオフ値と゛
トーチ角度を取り込み、比較演算機能にてスタンドオフ
値と波高値の目標値からの相違を数値にて算出する。そ
の相違値は制御盤３の中で自動的にＮＣ補間機能にフィ
ードバックされ、随時動作経路中におけるスタンドオフ
値と波高値を夫々目標値に近付ける方向にプログラムを
修正しながら、切断トーチ１を動作終了点Ｂに移動させ
る０以上の操作を行うことで、模擬動作にかかる時間を
短縮でき、切断作業の効率化を図ることができる。

上述した各実施例では、切断トーチ１の位置と姿勢を検
出する手段として超音波センサを用いたが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、伝播波を発射し反射波を
受波するセンサであれば何でもよい０例えば光センサや
レーザーセンサの様に、光を照射しその反射光の強度を
検出する形式のものを使用することでも、超音波センサ
を使用する場合と同様の効果があることはいうまでもな
い、それは、入射角度と反射光の強度との関係が第３図
（ｂ）と同様の関係があるからである。尚、レーザーセ
ンサに関連する文献として、「日立評論ＪＶｏ１．６８
．Ｎｏ、３（１９８６−３）７３ＰＰがある。

第５図は、超音波センサによる丸棒やパイプの中心位置
を検出する原理を説明する図である。

前述した実施例では、反射波の波高値で姿勢を検出した
が、この実施例では１反射波の波高値で丸棒等の中心位
置を検出する。超音波センサ２０を第５図（ａ）に示す
様に丸棒２１の軸と直角方向に移動させながら反射波の
波高値を測定すると。

第５図（ｂ）に示す関係があることが分かる。つまり、
超音波センサ２０が丸棒２１の中心位置を横切ったとき
の波高値がピークを示す、これは、このとき丸棒表面と
超音波センサ２０とが最も近づくからである。従って、
この丸棒２１を切断する場合、前もって丸棒２１の直径
を制御盤３に与えておけば、検出した中心位置から半径
の長さだけの前後でプラズマアークを発生させて切断す
ればよいことになる。つまり、切断開始点と切断終了点
を高精度に求めることができる。また、この検出時の切
断トーチの動作経路と同一経路で実切断を行うことで、
信頼性の高い切断加工が実施でき、加工効率が向上する
。　上述した切断トーチの位置決め方法は、ｙＫ子焙炉
圧力容器原子炉炉内構造物の水中補修作業や解体撤去作
業において、非常に有効である。以下にその実施例を述
べる。

第６図は、原子炉圧力容器、原子炉炉内構造物の水中遠
隔切断作業を説明する図である。第１図で説明した水中
遠隔切断装置３０をフロア上に設置し、原子炉圧力容器
の胴体部または炉内構造物としては、シュラウドや炉心
サポート他の様な円筒形状の構造物の横方向（周方向）
の切断作業を行う場合、以下の手順により行う。

円筒形状構造物を周方向に切断する場合、先ず、切断開
始点及び切断終了点を決める。また、周方向切断時にお
けるスタンドオフ値を修正する箇所を設定する。その後
、切断トーチｌを切断開始点に移動し、この位置におい
て、超音波センサ２０を用いてスタンドオフ値とトーチ
角度を設定する６次に、切断トーチ１を切断終了点に移
動し、同様にスタンドオフ値とトーチ角度を設定する。

この位置決め作業に当たっては、監視用カメラを用いて
作業状況を監視し、作業性の向上を図る。その後、切断
トーチｌを切断開始点から切断終了点に模擬動作させ、
スタンドオフ値の修正を前記修正する箇所で行い、移動
経路中でのスタンドオフ値が常に一定となるように切断
トーチ１の移動制御を行う、上記の一連の作業で、切断
トーチ１の高精度位置決めが可能となり、切断の信頼性
が向上する。

第７図は、原子炉圧力容器２１の下鏡他の殻の切断を行
う場合を説明する図である０例えば前記下鏡を切断する
場合には、切断トーチ１を下側に移動させる（この移動
させる機構は、第１図では省略した。この機構は、例え
ば昇降パイプ１３に切断トーチ仰角廓動機構を設ければ
よい。）と共に、この移動中でのスタンドオフ値が一定
となるように、且つ切断トーチ１が常に被切断面に対し
て垂直となるようにする。これにより、下鏡の切断も信
頼性良〈実施される。

以上述べた実施例は、切断加工についてであるが、勿論
本発明はこれに限定されるものでないことはいうまでも
ない０例えば、切断トーチの代わりに溶接工具を取り付
けることで、精度良く溶接ができることは当然である。

また、上記と同様に、スタンドオフ値と姿勢を高精度に
制御できるので、水中での溶接も信頼性良〈実施できる
。

以上述べたように、本実施例によれば、円弧や円筒形状
の曲面構造物の加工時にも、スタンドオフや加工工具の
姿勢を最良に保つことができるので、信頼性の高い安定
した加工が可能となる。また、加工工具の位置決め作業
において。

任意の座標軸を原点とする相対座標によるトーチ位置決
め作業が可能となり、座標計算や工具位置決め精度が向
上し、スタンドオフ修正作業が低減し、位置決め作業効
率が向上する。

［発明の効果］ 本発明によれば、１つのセンサで位置と姿勢を高精度に
検出できるので、ロボットによる加工精度と加工効率の
向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るロボット（マニピュレ
ータ）を水中遠隔切断装置とした構成図、第２図はスタ
ンドオフ検出原理説明図、第３図（ａ）、（ｂ）はトー
チ角度（姿勢）検出原理説明図、第４図はトーチ位置決
め作業説明図、第５図（ａ）。 （ｂ）は丸棒中心位置検出原理説明図、第６図（ａ）。 （ｂ）は円筒構造物切断時のトーチ位置決め方法の説明
図、第７図は圧力容器下鏡切断時のトーチ位置決め方法
の説明図である。 １・・・切断トーチ、２・・・トーチ支持駆動装置、３
・・・制御盤、４・・・プラズマアーク発生器、１３・
・・昇降パイプ、２０・・・超音波センサ、２１・・・
被切断材、２３・・・監視カメラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被加工物に加工を施す手先にセンサが取り付けられ
   たロボットの位置決め方法において、前記センサから発
   した伝播波が前記被加工物表面で反射されて戻るまでの
   時間から該被加工物に対する前記手先の離間距離を算出
   し、被加工物表面からの反射波の強度から前記手先の姿
   勢を求めることを特徴とするロボットの位置決め方法。 ２、被加工物に加工を施す手先にセンサが取り付けられ
   たロボットの位置決め方法において、前記センサから発
   した伝播波の前記被加工物からの反射波の強度から該被
   加工物に対する前記手先の相対位置を求めることを特徴
   とするロボットの位置決め方法。 ３、先端部に切断工具とセンサを備えたマニピュレータ
   の位置決め方法において、前記センサから発した伝播波
   が切断対象物表面で反射されて戻るまでの時間から前記
   切断工具の前記切断対象物からの離間距離を算出し、前
   記切断対象物表面からの反射波の強度から前記切断工具
   の前記切断対象物に対する姿勢を求めることを特徴とす
   るマニピュレータの位置決め方法。 ４、先端部に溶接工具とセンサを備えたマニピュレータ
   の位置決め方法において、前記センサから発した伝播波
   が溶接対象物表面で反射されて戻るまでの時間から前記
   溶接工具の前記切断対象物に対する離間距離を算出し、
   前記溶接対象物表面からの反射波の強度から前記溶接工
   具の前記溶接対象物に対する姿勢を求めることを特徴と
   するマニピュレータの位置決め方法。 ５、被加工物に加工を施す手先を備えたロボットの制御
   装置において、前記手先に取り付けたセンサと、該セン
   サが伝播波を発してから反射波が戻ってくるまでの時間
   で前記被加工物に対する前記手先の離間距離を算出する
   手段と、前記被加工物表面からの反射波の強度から前記
   手先の姿勢を求める手段とを備えることを特徴とするロ
   ボットの制御装置。 ６、被加工物に加工を施す手先を備えたロボットの制御
   装置において、前記手先に取り付けたセンサと、該セン
   サが被加工物に発する伝播波の該被加工物からの反射波
   の強度により前記手先の前記被加工物に対する相対位置
   を求める手段を備えることを特徴とするロボットの制御
   装置。 ７、先端部に切断工具とセンサを備えたマニピュレータ
   の制御装置において、前記センサから発した伝播波が切
   断対象物表面で反射されて戻るまでの時間から前記切断
   工具の前記切断対象物に対する離間距離を算出する手段
   と、前記切断対象物表面からの反射波の強度から前記切
   断工具の前記切断対象物に対する姿勢を求める手段とを
   備えることを特徴とするマニピュレータの制御装置。 ８、先端部に溶接工具とセンサを備えたマニピュレータ
   の制御装置において、前記センサから発した伝播波が溶
   接対象物表面で反射されて戻るまでの時間から前記溶接
   工具の前記切断対象物に対する離間距離を算出する手段
   と、前記溶接対象物表面からの反射波の強度から前記溶
   接工具の姿勢を求める手段とを備えることを特徴とする
   マニピュレータの制御装置。 ９、請求項５において、離間距離を算出する手段が求め
   た離間距離と姿勢を求める手段が求めた姿勢を夫々目標
   値と比較しロボットの手先位置と姿勢が前記目標値とな
   る方向に自動制御する手段を備えることを特徴とするロ
   ボットの制御装置。 １０、請求項５において、加工開始点と加工終了点にお
   ける手先と被加工物との離間距離及び手先の姿勢を目標
   値と一致させた後に前記加工開始点と加工終了点との中
   間における手先の移動軌跡を補間して決定する手段を備
   えることを特徴とするロボットの制御装置。１１、被加
   工物に加工を施す手先を備えたロボットと、請求項５、
   請求項６、請求項９、請求項１０のいずれかに記載の制
   御装置とを備えることを特徴とするロボット装置。