JPH0418601B2

JPH0418601B2 -

Info

Publication number: JPH0418601B2
Application number: JP57201611A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ito; Sumihiro Ueda; Masaaki Hirayama
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1982-11-16
Filing date: 1982-11-16
Publication date: 1992-03-27
Also published as: JPS5991308A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、たとえばロボツトなどの作業機械の
作業端に取付けられたツールを、ワークなどの対
象物体に対して一定の距離および姿勢に保持し、
かつ溶接線や端縁などに沿つて移動させる場合に
おいて必要となる対象物体などの平面を検出する
方法に関する。たとえばアーク溶接用産業用ロボツトの教示作
業においては、現在、作業者が操作盤上のスイツ
チなどを操作して溶接トーチの先端を溶接線に沿
つて誘導する方法が一般に行なわれている。この
ような先行技術では、トーチのねらい位置を高精
度で設定しなければならず、作業者にとつて大き
な負担となり、教示に要する時間は長い。この教示作業を簡易化し、能率を向上する方法
として、従来から光学式センサを用いる方法が提
案されている。光学式センサを用いる従来からの
方法では、ビーム光を反射鏡の角変位によつてワ
ーク上で走査させ、そのワークの反射光を検出し
ている。このような方法では、反射鏡が機械的に
駆動されるので、衝撃力によつて故障しやすいと
いう問題がある。教示作業を簡易化し、能率を向上させるための
他の先行技術は、複数のスタイラスをワーク上に
接触して平面を検出する方法である。この方法で
は、スタイラスがワークに接触しており、したが
つて耐久性が乏しくまた装置も大型化するという
問題がある。本発明の目的は、対象物体の表面の３次元の形
状を検出することができ、しかも小型で耐久性が
向上され、保守が容易な改良された平面の検出方
法を提供することである。本発明は、XYZ直角座標系のXZ平面に平行な
仮想上の正方形の受光面の各辺に配置された４つ
の電極５２〜５５が、高抵抗半導体内に設けられ
る検出素子２０と、検出素子２０の受光面の前方に配置され、光軸
がＹ軸に一致し、受光面上に結像し、主点は
XYZ直角座標系の原点Ｏである結像手段２３と、前記光軸に垂直な平面上にある仮想上の単一円
周上に周方向に間隔をあけて配置される少なくと
も３以上の点光源２１であつて、前記光軸は前記
仮想上の円の中心を通り、各点光源２１は、１つ
ずつ順次的に点灯され、１つが点灯したとき残余
は消灯しており、結像手段２３の前方に、その前
方になるにつれて前記光軸に近づく方向に光を照
射し、対象物体６の平坦な被照射面上の反射点Ｐ
が結像手段２３によつて受光面に結像される、そ
のような点光源２１とを備え、少なくとも３つの各点光源２１を点灯したと
き、各電極５２〜５５からの電流を検出すること
によつて、（ａ）前記反射点Ｐに対応する受光面
に結像された光点の図心を、XZ平面の２次元座
標で求め、さらに（ｂ）XZ平面と各点光源２１
の照射光の軸線との交点Ｑと、Ｙ軸との間のXY
平面上への投影距離lxと、（ｃ）XZ平面と各点光
源２１の照射光の軸線との成すXY平面上への投
影角度θxとから、対象物体６の前記被照射面の
Ｙ軸方向の位置ｄと、前記被照射面のＸ軸および
Ｚ軸に対する回転角α、γとを求めることを特徴
とする平面の検出方法である。第１図は、本発明の一実施例の全体の系統図で
ある。アーク溶接用産業用ロボツトの教示の手順
は、次のように行なわれる。 (1) 作業機械１の手に本発明に従う教示用センサ
３を設置する。 (2) 操作盤４のスイツチを操作し、制御処理装置
５０によつて手２に設けられている教示用セン
サ３を教示開始点５に誘導する。 (3) 教示用センサ３が対象物体であるワーク６と
の距離、姿勢並びに溶接線７の位置および方向
を検出し、制御処理装置５０に含まれている制
御装置８によつてワーク６に対する教示用セン
サ３の距離および姿勢を、予め定めた一定の状
態に保ち、溶接線７に沿つて移動する。 (4) 溶接線７に沿つて移動しながら教示用センサ
３の出力信号をライン１０からセンサ信号処理
装置１１で情報処理を行なう。これによつて得
られるライン９からの教示情報を、一旦予め定
めた一定の時間間隔で、バツフアメモリ１２に
記憶する。次にそのデータを教示データ編集装
置１３で編集し、教示データ記憶用メモリ１４
にストアする。 (5) 教示終了点１５に教示用センサ３が達したと
き、教示終了条件を入力して溶接線７の追従動
作を行なう教示作業を終了し、ロボツトの手２
を所定の待機場所に移動する。 (6) 教示用センサ３をツールとしての溶接トーチ
にとり代え、前述の教示データに基づいて再生
作業を実施する。このようにして教示が行なわ
れる。教示用センサ３のワーク６との距離および姿勢
並びに溶接線７の位置および方向の検出のための
本発明に従う原理を述べる。第２図は、教示用セ
ンサ３の構成を示す簡略化した断面図である。２
次元光点位置検出器５１は、検出素子２０と、こ
の検出素子２０の受光面にワーク６の表面像を結
像するレンズ２３と、光学フイルタ２２とを含
む。高指向性の赤外発光ダイオードなどの点光源２
１は、第３図に示されるように少なくとも３個以
上の複数個が、周方向に間隔をあけて仮想上の単
一円周上に隔置されている。この光源２１は１つ
ずつ順次的に点灯され、１つの光源２１が点灯し
たとき、残余の光源は消灯している。１つの光源
２１が点灯されると、そのビーム光２４はワーク
６の表面で乱反射し、反射点２５はレンズ２３に
よつて検出素子２０の受光面に結像される。第４図は、検出素子２０の構成を示す。検出素
子２０は仮想上の正方形の各辺に配置された４つ
の電極５２〜５５を有する。これらの電極５２〜
５５は、ホトダイオードを構成する高抵抗半導体
内に設けられる。これらの電極５２〜５５からの
電流は、検出素子２０に結像される光点位置に依
存する。これらの電極５２〜５５からの電流を検
出することによつて、単一の光点の図心の２次元
座標が検出され、また２つの光点が結像されてい
るときには、それらの図心を結ぶ直線を両者の光
量に逆比例して内分する点の２次元座標を検出す
ることができる。第５図は、反射点２５の３次元座標を検出する
原理を示す図である。レンズ２３の主点を原点Ｏ
とし、２次元光点位置検出器５１に含まれている
検出素子２０の受光面に垂直な縦の方向をＹ軸と
し、横方向に互いに直交するＸ軸およびＺ軸をと
る。第５図ａは光源２１の照射光および反射光を
Ｘ−Ｙ平面に投影した図である。照射光に関して
は第１式が成立する。ｙ＝tanθx（ｘ＋lx） …(1) ここでθxは線分PQがｘ軸となす角、lxは線分
OQの長さである。検出素子２０の受光面の結像位置Ｒの座標を
（ｈ，ｖ）とし、原点Ｏから受光面までの距離を
Ｆとすると、これらの値と反射点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）
の座標値との間には関係式が成り立つ。ｘ／ｈ＝ｙ／Ｆ＝ｚ／ｖ△ ＝Ｋ …(2) 第１式および第２式から第３式が成立する。 KF＝（Ｋ・ｈ＋lx）tanθx …(3) 第３式から値Ｋを求める。Ｋ（Ｆ−ｈ・tanθx）＝lx・tanθx …(4) Ｋ＝lx・tanθx／Ｆ−ｈ・tanθx …(5) 第５式を第２式に代入して、ｘ，ｙ，ｚを求め
ると、第６式〜第８式のようになる。ｘ＝lx・tanθx／Ｆ−ｈ・tanθx ・ｈ＝lx／Ｆ・cotθx−ｈ・ｈ …(6) ｙ＝lx・tanθx／Ｆ−ｈ・tanθx ・Ｆ＝lx／Ｆ・cotθx−ｈ・Ｆ …(7) ｚ＝lx・tanθx／Ｆ−ｈ・tanθx ・ｖ＝lx／Ｆ・cotθx−ｈ・ｖ …(8) 第５図ｂは、光源２１の照射光および反射光を
ｚ−ｙ平面に投影した図である。反射点Ｐ（x.y，
ｚ）は次のようにして求まる。ｙ＝tanθz（ｚ＋lz） …(9) ここでθzは線分PRがｚ軸となす角、lzは線分
ORの長さである。第(9)式を第(1)式の変わりに用いると第10式〜第
12式が得られる。ｘ＝lz／Ｆ・cotθz−ｖ・ｈ …(10) ｙ＝lz／Ｆ・cotθz−ｖ・Ｆ …(11) ｚ＝lz／Ｆ・cotθz−ｖ・ｖ …(12) 長さlx，lzは、大きい程検出精度を向上するこ
とができる。したがつて円形上に配置された光源
２１のうちlx≧lzの関係が成り立つものに対して
は、。第６式〜第８式が用いられ、lx＜lzの関係
が成り立つものに対しては、第10式〜第12式を用
いる。３つの反射点２５から、その３点を含む平面を
求め、教示用センサ３およびワーク６との距離、
ならびに教示用センサ３およびワーク６との相対
的な姿勢を求めるための原理を説明する。ただし
距離は、第６図に示されるように原点Ｏからｙ軸
が平面と交わる点までの距離ｄで表わすことにす
る。また姿勢は第７図ａ〜第７図ｃに示されるよ
うにｘ軸、ｙ軸およびｚ軸まわりの回転角α、β
およびγで表わすことにする。このうち回転角β
は、溶接作業の場合、溶接トーチの軸線まわりの
回転に対応させ、したがつて回転角βは演算に必
要なくこの実施例では用いられない。平面の方程式は、一般に第13式で示される。 ax＋by＋cz＝dp …(13) 今、３点P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），
P3（x3，y3，z3）を含む平面の方程式を考える
と、各係数ａ，ｂ，ｃ，dpと３点P1，P2，P3の
座標（xi，yi，zi）（ただしｉ＝１〜３）の間に
は次の関係がある。ａ＝y2−y1 z2−z1 y3−y1 z3−z1 …(14) ｂ＝−x2−x1 z2−dz1 x3−x1 z3−z1 …(15) ｃ＝x2−x1 y2−y1 x3−x1 y3−y1 …(16) dp＝x1 y1 z1 x2 y2 z2 x3 y3 z3 …(17) この平面と、レンズ２３の主点ＯとのＹ軸に平
行な方向の距離ｄ、ｘ軸に対する回転角αおよび
ｚ軸に対する回転角γ、ならびに各係数の間に
は、第18式〜第20式の関係がある。

【表】

【表】 …(20)
さらに座標（xi，yi，zi）（ただしｉ＝１〜３）
を教示用センサ３の検出素子２０の受光面の座標
（hi，Ｆ，vi）（ただしｉ＝１〜３）およびKi（た
だしｉ＝１〜３）を用いて表わすと、第21式〜第
24式のとおりとなる。ｂ＝K1・K2・K3（h1v2−h2v1／K3＋h3v1−h1v3／K2＋
h2v3−h3v2／K1）〓K1・K2・K3・Ｋ…(21) ｄ＝dp／ｂ＝Ｆ｛（h1v2−h2v1）＋（h3v1−h1v3）＋
（h2v3−h3v2）｝・K1・K2・K3／K1・K2・K3・Ｋ＝Ｆ／Ｋ｛（h1v2−h2v1）＋（h3v1−h1v3）＋（h2
v3−h3v2）｝…(22) α＝tan^-1｛Ｆ／Ｋ・（h2−h3／K1＋h3−h1／K2＋ h1−h2／K3）｝ …(23) γ＝tan^-1｛Ｆ／Ｋ・（v2−v3／K1＋v3−v1／K2＋ v2−v1／K3）｝ …(24) 前述の検出素子２０は、XYZ直角座標系のXZ
平面に平行な仮想上の正方形の受光面の各辺に配
置された４つの電極５２〜５５が、高抵抗半導体
内に設けられて構成される。レンズ２３は、結像手段であつて、検出素子２
０の受光面の前方に配置される。このレンズ２３
の光軸は、第５図に示されるようにＹ軸に一致
し、前記受光面上に結像し、主点はXYZ直角座
標系の原点Ｏである。光源２１は、点光源であり、前記光軸に垂直な
平面上にある仮想上の単一円周上に周方向に間隔
をあけて少なくとも３以上、配置される。レンズ
２３の前記光軸は、前記仮想上の円の中心を通
る。各光源２１は、１つずつ順次的に点灯され、
１つが点灯したとき残余は消灯しており、さらに
レンズ２３の前方に、その前方になるにつれて前
記光軸に近づく方向に光を照射し、対象物体６の
平坦な被照射面上の反射点Ｐがレンズ２３によつ
て受光面に結像される。このようにして少なくとも３つの各光源２１を
点灯したとき、前記各電極５２〜５５からの電流
を検出することによつて、(a)前記反射点Ｐに対応
する受光面に結像された光点の図心を、XZ平面
の２次元座標で求め、さらに(b)XZ平面と各光源
２１の照射光の軸線との交点Ｑと、Ｙ軸との間の
XY平面上への投影距離lxと、(c)XZ平面と各光
源２１の照射光の軸線との成すXY平面上への投
影角度θxとから、対象物体６の前記被照射面の
Ｙ軸方向の距離ｄと、前記被照射面のＸ軸および
Ｚ軸に対する回転角α、γとを求める。このような本発明に従う検出原理によつて求め
た教示用センサ３およびワーク６との距離、姿勢
並びに他の手法によつて求めた溶接線７の位置お
よび方法を利用して、第８図に示される制御装置
を用いて作業機械の手２に従つて教示用センサ３
はワーク６に対して予め定めた距離と姿勢で溶接
線７を追従することができる。検出素子２０から
の出力は、処理装置５７（第４図参照）に与えら
れ、教示用センサ３の状態を示す値Δx，Δy，
Δz，Δα，Δβ，Δxv，Δyv，Δzvが得られる。こ
れらの値は、係数回路５８において演算される。
この係数回路５８において、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，
Kα，Kγは、位置および姿勢を表わすゲインを有
する回路であり、KV１，KV２，KV３は速度の
ゲインを有する回路である。ゲインＫ１，Ｋ２，
Ｋ３を有する回路からの信号と、ゲインKV１，
KV２，KV３を有する回路からの出力とは、加
算回路５６，６０，６１において加算され、座標
変換回路４０に与えられる。座標変換回路４０で
は、作業機械１における絶対座標系における位置
偏差Δxa，Δya，Δzaおよび姿勢偏差Δαa，Δγa
が算出される。作業機械１の５軸の各間節の角度
θ1〜θ5は、座標変換回路４１によつて演算され、
絶対座標系における現在の教示用センサ３の位置
および姿勢ｘ，ｙ，ｚ，α，γが演算される。座
標変換回路４０，４１からの出力は、加算回路６
２〜６６において加算され、絶対座標系における
位置および姿勢の指令値xr，yr，zr，αr，γrを
求め、座標変換回路４２に与えられる。座標変換
回路４２では、各間節の角の指令値θ1r，θ2r，
θ3r，θ4r，θ5rが得られる。これらの指令値θ1r〜
θ5rは、各間節ごとの制御装置４３〜４７に与え
られる。制御装置４３は比例、積分、演算などの
制御要素Hcと、伝達関数Gaを有する駆動手段
と、演算素子Ｅとを有し、残余の制御装置４４〜
４７もまた同様な構成を有する。上記の実施例では、多数の光源を用いる構成で
説明したが、１つの光源とその光を走査する機構
との組合せによつて同様の機能をもたせてもよ
い。また光源の配置を円形状にしたが、対象、目
的に応じて、三角形や四角形などの形状にしても
よい。なお上記の説明はアーク溶接作業の教示を例に
とつて行なつたが、充填剤をすき間に塗装するシ
ーリング作業などの教示時にも適用でき、さらに
再生時のツールの位置、姿勢の補正や、その他の
用途にも適用できることはいうまでもない。これら上述の実施例によれば、次のような利点
がある。 (1) 教示に要する時間を短縮できる。 (2) 非接触で教示に必要な情報を検出できるの
で、信頼性が高い。 (3) センサ３が小形軽量であるので、作業時の障
害にならない。 (4) 他の化学式センサと比べて検出時間が短く、
作業機械１を高速度で動作させることができ
る。以上のように本発明によれば、構成が小形化さ
れ、また機械的衝撃力によつても故障すること
はなく耐久性が優れており、また比較的広範囲に
おける３次元の検出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体の系統図、第
２図は教示用センサ３の簡略化した構成を示す断
面図、第３図は光源２１の配置を示す第２図の下
方の面−から見た教示用センサの底面図、第
４図は検出素子２０と処理回路５７とを示す回路
図、第５図は反射点の３次元座標の検出原理を示
す図、第６図は距離の表わし方を説明するための
図、第７図は姿勢角α，β，γの表わし方を説明
するための図、第８図は作業機械１に関連する制
御系を示すブロツク図である。１……作業機械、３……教示用センサ、６……
ワーク、７……溶接続、２０……検出素子、２１
……光源、５１……２次元光点位置検出器。

Claims

【特許請求の範囲】１ XYZ直角座標系のXZ平面に平行な仮想上の
正方形の受光面の各辺に配置された４つの電極５
２〜５５が、高抵抗半導体内に設けられる検出素
子２０と、検出素子２０の受光面の前方に配置され、光軸
がＹ軸に一致し、受光面上に結像し、主点は
XYZ直角座標系の原点Ｏである結像手段２３と、前記光軸に垂直な平面上にある仮想上の単一円
周上に周方向に間隔をあけて配置される少なくと
も３以上の点光源２１であつて、前記光軸は前記
仮想上の円の中心を通り、各点光源２１は、一つ
ずつ順次的に点灯され、一つが点灯したとき残余
は消灯しており、結像手段２３の前方に、その前
方になるにつれて前記光軸に近づく方向に光を照
射し、対象物体６の平坦な被照射面上の反射点Ｐ
が結像手段２３によつて受光面に結像される、そ
のような点光源２１とを備え、少なくとも３つの各点光源２１を点灯したと
き、各電極５２〜５５からの電流を検出すること
によつて、（ａ）前記反射点Ｐに対応する受光面
に結像された光点の図心を、XZ平面の２次元座
標で求め、さらに（ｂ）XZ平面と各点光源２１
の照射光の軸線との交点Ｑと、Ｙ軸との間のXY
平面上への投影距離lxと、（ｃ）XZ平面と各点光
源２１の照射光の軸線との成すXY平面上への投
影角度θxとから、対象物体６の前記被照射面の
Ｙ軸方向の位置ｄと、前記被照射面のＸ軸および
Ｚ軸に対する回転角α、γとを求めることを特徴
とする平面の検出方法。