JPH0474642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、産業用ロボツトなどを用いて溶接作
業を行うために光学的に溶接線を検出する方法に
関する。

たとえばアーク溶接作業を行う場合には、溶接
トーチ先端を溶接箇所から所望の距離だけ離し、
かつトーチを被溶接材の表面に対して所望の姿勢
に保ちながら、溶接線に沿つて動かす必要があ
り、これらが正しく行われて初めて高品質の溶接
作業が実現される。

光を用いる先行技術として、スリツト光を被溶
接材に照射して工業用テレビなどで撮像し、溶接
線の段差を検出する装置がある。また光を用いる
他の先行技術として、ビーム光を反射鏡の角変位
によつて被溶接材の表面で走査させ、受光素子で
受光して溶接線を検出する装置がある。しかしな
がらこれら先行技術はいずれも、溶接線のみの検
出を行つているにすぎない。

以上のごとく従来までの溶接線の検出装置にお
いては、溶接線を高精度で検出する機能と、溶接
トーチ先端から被溶接材までの距離および被溶接
材の姿勢を検出する機能の２つの機能を同時に満
足するものはなく、溶接作業者がなすべき作業の
一部を行つているに過ぎなかつた。

本発明の目的は、溶接線を高精度で検出し高品
質の溶接作業を自動的に行うことができるように
するための溶接線の検出方法を提供することであ
る。

本発明は、ロボツトの手の先端に溶接トーチを
設け、この手には、 ３個の点光源の光を、重ね合された２つの被溶
接材の溶接線近傍で、一方の被溶接材の表面上で
光点を成すように順次的に照射する光源手段と、 ２次元光点位置検出器であつて、前記点光源に
よる前記一方被溶接材からの反射光を受光するホ
トダイオードを構成する高抵抗半導体と、その高
抵抗半導体内で仮想正方形の各辺に設けられる４
つの電極とを有し、これらの各電極からの電流を
導出する、そのうな２次元光点位置検出器と、 両被溶接材の表面上でスリツト状を成しかつ重
ね合された上側の被溶接材により陰ができるよう
に斜め上方から照射するスリツト光源と、 このスリツト光の長手方向に複数の受光セルが
隣接して順次的に１列に配置され、その受光面が
スリツト光の光軸面を含む一平面内にあり、スリ
ツト光の反射光を検出する１次元イメージセンサ
とを設け、 この２次元光点位置検出器の前記電極からの電
流出力に基づいて、２次元光点位置検出器と被溶
接材との間の距離と、２次元光点位置検出器から
見た前記表面の姿勢とを検出し、 前記距離と前記姿勢とに基づいて、スリツト光
の反射光が１次元イメージセンサの受光面におい
て所定の受光条件となるように、前記手を移動さ
せてから、１次元イメージセンサの各受光セルか
らの出力レベルを弁別して、１次元イメージセン
サに対する溶接線の位置を検出することを特徴と
する溶接線の検出方法である。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための
構成を示すブロツク図である。自動溶接機１の手
２の手首に設けられたセンサヘツド３は被溶接材
６のたとえば重ね合わせ継手などの溶接線７を検
出する。２つの被溶接材６は、重ね合わされてい
る。センサヘツド３からの信号は、処理装置５に
与えられる。自動溶接機１の制御装置４は、処理
装置５と接続されており、センサヘツド３によつ
て検出された溶接線７に溶接トーチ７ａをもたら
すように制御する。溶接トーチ７ａは、手２の先
端に設けられる。

第２図は、センサヘツド３の斜視図である。点
光源手段３ａは、発光ダイオードなどによつて実
現される３つの点光源１６，１７，１８を含む。
この点光源１６，１７，１８は、第３図に示され
るように周方向に間隔をあけて仮想上の単一円周
上に隔置される。この実施例では、点光源１６，
１７，１８は周方向に等間隔をあけて設けられて
いるけれども、他の実施例として相互の間隔が異
なつていてもよい。光源１６，１７，１８は１つ
ずつ順次的に点灯され、１つの光源たとえば16が
点灯したとき残余の光源１７，１８は消灯してい
る。１つの光源たとえば１６が点灯されると、そ
のビーム光１６ａは溶接線７の近傍における一方
の被溶接材６の表面で乱反射し、その反射光は光
学フイルタ１５から集光レンズ１４を経て２次元
光点位置検出器１３の受光面に達する。

第４図は、２次元光点位置検出器１３の構成を
示す。この２次元光点位置検出器１３は、仮想上
の正方形の各辺に配置された４つの電極３１〜３
４を有する。電極３１〜３４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電極３１
〜３４からの電流は、反射点に対応した２次元光
点位置検出器１３の受光面に結像される光点位置
に依存する。これらの電極３１〜３４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る。

第５図は、反射点の３次元座標を検出する原理
を示す図である。レンズ１４の主点を原点Ｏと
し、２次元光点位置検出器１３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１６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。

２次元光点位置検出器１３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次の関係式が
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・cot
θx−ｈ・ ｈ …(6) ｙ＝lx・tanθx／Ｆ−ｈ・tanθx・Ｆ＝lx／Ｆ・cot
θx−ｈ・ Ｆ …(7) ｚ＝lx・tanθx／Ｆ−ｈ・tanθx・ｖ＝lx／Ｆ・cot
θx−ｈ・ ｖ …(8) 第５図ｂは、光源１６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式の代わりに用いると第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
１６，１７，１８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。上述の関係は光源１６について
導き出したものであるが、光源１７，１８につい
ても同様の関係が導き出される。

３つの反射点から、その３点を含む平面を求
め、センサヘツド３および被溶接材６との距離、
ならびにセンサヘツド３および被溶接材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−z1 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１４の主点Ｏとの距離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。

さらに座標（xi，yi，zi）（ただしｉ＝１〜３）
をセンサヘツド３の２次元光点位置検出器１３の
受光面の座標（hi，Ｆ，ｖ）（ただしｉ＝１〜３）
およびKi（ただしｉ＝１〜３）を用いて表すと、
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）Δ＝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）＋（h2v3
−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） このようにして点光源手段３ａによる被溶接材
６からの反射光を受光することによつて、２次元
光点位置検出器１３からの出力に基づいて反射点
との距離と、その被溶接材６の表面の姿勢とを検
出することができる。

再び第２図を参照して、溶接線７の位置を検出
するためにスリツト光源３ｂが設けられる。この
スリツト光源３ｂは、発光ダイオードなどによつ
て実現される光源１１と、シリンドリカルレンズ
などによつて実現されかつ光源１１からの光を細
長くして溶接線７を交差して照射するスリツト光
形成部材３５とを含む。このスリツト光源３ｂか
らのスリツト光は、参照符３６で第２図に示され
るとおり、細長い形状を有する。スリツト光３６
は、溶接線７の斜め上方から照射され、そのスリ
ツト光３６の長手方向が溶接線７に交差する。ス
リツト光３６は、溶接線７を横切つて被溶接材６
上に照射される。このスリツト光３６によつて照
射された被溶接材６の溶接線７を含む像を形成す
る反射光は、光学フイルタ１０からレンズ９を介
して１次元イメージセンサ８によつて受光され
る。

第８図は、１次元イメージセンサ８の受光面を
示す。１次元イメージセンサ８の受光面は、長手
方向（第８図の上下方向）に、複数のホトダイオ
ードなどによつて実現される受光セル３７が隣設
して順次的に１列に配置される。この１次元イメ
ージセンサ８の受光面は、スリツト光３６の長手
方向に平行に延びており、スリツト光の光軸面を
含む一平面内にある。

第９図は、溶接線７の垂直方向から見た断面図
である。スリツト光源３ｂからの光は、前述のよ
うに溶接線７の斜め上方からスリツト光を照射す
る。これによつて稜線部に生じる陰影は、１次元
イメージセンサ８によつて検出される。スリツト
光源３ｂからの光は、明部２７，２９において明
るく照射され、暗部２８では上側の被溶接材６の
影となつている。したがつて１次元イメージセン
サ８の各セル３７の検出レベルは、第９図(2)で示
されるとおりとなる。暗部２８では、受光センサ
３７の検出レベルは最も低い。受光セル３７は全
部でｎ個あり、溶接線７は第ｉ番目の受光セル３
７が受光する。したがつて１次元イメージセンサ
８の各受光セル３７からの出力３０を、弁別レベ
ルｌでレベル弁別することによつて、第ｉ番目の
受光セル３７に対応した位置に溶接線７が存在す
ることがわかる。第２図ではこの１次元イメージ
センサ８の視野を参照符１２で示している。

第１０図１は１次元イメージセンサ８の検出状
態を示す断面図であり、第１０図(2)はその平面図
である。溶接トーチ７ａの先端７ｂが溶接線７の
直上にあるときに溶接線７上に正確な溶接が行わ
れる。

第１１図は、第１０図に対応するけれども、こ
の第１１図は溶接トーチ７ａの先端７ｂが溶接線
７からはずれた状態を示す。１次元イメージセン
サ８の第i0番目の受光セル３７を基準位置とし、
これが第ｉ番目の受光セル３７にずれたときのず
れ量△ｄは第25式で示されるとおりである。

△ｄ＝Ｌ・｜ｉ−iO｜／n. …(25) ここでＬは１次元イメージセンサ８の受光面の
長手方向の長さであり、ｎは受光セル３７の素子
数であり、はレンズ９を含む光学系の倍率であ
る。このようにして△ｄが零となつてトーチ先端
７ｂが溶接線７上にあるように制御装置４は自動
溶接機１の手２を駆動する。

点光源手段３ａに含まれている点光源１６，１
７，１８からの光は、２次元光点位置検出器１３
によつてのみ検出され、それらの点光源１６，１
７，１８からの光は、１次元イメージセンサ８に
よつて検出されることはない。同様にしてスリツ
ト光源３ｂからの光は、１次元イメージセンサ８
によつてのみ検出され、２次元光点位置検出器１
３によつて検出されることはない。

本発明の他の実施例として点光源１６，１７，
１８のいずれか１つが光を発射しているとき１次
元イメージセンサ８は休止しており、スリツト光
源３ｂは消灯しているように構成し、またスリツ
ト光源３ｂが光を照射し１次元イメージセンサ８
が検出動作を行つているとき、点光源１６，１
７，１８のいずれもが消灯しており、２次元光点
位置検出器１３が休止しているように構成しても
よい。

２次元光点位置検出器１３と、１次元イメージ
センサ８は、センサヘツド３内に収納されてお
り、その相互の位置関係は固定的に定められてい
る。したがつて２次元光点位置検出器１３から得
られる被溶接材６までの距離と被溶接材６の姿勢
とを表す情報を用いて、手２の手首を動かし、１
次元イメージセンサ８と被溶接材６との間の距離
を予め定めた値とし、これによつてレンズ９を含
む光学系の倍率を予め定めた値とすることがで
きる。このときスリツト光の反射光は、１次元イ
メージセンサ８の受光面に達し、これによつて１
次元イメージセンサ８による溶接線７の位置の検
出を、常時、行うことができる。

また、１次元イメージセンサ８の被溶接材６の
表面と平行になるように取付ける。このようにし
て溶接線７の位置を簡単な演算動作で検出するよ
うにしてもよい。

センサヘツド３には、前述のように点光源手段
３ａと、２次元光点位置検出器１３と、１次元イ
メージセンサ８とが収納されて取付けられてお
り、さらに第２図とそれに関連する前述の説明か
ら明らかなように、スリツト光源３ｂもまた収納
されて取付けられており、このセンサヘツド３
は、ロボツトである自動溶接機１の手２の手首に
前述のように設けられている。

第１２図は、センサヘツド３に関連する電気回
路を示すブロツク図である。処理装置５は、マイ
クロコンピユータなどによつて実現される処理回
路２５を含む。この処理回路２５は、インタフエ
ース回路２３，２４に接続される。一方のインタ
フエース回路２３からの信号は、センサヘツド３
に設けられている増幅回路２０によつて増幅さ
れ、１次元イメージセンサ８の受光セル３７が能
動化される。この受光セル３７からの信号は増幅
回路２１によつて増幅され、インタフエース回路
２３から処理回路２５に与えられる。インタフエ
ース回路２３からの出力は、スリツト光源３ｂの
点光源１１を点灯させる。

インタフエース回路２４には、２次元光点位置
検出器１３の電極３１〜３４からの信号が、増幅
回路２２によつて増幅されて受信される。インタ
フエース回路２４からの信号によつて点光源手段
３ａの点光源１６，１７，１８が順次的に点灯さ
れる。処理回路２５は、２次元光点位置検出器１
３からの信号をインタフエース回路２４を介して
受信するとともに、点光源１６，１７，１８を制
御する。処理回路２５にはメモリ２６が接続され
ており、処理回路２５は溶接線７に溶接トーチ７
ａの先端７ｂがもたらされるための信号を制御装
置４に与える。

本装置は、溶接作業時にリアルタイムに用いら
れるが、また、被溶接材に対して所望の距離およ
び姿勢を保ちながら、溶接線に沿つて自動的にロ
ボツトを誘導することができるため、溶接作業の
教示の自動化にも用いることができる。教示に用
いる場合には、以下のような効果が期待できる。

(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) センサヘツドが小形軽量であるので、作業時
の障害にならない。

(4) 他の光学式センサと比べて検出時間が短く、
自動溶接機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、溶接線の位置を
高精度で検出することができるようになり、これ
によつて高品質の溶接作業を自動的に行うことが
できるようになる。

特に本発明では、点光源手段は、被溶接材の表
面に３つの点光源の光を順次的に照射するように
しており、これによつて重ね合わされた２つの被
溶接材の溶接線近傍で一方の被溶接材の表面に光
点を成すように光を照射し、その点光源による前
記一方被溶接材からの反射光を、２次元光点位置
検出器によつて受光して、２次元光点位置検出器
と被溶接材との間の距離と、２次元光点位置検出
器から見た前記表面の姿勢とを検出することが容
易であるとともに、溶接に伴うアーク光による悪
影響を防ぐことができる。

しかも本発明では、２次元光点位置検出器は、
ホトダイオードを構成する高抵抗半導体と、その
高抵抗半導体内で仮想正方形の各辺に設けられる
４つの電極３１〜３４とを有しており、これらの
各電極３１〜３４からの電流を導出して、前述の
ように距離と姿勢とを検出するようにしたので、
その演算速度をたとえば数msec〜数十msec程度
として演算時間を短縮することができるという優
れた効果が達成される。このような演算速度の向
上によつて、たとえば溶接トーチを位置決めする
ためのサンプリング時間を短縮することができ、
これによつて溶接線を高精度で検出して、溶接ト
ーチをその溶接線上に正確にもたらすことが可能
となる。

しかもまた本発明では、開先と被溶接材の表面
までの距離と姿勢とを同時に検出することがで
き、これによつて上述の演算処理時間の短縮を図
ることができる。このような２次元光点位置検出
器の電極３１〜３４からの電流を用いて距離と姿
勢とを求める演算動作は、デジタル処理の他に、
アナログ処理によつて達成することもでき、この
ようなアナログ処理によれば処理時間を一層短縮
することができる。

さらにまた本発明では、溶接トーチはロボツト
の手に設けられ、この手には光源手段と２次元光
点位置検出器とスリツト光源と１次元イメージセ
ンサとが設けられているので、前記距離と前記姿
勢とに基づいて、スリツト光の反射光が１次元イ
メージセンサの受光面において、所定の受光条件
となるように、前記手を移動させる動作を比較的
簡便に行うことができる。こうして開先の位置と
被溶接材の表面までの距離と傾きを高速度で高精
度で検出し、したがつて従来からの熟練工が行つ
ているような溶接開先に溶接トーチを一定の姿勢
で位置決めするという繁雑な作業をなくすことが
できる。

しかも本発明では、溶接線上に溶接トーチをも
たらすとき、スリツト光の反射光が１次元イメー
ジセンサの受光面において、所定の受光条件とな
るように、手が移動されるようにすれば、溶接を
行いながら、溶接線の検出を１次元イメージセン
サによつて、常時、行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための構
成を示す全体の系統図、第２図はセンサヘツド３
の構成を示す斜視図、第３図は点光源手段３ａの
底面図、第４図は２次元光点位置検出器１３の構
成を示す図、第５図は反射点の３次元座標の検出
原理を示す図、第６図は距離の表し方を説明する
ための図、第７図は姿勢角α，β，γの表し方を
説明するための図、第８図は１次元イメージセン
サ８の底面図、第９図は１次元イメージセンサ８
による溶接線７の検出原理を示す図、第１０図お
よび第１１図は１次元イメージセンサ８の動作状
態を示す図、第１２図はセンサヘツド３と処理装
置５の具体的な構成を示すブロツク図である。 １…自動溶接機、２…手、３…センサヘツド、
３ａ…点光源手段、３ｂ…スリツト光源、４…制
御装置、５…処理装置、６…被溶接材、７…溶接
線、８…１次元イメージセンサ、９，１４…レン
ズ、１０，１５…フイルタ、１１，１６，１７，
１８…点光源、１３…２次元光点位置検出器、３
７…受光セル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ロボツトの手の先端に溶接トーチを設け、こ
   の手には、 ３個の点光源の光を、重ね合された２つの被溶
   接材の溶接線近傍で、一方の被溶接材の表面上で
   光点を成すように順次的に照射する光源手段と、 ２次元光点位置検出器であつて、前記点光源に
   よる前記一方被溶接材からの反射光を受光するホ
   トダイオードを構成する高抵抗半導体と、その高
   抵抗半導体内で仮想正方形の各辺に設けられる４
   つの電極とを有し、これらの各電極からの電流を
   導出する、そのような２次元光点位置検出器と、 両被溶接材の表面上でスリツト状を成しかつ重
   ね合された上側の被溶接材により陰ができるよう
   に斜め上方から照射するスリツト光源と、 このスリツト光の長手方向に複数の受光セルが
   隣接して順次的に１列に配置され、その受光面が
   スリツト光の光軸面を含む一平面内にあり、スリ
   ツト光の反射光を検出する１次元イメージセンサ
   とを設け、 この２次元光点位置検出器の前記電極からの電
   流出力に基づいて、２次元光点位置検出器と被溶
   接材との間の距離と、２次元光点位置検出器から
   見た前記表面の姿勢とを検出し、 前記距離と前記姿勢とに基づいて、スリツト光
   の反射光が１次元イメージセンサの受光面におい
   て所定の受光条件となるように、前記手を移動さ
   せてから、１次元イメージセンサの各受光セルか
   らの出力レベルを弁別して、１次元イメージセン
   サに対する溶接線の位置を検出することを特徴と
   する溶接線の検出方法。