JPH05180813A - 溶接ビードセンサを有する移動ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 台車座標系がロボットの移動につれてずれて
行く量を考慮にいれて溶接ビードセンサを有する移動ロ
ボットを実際に溶接線にならって走行させる。 【構成】 ビードセンサ１５の走査が起動されビード位
置データを採取し終える１サンプリング間隔毎に、ビー
ドセンサから求められる溶接線上の２点から既知の台車
中心線までの距離ｌ₁ ，ｌ₂ と、プラニメータから得ら
れるロボットの移動量ΔＶ_L と、垂直センサ５６から得
られるロボットの姿勢角Ｖａとの３者を１セットとして
入力し、採取した距離データｌ₁ ，ｌ₂ を採取が完了し
た現在時刻での値に変換し、これを前回までのデータと
共に利用して最小二乗法で溶接線の直線方程式ａｘ＋ｂ
を求め、次回１サンプリング間隔の移動において、前回
求めた方程式をロボット移動量ΔＶ_L 分だけ座標変換し
て溶接線方程式の推定値として使用し、得られたロボッ
トと溶接線の関係から溶接線と台車中心との距離がゼロ
となるように上記姿勢角Ｖａを制御して、ロボットを溶
接線にならうよう制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無軌道式超音波探傷走
行装置のような移動ロボットを溶接線にならって移動さ
せるための制御方法、特に台車走行方向と交叉する方向
に直線的に密に配列した多数のコイルを１個分づつ走査
してビード位置を渦流探傷する溶接ビードセンサを複数
有する移動ロボットの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、タンク，原子炉，船舶，橋梁な
どの溶接部の非破壊検査は、これら溶接部の品質管理及
び品質評価を行う上で重要であり、走行軌道を敷設する
ことなしに、溶接ビード上を溶接線に沿って（即ち溶接
線にならって）自走する超音波探傷走行装置の提供が望
まれている。

【０００３】ここで問題となるのは、探傷走行装置がな
らって走行しようとしている溶接ビード（ならいビー
ド）上から外れないようにする技術である。球形タンク
のようにある曲率をもった容器表面に走行装置を吸着走
行させた場合、球体側部や球体上部にて重力の作用によ
り、走行装置の走行姿勢がならい用溶接線の方向から僅
かずつ狂い、これが蓄積されて走行装置がならいビード
上から外れてしまう危険がある。従って、溶接線になら
って進行すべき走行装置がならいビード上から外れてな
いように制御すること、またその前提として、走行装置
に対しならいビードが現在どの位置にあるかを常に把握
するための溶接ビードセンサが必要になる。

【０００４】溶接ビードセンサに関しては、従来、渦流
探傷の原理に基づく機械走査式のセンサが知られてい
る。即ち、溶接ビード検出用に１組の励磁コイルと検出
コイルをプレートに担持させ、このプレートを溶接ビー
ドと交叉する方向に機械的に往復移動させることによ
り、コイルを機械的に走査して渦流探傷し、溶接ビード
位置を検出する構成のものである。しかし、機械走査式
の溶接ビードセンサは、そのコイル担持プレートを機械
的に往復移動させる機構を必要するため、必然的にセン
サが重く且つ大形となり、探傷走行装置の構成も複雑と
なる。そこで、機械的走査機構なしに渦流探傷の走査が
できる溶接ビードセンサとして、本発明者等は、台車走
行方向と交叉する方向に直線的に密に配列した多数のコ
イルを１個分づつずらせながら順次選択してビード位置
の渦流探傷を行う溶接ビードセンサを提案している。

【０００５】かかる機械走査式又は電気走査式の溶接ビ
ードセンサを２組搭載すれば、溶接線がこれらと交叉す
る２点が判明するため、溶接ビードの直線の方程式が得
られる。従って、移動ロボットを溶接線にならって走行
させることが可能となると考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、単に上記２点
から得た溶接線の方程式に乗せて移動させるというだけ
では、探傷走行装置の如き移動ロボットを、実際に溶接
線にならって走行させることはできない。何故なら、移
動ロボットは自己の台車センターを原点とした直交座標
しか持っておらず、この台車座標系がロボットの移動に
つれてずれて行くため、座標系の原点が移動してしまう
からである。即ち、ロボットの各移動位置における座標
系で見たとき、同じ溶接線がその方程式において毎回異
なったものとして把握される。

【０００７】本発明の目的は、かかる課題を解消し、溶
接ビードセンサを有する移動ロボットを実際に溶接線に
ならって走行させる制御方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の移動ロボットの移動制御方法は、台車走行
方向と交叉する方向に配列した多数のコイルを１個分づ
つ走査してビード位置を渦流探傷する溶接ビードセンサ
を複数有する移動ロボットにおいて、(1) ビードセンサ
の走査が起動されビード位置データを採取し終える１サ
ンプリング間隔毎に、ビードセンサから求められる溶
接線上の２点から既知の台車中心線までの距離ｌ₁ ，ｌ
₂ と、ロボットの移動量ΔＶ_L とロボットの姿勢角Ｖａ
とを１セットとして入力し、採取した距離データ
ｌ₁ ，ｌ₂ を採取が完了した現在時刻での値に変換し、
これを前回までのデータと共に利用して最小二乗法で溶
接線の方程式を求め、(2) 次回１サンプリング間隔の移
動において、前回求めた方程式をロボット移動量ΔＶ
_L 分だけ座標変換して溶接線方程式の推定値として使用
し、得られたロボットと溶接線の関係から溶接線と台
車中心との距離がゼロとなるように上記姿勢角Ｖａを制
御して、ロボットを溶接線にならうよう制御するもので
ある。

【０００９】

【作用】図１４のＯ点でビードセンサ１５に走査起動が
かけられた場合、実際にビードセンサで走査が行われデ
ータ採取が行われるのはＡ点であり、ビード位置の検出
データが出力されるのは更に遅れてＢ点である。この間
に台車は既にＢ点まで移動している。即ち、ロボットは
移動しながら、図１４のＯ点〜Ｂ点間で示した１サンプ
リング間隔毎（例えば５mm毎）に、センサデータを取り
込む。

【００１０】そこで、ビードセンサを使って移動ロボッ
トを溶接線にならうように制御する場合、ビードセンサ
の走査が起動されビード位置データを採取し終える１サ
ンプリング間隔毎に、ビードセンサから求められる溶接
線上の２点Ｐ１，Ｐ２から既知の台車中心線までの距離
ｌ₁ ，ｌ₂ と、ロボットの移動量ΔＶ_L とロボットの姿
勢角Ｖａとを１セットとして入力する。この移動量ΔＶ
_L 及び姿勢角Ｖａは、例えば、図３に示すプラニメータ
４８，垂直センサ５６から得られる。

【００１１】しかし、Ａの点でｌ₁ ，ｌ₂ のデータを採
取した時、ロボットは既にＢの点に移動しているため、
ＡとＢの間でｌ₁ ，ｌ₂ の値を座標変換し、採取が完了
した現在時刻での値、つまりＢ点（座標系）でのｌ₁ ，
ｌ₂ の位置とする。このような１サンプリング間隔毎の
データｌ₁ ，ｌ₂ を幾つか集め、最小二乗法で溶接線の
方程式を求めると、ロボットと溶接線の関係が分かる。

【００１２】そこで、次回１サンプリング間隔の移動に
おいては、前回求めた方程式をロボット移動量ΔＶ_L 分
だけ座標変換して溶接線方程式の推定値として使用し、
得られたロボットと溶接線の関係から溶接線と台車中心
との距離がゼロとなるように上記姿勢角Ｖａを制御する
と、ビードセンサがデータを取り込んでいる間において
も、ロボットを溶接線にならうように移動制御すること
ができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００１４】図１に示す移動ロボットは、永久磁石車輪
式の探傷走行装置１と、これにケーブル２を介して接続
された制御装置３と、探傷結果をドットによりグラフ化
して記録するプリンタ４とで構成されている。ここでの
探傷走行装置１は、通常の探傷走行モードの他に、複合
モードをもっている。即ち、精密探傷を行うべき有欠陥
箇所の有無をチェック（粗探傷）しながら、球形タンク
壁５の溶接ビード６上を溶接線に沿って直線的に移動
し、精密探傷が必要な溶接ビード箇所を検出したときは
当該位置に停止して精密探傷の走査を行い、その精密探
傷後は、再び溶接線に沿って有欠陥箇所を捜しながら直
線移動し、必要位置で停止して同様に精密探傷走査を行
うといった操作を繰り返し、以て球形タンクの全ての溶
接ビードを検査する動作モードである。

【００１５】まず本制御の前提となる探傷走行装置及び
溶接ビードセンサの構成から説明する。

【００１６】探傷走行装置 探傷走行装置１は、被検査壁たるタンク壁５に強力に磁
気吸着する永久磁石車輪８を具備する自走台車７と、そ
れに設けられた軸９（図３）で枢支され図３矢印Ａ方向
に傾動可能な検査アーム１０とを有する。永久磁石車輪
８は、これに同軸に個別に設けられたモータ３５により
駆動される。検査アーム１０の先端側には、ガイド板１
１が走行方向と交叉する方向に延在して且つ所定角度範
囲（図２のθ）内で旋回可能に設けられ、このガイド板
１１の下面には、粗探用超音波探触子１３及び精探用超
音波探触子１４（図２）を担持した探触子アーム１２
が、ガイド板１１に沿って即ち台車走行方向と交叉する
方向に移動（走査）可能に装置されている。更に、検査
アーム１０には、探触子アーム１２の前側と後側に、溶
接ビードセンサ１５がそれぞれ１つ配設されている。

【００１７】探傷走行装置１は検査アーム１０を図３の
破線位置へ上げた状態で所要位置まで走行される。そし
て、検査すべき溶接ビード６上に来てから、検査アーム
１０が軸９を中心として前（図３矢印Ａ＋方向）に傾動
され、その先端側が球形タンク壁５に対し所定の下位置
（図３の実線位置）まで下げられる。この下位置を定め
る目的で、検査アーム１０には、上記探触子アーム１２
と溶接ビードセンサ１５との間において、アーム支持ロ
ーラ１６（図３）が設けられている。

【００１８】粗探用超音波探触子１３は、溶接ビード６
における欠陥箇所の存在（傷の有無）だけを探索する粗
探用、また精探用超音波探触子１４は溶接ビード６にお
ける実際の傷の位置，大きさまでを探傷する精探用であ
り、互いに台車走行方向に前後した位置に配置され、そ
れぞれ斜角法により溶接ビード６の深さ方向の異なる位
置を探傷できるようになっている。本実施例では、粗探
用超音波探触子１３は探触子アーム１２の両側に２個ず
つ計４個設けられ、また精探用超音波探触子１４は探触
子アーム１２の両側に１個ずつ計２個設けられている。

【００１９】上記２種類の超音波探触子１３，１４は放
射する超音波ビームの幅が相違しており、精探用超音波
探触子１４は主ビームに近い狭幅の超音波ビームを放射
するのに対し、粗探用超音波探触子１３は、図１１に示
すように、主ビーム１５１に対し拡がりのある広幅の超
音波ビーム１５２を放射する。計４個の粗探用超音波探
触子１３の配置は、図１１に示すように、内側の粗探用
超音波探触子（第１の探触子）１３１からの超音波ビー
ム１５２が溶接ビード６の深さ方向領域の背面側約１／
２を無反射でカバーし、外側の粗探用超音波探触子（第
２の探触子）１３２からの超音波ビーム１５２が溶接ビ
ード６の深さ方向領域の表面側約１／２を、球形タンク
壁５で１回反射した後にカバーする関係になっている。

【００２０】上記の個々の粗探用及び精探用超音波探触
子１３，１４は、専用の押付け機構１７，１８によって
個別に球形タンク壁５まで下降できるようになってい
る。１９はそれらの押付け機構１７，１８を構成する押
付けシリンダであり、更にリニアガイドベアリング２０
も使用されている。

【００２１】詳述するに、図４及び図５（ａ）（ｂ）に
おいて、探触子アーム１２を図４のＳ方向に摺動可能に
吊架するため、ガイド板１１の下面には探触子アーム１
２の板側縁に臨ませて４箇所（図２参照）に溝付ローラ
２１が設けてあり、他方、探触子アーム１２上には、こ
れらの溝付ローラ２１の溝内に係合する係合縁２３を有
するガイド板２２が固定されている。一方、ガイド板１
１を検査アーム１０に対して旋回可能に取付け且つ上記
探触子アーム１２の走査駆動系を構成するため、ガイド
板１１は検査アーム１０に設けたベース部材２４に大径
の軸受け２５を介して対接されると共に、その中央には
両部材間を貫いて回転軸２６が設けられ、軸受け２７に
よりガイド板１１及びベース部材２４に対して回転可能
となっている。この回転軸２６には、検査アーム１０内
においてスプロケット２８が、また探触子アーム１２の
Ｕ字断面内においてギヤ２９が固定され、両部材で上下
からサンドイッチすることによりガイド板１１を検査ア
ーム１０に支持している。前者のスプロケット２８は、
図４に示すように、モータ３６により駆動されるスプロ
ケット３０との間に巻き掛けたチェーン３１により回転
される。後者のギヤ２９は探触子アーム１２の内側壁に
固定したラック３２と噛合しており、従ってモータ（Ｓ
軸モータ）３６により検査アーム１０に対して左右方向
（図２のＳ軸方向）にガイド板１１を移動することがで
きる。このＳ軸方向の移動位置はチェーン３１の移動を
検出するように検査アーム１０内に設けたリニアポテン
ショメータ（Ｓ軸センサ）３７により検出される。

【００２２】図６において、上記探触子アーム１２の下
面には、上述した粗探用押付け機構１７を構成する４つ
の押付けシリンダ１９と、精探用押付け機構１８を構成
する２つの押付けシリンダ１９とが取り付けられ、その
ピストンロッド１９ａの先端に、粗探用超音波探触子１
３又は精探用超音波探触子１４の取付部材３３，３３′
が軸３４，３４′により揺動自在に取り付けられてい
る。粗探用及び精探用超音波探触子１３，１４は、この
各取付部材３３，３３′及び軸３４，３４′より成るジ
ンバル支持機構により揺動自在に枢支され、検査面に密
接できるようになっている。粗探用超音波探触子１３の
数を精探用超音波探触子１４よりも多くしたのは、探触
子アーム１２をＳ方向に移動（探触子を走査）すること
なしに、精密探傷すべき傷のある箇所を検出可能とする
ためである。探触子１３，１４は共に斜角法による探傷
を行うため、被検査面に密に対接するシューに探触子本
体を斜めに取り付けた構成となっている。

【００２３】図７において、ガイド板１１は下面に吊架
された探触子アーム１２と共に、その全体が図２のθの
範囲内で旋回できるように構成され、台車走行方向に対
する探触子アーム１２の移動方向（走査方向）を修正で
きるようになっている。即ち、図７において、モータ
（θ軸モータ）５１によりギヤを介して駆動される操作
円板５２が検査アーム１０内に設けられ、該操作円板５
２には２本のロッド５３の一端が枢着され、該ロッド５
３の他端はガイド板１１のピン５４に枢着されている。
従って、θ軸モータ５１により操作円板５２を回転させ
ると、２本のロッド５３の一方は突出し他方は後退し
て、ガイド板１１がθの範囲内で右又は左に旋回する。
この旋回角度θは、操作円板５２と同心的かつ一体に取
り付けたポテンショメータ（θ軸センサ）５５により検
出される。

【００２４】さて、上記超音波探傷走行装置１は、永久
磁石車輪８により球形タンク壁５に磁気的に吸着しつ
つ、溶接ビード６上を溶接線に沿って移動する。このと
き、探触子アーム１２はアーム支持ローラ１６によりほ
ぼ一定の高さ位置に保持されており、粗探用超音波探触
子１３がタンク壁５に対接するまで下げられている。超
音波探傷走行装置１は一定の速度で走行（前進）し、こ
のとき粗探用超音波探触子１３の走査は図１２に示すよ
うに直線走査パターン１５４となり、この粗探用超音波
探触子１３により、自走台車７の前側に在る溶接ビード
６中に精密探傷すべき有欠陥箇所が在るか否かが検出さ
れる。この粗探探傷の場合、探触子アーム１２は常に溶
接線上にあるように制御（Ｓ軸制御）される。

【００２５】精密探傷が必要な有欠陥箇所が検出される
と、超音波探傷走行装置１は粗探用超音波探触子１３が
当該箇所を検出した時点で粗探用超音波探触子１３を上
げ、必要ならば少し前進して、精探用超音波探触子１４
が当該欠陥箇所の手前となる位置で停止する。そして、
精探用超音波探触子１４を下げて、図１２に示す矩形走
査パターン１５５により精密な超音波探傷を行う。この
精密探傷においては、Ｓ軸モータ３６による探触子アー
ム１２のＳ軸移動（つまり図１２のＢ１→Ｂ２，Ｂ３→
Ｂ４，Ｂ５→Ｂ６…という図２Ｓ方向走査）と、超音波
探傷走行装置１の前進移動（つまりＢ２→Ｂ３，Ｂ４→
Ｂ５，Ｂ６→Ｂ７…という台車移動）とにより、検査体
積が規定ピッチで探傷走査され、これにより溶接ビード
６における当該欠陥の実際の位置及び傷の大きさまでが
探傷される。その後、必要ならば少し後進して、超音波
探傷走行装置１は上記直線走査パターン１５４による粗
探探傷を行いながら更に溶接ビード６に沿って移動し、
精密探傷が必要な有欠陥箇所が検出されればその位置に
停止し、同様に矩形走査パターン１５５による超音波精
密探傷を行う。この操作を繰り返ながら、球形タンクの
全ての溶接ビードを検査する。

【００２６】このように上記複合モード動作の場合、直
線走査による粗探用超音波探触子１３で精密探傷すべき
箇所の有無を確認し、当該箇所のみで精探用超音波探触
子１４による溶接ビードの精密探傷の矩形走査を実施す
るので、溶接ビード全長に渡り矩形走査による精密探傷
のみ又は矩形走査による粗探と精密探傷を行う場合に比
べ、探傷に要する時間が激減する。

【００２７】上記探傷結果は、探傷走行装置１からケー
ブル２を介して制御装置３へ送られプリンタ４にてリア
ルタイムで出力される。このプリンタ４は、探傷結果を
ドットによりＡ，Ｂ，Ｃスコープとして記録する。Ａス
コープは波高値（パーセント）を，Ｂスコープは深さ方
向位置（ｍｍ）を，Ｃスコープは平面方向位置（ｍｍ）
を台車の移動距離に合わせてプリントアウトするもので
ある。

【００２８】溶接ビードセンサ 溶接ビードセンサ１５は、図８に示すように、“１”〜
“４１”の番号を付した計４１個のコイル４１を平面的
且つ千鳥状に密接に配列したコイルボード４０を有して
いる。電気的には、図９に示すように、コイル４１と、
その励磁用交流電源４３（図１０）となる励磁回路（発
振回路）４２との間にスイッチング回路４４を設け、こ
れをタイミング発生回路４５でスイッチングして、図１
０に示すような差動検出回路を順次形成し、その出力を
アンプ４６を通して検波回路４７に導くようになってい
る。ここでコイル４１は、励磁コイルＬ０１，励磁コイ
ルＬ０２及び検出コイルＬ０３用として同時に３個が一
単位として選択され、次のタイミングでは、この３個の
うち一端側の１個のコイル４１が切り離され且つ同時に
他端側の１個のコイル４１が選択されて新たに加えられ
るというようにして、順次に３個づつ選択されながら切
り替えられて行く。従って、同じ１個のコイル４１であ
っても、励磁コイルＬ０１，励磁コイルＬ０２，検出コ
イルＬ０３として機能することとなる。両励磁コイルＬ
０１，Ｌ０２の磁束は差動的に加えられ、検出コイルＬ
０３の出力は通常ゼロである。

【００２９】全てのコイル４１を上記のように順次切り
替えた場合、渦流探傷法の原理に基づき、下方の容器壁
表面の領域がスキャンされ、同期検波回路４７からは、
各検出コイルＬ０３につき当該スキャン領域中の部分部
分に応じた電圧が出力される。この１スキャン分の検出
アナログ信号（溶接ビード６の位置を中心として正負に
ピークが交叉する波形）は、制御装置３に送られる前又
は送られた後にＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変
換され、データ処理されて、１スキャン領域中に存在す
る溶接ビード６の位置が認識されると共に、その位置と
現地点まで走行装置１が走行してきた位置とのずれ量が
把握される。このため、溶接ビード６に対し直角に超音
波ビームを当てる状態を保持することが可能となる。

【００３０】制御方法 次に、本発明の対象とする制御方法について説明する。

【００３１】まず図１３に前提となる電気的要素をブロ
ック化して示す。１５は上記した溶接ビードセンサであ
り、ビード中心位置データ（溶接線の中心）を出力とし
て与える。ここでは、前後２つの探触子アーム１２のう
ち前側のものを「前面ビードセンサ」、後側のものを
「後面ビードセンサ」と称する。Ｓ軸モータ３６は探触
子アーム１２を検査アーム１０に対して左右方向（図２
のＳ軸方向）に移動させるモータ、Ｓ軸センサ３７はこ
のＳ軸方向の移動位置を検出するリニアポテンショメー
タである（図４参照）。４８は自走台車７の腹に取り付
けたプラニメータ（距離センサ）であり（図３参照）、
探傷走行装置１が図１のようにならいビード６に沿って
進んで来た場合、それ迄の道のりはこのプラニメータ４
８により計測され制御装置３で評価される。しかし、距
離計測値に累積誤差が生ずる可能性があるため、溶接ビ
ードセンサ１５にクロスビードセンサ部４９（図８）を
設け、このクロスビードセンサ部４９がクロスビード６
ｂ（図１）を検出した時点で、プラニメータによる計測
距離値を自動的に修正する。θ軸モータ５１は探触子ア
ーム１２をθの範囲内で右又は左に旋回させるモータ、
θ軸センサ５５はこの旋回角度θを検出するポテンショ
メータである（図７参照）。

【００３２】５６は図３に点線で示唆した垂直センサで
ある。この垂直センサ５６は重力で垂直になろうとする
振り子（図示せず）を有しており、この振り子の傾斜角
度αから垂直線に対する台車の傾き角（姿勢角Ｖａ）を
検出する構造のものである。垂直センサ５６の振り子は
モータ（α軸モータ）５７と直結され、その傾斜角度α
（図１）を可変指示できるようになっている。また、こ
のα軸モータ５７にはポテンショメータ（α軸センサ）
５８が直結され、指示した振り子の傾斜角度αの検出が
できるようになっている。尚、５９は車輪８の前進と後
進を左右の車輪別々に駆動制御するサーボ機構部であ
る。

【００３３】ここで、制御の概要を説明する。一般の移
動ロボットにおいてはグローバル座標に基づき自己の位
置を特定するだけで済むが、探傷走行装置の場合、その
座標系の原点も移動する。図１４は、ビードセンサを使
って探傷走行装置１を溶接線にならって移動制御する場
合において、Ｏ点でビードセンサ１５に採取起動がかけ
られても、実際には当該センサで所定のコイル走査が行
われデータ採取が行われるのはＡ点であり、検出データ
が出力されるのは更に遅れてＢ点であること、この間に
台車は既にＢ点まで移動していることを示している。即
ち、ロボットは移動しながら、図１４のＯ点〜Ｂ点間で
示した１サンプリング間隔毎（例えば５mm毎）に、セン
サデータを取り込む。

【００３４】そこでＯ点からＢ点までの間は、溶接線が
直線であると仮定して、推定値で制御する。まず情報
として、ビードセンサから求められる溶接線（溶接ビー
ド６）上の２点Ｐ１，Ｐ２から既知の台車中心線までの
距離ｌ₁ ，ｌ₂ と、このデータを取ったタイミングでプ
ラニメータ４８から得られるロボットの「移動量Δ
Ｖ_L 」と、垂直センサ５６から得られる「姿勢角Ｖａ」
とを１セットとして考える。Ａの点でｌ₁ ，ｌ₂ のデ
ータを採取した時、ロボットは既にＢの点に移動してい
るため、ＡとＢの間でｌ₁ ，ｌ₂ の値を座標変換し、Ｂ
の点（座標系）でのｌ₁ ，ｌ₂ の位置とする。このよ
うな１サンプリング間隔毎のデータを幾つか集めて最小
二乗法で溶接線の方程式を求める。得られたロボット
と溶接線の関係に従って、ロボットを溶接線にならうよ
うに制御する。また、センサがデータを取り込んでい
るＯ，Ｂ間は、前回求めた方程式をロボット移動分だけ
座標変換して溶接線方程式の推定値として使用する。

【００３５】具体的に、図１５〜図１７により本制御方
法を説明する。図１５は制御装置３のコンピュータ６０
による本制御方法の概要を示したもので、コンピュータ
６０に割り当てられるタスクとして、溶接線の直線近似
を行う“軌跡演算”，次回動く方向を定める“台車演
算”，探触子アーム１２を溶接線に直角に制御する“ア
ーム演算”等のタスクを含んでいる。このうち“軌跡演
算”，“台車演算”のタスクを図１６，図１７に示す。
尚、以下で使用する符号及び座標系を図１８に示してお
く。同図において、ｘ_v −ｙ_v 座標系は台車座標系であ
り、ｙ_v は台車進行方向を示す。ｘ−ｙ座標系は絶対座
標系であり、このｘ−ｙ座標系をπ／４回転したｘ´−
ｙ´新絶対座標系も使用する。

【００３６】（１）軌跡演算処理（図１６） まず、ビードセンサ１５からのデータｌ₁ ，ｌ₂ を基
に、溶接線の直線近似した方程式ｙ＝ａｘ＋ｂを求め
る。

【００３７】(a) 台車上での座標（ステップ〜） 前提として図１４のＯ点でビードセンサ１５に採取起動
がかけれられ、台車が図１４のＡ点を経てＢ点まで移動
する間に、ビードセンサ１５が所定のコイル走査を行
い、Ｂ点で検出データを出力する。即ち、ロボットは移
動しながら、図１４のＯ点〜Ｂ点間で示した１サンプリ
ング間隔毎（例えば５mm毎）に、センサタスクを起動し
て、センサデータを取り込む。

【００３８】軌跡演算タスクにおいて、まず、溶接線上
の２点Ｐ１，Ｐ２につき台車中心線ｙ_v までの距離デー
タｌ₁ ，ｌ₂ （図１４，図１９）を読み込み（ステップ
）、Ｐ１，Ｐ２のｘ_v −ｙ_v 台車座標系での座標を求
め（ステップ）、このＰ１，Ｐ２をｘ−ｙ絶対座標系
での溶接線上の２点に変換し、更にｘ´−ｙ´新絶対座
標系に変換する（ステップ）。

【００３９】上記座標変換において、台車中心から前面
ビードセンサまで及び後面ビードセンサまでの距離
ｒ₁ ，ｒ₂ （図１８，図１９）は既知である。また、垂
直センサ５６の出力から、図１９に示す台車姿勢角Ｖａ
（即ち台車座標系のｙ_v 軸が絶対座標系のｘ軸となす角
度）も判明する。台車座標系と絶対座標系のずれ角度θ
_v は、θ_v ＝｛Ｖａ−（π／２）｝である。そこで、
ｘ_v −ｙ_v 台車座標系を−θ_v ＝−｛Ｖａ−（π／
２）｝だけ回転させてＰ１，Ｐ２をｘ−ｙ絶対座標系に
変換しておき、これにｌ₁ ，ｌ₂ 及びｒ₁ ，ｒ₂ の値を
代入すると、上記ｘ_v −ｙ_v 台車座標系での２点Ｐ１，
Ｐ２が、ｘ−ｙ絶対座標系での溶接線上の２点に変換さ
れる。次に、溶接線の方程式を求める上で、ｘ−ｙ絶対
座標系をπ／４回転したｘ´−ｙ´新絶対座標系を考え
る。これは溶接線が実際には垂直若しくは水平であるこ
とから、溶接線が垂直の場合に、溶接線の方程式ｙ＝ａ
ｘ＋ｂについてａの値が∞になる可能性があるためであ
る。そこで、上で求めたｘ−ｙ絶対座標系でのＰ１，Ｐ
２をｘ´−ｙ´新絶対座標系に変換し、ａの値が∞にな
る問題点を解決する。以後、ｘ´−ｙ´新絶対座標系の
値については「´」を付けて区別する。

【００４０】(b) 台車移動補正（ステップ〜） ロボットは移動しながら１サンプリング間隔（図１４の
Ｏ点〜Ｂ点間）毎にセンサタスクを起動して、センサデ
ータを取り込む。そこで、台車移動量を予測して、これ
に対する補正を行う。

【００４１】(i) 台車の増分移動量 １サンプリング間（今回のセンサデータ採取と前回のセ
ンサデータ採取）での台車路程移動量をプラニメータ４
８の出力としてΔＶ_L とする（ステップ）。図２０
（ａ）において、垂直センサ５６により得られる（ｎ−
１）時刻、ｎ時刻での台車姿勢角をＶａ（ｎ−１），Ｖ
ａ（ｎ）、１サンプリング間の台車移動を円弧と仮定す
ると、ΔＶ_L ＝ＲΔθ（但し、Δθ＝θ₂ −θ₁ で非常
に小さい）であり、θ₂ ＝Ｖａ（ｎ）−π／２，θ₁ ＝
Ｖａ（ｎ−１）−π／２より、台車の増分移動量のｘ，
ｙ成分であるΔｘ，Δｙは次式で求められる。

【００４２】 Δｘ＝ｘ₂ −ｘ₁ ＝Ｒｃｏｓθ₂ −Ｒｃｏｓθ₁ Δｙ＝ｙ₂ −ｙ₁ ＝Ｒｓｉｎθ₂ −Ｒｓｉｎθ₁ このΔｘ，Δｙが（ｎ−１）時刻と（ｎ）時刻のｘ−ｙ
絶対座標系の変位となる（ステップ）。この変位分も
ｘ´−ｙ´新絶対座標系に変換する（ステップ）。

【００４３】(ii)Ｐ１，Ｐ２のシフト（ステップ） 溶接線の軌跡を求めるために、各サンプリング時の溶接
線の座標Ｐ１，Ｐ２を現在のｘ´−ｙ´新絶対座標系に
変換しなければならない。つまり、（ｎ）時刻のサンプ
リングでは、（ｎ−１）時刻でのｘ´−ｙ´新絶対座標
系で表わされた（ｎ−１）組のＰ１，Ｐ２を、図２０
（ｂ）の如くΔＱ´だけシフトすることで、（ｎ）時刻
のｘ´−ｙ´新絶対座標系でのｎ組のＰ１，Ｐ２の座標
データとする（ステップ）。

【００４４】 _nＰ１（ｉ）＝ _n-1Ｐ１（ｉ）−ΔＱ´ _n Ｐ２（ｉ）＝ _n-1Ｐ２（ｉ）−ΔＱ´（ｉ＝１〜ｎ−
１） ここで _nＰ１（ｉ）：ｎ時刻でのｘ´−ｙ´座標系で表
わされたＰ１ _n Ｐ２（ｉ）：ｎ時刻でのｘ´−ｙ´座標系で表わされ
たＰ２ _n-1 Ｐ１（ｉ）：ｎ−１時刻でのｘ´−ｙ´座標系で表
わされたＰ１ _n-1 Ｐ２（ｉ）：ｎ−１時刻でのｘ´−ｙ´座標系で表
わされたＰ２ (c) 最小二乗近似による溶接線の方程式（ステップ） ｎ組のＰ１，Ｐ２のデータからｎ時刻でのｘ´−ｙ´新
絶対座標系での溶接線の軌跡ｙ＝ａｘ＋ｂを最小二乗法
で求める（ステップ）。

【００４５】上記で求めた軌跡ｙ＝ａｘ＋ｂは、あくま
でもｎ時刻のセンサ取込みタイミングでの軌跡であり、
センサ取込みタイミングと演算時のタイミングではビー
ドセンサの関係上１００ｍｓ程度のずれを生ずる。そこ
で、このずれをなくすため、上記で求めた溶接線の方程
式ｙ＝ａｘ＋ｂを図２０（ｂ）の場合と同様にシフトし
て、演算時のタイミングに補正する（ステップ）。

【００４６】（２）台車演算処理（図１７） 本処理は、軌跡演算処理で得られた溶接線をならいなが
ら、台車を移動させる処理である。台車と溶接線の関係
を示す図２１において、まず溶接線と台車中心との距離
ｌ_VB，溶接線と台車進行方向（ｙ_V 軸）との角度θ_VBを
求める（ステップ）。これで、θ_VB＝０，ｌ_VB＝０と
なるように台車を制御すれば、台車は溶接銭をならうこ
とになる。制御はＶａ（姿勢角）のみを使うため、θ_VB
に関しては制御せず、ｌ_VBの偏差に応じてＶａを調整す
ることでｌ_VB→０とすれば、θ _VBも０となる。尚、姿
勢角の追従については、ソフトサーボ内で姿勢角追従制
御を行い、Ｖａを設定すれば台車姿勢角は追従するよう
になっている。

【００４７】(a) 台車中心の判断（ステップ） 図２２（ａ）はＶａがほぼゼロの場合、図２２（ｂ）は
Ｖａがほぼπ／２の場合、図２２（ｃ）は姿勢角Ｖａが
ほぼπの場合の台車中心と溶接線の関係を示し、溶接線
１及び溶接線２はそれぞれ台車中心に対して右側，左側
にあることを表している。図に示す関係から、ｘ´−ｙ
´新絶対座標系において、溶接線の検出点ｘ_m の座標値
ｘ_mvが、ｘ_mv＞０のとき台車中心は溶接線の左側、ｘ_mv
＜０のとき台車中心は溶接線の右側にあると判断する。

【００４８】(b) 台車中心が溶接線の左側にある場合
（ｘ_mv＞０） 台車が前進か後進かを判断し（ステップ）、台車中心
が溶接線の左側にある場合（ｘ_mv＞０）で台車が前進し
ているときは（ステップ）、図２３（ａ）〜（ｃ）に
示すように、姿勢角Ｖａがほぼゼロ、ほぼπ／２、ほぼ
πである３つの態様において、それぞれθ_VBがθ_VB＜０
となるように姿勢角Ｖａを設定する（ステップ）。ま
た、台車中心が溶接線の左側にある場合（ｘ_mv＞０）で
台車が後進しているときは（ステップ）、図２３の３
態様において、それぞれθ_VB＞０となるようにＶａを設
定する（ステップ）。

【００４９】(c) 台車中心が溶接線の右側にある場合
（ｘ_mv＜０） 同様に台車が前進か後進かを判断し（ステップ）、台
車中心が溶接線の右側にある場合（ｘ_mv＞０）で台車が
前進しているときは（ステップ）、Ｖａがほぼゼロ，
π／２，πの３態様において、それぞれθ_VB＞０となる
ようにＶａを設定する（ステップ）。また、台車中心
が溶接線の右側にある場合（ｘ_mv＜０）で台車が後進し
ているときは（ステップ）、同様の３態様において、
それぞれθ_VB＜０となるようにＶａを設定する（ステッ
プ）。

【００５０】かくして設定されたＶａにより、α軸モー
タ５７により垂直サンサ５６の振り子が動かされ、その
振られた傾斜角度がゼロになるように、サーボ機構部５
９により台車の姿勢が修正される。この場合、車輪８は
左右の車輪が独立に制御され、例えば左側の車輪（前後
２つ）と右側の車輪（前後２つ）のうちの一方を前進，
他方を後進とすることで右旋回又は左旋回するようにな
っている。

【００５１】（３）アーム演算処理（図１７） 本処理は、台車の移動に合わせて接触アームの目標位置
を計算し、そこからアーム各軸の移動量を求める処理で
ある。

【００５２】(a) 次回サンプリング時の位置 まず、次回サンプリング時のアーム中心位置（θ軸回転
中心，Ｓ軸移動中心）Ｒを求める。台車演算処理で１サ
ンプリング間の台車移動量ΔＶ_l ，次の姿勢角Ｖａ（ｉ
＋１）は求まっているので、ｉ時刻での位置をＱ１，
（ｉ＋１）時刻での位置をＱ２とし、Ｑ１→Ｑ２への移
動量のｘ，ｙ成分Δｘ，Δｙを求め、ｘ´−ｙ´新絶対
座標系に変換する。

【００５３】(b) 探傷ポイントの設定 （ｉ＋１）時刻での探傷ポイントは、Ｑ２での探触子ア
ーム１２の回転中心Ｒから溶接線へ垂線を下ろした点Ａ
として求まる（図２４参照）。

【００５４】(c) アーム目標位置の設定 探触子アーム１２の制御はθ軸，Ｓ軸で行う。探触子ア
ーム１２と溶接線が直角になるように制御する。ここで
も台車演算処理の場合と同様に台車姿勢によって場合分
けして考える。Ｓ軸アーム中心Ｒが溶接線のどちら側に
あるかは、図２５（ａ）〜（ｃ）に示す関係から、ｘ´
−ｙ´新絶対座標系でのアーム中心Ｒの座標ｘ_r ´，ｙ
_r1´において、ｘ_r ´の正負、並びにｙ_r1´と溶接線の
方程式ａｘ_r1´＋ｂとの大小関係より、ｘ_r ´・（ｙ_r1
´−ａｘ_r1´−ｂ）＜０のとき溶接線の左側、ｘ_r ´・
（ｙ_r1´−ａｘ_r1´−ｂ）＞０のとき溶接線の右側、と
して求まる。

【００５５】次に、θ軸の目標値を求める。即ち、（ｉ
＋１）時刻の目標姿勢角Ｖａ（ｉ＋１）から（ｉ＋１）
時刻のθ_VBを求める。

【００５６】(d) θ軸，Ｓ軸の制御 θ軸については、θ軸モータ５１により上記θ_VB（ｉ＋
１）分だけ反対方向に制御すればよい。しかし、Ｓ軸に
ついては粗探傷と精密探傷とで制御の方法が異なり、粗
探傷の場合、Ｓ軸が常に溶接線上にあるように制御す
る。これに対し、精密探傷の場合は移動を台車とアーム
に分け、進行方向の移動は台車移動で、探傷範囲のスキ
ャンはＳ軸の移動で行う。即ち、図１２に示すように、
台車はＢ２→Ｂ３，Ｂ４→Ｂ５，Ｂ６→Ｂ７の如く進行
方向に移動させ、探触子アーム１２はＢ１→Ｂ２，Ｂ３
→Ｂ４，Ｂ５→Ｂ６の如く進行方向と交叉する方向に移
動させる。

【００５７】(i) 台車移動時 台車移動時は溶接線ならいとして台車はならい動作を行
うが、探触子アーム１２はならい動作を行うわけにいか
ない。Ｓ軸は最大か最小の位置にあるためである。そこ
で、θ軸だけを制御して、Ｓ軸は動かさないようにす
る。

【００５８】(ii)アーム移動時 θ軸の制御は台車移動時に行っているので、ここではＳ
軸モータ３６によりＳ軸の制御のみを行い、Ｓ軸がその
最大又は最小目標値になったときに、台車移動モードに
切り替える。尚、探触子アームの構造として、θ軸が動
くとＳ軸は干渉される。よってＳ軸の目標値を与える際
に、θ軸移動分の補正を加える。

【００５９】以上本発明の好ましい実施例について説明
したが、本制御方法は上記複合動作モード以外の公知の
通常動作モードにも適用できるものである。ここで公知
の通常動作モードとしては、例えば次のものがある。

【００６０】(1) 図２６（ａ）に示すように主ビームに
対して狭幅の絞られた超音波ビーム１６２を放射する１
種類の超音波探触子１６１を有し、この超音波ビーム１
６２を溶接ビード６に当て且つビーム１６２を振ること
により、即ち超音波探触子１６１を矢印１６３方向に移
動させることにより、１回に一定体積分の超音波探傷を
行うモードである。従って、溶接ビード６の全長に亘る
全体の検査をする場合、探傷走行装置を上記一定体積分
の前後に一部重なるように少しづつ徐々に前進させなが
ら、超音波探触子６１の位置移動（走査）を行わせ、結
果的に図１２（ｂ）に示すように超音波探触子６１を矩
形状の走査パターン６４で走査することになる。但し、
溶接ビード全体を検査し終えるのに相当の検査時間を必
要とし、溶接ビードに欠陥が全く無いか１箇所程度しか
存在しない場合でも、同じように長時間をかけて精密検
査を実施しなければならない欠点がある。

【００６１】(2) 図２６（ａ）の超音波探触子６１の感
度を下げた状態（超音波ビーム１６２のビーム幅は変え
ない）で、走査パターン１６４に従って走査して行くこ
とでおおまかな探傷を行い、必要箇所で精密探傷を行う
モードである。但し、１種類の超音波探触子の感度を切
り替えるだけであるから、溶接ビード６の全長に渡る検
査のためには、おまかな探傷の場合にも精密検査の場合
と同じ矩形状の走査パターン１６４を取らなければなら
ず、走査長さは精密探傷のみの場合と変わらない。従っ
て、溶接ビード６の全長全体を検査し終えるのに、やは
り相当の検査時間を必要とする。

【００６２】また上記実施例では超音波探傷走行装置を
例にして説明したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、球形タンク，原子炉，船舶，橋梁などの任意の
溶接部の非破壊検査ロボットは勿論、溶接線にならって
走行させる他の用途の移動ロボットにも適用できるもの
である。

【００６３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、移
動ロボットの移動に伴い台車座標系がずれていっても、
その移動量分だけ溶接ビードセンサのデータｌ₁ ，ｌ₂
が修正され、１サンプリング間隔毎に現在時刻での値に
修正される。このため現在の座標系における溶接線の方
程式が正しく演算され、またこの方程式を元に次回１サ
ンプリング間隔の移動の軌跡として推定し利用すること
ができ、溶接ビードセンサを有する移動ロボットを実際
に溶接線にならって移動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方法を適用した移動ロボットたる
超音波探傷走行装置を示す概略図である。

【図２】図１の探傷走行装置の平面図である。

【図３】図１の探傷走行装置の正面図である。

【図４】図１の探触子アームのＳ軸駆動系を示す図であ
る。

【図５】図４の検査アームに対する探触子アームの取付
構造を示す部分断面図である。

【図６】探触子アームの超音波探触子の取付構造を示す
端面である。

【図７】探触子アームのθ軸駆動系を示す図である。

【図８】溶接ビードセンサのコイルボードの平面図であ
る。

【図９】溶接ビードセンサの電気回路構成の概要図であ
る。

【図１０】溶接ビードセンサの検出回路の概念図であ
る。

【図１１】図１の探傷走行装置における粗探及び精密探
傷の説明図である。

【図１２】粗探及び精密探傷の走査パターンの説明図で
ある。

【図１３】図１の制御系を示すブロック図である。

【図１４】本発明の制御方法の説明に供する移動ロボッ
トの移行状態図である。

【図１５】本発明の制御方法の実施例に係る制御タスク
の説明図である。

【図１６】図１５の奇跡演算処理のタスクを示す流れ図
である。

【図１７】図１５の台車演算処理のタスクを示す流れ図
である。

【図１８】演算に用いる座標系及び符号の説明図であ
る。

【図１９】演算に用いる台車上での座標の説明図であ
る。

【図２０】演算に用いる台車移動補正の説明図である。

【図２１】演算における台車と溶接線の関係を示す説明
図である。

【図２２】演算における台車中心の判断の説明図であ
る。

【図２３】台車中心が溶接線のいずれの側にあるかの判
断の説明図である。

【図２４】超音波探傷すべき探傷ポイントの設定の説明
図である。

【図２５】接触子アームの目標位置の設定の説明図であ
る。

【図２６】従来の探傷走行装置における探傷及び走査パ
ターンの説明図である。

【符号の説明】

１ 探傷走行装置 ２ ケーブル ３ 制御装置 ４ プリンタ ５ 球形タンク壁（被検査壁） ６ 溶接ビード ７ 自走台車 ８ 永久磁石車輪 ９ 軸 １０ 検査アーム １１ ガイド板 １２ 探触子アーム １３ 粗探用超音波探触子 １４ 精探用超音波探触子 １５ 溶接ビードセンサ １６ アーム支持ローラ １７，１８ 押付け機構 １９ 押付けシリンダ ２０ リニアガイドベアリング ２１ 溝付ローラ ２２ ガイド板 ２３ 係合縁 ２４ ベース部材 ２５ 軸受け ２６ 回転軸 ２７ 軸受け ２８ スプロケット ２９ ギヤ ３０ スプロケット ３１ チェーン ３２ ラック ３３，３３′ 取付部材 ３４，３４′ 軸 ３５ モータ（車輪） ３６ モータ（Ｓ軸） ４０ コイルボード ４１ コイル ４２ 励磁回路（発振回路） ４３ 励磁用交流源 ４４ スイッチング回路 ４５ タイミング発生回路 ４６ アンプ ４７ 検波回路 ４８ プラニメータ（距離センサ） ４９ クロスビードセンサ部 ５１ モータ（θ軸） ５２ 操作円板 ５３ ロッド ５４ ピン ５５ ポテンショメータ（θ軸センサ） ５６ 垂直センサ ５７ モータ（α軸） ５８ ポテンショメータ（α軸センサ） ５９ サーボ機構部 ６０ コンピュータ １５１ 主ビーム １５２ 超音波 １５４ 走査パターン（直線走査） １５５ 走査パターン（矩形走査） １６１ 超音波探触子 １６２ 超音波ビーム １６３ 矢印 １６４ 走査パターン

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｂ２３Ｋ 9/127 ５０６ Ｂ 7920−4Ｅ (72)発明者 田中 康仁 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 早川 佳代子 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 台車走行方向と交叉する方向に配列した
   多数のコイルを１個分づつ走査してビード位置を渦流探
   傷する溶接ビードセンサを複数有する移動ロボットにお
   いて、ビードセンサの走査が起動されビード位置データ
   を採取し終える１サンプリング間隔毎に、ビードセンサ
   から求められる溶接線上の２点から既知の台車中心線ま
   での距離ｌ₁ ，ｌ₂ と、ロボットの移動量ΔＶ_L とロボ
   ットの姿勢角Ｖａとを１セットとして入力し、採取した
   距離データｌ₁ ，ｌ₂ を採取が完了した現在時刻での値
   に変換し、これを前回までのデータと共に利用して最小
   二乗法で溶接線の方程式を求め、次回１サンプリング間
   隔の移動において、前回求めた方程式をロボット移動量
   ΔＶ_L 分だけ座標変換して溶接線方程式の推定値として
   使用し、得られたロボットと溶接線の関係から溶接線と
   台車中心との距離がゼロとなるように上記姿勢角Ｖａを
   制御して、ロボットを溶接線にならうよう制御すること
   を特徴とする溶接ビードセンサを有する移動ロボットの
   制御方法。