JPH08141882A - 研削ロボットの研削経路生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 母材面形状を考慮した研削経路を自動的に生
成し、削り残しや削り過ぎを生じることなく研削対象物
を母材面の形状に沿って適切に研削する。 【構成】 予め教示された研削経路データに基づき研削
工具３を移動させ研削対象物21を研削する研削ロボット
１に適用され、研削対象物と母材面4aの形状を表す光切
断像23a を生成する視覚センサ6,7 と、光切断像に基づ
いて母材面形状を認識する母材面形状認識装置11および
研削対象物の幅を検出する幅検出装置12と、母材面形状
のデータと幅のデータに基づき、新たな研削経路の位置
データを生成する研削経路位置データ生成演算部14と、
母材面形状のデータに基づき新たな研削経路の各位置に
おける姿勢データを生成する研削経路姿勢データ生成演
算部15を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は研削ロボットの研削経路
生成装置に関し、特に、教示された研削経路に沿って研
削工具を移動しながら研削対象物を研削するティーチン
グプレイバック方式の産業用研削ロボットにおいて母材
面が曲面の場合であっても適切な研削作業を行える研削
経路生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】手首部に設けられた研削工具を予め定め
られた研削経路に沿って移動しながら当該研削工具で溶
接ビード等の研削対象物を研削するティーチングプレイ
バック方式の研削用作業ロボット（以下研削ロボットと
いう）は、従来より知られている。この研削ロボットで
は、一般的に、研削作業開始前に研削経路に関するデー
タが教示され、制御装置の記憶部に格納される。研削経
路に関するデータは、通常、位置データと姿勢データか
らなる。研削作業実行時、研削工具は、研削経路に関す
るデータを参照して研削経路に沿って移動しながら溶接
ビードを研削する。作業開始前に設定される研削経路
は、母材面において溶接ビードが形成されていると想定
される箇所である。

【０００３】上記の研削作業では、通常、溶接ビードの
母材面を研削の最終的な目標位置とする。研削作業開始
前に教示される従来の研削経路に関するデータは、溶接
ビードの母材面が平面であることを前提として設定され
るデータであって、溶接ビードの母材面の実際の形状を
考慮して設定されるものではない。従って母材面が曲面
である場合には、削り過ぎたり（凸面の場合）、溶接ビ
ードの下側中央部を削り残す（凹面の場合）ことにな
る。そこで従来では、母材面が曲面である場合、予め曲
面の形状を測定したりあるいは設計図面のデータを参照
したりし、曲面の各部の状態に応じた複数の研削経路に
関するデータを教示することで対応していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】研削しようとする溶接
ビードの母材面が曲面であることに起因する上記問題を
解決するための従来の方策では、研削作業前に母材面の
形状を測定して研削経路を教示しなければならないの
で、研削作業全体の自動化の観点で好ましくない。すな
わち、従来の研削ロボットにおける研削経路の生成の仕
方によれば、構成上溶接ビードの母材面の形状に応じた
自動研削を行えないので、作業効率が低く、母材面の形
状に沿って溶接ビードを研削する作業の自動化には不適
切であるという問題を有する。

【０００５】本発明の目的は、上記の問題を解決するた
め、母材面の形状を考慮した研削経路を自動的に生成
し、研削対象物の削り残しや削り過ぎを生じることなく
研削対象物を母材面に沿って自動的に研削できる研削ロ
ボットの研削経路生成装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明に係る研削
ロボットの研削経路生成装置は、作業開始前に予め教示
された研削経路に関するデータを記憶手段に格納し、こ
の記憶手段から読み出した前記データに基づき研削工具
を移動させながらこの研削工具で研削対象物を研削する
研削ロボットに適用されるものであり、研削対象物とそ
の両側の母材面の形状を表す光切断像を生成する視覚セ
ンサと、上記光切断像に基づいて母材面の形状を認識す
る母材面形状認識手段と、上記光切断像に基づいて母材
面上に形成された研削対象物の幅を検出する幅検出手段
と、母材面形状認識手段で認識された母材面の形状のデ
ータと幅検出手段で検出された幅のデータとに基づき、
新たな研削経路の位置データを生成する研削経路位置デ
ータ生成演算手段と、母材面形状認識手段で認識された
母材面の形状のデータに基づき前記新たな研削経路の各
位置における姿勢データを生成する研削経路姿勢データ
生成演算手段とを備えることを特徴とする。

【０００７】第２の本発明は、第１の発明において、研
削経路位置データ生成演算手段が、前記幅において設定
された間隔に基づき母材面の形状に対応する位置データ
を生成し、この位置データを前述の新たな研削経路の位
置データとすることを特徴とする。

【０００８】第３の本発明は、第１の発明において、研
削経路姿勢データ生成演算手段が、研削経路位置データ
生成演算手段により生成された新たな研削経路の位置デ
ータと母材面形状認識手段で認識された母材面の形状の
データに基づき、研削工具の押付け方向と母材面の法線
方向と一致するように前記姿勢データを生成することを
特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明では、作業開始前に予め教示された研削
経路に関するデータに基づいて研削ロボットを動作させ
ることによりアーム手首部に設けた研削工具を研削対象
物に沿って移動させ、この際に、研削工具の近傍には配
置された視覚センサを用いて研削対象物とそれが形成さ
れた母材面のそれぞれの形状に関する画像データを光切
断像という形で取得する。そしてこの光切断像のデータ
を利用して、母材面形状認識手段によって当該母材面の
形状に関するデータを得ると共に、幅検出手段によって
研削対象物の幅に関するデータを得る。次に、得られた
母材面の形状のデータと研削対象物の幅のデータに基づ
いて、研削経路位置データ生成演算手段で、母材面の形
状に沿う形の新たな研削経路に関する位置データを適当
に設定された間隔で生成する。また研削経路姿勢データ
生成演算手段で、母材面の形状に対応するように、求め
られた新たな研削経路における適当な間隔の各位置にお
いて姿勢データを生成する。このようにして母材面の形
状を考慮に入れた新たな研削経路の位置データと姿勢デ
ータを自動的に生成し、生成された位置データと姿勢デ
ータに基づいて研削ロボットの研削作業に関する動作を
制御する。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１１】図１は本発明に係る研削ロボットの研削経
路生成装置の全体的なシステム構成の一実施例を示す図
であり、図２は溶接ビードおよびその両側の母材面の光
切断像を作成する工程を説明するための図である。

【００１２】図１において、１は研削ロボットのロボッ
ト本体であり、その手首部２には研削工具３が取り付け
られている。研削工具３は、例えばグラインダのディス
クである。４は作業台５の上に載置されたワークで、ワ
ーク４の母材面上には、研削対象である例えば溶接ビー
ドが形成されている。

【００１３】研削工具３の近くには、ワーク４の溶接ビ
ードおよびその両側の母材面の部分にスリット光（例え
ばレーザスリット光）を照射するための投光器６と、ス
リット光の反射光を受光してスリット光が照射された部
分上に生じた照射跡を撮影するテレビカメラ（例えばＣ
ＣＤカメラ）７が配設される。投光器６とテレビカメラ
７は、取付け具８を介してロボット本体１の手首部２に
取り付けられる。テレビカメラ７で得られた映像信号は
光切断像に関するものであり、この映像信号は画像入力
装置９に入力される。スリット光投光器６とテレビカメ
ラ７は、研削工具３が研削しようとする溶接ビードの母
材面の形状および幅を検出するために必要な光切断像を
生成する視覚センサとして機能する。

【００１４】画像入力装置９に入力された映像信号に関
するデータは、画像メモリ１０に格納される。画像メモ
リ１０に格納された映像信号、すなわち溶接ビードとそ
の両側の母材面の形状を表す光切断像に関するデータを
用いて、後述するように、母材面形状認識装置１１によ
って母材面の形状が認識され、さらに幅検出装置１２に
よって溶接ビードの幅が検出される。母材面形状認識装
置１１で得られた母材面の形状に関するデータ、および
幅検出装置１２で得られた溶接ビードの幅に関するデー
タはロボットコントローラ１３に供給される。

【００１５】ロボット本体１によって実行される研削作
業の全動作は、上記ロボットコントローラ１３によって
制御される。ロボットコントローラ１３は、一般的な構
成として、演算処理部および記憶部を内蔵し、記憶部に
格納された動作指令用プログラムや、例えば作業開始前
に予め教示された位置データおよび姿勢データ等に基づ
いて、研削作業等を実行するための制御指令をロボット
本体１に与える。ロボット本体１はロボットコントロー
ラ１３から与えられる制御指令に基づいてその手首部２
に設けられた研削工具３を研削経路に沿ってその始点か
ら終点まで研削作業を行いながら移動させる。本実施例
による研削ロボットは、研削作業の開始前に予め研削経
路に関するデータが教示され、その教示データはロボッ
トコントローラ１３の記憶部に格納されており、ティー
チングプレイバック方式の研削ロボットである。ただし
本実施例の研削ロボットでは、作業開始前に予め教示さ
れる研削経路に関するデータは、比較的に大雑把な基本
的データである。

【００１６】上記のロボットコントローラ１３は、内部
に、さらに研削経路位置データ生成演算部１４、研削経
路姿勢データ生成演算部１５、座標変換部１６、撮像指
令部１７を備えている。

【００１７】研削経路位置データ生成演算部１４は、視
覚センサを利用した測定と母材面形状認識装置１１およ
び幅検出装置１２とによって得られた溶接ビードの母材
面の形状のデータおよび溶接ビードの幅のデータに基づ
いて、母材面に沿って溶接ビードを研削するために必要
な母材面の形状に類似する形に沿う新たな研削経路の位
置データを生成する機能を有する。研削経路姿勢データ
生成演算部１５は、後述するごとく、母材面形状認識装
置１１により得られた溶接ビードの母材面の形状のデー
タを基づいて、研削経路位置データ生成演算部１４で算
出された新たな研削経路の各位置に対応する母材面の法
線方向を求める機能を有する。また座標変換部１６は、
前記研削経路位置データ生成演算部１４と研削経路姿勢
データ生成演算部１５により得られた新たな研削経路に
関するデータを、ロボット座標系に対応する値に変換す
る機能を有する。撮像指令部１７は、視覚センサとして
機能するテレビカメラ７や画像入力装置９などの撮像装
置に対して動作指令を与えるための手段である。

【００１８】溶接ビードが形成された母材面の形状の検
出および溶接ビードの幅の検出には、前述の投光器６と
テレビカメラ７からなる視覚センサ、および母材面形状
認識装置１１および幅検出装置１２が使用される。次
に、図２を参照して、溶接ビード部分の母材面の形状お
よび溶接ビードの幅の検出について説明する。

【００１９】図２で明らかなように、本実施例の場合、
溶接ビード２１が形成されたワーク４の母材面４ａは凸
面の形状になっている。ワーク４における溶接ビード２
１が形成された部分に、上方に傾斜姿勢で配置された投
光器６によってスリット光２２が照射される。照射され
たスリット光２２すなわち直線状の光によって溶接ビー
ド２１およびその両側の母材面４ａの上には直線状の光
の照射跡２２ａが描かれ、この直線状光の照射跡２２ａ
をテレビカメラ７によって撮像する。２３はテレビカメ
ラ７の撮像によって得られた画像面であり、２３ａは画
像面２３における光切断像で、上記の光の照射跡２２ａ
に対応する像である。光切断像２３ａは３つの部分Ｌ
１，Ｌ２，Ｌ３からなる。Ｌ１とＬ２は溶接ビード２１
が形成された母材面４ａの両側部分上に生じた光切断像
であり、Ｌ３は溶接ビード２１の上に生じた光切断像で
ある。また光切断像２３ａにおいて、点Ａ′，Ｂ′は溶
接ビード２１と母材面４ａとの間の境界点Ａ，Ｂに対応
する点であり、点Ｃ′，Ｄ′は照射跡２２ａの両端であ
って母材面４ａ上での点Ｃ，Ｄに対応する点である。テ
レビカメラ７による撮影で得られた光切断像２３ａは画
像入力装置９を経由して画像メモリ１０に格納される。

【００２０】上記母材面４ａの形状は方程式で表現する
ことが可能である。ここでは、一例として３次元方程式
で母材面の形状を表現するものとし、次式で与えられ
る。

【００２１】

【数１】

【００２２】（数１）の式において前述した光切断像２
３ａ上の４つの点Ａ′，Ｂ′，Ｃ′，Ｄ′の座標
（ｘ_A ，ｙ_A ）、（ｘ_B ，ｙ_B ）、（ｘ_C ，ｙ_C ）、
（ｘ_D ，ｙ_D）を代入すると、次の式が得られる。

【００２３】

【数２】

【００２４】（数２）を行列で表現しかつ整理すると、
次のような式に変形することができる。

【００２５】

【数３】

【００２６】（数３）に関して逆行列で計算を行い、母
材面４ａの形状を表す方程式の定数ａ，ｂ，ｃ，ｄは次
の式によって求めることができる。

【００２７】

【数４】

【００２８】以上のように定数ａ〜ｄが決定されれば、
母材面４ａの形状を決定することができるので、これに
よって母材面４ａの形状を知ることができる。上記（数
１）〜（数４）に関する演算処理は母材面形状認識装置
１１で行われる。

【００２９】また幅検出装置１２では、画像メモリ１０
に格納された前述の光切断像２３ａにおいて境界部の点
Ａ′，Ｂ′の座標から２つの点Ａ，Ｂの距離ｓを算出す
る。この距離ｓを溶接ビード４ａの幅とし、これによっ
て溶接ビードの幅を求めることができる。

【００３０】母材面形状認識装置１１で得られた母材面
４ａの形状に関する方程式のデータおよび幅検出装置１
２で得られた溶接ビード２１の幅のデータは、ロボット
コントローラ１３に入力される。ロボットコントローラ
１３では、入力された母材面の形状に関する方程式およ
び溶接ビードの幅を用いて、研削経路位置データ生成演
算部１４と研削経路姿勢データ生成演算部１５において
それぞれ位置データと姿勢データが演算され、母材面４
ａの形状に対応した研削経路の位置データおよび姿勢デ
ータが生成される。以下に、図３に示した光切断像２３
ａを参照してロボットコントローラ１３における新たな
研削経路の位置データと姿勢データの生成を説明する。

【００３１】研削経路位置データ生成演算部１４では、
点Ａ′から点Ｂ′に向かって予め適当に設定された間隔
Δｓで決まる補間点Ｅ′，Ｆ′，Ｇ′の各々で、次式に
従ってｘ座標値を算出する。次式においてＫｘは方向Ｋ
のｘ軸投影である。

【００３２】

【数５】

【００３３】（数５）によって算出した補間点Ｅ′，
Ｆ′，Ｇ′の各々のｘ座標値を母材面形状方程式に代入
することによりそれぞれの補間点のｙ座標値が求められ
る。

【００３４】研削経路姿勢データ生成演算部１５では、
求められた母材面形状方程式に基づいて、次式によって
境界点Ａ′，Ｂ′および補間点Ｅ′，Ｆ′，Ｇ′での法
線方向を求める。

【００３５】

【数６】

【００３６】上式においてｆ′（ｘ）は母材面形状方程
式の導関数であり、母材面形状方程式により求められ、
次式のようになる。

【００３７】

【数７】

【００３８】上記のごとくして、溶接ビードとワークの
母材面との境界点、溶接ビードにおける複数の補間点の
座標を求めることによって、母材面の形状に応じた新た
な研削経路の位置データを得ることができ、また境界点
および補間点の各々で法線方向を求めることによって母
材面の形状に応じた新たな研削経路の姿勢データを得る
ことができる。位置データによって研削工具３の移動位
置が決定され、姿勢データによって各位置での研削工具
１の押付け方向が決定される。こうして得られた母材面
の形状を考慮にいれた研削経路の位置データと姿勢デー
タを、座標変換部１６でロボット本体１で設定された座
標系上の値に変換することにより、これらのデータによ
ってロボット本体１を動作させ、その手首部２に設けた
研削工具３に溶接ビード２１を研削させる。

【００３９】前述した構成と作用で明らかなように、本
実施例による研削ロボットの研削経路生成装置によれ
ば、作業開始前に予め設定された研削経路に関するデー
タを教示してロボットコントローラ１３の記憶部に格納
し、その後、記憶部に格納された教示データを読み出し
教示データに基づいて研削ロボット１の動作を制御し、
研削工具を研削経路に沿って移動させる。その際に、視
覚センサで前述の光切断像を生成し、光切断像のデータ
を利用して母材面形状認識装置１１と幅検出装置１２で
母材面４ａの形状と溶接ビード２１の幅の各データを取
得する。最後にロボットコントローラ１３に設けられた
研削経路位置データ生成演算部１４と研削経路姿勢デー
タ生成演算部１５で、母材面の形状に応じた新たな研削
経路の位置データと姿勢データを生成し、新たな研削経
路に関するデータを実際の研削作業の制御のための指令
として使用する。このようにして、研削対象物が形成さ
れた母材面の実際の形状を考慮に入れた研削経路に関す
るデータが自動的に生成され、研削作業が実行される。

【００４０】図４は、本発明に係る研削経路生成装置で
研削を行う対象物の具体例を示す。この例は、例えば油
圧ショベルのアーム３１の上面に２つのブラケット３２
が溶接によって取り付けられた例である。曲面輪郭部３
２ａを有する板状ブラケット３２が溶接ビード３３によ
ってアーム３１の平面状母材面３１ａに固定される。ブ
ラケット３２とアーム３１の境界部における盛り上がっ
た溶接ビード３３は、ブラケット３２の曲面輪郭部３２
ａが滑らかに母材面３１ａに続くように研削されなけれ
ばならない。そこで図に示されるように、投光器６とテ
レビカメラ７によって溶接ビード３３とその周辺部（曲
面輪郭部３２ａと平面状母材面３１ａ）に関する光切断
像３４を生成する。次に前述の実施例の場合と同様に、
生成された光切断像３４のデータを用いて、破線で示さ
れた仕上げ形状３５に関する形状データと溶接ビード３
３の幅データを求め、溶接ビード３３の研削作業によっ
て当該仕上げ形状を実現するための研削経路の位置デー
タと姿勢データを生成する。得られた研削経路の位置と
姿勢データに基づいて溶接ビード３３の研削が実行され
る。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、予め教示された研削経路に関するデータに基づい
て研削工具を移動させ、この際にアーム手首部に設けた
視覚センサで研削対象物とその母材面に関する光切断像
のデータを取得し、光切断像に関するデータを利用して
母材面の形状と研削対象物の幅を検出し、母材面が曲面
である場合に母材面の形状に応じた新たな研削経路の位
置データと姿勢データを自動的に生成するように構成し
たため、研削対象物の母材面が曲面であっても削り残し
や削り過ぎが生じない最適な研削経路を自動的に設定す
ることができる。また上記の構成によれば、アーム手首
部に設けられた視覚センサの基本的な移動経路に関する
教示データを与えるだけで、研削ロボットにおける研削
作業の全体の自動化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研削ロボットの研削経路生成装置
の一実施例を示す図である。

【図２】溶接ビード及びその母材面の光切断像を作成す
る工程を説明するための図である。

【図３】母材面の形状に応じた新たな研削経路に関する
位置データと姿勢データを求める工程を説明するための
図である。

【図４】研削対象物の具体例を説明するための斜視図で
ある。

【符号の説明】

１ ロボット本体 ２ 手首部 ３ 研削工具 ４ ワーク ４ａ 母材面 ６ 投光器 ７ テレビカメラ ２１ 溶接ビード ２２ スリット光 ２３ａ 光切断像

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業開始前に予め教示された研削経路に
   関するデータを記憶手段に格納し、この記憶手段から読
   み出した前記データに基づき研削工具を移動させながら
   この研削工具で研削対象物を研削する研削ロボットにお
   いて、 前記研削対象物とその両側の母材面の形状を表す光切断
   像を生成する視覚センサと、 前記光切断像に基づいて前記母材面の形状を認識する母
   材面形状認識手段と、 前記光切断像に基づいて前記母材面上に形成された前記
   研削対象物の幅を検出する幅検出手段と、 前記母材面形状認識手段で認識された前記母材面の形状
   のデータと前記幅検出手段で検出された前記幅のデータ
   とに基づき、新たな研削経路の位置データを生成する研
   削経路位置データ生成演算手段と、 前記母材面形状認識手段で認識された前記母材面の形状
   のデータに基づき前記新たな研削経路の各位置における
   姿勢データを生成する研削経路姿勢データ生成演算手段
   と、 を備えることを特徴とする研削ロボットの研削経路生成
   装置。
2. 【請求項２】 前記研削経路位置データ生成演算手段
   は、前記幅において設定された間隔に基づき前記母材面
   の形状に対応する位置データを生成し、この位置データ
   を前記新たな研削経路の位置データとすることを特徴と
   する請求項１記載の研削ロボットの研削経路生成装置。
3. 【請求項３】 研削経路姿勢データ生成演算手段は、前
   記研削経路位置データ生成演算手段により生成された前
   記新たな研削経路の位置データと前記母材面形状認識手
   段で認識された前記母材面の形状のデータに基づき、前
   記研削工具の押付け方向と母材面の法線方向と一致する
   ように前記姿勢データを生成することを特徴とする請求
   項１記載の研削ロボットの研削経路生成装置。