JPS62177602A - ロボツトの作業開始点への位置決め制御方法 - 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、補間機能と視覚センサおよび視覚センサに対
する応答機能を有するロボットの作業開始点への位置決
め方法に関する。

〔従来の技術〕

ティーチングプレイバック形ロボットの前提は、アーム
の先端に取り付けられた作業工具の先端位置と作業個所
が必ずティーチング時のとおりに設定されていることで
ある。従って、作業工具先端の位置ずれ、作業線の位置
ずれをいかに補間するかが、ティーチングプレイバック
形ロボットの大きな課題であり、種々のセンサにより研
究され、一部実用化されているものもある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ロボット用センサとして応用されているセンサには、機
械式、磁気式、アークセンサ式、光学式等が研究されて
いる。これらセンサの欠点については、特願昭８０−１
１７７１１に述べられている。さらにこれらセンサは実
作業とは違った作業開始点検出のだめの余分な検出動作
をしなければならないため、作業開始点への高速位置決
め制御の点で問題があった。センサ座標系での作業線、
作業工具の陰の先端は第１および第２の軌跡修正信号に
より軌跡修正されると位置が変化する。また、作業工具
先端の位置も変化する可能性がある。特願昭ｅＯ−１１
７７１１では、第１および第２の軌跡修正信号により軌
跡修正される毎に、もしくは間欠的に作業工具先端位置
、作業工具の陰の先端位置、作業線を画像処理し、認識
することにより、作業工具先端位置、作業工具の陰の先
端位置、作業線が一致するように制御されている。従っ
て１画像処理の回数性の時間、画像処理の結果出力され
た修正信号から実際にロボットの複数軸を動作させるに
必要な時間だけロスすることになる。

本発明の目的は、ロボット手首に装着された作業工具を
作業対象物の作業開始点に正しく、しかも高速に位置決
めするロボットの作業開始点への位置決め制御方法を提
供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

未発ｊＪＦｌは、アームの先端に作業工具を設け、その
手首部に照明源と視覚センサを設けた補間機能を有する
ティーチングプレイバック制御のロボットで、前記視覚
センサからの位置修正信号に応答してロボットを構成す
る複数の駆動軸を制御して、前記作業工具の先端位置を
高速に作業開始点へ位置決めする制御方法において、次
のステップからなる。

まず、ティーチング時にロボット座標系とセンサ座標系
との変換式を求めるためのキャリブレーション動作を行
なう。この動作は、作業線の教示と同様に同一作業線教
示に対し、−回のみの動作である。このキャリブレーシ
ョン動作については次のステップ（１）〜（４）からな
る。

（１）照明源により、平板上に作業工具の陰を生成する
。

（２）ロボット座標系での作業工具先端位置およびびセ
ンサ座標系での作業工具先端位置と作業工具の陰の先端
位置を記憶し、作業工具先端と作業工具の陰の先端が一
致するまで作業工具を移動させ、一致した時の作業工具
先端のロボット座標系における位置を記憶し、作業線の
方向を第３の修正方向、作業線と直交する上下方向を第
１の修正方向、第１および第３の修正方向と直交する方
向を第２の修正方向とすると第１の修正方向に対するセ
ンサ座標系とロボット座標系との変換式を求めメモリへ
格納する。

（３）ロポ・ント座標系およびセンサ座標系における作
業工具先端位置、センサ座標系における作業工具先端と
作業工具の陰の先端との距離をメモリへ格納しておき、
作業工具の先端が作業工具の陰の先端と一致するまで作
業工具を移動させ。

一致した時の作業開始点のロボット座標系およびセンサ
座標系における位置と前記メモリへ格納しておいた作業
工具先端位置、作業工具先端と作業工具の陰の先端との
距離から第２および第３の修正方向への修正量に対する
ロボット座標系とセンサ座標系との変換式を求めメモリ
へ格納する。

（４）ロボット座標系において、教示された作業線に平
行な２点間距離とその時のセンサ座標系における２点間
距離により、第３の修正方向へのロボット座標系とセン
サ座標系との変換式を求めメモリへ格納しておく。

次のステップ（５）、（６）はロボットのプレイバック
モード時の処理である。

（５）照明源により、前記作業工具の陰を生成する。

（６）作業工具先端、作業工具の陰の先端および作業開
始点を画像認識し、ステップ（２）、（３）で求めた変
換式からロボット座標系での各修正方向に対する修正量
を演算し、工具先端を作業開始点へ移動させる。

本発明はさらに、前記ステップ（５）の画像処理時、作
業開始点が見つからなかった場合、次のステップ　（５
）〜（８）を含む。

（５）照明源により、前記作業工具の陰を生成する。

（６）作業対象物の作業線と前記作業工具と作業工具の
陰を前記視覚センサによって画像認識する。

げ）教示された第３の修正方向に作業開始点が画像認識
されるまで移動させる。

（８）前記作業開始点を検出すると、ステップ（２）〜
（４）で求めておいた変換式からロボット座標系での各
修正方向に対する修正量を演算し、工具先端を作業開始
点へ移動させる。

〔作用〕

このように、教示時第１、第２および第３の修正方向へ
一定距離だけ作業工具先端を動作させた時のセンサ座標
系での作業工具先端、作業工具の陰の先端、作業開始点
の移動距離および変位ベクトルを算出しておくことによ
り、プレイバック時の画像処理回数が大幅に減少する０
作業工具の先端、作業工具の陰の先端、作業開始点が認
識されると、各修正方向に対するロボット座標系とセン
サ座標系との比および変位ベクトルから各修正方向への
修正量を演算し、修正量がセンサからロボット制御装置
へ転送され、公知の補間機能、たとえば特願昭５８−３
８８７２によりただちに作業開始点へ作業工具先端を移
動させることができる。センサ座標系内に作業工具先端
、作業工具の陰の先端、作業開始点が存在する場合は１
回の画像処理ですむことになる。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

以下、作業工具として溶接トーチを例に挙げ詳細説明を
行なうが、溶接トーチの代わりにのり付はガン、パリと
り工具、ネジ締め工具、把みハンド等も使用可能である
ため、本発明は溶接用に止まらないことをここで強調し
ておく。

第１図は、ワークずれにより溶接開始点がずれる様相を
重ね継手ワークの例で示した図である。

ｌは教示時のワーク位置、２は実際のワーク位置、３は
教示時の溶接開始点、４は教示時の溶接線、３°は実際
の溶接開始点、４゛は実際の溶接線である。７．７’は
それぞれ教示時、実際の溶接方向を示す。

第２図は、教示時のワイヤ電極先端を教示時の溶接開始
点へ移動させた時の図であり、重ね継手ワークを例にと
って説明する。

３’、　４’、　？’、　８°はそれぞれ、ワークの実
際の溶接開始点、溶接線、溶接線方向、溶接終了点を示
す、　１４は２次元カメラ、１５は映像信号比カケープ
ル、１８はカメラコントローラ、２ｏはモニターテレビ
、２１はイメージプロセッサである。１６は周囲の光量
に影響されることなく常に一定の光量を得るだめの照明
源であり、ワイヤ電極１１の陰１７を生成するためのも
のである。従って、本発明の意図するところは、照明源
１６で得た、ワイヤ電極１１、ワイヤ電極１１の陰１７
および溶接開始点を２次元カメラ１４でとらえ、画像認
識することにより、位置ずれを有するワークに対して、
正確にしかも高速な作業開始点への位置決めを実現する
ことである。

第３図は、教示時において、溶接線の垂直断面に対して
図のように第１の修正方向を゛上下”方向、第２の修正
方向を“左右″方向、第３の修正方向を“°前後′°方
向と定義した時の説明図である。第３の修正方向は、作
業動作方向を前方向、作業線動作方向と逆方向を後方向
と定義している。゛ 第４図は、第１の修正方向（上下方向）、第２の修正方
向（左右方向）、第３の修正方向（前後方向）へワイヤ
先端を移動させた時のモニタ２ｏ上でのワイヤ、ワイヤ
の陰、作業開始点の様子を表わしたものである。同図（
ｂ）、　（ｆ）、　Ｕ）は同一画像である。同図（ｃ）
は右方向へ位置修正した時、同図（ｄ）は左方向へ位置
修正した時、同図（ｇ）は゛°上上方方向位置修正した
時、同図（ｈ）は゛下°′方向へ位置修正し、ワイヤ先
端が下板の面に接触した状態を示す。すなわち、ワイヤ
先端とワイヤの陰の先端が一致することに留意されたい
。さらに、同図（ｋ）は゛°後°゛方向へ位置修正した
時、同図（＋）は゛前パ方向へ位置修正した時の様子を
表わしたものである。同図（ｍ）　、　（ｎ）は作業開
始点へワイヤ電極先端を位置決めした時の様子を示した
ものである。

本発明は、第４図（ｍ）　、　（ｎ）のように、ワイヤ
電極先端を作業開始点へ高速に位置決めする制御法であ
り、その方法について以下に述べる。

第５図および第６図は教示時にロボット座標系とセンサ
座標系での変換式を求めておくための作業を示す図であ
り、この変換式を用いることにより、画像認識された、
ワイヤ電極先端、ワイヤ電極の陰の先端および作業開始
点からロボット座標系へ変換し、補間機能（例えば直線
補間）によりワイヤ電極先端をただちに作業開始点へ動
作させることになる。

第５図は、上下方向に対するロボット座標系とセンサ座
標系とのキャリブレーション法について説明したもので
ある。平板１の任意の点Ｐ２　　（同図（ａ））で照明
源１Ｂによりワイヤ電極１１の陰１７およびモニタ上の
１０を生成する。この時のセンサ座標系におけるワイヤ
先端とワイヤ＃１７の先端との距ｇｌＩ４５＝９．４ｓ
（ロボット座標系での°゛上下修正方向に対する２点間
圧＃）を測定する。また、ワイヤ電極先端のロボット座
標系での位置を記憶しておく。次に同図（Ｃ）のように
ワイヤ先端が平板１に接触するまで“下″方向へ移動さ
せ、ロボット座標系でのワイヤ先端と平板１上までの距
離−２・３＝父２３を測定し、 を°゛上上下方方向対する変換係数としてメモリへ格納
しておく。

第６図（ａ）はロボット座標系において教示された溶接
線７゛に対して平板上の任意点Ｐ３および溶接線７゛に
平行な任意点Ｐ４との距ｇＩ文、４および同図（ｂ）で
は同図（ａ）の点Ｐ３および点Ｐ４でのセンサ座標系で
の溶接線７°上の特定点ｐ６＋Ｐ７の移動距離１６．７
からＫｓ　＝　ｌｓａ／　文６−ｔを求めメモリへ格納
することによりロボット座標系とセンサ座標系との前後
修正方向に対す変換式（変換係数）となる。

第７図は、ワイヤ電極先端とワイヤ電極の陰の先端を一
致させた時の作業開始点Ｐ６のセンサ座標系上での移動
量およびベクトル方向を算出するべくキャリブレーショ
ン法および第２、第３の修正方向への修正量算出につい
て示している。同図（ａ）は教示された作業開始点Ｐ１
　とワイヤ電極先端Ｐ２を示しており、同図（ｂ）はそ
の時のセンサ座標系での様子である。同図（ａ）の各点
ｐ、　、ｐ２＋Ｐ３が同図（ｂ）の各点ｐ６．ｐ、、　
＋ＰＳに対応する。

まず、教示された作業開始点ＰＬのセンサ座標系での点
Ｐ６の位置および、ワイヤ電極先端Ｐ５とワイヤ電極の
陰の先端すの距離見５ジを測定し記憶しておく。さらに
、同図（Ｃ）のように、ワイヤ電極先端Ｐ２をワイヤ電
極の陰の先端Ｐ３と一致させた時の作業開始点ＰＬのセ
ンサ座標系での移動の様子を同図（ｄ）に示す。同図（
ｄ）の点Ｐ７はワイヤ電極先端とワイヤ電極の陰の先端
を一致させた点であり、点Ｐ８はその時の溶接開始点Ｐ
６の移動点であり、点ＰＩＧは点Ｐ７から溶接線１５へ
垂直におろした線との交点である。

溶接開始点Ｐ６の移動点Ｐ８から８・８のペクト点Ｐ７
と点Ｐ８との距離！１７Ｂ、点Ｐ７と点ＰＩ（＋とと点
Ｐ１６との距蓬愛１７からに４＝立１７／交７Ｂをそれ
ぞれ算出し、メモリへ格納しておく０以上がテイニチン
グ時に求める値である。同図（ｅ）は、実際のプレイバ
ック動作時のセンサ座標系におけるワイヤ電極、ワイヤ
電極の陰、作業線の様子を表わしたものである。ワイヤ
電極先端Ｐ２０とワイヤ電極の陰の先端Ｐ２１および作
業開始点Ｐ２２の各座標を画像認識し、ワイヤ電極先端
Ｐ２゜とワイヤ電極の陰の先端Ｐ２１との距離ｆＬ２を
演算しメモリへ格納しておく、同図（Ｄは同図（ｅ）の
ワイヤ電極先端Ｐ２０とワイヤ電極の陰の先端Ｐ２１と
の距離立２と前記メモリへ格納していたに２および方向
余弦Ｃ１、ｍ）からワイヤ電極先端Ｐ２０とワイヤ電極
の陰の先端Ｐ２１が一致した時、すなわち、文２だけ第
１の修正方向（上下方向）へ移動した時の作業開始点Ｐ
２２の移動点ＰＬＯを求め、第２の修正方向（左右方向
）への移動量見、２および第３の修正方向（前後方向）
への移動、７３１　ｆＬ＋３を求めることを示した図で
ある。同図（ｅ）で画像認識された作業開始点Ｐ２２の
座標値を点Ｐ２２（Ｘ２２１ｙ２２）とすると、点Ｐｒ
ｏ　（Ｘ　ｔｏ　＋　”ｌ　ｔｏ）はＸ　１０　＝ｘ２
７＋（Ｋ２　　・ｆＬ２）・’ｌ　＋　　Ｙ１ｏ＝　’
１２２＋（Ｋ２　　・文、）ｍｍにより求まる。さらに
第２、第３の修正方向らそれぞれに３　・文よ□、に４
　φ文、１で求まる。求められた第１、第２、第３の修
正方向への修正量をロボット制御装置へ発生することに
より、ロボットの基本３軸を駆動制御し、ワイヤ電極先
端を作業開始点へ位置決めすることになる。

前記の例は、作業開始点が画像処理によりただちに認識
できた場合であり、ワークの大きな位置ずれにより、作
業線のみ画像上に現われ、作業開始点が視野内からはみ
出した場合の処理手順について第８図により説明する。

同図（ａ）のＰＬは作業線、　Ｐ２は作業線上の途中の
点である。画像認識された点Ｐ２、およびワイヤ先端位
置から、教示された作業線動作方向と逆方向へ、すなわ
ち後修正方向へワイヤ先端Ｐｓを通り、認識された作業
線１に平行で、画像処理する有効債域（通常、ウィンド
ウと称する）の辺６との交点Ｐ３を算出し、前後方向に
対するキャリブレーション法によって演算されたに３か
らセンサ座標系での距離文３．をロボット座標系での距
離に変換された量だけ位ご修正を行なう。同図（ｂ）は
、この同図（ａ）の動作を繰り返して、作業開始点が画
像認識された時の様子である。同図（ｂ）では、作業開
始点、ワイヤ電極先端位置、ワイヤ電極の陰の先端位置
が画像認識されるため、係数に、、　Ｋ２、およびベク
トルＶ　、６８から位置修正すべき、各修正方向に対す
る修正量を算出することができる。

第９図は、本発明を実現すべく、センサ付きロボットの
制御ブロック図である。°゛上下パ、°“左右″方向お
よび゛′前後°′方向への位置修正量がイメージプロセ
ッサで演算され、演算された移動量は、位置修正指令５
０として発生される。ロボット制御装置５１はこの指令
５０を受はロボット基本３軸を駆動制御する。ここで、
５２．５３．５４．５５．５１３は各軸の位置サーボ回
路であり、公知の駆動方式である。８１１．６２１．６
３１．６４１．８５１は偏差カウンタ、８１２．８２２
．θ３２．８４２．６５２はＤ／Ａ変換器、０１３、８
２ミ、　１１１３３．　ｅ４３．８５３はサーボアンプ
、６１４゜８２４、８３４．８４４．８５４はサーボモ
ータ、　８１５．８２５゜８３５、８４５．８５５は速
度フィードバック信号発生器、８１８．８２Ｅｌ、　８
３６．６４６．　Ｅ１５Ｂは位置検出発生器、そして、
５７．５８．５９．６０．１３１は各軸位置指令パルス
である。ここで、ロボット制御装置５１は、公知の直線
補間機能　特願昭５１３−３８８７２　ｒ関節形産業用
ロボットの制御装置」に記述されている機能を有し、し
かも特願昭５８−１５８１３２７　ｒ溶接ロボットの制
御方式」に記述されている予め決められた第１および第
２の修正方向、すなわち゛上下′”、“左右゛の修正方
向へのロボット基本３軸による移動機能、さらに゛前後
パの修正方向へのロボット基本３軸による移動機能を有
している装置である。ここで、多少のコメントをしてお
く必要がある。各修正方向に対するロボット座標系での
距離とセンサ座標系での距離の比は必ずしも直線性はな
い。これは、ワイヤとワイヤ陰の画像を取り込むべきカ
メラの位置に大きく起因するためである。しかしながら
、実際のワークのずれは最大でも１０ｍｍ程度であり、
また、第２図のカメラ軸駆動源１９によってカメラを任
意の位置に設定できることにより、直線性を向上させる
ことができるため、実用上問題はない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、ワークの０位置および作
業工具の取付は位置が厳密でない場合でも、教示作業と
同時に、各修正方向に対するロボット座標系とセンサ座
標系との変換式をあらかじめ求めておくことにより１作
業開始点への高速な位置決めが実現でき、作業の能率化
が一増進められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は重ね継手ワークで位置ずれを有している様子を
示す図、第２図は視覚センサ付ロボットの教示された溶
接開始点における様子を示す図、第３図は作業方向の垂
直断面に対する゛上下°′、゛左右パの位置修正方向お
よび°゛前後°°位首修正方向を示す図、第４図は“左
右゛、“上下°°、”前後゛ヘワイヤ先端を移動させた
時のワイヤ、ワイヤ陰、作業線および作業開始点の動き
を示す図、第５図は゛上下″修正方向に対するロボット
座標系と、センサ座標系間の変換式を示す図、第６図は
ワイヤ先端とワイヤ陰の先端を一致させた時の作業開始
点のセンサ座標系での移動位置を推定するだめの演算式
を求める説明図、第７図は“前後′°修正方向に対する
ロボット座標系とセンサ座標系間の変換式を求める説明
図、第８図は作業開始点が認識できない場合のロボット
動作方法を示す図、第９図は水力式を実現するにあたり
構成されたセンサ付ロボットの制御ブロック図である。 １・・・教示時のワーク位置。 ２・・・実際のワーク位置、 ３・・・教示時の溶接開始点。 ４・・・教示時の溶接線、 ３″・・・実際の溶接開始点、 ４′・・・実際の溶接線、 ８・・・ワイヤ線、 ９・・・作業線、 １１・・・ワイヤ電極。 第１図 ２゜ 第２図 （Ｃ）　　　　　　　　　　　（ｄ） 第５図 （２１）　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　（
（１）（ｅ）　　　　　　　　　（ｆ） 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アームの先端に作業工具を設け、その手首部に照明
   源と視覚センサを設けた補間機能を有するティーチング
   プレイバック制御のロボットで、前記視覚センサからの
   位置修正信号に応答してロボットを構成する複数の駆動
   軸を制御して前記作業工具の位置を調整する方法におい
   て、次のステップからなるロボットの作業開始点への位
   置決め制御方法。 （１）照明源により平板上に作業工具の陰を生成する。 （２）ロボット座標系での作業工具先端位置およびセン
   サ座標系での作業工具先端位置と作業工具の陰の先端位
   置を記憶し、作業工具先端と作業工具の陰の先端が一致
   するまで作業工具を移動させ、一致した時の作業工具先
   端のロボット座標系における位置を記憶し、作業線の方
   向を第３の修正方向、作業線と直交する上下方向を第１
   の修正方向、第１および第３の修正方向と直交する方向
   を第２の修正方向とすると第１の修正方向に対するセン
   サ座標系とロボット座標系との変換式を求めメモリへ格
   納する。 （３）ロボット座標系およびセンサ座標系における作業
   開始点位置、センサ座標系における作業工具先端と作業
   工具の陰の先端との距離をメモリへ格納しておき、作業
   工具の先端が作業工具の陰の先端と一致するまで作業工
   具を移動させ、一致した時の作業開始点のロボット座標
   系およびセンサ座標系における位置と前記メモリへ格納
   しておいた作業開始点位 置、作業工具先端と作業工具の陰の先端との距離から第
   ２および第３の修正方向への修正量に対するロボット座
   標系とセンサ座標系との変換式を求めメモリへ格納する
   。 （４）ロボット座標系において、教示された作業線に平
   行な２点間距離とその時のセンサ座標系における２点間
   距離により、第３の修正方向へのロボット座標系とセン
   サ座標系との変換式を求めメモリへ格納しておく。 （５）照明源により、前記作業工具の陰を生成する。 （６）作業工具先端、作業工具の陰の先端および作業開
   始点を画像認識し、ステップ（２）、（３）で求めた変
   換式からロボット座標系での各修正方向に対する修正量
   を演算し、工具先端を作業開始点へ移動させる。 ２、アームの先端に作業工具を設け、その手首部に照明
   源と視覚センサを設けた補間機能を有するティーチング
   プレイバック制御のロボットで、前記視覚センサからの
   位置修正信号に応答してロボットを構成する複数の駆動
   軸を制御して前記作業工具の位置を調整する方法におい
   て、次のステップからなるロボットの作業開始点への位
   置決め制御方法。 （１）照明源により、平板上に作業工具の陰を生成する
   。 （２）ロボット座標系での作業工具先端位置およびセン
   サ座標系での作業工具先端位置と作業工具の陰の先端位
   置を記憶し、作業工具先端と作業工具の陰の先端が一致
   するまで作業工具を移動させ、一致した時の作業工具先
   端のロボット座標系における位置を記憶し、作業線の方
   向を第３の修正方向、作業線と直交する上下方向を第１
   の修正方向、第１および第３の修正方向と直交する方向
   を第２の修正方向とすると第１の修正方向に対するセン
   サ座標系とロボット座標系との変換式を求めメモリへ格
   納する。 （３）ロボット座標系およびセンサ座標系における作業
   開始点位置、センサ座標系における作業工具先端と作業
   工具の陰の先端との距離をメモリへ格納しておき、作業
   工具の先端が作業工具の陰の先端と一致するまで作業工
   具を移動させ、一致した時の作業開始点のロボット座標
   系およびセンサ座標系における位置と前記メモリへ格納
   しておいた作業開始点位 置、作業工具先端と作業工具の陰の先端との距離から第
   ２および第３の修正方向への修正量に対するロボット座
   標系とセンサ座標系との変換式を求めメモリへ格納する
   。 （４）ロボット座標系において、教示された作業線に平
   行な２点間距離とその時のセンサ座標系における２点間
   距離により、第３の修正方向へのロボット座標系とセン
   サ座標系との変換式を求めメモリへ格納しておく。 （５）照明源により、前記作業工具の陰を生成する。 （６）作業対象物の作業線と前記作業工具と作業工具の
   陰を前記視覚センサによって画像認識する。 （７）教示された第３の修正方向に作業開始点が画像認
   識されるまで移動させる。 （８）前記作業開始点を検出すると、ステップ（２）〜
   （４）で求めておいた変換式からロボット座標系での各
   修正方向に対する修正量を演算し、工具先端を作業開始
   点へ移動させる。