(57)【要約】【課題】ロボットに対する教示作業を容易にすること。【解決手段】教示システムは、ロボットアームの動作を教示する。教示システムは、ロボットアームの先端部に取り付けられ、ワークの画像情報を取得する画像センサおよび接触を検知する接触センサを含むセンサ部と、ロボットアームを移動させたときに画像センサにより取得された画像情報に基づいて、センサ部の座標系とロボットアームの座標系とをセンサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる校正を行うと共に、ロボットアームを移動させ接触センサをワークに接触させることで、ワークの位置を認識する制御手段と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームの動作を教示するための教示システムであって、
前記ロボットアームの先端部に取り付けられ、ワークの画像情報を取得する画像センサおよび接触を検知する接触センサを含むセンサ部と、
前記ロボットアームを移動させたときに前記画像センサにより取得された画像情報に基づいて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを前記センサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる校正を行うと共に、前記ロボットアームを移動させ前記接触センサをワークに接触させることで、該ワークの位置を認識する制御手段と、
を備える、ことを特徴とする教示システム。
【請求項２】
請求項１記載の教示システムであって、
前記制御手段は、前記ロボットアームを移動させたときに前記画像センサにより取得された所定マークの画像情報に基づいて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを前記センサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる回転変換行列を算出し、算出した回転変換行列を用いて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを一致させる校正を行う、ことを特徴とする教示システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の教示システムであって、
前記画像センサは単一のカメラで構成される、ことを特徴とする教示システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の教示システムであって、
前記接触センサは、帯電しており、ワークに接触すると地絡する、ことを特徴とする教示システム。
【請求項５】
請求項４記載の教示システムであって、
前記センサ部の前記ロボットアームとの接触面には非導電性処理が施されている、ことを特徴とする教示システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の教示システムであって、
前記制御手段は、前記接触センサの地絡を検出すると、前記ロボットアームの駆動を停止させる、ことを特徴とする教示システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちいずれか１項記載の教示システムであって、
前記センサ部は、前記ロボットアーム先端の溶接ガンに取り付けられる溶接用電極チップと略同一形状である、ことを特徴とする教示システム。
【請求項８】
ロボットアームの教示動作を修正するための教示修正方法であって、
ワークの画像情報を取得する画像センサおよび接触を検知する接触センサを含むセンサ部を前記ロボットアームの先端に取り付けるステップと、
前記ロボットアームを移動させたときに前記画像センサにより取得された画像情報に基づいて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを前記センサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる校正を行うステップと、
前記ロボットアームを移動させ前記接触センサをワークに接触させることで、該ワークの位置を認識するステップと、を含むことを特徴とする教示修正方法。
【請求項９】
請求項８記載の教示修正方法であって、
前記画像センサにより撮影された所定マークの撮影画像に基づいて、該撮影画像の中心位置から前記所定マークまでの位置ずれを算出し、該位置ずれを修正するステップを更に含む、ことを特徴とする教示修正方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の教示修正方法であって、
前記画像センサにより撮影された所定マークの真円度に基づいて、ワークの角度ずれの補正を行うステップを更に含む、ことを特徴とする教示修正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームの動作を教示するための教示システム及び教示修正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、オフラインティーチデータを実機ラインで再現確認する場合や、車両などの製造ライン設備が移設された場合、移設の前後でロボットと作業対象物の設置位置にズレが生じるため、移設前に教示されていたロボットの動作プログラムをそのまま使用することはできず、教示位置の修正が必要となる。この教示修正作業は非常に手間のかかる作業であり、特に、自動車のスポット溶接工程のように多数のロボットを使用するライン移設では、この教示修正作業が膨大になり、その高効率化が求められている。これに対して、例えば、溶接ロボットに取り付けられたカメラを用いて上記教示を行う教示システムが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４９２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に示す教示システムにおいては、カメラを取り付ける比較的大きなスペースが必要となるため、例えば、狭い場所でのロボットに対する教示作業が困難となる。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ロボットに対する教示作業を容易にできる教示システム及び教示修正方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、ロボットアームの動作を教示するための教示システムであって、前記ロボットアームの先端部に取り付けられ、ワークの画像情報を取得する画像センサおよび接触を検知する接触センサを含むセンサ部と、前記ロボットアームを移動させたときに前記画像センサにより取得された画像情報に基づいて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを前記センサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる校正を行うと共に、前記ロボットアームを移動させ前記接触センサをワークに接触させることで、該ワークの位置を認識する制御手段と、を備える、ことを特徴とする教示システムである。
この一態様において、前記制御手段は、前記ロボットアームを移動させたときに前記画像センサにより取得された所定マークの画像情報に基づいて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを前記センサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる回転変換行列を算出し、算出した回転変換行列を用いて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを一致させる校正を行ってもよい。
この一態様において、前記画像センサは単一のカメラで構成されていてもよい。
この一態様において、前記接触センサは、帯電しており、ワークに接触すると地絡してもよい。
この一態様において、前記センサ部の前記ロボットアームとの接触面には非導電性処理が施されていてもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記接触センサの地絡を検出すると、前記ロボットアームの駆動を停止させてもよい。
この一態様において、前記センサ部は、前記ロボットアーム先端の溶接ガンに取り付けられる溶接用電極チップと略同一形状であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、ロボットアームの教示動作を修正するための教示修正方法であって、ワークの画像情報を取得する画像センサおよび接触を検知する接触センサを含むセンサ部を前記ロボットアームの先端に取り付けるステップと、前記ロボットアームを移動させたときに前記画像センサにより取得された画像情報に基づいて、前記センサ部の座標系と前記ロボットアームの座標系とを前記センサ部及びロボットアームの中心軸線の回転方向に一致させる校正を行うステップと、前記ロボットアームを移動させ前記接触センサをワークに接触させることで、該ワークの位置を認識するステップと、を含むことを特徴とする教示修正方法であってもよい。
この一態様において、前記画像センサにより撮影された所定マークの撮影画像に基づいて、該撮影画像の中心位置から前記所定マークまでの位置ずれを算出し、該位置ずれを修正するステップを更に含んでいても良い。
この一態様において、前記画像センサにより撮影された所定マークの真円度に基づいて、ワークの角度ずれの補正を行うステップを更に含んでいても良い。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ロボットに対する教示作業を容易にできる教示システム及び教示修正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る教示システムの概略的な構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る教示システムの概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る溶接ロボットの教示修正方法の処理フローを示すフローチャートである。
【図４】センサ部の座標系向とロボットアームの座標系との回転方向のずれを示す図である。
【図５】（ａ）センサ部をＸ軸方向へ移動させたときのロボットアーム座標系のＸ軸を示す図である。（ｂ）センサ部をＹ軸方向へ移動させたときのロボットアーム座標系のＹ軸を示す図である。
【図６】カメラ中心からマーキングまでのＸ軸方向の位置ずれΔＸ及びＹ軸方向の位置ずれΔＹを示す図である。
【図７】センサ部の角度ズレθを示す図である。
【図８】マーキングの真円度（Ａ／Ｂ）に基づいた角度ずれθの補正を示す図である。
【図９】溶接対象物のＺ方向探索を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る教示システムの概略的な構成を示す図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る教示システムの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る教示システム１は、自動車などのワーク（溶接対象物）に対して溶接を行う溶接ロボット２と、溶接ロボット２を制御する制御装置３と、を備えている。
【００１０】
溶接ロボット２は、例えば、車両などのパネル、フレームなどの溶接を行う。溶接ロボット２は、床面等に固定され、ヨー方向、ピッチ方向、ロール方向へ回動可能な複数の関節部２１を有するロボットアーム２２を有している。ロボットアーム２２の各関節部２１には、各関節部２１を駆動するモータなどのアクチュエータ２３と、各関節部２１の回転角度を検出するポテンショメータ、ロータリーエンコーダなどの回転センサ２４が夫々設けられている。各関節部２１のアクチュエータ２３は、制御装置３から送信される制御信号に応じて各関節部２１を回転駆動させることで、ロボットアーム２２を所望の位置へ移動させる。
【００１１】
ロボットアーム２２の先端には、スポット溶接などを行う溶接ガン２４が取り付けられている。溶接ガン２４には溶接電極チップが設けられており、このチップに対して電力を供給することで溶接が行われる。
【００１２】
なお、本実施の形態に係る教示システム１においては、溶接電極チップの代わりに、後述のセンサ部１１を用いる点を特徴とする。センサ部１１には、溶接対象物の画像を取得する単一のカメラ１２及び接触を検知する接触センサ１３を内蔵している。カメラ１２は、画像センサの一具体例であり、例えば、小型高解像度のＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどが用いられている。接触センサ１３は、例えば、センサ部分を微小電圧で帯電させ、導電性のパネル等に接触すると微小電流が流れる（地路）ことにより接触を検知する機能を有している。
【００１３】
本実施の形態においては、単一のカメラ１２を用いてＸＹ方向の空間を認識し、接触センサ１３を用いてＺ方向の空間を認識することで、３次元空間を認識する。これにより、従来、３次元空間を認識するために２つのカメラを用いられセンサ部が大型化していたが、本実施の形態においては、単一のカメラ１２及び接触センサ１３を用いて３次元空間を認識できるため、センサ部１１を大幅に小型化することができる。
【００１４】
センサ部１１の形状は、号口稼働時（試作生産を終えて本生産で製品を製造する時）に使用する溶接電極チップと略同一の小型形状となっている。このように、号口稼働時と同形状のセンサ部１１を用いることで、余計な回避動作を考えずに、号口稼働時と同等の動作教示を実現できる。また、センサ部１１に余分な領域が形成されていない小型形状とすることで、例えば、複雑なボディー構造に対しても干渉しない。
【００１５】
接触センサ１３は溶接対象物などの接触を検知すると、検知信号を制御装置３に送信する。なお、接触センサ１３は、後述の教示時におけるＺ方向補正以外でも、制御装置３は、接触センサ１３からの検知信号に応じて、各関節部２１のアクチュエータ２３の駆動を停止させるなどの安全制御に用いてもよい。
【００１６】
上述の如く、本実施の形態においては、接触センサ１３を溶接ロボット側ではなく、センサ部１１に設けている。従来、接触センサはロボット側に設けられている。この場合、号口稼働時にロボットはスパッタによる塵付着や経年劣化などにより絶縁抵抗にバラツキがあり、接触センサが正常に機能しないことがある。
【００１７】
一方、本実施の形態においては、接触センサ１３をセンサ部１１に内蔵させ、センサ部１１の裏面（ロボットアーム２２との接触面）に対して非導電性処理を施している。これにより、上記のような接触センサ１３の地絡を防止し、接触センサ１３の検出精度を向上させることができる。
【００１８】
制御装置３は、制御手段の一具体例であり、ユーザの操作指示あるいは、予め設定された制御プログラムに従って、ロボットアーム２２の各関節部２１のアクチュエータ２３を制御し、ロボットアーム２２を移動させる。制御装置３は、各関節部２１の回転センサ２４からフィードバックされた各関節部２１の回転角度が目標回転角度に一致するように、各関節部２１のアクチュエータ２３のフィードバック制御を行う。
【００１９】
制御装置３は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、ＣＰＵ３１によって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）３２やＲＡＭ（Random Access Memory）３３、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、及びＲＡＭ３３は、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００２０】
制御装置３には、ユーザが操作情報を入力できる操作部３４が設けられている。操作部３４は、通常のディスプレイ機能付のもので、ユーザは、この操作部のマニュアル操作を通して、溶接ロボット２の教示プログラムの作成、修正、登録、あるいは各種パラメータの設定の他、教示プログラムの再生運転、ジョグ送り等を実行する。
【００２１】
制御装置３の基本機能を支えるシステムプログラムは、上記ＲＯＭ３２に予め格納される。また、アプリケーションに応じた教示プログラム（ここではスポット溶接のプログラム）並びに関連設定データは、上記ＲＡＭ３３に格納される。後述する教示位置データ修正に関連した処理を行なうための教示修正プログラム、パラメータ等のデータもＲＡＭ３３に格納される。
【００２２】
なお、制御装置３と溶接ロボット２とは、例えば、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線で通信接続されている。これにより、制御装置３と溶接ロボット２との間の配線が不要となり、また、配線が破損するなどの故障を防止することができる。また、制御装置が溶接ロボットに搭載され、操作部のみが制御装置と遠隔的に無線などにより通信接続される構成であってもよい。
【００２３】
ところで、従来、溶接ロボットに対して教示（ティーチ）を行う際に、ユーザは事前にオフラインティーチにより、教示プログラムを作成し、作成した教示プログラムを制御装置のＲＡＭに記憶させていた。そして、制御装置は、この教示プログラムに基づいて、ロボットアームの各関節部のアクチュエータを制御し、ロボットアームを動作させ、この動作をユーザが確認していた。しかしながら、オフラインティーチによるロボットアームの動作と実際のロボットアームの動作との間には、通常、施工精度等により位置ずれが生じている。このためその後のオンラインティーチでの教示修正作業が頻繁に発生し、その工数増加が問題となっていた。
【００２４】
そこで、本実施の形態に係る教示システム１においては、上述した教示修正作業を自動的に行うことで教示作業の容易化を図っている。次に、上述した本実施の形態に係る溶接ロボット２の教示修正方法について詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る溶接ロボットの教示修正方法の処理フローを示すフローチャートである。
【００２５】
まず、ロボットアーム２２の先端にセンサ部１１を取り付ける（ステップＳ１０１）。ユーザが操作部３４を介して教示修正を開始させるための指令入力を行う（ステップＳ１０２）。制御装置３は、溶接ロボット２との間の通信状態の確認を行う共に、ＲＡＭ３３から教示修正プログラムを読み込み、溶接ロボット２に教示修正動作を開始させる（ステップＳ１０３）。
【００２６】
制御装置３は、ロボットアーム２２の座標系に対するセンサ部１１の座標系の校正を行う（ステップＳ１０４）。ここで、上述の如く、ロボットアーム２２の先端にセンサ部１１を取り付けた際に、ロボットアーム２２の中心軸線とセンサ部の中心軸線とを一致させることができる。一方で、ロボットアーム２２の中心軸線を中心とした座標系Ｘ−Ｙとセンサ部１１の中心軸線を中心とした座標系Ｘ′−Ｙ′とには、その回転方向にずれθが生じることがある（図４）。そこで、本実施の形態においては、このセンサ部１１の座標系の校正を、取付治具や校正器具などを使用することなく、制御装置３の教示修正プログラムに従って自動的に実行する。したがって、センサ部１１の座標系の校正を簡易に行うことができる。
【００２７】
ここで、制御装置３は、ロボットアーム２２を移動させたときにセンサ部１１のカメラ１２により取得された画像情報に基づいて、ロボットアーム２２の座標系とセンサ部１１の座標系とをその中心軸線の回転方向に一致させる校正を行う。
【００２８】
制御装置３は、ロボットアーム２２の各関節部２１のアクチュエータ２３を制御して、ロボットアーム２２先端のセンサ部１１をＸ軸方向及びＹ軸方向に所定量だけ夫々移動させる。その際、センサ部１１のカメラ１２は予め設定されたマーキングＭを撮影する。
【００２９】
例えば、ロボットアーム２２先端のセンサ部１１をロボットアーム２２の座標系のＸ軸方向へ移動させると、マーキングＭは、図５（ａ）に示す如く、カメラ１２（センサ部１１）のＸ′Ｙ′座標系において移動し、ロボットアーム座標系のＸ軸の方向及びその移動量を認識できる。一方、ロボットアーム２２先端のセンサ部１１をロボットアーム２２の座標系のＹ軸方向へ移動させると、マーキングＭは、図５（ｂ）に示す如く、カメラ１２のＸ′Ｙ′座標系において移動し、ロボットアーム座標系のＹ軸の方向及びその移動量を認識できる。
上述のように、制御装置３は、ロボットアーム２２先端のセンサ部１１をＸ軸方向及びＹ軸方向に所定量だけ夫々移動させときの、マーキングＭの移動方向及び移動量を認識する。そして、制御装置３は、その移動方向及び移動量に基づいて、ロボットアーム２２の座標系とセンサ部１１の座標系とをその中心軸線の回転方向に一致させる回転変換行列を算出する。制御装置３は、算出した回転変換行列を用いて、ロボットアーム２２の座標系とセンサ部１１の座標系とをその中心軸線の回転方向に一致させる校正を行う。
【００３０】
次に、制御装置３は、センサ部１１のカメラ１２中心と溶接打点となるマーキングＭとの位置ずれを計算する（ステップＳ１０５）。制御装置３は、センサ部１１のカメラ１２により撮影されたマーキングＭの撮影画像に基づいて、カメラ１２中心（撮影画像の中心位置）からマーキングＭまでのＸ軸方向の位置ずれΔＸ及びＹ軸方向の位置ずれΔＹを夫々計算する（図６）。
【００３１】
制御装置３は、カメラ１２中心からマーキングＭまでのＸ軸方向の位置ずれΔＸ及びＹ軸方向の位置ずれΔＹの修正を行う（ステップＳ１０６）。制御装置３は、上記計算したカメラ１２中心からマーキングＭまでのＸ軸方向の位置ずれΔＸ及びＹ軸方向の位置ずれΔＹが小さくなるように、ロボットアーム２２の各関節部２１のアクチュエータ２３を制御する。
【００３２】
制御装置３は、Ｘ軸方向の位置ずれΔＸ及びＹ軸方向の位置ずれΔＹが実質的に０あるいは所定値以下になり、修正処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１０７）。制御装置３は、修正処理を終了すると判定したとき（ステップＳ１０７のＹＥＳ）、次の（ステップＳ１０８）の処理に移行する。一方、制御装置３は、Ｘ軸方向の位置ずれΔＸ及びＹ軸方向の位置ずれΔＹが実質的に０あるいは所定値以下になっていないと判定したとき（ステップＳ１０７のＮＯ）、上記（ステップＳ１０６）の処理を繰り返す。
【００３３】
制御装置３は、センサ部１１の角度ズレθを検出し、その角度ずれθの補正（図７）を自動的に行う（ステップＳ１０８）。制御装置３は、センサ部１１のカメラ１２により撮影されたマーキングＭの真円度（Ａ／Ｂ）に基づいて、マーキングＭを含む面の傾斜を算出し、角度ずれθの補正を行う（図８）。制御装置３は、例えば、センサ部１１のカメラ１２により撮影されたマーキングＭの真円度（Ａ／Ｂ）が１に近付くように（角度ずれθが０に近付くように）、ロボットアーム２２の各関節部２１のアクチュエータ２３を制御する。
【００３４】
制御装置３は、センサ部１１のカメラ１２により撮影されたマーキングＭの真円度（Ａ／Ｂ）が実質的に１あるいは所定値以内になり、補正処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１０９）。制御装置３は、補正処理を終了すると判定したとき（ステップＳ１０９のＹＥＳ）、次の（ステップＳ１１０）の処理に移行する。一方、制御装置３は、センサ部１１のカメラ１２により撮影されたマーキングＭの真円度（Ａ／Ｂ）が実質的に１あるいは所定値以内でないと判定したとき（ステップＳ１０９のＮＯ）、上記（ステップＳ１０８）の処理を繰り返す。
【００３５】
制御装置３は、ロボットアーム２２のセンサ部１１の接触センサ１３をＺ方向に移動させ、溶接対象物に接触させることで溶接対象物のＺ方向の位置を認識する（Ｚ方向探索）（ステップＳ１１０）。制御装置３は、ロボットアーム２２の各関節部２１のアクチュエータ２３を制御して、センサ部１１の接触センサ１３をＺ方向に移動させ、パネルなどの溶接対象物に接触させる（図９）。これにより、微小電圧で帯電した接触センサ１３が地絡し、制御装置３は、その位置を溶接対象物の位置として認識する。
【００３６】
以上、本実施の形態に係る教示システム１において、ロボットアーム２２を移動させたときにセンサ部１１のカメラ１２により取得された画像情報に基づいて、センサ部１１の座標系とロボットアーム２２の座標系とをセンサ部１１及びロボットアーム２２の中心軸線の回転方向に一致させる校正を行う。これにより、ロボットアーム２２の座標系に対するセンサ部１１の座標系の校正を容易に行うことができる。さらに、ロボットアーム２２を移動させ、接触センサ１３を溶接対象物に接触させることで、溶接対象物の位置を認識する。これにより、制御装置３に溶接対象物の位置を容易に認識させることができる。すなわち、溶接ロボット２に対する教示作業を容易にできる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１    教示システム
２    溶接ロボット
３    制御装置
１１    センサ部
１２    カメラ
１３    接触センサ
２１    関節部
２２    ロボットアーム
２３    アクチュエータ
２４    回転センサ
２５    溶接ガン
【図１】
2014184530.tif 000003
【図２】
2014184530.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014184530.tif 000009
【図８】
2014184530.tif 000010
【図９】
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