JPS61168480A - 三次元位置設定補助装置 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、対象物上に表示された位置設定点に対するヘ
ッドの三次元位置を所定の相対位置関係となるように設
定する際に使用する三次元位置設定補助装置の改良に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

例えば、製造ラインにおける製品の組立て工程や材料の
切断工程および加工工程等に設置される産業用ロボット
においては、実際に稼働させる前にロボットに対して作
業ヘッドの移動経路および動作手順を三次元的な被加工
物の形状に即して教え込む必要がある。この作業ヘッド
の三次元動作を教え込む作業をティーチングと言うが、
このティーチングは従来より一般に作業者の手動操作に
よって行なっている。例えば、ＣＯ２レーザ切断ロボッ
トにティーチングを行なう場合は、作業者がティーチン
グペンダントを操作しながら加工ヘッドを対象物として
のワーク表面に描かれたけがき線の教示点に接近させ、
しかるのち上記教示点に対し加工ヘッドの三次元位置を
所定の相対位置関係となるように位置設定してこのとき
の上記三次元位置情報を記憶させることによりティーチ
ングを行なっている。ところが、この様な従来のティー
チング作業は、作業者が教示点に対する加工ヘッドの三
次元位置を直接目視しながら行なうものであるため、テ
ィーチングに手間と時間を要し、しかも正確な位置設定
を行なうためには熟練を要するという欠点がある。

そこで、最近ではティーチング作業の能率向上のために
、例えば加工ヘッドの近傍に磁気センサを配置し、この
磁気センサによりワークに生じた渦電流の大きさを検出
してその検出値から加工ヘッドとワーク表面との距離を
算出し、この算出結果に基づいてワークに対する加工ヘ
ッドの対向距離を設定することが行なわれている。しか
しこの様な従来の位置設定用補助装置を使用した場合で
は、ワークに対するヘッドの対向距離については確かに
簡単に設定することができるが、磁気センサは検出面積
が大きいためヘッドの微少領域に対するワークの対向距
離の測定精度が低く、またワ一りに対する加工ヘッドの
対向姿勢については依然として作業者の目視設定に頼ら
ざるを得ないため、ティーチング能率および精度の大幅
な向上は望めなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、短時間にしかも熟練を要することなく正確に
ティーチングを行なえるようにし、これによりティーチ
ング作業の能率および精度の大幅な向上を実現できる三
次元位置設定補助装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、ヘッドに、対象
物上に斜め方向から投光して対向距離設定用の第１の輝
点を形成する第１の投光器と、対象物上に投光して上記
第１の輝点とともに少なくとも三角形を構成する複数の
第２の輝点を形成する第２の投光器とを設けるとともに
、これらの投光器により対象物上に形成された各輝点お
よび対象物上に予め表示された位置設定点を搬像する撮
像器を設け、この撮像器により撮像された上記各輝点お
よび位置設定点を画像表示器に表示し、かつこの画像表
示器の表示画面上に上記位置設定点の位置合わせ目標と
なりかつ対象物上の位置設定点に対するヘッドの三次元
位置が所定の相対位置関係になったときに上記第１の輝
点と一致するべく位置決めされた第１の基準位置マーク
を固定的に表示するとともに、対象物上の位置設定点に
対するヘッドの三次元位置が所定の相対位置関係になっ
たときに上記複数の第２の輝点と一致するように位置決
めされた複数の第２の基準位置マークを固定的に表示し
、ヘッドの位置設定時に、上記画像表示部を目視しなが
ら上記各基準位置マークに各輝点をそれぞれ一致させる
ように対象物に対するヘッドの対向距離および対向姿勢
をそれぞれ調整することにより、ヘッドの三次元位置を
設定できるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第２図は、本発明の一実施例における三次元位置設定補
助装置を備えた切断用ロボットのヘッド部分の構成を示
すもので、１はヘッド本体を示している。このヘッド本
体１の一方の取付は面にはレーザ加工ヘッド２が取着さ
れ、またこのレーザ加工ヘッド２の取付は面と反対側の
面にはティーチングヘッド３が取着されている。またヘ
ッド本体１はロボットアーム４に対し回動機構６により
回動可能に連結されており、ヘッド本体１を回動させる
ことによりティーチング時にはティーチングヘッド３を
対象物としてのワーク９表面に対向させ、切断時にはレ
ーザ加工ヘッド２をワーク９表面に対向させることがで
きるようになっている。

さて、本実施例の三次元位置設定補助装置は、第１図に
示す如く上記ティーチングヘッド３と、このティーチン
グヘッド３内の後述する撮像器により！ｌｉｌ像された
画像信号を表示するＣＲＴディスプレイからなる画像表
示器７と、この画像表示器７に基準位置パターンを表示
させる基準位置パターン発生回路８とから構成される。

ティーチングヘッド３は、ヘッド筺体３０内に、４１［
！！の投光器３１〜３４と、撮像器３５と、ワーク９の
表面を照明する照明器３６とをそれぞれ収容したもので
、その構成は第３図（第１図の■−■断面矢視図）およ
び第４図（第３図のＩ−Ｉ断面矢視図）のようになって
いる。各投光器３１〜３４はそれぞれ半導体レーザ装置
３１ａ〜３４ａと反射鏡３１ｂ〜３４ｂとから構成され
、半導体レーザ装置３１ａ〜３４ａはヘッド筐体３０の
内壁面の中間部に固定され、また反射１３１ｂ〜３４ｂ
はヘッド筐体３０の先端部位に保持体３１０〜３４ｃに
より固定されている。これらの投光器３１〜３４は、半
導体レーザ装置３１ａ〜３４ａから発生されたレーザ光
を反射鏡３１ｂ〜３４ｂでそれぞれ反射してワーク９表
面に投光し、これによりワーク９表面上に輝点を形成す
るもので、投光器３１は第１図に示すように距離設定用
の輝点Ｓ１を、また他の各投光器３２〜３４は姿勢設定
用の輝点Ｓ２〜Ｓ４をそれぞれ形成する。一方眼機器３
５は固体撮像素子３５ａを使用した固定ｌ１ｌＩＩカメ
ラからなり、ヘッド筐体３０内の中央部にカメラ保持体
３５ｂにより固定されている。この撮像器３５は、ワー
ク９表面上に上記各投光器３１〜３４により形成された
輝点Ｓ１〜Ｓ４およびワーク９表面に予め表示されたけ
がきｍＫ上の教示点Ｐをそれぞれ撮像するものである。

またワーク９表面を照明する薄明器３６は、ヘッド筐体
３０の先端部位に保持体３６ａにより固定されている。

尚、３７は防塵用の光フィルタ、３８はティーチングヘ
ッド３を前記ヘッド本体１に取付けるための取付は部材
である。

基準位置パターン発生回路８は、ワーク９に対するヘッ
ドの対向距離を設定するために使用する第１の基準位置
マークＭ１と、ワーク９に対するヘッドの姿勢を設定す
るために使用する３個の第２の基準位置マークＭ２〜Ｍ
４とをそれぞれ発生するもので、これらの各基準位置マ
ークＭ１〜Ｍ４をそれぞれ第１図に示す如く画像表示器
７の表示画面上の所定の位置に前記撮像器３５からの撮
像画像信号に重畳して表示させる。

次に、以上のように構成された装置の作用を位置設定操
作手順に従って説明する。尚、ここではワーク９表面に
表示されたけかき線に上の教示点ＰＯに対しティーチン
グヘッド３の三次元位置を設定する場合を例にとって説
明する。

画像表示器７の表示画面上には、基準位置パターン発生
回路８から発生された各基準位置マークＭ１〜Ｍ４がそ
れぞれ第１図に示す如く所定の位置に固定的に表示され
ている。この状態で作業者がティーチングペンダントを
操作してティーチングヘッド３をワーク９表面の上記教
示点ＰＯに近接させると、ティーチングヘッド３の各投
光器３１〜３４から発せられた光ビームがワーク９表面
に照射されて輝点Ｓ１〜Ｓ４が形成される。そしてこれ
らの輝点Ｓ１〜Ｓ４は、ワーク９表面に表示されたけが
き線におよび教示点ＰＯとともに撮像器３５により撮像
されて画像表示器７に画像表示される。

さて、この状態で作業者は、上記画像表示器７の表示画
像を目視しながらティーチングペンダントを操作して、
先ず表示画面上に固定表示されている第１の基準位置マ
ークＭ１に教示点ＰＯの撮像画像が一致するようにティ
ーチングヘッド３をワーク９表面に沿って移動させる。

そして教示点ＰＯの画像と第１の基準位置マークＭ１と
の表示位置が一致すると、次に表示画面上の輝点Ｓ１に
注目して、この輝点Ｓ１と第１の基準位置マークＭ１と
の位置関係に基づいて輝点Ｓ１が第１の基準位置マーク
Ｍ１と一致するように、ワーク９に対するヘッド３の距
離を調整する。例えば、第５図（ｂ）に示す如く輝点Ｓ
１が第１の基準位置マークＭ１から画面下方向にずれて
いる場合は、第５図（ａ）のようにヘッド３がワーク９
表面からまだ離れ過ぎていることになるため、表示画像
を目視しながらヘッド３をワーク９から少しずつ近付け
、輝点Ｓ１が第１の基準位置マークＭ１と一致したとこ
ろでヘッド３を停止させる。尚、９′はマークＭ１に輝
点Ｓ１′が一致したときのヘッド３からのワーク９の位
置を示すものである。かくしてワーク９に対するヘッド
３の対向距離の設定が行なわれる。この対向距離の設定
が終了すると作業者は、今度は輝点Ｓ２〜Ｓ４に注目し
てこれらの輝点Ｓ２〜Ｓ４と第２の基準位置マークＭ２
〜Ｍ４との位置関係からワーク９表面に対するヘッド３
の姿勢を判断し、表示画像を目視しながらティーチング
ペンダントを操作して上記各輝点Ｓ２〜Ｓ４が第２の基
準位置マークＭ２〜Ｍ４と位置が一致するようにヘッド
３の姿勢を調整する。

例、えば、第６図（ｂ）に示す如く輝点Ｓ２の位置だけ
がマークからずれている場合は、第６図（ａ）に示す如
くワーク９表面に対しヘッド３が輝点Ｓ１とＳ２とを結
ぶ方向に傾斜していると判断してワーク９表面に対する
ヘッド３の傾きを輝点Ｓ２がマークＭ２と位置が一致す
るまで変化させ、これによりワーク９表面に対するヘッ
ド３の対向状態を垂直に設定する。−力筒７図（ｂ）に
示す如く輝点８３．８４が対応するマークＭ３．Ｍ４か
らずれている場合は、ヘッド３が第７図（ａ）に示す如
く輝点８３．８１．８４を通る線の方向に傾斜している
と判断してヘッド３の傾きを上記各輝点８３．８４がマ
ークＭ３．Ｍ４と一致するまで変化させ、これによりワ
ーク９表面に対するヘッド３の対向状態を垂直に設定す
る。また、輝点Ｓ２および輝点８３．８４がそれぞれ対
応するマークＭ２および第３．第４の位置からずれてい
る場合は、各方向毎に上記した傾きの調整を行なってワ
ーク９表面に対する。ヘッド３の姿勢を調整する。かく
してワーク９表面に対するヘッド３の対向姿勢の設定が
行なわれる。そして、以上のように全ての輝点Ｓ１〜Ｓ
４が基準位置マークＭ１〜Ｍ４の位置と一致した時点で
教示点ＰＯに対するヘッド３の三次元位置の設定を完了
する。そうして教示点ＰＯに対するヘッド３の三次元位
置の設定が完了すると作業者は、この三次元位置の設定
が完了した後作業者は、ティーチングペンダントのティ
ーチングボタンを操作してこの時のヘッド３の三次元位
置の情報をロボットの制御部に記憶させ、これを以て教
示点ＰＯに対するヘッド３の三次元位置のティーチング
動作を終了する。

このように本実施例であれば、作業者は画像表示器７の
表示画面を目視しながら、各輝点Ｓ１〜Ｓ４が基準位置
マークＭ１〜Ｍ４の表示位置と一致するようにワーク９
表面に対するヘッド３の三次元位置を調整すれば良く、
この結果対向距離および対向姿勢のいずれをも作業者の
勘に頼ることなく正確にしかも短時間で設定することが
でき、これによりティーチング能率および精度を大幅に
向上させることができる。

また、対向距離設定専用の輝点Ｓ１および第１の基準位
置マークＭ１を設けたことによって、次のような効果を
奏する。すなわち、ワーク９の表面形状によっては小さ
な凹凸が存在し、例えば第８図（ａ）に示す如くこの様
な凸部上に教示点Ｐが設定される場合があるが、この様
な場合例えば第９図に示す如く対向距離設定用の輝点お
よび基準位置マークを設けずに４個の輝点および基準位
置マークから対向距離と対向姿勢とをそれぞれ設定しよ
うとすると、凸部上の教示点とヘッド３との対向距離が
所定の距離になっていなくても各輝点と基準位置マーク
との位置が一致してしまうことがある。この状態でティ
ーチングを行なうと、レーザ切断加工等を行なった際に
加工ヘッドから教示点までの距離が規定値と異なるため
にレーザの焦点がずれて所定の切断を行なえなくなった
り、著しい場合には加工ヘッドの先端部がワークの凸部
に接触してヘッドが損傷するといった不具合を生じる恐
れがある。これ、に対し本発明であれば、教示点Ｐと基
準位置マークＭ１との位置を一致させ、この基準位置マ
ークＭ１に対して輝点Ｓ１を一致させることにより対向
距離の設定を行なうようにしたので、第８図に示す如く
小さな凸部上に教示点Ｐがある場合でも、必ずこの凸部
上の教示点Ｐに対して対向距離の設定を行なうことがで
きる。このため、誤った位置状態でティーチングしてし
まう不具合は防止され、この結果ワーク表面の状態に影
響を受けずに常に正確なティーチングを行なうことがで
きる。さらに照明器３６を設けたことによって、ワーク
９表面のけがき線におよび教示点Ｐ等を明るく画像表示
器７に表示することができ、教示点Ｐの位置をより正確
に判断することができる。さらに、投光器および照明器
にそれぞれ半導体レーザ装置を用いて輝度の高い輝点を
ワーク上に形成し、かつ教示点等を照明するようにした
ことによって、外乱光の影響を受けることなく明確な画
像を得ることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例
えば、上記実施例では対向姿勢設定用の基準位置マーク
および輝点を３個設定した場合について述べたが、その
数は２個（−例としてＭ３かＭ４のいずれか一方を削除
する）であってもよく、また４個以上であってもよい。

また基準位置マークおよび輝点の配置は、必ずしも直角
三角形となるように設定しなくてもよく、三角形であれ
ば如何なる位置に配置してもよい。また画像表示器に画
像処理回路および演算回路を設け、この画像処理回路に
より表示画面上の各輝点の位置座標を求めて、この位置
座標から三次元位置の計算を行ない、定」的にワークに
対するヘッドの対向距離および対向姿勢を検出し、調節
するようにしてもよい。その他、投光器（レーザ装置を
使用せずにランプの光をスリット孔を通すことによりビ
ーム光としたものを用いてもよい）、撮像器（工業用テ
レビジョンカメラでも可）および画像表示器（ＣＲＴ以
外に液晶ディスプレイ等でも可）の構成や種類等につい
ても、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実
施できる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明は、ヘッドに、対象物上に斜
め方向から投光して対向距離設定用の第１の輝点を形成
する第１の投光器と、対象物上に投光して上記第１の輝
点とともに少なくとも三角形を構成する複数の第２の輝
点を形成する第２の投光器とを設けるとともに、これら
の投光器により対象物上に形成された各輝点および対象
物上に予め表示された位置設定点を撮像するｍｓ器を設
け、この撮像器により撮像された上記各輝点および位置
設定点を画像表示器に表示し、かつこの画像表示器の表
示画面上に上記位置設定点の位置合わせ目標となりかつ
対象物上の位置設定点に対するヘッドの三次元位置が所
定の相対位置関係になったときに上記第１の輝点と一致
するべく位置決めされた第１の基準位置マークを固定的
に表示するとともに、対象物上の位置設定点に対するヘ
ッドの三次元位置が所定の相対位置関係になったときに
上記複数の第２の輝点と一致するように位置決めされた
複数の第２の基準位置マークを固定的に表示し、ヘッド
の位置設定時に、上記画像表示部を目視しながら上記各
基準位置マークに各輝点をそれぞれ一致させるように対
象物に対するヘラ　　　□ドの対向距離および対向姿勢
をそれぞれ調整することにより、ヘッドの三次元位置を
設定できるようにしたものである。

したがって本発明によれば、短時間にしかも熟練を要す
ることなく正確にティーチングを行なうことができ、こ
れによりティーチング作業の能率および精度の大幅な向
上を図り得る三次元位置設定補助装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例における三次元位置設定補助装置
を説明するためのもので、第１図は同装置の構成を示す
斜視図、第２図は第１図の装置を採用したロボットのヘ
ッド部分の構成を示す斜視図、第３図および第４図はそ
れぞれテイーチングヘッドの構成を示すもので、第３図
は第１図の■−■断面矢視図、第４図は第３図のＩ−Ｉ
断面矢視図、第５図（ａ＞、（ｂ）乃至第８図（ａ）。 （ｂ）はそれぞれ作用説明に用いるためのもので、各図
（ａ）はヘッドとワークとの位置関係を示す模式図、（
ｂ）は画像表示器の表示画像を示す模式図、第９図は効
果の説明に用いる従来の基準位置マークおよび輝点の配
置の一例をを示す模式図である。 １・・・ヘッド本体、２・・・加工ヘッド、３・・・テ
ィーチングヘッド、４・・・ロボットアーム、７・・・
画像表示器、８・・・基準位置パターン発生回路、９・
・・ワーク、３０・・・ヘッド筺体、３１〜３４・・・
投光器、３１ａ〜３４ａ・・・半導体レーザ装置、３１
ｂ〜３４ｂ・・・反・射鏡、３５・・・撮像器、３６・
・・照明器、３７・・・光フィルタ、Ｓｌ・・・対向距
離設定用の輝点、Ｓ２〜Ｓ４・・・対向姿勢設定用の輝
点、Ｍｌ・・・第１の基準位置マーク、Ｍ２〜Ｍ４・・
・第２の基準位置マーク、Ｋ・・・けがき線、Ｐ、ＰＯ
・・・教示点。 第１図 第２図 （ａ）　　　第５図 、）？Ｊ６Ｅ 第９図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対象物上に表示された位置設定点に対するヘッド
   の三次元位置を所定の相対位置関係に設定する際に使用
   する三次元位置設定補助装置において、前記ヘッドに設
   けられ前記対象物上に斜方投光して対向距離設定用の第
   １の輝点を形成する第１の投光器と、前記ヘッドに設け
   られ前記対象物上に投光して前記第１の輝点と少なくと
   も三角形を構成する対向姿勢設定用の複数の第２の輝点
   を形成する第２の投光器と、前記ヘッドに設けられ前記
   第１および第２の投光器により前記対象物上に形成され
   た第１および第２の各輝点と対象物上に表示された前記
   位置設定点とをそれぞれ撮像する撮像器と、この撮像器
   により撮像された各輝点および位置設定点を表示する画
   像表示器と、この画像表示器に表示される前記位置設定
   点の位置合わせ目標となりかつ前記対象物上の位置設定
   点に対するヘッドの三次元位置が所定の相対位置関係に
   なったときに前記第１の輝点と一致するべく前記画像表
   示器の表示画面上の所定の位置に固定的に表示される第
   １の基準位置マークと、前記対象物上の位置設定点に対
   するヘッドの三次元位置が所定の相対位置関係になった
   ときに前記複数の第２の輝点とそれぞれ一致するべく前
   記画像表示器の表示画面上の所定の位置に固定的に表示
   される複数の第２の基準位置マークとを具備したことを
   特徴とする三次元位置設定補助装置。
2. （２）画像表示器は、表示画面に表示された第１および
   第２の輝点の位置を電気的に検出する画像処理部を備え
   たものである特許請求の範囲第（１）項記載の三次元位
   置設定補助装置。
3. （３）第１および第２の投光器は、第１および第２の輝
   点の明るさと外乱光の明るさとの中間の任意の明るさで
   対象物表面を照明する照明器を備えるものである特許請
   求の範囲第（１）項記載の三次元位置設定補助装置。