JPS61270093A - 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、顎造ラインにおける製品の組立工程や材料の切
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
り行なっている。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ざを検出してその検出値から加工
へラ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すると、　　　　　、ワークに対
する加工ヘッドの対向距離については確かに比較的簡単
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、またワーク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
上を望めなかった。一方、最近ワークの表面に測定光を
投光してその輝点の位置をｌｌｌ像して基準位置と比較
することによりワークに対するヘッドの相対位置関係を
検出する装置も提唱されているが、この種のＩｆｆは太
陽や室内光等の外乱光によって検出精度が変化し易く、
精度の安定なティーチングを行なうことができなかった
。

〔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するとともに、外乱光の
影響を低減しかつ十分な照度の下で安定なティーチング
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の輝点ととともに少なくとも三角形を構成する複数の
第２のｊＩＩ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ＷＩ像
する搬像器を設け、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、上記画像表示器を目視しなが
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、かつ前記撮像器の受光面前方に光
フィルタを配設し、この光フィルタにより前記各投光器
の出力光の波長成分以外の光を遮断することにより、外
乱光や照明光の影響を低減す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内の後述する撮像器
により撮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、ヘッド筐体３０内に、４個の
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Ｉ−■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３１
ａ〜３４ａ１と反射ａｌ１３１ｂ〜３４ｂとから構成さ
れ、半導体レーザ装置３１ａ〜３４ａはヘッド筺体３０
の内壁面の中間部に固定され、また反射ｔｌｉ３１ｂ〜
３４ｂはヘッド筺体３０の先端部位に保持体３１ｃ〜３
４Ｃ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３１８〜３４ａから発生された特
定波長のレーザ光を反射鏡３１ｂ〜３４ｂでそれぞれ反
射してワーク表面に投光し、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図に示す如
く距離設定用の輝点Ｓ１を、また他の投光器３２〜３４
は姿勢設定用の輝点Ｓ２〜Ｓ４をそれぞれ形成する。一
方撮像器３５は、固体ａｍ素子３５ａを使用した固体撮
像カメラからなり、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により形成された各輝点Ｓ１〜Ｓ４およびワーク
９表面に予め形成されたけがき線に上の教示点Ｐをそれ
ぞれ！ｆｆｌ像するものである。またワーク９表面を照
明する照明器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。さらに、固体撮像素子
３５ａの前方位置には、光フィルタ３９が配設されてい
る。この光フィルタ３９は、前記各投光！Ｓ３１〜３４
の出力光の波長成分のみを通過して、太陽光等の外乱光
や照明器３６の照明光等の上記投光器３１〜３４の出力
光以外の光を遮断するものである。尚、３７は防塵用の
ガラス窓、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に対するヘッドの対向姿勢を設
定するために使用する３個の第２の基準位置マークＭ２
〜Ｍ４とをそれぞれ発生するもので、これらの基準位置
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位置に前記ａｍ器３５からの撮
像画像信号に重畳して表示させる。

−り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に接近させると、ティーチングヘッド３の各投
光器３１〜３４から発生されたレーザ光がワーク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ｍ機器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Ｍ
１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Ｓ１
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。がくしてワーク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〜Ｓ
４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〜Ｓ
４の位置が基準位置マークＭ２〜Ｍ４と一致するように
ヘッド３の姿勢を調整する。例えば、第６図（１））に
示す如く輝点Ｓ２の位置だけがマークＭ２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表面に対するヘット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。一方第７図＜ｂ＞に示す如く輝点３３．８
４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８３．８１．８
４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Ｓ２ｉ
よび輝点８３，８４がそれぞれ対応する基準位置マーク
Ｍ２およびＭ３．Ｍ４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、以上のようにすべての輝点Ｓ１〜＄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、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よく、
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
肋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の基準マ
ークＭ１を設けたことにより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Ｓ１および
基準位置マークＭ１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の対
向距離が所定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ってしまうと、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
がワ一りの凸部に接触してヘッドが損傷するといった不
具合が生じる恐れがある。これに対し本発明では、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
具合は阻止され、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。

さらに本発明では、固体撮像素子３５ａの前方に光フィ
ルタ３９を配設してこの光フィルタ３９により投光器３
１〜３４の出力光の波長成分のみを撮像素子３５ａに導
くようにしているので、太陽光等の外乱光が強くてもこ
の外来光は光フィル　　　　。

り３９で減衰されて極めて小レベルとなり、これにより
投光器３１〜３４による輝点を上記外乱光の影響を受け
ることなく明確に画像表示器７に表示することかできる
。また照明器３６の照明光についても同様であり、この
結果照明光の照度を抑制しなくても各輝点を明確に表示
することができることから、常に十分な照度の照明を行
なった状態でティーチングヘッド３の位置調整操作を行
なうことができ、これにより操作性よく円滑なティーチ
ングを行なうことができる。

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位置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のいずれか一方を省略
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
標から上記演算回路で三次元位置の計算を行ない、定量
的にワーク９に対するヘッド３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。さらに、光フ
ィルタは防塵用の窓と兼用してもよい。このようにすれ
ば部品数を増やすことなく構成簡易にして実現すること
かできる。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ディスプレイ以
外に液晶ディスプレイでも可ン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によれば、短時間にしかも熟
線を要することなく正確にティーチングを行なうことが
できるとともに、外乱光の影響を低減しかつ十分な照度
の下で安定な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
実現でき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
れぞれティーチングヘッドの構成を示すもので、第３図
は第１図のＩＩ−ＩＩ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・・・ヘッド筐体、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、３５ａ・
・・固体撮像素子、３６・・・照明器、３７・・・防塵
用のガラス窓、３９・・・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、Ｐ
Ｏ・・・教示点。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ソ 第１図 第２図 （ａ）　　　第６図　　（ｂ） （ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ） 第７図 第８図 第９図 手続補正書 、８．１１　　年６１４Ｐ、１コ 特許庁長官　　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示 特願昭６０−１１０９０９号 ２、発明の名称 三次元位置検出装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （３０７）　　株式会社　東芝 ４、代理人 ５、自発補正　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ７、補正の内容 （１）　　発明の名称を「三次元位置検出装置」と訂正
する。 （２）　　特許請求の範囲を別紙の通９訂正する。 （３）明細書、第３頁第５行目から第６行目にかけて「
三次元位置設定補助装置」とあるを［三次元位置検出装
置」と訂正する。 （４）明細書、第４頁第１７行目に１＝位置設定用補助
装置」とあるを「位置検出装置」と訂正する。 （５）　　明細書、第５頁第１９行目に「三次元位置設
定補助装置」とあるを「三次元位置検出装置」とわ正す
る。 （６）明細書、第７頁第１２行目から第１３行目にかけ
て「三次元位置設定補助装置」とあるを、１三次元位置
検出装置」と訂正する。 （７）明細書、第８頁第５行目に「三次元位置設定補助
装置」とあるを１三次元位置検出装置」と訂正する。 （８）明細書、第１８頁第１９行目から第２０行目にか
けて「三次元位置設定補助装置」とあるを「三次元位ｆ
ｔ検出装置」と訂正する。 （９）明細書、第１９頁第２行目から第３行目にかけて
１三次元位置設定補助装置」とあるを「三次元位置検出
装置」と訂正する。 ２、特許請求の範囲 （］）　　対象物上に表示された位ｔｔｉｔ設定点に対
するヘッドの三次元位ｙｔ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検出装置において、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
三角形を構成する対向姿勢設定用の複数の第２の脚点を
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の投光器によシ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
よシ撮像された各輝点および位置設定点を表示するｌｌ
１Ｉｌ像表示器と、このｔｕｆ＋　＜＊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、前記対染物上
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
、前記撮像器の受光面の前方に配設され前記第１および
第２の投光器の出力光の波長成分以外の光を遮断する光
フィルタとを具備したことを特徴とする三次元位置検出
装置。 （２）　　画像表示器は、表示ｌＮ１Ｉ−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
載の三次元位置検出装置。 （８）　　光フィルタは、ヘッドの防麿用窓を兼用す　
　　□るものである特許請求の範囲第（１）項記載の三
次元位置検出装置。

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つたとき
   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つたときに前記
   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、前記撮像器の受光面の前方
   に配設され前記第１および第２の投光器の出力光の波長
   成分以外の光を遮断する光フィルタ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）光フィルタは、ヘッドの防塵用窓を兼用するもの
   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。