特開 2022-14138 溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022014138

(43)【公開日】2022-01-19

(54)【発明の名称】溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システム

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/12 20060101AFI20220112BHJP

   B25J 9/22 20060101ALI20220112BHJP

【ＦＩ】

B23K9/12 331F

B25J9/22 A

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020116322

(22)【出願日】2020-07-06

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2021-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】502116922

【氏名又は名称】ジャパンマリンユナイテッド株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118267

【弁理士】

【氏名又は名称】越前 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 幸男

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS11

3C707BS10

3C707KS07

3C707KT03

3C707KT04

3C707LS05

3C707LS15

(57)【要約】

【課題】溶接ロボットの事前作業を削減し、現場で溶接ロボットの動作を自動生成することができる、溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システムを提供する。
【解決手段】本実施形態に係る溶接ロボット１の動作自動生成方法は、３Ｄ計測センサ４を所定の場所に配置するセッティング工程Ｓｔｅｐ１と、溶接場所を複数の計測領域に分割して３Ｄ計測センサ４で計測する計測工程Ｓｔｅｐ２と、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程Ｓｔｅｐ３と、溶接場所における全ての計測を終了したか否か確認する計測確認工程Ｓｔｅｐ４と、抽出面及び想定面から溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程Ｓｔｅｐ５と、を含んでいる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成方法であって、
３Ｄ計測センサを所定の場所に配置するセッティング工程と、
前記溶接場所を複数の計測領域に分割して前記３Ｄ計測センサで計測する計測工程と、
計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程と、
前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、
前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程と、
を含むことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項2】

前記点群処理工程は、前記計測工程ごとに処理される、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項3】

前記セッティング工程は、前記複数の計測領域が隣接する計測領域と重複した領域を有するように処理される、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項4】

前記点群処理工程は、前記無効領域が前記抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して前記想定面を生成する、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項5】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面をロボット座標系に変換して合成する抽出面合成工程と、前記想定面をロボット座標系に変換して合成する想定面合成工程と、を含む、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項6】

前記三次元モデル生成工程は、鋼板の板厚に相当する幅の平面を鋼板の端面として処理する板厚形状確認工程を含む、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項7】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面及び前記想定面が形成されない影部を抽出し復元する影部形状復元工程を含む、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項8】

前記溶接動作生成工程は、前記溶接ロボットが配置された場所の傾きを考慮して前記溶接動作を生成することを含む、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項9】

所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成システムであって、
前記溶接場所を複数の計測領域に分割して計測する３Ｄ計測センサと、
前記３Ｄ計測センサのデータに基づいて前記溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成し、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成し、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成するように構成されている、
ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システムに関し、特に、溶接場所に持ち込んだ溶接ロボットの溶接動作を現場で自動的に生成することができる溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、船舶の建造では、ロンジ、カラープレート、スティフナ等、多数の部材から構成された船殻構造が溶接作業の対象となる。船舶建造工程の初期は、パネルに補強材を溶接するといった比較的簡単な構造の溶接作業であり、その自動化も進められている。後工程に進むに従い、立体的で大型の構造となっていくため、工場ラインに固定された自動溶接装置ではその装置も大型化せざるを得ず、初期費用も増大化するため、設備導入が難しい状況となる。かかる事情から小型化・軽量化された溶接ロボットを溶接場所に持ち込んで自動溶接することが長年研究されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、ＣＡＤデータのワーク形状情報からワークモデルを生成し、取付部材の取付線からなる基本溶接線の溶接モデルを生成し、更に溶接ロボットの動作範囲を定める領域分割線でワークを分割したセルモデルを生成し、基本溶接線ごとにワークと溶接ロボットの干渉の有無をチェックし、干渉が生じた場合には干渉が生じない範囲に短縮した溶接線を生成し、領域ごとに溶接線の溶接方向・順序・経路を決定し、更に溶接設計情報を指定して動作プログラムを生成する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－１２２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された発明のように、ＣＡＤデータを用いる場合には事前に溶接対象物のＣＡＤデータを用意しなければならず、事前作業に時間を要するという問題がある。また、ＣＡＤデータの修正があった際に動作プログラムへの反映が遅れたり、ＣＡＤデータに反映されない構造物が取り付けられていたり、ＣＡＤデータと実際の溶接対象物及びその周辺部の形状が異なっていることも少なくない。その場合、溶接箇所でない場所を溶接してしまったり、溶接対象物やその周辺部と溶接ロボットとが衝突したりしてしまうという問題がある。

【0006】

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、溶接ロボットの事前作業を削減し、現場で溶接ロボットの動作を自動生成することができる、溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成方法であって、３Ｄ計測センサを所定の場所に配置するセッティング工程と、前記溶接場所を複数の計測領域に分割して前記３Ｄ計測センサで計測する計測工程と、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程と、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程と、を含むことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成方法が提供される。

【0008】

前記点群処理工程は、前記計測工程ごとに処理されてもよい。

【0009】

前記セッティング工程は、前記複数の計測領域が隣接する計測領域と重複した領域を有するように処理されてもよい。

【0010】

前記点群処理工程は、前記無効領域が前記抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して前記想定面を生成するようにしてもよい。

【0011】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面をロボット座標系に変換して合成する抽出面合成工程と、前記想定面をロボット座標系に変換して合成する想定面合成工程と、を含んでいてもよい。

【0012】

前記三次元モデル生成工程は、鋼板の板厚に相当する幅の平面を鋼板の端面として処理する板厚形状確認工程を含んでいてもよい。

【0013】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面及び前記想定面が形成されない影部を抽出し復元する影部形状復元工程を含んでいてもよい。

【0014】

前記溶接動作生成工程は、前記溶接ロボットが配置された場所の傾きを考慮して前記溶接動作を生成することを含んでいてもよい。

【0015】

また、本発明によれば、所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成システムであって、前記溶接場所を複数の計測領域に分割して計測する３Ｄ計測センサと、前記３Ｄ計測センサのデータに基づいて前記溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備え、前記演算装置は、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成し、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成し、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成するように構成されている、ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成システムが提供される。

【発明の効果】

【0016】

上述した本発明に係る溶接ロボットの動作自動生成方法及び動作自動生成システムによれば、３Ｄ計測センサを用いて溶接場所の三次元モデルを生成するようにしたことから、事前にＣＡＤデータを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する必要がない。したがって、本発明によれば、溶接ロボットの事前作業を削減し、現場で溶接ロボットの動作を自動生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係る溶接ロボットの動作自動生成システムで使用する溶接ロボットの一例を示す斜視図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る溶接ロボットの動作自動生成方法を示す全体フロー図である。

【図3】点群処理工程を示すフロー図である。

【図4】三次元モデル生成工程を示すフロー図である。

【図5】点群処理工程後の平面形状の一例を示す図であり、（Ａ）は第一計測領域、（Ｂ）は第二計測領域、（Ｃ）は第三計測領域、（Ｄ）は第四計測領域、（Ｅ）は第五計測領域、（Ｆ）は第六計測領域、を示している。

【図6】点群処理工程後の平面形状の一例を示す図であり、（Ａ）は第七計測領域、（Ｂ）は第八計測領域、（Ｃ）は第九計測領域、を示している。

【図7】抽出面合成工程を示すイメージ図であり、（Ａ）は合成方法、（Ｂ）は合成結果、を示している。

【図8】想定面合成工程を示すイメージ図である。

【図9】板厚形状確認工程を示すイメージ図である。

【図10】影部形状復元工程を示すイメージ図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について図１～図１０を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る溶接ロボットの動作自動生成システムで使用する溶接ロボットの一例を示す斜視図である。

【0019】

図１に示した溶接ロボット１は、折り畳み可能な多関節アーム２を備えた可搬式の溶接ロボットである。多関節アーム２は、例えば、回転台２ｔ上に配置されるベース２１と、ベース２１の先端に回動可能に接続された上腕２２と、上腕２２の先端に回動可能に接続された下腕２３と、下腕２３の先端に回動可能に接続された手首部２４と、手首部２４の先端に回転可能に接続されたツール部２５と、を備えている。

【0020】

上腕２２、下腕２３、手首部２４及びツール部２５は、ベース２１上に折り畳んで配置することができるように構成されている。回転台２ｔは、台座３上に配置されており、多関節アーム２をＺ軸中心に回転させるように構成されている。ツール部２５の先端には溶接トーチ２ｗが配置される。

【0021】

また、上腕２２の前面には、三次元形状を点群データとして取得可能な３Ｄ計測センサ４が配置されている。３Ｄ計測センサ４は、例えば、溶接対象物までの距離画像を取得可能な距離画像センサである。ただし、３Ｄ計測センサ４は、距離画像センサに限定されるものではなく、三次元の点群データを得られるセンサであればよい。３Ｄ計測センサ４を溶接ロボット１に配置することにより、溶接ロボット１と一緒に３Ｄ計測センサ４を溶接場所に搬入することができる。また、上腕２２に３Ｄ計測センサ４を配置することにより、ツール部２５付近にセンサを設置する場合と比較して、溶接スパッタやヒュームによる影響を低減することができる。

【0022】

上述した多関節アーム２は、図１に示した状態において、ＸＹＺの三軸直交座標で表現すれば、ベース２１のＺ軸周り、上腕２２のＸ軸周り、下腕２３のＸ軸周り、手首部２４のＸ軸周り、ツール部２５のＹ軸周りの合計５自由度を有している。なお、上述した多関節アーム２の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。

【0023】

台座３上には、溶接ロボット１の動作自動生成システムの演算装置及び溶接ロボット１の制御装置を収容する制御ボックス５が配置されている。また、台座３には、溶接ロボット１を搬送するためのハンドル６が配置されている。ハンドル６は、搬送時には折り畳んだ多関節アーム２の上方に回動され、設置時には図示したように台座３の前方に回動される。

【0024】

また、台座３の両側部には床面に載置された溶接ロボット装置１を持ち上げるための把手３１が配置されていてもよい。また、台座３の前方には、溶接ロボット装置１の位置決めを行うためのレーザーポインタ３２が配置されていてもよい。また、台座３の底部には、永久磁石又は電磁石によって構成される固定用磁石（図示せず）及び脚部３３が配置されていてもよい。また、図示しないが、台座３には加速度計や傾斜計等、溶接ロボット１が配置された場所の傾きを計測するためのセンサが配置されてもよい。

【0025】

本実施形態に係る溶接ロボット１の動作自動生成システムは、所定の溶接場所に配置された溶接ロボット１の溶接動作を自動的に生成する動作自動生成システムであって、溶接場所を複数の計測領域に分割して計測する３Ｄ計測センサ４と、３Ｄ計測センサ４のデータに基づいて溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備えており、演算装置は後述するフローに基づいて溶接ロボット１の溶接動作を自動的に生成するように構成されている。

【0026】

次に、本発明の一実施形態に係る溶接ロボット１の動作自動生成方法について、図２～図１０を参照しつつ説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る溶接ロボットの動作自動生成方法を示す全体フロー図である。図３は、点群処理工程を示すフロー図である。図４は、三次元モデル生成工程を示すフロー図である。

【0027】

本実施形態に係る溶接ロボット１の動作自動生成方法は、所定の溶接場所に配置された溶接ロボット１の溶接動作を自動的に生成する動作自動生成方法であって、３Ｄ計測センサ４を所定の場所に配置するセッティング工程Ｓｔｅｐ１と、溶接場所を複数の計測領域に分割して３Ｄ計測センサ４で計測する計測工程Ｓｔｅｐ２と、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程Ｓｔｅｐ３と、溶接場所における全ての計測を終了したか否か確認する計測確認工程Ｓｔｅｐ４と、抽出面及び想定面から溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程Ｓｔｅｐ５と、溶接箇所や脚長等の溶接に関するデータを入力する作業設定工程Ｓｔｅｐ６と、三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程Ｓｔｅｐ７と、三次元モデルに含まれる溶接箇所の施工順序を設定する施工順序設定工程Ｓｔｅｐ８と、自動生成した溶接動作及び施工順序に基づいて溶接ロボット１により所定の溶接作業を実行する溶接作業工程Ｓｔｅｐ９と、を備えている。

【0028】

セッティング工程Ｓｔｅｐ１は、溶接場所の所定の領域を計測するために３Ｄ計測センサ４を配置する工程である。本実施形態では、溶接ロボット１を所定の場所に配置し、その向きを調整することによって、３Ｄ計測センサ４がセッティングされる。

【0029】

計測工程Ｓｔｅｐ２は、例えば、３Ｄ計測センサ４からランダムドット等のパターン光（赤外線）を照射し、それを１つ又は複数の赤外線カメラで撮影することによって距離画像を得ることができるセンサを使用し、その距離画像から計測領域の点群データを取得する工程である。

【0030】

点群処理工程Ｓｔｅｐ３は、点群データから平面形状を抽出又は生成する工程である。床面に対して垂直に配置され３Ｄ計測センサ４に相対する位置にある平面（例えば、ロンジのウェブ面等）からは規則正しく配列した点群データが取得される。一方、ロンジのウェブ面に垂直に配置されたスティフナ等の水平面等では、３Ｄ計測センサ４からの照射光の入射角が浅くなり、その平面では点群を計測することができず、３Ｄ計測センサ４からの視点で点群データが抜けた領域が形成される。

【0031】

本実施形態では、点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出される平面を「抽出面」と定義し、３Ｄ計測センサ４の視点で点群データが得られない認識不能な領域を「無効領域」と定義する。また、無効領域から生成される平面を「想定面」と定義する。

【0032】

点群処理工程Ｓｔｅｐ３は、点群データから抽出面を生成する処理を含み、無効領域が抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して想定面を生成する処理を含んでいる。具体的には、点群処理工程Ｓｔｅｐ３は、図３に示したフローに基づいて処理される。

【0033】

図３に示したように、点群処理工程Ｓｔｅｐ３は、距離画像データを取得するデータ取得工程Ｓｔｅｐ３１と、距離画像データをセンサ座標系の三次元座標に変換する座標変換工程Ｓｔｅｐ３２と、座標変換したデータから局所平面を計算する局所平面計算工程Ｓｔｅｐ３３と、局所平面をラベリングするラベリング工程Ｓｔｅｐ３４と、平面形状（抽出面）を抽出する形状抽出工程Ｓｔｅｐ３５と、３Ｄ計測センサ４の視点による距離画像データから無効領域を抽出する無効領域抽出工程Ｓｔｅｐ３６と、無効領域から想定面を生成する想定面生成工程Ｓｔｅｐ３７と、を含んでいる。

【0034】

座標変換工程Ｓｔｅｐ３２から形状抽出工程Ｓｔｅｐ３５の工程は、３Ｄ計測センサ４で取得したデータをダウンサイジング等の処理をした後、微小領域の法線方向計算や距離による判断等、一般的な手法を用いることができ、ここでは詳細な説明を省略する。なお、ラベリング工程Ｓｔｅｐ３４では、例えば、面法線のなす角度や面の距離等から、データを平面ごとに区分けしてラベリングする。また、３Ｄ計測センサ４が点群データを直接的に取得することができる３Ｄセンサである場合には、データ取得工程Ｓｔｅｐ３１及び座標変換工程Ｓｔｅｐ３２は同一工程となる。

【0035】

無効領域は、レーザ光の入射角が浅い面又は３Ｄ計測センサ４の計測可能範囲に対象物がない領域によって構成される。したがって、無効領域抽出工程Ｓｔｅｐ３６では、微小領域は無視し、細長い領域（大型鋼構造物のように比較的細長い部材が計測対象となる場合）を切り出すことにより、データ処理量を削減しつつ無効領域を選別する。なお、無効領域抽出工程Ｓｔｅｐ３６において、３Ｄ計測センサ４が点群データを直接的に取得することができる３Ｄセンサである場合には、３Ｄ計測センサ４の視点による距離画像相当のデータ作成工程を先に行うようにしてもよい。

【0036】

想定面生成工程Ｓｔｅｐ３７では、３Ｄ計測センサ４の位置を基準にして無効領域の周囲面に直交する面形状の候補を作成し、無効領域が影となる面形状を生成する。例えば、面が３Ｄ計測センサ４の視点よりも高い場合には、無効領域は上底よりも下底が長い台形形状となり、面が３Ｄ計測センサ４の視点よりも低い場合には、無効領域は下底よりも上底が長い台形形状となる。

【0037】

計測確認工程Ｓｔｅｐ４は、溶接場所の全体の計測を終了したか否か（所定回数の計測を終了したか否か）を確認工程である。全ての計測を終了していない場合（Ｎ）には、セッティング工程Ｓｔｅｐ１に戻り、全ての計測を終了した場合（Ｙ）には、次工程に移行する。

【0038】

セッティング工程Ｓｔｅｐ１では、溶接ロボット１を所定の場所に配置し直したり、多関節アーム２を移動させて３Ｄ計測センサ４の向きや姿勢を変更したりして３Ｄ計測センサ４をセッティングする。このとき、複数の計測領域が隣接する計測領域と重複した領域を有するように３Ｄ計測センサ４をセッティングする。かかる処理により、複数の計測領域で同一面の点群データを取得することができ、同一面の認識を容易に行うことができ、平面の合成を容易に処理することができる。

【0039】

ここで、図５は、点群処理工程後の平面形状の一例を示す図であり、（Ａ）は第一計測領域、（Ｂ）は第二計測領域、（Ｃ）は第三計測領域、（Ｄ）は第四計測領域、（Ｅ）は第五計測領域、（Ｆ）は第六計測領域、を示している。図６は、点群処理工程後の平面形状の一例を示す図であり、（Ａ）は第七計測領域、（Ｂ）は第八計測領域、（Ｃ）は第九計測領域、を示している。

【0040】

図５（Ａ）～図６（Ｃ）に示した平面形状は、Ｎ回目（Ｎは１～９の整数）に計測した計測領域の点群データに基づいて抽出又は生成された平面形状を示している。図５（Ａ）～図５（Ｆ）に示した第一計測領域～第六計測領域の平面形状では、無効領域は抽出されず、抽出面のみによって構成されている。また、図６（Ａ）～図６（Ｃ）の右図に示した平面形状は、各図の左図に示した無効領域（空白部分）から生成された想定面Ｓ１～Ｓ３を含んでいる。

【0041】

本実施形態では、計測された全ての点群データを座標変換したうえで合成してから平面形状を抽出又は生成せずに、計測領域ごとに点群データを処理している。すなわち、点群処理工程Ｓｔｅｐ３は、計測工程Ｓｔｅｐ２ごとに処理される。したがって、点群処理工程Ｓｔｅｐ３で処理される一回のデータ量を低減することができ、平面形状の抽出又は生成の処理時間を短縮することができる。

【0042】

三次元モデル生成工程Ｓｔｅｐ５は、例えば、図５（Ａ）～図６（Ｃ）に示した平面形状から三次元モデルを生成する工程である。具体的には、図４に示したフローに基づいて処理される。

【0043】

図４に示したように、三次元モデル生成工程Ｓｔｅｐ５は、例えば、抽出面をロボット座標系に変換して合成する抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１と、想定面をロボット座標系に変換して合成する想定面合成工程Ｓｔｅｐ５２と、鋼板の板厚に相当する幅の平面を鋼板の端面として処理する板厚形状確認工程Ｓｔｅｐ５３と、抽出面及び想定面が形成されない影部を抽出し復元する影部形状復元工程Ｓｔｅｐ５４と、を備えている。

【0044】

抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１は、点群処理工程Ｓｔｅｐ３により抽出された抽出面を合成する工程である。具体的には、抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１は、全ての抽出面形状を取得する第一工程Ｓｔｅｐ５１１と、抽出面形状をロボット座標系に変換する第二工程Ｓｔｅｐ５１２と、抽出面が登録済み面と同一面領域か否か確認する第三工程Ｓｔｅｐ５１３と、抽出面が登録済み面と同一面領域ではない場合（Ｎ）に当該抽出面を新規面として登録する第四工程Ｓｔｅｐ５１４と、抽出面が登録済み面と同一面領域である場合（Ｙ）に重ね合わせて平面・形状を再計算する第五工程Ｓｔｅｐ５１５と、全ての抽出面を処理したか否か確認する第六工程Ｓｔｅｐ５１６と、を備えている。

【0045】

例えば、図５（Ａ）～図６（Ｃ）に示した第一計測領域～第九計測領域の平面形状は、センサ座標系であるため、視点が各計測領域によって異なっている。そこで、センサ座標系の座標をロボット座標系の座標に変換することによって座標系を統一している。ここで、図７は、抽出面合成工程を示すイメージ図であり、（Ａ）は合成方法、（Ｂ）は合成結果、を示している。

【0046】

図７（Ａ）の上段に示した二つの平面形状は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示した第一計測領域及び第二計測領域の平面形状である。抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１において、第一計測領域から順番に処理する場合について説明する。第一計測領域Ａ１に含まれる平面形状をロボット座標系に座標変換し、そこに含まれる平面の全てを新規面として動作自動生成システムに登録する。例えば、図７（Ａ）に示したように、面Ｍ１～Ｍ４が新規面として登録される。

【0047】

次に、第二計測領域Ａ２の平面形状をロボット座標系に座標変換し、動作自動生成システムに登録された登録済み面Ｍ１～Ｍ４と同一面領域を有するか否かを確認する。いま、図７（Ａ）に示したように、第二計測領域Ａ２に含まれる面が登録済み面Ｍ１と同一面領域を有しているとすれば、その座標を用いて図７（Ａ）の下段に示したように、第一計測領域Ａ１に含まれる平面形状と第二計測領域Ａ２に含まれる平面形状を合成する。なお、登録済み面Ｍ１～Ｍ４と同一面領域を構成しない面は、新規面として動作自動生成システムに登録される。

【0048】

以下、かかる処理を全ての計測領域について繰り返し行うことにより、図７（Ｂ）に示したように、全ての抽出面を合成したプレ三次元モデルを生成することができる。ここでは、図５（Ａ）～図６（Ｃ）に示した第一計測領域～第九計測領域に含まれる平面形状の抽出面からプレ三次元モデルを生成した場合を図示してある。

【0049】

想定面合成工程Ｓｔｅｐ５２は、点群処理工程Ｓｔｅｐ３により生成された想定面を合成する工程である。具体的には、想定面合成工程Ｓｔｅｐ５２は、全ての想定面形状を取得する第一工程Ｓｔｅｐ５２１と、想定面形状をロボット座標系に変換する第二工程Ｓｔｅｐ５２２と、想定面の有効性を確認する第三工程Ｓｔｅｐ５２３と、想定面を合成する第四工程Ｓｔｅｐ５２４と、全ての想定面を処理したか否か確認する第五工程Ｓｔｅｐ５２５と、を備えている。

【0050】

第三工程Ｓｔｅｐ５２３は、他の計測領域で想定面が通常の平面として認識されていないかを確認する工程である。例えば、他の計測領域のセンサ原点と抽出面外形線とで作る視野エリアに想定面がある場合には、当該想定面を無効とし、合成対象から除外する。なお、第四工程Ｓｔｅｐ５２４は、上述した抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１と実質的に同様の処理によって処理される。

【0051】

ここで、図８は、想定面合成工程を示すイメージ図である。図８の上段に示した想定面Ｓ１′は、第七計測領域に含まれる想定面Ｓ１を座標変換して拡大したものである。また、図８の中段に示した想定面Ｓ２′は、第八計測領域に含まれる想定面Ｓ２を座標変換して想定面Ｓ１と合成したものである。また、図８の下段に示した想定面Ｓ３′は、第九計測領域に含まれる想定面Ｓ３を座標変換し想定面Ｓ２′と合成したものである。

【0052】

板厚形状確認工程Ｓｔｅｐ５３は、板厚形状から平面を推定する処理を行う工程である。鋼板の板厚形状とみなせる部分は平面の端面を形成しているものと考えられることから、当該端面を形成する平面を推定することができる。例えば、板厚分とみなせる細長い形状面（平行に近い長手方向の外形状を持つ面）に対し、同一面法線方向かつ構造状あり得る範囲の部材幅の距離の平面まで、垂直２面（板厚の両側）を長手方向外形線から作成する。かかる板厚形状確認工程Ｓｔｅｐ５３の処理により、三次元モデル上で浮いた面を消去することができる。

【0053】

ここで、図９は、板厚形状確認工程を示すイメージ図である。図９の上段に示した図は、抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１及び想定面合成工程Ｓｔｅｐ５２を処理した後の三次元モデルである。なお、図中の仮想面Ｌ１は上方計測境界面を示し、仮想面Ｌ２，Ｌ３は側方計測境界面を示している。図９の上段に示した図は、上段の図から板厚形状部Ｄを抽出し、平面形状を推定して追加した三次元モデルである。

【0054】

影部形状復元工程Ｓｔｅｐ５４は、部材の影になって面が接していない部分の形状を復元する工程である。例えば、近傍の平面で想定される角度で交差する側の形状を延長することによって復元する。かかる影部形状復元工程Ｓｔｅｐ５４の処理により、三次元モデル上で不自然に離隔した面を消去することができる。

【0055】

ここで、図１０は、影部形状復元工程を示すイメージ図である。図１０の上段に示した図は、抽出面合成工程Ｓｔｅｐ５１及び想定面合成工程Ｓｔｅｐ５２を処理した後の三次元モデルである。図中、点線で囲んだ部分に面が生成されていない部分、すなわち、影部Ｈが形成されている。この部分を上述した処理により図１０の下段に示した図のように影部Ｈを復元させる。

【0056】

作業設定工程Ｓｔｅｐ６は、溶接箇所や脚長等の溶接に必要なデータを入力する工程である。例えば、既に溶接済みの場所と同じ構造の溶接場所を溶接するような場合には、溶接箇所や脚長等の溶接に必要なデータは既知であることから、かかる作業設定工程Ｓｔｅｐ６は、セッティング工程Ｓｔｅｐ１の前に処理するようにしてもよい。

【0057】

溶接動作生成工程Ｓｔｅｐ７は、上述した処理によって生成された三次元モデルに基づいて溶接ロボット１（多関節アーム２）の溶接動作を生成する工程である。かかる溶接動作生成工程Ｓｔｅｐ７では、台座３に配置した加速度センサや傾斜センサ等のデータを用いて溶接ロボット１の傾きを算出し、重力方向を考慮した溶接継手の溶接条件を用いて動作を生成するようにしてもよい。

【0058】

また、溶接動作生成工程Ｓｔｅｐ７は、例えば、溶接ロボット１の姿勢の決定、多関節アーム２の動作・干渉の確認等の処理を行い、溶接開始位置までの移動、センシング動作、ギャップごとの溶接動作、退避位置までの移動等の動作データを作成する。なお、かかる溶接動作生成工程Ｓｔｅｐ７は、多関節アームを備えた一般的なロボットの動作生成処理と実質的に同じであることから、ここでは詳細な説明を省略する。

【0059】

施工順序設定工程Ｓｔｅｐ８は、溶接スラグの落下等を考慮して、例えば、縦方向の溶接を横方向の溶接よりも優先させたり、上方の溶接よりも下方の溶接を優先させたりすることによって、溶接する順序を設定する工程である。

【0060】

溶接作業工程Ｓｔｅｐ９は、生成された溶接動作及び施工順序に基づいて溶接ロボット１により溶接する工程である。例えば、溶接ロボット１を所定の位置に配置し、溶接トーチ２ｗを開始位置まで移動させ、継手のセンシングをした後、ギャップ長に応じた溶接を行う。

【0061】

上述した本実施形態に係る溶接ロボット１の動作自動生成方法によれば、３Ｄ計測センサ４を用いて溶接場所の三次元モデルを生成するようにしたことから、事前にＣＡＤデータを用いて溶接ロボット１の溶接動作を生成する必要がない。したがって、本実施形態によれば、溶接ロボット１の事前作業を削減し、現場で溶接ロボット１の動作を自動生成することができる。

【0062】

また、本実施形態に係る溶接ロボット１の動作自動生成方法をコンピュータ等の演算装置に実行させるためのプログラムは、制御ボックス５内のＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）やＨＤＤ（Ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置に記憶されていてもよいし、制御ボックス５に配置された読取装置で読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよいし、制御ボックス５とケーブルによって接続される外部制御ボックス側に記憶されていてもよいし、外部制御ボックス側の演算装置で実行されてもよい。また、プログラムは、インターネット等のネットワークを介して演算装置にインストール可能に構成されていてもよい。

【0063】

記録媒体は、例えば、フラッシュメモリ等の半導体メモリが搭載されたＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリである。記録媒体は、磁気ディスク及び光学ディスクであってもよい。光学ディスクは、例えば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）及びＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）である。

【0064】

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0065】

１ 溶接ロボット
２ 多関節アーム
２ｔ 回転台
２ｗ 溶接トーチ
３ 台座
４ ３Ｄ計測センサ
５ 制御ボックス
６ ハンドル
２１ ベース
２２ 上腕
２３ 下腕
２４ 手首部
２５ ツール部
３１ 把手
３２ レーザーポインタ
３３ 脚部
Ｓｔｅｐ１ セッティング工程
Ｓｔｅｐ２ 計測工程
Ｓｔｅｐ３ 点群処理工程
Ｓｔｅｐ３１ データ取得工程
Ｓｔｅｐ３２ 座標変換工程
Ｓｔｅｐ３３ 局所平面計算工程
Ｓｔｅｐ３４ ラベリング工程
Ｓｔｅｐ３５ 形状抽出工程
Ｓｔｅｐ３６ 無効領域抽出工程
Ｓｔｅｐ３７ 想定面生成工程
Ｓｔｅｐ４ 計測確認工程
Ｓｔｅｐ５ 三次元モデル生成工程
Ｓｔｅｐ５１ 抽出面合成工程
Ｓｔｅｐ５１１ 第一工程
Ｓｔｅｐ５１２ 第二工程
Ｓｔｅｐ５１３ 第三工程
Ｓｔｅｐ５１４ 第四工程
Ｓｔｅｐ５１５ 第五工程
Ｓｔｅｐ５１６ 第六工程
Ｓｔｅｐ５２ 想定面合成工程
Ｓｔｅｐ５２１ 第一工程
Ｓｔｅｐ５２２ 第二工程
Ｓｔｅｐ５２３ 第三工程
Ｓｔｅｐ５２４ 第四工程
Ｓｔｅｐ５２５ 第五工程
Ｓｔｅｐ５３ 板厚形状確認工程
Ｓｔｅｐ５４ 影部形状復元工程
Ｓｔｅｐ６ 作業設定工程
Ｓｔｅｐ７ 溶接動作生成工程
Ｓｔｅｐ８ 施工順序設定工程
Ｓｔｅｐ９ 溶接作業工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2021-11-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成方法であって、
３Ｄ計測センサを所定の場所に配置するセッティング工程と、
前記溶接場所を複数の計測領域に分割して前記３Ｄ計測センサで計測する計測工程と、
計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程と、
前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、
前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程と、を含み、
前記点群処理工程は、前記計測工程ごとに処理される、
ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項2】

所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成方法であって、
３Ｄ計測センサを所定の場所に配置するセッティング工程と、
前記溶接場所を前記３Ｄ計測センサで計測する計測工程と、
計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程と、
前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、
前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程と、を含み、
前記点群処理工程は、前記無効領域が前記抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して前記想定面を生成する、
ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項3】

前記セッティング工程は、前記複数の計測領域が隣接する計測領域と重複した領域を有するように処理される、請求項１に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項4】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面をロボット座標系に変換して合成する抽出面合成工程と、前記想定面をロボット座標系に変換して合成する想定面合成工程と、を含む、請求項１又は請求項２に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項5】

前記三次元モデル生成工程は、鋼板の板厚に相当する幅の平面を鋼板の端面として処理する板厚形状確認工程を含む、請求項１又は請求項２に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項6】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面及び前記想定面が形成されない影部を抽出し復元する影部形状復元工程を含む、請求項１又は請求項２に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項7】

前記溶接動作生成工程は、前記溶接ロボットが配置された場所の傾きを考慮して前記溶接動作を生成することを含む、請求項１又は請求項２に記載の溶接ロボットの動作自動生成方法。

【請求項8】

所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成システムであって、
前記溶接場所を複数の計測領域に分割して計測する３Ｄ計測センサと、
前記３Ｄ計測センサのデータに基づいて前記溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記３Ｄ計測センサの計測処理ごとに、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成し、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成し、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成するように構成されている、
ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成システム。

【請求項9】

所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成システムであって、
前記溶接場所を計測する３Ｄ計測センサと、
前記３Ｄ計測センサのデータに基づいて前記溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を前記抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して生成し、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成し、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成するように構成されている、
ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成システム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

本発明によれば、所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成方法であって、３Ｄ計測センサを所定の場所に配置するセッティング工程と、前記溶接場所を複数の計測領域に分割して前記３Ｄ計測センサで計測する計測工程と、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程と、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程と、を含み、前記点群処理工程は、前記計測工程ごとに処理される、ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成方法が提供される。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

また、本発明によれば、所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成方法であって、３Ｄ計測センサを所定の場所に配置するセッティング工程と、前記溶接場所を前記３Ｄ計測センサで計測する計測工程と、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成する点群処理工程と、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成する三次元モデル生成工程と、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成する溶接動作生成工程と、を含み、前記点群処理工程は、前記無効領域が前記抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して前記想定面を生成する、ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成方法が提供される。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0010】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面をロボット座標系に変換して合成する抽出面合成工程と、前記想定面をロボット座標系に変換して合成する想定面合成工程と、を含んでいてもよい。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0011】

前記三次元モデル生成工程は、鋼板の板厚に相当する幅の平面を鋼板の端面として処理する板厚形状確認工程を含んでいてもよい。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0012】

前記三次元モデル生成工程は、前記抽出面及び前記想定面が形成されない影部を抽出し復元する影部形状復元工程を含んでいてもよい。

【手続補正7】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0013】

前記溶接動作生成工程は、前記溶接ロボットが配置された場所の傾きを考慮して前記溶接動作を生成することを含んでいてもよい。

【手続補正8】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0014】

また、本発明によれば、所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成システムであって、前記溶接場所を複数の計測領域に分割して計測する３Ｄ計測センサと、前記３Ｄ計測センサのデータに基づいて前記溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備え、前記演算装置は、前記３Ｄ計測センサの計測処理ごとに、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を生成し、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成し、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成するように構成されている、ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成システムが提供される。

【手続補正9】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0015】

また、本発明によれば、所定の溶接場所に配置された溶接ロボットの溶接動作を自動的に生成する溶接ロボットの動作自動生成システムであって、前記溶接場所を計測する３Ｄ計測センサと、前記３Ｄ計測センサのデータに基づいて前記溶接場所の三次元モデルを生成する演算装置と、を備え、前記演算装置は、計測された点群データのうち平面として認識可能な点群データから抽出面を生成し、点群データが得られない認識不能な無効領域から想定面を前記抽出面に対して垂直な平面により形成されていると認識して生成し、前記抽出面及び前記想定面から前記溶接場所の三次元モデルを生成し、前記三次元モデルを用いて溶接ロボットの溶接動作を生成するように構成されている、ことを特徴とする溶接ロボットの動作自動生成システムが提供される。