特開 2022-54376 ロボットシステム

(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】P2022054376

(43)【公開日】2022-04-06

(54)【発明の名称】ロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 13/08 20060101AFI20220330BHJP

   B25J 5/02 20060101ALI20220330BHJP

   B23K 9/12 20060101ALN20220330BHJP

【ＦＩ】

B25J13/08 A

B25J5/02 Z

B23K9/12 331F

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2020172850

(22)【出願日】2020-09-25

(71)【出願人】

【識別番号】520399280

【氏名又は名称】野間 信宏

(71)【出願人】

【識別番号】520399291

【氏名又は名称】青井 孝敏

(71)【出願人】

【識別番号】516022909

【氏名又は名称】河村 一郎

(72)【発明者】

【氏名】野間 信宏

(72)【発明者】

【氏名】青井 孝敏

(72)【発明者】

【氏名】河村 一郎

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS11

3C707BS15

3C707CS01

3C707CT02

3C707JS02

3C707KS07

3C707KS36

3C707KT02

3C707KT03

3C707KT05

3C707KT06

3C707LW07

3C707MS14

3C707MT02

3C707MT05

3C707NS11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】建設、造船などでの、溶接や塗装の様に大きな加工対象物を扱い、高所作業が多くなる作業への応用が広くできるロボットシステムを提供する。
【解決手段】加工用のツール１５を駆動するアクチュエータとアクチュエータの移動手段を具備しており移動手段の機械要素の応答可能な制御帯域とアクチュエータの制御帯域での制御を３Ｄカメラ２７または形状測定器などの形状情報取得手段の情報から行う。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工対象物上にある加工目標とする部分へ接近してツールによって
加工するロボットシステムであって、
前記ツールを装備したアクチュエータと
前記アクチュエータを搭載して移動する移動手段と、
前記移動手段を制御する第１制御手段と
前記アクチュエータを制御する第２制御手段と
前記加工目標とする部分の形状情報を取得する第１形状情報取得手段と
前記ツールが前記アクチュエータによって到達できる領域の内側にある形状情報を取得する位置に配置された第２形状情報取得手段を有し、
前記第１形状情報取得手段から取得した形状情報により前記移動手段を制御し
前記第１形状情報取得手段および前記第２形状情報取得手段から取得した
形状情報により前記アクチュエータを制御し、
前記加工目標とする部分へ前記ツールを到達させる構成であるロボットシステム。

【請求項2】

前記第１制御手段は偏差情報を前記第１形状情報取得手段からの形状情報より取得し、
前記移動手段および前記アクチュエータをフィードバック制御する構成であって、
前記第１形状情報取得手段から取得した前記偏差情報の低域成分で
前記移動手段を制御し、
前記第１形状情報取得手段からの形状情報より取得した前記偏差情報の高域成分と
前記第２形状情報取得手段からの形状情報より取得した偏差情報により
前記アクチュエータを制御する構成とした請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項3】

加工対象物の加工目標とする部分をツールによって加工するロボットシステムであって、前記移動手段には目印表示が具備され、
前記第１形状情報取得手段による形状情報を記録し保存する保存手段を有し
加工中の外乱による前記第１制御手段または前記第２制御手段の停止が発生し、停止から
再起動する時点で、
前記保存手段から、前記停止時点以前の前記目印表示の形状情報の取得及び前記第２形状情報取得手段による前記ツールの形状情報の取得及び前記第１制御手段または前記第２制御手段の前記停止時点以前の制御情報を取得する構成とした請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項4】

前記加工対象物の加工目標とする部分をツールによって加工するロボットシステムであって、前記第１形状情報取得手段もしくは第２形状情報取得手段の情報を表示する表示端末を具備し、
前記第１形状情報取得手段または前記第２形状情報取得手段の形状情報の表示に重ねて、前記ツールにより加工可能な加工可能領域を表示する構成とした請求項１に記載のロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は対象物の加工を自動で行うためのロボットシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

建設、造船用の加工用のロボットとしては、自動溶接機が数多く提案され実施例も多くあるが広く普及している状態ではない。これは建設、造船の従事者の加工対象物が、多種多様であり、ロボットに対して作業をティーチングすることが大きな仕事量であることが第１の課題として挙げられる。第２の課題としては建設、造船の加工対象に物理的に大きな物が多く、一般的な多関節ロボットの対応範囲を超える大きな領域での作業が必要であることが挙げられる。

【0003】

ロボットシステムの制御に関しては、非特許文献１に制御の安定性の課題が開示されている。

【0004】

自動溶接機としては特許文献１の様に、曲面に倣う様に構成されたレール上を走行台車が走行し、その走行方向と直行する平面の２軸での制御で、加工目標とする部分の開先形状をレーザーセンサで検出して溶接する方法が開示されている。
また、特許文献２にある様に、レールを必要としない、クローラによる自動走行形式の発明が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】三菱重工技報Ｖｏｌ．５２ Ｎｏ．４（２０１５）新製品・新技術特集［文献の題名］速度飽和のあるアクチュエータを有する運動系の安定化制御

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】［公開番号］特開２０１２－１３０９５４（Ｐ２０１２－１３０９５４Ａ） ［公開日］平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２） ［発明の名称］自動溶接装置

【0008】

【特許文献2】［公開番号］特開平１０－２３０３５９ ［公開日］平成１０年（１９９８）９月２日 ［発明の名称］クローラ走行式自動溶接装置

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ロボットシステムの中の移動手段とアクチュエータの制御を安定かつ高速化することが、本発明が解決しようとする、第１の課題である。

【0010】

機械製品の運動制御系の設計においては，システムに存在する非線形要素が系の安定性に影響を及ぼすために制御性能向上に対する障壁となっている。その中において，アクチュエータなどの制御対象物の速度飽和は，制御系の位相特性を悪化させ，系を不安定化する要因として問題になっていることが、非特許文献１で述べられている。

【0011】

特許文献１の実施例では、溶接の進行方向にはローラーチェーンまたはラックが使われることが想定されている。溶接作業にとって進行方向の速度制御は溶接の品質に関わる重要な要素である。ローラチャーンまたはラックはこの実施例の走行のための移動手段であるが、構造上速度飽和が比較的低い帯域になる。このため高速度領域までの安定した制御が行えず、外乱による負荷の変動への対応が制限されるので、高速で安定した溶接品質を得るのが難しいことが課題であった。これが第１の課題である。

【0012】

特許文献２の実施例ではクローラを具備した自動溶接装置で、左右のクローラの回転を別々に制御することで、装置の走行と同時にツールの軌跡を制御するものである。この技術ではレールが不要であることが利点とされる。しかし、クローラによって走行および方向制御を行うために、クローラの特性から速度飽和が低い帯域での制御になる。このため安定した制御が行えず、負荷の変動への対応や、第１の実施例で提示されている走行方向と直行する平面内でのトーチの精密な制御が制限され、溶接品質を安定にすることには実用的に限界があり、前記の第１の課題に含まれる課題である。

【0013】

特許文献１の実施例では溶接加工の線に対してレールを平行に設置することが必要であり、レールの設置に時間がかることが実用上好ましくない課題であった。レールの設置に時間を要することは本発明が解決しようとする第２の課題である。

【0014】

本発明が解決しようとする課題の、他の第３の課題は建設、造船における高所での作業の難しさである。特許文献１の実施例で、高所でのレールの設置作業は高所作業台車や足場による困難かつ危険な作業が必須であり課題であった。特許文献２の実施例ではクローラによる自律走行でレールを必要としないことは利点ではあるが、クローラによる走行が実用的には低速度であり、地上から離れた高所での加工部分への到達には時間がかかることが効率的でなく、実用上での課題であり、第３の課題の効果的な解決ではなかった。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この様な問題を解決するために本発明は、複数の要素からなる作業用のロボットシステムであって、加工対象物上にある加工目標とする部分を加工するツールとこのツールを装備したアクチュエータと前記アクチュエータを搭載して移動する移動用のアクチュエータである移動手段と、移動手段とアクチュエータを制御する制御手段を有している。

【0016】

制御手段は加工対象物の３Ｄカメラやレーザースキャナなどの形状情報取得手段から制御のための偏差情報を取得する構成となっている。
制御手段による制御で、移動手段が移動することで移動手段に搭載されている前記アクチュエータが移動し、前記第２の制御手段による制御により前記アクチュエータを高い応答速度領域まで高速かつ精密に制御することで、前記ツールが前記加工対象物上にある加工目標とする部分へ接近して加工する構成である。

【0017】

本発明ではツールを装備したアクチュエータとアクチュエータを搭載して移動する移動手段と、アクチュエータを制御する第１制御手段とアクチュエータを制御する第２制御手段を有し、第２制御手段の駆動により前記アクチュエータに装備した前記ツールを前記アクチュエータによって到達できる領域の内側へ、前記アクチュエータを第１制御手段の制御により前記移動手段で移動する構成である。

【0018】

制御については第１形状情報取得手段の情報により前記移動手段を制御し、第２形状情報取得手段からの情報により前記アクチュエータを駆動し加工目標とする部分へ前記ツールを到達させる構成で、前記第１制御手段は前記移動手段が応答可能な低域の制御帯域の偏差情報を第１形状情報取得手段から取得して前記移動手段を制御し、第２制御手段は前記アクチュエータが応答可能な高域の制御帯域の偏差情報を第１形状情報取得手段および前記第２形状情報取得手段から取得して前記アクチュエータを制御する。

【発明の効果】

【0019】

以上で示した様に、本発明では移動手段の機械要素を従来技術から選択することで移動距離、範囲についてほぼ制限なくロボット技術を活用して実施する形態を実現することができるもので、構成要素の専用開発を必ずしも必要としないので効率的である。

【0020】

本発明では、形状情報取得手段と制御手段を移動手段とアクチュエータで構成することで、高い速度飽和帯域まで応答するシステムとなり、溶接、塗装やその他の加工に関して柔軟に対応できる。この構成によって、移動手段の速度飽和が低い帯域であっても、アクチュエータが高い速度飽和帯域まで応答するため、精度良くまた高速な加工が実現できるものである。これは前述の、発明が解決しようとする第１の課題を解決するものである。

【0021】

前記アクチュエータは主として一般的な多関節ロボットの構成要素を構成されており、可動範囲が広い。そのため加工目標とする部分への設置に幾分の誤差があったとしても、誤差を吸収してアクチュエータが加工する領域に到達することが可能であるため、ロボットシステムの加工対象物への設置は簡単である。これは前述の発明が解決しようとする第２の課題を解決するものである。

【0022】

本発明のロボットシステムはクレーンまたは高所作業者によって運搬可能な構成である。しかも、ロボットシステムに搭載されたカメラなどの形状情報取得手段を使い、ロボットシステムの加工領域への運搬および設置を、ロボットシステムに付属する端末で無線によって操作して実時間の監視をしながら指示することができる。これは前述の発明が解決しようとする第３の課題を解決するものである。

【0023】

本発明のロボットシステムは、溶接加工に限定されるものではなく、建設や造船の塗装の様に大きな範囲でかつ高所作業が必須となる作業への応用が容易に考えることができ、その応用範囲は広い。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明に係る造船現場用の溶接作業用のロボットシステムの実施例における平面図。

【図2】同ロボットシステムの実施例における平面図。

【図3】同ロボットシステムの実施例における正面図。

【図4】同ロボットシステムの実施例における側面図。

【図5】同ロボットシステムの実施例における側面図。

【図6】同ロボットシステムの実施例における全体構成図。

【図7】同ロボットシステムの実施例における部分的な動作の説明図。

【図8】同ロボットシステムの実施例における部分的な動作の説明図。

【図9】同ロボットシステムの実施例における部分的な動作の説明図。

【図10】同ロボットシステムの実施例における部分的な構成の詳細平面。

【図11】溶接加工部分の説明図。

【図12】溶接開先の説明図。

【図13】ロボットシステムの実施例の電子回路のブロック図・

【図14】ロボットシステムの実施例の加工制御ルーティンのプログラム。

【図15】ロボットシステムの実施例の位置決め支援プログラム。

【図16】端末の位置決め支援表示における途中状態の表示例。

【図17】端末の位置決め支援表示における途中状態の表示例。

【図18】端末の位置決め支援表示における完了状態の表示例。

【図19】実施例のロボットシステムの加工プログラム。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、発明の実施の形態を、実施例にもとづき図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態はいずれも、本発明の実施形態の例を示したものであり、本発明の範囲が狭く限定されるものではない。

【0026】

図１、図２は本発明に係る造船現場用の実施例におけるロボットシステム１の平面図で、図３は正面図である。図４、図５は実施例におけるロボットシステム１の側面図である。２は基台でありロボットシステムの移動手段を構成する。以下、図１から図５を参照して説明する。

【0027】

図２で３のロボットアームが基台２に載置されたスライドガイド４とスライダー５によって基台に図４に示す減速機８によって系合されている。図４でロボットアーム３には減速機８を介してスライダー５が系合している状態を示している。

【0028】

図１、図２でスライドガイド４にはネジ送り構造の機構が内蔵されており連結減速機６によってモータ７に連結されており、モータ７の駆動力でスライダー５は図２のＸ軸の正方向、負方向へスライドする。図５に示す通りロボットアーム３には減速機８の反対側に減速機９が系合されておりブラケット１０に系合している。スライドガイド４に内蔵されるネジ送り機構は内蔵であるため図示は省略している。また減速機８、９にはモータ８ａ．９ａが内蔵されているが内蔵であるため図示は省略している。

【0029】

図５で、ブラケット１０には調整軸１１ａを回動軸としてブラケット１１が略固定されている。これはネジに調整機構でブラケット１１のブラケット１０に対する角度を調整可能としている。図５で１２はブラケット１１に連結されたスライドユニットでありモータ１３によってネジ送り機構が内蔵されている。ネジ送り機構は内蔵であるため図示は省略している。これによりブラケット１１は図５の矢印１５ａの方向へ直線的にスライド駆動される。

【0030】

（アクチュエータ）
図５でスライドユニット１２にはツール保持部材１４ａが連結されておりツール１５が固定されている。この実施例においてツール１５は電気溶接トーチである。１４はツール１５に連結された溶接のための電流供給用のコネクタである。ツール１５にはコネクタ１４を介して送電ケーブル６１により電流が供給される。以上の構成でスライドガイド４とスライダー５、ロボットアーム３、減速機８、９とブラケット１１スライドユニット１２はそれぞれ系合しており多関節のアクチュエータとなっている。なお、送電ケーブル６１は図１、図２、図３では図示を省略している。

【0031】

（３Ｄカメラの視野）
図４で、２５は３Ｄカメラで支持部材２４によって基台２に結合されている。２５ａ，２５ｂは３Ｄカメラ２５の視野の範囲を示す。２７は同様に３Ｄカメラであり２７ａ、２７ｂは３Ｄカメラ２７の視野の範囲を示す。３Ｄカメラ２７は支持部材２６によってレール部材２０に結合されている。
２４は３Ｄカメラ２７の視野範囲を示している。４０は３Ｄカメラ２７の視野の範囲を示している。

【0032】

（形状情報取得手段である３Ｄカメラ）
この実施例において、３Ｄカメラ２、３Ｄカメラ２７はデプスカメラと呼ばれるものであり、それぞれ２つのカメラによって、映像と共に視野内の撮影対象物との距離情報を取得できるものであり、被写体の距離に対して高精度な距離情報を３次元的に取得するものが実用化されている。このように３Ｄカメラは形状情報取得手段の一つとして実用化されている。

【0033】

（目印表示）
図１で、２９、２９ａ、２９ｂ、２９ｃはＵ字金具でありクレーンなどの運搬手段で運搬するときにクレーンとの系合で必要なものである。Ｕ時金具２９、２９ａ、２９ｂ、２９ｃはこの実施例ではレール部材２０の両端付近に図４の固定部材２８によって結合されており、ロボットシステム１を運搬するためのワイヤーロープを系合するためのものである。図２の３３は３Ｄカメラ２５の上面に印刷された目印表示である。
目印表示３３は３Ｄカメラ２７の視野４０の中に位置する。目印表示３３は表示内容を２次元バーコードにする実施例も考えられる。目印表示３３を２次元バーコードにすれば、ロボットシステムの個体情報や使用履歴などの情報との紐付けが容易になる効果がある。

【0034】

（固定部材）
固定部材２８には電磁石が内蔵されており、電磁石に電流が供給されると、固定部材２８が加工対象物の鋼板３２に吸着する構成である。なお、電磁石および電流の供給手段については、従来から実用化されているものであり、固定部材２８に内蔵されているので図示は省略している。

【0035】

（Ｖ字型ローラ）
図５で、１７、１８はそれぞれ２個ずつの計４個のＶ字溝形状のローラであり、ローラ軸１７ａ、１８ａ，で基台２に４点で支持されている。１６はガイドレールでありローラ１７、１８と系合して基台２を図２のＹ軸正方向、負方向へ略直線にスライドできる様にガイドする。なお、図５は側面図のためローラ１７、１８およびローラ軸１７ａ、１８ａ，はそれぞれ１個ずつ描かれている。

【0036】

図２に示す様にラック１９はレール部材２０に沿って、レール部材２０のほぼ全長に取り付けられている。図５でガイドレール１６にはラック１９が装着されており、このラック１９はモータ２３によるピニオン２２の回転駆動でガイドレール１６に沿って、基台２が図２のＹ軸正方向、負方向へ略直線に走行する。

【0037】

以上に説明した通り、図１から図５に示した各要素でロボットシステムの実施例は構成されている。以下このロボットシステムの実施例の具体的な動作について説明する。

【0038】

（動作説明をする構成図）
図６は同溶接作業ロボットシステムの実施例における動作説明をする構成図である。３２は前記の加工対象物の鋼板で、この実施例では造船の船殻外板である。３１は鋼板３２に板継ぎされる鋼板で鋼板３２と同様に船殻外板である。造船現場ではこの様な鋼板同士を板継ぎ溶接加工が多い。

【0039】

（運搬手段）
図６の５０はクレーンで実施例のロボットシステムを運搬する運搬手段である。５０ａはクレーン５０の台座部分でクレーンアーム５１、クレーン系合部材５２、クレーのワイヤーロープ５４、クレーンフック５３ａによって、ワイヤーロープ５６を介して前記Ｕ時金具２９、２９ａと系合して、前記レール部材２０を介してロボットシステム１を吊り上げている状態を示している。オペレータ６７が端末６７ａでロボットシステム１を操作している。図６で６１は図５で示した送電ケーブル６１である。送電ケーブル６１は支持部材２６を中継してケーブル６０に接続している。ケーブル６０は溶接に使う電流の供給とともに６１ａで基台２に内蔵された電子回路への電力を供給する。電子回路への電力の供給はレール部材の裏側で接続されたケーブルで行われるが図示は省略している。また電子回路の機能については後述する。

【0040】

図６では、ロボットシステム１はレール部材２０に取り付けられたＵ時金具２９、２９ｂが上側となり、下側にＵ時金具２９ａ、２９ｃになる状態でクレーン５０に吊り上げられている。この状態で矢印３０ａ ３０ｂに示す方向に沿って鋼板３２、鋼板３１に接近していく。ロボットシステム１の吊り上げは、吊り上げるＵ字金具を２９、２９ｂ、２９ａ、２９ｃから選択できるので、図６とは違った垂直の姿勢にするなど、ロボットシステムの自由な設置が可能である。

【0041】

（固定部材）
この状態で前記の固定部材２８、２８ａが十分鋼板３２に接近した状態で固定部材２８、２８ａに内蔵されている電磁石に通電されると、固定部材２８、２８ａが鋼板３２に対して磁力で吸引され固定される。ここまでの過程におけるソフトウェアによる操作支援の仕組みについては後述する。

【0042】

（スライダーの動作）
図７、図８は前述のロボットアーム３、スライドガイド４、スライダー５、減速機８の回動軸であるスピンドル８ａ、減速機９の回動軸であるスピンドル９ａの動作の説明図である。図７ではツール１５の先端はレール部材２０のＸ軸正方向の端部から図中Ｆ２の位置にあり、この時前記のスピンドル８ａはレール部材２０のＸ軸正方向の端部からＧ２の位置にある。図８ではスライダ－５がＸ軸製正方向へスライドすることでＧ１の位置に移動している。ツール１５の先端は、スピンドル８ａからのＹ方向の距離はＤ１である。

【0043】

（ロボットアーム）
次にロボットアーム３と減速機８、スピンドル８ａ、減速機９、スピンドル９ａの働きでツール１５はが姿勢を保ったまま図８から図９の状態へ平行移動できることを説明する。
図８でロボットアーム３は矢印２１ａの方向へスピンドル８ａの周りに図５に示す減速機８の回動によって駆動するが、同時にスピンドル９ａの周りに図５に示す減速機９の回動によってブラケット１０が矢印２１ｂの方向へ同じ角度だけ回動すると、ブラケット１０のＸ軸に対する角度は変化しない。

【0044】

図８でロボットアーム３の角度はＸ軸に対しての角度はＪ１でありこの時ツール１５の先端１５の先端のＸ軸からの距離はＤ２である。ツール１５の先端のＸ軸からの距離はＤ２であるが、ツール１５はＸ軸に対して平行が保たれている。

【0045】

この状態を示したのが図９である。ロボットアーム３の角度はＪ１からＪ２に変化しているが、減速機９の回動によってブラケット１０が矢印２１ｂの方向へ同じ度数の角度だけ逆方向に回動してツール１５のＸ軸に対して平行が保たれる。ただし、Ｘ軸からの距離はＤ１からＤ２へと大きくなっている。以上の動きによりロボットアームはスライダー５及ぶロボットアーム３の動きによってＸ軸方向へツール１５を平行移動することができる。またＹ軸方向についてもローボットアームの動きで移動が可能である。この動きはロボットアーム３、スライダー５、減速機８、減速機９の組合せで構成されるアクチュエータを後述する制御手段で制御する事で実現される。

【0046】

図７から図９の説明で、前記基台２の上でロボットアーム３がスライダー５および、図２の連結減速機６、モータ７、減速機８、９により、ＸＹ平面内でツール１５をＸ軸に対して平行を保ったまま駆動できる仕組みであることがわかる。なお 図７から図９ではレール部材２０上に配置されている図２で説明したガイドレール１６、ラック１９は省略している。

【0047】

（スケールの説明）
図１０はガイドレール１６、ラック１９との関係で、レール部材２０上に印刷されているスケール４１の説明図である図１０ａはスケール４１の拡大図である。スケール４１はカメラ２７の視野４０に入っており、３Ｄカメラ２７により取得された形状情報によって、基台２の位置を特定する。３Ｄカメラの形状情報取得は１秒間に数枚～数十枚程度の取得が可能であり、各形状情報取得の差分を分析することで位置及び速度、加速度の情報を得ることができる。これにより制御のための偏差情報を得ることができる。

【0048】

（スケールと目印表示）
また、目印表示３３とスケール４１の３Ｄカメラ２７により取得された形状情報により、万一の停電時にロボットシステムの起動時に位置合わせの情報を得る機能を備えている。

【0049】

（溶接加工、開先の説明）
図１１は溶接加工部分の説明図、図１２は図１１のＧ部の拡大で溶接開先のＫ―Ｋ断面図とＪ―Ｊ断面図である。図１２の３１ｂ、３２ｂは開先形状と呼ばれる鋼板の端部を面取り加工で、溶接加工の際に必要な形状である。ツール１５は開先形状にそって図１２に示した軌跡３４、３５の様にＸ方向及びＺ方向にならうことが求められる。開先形状３１ｂ、３２ｂの必要な部分は開先の底の形状情報である。図１２の鋼板端部３２ａ、３１ａとの交わる開先の底
の形状情報を３Ｄカメラ２５による取得する。３６はすでに溶接が完了した領域を示している。３６ａは溶接完了と未だ完了していない領域の境界である。この境界３６ａは３Ｄカメラ２５が取得した形状情報からソフトウェアのプログラムにより認識することができる。これによりオペレータ６７は溶接を開始する位置を指定することができる。

【0050】

（電子回路のブロック図）
図１３はロボットシステムの実施例の電子回路のブロック図である。制御手段を含む電子回路は基台２の中に内蔵されている。第１形状情報入力手段７１、第２形状情報入力手段７２、第１制御手段７３、第２制御手段７４はＣＰＵ７０のプログラムで実装されている。このプログラムの働きについては後述する。第１形状情報入力手段７１、第２形状情報入力手段７２は３Ｄカメラ２５、２７のインターフェースであり、それぞれの３Ｄカメラの情報を取得し、第１制御手段７３、第２制御手段７４へ送る。

【0051】

図１３で８０の前記モータ２３、８１の前記モータ７、８３の前記モータ８ａ、８３の前記モータ
９ａ、８４の前記モータ１３はそれぞれ、モータ２３駆動回路、モータ７駆動回路、モータ８駆動回路、モータ９駆動回路、モータ１３駆動回路に接続されている。前記モータ２３は図５で、前記モータ７は図１、２の説明にある。前記モータ８ａおよび前記モータ９ａは図４、５の説明の減速機８、９に内蔵されているモータである。前記モータ１３は図４、図５の説明で前述している。８８は通信手段であり、高速無線ＬＡＮモジュールが実装され図６の端末６７ａと通信する。

【0052】

基台２は８０のモータ２３で駆動され、図１３の８５に示す移動手段駆動である。ロボットアーム３、スライダー５、減速機８、減速機９の組合せで構成されるアクチュエータは図１３の８１のモータ７、８２のモータ８ａ、８３のモータ９ａ、８４のモータ１３で駆動され、８６のアクチュエータ駆動で表している。

【0053】

図１３に示す６８はデータベースで回路基板に実装された半導体メモリーによってデータが記憶される。回路基板６９には前述のＣＰＵ７０、第１形状情報入力手段７１、第２形状情報入力手段７２、モータ２３駆動回路、モータ７駆動回路、モータ８ａ駆動回路、モータ９ａ駆動回路，モータ１３駆動回路が実装され基台２に内蔵されている。
データベース６８には、使用が想定される溶接条件でのツールの目標速度、様々な開先形状に対しての目標となるツール軌跡、ロボットアーム３の制御のパラメータが格納されている。

【0054】

（加工制御ルーティンのプログラム）
図１４は図１３の第１制御手段７３、第２制御手段７４による加工制御ルーティンのプログラムを示している。以下プログラムの各ステップを説明する。この加工制御ルーティンは後述するオペレータ６７からの加工開始の指示があって開始する。オペレータ６７からの加工開始の指示があればプログラムはまずデータベース６８から目標速度Ｓ９１に示す受付けを行う。ついで、Ｓ９２に示すツールの目標軌跡を受け付ける。次にＳ９３に示す第１形状情報を取得し、Ｓ９５に示す目標速度との偏差を計算する。ついで、Ｓ９７に示すＰＩＤ制御でのフィードバックを計算する。

【0055】

（ＰＩＤ制御）
ＰＩＤ制御は古典制御理論に基づく現在主流の制御方式で、プログラム化されたものが多く知られており広く活用されている要素技術である。ＰＩＤ制御はフィードバック制御であり、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、およびその微分の３つの要素によってフィードバックを行う方法である。この実施例ではこのＰＩＤ制御をソフトウェアのプログラムで実装している。

【0056】

（フィードバックの成分）
Ｓ１００に示すフィードバックのＹ軸低域成分を分離し、Ｓ１０１フィードバックのＹ軸高域成分を分離する。ここで、Ｙ軸低域成分の分離はローパスフィルタの特性を具備したソフトウェアのプログラムによって行う。またＹ軸高域成分を分離についてはバンドパスフィルターの特性を具備したプログラムで行う。ついでＳ１０２でモータ８ａ、９ａの駆動パターンの適用を行う。この駆動パターンは前述のデータベース６８に保存されており、ツール１５との位置関係での必要な動作をパターン化したものである。

【0057】

Ｓ１００のフィードバックのＹ軸低域成分によってＳ１０４に示すモータ２３の駆動回路へ指令が発出され、図１３、図５のモータ２３が駆動され移動手段である基台２が走行する。この目標速度は図１４のＳ９１で受け付けられた目標速度である。

【0058】

Ｓ１０２のモータ８ａ、９ａの駆動パターンの適用でモータ８ａ，９ａへの指令が出て、図１３のモータ８ａ，９ａが駆動される。この時、Ｙ軸高域成分での駆動であるので、これはモータ２３による基台２の走行では補えない高い帯域の駆動となる。図１４のＳ１０３に示すモータ８ａ．９ａの駆動による成分の影響とは、図８のロボットアーム３がモータ８ａ，９ａによってＹ軸方向への駆動成分が発生すると、図７、８に示すＤ１またはＤ２の変化が生じるため、Ｘ軸方向への影響が出るのでＳ１０３でＸ軸成分の影響を計算する。

【0059】

Ｓ９２で受け付けた目標軌道の制御は第２形状情報入力手段７２からの形状情報取得で行われる。これは図１３に示す３Ｄカメラ２５から取得したもので、カメラ２５は図１１に示す様に鋼板３２、３１の端部３１ａ、３２ａを図２の２４で示す視野で捉えている。この視野２４の形状情報取得は第２形状情報入力手段７２からの形状情報取得である。

【0060】

図１３に示す３Ｄカメラ２５から取得した形状情報取得は３Ｄカメラによる形状情報取得であり、前述の様に３次元の情報を含む。図１２のＸ－Ｚ平面内での軌跡３４、３５を目標軌跡として３Ｄカメラ２５から取得した形状情報で目標軌跡との偏差を計算する。この軌跡に沿う様にツール１５を移動させるのが図２のモータ７、モータ１３である。図１４のＳ９４で取得した第２形状情報取得からＳ９６で目標軌跡と偏差を計算し、Ｓ９８でＰＩＤ制御でのフィードバックを計算しＳ１０６、Ｓ１０７でＸ軸成分とＹ軸成分に分離しＳ１０９、Ｓ１１０でそれぞれ駆動回路へ指令する。

【0061】

Ｓ１０８はＳ１０９から得られるモータ８ａ，９ａの駆動によるＸ成分の影響をＳ１０６から得られるＸ成分と合成してＳ１０９でのモータ７への駆動回路への指令をおこなう。

【0062】

以上がＳ９３、Ｓ９４で第１形状情報取得の取得と、第２形状情報取得の取得からＳ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０９、およびＳ１１０までの制御ルーティーンである。このルーティーンはプログラムのループであり、形状情報取得の取得回数より速いループになることが好ましい。

【0063】

（位置決め操作支援のプログラム）
図１５はロボットシステムの実施例の位置決め支援プログラムを示している。図６の説明で示したソフトウェアによる操作支援の仕組みを実装したプログララムである。Ｓ１１９でプログラムを開始すると、Ｓ１２０で第１形状情報取得の取得が行われる。ついでプログラムによりＳ１２１で加工可能範囲の表示と重ね合わせが行われる。

【0064】

図１５はＳ１１１のロボットシステム、Ｓ１１２の端末、Ｓ１１３のオペレータの３つの要素の動きを各列のプログラムの流れで示している。
ロボットシステムはこれまで図１から図１０及び図１３、図１４で説明してきた構成である。この構成ロボットシステムは図６のオペレータ６７が端末６７ａで操作する。オペレータ６７をＳ１１３のオペレータの列、端末６７ａがＳ１１２の端末の列が対応する。

【0065】

図６のクレーン５０でロボットシステム１が鋼板３２に接近した状態で端末６７ａの操作で図１５のプログラムがＳ１１９で示すステップで開始される。これはオペレータ６７の入力による。次のステップでＳ１２０の第１形状情報を取得がおこなわれる。次にＳ１２１で加工可能範囲の表示との重ね合わせが行われる。Ｓ１２２はこれから加工しようとする加工部分が加工可能領域内にあるかの条件分岐のステップである。Ｓ１２２の条件分岐でＮＯつまり、加工範囲にない場合、Ｓ１２３で図６のオペレータ６７の端末６７ａへ加工可能範囲内でないことを通知する。

【0066】

図１６が端末の位置決め支援表示１８０における途中状態の表示例で、この通知の例である。図１６で加工可能領域の画面内の表示は１８３ａであり、鋼板３２の端面３２ａ、鋼板３１の端面３１ａ図１６で３２ａ、３１ｂは加工可能領域に入っていない。この表示は３Ｄカメラ２７の形状情報取得と３Ｄカメラ２７から得る距離情報とこの情報から表示した領域表示１８３ａを重ねたものである。

【0067】

Ｓ１２４でオペレータが運搬手段であるクレーン５０を操作してロボットシステムの位置を調整する。プログラムとしては第１形状情報取得の取得を１秒に１０数枚程度以上連続して行うため、動画として端末６７ａでの表示が行われるので、オペレータ６７は端末６７ａの表示を見ながらクレーン５０を操作できる。Ｓ１２５で第１形状情報取得からロボットシステムと加工対象物との距離を検出する。これは、前述のカメラ２７から取得する距離情報で検出される。次にＳ１２６の条件分岐で固定部材２８と鋼板３２の距離が電磁石での吸着可能範囲かの判断をする。

【0068】

ここで条件分岐がＮＯの場合Ｓ１２７でオペレータの端末へ電磁石の吸着可能範囲でないことを通知される。この通知の表示が図１７の１８１ａの支援表示が示す様に左側が３０ｃｍ遠くなっているため（前進）の表示が出る。この表示は３Ｄカメラ２７の形状情報取得と３Ｄカメラ２７から得る距離情報とこの情報から表示した領域表示１８３を重ねたものである。

【0069】

この情報を得てオペレータが運搬手段であるクレーン５０を操作してロボットシステムの位置を調整する。このオペレータの調整は図１７の動画表示を確認しながら行われるので簡便である。オペレータによる調整がＳ１２６の条件分岐がＹＥＳになるとＳ１２９にプログラムのステップは移りＳ１２９で示すようにオペレータの端末へ電磁石の吸着可能範囲にあることを通知する。この通知の表示を示したのが図１８である。図１８では左の支援表示１８１ｂはＯＫの表示とともに０ｃｍの表示となっている。この通知を受け、オペレータ６７が端末でロボットシステムの電磁石を作動させるとＳ１３１でロボットシステムは加工対象物である鋼板３２へ電磁石で固定する。

【0070】

次のステップでＳ１３２において端末がロボットシステムの加工対象物への固定を受付し表示する。Ｓ１３３でロボットシステムの加工対象物への固定を確認して、ロボットシステムの実施例の位置決め支援プログラムがＳ１３４で完了する。以上の様に実施例ではロボットシステムの運搬の支援手段も提供できるもので利便性は極めて高い。

【0071】

図１９はロボットシステムの実施例の加工プログラムを示している。図１９も図１５と同様でＳ２１１のロボットシステム、Ｓ２１２の端末、Ｓ２１３のオペレータの３つの列でそれぞれのプログラムの動きを示している。
ロボットシステム１が加工対象物である鋼板３２に対して固定部材２８、２８ａに内蔵された電磁石により吸着固定されている。プログラムがＳ２１９で開始すると、まずＳ２２０で第２形状情報を取得し、Ｓ２１１で加工可能範囲の表示と重ね合わせが行われる。

【0072】

次にＳ２２２で端末への前記形状情報の送信が行われる。ついで端末へＳ２２３でツールおよびアクチュエータの加工可能範囲を表示が行われる。図６のオペレータ６７が加工開始の前に調整が必要かを判断する。オペレータ６７により調整が必要と判断された際にはＳ２２７の条件分岐でＹＥＳとなりＳ２２６オペレータの入力に従って第１、２制御手段へ指示が端末から発出される。この場合はＳ２２５で第１、２制御手段から駆動手段へ指令が出される。

【0073】

オペレータ６７により調整が不要と判断された際にはＳ２２７の調整が必要か？の条件分岐でＮＯとなり、オペレータがＳ２２８の調整完了入力で端末の表示画面の調整完了ボタンをクリックすることでＳ２２９へ遷移する。次に端末にてＳ２２９で加工パラメータのメニューを表示する。この表示をオペレータ６７がＳ２２９ａで確認し加工パラメータを選択し指示する。Ｓ２３０で図６の端末６７ａがこれを受けて第１、第２制御手段の加工パラメータの設定をロボットシステムＳ２１１に指示する。

【0074】

これを受けてＳ２３１でロボットシステムが第１、第２制御手段の加工パラメータを設定する。次にＳ２３２でロボットシステムが第１、第２制御手段の加工パラメータ設定完了を通知する。これを受けてＳ２３３で端末が第１、第２制御手段の加工パラメータの設定完了を受付し表示する。

【0075】

次にＳ２３４でオペレータ６７が加工開始を指示する。Ｓ２３５で端末が第１、第２制御手段へ加工開始を指示する。するとロボットシステムはＳ２３６でツールを加工状態へ設定する。この時のツールの設定はツール１５の電流を流す溶接電源の起動が行われる。次にＳ２３７で加工制御ルーティンを開始する。この加工制御ルーティンは図１５の説明のものである。

【0076】

加工制御ルーティンが開始すると端末はＳ２３８で加工制御ルーティンの現状を受付し表示する。オペレータは適宜Ｓ２３９で加工制御ルーティンの現状を確認するだけでよい。
Ｓ２４０は条件分岐で加工制御ルーティンに異常があるか？を判定し、異常発生時にはＳ２４１で異常警告の表示およびアラームでの警報発出および停止の指示を端末に表示する。この時は異常発生として、ロボットシステムＳ２１１の停止を行う。Ｓ２４２は条件分岐で加工制御ルーティンが完了位置かの条件分岐を行う。ここでは開始時に設定した完了位置に到達しているかどうかの判断をする。Ｓ２４５、Ｓ２４６、Ｓ２４７、Ｓ２４８は完了位置に到達した際の完了ステップである。

【0077】

以上で説明したのは、造船の溶接加工に関するロボットシステムの実施例である。この中で形状情報取得手段は３Ｄカメラとしたが、他の形式の形状情報取得手段でも良く、例えば３Ｄスキャナーであっても良い。またレーザーによる形状測定器を併用する実施例もあり得る。この場合は第２の形状情報取得し手段の代わりにレーザーによる形状測定器で図５に示すＸ―Ｚ平面の測定を高速で行うことができ、同様の制御ルーティンの構成が可能である。

【0078】

また、以上で説明した溶接加工に関するロボットシステムの実施例では、ロボットシステムと端末間の通信は無線であるが、雑音対策のために有線にする実施例も容易に考えることができる。また、ロボットアームに繋がる２つのスライドユニットと２つの減速機による多関節ロボットの形式を取ったが、ロボットアームの可動要素の数を減らすなどの簡便な実施例、または可動要素の数を増やした実施例も本発明の実施例として考えられる。

【0079】

以上の実施例は溶接加工に関するものであるが、ツール部分を塗装の吹き付けのノズルに変更することで、塗装用のロボットシステムも本発明の実施例として考えられる。
また
ビル壁面、窓の清掃用途への応用も実施例として考えられる。
また、以上の実施例でクレーンを運搬手段の例として説明したが、ロボットシステムを軽量に設計することで、運搬手段をドローンに置き換えた実施形態も考えることができる。

【符号の説明】

【0080】

１ ロボットシステム
２ 基台
３ ロボットアーム
４ スライドガイド
５ スライダー
６ 連結減速機
７ モータ
８ 減速機
９ 減速機
１０ ブラケット
１１ ブラケット
１１ａ 回動軸
１２ スライドユニット
１３ モータ
１４ 電源供給用コネクタ
１４ａ ツール保持部材
１５ ツール
１６ 送電ケーブル
１７ ローラ
１８ ローラ
１９ ラック
２０ レール部材
２４ 視野
２５ ３Ｄカメラ
２５ａ ２５ｂ 視野
２７ ３Ｄカメラ
２８ 固定部材
２９、２９ａ、２９ｂ、２９ｃ Ｕ字金具
３１ 鋼板
３２ 鋼板
３３ 目印表示
４０ 視野
４１ スケール
５０ クレーン
６０ オペレータ
６１ 端末
６８ データベース
７１ 第１形状情報入力手段
７２ 第２形状情報入力手段
７３ 第１制御手段
７４ 第２制御手段
１８０ 支援表示
１８１、１８２ 支援表示窓
１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ 領域表示

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】