JP6348149B2 - ロボットを用いてレーザ加工を行うレーザ加工ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットを用いてレーザ加工を行うレーザ加工ロボットシステムに関する。

近年、加工用レーザ光を加工対象に照射するためのレーザ照射装置をロボットアームの先端部に取付け、ロボットアームを移動させてレーザ加工を行うレーザ加工ロボットシステムが上市されている。さらに、レーザ加工ロボットシステムを用いたレーザ加工においては、ロボットアームを移動させつつ、レーザ照射装置からのレーザ光の照射方向も変えることにより、レーザ光を移動させつつ、予め決められた位置をレーザ加工する技術が知られている。このようなレーザ加工法は、従前のレーザ加工法と比べてワークとレーザ照射装置との間が離れていることから、「リモートレーザ加工」と称されることがある。具体的な加工としては、溶接、切断、穴あけなどである。

このようなリモートレーザ加工においては、ワークとレーザ照射装置との間が離れているため、レーザ加工動作をロボットへ教示する際に加工用レーザ光の照射位置を見つけにくいという問題がある。このことはロボットへの教示作業の効率を著しく低下させる。また一般的に、レーザ加工においては、加工用レーザ光の照射位置をワークの加工部位に正確に位置合わせする必要がある。このため、加工用レーザ光の照射位置を見つけにくいことは加工精度の低下をも招く。

このような問題に対処すべく、特許文献１は、溶接用レーザ光の合焦位置を見つけ易くするために、照射した溶接用レーザ光に可視光のパイロットレーザを導入する方法を開示している。また、特許文献２は、画像処理装置によって、溶接用レーザ光を照射した照射部の位置を検出する方法を開示している。

特開２００７−２５３２００号公報 特開２０１３−１２３７４３号公報

しかしながら、引用文献１に開示される方法、すなわち、パイロットレーザを用いて溶接用レーザ光の照射位置を見つけ易くする方法においては、パイロットレーザをワークに照射する機構をレーザ照射装置に新たに搭載する必要が生じる。このことはレーザ照射装置の複雑化及びコストアップを招く。さらに、パイロットレーザ自体は実際の生産加工時には不要であるため、レーザ照射装置が冗長な構成になるという問題もある。
また、引用文献２に開示された方法においては、溶接用レーザ光を実際に照射し、その照射位置を画像処理装置によって検出している。したがって、たとえ溶接用レーザ光の輝度が抑えられている場合やレーザ照射装置が低出力レーザである場合でも、溶接用レーザ光を実際に照射する限りにおいては人体、特に目の網膜への危険性が存在する。このため、レーザ加工動作をロボットへ教示するときのように、加工用レーザ光の照射位置を決定する作業においては、安全上、できるだけ加工用レーザ光の使用を避けることが望まれている。

そこで本発明は、上述のような実情に鑑み、実際に加工用レーザ光を照射しなくても、加工用レーザ光及びその照射位置を作業者に安全かつ容易に視認できるようにしたレーザ加工ロボットシステムを提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、加工用のレーザ光を照射するレーザ照射装置が装着されたアーム部を備えたロボットを用いて加工対象にレーザ加工を行うレーザ加工ロボットシステムにおいて、
前記レーザ光の出力を伴わない前記レーザ加工の動作を前記ロボットに実行させることが可能なロボット制御装置と、
前記レーザ光の出力を伴わない前記レーザ加工の動作を前記ロボットに実行させたときの前記ロボットを含む実画像を撮像する撮像装置と、
前記実画像をリアルタイムに表示する表示装置と、
前記ロボット制御装置に接続され、前記実画像に対して拡張現実画像処理を行う拡張現実画像処理部を有する画像処理装置と、を備え、
前記拡張現実画像処理部は、前記レーザ照射装置から前記加工対象に前記レーザ光を照射したと仮定したときのレーザ光及び該レーザ光の照射位置のうちの少なくとも一方を表す仮想画像を前記実画像に重ねあわせ、重ねあわせた画像を前記表示装置に表示するようになされている、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第二態様によれば、上記第一態様のレーザ加工ロボットシステムであって、
前記レーザ照射装置は、前記ロボット制御装置からの指令に応じてレンズの位置を調整することにより、焦点距離を変えるレンズ位置調整機構を備え、
前記拡張現実画像処理部は、前記焦点距離または前記レンズの位置に関する指令値または検出値に基づいて、前記仮想画像を生成するようにした、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第三態様によれば、上記第一態様または第二態様のレーザ加工ロボットシステムであって、
前記レーザ照射装置は、前記ロボット制御装置からの指令に応じて前記加工対象の面上における前記レーザ光の照射位置を変えられる照射位置変更機構を備え、
前記拡張現実画像処理部は、前記照射位置に関する指令値または検出値に基づいて、前前記仮想画像を生成するようにした、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第四態様によれば、上記第一態様から第三態様のいずれかのレーザ加工ロボットシステムであって、前記拡張現実画像処理部は、前記仮想画像として表された前記レーザ光及び該レーザ光の照射位置のうちの少なくとも一方の軌跡を前記表示装置に表示するようにした、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第五態様によれば、上記第一態様から第四態様のいずれかのレーザ加工ロボットシステムであって、
前記ロボット制御装置は、前記レーザ光を照射するときの照射条件に関する情報を前記画像処理装置に通知するようになされており、
前記拡張現実画像処理部は、前記照射条件に関する情報を前記仮想画像と共に前記表示装置に表示するようにした、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第六態様によれば、上記第一態様から第五態様のいずれかのレーザ加工ロボットシステムであって、前記拡張現実画像処理部は、前記仮想画像を生成する際に前記レーザ光の表示色及び表示サイズのうちの少なくとも一方を変更するようにした、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第七態様によれば、上記第六態様のレーザ加工ロボットシステムであって、
前記拡張現実画像処理部は、前記レーザ光を照射するときの照射条件に応じて、前記レーザ光の表示色及び表示サイズのうちの少なくとも一方を変更するようにした、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

本発明の第八態様によれば、上記第一態様から第七態様のいずれかのレーザ加工ロボットシステムであって、
前記表示装置が、前記撮像装置と一体的に構成されたヘッドマウントディスプレイである、レーザ加工ロボットシステムが提供される。

上記第一態様によれば、ロボットのアーム部に装着されたレーザ照射装置から実際に加工用レーザ光を照射しなくても、その加工用レーザ光が照射されている様子を、ロボットを含む実画像上に仮想的に表示することができる。このため、作業者は画面上で加工用レーザ光及びその照射位置を安全かつ容易に視認することができる。
上記第二態様によれば、レーザ照射装置がレーザ光の焦点距離を変えられる機構を備える場合において、実際に加工用レーザ光を照射しなくても、その加工用レーザ光が照射されている様子の仮想画像を表示することができる。
上記第三態様によれば、レーザ照射装置がレーザ光の照射位置を変えられる機構を備える場合において、実際に加工用レーザ光を照射しなくても、その加工用レーザ光が照射されている様子の仮想画像を表示することができる。
上記第四態様によれば、仮想画像として表されたレーザ光やレーザ照射位置の軌跡を表示装置に表示しておけるため、レーザ光の出力を伴わないレーザ加工動作をロボットに実行させた後でも、レーザ照射位置の確認が容易となる。
上記第五態様及び第七態様によれば、レーザ光の照射条件を画面上で視覚的に把握することができる。
上記第六態様によれば、表示装置に表示されるレーザ光及びその照射位置の視認性をより向上させることができる。
上記第八態様によれば、ヘッドマウントディスプレイを表示装置として採用した場合には、作業者は仮想のレーザ加工動作の様子をいかなる場所からでも視認することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴及び利点ならびに他の目的、特徴及び利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態によるレーザ加工ロボットシステムの構成を概念的に示したブロック図である。 図１に示されたレーザ加工ロボットシステムの変形例を示したブロック図である。 ガルバノ機構の概略的な構成を示す図である。 図１に示されたレーザ加工ロボットシステムを使用してレーザ加工を行うときの様子を示したイメージ図である。 図２に示されたレーザ加工ロボットシステムを使用してレーザ加工を行うときの様子を示したイメージ図である。 現実空間における作業風景の画像上にレーザ光の仮想画像を生成する方法の概念を説明するための図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面において、同様の構成要素又は機能部には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施形態によるレーザ加工ロボットシステムの構成を概念的に示したブロック図である。
図１に示されるように、レーザ加工ロボットシステム１００は、ロボットアームの先端部１ａにレーザ照射装置２を備えたロボット１を用いて作業台７上のワークＷにレーザ加工を行うものである。ここでいうレーザ加工にはレーザ溶接、レーザ切断、レーザ穴あけなどが含まれる。

レーザ加工ロボットシステム１００は、ロボット１を制御するロボット制御装置３と、レーザ照射装置２を制御する制御装置（以下、レーザ照射装置用制御装置と呼ぶ。）４と、レーザ照射装置２に接続されたレーザ発振器５と、レーザ発振器５を制御する制御装置（以下、レーザ発振器用制御装置と呼ぶ。）６と、ロボット制御装置３に接続された画像処理装置９と、を備える。
特に、本実施形態のロボット制御装置３は、レーザ光の出力を伴わないレーザ加工動作をロボット１に実行させることが可能となっている。

さらに、レーザ加工ロボットシステム１００は、図１に示されるように画像処理装置９に接続された撮像装置８及び表示装置１０を備えている。
撮像装置８は、レーザ加工を行う作業空間を撮像するカメラである。この作業空間には、ロボット１、加工対象のワークＷ、及び、ワークＷを設置する作業台７が少なくとも含まれる。撮像装置８は、レーザ光の出力を伴わないレーザ加工の動作をロボット１に実行させたときの該ロボット１を含む実画像を撮像するようにしている。
画像処理装置９は、上記の実画像に対して拡張現実画像処理を行う拡張現実画像処理部９ａを有する。
拡張現実画像処理部９ａは、レーザ照射装置２からワークＷの面上にレーザ光を照射したと仮定したときのレーザ光と該レーザ光の照射位置のうちの少なくとも一方を表す仮想画像を上記の実画像に重ねあわせ、重ねあわせた画像を表示装置１０に表示するようにしている。
表示装置１０は、撮像装置８により撮像された実画像をリアルタイムに表示する。さらに、表示装置１０は、上記の拡張現実画像処理部により重ねあわせられた画像を表示する。表示装置１０は、撮像装置８とは別個に設けられていてもよいし、あるいは、撮像装置８と一体的に構成されていてもよい。

図２は、図１に示されたレーザ加工ロボットシステム１００の変形例を示したブロック図である。前述したレーザ加工ロボットシステム１００においては、図２に示されるように、表示装置１０には表示パネルではなく、ヘッドマウントディスプレイのような眼鏡型表示装置が使用されてもよい。ヘッドマウントディスプレイは、例えば、眼鏡レンズ程度の大きさであって人の眼に対応するように配置された表示画面を有する。さらに、ヘッドマウントディスプレイからなる表示装置１０は撮像装置（図示せず）を備えた構成もありうる。ヘッドマウントディスプレイの場合には、加工動作をロボット１に教示する作業者が両手を使用でき、表示装置１０の設置場所に拘束されないで教示作業を行える。

上述したレーザ加工ロボットシステム１００を構成する各装置について、更に具体的に述べる。
ロボット１は、ロボットアームの先端部１ａに装着されたレーザ照射装置２を作業空間上の任意の位置に移動させる多関節ロボットである。図１においては垂直多関節型ロボットが示されているが、本発明はそれに限定されない。
ロボット１の各関節軸にはサーボモータ（図示せず）が設けられている。ロボット１には、各サーボモータの軸位置（すなわち、回転角度）を検出する位置検出センサ、例えばパルスコーダが設けられている。

レーザ照射装置２は、レーザ発振器５から供給されたレーザ光をワークＷに照射するためのレーザ照射口（図示せず）を有する。レーザ照射装置２内には、ワークＷの面上におけるレーザ光の照射位置を任意の位置に変えられる照射位置変更機構、例えばガルバノ機構が設けられている。また、レーザ照射装置２内には、レーザ光を集光するレンズと、該レンズの位置を調整することによりレーザ光の焦点距離を変えられるレンズ位置調整機構（図示せず）が設けられているのが好ましい。
また、レーザ照射装置２については、上述したような照射位置や焦点距離が任意に変更可能な機構を備えず、固定の照射位置となるものでもよい。例えば、長焦点レンズを用いたレーザ加工ヘッドの場合は、焦点距離は固定であるが、ワークＷとレーザ照射装置２とは十分に離れた距離であるので、本発明による効果を得ることができる。

図３は、上記のガルバノ機構の概略的な構成を示す図である。図３に例示されたガルバノ機構は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の光路上に配置された一対の反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙと、反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙをそれぞれ任意の角度に回転させるモータ１３Ｘ、１３Ｙと、を備える。モータ１３Ｘ、１３Ｙの回転軸はそれぞれ反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙ自体の反射面に平行に延び、且つ反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙの回転軸として反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙに接続されている。両モータ１３Ｘ、１３Ｙの回転軸は互いに直交する方向に向けられている。このような構成において、一対の反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙのうちの一方の反射ミラー１２Ｘを停止させ、他方の反射ミラー１２Ｙを回転させると、レーザ光は例えばワークＷの面上におけるＹ軸方向に走査される。また、反射ミラー１２Ｙを停止させ、反射ミラー１２Ｘを回動させると、レーザ光は例えばワークＷの面上におけるＸ軸方向に走査される。
したがって、モータ１３Ｘ、１３Ｙにより反射ミラー１２Ｘ、１２Ｙをそれぞれ所望の角度に回転させることにより、ワークＷの面上の直交するＸ−Ｙ軸方向においてレーザ光の照射位置を走査し、位置決めすることができる。
さらに、モータ１３Ｘ、１３Ｙの回転軸にはその回転角度を検出するパルスコーダ（図示せず）が備えられている。このため、各モータ１３Ｘ、１３Ｙに備えられたパルスコーダにより検出される回転角度に基づいて、ワークＷの面上におけるレーザ光の照射位置を求めることもできる。

上記のレンズ位置調整機構においてもレンズ移動用のモータが使用されていて、該モータの回転軸にその回転角度を検出するパルスコーダ（図示せず）が備えられているのが好ましい。このことにより、レンズ位置調整機構のモータに備えられたパルスコーダにより検出される回転角度に基づき、ワークＷに向けて照射されたレーザ光の焦点位置を求めることができる。

ロボット制御装置３は、レーザ加工の作業動作や加工条件などが記述された作業プログラムを保存するメモリ（図示せず）を備えていて、作業プログラムに従って、ロボット１を制御する指令を生成しつつロボット１の制御を行う。
より具体的には、ロボット制御装置３は、作業プログラムに従ってロボット１の各関節軸のサーボモータに位置指令を与えつつ、各サーボモータに設けられたパルスコーダによって検出されるサーボモータの軸位置が位置指令と合致するようにサーボモータを制御する。これにより、ロボット１は、メモリ内の作業プログラムどおりに動作する。

ロボット制御装置３は、ロボット１を操作してレーザ加工動作をロボット１へ教示するための教示操作盤（図示せず）を備えるのが好ましい。作業者が教示操作盤を用いてロボット１を操作しつつレーザ照射作業を行う。このときの作業動作や加工条件などが教示操作盤から前述のロボット制御装置３のメモリ内の作業プログラムに書込まれるのが好ましい。

ロボット制御装置３は、レーザ発振器用制御装置６に対して、レーザ照射に関する指令値を出力する。この指令値には、パルスレーザの照射条件である、レーザパワー、繰返し周波数、及びデューティ比などが含まれる。あるいは、レーザ発振器用制御装置６内のメモリ（図示せず）に上記のような照射条件を予め保存しておき、保存された照射条件のうち、どの照射条件を使用するかの選択と、照射開始及び照射終了のタイミングとをロボット制御装置３からの指令に含めてもよい。
前者の場合、すなわち、ロボット制御装置３がレーザ照射に関する指令値をレーザ発振器用制御装置６に対して出力する構成においては、照射条件に関する情報をロボット制御装置３から画像処理装置９に通知することができる。
後者の場合、すなわち、レーザ発振器用制御装置６内のメモリに照射条件を予め保存しておく構成においては、該メモリ内の照射条件を、ロボット制御装置３を介して、後述の画像処理装置９に通知することができる。この場合、図示されていないが、レーザ発振器用制御装置６のメモリ内の照射条件を画像処理装置９に直接的に通知してもよい。

さらに、ロボット制御装置３は、レーザ照射装置用制御装置４に対して、レーザ照射装置２によるレーザ光の照射位置や焦点位置などに関する指令値を出力する。照射位置や焦点位置に関する指令値は、ロボット制御装置３から画像処理装置９に通知することができる。
レーザ照射装置用制御装置４は、ロボット制御装置３からの指令に基づき、前述したレーザ照射装置２内に備えられたガルバノ機構やレンズ位置調整機構をそれぞれ駆動する各モータを制御する装置である。レーザ照射装置用制御装置４は、ロボット制御装置３内に組込まれていてもよい。

レーザ発振器５は、レーザ光をレーザ照射装置２に供給するようにレーザ発振を行うレーザ供給源である。レーザ発振器の種類として、ファイバーレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザなどがあるが、本発明においては、加工に使用可能なレーザを出力できるものであれば、レーザ発振器の種類は特に限定されない。

レーザ発振器用制御装置６は、ロボット制御装置３からの指令に基づいて、加工用レーザ光を発振するレーザ発振器５を制御する。あるいは、前述したように、レーザ発振器用制御装置６は照射条件を保存するメモリを備え、ロボット制御装置３からの指令に応じて、該メモリ内から照射条件を選択してレーザ発振器５を制御してもよい。
レーザ発振器用制御装置６は、ロボット制御装置３内に組込まれていてもよい。
とりわけ、本実施形態においては、ロボット制御装置３からの指令に応じて、レーザ光の出力を伴わないレーザ加工動作を実施することができる。

なお、前述したロボット１、ロボット制御装置３及び画像処理装置９のそれぞれは、バスを介して互いに接続された、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ、ＣＰＵ、及び通信制御部を備えたコンピュータシステム（図示せず）によって構成されるのが好ましい。
画像処理装置９を構成するコンピュータシステムが備えるＲＯＭには、該コンピュータシステムを前述の拡張現実画像処理部９ａとして機能させるアプリケーションソフトウェア（プログラム）が保存されているのが好ましい。拡張現実画像処理部９ａの機能及び動作は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づき、画像処理装置９内のＣＰＵによりロボット制御装置３、レーザ照射装置用制御装置４や表示装置１０などと協働して実行されるのが好ましい。

ここで、図４は、図１に示されたレーザ加工ロボットシステムを使用してレーザ加工を行うときの様子を示したイメージ図である。図５は、図２に示されたレーザ加工ロボットシステムを使用してレーザ加工を行うときの様子を示したイメージ図である。

図４及び図５に示されるように、ロボットアームの先端部１ａに装着されたレーザ照射装置２を作業台７のワークＷから上方に離れた位置に移動させ、レーザ照射装置２からの加工用レーザ光の出力を伴わないレーザ加工動作をロボット１に実行させたとする。
このとき、図４に示される例においては、撮像装置８の撮像対象である現実空間上の作業風景と、拡張現実技術によって生成されたレーザ光の仮想画像１４とが表示装置１０の画面１５上に表示される。
図５に示される例においては、表示装置１０が、カメラ機能を備えた眼鏡型ヘッドマウントディスプレイである。この場合、作業者１６が装着した眼鏡型ヘッドマウントディスプレイのカメラ機能により、現実空間上の作業風景が撮像される。そして、この現実空間上の作業風景と、拡張現実技術によって生成されたレーザ光の仮想画像１４とが、作業者１６の眼に対応するように装着されたヘッドマウントディスプレイの画面１５上に表示される。
より具体的には、図４及び図５に示されるように、レーザ光の仮想画像１４は、レーザ照射装置２からワークＷにレーザ光が仮想的に照射されているように前述の拡張現実画像処理部９ａにより生成されつつ、表示装置１０に表示される。
とりわけ、図５に示されるようなヘッドマウントディスプレイを採用した場合には、作業者１６は仮想のレーザ加工動作の様子をいかなる場所からでも視認することができるようになる。

（動作）
次に、レーザ加工ロボットシステム１００の動作について説明する。ここでは、図１に例示されたレーザ加工ロボットシステム１００において、ワークＷに対するレーザ加工作業をロボット１へ教示するときの動作を説明する。勿論、以下の動作は、図２に例示されたレーザ加工ロボットシステム１００の場合にも同様に適用しえる。

図１に示されたレーザ加工ロボットシステム１００において、ロボット制御装置３のメモリ（図示せず）には、ワークＷに対するレーザ加工の作業動作や加工条件などが記述された作業プログラムが予め記憶されているものとする。さらに、ワークＷを固定する作業台７の位置や、撮像装置８の位置及び姿勢は、ロボット１の設置位置を基準としたワールド座標系（ベース座標系ともいう。）によって定義されている。撮像装置８の撮像位置と、ロボット１などの現実空間における物体の位置との相関関係は事前にキャリブレーションによって求められているものとする。

レーザ加工作業をロボット１へ教示するために、作業者は教示操作盤によってロボット１を操作して、ロボットアームの先端部１ａのレーザ照射装置２を、作業台７上のワークＷから上方に離れた位置に移動し、ロボット１によるレーザ加工動作を行う。このとき、レーザ発振器用制御装置６は、レーザ発振器５を制御して加工用レーザ光をレーザ照射装置２に供給しないようにする。つまり、レーザ加工作業のロボット教示中においては、レーザ照射装置２からワークＷへ加工用レーザ光が出力されないようにする。
教示作業中、ロボット制御装置３は、ロボットアームの先端部１ａの位置についてロボット１に指令した指令値や、レーザ照射装置２内の反射ミラーの回転角度及びレンズの位置についてレーザ照射装置用制御装置４に指令した指令値を画像処理装置９に通知する。

ロボット教示作業の様子は、撮像装置８によってリアルタイムに撮像されており、撮像した画像は画像処理装置９に送られる。
画像処理装置９において、拡張現実画像処理部９ａは、レーザ照射装置２からワークＷの面上にレーザ光を照射したと仮定したときのレーザ光自体と該レーザ光の照射位置を表す仮想画像を生成しつつ、撮像装置８により撮像された実画像に重ねあわせる処理を行う。

図６は、現実空間における作業風景の画像上にレーザ光の仮想画像を生成する方法の概念を説明するための図である。以下に、主に図６を参照しつつ、撮像された実画像上にレーザ光の仮想画像を生成する方法について具体的に述べる。

初めに、現実空間上におけるロボット１の設置位置をＯ点とし、ロボットアームの先端部１ａに装着されたレーザ照射装置２のレーザ照射口２ａの位置をＳ点とし、Ｏ点とＳ点とを結ぶベクトルＲを求める（図６）。

Ｏ点は、ロボット１のアーム部による加工動作の原点とする。本実施形態においては、ロボット１の設置位置をＯ点としているが、ロボット１の本体上の動かない位置をＯ点としてもよい。
一方、Ｓ点は、Ｏ点を基準としたロボットアームの先端部１ａの位置と、先端部１ａに装着されたレーザ照射装置２の、レーザ照射口２ａの位置情報を含む図形情報とから求めることができる。
具体的には、ロボット制御装置３から出力されたロボットアームの先端部１ａの位置に関する指令値、またはロボット１の各関節軸のサーボモータに設けられたパルスコーダによって検出される検出値（回転角度）から、ロボットアームの先端部１ａの位置を求める。そして、この先端部１ａに対するレーザ照射装置２の取付位置と、この取付位置に対するレーザ照射装置２のレーザ照射口２ａの位置とから、前述のＳ点の位置を求める。
先端部１ａに対するレーザ照射装置２の取付位置とレーザ照射口２ａの位置は、レーザ照射装置２を設計した際の図面情報から取得可能である。

続いて、レーザ照射装置２により照射された加工対象上の位置、すなわち、ワークＷの面上におけるレーザ照射位置をＰ点とし、レーザ照射装置２のレーザ照射口２ａの位置として既に取得したＳ点を用い、Ｓ点とＰ点とを結ぶベクトルＬを求める（図６）。

レーザ照射装置２内に前述のガルバノ機構（図３参照）が備えられている場合には、Ｐ点の位置は、ロボット制御装置３からレーザ照射装置用制御装置４へ出力された照射位置に関する指令値と、既に取得したＳ点の位置とに基づいて求めることができる。あるいは、Ｐ点の位置は、前述のガルバノ機構の各モータ１３Ｘ、１３Ｙに備えられたパルスコーダにより実際に検出される検出値（回転角度）と、既に取得したＳ点の位置とに基づいて求めることもできる。
レーザ照射装置２が前述のレンズ位置調整機構（図示せず）をさらに備えている場合には、レーザ光の焦点位置は、ロボット制御装置３からレーザ照射装置用制御装置４へ出力された焦点位置に関する指令値と、既に取得したＳ点の位置とに基づいて求めることができる。あるいは、レーザ光の焦点位置は、レンズ位置調整機構のモータに備えられたパルスコーダにより実際に検出される検出値（回転角度）と、既に取得したＳ点の位置とに基づいて求めることもできる。
なお、照射位置や焦点距離が任意に変更可能な機構を備えず、照射位置が固定の位置となるレーザ照射装置２の場合は、Ｓ点とＰ点とを結ぶベクトルＬはレーザ照射装置２の機械的な設計情報から簡単に求めることができる。

続いて、現実空間上における撮像装置８の設置位置をＱ点とし、ロボット１の設置位置としてのＯ点の位置を用い、Ｑ点とＯ点とを結ぶベクトルＣを求める（図６）。
撮像装置８の位置がロボット１の設置位置に対して固定されている場合は、事前に互いの位置をキャリブレーションしておくことにより、ベクトルＣを求めることができる。
一方、撮像装置８の位置がロボット１の設置位置に対して変更可能である場合は、撮像装置８の初期の設置位置においてロボット１の設置位置との相関関係をキャリブレーションしておく。そして、撮像装置８の位置を変更したときに、撮像装置８に内蔵された不図示のジャイロセンサ、三次元加速度センサ、ＧＰＳ（Global Positioning System）などを用いて、撮像装置８の、初期の設置位置からの移動距離を求める。これにより、撮像装置８の位置がロボット１の設置位置に対して変更可能であっても、ベクトルＣを求めることができる。
また、レーザ照射装置２及びロボット１の形状を三次元モデルマッチング用のモデルデータとして撮像装置８内に予め備えておけば、その三次元モデルデータと撮像した画像とのマッチング処理により、撮像装置８とロボット１との相対位置を求めることができる。このため、そのような三次元モデルマッチングにより得られる相対位置情報からベクトルＣを求めてもよい。

続いて、前述のように求めたベクトルＣとベクトルＲとベクトルＬを合成し、ベクトルＤを求める（図６における破線）。このベクトルＤは、撮像装置８の設置位置（Ｑ点）とレーザ照射位置（Ｐ点）とを結ぶベクトルとなる。
ベクトルＤの情報から、撮像装置８の設置位置で撮像された実画像上に、レーザ照射位置（Ｐ点）や、レーザ照射装置２からのレーザ照射方向を表すことができる。これにより、画像処理装置９の拡張現実画像処理部９ａは、撮像装置８の撮像画像上に、レーザ照射装置２から照射されるレーザ光やそのレーザ照射位置を仮想的に生成できるようになる。

したがって、前述の拡張現実画像処理部９ａは、レーザ照射装置２からワークＷの面上にレーザ光が照射されたと仮定したときのレーザ光とそのレーザ照射位置を表す仮想画像を生成しつつ、撮像装置８により撮像された実画像に重ねあわせる。そして、拡張現実画像処理部９ａは、重ねあわせた画像を表示装置１０に表示する。例えば、図４及び図５に示されるように、表示装置１０の画面１５には、ロボット１に装着されたレーザ照射装置２からワークＷの面上に仮想的にレーザ光が照射されている仮想画像１４が表示される。

さらに言えば、作業中、画像処理装置９にはロボット１の先端部１ａの位置に関する指令値または検出値や、レーザ照射装置２が照射するレーザ光の照射位置、照射条件や、レンズの焦点距離に関する指令値または検出値がロボット制御装置３などから通知される。これらの情報に基づいて、画像処理装置９の拡張現実画像処理部９ａは仮想画像１４を生成している。

さらに、画像処理装置９には、レーザ照射装置２が装着されたロボット１と撮像装置８との相対位置、例えば相対角度や相対姿勢に関するデータも事前に入力されている。このため、ロボット１と撮像装置８との相対位置が変われば、それに応じて、レーザ光の仮想画像１４は、撮像装置８により撮像されたロボット１の作業風景の実画像に合致するように変化する。このことは、図２に示されたような移動自在なヘッドマウントディスプレイからなる表示装置１０を備えたレーザ加工ロボットシステム１００の場合にも該当する。

また、前述したようにレーザ光の仮想画像１４を表示装置１０に表示させるとき、レーザ光の仮想画像１４が見やすくなるように、以下のような表示処理を行うことが好ましい。
例えば、拡張現実画像処理部９ａは、レーザ光の仮想画像１４を生成する際に該レーザ光の表示色及び表示サイズのうちの少なくとも一方を変更するようにしてもよい。
具体的には、表示すべきレーザ光の色や光軸の太さ、該レーザ光の照射位置における照射半径などを任意に変えてもよい。
この場合、拡張現実画像処理部９ａは、レーザ照射装置２からレーザ光を照射するときの照射条件に応じて、レーザ光の表示色及び表示サイズのうちの少なくとも一方を変更してもよい。例えば、レーザのパワーの大小に応じて、レーザ光の表示色の濃淡を分けてもよい。

さらに、拡張現実画像処理部９ａは、仮想画像１４として表されたレーザ光及び該レーザ光の照射位置のうちの少なくとも一方の軌跡を表示装置１０に表示するようにしてもよい。例えば、レーザ加工作業の教示が完了した後も、教示中のレーザ照射位置の軌跡（すなわち、レーザスポットの移動軌跡）を画像として表示装置１０の画面に残しておけば、レーザ照射位置の確認がより容易になる。
このようなレーザ照射位置の軌跡を示す画像に付随して、レーザ照射条件に関する情報、例えばパルスレーザの照射条件である、レーザパワー、繰返し周波数、及びデューティ比などといった数値情報を表示装置１０に表示してもよい。つまり、拡張現実画像処理部９ａは、レーザ照射条件に関する情報をレーザ光やレーザ照射位置などの仮想画像１４と共に表示装置１０に表示するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、ロボット１に装着されたレーザ照射装置２から照射されるレーザ光の画像を仮想的に生成し、生成されたレーザ光の仮想画像を、撮像装置８により撮像されたロボット１の実画像上に重ねて表示することができる。つまり、本実施形態によれば、拡張現実技術を利用して、仮想画像としての加工用レーザ光及びその照射位置を現実の作業空間の画像上に表示することができる。このため、実際に加工用レーザ光を照射しなくても、作業者は画面上で加工用レーザ光及びその照射位置を安全かつ容易に視認することができる。
とりわけ、加工用レーザ光は仮想的に表示されるため、レーザ照射装置に、パイロットレーザを照射するための機構を搭載する必要がなくなる。また、加工用レーザ光に人体が曝露される危険性もなくなる。
以上のことは、レーザ加工ロボットシステム１００を用いてリモートレーザ加工を行う場合に特に有効である。

また、前述したレーザ加工ロボットシステム１００は、レーザ照射位置などの仮想画像１４を表示装置１０に表示するのではなく、プロジェクタを用いて、現実空間上に投影するように構成されていてもよい。

以上では典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。また、上述の各実施形態を適宜組み合わせることは本発明の範囲に含まれる。

１００ レーザ加工ロボットシステム
１ ロボット
１ａ
２ レーザ照射装置
３ ロボット制御装置
４ レーザ照射装置用制御装置
５ レーザ発振器
６ レーザ発振器用制御装置
７ 作業台
８ 撮像装置
９ 画像処理装置
１０ 表示装置
１１ レーザ光源
１２Ｘ、１２Ｙ 反射ミラー
１３Ｘ、１３Ｙ モータ
１４ 生成されたレーザ光の仮想画像
１５ 表示装置の画面
１６ 作業者
Ｗ ワーク

Claims (8)

1. 加工用のレーザ光を照射するレーザ照射装置（２）が装着されたアーム部を備えたロボット（１）を用いて加工対象（Ｗ）にレーザ加工を行うレーザ加工ロボットシステム（１００）において、
   前記レーザ光の出力を伴わない前記レーザ加工の動作を前記ロボット（１）に実行させることが可能なロボット制御装置（３）と、
   前記レーザ光の出力を伴わない前記レーザ加工の動作を前記ロボット（１）に実行させたときの前記ロボット（１）を含む実画像を撮像する撮像装置（８）と、
   前記実画像をリアルタイムに表示する表示装置（１０）と、
   前記ロボット制御装置（３）に接続され、前記実画像に対して拡張現実画像処理を行う拡張現実画像処理部（９ａ）を有する画像処理装置（９）と、を備え、
   前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記レーザ照射装置（２）から前記加工対象に前記レーザ光を照射したと仮定したときのレーザ光及び該レーザ光の照射位置のうちの少なくとも一方を表す仮想画像（１４）を前記実画像に重ねあわせ、重ねあわせた画像を前記表示装置（１０）に表示するようになされている、レーザ加工ロボットシステム（１００）。
2. 前記レーザ照射装置（２）は、前記ロボット制御装置（３）からの指令に応じてレンズの位置を調整することにより焦点距離を変えるレンズ位置調整機構を備え、
   前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記焦点距離または前記レンズの位置に関する指令値または検出値に基づいて、前記仮想画像（１４）を生成するようにした、請求項１に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。
3. 前記レーザ照射装置（２）は、前記ロボット制御装置（３）からの指令に応じて前記加工対象の面上における前記レーザ光の照射位置を変えられる照射位置変更機構を備え、
   前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記照射位置に関する指令値または検出値に基づいて、前記仮想画像（１４）を生成するようにした、請求項１または２に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。
4. 前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記仮想画像（１４）として表された前記レーザ光及び該レーザ光の照射位置のうちの少なくとも一方の軌跡を前記表示装置（１０）に表示するようにした、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。
5. 前記ロボット制御装置（３）は、前記レーザ光を照射するときの照射条件に関する情報を前記画像処理装置（９）に通知するようになされており、
   前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記照射条件に関する情報を前記仮想画像（１４）と共に前記表示装置（１０）に表示するようにした、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。
6. 前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記仮想画像（１４）を生成する際に前記レーザ光の表示色及び表示サイズのうちの少なくとも一方を変更するようにした、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。
7. 前記拡張現実画像処理部（９ａ）は、前記レーザ光を照射するときの照射条件に応じて、前記レーザ光の表示色及び表示サイズのうちの少なくとも一方を変更するようにした、請求項６に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。
8. 前記表示装置（１０）が、前記撮像装置（８）と一体的に構成されたヘッドマウントディスプレイである、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ加工ロボットシステム（１００）。

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