JP2022131113A - 溶接作業装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤを用いた溶接作業を正確に行うことができる溶接作業装置を提供すること。【解決手段】作業装置１は、ワイヤ９を突出させて支持し、ワイヤ９を用いて溶接作業を行う溶接作業部としてのトーチ１４と、トーチ１４から突出したワイヤ９の先端９１の３次元上の位置を検出する検出部８とを備える。また、検出部８は、トーチ１４から突出したワイヤ９の３次元上の姿勢を検出する。さらに、検出部８は、少なくともワイヤ９の先端９１が含まれる画像を撮像する撮像部１７を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接作業装置に関する。

溶接ツールが取り付けられたロボットアームを遠隔操作で操作し、溶接を行う溶接装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の溶接装置では、ロボットアームに設置された画像取得装置により、溶接ツールおよび溶接対象物（被加工物）の画像を取得することができる。そして、作業者は、画面（モニター）に表示された前記画像を視認しつつ、遠隔操作を行うことができる。

特表２０１９－５０５３９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の溶接装置では、溶接ワイヤを用いて溶接を行う場合、画像取得装置と溶接ワイヤとの位置関係、すなわち、溶接ワイヤに対する画像取得装置の撮像方向によっては、作業者が、ワイヤの位置、特に、ワイヤ先端の３次元上の位置を把握することができず、溶接作業を正確に行うことができないという問題があった。
本発明の目的は、ワイヤを用いた溶接作業を正確に行うことができる溶接作業装置を提供することにある。

本発明の溶接作業装置の一つの態様は、前記ワイヤを突出させて支持し、該ワイヤを用いて溶接作業を行う溶接作業部と、
前記溶接作業部から突出した前記ワイヤの先端の３次元上の位置を検出する検出部とを備える。

本発明によれば、例えば検出部を、少なくともワイヤの先端が含まれる画像を撮像する撮像部で構成した場合、この撮像部により、異なる撮像方向からの画像を複数得ることができる。そして、これらの画像に対し、所定の画像処理を行うことにより、ワイヤの先端の３次元上の位置を検出することができる。
溶接作業装置を操作する作業者は、上記で検出されたワイヤの先端の３次元上の位置を把握して、ワイヤの先端と溶接対象物との位置決めをすることができる。これにより、溶接対象物に対する溶接を正確に行うことができる。

図１は、本発明の溶接作業装置の第１実施形態を示す斜視図である。 図２は、図１に示す溶接作業装置の遠隔操作状態を示すイメージ図である。 図３は、図１に示す溶接作業装置の主要部のブロック図である。 図４は、本発明の第１実施形態において撮像部が回転された状態を示す平面図である。 図５は、本発明の第１実施形態において表示装置に表示される画像である。 図６は、本発明の第１実施形態においてワイヤの先端の位置を検出する過程を説明するための図である。 図７は、本発明の溶接作業装置の第２実施形態を示す垂直断面側面図である。 図８は、本発明の溶接作業装置の第３実施形態を示す平面図である。 図９は、本発明の溶接作業装置の第４実施形態を示す垂直断面側面図である。

以下、本発明の溶接作業装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
なお、以下では、説明の都合上、図１および図４～図９中の上側を「上（または上方）」、下側を「下（または下方）」と言う。また、説明の便宜上、互いに直交する（交差する）３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定する。一例として、Ｘ軸とＹ軸を含むＸＹ平面が水平となっており、Ｚ軸が鉛直となっている。

＜第１実施形態＞
図１～図６を参照して、本発明の溶接作業装置の第１実施形態について説明する。
作業装置（作業システム）１は、溶接作業に用いられる溶接作業装置である。作業装置１は、溶接車両１０（図１参照）と、遠隔操作装置２（図２参照）と、表示装置３（図２参照）と、制御装置４（図３参照）とを備える。

図１に示すように、溶接車両１０は、水平に設置された鉄製の板材（鋼板）２０上を矢印α方向に移動しながら、溶接対象であるワーク、すなわち、板材２０同士を溶接する溶接ロボット（作業車両）である。溶接後、この板材２０は、例えば、床として使用される。
溶接車両１０は、車体１１と、溶接装置１２と、４つの車輪１８と、各車輪１８を回転駆動させる駆動部１６とを備える車両である。
また、図２、図３に示すように、溶接車両１０は、撮像部１７を備える。

車体１１は、各車輪１８（車輪本体）を回転可能に支持する回動支持部（支持部）１３を有する。
また、各回動支持部１３の外側には、駆動部１６が固定されている。駆動部１６は、例えばギアモータ（ギアードモータ）で構成され、車輪１８に連結されている。そして、駆動部１６が作動することにより、車輪１８を回転させることができる。この回転により、溶接車両１０は、板材２０の表側の面（上面）を走行面２０１として、走行することができる。
なお、車輪１８の配置数は、本実施形態では４つであるが、これに限定されない。

車体１１上には、溶接装置１２が搭載されている。溶接装置１２は、トーチ（溶接トーチ）１４と、トーチ１４を変位可能に支持する変位機構１５とを備える。
トーチ１４は、ワイヤ９を突出させて支持し、ワイヤ９を用いて板材２０に対する溶接作業を行う溶接作業部である。トーチ１４は、アーク放電によりアーク溶接を行うよう構成されている。このアーク溶接により、板材２０同士を容易かつ強固に溶接することができる。
なお、溶接前の板材２０同士の間には、溝２０２が形成される。そして、トーチ１４でワイヤ９を溶融して、当該溶融された溶融物で溝２０２を埋めることにより、板材２０同士が溶接される。
溝２０２は、板材２０の用途にもよるが、例えば、全長が５ｍ以上、幅が５ｍｍ程度、深さが１０ｍｍ程度である。
また、本実施形態では、溝２０２の長手方向がＸ軸方向と平行であり、溝２０２の幅方向がＹ軸方向と平行であり、溝２０２の深さ方向がＺ軸方向と平行でとなっている。

変位機構１５は、第１移動機構１５１と、第２移動機構１５２と、第３移動機構１５３と、回動機構（角度調整機構）１５４とを有する。
第１移動機構１５１は、トーチ１４を車体１１に対して、矢印α方向と平行な方向（Ｘ軸方向）に移動させる機構である。

第１移動機構１５１には、第２移動機構１５２が連結されている。第２移動機構１５２は、トーチ１４を車体１１に対して、矢印α方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に移動させる機構である。
第２移動機構１５２には、第３移動機構１５３が連結されている。第３移動機構１５３は、トーチ１４を車体１１に対して、上下方向（Ｚ軸方向）に移動させる機構である。

第３移動機構１５３には、回動機構１５４が連結されている。回動機構１５４は、トーチ１４を車体１１に対して水平軸回りに回動させる機構である。
このような構成の変位機構１５により、板材２０同士の継ぎ目に対するトーチ１４の位置および姿勢を適宜変更することができ、溶接を容易に行うことができる。
図２に示すように、回動機構１５４とトーチ１４とを連結する連結部１５５には、連結部材１７１を介して、撮像部１７が連結、支持されている。撮像部１７は、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラ等で構成され、少なくともワイヤ９の先端９１が含まれる画像を撮像することができる。

図２に示すように、遠隔操作装置２は、作業者（オペレータ）ＷＫが溶接車両１０から離れた別室等で、溶接車両１０に対して遠隔操作を行う装置である。従って、作業装置１は、作業者ＷＫの操作に溶接車両１０が遅延なく追従するリーダフォロアシステムとなっている。なお、遠隔操作により、溶接作業を安全に行うことができる。
遠隔操作装置２は、作業者ＷＫによって把持され、所望の方向に力を加えることができる遠隔操作部２１を有する。

作業者ＷＫは、遠隔操作部２１をＸ軸方向に力を加えて、操作すれば、変位機構１５の第１移動機構１５１を介して、トーチ１４をＸ軸方向に移動させることができる。
同様に、作業者ＷＫは、遠隔操作部２１をＹ軸方向に力を加えて、操作すれば、変位機構１５の第２移動機構１５２を介して、トーチ１４をＹ軸方向に移動させることができる。
また、作業者ＷＫは、遠隔操作部２１をＺ軸方向に力を加えて、操作すれば、変位機構１５の第３移動機構１５３を介して、トーチ１４をＺ軸方向に移動させることができる。
このように、遠隔操作部２１は、変位機構１５を作動させて、トーチ１４をＸ軸方向と、Ｙ軸方向と、Ｚ軸方向とに移動させ得る遠隔操作を行うことができる。遠隔操作部２１としては、特に限定されず、例えば、ジョイスティック等を用いることができる。

また、作業装置１では、溶接車両１０および遠隔操作装置２とともに表示装置３も用いられる。
図３に示すように、表示装置３は、表示部３１を有する。表示部３１は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等で構成され、撮像部１７で撮像された画像を表示することができる。作業者ＷＫは、表示部３１に表示された画像を視認しながら、遠隔操作を行うことができる。

制御装置４は、例えばパーソナルコンピュータで構成される。制御装置４は、溶接車両１０、遠隔操作装置２および表示装置３と電気的に接続されており、これらの作動を制御することができる。なお、「電気的な接続」とは、無線による接続、有線による接続のいずれもでもよい。
制御装置４は、ＣＰＵ４１と、記憶部４２と、送信部４３とを有する。
ＣＰＵ４１は、記憶部４２に記憶されているプログラム等を実行することができる。
送信部４３は、遠隔操作装置２からの入力信号、すなわち、命令を溶接車両１０の受信部１０１に送信することできる。そして、受信部１０１は、遠隔操作装置２からの入力信号を受信することができる。これにより、入力信号どおりに溶接車両１０を遠隔操作することができる。

前述したように、トーチ１４は、ワイヤ９を突出させて支持し、ワイヤ９を用いて板材２０に対する溶接作業を行うことができる。
ワイヤ９は、溶接により溶融して消耗されていくため、ワイヤ９の先端９１は、時々刻々と位置が変化する。なお、ワイヤ９は、溶接によって消耗された分、ワイヤ９の供給元からトーチ１４に向かって所定の供給速度で送り出される。
そして、例えば、連続した１回の溶接が完了してから、次の溶接を開始する際には、トーチ１４からのワイヤ９の突出量を調整して、その溶接を行う。なお、ワイヤ９の突出量は、適宜変更される。

また、ワイヤ９の直径は、例えば１．２ｍｍ程度であるため、図２に示すように、トーチ１４から突出したワイヤ９は、湾曲した状態となる。この湾曲形状は、ワイヤ９の性質上、常に一定には定まらない。
このように、作業装置１では、ワイヤ９の先端９１が溶接に伴って位置が変化することと、ワイヤ９の突出量が適宜調整されることと、ワイヤ９が湾曲形状をなすことと等の諸条件によって、溶接開始時の先端９１の３次元上の位置は、常に一定には定まらない。
そのため、作業者ＷＫは、溶接開始する際に先端９１の３次元上の位置を把握できていないと、先端９１と板材２０との位置決めをすることができず、結果、板材２０に対する溶接を正確に行うことができない。

そこで、作業装置１では、このような不具合を解消するよう構成されている。以下、この構成および作用について説明する。
作業装置１では、撮像部１７は、トーチ１４から突出したワイヤ９の先端９１の３次元上の位置を検出する検出部８として機能する。
また、連結部１５５には、撮像部１７の撮像方向を変更する撮像方向変更部５が内蔵されている。撮像方向変更部５は、例えばモータ等で構成され、図４に示すように、撮像部１７をワイヤ９の先端９１回りに回転可能に支持することができる。この回転により、撮像部１７の撮像方向を変更することができ、異なる撮像方向からの画像が複数得られる。

そして、制御装置４のＣＰＵ４１は、例えば各画像に対して二値化処理を行い、各画像でのワイヤ９の先端９１を抽出する。次いで、ＣＰＵ４１は、この抽出結果に基づいて、先端９１の３次元上の位置を演算し、座標（Ｘ９１、Ｙ９１、Ｚ９１）として検出する。
なお、図５に示すように、表示部３１には、先端９１の３次元上の位置が、座標（Ｘ９１、Ｙ９１、Ｚ９１）で表示されてもよい。
これにより、作業者ＷＫは、ワイヤ９の先端９１の３次元上の位置を把握して、先端９１と板材２０との位置決めをすることができる。その結果、板材２０に対する溶接を正確に行うことができる。
なお、撮像部１７の回転中心は、先端９１が好ましいが、前述したように先端９１の位置は常に一定には定まらないため、連結部１５５の中心軸Ｏ１５５であってもよい（図２参照）。

また、連結部１５５には、撮像方向変更部５よりも下方に、トーチ回転支持部６が内蔵されている。トーチ回転支持部６は、例えばモータ等で構成され、トーチ１４をワイヤ９ごとワイヤ９の先端９１回りに回転可能に支持することができる。
なお、トーチ１４の回転中心は、先端９１が好ましいが、撮像部１７の回転中心と同様に、連結部１５５の中心軸Ｏ１５５とすることができる。
例えば、図４に示すように、撮像部１７を「θ」の回転角度で回転させた場合を考えてみる。この場合、トーチ１４も撮像部１７ともに回転角度θで回転してしまうと、撮像部１７で撮像された複数の画像は、いずれも、ワイヤ９の先端９１に対して同じ方向からの画像となってしまう。

そのため、撮像部１７を回転角度θで回転させた際には、トーチ回転支持部６によって、トーチ１４を「－θ」の回転角度で回転させる。これにより、撮像部１７で撮像された複数の画像は、互いに異なる撮像方向からの画像となる。
そして、前述したように、各画像に対して二値化処理を行い、各画像でのワイヤ９の先端９１を抽出すれば、先端９１の３次元上の位置を、座標（Ｘ９１、Ｙ９１、Ｚ９１）として検出することができる。

また、撮像部１７は、トーチ１４から突出したワイヤ９の３次元上の形状（姿勢）を検出することもできる。この検出方法としては、例えば、撮像部１７で撮像された、異なる撮像方向からの複数の画像に対して二値化処理を行い、各画像でのワイヤ９を抽出する。次いで、この抽出結果に基づいて、ワイヤ９の３次元上の形状を構築していけば、結果として、ワイヤ９の３次元上の形状を検出することができる。
そして、ワイヤ９の先端９１の３次元上の位置検出と、ワイヤ９の３次元上の形状検出との相乗効果により、先端９１と板材２０との位置決めをより正確に行うことができる。これにより、溶接作業の正確性を向上させることができる。

次に、回転により２つの位置（第１位置および第２位置）に変位した撮像部１７によって、ワイヤ９の先端９１の位置を検出する、より具体的な方法（一例）について、図６を参照しつつ説明する。なお、本方法は、株式会社アイディール、［令和３年２月７日検索］、インターネット〈https://eyedeal.co.jp/img/stereo_algorithm1.pdf〉に開示された方法である（以下この文献を「参考文献」という）。
本方法では、まず、対象物（ワイヤ９）の座標系をΣｗ、第１位置での撮像部１７（以下「カメラ１と言う」）のカメラ座標系をΣｃ１、その画像座標系をΣｕ１、第２位置での撮像部１７（以下「カメラ２と言う」）のカメラ座標系をΣｃ２、その画像座標系をΣｕ１として割り付ける。

なお、座標系Σｗ上における３次元点（ワーク９の先端９１の３次元位置）^ｗｑに対して、カメラ１で投影した座標を^ｕ１ｑを、カメラ２で投影した座標を^ｕ２ｑとする。
この場合、
ｓ１×^ｕ１ｑ＝^ｕ１Ｐ_ｗ×^ｗｑ ・・・ （１）
ｓ２×^ｕ２ｑ＝^ｕ２Ｐ_ｗ×^ｗｑ ・・・ （２）
なる関係を満足する。
^ｕ１Ｐ_ｗおよび^ｕ２Ｐ_ｗは、それぞれ、投影変換行列である。
そして、^ｕ１ｑ、^ｕ２ｑを入力して、^ｗｑを求めるが、このとき、ｓ１、ｓ２を消去しつつ、未知情報と既知情報とを整理して、式（１）と式（２）とをまとめる。なお、未知情報は、^ｗｑの転置行列であり、それ以外が既知情報となる。
式（１）と式（２）とをまとめた式が下記の式である。
Ｂ×^ｗｑ＝ｂ ・・・ （３）
Ｂ、ｂは、それぞれ、所定の行列である（上記参考文献参照）。

式（３）において、一般化逆行列を用いることにより、
^ｗｑ＝（Ｂ^Ｔ×Ｂ）^－１×Ｂ^Ｔ×ｂ
となり、^ｗｑを求めることができる。これにより、ワイヤ９の先端９１の３次元位置を検出することができる。

＜第２実施形態＞
以下、図７を参照して本発明の溶接作業装置の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
図７に示すように、連結部１５５には、連結部１５５から突出した連結部１５６を介して、トーチ１４が連結、固定されている。
また、トーチ１４よりも下方には、撮像部１７が配置されている。これにより、トーチ回転支持部６を省略しても、撮像部１７を回転角度θで回転させれば、ワイヤ９に対して、互いに異なる撮像方向からの画像を撮像することができる。そして、前述した画像処理により、ワイヤ９の先端９１の３次元上の位置を検出することができる。

＜第３実施形態＞
以下、図８を参照して本発明の溶接作業装置の第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
図８に示すように、本実施形態では、撮像部１７は、２つ設けられている。以下では、一方の撮像部１７を「撮像部１７Ａ」と言い、他方の撮像部１７を「撮像部１７Ｂ」と言う。
撮像部１７Ａは、Ｘ軸方向正側から撮像することができ、撮像部１７Ｂは、Ｙ軸方向正側から撮像することができる。このように、本実施形態では、撮像部１７Ａと撮像部１７Ｂとは、撮像方向が互いに異なる。これにより、ワイヤ９に対して、互いに異なる撮像方向からの画像を撮像することができる。そして、前述した画像処理により、ワイヤ９の先端９１の３次元上の位置を検出することができる。
なお、撮像部１７の設置数は、本実施形態では２つであるが、これに限定されず、例えば、３つ以上であってもよい。

＜第４実施形態＞
以下、図９を参照して本発明の溶接作業装置の第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説の説明し、同様の事項はその説明を省略する。
ワイヤ９の先端９１の位置を検出する検出部８は、前記各実施形態では撮像部１７であったが、図９に示すように、本実施形態では３次元センサ８１を有するものである。
なお、３次元センサ８１としては、例えば、２つのカメラを用いるステレオカメラ方式、赤外線を照射するカメラを用いるＴоＦ（Time of Flight）カメラ方式のもの等が挙げられる。
このような３次元センサ８１を用いることにより、撮像部１７を用いた場合に比べて、前記画像処理を省略することができ、よて、先端９１の３次元上の位置を迅速に検出することができる。

以上、本発明の溶接作業装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、溶接作業装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
また、本発明の溶接作業装置は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、検出部８として、例えば、単眼カメラを用いた場合、制御装置４で、深層学習（ディープラーニング）は機械学習等を行うことにより、ワイヤ９の先端９１の３次元位置を推定することもできる。

１ 作業装置（作業システム）
２ 遠隔操作装置
２１ 遠隔操作部
３ 表示装置
３１ 表示部
４ 制御装置
４１ ＣＰＵ
４２ 記憶部
４３ 送信部
５ 撮像方向変更部
６ トーチ回転支持部
８ 検出部
９ ワイヤ
９１ 先端
１０ 溶接車両
１０１ 受信部
１１ 車体
１２ 溶接装置
１３ 回動支持部（支持部）
１４ 溶接トーチ
１５ 変位機構
１５１ 第１移動機構
１５２ 第２移動機構
１５３ 第３移動機構
１５４ 回動機構（角度調整機構）
１５５ 連結部
１５６ 連結部
１６ 駆動部
１７ 撮像部
１７Ａ 撮像部
１７Ｂ 撮像部
１７１ 連結部材
１８ 車輪
１９ レーザ光照射部
２０ 板材（鋼板）
２０１ 走行面
２０２ 溝
Ｏ１５５ 中心軸
ＷＫ 作業者（オペレータ）
α 矢印

Claims (8)

1. 前記ワイヤを突出させて支持し、該ワイヤを用いて溶接作業を行う溶接作業部と、
   前記溶接作業部から突出した前記ワイヤの先端の３次元上の位置を検出する検出部とを備えることを特徴とする溶接作業装置。
2. 前記検出部は、前記溶接作業部から突出した前記ワイヤの３次元上の姿勢を検出する請求項１に記載の溶接作業装置。
3. 前記検出部は、少なくとも前記ワイヤの先端が含まれる画像を撮像する撮像部を有する請求項１または２に記載の溶接作業装置。
4. 前記撮像部の撮像方向を変更する撮像方向変更部を備える請求項３に記載の溶接作業装置。
5. 前記撮像方向変更部は、前記撮像部を前記ワイヤの先端回りに回転させる請求項４に記載の溶接作業装置。
6. 前記撮像部は、複数設けられており、各前記撮像部は、撮像方向が互いに異なる請求項３に記載の溶接作業装置。
7. 前記検出部は、３次元センサを有する請求項１または２に記載の溶接作業装置。
8. 前記作業部を移動させる遠隔操作を行う遠隔操作部を備える請求項１～７のいずれか１項に記載の溶接作業装置。
   
   

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