JP3198723U - 手動溶接作業を特性化するためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】実際の溶接を実時間において手作業で実行するときに溶接訓練者によって生成されるデータを捕捉し、処理し、且つ目に見えるフォーマットで提示することにより、溶接訓練者に有用な情報を提供する手動溶接作業を特性化するためのシステムを提供する。【解決手段】システム１０は、データを生成し、捕捉し、且つ処理するためのコンポーネントを含む。データ生成コンポーネント１００は、取付具４６、ワークピース、少なくとも１つの較正装置、及び溶接工具を更に含み、各較正装置は、それと一体的な少なくとも２つのポイントマーカを有する。データ捕捉コンポーネント２００は、ポイントマーカの画像を捕捉するための撮像システムを更に含み、データ処理コンポーネント３００は、データ捕捉コンポーネントから情報を受け取り且つ様々の位置及び向き計算を遂行するように動作する。【選択図】図２

Description

（関連出願の参照）
この実用新案登録出願は、２００９年７月８日付で出願された「Method and System for Monitoring and Characterizing the Creation of a Manual Weld」という名称の米国特許出願第１２／４９９，６８７号及び２０１０年１２月１３日付で出願された「Welding Training System」という名称の米国特許出願第１２／９６６，５７０号の一部継続出願であり、それらの開示の全文を、恰もここに完全に再び書かれたかのように、ここに参照として援用する。

記載される考案は、一般的には、手動溶接作業を特性化するためのシステムに関し、より具体的には、実際の溶接を実時間において手作業で実行するときに溶接訓練者によって生成されるデータを、捕捉し、処理し、且つ目に見えるフォーマットにおいて提示することによって、溶接訓練者に有用な情報を提供するためのシステムに関する。

熟練溶接工の深刻な不足の実感が今日の工場、造船所、及び建築現場において憂慮すべき事態になってきているので、効率的且つ経済的な溶接工訓練を求める製造業界の願望は、過去１０年間に亘って十分に文書化されている話題である。急速に退職する労働力は、遅いペースの従来的な指導者に基づく溶接工訓練と相俟って、より効果的な訓練技術の開発に対する起動力になっている。溶接に特異な手作業の器用技能の加速度的な訓練を可能にする革新が、アーク溶接基本の素早い啓発と共に、必要になってきている。ここに記載する特性化及び訓練システムは、溶接工訓練の改良のこの死活的な必要に取り組み、プロセスが産業全体の品質要求を満足するのに必要な許容可能な限界内にあることを保証するよう手作業溶接プロセスの監視（モニタリング）を可能にする。

今日まで、大部分の溶接プロセスは手作業で行われているが、それにも拘わらず、当該技術分野はこれらの手作業プロセスの履行（パフォーマンス）を追跡する実用的な商業的に利用可能なツールを欠く。よって、様々の条件の下で様々の種類の溶接を適切に実行するよう溶接工を訓練する効果的なシステムの継続的な必要がある。

以下は本考案の特定の例示的な実施態様の概要を提供する。この概要は徹底的な総覧でなく、本考案の鍵となる又は重大な特徴又は要素を特定することを意図せず、或いはその範囲を線引きすることを意図しない。

本考案の１つの特徴によれば、手動及び／又は半自動溶接作業及び実習を特性化するためのシステムが提供される。このシステムは、データ生成コンポーネントと、データ捕捉コンポーネントと、データ処理コンポーネントとを含む。データ生成コンポーネントは、取付具を更に含み、取付具の幾何学的特性は事前決定され、取付具に取り付けられるよう構成されるワークピースを更に含み、ワークピースは、溶接されるべき少なくとも１つの継手を含み、溶接されるべき継手に沿って延びるベクトルが作業路を定め、少なくとも１つの較正装置を更に含み、各較正装置は、それと一体的な少なくとも２つのポイントマーカを更に含み、ポイントマーカと作業路との間の幾何学的関係は事前決定され、溶接工具を更に含み、溶接工具は、溶接されるべき継手に溶接部を形成するように作動し、溶接工具は、工具先端と、工具ベクトルとを定め、溶接工具は、溶接工具に取り付けられるターゲットを更に含み、ターゲットは、所定のパターンにおいてその上に取り付けられる複数のポイントマーカを更に含み、ポイントマーカの所定のパターンは、剛体を定めるように作動する。データ捕捉コンポーネントは、ポイントマーカの画像を捕捉するための撮像システムを更に含む。データ処理コンポーネントは、データ捕捉コンポーネントから情報を受け取り、次に、撮像システムによって見ることが出来る三次元空間に対する作業路の位置及び向き、剛体に対する工具ベクトルの向き及び工具先端の位置、並びに作業路に対する工具ベクトルの向き及び工具先端の位置を計算するように作動する。

本考案の他の特徴によれば、手動及び／又は半自動溶接作業及び実習を特性化するためのシステムも提供される。システムは、データ生成コンポーネントと、データ捕捉コンポーネントと、データ処理コンポーネントとを含む。データ生成コンポーネントは、取付具を更に含み、取付具の幾何学的特性は事前決定され、取付具に取り付けられるよう構成されるワークピースを更に含み、ワークピースは、溶接されるべき少なくとも１つの継手を含み、溶接されるべき継手に沿って延びるベクトルが作業路を定め、少なくとも１つの較正装置を更に含み、各較正装置は、それと一体的な少なくとも１つのポイントマーカを更に含み、ポイントマーカと作業路との間の幾何学的関係は事前決定され、溶接工具を更に含み、溶接工具は、溶接されるべき継手に溶接部を形成するように作動し、溶接工具は、工具先端と、工具ベクトルとを定め、溶接工具は、溶接工具に取り付けられるターゲットを更に含み、ターゲットは、所定のパターンにおいてその上に取り付けられる複数のポイントマーカを更に含み、ポイントマーカの所定のパターンは、剛体を定めるように作動する。データ捕捉コンポーネントは、ポイントマーカの画像を捕捉するための撮像システムを更に含み、撮像システムは、複数のデジタルカメラを更に含む。画像信号雑音比を向上させるよう、ポイントマーカから反射され或いは放射される波長のみからの光を許容するために、少なくとも１つの帯域フィルタが、複数のデジタルカメラの各々のデジタルカメラのための光学配列内に組み込まれる。データ処理コンポーネントは、データ捕捉コンポーネントから情報を受け取り、次に、撮像システムによって見ることが出来る三次元空間に対する作業路の位置及び向き、剛体に対する工具ベクトルの向き及び工具先端の位置、並びに作業路に対する工具ベクトルの向き及び工具先端の位置を計算するように作動する。

本考案の追加的な機能及び特徴は、例示的な実施態様の以下の詳細な記載を判読し且つ理解した後に当業者に明らかになるであろう。当業者が理解するように、本考案の範囲及び精神から逸脱することなく、本考案の更なる実施態様が可能である。従って、図面及び関連する記載は本質的に例示的であると考えられるべきであり、限定的であると考えられるべきでない。

本明細書に組み込まれて本明細書の一部を形成する添付の図面は、本考案の１つ又はそれよりも多くの例示的な実施態様を概略的に例示し、上で与えられた一般的な記載及び以下に与えられる詳細な記載と共に、本考案の原理を説明する働きをする。

本考案の例示的な実施態様のデータ処理及び視覚化コンポーネントを通じる情報の流れを示すフローチャートである。 本考案の例示的な実施態様に従った手動溶接作業を特性化するための携帯式の又は半携帯式のシステムを示す等角図である。 図２のシステムの平坦アセンブリを示す等角図である。 図２のシステムの水平アセンブリを示す等角図である。 図２のシステムの垂直アセンブリを示す等角図である。 図２のシステムの平坦アセンブリ上の２つのポイントマーカの配置を示す図である。 例示的なワークピース作業路を示す図である。 ワークピース作業路を決定するための例示的なワークピース上の２つの能動又は受動ポイントマーカの配置を示す図である。 本考案の第１の較正コンポーネントの例示的な実施態様に含まれるプロセスステップを詳細に示すフローチャートである。 本考案の例示的な実施態様の溶接工具を示す図であり、剛体を定めるために用いられるポイントマーカの配置を示している。 本考案の例示的な実施態様の溶接工具を示す図であり、剛体の工具ベクトルを定めるために用いられるポイントマーカの配置を示している。 本考案の第２の較正コンポーネントの例示的な実施態様に含まれるプロセスステップを詳細に示すフローチャートである。

次に、図面を参照して本考案の例示的な実施態様を記載する。様々の素子及び構造に言及するために、詳細な説明を通じて参照番号を用いる。他の場合には、記載を単純化する目的のために、周知の構造及び装置をブロック図の形態で示す。以下の詳細な記載は例示の目的のために多くの明細を含むが、当業者は以下の詳細に対する多くの変形及び置換が本考案の範囲内にあることを理解するであろう。従って、本考案の以下の実施態様は、請求する発明に対する一般性を何ら失わずに、請求する発明に対して限定を課さずに示されている。

本考案は手動の溶接実習及び作業を観察し且つ特性化するための進歩的なシステムに関する。このシステムは、手作業の溶接技法を測定し且つその技法を確立した手順と比較するための手頃なツールを提供する溶接指示及び溶接訓練に特に有用である。この考案の訓練用途は、（ｉ）適用技能レベルをスクリーニングすること、（ｉｉ）時間の経過に伴う訓練者の進歩を評価すること、（ｉｉｉ）訓練時間及び費用を低減させるために実時間コーチングを提供すること、及び（ｉｖ）定量化可能な結果で溶接工技能レベルを定期的に再試験することを含む。処理、監視び品質管理用途は、（ｉ）好適な状況からの逸脱を実時間において特定すること、（ｉｉ）時間の経過に伴う手順の遵守を文書化し且つ追跡すること、（ｉｉｉ）統計的プロセス制御目的のために製造過程データを捕捉すること（例えば、熱入力測定値）、及び（ｉｖ）追加的な訓練を必要とする溶接工を特定することを含む。本考案のシステムは、様々の受け入れられている溶接手順の遵守の決定を可能にするという特異な利益を提供する。

本考案は、様々の例示的な実施態様において、ポイントクラウド（点群）画像解析に基づく単一の又は多数のカメラ追跡システムを用いて、溶接実習中にトーチ動作を測定し且つプロセスデータを集める。この考案は、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＳＭＡＷ、ＧＴＡＷ、及び切断を含む、広範なプロセスに適用可能であるが、それらに限定されない。本考案は、大きいサイズ、様々の継手種類、パイプ、プレート、及び複雑な形状を含む、ある範囲のワークピース構成に拡張可能である。測定されるパラメータは、作業角度、進行角度、ツールスタンドオフ、進行速度、ビード配置、ウィーブ、電圧、電流、ワイヤ送り速度、及びアーク長を含む。本考案の訓練コンポーネントを特定の溶接手順で事前設置し得るし、或いは指導者はそれをカスタマイズし得る。データは自動的に保存され且つ記憶され、溶接後解析は性能（パフォーマンス）に得点を付け、時間の経過に伴って進歩が追跡される。溶接訓練プログラム全体を通じてこのシステムを用い得る。このシステムは、ヘルメット内及び画面上の両方のフィードバックを含み得る。次に、図面を参照して、この考案の１つ又はそれよりも多くの具体的な実施態様を詳細に記載する。

図１に示されるように、本考案の例示的な実施態様では、溶接特性化システム１０のデータ収集コンポーネント１００、データ捕捉コンポーネント２００、並びにデータ処理（及び視覚化）コンポーネント３００を通じた情報の基本的な流れが、６つの基本的なステップ、即ち、（１）画像捕捉１１０、（２）画像処理１１２、（３）溶接パラメータとして知られる或いは好まれるアーク溶接データの入力２１０、（４）データ処理２１２、（５）データ記憶２１４、及び（６）データ表示３１０において起こる。画像捕捉ステップ１１０は、１つ又はそれよりも多くの市販品の高速ビジョンカメラを用いて、（互いに一定の幾何学的関係において配置される少なくとも２つのポイントマーカを含むのが典型的である）ターゲット９８の画像を捕捉することを含み、出力特徴(output aspect)は、典型的には、毎秒１００フレーム超で画像ファイルを創り出すことを含む。画像処理ステップ１１２の入力特徴(input aspect)は、典型的には、３つ又はそれよりも多くのポイントマーカを含む剛体(rigid body)（即ち、較正されたターゲット）フレーム単位（ひとこま毎）のポイントクラウド解析を含む。既知の剛体の認識後、位置及び向きがカメラ原点及び「仕込まれた」(“trained”)剛体向きに対して計算される。２つ又はそれよりも多くのカメラから画像を捕捉し且つ比較することは、三次元空間における剛体位置及び向きの実質的に正確な決定を可能にする。画像は典型的には毎秒１０回よりも多い速度で処理される。画像処理ステップ１１２の出力特徴は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の位置データ、横揺れ、縦揺れ、及び偏揺れ向きデータ、並びに時刻印及びソフトウェア標識を含む、データアレイの創設を含む。テキストを所望の周波数で流し或いは送信し得る。データ処理ステップ２１２の入力特徴は、典型的には所定の速度で要求される生位置及び向きデータを含むのに対し、出力特徴は、選択されるプロセス及び継手種類に特異なアルゴリズムを用いて、この生データを有用な溶接パラメータに変換することを含む。データ記憶ステップ２１４の入力特徴は、溶接試行データを^＊．ｄａｔファイルとして記憶することを含むのに対し、出力特徴は、検討及び追跡のためにデータを保存すること、後にモニタ上で検討するためにデータを保存すること、及び／又は後に生徒の進捗を検討することを含む。生徒進捗は、総練習時間、総アーク時間、総アーク開始、及び時間の経過に伴う性能（パフォーマンス）に特異な個々のパラメータを含み得る。データ表示ステップ３１０の入力特徴は、溶接試行データを含み、溶接試行データは、作業角度、進行角度、ツールスタンドオフ、進行速度、ビード配置、ウィーブ、電圧、電流、ワイヤ送り速度を更に含むのに対し、出力特徴は、モニタ、ヘルメット内ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、又はそれらの組み合わせの上で見られ得るデータを含み、パラメータは時間軸上にプロットされ、且つ上方閾及び下方閾又は熟練溶接工の動作を記録することによって仕込まれる変形のような好適な変形と比較される。熱入力を決定するためにシンク尾速度と共に電流及び電圧を測定し得るし、アーク長を推定するために溶接プロセスパラメータを用い得る。位置データを溶接開始位置、溶接停止位置、溶接長、溶接順序、溶接進行、又はそれらの組み合わせに変換し得るし、熱入力を決定するために進行速度と共に電流及び電圧を測定し得る。

図２乃至５は、本考案の例示的な実施態様に従った溶接特性化システム１０の例示的な図を提供している。図２に示されるように、携帯式の訓練スタンド２０が、床又は他の水平な実体と接触するための実質的に平坦なベース２２と、剛的な垂直支持柱２４と、カメラ又は撮像装置支持体２６と、撮像装置支持体２６の高さを調節するためのラックアンドピニオンアセンブリ３１とを含む。殆どの実施態様において、溶接特性化システム１０は、持ち運び可能であるか或いは少なくとも１つの場所から他の場所に移動可能であることが意図され、従って、ベース２２の全体的なフットプリントは、据付け及び使用に関して最大の柔軟性を許容するよう比較的小さい。図２乃至６に示されるように、平坦、水平、又は垂直に向けられるワークピースを含む訓練実習のために溶接特性化システム１０を用い得る。図面に示される例示的な実施態様において、訓練スタンド２０はシステムの他の構成部品を支持し得る一体的な又は統合的な構成として描写されている。他の実施態様では、スタンド２０がなく、システムの様々の構成部品は、入手可能であり得る如何なる適切な構造的又は支持的な手段によっても支持される。よって、この考案の脈絡内で、「スタンド」２０は、如何なる単一の構造、又は、代替的に、如何なる溶接特性化システム１０の構成部品を支持し得る多数の構造としても定められる。

図２及び３を参照すると、特定の溶接実習は、平坦アセンブリ３０を利用し、平坦アセンブリ３０は、カラー３４（継ぎ環）によって垂直支持柱２４に滑動可能に取り付けれ、カラー３４は、支持柱２４上を上向きに或いは下向きに滑動する。カラー３４は、ラックアンドピニオン３１によって支持柱上で更に支持され、ラックアンドピニオン３１は、ラックアンドピニオン３１を支持柱２４上で上向きに或いは下向きに移動させるためのシャフト３２を含む。平坦アセンブリ３０は、１つ又はそれよりも多くのブラケット（図示せず）によって支持される訓練プラットフォーム３８を含む。一部の実施態様では、支持柱２４の表面を熱損傷から保護するために、シールド４２が訓練プラットフォーム３８に取り付けられる。訓練プラットフォーム３８は、溶接位置特定の取付具／ジグ４６を訓練プラットフォームの表面に固定するための少なくとも１つのクランプ４４を更に含む。溶接位置特定のジグ４６の構造的構成又は一般的特性は、特定の溶接実習の対象である溶接プロセスの種類に基づき可変であり、図２及び３において、取付具４６は隅肉溶接実習のために構成されている。図２及び３に示される例示的な実施態様において、溶接位置特定の取付具４６の第１の構造的な構成部品４８及び第２の構造的な構成部品５０は、互いに直角に設定される。位置特定の取付具４６は、取付具４６上での溶接の正しい試験片配置を容易化するための１つ又はそれよりも多くのペグ４７を含み得る。システム１０と共に用いられる如何なる溶接試験片５４（ワークピース）の特性も、特定の訓練実習の対象である手作業溶接プロセスの種類に基づき可変であり、図７及び８に示される例示的な実施態様では、溶接試験片５４の第１の部分５６及び第２の部分５８も、互いに直角に設定されている。図４及び５を参照すると、特定の他の溶接実習は、水平アセンブリ３０（図４を参照）又は垂直アセンブリ３０（図５を参照）を利用する。図４において、水平アセンブリ３０は、突合わせ溶接実習のための正しい位置においてワークピース５４を保持する突合わせ取付具を支持する。図５において、垂直アセンブリ３０は、重ね溶接実習のための正しい位置においてワークピース５４を保持する垂直取付具４６を支持する。

本考案のデータ処理コンポーネント３００は、典型的には、データ捕捉コンポーネント２００によって捕捉される情報を受信し且つ解析するための少なくとも１つのコンピュータを含み、データ捕捉コンポーネント２００自体は、保護ハウジング内に収容される少なくとも１つのデジタルカメラを含む。溶接特性化システム１０の作動中、このコンピュータは、典型的には、ソフトウェアを作動させており、ソフトウェアは、訓練管理モジュール、画像処理及び剛体解析モジュール、及びデータ処理モジュールを含む。訓練管理モジュールは、様々の溶接種類と、各溶接種類を創設することに関連する一連の許容し得る溶接プロセスパラメータとを含む。如何なる数の既知の又はＡＷＳ溶接継手種類及びこれらの溶接継手種類と関連する許容し得るパラメータをも訓練管理モジュールに含め得る。訓練管理モジュールは訓練実習の開始に先立ってコース指導者がアクセスして構成する。指導者によって選択される溶接プロセス及び／又は種類は、どの溶接特定の取付具、較正装置、及び溶接試験片が任意の所与の訓練実習のために用いられるかを決定する。物体認識モジュールは、（２つ又はそれよりも多くのポイントマーカを含む）既知の剛体ターゲット９８を認識するようシステムを訓練するように作動し、次に、実際の手作業溶接が訓練者によって完了させられるときに、溶接ガン９０のための位置及び向きデータを計算するように作動する。データ処理モジュールは、訓練管理モジュール内の情報を物体認識モジュールによって処理される情報と比較し、比較データをモニタ又はヘッドアップディスプレイのような表示装置に出力する。モニタは訓練者が処理済みデータを実時間において視覚化することを可能にし、視覚化されたデータは、訓練者に溶接の特性及び品質に関する有用なフィードバックを提供するように作動する。溶接特性化システム１０の視覚的インターフェースは、情報の入力、ログイン、セットアップ、較正、練習、解析、及び進捗追跡に関連する、様々の機能を含み得る。解析スクリーンは、典型的には、作業角度、進行角度、ツールスタンドオフ、進行速度、ビード配置、ウィーブ、電圧、電流、ワイヤ送り速度、及びアーク長を（非限定的に）含む、訓練管理モジュール内で見出される溶接パラメータを表示する。本考案によれば、多数のディスプレイ変形が可能である。

全ての場合ではないにしても、殆どの場合において、使用に先立って特性化システム１０を一連の較正ステップ／プロセスに晒し得る。システム較正の特徴の一部は、顧客への配送に先立ってシステム１０の製造業者によって遂行されるのが典型的であり、システム較正の他の特徴は、如何なる溶接訓練実習にも先立って溶接特性化システム１０の使用者によって遂行されるのが典型的である。システム較正は、典型的には、２つの関連する統合的な較正プロセス、即ち、（ｉ）様々の溶接訓練実習において用いられるべき各継手／位置組み合わせのためにワークピース上に創り出されるべき作業路(operation path)の三次元位置及び向きを決定すること、及び（ｉｉ）ターゲット９８上に配置される複数の反射（受動）な又は発光（能動）ポイントマーカと溶接ツール９０上に配置されるポイントマーカによって提示される少なくとも２つの鍵となる地点との間の関係を計算することによって溶接ツールの三次元位置及び向きを決定することを含む。

この考案の第１の較正特徴は、典型的には、大域座標系に対する、即ち、溶接特性化システム１０の他の構造コンポーネント及びそれらによって占められる三次元空間に対する溶接作業の較正を含む。手作業溶接実習を追跡する／特性化するに先立って、任意の所与のワークピース上の各所望の作業路（即ち、ベクトル）の大域座標が決定される。殆どの実施態様において、これは工場で実行される較正プロセスであり、それはデータ処理コンポーネント２００上に記憶させられる対向する構成ファイルを含む。所望のベクトルを得るために、３つの可能なプラットフォーム位置（即ち、平坦、水平、及び垂直）の各々において、能動又は受動マーカを含む較正装置を少なくとも２つの位置決めマーカ上に嵌め込み得る。図６乃至８は、この較正ステップを１つの可能なプラットフォーム位置において例示している。継手特定の取付具４６は、それぞれ、第１の構造的コンポーネント４８（水平）及び第２の構造的コンポーネント５８（垂直）を含む。溶接試験片又はワークピース５４は、それぞれ、第１の部分５６（水平）及び第２の部分５８（垂直）を含む。ワークピース作業路５９は地点Ｘから地点Ｙに延び、図７に破線において示されている。位置決めポイントマーカ５３０，５３２が図６（及び図８）に示されるように配置され、データ捕捉コンポーネント１００を用いて各マーカの場所が得られる。データ捕捉コンポーネント１は、この実施態様において、Optitrack Tracking Tools (Natural Point, Inc.)又は類似の商業的に入手可能な若しくは三次元マーカ及び６つの自由度の動作追跡を実時間においてもたらす専有のハードウェア／ソフトウェアを利用する。そのような技術は、典型的には、システム撮像ハードウェア及びシステムソフトウェアによって「剛体」として解釈されるポイントクラウド（点群）を創り出す所定のパターンにおいて配置される反射及び／又は発光ポイントマーカを利用するが、他の適切な方法論もこの考案と互換性がある。

図９のフローチャートによって提示される較正プロセスでは、ステップ２８０で、テーブル３８を所定の位置ｉ（０，１，２）に固定する。ステップ２８２で、較正装置を位置決めピンの上に配置する。ステップ２８４で、全てのマーカ位置を捕捉する。ステップ２８６で、位置決め位置のための座標を計算する。ステップ２８８で、隅肉作業路のための座標を計算し、ステップ２９０で、記憶させる。ステップ２９２で、重ね作業路のための座標を計算し、ステップ２９４で、記憶させる。そして、ステップ２９６で、溝作業路のための座標を計算し、ステップ２９８で、記憶させる。全ての座標を、データ捕捉コンポーネント２００によって見ることが出来る三次元空間に対して計算する。

この考案の１つの実施態様において、ワークピースの位置及び向きは、既知の並進及び回転オフセット（偏り）(offset)でワークピースを保持する取付具に対する既知の並進及び回転オフセットで配置される較正装置への２つ又はそれよりも多くの受動又は能動ポイントマーカの適用を通じて較正される。この考案の他の実施態様において、ワークピースの位置及び向きは、既知の並進及び回転オフセットでワークピースを保持する取付具への２つ又はそれよりも多くの受動又は能動ポイントマーカの適用を通じて較正される。更に他の実施態様において、ワークピースは非線形であり、２つ又はそれよりも多くの受動又は能動ポイントマーカを備える較正ツールを用いてその位置及び向きをマッピングし、後の使用のために記憶させ得る。ワークピース作業路の位置及び向きは、作業路全体における順序ステップに基づき、その元々の較正平面からの所定の並進及び回転オフセットを受け得る。

時間の経過に伴う連続的なツール位置及び向きの解析並びに上述の様々のワークピース作業路から、位置、向き、速度、加速度、及びワークピース作業路に対する空間的な関係のような、重要なツール操作パラメータを決定し得る。既知の好適な手順からの逸脱(deviation)を決定するために、ツール操作パラメータを所定の好適な値と比較し得る。好適な手順からの逸脱を決定するために、ツール操作パラメータを他の製造プロセスパラメータと組み合わせてもよく、技能レベルを評価し、訓練のためのフィードバックを提供し、技能目標に向かった進歩を評価するために、或いは、品質管理目的のために、これらの逸脱を用い得る。統計的なプロセス管理目的のために、ワークピース作業路に対する記録される動作パラメータを多数の作業から統合し得る。統計的なプロセス管理目的のために、好適な手順からの逸脱を多数の作業から統合し得る。好適な手順の遵守を評価するための基線として用い得る経験豊かな操作者の動作の署名を確立するために、重要なツール操作パラメータ並びにワークピース作業路に対するツール位置及び向きも記録し得る。

第２の較正特徴は、典型的には、ターゲット９８に対する溶接工具９０の較正を含む。「溶接」工具９０は、典型的には、溶接トーチ、ガン、又はＳＭＡＷ電極ホルダであるが、はんだ付けアイロン、切断トーチ、形成工具、材料除去工具、塗装用ガン、又はレンチを含む、如何なる数の他の実施であってもよい。図１０及び１１を参照すると、溶接ガン／工具９０は、工具先端９１と、ノズル９２と、本体９４と、トリガ９６と、ターゲット９８とを含む。位置Ａ及び位置Ｂにおいて２つの統合された能動又は受動ポイントマーカを含む（図１１を参照）工具較正装置９３が、ノズル９２に取り付けられ或いはノズル９２に挿入される。能動又は受動ポイントマーカ５０２，５０４，５０６（及び追加的なポイントマーカ）をターゲット９８の上方表面に取り付けることによって（他の配置が可能である）、剛体ポイントクラウド（即ち、「剛体」）が構築される。使用されるポイントマーカが能動的であり且つ電源を必要とするならば、ターゲット９８は電力入力を含み得る。データ捕捉コンポーネント２００は、工具ベクトル５２４の場所を表す剛体及びポイントマーカ５２２（Ａ）及び５２０（Ｂ）の捜し出すために、Optitrack Tracking Tools (Natural Point, Inc.)又は類似のハードウェア／ソフトウェアを使用する。システム１０のソフトウェアからこれらの位置を抽出し、ポイントマーカＡ及びＢと剛体との間の関係を計算し得る。

図１２のフローチャートによって提示される較正プロセスでは、ステップ２５０で、溶接ノズル９２及びコンタクトチューブを取り外す。ステップ２５２で、較正装置を本体９４内に挿入する。溶接工具９０を動作包絡面内に配置し、データ捕捉コンポーネント１００によって（図１１において「Ｓ」として指定される）剛体５００及びポイントマーカＡ，Ｂを捕捉する。ステップ２５６で、ＡとＳとの間の関係及びＢとＳとの間の関係を計算する。ステップ２５８で、Ａ_Ｓのための関係データを記憶させ、ステップ２６０で、Ｂ_Ｓのための関係データを記憶させる。

この考案の１つの実施態様において、工具先端(tool point)及び工具ベクトル(tool vector)の較正は、工具先端に対する既知のオフセットを備える工具ベクトルに沿う場所での、較正装置への２つ又はそれよりも多くの受動又は能動ポイントマーカの適用を通じて遂行される。他の実施態様において、工具先端及び工具ベクトルの較正は、工具をワークピースに対する既知の位置及び向きの較正ブロック内に挿入することによって遂行される。ポイントマーカ（例えば、５０２，５０４，５０６）によって定められる剛体に関して、１つの実施態様では、広範な回転及び向き変化を撮像システムの視野内に適合させ得るよう、受動又は能動ポイントマーカは多面的な方法において工具に取り付けられる。他の実施態様では、広範な回転及び向き変化を撮像システムの視野内に適合させ得るよう、受動又は能動ポイントマーカは球面的な方法において工具に取り付けられる。更に他の実施態様では、広範な回転及び向き変化を撮像システムの視野内に適合させ得るよう、受動又は能動ポイントマーカはリング形状において工具に取り付けられる。

数多くの追加的な有用な機能を本考案に組み込み得る。例えば、画像フィルタリングの目的のために、画像信号雑音比を向上させるためにポイントマーカから反射され或いは放射される波長のみからの光を許容するよう、帯域フィルタ又は広域フィルタをデータ捕捉コンポーネント２００内の複数のデジタルカメラの各々のための光学配列(optical sequence)内に組み込み得る。以前に既知の剛体局所性からの限定的なオフセットを有する関心の動的領域内から得られる画像情報のみを解析することによってスプリアスデータを拒絶し得る。この関心の動的領域を各デジタルカメラの視野内に組み込み或いはその他の方法で事前に定め得る（即ち、箱又は幅ｘ及び高さｙの領域として事前プログラムし且つターゲット９８の既知の位置に対して中心化し得ることで、画像情報はこの事前に定められる領域からのみ処理される。剛体が移動し、従って、剛体の以前に既知の場所に基づくとき、関心の領域は変化する。このアプローチは、ポイントマーカを探すときに、撮像システムが関心の動的領域内の画素のみを見ることを可能にするのに対し、関心の動的領域内に含まれないより大きい画像フレーム内の画素を無視し或いは遮断する。処理時間の減少は、本考案のこの特徴の利益である。

本考案の例示的な実施態様の記載によって本考案を例示し、それらの実施態様を特定の詳細において記載したが、付属の請求項の範囲をそのような詳細に制約し或いは如何様にも制限することは、出願人の意図ではない。追加的な利点及び変更は当業者に直ちに現れるであろう。従って、本考案は、そのより広い特徴において、特定の詳細、代表的な装置及び方法、並びに／或いは示され且つ記載される例示的な実施例のいずれにも限定されない。従って、出願人の一般的な考案的着想の精神又は範囲から逸脱せずに、そのような詳細からの離脱を行い得る。

Claims (24)

1. 溶接作業を特性化するためのシステムであって、
   （ａ）データ生成コンポーネントを含み、該データ生成コンポーネントは、
   （ｉ）取付具を更に含み、該取付具の幾何学的特性は事前決定され、
   （ｉｉ）前記取付具に取り付けられるよう構成されるワークピースを更に含み、該ワークピースは、溶接されるべき少なくとも１つの継手を含み、溶接されるべき前記継手に沿って延びるベクトルが作業路を定め、
   （ｉｉｉ）少なくとも１つの較正装置を更に含み、各較正装置は、それと一体的な少なくとも２つのポイントマーカを更に含み、前記ポイントマーカと前記作業路との間の幾何学的関係は事前決定され、
   （ｉｖ）溶接工具を更に含み、該溶接工具は、溶接されるべき前記継手に溶接部を形成するように作動し、前記溶接工具は、工具先端と、工具ベクトルとを定め、前記溶接工具は、前記溶接工具に取り付けられるターゲットを更に含み、該ターゲットは、所定のパターンにおいてその上に取り付けられる複数のポイントマーカを更に含み、該ポイントマーカの前記所定のパターンは、剛体を定めるように作動し、
   （ｂ）データ捕捉コンポーネントを含み、該データ捕捉コンポーネントは、前記ポイントマーカの画像を捕捉するための撮像システムを更に含み、
   （ｃ）データ処理コンポーネントを含み、該データ処理コンポーネントは、前記データ捕捉コンポーネントから情報を受け取り、次に、
   （ｉ）前記撮像システムによって見ることが出来る三次元空間に対する前記作業路の位置及び向き、
   （ｉｉ）前記剛体に対する前記工具ベクトルの向き及び前記工具先端の位置、並びに
   （ｉｉｉ）前記作業路に対する前記工具ベクトルの向き及び前記工具先端の位置
   を計算するように作動する、
   システム。
2. 前記撮像システムは、複数のデジタルカメラを更に含み、画像信号雑音比を向上させるよう前記ポイントマーカから反射され或いは放射される波長のみからの光を許容するために、少なくとも１つのフィルタが、前記複数のデジタルカメラの各々のデジタルカメラのための光学配列内に組み込まれる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記撮像システムは、前記複数のデジタルカメラによって見ることが出来る少なくとも１つの関心の動的領域を更に含み、該関心の動的領域は、前記剛体のために以前に知られている位置の使用によって決定され、画像情報が前記関心の動的領域内からのみ集められ且つ処理される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記作業路の位置及び向きは、前記取付具に対する既知の並進及び回転オフセットで配置される較正装置と一体的な少なくとも２つのポイントマーカを用いて較正され、前記取付具は、前記ワークピースを、前記作業路に対して既知の並進及び回転オフセットで前記ワークピースを保持する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記作業路の位置及び向きは、前記作業路に対して既知の並進及び回転オフセットで前記ワークピースを保持する取付具に配置される少なくとも２つのポイントマーカを用いて較正される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記作業路は、非線形であり、少なくとも２つのポイントマーカを含む較正装置を用いて三次元空間内の前記作業路の位置及び向きをマッピングし得、前記作業路は、その上の多数の異なる地点で、前記較正装置の配置を命令する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記作業路の位置及び向きは、前記システム動作全体に含まれる所定の順序ステップに基づき、その元々の較正平面からの所定の並進及び回転オフセットを受ける、請求項１に記載のシステム。
8. 前記溶接工具の前記工具先端及び工具ベクトルの較正は、取り外し可能な較正装置に統合される２つ又はそれよりも多くのポイントマーカを用いて遂行され、前記較正装置内の前記ポイントマーカは、前記溶接工具の前記工具先端に対する既知のオフセットを有する工具ベクトルに沿って配置される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記溶接工具の前記工具先端の較正は、前記溶接工具の先端を較正装置内に挿入することによって行われ、前記ワークピースに対するその位置及び向きは事前決定される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記剛体を定める前記ポイントマーカは、使用時に前記溶接工具の広範な回転及び向き変化に適合する多面構成において前記溶接工具に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
11. 前記剛体を定める前記ポイントマーカは、使用時に前記溶接工具の広範な回転及び向き変化に適合する球面構成において前記溶接工具に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
12. 前記受動又は能動ポイントマーカは、使用時に前記溶接工具の広範な回転及び向き変化に適合するリング構成において前記溶接工具に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
13. 当該システムは、前記作業路に対する工具位置、向き、速度、及び加速度のうちの少なくとも１つのための値を計算し、次に、これらの値は、既知の好適な手順からの逸脱を決定するよう、所定の好適な値と比較され、そのような逸脱は、技能レベルを評価すること、訓練のためのフィードバックを提供すること、技能目標に向かう進歩を評価すること、及び品質制御目的のうちの少なくとも１つのために用いられる、請求項１に記載のシステム。
14. 手動溶接作業を特性化するためのシステムであって、
    （ａ）データ生成コンポーネントを含み、該データ生成コンポーネントは、
    （ｉ）取付具を更に含み、該取付具の幾何学的特性は事前決定され、
    （ｉｉ）前記取付具に取り付けられるよう構成されるワークピースを更に含み、該ワークピースは、溶接されるべき少なくとも１つの継手を含み、溶接されるべき前記継手に沿って延びるベクトルが作業路を定め、
    （ｉｉｉ）少なくとも１つの較正装置を更に含み、各較正装置は、それと一体的な少なくとも１つのポイントマーカを更に含み、前記ポイントマーカと前記作業路との間の幾何学的関係は事前決定され、
    （ｉｖ）溶接工具を更に含み、該溶接工具は、溶接されるべき前記継手に溶接部を形成するように作動し、前記溶接工具は、工具先端と、工具ベクトルとを定め、前記溶接工具は、前記溶接工具に取り付けられるターゲットを更に含み、該ターゲットは、所定のパターンにおいてその上に取り付けられる複数のポイントマーカを更に含み、該ポイントマーカの前記所定のパターンは、剛体を定めるように作動し、
    （ｂ）データ捕捉コンポーネントを含み、該データ捕捉コンポーネントは、前記ポイントマーカの画像を捕捉するための撮像システムを更に含み、該撮像システムは、複数のデジタルカメラを更に含み、画像信号雑音比を向上させるよう前記ポイントマーカから反射され或いは放射される波長のみからの光を許容するために、少なくとも１つのフィルタが、前記複数のデジタルカメラの各々のデジタルカメラのための光学配列内に組み込まれ、
    （ｃ）データ処理コンポーネントを含み、該データ処理コンポーネントは、前記データ捕捉コンポーネントから情報を受け取り、次に、
    （ｉ）前記撮像システムによって見ることが出来る三次元空間に対する前記作業路の位置及び向き、
    （ｉｉ）前記剛体に対する前記工具ベクトルの向き及び前記工具先端の位置、並びに
    （ｉｉｉ）前記作業路に対する前記工具ベクトルの向き及び前記工具先端の位置
    を計算するように作動する、
    システム。
15. 前記作業路の位置及び向きは、前記取付具に対する既知の並進及び回転オフセットで配置される較正装置と一体的な少なくとも２つのポイントマーカを用いて較正され、前記取付具は、前記作業路に対する既知の並進及び回転オフセットで前記ワークピースを保持する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記作業路の位置及び向きは、前記作業路に対する既知の並進及び回転オフセットで前記ワークピースを保持する取付具に配置される少なくとも２つのポイントマーカを用いて較正される、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記作業路は、非線形であり、少なくとも２つのポイントマーカを含む較正装置を用いて三次元空間内の前記作業路の位置及び向きをマッピングし得、前記作業路は、その上の多数の異なる地点で、前記較正装置の配置を命令する、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記作業路の位置及び向きは、前記システム動作全体に含まれる所定の順序ステップに基づき、その元々の較正平面からの所定の並進及び回転オフセットを受ける、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記溶接工具の前記工具先端及び工具ベクトルの較正は、取り外し可能な較正装置に統合される２つ又はそれよりも多くのポイントマーカを用いて遂行され、前記較正装置内の前記ポイントマーカは、前記溶接工具の前記工具先端に対する既知のオフセットを有する工具ベクトルに沿って配置される、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記溶接工具の前記工具先端の較正は、前記溶接工具の先端を較正装置内に挿入することによって行われ、前記ワークピースに対するその位置及び向きは事前決定される、請求項１４に記載のシステム。
21. 前記剛体を定める前記ポイントマーカは、使用時に前記溶接工具の広範な回転及び向き変化に適合する多面構成において前記溶接工具に取り付けられる、請求項１４に記載のシステム。
22. 前記剛体を定める前記ポイントマーカは、使用時に前記溶接工具の広範な回転及び向き変化に適合する球面構成において前記溶接工具に取り付けられる、請求項１４に記載のシステム。
23. 前記ポイントマーカは、使用時に前記溶接工具の広範な回転及び向き変化に適合するリング構成において前記溶接工具に取り付けられる、請求項１４に記載のシステム。
24. 当該システムは、前記作業路に対する工具位置、向き、速度、及び加速度のうちの少なくとも１つのための値を計算し、次に、これらの値は、既知の好適な手順からの逸脱を決定するよう、所定の好適な値と比較され、そのような逸脱は、技能レベルを評価すること、訓練のためのフィードバックを提供すること、技能目標に向かう進歩を評価すること、及び品質制御目的のうちの少なくとも１つのために用いられる、請求項１４に記載のシステム。

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