JP5779152B2 - 溶接開先部の位置及び形状計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、スリット光を用いた三次元計測法により、溶接開先部の位置及び形状を計測する溶接開先部の位置及び形状計測方法に関する。

鋼材などの溶接ワークを突き合わせて溶接し一体とする場合、その突合せ部は、通常、Ｖ形状、Ｋ形状、Ｉ形状などになっており、この突き合わせ部を溶接開先部（単に開先と呼ぶこともある）と称する。
近年、溶接ロボットや溶接専用装置による自動溶接が普及しているが、自動溶接を正確に行うためには、上述した開先の位置、形状を正確に検出することが非常に重要となる。

そこで、これらの開先の位置や形状を正確に計測する技術が開発されている。開先の位置や形状のセンシングに関しては、スリット光を用いた三次元計測技術が多く用いられているのは、周知の通りである。
例えば、重ね継手の開先（板状の溶接ワークを階段状に重ねて形成される開先）の位置を光学的に計測する方法として、スリット光を用いた三次元計測技術が用いられる。この技術では、光源からスリット光を溶接部である開先に照射し、カメラでスリット光を撮像し、得られたスリット光の屈折点を開先位置として検出するものとされる。光源やカメラの３次元的な位置から、屈折点は、実際の３次元空間における溶接開先位置に容易に変換することができる。また、開先がＶ型であっても、同様の技術で開先の形状を検出することが可能となる。

以上述べたように、スリット光を用いた三次元計測技術は、開先の形状を検出するために有益なものであるが、次に述べる問題点も存在する。
例えば、開先を構成する溶接ワークの表面に光沢がある場合、一方の溶接ワークに照射されたスリット光が他の溶接ワーク上で反射する２次反射が生じ、この２次反射光像とスリット光像の区別がつきにくくなり、正しい開先の位置、形状を検出できなくなる虞がある。また、表面の光沢の状態によっては、２次反射光がさらに反射してできる３次反射光が発生する場合がある。

対象とする開先の形状が決まっており、三次元計測を行う光学センサと開先との関係がある程度決まっていれば、２次反射光の発生する位置がほぼ特定できるため、この２次反射光像を特定し除去することが可能である。このような技術としては、特許文献１、特許文献２に示すものがある。
特許文献１は、溶接母材が形成する開先にスリット光を照射し、該開先表面からの反射光を撮影し、得られたスリット画像を画像処理する溶接開先位置及び形状の測定方法において、上記スリット画像を、所定の工程で順次処理する溶接開先位置及び形状の測定方法を開示する。この技術では、２次反射光とスリット光の各像が分離できていれば、スリット光像に対して交差する画素方向に走査して順次スリット光位置を特定する追跡処理を画像の両端からそれぞれ行い重ね合わせる方法でスリット光像を抽出することが可能である。

特許文献２は、光沢のある部材を含む部材間の隅肉溶接部にスリット光を照射し、撮像センサによって隅肉開先位置を検出する隅肉溶接位置センシング装置であって、スリット光の像と二次反射光像とが離れて撮像されるように、スリット光の照射状態および撮像センサの撮像状態が設定されるスリット光照射撮像手段と、撮像センサによって撮像される隅肉溶接部を構成する各部材上のスリット光像を画像処理して、スリット光像に対応する直線をそれぞれ求める画像処理手段と、画像処理手段によって求められる直線の交点を、隅肉開先位置として検出する位置検出手段とを含む隅肉溶接位置センシング装置を開示する。この技術では、隅肉に限った事例ではあるが、スリット光像と２次反射光像が分離できるような光源とカメラ配置にして、さらにスリット光像ができる領域を関心領域として予め特定することで、スリット光像を抽出することを可能としている。

特開平８−５３５０号公報 特開平１１−３３７２５号公報

しかしながら、三次元計測を行う光学センサは、溶接ロボットや溶接専用装置の先端に配備された溶接トーチ、乃至はその近傍に取り付けられることがほとんどである。そのため、例えば、溶接トーチの姿勢を変更した場合、光学センサから照射されるスリット光の２次反射光が発生する位置が、スリット光の位置関係と逆転する場合がある。例えば、スリット光の上側に位置していた２次反射光が、溶接トーチの姿勢変更に伴い、ある時点からスリット光の下側に位置するようになる。

また、対象ワークにさまざまな開先形状を有する場合は、２次反射光の発生する位置は特定できず、正しく溶接形状や位置を検出することが出来ない。加えて、反射光像がぼやけたり、ある輝度値以上ではスリット光像と一体渾然となる場合があり、スリット光像と２次以上の反射光像とを分離できず、正しい判定をすることが難しくなる。
つまり、２次以上の反射光像は、開先自体の角度や、開先と光学センサとの角度などの位置関係により発生する場所が変化する。そのため、常に、スリット光像と多重反射光像を分離できるような計測位置関係を保てばスリット光像は正確に抽出できるが、溶接品質を考慮して溶接トーチの姿勢（傾斜角及び前進後退角）が決定乃至は変更されるため、スリット光を正確に抽出できる「開先と光学センサとの関係」を常に保つことは困難を極める。

そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、開先の形状や、開先と光学センサとの位置関係によらず、得られた撮像画像から光切断線を正確に抽出することができ、抽出した光切断線から開先の位置、形状を確実に検出することが可能な溶接開先部の位置及び形状計測方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る溶接開先部の位置及び形状計測方法は、溶接を行う開先部にスリット光を照射し、開先部の表面で反射されたスリット光を撮像し、撮像されたスリット光の画像を画像処理することで、前記開先部の位置及び形状を計測する計測方法であって、撮像されたスリット光を含む画像に対し、以下の（１）〜（８）の処理を行うことで、三次元計測を行うための光切断線を抽出することを特徴とする。

（１）撮像された画像に対して２値化処理を行い、スリット光に対応する明線部を抽出する。
（２）前記明線部に対して膨張処理を行う。
（３）膨張処理後の明線部に対して細線化処理を行う。
（４）細線化処理が施された明線部に対して、当該明線部の一方の端点を検出すると共に、前記一方の端点に対応する明線部の他方の端点もしくは別の明線部との交点を検出する。
（５）前記(４)にて得られた１つの他方の端点から３つ以上の明線部が延設しているに際しては、３つ以上の明線部のうち最短距離の明線部を削除する。
（６）１つの端点より３つ以上の明線部が延設している状況が無くなるまで、前記（５）の処理を繰り返す。
（７）前記（１）〜前記（６）を実施して得られた明線部が複数存在する場合には、明線部に対してラベリング処理を行い、面積最大の明線部を抽出する。
（８）前記（６）又は前記（７）で抽出された明線部を光切断線とし、この光切断線に対して三角測量法の原理を適用することで、開先部の位置及び形状を計算する。

また、本発明に係る他の溶接開先部の位置及び形状計測方法は、溶接を行う開先部にスリット光を照射し、開先部の表面で反射されたスリット光を撮像し、撮像されたスリット光の画像を画像処理することで、前記開先部の位置及び形状を計測する計測方法であって
、撮像されたスリット光を含む画像に対し、以下の（１）〜（８）の処理を行うことで、三次元計測を行うための光切断線を抽出することを特徴とする。

（１）撮像された画像に対して、隣接する画素との輝度変化が正の変化をし且つ設定された閾値を超えたものを抽出する２値化処理を行い、スリット光に対応する正の明線部を抽出する。
（１’）撮像された画像に対して、隣接する画素との輝度変化が負の変化をし且つ設定された閾値を下回ったものを抽出する２値化処理を行い、スリット光に対応する負の明線部を抽出する。
（２）前記正の明線部及び負の明線部に対して膨張処理を行う。
（３）膨張処理後の正の明線部及び負の明線部に対して細線化処理を行う。
（４）細線化処理が施された正の明線部及び負の明線部に対して、各明線部の一方の端点を検出すると共に、前記一方の端点に対応する明線部の他方の端点もしくは別の明線部との交点を検出する。
（５）前記（６）にて得られた１つの他方の端点から３つ以上の明線部が延設しているに際しては、３つ以上の明線部のうち最短距離の明線部を削除する。
（６）１つの端点より３つ以上の明線部が延設している状況が無くなるまで、前記（５）の処理を繰り返す。
（７）前記（１）〜前記（６）を実施して得られた明線部が複数存在する場合には、明線部に対してラベリング処理を行い、面積最大の明線部を抽出する。
（７’）前記（６）又は前記（７）で抽出された正の明線部及び負の明線部を合成することで、光切断線を構成する輪郭線を決定する。
（８）決定された輪郭線を基に光切断線を求め、求めた光切断線に対して三角測量法の原理を適用することで、開先部の位置及び形状を計算する。

本発明に係る溶接開先部の位置及び形状計測方法によれば、開先の形状や、開先と光学センサとの位置関係によらず、得られた撮像画像から光切断線を正確に抽出することができ、抽出した光切断線から開先の位置、形状を確実に検出することが可能となる。

溶接ロボットの先端部に取り付けられた光学センサの概略を示した図である。 （ａ）は、溶接ワークの重ね合わせによる開先にスリット光を照射した状況を示した図であり、（ａー１）は、（ａ）の状況下で撮像されたスリット光の様子を示したものである。（ｂ）は、Ｖ型の開先にスリット光を照射した状況を示した図であり、（ｂー１）（ｂ−２）は、（ｂ）の状況下で撮像されたスリット光の様子を示したものである。 第１実施形態の処理を示すフローチャートである。 光切断線を抽出する処理を模式的に示した図である（第１実施形態）。 光切断線を抽出する処理を示した図である（第１実施形態、実際の画像）。 端点を探索するために用いる画像フィルタを示した図である。 第２実施形態の処理を示すフローチャートである。 光切断線を抽出する処理を模式的に示した図である（第２実施形態）。 光切断線を抽出する処理を示した図である（第２実施形態、実際の画像）。 光学センサが取り付けられた溶接ロボットを示した図である。

以下、本発明の実施形態を、図１〜図１０に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１０には、本発明に係る溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法が適用される光学センサ１を備えた溶接ロボット２が示されている。
この溶接ロボット２は、溶接トーチ３を先端部に備えた垂直６軸多関節ロボットであって、この溶接トーチ３を用いて、２つの溶接ワークＷ間に形成された溶接開先部Ｓ（以降、開先Ｓと呼ぶこともある）に沿ってアーク溶接を行う。

この溶接ロボット２の先端部であって溶接トーチ３の近傍には、光学センサ１が取り付
けられている。この光学センサ１は、溶接トーチ３に対してその前方を計測できるように固定、もしくは、図示しない回転機構により溶接トーチ３軸周りに回転できるようになっている。
光学センサ１からは線状の光（スリット光）が照射され、光学センサ１によりその状況が撮像される。撮像された画像は、通信線を通じて画像処理装置４へ送られる。画像処理装置４は、コンピュータや画像処理専用装置で構成されている。画像処理装置４は、送られてきた画像からスリット光に対応する明線部（すなわち光切断線）を抽出して、抽出された光切断線に対して三角測量法の原理を適用し、開先Ｓの位置や形状の検出を行う。検出結果は、溶接ロボット２の制御装置５に送られるようになっている。

図１に示すように、溶接ロボット２に取り付けられた光学センサ１は、レーザ光からなるスリット光を発生させ、このスリット光を溶接を行う開先部Ｓに照射する照射部１０と、開先部Ｓの表面で反射されたスリット光を撮像する撮像部１１と、照射部１０及び撮像部１１を内蔵するセンサハウジング１２とを有する。
照射部１０は、レーザ半導体素子とシリンドリカルレンズを備えており、このレーザ半導体素子から発光されたレーザ光（点光）がシリンドリカルレンズでスリット光とされ、所定の角度で出射する。出射されたスリット光は開先Ｓに照射される。

撮像部１１は、ＣＣＤカメラ等で構成されており、スリット光が照射された溶接ワークＷの開先Ｓを撮像する。つまり、溶接ワークＷの開先Ｓから反射したスリット光は、ＣＣＤカメラに入射することとなる。ＣＣＤカメラに入射したスリット光は画像データとして取り込まれ、取り込まれた画像データは、画像処理装置４に送られ、画像処理装置４内のフレームメモリ１３に取り込まれる。

照射部１０と撮像部１１との間の距離、照射部１０がスリット光を照射する角度、撮像部１１の光軸の角度などは予め設定されており（例えば、照射部１０の照射軸と撮像部１１の光軸とのなす角度が１５°）、これらの値を用いつつ三角測量法の原理を基に、開先Ｓの位置、形状を検出することとなる。
ところで、前述の「背景技術」にて説明したように、開先Ｓを構成する溶接ワークＷの表面に光沢がある場合、一方の溶接ワークＷに照射されたスリット光がさらに他の溶接ワークＷ上で反射する２次反射が生じ、この２次反射光像とスリット光像の区別がつきにくくなり、正しく開先Ｓの位置、形状を検出できなくなる虞がある。また、表面の光沢の状態によっては、２次反射光がさらに反射してできる３次反射光が発生する場合がある。

本発明の画像処理装置４においては、上記した多重反射状態（２次反射、３次反射）であっても、撮像部１１で撮像されたスリット光を、確実に検出できる処理を行っている。以下、その処理、すなわち本発明の溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法について、説明する。
図２（ａ）には、重ね隅肉で構成された開先Ｓに光学センサ１からスリット光を照射した状況、反射光の状況が示されている。同じく、図２（ｂ）には、Ｖ型の開先Ｓに光学センサ１からスリット光を照射した状況、反射光の状況が示されている。

溶接ワークＷとしては、例えば、一般的な鋼材などが考えられるが、この場合、開先Ｓはプラズマ切断、レーザ切断加工、フライス盤などによる機械加工、グラインダ処理などが施されており、表面は光沢を保っている。そのため、光学センサ１の照射部１０からスリット光を照射すると、開先Ｓの表面にはスリット光のみならず２次反射光像、３次反射光像が発生する場合がある。このような多重反射状態の場合、撮像部１１で撮像された画像中には、複数のスリット光が写り込むこととなる（図２（ａ−１），（ｂ−１），（ｂ−２））。

そこで、画像処理装置４においては、以下の処理を行うことで、確実に光切断線を検出し、検出した光切断線を基に開先Ｓの位置及び形状を計測するようにしている。
図３は、本発明に係る溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法の第１実施形態を示すフローチャートである。なお、取り込んだ画像は、図２（ａ−１）、図４（ａ）、図５（ａ）のように、図１に示す重ね継手で３次反射まであることを想定している。図２（ａ−１）、図４（ａ）、図５（ａ）は同じ状況を示す図である。

まず、図５（ｂ）で示す２値化工程にて、図５（ａ）のようなスリット光を含む撮像画像で、スリット光に対して概略交差する方向、ここでは上下方向に対して明線部を画像内で有効な画像範囲内にて抽出する（図３のＳ１０１，Ｓ１０２）。説明を簡単にするために図４（ａ）に示すように、画像の横方向をＸ、縦方向をＹとし、今回の画像データでのスリット光に対して概略交差する方向をＹ方向とする。

このＹ方向に対して、図４（ｂ）で示される輝度分布を考え、この輝度分布としてある閾値を超えるものをグループ化し、最大輝度の点を光切断線候補として１、他は０として２値化し、明線部を抽出する（図４（ｃ）参照）。図４（ｃ）では、光切断線候補として２点抽出される。この処理をＸ方向に対して全域で行う。閾値は、固定値もしくは、走査するＹ方向の画像の輝度分布より決定してもよい。

次に、図５（ｃ）で示すノイズ除去工程にて、撮像部１１で取り込んだ画像に存在する輝点ノイズの除去を行う（図３のＳ１０３）。溶接時は、スパッタ光の影響により輝点ノイズが多数画像内に発生するため、この処理を行う。
次に、図５（ｄ）に示すような膨張工程を行う（図３のＳ１０４）。
開先Ｓの表面に光沢がある場合、本来のスリット光が鏡面反射に近い状況となり、輝度分布が弱く、逆に２次以上の反射光の輝度分布が強く出てしまい、Ｙ方向の走査では、抽出できない場合があり、線として途切れる可能性がある。そこで、１ないし２ライン程度の跡切れを吸収するために、膨張処理を１回行い、途切れた線をつなぐ。

この処理をやりすぎると抽出すべきラインの形状が変ってしまうため、多くても２回程度までとする。ここでいう膨張処理は、一般的に、元の画像の着目する画素に対して、周囲８画素と自分自身の画素の合計９画素内に１の輝度画素があれば自分自身を１、無ければ０とする処理である。
次に、図５（ｅ）に示すような細線化処理を行う（図３のＳ１０５）。

これは、膨張処理にて膨張させ途切れをつないだ状態の線を元の１画素で構成される線に戻す処理である。この膨張処理および細線化処理を通じて、本来つながるべき線はつながった状態で、ラインとして抽出される。ここでいう細線化処理は、当業者常法のやり方でよく、例えば、ここでは、田村の方法を用いて実施した。
次に、細線化処理により得られたラインに対して、端点抽出工程にて、ラインの一方の端点と他方の端点とを抽出する（図３のＳ１０６）。すなわち、端点抽出工程では、ラインの端点判定とその他方の交点もしくは端点を導出する。

図６には、ラインの端点の判定に用いる判定フィルタが示されている。具体的には、図６（ｂ）の除外フィルタで合致しない場合は、図６（ａ）の判定フィルタで判定し、合致すれば端点と判定する。
一方の端点と判定された画素が見つかれば、他方の端点の画素（２つ以上のラインの交点の場合もある）を、次の方法で導出する。

他方の端点の画素は、以下の方法で見つけることができる。
(i) 着目している画素の４隣接に着目して、現在着目している画素に隣接する画素を取得する。もし無ければ、着目している画素の８隣接に着目して、現在着目している画素に隣接する画素を取得する。隣接する画素が無ければ、ラインの他方の端点を構成する画素として処理を終了する。なお、ここで、４隣接とは着目している画素の上下左右の４箇所の位置、８隣接とは着目している画素の周囲８画素をさす。

(ii) すでに着目した画素を除いて、隣接する画素で端点の判定フィルタを実施する。その結果、隣接する画素が端点と判定された場合、隣接する画素を着目する画素として、(i)に戻る。隣接する画素が端点で無いと判定された場合、交点となる画素として終了する。
次に、図５（ｆ）に示す不要線除去工程にて、端点抽出工程で導出された端点のうち、他方の端点が同じ交点となるラインを全て選び出し、選んだライン中で一番少ない画素数のもの（ライン長の短いもの）を交点を残して削除する（図３のＳ１０７）。つまり、１つの他方の端点から３つ以上の明線部が延設しているに際しては、３つ以上の明線部のうち最短距離の明線部を削除する。削除することで、複数の枝が発生しているラインの判定
情況が変るので、この削除処理が発生しなくなるまで繰返し実施する（図３のＳ１０８）。

図５（ｇ）に示す光切断線抽出工程にて、削除処理にて残ったラインに関し、Ｙ方向に１画素のみ存在するものを光切断線候補とする。複数のラインが存在し、それぞれがＹ方向に１画素のみを有していれば、最も長いライン、すなわち、ラベリング処理にて画素数最大のものを光切断線候補として採用する（図３のＳ１０９）。
その後、抽出された光切断線候補に対して、画像上で結像されるスリット光幅を考慮して、元画像に対してグレー処理による加重平均処理にて正確なライン中心位置を計算し、開先Ｓの形状と位置を導出する（図３のＳ１１０）。

以上の工程を経て得られた光切断線の座標データに対して、三角測量法の原理を適用することで、開先Ｓの位置や形状を得ることができるようになる。つまり、第１実施形態の溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法によれば、撮像部１１で得られたスリット光像と３次反射まで含む多重反射光像とが、一体となっておらず、比較的分離できている場合は、多重反射光が短い放射状の線となることを利用し、図３のフローチャート、図５に示される各工程を行うことで、多重反射光を取り除き、正しい光切断線を得ることが出来るようになる。得られた光切断線の情報を元に、開先Ｓの形状及び特徴点から開先Ｓの位置を検出することが可能となる。
［第２実施形態］
次に、本発明に係る溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法の第２実施形態について、述べる。

第２実施形態は、その装置構成、光学センサ１からスリット光を照射して、開先Ｓの形状を計測する原理などは、第１実施形態と略同じである。
しかしながら、第２実施形態においては、撮像部１１で撮像した画像から光切断線を抽出する手法が、第１実施形態と大きく異なっている。それ故、光切断線を抽出する手法に限って、説明を行う。他の装置、その装置が奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、説明は省略する。

第１実施形態で説明した手法（図５など参照）では、２次以上の反射光像がスリット光と一体化し明確に分離できない場合には、光切断線を確実に抽出することができない。しかしながら、第２実施形態の手法では、図２（ｂ−２）、図９（ａ）に示すように、２次反射光とスリット光が一体となった場合でも光切断線を抽出でき、開先Ｓの位置や形状を正確に計測することができる。図２（ｂ−２）、図９（ａ）は同じ状況を示す図である。

まず、図９（ｂ）で示す２値化工程にて、図９（ａ）のようなスリット光を含む撮像画像で、スリット光に対して概略交差する方向、ここでは上下の走査方向Ｙに対して、輝度変化がある閾値を超えて正となる画素を抽出し、その差分値が連続する部分をグループ化し、その最大値を輪郭の上側として１、他は０として２値化する（図８（ａ））。以下、この画像を正画像と呼ぶ。この処理をＸ方向に対して全域で行う。なお、図９（ｂ）で示す２値化工程を「正２値化工程」と呼ぶこともある（図７のＳ２０１，Ｓ２０２）。

同様に、図９（ｃ）で示す２値化工程にて、図９（ａ）のようなスリット光を含む撮像画像で、スリット光に対して概略交差する方向、ここでは上下の走査方向Ｙに対して、輝度変化がある閾値を下回って負となる画素を抽出し、その差分値が連続する部分をグループ化し、その最小値を輪郭の下側として１、他は０として２値化する（図８（ｂ））。以下、この画像を負画像と呼ぶ。この処理をＸ方向に対して全域で行う。なお、図９（ｃ）で示す２値化工程を「負２値化工程」と呼ぶこともある（図７のＳ２０１，Ｓ２１１）。

正２値化工程、及び負２値化工程での閾値は、固定値としてもよく、走査するＹ方向の画像の輝度分布より決定してもよい。
次に、正２値化工程で抽出された正画像上のライン（正の明線部）に対して、第１実施形態におけるノイズ除去工程、膨張工程、細線化処理、端点抽出工程、不要線除去工程を実施し、光切断線の候補となるラインを抽出する（図７のＳ２０２〜Ｓ２０８）。ノイズ除去工程、膨張工程、細線化処理、端点抽出工程、不要線除去工程の詳細は、第１実施形態にて説明済みなので、ここでは説明を割愛する。

同様に、負２値化工程で抽出された負画像上のライン（負の明線部）に対して、第１実施形態におけるノイズ除去工程、膨張工程、細線化処理、端点抽出工程、不要線除去工程を実施し、光切断線の候補となるラインを抽出する（図７のＳ２０２〜Ｓ２０８）。
その後、図９（ｄ）に示すように、正２値化工程で抽出された正画像から得られたラインと、負２値化工程で抽出された負画像から得られたラインを、論理和（ＯＲ処理）により合成し、合成画像を作成する（図７のＳ２０９）。なお、論理輪にて合成する際、この後の処理（工程）にて正画像及び負画像の判別ができるように、一方の画像をビットシフトするなどして、正負画像の区別が出来るようにしておく。

さらに、この合成画像にて、ラインの幅や隣接する点との変化量から連続性を考慮し、採用すべき輪郭線（ライン）として適切なものを選ぶ。輪郭線の選び方として、
(i) 走査方向Ｙに対して、正画像と負画像でそれぞれ１対の候補線しかなく、ライン幅（すなわち、スリット光幅）として適切であれば、光切断線候補として採用する。この処理をＸ全域に対して判定する。

(ii) 採用する候補が(i)で確定できない場合は、(i)で既に確定されている点に対して隣接しているものをそれぞれ候補として採用していく。
(iii) (ii)で採用されたものの内、ライン幅が、通常の計測で撮像されるスリット光の幅の画素数以上の幅となるものに対して、前後の採用している輪郭線との変化量を計算し、変化の激しい側の輪郭線を除外し、スリット光幅内に納まるように、新たに輪郭線（点）として設定する。

図９（ｅ）に示す光切断線抽出工程にて、抽出されたライン、すなわち光切断線候補の輪郭線に対して、グレー処理による加重平均処理などを施し、正確なライン中心位置を計算する。
以上の工程を経て得られた光切断線の座標データに対して、三角測量法の原理を適用することで、開先Ｓの位置や形状を得ることができるようになる（図７のＳ２１０）。

つまり、第２実施形態の溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法によれば、撮像部１１で得られたスリット光像と２次反射以上の多重反射光像とが、一体となっていて分離できない場合であっても、スリット光像の境界に対して、多重反射光像がどちらか片側に分布している場合は、スリット光像の輪郭のうち２次以上の反射光像側でないものを使用して、正しい光切断線を得ることができるようになる。得られた正しい光切断線を用いることで、溶接開先Ｓの形状及び特徴点から開先Ｓの位置を検出することが可能となる。

以上述べた通り、本発明の溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法によれば、溶接開先Ｓの表面に光沢があり、２次以上の多重反射光を決まった画像上の位置に結像するような処理が困難な場合でも、また、いろいろな開先Ｓの形状を計測する場合でも、２次以上の多重反射光の影響を取り除きつつ本来のスリット光を抽出する手法を提供し、開先Ｓの形状及び開先Ｓの位置を高精度に測定できるようになった。その結果、これらの値を用いて溶接トーチ３を正確に制御できるようになり、欠陥が少なく且つビード外観の良好な優れた溶接品質を実現できるため溶接の自動化が可能となる。

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、本発明の溶接開先部Ｓの位置及び形状計測方法は、開先形状を特定する必要が無いため、溶接後の外観検査を行う場合でも、光沢がある場合は有効である。

１ 光学センサ
２ 溶接ロボット
３ 溶接トーチ
４ 画像処理装置
５ 制御装置
１０ 照射部
１１ 撮像部
１２ センサハウジング
１３ フレームメモリ
Ｓ 開先部
Ｗ 溶接ワーク

Claims (2)

1. 溶接を行う開先部にスリット光を照射し、開先部の表面で反射されたスリット光を撮像し、撮像されたスリット光の画像を画像処理することで、前記開先部の位置及び形状を計測する計測方法であって、
   撮像されたスリット光を含む画像に対し、以下の（１）〜（８）の処理を行うことで、三次元計測を行うための光切断線を抽出することを特徴とする溶接開先部の位置及び形状計測方法。
   （１）撮像された画像に対して２値化処理を行い、スリット光に対応する明線部を抽出する。
   （２）前記明線部に対して膨張処理を行う。
   （３）膨張処理後の明線部に対して細線化処理を行う。
   （４）細線化処理が施された明線部に対して、当該明線部の一方の端点を検出すると共に、前記一方の端点に対応する明線部の他方の端点もしくは別の明線部との交点を検出する。
   （５）前記(４)にて得られた１つの他方の端点から３つ以上の明線部が延設しているに際しては、３つ以上の明線部のうち最短距離の明線部を削除する。
   （６）１つの端点より３つ以上の明線部が延設している状況が無くなるまで、前記（５）の処理を繰り返す。
   （７）前記（１）〜前記（６）を実施して得られた明線部が複数存在する場合には、明線部に対してラベリング処理を行い、面積最大の明線部を抽出する。
   （８）前記（６）又は前記（７）で抽出された明線部を光切断線とし、この光切断線に対して三角測量法の原理を適用することで、開先部の位置及び形状を計算する。
2. 溶接を行う開先部にスリット光を照射し、開先部の表面で反射されたスリット光を撮像し、撮像されたスリット光の画像を画像処理することで、前記開先部の位置及び形状を計測する計測方法であって、
   撮像されたスリット光を含む画像に対し、以下の（１）〜（８）の処理を行うことで、三次元計測を行うための光切断線を抽出することを特徴とする溶接開先部の位置及び形状計測方法。
   （１）撮像された画像に対して、隣接する画素との輝度変化が正の変化をし且つ設定された閾値を超えたものを抽出する２値化処理を行い、スリット光に対応する正の明線部を抽出する。
   （１’）撮像された画像に対して、隣接する画素との輝度変化が負の変化をし且つ設定された閾値を下回ったものを抽出する２値化処理を行い、スリット光に対応する負の明線部を抽出する。
   （２）前記正の明線部及び負の明線部に対して膨張処理を行う。
   （３）膨張処理後の正の明線部及び負の明線部に対して細線化処理を行う。
   （４）細線化処理が施された正の明線部及び負の明線部に対して、各明線部の一方の端点を検出すると共に、前記一方の端点に対応する明線部の他方の端点もしくは別の明線部との交点を検出する。
   （５）前記（６）にて得られた１つの他方の端点から３つ以上の明線部が延設しているに際しては、３つ以上の明線部のうち最短距離の明線部を削除する。
   （６）１つの端点より３つ以上の明線部が延設している状況が無くなるまで、前記（５）の処理を繰り返す。
   （７）前記（１）〜前記（６）を実施して得られた明線部が複数存在する場合には、明線部に対してラベリング処理を行い、面積最大の明線部を抽出する。
   （７’）前記（６）又は前記（７）で抽出された正の明線部及び負の明線部を合成することで、光切断線を構成する輪郭線を決定する。
   （８）決定された輪郭線を基に光切断線を求め、求めた光切断線に対して三角測量法の
   原理を適用することで、開先部の位置及び形状を計算する。