JP7198729B2 - 溶接作業計測システム - Google Patents

Description

本発明は、溶接作業計測システムに関する。

昨今の社会情勢に伴い、モノづくりの環境は大きく変化している。例えば海外生産の増加や海外からの調達品の増加、熟練技術者の減少などにより、モノづくりの技能を維持しにくくなっており、品質管理はより厳しい状況にさらされている。これまでの技能伝承方法としては、熟練技能者から直接的な指導によって、引き継がれてきた。しかしながら、技能を伝える手段が十分でなく、感覚的な指導になることが多いため、指導に時間が要したり、不正確に伝わったりするため、完全には伝承されず、失われてしまうことも危惧される。一方で近年の計測技術の発展により、熟練の技能を計測して、評価する取り組みが見られるようになってきた。従来の技能伝承における課題を解決する方法として、種々の計測機器を用いて、対象者の作業を計測し、評価する取り組みが行われている。計測されたデータは過去に計測したデータと比較することにより、良否が評価され、品質管理や溶接作業の訓練に用いる方法が提案されている。

その一例として、下記特許文献１の要約には、「手溶接支援装置は、手溶接施工が行われる際にその溶接対象を含む溶接環境およびその溶接施工作業中の溶接士ＰＳの挙動に関するデータを計測する溶接士動作計測装置１０１および溶接環境計測装置１０２と、これらの計測データから溶接施工中の溶接状態の特徴量を抽出する演算処理装置１０４と、これにより抽出された特徴量に基づいて手溶接状態の良否を判定する溶接状態判定装置１０５と、ここでの判定結果を含む溶接状態の推移に関する情報を溶接施工中の溶接士ＰＳに認知可能に提示する溶接状態提示装置１０７とを備える。また、前述の計測データ、判定結果、および特徴量を記録し保持する溶接プロセス記録装置１０３と、少なくとも判定結果を表示する溶接プロセス表示装置１０６とを備える。」と記載されている。

特開２００１－７１１４０号公報

ところで、上記特許文献１には、「溶接対象を含む溶接環境およびその溶接施工作業中の溶接士ＰＳの挙動に関するデータを計測する」と記載されているが、計測原理等の詳細は、特に記載されていない。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、各部の位置関係を正確に計測できる溶接作業計測システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の溶接作業計測システムは、溶接対象物を溶接するトーチに装着された複数のマーカが発生した光または複数の前記マーカによって反射された光を検出する光検出部と、前記光検出部が検出した光に基づいて、前記マーカの三次元座標データであるマーカ位置データを取得するマーカ位置取得部と、前記マーカ位置データに基づいて前記トーチの三次元座標データであるトーチ位置データを取得するトーチ位置取得部と、前記トーチの三次元座標データと、溶接が完了した前記溶接対象物の溶接状態に対する評価結果である溶接評価データと、を対応付けた作業データを記録する記録部と、を備え、前記作業データは、前記トーチを把持する作業者の前記トーチを把持する側のひじの角度を含むことを特徴とする。

本発明によれば、各部の位置関係を正確に計測できる。

本発明の第１実施形態による溶接作業計測システムの模式図である。 トーチ周辺の模式図である。 トーチの模式的な側面図である。 各種溶接操作データの計測結果の例を示す図である。 本発明の第２実施形態による品質管理システムの模式図である。 平均移動速度およびトーチ角速度と溶接品質との関係を示す図である。 トーチ角速度の計測結果の一例である。 本発明の第３実施形態による溶接作業教育システムの模式図である。 第３実施形態におけるトーチ角速度の計測結果の一例である。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
図１は本発明の第１実施形態による溶接作業計測システム１０１の模式図である。図１において、溶接作業計測システム１０１は、制御部２０と、マーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ（以下、「マーカ計測用カメラ２」または「光検出部」と総称する）と、トーチ６と、半自動溶接電源８と、電流・電圧・溶加材供給量計測装置９と、温度・湿度・風速計測装置１０と、を備えている。

作業者である溶接士４（作業者）は、顔面に遮光面５を装着し、トーチ６を把持し、溶接対象物７に対して溶接作業を行う。トーチ６は、消耗電極式・半自動アーク溶接用のトーチである。消耗電極式・半自動アーク溶接においては、溶加材３０は、ドラム（図示せず）に巻回されたワイヤ状の部材である。溶加材３０は、送給装置（図示せず）によって、トーチ６の内部を通って、トーチ６の先端まで供給される。また、トーチ６にはスイッチ（図示せず）が設けられており、溶接士４は、スイッチを操作することによって送給装置および半自動溶接電源８のオン／オフ操作を行う。

溶加材３０は、アークによって溶融し消耗するが、送給装置によって連続的に送られてくるので、アークは持続し、溶加材３０が続く限り、溶接士４はアーク溶接を連続的に続行できる。また、トーチ６および溶接対象物７には、複数のマーカ３が装着されている。溶接作業計測システム１０１は、溶接士４が溶接対象物７を溶接する際のトーチ６の動きを計測する。マーカ計測用カメラ２は、溶接士４および溶接対象物７の周辺に配置され、トーチ６およびその周辺の動画像を撮影する。

各マーカ計測用カメラ２は、撮影対象に光を照射する光照射部６０を備えている。なお、本明細書において、「光」という語句は、可視光（波長３８０ｎｍ～７６０ｎｍ）のみならず、紫外線、赤外線等の電磁波も含むこととする。光照射部６０が照射する光は、例えば３５０ｎｍ～１１μｍのうち特定波長の成分を含むものにするとよい。但し、これら光照射部６０の照射光は、アーク光（アーク溶接時に生じる光）の波長を避けるようにすると好ましい。一般的に溶接時に生じるアーク光のスペクトルは、概ね波長５５０ｎｍ以下の範囲に分布しているため、光照射部６０の照射光は、５５０ｎｍ以上の波長を用いることが好ましい。

また、アーク光と照射光との区別をより明確にするために、光照射部６０の照射光は、６５０ｎｍ以上の波長を用いることがより好ましく、７５０ｎｍ以上の波長を用いることが、さらに好ましい。また、照射光の波長の上限は、光源のコストの観点から２μｍ以下にすることが好ましく、１μｍ以下にすると、一層好ましい。なお、本実施形態においては、光照射部６０の照射光は、波長８５０ｎｍの光を適用している。マーカ計測用カメラ２は制御部２０に動画像を供給する。

電流・電圧・溶加材供給量計測装置９は、溶加材３０に供給する電流、溶加材３０に印加する電圧、および溶加材３０の供給量を計測する。温度・湿度・風速計測装置１０は、温度、湿度、風速等のデータを計測する。これら電流、電圧、温度、湿度、風速等のデータは、溶接環境の状態を表すため、以下「溶接環境データ」と呼ぶ。

制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、演算処理装置の演算結果を表示する表示装置等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、ＳＳＤには、ＯＳ（Operating System）、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。ＯＳおよびアプリケーションプログラムは、ＲＡＭに展開され、ＣＰＵによって実行される。

図１において、制御部２０の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。すなわち、制御部２０は、マーカ位置取得部２２と、溶接操作データ取得部２３（トーチ位置取得部）と、記録部２４と、判定部２５と、を備えている。

マーカ位置取得部２２は、マーカ計測用カメラ２の出力信号に基づいて、各マーカ３の三次元座標データであるマーカ位置データを取得する。また、溶接操作データ取得部２３は、トーチ６の三次元図形データを予め記憶している。そして、溶接操作データ取得部２３は、トーチ６の三次元図形データと、各マーカ３のマーカ位置データと、に基づいて、トーチ６の三次元座標データであるトーチ位置データを取得する。

さらに、溶接操作データ取得部２３は、トーチ位置データに基づいて、トーチ６の速度、トーチ６の高さ、ウィービング周期、ウィービング幅、トーチ角度等のデータを算出する。ここで、ウィービングとは、溶接進行方向に対して交差する方向にトーチ６を振ることを指す。これら溶接操作データ取得部２３が取得するデータを溶接操作データと呼ぶ。また、溶接が完了した溶接対象物７の溶接状態に対して、溶接品質を評価した結果を溶接評価データと呼ぶ。より具体的には、溶接評価データは、溶接対象物７における内部欠陥の有無、ビートの蛇行の有無、溶接変形量、残留応力の有無等を含む。

記録部２４は、溶接操作データと、溶接評価データと、溶接環境データと、を溶接位置または溶接時刻に対応付けて記憶する。これら記録部２４に記録されるデータを総称して、「作業データ」と呼ぶ。判定部２５は、過去に記憶された熟練者による作業データと、新たに取得した作業データとに基づいて、新たに取得した作業データに係る溶接士４の技量等を判定する。

図２は、トーチ６周辺の模式図である。トーチ６に装着された複数のマーカ３は、これらの位置関係に基づいてトーチの特定箇所１１を推定できる位置に装着されている。図示の例において、特定箇所１１とは、トーチ６の「先端中央」であるが、「先端中央」以外のトーチ６の位置や溶加材３０の先端位置を特定箇所１１としてもよい。また、トーチ６の先端中央位置と、溶接対象物７との距離をトーチ高ＨＴと呼ぶ。また、図示の例では、マーカ３は溶接対象物７にも装着されている。

また、溶接士４の手や遮光面５（図１参照）等、トーチ６以外の箇所に、さらにマーカ３を追加装着してもよい。これにより、溶接士４の体の位置や姿勢、溶接士４の頭の位置等の情報も取得できる。このように、マーカ３は、特に、トーチ６の位置に対して所定の位置関係を有する箇所に設けることが好ましい。但し、マーカ３は少なくともトーチ６に装着されていればよく、トーチ６以外の箇所に設けることは必須ではない。

マーカ計測用カメラ２（図１参照）の照射光がマーカ３に反射されると、上述したようにマーカ３の位置が計測され、これによって制御部２０（図１参照）は、特定箇所１１の位置を推定する。さらに、制御部２０は、上述したトーチ６の速度、トーチ６の高さ、ウィービング周期、ウィービング幅、トーチ角度等を、特定箇所１１の動きに応じて算出する。

ここで、仮に１個のマーカ３のみで特定箇所１１を推定しようとすると、アークが生じている高温部の位置を予測することが困難になる。また、アーク溶接で発生したスパッタをマーカ３と誤認識することが考えられ、精度が低くなる。また、仮に、２個のマーカ３のみで特定箇所１１を推定しようとすると、スパッタが発生した場合に、制御部２０が、特定箇所１１の位置を実際の位置から回転した位置であると誤認識してしまい、精度が低くなる場合がある。従って、トーチ６の特定箇所１１を正確に推定するために、マーカ３は少なくとも２個設けることが好ましく、３個以上設けることがより好ましい。

図３はトーチ６の模式的な側面図である。
図示のように、複数のマーカ３は、側面視においてジグザグになるように、換言すれば上下非対称、左右非対称になるように配置されている。これにより、例えば、上下対称または左右対称にするよりも、特定箇所１１を高精度に推定できるようになる。さらに、各マーカ３は、トーチ６の使用時において、各マーカ計測用カメラ２の何れから撮影しても、重ならないように配置されている。

さらに、マーカ３は光を再帰性反射する材質を有し、または光を再帰性反射する塗料が塗布されたものを適用することが好ましい。また、マーカ３は球形状の部分を有することが好ましい。これらの特徴によって、マーカ３の位置を高感度で認識できるようになり、特定箇所１１の算出精度を向上させることができる。また、マーカ３とスパッタとを区別するため、マーカ３の認識においては、大きさや球形度等でフィルタリング処理を行うことが好ましい。これより、スパッタをマーカ３と誤認識しにくくなり、マーカ３の検出精度が向上する。

図２において、溶接対象物７は、予め設定された基準点（原点Ｏ）に対応する所定の位置に配置することが好ましい。すなわち、あらかじめ設定された座標軸Ｘ,Ｙ,Ｚに対し、溶接対象物７の各部の方向が揃うように、治具等を用いて溶接対象物７を設置するとよい。例えば、図２に示すように、Ｘ方向を溶接方向とし、Ｙ方向を溶接方向に直交する溶接対象物７の表面上の方向とし、Ｚ方向をトーチ高ＨＴの方向になるようにし、溶接開始位置を原点Ｏに合わせることが考えられる。溶接対象物７について、このような位置合わせを行うと、溶接対象物７にマーカ３を設置することなく、簡便に溶接対象物７の位置を把握できる。但し、上述したように、溶接対象物７の位置精度向上のため、溶接対象物７にマーカ３を設置しても差支えない。

〈第１実施形態の動作〉
図４は、各種溶接操作データの計測結果の例を示す図である。
図４におけるグラフＧ１は、トーチ高ＨＴ（図２参照）を縦軸とし、溶接時刻または溶接位置を横軸としたグラフである。また、グラフＧ２は、溶接対象物７の変形量を縦軸とし、溶接時刻を横軸としたグラフである。また、グラフＧ３は、溶加材供給量を横軸とし、溶接時刻を横軸としたグラフである。

また、グラフＧ４は、溶接位置を縦軸とし、溶接時刻を横軸としたグラフである。ここで溶接位置とは、溶接開始位置（図示せず）を基準とした、トーチ６の溶接進行方向（図２におけるＸ方向）の位置である。グラフＧ４に示す近似直線Ｌ４は、グラフＧ４を直線で近似したものである。また、グラフＧ５は、溶接士４（図１参照）の右ひじの角度を縦軸とし、溶接時刻を横軸としたグラフである。但し、溶接士４は右手でトーチ６を把持していることとする。

制御部２０（図１参照）は、溶接対象物７の三次元座標データと、トーチ６および溶接士４等のマーカ３の三次元座標データと、に基づいて、図４に示した各種計測結果や、各部の位置や速度、角度、軌跡、加速度、角速度等を算出することができる。換言すれば、熟練者である溶接士４の溶接動作や、初心者である溶接士４の溶接動作をデータとして取得することができ、溶接動作を定量的に評価することができる。特に、グラフＧ３に示す算出された溶加材供給量、グラフＧ４に示す溶接位置によれば、溶加材３０およびトーチ６には、静止と移動を繰り返す周期的な動作パターンが現れることが確認された。

また、グラフＧ５によれば、溶接士４の右ひじの角度も、トーチ６の動きに連動して、大きくなっていることが確認された。また、溶接対象物７に装着したマーカ３の座標データによって、グラフＧ２に示すように溶接対象物７の変形量を算出した結果、溶接時刻とともに変形量が増加していることが確認された。変形量を定量的にその場で評価することにより、次の溶接パスの計測時におけるトーチ６の座標データに変形量分をオフセットとして加えることができ、溶接対象物７に対するトーチ６の相対位置を高精度に計測できる。このようにトーチ６、溶接対象物７、溶加材３０および溶接士４にマーカ３を装着して相対位置関係を計測することにより、連動する動作に対しても高精度に評価することが可能である。

〈第１実施形態の効果〉
以上のように本実施形態によれば、溶接対象物７を溶接するトーチ６に装着された複数のマーカ３が発生した光または複数のマーカ３によって反射された光を検出する光検出部（２）と、光検出部（２）が検出した光に基づいて、マーカ３の三次元座標データであるマーカ位置データを取得するマーカ位置取得部２２と、マーカ位置データに基づいてトーチ６の三次元座標データであるトーチ位置データを取得するトーチ位置取得部（２３）と、を備える。これにより、トーチ６および溶接対象物７等、各部の位置関係を正確に計測できる。

また、マーカ３に対して特定波長を含む光を照射する光照射部６０をさらに備え、光検出部（２）は、特定波長の光を抽出するフィルタを備え、マーカ位置取得部２２は、特定波長の光に応じてマーカ位置データを取得する構成によれば、特定波長の光によって正確なマーカ位置データを取得することができる。同様に、マーカ３に対して特定波長の光を照射する光照射部６０をさらに備える構成によれば、特定波長の光によって正確なマーカ位置データを取得することができる。特に、特定波長の光に、波長が５５０ｎｍ以上の光を含ませることによって、アーク光やスパッタ等が位置検出に及ぼす影響を抑制することができる。

また、トーチ６は、三以上のマーカ３が装着されたものであり、トーチ位置取得部（２３）は、三以上のマーカ位置データに基づいてトーチ位置データを取得する。これにより、一層正確なトーチ位置データを取得することができる。

さらに、複数のマーカ３は球形状の部分を有し、これら複数のマーカ３は、トーチ６の使用時において、光検出部（２）から見て重ならないように、配置されている。さらに、光検出部（２）は動画像を撮影するカメラであり、マーカ位置取得部２２は、動画像に含まれる画像の大きさ、または球形度に基づいて、マーカ３の画像と、他の画像とを区別する。本実施形態によれば、これらの特徴により、一層正確なトーチ位置データを取得することができる。

また、本実施形態においては、複数のマーカ３のうち何れかは、溶接作業に適用される溶加材またはトーチ６を把持する作業者（４）にも装着されたものであり、トーチ位置取得部（２３）は、トーチ６の三次元座標データに加えて、溶加材または作業者（４）の三次元座標データを取得する。これにより、作業者（４）や溶加材等の位置も取得することができ、溶接状態を一層正確に把握できるようになる。

また、本実施形態においては、トーチ６の三次元座標データと、溶接が完了した溶接対象物７の溶接状態に対する評価結果である溶接評価データと、を対応付けた作業データを記録する記録部２４をさらに備える。また、記録部２４は、溶接時刻または溶接位置に対応して作業データを記憶するものであり、記録部２４に過去に記憶された作業データと、新たな溶接作業において取得したトーチ６の三次元座標データと、に基づいて、新たな溶接作業の品質を判定する判定部（２５）をさらに有する。これにより、記録部２４に記憶された作業データと、新たな溶接作業において取得したトーチ６の三次元座標データと、に基づいて、新たな溶接作業の品質を判定することができる。

また、本実施形態において、作業データは、トーチ６の平均移動速度、トーチ６のトーチ高（ＨＴ）、トーチ６のウィービング周期、トーチ６のウィービング幅、トーチ６の角度、溶加材の供給量、トーチ６を把持する作業者（４）のトーチ６を把持する側のひじの角度、または作業者（４）の頭の位置のうち何れかを含む。これにより、一層正確な作業データを記録することができる。換言すれば、溶接作業動作を正確に数値化することができ、その数値データを教育システムや品質管理に活用することで、技能伝承を効率的に実現でき、モノづくり品質を向上させ、不良率の低減に寄与すること可能な溶接作業計測システムを実現することが可能である。

［第２実施形態］
図５は本発明の第２実施形態による品質管理システム１０２の模式図である。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。図５において、品質管理システム１０２は、制御部４０と、トーチ６と、半自動溶接電源８と、電流・電圧・溶加材供給量計測装置９と、温度・湿度・風速計測装置１０と、慣性センサ１４（センサ）と、を備えている。

慣性センサ１４は、トーチ６に生じる３軸加速度と、３軸角速度とを計測する装置である。第１実施形態の溶接作業計測システム１０１に設けられていたマーカ計測用カメラ２、マーカ３等と比較すると、慣性センサ１４は安価であり、取扱いも容易である。また、制御部４０は、第１実施形態の制御部２０（図１参照）と同様に、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＳＳＤ、表示装置を備え、ＳＳＤには、ＯＳ、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。図５において、制御部４０の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。すなわち、制御部４０は、データベース部４２と、作業データ取得部４３と、品質判定部４４と、を備えている。

データベース部４２は、過去に取得した熟練者の作業データである過去作業データを記憶する。データベース部４２に記憶される過去作業データは、上述の第１実施形態による溶接作業計測システム１０１によって取得したものでもよく、本実施形態の品質管理システム１０２によって取得したものでもよい。上述したように、作業データ（および過去作業データ）は、溶接操作データ（図４のグラフＧ１～Ｇ５等）と、溶接評価データ（内部欠陥の有無等）と、溶接環境データ（電流、電圧、温度等）と、を含むデータである。

品質判定部４４は、新たに計測された作業データと、熟練者による過去作業データとを比較することにより、溶接品質を判定する。この品質判定部４４では、溶接士４の作業習熟レベルを評価することもできる。

より具体的に述べると、上述したように、データベース部４２には、過去作業データ、すなわち過去の溶接作業において取得したグラフＧ１～Ｇ５（図４参照）等の内容が記憶されている。作業データ取得部４３は、慣性センサ１４の出力信号に基づいて、今回の作業データを取得する。品質判定部４４は、過去作業データと、今回の作業データとを比較し、その結果に基づいて溶接作業の品質管理を行う。

第１実施形態の溶接作業計測システム１０１によって取得した溶接操作データと、溶接評価データすなわち溶接品質との相関分析の結果、トーチ６の平均移動速度およびトーチ角速度が、品質との相関が強い特徴量として抽出された。ここで、トーチ６の平均移動速度は、図４のグラフＧ４における近似直線Ｌ４の傾きによって求められる。また、トーチ角速度とは、ウィービングによって生じるトーチ６の角速度を指す。

図６は、平均移動速度およびトーチ角速度と溶接品質との関係を示す図である。
図６において、テーブル７２は、トーチ６の平均移動速度と溶接品質との関係を示す。また、テーブル７４は、トーチ角速度と溶接品質との関係を示す。テーブル７２に示すように、トーチ６の平均移動速度は、２０～３０ｃｍ／ｍｉｎ程度であることが好ましい。また、トーチ角速度は５００ｄｅｇｒｅｅ／ｓ以上を１秒以上続けるとビード外観不良になる。

図７は、トーチ角速度の計測結果の一例である。なお、図示の計測を行うにあたり、トーチ６の平均移動速度は２６．７ｃｍ／ｍｉｎであり、テーブル７２（図６参照）によれば良好な範囲であった。一方、図７の期間Ｔ１において、トーチ角速度は５００ｄｅｇｒｅｅ／ｓ以上になっている。また、期間Ｔ１の長さは、１．７秒であった。溶接対象物７において、この期間Ｔ１に対応する部分を目視で外観観察した結果、当該部分のビード外観が乱れており、外観不良であると判断された。

図７の例のように、本実施形態の品質管理システム１０２によれば、溶接直後に、欠陥の種類と発生位置とを推定することが可能である。すなわち、第１実施形態の溶接作業計測システム１０１（図１参照）によって溶接品質との相関が強い特徴量を抽出し、慣性センサ１４のような、より簡易的なセンサを用いて、溶接品質を管理できる。

［第３実施形態］
〈第３実施形態の構成〉
図８は本発明の第３実施形態による溶接作業教育システム１０３（溶接作業計測システム）の模式図である。なお、以下の説明において、他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。図８において、溶接作業教育システム１０３は、温度・湿度・風速計測装置１０と、慣性センサ１４と、溶接対象物模擬部品１５と、ヘッドマウントディスプレイ１６（表示部）と、模擬トーチ１７と、カメラ１８（撮像部）と、制御部５０と、を備えている。

溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７は、上述した第１，第２実施形態における溶接対象物７およびトーチ６と同様の形状および重量を有し、それぞれ溶接対象物７およびトーチ６を模擬する。ヘッドマウントディスプレイ１６は、両眼を覆うように溶接士４に装着され、溶接士４に対して各種画像を表示する。カメラ１８は、ヘッドマウントディスプレイ１６に装着され、溶接士４の前方を撮影する。

制御部５０は、第１実施形態の制御部２０（図１参照）と同様に、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＳＳＤ、表示装置を備え、ＳＳＤには、ＯＳ、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。図８において、制御部５０の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。すなわち、制御部５０は、データベース部５２と、作業データ取得部５３と、品質判定部５４と、を備えている。

模擬トーチ１７はスパッタやアーク光等を発生しないため、通常のカメラ１８等によって、容易に作業データを収集することができる。制御部５０のデータベース部５２には、第２実施形態のデータベース部４２と同様に、過去作業データが記憶されている。作業データ取得部５３は、慣性センサ１４の出力信号およびカメラ１８が撮影した動画像に基づいて、今回の作業データを取得する。品質判定部５４は、過去作業データと、今回の作業データとを比較し、その結果に基づいて模擬溶接作業の品質管理を行う。

第２実施形態において上述したように、トーチ６（図５参照）の平均移動速度およびトーチ角速度は、品質との相関が強い特徴量である。従って、本実施形態においては、模擬トーチ１７の平均移動速度およびトーチ角速度が、品質との相関が強い特徴量になる。本実施形態においては、従って、これらの特徴量を計測・算出するために、第２実施形態に適用した慣性センサ１４を模擬トーチ１７に装着している。

本実施形態による溶接作業教育システム１０３は、これらの特徴量に基づいて、熟練者による過去作業データと、カメラ１８によって取得した新たな作業データとを比較し、その結果に基づいて品質管理を行う。すなわち、本実施形態によれば、実際に溶接作業を行うことなく溶接士４の教育や訓練を実行することができる。

溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７の表面には、画像認識用の模様が施されている（図示せず）。カメラ１８は、これらの模様とともに、溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７等を撮影する。カメラ１８が撮影した動画像および慣性センサ１４の計測結果は、制御部５０の作業データ取得部５３に供給される。作業データ取得部５３は、供給された動画像および慣性センサ１４の計測結果に基づいて溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７の位置データを算出する。次に、作業データ取得部５３は、溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７の三次元図形データに基づいて、これらの三次元座標データを算出する。また、制御部５０は、ヘッドマウントディスプレイ１６の画面上に、溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７を含む模擬溶接作業の画像を表示することができる。

模擬トーチ１７には、第１実施形態のトーチ６と同様のスイッチが装着されており、該スイッチがオン状態であれば、制御部５０は、模擬的通電状態であると認識する。模擬的通電状態において、模擬トーチ１７の先端が溶接対象物模擬部品１５と所定の距離以内に位置する場合には、さらに、ヘッドマウントディスプレイ１６には、アーク光を模擬したアーク光画像と、溶融池を模擬した溶融池画像と、が表示される。

溶接士４が模擬トーチ１７を動かすと、これに伴ってヘッドマウントディスプレイ１６におけるアーク光画像および溶融池画像の位置も移動する。第１実施形態の構成（図１参照）において、トーチ６の動作に応じたアーク光、溶融池、溶接音、溶接電流・電圧等のデータを予め蓄積しておき、その結果を本実施形態に適用してもよい。すなわち、制御部５０は、過去に蓄積されたデータと、溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７の三次元座標データと、に基づいて、模擬トーチ１７の動作に応じたアーク光画像、溶融池画像、溶接音の模擬音、仮想的な溶接電流・電圧等をヘッドマウントディスプレイ１６において再現することができる。

図９は、本実施形態におけるトーチ角速度の計測結果の一例である。なお、図示の計測を行うにあたり、模擬トーチ１７の平均移動速度は２２．３ｃｍ／ｍｉｎであり、テーブル７２（図６参照）によれば良好な範囲であった。一方、また、図中の全期間において、模擬トーチ１７のトーチ角速度は５００ｄｅｇｒｅｅ／ｓ未満になっている。このように、図９に示した例は、テーブル７２，７４（図６参照）によれば、平均移動速度およびトーチ角速度の双方において好ましい範囲すなわち熟練者の動作範囲を満足しており、実際の溶接に適用しても良好な溶接が得られると考えられる。

〈第３実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態の溶接作業教育システム１０３は、溶接対象物７を模擬する溶接対象物模擬部品１５と、溶接対象物７を溶接するトーチ６を模擬する模擬トーチ１７と、模擬トーチ１７の動作状態を検出するセンサ（１４）と、模擬トーチ１７を撮像し動画像を出力する撮像部（１８）と、動画像と動作状態とに基づいて、溶接対象物模擬部品１５の三次元座標データと、模擬トーチ１７の三次元座標データと、を含む作業データを取得する作業データ取得部５３と、動画像と、予め記憶した作業データである過去作業データとに基づいて、溶接状態を表す溶接状態画像を表示する表示部（１６）と、を備える。

これにより、溶接対象物７（図１参照）を消費することなく、かつ安全にトーチ動作を訓練することができる。また、本実施形態によれば、アーク光が発生しないため、溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７の三次元座標データ、トーチ高さ、溶接時刻、溶接位置等のデータや、右ひじの角度と溶接時刻や溶接位置のデータのような正確な作業データを蓄積することができる。これにより、溶接士４の訓練履歴や、技能レベル等の管理を正確に行うことができる。

さらに、本実施形態によれば、作業データは、模擬トーチ１７の平均移動速度、模擬トーチ１７と溶接対象物模擬部品１５との距離であるトーチ高（ＨＴ）、模擬トーチ１７のウィービング周期、模擬トーチ１７のウィービング幅、模擬トーチ１７の角度、溶加材の供給量、模擬トーチ１７を把持する作業者（４）の模擬トーチ１７を把持する側のひじの角度、または作業者（４）の頭の位置のうち何れかを含む。これにより、模擬トーチ１７等の詳細な動作を蓄積することができる。さらに、溶接状態画像は、アーク光を模擬したアーク光画像と、溶融池を模擬した溶融池画像と、を含む動画像である。これにより、臨場感の高い動画像を表示することができる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上述した第１，第２実施形態は、消耗電極式・半自動アーク溶接を行うものであった。しかし、第１，第２実施形態に対して、他の溶接種別、例えばＴＩＧ溶接等を適用してもよい。ＴＩＧ溶接においては、トーチとは別体の溶加材が用いられるため、この場合は溶加材にマーカ３（図１参照）を装着してもよい。これにより、溶加材の供給量や溶加材の角度等の情報も得ることが可能となる。また、第３実施形態は消耗電極式・半自動アーク溶接を模擬するものであったが、他の溶接種別、例えばＴＩＧ溶接等を模擬するものであってもよい。

（２）また、第１実施形態では、マーカ計測用カメラ２の光照射部６０の照射光の波長を８５０ｎｍにしたが、広範囲の波長域を有する光源を光照射部６０として使用してもよい。その場合、マーカ計測用カメラ２は、反射光のうち特定波長の光を抽出するフィルタを備え、トーチ６等に装着されたマーカ３から反射した光のうち特定波長の光を計測することが好ましい。

（３）また、第１実施形態におけるマーカ３として、光を反射するマーカではなく、自発光するマーカを適用してもよい。その場合、マーカ計測用カメラ２には光照射部６０を設ける必要がなくなる。マーカ３として自発光するマーカを適用する場合には、特定波長（例えば８５０ｎｍ）の光を発光するマーカ、または広範囲の波長域を有する光を発光するマーカのうち、何れを適用してもよい。後者の波長域が広いマーカを適用する場合には、マーカ計測用カメラ２には、特定波長の光を抽出するフィルタを備え、マーカ３から放射された光のうち特定波長の光を計測することが好ましい。また、マーカ３に、特定波長の光を反射するフィルタ機能を付与してもよい。

（４）上記第２実施形態において、作業データ取得部４３は、慣性センサ１４の出力信号に基づいて、作業データを取得した。しかし、第２実施形態に対して、地磁気計測装置、全地球測位システム、屋内全地球測位システム、ステレオカメラ等を追加し、これらの計測結果と、慣性センサ１４の出力信号とに基づいて作業データを取得してもよい。また、作業データを取得するセンサは、慣性センサ１４以外のセンサであってもよい。

（５）また、第２実施形態においては、特徴量としてトーチ６の平均移動速度と、トーチ角速度とを適用した例を説明した。しかし、抽出する特徴量はこれらに限定されるわけではなく、トーチ高ＨＴ（図２参照）、ウィービング条件（ウィービング周期、ウィービング幅等）、トーチ角度、溶加材供給量（図４参照）、右ひじの角度（トーチを持つひじの角度、図４参照）、溶接士４の頭の位置等であってもよい。

（６）また、第３実施形態におけるカメラ１８は、ステレオ式のカメラでもよい。ステレオ式カメラを適用することで、溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７の位置関係を、一相正確に計測でき、三次元の精密な距離情報や位置情報を取得することができる。また、第３実施形態においては、溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７に画像認識用の模様を施した。しかし、カメラ１８としてステレオ式カメラを適用すると、これらの模様を省略しながら溶接対象物模擬部品１５および模擬トーチ１７の位置関係を計測することができる。

（７）上述した第３実施形態の溶接作業教育システム１０３は、３次元仮想現実（バーチャル・リアリティ）を提供するものであったが、第１，第２実施形態に適用された実際の溶接対象物７およびトーチ６（図１参照）を適用し、実際の溶接作業を実行しながら教育、訓練を行ってもよい。

２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ マーカ計測用カメラ（光検出部）
３ マーカ
４ 溶接士（作業者）
６ トーチ
７ 溶接対象物
８ 半自動溶接電源
９ 電流・電圧・溶加材供給量計測装置
１４ 慣性センサ（センサ）
１５ 溶接対象物模擬部品
１６ ヘッドマウントディスプレイ（表示部）
１７ 模擬トーチ
１８ カメラ（撮像部）
２０，４０，５０ 制御部
２２ マーカ位置取得部
２３ 溶接操作データ取得部（トーチ位置取得部）
２４ 記録部
２５ 判定部
３０ 溶加材
５２ データベース部
５３ 作業データ取得部
５４ 品質判定部
６０ 光照射部
１０１ 溶接作業計測システム
１０２ 品質管理システム
１０３ 溶接作業教育システム（溶接作業計測システム）

Claims (14)

1. 溶接対象物を溶接するトーチに装着された複数のマーカが発生した光または複数の前記マーカによって反射された光を検出する光検出部と、
   前記光検出部が検出した光に基づいて、前記マーカの三次元座標データであるマーカ位置データを取得するマーカ位置取得部と、
   前記マーカ位置データに基づいて前記トーチの三次元座標データであるトーチ位置データを取得するトーチ位置取得部と、
   前記トーチの三次元座標データと、溶接が完了した前記溶接対象物の溶接状態に対する評価結果である溶接評価データと、を対応付けた作業データを記録する記録部と、を備え、
   前記作業データは、前記トーチを把持する作業者の前記トーチを把持する側のひじの角度を含む
   ことを特徴とする溶接作業計測システム。
2. 前記マーカに対して特定波長を含む光を照射する光照射部をさらに備え、
   前記光検出部は、前記特定波長の光を抽出するフィルタを備え、
   前記マーカ位置取得部は、前記特定波長の光に応じて前記マーカ位置データを取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
3. 前記マーカに対して特定波長の光を照射する光照射部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
4. 前記特定波長の光は、波長が５５０ｎｍ以上の光を含む
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接作業計測システム。
5. 前記トーチは、三以上の前記マーカが装着されたものであり、
   前記トーチ位置取得部は、三以上の前記マーカ位置データに基づいて前記トーチ位置データを取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
6. 複数の前記マーカは球形状の部分を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
7. 複数の前記マーカは、前記トーチの使用時において、前記光検出部から見て重ならないように、配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
8. 前記光検出部は動画像を撮影するカメラであり、
   前記マーカ位置取得部は、前記動画像に含まれる画像の大きさ、または球形度に基づいて、前記マーカの画像と、他の画像とを区別する
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
9. 複数の前記マーカのうち何れかは、溶接作業に適用される溶加材または前記トーチを把持する作業者にも装着されたものであり、
   前記トーチ位置取得部は、前記トーチの三次元座標データに加えて、前記溶加材または前記作業者の三次元座標データを取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
10. 前記記録部は、溶接時刻または溶接位置に対応して前記作業データを記憶するものであり、
    前記記録部に過去に記憶された前記作業データと、新たな溶接作業において取得した前記トーチの三次元座標データと、に基づいて、新たな前記溶接作業の品質を判定する判定部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業計測システム。
11. 前記作業データは、さらに、前記トーチの平均移動速度、前記トーチのトーチ高、前記トーチのウィービング周期、前記トーチのウィービング幅、前記トーチの角度、溶加材の供給量、または前記作業者の頭の位置のうち何れかを含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載の溶接作業計測システム。
12. 溶接対象物を模擬する溶接対象物模擬部品と、
    前記溶接対象物を溶接するトーチを模擬する模擬トーチと、
    前記模擬トーチの動作状態を検出するセンサと、
    前記模擬トーチを撮像し、動画像を出力する撮像部と、
    前記動画像と前記動作状態とに基づいて、前記溶接対象物模擬部品の三次元座標データと、前記模擬トーチの三次元座標データと、を含む作業データを取得する作業データ取得部と、
    前記動画像と、予め記憶した前記作業データである過去作業データとに基づいて、溶接状態を表す溶接状態画像を表示する表示部と、を備え、
    前記作業データは、前記模擬トーチを把持する作業者の前記模擬トーチを把持する側のひじの角度を含む
    ことを特徴とする溶接作業計測システム。
13. 前記作業データは、さらに、前記模擬トーチの平均移動速度、前記模擬トーチと前記溶接対象物模擬部品との距離であるトーチ高、前記模擬トーチのウィービング周期、前記模擬トーチのウィービング幅、前記模擬トーチの角度、溶加材の供給量、または前記作業者の頭の位置のうち何れかを含むデータである
    ことを特徴とする請求項１２に記載の溶接作業計測システム。
14. 前記溶接状態画像は、アーク光を模擬したアーク光画像と、溶融池を模擬した溶融池画像と、を含む動画像である
    ことを特徴とする請求項１３に記載の溶接作業計測システム。

Images