JP7333243B2 - 溶接速度算出システム、溶接速度算出方法及び溶接速度算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接速度算出システム、溶接速度算出方法及び溶接速度算出装置に関する。

溶接とは、２つ以上の材料を近接させ、熱エネルギ等を加えてそれらの材料を局所的に溶かし又は混合することによって接合する作業である。金属の溶接においては、加えられた熱エネルギによって、溶接線付近の材質がもとの材質に比して変化する可能性があるため、入熱量の管理が重要になる。熱エネルギは、溶接トーチを介して材料に伝えられる。そこで、入熱量を管理するためには、溶接トーチの移動速度、すなわち、溶接速度を管理する必要がある。溶接速度を管理する先行技術として、特許文献１及び２が存在する。

特許文献１の溶接装置は、ある板材に対し、当該板材と直角以外の角度で交差する他の板材を溶接する。当該溶接装置は、想定される溶接線の延長線上において、２つのセンサ及び溶接トーチを所定の溶接速度で移動させる。２つのセンサは、溶接トーチよりも時間的に先に他の板材を検知する。当該板材が他の板材と直角以外の角度で交差していることに起因して、２つのセンサのそれぞれが他の板材を検知する時刻がずれる。当該溶接装置は、この時間のずれ及び所定の溶接速度に基づき、溶接開始点及び溶接終了点を求める。

特許文献２の溶接システムは、溶接トーチ上に配置されているポイントマーカ（赤外線ＬＥＤ）を複数のカメラで読み取ることによって、溶接トーチの３次元空間における溶接速度を算出する。

特許第５１６８２５０号明細書 特開２０１８－７５６３６号公報

特許文献１の溶接装置は、直線上にセンサを一定区間ごとに配置する必要がある。すると、曲率を有する配管等の非平面構造物同士を溶接しなければならない場合、特許文献１の溶接装置を使用することはできなくなる。特許文献２の溶接システムは、作業台上で比較的小型の母材を溶接することを前提としており、大型鋼管等の溶接には向かない。
そこで、本発明は、センサ配置が限定される作業スペースにおいて、曲率を有する溶接線上の溶接速度を連続的に算出することを目的とする。

本発明の溶接速度算出システムは、作業員が把持する溶接トーチに付されたマーカに対して光を照射する光源、及び、前記マーカが反射した光を受光するカメラを有し、前記作業員が装着する撮像装置と、前記カメラが撮像した前記マーカの画像を使用して溶接トーチの溶接速度を算出する溶接速度算出装置と、を備え、前記マーカの所定期間における移動軌跡、及び、空間内のある点に固定されたランドマークの同期間における移動軌跡を表示すること、を特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、センサ配置が限定される作業スペースにおいて、曲率を有する溶接線上の溶接速度を連続的に算出することができる。

溶接速度算出装置の構成等を説明する図である。 溶接防護具を説明する図である。 溶接トーチを説明する図である。 平面画像を説明する図である。 奥行を説明する図である。 ３次元空間の距離を説明する図である。 ３次元空間内の配管を説明する図である。 溶接速度情報を説明する図である。 処理手順のフローチャートである。 溶接速度表示画面の一例である。 ある時刻における溶接トーチの様子を示す斜視図である。 他のある時刻における溶接トーチの様子を示す斜視図である。 赤外マーカの極座標値を説明する図である。 当たり角度情報を説明する図である。

以降、本発明を実施するための形態（以降“本実施形態”とも呼ぶ）を、図等を参照しつつ詳細に説明する。本実施形態は、作業員が狭隘なスペースにおいて配管同士を溶接する例である。しかしながら、一般的に、奥行を有する溶接線に沿って溶接作業を行う場合に、本発明は適用可能である。

（溶接速度算出装置）
図１は、溶接速度算出装置１の構成等を説明する図である。溶接速度算出装置１は、一般的なコンピュータであり、中央制御装置１１、マウス、キーボード等の入力装置１２、ディスプレイ等の出力装置１３、主記憶装置１４、補助記憶装置１５及び通信装置１６を備える。これらは、バスで相互に接続されている。補助記憶装置１５は、溶接速度情報３１（詳細後記）を記憶している。

主記憶装置１４における平面画像追跡部２１、奥行算出部２２、溶接速度算出部２３、エネルギ量取得部２４、同期処理部２５、記録処理部２６及び表示処理部２７は、プログラムである。中央制御装置１１は、これらのプログラムを補助記憶装置１５から読み出し主記憶装置１４にロードすることによって、それぞれのプログラムの機能（詳細後記）を実現する。

現場２において、作業員５は、同じ径及び同じ肉厚を有する配管６ａ及び配管６ｂを溶接している。作業員５は、右手に溶接トーチ３を把持し、頭部に溶接防護具４を装着している。作業員は、配管６ａと配管６ｂとの間の僅かな隙間（“溶接線”と呼ぶ）に対して溶接トーチ３を接触させ、溶接線に沿って溶接トーチ３をゆっくり移動させる。溶接機７は、溶接トーチ３に対して電力を供給する。図示しないが、配管６ａ及び配管６ｂは、溶接機７と接地線（アース）で接続されている。

溶接速度算出装置１は、ネットワーク８を介して溶接防護具４及び溶接機７と接続されている。溶接速度算出装置１は、溶接防護具４に取り付けられたカメラ（詳細後記）が撮像した画像を、溶接防護具４からリアルタイムで取得する。溶接速度算出装置１は、溶接トーチ３に供給されている溶接電流、溶接電圧又は溶接電力の値を、溶接機７からリアルタイムで取得する。

（溶接防護具）
図２は、溶接防護具を説明する図である。溶接防護具４は、顔面形状又はヘルメット形状を有し、作業員５の頭部に固定される。図２は、溶接防護具４を外側（作業員５に対面する側）から見た正面図である。溶接防護具４は、観察窓４１、赤外照明４２及び赤外ステレオカメラ４３を有する。観察窓４１は、アーク光を十分遮断する半透明の素材で生成された覗き窓である。作業員５は、観察窓４１を介して溶接線及び溶接トーチ３を視認する。赤外照明４２は、赤外マーカ（詳細後記）に対して赤外線を発する光源である。赤外ステレオカメラ４３は、赤外線を受光する２台の赤外カメラの集合体である。

前記では、溶接防護具４が赤外照明４２及び赤外ステレオカメラ４３を有する例を説明した。しかしながら、作業員５は、撮像装置を有さない溶接防護具４と、撮像装置とを別々に頭部に固定（装着）してもよい。ここでの撮像装置とは、少なくとも、赤外照明４２及び赤外ステレオカメラ４３を有する構成である。溶接速度算出装置１及び撮像装置は、溶接速度算出システムを構成する。

（溶接トーチ）
図３は、溶接トーチを説明する図である。溶接される配管６ａ及び配管６ｂ（母材）の間の線４５は、溶接線（これから溶接する線）である。作業員５は、溶接トーチ３を右手で把持し、溶接トーチ３の先端を溶接線４５に接触させながら、左から右の方向に移動させる。溶接線４５のうち溶接トーチ３が通過した箇所では、母材が融合されている。溶接トーチ３には、赤外マーカ４４が取り付けられている。

赤外マーカ４４は、パッシブ型式であり、赤外照明４２が発光した赤外線を反射する。赤外ステレオカメラ４３は、赤外マーカ４４が反射した赤外線を受光することになる。１つの赤外マーカ４４が溶接トーチ３の先端に十分近い位置に固定されていれば十分である。しかしながら、赤外マーカ４４が作業員５の手に隠蔽される場合のために、複数の赤外マーカ４４が取り付けられていてもよい。なお、２つの赤外マーカ４４を使用して、溶接トーチ３の当たり角度を算出する例を後記する。

赤外ステレオカメラ４３を一般的な可視光ステレオカメラに代替し、赤外照明４２を一般的な可視照明に代替することも可能である。しかしながら、本実施形態のように、赤外照明４２が赤外線を赤外マーカ４４に照射しその反射光を赤外ステレオカメラ４３が受光することのメリットは以下の通りである。

・赤外線は可視光線ではないので、照射光を可視光線とする場合に比して、作業員５に与える光量（眩しさ）が減少する。
・赤外マーカは不安定なアーク光を反射せず、赤外照明４２が照射した赤外線のみを反射するため、可視化されたオプティカルフロー（軌跡）はアーク光にかき消されず、人間の目に見やすい。

さらに、赤外ステレオカメラ４３及び赤外照明４２を溶接防護具４以外の位置に設置することも可能である。しかしながら、赤外ステレオカメラ４３及び赤外照明４２を溶接防護具４上に設置することのメリットは以下の通りである。
・赤外ステレオカメラ４３及び赤外照明４２の設置スペースを節約することができる。
・赤外マーカ４４への入射光及びその反射光が、作業員５の手以外の障害物に遮られることがない。

（平面画像）
図４は、平面画像を説明する図である。赤外ステレオカメラ４３を構成する２台の赤外カメラのそれぞれは、“単体カメラ”と呼ばれる。図４の平面画像５１は、単体カメラの受光素子面が捉えた赤外マーカ４４の画像である。なお、図４の溶接トーチ３は、説明のわかりやすさのために記載されているのであって、溶接トーチ３自身が赤外線を反射する材質で作成されている必要はない（図５及び図６においても同様）。

Ｘ軸及びＹ軸の原点は、受光素子面の左下の隅である。赤外マーカ４４は、時刻ｔ_０には点（ｘ_０，ｙ_０）に位置し、時刻ｔ_１には点（ｘ_１，ｙ_１）に位置し、その間、距離ｄ_１だけ移動している。なお、“ｄ_ｎ＝√［（ｘ_ｎ－ｘ_ｎ－１）^２＋（ｙ_ｎ－ｙ_ｎ－１）^２］”が成立する（ｎ＝１、２、・・・）。溶接速度算出装置１は、平面上の溶接速度“ｖ_ｎ＝ｄ_ｎ／（ｔ_ｎ－ｔ_ｎ－１）”を算出することができる。なお、溶接速度算出装置１は、図４の平面画像上の距離を、実世界上の距離に換算することができる。

赤外マーカ４４の形状が例えば球形であるとすると、平面画像として取得される赤外マーカ４４の円の直径は、赤外マーカ４４が単体カメラに近いほど大きくなる。したがって、平面画像上の円の直径によって、赤外マーカ４４と単体カメラとのおおよその距離を知ることは不可能ではない。しかしながら、平面画像上の円の直径は、揺れ動く赤外ステレオカメラ４３の位置にも影響を受ける。さらに、奥行方向の距離の違いによる円の直径の差分を有意に大きくしようとすると、赤外マーカ４４が巨大化してしまい実用的ではない。よって、本実施形態は、奥行方向の距離を算出するために以下の方法を使用する。

（奥行）
図５は、奥行を説明する図である。図５は、単体カメラ４３ａ及び単体カメラ４３ｂ及び赤外マーカ４４を上方向から見下ろした俯瞰図であり、２つの単体カメラの収差を説明している。因みに、単体カメラ４３ａ及び単体カメラ４３ｂのそれぞれが撮像した平面画像は、当然図４のようになる。図５において、θ_ａは、単体カメラ４３ａの受光素子面の中心と時刻ｔ_０における赤外マーカ４４とを結ぶ直線が受光素子面となす角度（Ｘ軸を基準として反時計回り）である。θ_ｂは、単体カメラ４３ｂの受光素子面の中心と時刻ｔ_０における赤外マーカ４４とを結ぶ直線が受光素子面となす角度である。θ_ｂからθ_ａを減算した差分は、“収差”と呼ばれる。

この収差及び単体カメラ４３ａの光軸と単体カメラ４３ｂの光軸との間の距離４３ａｂが既知であると、溶接速度算出装置１は、時刻ｔ_０における受光素子面から赤外マーカ４４までの奥行ｚ_０を算出することができる。収差が大きいほど、奥行ｚ_０は、小さくなる。同様に、溶接速度算出装置１は、時刻ｔ_１における奥行ｚ_１を算出することもできる。なお、赤外ステレオカメラ４３は、３つ以上の単体カメラを有していてもよい。この場合、より正確に奥行を算出することができる。

（３次元空間の距離）
図６は、３次元空間の距離を説明する図である。図６は、図４におけるＸＹ平面と図５におけるＸＺ平面を統合したＸＹＺ空間の図である。赤外マーカ４４は、時刻ｔ_０には点（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）に位置し、時刻ｔ_１には点（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）に位置し、その間、距離Ｄ_１だけ移動している。
なお、“Ｄ_ｎ＝√［（ｘ_ｎ－ｘ_ｎ－１）^２＋（ｙ_ｎ－ｙ_ｎ－１）^２＋（ｚ_ｎ－ｚ_ｎ－１）^２］”が成立する。溶接速度算出装置１は、空間内の溶接速度“Ｖ_ｎ＝Ｄ_ｎ／（ｔ_ｎ－ｔ_ｎ－１）”を算出することができる。

（３次元空間内の配管）
図７は、３次元空間内の配管を説明する図である。単体カメラが撮像した平面画像は、多くの場合、符号５２のように、配管６ａ及び配管６ｂの側面を撮像したものになる。時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの間に、赤外マーカ４４は、Ｙ軸の正の方向に移動する。仮に配管６ａ及び配管６ｂの長さ方向から溶接線を含む平面を見た場合の平面画像が符号５３である。

時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの間におけるＸＹ平面上の赤外マーカ４４の移動距離ｄ_１を、さらにＺ軸方向の移動も考慮した赤外マーカ４４の空間内の移動距離Ｄ_１と比較した場合、ｄ_１＜Ｄ_１となる。溶接トーチ３は、実際には配管の肉厚内を、弧を描いて移動する。時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの間に溶接トーチ３が描く弧の長さを“Ｄ_ｒ”とすると、ｄ_１＜Ｄ_１＜Ｄ_ｒが成立し、Ｄ_ｒの近似値としては、ｄ_１よりもＤ_１のほうが相応しい。

（ランドマーク）
ランドマーク４６は、任意の固定点に配置された赤外マーカである。赤外ステレオカメラ４３が常にある点に固定され、溶接トーチ３上の赤外マーカ４４のみが移動する場合、特に問題はない。しかしながら、赤外ステレオカメラ４３は、作業員５の頭部とともに移動する（頭ブレ）。すると、仮に、溶接トーチ３上の赤外マーカ４４がある点に固定されている間に、頭ブレが発生すると、赤外ステレオカメラ４３は、溶接トーチ３上の赤外マーカ４４が移動したと誤認識してしまう。

このような誤認識を防ぐために、ランドマーク４６が、例えば、転がらないように固定された配管６ａ又は配管６ｂの側面上の任意の位置に配置される。溶接速度算出装置１は、溶接トーチ３上の赤外マーカ４４の座標値の変化“（ｘ_ｎ－ｘ_ｎ－１，ｙ_ｎ－ｙ_ｎ－１，ｚ_ｎ－ｚ_ｎ－１）”から、 ランドマーク４６の座標値の変化“（ｘ^Ｌ _ｎ－ｘ^Ｌ _ｎ－１，ｙ^Ｌ _ｎ－ｙ^Ｌ _ｎ－１，ｚ^Ｌ _ｎ－ｚ^Ｌ _ｎ－１）”を減算する（ｎ＝１、２、・・・）。

すると、溶接速度算出装置１は、時刻ｔ_ｎ－１から時刻ｔ_ｎまでの間における、頭ブレ分を除いた座標値の変化量を取得することができる。なぜならば、ランドマーク４６の座標値の変化“（ｘ^Ｌ _ｎ－ｘ^Ｌ _ｎ－１，ｙ^Ｌ _ｎ－ｙ^Ｌ _ｎ－１，ｚ^Ｌ _ｎ－ｚ^Ｌ _ｎ－１）”は、頭ブレのみに起因するからである。ランドマーク４６は、１つあれば十分であるが、必ず赤外ステレオカメラ４３の視野内に配置される必要がある。１つのランドマーク４６が視野外に外れてもよいように、複数のランドマーク４６が配置されることが好ましい。

（溶接速度情報）
図８は、溶接速度情報を説明する図である。溶接速度情報３１においては、時刻欄１１１に記憶された時刻に関連付けて、Ｘ座標欄１１２にはＸ座標値が、Ｙ座標欄１１３にはＹ座標値が、Ｚ座標欄１１４にはＺ座標値が、溶接速度欄１１５には溶接速度が、溶接電流欄１１６には溶接電流値が、溶接電圧欄１１７には溶接電圧値が、溶接電力欄１１８には溶接電力値が記憶されている。

時刻欄１１１の時刻は、赤外ステレオカメラ４３が溶接トーチ３上の赤外マーカ４４を撮像した時刻である。ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、・・・の各時刻間の間隔は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。添え字の数が大きいほど、後の時刻である。
Ｘ座標欄１１２のＸ座標値は、ある１つの単体カメラが撮像した溶接トーチ３上の赤外マーカ４４のＸ座標（図４のｘ_０、ｘ_１、・・・）である。
Ｙ座標欄１１３のＹ座標値は、当該１つの単体カメラが撮像した溶接トーチ３上の赤外マーカ４４のＹ座標（図４のｙ_０、ｙ_１、・・・）である。

Ｚ座標欄１１４のＺ座標値は、赤外ステレオカメラ４３（２つの単体カメラ）が撮像した溶接トーチ３上の赤外マーカ４４のＺ座標（図５のｚ_０、ｚ_１、・・・）である。
溶接速度欄１１５の溶接速度は、溶接トーチ３上の赤外マーカ４４の空間内の溶接速度である。なお、前記したように、“Ｖ_ｎ＝√［（ｘ_ｎ－ｘ_ｎ－１）^２＋（ｙ_ｎ－ｙ_ｎ－１）^２＋（ｚ_ｎ－ｚ_ｎ－１）^２］／（ｔ_ｎ－ｔ_ｎ－１）”が成立している。さらに、Ｖ_ｎは、ランドマーク４６の座標値の変化を減算することによって誤認識が除かれた後の値である。

溶接電流欄１１６の溶接電流値は、溶接機７が溶接トーチ３に供給する電力の電流値である。
溶接電圧欄１１７の溶接電圧値は、溶接機７が溶接トーチ３に供給する電力の電圧値である。
溶接電力欄１１８の溶接電力値は、溶接機７が溶接トーチ３に供給する電力の電力値である。溶接電力欄１１８の溶接電力値は、同一行の溶接電流欄１１６の溶接電流値と、溶接電圧欄１１７の溶接電圧値とを乗算して得られる計算値が記憶されてもよい。より一般的には、当該欄には、溶接トーチ３を介して溶接線に供給されるエネルギの量（瞬間値又は僅少期間における積分値）を定義できる任意の物理量が記憶される。

（処理手順）
図９は、処理手順のフローチャートである。図９の説明の途中で、適宜図１０を参照する。
ステップＳ２０１において、溶接速度算出装置１の同期処理部２５は、ｎに“０”を代入する。具体的には、同期処理部２５は、処理進行用のカウンタ値ｎに“０”を代入する。ｎの値は、時刻ｔ_ｎのｎに対応している。
ステップＳ２０２において、溶接速度算出装置１の平面画像追跡部２１は、時刻ｔ_ｎの赤外マーカの平面位置を取得する。具体的には、平面画像追跡部２１は、赤外ステレオカメラ４３の単体カメラのいずれかから、現時点（時刻ｔ_ｎ）における赤外マーカ４４のＸ座標値及びＹ座標値を取得する。

ステップＳ２０３において、溶接速度算出装置１の奥行算出部２２は、時刻ｔ_ｎの赤外マーカの奥行を取得する。具体的には、奥行算出部２２は、赤外ステレオカメラ４３から、現時点（時刻ｔ_ｎ）における赤外マーカ４４のＺ座標値を取得する。
ステップＳ２０４において、溶接速度算出装置１のエネルギ量取得部２４は、時刻ｔ_ｎの溶接電流値及び溶接電圧値を取得する。具体的には、エネルギ量取得部２４は、溶接機７から、現時点（時刻ｔ_０）における溶接電流値及び溶接電圧値を取得する。

ステップＳ２０５において、溶接速度算出装置１の同期処理部２５は、時刻ｔ_ｎのタイムスタンプを取得する。具体的には、同期処理部２５は、現時点（時刻ｔ_ｎ）におけるタイムスタンプを取得する。タイムスタンプとは、例えば中央制御装置１１が生成する具体的な時刻情報（年月日時分秒）である。

ステップＳ２０６において、溶接速度算出装置１の溶接速度算出部２３は、２時刻間の溶接速度を算出する。具体的には、溶接速度算出部２３は、時系列の溶接速度Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、・・・を、前記の数式“Ｖ_ｎ＝√［（ｘ_ｎ－ｘ_ｎ－１）^２＋（ｙ_ｎ－ｙ_ｎ－１）^２＋（ｚ_ｎ－ｚ_ｎ－１）^２］／（ｔ_ｎ－ｔ_ｎ－１）”によって算出する。このとき、溶接速度算出部２３は、前記したように、赤外マーカ４４の座標値の変化から、ランドマーク４６の座標値の変化を減算してもよい。
なお、初回の繰り返し処理においては、“ｎ＝０”であることから、溶接速度算出部２３は、２時刻間の溶接速度を算出することができない。そこで、初回の繰り返し処理においては、溶接速度算出部２３は、ステップＳ２０６を省略する。

ステップＳ２０７において、溶接速度算出装置１の記録処理部２６は、溶接速度、溶接電流値、溶接電圧値及び溶接電力値を時系列で記憶する。記録処理部２６は、溶接電力値を、溶接電流値と溶接電圧値とを乗算して取得してもよい。具体的には、記録処理部２６は、ステップＳ２０２～Ｓ２０６において取得又は算出した値を使用して、溶接速度情報３１（図８）を作成し、補助記憶装置１５に記憶する。

ステップＳ２０８において、溶接速度算出装置１の表示処理部２７は、移動軌跡を表示する。具体的には、表示処理部２７は、出力装置１３に溶接速度表示画面６１（図１０）を表示する。そして、表示処理部２７は、溶接速度表示画面６１のオプティカルフロー欄６２に、時刻ｔ_０から現在の時刻ｔ_ｎまでの赤外マーカ４４の移動軌跡を表示する。表示処理部２７は、同期間におけるランドマーク４６の移動軌跡を表示してもよい。このとき、ユーザからの指示に応じて、表示処理部２７は、赤外マーカ４４の奥行の変化を図案化した情報（例えば図５）及び赤外マーカ４４の３次元空間での移動を図案化した情報（例えば図６）を表示してもよい。

ステップＳ２０９において、表示処理部２７は、溶接速度、溶接電流値、溶接電圧値及び溶接電力値を時系列で表示する。具体的には、表示処理部２７は、溶接速度表示画面６１の数値欄６３に、時刻ｔ_０における溶接電流値、時刻ｔ_１から現在の時刻ｔ_ｎまでの溶接速度及び溶接電流値、並びに、時刻ｔ_０から現在の時刻ｔ_ｎまでの溶接電圧値及び溶接電力値を表示する。これらの表示値が、予め設定されたトーチ条件範囲（溶接電流値、溶接電圧値及び溶接電力値のそれぞれの上限、下限又は範囲）及び速度条件（溶接速度の上限、下限又は範囲）を外れた場合、表示処理部２７は、警告を発してもよい。ここでの発報の手段としては、警笛音、表示画面上の変化等がある。これにより、溶接作業中の異常又は計画外の溶接作業を、作業員又は現場監督に通報することができる。

ステップＳ２１０において、同期処理部２５は、ｎが所定の値に達したか否かを判断する。ユーザは、ｎの最大値として任意の値を予め設定しておく。仮に６０秒間の溶接作業について５秒ごとに溶接速度を知りたい場合、ｎは、６０／５＝１２となる。同期処理部２５は、ｎが所定の値に達した場合（ステップＳ２１０“Ｙｅｓ”）、処理手順を終了し、それ以外の場合（ステップＳ２１０“Ｎｏ”）、ステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２１１において、同期処理部２５は、ｎに“１”を加算する。具体的には、同期処理部２５は、カウンタ値ｎに“１”を加算したうえで、ステップＳ２０２に戻る。
ステップＳ２０２～Ｓ２０９の繰り返し処理を終了した段階で、各時刻についての、赤外マーカ４４のＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値、溶接速度（時点ｔ_０分を除く）、溶接電流値、溶接電圧値、並びに、溶接電力値が補助記憶装置１５に記憶されていることになる。

（変形例）
溶接速度算出部２３は、ステップＳ２０６において、溶接速度のＺ軸成分の絶対値が所定の閾値以下になったか否かを判断する。そして、Ｚ軸成分の絶対値が所定の閾値以下になった場合、溶接速度算出部２３は、出力装置１３に警報を出力する。さらにその場合、記録処理部２６は、ステップＳ２０７において、当該時刻のレコードに関連付けて“注意フラグ”を記憶する。曲率を有する配管等を溶接する場合、溶接速度のＺ軸成分の絶対値が所定の閾値以下になった時点で、例えば、作業員の前屈不足等に起因する施工不良が発生している可能性が高い。

（溶接トーチの当たり角度）
溶接中の溶接トーチ３の動きは、溶接トーチ３の先端の熱発生分布に変化を与える。そこで、母材と溶接トーチ３との関係を示す“当たり角度”を記録することは、品質管理の点で有用である。

図１１は、ある時刻における溶接トーチ３の様子を示す斜視図である。溶接トーチ３には、２つの赤外マーカ４４ａ及び４４ｂが取り付けられている。２つの赤外マーカ４４ａ及び４４ｂを結ぶ想定上の線分は、溶接トーチ３の長軸に対して平行になっている。模式図５５は、赤外ステレオカメラ４３が赤外マーカ４４ａ及び４４ｂを撮像した画像の模式図である。模式図５５には、溶接トーチ３、並びに、母材６ａ及び６ｂも写り込む。しかしながら、ここでは、説明の単純化のために、赤外マーカ４４ａ及び４４ｂに対応する反射像のみが、それぞれ反射像５４ａ及び５４ｂとして写り込んでいるものとする。そして、前記したように、溶接速度算出装置１は、反射像５４ａ及び５４ｂの３次元座標を算出することができる。なお、これらのことは、後記する図１２においても同様である。

図１２は、他のある時刻における溶接トーチ３の様子を示す斜視図である。図１２において、溶接トーチ３は、図１１に比して、母材６ａ及び６ｂ側により倒された状態になっている。したがって、模式図５５における反射像５４ａ及び５４ｂの３次元座標は、図１１に比して変化している。

図１３は、赤外マーカ４４の極座標値を説明する図である。いま、母材（配管）に対して、赤外マーカ４４ａの点で接する平面をＸＹ平面とする。溶接速度算出装置１の溶接速度算出部２３は、例えば母材上に固定された３つのランドマーク４６の座標値に基づき、ＸＹ平面（溶接平面）を特定することができる。Ｘ軸は、例えば、溶接線の方向に伸長する。Ｚ軸は、赤外マーカ４４ａの点におけるＸＹ平面の法線の方向に伸長する。赤外マーカ４４の極座標値は、“（ｒ_ｔ，θ_ｔ，φ_ｔ）”として表現される。

ここで、“ｔ”は、時刻である。“ｒ_ｔ”は、赤外マーカ４４ａ及び４４ｂを結ぶ線分の長さ（マーカ間の距離）である。“θ_ｔ”は、赤外マーカ４４ａ及び４４ｂを結ぶ線分と、Ｚ軸とがなす角度である。“φ_ｔ”は、赤外マーカ４４ａ及び４４ｂを結ぶ線分のＸＹ平面に対する投影線と、Ｘ軸とがなす角度である。溶接速度算出装置１の溶接速度算出部２３は、“（ｒ_ｔ，θ_ｔ，φ_ｔ）”の値を時系列で算出することができる。なお、ここでの“θ”は、図５における“θ”とは直接の関係を有さない。

“ｒ_ｔ”は、赤外マーカ４４の位置を変えない限り、“ｔ”に関係なく一定である。しかしながら実際には、画像に重畳するノイズに起因して、画像のピクセル値に誤差が発生する場合がある。すると、“ｒ_ｔ”は変動することになる。この原理を用いて、溶接速度算出部２３は、安定的に“θ_ｔ”及び “φ_ｔ”が算出されているか否かを判断することができる。

（座標値の変換）
図８のＸ座標値及びＹ座標値は、平面画像追跡部２１が取得したものであり、図８のＺ座標値は、奥行き算出部２２が取得したものである。ここでのＸＹ平面は、単体カメラの受光素子面である。Ｘ軸は、受光素子面の左下の原点（図４参照）から水平方向に伸長し、Ｙ軸は、原点から垂直方向に伸長し、Ｚ軸は、原点から、原点における受光素子面の法線の方向に伸長している。

一方、図１３においては、ＸＹ平面は、赤外マーカ４４ａを原点として含む平面であって、配管上に固定された３つのランドマーク４６を含む平面に平行である。Ｘ軸は、原点から、例えば溶接線の方向に伸長し、Ｙ軸は、原点から、Ｘ軸に直交する方向に伸長し、Ｚ軸は、原点から、原点におけるＸＹ平面の法線の方向に伸長している。

以上から明らかなように、図８におけるＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値、並びに、図１３におけるＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値は、いずれも３次元の直交座標値であるが、基準となる原点の位置及び座標軸の向きが異なっている。溶接速度算出装置１が備えるプログラムである座標変換部（図示せず）は、図８におけるＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値を、図１３におけるＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値に変換することができる。

図１４は、当たり角度情報を説明する図である。当たり角度情報３２は、溶接速度算出装置１の記録処理部２６によって作成され、補助記憶装置１５に記憶される（図１には図示せず）。当たり角度情報３２においては、監視点欄１２１に記憶された監視点に関連付けて、時刻欄１２２には時刻が、溶接トーチ位置欄１２３には溶接トーチ位置が、溶接トーチ当たり角度欄１２４には溶接トーチ当たり角度が記憶されている。

監視点欄１２１の監視点は、溶接トーチ３に取り付けられた２つの赤外マーカ４４のうち、溶接線に近い赤外マーカ４４ａを示す“Ｂ_１”又は他方の赤外マーカ４４ｂを示す“Ｂ_２”のうちのいずれかである。
時刻欄１２２の時刻は、図８の時刻と同じである。
溶接トーチ位置欄１２３は、Ｘ座標欄１２３ａ、Ｙ座標欄１２３ｂ及びＺ座標欄１２３ｃから構成される。Ｘ座標欄１２３ａのＸ座標値、Ｙ座標欄１２３ｂのＹ座標値及びＺ座標欄１２３ｃのＺ座標値は、図１３のＸＹＺ空間におけるＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値（直交座標値）である。

溶接トーチ当たり角度欄１２４は、ｒ座標欄１２４ａ、θ座標欄１２４ｂ及びφ座標欄１２４ｃから構成される。ｒ座標欄１２４ａのｒ座標値、θ座標欄１２４ｂのθ座標値及びφ座標欄１２４ｃのφ座標値は、図１３において説明した“ｒ_ｔ”、“θ_ｔ”及び“φ_ｔ”と同じである。
図１４から明らかなように、１つの時刻において、６つの直交座標の値及び３つの極座標の値が取得される。通常、ｒ_０＝ｒ_１＝ｒ_２＝・・・が成立する。画像のピクセル値に誤差が発生すると、この関係が成立しなくなる。

（本実施形態の効果）
本実施形態の溶接速度算出システムの効果は以下の通りである。
（１）溶接速度算出システムは、狭隘な作業スペースにおいても溶接速度を算出できる。
（２）溶接速度算出システムは、溶接速度と同時に溶接電流等を取得できる。
（３）溶接速度算出システムは、曲率を有する溶接線上の溶接速度を算出できる。
（４）溶接速度算出システムは、溶接速度等を表示、記憶するので、溶接作業の品質を容易に確認できる。
（５）溶接速度算出システムは、赤外線を使用して高精度で溶接速度を算出できる。
（６）溶接速度算出システムは、溶接トーチの当たり角度を算出できる。
（７）溶接速度算出システムは、カメラブレの影響を相殺することができる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、前記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウエアで実現してもよい。また、前記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウエアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、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、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 溶接速度算出装置
３ 溶接トーチ
４ 溶接防護具
５ 作業員
６ａ、６ｂ 配管
８ ネットワーク
１１ 中央制御装置
１２ 入力装置
１３ 出力装置
１４ 主記憶装置
１５ 補助記憶装置
１６ 通信装置
２１ 平面画像追跡部
２２ 奥行算出部
２３ 溶接速度算出部
２４ エネルギ量取得部
２５ 同期処理部
２６ 記録処理部
２７ 表示処理部
３１ 溶接速度情報
４２ 赤外照明（光源）
４３ 赤外ステレオカメラ
４４ 赤外マーカ
４６ ランドマーク

Claims (9)

1. 作業員が把持する溶接トーチに付されたマーカに対して光を照射する光源、及び、前記マーカが反射した光を受光するカメラを有し、前記作業員が装着する撮像装置と、
   前記カメラが撮像した前記マーカの画像を使用して溶接トーチの溶接速度を算出する溶接速度算出装置と、
   を備え、
   前記溶接速度算出装置は、
   前記マーカの所定期間における移動軌跡、及び、空間内のある点に固定されたランドマークの同期間における移動軌跡を表示すること、
   を特徴とする溶接速度算出システム。
2. 前記溶接速度算出装置は、
   前記溶接トーチに供給されるエネルギの量を取得し、前記溶接トーチの溶接速度及び前記取得したエネルギの量を時刻で同期させ関連付けること、
   を特徴とする請求項１に記載の溶接速度算出システム。
3. 前記撮像装置は、
   溶接防護具に装備されており、
   複数のカメラを有し、
   前記溶接速度算出装置は、
   前記複数のカメラのうちの１つが撮像した平面画像における前記マーカの平面位置を取得し、
   前記複数のカメラが撮像した平面画像の収差に基づき前記マーカの奥行を取得し、
   前記取得した平面位置及び奥行に基づき、前記マーカの３次元位置を取得し、
   前記取得した３次元位置に基づき、前記溶接トーチの溶接速度を算出すること、
   を特徴とする請求項２に記載の溶接速度算出システム。
4. 前記溶接速度算出装置は、
   前記溶接速度及び前記エネルギの量を時系列で記憶し、表示すること、
   を特徴とする請求項３に記載の溶接速度算出システム。
5. 前記光源は、
   前記マーカに赤外線を照射し、
   前記カメラは、
   前記マーカが反射した赤外線を受光すること、
   を特徴とする請求項４に記載の溶接速度算出システム。
6. 前記溶接速度算出装置は、
   前記溶接トーチの当たり角度を算出すること、
   を特徴とする請求項５に記載の溶接速度算出システム。
7. 前記溶接速度算出装置は、
   空間内のある点に固定されたランドマークの座標値の変化を、前記マーカの座標値の変化から減算すること、
   を特徴とする請求項６に記載の溶接速度算出システム。
8. 溶接速度管理システムを構成し、作業員が装着する撮像装置が有する光源は、
   前記作業員が把持する溶接トーチに付されたマーカに対して光を照射し、
   前記撮像装置が有するカメラは、
   前記マーカが反射した光を受光し、
   前記溶接速度管理システムを構成する溶接速度算出装置は、
   前記カメラが撮像した前記マーカの画像を使用して前記溶接トーチの溶接速度を算出し、
   前記マーカの所定期間における移動軌跡、及び、空間内のある点に固定されたランドマークの同期間における移動軌跡を表示すること、
   を特徴とする溶接速度算出システムの溶接速度算出方法。
9. 作業員が把持する溶接トーチに付されたマーカに対して光を照射する光源、及び、前記マーカが反射した光を受光するカメラを有し、前記作業員が装着する撮像装置と通信可能であって、
   前記カメラが撮像した前記マーカの画像を使用して前記溶接トーチの溶接速度を算出し、
   前記マーカの所定期間における移動軌跡、及び、空間内のある点に固定されたランドマークの同期間における移動軌跡を表示すること、
   を特徴とする溶接速度算出装置。

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