JP7514169B2 - 溶接支援装置、および、溶接支援方法 - Google Patents
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Description
本発明は、溶接支援装置、および、溶接支援方法に関わる。
溶接をはじめとした熟練技能は、経験豊富な溶接作業者が時間をかけてＯＪＴ（On-the-Job Training）等を通して初心者に教育してきた。しかし、近年の少子高齢化に伴って熟練溶接作業者が減少する中、初心者は熟練者からの教育を受けられない場合があり、現場から熟練技能が失われつつある。
このような状況において、ロボットを用いて溶接作業を自動化する取り組みも行われており、工数低減や品質安定化の上で成果を上げている。一方、ロボットのアクセスできない狭隘部の溶接個所や、寸法ばらつきが大きい大型構造物の溶接個所においては、手動溶接の必要性が依然として高い。
例えば、特許文献１には、ＭＡＧ（Metal Active Gas Welding）溶接やＭＩＧ（Metal Inert Gas Welding）溶接などの半自動溶接における溶接施工の良否の判定を行う方法が記載されている。
例えば、特許文献１には、ＭＡＧ（Metal Active Gas Welding）溶接やＭＩＧ（Metal Inert Gas Welding）溶接などの半自動溶接における溶接施工の良否の判定を行う方法が記載されている。
一方、手動溶接は、個人固有の技能として受け継がれてきたもので、方法の文書化や可視化が進んでいない場合が多い。特に、手動溶接の１つの方法であるＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接では、溶加材である溶接棒を手で送給する必要がある。このとき、溶接作業者が溶接棒をどの程度送給しているか（すなわち、溶接棒供給速度）は溶接部（ビード）の品質を左右する重要なパラメータである。
ＴＩＧ溶接では、アークを発生させる溶接トーチと、アークに挿入する溶接棒とが別々の手で把持されるため、ローラなどの溶接棒の送給機構から機械的に溶接棒の送給速度を取得できない。
そこで、特許文献２には、ＴＩＧ溶接において、溶接トーチにカメラを取り付け、画像処理によって溶接トーチの動きや溶接棒の送給量を評価する装置が記載されている。
そこで、特許文献２には、ＴＩＧ溶接において、溶接トーチにカメラを取り付け、画像処理によって溶接トーチの動きや溶接棒の送給量を評価する装置が記載されている。
特許文献１の方式では、溶接トーチと一体化された溶接ワイヤが機械的に供給されるので、ローラなどの溶接棒の送給機構から機械的に溶接棒の送給速度を取得すればよい。しかし、この手法は、アークを発生させる溶接トーチと、アークに挿入する溶接棒とが別々の手で把持されるＴＩＧ溶接には適用できない。
特許文献２の方式では、アーク近辺の撮影画像から画像認識するために、溶接棒のうちのアークに挿入する先端側（アーク側）に物理的な加工を事前に行う必要がある。物理的な加工とは、例えば、溶接棒に物理的な凹み等の印を一定間隔の目盛りとしてつけることである。これにより、撮影画像に撮影される目盛りの変化度合いにより、溶接棒の送給量（消費速度）を求めることができる。
このように、溶接部の品質監視のために溶接棒の送給量を測定することとしたが、そもそもアーク側になされる物理的な加工そのものが、溶接部の品質劣化の要因となることもある。
例えば、特許文献２の方式のように、溶接棒に物理的な凹みをつけることで、凹みのある個所と、凹みのない箇所とで溶接棒の送給量がばらついてしまい、ビードに意図しない凹凸が形成されてしまう。また、溶接棒にペンでメモリの線を引くようにしても、インクが不純物となってビードに混入してしまう。
例えば、特許文献２の方式のように、溶接棒に物理的な凹みをつけることで、凹みのある個所と、凹みのない箇所とで溶接棒の送給量がばらついてしまい、ビードに意図しない凹凸が形成されてしまう。また、溶接棒にペンでメモリの線を引くようにしても、インクが不純物となってビードに混入してしまう。
そこで、本発明は、手動溶接において溶接部を品質劣化させずに、溶接棒の送給量を測定することを主な課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明の溶接支援装置は以下の特徴を有する。
本発明は、溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得する第１映像取得部と、
前記溶接トーチの電極先端の第１座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第２座標とを求める座標計算部と、
前記第１座標と前記第２座標との第１距離を前記溶接棒の長さとして求める第１距離計算部と、
前記第１距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力する出力制御部と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。
本発明は、溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得する第１映像取得部と、
前記溶接トーチの電極先端の第１座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第２座標とを求める座標計算部と、
前記第１座標と前記第２座標との第１距離を前記溶接棒の長さとして求める第１距離計算部と、
前記第１距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力する出力制御部と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。
本発明によれば、手動溶接において溶接部を品質劣化させずに、溶接棒の送給量を測定することができる。
以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図１は、溶接現場の全体図である。
溶接面を装着した溶接作業者は、左手に溶接材料の溶接棒１３を持ちつつ右手に溶接トーチ１２を持ち、作業台１７上の被溶接材１６に対してＴＩＧ溶接を行う。溶接トーチ１２の先端にはタングステン棒の電極が装着されており、その電極から発するアークが溶接棒１３のアーク側先端部を溶かすことにより、被溶接材１６上に溶接プール１５が形成される。デジタル溶接機１１は、溶接トーチ１２の電極に電力を供給する。
溶接面を装着した溶接作業者は、左手に溶接材料の溶接棒１３を持ちつつ右手に溶接トーチ１２を持ち、作業台１７上の被溶接材１６に対してＴＩＧ溶接を行う。溶接トーチ１２の先端にはタングステン棒の電極が装着されており、その電極から発するアークが溶接棒１３のアーク側先端部を溶かすことにより、被溶接材１６上に溶接プール１５が形成される。デジタル溶接機１１は、溶接トーチ１２の電極に電力を供給する。
処理用コンピュータ（溶接支援装置）１は、以下に例示する各種機器で計測されたＴＩＧ溶接に関する計測値（溶接情報）をもとに、ＴＩＧ溶接の品質を評価する。なお、以下の各種機器と、処理用コンピュータ１とはそれぞれ図示省略した接続ケーブルで接続される。
・デジタル溶接機１１は、溶接中の電流や電圧の変化を処理用コンピュータ１に通知して、記録および監視させる。
・全体情報取得装置（第１映像取得装置）２１は、溶接トーチ１２の動きや溶接棒１３の長さの変化を捉えるため、溶接作業者の正面に設置した。全体情報取得装置２１はＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルとＬＡＮポートを介して処理用コンピュータ１と接続されている。
・手元映像取得装置２４は、溶接トーチ１２や溶接プール１５を含む手元の映像を取得する溶接可視化カメラであり、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）を介して処理用コンピュータ１と接続されている。手元映像取得装置２４の設置位置は任意だが、例えば、図１のように溶接作業者が装着する溶接面に取り付けることで、溶接作業者の両手の作業を邪魔せずに済む。
・デジタル溶接機１１は、溶接中の電流や電圧の変化を処理用コンピュータ１に通知して、記録および監視させる。
・全体情報取得装置（第１映像取得装置）２１は、溶接トーチ１２の動きや溶接棒１３の長さの変化を捉えるため、溶接作業者の正面に設置した。全体情報取得装置２１はＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルとＬＡＮポートを介して処理用コンピュータ１と接続されている。
・手元映像取得装置２４は、溶接トーチ１２や溶接プール１５を含む手元の映像を取得する溶接可視化カメラであり、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）を介して処理用コンピュータ１と接続されている。手元映像取得装置２４の設置位置は任意だが、例えば、図１のように溶接作業者が装着する溶接面に取り付けることで、溶接作業者の両手の作業を邪魔せずに済む。
処理用コンピュータ１に入力された溶接情報（溶接トーチ１２の動きや溶接棒の長さの変化、溶接トーチ１２や溶接プール１５を含む手元の映像、電流や電圧の変化など）は、溶接中に随時ディスプレイ（図示省略）に表示される。
また、溶接情報は処理用コンピュータ１内のストレージに保存され、溶接後にストレージから読み込んで表示することで、溶接作業者はデータを振り返ることも可能である。
また、溶接情報は処理用コンピュータ１内のストレージに保存され、溶接後にストレージから読み込んで表示することで、溶接作業者はデータを振り返ることも可能である。
全体情報取得装置２１としては、例えば、ビデオカメラやモーションキャプチャ（MoCap：motion capture）が考えられる。ビデオカメラを用いる場合、３次元情報を取得するためにステレオカメラ、さらには２台以上のビデオカメラを用いることが望ましい。
そして、処理用コンピュータ１は、入力されたビデオカメラの撮影画像から、エッジ抽出処理により、溶接トーチ１２の電極から離れた場所の各特徴点（後記するマーカＭ１～Ｍ３の点）の座標を求める。
そして、処理用コンピュータ１は、入力されたビデオカメラの撮影画像から、エッジ抽出処理により、溶接トーチ１２の電極から離れた場所の各特徴点（後記するマーカＭ１～Ｍ３の点）の座標を求める。
全体情報取得装置２１としてモーションキャプチャを用いる場合は、反射材が塗布されたマーカＭ１～Ｍ３を用いる。
溶接トーチ１２には２個以上のマーカＭ１，Ｍ２が取り付けられており、溶接棒１３のアーク側とは反対側の先端部（反対側先端部）にはマーカＭ３が取り付けられている。球状のマーカＭ１～Ｍ３は重さが２ｇ程度で、耐熱テープで固定されている。
処理用コンピュータ１は、マーカＭ１～Ｍ３をトラッキングすることで、各特徴点の座標を求める。以下、モーションキャプチャを用いた実施形態を説明する。なお、全体情報取得装置２１で得られたデータは、処理用コンピュータ１内部のアルゴリズムによって自動的に処理され、各マーカＭ１～Ｍ３の３次元座標データとして記録されている。
溶接トーチ１２には２個以上のマーカＭ１，Ｍ２が取り付けられており、溶接棒１３のアーク側とは反対側の先端部（反対側先端部）にはマーカＭ３が取り付けられている。球状のマーカＭ１～Ｍ３は重さが２ｇ程度で、耐熱テープで固定されている。
処理用コンピュータ１は、マーカＭ１～Ｍ３をトラッキングすることで、各特徴点の座標を求める。以下、モーションキャプチャを用いた実施形態を説明する。なお、全体情報取得装置２１で得られたデータは、処理用コンピュータ１内部のアルゴリズムによって自動的に処理され、各マーカＭ１～Ｍ３の３次元座標データとして記録されている。
図２は、図１の溶接棒１３を中心にした拡大図である。
以下に定義する各パラメータは、後記する処理用コンピュータ１の各処理に用いられる。
・溶接トーチ１２の電極先端の座標（第１座標）をＴ（Tx,Ty,Tz）とする。
・溶接棒１３の反対側先端部の座標（第２座標であり、マーカＭ３の座標）をＢ（Bx,By,Bz）とする。
・溶接棒１３のアーク側先端部の座標（第３座標）をＲ（Rx,Ry,Rz）とする。なお、溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔや、溶接棒１３のアーク側先端部の座標Ｒにはマーカを取り付けないため、溶接作業者の作業には影響を与えない。
以下に定義する各パラメータは、後記する処理用コンピュータ１の各処理に用いられる。
・溶接トーチ１２の電極先端の座標（第１座標）をＴ（Tx,Ty,Tz）とする。
・溶接棒１３の反対側先端部の座標（第２座標であり、マーカＭ３の座標）をＢ（Bx,By,Bz）とする。
・溶接棒１３のアーク側先端部の座標（第３座標）をＲ（Rx,Ry,Rz）とする。なお、溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔや、溶接棒１３のアーク側先端部の座標Ｒにはマーカを取り付けないため、溶接作業者の作業には影響を与えない。
・溶接プール１５の形状をＰとし、その形状Ｐを楕円近似したときの楕円の中心座標をＰ１とする。
・座標Ｔと座標Ｂとの間の距離を、距離Ｄｄ（第１距離）とする。
・座標Ｔと座標Ｒとの間の距離を、距離ｄ（第２距離）とする。
・座標Ｒと座標Ｂとの間の距離を、距離Ｄとする。
・座標Ｔと座標Ｂとの間の距離を、距離Ｄｄ（第１距離）とする。
・座標Ｔと座標Ｒとの間の距離を、距離ｄ（第２距離）とする。
・座標Ｒと座標Ｂとの間の距離を、距離Ｄとする。
図３は、処理用コンピュータ１が動作するハードウェアの構成図である。
処理用コンピュータ１は、ＣＰＵ９０１と、ＲＡＭ９０２と、ＲＯＭ９０３と、ＨＤＤ９０４と、通信Ｉ／Ｆ９０５と、入出力Ｉ／Ｆ９０６と、メディアＩ／Ｆ９０７とを有するコンピュータ９００として構成される。
通信Ｉ／Ｆ９０５は、外部の通信装置９１５と接続される。入出力Ｉ／Ｆ９０６は、入出力装置９１６と接続される。メディアＩ／Ｆ９０７は、記録媒体９１７からデータを読み書きする。さらに、ＣＰＵ９０１は、ＲＡＭ９０２に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部を制御する。そして、このプログラムは、通信回線を介して配布したり、ＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体９１７に記録して配布したりすることも可能である。
処理用コンピュータ１は、ＣＰＵ９０１と、ＲＡＭ９０２と、ＲＯＭ９０３と、ＨＤＤ９０４と、通信Ｉ／Ｆ９０５と、入出力Ｉ／Ｆ９０６と、メディアＩ／Ｆ９０７とを有するコンピュータ９００として構成される。
通信Ｉ／Ｆ９０５は、外部の通信装置９１５と接続される。入出力Ｉ／Ｆ９０６は、入出力装置９１６と接続される。メディアＩ／Ｆ９０７は、記録媒体９１７からデータを読み書きする。さらに、ＣＰＵ９０１は、ＲＡＭ９０２に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部を制御する。そして、このプログラムは、通信回線を介して配布したり、ＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体９１７に記録して配布したりすることも可能である。
図４は、処理用コンピュータ１の構成図である。
処理用コンピュータ１は、処理部として、全体映像取得部（第１映像取得部）２２と、座標計算部２３と、手元映像取得部（第２映像取得部）２５と、特徴量計算部（第２距離計算部）２６と、距離計算部（第１距離計算部）２７と、表示制御部（出力制御部）３３とを有する。
処理用コンピュータ１の処理部から出力されたデータを保存する記憶部として、手元映像保存部３１と、溶接棒長さ保存部３２とが存在する。
処理用コンピュータ１は、処理部として、全体映像取得部（第１映像取得部）２２と、座標計算部２３と、手元映像取得部（第２映像取得部）２５と、特徴量計算部（第２距離計算部）２６と、距離計算部（第１距離計算部）２７と、表示制御部（出力制御部）３３とを有する。
処理用コンピュータ１の処理部から出力されたデータを保存する記憶部として、手元映像保存部３１と、溶接棒長さ保存部３２とが存在する。
全体映像取得部２２は、映像を中心とした溶接作業者周りの情報を全体情報取得装置２１から受け取る。なお、全体情報取得装置２１は、溶接作業者を含めた溶接作業の全体を撮影できるように、画角を広めにしておくことが望ましい。
座標計算部２３は、全体映像取得部２２の映像から、溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔ（第１座標）、および、溶接棒１３の反対側先端部の座標Ｂ（第２座標）を計算する。そして、座標計算部２３は、座標Ｔと座標Ｂとの間の距離Ｄｄ（第１距離）の時系列データを計算し、その計算結果を距離計算部２７へ出力する。
座標計算部２３は、全体映像取得部２２の映像から、溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔ（第１座標）、および、溶接棒１３の反対側先端部の座標Ｂ（第２座標）を計算する。そして、座標計算部２３は、座標Ｔと座標Ｂとの間の距離Ｄｄ（第１距離）の時系列データを計算し、その計算結果を距離計算部２７へ出力する。
手元映像取得部２５は、手元映像取得装置２４から溶接作業者の手元を撮影した映像を受け取り、手元映像保存部３１に保存する。手元映像取得装置２４は、溶接トーチ１２や溶接棒の動き、溶接プール１５の形状等の溶接作業者手元の情報を取得することが必要であるため、溶接時に発生するアーク光を除外して撮影が可能な溶接用のカメラを用いることが望ましい。
特徴量計算部２６は、手元映像取得部２５からの映像を用いて、座標Ｔと座標Ｒとの間の距離ｄなどの各特徴量を計算したのち、時系列データとして距離計算部２７へ出力する。映像からの特徴量の抽出には一般的な画像処理手法、例えば、パターンマッチングや輝度差による抽出手法が挙げられる。また、これらの手法の適用が難しい場合には、人工知能（ＡＩ：Artificial Intelligence）による機械学習を適用してもよい。
距離計算部２７は、座標計算部２３が計算した距離Ｄｄをもとに以下の（Ａ）または（Ｂ）として溶接棒１３の長さを求めて、溶接棒長さ保存部３２に保存する。
（Ａ）溶接作業者手元のアーク光が強く溶接棒１３の長さを正確に計算できない場合は、特徴量計算部２６が計算した距離ｄで距離Ｄｄを補正し、その補正した結果の距離Ｄ（＝Ｄｄ－ｄ）を溶接棒１３の長さとする。
（Ｂ）必要とされる測定精度が高くない場合、溶接棒１３の長さの補正を省き、距離Ｄｄを補正せずにそのまま溶接棒長さ保存部３２へ出力する。この場合、処理用コンピュータ１から手元映像取得装置２４、手元映像取得部２５、特徴量計算部２６、および、手元映像保存部３１を省略できる。
（Ａ）溶接作業者手元のアーク光が強く溶接棒１３の長さを正確に計算できない場合は、特徴量計算部２６が計算した距離ｄで距離Ｄｄを補正し、その補正した結果の距離Ｄ（＝Ｄｄ－ｄ）を溶接棒１３の長さとする。
（Ｂ）必要とされる測定精度が高くない場合、溶接棒１３の長さの補正を省き、距離Ｄｄを補正せずにそのまま溶接棒長さ保存部３２へ出力する。この場合、処理用コンピュータ１から手元映像取得装置２４、手元映像取得部２５、特徴量計算部２６、および、手元映像保存部３１を省略できる。
表示制御部３３は、手元映像保存部３１および溶接棒長さ保存部３２の保存データのうちの少なくとも１つを表示装置３４に表示する。表示装置３４は、処理用コンピュータ１に接続され、溶接中の情報を常に表示している。
表示装置３４は、逐一溶接情報を溶接作業者にフィードバックするために、溶接面の中の小型ディスプレイとして構成してもよい。または、表示装置３４は、溶接作業者以外の人間に対して溶接時のデータを表示するように、溶接現場とは別室に備えてもよい。
表示装置３４は、逐一溶接情報を溶接作業者にフィードバックするために、溶接面の中の小型ディスプレイとして構成してもよい。または、表示装置３４は、溶接作業者以外の人間に対して溶接時のデータを表示するように、溶接現場とは別室に備えてもよい。
図５は、溶接作業のモニタリングの動作を示すフローチャートである。
Ｓ１１では、溶接作業者は、図１の各装置のセットアップ作業を行う。セットアップ作業とは、例えば以下の作業である。
・デジタル溶接機１１の立ち上げや電流と電圧の調整。
・手元映像取得装置２４の位置調整やピント合わせ。
・全体情報取得装置２１（モーションキャプチャ）の位置調整、および、座標演算のためのキャリブレーション。
・溶接トーチ１２へのマーカＭ１，Ｍ２の取り付け。
Ｓ１１では、溶接作業者は、図１の各装置のセットアップ作業を行う。セットアップ作業とは、例えば以下の作業である。
・デジタル溶接機１１の立ち上げや電流と電圧の調整。
・手元映像取得装置２４の位置調整やピント合わせ。
・全体情報取得装置２１（モーションキャプチャ）の位置調整、および、座標演算のためのキャリブレーション。
・溶接トーチ１２へのマーカＭ１，Ｍ２の取り付け。
Ｓ１２では、溶接作業者は、デジタル溶接機１１への溶接条件の入力を行う。ここでは、被溶接材の部品名、材質名、溶接棒径、施工日、溶接作業者の氏名、溶接電流および電圧の設定値、シールドガス種類と流量、パス間温度、の入力を行う。ここで入力されたデータは、最終的に溶接条件の自動記録時に使用される。なお、溶接棒径は、溶接棒の送給量の体積の計算の際にも使用される。
Ｓ１３では、溶接作業者は、図２に示したように、溶接棒１３へのマーカＭ３の取り付けを行う。なお、溶接棒は溶接作業者が手で送給していくため、最後の数センチ程度は常に残した状態で、マーカＭ３が付してある次の溶接棒に持ち替えてゆく。従って、溶接中に溶接棒に取り付けたマーカＭ３が溶接作業に干渉することはなく、溶接中のマーカＭ３の取り付けや取り外しは不要である。
Ｓ１４では、溶接作業者は、溶接トーチ１２にアークを点火し、溶接を開始する。Ｓ１５では、処理用コンピュータ１は、Ｓ１４で開始された溶接作業をモニタリングし、その結果である溶接情報を一時保存する（詳細は図６）。Ｓ１５の処理を終えることで、Ｓ１４で開始された溶接作業も完了する。
Ｓ１６では、処理用コンピュータ１は、Ｓ１５の溶接情報を保存するか否かを溶接作業者に選択させる。保存する選択の場合（Ｓ１６,Yes）、処理用コンピュータ１は、メモリに一時保存されたＳ１５の溶接情報を、ストレージへ移動して長期保存する（Ｓ１７）。
このように、一時保存された溶接情報の一部をストレージへ移動することで、保存するデータ量が膨大になることを防げる。一方、データの改ざん防止の観点から、Ｓ１６の選択肢を示すことなしに、一時保存された溶接情報の全部を自動的にストレージへ保存してもよい。
Ｓ１８では、処理用コンピュータ１は、メモリに一時保存されたデータを消去することで、メモリの負荷を下げる。
このように、一時保存された溶接情報の一部をストレージへ移動することで、保存するデータ量が膨大になることを防げる。一方、データの改ざん防止の観点から、Ｓ１６の選択肢を示すことなしに、一時保存された溶接情報の全部を自動的にストレージへ保存してもよい。
Ｓ１８では、処理用コンピュータ１は、メモリに一時保存されたデータを消去することで、メモリの負荷を下げる。
図６は、図５の溶接情報の一時保存処理（Ｓ１５）の詳細を示すフローチャートである。
Ｓ１５１では、処理用コンピュータ１（全体映像取得部２２、手元映像取得部２５）は、溶接作業開始に伴い、溶接情報の取得を開始する。この取得処理は、溶接作業の少し前から行ってもよいし、アーク点火時の信号を合図として自動的に計測を開始する構成としてもよい。
Ｓ１５１では、処理用コンピュータ１（全体映像取得部２２、手元映像取得部２５）は、溶接作業開始に伴い、溶接情報の取得を開始する。この取得処理は、溶接作業の少し前から行ってもよいし、アーク点火時の信号を合図として自動的に計測を開始する構成としてもよい。
Ｓ１５２では、特徴量計算部２６は、手元映像取得装置２４からの手元映像の入力を受け、エッジ抽出処理などの画像処理によって以下に列挙する各特徴量の情報に変換し、溶接情報として距離計算部２７へ逐一出力する。
・溶接プール１５の形状Ｐ、および、その形状Ｐを楕円近似したときの楕円の中心（Ｐ１）の座標
・溶接棒１３のアーク側先端部の座標Ｒ
・溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔ（第１座標）
これらの特徴量への変換処理は、例えば、事前に教師データを学習させた判別器を用いて、行われる。教師データは、映像データに対して手作業で各特徴量を教示したものである。この学習処理は、処理用コンピュータ１が実行してもよいし、他のコンピュータを用いて実行してもよい。
・溶接プール１５の形状Ｐ、および、その形状Ｐを楕円近似したときの楕円の中心（Ｐ１）の座標
・溶接棒１３のアーク側先端部の座標Ｒ
・溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔ（第１座標）
これらの特徴量への変換処理は、例えば、事前に教師データを学習させた判別器を用いて、行われる。教師データは、映像データに対して手作業で各特徴量を教示したものである。この学習処理は、処理用コンピュータ１が実行してもよいし、他のコンピュータを用いて実行してもよい。
Ｓ１５３では、座標計算部２３は、マーカ座標の演算を行う。具体的には、座標計算部２３は、全体情報取得装置２１（モーションキャプチャ）からの情報を入力とし、処理用コンピュータ１に内蔵されたアルゴリズムを実行することで、マーカＭ１～Ｍ３の座標を求める。
また、座標計算部２３は、マーカＭ１，Ｍ２の座標から溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔを計算する。なお、溶接時にアークが発生する座標Ｔにはマーカが付されていない。しかし、溶接前に座標Ｔにマーカを付しておき、マーカＭ１，Ｍ２との相対的な位置関係を学習しておくことにより、溶接時のマーカＭ１，Ｍ２の座標から溶接時の座標Ｔを計算できる。
また、座標計算部２３は、マーカＭ１，Ｍ２の座標から溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔを計算する。なお、溶接時にアークが発生する座標Ｔにはマーカが付されていない。しかし、溶接前に座標Ｔにマーカを付しておき、マーカＭ１，Ｍ２との相対的な位置関係を学習しておくことにより、溶接時のマーカＭ１，Ｍ２の座標から溶接時の座標Ｔを計算できる。
なお、Ｓ１５２の各特徴量は手元映像から得られる２次元画像内の情報であり、Ｓ１５３のマーカＭ１～Ｍ３の座標はモーションキャプチャから得られる３次元空間内の（実空間内の）情報である。
よって、例えば、同じ座標Ｔ（第１座標）でも、Ｓ１５２で特徴量計算部２６が求める座標Ｔと、Ｓ１５３で座標計算部２３が求める座標Ｔとは別々に計算される。特徴量計算部２６が求める座標Ｔは手元映像内の画像位置である一方、座標計算部２３がマーカＭ１，Ｍ２の座標から計算する座標Ｔは全体映像（実空間）内の実位置であるためである。
よって、例えば、同じ座標Ｔ（第１座標）でも、Ｓ１５２で特徴量計算部２６が求める座標Ｔと、Ｓ１５３で座標計算部２３が求める座標Ｔとは別々に計算される。特徴量計算部２６が求める座標Ｔは手元映像内の画像位置である一方、座標計算部２３がマーカＭ１，Ｍ２の座標から計算する座標Ｔは全体映像（実空間）内の実位置であるためである。
Ｓ１５４では、距離計算部２７は、以下の手順により溶接棒１３の長さおよび送給速度Ｃを計算する。
（手順１）距離計算部２７は、Ｓ１５３で求めた溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔと、Ｓ１５３で求めた溶接棒１３の反対側先端部の座標Ｂとの間の距離Ｄｄを求める（図２参照）。
（手順１）距離計算部２７は、Ｓ１５３で求めた溶接トーチ１２の電極先端の座標Ｔと、Ｓ１５３で求めた溶接棒１３の反対側先端部の座標Ｂとの間の距離Ｄｄを求める（図２参照）。
（手順２）距離計算部２７は、Ｓ１５２で求めた座標Ｔ（第１座標）と、Ｓ１５２で求めた溶接棒１３のアーク側先端部の座標Ｒ（第３座標）との距離ｄ（第２距離）を求める。そのため、まず距離計算部２７は、手元映像取得部２５が取得した手元画像内の座標Ｔ（第１座標），座標Ｒ（第３座標）を取得する。そして、距離計算部２７は、座標Ｔ，座標Ｒ間の距離ｄ（図７の手元映像１０１Ａの距離ｄ）をピクセル距離（２次元の論理距離）として、両者の座標と三平方の定理とから求める。
さらに、距離計算部２７は、ピクセル距離を電極の直径を用いて実距離（３次元の物理距離）に変換する。作業者目線は常に変化しており手元画像のカメラ位置やカメラ画角が変動することで、ピクセル距離と実距離の関係も常に変動しているためである。画像上の電極の直径のピクセル数をｄｐ、実際の電極の直径をｄｒとすると、以下の（数式１）により距離ｄ（第２距離）が計算できる。
（手順３）距離計算部２７は、溶接棒１３の長さを決定する。溶接棒１３の長さとして、手順１で求めた補正前の距離Ｄｄを用いてもよいし、その距離Ｄｄを手順２の距離ｄで補正した距離Ｄ（Ｄ＝Ｄｄ－ｄ）を用いてもよい。なお、この補正が成り立つのは、溶接棒１３の奥行方向の長さを考慮していないが、通常、溶接棒１３は溶接プール１５に対して平行に近い角度で投入することを前提とするからである。
また、必要とされる測定精度が高くない場合、あるいは距離ｄの変動が小さい場合は、距離ｄの影響が小さいので、補正前の距離Ｄｄを用いても計算精度の低下は少ない。
また、必要とされる測定精度が高くない場合、あるいは距離ｄの変動が小さい場合は、距離ｄの影響が小さいので、補正前の距離Ｄｄを用いても計算精度の低下は少ない。
（手順４）距離計算部２７は、手順３で決定した溶接棒１３の長さから溶接棒１３の送給速度Ｃを計算する。評価時刻ｔにおける溶接棒１３の長さ（距離Ｄ）をＤｔとすると、送給速度Ｃは以下の（数式２）で示される。なお、Δｔは予め入力された評価時間、ｒは予め与えた溶接棒１３の半径である。つまり、（溶接棒１３の体積）＝（溶接棒１３の長さ）×（溶接棒１３の断面積）であるので、溶接棒１３の長さが短期間に短くなるほど、溶接棒１３の体積の変化（＝送給速度Ｃ）も大きくなる。
Ｓ１５５では、表示制御部３３は、Ｓ１５４で求めた送給速度Ｃなどの溶接作業のモニタリングにより得られた溶接情報を表示装置３４に表示する。この表示画面の一例は、図７で後記する。
また、処理用コンピュータ１は、表示される各種情報をＳ１２で与えられた溶接条件の情報と関連付けて、手元映像保存部３１や溶接棒長さ保存部３２などのメモリ内の記憶領域に一時保存する。
また、処理用コンピュータ１は、表示される各種情報をＳ１２で与えられた溶接条件の情報と関連付けて、手元映像保存部３１や溶接棒長さ保存部３２などのメモリ内の記憶領域に一時保存する。
Ｓ１５６では、溶接が終了したか否かを判定する。終了した場合は（Ｓ１５６,Yes）、システムは溶接情報の取得を終了し（Ｓ１５７）、まだ溶接が終了していない場合は（Ｓ１５６,No）、Ｓ１５２に戻る。
なお、Ｓ１５６の終了判定は、例えば、溶接作業終了の少し後で行ってもよいし、アーク消失時の信号を合図として自動的に計測を終了してもよい。
なお、Ｓ１５６の終了判定は、例えば、溶接作業終了の少し後で行ってもよいし、アーク消失時の信号を合図として自動的に計測を終了してもよい。
図７は、Ｓ１５５で表示制御部３３が表示装置３４に表示させる溶接情報の表示画面例である。
表示画面１００には、手元映像１０１と、溶接情報の文字表示欄１０２と、溶接情報の角度表示欄１０３と、電流値電圧値のグラフ１０４と、溶接棒の長さのグラフ１０５とが表示される。これらの表示画面１００の表示内容は、ＴＩＧ溶接の品質を左右する重要なものである。
溶接プール１５の手元映像１０１には、図６の処理結果として、座標Ｔ、座標Ｒ、距離ｄなどを重ねて表示してもよい。
表示画面１００には、手元映像１０１と、溶接情報の文字表示欄１０２と、溶接情報の角度表示欄１０３と、電流値電圧値のグラフ１０４と、溶接棒の長さのグラフ１０５とが表示される。これらの表示画面１００の表示内容は、ＴＩＧ溶接の品質を左右する重要なものである。
溶接プール１５の手元映像１０１には、図６の処理結果として、座標Ｔ、座標Ｒ、距離ｄなどを重ねて表示してもよい。
溶接情報の文字表示欄１０２には、例えば以下の溶接情報が表示される。
・溶接後に得られる溶接電流の平均値（平均電流）
・溶接後に得られる溶接電圧の平均値（平均電圧）
・溶接開始から終了までの溶接棒消費量
・マーカ座標Ｍ１～Ｍ３
・溶接プール１５の形状Ｐを楕円近似したときの楕円の中心座標Ｐ１
・座標Ｐ１と座標Ｒとの距離。なお、座標Ｐ１と座標Ｒとの距離は、溶接棒１３のアーク側先端部を溶接プール１５に投入する位置を示し、溶接プール１５のビード形状やビード外観を決定づける情報である。一般的に、投入する位置は、溶接プール１５の端であることが好ましい。
・溶接後に得られる溶接電流の平均値（平均電流）
・溶接後に得られる溶接電圧の平均値（平均電圧）
・溶接開始から終了までの溶接棒消費量
・マーカ座標Ｍ１～Ｍ３
・溶接プール１５の形状Ｐを楕円近似したときの楕円の中心座標Ｐ１
・座標Ｐ１と座標Ｒとの距離。なお、座標Ｐ１と座標Ｒとの距離は、溶接棒１３のアーク側先端部を溶接プール１５に投入する位置を示し、溶接プール１５のビード形状やビード外観を決定づける情報である。一般的に、投入する位置は、溶接プール１５の端であることが好ましい。
溶接情報の角度表示欄１０３では、被溶接材１６の側面図として、溶接トーチ１２の電極と被溶接材１６との角度Ｔθ、および、溶接棒１３と被溶接材１６との角度Ｒθが表示される。これにより、溶接作業者や管理者は、溶接作業者が手に持つ溶接機材が正しい角度で用いられているか否かを確認できる。
そのため、座標計算部２３は、溶接トーチ１２の電極と平行になるように固定した２つ以上のマーカ（図示省略）を測定することで角度Ｔθを求める。同様に、座標計算部２３は、溶接棒１３に固定した２つ以上のマーカを測定することで角度Ｒθを求める。
そのため、座標計算部２３は、溶接トーチ１２の電極と平行になるように固定した２つ以上のマーカ（図示省略）を測定することで角度Ｔθを求める。同様に、座標計算部２３は、溶接棒１３に固定した２つ以上のマーカを測定することで角度Ｒθを求める。
電流値電圧値のグラフ１０４には、各時刻における溶接中の電流値１０３Ａと、電圧値１０３Ｂとが示される。図７では電力が安定供給される正常な一例を示す。
溶接棒１３の長さの変化を示すグラフ１０５には、各時刻における溶接棒１３の長さと、各期間における送給速度Ｃ（グラフの傾き）とが示される。ここでは、期間t2-t3だけ他の期間よりも送給速度Ｃが大きくなっている。よって、例えば、期間t2-t3に行われた溶接個所だけビードが膨らんで低品質になっていたとする。溶接作業者はグラフ１０５を確認することで、低品質の原因を溶接棒１３の過剰供給として把握できる。
溶接棒１３の長さの変化を示すグラフ１０５には、各時刻における溶接棒１３の長さと、各期間における送給速度Ｃ（グラフの傾き）とが示される。ここでは、期間t2-t3だけ他の期間よりも送給速度Ｃが大きくなっている。よって、例えば、期間t2-t3に行われた溶接個所だけビードが膨らんで低品質になっていたとする。溶接作業者はグラフ１０５を確認することで、低品質の原因を溶接棒１３の過剰供給として把握できる。
また、必要に応じて図７で例示するデータ以外の溶接情報を表示してもよい。さらに、今回表示されたデータと、過去のデータとを比較しながら、溶接技能を学習できる構成としてもよい。また、データベースとして保持された理想的な動作や理想的な溶接条件と、今回表示されたデータとを比較して、溶接技能を採点するシステムとしてもよい。
さらに、表示制御部３３は、距離計算部２７が求めた溶接棒１３の長さの変化が正常範囲から逸脱したときは、アラームを画面出力または音声出力してもよい。
さらに、表示制御部３３は、距離計算部２７が求めた溶接棒１３の長さの変化が正常範囲から逸脱したときは、アラームを画面出力または音声出力してもよい。
以上説明した本実施形態の処理用コンピュータ１では、マーカＭ１～Ｍ３をアークから遠ざけて固定することで、溶接部を品質劣化させずに溶接棒の送給速度Ｃをモニタリングできる。よって、ＴＩＧ溶接をはじめとした手動溶接技能に関する暗黙知を可視化できる。
また、処理用コンピュータ１を技能訓練システムに搭載することで、今までマンツーマン指導が中心であった技能伝承を、e-learningとして支援できる。
また、処理用コンピュータ１を技能訓練システムに搭載することで、今までマンツーマン指導が中心であった技能伝承を、e-learningとして支援できる。
さらに、特許文献２の方式と比較しても、以下の効果が得られる。
（１）画像解析を行うための特徴点として、溶接棒１３のアーク側先端部に物理的な加工（凹み等の印）を目盛りとして多くつける必要が無くなり、準備作業の手間を削減できる。
（２）溶接棒１３のアーク側先端部に物理的な加工が不要なため、溶接棒の供給量が安定し、溶接部を品質劣化させずに済む。
（３）溶接トーチそのものにカメラを取り付ける必要が無くなり、溶接作業者のトーチ動作を邪魔せずに円滑な溶接作業を行える。
（１）画像解析を行うための特徴点として、溶接棒１３のアーク側先端部に物理的な加工（凹み等の印）を目盛りとして多くつける必要が無くなり、準備作業の手間を削減できる。
（２）溶接棒１３のアーク側先端部に物理的な加工が不要なため、溶接棒の供給量が安定し、溶接部を品質劣化させずに済む。
（３）溶接トーチそのものにカメラを取り付ける必要が無くなり、溶接作業者のトーチ動作を邪魔せずに円滑な溶接作業を行える。
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、さまざま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やす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、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、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ェアで実現してもよい。
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、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、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ェ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、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体におくことができる。また、クラウドを活用することもできる。
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。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線ＬＡＮに限定せず、有線ＬＡＮやその他の通信手段に変更してもよい。
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。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線ＬＡＮに限定せず、有線ＬＡＮやその他の通信手段に変更してもよい。
１ 処理用コンピュータ（溶接支援装置）
１１ デジタル溶接機
１２ 溶接トーチ
１３ 溶接棒
１５ 溶接プール
１６ 被溶接材
１７ 作業台
２１ 全体情報取得装置（第１映像取得装置）
２２ 全体映像取得部（第１映像取得部）
２３ 座標計算部
２４ 手元映像取得装置
２５ 手元映像取得部（第２映像取得部）
２６ 特徴量計算部（第２距離計算部）
２７ 距離計算部（第１距離計算部）
３１ 手元映像保存部
３２ 溶接棒長さ保存部
３３ 表示制御部（出力制御部）
３４ 表示装置
Ｔ 座標（第１座標）
Ｂ 座標（第２座標）
Ｒ 座標（第３座標）
Ｄｄ 距離（第１距離）
ｄ 距離（第２距離）
１１ デジタル溶接機
１２ 溶接トーチ
１３ 溶接棒
１５ 溶接プール
１６ 被溶接材
１７ 作業台
２１ 全体情報取得装置（第１映像取得装置）
２２ 全体映像取得部（第１映像取得部）
２３ 座標計算部
２４ 手元映像取得装置
２５ 手元映像取得部（第２映像取得部）
２６ 特徴量計算部（第２距離計算部）
２７ 距離計算部（第１距離計算部）
３１ 手元映像保存部
３２ 溶接棒長さ保存部
３３ 表示制御部（出力制御部）
３４ 表示装置
Ｔ 座標（第１座標）
Ｂ 座標（第２座標）
Ｒ 座標（第３座標）
Ｄｄ 距離（第１距離）
ｄ 距離（第２距離）
Claims (7)
- 溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得する第１映像取得部と、
前記溶接トーチの電極先端の第１座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第２座標とを求める座標計算部と、
前記第１座標と前記第２座標との第１距離を前記溶接棒の長さとして求める第１距離計算部と、
前記第１距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力する出力制御部と、を有することを特徴とする
溶接支援装置。 - 前記溶接支援装置は、さらに、第２映像取得部と、第２距離計算部とを有しており、
前記第２映像取得部は、前記溶接トーチおよび前記溶接棒を把持する溶接作業者の手元映像を取得し、
前記第２距離計算部は、前記手元映像に撮影されている前記溶接トーチの電極先端の前記第１座標、および、前記溶接棒のアークが発生する側のアーク側先端部の第３座標を求め、さらに、前記求めた第１座標と前記求めた第３座標との第２距離を計算し、
前記第１距離計算部は、前記第１距離を前記第２距離で補正することで前記溶接棒の長さを求めることを特徴とする
請求項１に記載の溶接支援装置。 - 前記出力制御部は、前記第１距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化が正常範囲から逸脱したときは、アラームを出力することを特徴とする
請求項１に記載の溶接支援装置。 - 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の溶接支援装置と、前記第１映像取得部に映像を提供する第１映像取得装置とを有する溶接支援システムであって、
前記第１映像取得装置は、複数のカメラにより映像を立体的に取得可能なステレオカメラとして構成され、
前記座標計算部は、前記第１映像取得装置からの映像に対して、エッジ抽出処理により前記第１座標と前記第２座標とを求めることを特徴とする
溶接支援システム。 - 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の溶接支援装置と、前記第１映像取得部に映像を提供する第１映像取得装置とを有する溶接支援システムであって、
前記第１映像取得装置は、前記溶接トーチおよび前記溶接棒に固定されたマーカをトラックするモーションキャプチャとして構成され、
前記座標計算部は、前記第１映像取得装置からの映像に対して、マーカをトラックする処理により前記第１座標と前記第２座標とを求めることを特徴とする
溶接支援システム。 - 前記溶接トーチの電極と平行になるように複数のマーカが固定されるとともに、前記溶接棒にも複数のマーカが固定され、
前記座標計算部は、前記溶接トーチの複数のマーカから電極の角度を求めるとともに、前記溶接棒の複数のマーカから前記溶接棒の角度を求め、
前記出力制御部は、前記第１距離計算部が求めた電極の角度および前記溶接棒の角度を前記表示装置に出力することを特徴とする
請求項４に記載の溶接支援システム。 - 溶接支援装置は、第１映像取得部と、座標計算部と、第１距離計算部と、出力制御部と、を有しており、
前記第１映像取得部は、溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得し、
前記座標計算部は、前記溶接トーチの電極先端の第１座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第２座標とを求め、
前記第１距離計算部は、前記第１座標と前記第２座標との第１距離を前記溶接棒の長さとして求め、
前記出力制御部は、前記第１距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力することを特徴とする
溶接支援方法。
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