JP2010253553A - 溶接施工監視システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の溶接施工監視システム1は、その先端に溶接ワイヤが取り付けられた垂直6軸多関節型のロボットマニピュレータ2と、ロボットマニピュレータ2を制御するロボットコントローラ3と、溶接施工を監視可能な位置に設置され自由な方向に光軸を向けることが可能なCCDカメラ及びロボット先端部の座標をカメラ座標系に変換してCCDカメラの光軸中心をロボット先端部に合わせる制御部6を備えたカメラユニット4と、カメラユニット4により撮像された画像を表示するモニタ7と、を有する。
【選択図】図1
Description
このような問題に対して、特開2003−230959号公報(特許文献1)は、溶接ロボットの先端部に、溶接部材の形状を撮影する撮像手段(CCDカメラ)を設けて、このCCDカメラからの映像をモニタ装置に表示する遠隔操作型溶接ロボットシステムを開示する。
まず、溶接トーチに固定された撮像手段を用いて、斜め上方のみから溶融池を監視するため、ワイヤが視野を妨げることがあるとともに視野が限定される。すなわち、常に監視する方向が最適とは限らない。
さらに、溶接施工箇所の近傍に撮像手段が取り付けられているため、溶接時に発生するヒュームやスパッタが撮像手段のレンズ又は保護ガラスに付着し、短い間隔でメンテナンスが必要となる。つまり、撮像手段のメンテナンス性が悪い。
そこで、本発明は、上記問題点を回避し、溶接ロボットによる溶接施工状況を的確に監視することができる溶接施工監視システムを提供することを目的とする。
本発明に係る溶接施工監視システムは、溶接ロボットから離隔した位置であって溶接施工を監視可能な位置に設置され、且つ自由な方向に光軸が向くように姿勢を変更可能な撮像手段と、前記溶接ロボットの先端部の位置情報を前記撮像手段の座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基にして撮像手段の光軸を溶接ロボットの先端部に合わせるように、前記撮像手段の姿勢を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明の撮像手段は、溶接ロボットの先端部に取り付けられるのではなく溶接ロボットから離隔した位置であって溶接施工を監視可能な位置に設置されている。制御部は、溶接ロボットの先端部の位置情報を撮像手段の座標系での位置情報に変換し、撮像手段の光軸中心を溶接ロボットの先端部に合わせる。
制御部が、撮像手段に備えられたズームレンズを操作し、監視領域が一定(厳密に一定である必要はなく略一定であってもよい)となるように、溶接ロボットの先端部と撮像手段との距離に応じてズーム率を自動調整することで、常に適切な領域を監視することが可能となる。
この場合、前記制御部は、前記撮像手段により撮像された画像の明るさを評価値として出力する視界評価器と、前記視界評価器の評価値に基づいて、前記複数の撮像手段により撮像された複数の画像から1の画像を選択する画像選択器と、を有するとよい。
前記溶接ロボットが複数台設置されているに際し、前記制御部は、各溶接ロボットの先端部の位置情報を基に、複数の溶接ロボットの中から1台の溶接ロボットを監視することを特徴とする。
また、溶接ロボットの先端部に発光体が設けられており、前記制御部は、前記発光体の位置情報を前記撮像手段における座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基に、撮像手段の光軸をロボットの先端部に合わせるように前記撮像手段の姿勢を制御されていてもよい。
なお好ましくは、前記撮像手段は光学フィルタを備え、前記制御部は、溶接ロボットの溶接開始及び溶接終了のタイミング、又は発光体の発光のタイミングに連動して、前記光学フィルタの使用状態を切り換える構成とされるとよい。
また、溶接ロボットから離隔した位置であって溶接施工を監視可能な位置に設置され、且つ自由な方向に光軸が向くように姿勢を変更可能な撮像手段と、前記溶接ロボットの先端部が移動した後にできる軌跡上の所定位置の位置情報を前記撮像手段の座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基にして撮像手段の光軸を前記軌跡上の所定位置に合わせるように、前記撮像手段の姿勢を制御する制御部と、を備えることも好適である。
なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1に、本実施形態に係る溶接施工監視システム1の概略を示す。
この溶接施工監視システム1は、溶接ロボットを構成するロボットマニピュレータ2と、このロボットマニピュレータ2を制御するロボットコントローラ3とを備えている。さらに、溶接施工監視システム1は、例えば天井に取り付けられたカメラユニット4(撮像手段)と、カメラユニット4により撮像した画像をオペレータが視認可能に出力するモニタ7を有している。
本実施形態の場合、カメラユニット4は、1台目のカメラユニット4A、2台目のカメラユニット4B、3台目のカメラユニット4Cのように複数台設置されている。なお、個々のカメラユニット4は同一の構成を備えており、本明細書においては、各カメラユニットを説明する際には4A、4B、4C・・・と表記し、カメラユニットに共通する事項を説明する場合にはカメラユニット4と記載する。
ロボットコントローラ3とカメラユニット4との間は、LANケーブルで接続されており、ロボットコントローラ3は、一定時間間隔(例えば、数msec)でロボット先端部8(ロボットマニピュレータ2の先端部又は溶接ワイヤの先端部)の座標をロボット座標系で出力している。ロボット座標系は、図1に示すようにロボットの基端部を原点とする直交座標系である。
図2のS100にて、ロボットコントローラ3からロボット先端部8の位置情報(ロボット座標系)を取得する。
位置:Pcn=Trcn×Pr
距離:Lrc1=|Pcn|
方向:Pcn/|Pcn|
となる。
S300にて、カメラユニット4の制御部6は、光軸を溶接ロボットの先端部に合わせるようにCCDカメラ5を動かす。例えば、CCDカメラ5が、左右回転と上下回転の2つの可動軸で自由な方向を見ることができるとすると、極座標上でCCDカメラ5がPcnを向くように、左右回転φ及び上下回転ρの2軸の可動軸を駆動するモータを制御する。
なお、カメラユニット4のCCDカメラ5にズームレンズが搭載されている場合には、ロボット先端部8及びその背景が常に同じ視野角で写り込むように、自動的にズームイン、ズームアウトするとよい。これにより、常に同じ大きさのロボット先端部8の画像を得ることができ、適切な領域を監視することが可能となる。
さらに、ロボットマニピュレータ2の1台に対して、カメラユニット4を複数台配置し、各種方向から監視するようにしてもよい(詳細については後述する)。この逆に、1台のカメラユニット4で複数台のロボットマニピュレータ2を撮像し、最もロボット先端部8が大きく移り込んでいる1台のロボットマニピュレータ2を選択し、その監視を行なうようにしてもよい。
ところが、このときに、ロボットマニピュレータ2の先端部8とカメラユニット4との間に障害物H(例えば、ワーク、ポジショナ等の周辺機器、ロボットマニピュレータ2自体、このシステム1が載置された建屋の柱や梁等)が存在すると、溶接に伴う溶融池がCCDカメラ5により適切に撮像される状態であっても、その障害物Hで視野が遮られることがある。このような場合に対応すべく、本実施形態に係る溶接施工監視システム1においては、カメラユニット4において撮像された画像を評価する(溶融池の視認状態を評価する)カメラ画像評価機能を備えている。
カメラユニット4の制御部6は、撮像された画像における明るさ(溶融池の見え具合)を定量的な評価値として出力する視界評価器10と、視界評価器10から出力された評価値に基づいて、複数のカメラユニット4により撮像された複数の画像から1の画像を選択する画像選択器11を有する。
取り込まれた画像は、視界評価器10に送られ、見え具合が評価される。本実施形態の場合、見え具合の評価値は、画像内の所定閾値以上(例えば、輝度200〜255)の画素数をカウントして、その画素数を見え具合として評価する。この手法によれば、図3に示すように、溶融池は明るく撮像され、障害物H等は暗く撮像されているので、カウントされた明るい画素が多いほど、障害物Hがなく溶融池の全領域が写り込んでいると判定できる。
具体的には、溶接施工監視システム1は、視界評価器10を有する3台のカメラユニット4(カメラユニット4A〜カメラユニット4C)を有する。その中で、カメラユニット4A,4Bにおいては、溶融池を撮像した画像の一部の視野を遮るように障害物Hが存在する。その結果、カメラユニット4Aにおいて溶融池の見え具合の評価値が10ピクセル、カメラユニット4Bにおいて溶融池の見え具合の評価値が30ピクセル、カメラユニット4Cにおいて溶融池の見え具合の評価値が40ピクセルとなっている。これらの評価値が画像選択器11に出力される。画像選択器11は、溶融池の見え具合の評価値が最も高いカメラユニット4Cにおいて最も良い画像が得られていると判定して、このカメラユニット4Cにより撮像された画像をモニタ7に出力する。オペレータは、このモニタ7を見ることで溶接施工監視を行うことができる。
以上のようにして、本実施形態に係る溶接施工監視システム1によると、溶接ワイヤ近傍に、CCDカメラ5を配置していないため、好ましい方向から溶融池を監視することが可能となる。カメラユニット4の取り付け位置の自由度が高いため、最適な場所から溶接池を監視することが可能となる。特に、複数のカメラユニット4を配置することにより、最も好ましいカメラユニット4を選択して、最適な方向から溶融池を監視することが可能となる。
ところで、ロボットマニピュレータ2の位置、カメラユニット4の台数及び設置位置については、この溶接施工監視システム1において実際に溶接作業を行なって初めて不具合が発見される場合がある。このような不具合が発見された場合、やみくもにカメラユニット4の台数を変更したり設置位置を調整したりすると、ワークを十分に監視することができない状況となりかねない。
このため、以下においては、この溶接施工監視システム1において模擬的に溶接作業を行なって、不具合を実際の溶接作業に先立って発見して、システム1の設定を修正すること(リハーサル機能)について説明する。
詳しくは、カメラユニット4内部のCCDカメラ5において、ロボット先端部8のアーク光やロボット先端部8に取り付けられた発光体の画像を撮像する。この画像を2値化し、最大面積を有する領域の重心を算出する。算出の結果、画像(フレームメモリ)内の座標(フレームバッファ座標)におけるロボット先端位置が検出される。この点をfP1=(fx1,fy1)とする。
以上の操作を数秒ごとに繰り返すと、式(1)のようにn個の点列を得ることができる。
fP1=(fx1,fy1),rP1=(rx1,ry1,rz1)
fP2=(fx2,fy2),rP2=(rx2,ry2,rz2) (1)
・・・
fPn=(fxn,fyn),rPn=(rxn,ryn,rzn)
これらの点列を使うことで「ロボット座標→カメラ座標」の変換マトリクスr cTを導出することが可能となる。
1)ロボットコントローラ3からロボット先端位置rP=(rx,ry,rz)を得る。
2)rPを式(2)に基づき座標変換することで、CCDカメラ5からの見た座標cPに変換する。
3)cPは直交座標XYZで表現されているので、これを上下回転ρ、左右回転φ、距離rとする極座標へ変換する。
4)カメラユニット4を上下回転ρおよび左右回転φで回転させることで、カメラ光軸をロボット先端位置cPに合わせる。同時に、CCDカメラ5からロボット先端位置までの距離r(=Lrc1)に応じて、ピント調整及びズーム調整を行う。
以上、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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
なお、前記軌跡上の所定位置とは、ロボットマニピュレータ2の先端部8から所定距離(数十cm)はなれた地点である。
これによって、アーク光の影響が大きい先端部8付近からカメラユニット4の光軸を少し離して先端部8の軌跡(溶接ビード)をトレースできるため、アーク光を減光する光学フィルタ9を用いずとも、アーク光の影響をほとんど受けずに溶接ビードの外観を確認できる。
このとき、上述したカメラユニット4内のメモリから先端部8が移動した軌跡全体の位置情報を順次取り出し、この位置情報に基づいてカメラユニット4の姿勢を制御することで、溶接ビード全体の外観を確認することができる。
なお、本発明で述べたロボットマニピュレータ2は床面等に設置されているが、スライダ等の移動装置上に設けられていてもよい。
また、カメラユニット4は、上述の如く、溶接施工監視システム1が載置された建屋の天井などに取り付けられていたが、ロボットマニピュレータ2の基端部や中途部(例えば、第3軸と第4軸との間のアーム部)に取り付けられていてもよい。
2 ロボットマニピュレータ(溶接ロボット)
3 ロボットコントローラ
4 カメラユニット
5 CCDカメラ
6 制御部
7 モニタ
8 ロボット先端部
9 光学フィルタ
10 視界評価器
11 画像選択器
H 障害物
Claims (10)
- 溶接ロボットから離隔した位置であって溶接施工を監視可能な位置に設置され、且つ自由な方向に光軸が向くように姿勢を変更可能な撮像手段と、
前記溶接ロボットの先端部の位置情報を前記撮像手段の座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基にして撮像手段の光軸を溶接ロボットの先端部に合わせるように、前記撮像手段の姿勢を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする溶接施工監視システム。 - 前記撮像手段はズームレンズを備え、
前記制御部は、撮像手段による撮像領域が一定となるように前記ズームレンズのズーム率を調整することを特徴とする請求項1に記載の溶接施工監視システム。 - 1台の溶接ロボットに対して前記撮像手段が複数台配置され、
前記制御部は、前記複数の撮像手段により撮像された複数の画像から1の画像を選択することを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接施工監視システム。 - 前記制御部は、前記撮像手段により撮像された画像の明るさを評価値として出力する視界評価器と、
前記視界評価器の評価値に基づいて、前記複数の撮像手段により撮像された複数の画像から1の画像を選択する画像選択器と、
を有することを特徴とする請求項3に記載の溶接施工監視システム。 - 前記溶接ロボットが複数台設置されているに際し、前記制御部は、各溶接ロボットの先端部の位置情報を基に、複数の溶接ロボットの中から1台の溶接ロボットを監視することを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接施工監視システム。
- 前記制御部は、溶接ロボットの先端部に発生した溶接アークの位置情報を前記撮像手段における座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基に、撮像手段の光軸をロボットの先端部に合わせるように前記撮像手段の姿勢を制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の溶接施工監視システム。
- 溶接ロボットの先端部に発光体が設けられており、
前記制御部は、前記発光体の位置情報を前記撮像手段における座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基に、撮像手段の光軸をロボットの先端部に合わせるように前記撮像手段の姿勢を制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の溶接施工監視システム。 - 前記撮像手段は光学フィルタを備え、
前記制御部は、溶接ロボットの溶接開始及び溶接終了のタイミング、又は発光体の発光のタイミングに連動して、前記光学フィルタの使用状態を切り換えることを特徴とする請求項6又は7に記載の溶接施工監視システム。 - 溶接ロボットから離隔した位置であって溶接施工を監視可能な位置に設置され、且つ自由な方向に光軸が向くように姿勢を変更可能な撮像手段と、
前記溶接ロボットの先端部が移動した後にできる軌跡上の所定位置の位置情報を前記撮像手段の座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基にして撮像手段の光軸を前記軌跡上の所定位置に合わせるように、前記撮像手段の姿勢を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする溶接施工監視システム。 - 溶接ロボットから離隔した位置であって溶接施工を監視可能な位置に設置され、且つ自由な方向に光軸が向くように姿勢を変更可能な撮像手段と、
前記溶接ロボットの先端部が移動した軌跡全体の位置情報を前記撮像手段の座標系での位置情報に変換し、変換後の位置情報を基にして撮像手段の光軸が、溶接施工終了後に前記軌跡全体をたどるように、前記撮像手段の姿勢を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする溶接施工監視システム。
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