JP5449112B2 - 溶接状況監視方法及び溶接状況監視装置 - Google Patents
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Description
特許文献1では、溶接ロボットの腕部にCCDカメラを取り付け、このCCDカメラの光軸を溶接ロボットの先端部(溶接アーク光や溶融池等)に向け、当該先端部をCCDカメラにて撮像していた。
そこで、CCDカメラを溶接ロボットの腕部に取り付けるのではなく、溶接ロボットとは別の場所(例えば、天井や壁など)に取り付けることによって死角の問題を解決することが考えられる。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を設けた上で、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視方法において、少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する第1ステップと、前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置fPと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置rPとを取得する第2ステップと、前記撮像先端部位置fPと実先端部位置rPとの関係を示す変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を求める第3ステップと、求めた変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を用いて、実先端部位置rPとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置cPとを関係づける変換マトリックスc rTを求める第4ステップと、求められた変換マトリックスc rTを用いて、実先端部位置rPをカメラ座標でのロボット先端部位置cPへ変換した上で、当該ロボット先端部位置cPのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する第5ステップと、を備えていることを特徴とする。
好ましくは、前記第1ステップにおいては、前記溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を広角倍率に設定しておき、前記撮像手段を動かさないで前記先端部を撮像するとよい。
好ましくは、前記撮像手段の画像における撮像先端部位置fPが画像上の所定の位置又は中心位置から所定範囲離れたときに、第1ステップ〜第3ステップまでを再び行うとよい。
好ましくは、前記予備撮像手段は、溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を上下又は左右を動かしながら、前記先端部を撮像するとよい。
本実施形態に係る溶接状況監視方法の最も好ましい形態は、溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を設けた上で、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視方法において、少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する第1ステップと、前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置 f Pと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置 r Pとを取得する第2ステップと、前記撮像先端部位置 f Pと実先端部位置 r Pとの関係を示す変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を求める第3ステップと、求めた変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を用いて、実先端部位置 r Pとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置 c Pとを関係づける変換マトリックス c r Tを求める第4ステップと、求められた変換マトリックス c r Tを用いて、実先端部位置 r Pをカメラ座標でのロボット先端部位置 c Pへ変換した上で、当該ロボット先端部位置 c Pのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する第5ステップと、を備えていて、前記第1ステップにおいては、前記溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を広角倍率に設定しておき、前記撮像手段を動かさないで前記先端部を撮像することを特徴とする。
本実施形態に係る溶接状況監視方法の最も好ましい他の形態は、溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を設けた上で、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視方法において、少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する第1ステップと、前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置 f Pと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置 r Pとを取得する第2ステップと、前記撮像先端部位置 f Pと実先端部位置 r Pとの関係を示す変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を求める第3ステップと、求めた変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を用いて、実先端部位置 r Pとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置 c Pとを関係づける変換マトリックス c r Tを求める第4ステップと、求められた変換マトリックス c r Tを用いて、実先端部位置 r Pをカメラ座標でのロボット先端部位置 c Pへ変換した上で、当該ロボット先端部位置 c Pのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する第5ステップと、を備えていて、前記第1ステップにおいては、溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を上下又は左右を動かしながら、前記先端部を撮像することを特徴とする。
本実施形態に係る溶接状況監視装置の最も好ましい形態は、溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を備え、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視装置において、少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する予備撮像手段と、前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置 f Pと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置 r Pとを取得する位置取得手段と、取得した撮像先端部位置 f Pと実先端部位置 r Pとの関係を示す変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を求めるパラメータ算出手段と、求めた変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を用いて、実先端部位置 r Pとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置 c Pとを関係づける変換マトリックス c r Tを求めるマトリックス算出手段と、求められた変換マトリックス c r Tを用いて、実先端部位置 r Pをカメラ座標でのロボット先端部位置 c Pへ変換した上で、当該ロボット先端部位置 c Pのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する監視撮像手段と、を備えていて、前記予備撮像手段は、前記溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を広角倍率に設定しておき、前記撮像手段を動かさないで前記先端部を撮像することを特徴とする。
本実施形態に係る溶接状況監視装置の最も好ましい他の形態は、溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を備え、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視装置において、少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する予備撮像手段と、前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置 f Pと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置 r Pとを取得する位置取得手段と、取得した撮像先端部位置 f Pと実先端部位置 r Pとの関係を示す変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を求めるパラメータ算出手段と、求めた変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を用いて、実先端部位置 r Pとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置 c Pとを関係づける変換マトリックス c r Tを求めるマトリックス算出手段と、求められた変換マトリックス c r Tを用いて、実先端部位置 r Pをカメラ座標でのロボット先端部位置 c Pへ変換した上で、当該ロボット先端部位置 c Pのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する監視撮像手段と、を備えていて、 前記予備撮像手段は、溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を上下又は左右を動かしながら、前記先端部を撮像することを特徴とする。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
溶接ロボットの溶接状況を監視するにあたっては、CCDカメラ等を有する撮像手段を溶接ロボットとは離れた位置である天井や壁等に取り付け、CCDカメラにて溶接ロボットの先端部(溶接アーク光)を撮像することによって行っている。この場合、CCDカメラを取り付けた設置位置がデータとして得られていないと、溶接ロボットの先端部の位置と撮像した画像上における溶接ロボットの先端部との位置との関係が正確に求められず、溶接ロボットの先端部を動かしたときに、CCDカメラが先端部の動きに対して追従することができない場合がある。
本発明の溶接状況監視方法及び溶接状況監視装置について詳しく説明する。
図1は、アーク溶接を行う溶接ロボットと、この溶接ロボットでの溶接状況を監視する溶接監視装置とを示したものである。
なお、溶接ロボット1は、垂直多関節型の6軸のロボットに限定されない。
一方、この溶接ロボット1を監視する溶接監視装置15は、撮像手段16と、制御装置17とを備えている。
具体的には、撮像手段16は、CCDカメラ18と、このCCDカメラ18の光軸を上下方向(チルト方向)に向けたり左右方向(パン方向)に向けるためのカメラ移動部19とを備えている。カメラ移動部19は、制御装置17からの指令によって作動し、CCDカメラ18の光軸を上下方向又は左右方向に向けることができる。カメラ移動部19は、制御装置17からの指令によって動作するようになっている。
次に、制御装置17に格納されたプログラムや当該プログラムによるCCDカメラ18等の動作について説明する。
ここで、撮像手段16の設置位置が不明な状況下とは、CCDカメラ18を溶接ロボット1が存在する部屋の天井や壁に設置したときの設置位置(設置座標)がデータとして得られていない状況である。さらに言い換えると、溶接ロボット1の先端部12aの位置をCCDカメラ18が撮像した画像上での位置に変換するための変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)が分からない状況下であって、CCDカメラ18を溶接ロボット1の先端部12aの動きに応じて追従させるときに、溶接ロボット1の先端部12aをCCDカメラ18の光軸上に一致させるために必要な変換マトリックスc rTが分からない状況下のことである。
具体的には、位置取得手段21は、予備撮像手段20で先端部12aが写り込んだ画像を取得した際、当該画像を取得したときの実先端部位置rPをロボットコントローラ10から取得する。また、位置取得手段21は、後述するように、画像上において写り込んでいる先端部12aを抽出して、抽出した先端部12aの位置を撮像先端部位置fPとして取得する。そして、位置取得手段21は、撮像先端部位置fP及び実先端部位置rPを制御装置17内に設けられたメモリ等に保存する。
マトリックス算出手段23は、変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を用いて、ロボット座標で表現されたロボット先端部位置(実先端部位置rP)とカメラ座標で表現されたロボット先端部位置cPとを関係づける変換マトリックスc rTを求める。
溶接ロボット1にて溶接を行ったときの溶接状況を監視するには、図1に示すように、溶接開始前に溶接ロボット1が溶接をしたときに先端部12a(溶接アーク光)が見える位置であって天井や壁に取り付けられたCCDカメラ18を用いる。このCCDカメラ18の設置位置は、制御装置17やロボットコントローラ10には教示されておらず、CCDカメラ18の設置位置は分からない状況下である。
これによって、画像上での先端部12aの撮像先端部位置Pfと3次元空間上の先端部12aの実先端部位置Prとの組合せを得ることができる。
なお、溶接ロボット1を動かす時間T(間隔時間)において、間隔時間Tが非常に小さいと前後の位置が同じ値となり、変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を上手く求めることができない。一方、間隔時間Tが非常に大きいと変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を旨く求めることができるものの、上述したような位置データ(撮像先端部位置fP、実先端部位置rP)を取得するのに時間が掛かってしまう。そのため、このようなことを考慮して間隔時間Tは、短すぎず長すぎないように適切に設定することが好ましい。なお、溶接ロボット1において溶接する速度は、1分間当たり40cmであるため、例えば、間隔時間Tは15秒〜60秒が好ましい。
位置データの保存数がゼロ(登録数がゼロ)であるとき、予備撮像手段20による先端部12aの画像の取得を開始する(S1)。制御装置17において間隔時間Tに達したか否かを判定するために、タイマーをゼロにセットし(S2:time=0)、タイマーをカウントアップして先端部12aの画像を撮像する(S3)。先端部12aの画像を取得すると、上述したように、位置取得手段21によって画像上における先端部12aを検出して撮像先端部位置fPを決定する(S4)。
第1ステップ及び第2ステップが終了すると、撮像先端部位置fPと実先端部位置rPとの関係を示す変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を求める第3ステップを行う。
ロボット座標系Σrは、据付ベース2に固定された部分を原点とし、原点から見て溶接トーチ12側を前方向としてX軸、左右方向(横方向)をY軸、上下方向をZ軸としたものである。カメラ座標系Σcは、CCDカメラ18を原点とし、光軸方向にZ軸、撮像面をX軸、Y軸に分けたものである。フレームバッファ座標系Σfは、画像上での座標であり、画像の中心を原点として、左右方向をX軸、上下方向をY軸としたものである。
変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)の算出後は、得られた変換パラメータを用いて、ロボット座標で表現されたロボット先端部位置(実先端部位置rP)とカメラ座標で表現されたロボット先端部位置cPとを関係づける変換マトリックスc rTを求める。
具体的には、まず、実先端部位置rPを、式(2)に基づいてロボット先端部位置cPに変換する。cPは、は直交座標XYZで表現されているので、これを上下回転θ、左右回転φ、距離rとする極座標へ変換する。
これらの操作により、CCDカメラ18は、常に溶接ロボット1の先端部12a、即ち、溶接アーク光を撮像することにより溶接状況を監視することが可能となる。
ところで、第1ステップ〜第5ステップについて、例えば、実際に溶接を行うに際し、簡単な溶接を行いながら変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を求めるまでの処理(第1ステップ〜第3ステップ)を行い、その後、複雑な溶接を行う際に第4ステップや第5ステップを行うようにしてもよい。
以上、本発明によれば、CCDカメラ18の設置位置が不明な状況下でも、CCDカメラ18を用いて正確に溶接状況を把握することができる。また、溶接ロボット1の設置位置が不明な場合でも正確に溶接状況を撮像でき、オペレータは表示装置(モニタ)25を通じ離れた場所から溶接状況を把握することが可能である。
[第2実施形態]
第1実施形態では、第1ステップにおいて溶接ロボット1の先端部12aの画像を得る際にCCDカメラ18を広角倍率してCCDカメラ18を動かさないで先端部12aを撮像していたが、第2実施形態では、CCDカメラ18をパン方向やチルド方向に動かしながら溶接ロボット1の先端部12aを撮像している。なお、他のステップについては第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
第1実施形態と同様に、位置データの保存数がゼロ(登録数がゼロ)であるとき、予備撮像手段20による先端部12aの画像の取得を開始する(S10)。制御装置17において間隔時間Tに達したか否かを判定するためにタイマーをゼロにセットし(S11:time=0)、タイマーをカウントアップして先端部12aの画像を撮像する(S12)。撮像した画像上における先端部12aを検出して撮像先端部位置fPを決定する(S13)。次に、撮像先端部位置fPと画像中心(Cx,Cy)とのずれ量を算出する(S14)。ずれ量は式(7)により求めることができる。
ずれ量が予め定められた値(所定値)以下である場合(S15,No)は、画像に写り込んだ溶接ロボット1の先端部12aが画像の中心にあると判断する。そして、タイマーが間隔時間Tを超えているか否かを判断してタイマーが間隔時間Tを超えると(S17、Yes)、撮像先端部位置fP及び実先端部位置rPを保存(登録)する(S18)。撮像先端部位置fP及び実先端部位置rPの保存数が予め設定していた登録数を超える(登録数>n,S19,Yes)と、第1ステップ及び第2ステップを終了する。
[第3実施形態]
第2実施形態において、第5ステップでは、変換行列によって変換した撮像先端部位置fPが画像上に存在するようにCCDカメラ18を動かして溶接ロボット1の先端部12aを撮像しているが、第3実施形態では、撮像した先端部12aが画像中心から大幅にずれた場合は、再度、第1ステップ〜第3ステップをやり直し、変換行列の再計算を行うこととしている。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各種工程など適宜変更可能である。
2 据付ベース
3 第1リンク部材
4 第2リンク部材
5 第3リンク部材
6 第4リンク部材
7 第5リンク部材
8 第6リンク部材
9 溶接ツール
10 ロボットコントローラ
12 溶接トーチ
12a 先端部
16 撮像手段
17 制御装置
18 CCDカメラ
19 カメラ移動部
20 予備撮像手段
21 位置取得手段
22 パラメータ算出手段
23 マトリックス算出手段
24 監視撮像手段
Claims (6)
- 溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を設けた上で、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視方法において、
少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する第1ステップと、
前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置fPと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置rPとを取得する第2ステップと、
前記撮像先端部位置fPと実先端部位置rPとの関係を示す変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を求める第3ステップと、
求めた変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を用いて、実先端部位置rPとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置cPとを関係づける変換マトリックスc rTを求める第4ステップと、
求められた変換マトリックスc rTを用いて、実先端部位置rPをカメラ座標でのロボット先端部位置cPへ変換した上で、当該ロボット先端部位置cPのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する第5ステップと、
を備えていて、
前記第1ステップにおいては、前記溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を広角倍率に設定しておき、前記撮像手段を動かさないで前記先端部を撮像する
ことを特徴とする溶接状況監視方法。 - 溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を設けた上で、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視方法において、
少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する第1ステップと、
前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置 f Pと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置 r Pとを取得する第2ステップと、
前記撮像先端部位置 f Pと実先端部位置 r Pとの関係を示す変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を求める第3ステップと、
求めた変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を用いて、実先端部位置 r Pとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置 c Pとを関係づける変換マトリックス c r Tを求める第4ステップと、
求められた変換マトリックス c r Tを用いて、実先端部位置 r Pをカメラ座標でのロボット先端部位置 c Pへ変換した上で、当該ロボット先端部位置 c Pのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する第5ステップと、
を備えていて、
前記第1ステップにおいては、溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を上下又は左右を動かしながら、前記先端部を撮像する
ことを特徴とする溶接状況監視方法。 - 溶接作業を行う前に、第1ステップ〜第3ステップを行い、実際の溶接作業の際には、第4ステップ,第5ステップを行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接状況監視方法。
- 前記撮像手段の画像における撮像先端部位置fPが画像上の所定の位置又は中心位置から所定範囲離れたときに、第1ステップ〜第3ステップまでを再び行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の溶接状況監視方法。
- 溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を備え、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視装置において、
少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する予備撮像手段と、
前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置fPと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置rPとを取得する位置取得手段と、
取得した撮像先端部位置fPと実先端部位置rPとの関係を示す変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を求めるパラメータ算出手段と、
求めた変換パラメータ(xc,yc,zc,αc,βc,γc)を用いて、実先端部位置rPとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置cPとを関係づける変換マトリックスc rTを求めるマトリックス算出手段と、
求められた変換マトリックスc rTを用いて、実先端部位置rPをカメラ座標でのロボット先端部位置cPへ変換した上で、当該ロボット先端部位置cPのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する監視撮像手段と、
を備えていて、
前記予備撮像手段は、前記溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を広角倍率に設定しておき、前記撮像手段を動かさないで前記先端部を撮像する
ことを特徴とする溶接状況監視装置。 - 溶接ロボットの先端部を撮像する撮像手段を備え、当該撮像手段で前記先端部を撮像することによって溶接状況を監視する溶接状況監視装置において、
少なくとも前記撮像手段の設置位置が不明な状況下で、溶接ロボットの先端部を撮像し、当該先端部が写り込んだ画像を取得する予備撮像手段と、
前記画像上における先端部の位置である撮像先端部位置 f Pと、溶接ロボットの先端部の位置である実先端部位置 r Pとを取得する位置取得手段と、
取得した撮像先端部位置 f Pと実先端部位置 r Pとの関係を示す変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を求めるパラメータ算出手段と、
求めた変換パラメータ(x c ,y c ,z c ,α c ,β c ,γ c )を用いて、実先端部位置 r Pとカメラ座標で表現されたロボット先端部位置 c Pとを関係づける変換マトリックス c r Tを求めるマトリックス算出手段と、
求められた変換マトリックス c r Tを用いて、実先端部位置 r Pをカメラ座標でのロボット先端部位置 c Pへ変換した上で、当該ロボット先端部位置 c Pのx座標及びy座標が0となるように撮像手段をパン又はチルトさせ、溶接状況を監視する監視撮像手段と、
を備えていて、
前記予備撮像手段は、溶接ロボットの先端部が視野に入るように撮像手段を上下又は左右を動かしながら、前記先端部を撮像する
ことを特徴とする溶接状況監視装置。
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