(57)【要約】      （修正有）【課題】コンパクトで安価な溶接訓練システムを提供する。【解決手段】溶接訓練システム１０を、溶接用のトーチの外形を有するトーチ模型１２と、トーチ模型１２の一定箇所に固定され、同一直線上に配列された少なくとも３個の検出点を含む円筒形状のトーチマーカ１６（１）と、作業面を有し作業面に沿って仮想溶接作業を行うように構成された作業台２８と、作業面上に位置決めされ、同一直線上に配列された少なくとも３個の検出点を含む円筒形状の作業面マーカ１６（２）と、ディスプレイ４２及びカメラ２６を有する第１携帯端末２４と、から構成した。【選択図】図１
2020187166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接用のトーチの外形を有するトーチ模型と、
前記トーチ模型の一定箇所に固定され、同一直線上に配列された少なくとも３個の検出点を含む円筒形状のトーチマーカと、
仮想溶接作業を行う仮想溶接対象に固定され、同一直線上に配列された少なくとも３個の検出点を含む円筒形状の作業面マーカと、
画像を表示するディスプレイと、前記トーチマーカ及び前記作業面マーカの画像を撮影するカメラと、を有する第１携帯端末と、
を備え、
前記第１携帯端末は、
前記カメラが撮影した前記トーチマーカの画像に基づいて、前記トーチマーカの３個の検出点の座標を算出するように構成されたトーチ検出部と、
前記カメラが撮影した前記作業面マーカの画像に基づいて、前記作業面マーカの３個の検出点の座標を算出するように構成された作業面検出部と、
を備えた溶接訓練システム。
【請求項２】
前記トーチ検出部は、前記トーチマーカの画像に基づいて、該トーチマーカの３個の検出点について２次元の画像座標を算出し、算出した３個の画像座標に基づいて、３個の検出点のカメラ座標を、該トーチマーカの３個の検出点の座標として算出するように構成され、
前記トーチ検出部は、前記トーチマーカの３個の検出点のカメラ座標を、
【数１】
2020187166.tif 000005
なる数式により算出するように構成された請求項１に記載する溶接訓練システム。
【請求項３】
前記作業面検出部は、前記作業面マーカの画像に基づいて、該作業面マーカの３個の検出点について２次元の画像座標を算出し、算出した３個の画像座標に基づいて、３個の検出点のカメラ座標を、該作業面マーカの３個の検出点の座標として算出するように構成され、
前記作業面検出部は、前記作業面マーカの３個の検出点のカメラ座標を、
【数１】
2020187166.tif 000006
なる数式により算出するように構成された請求項１又は２に記載する溶接訓練システム。
【請求項４】
前記第１携帯端末は、前記トーチマーカを前記円筒形状の中心線まわりに一定角度ずつ回転させた場合の、角度毎のトーチマーカの複数のトーチ画像と、各画像に対応する角度と、を記憶する画像データベースを備え、
前記トーチ検出部は、カメラを介して認識したトーチマーカの画像と、前記画像データベースが記憶する複数のトーチ画像とを対比し、画像データベースが記憶する複数のトーチ画像の中から最も近似する画像を判別し、判別した画像に対応する角度データを検出するように構成された、
請求項１〜３のいずれかに記載する溶接訓練システム。
【請求項５】
前記第１携帯端末は、
前記トーチマーカについて前記トーチ検出部が算出した３個の検出点の座標に基づいて仮想トーチのＣＧ（computer graphic）を作成し、前記作業面マーカについて前記作業面検出部が算出した３個の検出点の座標に基づいて仮想溶接対象のＣＧを作成するように構成されたＣＧ作成部と、
前記ＣＧ作成部が作成した仮想トーチのＣＧ及び仮想溶接対象のＣＧを、前記ディスプレイに表示させるように構成されたＣＧ表示部と、
を備えた請求項１〜４のいずれかに記載する溶接訓練システム。
【請求項６】
前記第１携帯端末と通信可能であり、画像を表示するディスプレイを有する第２携帯端末を備え、
前記第２携帯端末は、
前記第１携帯端末の前記ＣＧ作成部が作成した仮想トーチのＣＧ及び仮想溶接対象のＣＧを受信するＣＧ受信部と、
前記ＣＧ受信部が受信した仮想トーチのＣＧ及び仮想溶接対象のＣＧを前記ディスプレイに表示させるＣＧ表示部と、
を備えた請求項１〜５のいずれかに記載する溶接訓練システム。
【請求項７】
前記第１携帯端末と通信可能なサーバーを備え、
前記サーバーは、
前記第１携帯端末の前記トーチ検出部から、前記トーチマーカの３個の検出点の座標を受信するように構成されたトーチ位置受信部と、
前記第１携帯端末の前記作業面検出部から、前記作業面マーカの３個の検出点の座標を受信するように構成された作業面位置受信部と、
前記トーチ位置受信部が受信した前記トーチマーカの３個の検出点の座標に基づいて仮想トーチのＣＧを作成し、前記作業面位置受信部が受信した前記作業面マーカの３個の検出点の座標に基づいて仮想溶接対象のＣＧを作成するように構成されたＣＧ作成部と、
前記ＣＧ作成部が作成したＣＧを前記第１形態端末のＣＧ表示部に送信するように構成されたＣＧ送信部と、
を備えた請求項１〜６のいずれかに記載する溶接訓練システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、溶接作業を訓練するための溶接訓練システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、溶接作業を訓練するための溶接訓練システムが使用されている。従来の溶接訓練システムは、例えば、ＡＲ（Augmented Reality）技術を使用したものであり、溶接作業の訓練を受ける作業者が、トーチ模型を溶接対象模型に対して動かすことにより、現実のトーチによって現実の溶接対象を溶接している状態を示すバーチャル映像が画面に映し出される。溶接作業の教官は、画面に映し出されたバーチャル映像を観察し、作業者を指導する。また、トーチ模型の動きをコンピュータが監視し、トーチ模型を動かす作業後又は作業中に、コンピュータが作業者に正しい動きを教示する。
【０００３】
しかし、従来の溶接訓練システムは、バーチャル映像を映し出すための専用の画面を備えたコントローラーを必要とするため、規模が大きく、高価（例えば、約４００万円〜約１０００万円）であった。なお、溶接訓練システムに関して出願されているが（例えば、特許文献１）、本願発明に関連するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７１１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明は、コンパクトで安価な溶接訓練システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の溶接訓練システムは、
溶接用のトーチの外形を有するトーチ模型と、
前記トーチ模型の一定箇所に固定され、同一直線上に配列された少なくとも３個の検出点を含む円筒形状のトーチマーカと、
仮想溶接作業を行う仮想溶接対象に固定され、同一直線上に配列された少なくとも３個の検出点を含む円筒形状の作業面マーカと、
画像を表示するディスプレイと、前記トーチマーカ及び前記作業面マーカの画像を撮影するカメラと、を有する第１携帯端末と、
を備え、
前記第１携帯端末は、
前記カメラが撮影した前記トーチマーカの画像に基づいて、前記トーチマーカの３個の検出点の座標を算出するように構成されたトーチ検出部と、
前記カメラが撮影した前記作業面マーカの画像に基づいて、前記作業面マーカの３個の検出点の座標を算出するように構成された作業面検出部と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本願に係る明細書及び特許請求の範囲において、「溶接用のトーチ」の概念には、被覆アーク溶接用の溶接棒を含む。
【０００８】
請求項２に記載する本願発明の溶接訓練システムは、前記溶接訓練システムにおいて、
前記トーチ検出部は、前記トーチマーカの画像に基づいて、該トーチマーカの３個の検出点について２次元の画像座標を算出し、算出した３個の画像座標に基づいて、３個の検出点のカメラ座標を、該トーチマーカの３個の検出点の座標として算出するように構成され、
前記トーチ検出部は、前記トーチマーカの３個の検出点のカメラ座標を、
【数１】
2020187166.tif 000003
なる数式により算出するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
本願の明細書及び特許請求の範囲において、カメラ座標とは、カメラに対する３次元座標を指し、画像座標とは、カメラ座標からカメラへ投影した場合に、カメラとカメラ座標の間に存在する画像平面上に現れる座標を指す。カメラに特有の内部パラメータを使用して、画像座標に基づいてカメラ座標を算出できる。
【００１０】
請求項３に記載する本願発明の溶接訓練システムは、前記溶接訓練システムにおいて、
前記作業面検出部は、前記作業面マーカの画像に基づいて、該作業面マーカの３個の検出点について２次元の画像座標を算出し、算出した３個の画像座標に基づいて、３個の検出点のカメラ座標を、該作業面マーカの３個の検出点の座標として算出するように構成され、
前記作業面検出部は、前記作業面マーカの３個の検出点のカメラ座標を、
【数１】
2020187166.tif 000004
なる数式により算出するように構成された
【００１１】
請求項４に記載する本願発明の溶接訓練システムは、前記溶接訓練システムにおいて、
前記第１携帯端末は、前記トーチマーカを前記円筒形状の中心線まわりに一定角度ずつ回転させた場合の、角度毎のトーチマーカの複数のトーチ画像と、各画像に対応する角度と、を記憶する画像データベースを備え、
前記トーチ検出部は、カメラを介して認識したトーチマーカの画像と、前記画像データベースが記憶する複数のトーチ画像とを対比し、画像データベースが記憶する複数のトーチ画像の中から最も近似する画像を判別し、判別した画像に対応する角度データを検出するように構成されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載する本願発明の溶接訓練システムは、前記溶接訓練システムにおいて、
前記第１携帯端末は、
前記トーチマーカについて前記トーチ検出部が算出した３個の検出点の座標に基づいて仮想トーチのＣＧを作成し、前記作業面マーカについて前記作業面検出部が算出した３個の検出点の座標に基づいて仮想溶接対象のＣＧを作成するように構成されたＣＧ作成部と、
前記ＣＧ作成部が作成した仮想トーチのＣＧ及び仮想溶接対象のＣＧを、前記ディスプレイに表示させるように構成されたＣＧ表示部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載する本願発明の溶接訓練システムは、前記溶接訓練システムにおいて、
前記第１携帯端末と通信可能であり、画像を表示するディスプレイを有する第２携帯端末を備え、
前記第２携帯端末は、
前記第１携帯端末の前記ＣＧ作成部が作成した仮想トーチのＣＧ及び仮想溶接対象のＣＧを受信するＣＧ受信部と、
前記ＣＧ受信部が受信した仮想トーチのＣＧ及び仮想溶接対象のＣＧを前記ディスプレイに表示させるＣＧ表示部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載する本願発明の溶接訓練システムは、前記溶接訓練システムにおいて、
前記第１携帯端末と通信可能なサーバーを備え、
前記サーバーは、
前記第１携帯端末の前記トーチ検出部から、前記トーチマーカの３個の検出点の座標を受信するように構成されたトーチ位置受信部と、
前記第１携帯端末の前記作業面検出部から、前記作業面マーカの３個の検出点の座標を受信するように構成された作業面位置受信部と、
前記トーチ位置受信部が受信した前記トーチマーカの３個の検出点の座標に基づいて仮想トーチのＣＧを作成し、前記作業面位置受信部が受信した前記作業面マーカの３個の検出点の座標に基づいて仮想溶接対象のＣＧを作成するように構成されたＣＧ作成部と、
前記ＣＧ作成部が作成したＣＧを前記第１形態端末のＣＧ表示部に送信するように構成されたＣＧ送信部と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明の溶接訓練システムによれば、スマートフォン等の第１携帯端末が有するカメラが撮影したトーチマーカの画像に基づいて、トーチ検出部がトーチマーカの３個の検出点の座標を算出でき、カメラが撮影した作業面マーカの画像に基づいて、作業面検出部が作業面マーカの３個の検出点の座標を算出できる。溶接作業の教官は、これら検出点のデータに基づき仮想溶接作業を定量的に把握し、作業者に溶接作業の指導を行うことができる。このため、ハードウエアが安価な第１携帯端末によって溶接作業の訓練を行うことができ、溶接訓練システムをコンパクトで安価に構成できる。また、手で把持できるスマートフォン等の第１携帯端末によって仮想溶接作業の画像を取り込むため、スペースの少ない場所においての仮想溶接作業の画像を取り込むことができ、スペースの少ない場所においての溶接作業の訓練を行うことができる。また、第１携帯端末、又は第１携帯端末と通信可能なサーバーによって、トーチマーカの３個の検出点に基づいて仮想トーチのＣＧを作成し、作業面マーカの３個の検出点に基づいて仮想溶接対象のＣＧを作成し、これらＣＧを表示することができる。この場合、溶接作業の教官は、これらＣＧを見ながら作業者に溶接作業の指導を行うことができる。また、トーチ模型の動きをコンピュータが監視し、トーチ模型を動かす作業後又は作業中に、コンピュータが作業者に正しい動きを教示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本願発明に係る溶接訓練システムを示す構成図である。
【図２】同図（ａ）は、図１の溶接訓練システムを示す正面図であり、同図（ｂ）は、図１の溶接訓練システムを構成する作業面マーカを示す側面図である。
【図３】図１の溶接訓練システムを構成するマーカを示す図であり、同図（ａ）は、正面図であり、同図（ｂ）は、展開図であり、同図（ｃ）は、底面図である。
【図４】２次元の画像座標（ｕｉ，ｖｉ）に基づいて３次元のカメラ座標（現実の座標）（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）の座標を求めるための数式を示す。
【図５】画像座標（ｕｉ，ｖｉ）とカメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）との関係を説明するための図である。
【図６】本願発明に係る溶接訓練システムの他の実施形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本願発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１において、符号１０は本願発明の溶接訓練システムを示す。図１において、装置、機器、コントローラー又は部位を繋ぐ実線は、接続され、又は互いに関係付けられていることを示す。第１携帯端末、第２携帯端末及びサーバーの制御は、図示しないコンピュータによって行う。コンピュータは、ＣＰＵ、メモリ、及び入出力ポートを含む。
【００１８】
（構成）
（トーチ模型１２）
溶接訓練システム１０は、図1及び図２（ａ）に示すように、溶接用のトーチの外形を有するトーチ模型１２を備える。トーチ模型１２は、図２（ａ）に示すように、手で把持するハンドル部１４と、後述するトーチマーカ１６（１）を固定する円柱形状のマーカ固定部１８と、ハンドル部１４及びマーカ固定部１８に連続する本体部２０と、から構成されている。トーチ模型１２の材質は、樹脂、金属又は紙等、特に限定されない。
【００１９】
（トーチマーカ１６（１））
溶接訓練システム１０は、トーチ模型１２のマーカ固定部１８に固定されるシート状のトーチマーカ１６（１）を備える。トーチマーカ１６（１）は、樹脂又は紙から形成される。トーチマーカ１６（１）は、円柱形状のマーカ固定部１８の外周面に固定され、円筒形状を有している。トーチマーカ１６（１）は、図３（ｂ）に示すように、横方向に左から、４個のセグメント（ａ）〜（ｄ）に区分されている。トーチマーカ１６（１）は、４個のセグメント（ａ）〜（ｄ）に区分けされることにより、マーカ固定部１８に固定されて円筒形状を成した場合に、円筒形状の回転中心（中心線）Ｃ１のまわりに９０°毎に区分けされる。これにより、後述する第１携帯端末２４のカメラ２６が、何れかのセグメントを必ず撮影できる。また、トーチマーカ１６（１）は、縦方向に上から、ベルト部（ａ）、ドット部（ａ）、ＩＤ（identification）部（ａ）、ドット部（ｃ）、ＩＤ部（ｂ）及びドット部（ｂ）に区分されている。
【００２０】
セグメント（ａ）において、ドット部（ａ）にはドットＤ（ａａ）が、ドット部（ｂ）にはドットＤ（ａｂ）が、ドット部（ｃ）にはドットＤ（ａｃ）が、各々表示されている。セグメント（ｂ）において、ドット部（ａ）にはドットＤ（ｂａ）が、ドット部（ｂ）にはドットＤ（ｂｂ）が、ドット部（ｃ）にはドットＤ（ｂｃ）が、各々表示されている。セグメント（ｃ）において、ドット部（ａ）にはドットＤ（ｃａ）が、ドット部（ｂ）にはドットＤ（ｃｂ）が、ドット部（ｃ）にはドットＤ（ｃｃ）が、各々表示されている。セグメント（ｄ）において、ドット部（ａ）にはドットＤ（ｄａ）が、ドット部（ｂ）にはドットＤ（ｄｂ）が、ドット部（ｃ）にはドットＤ（ｄｃ）が、各々表示されている。
【００２１】
トーチマーカ１６（１）は、下地が白色であるのに対して、ドットＤ（ａａ）〜ドットＤ（ｄｃ）は黒色であり長方形である。後述する第１携帯端末２４のカメラ２６により、ドットＤ（ａａ）〜ドットＤ（ｃｃ）を含む画像を撮影し、第１携帯端末２４のコンピューターシステムにより、撮影した画像を容易に２値化しラベリングし、カメラ２６によって採取した画像の中からドットＤ（ａａ）〜ドットＤ（ｃｃ）として容易に特定し、ドットＤ（ａａ）〜ドットＤ（ｃｃ）の重心（中心点）をトーチマーカ１６（１）の検出点として容易に検出できるように構成されている。各セグメントに属する３個のドットは同一直線上に配列され、３個のトーチマーカ１６（１）の検出点は、同一直線上に配列されるように構成されている。
【００２２】
セグメント（ａ）において、ＩＤ部（ａ）にはパターンＰ（ａａ）が表示され、ＩＤ部（ｂ）にはパターンが表示されていない。セグメント（ｂ）において、ＩＤ部（ａ）にはパターンＰ（ｂａ）が表示され、ＩＤ部（ｂ）にはパターン（ｂｂ）が表示されていない。セグメント（ｃ）において、ＩＤ部（ａ）にはパターンＰ（ｃａ）が、ＩＤ部（ｂ）にはパターンＰ（ｃｂ）が、各々表示されている。セグメント（ｄ）において、ＩＤ部（ａ）にはパターンＰ（ｄａ）が、ＩＤ部（ｂ）にはパターンＰ（ｄｂ）が、各々表示されている。ＩＤ部（ａ）の表示とＩＤ部（ｂ）の表示との組み合わせは、セグメント間で異なるように構成されている。検出した３個のドットと同一直線状のＩＤ部（ａ）及び（ｂ）のパターンを認識することにより、検出した３個のドットが如何なるセグメントに属するかを認識できるように構成されている。
【００２３】
なお、トーチマーカ１６（１）がトーチ模型１２に固定されることにより、トーチ模型１２に対するトーチマーカ１６（１）の方向は定まり、各セグメントのトーチ模型１２に対する位置は定まる。例えば、図３（ａ）において、セグメント（ｃ）がトーチ模型１２の正面側に位置する。トーチマーカ１６（１）の下地が白色であるのに対して、パターンＰ（ａａ）〜パターンＰ（ｄｂ）は黒色である。後述する第１携帯端末２４のカメラ２６により、パターンＰ（ａａ）〜パターンＰ（ｄｂ）を含む画像を撮影し、第１携帯端末２４のトーチ検出部３６により、撮影した画像を容易に２値化しラベリングし、パターンの形状を容易に検出できるように構成されている。
【００２４】
ベルト部（ａ）には１本のベルトＢ（ａ）が表示され、ベルト部（ｂ）には１本のベルトＢ（ｂ）が表示されている。ベルトＢ（ａ）及びＢ（ｂ）は、第１携帯端末２４がベルトＢ（ａ）及びＢ（ｂ）を認識することにより、検出した画像がトーチマーカ１６（１）内の画像であるか否かを認識する等のために表示されている。トーチマーカ１６（１）の下地が白色であるのに対して、ベルトＢ（ａ）及びＢ（ｂ）は黒色である。カメラ２６により、ベルトＢ（ａ）及びＢ（ｂ）を含む画像を撮影し、第１携帯端末２４のトーチ検出部３６により、撮影した画像を容易に２値化しラベリングし、ベルトの形状を容易に検出できるように構成されている。
【００２５】
（作業台２８、作業面マーカ１６（２））
溶接訓練システム１０は、図２に示すように、作業面３０を有し作業面３０に沿って仮想溶接作業を行うように構成された作業台２８を備える。溶接訓練システム１０は、作業面３０上に位置決めされて載置されるフレーム３２を有する。フレーム３２は、円柱形状の固定バー４０を有し、固定バー４０には、作業面マーカ１６（２）が固定されている。作業面マーカ１６（２）の構成は、トーチマーカ１６（１）と同一である。
【００２６】
（第１携帯端末２４）
（ディスプレイ４２、カメラ２６）
溶接訓練システム１０は、第１携帯端末２４（例えばスマートフォン）を備える。第１携帯端末２４は、図２に示すように、画像を表示するディスプレイ４２と、トーチマーカ（１）及び作業面マーカ１６（２）の画像を撮影するカメラ２６とを備える。ディスプレイ４２及びカメラ２６は、スマートフォン等が通常に備えるものであり、ピンホールカメラである。
【００２７】
（画像データベース４４）
第１携帯端末２４は、トーチマーカ１６（１）を回転中心Ｃ１（図２（ａ）に示す）まわりに一定角度（例えば１０°）ずつ回転させた場合の、角度毎のトーチマーカ１６（１）の複数のトーチ画像と、角度毎の角度データと、を記憶する画像データベース４４を備える。トーチ画像データは、例えば、トーチマーカ１６（１）の画像の部位毎の輝度（明度、彩度、色相、光度等）を含む。
【００２８】
（トーチ検出部３６）
第１携帯端末２４は、図１に示すように、カメラ２６が撮影したトーチマーカ１６（１）の画像に基づいて、例えば、図３に示すトーチマーカ１６（１）の３個の検出点Ｋ（ａ）〜Ｋ（ｃ）の座標を算出するように構成されたトーチ検出部３６を備える。トーチ検出部３６は、カメラ２６が採取した画像の中から、ベルト部（ａ）及びベルト部（ｂ）に囲まれ、ベルト部（ａ）及びベルト部（ｂ）に垂直な同一直線上に並ぶ例えばドットＤ（ｃａ）、Ｄ（ｃｃ）及びＤ（ｃｂ）を走査し認識するように構成されている。なお、ドットＤ（ｃａ）、Ｄ（ｃｃ）及びＤ（ｃｂ）が同一直線上に並ぶことにより、トーチマーカ１６（１）の３個の検出点Ｋ（ａ）、Ｋ（ｃ）、Ｋ（ｂ）は、同一直線上に配列される。トーチ検出部３６は、認識した３個のドットの重心を算出し、トーチマーカ１６（１）の検出点（例えば、トーチマーカ１６（１）の検出点Ｋ（ａ）、Ｋ（ｃ）、Ｋ（ｂ））として認識するように構成されている。
【００２９】
トーチマーカ１６（１）の３個の検出点Ｋ（ａ）〜Ｋ（ｃ）が同一直線上に配列されることにより、カメラ２６により採取した２次元の画像座標（ｕｉ，ｖｉ）（＝（ｕ１，ｖ１１）〜（ｕ３，ｖ１３））と、カメラ２６に対する３次元のカメラ座標（立体座標、検出点Ｋ（ａ）〜Ｋ（ｃ）の座標）（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（＝（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）〜（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３））との関係について、図４の（１）、（２）、（３）及び（４）の数式が幾何学的に成立する。画像座標（ｕｉ，ｖｉ）とカメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）との位置関係について、図５に示す。図４の（３）及び（４）の数式に基づき図４の（１）及び（２）の数式が導かれる。トーチ検出部３６は、図４の（１）及び（２）の数式に従い、画像座標（ｕｉ，ｖｉ）に基づいて、カメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を算出するように構成されている。さらに、トーチ検出部３６は、算出した３個の（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）に基づいてトーチマーカ１６（１）の方向（例えば（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）へ向かうベクトル）を算出するように構成してもよい。カメラ２６は、例えば、ピンホールカメラである。
【００３０】
（回転角度検出部）
さらに、トーチ検出部３６は、カメラ２６を介して認識したトーチマーカ１６（１）の画像と、画像データベース４４が記憶する複数のトーチ画像とを対比し、画像データベース４４が記憶する複数のトーチ画像の中から最も近似する最近似トーチ画像を判別し、判別した最近似トーチ画像に対応する角度データを検出する回転角度検出部（図示しない）を備える。上述の対比は、カメラ２６を介して認識したトーチマーカ１６（１）の画像の一部又は全部の輝度に基づいて行われるように構成されている。回転角度検出部は、検出した角度データを、トーチマーカ１６（１）の回転中心Ｃ１まわりの角度として認識し記憶するように構成されている。
【００３１】
（セグメント判別部）
また、トーチ検出部３６は、カメラ２６が撮影したトーチマーカ１６（１）の画像の中で、検出するドットと同一直線上のＩＤ部（ａ）の画像及びＩＤ部（ｂ）の組合せに基づいて、検出したドットが属するセグメントを判別し記憶するセグメント判別部（図示しない）を備える。例えば、ＩＤ部（ａ）の画像がＰ（ｃａ）であり、ＩＤ部（ｂ）の画像がＰ（ｃｂ）であれば、セグメント判別部は、ドットはセグメント（ｃ）に属すると判断する。
【００３２】
マーカの回転角度検出のアルゴリズムの一例を、以下に示す。検出された３個のドットが、どのマーカのどのセグメントのものかを判別する。そのために、マーカパターン(マーカ表面の画像データ) の色データと、カメラ画像における対応する画素の色データとで、最も相関の高いもの(マーカおよびセグメント)を選ぶ。セグメントが９０°毎に配置されているので、回転角度誤差は±４５°となる。もう少し回転角度誤差を小さくするために、以下の方法で探索的に回転角度を検討する。カメラ座標において、ドット３点を通る直線ａを求め、判別されたセグメントがカメラに対して正面に向く角度を探索の基準角度とする。直線ａを中心とした±９０°回転したマーカの位置の範囲において、隣のセグメント(画像上で見えている方)に対応する画素の色データとで最も相関の高い角度を探索する。
【００３３】
（マーカ位置記憶部）
また、トーチ検出部３６は、トーチ模型１２に対するトーチマーカ１６（１）の位置が予め設定されるマーカ位置記憶部（図示しない）を備える。例えば、図３（ａ）に示すように、セグメント（ｃ）が正面側に向けられて固定されている状態のセグメント（ｃ）のマーカ固定部１８に対する角度及び座標が予め設定されるように構成されている。すなわち、トーチ検出部３６は、トーチマーカ１６（１）の検出点の座標（採取した画像から算出）、トーチマーカ１６（１）の検出点の回転中心Ｃ１まわりの角度（採取した画像から算出）、トーチマーカ１６（１）の検出点の属するセグメント（採取した画像から判断）、及びトーチ模型１２に対するトーチマーカ１６（１）の位置（予め設定）を認識するように構成されている。後述のＣＧ作成部４６が、仮想トーチのＣＧを作成すためである。
【００３４】
（作業面検出部３８）
第１携帯端末２４は、カメラ２６が撮影した作業面マーカ１６（２）の画像に基づいて、作業面マーカ１６（２）の３個の検出点の座標を算出するように構成された作業面検出部３８を備える。作業面検出部３８は、トーチ検出部３６と同様の処理によって、作業面マーカ１６（２）の３個の検出点のカメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）及び方向を算出するように構成されている。また、作業面検出部３８は、トーチ検出部３６と同様の処理によって、作業面マーカ１６（２）の回転中心（中心線）Ｃ２まわりの角度を認識し記憶する回転角度検出部を備える。また、作業面検出部３８は、トーチ検出部３６と同様の処理によって、作業面マーカ１６（２）の検出点の属するセグメントを判断し記憶するセグメント判別部を備える。また、作業面検出部３８は、トーチ検出部３６と同様に、作業面３０に対する作業面マーカ１６（２）の位置が予め設定されるマーカ位置記憶部を備える。すなわち、作業面検出部３８は、作業面マーカ１６（２）の検出点の座標（採取した画像から算出）、作業面マーカ１６（２）の検出点の回転中心Ｃ２まわりの角度（採取した画像から算出）、作業面マーカ１６（２）の検出点の属するセグメント（採取した画像から判断）、及び作業面３０に対する作業面マーカ１６（２）の位置を認識するように構成されている。
【００３５】
（シミュレーション部４５）
シミュレーション部４５は、検出したトーチ位置及び作業面位置から仮想溶接の状況を計算しシミュレーションするように構成されている。また、シミュレーション部４５は、溶接現象(アーク放電や溶融部分の形状等)も計算しシミュレーションするように構成されている。仮想溶接の状況等の計算結果は、シミュレーション結果記録部４８に記憶される。
【００３６】
（ＣＧ作成部４６）
第１携帯端末２４は、トーチ検出部３６が算出した３個のトーチマーカ１６（１）の検出点の座標と、作業面検出部３８が算出した３個の作業面マーカ１６（２）の検出点の座標と、に基づいて、作業面３０上の仮想トーチ及び仮想溶接部(例えば図２に示す固定バー４０)のＣＧ（computer graphic、コンピュータグラフィック）を、移動するトーチ模型１２について時系列的に複数個作成するように構成されたＣＧ作成部４６を備える。ＣＧ作成部４６は、トーチ検出部３６が認識する、トーチマーカ１６（１）の検出点の座標と、トーチマーカ１６（１）の検出点の回転中心Ｃ１まわりの角度と、トーチマーカ１６（１）の検出点の属するセグメントと、トーチ模型１２に対するトーチマーカ１６（１）の位置と、に基づいて仮想トーチのＣＧを作成するように構成されている。ＣＧ作成部４６は、作業面検出部３８が認識する、作業面マーカ１６（２）の検出点の座標と、作業面マーカ１６（２）の検出点の回転中心Ｃ２まわりの角度と、作業面マーカ１６（２）の検出点の属するセグメントと、作業面３０に対する作業面マーカ１６（２）の位置と、に基づいて仮想溶接対象（固定バー４０）のＣＧを作成するように構成されている。
【００３７】
（ＣＧ表示部５０）
また、第１携帯端末２４は、ＣＧ作成部４６が作成したＣＧに基づいて、第１携帯端末２４のディスプレイ４２に動画を表示させるように構成されたＣＧ表示部５０を備える。
【００３８】
（加速度センサー３４）
第１携帯端末２４は、カメラ２６が採取した画像に基づいて、トーチマーカ１６（１）の３個のドットが配列される方向、又は作業面マーカ１６（２）の３個のドットが配列される方向をトーチ検出部３６又は作業面検出部３８が認識するための加速度センサー３４を備える。
【００３９】
（作用及び効果）
図２（ａ）に示すように、作業台２８の作業面３０上に、フレーム３２に固定された作業面マーカ１６（２）が位置決めされる。以下、溶接訓練システム１０によって溶接作業の訓練を行う作業者が、トーチ模型１２を作業面マーカ１６（２）の長手方向に沿って水平方向に移動させて仮想溶接作業を行う場合について説明する。
【００４０】
第１携帯端末２４の電源がＯＮの状態で、カメラ２６が、画像採取する状態に作動させられる。作業者は、左手に第１携帯端末２４を把持し、右手にトーチ模型１２を把持する。第１携帯端末２４を固定したヘッドバンドを頭に固定してもよい。作業者は、トーチマーカ１６（１）側が下方に位置しトーチマーカ１６（１）の長手方向が斜め方向に向くように、トーチ模型１２の方向を調節する。作業者は、カメラ２６がトーチマーカ１６（１）及び作業面マーカ１６（２）の画像を採取できるように、第１携帯端末２４の方向を左手で調節する。作業者が撮影開始の釦（図示しない）を操作することにより、カメラ２６はトーチマーカ１６（１）及び作業面マーカ１６（２）の画像を時系列的に複数枚採取する。
【００４１】
トーチ検出部３６は、カメラ２６が採取した複数の画像を、画像毎に、２値化しラベリングし、ラベリングしたデータに基づいて、加速度センサー３４によって認識する重力加速度方向に対して斜め方向又は重力加速度方向の同一直線上に配列された３個のドット（ドットＤ（ａａ）〜ドットＤ（ｄｃ）のいずれか）を判別し、それら３個のドットをトーチマーカ１６（１）のドットであると認識する。作業面検出部３８は、カメラ２６が採取した画像を２値化しラベリングし、ラベリングしたデータに基づいて、重力加速度方向に対して略垂直方向の同一直線上に配列された３個のドット（ドットＤ（ａａ）〜ドットＤ（ｄｃ）のいずれか）を検出し、それら３個のドットを作業面マーカ１６（２）のドットであると認識する。
【００４２】
トーチ検出部３６は、図３（ａ）に示すＤ（ｃａ）、Ｄ（ｃｂ）及びＤ（ｃｃ）をトーチマーカ１６（１）のドットであると認識した場合、Ｄ（ｃａ）、Ｄ（ｃｂ）及びＤ（ｃｃ）の重心の画像座標（ｕｉ，ｖｉ）（＝（ｕ１，ｖ１１）〜（ｕ３，ｖ１３））を算出し、画像座標（ｕｉ，ｖｉ）から、図４に示す数式に基づき、カメラ２６に対する３次元のカメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（＝（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）〜（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３））を算出し、トーチマーカ１６（１）の検出点Ｋ（ａ）、Ｋ（ｂ）及びＫ（ｃ）の座標として認識する。
【００４３】
トーチ検出部３６は、時系列的に認識したトーチマーカ１６（１）の複数枚の画像毎に、回転角度検出部によって、トーチマーカ１６（１）の回転中心Ｃ１まわりの角度として時系列的に認識し記憶する。また、トーチ検出部３６は、セグメント判別部によって、検出したドットが属するセグメントを時系列的に認識し記憶する。
【００４４】
作業面検出部３８は、カメラ２６が撮影した作業面マーカ１６（２）の画像に基づいて、トーチ検出部３６がトーチマーカ１６（１）のカメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を算出するのと同様の処理によって、作業面マーカ１６（２）のカメラ座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）及び方向を時系列的に算出する。また、作業面検出部３８は、トーチ検出部３６と同様に、回転角度検出部によって、トーチマーカ１６（２）の回転中心Ｃ２まわりの角度として時系列的に認識し記憶し、セグメント判別部によって、検出したドットが属するセグメントを時系列的に認識し記憶する。
【００４５】
ＣＧ作成部４６は、トーチマーカ１６（１）について、トーチ検出部３６が算出した３個の検出点の時系列的なカメラ座標、回転角度検出部によって検出した角度データ、セグメント判別部によって、判別したセグメント、及びマーカ位置記憶部が記憶するマーカ位置に基づいて仮想トーチのＣＧを時系列的に複数作成する。トーチ模型１２をビード状に移動させた場合には、ビード形状の仮想トーチのＣＧが作成される。また、ＣＧ作成部４６は、作業面マーカ１６（２）について、作業面検出部３８が算出した３個の検出点の時系列的なカメラ座標、回転角度検出部によって検出した角度データ、セグメント判別部によって判別したセグメント、及びマーカ位置記憶部が記憶するマーカ位置に基づいて仮想溶接対象のＣＧを時系列的に複数作成する。ＣＧ記憶部４８は、仮想トーチの複数のＣＧ及び仮想溶接対象の複数のＣＧを時系列的に記憶し、ＣＧ表示部５０は、仮想トーチの複数のＣＧ及び仮想溶接対象の複数のＣＧを第１携帯端末２４のディスプレイ４２に時系列的に表示させる。すなわち、ＣＧ表示部５０は、仮想トーチ及び仮想溶接対象の動画をディスプレイ４２に表示させる。
【００４６】
溶接作業の教官は、ＣＧ表示部５０に表示された仮想トーチ及び仮想溶接対象の動画を見ながら、溶接作業について作業者を指導する。また、指導者は、トーチマーカ１６（１）についての３個の検出点の時系列的なカメラ座標と、作業面マーカ１６（２）についての３個の検出点の時系列的なカメラ座標を受信し、デジタル的なこれらカメラ座標に基づいて、仮想溶接作業を解析し、溶接作業について作業者を指導する。
【００４７】
本願発明の溶接訓練システム１０によれば、例えばスマートフォン等の第１携帯端末２４によって、仮想溶接作業の動画を表示し、その動画に基づいて教官が溶接作業について作業者に指導できる。このため、ハードウエアが安価な第１携帯端末２４によって溶接作業の訓練を行うことができ、溶接訓練システム１０をコンパクトで安価に構成できる。
【００４８】
以上、本願発明の実施形態について説明したが、本願発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、溶接訓練システム１０は、図６に示すように、第１携帯端末２４と通信可能であり、画像を表示するディスプレイ（図示しない）を有する第２携帯端末５２と、第１携帯端末２４と通信可能なサーバー５４と、を備えてもよい。第２携帯端末５２は、第１携帯端末２４のシミュレーション結果記憶部４８からシミュレーション結果を受信するシミュレーション結果受信部（図示しない）と、受信したシミュレーション結果に基づいてＣＧを作成するＣＧ作成部（図示しない）と、ＣＧをディスプレイに表示させるＣＧ表示部（図示しない）と、を備える。第２携帯端末５２を溶接作業の教官が把持することにより、教官が第２携帯端末５２のディスプレイに表示されたＣＧを見ながら作業者に口頭又はメールで溶接作業について指示できる。また、トーチ模型の動きを第２携帯端末５２又は第１携帯端末２４が監視し、トーチ模型を動かす作業後又は作業中に、第２携帯端末５２が作業者に正しい動きを教示することができる。
【００４９】
また、サーバー５４は、第１携帯端末２４のトーチ検出部３６から、トーチマーカ１６（１）の３個の検出点の座標を受信するように構成されたトーチ位置受信部（図示しない）と、第１携帯端末２４の作業面検出部３８から、作業面マーカ１６（２）の３個の検出点の座標を受信するように構成された作業面位置受信部（図示しない）と、を備える。また、サーバー５４は、仮想トーチの動きをシミュレーションするシミュレーション部（図示しない）と、シミュレーション結果を記憶するシミュレーション結果記憶部（図示しない）と、シミュレーション結果を第１携帯端末２４に送信するシミュレーション結果送信部（図示しない）と、を備える。シミュレーションの計算量が多くて第１携帯端末２４が計算できないとき、第１携帯端末２４の代替としてサーバー５４がシミュレーションの全ての計算又は一部の計算を行う。
【００５０】
以上、本願発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、本願発明は図示した実施形態に限定されない。例えば、溶接訓練システム１０のために使用するカメラは、第１携帯端末２４のディスプレイ４２と反対側の裏側のカメラに限定されず、表側のカメラであってもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０：溶接訓練システム
１２：トーチ模型
１４：ハンドル部
１６（１）：トーチマーカ
１６（２）：作業面マーカ
１８：マーカ固定部
２０：本体部
２４：第１携帯端末
２６：カメラ
２８：作業台
３０：作業面
３２：フレーム
３４：加速度センサー
３６：トーチ検出部
３８：作業面検出部
４０：固定バー
４２：ディスプレイ
４４：画像データベース
４６：ＣＧ作成部
４８：ＣＧ記憶部
５０：ＣＧ表示部
５２：第２携帯端末
５４：サーバー
Ｃ１：回転中心（中心線）
Ｃ２：回転中心（中心線）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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