(57)【要約】【課題】光切断法に基づく物体の表面形状計測方法について、像光切断像の明るさ問題とスリット状光線の多重反射問題をともに効果的に解消する。【解決手段】物体Ｍにスリット状光線を照射し、それによる光切断像を撮像手段で撮像して物体の表面形状を計測するようになっている表面形状計測方法について、スリット状光線として、第１のスリット状光線７と第２のスリット状光線９を用いるものとし、第１のスリット状光線は、基準垂直面１１に対し一方に傾いた第１の照射角度θ１で、第１の位置１２から照射し、第２のスリット状光線は、基準垂直面に対し第１のスリット状光線とは逆の方向に傾いた第２の照射角度θ２で、第２の位置１３から照射するようにした。【選択図】        図１
2004219154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体にスリット状光線を照射するとともに、前記スリット状光線が前記物体の表面に形成する光切断像を撮像手段で撮像し、そしてこの撮像で得られる画像を処理することにより前記物体の表面形状を計測するようになっている物体の表面形状計測方法において、
前記スリット状光線として、第１のスリット状光線と第２のスリット状光線を用いるものとし、前記第１のスリット状光線は、前記物体に設定した基準垂直面に対し一方に傾いた第１の照射角度で、第１の位置から照射し、前記第２のスリット状光線は、前記基準垂直面に対し前記第１のスリット状光線とは逆の方向に傾いた第２の照射角度で、前記第１のスリット状光線による第１の光切断像とは重ならない第２の光切断像を形成できる第２の位置から照射するようにしたことを特徴とする物体の表面形状計測方法。
【請求項２】
溶接対象の開先を開先検出装置で検出し、この検出に基づいて溶接トーチの溶接ねらい位置や溶接条件を制御するようになっている自動溶接装置において、
前記開先検出装置に、請求項１に記載の表面形状計測方法を実行させるようにしたことを特徴とする自動溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば溶接部の開先位置といったような物体表面の形状を計測するための表面形状計測方法及びそれを用いた自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面形状を計測する方法の一つとして、光切断法と呼ばれる手法がある（例えば非特許文献１参照）。光切断法は、三角測量の原理を利用した手法であり、それを溶接における開先の検出に用いる場合には、基本として図１６に示すような構成をとるのが一般的である。この場合に計測対象の物体となる溶接対象物ｍは、互いに溶接される被溶接部材１０３と１０４からなり、溝状の凹部となる開先１０５を有している。図の例の開先１０５は、開先の代表的な形状であるＶ形の断面形状を有している。Ｖ形の開先１０５は、一方の被溶接部材１０３の溶接対象部位に傾斜させて形成した開先面１０３Ｂと他方の被溶接部材４の溶接対象部位に傾斜させて形成した開先面１０４ＢがＶ形に向かい合って形成されている。
【０００３】
このような開先１０５の光切断法による検出は以下のようにしてなされる。例えばレーザなどが用いられる投光器１０６により溶接対象物ｍにスリット状光線１０７を照射する。この照射により溶接対象物ｍの表面にはその表面形状に応じた曲折を有する線状の反射像つまり光切断像が形成される。この光切断像は、投光器１０６とある距離だけ離れた位置に設置の例えばＣＣＤカメラなどが用いられる撮像手段１１０で撮像される。撮像された光切断像は、図示を省略してある処理装置において処理され、この処理を経て開先１０５の検出がなされる。
【０００４】
図１６に示した基本的な光切断法には、光切断像の明るさの問題があり、またスリット状光線の多重反射の問題がある。光切断像の明るさの問題は、物体表面の位置に応じて光切断像の明るさ（輝度）が大きく異なり、計測が困難になる問題である。図１６に示した計測対象物体ｍには、溝状の凹部となるＶ形の開先１０５があり、物体ｍの例えば水平な表面１０３Ａや１０４Ａと、これらの面に対して傾斜している開先面１０３Ｂや１０４Ｂがある。この場合に、水平な表面１０３Ａや１０４Ａに対しその光軸が直交するように投光器１０６を配置するのが一般的であるが、そうすると、表面１０３Ａや１０４Ａと開先面１０３Ｂや１０４Ｂとではスリット状光線１０７の入射角度が大きく異なることになる。その結果、表面１０３Ａや１０４Ａにおける光切断像と開先面１０３Ｂや１０４Ｂにおける光切断像それぞれの明るさが大きく異なることになる。その様子を図１７に模式化して示す。投光器１０６の光軸に直交する表面１０３Ａと１０４Ａにおける光切断像ＰＡは高輝度であり、傾斜している開先面１０３Ｂと１０４Ｂにおける光切断像ＰＢは低輝度である。このため光切断像ＰＡの明るさに撮像手段１１０の絞りを合わせると、光切断像ＰＢが暗くなり過ぎ、計測のための画像処理を有効に行なえなくなる。一方、光切断像ＰＢの明るさに撮像手段１１０の絞りを合わせると、光切断像ＰＡが明るくなり過ぎて、同じく計測のための画像処理を有効に行なえなくなる。
【０００５】
次に、スリット状光線の多重反射の問題であるが、これも計測対象物体が図１６に示した溶接対象物ｍにおけるＶ形の開先１０５のような溝状の凹部を有する場合に生じる問題である。すなわち、凹部における向かい合った側面（Ｖ形の開先１０５の場合には傾斜した面である開先面１０３Ｂと１０４Ｂ）の鏡面反射性が大きい場合に、一方の側面の光切断像が他方の側面に鏡像となって映り込んだり、あるいは一方の側面で反射した二次的なスリット状光線が他方の側面でさら反射されたりする。そして撮像手段１１０の一般的な配置においてはこの映り込んだ鏡像や二次的は反射光が本来の光切断像に重なる状態となる。その例を図１８に模式化して示してある。その結果、本来の光切断像が有している物体表面の形状特徴を取り出すのが困難になり、したがって有効な計測を行なえなくなってしまう。
【０００６】
このような問題に関しては既にいくつかの提案がなされている。光切断像の明るさの問題については、特許文献１に示される例がある。特許文献１に開示の技術では、被測定物の表面状態に応じて異なる強度のレーザ光（スリット状光線）を照射し、その強度の異なる照射ごとに撮像した複数の反射光画像（光切断像）から合成画像を作成し、この合成画像によって被測定物の表面の形状線を求めることで表面形状の測定をなすようにしている。
【０００７】
一方、スリット状光線の多重反射問題については、特許文献２や特許文献３に示される例がある。特許文献２に開示の技術では、スリット光（スリット状光線）の像（光切断像）と二次反射光像が離れて撮像されるように、スリット光の照射状態と撮像センサの撮像状態を設定することで、光切断像に二次反射光像が重なって撮像されることを避けるようにしている。また特許文献３に開示の技術では、シート状の参照光（スリット状光線）の光面、撮像用受光素子の受光面、それに結像光学系の光軸それぞれの関係を適切に配置することにより、シート状参照光の光面に垂直な方向の被写界深度を小さくし、これにより本来のシート光面像（光切断像）以外の多重反射像をぼけさせることで、反射問題を解消できるようにしている。
【０００８】
【非特許文献１】
江尻正員著「工業用画像処理」昭晃堂、１９８８年５月３１日（第９６−９７頁）
【特許文献１】
特開２０００―２３０８１４号公報（第３−４頁）
【特許文献２】
特開平１１―３３７２５号公報（第３−４頁）
【特許文献３】
特開２００１―２２７９２３号公報（第６頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、光切断法には光切断像の明るさの問題とスリット状光線の多重反射問題があり、これに対して特許文献１〜３に開示のような改善技術が提案されている。しかし、これらの改善技術は必ずしも十分なものでない。例えば特許文献１の技術にあっては、光切断像の明るさ問題を解消するのに、スリット状光線の照射光量を変えた画像を複数回取り込む必要があり、計測に時間を要し、例えば高速な計測が求められる自動溶接装置への利用には適さない。
【００１０】
また特許文献２の技術は、溶接における開先の計測に関してスリット状光線の多重反射問題の解消を目的としているものの、その有効性は開先角度により制限を受ける。すなわち開先角度が９０°程度の隅肉継手を対象にする場合であれば有効であるが、図１６の例のごとく開先角度が狭い場合の反射の影響を効果的に避けることは困難である。またこの技術には、スリット状光線の光軸と撮像カメラの光軸の成す角度が９０°以上となるような配置を必要とする。このため、スリット状光線の光源と撮像カメラで構成される開先形状検出部の構造が大きくなるといった実用上の問題もある。
【００１１】
また特許文献３の技術は、多重反射像を被写界深度との関係でぼかすことにより多重反射問題を解消しようとしている。このため、多重反射像はぼけた状態となるものの、画像内に取り込まれることには変わりない。このように、ぼけさせたとしても多重反射像が画像に取り込まれると、計測対象物体の形状によっては一次反射像（本来の光切断像）より多重反射像の輝度の方が高く観測される場合もあり、その場合には画像処理の際に多重反射像により誤差を生じる可能性が高くなるといった問題を招くことになる。
【００１２】
さらに特許文献１〜３の各技術は、光切断像の明るさ問題とスリット状光線の多重反射問題のいずれか一つを解消できるだけである。このため両問題を同時に解消するにはこれらの技術を組み合わせる必要があり、機構が複雑になるなど、実用性に乏しいものとなる。
【００１３】
本発明は、以上のような従来の事情を背景になされたものであり、光切断法に基づく物体の表面形状計測方法について、像光切断像の明るさ問題とスリット状光線の多重反射問題をともに効果的に解消することを目的とし、またそのような物体の表面形状計測方法を適用した自動溶接装置の提供を目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、物体にスリット状光線を照射するとともに、前記スリット状光線が前記物体の表面に形成する光切断像を撮像手段で撮像し、そしてこの撮像で得られる画像を処理することにより前記物体の表面形状を計測するようになっている物体の表面形状計測方法において、前記スリット状光線として、第１のスリット状光線と第２のスリット状光線を用いるものとし、前記第１のスリット状光線は、前記物体に設定した基準垂直面に対し一方に傾いた第１の照射角度で、第１の位置から照射し、前記第２のスリット状光線は、前記基準垂直面に対し前記第１のスリット状光線とは逆の方向に傾いた第２の照射角度で、前記第１のスリット状光線による第１の光切断像とは重ならない第２の光切断像を形成できる第２の位置から照射するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
また本発明では上記目的を達成するために、溶接対象の開先を開先検出装置で検出し、この検出に基づいて溶接トーチの溶接ねらい位置や溶接条件を制御するようになっている自動溶接装置において、前記開先検出装置に、上記のような物体の表面形状計測方法を実行させることを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に、本発明による物体の表面形状計測方法を溶接における溶接位置つまり開先の検出に適用した場合の構成例を模式化して示す。この場合には計測対象物体は溶接対象物Ｍとなる。溶接対象物Ｍは、溶接トーチ１により互いに溶接される被溶接部材３と被溶接部材４からなり、溝状の凹部となる開先５を有している。この例の開先５は、Ｖ形であり、被溶接部材３、４それぞれの表面３Ａ、４Ａに対しいずれも鈍角で傾斜しており、したがって互いに逆向きで傾斜している第１の開先面３Ｂと第２の開先面４ＢがＶ形に向かい合って形成されている。このような溝状の凹部は、一般化すると、物体の上下方向に向いた二つの側面（第１の側面と第２の側面）が対で向かい合って形成されるものといえる。
【００１７】
溶接トーチ１による開先５に沿った被溶接部材３、４の溶接は、本発明による物体の表面形状計測方法を実行できるようにされた開先検出装置による開先５の検出に基づいて溶接トーチ１の位置制御や溶接条件制御をなしながら進められる。図１にはその開先検出装置の主な要素として、スリット状光線を溶接対象物Ｍに照射する２個の投光手段６、８、投光手段６からのスリット状光線７と投光手段８からのスリット状光線９それぞれが溶接対象物Ｍの表面に形成する光切断像を撮像する、例えばＣＣＤカメラのような電子的撮像手段１０を示してある。
【００１８】
本発明による表面形状計測方法は二方向からスリット状光線を物体に照射させることに特徴がある。それを具体的化したのが第１のスリット状光線７と第２のスリット状光線９の照射である。スリット状光線７、９はそれぞれ逆向きに傾いた第１の照射角度θ１と第２の照射角度θ２で照射させる。照射角度θ１、θ２は、溝状凹部である開先５の延在方向に平行にして溶接対象物Ｍに設定した基準垂直面１１に対する投光手段６、８の光軸６ａ、８ａの傾きとして規定される。この照射角度θ１、θ２は以下のような機能目的に基づいて定められる。
【００１９】
照射角度θ１、θ２の一つの機能目的は、開先面３Ｂ、４Ｂとこれらそれぞれにつながる表面３Ａ、４Ａに対するスリット状光線７、９による照射光量の均一化を図ることである。すなわち、例えば照射角度θ１をある範囲に設定すれば、投光手段６の光軸６ａを開先面３Ｂと表面３Ａに対して同じか、あるいはそれほど大きな相違のない傾きにさせることができ、これにより開先面３Ｂと表面３Ａに対する照射光量を均一化することができるということである。ただ、開先面３Ｂと表面３Ａに対する照射光量は同じでなくともよく、要は、スリット状光線７が開先面３Ｂと表面３Ａのそれぞれに形成する光切断像の輝度が後述するような処理のスムーズな実行を可能とする範囲の相違におさまるようなものであれば実用上の問題はない。
【００２０】
照射角度θ１、θ２の他の機能目的は、スリット状光線の多重反射による悪影響を避けることである。例えば照射角度θ１について見れば、開先面３Ｂに形成されるスリット状光線７による光切断像に対し、開先面４Ｂに形成されるスリット状光線９による光切断像が開先面３Ｂに鏡像として映り込んで影響を与えたり、あるいはスリット状光線７が開先面４Ｂで反射した後にさらに二次的に開先面３Ｂに入射したりするのを抑制することにある。より具体的には、スリット状光線７の照射角度θ１を開先面４Ｂの基準垂直面１１に対する傾斜角度との関係で適切に設定することで、スリット状光線７の開先面４Ｂへの入射角度が開先面３Ｂへのそれに較べて格段に大きくなり、したがって照射光量が格段に小さくなるようにし、このことにより開先面３Ｂにおける光切断像に悪影響を与えるような多重反射の発生を効果的に抑えるようにするということである。
【００２１】
以上のような機能目的から照射角度θ１、θ２は、開先５における開先面３Ｂと開先面４Ｂそれぞれの基準垂直面１１に対する傾斜角度に応じて設定されることになる。例えばその傾斜角度がともに３０°で表面３Ａ、４Ａがともに水平の場合であれば、θ１＝θ２＝３０°とすれば、照射光量の同一化を実現でき、また多重反射問題を効果的に回避することができる。ただ、開先面の傾斜角度の大きさによっては、前記機能目的を両方とも最善に満足させる照射角度θ１、θ２を得られえない場合もある。その場合には、上述したように照射光量の均一化にはある程度の余裕があることから、多重反射による悪影響の回避を重視した角度設定とすることになる。
【００２２】
スリット状光線７、９は、以上のように照射角度を規定されるのに加えて、照射位置も互いの関係で規定される。すなわちスリット状光線７は、基準垂直面１１に直交する一つの平面１２にその投光手段６の光軸６ａが含まれる照射位置（第１の照射位置）で照射され、スリット状光線９は、同じく基準垂直面１１に直交し、平面１２から所定距離Ｌだけ離れた他の平面１３にその投光手段８の光軸８ａが含まれる照射位置（第２の照射位置）で照射される。ここで、所定距離Ｌは、スリット状光線７が形成する光切断像とスリット状光線９が形成する光切断像が重なるようなことがないように、つまり後述するような光切断像ごとのデータ処理を有効に行なえるように各光切断像を形成でき、しかもその範囲においてできるだけ短くなるようにするという条件から求められる距離である。
【００２３】
なお撮像手段１０は、スリット状光線７、９による各光切断像に直交する斜め上方からそれら光切断像を同等の条件で撮像できるように配置される。その配置は、開先５の中心線上に位置させた基準垂直面１１内に撮像手段１０の結像光学系の光軸１０ａを位置させる配置となるのが通常である。
【００２４】
以上のような構成による開先検出装置が組み込まれた自動溶接装置の構成例を図２に示す。なお図２中では図１におけるのと同一の要素については同一の符号を付してある。自動溶接装置は、溶接トーチ１の位置決め手段として溶接トーチ位置決めテーブル１４を備えている。溶接トーチ位置決めテーブル１４は、Ｘ走行軸１５上を走行するＸ走行台車１６、Ｘ走行台車１６上に一体的に配設されたＺ走行軸１７上を走行するＺ走行台車１８、及びＺ走行台車１８上に一体的に配設されたＹ走行軸１９上を走行するＹ走行台車２０を含んでおり、Ｘ方向（溶接線方向）、Ｙ方向（溶接線直交方向）及びＺ方向（上下方向）の３方向の移動を組み合わせた動作をなせるようにされている。またそのＹ走行台車２０には、溶接トーチ１と開先検出装置の主要機器である投光手段６、８及び撮像手段１０をユニット化した溶接ヘッドが取り付けられている。そして開先５の検出に基づいた制御を受けつつ、上記３方向の移動を組み合わせた動作を行なって溶接トーチ１に最適な位置決めをなさせる。
【００２５】
開先５を検出し、それに基づいて溶接トーチ位置決めテーブル１４の制御つまり溶接トーチ１の位置決め制御を行なうのが制御装置３０である。制御装置３０は、撮像手段制御部２１、画像処理部２２、画像処理部用モニタ２３、投光手段駆動部２４、２５、溶接トーチ位置制御部２６、全体制御部２７、マンマシンインターフェース部２８、全体制御部用モニタ２９を含んでいる。この内の撮像手段制御部２１、画像処理部２２、画像処理部用モニタ２３、投光手段駆動部２４、２５は開先検出装置の要素でもある。
【００２６】
撮像手段制御部２１は、撮像手段１０の制御回路であり、画像処理部２２に対してアナログ画像信号を出力する。画像処理部２２は、開先検出装置におけるデータ処理部であり、その図示を省略してあるが、撮像手段制御部２１からのアナログ画像信号をＡ／Ｄ変換してデジタル量の多値画像データを入力する画像入力部、多値画像データを記憶する多値画像記憶部、多値画像記憶部に記憶された多値画像データから後述する各種の処理を行なって開先の位置や形状を検出する演算部処理部、及びこれらを統括的に制御する主制御部などを含んでいる。投光手段駆動部２４、２５は、投光手段６、８の点灯や消灯、照射光量の制御などを行なう。
【００２７】
溶接トーチ位置制御部２６は、全体制御部２７からの出力を受けて溶接トーチ位置決めテーブル１４の駆動制御を行なう。全体制御部２７は、撮像手段制御部２１、画像処理部２２、画像処理部用モニタ２３、投光手段駆動部２４、２５、溶接トーチ位置制御部２６を統括的に制御し、また溶接電源３１も制御する役目を負っており、例えばパーソナルコンピュータなどで構成されている。この全体制御部２７は、被溶接部材の開先に対する溶接トーチの倣い目標位置を予め記憶しておく機能、その溶接トーチの倣い目標位置と画像処理部２２から得られる開先位置ずれ情報に基づいて溶接トーチ溶接狙い位置を決定するために溶接トーチ位置制御部２６へ溶接トーチ狙い位置情報を出力する溶接線倣い制御機能を有している。また全体制御部２７は、溶接電流、電圧、溶接速度などの溶接条件データなども記憶しており、これらのデータの修正を溶接開始前に行なえるようになっている。全体制御部用モニタ２９には、各部の条件設定や倣い溶接の起動などの操作メニューなどが表示される。  
【００２８】
以下では開先検出装置における開先検出処理について説明する。それに先立って、物体表面に光を照射した際の一般的な光の反射の性質について図３を参照して確認する。光が物体の表面にあたると、反射が起きて光は反射の法則にしたがってその方向を変えられる。物体表面が完全な鏡面でない場合には、いろいろな方向を向いたミクロな面の集合であり、反射パターンは図３に示されるように、正反射方向に最大の強度を持つ拡がりのある散乱パターンとなる。物体表面が鏡面に近い場合には正反射方向への反射光が強く且つ拡がりが小さくなり、物体表面が鏡面から離れると正反射方向への反射光が相対的に弱く且つ拡がりが大きくなる。当然であるが、同図のカメラによる撮像方向（観測角度）が正反射方向（正反射角度）から離れるのにしたがってカメラへの入射光量は相対的に小さくなる。
【００２９】
図４に本発明における２方向スリット状光線方式で得られる光切断像を模式化して示す。図では明るい（輝度が高い）部分を白、暗い（輝度が低い）部分を黒として表現してある。光切断像Ｐ１は投光手段６によるスリット光７を照射して得られる画像で、光切断像Ｐ２は投光手段８によるスリット光９を照射して得られる画像である。ここで、光切断像Ｐ１、Ｐ２の現れ方について説明する。なお開先５における開先面３Ｂ、４Ｂが対称である図１の例においては光切断像Ｐ１、Ｐ２は対称となるので、以下では光切断像Ｐ１を例にとって説明する。図４において、図１の表面３Ａと開先面３Ｂそれぞれに形成される直線状の部分光切断像Ｒ１、Ｒ２は、スリット光７の言うなれば一次反射像である。スリット光７は照射角度θ１で照射され、このために表面３Ａにおける部分光切断像Ｒ１と開先面３Ｂにおける部分光切断像Ｒ２それぞれの明るさが同じないしほぼ同じになることは上で説明したとおりである。
【００３０】
図４における多重反射像Ｒａ、Ｒｂは、開先面３Ｂ、４Ｂの鏡面反射性が大きい場合に生じる多重反射により観測される像である。多重反射像Ｒａは、開先面３Ｂで反射されたスリット状光線７がさらに開先面４Ｂに入射することなどで形成され、開先面３Ｂへの入射光量が多く、また開先面３Ｂへの入射角度が小さくて開先面３Ｂからの二次反射光の開先面４Ｂへの入射も多いために明るい像となる。これに対して、開先面４Ｂにはスリット光７がほとんど照射されず、開先面４Ｂにおける一次反射像（部分光切断像Ｒ２に対応する像）は暗いものである。このためため開先面４Ｂにおいてはそこの部分光切断像が多重反射像Ｒａに吸収されたような状態になる。一方、多重反射像Ｒｂは、開先面４Ｂで反射されたスリット状光線７がさらに開先面３Ｂに入射することなどで形成され、開先面４Ｂへの入射光量が少なく、また開先面４Ｂへの入射角度が大きくて開先面４Ｂからの二次反射光の開先面３Ｂへの入射も少ないために暗い像となる。このため多重反射像Ｒｂは、開先面３Ｂと４ＢがＶ形に接触状態になっている開先底部を除いて、部分光切断像Ｒ２と重なることがない。つまり光切断像Ｐ１については、開先面３Ｂにおける部分光切断像Ｒ２を多重反射像の影響を受けることなく抽出することができるということである。以上のことは対称的に光切断像Ｐ２についても言える。
【００３１】
図５に、開先検出装置における処理の流れを示す。以下では、この各処理ステップの内容について、図４に示した光切断像を処理する例として説明する。まず、ステップＳ１では、撮像手段制御部２１から得られる画像を画像処理部２２に入力し記憶する。
【００３２】
ステップＳ２では、画面水平方向の平滑化微分と画面垂直方向の直線化処理を実施する。このうち、平滑化微分処理は、平滑化処理と微分処理を兼ね備えた方法で、小さなノイズを消去しながら明るさの異なる境界部を強調する処理である。また、直線化処理は、光切断像を直線状の線要素に分割し、各直線のデータを生成する処理である。このうち、まず平滑化微分処理と直線化処理について概略説明する。処理画像は、輝度の二次元配列であり、これをｆ（ｉ、ｊ）と表わすものとする。つまりｆ（ｉ、ｊ）は、画像ｆの座標（ｉ、ｊ）における画素（ないしその輝度）を表わす。一方、水平方向の平滑化微分処理画像をｇ（Ｉｉ、Ｊｉ）と表わすと、それは例えば次式で表わされる。
【数１】
2004219154.tif 000003
【００３３】
微分処理後の画像では、輝度が高い点から低い点に変化する境界部分では極大値、輝度が低い点から高い点に変化する境界部分では極小値となる。この極大値、極小値が予め設定してある極大側と極小側それぞれのしきい値を越える画面座標を抽出し、隣接した最大の極大値と最小の極小値のペアを検出してやることにより、画面の各水平ライン上での光切断像の両側境界位置を見つけることができる。平滑化微分処理では、この最大極大値、最小極小値ペアとその中心座標を同時に検出する。
【００３４】
直線化処理は、光切断像を長手方向に複数の直線の線要素に分割し、各線要素の特徴パラメータを計算するものである。この処理は、光切断線と見なされる上記中心位置データ（中心座標値）を使用し、各抽出中心位置データを画素単位に水平方向及び垂直方向に評価しながら、画像の垂直方向の連続性をチェックし、光切断像から得られる光切断線を直線の線要素に分割するものである。画面上で最も上側に検出された中心位置データから開始し、つぎの下側（垂直方向１画素だけ下側の水平ライン）に存在する中心位置データが同じ直線状の連結成分に属するか否かを評価する。同一連結成分と見なされるときには、開始時の中心位置データと同一の番号（ラベル）を割り当てる。ここで、連結とは、予め決めてあるルールに従い、対象とする中心位置データ（すなわち光切断像）が直前の中心位置データと上下方向につながっている状態を指している。連結が成立した際には、評価対象の中心位置データをラベル（番号）内に統合し、以下順次、下側のラインにある中心位置データについて同様の評価を行なう。連結状態を評価した結果、対象とする中心位置データが上下方向に連結していないと見なされた場合、その直前までの中心位置データでラベル（番号）を閉じ、対象の中心位置データを開始点として新たなラベル（番号）を用い上述と同様の処理を繰り返す。このようにして、光切断像が上下方向に連続している場合に同じ連結成分として同一のラベルを付け、連続していない場合に異なった連結成分とみなして別のラベルを付ける。このように処理してできた連結成分が線要素である。
【００３５】
ステップＳ２では、画面全体あるいは予め定めた領域内で、上述の水平方向平滑化微分処理を実行した後、画面垂直方向下方に順次走査しながら直線化処理を行なって線要素データを獲得する。図６は、図４に示した光切断像から、ステップＳ２の処理で理想的に得られる線要素を模式的に示したものである。図示したように、光切断像Ｐ１について開先面３Ｂに対応する部分で発生する線要素Ｅ１と光切断像Ｐ２について開先面４Ｂに対応する部分で発生する線要素Ｅ２が得られる。ここで、直線の定義については、例えば一般に用いられているヘッセの標準形を用いる。図７に示すようなｉｊ直行座標系で原点を始点とし、任意の直線Ｌに直行するベクトルをａとし、その大きさをｒ、ｉ軸と成す角度をθとすと、この任意の直線Ｌは、次式で表わすことができる。
【数２】
2004219154.tif 000004
【００３６】
なお、本直線化処理における直線を線要素群に分割する方法については、ここではとくに限定しない。直線化処理では、各線要素について原点からの距離ｒと傾きθを計算してｉｊ直行座標系の線要素をｒとθのパラメ−タ空間に写像することになる。各線要素の特徴量としては、距離ｒと傾きθ以外に例えば図８の線要素データテーブルに示す線要素の長さ（垂直方向の長さ）、画面上での始点位置座標、終点位置座標及び重心位置座標などがある。
【００３７】
ステップＳ３では、複数の線要素データ（これらにはノイズである線要素データが含まれている）から左側の開先面線、つまり開先面３Ｂにおける部分光切断像Ｒ２（図４）に対応する線要素を検出する。被溶接部材の開先角度は予め知ることが可能であり、前述のｒとθのパラメ−タ空間上で左側開先面線がどの範囲に現れるかを予想可能である。したがってステップＳ２で求められた線要素データ群から、ｒ、θ、線要素の長さ、及び画面上に現れる座標などの範囲などを予め定め、この範囲に属する線要素を抽出することにより、左側開先面線に相当する線要素Ｅ１を検出することができる。
【００３８】
ステップＳ４では、ステップＳ３と同様の方法により複数の線要素データから右側の開先面線、つまりに開先面４Ｂにおける部分光切断像に対応する線要素に相当する線要素Ｅ２を検出する。これらステップＳ３、Ｓ４の処理は、スリット状光線７、９のそれぞれが形成する光切断像ごとに処理を行ない、スリット状光線７による光切断像からはスリット状光線７が強く照射される開先面３Ｂだけについて開先面線を検出し、同様にスリット状光線９による光切断像からはスリット状光線９が強く照射される開先面４Ｂだけについて開先面線を検出することにより、多重反射の影響を受けることなく、開先面線の検出をなすものである。
【００３９】
ステップＳ５では、垂直方向の平滑化微分と水平方向の直線化処理を実施する。この処理方法は、ステップＳ２で実施した処理に対して、処理方向が９０°異なるが考え方は同様である。ステップＳ２では画面垂直方向に伸びた線要素を検出されるが、ステップＳ５では画面水平方向に伸びた線要素を検出することになる。図９は、図４に示した光切断像から、ステップＳ５の処理で理想的に得られる線要素を模式的に示したものである。図示したように、図４の光切断像Ｐ１について左右の表面で発生する線要素Ｅ３、Ｅ４が得られ、光切断像Ｐ２について左右の表面で発生する線要素Ｅ５、Ｅ６が得られる。
【００４０】
ステップＳ６では、複数の線要素データから図４の光切断像Ｐ１における左側の平坦線、つまり図９の線要素Ｅ３を検出する。ステップＳ３での線要素Ｅ１の検出の場合と同様に、ｒとθのパラメ−タ空間上で左側平坦線がどの範囲に現れるかを予想可能であり、したがって同様にステップＳ５で求められた線要素データ群から、ｒ、θ、線要素の長さ、及び画面上に現れる座標などの範囲などを予め定め、この範囲に属する線要素を抽出することにより、左側平坦線に相当する線要素Ｅ３を検出することができる。この場合はステップＳ３で求めた左側開先面の線要素Ｅ１の座標を参照することで、さらに正確に線要素Ｅ３を検出することが可能である。またステップＳ６においては、後述するような線要素データの合成に際して用いる線要素Ｅ５も同様な処理により検出しておく。
【００４１】
ステップＳ７では、ステップＳ６と同様の方法により、複数の線要素データから図４の光切断像Ｐ２における右側の平坦線、つまり図９の線要素Ｅ６を検出する。
【００４２】
ステップＳ８では、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ６及びＳ７で検出した各線要素データを用い、連続した開先形状を成すデータに合成する。図１０に各線要素データを使用したデータ合成方法を示す。まず、線要素データＥ３とＥ１から両者の交点となる端点Ａを検出する。次に、処理ステップＳ６において検出しておいた線要素データ５の端点Ｂを抽出する。ついで、端点Ｂの画面座標に端点Ａの画面座標が一致するように、線要素データＥ３とＥ１の画面位置座標を平行シフトさせる。図１１に、線要素データを合成させた光切断像を模式的に示す。
【００４３】
ステップＳ９では、図１１の画像から開先形状の特徴量を検出する。ここで検出する特徴量としては、開先幅、開先幅中心位置、開先角度などである。Ｃ１は、線要素データＥ３とＥ１の交点、Ｃ２は線要素データＥ６とＥ２の交点である。例えば、開先幅は交点Ｃ１とＣ２の画面水平方向距離から算出される。また、開先幅中心位置は、交点Ｃ１とＣ２の中点座標として算出される。さらに、開先角度は、線要素データＥ１とＥ２の成す角度として算出される。上述した以外の開先形状の特徴量は、ステップＳ１０で検出する。なお、図５のフローチャートでは、ステップ９で検出される特徴量を第１特徴量、後述のステップ１０で検出される特徴量を第２特徴量と称している。
【００４４】
ステップＳ１０では、開先ギャップ、溶着断面積などの第２特徴量を検出する。まず開先ギャップの検出方法について説明する。開先ギャップ検出処理は、ウインドウ設定処理、ウインドウ内垂直方向最大輝度検出処理、水平方向平滑化微分処理、及び極大極小値ペアの検出から成る。図１２に両側斜面線（開先面線）とウインドウ設定の模式図を示す。ウインドウ設定処理は、ステップＳ３、Ｓ４で検出した左右の各斜面線から左側斜面底部端点ＰＬと右側斜面底部端点ＰＲを検出し、その座標を基準に小領域のウインドウ（両側の２箇所）を設定する。ウインドウは、始点（左上コーナ）座標値と終点（右下コーナ）座標値で決定する。左側斜面底部端点ＰＬと右側斜面底部端点ＰＲそれぞれの座標を（Ｌｉ、Ｌｊ）、（Ｒｉ、Ｒｊ）とすると、ウインドウの始点（左上コーナ部）と終点（右下コーナ部）の設定座標は次式による。
【数３】
2004219154.tif 000005
【数４】
2004219154.tif 000006
【数５】
2004219154.tif 000007
【数６】
2004219154.tif 000008
なおこれらの各式におけるΔｉとΔｊは予め求めて設定しておく値である。
【００４５】
次に、ウインドウ内垂直方向最大輝度検出処理について説明する。左右ウインドウ両端Ｌｓｉ〜Ｒｅｉの範囲で、左端ｉ＝Ｌｓｉから水平方向に順次操作しながらウインドウ内における画面垂直方向の各画素データの最大輝度を計測し、各水平ラインでの各最大輝度を記憶する。図１３に検出値の模式図を示す。一次反射像と多重反射像が存在する領域の最大輝度値は大きくなり、開先ギャップが存在する部分は、いずれの像も存在しないので小さな値となる。
【００４６】
次に、最大輝度検出値の水平方向平滑化微分について説明する。平滑化微分は前述の数１式に示したとおりである。図１４に平滑化微分値の模式図を示す。開先ギャップ左側境界の輝度が高い箇所から低い箇所へ変化する部分で局部的な極大値が得られる。同様に、開先ギャップ右側境界の輝度が低い箇所から高い箇所へ変化する部分では局部的な極小値が得られる。最大輝度検出値の水平方向平滑化微分処理後は、ギャップ左右境界部に発生する極大極小値ペアを検出する。予めしきい値を定めておき、平滑化微分値からしきい値以上の極大値、極小値を順次検出し、左側に最大極大値、右側に最小極小値となる最大極大最小極小値ペアを検出し、両者が発生している座標値を記憶する。ペアとなる最大極大値、最小極小値を示す点の水平座標は開先の境界すなわちギャップを示している。このようにして、ステップＳ１０での特徴量検出処理で検出するギャップ量は、両者の水平方向（ｉ）の座標値の差から算出する。なお、ギャップ０ｍｍの時には、極大極小値ペアが明瞭に現れない。極大極小値ペアが明瞭に検出できたときは、上述したようにこの情報でギャップを求め、極大極小ペアが検出できないときにはギャップ＝０とする。
【００４７】
次に、溶着断面積の検出方法について説明する。図１５は、前述の２つのウインドウ（図１２参照）内での垂直方向の各画素における輝度の積分処理についての説明図である。左右ウインドウ両端Ｌｓｉ〜Ｒｅｉの範囲で、左端ｉ＝Ｌｓｉから水平方向に順次操作しながらウインドウ内における画面垂直方向の各画素データの輝度を計算する。一次反射像と二次反射像が存在する領域から開先の底部に向かって輝度積分値が小さくなる。本データから、開先ギャップが存在する両側コーナの水平座標（ｉ３とｉ４）を検出する。前述のステップＳ３、Ｓ４及びＳ５で左右斜面線を検出しその直線式が得られている。すなわち直線式（数２式）に水平座標（ｉ３とｉ４）を代入することにより、左右斜面線上の垂直座標（ｊ３とｊ４）を各々求めることができる。処理ステップＳ９で予め検出されている開先の両肩（図１１参照）と前述の底部の２点を合わせ合計４点で作られる四角形の面積を計算することで、溶着面積を求めることができる。
【００４８】
ステップＳ１１では、ステップＳ９とＳ１０で求めた各種開先形状などを実際の値に変換する。ステップＳ９とＳ１０で求めた値は、撮像手段１０（図１）で得られる画像上における検出結果である。この画像上で得られる情報を撮像手段１０の撮像倍率などの諸定数から実際の数値に変換する必要がある。処理ステップＳ１１ではこの変換を行なう。
【００４９】
以上の実施形態では２方向からのスリット状光線を照射するのに二つの投光手段を用いるようにしていたが、必ずしもこれに限られず、投光手段を一つにして、それを例えばハーフミラーなどによるビームスプリッタで分岐させて２方向のスリット状光線を得るようにすることも可能である。また、図２に示した自動溶接装置では、溶接トーチ位置制御部２６と全体制御部２７を個別に構成するようにしていたが、これらを一体に構成するようにしてもよい。また図２の例では溶接トーチの位置決めにＸＹテーブル方式の溶接トーチ位置決めテーブルを用いているが、これに代えて、例えば多関節ロボット方式などを適用することも可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明では、光切断法において物体に照射するスリット状光線として、互いに逆向きに傾いた照射角度による２方向からのスリット状光線を用いるようにしている。そしてこの２方向スリット状光線の照射により、物体に表面とそれに対して傾いている、例えば開先面のような面がある場合でも、この両方の面に対する照射光量の均一化を図ることができると同時に、傾いている面が向かい合って形成される溝上の凹部における多重反射の影響を効果的に避けることができる。したがって本発明によれば、光切断法による物体の表面形状計測をより容易に、しかもより高精度で行なうことが可能となる。またこのような表面形状計測法を適用した本発明の自動溶接装置は、表面に光沢のある開先でもその位置や形状を高精度で検出することができ、安定で且つ品質の良い溶接施工を可能とし、さらには溶接作業の自動化を無人溶接化まで進めることも可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による物体の表面形状計測方法を溶接位置の検出に適用した場合の構成例を模式化して示す図である。
【図２】本発明による物体の表面形状計測方法を実行できる開先検出装置を組み込んだ自動溶接装置の構成例を模式化して示す図である。
【図３】物体表面に光を照射した際の一般的な光の反射の性質を示す図である。
【図４】本発明による物体の表面形状計測方法で撮像される光切断像を模式的に示す図である。
【図５】本発明による物体の表面形状計測方法を実行する開先検出装置における開先の位置や形状などの検出処理の流れを示すフロ−チャ−トである。
【図６】図４の光切断像から水平方向平滑化微分と直線化処理で得られる線要素を模式的に示す図である。
【図７】ヘッセの標準形を用いた直線の定義を示す図である。
【図８】線要素データテーブルを示す図である。
【図９】図４の光切断像から垂直方向平滑化微分と直線化処理で得られる線要素を模式的に示す図である。
【図１０】線要素データを使用したデータ合成方法を示す図である。
【図１１】線要素データを合成させた光切断像を模式的に示す図である。
【図１２】両側斜面線とウインドウ設定方法を模式的に示す図である。
【図１３】水平ラインでの最大輝度検出値を模式的に示す図である。
【図１４】平滑化微分値を模式的に示す図である。
【図１５】２ウインドウ内垂直方向の各画素における輝度の積分処理結果を示す図である。
【図１６】従来方法の光切断法を溶接における開先の検出に適用した場合の一般的な構成例を模式化して示す図である。
【図１７】図１６の構成における不均一な明るさの光切断像を模式的に示す図である。
【図１８】図１６の構成における多重反射光像の例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１  溶接トーチ
５  開先（溝状の凹部）
７  第１のスリット状光線
９  第２のスリット状光線
１１  基準垂直面
１２  面（第１の位置）
１３  面（第２の位置）
Ｍ  溶接対象物（物体）
θ１  第１の照射角度
θ２  第２の照射角度
【図１】
2004219154.tif 000009
【図２】
2004219154.tif 000010
【図３】
2004219154.tif 000011
【図４】
2004219154.tif 000012
【図５】
2004219154.tif 000013
【図６】
2004219154.tif 000014
【図７】
2004219154.tif 000015
【図８】
2004219154.tif 000016
【図９】
2004219154.tif 000017
【図１０】
2004219154.tif 000018
【図１１】
2004219154.tif 000019
【図１２】
2004219154.tif 000020
【図１３】
2004219154.tif 000021
【図１４】
2004219154.tif 000022
【図１５】
2004219154.tif 000023
【図１６】
2004219154.tif 000024
【図１７】
2004219154.tif 000025
【図１８】
2004219154.tif 000026