(57)【要約】【課題】自動検出環境の変化によるセンシングへの影響を低減して、検出精度を向上することができる、溶接線の非接触自動検出方法及びその装置を得る。【解決手段】溶接対象物の溶接線を、レーザー光を用いて非接触で自動検出する方法であって、前記溶接対象物にレーザー光を照射し、反射光を受光するステップと、受光したレーザー光を基に、前記溶接対象物の３次元座標を算出して記憶手段に格納するステップと、受光したレーザー光の強度を算出するステップと、算出したレーザー光の受光強度を基に、レーザー光の照射強度と受光感度を調整する調整ステップと、レーザー光照射を継続するか否かを判断するステップと、レーザー光照射が終了した後に、前記記憶手段に格納された３次元座標データを基に、前記溶接対象物の溶接線を算出する溶接線算出ステップとを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象物の溶接線を、レーザー光を用いて非接触で自動検出する方法であって、
前記溶接対象物にレーザー光を照射し、反射光を受光するステップと、
受光したレーザー光を基に、前記溶接対象物の３次元座標を算出して記憶手段に格納するステップと、
受光したレーザー光の強度を算出するステップと、
算出したレーザー光の受光強度を基に、レーザー光の照射強度と受光感度を調整する調整ステップと、
レーザー光照射を継続するか否かを判断するステップと、
レーザー光照射が終了した後に、前記記憶手段に格納された３次元座標データを基に、前記溶接対象物の溶接線を算出する溶接線算出ステップと
を有することを特徴とする溶接線の非接触自動検出方法。
【請求項２】
前記調整ステップにおいては、
所定の基準受光強度と、算出したレーザー光の受光強度との比を基準として、受光強度が前記基準受光強度に近づくように、レーザー光の照射強度と受光感度を調整することを特徴とする請求項１に記載の溶接線の非接触自動検出方法。
【請求項３】
前記溶接線算出ステップは、
前記記憶手段に格納された３次元座標データの中から、検出対象点近傍の座標データを絞り込んで抽出するステップと、
前記３次元座標データを基に、前記溶接対象物の平面方程式を算出する平面算出ステップと、
前記平面方程式で表される平面の交線を算出するステップと、
前記３次元座標データの中から、算出した交線近傍の座標データを絞り込んで抽出するステップと、
絞り込んだ座標データの中から最も端のデータに該当する点を、算出した交線上へ投影し、当該投影点を端点として算出するステップと
を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶接線の非接触自動検出方法。
【請求項４】
前記平面算出ステップにおいては、
平面検出ハフ変換を用いて、前記溶接対象物の平面方程式を算出することを特徴とする請求項３に記載の溶接線の非接触自動検出方法。
【請求項５】
溶接対象物にレーザー光を照射する照射手段と、
前記照射手段が照射したレーザー光の反射光を受光する受光手段と、
前記照射手段の照射強度及び前記受光手段の受光感度を調整する調整手段と、
前記溶接対象物の３次元座標を格納する記憶手段と、
前記記憶手段に格納された３次元座標に基づき、前記溶接対象物の溶接線を算出する演算手段と
を有することを特徴とする溶接線の非接触自動検出装置。
【請求項６】
前記演算手段は、
前記受光手段が受光したレーザー光を基に、前記溶接対象物の３次元座標を算出して前記記憶手段に格納し、
前記受光手段が受光したレーザー光の強度を算出し、
算出したレーザー光の受光強度を基に、前記調整手段に対して、前記照射手段の照射強度及び前記受光手段の受光感度を調整するように指示を出し、
レーザー光照射を継続するか否かを判断し、
レーザー光照射が終了した後に、前記記憶手段に格納された３次元座標データを基に、前記溶接対象物の溶接線を算出することを特徴とする請求項５に記載の溶接線の非接触自動検出装置。
【請求項７】
前記調整手段は、
所定の基準受光強度と、算出したレーザー光の受光強度との比を基準として、受光強度が前記基準受光強度に近づくように、レーザー光の照射強度と受光感度を調整することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の溶接線の非接触自動検出装置。
【請求項８】
前記演算手段は、
前記溶接対象物の溶接線を算出する際には、
前記記憶手段に格納された３次元座標データの中から、検出対象点近傍の座標データを絞り込んで抽出し、
前記３次元座標データを基に、前記溶接対象物の平面方程式を算出し、
前記平面方程式で表される平面の交線を算出し、
前記３次元座標データの中から、算出した交線近傍の座標データを絞り込んで抽出し、
絞り込んだ座標データの中から最も端のデータに該当する点を、算出した交線上へ投影し、当該投影点を端点として算出する
ことを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の溶接線の非接触自動検出装置。
【請求項９】
前記演算手段は、
前記溶接対象物の平面方程式を算出する際には、
平面検出ハフ変換を用いて、前記溶接対象物の平面方程式を算出することを特徴とする請求項８に記載の溶接線の非接触自動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切断、接合、塗装、配材、取付け等を自動的に行う際に、対象点を被接触で自動検出する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、『溶接位置をより迅速に、より正確に求める』技術として、『投影手段１０は、被溶接体とトーチとの位置関係を判定するのに好適な形状の所定の投影映像を被溶接体の表面に投影する。画像解析手段２０は、撮像手段１４により撮像された前記投影映像に対する所定の画像解析処理を行って、トーチ３と被溶接体との位置関係を判定して、これにより溶接位置を求める。従って、被溶接体に非接触で、効果的に、より迅速に又より正確に溶接位置を求めることができる。』というものがある（特許文献１）。
また、『光沢のある部材に対しても隅肉溶接位置およびギャップ長をスリット光を用いて精度よく検出する』技術として、『光学的センサ３０から、スリット光２５を部材２１，２２の溶接部２３に照射し、スリット光像３１，３２をカメラ２６で撮像する。光源２４とカメラ２６とは、スリット光像３１，３２とその二次反射光像３３，３４とが離れるような角度に設定する。カメラ２６が撮像する画像は、画像入力部４２を含む画像処理ボードで対応する直線に変換され、ＣＰＵボード４６で交点とギャップ長とが求められる。
』というものがある（特許文献２）。
さらには、『溶接ロボットによる溶接に際し、溶接部材位置を非接触で高精度かつ高速に認識する方法及び装置に関するもので、従来のような溶接線のずれによる溶接不良を直すための補修を要することなく高品質で高能率な溶接を可能とした』技術として、『母材１上に溶接すべき部材２をセットし、溶接ロボット３で自動溶接するに際し、部材２を撮像するＣＣＤカメラ４とこの画像を入力して処理する画像処理装置５により正面及び側面の２方向から部材を撮像した画像を利用したパターンマッチング法を用いてその部材の取り付け位置ずれを３次元的に検出し、その事前に教示された溶接開始点や終了点を補正して溶接するもの。』というものがある（特許文献３）。
【特許文献１】特開平５−７７０４６号公報（要約）
【特許文献２】特開平１１−３３７２５号公報（要約）
【特許文献３】特開平９−１３３８号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の従来技術は、スリットレーザーをＣＣＤ素子で受光することにより、溶接対象箇所を自動的に検出するものである。これらの技術を用いる場合は、溶接対象物の表面状態が良好であること、レーザー光による自動検出に適した検出環境にて検出を行うこと、といった条件の下で、検出を行う必要がある。
【０００４】
しかしながら、例えばサイズの大きい扉や、明り取り窓を備えた天井が存在する工場において、上記のようなレーザー光を用いた溶接対象箇所の自動検出を行う場合、天候や太陽の位置、天井窓の開閉などによって、溶接対象箇所の光量が変化し、レーザー光と溶接対象箇所の光量とが相互に影響しあうことにより、検出の精度が低下するというケースがある。
これは、例えばレーザーの反射光を受光できなかったり、受光時にノイズ成分を拾ってしまったりすることによる、溶接対象箇所のセンシングミスとなって現出する。
本発明は、こうした自動検出環境の変化によるセンシングへの影響を低減して、検出精度を向上することができる、溶接線の非接触自動検出方法及びその装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る溶接線の非接触自動検出方法は、
溶接対象物の溶接線を、レーザー光を用いて非接触で自動検出する方法であって、
前記溶接対象物にレーザー光を照射し、反射光を受光するステップと、
受光したレーザー光を基に、前記溶接対象物の３次元座標を算出して記憶手段に格納するステップと、
受光したレーザー光の強度を算出するステップと、
算出したレーザー光の受光強度を基に、レーザー光の照射強度と受光感度を調整する調整ステップと、
レーザー光照射を継続するか否かを判断するステップと、
レーザー光照射が終了した後に、前記記憶手段に格納された３次元座標データを基に、前記溶接対象物の溶接線を算出する溶接線算出ステップと
を有することを特徴とするものである。
【０００６】
また、前記調整ステップにおいては、
所定の基準受光強度と、算出したレーザー光の受光強度との比を基準として、受光強度が前記基準受光強度に近づくように、レーザー光の照射強度と受光感度を調整することを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記溶接線算出ステップは、
前記記憶手段に格納された３次元座標データの中から、検出対象点近傍の座標データを絞り込んで抽出するステップと、
前記３次元座標データを基に、前記溶接対象物の平面方程式を算出する平面算出ステップと、
前記平面方程式で表される平面の交線を算出するステップと、
前記３次元座標データの中から、算出した交線近傍の座標データを絞り込んで抽出するステップと、
絞り込んだ座標データの中から最も端のデータに該当する点を、算出した交線上へ投影し、当該投影点を端点として算出するステップと
を有することを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記平面算出ステップにおいては、
平面検出ハフ変換を用いて、前記溶接対象物の平面方程式を算出することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係る溶接線の非接触自動検出装置は、
溶接対象物にレーザー光を照射する照射手段と、
前記照射手段が照射したレーザー光の反射光を受光する受光手段と、
前記照射手段の照射強度及び前記受光手段の受光感度を調整する調整手段と、
前記溶接対象物の３次元座標を格納する記憶手段と、
前記記憶手段に格納された３次元座標に基づき、前記溶接対象物の溶接線を算出する演算手段と
を有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記演算手段は、
前記受光手段が受光したレーザー光を基に、前記溶接対象物の３次元座標を算出して前記記憶手段に格納し、
前記受光手段が受光したレーザー光の強度を算出し、
算出したレーザー光の受光強度を基に、前記調整手段に対して、前記照射手段の照射強度及び前記受光手段の受光感度を調整するように指示を出し、
レーザー光照射を継続するか否かを判断し、
レーザー光照射が終了した後に、前記記憶手段に格納された３次元座標データを基に、前記溶接対象物の溶接線を算出することを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記調整手段は、
所定の基準受光強度と、算出したレーザー光の受光強度との比を基準として、受光強度が前記基準受光強度に近づくように、レーザー光の照射強度と受光感度を調整することを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記演算手段は、
前記溶接対象物の溶接線を算出する際には、
前記記憶手段に格納された３次元座標データの中から、検出対象点近傍の座標データを絞り込んで抽出し、
前記３次元座標データを基に、前記溶接対象物の平面方程式を算出し、
前記平面方程式で表される平面の交線を算出し、
前記３次元座標データの中から、算出した交線近傍の座標データを絞り込んで抽出し、
絞り込んだ座標データの中から最も端のデータに該当する点を、算出した交線上へ投影し、当該投影点を端点として算出する
ことを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記演算手段は、
前記溶接対象物の平面方程式を算出する際には、
平面検出ハフ変換を用いて、前記溶接対象物の平面方程式を算出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る溶接線の非接触自動検出方法及びその装置によれば、
画像認識を用いた手法による自動検出ではセンシングミスが発生していた溶接対象物でも、センシングミスの発生確率を低減することができる。また、レーザー光のハレーションや強度不足等が検出精度に及ぼす影響を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接線の非接触自動検出装置の全体構成図を示すものである。
図１に示す非接触自動検出装置１００は、本実施の形態に係る溶接線の非接触自動検出装置である。
非接触自動検出装置１００は、演算手段１０１、記憶手段１０２、調整手段１０３、レーザートラッキングセンサ１０６を有する。
非接触自動検出装置１００とレーザートラッキングセンサ１０６は、信号線１０４とモータ線１０５で接続されている。
図１においては、溶接対象物１０７は、溶接線１０８で接しており、溶接線１０８が本実施の形態における自動検出対象である。
レーザートラッキングセンサ１０６は、溶接対象物１０７にレーザー光１０９を照射し、内蔵する受光部（図２で後述）が反射光を受光する。
調整手段１０３は、演算手段１０１の指示に基づき、レーザートラッキングセンサ１０６のレーザー照射強度及び受光部の受光感度を調整する。
記憶手段１０２は、レーザートラッキングセンサ１０６が受光した反射光に基づき演算手段１０１が算出する、溶接対象物１０７の３次元座標を格納する。
演算手段１０１は、非接触自動検出装置１００全体の動作を制御するとともに、記憶手段１０２に格納された３次元座標に基づき、溶接線１０８を算出する。
【００１６】
図２は、図１のレーザートラッキングセンサ１０６の内部構成を示すものである。
レーザー発信器２０１は、調整手段１０３が指示する強度でレーザー光を出力し、ガルバノミラー２０２に照射する。
ガルバノミラー２０２は、レーザービームスキャンなどに用いられるミラーであり、ミラーに軸を付けて、電気信号に応じてミラーの回転角を変えられるようにした、レーザー光の偏向器である。レーザー発信器２０１が照射した光は、ガルバノミラー２０２で反射され、照射点２０３に到達する。本実施の形態においては、照射点２０３は図１の溶接対象物１０７の表面である。
なお、ガルバノミラー２０２の駆動は、図示しないモータによってなされ、駆動指示はモータ線１０５を介して、演算手段１０１が行う。
レーザー光は、照射点２０３で反射し、レーザートラッキングセンサ１０６に戻ってくる。
受光素子２０４は、反射光を受光する。受光したレーザー光は、受光素子２０４により受光信号に変換され、信号線１０４を介して演算手段１０１に戻される。
【００１７】
なお、本発明における照射手段は、レーザートラッキングセンサ１０６が相当する。
また、受光手段は、受光素子２０４が相当する。
調整手段１０３がレーザー照射強度を調整する際には、例えばレーザー発信器２０１への印加電圧を調整することにより調整を行なうことができるが、特にこれに限定されるものではなく、レーザー発信器２０１の仕様に応じた方法で調整をすればよい。
同様に、受光素子２０４の受光ゲイン調整も、受光素子２０４の仕様に応じて調整を行えばよい。
【００１８】
図３は、図１の非接触自動検出装置１００の全体動作フローを説明するものである。以下、各ステップについて説明する。
（Ｓ３０１）
レーザー発信器２０１は、レーザー光を出力し、ガルバノミラー２０２に向けて照射する。ガルバノミラー２０２は、レーザー光を溶接対象物１０７に向けて反射する。
溶接対象物１０７で反射した反射光は、受光素子２０４が受光する。
（Ｓ３０２）
受光素子２０４が受光したレーザー光は、受光素子２０４により受光信号に変換され、信号線１０４を介して演算手段１０１に戻される。
演算手段１０１は、受光信号を基に、溶接対象物１０７の３次元座標を算出して、記憶手段１０２に格納する。
（Ｓ３０３）
演算手段１０１は、受光信号を基に、受光素子２０４が受光したレーザー光の強度を算出する。
（Ｓ３０４）
演算手段１０１は、ステップＳ３０３で算出したレーザー光の受光強度を基に、レーザー発信器２０１のレーザー光照射強度及び受光素子２０４の受光感度の調整量を算出する。
ここで、レーザー光の照射強度の調整量は、「受光強度／基準強度」の値が１．０より大きい場合にはレーザー光の照射強度を下げ、１．０より小さい場合にはレーザー光の照射強度を上げるように設定するものとする。
同様に、受光素子２０４の受光感度、即ち受光時のゲインの変更指示は、「受光強度／基準強度」の値を基準に設定する。
基準強度は、平均的な自動検出環境における照度の値を基に、あらかじめ定めて設定しておけばよい。
（Ｓ３０５）
演算手段１０１は、ステップＳ３０４で設定した調整量を基に、調整手段１０３に対して、レーザー発信器２０１のレーザー光照射強度及び受光素子２０４の受光感度を調整すべき旨を指示する。
調整手段１０３は、演算手段１０１の指示に基づき、レーザートラッキングセンサ１０６のレーザー照射強度及び受光部の受光感度を調整する。
（Ｓ３０６）
演算手段１０１は、以上のステップＳ３０１〜Ｓ３０４の処理が所定回数繰り返して行われたか否かを判断する。
ここで、所定回数は、あらかじめ定めたサンプリング時間を、サンプリング周期で除算することで求められる。
【００１９】
（Ｓ３０７）
演算手段１０１は、ステップＳ３０５で所定回数の繰り返しを行ったと判断したら、記憶手段１０２が格納している溶接対象物１０７の３次元座標に基づき、溶接線１０８の端点等を算出する。算出処理の詳細は、図４で説明する。
図４は、図３のステップＳ３０７の詳細を説明するものである。以下、各ステップについて説明する。
（Ｓ４０１）
演算手段１０１は、記憶手段１０２に格納された溶接対象物１０７の３次元座標データの中から、検出対象点である溶接線１０８の近傍の座標データを絞り込んで抽出する。
検出対象点の座標は、図示しない別システム等より、あらかじめ入力しておく。
（Ｓ４０２）
演算手段１０１は、図示しない溶接ロボットと溶接対象物１０７の相対的位置を算出して、溶接方向を設定する。
（Ｓ４０３）
演算手段１０１は、ステップＳ４０１で記憶手段１０２より抽出した３次元座標データを基に、溶接対象物１０７の平面方程式を算出する。
平面方程式の算出は、平面検出に用いられるハフ変換等の演算手法で求めることができる。算出イメージは、後述の図５に示す。
（Ｓ４０４）
演算手段１０１は、ステップＳ４０３で算出した、溶接対象物１０７の平面方程式で表される平面の交線を算出する。
（Ｓ４０５）
演算手段１０１は、ステップＳ４０１で記憶手段１０２より抽出した３次元座標データの中から、ステップＳ４０４で算出した交線近傍の座標データを絞り込んで抽出する。
（Ｓ４０６）
演算手段１０１は、ステップＳ４０５で絞り込んだ座標データの中から最も端のデータに該当する点を、ステップＳ４０４で算出した交線上へ投影する。
次に、演算手段１０１は、当該投影点を交線の端点として算出する。
ここでいう投影とは、一般には立体的な形状を平面的な図に描くことを言い、本ステップにおいては、端点を交線上に描くことを言う。
即ち、演算手段１０１がステップＳ４０４で算出した交線上における端点位置を、演算により特定するものであり、従来技術のように、光学的手法により溶接対象物１０７へ端点を描画することを言うものではない。
【００２０】
図５は、受光素子２０４が受光した反射光に基づき、図１の溶接対象物１０７の３次元座標を算出したイメージを示すものである。
図５の格子状の線の各交点が、算出した３次元座標である。
演算手段１０１は、算出した３次元座標に基づき、空間上の線方程式や、平面方程式を算出する。算出した平面の交線１０８が、検出対象である溶接線１０８に相当する。
溶接線１０８を算出した後は、その端点５０１を、溶接開始点として設定する。
【００２１】
このように、反射光の受光強度に応じてレーザー光の照射強度や受光素子２０４の受光感度を調整するようにしたので、従来技術ではセンシングミスが４０％程度の確率で発生していた検出環境下においても、センシングミスを１％程度に抑えることに成功した。
【００２２】
なお、本実施の形態においては、溶接対象物の３次元座標に基づく平面方程式の算出にハフ変換を用いたが、本発明において使用できる平面方程式の算出方法はこれに限られるものではなく、任意の平面検出アルゴリズムを用いることができる。
【００２３】
以上のように、本実施の形態に係る溶接線の非接触自動検出装置によれば、
溶接対象物にレーザー光を照射する照射手段と、
前記照射手段が照射したレーザー光の反射光を受光する受光手段と、
前記照射手段の照射強度及び前記受光手段の受光感度を調整する調整手段と、
前記溶接対象物の３次元座標を格納する記憶手段と、
前記記憶手段に格納された３次元座標に基づき、前記溶接対象物の溶接線を算出する演算手段と
を有するので、
画像認識を用いた手法による自動検出ではセンシングミスが発生していた溶接対象物でも、センシングミスの発生確率を低減することができる。
【００２４】
また、前記演算手段は、
前記受光手段が受光したレーザー光を基に、前記溶接対象物の３次元座標を算出して前記記憶手段に格納し、
前記受光手段が受光したレーザー光の強度を算出し、
算出したレーザー光の受光強度を基に、前記調整手段に対して、前記照射手段の照射強度及び前記受光手段の受光感度を調整するように指示を出し、
レーザー光照射を継続するか否かを判断し、
レーザー光照射が終了した後に、前記記憶手段に格納された３次元座標データを基に、前記溶接対象物の溶接線を算出するので、
反射光の受光強度に応じてレーザー光の照射強度や受光素子２０４の受光感度を調整することにより、従来技術でセンシングミスが発生するような環境下においても、環境の影響を低減し、検出精度を向上させることができる。
【００２５】
また、前記調整手段は、
所定の基準受光強度と、算出したレーザー光の受光強度との比を基準として、受光強度が前記基準受光強度に近づくように、レーザー光の照射強度と受光感度を調整するので、
レーザー光のハレーションや強度不足等が検出精度に及ぼす影響を低減することができる。
【００２６】
また、前記演算手段は、
前記溶接対象物の溶接線を算出する際には、
前記記憶手段に格納された３次元座標データの中から、検出対象点近傍の座標データを絞り込んで抽出し、
前記３次元座標データを基に、前記溶接対象物の平面方程式を算出し、
前記平面方程式で表される平面の交線を算出し、
前記３次元座標データの中から、算出した交線近傍の座標データを絞り込んで抽出し、
絞り込んだ座標データの中から最も端のデータに該当する点を、算出した交線上へ投影し、当該投影点を端点として算出するので、
絞り込んだ３次元座標データに基づき溶接対象物１０７上の溶接線１０８を効率よく検出でき、また溶接開始点５０１を短時間で設定して、自動溶接工程を素早く開始することができる。
【００２７】
また、前記演算手段は、
前記溶接対象物の平面方程式を算出する際には、
平面検出ハフ変換を用いて、前記溶接対象物の平面方程式を算出するので、
検出ノイズに強いハフ変換を用いて、ノイズの影響を低減し、検出精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】溶接線の非接触自動検出装置の全体構成図を示すものである。
【図２】図１のレーザートラッキングセンサ１０６の内部構成を示すものである。
【図３】図１の非接触自動検出装置１００の全体動作フローを説明するものである。
【図４】図３のステップＳ３０７の詳細を説明するものである。
【図５】受光素子２０４が受光した反射光に基づき、図１の溶接対象物１０７の３次元座標を算出したイメージを示すものである。
【符号の説明】
【００２９】
１００  非接触自動検出装置
１０１  演算手段
１０２  記憶手段
１０３  調整手段
１０４  信号線
１０５  モータ線
１０６  レーザートラッキングセンサ
１０７  溶接対象物
１０８  溶接線
１０９  レーザー光
２０１  レーザー発信器
２０２  ガルバノミラー
２０３  照射点
２０４  受光素子
５０１  端点
【図１】
2007275952.tif 000003
【図２】
2007275952.tif 000004
【図３】
2007275952.tif 000005
【図４】
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【図５】
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