リポート

中京大学×愛知製鋼 
製造現場での目視検査を自動化する

本誌編集長 山口 泰博

2018年1月15日

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中京大学工学部・人工知能高等研究所長の輿水大和教授と同工学部機械システム工学科の青木公也教授らの研究グループは、トヨタ自動車や愛知製鋼と、製造工程でさまざまな部品の欠陥を見つけ出す外観検査法「傷の気付きアルゴリズム」を開発、実際の製造業で稼働しており、作業工程の効率化に一役買っている。

「傷の気付きアルゴリズム」概要

ものづくりの製造現場では、全ての工程で傷や不良品などを見つけ出す検査が必要だ。特に外観検査は、画像処理技術の向上から、そのニーズが高まっている。

検査対象となるのは、テクスチャーや布・網目、金属部品、鋳造品、錠剤、機械部品、締結部品、回路基板、組み付け、透過検査、塗装、バーコードなどのラベルや食品に至るまで、材質や形状なども多岐にわたり、傷や欠陥像の多様性は枚挙にいとまがない。さらに検査対象ごとに次から次へと発生する個別事例に対応しなくてはならない。

通常、外観検査を行う場合、人の目に依存するか市販の検査装置を購入し検査対象ごとにカスタマイズしたり、独自のシステムを自前で開発することが多い。そして各部品の外観検査や画像検査を機械的に構築するなど、個々の案件に対し個別に対応する場合がほとんどだった。しかしそれでは手間暇を要し費用効率も悪い。そのような事情から、画像処理技術の進歩に伴い、複数の検査対象で使える汎用(はんよう)的で自動化された外観検査を望む声は高まるばかりだった。

トヨタ自動車や愛知製鋼株式会社*1をはじめとする自動車製造現場で必要な外観検査の効率化を目指し、中京大学は個別事例に通底した検査原理の解明を研究目標に掲げてきた。形状や濃淡、位置などの多様な性状の欠陥検査など幅広く使用可能で、さまざまなものへの融通性の高いシステム開発だ。

この万能性を持つ検査システム開発の最初のきっかけは、共同開発先のトヨタ自動車から、テクスチャーにカーボンを含侵(がんしん)させ、均一化を図りたいとの開発課題を受けたことだった。自動車製造現場では、均一性検査のほか、エンジン燃焼部、エンジンブロック、燃料電池車(FCV)用電極などの検査が必要で、「一つ一つの検査を異なる機械で検査すると非効率なので、いろいろなものに使えるといいのでは」という現場の強い要望が寄せられたのだ。処理の実運用を目指すためのエンジン部品、電子部品、ボデー、フィルターなどの多様な欠陥に対処できる「傷の気付き」である。

青木公也教授
輿水大和教授

人の検査に注目

輿水教授によれば、「人の目視では微小欠陥や不定形状、コントラストなどの多様な性状の違いに容易に気付く」という。人は事前知識がなくても「間違い探し」では相対的に異なる部分を発見できる。これはサリエンシーとか顕著性と呼ばれ、人の視知覚の特性でもある。この特性に注目し、人の視覚生理機構の周辺視と固視微動に着目した研究が続けられた。

周辺視とは領域全体を見る機能で、網膜像の非均質性、中心に対して相対視力が0.1程度、低解像度は俯瞰的な観察、ダウンサンプリングによる超階調などを網膜の周辺部で見る。一方、固視微動は、よく動く目の機能であり、注視中も眼球は絶えず微細な運動をする。運動中に得られるシーンは巧みに統合するとされ、これら「人の検査メカニズムのモデル化と機械化」を個別事例に通貫した検査原理の解明が模索されてきた。

そこに画像処理の専門家である青木教授も加わり、画像処理アルゴリズムを具体的に発想して実装した。この周辺視から学んだ処理と、眼球の微振動から学んだ処理を連合させた「傷の気付き」による実験結果を図12に示す。それぞれの図で異なる箇所はどの部分か分かるだろうか(回答は本稿の最後を参照)。

図1
図1 異なる部分が3カ所ある
図2
図2 ランダムな配置でも図柄や配置の異常を検出、異なる部分は5カ所ある

人の目で全てを見つけ出すことはなかなか困難であるにもかかわらず、この「傷の気付き」処理では容易に発見できることが分かる。これらはあくまでサンプルだが、実際には、カメラで撮影した画像をディスプレーに映し出し、人が発見できる傷や欠陥をアルゴリズムとAIで解析しようというものだ。現在、自動車生産ラインの部品検査で実用化されている。この「傷の気付き」システムで、実際の部品で検知したエンジン部品と円筒内面のボア部、梨地状の背景にある微小欠陥や不定形状、低コントラストの欠陥を探し出す(図3)官能検査など、目視検査の自動化にも対応する。

図3
図3 部品の「傷の気付き」

この「傷の気付きアルゴリズム」をベースとして、自動車産業以外の産業界の製造現場で開発技術の実装が期待されている。

図1の回答
図2の回答
*1:
トヨタグループの鋼材や鋳造品の製造販売大手企業。愛知県東海市。
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