KR100200204B1 - 아크용접공정에서용접선자동추적을위한비젼센서및비젼처리기법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크용접공정에서 용접선 자동 추적을 위한 비젼처리기법에 관한 것으로서, 자기의 형태를 유지하려고 하지만 외부에서 작용하는 힘에 의해 형상 변화 및 위치 이동이 가능한 개념을 갖는 형상기억 탄성 컨투어 모델을 형성하는 단계와, 상기 형상기억 탄성 컨투어 모델을 포착하고자 하는 물체의 영상을 이용하여 근사적으로 만들고 대략적으로 포착된 물체의 영상이 놓일 예상 위치에 놓아 두는 초기화 단계와, 상기 포착된 물체의 영상에서 발생하는 외부 힘에 대응하여 상기 형상기억 탄성 컨투어 모델을 변형시키는 단계와, 상기 변형된 모델로부터 포착된 물체의 영상좌표를 도출하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 용접중에 발생하는 스패터, 아크광, 기타 여러 잡광들에 의한 영향을 배제하여 작업조건이 매우 열악한 고출력 아크용접공정에서도 고정도의 자동용접이 가능하여 생산성은 물론 용접공정의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

아크용접공정에서 용접선 자동 추적을 위한 비젼처리기법

본 발명은 아크용접공정에서 용접선 자동 추적을 위한 비젼처리기법에 관한 것으로서, 특히 로봇을 이용한 아크용접공정에서 용접토치가 용접선을 자동추적할 수 있도록 용접토치 제어장치에 제공되는 용접선의 위치 및 형상 정보를 얻기 위한 용접선 비젼처리기법에 관한 것이다.

통상적으로 로봇을 이용한 자동 아크용접공정은 레이저광을 이용하여 용접선의 형상을 촬영하고 그 영상을 컴퓨터로 처리하여 용접선의 위치 및 형상 정보를 데이터화한 후 이를 이용하여 용접토치의 이동을 제어하도록 되어 있다.

용접선의 영상을 처리하는 종래의 대표적 기술은 도 1 에 도시된 바와 같이 3 단계로 나누어져 있고 순차적으로 진행된다. 먼저, 토치선단부에 투영된 라인 형태의 레이저띠를 CCD 카메라로 관측하여 얻어진 도 1a 의 데이터와, 이로부터 구해진 레이저띠의 도 1b 와 같은 중심좌표 리스트 및 상기 중심좌표들을 복수개의 라인으로 피팅(fitting)하여 얻어진 라인과 그들간의 도 1c 와 같은 교점 리스트로 구성된다. 영상 상에서 용접조인트의 위치는 도 1c 의 교점 리스트 정보로부터 직접적으로 얻어진다.

도 1a 의 레이저띠 영상은 용접중에 토치선단부에 투영된 레이저띠를 CCD 카메라로 촬영하여 얻어지며, 도 1b 의 레이저띠 중심좌표 리스트는 도 1a 의 2차원 영상 데이터를 도 2 와 같이 각 수직좌표에 따른 가중치 분포를 갖는 레이저띠 검출필터를 적용하여 레이터띠 영상에서 최대의 출력을 내는 점들로 이루어지는데, 레이저띠 검출필터의 가중치의 합은 제로가 되도록 하며, 일정한 두께를 갖는 밝은 띠가 수평방향으로 놓여 있을 때 이 필터는 최대 반응도를 나타낸다. 이 중심점 리스트를 복수개의 라인들로 피팅한 도 1c 의 결과에 의하여 용접조인트의 위치 및 형태가 얻어지게 되며 이러한 데이터를 기초로 용접토치를 제어하여 아크용접공정을 수행하게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 방법은 아크광이나 스패터 등의 용접잡음에 민감하게 반응하여 아크광이나 스패터 등의 영향이 큰 고출력 아크용접공정에서는 실질적으로 사용하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 용접광, 스패터 및 기타 여러 잡광에 의한 잡음에 강건한 용접선 자동 추적용 비젼처리기법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비젼처리기법은, 포착된 물체의 영상을 처리하여 물체의 위치 및 형상 정보를 도출하는 비젼처리기법에 있어서, 자기의 형태를 유지하려고 하지만 외부에서 작용하는 힘에 의해 형상 변화 및 위치 이동이 가능한 개념을 갖는 형상기억 탄성 컨투어 모델을 형성하는 단계와, 상기 형상기억 탄성 컨투어 모델을 포착하고자 하는 물체의 영상을 이용하여 근사적으로 만들고 대략적으로 포착된 물체의 영상이 놓일 예상 위치에 놓아 두는 초기화 단계와, 상기 포착된 물체의 영상에서 발생하는 외부 힘에 대응하여 상기 형상기억 탄성 컨투어 모델을 변형시키는 단계와, 상기 변형된 모델로부터 포착된 물체의 영상좌표를 도출하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.

도 1 은 종래의 비젼처리기법을 설명하기 위한 도면.

도 2 는 종래의 비젼처리기법에 사용되는 영상 검출 필터를 설명하기 위한 도면.

도 3 은 본 발명의 비젼처리기법에 사용되는 비젼센서를 나타내는 도면.

도 4 는 본 발명의 비젼처리기법으로 레이저띠를 추적하는 상태를 설명하기 위한 도면.

도 5 는 탄성컨투어에 작용하는 외부힘을 설명하기 위한 도면.

도 6 은 본 발명의 비젼처리기법에 사용되는 형상기억 탄성 컨투어 모델을 설명하기 위한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 레이저 다이오드 12 : 원통형 렌즈

14 : 반사경16 : 선형화된 레이저광

18 : 용접물20 : 협대역패스필터

22 : 카메라렌즈24 : CCD 카메라

26 : 영상상의 레이저띠 28 : 형상 기억 탄성 컨투어

30 : 외부작용력32 : 탄성로드의 질량중심

34 : 무마찰슬라이더36 : 오일댐퍼

38 : 강체40 : 탄성로드

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

용접토치의 일측에 장착되어 용접선의 영상을 포착하는, 본 발명에서 사용되는 비젼센서는, 도 3 에 도시된 바와 같이, 선형화 된 레이저광(16)이 용접토치(도시되지 않음)로부터 약 10-50 mm 선단부의 용접조인트 공작물에 투영된 것을 레이저광의 파장 대역만을 선택적으로 투광하는 협대역 패스필터(20)를 통하여 보는 CCD 카메라(24)에 의하여 구성된다. 이 비젼센서로부터 얻어진 영상으로부터 레이저띠 영역을 잡음으로부터 분리해 내는 기능을 하는 본 발명의 비젼처리기법은, 자기의 형태를 유지하려고 하지만 외부작용력(30)에 의해 형상 변화 및 위치 이동이 가능한 개념을 갖는 형상기억 탄성 컨투어(28)가 핵심이다. 이 탄성 컨투어(28)는 레이저띠에 해당하는 밝은 영역으로 끌리는 힘을 받게 되어 변위 운동 및 형상이 변하게 되어 최종적으로 탄성 컨투어(28)가 레이저띠 영상과 겹치는 상태에서 안정한 상태에 이르며 이로부터 레이저띠가 여타의 영상 잡음으로부터 분리될 수 있다.

외부작용력(3)은 도 5에서 설명되어진 것과 같이 레이저띠의 중심으로 탄성컨투어를 끄는 작용력이다.

도 5a와 같이 레이저띠 주위에 놓여진 탄성컨투어는 레이저띠 중심으로 부터 탄성컨투어까지의 거리에 따라 도 5c와 같은 크기의 작용력을 받는다. 이 작용력은 컴퓨터에서 전형적으로 도 5b와 같은 명암분포를 갖는 레이저띠 영상정보를 이용하여 적절히 만들어진다. 특징은 탄성컨투어가 레이저띠 중심에 정확히 놓여져 있을 때 작용력이 제로가 되고, 중심으로 부터 멀어짐에 따라 레이저띠 방향으로 끄는 힘이 커지다가 거리가 어느값 이상보다 커지면 그 작용력이 점점 작아지도록 하는 것이다.

탄성 컨투어(28)는 도 6 과 같은 개념을 갖는 기계적 시스템으로 표현될 수 있다. 여기서 도면 부호 15 는 탄성 컨투어의 고유 형상을 나타내는 강체이며 외부에서 이 시스템에 아무런 힘이 작용되지 않을 때 탄성 컨투어(28)는 고유 형상을 유지하고 있으며 외부에서 어떤 힘이 작용할 때 그 힘과 탄성 로드(40)가 무마찰 슬라이더(34)에 의하여 구속됨에 의한 탄성변형 반발력이 평형을 이룰 때 안정한 상태를 유지한다.

용접 중에 용접토치의 선단부에서 비젼센서에 의하여 얻어진 레이저띠 영상이 주어질 때 이로부터 용접조인트의 프로파일울 나타내 주는 레이저띠를 용접잡음으로부터 분리해 내는 것이 주목적인 본 발명은 도 6 과 같은 개념을 갖는 형상기억 탄성 컨투어를 초기화하는 데서부터 시작된다. 초기화 작업은 탄성 컨투어의 고유형상 모델을 CCD 카메라에 투영된 조인트의 프로파일(즉, 투영된 레이저띠의 형상)을 이용하여 근사적으로 만들고 대략적으로 레이저띠가 놓일 예상 위치에 놓아 두는 것이다.

알맞은 탄성 특성을 갖는 탄성 로드들(40)로 이루어진 탄성 컨투어는 직전의 비젼처리단계에서 탐색된 레이저띠의 위치에 놓여진다. 용접조인트가 용접중에 열변형을 받거나 용접물의 장착오차에 의하여 용접토차가 용접선을 벗어날 때 탄성 컨투어는 촬상된 레이저띠에서 발생하되 외부 힘을 받아 변형하거나 레이저띠 부근으로 끌리는 변위운동을 한다. 레이저띠가 끄는 외부 힘과 탄성 변형 억지력 간에 균형이 이루어질 때 탄성 컨투어의 운동은 멈추게 되고 균형을 이룬 탄성 컨투어로부터 조인트프로파일 정보를 얻을 수 있다. 조인트 전 단계에서 정상 상태에 이른 탄성 컨투어를 다음 단계의 초기 탄성 컨투어로 설정하고 이어서 촬상된 레이저띠 영상에서 조인트 프로파일 데이터의 탐색 과정을 반복한다. 이어서 매 샘플시간마다 얻어진 조인트 프로파일 데이터는 기존의 고안과 같이 다수개의 직선으로 피팅한 후 그들간의 교점좌표들을 이용하면 용접토차에 대한 용접선의 위치를 구할 수가 있다.

상기와 같은 과정을 통해 얻어진 용접선 영상 정보는 용접토치 제어시스템으로 피드백되어 정확한 용접토치의 이동이 이루어진다.

본 발명은 용접선 추적을 위한 비젼처리기법으로 개발되었지만, 시간에 따라 연속적으로 변동하는 물체를 추적하는 모든 시스템에 적용될 수 있는 비젼처리기법이다.

따라서, 본 발명은 용접중에 발생하는 스패터, 아크광, 기타 여러 잡광들에 의한 영향을 배제하여 작업조건이 매우 열악한 고출력 아크용접공정에서도 고정도의 자동용접이 가능하여 생산성은 물론 용접공정의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 포착된 물체의 영상을 처리하여 물체의 위치 및 형상 정보를 도출하는 비젼처리기법에 있어서, 자기의 형태를 유지하려고 하지만 외부에서 작용하는 힘에 의해 형상 변화 및 위치 이동이 가능한 개념을 갖는 형상기억 탄성 컨투어 모델을 형성하는 단계와, 상기 형상기억 탄성 컨투어 모델을 포착하고자 하는 물체영상을 이용하여 근사적으로 만들고 대략적으로 포착된 물체의 영상이 놓일 예상 위치에 놓아 두는 초기화 단계와, 상기 포착된 물체의 영상에서 발생하는 외부 힘에 대응하여 상기 형상기억 탄성 컨투어 모델을 변형시키는 단계와, 상기 변형된 모델로부터 포착된 물체의 영상좌표를 도출하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 비젼처리기법.
2. 고유형상을 나타내는 강체와, 상기 강체에 대하여 변위운동을 하는 탄성로드와, 상기 탄성로드의 운동을 간섭하는 무마찰 슬라이더와, 상기 탄성로드의 질량중심점과 상기 강체를 연결하는 오일 댐퍼로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상기억 탄성 컨투어 모델.