KR101098894B1 - 용접 부위 형상 인식 방법, 이를 적용한 위빙 용접 경로 생성 방법 및 이를 적용한 자동 용접 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 용접 로봇에 의한 자동 용접이 가능하도록 하기 위한 용접 부위의 형상 인식 방법과, 이 방법을 적용한 용접 로봇의 용접 경로 생성 방법, 그리고 이 용접 경로 생성 방법에 의해 생성된 용접 경로를 추종하여 용접 품질이 양호하게 용접 작업을 수행할 수 있는 자동 용접 로봇을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 길이 방향으로 용접 부위를 복수 개의 구간으로 나누고 각각의 구간에 대해, 두 개의 판재가 초층 용접된 용접 부위의 형상을 인식하기 위해, 1차원 레이저 센서를 이용하여 용접 부위를 가로지르는 방향으로 이동하면서 1차원 레이저 센서와 용접 부위 사이의 거리를 측정하는 과정을 수행함으로써 복수 개의 용접 부위의 단면의 프로파일을 얻는 스캔 단계(a); 상기 스캔 단계(a)에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 기울기가 급격하게 변화하는 지점에 해당하는 노이즈 데이터를 제거하는 필터링 단계(b); 및 상기 필터링 단계(b)에서 필터링 된 데이터로부터 용접 부위의 단면 형상의 기준이 되는 기준점을 결정하는 기준점 생성 단계(c)를 포함하는 용접 부위의 형상 인식 방법과, 이 방법을 적용한 용접 경로 생성 방법 및 이 방법들을 적용한 자동 용접 로봇을 제공한다.

용접 로봇, 론지, 용접 부위 형상 인식, 용접 경로 생성

Description

용접 부위 형상 인식 방법, 이를 적용한 위빙 용접 경로 생성 방법 및 이를 적용한 자동 용접 로봇{Method of recognizing shape of welding zone, method of generating welding path adopting the same, and automatic welding robot adopting the same methods}

본 발명은 이중 선체 내에서 론지(longi.)와 론지의 맞대기 용접을 수행하는 용접 로봇에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 T바(T bar) 형상의 론지와 론지의 맞대기 용접 자동화를 위한 용접 부위 형상 인식 방법, 이를 적용한 위빙(weaving) 용접 경로 생성 방법 및 이를 적용한 자동 용접 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 선체 블록이나 철골 구조물 등의 용접작업은 협소한 작업공간과 유해 가스가 많이 발생하는 열악한 작업 환경 하에서 수행되기 때문에 생산 현장 작업자를 보호하고 용접 품질 및 생산성을 향상시키기 위하여 다양한 자동화 장치를 고안하여 생산현장에 적용하고 있는 실정이다.

조선소의 도크에서 이뤄지는 탑재 공정은 세팅(Setting), 취부, 용접의 3단계로 이루어져 있다. 세팅은 블록을 도크에 옮기고, 이전에 도크에 놓인 블록과의 단차를 최소화하도록 블록 위치를 조정하는 과정이다. 세팅 시에 블록과 블록이 맞닿는 부분에 가용접(이하 취부)을 하여 고정한다. 세팅 이후에 서로 맞닿는 부분의 론지 간의 단차를 최소화하여 원 패스(1 pass) 용접하는 초층 용접을 함으로써 론지와 론지를 고정하는 취부 작업을 수행 한다. 취부 작업 이후에 론지가 서로 맞닿는 부분, 블록이 서로 맞닿는 부분을 용접하는 맞대기 용접을 함으로써 탑재 공정이 완료된다.

도 1은 조선소에서 탑재 중인 블록의 사진이다. 사진에서 빨간색 실선으로 표시한 부분과 그 내부의 론지는 탑재 시에 맞대기 용접이 필요한 부분이다.

세팅 이후에 이중 선체 내부로 작업자가 들어가기 위해서는 도 2와 같이 좁은 접근 통로(access hole)를 통과해야 한다. 접근 통로를 통과하여 들어간 이중 선체의 내부는 접근 통로를 제외하고, 모든 방향이 철판으로 막혀있다. 또한 도 1에서 보는 바와 같이 나란한 론지와 론지 간의 간격이 좁다. 작업자는 나란한 론지와 론지 사이에 서거나 앉아서 용접 작업을 하게 된다. 이와 같이 밀폐되고 좁은 공간, 불편한 자세 등의 열악한 환경에서 탑재를 진행하고 있으나, 현재까지 탑재 공정 중에 이중선체 내에서 용접을 수행하는 용접 로봇은 개발되어 있지 않다. 그 이유는 도 2에서의 접근 통로를 통과할 정도로 작고 가벼우면서, 불규칙한 용접 개선면의 형상을 따라서 용접을 수행할 수 있는 로봇의 개발이 어렵기 때문이다.

본 발명은 특히 단면이 T자 형상인 론지가 서로 맞닿는 부분의 T자형의 용접 부위를 자동으로 용접하는 로봇 및 그 방법을 연구하는 과정에서 도출되었다. T바를 용접하는 것과 관련하여 사용하는 초층 용접은 용접할 부분을 고정하기 위해 한 층으로 용접 부위를 용접하는 것을 의미하는 용어이다. 이외에 T바를 용접하는 것 을 맞대기 용접 또는 위빙 용접이라고도 한다. 맞대기 용접은 작업 대상물이 어떻게 놓여 있는지를 나타내는 것으로 T바와 같이 서로 수평으로 맞닿아 있는 대상물을 용접하는 것을 의미한다. 위빙 용접은 용접을 하는 방법을 나타내는 것으로, 지그재그 모양으로 토치(torch)를 움직이면서 용접을 하는 것을 의미한다. 즉, T바에 대해 취부를 할 때는, 맞대기 용접(서로 수평하게 맞닿아 있는 대상물을 용접)을 하기 위해 위빙 용접(지그재그로 토치를 움직이면서 용접)이란 방법을 선택하여, 초층 용접(원 패스만 용접)을 하는 것이다. 초층 용접한 T바를 대상으로 용접을 할 때에도 작업 대상물의 배치가 동일하므로 맞대기 용접을 하는 것이고, 동일한 방법으로 위빙 용접을 수행한다.

도 3a에는 탑재 작업 중 블록과 블록의 단차를 제거하는 세팅 작업을 하였을 때, 이중 선체 내부의 론지와 론지 간의 맞대기 용접을 수행할 부분의 모습을 보여주는 사진이 도시되어 있다. 또한, 도 3b에는 론지와 론지 간의 맞대기 용접을 수행할 부분의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 같은 형태의 론지(10, 20)는 론지의 길이 방향에서 바라보면 그 단면 형상이 영문자 대문자 'T'자와 비슷하다고 하여 론지를 T바라고 지칭하기도 한다. 론지의 윗부분에 있는 넓적한 철판을 론지 전면(face)(11, 21)이라고 하며, 론지 전면 아랫부분을 론지 웹(web)(12, 22)이라 한다. 두 개의 론지(10, 20)가 마주하는 두 부분(30, 40)이 용접될 부분이다.

마주하는 론지 전면들과 론지 웹들을 각각 한 번씩 용접하여 본 용접 전에 용접 부위를 고정하는 "취부" 작업을 수행한다. 취부 작업은 서로 맞닿아 있는 두 론지 간의 단차를 제거하는 작업을 수행하고, 초층 용접을 한 뒤, 슬래그(slag)를 제거하고, 단차 제거를 위해 설치했던 장비를 회수하는 과정으로 이루어져있다.

서로 맞닿는 론지와 론지 간의 단차를 제거하는 작업은, (i) 체인 블록(chain block)을 이용하여 론지 전면을 평행하게 맞추는 작업, (ii) 론지 전면 위에 원기둥 형태의 핏업 론지 지그(fit-up longi. jig)를 올려놓아 론지 전면의 상하 단차를 제거하는 작업, (iii) 론지 웹의 단차를 제거하는 작업을 포함한다.

론지 간의 단차를 제거한 뒤의 론지와 론지 사이의 간격이 너무 좁으면, 초층 용접을 하기가 어려운 경우가 발생한다. 그와 같은 경우, 절단기를 이용하여 간격을 넓힌다. 이 작업으로 인하여, 간격이 불규칙하게 형성되는 것이 일반적이다.

론지 간 단차를 제거하고, 경우에 따라 간격을 확장하는 작업을 한 뒤에는 용접을 하기 위해, 용접하는 면과 반대쪽 면에 후면재(backing)를 부착한다. 후면재는 론지와 론지 간의 틈을 막아주어, 용접 비드(비드)가 잘 쌓이도록 하는 역할을 한다. 후면재를 붙이는 작업은 론지 전면을 용접할 때도 수행하게 된다. 다만, 론지 전면을 용접할 때는 후면재 부착뿐만 아니라 철판을 덧대는 작업도 수행한다. 이는 론지 전면을 용접할 때, 생기는 용접물이 바닥에 흘러내리지 않도록 받쳐주는 역할을 한다.

후면재를 부착한 뒤, 론지 웹에 대하여 초층 용접을 수행한다. 사람이 직접 론지 웹과 론지 전면을 용접할 때에는 작업자는 좁은 공간에서 불편한 자세로 용접을 할 수밖에 없는데, 취부뿐만 아니라 취부 이후에 T바의 용접을 완료할 때까지 계속 불편한 자세로 작업을 하게 된다.

론지 전면과 론지 웹에 대해 각각 초층 용접을 마무리하면 작업자는 용접 비드 위에 쌓인 슬래그를 제거한다. 그리고 마지막으로 론지와 론지 간의 단차를 제거하기 위해 설치했던 장비들을 회수함으로써 취부가 완료된다.

도 4는 초층 용접이 완료된 후의 T바의 론지 전면의 모습을 보여주는 사진이고, 도 5는 초층 용접이 완료된 후의 론지 웹의 형상을 보여주는 사진이다. 초층 용접한 론지 전면의 경우, 용접 비드가 비교적 고르게 쌓여 있고, 반면에 론지 웹의 경우는 용접 비드가 매우 울퉁불퉁하게 쌓여 있음을 확인할 수 있다. 또한 두 경우 모두 개선의 형상이 나란한 직선이 아니라 울퉁불퉁한 곡선이다. 도 4의 론지 전면의 좌측 개선은 우측의 개선에 비해 울퉁불퉁한 데, 이와 같은 형상은 T바 간격의 확장 작업을 하면서 생긴 것이다.

이와 같이 위빙 용접을 수행할 T바의 용접 부위는 그 형상이 일정하지 않아서 각각의 용접 수행에 앞서 그 형상을 인식할 필요성이 있다. 인식된 형상을 바탕으로 용접 경로를 자동으로 생성할 수 있다면, 사람이 직접 수행할 때에 작업자의 노고가 많이 필요한 T바의 용접을 자동 용접 로봇에 의해 수행할 수 있다. 이에 초층 용접된 T바의 용접 부위의 형상을 인식하고 이로부터 용접 경로를 생성하는 방법과 이러한 방법을 적용한 자동 용접 로봇을 개발할 필요성이 크게 대두된다.

본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 용접 로봇에 의한 자동 용접이 가능하도록 하기 위한 용접 부위의 형상 인식 방법과, 이 방법을 적용한 용접 로봇의 용접 경로 생성 방법, 그리고 이 용접 경로 생성 방법에 의해 생성된 용접 경로를 추종하여 용접 품질이 양호하게 용접 작업을 수행할 수 있는 자동 용접 로봇을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 두 개의 판재가 초층 용접되어 일방향으로 연장된 홈의 형태를 가지는 용접 부위의 형상 인식 방법으로써,

홈의 연장된 길이 방향으로 용접 부위를 복수 개의 구간으로 나누고 각각의 구간에 대해, 두 개의 판재가 초층 용접된 용접 부위의 형상을 인식하기 위해, 1차원 레이저 센서를 이용하여 용접 부위를 가로지르는 방향으로 이동하면서 1차원 레이저 센서와 용접 부위 사이의 거리를 측정하는 과정을 수행함으로써 복수 개의 용접 부위의 단면의 프로파일을 얻는 스캔 단계(a);

상기 스캔 단계(a)에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 기울기가 급격하게 변화하는 지점에 해당하는 노이즈 데이터를 제거하는 필터링 단계(b); 및

상기 필터링 단계(b)에서 필터링 된 데이터로부터 용접 부위의 단면 형상의 기준이 되는 기준점을 결정하는 기준점 생성 단계(c)를 포함하는 용접 부위의 형상 인식 방법을 제공함으로써 달성된다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 두 개의 판재가 초층 용접되어 일방향으로 연장된 홈의 형태를 가지는 용접 부위의 자동 용접 경로 생성 방법으로써,

홈의 연장된 길이 방향으로 용접 부위를 복수 개의 구간으로 나누고 각각의 구간에 대해, 두 개의 판재가 초층 용접된 용접 부위의 형상을 인식하기 위해, 1차원 레이저 센서를 이용하여 용접 부위를 가로지르는 방향으로 이동하면서 1차원 레이저 센서와 용접 부위 사이의 거리를 측정하는 과정을 수행함으로써 복수 개의 용접 부위의 단면의 프로파일을 얻는 스캔 단계(a);

상기 스캔 단계(a)에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 기울기가 급격하게 변화하는 지점에 해당하는 노이즈 데이터를 제거하는 필터링 단계(b);

상기 필터링 단계(b)에서 필터링 된 데이터로부터 용접 부위의 단면 형상의 기준이 되는 기준점을 결정하는 기준점 생성 단계(c);

상기 기준점 생성 단계(c)에서 생성된 기준점을 이용하여 위빙 용접 경로를 생성하는 용접경로 생성 단계(d)를 포함하는 용접 경로 생성 방법을 제공함으로써 달성된다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 본체;

상기 본체에서 용접 부위를 향하여 배치된 센서 유닛;

상기 본체에 연결되어 배치되고, 용접봉을 구비하여 용접 부위에 용접을 수행할 수 있는 용접 유닛;

상기 본체에 연결되어 상기 센서 유닛과 상기 용접 유닛 중 하나 이상을 이송하는 이송 유닛; 및

상기 센서 유닛, 용접 유닛 및 상기 이송 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,

상기 센서 유닛은 용접 부위에 레이저 광선을 발사하고 반사된 레이저 광선의 반사광을 수광하여 센서 유닛과 용접 부위의 특정 지점 사이의 거리를 측정할 수 있고, 상기 센서 유닛이 상기 이송 유닛에 의해 상기 용접 부위의 주변에서 용접 부위의 길이 방향을 가로지르는 방향으로 이동하면서 거리를 측정하여 해당 용접 부위 단면의 프로파일을 얻은 후, 다시 용접 부위의 길이 방향으로 이동하여 이전의 용접 부위의 프로파일과 이격된 위치에서의 용접 부위의 단면 프로파일을 얻는 방식으로 복수 개의 용접 부위의 단면 프로파일 데이터를 측정하며,

상기 제어 유닛은 상기 센서 유닛에서 측정한 복수 개의 단면 프로파일 데이터로부터 프로파일을 구성하는 기준점을 생성하고, 이 기준점으로부터 용접 경로를 생성하며, 생성된 용접 경로를 추종하도록 상기 이송 유닛이 상기 용접 유닛을 이송하도록 제어하여 자동 용접을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇을 제공함으로써 달성된다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 본체;

상기 본체에서 용접 부위를 향하여 배치된 센서 유닛;

상기 본체에 연결되어 배치되고, 용접봉을 구비하여 용접 부위에 용접을 수행할 수 있는 용접 유닛;

상기 본체에 연결되어 상기 센서 유닛과 상기 용접 유닛 중 하나 이상을 이송하는 이송 유닛; 및

상기 센서 유닛, 용접 유닛 및 상기 이송 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,

앞서 언급한 용접 경로 생성 방법에 의해 생성된 용접 경로 정보를 토대로, 상기 이송 유닛이 상기 용접봉의 위빙 축의 위빙 각도와 용접 부위의 길이 방향 이송 간격에 맞게 상기 용접봉이 이송하면서 용접 부위를 용접하도록 하는 자동 용접 로봇을 제공함으로써 달성된다.

본 발명에 의하면, 용접 부위의 형상을 용접 작업에 필요한 수준으로 간편하게 인식할 수 있다. 또한, 이러한 형상 인식 방법을 적용하여 용접 경로를 생성함으로써 자동 용접 로봇에 의한 용접을 가능하게 한다. 본 발명에 의하면 용접 부위의 형상 오차를 감안하여 용접 품질이 양호하게 용접 작업을 수행할 수 있다.

특히, 본 발명에 의하면, 1차원 레이저 센서로 스캔하여도 다차원 레이저 센서를 사용하는 효과를 누릴 수 있는 장점이 있으며, 다차원 레이저 센서에 비해 1차원 레이저 센서의 가격, 크기 및 무게가 더 적다는 점은 조선소의 이중 선체 블록 조립을 위한 용접 작업에 있어서는 매우 중요한 의미를 갖는다. 무엇보다, 이중선체 구조에서 용접을 위해 작업자가 이동하는 통로는 매우 좁다. 또한, 대형 선박일수록 작업자가 용접 작업을 위해 장비를 들고 이동하여야 하는 거리는 매우 멀고 여러 개의 사다리를 거쳐야 한다. 작업자는 이러한 환경에서는 조금이라도 무거운 장비를 들고 이동하는 것이 매우 부담스러울 수밖에 없고, 조금이라도 가벼운 장비를 선호할 수밖에 없다. 따라서, 본 발명의 1차원 레이저 센서를 사용하여 3차원의 형상을 인식할 수 있는 용접 로봇의 개발 의의가 대단히 크다고 할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

용접 경로 생성 알고리즘을 작성하기 위해서는 T바 간격의 위치와 크기를 인식해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 1차원 레이저 센서를 이용하여 작업 대상물을 스캔(scan)하여 T바 간격의 위치와 크기에 대한 정보를 얻고, 이를 이용하여 용접 경로를 생성한다.

도 6에는 본 발명에 따른 용접 경로 생성 방법을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 용접 경로 생성 방법은 1차원 레이저 센서를 이용하여 작업 대상물과 레이저 센서와의 거리를 측정하는 스캔 단계, 스캔하여 얻은 데이터에 포함된 노이즈를 제거하는 필터링 단계, 필터링한 데이터로부터 T바 간격의 형상을 얻는 기준점(reference point: 이하 도면에서는 "Ref"로 약칭함) 생성 단계, 그리고 생성된 기준점을 이용하여 위빙 용접 경로를 생성하는 용접경로 생성 단계를 포함한다.

용접 경로를 생성할 때는 T바 간격의 폭의 변화 및 T바 간격의 위치의 변화를 고려해야 한다. T바 간격의 위치와 형상(이하, 프로파일(profile)이라 함)을 인식하기 해야 하기 위하여, 1차원 레이저 센서를 이용하여 T바 간격의 깊이를 측 정한다.

도 7에는 용접 부위의 프로파일 인식을 위한 스캔 방식과, 한 번의 1차원 스캔을 통해 얻는 용접 부위 단면의 프로파일의 일례를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

프로파일은 높이에 따라서 그 위치와 형상이 변하므로, 전체 T바의 높이를 대상으로 프로파일을 스캔해야 한다. 따라서 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이 스캔은 T바의 전체 높이를 대상으로 이뤄진다. x축을 따라서 이동하며 스캔하고, z축을 따라서 위쪽으로 등간격 dz로 이동하는 과정을 반복한다.

도 7의 (b)에서 실제로 스캔하는 과정을 확인할 수 있다. 예를 들어, 최저부분의 프로파일을 스캔하는 경우, 센서를 x축을 따라 좌측에서 우측으로 움직인다. 그와 동시에 센서를 이용하여 등간격 dx로 센서와 T바 간의 거리를 측정한다. 이를 통하여 프로파일의 형상을 얻을 수 있다.

도 8에서는 실제 시편에 대해 x축 방향으로 1차원 스캔을 수행한 결과 얻은 프로파일의 일례를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 8에서 위의 프로파일에서 빨간 색 타원 내의 부분을 확대한 것이 아래의 프로파일이다. 프로파일 스캔 결과에는 도 8에서 보는 바와 같이 에러(error)(잘못 스캔한 점)와 노이즈(noise)(프로파일이 매끄럽지 않고 튀는 부분들)가 포함되어 있다. 스캔한 결과 얻은 프로파일에 포함된 이러한 에러와 노이즈는 용접 기준점을 찾기 위해서는 미리 제거되어야 한다.

도 9에는 레이저 센서를 사용하여 측정한 프로파일에서 에러와 노이즈를 제 거하는 방법을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

먼저 에러를 제거하는 방법에 대해 설명한다. 1차원 레이저 센서를 사용하는 경우에 포함되는 에러는 도 9의 위의 프로파일에 보는 바와 같이 에러가 아닌 점들에 비하여 그 값이 크게 작다. 이와 같은 특성을 이용하여 크기가 확연하게 차이나는 에러를 제거한다.

우선, 스캔하여 얻은 점들의 y값들의 평균값 yavg를 구한다. 그리고 필요에 따라 약간의 margin을 주어, 에러인 점과 에러가 아닌 점을 판단하는 기준으로 삼는다. 즉 직선 'y = y _avg - margin보다 아래에 존재하는 점들은 에러로 간주하여 제거할 수 있다. 물론 margin은 0으로 설정할 수도 있고, 실제 레이저 센서와 용접 부위와의 거리를 감안하여 사용자가 적절한 값을 설정할 수 있다.

에러를 제거하고 나면 에러인 데이터가 있던 위치는 비어있게 된다. 이후의 단계에서 가우시안 필터(Gaussian filter)를 적용하기 위해서는 이 빈 위치에도 적절한 값을 미리 채워 넣어야 한다. 이는 가우시안 필터가 현재의 위치의 점의 값을 주위에 있는 점들에 가중치를 곱하여 평균을 내는 방법으로 구하여 프로파일의 곡선을 매끄럽게 변화하도록 하기위해 사용되기 때문이다. 에러가 있던 곳에는 주위의 에러가 아닌 점들을 선형 보간 하여 값을 넣는다. 즉, 빈 공간이 원래는 i번째 스캔한 점이라고 했을 때, i번째 y값 y _i 를 다음의 수학식으로 정하여 빈 공간에 채워 넣는다.

[수학식 1]

여기서 (i - k)는 에러가 아니고, i보다 index가 작은 점 중에 i와 가장 가까운 점의 index이고, (i + t)는 에러가 아니고, i보다 index가 큰 점 중에 i와 가장 가까운 점이다. 도 9의 빨간 점이 이와 같은 과정으로 채워 넣은 점들을 나타낸 것이다.

프로파일의 형상을 내타내는 기준점 생성에서는 미분계수를 이용한다. 그런데 도 9에서와 같이 노이즈가 있는 경우에는 미분계수가 급격히 변하게 되어 이 방법을 사용할 수가 없다. 따라서 노이즈의 소거가 필요하다. 이를 위하여 가우시안 필터를 사용한다.

가우시안 필터는 가우시안 분포(Gaussian distribution)에 의해 결정되는 가중치(이하 mask)를 사용하여 기존 데이터의 값을 수정하는 것이다. 아래는 가우시안 분포를 나타내는 식이다.

[수학식 2]

여기서, μ는 평균(average), σ는 표준편차(standard derivative)이다.

도 10에는 σ=1.5, μ=0일 때의 가우시안 분포를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 11에는 가우시안 분포에서 mask 값들을 추출하는 방식을 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

가우시안 필터를 적용하는 과정은 다음과 같다.

(1) 가우시안 분포에서 x = 0을 중심으로 등간격으로 l개(홀수)의 값을 추출한다. 도 11에서 좌측의 (a)에는 도 10의 가우시안 분포를 대상으로 등간격을 1로 하여 5개의 값을 추출한 것을 나타낸다.

(2) 추출한 값들 각각을 추출한 값들의 합으로 나눈다. 이 과정을 거쳐서 구한 값들의 집합을 mask라고 한다. mask의 성분의 합은 항상 1이 된다. 도 11의 우측의 (b)에 표시된 값들이 mask의 예이다.

(3) 데이터에 mask를 곱하여 더함으로써 필터링을 완료한다.

i번째 값을 y _i 라고 하고, m _k 가 mask의 k번째 성분이고, l _h = (l-1)/2이면, y _i 를 Filtering하여 구한 값 Yi는 다음과 같다.

[수학식 3]

도 12의 (a)와 같은 형태의 데이터를 도 11의 (b)의 mask를 이용하여 가우시안 필터링을 하면, 그 결과는 도 12의 (b)와 같다. 예를 들어, 도 12의 (a)에서 4 번째 값인 y₃ = 8.2(index가 0부터 시작)는 다음 식으로부터 계산된다.

[수학식 4]

y ₃에는 가장 큰 값인 0.2921을 곱하였고, y ₃ 주위의 값들에는 y ₃로부터 멀어질수록 작은 값을 곱하여 더하였다. 즉, 현재의 값에 가장 큰 가중치를 주고, 멀어질수록 적은 가중치를 주어 더하는 것이다.

도 13에는 도 9의 노이즈가 있는 프로파일에 대하여 l=29로 하고, 표준편차는 달리하면서 가우시안 필터를 적용한 결과들을 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 표준편차 값이 커질수록, 필터링 된 프로파일(filtered profile)은 더 부드러워지지만, 동시에 폭도 넓어지게 되어, 그 값도 전체적으로 줄어들어 원래의 형상과는 달라진다. 따라서 noisy 프로파일의 노이즈는 제거하면서 그 형상의 변화는 적게 하는 적절한 표준편차 값의 선택이 필요하다.

이하에서는 이상과 같이 인식된 프로파일로부터 용접 기준점(reference point)을 구하는 방법에 관하여 설명한다.

도 14에는 맞대기 용접을 수행할 용접 부위의 이상적인 프로파일의 형상을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 기준점은 T바의 맞대기 용접에 있어서 프로파일의 형상을 나타내는 점이 된다. 이러한 기준점을 구하기 전에 도 14의 이상적인 프로파일의 형상을 분석하여 보면, 본 발명에서 관심을 두는 T바의 맞대기 용접 부위의 프로파일을 정의하기 위해서는 도 14의 4개의 녹색 점(이하 기준점)들이 필요하다는 것을 알 수 있다. 기준점들은 보는 바와 같이 직선의 기울기가 급격히 변하는 지점으로, 기준점[0]과 기준점[3]은 기울기가 급격히 증가하는 점이고, 기준점[1]과 기준점 [2]는 기울기가 급격히 감소하는 점이다. 기준점[0]과 기준점[1] 사이의 직선의 기울기는 전체 프로파일에서 최댓값을 갖고, 기준점[2]와 기준점[3] 사이의 직선의 기울기는 최솟값을 갖는다.

도 15에는 위와 같은 특성을 이용하여 필터링 된 프로파일[0]을 대상으로 가(假)기준점을 생성하는 과정을 나타내는 도면이 도시되어 있다. 여기서, 프로파일[n]은 n번째 프로파일을 의미한다. 도 15의 (a)에서 프로파일의 1계 미분계수가 최대인 점 p와 최소인 점 q를 찾는다. p와 q의 중앙을 기준으로, 좌측과 우측으로 나눠서 2계 미분계수의 최대, 최솟값들을 구한다. 좌측에서 2계 미분계수의 최대점이 가기준점[0]이고, 최소점이 가기준점[1]이다. 우측에서 2계 미분계수의 최소점이 가가기준점[2]이고, 최대점이 가기준점[3]이다.

도 16에는 위와 같은 방법으로 필터링 된 프로파일[0]의 가기준점들을 생성한 결과가 도시되어 있다. 그런데 도 16의 가기준점들은 도 14의 이상적인 프로파일의 형상에서의 기준점과는 그 배치가 다르다. 도 16의 가기준점[0]과 가기준점[3], 가기준점[1]과 가기준점[2]가 서로 나란하지 않고, 가기준점[3]의 경우에는 실제 프로파일보다 윗부분에 위치하였다. 따라서 현재 구한 가기준점들을 수정할 필요가 있다.

도 17에는 가기준점들을 수정하여 최종 기준점을 생성하는 방법을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 17에 도시된 것과 같이, 가기준점들의 좌표를 수정하여 최종 기준점을 생성하기 위해서는 다음과 같은 방법을 사용한다. 우선 가기준점[0]과 가기준점[3]의 평균값 y ₀을 구하고 가기준점[1]과 가기준점[2]의 평균값 y ₁을 구한다. 그리고 가기준점[0]과 점 p를 지나는 직선0(도 17의 line 0)을 구하고, 가기준점[3]과 가기준점[2]를 지나는 직선1(도 17의 line 1)을 구한다. 다음으로 y = y ₀, y = y ₁과 직선0, 직선1의 교점을 구하여 새로운 기준점으로 삼는다. 즉, y = y ₀과 직선0의 교점이 기준점[0]이고, y = y ₁과 직선0의 교점이 기준점[1]이며, y = y ₁과 직선1의 교점이 기준점[2]이고, y = y ₀과 직선1의 교점이 기준점[3]이다. 최종 기준점들은 도 17에 녹색 점으로 도시되어 있다.

직선0과 직선1을 구할 때, 가기준점[1]과 가기준점[2]를 사용하지 않고, 점 p와 점 q를 사용한 것은 프로파일의 형상 때문이다. 도 5에 도시된 것과 같이 초층 용접한 T바의 프로파일은 가기준점[1]과 가기준점[2] 부근에 불균일한 용접 비드가 쌓여 있기 때문에 상대적으로 가기준점[1]과 가기준점[2]가 부정확할 값이 될 가능성이 많다. 따라서 가기준점[1]과 가기준점[2]를 대신하여 점 p와 점 q를 사용한 것이다. 점 p와 점 q는 각각 1계 미분계수가 최대이고 최소인 점이므로, 개선면에 위치할 것이라고 판단할 수 있다. 따라서 개선이 시작하고 끝나는 점을 나 타내는 가기준점[0]과 가기준점[3], 그리고 개선에 포함되어 있는 점 p와 점 q를 사용함으로써 보다 정확하게 프로파일을 나타낼 수 있다.

이하에서는 이상에서 구한 각 단면 프로파일의 기준점들을 이용하여 원 패스 용접을 수행하는 용접 경로를 생성하는 방법을 설명한다.

먼저 위빙 축(θ축)을 결정한다. θ축은 위빙 용접을 할 때, 토치의 회전의 중심이 되는 축이다. 용접 로봇은 z축 방향으로 이동하면서 θ축의 모터를 사용하여 토치를 위빙하게 된다. 여기서는 θ축의 단면 프로파일에 대한 상대 위치를 파악하기 위해 단면 프로파일이 놓인 평면과 동일한 xy평면상에서의 θ축의 x좌표와 y좌표를 정의하는 방법에 대해서 설명한다.

도 18에는 앞서 결정한 기준점들을 토대로 좌우측 용접 기준점을 결정하는 방법을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 프로파일의 형상을 나타내는 기준점[1]과 기준점[2]를 이용하여 용접의 기준점을 나타내는 용접 기준점 WL과 WR를 결정하고 이로부터 WC를 계산한다. WL은 좌측 용접 기준점이고, WR은 우측 용접 기준점이며 WC는 WL과 WR을 잇는 선분의 이등분점이다. 도 18에서 보는 바와 같이, 각각의 프로파일에서, WL은 기준점[1]에서 오프셋(offset) 만큼 -y 방향으로 떨어진 직선과 기준점[0]과 기준점[1]을 잇는 직선의 교점이다. WR은 기준점[2]에서 오프셋만큼 -y 방향으로 떨어진 직선(수평선)과 기준점[2]와 기준점[3]을 잇는 직선의 교점이다. 여기서 오프셋은 토치의 와이어(wire)가 프로파일의 기준점[1]과 기준점[2]에서 떨어진 거리이며, 양호한 용접 품질을 위해서는 오프셋은 2mm 정도가 적당하다. 기준점을 기준으로 오프셋을 주었다고 하여 와이어의 끝단이 초층 용접 비드에 반드시 닿지 않는 것은 아니다. 물방울 형태로 초층 용접 비드가 맺힌 경우에는 토치가 용접 비드를 뚫고 지나가는 경우도 있고, 초층 용접 비드와 닿지 않을 때도 있다. 그러나 불균일한 초층 용접 비드를 대상으로 하여 실험을 해본 결과, 이 영향을 고려하지 않아도 됨을 확인하였으므로 이와 같은 사항은 무시할 수 있다.

도 19에는 용접 토치의 위빙 축의 위치를 결정하는 방식을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 여러 개의 프로파일들에 대해 각각의 프로파일에 대한 WL과 WR을 구한 뒤, 평균 프로파일에 대한 WL과 WR, 그리고 WC를 구한다. 도 19의 빨간색 기준점들은 전체 프로파일의 기준점들의 평균값이다. 평균 프로파일을 대상으로 WL과 WR을 구하고, 이들의 중심을 WC로 정의한다. θ축은 평균 프로파일을 대상으로 구한 WC에서 WL과 WR을 잇는 직선에 내린 수선 위에 존재한다. θ축은 WC에서 수선을 따라 WC에서 먼 쪽으로 와이어 길이와 토치와 위빙 축 사이의 길이만큼 이동한 곳에 위치한다. 여기서 토치와 위빙 축 사이의 길이는 용접 로봇의 기구부에서 토치의 어느 부분을 잡는 가에 따라 결정되는 값이다. 이로써 토치의 위빙 축(θ축)의 위치를 정할 수 있다.

토치는 z방향으로 이동하면서 각각의 프로파일의 WL과 WR 사이에서 위빙하게 된다. 용접 경로를 생성할 때는 위빙 속도 및 z 방향 이동 속도가 일정하다고 가정한다. 위빙을 하면, 토치의 궤적이 원호를 그리게 되므로, xz평면에서 바라봤을 때, 위빙 용접 시의 토치의 이동 경로는 직선의 형태가 아니다. 그러나 여기서는 실제로 토치를 움직이는 것이 아니라 토치의 끝단이 위치할 타깃 포인트(타깃 포인트)들을 찾는다. 따라서 위와 같은 오차는 무시하고 타깃 포인트들은 일정한 기울기의 직선상에 존재한다고 가정할 수 있다.

도 20에는 토치의 끝단이 위치할 타깃 포인트를 결정하는 방법을 설명하는 도면이 도시되어 있다. 타깃 포인트는 도 20에서와 같이 필터링 된 프로파일[0]의 좌측 용접 기준점 WL에서부터 시작된다. 필터링 된 프로파일[0]의 WL을 지나는 직선을 z = ax + b라고 한다면, 다음 타깃 포인트는, 필터링 된 프로파일[0]의 WR과 필터링 된 프로파일[1]의 WR을 잇는 직선과 직선 z = ax + b의 교점이다. 그 다음 타깃 포인트는 현재의 타깃 포인트를 지나고, 기울기가 -a인 직선 z = -ax + c와 필터링 된 프로파일[0]과 필터링 된 프로파일[1]의 WL들을 잇는 직선의 교점이다. 즉, 필터링 된 프로파일[0]의 WL을 0번 째 타깃 포인트라고 했을 때, 홀수 번째 타깃 포인트들은 'a의 기울기를 가진 직선'과 '용접 기준점 WR들을 잇는 직선'의 교점이고, 짝수 번째 타깃 포인트는 '-a의 기울기를 가진 직선'과 '용접 기준점 WL들을 잇는 직선'의 교점이다. 토치는 짝수 번째 타깃 포인트들과 홀수 번째 타깃 포인트들을 왕복하면서 위빙 용접을 하게 된다.

도 21에는 최종 토치 끝단의 위치를 결정할 때 토치의 위빙 운동을 고려할 필요성을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 21에 도시된 것과 같이, 위빙 용접 시 토치는 원호를 그리게 되므로, 토치 끝단의 위치를 어떻게 결정하든지, 토치 끝단과 타깃 포인트들 사이에는 간격이 존재하게 된다. 따라서 도 20에서 결정된 타깃 포인트들은 토치 끝단의 위치가 될 수 없다. 토치 끝단의 위치는 도 21에서 보는 바와 같이 토치를 회전하여서 토치가 정확히 타깃 포인트를 가리킬 때의 토치의 위치로 정한다. θ축 즉, 토치의 회전축의 위치는 정해져 있으므로, 토치 끝단의 위치는 회전축을 중심으로 하는 위빙 각도 θ와 z축 방향 위치 z로 정한다.

타깃 포인트들의 x좌표를 T _x , 타깃 포인트들의 y좌표를 T _y , 타깃 포인트들의 z좌표를 T _z 라 하고, θ축의 x좌표를 W _x , θ축의 y좌표를 W _y 라고 할 때, 토치의 위빙 각도 θ 및 토치 끝단의 높이 z는 다음과 같다.

[수학식 5]

[수학식 6]

도 22에는 필터링 된 프로파일[0]부터 필터링 된 프로파일[3]의 토치 끝단의 위치, 즉 위빙 용접 경로 생성 결과가 도시되어 있다. 토치는 용접 경로를 따라 지그재그 모양으로 위빙 용접을 수행하게 된다.

도 23에는 본 발명의 용접 부위 형상 인식 방법 및 용접 경로 생성 방법을 적용한 자동 용접 로봇의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도가 도시되어 있고, 도 24에는 도 23에 도시된 자동 용접 로봇을 이용하여 론지 웹 측의 용접 부위를 용접하는 동작을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 23 및 도 24에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 자동 용접 로봇(100)은, 본체, 제1 가이드 부재(140), 슬라이딩 블록 및 지지 유닛을 포함한다.

상기 본체는 기본적으로 용접봉(155)을 구비하는 부재이다. 상기 본체는 도 23 내지 도 24에 도시된 실시예에서 용접봉(155)의 길이 방향에 직교하는 회전축 둘레로 용접봉(155)이 회전 가능하게 배치된 용접 유닛(160), 용접 부위에 대향한 상태에서 용접 부위에 대해 전후 방향으로 상기 용접 유닛이 이동할 수 있도록 상기 용접 유닛과 슬라이딩 가능하게 결합된 커플링 유닛(170) 및 상기 제1 가이드 부재(140)를 따라 좌우 방향으로 이동 가능하도록 상기 커플링 유닛(170)과 연결되며, 용접 부위의 형상을 인식할 수 있는 센서 유닛(150)을 포함하고 있다.

선체 제조에 있어서 용접 부위는 폭이 커서 한 번 용접봉(155)이 지나가면서 용접하는 동작(one pass)만으로 용접 작업이 완료될 수 없다. 즉, 깊이 방향으로도 여러 층으로 용접 비드(bead)를 쌓아야 하고, 한 층의 비드를 쌓을 때에도 23번 이상으로 나누어서 작업하여야 하는 경우가 대부분이다. 이에 용접봉(155)은 용접 부위에 대해 좌우측으로 위빙(weaving)하면서 용접을 수행할 수 있어야 한다. 따라서 상기 용접봉(155)은 위빙이 가능하도록 회전축에 회전 가능하게 연결된다.

상기 센서 유닛(150)은, 용접 부위의 형상을 인식할 수 있는 레이저 센서와, 용접 작업 중에 상기 레이저 센서의 빔 방사 부분을 보호할 수 있도록 상기 레이저 센서가 내장된 부분을 겉에서 덮는 커버(159)를 구비할 수 있다.

대형의 선체 블록을 서로 연결할 때에는 육안으로도 식별 가능할 정도의 큰 형상 오차나 치수 오차가 있을 수 있다. 이러한 경우에도 해당 부분의 형상을 인식하여 자동으로 불량이 발생하지 않으면서 용접을 수행하기 위해서는 용접 부위의 형상을 인식하고 이를 분석하여 용접 경로를 설정하고 용접을 수행할 수 있어야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 상기 센서 유닛에 레이저 센서를 구비하도록 하여 레이저 센서로 용접 부위를 스캔하면서 용접 부위의 형상을 인식하도록 한다.

또한, 용접 작업 중에는 불똥이 튈 수 있다. 이에 정밀한 부품인 레이저 센서를 각별히 보호할 필요가 있어 레이저 센서가 용접 부위를 인식하는 작업을 수행하지 않을 때에는 커버로 레이저 센서를 보호하는 것이 바람직하다.

상기 제1 가이드 부재(140)는 용접 부위에 대향한 상태에서 용접 부위에 대해 좌우 방향으로 상기 본체가 이동할 수 있도록 상기 본체와 슬라이딩 가능하게 결합된다.

상기 제2 가이드 부재는 상기 제1 가이드 부재(140)의 연장 방향과 직교하는 방향으로 연장된다. 상기 제1 가이드 부재(140), 상기 제1 가이드 부재(140)를 따라 움직이는 상기 센서 유닛, 상기 커플링 유닛 및 상기 용접 유닛은 모두 함께 상기 제2 가이드 부재를 따라 이동하게 된다. 상기 제2 가이드 부재는 서로 나란하게 배치된 두 개의 가이드 레일(111, 112)과, 상기 가이드 레일(111, 112) 사이의 간격을 유지하도록 상기 가이드 레일(111, 112) 각각에 고정된 하나 이상의 크로스바를 포함할 수 있다.

상기 제2 가이드 부재를 구성하는 가이드 레일(111, 112)은 일측에는 슬라이딩 블록(131, 132)의 움직임을 가이드 하는 레일이 형성되어 있고, 타측에는 상기 지지 유닛(121, 122, 123, 124)의 이동을 가이드 하는 레일이 형성되어 있을 수 있다. 즉, 도면에 도시된 것과 같이 상기 가이드 레일(111, 112)은 소정 폭과 두께를 가지는 부재로써, 두께 방향의 일면에 슬라이딩 블록(131, 132)의 움직임을 가이드 하는 레일을 구비하고, 반대 면에 슬라이딩 블록(131, 132)의 움직임을 가이드 하는 레일을 구비할 수 있다.

상기 슬라이딩 블록(131, 132)은 상기 제1 가이드 부재(140)와 고정되고, 상기 제2 가이드 부재를 따라 슬라이딩 가능하게 결합된다. 상기 제2 가이드 부재가 도면에 도시된 것과 같이 두 개의 가이드 레일(111, 112)을 구비하는 경우에는 상기 슬라이딩 블록(131, 132)도 각각의 가이드 레일(111, 112)을 따라 이동 가능하게 하나씩의 슬라이딩 블록(131, 132)이 배치된다. 상기 슬라이딩 블록(131, 132)은 두 개가 설치되는 경우에도 두 개가 일체로 연결되어 움직이며, 모터(134)와 롤러(133) 등의 구성을 사용하여 상기 가이드 레일(111, 112)을 따라 이동할 수 있다. 물론 앞서 설명한 제1, 제2 가이드 부재를 따라 움직이는 모든 구성들과, 용접 유닛의 전후 방향의 이동도 모터 등을 활용한 공지의 이송 수단에 의해 그 움직임이 자동으로 구현될 수 있다.

상기 슬라이딩 블록(131, 132)이 두 개 설치되는 경우에는 상기 제1 가이드 부는 두 개의 슬라이딩 블록(131, 132)을 연결하도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 지지 유닛(121, 122, 123, 124)은 상기 제2 가이드 부재 상에서 제2 가 이드 부재를 따라 이동 가능하고, 상기 제2 가이드 부재의 특정 위치에 고정될 수 있으며, 상기 제2 가이드 부재를 용접 부위에 고정한다. 상기 지지 유닛(121, 122, 123, 124)은, 단부에 자석(121a, 122a, 123a, 124a)을 각각 구비하여 자성체인 금속 재료를 용접할 때 해당 금속 재료에 자기력을 이용하여 상기 제2 가이드 부재가 고정되도록 하고 결과적으로 본 발명의 자동 용접 로봇(100)이 고정될 수 있도록 한다.

상기 지지 유닛(121, 122, 123, 124)은 상기 제2 가이드 부재를 구성하는 가이드 레일(111, 112)들에 각각 2개씩 설치될 수 있다. 상기 지지 유닛(121, 122, 123, 124)은 론지의 전면 측의 용접 부위를 용접할 때에는 도 24에 도시된 것과 같이 상기 가이드 레일(111, 112)들을 따라 이격되어 배치된 상태로 말단에 배치된 자석을 이용하여 론지 웹에 본 발명의 자동 용접 로봇(100)을 고정하는 기능을 수행하게 된다.

이상의 구성을 가지는 자동 용접 로봇(100)은 도 24에 도시된 것과 같이 론지의 전면에서 용접 부위에 인접하게 배치된 후, 상하 방향으로 이동하면서 론지 웹의 용접 부위를 용접하게 된다. 또한, 상하 방향으로의 이동과 함께 용접 부위가 크기 때문에 좌우 방향으로도 이동하면서 용접을 수행하게 되고, 용접 부위의 깊이 방향으로도 이동이 가능하여 용접 작업을 여러 층으로 수행할 수도 있다. 물론 앞서 언급한 것과 같이 용접봉(155)이 위빙할 수도 있어서, 전체적으로 용접봉(155)의 4자유도의 움직임을 구현할 수 있다. 4자유도는 도 24에서 화살표로 도시된 것과 같다.

본 발명의 자동 용접 로봇의 기구부에는 센서 유닛으로 1차원 레이저 센서(laser sensor)와 4개의 축(x, y, z, θ)에 해당하는 스텝 모터(step motor) 및 이 모터들을 구동하는 드라이버(driver)가 존재한다. 또한, 각각의 축마다 2개의 근접센서가 있어, 좌우(x), 전후(y), 상하(z), 시계-반시계(θ) 방향의 리미트 센서(limit sensor)로서의 역할을 한다. 그밖에 용접을 하기 위해 θ축 밑에 토치(용접봉)가 설치되어 있다.

도 23 및 도 24에 도시된 4자유도 자동 용접 로봇에 앞서 설명한 용접 부위 형상 인식 방법 및 용접 경로 생성 방법을 적용한다.

도 25에는 본 발명에 따른 자동 용접 로봇의 용접 작업의 플로 차트가 도시되어 있다.

도 25에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 자동 용접 로봇의 용접 작업은 Stage A 내지 Stage D의 크게 네 단계로 구성된다. Stage A는 용접 로봇을 설치하는 단계로, 용접 로봇을 T바의 T바 간격에 인접하도록 위치시키고, 토치를 연결하고, 전원을 공급한다. z축의 2개의 리미트 센서의 스토퍼(stopper)의 위치를 결정한다. 하부 리미트 센서는 z축의 0점 설정을 하는데 사용되고, 상부 리미트 센서는 작업을 어디까지 할 것인지 작업 영역을 설정하는데 사용된다. 그리고 리미트 센서들을 이용해 각 축을 초기화 한다. Stage B에서는 1차원 레이저 센서를 이용하여, n개의 구간의 프로파일을 스캔한다. 스캔하여 얻은 데이터를 바탕으로 기준점을 생성하고, 이 기준점들을 이용하여 다음 층을 스캔할 때의 영역을 계산한다. 이와 같은 동작을 반복하다가 Stage A에서 설정한 상부 리미트 센서에서 신호가 오면, 용접 로봇은 스캔을 정지한다. Stage B에서 생성한 기준점을 이용하여 Stage C에서는 n번째 프로파일과 n + 1 번째 프로파일 사이의 용접 경로를 생성하고 해당 용접 경로를 추종하도록 4자유도 자동 용접 로봇의 움직임을 제어하면서 용접을 수행한다. 마지막 층의 프로파일까지 용접하면, 슬래그를 제거하고, Stage D에서 용접 로봇을 철수한다.

Stage A부터 Stage D까지 중에, 본 발명의 용접 부위의 형상 인식 방법과 직접 관련이 있는 부분은 Stage B이고, 본 발명의 용접 경로 생성 방법과 직접 관련된 부분은 Stage B와 Stage C이다.

도 26에는 도 25의 Stage B를 구체적으로 보여주는 플로 차트로써 레이저 센서를 사용한 스캔 방법을 보여주는 플로 차트가 도시되어 있고, 도 27에는 용접 부위의 스캔 방식을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 26에 도시된 것과 같이, 본 발명의 용접 부위의 형상 인식 방법에서는, 초기 위치에서 x축을 따라서 0부터 1000까지 스캔을 한다. 여기서 0과 1000은 index로 전체 스캔 구간을 1000개로 나눈 것이다. n번째 층(스캔한 위치를 나타냄, n번째 층을 스캔하여 얻은 결과가 n번째 프로파일임)에서 스캔하고, 스캔하여 얻은 데이터를 저장하고, 이를 필터링한 뒤, 기준점을 생성한다.

n번째 프로파일인 프로파일[n]의 기준점 생성이 성공하였을 경우, n + 1번째 층을 스캔할 때에는, 프로파일[n]의 기준점을 이용하여 스캔 범위를 결정할 수 있다. 이는 스캔 범위를 줄임으로써 계산 속도를 빠르게 하고, 메인 CPU의 부하도 줄이게 하기 위함이다. n + 1번째 층의 스캔 범위를 [SINCE(시작)]과 [UNTIL(끝)]로 표현했을 때, 도 27과 같이 [SINCE]는 프로파일[n]의 기준점[0]보다 일정 간격(ADDGAP) 좌측에 위치하고, [UNTIL]은 프로파일[n]의 기준점 [3]보다 우측에 위치하도록 한다. 만약 n번째 프로파일의 기준점 생성이 실패하였다면, n + 1번째 층을 스캔할 때는 n번째 층을 스캔하였을 때의 스캔 범위를 그대로 사용한다. T바의 진직도가 1mm이내로 작으므로, ADDGAP을 충분히 크게 한다면, 항상 스캔 범위 내에 T바의 간격이 존재하게 된다.

도 28에는 프로파일 데이터의 필터링부터 기준점 생성까지의 용접 경로 생성 방법을 보여주는 플로 차트가 도시되어 있다. 메인 CPU는 서브 CPU로부터 데이터를 받아서 저장을 하고, 알고리즘을 수행하게 된다.

메인 CPU에서는 데이터의 에러를 제거하고, 가우시안 필터를 적용한 뒤, 데이터를 미분을 하여 1계 미분계수의 최대, 최소를 구한다. 그런데 앞서 설명했듯이, 전체 스캔 가능한 범위는 0부터 1000까지인데, 실제 스캔 범위를 [SINCE]부터 [UNTIL]까지로 줄였다. 따라서 [SINCE]이전과 [UNTIL]이후의 index에는 거리 값이 들어있지 않고, 다른 임의의 값이 들어가 있다. 이로 인하여 1계 미분계수의 최대, 최소를 구할 때, [SINCE]부터 [UNTIL]까지 고려할 경우, [SINCE] 또는 [UNTIL]에서 최대 또는 최소가 존재한다는 결과를 얻게 될 수도 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 1계 미분계수의 최대, 최소를 구할 때는 데이터의 양쪽 끝 부분을 포함시키지 않는다. 즉, [SINCE + alpha]부터 [UNTIL - alpha]까지 고려하며, 1계 미분계수의 최대, 최소를 구한다.

1계 미분계수를 구한 뒤, 1계 미분계수들을 한 번 더 미분하여 2계 미분계수를 구한다. 2계 미분계수에 가우시안 필터를 적용하여서 부드러운 2계 미분계수 곡선을 얻는다. 이를 대상으로 2계 미분계수의 극소, 극대를 구하기 전에, AVR이 정수를 계산할 때보다 소수를 계산할 때 더 많은 부하가 걸리기 때문에 이 부하를 줄이기 위하여, 전체 2계 미분계수의 값을 1000배 한다. 이후에는 앞서 설명한 바와 같이 좌측 부분(left part)과 우측 부분(right part)을 나눠서 최대, 최소를 구한다. 그리고 각 부분(part)의 최대, 최소를 임시 기준점으로 정하고, 이를 이용하여 기준점을 구한다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 조선소에서 탑재 중인 블록의 사진.

도 2는 세팅 이후에 이중 선체 내부로 작업자가 들어가기 위한 좁은 접근 통로(access hole)를 보여주는 사진.

도 3a는 탑재 작업 중 블록과 블록의 단차를 제거하는 세팅 작업을 하였을 때, 이중 선체 내부의 론지와 론지 간의 맞대기 용접을 수행할 부분의 모습을 보여주는 사진.

도 3b는 론지가 접하는 T자형의 용접 부위의 형상을 개략적으로 보여주는 도면.

도 4는 초층 용접이 완료된 후의 T바의 론지 전면의 모습을 보여주는 사진.

도 5는 초층 용접이 완료된 후의 론지 웹의 형상을 보여주는 사진.

도 6은 본 발명에 따른 용접 경로 생성 방법을 개략적으로 보여주는 도면.

도 7은 용접 부위의 프로파일 인식을 위한 스캔 방식과, 한 번의 1차원 스캔을 통해 얻는 용접 부위 단면의 프로파일의 일례를 보여주는 도면.

도 8은 실제 시편에 대해 x축 방향으로 1차원 스캔을 수행한 결과 얻은 프로파일의 일례를 보여주는 도면.

도 9는 레이저 센서를 사용하여 측정한 프로파일에서 에러와 노이즈를 제거하는 방법을 보여주는 도면.

도 10은 표준편파(σ)가 1.5이고, μ=0일 때의 가우시안 분포를 나타낸 그래프.

도 11은 가우시안 분포에서 mask 값들을 추출하는 방식을 보여주는 그래프.

도 12는 가우시안 필터를 적용하기 전후의 프로파일의 변화를 보여주는 도면.

도 13은 도 9의 노이즈가 있는 프로파일(noisy profile)에 대하여 l=29로 하고, 표준편차는 달리하면서 가우시안 필터를 적용한 결과들을 보여주는 그래프.

도 14는 맞대기 용접을 수행할 용접 부위의 이상적인 프로파일의 형상을 보여주는 도면.

도 15는 필터링 된 프로파일[0]을 대상으로 가기준점을 생성하는 과정을 나타내는 도면.

도 16은 필터링 된 프로파일[0]의 가기준점들을 생성한 결과를 보여주는 도면.

도 17은 가기준점들을 수정하여 최종 기준점을 생성하는 방법을 보여주는 도면.

도 18은 앞서 결정한 기준점들을 토대로 좌우측 용접 기준점을 결정하는 방법을 보여주는 도면.

도 19는 용접 토치의 위빙 축의 위치를 결정하는 방식을 보여주는 도면.

도 20은 토치의 끝단이 위치할 타깃 포인트를 결정하는 방법을 설명하는 도면.

도 21은 최종 토치 끝단의 위치를 결정할 때 토치의 위빙 운동을 고려할 필요성을 설명하는 도면.

도 22는 필터링 된 프로파일[0]부터 필터링 된 프로파일[3]의 토치 끝단의 위치, 즉 위빙 용접 경로 생성 결과를 보여주는 도면.

도 23은 본 발명에 따른 자동 용접 로봇의 구성을 보여주는 사시도.

도 24는 도 23에 도시된 자동 용접 로봇을 이용하여 론지 전면 측의 용접 부위를 용접하는 동작을 보여주는 도면.

도 25는 자동 용접 로봇의 용접 작업의 플로 차트.

도 26은 도 25의 Stage B를 구체적으로 보여주는 플로 차트로써 레이저 센서를 사용한 스캔 방법을 보여주는 플로 차트.

도 27은 용접봉의 움직임과 함께 용접 부위의 스캔 방식을 설명하는 도면.

도 28은 프로파일 데이터의 필터링부터 기준점 생성까지의 용접 경로 생성 방법을 보여주는 플로 차트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 20: 론지 11, 21: 론지 웹

12, 22: 론지 전면 30: 수평 방향 용접 부위

40: 상하 방향 용접 부위 100: 자동 용접 로봇

111, 112: 가이드 레일 113, 114: 크로스 바

121, 122, 123, 124: 지지 유닛 121a, 122a, 123a, 124a: 자석

131, 132: 슬라이딩 블록 133: 롤러

134: 모터 140: 제1 가이드 부재

150: 센서 유닛 155: 용접봉

156: 회전축 159: 커버

160: 용접 유닛 170: 커플링 유닛

Claims (17)

1. 두 개의 판재가 초층 용접되어 일방향으로 연장된 홈의 형태를 가지는 용접 부위의 형상 인식 방법으로써,

   홈의 연장된 길이 방향으로 용접 부위를 복수 개의 구간으로 나누고 각각의 구간에 대해, 두 개의 판재가 초층 용접된 용접 부위의 형상을 인식하기 위해, 1차원 레이저 센서를 이용하여 용접 부위를 가로지르는 방향으로 이동하면서 1차원 레이저 센서와 용접 부위 사이의 거리를 측정하는 과정을 수행함으로써 복수 개의 용접 부위의 단면의 프로파일을 얻는 스캔 단계(a);

   상기 스캔 단계(a)에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 기울기가 급격하게 변화하는 지점에 해당하는 노이즈 데이터를 제거하는 필터링 단계(b); 및

   상기 필터링 단계(b)에서 필터링 된 데이터로부터 용접 부위의 단면 형상의 기준이 되는 기준점을 결정하는 기준점 생성 단계(c)를 포함하는 용접 부위의 형상 인식 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스캔 단계(a)에서 측정된 상기 1차원 레이저 센서의 측정값들 중 에러를 제거하는 단계를 상기 필터링 단계(b) 전에 더 수행하는 용접 부위의 형상 인식 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 필터링 단계(b)는,

   (1) 가우시안 분포에서 x = 0을 중심으로 등간격으로 l개(홀수)의 값을 추출하고,

   (2) 추출한 값들 각각을 추출한 값들의 총합으로 나누어서 mask를 구성하며,

   (3) 데이터에 다음의 수학식에 따라 mask를 적용하여 필터링을 완료하는 것임을 특징으로 하는 용접 부위의 형상 인식 방법.

   [수학식]

   

   (여기서, y _i 는 i번째 데이터의 값, m _k 는 mask의 k번째 성분, l _h = (l-1)/2이고, Yi는 y _i 를 필터링하여 구한 값)
4. 제1항에 있어서,

   상기 기준점 생성 단계(c)는,

   (i) 프로파일의 곡선에서 1계 미분계수가 최대인 점 p와 최소인 점 q를 찾고, p와 q의 중앙을 기준으로, 좌측과 우측으로 나눠서 2계 미분계수의 최대, 최솟값들을 구하며, 좌측에서 2계 미분계수의 최대인 지점을 가기준점[0]으로 정하고, 최소 점을 가기준점[1]로 정하며, 우측에서 2계 미분계수의 최소 점을 가기준점[2] 로 정하고, 최대 점을 가기준점[3]으로 정하는 가기준점 설정 단계와,

   (ii) 가기준점[0]과 가기준점[3]의 평균값 y ₀을 구하고 가기준점[1]과 가기준점[2]의 평균값 y ₁을 구하며, 가기준점[0]과 점 p를 지나는 직선1을 구하고, 가기준점[3]과 가기준점[2]를 지나는 직선2를 구한 후, y = y ₀과 직선0의 교점을 기준점[0]으로, y = y ₁과 직선0의 교점을 기준점[1]로, y = y ₁과 직선1의 교점을 기준점[2]로, y = y ₀과 직선1의 교점을 기준점[3]으로 결정하여 최종 기준점들을 결정하는 최종 기준점 생성 단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 용접 부위의 형상 인식 방법.
5. 두 개의 판재가 초층 용접되어 일방향으로 연장된 홈의 형태를 가지는 용접 부위의 자동 용접 경로 생성 방법으로써,

   홈의 연장된 길이 방향으로 용접 부위를 복수 개의 구간으로 나누고 각각의 구간에 대해, 두 개의 판재가 초층 용접된 용접 부위의 형상을 인식하기 위해, 1차원 레이저 센서를 이용하여 용접 부위를 가로지르는 방향으로 이동하면서 1차원 레이저 센서와 용접 부위 사이의 거리를 측정하는 과정을 수행함으로써 복수 개의 용접 부위의 단면의 프로파일을 얻는 스캔 단계(a);

   상기 스캔 단계(a)에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 기울기가 급격하게 변화하는 지점에 해당하는 노이즈 데이터를 제거하는 필터링 단계(b);

   상기 필터링 단계(b)에서 필터링 된 데이터로부터 용접 부위의 단면 형상의 기준이 되는 기준점을 결정하는 기준점 생성 단계(c);

   상기 기준점 생성 단계(c)에서 생성된 기준점을 이용하여 위빙 용접 경로를 생성하는 용접경로 생성 단계(d)를 포함하는 용접 경로 생성 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스캔 단계(a)에서 측정된 상기 1차원 레이저 센서의 측정값들 중 에러를 제거하는 단계를 상기 필터링 단계(b) 전에 더 수행하는 용접 경로 생성 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 필터링 단계(b)는,

   (1) 가우시안 분포에서 x = 0을 중심으로 등간격으로 l개(홀수)의 값을 추출하고,

   (2) 추출한 값들 각각을 추출한 값들의 총합으로 나누어서 mask를 구성하며,

   (3) 데이터에 다음의 수학식에 따라 mask를 적용하여 필터링을 완료하는 것임을 특징으로 하는 용접 경로 생성 방법.

   [수학식]

   

   (여기서, y _i 는 i번째 데이터의 값, m _k 는 mask의 k번째 성분, l _h = (l-1)/2이고, Yi는 y _i 를 필터링하여 구한 값)
8. 제5항에 있어서,

   상기 기준점 생성 단계(c)는,

   (i) 프로파일의 곡선에서 1계 미분계수가 최대인 점 p와 최소인 점 q를 찾고, p와 q의 중앙을 기준으로, 좌측과 우측으로 나눠서 2계 미분계수의 최대, 최솟값들을 구하며, 좌측에서 2계 미분계수의 최대인 지점을 가기준점[0]으로 정하고, 최소 점을 가기준점[1]로 정하며, 우측에서 2계 미분계수의 최소 점을 가기준점[2]로 정하고, 최대 점을 가기준점[3]으로 정하는 가기준점 설정 단계와,

   (ii) 가기준점[0]과 가기준점[3]의 평균값 y ₀을 구하고 가기준점[1]과 가기준점[2]의 평균값 y ₁을 구하며, 가기준점[0]과 점 p를 지나는 직선1을 구하고, 가기준점[3]과 가기준점[2]를 지나는 직선2를 구한 후, y = y ₀과 직선0의 교점을 기준점[0]으로, y = y ₁과 직선0의 교점을 기준점[1]로, y = y ₁과 직선1의 교점을 기준점[2]로, y = y ₀과 직선1의 교점을 기준점[3]으로 결정하여 최종 기준점들을 결정하는 최종 기준점 생성 단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 용접 경로 생성 방법.
9. 제5항에 있어서,

   상기 용접 경로 생성 단계(d)는,

   (i) 프로파일의 형상을 나타내는 기준점[1]과 기준점[2]를 이용하여 -y 방향으로 토치의 와이어가 기준점[1], 기준점[2]와 각각 떨어진 거리인 오프셋만큼 프로파일의 빗변을 따라 이격된 지점을 좌측 용접 기준점 WL과 우측 용접 기준점 WR로 정하고, 각각의 프로파일에 대한 WL과 WR을 구한 뒤, 평균 프로파일에 대한 WL, WR, 그리고 평균 용접 기준점들 사이의 지점인 WC를 구하며, 평균 프로파일을 대상으로 구한 WC에서 WL과 WR을 잇는 직선에 내린 수선을 따라 WC에서 먼 쪽으로 와이어 길이와 토치와 위빙 축 사이의 길이만큼 이동한 곳을 θ축의 위치로 결정하는 θ축의 y축 방향 좌표 결정 단계; 및

   (ii) 토치의 한 번의 일방향 이동에서 θ축의 위치를 기준으로 위빙할 각도 θ와 상승할 z축 방향의 거리 z를 다음의 수학식으로 결정하는 타깃 포인트 결정 단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 용접 경로 생성 방법.

   [수학식]

   

   [수학식]

   

   (여기서, T _x 는 타깃 포인트들의 x좌표, T _y 는 타깃 포인트들의 y좌표, T _z 는 타 깃 포인트들의 z좌표이고, W _x 는 θ축의 x좌표, W _y 는 θ축의 y좌표임)
10. 본체;

    상기 본체에서 용접 부위를 향하여 배치된 센서 유닛;

    상기 본체에 연결되어 배치되고, 용접봉을 구비하여 용접 부위에 용접을 수행할 수 있는 용접 유닛;

    상기 본체에 연결되어 상기 센서 유닛과 상기 용접 유닛 중 하나 이상을 이송하는 이송 유닛; 및

    상기 센서 유닛, 용접 유닛 및 상기 이송 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,

    상기 센서 유닛은 용접 부위에 레이저 광선을 발사하고 반사된 레이저 광선의 반사광을 수광하여 센서 유닛과 용접 부위의 특정 지점 사이의 거리를 측정할 수 있고, 상기 센서 유닛이 상기 이송 유닛에 의해 상기 용접 부위의 주변에서 용접 부위의 길이 방향을 가로지르는 방향으로 이동하면서 거리를 측정하여 해당 용접 부위 단면의 프로파일을 얻은 후, 다시 용접 부위의 길이 방향으로 이동하여 이전의 용접 부위의 프로파일과 이격된 위치에서의 용접 부위의 단면 프로파일을 얻는 방식으로 복수 개의 용접 부위의 단면 프로파일 데이터를 측정하며,

    상기 제어 유닛은 상기 센서 유닛에서 측정한 복수 개의 단면 프로파일 데이 터로부터 프로파일을 구성하는 기준점을 생성하고, 이 기준점으로부터 용접 경로를 생성하며, 생성된 용접 경로를 추종하도록 상기 이송 유닛이 상기 용접 유닛을 이송하도록 제어하여 자동 용접을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.
11. 제10항에 있어서,

    상기 센서 유닛은,

    연장된 길이 방향으로 용접 부위를 복수 개의 구간으로 나누고, 각각의 구간에 대해, 1차원 레이저 센서를 이용하여 용접 부위를 가로지르는 방향으로 이동하면서 1차원 레이저 센서와 용접 부위 사이의 거리를 측정하는 과정을 수행함으로써 복수 개의 용접 부위의 단면의 프로파일을 얻는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.
12. 제10항에 있어서,

    상기 제어 유닛은,

    상기 센서 유닛에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 기울기가 급격하게 변화하는 지점에 해당하는 노이즈 데이터를 제거하고, 노이즈가 제거된 데이터로부터 용접 부위의 단면 형상의 기준이 되는 기준점을 결정하며, 이 기준점을 이용하여 위빙 용접 경로를 생성하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.
13. 제11항에 있어서,

    상기 제어 유닛은,

    상기 센서 유닛에서 얻은 각각의 프로파일 곡선 데이터에서 상기 1차원 레이저 센서의 측정값들 중 에러를 제거하는 기능을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.
14. 제10항에 있어서,

    상기 제어 유닛은,

    (1) 가우시안 분포에서 x = 0을 중심으로 등간격으로 l개(홀수)의 값을 추출하고,

    (2) 추출한 값들 각각을 추출한 값들의 총합으로 나누어서 mask를 구성하며,

    (3) 각각의 단면 프로파일 데이터에 다음의 수학식에 따라 mask를 적용하여 프로파일 데이터의 필터링을 수행하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.

    [수학식]

    

    (여기서, y _i 는 i번째 데이터의 값, m _k 는 mask의 k번째 성분, l _h = (l-1)/2이고, Yi는 y _i 를 필터링하여 구한 값)
15. 제10항에 있어서,

    상기 제어 유닛은,

    (i) 프로파일의 곡선에서 1계 미분계수가 최대인 점 p와 최소인 점 q를 찾고, p와 q의 중앙을 기준으로, 좌측과 우측으로 나눠서 2계 미분계수의 최대, 최솟값들을 구하며, 좌측에서 2계 미분계수의 최대인 지점을 가기준점[0]으로 정하고, 최소 점을 가기준점[1]로 정하며, 우측에서 2계 미분계수의 최소 점을 가기준점[2]로 정하고, 최대 점을 가기준점[3]으로 정하고,

    (ii) 가기준점[0]과 가기준점[3]의 평균값 y ₀을 구하고 가기준점[1]과 가기준점[2]의 평균값 y ₁을 구하며, 가기준점[0]과 점 p를 지나는 직선1을 구하고, 가기준점[3]과 가기준점[2]를 지나는 직선2를 구한 후, y = y ₀과 직선0의 교점을 기준점[0]으로, y = y ₁과 직선0의 교점을 기준점[1]로, y = y ₁과 직선1의 교점을 기준점[2]로, y = y ₀과 직선1의 교점을 기준점[3]으로 결정하여 최종 기준점들을 결정하여 용접 부위의 형상을 결정하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.
16. 제10항에 있어서,

    상기 제어 유닛은,

    (i) 프로파일의 형상을 나타내는 기준점[1]과 기준점[2]를 이용하여 -y 방향으로 토치의 와이어가 기준점[1], 기준점[2]와 각각 떨어진 거리인 오프셋만큼 프 로파일의 빗변을 따라 이격된 지점을 좌측 용접 기준점 WL과 우측 용접 기준점 WR로 정하고, 각각의 프로파일에 대한 WL과 WR을 구한 뒤, 평균 프로파일에 대한 WL, WR, 그리고 평균 용접 기준점들 사이의 지점인 WC를 구하며, 평균 프로파일을 대상으로 구한 WC에서 WL과 WR을 잇는 직선에 내린 수선을 따라 WC에서 먼 쪽으로 와이어 길이와 토치와 위빙 축 사이의 길이만큼 이동한 곳을 θ축의 위치로 결정하고,

    (ii) 토치의 한 번의 일방향 이동에서 θ축의 위치를 기준으로 위빙할 각도 θ와 상승할 z축 방향의 거리 z를 다음의 수학식으로 결정하는 것을 특징으로 하는 자동 용접 로봇.

    [수학식]

    

    [수학식]

    

    (여기서, T _x 는 타깃 포인트들의 x좌표, T _y 는 타깃 포인트들의 y좌표, T _z 는 타깃 포인트들의 z좌표이고, W _x 는 θ축의 x좌표, W _y 는 θ축의 y좌표임)
17. 본체;

    상기 본체에서 용접 부위를 향하여 배치된 센서 유닛;

    상기 본체에 연결되어 배치되고, 용접봉을 구비하여 용접 부위에 용접을 수행할 수 있는 용접 유닛;

    상기 본체에 연결되어 상기 센서 유닛과 상기 용접 유닛 중 하나 이상을 이송하는 이송 유닛; 및

    상기 센서 유닛, 용접 유닛 및 상기 이송 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,

    제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 용접 경로 생성 방법에 의해 생성된 용접 경로 정보를 토대로, 상기 이송 유닛이 상기 용접봉의 위빙 축의 위빙 각도와 용접 부위의 길이 방향 이송 간격에 맞게 상기 용접봉이 이송하면서 용접 부위를 용접하도록 하는 자동 용접 로봇.

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