KR101239337B1 - 비접촉 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 형상 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 본체와, 본체에 양측으로 확장되도록 슬라이딩 가능하게 설치되는 한 쌍의 센서브라켓과, 센서브라켓에 설치되며, 센서브라켓과 함께 이동함으로써 서로의 거리가 조절되는 한 쌍의 3차원 센서와, 본체에 수직 방향으로 회전 가능하도록 설치되며, 측정 포인트까지의 거리를 측정하는 레이저거리측정센서와, 레이저거리측정센서를 수평 방향으로 회전시키는 회전스테이지와, 레이저거리측정센서의 수직 방향 회전량 및 수평 방향 회전량을 측정하는 회전량 측정부를 포함하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

Description

비접촉 형상 측정 장치{APPARATUS FOR NONCONTACT MEASUREMENT}

본 발명은 비접촉 형상 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 형상과 크기를 가진 피측정물의 형상을 용이하면서도 정확하게 측정할 수 있는 비접촉 형상 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 유조선, 컨테이너선, LNG 운반선 등과 같은 대형 선박은 각 부분이 블록 상태로 제작된 후에 조립 및 탑재 과정을 거쳐 완성된다. 그런데, 선박이 설계된 형상대로 건조되기 위해서는 그 부분품인 블록이 설계된 치수대로 제작되어야 하며, 일정한 오차 범위 내에서 블록의 조립 및 탑재가 이루어져야 한다.

이와 같은 블록은 용접에 의해 서로 조립되므로, 일단 블록이 서로 조립된 후에는 수정하는 것이 곤란하다. 따라서, 블록이 조립되기 전에 그 치수가 설계된대로 제작되었는지 우선 확인되어야 한다.

그런데, 블록은 그 규모가 크고 형상이 복잡하여, 작업자가 직접 줄자와 같은 측정도구를 이용하여 공간적인 형상을 측정하는 것은 매우 어려울 뿐만 아니라 위험하다. 따라서, 이와 같이 선박 건조에 사용되는 대형 부재인 블록의 형상을 계측하기 위해서는 광파기를 사용하거나, 접촉식 센서를 사용하게 된다.

그러나, 블록의 형상 측정을 위하여, 광파기를 사용할 경우 광파기의 시야 확보가 우선적으로 진행되어야 하므로 가려진 부분 등에 대한 측정이 문제될 수 있고, 상대 좌표의 값만 계측할 수 있으며, 대형 부재의 계측 시 전체 부재에 대한 계측에 한계가 있다. 또한 접촉식 센서를 이용하는 방법은 접근이 용이하지 않은 영역에 대해서는 계측이 어렵게 되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명의 실시예들은 다양한 형상과 크기를 가진 피측정물을 정확하고 편리하게 측정할 수 있는 비접촉 형상 측정 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 본체와, 상기 본체에 양측으로 확장되도록 슬라이딩 가능하게 설치되는 한 쌍의 센서브라켓과, 상기 센서브라켓에 설치되며, 상기 센서브라켓과 함께 이동함으로써 서로의 거리가 조절되는 한 쌍의 3차원 센서와, 상기 본체에 수직 방향으로 회전 가능하도록 설치되며, 측정 포인트까지의 거리를 측정하는 레이저거리측정센서와, 상기 레이저거리측정센서를 수평 방향으로 회전시키는 회전스테이지와, 상기 레이저거리측정센서의 수직 방향 회전량 및 수평 방향 회전량을 측정하는 회전량 측정부를 포함하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 본체에는 상기 센서브라켓이 서로 평행하게 슬라이딩 할 수 있도록 형성되는 가이드 레일을 포함하는 슬라이딩결합부가 제공되는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 센서브라켓에는, 바깥쪽 단부에 형성되며 상기 3차원 센서를 고정할 수 있는 센서고정부와, 상기 슬라이딩결합부의 단부에 걸림으로써 상기 센서브라켓의 이동을 제한하는 스토퍼가 제공되는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 본체에는, 상기 레이저거리측정센서의 회전량을 조절하는 회전량 조절부가 마련되는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 회전스테이지는 상기 본체의 하부에 마련되며, 상기 비접촉 형상 측정장치를 지지하는 지지부에 대해 상기 본체를 수평 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 3차원 센서는 적어도 3개 이상의 위치확인유닛으로부터 발신되는 신호를 수신하여 상기 위치확인유닛까지의 거리를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 회전량 측정부는, 상기 회전량 조절부에 연결되어 상기 레이저거리측정센서의 수직 방향 회전량을 측정하는 제 1 엔코더와, 상기 회전스테이지에 연결되어 상기 레이저거리측정센서의 수평 방향 회전량을 측정하는 제 2 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 비접촉 형상 측정 장치는 다양한 형상과 크기를 가진 피측정물을 정확하고 편리하게 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 형상 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 형상 측정 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 형상 측정 장치를 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 형상 측정 장치(100)는 본체(110)와, 본체(110)에 양측으로 각각 확장되도록 설치되는 센서브라켓(120)과, 센서브라켓(120) 각각에 설치되는 3차원 센서(130)와, 본체(110)에 제공된 회전축(113)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 레이저거리측정센서(Laser Distance Sensor; LDS, 140)와, 레이저거리측정센서(140)의 회전량을 측정하도록 설치되는 엔코더(encoder; 150, 161)를 포함할 수 있다.

본체(110)는 미도시된 지지부에 의해 설치면에 설치되며, 지지부가 높이 조절 구조를 가짐으로써 설치면으로부터 높이가 조절될 수 있다. 예를 들어 지지부는 삼각대일 수 있다.

한편, 본체(110)는 회전스테이지(160)를 매개로 하여 지지부에 고정될 수 있는데, 회전스테이지(160)는 본체(110)의 하부에 마련되어 지지부 상에 고정되며, 모터의 회전력을 이용하여 본체(110)를 지지부에 대해 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 회전스테이지(160)는 본체(110)를 설치면에 대해 수직인 회전축(Z축)을 기준으로 회전시킬 수 있다. 따라서, 본체(110)는 회전스테이지(160)에 의해 설치면에 대해 수평방향으로 임의의 각도로 회전하여 측정 포인트를 향할 수 있다. 이하에서 수직 방향은 설치면과 수직한 방향을 의미하며, 수평 방향은 설치면과 평행한 방향을 의미한다.

또한, 본 실시예에서 회전스테이지(160)는 본체(110)를 회전시킴으로써 레이저거리측정센서(140)를 회전시키는 것을 예로 설명하였으나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않으며 직접 레이저거리측정센서(140)를 수평 방향으로 회전시킬 수도 있다.

또한, 회전스테이지(160)에는 본체(110)의 회전량을 감지할 수 있는 엔코더(161)가 제공될 수도 있다.

센서브라켓(120)은 한 쌍으로 이루어져서 본체(110)에 양측으로 각각 확장되도록 슬라이딩 가능하게 설치되고, 이로 인해 이동 시 크기를 줄일 수 있다. 여기서, 센서브라켓(120)이 본체(110)의 내측으로 이동했을 때 비접촉 형상 측정 장치(100)가 차지하는 부피를 최소화하기 위하여, 본체(110)의 상단부에는 센서브라켓(120)이 나란하게 수평 방향으로 슬라이딩되도록 안내하는 슬라이딩결합부(111)가 마련될 수 있다. 슬라이딩결합부(111)에는 한 쌍의 센서브라켓(120)의 수평 방향 이동을 안내하는 가이드레일(112)이 나란하게 형성될 수 있다. 센서브라켓(120)에는 가이드레일(112)과 결합하는 가이드리브(121)가 제공될 수 있다.

또한, 센서브라켓(120)의 바깥쪽 단부에는 3차원 센서(130)가 고정부재(123)에 의해 상방으로 수직되게 고정되는 센서고정부(122)가 각각 형성되며, 센서고정부(122)의 배면에는 슬라이딩결합부(111)의 단부에 걸려 센서브라켓(120)의 이동을 제한하는 스토퍼(124)가 마련된다.

3차원 센서(130)는 일례로 인도어(indoor) GPS로서 미니 벡터바가 사용될 수 있고, 센서브라켓(120) 각각에 설치됨으로써 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 각 3차원 센서(130)의 상단부와 하단부에는 위치신호를 송신 또는 수신하는 위치확인부(미도시)가 설치될 수 있고, 센서브라켓(120)과 함께 이동함으로써 서로의 거리가 조절될 수 있다.

3차원 센서(130)는 벡터바의 특성상 벡터바 간의 거리가 멀수록 계측 정밀도가 향상되기 때문에 센서브라켓(120)과 함께 서로간의 거리가 증가하도록 이격될 수 있다.

레이저거리측정센서(140)는 일측에 레이저빔을 발사하는 레이저조사부와, 반사되어 돌아오는 레이저빔을 수광하는 레이저수광부를 포함할 수 있다. 레이저거리측정센서(140)는 수평 방향으로 본체(110)에 설치된 회전축(113)을 중심으로 수직 방향으로 회전 가능하도록 설치되고, 측정 포인트까지의 거리를 측정한다. 여기서, 레이저조사부는 3차원 센서(130)가 형성하는 일 평면과 수직한 방향으로 레이저빔을 조사할 수 있다.

레이저거리측정센서(140)는 회전축(113)에 직접 결합될 수 있으나, 본 실시예에서처럼 회전축(113)에 브라켓(114)이 결합되고, 레이저거리측정센서(140)는 브라켓(114)에 스크루나 볼트 등의 체결부재를 사용하여 장착될 수 있다. 즉, 레이저거리측정센서(140)는 브라켓(114)과 함께 회전축(113)을 중심으로 회전 가능하도록 설치될 수 있다.

한편, 본체(110)는 레이저거리측정센서(140)를 미세하게 회전시키기 위한 회전량 조절부(115)가 마련될 수 있다. 여기서 회전량 조절부(115)는 일례로 브라켓(114)에 고정된 회전축(113)에 설치되는 웜휠과, 웜휠에 기어결합되는 웜과, 웜에 고정되는 회전노브를 포함할 수 있다. 따라서, 회전노브에 의해 웜을 회전시킴으로써 웜휠과 함께 브라켓(114) 및 레이저거리측정센서(140)가 미세하게 회전하도록 한다. 또한, 회전량 조절부(115)는 회전축(113)에 설치되는 회전기어와, 회전기어에 기어결합되는 감속기어와, 감속기어에 고정되는 회전노브를 포함할 수 있으며, 회전노브의 회전량을 미세한 회전량으로 변환시킴으로써 브라켓(114)이 레이저거리측정센서(140)와 함께 미세하게 회전하도록 할 수 있다. 이 밖에도 회전량 조절부(115)는 조작에 의해 레이저거리측정센서(140)가 회전축(113)을 기준으로 미세하게 회전하도록 하는 다양한 구성으로 이루어질 수 있다.

엔코더(150)는 레이저거리측정센서(140)의 회전량을 측정하도록 본체(110)에 설치되는데, 레이저거리측정센서(140)에 연결되는 회전축, 예컨대 브라켓(114)에 고정되는 회전축(113)에 연결되도록 본체(110)에 설치됨으로써 레이저거리측정센서(140)의 회전각도를 측정하게 되며, 일례로 레이저거리측정센서(140)가 일정량의 각도를 회전할 때마다 펄스를 발생시킴으로써 이로부터 레이저거리측정센서(140)의 회전량을 산출할 수 있도록 한다.

여기서, 엔코더(150, 161)는 레이저거리측정센서(140)의 수직 방향 회전량 및 수평 방향 회전량을 측정하는 것으로서, 회전량 측정부라고 할 수 있으며, 수직 방향 회전량을 측정하는 것을 제 1 엔코더(150), 수평 방향 회전량을 측정하는 것을 제 2 엔코더(161)라 할 수 있다.

아울러, 본 실시예에서는 회전량 측정부로 엔코더(150, 161)를 사용하는 것을 예로 들었지만, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저거리측정센서(140)를 회전시키기 위한 회전량 조절부(115) 및 회전스테이지(160)의 모터 등 구동 장치에 홀 센서가 장착되어 직접 회전량을 측정할 수도 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 비접촉 형상 측정 장치의 작동을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 피측정물(1), 예컨대 블록이 놓인 작업영역, 즉 작업장에는 위치신호를 송신하는 다수의 위치확인유닛(11,12,13,14)이 분산 배치된다. 위치확인유닛은 삼각측량법의 활용을 위해 적어도 3개 이상 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

여기서, 다수의 위치확인유닛(11, 12, 13, 14)의 위치는 미리 메인컨트롤러(210)에 입력되어 저장되어 있을 수 있다.

다수의 위치확인유닛(11,12,13,14)은 작업영역 내에서 동기화된 전파를 무선으로 송신한다. 3차원 센서(130)에 내장된 위치확인부는 위치확인유닛(11,12,13,14)이 송신하는 위치신호를 수신하고, 수신되는 위치신호의 시간차를 측정하여 다수의 위치확인유닛(11,12,13,14) 각각으로부터의 거리를 측정할 수 있다. 측정된 거리로부터 삼각측량법을 이용하여 다수의 위치확인유닛(11,12,13,14)에 대한 3차원 센서(130)의 위치를 알 수 있다.

여기서, 다수의 위치확인유닛(11,12,13,14)에 대한 3차원 센서(130)의 위치는 위치확인부가 산출하거나, 또는 해당 정보를 메인콘트롤러(210)가 산출할 수 있다.

3차원 센서(130)의 위치가 파악되면, 3차원 센서(130)와 레이저거리측정센서(140)와의 오프셋(offset) 량은 기구적으로 정의되어 있는 바, 다수의 위치확인유닛(11,12,13,14)에 대한 레이저거리측정센서(140) 및 비접촉 형상 측정 장치(100)의 위치도 알 수 있다.

그리고, 레이저거리측정센서(140)는 피측정물(1)의 측정포인트에 부착된 표적지 등의 타겟을 향해 레이저를 조사하고, 그 반사광을 수신함으로써 레이저거리측정센서(140)로부터 타켓까지의 거리를 측정할 수 있다.

또한, 엔코더(140)는 레이저거리측정센서(140)의 수직 방향의 회전 각도를 측정할 수 있으며, 회전스테이지(160)는 레이저거리측정센서(140)의 수평 방향 회전각도를 측정할 수 있다.

레이저거리측정센서(140)의 위치를 극좌표계(polar coordinates)의 기준이라고 보았을 때, 레이저거리측정센서(140)로부터 타겟까지의 거리(r), 레이저거리측정센서(140)의 수직방향 회전 각도(θ), 레이저거리측정센서(140)의 수평 방향 회전각도(φ)를 알 수 있으므로, 레이저거리측정센서(140)의 위치에 대한 타겟의 위치를 정확하게 정의할 수 있다.

여기서, 비접촉 형상 측정 장치(100)의 측정 데이터는 메인콘트롤러(210)에 블루투스(bluetooth) 등의 무선 통신을 통해 송신될 수 있다. 메인콘트롤러(210)는 비접촉 형상 측정 장치(100)로부터 수신한 정보를 바탕으로 피측정물(1)에 부착된 타겟의 위치를 정확하게 산출해냄으로써 피측정물(1)의 형상을 측정할 수 있다.

상세히, 메인컨트롤러(210)는 위치확인유닛(11, 12, 13, 14)의 위치 정보를 알고 있으므로, 위치확인유닛(11, 12, 13, 14)에 대한 3차원 센서(130)의 위치 정보를 수신하면 3차원 센서(130)와 레이저거리측정센서(140) 사이의 오프셋량을 적용하여, 위치확인유닛(11, 12, 13, 14)에 대한 레이저거리측정센서(140)의 위치를 정의할 수 있다. 이를 기준으로 레이저거리측정센서(140)로부터 타겟까지의 거리, 레이저거리측정센서(140)의 수직방향 회전 각도, 레이저거리측정센서(140)의 수평 방향 회전각도를 이용하여 레이저거리측정센서(140)의 위치에 대한 타겟의 위치를 정확하게 측정할 수 있다.

그리고, 피측정물(1)에 부착된 타겟의 위치를 변경하여 측정을 반복함으로써 피측정물(1)의 전체 형상을 정확하게 파악할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 다수의 위치확인유닛(11,12,13,14)이 분산 배치된 작업영역 내에서 비접촉 형상 측정 장치(100)의 위치를 용이하게 파악할 수 있으며, 레이저거리측정센서(140)의 레이저조사부 위치 및 발사되는 레이저빔의 각도 또한 용이하게 산출되므로 표적지의 공간상 좌표 또한 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 센서브라켓(120)의 슬라이딩에 의해 운반시 크기를 줄일 수 있으며, 사용시 센서브라켓(120)을 양측으로 확장시킴으로써 3차원 센서(130)간의 거리를 확장시킬 수 있으며, 이로 인해 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 레이저거리측정센서(140)의 조준방향을 피측정물(1)인 블록이 대형화되더라도 회전축(113)과 회전스테이지(160)에 의해 용이하게 조절할 수 있다.

한편, 메인콘트롤러(210)에서 산출된 피측정물(1)의 형상 정보는 현장의 작업자가 확인할 수 있도록 무선랜을 통해서 휴대용 단말기(220)로 보내질 수도 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

110 : 본체 111 : 슬라이딩결합부
112 : 가이드레일 113 : 회전축
114 : 브라켓 115 : 회전량 조절부
120 : 센서브라켓 121 : 가이드리브
122 : 센서고정부 123 : 고정부재
124 : 스토퍼 130 : 3차원 센서
140 : 레이저거리측정센서 150 : 엔코더
160 : 회전스테이지

Claims (7)

1. 본체와,
   상기 본체에 양측으로 확장되도록 슬라이딩 가능하게 설치되는 한 쌍의 센서브라켓과,
   상기 센서브라켓에 설치되며, 상기 센서브라켓과 함께 이동함으로써 서로의 거리가 조절되는 한 쌍의 인도어 GPS와,
   상기 본체에 수직 방향으로 회전 가능하도록 설치되며, 측정 포인트까지의 거리를 측정하는 레이저거리측정센서와,
   상기 레이저거리측정센서를 수평 방향으로 회전시키는 회전스테이지와,
   상기 레이저거리측정센서의 수직 방향 회전량 및 수평 방향 회전량을 측정하는 회전량 측정부를 포함하는 비접촉 형상 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체에는
   상기 센서브라켓이 서로 평행하게 슬라이딩 할 수 있도록 형성되는 가이드 레일을 포함하는 슬라이딩결합부가 제공되는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 센서브라켓에는,
   바깥쪽 단부에 형성되며 상기 인도어 GPS를 고정할 수 있는 센서고정부와,
   상기 슬라이딩결합부의 단부에 걸림으로써 상기 센서브라켓의 이동을 제한하는 스토퍼가 제공되는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 본체에는,
   상기 레이저거리측정센서의 회전량을 조절하는 회전량 조절부가 마련되는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전스테이지는 상기 본체의 하부에 마련되며, 상기 비접촉 형상 측정장치를 지지하는 지지부에 대해 상기 본체를 수평 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 인도어 GPS는 적어도 3개 이상의 위치확인유닛으로부터 발신되는 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 회전량 측정부는,
   상기 회전량 조절부에 연결되어 상기 레이저거리측정센서의 수직 방향 회전량을 측정하는 제 1 엔코더와,
   상기 회전스테이지에 연결되어 상기 레이저거리측정센서의 수평 방향 회전량을 측정하는 제 2 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.

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