KR101483950B1 - 용접 훈련 시뮬레이터의 평가모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가상 용접 훈련을 통하여 용접 결과물이 만들어지면, 용접 결과물에 대하여 평가요소별 평가 및 채점을 하고, 그 평가결과를 사용자에게 실시간으로 제공할 수 있는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가모듈에 관한 것이다.
본 발명은 가상 현실에서 모재에 토치를 이용하여 비드를 생성시키면, 용접 결과물에 대해 평가하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈에 있어서, 상기 토치의 이동 경로와 상기 비드의 형태를 데이터로 획득하여 저장하는 데이터 획득부; 상기 데이터 획득부에서 획득된 데이터를 소정의 평가 방식에 따라 점수로 평가 결과를 도출하는 데이터 연산부; 및 상기 데이터 연산부에서 도출된 점수를 볼 수 있도록 출력하는 훈련기록지 출력부;를 포함할 수 있다.

Description

용접 훈련 시뮬레이터의 평가모듈 {EVALUATION MODULE FOR WELDING TRAINNING SIMULATOR}

본 발명은 가상 용접 훈련을 통하여 용접 결과물이 만들어지면, 용접 결과물에 대하여 평가요소별 평가 및 채점을 하고, 그 평가결과를 사용자에게 실시간으로 제공할 수 있는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가모듈에 관한 것이다.

가상 현실은 인공적으로 만들어낸 가상의 현실로써, 가상 현실 기술의 대표적인 목적은 가상의 경험을 사용자가 얻을 수 있도록 하는 것이다. 즉, 현실의 상황과 동일하거나 물리적으로 불가능한 가상의 시나리오를 사용자가 체험할 수 있도록 하는 것이다.

예를 들어, 용접 기술은 매우 많은 현장에서 사용되는 기술로서, 실제 훈련을 많이 필요로 한다. 그런데, 실제로 용접봉을 이용하여 용접하는 훈련을 실시함에 있어서, 용접 재료의 소비가 많기 때문에 재료비의 증가로 인하여 반복적인 훈련이 쉽지 않으며, 시간과 공가 및 재료 등에 많은 제한이 있다.

따라서, 경제적인 요인과 용접 교육의 단점을 극복하기 위하여, 가상 현실에서 용접 훈련할 수 있는 시뮬레이터의 개발이 요구되고 있다.

또한, 용접 결과물을 평가할 때, 많은 훈련자의 용접 훈련과정을 평가자가 일일이 확인하기가 현실적으로 불가능하며, 용접 결과물만으로 채점하는 방식에 따라 주관적인 평가가 이루어질 수 있다.

따라서, 훈련한 용접 결과물을 가상 현실의 장점을 극대화함으로써, 훈련자의 모든 움직임과 생성되는 비드의 형태적 특징을 저장하여 객관적일 뿐 아니라 정확한 평가 모듈의 개발이 요구되고 있다.

그런데, 용접 훈련의 가장 기본적인 목적은 훈련생이 비드의 폭과 높이를 일정하게 정해진 루트를 따라 생성하는 것인데, 가상 현실 기반 훈련 시스템을 이용하더라도 훈련생이 각 환경에 따라 비드를 생성하는 방법과, 비드 생성시에 필요한 훈련자의 자세 및 토치의 각도를 제어하는 방법을 인지시킬 수 있도록 하는 것이 필요하다.

특히, 용접 훈련이 종료된 후, 훈련자에게 용접 결과물에 대하여 정확한 피드백이 이루어져야 하며, 훈련이 진행되는 동안, 훈련자의 실수와 개선해야 될 부분을 제시하여 용접 훈련 교육의 성과를 극대화시키는 것이 필요하다.

그러나, 기존의 용접 교육 훈련은 교육 인원에 비해 평가 인력이 부족하고, 훈련자의 훈련 과정을 평가자가 지속적으로 확인할 수 없기 때문에 훈련 결과에 대한 객관적인 평가가 이루어지기 힘들고, 나아가 평자가의 평가 결과를 훈련자가 인지하여 이해하기에 많은 시간이 투자 되어야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가상 현실 기반의 용접 훈련에 대한 신속하고 객관적인 평가가 가능한 용접훈련 시뮬레이터의 평가 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가상 현실 기반의 용접 훈련에 대한 평가 결과를 신속하게 훈련자에게 피드백할 수 있는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 가상 현실에서 모재에 토치를 이용하여 비드를 생성시키면, 용접 결과물에 대해 평가하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈에 있어서, 상기 토치의 이동 경로와 상기 비드의 형태를 데이터로 획득하여 저장하는 데이터 획득부; 상기 데이터 획득부에서 획득된 데이터를 소정의 평가 방식에 따라 점수로 평가 결과를 도출하는 데이터 연산부; 및 상기 데이터 연산부에서 도출된 점수를 볼 수 있도록 출력하는 훈련기록지 출력부;를 포함하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈은 토치의 이동경로 및 비드의 형상을 데이터로 획득하고, 데이터를 이용하여 소정의 평가 방식에 따라 점수로 평가 결과를 도출하기 때문에 가상 현실 기반의 용접 훈련에 대해서 신속하고 객관적인 평가가 가능하며, 나아가 평가자의 편의를 도모하여 시간과 비용을 절약할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈은 가상의 용접 훈련 중에 획득된 데이터를 소정의 평가 방식에 따라 평가한 다음, 평과 결과에 대해서 훈련기록지 형태로 출력하여 제공하기 때문에 가상 현실 기반의 용접 훈련 후에 훈련자에게 훈련 결과를 신속하게 피드백하며, 나아가 훈련자에게 보완 및 개선할 부분을 손쉽게 인지시킬 수 있어 용접 훈련의 효과를 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 통한 훈련 과정에서 평가에 필요한 데이터가 도시된 도면.
도 2는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈이 도시된 블록도.
도 3은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 작업각 평가 방법이 도시된 도면.
도 4는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 진행각 평가 방법이 도시된 도면.
도 5는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 CTWD 평가 방법이 도시된 도면.
도 6은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 작업경로 평가 방법이 도시된 도면.
도 7은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 높이 평가 방법이 도시된 도면.
도 8은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 너비 평가 방법이 도시된 도면.
도 9는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 높이 정보를 통한 비드의 시/종점 평가 방법이 도시된 도면.
도 10은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용하여 출력되는 훈련기록지의 일예가 도시된 도면.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 통한 훈련 과정에서 평가에 필요한 데이터가 도시된 도면이다.

본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터는 마그네틱 센서를 통하여 SMAW 토치의 6자유도 값인 Position(x,y,z)값과 Euler(x,y,z)값을 획득할 수 있도록 구성되는데, 실제 SMAW 토치가 움직이는 것을 가상 현실의 토치에 적용하여 일치시킨다. 이때, Position(x,y,z)값과 Euler(x,y,z)값을 이용하여 토치의 이동경로(6)와, 토치와 모재 사이의 각도인 작업각(5)과, 토치와 비드 연장선 사이의 각도인 진행각(4) 등과 같은 데이터를 획득할 수 있다.

먼저, 마그네틱 센서를 통해 입력되는 데이터를 가상현실에 적용하여 가상의 용접 훈련을 수행한다. 이때, 용접 훈련을 수행하면서 생성되는 형태의 결과물이 비드인데, 이러한 비드는 토치의 위치정보(8)와 각도정보(5,6)와 속도정보를 통하여 형태가 결정된다.

또한, 비드의 다양한 데이터를 이용하여 비드 가시화 알고리즘을 적용하여 비드가 생성하게 되고, 비드의 높이와 너비를 포함하는 형태정보(7)를 비롯하여 상기에서 언급한 토치의 위치정보(8)와 각도정보를 데이터로 테이터베이스에 저장한다. 이때, 데이터베이스에 저장되는 프레임은 마그네틱 센서와 가시화 알고리즘에 따라 차이가 발생하지만, 통상적으로 20-30프레임으로 저장된다.

도 2는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈이 도시된 블록도이다.

본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈은 데이터 획득부(10)와, 데이터 연산부(20)와, 훈련기록지 출력부(30)로 구성된다.

상기 데이터 획득부(10)는 상기 마그네틱 센서와 비드 가시화 알고리즘을 통하여 축적된 정보를 데이터 베이스에 저장할 수 있다. 이때, 상기 데이터 베이스에 저장되는 데이터는 상기 토치의 이동 경로와 상기 비드의 형태를 나타나낼 수 있으며, 일예로 용접이 이루어지는 모재와 토치 사이의 각도인 작업각과, 용접 결과물인 비드의 연장선과 토치 사이의 각도인 진행각과, 토치와 모재 사이의 간격인 CTWD와, 토치의 움직임을 나타내는 작업경로와, 비드의 높이와 너비 등을 포함할 수 있다.

상기 데이터 연산부(20)는 상기 데이터 획득부(10)에서 획득된 데이터를 이용하여 각각의 평가 방식에 따라 점수로 평가 결과를 도출할 수 있으며, 소정의 알고리즘을 수행하여 평과 결과를 도출할 수 있다.

상기 훈련기록지 출력부(30)는 상기 데이터 연산부(20)에서 도출된 평과 결과를 볼 수 있는 훈련기록지 형태로 출력할 수 있는데, 이러한 훈련기록지는 용접 평가 점수 또는 결과를 훈련자 및 평가자에게 실시간으로 제공될 수 있다.

하기에서는 상기 데이터 연산부(20)에서 각각의 평가 방식에 따라 평가 결과가 도출되는 다양한 실시예를 참고하여 살펴보기로 하며, 한정되지 아니한다.

도 3은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 작업각 평가 방법이 도시된 도면이다.

작업각은 비드의 미려도를 평가하는 항목으로써, 작업각에 따라 비드의 형태가 달라지게 되며, 정확한 비드의 형태를 만들기 위해서는 90°의 작업각을 유지하면서 용접을 수행하는 것이 바람직하다.

기존의 용접 훈련에서는 훈련자가 용접을 수행하더라도 작업각 유지에 대한 평가가 이뤄지지 못하고, 비드의 형태 정보를 통하여 평가가 수행하였기 때문에 정확한 평가가 이루어지기 어려운 실정이었다.

하지만, 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 평가방법은 가상 현실이라는 장점을 극대화시킴으로써, 훈련자가 취하는 작업각의 정보를 매 프레임마다 저장하고, 훈련을 진행하는 동안에 취하는 작업각의 정보를 이용하여 점수화시킨 다음, 훈련자에게 제공하기 때문에 작업각에 대한 평가 및 피드백이 가능하여 용접 훈련의 효과를 높일 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 작업각 평가 방법을 살펴보면, A 영역은 90°작업각 기준값에서 ±10°허용범위를 적용한 영역이며, B 영역은 상기의 허용범위를 벗어난 영역이다. 이때, 허용 가능한 A영역의 면적과 그 범위를 벗어난 B 영역의 면적을 이용하여 아래의 [수학식1]을 적용하면, 작업각에 대한 평가 결과를 점수로 환산할 수 있다.

이때, rowcont*20 은 A 영역이고, sumwangle 은 B 영역을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 진행각 평가 방법이 도시된 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 진행각 평가 방법을 살펴보면, 상기의 작업각 평가 방법과 같이 A 영역은 80°진행각 기준값에서 ±10°허용범위를 적용한 영역이며, B 영역은 상기의 허용범위를 벗어난 영역이다. 마찬가지로, 상기의 수학식1을 적용하면, 진행각에 대한 평과 결과를 점수로 환산할 수 있다.

도 5는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 CTWD 평가 방법이 도시된 도면이다.

CTWD는 모재와 토치 사이의 거리를 나타나는 값으로써, CTWD가 기준값보다 낮거나 높아지면, 비드의 형태가 달라지게 된다. 따라서, 비드의 형태를 균일하게 생성하기 위해서는 CTWD를 균일하게 유지하면서 용접을 수행하는 것이 중요한데, 앞에서 언급한 바와 같이 기존에 비드의 형태로만 평가하는 것과 다르게 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 평가방법은 CTWD에 대한 평가 및 피드백이 가능하여 용접 훈련의 효과를 높일 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 CTWD 평가 방법을 살펴보면, A 영역은 10mm CTWD 기준값에서 ±5mm 허용범위를 적용한 영역이며, B 영역은 상기의 허용범위를 벗어난 영역이다. 마찬가지로, 상기의 수학식1을 적용하면, CTWD에 대한 평과 결과를 점수로 환산할 수 있다. 물론, CTWD의 기준값과 허용범위는 지정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 작업경로 평가 방법이 도시된 도면이다.

보통, 용접 훈련을 수행하기 전에 훈련자는 용접을 진행할 위치를 따라 지시선을 그리게 되고, 이러한 지시선을 따라 용접을 수행하고, 지시선에서 어긋난 경우에 감점 요인이 된다.

하지만, 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터는 훈련 미션마다 지시선을 모재에 나타나게 표현하였으며, 해당 지시선에 따라 용접 훈련을 수행하도록 유도한다. 따라서, 작업경로 평가 방법은 지시선의 이탈 빈도에 따라 100점에서 가감하는 방식으로 점수를 산정할 수 있다. 예를 들어, 최적의 작업 토치 좌표와 훈련자의 토치 좌표의 거리를 2mm 정도이면, 2점을 감점하고, 4mm 정도이면, 4점을 감점하는 방식으로 산정될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 작업경로 평가 방법을 살펴보면, 직선이 작업 지시선인 최적의 작업 토치 좌표를 나타낸 것이고, 삐뚤빼뚤한 선이 훈련자의 토치 좌표를 나타낸다. 따라서, 해당 그래프에서 각 지점의 거리값을 이용하여 점수로 산정할 수 있다.

도 7은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 높이 평가 방법이 도시된 도면이다.

보통, 훈련이 종료된 다음, 비드의 높이와 폭을 채점하게 된다. 이때, 비드의 높이는 시점부터 종점까지 얼마나 일정하게 유지하였는지를 평가하는 항목이다. 물론, 비드의 높이가 일정하지 않으면, 향후 크랙(Crack)의 원인이 될 수 있으며, 비드의 높이가 일정하지 않은 부분을 다시 보완하는 용접 작업을 수행해야 하기 때문에 중요한 평가 항목이다.

기존의 실제 용접 훈련에서는, 비드의 높이를 눈으로 직접 확인하고, 측정 도구를 이용하여 채점하였다.

하지만, 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 높이 평가 방법은 비드가 생성되는 시점마다 비드의 높이 정보를 저장하고, 훈련이 완료된 시점에 생성된 비드의 높이 정보를 취합하여 가상의 비드 모양을 생성한 다음, 생성된 비드의 높이 정보를 이용하여 점수를 환산한다.

도 7에 도시된 바와 같이 비드의 높이 평가 방법을 살펴보면, 수평한 선은 로봇 용접을 통하여 얻어진 표준 데이터이고, 굴곡진 선은 훈련자가 수행한 비드의 높이정보이다. 따라서, 해당 그래프에서 훈련자가 수행한 비드의 높이정보를 로봇 용접기가 수행한 평균높이와 비교하여 차이값을 구하고, 이러한 비드의 차이값을 점수로 환산할 수 있다.

도 8은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 너비 평가 방법이 도시된 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이 비드의 너비 평가 방법을 살펴보면, 상기의 비드의 높이 평가 방법과 같이 수평한 선은 로봇 용접을 통하여 얻어진 표준 데이터이고, 굴곡진 선은 훈련자가 수행한 비드의 너비정보이다. 따라서, 해당 그래프에서 훈련자가 수행한 비드의 너비정보를 로봇 용접기가 수행한 평균너비와 비교하여 차이값을 구하고, 이러한 비드의 차이값을 점수로 환산할 수 있다.

도 9는 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용한 비드의 높이 정보를 통한 비드의 시/종점 평가 방법이 도시된 도면이다.

비드의 시점 처리 및 종점 처리는 해당 평가 항목이 그 자체로 기준이 될 만큼 중요한 채점 방식이다. 따라서, 훈련자의 기술이 미흡하여 비드의 시/종점 처리가 제대로 처리되지 않은 경우, 크랙 및 각종 불량의 원인이 발생된다. 그리하여, 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈은 가상 현실에서도 시점 및 종점 평가에 대해서 실제 평가하는 방법과 동일하게 설계하고 있다.

구체적으로, 시점 처리의 경우, 용접을 진행하기 전에 시작하는 지점에 비드를 먼저 쌓아 올리는 방식이기 때문에 비드를 어느 높이까지 쌓는지가 중요하다. 이때, 비드의 높이를 낮게 쌓아도 안 되고 너무 높게 쌓아도 안 되며, 시점에서 비드의 높이에 따라 점수를 채점한다.

도 9에 도시된 바와 같이 비드의 시/종점 평가 방법을 살펴보면, a,b,c 등 3개의 훈련 작업을 표시하고, 훈련 작업과 최적 작업 간의 영역 차이를 표시하고 있다. 이때, 점수 환산은 그래프에서와 같이 최적 작업을 기준으로 훈련자가 수행한 영역을 기준으로 점수를 환산할 수 있다.

도 10은 본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터를 이용하여 출력되는 훈련기록지의 일예가 도시된 도면이다.

본 발명의 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈은 도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이 평가 항목별로 각각의 평가 방법을 통하여 평가 결과를 점수로 나타낼 수 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이 훈련자나 평가자가 쉽게 확인할 수 있도록 훈련기록지 형태로 출력할 수 있다.

이때, 평가 항목별로 100점 만점을 기준으로 점수를 환산하고, 항목별 평균 점수를 도출하여 훈련의 결과를 출력할 수 있다. 일예로, 평균 점수가 70점 미만인 경우에 실패이고, 70점 이상일 경우에 성공으로 출력할 수도 있으며, 용접 작업의 난이도에 따라 평균 점수는 조절될 수 있다.

또한, 데이터베이스에 축적된 작업각, 진행각, 속도, CTWD, 비드의 너비와 높이 등과 같은 데이터를 그래프 형태로 훈련자나 평가자에게 제공할 수 있는데, 시간의 흐름에 따라 항목별로 생성되는 데이터를 그래프로 표현할 수 있다. 따라서, 평가자는 해당 그래프를 통해 훈련자에게 보다 정확한 평가 및 조언을 해 줄 수 있고, 훈련자는 해당 그래프를 통해 평가 결과를 빠르고 손쉽게 인지할 뿐 아니라 개선시킬 수 있다.

10 : 데이터 획득부 20 : 데이터 연산부
30 : 훈련기록지 출력부

Claims (9)

1. 가상 현실에서 모재에 토치를 이용하여 비드를 생성시키면, 용접 결과물에 대해 평가하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈에 있어서,
   상기 토치의 이동 경로와 상기 비드의 형태를 데이터로 획득하여 저장하는 데이터 획득부;
   상기 데이터 획득부에서 획득된 데이터를 소정의 평가 방식에 따라 점수로 평가 결과를 도출하는 데이터 연산부; 및
   상기 데이터 연산부에서 도출된 점수를 볼 수 있도록 출력하는 훈련기록지 출력부;를 포함하고,
   상기 데이터 연산부는, 상기 토치와 모재 사이의 각도인 작업각을 이용한 점수 환산 방식을 통하여 작업각 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연산부는, 상기 토치와 비드 연장선 사이의 각도인 진행각을 이용한 점수 환산 방식을 통하여 진행각 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연산부는, 상기 토치와 모재 사이의 거리인 CTWD를 이용한 점수 환산 방식을 통하여 CTWD 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연산부는, 상기 토치의 이동 속도를 이용한 점수 환산 방식을 통하여 작업속도 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연산부는, 상기 토치의 이동 경로를 이용한 점수 환산 방식을 통하여 작업경로 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연산부는, 상기 비드의 높이를 이용한 점수 환산 방식을 통하여 비드의 높이 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연산부는, 상기 비드의 너비를 이용한 점수 환산 방식을 통하여 비드의 너비 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.
9. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 연삭부는, 상기 비드의 높이를 이용한 점수 환산 방식을 통하여 비드의 시/종점 평가 결과를 제공하는 용접 훈련 시뮬레이터의 평가 모듈.

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