KR101844281B1 - 복잡구조물 용접자동화를 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템 - Google Patents

복잡구조물 용접자동화를 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

복잡구조물 용접자동화를 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템은, 용접 로봇에 설치되어, 상기 복잡구조물의 내부에 관한 복수의 수직 측정면이 획득되도록 2차원 스캔 방식으로 센싱하는 센서; 상기 복수의 수직 측정면 각각에 대해 1차 특징점으로 추출하고, 공간 특징점과 장애물 정보로 분리하는 1차 특징점 추출부; 상기 공간 특징점과 상기 장애물 정보를 센서 좌표계에서 상기 용접 로봇에 관한 광역 좌표계의 값으로 변환하는 좌표계 변환부; 상기 광역 좌표계의 값으로 변환된 상기 공간 특징점에 기초하여 코너부에 관한 2차 특징점을 추출하는 2차 특징점 추출부; 상기 2차 특징점에 기초하여 상기 복잡구조물에 대한 모서리와 면을 검출하여 작업공간을 인식하는 작업공간 인식부; 및 상기 장애물 정보에 기초하여 장애물이 존재하는 면을 확인하여 상기 장애물의 위치 및 크기를 인식하는 장애물 인식부를 포함할 수 있다.

Description

복잡구조물 용접자동화를 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템{Wide environment recognition method and system of welding robot}
본 발명은 복잡구조물 용접자동화를 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 해양플랜트 구조물의 경우, 대표적인 대상 작업물의 내부가 다수의 격벽들로 이루어진 직육면체(1m 큐브(Cube)) 형태이며, 12개의 개선공간에 대한 멀티패스(multi-pass) 용접을 기본으로 한다. 각각의 격벽들에는 0.6m X 0.6m 크기의 액세스 홀이 존재하여 사람이 이를 통해 구조물 내부로 접근하고 매우 불편하고 어려운 자세로 내부 용접을 수행하는 것이 현실이다.
또한, 협소한 공간에서의 해양플랜트 용접은 작업 시에 발생되는 용접 흄, 분진, 용접열 등이 잘 배출되지 않는 고온(약 80˚C), 고분진 환경에서의 작업이며 용접 부위에 따라 작업 형상이 정형화 되지 않고 예열패드 등의 장애물로 인해 작업의 간섭이 많이 발생되는 환경으로 용접사가 연속작업을 하기 매우 어려워 작업의 효율성이 낮다.
특히, 해양플랜트의 경우 설치되는 해역에 맞게 설계가 필요하며, 사용 조건에 따라 거의 모든 사양이 결정되기 때문에 그 구조 형태가 일반 선박을 건조할 때와 달리 매우 다양하다. 일반 선박의 경우 내부 보강재 형상이 정형화된 경우가 많아서 자동 용접을 적용하기가 수월한 편이고 용접 부재의 두께도 해양 플랜트 구조보다는 얇아서 대부분 1~2 Pass 정도로 용접하여 마무리 하고 있다.
하지만, 해양플랜트 구조물의 경우 완전용입(CJP, Complete joint penetration) 또는 부분 완전 용입(PJP, Partial joint penetration) 조건의 용접을 수행하는 것이 대부분이고, 이러한 조건을 맞추기 위해서 부재간 접합부의 용접은 각장조건 만족을 위해 멀티패스 용접을 해야만 하는 특성이 있다.
이러한 특수한 환경에서 자동화된 장비를 이용하여 용접작업을 수행하기 위해서는 작업공간 내에서의 로봇의 위치 측정(Localization) 및 공간 구조물에 대한 각각의 작업 시작점들에 대한 인식 및 장애물(각 면에 부착될 수 있는 예열 패드)에 대한 형상 및 위치 확인이 필수적 과제라고 말할 수 있다.
한국공개특허 10-2004-0050739 (2004.06.17 공개) - 모바일 레이저 스캐닝 데이터를 이용한 3차원 지형지물추출 및 분류 시스템 및 그 방법
본 발명은 해양플랜트의 협소공간 내 복잡구조물에 대한 고 난이도 멀티패스(Multi-Pass) 용접작업을 자동화 할 수 있는 방법의 일환으로 복잡구조물 내부에서 용접작업을 수행하는 자동화 장비(로봇)의 작업공간 및 장애물 인식을 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 용접작업의 고 난이도 및 위험성, 고품질 요구사항을 만족시키고 작업자의 편의성을 도모하여 궁극적으로는 로봇과 사람의 협업을 통해 작업의 효율성을 향상시키는 복잡구조물 용접자동화를 위한 광역 환경 인식 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해양플랜트의 복잡구조물에 대한 광역 환경 인식을 수행하는 광역 환경 인식 시스템으로서, 용접 로봇에 설치되어, 상기 복잡구조물의 내부에 관한 복수의 수직 측정면이 획득되도록 2차원 스캔 방식으로 센싱하는 센서; 상기 복수의 수직 측정면 각각에 대해 1차 특징점으로 추출하고, 공간 특징점과 장애물 정보로 분리하는 1차 특징점 추출부; 상기 공간 특징점과 상기 장애물 정보를 센서 좌표계에서 상기 용접 로봇에 관한 광역 좌표계의 값으로 변환하는 좌표계 변환부; 상기 광역 좌표계의 값으로 변환된 상기 공간 특징점에 기초하여 코너부에 관한 2차 특징점을 추출하는 2차 특징점 추출부; 상기 2차 특징점에 기초하여 상기 복잡구조물에 대한 모서리와 면을 검출하여 작업공간을 인식하는 작업공간 인식부; 및 상기 장애물 정보에 기초하여 장애물이 존재하는 면을 확인하여 상기 장애물의 위치 및 크기를 인식하는 장애물 인식부를 포함하는 광역 환경 인식 시스템이 제공된다.
상기 센서는 상기 용접 로봇의 제1축을 중심으로 회전하면서 "ㄷ"자 형태의 상기 수직 측정면을 회전각 분해능에 상응하는 개수만큼 획득할 수 있다.
상기 1차 특징점 추출부는 상기 복수의 수직 측정면 각각에 대해 상기 센서로부터의 거리 변화 속성이 변경되는 지점을 상기 1차 특징점으로 추출할 수 있다.
상기 1차 특징점 추출부는 상기 센서를 중심으로 거리 변화가 증가하다가 감소하는 지점을 상기 작업공간의 모서리에 해당하는 상기 공간 특징점으로 추출하고, 상기 센서를 중심으로 거리 변화가 감소하다가 증가하는 지점을 상기 센서에서 상기 작업공간의 면까지의 최단거리 점에 해당하는 상기 공간 특징점으로 추출할 수 있다.
상기 1차 특징점 추출부는 소정 거리 이내 영역에서 거리 변화가 있는 경우 상기 장애물에 대한 수직방향 폭으로 인지하여 상기 장애물 정보로 추출할 수 있다.
상기 1차 특징점 추출부는 상기 공간 특징점을 G 행렬에 저장하고 상기 장애물 정보를 O 행렬에 저장하며, 상기 2차 특징점 추출부는 상기 G 행렬 중 2행 및 4행 성분을 활용할 수 있다.
상기 2차 특징점 추출부는 상기 공간 특징점에 기초하여 상기 허프 변환 불변값(HT-불변값)에 대한 튐 성분을 확인하여 상기 2차 특징점으로 추출할 수 있다.
상기 작업공간 인식부는 상기 2차 특징점을 상하부 코너점으로 보고, 상기 상하부 코너점에 대한 광역 좌표를 이용하여 상기 용접 로봇의 y축을 기준으로 각도 기준 인접한 코너부터 반시계 방향으로 넘버링하고, 모서리 사이의 공간은 상기 작업공간의 면으로 넘버링할 수 있다.
상기 장애물 인식부는 상기 장애물 정보에 기초하여 상기 장애물이 존재하는 면의 번호를 확인함으로써 상기 장애물에 대한 소속 넘버링을 수행할 수 있다.
상기 센서는 센서 오프셋에 의한 블라인드 영역을 상기 복잡구조물의 중앙부 및 장애물 미 적용부에 놓이도록 초기 위치가 설정될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 해양플랜트의 협소공간 내 복잡구조물에 대한 고 난이도 멀티패스 용접작업을 자동화 할 수 있는 방법의 일환으로 복잡구조물 내부에서 용접작업을 수행하는 자동화 장비(로봇)의 작업공간 및 장애물 인식이 가능하다.
또한, 용접작업의 고 난이도 및 위험성, 고품질 요구사항을 만족시키고 작업자의 편의성을 도모하여 궁극적으로는 로봇과 사람의 협업을 통해 작업의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복잡구조물 자동화 용접 로봇을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템에서 광역 환경 인식하고자 하는 작업공간과 장애물 및 로봇을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템의 구성 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템에서 수행되는 광역 환경 인식 방법의 순서도,
도 5는 광역 환경 인식 과정 중 2D 스캐너 적용에 따른 대상과의 위치 관계를 나타낸 도면,
도 6은 공간 및 장애물 인식을 위한 1차 특징점 추출 과정(센서 좌표계)을 나타낸 도면,
도 7은 공간 및 장애물 인식을 위한 2차 특징점 추출 과정(광역 좌표계)을 나타낸 도면,
도 8은 2차 특징점을 이용한 모서리 영역의 인식 과정을 나타낸 도면,
도 9는 특징점 라인에 대한 광역 좌표계 베어링 증분을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈", "…유닛" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복잡구조물 자동화 용접 로봇을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 복잡구조물 자동화 용접 로봇은 해양플랜트와 같은 복잡한 구조물에 대한 용접을 수행하는 로봇이다. 본 실시예에서 복잡구조물 자동화 용접 로봇은 전술한 1m 입방체 내에서 예열패드(용접패드)와 같은 장애물과의 간섭을 회피하여 용접작업을 수행할 필요가 있다.
이를 위해 본 실시예에 따른 복잡구조물 자동화 용접 로봇(100)의 경우 기능상 모니터링 시스템(110), 제어 시스템(120), 환경 인식 시스템(130)의 3가지 시스템으로 구분할 수 있다.
모니터링 시스템(110)의 경우 광역 환경 인식의 결과를 전송받아 구축된 용접작업에 대한 데이터베이스에 기초하여 전체 작업의 스케쥴링 및 사전 작업 시뮬레이션을 수행하고, 작업자 유저 인터페이스(UI)를 포함한다.
제어 시스템(120)의 경우 모니터링 시스템(110)의 작업 지령에 따라 다관절(예컨대, 6축) 로봇의 끝에 있는 용접 팁을 이용해 용접작업을 제어하는 역할을 수행한다.
환경 인식 시스템(130)의 경우 전체 작업공간을 정의하고 장애물을 인식하는 광역 환경 인식(광역 인식) 부분(132)과, 용접 팁 부분에 장착하여 개선공간에 대한 크기 및 현재 진행된 용접 패스(pass) 대비 위치기반 차후 용접작업이 수행되어야 할 위치 산출 등을 수행하는 로컬 환경 인식(로컬 인식) 부분(134)이 있다.
이하에서는 광역 환경 인식 부분을 중심으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템에서 광역 환경 인식하고자 하는 작업공간과 장애물 및 로봇을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템의 인식 대상 및 목표는 다음과 같다.
인식 대상인 작업공간(working space)은 1m(최대 2m) 큐브(cube) 형태를 가지는 복잡구조물(10)이다. 이하에서 복잡구조물(10)은 각 모서리가 길이 a를 가지고 상하면이 다면체(사각형 혹은 오각형)인 거더(girder)인 경우를 가정한다.
2D 스캐너를 회전하며 측정한 점군 데이터 중 주요 특징점인 모서리 부분(12)에 대한 로봇 광역 좌표계(로봇의 모바일부 중심) 기준 좌표에 각 코너를 연결하는 수직 에지 라인에 대한 상대 회전(orientation)을 산출하게 된다.
상기 공간 인식을 통해 현재 로봇(20)의 광역 좌표계 원점이 각 면으로부터 얼마나 떨어져 있는지에 대한 위치 측정(localization)이 가능하며, 장애물의 경우 도 2에 도시된 것과 같이 용접을 위한 예열 패드(15)에 대한 사전정보(예컨대, 두께 45T)를 바탕으로 가로 길이와 세로 길이를 측정한 점군 데이터의 특징점에 대한 분석을 통해 산출하게 된다. 장애물은 예열 패드(15) 이외에 전선도 포함될 수 있다.
광역 환경 인식에 있어 공간 인식의 정확도는 로컬 환경 인식을 담당하는 LVS(Laser vision system)의 측정 정확도(예컨대, 50mm)에 상응하여 설정될 수 있다. 초기 위치 이동시 LVS에 개선공간이 인식되지 못하는 상황이 발생할 수 있기에, 용접 팁이 있는 부분에 별도의 터치 센서를 장착하여 이를 개선하는 형태로 환경 인식 시스템(130)이 구현될 수 있다.
이하에서는 환경 인식 시스템 중에서도 광역 환경 인식 시스템에서 작업공간 및 장애물을 인식하는 방법에 대하여 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템의 구성 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템에서 수행되는 광역 환경 인식 방법의 순서도이며, 도 5는 광역 환경 인식 과정 중 2D 스캐너 적용에 따른 대상과의 위치 관계를 나타낸 도면이고, 도 6은 공간 및 장애물 인식을 위한 1차 특징점 추출 과정(센서 좌표계)을 나타낸 도면이며, 도 7은 공간 및 장애물 인식을 위한 2차 특징점 추출 과정(광역 좌표계)을 나타낸 도면이고, 도 8은 2차 특징점을 이용한 모서리 영역의 인식 과정을 나타낸 도면이며, 도 9는 특징점 라인에 대한 광역 좌표계 베어링 증분을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템(132)은 센서(210), 1차 특징점 추출부(220), 좌표계 변환부(230), 2차 특징점 추출부(240), 작업공간 인식부(250), 장애물 인식부(260)를 포함한다.
광역 환경 인식 시스템(132)은 로봇의 제1축에 2D 스캐너를 장착하여 축을 1도(˚) 단위로 회전하면서 200도(˚) 이상의 2차원 스캐닝 데이터를 획득하고, 특징점을 추출하여 작업공간 및 장애물에 대한 위치 및 크기 정보를 추출한다. 용접작업이 이루어지는 12개(윗면이 5각형일 경우 14개)의 개선공간에 대한 좌표를 상당한 정확도(예컨대, 50mm 정확도)로 산출하여, 초기 위치로 자동화 용접 로봇의 용접 팁이 이동한 이후에는 로컬 환경 인식부(134), 즉 로봇 측에 부착된 별도의 LVS 센서를 통해 로컬 좌표 및 개선공간의 정보를 추가적으로 인식하게 된다.
즉, 광역 환경 인식 시스템(132)은 로봇의 제1축에 장착된 2D 스캐너에서 획득한 센서 데이터를 이용하여 센서 좌표계에서 1차 특징점 추출을 수행하여 코너(corner)를 포함하는 모서리 라인 상에 존재하는 1차 특징점들에 대한 정보 및 장애물의 위치 및 크기 정보들을 분류한 뒤, 광역 좌표계에서의 값으로 변환하여 모서리 정보를 획득하는 방식이 적용된다. 이를 위해서는 획득된 센서 데이터에 대해서 광역 좌표계(로봇의 모바일부(휠 구동부) 중심)와 센서 좌표계 간의 상호 변환이 기본적으로 수행될 필요가 있다.
센서(210)는 2D 스캐너일 수 있으며, 로봇에 장착될 때의 오프셋(offset) 및 각 변수가 도 5에 도시되어 있다. 본 명세서 및 도면에서 사용되는 파라미터의 정의는 다음과 같다.
Figure 112016038161077-pat00001
로봇의 센서 중심은 인식공간 중심과의 이격 반경 r를 가지고 있으며, 로봇은 임의의 오리엔테이션(orientation)으로 정렬되며, 이축에 수직하도록 센서 좌표계가 회전하도록 설정될 수 있다.
로봇의 모바일부에 의한 스캐닝 영역 간섭을 고려하여 광역 x축 방향으로 d 만큼 오프셋을 고려하였다. 또한, 센싱 영역은 중복을 회피하기 위해 y축을 기준으로 z축 방향으로의 센싱각을 (+) 값으로 정의하였을 때 일정 각도 범위(예컨대, -100도(˚) ~ +100도(˚) 범위)로 한정한다. 이는 인식공간과 광역 좌표계 축과의 비틀림을 고려한 범위이다. 최초 작업자가 매뉴얼로 로봇을 공간 내에 위치시킬 때 최대한 공간 내 중심영역에 위치시키되, 상부 및 하부에서 발생하는 센서 오프셋에 의한 블라인드 영역(310)에 예열패드가 없는지 육안 확인을 하는 것으로 작업 절차를 정의하기로 한다. 즉, 블라인드 영역(310)을 중앙부, 예열패드 미 적용부에 놓이도록 위치시켜 측정 오차를 최소화시킬 수 있다.
개발되는 로봇의 경우 제1축의 회전 각도 분해능이 1/1000도(˚) 수준으로, 1도(˚) 단위의 회전 및 2D 스캐닝에는 문제가 없는 사양으로 구성될 수 있다. 센서(210)의 경우 오프셋 이외에도 로봇의 z축 방향으로 h 높이에 장착되는데, 이러한 변수를 고려하면 다음과 같은 광역-센서 좌표계 변환식이 도출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016038161077-pat00002
수학식 1과 같은 광역-센서 좌표계 변환식에서 로봇의 j번째 회전각을
Figure 112016038161077-pat00003
, 센서(210)의 i번째 측정각을
Figure 112016038161077-pat00004
로 정의 하였으며
Figure 112016038161077-pat00005
는 i번째 측정에 대한 베어링(bearing) 값을 의미한다.
또한, 센서(210)는 광역 z축과 수직한 평면에 평행하게 설치하여 센서로부터 측정된 값을 기초하여 획득한 광역인식의 결과에 대해서 바닥 면의 굴곡 및 측정 공간의 상대적인 왜곡 정도를 산출 가능토록 구성할 수 있다.
센서(210)가 1도(˚) 단위로 스캐닝을 수행하는 경우, 200도(˚) 이상을 측정할 때 하나의 측정 평면(수직 측정면(300))에 대해서는 200개 이상의 센서 데이터가 획득될 수 있다. 만약 0.3도(˚) 단위로 분해능으로 스캐닝을 수행할 때에는 하나의 측정 평면에 대해서 660개 정도의 센서 데이터가 획득될 수도 있다.
센서(210)가 로봇의 제1축을 중심으로 회전하게 되면, 총 240,000개의 불필요한 데이터가 포함된 많은 수의 센서 데이터(이하에서는 점군 데이터로도 칭함)가 획득될 수 있다. 이러한 센서 데이터를 모두 연산하여 특징점을 추출하는 것은 일정 수준 이상의 정확도를 보증할 수도 없고, 개발된 알고리즘 적용에 따른 연산시간도 증가하는 문제가 있다.
따라서, 본 실시예에서는 1차 특징점 추출부(220)에서 직관적이면서도 사람이 인지하는 방식과 유사하게 공간에 대한 거리 변화를 검출하여 모서리 및 면까지의 최단거리 정보를 센서 좌표계에서 1차적으로 추출하도록 한다.
1차 특징점 추출부(220)에서는 하나의 수직 측정면(310)에 대해서 장애물이 없는 경우 작업공간 인식 기준이 되는 5개의 1차 특징점만을 추출할 수 있다. 장애물이 있는 경우에는 장애물에 상응하는 1차 특징점이 추가 추출될 수 있다. 1도(˚) 단위의 로봇 축 회전을 가정할 경우 총 1800개의 특징점을 추출하게 된다. 이는 모든 점군 데이터를 사용할 경우에 비해 데이터 처리량이 1% 수준으로 99% 개선된 결과를 보여준다.
도 6을 참조하면, 1차 특징점 추출부(220)에서 수행되는 1차 특징점 추출 방법이 도식화되어 있다.
1차 특징점 추출부(220)에서는 각 수직 측정면에서의 센서 데이터 중 거리 기준으로 변화점들을 찾아 1차 특징점으로 분류할 수 있다. 직관적으로, 공간의 모서리, 장애물의 에지들은 거리 변화 속성이 변하는 지점들이며, 이러한 특징을 활용하여 센서 좌표계에서 의미 없는 데이터는 버리고 광역 인식에 필요한 데이터만을 획득할 수 있다.
1차 특징점에 대한 불변값(invariant)으로 j번째 로봇 회전각에 대해서 i번째 베어링 값에 대한 미분치가 0(zero)이 되는 값을 선정한다. 즉, 센서 측정값에 대한 극좌표계(센서 좌표계)의 거리 값을 기준으로 미분하여 0(zero)에 해당하는 값만을 추출한다. 이를 통해 주어진 센서 측정영역에 대해 센서-공간면 최단거리 및 "ㄷ"자 형태의 수직 측정면에 대한 모서리 라인 점들을 획득할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016038161077-pat00006
상기 수학식 2는 1차 특징점 추출 과정에서 핵심 불변값이다. 만약 장애물(예컨대, 예열패드)이 있는 경우에는 해당 장애물의 시작점 및 끝점에서의 변화가 센서 측정각 영역 기준으로 국소영역에서 일어남이 추정 가능하다.
이러한 추정과 실험적인 데이터를 통해 장애물 정보 판단에 대해 하기 수학식 3과 같은 임계치 선택이 가능하다.
[수학식 3]
Figure 112016038161077-pat00007
도 6에서 모서리 라인에 대한 특징점을 파란색으로, 현 센서 측정면(수직 측정면)에서 센서(210)와 각 측정 면 사이의 최단거리를 빨간색 점으로 도시하였다.
1차 특징점에는 공간의 모서리, 센서에서 공간의 각 면에 이르는 최단거리 점, 장애물의 에지가 모두 포함될 수 있다.
예컨대, 센서(210)를 중심으로 거리 변화가 증가하다가 감소하는 지점은 모서리(혹은 에지)이고, 센서(210)를 중심으로 거리 변화가 감소하다가 증가하는 지점은 해당 수직 측정면에서 각 공간면까지의 최소 측정 거리이며, 소정 거리(예컨대, 150mm) 이내 영역에서 거리 변화가 있는 경우에는 장애물에 대한 수직방향 폭으로 인지할 수 있다.
1차 특징점들은 전술한 기준에 따라 개선공간(모서리 라인 부분)과 장애물(예열패드)을 분리하여 각각 G(Girder) 행렬과 O(obstacle) 행렬에 저장할 수 있다. G 행렬은 5*360개의 성분을 가지게 되며, O 행렬은 장애물의 높이/폭에 대한 정보를 가지게 된다.
G 행렬에서 1, 3, 5행 성분은 센서에서 공간면까지의 최단거리 점에 해당하는 바, G 행렬의 2, 4행 성분을 가지고 후술하는 2차 특징점 추출부(240)에서 각 모서리 부분에 해당하는 최종 특징점을 산출하게 된다.
1차 특징점 추출부(220)에서 1차 특징점을 추출하는 과정에서, 고주파 성분을 제거하기 위해 1차원 가우시안 필터(Gaussian filter)가 적용될 수 있다.
또한, 수학식 2에서 정의한 미분 값에 대해서는 스무싱(smoothing)된 곡선에 대해 중심 미분이 적용될 수 있고, 0(zero)이 되는 지점들의 측정 각도가 확인될 수 있다.
좌표계 변환부(230)는 1차 특징점 추출부(220)에서 1차 특징점 추출의 결과로 G 행렬과 O 행렬의 데이터에 대해서 1차 특징점들의 좌표 값을 수학식 1을 이용하여 광역 좌표계 기준 값으로 변환하여, G* 행렬과 O* 행렬로 저장한다.
기본적으로 광역 좌표계로 변환하는 이유는 센서 좌표계 자체가 고정되어 있지 않고, 광역 좌표의 원점을 기준으로 회전하기 때문이다.
1차 특징점 추출부(220)에서 추출된 데이터(G 행렬, O 행렬)에 대해 광역 좌표계로 변환한 후, 2차 특징점 추출부(240)는 허프 변환 불변값(Hough Transform Invariant, HT-불변값)을 산출하여 G 행렬의 2행 및 4행에 대해서 4개 혹은 5개의 코너부 점들(ADk(i))을 산출하고, 각 직선들 사이의 각도(코너 각도)를 산출(adk(i))한다.
G* 행렬의 2행과 4행에 대해서 z축을 제외한 특징점 평면-2, 4에 대해서 하기 수학식과 같은 2차원 허프 변환(Hough Transform) 불변값(invariant)(HT-불변값이라고도 칭함)(라인 및 각도)을 최종 특징점(코너부)을 추출하기 위한 파라미터로 선정한다.
[수학식 4]
Figure 112016038161077-pat00008
수학식 4의 경우, 2차원 평면 내 동일한 라인에 존재하는 측정점들에 대한 연산으로, 동일한 센서 측정각 분해능을 전제 조건으로 한다. i번째 점에 대한 2k+1 개의 인접한 특징점에 대한 연산을 수행하게 된다. 상기 수학식 4는 같은 라인이 아닌 점(코너부 또는 코너부 인접한 점)에서는 도 7의 우측 하단에 도시된 것과 같이 데이터 튐이 발생하게 되고, 특정 임계값을 기준으로 하여 코너부에 대한 위치 판단이 가능하게 된다.
수학식 4의 아래 수식을 단순화하면 수학식 5와 같이 광역 좌표계에 대한 특징점들로 구성된 라인의 최단거리를 이루는 직선의 각도도 불변값으로 확인이 가능하다. 결국 특정 코너를 기준으로 전/후의 측정면에 대한 사이 각도 산출이 가능하다.
[수학식 5]
Figure 112016038161077-pat00009
수학식 4 및 5의 경우, 센서 좌표계에서 특징점을 추출하는 방법이지만, 1차적으로 선별된 특징점 군들에 대한 동일 평면 내의 코너를 찾는 방법으로 사용하기에 다음의 2가지 조건이 선행될 필요가 있다.
첫번째는 특징점들에 대한 광역 좌표계 변환이며, 이는 전술한 좌표 변환식(수학식 1)을 통해 가능하다.
두번째는 HT-불변값 자체가 센서의 측정각 분해능이 일정함을 가정하여 만족된 수식인데, 본 실시예에서는 측정 구조 상 센서가 회전하게 되어 동일한 라인에 대해서도 로봇의 제1축 회전에 대한 특징점들 사이의 광역 좌표계에서의 베어링 값은 그 차이가 완벽히 동일하지는 않다. 이 부분에 대한 오차를 계산하기 위해 하기 수학식 6이 이용될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112016038161077-pat00010
임의의 로봇 회전각에 대한 광역 좌표계의 기준 특징점에 대한 베어링 값을 수학식 6으로 표현하였다. 박스 거더(box girder) 공간 크기(size) 및 중심부 로봇 안착, 센서-로봇 제1축 간의 오프셋(예컨대, 100mm)을 고려하여 로봇 제1축이 1도(˚) 단위 각도 증분으로 -81도(˚)~9도(˚) 영역에서 커질 때, 광역 좌표계 기준 베어링 값 사이의 증분이 도 9에서 확인 가능하다.
평균인 1도(˚)를 기준으로 ㅁ0.15도(˚) 수준으로 로봇의 1도(˚) 증분에 대해서 작은 각도로 무시할 만한 수준이다. 이에 의해 나타나는 수학식 4의 상부 수식의 오차는 임계값 최적 설계 및 센서 오프셋 값의 최소화, HT-불변값 연산 개수(k) 최적 설계 등을 통해 최소화가 가능하다.
2차 특징점 추출부(240)에서 2차 특징점으로 상하부 코너 점이 추출되면, 작업공간 인식부(250)는 상하부 코너점에 대한 광역 좌표를 이용하여 로봇의 y축을 기준으로 각도 기준 인접한 코너부터 반시계 방향으로 넘버링(numbering)을 하고, 해당 모서리 사이의 공간은 작업공간의 표면(공간면)으로 넘버링할 수 있다.
또한, 장애물 인식부(260)는 각 공간면의 광역 좌표 기준 각도 영역을 정의하고, 앞서 산출한 O 행렬의 위치 좌표값을 광역 좌표계로 변환하여 각 장애물이 어느 공간면에 위치하는지, 장애물에 대한 소속 넘버링을 한다.
장애물에 대한 디스플레이 시에는 장애물 영역에 대해 마진(margin)을 고려하여 길이, 높이, 두께에 대한 안전 팩터(safety factor)를 적용할 수 있다. 예컨대, 길이 및 높이는 최소 30mm, 두께는 최소 15mm가 되도록 할 수 있다.
최종적으로 각 8개(혹은 10개)의 모서리 좌표와 N(0 이상의 정수)개의 장애물에 대한 위치 및 공간면 정보를 산출하여, 상위 시스템(모니터링 시스템(110) 혹은 제어 시스템(120))으로 전송하여 로봇의 제어부와 연동하여, 용접 팁을 최초 위치로 이동시키도록 할 수 있다.
본 실시예에 따른 광역 환경 인식 시스템은 해양플랜트용 복잡구조물 내에서 용접작업을 수행하는 로봇의 전체 시스템 구성요소인 모니터링 시스템(110), 제어 시스템(120)과의 연동될 수 있다.
모니터링 시스템(110)에서 초기 용접장비의 설정에 대한 주변 환경 인식 시작 지령이 내려오면, 광역 환경 인식 시스템(132)은 광역 환경 인식을 시작한다(단계 300).
로봇 제1축을 1도(˚) 단위로 회전하며, 로봇 제1축에 오프셋되어 장착된 2D 스캐너로 "ㄷ"자 형태(-100도(˚) ~ 100도(˚))로 각 면을 측정하고, 센서 데이터를 획득한다(단계 305). 필요에 따라 고주파 성분을 제거하기 위한 노이즈 필터링이 수행될 수도 있다(단계 310).
이 과정에서 수학식 2로 표현되는 판단 파라미터를 이용하여 1차 특징점을 추출한다(단계 315). 1차 특징점에는 공간 특징점(공간의 모서리, 센서에서 각 공간면에 이르는 최단거리 점)과 장애물 정보(높이, 폭)가 포함된다.
1차 특징점에 포함된 공간 특징점과 장애물 정보들을 상호 독립된 행렬에 센서 좌표계(회전-극좌표계) 기준으로 분리하여 저장하게 된다(단계 320).
360번의 로봇 제1축 회전 및 1차 특징점 추출이 완료되면(단계 325), 해당 특징점 데이터들에 대해 광역 좌표계로의 변환을 수행한다(단계 330).
이후 수학식 4로 표현되는 HT-불변값을 이용하여 8개의 코너부를 2차 특징점으로 추출하게 된다(단계 335).
2차 특징점 정보를 바탕으로 로봇(센서)의 현 베어링 값을 기준으로 최소값을 가지는 코너 지점으로부터 반시계 방향 및 상하 순서로 넘버링(numbering)을 하게 되며, 각각의 특징점 사이에 존재하는 면의 경우에도 넘버링을 하게 된다(단계 340).
전술한 장애물에 대한 위치 정보로부터 해당 장애물이 어느 면에 포함되어 있는지 확인이 가능하며(단계 345), 최종적으로는 작업공간에 대한 특징점과 장애물 위치 및 크기 정보를 모니터링 시스템(110)으로 전송하고(단계 350), 광역 환경 인식이 종료된다(단계 355).
여기서, 작업공간에 대한 특징점과 장애물 위치 및 크기 정보에 기초하여 3차원 모델링이 수행되어, 작업자가 시각적으로 용이하게 확인하게 할 수도 있다.
상술한 본 발명에 따른 광역 환경 인식 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 복잡구조물 자동화 용접 로봇 110: 모니터링 시스템
120: 제어 시스템 130: 환경 인식 시스템
132: 광역 환경 인식부 134: 로컬 환경 인식부
210: 센서 220: 1차 특징점 추출부
230: 좌표계 변환부 240: 2차 특징점 추출부
250: 작업공간 인식부 260: 장애물 인식부

Claims (10)

  1. 해양플랜트의 복잡구조물에 대한 광역 환경 인식을 수행하는 광역 환경 인식 시스템으로서,
    용접 로봇에 설치되어, 상기 복잡구조물의 내부에 관한 복수의 수직 측정면이 획득되도록 2차원 스캔 방식으로 센싱하는 센서;
    상기 복수의 수직 측정면 각각에 대해 1차 특징점으로 추출하고, 공간 특징점과 장애물 정보로 분리하는 1차 특징점 추출부;
    상기 공간 특징점과 상기 장애물 정보를 센서 좌표계에서 상기 용접 로봇에 관한 광역 좌표계의 값으로 변환하는 좌표계 변환부;
    상기 광역 좌표계의 값으로 변환된 상기 공간 특징점에 기초하여 코너부에 관한 2차 특징점을 추출하는 2차 특징점 추출부;
    상기 2차 특징점에 기초하여 상기 복잡구조물에 대한 모서리와 면을 검출하여 작업공간을 인식하는 작업공간 인식부; 및
    상기 장애물 정보에 기초하여 장애물이 존재하는 면을 확인하여 상기 장애물의 위치 및 크기를 인식하는 장애물 인식부를 포함하되,
    상기 1차 특징점 추출부는 상기 복수의 수직 측정면 각각에 대해 상기 센서로부터의 거리 변화 속성이 변경되는 지점을 상기 1차 특징점으로 추출하는 광역 환경 인식 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 용접 로봇의 제1축을 중심으로 회전하면서 "ㄷ"자 형태의 상기 수직 측정면을 회전각 분해능에 상응하는 개수만큼 획득하는 광역 환경 인식 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 특징점 추출부는 상기 센서를 중심으로 거리 변화가 증가하다가 감소하는 지점을 상기 작업공간의 모서리에 해당하는 상기 공간 특징점으로 추출하고, 상기 센서를 중심으로 거리 변화가 감소하다가 증가하는 지점을 상기 센서에서 상기 작업공간의 면까지의 최단거리 점에 해당하는 상기 공간 특징점으로 추출하는 광역 환경 인식 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 1차 특징점 추출부는 소정 거리 이내 영역에서 거리 변화가 있는 경우 상기 장애물에 대한 수직방향 폭으로 인지하여 상기 장애물 정보로 추출하는 광역 환경 인식 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 1차 특징점 추출부는 상기 공간 특징점과 상기 장애물 정보를 분리하여 각각 G(Girder) 행렬과 O(Obstacle) 행렬에 저장하며,
    상기 2차 특징점 추출부는 상기 G 행렬 중 2행 및 4행 성분을 활용하여 상기 2차 특징점을 추출하는 광역 환경 인식 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 특징점 추출부는 상기 공간 특징점에 기초하여 허프 변환 불변값(HT-불변값)에 대한 튐 성분을 확인하여 상기 2차 특징점으로 추출하는 광역 환경 인식 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작업공간 인식부는 상기 2차 특징점을 상하부 코너점으로 보고, 상기 상하부 코너점에 대한 광역 좌표를 이용하여 상기 용접 로봇의 y축을 기준으로 각도 기준 인접한 코너부터 반시계 방향으로 넘버링하고, 모서리 사이의 공간은 상기 작업공간의 면으로 넘버링하는 광역 환경 인식 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 장애물 인식부는 상기 장애물 정보에 기초하여 상기 장애물이 존재하는 면의 번호를 확인함으로써 상기 장애물에 대한 소속 넘버링을 수행하는 광역 환경 인식 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 센서 오프셋에 의한 블라인드 영역을 상기 복잡구조물의 중앙부 및 장애물 미 적용부에 놓이도록 초기 위치가 설정되는 광역 환경 인식 시스템.
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