KR19980044080U - 용접선 추적용 초소형 광학장치 - Google Patents

Abstract

용접용 로봇 시스템에서 용접 경로는 광학 비젼 센서를 사용하여 지정할 수 있다. 일반적으로 로봇 시스템은 여러가지 센서를 사용하여 용접좌표를 찾아내지만, 로봇 시스템에서 센서의 부착은 로봇의 동작 또는 자세 제어를 힘들게 하므로, 센서의 크기는 로봇 시스템의 성능에 큰 영향을 준다.

광학 기술과 머신 비전 기술을 이용하여 용접용 로봇 시스템의 용접 좌표를 찾는 초소형의 일체로 된 광학 비젼 센서를 장착하여 로봇 시스템의 동작 또는 자세 제어를 용이하게 하고, 레이저광의 경로와 반사 횟수를 줄여 영상을 선명하게 한다.

Description

용접선 추적용 초소형 광학장치

본 고안은 광학 비젼 센서에 관한 것으로, 특히 용접용 로봇 시스템에서 용접 경로를 찾기 쉽도록 한 광학 비젼 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 로봇 시스템은 여러가지 센서를 사용하여 용접좌표를 찾아낸다. 그러나, 로봇 시스템에 센서의 부착은 로봇의 동작 또는 자세 제어를 힘들게 한다. 따라서, 센서의 크기는 로봇 시스템의 성능에 영향을 주게 된다.

본 고안은, 광학 기술과 머신 비전 기술을 이용하여 용접용 로봇 시스템의 용접 좌표를 찾는, 초소형의 광학 비젼 센서를 사용하는 로봇 시스템의 동작 또는 자세 제어를 용이하게 하기 위한 것이다.

현재 GMA용접(Gas Metal Arc welding)에서 용접물의 용접 경로(용접선)를 추적하는 센서는, (1) 기계식 촉각(tactile) 센서, (2) 아크(arc) 센서, (3) 전자기(electro-magnetic) 센서, (4) 광학 비젼 센서 등이 있다. 여기서 (1) 기계식 촉각 센서의 경우는 기계적인 접촉에 의하여 신호를 받기 때문에 접촉에 의한 혼동 즉, 가접 또는 용접물 모재의 표면 상태에 의한 오류의 발생으로 사용에 어려움이 있으며, (2) 아크 센서의 경우는 위빙(weaving)하였을 때 위빙 양단에서의 전류값 차이를 검출하여 간접적인 위치 정보를 이용하기 때문에 용접선을 추적하여 용접하고 있는 곳에서의 토치 위치를 검출할 수 있을 뿐 아니라 제작비가 저렴하다는 장점은 있으나, 용접 조건상 위빙이 가능한 후판의 용접선 추적에 사용될 수 있어 박판의 용접시에는 적용할 수 없으며, (3) 전자기 센서의 경우는 비교적 정밀하게 측정하나 아크열 및 자기장의 영향을 쉽게 받게 된다고 하는 단점이 있다.

광학 비젼 센서를 이용하여 용접선 추적을 하는 장치는, 유럽 특허 제 336,174호(3-D Vision Seam Tracking Manipulator, 1989)와 같이 레이저 광원과 카메라로 용접 접합부를 스캔(scan)하여 용접선을 감지하며 토치의 위치를 조정하므로써 용접선 추적을 수행하는 것이 있다. 그런데, 광학 비젼 센서의 경우, 카메라, 광원 등을 사용한 장치로 인해서 크기가 커지는 단점이 있다. 그래서 미국 특허 제4,683,493(Compact Optical Apparatus For Tracking A Path of Movement of A Tool Along A line of Travel on a Workpiece)와 같이 소형의 광학 비젼 센서가 개발되고 있다.

이하, 종래의 기술 구성을 도면을 사용하여 상세히 설명하면, 로봇(1)의 선단부(6)에 광학 비젼 센서(5), 토치 팁(12) 등이 붙어 있다. 광학 비젼 센서(5)의 출력은 영상 처리 장치(7)의 입력으로 연결되고, 영상 처리 장치(7)의 출력에는 모니터(8)가 연결되어 있다. 광학 비젼 센서(5)는 전면부(2), 측면부(3), 후면부(4)로 구성되어 있다. 광학 비젼 센서(5)의 후면부(4)는 로봇의 진행 방향(10)으로 보아 로봇의 선단부(6)의 뒤에 위치하며, 평행광(18)을 생성하는 레이저 광원(15), 그 평행광(18)을 통과시키는 조정 렌즈(Collimating Lens)(16), 평행광을 반사시키는 거울(17)로 이루어져 있다. 광학 비젼 센서(5)의 측면부는 로봇 선단부(6)의 측면에 위치하며, 평행광(18)을 한 개의 슬릿 형태의 레이저(13)로 바꾸는 볼록 원통형 반사기(19), 슬릿 형태의 레이저(13)를 광학 비젼 센서(5) 밖으로 통과시키는 유리 윈도우(20)로 이루어져 있다. 광학 비젼 센서(5)의 전면부(2)는 로봇 선단부(6)의 전면에 위치하며, 용접물에 의해 반사된 슬릿 형태의 레이저(27)를 통과시키는 유리 윈도우(21), 통과된 슬릿 형태의 레이저(27)를 반사시키는 두 개의 거울(22, 23)과 슬릿 형태의 레이저 영상을 취득하는 영상 취득용 카메라(24)로 구성되어 있다.

종래 기술의 동작을 도면을 사용하여 설명하면, 로봇의 선단부(6)의 뒤에 위치한 광학 비젼 센서 후면부(4)에 있는 레이저 광원(15)에서 나온 레이저(18)가 조정렌즈(16)를 통과해서 거울(17)에 반사된다. 반사된 레이저(18)는 로봇 선단부(6) 측면에 위치한 광학 비젼 센서 측면부(3)의 볼록 원통형 반사기(19)를 통과하면서 한 개의 슬릿 형태의 레이저로 바뀐다. 이 슬릿 형태의 레이저(27)가 유리 윈도우(20)를 지나서 도 3과 같이, 광학 비젼 센서(5) 앞의 용접물(14)의 특정영역에 비추면 용접물에서 반사된다. 반사된 슬릿 형태의 레이저(27)가 로봇 선단부의 앞에 위치한 광학 비젼 센서 전면부(2)의 유리 윈도우(21)를 통과하여 두 개의 거울(23, 24)에 반사되어 영상 취득용 카메라(24)에 영상으로 잡힌다. 취득된 영상을 가지고 영상처리장치(7)에서 영상을 처리하여 용접할 위치의 좌표를 찾아낸다. 이 용접 좌표를 로봇(1)과의 통신을 통해서 로봇(1)에 전달하고, 로봇(1)은 전달받은 좌표에 토치(12)를 사용해서 용접한다.

상기한 바와 같은 종래 기술은, 로봇에 부착된 광학 비젼 센서의 크기(로봇 선단부의 전후에 분리형으로 설치)로 인해서 광학 비젼 센서를 사용하는 로봇의 동작 또는 자세 제어가 특정 작업을 하는데 있어서 불편하고, 심지어 특정 작업을 수행할 수 없게 만들었다. 또, 긴 레이저광의 경로와 많은 반사를 거치므로 영상취득용 카메라에 들어오는 슬릿 형태의 레이저 영상의 강도가 약해진다.

상기한 이유로, 본 고안은 소형의 일체로된 광학 비젼 센서를 개발하여, 로봇 선단부의 적어도 한쪽에 부착하므로써 로봇의 동작 또는 자세 제어를 용이하게 하는 새로운 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

더욱 자세하게는, 용접선을 따라서 움직이는 용접 수단의 전면부에 부착된 케이스내에 장착된 적어도 하나의 광원과, 광원에서 나온 빛을 사용하여 슬릿 형태의 빛으로 변환시키는 케이스내에 장착된 적어도 하나의 볼록 반원통형 반사경과, 볼록 반원통형 반사경을 거쳐 용접물에서 반사된 빛을 입력받아 영상을 발생시키는 케이스내에 장착된 영상 발생 수단으로 구성되는 용접선 추적용 초소형 광학장치를 제공한다.

또한, 상기한 레이저광의 경로와 반사 횟수를 줄임으로써 영상취득용 카메라에서 얻어지는 슬릿형태의 레이저 영상을 선명하게 하고자 한다.

도 1은, 종래의 광학 비젼 센서를 가진 로봇 시스템의 구성을 나타내는 개략도.

도 2는, 종래의 광학 비젼 센서부의 측면도.

도 3은, 종래의 광학 비젼 센서부의 종단면도.

도 4는, 평행광을 볼록 반원통형 반사경을 사용해서 슬릿 형태의 레이저로 변환시키는 상태를 나타내는 상태도.

도 5는, 종래의 광학 비젼 센서의 평면도.

도 6은, 본 고안에 의한 광학 비젼 센서를 가진 로봇 시스템의 전체적인 개략도.

도 7은, 본 고안에 의한 광학 비젼 센서부의 횡단면도.

도 8은, 본 고안에 의한 광학 비젼 센서부의 상세도.

도 9는, 본 고안에 의한 다른 실시예를 나타낸다.

도 10은, 본 고안에 의한 다른 실시예를 나타낸다.

-도면의주요부분에대한부호의설명-

(1) -------------------------------------- 로봇,

(2) ------------------- 광학 비젼 센서의 전면부,

(3) ------------------- 광학 비젼 센서의 측면부,

(4) ------------------- 광학 비젼 센서의 후면부,

(5) ----------------------- 광학 비젼 센서 박스,

(6) ----------------------------- 로봇의 선단부,

(7) ------------------------------ 영상처리장치,

(8) ------------------------------- 영상 모니터,

(10) --------------------------- 로봇 진행 방향,

(11) ---------------------------- 가스차폐용 컵,

(12) ---------------------------------- 토치 팁,

(15) ------------------------------ 레이저 광원,

(16) --------------------------------- 조정렌즈,

(19) --------------------- 볼록 반원통형 반사경,

(26) ---------------------- 광학 비젼 센서 박스,

(28) ------------------------------------- 필터.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 도 6에서 본 고안의 구성을 살펴보면, 로봇(1), 광학 비젼 센서(26), 영상 처리 장치(7), 영상 모니터(8)로 구성된다. 로봇(1)은 모든 종류의 로봇이 가능하며, 로봇(1)의 선단부(6)에 광학 비젼 센서(26), 토치 팁(12) 등이 붙어 있다. 광학 비젼 센서(26)의 출력은 영상처리장치의 입력에 연결되고, 영상처리장치(7)의 출역은 영상 모니터(8)로 연결되어 있다. 도 7, 8은 각각 광학 비젼 센서의 횡단면도, 상세도이다. 광학 비젼 센서(26)는 레이저 광원(15), 조정렌즈(16), 거울(17), 볼록 반원통형 반사경(19), 유리 윈도우(21), 필터(28), 영상 취득용 카메라(24)로 구성된다. 도 8과 같이 레이저 광원(15), 거울(17)은 광학 비젼 센서(26)에 대해 각각 각도 α, β로 기울어져 있고, 볼록 반원형 반사경(19)은 거울(17)에서 반사된 평행광(18)이 지나는 곳에 평행하게 위치한다. 필터(28)는 레이저 광원(15)의 주파수만을 통과시키는 필터이다. 영상취득용 카메라(24)와 필터(28)는 평행하게 위치하고, 슬릿형태의 레이저(13)와는 각도 γ를 이룬다. 이렇게 하여 얻어진 영상 취득용 카메라(24)의 출력이 광학 비젼 센서(26)의 출력이다.

도 6의 광학 비젼 센서(26)를 가진 로봇 시스템은 아래와 같은 방법으로 용접에 사용될 좌표값을 얻는다.

도 8과 같이 레이저 광원(15)에서 나온 레이저광을 조정렌즈(16)를 사용하여 평행광(18)으로 변환시키고, 이 평행광(18)을 거울(17)을 통해서 반사시켜, 반사된 평행광을 볼록 반원통형 반사경(19)에 통과시켜 슬릿 형태의 레이저로 변환시킨다. 슬릿형태의 레이저(13)가 유리 윈도우(21)를 지나서 용접물(14)에서 반사된다. 반사된 슬릿형태의 레이저(27)가 유리 윈도우(21), 필터(28)를 지나면서 레이저 광원의 주파수 영역만의 영상으로 바뀐다. 이 영상을 영상취득용 카메라(24)를 이용해서 영상으로 취득한다. 이 취득된 영상을 영상처리장치(7)를 이용, 처리하여 용접할 좌표를 얻게 된다. 이 용접 좌표를 로봇(1)과의 통신을 통해서 로봇(1)에 전달하고, 로봇은 전달받은 좌표에 토치를 사용해서 용접한다.

다음에 본 고안의 다른 실시예를 도 9, 10을 참고하여 설명한다.

상술한 것 중에 용접물(14)에 비쳐지는 슬릿 형태의 레이저(13)를 길고 선명하게 하기 위해, 도 9와 같이 카메라 좌우에 각각 1개의 레이저 광원(15), 거울(17), 볼록 반원통형 반사경(19)을 설치할 수 있다. 또한, 도 10과 같이 레이저 광원(15)과 볼록 반원통형 반사경(19) 사이, 또는 볼록 반원통형 반사경과 유리 윈도우(21) 사이에 한 개 이상의 거울(17)을 추가할 수 있다. 도 7, 9의 광학 비젼 센서에서 광원(15)과 거울(17)의 위치를 치환할 수도 있다. 도 7에서 광학 비젼 센서(26)의 위치를 로봇 선단부(6)와 치환할 수도 있다. 이것은 작업대의 이동경로를 따라 움직이는 물체의 경로를 추적하는 경우에 사용 가능하다.

본 고안은 소형의 일체로 된 광학 비젼 센서를 제공하므로써 종래의 장치보다 더욱 소형화하여, 광학 비젼 센서로부터 로봇 동작에 필요한 좌표를 얻는 로봇의 동작 또는 자세 제어를 용이하게 하고자 한다. 또한, 레이저광의 경로와 반사 횟수를 줄이므로써 영상취득용 카메라에서 얻어지는 슬릿 형태의 레이저 영상을 선명하게 한다.

Claims (1)

1. 용접선을 따라서 움직이는 용접 수단의 전면부에 부착된 케이스내에 장착된 적어도 하나의 광원과,

   상기한 광원에서 나온 빛을 사용하여 슬릿 형태의 빛으로 변환시키는 케이스내에 장착된 적어도 하나의 볼록 반원통형 반사경과,

   상기한 볼록 반원통형 반사경을 거쳐 용접물에서 반사된 빛을 입력받아 영상을 발생시키는 케이스내에 장착된 영상 발생 수단으로 구성된 용접선 추적용 초소형 광학장치.