KR20010099139A - 고속회전아크센서를 적용한 격자형 용접로봇의 주행 및토치 슬라이더 제어 - Google Patents

Abstract

이 발명은 격자형 용접 라인에 적용되는 용접 로봇의 자세 제어 및 고속회전 아크센서를 이용한 용접 라인 추적을 위한 알고리즘에 대한 발명이다. 그리고, 용접 속도와 용접 라인 추적을 위한 용접 로봇의 다이나믹 방정식과 자세 제어 알고리즘을 설명한다. 용접 로봇의 자세 제어는 로봇이 직선형 또는 곡각형의 용접 라인을 용접할 때에도 용접 속도는 일정하게 유지하고, 정확한 용접선 추적을 행할 수 있는 관점에서 설계하였다. 용접 로봇의 동역학은 논홀로노믹(nonholonomic) 구속조건아래 라그란제(Lagrange) 방정식을 기본으로 모델링하였고, 상태 방정식으로 나타내었다. 용접 로봇의 자세 제어는 직선 주행, 턴인 주행, 토치 슬라이더 제어로 나누어 제어하였다. 토치 슬라이더 제어는 PID제어 방법을 이용하였고, 직선 주행 제어는 입출력 사이의 디커플링(decoupling) 방법의 개념을 도입하였으며, 턴인 주행은 곡각진 용접 라인에 대한 각 지점의 용접 속도를 구하여 이에 상응하는 각속도에 따라서 용접 로봇을 제어하는 알고리즘을 설계하였다. 또한 용접 라인 추적 알고리즘은 고속으로 회전하는 아크 발생 장치인 고속회전아크센서를 이용하여 접합부의 형태 및 용접 조건의 변화에 민감하지 않고 마이크로프로세서에 적용이 가능한 새로운 추적 알고리즘을 적용한 용접 라인 추적 제어 알고리즘을 설계하였다.

Description

고속회전아크센서를 적용한 격자형 용접로봇의 주행 및 토치 슬라이더 제어 {Locomotion Control and Torch Slider Control of Mobile Robot using High Speed Rotating Arc Sensor for Lattice Type Weld Line}

용접 공정은 조선분야에서 조립 공정의 핵심 기술이다. 그러나 용접 중 발생하는 유해가스, 아크광, 소음, 분진, 흄 등으로 인해 작업환경은 매우 열악하다. 특히 수용접시 작업자의 기능에 용접 품질이 의존되기 때문에 안정된 품질관리와 생산성 향상에 한계가 있으므로 용접자동화는 필요 불가결한 과제이다.

종래에는 격자형 모서리 부분을 용접할 경우 이의 자동화를 위해 주로 용접 매니플레이터(manipulator)를 적용하고 있다. 용접 매니플레이터는 작업물의 인식에 있어서 여러가지 방법을 사용하고 있지만, 일반적으로 도면의 파일을 시스템에 입력시킴으로써 용접 공정을 정밀하게 인식한다. 하지만, 용접 공정의 초기 시작점을 찾기 위해서는 상당한 시간이 소요되며 작업물의 치수오차가 발생할 경우에는 매우 치명적인 오류를 범할 수 있다. 그리고, 용접 매니플레이터를 사용하기 위해서는 작업공간이 넓어야되며, 이동을 위해 천정크레인을 설치함으로써 경적적인 면에서 상당히 부담되는 시스템이다.

본 발명에 적용한 시스템은 격자형 라인의 용접에 있어서 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 용접 품질이 우수하고, 용접 추적 성능이 뛰어난 고속회전 아크센서를 적용한 소형의 격자형 용접 주행로봇을 개발하였고, 용접 주행로봇을 제어하는 제어 알고리즘을 발명하였다.

종래에 용접용 주행 로봇은 직선형 타입의 로봇이 상용화 되어 있고, 로봇에 가이드를 설치하여 용접 모재와 접촉하여 용접 라인을 추적하는 알고리즘을 사용하였다. 소형에다가 이동성이 우수하여 매니플레이터의 문제점을 모두 해결할 수 있었지만, 이 로봇은 격자형 용접 라인을 용접할 수 없었다. 따라서, 본 개발에서는 격자형 용접 라인까지 용접할 수 있는 격자형 용접 주행 로봇을 개발하였으며, 이에 따른 제어 알고리즘을 발명하였다.

용접 주행 로봇에서의 제어 알고리즘의 핵심은 직선형 용접 라인뿐만 아니라 곡각형 용접 라인에서도 용접 속도는 항상 일정한 속도로 유지하는 것이다. 또한, 용접 토치는 항상 용접 라인을 추적하여야 하는 것이다. 본 발명의 알고리즘은 용접 주행 로봇의 동역학을 고려하여 직선형 용접라인과 곡각형 용접 라인에 대하여직선 주행 알고리즘과 턴인 주행 알고리즘을 개발하였다.

종래의 아크센서를 이용한 용접 라인 추적은 용접토치를 강제적으로 위빙시켜 팁-모재간 거리와 전류 또는 전압신호의 관계를 모델링함으로서 용접 라인을 추적하였다. 그러나 그 모델링은 용접 조건의 변화에 의해 영향을 받게 되며, 결국 접합부의 형태, 용접물의 두께, 금속이행의 종류 등의 변화에 의해 그 적용 범위가 제한적이다. 특히 박판용접과 같은 용접조건에서의 금속이행은 용접전류의 변동이 매우 큰 단락이행을 나타내므로 용접전류의 모델링을 통한 방법에 의해서 용접 라인을 추적하기가 매우 어려운 문제점이 있어다. 또한, 종래의 용접선 추적 알고리즘은 회전아크센서에서 측정된 전류값의 좌-우 구간의 면적값에 의해 토치의 이탈거리를 측정하므로 용접진행 방향의 수직방향(본 발명의 Z축)의 변화를 측정하기 어려운 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 격자형 라인의 용접에 있어서 여러가지 문제점을 해결하기 위하여 개발된 격자형 용접 주행로봇 시스템의 제어 알고리즘으로서, 직선형 라인과 곡각형 라인의 용접에 대하여 용접 속도는 항상 일정하게 유지시키면서 용접 주행로봇의 위치는 용접 라인을 일정한 간격을 유지하면서 추적하는 제어 알고리즘이다. 또한, 토치는 항상 용접 라인을 추적하는 용접선 추적 제어기를 제공하려는 것이다.

도 1는 용접 주행 로봇의 기하학적 좌표 도식도

도 2는 용접 주행 로봇의 3차원적인 기하학적 좌표 도식도

도 3는 용접 주행 로봇의 주행 도식도

도 4는 피드백 제어계의 구성도

도 5는 아크센서의 위치와 용접 전류 파형의 관계

격자형 용접 주행로봇에 대한 동역학(Dynamics)을 도 1 과 도 2 를 참고하여 상태방정식으로 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서,

,

,

,

,,

여기서,,는 모빌로봇의 무게중심의 좌표이고,는 모빌로봇의 헤딩가이며,,는 왼쪽과 오른쪽 구동 바퀴의 각도이다.,는 슬라이더의 수평, 수직 좌표이며,는 용접 속도이다.는 모빌 로봇의 좌우 모터에 인가되는 토크이고,는 토치 슬라이더의 수평 및 수직 모터에 인가되는 토크이다. 그리고,,,,는 각 슬라이더의 수평 및 수직 모터의 관성 모멘트와 점성 마찰 계수이다.,는 바퀴를 제외한 용접 로봇의 질량 및 용접 로봇 바퀴의 질량이다.는 모빌 로봇의 무게 중심점에서 바퀴까지의 거리이고,는 모빌 로봇의 기하학적 중심점에서 무게중심점 까지의 거리이고,는 모빌 로봇의 바퀴 지름이다.는 모빌 플래트폼에 관한 관성모멘트이고,,는 모빌 로봇의 바퀴에 관하여 바퀴 지름에 관한 관성모멘트와 바퀴 축에 관한 관성모멘트이다.

용접 속도는 도 3 을 참고하여 다음과 같이 구할 수 있다.

모빌로봇의 자유도와 액츄에이터 입력의 수가 같기 때문에 다음과 같이 모빌 로봇에 대한 nonlinear 피드백을 적용할 수 있다.

그리고, 제어입력을 다음과 같이 정의하자.

여기서,는 모빌 로봇에 대한 제어 입력이고,는 토치 슬라이더에 대한 제어 입력이다. 이제 상태 방정식을 다음과 같이 간단한 형태로 표현 가능하다.

여기서,

▣ 토치 슬라이더 제어

고속 회전 아크센서에 4개의 포토 인터럽트 센서를 대칭의 형태로 설치하여, 회전시 4개의 포인터에서 용접 전류를 피드백 받는다. 피드백 받은 전류는 Lowpass 필터의 개념인 평균이동법과 지수평활법을 이용하여 노이즈를 제거하고, 각 전류를,,,로 정의하면, 이 전류의 크기에 따라 위치는 다음과 같다.

,

위에서 구한 위치와 현재 토치 슬라이더의 위치()를 더하면 다음과 같은 출력 방정식을 얻는다.

여기서,

토치 슬라이더의 위치를 제어하기 위해서 PID 제어기를 설계하였다. 초기의 슬라이더 위치와 현재의 슬라이더 위치의 차를 에러로 정의하고, 이 에러를 최소화할 수 있는 제어기는 다음과 같다.

,

여기서,,는 토치 슬라이더의 수평 및 수직 위치의 에러이고,,,는 각 PID 제어기의 게인이다.

▣ 용접 로봇의 직선 주행 제어

용접을 목적으로 하기 때문에 용접 속도 제어는 필수적이다. 본 알고리즘에서는 로봇의 속도와 위치를 제어함으로써 용접 속도를 제어하였다. 로봇의 속도와 위치를 제어하기 위해 다음의 출력 방정식을 선택하였다.

여기서,는 모빌 로봇의 질량 중심점와 설계된 경로까지의 가장 짧은 거리이고,는 모빌 로봇의 전방향 속도이다. 직선 라인을 고려하기 위해 경로를과 같이 놓으면 가장 짧은 거리는 다음과 같이 구할 수 있다.

그리고, 모빌 로봇의 전방향 속도에 대한 출력 방정식은 다음과 같이 된다.

위의 두 출력 방정식을 위한 decoupling 행렬은 다음과 같다.

여기서,

따라서, 전체 docoupling 행렬은

이다.이 모든에 대하여 역행렬이 존재하기 때문에 직선 주행 제어를 위한 제어 입력을 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서,이다. 그리고,,는 각 상수 게인이다.

▣ 용접 로봇의 선회 제어

근접 센서는 모재의 격자형 부분에서 용접 주행로봇의 턴 포인터를 센싱하고, 로봇은 본체 중심에 설치된 전자석 및 두 바퀴의 정확한 구동에 의해 로봇의 중심으로 선회하게 된다. 물론 토치 슬라이더는 용접 속도를 유지하면서 용접 라인을 추적하도록 제어한다. 그래서, 모빌 로봇의 전방향 속도는 0으로 가정할 수 있다. 따라서 선회시 용접 속도는 직선 주행에서의 용접 속도에서 전방향 속도를 제외한 방정식임을 알 수 있다. 선회시 로봇의 각속도와 용접속도 사이의 관계식은 다음과 같다.

따라서 선회시 용접 속도를 일정하게 유지시키기 위한 제어 입력은 다음과 같다.

격자형 용접 주행 로봇의 전체 제어 알고리즘의 도식도는 도 4 에 나타내었다. 이상에서 상세히 살펴본 바와같이 본 발명은 격자형 모재의 용접에 있어서 용접 주행 로봇의 직선, 선회 주행 및 토치 슬라이더 제어 알고리즘을 실현하였다.

▣ 고속회전아크센서를 이용한 용접 라인 추적 알고리즘

기본적으로 팁-모재간 거리변화에 따라 상대적인 전류변화가 생기는 것을 이용하는데 본 발명의 용접 라인 추적 알고리즘은 도면 5와 같이 전극이 1회전할 때 전극의 위치에 따라 전, 후, 좌, 우의 구간별 평균전류값을 구한다. 그리고 좌-우 평균전류값의 차가 양(+)인지 음(-)인지를 판단하여 Y축 슬라이드의 이동 방향을 결정하고, 현재 전-후 평균전류값의 합과 이전 평균전류값의 합의 차가 양(+)인지 (-)인지 판단하여 Z축 슬라이드의 이동 방향을 결정한다. 단, Z축 슬라이드는 Y축 슬라이드가 정지해 있을 시(표 1에서 case 3의 경우)만 적용된다. 표 1과 표 2에 본 알고리즘의 이동방향 결정 테이블을 나타내었다. 또한, 도면 5에 실제 슬라이더 이동 방향 및 속도 결정 모습을 보인다.

용접진행 중 발생하는 노이즈 및 외란에서도 정확한 용접 라인 추적 알고리듬의 실현을 위해서는 용접전류 신호의 신뢰도가 요구된다. 이를 위해 본 발명에서는 이동평균법과 지수평활법을 동시에 사용하는 필터를 설계하여 적용하였다. 따라서, 노이즈 제거 필터와 같은 하드웨어를 마이크로프로세서에서 소프트웨어적으로 실현하였다. 본 발명에서 적용한 소프트웨어 필터는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Step 1 : 일반적인 이동평균법의 적용(저역통과필터의 효과)

:번째의 sampling 전류값,:번째의 이동평균전류값,

: 이동평균 구간의 개수

Step 2 :,,,의 계산

: 전 구간의 전류평균값,: 후 구간의 전류평균값,

: 좌 구간의 전류평균값,: 우 구간의 전류평균값

: 1회전의 데이터 개수(1회전당 sample 횟수, even number)

:(전극이 회전한 횟수, 정수),:

,,

,

Step 3 : 지수평활법의 적용

:의 지수평균값,:의 지수평균값,

:의 지수평균값,:의 지수평균값,

: 가중치,: 지수평활구간의 개수

,

,

,

이와 같이 소프트웨어 필터를 사용하여 토치가 용접선에서 이탈시 각 아크의 전, 후, 좌, 우의 위치 별 전류값을 비교하여 슬라이드의 이동 방향을 결정할 수 있고, 용접 접합부의 형태 및 용접 조건의 변화에 민감하지 않은 새로운 용접선 추적 알고리즘을 개발하였다.

단, 용접 시작시 아크의 점화를 위해 고전류가 갑자기 흐르므로 용접시작후 아크가 안정 될 수 있도록 1초 가량의 시간이 경과한 후 본 알고리즘을 적용한다. Y축 슬라이드의 방향 결정에 있어 용접 특성상 도면 5와 같이 회전 아크가 용접선상에 정확히 위치해 있더라도 좌, 우 아크 전류값이 서로 같지 않을 수 있다. 그러므로 용접 시작후 1~2초 구간에서 이동 평균전류값의 ±5％를축 슬라이드 정지 허용 범위로 하며,축 슬라이드의 정지 허용 범위도 같은 방법으로 한다.

표 1축 슬라이더 이동 방향 결정 테이블

	Condition	Direction Pattern
1		right(+)
2		left(-)
3		continue

,

: 용접 시작후 1~2초 구간에서 좌, 우 구간의 평균 전류값의 ±5％전류값

표 2축 슬라이더 이동 방향 결정 테이블

	Condition	Direction Pattern
1		up(+)
2		down(-)
3		continue

,

,: 용접 시작후 1~2초 구간에서 전, 후 구간의 평균 전류값의 ±5％전류값

격자형 용접 라인에 용접 주행 로봇을 사용함으로써 소형화, 경량화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 용접 라인 추적 능력이 뛰어난 아크센서를 이용하여 용접함으로써 기존의 시스템에 비해 용접 성능은 보다 안정적이고 높은 용접 품질을 얻을 수 있도록 제어 시스템 알고리즘을 개발하였다. 또한, 기존의 값 비싼 매니플레이터를 사용함에 있어 발생되는 많은 문제점들을 모두 보완할 수 있을 뿐만 아니라, 성능면에서 더욱 뛰어난 효과가 기대된다. 그리고, 현재 격자형 용접 주행 로봇은 아직 상품화가 되어 있지 않아 격자형 용접 로봇 시장에 선점할 수 있는 기대를 할 수 있다. 또한, 본 제어 알고리즘의 개발로서, 용접 로봇을 여러가지 소각장 및 대각장 용접에도 적용할 수 있는 시스템으로 응용할 수 있는 효과의 다대한 발명이다.

Claims (4)

1. 격자형 용접 주행로봇에 있어서 고속 회전 아크센서를 이용하여 용접선 추적을 위한 토치 슬라이더 위치 제어 알고리즘
2. 격자형 용접 주행로봇에 있어서 직선 주행 및 곡각형 부분에서의 선회시 용접 속도를 일정하게 유지하고 위치를 추적하는 직선 주행 및 선회제어 알고리즘
3. 용접 접합부의 형태 및 용접 조건의 변화에 민감하지 않는 용접 라인 추적 알고리즘.
4. 노이즈 제거를 위해 하드웨어 필터 대신에 마이크로프로세스를 이용하여 일반적인 이동평균법과 지수평활법을 동시에 사용한 소프트웨어 필터.