KR20160006286A - 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 대상물을 용접하기 위한 용접 로봇의 위빙 모션을 수행하는 방법에 관한 것으로서, 용접 로봇의 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서는 충돌 방지를 위하여 용접 토치의 자세를 변경하고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 토치의 자세를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 회전위빙 구간을 최소화하여 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서만 자세 변화를 일으키고 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 자세를 일정하게 유지함으로써 로봇 작업성과 용접 품질을 안정적으로 유지할 수 있다.

Description

용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법{METHOD FOR REALIZING WEAVING MOTION OF WELDING ROBOT}

본 발명은 용접 로봇의 위빙 모션에 관한 것으로서, 특히 용접 대상물을 용접하기 위한 용접 로봇의 위빙 모션을 수행하는 방법에 관한 것이다.

조선소에서 선체와 같은 구조물을 건조하기 위해서는 선체를 이루는 여러개의 단품들을 용접 로봇 등의 용접기를 이용하여 용접함으로써 결합하고 있다.

한편, 일반적인 위빙은, 도 1에 도시한 바와 같이, 용접 토치가 자세B에 따른 고정된 토치 각도를 이용함으로써, 용접 토치와 용접 대상물 주위 구조물의 충돌로 인해 최초 모서리(시작 위치) 혹은 마지막 모서리(종료 위치) 부위에는 접근할 수 없게 되어 로봇의 작업 범위에 제약이 따른다.

이러한 문제점을 개선하기 위한 특허 기술로서 용접을 수행할 구간의 시작점, 끝점 및 참고점을 이용하여 상용 로봇의 위빙 이동교시점들을 산출하고, 산출된 이동교시점들의 갯수를 이용하여 용접시 로봇의 이동각도를 계산하여 용접시작점에서 용접끝점까지 계산된 이동각도만큼씩 용접토치자세를 변화하면서 위빙동작을 수행하도록 된 용접 로봇의 위빙동작 구현방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

상술한 용접 로봇의 위빙동작 구현방법의 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 처음 로봇 자세에서 마지막 로봇 자세로 자세를 변화시키게 되는데, 이는 자세 변화가 전체 경로에 걸쳐 진행된다. 그런데 용접 품질 유지를 위해서는 가급적 일정한 용접 토치 자세를 유지할 필요가 있는데 상술한 방법으로는 용접 품질에 필요한 일정한 자세를 유지할 수가 없다. 즉, 시작 위치인 A에서 종료 위치인 B에 걸쳐 일정하게 그리고 일률적으로 용접 토치의 자세를 변경시키고 있으나, 이 경우 용접 품질이 전 구간에 걸쳐 일정하게 유지되기 어려운 문제점이 있다.

국내등록특허 10-0460727

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서만 최소한으로 자세 변화를 일으키고 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 자세를 일정하게 유지하여 로봇 작업성과 용접 품질을 보다 안정적으로 유지할 수 있는 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법은, 용접 대상물을 용접하기 위한 용접 로봇의 위빙 모션을 수행하는 방법으로서, 용접 로봇의 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서는 충돌 방지를 위하여 용접 토치의 자세를 변경하고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 토치의 자세를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 용접 토치가 용접 시작 위치에서 주위 구조물과 충돌하는 경우, 상기 용접 토치가 주위 구조물과 충돌하지 않는 시작 자세로 용접 로봇을 시작 위치에 위치시키는 단계와; 상기 용접 로봇에 용접 종료 위치, 종료 자세, 회전위빙 거리 및 위빙 파라미터를 입력한 후 위빙을 수행하면 시작 위치로부터 회전위빙 거리에 따른 회전위빙 구간동안 용접 토치가 위빙 파라미터에 따라 시작 자세에서 종료 자세로 위빙을 수행하면서 변경되는 단계와; 상기 회전위빙 구간 이후부터 종료 위치까지의 고정위빙 구간동안 용접 토치가 고정된 종료 자세로 위빙을 수행하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 용접 토치가 용접 종료 위치에서 주위 구조물과 충돌하는 경우, 상기 용접 토치가 주위 구조물과 충돌하지 않는 시작 자세로 용접 로봇을 시작 위치에 위치시키는 단계와; 상기 용접 로봇에 용접 종료 위치, 종료 자세, 고정위빙 거리 및 위빙 파라미터를 입력한 후 위빙을 수행하면 시작 위치로부터 고정위빙 거리에 따른 고정위빙 구간동안 용접 토치가 고정된 시작 자세로 위빙을 수행하는 단계와; 상기 고정위빙 구간 이후부터 종료 위치까지의 회전위빙 구간동안 용접 토치가 위빙 파라미터에 따라 시작 자세에서 종료 자세로 위빙을 수행하면서 변경되는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 회전위빙 구간을 최소화하여 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서만 자세 변화를 일으키고 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 자세를 일정하게 유지함으로써 로봇 작업성과 용접 품질을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법에 대한 개념도.
도 2는 종래 용접 로봇의 위빙동작 구현방법에 대한 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법에 대한 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법에 대한 흐름도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법에 대한 개념도, 도 4는 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법에 대한 흐름도이다.

본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법은, 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서만 자세 변화를 일으키고 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 자세를 일정하게 유지함으로써 로봇 작업성과 용접 품질을 최대한으로 안정되게 유지할 수 있도록 구성된 것을 그 기술적 요지로 한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법은, 용접 로봇의 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서는 충돌 방지를 위하여 용접 토치의 자세를 변경하고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 토치의 자세를 일정하게 유지한다. 즉, 로봇 작업성과 용접 품질을 최대한으로 안정되게 유지할 수 있도록 회전위빙 구간을 최소화하여 용접 토치의 자세를 일정하게 유지하는 것이다.

구체적으로, 용접 토치가 용접 시작 위치에서 주위 구조물과 충돌하는 경우에는 다음과 같은 과정을 거치게 된다,

먼저, 용접 토치가 주위 구조물과 충돌하지 않는 시작 자세(자세S)로 용접 로봇을 시작 위치에 위치시킨다.

그리고, 상기 용접 로봇에 용접 종료 위치, 종료 자세, 회전위빙 거리 및 기타 위빙 파라미터를 입력한 후 위빙을 수행하게 되면, 시작 위치로부터 회전위빙 거리에 따른 회전위빙 구간동안에 용접 토치가 위빙 파라미터에 따라 시작 자세(자세S)에서 종료 자세(자세F)로 위빙을 수행하면서 변경된다.

마지막으로, 상기 회전위빙 구간 이후 즉, 고정위빙 시작 위치부터 종료 위치까지의 고정위빙 구간동안에 용접 토치가 고정된 종료 자세(자세F)로 위빙을 수행하게 된다.

이와 같이, 용접 로봇의 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서는 충돌 방지를 위하여 용접 토치의 자세를 변경하고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 토치의 자세를 일정하게 유지하게 됨으로써, 로봇 작업성과 용접 품질을 최대한으로 안정되게 유지할 수 있게 된다.

참고적으로, 회전위빙 거리에 0을 입력하면 설령 자세F와 자세S가 상이하더라도 자세변화를 일으키지 않는 위빙을 구현할 수 있다.

한편, 용접 토치가 용접 종료 위치에서 주위 구조물과 충돌하는 경우에는 다음과 같은 과정을 거치게 된다.

먼저, 용접 토치가 주위 구조물과 충돌하지 않는 시작 자세로 용접 로봇을 시작 위치에 위치시킨다.

그리고, 상기 용접 로봇에 용접 종료 위치, 종료 자세, 고정위빙 거리 및 기타 위빙 파라미터를 입력한 후 위빙을 수행하게 되면, 시작 위치로부터 고정위빙 거리에 따른 고정위빙 구간동안 용접 토치가 고정된 시작 자세로 위빙을 수행하게 된다.

마지막으로, 상기 고정위빙 구간 이후 즉, 회전위빙 시작 위치부터 종료 위치까지의 회전위빙 구간동안에 용접 토치가 위빙 파라미터에 따라 시작 자세에서 종료 자세로 위빙을 수행하면서 변경되게 된다.

이와 같이, 용접 로봇의 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서는 충돌 방지를 위하여 용접 토치의 자세를 변경하고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 토치의 자세를 일정하게 유지하게 됨으로써, 로봇 작업성과 용접 품질을 최대한으로 안정되게 유지할 수 있게 된다.

이후, 이해를 돕기 위해 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.

1) 위빙 초기화

위빙 모션을 초기화한다. 현재 로봇은 시작위치 p_s와 시작자세 Rs를 가지고 사용자는 최종위치 p_f, 촤종 자세 Rf, 회전 위빙 거리 D_ROT, 위빙 피치 PITCH, 위빙 폭 WIDTH, 위빙 속도 VEL, 머무름 시간 T_DWELL과 위빙 폭 방향 단위 벡터 y_w를 입력한다. 그리고 용접 로봇은 샘플링 시간 T_SAMPLE을 가지고 구동된다. 이 때 위빙 초기화는 다음과 같은 순서로 수행된다.

① x_w 구하기. x_w는 위빙 진행 방향을 의미하는 단위 벡터를 의미한다.

x_w = (p_f - p_s) / | p_f - p_s|

② TH 구하기. TH은 Rs에서 Rf로 변환할 때, 회전 중심축 s_rot를 기준으로 회전하는 각도를 의미한다.

R = Rf * Rs^-1

TH = acos((R11 + R22 + R33 - 1.0) / 2.0)

여기에서 Rij는 R행렬의 i행 j열 원소를 의미한다.

③ s_rot 구하기. s_rot은 자세 변환의 중심축이 되는 단위 벡터를 의미한다.

R = Rf * Rs^-1

s_rot.x = (R32 - R23)/( 2*sin(TH));

s_rot.y = (R13 - R31)/ (2*sin(TH));

s_rot.z = (R21 - R12)/( 2*sin(TH));

여기에서 Rij는 R행렬의 i행 j열 원소를 의미한다.

④ D_TOTAL 구하기. D_TOTAL는 x_w 방향으로의 전체 위빙 거리를 의미한다.

D_TOTAL = (p_f - p_s) / |p_f - p_s|

⑤ D_ROT 수정하기. D_ROT은 회전 위빙이 수행되는 거리를 의미한다(참조 도면에서 회전위빙 구간을 의미한다). 사용자는 D_TOTAL에 대한 값을 직감적으로 알지 못하므로 D_ROT을 D_TOTAL보다 긴 값으로 입력할 수 있다. 이렇게 되면 자세 변환이 종료되기 전에 위빙이 종료하므로 위빙이 종료하였을 때 종료 자세 Rf를 만족할 수 없다. 따라서 D_ROT이 D_TOTAL보다 큰 경우에는 D_ROT을 D_TOTAL로 치환하도록 한다.

D_ROT = D_ROT (D_ROT ≤ D_TOTAL)

D_ROT = D_TOTAL (D_ROT > D_TOTAL)

⑤ 그 외 위빙 제어 변수 초기화

현재 직선 모션 인덱스 i_mot, 현재 작업 거리 d_work, 현재 남은 거리 d_remain을 다음과 같이 초기화한다. 여기에서 d_work는 p_s에서 현재 위치 p_a까지의 x_w방향으로의 작업 거리를 의미하고 d_remain은 현재 위치 p_a에서 마지막 위치 p_f까지의 x_w방향으로의 거리를 의미한다. 그리고 본 특허에서는 위빙모드가 MOTION_MODE, LAST_MOTION_MODE, DWELL_MODE로 구분된다.

i_mot = 0

위빙모드 = MOTION_MODE

d_work = 0

d_remain = D_TOTAL

2) 현재 거리 계산

현재 거리 계산에서는 현재 작업거리 d_work와 현재 남은 거리 d_remain을 계산한다. 현재 작업거리 d_work는 p_s에서 현재 위치 p_a까지의 x_w방향으로의 거리를 의미하고 현재 남은거리 d_remain은 현재 위치 p_a에서 마지막 위치 p_f까지의 x_w방향으로의 거리를 의미한다.

d_work = (p_a - p_s) ? x_w

d_remain = d_total - d_work

3) 직선 모션 목적값 계산

직선 모션 모듈은 해당 시간에 위치하여야 할 각 축의 목표값을 계산한다. 이 목표값을 모터 제어 모듈로 전달하면 모터가 축을 제어하여 실제 동작이 이루어 진다. 본 발명에서는 직선 모션 모듈은 기존의 방법을 사용하면 되므로 여기서 자세히 언급하지 않는다.

4) 직선 모션 종료

해당 시간에서 직선 모션이 종료되었을 경우 직선 모션 모듈은 종료 신호를 알려준다. 본 발명에서는 직선 모션 모듈은 기존의 방법을 사용하면 되므로 자세하게 언급하지 않는다.

5) 위빙 종료

위빙모드가 LAST_MOTION_MODE일 경우, 직선 모션이 종료하면 전체 위빙을 종료한다.

6) Dwell 계획

Dwell은 위빙 모션의 양 끝단에서 일정 시간 동안 머무르는 것을 의미한다. Dwell 계획에서는 Dwell 경과 시간 t_dwell을 0으로 초기화한다.

7) 위빙모드 설정(DWELL_MODE)

Dwell 다음 샘플링 시간부터 위빙모드는 DWELL_MODE임을 설정한다.

8) 시간 지연(T_SAMPLE)

위빙모드가 DWELL_MODE일 경우, 매 샘플링마다 t_dwell에 T_SAMPLE을 더하여 Dwell이 경과한 시간을 기록한다.

9) Dwell 종료?

t_dwell이 T_DWELL보다 큰 지를 비교하여 Dwell 시간이 초과하는지를 파악한다. T_DWELL은 사용자로 부터 입력받는다.

10) 모션 계획

단위 직선 모션에 대한 위치 변화 파라미터와 회전 변화 파라미터를 구한다. 위치 변화 파라미터에는 x_w 방향으로의 변위량 d_x와 y_w 방향으로의 변위량 d_y가 있다. 회전 운동 파라미터로는 s_rot 기준의 회전 변위량 d_th가 있다.

① dir 구하기

dir은 해당 모션이 y_w 방향으로 움직일 지 혹은 -y_w방향으로 움직일지를 결정한다. 본 위빙 기능은 최초 모션이 y_w를 향한다.

i_mot이 짝수인 경우

dir = 1

i_mot이 홀수인 경우

dir = -1

② d_x, d_y 구하기

i_mot = 0일 경우

d_remain > 0.25 * PITCH일 경우

d_x = 0.25 * PITCH

d_y = 0.5 * WIDTH * dir

d_remain ≤ 0.25 * PITCH일 경우

d_x = d_remain

d_y = 0 * dir

i_mot !=0일 경우

d_remain > 0.5 * PITCH일 경우

d_x = 0.5 * PITCH

d_y = WIDTH * dir

d_remain ≤ 0.5 * PITCH일 경우

d_x = d_remain

d_y = 0.5 * WIDTH * dir

③ d_th 구하기

d_th는 해당 단위 모션에서 s_rot 기준으로 회전하는 각도를 의미한다. 또한 자세 변화를 원하지 않는 경우 사용자는 D_ROT=0으로 입력할 수 있는데 이러한 경우 아래에 의해 d_th = 0으로 되어 자세 변화가 발생하지 않게 된다.

D_ROT ≤ d_work일 경우

d_th = 0

D_ROT ≤ d_work + dx일 경우

d_th = D_TOTAL * (D_ROT - d_work) / D_ROT

D_ROT > d_work + dx일 경우

d_th = D_TOTAL * dx / D_ROT

④ 직선 모션 설정

p_i, s_rot, d_th, vel를 이용하여 직선 모션 모듈을 초기화한다. 여기에서 p_i는 i번째 모션이 종료하였을 때의 위치값을 의미하며 다음과 같이 구할 수 있다. 여기에서 직선 모션 모듈에 대한 구현에 대해서는 언급하지 않는다.

p_i = p_a + d_x*x_w + d_y*y_w

⑤ 모션 인덱스 갱신

모션 인덱스 i_mot에 1을 더한다.

11) 위빙모드 설정(MOTION_MODE / LAST_MOTION_MODE)

Dwell 계획이 끝난 후

위빙모드 = DWELL_MODE

모션계획이 끝난 후, i_mot = 0일 경우,

d_remain > 0.25 * PITCH일 경우

위빙모드 = MOTION_MODE

d_remain ≤ 0.25 * PITCH일 경우

위빙모드 = LAST_MOTION_MODE

모션계획이 끝난 후, i_mot !=0일 경우,

d_remain > 0.5 * PITCH일 경우

위빙모드 = MOTION_MODE

d_remain ≤ 0.5 * PITCH일 경우

위빙모드 = LAST_MOTION_MODE

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 회전위빙 구간을 최소화하여 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서만 자세 변화를 일으키고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 자세를 일정하게 유지함으로써 로봇 작업성과 용접 품질을 보다 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 용접 대상물을 용접하기 위한 용접 로봇의 위빙 모션을 수행하는 방법으로서,
   용접 로봇의 용접 토치가 용접 대상물 주위의 구조물과 충돌하는 구간에서는 충돌 방지를 위하여 용접 토치의 자세를 변경하고, 그 이외의 나머지 구간에서는 용접 토치의 자세를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   용접 토치가 용접 시작 위치에서 주위 구조물과 충돌하는 경우,
   상기 용접 토치가 주위 구조물과 충돌하지 않는 시작 자세로 용접 로봇을 시작 위치에 위치시키는 단계와;
   상기 용접 로봇에 용접 종료 위치, 종료 자세, 회전위빙 거리 및 위빙 파라미터를 입력한 후 위빙을 수행하면 시작 위치로부터 회전위빙 거리에 따른 회전위빙 구간동안 용접 토치가 위빙 파라미터에 따라 시작 자세에서 종료 자세로 위빙을 수행하면서 변경되는 단계와;
   상기 회전위빙 구간 이후부터 종료 위치까지의 고정위빙 구간동안 용접 토치가 고정된 종료 자세로 위빙을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   용접 토치가 용접 종료 위치에서 주위 구조물과 충돌하는 경우,
   상기 용접 토치가 주위 구조물과 충돌하지 않는 시작 자세로 용접 로봇을 시작 위치에 위치시키는 단계와;
   상기 용접 로봇에 용접 종료 위치, 종료 자세, 고정위빙 거리 및 위빙 파라미터를 입력한 후 위빙을 수행하면 시작 위치로부터 고정위빙 거리에 따른 고정위빙 구간동안 용접 토치가 고정된 시작 자세로 위빙을 수행하는 단계와;
   상기 고정위빙 구간 이후부터 종료 위치까지의 회전위빙 구간동안 용접 토치가 위빙 파라미터에 따라 시작 자세에서 종료 자세로 위빙을 수행하면서 변경되는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용접 로봇의 위빙 모션 수행 방법.

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