KR20210003146A - 비파괴 검사를 위한 로봇 시스템 및 방법 - Google Patents

비파괴 검사를 위한 로봇 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템으로서, 검사 대상의 표면에 NDT를 수행하는 변환기 홀더 및 NDT 변환기; 상기 NDT 변환기의 미리 정의된 궤적을 저장하는 메모리; 검사 대상의 표면과 NDT 변환기 및/또는 변환기 홀더 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 측정을 제공하는 힘 감지 장치; 상기 미리 정의된 궤적에 기초하여 작동 신호를 생성하는 제어기; 및 상기 작동 신호에 기초하여 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 배향을 제어하는 위치 결정 장치를 포함한다. 따라서, 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향과 NDT 변환기 및/또는 변환기 홀더와 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트는 NDT 측정의 품질을 향상시키기 위해 자동으로 조정될 수 있다.

Description

비파괴 검사를 위한 로봇 시스템 및 방법
본 발명은 검사 대상(test object)의 비파괴 검사(non-destructive testing)(NDT)를 위한 로봇 시스템(robot system) 및 로봇 시스템을 이용한 검사 대상의 NDT 방법에 관한 것이다.
NDT는 산업에서 손상을 일으키지 않고 재료, 구성 요소 또는 시스템의 특성을 평가하는 데 사용되는 광범위한 분석 기술 그룹이다.
초음파 검사(Ultrasonic testing)(UT)는 NDT에서 가장 널리 사용되는 기술 중 하나이다. UT는 검사할 대상 또는 재료에 초음파 전파를 기반으로 하며 공동 또는 재료 결함과 같은 밀도 또는 탄성의 불균일성(inhomogeneities)을 감지하는 데 사용할 수 있다. 예를 들면, UT는 판금 스탬핑 및 조립 작업의 품질을 확인하는 데 사용할 수 있다. 특히, 특정 차량 도어 유형은 문 에지를 따라 접착, 겹치기 및 용접되는 금속 시트 내부 및 외부 부품으로 구성되며 UT는 올바른 접착 결합을 확인하기 위해 수행된다.
UT에서, 진단(diagnostic) 또는 측정(measurement) 처리 시스템(processing system)에 연결된 초음파 변환기(ultrasound transducer)가 조사될 대상을 통과한다. 변환기(transducer)는 일반적으로 침수 검사에서와 같이 접촉 매질(couplant)(예를 들어, 오일) 또는 물에 의해 검사 대상과 분리된다.
휴대용 진단 시스템(portable diagnostic system)과 휴대용 변환기(hand-held transducer)가 있는 수동 UT는 일반적으로 구현하기 가장 간단하고 비용이 적게 드는 기술이다. 수동 UT에서 작업자는 일반적으로 디스플레이 또는 측정 처리 시스템에 연결된 그래픽 디스플레이에서 파형을 모니터링 하면서 검사 대상의 표면을 따라 변환기를 이동한다. 수동 UT는 숙련된 작업자(operator)의 세심한 주의가 필요하다. 따라서 특히 조사될 대상이 조밀하거나 전체 범위가 필요할 때 힘들고 느리다. 거칠거나 불규칙한 모양, 매우 작거나 얇거나 균질하지 않은 검사 대상은 검사하기 어려운 것으로 알려져 있다.
위상 배열(Phased array)(PA) 초음파는 프로브를 이동하지 않고 전자적으로 PA 프로브의 빔을 집중 및 스위핑 하여 대량의 재료를 검사할 수 있는 UT의 고급 방법이다. PA 프로브는 여러 개의 소형 변환기로 구성되어 있으며 각 변환기는 개별적으로 펄스 할 수 있으므로 빔을 제어할 수 있다. 따라서 PA-UT는 검사 프로세스의 속도를 높일 수 있지만, PA 프로브(PA probe)는 일반적으로 하나의 변환기만 포함하는 모놀리식 프로브(monolithic probe) 보다 크고, 및 따라서 공간 제약이 있는 일부 애플리케이션에서는 사용하기에 적합하지 않을 수 있다.
검사 결과의 검사 및 문서화에 필요한 시간 때문에 수동 검사는 일반적으로 검사 대상의 100 % 조사에 실용적이지 않기 때문에, 자동화된 NDT, 특히 자동화된 UT 솔루션이 개발되었다. 자동화된 UT는 일반적으로 물 분사기, 물이 채워진 커플링 박스 또는 수조가 있는 하나 이상의 변환기를 사용하여 음향 커플링을 유지한다. 일반적으로, 하나 이상의 변환기 및/또는 검사 대상은 로봇과 같은 하나 이상의 위치 결정 장치의 최종 작용체(end effector)에 부착되어 하나 이상의 변환기와 검사 대상 사이의 상대 운동을 생성한다.
물 분사장치(squirter)가 있거나 검사 대상이 물에 잠겨 있는 자동화된 UT 솔루션은 변환기와 검사 대상 간의 접촉이 필요하지 않다는 장점이 있다. 그러나 이러한 솔루션이 항상 실용적이거나 비용 효율적인 것은 아니다.
비접촉식 UT의 예가 US 2011/000299 A1에 공개되어 있으며, 여기서 초음파 변환기가 물체의 결함 검출에 사용된다. 또한, 이 예에서, 초음파 변환기는 물체에 대한 초음파 변환기의 거리와 기울기를 계산하는 데 사용된다.
다른 자동화된 UT 솔루션은 여전히 변환기와 검사 대상 간의 접촉이 필요하다. 이러한 솔루션에서, 변환기를 검사 대상을 따라 이동하면서 고품질 UT 측정을 보장하기 위해 적절한 접촉을 유지하려면 일반적으로 변환기와 검사 대상 간의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트(contact forces and/or contact moment)를 제어하는 몇 가지 방법이 필요하다. 이러한 방법은 예를 들어 스프링을 사용하는 수동적이거나 로봇 공학에서 알려진 기술인 로봇 팔의 하이브리드 위치/힘 제어를 사용하여 능동적 일 수 있다. 접촉력 및/또는 모멘트가 측정되어 로봇 제어 시스템에 피드백 되거나 둘 다의 조합으로 제공된다.
또한, 로봇 공학의 알려진 기술은, 표면 또는 에지를 따라 가면서 변환기와 검사 대상 사이에 필요한 상대 동작을 라인 상에 생성하는 자동 표면 또는 에지 추적 제어기에서 측정된 접촉력 및/또는 모멘트를 사용할 수 있게 한다.
그러나, 변환기와 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트를 수동 또는 능동적으로 제어하더라도, 특히 검사 대상의 일부가 거칠거나 불규칙한 모양이거나 매우 작거나 얇거나 균질하지 않은 경우, 변환기를 검사 대상을 따라 이동하는 동안 고품질 UT 측정을 보장하기 위해 항상 적절한 접촉을 유지할 수 있는 것은 아니다.
본 발명의 목적은 최신 기술의 단점 중 하나 이상을 해결하는 검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템을 제공하는 것이다.
이 목적은 검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템으로 본 발명에 따라 달성된다.
로봇 시스템은: 검사 대상의 표면에서 NDT를 수행하도록 구성된 NDT 변환기가 있는 최종 작용체(end effector) - 최종 작용체에는 바람직하게는 NDT 변환기를 고정하도록 구성된 변환기 홀더가 제공됨 -; 검사 대상의 표면을 따라 상기 NDT 변환기의 미리 정의된 궤적을 저장하도록 구성된 메모리; 검사 대상의 표면과 NDT 변환기 및 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트(contact forces and/or contact moment)의 측정을 제공하도록 구성된 힘 감지 장치(force-sensing device); 다음을 포함하는 제어기(controller); NDT 피드백 신호(NDT feedback signal)를 생성하기 위해 상기 NDT 변환기의 측정을 처리하도록 구성된 NDT 모듈(NDT module); 상기 미리 정의된 궤적, 상기 NDT 피드백 신호 및 상기 힘 피드백 신호에 기초하여 힘 및 작동 신호를 생성하기 위해 상기 힘 감지 장치의 측정을 처리하도록 구성된 힘 감지 모듈(force-sensing module); 및 작동 신호에 기초하여, 바람직하게는 로봇 암과 같은 제어된 다중 위치 결정 장치인, 검사 대상과 NDT 변환기 및 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 구성된 위치 결정 장치를 포함한다.
결과적으로, 최적의 NDT 측정 품질을 제공하기 위해 검사 대상의 표면에 대한 원하는 접촉력 및/또는 모멘트와 NDT 변환기의 최적 위치 및/또는 방향에 의해 구체화함으로써, 로봇 시스템은 동시에 검사 대상의 표면과 NDT 변환기의 표면과 변환기 홀더의 표면 중 적어도 하나의 사이에 적절한 접촉 압력 분포를 제공하기 위하여 접촉력/모멘트 측정 및 NDT 측정의 피드백을 결합한다.
힘/모멘트 피드백과 NDT 피드백의 가능한 및/또는 최적의 조합은 검사 대상 표면, NDT 변환기 및 변환기 홀더 사이의 특정 접촉 구성에 따라 다르다.
예를 들면, NDT 변환기와 검사 대상 사이의 접촉 영역이 한 방향으로 더 넓고 다른 방향으로 더 좁다면, 면외 접촉 모멘트(out-of-plane contact moment)는 일반적으로 한 방향에서 더 큰 크기를 가지며 다른 방향에서는 더 작다. 접촉 모멘트가 힘 감지 장치에 의해 충분한 정확도로 측정될 만큼 충분히 큰 경우, 측정된 모멘트의 피드백을 사용하여 해당 회전 방향에서 검사 대상의 표면을 기준으로 NDT 변환기를 배치할 수 있다. 그러나, 접촉 모멘트가 너무 작아서 충분한 정확도로 측정할 수 없는 경우, 측정된 순간의 피드백을 사용할 수 없다. NDT 변환기의 피드백을 사용하여 검사 대상의 표면을 기준으로 NDT 변환기의 방향을 지정하는 것이 좋다. 다른 경우, 힘 피드백과 NDT 피드백을 같은 방향으로 결합하는 것이 유리할 수 있다.
일부 응용에서, NDT 변환기는 위치 결정 장치의 최종 작용체에 연결된 변환기 홀더로 고정되며, NDT 변환기에 추가하여, 안내 시스템의 수단, 예를 들어 홀더 및 또한 그에 따라 변환기를 안내하는 안내 바퀴에 의해, 검사 대상의 표면 상의 움직임에서 검사 대상의 표면과 접촉한다. 주목할 만한 예는 검사할 대상의 에지를 따라 NDT 변환기를 안내하도록 구성된 홀더이다. 이러한 응용에서, NDT 변환기와 검사 표면 사이의 접촉력/모멘트 외에, 또한 홀더의 위치와 방향을 제어하는 데 사용할 수 있는 홀더와 검사 표면 사이의 접촉력/모멘트가 있으며, 따라서 검사 표면의 에지와 관련하여 NDT 변환기도 마찬가지이다.
이러한 피드백 신호를 사용하여, 로봇 시스템은 다음과 같은 상황에서 고품질 NDT 측정을 제공할 수 있다: 미리 정의된 궤적과 실제 검사 대상 구조를 생성하는 데 사용된 CAD 모델 또는 포인트 클라우드 모델 간의 편차; 검사 대상의 모델링 된 위치 및/또는 방향과 실제 위치 및/또는 방향 사이의 오정렬; 최종 작용체의 미리 정의된 궤적과 실제 실행 궤적 사이의 편차; 및/또는 형상 또는 거칠기 측면에서 검사 대상의 국부적 인 표면 불규칙성. 더욱이, 이 고품질 NDT 측정은 물에서 검사 대상의 물 분사 또는 담금 없이도 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 로봇 시스템의 힘 감지 장치는 힘 변환기(force transducer) 및/또는 최종 작용체에 장착된 토크 변환기(torque transducer)를 포함한다. 또는, 로봇 시스템의 힘 감지 기능은 위치 결정 장치에 통합된 하나 이상의 토크 변환기에 의해, 예를 들어 위치 결정 장치로 작동하는 로봇 암의 하나 이상의 관절 내에서 제공될 수 있다. 더욱이, 로봇 시스템의 힘 감지 기능은 또한 로봇 암의 하나 이상의 전기 조인트 액추에이터에서 전류 측정에 의해 제공될 수 있다. 힘 감지를 위한 다른 수단도 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어기는 또한 상기 힘 감지 장치 및/또는 NDT 측정의 측정에 기초하여 상기 미리 정의된 궤적을 수정하도록 구성되고, 메모리는 수정된 궤적을 저장하도록 추가로 구성된다. 또한, 미리 정의된 궤적은 또한 동일한 검사 대상 또는 유사한 모양의 여러 검사 대상에서 수행된 여러 NDT 시퀀스에서 발생하는 NDT 변환기의 적응된 위치 및/또는 방향의 통계에 따라 수정될 수 있다.
이는 로봇 시스템이 후속 NDT를 위해 미리 정의된 궤적에서 시작되기 때문에 여러 개의 유사한 검사 대상 또는 그 일부를 검사해야 하는 상황에서 특히 유용하다.
또한, 위치 결정 장치에 대한 미리 정의 및/또는 수정된 궤적은 고정 좌표계에 대한 참조없이 검사 대상의 국부 형상(local shape)을 나타내는 방식으로 메모리에 저장될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 이 국부 형상은 미분 기하학에서 알려진 국부적 곡률 정보를 통해 표현된다. 따라서, 이러한 궤적은 검사 대상의 위치 및/또는 방향의 부정확성과 무관하다. 다시 말해, 검사 대상이 올바르게 배치 및/또는 방향이 지정되지 않은 경우 측정된 접촉력/모멘트 및 NDT 측정을 기반으로 한 피드백을 제공하는 로봇 시스템은 검사 대상의 표면을 정확하게 따라 가고 및 NDT 검사를 적절하게 수행할 수 있다. 결과적으로, 정확하고 일반적으로 비용이 많이 드는 검사 대상 위치 결정 시스템이 필요하지 않다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 힘 감지 장치의 측정에 기초한 자동 표면 추적 알고리즘(automatic surface tracking algorithm) 또는 자동 에지 추적 알고리즘(automatic edge tracking algorithm)을 사용하여 상기 미리 정의된 궤적의 적어도 일부를 생성하도록 구성된 궤적 생성 모듈(trajectory generation module)을 더 포함한다.
이 실시예에서, 미리 정의된 궤적은 상세한 기하학적 모델(geometric model)을 기반으로 생성되지 않는다. CAD 모델(CAD model)이나 검사 대상의 포인트 클라우드 모델(point cloud model)과 같은, 그러나 NDT 변환기와 검사 대상 표면 사이의 측정된 접촉력 및/또는 모멘트를 사용하는 자동 표면 및/또는 에지 추적 제어 알고리즘(tracking control algorithm)을 사용하여 생성된다. 이러한 추적 제어 알고리즘은 일반적으로 학습 또는 프로그래밍 단계에서 사용된다. 표면은 이중으로 구부러지거나 구부러지지 않을 수 있다(즉, 한 방향 또는 두 방향으로 구부러짐). 결과적으로 상세한 기하학적 모델을 사용할 수 없거나 로봇 궤적을 생성하는 데 사용할 수 없는 경우 로봇 시스템은 여전히 NDT를 수행할 수 있다. 더욱이, 이것은 로봇 궤적의 보다 직관적인 프로그래밍을 허용할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 궤적 생성 모듈은 상기 힘 감지 장치의 측정에 기초하여 검사 대상의 국부 형상을 결정하도록 추가로 구성되고, 제어기는 미리 정의된 또는 학습된 궤적에 표현된 국부 형상과 검사 대상의 측정된 국부 형상을 비교함으로써 검사 대상에 대한 NDT 센서의 위치를 결정하도록 추가로 구성된다.
이 바람직한 실시예는 검사 대상이 정확하게 위치하지 않거나 로봇 시스템에서 위치 오류가 발생할 때, 시스템은 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 실제 위치를 고려할 수 있다. 이런 식으로, 부정확한 위치는 자동으로 보정될 수 있으며, 이는 표면 또는 에지 추적의 품질을 향상시키고 결과적으로 NDT 측정의 품질을 향상시킨다. 동시에, 측정이 수행되는 속도도 증가할 수 있다. 힘 감지 장치의 측정을 기반으로 검사 대상의 국부 형상을 결정하도록 구성된 궤적 생성 모듈은 데메이 에스.(Demey S.), 브루이닌크 에이치.(Bruyninckx H.), 드 셔터 제이.(De Schutter J)(1997), "모델 기반 평면 윤곽선 포즈 및 모델 오류가 있는 경우(Model-based planar contour following in the presence of pose and model errors)”, 로보틱스 리서치 국제 저널(International Journal of Robotics Research), 16(6), 840-858. 디오아이(doi):10.1177/027836499701600608에 기재되어 있다.
본 발명의 대안적인 실시예에서 미리 정의된 궤적은 검사 대상의 기하학적 모델, 특히 CAD 모델 또는 포인트 클라우드 모델에 기초한다.
이렇게 하면 미리 정의된 궤적을 생성하기 위해 학습 또는 프로그래밍 단계를 수행할 필요가 없다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 검사 대상의 기하학적 모델은 자동 표면 추적 및/또는 에지 추적 제어 알고리즘과 결합될 수 있다. 이 실시예에서, 표면 추적 및/또는 에지 추적 제어 알고리즘은 사용 가능한 기하학적 모델을 초기 정보로 통합한다. 따라서, 궤적은 검사 대상의 초기 근사 기하학적 모델을 사용하여 자동 추적 중에 더 빠르고 정확하게 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 NDT 변환기는 초음파 검사(UT)를 수행하도록 구성된 초음파 NDT 변환기를 포함한다. UT는 검사될 대상 또는 재료의 초음파 전파를 기초로 일반적으로 사용되는 비파괴 검사 방법이다. 일반적인 응용 분야는 검사 대상의 두께를 측정하는 것이다. 다른 응용 분야에는 동공 또는 재료 결함과 같은 재료의 밀도 또는 탄성의 불균일성 검출이 포함된다. UT는 철강 및 알루미늄 건설, 야금, 제조, 항공 우주, 자동차 및 기타 운송 부문을 포함한 많은 산업에서 사용된다.
또는, NDT 측정은 초음파 측정 이외의 측정 기술에 해당한다. UT 또는 기타 NDT는 모두 NDT 변환기와 검사 대상 표면 사이의 접촉을 요구할 수도 있고 필요하지 않을 수도 있다. 후자의 경우에, 예를 들어, 변환기 홀더가 원하는 접촉력 및/또는 접촉 모멘트를 갖도록 변환기 홀더의 위치 및/또는 방향을 제어함으로써, 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 제어는 필요하지 않고 변환기와 검사 대상 표면 사이의 거리 및 상대적인 방향의 제어로 대체될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 위치 결정 장치는 접촉력 및/또는 접촉 모멘트와 함께 최종 작용체의 위치 및/또는 방향을 특히 동시에 제어하도록 구성된 하이브리드 모션/힘 제어 시스템(hybrid motion/force control system)을 포함한다.
대안적으로, 위치 결정 장치는 접촉력 및/또는 접촉 모멘트와 함께 최종 작용체의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 구성된 임피던스 제어기 또는 어드미턴스 제어기(impedance controller or an admittance controller)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 변환기 홀더는 검사 대상의 표면과 접촉하도록 구성되고, 위치 결정 장치는, 상기 작동 신호에 기초하여, 변환기 홀더와 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 구성된다. 바람직하게, NDT 변환기는 또한 검사 대상의 표면과 접촉하도록 구성되어 있고, 작동 신호에 기초하여, 위치 결정 장치는 NDT 변환기와 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, NDT 변환기는 검사 대상의 표면과 접촉하도록 구성되어 있고, 작동 신호에 기초하여, 위치 결정 장치는 NDT 변환기와 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 더 구성된다.
본 발명의 목적은 최신 기술의 단점 중 하나 이상을 해결하는 검사 대상의 비파괴 검사(NDT) 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 전술한 로봇 시스템을 사용하는 검사 대상의 NDT 방법으로 본 발명에 따라 달성된다. 이 방법은: 상기 미리 정의된 궤적의 적어도 일부를 로딩 하는 단계; 위치 결정 장치에 의해, 검사 대상의 표면의 일부를 따라 NDT 변환기를 이동하는 단계; NDT 변환기에 의해, 검사 대상의 표면의 상기 일부의 NDT 측정을 생성하는 단계; 제어기에 의해, 상기 NDT 측정을 처리하는 단계; 제어기에 의해, 상기 NDT 피드백 신호를 생성하는 단계; 힘 감지 장치에 의해, 검사 대상의 표면의 상기 일부와 NDT 변환기 및 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 측정을 생성하는 단계; 제어기에 의해, 상기 힘 측정을 처리하는 단계; 제어기에 의해, 상기 힘 피드백 신호를 생성하는 단계; 및 위치 결정 장치에 의해, 미리 정의된 궤적, 미리 정의된 궤적, NDT 피드백 신호 및 힘 피드백 신호에 기초하여 검사 대상과 NDT 변환기 및 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 검사 대상에 대한 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하는 단계를 포함한다.
이 방법은 위에서 설명한 로봇 시스템과 동일한 장점이 있으며, 특히 다음이 존재하는 경우 고품질 NDT 측정을 제공한다: 미리 정의된 궤적과 실제 검사 대상 구조를 생성하는 데 사용된 CAD 모델 또는 포인트 클라우드 모델 간의 편차(deviation); 검사 대상의 모델링 된 위치 및/또는 방향과 실제 위치 및/또는 방향 사이의 오정렬(misalignment); 최종 작용체의 미리 정의된 궤적과 실제 실행 궤적 사이의 편차(deviation); 및/또는 형상 또는 거칠기 측면에서 검사 대상의 국부 표면 불규칙성(local surface irregularities). 더욱이, 이 고품질 NDT 측정은 물에 분사 또는 검사 대상을 담그지 않고도 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 NDT 피드백 신호 및/또는 상기 힘 피드백 신호는 연속적으로 생성된다. 다시 말해, NDT 변환기의 위치 및/또는 방향은 NDT 측정 및/또는 측정된 접촉력 및/또는 접촉 모멘트에 기초하여 연속적으로 조정될 수 있다.
이 실시예에서, NDT 모듈 및/또는 힘 감지 모듈로부터의 하나 이상의 NDT 피드백 신호를 기초로 하는 표면 추적 및 위치/방향 적응이 동시에 수행되어, 결과적으로 미리 정의된 궤적에 따라 표면을 따르는 동안 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향이 지속적으로 조정된다.
방향이 수정되어야 하는 방향을 명확하게 하기 위해, 예를 들어 하나 이상의 NDT 피드백 신호에 충분한 정보가 존재하지 않는 일부 경우에, 일반적으로 활성 감지 신호라고 하는 추가 신호가 미리 정의된 궤적에 중첩될 수 있다. NDT 변환기의 방향을 조정하기 위한 수정 방향은 활성 감지 신호와 NDT 모듈의 하나 이상의 NDT 피드백 신호 간의 상관 관계에서 찾을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, NDT 모듈 및/또는 힘 감지 모듈로부터의 하나 이상의 NDT 피드백 신호에 기초한 표면 추종 및 위치/방향 적응이 간헐적으로 수행된다. 다시 말해, NDT 변환기의 위치 및/또는 방향은 불연속적인 방식으로 조정된다. 그런 경우, 제어기는 일반적으로 표면 추적 모드와 적응 모드 사이에서 번갈아 가며 나타난다. 그리하여, 로봇 시스템은, 예를 들어 NDT 모듈의 하나 이상의 NDT 피드백 신호를 기반으로 계산된 품질 측정에 의해 표시되는 NDT 측정의 품질이 로봇 시스템을 표면 추적 모드에서 적응 모드로 전환할 때까지, 미리 정의된 궤적 및/또는 힘 피드백 신호에 해당하는 병진 및 속도로 검사 대상 표면에 대해 NDT 변환기를 계속 이동한다. 적응 모드에서, 로봇 시스템은 NDT 품질 측정을 모니터링하면서, 연속적으로 또는 동시에 하나 이상의 방향으로 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 변경하여 표면에 대한 NDT 변환기의 허용 가능, 개선 또는 최적 위치 및/또는 방향을 찾는다(예를 들어, NDT 센서의 접촉면과 작업물 표면의 평행 정렬). 수용 가능, 개선 또는 최적의 위치 및/또는 방향이 발견되면, 제어기는 다시 표면 추적 모드로 전환되고 NDT 변환기는 미리 정의된 궤적에 해당하는 병진 및 회전 속도로 표면에 대한 궤적을 다시 시작하지만, 이제는 하나 이상의 방향에서 조정된 위치 및/또는 방향을 사용한다.
본 발명은 다음의 설명 및 첨부된 도면에 의해 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하드웨어 설정 및 알고리즘 흐름도를 도시한다.
도 2는 NDT 변환기를 사용하여 검사 대상의 표면을 따라 가면서 특정 시점의 로봇 시스템 이미지를 보여준다.
본 발명은 특정 실시예 및 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 청구 범위에 의해서만 제한된다. 설명된 도면은 도식일 뿐이며 제한이 없다. 도면에서, 일부 요소의 크기는 과장될 수 있으며 설명을 위해 축척으로 그려지지 않을 수 있다. 치수 및 상대적 치수는 본 발명을 실시하기 위한 실제 축소와 반드시 일치하는 것은 아니다.
더욱이, 설명 및 청구 범위에서 용어 제1, 제2, 제3 등은 유사한 요소를 구별하기 위해 사용되며 반드시 순차적 또는 연대순을 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 용어는 적절한 상황에서 상호 교환 가능하며 본 발명의 실시예는 여기에 설명되거나 예시된 것과 다른 순서로 작동할 수 있다.
[13]
또한, 설명 및 청구 범위에서 용어 상단, 하단, 위, 아래 등은 설명 목적으로 사용되며 반드시 상대 위치를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어는 적절한 상황에서 상호 교환 가능하며 여기에 설명된 본 발명의 실시예는 여기에 설명되거나 예시된 것과 다른 방향으로 작동할 수 있다. 더욱이, 다양한 실시예는 비록 "바람직하게"로 언급되지만, 본 발명의 범위를 제한하기 보다는 본 발명이 구현될 수 있는 예시적인 방식으로 해석되어야 한다.
여기에 사용된 바와 같이, "모듈"이라는 용어는 하드웨어(예를 들어, 집적 회로 또는 기타 회로와 같은 프로세서) 및 소프트웨어(예를 들어, 기계 또는 프로세서 실행 가능 명령, 명령 또는 펌웨어, 프로그래밍 또는 개체 코드와 같은 코드)의 조합을 나타낸다. 또한, 하드웨어와 소프트웨어의 조합에는 하드웨어 만(예를 들어, 소프트웨어 요소가 없는 하드웨어 요소), 하드웨어에서 호스팅 되는 소프트웨어(예를 들어, 메모리에 저장되고 프로세서에서 실행되거나 해석되는 소프트웨어) 또는 소프트웨어가 호스팅 된 하드웨어가 포함될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 프로세서 판독 가능 매체(processor-readable medium)는 명령, 코드, 데이터 또는 기타 정보를 비 일시적으로 저장하고 프로세서에 직접 또는 간접적으로 액세스 할 수 있는 임의의 매체이다. 다시 말해, 프로세서 판독 가능 매체는 프로세서가 명령, 코드, 데이터 또는 기타 정보에 액세스 할 수 있는 비 일시적 메모리이다. 비 제한적인 예로서, 메모리는 휘발성 메모리(Random Access Memory)(RAM), 하드 디스크 드라이브 또는 솔리드 스테이트 드라이브와 같은 영구 데이터 저장소, 컴팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD), 보안 디지털(Secure Digital™)(SD) 카드, 멀티미티어(MultiMediaCard) 카드(MMC), 컴팩트플래쉬(CompactFlash™)(CF) 카드 또는 이들의 조합이 될 수 있다. 다시 말해, 메모리는 여러 프로세서 판독 가능 매체를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 메모리는 프로세서와 통합되거나, 프로세서와 별개로, 또는 컴퓨팅 시스템 외부에 있을 수 있다.
[14]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하드웨어 설정 및 알고리즘 흐름도를 도시한다. 이 실시예에서: 로봇 시스템(robot system)은 최종 작용체(end effector)(2)가 있는 로봇 암(robot arm)(1); 검사 대상(5)의 표면과 접촉하고 변환기 홀더(transducer holder)(3)에 의해 로봇 최종 작용체(2)에 장착되는 NDT 변환기(NDT transducer)(4); NDT 변환기(4)에 의해 제공되는 NDT 측정 신호(NDT measurement signal)(14); NDT 측정 신호(14)를 입력으로서 수신하고 이 입력에 기초하여 NDT 피드백 신호(NDT feedback signal)(7)를 생성하는 NDT 모듈(NDT module)(6); 미리 정의된 로봇 궤적(predefined robot trajectory)(11) 및 NDT 피드백 신호(7)를 입력으로 수신하고 두 입력에 기초하여 적응된 로봇 궤적(adapted robot trajectory)(12)을 생성하는 방법(10), 즉, 12는 최종 작용체의 위치 및/또는 방향이 미리 정의된 궤적(predefined trajectory)(11)에 대해 수정되거나 수정되지 않을 수 있는 로봇 궤적이다; NDT 변환기와 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 측정 값(8)을 제공하는 힘 감지 기능(force-sensing capability); 적응된 로봇 궤적(12) 및 힘/모멘트 측정치(8), 즉 힘 피드백 신호를 입력으로서 수신하고 두 입력에 기초하여 로봇에 대한 작동 신호(actuation signal)(13)를 생성하는 하이브리드 위치/힘 제어기(hybrid position/force controller)(9)를 포함한다.
도 2는 NDT 변환기를 사용하여 검사 대상의 표면을 따라 가면서 특정 시점의 로봇 시스템 이미지를 보여준다. 특히, 도는: 최종 작용체(2)가 있는 로봇 암(1); 검사 대상(5)의 표면과 접촉하고 변환기 홀더(3)를 통해 로봇 최종 작용체(2)에 장착되는 NDT 변환기(4)를 보여준다. 본 개시 내용의 양태가 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 이러한 양상들은 다른 형태로 구현될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템에 있어서,
    상기 로봇 시스템은:
    - 상기 검사 대상의 표면에서 NDT를 수행하도록 구성된 NDT 변환기가 있는 최종 작용체 - 상기 최종 작용체는 바람직하게는 상기 NDT 변환기를 고정하도록 구성된 변환기 홀더가 제공됨 -;
    - 상기 검사 대상의 표면을 따라 상기 NDT 변환기의 미리 정의된 궤적을 저장하도록 구성된 메모리;
    - 상기 검사 대상의 표면과 상기 NDT 변환기 및 상기 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 측정을 제공하도록 구성된 힘 감지 장치;
    - 다음을 포함하는 제어기:
    - NDT 피드백 신호를 생성하기 위해 상기 NDT 변환기의 측정을 처리하도록 구성된 NDT 모듈;
    - 힘 피드백 신호를 생성하기 위해 상기 힘 감지 장치의 측정을 처리하도록 구성된 힘 감지 모듈; 및
    - 상기 미리 정의된 궤적, 상기 NDT 피드백 신호 및 상기 힘 피드백 신호에 기초하여 작동 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성 모듈; 및
    - 상기 작동 신호에 기초하여, 상기 검사 대상과 상기 NDT 변환기 및 상기 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 상기 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 구성된 위치 결정 장치
    를 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 힘 감지 장치는 상기 위치 결정 장치 상에 또는 내부에 장착된 적어도 하나의 토크 변환기
    를 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 힘 감지 장치는 최종 작용체에 장착된 힘 변환기
    를 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 힘 감지 장치의 측정에 기초하여 상기 미리 정의된 궤적을 수정하도록 더 구성되고, 상기 메모리는 상기 수정된 궤적을 저장하도록 더 구성되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 NDT 측정에 기초하여 상기 미리 정의된 궤적을 수정하도록 구성되고, 상기 메모리는 상기 수정된 궤적을 저장하도록 더 구성되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 힘 감지 장치의 측정에 기초하여 자동 표면 추적 알고리즘 또는 자동 에지 추적 알고리즘을 사용하여 상기 미리 정의된 궤적의 적어도 일부를 생성하도록 구성된 궤적 생성 모듈
    을 더 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 궤적 생성 모듈은 상기 힘 감지 장치의 측정에 기초하여 상기 검사 대상의 국부 형상을 결정하도록 추가로 구성되고,
    상기 제어기는 상기 미리 정의된 궤적에서 표현된 상기 국부 형상과 상기 검사 대상의 측정된 상기 국부 형상을 비교함으로써 검사 대상에 대한 NDT 센서의 위치를 결정하도록 추가로 구성되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 정의된 궤적은 상기 검사 대상, 특히 CAD 모델 또는 포인트 클라우드 모델의 기하학적 모델에 기초하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 NDT 변환기는 초음파 NDT 변환기 또는 초음파 측정을 수행하도록 구성된 초음파 변환기의 위상 배열
    을 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 결정 장치는 상기 최종 작용체의 위치 및/또는 방향과 접촉력의 동시 제어를 수행하도록 구성된 하이브리드 모션/힘 제어기를 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 결정 장치는 상기 최종 작용체 및 상기 접촉력의 위치 및/또는 방향을 동시에 제어하도록 구성된 임피던스 제어기 또는 어드미턴스 제어기를 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기 홀더는 상기 검사 대상의 표면과 접촉하도록 구성되고,
    상기 작동 신호에 기초하여, 상기 위치 결정 장치는 상기 변환기 홀더와 상기 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 구성되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 NDT 변환기는 상기 검사 대상의 표면과 접촉하도록 구성되고,
    상기 작동 신호에 기초하여, 상기 위치 결정 장치는 상기 NDT 변환기와 상기 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 더 구성될 수 있는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 NDT 변환기는 상기 검사 대상의 표면과 접촉하도록 구성되고,
    상기 작동 신호에 기초하여, 상기 위치 결정 장치는 상기 NDT 변환기와 상기 검사 대상 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하도록 더 구성되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 결정 장치는 제어된 다중 자유도 위치 결정 장치, 특히 로봇 암 인
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 로봇 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 로봇 시스템을 사용하여 검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    - 상기 미리 정의된 궤적의 적어도 일부를 로딩 하는 단계;
    - 상기 위치 결정 장치에 의해, 상기 검사 대상의 표면의 일부를 따라 상기 NDT 변환기를 이동하는 단계;
    - 상기 NDT 변환기에 의해, 상기 검사 대상의 표면의 상기 일부의 NDT 측정을 생성하는 단계;
    - 상기 제어기에 의해, 상기 NDT 측정을 처리하는 단계;
    - 상기 제어기에 의해, 상기 NDT 피드백 신호를 생성하는 단계;
    - 상기 힘 감지 장치에 의해, 상기 검사 대상의 표면의 상기 일부와 상기 NDT 변환기 및 상기 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 측정을 생성하는 단계;
    - 상기 제어기에 의해, 상기 힘 측정을 처리하는 단계;
    - 상기 제어기에 의해, 상기 힘 피드백 신호를 생성하는 단계; 및
    - 상기 위치 결정 장치에 의해, 상기 미리 정의된 궤적, 상기 미리 정의된 궤적, 상기 NDT 피드백 신호 및 힘 피드백 신호에 기초하여 상기 검사 대상과 상기 NDT 변환기 및 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 제어하는 단계
    를 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 검사 대상과 상기 NDT 변환기 및 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소를 제어하는 동안, 상기 NDT 피드백 신호 및/또는 상기 힘 피드백 신호는 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향을 조정하기 위해 지속적으로 사용되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 검사 대상이 조사되고 및 상기 힘 피드백 신호 및/또는 상기 미리 정의된 궤적을 사용하는 표면 추종 모드, 및 상기 검사 대상과 상기 NDT 변환기 및 상기 변환기 홀더 중 적어도 하나 사이의 상기 접촉력 및/또는 접촉 모멘트의 적어도 하나의 구성 요소와 함께 상기 검사 대상에 대한 상기 NDT 변환기의 위치 및/또는 방향이 상기 NDT 피드백 신호 및/또는 상기 힘 피드백 신호에 기초하여 조정되는 적응 모드 사이에서 간헐적으로 변화되는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은:
    - 상기 제어기에 의해, 상기 NDT 피드백 신호 및/또는 상기 힘 피드백 신호에 기초하여 상기 미리 정의된 궤적을 수정하는 단계; 및
    - 상기 제어기에 의해, 상기 수정된 궤적을 메모리에 저장하는 단계
    를 더 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 방법.
  20. 제6항 또는 제7항에 따르는 로봇 시스템을 사용하여 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항 또는 제6항 또는 제7항에 종속하는 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따르는 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    - 상기 제어기에 의해, 상기 힘 감지 장치의 측정에 기초하여 자동 표면 추적 알고리즘 또는 자동 에지 추적 알고리즘을 사용하여 상기 미리 정의된 궤적의 적어도 일부를 생성하는 단계
    를 더 포함하는
    검사 대상의 비파괴 검사(NDT)를 위한 방법.
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