KR20210096821A - 가상현실을 이용한 용접 훈련 장치 및 훈련 방법 - Google Patents

가상현실을 이용한 용접 훈련 장치 및 훈련 방법 Download PDF

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KR20210096821A
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이희승
강동훈
김성범
김병헌
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 가상현실을 이용한 용접 훈련 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가상현실 용접 훈련 장치를 제어하는 제어부, 사용자가 상기 가상현실 환경에서 용접봉의 각도를 변경하며 용접을 실습하는 가상 용접기, 상기 가상현실 환경에서 용접을 수행하는 모재판, 상기 가상 용접기와 상기 모재판의 상대적 위치 정보를 위한 영상을 촬영하는 카메라, 및 상기 제어부의 제어에 따라 용접 아크 이미지 및 용접 사운드를 제공하는 헤드 마운트 디스플레이를 포함하여 구성되어 현실과 유사한 환경에서 안전하게 용접 훈련을 진행할 수 있다.

Description

가상현실을 이용한 용접 훈련 장치 및 훈련 방법{Welding training device and training method using virtual reality}
본 발명은 가상현실 시뮬레이션에서 용접 훈련 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로 가상현실 시뮬레이션을 이용하여 실제와 유사한 용접 교육 환경을 제공할 수 있는 용접 훈련 장치 및 훈련 방법에 관한 것이다.
실제 용접 훈련 및 용접에 익숙해지기 위한 과정에서 용접 실습생은 일정 수준의 기기 및 재료를 사용하여야 한다. 실습생은 용접 훈련을 진행함에 있어서 실제 고압의 전기 사용, 용접봉의 소모, 재료의 재활용의 불가능은 고스란히 실습생의 비용 부담으로 이어지며, 특히, 용접을 위한 고전압 및 고전류로 인한 사고의 위험에 노출되어 있다.
교육기관은 용접 중 사고로 인한 갑작스러운 비용의 소비를 막기 위하여 책임보험에 가입하여야 하며, 이로 인하여 교육생은 교육비가 증가하게 되는 문제가 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 가상 환경을 이용한 용접 훈련 시스템을 제공하는 방법을 제공하는 문헌이 공개되었으나, 이러한 방법에서는 단순한 용접봉으로 용접을 수행하는 방법만을 제공하고 있어 실제 용접환경과 유사한 환경을 제공하지 못하여 교육 및 훈련 성과가 매우 낮은 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0142850호 (2014년12월15일 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0136083호 (2015년12월04일 공개)
본 발명은 상기 기술적 과제에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접봉과 모재판의 흡착, 용접기가 다양한 각도에서의 동작, 용접 훈련을 진행함에 있어서 용접봉의 소모를 재현하는 방법을 통하여 실제 용접 환경과 동일한 체감 효과를 가져올 수 있는 용접 훈련 장치 및 훈련 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련 장치는, 상기 모재판에 위치하는 트래커, 가상현실 환경에서 상기 모재판과 협력하여 용접을 수행하는 가상 용접기, 상기 트래커의 정보로 모재판의 위치를 판단하는 카메라, 상기 모재판과 상기 가상 용접기 사이의 각도 및 상대적 위치 정보를 기반으로 용접 성공 여부를 판단하는 제어부, 상기 제어부에 의해 용접 아크 이미지를 제공하는 헤드 마운트 디스플레이를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 용접기는 IMU 센서를 포함하며 상기 제어부는 상기 IMU 센서의 센싱 정보를 기반으로 상기 가상 용접기와 상기 모재판 사이의 거리, 각도 정보를 이용하여 상대적 위치 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 모재판은 전자석을 더 포함하며, 상기 가상 용접기와의 거리 및 각도에 따라 상기 전자석을 작동시켜 상기 모재판과 상기 가상 용접기가 흡착되도록 할 수 있다.
또한, 상기 가상 용접기 또는 상기 헤드 마운트 디스플레이 중 어느 한 곳에서 용접 사운드를 제공할 수 있다.
또한, 상기 가상 용접기는 모터, MCU(Micro Controller Unit) 보드, 리셋 스위치, 전면 리미트 스위치, 후면 리미트 스위치, 용접봉을 포함할 수 있다.
또한, 상기 용접봉은 일측면이 톱니 모양으로 구성되어 하나 이상의 요철 형태를 가지며, 상기 용접봉은 상기 가상 용접기 내부에 위치하여 용접 훈련을 진행함에 따라 상기 모터에 의해 상기 용접봉의 위치가 후면 방향으로 이동되며, 상기 요철이 상기 후면 리미트 스위치에 닿으면 상기 용접봉을 다 사용한 용접봉으로 판단하여 용접 훈련을 종료하고, 상기 리셋 스위치를 누르면 상기 모터를 동작시켜 상기 용접봉의 위치를 전면 방향으로 이동시키며, 상기 요철이 상기 전면 리미트 스위치에 닿으면 상기 모터의 동작을 중지시킬 수 있다.
또한, 상기 가상 용접기는 플런저 구조를 이용하여 각도를 변경할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 가상현실 용접 훈련 방법에 있어서 가상 용접기 및 모재판의 위치를 초기화 하는 단계, 가상 용접기의 용접봉의 끝점 위치를 계산하는 단계, 상기 모재판과 상기 가상 용접기의 위치 및 각도를 계산하는 단계, 상기 가상 용접기와 상기 모재판의 거리가 기 설정된 거리 또는 각도가 기설정된 각도 이하인지 판단하는 단계, 및 상기 기설정된 거리 또는 상기 기설정된 각도 이하이면 상기 모재판의 전자석을 작동시켜 상기 가상용접봉과 상기 모재판을 흡착시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가상 용접기와 상기 모재판의 거리가 기설정된 거리 또는 각도가 기 설정된 각도 이하인지 판단하는 단계에 있어서, 상기 기설정된 거리 또는 상기 기설정된 각도 이상이면 헤드 마운트 디스플레이를 통해 용접 아크 이미지와 용접 사운드를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가상 용접기와 상기 모재판이 상기 기설정된 거리 또는 상기 기설정된 각도 이상이면 상기 가상 용접봉 내 모터에 의해 상기 용접봉이 일정 속도로 후퇴할 수 있다.
상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치는 가상현실에서 용접 훈련을 진행함에 따라 훈련 자재가 필요치 않아 불필요한 낭비를 줄이면서도 실제와 유사한 환경에서 높은 안전성을 보장받은 상태로 훈련을 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치는 잘못된 용접을 수행하는 경우 들러붙는 현상을 재현함으로써 보다 현실과 유사한 용접 훈련이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치는 실제 용접기와 유사하도록 용접기의 각도를 조절하거나 훈련을 진행함에 따라 용접봉의 길이가 자동으로 조절되어 보다 현실성 높은 훈련 환경을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치를 이용한 훈련 모습을 표현한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 가상 용접기의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 용접봉의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 모재판의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치를 이용한 훈련 모습을 표현한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 가상현실 용접 훈련장치(이하, 훈련장치)는 도 1에 도시된 바와 같이 가상 용접기(100), 모재판(200), 헤드 마운트 디스플레이(400), 카메라(500)를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 2를 참조하여 각 구성요소에 대한 설명을 하도록 한다.
가상 용접기(100)는 MCU(Micro Controller Unit)(100), 전원부(120), 리셋 스위치(130), 후면 리미트 스위치(140), 전면 리미트 스위치(150), 모터(160), IMU(Inertial Measurement Unit)센서(170), 제1 무선통신 모듈(180)로 구성되어 제어부(300)의 제어에 따라 동작할 수 있다. 가상 용접기(100)의 구체적인 동작 방법은 하기의 도 3에서 설명하도록 한다.
MCU(110)는 가상 용접기(100)가 동작하도록 제어하는 역할을 수행한다.
전원부(120)는 가상 용접기(100)에 전원을 인가하며, 배터리, 케이블, 무선전력전송 등 가상 용접기(100)에 전원을 인가할 수 있다면 그 방법을 제한하지 않는다.
IMU센서(170)는 가상 용접기(100)의 움직임에 따라 발생하는 속도와 방향, 중력, 가속도를 측정하며, 측정된 정보는 MCU(110)에 전달되어 가상 용접기(100)의 3차원적 위치를 판단할 수 있다.
IMU센서(170)는 단일 모듈로 구성되거나, 가속도 센서, 자이로스코프, 지자계 센서 등의 복수의 센서로 구성될 수 있으며, 가상 용접기(100)의 3차원 움직임을 인지할 수 있다면 센서의 종류를 한정하지 않는다.
IMU센서(170)는 가상 용접기(100)의 3차원적 위치를 기반으로 모재판(200)과의 거리 및 각도를 측정할 수 있다. 구체적으로, IMU센서(170)에서 측정한 가상 용접기(100)의 3차원 위치 정보와 카메라(500)를 이용하여 측정한 모재판(200)의 위치정보를 기반으로 가상 용접기(100)와 모재판(200) 사이의 각도 및 거리를 계산할 수 있다.
제1 무선통신 모듈(180)은 가상 용접기(100)의 동작 정보 및 훈련장치를 이용한 훈련 시작, 종료 등의 정보를 제어부(300)에 전달할 수 있다. 가상 용접기(100)의 동작 정보와 관련하여 구체적인 사항은 하기의 도 3에서 설명하도록 한다. 무선통신 모듈(180)은 와이파이(WiFi), 근거리 무선통신(NFC), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 3G, LTE 등의 무선 신호를 이용한 데이터 통신 방법이라면 제한 없이 이용이 가능하며, 전원부(120)를 이용한 전력통신 기술, 데이터 케이블을 이용한 데이터 전송기술 등의 유선 통신 방법 또한 이용할 수 있다.
전면 리미트 스위치(150) 및 후면 리미트 스위치(170)는 용접봉(190)의 위치를 감지하기 위한 것으로, 전면 리미트 스위치(150) 및 후면 리미트 스위치(170)가 용접봉(190)의 위치를 감지하여 용접봉의 위치를 조절할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 하기의 도 3을 참조하도록 한다.
또한, 가상 용접기(100)는 스피커(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 스피커(미도시)를 통하여 가상 용접기(100)가 용접을 수행하게 되면 용접 사운드를 사용자에게 제공할 수 있다.
모재판(200)은 VR 트래커(210), 전원버튼(220), 전원부(230), 전자석 드라이버(240), 전자석(250), 전자석 제어기(260), 제2 무선통신 모듈(270)로 구성될 수 있다.
VR 트래커(210)는 본 발명의 일 실시예에서는 모재판(200) 상부에 위치하고며, 있으나, 카메라(500)에 위치 신호를 전달할 수 있다면 모재판(200)의 어느 위치에도 위치할 수 있다.
훈련장치를 이용하여 훈련함에 있어서 가상 용접기(100)와 모재판(200)의 위치의 인식이 필수적이며, 이를 위하여 가상 용접기(100)와 모재판(200)의 위치를 정확하게 측정할 수 있도록 VR 트래커(210)는 가이드하는 역할을 수행한다. VR 트래커(210)는 카메라(500)에 모재판(200)의 위치를 전달하기 위하여 카메라(500)에 위치 신호를 송출하는 방법, 적외선, 가시광선, 자외선 등의 특정 대역의 광을 발산하는 방법 등의 다양한 방법을 이용할 수 있으며, 카메라(500)가 모재판(200)의 위치를 인식하도록 가이드할 수 있다면 그 방법을 제한하지 않는다.
전원버튼(220)은 모재판(200)이 On/Off 동작할 수 있도록 제어하는 버튼이며, 전원부(230)의 전원을 모재판(200)으로 전달하는 스위치 역할을 수행할 수 있다.
전원부(230)는 모재판(200)에 전원을 인가하기 위한 것으로, 전원 케이블을 이용한 전원 공급 방식 UPS를 이용한 전원 공급 방식, 자가발전 방식 등 모재판(200)의 동작을 위한 일정 수준의 전원을 공급할 수 있다는 그 방식에는 제한을 두지 않는다.
실제 용접 환경에서는 용접기를 이용하여 모재(母材)를 용접하는 과정에서 용접봉과 모재가 들러붙는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 용접봉과 모재가 들러붙는 현상은 용접의 기술 숙련도가 낮음으로 인하여 발생할 수 있으며, 용접을 처음 접하는 초보자에게 많이 발생할 수 있다. 이러한 현상이 발생하는 경우에 용접봉과 모재를 모두 다시 사용하기 어려워 그대로 버려지게 되어 불필요한 낭비가 발생하게 된다.
그러나, 이러한 들러붙는 현상이 시작되는 순간의 느낌은 용접의 기술을 숙련시키기 위해서는 필수로 필요한 감각이며, 가상현실을 이용하는 훈련장비에서 이러한 현상을 필수로 재현시킴으로써 훈련을 실시하는 사용자에게 가상현실을 보다 현실 세계와 유사하도록 일치시킴으로써 훈련의 효율을 증대시킬 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 이러한 들러붙는 현상을 재현하기 위하여 전자석(250)을 활용할 수 있다.
전자석(250)은 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 동심원 모양의 자기장이 형성되며 자기화(磁氣化)되고, 전류를 끊으면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 자석으로, 솔레노이드(solenoid), 초전도자석 등의 형태로 구성될 수 있다. 이러한 전자석(230)은 전자석 제어기(260)의 제어에 따라 전자석 드라이버(240)의 전류 인가로 동작을 수행할 수 있다.
모재판(200)에 전원이 인가되면 VR 트래커(210)는 카메라(500)로 위치 신호를 전송한다. 카메라(500)는 VR 트래커(210)의 가이드를 따라 모재판(200)의 위치를 인지하며, 가상 용접기(100)가 모재판(200)에 접근함에 따라 IMU센서(170)로 센싱한 가상 용접기(100)의 3차원 위치 정보와 카메라(500)로 측정한 모재판(200)의 위치정보를 기반으로 가상 용접기(100)와 모재판(200) 사이의 상대적 위치 정보를 제어부(300)로 전달한다. 제어부(300)는 가상 용접기(100)와 모재판(200) 사이의 상대적 위치 정보를 수신하면, 가상 용접기(100)의 용접봉 끝 부분과 모재판(200)의 모재 사이의 거리 및 각도를 계산한다.
가상 용접기(100)와 모재판(200) 사이의 거리가 기설정된 거리 이하로 너무 가깝거나, 가상 용접기(100)와 모재판(200)의 각도가 기설정된 각도 이하로 인지되면 제어부(300)는 전자석 제어기(260)에 동작 신호를 인가할 수 있다.
전자석 제어기(260)는 제어부(300)로부터 동작 신호가 인가되면, 전자석 드라이버(240)에 전류를 인가하여 전자석(250)이 자성을 가지도록 제어할 수 있다. 전자석(250)이 자성을 띄게 되면, 가상 용접기(100)의 용접봉 일측에 위치한 자성체는 전자석(250)의 자성에 의해 전자석(250)과 흡착될 수 있다.
헤드 마운트 디스플레이(400)는 제어부(300)에서 계산된 가상 용접기(100)와 모재판(200)사이의 거리 및 각도에 따라 적절한 이미지를 사용자에게 제공할 수 있다. 가상 용접기(100)와 모재판(200) 사이의 거리가 용접을 수행하기에 적절한 일정 거리를 유지하고 있으며, 각도 또한 일정 각도를 유지하고 있다면, 용접이 잘 진행되고 있다는 의미로 실제 용접 환경에서 용접이 진행됨에 따라 발생하는 아크 불꽃 및 용접 소리를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 가상 용접기(100)와 모재판(200) 사이의 거리가 일정 거리 이하이거나, 각도가 일정 각도 이하로 전자석(250)에 의해 흡착 현상이 발생하면 이에 대해 경고 메시지, 소리 등의 시각, 청각, 촉각 등의 다양한 방법을 통해 경고를 할 수 있으며, 제어부(300)에서 흡착현상의 원인을 사용자에게 메시지 창 또는 음성 안내를 통해 제공할 수 있다.
제2 무선통신 모듈(270)은 제어부(300)로부터 전자석(250)의 동작 제어 신호를 수신하거나, 모재판의 동작 정보를 송신할 수 있다. 제2 무선통신 모듈(270)은 와이파이(WiFi), 근거리 무선통신(NFC), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 3G, LTE 등의 무선 신호를 이용한 데이터 통신 방법이라면 제한 없이 이용이 가능하며, 전원부(120)를 이용한 전력통신 기술, 데이터 케이블을 이용한 데이터 전송기술 등의 유선 통신 방법 또한 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 가상 용접기의 구조를 나타내는 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 용접봉의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 가상 용접기(100)는 용접봉(190)을 포함하며, 용접봉(190)은 가상 용접기(100)을 관통하여 위치할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 용접봉(190)은 요홈이 일정 간격으로 위치하여 톱니와 같은 형상으로 구성될 수 있으며, 용접봉(190)의 일측은 자성체(191)가 위치하여 전자석(250)과 흡착될 수 있다. 또는, 용접봉(190)이 전체적으로 자석과 흡착 가능한 자성체로 구성될 수 있다.
구체적으로, 실제 용접에서는 용접을 수행함에 따라 용접봉이 소모되며 용접봉의 길이가 감소하게 된다. 용접 훈련을 진행함에 따라 실제 용접봉이 소모되는 것을 표현하기 위하여 모터(160)를 이용하여 일정 시간 단위로 용접봉(190)을 가상 용접기(100)의 전면에서 후면으로 이동시킬 수 있다. 용접봉(190)이 후퇴함에 따라 헤드 마운트 디스플레이(400)에서 제공되는 가상현실 내의 용접봉의 길이도 감소할 수 있다.
용접봉(190)은 요홈이 위치하는 측면과 다른 측면 위치에 각각 제1, 제2 돌출부(192, 193)을 포함할 수 있다.
상기 개시한 바와 같이 용접봉(190)은 용접훈련을 진행함에 따라 가상 용접기(100)의 후면으로 이동할 수 있다. 용접봉(190)은 훈련을 진행함에 따라 후면으로 이동하던 중 제1 돌출부(192)가 가상 용접기(100) 내부의 후면 리미트 스위치(140)에 닿으면 MCU(110)는 용접봉(190)이 모두 사용되었다고 판단하여 헤드 마운트 디스플레이(400)를 통해 훈련 종료를 전달할 수 있다. 훈련 종료 상황의 전달 방법은 음성, 텍스트 창, 가상환경의 아크 이미지의 종료 등으로 전달할 수 있다.
사용자는 용접봉(190)을 모두 사용하거나 훈련 도중 훈련을 정지한 상황일 경우, 리셋 스위치(130)를 눌러 모터(160)를 작동시켜 용접봉(190)을 가상 용접기(100)의 전면으로 이동시킬 수 있다.
용접봉(190)이 전면으로 이동하게 되면 제2 돌출부(193)가 용접봉(190)의 이동에 따라 전면으로 이동하게 되며, 제2 돌출부(193)가 전면으로 이동하던 도중 가상 용접기(100) 내부의 전면 리미트 스위치(150)에 닿으면 MCU(110)는 용접봉(190)의 이동이 완료되었다고 판단하여 모터(160)의 동작을 정지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 제1 돌출부(192) 및 제2 돌출부(193)로 나누어 설명을 수행하였으나, 하나의 돌출부를 이용하여 동작할 수도 있으며, 셋 이상의 돌출부를 이용하여 동작할 수 있다.
또한, 가상 용접기(100)는 도면상 부호를 기재하지는 않았으나, 손잡이부와 용접기부로 분할이 가능하며, 상기 손잡이부와 상기 용접기부를 연결하는 연결부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연결부는 플런저 구조로 구성될 수 있으며, 플런저 구조로 구성됨에 따라 상기 손잡이부와 상기 용접기부의 각도를 90도, 135도 등으로 변화시킬 수 있다. 실제 용접 환경에서는 용접기의 각도를 변경하며 용접을 실시하여야 하며, 이러한 실제 용접 환경과 유사한 환경에서 용접 훈련을 진행할 수 있도록 상기 용접기부의 각도를 변경하며 훈련을 진행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 모재판의 구조를 나타내는 구성도이다.
모재판의 상부에는 전자석(250)을 포함하고 있는 모재가 위치하며, 상기 모재의 주변에는 VR 트래커(210)가 위치할 수 있다.
VR 트래커(210)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 모재의 측면에 위치할 수도 있으나, 카메라(500)에 상기 모재의 위치를 알릴 수 있다면 모재판(200)의 상하좌우 어디에도 위치할 수 있다.
거치대(270)는 모재판(200)의 주변에 위치할 수 있으며, 가상 용접기(100)을 훈련중이 아닐 경우 거치하여 보관할 수 있는 형태로 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 용접 훈련장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
훈련장치를 이용하여 훈련을 수행하기 위해서는 헤드 마운트 디스플레이(400)를 머리에 착용하고, 모재판(200)의 전원버튼(220)을 눌러 모재판(200)의 동작을 초기화할 수 있다(S1100).
초기화가 완료되면 가상 용접기(100) 내의 용접봉(190)의 위치가 최상단으로 이동하고, 카메라(500)는 VR 트래커(210)의 신호를 받아 가상 용접기(100)와 모재판(200)의 위치를 재설정할 수 있다 (S1200).
헤드 마운트 디스플레이(400) 내에 가상현실 환경이 로딩되면 사용자는 가상용접기(100)를 모재판(200)에 접근시키며, 이때 제어부(300)는 카메라(500)에서 촬영한 영상을 기반으로 용접기의 위치 및 각도를 계산할 수 있다 (S1300).
가상 용접기(100)와 모재판(200)이 근접하여 용접을 수행하면 제어부(300)는 가상 용접기(100)와 모재판(200) 내의 상기 모재 사이의 거리 및 각도를 계산할 수 있다 (S1400).
제어부(300)는 상기 S1400 단계에서 계산된 거리 및 각도가 기설정된 값 이하인지 판단할 수 있다 (S1500).
가상 용접기(100)와 모재판(200) 내의 상기 모재 사이의 거리 및 각도가 기설정된 값 이상일 경우, 제어부(300)는 MCU(110)에 동작 신호를 인가하여 시간에 따라 용접봉(190)의 길이를 감소시키는 한편, 헤드 마운트 디스플레이(400)에 아크 발생 신호를 전달할 수 있다(S1600).
헤드 마운트 디스플레이(400)는 상기 아크 발생 신호를 받으면 사용자에게 용접이 잘 진행되고 있다는 의미로 용접 부위에 아크 이미지 및 용접 사운드를 제공하여 보다 현실감 높은 가상환경을 제공할 수 있다.
제어부(300)는 용접 훈련을 진행하며 용접봉(190)의 길이를 확인하고, 용접봉(190)의 길이가 기준치 이하인지를 확인하거나, MCU(110)로부터 후면 리미트 스위치(140)의 신호가 인가되었는지 판단할 수 있다(S1700).
용접봉(190)의 길이가 기준치 이하로 감소하면 용접봉(190)의 위치를 초기 위치로 이동하며 훈련 종료 메시지를 사용자에게 제공하거나, 훈련 재시작 명령을 인가받아 상기 S1300 단계로 돌아갈 수 있다(S1800).
상기 S1500 단계에서, 가상 용접기(100)와 모재판(200) 내의 상기 모재 사이의 거리 및 각도가 기설정된 값 이하일 경우, 제어부(300)는 모재판(200)의 전자석 제어기(260)에 전자석 작동 신호를 생성할 수 있다(S1900).
전자석 제어기(260)는 제어부(300)의 신호를 받아 전자석 드라이버(240)에 전류를 인가하여 전자석(250)을 작동시킬 수 있다. 전자석(250)이 작동됨에 따라 용접봉(190)은 용접봉(190)의 일측에 위치한 자성체(191)가 전자석(250)과 흡착될 수 있다.
사용자는 훈련을 마치면 훈련 결과에 따라 제어부(300)에서 기록한 기록지를 디스플레이(미도시)를 통해 훈련 성과를 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 따라 사용자는 가상현실 기반의 훈련장치를 통해 보다 현실성 높은 훈련을 수행함에 따라 훈련 자재 없이 실제와 유사한 환경에서 높은 안전성을 보장받은 상태로 훈련을 진행할 수 있으며, 잘못된 용접을 수행하는 경우 모재와 용접봉이 들러붙는 현상을 재현함으로써 보다 현실감 높은 훈련이 가능하고, 실제 용접기와 유사하도록 용접봉의 길이가 감소하는 한편, 용접기의 각도를 조절하며 용접 훈련을 진행할 수 있어 보다 현실성이 높은 상태로 다양한 용접 훈련을 진행할 수 있다.
상술한 실시 예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시 예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 가상 용접기
200 : 모재판
300 : 제어부
400 : 헤드 마운트 디스플레이
500 : 카메라

Claims (11)

  1. 용접을 위한 모재판;
    상기 모재판에 위치하는 트래커;
    가상현실 환경에서 상기 모재판과 협력하여 용접을 수행하는 가상 용접기;
    상기 트래커의 정보로 모재판의 위치를 판단하는 카메라;
    상기 모재판과 상기 가상 용접기 사이의 각도 및 상대적 위치 정보를 기반으로 용접 성공 여부를 판단하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 용접 아크 이미지를 제공하는 헤드 마운트 디스플레이;
    를 포함하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가상 용접기는 IMU 센서를 포함하며,
    상기 IMU 센서의 센싱 정보를 기반으로 상기 가상 용접기의 3차원 위치 정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모재판은 전자석을 더 포함하며,
    상기 가상 용접기와의 거리 및 각도에 따라 상기 전자석을 작동시켜 상기 모재판과 상기 가상 용접기가 흡착되는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가상 용접기 또는 상기 헤드 마운트 디스플레이 중 어느 한 곳에서 용접 사운드를 제공하는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가상 용접기는 모터, MCU(Micro Controller Unit) 보드, 리셋 스위치, 전면 리미트 스위치, 후면 리미트 스위치, 용접봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용접봉은 일측면이 톱니 모양으로 구성되어 하나 이상의 요철 형태를 가지며,
    상기 용접봉은 상기 가상 용접기 내부에 위치하여 용접 훈련을 진행함에 따라 상기 모터에 의해 상기 용접봉의 위치가 후면 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 용접봉은 돌출부를 더 포함하며,
    상기 돌출부가 상기 후면 리미트 스위치에 닿으면 상기 용접봉을 다 사용한 용접봉으로 판단하여 용접 훈련을 종료하고,
    상기 리셋 스위치를 누르면 상기 모터를 동작시켜 상기 용접봉의 위치를 전면 방향으로 이동시키며, 상기 돌출부가 상기 전면 리미트 스위치에 닿으면 상기 모터의 동작을 중지시키는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가상 용접기는 플런저 구조를 이용하여 각도를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 훈련 장치.
  9. 가상현실 용접 훈련 방법에 있어서,
    가상 용접기 및 모재판의 위치를 초기화하는 단계;
    가상 용접기의 용접봉의 끝점 위치를 계산하는 단계;
    상기 모재판과 상기 가상 용접기의 위치 및 각도를 계산하는 단계;
    상기 가상 용접기와 상기 모재판 사이의 거리가 기설정된 거리 이하이거나 각도가 기설정된 각도 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 기설정된 거리 이하이거나 상기 기설정된 각도 이하이면 상기 모재판의 전자석을 작동시켜 상기 용접봉과 상기 모재판을 흡착시키는 단계;
    를 포함하는 가상현실 용접 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가상 용접기와 상기 모재판의 거리가 기설정된 거리 또는 각도가 기설정된 각도 이하인지 판단하는 단계에 있어서,
    상기 기설정된 거리 또는 상기 기설정된 각도 이상이면 헤드 마운트 디스플레이를 통해 용접 아크 이미지를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기설정된 거리 또는 상기 기설정된 각도 이상이면 상기 가상 용접봉 내 모터에 의해 상기 용접봉이 일정 속도로 후퇴하는 것을 특징으로 하는 가상현실 용접 방법.
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