선박 소조립 공정에서의 자동용접 로봇에 대한 간섭검사 방법 = Interference Inspection Method for Automatic Welding Robots in Ship Sub-Assembly Processes

국문 초록 (Abstract)

선박 건조는 블록 단위로 제작된 구조물을 조립하여 이루어진다. 블록의 제작 및 조립 과정은 모두 용접에 의해 수행되며, 소조립 공정은 얇은 주판 위에 다수의 보강재를 용접하는 단계이다. 용접은 조선소 내에서 가장 많은 시간과 비용이 소요되는 공정이며, 용접 품질 또한 매우 중요한 이슈이다. 최근에는 작업 효율성과 품질 향상을 위해 용접 자동화가 많이 추진되고 있다. 용접 자동화를 위해서는 로봇이 용접을 수행할 수 있도록 용접 경로를 생성해야 하며, 용접 과정에서 간섭이 발생하지 않아야 한다. 본 연구에서는 조선소에서 이미 널리 활용되고 있는 경량 모델을 활용하여 소조립 공정에서 용접 로봇의 간섭을 검사하는 방법을 제안한다. 제안된 간섭 검사는 로봇을 구성하는 CAD 형상과 소부재에 해당하는 CAD 형상 간의 충돌 여부를 기반으로 수행된다.
기존 연구에는 센서, 인공지능, 형상 등을 기반으로 충돌을 감지하거나 예측하는 방법이 있다. 하지만 조선소와 같이 다양한 부재 형상과 복잡한 작업 환경이 공존하는 현장에서는 신호 잡음이나 학습 데이터의 한계로 인해 적용이 쉽지 않다. 예를 들어 용접 시 발생하는 불꽃과 진동, 다수의 인력 활동은 센서 기반 시스템의 오작동을 유발할 수 있으며, AI 기반 검사 역시 모든 형태의 부재와 작업 환경을 학습하기 어렵다. 그에 반해, 형상 기반 검사는 별도의 센서 장치나 학습 데이터 필요 없이, 빠르고 정확하게 충돌 여부를 판단할 수 있는 장점이 있다. 이에 본 연구는 경량 모델 기반의 3차원 형상 정보를 활용하여 간섭 검사를 수행하는 방법을 제안하였다.
효율적인 간섭 검사를 위해 경량 모델을 기반으로 선박 소부재의 특성을 반영하여 간섭이 발생할 수 있는 면을 추출하였다. 그리고 로봇 형상의 불필요한 세부 요소는 간략화하고, 로봇 팔 또는 용접 토치와 같이 중요한 부위는 원형을 유지하였다. 용접선 시작점과 끝점에는 매크로 정보가 정의되는데, 시작점 또는 끝점 주변에 부재가 없거나, 다른 부재로 막혀 있을 때, 용접선이 분할 되었을 때로 나뉜다. 이때 하나의 매크로에는 진입, 진출, 용접 등의 모션이 필요하고, 각 모션의 정방향과 역방향 모션까지 고려해야 하기 때문에 굉장히 많은 모션이 필요하다. 또한 로봇 관절에 모든 변환행렬을 곱해주는 부분이 시간이 많이 소요되므로 간략화 형상을 활용하여 사전에 모든 형상을 생성하고, 작업 환경에 바로 배치하여 검사에 소요되는 시간을 단축하였다. 이러한 전처리를 통해 간섭 검사에서 불필요한 연산을 하지 않고, 시간을 많이 단축할 수 있었다. 소조립 공정에는 직선 용접 작업이 많아서 로봇 자세가 일정하게 유지되는 구간이 대부분이다. 이러한 구간은 일정 거리만큼 계속 형상을 배치해야 연속적인 검사가 가능하다. 그러나 본 연구에서는 해당 구간에 스윕 형상을 적용하여 빠르고 정확한 검사를 가능하게 한다. 모든 로봇 형상이 작업 환경에 배치되고 나면 경계박스를 활용하여 간섭 후보를 선정한다. 먼저 AABB를 이용해 교차 가능성이 있는 대상을 빠르게 선별하고, 이후 주성분 분석을 활용한 OBB를 사용하여 최종적으로 간섭 후보를 선정한다. 마지막으로 후보로 선정된 경우에만 삼각형 교차 검사를 수행하였고, 이전까지의 모든 전처리 작업을 통해 검사에 사용되는 삼각형 개수를 최소화하여 검사하였다.
또한 본 연구에서는 간섭 검사를 통해 추출한 간섭 포인트를 활용하여 간섭이 발생한 지점을 기준으로 용접선을 분할해 실제 작업 가능한 구간을 자동으로 추출하였다. 이는 현장에서 분할되는 용접선을 모두 제거하지 않고, 작업 불가능한 구간에 대해서만 제거하여 생산성을 높이는 효과를 가져온다. 나아가 용접선 분할 결과는 간섭 검사 이후 스케줄링 과정과도 연계될 수 있어 실제 작업 계획 수립에도 기여할 수 있다.
본 연구를 실제 다수의 소부재들이 놓여있는 작업환경 데이터에 적용하여, 전체 검사 소요시간과 용접선 분할 결과를 통해 검증하였다. 이 과정에서 짧은 시간내에 모든 용접선에 대해서 검사하고, 용접선을 최대한 활용할 수 있도록 분할하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• [그림 차례] i
• [표 차례] ii
• [수식 차례] iii
• [기호 설명] iv
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 기존 연구 4
• 1.3 연구 방법 7
• 제 2 장 개 요 10
• 제 3 장 형상 전처리 13
• 3.1 소부재 CAD 형상 전처리 13
• 3.1.1 경량 모델의 필요성 13
• 3.1.2 검사 면 추출 15
• 3.2 로봇 CAD 형상 전처리 17
• 3.2.1 로봇 간략화 및 사전 모션 생성 17
• 3.2.2 스윕 형상 생성 20
• 제 4 장 간섭 검사 24
• 4.1 간섭 후보 선정 및 삼각형 교차 검사 24
• 4.2 용접선 분할 27
• 제 5 장 적용 예 31
• 제 6 장 결 론 37
• [참고 문헌] 38