KR100214888B1 - 원뿔거울쌍을 이용한 전방향 동축영상 촬상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원뿔거울쌍을 이용하여 조립물체의 영상을 전방향(全方向)으로 동축(同軸) 촬상하여 조립시의 상대오차를 분석하도록 하는, 원뿔거울쌍을 이용한 전방향 동축영상 촬상장치에 대한 것이다. 종래에는 복잡한 단면을 갖는 부품의 조립을 위해 필요한 전방향 오차정보를 얻기에 적합치 않았으므로, 간단하게 전방향의 오차를 측정하기 위한 측정장치가 필요하게 되었다. 본 발명은 조립부품과 조립대상 부품의 상이 원뿔거울쌍에 반사된 후 평면거울쌍을 통해 카메라로 입사되는 원리인데, 원뿔거울이 조립물체의 주위 전방향을 커버할 수 있기 때문에 물체의 전방향 영상을 얻을 수 있다. 본 발명의 장치는 PCB 자동삽입, 소형 기구부품 조립, 반도체칩 표면실장 등에 이용할 수 있다.

Description

원뿔거울쌍을 이용한 전방향 동축영상 촬상장치

본 발명은 부품조립기계용 영상 촬상장치에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 원뿔거울쌍을 이용하여 조립물체의 영상을 전방향(全方向)으로 동축(同軸) 촬상하여 조립시의 상대오차를 분석하도록 하는, 원뿔거울쌍을 이용한 전방향 동축영상 촬상장치에 대한 것이다.

부품조립은 제조공정의 한 단계로서 위치결정 작업이라 할 수 있다. 조립작업시 발생하는 위치 또는 각도 등의 오차는 조립부품 사이에 매우 큰 반력을 초래하여 조립을 방해하고 종종 로봇 또는 부품에 손상을 초래하게 된다. 이러한 어려움을 극복하기 위해서는 조립부품 사이의 위치 및 각도오차가 보정되어야 하는데, 오차의 보정시에는 무엇보다도 측정이 중요하다. 단순한 대칭형 단면을 갖는 부품의 경우는 국부적인 오차 정보만으로도 원주방향 오차의 해석이 가능하지만, 복잡한 단면을 갖는 부품을 조립할 때에 발생하는 오차의 해석을 위해서는 원주방향, 즉 전방향에 대한 오차상태의 정보가 필요하다. 따라서 단순한 대칭형 부품뿐만 아니라 복잡한 비대칭형상에 대해서도 전방향의 오차 측정이 용이한 센서가 필요하다.

종래에 시각센서를 이용하여 오차를 측정하는 방법으로서 크게 두 가지가 있다. 하나는 제1도에서와 같은 카메라고정 방식이고 다른 하나는 제2도에서와 같은 카메라재배치 방식이다.

카메라고정 방식은 제1도에서 보이듯이 카메라를 고정된 위치에 설치하여 조립부품들 사이의 상대위치 및 자세에 대한 오차 정보를 측정하는 방법이다. 그러나, 이 방법에서는 촬상각도(viewing angle)가 고정되어 있기 때문에, 조립물체 반대편의 조립대상이 보이지 않게 되는 사각(死角 : occlusion)영역의 발생을 피할 수 없다. 따라서, 조립부품 전방향의 오차를 알 수는 없고 단지 카메라의 설치방향에 면하는 방향에 대한 부분적인 오차정보만을 얻게 되어, 복잡한 물체의 경우에는 그 적용이 곤란한 문제가 있다.

카메라재배치 방식은 이러한 사각의 문제를 극복하고자 제2도에서와 같이 센서(여기서는 카메라) 개수를 늘리거나 재배치(relocation)해서 촬상각도를 달리하여 전방향 정보를 얻는 방법이다. 그러나, 이 방법은 센서수의 증가에 따라 비용 및 설치공간이 증가하거나, 센서의 방향과 위치의 재배치에 따르는 이동량과 정보처리량의 증가로 측정시간이 많이 소요되어, 결국 조립성이 저하하는 문제점이 있다.

한편, 야스시 야기(Yasushi Yagi)등이 외면원뿔거울 한 개와 카메라를 이용하여 센서에서 바깥 방향으로의 주변 환경에 대한 영상을 촬상하여 이동 로봇의 주행에 이용할 수 있는 장치를 제안한 바 있는데(참조 : Yasushi Yagi et al., IEEE Trans. on Robotics and Automation, 10(1), 1994), 이는 부품조립용 기계장치에 관한 것은 아니다.

이상에서와 같이, 종래의 방식은 복잡한 단면을 갖는 부품의 조립을 위해 필요한 전방향 오차정보를 얻기에 적합치 않았으므로, 간단하게 전방향의 오차를 측정하기 위한 측정장치가 필요하게 되었다.

이에, 본 발명자들은 종래의 부품조립용 오차측정 장치가 갖는 문제점을 해결하기 위해 예응 연구 노력한 결과, 부품의 조립시 발생하는 오차의 측정에 있어서 원뿔거울쌍과 평면거울쌍을 이용하여 부품 주위 360°의 전방향 동축영상을 촬상함으로써 사각영역없이 전방향 오차를 빠르게 측정할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 목적은 원뿔거울쌍과 평면거울쌍을 이용하여 조립부품에 대한 전방향 동축영상을 촬상할 수 있는 전방향 동축영상 촬상장치를 제공하는 것이다.

제1도는 종래의 카메라고정 방식 촬상장치를 나타내는 사시도이다.

제2도는 종래의 카메라재배치 방식 촬상장치를 나타내는 사시도이다.

제3도는 본 발명에 따른 전방향 동축영상 촬상장치를 나타내는 조립도로서, a도는 좌측면도, b도는 정면도, c도는 우측면도이다.

제4도는 본 발명의 개념을 나타내는 분해사시도이다.

제5도는 본 발명의 개념을 이론적으로 설명하기 위한 그림이다.

제6도는 본 발명에 따른 전방향 동축영상 촬상장치를 이용해 물체를 측정한 영상의 일례를 보인 그림이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 카메라 2 : 카메라조정부

3 : 렌즈 4 : 제1평면거울

5 : 제2평면거울 6 : 외면원뿔거울

7 : 내면원뿔거울 8 : 투명평판

9 : 완충장치 10 : 파지부(gripper)

11 : 조립부품(예 : 페그(peg)) 12 : 조립대상 부품(예 : 홀)

11' : 페그 영상 12' : 홀 영상

13 : 환형 LED 조명등 14 : 할로겐 조명등

15 : 로봇 선단부 16 : 힘/토크 센서

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른, 원뿔거울쌍을 이용한 전방향 동축영상 촬상장치(이하, 본 발명의 장치로 약칭함)의 구성과 작용을 설명하기로 한다.

제3도를 보면, 본 발명의 장치는 조립대상 부품(12)에 조립되는 부품(11)을 집는 파지부(10, gripper); 본 발명의 장치의 동작에 따른 진동을 감쇠시키는 완충부(9, compliant unit); 상기 완충부(9)의 상부에 수평으로 설치된 투명 평판(8); 상기 투명평판(8) 위에 설치된, 내면에 반사면이 형성된 환형의 원뿔대 거울(7, 이하 내면원뿔거울(inside conic mirror)이라 함); 상기 내면원뿔거울(7)의 상부에 설치된, 외면에 반사면이 형성된 원뿔거울(6, 이하 외면원뿔거울(outside conic mirror)이라 함); 상기 내면원뿔거울(7)의 상부에 설치된 제1평면거울(4); 상기 제1평면거울(4)과 대향하는 위치에 설치된 제2평면거울(5); 및, 상기 제2평면거울(5)의 연직 상방에 설치된 렌즈(3)와 카메라(1)로 구성된다. 본 발명의 장치에는 또한, 카메라(1)에 입사되는 광량을 보충하고 부품(11, 12) 주위에 그림자가 발생하지 않도록 하기 위하여 조명장치(13, 14)가 상기 투명 평판(8)의 하부에 부착되고, 상기 제2평면거울(5)의 이면에는 미조정부(17)를 두어 제2평면거울(5)을 45°방향으로 미세하게 움직일 수 있도록 하였다. 또한, 카메라(1)의 위치와 자세를 6자유도로 유지하기 위한 미조정부(2)가 카메라(1)의 측면에 부착된다.

제3도에서 미설명 부호15는 로봇의 선단부(robot end-effector)를 나타내며, 16은 힘/토크 센서를 나타낸다.

위의 구성 중에서, 투명 평판(8)은 내면 원뿔거울(7)과 외면원뿔거울(6)을 지지하면서 물체(11, 12)의 상을 내면원뿔거울(7)의 반사면에 투과시키는 역할을 하는데 이 투명 평판(8)으로는 견고한 투명 아크릴판을 쓰는 것이 바람직하다. 완충부(9)는 스프링 등의 탄성부재로 된 구조인데, 수직방향으로의 기계간 간섭 및 진동 등을 감쇠하는 역할을 한다.

본 발명의 장치에서는 렌즈(3)의 심도를 깊게 하고 구면수차 등에 의한 영향을 줄이기 위해서 렌즈의 개구부(aperture)를 가능한한 작게 하여 침공(pin-hole)과 같이 만드는 것이 바람직하다. 그러나, 이 때에는 카메라(1)에 입사되는 광량이 부족해지므로 부품에 비추는 광원은 매우 밝은 것이 필요하다. 또한 전방향 영상을 촬상해야 하기 때문에 물체의 그림자가 생기지 않도록 해야 할 것이 중요하다. 따라서, 상기 조명장치(13, 14)로는 2중의 조명장치를 사용하였다. 하나는 고휘도 LED를 이용한 환형(環形) 조명등(13)이고, 다른 하나는 상호 직각으로 배치된 네 개의 할로겐 조명등(14)이다. 이 할로겐 조명등(14)은 0∼90°범위내에서 수직방향으로 움직일 수 있도록 설치하였는데, 이 조명장치 또한 부품의 반사율을 고려하여 밝기와 조사각도가 자동으로 조절되는 것이 바람직하다.

이하에서는, 위와 같이 구성되는 본 발명의 장치의 작용에 대해 첨부도면을 참조하여 설명한다. 제4도는 원뿔거울쌍(6, 7)과 평면거울쌍(4, 5)을 이용하여 조립부품에 대한 전방향 동축영상을 얻을 수 있음을 나타내는 본 발명의 장치의 기본원리를 나타내는 개념도이고, 제5도는 내면원뿔거울(7)에 의해 전방향 영상을 얻을 수 있음을 설명하기 위한 무수한 미세평면거울 모델을 나타내고, 제6도는 본 발명의 장치에 의해 촬영한 조립부품의 전방향 동축영상의 측정예를 보인 그림이다.

먼저, 제4도와 5도를 참조하여 본 발명의 장치의 기본원리를 설명한다. 제4도를 보면, 조립부품(11)과 조립대상 부품(12)의 상이 내면원뿔거울(7)에 반사된 후 외면원뿔거울(6)에 반사되어 제1, 2평면거울(4, 5)을 통해 카메라(1)로 입사됨을 알 수 있다. 직관적으로 볼 때, 내면원뿔거울(7)이 조립부품(11)과 조립대상부품(12)의 주위 전방향을 커버할 수 있기 때문에 물체의 전방향 영상을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 즉, 내·외면원뿔거울(7, 6)은 평면거울을 일정크기의 원주상에 무한개 배치한 것과 같은 효과와 동일하기 때문에, 이들을 통해서 측정대상의 주위를 사각없이 볼 수 있는 것이다.

원뿔거울쌍 이외에 평면거울쌍을 설치한 이유는, 기구적 실장의 문제로서, 카메라(1)를 내·외면원뿔거울(7, 6)과 연직 동축으로 설치할 수는 없기 때문에, 카메라(1)의 위치를 일측으로 편위시키고 제1·제2평면거울(4, 5)를 써서 그 광로를 변경하려는 것이다.

이러한 개념하에, 제5도를 참조하여 본 발명의 장치의 원리를 이론적으로 설명한다. 만약, 제5도에서처럼 X²+Y²=R²인 원으로 표현되는 원주상에, 폭이 ΔW=γΔφ이고 법선벡터(normal vector)가

인 작은 평면거울을 φ간격으로 N(=2π/φ)개 설치하였다고 하자. 이 경우에는 각도를 달리하면서 촬상한 효과를 얻을 수 있으나 유한개의 거울배치이므로 거울과 거울 사이에서 사각이 발생하게 된다.

따라서, 이 사각을 제거하기 위해서 설치간격을 φ=Δφ로 하고, 원주상의 평면거울수를로 증가시켜 가면, 결국 폭이인 평면거울을 원주상에 무한개 연속배치한 것과 같이 된다. 결과적으로, 이 거울의 배치는 법선벡터가

이고 원뿔각(vertex angle)이 α인 원뿔거울과 같게 된다. 제5도에 원뿔거울의 원뿔각의 반폭을 α/2로 표시하였다.

이러한 원리에 따라서 본 발명의 장치에는 내면원뿔거울로서 환형의 원뿔대형 거울을 사용하였다. 이로써 조립부품(11) 및 조립대상 부품(12)의 원주방향의 형태가, 이들 부품(11, 12)을 둘러싸고 있는 내면원뿔거울(7)에 모두 투영되어 제6도에서 보인 것과 같은 전방향영상(2π영상)을 얻을 수 있다. 제6도를 보면, 두가지 영상, 예컨대 페그(peg) 영상(11')과 홀(hole)영상(12')이 소정 각도 어긋나 있음을 알 수 있다. 이들 투영영상으로부터의 오차의 추정은, 이들 2차원 영상을 처리하는 대신, 중심에 대해서 특정 방위각 φ에 해당하는 Nline(=2π/φ)개의 반경방향의 직선(radial line)으로 나누고, 이 직선상의 1차원 영상을 해석하여 간단하게 행할 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 장치의 작용을 제6도를 참조하여 정리한다. 본 발명의 장치를 로봇 선단부(15)에 장착하여 작동시키면 파지부(10)가 조립할 부품(11)을 집는다. 본 발명의 장치의 작동은 로봇 선단부(15)를 통해 제어장치(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 조립부품(11)과 조립대상 부품(12)의 상이 내면원뿔거울(7)에 반사된 후 그 내부의 외면원뿔거울(6)에 다시 반사되어, 제1평면거울(4)과 제2평면거울(5)에 의해 그 경로가 변경되어 렌즈(3)를 통해 카메라(1)에 입사된다. 카메라(1)에 입사된 상은 영상신호로 변환되어 분석장치(미도시)로 들어가 처리된다. 분석장치는 본 발명의 장치와 연결되어(on-line)조립작업과 동시에 오차분석을 하도록 한다.

구조적으로 볼 때, 제6도에서 내·외면원뿔거울(7, 6)과 조립부품(11, 12)은 서로 동축에 위치하나, 카메라(1)는 이들로부터 옆으로 편위되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 이 카메라(1)의 광축은 제1, 제2평면거울(4, 5)에 의해 내·외면원뿔거울(7, 6)과 조립부품(11, 12)의 광축과 동일하게 되기 때문에, 결국은 위 요소들이 모두 동축상에 위치하는 것과 같으므로 본 발명의 장치에 의해 동축영상을 얻을 수 있는 것이다.

앞에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 장치가 작동중에는 조명등(13, 14)을 써서 조립부품(11, 12)에 빛을 비추어 카메라(1)로 들어가는 상의 광량을 증가시키고 조립부품(11, 12)주위의 그림자 형성을 억제하도록 한다. 또한, 카메라(1)의 위치와 자세를 미세조정하기 위해 카메라 조정부(2)가 작동되는데, 이것은 수동으로 조정할 수도 있지만 자동으로 전자제어되는 것이 바람직하다. 제2평면거울(5)도 그 위치를 미세조정하기 위해 미조정부(17)로써 움직될 수 있는데, 이도 역시 자동제어되는 것이 바람직하다. 본 발명의 장치의 동작에 따라 발생하는 기계요소간의 간섭이나 진동 등은 완충부(9)에 의해 완화되어 보다 더 정밀한 영상측정을 이룰 수 있다.

한편, 본 발명의 장치의 다른 응용예로서, 피측정 물체의 높이에 따라 내면원뿔거울(7)에 맺히는 상의 왜곡이 발생하기 때문에, 왜곡 정도를 분석하면 물체와의 거리를 산출할 수 있어 조립부품의 파지를 용이하게 할 수 있다. 그리고 조립부품의 높이가 부품에 따라서 달리지므로 렌즈는 자동줌 및 자동포커싱 기능을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명의 기본원리는 본 발명의 장치에만 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명의 장치에 따르면, 조립부품 사이의 상대오차를 사각영역없이 360°전방향에 걸쳐 한 번의 촬상으로 분석할 수 있고, 2차원의 영상 처리 대신에 1차원의 영상 처리만으로 오차추정이 가능하기 때문에, 복잡한 단면을 갖는 부품이라도 빠른 시간에 오차처리가 가능한 효과가 있다. 또한, 조립부품까지의 거리추정이 가능하기 때문에 조립부품의 파지를 쉽고 정확하게 할 수 있다.

본 발명의 장치를 이용하여 복잡한 비대칭형 단면을 갖는 기구물의 조립이나 인쇄회로기판(PCB)에의 부품 자동삽입, 반도체 분야의 표면실장부품(SMD)등의 조립이 수월해지는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 장치에 의해 얻는 영상은 동축영상이므로 측정된 영상정보를 로봇의 이동정보로 변환하는 것이 용이하고, 작업과 동시에 온라인으로 오차의 보정을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 특정 물체에 조립되는 물체를 집는 파지수단;

   상기 파지수단의 상부에 수평으로 설치된 투명평판; 상기 투명평판 위에 설치된, 내면에 반사면이 형성된 환형 원뿔대 형상의 내면원뿔거울; 상기 원뿔대 거울의 내부 중심축과 동축으로 설치된, 외면에 반사면이 형성된 외면원뿔거울; 상기 원뿔대 거울의 상부에 설치된 제1평면거울; 상기 제1평면거울과 대향하는 위치에 설치된 제2평면거울 ; 및, 상기 제2평면거울의 연직상방에 설치된 시각감지수단으로 구성된 전방향 동축영상 촬상장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 파지수단의 측면에 설치되어, 조립 물체에 빛을 발하는 조명수단을 추가로 구비하는 전방향 동축영상 촬상장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 조명수단은 LED와 할로겐전구로 구성되는 전방향 동축영상 촬상장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 LED로써 환형조명등을 구성하고, 할로겐 전구는 네 개로서 상호 직각으로 배치되어 0∼90°범위에서 수직으로 움직이는 전방향 동축영상 촬상장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 파지수단은 조립물체를 집는 파지부와, 수직방향으로의 기계간 간섭 및 진동 등을 감쇠하는 완충부로 구성된 전방향 동축영상 촬상장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 완충부는 탄성구조를 갖는 전방향 동축영상 촬상장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 투명평판은 투명아크릴판인 전방향 동축영상 촬상장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2평면거울은 미조정부를 구비하여, 미세하게 조정될 수 있는 전방향 동축영상 촬상장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 시각감지수단은 렌즈와, 렌즈를 통해 들어오는 상을 영상처리하는 카메라와, 카메라의 위치와 자세를 조정하는 조정부로 구성되는 전방향 동축영상 촬상장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 렌즈는 자동줌 및 자동포커싱 기능을 갖는 전방향 동축영상 촬상장치.