KR100421428B1 - 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치 - Google Patents

반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치에 있어서, 반사체를 이용하여 측정대상물체의 6자유도 변위를 쉽고 정밀하게 측정할 수 있고, 고속운동하는 측정대상물체의 변위를 용이하게 측정할 수 있으며, 정밀도가 우수한 6자유도 운동측정장치를 제공토록 하는 것을 특징으로 하는 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 레이저 광원으로 부터 진행하는 레이저 광선을 이용하여 측정 대상물의 6자유도 운동을 측정하는 장치에 있어서, 상기 측정대상물에 고정되며 상기 레이저광선을 3방향으로 반사시키는 삼각뿔 형상의 삼면반사체와, 상기 삼면반사체의 운동에 따라 그 표면에 맺히는 레이저 광점의 위치와 강도를 측정하여 출력신호를 제공하는 3개의 위치 검출기와, 상기 3개의 위치검출기로부터 출력되는 레이저 광점의 위치와 강도를 이용하여 상기 삼면반사체의 6자유도를 분석하는 제어부를 포함하는 6자유도 운동측정장치가 제공된다.

Description

반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치{Measurement of 6-degree-of-freedom motions of rigid bodies using a 3-facet mirror}
본 발명은 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치에 있어서, 반사체를 이용하여 측정대상물체의 6자유도 변위를 쉽고 정밀하게 측정할 수 있고, 고속운동하는 측정대상물체의 변위를 용이하게 측정할 수 있으며, 정밀도가 우수한 6자유도 운동측정장치를 제공토록 하는 것을 특징으로 하는 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 3차원 공간 상에 위치한 물체의 위치와 자세를 표시하는 방법에는 여러가지 방법이 있다.
그중에도 널리 사용되는 방법이 3차원 공간 상에서의 직교 좌표계에서 위치 벡터로 위치를 표시하고, 오일러 각 표시 방법으로 자세를 표시하는 것이다. 오일러 각은 기준 좌표계의 x, y, z축을 중심으로 물체가 회전한 각도를 roll, pitch, yaw로 일컬으며 각각을 γ, β, α로 표시한다.
도 1은 3차원 공간상에서 정의된 직교 좌표계로서, 6자유도로 운동하는 임의 측정대상물체의 위치와 자세를 표시하는 그림이다. 좌표계 Ow는 측정대상물체(1)의 운동을 표시하기 위한 기준 좌표계이다. 그림에서 측정대상물체(1)의 일부에 좌표계 Ow', Os가 정의되어 있다. 좌표계 Os는 강체에 고정되어 물체(1)와 함께 운동하는 좌표계이다.
그리고 좌표계 Ow'는 기준 좌표계 Ow와 동일한 자세를 유지하며 좌표계 Os와 원점을 공유한다. 그림에서 벡터는 좌표계 Os로 정의되는 물체(1)의 위치를 나타내는 위치 벡터이다. 그리고
(수학식 1)
는 tx, ty, tz, γ, β, α로 정의된 행렬로서 기준 좌표계 Ow에 대하여 이동한 좌표계 Os의 위치와 자세를 표시한다.
여기서는 각각를 의미하는 약호이며 기타의 약호들도 유사하게 정의된다. 좌표계 Os는 물체(1)에 고정되어 있으므로 이 행렬을 이용하여 물체의 위치와 자세도 표시된다.
이와 같이 3차원 공간에서 물체(1)의 위치와 자세를 측정하는 것은 tx, ty,tz, γ, β, α의 6개 값을 측정하는 문제로 볼 수 있다.
본 발명의 측정 장치에서 사용하는 삼면반사체는 종래에 출원된 특허(출원번호 99-00977)에서 최초로 제안된 바가 있다. 이 특허는 삼면반사체를 하드 디스크 드라이브(HDD)의 슬라이더에 부착하여 그 6자유도 운동을 측정하기 위한 것이다. 그런데 이를 위해서는 삼면반사체의 꼭지점에 레이저 광선이 입사하도록 하여야 하나, 상기의 특허에서는 이에 대한 구체적인 방법이 제시되지 않았다.
그리고 상기의 특허에서 제시한 수학식은 삼면반사체의 꼭지점과 세 위치검출기에 맺힌 레이저 광점들이 모두 한 평면을 이룬다는 가정을 기초로 유도되었으나, 이 가정은 사실과 달라 상기의 특허에서 제시한 수식은 측정에 적용될 수가 없다. 따라서 상기의 특허만으로는 목적하는 바를 달성할 수 없다.
상기의 특허에서 제안된 삼면반사체를 적용하여 임의 물체의 6자유도 변위를 측정하는 방법이 특허(출원번호 00-24654)로 출원된 바가 있다. 도 2에 이 특허에서 제안한 장치 구성이 나타내어져 있다. 즉, 측정대상물체(1)에 삼각뿔 형상의 거울인 삼면반사체(110)를 장착한다. 상기 삼면반사체(110)는 상부 꼭지점에 레이저 광선을 입사하여 3갈래의 반사광선을 발생시키며, 이런 3갈레의 반사광선은 3개의 레이저 광선 위치 검출기(PSD; 121, 122, 123)에 의해 검출된다. 상기 위치검출기 (121, 122, 123)는 입사된 레이저광선의 무게중심 위치를 전압신호로 출력하는 센서로서 통상적으로 사용되는 소자이며, 3개의 위치 검출기(121, 122, 123)에 맺힌 3쌍의 위치 좌표를 이용하여 삼면반사체(110)의 6자유도 변위(x, y, z, roll, pitch, yaw)를 구한다. 그리고, 도면에 나타난 바와 같이 삼면반사체(110)가 이동함에 따라 레이저 광원이 2자유도로 추종하게 되어 있다. 이때 삼면반사체(110)의 추종을 위해 각 위치검출기(121, 122, 123)에 입사한 레이저 광선의 강도를 비교하여 세 개 위치검출기(121, 122, 123)에 입사하는 레이저 광선의 강도가 동일한 값이 되도록 레이저 광원의 2자유도 위치를 제어한다. 이는 본 발명의 발명자가 본 발명에 앞서 출원한 것으로 상기의 특허(출원번호 99-00977)에서 구현하지 못한 레이저 추종 방법을 구현한 것이다. 그러나 이러한 방법으로는 고속의 운동을 추종하기 어렵다.
도 3은 종래의 특허(출원번호 00-24653)의 장치 구성을 나타낸 것으로서, 이는 상기의 특허(출원번호 00-24654)의 기본 원리를 이용하여 하드 디스크 드라이브(HDD) 슬라이더의 6자유도 운동을 측정하기 위한 특수한 기구를 제안한 것이다. 즉, 2단 스윙암(140)이 상호 평행하도록 형성되어 있고, 이런 2단 스윙암 (140)의 상하단의 후단부에는 피봇(14)이 연결된다. 따라서, 2단 스윙암(140)은 피봇(14)축을 중심으로 선회 가능하다. 2단 스윙암(140)의 하단은 E-블록(16)과 서스펜션(18) 및 플렉셔(19)로 연결되어 이루어지며, 플렉셔(19)의 저면에는 슬라이더 (20)가 고정된다. 한편 슬라이더(20)를 구동하는 엑츄에이터는 보이스 코일 모터 (VCM, 12)로서 2단 스윙암(140)의 후단부에 설치되고 스윙암(140)의 상단은 탄성변형이 거의 없는 강체로 구성된다. 그리고, 슬라이더(20)의 상면에는 삼면반사체 (110)가 고정되고, 삼면반사체(110)의 상부 꼭지점의 상부에 위치한 2단 스윙암 (140)의 상단의 선단부에는 광통공(143)이 형성되며, 2단 스윙암(140)의 상단 상면에는 제 1 반사체(151)와 제 2 반사체(152)가 고정된다. 그리고, 제 1 및 제 2 반사체를 통과한 레이저 광선은 삼면반사체(110)에 반사되어 3개의 위치검출기(131, 132, 133)로 입사된다. 이 특허에서는 HDD 슬라이더와 같이 운동하는 삼면반사체의 꼭지점에 레이저 광선이 항상 일정하게 입사하도록 하기 위해 2단 스윙암을 제안하였다. 이는 HDD 슬라이더가 고속의 운동을 하기 때문에 기존의 일반적인 레이저 추종 기구로는 정확한 추종이 불가능하기 때문이다.
이와 같이 삼면반사체를 이용한 6자유도 측정 방법에서는 삼면반사체의 운동을 추종하여 레이저 광선이 삼면반사체의 꼭지점에 정확히 입사하도록 하는 방법이 매우 중요한 문제로 인식되어 왔다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 레이저 추종에 관련한 문제를 해결하기 위해 기존의 삼면반사체 적용 6자유도 운동 측정 원리를 수정하였다.
즉, 본 발명에서 제안하는 방법은 레이저 추종을 요구하지 않기 때문에 기계적인 추종 기구를 구성할 필요가 없다. 따라서 기계적인 속도 제약을 받지 않기 때문에 고속의 운동 측정에 적합하다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 광원으로 부터 진행하는 레이저 광선을 이용하여 측정 대상물의 6자유도 운동을 측정하는 장치에 있어서, 상기 측정대상물에 고정되며 상기 레이저광선을 3방향으로 반사시키는 삼각뿔 형상의 삼면반사체와, 상기 삼면반사체의 운동에 따라 그 표면에 맺히는 레이저 광점의 위치와 강도를 측정하여 출력신호를 제공하는 3개의 위치 검출기와, 상기 3개의 위치검출기로부터 출력되는 레이저 광점의 위치와 강도를 이용하여 상기 삼면반사체의 6자유도를 분석하는 제어부를 포함하는 것이 특징이다.
또한, 상기 삼면반사체의 운동범위는 레이저 광선의 조사범위 안에서 이루어지는 것이 특징이다.
또한, 상기 반사체 및 이에 대응하는 위치검출기는 3면이상인 것이 특징이다.
도 1는 6자유도 운동의 표현 방법 및 기호를 정의하기 위한 도면.
도 2는 본 발명과 관련된 종래의 기술로서 삼면반사체를 이용하여 6자유도 운동을 측정함에 있어 레이저 추종 기술이 적용된 측정 장치 구성도.
도 3는 본 발명과 관련된 종래의 기술로서 도 2의 방법을 이용하여 하드 디스크 드라이브(HDD) 슬라이더의 6자유도 운동을 측정하기 위해 구성되는 기구의 형상도.
도 4는 본 발명의 내용으로서 6자유도 미소 운동을 정밀하게 측정하기 위한 측정 장치 구성도.
도 5는 본 발명의 측정 장치의 시스템 변수 설정에 대한 한가지 실시예도.
도 6는 본 발명의 측정 측정 장치에서 삼면반사체로부터 반사된 광선이 제 1 위치검출기(PSD A)에 입사하는 현상을 정량적으로 나타낸 도면.
도 7는 본 발명에서 가우시안 함수꼴의 강도 분포를 갖는 레이저 광선을 사용한 경우에 제 1 위치검출기(PSD A)에 맺히는 레이저 광점의 강도 분포를 점의 밀도로 표시한 예시도.
도 8는 본 발명에서 위치검출기(PSD) 출력을 이용하여 삼면반사체의 6자유도변위를 추정하기 위한 수치 해석 방법의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 측정대상물체 110: 삼면반사체
130: 레이저 광원 131, 132, 133: 위치검출기
134: A/D변환부 135: 제어부
이하 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 측정 장치를 나타낸다. 측정 장치의 중앙부 상단에 수직 방향으로 고정된 레이저 광원이 있다. 측정 대상 물체에는 삼면반사체가 부착되어 있으며 그 꼭지점에 상기 레이저 광원으로부터 레이저 광선이 조사된다. 삼면반사체에서 반사된 세 갈래의 레이저 반사 광선은 세 개의 위치 검출기(131, 132, 133, PSD)로 입사한다.
상기 위치 검출기(131, 132, 133, PSD)는 입사된 레이저 광선의 위치를 전압 신호로 출력하는 센서로서 널리 사용되는 소자이다. 그리고 그 입력면에 입사한 레이저 광선의 강도를 출력하기도 한다. 위치 검출기는 고정되어 있으나 삼면반사체(110)의 운동에 따라 그 표면에 맺히는 레이저 광점의 위치와 강도를 측정하여 출력 신호를 제공한다.
도 4는 도 2와 유사하게 보이나 도 2에 나타내어져 있는 레이저 위치 제어 장치가 없다. 이는 본 발명에서 제안하는 방법은 삼면반사체(110)의 꼭지점을 추종할 필요가 없기 때문이다. 그러나 레이저 광선의 반사를 이용해야 하므로 삼면반사체(110)의 운동범위는 레이저 광선의 조사 범위 내로 제한된다. 그리고 도 2에 나타내어진 레이저 광선과 삼면반사체 간의 오프셋(offset) 추정 알고리즘도 필요하지 않다.
본 발명은 도 4에 나타내어진 바와 같이, 삼면반사체(110)로부터 반사된 세 갈래의 레이저 광선이 3개의 위치검출기(131, 132, 133)에 입사하면, 각 위치검출기(131, 132, 133)로부터 출력되는 레이저 광점의 위치와 광량 정보를 이용하여 삼면반사체(110)의 6자유도 변위를 측정한다. 이때 3개의 위치검출기(131, 132, 133)로부터 출력되는 신호를 A/D 변환하는 장치(134)를 사용하여 제어부(135)의 기억 장치에 저장하고 처리한다.
도 5는 본 발명의 측정 장치를 구성하는 구성도의 예를 나타낸다. 도면은 측정 장치의 평면도로서 세 개의 위치 검출기(131, 132, 133)가 측정 장치의 원점에 대해 어떻게 배치되어 있는지를 나타낸다.
도면에서 레이저 광원은 생략되어 있으나 지면에 수직한 방향으로 정렬되어 있는 것으로 간주한다. 그리고 삼면반사체(110)는 측정 장치의 원점에 위치한 상태이다. 도면에서 세 개의 위치 검출기(131, 132, 133)는 측정 장치의 원점을 중심으로 120°의 각도 간격을 두고 있으나 항상 이러한 배치를 요구하는 것은 아니다.
본 발명의 측정 장치는 삼면반사체(110)로부터 반사된 레이저 광선들을 검출 가능한 위치에 위치 검출기를 배치하면 6자유도 측정이 가능하다. 그러나 상기의 각도 간격 및 측정 장치 중심으로부터의 거리에 의해 측정 정밀도가 다소 변할 수 있다. 그리고 측정장치 중심으로부터의 거리 또한 모든 위치 검출기(131, 132, 133)가 동일한 거리에 위치해야 할 필요도 없다.
그리고, 3개의 위치 검출기(131, 132, 133) 출력을 이용하여 삼면반사체 (110)의 위치와 자세를 구하기 위해서는 삼면반사체(110)의 6자유도 변위와 3개 위치검출기(131, 132, 133)로부터의 출력간의 관계를 수학적으로 모사하여야 한다.
본 발명에서는 임의의 6자유도 변위를 갖는 삼면반사체(110)에 의해 출력되는 3개의 위치검출기(131, 132, 133) 출력을 구하는 일련의 수식을 유도하였다. 이는 3개 PSD 출력을 이용하여 삼면반사체(110)의 6자유도 변위를 구할 수 있는 직접적인 수식(explicit form)을 유도하기 어렵기 때문이다.
도 6는 레이저 광선이 삼면반사체(110)에 의해 반사되어 위치검출기(131, 132, 133)에 맺히는 현상을 제 1 위치검출기(131, PSD A)에 대한 예시로서 좌표계와 함께 도시한 것이다.
즉, 세 개의 위치검출기(131, 132, 133)를 도 4에 나타내어진 바와 같이 각각 제 1 위치검출기(131, PSD A), 제 2 위치 검출기(132, PSD B), 제 3 위치 검출기(133, PSD C)라 정의하고, 제 1, 제 2, 제 3 위치검출기(131, 132, 133)와 대응하는 위치의 삼면반사체(110)의 세 개 거울면을 각각 Ma, Mb, Mc라 정의 한다.
이때, 기준좌표계에 대해 삼면반사체(110)의 위치와 자세가 알려져 있다면 간단한 해석 기하를 통해 거울면 Ma의 표면 법선 벡터를 구할 수 있다. 거울면 Ma의 표면 법선 벡터를라 하면 Ma의 광반사 행렬(reflection matrix)는
(수학식 2)
이다. 그리고 삼면반사체(110)의 꼭지점에 입사하는 레이저 광선의 방향 벡터를라 하면 Ma에 의해 반사된 반사 광선의 방향 벡터는 수학식 3과 같다.
(수학식 3)
와 같이 구할 수 있다. 여기서는 반사 광선의 방향 벡터를 좌표계 Ow에 대해 표시한 것이다. 이를 제 1 검출기(131)의 좌표계 Oa에 대해 표시한 방향 벡터는 수학식 4와 같다.
(수학식 4)
와 같이 구할 수 있다. 여기서는 좌표계 Ow와 Oa간의 회전 변위를 정의하는 행렬의 역행렬이다. 그리고 삼면반사체의 위치 벡터 를 PSD A의 좌표계 Oa에 대해 표시한는 수학식 5에 의해 구할 수 있다.
(수학식 5)
여기서,는 수학식 6과 같으며, 도 4에 표시된의 역변환이다.
(수학식 6)
이와 같은 절차를 통해와를 구하면 수학식 7을 이용하여 제 1 위치검출기(131)에 맺히는 점 Qa의 좌표를 구할 수 있다.
(수학식 7)
제 2 위치검출기(132)와 제 3 위치검출기(133)에 대해서도 앞에서 설명된 절차와 같이 위치검출기(131, 132, 133) 표면 상에 맺힌 점 Qb, Qc의 좌표를 구할 수 있다. 이러한 절차를 거쳐 구한 제 2 위치검출기(132)와 제 3 위치검출기(133)의 표면 상에 맺힌 점 Qb, Qc의 좌표를 각각,라 한다. 이로써 삼면반사체의 6자유도 변위 tx, ty, tz, γ, β, α로써 3개 위치검출기(131, 132, 133)에 맺힌 점 Qa, Qb, Qc의 좌표,,를 구할 수 있다.
지금까지의 절차를 통해 구한 점 Qa, Qb, Qc의 좌표는 일종의 위치 검출기 출력이라고 볼 수도 있으나, 이는 많은 오차를 포함한 값이다. 즉, 레이저 광선의 직경이 0인 이상적인 직선으로 가정한 경우에는 위치 검출기에 맺힌 광점의 무게 중심과 점 Qa, Qb, Qc가 일치하나, 실제의 현상에서는 레이저 광선의 소정의 직경을 갖기 때문에 점 Qa, Qb, Qc의 좌표는 많은 오차를 포함하게 된다.
다음에서는 가우시안 레이저 광선 모사를 이용한 측정에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
앞에서 구하여진 위치검출기의 출력,,은 레이저 광선을 이상적인 직선으로 가정하여 계산된 결과이다. 그러나 실제 현상에서는 레이저 광선이 임의 직경의 원형 단면을 갖는 것으로 관찰된다.
도 6은 직경이인 레이저 광선이 삼면반사체를 통해 위치검출기(131, 132, 133)에 검출되는 현상을 실제에 가깝게 도시하고 있다. 도면에 나타난 것처럼 레이저 광선은 삼면반사체(110)의 상부 꼭지점에 입사하면 삼면반사체의 거울면에 의해 세 갈래로 갈라진다.
이때 갈라져 반사된 각 레이저 광선은 그림에 나타난 것처럼 파이조각의 형상의 단면을 갖는다. 이는 삼면반사체의 꼭지점을 이루는 세개의 거울면이 삼각형이기 때문이다. 이러한 파이조각 형상의 단면을 갖는 레이저 광선이 위치검출기(131, 132, 133)에 입사하면 위치검출기(131, 132, 133)는 이 단면을 구성하는 레이저 광 분포의 무게 중심을 출력한다.
도 6에서는 제 1 위치검출기(131)의 표면에 맺히는 레이저 광점 Pa의 무게 중심의 위치가 Ra 로 나타내어져 표시되어 있다. 그림에 보이는 바와 같이 레이저 광선을 이상적인 광선으로 가정한 때의 출력 Qa 에 비해 약간 아래쪽에 위치한다. 이는 레이저 광선의 단면 모양에 분포하는 레이저 강도 분포의 무게 중심이기 때문이다. 그리고 La는 삼면반사체에 의해 레이저 광선이 갈라지지 않고 거울면 Ma와 위치 및 자세가 동일한 평면 거울에 의해 반사되었다고 가상한 상태의 레이저 광점을 나타내며, 점 Sa는 La의 중심이다.
이하에서는 레이저 강도 분포를 고려하여 위치검출기(131, 132, 133)의 출력을 구하는 절차에 대해 설명한다.
본 발명에서 레이저 광선은 원형 단면을 갖는 가우시안 빔(Gaussian Beam)으로 가정한다. 가우시안 빔은 레이저 광선의 출력 P, 직경인 경우, 내부의 강도는 다음과 같은 가우시안 함수꼴의 분포를 갖는다.
(수학식 8)
여기서 r은 레이저 광선 중심으로부터의 거리이고 I(r)은 광선 단면 내의 단위 면적을 통과하는 레이저 광선의 강도를 의미한다. 이러한 강도 분포를 갖는 레이저 광선은 삼면반사체에서 세 갈래로 갈라져 제 1 위치검출기(131)의 표면 상에 도 7과 같은 영상을 형성한다. 그림에 나타내어진 점들의 밀도가 레이저 광의 강도를 의미한다.
도면에서 레이저 광의 밀도는 위치검출기(131, 132, 133)에 입사하는 레이저 광선의 입사 각도와 광원으로부터 진행되는 레이저 광선의 직경에 따라 달라진다. 도 7은 삼면반사체로부터 반사되어 제 1 위치검출기(131)에 입사하는 레이저 광선이 제 1 위치검출기(131)의 표면에 수직하며, 레이저 광선의 직경이 460㎛ 인 경우이다. 여기서 제 1 위치검출기(131)에 맺힌 레이저 광점을 Pa라 하고 Pa를 구성하는 양변을,라 한다.
와는 각각 삼면반사체(110)를 이루는 모서리와가 PSD A의 표면에 투영되어 나타난 직선이다. 제 1 위치검출기(131)에 맺힌 레이저 광점 Pa내부에서 레이저 강도의 무게 중심을 구하는 것은 다음의 적분식을 계산하면 된다.
(수학식 9)
여기서 ra와 Ia(ra)는 각각 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 10)
이며,는 도 6에 나타내어진 바와 같이 제 1 위치검출기(131) 상의 레이저 광선 중심, 즉 La의 좌표이다.
제 1 위치검출기(131)에 입사하는 레이저 광선의 강도는 제 1 위치검출기(131)에 맺힌 레이저 광점 내부에 형성된 레이저 광선의 강도 분포를 적분하여 다음과 같이 구할 수 있다.
(수학식 11)
제 2 위치검출기(132)와 제 3 위치검출기(133)의 경우에도 동일한 절차를 거쳐 가우시안 함수 분포의 레이저 광선을 고려하여 위치검출기(131, 132, 133)의 출력치와를 구할 수 있다. 이로써 삼면반사체의 6자유도 변위tx, ty, tz, γ, β, α로써 3개 위치검출기(131, 132, 133) 출력치,,를 구할 수 있게 된다.
다음에서는 수치해석을 통한 6자유도 변위 측정에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
앞에서는 삼면반사체(110)의 6자유도 변위 tx, ty, tz, γ, β, α로써 3개 위치검출기(131, 132, 133) 출력치,,를 구하는 절차를 설명하였다. 그러나 실제 측정 수행시에는 3개 위치검출기(131, 132, 133) 출력치,,가 주어진 상태에서 삼면반사체의 6자유도 변위를 구해야 한다.
본 발명에서는 이러한 작업을 다변수 함수의 해법을 제공하는 뉴턴-랍슨 방법(Newton-Raphson method)을 이용하여 수행한다. 도 8는 이러한 수치 해석 방법의 절차를 나타내고 있다. 삼면반사체의 6자유도 변위로 구성된 벡터를라 하고 3개 PSD을 출력을 1차원 벡터로와 같이 정의하면 두 벡터 간에는 소정의 벡터 함수의 관계가 성립한다고 볼 수 있다.
이러한 두벡터 사이의 벡터 함수의 관계는 수학식 12와 같다.
(수학식 12)
즉, 삼면반사체의 6자유도 변위가 주어지면 3개의 위치검출기(131, 132, 133) 출력을 구할 수 있는 함수가 존재하는 것이다. 측정을 위해서는 이 함수의 역을 구해야 한다.
만약 실제의 측정 작업을 수행하는 과정에서 3개의 위치검출기(131, 132, 133) 출력치가 주어지면 윗식을 만족하는 삼면반사체의 6자유도 변위를 구하기 위해에 대한 추정치를 평가하여에 가까운 값을 추정하는 방법이다. 이를 위해 초기의 추정치를 정하여 그림에 보이는 바와 같이 평가와 새로운 추정을 반복한다.
임의 단계의 추정치에 의한 위치검출기(131, 132, 133) 출력의 추정치가 계산되면 그림에 보이는 바와 같이 원래의 위치검출기 출력치와 비교하여 평가하기 위한 기준이 필요하다. 도면에 보이는 바와 같이 두 벡터의 차이를라 하면가 소정의 오차 범위인이내로 수렴하면 반복적인 추정 작업은 종료한다. 위치검출기 출력의 추정치에 대한 평가후 새로운 추정치를 추정하는 방법은 뉴턴-랍슨 방법(Newton-Raphson method)을 이용하여 수행한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 삼면반사체를 이용한 6자유도 운동측정장치는 3개의 위치 검출기와 삼면반사체를 이용하여 측정대상물의 6자유도 운동을 측정함으로서, 구조가 간단하여 제작비가 저렴하며 측정이 간편하다는 장점을 제공한다.
또한, 본 발명은 레이저 추종을 요구하지 않기 때문에 기계적인 추종기구를 구성할 필요가 없으며, 따라서 기계적인 속도 제약을 받지 않기 때문에 고속의 운동에 적합한 장점을 제공한다.
이상에서 본 발명의 삼면반사체를 이용한 6자유도 운동 측정장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

  1. 레이저 광원으로부터 진행하는 레이저 광선을 이용하여 측정 대상물의 6자유도 운동을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 측정대상물에 고정되며 상기 레이저 광선을 3방향으로 반사시키는 삼각뿔 형상의 삼면반사체와,
    상기 삼면반사체의 운동에 따라 그 표면에 맺히는 레이저 광점의 위치와 강도를 측정하여 출력신호를 제공하는 3개의 위치 검출기와,
    상기 3개의 위치검출기로부터 출력되는 레이저 광점의 위치와 강도를 이용하여 상기 삼면반사체의 6자유도를 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    여기서, 상기 제어부는 상기 삼면반사체의 표면벡터, 방향벡터, 위치벡터, 반사된는 레이저 광선의 방향벡터에 의하여 상기 위치 검출기에 입사되는 레이저 광선의 광점의 위치를 구하고,
    상기 광점 내의 레이저 광선의 무게중심을 구하고,
    상기 무게중심을 바탕으로 상기 광점 내부에 형성된 레이저 광선의 강도분포를 구한 다음에 상기 강도분포를 적분하여 상기 레이저 광선의 강도를 구하고,
    상기 구해진 광점의 위치와 레이저 광선의 강도를 소정의 수치해석적으로 계산함으로써 상기 삼면반사체의 6자유도 운동을 측정하는 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼면반사체의 운동범위는 레이저 광선의 조사범위 안에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사체는 3면이상인 것을 특징으로 하는 반사체를 이용한 미소 6자유도운동 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사체에 대응하는 위치 검출기는 3면 이상인 것을 특징으로 하는 반사체를 이용한 미소 6자유도 운동 측정 장치.
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