KR100967553B1 - 적외선 카메라를 이용한 위치 및 자세 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위치 및 자세 검출 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 영상을 표시하는 디스플레이부; 일정공간 내에서 운동하는 운동체; 상기 운동체에 설치되어 상기 운동체의 위치 변화에 대응하여 위치가 변하는 적외선 발광부; 상기 일정공간의 일측면에 설치되고, 상기 운동체가 상기 일측면에 대해 수평으로 이동하는 경우 상기 운동체의 제1 수평 이동에 대응하여 상기 적외선 발광부로부터 방출되는 빔을 촬영하는 제1 적외선 카메라; 상기 일측면과 접해있는 상기 일정공간의 타측면에 설치되고, 상기 운동체가 상기 타측면에 대해 수평으로 이동하는 경우 상기 운동체의 제2 수평 이동에 대응하여 상기 적외선 발광부로부터 방출되는 빔을 촬영하는 제2 적외선 카메라; 및 상기 제1 적외선 카메라 및 제2 적외선 카메라로부터 촬영된 각각의 빔의 위치에 대한 상기 운동체의 위치 및 자세를 계산하여 상기 디스플레이부에 표시하는 신호처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은, 종래의 카메라를 이용한 위치 및 자세 검출 시스템보다, 빠르고 정확한 위치 및 자세 시뮬레이션이 가능하다.
위치 및 자세 검출 시스템, 적외선 카메라, 적외선 LED, 모의 용접봉

Description

적외선 카메라를 이용한 위치 및 자세 검출 시스템{Position and attitude detect system using infrared camera}
본 발명은 위치 및 자세 검출 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 적외선 카메라를 이용한 위치 및 자세 검출 시스템에 관한 것이다.
동적 변화에 대한 위치 및 자세 검출 시스템은 다양한 산업분야에서 이용되고 있으며, 최근에는 카메라를 이용하여 움직이는 물체의 동적 변화를 시뮬레이션하는 시스템이 개발되고 있다.
그러나, 카메라를 이용한 위치 및 자세 시뮬레이션은 문제를 가지고 있다. 즉, 카메라에 의해 위치 및 자세 시뮬레이션을 수행하기 위해서는, 화상신호 처리 및 화상인식 알고리즘을 수행하기 위한 고가의 시스템이 요구되고, 처리할 데이터가 많아서 수행 시간도 많이 소요되는 문제점이 발생한다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 일정공간에서 움직이는 물체의 위치 및 자세를, 종래의 카메라를 이용한 위치 및 자세 검출 시스템보다, 빠르고 정확한 위치 및 자세 검출 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 종래의 카메라를 이용한 위치 및 자세 검출 시스템보다 저가의 시스템으로도 위치 및 자세 시뮬레이션의 구현이 가능한 위치 및 자세 검출 시스템을 제공하는 것이다.
그리고, 용접 작업시, 실제 용접 작업을 하지 않고도 용접 작업의 시뮬레이션이 가능한 위치 및 자세 검출 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 위치 및 자세 검출 시스템에 관한 것으로, 상기 위치 및 자세 검출 시스템은 영상을 표시하는 디스플레이부; 일정공간 내에서 운동하는 운동체; 상기 운동체에 설치되어 상기 운동체의 위치 변화에 대응하여 위치가 변하는 적외선 발광부; 상기 일정공간의 일측면에 설치되고, 상기 운동체가 상기 일측면에 대해 수평으로 이동하는 상기 운동체의 제1 수평 이동에 대응하여 상기 적외선 발광부로부터 방출되는 빔을 촬영하는 제1 적외선 카메라; 상기 일측면과 접해있는 상기 일정공간의 타측면에 설치되고, 상기 운동체가 상기 타측면에 대해 수평으로 이동하는 상기 운동체의 제2 수평 이동에 대응하여 상기 적외선 발광부로부터 방출되는 빔을 촬영하는 제2 적외선 카메라; 및 상기 제1 적외선 카메라 및 제2 적외선 카메라로부터 촬영된 각각의 빔의 위치에 대한 상기 운동체의 위치 및 자세를 계산하여 상기 디스플레이부에 표시하는 신호처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
전술한 적외선 발광부는 복수로 마련되며, 운동체의 움직임이 많은 단부에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 위치 및 자세 검출 시스템은 데이터를 저장하는 데이터베이스를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 계산된 상기 운동체의 위치 및 자세에 대한 각각의 데이터를 상기 데이터베이스에 저장한다.
여기서, 운동체는 용접작업의 시뮬레이션을 위한 모의 용접봉으로 마련될 수 있고, 상기 일정공간은 상기 모의 용접봉의 작업영역에 대응하며, 상기 적외선 발광부는 상기 모의 용접봉에 설치되고, 상기 신호처리부는 상기 촬영된 각각의 빔의 위치에 대한 상기 모의 용접봉의 위치 및 자세를 계산하고, 상기 계산된 모의 용접봉의 각 위치 및 자세에 대한 데이터를 상기 데이터베이스에 저장한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 운동체의 움직임을 잘 파악할 수 있는 위치에 설치된 적외선 발광부 및 운동체의 3차원 상의 움직임을 감지하기 위한 2개의 적외선 카메라를 배치함으로써, 운동체의 움직임을 파악하는데 필요한 정보량을 최소화하면서 정확한 위치정보를 얻을 수 있어, 위치 및 자세 시뮬레이션의 수행시간 및 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명을 용접 작업의 시뮬레이션에 응용하는 것에 의해, 용접 훈련 시 실제 용접작업을 수행하지 않고도 용접 훈련이 가능하게 되고, 용접 작업의 분석도 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 및 자세 검출 시스템의 구성 및 동작을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 및 자세 검출 시스템의 구현도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 및 자세 검출 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이부(110), 데이터베이스(120), 운동체(130), 적외선 발광부(140), 제1 적외선 카메라(150), 제2 적외선 카메라(160), 신호처리부(170)로 구성된다.
본 실시예의 동작을 개략적으로 설명하면, 적외선 발광부(140)가 설치된 운동체(130)가 일정공간(D) 내에서 운동하는 경우, 제1 및 제2 적외선 카메라(150, 160)를 이용하여 운동체(130)의 움직임에 따라 움직이는 적외선 발광부(140)로부터 방출되는 빔의 위치를 촬영하고, 신호처리부(170)는 이 촬영된 정보를 토대로 운동체(130)의 위치 및 자세를 계산하여 디스플레이부(110)에 표시한다. 본 실시예는 운동체(130)의 움직임에 대응하여 제1 및 제2 적외선 카메라(150, 160)에 촬영되는 빔의 위치가 변하는 원리를 이용한 것이다.
디스플레이부(110)는 신호처리부(170)에 의해 계산된 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 데이터를 영상으로 표시한다. 여기서는 휴대용 컴퓨터의 모니터를 디 스플레이부(110)로 이용하였다.
데이터베이스(120)는 신호처리부(170)에 의해 계산된 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 데이터를 저장하는 역할을 수행한다.
운동체(130)는 제1 적외선 카메라(150) 및 제2 적외선 카메라(160)의 촬영범위 내의 사전에 정해진 일정공간(D) 내에서 움직여야 한다. 여기서는 가장 단순한 직사각형 운동체(130)를 가정하였다. 운동체(130)의 단부에 적외선 발광부(140)를 각각 설치하여 운동체(130)의 움직임을 가장 잘 표현할 수 있도록 하였다.
만약 운동체(130)의 구조가 복잡해지거나, 운동 자유도가 증가하는 경우 그에 대응하여 적외선 발광부(140)의 배치 위치 및 배치 숫자를 조정할 수 있다. 이에 따른 신호처리부(170)의 계산 알고리즘도 수정되어야 한다.
후술하는 도 3에서는 운동체(130)를 모의 용접봉(도3의 330참조)으로, 일정공간(D)을 모의 용접봉(도3의 330 참조)의 작업영역으로 한정한 것이다.
적외선 발광부(140)는 운동체(130)에 고정 설치되며, 운동체(130)의 움직임에 대응하여 위치가 변화게 된다. 따라서 적외선 발광부(140)는 운동체(130)의 운동을 잘 표현할 수 있는 위치에 설치되어야 하며, 여기서는 직사각형의 단부에 설치되었다. 보통 적외선 발광부(140)는 적외선 LED로 마련된다.
제1 적외선 카메라(150)는 운동체(130)가 움직이는 일정공간(D)의 일 측면에 설치되어, 운동체(130)가 일 측면에 대해 수평으로 이동하는 경우 운동체(130)의 이러한 수평 이동에 대응하여 적외선 발광부(140)로부터 방출되는 빔을 촬영한다. 여기서, 이러한 운동체(130)의 수평 이동을 제1 수평 이동으로 정의한다.
제2 적외선 카메라(160)는 제1 적외선 카메라(150)가 설치된 일 측면에 접하는 타 측면에 설치된다. 이것은 제1 적외선 카메라(150)로에서 감지하기 어려운 제1 적외선 카메라(150)의 촬영방향에 대해 수평으로 이동하는 운동체(130)의 위치 변화를 촬영하기 위함이다.
여기서, 제1 적외선 카메라(150) 및 제2 적외선 카메라(160)는 일반 카메라의 렌즈에 적외선 필터를 장착함으로써 마련될 수 있다.
신호처리부(170)는 전술한 제1 적외선 카메라(150) 및 제2 적외선 카메라(160)로부터 촬영된 빔의 위치에 의하여 운동체(130)의 위치 및 자세를 계산하여, 계산된 결과 값을 영상신호로 변환하여 디스플레이부(110)에 출력한다.
이러한 운동체(130)의 위치 및 자세 변화를 계산하는 방법에 대해서는, 도 2를 참조하여 설명한다. 운동체(130)가 일정공간(D) 내의 A위치에 있는 경우, 제1 적외선 카메라(150)로부터 얻을 수 있는 각 빔의 위치에 대한 정보는 도 2의 (a)에 도시된 (a1) 및 (a2)이며, 제2 적외선 카메라(160)로부터 얻을 수 있는 각 빔의 위치에 대한 정보는 도 2의 (b)에 도시된 (a3) 및 (a4)이다. (a1)은 (a3)에 대응하고, (a2)는 (a4)에 대응한다.
신호처리부(170)는 제1 적외선 카메라(150) 및 제2 적외선 카메라(160)로부터 얻은 빔의 위치에 대한 정보 (a1), (a2), (a3), (a4)를 조합하여 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 데이터를 계산한다. 여기서, A위치는 운동체(130)의 운동 전 초기 상태를 나타내는 것이다.
운동체(130)가 A위치에서 B위치로 움직여서 현재 운동체(130)가 B위치에 도 달한 경우, B위치에 대해 제1 적외선 카메라(150)로부터 얻을 수 있는 각 빔의 위치에 대한 정보는 도 2의 (c)에 도시된 (b1) 및 (b2)이며, 제2 적외선 카메라(160)로부터 얻을 수 있는 각 빔의 위치에 대한 정보는 도 2의 (d)에 도시된 (b3) 및 (b4)이다. 신호처리부(170)는 (b1), (b2), (b3), (b4)와 같은 정보를 이용하여 B위치에 따른 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 데이터를 계산한다.
여기서는 편의상 운동체(130)의 이동 전 A위치, 이동 후 B위치에 대한 위치 및 자세를 계산하는 것에 대해서만 설명하였다.
운동체(130)가 A위치에서 B위치로 움직이는 동안의 운동체(130)의 각 위치 및 자세들에 대한 계산은 제1 적외선 카메라(150) 및 제2 적외선 카메라(160)에 의해 캡쳐되는 각 프레임마다 똑같이 수행된다. 이렇게 각 프레임마다 계산된 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 데이터는 데이터베이스(120)에 저장된다.
여기서, 위치 및 자세의 계산방법에 대해, 운동체(130)가 A위치에 있는 경우 예를 들어 설명한다. 이용되는 빔의 위치(a1, a2, a3, a4)는 일반적인 화상인식 기술을 사용하여 인식되며, 인식된 빔의 위치 정보를 토대로 A위치에 있는 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 데이터가 계산된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 및 자세 검출 시스템에 의하면, 운동체(130)의 움직임을 잘 파악할 수 있는 위치에 적외선 발광부(140)를 설치함으로써, 운동체(130)의 움직임을 파악하는데 필요한 정보량를 최소화하면서 정확한 위치정보를 얻을 수 있다.
또한, 제1 및 제2 적외선 카메라(150, 160)가 운동체(130)의 운동에 따른 화 상정보를 휘도 값 위주로 촬영하기 때문에, 운동체(130)의 위치 및 자세에 대한 계산에 이용되는 화상 데이터의 양이 적다. 이에 따라, 위치 및 자세에 대한 계산에 필요한 시간도 감소시킬 수 있고, 계산의 정확도도 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 위치 및 자세 검출 시스템을 용접 작업에 응용한 실시예를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 위해 응용 실시예는 용접 작업을 시뮤레이션하기 위한 것으로,디스플레이부(310), 모의 용접봉(330), 적외선 발광부(340), 제1 및 제2 적외선 카메라(160), 데이터베이스(320), 신호처리부(370)로 구성된다.
전술한 실시예와 동일한 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
본 발명의 응용 실시예는, 모의 용접봉(330)의 3개 위치에 적외선 발광부(340)를 설치하고, 모의 용접봉(330)의 작업 경로에 대응하여 방출되는 적외선 발광부(340)의 빔의 위치를 제1 및 제2 적외선 카메라(350, 360)를 사용하여 촬영한다.
용접 시편(380)에 대해 사용자가 모의 용접봉(330)을 이용하여 가상으로 용접 작업을 수행하는 경우, 제1 및 제2 적외선 카메라(350, 360)는 모의 용접봉(330)의 움직임에 대응하여 방출되는 빔을 촬영한다. 그리고, 신호처리부(370)는 이렇게 촬영된 빔의 위치 데이터를 이용하여 모의 용접봉(330)의 위치 및 자세를 계산하여 디스플레이부(310)에 표시한다. 그리고, 계산된 각 용접봉의 위치 및 자세에 대한 데이터를 데이터베이스(320)에 저장한다.
이에 의해 실제 용접 작업을 하지 않고도 용접 작업의 시뮬레이션이 가능하 기 때문에, 재료비, 환경 등의 제약 없이 용접 훈련이 가능하게 된다.
본 명세서에서는 본 발명의 위치 및 자세 검출 시스템을 응용한 형태로 용접 작업 시뮬레이션을 제시하였지만, 다양한 분야에 응용이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 위치 및 자세 검출 시스템은, 정해진 영역 내에서 움직이는 물체에 대한 동적 변화의 시뮬레이션이 필요한 산업분야에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 및 자세 검출 시스템의 구현도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작을 설명하기 위한, 제1 및 제2 적외선 카메라에 의해 포착된 빔의 위치 및 모양을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 위치 및 자세 검출 시스템을 용접 작업에 응용한 실시예를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110, 310 : 디스플레이부 120, 320 : 데이터베이스
130 : 운동체 140, 340 : 적외선 발광부
150, 350 : 제1 적외선 카메라 160, 360 : 제2 적외선 카메라
170, 370 : 신호처리부 330 : 모의 용접봉

Claims (4)

  1. 영상을 표시하는 디스플레이부;
    일정공간 내에서 운동하는 운동체;
    상기 운동체에 설치되어 상기 운동체의 위치 변화에 대응하여 위치가 변하는 적외선 발광부;
    상기 일정공간의 일측면에 설치되고, 상기 운동체가 상기 일측면에 대해 수평으로 이동하는 상기 운동체의 제1 수평 이동에 대응하여 상기 적외선 발광부로부터 방출되는 빔을 촬영하는 제1 적외선 카메라;
    상기 일측면과 접해있는 상기 일정공간의 타측면에 설치되고, 상기 운동체가 상기 타측면에 대해 수평으로 이동하는 상기 운동체의 제2 수평 이동에 대응하여 상기 적외선 발광부로부터 방출되는 빔을 촬영하는 제2 적외선 카메라;
    데이터를 저장하는 데이터베이스; 및
    상기 제1 적외선 카메라 및 제2 적외선 카메라로부터 촬영된 각각의 빔의 위치에 대한 상기 운동체의 위치 및 자세를 계산하여 상기 디스플레이부에 표시하고, 상기 계산된 상기 운동체의 위치 및 자세에 대한 각각의 데이터를 상기 데이터베이스에 저장하는 신호처리부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 및 자세 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 발광부는 복수로 마련되며, 운동체의 움직임이 많은 단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 위치 및 자세 검출 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 운동체는 용접작업의 시뮬레이션을 위한 모의 용접봉으로 마련되고,
    상기 일정공간은 상기 모의 용접봉의 작업영역에 대응하며,
    상기 적외선 발광부는 상기 모의 용접봉에 설치되고,
    상기 신호처리부는 상기 촬영된 각각의 빔의 위치에 대한 상기 모의 용접봉의 위치 및 자세를 계산하고, 상기 계산된 모의 용접봉의 각 위치 및 자세에 대한 데이터를 상기 데이터베이스에 저장하는 것을 특징으로 하는 위치 및 자세 검출 시스템.
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