KR101009563B1 - 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치에 관한 것으로, 피라미드 형태에서 꼭대기가 제거되어 사다리꼴 형태의 4방 측면과 사각형의 상면을 가지는 구조물이 배치된 캘리브레이션 지그와, 캘리브레이션 지그를 정해진 경로를 따라 이동시키는 전동 스테이지를 포함하며, 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 과정에 이용하면 어떠한 기구물의 회전 없이 한 쌍의 카메라를 동시에 캘리브레이션 할 수 있으므로 카메라 상호 간의 원점 오차가 발생하지 않는 이점이 있다.

비접촉 계측 시스템, 레이저 비전 시스템, 켈리브레이션 지그

Description

비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치{CALIBRATION APPARATUS FOR NONCONTACT MEASURING SYSTEM}

본 발명은 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션(calibration) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 카메라를 캘리브레이션할 수 있는 캘리브레이션 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 선박의 외부 패널은 추진저항을 감소시켜 수중을 효율적으로 항해하도록 하기 위해 복잡한 비전개성 곡면을 가지는 약 10mm 내지 30mm 두께의 곡판부재로 구성되며, 이러한 곡면의 외부 패널을 형성하기 위해서는 일반적으로 선형 가열이라고 하는 가공법을 통해 가스 버너 등을 이용하여 강판의 표면을 국부적으로 가열해서 발생되는 소성변형으로 인한 강판의 면외각변형 또는 면내수축변형을 통해 소망하는 형상으로 가공하고 있다.

또한, 위와 같이 가공된 선박의 곡판부재 등과 같은 공작물에 대해서는 원하는 형태로 정확한 가공이 되었는지 여부에 대한 계측이 필요한데, 이러한 선박용 곡판부재의 계측 및 제작에는 줄자, 수공구, 나무재질의 상형곡형 등을 이용한 사 람에 의한 계측이 수행되었다.

이러한 곡판부재의 계측은 가공 완료 평가, 가열선 생성 및 가공이 완료된 후에 절단선 마킹 작업에 이용된다.

그런데, 사람에 의해 수작업으로 수행되는 계측 기술에 의하면 대형 곡판부재의 계측을 수작업에 의존함에 따라 계측 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 계측 데이터의 정확도가 떨어지는 등 많은 문제점이 있었다. 특히, 선박의 선수미 부분에 사용되는 곡판부재는 그 형상이 더욱 다양하여 부위별로 사전 제작된 나무 재질의 상형곡형을 이용하여 가공 및 계측하는데, 상형곡형의 재질이 대부분 나무로 제작되며 원하는 곡면 형상 부재로의 정확한 가공을 위해 하나의 곡판부재가 완성될 때까지 다수 번 반복적으로 사용됨에 따라, 주변 온도와 작업자의 관리 소홀 등과 같은 여러 가지 주변 요인에 의하여 소성변형이 일어나게 되어 형상 오차가 유발되는 등, 정확한 가공 및 계측에 어려운 문제점이 있었다.

한편, 이러한 수작업 계측 기술의 문제점을 해결하기 위해 피 계측부재에 대해 비접촉 방식으로 형상을 계측하는 비접촉 계측 시스템이 제안되었다.

이러한 비접촉 계측 시스템은 레이저 비전 시스템(laser vision system)으로 불려지기도 하며, 라인형의 레이저빔을 피 계측부재에게 조사하는 레이저 발생기, 피 계측부재에 조사되어 나타나는 레이저빔 영상을 촬영하는 카메라 등을 포함하며, 레이저 발생기와 카메라는 고정체에 일체로 설치하여 모듈화 되어 있다.

이와 같은 비접촉 계측 시스템은 용접용 로봇의 용접선을 추적하기 위해 용접용 로봇의 끝단에 설치되어 이용되기도 한다.

한편, 통상적으로 비접촉 계측 시스템은 용접용 로봇 등과 같은 결합 본체에 분리 가능한 상태로 결합되는데, 곡판부재 계측이나 용접선 추적의 정밀도를 향상하기 위해 기본적으로 캘리브레이션 과정을 거친 후에 사용되며, 이러한 캘리브레이션 과정에서는 캘리브레이션 지그(jig)가 이용된다.

도 1a는 종래의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 지그를 이용한 캘리브레이션 과정을 보인 개념도이다.

도 1a에 나타낸 바와 같이, 캘리브레이션 지그(20)는 삼각 박스 형태를 이용하여 비접촉 계측 시스템(10)의 레이저 발생기(11)에 의해 조사되는 라인빔(31)과 동일한 평면상에 영문자 브이(V) 모양의 빗면이 놓이도록 배치하며, 전동 스테이지(motorized stage)(도시 생략됨)에 의해 캘리브레이션 지그(20)가 정해진 경로를 따라 이동하고, 비접촉 계측 시스템(10)의 카메라(13)는 캘리브레이션 지그(20)에 조사된 라인빔(31)에 의한 레이저빔 영상(33)을 촬영한다.

이와 같은 캘리브레이션 과정에 의해 카메라(13)에 의해 촬영된 레이저빔 영상(33)은 도 1b에 나타낸 바와 같으며, 레이저빔 영상(33)에서 추출한 꼭지점(35)의 좌표와 전동 스테이지(도시 생략됨)의 좌표를 이용하여 변환행렬 파라미터를 추출하는 방식이 이용된다.

전술한 바와 같이 라인형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션에는 삼각 박스 형태의 캘리브레이션 지그가 이용되는 것을 알 수 있다.

한편, 본 출원인은 십자형 레이저빔을 피 계측부재에 조사하는 레이저 발생기와 피 계측부재에 조사된 십자형 레이저빔에 의한 레이저빔 영상을 촬영하는 한 쌍의 카메라를 단일의 고정체에 일체로 설치함으로써 피 계측부재의 계측을 위해 회전이 필요하지 않도록 한 비접촉 계측 시스템을 개발하였다.

따라서, 이와 같이 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션을 위한 새로운 캘리브레이션 지그(또는 캘리브레이션 장치)의 연구 과제가 부여되었다.

본 발명은 이와 같은 연구 과제에 따른 개발 노력의 한 결과물로서, 십자형 레이저빔을 피 계측부재에 조사하는 레이저 발생기와 피 계측부재에 조사된 십자형 레이저빔에 의한 레이저빔 영상을 촬영하는 한 쌍의 카메라를 단일의 고정체에 일체로 설치한 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션에 적합한 캘리브레이션 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치는, 피라미드 형태에서 꼭대기가 제거되어 사다리꼴 형태의 4방 측면과 사각형의 상면을 가지는 구조 물이 배치된 캘리브레이션 지그와, 상기 캘리브레이션 지그를 정해진 경로를 따라 이동시키는 전동 스테이지를 포함한다.

여기서, 상기 캘리브레이션 지그는, 복수의 상기 구조물이 매트릭스 형태로 배치되며, 상기 캘리브레이션 지그는 상기 전동 스테이지의 상부에서 이동 가능하며 분리 가능하게 상기 전동 스테이지에 결합된 것이 바람직하다.

본 발명은 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 과정에 이용되면 어떠한 기구물의 회전 없이 한 쌍의 카메라를 동시에 캘리브레이션 할 수 있으므로 카메라 상호 간의 원점 오차가 발생하지 않는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 출원인이 개발한 십자형 레이지빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 사시도이다.

이에 나타낸 바와 같이 레이저 비전 시스템(100)은, 십자형 레이저빔(111)을 피 계측부재에 조사하는 레이저 발생기(110)와, 피 계측부재에 조사된 십자형 레이 저빔(111)에 의한 레이저빔 영상(121, 131)을 촬영하는 한 쌍의 카메라(120, 130)와, 레이저 발생기(110)와 한 쌍의 카메라(120, 130)가 일체로 설치된 단일의 고정체(140)를 포함한다. 레이저 발생기(110)는 고정체(140)에 일체로 결합된 케이스(150)의 내부에 십자형 레이저빔(111)의 교차축을 중심으로 회전 가능하게 설치된다. 한 쌍의 카메라(120, 130) 중에서 어느 하나의 카메라(120)의 중심을 레이저 발생기(110)의 중심에 연결하는 제 1 가상선과 다른 하나의 카메라(130)의 중심을 레이저 발생기(110)의 중심에 연결하는 제 2 가상선이 상호 직교한다.

이와 같은 레이저 비전 모듈(100)에 의하면 피 측정부재인 곡판부재에는 레이저 발생기(110)에 의해 십자형 레이저빔(111)이 조사된다. 여기서 레이저 발생기(110)로부터 조사된 십자형 레이저빔(111)을 수직 라인빔과 수평 라인빔으로 분리하여 칭할 때에 한 쌍의 카메라(120, 130) 중에서 어느 한 카메라는 수직 라인빔에 의한 레이저빔 영상을 획득하기 위한 수단이며, 다른 한 카메라는 수평 라인빔에 의한 레이저빔 영상을 획득하기 위한 수단이다. 아울러 이를 위해서는 수직 라인빔 성분과 수평 라인빔 성분 중에서 어느 한 성분을 선택적으로 필터링하여야 한다.

이러한 필터링을 위해서는 카메라(120, 130)에 의한 영상 획득 경로 상에 필터링 수단을 구비하거나 카메라(120, 130)에 의해 획득된 영상 데이터를 필터링 처리하여야 한다. 레이저 비전 시스템(100)에서는 후자의 영상 데이터 필터링 처리 방식을 채용하며, 한 쌍의 카메라(120, 130) 중에서 어느 한 카메라에 십자형 레이저빔(111)의 수직 라인빔이 수직 영상 성분으로 획득되고 수평 라인빔이 수평 영상 성분으로 획득되면 다른 한 카메라에는 십자형 레이저빔(111)의 수직 라인빔이 수평 영상 성분으로 획득되고 수평 라인빔이 수직 영상 성분으로 획득된다.

따라서 한 쌍의 카메라(120, 130)에 의해 획득된 영상 데이터를 필터링 처리할 때에 한 쌍의 카메라(120, 130)를 기준으로 보면 공통적으로 수직 영상 성분을 필터링하여 제거하면 곡판부재(10)의 3차원 형상 계측 데이터를 생성할 수 있다.

레이저 발생기(110)를 고정체(140)에 일체로 결합된 케이스(150)의 내부에 십자형 레이저빔(111)의 교차축을 중심으로 회전 가능하게 설치하는 것은 레이저 발생기(110)를 회전시켜서 십자형 레이저빔(111)을 이루는 수직 라임빔 또는 수평 라인빔의 광축과 카메라(120, 130)의 광축을 정렬(align)할 수 있도록 한 것이다.

도 3은 도 2에 도시된 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템에 의한 캘리브레이션 과정의 일예를 설명하기 위한 개념도이다.

앞서 설명한 바와 같이 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템은 한 쌍의 카메라(120, 130)가 단일의 고정체(140)에 일체로 설치되어 있기에 두 카메라(120, 130)는 각각의 캘리브레이션 과정을 거쳐야 한다.

그런데 라인형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 지그(40)를 이용하여 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템을 캘리브레이션 할 경우에 두 카메라(120, 130)의 원점 오차가 발생한다.

동일 원점을 사용하고 하나의 고정체에 부착되어 있는 두 대의 카메라를 캘리브레이션할 경우에 각각의 카메라를 각각 캘리브레이션 하기 때문에 원점 오차가 발생하는데, 그 이유는 카메라(120)를 캘리브레이션 한 후에 카메라(130)를 캘리브 레이션하기 위해서는 지지체(160)에 의해 지지되는 고정체(140)를 케이스(150)를 중심으로 하여 90°회전을 한 후에 고정시켜야 하나 기구적인 특성으로 인하여 정확한 90°의 회전을 보장할 수 없기 때문이다.

본 발명은 이와 같이 캘리브레이션 과정에 의한 원점 오차가 발생하지 않도록 하기 위해 두 카메라(120, 130)를 어떠한 기구물의 회전 없이 동시에 캘리브레이션 할 수 있는 캘리브레이션 장치를 제공한다.

도 4는 본 발명에 따른 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 장치의 구성을 보인 사시도이다.

이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 캘리브레이션 장치(200)는, 피라미드 형태에서 꼭대기가 제거되어 사다리꼴 형태의 4방 측면(211b)과 사각형의 상면(211a)을 가지는 복수의 구조물(211)이 매트릭스 형태로 배치된 캘리브레이션 지그(210)와, 캘리브레이션 지그(210)를 정해진 경로를 따라 이동시키는 전동 스테이지(220)를 포함한다.

캘리브레이션 지그(210)는 전동 스테이지(220)의 상부에 마련된 가이드 레일(221)을 따라 이동 가능하며 분리 가능하게 전동 스테이지(220)에 결합된다.

이와 같이 구성된 캘리브레이션 장치(200)를 이용하여 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템을 캘리브레이션하는 과정을 도 3 내지 도 5a, 도 5b를 참조하여 살펴보면 아래와 같다.

먼저, 비접촉 계측 시스템(100)을 캘리브레이션 장치(200)의 전방에 배치한 상태에서 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 십자형 레이저빔을 캘리브레이션 장 치(220)의 갤리브레이션 지그(210)에 조사한다.

여기서, 고정체(140)에 결합된 두 카메라(120, 130)의 캘리브레이션을 동시에 수행하는데, 이를 위해 두 카메라(120, 130)는 캘리브레이션 지그(210)에 조사된 십자형 레이저빔에 의한 레이저빔 영상을 각각 촬영한다.

이와 같이 두 카메라(120, 130)를 통해 캘리브레이션 지그(210)에 조사된 십자형 레이저빔에 의한 레이저빔 영상이 획득될 때에, 예로서 카메라(120)에 십자형 레이저빔의 수직 라인빔이 수직 영상 성분으로 획득되고 수평 라인빔이 수평 영상 성분으로 획득되면 카메라(130)에는 십자형 레이저빔의 수직 라인빔이 수평 영상 성분으로 획득되고 수평 라인빔이 수직 영상 성분으로 획득된다.

그러면, 카메라(120, 130)에 의해 획득된 영상 데이터에 대해 수직 영상 성분을 필터링하여 제거하며, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 필터링 처리된 영상 데이터로부터 소정의 특이점 데이터들을 추출한다. 이때 특이점들은 캘리브레이션 지그(210)의 4방 측면(211b)에 맺힌 레이저 띠를 연장하여 가상의 꼭지점(a)을 특이점으로 추출한다.

따라서, 전동 스테이지(220)를 이용하여 캘리브레이션 지그(210)를 z축 방향으로 이동시키면서 두 대의 카메라(130, 220)를 이용하여 특이점을 추출하고, 추출한 특이점들을 캘리브레이션 포인트로 생성한 후에 캘리브레이션 포인트의 좌표와 전동 스테이지(220)의 좌표를 이용하여 변환행렬 파라미터를 추출하는 캘리브레이션을 수행한다.

이때, 많은 수의 캘리브레이션 포인트들은 캘리브레이션의 정밀도를 높여주 는 역할을 한다. 즉 캘리브레이션 지그(210)가 한 개의 구조물(211)만을 구비하도록 설계하더라도 캘리브레이션 과정을 수행하는 데에는 지장을 초래하지 않으나 복수의 구조물(211)을 구비하도록 하여 캘리브레이션의 정밀도를 높여준 것이다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

도 1a는 종래 기술에 따른 캘리브레이션 지그를 이용한 캘리브레이션 과정을 보인 개념도,

도 1b는 종래 기술에 따른 캘리브레이션 과정에 의해 촬영된 레이저빔 영상의 일예도,

도 2는 본 출원인이 개발한 십자형 레이지빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 사시도,

도 3은 도 2에 도시된 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템에 의한 캘리브레이션 과정의 일예를 설명하기 위한 개념도,

도 4는 본 발명에 따른 십자형 레이저빔을 이용하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 장치의 구성을 보인 사시도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 중에 비접촉 계측 시스템의 두 카메라에 의해 획득된 레이저빔 영상의 처리 예를 보인 도면.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

200 : 캘리브레이션 장치 210 : 캘리브레이션 지그

211 : 구조물 211a : 상면

211b : 측면 220 : 전동 스테이지

221 : 가이드 레일

Claims (3)

1. 피라미드 형태에서 꼭대기가 제거되어 사다리꼴 형태의 4방 측면과 사각형의 상면을 가지는 구조물이 배치된 캘리브레이션 지그와,

   상기 캘리브레이션 지그를 정해진 경로를 따라 이동시키는 전동 스테이지

   를 포함하는 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 캘리브레이션 지그는, 복수의 상기 구조물이 매트릭스 형태로 배치된

   비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 캘리브레이션 지그는 상기 전동 스테이지의 상부에서 이동 가능하며 분리 가능하게 상기 전동 스테이지에 결합된

   비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치.

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