KR20020016465A - 3차원 형상 입력기 및 3차원 형상 스캐닝 방법 - Google Patents

Abstract

인공치아와 같이 고도의 정밀성이 요구되는 객체에 대해서 빠른 시간 내에 정확하게 그 형태를 스캐닝할 수 있는 3차원 형상 입력기 및 3차원 형상 스캐닝 방법을 제공한다.

본 발명의 장치 및 방법은 도전성 외주면을 가지거나 적어도 그 외곽에 도전성 액체가 입혀진 객체의 외곽 형상을 스캐닝한다. 특히, 본 발명에 있어서는, 충격 검출 방식이 아닌 전기적 방식에 의해 프로브와 객체 외주면의 접촉 여부를 검출한다. 3차원 형상 입력기에 있어서, 제1 프로브(10)는 객체의 한 지점에 전기적으로 연결되도록 설치되며, 제2 프로브(12)는 객체(90) 주위에서 이동 가능하게 설치된다. 위치 제어 수단(30)은 3차원 공간 내에서 상기 제2 프로브(12)와 객체(90)간의 상대적 위치를 가변시키며, 접촉 감지 수단(40)은 제1 및 제2 프로브(10, 12)의 전기적 연결 상태를 판단함으로써 제2 프로브(12)와 객체(90)의 접촉 상태를 검출한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및 제2 프로브(10, 12)가 전기적으로 서로 연결된 순간에서의 제2 프로브의 공간상 위치를 기록하기 위한 기록 수단(50)이 추가적으로 구비된다.

Description

3차원 형상 입력기 및 3차원 형상 스캐닝 방법{3-dimensional Shape Scanner and 3-dimensional Shape Scanning Method}

본 발명은 객체 외부의 형상을 스캐닝하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 객체의 형상을 스캐닝하기 위한 장치에 관한 것이다.

충치나 잇몸 질환 혹은 외상 등의 원인에 의해 치아가 상실되었을 때에는 상실된 치아를 인공적인 재료를 사용하여 수복함으로써 감소된 기능과 외모, 발음 등을 정상적으로 회복시키게 되는데, 이러한 치료 과정을 보철이라 한다. 보철을 통해 복원되는 결손 치아의 경우를 살펴보면 다음과 같다. 하나 이상의 치아가 통째로 없을 수도 있고 하나 중 부분만이 없을 수도 있다. 결손된 형태에 따라서 다양한 보철 방법이 사용될 수 있는데, 예컨대 모든 치아가 상실되었을 때에는 총의치 즉, 완전틀니를 사용하고 여러 개의 치아가 상실되어 소수의 치아만이 남아 있는 경우에는 국소의치 즉, 부분틀니를 사용하게 된다. 상실된 치아가 소수인 경우에는, 여러 개의 치아를 대체하여 브리지로 연결하는데, 여기서 브리지란 자연치에 부착되는 치아 대체물을 의미한다. 만약, 하나의 치아만이 결손된 경우에는, 없는 치아를 대체하여 단금관(Simple Crown)으로 수복한다. 최근에는, 하나 또는 여러 개의 치아가 없는 경우 브리지 시술 시의 인접치 손상을 회피하기 위해 임플란트 시술도 널리 행하고 있다.

치아 결손 형태에 따라서 위에서 기술한 바와 같이 전체적인 보철 방법은 서로 상이하게 되지만, 각각의 경우에 있어서 기공사가 치아 모형을 제작하는 과정은 거의 유사하다고 할 수 있다. 예컨대 하나의 치아 중 일부의 치질이 손상된 경우의 치료 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 치아 전체를 1∼1.5 밀리미터 삭제한 후 인상본을 뜨게 된다. 그 다음 기공사는 인상재에 석고를 부어 만든 모형을 제작한 후, 모형을 토대로 크라운을 제작하게 된다. 충치나 치아 파절로 인해 남아있는 치질이 적은 경우에는, 치아 뿌리 안으로 포스트를 세우고 인공치질 즉, 코어를 형성한 후 크라운을 제작할 수도 있는데, 이 경우에도 크라운은 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 제작하게 된다.

이와 같은 기공사의 기공 작업은 단순한 수작업으로서, 하나의 인공 치아 예컨대 크라운 등을 가공하는 데에는 많은 시간이 소요되고 따라서 생산성이 매우 낮다. 그러므로, 기공 작업을 수행함에 있어서 작업 효율을 높이기 위해서는 치아 형태에 관한 특징 추출과 가공을 자동화할 필요가 있다. 이중에서, 치아 형태에 관한 특징 추출을 위해서는 3차원 입력기를 사용하는 것을 생각해볼 수 있다.

일반적으로 종래의 3차원 입력기는 CCD로 객체를 촬영하고 소프트웨어에 의해 촬영된 영상으로부터 3차원 형상을 추출하는 방식을 채택하고 있는데, 그 예로서 1991년 9월 6일 출원되어 1993년 4월 21일 출원공개된 공개특허 1993-6430호(발명의 명칭: 카메라를 이용한 3차원 형상의 입력 방법 및 이를 이용한 자동 입력 시스템)를 들 수 있다. 그러나 하나의 카메라로 촬영된 영상만을 사용하여 3차원 형상을 추출하는 경우에는 형상의 정밀도가 크게 낮아서 실용성이 낮다는 단점이 있다.

이러한 단점을 해소하기 위해 복수의 카메라를 사용하는 방식도 활용되고 있는데, 예컨대 1999년 10월 22일 출원되어 2000년 1월 15일 출원공개된 공개특허 2000-466호(발명의 명칭: 3차원 디지털 입력기)는 다수의 CCD로 측면 영상과 상부 영상을 촬영하고 이를 합성하여 입체 영상 데이터를 확보하는 장치를 제안하고 있다. 그러나 이 방식은 장치의 구성이 복잡하여 제작비가 높게 되고, 확보된 영상이 치아 가공에 사용하기에는 여전히 정밀도가 떨어지고 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인공치아와 같이 고도의 정밀성이 요구되는 객체에 대해서 빠른 시간 내에 정확하게 그 형태를 스캐닝할수 있는 3차원 형상 입력기 및 3차원 형상 스캐닝 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 3차원 형상 입력기의 바람직한 실시예의 블록도.

도 2는 본 발명에 의한 3차원 형상 입력기의 동작을 보여주는 흐름도.

도 3은 본 발명을 치과 기공 과정에 응용하는 경우에 있어서의 기공 과정을 보여주는 흐름도.

도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 의해 스캐닝되어 모형화된 치아 석고 모형의 예들을 보여주는 도면.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 장치 및 방법은 도전성 외주면을 가지거나 적어도 그 외곽에 도전성 액체가 입혀진 객체의 외곽 형상을 스캐닝한다. 특히, 본 발명에 있어서는, 충격 검출 방식이 아닌 전기적 방식에 의해 프로브와 객체 외주면의 접촉 여부를 검출한다.

본 발명의 3차원 형상 입력기에 있어서, 제1 프로브는 객체의 한 지점에 전기적으로 연결되도록 설치되며, 제2 프로브는 객체 주위에서 이동 가능하게 설치된다. 위치 제어 수단은 3차원 공간 내에서 상기 제2 프로브와 객체간의 상대적 위치를 가변시키며, 접촉 감지 수단은 제1 및 제2 프로브의 전기적 연결 상태를 판단함으로써 제2 프로브와 객체의 접촉 상태를 검출한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및 제2 프로브가 전기적으로 서로 연결된 순간에서의 제2 프로브의 공간상 위치를 기록하기 위한 기록 수단이 추가적으로 구비된다.

상기 위치 제어 수단은 제2 프로브를 객체의 외주면을 향하는 제1 방향 또는 제1 방향과 반대되는 방향으로 구동하는 제1 위치 제어기와, 제2 프로브와 객체간의 상기 제1 방향과 수직인 평면상에서의 상대적 위치를 변화시키기 위한 제2 위치 제어기를 구비한다. 제2 위치 제어기는 객체가 고정된 상태에서 제2 프로브를 상기 제1 방향과 수직인 평면상에서 수평방향으로 구동할 수도 있고, 제2 프로브가 상기 제1 방향과 수직인 방향으로는 고정되어 있는 상태에서 객체를 제1 방향과 수직인 평면상에서 수평방향으로 구동할 수도 있다.

한편, 본 발명에 의한 3차원 형상 스캐닝 방법에 있어서는, 먼저 (a) 제1 및 제2 프로브를 구비하는 접촉 감지 수단과, 스캐닝 데이터를 기록하기 위한 기록 수단을 제공한다. 그리고, (b) 객체 외주면에 도전성 액체를 도포하고, 제1 프로브를 객체의 한 지점에 전기적으로 연결시킨다. (c) 제2 프로브를 상기 객체의 외주면을 향해 제1 방향으로 이동시키면서 상기 제1 및 상기 제2 프로브의 전기적 연결 상태를 판단한다. (d) 제1 및 상기 제2 프로브가 전기적으로 연결되었다고 판단될 때, 제2 프로브의 위치를 기록 수단에 기록하고 제2 프로브를 제1 방향과 반대되는 방향으로 구동한다. 그리고, (e) 제2 프로브와 객체간의 제1 방향과 수직인 평면상에서의 상대적 위치를 소정 량만큼 변화시킨 다음, (c)단계 및 (d)단계를 반복하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 3차원 형상 입력기의 바람직한 실시예를 보여준다. 도시된 형상 입력기는 제1 및 제2 프로브(10, 12)와, 프로브 위치 제어부(30)와, 접촉 감지부(40)와, 위치 등록부(50)를 포함하며, 치아 석고 모형과 같이 외부에 이물질이 도포되어도 무관한 것이나 그 자체로서 도전성을 가진 객체의 형상 스캐닝에 적합한 것이다. 이하의 설명에서는 치아 석고 모형의 형상을 스캐닝하는 경우를 중심으로 설치된다.

도 1의 실시예에 있어서, 석고 모형(90)은 외부에 물이나 그 밖의 전도성 액체가 뿌려지거나 도포된 상태에서 작업 테이블(92) 상에 설치된다. 제1 프로브(10)는 석고 모형(90) 저면이나 측면 또는 작업 테이블(92)에 전기적으로 연결되도록 설치된다. 한편, 제2 프로브(12)는 지지대(14)에 의해 지지되며, 석고 모형(90) 상방에서 이동 가능하게 설치된다.

바람직한 실시예에 있어서, 작업 테이블(92)은 고정되어 있고 프로브 위치 제어부(30)가 제2 프로브(12)의 X, Y 및 Z축 방향 움직임을 제어한다. 이러한 실시예에 있어서, 프로브 위치 제어부(30)는 제2 프로브(12)를 Z축 방향으로 구동하기 위한 제1 제어기(32)와, X축 및 Y축 방향으로 구동하기 위한 제2 제어기(34)를 포함한다. 제1 제어기(32)는 미도시된 지지대(14) 내에 있는 제1 스테핑 모터를 구동하여 제2 프로브(12)가 Z축 방향으로 즉, 상하방향으로 움직이게 한다. 한편, 제2 제어기(34)는 미도시된 제2 및 제3 스테핑 모터를 구동하여 지지대(14)와 제2 프로브(12)가 (X, Y) 평면상에서 움직이도록 해준다.

한편, 본 실시예가 변형된 다른 실시예에 있어서는, 제2 프로브(12)가 X축 및 Y축 방향으로는 고정되고 Z축 방향으로만 움직일 수 있으며, 그 대신 작업 테이블(92)이 X축 또는 Y축 방향으로 움직이도록 장치가 구성될 수도 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 프로브 위치 제어부(30)의 제1 제어기(32)는 제2 프로브(12)를 Z축 방향으로 구동하며, 제2 제어기(34)는 제2 및 제3 스테핑 모터를 구동하여 작업 테이블(92)이 평면상에서 움직이도록 해준다.

도 1에 있어서, 접촉 감지부(40)는 제1 및 제2 프로브(10, 12)에 전기적으로 연결되어 있으며, 제1 및 제2 프로브(10, 12)의 전기적 연결 상태를 판단함으로써제2 프로브(12)와 석고 모형(90)의 접촉 상태를 검출한다. 즉, 제2 프로브(12)와 석고 모형(90)이 접촉되지 않은 상태에서 제1 및 제2 프로브(10, 12)는 개방된 상태에 있지만, 제1 및 제2 프로브(10, 12)가 접촉된 상태에서는 제1 및 제2 프로브(10, 12)가 전기적으로 단락된다. 이와 같은 접촉 상태를 검출하면, 접촉 감지부(40)는 위치 제어부(30)로 하여금 제2 프로브(12)가 추가적으로 하방 이동하는 것을 방지하도록 제어함과 동시에 위치 등록부(50)로 하여금 제2 프로브(12)의 공간 좌표를 데이터베이스(60) 또는 메모리에 기록하도록 하게 된다.

도 2는 본 발명에 의한 3차원 형상 입력기의 동작을 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하여 도 1에 도시된 장치의 동작을 설명한다. 장치를 동작시키기에 앞서, 석고 모형(90)에 물이나 그 밖의 전도성 액체를 뿌리거나 도포하여, 석고 모형(90)의 외주면이 전기적으로 도전성이 되도록 한다. 그리고 제1 프로브(10)를 석고 모형(90)에 전기적으로 연결시킨다(제100단계). 그 다음, 제2 프로브(12)를 석고 모형(90) 상부에 위치시킨다(제102단계). 이와 같이, 설정된 상태에서 장치의 동작을 시작한다.

장치 동작에 있어서는, 먼저 제2 프로브(12)의 초기 (X,Y) 좌표를 기록 장치(60)에 기록한다(제104단계). 그리고, 제2 프로브(12)를 -Z축 방향 즉, 하방으로 조금씩 이동시킨다(제106단계). 한 스텝씩 이동시킬 때마다 접촉 감지부(40)는 제1 및 제2 프로브(10, 12)가 도통되었는지 여부를 판단한다(제108단계). 만약, 제1 및 제2 프로브(10, 12)가 도통되지 않았다면, 제2 프로브(12)를 추가적으로 한 스텝 하방으로 이동시킨 후 이러한 도통 여부 판단을 반복하게 된다.

한편, 제108단계에서 제1 및 제2 프로브(10, 12)가 도통된 것으로 판단된 경우에는, 이때의 제2 프로브(12)의 Z 좌표를 기록 장치(60)에 기록하고, 제2 프로브(12)를 상방으로 이동시켜 석고 모형으로부터 분리되도록 한다(제110단계). 그 다음, 사전에 설정된 스캐닝 종료 조건이 충족되는지를 판단한다(제112단계), 제112단계에서 스캐닝 종료 조건이 충족되면 스캐닝 작업을 종료한다. 그렇지만, 스캐닝 종료 조건이 충족되지 않은 경우에는, 제2 프로브(12)를 X축 또는 Y축 방향으로 일정량만큼 이동시킨 후 제104 내지 제112단계를 반복하여 수행하게 된다. 이와 같은 절차가 반복됨에 따라 석고 모형의 전체적인 형상을 스캐닝할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명을 치과 기공 과정에 응용하는 경우에 있어서의 기공 과정을 보여준다. 먼저, 본 발명에 따라서 치아 석고 모형을 스캐닝하여 모형화한다(제200단계). 도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 의해 스캐닝되어 모형화된 치아 석고 모형의 예들을 보여준다. 본 발명의 실험예에 따르면, 3차원 모델링에 있어서의 오차는 0.01 mm 내지 그 이하 수준인 것으로 밝혀졌다. 그 다음, 모형 데이터를 토대로 치아의 기하학적 특성을 분석하고, 도재 캡(Cap)이나 코너스(Conus), 크라운, 브리지와 같은 다양한 형태의 인공치아 보철물을 설계할 수 있다(제202단계). 그리고 설계된 바에 따라 NC기계와 같은 3차원 가공기계를 사용하여 세라믹과 같은 소재로 보철물을 제작하게 된다(제204단계). 이와 같은 본 발명의 응용 과정에 따르면, 종래의 수공식 기공 과정에서의 핀앤드다이(Pin & Die) 작업이 3차원 스캐닝 작업으로 대체되고, 왁스에 의한 가공 작업이 기계에 의한 자동 과정으로 대체될 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 도전성 외주면을 가지거나 적어도 그 외곽에 도전성 액체가 입혀진 객체의 3차원 형상을 정밀하게 스캐닝할 수 있다. 특히, 프로브와 객체 외주면의 접촉 여부를 판단함에 있어서 충돌에 따른 충격을 검출하는 방식을 생각해볼 수도 있지만, 이러한 방식은 프로브가 경사진 객체 외주면에서 미끄러져서 정확한 검출이 어려운 부분이 생길 수도 있는데 반해 본 발명의 방법은 미끄러짐 여부에 관계없이 검출 정밀도를 향상시킬 수가 있다.

이와 같이 빠른 시간 내에 정확하게 객체의 형태를 스캐닝할 수 있기 때문에, 본 발명은 인공치아와 같이 고도의 정밀성이 요구되는 객체를 스캐닝하는데 적용될 수 있고 인공치아 기공 작업을 기계화 내지 자동화할 수 있다. 높은 정밀도를 유지하면서 기공 작업의 기계화할 수 있게 됨에 따라 기공 작업의 속도와 작업 효율을 높일 수 있게 되는 효과가 있다. 예컨대, 기존의 수공식 기공 작업의 경우숙련된 기공사가 하루에 20-30개의 인공치아를 제작할 수 있었던 것에 한해, 본 발명에 따르면, 한 사람의 운전자가 하나의 시스템을 통해 하루에 약 400개의 인공치아를 제작할 수 있다.

Claims (6)

1. 소정의 객체의 형상을 스캐닝하기 위한 3차원 입력기로서,

   상기 객체의 한 지점에 전기적으로 연결되도록 설치되는 제1 프로브;

   상기 객체 주위에서 이동 가능하게 설치되는 제2 프로브;

   3차원 공간 내에서 상기 제2 프로브와 상기 객체간의 상대적 위치를 가변시키기 위한 위치 제어 수단; 및

   상기 제1 및 상기 제2 프로브의 전기적 연결 상태를 판단하여 상기 제2 프로브와 상기 객체의 접촉 상태를 검출하고, 상기 위치 제어 수단을 제어하는 접촉 감지 수단;

   을 구비하고,

   상기 객체의 형상 스캐닝에 앞서 상기 객체의 외주면이 도전성이 되도록 처리된 상태에서 사용되는 3차원 형상 입력기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 상기 제2 프로브가 전기적으로 서로 연결된 순간에서의 상기 제2 프로브의 공간상 위치를 기록하기 위한 기록 수단;

   을 더 구비하는 3차원 형상 입력기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 위치 제어 수단은

   상기 제2 프로브를 상기 객체의 외주면을 향하는 제1 방향 또는 상기 제1 방향과 반대되는 방향으로 구동하는 제1 위치 제어기; 및

   상기 제2 프로브와 상기 객체간의 상기 제1 방향과 수직인 평면상에서의 상대적 위치를 변화시키기 위한 제2 위치 제어기;

   를 구비하는 3차원 형상 입력기.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 위치 제어기는 상기 객체가 고정된 상태에서 상기 제2 프로브를 상기 제1 방향과 수직인 평면상에서 수평방향으로 구동하는 3차원 형상 입력기.
5. 제3항에 있어서, 상기 제2 위치 제어기는 상기 제2 프로브가 상기 제1 방향과 수직인 방향으로는 고정되어 있는 상태에서 상기 객체를 상기 제1 방향과 수직인 평면상에서 수평방향으로 구동하는 3차원 형상 입력기.
6. 소정의 객체의 형상을 스캐닝하여 스캐닝된 데이터를 기록하기 위한 방법으로서,

   (a) 제1 및 제2 프로브를 구비하는 접촉 감지 수단과, 상기 스캐닝 데이터를 기록하기 위한 기록 수단을 제공하는 단계;

   (b) 상기 객체 외주면에 도전성 액체를 도포하고, 상기 제1 프로브를 상기 객체의 한 지점에 전기적으로 연결시키는 단계;

   (c) 상기 제2 프로브를 상기 객체의 외주면을 향해 제1 방향으로 이동시키면서 상기 제1 및 상기 제2 프로브의 전기적 연결 상태를 판단하는 단계;

   (d) 상기 제1 및 상기 제2 프로브가 전기적으로 연결되었다고 판단될 때, 상기 제2 프로브의 위치를 상기 기록 수단에 기록하고 상기 제2 프로브를 상기 제1 방향과 반대되는 방향으로 구동하는 단계; 및

   (e) 상기 제2 프로브와 상기 객체간의 상기 제1 방향과 수직인 평면상에서의 상대적 위치를 소정 량만큼 변화시키고, 상기 (c)단계 및 상기 (d)단계를 반복하는 단계;

   를 포함하는 3차원 형상 스캐닝 방법.