KR20230042995A - 부품 검사 시스템 - Google Patents

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KR20230042995A
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Abstract

본 발명은 부품을 식별 및 계수하기 위한 부품 검사 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 대의 카메라에서 각각 추출한 부품의 3차원 특징점을 비교 분석하여 부품의 불량 여부를 판단할 수 있는 부품 검사 시스템에 관한 것이다.

Description

부품 검사 시스템 {Part inspection system}
본 발명은 부품을 식별 및 계수하기 위한 부품 검사 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 대의 카메라에서 각각 추출한 부품의 3차원 특징점을 비교 분석하여 부품의 불량 여부를 판단할 수 있는 부품 검사 시스템에 관한 것이다.
소비자들은 빠르게 변화하는 제품 트렌드로 인해 점차 차별화된 제품을 원하고 있다. 또한, 소비자의 모든 구매 내역 실시간으로 데이터베이스화 할 수 있음에 따라 현대에서는 당일에 필요한 제품에 대한 정확한 재고관리가 가능해짐에 따라 대량의 재고를 만들 필요가 없다.
이러한 제품 트렌드 및 재고관리로 인해 다품종을 소량생산하기 위한 니즈가 점점 증가 하고 있으나, 자동화 설비가 되어 있는 공장에서는 수시로 변하는 품종 변화에 빠르게 대응하지 못하고 있다. 또한, 자동화 설비보다 인력에 의존하고 있는 소규모 공장에서는 인건비 증가로 인해 제품의 원가가 상승된다.
이러한 원가 상승에 대한 대응책으로 제품을 조립하는 공정에서 부품의 양을 최소화 하여 자동화 공정으로 하나의 제품을 조립하고자 하나, 각각의 부품이 별도의 이송장치를 통해 공급되어야 함으로 해서 대부분의 조립 공정에서는 부품 공급 이송장치를 만드는 일이 불가능하거나 어렵다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로는 하나의 이송장치에 다종의 부품을 순차적으로 공급하는 방법인데, 부품을 순차적으로 공급한 후에는 이를 검수할 수 있는 장치가 필수적이다.
다중의 부품이 정확한 자세와 간격으로 공급되지 않는 환경에서는 각 부품별로 검수하기 위해서는 특징점 추출을 통해 부품을 구분할 수 있는 영상검사장치가 필수적인데, 이러한 영상검사장치는 영상장치가 획득하는 영상의 정확한 위치에 있지 않는 부품을 검수하는데는 강인하나, 부품이 평면적이지 않고 3차원 구조를 갖고 있을 경우 영상이 획득되는 위치와 영상과 부품의 각도가 바뀜에 따라 2차원 특징점은 동일한 부품에 대해서 서로 다르게 나타나는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해서는 3차원 특징점 분포를 획득하여 비교할 수 있는 방법을 사용해야 하고 그러기 위해서는 두 대 이상의 카메라를 사용하여 부품의 3차원 특징점 분포를 획득하고 이를 통해 부품을 특징지어야 한다.
따라서, 유사한 대상 객체의 형상을 명확하게 구분하여 오차 발생율을 감소시키고, 식별 정확도를 향상시킬 수 있는 검사시스템의 개발이 필요한 실정이다.
1. 한국등록특허 제10-2185322호 '적외선 스테레오 카메라를 이용한 위치 검출 시스템' (등록일자 2020.11.25) 2. 한국공개특허공보 제10-2019-0063967호 '스테레오 카메라와 3D 바코드를 이용한 위치 측정 방법 및 장치' (공개일자 2019.06.10) 3. 한국등록특허 제10-0837776호 '2차원 영상을 3차원 영상으로 변환하는 영상 변환 장치 및 그 방법' (등록일자 2008.06.05)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스테레오 카메라를 이용하여 촬영한 영상으로 제품의 3차원 특징점을 식별하여 제품의 불량 여부를 보다 명확하게 판단하고, 다종의 부품을 종류별로 계수할 수 있는 검사시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 부품 검사 시스템은 이동하는 대상물을 각각 다른 각도에서 촬영하여 복수의 영상을 획득하도록 적어도 2개 이상의 영상촬영장치를 포함하는 영상촬영부; 상기 영상촬영장치에서 촬영된 각각의 영상에서 적어도 하나 이상의 특징점을 생성하여 대상물의 2차원 특징점 좌표를 획득하는 특징점생성부; 상기 각각의 영상촬영장치를 통해 생성된 2차원 특징점 좌표 정보를 전달받아 각각의 특징점의 교차점을 통해 3차원 특징점 좌표를 획득하는 부품추출부; 데이터베이스에 저장된 대상물의 3차원 특징점의 기준 좌표와 상기 부품추출부에서 획득한 3차원 특징점 좌표를 비교하여 일치여부를 판단하는 부품공급판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 특징점생성부 또는 상기 부품추출부에서 획득한 특징점 좌표의 점군(Point cloud)을 분석하여 상기 데이터베이스에 저장된 대상물의 특징점 좌표와 유사도 비교 후 대상물을 부품별로 식별하는 부품식별부;가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 부품식별부는 식별된 대상물의 순서가 기 설정된 순서대로 식별되는지 여부를 판단하는 부품계수부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명은 최초로 이동된 대상물의 2차원 특징점 좌표를 전달받아 기준이 되는 대상물의 좌표를 설정하고, 이후 이동하는 대상물의 2차원 특징점 좌표와 비교하여 대상물의 위치 변동 여부를 식별하는 위치식별부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 적어도 2대 이상의 카메라가 다양한 각도에서 부품을 촬영하여 특징점을 추출하기 때문에 부품의 위치나 자세 정보 등을 매우 정확하게 획득할 수 있어 부품의 분류, 계수 및 불량을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명의 부품 검사 시스템의 개략도.
도 2 는 본 발명의 부품 검사 시스템의 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 제품 영상에서 특징점을 추출한 일실시예를 나타낸 도면 및 사진.
도 4 는 본 발명의 특징점 무리를 나타내는 도면.
도 5 는 본 발명의 무리로부터 부품 식별을 나타내는 도면.
도 6 은 본 발명의 위치식별을 위해 기준 특징점추출과 특징점을 비교하는 일실시예를 나타낸 도면.
도 7 은 본 발명의 대상물을 검사하기 위한 내용을 설명한 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 부품 검사 시스템의 일실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1 을 참조하면 대상물은 컨베이어벨트에 안착된 상태에서 컨베이어벨트의 구동에 따라 이동한다. 그리고, 이동하는 대상물을 각각 다른 각도, 바람직하게는 상호 마주보며 대칭을 이루는 각도에서 촬영할 수 있는 영상촬영장치가 더 구비된다. 영상촬영장치는 적어도 2개 이상 구비되는 것이 바람직하다. 따라서, 영상촬영장치를 통해 다른 각도에서 촬영된 대상물의 영상 이미지를 획득할 수 있다.
영상촬영장치는 카메라일 수 있으며, PC는 Nvidia TX 모듈과 같은 GPU 연상 장치를 사용하여 연산속도 상승은 물론 인터페이스 모듈도 단일 구성할 수 있다. 인터페이스 모듈은 USB 3.0, WIFI통신, HDMI 영상출력 등의 기능을 포함한다. 영상촬영장치는 컨베이어벨트에 안내되어 이송중인 대상물의 영상을 촬영한다. 상기에서 언급한 부품 검사 시스템은 개략적인 것으로, 카메라의 위치, 대상물을 이송시키기 위한 운송수단 등은 모두 설계변경 가능한 사항이다.
도 2 를 참조하면 부품 검사 시스템은 영상촬영부(100), 특징점생성부(200), 부품추출부(300), 부품공급판단부(400), 부품분류부(500), 위치식별부(600) 및 데이터베이스(700)를 포함할 수 있다.
[영상촬영]
영상촬영부(100)는 영상 촬영이 제1 촬영장치(110)와 제2 촬영장치(120)를 포함한다. 제1 촬영장치(110)와 제2 촬영장치(120)는 도 1 을 기준으로 서로 대칭을 이루며 일정각도로 경사를 유지하여 대상물을 연속적으로 촬영할 수 있다.
[특징점 추출]
특징점생성부(200)는 영상촬영부(100)에서 촬영된 영상으로부터 부품을 식별하기 위한 장치로, 특징점추출부(210), 무리식별부(220), 무리추출부(230)를 포함할 수 있다. 특징점생성부(210)는 영상촬영부(100)에서 촬영된 영상으로부터 적어도 하나의 특징점을 생성한다. 특징점은 영상 내 특정 물체의 선, 원, 모서리 등의 특징되는 영역을 의미하며, led corner edge detection, Image descriptor, SURF(Speeded Up Robust Feature), ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF) 알고리즘 등이 사용될 수 있다.
본 발명은 FAST key point detector와 BRIEF descriptor에 기반하여 만들어졌으며, 적은 계산으로 좋은 성능을 낼 수 있는 ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF) 알고리즘을 사용하는 것이 바람직하다. 알고리즘의 인식 속도의 향상 및 실시간성을 위해 멀티 GPU 연산을 위한 코드 변경 최적화를 수행할 수 있다.
또한, 특징점추출부(210)는 노이즈필터를 더 구비할 수 있으며, 추출된 특징점 중에서 노이즈에 해당되는 특징점을 제거한다. 일 예로, 노이즈필터는 일정영역 내에 위치한 특징점이 기 설정된 개수조건을 만족하는지 여부에 따라 노이즈 여부를 판단할 수 있다.
도 3 을 참조하면 특징점추출부(210)가 촬영된 영상에서 특징점을 추출한 것을 나타낸 도면으로 특징점이 생성된 것을 확인할 수 있다. 도 3에 도시된 특징점은 본 발명의 기술 설명을 용이하게 하기 위해 임의로 도식화한 것으로, 실제 영상에서 생성되는 특징점은 이와 상이할 수 있다.
특징점추출부(210)에서 추출된 특징점은 제1 및 제2 촬영장치(100,120) 각각에서 촬영한 영상에서 적어도 하나 이상 바람직하게는 다수개의 2차원의 특징점 좌표를 추출한다.
무리식별부(220)는 기 설정된 조건을 통해 인접하는 특징점들을 하나의 특징점 무리로 식별한다. 기 설정된 조건으로는 이미지 픽셀(pixel) 단위로 임의로 설정된 거리 내에 위치한 특징점 등을 하나의 특징점 무리로 식별하는 방법 등이 사용될 수 있다.
도 4 를 참조하면 제1 및 제2 촬영장치(110,120)에서 대상물(P1)에서 추출한 특징점을 하나의 무리(C1)로, 다른 대상물(P2)에서 다른 하나의 무리(C2)로 지정한 것을 확인할 수 있다.
이후 무리추출부(230)는 식별된 특징점 무리의 분포정보를 추출한다. 즉, 무리(C1,C2)로 지정된 대상물이 어느 정도의 크기인지 특징점이 어디에 위치하는지 분석하여 벡터 정보를 포함한다.
[3차원 좌표 획득]
부품추출부(300)는 제1 촬영장치(110)에서 추출한 2차원 특징점 좌표 정보와 제2 촬영장치(120)에서 추출한 2차원 특징점 좌표 정보를 각각 전달받아 특징점의 교차점을 통해 에피폴라 기하 원리(epipolar line)로 3차원 특징점 좌표를 생성하는 좌표생성부(320)를 포함한다. 그리고, 2차원 특징점에서 기 설정된 간격 이상으로 이격된 특징점을 제거하는 노이즈제거부(310)를 더 포함한다.
즉, 상기 동일한 특징점들의 정보와 에피폴라 기하 원리로부터 특징점들의 위치 및 각각의 특징점들 간의 기하학적 관계를 이용하여, 각 3차원 특징점 좌표의 연결 시에 보간법을 적용한 곡선화를 통하여 상기 대상 물체의 공간화 모델을 구현할 수 있다. 그리고, 3차원 좌표를 분석하여 대상물의 높이와 부피에 대한 특성값도 획득할 수 있어 제품 구분의 정확도를 향상시킬 수 있다.
[일치여부 판정]
부품공급판단부(400)는 데이터베이스(700)에 저장된 대상물의 3차원 특징점의 기준 좌표와 부품추출부(300)에서 획득한 3차원 특징점 좌표를 비교하여 일치여부를 판단한다. 이때, 3차원 정보는 제품의 높이, 부피 정보까지 획득할 수 있다. 획득한 정보를 통하여 데이터베이스(700)에 저장된 부품정보리스트와 특징점 무리의 분포정보의 유사도를 비교한다.
부품정보리스트는 관리자에 의해 등록된 3차원 대표 좌표이며, 부품의 규격, 종류 부피 등 부품을 정의한 데이터뿐 아니라, 각각의 부품에 대한 분호정보가 저장된 데이터이다. 이후 특징점들의 벡터군을 비교하여 대상물과 일치여부를 판독한다. 따라서, 검사 시스템의 정확도를 높일 수 있다.
[부품 식별]
부품분류부(500)는 특징점생성부(200) 또는 부품추출부(300)에서 획득한 특징점 좌표의 점군(Point cloud)을 분석하여 상기 데이터베이스에 저장된 대상물의 특징점 좌표와 유사도를 비교한다.
특징점 좌표의 점군의 분석은 기 설정된 특징점 상호간의 간격 범위 내에 위치한 특징점을 다수의 그룹으로 지정한다. 이후 지정된 그룹의 모양과 데이터베이스(700)에 저장된 부품리스트의 점군의 모양의 일치 여부를 비교하고, 비교하여 분석한 데이터는 데이터베이스(700)에 저장한다. 이를 통해 대상물의 제품의 종류를 식별할 수 있다.
상기 특징점의 다수 그룹은 기준이 되는 어느 하나의 그룹(A1)이 설정되며, 설정된 그룹(A1)과 인접한 다른 그룹(A2)이 순차적으로 지정된다. 이후 상기 무리(C1)로 지정된 영역 내의 모든 특징점의 그룹의 지정이 완료되어 특정한 모양을 갖는 데이터를 획득할 수 있다.
[부품 계수]
부품분류부(500)는 부품공급판단부(400)를 통과하는 대상물을 계수하는 부품계수부(510)를 더 포함한다. 보다 상세히 설명하면, 부품계수부(510)는 대상물을 계수하는 것과 더불어 부품식별부()에서 식별된 대상물의 순서가 기 설정된 순서대로 식별되는지 여부를 판단한다.
즉, 대상물을 계수하면서 대상물이 순서대로 컨베이어로 이동하는지의 여부를 파악한다. 예를 들면 대상물이 PSU, PCB, SPEAKER 인 경우 차례대로 컨베이어벨트를 통해 이동하여 영상촬영부(100)에 촬영되어야 하는데, 컨베이어벨트 상에 나열되는 순서가 맞지 않으면 오류 판정을 내리는 것이다. 대상물의 기 설정된 순서는 데이터베이스(700)에 저장된 정보를 전달받아 비교하여 판단한다. 기 설정되는 순서의 배치는 작업별, 공정에 따라 용이하게 조절이 가능하며, 순서의 오류 발생시, 컨베이어벨트를 정지하거나, 작업자에게 알림신호를 줄 수 있는 별도의 신호수단을 구비하는 것이 바람직하다.
[대상물의 위치 식별]
대상물의 위치 변동 여부를 식별하는 위치식별부(600)를 더 포함한다. 위치식별부(600)는 최초로 이동된 대상물의 2차원 특징점 좌표를 전달받아 기준이 되는 대상물의 좌표를 설정하고, 이동하는 대상물의 2차원 특징점 좌표와 비교하여 대상물의 위치 변동 여부를 식별한다.
보다 상세히 설명하면, 위치식별부(600)는 영상촬영부(100)에서 최초로 촬영된 영상을 기반으로 특징점생성부(200)에서 생성되는 2차원 특징점으로부터 기준이되는 대상물의 특징점(B)을 임의로 설정한다. 설정하는 기준이 되는 대상물의 특징점은 특징점이 밀집된 구역에서 추출하며, 적어도 2개 이상의 기준이 되는 대상물의 특징점(B1, B2...Bn)을 설정할 수 있다. 설정된 특징점(B)의 데이터는 데이터베이스(700)에 저장된다. 한편, 기준이되는 특징점(B)의 수가 증가할수록 대상물의 위치 식별의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이후 이동하는 다른 대상물을 촬영한 영상에서 추출된 2차원 특징점 좌표와 데이터베이스(700)에 저장된 기준이 되는 대상물의 특징점(B)의 좌표 정보를 비교하여 대상물의 위치가 변동되었는지의 여부를 식별한다. 설정된 특징점(B)와 동일한 위치에 특징점이 위치하면 대상물의 위치가 동일한 것으로 간주한다. (도 6 참조)
위치 변동이 있거나, 식별하기 어려운 대상물이 감지되면 컨베이어벨트를 정지시키거나 작업자가 육안으로 상황을 확인할 수 있는 별도의 알림장치를 구비하고, 대상물에 위치변동이 없으면 식별된 대상물의 정보에 고유의 일련번호를 부여하여 일련번호가 부여된 대상물만 부품공급판단부(400)에서 일치 여부를 판독한다.
따라서, 좌우가 대칭이거나, 형태가 유사한 제품을 하나의 부품으로 식별하는 오류를 방지하여 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 7 을 통해 본 발명의 대상물의 부품 검사 시스템의 순서를 설명한다.
영상촬영부(100)를 통해 특정 제품에 대한 영상이 촬영된다(S1000).
특징점추출부(210)가 영상촬영부(100)에서 촬영된 영상으로부터 특정 물체의 윤곽선, 모서리 등의 특징점을 생성한다(S1010).
무리식별부(220)가 이미지 픽셀(pixel) 단위로 임의로 설정된 거래 내에 위치한 특징점 등을 하나의 특징점 무리로 식별한다(S1020).
무리추출부(230)가 무리식별부(220)에 의해 식별된 특징점 무리의 분포정보를 추출한다(S1030).
부품추출부(300)가 특징점생성부(200)에서 생성한 2차원 특징점 좌표를 통해 3차원 특징점 좌표를 생성한다.(S1040)
위치식별부(500)가 대상물의 위치변동 여부를 식별하고, 고유의 일련번호를 부여한다. 대상물의 위치가 변동되면 작업자에게 이를 인지시키기 위해 알림수단을 가동시킨다. (S1050)
부품공급판단부(400)는 일련번호를 부여받은 대상물의 3차원 정보와 데이터베이스(700)에 저장된 부품정보리스트의 특징점 간에 유사여부를 비교하여 유사도가 90%이상일 경우 데이터베이스(700)에 저장된 정보와 일치하다고 판단한다. (S1060)
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 부품 검사 시스템은 2대 이상의 카메라가 다양한 각도에서 부품을 촬영하여 특징점을 추출하기 때문에 부품의 위치나 자세 정보 등을 매우 정확하게 획득할 수 있어 부품의 분류, 계수 및 불량을 판별하는 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
100 : 영상촬영부 200 : 특징점생성부
300 : 부품추출부 400 : 부품공급판단부
500 : 부품식별부 600 : 위치식별부
700 : 데이터베이스

Claims (4)

  1. 이동하는 대상물을 각각 다른 각도에서 촬영하여 복수의 영상을 획득하도록 적어도 2개 이상의 영상촬영장치를 포함하는 영상촬영부;
    상기 영상촬영장치에서 촬영된 각각의 영상에서 적어도 하나 이상의 특징점을 생성하여 대상물의 2차원 특징점 좌표를 획득하는 특징점생성부;
    상기 각각의 영상촬영장치를 통해 생성된 2차원 특징점 좌표 정보를 전달받아 각각의 특징점의 교차점을 통해 3차원 특징점 좌표를 획득하는 부품추출부;
    데이터베이스에 저장된 대상물의 3차원 특징점의 기준 좌표와 상기 부품추출부에서 획득한 3차원 특징점 좌표를 비교하여 일치여부를 판단하는 부품공급판단부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 검사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 특징점생성부 또는 상기 부품추출부에서 획득한 특징점 좌표의 점군(Point cloud)을 분석하여 상기 데이터베이스에 저장된 대상물의 특징점 좌표와 유사도 비교 후 대상물을 부품별로 식별하는 부품식별부;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 부품 검사 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부품식별부는 식별된 대상물의 순서가 기 설정된 순서대로 식별되는지 여부를 판단하는 부품계수부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 검사 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    최초로 이동된 대상물의 2차원 특징점 좌표를 전달받아 기준이되는 대상물의 좌표를 설정하고, 이후 이동하는 대상물의 2차원 특징점 좌표와 비교하여 대상물의 위치 변동 여부를 식별하는 위치식별부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 검사 시스템.
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