KR20230119217A - 물체의 3차원 포즈를 결정하기 위한 방법 - Google Patents

물체의 3차원 포즈를 결정하기 위한 방법 Download PDF

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도미닉 쿨트
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센소파트 인두스트리젠조릭 게엠베하
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Abstract

본 발명은 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1)를 제공하며, 타깃 마커(1)는 미리 결정된 수의 인코딩 모듈들(2)을 갖는다. 본 발명에 따르면, 타깃 마커(1)의 인코딩 모듈들(2)은 특정 정보를 포함하는 문자 스트링을 인코딩하는 정의된 모듈 패턴(10)으로 존재하고, 특정 정보는, 타깃 마커(1)의 적어도 일정 크기를 포함하는 그룹으로부터 선택된, 물체(4)의 물체 파라미터들, 및/또는 파지기의 적어도 파지 포즈, 파지기 기하학적 형상, 및 파지기 힘들을 포함하는 그룹으로부터의, 미리 결정된 물체(4)를 파지하기 위한 파지 파라미터들을 정의한다.

Description

물체의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커
본 발명은 물체의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커에 관한 것이다.
타깃 마커들을 컴포넌트들에 부착하는 것은 종래 기술로부터, 예를 들어, 간단한 기하학적 형상들로 제조된 타깃 마커를 사용하여 타깃 포인트의 위치를 측정할 수 있는 로봇 시스템을 설명하는 DE 10 2016 011 653 A1호로부터 알려져 있다. 시스템은, 타깃 마커가 로봇 좌표계 내의 알려진 제1 타깃 마커 위치에 위치될 때, 캡처된 이미지에 기준 데이터로서 포함된 타깃 마커의 이미지의 특징부 크기들을 저장하고, 제1 타깃 마커 위치를 도구 중심 위치로서 아암 단부(arm end)에 대해 저장한다. 시스템은, 타깃 마커가 제2 타깃 마커 위치에 배치될 때, 캡처된 이미지로부터 획득된 특징부 크기들을 기준 데이터의 특징부 크기들과 비교하여, 아암 단부가 이동되게 하고, 이동 이후의 아암 단부의 위치에 대응하는 제2 로봇 위치 및 도구 중심 포인트의 위치에 기초하여 로봇 좌표계 내의 제2 타깃 마커 위치를 계산한다.
EP 2 523 017 A1호는 극 좌표(polar coordinate)들에서 측정되는 스캐닝 기능을 갖는 디바이스를 위한 교정 방법을 개시하며, 여기서 간단한 기하학적 마커들의 형태의 각도 타깃 마커들은 광학 센서 유닛을 이용하여 각도 타깃 마커들을 검출함으로써 공간 내의 컴포넌트의 위치를 결정하는 데 사용된다.
더욱이, WO 2020/102 761 A1호는 인체의 시각화 방법을 개시하며, 여기서 환자의 신체는 그들의 신체에 2차원 코드들을 적용함으로써 측정될 수 있다. 그것은 환자에 관련된 의료 도구를 위치시키는 것에 관한 것이다. 2D 바코드들, QR 코드들 또는 AprilTag들이 2차원 코드들로서 알려져 있다.
지금까지, 그러한 타깃 마커들은 순수하게, 광학 센서 유닛들과 같은 검출 디바이스들을 갖는 로봇들에 대한 식별 마크들이었으며, 이들은 검출 및 작업될 물체(컴포넌트) 상의 이러한 포인트들을 인식하고, 이로부터, 개개의 물체의 3차원 포즈, 즉 위치 및 경사(병진이동 및 회전의 자유도들)를 도출하고, 이를 로봇에 이용가능하게 한다. 3차원 포즈는, 센서 유닛의 이전에 수행된 교정을 고려하여, 타깃 마커의 이전의 알려진 기하학적 구조를 타깃 마커의 기록된 이미지와 비교함으로써 결정된다. 파지 프로세스(gripping process)를 수행하기 위해, 타깃 마커에 대한 파지 포즈들이 교시되어야 한다. 이러한 파지 포즈들은 물체-특정적이며, 이는 셋업 노력이 동일하지 않은 컴포넌트들의 수가 증가함에 따라 증가한다는 것을 의미한다.
이러한 종래 기술로부터 진행하면, 로봇과 관련하여 물체의 3차원 포즈의 개선된 결정을 가능하게 하는 개선된 타깃 마커를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이러한 목적은 제1항의 특징부들을 갖는 타깃 마커에 의해 달성된다.
타깃 마커의 추가적인 개발들은 종속 청구항들에 제시된다.
물체의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커의 제1 실시예는 미리 결정된 수의 인코딩 모듈들을 갖는다. 본 발명에 따르면, 타깃 마커의 인코딩 모듈들은, 물체의 물체 파라미터들을 정의하고 타깃 마커의 적어도 일정 크기를 포함하는 그룹으로부터 선택된 특정 정보를 포함하는 미리 결정된 길이의 문자 스트링을 인코딩하는 정의된 모듈 패턴으로 존재한다. 조합하여 또는 대안적으로, 특정 정보는 미리 결정된 물체를 파지하기 위한 파지 파라미터들을 정의하고; 이들은 파지기(gripper)의 적어도 하나의 파지 포즈, 파지기 기하학적 형상, 및 파지기 힘들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
따라서, 본 발명에 따른 타깃 마커 상에 인코딩된 특정 정보는 물체 파라미터들 또는 파지 파라미터들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 대안적으로, 특정 정보는 물체 파라미터들과 파지 파라미터들의 조합을 포함한다.
본 명세서에서 "3차원 포즈"는 병진이동의 3개의 자유도들의 값들 및 또한 회전의 3개의 자유도들의 값들을 지칭하며, 이들은 로봇 또는 로봇 아암에 대한 물체의 위치 및 틸트 또는 각도 배향이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "문자 스트링"은 순수하게 숫자들 또는 문자들, 또는 둘 모두의 조합으로 이루어질 수 있는 영숫자 문자들의 시퀀스를 지칭한다. 문자 스트링은 연속적으로 넘버링될 수 있고, 문자 스트링의 각각의 위치는 특정 정보를 할당받을 수 있다.
본 명세서에서 "타깃 마커의 크기"는 모듈 패턴의 그리드 치수들을 의미한다.
타깃 마커로 코딩될 수 있는 특정 정보는 물체-특정 방식으로 원하는 대로 확장될 수 있다. 종래 기술에 의해 요구되는 바와 같이, 미리 파지 포즈들을 교시하는 것은 필요하지 않는데, 이는 타깃 마커 자체가 물체를 인식 및/또는 파지하는 데 요구되는 모든 정보를 가져오기 때문이다. 따라서, 물체는 미리 알려져 있을 필요는 없지만, 타깃 마커에 인코딩된 정보를 사용하여 인식 및 파지될 수 있다. 모듈 패턴은 미리 결정된 길이의 인코딩된 문자 스트링을 표시하며, 특정 정보는 미리 결정된 위치들에서 인코딩될 수 있다. 유리하게, 본 발명에 따른 타깃 마커는 3차원 물체 포즈, 즉 물체의 위치, 각도 배향, 및 기하학적 구조가 미리 타깃 마커의 크기를 알지 않으면서 공간에서 절대적으로 인식될 수 있게 한다. 모듈 패턴의 크기 정보는 타깃 마커로부터 직접 추론될 수 있다. 타깃 마커의 물리적 크기, 즉 모듈들의 그리드 치수들은 인코딩되며, 이는 외부 크기 질의 또는 사이즈 정보의 사전 교시의 필요 없이 상이한 크기들의 타깃 마커들을 이용하여 물체 또는 그의 포즈를 위치결정(localize)하는 것을 가능하게 한다. 이는 2D 코드들의 형태의 타깃 마커들이 큰 수에 부착될 때 특히 도움이 되며, 물체들 상의 상이한 코드 크기들에서, 물체들의 수 또는 모듈 크기들은 미리 고정되지 않는데, 이는 물체 인식을 훨씬 더 간단하게 만든다.
더욱이, 물체의 다양한 파지 파라미터들은 물체들의 개선된 파지를 위해 타깃 마커에 인코딩된다. 파지기의 파지 포즈는 또한, 물체를 파지하기 위해 파지기가 얼마나 멀리 개방되어야 하는지의 배향 및 치수들을 포함한다. 더욱이, 물체 상의 타깃 마커의 위치에 기초하여, 물체의 파지 포인트에 대한 오프셋이 상대적인 파지 포즈로서 인코딩될 수 있거나, 또는 폐쇄력들이 또한 저장될 수 있다. 파지는 임의의 파지기, 바람직하게는 로봇들 또는 로봇 아암들의 흡입 파지기들 또는 조(jaw) 파지기들과 같은 특수 파지기들을 이용하여 발생할 수 있다. 파지기에 관한 추가적인 정보는, 또한 인코딩될 수 있는 파지기 기하학적 형상, 예를 들어 사용될 파지기의 유형으로 저장될 수 있다. 따라서, 파지될 물체는 파지 프로세스에 대해 요구되는 파라미터들을 이미 가져서, 이러한 파라미터들은 사전에 교시될 필요가 없다. 따라서, 파지 프로세스는 타깃 마커에 의해 지원된다.
본 발명에 따른 타깃 마커들은 ECC200, QR 코드로서 또는 또한 AprilTag로서 설계될 수 있다. 이러한 형태들은 상이한 물체 정보를 코딩하기 위한 최적의 기반을 제공한다. 양호한 가시성을 달성하기 위해, 타깃 마커들은 직접 마킹들로서 또는 캐리어 상에 부착될 수 있다. 직접 마킹은 직렬 제조 컴포넌트들에 특히 유리하며, 여기서 타깃 마커들은 컴포넌트 상으로 또는 그 내로 직접 인쇄, 밀링(mill), 또는 레이저될 수 있다. 예를 들어, 타깃 마커를 운반하는 스티커 또는 스크류-온(screw-on) 플레이트와 같은 캐리어 상의 코드의 버전은 특히 제품 캐리어들에 적합하다.
본 발명에 따른 타깃 마커의 추가적인 실시예에서, 모듈 패턴들은 식별 번호를 이용하여 연속하는 넘버링으로 인코딩되며, 그 결과, 그들은 고유한 식별 ID를 제공받는다. 이러한 방식으로, 추가적인 정보는 이것이 코드로 저장되지 않더라도 각각의 타깃 마커에 명확하게 할당될 수 있다. 예를 들어, 파지 파라미터들은 타깃 마커에 직접 인코딩될 수 없지만, 외부 저장 테이블 또는 데이터베이스에서(예를 들어, 클라우드에서) 이용가능하고, 식별 번호를 통해 링크될 수 있다. 이는 파지 프로세스에서 소정의 정도의 유연성을 요구하는 물체들에 특히 유리하다. 이어서, 그것은 ID를 결정하고, 이어서 데이터베이스로부터 모듈 크기 또는 다른 파지 파라미터들을 판독하기에 충분하다. 순수 수치 코딩이 또한 타깃 마커에 대해 사용될 수 있으며, 식별 ID에 대한 X 문자들, "모듈 크기" 정보에 대한 Y 문자들, "상대적 파지 포즈" 정보에 대한 Z 문자들 등이 사용된다. 더 많은 정보, 즉 더 많은 문자들이 타깃 마커에 저장되어야 하면, 모듈 패턴들 또는 인코딩 모듈들의 수가 증가되어야 하며; 그에 의해, (인코딩 모듈들에 대한) 12 x 12 타깃 마커는 10자리의 소수점(decimal place)들을 인코딩할 수 있다. 더 높은 정보 밀도는 대응하여 더 높은 수의 인코딩 모듈들을 요구한다.
본 발명에 따른 타깃 마커의 또 다른 실시예에서, 타깃 마커의 형상은 정사각형 또는 원형이다. 더욱이, 모듈 패턴 또는 인코딩 모듈들의 형상은 정사각형 또는 원형일 수 있다. 특히, 원형 인코딩 모듈들 또는 또한 모듈 패턴들을 이용하여, 코드 모듈들의 중심의 정밀한 결정이 용이해지고, 위치 결정을 위해 요구되는 컴퓨팅 시간이 감소된다.
본 발명에 따른 타깃 마커의 바람직한 실시예에서, 타깃 마커는 인코딩 모듈들이 배열되는 배경을 가질 수 있다. 이러한 배경은 바람직하게는 광학적으로 중립적인 배경이다. 본 명세서에서, "중립적인"은, 인코딩 모듈들이 높은 콘트라스트로 눈에 띌 수 있고, 따라서 광학 센서 유닛에 의해 쉽게 검출될 수 있도록 배경이 이루어진다는 것을 의미한다. 예를 들어, 배경은 흑색 인코딩 모듈들이 존재하는 백색 표면일 수 있다. 따라서, 타깃 마커는 미리 결정된 길이의 문자 스트링에 대응하는 밝은/어두운 패턴을 특정한다. 물체 재료 내로 도입된 타깃 마커들의 경우, 이는 또한, 예를 들어 밀링 아웃(mill out)된 배경의 전방에 있는 상승된 인코딩 모듈들에 의해 표현될 수 있다.
본 발명에 따른 타깃 마커의 또 다른 실시예에서, 인코딩 모듈들은 재귀반사성(retroreflective)이다. 이는 또한 배경 또는 전체 타깃 마커에 적용될 수 있다. 고양이 눈 원리에 대응하는 재귀반사성 구성은, 조명이 광학 센서 유닛에 구축될 때 더 큰 작동 거리들이 달성될 수 있다는 장점을 제공하는데, 이는 조명에 의해 방출된 광이 입사각에 관계없이 광학 센서 유닛으로 다시 반사되기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 타깃 마커를 사용하는 물체의 3차원 포즈의 결정 - 타깃 마커는 미리 결정된 물체 상에 배열됨 - 은 데이터 프로세싱 유닛에 동작가능하게 커플링된, 물체를 검출하기 위한 광학 센서 유닛을 사용하여 수행된다. 광학 센서 유닛은 교정된 2D 카메라일 수 있으며, 2D 카메라의 각각의 픽셀은 공간에서 이미지 광선을 할당받아서, 공간에서 이미지 포인트와 물리적 물체들 사이에 할당이 이루어질 수 있게 하고, 물체로 이동될 로봇의 좌표계들 및 카메라가 서로 정렬되게 한다. 다음의 단계들이 수행된다:
- 광학 센서 유닛을 제공하는 단계 - 광학 센서 유닛은 물체의 전방에 위치되어, 물체는 광학 센서 유닛의 검출 범위 내에 있음 -,
- 물체 상의 타깃 마커를 검출하기 위해 광학 센서 유닛을 사용하는 단계,
- 데이터 프로세싱 유닛에 의해 타깃 마커의 모듈 패턴들의 중심들을 결정하고, 타깃 마커를 판독하여, 그에 의해 특정 정보를 판독하는 단계,
- 데이터 프로세싱 유닛 내의 특정 정보에 기초하여, 물체 상의 타깃 마커의 가상의 3차원 포즈를 결정하는 단계,
- 모듈 패턴의 중심이 모듈 패턴의 결정된 중심과 일치할 때까지 타깃 마커의 가상의 3차원 포즈를 계속 변경하여, 그에 따라 타깃 마커의 3차원 포즈를 결정하는 단계.
타깃 마커의 다른 실시예들 뿐만 아니라 이들 및 다른 실시예들과 연관된 장점들 중 일부는 첨부 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 명백해지고 더 양호하게 이해될 것이다. 도면들은 단지 본 발명의 실시예의 개략적인 표현이다.
도 1은 본 발명에 따른 타깃 마커이다.
도 2는 공간 내의 물체 상의 본 발명에 따른 타깃 마커의 개략적인 배열이다.
도 1은 광학적으로 중립적인 배경(3) 상에 복수의 인코딩 모듈들(2)을 포함하는 타깃 마커(1)를 도시한다. 인코딩 모듈들(2)은 그들이 코딩된 형태로 소정의 특정 정보를 전달하는 그러한 방식으로 배열된다. 타깃 마커(1) 상에 인코딩될 수 있는 특정 정보는, 예를 들어 타깃 마커(1)의 크기와 같은 물체 파라미터들, 또는 예를 들어, 파지기의 파지 포즈, 파지기 기하학적 형상, 및 파지기 힘들을 포함하는 파지 파라미터들 중 어느 하나를 포함한다. 대안적으로, 특정 정보는 물체 파라미터들과 파지 파라미터들의 조합을 포함한다.
이는 도 1에서 다음과 같으며, 여기서 도시된 타깃 마커(1)에는 타깃 마커(1)의 크기 정보만이 인코딩되어 있고, 물체(4)의 파지 파라미터들은 인코딩되어 있지 않다.
예를 들어, 타깃 마커(1)의 인코딩 모듈들(2)은 모듈 패턴(10)(예시적으로 도 1에서 파선들로 윤곽이 그려져 있음)으로 조합되며, 이들 각각은 10개의 십진수들 "1 내지 10"을 인코딩하고, 이러한 10개의 숫자들 "1 내지 10"은 다음의 의미들을 할당받을 수 있다:
예를 들어, 숫자들 "1" 및 "2"는 타깃 하위유형, 예를 들어 위치될 타깃의 유형을 표시할 수 있거나, 또는 그들은 타깃 마커(1)에 인코딩된 정보의 내부 프로세싱을 용이하게 하는 부가적인 정보를 제공한다.
숫자들 "3" 및 "4"는 모듈 간격(그리드 치수들)에 관한 정보를 제공하는 데 사용된다. 모듈 간격은, 예를 들어 2개의 십진수들에 의해 특정되며, 이들은, 예를 들어 관계식 (X + 1) * 0.5에 의해 이러한 방식으로 밀리미터에 맵핑되고, X는 밀리미터를 표현한다. 따라서, 0.5 mm 내지 50 mm의 범위는 X=0...99에 의해 코딩될 수 있다.
이러한 예에서, 숫자들 "5" 내지 "10"은 타깃 식별자(ID)를 인코딩하는 데 사용된다. 이러한 다섯 자리의 소수점들로, 수백만 개의 타깃 마커들에 대한 고유한 ID들이 생성될 수 있다. 하위유형이 생략되면, 1억개의 고유한 타깃 마커들이 8자리 소수점들로 생성될 수 있다. 더 많은 인코딩 모듈들을 갖는 타깃 마커들은 훨씬 더 많은 수량들의 고유한 타깃 마커들을 생성할 가능성을 제공한다.
도 2에서, 물체(4)가 공간(5)에 배열된다. 타깃 마커(1)는 물체(4)에 부착되고, 이에 의해, 그것은 광학 센서 시스템(6)에 의해 인식되고, 그에 연결된 데이터 프로세싱 유닛(7)에 의해 평가될 수 있다. 부착된 타깃 마커(1)만으로도 공간(5)에서 타깃 마커(1)의 3차원 포즈 및 파지 파라미터들(4)을 인식하기에 충분하다. 공간 치수들 또는 다른 공간-특정 파라미터들이 요구되지 않는다. 파지기에 대한 파지 위치는 파지 포인트(8)에 의해 주어질 수 있으며, 이는 도 2에서 플래그의 형태로 도시된다. 파지 포인트(8)는 물체(4)를 파지하기 위한 양호한 파지 포인트를 표현하고, 대응하는 상대적 포즈로 타깃 마커(1)에 인코딩된다.
도면 부호 목록

Claims (5)

  1. 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1)로서,
    상기 타깃 마커(1)는 미리 결정된 수의 인코딩 모듈들(2)을 포함하며,
    상기 타깃 마커(1)의 상기 인코딩 모듈들(2)은 특정 정보를 포함하는 문자 스트링을 인코딩하는 정의된 모듈 패턴(10)으로 존재하고, 상기 특정 정보는,
    - 상기 타깃 마커(1)의 적어도 일정 크기를 포함하는 그룹으로부터 선택된, 상기 물체(4)의 물체 파라미터들,
    및/또는
    - 파지기(gripper)의 적어도 하나의 파지 포즈, 파지기 기하학적 형상, 및 파지기 힘들을 포함하는 그룹으로부터의, 미리 결정된 물체(4)를 파지하기 위한 파지 파라미터들
    을 정의하는 것을 특징으로 하는, 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 패턴들(10)은 연속하는 넘버링으로 인코딩되며, 상기 넘버링은 고유한 식별(ID)의 형태인 것을 특징으로 하는, 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 타깃 마커(1)의 형상은 정사각형 또는 원형이고, 그리고/또는
    - 상기 모듈 패턴(10) 및/또는 상기 인코딩 모듈들(2)의 형상은 정사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는, 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타깃 마커(1)는 상기 인코딩 모듈들(2)이 배열되는 배경(3)을 갖는 것을 특징으로 하는, 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인코딩 모듈들(2) 및/또는 상기 타깃 마커(1)의 상기 배경(3)은 재귀반사성(retroreflective)인 것을 특징으로 하는, 물체(4)의 3차원 포즈를 결정하기 위한 타깃 마커(1).
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