KR101777229B1

KR101777229B1 - 3차원 스캐너 장치

Info

Publication number: KR101777229B1
Application number: KR1020160131396A
Authority: KR
Inventors: 조민호; 전재홍
Original assignee: 포인트랩 주식회사
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2017-09-11
Also published as: WO2018070697A1

Abstract

본 발명은 3D 스캐너 센서의 수를 최소화하면서 전방위 스캔 데이터를 획득할 수 있는 3차원 스캐너 장치에 관한 것으로, 스캔 대상체 주변을 에워싸는 하우징 프레임의 상단에 위치하되, 지면과 수평을 이루는 프레임 회전체 지지 프레임과; 모터와 모터의 회전력을 전달하기 위한 동력전달부재를 포함하되, 상기 프레임 회전체 지지 프레임에 장착되어 고정되는 프레임 회전체와; 지면과 수평을 이루되 상기 동력전달부재에 체결되는 수평 프레임 구간과, 상기 수평 프레임 구간의 일측이 꺽여 형성되는 수직 프레임 구간을 포함하되, 상기 동력전달부재의 회전에 따라 스캔 대상체 주변을 회전하는 회전 프레임과; 스캔 대상체를 스캔할 수 있도록 상기 회전 프레임의 수직 프레임 구간에 장착되는 복수의 3D 스캐너 센서와; 스캔 대상체에 대한 입체 정보를 생성하기 위해 상기 모터 및 복수의 3D 스캐너 센서를 제어하기 위한 스캔 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

3차원 스캐너 장치{3D SCANNER}

본 발명은 3차원 스캐너 장치에 관한 것으로, 특히 3D 스캐너 센서의 수를 최소화하면서 전방위 스캔 데이터를 획득할 수 있는 3차원 스캐너 장치에 관한 것이다.

광학식 3D 스캔 기술은 센싱 방식에 따라서 수동 방식과 능동 방식으로 나눌 수 있다. 영상을 캡처하는 카메라만 사용하는 수동 방식은 특정 패턴을 주사하여 캡처하는 능동 방식에 비해 다소 정밀도는 떨어지나 장비가 간편하고, 입력 영상으로부터 텍스처를 직접 획득할 수 있는 장점이 있으나, 스캔 후 별도의 후처리 작업시간이 소요되고 카메라의 사용 수량이 많아지며, 피사체와 배경의 경계선을 구분하기 어려워 빠른 3D 데이터가 획득이 필요한 인체 3D 스캔 분야에서는 수동 방식보다 능동방식이 주로 사용되고 있다.

능동 방식은 미리 정의된 패턴이나 음파 등을 대상체에 투영하고 투영된 패턴의 이미지나 음파의 반사 에너지의 평면 형상을 측정하여 대상체의 3D 형상을 복원하는 방식으로, 대표적인 방법에는 레이저, 가시광선 구조광(structured light) 등을 대상체에 투사하여 거리에 따른 위상변화를 측정하는 방식이 있다.

한편 인체를 측정하는 데는 보다 안전한 825~850 Nm 파장대를 가진 적외선 등으로 된 2차원의 적외선 구조광(structured light)을 대상체에 투영하고 적외선 카메라를 이용하여 3D 거리정보를 계산하는 능동 방식의 3D 스캔 방식이 있다. 이러한 능동 방식의 3D 스캔 방식에서는 일루미네이터(Illuminator), 적외선 카메라, 컬러 영상 카메라를 일체화한 3D 스캐너 센서를 주로 이용한다.

3D 스캐너 센서의 일루미네이터에서는 능동 방식에서 사용하는 시간차를 이용하여 위치가 다른 특정 포인트 형상 패턴을 스캔하고자 하는 대상체, 예를 들면 인체에 투영한다. 인체에 투영된 결과는 가시광선 영역에서 보이지 않으며 일반적인 컬러 영상 카메라로는 촬영되지 않고 일루미네이터의 패턴과 동일한 파장대를 캡처할 수 있는 적외선 카메라에서 촬영되며 3D 거리와 위치 정보를 계산하는데 사용된다. 이 방식은 카메라가 1회 이미지를 캡처하는 짧은 시간 내에 특정 포인트 형상 패턴이 수회 변하여 정확도를 보정한다. 그리고 컬러 영상 카메라에서는 인체의 색깔 등의 텍스처가 저장된다. 일루미네이터와 적외선 카메라로 계산된 3D 거리 및 위치 정보와 컬러 영상 카메라로 촬영된 텍스처 정보를 결합하면 인체에 대한 상세한 칼라 3D 스캔 모델을 얻을 수 있다.

3D 스캐너 센서를 이용해 인체에 대한 입체 정보를 얻기 위해서는 스캔 대상인 인체 주변을 다른 사람이 1개의 스캐너 센서를 들고서 움직이면서, 인체의 모든 방위 및 고도에서 빈틈없이 조심스럽게 천천히 스캔해 주어야 인체 전체의 3D 스캔 모델링에 필요한 인체 입체 정보를 얻을 수 있다.

그러나 이러한 인체의 입체 스캔 방법은 3D 스캔 모델을 얻는 시간이 지나치게 많이 소요되고, 인체의 흔들림으로 정확한 3D 스캔 정보를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 선명하고 정밀한 3D 스캔 정보를 얻는데 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 기술로서 대한민국에 출원되어 등록된 대한민국 등록특허공보 10-1616176호가 있다. 제시된 등록특허 10-1616176호에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 스캔 대상인 인체가 위치하는 기준점(0)를 중심으로 동심원상의 대칭 방향에 쌍을 이루고 일정한 방위각만큼 이격되어 설치된 2쌍 이상의 지지대(1a ~ 1h)와, 상기 각 지지대(1a ~ 1h)에 적어도 1대 이상 설치되어 각 방위에서 바라본 인체(기준점)의 부분 입체 정보를 획득하는 3D 스캐너 센서(h1 ~h4)와, 상기 3D 스캐너 센서(h1 ~ h4)의 스캐닝을 서로 구조광(적외선에 의하여 형성되는 구조광)의 간섭이 없도록 순차적으로 제어하고, 상기 각 3D 스캐너 센서(h1 ~ h4)에서 획득한 인체의 부분 입체 정보를 이용하여 인체의 전체 입체 정보를 획득하는 컴퓨터 시스템을 포함한다.

그러나 제시한 등록특허에서는 인체에 대한 전체 입체 정보를 획득하기 위해서 일정 각도 이격되어 있는 지지대(1a ~ 1h)에 복수의 3D 스캐너 센서((h1 ~ h4)가 설치되어야 하기 때문에, 결과적으로 많은 수의 3D 스캐너 센서가 요구되어 시스템 구축 비용이 상승하는 단점이 있으며, 캘리브레이션 시간이 많이 소요되고 캘리브레이션이 복잡하다는 단점도 있다. 또한 지지대가 외부 충격 등으로 인해 초기 세팅 위치가 변할 때마다 캘리브레이션을 다시 해야 하는 불편함도 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1616176호

이에 본 발명의 목적은 3D 스캐너 센서의 수를 최소화하면서 스캔 대상체에 대한 전방위 스캔 데이터를 획득할 수 있는 3차원 스캐너 장치를 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 결측 부위(Missing Area) 없이 스캔 대상체에 대한 입체 정보를 획득하여 제품의 신뢰성을 확보할 수 있는 3차원 스캐너 장치를 제공함에 있다.

또한 본 발명은 스캔 대상체에 대한 입체 정보를 획득하기 위해 필요한 3D 스캐너 센서들의 설치위치 정렬을 위한 캘리브레이션을 단순화시킬 수 있는 3차원 스캐너 장치를 제공함에 있으며,

또한 본 발명은 3D 스캐너 센서가 장착된 프레임을 회전시키는 프레임 회전체를 구성하는 부품들의 마모, 크랙, 열화를 최소화할 수 있는 3차원 스캐너 장치를 제공함에 있으며,

안전장치를 채용하여 구조물 낙하로 인해 스캔 대상체에 가해질 수 있는 위험요인을 원천적으로 제거한 3차원 스캐너 장치를 제공함을 또 다른 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 3차원 스캐너 장치는,

스캔 대상체 주변을 에워싸는 하우징 프레임의 상단에 위치하되, 지면과 수평을 이루는 프레임 회전체 지지 프레임과;

모터와 모터의 회전력을 전달하기 위한 동력전달부재를 포함하되, 상기 프레임 회전체 지지 프레임에 장착되어 고정되는 프레임 회전체와;

지면과 수평을 이루되 상기 동력전달부재에 체결되는 수평 프레임 구간과, 상기 수평 프레임 구간의 일측이 꺽여 형성되는 수직 프레임 구간을 포함하되, 상기 동력전달부재의 회전에 따라 스캔 대상체 주변을 회전하는 회전 프레임과;

스캔 대상체를 스캔할 수 있도록 상기 회전 프레임의 수직 프레임 구간에 장착되는 복수의 3D 스캐너 센서와;

스캔 대상체에 대한 입체 정보를 생성하기 위해 상기 모터 및 복수의 3D 스캐너 센서를 제어하기 위한 스캔 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상술한 3차원 스캐너 장치는 상기 수평 프레임 구간의 또 다른 일측에 장착되는 밸런스 웨이트를 더 포함함을 또 다른 특징으로 하며,

상기 스캔 제어부는 상기 회전 프레임이 스캔 대상체를 중심으로 회전하도록 제어하면서 스캔 대상체에 대한 입체 정보가 획득되도록 상기 복수의 3D 스캐너 센서를 제어함을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치의 상기 프레임 회전체의 동력전달부재는,

상기 모터의 회전력을 감속시키고 동력의 방향을 변환시키기 위기 위한 감속기어와;

상기 감속기어의 동력을 중심축 기어로 전달하기 위한 피니언 기어와;

상기 피니언 기어와 맞물려 하면에 체결되는 상기 회전 프레임을 회전시키는 중심축 기어와;

중심부에 케이블 관통홀이 형성되어 있고 상기 중심축 기어의 센터 홀을 관통하여 일측이 돌출되는 구조의 중심축 기어 샤프트와;

상기 피니언 기어와 중심축 기어의 샤프트가 관통하기 위한 관통홀들이 형성되되, 그 관통홀 각각에 샤프트 얼라인먼트 고정용 베어링이 삽입되어 있는 기어 샤프트 고정용 브래킷과;

케이블 관통홀이 형성되어 있는 테이퍼 베어링과;

상기 테이퍼 베어링이 삽입되는 테이퍼 베어링 고정홀더와;

케이블 관통홀과 감속기어 회전축 관통홀이 형성되어 있고 상기 테이퍼 베어링 고정홀더를 상기 프레임 회전체 지지 프레임의 상면에 고정시키기 위한 테이퍼 베어링 고정홀더 고정판을 포함함을 특징으로 한다.

상술한 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치는 3D 스캐너 센서의 수를 최소화하면서 스캔 대상체에 대해 전방위로 스캔하여 특히 인체의 사각지대까지 촬영하여 정확한 3D 형상 데이터를 획득할 수 있다는 장점이 있으며, 복수의 3D 스캐너 센서들을 동일 축 상에 위치시킴으로서 카메라 위치 오차를 보정하기 위한 캘리브레이션을 최소화할 수 있다는 장점도 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 3D 스캐너 센서가 장착된 프레임을 회전시키는 프레임 회전체(동력전달부재에 해당함)를 구성하는 부품들의 마모, 크랙, 열화를 최소화할 수 있도록 동력전달부재들이 상호 결합되어 있기 때문에, 제품의 신뢰성과 내구성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있으며, 안전장치를 함께 채용해 놓음으로써 동력전달부재를 구성하는 구조물 낙하로 인한 피해 혹은 위험요인을 원천적으로 제거한 장점이 있다.

도 1은 공지된 3D 스캐너 센서의 배치 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치의 외관 예시도.
도 3은 도 2중 프레임 회전체와 회전 프레임의 연결 상태 예시도.
도 4는 도 3에 도시한 프레임 회전체의 조립상태 예시도.
도 5는 도 3에 도시한 프레임 회전체의 구성 예시도.
도 6은 도 3에 도시한 연결 브래킷(300)을 관통하는 케이블을 보여 주기 위한 도면.
도 7은 도 3에 도시한 프레임 회전체의 분해 결합 예시도.
도 8은 도 7에 도시한 중심축 기어 샤프트(225)의 확대 예시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 회전 프레임의 수평 프레임 구간 일측에 장착되는 밸런스 웨이트(400)를 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 스캔되어 얻어지 스캔 대상물(인체)의 입체 정보 예시도.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

또한 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

아울러 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성과 같은 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치의 외관도를 예시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치는 도 2에 도시한 바와 같이,

스캔 대상체(예를 들면 인체, B) 주변을 에워싸는 하우징 프레임(100)의 상단에 위치하되, 지면과 수평을 이루는 프레임 회전체 지지 프레임(110)과,

모터(205)와 모터(205)의 회전력을 전달하기 위한 동력전달부재를 포함하되, 상기 프레임 회전체 지지 프레임(110)에 장착되어 고정되는 프레임 회전체(200)와,

지면과 수평을 이루되 상기 동력전달부재에 체결되는 수평 프레임 구간(120)과, 상기 수평 프레임 구간(120)의 일측이 꺽여 형성되는 수직 프레임 구간(130)을 포함하되, 상기 동력전달부재의 회전에 따라 스캔 대상체(B) 주변을 회전하는 회전 프레임(A)과,

스캔 대상체(B)를 스캔할 수 있도록 상기 회전 프레임(A)의 수직 프레임 구간(130)에 장착되는 복수의 3D 스캐너 센서(140)와,

스캔 대상체(B)에 대한 입체 정보를 생성하기 위해 상기 모터(205) 및 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 제어하기 위한 스캔 제어부(도시하지 않았음)를 포함한다.

참고적으로 도 2에서는 3차원 스캐너 장치의 하우징 프레임(100)이 큐브 형태인 것으로 도시하였으나 이는 하나의 예시에 불과하며, 하우징 프레임은 원기둥, 육각기둥과 같이 다양한 형태로 변형 가능하다 할 것이다. 또한 3D 스캐너 센서(140)는 앞서 설명한 바와 같이 적외선 프로젝터와, 적외선 카메라 및 컬러 영상(RGB) 카메라를 포함하는 3D 스캐너 센서인 것으로 가정하기로 한다.

상기 복수의 3D 스캐너 센서(140)는 2개 내지 4개의 3D 스캐너 센서로써, 회전 프레임(A)의 수직 프레임 구간(130)에 수직 방향(상하 방향)으로 장착되며, 장착후 후술하는 스캔 제어부에 의해 3D 스캐너 센서(140)의 장착 위치에 따른 오차를 보정하기 위한 캘리브레이션 과정을 거친다. 복수의 3D 스캐너 센서(140)가 동일축 상에 상하 방향으로만 장착되는 구조이기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치의 스캔 제어부는 한 방향에서만 캘리브레이션만을 수행하기 때문에 타 장치 혹은 시스템에 비해 캘리브레이션 수행 횟수를 줄일 수 있는 이점이 있다.

참고적으로 복수의 3D 스캐너 센서(140)의 장착 위치에 따른 위치를 보정하기 위한 캘리브레이션은 스캔 대상체 샘플에 특정의 평면 도안 이미지를 부착하고, 복수의 3D 스캐너 센서(140) 각각에서 투사된 일루미네이터 패턴과, 이미지와 RGB 이미지로부터 복수의 3D 스캐너 센서(140) 간의 위치 오차를 보정하는 방식으로 이루어진다.

한편, 도시하지 않은 스캔 제어부는 3차원 스캐너 장치의 동작을 전반적으로 제어하기 위한 제어 프로그램 데이터가 저장된 메모리를 포함하며, 상기 메모리에 저장된 제어 프로그램 데이터에 기초하여 모터(205) 및 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 제어할 수 있고, 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 통해 얻어진 스캔 대상체(B)의 부분 입체정보를 결합하여 스캔 대상체(B)의 전체 입체 정보를 생성해 표시장치상에 표시한다.

보다 구체적으로 상기 스캔 제어부는 회전 프레임(A)이 스캔 대상체(B)를 중심으로 회전하도록 제어하면서 회전 중 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 카메라 촬영 프레임 수에 따라 스캔 대상체(B)에 대한 입체 정보가 실시간 획득되도록 제어할 수 있으며, 변형 가능한 또 다른 실시예로서 일정한 각도, 예를 들면 1.3°내지 4°마다 스캔 대상체(B)에 대한 입체 정보가 획득되도록 상기 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 구동 제어할 수도 있다. 모터(205) 회전수와 기어비를 알기에 모터(205)에 인가해 주는 구동신호의 타이밍 카운터를 통해 일정한 각도 마다 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 구동 제어할 수 있으며, 하나 이상의 홀센서를 동력전달부재에 속하는 기어에 위치시켜 기준 위치 검출후 일정 시간 타이밍 카운팅(1.3°내지 4°회전에 소요되는 시간) 마다 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 구동 제어할 수 있다.

이러한 스캔 제어부는 3차원 스캐너 장치에 구비될 수 있으며, 3차원 스캐너 장치와 연결되어 영상신호 처리를 담당하는 컴퓨터 시스템에 구현될 수도 있다.

부가적으로 회전 프레임(A)의 수평 프레임 구간(120)의 또 다른 일측에는 도 9에서와 같이 밸런스 웨이트(400)가 위치하여 회전 프레임(A) 양단의 평형이 유지되도록 한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

이하 도 2에 간략히 도시된 회전 프레임(A)과 그 회전 프레임(A)을 회전시키는 프레임 회전체(200)의 구성을 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면,

도 3은 도 2중 프레임 회전체(A)와 회전 프레임(200)의 연결 상태 예시도를, 도 4는 도 3에 도시한 프레임 회전체(200)의 조립상태 예시도를, 도 5는 도 3에 도시한 프레임 회전체(200)의 구성 예시도를, 도 6은 도 3에 도시한 연결 브래킷(300)을 관통하는 케이블을, 도 7은 도 3에 도시한 프레임 회전체(200)의 분해 결합 예시도를, 도 8은 도 7에 도시한 중심축 기어 샤프트(225)의 확대도를, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 회전 프레임(A)의 수평 프레임 구간(120) 일측에 장착되는 밸런스 웨이트(400)를 설명하기 위한 도면을, 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 스캔한 결과인 스캔 대상물(인체)의 전체 입체 정보 표시 예시도를 각각 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 우선 모터(205)와 모터(205)의 회전력을 전달하기 위한 동력전달부재(210,215,220 등)를 포함하는 프레임 회전체는, 프레임 회전체 지지 프레임(110)과 수평을 이루되 상기 동력전달부재에 체결되는 수평 프레임 구간(120)과, 상기 수평 프레임 구간(120)의 일측이 꺽여 형성되는 수직 프레임 구간(130)으로 이루어진 회전 프레임(A)과 연결된다.

수평 프레임 구간(120)과 수직 프레임 구간(130)이 연결되는 부위에는 각관성 모멘텀(Angular Momentum)으로 인한 벤딩(Bending)을 방지하기 위한 보강대(C)가 설치되며, 두 프레임을 연결하기 위해 프레임 연결 브래킷(D)이 사용된다.

상기 수직 프레임 구간(130)에는 복수의 3D 스캐너 센서(140)가 상하, 즉 수직방향으로 장착되는데, 스캐너 센서가 내부에 탑재될 수 있도록 수직 프레임 구간(130)은 물론 수평 프레임 구간(120) 내부에는 탑재홈이 형성되어 있으며 커버 혹은 셔터 등에 의해 폐쇄된다. 또한 상기 수평 및 수직 프레임 구간(120,130) 내부에 형성된 탑재홈을 통해 스캐너 센서와 연결되는 케이블이 함께 수납됨으로써, 회전 프레임(A)이 스캔 대상물(B) 주변을 회전하더라도 케이블이 주변 기구물 등에 엉키는 것을 방지한다.

수직 프레임 구간(130)이 연결되어 있는 수평 프레임 구간(120)의 반대 측에는 밸런스 웨이트(400)가 수납된다. 회전 프레임(A)이 정지된 상태에서 질량의 중심은 프레임 회전체(200)의 중심축를 기준으로 m1+m2 = m3+m4 가 된다. 그러나 회전 프레임(A) 회전 시에 양 측단에 가해지는 관성은 m1과 m4의 형상이 동일하지 않아 관성 모멘텀이 작용하는 부품들 마다 벤딩, 균열, 열화 등의 손상을 입게 되어 부품 수명이 급격히 짧아지거나 초기 캘리브레이션 세팅값에 변화가 발생한다. 이러한 변화가 발생하는 것을 억제 혹은 최소화하기 위해 본 발명의 실시예에서는 회전 관성 모멘템이 가장 많이 작용하는 부위에 보강대(C)를 집중시켰으며, 프레임 연결 브래킷(D) 또한 사각 형상을 도용하여 프레임의 변형을 방지하였다. 또한 관성 모멘텀으로 인해 회전 중심축의 샤프트와 기어의 균열, 마모, 열화를 방지하기 위해 중심축 샤프트(225)의 직경과 길이를 늘리고 중심축 기어(220), 샤프트 고정용 베어링(265), 테이퍼 베어링(240) 등의 부품들이 회전 관성 모멘텀을 분산하도록 하였다.

또한 회전 프레임(A)의 회전 중심축으로부터 3D 스캐너 센서가 장착된 수직 프레임 구간(130) 까지의 길이(r1)와 밸런스 웨이트(400)가 있는 곳까지의 길이(r2)를 동일하게 하여 회전체 전체 질량(m1+m2+m3+m4)을 최소화하는 것이 바람직하다.

참고적으로 수평 프레임 구간(120) 및 수직 프레임 구간(130)의 길이는 스캔 대상물의 크기를 고려하여 변경될 수 있다. 예를 들어 인체를 대상으로 할 경우 팔을 벌려 스캔할 때와 신장 등을 고려하여 카메라의 스캔영역을 계산하고 머리부터 발끝까지 입체정보가 획득될 수 있도록 수평 프레임 구간(120)과 수직 프레임 구간(130)의 길이를 정하는 것이 바람직하다.

이하 도 3에 도시한 프레임 회전체(200)의 구성을 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면,

우선 앞서 설명한 바와 같이 프레임 회전체(200)는 모터(205)와 모터(205)의 회전력을 전달하기 위한 동력전달부재를 포함하는데, 이러한 프레임 회전체(200)는 도 4에 도시한 바와 같이 프레임 회전체 지지 프레임(110)에 장착되어 고정된다.

상기 프레임 회전체(200)의 동력전달부재는 도 4, 도 5 및 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 모터(205)의 회전력을 감속시키고 토크를 증가시키며 동력전달방향을 변환하기 위한 베벨 감속기어(210)와,

상기 감속기어(210)의 동력을 중심축 기어(220)로 전달하기 위한 피니언 기어(215)와,

상기 피니언 기어(215)와 맞물려 하면에 체결되는 회전 프레임(보다 구체적으로는 회전 프레임의 수평 프레임 구간(120)을 회전시키는 중심축 기어(220)와,

중심부에 케이블 관통홀(도 8의 225-1)이 형성되어 있고 상기 중심축 기어(220)의 센터 홀을 관통하여 일측이 돌출되는 구조의 중심축 기어 샤프트(225)와,

상기 피니언 기어(215)와 중심축 기어(220)의 샤프트가 관통하기 위한 관통홀들이 형성되되, 그 관통홀 각각에 (피니언 기어와 중심축 기어의)샤프트 얼라인먼트 고정용 베어링(270, 265)이 삽입되어 있는 기어 샤프트 고정용 브래킷(260)과,

케이블 관통홀이 형성되어 있는 테이퍼 베어링(240)과,

상기 테이퍼 베어링(240)이 삽입되는 테이퍼 베어링 고정홀더(245)와,

케이블 관통홀과 감속기어 회전축(275) 관통홀이 형성되어 있고 상기 테이퍼 베어링 고정홀더(245)를 상기 프레임 회전체 지지 프레임(110)의 상면에 고정시키기 위한 테이퍼 베어링 고정홀더 고정판(250)을 포함한다.

참고적으로 회전하는 중심축 기어(220)와 회전 프레임(A)의 수평 프레임 구간(120)을 직접 체결할 수는 없다. 수평 프레임 수납홈에 수납되는 케이블의 꼬임이나 파손을 방지하기 위해 중심축 기어(220)의 하단부와 수평 프레임 구간(120) 사이에는 충분한 공간이 확보되어야 한다. 이를 위해 본 발명의 실시예에서는 도 4, 도 5, 도 6에 도시한 바와 같이 요철 형상의 연결 브래킷(300)을 사용하여 중심축 기어(220)의 하면과 수평 프레임 구간(120)을 연결시키고, 도 6에 도시한 바와 같이 수직 방향 및 수평 방향에 케이블 관통홀(305,307)을 형성하여 수평 프레임 구간(120)의 수납홈에 수납된 케이블이 중심축 기어 샤프트(225) 내를 관통해 프레임 회전체 지지 프레임(110) 내부와 회전체 지지 프레임(110) 내부 및 케이블 인출홀(도 2의 500)을 통해 외부에 위치하는 컴퓨터 시스템에 연결된다.

이하 도 5를 참조하여 상술한 동력전달부재의 동력전달과정을 부연 설명하면, 스캔 제어부에 의해 모터(205)의 회전 동력이 발생하면, 감속기어(210)는 모터(205)에 의해 발생한 동력(x1)을 베벨 기어를 사용하여 운동축을 90°변환(y1)하고 회전수를 예를 들어 60:1로 감속시키며 토크를 증가시키는 역할을 한다. 피니언 기어(215)는 기어부와 샤프트의 일체형으로 제작되며 기어 하단 중심 내부의 홈을 통해 볼트로 감속기어(210) 샤프트 센터의 탭에 고정된다. 이에 동력을 전달하는 가로축(x1)과 세로축(y1)이 조립이 완료된다.

피니언 기어(215)와 연결되는 중심축 기어(220)는 피니언 기어(215) 보다 2배 이상 직경을 크게 하여 감속비율을 높이고 토크를 높이는 역할을 한다. 이로서 전체 감속비는 감속기어(210)의 비율 1/60과 피니언 기어(215)(r=40)와 중심축 기어(220)(r=90)의 비율 1/2.25가 되어 전체 감속비가 1/135이 되므로, 모터의 적은 토크로도 전체 회전체(A)의 위치와 속도를 정밀하게 제어하게 된다.

한편 중심축 기어 샤프트(225)와 중심축 기어(220)를 체결함에 있어 도 8에 도시한 바와 같이 중심축 기어 샤프트(225)를 중심축 기어(220)의 하단으로 밀어 넣어 중심축 기어 샤프트(225)의 하단면 (225-5)을 중심축 기어(220)의 하면에 밀착시킨 후 볼트 홀(225-6)을 통해 볼트 체결한다.

도 4 및 도 5에 도시되지 않은 구성으로서 도 7에 도시한 인서트 플레이트(280)가 있다. 인서트 플레이트(280)는 중심축 기어(220)와 수평 프레임 구간(120)을 연결시키는 연결 브래킷(300)을 중심축 기어(220)의 하단에 바로 체결할 경우, 연결 브래킷(300)이 피니언 기어(215)에 부딪치거나 간섭이 발생하는 것을 막기 위해 구비되는데, 인서트 플레이트(280)의 크기는 중심축 기어(220)의 톱니 내경보다 작아야 한다. 즉 인서트 플레이트(280)를 연결 브래킷(300) 위에 위치시킨후 중심축 기어(220)의 탭(222)에 고정시킨다. 중심축 기어(220)와 회전 프레임(A)의 브래킷을 체결하는 볼트 고정위치의 길이를 최대한 넓게 하여 회전 관성 모멘텀을 분산 시키는 것이 바람직하다.

도 8에 도시한 바와 같이 중심축 기어 샤프트(225)를 중심축 기어(220)의 아래로부터 삽입한 후 스냅 링(225-3)(혹은 너트)을 아래의 홈에 끼워 넣어 회전 중심축(y2) 상에 위치하는 동력전달부재들의 조립을 마무리할 수 있다. 이중의 안전을 위해 또 하나의 스냅 링을 중심축 기어 샤프트(225) 상단에 형성된 홈(225-4)에 체결하여 회전 프레임(A)이 낙하하는 것을 막을 수 있다.

한편, 피니언 기어(215)와 중심축 기어(220)의 수평 평행성(x2)이 유지되는 것이 바람직한데, 회전 관성의 과부하로 회전 중심축(y2)이 흔들리면 맞물리는 기어에 손상이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 우선 중심축 기어(220)의 센터부분 높이를 기어의 두께만큼 일체형으로 높여 무게는 줄이고 샤프트와 닿는 면적을 최대화하는 것이 바람직하다. 또한, 기어 샤프트 고정용 브래킷(260)의 두께를 최대화 하여 피니언 기어 샤프트 고정용 베어링(270)을 삽입하고, 중심축 기어 샤프트 고정용 베어링(265)을 삽입하여 각 샤프트들이 회전 시에 베어링의 안쪽이 같이 회전하도록 하여 샤프트와 마찰을 없애고, 도 5의 y1, y2 두 축의 평행성을 확보하였다.

중심축 기어 샤프트 고정용 베어링(265)의 직경과 높이는 피니언 기어(215) 샤프트와 맞물리는 베어링(270)의 직경과 높이보다 크게 하여 더 많은 토크를 감당하도록 설계하는 것이 바람직하다.

마지막으로 회전 중심 상부에 테이퍼 베어링 고정홀더(245)를 고정하고 테이퍼 베어링(240)을 삽입한다. 일반 볼 베어링을 사용할 경우 조립된 동력전달부재의 무게를 지탱하기 어렵다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치의 테이퍼 베어링(240)은 이러한 문제를 해결하는 동시에, 관성 모멘텀을 감소시키는 역할도 수행한다.

이하 상술한 구성을 가지는 3차원 스캐너 장치의 동작을 부연 설명하면,

스캔 제어부는 스캔 대상체(B)에 대한 3차원 입체 정보를 획득하기 위해 모터(205)를 구동시킨다. 이러한 모터(205) 구동에 의해 도 5에 도시한 바와 같이 모터(205) 구동력은 순차적으로 감속기어(210)와 피니언 기어(215) 및 중심축 기어(220)로 전달된다.

중심축 기어(220)에 전달된 구동력에 따라 중심축 기어(220)가 회전하게 되면, 중심축 기어(220)와 체결되어 있는 연결 브래킷(300)과, 그 연결 브래킷(300)과 체결되어 있는 회전 프레임(A)의 수평 프레임 구간(120)이 구동력을 전달받게 되어 중심축 기어(220)와 같이 회전하게 된다. 이에 도 2에 도시한 하우징 프레임(100) 내에 위치한 스캔 대상체(B)를 중심으로 회전 프레임(A)을 구성하는 수직 프레임 구간(130)이 회전 운동하게 된다.

이와 같이 스캔 대상체(B)를 중심으로 회전 프레임(A)이 회전 운동하게 되면, 스캔 제어부는 회전 중 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 동시에 구동 제어하여 스캔 대상체(B)에 대한 부분 입체 정보를 획득(전체 스캔 시간과 촬영속도, 해상도 등에 따라 부분 입체 정보의 양은 가변될 수 있다)할 수 있다. 만약 홀센서를 구비하여 중심축 기어(220)의 기준 위치 검출이 가능한 시스템이라면 기준 위치 검출 후 일정 시간 타이밍 카운팅(1.3°내지 4°회전에 소요되는 시간) 마다 복수의 3D 스캐너 센서(140)를 동시에 구동 제어하여 스캔 대상체(B)에 대한 부분 입체 정보를 획득하고, 회전 프레임(A)이 1회전 하면서 실시간 얻어진 스캔 대상체(B)에 대한 부분 입체 정보들을 신호 처리하여 인체의 전체 입체 정보로 만들어 표시장치에 도 10과 같이 표시해 준다.

도 10을 참조해 보면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치를 이용하여 인체를 스캔한 경우 결측 부위 없이 완벽한 인체 모델링이 이루어졌다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 2-4개의 3D 스캐너 센서만을 이용하면서도, 3D 스캐너 센서가 부착된 회전 프레임이 인체 주변을 회전하면서 1.3°내지 4°마다 인체에 대한 스캔 정보를 얻을 수 있기 때문에, 결측 부위 없는 입체정보를 획득할 수 있게 되는 것이다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐너 장치는 3D 스캐너 센서의 수를 최소화하면서 스캔 대상체에 대한 전방위 스캔 데이터를 획득할 수 있다는 장점이 있으며, 복수의 3D 스캐너 센서들을 동일 축 상에 위치시킴으로서 설치위치 오차를 보정하기 위한 캘리브레이션을 최소화할 수 있다는 장점도 얻을 수 있다.

이상은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

스캔 대상체 주변을 에워싸는 하우징 프레임의 상단에 위치하되, 지면과 수평을 이루는 프레임 회전체 지지 프레임과;
모터와 모터의 회전력을 전달하기 위한 동력전달부재를 포함하되, 상기 프레임 회전체 지지 프레임에 장착 고정된 프레임 회전체와;
상기 프레임 회전체 지지 프레임과 수평을 이루되 상기 동력전달부재에 체결되는 수평 프레임 구간과, 상기 수평 프레임 구간의 일측이 꺾여 형성되는 수직 프레임 구간을 포함하되, 상기 동력전달부재의 회전에 따라 스캔 대상체를 중심으로 회전하는 회전 프레임과;
스캔 대상체를 스캔할 수 있도록 상기 회전 프레임의 수직 프레임 구간에 장착되는 복수의 3D 스캐너 센서와;
스캔 대상체에 대한 입체 정보를 생성하기 위해 상기 모터 및 복수의 3D 스캐너 센서를 제어하기 위한 스캔 제어부;를 포함하되, 상기 동력전달부재는,
상기 모터의 회전력을 감속시키고 동력의 방향을 변환시키기 위한 감속기어와, 상기 감속기어의 동력을 중심축 기어로 전달하기 위한 피니언 기어와, 상기 피니언 기어와 맞물려 하면에 체결되는 상기 회전 프레임을 회전시키는 중심축 기어와, 중심부에 케이블 관통홀이 형성되어 있고 상기 중심축 기어의 센터 홀을 관통하여 일측이 돌출되는 구조의 중심축 기어 샤프트와, 상기 피니언 기어와 중심축 기어 샤프트가 관통하기 위한 관통홀들이 형성되되, 그 관통홀 각각에 샤프트 얼라인먼트 고정용 베어링이 삽입되어 있는 기어 샤프트 고정용 브래킷과, 케이블 관통홀이 형성되어 있는 테이퍼 베어링과, 상기 테이퍼 베어링이 삽입되는 테이퍼 베어링 고정홀더와, 케이블 관통홀과 감속기어 회전축 관통홀이 형성되어 있고 상기 테이퍼 베어링 고정홀더를 상기 프레임 회전체 지지 프레임의 상면에 고정시키기 위한 테이퍼 베어링 고정홀더 고정판을 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 수평 프레임 구간의 또 다른 일측에 장착되는 밸런스 웨이트;를 더 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 스캔 제어부는,
상기 회전 프레임이 스캔 대상체를 중심으로 회전하도록 제어하면서 스캔 대상체에 대한 전방위 부분 입체 정보가 획득되도록 상기 복수의 3D 스캐너 센서의 해상도와 촬영 프레임 수를 제어함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 스캔 제어부는 1.3°내지 4°마다 스캔 대상체에 대한 부분 입체 정보가 획득되도록 상기 복수의 3D 스캐너 센서를 제어함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 스캔 제어부는 컴퓨터 시스템의 제어부로서, 스캔 대상체에 대해 한 방향에서만 일루미네이터 패턴을 투사하여 얻어진 스캔 패턴간의 오차로부터 상기 복수의 3D 스캐너 센서 간의 위치 오차를 캘리브레이션함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
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청구항 1에 있어서, 상기 중심축 기어 하면과 상기 수평 프레임 구간의 일면을 체결시켜 주기 위한 요철 형상의 연결 브래킷;을 더 포함하되, 요철 형상의 상기 연결 브래킷의 수평면과 수직면에는 각각 케이블 관통홀이 형성되어 있음을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 연결 브래킷과 상기 중심축 기어 하면 사이에 삽입되는 인서트 플레이트;를 더 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 중심축 기어 샤프트 상단에 형성된 하나 이상의 홈에 체결되는 하나 이상의 스냅 링 또는 너트;를 더 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 3D 스캐너 센서는 2-4개의 3D 스캐너 센서로써, 상기 회전 프레임의 수직 프레임 구간에 수직 방향으로 장착됨을 특징으로 하는 3차원 스캐너 장치.