KR20190053457A - 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치 - Google Patents

Abstract

레이저 평면에 초점이 맞추어진 LVS에 대해 이미지 전체에 초점이 맞는 캘리브레이션 이미지를 획득하여 캘리브레이션에 정확성을 향상할 수 있도록 한 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치에 관한 것으로서, 캘리브레이션 패턴블록, 캘리브레이션 패턴블록의 패턴 면을 레이저 비전 장치의 레이저 면에 평행하게 위치시키는 캘리브레이션 지그 및 캘리브레이션 패턴블록을 촬영하여 캘리브레이션 이미지를 획득하고, 획득한 이미지로부터 특이점을 추출하여 캘리브레이션을 수행하는 레이저 비전 장치를 포함하여, 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치를 구현한다.

Description

레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치{Calibration device of laser vision system}

본 발명은 레이저 비전 시스템(LVS; Laser Vision System)의 캘리브레이션(calibration)장치에 관한 것으로, 특히 레이저 평면에 초점이 맞추어진 LVS에 대해 이미지 전체에 초점이 맞는 캘리브레이션 이미지를 획득하여 캘리브레이션에 정확성을 향상할 수 있도록 한 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치에 관한 것이다.

레이저 비전 시스템(LVS)은 측정 대상물의 표면이나 기하학적인 형상을 카메라를 이용하여 측정하는 센서 시스템으로서, 용접에서 많이 사용되는 로봇 용접용 레이저 비전 시스템의 경우 용접용 로봇의 토치 앞 부분에 장착하여 용접 대상물의 형상을 측정하여 로봇이나 용접조건을 제어하는데 사용된다.

따라서 측정장비의 정밀도 향상을 위해 카메라의 캘리브레이션이 필요하다. 여기서 카메라 캘리브레이션은 실제 공간과 이미지 공간상의 관계(초점 중심, 초점 거리, 위치/회전 관계, 기타)를 정의하는 것을 의미한다.

일반적인 레이저 비전 시스템의 카메라 캘리브레이션은 도 1에 도시한 바와 같이, 수직으로 움직일 수 있는 스테이지(1)에 LVS(2)를 설치하고, 수직 방향으로 LVS(2)를 이동하면서 도 2와 같은 격자무늬의 캘리브레이션 패턴(3)을 촬영한다. 이어 촬영을 통해 획득한 이미지에서 얻은 특이점과 실제 특이점의 정보를 촬영 위치를 이용하여 보정하여, 캘리브레이션을 수행한다.

레이저 비전 시스템에서 캘리브레이션을 수행하는 종래의 방법이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 캘리브레이션 지그 대신에 실제로 용접할 조인트를 사용하여 캘리브레이션을 수행함으로써 지그와 로봇 사이의 회전관계와 위치관계를 정의하는 과정을 생략하고, 단지 TCP를 캘리브레이션할 위치에 둔 후 레이저가 그 위치를 조사하게 하는 것만으로 간편하게 캘리브레이션을 수행할 수가 있으며, 또한, 캘리브레이션 지그를 설치하기 어려운 곳에서도 캘리브레이션을 수행할 수가 있고, 지그와 실제 조인트 사이의 형상차이에서 발생하는 추적 오차를 줄일 수가 있는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션 방법을 제공한다.

대한민국 공개특허 10-2013-0029883(2013.03.26. 공개)(작업 조인트를 이용한 레이저비전시스템의 캘리브레이션 방법)

그러나 상기와 같은 일반적인 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션 방법 및 종래기술은 LVS의 정밀도를 향상시키기 위해 레이저 평면에 초점을 맞추게 되는 데, 이와 같은 방식으로 캘리브레이션 패턴을 측정하면, 도 3에 도시한 바와 같이 영상에서 초점이 맞지 않는 영역(Focus out)이 존재하게 되어, 특이점을 추출하기 어렵거나 특이점이 없는 경우가 발생하여, 특이점의 정밀도가 낮아지는 단점이 있다.

또한, 실제 측정되는(레이저) 위치에 특이점을 위치시키는 것이 LVS 정밀도에 유리하지만, 도 4에 도시한 바와 같이, 측정되지 않는 곳에 패턴이 위치하지 않게 되는 경우가 있어, 정밀도가 낮아지는 단점도 있다.

또한, 캘리브레이션 패턴과의 거리가 멀어질수록 패턴의 이미지가 작게 되어, 이미지 전체 영역에 대한 캘리브레이션을 수행하기 어려운 단점도 있다.

아울러 촬영하는 거리 간격을 세밀하게 할수록 정교한 캘리브레이션을 할 수 있지만, 그만큼 촬영 횟수가 많아져서 시간과 노력이 많이 소요되는 단점을 유발한다. 예컨대, 캘리브레이션 패턴의 위치 정보가 정확할수록 정밀한 캘리브레이션을 수행할 수 있으므로, 이를 위해 카메라 이송 -> 카메라 위치 측정 -> 미세 조정 -> 측정 등 번거로운 작업의 반복적인 수행으로, 시간과 노력이 많이 소요되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 레이저 평면에 초점이 맞추어진 LVS에 대해 이미지 전체에 초점이 맞는 캘리브레이션 이미지를 획득하여 캘리브레이션에 정확성을 향상할 수 있도록 한 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 이미지 전체 영역에 대해 캘리브레이션을 수행하도록 하고, 측정 전체 영역 및 측정 영역 위주로 캘리브레이션을 수행하여 캘리브레이션의 정밀도를 향상할 수 있도록 한 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치는, 캘리브레이션 패턴블록; 상기 캘리브레이션 패턴블록의 패턴 면을 레이저 비전 장치의 레이저 면에 평행하게 위치시키는 캘리브레이션 지그; 상기 캘리브레이션 지그상에 위치하며, 상기 캘리브레이션 패턴블록을 촬영하여 캘리브레이션 이미지를 획득하고, 획득한 이미지로부터 특이점을 추출하여 캘리브레이션을 수행하는 레이저 비전 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 캘리브레이션 지그는 몸체; 상기 캘리브레이션 패턴블록의 높이를 결정하는 높이결정블록; 상기 캘리브레이션 패턴블록의 장착 위치를 결정하는 위치결정블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 높이결정블록은 미리 높이가 설정된 복수의 블록인 것을 특징으로 한다.

상기에서 높이결정블록은 캘리브레이션 패턴블록의 이미지에 의해 추출되는 특이점을 전체 측정 영역에 위치시키는 것을 특징으로 한다.

상기에서 위치결정블록 및 높이결정블록은 캘리브레이션을 위한 특이점이 레이저 비전 장치의 촬영 영역 위주가 되도록 캘리브레이션 패턴블록의 위치를 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 캘리브레이션 패턴블록은 사각형상의 복수 패턴이 사다리꼴 모양으로 배열된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 레이저 평면에 초점이 맞추어진 LVS에 대해 이미지 전체에 초점이 맞는 캘리브레이션 이미지를 획득하여 캘리브레이션을 수행함으로써, 캘리브레이션에 정확성을 향상할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 이미지 전체 영역에 대해 캘리브레이션을 수행하도록 하고, 측정 전체 영역 및 측정 영역 위주로 캘리블레이션을 수행하도록 함으로써, 캘리브레이션의 정밀도를 향상할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 위치결정블록 및 높이결정블록을 이용하여, 캘리브레이션 패턴블록의 촬영 위치를 결정함으로써, 위치 이동 시 기존과 같이 측정 및 미세조정을 수행하지 않고도 캘리브레이션을 쉽고 신속하게 수행할 수 있도록 도모해주는 장점이 있다.

도 1은 종래 레이저 비전 시스템에서 카메라 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 설명도,
도 2는 종래 카메라 캘리브레이션을 위해 사용된 캘리브레이션 패턴블록 예시도,
도 3은 종래 레이저 비전 시스템에서 레이저 평면에 초점을 맞추고 캘리브레이션 패턴블록을 촬영한 이미지의 예시도,
도 4는 레이저 비전 시스템에서 레이저 위치에 특이점을 위치시킨 경우 캘리브레이션 공간 발생 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치의 구성도,
도 6은 본 발명에 적용된 캘리브레이션 패턴블록의 예시도,
도 7은 본 발명에 의해 촬영된 캘리브레이션 패턴블록 이미지 예시도,
도 8은 본 발명에서 제안한 캘리브레이션 시스템의 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치의 구성도로서, 카메라 캘리브레이션을 위한 패턴이 형성된 캘리브레이션 패턴블록(30), 상기 캘리브레이션 패턴블록(30)의 패턴 면을 레이저 비전 장치의 레이저 면에 평행하게 위치시키는 캘리브레이션 지그(10)가 마련된다. 상기 캘리브레이션 지그(10) 위에는 상기 캘리브레이션 패턴블록(30)을 촬영하여 캘리브레이션 이미지를 획득하고, 획득한 이미지로부터 특이점을 추출하여 캘리브레이션을 수행하는 레이저 비전 장치(20)가 장착된다.

여기서 레이저 비전 장치(20)는 LVS로서, 미리 설정된 고정된 위치에 설치된다.

상기 캘리브레이션 패턴블록(30)은 사각형상의 복수 패턴이 사다리꼴 모양으로 배열된다.

상기 캘리브레이션 지그(10)는 몸체(14), 상기 캘리브레이션 패턴블록(30)의 높이를 결정하는 높이결정블록(13), 상기 캘리브레이션 패턴블록(30)의 장착 위치를 결정하는 위치결정블록(12)을 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 캘리브레이션 지그(10) 상에 레이저 비전 장치(20)를 설정된 위치에 고정 장착하고, 위치결정블록(30)을 이용하여 레이저 비전 장치(20)의 촬영 범위에 캘리브레이션 패턴블록(30)이 위치하도록 한다. 여기서 위치결정블록(30)은 사용자가 수동으로 조작하여 위치를 이동할 수 있는 것으로서, 위치 이동 범위는 10mm - 50mm이다. 여기서 위치 이동 범위는 레이저 비전 장치(20)에서 촬영하고자 하는 촬영 범위에 따라 미리 최적화하여 결정해 놓은 위치이다.

다음으로, 위치결정블록(30)을 이용하여 촬영 범위 위치를 결정한 상태에서, 캘리브레이션 지그(10)의 소정 위치에 높이 결정을 위한 높이결정블록(13)을 올려놓는다. 여기서 높이결정블록(13)은 높이가 12.5mm, 10mm, 15mm로 형성된다. 상기 3가지 형태의 높이를 갖는 높이결정블록(13)은 높이결정블록(13)의 변경만으로 연속적으로 측정한 효과를 가지도록 하기 위함이다.

그리고 높이결정블록(13)의 위에 실제 촬영 대상인 캘리브레이션 패턴블록(11)을 올려놓는다. 여기서 캘리브레이션 패턴블록(30)은 도 6에 도시한 바와 같이, 사각형상의 복수 패턴이 사다리꼴 모양으로 배열된다. 전체적인 패턴 형상이 사다리꼴 모양의 패턴을 가지므로, 이미지에서는 직사각형에 가깝고, 전체 이미지 영역에 대응되는 이미지를 획득할 수 있다.

특정 높이의 높이결정블록(13)에 캘리브레이션 패턴블록(30)을 올려놓으면, 도 8에 도시한 바와 같이, 레이저 평면과 캘리브레이션 패턴 면이 일치하게 된다. 이는 특이점을 전체 측정영역에 위치시키는 역할을 하므로, 더욱 정확한 캘리브레이션이 가능하다.

이후, 레이저 비전 장치(20)의 카메라를 이용하여 캘리브레이션 패턴블록(30)을 촬영하여 캘리브레이션 이미지를 획득한다. 획득한 이미지로 기존과 같이 카메라 캘리브레이션을 수행한다.

여기서 캘리브레이션 이미지를 획득하는 과정을, 상기 높이결정블록(13)의 높이에 따라 수행한다. 본 발명에서는 3개의 높이를 갖는 높이결정블록에 대하여 설명하였으므로, 3번의 동일한 과정을 반복하여 3개의 캘리브레이션 이미지를 획득하는 것이 바람직하다.

이러한 높이결정블록을 이용함으로써, 기존과 같이 거리를 이동시켜 캘리브레이션 이미지를 획득할 경우에 비하여, 카메라 이동, 카메라 위치 측정, 미세 조정, 측정 등 복잡한 과정을 수행할 필요가 없어, 전체적인 카메라 캘리브레이션 시간을 단축하면서도 사용자에게 캘리브레이션의 편의성 향상을 도모해주게 된다.

획득한 캘리브레이션 이미지는 전체 측정 영역을 촬영했음에도 불구하고, 도 7에 도시한 바와 같이 레이저 평면에 초점이 맞추어진 레이저 비전 장치에 대해 전체 이미지에서 초점이 맞는 것을 알 수 있다. 캘리브레이션 패턴 블록의 패턴 위치는 ±2.5mm 초점 범위에 포함되어야 전체 이미지의 초점이 맞게 된다.

아울러 상기 획득한 캘리브레이션 이미지는 전체 측정 영역에 대응되므로 측정 거리에 대해 거의 연속적인 캘리브레이션 위치에서 특이점을 추출한 것이 된다. 본 발명에서 추출한 특이점은 전체 카메라의 촬영 범위가 아니라 레이저 비전 장치의 촬영 영역 위주로 배치한 것이므로, 전체 카메라에 대한 켈리브레이션 보다 레이저 비전 장치에 더욱 적합한 캘리브레이션 결과를 도출할 수 있으므로, 레이저 비전 장치의 정밀도를 향상할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

본 발명은 레이저 비전 시스템의 카메라를 캘리브레이션하는 기술에 적용된다.

10: 캘리브레이션 지그
12: 위치결정블록
13: 높이결정블록
14: 몸체
20: 레이저 비전 장치
30: 캘리브레이션 패턴블록

Claims (6)

1. 레이저 비전 시스템의 카메라를 캘리브레이션하기 위한 장치로서,
   캘리브레이션 패턴블록;
   상기 캘리브레이션 패턴블록의 패턴 면을 레이저 비전 장치의 레이저 면에 평행하게 위치시키는 캘리브레이션 지그; 및
   상기 캘리브레이션 지그상에 위치하며, 상기 캘리브레이션 패턴블록을 촬영하여 캘리브레이션 이미지를 획득하고, 획득한 이미지로부터 특이점을 추출하여 캘리브레이션을 수행하는 레이저 비전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치.
   
2. 청구항 1에서, 상기 캘리브레이션 패턴블록은 사각형상의 복수 패턴이 사다리꼴 모양으로 배열된 것을 특징으로 하는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치.
   
3. 청구항 1에서, 상기 캘리브레이션 지그는 몸체; 상기 몸체 상에 위치하며, 캘리브레이션 패턴블록의 높이를 결정하는 높이결정블록; 상기 몸체 상에 위치하며, 상기 캘리브레이션 패턴블록의 장착 위치를 결정하는 위치결정블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치.
   
4. 청구항 3에서, 상기 높이결정블록은 높이가 서로 다르게 설정된 복수의 블록인 것을 특징으로 하는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치.
   
5. 청구항 3 또는 4에서, 상기 높이결정블록은 캘리브레이션 패턴블록의 이미지에 의해 추출되는 특이점을 전체 측정 영역에 위치시키는 것을 특징으로 하는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치.
   
6. 청구항 3에서, 상기 위치결정블록 및 높이결정블록은 캘리브레이션을 위한 특이점이 레이저 비전 장치의 촬영 영역 위주가 되도록 캘리브레이션 패턴블록의 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 비전 시스템의 캘리브레이션장치.
   
   
   
   

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