KR920006740B1 - 비 접촉식 타이어 단면윤곽 형상계측 방법 - Google Patents
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Abstract
요약 없음.
Description
제1도는 본 발명을 설명하기 위한 형상계측 시스템의 개략 블록다이어 그램.
제2도는 본 발명에 의한 센서부에서의 비 접촉식 형상계측 방법에 대한 설명도.
제3도는 본 발명을 설명하기 위한 센서부내의 슬릿광 발생장치의 개략도.
제4도는 교정블록으로부터의 특징점 추출을 위한 최대 곡율점 계산에 대한 설명도.
제5도는 교정블록에서 얻어지는 각종 파라미터에 대한 설명도.
제6도는 본 발명을 설명하기 위한 다축형 로보트 핸드의 구성도 및 센서부와 계측대상물체와 교정블록의 관련 배치도.
제7도는 본 발명을 설명하기 위한 로보트 핸드 구동부의 개략 블록다이어 그램.
제8도는 본 발명의 형상계측방법에 있어 센서부 카메라와 계측대상 물체 사이의 거리에 따른 계측정밀도의 변화에 대한 설명도.
제9도는 본 발명에 따른 계측대상물체에서의 위치이동 계측시 사각 제거에 대한 설명도.
제10도는 본 발명에 따른 교정 플로우 차트.
제11도는 본 발명에 따른 계측 플로우 차트.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 컴퓨터 11 : 로보트 제어부
12 : I/O 포트 13 : 영상처리부
14 : CPU 20 : 로보트 드라이버
21-23 : X-Y축 서어보 제어기 24, 25 : α·β축 제어기
30 : 로보트 핸드 40 : 센서부
41 : 슬럿광 발생장치 42 : 카메라
45 : 지지대 60 : CRT
90 : 계측대상물체 100 : 교정블록.
본 발명은 어떤 물체의 특정부위의 형상 또는 전체적인 형상을 오차없이 정밀하게 계측하기 위한 계측방법에 관한 것으로, 특히 비접촉식 슬릿광 형상검출센서를 이용하여 타이어에서 만일의 카메라로 연속계측이 가능하게 하고 또한 계측시 사각발생을 제거시킴으로써 물체의 3차원적계측 정밀도의 신속도를 높일 수 있도록 한 비 접촉식 단면윤곽 타이어 형상계측방법에 관한 것이다.
일반적으로, 물체의 통상적인 계측방법인 접촉식 형상검출센서를 이용하여 특정물체를 계측할 때, 그 계측대상물체가 비교적 단단한 고체인 경우에는 계측오차가 크게 발생되지 않으나 계측대상물체가 반고체 상태이거나 또는 타이어등과 같이 센서의 접촉에 의해 본래의 형상에 변형이 오는 경우에는 상당한 계측오차를 초래하게 된다.
특히 양쪽 사이드 월(Side Wall)과 트레드(Tread)로 구성되는 타이어의 외각 단면 윤곽을 계측하고자하는 경우에는 상기의 접촉식 센서로는 그 계측자체에 결함을 가지게 되며, 가령 기존의 비접촉식 계측장비를 이용한다 하더라도 각각의 부분에 대한 공간상의 3차원 좌표값을 알아내기 위해 여러가지 기구를 동원하여 수차례 연속 계측 비교해야 하는 번거로움과 계측오차발생을 무시할 수 없게 된다.
본 발명은 상기와 같은 기존의 타이어 형상계측방법에서의 제반문제점들을 일시에 해소하면서 대상물체의 계측효율 및 계측 정밀도를 현저히 향상시킬 수 있는 3차원 동시 형상계측 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 형상계측방법에 대한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제1도에서 도시하고 있는 바와 같이, 로보트 제어부(11), I/O 포트(12), 영상처리부(13) 및 CPU(14)를 포함하는 컴퓨터(10)의 상기 로보트 제어부(11)와 CPU(14)는 로보트 드라이버(20)와 데이터를 주고 받게된다.
상기 로보트 드라이버(20)에 의해 구동하는 로보트 핸드(30)는 비접촉식 형상계측 센서부(40)의 계측위치를 제어하게 되며, 상기 비접촉식 센서부(40)의 형상계측 신호를 상기 영상처리부(13)를 거쳐 CRT(60), 프린트(70), 플로터(80) 등으로 출력되게 된다. 또한 I/O 포트(12)에는 키보드(50)에 의한 형상계측 실행신호 또는 데이터가 입력된다.
제2도는 상기 센서부(40)의 구성과 그 센서부(40)에 의한 형상계측 및 영상신호 전송계통을 나타내고 있다.
여기에서는 지지대(45)상에 슬릿광 발생장치(41)와 카메라(42)를 고정하여, 상기 슬릿광 발생장치(4l)에서 조사되는 슬릿광(평면광)에 의해 계측대상물체(90) 또는 교정블록(100)(제5도에서 도시하고 있음)의 형상에 따라 나타나게 되는 음영의 윤곽을 카메라(42)가 스캔하여 CRT(60)등에 출력되게 하고 있다.
상기 슬릿광 발생장치는 제3도에서 도시하고 있는 바와 같이, 레이저에서 발생된 레이저 비임이 원통형렌즈를 통과하면서 슬릿광으로 변환되게 하고 있다.
제6도에는 로보트 핸드(30)를 상세하게 나타내고 있다. 여기에서 알 수 있는 바와같이, 로보트 핸드(30)는 베이스(31)상에서 X-Y축 방향으로 이동하는 이동판(32)상에 수직폴(33)을 설치하고, 상기 수직폴(33)의 상단 일측에는 홀더(34)를 이용하여 일측 선단에 제1모터 홀더(38)를 가지는 수평바(35)의 타단을 고정한다.
상기 제1모터 홀더(38)에는 제1모터(36)를 수직방향으로 설치하여, 제2모터 홀더(39)에 결합된 제2모터(37)를 비롯하여 센서부(40)가 동시에 좌우방향으로 이동가능하게 하고, 상기 제2모터(37)를 수평방향으로 설치하여 지지대(45)에 결합된 상기 센서부(40)가 상하방향으로 이동가능하게 한다.
또한 제6도에서는 일예로써 타이어를 예시하고 있는 계측대상물체(90)와 교정대(101)상의 교정블록(100)을 상기 센서부(40)가 그 위치를 이동하여 슬릿광으로 조사 및 촬영이 가능하도록 배치됨을 나타내고 있다.
제7도는 상기 로보트 핸드(30)의 베이스(31)내에 설치되는 서어보 모터(311-313) 및 엔코더(314-316)와 각각의 제1, 2스태핑모터(36, 37)가 로보트 드라이버(20)내의 X-Z축 서어보 제어기(21-23)와 α·β축제어기(24, 25)에 의해 제어되게 하고, 상기 X-Z축 서어보 제어기(21-23)와 α·β축 제어기(24, 25)는 컴퓨터(10)내의 CPU(14)의 어드레스 및 데이터에 의해 제어되게 하고 있다.
비 접촉식 단면 윤곽형상 계측장치의 센서부(40)는 제2도와 같이 슬릿광 발생장치(41)와 카메라(42)가 일정한 모양으로 고정되어 한세트로 이루어지므로, 계측대상 물체(90)의 계측부위에 슬릿광을 비추면 계측대상물체(90)와 슬릿광이 만나는 부위에 윤곽형상이 형성되는데 이것을 카메라(42)로 잡아 읽으면 CRT(60)상에 나타난 것과 같은 2차원 영상데이터를 얻을 수 있다.
이 2차원 영상데이터를 해석하는 것으로 슬릿광 조사부위 각 점에 대한 3차원 위치 데이터를 얻어서 타이어등의 계측대상물체(90)에 대한 형상계측이 이루어진다.
3차원 공간좌표는 교정블록(100)으로부터 카메라계에서의 2차원 좌표사이의 교정 매개변수 값을 얻어 여기에 대응시켜 얻게된다.
상기 카메라계란 1개 또는 복수개의 카메라를 이용하는 장치나 평면광 조사장치와 같은 보조기구를 이용하는 장치를 총칭한다.
카메라계의 교정을 위해서는 적어도 몇개의 점에 대해 3차원 공간좌표값과 각점에 대응하는 카메라계에서의 좌표값을 알아야 한다.
교정블록(100)의 모서리 또는 계단부분에 대한 영상을 카메라(42)로 입력하여 컴퓨터(10)로 분석하면 계단의 끝부분과 모서리부분은 직각으로 되어 있기 매문에 다른 점과 쉽게 구별하여 3차원 공간좌표상의 각점에 대한 카메라계의 좌표값을 특징점으로써 알아낼 수 있다.
또, 기준면에서 계단 또는 모서리 까지의 칫수를 이미 알고 있으므로 기준면의 3차원 좌표값만 알고 있으면 각 계단과 모서리에 대한 3차원 좌표값을 알 수 있게 되는 것이다.
영상데이타의 해석을 위한 카메라계의 교정을 살펴보면, 제2도에서와 같이 공간상의 한점 P(x, y, z)가 카메라의 영상면(1mage plane)에 맺힐때 그 영상계에서의 좌표가 P'(U, V)로 나타난다면 P'를 동차좌표계(Homogenous Coordinate)로 표현했을 때(u, v, h)로 표현되고
U=u/h (1)
V = v/h (2)
로 관계 지어진다.
P와 P'는
[x, y, z, l]T = [u, v, h] (3)
로 관계식이 형성되고 식(3)과 (4)로부터
C11x + C21y + C31z + C41= u (5)
C12x +C22y +C32z +C42 = v (6)
C13x + C23y +C33z + C43 = h (7)
식(1),(2)를 (5)(6)에 각각 대입하면
C11x + C21y + C31z + C41= hU (8)
C12x +C22y +C32z +C42= hV (9)
식(7)을 식(8), (9)에 각각 대입하여 정리하면,
C11x+C21y+C31z+C41-C13Ux-C23Uy-C33Uz-C43U=O (10)
C13x+C22y+C32z+C42-C13Vx-C23Vy-C33Vz-C42V=O (11)
식(10),(11)는 다음의 세가지 경우로 이용되어질 수 있다.
경우 1) 영상면에서의 좌표값 : 변환행렬 T와 x, y, z를 미리 알고 있을때, 미지수가 2개(U, V)식이 2개이므로 영상면 좌표값을 알 수 있다.
경우 2) 계측 : 변환행별 T와 U, V를 미리 알고 있을 때, 미지수가 3개(x, y, z)고 식이 2개이므로 해를구할 수가 없다. 따라서 스테레오 비전(Stereo Vision)이나 평면광 투영법(Slit Ray Projection)에 의해 식을 더 추가시키면 해를 구할 수 있다.
경우 3) 교정(Calibration) : 3차원 공간상의 여러점들의 위치(xi, yi, zi)를 알고 각 점들의 영상좌표(Ui, Vi)을 알 때, 변환행렬 T를 구할 수 있다.
식(10), (11)에 의해 2개의 방정식이 존재하고 미지수가 12개이므로 6개점에 대한 공간상의 좌표값 및 영상좌표값(xi, yi, zi, Ui, Vi)이 필요하다.(i=1∼6)
식(10), (11)은 동차 방정식이므로 C43=1로 가정하면 미지수가 11개가 되므로 5.5개 이상의 데이터로도 미지수를 구할 수 있다. 이것을 행렬로 표현하면,
이를 간략히 쓰면
AT=B (13)
식(13)에서 슈도우(Pseudo-Inverse)에 의해 T를 구하면
T= (AtA)-1tB (14)
여기서 평면관투영에 의한 교정을 살펴보면, 한 평면은 3개의 점에 의해 결정되고 그 방정식은
a1x +a2y +a3z +a4=0 (15)
로 표현되며 행렬도
로 표현된다.
계측시 카메라계 자체만으로는 미지수를 알아내기 위해 식이 불충분하므로 평면광 교정을 추가하여 이상의 카메라계 교정과 슬릿광 교정을 동시에 사용하여 3차원 측정을 행하기로 하고, 그에 따른 교정 파라미터를 구한다.
식(3),(4)의 카메라 관련식과 식(16)의 슬릿광식으로부터
식(17)로부터
식(17),(l8)의 관계에서
X=X/H→X-xH=0 (19)
Y=Y/H→Y-yH=0 (20)
Z=Z/H→Z-zH=0 (21)
식 (18)과 (19)로부터
m11U +m21V +m31- x(m14U +m24V +m34)=0 (22)
m12U +m22V +m32- y(m14U + m24V +m34) =0 (23)
m13U +m23V +m33-z(m14U +m24V +m34) =0 (24)
U, V, x, y, z를 안다면 미지수가 12개가 되며(만약 M34=1로 하면 11개)식은 3개이므로 적어도 4점에 대한 공간상의 좌표값과 영상좌표값을 알면 된다.
이것을 행별로 표현하면,
식(25) 를
Tm =W (26)
로 표현하면, 미지수 m은 슈도우 인버스에 의해
m = (T'T) T'W (27)
로 계산되어 진다.
일단 m이 결정되면 영상좌표계에 나타나는 점들의 좌표 U, V를 알때 이로부터 해당되는 점의 3차원 공간상의 좌표를 알 수 있다.
즉, 식(22),(23),(24)로부터 M34=1로 했을 때
x = (m11U+m21V+m31) / (m14U+m24V+1) (28)
y = (m12U +m22V +m32) / (m14U +m24V +1) (29)
z = (m13U +m23V +m33) / (m14U +m24V +1) (30)
식(25)로부터 슬릿광 발생장치(41)와 카메라(42)로 구성되는 센서부(40)를 사용하여 3차원 측정을 하기 위한 mij를 구하기 위해서는 교정과정에서 최소한 네점에 대한 데이터가 필요함을 알 수 있다. 이 네개의 점들은 각각 공간상에서의 계의 3차원 좌표값을 미리 알고 있어야 하므로 교정을 위한 제5, 6도의 교정블럭(100)의 계단부분에 슬릿광을 비춘 다음 비쳐진 부분을 카메라(42)로 보면 제5도에서와 같은 슬릿광의 영상이 읽혀진다. 이때 공간좌표계내의 알고 있는 각 특징점의 x, y, z 값(x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3, x4, y4, z4)와 영상계(센서부계 내부)에서의 좌표값 U, V 값(U1, V1, U2, V2, U3, V3, U4, V4)을 (26)식에 대입하여(27)식과 같이 m값을 구함으로서 센서부 교정을 행한다. 이러한 교정을 위해서는 영상계에서의(CRT에서의) 모서리점을 구별해 내어서 각점의 영상계내의 2차원 좌표값(U, V값)을 알아낸 다음, 공간상의 3차원좌표값(x, y, z값)과 카메라 좌표계 값을 대응시켜 나가야 한다. 공간상에서의 모서리점들의 3차원 좌표값은실제 좌표계에서의 실측에 의해 알 수가 있고, 모서리점의 영상좌표계에서의 값을 구하기 위한 모서리 판별은 곡률 극대점 추출방법을 사용한다.
제4도에 나타난 점 Pi에서의 곡률 Cik는
Y', Y", Yi도 같은 방법으로 계산된다.
이들로부터 최대 곡률치 Cim을
로부터 계산하고, 최대 곡률치가 Cim인 점 P1는 아래 조건을 만족할 경우 곡률 극대점이 된다.
* Cjn은 점에 있어서의 최대곡률치
이상의 곡률극대점 추출방법에 의하여 CRT(60)에 나타난 영상계의 각 U, V로 나타내어지는 특징점(모서리점)을 찾아낸다. 센서부(40)의 교정이 이루어져서 변환 파라메타 M((식) 18의 m행렬)이 구해짐으로서 교정이 완료되며 이를 토대로 피측정물체의 각 점의 공간상 위치는 (식) 28, 29, 30에 의해 계측된다.
그러나 시스템의 계측 정밀도에 영향을 미치는 항목의 하나는 센서부(40)의 구성요소의 하나인 카메라(42)의 분해능(Resolution)인데 예를들어 한 화면이 처리하는 피측정률의 대략적인 길이가 50m/m이고 카메라(42)의 주사선이 약 500선이면 분해능은 0.lm/m로 제한된다. 그런데 이렇게 해서 실제 측정하고자 하는 부위의 길이가 카메라(42)로 한번에 잡을 수 있는 길이를 초과하고 제8도에서와 같이 한 화면이 잡을수 있는 피측정물의 길이를 카메라를 가까이 근접시키거나 렌즈조절에 의해 접사시켜서 계측의 정밀도를 높일 수 있다. 이와같이 한번에 계측이 이루어지기 어려운 상황이면 센서부(40)를 적당히 이동시켜가면서 각각 계측을 수행한 다음 서로를 연결하는 방법을 제11도에서와 같이 사용하고 있다.
제11도의 계측 플로우차트를 살펴보면, 제1도의 키보드(50)등에 의해 입력되는 머니플레이터(Manipulator)의 이동위치 경로 사양에 따른 컴퓨터(10) 및 로보트 드라이버(20)에서의 머니플레이터 제어위치생성 및 머니플레이터의 이동, 즉 로보트 핸드(30)의 이동으로 센서부(40)의 슬릿광 발생장치(41) 및 카메라(40)에 의하여 영상을 획득한다.
이러한 2차원적 영상에서 중심선을 추출하여 여기에 센서부(40)의 파라미터를 적용함으로써 3차원(도면주에서는 3D라 표시하고 있음) 정보를 추출하여 저장한 후 계측 데이터를 접합시켜 그 데이터를 출력하거나 로보트 핸드의 이동을 다시 제어하거나 종료한다.
이러한 계측대상물체의 계측에 앞서, 제10도의 플로우차트와 같은 교정이 실행되는데 이를 설명하면 다음과 같다. 교정실시시 머니플레이터를 교정위치로 이동하고 또한 교정블록의 위치를 설정한다.
상기 머니플레이터의 교정위치에서 교정영상이 획득되면 여기에서 윤곽중심선으로부터 특징점을 추출하여 센서부의 파라미터를 꺼내 저장한다. 이때, 특징점의 3D 좌표가 참조된다. 이러한 파라미터를 평가하여, 적합하면 종료하고 부적합하면 다시 머니플레이터의 위치를 교정위치로 이동한다.
한편, 상기와 같은 계측은 측정정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 계측시 발생될 수 있는 사각의 가능성을 배제한다.
상기 사각 가능성의 배제는 제9도에서 도시하고 있는 바와 같이 로보트 핸드에 의한 카메라(42) 이동시 계측대상물체의 계측범위를 오우버랩 시켜 놓는 것으로 충분히 설명된다.
센서부(40)의 이동방식에 의한 계측의 실시는 제6도와 같은 로보트 핸드(30)의 말단에 카메라(42)를 포함하는 센서부(40)를 부착한 것에 의해 실행된다.
이 경우 센서부가 X, Y, Z의 직각 좌표 3개축과 α,β의 2개 회전축에 의해서 이동 및 회전하게 되므로 여기에 대한 고려가 있어야 한다. 예를들어 타이어의 임의의 한 점의 측정치가 (x1, y1, z1)이고 이때 각 축(X,Y,Z)에 대한 이동량이 (p, q, r)이고 회전량이 α1, β1일때 로보트의 이동량을 고려한 실제의 측정치(x2, y2, z2) 는
[x2, y2, z2] = [x1, y1, z1]R+T (36)
여기서 T=[p, q, r] : x, y, z축의 이동량
R은 회전을 나타내는 행렬로서 제6도에서와 같이 α축의 회전량은 Z축에 평행한 회전량에 대응되고 β축의 회전량은 α축의 회전량에 따라 (90도 또는 180도) X축 또는 Y축에 평행한 회전량에 대응된다. 즉
R =AB (37)
또는
편의상 이때 계측된 좌표값의 기준계는 교정시 얻어진 좌표값에 계를 기준으로 한다. 예를를면 타이어의 트레드(Tread)를 측정한 경우 α=90, β=90°(X축 평행)이므로
[x2, y2, z2] = (38)
이와같은 다축형 로보토 핸드(30)의 수식 제어과정을 첨부한 제6도 및 제7도를 참고로 하여 서술적으로 기술하면 다음과 같다.
로보트 드라이버(20)내의 X-Z축 서어보제어기(21-23)와 α,β축 제어기(24,25)에는 컴퓨터(10)로부터 각각의 데이터와 어드레스가 각각의 버스를 통하여 인가되므로, 상기 X-Z축 서어보제어기(21-23)는 상기컴퓨터(10)로부터의 데이터에 따라 베이스(31)내부의 각 서어보모터(311-313)를 제어한다.
이에따라 이동판(32) 및 수직폴(33)이 각각 X, Y축 및 Z축 방향으로 이동하므로, 수평바(35)에 제1, 2모우터 흘더(38, 39) 및 지지대(45)를 통하여 결합고정된 센서부(40)는 계측대상물체(90)를 이동하면서 스캔한다.
또, 상기 각 서어보모터(311-313)에 부가되어 있는 각각의 엔코더(314-316)는 각기 서어보모터의 회전각을 부호화하여 다시 각각의 서어보제어기에 제공하므로 로보트 드라이버에서는 이 부호화 신호를 계속 받아들여 서어보 모터가 소정의 제한량 만큼 회전하게 하였을 때 정지하도록 하는 식으로 시간적으로 제어한다.
한편, 로보트 드라이버(20)의 α,β축 제어기(24, 25)는 하모닉 드라이버(361,371)(도면상에서는 H.D로 표현하고 있음)를 통하여 각각의 제1스태핑 모터(36)와 제2스태핑모터(37)에 제어신호를 공급하는데, 이에 따라 수평바(35)의 일측선단의 홀더(38)에 고정된 상기 제1모터(36)는 제2모터(37)를 포함하여 센서부(40)를 α축을 중심으로 하여 회전하고, 상기 제1모터(36)의 α축상에 수직방향인 β축에 설치되는 제2모터(37)에 의해서는 센서부(40)가 계측대상물체(90)를 β축을 중심으로 하여 회전하면서 그의 외각형상을 스캔한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 컴퓨터로 제어되는 다축 로보트 핸드에 카메라와 슬릿광 발생장치를 실어, 단일의 카메라만으로 시간적 변화에 따른 계측대상물체의 단면 외각형상을 스캔하고 이를 교정블록에 대응처리 계산하여 공간 3좌표상에 계측대상물체를 표현할 수 있게 되므로, 특히 사이드 월이나 트레드등으로 형성된 타이어등의 단면 외각형상을 오차없이 신속하게 계측할 수 있는 특유의 효과가 나타나게 된다.
Claims (1)
- 물체의 비접촉식 형상측정 및 인식장치에 있어서, 슬릿광 발생장치(41)와 카메라(42)를 포함하는 센서부(40)가 다축형 로보트 핸드(30)에 의해서 X-Z축 및 α,β축 방향으로 이동가능하게 하고, 상기 센서부(40)의 슬릿광을 교정블록(100)에 스캔 조사하고 촬영하여 얻어진 2차원 교정좌표값에 실제 교정블록(100)의 칫수를 대입시켜 3차원 공간좌표값을 컴퓨터(10)로 계산하고, 상기와 같은 방법을 통하여 계측대상물체(90)에서 얻어진 2차원 계측좌표값을 상기 3차원 공간좌표값에 대응계산 처리하여 상기 계측대상 물체가 3차원 좌표에 기초한 형상으로 CRT(60)상에 출력되게 하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 타이어의 단면윤곽 형상계측방법.
Priority Applications (4)
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1990
- 1990-04-30 KR KR1019900006152A patent/KR920006740B1/ko not_active IP Right Cessation
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