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레이저 구조광을 이용한 로봇 목표 추적 방법
Robot Target Tracking Method using a Structured Laser Beam 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.12, 2013년, pp.1067 - 1071  

김종형 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  고경철 (선문대학교 정보통신공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A 3D visual sensing method using a laser structured beam is presented for robotic tracking applications in a simple and reliable manner. A cylindrical shaped laser structured beam is proposed to measure the pose and position of the target surface. When the proposed laser beam intersects on the surfa...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기하학적 모델을 유도하고 센서 캘리브레이션 및 3차원 측정 기법을 제안하였다. 또한 이를 기반으로 가볍고 소형의 센서 시스템을 제작하였으며 여기서 얻어지는 영상을 이용해 노이즈에 강건한 특성을 갖는 영상처리 및 로봇의 추척 작업을 수행함으로써 이 센서 시스템이 실제 로봇의 응용 작업에 유용함을 보이고자 한다.
  • 구조화된 원형 빔이 만든 대상물 표면의 타원 패턴에 대한 기하학적 모델을 유도하고, 타원 패턴의 불연속 점 또는 흠집의 3차원 좌표를 구하였다. 본 논문에서는 곡선과 계단형 용접선을 대상으로 추적 작업을 실행하고 이에 따른 오차를 분석하였다.
  • 본 논문에서는 용접선 추적 과 같은 로봇 응용 작업에 유용한 원형 레이져 빔을 사용하여 작업 면까지의 거리와 자세 정보를 파악하고, 용접선과 같은 특정한 불연속 점을 인식하는 방법을 제안하고자 한다. 기하학적 모델을 유도하고 센서 캘리브레이션 및 3차원 측정 기법을 제안하였다.
  • 본 논문에서는 원형 레이져 빔을 사용하여 작업 면까지의거리와 자세 정보를 파악하고, 용접선 이음매와 같은 특정한 불연속 점을 인식하여 로봇이 추적하는 방법을 보여 주었다.
  • 본 실험의 목적은 본 센서가 로봇과 협력하여 얼마나 용접선의 3차원적 위치를 잘 찾고 궤적을 잘 만드느냐를 살펴보고자 한다. 본 실험에서는 로봇에 장착된 센서가 작업 전에 용접선을 추적하여 자동으로 궤적을 만들어 주는 과정을 보여 주고자 한다.
  • 본 실험의 목적은 본 센서가 로봇과 협력하여 얼마나 용접선의 3차원적 위치를 잘 찾고 궤적을 잘 만드느냐를 살펴보고자 한다. 본 실험에서는 로봇에 장착된 센서가 작업 전에 용접선을 추적하여 자동으로 궤적을 만들어 주는 과정을 보여 주고자 한다.
  • 본 실험의 특징은 비록 용접선에 대한 사전 정보가 없더라도 센서가 이를 추적하여 용접선의 정보를 찾는 것이 핵심이다. 이들 정보를 기반으로 로봇의 궤적을 생성하고, 실제 궤적과 얼마나 벗어났는지 오차를 분석하였다.
  • 센서 시스템은 그림 1과 같이 원형의 빔을 만드는 레이져 광학부 그리고 비전 카메라로 구성되어 있다. 영상 상의 좌표값과 실제 대상물의 좌표값 사이의 관계를 만들고자 기하학적 모델을 유도하고자 한다. 이를 위해 3개의 좌표계를 그림 1에서와 같이 영상 좌표계 {I}, 레이져 좌표계 {L}, 그리고 대상물에 붙어 있는 대상물 좌표계 {O}를 정의 한다.

가설 설정

  • 대상물은 용접선 추적 작업과 유사하게 그림 4와 같이 만들었다. 대부분의 용접 작업은 직선과 곡선의 혼합으로 구성되었다고 가정하여 본 실험에서 용접선의 형상은 계단형 직선과 곡선형 두 가지에 대하여 실험하였다. 용접선은 평면상에 있으며, 용접선 이음매의 폭은 15 mm이고, 용접선 전체 길이는 대략 1400 mm정도이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대상물체의 3차원 정보를 인식하는 대표적인 방식은 어떤 시스템인가? 시각 센서를 이용한 산업용 로봇의 작업은 보통 로봇의 엔드이펙트(end-effector)에 카메라를 장착하여 작업 대상과 엔드이펙트 사이의 상대적인 위치 및 방향정보를 얻음으로써 이루어진다. 이러한 대상물체의 3차원 정보를 인식하는 대표적인 방식으로는 2대의 카메라를 이용한 스테레오 비전시스템과 특정한 패턴의 광원과 한 대의 카메라로 구성되는 구조광 시스템을 들 수 있다.
구조광 시스템이란? 구조광 시스템은 광삼각법[3]을 이용하여 3차원 정보를 계산하는 방식으로 시스템의 구성이 간단하며 처리시간이 빠르다는 장점으로 인해 검사 및 측정, 로봇응용 분야에 많이 사용되고 있다. 특히 산업용 로봇의 응용작업분야에서 구조광 시스템은 로봇의 엔드이펙트 에 부착되어 3차원 거리와 방향정보를 얻어냄으로써 용접선 추적, 도장(spray painting), 거리 측정, 결함 검출, 물체 취급 등의 다양한 작업이 가능하며 이에 따라 점, 선, 망, 원 등의 다양한 패턴의 빔(beam)을 이용해 3차원 정보를 얻는 방법이 연구된바 있다.
구조광 시스템에서 많이 쓰이는 선 모양은 작업시간 관점에서 어떤 단점이 있는가? 선 모양은 구조광 시스템에서 가장 많이 쓰이는 패턴중의 하나로 측정시간이 빠르고 캘리브레이션이 간단하다는 장점이 있으나 검출영역이 점과 선으로 제한되어 있어 측정 면의 법선 벡터의 계산이 불가능하다. 또한 특정 영역의 형상을 알기 위해서는 스캐닝이 필요해 전체적인 작업 처리시간이 길어지는 단점을 가지고 있었다.
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참고문헌 (9)

  1. H. I. Kim and G. S. Kim, "Development of a robot's visual system for measuring distance and width of object algorithm," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 2, pp. 88-92, 2011. 

  2. K. C. Lim, "Dimentional measurement of 3-D objects through stereo-metric image processing," Korea Advanced Institute of Science and Technology, 1985. 

  3. C. P. Day, "Robot accuracy issues and methods of improvement," Robotics Today, vol. 1, Spring 1988. 

  4. S. Gordon and W Seering, "Locating polyhedral features from sprase light stripe data," Proc. of IEEE Robotics and Automation, pp. 801-806, 1987. 

  5. Y. F. Wang, A. Mitiche, and J. K. Aggarwal, "Computation of surface orientation and structure of objects using grid coding," IEEE, Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence archive, vol. 9, pp. 129-137, 1987. 

  6. O. Duran, K. Althoefer, and L. D. Seneviratne, "State of the art in sensor technologies for sewer inspection," IEEE Sensors Journal, vol. 2, no. 2, pp. 73-81, Apr. 2002. 

  7. J. H. Kim, H. S. Cho, and S. K. Kim, "Visual measurement of a 3-D plane pose by a cylindrica; structured light," Proc. of Intenational Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1845-1850, 1993. 

  8. J. Shin and S.-Y. Yi, "Ring array of structured light image based ranging sensor and autonomous navigation for mobile robot," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 18, no. 6, pp. 509-611, 2012. 

  9. Press, William H, "Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing," Cambridge, 1992. 

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