비전 시스템을 이용한 로봇 가이드
코그넥스 비전 시스템의 로봇 적용 사례
글로벌 경쟁 시대에서 자동화는 신규 마켓의 품질을 유지하고 노동비용 상승에 대응하는 중요한 역할을 한다. 본래 머신은 특정 생산 과정 및 조립, 원자재 처리작업을 자동화하기 위해 구현된 것으로 현재 산업용 로봇의 자동화로 제품을 생산해 내고 있는 것은 물론 새로운 작업에 각각 대응 가능한 개조된 자동화 머신들도 속속들이 등장하고 있다.
로봇은 예상하지 못한 조건에는 반응할 수 없어서 대상이 동일한 위치에 없기만 해도 감지가 불가능하다. 이에 최근 머신비전은 로봇이 변화하는 조건에도 반응하는 기능을 부여하기 위해 개발에 열을 올리고 있다.
예를 들어 컨베이어 상에 부정확하게 위치하고 있는 부품을 로봇 팔로 가이드하거나 위치를 확인할 수 있도록 2차원(2D) 머신비전을 이용해 스스로 충족(Feed)시키는 것이다. 부품이 머신비전 카메라의 심도 및 FoV(Field of View)를 넘어설 만큼 크거나 높지 않고 평면상에 위치하는 한 2D 비전-가이드 로봇은 대상의 위치가 동일하지 않아도 반복적인 작업에 있어 뛰어난 효율을 발휘할 수 있다.
3D(Three-Dimensional) 머신비전 기술은 보다 높은 수준의 효율성 및 생산성을 갖춘 로봇 생산을 실현할 수 있는 핵심 기술이다. 다양한 3D 머신비전 기술을 통해 비전-가이드 로봇은 컨베이어, 선반, 용기 상에서 거의 모든 크기 및 모양의 제품을 조립하고 처리할 수 있다. 자동화 범주를 넘어서는 분야라고 생각됐던 육가공, 정밀 용접, 차량 도색의 작업들도 3D 비전-가이드 로봇으로 전보다 빠르고 저렴하게 검사가 가능하게 됐다.
2D 대 3D : 실제 상황에 부응
컨베이어나 인덱스 테이블 검사에서는 2D 공간이 필수적으로 요구된다. 부품이 상대적으로 작거나 평면상에 놓여 있는 경우도 2D 비전-가이드 로봇 솔루션은 가장 효율적으로 이를 해결할 수 있다. 이러한 시스템에는 일반적으로 머신비전 프로세싱 시스템과 연결돼 있는 오버헤드 카메라가 장착돼 있다. 이 카메라는 작업대를 내려다보고 있으며 Cartesian이나 SCARA (Selective Compliant Articulated Robot Arm) 로봇이 포함돼 2~4 자유도를 제공하기 때문에 2D 비전-가이드 애플리케이션에 적합하다.
비전-가이드 로봇 애플리케이션 설치 및 작동의 첫 번째 단계는 비주얼 좌표 시스템을 로봇의 물리적 좌표 시스템으로 보정하는 것이다. 2개의 좌표 시스템이 동일하다면 간단하겠지만 렌즈 왜곡이나 조명변화 및 다른 요소들로 인해 비전 시스템이 ‘실물(Real World)’을 보는 방법에 영향을 줄 수 있으며 비전-가이드 로봇 프로그램에 오류를 유발할 수도 있다.
카메라를 컨베이어 표면과 수직으로 직접 배치하거나 보정방법(일반적으로 정해진 치수의 보정 ‘타켓’을 포함)을 사용함으로써 2D 비전 시스템은 로봇의 물리적 좌표 시스템으로 비주얼 좌표 시스템을 조정할 수 있다. 이제 머신비전 시스템은 컨베이어 위에 배치된 부품의 이미지로부터 중요한 위치 데이터를 추출할 수 있는 것이다.
로봇 센터나 타겟 대상의 출발점으로부터 2D 맵을 만들기 위해 오버헤드 카메라에서 이미지 처리 소프트웨어가 동작하고 있는 PC나 임베디드 컴퓨터로 이미지를 전송한다(만약 작업 면적이 카메라의 공간 분해능 요건과 비교해 너무 크다면 작업셀은 다중 오버헤드 카메라가 필요할 수 있으며 이 카메라들은 로봇이 대상물을 픽업하는 곳과 용접대 앞과 컨베이어가 지나가는 곳에 하나씩 배치될 수 있음).
각각의 경우 기하학 패턴 매칭과 같은 머신비전 알고리즘은 각 카메라의 이미지를 분석하고 이미지에 있는 모서리, 나사, 다른 명확한 표면 특성과 같은 대상물의 특성 위치를 확인한다. 그러고 나서 대상물과 컨베이어 표면의 해당 지점으로부터 거리를 측정함으로써 비전 시스템은 중심선에서의 거리 및 방향을 비롯한 로봇의 프로그램 경로 2D 맵을 만들 수 있다. 그런 다음 ‘오프셋’으로 간주되는 위치는 로봇 컨트롤러로 전송되며 이 거리 및 방향 정보는 로봇을 대상물로 가이드하기 위해 사용된다.
마이크로칩처럼 작지 않은 테이블 상의 대상물에 대한 추정을 컨베이어 테이블 상에서는 수 밀리미터 수준으로 확대해야 하기 때문에 이는 2D 공간에서는 처리할 수 없다. 대상물이 자유공간에 걸려있는 선반에서 가져와야 하는 차량용 펜더라면 어떻게 될까?
이 경우 비전-가이드 로봇 작업셀 디자이너는 항상 동일한 위치나 방향에 적재된 패널처럼 처리할 수 있다. 이와 같은 자동 랙킹 애플리케이션에서 각 패널은 이전 제품과 비교해 뛰어난 성능을 발휘한다.
따라서 각 패널은 이전 부품과 비교해 3D 공간(변형)에서 다른 위치를 가지고 있거나, 각 축이 다른 방향(회전)을 가지고 있을 가능성이 크다.
까다로운 ‘빈-피킹(Bin-Picking)’ 애플리케이션에서 부품은 체계적인 포장이나 보호판재 없이 용기에 부정확하게 배치될 수 있다. 이 두 경우, 비전 시스템은 프로그램 돼 있는 다관절 로봇의 이동을 6자유도 적재된 부품으로 맞춰질 수 있도록 3D 공간에서 부품 위치를 확인해야 한다.
3D VGR(Vision-Guided Robotics)을 이용한 작업머신비전은 3D 로봇 가이드를 제공하기 위해 4개의 주요 기법을 제공한다.
● 단일-카메라 삼각측량
● 입체 혹은 다중-카메라 삼각측량
● 구조적인 조명
● ToF(Time of Flight)
설계자는 각 솔루션의 장단점을 이해하고 어떻게 산업용 애플리케이션에 부합하는지를 이해해야 한다.
4개의 주요기법
단일-카메라 및 다중-카메라 삼각측량
단일-카메라 및 다중-카메라 삼각측량은 모두 서로 다른 관점에서 촬영된 동일한 FoV의 다중 이미지로 시작된다. 간혹 단일 카메라는 로봇이 다중 사진을 촬영하기 위해 주변으로 이동할 수 있도록 로봇 팔에 장착되기도 하며 다중-카메라 3D VGR 시스템에 비해 시간은 더 많이 소요되지만 비용은 절감된다.
기하학 패턴 검색 알고리즘은 각 이미지 핵심 특성의 위치를 확인한다. 각 이미지는 서로 다른 측면을 나타내기 때문에 핵심 특성은 위치 및 모양, 크기가 변한다. 보정 설정 루틴 동안 각 이미지의 특성들이 어떻게 다른지 수치상으로 분석하고 보정 대상의 유사한 수치들과 비교함으로써 머신비전 시스템은 정확하게 부품의 3D 위치와 방향을 계산할 수 있다.
시스템은 더 많은 이미지를 비교하고 더욱 정확한 3D 데이터를 얻을 수 있다. 하지만 더 많은 사진을 찍으면 처리량은 줄어든다.
단일 혹은 다중-카메라 삼각측정
3D VGR 시스템은 넓은 면적에 걸쳐 보다 높은 정확도의 3D 위치 데이터를 제공할 수 있기 때문에 이러한 기법은 조립 및 분배, 도색 애플리케이션을 위해 자동차 및 다른 내구재 산업에 사용되고 있다.
구조화된 조명
구조화된 조명 솔루션은 삼각측량에 사용되며 기존 방식의 조명에 비해 단일 혹은 다중-카메라 삼각측량 3D VGR 시스템에서 보다 높은 정확도를 제공할 수 있다. 이 구조화된 조명 솔루션은 표면 위를 투사하기 위한 레이저 광이나 주기적인 라인 필터를 갖춘 표준 램프를 사용한다.
라인은 전체 면적을 비추는 것보다 더욱 체계적인 조명을 구축할 수 있다. 타겟 대상물의 표면 위를 투사하는 라인이 나타내는 이미지를 분석하고 라인의 모양이 어떻게 달라지는지를 측정함으로써 3D 비전 시스템은 타겟 대상의 표면에 대한 3D 맵을 만들 수 있다. 또한 이러한 기법은 단일 카메라의 단일 이미지로부터 3D 데이터를 생성할 수 있다. 구조화된 조명을 갖춘 3D VGR의 정확성은 카메라 공간 분해능의 증가 및 투사된 라인 패턴의 밀도가 증가함에 따라 향상되며 작업면적의 크기가 늘어남에 따라 감소한다.
구조화된 조명의 3D VGR 솔루션은 기하학 패턴 검색 알고리즘에 필요한 표면 특성을 찾아내기가 어려운 매끈하고 반사가 심한 부품의 경우 매우 탁월한 선택이다. 특수 조명은 전반적인 시스템 비용 및 정확도를 배가시키며 조명이 일관되게 유지된다면 안전문제도 개선 가능하다. 하지만 금속판이나 광택이 나는 금속 부품의 경우에는 구조화된 조명이 가장 비용 효율적인 솔루션이 될 것이다.
ToF(Time Of Flight)
ToF 카메라는 기술이 발표된 지는 꽤 지났지만 상업용 산업용 카메라 분야에서는 비교적 새롭다. 이 특수 카메라는 조명원에서 타겟 부품을 지나 다시 카메라로 돌아오기까지 빛의 이동 시간을 측정하기 위해 다양한 광원 및 비접촉 방법을 사용한다. 각 픽셀은 특정 포인트의 3D 데이터를 산출할 수 있다. 그러나 이러한 특수 카메라는 일반적으로 픽셀 수에 한계가 있기 때문에 공간 분해능 또한 전통적인 CCD 및 CMOS 산업용 카메라에 비해 제한적이다. ToF 카메라는 밀리미터 혹은 센티미터 단위의 정확도가 요구되는 넓은 작업공간에서 3D VGR 애플리케이션을 위한 매우 효과적인 솔루션이 될 수 있다.
3D VGR로 시작하기
모든 비전-가이드 로봇 애플리케이션은 동일한 위치, 즉 타겟 부품에서 시작한다. 사용자는 다음과 같은 내용은 물론 이에 국한되지 않고 수많은 질문을 해야 한다.
● 처리해야 하는 부품이 무엇이고, 어떻게 비전 시스템에 보여질 것인가?
- 대형 혹은 소형인지, 반사가 되는지 아닌지, 깨지기 쉬운지 견고한지
● 해당 애플리케이션이 근본적으로 2D인가 혹은 3D인가?
● 어떤 로봇이 이 애플리케이션에 필요한가?
- 세정 혹은 클린룸이 필요한 SCARA? 대형 탑재 장비인 Cartesian? 3D 생산 및 원자재 처리를 위한 다관절 로봇?
● 조립한 부품의 이력추적 및 품질 검사를 동시에 할 것인가?
- 검사 및 결함 분류를 위한 전용 스마트 카메라를 이용하거나 VGR 솔루션에 autoID 카메라 추가
● 어떤 머신비전 시스템이 필요한가?
- 2D VGR을 위한 스마트 카메라? 적정한 처리량을 위한 PC 호스트를 갖춘 단일-카메라 기반 구조적인 조명 솔루션? 고해상 및 작업반경이 넒은 3D VGR을 위한 입체적인 다중-카메라?
● 로봇을 위한 2D 및 3D 오프셋을 생성하고 사용자의 필요에 따라 최대한 부품의 결함을 검사하기 위해서는 어떤 카메라가 필요한가?
- 스마트 카메라, 고해상도 CCD, 높은 프레임-레이트 CMOS, 오버헤드 장착, 로봇 장착 등
● 머신비전 시스템이 작업을 완수하기 위해 필요한 것은 무엇이며 어떻게 이미지-처리 소프트웨어 선택에 영향을 미치며 VGR 시스템이 생산성을 저하시키지 않기 위해서는 어떤 컴퓨터 하드웨어가 필요한가?
- 특수 3D VGR 알고리즘이 필요한가? 특정 로봇 컨트롤러 제조업체를 위한 API(Application Pro- gramming Interfaces)? 스마트 카메라 대 PC 호스트?
● 어떤 조명 혹은 어떤 조합이 해당 VGR 애플리케이션에서 가장 잘 동작할 것인가?
- 스트로브, 컬러, 레이저 등
● 로봇과 비전 시스템 및 설비 네트워크 사이에 어떠한 네트워크 커넥티비티가 필요한가?
- 시스템이 MES(Manufacturing Execution System)와 연결되는가? 이미지는 차후 분석을 위해 기록되는가?
● 오퍼레이터가 어떻게 VGR 솔루션과 소통하는가?
- 로봇 컨트롤러와 비전 시스템 상의 HMI, 터치스크린 비전-가이드 로봇 애플리케이션에 익숙한 전문가와 작업함으로 이러한 질문에 대한 해답을 손쉽게 얻을 수 있으며 일반적인 위험 요소들을 피해갈 수 있다.
예를 들어, 로봇-장착 카메라는 카메라에서 비전 시스템으로 데이터를 전달하기 위해 케이블이 필요하다. 로봇의 거듭되는 반복 동작은 케이블에 스트레스를 줄 수 있으며, 잘못된 케이블은 로봇의 이동을 제한할 수 있다. 다수의 업체들이 이러한 문제를 방지할 수 있도록 VGR 애플리케이션을 위한 특수 ‘플렉스(Flex)’ 케이블을 공급하고 있다. 머신비전 공급업체는 데이터 케이블과 전원 케이블이 하나로 통합돼 있는 PoE(Power over Ethernet) 솔루션을 제공함으로써 통합을 보다 용이하게 해주며 로봇에 고정되어야 하는 케이블의 규모도 줄일 수 있다.
또한 시스템 통합업체는 사용자들이 로봇과 비전 시스템간의 통신 요건 및 모든 중요한 보정작업을 간소화하는 고성능의 머신비전 소프트웨어 솔루션을 선택하도록 도와준다. 예를 들어, 코그넥스의 VisionPro 보정 루틴은 모든 산업용 카메라에 공통적인 렌즈 왜곡이나 롤-오프(Roll-Off)를 정정할 수 있을 뿐만 아니라 비전 좌표 시스템을 로봇 좌표 시스템에 따라 더 신속하게 정렬할 수 있도록 해준다.
또한 대부분의 로봇은 직렬 혹은 이더넷 통신을 이용해 비전 시스템과 통신하며 모든 로봇 컨트롤러는 데이터의 통신 방식에 따라 고유의 요건을 가지고 있다. 코그넥스는 다음과 같은 표준 직렬 통신이나 특수 직렬 통신을 사용하는 로봇을 위한 드라이버를 제공함으로써 이를 해결하고 있다.
VGR 경쟁이점
효과적으로 로봇 시스템을 활용하는 기업들은 처리량을 증대시키고 생산비용을 절감할 수 있다. 즉 제품 품질 향상, 재작업 및 폐기물 감소, 전 지역에 걸쳐 제품 품질의 정규화, 낮은 노동비용과 상관없이 최종 마켓에 근접한 생산 설비 구축, 기존 노동비용 절감, 추가 고용 및 교육, 초과근무수당을 발생시키지 않고도 생산교대 증대, 위험지역이나 반복적인 작업으로부터 작업자 보호 등이 가능하다.
이러한 기업들은 머신비전 기술을 채택함으로써 제품의 이력을 추적하고 법적 분쟁을 최소화하는 것은 물론 공급망 관리를 개선하고 품질향상, 까다로운 생산라인 및 공정의 문제를 손쉽게 해결하고 2D 혹은 3D 비전 가이드를 부가하여 로봇 자동화 적용 분야를 대폭 확장할 수 있게 됐다.
사전-설정(통합) 직렬 통신 지원
● 모토맨(Motoman)
● 쿠카(Kuka)
● ABB
● 화낙(Fanuc)
● 덴소(Denso)
● 스타블리(Staubli)
● 가와사키(Kawasaki)
표준 직렬 통신을 사용하는 로봇
(특수 드라이버 없음)
● 어뎁트(Adept)
● 엡손(Epson)
● IAI
● 미쓰비시(Mitsubishi)
● 나치(Nachi)
● 야마하(Yamaha)
출처 | 코그넥스(www.cognex.com)
SPF(Soot Particle Filter), 2D 로봇 가이드
엥겔하드 테크놀로지스(Engelhard Technologies)는 자동차 산업을 위한 SPF(Soot Particle Filter)를 생산하는 동안 원자재를 처리하기 위해 로봇을 사용한다. 로봇 공급업체인 스타블리(Staubli)는 VGR(Vision-Guided Robotics) 전문업체인 코그넥스로부터 비전 시스템을 제안 받았다.
코그넥스의 In-Sight Explorer 스마트 카메라 소프트웨어의 효율적인 개발 환경 덕분에 ‘픽&플레이(Pick-and-Place)’ 비전-가이드 로봇 솔루션을 불과 4주 미만에 작동시킬 수 있었다. 로봇 셀에 사용되는 In-Sight 비전 시스템은 각각 25개의 필터 변형을 인식해야 하며 정확한 위치를 확인하고 정밀한 데이터를 로봇에게 전달해 각 제품상의 2D 코드를 판독해야 한다.
In-Sight 소프트웨어에 통합돼 있는 기하학 패턴 인식을 위한 PatMax 알고리즘을 사용한 이 2D VGR 솔루션은 99.9%의 정확도를 달성할 수 있었다. 또한 In-Sight 컬러 비전 센서를 이용함으로써 작업셀은 각 필터에 대한 그린 품질 라벨 유무를 검증하고 콘테이너의 부품 수에 대한 검증도 가능했다. 적재된 부품의 수를 지속적으로 확인해 실제 생산된 제품의 수를 비교함으로써 엥겔하드 테크놀로지스는 시스템 개발 불과 이틀 후에 불량/손실 규모를 확인할 수 있었다.
모든 산업분야를 위한 비전-가이드 로봇
이탈리아의 티제 로봇(Tiesse Robot)은 산업 자동화 및 비전-가이드 로봇 솔루션 분야의 선두주자로 내구재 및 주철 부품을 비롯해 여러 다양한 수많은 산업분야를 위한 비전-가이드 로봇 작업셀을 생산하고 있다.
내구재 산업을 위한 솔루션 중 하나는 코그넥스 VisionProⓡ 소프트웨어 기반 머신비전 시스템으로 가이드되는 2개의 로봇이 장착된 조립 세정기용 로봇 작업셀이 있다. 이 셀은 컴포넌트를 위한 팔레트 스토어 및 홀 센터(Hole Center)용 원격 카메라가 장착된 측정대, 캡 피팅대, 롤러 볼트 피팅 및 리베팅(Fitting and Riveting)을 위한 턴테이블, 여러 작업대와 턴테이블 상의 롤러 사전 조립을 준비하기 위해 부품을 이동시키는 가와사키(Kawasaki)의 비전-가이드 로봇 2개로 구성돼 있다.
운영상의 간편함을 유지하는 것은 물론 주변 조명 변화와 같은 비전-가이드 로봇의 일반적인 문제들을 극복하기 위해 티제는 PatMax, PatFlexⓡ, PatInspectⓡ, 비선형 보정 및 측정 툴과 VisionPro 3D 등 수많은 코그넥스 비전 툴을 사용했다.
이 셀의 특수
기능으로는 랜덤 모드 생산 및 롤러 장착 볼트용 홀 간격 변화를 조정하기 위한 즉각적인 로봇 경로 오류 수정 기능이 있다. 또 다른 흥미로운 애플리케이션으로는 무게가 500kg에 이르는 중대형 주철의 정제 및 마감을 위해 비전-장착 로봇을 사용하는 것이다.
코그넥스 VisionPro 소프트웨어는 도착하는 부품의 방향을 결정하고 두 번째 비전 시스템은 3차원으로 주물의 정확한 위치를 정의한다. 이와 유사한 애플리케이션에서 티제 로봇 엔지니어는 사무용 의자의 플라스틱 등받이를 마감하고, 의자 프레임과 시트를 부착하기 위해 금속 인서트로 이를 고정하기 위한 비전-가이드 로봇 작업셀을 개발했다.
검사 셀은 임의로 8개의 서로 다른 제품 코드를 찍는 프레스의 아래쪽에 위치해 있다. 이러한 랜덤 생산을 처리하기 위해 코그넥스 VisionPro 소프트웨어는 속도나 유연성에 변화를 주지 않고 최고 32개의 서로 다른 제품 코드를 처리할 수 있도록 이 안에 포함돼 있다.
각 로봇의 사이클은 컨베이어 상의 등받이 위치 확인, 부품을 픽업하기 위해 3차원으로 로봇 가이드, 부품 크기를 검증하기 위한 비주얼 검사, 모든 업스트림 생산 장비 오류 식별 및 비전 시스템으로 측정된 위치에 따라 모든 인서트의 순차적 배치, 마지막으로 이송장치에 완제품 적재로 이루어진다.
