스테레오 비전: GigE 비전 카메라를 탑재한 빈피킹(Bin Picking) 시스템

로봇이 3D 공간에서 목표물을 보고, 집다.

스페인의 인공 시각(Artificial vision)전문기업인 INFAIMON은 Allied Vision 카메라를 사용하여 통 안에 있는 물체를 식별하고 선택하여 집고, 옮길 수 있는 비전 가이드 로봇을 위한 솔루션을 개발했다. 이 애플리케이션의 요구 조건에 따라 카메라는 사이즈가 작은 Mako G-125 또는 고급형인 Prosilica GT1290도 적용이 가능하다. 이 글을 통해 Allied Vision의 카메라가 빈 피킹 시스템에서 어떻게 활용되는지 알아본다.

비전 시스템과 로봇은 모든 종류의 산업 애플리케이션에서 함께 사용되어진다. 이는 VGR(비전을 이용한 유도 로봇)로 알려진 시스템의 인기를 증가시켰다. 스페인의 인공 시각(Artificial vision)전문기업인 INFAIMON은 Allied Vision 카메라를 사용하여 통 안에 있는 물체를 식별하고 선택하여 집고, 옮길 수 있는 비전 가이드 로봇을 위한 솔루션을 개발했다.
VGR 시스템은 로봇에게 높은 자유도를 제공한다. 이전에는 미리 정의된 환경에서의 작업에만 적합했었다. 하지만 로봇은 현재 더욱 다양한 설정에서 사용될 수 있다. 로봇이 비전 시스템 없이 작동 한다면, 로봇은 항상 미리 결정된 위치로 이동하는 등 작업 환경이 고정된 상태이어야만 한다. 비전시스템은 로봇의 이동이 객체를 처리하기 위해 요구되는 위치로 정확하게 이동하도록 도와준다. VGR 시스템을 사용하면 비전 시스템이 3차원 공간에서 극도의 정밀도로 객체의 위치를 측정하는 것이 가능해짐으로써 훨씬 폭 넓은 활용이 가능하다. VGR 시스템은 3차원 공간에서 각 점을 위치를 정의 하여 로봇이 가야하는 정확한 지점으로 이동하도록 지시를 내린다.

피킹 애플리케이션
로봇과 비전 시스템에서 피킹작업이란, 비전 시스템을 사용하여 개체를 식별하고, 공간에서 위치를 결정한 후 개채를 집어, 로봇 시스템을 사용하여 목표 지점으로 이동하는 일련의 과정을 의미한다. 모든 피킹 애플리케이션 가운데 가장 잘 알려진 애플리케이션은 아마 이른바 'pick and place‘라고 불리는 시스템일 것이다. 일반적으로, 'pick and place‘는 평면상에서 물체의 위치 선정 및 그 이후에 개채를 집는 과정을 포함한다. 이러한 애플리케이션은 종종 컨베이어 벨트 위에 있는 물체의 위치를 파악하기 위해 사용된다.
Allied Vision의 인공 시각 유통 파트너이자 전문 기업인 Infaimon은 컨베이어 벨트에 위치한 물체를 식별하는 것 보다 더 많은 작업을 수행할 수 있는 솔루션을 개발했다. Infaimon의 빈 식별 소프트웨어 ‘InPicker’는 또한 무작위로 적층된 통의 부분적 선택과 추출이 가능하다. 이 솔루션은 식별과 위치를 위해 Allied Vision의 카메라를 사용하며, 추출 및 후속 재배치를 위해서는 로봇 시스템을 사용한다. 빈 식별 기술의 뒤에서 기본이 되는 기술은 ‘Pick and place'에 사용 된 것과 유사하지만, 관련된 어려움이 훨씬 크다. 한 눈에 봤을 때는 하찮은 방식으로 보일 수 있지만, 모든 통 사이에서 일부를 구별해서 분리해내는 것은 로봇 컴퓨터 시스템에게는 매우 복잡한 일이다.
통 식별 시스템은 로봇의 머리 부분에 장착된 두 개의 고해상도 카메라로 구성된 스테레오 비전을 기반으로 구성되었다. 동기화된 두 개의 이미지는 아주 정확하게 집어내기 위해 모든 객체의 위치를 알아내는 매우 정확한 3차원지도를 만들 수 있다.

입체영상 : 두 개가 하나보다 낫다.
Allied Vision의 두 GigE 비전 카메라 모델은 사람의 눈이 수행하는 것과 같이 입체 영상을 전달하기 위한 두 개의 ‘인공 눈’과 같은 개념으로 선택 되었다. 로봇 시스템의 정확한 기능을 보장하기 위해서는 로봇 팔이 너무 제한되지 않도록 최소한의 케이블을 사용하는 것이 중요하다. 선택된 GigE 비전 카메라는 하나의 케이블로 전원과 데이터 전송이 모두 가능한 ‘Power over Ethernet(PoE)'에 의해 전원 공급이 가능하다.
바르셀로나에 위치한 Infaimon S.L.의 CEO 살바도르 지로는 “가능한 빨리 통 안에 있는 목표물과 그 위치를 식별하기 위해서는 빈 피킹 시스템은 동기화가 쉽고, 양호한 프레임 속도로 이미지 전송이 가능한 작은 사이즈의 카메라가 필요하다.”라고 설명 했다.
Mako G-125은 소니사의 ICX445 CCD 센서 및 다양한 장착 옵션을 지닌 산업용 초소형(29×29㎜) GigE 카메라이다. Mako 카메라는 매우 작고 가벼워 로봇의 머리에 쉽게 취부될 수 있으며, 더 나아가 시스템의 유용성을 단순화 시킬 수 있다. Mako G-125는 이런 종류의 애플리케이션에게는 충분히 높은 속도인 초당 30 프레임으로 1292×964 픽셀 해상도의 이미지를 제공한다. 진정한 스테레오 비전의 카메라 역할을 위해서 한 쌍의 카메라가 동기화된 이미지를 포착 및 전송한다. 다양한 입력 및 출력 옵션을 가진 카메라는 정확한 트리거를 전송하는 외부 컴퓨터에 쉽게 연결될 수 있다.
빠른 판독 시간에 완벽하게 동기화 된 영상을 필요로 하는 고급 애플리케이션의 빈 피킹 시스템의경우, Allied Vision의 고성능 1.2MP GigE 카메라인 Prosilica GT1290를 장착 할 수 있다. 이 카메라는 이더넷 네트워크를 통해 2마이크로초 내에 카메라의 동기화를 보장하는 정밀 시간 프로토콜(PTP) 기능이 내장되어 있다.
또한, Prosilica GT1290은 뛰어난 흑백 및 컬러 이미지 품질을 제공하는 고품질 소니 ICX445 EXview HAD CCD(유형 1/3) 센서를 채용했다. Prosilica GT1290은 극한 환경 및 조명 변동 조건에서도 잘 동작하도록 설계된 견고한 카메라이다.

피킹의 단계
빈 피킹 애플리케이션의 첫 번째 단계는 객체 또는 부품의 인식이다. 이 단계는 개체에 대한 정확한 XYZ 좌표계에 대한 정보가 필요하다. 객체가 공간에서 어떤 위치에 무작위로 적층된 상황에서 빈 피킹 컴퓨터 프로그램은 입체적으로 물체를 인식 할 수 있어야한다. 따라서 객체에 관련된 모든 형태학적 매개 변수는 시스템에 입력되어야 한다. 일단 객체의 형태와 위치 환경을 파악했다면, 다음 단계는 객체를 인식하는 것이다.
두 대의 Mako G 또는 Prosilica GT 모델 카메라는 로봇 팔 옆에 위치한 헤드 편에 배치된 다음, 식별된 객체들의 3차원 이미지를 전송한다. 하지만 카메라가 하는 일은 이것뿐만이 아니다. 로봇이 3차원 공간 내에서 정해진 궤적대로 이동하는 동안, 수백 개의 3차원 환경 이미지를 생성하는 촬영이 진행된다. 다른 위치에서 뷰는 숨겨진 개체 또는 영역을 볼 수 있게 만들어 시스템이 전체 환경의 상세한 지도를 생성하도록 돕는다.
다음 단계는 인식된 모든 객체 중에서 가장 좋은 후보를 판정 하는 것이다. 가장 좋은 후보란 로봇이 움켜잡기 가장 좋은 위치에 자리한 객체를 뜻한다. 객체가 로봇이 충돌하지 않고 닿을 수 있는 범위 안에 있다면, 그것은 다른 객체들에 의해 갇혀있지 않고, 사전에 선택된 가장 좋은 후보일 것이다.
객체가 정의되면, 로봇은 작업 환경 또는 다른 부분과 충돌하지 않고 빠른 속도로 목표물에 도달한다. 이 단계는 이상적인 경로의 계산을 필요로 한다. 마지막으로, 물체를 픽업 한 후 로봇은 제조 프로세스를 계속하기 위해 미리 정의된 위치에 객체를 배치한다. 어떤 경우, 이 궤도는 비전 시스템을 사용하여 부품의 품질 검사를 수행하는 데 사용된다.

다른 애플리케이션
동시에 작동하는 두 개의 카메라는 다양한 이점이 있다. 스테레오 비전을 사용하여, 제조 공정이보다 신속해지고 유연해 진다. 객체는 정확하고 일관되게 적층될 필요는 없지만, 통으로 무작위로 채워질 수 있다. 부품들이 제품에 통합되기 전에 분류하고 정렬하는 시간을 절약할 수 있다. 심지어 매우 복잡한 구조의 부분들도 용이하게 식별 될 수 있다. 다른 기술로 이 쌓여있는 부품들의 유형을 인식하기에는 어려운 부분이 많다. 스테레오 헤드의 사용은 안전하고 빠른 확인을 가능하게 도와준다.
이 스테레오 기술에 특히 적합한 다른 객체들은 인쇄 마크 또는 기타 요소와 같은 일종의 구조들의 패키지이다. 이 경우, 스테레오 비전에 기반을 둔 시스템은 객체를 팔레트로 나르거나, 팔레트에서 객체를 내리는 작업에 매우 유용하며 물론 객체 또는 일부 처리 시스템에서도 또한 유용하다. 개체 당 10초미만의 평균 처리 속도를 가진 빈 피킹 시스템은 실수 또는 중단 없이 빠르게 컨테이너를 비울 수 있다. 작업 교대 시간 내내 연속적으로 사용할 수 있는 이 시스템은 아마 연속 생산 기업에게는 아주 흥미로울 것이다.
살바도르 지로는 “마지막으로, 이 기술에 의해 사용되는 하드웨어에 대한 비용은 레이저 삼각 측량, 패턴 투영 및 TOF 방식의 다른 3D 시스템에 비해 매우 경쟁력이 있다.”고 이야기했다.

자료제공 | 디쌤(www.dissem.co.kr)