PC 기반으로 한 머신 비전과 자동화 교육 시스템 구현

산업화가 고도로 진행됨에 따라 산업 현장에서의 자동화 기술 또한 비약적인 발전이 이루어지고 있다. 자동화 설비들은 기본적으로 센서를 이용하여 온도·습도·압력 등과 같은 물리적인 값을 측정한 뒤 각각의 측정값에 맞추어 액추에이터를 구동하도록 구성된다. 그러나 이러한 자동화 설비의 경우 형상이나 위치와 같은 3차원적인 물리량을 측정하여 자동화 제어에 적용하고자 할 때 설비가 거대해지고 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 이에 영상 기술을 접목하여 간단하게 3차원적인 물리량을 측정하여 자동화에 적용할 수 있는 머신비전 시스템이 연구되고 있다.

머신비전 시스템(Machine Vision System)은 카메라를 이용하여 시각적 정보를 캡쳐하고 분석함으로써 산업 현장에서 사람의 눈을 대신하여 특수한 목적을 수행하는 것으로, 품질관리·계측·자동화제어·자료수집 및 분석·인식 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

교육 현장이나 산업 현장에서 이러한 머신비전 시스템에 대한 교육이나 연구가 이루어지고 있다. 하지만 교육 및 실습 장비가 존재하지 않기 때문에 단지 이론적인 교육에만 머무르고 있으며, 충분한 교육 및 실습이 이루어지고 있지 않다. 또한 기존에 출시되어 있는 머신비전 시스템은 범용성이 부족하기 때문에 기존의 제품을 사용하여 머신 비전 시스템에 대한 교육이나 실습을 수행하는 것은 비효율적이다.

뿐만 아니라 기존의 머신 비전 시스템은 전문적인 DSP(Digital Signal Processor)를 이용한 임베디드 시스템들이 주류를 이루고 있어 마이크로프로세서와 관련된 지식이 부족한 경우에는 이용하기 힘들며 개발환경을 꾸미기에도 많은 비용과 시간이 소모된다.

발명의 내용

이 발명은 관련 기술을 전공하는 학생이나 초보 엔지니어가 머신비전 시스템에 대한 지식을 쉽게 이해하고 실습해볼 수 있도록 하기 위한 것으로서, 카메라를 이용하여 취득한 영상에 대한 영상 처리 알고리즘·미세측정·위치 측정·사물 인식 등을 포함하는 비전 처리 및 이를 자동화에 적용하여 자동화 제어 실습을 수행할 수 있는 PC 기반의 머신비전 및 자동화 교육 시스템을 제공하기 위한 것이다.

이 과제를 해결하기 위한 수단으로 이 발명은 ① 제품을 생산하는 양산 라인의 일부 또는 전부를 모식화하고 라인의 특정 위치에 카메라가 설치되어 가공품을 촬영하도록 구성된 실습 장비부, ② 랩뷰(LabVIEW) 프로그램이 설치되고 랩뷰 프로그램을 통해 실습 장비부의 카메라에서 촬영된 영상에 대한 비전 처리를 수행한 뒤 영상의 비전 처리를 적용하여 실습 장비부의 자동화 알고리즘을 구성한다. 구성된 자동화 알고리즘을 실행하여 실습 장비부를 제어하도록 구성된 PC 구성부를 포함하는 PC 기반의 머신 비전 및 자동화 교육 시스템을 제공한다.

PC 기반의 머신비전 및 자동화 교육 시스템에서 실습 장비부는 가공품을 이송하는 이송장치, 이송 장치에 의해 이송되는 가공품의 입출력을 제어하는 입출력 콘트롤러, 이송 장치에 의해 특정 위치로 이송된 가공품을 촬영하는 카메라모듈, 특정 위치로 빛을 조사하여 카메라 모듈이 가공품을 촬영할 수 있도록 하는 하나 이상의 조명 모듈을 포함하여 이루어진다.

하나 이상의 조명 모듈은 서로 다른 조명 타입으로 실습 장비부에 착탈 가능하도록 구성되고, 적용 애플리케이션에 따라 선택적으로 부착되는 것이 특징이다. 또한 PC 기반의 머신 비전 및 자동화 교육 시스템에서 PC 구성부는 실습 장비부와 PC 구성부를 연결하여 제어 신호 및 데이터를 전달하기 위한 인터페이스부를 포함한다. PC 구성부는 랩뷰 프로그램을 통한 조명 모듈의 제어, 카메라 모듈에서 촬영된 영상에 대한 보정, 영상을 이용한 미세 측정 및 위치 인식을 제어하도록 구성된다.

발명의 효과

PC 기반 머신비전 및 자동화 교육 시스템은 랩뷰 소프트웨어를 이용함으로써 PC를 기반으로 머신 비전 시스템의 조명 상태를 제어하는 기술, 이미지를 통한 미세 측정 기술, 비전 알고리즘 기술, 위치 인식 기술, 인식 솔루션 및 이미지 보정 기술을 교육 및 실습할 수 있으며, 이를 자동화 제어에 적용하면 사용자가 쉽고 간단하게 자동화 설비의 자동 제어 구현이 가능하여 관련 기술을 전공하는 학생이나 초보 엔지니어에게 최신 기술을 효율적으로 교육시킬 수 있다. 그 결과 산업 현장에서의 머신비전 교육에 대한 비용 및 시간 소모를 줄여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이 발명은 PC기반의 랩뷰 프로그램을 이용하여 PC 상에서 머신비전을 이용한 자동화 설비의 자동 제어 구현을 가능케 한 것으로서, 자동화 제어에 영상 처리를 접목하여 보다 나은 자동제어를 학습할 수 있도록 한 것이다.
 

도면 1은 이 발명에 의한 PC 기반 머신 비전 및 자동화 교육 시스템의 전체 구조를 보인 개략도이다. 도면 1을 참조하면 이 발명에 의한 PC 기반 머신비전 및 자동화 교육 시스템은 크게 PC 구성부(10)와, 실습장비부(20)로 이루어진다. PC 구성부(10)는 자동화 솔루션인 랩뷰(LabVIEW) 프로그램이 설치된 PC(Personal Computer)로 구성된다. 랩뷰 프로그램을 통해 실습 장비부의 카메라에서 촬영된 영상에 대한 비전 처리를 수행하고, 영상의 비전 처리를 적용하여 실습 장비부의 자동화 알고리즘을 구성하고, 구성된 자동화 알고리즘을 실행하여 실습 장비부를 제어하도록 만들어졌다. 즉, 사용자는 PC 구성부(10)의 랩뷰 프로그램을 실행하여 실습 장비부(20)에 있는 자동화 설비들의 자동화 제어를 구성할 수 있으며, 자동화 제어의 수행결과를 PC를 통해 확인할 수 있다.

이 발명에서 이용되는 랩뷰 프로그램은 National Instruments에서 만든 제어 계측 언어이다. 컴퓨터 상에서 실제의 기기를 보는 듯한 구성이 가능하여 버추얼 인스트루먼트(Virtual Instrument)라고도 하며, Basic이나 C-언어 등과 같이 텍스트를 기반으로 하는 프로그램 언어와 달리 다이아그램(Diagram)을 만드는 식으로 프로그래밍하도록 되어 있기 때문에 그래픽 프로그래밍 랭귀지라고도 한다. 랩뷰 프로그램에서는 프로그래밍이 진행되는 순서가 데이터의 흐름을 따르며 각종 기기를 제어하고 이후 기기들이 보내오는 데이터를 처리할 수 있도록 여러 가지 기능을 구비한다. 따라서 비전 처리 및 자동화 설비의 자동 제어를 쉽게 구현할 수 있다.

도면 2는 PC 구성부(10)의 상세 구성을 나타낸 블록도이다. 이를 참조하면 PC 구성부(10)는 랩뷰 프로그램(17)을 실행하고 실행된 랩뷰 프로그램(17)을 통해 사용자가 작성한 자동화 제어 알고리즘에 따라 실습 장비부(20)로 자동화 장비를 제어하는 제어 신호를 인가한 뒤 실습 장비부(20)에서 촬영된 영상 신호를 수신하여 비전 처리를 수행하는 CPU(11)와, 랩뷰 프로그램(17) 및 사용자가 랩뷰 프로그램(17)을 이용하여 작성하는 자동화 제어 알고리즘을 저장하는 메모리부(12)와, 사용자 명령 및 데이터를 입력하기 위한 키보드(13) 및 마우스(14)와, CPU(11)의 제어에 의하여 랩뷰 프로그램(17)를 이용한 자동화 제어 알고리즘의 작성 및 실행 과정을 디스플레이하는 디스플레이부(15)와, 실습 장비부(20)에 연결되어 실습 장비부(20)와 CPU(11) 사이에 제어 신호 및 영상 신호를 전달하는 인터페이스부(16)를 포함한다. 인터페이스부(16)는 PCI 슬롯을 이용하여 실습 장비부(20)와 연결되는 인터페이스 카드로 구현될 수 있다.

다시 도면 1을 참조하면 실습 장비부(20)는 머신 비전에 의한 자동화 양산 라인의 일부 또는 전부를 모식화하여 구성한 것으로 예를 들어 가공·이송·수납·장·검사 등으로 이루어지는 양산 공정 중 일부 또는 전부를 간략하게 구성할 수 있다. 더 구체적으로 실습 장비부(20)는 머신 비전에 의해 자동화 제어가 이루어지는 부분의 자동화 설비(예를 들어, 각종 액추에이터나 센서 등)를 포함한다. 또한 실습 장비부(20)는 구성된 양산 라인의 특정 위치에 가공품을 촬영하는 카메라를 구비한다. 실습 장비부(20)의 모든 구성 요소들은 PC 구성부(10)로부터 전달되는 제어 신호에 따라서 동작한다.
 

도면 3은 실습 장비부(20)의 구성 예를 나타낸 사시도이다. 이를 참조하면 실습 장비부(20)는 PC 구성부(10)로부터의 제어 신호에 따라 동작하여 실습 대상 샘플(25)을 이송하는 이송 장치(21)와, PC구성부(10)로부터의 제어 신호에 따라 동작하여 이송 장치(21)에 의해 이송되는 실습 대상 샘플(25)의 입출력을 제어하는 입출력 컨트롤러(22), PC 구성부(10)로부터의 제어 신호에 따라 동작하여 지정된 위치로 이송된 실습 대상 샘플(25)을 촬영하는 카메라모듈(23)과, PC 구성부(10)로부터의 제어 신호에 따라 동작하여 지정된 위치로 이송된 실습 대상 샘플(25)을 촬영할 수 있도록 빛을 조사하는 하나 이상의 조명 모듈(24)을 포함한다.

카메라모듈(23)은 실습 장비부(20)의 라인의 특정 위치, 예를 들어 이송 장치(21)의 종단에 설치되어 가공품의 크기 검출·위치인식·불량검사 등의 머신 비전 처리를 위해 이송된 실습 대상 샘플(25)을 촬영한다.

양산 라인에서는 각각의 애플리케이션에 따라 요구되는 조명 타입이 달라질 수 있다. 따라서 하나 이상의 조명 모듈(24)은 교체 장착 가능하도록 구성되며, 애플리케이션별로 적용할 수 있도록 각각 서로 다른 조명 타입으로 구현되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 바코드 판독 공정에는 적색의 링 조명을 사용하고 표면 검사 공정에는 적색 청색 백색의 바 타입 조명을 사용한다. 이물 검사 공정에는 적색의 바 타입 조명을 사용하고, 치수나 형상 측정 공정에는 적색의 평면 조명을 이용하며, 컬러 인식 공정에는 백색의 바 타입 조명 또는 평면 조명을 이용한다. 또한 수량 카운트 공정에는 적색의 링 조명을 이용하고, 회로 기판 검사 공정에서는 적색의 링 조명을 이용한다.

따라서 하나 이상의 조명 모듈(24)은 적색 청색 백색의 링 조명, 적색 청색 백색의 바(bar) 타입 조명, 적색 백색 청색의 평면 조명을 각각 또는 하나 이상 조합하여 구성된 것이다. 이는 각각 실습 장비부(20)에 탈착 가능하게 구성된다.
 

도면 4는 이번 발명에 의한 PC 기반의 머신비전 및 자동화 교육 시스템을 이용한 교육 및 실습 과정을 간단하게 나타낸 순서도이다. 이 발명에 의한 PC 기반의 머신비전 및 자동화 교육 시스템을 이용한 실습을 수행하기 위해서는 사전에 머신비전에 대한 이론적인 이해와 함께 랩뷰 프로그램에 대한 지식이 있어야 한다. 따라서 실습 이전에 먼저 머신 비전 및 랩뷰 프로그램에 대한 교육이 이루어질 수 있다.

우선 도면 4에 도시된 바와 같이 사용자는 PC 구성부(10)의 랩뷰 프로그램(17)을 실행시켜 랩뷰 프로그램(17)을 통해 실습 장비부(20)의 자동화 설비를 제어하기 위한 제어 프로그램을 작성한다(S41). 작성된 제어 프로그램은 PC 구성부(10)의 메모리부(12)에 저장될 수 있다. 그리고 나서 작성된 제어 프로그램을 실행시키면(S42), CPU(11)가 제어 프로그램을 실행하여 제어 프로그램의 알고리즘에 따라 실습 장비부(20)의 자동화 설비들을 제어한다(S43). 제어에 의한 자동화 설비의 실행 결과는 다시 PC 구성부(10)로 전달되어 디스플레이부(15)를 통해 실행 결과를 확인할 수 있다(S44).

이때 제어 프로그램의 작성에서 비전 처리 기술, 예를 들어 조명 제어 기술·이미지를 통한 미세 측정 기술·위치 인식 기술·이미지 보정 기술 등을 적용하여 제어 프로그램을 작성함으로써 머신비전에 의한 자동화 제어 프로그램을 작성할 수 있다. 이를 통하여 이 발명의 머신 비전 및 자동화 교육 시스템은 자동화 관련 교육 장비로서 공업 고등학교나 대학의 전기·전자·제어 관련 학과를 포함하는 교육 현장에서 자동화 실습 교육에 이용될 수 있다.

또한 머신 비전을 이용한 자동화 교육 및 실습을 가능케 하며, 제어 분야에서 사용되는 랩뷰라는 툴을 이용하여 자동화 알고리즘을 프로그램하도록 함으로써 머신 비전을 이용한 자동화 기술의 효율적인 습득을 가능하게 하고, 실제 산업현장에 적용할 수 있을 정도의 교육이 가능해진다. 특히 이 발명에 의한 머신비전 및 자동화 교육 시스템은 랩뷰 프로그램을 이용하여 비전 시스템을 구현하고 자동화 설비를 제어하도록 함으로써 자동 제어 시스템의 구성과 영상 처리 과정을 동시에 교육할 수 있다.

특허 출원인 | 이노템즈, 발명자 김광수 전세형 김재성 서배승 심재위