COGNEX가 말하는 비전 시스템을 이용한 로봇 가이드 :: Today

COGNEX가 말하는 비전 시스템을 이용한 로봇 가이드
“로봇이 눈을 뜰 때 생기는 효율성에 주목!”

사진. 코그넥스

코그넥스의 비전 시스템은 이미 다양한 로봇에 적용되어 검사, 조립 등 많은 역할을 수행하고 있다. 코그넥스는 이러한 노하우를 살려 로봇에 적용된 2D, 3D 비전이 지닌 경쟁력과 효율성을 실제 적용된 사례와 함께 소개하는 ‘비전 시스템을 이용한 로봇 가이드’를 공개했다. 이를 본지에서 소개한다.

비전의 발전이 곧 로봇의 발전

본래 머신은 특정 생산과정 및 조립, 원자재 처리작업을 자동화하기 위해 구현된 것으로, 오늘날에는 산업용 로봇들이 새로운 작업을 처리하도록 프로그램이 가능하며, 심지어 새로운 위치에서 새로운 작업에 맞게 개조할 수 있기 때문에 다수의 자동화 작업을 위한 전용 머신들을 대체하고 있다.
그럼에도 로봇은 여전히 예상치 못한 조건에 반응하거나 즉시 판단할 수 없다. 제품은 로봇이 감지할 수 있도록 항상 동일한 위치와 방향에 있어야 하며, 그렇지 않으면 로봇은 완벽한 작업을 수행할 수 없게 된다.

최근에는 머신 비전을 통해 로봇이 변화하는 조건에 반응하고 볼 수 있도록 기능을 부여하고 있다. 이제 비전-가이드 로봇은 컨베이어 상에 불특정하게 배열된 부품을 로봇 팔로 가이드하거나 위치를 확인할 수 있도록 2차원(2D) 머신 비전을 이용해 스스로를 충족시킬 수 있게 되었다. 부품이 머신 비전 카메라의 심도 및 FoV(Field of View)를 넘어설 만큼 크거나 높지 않고, 평면상에 위치하고 있는 한, 2D 비전-가이드 로봇은 사람이 하기에 위험하거나, 반복적인 작업을 처리할 수 있다. 또한 인간보다 훨씬 더 정확하고 빠른 속도로 이를 수행할 수 있다.

한편 오늘날 3D(Three-Dimensional) 머신 비전 기술은 보다 높은 수준의 효율성 및 생산성을 갖춘 로봇 생산을 실현하고 있다. 각각의 특성을 가진 다양한 3D 머신 비전 기술을 통해 비전-가이드 로봇은 컨베이어나 선반, 혹은 용기 상에서 거의 모든 크기 및 모양의 제품을 조립하고 처리할 수 있으며, 심지어 심각한 안전상의 위협 없이 사람의 바로 옆에서 작업할 수도 있다. 현재는 육가공 및 정밀 용접, 차량 도색과 같은 자동화 범주를 넘어서는 분야라고 생각했던 작업들도 3D 비전-가이드 로봇을 통해 이전 보다 훨씬 빠르고 신속하며 더욱 저렴하게 달성할 수 있게 되었다.

뛰어난 효율을 자랑하는 2D 비전-가이드 로봇 솔루션

컨베이어나 인덱스 테이블은 2D 공간이 필수적이다. 부품이 상대적으로 작거나 평면상에 놓여 있는 경우, 2D 비전-가이드 로봇 솔루션은 가장 비용대비 효율적이다. 이러한 시스템은 일반적으로 머신 비전 프로세싱 시스템과 연결되어 있는 오버헤드 장착 카메라를 가지고 있다.

이 카메라는 작업대를 내려다보고 있으며, Cartesian이나 SCARA(Selective Compliant Articulated Robot Arm) 로봇이 포함되어 있다. 이러한 로봇은 2자유도에서 4자유도를 제공하기 때문에 2D 비전-가이드 애플리케이션에 적합하다. 비전-가이드 로봇 애플리케이션의 설치 및 작동의 첫 번째 단계는 비전 시스템의 비주얼 좌표 시스템을 로봇의 물리적 좌표 시스템으로 보정하는 것이다. 이러한 2개의 좌표 시스템이 동일하다면 간단하겠지만, 렌즈 왜곡이나 조명 변화 및 다른 요소들로 인해 비전 시스템이 ‘실물(RealWorld)’을 보는 방법에 영향을 줄 수 있으며, 비전-가이드 로봇 프로그램에 오류를 유발할 수도 있다.

카메라를 컨베이어 표면과 수직으로 위에 직접 배치하거나 보정 방법(일반적으로 정해진 치수의 보정 ‘타깃’을 포함)을 사용함으로써 2D비전 시스템은 로봇의 물리적 좌표 시스템으로 비주얼 좌표 시스템을 조정할 수 있다. 이제 머신 비전 시스템은 컨베이어 위에 배치된 부품의 이미지로부터 중요한 위치 데이터를 추출할 수 있다.
로봇 센터나 타깃 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 곳에 하나, 용접대 앞에 하나, 그리고 컨베이어가 지나가는 곳에 하나가 배치될 수 있다.

각각의 경우, 기하학 패턴 매칭과 같은 머신 비전 알고리즘은 각 카메라의 이미지를 분석하고, 이미지에 있는 모서리, 나사, 혹은 다른 명확한 표면 특성과 같은 대상물의 특성 위치를 확인한다. 그런 다음, 대상물과 컨베이어 표면의 해당 지점으로부터 거리를 측정함으로써 비전 시스템은 중심선에서의 거리 및 방향을 비롯한 로봇의 프로그램 경로 및 2D 맵을 만들 수 있다. 그런 다음 ‘오프셋’으로 간주되는 이러한 위치는 로봇 컨트롤러로 전송되며, 이 거리 및 방향 정보는 로봇을 대상물로 가이드하기 위해 사용된다. 이것이 바로 2D 비전-가이드 로봇이다.

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 어떨까?
이 경우 비전-가이드 로봇 작업셀 디자이너는 항상 동일한 위치나 동일한 방향에 적재되어 있는 패널처럼 처리할 수 없다. 이와 같은 자동 랙킹 애플리케이션에서 각 패널은 이전 제품과 비교해 종잡을 수 없게 된다.

따라서 각 패널은 이전 부품과 비교해 3D 공간(변형)에서 다른 위치를 가지고 있거나, 각 축이 다른 방향(회전)을 가지고 있을 공산이 크다. 가장 까다로운 ‘빈-피킹(Bin Picking)’ 애플리케이션에서 부품은 체계적인 포장이나 보호판재 없이 용기에 부정확하게 배치될 수 있다. 이 두 경우, 비전 시스템은 프로그램되어 있는 다관절 로봇의 이동을 6 자유도로 적재된 부품으로 맞춰질 수 있도록 변형 및 회전의 경우 모두 3D 공간에서 부품의 위치를 확인해야 한다.

▲ 사진. 코그넥스

3D VGR(Vision-Guided Robotics)을 이용한 작업

머신 비전은 3D 로봇 가이드를 제공하기 위해 ▲단일-카메라 삼각측량 ▲입체 혹은 다중-카메라 삼각측량 ▲구조화된 조명 ▲ToF(Time of Flight) 이상 4개의 주요 기법을 제공한다.
설계자는 각 솔루션의 장단점을 이해하고, 어떻게 산업용 애플리케이션에 부합하는지를 이해해야 한다.

·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 이미지의 핵심 특성의 위치를 확인한다. 각 이미지는 서로 다른 측면을 나타내기 때문에 핵심 특성은 위치 및 모양, 크기가 변화한다. 보정 설정 루틴동안 각 이미지의 특성들이 어떻게 다른지 수치상으로 분석하고, 위치 및 모양, 크기의 변화를 보정 대상의 유사한 수치들과 비교함으로써 머신 비전 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, 전통적인 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. 이 라인은 전체 면적을 비추는 것보다 더욱 ‘체계적인’ 조명을 구축할 수 있다.
타깃 대상물의 표면 위를 투사하는 라인이 나타내는 이미지를 분석하고 이 라인의 모양이 어떻게 달라지는지를 측정함으로써 3D 비전 시스템은 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 개선될 수 있다.
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 되었지만 상업/산업용 카메라 분야에서는 비교적 새로운 것이다. 이 특수 카메라는 조명원에서 타깃 부품을 지나 다시 카메라로 돌아오기까지 빛의 이동이 얼마나 걸리는지를 측정하기 위해 다양한 광원 및 비접촉 방법을 사용한다. 각 픽셀은 특정 포인트의 3D 데이터를 산출할 수 있다. 하지만 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 타깃 부품에서 시작한다. 사용자는 다음과 같은 내용은 물론 이에 국한되지 않고 수많은 질문을 해야 한다.
비전-가이드 로봇 애플리케이션에 익숙한 전문가와 작업함으로써 이러한 질문에 대한 해답을 손쉽게 얻을 수 있으며, 일반적인 위험요소들을 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. 머신 비전 공급업체는 데이터 케이블과 전원 케이블이 하나로 통합되어 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 머신 비전 소프트웨어 솔루션을 선택하도록 도와준다. 예를 들어, 코그넥스의 VisionPro 보정 루틴은 모든 산업용 카메라에 공통적으로 발생하는 렌즈 왜곡이나 롤-오프(Roll-Off)를 정정할 수 있을 뿐만 아니라 비전 좌표 시스템을 로봇 좌표시스템에 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, 로봇 자동화 적용 분야의 지평 넓혀

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 머신 비전 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 되었다.

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 사용하며, 여기에 로봇을 공급하는 스토브리(Staubli)는 VGR(Vision-Guided Robotics) 전문업체인 코그넥스(Cognex)로부터 비전 시스템을 고려할 것을 제안받았다.
코그넥스의 In-Sight Explorer 스마트 카메라 소프트웨어의 효율적인 개발 환경 덕분에 ‘픽&플레이스(Pick-and-Place)’ 비전-가이드 로봇 솔루션을 불과 4주가 안되는 짧은 시간 안에 작동시킬 수 있었다.
로봇 셀에 사용되는 In-Sight 비전 시스템은 각각 25개의 필터 변형을 인식해야 하며, 정확한 위치를 확인하고, 정밀한 데이터를 로봇에게 전달하며, 각 제품상의 2D 코드를 판독해야 한다. In-Sight 소프트웨어에 통합되어 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 컨테이너의 부품 수에 대한 검증이 가능했다. 적재된 부품의 수를 지속적으로 확인하고 실제 생산된 제품의 수를 비교함으로써 엥겔하드 테크놀로지스는 시스템 개발 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