간단한 기구부와 결합한 공간증강현실 시스템의 샘플 기반 제어 방법
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간단한 기구부와 결합한 공간증강현실
시스템의 샘플 기반 제어 방법
CADCAM 2015 동계학술대회
이아현 이주호 이주행UST / ETRI 리츠메이칸 대학교 ETRI / UST
특별세션 - 제 17회 가헌학술상
*
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목 차
1. RSAR(로봇공간증강현실) ?
2. CAD 모델 기반의 기구학 제어
3. 제안된 샘플 기반의 기구학 제어
4. 구현 및 실험 결과
5. 결론
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AR Augmented Reality
SAR Spatial Augmented Reality
RSAR Robotic Spatial Augmented Reality
1. RSAR ?
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AR 증강현실Augmented Reality
1. RSAR ?
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Augmented Reality
Vuforia (Qualcomm AR SDK) | 2014
1. RSAR ?
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SAR 공간증강현실Spatial Augmented Reality
1. RSAR ?
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Spatial Augmented Reality
HideOut | Disney Reaserch | 2012
OmniTouch | CMU | 2011 OASIS | Intel Labs | 2010
IllumiRoom | Microsoft | 2013
1. RSAR ?
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RSAR 로봇공간증강현실Robotic Spatial Augmented Reality
1. RSAR ?
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Robotic Spatial Augmented Reality
LuminAR | MIT | 2010
Ubiquitous Display | Ritsumeikan U | 2009 PixelFlex | MIT | 2001
Beamatron | Microsoft | 2012
1. RSAR ?
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미래형 로봇 컴퓨터 | ETRI | 2012
Robotic Spatial Augmented Reality1. RSAR ?
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2. CAD모델 기반의
기구학 제어
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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RSAR 기구학 제어 단계 구성
프로젝터-카메라 캘리브레이션
기구학 설정 단계
응용단계
PCU (Projector Camera Unit)
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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실세계 좌표계
프로젝터 좌표계카메라 좌표계
𝐻"#
𝐻"$
𝐻#$
𝑝#
𝑝$𝑝"
프로젝터-카메라 캘리브레이션PCU 캘리브레이션기구학 설정 단계
응용 단계
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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프로젝터-카메라 캘리브레이션
프로젝터와 카메라가 물리적으로 고정되어, 카메라 위치/자세
정보만으로 프로젝터 위치/자세 정보를 계산할 수 있다.
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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프로젝터-카메라 캘리브레이션 결과
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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CAD 모델 기반 기구부의 기하학정보 추출
𝑞'
𝑞(
𝑙'
𝑙(
𝑙*
𝑦'
𝑧'
𝑥'
엔드 이펙터
𝑦*
𝑧*
𝑥*
PCU 캘리브레이션기구학 설정 단계
응용 단계
기구학 설정 단계
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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𝑞'
𝑞(
𝒍𝟎
𝒍𝟏
𝒍𝟐
𝑦'
𝑧'
𝑥'
엔드 이펙터
𝑦*
𝑧*
𝑥*
링크의 길이
CAD 모델 기반 기구부의 기하학정보 추출
기구학 설정 단계
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
PCU 캘리브레이션기구학 설정 단계
응용 단계
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𝒒𝟎
𝒒𝟏
𝑦'
𝑧'
𝑥'
엔드 이펙터
𝑦*
𝑧*
𝑥*
관절 회전축의 위치
CAD 모델 기반 기구부의 기하학정보 추출
기구학 설정 단계
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
PCU 캘리브레이션기구학 설정 단계
응용 단계
링크의 길이
𝒍𝟎
𝒍𝟏
𝒍𝟐
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𝑞'
𝑞(
𝑙'
𝑙(
𝑙*
𝑦'
𝑧'
𝑥'
엔드 이펙터
𝑦*
𝑧*
𝑥*
𝐾4
𝑞'
𝑙'
𝑙(
𝑙*
𝑟6
𝑟7
𝑟8
𝑞(
𝑝6
𝑝7
𝑝7
엔드이펙터의 위치/자세 계산정기구학
역기구학
목표 위치로 이동하기 위한 관절각 계산
LJ
L
)(
),,(),,(
AAARTA
(q)qψθppp zyx
=
= ϕ
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡==
10)()( 1201n
pRAAK qq
)(qrpr
fe=
−=!
qqqqqp !!! )()( Jf
=∂
∂=
정/역기구학 제어식 생성
기구학 설정 단계
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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𝑞'
𝑞(
𝑙'
𝑙(
𝑙*
𝑦'
𝑧'
𝑥'
𝑦*
𝑧*
𝑥*
프로젝터-카메라
𝑙'
𝑞'
𝑞(
𝑙(
𝒍𝟐
𝑦'
𝑥'
𝑧'
RSAR엔드이펙터 = 투사영역의 중심점
기구학 설정 단계정/역기구학 제어식 생성
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
프로젝터 투사영역의 중심점
엔드이펙터
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PCU 캘리브레이션기구학 설정 단계
응용 단계
RSAR 제어 및 응용
미래형 로봇 컴퓨터 | ETRI/Ritsumeikan U | 2012
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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카메라 입력 영상
엔드이펙터의 위치/자세 계산
<정기구학>
영상 워핑 + 렌더링
시작
관절 회전각 계산<역기구학>
투사 영역의이동?
끝
영상 투사
영상 투사끝?
관절 회전
yes
no
yes
no
RSAR 시스템의 흐름도
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
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1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
UCR 사용자 제작 로봇User Created Robot
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1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어
UCR의 장점
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CAD 모델이없는 경우
조립시 오차
> 허용공차
UCR 기구학 제어의 한계점1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의
기구학 제어
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3. 샘플 기반의 기구학 제어
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
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CAD 모델 기반 기구학 제어1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의
기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
링크의 길이
𝒍𝟎
𝒍𝟏
𝒍𝟐
𝒒𝟎
𝒒𝟏
관절 회전축의 위치
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관절의 회전각
𝝋
𝜽
엔드이펙터의위치/자세
패턴마커
샘플 기반의 기구학 제어1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의
기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
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CAD 모델 기반의 RSAR 제어
프로젝터-카메라 캘리브레이션
기구학 설정 단계
응용단계
PCU (Projector Camera Unit)
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
정/역기구학 수식 표현
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샘플 기반의 RSAR 제어
프로젝터-카메라 캘리브레이션
샘플 데이터 취득 및
B-spline 기반 표현
응용단계
PCU (Projector Camera Unit)
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
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PCU 캘리브레이션샘플 데이터 취득 및B-spline 기반 표현
응용 단계
모터 회전 반경 설정관절 가용 범위
샘플 데이터 취득
시작
끝
B-spline 기반 표현
B-spline 곡면 8개
샘플 데이터 취득
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
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샘플 데이터 취득 방법
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
![Page 35: 간단한 기구부와 결합한 공간증강현실 시스템의 샘플 기반 제어 방법](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022013109/589c62cf1a28abc4358b70eb/html5/thumbnails/35.jpg)
모터 회전 반경 설정
샘플 데이터 취득
시작
끝
B-spline 기반 표현
B-spline 곡면 8개
B-spline 기반 표현
PCU 캘리브레이션샘플 데이터 취득 및B-spline 기반 표현
응용 단계
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
![Page 36: 간단한 기구부와 결합한 공간증강현실 시스템의 샘플 기반 제어 방법](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022013109/589c62cf1a28abc4358b70eb/html5/thumbnails/36.jpg)
샘플 데이터 3차원 그래프 B-spline 곡면 표현
B-spline 기반 표현
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
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입 력출 력
회 전 이 동
index pan tilt rx ry rz tx ty tz
𝑖 𝜃= 𝜑= 𝑟𝑥= 𝑟𝑦= 𝑟𝑧= 𝑡𝑥= 𝑡𝑦= 𝑡𝑧=
정기구학 샘플 데이터 구성
정기구학 제어 곡면 6개
{𝜃, 𝜑, 𝑟𝑥} ~ {𝜃, 𝜑, 𝑡𝑧}입력1, 입력2, 출력 입력1, 입력2, 출력
B-spline 기반 표현
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
정기구학 샘플 데이터 구성
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입 력 출 력
index 투사영역의 중심점 pan tilt
𝑖 𝑐𝑥= 𝑐𝑦= 𝜃= 𝜑=
역기구학 샘플 데이터 구성
역기구학 제어 곡면 2개
{𝑐𝑥, 𝑐𝑦, 𝜃}, {𝑐𝑥, 𝑐𝑦, 𝜑}입력1, 입력2, 출력 입력1, 입력2, 출력
B-spline 기반 표현
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
역기구학 샘플 데이터 재구성
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B-spline 곡면 표현 결과
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
rx ry rz
tx ty tz
정기구학 샘플 데이터
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B-spline 곡면 표현 결과
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
pan tilt
역기구학 샘플 데이터
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정기구학 제어 방법의 예
{𝛉, 𝛗}
입력 데이터
x 6
{𝒓𝒙, 𝒓𝒚, 𝒓𝒛, 𝒕𝒙, 𝒕𝒚, 𝒕𝒛}
출력 데이터
정기구학 제어 곡면 6개
카메라 위치/자세
𝑹 𝒕𝟎 𝟏
4x4
B-spline 기반 제어
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
출력 데이터 계산 방법
pan tilt
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카메라 입력 영상
엔드이펙터의 위치/자세 계산
<정기구학>
영상 워핑 + 렌더링
시작
관절 회전각 계산<역기구학>
투사 영역의이동?
끝
영상 투사
영상 투사끝?
관절 회전
yes
no
yes
no
PCU 캘리브레이션샘플 데이터 취득 및B-spline 기반 표현
응용 단계
CAD 모델 기반의 제어
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
![Page 43: 간단한 기구부와 결합한 공간증강현실 시스템의 샘플 기반 제어 방법](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022013109/589c62cf1a28abc4358b70eb/html5/thumbnails/43.jpg)
카메라 입력 영상
엔드이펙터의 위치/자세 계산
<정기구학: B-spline 전개>
영상 워핑 + 렌더링
시작
관절 회전각 계산<역기구학 : B-‐spline 전개 >
투사 영역의이동?
끝
영상 투사
영상 투사끝?
관절 회전
yes
no
yes
no
PCU 캘리브레이션샘플 데이터 취득 및B-spline 기반 표현
응용 단계
샘플 기반의 제어
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어
![Page 44: 간단한 기구부와 결합한 공간증강현실 시스템의 샘플 기반 제어 방법](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022013109/589c62cf1a28abc4358b70eb/html5/thumbnails/44.jpg)
4. 구현 및 실험 결과
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
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UCR-based RSAR 응용의 예(1)
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
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프로젝터 이동
투사 영상의 와핑+렌더링 영상 투사 결과
실험 결과 영상
UCR-based RSAR 응용의 예(1)
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
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UCR-based RSAR 응용의 예(2)
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
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실험 방법
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
샘플 기반의 기구학 제어 방법의 정확도 측정
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프로젝터-카메라가 동일한 위치에서
카메라+패턴마커 제안된 샘플 기반의제어 방법
{𝜽,𝝋, 𝒓𝒙, 𝒓𝒚, 𝒓𝒛, 𝒕𝒙, 𝒕𝒚, 𝒕𝒛, 𝒄𝒙, 𝒄𝒚}
pan, tilt
카메라 자세/위치
엔드이펙터
{𝜽,𝝋, 𝒓𝒙, 𝒓𝒚, 𝒓𝒛, 𝒕𝒙, 𝒕𝒚, 𝒕𝒛, 𝒄𝒙, 𝒄𝒚}
pan, tilt
카메라 자세/위치
엔드이펙터
실험 방법
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
샘플 기반의 기구학 제어 방법의 정확도 측정
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제어점 개수카메라 위치/자세
회전( ° ) 이동(mm)
rx ry rz tx ty tz
4 x 4 0.4616 0.4081 0.0820 0.5018 0.5470 1.2953
6 x 6 0.5078 0.3199 0.0802 0.4290 0.4744 1.2769
8 x 8 0.4760 0.2999 0.0779 0.4847 0.6334 1.2042
정기구학 제어 방법의 RMSE
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
실험 결과
정기구학 출력데이터 = 카메라 위치/자세
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제어점 개수관절각(°)
pan tilt
4 x 4 0.6970 0.5037
6 x 6 0.6676 0.4756
8 x 8 0.6287 0.4373
역기구학 제어 방법의 RMSE
1. RSAR ? 2. CAD 모델 기반의기구학 제어 3. 샘플 기반의 기구학 제어 4. 구현 및 실험 결과
실험 결과
역기구학 출력데이터 = 관절각
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요 약
UCR-based RSAR의 한계점CAD모델이 없는 경우 or 조립 오차 > 허용공차
샘플 기반의 기구학 제어 방법샘플 데이터 취득
-> B-spline 곡면 8개 (정6/역2) 생성-> 곡면을 사용해 기구학(출력) 데이터 계산
구현 및 실험 결과엔드이펙터 이동을 위한 관절각 계산 -> 역기구학
엔드이펙터 위치/자세 계산 -> 정기구학
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제안된 방법의 한계점
단일 영역에서 샘플 데이터 취득관절 가용 범위가 작음
2축의 로봇 팔로 제한
단일 RSAR 시스템으로 제한
단일 평면에 투사
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향후 연구 계획
다중 영역에서 샘플 데이터 취득관절 가용 범위를 확장
다축의 로봇 팔에 적용
다중 RSAR 시스템의 협업
다면체/곡면에 투사