An important trend in manufacturing technologies is miniaturization of parts and products. Currently micro parts are being manufactured by MEMS technology, monolithic fabrication method but the functionalities are limited to simple ones. In the future, the functionalities of micro systems are expect to increase, and fabrication technologies for fabrication of micro MEMS parts with complex shape and diverse materials should be established. For those reasons, the microassembly technology has become important and required. In microassembly, open loop robot control is not suitable due to the relatively large kinematic error. So, in the industrial scene, manual or teleoperated microassembly is being used. Because those methods are time consuming and very expensive, automation of the process is positively required. In this thesis, visual servoing techniques are applied for automation of microassembly process with high precision. Visual servoing techniques have shown great promise as a control strategy capable of micro precision while compensating for the many of the problems that exist in the micro domain, including imprecisely modeled and calibrated sensors and actuators. In order to apply visual servoing scheme for the microassembly, we need vision systems and visual measurement algorithms.
This paper is composed of three main topics. Firstly, an active vision system for microassembly will be proposed to solve the three major problems of micro vision systems: small field of view, small depth of field and small depth resolution. The proposed active vision system consists of a zoom lens, a changeable view direction system using a rotating mirror, and focus stages to control focus measure. The proposed systems will be used for stereo system to recognize the depth information. Secondly, the pose estimation and visual tracking algorithm are proposed. The visual feature is extracted using the control points on the contour of the object. The contour matching with optimization is used for the initial pose estimation. The visual tracking with the pose at 3D work space and the visual tracking at the stereo image plane are applied using the CAD-based visual tracking scheme for the proposed stereo vision system. In order to describe the contour of the object, the number of the controls and the interval between them are adaptively adjusted by the proposed measure function and operation. Third, a path planning method is proposed to generate a path of the object on two image spaces using fast marching method. In order to avoid occlusion and obstacles, the travel cost is built by using a potential field defined by occlusion, obstacles and the epipolar boundary constraints. The matched point set from the generated path in each image space should satisfy the epipolar constraint, and these are used as the desired path for visual servoing control of a micro MEMS parts. After explaining those ideas, the efficiency of the proposed algorithms and the applicability of the proposed system are verified by simulations and experiments.
부품과 제품의 소형화되면서 MEMS기술에 의한 마이크로 부품의 제조 중요한 기술이 되고 있으나, 단일몸체를 가공하여 제조하는 MEMS기술로 단순한 형상, 고가의 재료 낭비 등의 문제를 갖고 있다. 앞으로 마이크로 시스템이 증가하고 복잡한 형상과 다양한 재료에 의해 생산될 것이다. 이러한 이유에서 마이크로 조립 기술은 중요성을 가지며 필수적이다. 마이크로 조립에서 개루프제어(open loop control)은 기구적인 오차가 요구정밀도에 비하여 상대적으로 크므로 적합하지 않다. 산업계에서는 사람에 의한 작업이 이루어지고 있으며, 시간과 비용에서 크게 소모되고 있어 자동화 기술이 필요하다. 비주얼 서보잉 기술은 마이크로 정밀도의 제어에서 주요연구분야이며, 마이크로 영역에서 존재하는 모델의 오차, 센서와 액츄에이터의 오차문제들을 보상하고 제어할 수 있는 방법이다. 마이크로 조립에서 비주얼 서보잉 기술을 적용하기 위해서는 영상 시스템과 영상 측정 알고리즘이 필요하다.
본 논문의 주요연구내용은 세가지 부분으로 나누어진다. 첫째 마이크로 부품을 위한 고배율 카메라의 문제점(작은 FOV(Field of View), 작은 초점심도(Depth of field), 작은 깊이 분해능)에 대응하기 위한 능동적인 영상 시스템을 제안하고자 한다. 제안된 영상시스템은 줌렌즈, 회전거울을 이용한 뷰의 방향 제어, 초점심도를 유지하기 위한 초점위치제어 스테이지로 구성된다. 깊이 정보를 포함한 3차원정보를 측정하기 위하여 스테레오 시스템을 구성하였다. 두번째, 물체의 위치 예측 및 영상추종알고리즘을 제안하고자 한다. 영상 특징치는 대상물체의 윤곽선상의 제어점으로부터 구해지며, 윤곽선 매칭을 통한 최적화로 초기 위치를 구하며, 제안된 스테레오 영상 시스템을 위한 CAD기반의 영상 추종알고리즘을 제안하였다. 그리고 대상물체의 윤곽선을 묘사하기 위한 제어점을 평가하여 개수 및 위치를 조절하는 제어점 적응 알고리즘을 제안하였다. 마지막으로 스테레오 영상 기반의 최적경로 설계 알고리즘을 제안하여 가림현상과 장애물을 피하고 Fast marching 알고리즘에 의해 이동비용을 최소하는 경로를 설계한다. 두 영상 경로에서 Epipolar 조건을 만족하는 영상 경로점들에 의해서 경로가 생성되고 비주얼 서보잉에 의해서 경로를 추종하여 조립을 수행한다. 제안된 시스템과 알고리즘은 모의실험과 실험에 의한 유효성을 검증하였다.
