KR102449413B1 - Apparatus and method for detecting fault of robot - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로봇의 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치는 로봇에 설치된 적어도 하나의 모터로부터 기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함 중 적어도 하나의 결함에 대응되는 전류 데이터를 수집하는 데이터 수집부와, 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행하는 데이터 전처리부와, 전처리된 데이터에 대한 웨이블릿 분석에 기초하여 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출하는 특징 추출부 및 추출된 특징 데이터에 기초하여 로봇의 고장을 검출하는 고장 검출부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for detecting a failure of a robot, and the apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment includes a current corresponding to at least one of a mechanical defect, an electronic defect, and an electrical defect from at least one motor installed in the robot. A data collection unit collecting data, a data preprocessing unit performing preprocessing for applying a dimension reduction technique to the collected current data, and extracting feature data according to at least one defect based on wavelet analysis on the preprocessed data It includes a feature extraction unit and a failure detection unit for detecting a failure of the robot based on the extracted characteristic data.
Description
본 발명은 로봇의 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업용 로봇의 PHM을 위하여 로봇의 고장을 검출 및 진단하는 기술적 사상에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for detecting a failure of a robot, and more particularly, to a technical idea for detecting and diagnosing a failure of a robot for PHM of an industrial robot.
현대 산업 시스템은 자동화 및 제어 분야의 발전과 함께 자동화된 업무를 수행하도록 프로그래밍된 로봇을 적용하여 사람의 간섭을 최소화 하였다. 산업 시스템의 자동화에 가장 기초구성요소인 로봇은 지속적으로 제조 공정에 사용 되기 때문에 시간 흐름에 따라 로봇의 부분적인 시스템이나 부품의 성능저하가 발생한다.Modern industrial systems have minimized human interference by applying robots programmed to perform automated tasks along with advances in automation and control. Because the robot, which is the most basic component of the automation of industrial systems, is continuously used in the manufacturing process, the performance of the robot's partial system or parts deteriorates over time.
이러한 성능저하가 발생했을 때 적절한 유지보수를 하지 않으면 시스템에 다양한 고장이 발생할 수 있고 결국 공장의 예상치 못한 가동 중단 및 생산 손실을 야기할 수 있다.Failure to do proper maintenance when such degradation occurs can lead to various failures in the system, which in turn can lead to unexpected plant downtime and loss of production.
이를 해결하기 위해서는 상태 모니터링, 진단, 예측, 유지보수 일정을 수행하는 건전성 예측 및 관리(prognostics and health management, PHM)가 필요하다.To solve this, prognostics and health management (PHM), which performs condition monitoring, diagnosis, prediction, and maintenance schedules, is required.
PHM의 가장 중요한 기술은 고장 감지 및 진단이다. 전기적 장치의 고장 감지 및 진단은 전류 신호를 사용하고, 기계적 결함은 진동 또는 음향 방출 신호를 통해 감지하는 방법이 사용된다.The most important technology of PHM is fault detection and diagnosis. A method of detecting and diagnosing a failure of an electrical device uses a current signal, and detecting a mechanical defect through a vibration or acoustic emission signal is used.
이로 인해 전반적인 고장 감지 및 진단 방법이 더욱 복잡해지고, 여러 유형의 데이터(전류, 진동, 윤활 오일 분석 또는 음향 방출)를 처리하기 때문에 실시간 구현에 있어서 관리가 어려워지고 전체 시스템 계산 비용이 높아진다.This makes the overall fault detection and diagnosis method more complex, and the handling of multiple types of data (current, vibration, lubricating oil analysis or acoustic emissions) makes it difficult to manage in real-time implementations and increases the computational cost of the entire system.
또한, 모터의 저속 및 시동 초기 단계에서는 진동해석을 이용한 고장진단의 정확도가 떨어지는 편이다. 따라서 전기적 및 기계적 결함을 한가지 데이터만 사용하여 다양한 종류의 결함을 판별하는 체계적인 접근법 확립이 필요하다.In addition, the accuracy of fault diagnosis using vibration analysis tends to be low at low speed of the motor and at the initial stage of start-up. Therefore, it is necessary to establish a systematic approach to discriminate various types of defects using only one data for electrical and mechanical defects.
본 발명은 모터전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA) 및 기계학습을 통해 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장을 용이하게 검출 및 진단할 수 있는 로봇의 고장 검출 장치 및 방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a robot failure detection apparatus and method that can easily detect and diagnose mechanical failure, electronic failure, and electrical failure of the robot through motor current signature analysis (MCSA) and machine learning. .
또한, 본 발명은 전기 모터의 3상 전류만을 이용하여 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장에 따른 결함을 정확하게 분류할 수 있는 로봇의 고장 검출 장치 및 방법을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for detecting a failure of a robot that can accurately classify defects according to mechanical failure, electronic failure, and electrical failure of the robot using only the three-phase current of the electric motor.
또한, 본 발명은 실시간 구현 시 계산 시간이 단축되어 빠른 응답 속도를 가질 수 있고, 센서 부품이 크게 절감되어 고장 검출 및 진단 비용을 절감할 수 있는 고장 검출 장치 및 방법을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a failure detection apparatus and method capable of reducing a calculation time in real-time implementation to have a fast response speed, and greatly reducing sensor components, thereby reducing failure detection and diagnosis costs.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치는 로봇에 설치된 적어도 하나의 모터로부터 기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함 중 적어도 하나의 결함에 대응되는 전류 데이터를 수집하는 데이터 수집부와, 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행하는 데이터 전처리부와, 전처리된 데이터에 대한 웨이블릿 분석에 기초하여 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출하는 특징 추출부 및 추출된 특징 데이터에 기초하여 로봇의 고장을 검출하는 고장 검출부를 포함할 수 있다. A robot failure detection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a data collection unit for collecting current data corresponding to at least one of a mechanical defect, an electronic defect, and an electrical defect from at least one motor installed in the robot; A data preprocessor that performs preprocessing for applying a dimensionality reduction technique to current data, a feature extractor that extracts feature data according to at least one defect based on wavelet analysis on the preprocessed data, and a feature extractor based on the extracted feature data It may include a failure detection unit for detecting a failure of the robot.
일측에 따르면, 데이터 수집부는 모터 전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA)를 통해 도출되는 적어도 하나의 모터의 3상 전류 데이터를 수집할 수 있다. According to one side, the data collector may collect three-phase current data of at least one motor derived through motor current signature analysis (MCSA).
일측에 따르면, 데이터 전처리부는 DQ0 변환(DQ0 transformation)을 이용하여 3상 전류 데이터를 2상 전류 데이터로 차원 감소시킬 수 있다. According to one side, the data preprocessor may dimensionally reduce the three-phase current data to the two-phase current data by using DQ0 transformation.
일측에 따르면, 특징 추출부는 DWT(Discrete Wavelet Transform) 기반의 시간-주파수 도메인 분석(time-domain analysis)을 통해 전처리된 데이터를 웨이블릿 신호로 분해할 수 있다. According to one side, the feature extractor may decompose preprocessed data into wavelet signals through time-domain analysis based on discrete wavelet transform (DWT).
일측에 따르면, 특징 추출부는 분해된 웨이블릿 신호에 대하여 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석 중 적어도 하나의 분석을 수행하여 제1 특징을 추출할 수 있다. According to one side, the feature extractor may extract the first feature by performing at least one of wavelet domain analysis and wavelet statistical analysis on the decomposed wavelet signal.
일측에 따르면, 특징 추출부는 웨이블릿 도메인 분석을 통해, 웨이블릿 에너지(wavelet energy) 및 샤논 웨이블릿 엔트로피(shannon wavelet entropy) 중 적어도 하나에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다.According to one side, the feature extractor may extract a first feature corresponding to at least one of wavelet energy and Shannon wavelet entropy through wavelet domain analysis.
일측에 따르면, 특징 추출부는 웨이블릿 통계 분석을 통해, 분해된 웨이블릿 신호에 대한 평균(mean), 표준 편차(standard deviation), 분산(variance), 첨도(kurtosis) 및 왜도(skewness) 중 적어도 하나의 통계 데이터에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다. According to one side, the feature extracting unit selects at least one of mean, standard deviation, variance, kurtosis, and skewness of the decomposed wavelet signal through wavelet statistical analysis. A first feature corresponding to the statistical data may be extracted.
일측에 따르면, 특징 추출부는 제1 특징을 입력으로 수신하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 특징 데이터로 추출할 수 있다.According to one side, the feature extraction unit may extract a second feature output from a feature selection algorithm that receives the first feature as an input as feature data.
일측에 따르면, 특징 선택 알고리즘은 제1 특징에 대한 카이-제곱 테스트(chi-square tests) 및 상관 분석(correlation analysis)을 수행하여 제2 특징을 출력할 수 있다. According to one side, the feature selection algorithm may output the second feature by performing chi-square tests and correlation analysis on the first feature.
일측에 따르면, 고장 검출부는 추출된 특징 데이터에 기초하여 기계학습 기반의 분류기를 학습시킬 수 있다. According to one side, the failure detection unit may train a machine learning-based classifier based on the extracted feature data.
일측에 따르면, 데이터 수집부는 적어도 하나의 모터로부터 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터를 수신하고, 고장 검출부는 기계학습 기반의 분류기를 이용하여 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터에 대응되는 결함을 분류하고, 결함의 분류 결과에 기초하여 로봇의 고장을 검출할 수 있다. According to one side, the data collection unit receives current data corresponding to a preset time from at least one motor, and the failure detection unit classifies the defect corresponding to the current data corresponding to the preset time using a machine learning-based classifier, , it is possible to detect the failure of the robot based on the classification result of the defect.
일측에 따르면, 기계학습 기반의 분류기는 선형 판별 분석(linear discriminant analysis, LDA), 파인 트리(fine tree, FT), 나이브 베이즈(naive bayes, NB) 및 서포트 벡터 머신(support vector machine, SVM) 중 적어도 하나에 기초하는 분류기일 수 있다.According to one side, machine learning-based classifiers include linear discriminant analysis (LDA), fine tree (FT), naive bayes (NB), and support vector machine (SVM). It may be a classifier based on at least one of
본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 데이터 수집부에서 봇에 설치된 적어도 하나의 모터로부터 기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함 중 적어도 하나의 결함에 대응되는 전류 데이터를 수집하는 단계와, 데이터 전처리부에서 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행하는 단계와, 특징 추출부에서 전처리된 데이터에 대한 웨이블릿 분석에 기초하여 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출하는 단계 및 고장 검출부에서 추출된 특징 데이터에 기초하여 로봇의 고장을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.A robot failure detection method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: collecting current data corresponding to at least one of a mechanical defect, an electronic defect, and an electrical defect from at least one motor installed in a bot in a data collecting unit; performing pre-processing of applying a dimension reduction technique to the current data collected by the data pre-processing unit, and extracting feature data according to at least one defect based on wavelet analysis of the pre-processed data in the feature extracting unit It may include detecting a failure of the robot based on the feature data extracted by the detection unit.
일측에 따르면, 특징 데이터를 추출하는 단계는 분해된 웨이블릿 신호에 대하여 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석 중 적어도 하나의 분석을 수행하여 제1 특징을 추출할 수 있다. According to one side, the extracting of the feature data may include performing at least one of wavelet domain analysis and wavelet statistical analysis on the decomposed wavelet signal to extract the first feature.
일측에 따르면, 특징 데이터를 추출하는 단계는 제1 특징을 입력으로 수신하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 특징 데이터로 추출할 수 있다.According to one side, the extracting of the feature data may include extracting the second feature output from the feature selection algorithm that receives the first feature as the feature data.
일실시예에 따르면, 본 발명은 모터전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA) 및 기계학습을 통해 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장을 용이하게 검출 및 진단할 수 있다. According to an embodiment, the present invention can easily detect and diagnose a mechanical failure, an electronic failure, and an electrical failure of a robot through motor current signature analysis (MCSA) and machine learning.
일실시예에 따르면, 본 발명은 전기 모터의 3상 전류만을 이용하여 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장에 따른 결함을 정확하게 분류할 수 있다.According to one embodiment, the present invention can accurately classify defects according to mechanical failure, electronic failure, and electrical failure of the robot using only the three-phase current of the electric motor.
일실시예에 따르면, 본 발명은 실시간 구현 시 계산 시간이 단축되어 빠른 응답 속도를 가질 수 있고, 센서 부품이 크게 절감되어 고장 검출 및 진단 비용을 절감할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when real-time implementation, calculation time can be shortened to have a fast response speed, and sensor components can be greatly reduced, thereby reducing the cost of detecting and diagnosing a failure.
도 1은 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 전류 데이터를 수집하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 전류 데이터를 전처리하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 전처리된 데이터를 웨이블릿 신호로 분해하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 특징 데이터를 추출하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치의 기계학습 기반의 분류기에 관한 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining an apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
2 is a view for explaining an example of collecting current data in the device for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
3A to 3B are diagrams for explaining an example of pre-processing current data in an apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
4 is a view for explaining an example of decomposing preprocessed data into a wavelet signal in the apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
5 is a view for explaining an example of extracting feature data from the failure detection apparatus of the robot according to an embodiment.
6A to 6D are diagrams for explaining an example of a machine learning-based classifier of an apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
7 is a view for explaining a method for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to various embodiments may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in various embodiments, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as “A or B” or “at least one of A and/or B” may include all possible combinations of items listed together.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," can modify the corresponding elements, regardless of order or importance, and to distinguish one element from another element. It is used only and does not limit the corresponding components.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When an (eg, first) component is referred to as being “(functionally or communicatively) connected” or “connected” to another (eg, second) component, that component is It may be directly connected to the element, or may be connected through another element (eg, a third element).
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.As used herein, "configured to (or configured to)" according to the context, for example, hardware or software "suitable for," "having the ability to," "modified to ," "made to," "capable of," or "designed to," may be used interchangeably.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some contexts, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or components.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase “a processor configured (or configured to perform) A, B, and C” refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may refer to a general-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless stated otherwise or clear from context, the expression 'x employs a or b' means any one of natural inclusive permutations.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the above-described specific embodiments, elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the specific embodiments presented.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
도 1은 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining an apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 고장 검출 장치(100)는 모터전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA) 및 기계학습을 통해 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장을 용이하게 검출 및 진단할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the
또한, 고장 검출 장치(100)는 전기 모터의 3상 전류만을 이용하여 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장에 따른 결함을 정확하게 분류할 수 있다. In addition, the
또한, 고장 검출 장치(100)는 실시간 구현 시 계산 시간이 단축되어 빠른 응답 속도를 가질 수 있고, 센서 부품이 크게 절감되어 고장 검출 및 진단 비용을 절감할 수 있다. In addition, the
구체적으로, 고장 검출 장치(100)는 임의의 시간에서 전기 모터로부터 전류 데이터를 수집 및 분석하여 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장에 따른 결함(기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함)을 보다 정확하게 구분 및 분류할 수 있다. Specifically, the
전기적 결함은 3상 전원선의 단선, 고정자 권선 내부 코일 사이의 단락, 회전간 단락 회로 고장으로 불리는 동일한 코일 권선 간 단락의 이유로 발생된다.Electrical faults are caused by short circuits between three-phase power lines, short circuits between the inner coils of the stator windings, and short circuits between windings of the same coil, also called inter-turn short circuit failures.
전기적 고장은 전기모터를 제어하는 전력 변환기, 인버터의 결함으로 발생되는 전자적 고장으로 분류될 수 있으며, 전력 변환기의 주 고장은 절연 게이트 양극성 트렌지스터(insulated-gate bipolar junction transistor, IGBT) 장치의 단선 또는 단락으로 발생하는 스위칭 결함의 이유로 발생된다. Electrical failures can be classified into electronic failures caused by defects in the power converter and inverter that control the electric motor. Occurs due to a switching fault that occurs in
한편, 기계적 결함은 톱니의 정렬 오류, 갈라진 톱니, 갈라지거나 구부러진 회전자와 샤프트, 구름 요소 베어링(rolling element bearing, REB)의 오정렬과 불균형 커플링, RV 감속기의 편심 베어링 결함(eccentric bearing fault) 및 RV 감속기의 노화 결함(aging fault) 등을 포함할 수 있다.On the other hand, mechanical defects include misalignment of teeth, cracked teeth, cracked or bent rotor and shaft, misalignment and unbalanced coupling of rolling element bearing (REB), eccentric bearing fault of RV reducer, and It may include an aging fault of the RV reducer, and the like.
일반적으로, 전기적 결함 및 전자적 결함은 대부분 전기 모터에 흐르는 전류를 분석하는 모터전류 시그니처 분석(MCSA)을 통해 검출되며, 기계적 결함은 진동 신호 분석, 윤활 오일 분석(ferrography), 음향 방출 분석을 통해 검출된다. In general, electrical and electronic faults are mostly detected through motor current signature analysis (MCSA), which analyzes the current flowing in the electric motor, and mechanical faults are detected through vibration signal analysis, lubrication oil analysis (ferrography), and acoustic emission analysis. do.
그러나, 상술한 모니터링, 결함 감출 및 진단 과정에 관련된 다양한 센서와 데이터로 인한 분석방법의 차이는 PHM을 더 복잡한 문제로 만드는 문제가 있다.However, differences in analysis methods due to various sensors and data related to the above-described monitoring, defect detection, and diagnosis process make PHM a more complex problem.
이에, 고장 검출 장치(100)는 전기 기계적 관계를 이용하여 기계부품과 연결된 전기모터의 전류 데이터를 모터전류 시그니처 분석하는 것만으로, 기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함을 보다 정확하게 구분 및 분류하는 기술을 제공한다. Accordingly, the
이를 위해, 고장 검출 장치(100)는 데이터 수집부(110), 데이터 전처리부(120), 특징 추출부(130) 및 고장 검출부(140)를 포함할 수 있다. To this end, the
일실시예에 따른 데이터 수집부(110)는 로봇에 설치된 적어도 하나의 모터로부터 기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함 중 적어도 하나의 결함에 대응되는 전류 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들면, 모터는 산업용 로봇에 설치되는 전기 모터일 수 있다. The
일측에 따르면, 데이터 수집부(110)는 모터 전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA)를 통해 도출되는 적어도 하나의 모터의 3상 전류 데이터(Iabc)를 수집할 수 있다. According to one side, the
일실시예에 따른 데이터 전처리부(120)는 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행할 수 있다. The
일측에 따르면, 데이터 전처리부(120)는 DQ0 변환(DQ0 transformation)을 이용하여 3상 전류 데이터(Iabc)를 2상 전류 데이터(Idq)로 차원 감소시킬 수 있다. According to one side, the
일실시예에 따른 특징 추출부(130)는 전처리된 데이터에 대한 웨이블릿 분석에 기초하여 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출할 수 있다. The
일측에 따르면, 특징 추출부(130)는 DWT(Discrete Wavelet Transform) 기반의 시간-주파수 도메인 분석(time-domain analysis)을 통해 전처리된 데이터를 웨이블릿 신호로 분해할 수 있다. According to one side, the
일측에 따르면, 특징 추출부(130)는 분해된 웨이블릿 신호에 대하여 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석 중 적어도 하나의 분석을 수행하여 제1 특징을 추출할 수 있다. According to one side, the
구체적으로, 특징 추출부(130)는 웨이블릿 도메인 분석을 통해, 웨이블릿 에너지(wavelet energy) 및 샤논 웨이블릿 엔트로피(shannon wavelet entropy) 중 적어도 하나에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다. Specifically, the
또한, 특징 추출부(130)는 웨이블릿 통계 분석을 통해, 분해된 웨이블릿 신호에 대한 평균(mean), 표준 편차(standard deviation), 분산(variance), 첨도(kurtosis) 및 왜도(skewness) 중 적어도 하나의 통계 데이터에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다. In addition, the
일측에 따르면, 특징 추출부(130)는 제1 특징을 입력으로 수신하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 특징 데이터로 추출할 수 있다.According to one side, the
예를 들면, 특징 선택 알고리즘은 제1 특징에 대한 카이-제곱 테스트(chi-square tests) 및 상관 분석(correlation analysis)을 수행하여 제2 특징을 출력할 수 있다. For example, the feature selection algorithm may perform chi-square tests and correlation analysis on the first feature to output the second feature.
일실시예에 따른 고장 검출부(140)는 추출된 특징 데이터에 기초하여 로봇의 고장을 검출할 수 있다. The
일측에 따르면, 고장 검출부(140)는 추출된 특징 데이터에 기초하여 기계학습 기반의 분류기를 학습시킬 수 있다. According to one side, the
일측에 따르면, 데이터 수집부(110)는 적어도 하나의 모터로부터 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터를 수신할 수 있으며, 고장 검출부(140)는 기계학습 기반의 분류기를 이용하여 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터에 대응되는 결함을 분류하고, 결함의 분류 결과에 기초하여 로봇의 고장을 검출할 수 있다. According to one side, the
예를 들면, 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터는 현재 시간을 기준으로 기설정된 시간 범위에 대응되는 실시간 전류 데이터일 수 있다.For example, the current data corresponding to the preset time may be real-time current data corresponding to a preset time range based on the current time.
또한, 기계학습 기반의 분류기는 선형 판별 분석(linear discriminant analysis, LDA), 파인 트리(fine tree, FT), 나이브 베이즈(naive bayes, NB) 및 서포트 벡터 머신(support vector machine, SVM) 중 적어도 하나에 기초하는 분류기일 수 있다. In addition, the machine learning-based classifier is at least one of linear discriminant analysis (LDA), fine tree (FT), naive bayes (NB), and support vector machine (SVM). It may be a classifier based on one.
바람직하게는, 기계학습 기반의 분류기는 선형 판별 분석(LDA) 또는 서포트 벡터 머신(SVM)에 기초하는 분류기일 수 있다. Preferably, the classifier based on machine learning may be a classifier based on linear discriminant analysis (LDA) or support vector machine (SVM).
도 2는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 전류 데이터를 수집하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining an example of collecting current data in the device for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a) 내지 (c)는 일실시예에 따른 고장 검출 장치의 데이터 수집부에서 모터전류 시그니처 분석(MCSA)을 통해 수집한 3상 전류 데이터(phase A, B, C)(Iabc)를 도시 한다.Referring to FIG. 2, (a) to (c) of FIG. 2 are three-phase current data (phase A, B) collected through motor current signature analysis (MCSA) by the data collection unit of the failure detection device according to an embodiment. , C)(I abc ) is shown.
구체적으로, 데이터 수집부는 전기 모터의 3상 각각에 대응되는 위치에 설치된 복수의 전류 센서를 이용하여 3상 각각에 대한 모터 전류 데이터를 수집할 수 있다. Specifically, the data collection unit may collect motor current data for each of the three phases using a plurality of current sensors installed at positions corresponding to each of the three phases of the electric motor.
예를 들면, 데이터 수집부는 전기 모터의 각 위상에 대응되는 총 6개의 전기 모터에 대하여 18개가 설치된 전류 센서로부터 18개의 전류 데이터를 수집할 수 있다. For example, the data collection unit may collect 18 current data from 18 current sensors installed for a total of 6 electric motors corresponding to each phase of the electric motor.
도 3a 내지 도 3b는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 전류 데이터를 전처리하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.3A to 3B are diagrams for explaining an example of pre-processing current data in an apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 참조부호 310은 일실시예에 따른 고장 검출 장치의 데이터 전처리부에서 3상 전류 데이터(Iabc)에 DQ0 변환(DQ0 transformation)을 적용하여 2상 전류 데이터(Idq)로 차원 감소시킨 결과를 2D 이미지로 도시하고, 참조부호 320은 DQ0 변환을 통해 3상 전류 데이터(Iabc)를 2상 전류 데이터(Idq)로 차원 감소시키는 과정을 설명하기 위한 이미지를 도시한다. 3A to 3B ,
참조부호 310에 따르면, 데이터 전처리부는 도 2의 (a) 내지 (c)에 도시된 3상 전류 데이터(Iabc)를 DQ0 변환하여 2상 전류 데이터(Idq)를 출력할 수 있다. Referring to reference numeral 310, the data preprocessor may DQ0-convert the three-phase current data I abc shown in FIGS. 2A to 2C to output the two-phase current data I dq .
참조부호 320에 따르면, 데이터 전처리부는 코사인 기반(cosine-based) DQ0 변환 및 사인 기반(sine-based) DQ0 변환 중 적어 하나를 이용하여 2상 전류 데이터(Idq)를 출력할 수 있다.Referring to reference numeral 320 , the data preprocessor may output the two-phase current data I dq by using at least one of a cosine-based DQ0 transformation and a sine-based DQ0 transformation.
코사인 기반 DQ0 변환은 d축(d axis)이 기준축인 A축(A axis)에 정렬되고, 사인 기반 DQ0 변환은 q축(q axis)이 기준축인 A축(A axis)에 정렬될 수 있다.The cosine-based DQ0 transform is aligned to the A axis, where the d axis is the reference axis, and the sine-based DQ0 transform is aligned to the A axis, where the q axis is the reference axis. have.
코사인 기반 DQ0 변환은 회전하는 DQ 프레임을 시간 t = 0에서 A축(A axis)에 정렬하여 결과(d = 0, q = -1, zero = 0)를 출력할 수 있으며, 사인 기반 DQ0 변환은 시간 t = 0에서 회전하는 DQ 프레임을 A축(A axis) 뒤로 90도 회전된 축에 정렬하여 결과(d = 1, q = 0, zero = 0)를 출력할 수 있다.The cosine-based DQ0 transform can output the result (d = 0, q = -1, zero = 0) by aligning the rotating DQ frame to the A axis at time t = 0, while the sine-based DQ0 transform can The result (d = 1, q = 0, zero = 0) can be output by aligning the rotating DQ frame at time t = 0 to the axis rotated 90 degrees behind the A axis.
일실시예에 따른 데이터 전처리부는 사인 기반 DQ0 변환을 수행하는 하기 수학식1을 적용하여 3상 전류 데이터(Iabc)를 2상 전류 데이터(Idq)로 변환할 수 있다. The data preprocessor according to an embodiment may convert the three-phase current data I abc into the two-phase current data I dq by applying
[수학식1][Equation 1]
도 4는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 전처리된 데이터를 웨이블릿 신호로 분해하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining an example of decomposing preprocessed data into a wavelet signal in the apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 참조부호 400은 일실시예에 따른 고장 검출 장치의 특징 추출부에서 전처리된 데이터, 즉 2상 전류 데이터(Idq)에 대한 DWT 기반의 시간-주파수 도메인 분석을 통해 2상 전류 데이터(Idq)를 웨이블릿 신호로 분해하는 예시를 도시한다. Referring to FIG. 4 ,
2상 전류 데이터(Idq)에 대한 분석은 시간 도메인 분석, 주파수 도메인 분석 및 시간-주파수 도메인 분석 중 적어도 하나의 분석 방법을 통해 수행될 수 있다. Analysis of the two-phase current data I dq may be performed through at least one of a time domain analysis, a frequency domain analysis, and a time-frequency domain analysis.
시간 도메인 분석은 시간 도메인의 유용한 정보를 요약하는 통계적 특징이 신호에서 추출될 수 있으며, 주파수 도메인 분석은 특정 특징을 갖는 결함을 구분하는데 유리한 분석으로 알려져 있다. 그러나, 시간 도메인 분석 및 주파수 도메인 분석은 비정상 데이터(일례로, 기계적 결함) 분석에 한계를 보이고 있다. In the time domain analysis, statistical features that summarize useful information in the time domain can be extracted from the signal, and the frequency domain analysis is known as an analysis advantageous for distinguishing defects with specific characteristics. However, time domain analysis and frequency domain analysis have limitations in analyzing abnormal data (eg, mechanical defects).
이에, 일실시예에 따른 특징 추출부는 상술한 한계를 극복하기 위해, 주파수 도메인과 시간 도메인이 혼합된 시간-주파수 분석을 이용하되, 주파수 및 위치 정보를 모두 캡처하는 시간 해상도에 이점이 있는 DWT를 이용하여 2상 전류 데이터(Idq)를 분석할 수 있다.Accordingly, in order to overcome the above-described limitation, the feature extraction unit according to an embodiment uses a time-frequency analysis in which the frequency domain and the time domain are mixed, but uses a DWT that has an advantage in temporal resolution for capturing both frequency and location information. can be used to analyze the two-phase current data (I dq ).
참조부호 400에 따르면, 일실시예에 따른 특징 추출부는 2상 전류 데이터(Idq)를 하기 수학식2와 같이 근사 성분(approximation component) Am[n] 및 세부 성분(detail component) Dm[n]으로 분해할 수 있다. Referring to reference numeral 400, the feature extraction unit according to an embodiment extracts the two-phase current data (I dq ) as shown in
[수학식2][Equation 2]
구체적으로, 특징 추출부는 2상 전류 데이터 Id[n] 및 Iq[n]를 QMF(quadrature mirror filter) h 및 q를 이용하여 컨볼루션(convolution)할 수 있으며, 이에 따른 데이터 시퀀스는 레벨 1에서 제1 근사 성분 A1[n] 및 제1 세부 성분 D1[n]으로 분해될 수 있다. 다음으로, 레벨 2에서 제1 근사 성분 A1[n]은 제2 근사 성분 A2[n] 및 제2 세부 성분 D2[n]으로 분해될 수 있다. Specifically, the feature extractor may convolve the two-phase current data I d [n] and I q [n] using QMF (quadrature mirror filter) h and q, and the data sequence according to this may be
바람직하게는, 특징 추출부는 레벨 6까지 분해를 반복하여, 제5 근사 성분 A5[n]은 제6 근사 성분 A6[n] 및 제6 세부 성분 D6[n]으로 분해될 수 있다. Preferably, the feature extraction unit repeats the decomposition up to
도 5는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치에서 특징 데이터를 추출하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining an example of extracting feature data from the failure detection apparatus of the robot according to an embodiment.
도 5를 참조하면, 참조부호 500은 일실시예에 따른 고장 검출 장치에서 특징을 추출하는 특징 추출부의 구현 예시를 도시한다. Referring to FIG. 5 ,
특징 추출부(500)는 전처리된 데이터에 대한 DWT를 수행할 때, 분해된 웨이블릿 신호에서 복수의 특징을 추출할 수 있다. The
그러나, 특징 추출부(500)에서 DWT를 통해 추출된 특징이 부적절한 특징인 경우에 이후 고장 검출부에서 수행되는 기계학습 기반의 분류기의 학습과정에 부적절한 특징이 학습되게 되면, 분류기에서의 결함 분류의 정확도를 감소시키게 되어, 분류의 신뢰성을 감소시킬 수 있다. However, when the feature extracted through the DWT in the
이에, 일실시예에 따른 특징 추출부(500)는 DWT를 통해 추출한 특징 중 적절한 결함 판별 특징을 추출 및 선택하여 분류의 신뢰성을 높이는 과정을 수행할 수 있다. Accordingly, the
이를 위해, 특징 추출부(500)는 웨이블릿 도메인 분석부(510), 웨이블릿 통계 분석부(520) 및 특징 선택부(530)를 포함할 수 있다. To this end, the
웨이블릿 도메인 분석부(510)는 분해된 웨이블릿 신호에 대한 웨이블릿 도메인 분석을 통해, 웨이블릿 에너지(wavelet energy) 및 샤논 웨이블릿 엔트로피(shannon wavelet entropy) 중 적어도 하나에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다.The
구체적으로, 웨이블릿 도메인 분석부(510)는 분해된 웨이블릿 신호로부터 하기 수학식3과 같은 웨이블릿 에너지에 대응되는 제1 특징 및 샤논 웨이블릿 엔트로피에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다.Specifically, the
[수학식3][Equation 3]
여기서, Ai 및 Di 각각은 i번째 레벨에서 분해된 웨이블릿 신호의 근사 성분 및 세부 성분을 나타내고, s는 입력 신호를 나타내며, si는 입력 신호 s의 정규 직교 기저(orthonormal basis)를 나타낸다. Here, A i and D i each represent an approximate component and a detailed component of the wavelet signal decomposed at the i-th level, s represents an input signal, and si represents an orthonormal basis of the input signal s.
예를 들면, 웨이블릿 도메인 분석부(510)는 수학식 3을 통해, 2상 전류 데이터 성분(Id 및 Iq)에 대한 각 세부 성분(D1 내지 D6)으로부터 하기 표1 과 같은 24개의 제1 특징을 추출할 수 있다.For example, the
웨이블릿 통계 분석부(520)는 분해된 웨이블릿 신호에 대한 웨이블릿 통계 분석을 통해, 분해된 웨이블릿 신호에 대한 평균(mean), 표준 편차(standard deviation), 분산(variance), 첨도(kurtosis) 및 왜도(skewness) 중 적어도 하나의 통계 데이터에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다.The wavelet
구체적으로, 웨이블릿 통계 분석부(520)는 분해된 웨이블릿 신호로부터 하기 수학식4와 같은 평균(mean), 표준 편차(standard deviation), 분산(variance), 첨도(kurtosis) 및 왜도(skewness)에 대응되는 제1 특징을 추출할 수 있다. Specifically, the wavelet
[수학식4][Equation 4]
여기서, n은 하나의 관측값을 나타내고, N는 전체 관측값의 수를 나타낸다. Here, n represents one observation and N represents the total number of observations.
예를 들면, 웨이블릿 통계 분석부(520)는 수학식 4를 통해, 2상 전류 데이터 성분(Id 및 Iq)에 대한 각 세부 성분(D1 내지 D6)으로부터 하기 표2 과 같은 60개의 제1 특징을 추출할 수 있다.For example, the wavelet
한편, 특징 선택부(530)는 웨이블릿 도메인 분석부(510)와 웨이블릿 통계 분석부(520)를 통해 출력되는 제1 특징을 입력으로 수신하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 특징 데이터로 추출할 수 있다.Meanwhile, the
일측에 따르면, 특징 선택부(530)는 카이-제곱 테스트(chi-square tests) 및 상관 분석(correlation analysis)을 수행하여 제2 특징을 출력할 수 있다.According to one side, the
예를 들면, 특징 선택부(530)는 웨이블릿 도메인 분석부(510)로부터 수신하는 제1 특징의 수가 24개이고, 웨이블릿 통계 분석부(520)를 통해 수신되는 특징이 60개인 경우에, 카이-제곱 테스트를 통해 84개의 제1 특징 중 20개의 특징을 선별하고, 상관 분석을 통해 선별된 20개의 특징 중 10개의 특징을 제2 특징으로 선택할 수 있다. For example, when the number of first features received from the
즉, 일실시예에 따른 특징 추출부(500)는 DWT 기반의 시간-주파수 도메인 분석, 시간-주파수 도메인 분석 결과에 기반한 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석, 카이-제곱 테스트 및 상관 분석을 통해 전류 데이터로부터 보다 유의미한 특징을 추출할 수 있다. That is, the
도 6a 내지 도 6d는 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치의 기계학습 기반의 분류기에 관한 예시를 설명하기 위한 도면이다. 6A to 6D are diagrams for explaining an example of a machine learning-based classifier of an apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 참조부호 610 내지 640은 일실시예에 따른 고장 검출 장치의 고장 검출부에서 특징 추출부로부터 수신한 특징 데이터를 통해 학습된 기계학습 기반의 분류기를 이용하여, 미결함(정상 상태, normal), RV 감속기의 편심 베어링 결함(faulty) 및 RV 감속기의 노화 결함(faultyAged)에 각각 대응되는 전류 데이터(target class)를 분류한 결과(output class)를 도시한다. 6A to 6D ,
구체적으로, 참조부호 610은 선형 판별 분석(LDA) 기반의 분류기의 분류 결과를 도시하고, 참조부호 620은 파인 트리(FT) 기반의 분류기의 분류 결과를 도시하며, 참조부호 630은 나이브 베이즈(NB) 기반의 분류기의 분류 결과를 도시하고, 참조부호 640은 서포트 벡터 머신(SVM) 기반의 분류기의 분류 결과를 도시한다. Specifically,
참조부호 610 내지 640에 따르면, 선형 판별 분석(LDA) 기반의 분류기의 평균 정확도는 96.7%, 파인 트리(FT) 기반의 분류기의 평균 정확도는 70%, 나이브 베이즈(NB) 기반의 분류기의 평균 정확도는 33.3%, 서포트 벡터 머신(SVM) 기반의 분류기의 평균 정확도는 93.3%로 나타났다.According to
한편, 각 분류기의 학습 데이터를 다르게 하여 정확도를 확인한 결과는 하기 표3과 같다. Meanwhile, the results of checking the accuracy by varying the training data of each classifier are shown in Table 3 below.
여기서, case1은 웨이블릿 도메인 분석을 통해 도출된 24개의 특징으로 학습된 기계학습 기반의 분류기의 평균 정확도를 나타내고, case2는 웨이블릿 통계 분석을 통해 도출된 60개의 특징으로 학습된 기계학습 기반의 분류기의 평균 정확도를 나타내며, case3는 카이-제곱 테스트를 통해 도출된 20개의 특징으로 학습된 기계학습 기반의 분류기의 평균 정확도를 나타내고, case4는 상관 분석을 통해 도출된 20개의 특징으로 학습된 기계학습 기반의 분류기의 평균 정확도를 나타낸다. Here, case1 represents the average accuracy of the machine learning-based classifier trained with 24 features derived through wavelet domain analysis, and case2 represents the average of the machine learning-based classifier learned with 60 features derived through wavelet statistical analysis. The accuracy is shown,
또한, case5는 웨이블릿 도메인 분석, 웨이블릿 통계 분석, 카이-제곱 테스트 및 상관 분석을 통해 도출된 특징 데이터, 즉 참조부호 610 내지 640에 대응되는 기계학습 기반의 분류기의 평균 정확도를 나타낸다.In addition, case5 represents the average accuracy of the machine learning-based classifier corresponding to the feature data derived through wavelet domain analysis, wavelet statistical analysis, chi-square test, and correlation analysis, that is,
표 3에 따르면, case1 내지 case 5 중 일실시예에 따른 특징 데이터로 학습된 분류기의 평균 정확도가 73.3%로 가장 높은 것으로 나타났다. According to Table 3, it was found that the average accuracy of the classifier learned from the feature data according to an embodiment among
특히, case 5에서도 선형 판별 분석(LDA) 기반의 분류기(평균 정확도 96.7%)와 서포트 벡터 머신(SVM) 기반의 분류기(평균 정확도 93.3%)의 정확도가 가장 높은 것으로 나타났다. In particular, in
도 7은 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a method for detecting a failure of a robot according to an embodiment.
다시 말해, 도 7은 도 1 내지 도 6d를 통해 설명한 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면으로, 이후 도 7을 통해 설명하는 내용 중 도 1 내지 도 6d를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. In other words, FIG. 7 is a view for explaining a method of operating the apparatus for detecting a failure of a robot according to an embodiment described with reference to FIGS. 1 to 6D , and among the contents described with reference to FIG. 7 later, through FIGS. 1 to 6D . A description that overlaps with the description will be omitted.
도 7을 참조하면, 710 단계에서 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 데이터 수집부에서 로봇에 설치된 적어도 하나의 모터로부터 기계적 결함, 전자적 결함 및 전기적 결함 중 적어도 하나의 결함에 대응되는 전류 데이터를 수집할 수 있다.Referring to FIG. 7 , in
다음으로, 720 단계에서 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 데이터 전처리부에서 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행할 수 있다. Next, in
다음으로, 730 단계에서 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 특징 추출부에서 전처리된 데이터에 대한 웨이블릿 분석에 기초하여 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출할 수 있다. Next, in
일측에 따르면, 730 단계에서 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 분해된 웨이블릿 신호에 대하여 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석 중 적어도 하나의 분석을 수행하여 제1 특징을 추출할 수 있다. According to one side, in
또한, 730 단계에서 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 제1 특징을 입력으로 수신하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 특징 데이터로 추출할 수 있다. Also, in
다음으로, 740 단계에서 일실시예에 따른 로봇의 고장 검출 방법은 고장 검출부에서 추출된 특징 데이터에 기초하여 로봇의 고장을 검출할 수 있다. Next, in
결국, 본 발명을 이용하면, 모터전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA) 및 기계학습을 통해 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장을 용이하게 검출 및 진단할 수 있다.As a result, using the present invention, it is possible to easily detect and diagnose a mechanical failure, an electronic failure, and an electrical failure of a robot through motor current signature analysis (MCSA) and machine learning.
또한, 본 발명은 전기 모터의 3상 전류만을 이용하여 로봇의 기계적 고장, 전자적 고장 및 전기적 고장에 따른 결함을 정확하게 분류할 수 있다.In addition, the present invention can accurately classify defects according to mechanical failure, electronic failure, and electrical failure of the robot using only the three-phase current of the electric motor.
또한, 본 발명은 실시간 구현 시 계산 시간이 단축되어 빠른 응답 속도를 가질 수 있고, 센서 부품이 크게 절감되어 고장 검출 및 진단 비용을 절감할 수 있다.In addition, the present invention can have a fast response speed by shortening the calculation time in real-time implementation, and can reduce the cost of detecting a fault and diagnosing a failure by greatly reducing sensor components.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
100: 고장 검출 장치 110: 데이터 수집부
120: 데이터 전처리부 130: 특징 추출부
140: 고장 검출부100: failure detection device 110: data collection unit
120: data preprocessor 130: feature extraction unit
140: fault detection unit
Claims (15)
상기 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행하는 데이터 전처리부;
DWT(Discrete Wavelet Transform) 기반의 시간-주파수 도메인 분석(time-domain analysis)을 통해 상기 전처리된 데이터를 웨이블릿 신호로 분해하고, 상기 분해된 웨이블릿 신호에 대하여 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석을 수행하여 제1 특징을 추출하며, 상기 제1 특징에 대한 대한 카이-제곱 테스트(chi-square tests) 및 상관 분석(correlation analysis)을 수행하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 상기 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출하는 특징 추출부 및
상기 추출된 특징 데이터에 기초하여 상기 로봇의 고장을 검출하는 고장 검출부
를 포함하는 로봇의 고장 검출 장치.a data collection unit for collecting current data corresponding to at least one of a mechanical defect, an electronic defect, and an electrical defect from at least one motor installed in the robot;
a data preprocessing unit performing preprocessing for applying a dimension reduction technique to the collected current data;
The preprocessed data is decomposed into a wavelet signal through time-domain analysis based on Discrete Wavelet Transform (DWT), and wavelet domain analysis and wavelet statistical analysis are performed on the decomposed wavelet signal. Extracts one feature, and sets a second feature output from a feature selection algorithm that performs chi-square tests and correlation analysis on the first feature according to the at least one defect. a feature extraction unit for extracting feature data; and
A failure detection unit that detects a failure of the robot based on the extracted feature data
A robot failure detection device comprising a.
상기 데이터 수집부는,
모터 전류 시그니처 분석(motor current signature analysis, MCSA)를 통해 도출되는 상기 적어도 하나의 모터의 3상 전류 데이터를 수집하는
로봇의 고장 검출 장치.According to claim 1,
The data collection unit,
Collecting three-phase current data of the at least one motor derived through motor current signature analysis (MCSA)
Robot fault detection device.
상기 데이터 전처리부는,
DQ0 변환(DQ0 transformation)을 이용하여 상기 3상 전류 데이터를 2상 전류 데이터로 차원 감소시키는
로봇의 고장 검출 장치.3. The method of claim 2,
The data preprocessor,
The three-phase current data is dimensionally reduced to two-phase current data using DQ0 transformation.
Robot fault detection device.
상기 특징 추출부는,
상기 웨이블릿 도메인 분석을 통해, 웨이블릿 에너지(wavelet energy) 및 샤논 웨이블릿 엔트로피(shannon wavelet entropy) 중 적어도 하나에 대응되는 상기 제1 특징을 추출하는
로봇의 고장 검출 장치.According to claim 1,
The feature extraction unit,
extracting the first feature corresponding to at least one of wavelet energy and Shannon wavelet entropy through the wavelet domain analysis;
Robot fault detection device.
상기 특징 추출부는,
상기 웨이블릿 통계 분석을 통해, 상기 분해된 웨이블릿 신호에 대한 평균(mean), 표준 편차(standard deviation), 분산(variance), 첨도(kurtosis) 및 왜도(skewness) 중 적어도 하나의 통계 데이터에 대응되는 상기 제1 특징을 추출하는
로봇의 고장 검출 장치.According to claim 1,
The feature extraction unit,
Through the wavelet statistical analysis, at least one of a mean, standard deviation, variance, kurtosis, and skewness of the decomposed wavelet signal corresponding to statistical data extracting the first feature
Robot fault detection device.
상기 고장 검출부는,
상기 추출된 특징 데이터에 기초하여 기계학습 기반의 분류기를 학습시키는
로봇의 고장 검출 장치.According to claim 1,
The fault detection unit,
Learning a machine learning-based classifier based on the extracted feature data
Robot fault detection device.
상기 데이터 수집부는,
상기 적어도 하나의 모터로부터 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터를 수신하고,
상기 고장 검출부는,
상기 기계학습 기반의 분류기를 이용하여 상기 기설정된 시간에 대응되는 전류 데이터에 대응되는 결함을 분류하고, 상기 결함의 분류 결과에 기초하여 상기 로봇의 고장을 검출하는
로봇의 고장 검출 장치.11. The method of claim 10,
The data collection unit,
receiving current data corresponding to a preset time from the at least one motor;
The fault detection unit,
Classifying a defect corresponding to the current data corresponding to the preset time using the machine learning-based classifier, and detecting a failure of the robot based on the classification result of the defect
Robot fault detection device.
상기 기계학습 기반의 분류기는,
선형 판별 분석(linear discriminant analysis, LDA), 파인 트리(fine tree, FT), 나이브 베이즈(naive bayes, NB) 및 서포트 벡터 머신(support vector machine, SVM) 중 적어도 하나에 기초하는 분류기인
로봇의 고장 검출 장치.11. The method of claim 10,
The machine learning-based classifier is
a classifier based on at least one of linear discriminant analysis (LDA), fine tree (FT), naive bayes (NB), and support vector machine (SVM).
Robot fault detection device.
데이터 전처리부에서, 상기 수집된 전류 데이터에 차원 감소 기법을 적용하는 전처리를 수행하는 단계;
특징 추출부에서, DWT(Discrete Wavelet Transform) 기반의 시간-주파수 도메인 분석(time-domain analysis)을 통해 상기 전처리된 데이터를 웨이블릿 신호로 분해하고, 상기 분해된 웨이블릿 신호에 대하여 웨이블릿 도메인 분석 및 웨이블릿 통계 분석을 수행하여 제1 특징을 추출하며, 상기 제1 특징에 대한 대한 카이-제곱 테스트(chi-square tests) 및 상관 분석(correlation analysis)을 수행하는 특징 선택 알고리즘으로부터 출력되는 제2 특징을 상기 적어도 하나의 결함에 따른 특징 데이터를 추출하는 단계 및
고장 검출부에서, 상기 추출된 특징 데이터에 기초하여 상기 로봇의 고장을 검출하는 단계
를 포함하는 로봇의 고장 검출 방법.collecting, in the data collection unit, current data corresponding to at least one of a mechanical defect, an electronic defect, and an electrical defect from at least one motor installed in the robot;
performing, in a data preprocessing unit, preprocessing for applying a dimension reduction technique to the collected current data;
In the feature extraction unit, the preprocessed data is decomposed into a wavelet signal through time-domain analysis based on Discrete Wavelet Transform (DWT), and wavelet domain analysis and wavelet statistics for the decomposed wavelet signal are performed. performing analysis to extract a first feature, and using a second feature output from a feature selection algorithm that performs chi-square tests and correlation analysis on the first feature at the at least extracting feature data according to one defect; and
Detecting, in a failure detection unit, a failure of the robot based on the extracted feature data
A robot failure detection method comprising a.
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