KR101650764B1 - 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템 및 방법 - Google Patents

작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작업자와 로봇이 공동 작업 공간을 공유하면서 작업을 수행하는 과정 중 발생할 수 있는 충돌을 사전에 방지하여, 로봇으로부터 작업자를 안전하게 보호하기 위한 충돌 방지 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 본 발명은 작업자에게 부착되어 해당 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출할 수 있도록 위치 정보를 제공하는 복수 개의 센서 및 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 통해 해당 작업자의 신체 사이즈 정보를 도출하고 상기 도출된 신체 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하며, 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 통해 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 도출하여 상기 생성된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 상기 움직임에 대한 정보를 결합한 후, 상기 움직임에 대한 정보가 결합된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 이용해서 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하는 모션 통합 제어기를 포함하는 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템에 관한 것이다.

Description

작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PREVENTING COLLISION BETWEEN WORKERS AND ROBOTS}
본 발명은 작업자와 로봇이 공동 작업 영역 공간 내에서 함께 작업을 수행함에 따라 발생할 수 있는 작업자와 로봇 사이의 충돌을 방지하기 위한 충돌 방지 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
현재 사회에서 로봇은 점점 노동 대체 수단으로 변화 및 발전을 하고 있고, 인간과 로봇이 함께 작업에 참여하면서 로봇으로부터 인간을 안전하게 보호할 필요성이 점점 커지고 있다.
이에 따라 공동 작업 영역 공간에서 함께 작업하는 작업자와 로봇 사이에 충돌을 방지하기 위한 많은 기술들이 연구, 개발되고 있다.
종래에도 작업자에게 부착된 센서를 이용하여 작업자의 위치를 감지하는 충돌 방지 시스템이나, 로봇에게 부착된 센서를 통해 작업자의 위치를 파악하고 이에 따라 충돌 가능성을 예측하는 충돌 방지 시스템은 존재하고 있었다.
그러나 로봇과 함께 작업하는 해당 작업자의 특징까지 고려하여 이를 이용해 충돌 가능성을 예측하는 기술은 존재하지 않는 실정이다.
한국공개특허 제2010-0099489호 한국등록특허 제0542207호
본 발명은 작업자와 로봇이 공동 작업 공간을 공유하면서 함께 작업을 수행하는 과정 중 발생할 수 있는 충돌을 사전에 방지하여, 로봇으로부터 작업자를 안전하게 보호하는 충돌 방지 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 양상에 따른 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템은, 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출할 수 있도록 해당 작업자에게 부착되어 위치 정보를 제공하는 복수 개의 센서, 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 신체 사이즈 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 신체 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하며, 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 생성된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 결합하여 해당 작업자에 대한 작업자 정보를 생성한 후, 상기 작업자 정보를 이용하여 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하는 모션 통합 제어기를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 방법은, 작업자에게 부착된 복수 개의 센서를 통해 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하고, 상기 수신된 복수 개 센서의 위치 정보를 통해 해당 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출한다. 그리고, 상기 도출된 해당 작업자의 신체 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하고, 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 생성된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 결합하여 해당 작업자에 대한 작업자 정보를 생성한다. 그 후, 상기 생성된 작업자 정보를 이용하여 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측한다.
본 발명에 의하면, 공동 작업 영역 공간 내에서 로봇과 함께 작업하는 해당 작업자의 신체 특성 및 움직임을 개별적으로 고려하여 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하므로, 작업자에게 보다 안전한 작업장을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 방지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 통합 제어기의 세부 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 방지 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템 및 방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 방지 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에서 작업자는 머리(100-1), 양 팔(100-2, 100-3), 허리(100-4)와 양 다리(100-5, 100-6)에 각각 센서(100)를 부착하고 있다. 구체적으로는, 머리(100-1)와 다리(100-5,100-6)에 부착한 센서를 통해 작업자의 신장을 알 수 있고, 양 팔(100-2, 100-3)에 부착한 센서를 통해 작업자의 팔의 길이를, 허리(100-4)와 다리(100-5, 100-6)에 부착한 센서를 통해 작업자의 다리 길이를 알 수 있고, 머리(100-1)와 허리(100-4)에 부착한 센서를 통해서는 작업자의 상반신의 길이 또는 작업자가 앉아 있을 때의 높이를 알 수 있다. 또한 작업자가 허리(100-4)와 등(나타내지 않음)에 각각 센서를 부착하였다면 작업자의 허리 둘레를 알 수 있다. 이와 같이 작업자가 부착한 센서의 개수가 많을수록 그 센서가 부착된 위치 정보를 통해 작업자의 신체 사이즈 정보를 상세히 알 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템은, 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출할 수 있도록 해당 작업자에게 부착되어 위치 정보를 제공하는 복수 개의 센서(100), 상기 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 수신하여 작업자별 신체 특성을 고려한 3차원 인간 형상 모델을 생성하고, 상기 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 생성된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 결합하여 작업자 정보를 생성한 후, 상기 작업자 정보를 이용하여 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하고, 상기 예측 결과에 따라 일정 명령을 출력하는 모션 통합 제어기(110), 그리고 상기 모션 통합 제어기(110)에서 출력된 일정 명령에 따라 로봇의 동작을 제어하는 로봇 제어기(120)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 통합 제어기(110)의 세부 구성도로, 도 2를 참조하여 모션 통합 제어기(110)의 동작에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
우선 작업자 형상 생성부(111)는, 작업자에게 부착된 상기 복수 개의 센서(100)를 통해 상기 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 수신하고, 상기 수신된 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 이용하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성한다.
구체적으로, 상기 작업자 형상 생성부(111)에서 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델 생성 과정은, 인간의 표준모델을 기 설정해 놓고, 상기 수신된 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 이용하여 해당 작업자의 신체 사이즈 정보를 도출한 후, 상기 도출된 해당 작업자의 신체 사이즈 정보가 반영되도록 상기 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하는 방식으로 상기 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성할 수 있다.
각 작업자는 센서(100)를 부착할 때 센서(100)의 부착 위치를 임의로 선택할 수 있다. 즉, 상기 실시예에서 언급한 위치로만 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 머리에 센서(100-1)를 부착하는 경우, 머리 앞이나 뒤, 또는 위 어디라도 센서를 부착할 수 있는 것이고, 머리 부분에 복수 개의 센서를 부착할 수도 있다. 이 때 작업자 형상 생성부(111)에 센서의 부착 위치를 입력하면, 작업자 형상 생성부(111)에서 해당 작업자의 머리 부위에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성할 때, 머리 부위에 부착된 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 머리 부위의 사이즈 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 머리 부위의 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준 모델을 보정한다. 또한 팔에 센서(100-2 또는 100-3)를 부착하는 경우에도, 손목이나 팔꿈치 등의 부위에 센서를 부착할 수 있고 그 부착 위치를 작업자 형상 생성부(111)에 입력하면, 작업자 형상 생성부(111)에서는 팔 부위에 부착된 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 팔 부위의 사이즈 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 팔 부위의 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준 모델을 보정하여 해당 작업자의 팔 부위에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성한다.
이와 같이 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하는 것은, 작업자와 로봇 사이의 충돌을 방지함에 있어서 각 작업자별로 신체 특성을 고려한다는 점에서 그 의미가 있다.
그리고 작업자 정보 생성부(113)는, 작업자에게 부착된 상기 복수 개의 센서(100)를 통해 상기 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 수신하고, 상기 수신된 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 이용하여 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 도출할 수 있다.
구체적으로, 해당 작업자가 공동 작업 영역 공간 내에서 움직이면 상기 복수 개 센서(100)의 위치 정보도 변화되므로, 상기 변화된 복수 개 센서(100)의 위치 정보에 의해서 해당 작업자의 이동 방향, 속도 및 가속도에 대한 정보 즉, 움직임에 대한 정보를 도출해 낼 수 있다.
상기 작업자 정보 생성부(113)는 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 생성된 해당 작업자의 3차원 인간 형상 모델에 결합하여 해당 작업자에 대한 작업자 정보를 생성한다.
이와 같이 본 발명에서 해당 작업자별 작업자 정보를 생성하는 것은, 각 작업자의 특성 즉, 신체 사이즈와 움직임을 개별적으로 고려하여 작업자와 로봇 사이의 충돌을 방지한다는 점에서 그 의미가 있다.
충돌 가능성 예측부(115)는 로봇의 3차원 형상 및 움직임에 대한 정보를 기 설정해 둘 수 있다. 로봇의 상기 3차원 형상 정보는 로봇을 처음 제작할 때의 CAD정보 등으로부터 로봇의 형상 데이터를 충돌 가능성 예측부(115)에 설정해 둘 수 있고, 로봇의 상기 움직임에 대한 정보 즉, 로봇 관절의 동작 시 궤적, 로봇의 속도 및 가속도 등의 정보는 액츄에이터(actuator) 정보 등을 통해 충돌 가능성 예측부(115)에 설정해 둘 수 있다.
상기 충돌 가능성 예측부(115)는 작업자와 로봇이 공동으로 작업하는 영역에 대한 공간 정보도 미리 설정해 둘 수 있다.
그리고, 상기 충돌 가능성 예측부(115)는 상기 작업자 정보 생성부(113)에서 생성한 상기 해당 작업자의 작업자 정보에, 상기 기 설정된 로봇의 3차원 형상 및 움직임에 대한 정보, 그리고 상기 기 설정된 공동 작업 영역 공간 정보를 종합하여 충돌 가능성을 예측할 수 있다.
여기서, 상기 충돌 가능성 예측부(115)의 충돌 가능성 예측 방법은 기존에 공지된 수식이나 알고리즘 등이 활용될 수 있다. 따라서, 기존 공지 방식에 의해 공동 작업 영역 공간 내에서 작업자와 로봇의 두 좌표간 거리, 방향 수렴 여부, 속도와 가속도 등에 따른 충돌 발생 시간 및 충돌 가능성이 예측될 수 있다. 일 예로, 두 좌표간 거리가 가깝거나, 서로에게 수렴하는 속도 내지 가속도가 급격히 증가하는 경우에는 충돌 가능성이 높게 예측될 것이다.
명령 출력부(117)는 로봇 제어기(120)에 일정한 명령을 출력한다. 상기 명령 출력부(117)는, 상기 충돌 가능성 예측부(115)에서 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성이 높게 예측되는 경우, 정지 또는 회피 명령을 출력할 수 있다. 상기 명령 출력부(117)는 충돌 가능성 예측 결과에 적절히 대응할 수 있도록 프로그램화 되어 있어서, 어느 경우에 정지 명령을 내릴 것인지, 또는 회피 명령을 내릴 것인지를 결정할 수 있다. 또한, 충돌 가능성이 다시 낮아졌다고 예측되는 경우에는 로봇을 다시 구동시키도록 하는 실행 명령 또는 안전하다는 것을 알리는 안전 명령도 출력할 수 있다.
로봇 제어기(120)에는 로봇의 일반적인 구동을 위한 실행모드와 로봇의 구동을 종료하기 위한 종료모드, 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성이 높은 경우에 로봇의 동작을 급격히 멈추기 위한 정지모드 및 로봇이 작업자를 피하기 위한 회피모드가 또한 설정되어 있을 수 있다. 그리고, 충돌 가능성이 다시 낮아지는 경우 벨을 울리거나 빛을 점멸하는 등의 방법으로 안전하다는 신호를 내보내는 안전모드가 설정되어 있을 수 있다.
즉, 상기 로봇 제어기(120)는 로봇이 필요한 작업을 수행하고 종료하도록 로봇을 구동시킨다. 다만 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성이 높아 상기 명령 출력부에서 정지 또는 회피 명령을 출력하면, 이에 따라 상기 로봇 제어기(120)는 정지 또는 회피 모드로 로봇을 구동시킨다. 또한, 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성이 다시 낮아져 상기 명령 출력부에서 실행 명령 또는 안전 명령을 출력하면, 이에 따라 상기 로봇 제어기(120)는 실행 모드 또는 안전 모드로 로봇을 구동시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 방지 방법을 도시한 흐름도이다.
상기 충돌 방지 방법의 일 실시예는, 작업자에게 부착된 복수 개의 센서(100)를 통해 상기 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 수신하고(S300), 상기 수신된 복수 개 센서(100)의 위치 정보를 통해 해당 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출한다(S310).
그리고, 상기 도출된 해당 작업자의 신체 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하고(S320), 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 생성된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 결합하여 해당 작업자에 대한 작업자 정보를 생성한다(S330).
그리고, 상기 생성된 작업자 정보, 기 설정된 로봇의 3차원 형상 및 움직임에 대한 정보, 그리고 기 설정된 공동 작업 영역 공간 정보를 종합하여 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측한다(S340).
그 후, 상기 충돌 가능성 예측 결과에 따라 로봇의 움직임을 제어하는 명령을 출력하고(S350), 상기 출력된 명령에 따라 작업자와 로봇 사이의 충돌을 방지하도록 상기 로봇의 움직임을 제어한다(S360).
이와 같이 본 발명은 해당 작업자별 신체 특성을 고려한 3차원 형상 및 움직임에 대한 정보를 이용하여 로봇과의 충돌 가능성을 예측함으로서, 작업자와 로봇이 공동 작업 영역 공간 내에서 함께 작업을 수행하더라도 작업자와 로봇 사이의 충돌을 방지하여, 작업자에게 보다 안전한 작업장을 제공해 준다.
100(100-1,100-2,100-3,100-4,100-5,100-6): 센서
110: 모션 통합 제어기
111: 작업자 형상 생성부
113: 작업자 정보 생성부
115: 충돌 가능성 예측부
117: 명령 출력부
120: 로봇 제어기

Claims (7)

  1. 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출할 수 있도록 해당 작업자에게 부착되어 위치 정보를 제공하는 복수 개의 센서; 및
    상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 신체 사이즈 정보 및 움직임에 대한 정보를 도출하고, 해당 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하며, 로봇의 움직임을 제어하는 명령을 출력하는 모션 통합 제어기를 포함하며,
    상기 모션 통합 제어기는,
    해당 작업자로부터 상기 복수 개 센서의 부착 위치를 입력받으며, 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 신장, 팔의 길이, 다리 길이, 상반신의 길이, 앉아 있을 때의 높이, 허리 둘레 중 적어도 하나 이상을 포함하는 해당 작업자의 신체 사이즈 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 신체 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하는 작업자 형상 생성부;
    상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하여 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 도출하고, 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 작업자 형상 생성부에서 생성된 상기 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 결합하여, 해당 작업자에 대한 작업자 정보를 생성하는 작업자 정보 생성부;
    상기 작업자 정보 생성부에서 생성된 해당 작업자에 대한 작업자 정보, 기 설정된 로봇의 3차원 형상 및 움직임에 대한 정보, 그리고 기 설정된 공동 작업 영역 공간 정보를 종합하여 해당 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하는 충돌 가능성 예측부; 및
    상기 충돌 가능성 예측부의 예측 결과에 따라 로봇의 움직임을 제어하는 명령을 출력하는 명령 출력부를 포함하는 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 명령 출력부에서 출력된 명령에 따라 상기 로봇의 움직임을 제어하는 로봇 제어기를 더 포함하는 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 시스템.
  4. 모션 통합 제어기가 해당 작업자로부터 복수 개 센서의 부착 위치를 입력받은 뒤, 해당 작업자에게 부착된 상기 복수 개 센서의 위치 정보를 수신하는 단계;
    상기 모션 통합 제어기가 상기 수신된 복수 개 센서의 위치 정보를 이용하여 해당 작업자의 신장, 팔의 길이, 다리 길이, 상반신의 길이, 앉아 있을 때의 높이, 허리 둘레 중 적어도 하나 이상을 포함하는 해당 작업자의 신체 사이즈 정보, 및 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 도출하는 단계;
    상기 모션 통합 제어기가 상기 도출된 해당 작업자의 신체 사이즈 정보가 반영되도록 기 설정된 인간의 표준모델을 보정하여 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델을 생성하는 단계;
    상기 모션 통합 제어기가 상기 도출된 해당 작업자의 움직임에 대한 정보를 상기 생성된 해당 작업자에 대한 3차원 인간 형상 모델에 결합하여 해당 작업자에 대한 작업자 정보를 생성하는 단계;
    상기 모션 통합 제어기가 상기 생성된 작업자 정보, 기 설정된 로봇의 3차원 형상 및 움직임에 대한 정보, 그리고 기 설정된 공동 작업 영역 공간 정보를 종합하여 작업자와 로봇 사이의 충돌 가능성을 예측하는 단계; 및
    상기 모션 통합 제어기가 상기 충돌 가능성 예측 결과에 따라 상기 로봇의 움직임을 제어하는 명령을 출력하는 단계를 포함하는 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    로봇 제어기가 상기 모션 통합 제어기에서 출력된 명령에 따라 상기 로봇의 움직임을 제어하는 단계를 더 포함하는 작업자와 로봇 사이의 충돌 방지 방법.
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