KR20150137772A - Ｎｉｒ 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템에 관한 것으로, NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템은 NIR 장비를 사용해 대량의 분석 작업이 필요한 곳에 필수적인 장비이다. 본 발명에 따른 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템은 NIR 분석 작업을 자동화하여 생산성을 향상시키며 단순히 자동화만이 아니라 데이터마이닝 기능과 NIR 장비에 장착된 분석 소프트웨어인 OPUS와 융합하여 범위가 제한된 샘플 분석을 Open 방식으로 사용자 추가 분석 프로그램과 연동될 수 있게 함으로써, 사용자에게 더욱 유용한 정보를 제공한다.

Description

ＮＩＲ 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템{NIR sampling and measuring robot control system}

본 발명은 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템에 관한 것이다. NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템은 NIR 장비를 사용해 대량의 분석 작업이 필요한 곳에 필수적인 장비이다. 본 발명에 따른 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템은 NIR 분석 작업을 자동화하여 생산성을 향상시키며 단순히 자동화만이 아니라 데이터마이닝 기능과 NIR 장비에 장착된 분석 소프트웨어인 OPUS와 융합하여 범위가 제한된 샘플 분석을 Open 방식으로 사용자 추가 분석 프로그램과 연동될 수 있게 함으로써, 사용자에게 더욱 유용한 정보를 제공한다.

최근들어 FTA 등의 효과로 농산물 자원의 이동이 증가하고 있으며, 농산물 검역 및 성분 분석 업무가 급격히 증가하고 있다.

관세청 발표 자료에 의하면 지난 2012년 한미 FTA 발효를 계기로 농수산물 교역량은 품목 기준으로 85% 증가되었으며, 이로 인한 원산지 분석 및 각종 성분 검사 대상 및 양도 폭발적으로 늘어나고 있는 실정이다. 더욱이 농수산물은 국민 생활건강에 직접적 영향을 미치는 대상이기에, 이에 대한 분석 업무는 양적 증가뿐 아니라, 지속적이고 결과에 대해서 즉시적으로 이뤄져야 하므로, 업무 부하가 기하급수적으로 늘어가고 있다.

농수산물 외에도, 화합물, 석유제품, 타이어, 섬유/의류 등이 각각 76%, 70%, 90%, 71%로 증가되었다. 이런 교역량 증가는 세계적 추세로서, 농산물 검역 연구원 및 세관 등의 국가기관에서 원산지 분석, 각종 성분 분석 등 수행해야 할 검사량과 대상이 급격히 증가함을 의미한다.

NIR (Near Infrared) 근적외선 분광 검사기술은 대개 독자형 (stand-alone) 장비로서 다양한 농수산물, 화합물, 섬유 등의 제품에 성분 분석을 하는 데 가장 적합하고 널리 쓰이는 비파괴식 분석기술로 인정받고 있다. 그러나, 검사 자동화 검사 시스템 체계는 미흡하여 현재는 일일이 수작업에 의존함으로, 대량의 검사에서 샘플당 2~3분의 분석시간이 소요되는 등, 샘플링 및 측정 업무의 생산성 및 효율성을 획기적으로 향상시키는 기술이 필요한 실정이다. 수작업 및 분석시간의 비효율성은 국민 건강의 위해요인을 현장에서 최단 시간 내에 포착할 수 있는 기회를 잃게 하거나, 감시하고 검출할 수 있는 시기를 지연시킴으로써 국민 건강을 위협하고, 국가 이익을 상실하게 하는 등의 부작용을 낳고 있어서 이에 대한 대책이 시급한 상황이다.

또한 국내 기술이 전무하여, 대부분의 자동화 시스템은 수입에 의존하고 있다.

국내 기술 개발 현황을 살펴보면, 동부로봇은 제조업용 및 서비스용 로봇을 제작하는 회사로 제조업용 로봇 분야로는 국내에서 가장 다양하게 제품을 생산하고 있다. 생산하고 있는 제조업용 로봇 핵심 모듈로 클린직각좌표 로봇, 리니어직각좌표 로봇, 데스크탑 로봇, 수평다관절 로봇, 모션컨트롤러 등이 있다. 동부 로봇은 정밀함과 안정성 등이 요구되는 제조분야의 로봇을 생산하고 있으나, 연구실 자동화용 로봇은 생산하지 않고 있다. 따라서, 근적외선 분광기에 대한 이해도 및 OPUS 분석 소프트웨어에 대한 기술 지식도 부족하여, 본 발명에 따른 자동화 로봇과 같은 분석 자동화용 제품을 생산하지 못하고 있다.

국내 로봇 생산 업체 중 하나인 유진로봇은 동부로봇과는 달리 유아용 로봇, 교육용 로봇, 청소용 로봇 등의 분야로 서비스 로봇을 생산하고 있다. 소비자의 만족도를 높이기 위해 로봇 내에 음성인식 기능 및 대화엔진 기술, 응답형 행동 기술, 다양한 컨텐츠들을 내장하였다. 즉, 로봇 하드웨어와 함께 다양한 지능형 소프트웨어를 함께 융합하여 제품을 공급하고 있다. 그러나 유진로봇은 하드웨어와 소프트웨어의 융합하여 제품을 생산하지만 서비스 로봇 분야에 국한되어 있고, 근적외선 분광기를 자동화하는 로봇을 포함한 제조업 로봇 분야로는 아직 제품 개발이 부족하다.

현재 근적외선 분광기용 시료투입과 분석을 자동화하는 원천 기술 또한 브루커 분광 프로세스와 분석 기법에 대한 방식을 이해하기가 어렵기 때문에 국내에는 없는 실정이다. 이에 당사에서는 근적외선 분광기 분야에서 세계적인 기업이 브루커 사와 협업을 통해 근적외선 분광기 자동 시료투입 및 분석 분야의 기술을 개발하고 있다. 자동화 기술을 위해 샘플 분석 스케줄링 시스템뿐만 아니라 기기 간의 통신 기술 등 다양한 기술이 고려가 되어야 하며 근적외선 분광기 기술에 대한 이해도 필요하다. 당사는 현재 브루커 사와 협업을 통해 근적외선 분광기 기술에 대한 이해도를 높이는 한편, 자동화 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

국외 기술 개발 현황을 살펴보면, 일본의 파눅 로봇 (FANUC Robotics)은 세계적 규모의 로봇 생산 회사이다. 제조분야의 자동화 로봇 및 산업용 운반 로봇에 다양한 제품을 보유하고 있으며, 선발, 포장, 운반에 이르기까지 전 과정의 완전한 솔루션을 가지고 있다. 최근에는 산업용 운반 로봇에 로봇 비전 시스템인 iRVision을 탑재하여, 빠른 속도로 작동하여 생산성 증대를 가져오고 있는데, 6kg에서 1200kg 이상의 적재 용량과 어떠한 운반 작업에도 적용할 수 있어 다양한 제품과 호환성을 갖춘 회사이고, 분당 30 사이클 이상의 최적화된 시스템을 제공한다. 그러나, FANUC Robotics는 근적외선 분광기 기반 로봇 시스템 분야처럼 특화된 사업분야의 제품은 생산하지 않고 있다.

미국의 TECAN사는 과학 실험실의 워크플로우에 적합한 자동화 로봇 생산에 주력하고 있고, 액체 처리 기술 로봇 분야에서 광범위한 제품 라인을 가지고 있다. 또한, 생명 과학 및 진단 시장에 안전하고 효율적인 과학 실험 연구에 도움을 주는 기술을 보유하고 있어 실험실 연구를 자동화하는데 필요한 도구를 제공하고 가장 유연한 피펫 플랫폼을 제공한다. 또한 특정 응용 연구에 필요한 다수의 표준화 및 검증 패키지 솔루션을 제공하고 있다. 로봇에 추가되는 다양한 모듈과 옵션을 제공(로봇 팔, 원심 분리기, 센서, 믹서기, 연기 후드, 디스펜서 등)하여 실험 목표에 맞는 다양한 설계를 할 수 있게 해주고 여러 분야에 적용이 가능하다.

TECAN사는 브루커나 포스 같은 NIR 전문 기기와 연관된 협업 로봇 제품은 생산하지 않고 있으며, 분광 기술과 관련된 자동화 분석 로봇은 현재 보유하고 있지 않다. 그러나 언제든지 NIR 관련 자동화를 지원할 수 있는 기술을 보유하고 있다. 현재 소량의 수준에서 TECAN의 자동화 시스템이 국내의 연구실에서 수입되어 사용되고 있다.

미국의 허드슨사는 실험실 자동화에 특화된 로봇 생산을 하고 있으며, 특히 사용하기 쉬운 자동 피펫 시스템에 주력하고 있다. 허드슨 솔로 시스템 높은 정밀도를 가진 휴대용 피펫으로 프로그램된 다채널 옵션을 사용할 수 있다. SOLOSoft 제어 소프트웨어에서 피펫 단계를 설정하고 다른 제품군 로봇 시스템과 호환이 된다. SOLO 제품군은 연구 전반에 걸쳐 소형 로봇 피펫의 의약품 및 임상시험의 효율성을 높이며 SoftLinx 소프트웨어와 연결되어 데이터 추적 및 스케쥴링을 통해 효율성 및 비용 감소를 통해 지속적인 작동을 가능하게 한다. 그러나 허드슨 사도 브루커나 포스 같은 NIR 전문 기기와 연관된 자동화 분석 로봇은 보유하고 있지 않다.

네덜란드의 로하시스 사 (Rohasys Inc.)는 실험실 내 처리를 자동화하고 샘플을 로봇화하기 위한 넓은 범위의 제품으로 유럽에서 명성을 얻고 있다. 표준 제품 라인뿐만 아니라 고객 맞춤 설계를 통한 시스템 제작을 하여 생산을 하고 있다. 로하시스 사는 다양한 제품 라인업, 오랜 기간의 경험을 바탕으로 실험실 자동화 및 고객 중심 접근을 통한 최적화로 실험실을 위한 최적의 솔루션과 자동화를 위한 전체 패키지를 제공하고 있다.

NIR(Near Infrared) 근적외선 분광기는 농산물 또는 식품이나 제품 등의 성분 분석을 하는 분사 기기로, 시험 핵심 기술은 파장 범위 400-2500nm에서 반사를 측정하는 근적외선 분석기로서 자연적으로 발생하는 전자기 스펙트럼을 사용하여, 각종 시료(천연 제품과 액체, 고체, 슬러리 또는 기체)의 특성 측정을 하는 스펙트럼 분석기술이다.

NIR 근적외선 분광기 시장 현황을 살펴보면, 현재 근적외선 분광기 자체 수요는 연 6000 ~ 10,000에 이르고 있으며, NIR 분광기 주요 생산은 독일의 브루커 (Bruker Optics Inc)와 미국의 포스 (FOSS)사가 시장을 양분하고 있다. 이중, 분광기 자동화 로봇 시스템에 대한 수요는 연간 2000 ~4000 대로 예상되고, 이 수요는 매년 지속적으로 증가하고 있다. 본 발명에 따른 자동화 시스템 한 대의 가격은 평균 2500만원이어서, 전세계 시장은 1500 ~ 4000억 시장 규모로 추산되고 있으며, 본 제품의 후보 고객사들은 주로 브루커와 잠재적으로 포스의 고객 기반까지 포함할 수 있으며, 이들이 국내뿐 아니라, 미국, 일본, 유럽 등 전세계에 넓게 있어 제품 개발 후 성장 가능성이 매우 높다.

게다가 NIR 분광기의 자동화 로봇 시장뿐만 아니라 다양한 분야에서 요구되는 여러 실험 장비들이 있다. 이러한 장비들 역시 아직 자동화가 되어있지 않거나 미흡한 분야가 많이 있기 때문에 본 발명에 시스템을 이용하여 많은 분야에 적용이 가능하다. 로봇을 이용하여 시험관이나 성분 분석용 샘플을 이동하고 분석 장비에 위치시키는 모든 분야에 적용하며 당사 시스템의 로봇 팔 하드웨어와 이를 제어하는 소프트웨어, 그리고 데이터 분석의 효율성을 높여주는 데이터마이닝 기법을 적용한 분석 소프트웨어 등 모든 부분에서 적용 가능한 넓은 시장이 존재한다.

국내외 주요 시장 경쟁사를 살펴보면 다음과 같다.

경쟁사명	제품명	판매가격(천원)	연 판매액(천원)
미국 FOSS	FoodScan 분석기 InfraXact NIRS DA, DS 시리즈 OliveScan XDS 시리즈	45,000	300,000,000 (2012)
일본 Horiba Scientific	LabRAM HR Evolution Micro XRF 분석기 RoHS XRF 분석기	50,000	1,200,000,000 (2010)
네덜란드 로하시스 (Rohasys)	BOD Measurement robot SFC robot COD robot Multi parameter robot	60,000	200,000,000 (2012)
국내의 경쟁사 (없음)	(해당 사항 없음)

한편, NIR 분광기 분석을 자동화하기 위한 기술은 브루커 옵틱스 사와 포스 사 모두 관련 특허 및 일부 제조 기술을 보유하고 있다. 또 이와 관련된 특허들이 미국을 중심으로 다양하게 나왔으며, 최근 유럽국가에서도 특허 출원을 진행하고 있다. 기존의 자동화 특허들은 샘플 적재 방식에 관한 것들이 대부분인데, 본 발명에 따른 자동 샘플 로더는 매우 일반적인 방식으로서 특허에 저촉되지 않는 것으로 수요처인 브루커 옵틱스사로부터 판명되었다.

NIR 분광기 분석을 자동화하는 기술과 관련된 대표적인 특허 관련 기술로는 다음과 같은 것들이 있다.

Automatic sample loader for use with a mass spectrometer (미국/Engineering Services Inc.)

- 해당 특허는 주로 생화학 샘플 분석을 목표로 고안되었으며, 질량 분광기를 통한 분석 작업을 위해 분광기를 지원하는 장치와 이 장치와 질량 분광기가 결합되어 자동으로 샘플을 옮겨주는 자동화 관련 내용이다.

- 분광기를 지원하는 자동 샘플 로더는 샘플 시료를 분석을 위해 헤드로 삽입하는데 튜브를 이용하며 외부 접촉을 막기 위해 밀봉 상태로 진행된다. 헤드와 튜브가 연결되고 완벽히 밀봉 상태가 되면 샘플 시료를 밀어서 헤드로 삽입하는 형태 자동으로 샘플 시료를 옮겨준다. 샘플 시료를 옮기기 위한 푸싱 기구가 따로 존재하게 된다.

- 해당 특허는 분광기를 자동화하는 지원 장치에 관한 것이지만 기본 방식은 샘플 분석을 위해 샘플 시료의 운반을 컨베이어 벨트 같은 방식을 이용한다. 본 발명은 컨베이어 벨트 방식과는 전혀 다른 기술을 사용하고 있으며, 이는 적재 로더인 트레이를 Y축으로 움직이고, X축을 이용해서 개별 샘플 시료의 위치를 움직이는 방식이다. 즉, 트레이에서 집게 그리퍼를 통해 개별 샘플이 이동되고 있으며, 푸싱 기구등이 사용되지 않아, 위와 관련된 특허가 저촉되지 않는다.

Device and methods for automating transfer of multiple samples to an analytical instrument (미국/Ciphergen Biosystems, Inc.)

- 해당 특허는 NIR 분광기나 질량 분광기와 같이 분석기기에 다수의 샘플을 자동으로 이동하기 위한 적재 장치를 포함하고 있다.

- 적재 장치는 다수의 샘플을 받아 분석할 수 있으며 단일 또는 다수의 샘플 세트를 받아들일 수 있도록 구성될 수 있다. 적재 장치는 여러 개의 샘플 세트가 분광기에서 분석될 동안 다른 샘플들이 추가되거나 제어될 수 있도록 구성될 수 있다. 하나의 샘플을 분석하기 위해서 샘플 세트를 회전하여 삽입 헤드에 하나의 샘플을 넣어 분석한다.

- 샘플을 이동시키는 프로브는 각 샘플들을 연속적으로 접촉하게 되고 우발적인 오염이 일어나 분석 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 여러 샘플을 분석하기 위해 다수의 프로브를 사용하여 샘플의 오염을 줄인다.

- 해당 특허 역시 분광기의 자동화를 지원하는 장치에 관한 것이지만 대량의 샘플을 샘플 세트에 담아 회전하는 방식으로 하나의 샘플을 분석한다. 본 발명은 회전 방식이 아닌, 적재 로더와 집게 그리퍼를 이용하는 방식으로, 대량의 샘플을 하나씩 분석할 수 있게 하고 있다. 이는 일반적인 방식으로 이런 특허에 저촉되는 대상이 되지 않아, 위와 관련된 특허와도 무관하게 기술 개발을 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 NIR 분석 작업을 자동화하여 생산성을 향상시키며 단순히 자동화만이 아니라 데이터마이닝 기능과 NIR 장비에 장착된 분석 소프트웨어인 OPUS와 융합하여 범위가 제한된 샘플 분석을 Open 방식으로 사용자 추가 분석 프로그램과 연동될 수 있게 함으로써, 사용자에게 더욱 유용한 정보를 제공하는 등의 효과를 갖는 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적은, 1) 직각 좌표 로봇을 기초로한 샘플링 자동화 로봇 하드웨어, 2) 상황 적응형 및 오류 저항형 (Fault-Tolerant) 미들웨어 및 유연 샘플링 스케듈링 3) 지능형 GUI 및 데이터 마이닝 연계 분석 소프트웨어 연동 기능, 4) 외부 디바이스 실시간 쌍방 연동 기능을 포함하는 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 농수산물 및 화합물, 석유제품, 타이어, 섬유/의류 등의 원산지 분석 및 각종 성분 검사를 현재는 일일이 수작업에 의존함으로 대량의 검사가 원활하게 이뤄지지 못하고 있으나, 본 발명에 따른 분석 자동화 시스템이 도입됨에 따라 생산성 및 효율성이 획기적으로 향상되고, 그에 따라 국민 건강도 안전하게 보호될 수 있게 되는 등의 효과를 가진다.

또한 농수산물 검역 연구원, 세관, 화학 및 재료 연구소, 각 대학 연구실, 농화학 물질 제조사, 각 국가 시험 연구소, 화학 공정분야, 생명과학 분야, 대기업 LCD, LED, OLED 등 디스플레이 제조사, 제약회사 및 연구소, 식품 상품 제조사 및 연구소, 한약재 분석 연구소 등의 이들 기관들이 자동화 시스템이 갖추어지지 않아 대량의 샘플을 분석하거나 오랜 분석이 요구되는 작업에서 수작업으로 모든 일을 해야해서 여러 가지 불편함을 겪어 왔으나, 본 발명에 따른 자동화 분석 시스템을 도입한다면, 생산성 제고 및 연구 분석 업무의 효율화 등 그 활용 효과가 매울 클 것으로 기대한다.

도 1은 전체 도면이다.
도 2는 NIR 분광기 설치 도면이다.
도 3은 집게 그리퍼 설계 도면이다
도 4는 로봇 전면도이다
도 5는 로봇 평면도(위에서 본 도면)이다.
도 6은 로봇 평면도(위에서 본 도면)이다.
도 7은 로봇 측면도이다.
도 8은 샘플 트레이 설계도면이다.
도 9는 로봇 컨트롤러 설계도면이다.
도 10은 집게 그리퍼 도면이다.
도 11은 켈리브레이션을 위한 관리 소프트웨어이다.
도 12는 정상 샘플리스트 측정 진행시(좌), 긴급 샘플 측정 요구시(우)의 샘플링 과정 도식화이다.
도 13은 로봇 측정 제어 프로그램의 업무 플로우 차트의 1차 흐름 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 전체 시스템의 모듈 구조도 및 상호작용 다이어그램이다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

본 발명의 주요 내역은 크게 4가지 범주로 나뉜다. 1) 직각 좌표 로봇을 기초로한 샘플링 자동화 로봇 하드웨어, 2) 상황 적응형 및 오류 저항형 (Fault-Tolerant) 미들웨어 및 유연 샘플링 스케듈링 3) 지능형 GUI 및 데이터 마이닝 연계 분석 소프트웨어 연동 기능, 4) 외부 디바이스 실시간 쌍방 연동 기능이다.

샘플링 자동화 로봇 하드웨어 설계는 도 1 내지 10의 로봇 기본 요건 분석 및 하드웨어 설계로 이루어진다.

도 1은 전체 도면이다.

도 2는 NIR 분광기 설치 도면이다.

도 3은 집게 그리퍼 설계 도면이다

도 4는 로봇 전면도이다

도 5는 로봇 평면도(위에서 본 도면)로 샘플 적재 트레이 설치 후이다.

도 6은 로봇 평면도(위에서 본 도면)로 샘플 적재 트레이 설치 전이다.

도 7은 로봇 측면도이다.

도 8은 샘플 트레이 설계도면(22 Vial 샘플 기준)이다.

도 9는 로봇 컨트롤러 설계도면(22 Vial 샘플 기준)이다.

도 10은 집게 그리퍼 도면이다.

상황 적응형 및 오류 저항형 미들웨어 및 유연 샘플링 스케듈링 부문을 설명하면 다음과 같다.

가. 로봇 팔의 정밀 제어 캘리브레이션 기능 개발 - 스케줄링 엔진 연계 기술

먼저, 로봇 기기의 위치에 정확한 이동을 위한 켈리브레이션 기술 개발이 필요하다. 이는 로봇 기기의 기본 기능으로서, 로봇이 동작하기 위해서는 높은 정확도를 요구하기 때문에 X, Y, Z 축 관점에서 로봇 팔의 정밀한 제어를 위해 켈리브레이션을 지원해야한다. 본 발명에 따른 제품을 완성하여, 기기를 분해/조립하게 되면 켈리브레이션을 통해 정확한 설정을 해줘야 하고 운반을 하거나 이동 중 장비에 충격이 가서 오작동을 하는 우려가 있기 때문에 켈리브레이션을 통해 정확한 동작을 할 수 있게 개발한다.

도 11은 켈리브레이션을 위한 관리 소프트웨어이다. 켈리브레이션은 매우 정교한 작업이므로 일반 사용자가 아닌 전문가(관리자)가 직접 해야 하기 때문에 소프트웨어에서 관리자 계정 권한이 있는 사용자가 할 수 있게 한다. 켈리브레이션은 도 11의 관리 소프트웨어 실행 후 관리자 권한으로 로그인하여 설정 항목에서 수동 이동이나 기타 설정을 이용하여 장비를 제어할 수 있게 개발한다.

이러한 기본적인 켈리브레이션을 통해 기기의 정밀한 동작이 가능하게 한 후에 주변 환경인지나 실험 도구 유무 등을 확인할 수 있는 데이터 수집과 정확한 동작거리를 계산하여 상황인지 스케줄링 엔진으로 발전시키게 개발되었다.

나. 유연 샘플 측정 스케줄링 엔진 개발

우선순위 및 특정 상황에 따른 샘플 측정 스케줄링 시스템 개발한다. 스케듈링 요구 사항은 샘플 분석 중 우선순위가 높은 긴급 샘플 측정이 필요하거나 오작동 방지를 위한 갑작스런 시스템 정지 등 다양한 상황의 변동 시, 사전에 지정된 샘플링 및 측정 스케줄을 이행하는 프로세스 가동 중이라도 그때의 특별한 상황에 맞게 변경시키거나, 사전에 정해진 예외처리 규칙 등에 의해서 스케줄의 임의 변동이 가능하며, 그 후의 프로세스는 자동으로 이를 수행되게 한다.

도 12는 정상 샘플리스트 측정 진행시(좌), 긴급 샘플 측정 요구시(우)의 샘플링 과정을 도식화하였다. 도 12를 좀더 자세히 설명하면, 먼저 정상적인 처리 과정에서는 시스템이 유휴 상태에 머무는 중 사용자가 샘플 분석을 위해 환경설정이나 샘플 선반을 놓는 과정을 진행하면 시스템은 대기 상태로 들어간다. 대기 상태가 끝나면 설정된 스케줄에 따라 분석 작업을 반복적으로 수행한다. 반면 긴급 샘플 분석 작업 요청이 들어왔을 경우 시스템은 이전에 하던 작업을 마무리하고 다음 작업을 위해 잠깐 대기 상태에 머물며 설정을 완료한다. 이어서 분석 작업을 진행하고 새롭게 들어온 샘플 분석이 끝나면 기존에 작업하던 스케줄대로 다시 돌아가 작업을 진행하게 된다.

도 13은 로봇 측정 제어 프로그램의 업무 플로우 차트의 1차 흐름 도면이다. 도 13은 도 12의 프로세스를 기초로 샘플 분석 중 새로운 샘플이 들어왔을 때 사용자와 시스템 컨트롤 프로그램이 어떠한 상호작용을 가지며 작업이 진행되는지를 전체 분광기 로봇 샘플 측정 및 자동 제어 나타내는 도표이다. 전체적인 로봇 측정 제어 프로세스는 다음과 같다. 즉, 먼저 사용자에 의해 긴급히 새로운 샘플이 들어오고 새로운 샘플을 분석하기에 적합한 드라이어, 샘플링 시간 등의 환경설정을 마친 후 입력 데이터를 저장하고 샘플 선반을 지정된 위치에 올려놓는다. 사용자가 데이터 테이블에 냉각을 위한 시작 시간을 정하고 저장하면 제어 프로그램에서 새롭게 변경된 데이터를 받아 현재 분석 중인 샘플 다음 샘플에 새롭게 들어온 샘플의 분석 작업을 준비한다. 이어서 데이터 테이블의 항목에서 파일을 생성하고 측정을 위한 해당 XPM을 선택한다. 그 후 샘플을 3회 측정하고 Quant2 분석 후, 평균값과 계산 결과를 SNCC로 전송한다. 분석한 결과를 다시 분석하고 마할라노비스 유사도 계산법을 사용해 샘플이 기준과 얼마나 다른지 계산한다. 분석된 결과를 외부 디바이스로 보내기위해 프로피버스 프로토콜을 사용한다. 마지막으로 지금까지의 과정을 로그로 남기고 샘플을 쓰레기 통으로 옮기는 과정으로 작업이 진행하게 된다.

일관된 스케줄링이 아닌 다양한 상황이 적용 가능한 유연 샘플 측정 스케줄링을 위해 현재 진행 중인 상황을 기억하도록 개발한다. 측정 시작과 일시 정지, 재시작, 정지, 긴급정지를 할 수 있고 다시 작업을 이어서 진행하거나 새로운 스케줄로 변경 시에 이를 반영할 수 있도록 스케줄 및 로그 기록 시스템으로 유연한 스케줄링이 되도록 고려하고 있다.

다. 유연 샘플 시스템의 안전성 향상을 위한 fault-tolerance 미들웨어 설계 및 구현

실시간 에러 체크 및 로그 분석 시스템 개발한다. fault-tolerance 미들웨어 개발을 위해 시스템이 동작하는 모든 상황을 로그로 기록하여 이에 대한 분석을 할 수 있도록 하고 시스템의 유지보수 및 관리를 효율적으로 할 수 있도록 설계한다. fault-tolerance 미들웨어 시스템은 메인 시스템이 동작하지 않더라도 문제없이 작동되도록 전체 시스템에서 분리를 하여 로그 기록에 문제가 발생하지 않도록 설계한다.

다음은 지능형 GUI 및 데이터 마이닝 연계 분석 소프트웨어 연동 기능 부문에 대한 것이다.

가. NIR 분광기 분석 소프트웨어 데이터 Visualization 모듈 설계

NIR 분광기에 샘플 분석 결과가 Proprietary 프로그램인 OPUS 전용 소프트웨어에 의해서 관리 되기 때문에, 해당 데이터 파일을 다양한게 사용자에게 보여주기 위한 Visualization 모듈을 개발한다. 브루커의 OPUS 데이터 파일을 XML 파일로 읽어서 처리하는 기능, 분석 데이터를 화면에서 직접 데이터 셀에 도시하는 기능 구현한다.

외부 디바이스 실시간 쌍방 연동 기능 부문을 설명하면 다음과 같다.

가. 외부 디바이스 실시간 쌍방 통신 및 연계 기능 모듈 설계

외부 디바이스와의 통신을 위한 프로토콜 및 패킷 설계를 하여, 향후 전체 시스템의 원활한 데이터 교환을 이뤄질 수 있도록 개발한다. 로봇 하드웨어와 주 시스템간 기본 통신은 RS-232C 시리얼 통신 기반으로 진행되고 있다.

통신 프로토콜 설계는 최대 패킷 길이는 ENQ, ETC, LRC 포함하여 250 바이트로 설계한다. 패킷을 받는 측은 LRC 가 오류이면 NAK 를 보내고 일정 횟수 이상이면 RST를 보내고 디폴트 횟수는 3으로 정한다. NAK 를 받은 측은 이전 패킷을 재전송 한다. RST는 통신 종료를 의미하며 RST를 수신한 측은 즉시 통신을 종료하고 시작점으로 복귀한다. ACK는 한 개의 통신 패킷을 잘 받았다는 긍정의 의미로 사용된다. 한 개의 통신 패킷은 ENQ-DATA-ETC-LRC 로 이루어진다.

통신 패킷의 기본 구조를 살펴보면, 아래와 같다.

송신측	수신측
ENQ-DATA-ETX-LRC	ACK-ETX-LRC
ENQ-DATA-ETC-LRC ACK	ENQ-FLAG-(DATA)-ETX-LRC

ACK 와 NAK 를 보낼 때에는 ETX와 LRC를 보내지 않는다.

최대 패킷을 넘는 연속된 데이터는 다음과 같이 다음 패킷에 연속된 데이터는 계속 보낸다.

외부 디바이스와 통신을 위한 프로토콜로 고려하고 있는 모드버스는 산업용 어플리케이션에서 많이 사용되는 프로토콜로, 이를 지원할 수 있는 트랜잭션 function 코드를 정의하여 호환성을 갖추게 개발한다.

모드버스에서 주고받는 메시지를 프레임이라고 정의한다. Protocol Data Unit(PDU)과 Application Data Unit(ADU)의 두 가지 타입의 모드버스 프레임이 있고 이를 기반으로 개발을 진행한다. PDU 프레임은 function 코드와 데이터를 포함한다. 이 function 코드는 수행할 action을 나타내고 데이터는 이 action을 위한 정보를 나타낸다. ADU 프레임은 주소 부분이 추가되어있다. ADU 프레임은 또한 에러 체크 부분을 포함한다. ADU와 PDU 프레임 모두 Big-Endian 을 따른다.

모드버스 트랜잭션의 Action의 타입은 function 코드로 정의한다. 예를 들어 client 가 Discrete Input 을 읽기를 원한다면 0x02의 function 코드를 보낸다. Server는 0x02를 읽고 client가 Discrete Input을 원하는 것을 알게 된다. 그러면 server는 주어진 주소에 Discrete Input을 패치하고, client로 보낼 것이다.

시리얼 구현은 현재 RTU와 ASCII 의 두 가지 모드를 모드버스에서 사용하여 개발한다. RTU 모드에서 테이터는 Binary format 이고 반면에 ASCII 모드는 사람이 읽을 수 있는 ASCII 코드를 사용한다.

본 발명의 특징은 NIR 분광기 샘플링 우선순위 및 특정 상황에 따른 샘플 측정 스케줄링 시스템으로, 샘플 분석 중 우선순위가 높은 긴급 샘플 측정이 필요하거나 오작동 방지를 위한 갑작스런 시스템 정지 등 다양한 상황의 변동시, 사전에 지정된 샘플링 및 측정 스케줄을 이행하는 프로세스 가동 중이라도 그때의 특별한 상황에 맞게 변경시키거나, 사전에 정해진 예외처리 규칙 등에 의해서 스케쥴의 임의 변동이 가능하며, 그 후의 프로세스는 자동으로 이를 수행되게 한다.

NIR 분광기 샘플링 유연 스케줄링 기법은 스케줄을 다양하게 계획하고 시행할 수 있으며, 안전 관점에서, 또한 기기에 이상 상황이 발생했을 때 이런 상황 인지를 기반으로 스케줄 변경을 가능하게 한다.

스케줄링에 의거해서 샘플 적재 트레이로부터 샘플을 분광기 장비에 이동할 때, 분광기 입수구에 샘플이 중복되면 기기 손상이 발생할 수 있으므로, 샘플 입수구에 샘플 존재 여부를 사전 인식할 수 있게 하고, 샘플 적재 트레이에도 샘플이 어느 위치에 존재하는지 사전에 인식하고 분별할 수 있는 센싱 기능이 필요하다.

또한, NIR 분광기 샘플링을 통한 분석 기법을 적용할 때, 데이터 마이닝 기법을 토대로한 다양한 비즈니스 인텔리전스 방법이 적용된다. 먼저 유사도 측정 방식에 있어서 수치형 데이터를 전제한 전통적인 유클리드 거리 기법과 통계적 거리를 감안한 마할라노비스 거리 기법, 상관 관계 기반 유사성 거리 기법, Manhattan 거리 기법, 최대 좌표 거리 기법 등이 고려될 것이며, 범주형 데이터를 전제한 매칭 계수 및 Jaccard 계수를 기반으로한 거리 기법이 있다. 혼합형 데이터가 발생할 경우는 Gower 방식의 거리 기법도 적용된다.

기법 측면에서 기계 학습 기법을 적용한 분석 기법도 적용된다. 그 외 분류와 예측을 위한 지도 학습 분석 방안, 군집 및 연관성 비지도 학습 분석 방안도 채용되어, 최적의 분석 방안을 도출한다. 이런 방안은 샘플 스케줄링과 연계하여, 새롭고 효과적인 분석 방안을 생성할 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 전체 시스템의 모듈 구조도 및 상호작용 다이어그램이다. 시스템과 사용자는 GUI를 통해 상호작용하며 그에 따라서 시스템 내부에서는 다양한 순서대로 작업이 진행될 수 있다.

Claims (1)

1. 직각 좌표 로봇을 기초로한 샘플링 자동화 로봇 하드웨어와;
   상황 적응형 및 오류 저항형 (Fault-Tolerant) 미들웨어 및 유연 샘플링 스케듈링과;
   지능형 GUI 및 데이터 마이닝 연계 분석 소프트웨어 연동 기능과;
   외부 디바이스 실시간 쌍방 연동 기능을;
   포함하는 NIR 샘플링 및 측정 로봇 콘트롤 시스템.

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