KR20170135097A - 동작인식 카메라와 소음 측정센서를 이용한 공작 기계 안전 시스템 - Google Patents

동작인식 카메라와 소음 측정센서를 이용한 공작 기계 안전 시스템 Download PDF

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KR20170135097A
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Abstract

본 발명은 공작 기계 안전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동작인식 카메라를 이용하여 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하는 등 돌발상황이 검출될 경우 로봇 암과 공작 기계의 동작을 정지시켜 안전사고를 예방할 수 있고, 공작 기계의 이상 소음이 발생할 경우 알람을 출력하거나 로봇 암과 공작 기계의 동작을 정지시켜 공작 기계를 보호할 수 있는 공작 기계 안전 시스템에 관한 것이다.

Description

동작인식 카메라와 소음 측정센서를 이용한 공작 기계 안전 시스템{Safety system for machine tools using kinect camera and noise measuring sensor}
본 발명은 공작 기계 안전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동작인식 카메라를 이용하여 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하는 등 돌발상황이 검출될 경우 로봇 암과 공작 기계의 동작을 정지시켜 안전사고를 예방할 수 있고, 공작 기계의 이상 소음이 발생할 경우 알람을 출력하거나 로봇 암과 공작 기계의 동작을 정지시켜 공작 기계를 보호할 수 있는 공작 기계 안전 시스템에 관한 것이다.
공작 기계란 공구를 이용하여 공작 대상물을 가공하는 기계를 총칭하는 것으로 공구를 장착하여 공작 대상물을 가공하는 주축과 주축을 수용하고 가공 공간을 제공하는 케이스를 포함한다.
또한, 차량의 휠과 같이 중량과 부피가 큰 공작 대상물의 경우 로봇 암을 이용하여 공작 기계의 가공 공간에 투입하며, 가공이 종료되면 꺼내어 소정의 적재 위치 또는 배출위치로 이동시킨다.
한편, 이 로봇 암은 정해진 프로세스에 따라 삼차원 공간에서 움직이는데, 로봇 암의 동선에 작업자가 위치하거나, 공작 기계의 도어가 열리지 않거나, 공작물의 배출이 정체되는 등, 돌발상황이 발생할 경우 안전사고의 발생으로 이어지고 장치가 파손되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 로봇 암에 리밋 스위치(limit switch)와 같은 접촉 센서를 부착하여 장애물과 접촉시 로봇 암의 동작이 정지되게 하는데, 이러한 종래의 방법은 장애물과 접촉하여야지만 정지되는 방법으로 안전사고나 장치의 파손을 예방하는데 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 로봇 암이 장애물과 접촉하지 않더라도 돌발상황의 발생을 검출하여 로봇 암의 동작을 정지시킴으로써 안전사고를 예방하고 장치의 파손을 방지할 수 있는 공작 기계 안전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 공작 기계에서 이상 소음이 발생할 경우 알람을 출력하여 작업자에게 이상 상황을 알릴 수 있고, 공작 기계 및 로봇 암의 동작을 정지시켜 장비를 보호하는 한편, 가공불량률을 줄일 수 있는 공작 기계 안전 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공작 대상물을 가공하는 공작 기계; 상기 공작 기계의 가공위치에 공작 대상물을 투입하여 위치시키거나 가공이 완료된 공작물을 꺼내어 소정의 적재 또는 배출위치로 옮기는 로봇 암; 상기 로봇 암의 동선을 촬영할 수 있는 위치에 위치하며, 상기 로봇 암을 촬영하는 동작인식 카메라; 및 상기 동작인식 카메라로부터 로봇 암 영상을 수신하여, 상기 로봇 암의 공간상 위치를 계산하며, 상기 로봇 암의 동선에 장애물이 존재할 경우, 상기 로봇 암의 동작을 정지시키는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 동작인식 카메라는 상기 로봇 암의 이차원 영상을 촬영하는 영상 카메라 및 상기 로봇 암의 깊이 정보를 획득하는 적외선 카메라를 포함하고, 상기 제어기는 상기 이차원 영상과 상기 깊이 정보를 이용하여 상기 로봇 암의 공간상 위치를 계산한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 공작기계의 소음을 측정하여 상기 제어기로 전송하는 소음 측정 센서를 포함하고, 상기 제어기는 소음 신호를 푸리에 변환하여 주파수 성분을 획득하고, 미리 저장된 주파수 성분과 비교하여 소정의 고주파 성분이 임계치 이상으로 존재할 경우 알람을 출력하고, 상기 공작기계 및 상기 로봇 암의 동작을 정지시킨다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하는 경우는, 상기 동선에 작업자가 존재하는 경우와 상기 로봇 암이 상기 공작물을 투입하거나 꺼낼 때, 상기 공작 기계의 도어가 닫혀있는 경우를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 로봇 암에 의해 상기 공작물이 올려지면 소정의 위치로 이송하는 컨베이어를 포함하며, 상기 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하는 경우는, 상기 로봇 암이 상기 공작물을 상기 컨베이어에 올려놓을 때, 올려놓을 위치에 다른 공작물이 위치하는 경우를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 동작인식 카메라는 상기 로봇 암을 바라보며 상기 공작 기계에 구비된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 공작 기계 안전 시스템에 의하면, 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하거나, 공작물이 공작 기계에 투입하거나 배출할 때 도어가 열리지 않거나, 컨베이어에 공작물의 이송이 정체되는 경우 로봇 암의 동작을 정지시켜 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 공작 기계 안전 시스템은 공작 기계의 공구가 마모 또는 파손 되거나 이상 가공을 수행하고 있을 때, 알람을 울려 작업자가 즉시 조치하게 할 수 있으며 공작 기계의 동작을 정지시켜 장치의 손상을 방지할 수 있고 가공불량률을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템에서 동작인식 카메라를 이용한 로봇 암의 충돌 방지방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템에서 소음 측정 센서를 이용한 공작 기계 보호 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템을 보여주는 도면으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템(100)은 공작 기계(110), 로봇 암(120), 동작인식 카메라(130) 및 제어기(도시하지 않음)를 포함하여 이루어지며, 소음 측정 센서(140) 및 컨베이어(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 공작 기계(110)는 공구를 장착하여 공작 대상물을 가공하는 주축과 상기 주축을 내부에 수용하고, 가공 공간을 제공하는 케이스를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 케이스에는 상기 가공 공간을 개폐하기 위한 도어(113a)가 구비된다.
또한, 상기 공작 기계(110)는 하나의 공작 기계로 구성될 수 있고, 복수의 공작 기계들(111,112,113)로 구성될 수도 있다.
도 1에서는 상기 공작 기계(110)가 공작 대상물인 자동차 휠을 1차 외경 가공하는 제1 공작기계(111), 2차 내경 가공하는 제2 공작기계(112) 및 3차 외경 가공하는 제3 공작기계(113)를 포함하여 구성되는 것을 도시하였으나 공작 기계의 대수와 종류에는 한정이 없다.
또한, 상기 공작 기계(110)가 가공하는 공작 대상물도 자동차 휠에 한정되지 않는다.
상기 로봇 암(120)는 상기 공작 기계(110) 삼차원 공간상에서 소정의 자유도로 움직일 수 있는 장치로써 상기 공작 대상물을 상기 공작 기계(110)에 투입하거나, 상기 공작 기계(110)에서 가공이 완료된 공작물을 꺼내어 소정의 적재위치나 배출위치로 옮긴다.
또한, 상기 로봇 암(120)은 공작 대상물 투입용 컨베이어(151)에서 연속적으로 옮겨지는 공작 대상물(10)을 상기 공작 기계(110)로 투입할 수 있으며, 상기 공작 기계(110)에서 공작물(20)을 꺼내어 공작물 배출용 컨베이어(150)로 옮길 수 있다.
상기 동작인식 카메라(130)는 상기 로봇 암(120)의 동선 공간을 촬영할 수 있는 위치에 구비되며, 상기 로봇 암(120)의 동선 공간을 촬영하여 로봇 암 영상을 획득한다.
또한, 상기 로봇 암 영상은 상기 로봇 암(120)이 움직일 수 있는 전체 공간을 촬영한 영상이다.
또한, 상기 동작인식 카메라(130)는 상기 로봇 암 영상에 상기 공작 기계(100)의 도어(113a)가 포함되도록 촬영할 수 있다.
또한, 상기 동작인식 카메라(130)는 예를 들면, 상기 로봇 암(120)을 바라보며, 상기 공작 기계(110)의 소정부분에 부착될 수 있다.
또한, 상기 동작인식 카메라(130)는 일반적인 이차원 광학 영상(이하, '이차원 영상'이라 함)을 촬영하는 영상 카메라 및 깊이 정보를 획득하는 깊이 카메라(Depth Camera)를 포함할 수 있고, 상기 깊이 카메라는 적외선 카메라일 수 있다.
상기 제어기는 상기 동작인식 카메라(130)로부터 상기 이차원 영상과 상기 깊이 정보를 입력받고, 상기 로봇 암의 공간상 위치를 계산한다.
또한, 상기 제어기는 일반적인 컴퓨터일 수 있으며, 본 발명의 위해 특별히 제작되는 하드웨어의 조합일 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 공작 기계(110) 및 상기 로봇 암(120)과 연결되며, 상기 공작 기계(110) 및 상기 로봇 암(120)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 로봇 암 영상에서 상기 로봇 암(120) 이외에 장애물도 검출하며, 상기 장애물의 공간상의 위치를 계산한다.
또한, 상기 장애물은 작업자, 상기 공작 기계(110)의 도어(113a)일 수 있다.
또한, 상기 장애물의 검출은 영상 프레임 간의 영상 차이 검출을 통해 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 로봇 암(120)의 동선에 장애물이 위치할 경우, 상기 로봇 암(120)의 동작을 정지시켜 상기 로봇 암(120)과 장애물의 충돌을 미리 방지한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템(100)은 상기 로봇 암(120)이 장애물에 접촉할 경우 동작이 정지되는 것이 아니라 접촉하기 전에 동작이 정지되므로 안전사고를 예방하는데 매우 효과적이다.
또한, 상기 장애물이 위치하는 경우는 상기 로봇 암(120)의 동선에 작업자가 위치하는 경우와 상기 로봇 암(120)이 상기 공작 기계(110)에 공작 대상물을 투입하거나 가공된 공작물을 꺼낼 때, 상기 도어(113a)가 닫혀 있는 경우를 포함한다.
또한, 상기 제어기는 상기 로봇 암(120)의 동선에 장애물이 위치하더라도, 소정의 임계거리 이상 떨어져 있거나, 소정의 임계시간 동안 장애물이 동선에 계속 위치하지 않을 경우에는 상기 로봇 암(120)이 정지되지 않고 동작하게 함으로써, 작업효율을 올리면서 안전사고를 예방할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템(100)은 공작물을 소정의 위치로 배출하기 위한 컨베이어(150)를 포함할 수 있는데, 상기 컨베이어(150)의 오동작으로 공작물(20)의 배출이 지체될 경우 상기 로봇 암(120)이 공작물을 상기 컨베이어(150)에 올려놓는 위치에 이전에 올려놓은 공작물이 존재할 수 있다.
이 경우에도 상기 장애물이 위치하는 경우로 판단하며, 상기 로봇 암(120)의 동작을 정지시킨다.
상기 소음 측정 센서(140)는 상기 공작 기계(110)의 소정부분에 구비되어 상기 공작 기계(110)의 소음을 측정하며, 측정된 소음 신호를 상기 제어기로 전송한다.
그러면, 상기 제어기는 상기 소음 신호를 푸리에 변환하여 주파수 성분을 획득하고, 획득된 주파수 성분에 소정의 고주파 성분이 임계치 이상 존재하거나, 미리 저장된 정상 상태의 소음 신호에 대한 주파수 성분과 비교하여 그 차이가 임계치 이상일 경우 알람을 출력한다.
또한, 상기 제어기는 알람 출력과 함께 상기 공작 기계(110)의 동작을 정지시킬 수 있고, 이는 상기 공작 기계(110)가 오동작하여 장치가 파손되거나 잘못된 가공으로 가공 불량이 발생하는 것을 방지한다.
더불어 상기 제어기는 상기 로봇 암(120)의 동작도 정지시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템(100)에서 상기 로봇 암(120)의 충돌을 방지하는 방법(S1000)을 설명하기 위한 것으로, 먼저, 상기 동작인식 카메라(130)가 상기 로봇 암(120)의 동선을 촬영하여 로봇 암 영상을 획득하고(S1100), 획득된 로봇 암 영상을 상기 제어기로 전송한다.
다음, 상기 제어기는 상기 로봇 암 영상을 이용하여 상기 로봇 암(120)의 공간상의 위치를 계산하고(S1200), 더불어 상기 로봇 암 영상에 장애물이 존재할 경우, 장애물의 공간상의 위치를 계산한다.
다음, 상기 로봇 암(120)의 동선에 장애물이 존재하는지 판단하고(S1300), 장애물이 존재한다면 상기 로봇 암(120)의 동작을 정지시킨다(S1400).
다만, 전술한 바와 같이 상기 로봇 암(120)과 장애물이 소정의 임계 거리 이상으로 떨어져 있거나, 장애물이 동선에서 소정의 임계시간 동안 계속 위치하지 않는 경우에는 상기 로봇 암(120)의 동작은 정지되지 않을 수 있다.
다음, 상기 로봇 암(120)의 동선에서 장애물이 사라졌는지 확인하고, 장애물이 사라졌을 경우, 상기 로봇 암(120)의 정지 상태는 해제되어 정상적으로 동작하게 한다(S1600).
다만, 장애물이 사라지지 않은 않는 경우에는 상기 로봇 암(120)의 정지 상태는 유지된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템(100)에서 상기 소음 측정 센서(140)를 이용하여 상기 공작 기계(110)의 동작을 제어하는 방법(S2000)을 보여주는 것으로 이 방법은 도 2에 도시한 충돌 방지 방법(S1000)과 병렬적으로 수행될 수 있다.
먼저, 상기 소음 측정 센서(140)가 상기 공작 기계(110) 동작시 소음을 측정한다(S2100).
다음, 상기 소음 측정 센서(140)는 측정된 소음 신호를 상기 제어기로 전송하고, 상기 제어기는 상기 소음 신호를 푸리에 분석하여(S2200), 주파수 성분을 획득한다.
다음, 상기 제어기는 획득된 주파수 성분과 미리 저장된 정상 가공 상태에서의 소음 신호에 의한 주파수 성분을 비교하여(S2300), 소정의 고주파 성분이 임계치 이상 포함된 경우(S2400), 상기 공작 기계(110)에 공구가 마모 또는 파손되었거나 정상적인 가공을 수행하고 있지 않은 것으로 판단하여 알람을 출력한다(S2500).
또한, 알람 출력과 함께 상기 공작 기계(110)의 동작을 정지시킬 수 있으며, 상기 로봇 암(120)의 동작도 정지시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계 안전 시스템에 의하면, 로봇 암(120)의 동선에 장애물이 존재할 경우 로봇 암(120)의 동작을 즉시 정지시켜 안전사고를 미연에 방지할 수 있고, 공구가 마모 또는 파손되었거나 비정상적 가공을 수행할 때, 공작 기계(110)의 동작을 정지시켜 장치의 손상을 방지할 수 있고, 가공불량률을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:공작 기계 안전 시스템 110:공작 기계
120:로봇 암 130:동작인식 카메라
140:소음 측정 센서 150,151:컨베이어

Claims (6)

  1. 공작 대상물을 가공하는 공작 기계;
    상기 공작 기계의 가공위치에 공작 대상물을 투입하여 위치시키거나 가공이 완료된 공작물을 꺼내어 소정의 적재 또는 배출위치로 옮기는 로봇 암;
    상기 로봇 암의 동선을 촬영할 수 있는 위치에 위치하며, 상기 로봇 암을 촬영하는 동작인식 카메라; 및
    상기 동작인식 카메라로부터 로봇 암 영상을 수신하여, 상기 로봇 암의 공간상 위치를 계산하며, 상기 로봇 암의 동선에 장애물이 존재할 경우, 상기 로봇 암의 동작을 정지시키는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동작인식 카메라는 상기 로봇 암의 이차원 영상을 촬영하는 영상 카메라 및 상기 로봇 암의 깊이 정보를 획득하는 적외선 카메라를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 이차원 영상과 상기 깊이 정보를 이용하여 상기 로봇 암의 공간상 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공작기계의 소음을 측정하여 상기 제어기로 전송하는 소음 측정 센서를 포함하고,
    상기 제어기는 소음 신호를 푸리에 변환하여 주파수 성분을 획득하고, 미리 저장된 주파수 성분과 비교하여 소정의 고주파 성분이 임계치 이상으로 존재할 경우 알람을 출력하고, 상기 공작기계 및 상기 로봇 암의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하는 경우는, 상기 동선에 작업자가 존재하는 경우와 상기 로봇 암이 상기 공작물을 투입하거나 꺼낼 때, 상기 공작 기계의 도어가 닫혀있는 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 로봇 암에 의해 상기 공작물이 올려지면 소정의 위치로 이송하는 컨베이어를 포함하며,
    상기 로봇 암의 동선에 장애물이 존재하는 경우는, 상기 로봇 암이 상기 공작물을 상기 컨베이어에 올려놓을 때, 올려놓을 위치에 다른 공작물이 위치하는 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 동작인식 카메라는 상기 로봇 암을 바라보며 상기 공작 기계에 구비되는 것을 특징으로 하는 공작 기계 안전 시스템.
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