KR20210122457A - 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템 - Google Patents

스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템 Download PDF

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KR20210122457A
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Abstract

본 발명은 상세하게는 무회전 라이다 센서를 이용하여 고위험 산업설비로 접근하는 센싱 대상물의 위치를 센싱하여 고위험 산업설비와 센싱 대상물의 충돌을 회피할 수 있도록 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어할 수 있도록 구현한 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템에 관한 것이다.

Description

스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템 {OMNI-DIRECTIONAL NON-ROTATING LIDAR-BASED SAFETY SYSTEM FOR WORK SAFETY IN SMART FACTORIES}
본 발명은 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무회전 라이다 센서를 이용하여 고위험 산업설비로 접근하는 센싱 대상물의 위치를 센싱하여 고위험 산업설비와 센싱 대상물의 충돌을 회피할 수 있도록 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어할 수 있도록 구현한 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템에 관한 것이다.
최근 5년 간 (2011-2015년) 제조업에서 산업용 로봇(2,525 사업장, 34,870대)에 의한 전체 재해자수는 207명(사망 15명)으로 한 해 평균 41.4명(제조업 재해자의 53.6%)으로 안전보호 기기의 필요성이 대두되고 있다.
국무회의실 주관 안전검사체계 관계기관회의(2016.3.15.)에서 안전검사도입 결정하여, 산업용 로봇을 위험 기계물로 안전검사가 의무화(2017년) 되었다.
산업안전 보건법 제35조 자율 안전 확인과 안전검사제도로 안전인증 및 재해예방을 위한 제도시행으로 안전기기의 의무화로 추진되고 있다.
그리고, 산업용 로봇(ISO 10218-1:2011, ISO 10218-2:2011)와 협동로봇(ISO 15066:2016) 등의 안전요구사항으로 안전기기의 의무화로 추진되고 있다.
이에 따라, 스마트 공장의 안전 환경을 확보하기 위해 펜스, 라이트 커튼(Light Curtain), 안전매트 등의 한계를 극복하고, 해외로부터 수입되고 있는 기존 제품의 수입 대체 제품의 필요성에 따라 스마트공장의 안전 환경 확보용 무회전 라이다 시스템 개발 시급성 대두되고 있는 실정이다.
한편, 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국등록특허 제10-1505129호 한국등록특허 제10-1995148호
본 발명의 일측면은 무회전 라이다 센서를 이용하여 고위험 산업설비로 접근하는 센싱 대상물의 위치를 센싱하여 고위험 산업설비와 센싱 대상물의 충돌을 회피할 수 있도록 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어할 수 있도록 구현한 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템은, 스마트 공장에 구비되고 센싱 대상물(작업자 등)이 접근하면 위험한 고위험 산업설비의 주변 또는 고위험 산업설비에 설치되어 상기 고위험 산업설비로 접근하는 센싱 대상물의 위치 센싱을 통해 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어하기 위한 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템에 있어서, 상기 고위험 산업설비의 주변 또는 고위험 산업설비에 설치되며, 원기둥 형태의 상부 구조를 형성하는 케이스부; 상기 케이스부의 상부에 설치되며, 무회전 라이다(Lidar) 센서를 이용하여 상기 고위험 산업설비로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위치를 센싱하는 센서부; 상기 케이스부의 내부 공간에 설치되며, 위험도의 높낮음에 따른 등급으로 상기 케이스부의 주변 영역을 구획하여 생성시킨 위험도맵을 저장해 두며, 상기 센서부로부터 전달되는 센싱 대상물의 위치를 판독한 뒤 상기 위험도맵에서 기 설정된 등급 이상의 위험도에 해당하는 영역으로 센싱 대상물이 진입한 경우 상기 고위험 산업설비의 구동을 정지시키는 제어부; 및 상기 케이스부의 내부 공간에 설치되며, 상기 센서부 및 상기 제어부의 구동에 필요한 전기를 공급하는 전원부;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 케이스부는, 원기둥 형태의 구조를 형성하며, 내부 공간에 상기 센서부가 설치되는 상체 케이스; 및 상기 제어부 및 상기 전원부가 설치되기 위한 내부 공간을 형성하는 육면체 박스 형태로 형성되며, 내부 공간을 밀폐시킬 수 있도록 상기 상체 케이스의 하측에 밀착되어 설치되는 하체 케이스;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 센서부는, 원판 형태로 형성되어 상기 상체 케이스의 내부 공간에 설치되는 베이스 플레이트; 및 상기 케이스부의 둘레를 따라 360°전방위를 센싱할 수 있도록 센싱 부위가 상기 상체 케이스의 외측을 향하도록 상기 베이스 플레이트의 테두리를 따라 서로 동일한 간격으로 이격되어 설치되는 14 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser);를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 센서부는, 원판 형태로 형성되어 상기 상체 케이스의 내부 공간에 설치되는 베이스 플레이트; 및 상기 케이스부의 둘레를 따라 270°에 해당하는 일부 범위를 센싱할 수 있도록 센싱 부위가 상기 상체 케이스의 외측을 향하도록 상기 베이스 플레이트의 테두리를 따라 상기 케이스부의 둘레의 90°에 해당되는 부분을 제외하고 서로 동일한 간격으로 이격되어 설치되는 10 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser);를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는, 위치 센싱을 위한 레이저빔의 조사각도가 27° 각도로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 위험도의 높낮음에 따른 등급으로 상기 고위험 산업설비의 주변 또는 고위험 산업설비에 설치된 상기 케이스부의 주변 영역을 구획하여 생성된 위험도맵을 저장해 두는 위험도 맵핑부; 상기 센서부로부터 전달되는 센싱 데이터를 이용하여 상기 고위험 산업설비로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위치를 판독하는 위치 판독부; 상기 위치 판독부에서 판독된 센싱 대상물의 위치를 분석하여 상기 위험도 맵핑부에 저장된 위험도맵의 영역 중 어느 영역에 포함되는 지를 판독하는 진입 판독부; 상기 고위험 산업설비로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위험도맵에서의 위치에 대응하여 경고 신호 생성 또는 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어하기 위한 구동 제어 신호를 생성하는 산업설비 제어부; 및 스마트 공장의 MES 시스템과 네트워크를 통해 데이터를 송수신하며, 상기 산업설비 제어부로부터 전달되는 구동 제어 신호를 상기 네트워크를 통해 상기 고위험 산업설비로 전송하는 통신부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 위험도 맵핑부는, 상기 케이스부의 주변 영역을 상기 센서부에 의한 센싱이 이루어지지 아니하는 영역인 미감지 영역, 센싱 대상물이 위치하고 있어도 상기 고위험 산업설비의 구동에 영향을 주지 아니하는 영역인 안정 영역, 센싱 대상물이 위치하는 경우 경고 신호를 생성하는 영역인 경고 영역, 및 센싱 대상물이 위치하는 경우 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어하기 위한 구동 제어 신호를 생성하는 영역인 위험 영역의 4 가지 영역으로 구분할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 진입 판독부는, 상기 고위험 산업설비가 센싱 대상물로 접근하는 경우와 센싱 대상물이 상기 고위험 산업설비로 접근하는 경우를 동일한 접근으로 판독할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전원부는, 방수 커넥터를 이용하여 외부 전원으로부터 전기를 공급받을 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템은, 상기 케이스부, 상기 센서부, 상기 제어부, 및 상기 전원부 모두가 모듈 형태로 형성되어 서로 탈부착 가능하도록 형성될 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 고 분해능의 센싱 영역(horizontal FoV 360°, vertical FoV 27°)을 구현함으로써 센싱 음영지역의 최소화를 구현하는 효과를 제공할 수 있다.
16 Channel SPAD scanning rate of 200 Hz 디지털 신호처리회로(682,600 points/second)를 구현할 수 있고, 2D map display용 소프트웨어 개발을 통해 레이저 스캐닝 오차 보정을 수행하도록 하는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 스마트공장 MES Interface/adaptors개발 및 스캐닝 데이터(Scanning data)의 빅데이터화와 인공지능화를 구현하는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 센서부, 제어부 및 전원부의 세부 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템의 네트워크 구성도이다.
도 4는 도 1의 케이스부를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1의 센서부의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1의 센서부의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 1의 제어부의 기능 블록도를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 위험도 맵핑부에 의한 위험도맵 구획을 설명하는 도면들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)는, 스마트 공장에 구비되고 센싱 대상물(작업자 등)이 접근하면 위험한 고위험 산업설비(R)의 주변 또는 고위험 산업설비(R)에 설치되어 고위험 산업설비(R)으로 접근하는 센싱 대상물의 위치 센싱을 통해 고위험 산업설비(R)의 구동을 제어하기 위한 것으로서, 케이스부(100), 센서부(200), 제어부(300) 및 전원부(400)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 고위험 산업설비(R)라 함은, 로봇암, 프레스기, 고전압기기, 라이트 커튼, 물리적 펜스 등과 같이 특정 영역으로의 접근이 금지되는 설비를 지칭하는 것이다.
케이스부(100)는, 고위험 산업설비(R)에 설치되며, 원기둥 형태의 상부 구조(S)를 형성하며, 밀폐된 내부 공간에 센서부(200), 제어부(300) 및 전원부(400) 설치된다.
센서부(200)는, 케이스부(100)의 상부에 설치되어 외부 접근에 대한 거리를 센싱하기 위한 장치로서, 무회전 라이다(Lidar, Light detection and ranging) 센서를 이용하여 고위험 산업설비(R)으로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위치를 센싱한다.
일 실시예에서, 센서부(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이 I2C BUS(330)을 통해 제어부(300)와 데이터를 송수신하며, 전원 조절기를 구비하는 라이다 센서로 형성될 수 있다.
제어부(300)는, 본 발명의 각 구성요소들의 기능 제어를 위한 장치로서, 고장진단 테스트, TCP/IP를 통한 외부 통신, 릴레이 제어를 통한 신호 전달 등의 기능을 수행하는 것으로, 케이스부(100)의 내부 공간에 설치되며, 위험도의 높낮음에 따른 등급으로 케이스부(100)의 주변 영역을 구획하여 생성시킨 위험도맵을 저장해 두며, 센서부(200)로부터 전달되는 센싱 대상물의 위치를 판독한 뒤 위험도맵에서 기 설정된 등급 이상의 위험도에 해당하는 영역으로 센싱 대상물이 진입한 경우 고위험 산업설비(R)의 구동을 정지시킨다.
일 실시예에서, 제어부(300)는, 도 2에 도시된 바와 같이 ARM Cortex M SERIES(310), EEPROM(320), I2C BUS(330), RS-485 변환기(340), 이더넷 컨트롤러(350) 및 방수 커넥터(360)를 포함할 수 있다.
전원부(400)는, 일반적으로 24Vdc로 동작하며, 케이스부(100)의 내부 공간에 설치되며, 센서부(200) 및 제어부(300)의 구동에 필요한 전기를 공급한다.
일 실시예에서, 전원부(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이 외부 전원을 공급받기 위한 방수 커넥터(410), 두 개의 릴레이(420), 전원 입력 컨트롤로 전원을 공급하는 방수 커넥터(430)를 구비할 수 있다. 이때, 방수 커넥터(410, 430)는 IP65 등급의 방수가 가능한 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 전원부(400), 즉 ARM Cortex M SERIES(310)는, 방수 커넥터(410)로부터 공급되는 전원을 별도로 구비되는 전원 조정기(C1)를 통해 전기를 공급받을 수 있다.
그리고, 센서부(200) 역시 별도로 구비되는 전원 조정기(C2)를 통해 전기를 공급받을 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)은, 케이스부(100), 센서부(200), 제어부(300), 및 전원부(400) 모두가 모듈 형태로 형성되어 서로 탈부착 가능하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)의 네트워크 구성도인 도 3에 도시된 바와 같이 다수 개의 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N)에 각각 설치(10-1 내지 10-N)되거나 주변에 설치되어 각 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N)으로 접근하는 센싱 대상물의 위치를 센싱하여 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N)과 센싱 대상물의 충돌을 회피할 수 있도록 각 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N)의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다. 도 3에는 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)이 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N) 각각에 직접 설치(10-1 내지 10-N)되는 것으로 도시되었으나, 이는 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)이 설치되는 위치를 예시적으로 표현한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)은 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N) 각각에 직접 설치되는 것이 아닌, 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N) 각각에 대하여 근접한 주변에 설치될 수도 있다.
각각의 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10-1 내지 10-N)은, 네트워크(50)를 통해 스마트 공장의 MES 시스템(20)과 데이터를 송수신함으로써 각 고위험 산업설비(R-1 내지 R-N)의 구동이 제어되도록 할 수 있으며, 기타 스마트 공장 시스템 서버(30) 또는 스마트 공장의 관리자 단말기(40)와도 네트워크(50)를 통해 센서부(200), 제어부(300) 및 전원부(400)의 구동에 따른 데이터를 송수신할 수 있다.
이때, 각각의 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)은, 고 분해능의 센싱 영역(horizontal FoV 360°, vertical FoV 27°)을 구현함으로써 센싱 음영지역의 최소화를 구현할 수 있고, 16 Channel SPAD scanning rate of 200 Hz 디지털 신호처리회로(682,600 points/second)를 구현할 수 있고, 2D map display용 소프트웨어 개발을 통해 레이저 스캐닝 오차 보정을 수행할 수 있으며, 스마트공장 MES Interface/adaptors개발 및 스캐닝 데이터(Scanning data)의 빅데이터화와 인공지능화를 구현할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템(10)은, 상술한 바와 같은 생산 로봇을 구비한 스마트 공장 뿐만 아니라, 자동 지게차 설비등 규칙적인 운동을 반복하는 설비를 구비한 스마트 공장 자동화 설비 업체, 중장비에 시야가 안 보이는 곳에 사람(작업자) 혹은 물체 접근 시 알람을 요하는 중장비 사용 업체 등에도 적용될 수 있을 것이다.
도 4는 도 1의 케이스부를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 케이스부(100)는, 상체 케이스(110) 및 하체 케이스(120)를 포함한다.
상체 케이스(110)는, 원기둥 형태의 구조(S)를 형성하며, 내부 공간에 센서부(200)가 설치되며, 하측에 하체 케이스(120)가 설치된다.
일 실시예에서, 상체 케이스(110)는, 도 1에 도시된 바와 같이 하체 케이스(120)와 대향하는 하측면을 따라 밀봉을 위한 고무링(111)이 구비되고, 하체 케이스(120)에 볼트 체결에 의하여 서로 체결될 수 있다.
하체 케이스(120)는, 제어부(300) 및 전원부(400)가 설치되기 위한 내부 공간(130)을 형성하는 육면체 박스 형태로 형성되며, 내부 공간(130)을 밀폐시킬 수 있도록 상체 케이스(110)의 하측에 밀착되어 설치된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 케이스부(100)는, 상체 케이스(110) 및 하체 케이스(120)가 IP65 등급의 방수가 가능하고 방폭 설계가 구현될 수 있도록 내부 공간이 밀폐될 수 있도록 형성될 수 있다.
도 5는 도 1의 센서부의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 센서부(200a)는, 베이스 플레이트(210) 및 14 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-14)를 포함한다.
베이스 플레이트(210)는, 원판 형태로 형성되어 상체 케이스(110)의 내부 공간에 설치되며, 둘레를 따라 14 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-14)가 설치된다.
다수의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-14)는, 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-14) 각각이 베이스 플레이트(210)의 중심을 기준으로 방사 방향으로 센싱 대상물을 감지하기 위한 레이저빔을 조사할 수 있도록, 베이스 플레이트(210)의 테두리를 따라 원주형으로 배치된다. 보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-14)는 케이스부(100)의 둘레를 따라 360°전방위를 센싱할 수 있도록 센싱 부위가 상체 케이스(110)의 외측을 향하도록 베이스 플레이트(210)의 테두리를 따라 서로 동일한 간격(즉, 베이스 플레이트(210)의 중심을 기준으로 서로 27° 간격으로 이격되어)으로 이격되어 14개가 설치된다.
여기서, 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)의 간단한 스펙은, 1) 940 nm invisible laser, 2) Class 1 laser, 3) ToF(time of flight) Type, 4) 50Hz ranging frequency, 5) SPAD type으로 이루어질 수 있다.
여기서, 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)는, 감지범위(레이저 스캐닝 범위)는 전방에 대해 ‘원뿔 형태’를 보이며, 상하 또는 좌우 감지 범위는 27°로 수행될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 일 실시예에 따른 센서부(200a)는, 상체 케이스(110)의 전방위 센싱을 위해 360°를 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)의 센싱 영역인 27°로 나눈 값(13.333…) 보다 큰 최소의 정수 값에 해당하는 개수인 14 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-14)가 필요하게 되는 것이다. 즉, 각각의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)의 전방에 대한 수평 센싱 영역(범위)이 A°이라면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(200a)는 360°의 전방위 센싱을 위해서, 360°를 A°로 나눈 값 보다 큰 최소의 정수인 N개의 수직 공진형 표면 발광 레이저가 구비된다.
도 6은 도 1의 센서부의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른 센서부(200b)는, 베이스 플레이트(210) 및 10개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-10)를 포함한다.
베이스 플레이트(210)는, 원판 형태로 형성되어 상체 케이스(110)의 내부 공간에 설치되며, 둘레를 따라 10 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-10)가 설치된다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-10)는, 케이스부(100)의 둘레를 따라 270°에 해당하는 일부 범위를 센싱할 수 있도록 센싱 부위가 상체 케이스(110)의 외측을 향하도록 베이스 플레이트(210)의 테두리를 따라 케이스부(100)의 둘레의 90°에 해당되는 부분을 제외하고 서로 동일한 간격(즉, 베이스 플레이트(210)의 중심을 기준으로 서로 27° 간격으로 이격되어)으로 이격되어 10 개가 설치된다.
이때, 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)는, 위치 센싱을 위한 레이저빔의 조사각도가 27° 각도로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 다른 실시예에 따른 센서부(200b)는, 고위험 산업설비(R)에 설치되는 경우에 있어서 센싱 대상물의 접근할 수 없는 영역의 존재로 인해 센싱이 필요 없는 영역이 존재하는 바 케이스부(100)의 둘레를 따라 270°에 해당하는 일부 범위만 센싱하기 위한 실시예에 해당한다.
이에 따라, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 다른 실시예에 따른 센서부(200b)는, 센싱 대상물이 접근할 수 없는 케이스부(100)의 둘레의 90°에 해당되는 부분을 제외하고 케이스부(100)의 둘레를 따라 270°에 해당하는 일부 범위를 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)의 센싱 영역인 27°로 나눈 10, 즉 10 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(220-1 내지 220-10)가 필요하게 되는 것이다.
이때, 각 수직 공진형 표면 발광 레이저(220)의 센싱 범위에 해당하는 "감지범위"의 한계에 따라 각 수직 공진형 표면 발광 레이저(220) 사이 사이에 도 6에 도시된 바와 같은 "감지공백영역"이 발생하게 되나, 작업자의 신체 크기 또는 센싱 대상물의 크기 대비 "감지공백영역"의 폭은 상대적으로 작기 때문에 유효한 센싱에 있어서는 문제가 되지 않는다.
도 7은 도 1의 제어부의 기능 블록도를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제어부(300)는, 위험도 맵핑부(301), 위치 판독부(302), 진입 판독부(303), 산업설비 제어부(304) 및 통신부(305)를 포함한다.
위험도 맵핑부(301)는, 위험도의 높낮음에 따른 등급으로 고위험 산업설비(R)에 설치된 케이스부(100)의 주변 영역을 구획하여 생성된 위험도맵을 저장해 둔다.
일 실시예에서, 위험도 맵핑부(301)는, 케이스부(100)를 중심으로 하여 최대 검지 거리인 4m까지의 영역(예시적으로, 4m까지의 영역) 그리고 최대 검지 높이인 영역(예시적으로, 1.8m의 영역)을 1) 케이스부(100)의 주변 영역을 센서부(200)에 의한 센싱이 이루어지지 아니하는 영역인 미감지 영역(A1), 2) 센싱 대상물이 위치하고 있어도 고위험 산업설비(R)의 구동에 영향을 주지 아니하는 영역인 안전 영역(A2), 3) 센싱 대상물이 위치하는 경우 경고 신호를 생성하는 영역인 경고 영역(A3), 및 4) 센싱 대상물이 위치하는 경우 고위험 산업설비(R)의 구동을 제어하기 위한 구동 제어 신호를 생성하는 영역인 위험 영역(A4)의 4 가지 영역으로 구분할 수 있다.
이때, 위험도 맵핑부(301)는, 표면 발광 레이저(220)의 개수에 따라 도 8에 예시된 바와 같이 케이스부(100)의 주변 영역 270°를 센싱하는 경우와, 도 9에 예시된 바와 같이 케이스부(100)의 주변 영역 360°를 센싱하는 경우를 별도로 구분하여 위험도맵을 생성할 수 있다.
위치 판독부(302)는, 센서부(200)로부터 전달되는 센싱 데이터를 이용하여 고위험 산업설비(R)으로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위치를 판독한다.
진입 판독부(303)는, 위치 판독부(302)에서 판독된 센싱 대상물의 위치를 분석하여 위험도 맵핑부(301)에 저장된 위험도맵의 영역 중 어느 영역에 포함되는지를 판독한다.
일 실시예에서, 진입 판독부(303)는, 고위험 산업설비(R)이 센싱 대상물로 접근하는 경우와 센싱 대상물이 고위험 산업설비(R)으로 접근하는 경우를 동일한 접근으로 판독할 수 있다.
산업설비 제어부(304)는, 고위험 산업설비(R)으로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위험도맵에서의 위치에 대응하여 경고 신호를 생성하거나 또는 고위험 산업설비(R)의 구동을 제어하기 위한 구동 제어 신호를 생성한다. 보다 구체적으로, 진입 판독부(303)가 센싱 대상물이 고위험 산업설비(R)에 대하여 안전 영역(A2)에 있는 것으로 판독하는 경우에, 산업설비 제어부(304)는 경고 신호를 생성하지 않고, 센싱 대상물이 안전 영역(A2)에 위치한다는 위치 정보를 생성한다. 그리고, 센싱 대상물이 고위험 산업설비(R)에 접근하거나 고위험 산업설비(R)이 센싱 대상물에 접근함에 따라서 진입 판독부(303)가 센싱 대상물이 경고 영역(A3)에 있는 것(센싱 대상물이 안전 영역(A2)에서 경고 영역(A3)으로 진입하는 것)으로 판독하는 경우에, 산업설비 제어부(304)는 경고 신호를 생성하고, 센싱 대상물이 경고 영역(A3)에 위치한다는 위치 정보를 생성한다. 또한, 센싱 대상물과 고위험 산업설비(R) 간의 상대적인 거리가 매우 근접함에 따라서 진입 판독부(303)가 센싱 대상물이 위험 영역(A4)에 있는 것(센싱 대상물이 경고 영역(A3)에서 위험 영역(A4)으로 진입하는 것)으로 판독하는 경우에, 산업설비 제어부(304)는 경고 신호를 생성하고, 센싱 대상물이 위험 영역(A4)에 위치한다는 위치 정보를 생성한다. 이때, 산업설비 제어부(304)가 생성하는 경고 신호는 고위험 산업설비(R)에 근접한 센싱 대상물(작업자 등)에 경고를 알리기 위한 경고음이나 경고등을 작동시키는 신호에 해당할 수 있다.
한편, 진입 판독부(303)가 센싱 대상물이 경고 영역(A3)에서 위험 영역(A4)으로 진입하는 것으로 판독하는 경우에, 산업설비 제어부(304)는 고위험 산업설비(R)의 구동을 정지시키기 위한 구동 제어 신호로서 구동 정지 신호를 생성한다. 그리고, 진입 판독부(303)가 센싱 대상물이 위험 영역(A4)에서 경고 영역(A3)으로 진입하는 것으로 판독하는 경우에, 산업설비 제어부(304)는 고위험 산업설비(R)의 구동을 재가동시키기 위한 구동 제어 신호로서 구동 재가동 신호를 생성한다.
통신부(305)는, 스마트 공장의 MES(Manufacturing Execution System) 시스템(20)과 네트워크를 통해 데이터를 송수신하며, 산업설비 제어부(304)로부터 전달되는 위치 정보와 구동 제어 신호를 네트워크를 통해 MES 시스템(20)으로 전송한다. 이에 따라, 통신부(305)로부터 위치 정보를 전송받은 MES 시스템(20)은 센싱 대상물의 고위험 산업설비(R)에 대한 상대적인 위치가 안전 영역(A2), 경고 영역(A3), 위험 영역(A4) 중 어느 영역에 있는지에 대한 정보를 상황실의 관리자의 디스플레이에 표시할 수 있다. 또한, 통신부(305)로부터 구동 제어 신호를 전송받은 MES 시스템(20)은 센싱 대상물이 위험 영역(A4)에서 경고 영역(A3)으로 진입하는 경우에 네트워크(50)를 통해 고위험 산업설비(R)로 구동 정지 신호를 전송하여 고위험 산업설비(R)의 구동을 정지시키거나(안전 모드), 센싱 대상물이 경고 영역(A3)에서 위험 영역(A4)으로 이동하는 경우에 네트워크(50)를 통해 고위험 산업설비(R)로 구동 재가동 신호를 전송하여 고위험 산업설비(R)의 구동을 재가동시킨다(안전 모드 해제).
앞서, 고위험 산업설비(R)에 대한 구동 제어 신호는 진입 판독부(303)에서 생성되는 것으로 기술되었으나, 경우에 따라서 MES 시스템(20)이 통신부(305)로부터 전송받은 위치 정보에 기초하여 센싱 대상물과 고위험 산업설비(R) 간의 상대적인 위치에 따라 구동 제어 신호를 생성할 수도 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 제어부(300)의 위험도 맵핑부(301), 위치 판독부(302), 진입 판독부(303) 및 산업설비 제어부(304)는 도 2의 ARM Cortex M SERIES(310) 또는 EEPROM(320)에서 수행되는 것이고, 통신부(305)의 기능은 I2C BUS(330), RS-485 변환기(340) 및 이더넷 컨트롤러(350) 등에서 수행될 수 있다.
이상의 실시예들에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field programmable gate array) 또는 ASIC 와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램특허 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다.
구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로부터 분리될 수 있다.
뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU 들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상술된 실시예들은 예시를 위한 것이며, 상술된 실시예들이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 상술된 실시예들이 갖는 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서를 통해 보호받고자 하는 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템
100: 케이스부 110: 상체 케이스
120: 하체 케이스 200: 센서부
210: 베이스 플레이트 220: 수직 공진형 표면 발광 레이저
300: 제어부 301: 위험도 맵핑부
302: 위치 판독부 303: 진입 판독부
304: 산업설비 제어부 305: 통신부
400: 전원부

Claims (10)

  1. 스마트 공장에 구비되는 고위험 산업설비의 주변 또는 상기 고위험 산업설비에 설치되어 상기 고위험 산업설비로 접근하는 센싱 대상물의 위치 센싱을 통해 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어하기 위한 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템에 있어서,
    상기 고위험 산업설비의 주변 또는 상기 고위험 산업설비에 설치되며, 원기둥 형태의 상부 구조를 형성하는 케이스부;
    상기 케이스부의 상부에 설치되며, 무회전 라이다(Lidar) 센서를 이용하여 상기 고위험 산업설비로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위치를 센싱하는 센서부;
    상기 케이스부의 내부 공간에 설치되며, 위험도의 높낮음에 따른 등급으로 상기 케이스부의 주변 영역을 구획하여 생성시킨 위험도맵을 저장해 두며, 상기 센서부로부터 전달되는 센싱 대상물의 위치를 판독한 뒤 상기 위험도맵에서 기 설정된 등급 이상의 위험도에 해당하는 영역으로 센싱 대상물이 진입한 경우 상기 고위험 산업설비의 구동을 정지시키는 제어부; 및
    상기 케이스부의 내부 공간에 설치되며, 상기 센서부 및 상기 제어부의 구동에 필요한 전기를 공급하는 전원부;를 포함하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 케이스부는,
    원기둥 형태의 구조를 형성하며, 내부 공간에 상기 센서부가 설치되는 상체 케이스; 및
    상기 제어부 및 상기 전원부가 설치되기 위한 내부 공간을 형성하는 육면체 박스 형태로 형성되며, 내부 공간을 밀폐시킬 수 있도록 상기 상체 케이스의 하측에 밀착되어 설치되는 하체 케이스;를 포함하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 센서부는,
    원판 형태로 형성되어 상기 상체 케이스의 내부 공간에 설치되는 베이스 플레이트; 및
    상기 케이스부의 둘레를 따라 360°전방위를 센싱할 수 있도록 센싱 부위가 상기 상체 케이스의 외측을 향하도록 상기 베이스 플레이트의 테두리를 따라 서로 동일한 간격으로 이격되어 설치되는 14 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser);를 포함하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 센서부는,
    원판 형태로 형성되어 상기 상체 케이스의 내부 공간에 설치되는 베이스 플레이트; 및
    상기 케이스부의 둘레를 따라 270°에 해당하는 일부 범위를 센싱할 수 있도록 센싱 부위가 상기 상체 케이스의 외측을 향하도록 상기 베이스 플레이트의 테두리를 따라 상기 케이스부의 둘레의 90°에 해당되는 부분을 제외하고 서로 동일한 간격으로 이격되어 설치되는 10 개의 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser);를 포함하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는,
    위치 센싱을 위한 레이저빔의 조사각도가 27° 각도인, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    위험도의 높낮음에 따른 등급으로 상기 고위험 산업설비의 주변 또는 상기 고위험 산업설비에 설치된 상기 케이스부의 주변 영역을 구획하여 생성된 위험도맵을 저장해 두는 위험도 맵핑부;
    상기 센서부로부터 전달되는 센싱 데이터를 이용하여 상기 고위험 산업설비로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위치를 판독하는 위치 판독부;
    상기 위치 판독부에서 판독된 센싱 대상물의 위치를 분석하여 상기 위험도 맵핑부에 저장된 위험도맵의 영역 중 어느 영역에 포함되는 지를 판독하는 진입 판독부;
    상기 고위험 산업설비로 접근하고 있는 센싱 대상물의 위험도맵에서의 위치에 대응하여 경고 신호 생성 또는 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어하기 위한 구동 제어 신호를 생성하는 산업설비 제어부; 및
    스마트 공장의 MES 시스템과 네트워크를 통해 데이터를 송수신하며, 상기 산업설비 제어부로부터 전달되는 구동 제어 신호를 상기 네트워크를 통해 상기 고위험 산업설비로 전송하는 통신부;를 포함하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 위험도 맵핑부는,
    상기 케이스부의 주변 영역을 상기 센서부에 의한 센싱이 이루어지지 아니하는 영역인 미감지 영역, 센싱 대상물이 위치하고 있어도 상기 고위험 산업설비의 구동에 영향을 주지 아니하는 영역인 안정 영역, 센싱 대상물이 위치하는 경우 경고 신호를 생성하는 영역인 경고 영역, 및 센싱 대상물이 위치하는 경우 상기 고위험 산업설비의 구동을 제어하기 위한 구동 제어 신호를 생성하는 영역인 위험 영역의 4 가지 영역으로 구분하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 진입 판독부는,
    상기 고위험 산업설비가 센싱 대상물로 접근하는 경우와 센싱 대상물이 상기 고위험 산업설비로 접근하는 경우를 동일한 접근으로 판독하는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전원부는,
    방수 커넥터를 이용하여 외부 전원으로부터 전기를 공급받는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 케이스부, 상기 센서부, 상기 제어부, 및 상기 전원부 모두가 모듈 형태로 형성되어 서로 탈부착 가능하도록 형성되는, 스마트 공장의 작업 안전을 위한 전방위 무회전 라이다 기반 안전 시스템.
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