로봇 적용
FSS 연구 및 검증사례 2 : Sensor Fail
로봇 적용
FSS 연구 및 검증사례 2 : Sensor Fail
로봇의 Sensor Fail
로봇의 상태와 주변 환경을 측정하는 센서에 이상이 발생하여
정상적인 센서 정보를 제어기에 제공하지 못하는 상태
Sensor Fail이 발생하면 로봇이 자신의 상태 또는 주변 환경을
정확하게 인식하지 못하게 되고, 잘못된 제어 명령으로 이어질 수 있습니다.
1) 교육/협동 관절 로봇
교육/협동 관절 로봇(Educational / Collaborative Robot Arm)
여러 개의 관절과 모터로 구성된 로봇 팔로, 사람과 같은 공간에서
교육, 연구, 조립, 이송 등의 작업을 수행하는 로봇
2) 교육/협동 관절 로봇 센서 고장영향
고장 치명도 1단계: 제어 정밀도 저하
- 위치, 속도, 토크 센서 신호 오차 증가
- 관절 위치 및 동작 정밀도 저하
- 진동, 응답 지연 등 불안정 동작 발생
고장 치명도 2단계: 궤적 이탈 및 작업 실패
- 잘못된 센서 피드백으로 목표 궤적 이탈
- Pick & Place, 조립, 이송 등 작업 정확도 저하 및 실패
- 비정상적인 관절 동작 발생
고장 치명도 3단계: 충돌 및 안전 위험
- 센서 정보 오류로 안전한 동작 제어가 어려워짐
- 작업자 및 주변 장비와의 충돌 위험 증가
- 로봇 및 주변 설비 손상과 인명 안전 위험으로 확대
3) 교육/협동 관절 로봇 센서 고장원인
노이즈에 의한 일시적 센서고장
물리적/환경적 손상에 의한 영구적 센서 고장
과전류 또는 전원공급 차단 등
4) 교육/협동 관절 로봇 - FSS 적용 효과
효과 1: 센서 고장 신속 진단
- 위치, 속도, 토크 등 센서 신호의 이상을 신속하게 감지
- 센서 고장 종류 등 Sensor Fail 상태를 진단
효과 2: 센서 신호 복구 및 제어 안정성 확보
- 고장 센서 신호를 정상의 복구 신호로 신속하게 전환
- 신뢰할 수 있는 피드백을 제공하여 궤적, 관절 제어 안정성 유지
효과 3: 안전한 작업 및 임무 지속
- 비정상 관절 동작과 작업자 및 주변 장비와의 충돌 위험 감소
- 센서 고장상황에서도 안전한 협업과 작업 지속 지원
5) 선행연구
AI Fail-safe기반 듀얼모터 패키지 개발
(과학기술사업화진흥원(COMPA), 2023-2024)
센서 고장진단/복구 Fail-Safe 기술 개발
제어시스템의 안정적인 구동을 위한 내전형 FSM 기반
센서 Fail-Safe 기술을 개발
FSM 모터 전류센서에 일시적 고장(노이즈)와 영구적 고장(단선
단락)을 인위적으로 주입하고, 센서 신호의 고장을 실시간으로
진단 후 복구하는 FSS로직 구현
고장 진단 후 이상 센서 신호를 정상의 복구 신호로 전환 후, 정상의 센서 신호 입력을 즉시 재개함으로써 제어시스템의 안정적인 구동 가능성을 확인
1) 모바일 로봇
모바일 로봇(Mobile Robot)
바퀴, 궤도 등의 이동장치를 이용하여 주변 환경을 인식하고
목표 위치까지 자율 또는 원격으로 이동해,
운송, 물류, 순찰, 서비스 등의 작업을 수행하는 로봇
2) 모바일 로봇 센서 고장영향
고장 치명도 1단계: 주행 정밀도 저하
- 위치, 속도, 거리 센서 등의 측정 오차 증가
- 자기 위치 추정 및 경로 추종 정확도 저하
- 주행 중 흔들림 및 속도 오차 등 불안정 발생
고장 치명도 2단계: 경로 이탈 및 주행 실패
- 잘못된 센서 정보로 위치 및 주변 환경 오인식
- 목표 경로 이탈 및 장애물 회피 성능 저하
- 물류, 배송, 이송 등 임무 중단 가능
고장 치명도 3단계: 충돌 및 안전 위험
- 장애물, 사람을 정상적으로 인식하지 못해 충돌 위험 증가
- 정지 및 회피 동작 실패로 제어 불능 상황 발생
- 로봇 및 주변 설비 손상 및 인명 안전 위험 확대
3) 모바일 로봇 센서 고장원인
노이즈에 의한 일시적 센서고장
물리적/환경적 손상에 의한 영구적 센서 고장
과전류 또는 전원공급 차단 등
4) 모바일 로봇 센서 - FSS 적용 효과
효과 1: 센서 고장 신속 진단
- 위치, 속도, 거리, IMU 등 센서 신호 이상을 신속하게 감지
- 센서 고장 종류 등 Sensor Fail 상태를 진단
효과 2: 센서 신호 복구 및 주행 안정성 확보
- 고장 센서 신호를 신뢰 가능한 정상의 복구 신호로 신속하게 전환
- 위치 추정, 경로 추종, 장애물 회피를 위한 센서 신뢰성 유지
효과 3: 충돌 방지 및 임무 지속
- 경로 이탈과 장애물과 사람의 충돌 위험 감소
- 센서 고장상황에서도 안전한 주행과 물류, 배송, 이송 임무 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
HS형 FSM기반 센서 고장진단/복구 Fail-Safe
기술 개발
HS형 외전형 FSM의 고정자 코일 독립회로 구조를 기반으로
상 전류/전압 센서의 고장 진단과 복구하는 FSS기술을 개발
Coil 1과 Coil 2에 흐르는 상 전압과 상 전류 각각 측정하는 센서를 구성하고, 각 상의 센서 신호를 상호 비교하여 센서고장을 신속하게 진단하고 복구할 수 있는 센서 Fail-Safe 로직을 구현
센서 고장 발생 시, 고장종류를 즉시 식별하고 신뢰 가능한 정상의센서 정보로 전환함으로써 모터 속도제어의 안정성과 신뢰성 확보
HS형 FSM 적용 제어시스템을 대상으로 Sensor Fail에 신속히
대응하기 위한 센서 Fail-Safe 기술을 확보
1) 휴머노이드/4족로봇
휴머노이드/4족 로봇(Humanoid / Quadruped Robot)
다수의 관절과 액추에이터(모터)를 정밀하게 제어하여
보행, 균형 유지, 이동 및 다양한 작업을 수행하는 고자유도 로봇
2) 휴머노이드/4족로봇 센서 고장영향
고장 치명도 1단계: 자세 및 보행 정밀도 저하
- IMU, 관절 위치, 속도, 토크 센서 등의 측정 오차 증가
- 자세 추정 및 보행 제어 정확도 저하
- 흔들림 및 진동 등 불안정한 동작 발생
치명도 2단계: 균형 상실 및 보행 실패
- 잘못된 센서 피드백으로 자세 및 지면 상태 오인식
- 보행 궤적 이탈 및 균형 회복 성능 저하
- 정상적인 이동 및 작업 수행이 어려워져 임무 중단
치명도 3단계: 전도, 충돌 및 안전 위험
- 자세, 관절 상태를 정상적으로 인식하지 못해 급격한 균형 상실
- 로봇 전도 및 사람, 주변 설비와의 충돌 위험 증가
- 로봇, 주변 장비 손상 및 인명 안전 위험으로 확대
3) 휴머노이드/4족로봇 센서 고장원인
노이즈에 의한 일시적 센서고장
물리적/환경적 손상에 의한 영구적 센서 고장
과전류 또는 전원공급 차단 등
4) 휴머노이드/4족로봇 – FSS 적용 효과
효과 1: 센서 고장 신속 진단
- 위치, 속도, 거리, IMU 등 센서 신호 이상을 신속하게 감지
- 센서 고장 종류 등 Sensor Fail 상태를 진단
효과 2: 센서 신호 복구 및 자세 안정성 확보
- 고장 센서 신호를 신뢰 가능한 정상의 복구 신호로 신속하게 전환
- 위치 추정, 경로 추종, 장애물 회피를 위한 센서 신뢰성 유지
효과 3: 충돌 방지 및 임무 지속
- 경로 이탈과 장애물과 사람의 충돌 위험 감소
- 고장을 극복하여 안전한 이동과 작업 및 임무 지속 지원
5) 선행연구
AI Fail-safe기반 듀얼모터 패키지 개발
(과학기술사업화진흥원(COMPA), 2023-2024)
AI Fail-Safe 기반 듀얼모터 센서 고장진단/복구
기술 개발
제어시스템의 센서 고장에 대응하기 위해 AI Fail-Safe 기반 센서 고장진단/복구 기술을 개발
내전형 듀얼모터 시험환경에 토크, 속도, 진동 및 전류, 전압 센서를 구성하고, 센서 신호의 이상을 진단하여 고장 발생 시 신뢰 가능한 정상의 복구 신호로 전환하는 FSS기술을 적용
AI Fail-Safe SW와 실험장치를 연계하여 센서의 일시적 및 영구적 고장 상황에서의 고장 진단과 및 복구성능을 시험
내전형 FSM이 적용된 제어시스템의 안정적인 구동과 자세제어를 위한 AI Fail-Safe기반 센서 고장진단/복구 기술을 확보
고장에도 멈추지 않는 미래를 만듭니다
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