KR102481788B1 - Ai 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법 - Google Patents
Ai 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법은, 변경점 발생 판별부가 수작업 제조 현장에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별하는 단계; 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 데이터 수집부가 해당 변경점의 데이터를 수집하는 단계; 에지/미들 에지 분석부가 수집된 데이터에 대해 에지 및 미들 에지 분석을 수행하는 단계; 제품 불량/이상징후 분석부가 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석하는 단계; 실시간 피드백부가 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인에 대한 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, AI 머신 러닝으로 분석 및 최적의 패턴을 확보하여, 이를 기반으로 불량 발생 원인의 분석 결과를 실시간으로 피드백함으로써 제품의 불량 발생률을 현저하게 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법은, 변경점 발생 판별부가 수작업 제조 현장에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별하는 단계; 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 데이터 수집부가 해당 변경점의 데이터를 수집하는 단계; 에지/미들 에지 분석부가 수집된 데이터에 대해 에지 및 미들 에지 분석을 수행하는 단계; 제품 불량/이상징후 분석부가 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석하는 단계; 실시간 피드백부가 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인에 대한 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, AI 머신 러닝으로 분석 및 최적의 패턴을 확보하여, 이를 기반으로 불량 발생 원인의 분석 결과를 실시간으로 피드백함으로써 제품의 불량 발생률을 현저하게 낮출 수 있다.
Description
본 발명은 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우의 숙련자의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 정형화하고, 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 AI 머신 러닝으로 분석 및 최적의 패턴을 확보하여, 불량 발생 원인을 실시간으로 피드백할 수 있는 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수작업 제조는 작업자 간 지그(Jig) 및 반자동 설비를 다루는 숙련도에 따라 생산성 및 품질 차이가 커 단위 공정별 투입되는 공수, 수작업 동선, 반제품에 대한 실시간 품질관리가 요구된다. 하지만 수작업 제조 현장의 품질관리는 초도품, 샘플링, 완성품 검사 방식으로 진행하기 때문에 다음과 같은 두 가지 문제점이 발생하게 된다.
첫째, 작업자 변경, 원부자재의 롯트(lot) 교체, 누적산포 등의 다양한 4M(Man, Machine, Material, Method) 1E(Environment) 변경점에 기인한 불량 발생 시, 현 단계에서 실시간 전수 검사방식으로 모니터링할 수 있는 시스템의 부재로 후속공정 또는 완성품 검사단계에서 뒤늦게 피드백된다는 점이다.
둘째, 일부 반자동화된 라인의 경우 비젼 기반 조립품의 외관 검사 시스템이 도입되어 있으나, 수작업 동선, 지그 및 반자동 설비의 사용정보(동력원) 등과 같은 주요 변경점과 연동되어 분석되지 않아 발생 원인에 대한 실시간 추적이 불가능하다는 점이다.
기존의 제조 현장에서는 도 1의 (a)와 같이 관리자가 작업자가 SOP(Standard Operating Procedure, 표준 운영 절차)를 준수하고 있는지 수동으로 모니터링했는데, 이러한 방식으로는 모든 작업자의 수작업 단계를 추적 및 관리하는 것에 한계가 있어, 이에 대한 대응책으로 도 1의 (b), (c)와 같이 AI 스마트 카메라의 딥러닝 기술을 활용하여 자동으로 모니터링 및 수작업을 분석하는 방식을 취하고 있다. 이와 같은 자동 모니터링 방식에 의해 99%의 판단 정확도 수준을 제시하고 있다.
이상과 같은 AI 비젼 자동 모니터링 방식에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, 숙련자는 경험치를 반영하여 작업 방법을 일시적으로 변경하여 불량 발생을 억제하게 된다. 숙련자가 수작업 패턴과 공정시간을 변경할 경우에는 AI 카메라가 이를 인지하여 이상 신호를 발생할 수 있지만, 인가되는 강도, 세기를 미세하게 변경(예를 들면, 작업자가 전동 드라이버의 토크 또는 누르는 세기를 미세하게 변경하거나, 용접기의 전류 세기를 미세하게 변경)할 경우에는 수작업의 패턴이 변경되는 것이 아니므로 이를 인지할 수 없다.
따라서, 4M 1E의 산포에 의한 불량 발생을 억제하기 위해서는 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화할 필요가 있다.
한편, 한국 등록특허공보 제10-2285374호(특허문헌 1)에는 "인공지능 기반 작업 전력패턴 자동 인식 방법과 이를 위한 시스템"이 개시되어 있는 바, 이에 따른 인공지능 기반 작업 전력패턴 자동 인식 방법은, 컴퓨터 장치에서, 전동장치가 소정 작업을 소정 기간 동안에 걸쳐 반복 수행하는 과정에서 모니터링된 소비전력 데이터를 수집하여 데이터 저장소에 저장하는 단계; 연산처리장치가 상기 데이터 저장소로부터 소정 기간 동안 수집 저장된 상기 전동장치의 소비전력 데이터를 읽어 들이는 단계; 읽어 들인 상기 소비전력 데이터를 소정 시간 간격마다 소정 크기의 작업시간 창 단위로 분할하는 단계; 작업시간 창 단위로 분할된 소비전력 데이터들 전체에 대하여, 인접하는 작업시간 창들의 소비전력 데이터들 간의 유사도를 비교하여 유사도가 가장 낮은 지점을 상기 전동장치의 작업 시작지점을 나타내는 '작업 전력패턴의 시작점'으로 추출하는 단계; 추출된 각 '작업 전력패턴의 시작점'에서부터 상기 작업시간 창의 사이즈에 해당하는 구간의 소비전력 데이터를 상기 전동장치가 소정 작업을 1회 수행하는 데 소비한 전력 데이터인 작업 전력패턴으로 추출하는 단계; 및 추출된 작업 전력패턴에 작업 레이블을 추가하여 인공지능 기반 학습 데이터를 자동으로 생성하는 단계를 포함하고, 상기 인접하는 작업시간 창들의 소비전력 데이터 간의 유사도를 구할 때, 미리 설정된 소비전력 피크 지점의 최소 개수를 초과하는 소비전력 피크 지점은 작업 전력패턴의 종료구간에서의 유사도 차이 피크 지점으로 간주하여 무시하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 추출된 작업별 소비 전력패턴을 활용하여 작업자 개인별 및 생산라인 별 작업 현황, 개별 작업자의 준 실시간 작업 수량 및 단위 생산시간 등을 모니터링 할 수 있는 장점이 있기는 하나, 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지에 대해서는, 그리고 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화에 대해서는 고려하고 있지 않아 불량 발생 원인을 실시간으로 분석해 내기 어려운 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화하고, 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 감지하여 AI 머신 러닝으로 분석 및 최적의 패턴을 확보하여, 이를 기반으로 불량 발생 원인의 분석 결과를 실시간으로 피드백할 수 있는 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템은,
수작업 제조 현장에서 4M(Man, Machine, Material, Method) 1E(Environment)의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별하는 변경점 발생 판별부와;
상기 변경점 발생 판별부에 의한 판별에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 해당 변경점의 데이터를 수집하는 데이터 수집부와;
상기 데이터 수집부에 의해 수집된 데이터에 대해 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석을 수행하는 에지/미들 에지 분석부와;
상기 에지/미들 에지 분석부에 의해 수행된 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석하는 제품 불량/이상징후 분석부와;
상기 제품 불량/이상징후 분석부에 의해 분석된 제품 불량 및 이상징후 발생원인 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백하는 실시간 피드백부; 및
상기 변경점 발생 판별부, 데이터 수집부, 에지/미들 에지 분석부, 제품 불량/이상징후 분석부 및 실시간 피드백부의 상태 체크 및 동작을 제어하고, 상기 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생한 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화를 위한 연산을 수행하며, 작업자가 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 AI 머신 러닝 모델을 통해 분석하여 최적의 수작업 패턴 및 동력원 패턴을 선정하여 시스템 제어에 반영하는 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 에지/미들 에지 분석부의 에지 및 미들 에지 분석 결과와 상기 제품 불량/이상징후 분석부의 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석 결과를 각각 화면에 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터 수집부에 의해 수집되는 상기 해당 변경점의 데이터는 TOF(Time of Flight) 카메라에 의해 촬영된 작업자의 수작업 동선 이미지 데이터와 공압 또는 전력 동력원의 미세 패턴 변화 데이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에지/미들 에지 분석부에 의해 수행되는 상기 수집된 데이터에 대한 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석은 AI 기반의 머신 러닝 모델을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 제품 불량/이상징후 분석부에 의해 수행되는 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 한 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석은 AI 기반의 수율 예측 모델을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법은,
a) 변경점 발생 판별부가 수작업 제조 현장에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별하는 단계와;
b) 상기 판별에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 데이터 수집부가 해당 변경점의 데이터를 수집하는 단계와;
c) 에지/미들 에지 분석부가 상기 수집된 데이터에 대해 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석을 수행하는 단계와;
d) 제품 불량/이상징후 분석부가 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석하는 단계와;
e) 실시간 피드백부가 상기 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인에 대한 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생한 경우, 제어부가 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화를 위한 연산을 수행하고, 작업자가 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 AI 머신 러닝 모델을 통해 분석하여 최적의 수작업 패턴 및 동력원 패턴을 선정하여 시스템 제어에 반영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 c)에서의 에지 및 미들 에지 분석 결과와 상기 단계 d)에서의 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석 결과를 각각 화면에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 b)에서 상기 해당 변경점의 데이터는 TOF(Time of Flight) 카메라에 의해 촬영된 작업자의 수작업 동선 이미지 데이터와 공압 또는 전력 동력원의 미세 패턴 변화 데이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 c)에서 상기 수집된 데이터에 대한 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석은 AI 기반의 머신 러닝 모델에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 단계 d)에서 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 한 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석은 AI 기반의 수율 예측 모델에 의해 수행될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화하고, 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 감지하여 AI 머신 러닝으로 분석 및 최적의 패턴을 확보하여, 이를 기반으로 불량 발생 원인의 분석 결과를 실시간으로 피드백함으로써 제품의 불량 발생률을 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 생산관리자 수동 모니터링 방식 및 AI 비전 자동 모니터링 방식의 개요를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법과 관련된 실시간 수작업 패턴 추적 및 관리 개요를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 분석 시스뎀 및 방법에 채용되는 작업자 학습 플랫폼의 재학습 가상 시뮬레이션 개요를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 분석 시스뎀 및 방법에 채용되는 작업자 학습 플랫폼의 대쉬보드 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 기존의 FEMS 및 공압 레귤레이터를 나타낸 도면이다.
도 8은 에어 실린더의 속도 조절 원리를 나타낸 도면이다.
도 9는 압착기(융착기)의 동작에 따른 순시 패턴의 변화가 발생하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 10은 에어 실린더의 동작에 간섭 유발 시 미세 패턴 변화가 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 부하 변동 해석을 위한 MRAC 모델링을 나타낸 도면이다.
도 12는 턴테이블 에어 실린더의 가상 센싱화 개요를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법과 관련된 실시간 수작업 패턴 추적 및 관리 개요를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 분석 시스뎀 및 방법에 채용되는 작업자 학습 플랫폼의 재학습 가상 시뮬레이션 개요를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 분석 시스뎀 및 방법에 채용되는 작업자 학습 플랫폼의 대쉬보드 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 기존의 FEMS 및 공압 레귤레이터를 나타낸 도면이다.
도 8은 에어 실린더의 속도 조절 원리를 나타낸 도면이다.
도 9는 압착기(융착기)의 동작에 따른 순시 패턴의 변화가 발생하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 10은 에어 실린더의 동작에 간섭 유발 시 미세 패턴 변화가 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 부하 변동 해석을 위한 MRAC 모델링을 나타낸 도면이다.
도 12는 턴테이블 에어 실린더의 가상 센싱화 개요를 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법과 관련된 실시간 수작업 패턴 추적 및 관리 개요를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템(200)은 변경점 발생 판별부(210), 데이터 수집부(220), 에지/미들 에지 분석부(230), 제품 불량/이상징후 분석부(240), 실시간 피드백부(250), 제어부(260)를 포함하여 구성된다.
변경점 발생 판별부(210)는 수작업 제조 현장에서 4M(Man, Machine, Material, Method) 1E(Environment)의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별한다. 이와 같은 변경점 발생 판별부(210)는 마이크로프로세서, PLC 등으로 구성될 수 있다.
데이터 수집부(220)는 상기 변경점 발생 판별부(210)에 의한 판별에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 해당 변경점의 데이터를 수집한다. 여기서, 이와 같은 데이터 수집부(220)에 의해 수집되는 상기 해당 변경점의 데이터는 TOF(Time of Flight) 카메라에 의해 촬영된 작업자의 수작업 동선 이미지 (즉, 수작업 패턴) 데이터와 공압 또는 전력 동력원의 미세 패턴 변화 데이터를 포함할 수 있다. 이와 같은 데이터 수집부(220)도 마이크로프로세서나 PLC 등으로 구성될 수 있다.
에지/미들 에지 분석부(230)는 상기 데이터 수집부(220)에 의해 수집된 데이터에 대해 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석을 수행한다. 이와 같은 에지/미들 에지 분석부(230)에 의해 수행되는 상기 수집된 데이터에 대한 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석은 AI 기반의 머신 러닝 모델(260m)을 이용하여 수행될 수 있다. 여기서, 이러한 머신 러닝 모델(260m)은 도 2의 그림상으로는 제어부(260)에 도시되어 있으나, 제어부(260)에 의해서만 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 네트워크를 통해 에지/미들 에지 분석부(230)와 공동으로 사용될 수 있도록 구성된다. 또한, 이상과 같은 에지/미들 에지 분석부(230)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등으로 구성될 수 있다.
제품 불량/이상징후 분석부(240)는 상기 에지/미들 에지 분석부(230)에 의해 수행된 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석한다. 이와 같은 제품 불량/이상징후 분석부(240)에 의해 수행되는 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 한 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석은 AI 기반의 수율 예측 모델(260p)을 이용하여 수행될 수 있다. 여기서도 마찬가지로, 상기 수율 예측 모델(260p)은 도 2의 그림상으로는 제어부(260)에 도시되어 있으나, 제어부(260)에 의해서만 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 네트워크를 통해 제품 불량/이상징후 분석부(240)와 공동으로 사용될 수 있도록 구성된다. 또한, 이상과 같은 제품 불량/이상징후 분석부(240)도 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등으로 구성될 수 있다.
실시간 피드백부(250)는 상기 제품 불량/이상징후 분석부(240)에 의해 분석된 제품 불량 및 이상징후 발생원인 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백한다. 이와 같은 실시간 피드백부(250)는 마이크로프로세서, PLC 등으로 구성될 수 있다.
제어부(260)는 상기 변경점 발생 판별부, 데이터 수집부, 에지/미들 에지 분석부, 제품 불량/이상징후 분석부 및 실시간 피드백부의 상태 체크 및 동작을 제어하고, 상기 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생한 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화를 위한 연산을 수행하며, 작업자가 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 AI 머신 러닝 모델을 통해 분석하여 최적의 수작업 패턴 및 동력원 패턴을 선정하여 시스템 제어에 반영한다. 이와 같은 제어부(260)는 마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러 등으로 구성될 수 있다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템(200)은 바람직하게는 상기 에지/미들 에지 분석부(230)의 에지 및 미들 에지 분석 결과와 상기 제품 불량/이상징후 분석부(240)의 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석 결과를 각각 화면에 표시하는 디스플레이부(270)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 또한 이상과 같은 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템(200)은 전술한 바와 같이 다수의 별개의 구성 요소들(즉, 변경점 발생 판별부(210), 데이터 수집부(220), 에지/미들 에지 분석부(230), 제품 불량/이상징후 분석부(240), 실시간 피드백부(250), 제어부(260), 디스플레이부 (270))로 구성될 수도 있고, 다수의 구성 요소들이 하나로 통합된 시스템, 예를 들면, 컴퓨터 시스템으로 구성될 수도 있다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템을 바탕으로 한 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법에 대해 설명해 보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 방법은, 먼저 변경점 발생 판별부(210)가 수작업 제조 현장에서 4M(Man, Machine, Material, Method) 1E(Environment)의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별한다(단계 S301).
상기 판별에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 데이터 수집부(220)가 해당 변경점의 데이터를 수집한다(단계 S302). 여기서, 상기 해당 변경점의 데이터는 TOF(Time of Flight) 카메라에 의해 촬영된 작업자의 수작업 동선 이미지(즉, 수작업 패턴)와 공압 또는 전력 동력원의 미세 패턴 변화 데이터를 포함할 수 있다.
이렇게 하여 해당 변경점의 데이터가 수집되면, 에지/미들 에지 분석부(230)는 상기 수집된 데이터에 대해 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석을 수행한다(단계 S303). 여기서, 상기 수집된 데이터에 대한 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석은 AI 기반의 머신 러닝 모델(260m)에 의해 수행될 수 있다.
이상에 의해 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석이 완료되면, 제품 불량/이상징후 분석부(240)는 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석한다(단계 S304). 여기서, 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 한 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석은 AI 기반의 수율 예측 모델(260p)에 의해 수행될 수 있다.
제품 불량 및 이상징후 발생의 원인 분석이 완료되면, 실시간 피드백부(250)는 상기 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인에 대한 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백한다(단계 S305).
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 상기 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생한 경우, 제어부(260)가 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화를 위한 연산을 수행하고, 작업자가 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 AI 머신 러닝 모델(260m)을 통해 분석하여 최적의 수작업 패턴 및 동력원 패턴을 선정하여 시스템 제어에 반영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 S303에서의 에지 및 미들 에지 분석 결과와 상기 단계 S304에서의 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석 결과를 디스플레이부(270)에 의해 각각 화면에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 이상의 설명과 같은 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법과 관련하여 조금 더 설명을 부가해 보기로 한다.
도 5는 본 발명의 분석 시스뎀 및 방법에 채용되는 작업자 학습 플랫폼의 재학습 가상 시뮬레이션 개요를 나타낸 도면이고, 도 6은 작업자 학습 플랫폼의 대쉬보드 구성을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전기전자 부품을 수작업 기반으로 생산하는 100인 미만의 중소기업에서는 작업지도서, SOP, QC 공정 흐름도 등의 페이퍼 중심의 방식으로 제조 정보가 공유되고 있다. 따라서 회사 업력이 오래되지 않는 이상, 숙련자의 경험치와 4M 1E의 변경점에 대한 실시간 대처 방안을 횡전개하는 것에는 한계가 있다.
본 발명에서는 다품종 소량 생산이 많고 라인에서 수시로 발생할 수 있는 작업자 변경, 설비 이상징후 등을 고려하여, 변경점에 대한 능동적 대처가 가능하도록 수율 예측 모델을 재학습이 가능한 가상 시뮬레이션 형태로 구성한다.
또한, 수작업 기반 제조 현장은 고도화된 디지털 트윈 수준의 플랫폼이 필요하지 않기 때문에, 수율 예측 모델은 숙련자의 3D 모델링 데이터와 교차 비교하여 작업 패턴의 차이를 시각화하고, 이를 횡전개하는 수준으로 구성된다. 이에 의해 사용자의 접근성과 실효성을 확보할 수 있다.
또한, 골든 샘플 확보와 관련해서는 영상 데이터를 JavaScript 3D Library인 Threejs를 활용하여 Skeleton 및 Skining 처리로 3D 모델링하고, 업종별 환경을 반영한 UX/UI 구성, 다양한 Cross Platform(PC-Web, Mobile, Pad)이 마련된다. 이에 따라 사용자의 편의성과 접근성을 증대시킬 수 있다.
도 7은 기존의 FEMS 및 공압 레귤레이터를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 공압은 전기전자 부품을 제조하는 대부분의 수작업 기반 제조현장에서 사용되고 있는데, 설비에 설치되어 있는 (b)와 같은 아날로그 타입의 감압용 공압 레귤레이터의 상, 하한치만 눈높이 관리(SPEC)하고 있으며, 전기의 경우 에너지 절감이 필요한 일부 업종에서 (a)와 같이 FEMS(Factory Energy Management System)와 같은 에너지 관리 시스템으로 Feeder부를 모니터링하고 있는 수준이다.
수작업자가 작업 보조수단으로 사용하는 공구, 반자동 설비에는 동력원으로 전기 및 공압이 사용되는데, 동력의 소모 과정에서 발생하는 데이터를 수 ms 단위로 빅데이터화하여 순시패턴(Instant Pattern)을 분석하면, 수작업 동선, 노하우, 숙련도 정형화에 의한 작업성 차이점의 분석이 가능해 진다.
예를 들면, 전기사용 공구로서 작업자가 전동 드라이버, 임펙, 그라인더, 용접기의 버튼을 누르는 시간과 강도를 조절하면 반제품에 인가하는 토크, 마모량, 전력량 등이 변하게 되며, 숙련자의 경험치가 반영될수록 작업성과 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 공압사용 공구에서 공압 소모 시 수 ms 수준의 순시 패턴(Instant Pattern)이 발생하게 되며, 속도, 가속도 및 변곡점을 분석하면 진동 및 변위센서의 추가없이 동작유닛의 내구성 저하, 이상징후, 작업불량을 모니터링할 수 있다.
이상과 같은 공압사용 공구와 관련하여 공압 레귤레이터의 사용 목적은 일정한 압력으로 공기를 출력해서 액츄에이터를 안정적으로 구동하기 위한 것이며, 하단의 핸들을 돌려 목표값을 설정하는데, 시계방향으로 돌리면 높은 공압을, 반시계방향으로 돌리면 낮은 압력값으로 출력이 가능하다.
도 8은 에어 실린더의 속도 조절 원리를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 에어 실린더의 동작으로 토출구에서 공압이 소모되면 메인 밸브와 다이아프램 조압스프링이 유기적으로 동작하여 다시 설정 공압값으로 복원시키게 되는데, 피스톤 이송 속도 조절용 스로틀 밸브 및 감속 속도 조절용 쿠션 조절나사의 설정으로 피스톤 2차(부하측) 공압은 순시 패턴의 형태를 보이면서 공압 소모와 충압을 반복하게 된다.
도 9는 압착기(융착기)의 동작에 따른 순시 패턴의 변화가 발생하는 개요를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 상·하 베이스를 수작업으로 조립 후 에어 실린더를 동력원으로 하는 압착기를 사용하여 밀착시키는 작업을 하는 경우, 작업실수로 상·하 베이스가 제대로 안착이 되지 않으면 피스톤의 최저 또는 최고점에서 추력에 저항하는 압력이 생기게 되고, 이는 크랙 등의 불량을 유발시킬 수도 있다. 이와 같이 정상적인 피스톤의 상하 운동을 저해하는 4M 1E 요소가 발생할 경우(즉, 간섭 유발 시), 감압 레귤레이터의 구조와 동작 원리 상, 도 10에 도시된 바와 같이, 공압의 미세 패턴의 변화가 발생하게 된다. 이때, 이와 같은 미세 패턴의 변화, 즉 부하 변동의 해석을 위해 도 11에 도시된 바와 같은 MRAC(Model Reference Adaptive Control) 모델링이 사용될 수 있다.
한편, 도 12는 턴테이블 에어 실린더의 가상 센싱화 개요를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 자동화 설비의 경우 다수의 액츄에이터인 에어 실린더, 에어척 등으로 동작 유닛을 구성하여 반제품의 이송, 가공을 진행하게 되는데, 보통 PLC 제어방식에 의해 순차적으로 동작하게 된다. 따라서 설비의 인입단에 설치되어 있는 감압 레귤레이터의 2차측 피더부에서는 모든 공압 소모 액츄에이터의 공압 소모패턴이 반영되므로, 이를 분석하면 변위센서, 위치센서 등으로 감지가 불가능한 노후화에 기인한 이상동작, 진행성 불량 발생 정도를 모니터링할 수 있다.
본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법은 이의 구현을 위한 일환으로 공압 레귤레이터 2차측에 공압의 미세 패턴 측정용 공압센서를 설치하고, 그를 바탕으로 빅데이터를 수집하는 방식을 도입한다. 이렇게 하면, 공압 jig 3개(공압 jig 1∼3)의 정상동작 정보와 반제품의 안착 여부, 품질정보를 모두 수집할 수 있는 가상 센싱 역할이 가능하다.
대부분의 100인 미만의 수작업 기반 중소기업에서는 인력 + 보조 작업기구 (jig 또는 반자동설비)의 조합으로 생산하고 있는데, 본 발명은 실증사에 국한되지 않고 모든 형태의 수작업 기반 업종에 적용할 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템 및 방법은 수작업 기반의 제조 현장에서 4M 1E의 변경점이 발생할 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화하고, 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 감지하여 AI 머신 러닝으로 분석 및 최적의 패턴을 확보하여, 이를 기반으로 불량 발생 원인의 분석 결과를 실시간으로 피드백함으로써 제품의 불량 발생률을 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: (본 발명) AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템
210: 변경점 발생 판별부 220: 데이터 수집부
230: 에지/미들 에지 분석부 240: 제품 불량/이상징후 분석부
250: 실시간 피드백부 260: 제어부
270: 디스플레이부
210: 변경점 발생 판별부 220: 데이터 수집부
230: 에지/미들 에지 분석부 240: 제품 불량/이상징후 분석부
250: 실시간 피드백부 260: 제어부
270: 디스플레이부
Claims (11)
- 수작업 제조 현장에서 4M(Man, Machine, Material, Method) 1E(Environment)의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했는지를 판별하는 변경점 발생 판별부와;
상기 변경점 발생 판별부에 의한 판별에서 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생했으면, 해당 변경점의 데이터를 수집하는 데이터 수집부와;
상기 데이터 수집부에 의해 수집된 데이터에 대해 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석을 수행하는 에지/미들 에지 분석부와;
상기 에지/미들 에지 분석부에 의해 수행된 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 제품 불량 및 이상징후 발생의 원인을 분석하는 제품 불량/이상징후 분석부와;
상기 제품 불량/이상징후 분석부에 의해 분석된 제품 불량 및 이상징후 발생원인 분석 결과를 수작업 제조 현장에 실시간으로 피드백하는 실시간 피드백부; 및
상기 변경점 발생 판별부, 데이터 수집부, 에지/미들 에지 분석부, 제품 불량/이상징후 분석부 및 실시간 피드백부의 상태 체크 및 동작을 제어하고, 상기 4M 1E의 변경점 중 적어도 하나의 변경점이 발생한 경우, 숙련자가 어떠한 형태의 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴을 생산 제품에 적용시켰는지 정형화를 위한 연산을 수행하며, 작업자가 사용하는 보조 작업도구의 동력원의 미세 패턴 변화를 AI 머신 러닝 모델을 통해 분석하여 최적의 수작업 패턴 및 동력원 패턴을 선정하여 시스템 제어에 반영하는 제어부를 포함하고,
상기 제품 불량/이상징후 분석부에 의해 수행되는 상기 에지 및 미들 에지 분석 결과를 바탕으로 한 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석은 AI 기반의 수율 예측 모델을 이용하여 수행되며,
상기 수율 예측 모델은 작업자의 작업 패턴을 숙련자의 3D 모델링 데이터와 교차 비교하여 작업 패턴의 차이를 시각화하고, 이를 횡전개하는 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 에지/미들 에지 분석부의 에지 및 미들 에지 분석 결과와 상기 제품 불량/이상징후 분석부의 제품 불량 및 이상징후 발생 원인 분석 결과를 각각 화면에 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 데이터 수집부에 의해 수집되는 상기 해당 변경점의 데이터는 TOF(Time of Flight) 카메라에 의해 촬영된 작업자의 수작업 동선 이미지 데이터와 공압 또는 전력 동력원의 미세 패턴 변화 데이터를 포함하는 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 에지/미들 에지 분석부에 의해 수행되는 상기 수집된 데이터에 대한 에지(edge) 및 미들(middle) 에지 분석은 AI 기반의 머신 러닝 모델을 이용하여 수행되는 AI 기반 수작업 패턴 및 동력원 미세 패턴 분석 시스템.
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Legal Events
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