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KR-20260062003-A - Inductive proximity sensor and sensing method using the same

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Abstract

본 발명의 유도형 근접 센서는 유도형 근접 센서 기술 분야에 관한 것으로서, 특히 제조 공장의 자동화 라인 및 로봇 공학에서 사용되는 철계 금속과 비철금속 모두에 대해 동일한 검출 거리를 제공하고, 다중 주파수 처리 방식을 적용하여 금속 재질에 따른 감지 성능의 차이를 보정함으로써 센서의 감지 정확도와 신뢰성을 향상시키도록 구비되어 산업 자동화, 로봇 제어, 물류 시스템 등 다양한 산업 환경에서 금속 물체의 감지에 적용될 수 있는 것으로, 적어도 하나 이상의 인덕터; 다중 주파수 발진회로부; 수신 회로부; 감쇠 계수 처리 회로부; 실시간 보정 계수 계산회로부; 보정 계수 적용 및 출력 회로부; 및 마이크로컨트롤러 유닛부를 포함한다.

Inventors

  • 성민석
  • 김기은

Assignees

  • 주식회사단해

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241231
Priority Date
20241028

Claims (10)

  1. 적어도 하나 이상의 인덕터; 상기 인덕터에 교류 전류를 공급하여 유도 자기장을 형성하도록 구비된 다중 주파수 발진회로부; 상기 다중 주파수 발진회로부로부터 수신한 자기장의 변화 신호를 감지하도록 구비된 수신 회로부; 상기 수신 회로부에 포함되고, 상기 수신된 자기장의 변화 신호를 처리하여 감쇠 계수를 보정하도록 구비된 감쇠 계수 처리 회로부; 상기 감쇠 계수를 이용하여 보정 계수를 실시간으로 산출하도록 구비된 실시간 보정 계수 계산회로부; 상기 보정 계수를 적용하여 산출된 보정된 신호를 최종 출력 신호로 변환하도록 구비된 보정 계수 적용 및 출력 회로부; 및 상기 감쇠 계수 및 상기 보정 계수 처리를 위한 펌웨어 정보가 저장되고, 상기 수신 회로부, 감쇠 계수 처리 회로부, 실시간 보정 계수 계산회로부 또는 보정 계수 적용 및 출력 회로부의 요청에 따라 상기 펌웨어 정보를 송신하도록 구비된 마이크로컨트롤러 유닛부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유도형 근접 센서는 조정된 출력 신호를 외부 시스템으로 출력하는 출력 드라이버 및 감지 결과와 센서 상태를 시각적으로 표시하는 상태 표시기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다중 주파수 발진회로부가 두 개 이상의 서로 다른 주파수의 교류 신호를 생성하여 인덕터에 공급하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수신 회로부가 각 주파수에서의 자기장의 변화 신호를 감지하고, 신호 증폭기와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통해 신호를 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 감쇠 계수 처리 회로부가 디지털화된 신호를 기반으로 상기 감쇠 계수를 계산하고, 상기 실시간 보정 계수 계산회로부가 상기 감쇠 계수와 상기 보정 계수를 실시간으로 산출하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보정 계수 적용 및 출력 회로부가 상기 보정 계수를 적용하여 센서의 출력 신호를 조정하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러 유닛부가 주파수 제어, 신호 처리, 상기 감쇠 계수 및 상기 보정 계수 계산, 보정 적용, 및 시스템 관리를 수행하는 것을 특징으로 하는 유도형 근접 센서.
  8. 다중 주파수 발진회로부를 통해 적어도 하나 이상의 인덕터에 교류 전류를 공급하여 유도 자기장을 형성하는 단계; 수신 회로부를 통해 상기 자기장의 변화 신호를 감지하는 단계; 감쇠 계수 처리 회로부를 통해 상기 수신된 자기장의 변화 신호를 처리하여 감쇠 계수를 보정하는 단계; 실시간 보정 계수 계산회로부를 통해 상기 감쇠 계수를 이용하여 보정 계수를 실시간으로 산출하는 단계; 보정 계수 적용 및 출력 회로부를 통해 상기 보정 계수를 적용하여 산출된 보정된 신호를 최종 출력 신호로 변환하는 단계; 및 마이크로컨트롤러 유닛부에 저장된 펌웨어 정보를 이용하여 상기 감쇠 계수 및 보정 계수 처리를 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 장애물 센싱 방법.
  9. 제8항에 있어서, 금속 물체의 존재 여부를 감지하는 단계; 및 각 주파수에서의 신호 응답을 실시간으로 분석하여 금속 재질에 따른 감지 성능의 차이를 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 장애물 센싱 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 유도 자기장을 형성하는 단계;는 센서의 초기화 단계에서 표준 검출체를 사용하여 초기 검출 거리를 설정하고, 해당 검출체에 대한 감쇠 계수(α_standard)를 1로 고정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 장애물 센싱 방법.

Description

유도형 근접 센서 및 이를 이용한 센싱방법{Inductive proximity sensor and sensing method using the same} 본 발명은 유도형 근접 센서에 관한 것으로 보다 상세하게는 AGV(Automated Guided Vehicle)와 AMR(Autonomous Mobile Robot) 등 무인 이동 로봇에 사용되는 유도형 근접 센서에 대한 것이다. 무인 이동 로봇은 제조업과 물류 산업에서 자동화와 효율성을 높이기 위해 널리 활용되고 있으며, 정확한 위치 인식과 장애물 감지가 필수적이다. 그러나 기존의 유도형 근접 센서는 금속 재질에 따라 감쇠 계수(α)가 달라지는 문제가 있다. 이는 철계 금속과 비철금속을 감지할 때 검출 거리가 상이하므로, 로봇의 정확한 동작과 안전성에 부정적인 영향을 미친다. 특히, 무인 이동 로봇은 다양한 금속 재질의 환경에서 작동하기 때문에 이러한 검출 거리의 불일치는 로봇의 운행 효율성과 안전성을 저하시킬 수 있다. 유도형 근접 센서는 금속 물체의 존재를 감지하기 위해 전자기 유도 현상을 활용하는 중요한 센서로, 제조 공정 자동화, 로봇 공학, 산업 장비 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이 센서는 내부의 인덕터에 교류 전류를 흘려 자기장을 생성하고, 금속 물체가 이 자기장 내에 접근하면 금속 내부에 유도 전류(와전류)가 발생하여 인덕터의 임피던스 변화를 초래한다. 센서는 이러한 임피던스 변화를 감지하여 금속 물체의 존재 여부와 거리를 판단한다. 그러나 유도형 근접 센서는 일반적으로 철(Fe)과 같은 자성 금속을 기준으로 설계되며, 이는 센서의 감도와 검출 거리에 직접적인 영향을 미친다. 비철금속(알루미늄, 구리, 황동 등)은 철과 전기적 및 자기적 특성이 달라 센서의 감지 성능이 저하되는 문제가 있다. 비철금속은 투자율이 낮고 전기전도도가 달라서 센서의 자기장에 의한 유도 전류가 약하게 발생하고, 이는 검출 거리의 감소와 감도 저하로 이어진다. 이로 인해 비철금속에 대한 감지 정확도와 신뢰성이 떨어지며, 다양한 금속 재질을 사용하는 산업 환경에서 센서의 적용에 제약이 발생한다. 기존에는 이러한 문제를 해결하기 위해 센서의 발진 주파수를 조정하거나 코일의 구조를 변경하는 등의 방법이 시도되었다. 그러나 이러한 접근 방식은 특정 금속 재질에 대해서만 성능이 개선되고, 다른 재질에 대해서는 오히려 성능이 저하되는 한계가 있었다. 또한, 센서의 감도를 높이면 주변 금속 간섭이 증가하고, 에너지 소비가 늘어나는 등의 부작용이 발생하였다. 유도형 근접 센서는 금속 물체의 존재를 감지하기 위해 전자기 유도 현상을 활용하는 중요한 센서로, 제조 공정 자동화, 로봇 공학, 물류 시스템 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 센서는 내부의 인덕터에 교류 전류를 흘려 자기장을 생성하고, 금속 물체가 이 자기장 내에 접근하면 금속 내부에 유도 전류(와전류)가 발생하여 인덕터의 임피던스 변화를 초래한다. 센서는 이러한 임피던스 변화를 감지하여 금속 물체의 존재 여부와 거리를 판단한다. 종래의 유도형 근접 센서는 주로 철(Fe)과 같은 자성 금속을 기준으로 설계되며, 센서의 감도와 검출 거리가 설정된다. 그러나 비철금속(알루미늄, 구리, 황동 등)은 철과 전기적 및 자기적 특성이 달라 센서의 감지 성능이 저하되는 문제가 있다. 비철금속은 투자율이 낮고 전기전도도가 다르기 때문에, 센서의 자기장에 의한 유도 전류가 약하게 발생하여 검출 거리가 짧아지고 감도 저하로 이어진다. 이는 비철금속에 대한 감지 정확도와 신뢰성이 떨어지며, 다양한 금속 재질을 사용하는 산업 환경에서 센서의 적용에 제약을 가져온다. 이를 해결하기 위해 기존에는 센서의 발진 주파수를 높이거나 코일의 구조를 변경하여 감도를 향상시키는 하드웨어적인 접근 방법이 시도되었다. 예를 들어, 고주파 발진 회로를 사용하여 비철금속에서도 충분한 유도 전류가 발생하도록 하였으나, 이는 주변 금속 간섭의 증가, 에너지 소비의 상승, 제조 비용의 증가 등 부작용을 초래하였다. 또한, 특정 금속 재질에 대해서만 성능이 개선되고 다른 재질에 대해서는 오히려 성능이 저하되는 한계가 있었다. 또한, 센서의 감도를 높이면 주변 환경에서 발생하는 전자기 간섭(EMI)이 증가하여 센서의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 문제로 인해 종래의 유도형 근접 센서는 다양한 금속 재질에 대해 일관된 감지 성능을 제공하는 데 한계가 있었다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도형 근접 센서의 시스템블록도이다. 도 2는 인덕터를 통한 다중 주파수 발진 모식도이다. 도 3은 수신회로의 동작 모식도이다. 도 4는 보정계수 계산회로부 및 출력회로부 시스템블록도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도형 근접 센서를 이용한 센싱방법의 순서도이다. 도 6은 감쇠 계수 및 보정 계수 계산 순서도이다. 본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기증을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...부" 또는 "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시 예에 있어서, 각 구성요소들, 기능 블록들 또는 수단들은 하나 또는 그 이상의 하부 구성요소로 구성될 수 있으며, 각 구성요소들이 수행하는 전기, 전자, 기계적 기능들은 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들 또는 기계적 요소들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다. 또한 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터, 휴대용 노트북 컴퓨터, 네트워크 컴퓨터, 스마트폰과 같은 모바일 기기, 온라인 게임 서비스 제공 서버 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 장치 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 아래에서 설명할 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 장치 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 장치에 이용 가능한 메모리 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조물을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 장치 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 장치 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되기 위한 프로세스를 생성하여 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다. 또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예에 있어서의 사용자 기기는 해독 가능한 코드로 작성된 소프트웨어를 실행시킬 수 있으며, 이를 사용자에게 표시하여 전달할 수 있는 기능을 갖는 장치이다. 또한, 필요에 따라서는 소프트웨어를 자체적으로 저장하기도 하고, 또는 외부로부터 데이터와 함께 읽어 들일 수도 있다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 유도형 근접 센서 및 이를 이용한 센싱방법에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 유도형 근접 센서는 철계 금속과 비철금속 모두에 대해 동일한 검출 거리를 제공하기 위해 다음과 같은 구성을 포함한다. 센서는 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하며, 이 인덕터에 교류 전류를 공급하여 유도 자기장을 형성하는 다중 주파수 발진회로부를 구비한다. 다중 주파수 발진회로부로부터 수신한 자기장의 변화 신호를 감지하는 수신 회로부가 포함되어 있다. 수신 회로부에는 수신된 자기장의 변화 신호를 처리하여 감쇠 계수를 보정하는 감쇠 계수 처리 회로부가 포함되어 있다. 또한 수신 회로부는 감쇠 계수를 이용하여 보정 계수를 실시간으로 산출하는 실시간 보정 계수 계산회로부를 포함한다. 수신 회로부는 각 주파수에서의 자기장 변화 신호를 감지하고, 신호 증폭기와 아날로그-디지털 컨버터를 통해 신호