조선해양분야의 안전사고 예방을 위한 스마트헬멧 시제품 설계 및 개발

A Study on the Development of Smart Helmet Prototypes for the Prevention of Safety Accidents in Shipbuilding and Offshore Engineering

Abstract

In the shipbuilding and offshore industries, safety accidents not only threaten the lives of workers but also significantly impact a business's productivity and reliability. Major accidents such as falling and colliding with heavy objects, workers falling from heights, and suffocation in confined spaces still frequently occur in shipyards. Conventional hard hats, as personal protective equipment, are a means of mitigating physical damage from accidents, but they have limitations in preventing accidents and ensuring a rapid response after an incident. Therefore, this study aims to develop a smart helmet that applies various ICT-based smart technologies to a conventional hard hat. We have designed the smart helmet, created a prototype based on an MCT-PC (Machine Tool Control - Personal Computer) system, and developed molds for commercialization. The goal is to create a smart helmet that can protect workers through real-time monitoring in hazardous environments and facilitate a swift response to accidents by tracking the worker’s location and status after an incident.

1. 서론(Introduction)

산업현장에서의 안전사고는 근로자의 생명을 위협할 뿐 아니라, 사업장의 신뢰성과 생산성에도 큰 영향을 미친다. 조선소 및 해양플랜트 등 고위험 환경에서 낙하물, 추락, 협소공간 질식사고 등의 중대재해가 빈번히 발생하고 있다. 안전보건공단의 자료에 의하면[1-2], 2022년에 선박건조 및 수리업의 업무상 사고에 의한 재해자 수는 3,336명, 업무상 사고 천인율은 26.11%로 제조업 평균 7.91%에 비해 매우 높다, 2023년에도 업무상사고 재해자수가 3,754명, 업무상 재해천인율 29.49%로 제조업 평균 8.23%에 비해 매우 높은 수준을 보였다. 대체로 업무상 사고유형으로는 넘어짐, 떨어짐, 부딪힘 및 끼임 등의 안전사고의 비율이 전체 60% 정도로 다른 안전사고에 비해 높은 수준을 차지하였는데, 소형조선소나 대형조선소의 사고율이 상대적으로 높다. 이에 따라 사망 천인율¹⁾도 0.40%으로 제조업 내애서 가장 높은 수준을 보이고 있다. 기존의 개인보호구(PPE: Personal Protective Equipment)는 사고 이후의 피해를 줄이는 수단에 머물러, 사전 예방이나 실시간 대응에는 한계가 있다. 이에 따라 최근에는 ICT(Information & Communication Technology)를 활용한 스마트 안전장비에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 국내에서도 산불진화 대원, 건설현장 근로자 등을 대상으로 스마트헬멧이 시범적으로 도입된 사례가 있다[3]. 외국의 경우 광산(미국), 군사(이스라엘), 건축현장(유럽) 등에서도 실시간 위치 추적 및 위험 알림 기능을 탑재한 제품이 상용화되고 있다[4-7]. 본 연구는 조선해양분야의 야드 및 해양플랜트 등 고위험 작업장에서 작업자의 안전사고를 예방할 수 있는 다양한 ICT기반기술을 적용한 시제품의 ‘스마트헬멧’을 설계하고 제작하고자 한다.

2. 스마트헬멧 개발과정

2.1 스마트헬멧 개발을 위한 요구사항

기존의 개인보호구인 안전모는 단순히 구조물의 낙하 및 충돌시 작업자를 물리적으로 보호하는 기능을 수행하여 사용자 행동이나 외부환경의 변화에 따라 사고를 예측하거나 실시간 대응하는 기능은 제한적이다. 이에 안전모에 ICT기반의 스마트 기능을 적용하여 위험한 외부환경에 대한 실시간 모니터링을 통해 사고를 예측하고 사전에 사고를 방지하도록 시스템을 구성하였다. 또한 사고시에도 위치추적 및 작업자 상태 확인 등을 통해 신속히 사고를 처리할 수 있도록 하였다. 이에 작업장 내 사고유형 중 조선소의 높은 사고유형을 고려하여 Table 1과 같은 기능적, 비기능적 요구사항을 토대로 스마트헬멧을 설계하였다.

Table 1. Requirements for the smart functions of safety helmets

2.2 스마트헬멧 시제품 설계 및 제작

2.2.1 스마트헬멧의 외형 설계

스마트헬멧의 형상은 제품의 범용성 및 인체공학적 디자인측면을 고려하여 2022년 사이즈코리아의 한국 표준 두상을 기반으로 설계하였다(Table 2, Fig. 1 참조). 헬멧의 둘레는 표준 두상에 비해 최대 10mm의 여유를 두었으며, 너비와 길이는 모두 5mm의 여유를 두었다.

Table 2. The standard head measurements of koreans(2022)

Fig. 1. Smart helmet design variables and head dimensions

외형 설계측면에서 기존에 개발된 개념설계[2]를 바탕으로 개선하여 스마트헬멧의 무게를 전후, 좌우로 적절히 재배분하여 장시간 착용시 피로도를 저감시키고 내⋅외부 배터리 및 메인보드 탑재를 위한 공간을 확보하였다. 설계 및 시제품 제작과정은 다음과 같다. 우선 기존에 개발한 개념설계를 바탕으로 상용화를 목적으로 스마트헬멧을 기능적 요구조건 등을 충족할 수 있도록 2D 및 3D CAD를 기반으로 MCT-PC (Machining Center - Polycarbonate) 가공의 형태로 검토하였다. 이를 통해 기구부, 모듈 등의 착용감, 기능성 등을 확인하고 시제품의 2D, 3D 설계도면을 완성하였다. Fig. 2는 사이드 프레임이 없는 모체의 크기로 사이드 프레임 추가시 외형치수는 커진다. 스마트헬멧은 안전모 본체, ICT기반 센서 및 모듈, 정보 표시 및 통신 장치, 전원 및 제어부 등으로 구성품은 Fig. 3, Table 3과 같다. 소재로는 헬멧 메인 바디는 폴리카보네이트(PC)이고 나머지 구성품은 ABS플라스틱이다.

Fig. 2. 3D Design drawing of smart helmet without side frame

Fig. 3. Smart Helmet Shape & Components

Table 3. The Components of a Smart Helmet

즉, 스마트헬멧의 착용감을 고려하면서 통신모듈을 비롯한 각종 센서 하우징 부분도 분산형 구조배치로 설계하였다. 특히 우천 작업을 비롯한 IP55 기준의 방수기능이 요구되는 모듈 하우징부에 대해서는 모듈하우징 크기에 맞추어 고무씰링 설계를 하였다(Fig. 4 참조).

Fig. 4. Design and manufacturing of rubber sealing for module housing

또한 헬멧 정수리와 메인보드 간의 간섭방지를 위해 Fig. 5와 같이 메인보드 보호 덮개를 설계하였으며, 헬멧 모체와 사이드 프레임 샘플 설계를 통해 메인보드와 프레임간의 구조적 배치상의 정합성 여부를 적용하였다.

Fig. 5. Design and manufacturing of a mainboard protective cover to prevent interference between the helmet crown and the mainboard

사이드 프레임은 헬멧 모체와의 사이에 탑재되는 PCB, 배터리를 물, 충격으로부터 보호하고 외부에 노출되지 않도록 하는 기능을 확보하였다(Fig. 6참조).

Fig. 6. Components of the side frame protecting the PCB and the battery

2.2.2 ICT기반 시스템설계

기존 산업용 안전모에 일체형 스마트 모듈을 부착하여 기능성을 확대하였다. 개발된 스마트헬멧의 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성된다. 우선 하드웨어는 다양한 산업 현장에 적용이 가능하도록 SIM Card 기반 LTE 모듈, WiFi(2.4/5GHz) 모듈 탑재, BLE(bluetooth low energy)통신 및 센서 데이터 처리를 위한 MCU(micro controller), 낙하 및 충격감지를 위한 IMU(inertial measurement unit)센서, 위치데이터 수집을 위한 GPS(global positioning system)모듈, 온도, 습도 및 가스를 감지하는 환경센서를 추가하였다. 그리고 시각 및 청각용 경고용 LED (light-emitting diode)와 부저를 적용하였고, 사용시간을 연장한 리튬이온 배터리 및 보호회로의 전력관리시스템도 구성하였다. 본 스마트헬멧에 적용된 소프트웨어로는 Windows OS기반 헬멧 착용자 영상, 음성 통신 및 기타 센서 데이터 수집, 헬멧 착용자 및 착용자 그룹을 총괄하여 제어하는 관제 프로그램, 그리고 안드로이드 OS기반 헬멧에 내장된 센서에서 수집된 데이터를 감지하고 알려주는 펌웨어 형태의 프로그램을 개발, 적용하였다. 또한 PC 프로그램과 연동하여 App 기반 LTE/WiFi 통신을 활용하여 관리자 위치 및 영상/음성 모니터링 기능도 개발, 적용하였다.

2.2.3 금형 제작 및 성능평가

상기의 스마트헬멧의 설계 및 MCT-PC기반의 검토과정을 통해서 시제품의 양산을 목적으로 금형을 설계하였다. 금형 설계 검토과정에서 통신모듈과 배터리 장착부의 홈, 통풍구 구조, 이어패드 결합부, 페이스쉴드 힌지 구조 등 곡면 형상과 부품결합 구조로 발생되는 언더컷(undercut)을 고려하여 슬라이드 형태로 Fig. 7과 같이 설계하였다. 금형을 통해 제작된 헬멧에 대하여 실제 작업자의 활용성 및 성능평가 등을 위한 실증테스트를 수행하였다. H조선소 조립공정 10명, 안벽공정 10명, PDC (product design control) 공정 10명 등 30명의 작업자를 대상으로 실증테스트 설문조사 결과, Table 4와 같이 대체로 착용편의성과 경고인식도 측면에서 좋은 반응을 확인하였다.

Fig. 7. Smart helmet manufacturing mold

Table 4. Demonstration test results of smart helmets shipyard workers

개발된 시제품의 외형은 Fig. 8이고, 크기는 헬멧 본체에 사이드 프레임을 정착하여 가로x 세로x높이(mm)는 232x302x155이며, 총무게는 780g이다. 본 시제품의 성능측면의 장점으로는 우선 개념설계에 비해 Table 5와 같이 고성능의 MCU(Microcontroller Unit)로 제반 스마트기능을 향상시켰다. 시제품의 주요 성능은 Table 6에 나타내었는데, USIM기반의 LTE통신모듈 적용을 통해 통신사의 자유도를 확보하고, 양방향 영상 전송을 위해 기존에 비해 고성능 CPU적용 및 안드로이드 OS적용과 더불어 다양한 AR/VR 안경 기능을 추가로 적용하였다. 또한 Dynamic Load Balancing 알고리즘을 적용하여 통신 환경에 맞는 시간 영상 전송이 확보되도록 하였다.

Fig. 8. Appearance of the developed smart helmet

Table 5. Specifications and features of the developed smart helmet

Table 6. Specifications and features of the developed smart helmet

3. 결론

본 연구개발을 통해 조선소 및 해양플랜트 등 위험한 작업환경에서 작업자가 안전하게 작업할 수 있는 스마트헬멧의 시제품을 설계, 제작하였다. 우선 기존의 개념적으로 개발된 스마트 헬멧에 비해 이번에 개발된 헬멧은 상용 목적으로 조선소 등 위험한 환경 여건에서 안전성 뿐만 아니라 작업자 간의 의사소통 등 작업 활용성을 추가하였다. 둘째, 기존 헬멧은 배터리 및 제어모듈이 헬멧 후면에 밀집되어 무게중심이 헬멧 후두부에 집중되어 사용자의 착용감 및 편의성이 부족하였는데, 무게 분산형 구조로 모듈 및 배터리 탑재부 공간을 추가로 확보하였다. 셋째, 이에 따라 배터리 용량을 확대할 수 있었으며, 사용시간이 3.5시간에서 5시간으로 증가되었다. 넷째, 조선소의 주요 사고 사례 및 요구사항을 반영하여 기존 단순 안전모의 기능성에 고사양 MCU기반의 다양한 스마트 기능을 적용하여 작업자의 안전성 및 작업효율을 높일 수 있는 스마트 헬멧의 시제품을 개발하였다. 다섯째, 시제품의 최적 생산을 위한 금형도 설계하여 다량생산 인프라를 구축할 수 있게 되었다. 향후에는 본 개발된 시제품에 사고이력을 저장하고 실시간 알림을 할 수 있는 클라우드 연동 플랫폼을 개발하여 소프트웨어 역량을 강화할 예정이다.

후기

이 논문은 산업통상자원부 ‘산업전문인력역량강화사업’의 재원으로 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행된 연구임(2024년 미래 해양플랜트 글로벌 고급 전문인력 양성사업, 과제번호: P0012646).