산업용 작업 영역에서 코봇을 안전하게 통합하는 방법

이제 소규모 생산 라인에서도 콤팩트 산업용 로봇을 비용 효율적으로 통합할 수 있습니다. 매력적인 부분은 작업자에게 부담이 되고 실수로 이어지기 쉬운 반복 작업을 로봇과 함께 협력할 수 있다는 점입니다. 문제는 움직이는 기계에 가깝게 붙어 작업할 경우 작업자의 안전이 위협받게 됩니다.

협업 로봇(코봇)을 안전하게 유지하려면 관련 위험을 신중하게 고려하고 잠재적 위험성을 완화하도록 로봇과 제어 시스템을 구성해야 합니다. 다행히 개발자를 안전하게 안내해주는 기술 사양이 제공되고 있습니다.

이 기사에서는 작업 환경에 코봇을 추가할 때의 이점과 안전 우려 사항을 살펴보고 최신 규제 지침과 위험성 평가 및 완화 전략을 알아봅니다. 그런 다음 생산 또는 워크플로 환경에 안전하게 추가할 수 있도록 안전 메커니즘이 내장된 코봇을 소개합니다.

협업 로봇을 추가하는 이유

주요 제조 시설의 산업용 로봇은 비용을 절감하면서 생산 처리량을 높인다는 측면에서 오래전에 그 가치가 입증되었습니다. 이제 일반화된 콤팩트 산업용 로봇이 중소규모 생산에서 그런 이점을 제공하고 있습니다. 하지만 대규모 산업용 로봇과 달리 콤팩트 로봇은 별도로 작동하지 않고 작업자와 협력하여 작동하도록 설계되었습니다(그림 1). 콤팩트 로봇과 작업자가 작업 영역을 공유하여 중요한 생산 현장에서 로봇 사용을 최소화하고 비용 효율성을 개선할 수 있습니다.

그림 1: 소형 산업용 로봇은 별도로 작동하지 않고 작업자와 협력하여 작동하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: KraussMaffel/KUKA Robotics)

모든 전력 구동 기계와 마찬가지로 이러한 로봇을 올바르게 사용하지 않을 경우 부상을 입을 수 있습니다. 코봇을 생산 라인에 통합할 경우 작업자의 안전 문제를 신중하게 고려해야 합니다. 유의해야 할 요소로는 로봇의 동작 범위와 속도, 로봇이 취급하는 소재, 작업자의 상호 작용 방법과 빈도가 있습니다. 이러한 요소를 파악한 후 적절한 안전 향상 기능을 시스템 설계에 통합할 수 있습니다.

미국의 OSHA(Occupational Safety and Health Administration), 캐나다의 CCOHS, 유럽 위원회와 같은 조직의 규제 요구 사항을 보면 코봇 작동 안전 요소를 일부 규제합니다. 예를 들어 OSHA 29 미연방 규정집(CFR) 1910에서는 시스템에서 작업 중에 위험한 에너지원을 차단하고(섹션 147) 작업 중에 감전 사고를 방지하도록 촉구합니다(섹션 333). 하지만 그런 규정은 모든 형태의 산업용 기계에 적용하도록 개발되어 기술에 맞지 않을 수도 있습니다. 일반 산업용 로봇, 특히 코봇 관련 규정은 상대적으로 적습니다.

하지만 업계에서는 산업용 로봇과 관련한 다양한 기술 표준을 개발하여 격차를 해소했습니다. 여기에는 기능 안전에 관한 IEC 61508 표준, 기계 안전 설계에 관한 ISO 12100 표준, 산업용 로봇 안전에 관한 ISO 10218-1 및 -2 표준이 포함됩니다. 최근에는 협업 로봇 안전에 관한 ISO/TS 15066 기술 표준을 발표했습니다. 이러한 표준의 일부 섹션만 로봇 시스템 설계에 대한 요구 사항으로 정의되어 있습니다. 나머지 섹션은 개발자와 작업자에게 로봇과 작업자의 안전한 상호 작용을 위한 세부 지침으로 제공되는 권장 사항입니다.

코봇 위험성 평가

코봇 안전은 로봇 자체와 전체 응용 분야, 작동 환경을 포함하여 로봇 작동 및 사용 모델에 대한 신중한 위험성 평가에서 시작됩니다. 예를 들어 날카로운 금속판을 취급하는 로봇 시스템은 마분지 상자를 취급하는 시스템과 다른 위험을 발생합니다. 마찬가지로 그리퍼가 탑재된 로봇에 대한 위험성 평가는 드릴 또는 납땜 인두가 탑재된 로봇에 대한 위험성 평가와 다릅니다.

따라서 개발자는 로봇 작업의 잠재적 위험원을 식별하기 위해 시스템의 작동 범위, 로봇의 이동 특성, 작업 영역과 워크플로 및 기타 유사한 요소를 완전히 이해해야 합니다. 이러한 위험원에는 의도되거나, 의도되지 않거나, 장비 고장으로 인해 발생하거나 원인에 상관없이 부상으로 이어질 수 있는 모든 가능한 로봇 작업자 상호 작용이 포함됩니다.

위험성이 확인되면 각각의 위험성을 평가해야 합니다. 이 평가에서는 다음과 같은 세 가지 기준에 따라 각 상호 작용의 위험을 매우 낮음, 낮음, 보통, 높음, 매우 높음으로 분류합니다.

• 잠재적 부상의 심각도
• 위험에 대한 노출 빈도 및/또는 기간
• 위험을 회피할 확률

그림 2에서는 대표적인 위험성 평가 트리를 보여줍니다. 위험의 심각도는 며칠이면 완전히 치료되는 자상, 타박상과 같은 경미한 부상부터 영구적 피해 또는 사망으로 이어지는 심각한 부상까지 다양합니다. 노출 범위는 낮음(간헐적)부터 높음(자주 또는 지속적)까지 분류되고, 회피 확률은 가능부터 불가능까지 다양합니다. 평가자는 특정 상황을 반영하도록 원하는 방식으로 기준을 정량화할 수 있습니다.

그림 2: 위험 레벨 평가에서는 가능한 부상의 심각도와 가능성을 검사해야 합니다. (이미지 출처: Richard A. Quinnell)

ISO/TS 15066이 업계에 도입한 정보 중 하나는 로봇과 작업자 간 부상을 일으키지 않은 물리적 접촉에 대한 정량적 정의입니다. 이 정의는 물리적 접촉이 발생할 가능성이 높거나 심지어 의도적으로 발생하는 코봇 응용 분야에 특히 중요합니다. 표준에서는 일시적 접촉과 준정적 접촉 두 가지로 정의합니다(그림 3).

작업자가 로봇과의 접촉에서 즉시 벗어날 수 있는 경우(예: 로봇의 특정 부위가 작업자의 팔에 부딪히는 경우) 일시적 접촉으로 간주됩니다. 작업자가 로봇과 고정된 물체 사이에 낀 경우(예: 테이블 윗면에 놓인 작업자의 손이 로봇 그리퍼에 눌린 경우) 준정적 접촉으로 간주됩니다.

그림 3: 돌발적이거나 예상된 로봇 작업자 접촉은 일시적 접촉과 준정적 접촉의 두 가지 범주로 분류됩니다. (이미지 출처: Richard A. Quinnell)

코봇 응용 분야에서 접촉력에 대한 제한은 작업자의 고통 임계값을 기반으로 합니다. 의도되거나 의도되지 않은 모든 접촉이 고통 임계값 이하가 되도록 협업 로봇을 구성해야 합니다. 힘의 제한 값은 관련 신체 부위에 따라 달라집니다. 예를 들어 머리 접촉은 팔 접촉보다 고통 임계값이 훨씬 낮습니다. 또한 준정적 접촉은 일시적 접촉보다 임계값이 더 낮습니다.

위험성을 확인하여 평가한 후 각 위험에 대해 "허용되는 수준인가?" 질문해 보십시오. 대부분의 경우 미미하거나 매우 낮은 위험성은 허용되며, 그 외 모든 위험은 한 가지 이상의 완화 조치가 필요합니다. 로봇의 안전을 구현하는 다음 단계에서는 적절한 형태의 위험 완화 조치를 선택한 후 위험성을 다시 평가합니다. 그리고 모든 위험성이 허용 레벨로 완화될 때까지 이 과정을 반복합니다.

위험성 완화 방법

위험성을 완화하는 가장 기본적인 방법 중 하나로 작업자와 로봇의 상호 작용을 제한하여 위험성을 제거하거나 노출을 최소화하도록 로봇 작업 영역의 공정 또는 레이아웃을 재설계할 수 있습니다. 기존 산업용 로봇 응용 분야에서는 케이지를 사용하여 인터로크로 로봇 작업 영역에서 작업자를 보호하고 작업자가 로봇의 작업 영역에 들어올 경우 로봇을 중단하는 방식으로 작업자와 로봇의 상호 작용을 제한했습니다. 로봇이 작업 영역을 작업자와 공유해야 하는 코봇 응용 분야에서는 다른 방법이 필요합니다.

업계에서는 협업 로봇 작업자 상호 작용을 위한 다음과 같은 네 가지 주요 방법을 식별했습니다.

• 안전 등급 모니터링 정지
• 수동 유도
• 속도 및 분리 모니터링
• 전력 및 힘 제한

개발자는 응용 분야에 가장 적합한 방법 또는 방법 조합을 결정해야 합니다.

안전 등급 모니터링 정지는 작업자가 특정 조건(예: 로봇의 엔드 이펙터 로드 또는 언로드, 진행 중인 작업에 대한 검사 수행)에서만 로봇과 상호 작용하는 응용 분야에 적합합니다. 이러한 유형의 상호 작용에서 로봇은 모니터링을 통해 작업자가 있는지 감지하여 보호된 작업 영역 내에서 자율적으로 작동합니다. 작업자는 작업 영역에 들어가기 전 안전 등급을 정지로 두고, 작업자가 작업 영역 안에 있을 때 로봇은 전력은 공급되지만 정지된 상태로 유지됩니다. 작업자가 작업 영역에서 나가면 로봇은 자율 작업을 자동으로 재개합니다. 안전 등급을 정지하지 않고 모니터링되는 작업 영역에 진입하는 사람이 있으면 시스템 전력을 차단하는 보호 정지가 작동됩니다.

수동 유도 시나리오에서는 작업자가 안전 등급을 정지하고 로봇의 작업 영역에 진입한 다음 계속해서 수동 유도 메커니즘을 사용하여 로봇 암의 위치를 조정한 후 로봇의 다음 작업을 트리거합니다. 수동 유도 메커니즘에서는 단순히 로봇 암을 잡고 조작할 수도 있고 핸드헬드 제어 장치를 사용하여 로봇 동작을 명령할 수도 있습니다. 로봇 리프트 보조와 같은 응용 분야에서 수동 유도 협업을 활용할 수 있습니다.

속도 및 분리 모니터링은 작업자와 로봇이 동일한 작업 영역을 빈번하게 공유하고 작업자가 해당 영역 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 경우에 유용합니다. 이 경우 시스템에서는 작업자와 로봇의 거리를 모니터링하여 항상 최소 보호 분리 거리를 유지하기 위해 노력합니다(그림 4). 작업자와 로봇이 안전 분리 거리를 유지하여 접촉할 가능성이 없을 경우 로봇은 최고 속도로 자유롭게 이동합니다. 분리 거리가 줄어들 경우 로봇은 계속해서 작동하지만 로봇을 완전히 정지하는 데 도움이 되도록 속도가 느려집니다. 분리 거리가 너무 좁을 경우 로봇은 안전 등급 정지 상태로 전환하여 부상 입을 가능성을 차단합니다.

그림 4: 속도 및 분리 모니터링에서는 로봇 주위에서 안전하게 작동하는 영역을 식별합니다. (이미지 출처: Richard A. Quinnell)

이 접근 방식에서 단계별 거리를 정의하려면 로봇 시스템의 이동 기능을 이해해야 합니다. 보호된 공간으로 이동하는 작업자가 모니터에 감지될 경우 작업자가 해당 공간에 도달하기 전에 로봇 메커니즘이 완전히 정지되도록 시스템을 설계해야 합니다. 적절한 분리 거리를 계산하기 위해 개발자는 다음을 알아야 합니다.

• 로봇과 작업자가 움직이는 속도
• 잠재적 침입을 감지하는 시스템의 반응 시간
• 로봇이 명령을 수신한 후 작동을 멈추는 데 걸리는 시간

작업 영역 레이아웃을 활용하여 속도 및 분리 모니터링 방식에 대한 안전 영역의 정의 및 모니터링을 간소화할 수 있습니다. 예를 들면 레이아웃은 고유한 안전 영역을 생성합니다(그림 5). 작업대는 로봇의 작동 공간에서 작업자를 분리하여 로봇이 최고 속도로 자유롭게 이동할 수 있도록 합니다. 로봇은 작업대 측면의 협업 영역에 진입하면 자동으로 속도를 줄여서 준정적 접촉 기회를 제한하도록 배치됩니다. 속도를 감소하면 잠재적인 일시 접촉력을 줄이고 위험을 모면할 수 있는 기회를 최대화하여 이 영역에서 위험이 최소화될 수 있도록 합니다.

기계 정지는 로봇 메커니즘이 작업자의 작업 영역에 진입하는 것을 차단하여 위험을 제거합니다. 그런 배열에서는 로봇의 작동 공간에서 작업자의 침입을 모니터링하는 최소한의 작업으로 높은 수준의 시스템 안전을 보장할 수 있어야 합니다.

그림 5: 작업 영역 설계는 고유한 안전 영역을 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: Richard A. Quinnell)

전력 및 힘 제한 방식은 작업자와 로봇이 접촉할 가능성이 매우 높은 응용 분야에서 특히 유용합니다. 이 방식을 사용하려면 로봇이 접촉을 감지하여 반응할 수 있도록 비정상적인 힘이 메커니즘에 적용될 경우 로봇이 이를 감지할 수 있어야 합니다. 또한 뾰족한 모서리와 꽉 끼는 지점을 피하고, 표면 패드를 결합하고, 이동 속도를 제한하여 잠재적 접촉력을 최소화하도록 로봇을 설계해야 합니다.

발생 가능한 접촉 유형(일시적 또는 준정적)과 포함될 수 있는 신체 부위를 신중하게 평가하여 접촉이 빈번하지 않고 피할 수 있도록 응용 분야를 설계해야 합니다. 응용 분야를 설계할 때 준정적 접촉 기회를 최소화하고 머리, 목 또는 인후 접촉을 방지하는 데 목표를 두어야 합니다.

로봇 시스템 안전 기능

협업 응용 분야에 대해 로봇을 선택하는 개발자는 이러한 완화 방식 중 하나 이상을 구현할 수 있는 방법을 염두에 두어야 합니다. 로봇의 물리적 설계와 로봇을 제어하는 시스템은 모두 안전 조치를 얼마나 신속하게 구현할 수 있는지를 결정할 때 평가해야 할 요소입니다. 하지만 일반적으로 로봇 벤더는 시스템 안전을 즉시 구현하기 위해 노력하고 있습니다.

예를 들어 KUKA의 Agilus 로봇 키트 제품군에는 수동 유도 제어를 위한 smartPAD 터치 작업자 패널과 안전 기능이 통합된 KR C4 시스템 컨트롤러가 포함되어 있습니다. 선택적 KUKA.SafeOperation 소프트웨어는 패키지를 완성합니다. 540mm(KR 3 R540), 900mm(KR 6 R900-2), 1100mm(KR 10 R1100-2) 등 다양한 길이의 키트 암이 함께 제공됩니다(그림 6).

그림 6: KUKA Agilus KR 3과 같은 콤팩트 산업용 로봇은 안전을 중요하게 고려하여 설계되며, 산업 표준에 따라 설정된 경우 작업자와 작업 영역을 안전하게 공유하고 협업할 수 있습니다. (이미지 출처: Kuka Robotics)

세 로봇은 모두 에너지 흡수 패드 아래에 둥근 표면을 배치하여 접촉 압력을 최소화하도록 설계됩니다. 관절을 덮어서 끼임 위험을 제거합니다. 또한 개발자가 로봇의 작동 영역을 물리적으로 제한할 수 있도록 로봇은 주요 이동 축에 대해 조정 가능한 기계 정지 기능을 제공합니다.

포함된 smartPAD는 수동 유도 작업이 필요한 응용 분야를 처리할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: KUKA 로봇 키트에는 필요에 따라 수동 유도 제어를 활성화하도록 smartPad 터치 작업자 패널이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: KUKA Robotics)

KR C4 컨트롤러는 안정 등급 및 비상 정지 구현 루틴과 산업 표준 외장형 센서 모니터링 기능을 포함하여 안전 펜스를 설정하는 통합 안전 소프트웨어와 함께 제공됩니다. 또한 이 소프트웨어는 동작 축 주위에서 로봇의 위치와 이동을 내부적으로 모니터링할 수 있습니다.

KUKA.SafeOperation 소프트웨어는 개발자가 고정 작동 셀(로봇이 벗어나면 안 되는 3개 ~ 10개의 모서리가 있는 볼록 다각형)을 정의하도록 허용하여 내부 모니터링을 강화합니다(그림 7). 또한 개발자는 데카르트 좌표 또는 축별 좌표를 사용하여 해당 셀 내에서 최대 16개의 모니터링 공간을 정의할 수 있습니다.

그림 8: 개발자는 KUKA를 사용하여 위치 관련 안전 모니터링을 구체화할 수 있습니다.SafeOperation 소프트웨어를 사용하여 작동 영역과 모델 엔드 이펙터 도구를 정의할 수 있습니다. (이미지 출처: KUKA Robotics)

위치 관련 안전 모니터링을 구체화하기 위해 사용자는 SafeOperation 소프트웨어를 사용하여 로봇의 실장 플랜지에서 엔드 이펙터 도구를 최대 6개의 사용자 정의 구체 모음으로 모델링할 수 있습니다. 이러한 구체는 로봇 암과 함께 이동합니다. 암 또는 도구 구체가 작동 중에 모니터링 공간 내부 또는 외부로 이동하면 소프트웨어가 응답합니다. 가능한 응답에는 경보 울림, 로봇 동작 표시, 안전 정지 구현 등이 있습니다. 따라서 개발자는 동작 범위 내의 어디서나 로봇이 작동하는 방법을 즉시 제어할 수 있습니다.

그런 기능은 위험 완화 체계의 구현을 간소화할 뿐 아니라 그 자체로 안전한 작업자 로봇 상호 작용을 보장합니다. 생산 워크플로 특히, 협업 응용 분야에서 로봇 시스템을 통합하려는 개발자는 응용 분야와 관련한 위험성 평가 및 완화 작업을 수행해야 합니다. 예를 들어 모든 제조업체 지침과 제한을 따르고, 사용자를 적절히 교육하고, 필요에 따라 모니터링 시스템과 장벽을 구현합니다.

결론

로봇과 코봇은 제조 워크플로와 기타 워크플로에서 널리 사용되고 있지만, 산업 자동화 개발자가 고려해야 할 잠재적 위험을 제공합니다. 로봇 안전을 위해 새로 개발된 표준이 도움이 되지만, 안전을 우선적으로 고려하여 처음부터 제작된 로봇 시스템의 가용성이 로봇을 워크플로에 훨씬 더 쉽고 안전하게 통합할 수 있게 해줍니다.