코봇 안전을 평가할 때 유의해야 하는 중요 고려 사항은 무엇입니까?

협업 로봇(코봇)은 Industry 4.0 공장에서 작업자와 협력하고 유연한 생산을 지원하도록 설계되었습니다. 기존 산업용 로봇에 비해 코봇은 간단하고 설치가 쉬우며 별도로 격리된 안전 작업 영역이 필요하지 않습니다. 코봇은 작업자와 협력하도록 설계되었으므로 충돌 감지 시스템, 힘 피드백, 탄성 액추에이터, 저관성 서보 모터와 같은 기능을 비롯해 여러 면에서 다른 산업용 로봇과 다르게 제작됩니다.

이러한 설계상 차이로 인해 코봇에 대한 구체적인 안전 표준이 개발되었습니다. 국제표준화기구 기술 사양(ISO/TS) 15066에 산업용 코봇과 그 작업 환경에 대한 안전 요구 사항이 규정되어 있습니다. 이 기술 사양은 ISO 10218-1 및 ISO 10218-2의 코봇 작동에 관한 요구 사항 및 지침을 보완합니다.

이 기사에서는 ISO/TS 15066의 요구 사항과 해당 요구 사항이 ISO 10218-1 및 10218-2에 얼마나 부합하는지를 간략히 검토합니다. 그런 다음 협업 작업 영역을 정의하는 방법을 비롯하여 협업의 복잡성을 고려합니다. 그리고 근접 센서, 광 커튼, 안전 접촉 매트 등 전형적인 장치와 함께 로봇 안전 관련 요소(예: 코봇에 내장된 안전 기능) 및 필요한 외부 안전 기능에 대해 살펴봅니다. 마지막으로 코봇 안전 고려 사항과 관련된 몇 가지 응용 분야를 간략히 검토합니다.

산업용 로봇과 코봇에 대한 몇 가지 주요 안전 표준이 있습니다. ISO/TS 15066은 산업용 코봇 시스템과 작업 환경에 대한 안전 요구 사항을 자세히 규정하며, ISO 10218 계열과 같은 이전 표준의 제한된 요구 사항을 기반으로 하되 이를 보완하기 위해 작성되었습니다. ISO 10218-1에서는 일반 로봇과 로봇 장치에 초점을 맞추고, ISO 10218-2에서는 로봇 시스템과 통합에 중점을 둡니다. 미국 표준 협회/로봇 산업 협회(ANSI/RIA) R15.06은 ISO 10218-1 및 ISO 10218-2를 전국적으로 채택한 표준입니다.

협업의 복잡성

코봇 안전에 대해 자세히 알아보기 전에 먼저 협업에 대해 정의해 보겠습니다. 로봇 공학에서 협업은 복잡하며 세 가지 요소를 포함합니다.

• ANSI/RIA R15.06에 따르면 코봇은 '정의된 협업 작업 영역 내에서 작업자와 직접 상호 작용하도록 설계된 로봇'입니다.
• ISO/TS 15066에 따르면 협업 작업은 '목적에 따라 설계된 로봇 시스템과 작업자가 협업 작업 영역 내에서 작업하는 상태'입니다.
• 마지막으로 ANSI/RIA R15.06에 따르면 협업 작업 영역은 '생산 작업 중에 로봇과 작업자가 보호된 공간 내에서 동시에 작업을 수행할 수 있는 작업 영역'입니다.

즉, '보호된 공간 내'의 협업 작업 영역으로 정의됩니다. 보호된 공간에는 코봇에 포함된 표준 안전 기능 이외에 안전 보호 층도 포함됩니다.

코봇에 통합된 일반 보호 기능에는 모든 조인트에서 토크 측정값을 기준으로 예기치 않은 충격, 장애물, 과도한 힘 또는 토크를 모니터링하는 접촉 감지 시스템이 포함됩니다. 또한 전력 공급 없이 팔을 움직일 수 있는 수동 브레이크 해제 기능과 자동 브레이크 시스템이 있어야 합니다.

코봇과 작업자의 예기치 않은 접촉은 특히 우려되는 부분입니다. 표준은 작업자의 머리 부위에 대한 접촉을 방지해야 한다고 명시합니다. 또한 이 표준에서는 신체를 29개의 특정 부위로 나누고 두 가지 유형의 접촉에 대한 제한 사항을 자세히 규정합니다.

• 일시적 접촉은 코봇이 움직이는 도중에 작업자와 부딪히는 동적 이벤트입니다. 제한 사항은 위치, 관성 및 상대적 속도에 따라 달라집니다.
• 준정적 접촉은 신체 일부가 코봇과 표면 사이에 끼일 때 발생합니다. 제한 사항은 파쇄 및 클램핑 효과와 관련된 압력과 힘에 따라 달라집니다.

이 사양에서는 응용 시 고려 사항에 기반하여 지침을 제공하며 절대적인 제한 사항이 아닙니다. 또한 작업자와 로봇 간의 협업은 새로운 분야이고 연구가 진행 중이므로 이 지침은 유익한 정보를 제공하고 현재의 모범 사례를 반영한다고 명시하고 있습니다.

협업의 연속성

일회성의 협업 응용 분야란 없습니다. 작업자와 코봇은 연속적이고 다양한 방식으로 상호 작용하고 협업할 수 있습니다. 협업 응용 분야는 사람이 협업 작업 영역에 들어가면 로봇이 전원을 끄고 멈추는 공존부터 작업 중에 작업자가 코봇을 터치하는 대화형 활동까지 다양합니다(그림 1).

그림 1: 작업자와 로봇의 협업에는 광범위한 수준의 상호 작용이 포함됩니다. (이미지 출처: SICK)

개별 협업 응용 분야의 안전 요구 사항을 파악하려면 위험 평가가 필요합니다. 이러한 평가는 응용 분야와 관련된 유해성과 위험을 식별하여 평가하고 줄이는 작업을 수반합니다. ISO 10218에는 다양한 상황에 적합하지만 명확한 요구 사항이 없는 안전 기능 목록이 있습니다. ISO/TS 15066에서는 코봇 위험 평가에 대한 추가 정보를 제공합니다. 각 경우에 위험 평가의 목표는 협업 응용 분야의 안전한 구현을 보장하는 데 필요한 외부 안전 장치 및 시스템을 파악하는 것입니다.

위험 평가와 로봇에 대해 자세히 알아보려면 'Safely and Efficiently Integrating AMRs into Industry 4.0 Operations for Maximum Benefit(이점 극대화를 위해 AMR을 Industry 4.0 운영에 안전하고 효율적으로 통합하기)' 문서를 참조하십시오.

보호 및 효율성

코봇은 안전하게 작동하도록 설계되었지만, 보호 층을 추가하여 협업 응용 분야의 효율성을 향상할 수 있습니다. 추가 안전 조치가 없을 때 작업자가 협업 작업 영역에 들어오는 경우 ISO/TS 15066에서는 축당 최대 속도를 0.25m/s로 규정합니다. 대부분의 코봇은 속도가 매우 느립니다.

예를 들어 Schneider Electric의 LXMRL12S0000 Lexium 코봇은 최대 페이로드 12kg, 작동 반경(작업 범위) 1327mm, 포지셔닝 정확도 ±0.03mm, 공구 끝의 최고 속도 3m/s로 작업자가 협업 작업 영역 내에 있을 때 ISO/TS 15066에서 허용하는 최대 속도보다 12배 빠릅니다(그림 2).

그림 2: 이 코봇은 작업자가 협업 작업 영역 내에 있을 때 ISO/TS 15066에서 허용하는 최대 속도보다 12배 더 빠르게 움직일 수 있습니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

대부분의 응용 분야에서 코봇은 장시간 혼자서 작동할 수 있습니다. 따라서 협업 작업 영역에서 사람의 존재 여부를 감지할 수 있으면 사람 작업자가 아무도 없을 때 훨씬 더 빠르고 효율적으로 작업할 수 있습니다. 사람의 존재 여부를 감지하는 일반적인 장치로는 안전 스캐너, 광 커튼, 안전 접촉 바닥 매트 등이 있습니다. 각 기술은 서로 다양한 이점이 있으며 함께 사용되는 경우가 많습니다.

안전 스캐너

안전 스캐너는 지정된 영역을 모니터링하여 사람이 있는지 여부를 감지합니다. 사람이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 파악하고 활성 안전 구역 이외에 다양한 경고 영역을 구현할 수 있습니다.

Omron의 OS32C-SP1-4M 모델은 코봇용으로 설계된 안전 레이저 스캐너의 좋은 예입니다. 안전 반경은 최대 4m이며 최대 15m까지 여러 경고 영역을 지원할 수 있습니다. 복잡한 협업 작업 영역에서 사용할 수 있도록 70개의 표준 안전 영역 및 경고 영역 조합 세트가 포함되어 있습니다. 또한 최소 물체 분해능을 30mm, 40mm, 50mm 또는 70mm로 설정할 수 있고, 응답 시간은 80ms에서 최대 680ms까지 다양하여 응용 분야의 유연성을 더욱 높일 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 이 안전 스캐너는 안전 반경이 최대 4m이고 최대 15m의 다중 경고 영역을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

광 커튼

광 커튼은 사람의 존재 여부를 판단할 수 있으며 손가락이나 손과 같은 다양한 크기의 물체를 감지하도록 설계할 수 있습니다. 안전 스캐너와 달리 광 커튼은 거리를 측정하지 않습니다. 선형 방출기와 수신기 어레이 사이에 광 빔을 전송하고 물체에 의해 하나 이상의 광선이 차단될 때 이를 감지할 수 있습니다.

광 커튼은 안전 등급에 따라 유형 2와 유형 4의 두 가지 기본 유형으로 분류됩니다. 외관은 서로 비슷하지만 서로 다른 수준의 안전을 제공하도록 설계되었습니다. 유형 4는 협업 작업 영역을 정의하는 보호된 공간을 모니터링합니다. 유형 2 광 커튼은 위험도가 낮은 응용 분야에 사용하도록 설계되었습니다.

광 커튼은 주변을 보호하며 14mm(손가락 감지용), 24mm(손 감지용) 등 다양한 수준의 분해능을 갖춥니다. Banner Engineering의 SLC4P24-160P44 모델은 방출기와 수신기 어레이가 있는 유형 4 광 커튼 키트이며 24mm 분해능으로 사람과 기계(예: 코봇)를 보호합니다(그림 4). 방출기에는 동기화된 변조 적외선 발광 다이오드가 일렬로 배치되어 있습니다. 수신기에는 이에 상응하여 동기화된 광 검출기가 일렬로 배치되어 있습니다. 방출기의 범위는 2m이며, 이 광 커튼은 160mm ~ 320mm 길이(80mm 증분)로 설치할 수 있습니다.

그림 4: 이 유형 4 광 커튼의 분해능은 24mm입니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

안전 레이저 스캐너와 광 커튼은 협업 작업 영역의 안전을 강화하기 위한 비접촉식 수단을 제공합니다. 그러나 반사율이 높은 표면이 있어 원치 않는 전파 방해가 발생할 수 있고, 오일 또는 그리스가 새거나 먼지 또는 습기가 많아서 넘어질 수 있는 등 광학적으로 까다로운 환경에서는 사용하기 어려울 수 있습니다.

이러한 광학 센서 중 일부에는 특정 유형의 전파 방해를 완화하는 데 도움이 되는 감도 조정 기능이 포함되어 있습니다. 이러한 감도 조정은 응답 시간을 높이고 기타 성능 저하를 일으킬 수도 있습니다. 다른 해결책은 안전 접촉 매트를 광학 감지 장치와 함께 사용하는 것입니다.

안전 접촉 매트

안전 접점 매트는 래스터화된 절연층으로 분리된 두 개의 전도성 판으로 구성되며, 단독으로 사용하거나 다른 유형의 센서와 함께 사용할 수 있습니다. 매트를 밟으면 상단 전도성 판이 눌려 하단 판과 접촉하여 경고 신호를 트리거합니다(그림 5). 매트 외부는 미끄럼 방지 기능이 있고 물, 먼지, 오일이 스며들지 않는 폴리우레탄 소재로 되어 있습니다. ASO Safety Solutions의 1602-5533 SENTIR 매트 모델은 최대 10개의 매트를 단일 모니터링 장치에 직렬로 연결하여 최대 10m²까지 적용할 수 있습니다.

그림 5: 밟으면 안전 매트 상단과 하단의 전도성 층이 접촉하여 경고 신호를 발생합니다. (이미지 출처: ASO Safety Solutions)

안전은 작은 것에서부터 시작됩니다.

안전을 보장하는 단 하나의 공식은 없습니다. 각 협업 작업 영역은 서로 다르므로 고유한 특성과 요구 사항에 맞게 대응해야 합니다. 핵심 요소는 연속하는 협업 단계에서 응용 분야가 어떤 위치에 있는지입니다(그림 1). 코봇과 작업자가 더 가까운 위치에서 상호 작용할수록 더 많은 보호 장치가 필요합니다.

고려해야 할 많은 세부 사항이 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• 각 위치에서 세부 위험 평가를 수행하여 코봇이 워크스테이션 간을 이동했는지 확인해야 합니다. 동일해 보이더라도 작은 차이로 인해 안전성에 차이가 생길 수 있습니다.
• 협업 작업 영역에 다른 기계가 있는 경우 해당 기계를 전원 차단 시스템 또는 코봇의 안전 감속 기능과 연결해야 합니까?
• 이번 기사에서는 안전 관련 하드웨어를 중심으로 살펴보았습니다. 하지만 점점 더 보편화되고 있는 네트워크 시스템의 경우 코봇 작동이나 안전 시스템에 대한 전파 방해를 방지하기 위해 사이버 보안을 중요하게 고려해야 합니다.

결론

코봇 안전은 복잡합니다. 보호된 공간 내에서 협업 작업 영역을 정의하는 것에서 시작되며, 협업 작업에 대해 위험 평가를 수행해야 합니다. ISO/TS 15066 및 ISO 10218 계열 같은 주요 표준에서는 권장 사항 및 지침을 제공합니다. 코봇에는 충돌 감지 시스템, 힘 피드백, 탄성 액추에이터, 저관성 서보 모터와 같은 기본적인 안전 기능이 장착되어 있습니다. 협업 응용 분야의 특성에 따라 근접 센서, 광 커튼, 안전 접촉 매트와 같은 추가 안전 장치가 필요할 수 있습니다.