산업용 협동 로봇 애플리케이션 활용을 위한 독일 산업안전보건 요구사항 분석

독일의 BGIA 권고안

현재의 협동 로봇에 관한 개념이 정립된 후, 독일은 로봇 제조 기술과 함께 협동 로봇에서 중요한 안전 보장 기술에 관한 연구를 선도해 왔다. 지난 2009년, 독일의 BGIA는 협동 로봇을 활용하는 제조 현장의 작업장 위험성 평가와 관련된 권고안을 제정했다.

BGIA Report가 정의한 협동 로봇의 개념은 로봇 본체를 포함해 엔드 이펙터와 주변 장치를 모두 포함하고 있다. 기존과는 다르게 협동 작업용 로봇 시스템에는 사용자와의 충돌 위험을 제거하는 물리적 격리 수단이 존재하지 않아, 로봇이 스스로 충돌 가능성을 판단하고 제어해 위험 수준을 최소화한다.

이 로봇 시스템에도 위험 요인이 잔존하고 있는데, 이 같은 위험원을 사전 예측해 사고를 예방하기 위해서는 충돌 시 적용되는 새로운 작업 안전 요건을 고려해야 하는 작업장에서 위험성 평가가 반드시 이뤄져야 한다.

BGIA Report는 국제 표준인 ISO 10218-1, 2의 안전 요구사항을 보완하기 위해 협동 로봇을 활용하는 작업의 안전 요구사항을 나열하고 있으며, 협동 로봇을 통해 진행하는 작업에서 이를 위험성 평가 지침으로 활용하도록 권장하고 있다.

이 지침들은 기계·전기·전자 분야 기술을 포함해 의학·생체역학·인체공학 등의 산업 안전 기술에 기반을 두고 있다. 한편, 협동 로봇과의 작업에 있어서 가장 중요한 요소로 꼽히는 요소는 로봇과 사용자 간의 충돌 상황인데, 이 때문에 충돌안전평가는 필요한 의료 및 생체역학적인 분석에 특별한 주의를 기울여야 한다.

이와 관련해 국제 표준 ISO 10218-1, 2의 안전 요구사항을 충족하기 위한 방법으로 BGIA의 권고안을 충실히 이행하는 태도가 요구된다. 일반적으로 사용자와 협동 로봇이 접촉 및 충돌하는 상황 속에서 로봇 구조는 변하지 않지만, 사람의 신체 부위는 탄성 및 소성 변형을 겪는다.

이 때문에 로봇과 부딪친 사용자의 신체에는 크기와 형태가 동적으로 변하는 3차원 접촉 영역이 생기게 되고, 로봇에 의해 작업자의 신체 부위가 압착되는 현상이 발생하기도 한다. 이에 BGIA는 끼임이나 압착으로 인해 발생하는 힘과 눌림, 표면 압착 등으로 일어나는 ‘압력’에 관한 상해 기준에 기초해 생체역학적 요구사항을 제시했다.

충돌 시 힘에 관한 한계값은 충돌 영역 내에서 허용되는 외부 작용 총력의 최대값을 나타내며, 압력과 관련된 기준은 충돌 단계 동안 신체에 작용하는 접촉 영역의 최대 압력 분포를 의미한다. 이 때문에 두 가지 상해 기준값 준수 시 충돌 상황에서 발생하는 신체 부위의 국부적 변형이 허용 가능한 범위 내에 한정된다.

다음 그림은 충돌 표면과 관련된 압력을 나타낸 것인데, 이때 압력 한계값은 작은 충돌 면적에 가해지는 과도한 압력으로 인해 발생하는 국부적인 과부하를 방지해야 한다.

만약 최대 외부 충돌력의 한계값에 제한이 없다면, 과도한 힘이 일정한 압력 아래에서 발생하는 신체 주변의 과부하를 막아야 한다. 로봇 부품의 충돌 표면이 적절히 배치되면, 충돌 표면의 부분 압력이 확산하는 것을 줄일 수 있으며, 일정하고 광범위한 변형이 발생할 시 한계힘/한계 압력 지수를 활용해 최소한으로 요구되는 접촉 영역 측정치의 대략적인 추정치를 얻을 수도 있다.

이 추정치는 영향을 받는 로봇 영역의 설계와 관련 있는 평가 및 배치를 위한 지침의 역할을 한다. 변형 상수는 부상 기준에 따라 충돌하는 로봇 부품이 임계값에 도달할 때까지 변형되는 경로를 추정하기 위해 신체 부위에 적용되는데, 이 데이터는 신체 부위의 선형적인 변형 거동에 관한 가정을 전제로 삼고 있다.

앞의 그림에 나온 것처럼 사람과 로봇이 충돌했을 때 로봇 내부의 힘 센서가 이를 감지하는데, 이 같은 감지 메커니즘은 일정한 힘 이상이 입력되어야만 충돌 여부를 판단할 수 있다. 또한, 시스템에 충돌 상황이 입력되면, 로봇이 동작 복귀를 시작하는데, 로봇의 속도가 0이 되기 전까지는 충돌 영역의 변형이 지속된다.

BG/BGIA 권고안의 적용 과정

BGIA 권고안을 적용하는 과정은 체크리스트 작성을 통해 검증할 수 있는데, 이 체크리스트는 준수해야 할 지침과 주요 용어를 담고 있다.

체크리스트 작성 과정에는 운전자와 로봇 제조업체가 제공하는 광범위한 정보가 필요하다. 또한, 작업 안전에 관한 위험성 평가의 일환으로 BG/BGIA 권고안에 따라 수행하거나 시험을 해야 하는 모든 요소·정보·데이터·측정 방법·규정 및 평가 결과 등을 종합해 나온 결과를 적절한 형식으로 문서화하는 절차도 필요하다.

협동 로봇을 활용하는 애플리케이션상에서 사용자와 시스템 통합 담당자 또는 책임자는 위험성 평가를 수행해야 한다. 이때 이들은 사용자와 로봇 간의 기계적 상호 작용에 관한 안전성을 평가하고 입증하기 위해 충돌 사고가 야기하는 상해의 심각성과 발생 가능성을 고려해야만 한다.

또한, 이들은 이와 같은 평가를 통해 확인한 위험 요인에 관한 적절한 조치를 취해 위험도를 낮출 책임을 가지고 있다. 권고안은 체크리스트 샘플을 제공하고 있는데, 이 체크리스트는 BGIA Report의 권고사항에 기초해 위험 분석 작성에 관한 도움을 주기 위해 제작됐다.

기능 안전이나 전기 안전, 내환경성 등의 기타 안전 고려사항은 독립적인 표준이나 별도의 체크리스트를 요구하는데, 이 체크리스트에는 협동 로봇 시스템 위험 분석에 주의를 기울여야 하는 기준과 핵심 단어가 담겨 있다.

체크리스트 작성 시에는 위험성 평가 관련 요소, 정보, 데이터, 측정, 규정 및 결과가 적절한 문서에 요약된 형식으로 기록되도록 주의해야 하며, 체크리스트의 순서는 이에 대한 적절한 구조를 나타내야 한다.

안전 요구사항

BGIA는 협동 로봇을 사용하는 작업장에서 잠재적인 충돌 공간을 제한하는 등의 적절한 조치를 통해 인간과 협동 로봇 사이의 충돌 가능성을 최소화해야 한다고 규정하고 있다. 또한, BGIA는 사용자와 로봇이 충돌할 위험이 있는 경우, 충돌 영역에 있는 날카롭거나 거친 표면의 요소를 사전에 제거해야 한다고 설명한다.

이 같은 조치에는 적절한 하우징과 커버 등이 필요하며, 서로 마주 보는 충돌 영역에 있는 외부선이 지니고 있는 두 점 사이의 거리가 적어도 5mm 이상으로 이뤄져야 한다.

한편, BGIA 권고안에서 중요한 부분을 차지하고 있는 충돌에 관한 기준은 의학 및 생체역학적 요구사항에 기반을 두고 있는데, 특히 기준안은 로봇과 인간의 충돌과 관련된 의학·생체역학적 한계값을 상해 발생의 기준값으로 제시했다.

권고안이 제공하는 인체 모델은 4개의 주요 신체 영역과 15개의 개별 영역으로 이뤄져 있으며, 인체의 모든 측정 포인트를 신체 모델에 할당할 수 있다. 이외에도 BGIA 권고안은 신체 부위별 요구사항이 있음에도, 사용 중에 발생하는 충돌 위험 속에서는 특별한 보호 조치(고글 등)를 통해 감각 기관(눈·귀·코 및 입)을 향하는 상해 위험을 낮춰야 한다고 강조한다.

모든 신체 부위에 해당하는 상해의 심각성을 검증하기 위해서는 다음의 손상 기준을 활용하면 된다.

- 끼임/압착(CSF, 단위: N)

- 충격력(IMF, 단위: N)

- 압력/표면 압축(PSP, 단위: N/㎠)

- 압축 상수(CC, 단위: N/mm)

지금까지 설명한 내용은 충돌 안전성에 관한 요구사항이었는데, 이 내용 외에도 BGIA 권고안은 △ 인간공학적 측면의 요구사항 △ 작업 관리에 대한 요구사항 등과 관련된 내용을 포함하고 있다. 관련 내용은 한국로봇산업진흥원 홈페이지(www.kiria.org)에 업로드되어 있는 『2017년 로봇표준』에서 확인할 수 있다.

자료 제공 : 한국로봇산업진흥원