산업용 로봇 개요

산업용 로봇(‘이하 로봇’)은 사람을 대신해 위험하거나 단순 반복 작업 수행을 위해 사용하는 기계장치로, 제조업·물류 등 산업 현장에서 오랫동안 사용되어 왔다. 관련 법령에서 산업용 로봇은 산업 자동화 응용을 위한 자동제어와 프로그램이 가능한 3축 이상 머니퓰레이터를 구비하고, 고정 또는 이동이 가능한 기계장치로 정의되어 있다. 일반적으로 직교좌표 로봇, 스카라 로봇, 수직 다관절 로봇 등이 여기에 해당된다.

산업용 로봇은 안전 요구사항에 대한 국제표준이 비교적 체계적으로 제정되어 있으며, 국내에서도 부합화를 통해 동일한 표준을 활용할 수 있다.

국내에서 산업용 로봇은 「산업안전보건법령」에 의거하여 ‘유해·위험 기계류’로 지정되어 있으며, 안전하게 사용되도록 관련 제도와 규정에 적용되고 있다.

① 산업용 로봇 ‘자율안전확인신고’ (KCs 마크)
: 산업용 로봇을 제작하여 판매하는 자는 산업안전보건법 제89조에 의거, 고용노동부 장관이 고시하는 ‘기준’에 적합한지 확인하고, 관련 기관(안전보건공단)에 신고해야 한다.
② 산업용 로봇 안전검사
: 산업용 로봇을 도입하여 사용하는 사업주는 산업안전보건법 제93조에 의거, 고용노동부 장관이 고시하는 ‘검사 기준’에 적합한지 안전검사기관이 실시하는 검사를 받아야 한다.

③ 산업안전보건기준에 관한 규칙 제13절
: 산업용 로봇을 도입하여 사용하는 사업주는 산업안전보건기준에 관한 규칙 제222(교시), 제223(운전 중 위험 방지), 제224(수리 및 작업 시의 조치)조의 요건을 충족해야 한다.

협동로봇의 등장

협동로봇은 산업 현장에서 주로 사용되었던 로봇 팔과 같은 형태의 다관절 로봇 중에서도 사람과 협동 작업이 가능한 제품이다. 사람의 접근을 감지해 반응하거나 부딪히더라도 상해를 유발하지 않도록 하는 기능이 구현된 로봇이라고 할 수 있다.

산업용 로봇 협동작업 공정 개요

기존의 일반적인 산업용 로봇 시스템은 안전펜스와 같은 방호장치를 설치하고, 사람이 접근할 수 없는 환경에서만 작동시키는 것을 원칙으로 하였다. 그러나 산업용 로봇의 협동작업 공정에서는 사람이 로봇과 작업 공간을 공유하는 특징으로 인해 안전펜스의 설치 없이 작업자가 자유롭게 로봇에 접근할 수 있으며, 필연적으로 다양한 위험 요인들을 수반한다. 

산업용 로봇의 협동작업 유형은 크게 세 가지로 분류되며, 관련 국제표준인 ISO 10218-2와 ISO TS 15066은 각 협동작업 모드에 대한 안전 요구사항을 명시하고 있다.

산업용 로봇 협동작업 유형

1) 속도/이격 감시(Speed and Separation Monitoring, SSM)
속도/이격 감시 모드는 산업용 로봇과 사람(작업자) 간 일정한 거리(이격)를 유지한 상태로 로봇을 운전하면서 사람의 위치에 따라 로봇의 동작 속도를 제어하는 협동운전 방식이다.
이 모드는 시스템 통합(SI) 단계에서 로봇과 사람 간 안전거리를 계산하여 미리 감시 영역을 설정하고, 사람의 위치에 따라 스스로 속도를 모니터링하고 제어하면서 안전성을 확보한다. 이때, 로봇과 사람 간의 안전 이격 거리와 로봇의 제한속도 설정은 국제표준 ISO/TS 15066을 참고할 수 있다.
사람이 감시 영역으로 진입하여 미리 설정된 각 구간의 위치에 도달하면 로봇 시스템은 구간별 속도제한 범위 이내로 로봇을 감속 운행해야 하며, 위험 영역에 도달하면 사람과 접촉을 방지하기 위해 보호 정지 기능을 시작하여 즉시 동작을 멈추어야 한다. 다만, 사람과 접촉이 허용되는 “동력/힘 제한 모드(PFL)”를 적용한 경우에는 동작을 멈추지 않고 유지할 수 있다.

2) 핸드 가이딩(Hand Guiding Control, HGC)
일부 로봇 제품들은 협동작업 응용을 위해 ‘핸드 가이딩’ 모드를 제공하고 있다. 핸드 가이딩 모드는 작업자가 로봇을 손으로 붙잡고 손쉽게 제어하여 단순 교시작업
(티칭)뿐만 아니라 로봇 팔을 공구를 다루듯 조작하여 정밀한 작업에 사용할 수 있다. 핸드 가이딩 작업 중에 로봇은 사용자가 의도하지 않은 작업으로 전환되지 않도록 제한되어야 하며, 특히 임의로 자동운전 모드로 전환되지 않아야 한다. 일반적으로 사용자는 로봇 제품의 인증서 또는 설명서를 통해 이러한 기능적 특징을 확인할 수 있다.

3) 동력/힘 제한 모드(Power and Force Limiting, PFL)
동력/힘 제한 방식은 로봇 시스템과 사람 간의 접촉이 허용되는 방식으로 안전펜스, 센서 등 별도의 방호장치 없이 활용할 수 있어 공정의 안전 설계가 단순해지고, 경제적 측면의 이점이 있다. 또한, 다른 협동작업 모드와 동력/힘 제한 모드를 함께 적용하여 공정 작업의 효율성을 높일 수 있다.
이 방식에서는 로봇과 사람 간에 접촉이 발생할 때 물리적으로 작용하는 힘과 압력이 허용 기준치 이하가 되도록 설계되어야 한다.
이러한 안전 요건은 특히 다음의 사항들이 주의깊게 검토되어야 한다.
•로봇과 접촉이 발생하는 신체 부위
•접촉이 발생하는 이벤트
•접촉이 발생하는 시점의 로봇 동작 속도와 발생하는 충격량
•접촉이 발생하는 부위의 형상이나 재질, 온도 등
•접촉의 유형(준정적 접촉 or 일시적 접촉)

동력/힘 제한 모드를 활용하기 위해서는 로봇과 작업자 간 접촉이 발생하는 조건과 상황을 명확하게 식별하고, 예측하지 못한 상황이 발생하지 않도록 조치하는 것이 중요하다. 협동 영역 내 작업자의 자세나 위치, 출입 인원수, 입출입 동선 등 다양한 관점에서 접촉이 발생하는 상황이 고려되어야 한다.
필요한 경우 안전모, 장갑 등 개인용 보호 장구를 활용할 수 있으나, 안전 점검 단계에서는 유효한 안전 대책으로 간주되지 않는다. 반면, 접촉이 발생하는 부위에 충격을 흡수할 수 있는 쿠션이나 커버를 부착하는 것은 효과적이며 권장된다.
준정적 접촉(Quasi-static contact)은 로봇과 접촉으로 인해 신체의 일부가 구속되는 접촉의 유형을 말한다. 일반적으로 지속적인 누름, 신체 부위 끼임과 같은 상태를 야기할 수 있으므로 주변의 벽이나 다른 장치들과 로봇 배치를 안전 관점에서 고려해야 한다. 또한 위험한 형상이나 표면, 물질 등의 접촉에 의한 위험도 충분히 고려되어야 한다. 이것은 단순히 로봇의 속도를 낮추는 것만으로는 충분한 안전 대책이 될 수 없다.
일시적 접촉(Transient contact)은 사람이 비 구속 상태에서 로봇과 비교적 짧은 시간 동안 일어나는 접촉을 의미하며, 빠른 속도로 사람과 충돌하는 동적 접촉을 포함한다. 특히 머리나 안면부 등 민감한 신체 부위는 접촉이 발생하지 않도록 주의깊게 고려되어야 한다.
동력/힘 제한 모드를 안전하게 적용하기 위해서는 로봇과 사람 간 접촉 시 발생하는 물리량이 허용 한계값 이내인지 판단해야 한다. 해당 기준은 관련 국제표준 ISO 10218-2(또는 ISO TS 15066)의 부속서를 참고할 수 있다. 일시적 접촉의 허용 한계값은 통상 준정적 접촉 한계값의 두 배를 적용한다.
동력/힘 제한 모드를 사용하는 협동작업 공정에서 접촉에 관련된 위험을 예측하고 검증하는 작업은 매우 중요하게 다루어진다. 작업자의 상해 가능성이 있다고 판단되는 경우에는 반드시 물리적인 힘에 대해 수치적 계산이나 계측 시험, 해석(CAE) 등의 과학적인 수단을 이용하여 안전성을 검증하는 절차가 필요하다.

협동로봇 도입에 따른 국내 규제 현황

산업용 로봇은 공간에서 사람과 협동작업(‘이하 협동작업’) 형태로 사용되어 울타리가 설치하기 곤란함에 따라 기존 산업용 로봇은 위험성 때문에 「산업안전보건기준에 관한 규칙 제223조」에 따라 반드시 안전펜스를 설치하여야 하며, 사람과 분리된 상태에서만 작동되도록 규정되어 왔다.

그러나 산업용 협동로봇은 작업자가 로봇이 동일한 공간 안에서 협동작업을 수행하도록 하는 것이 주된 목적이기 때문에 안전펜스를 설치해야 하는 것이 규제로 작용하였으며, 이를 해소하기 위해 관련 부처와 기관들은 별도의 인증제도인 ‘협동로봇 작업장 안전인증’을 시행하여 펜스를 설치하지 않고도 협동로봇을 사용할 수 있도록 하였다. 다만, 해당 인증을 받지 않더라도 안전공단에서 배포한 「산업용 로봇 협동작업 안전 가이드」를 준수하여 로봇을 설치하고 사용할 수 있다.

산업용 로봇은 산업안전보건법에 따라 유해·위험 기계류로 정의되며, 협동로봇 또한 산업용 로봇의 한 유형이기 때문에 동일한 규제를 적용받고 있다. 산업용 로봇은 본래 높이 1.8m 이상의 울타리를 설치하고, 작업자가 접근하지 못하는 상태에서 작동시키도록 법으로 규정되어 있지만, 협동로봇은 기존의 산업용 로봇과는 다르게 작업자가 함께 위치한 공간에서도 작동할 수 있어야 한다. 따라서, 울타리를 설치하지 않고도 협동로봇을 합법적으로 사용하기 위해서는 관련 안전기준을 충족함을 증명할 수 있어야 한다.

협동로봇 도입 시 검토 사항

사업주가 협동로봇 관련 기준을 충족하기 위해서는 먼저, 도입하고자 하는 협동로봇이 산업안전보건법에 의한 ‘자율안전확인신고’가 완료된 제품인지 확인해야 한다. 자율안전확인신고가 완료되지 않은 제품은 국내에서 판매 불가능한 제품이기 때문에 안전성을 확보하지 못할 뿐더러 안전조치를 이행하는 것이 불가능하다. 또한 협동로봇의 안전 기능이 충분한 신뢰성이 있는지 검토하려면 관련 국제기준인 ISO 10218에 대한 인증이 완료된 제품 인지도를 확인해야 한다. 이러한 내용은 로봇 제조사 또는 SI 기업에게 증명 자료를 요청하여 확인할 수 있다.

다음은 협동로봇의 설치 및 관련 설비가 안전기준의 요건을 충족하는지 확인해야 한다. 안전기준은 ISO 10 218-2와 ISO TS 15066이라는 국제표준을 따르며, 국제표준 문서에서는 주로 협동운전의 방식에 따른 요구사항, 안전기능과 방호장치의 사용, 로봇의 속도와 동작 제한, 안전거리의 설정과 같은 내용들을 다룬다.

마지막으로 안전조치의 이행 여부를 증명하기 위해서는 두 가지 방법 중 하나를 수행해야 한다. 먼저 인증기관을 통해 ‘협동로봇 설치 작업장 안전인증’을 취득하는 것이다. 관련 안전기준을 잘 이해하고 사업장에서 스스로 인증을 진행하는 것도 가능하지만, 협동로봇을 활용해본 경험이 없으면 전문성을 갖춘 SI 기업이나 전문기관의 도움을 받을 수 있다. 또 다른 방법으로는 안전보건공단에서 배포한 ‘산업용 로봇 협동운전 안전 가이드’를 활용하여 사업장에서 별도의 인증을 받지 않고 자체적인 안전관리를 이행하는 것이 가능하다.
 
협동로봇을 사용하고자 할 때에는 운전 방식 중 어떠한 방식으로 활용할 것인지 사전에 충분한 검토와 시뮬레이션이 필요하다.  가장 많은 오해 중 하나는 협동로봇이 기존 산업용 로봇과 대비하여 모든 측면에서 유용하고 효과적이라고 생각하는 것이다.

어떤 형태의 작업이냐에 따라서 협동로봇이 일반적인 산업용 로봇보다 오히려 비효율적일 수도 있기 때문에 협동로봇 활용을 통해 어떠한 이점을 취할 수 있을지 면밀한 검토가 필요하다. 예를 들면 로봇 주변에 사람의 접근이 필요하지 않고, 울타리를 설치하고 사용해도 될 정도로 공간적인 여유가 충분하다면 협동로봇을 사용해야 하는 이유가 없다.

협동로봇을 사용하기 위해서는 사용 방식 외에도 국내에서 적용되는 관련 법률과 규정, 제도 등에 대한 이해가 필요하다. 또 안전기준 적용에 대한 기술적 검토 역시 필요하기 때문에 일반적으로 제조사, SI 기업 또는 전문기관과 함께 검토하는 것이 효율적이다. 물론 충분한 경험과 기술이 있다면, 사업장 내에서 자체적으로 검토하는 것도 가능하다.

[참고 규격]
•KS B ISO 10218-1:2011(로봇 및 로봇 장치 - 산업용 로봇의 안전에 관한 요구사항 제1부 : 로봇)
•KS B ISO 10218-2:2012(로봇 및 로봇 장치 - 산업용 로봇의 안전에 관한 요구사항 제2부 : 로봇 시스템 및 통합)
•KS B ISO TS 15066:2016(로봇 및 로봇 장치 - 협동로봇)
•KS B ISO 13850(기계 안전 - 비상정지 기능 - 설계 원리)
•KS B ISO 13849-1(기계 안전 - 제어 시스템의 안전 관련 부품 - 설계의 일반 원칙)

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