기존의 산업용 로봇들이 적용되지 못했던 어플리케이션에 침투하고 있는 협동로봇은 이제 신기술이 아닌 어엿한 하나의 로봇시장으로서 자리매김하고 있다. 실제로 이와 관련해 다수의 로봇제조사들은 인간과 협동이 가능한 로봇을 개발하고 있으며, 세계 각국의 표준제정도 치열하게 진행되고 있다. 본지에서는 한국로봇산업진흥원에서 발표한 협동로봇 표준 관련 동향을 소개한다.
1. 개요
최근 산업용 로봇 분야에서 협동로봇(Collaborative Robot)이 큰 화두로 떠오르며 시장에 활기를 불어넣고 있다.
ISO국제표준의 정의에 따르면, 협동로봇은 인간과 로봇이 같은 공간에서 함께 작업하기 위한 협동 운용(Colaborative Operation) 조건을 충족하는 산업용 로봇을 의미한다.
이는 로봇과 로봇 간의 협조운용(Co-operation)과는 엄밀하게 구분되는 정의이다. 전통적 의미의 산업용 로봇은 사용자의 안전을 고려하기 위해 로봇이 작동하는 동안 로봇의 작업 영역에 인간이 접근하는 것을 다양한 수단으로 철저히 배제했다. 따라서 로봇이 높은 안전성을 담보하도록 설계하는 것에 대한 로봇 제조사들의 기술적 부담은 크지 않았다. 그보다는 사용자의 안전을 보장하기 위해 로봇이 안전하게 운용하기 위한 작업환경을 규정하고 국제안전규격을 준수하는 것에 초점을 두었다.
그러나 로봇에 사용되는 핵심부품 즉, 센서와 액추에이터 기술이 발전을 거듭하면서 인간과 같은 공간 안에서 작업을 수행하면서도 안전을 담보할 수 있는 협동작업형 산업용로봇(이하 협동로봇)의 등장에 이르게 되었다.
유럽은 상대적으로 ‘안전’에 대한 엄격한 기준과 함께 이와 관련된 고도의 기술력을 갖추고 있어 협동로봇의 개발과 이에 따른 국제안전규격 제정을 주도했다.
본문에서는 협동로봇 국제안전규격인 ISO/TS 15066에서 제시하는 안전요구조건과 이에 근거가 된 연구 결과들을 소개한다.
2. ISO/TS 15066(협동로봇 안전요구사항)
인간과 로봇이 작업공간을 공유하는 상황에서도 인간의 안전을 담보하기 위해서는 기존의 안전(또는 감지)기술을 뛰어넘는 기술과 안전요구조건을 필요로 하는데, 이러한 기술의 부족(또는 기술 적용의 경제적 부담 등)으로 인해 인간의 간헐적/지속적 개입을 필요로 하는 다양한 작업들을 로봇으로 자동화하려는 시도에 어려움이 있었다.
그러나 제품의 생산주기가 점점 짧아지고, 제조업 경쟁이 치열해짐에 따라 최근에는 인간과 로봇이 작업공간을 공유하는 인간-로봇 협동 작업이 생산성 향상을 위한 매우 효과적인 대안으로 선택되어지고 있다.
협동로봇의 활용은 로봇이 갖고 있는 장점(뛰어난 반복 정밀도, 힘, 지구력)과 사람이 갖고 있는 우수한 능력(다양한 정보 수집 능력, 인지/판단 능력, 비정형화된 작업 수행 능력 등)을 결합해 생산성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 산업용 로봇의 안전요구조건을 상세하게 규정하고 있는 ISO 10218-1, 2는 2011년도 개정판에서 협동 작업에 대한 안전요구조건을 새롭게 포함했다.
그러나 이 문서는 협동 작업용 로봇과 관련해 매우 기초적이고 개괄적인 안전요구 조건만을 포함하고 있어, 다양한 협동로봇의 활용에 적절히 대응하기에 부족한 부분이 많았다.
이러한 요구에 따라 협동로봇 제조사와 연구자, 로봇 사용자 등의 의견을 모아 협동로봇의 안전요구조건을 보다 상세히 규정하고자 국제표준 문서 ISO/TS 15066 : 협동로봇 안전요구조건(Robots and Robotic Devices -Collaborative Robots) 개발을 2011년부터 착수해 2016년 2월 제정을 완료했다.
이 표준문서는 ISO 10218-1:2011 및 10218-2:2011에 포함된 협동로봇 안전요구조건에 대한 보충 문서이며, 현재까지 확인된 산업용 협동로봇의 다양한 활용 상황에 대한 안전지침을 제공한다. 엄밀한 의미에서 이 문서는 공식적으로 ISO 10218-1, 2와 마찬가지로 산업용 로봇 시스템에만 적용되는 것을 목적으로 개발되고 있으나, 이 문서에서 제시하는 안전원칙이 산업용 로봇 이외의 다른 로봇(예를 들어 서비스로봇)의 영역에서도 준용될 수 있을 것으로 평가되고 있다.
이 표준에서는 협동로봇 시스템과 배치, 작업 환경작업공간 등의 포괄적 요구사항과 함께 로봇의 운동속도와 인간에게 작용하는 힘의 제약 등을 핵심 내용으로 포함하고 있다.
3. 협동 운전(Colaborative Operation)이란?
산업용 로봇의 국제안전규격인 ISO 10218-1의 5.10절에 따르면 협동 운전은 네 가지 작업으로 표준화되어 있으며, 그 중 한 가지 이상의 협동 작업 모드를 수행 가능한 로봇을 협동로봇으로 정의하고 있다.
이러한 정의에도 불구하고, 실제 시장에서 사용자가 생각하는 협동로봇은 5.10.5의 Power and Force Limiting 조건을 만족하는 제품을 의미한다. 즉 인간에게 가하는 생체역학적 물리량(접촉 힘, 압력)을 엄격히 제한해 실제 운용 간 인간과의 접촉 및 충돌 상황에서도 인간의 상해로부터 안전을 담보하는 로봇을 말한다.
ISO/TS 15066의 부속서는 이러한 제한 기준에 대해 상세히 설명하고 있으며 그 내용은 로봇산업과 안전의 대표적 선진국인 독일의 로봇 안전분야 연구결과들로부터 기인했다.
이러한 생체역학적 제한조건은 사실상 고등 기술을 보유한 일부 유럽국가에게 유리한 조건이며, 상대적으로 안전 분야의 연구 성과가 미진한 타 국가에게는 불리할 수밖에 없다. 실제 규격 제정 과정에서 이러한 부분에 치열한 논쟁이 있었으며, 여러 국가들의 연구결과를 기반으로 향후 개정에 적극 반영할 필요성이 있다.
1) 마인쯔 대학(Univ. of Mainz) :
유사-정적 접촉 상황에서의 신체부위별 통증 임계치 연구
독일 마인쯔 대학은 수 년 간 진행해 온 ‘유사-정적 접촉 상황에서 인간이 느끼는 신체부위별 통증 임계치연구’를 통해 신체부위별 통증 임계치를 도출했고, 이는 ISO/TS 15066에 반영됐다. 이 연구에서는 다양한 연령대, 성별, 직업군별로 매우 느린 상대속도로 로봇과 인간 사이의 접촉이 이뤄질 때 인간이 통증을 느끼기 시작하는 압력치를 신체부위 별로 측정하는 실험이 진행됐다.
안전요구조건을 다루고 있는 표준문서 ISO/TS 15066에서 상해임계치 대신 이처럼 통증임계치를 안전허용 기준값으로 인용하는 이유는, 통증을 유발하는 물리력과 경증 상해를 발생시키는 물리력 사이에는 일정한 여유 공간이 있지만, 경증 상해를 발생시키는 물리력 임계치에 대한 정확한 데이터가 없고, 이러한 데이터를 구하는 작업이 윤리적 문제를 비롯한 여러 현실적 제약으로 인해 어려운 상황에서, 통증임계치를 보수적인 상해발생임계치로 인정해 통증임계치를 넘지 않는 물리력이라면 상해도 발생시키지 않을 것이라는 가정을 기반으로 했기 때문이다.
마인쯔 대학에서는 의학적 판단에 따라 인체의 주요 통증 감지부 29곳을 선정하고, 이 부위에 매우 느린 속도로 움직이는 프로브를 접촉해, 서서히 압력을 증가시켜 피시험자가 통증을 느끼는 순간 프로브를 멈추는 시험을 수행했다. 이러한 시험을 다수의 시험군에 대해 수행하고, 그 결과를 통계화해, ‘유사정적 접촉(Quasi-static Contact)’에 대한 ‘생체역학적 한계값(Bio-mechanical Limit)’을 도출했다.
하지만 로봇과 인간 사이의 접촉은 유사-정적 조건으로 설명하기에는 훨씬 큰 상대속도로 발생하는 경우도 많다. 앞서 설명한 ‘유사-정적 조건에서의 통증임계치’가 이러한 과도적 접촉(Transient Contact) 상황에서도 그대로 적용되지는 않을 것이다. 이에 이 표준문서를 개발한 전문가 그룹에서는 로봇과 인간 사이에 무시할 수 없는 상대속도가 존재하는 상황을 가정하고 과도적 접촉에서의 통증 임계치를 정하기 위한 기초연구를 수행했다. 이 연구에서, 유사-정적 통증임계치와 등가의 에너지 전달량을 갖도록 하는 과도접촉 임계치를 결정하는 작업이 이루어졌다.
이러한 가정은 실험적으로 검증 되지는 않았지만, 현장의 사용자들에게 동적인 상황에 대응하기 위한 일종의 가이드라인 역할을 할 수 있을 것으로 해당 WG 전문가들은 동의한 상태이다. 이러한 가정에 의해 도출된 과도-접촉 상황에서의 통증임계치(안전임계치)도 고려했다.
이 과정에 사용된 정적통증임계치와 과도적 접촉에 의한 통증임계치 사이의 배수값(Multiplier)은 다양한 기존 연구논문의 자료로부터 인용됐다. 이 부속서의 내용과 관련해 가장 중요한 사항은, 부속서에 실린 임계값들이 제한된 실험결과 또는 연구결과라는 점과 함께 이 정보가 Normative규정이 아니라 Informative규정으로 제공되고 있다는 점이다.
Normative규정은 강제성을 갖는 Must의 의미로 해석되며, Informative규정은 강제성을 갖지 않는 권고의 의미로 해석된다. 이 부속서의 내용이 Informative로 결정된 이유는 유사-정적접촉과 관련된 연구 내용이 아직 세계적으로 검증되지 못했고, 과도-접촉과 관련된 내용은 아직 충분한 기초 실험이 진행되지 않은 상태이기 때문이다. 이러한 신뢰성 검증의 문제로 인해, 현재는 가이드라인 역할을 하는 Informative규정으로 문서에 포함되어 있다.
2) 경희대학교 :
인간-로봇 접촉조건에 따른 상해임계치 연구
우리나라는 인간의 통증과 상해의 관계를 규명하고 상해 기준을 설정하기 위한 물리적 임계치를 도출하고자 2014년부터 ‘인간-로봇 공존환경에 인간의 안전성 확보를 위한 이동식 및 착용식 로봇용 기초안전기술 개발’ 연구에 착수했으며, 경희대학교와 경희의료원의 연구팀이 공학과 의학을 접목한 상해임계치의 연구를 수행하고 있다.
본 연구는 인간의 피부와 가장 유사한 물성치를 갖는 미니피그를 대상으로 충돌시험용 임팩터를 통해 경증피부상해 조건을 정립해 나가고 있다.
연구진은 2015년 연구수행 결과, 충격체(Impactor)의 물리접촉으로 인해 발생할 수 있는 피부상해를 2가지 타입으로 규명했다.
Type1 ‘Open Injury’는 피부의 표면 손상에 의해 피부가 찢어지는 상해를 의미하며, Type2 ‘Closed Injury’는 피부 표면의 손상은 없으나 피하지방 하부의 진피층에 가해지는 손상을 의미한다.
현재 연구진은 실제 로봇에 사용되는 엔드이펙터의 형상을 고려해 Wedge Type, Sphere Type 등 다양한 형상의 임팩터를 설계했으며, 자체 개발한 시험 장치를 통해 인체 피부에 대한 충돌속도와 전달 물리력에 따른 상해 정도를 평가하고 있다.
연구진은 신체의 구속 조건에 따른 상해 정도를 비교하고 이러한 시험방법과 기준치를 국제표준에 반영하고자 지속적으로 연구를 수행 중에 있다.
4. 결론
ISO/TS 15066은 최근 급증하고 있는 협동로봇 시장의 수요에 대응하는 안전규격으로, 인간-로봇이 간헐적/지속적으로 접촉하는 다양한 상황에 대한 안전 기준을 제시하고 있다. 이 문서에서 제안하고 있는 생체역학적 임계치는 로봇 사용 중 발생할 수 있는 복잡 다양한 상황에서 극히 제한적인 조건만을 제시하고 있으며, 이 기준을 제품에 적용하기 위해서는 간단치 않은 노력이 필요한 상황이다. 이러한 안전기준의 접근은 협동로봇 뿐만 아니라 향후 서비스로봇 시장까지 확장될 것으로 예측된다.
현재 국내 기술수준은 해외 로봇 선도국가에 비해 열악한 실정이며 산업적 측면에서 매우 불리한 상황에 놓여 있는 것이 사실이다. 이미 협동로봇의 안전요구조건 표준을 실제 제품에 적용할 수 있는 능력의 보유 여부는 로봇 선도기업과 추종기업 간의 기술격차를 증명하는 기준으로 인식되기 시작했으며, 안전요구조건을 만족하는 협동형 로봇제품을 생산할 수 있는 능력이 없는 로봇기업에서는 향후 수년간 전개될 협동로봇 시장의 성장과정에서 상당한 불이익을 당할 수밖에 없는 심각한 상황이다.
이러한 상황을 극복하고, 다가올 스마트 산업 시대에 필수요소인 로봇산업을 견고하게 유지하기 위해서는 산학연관의 적극적인 노력과 대응이 필요한 시점이다.
* 참고자료
2015년 하반기 국내외 지능형로봇 표준화동향보고서(한국로봇산업진흥원, 2015)
한국로봇산업진흥원 www.kiria.org
