앞선 포스트에서 협동로봇은 산업용 로봇과 구조는 같지만 제어 방법이 다르며, 이로 인하여 충돌 등을 모션제어기가 감지할 수 있고, 이에 따라 멈추거나 순응하여 움직여 주는 동작을 수행하기 위한 힘을 계산하여 서보모터에 전송할 수 있다고 하였습니다. 그리고 이러한 점에 기반할 때, 충돌 등이 발생하였을 경우 그대로 움직이고자 하는 경로대로 밀고 가버리는 산업용 로봇 보다 더 안전하다고 볼 수 있기 때문에 사람과 같은 공간에서 배치하여 사용을 한다고 하였습니다. 그럼 여기서 협동로봇의 이러한 기능이 과연 안전하다고 볼 수 있는가에 대하여 논의를 해 보고자 합니다. 가장 먼저 “무엇을 협동 로봇이라고 정의하는가”에 대해 알아보고자 합니다. 사실 협동로봇에 대한 정의는 아직까지 그렇게 명확하게 정의가 되어있지 않습니다. 산업용 로봇에 대한 안전 규격을 다룬 국제 표준 ISO10218-1을 바탕으로 비교적 최근에 한국 산업 표준 규격인 KS B ISO 10218-1 이 제정되었습니다. 해당 표준은 산업용 로봇(협동로봇 포함)이 갖추어야 하는 안전에 다루고 있으며, 특히 협동로봇이 어떠한 기능을 갖추어야 하는지를 명시하고 있습니다. 이 부분에 대한 내용을 보면 아래와 같습니다. KS B ISO 10218-1에서 협동 로봇과 관련된 부분을 요약하면 아래와 같습니다.
3장 용어의 정의 3.4 협동 운전 (Collaborative Operation) 의도적으로 설계된 로봇이 정해진 작업영역 내에서 인간과 직접 협동하면서 작동하는 상태 3.5 협동 작업 영역 (Collaborative Workspace) 안전 영역 내의 작업 영역으로 생산작업동안 로봇과 인간이 동시에 작업할 수 있는 영역
5장 설계 요구사항 및 보호 수단 5.10 협동 운전 요구사항 (Collaborative Operation Requirement) 5.10.1 일반사항 협동운전용으로 설계된 로봇은 반드시 로봇이 협동운전 상태임을 표시할 수 있는 시각장치를 제공하여야 하며, 또한 5.10.2에서 5.10.5의 요구사항 중 하나 이상을 만족하여야 한다. 5.10.2 안전 정격 감지 사람이 협동 작업영역 내 있으면 로봇이 정지하는 기능 5.10.3 핸드가이딩 (직접 교시, 핸드 티칭) 핸드가이딩 장치가 제공되는 경우에 비상정지 및 동작 허가 장치를 구비할 것 5.10.4 속도 및 위치 감시 로봇이 지정된 속도와 운전자와의 이격 거리를 유지하고 실패한 경우 보호 정지가 발생할 것 5.10.5 설계 또는 제어에 의한 파워 및 힘 제한 로봇의 동력 혹은 힘이 특정 변수를 초과할 경우 보호 정지가 발생할 것
사실 KS B ISO 10218-1 에는 “이러한 것이 바로 협동로봇이다” 라고 규정하고 있지 않습니다. 다만, “협동 운전” 이라는 행위를 정의하고 있으며, 산업용 로봇이 “협동 운전” 모드로 작동할 경우 구비되야 하는 기능 몇 가지를 정의하고 있습니다. 즉, 위 정의에 따르면 일반적 산업용 로봇이 1). 사람이 작업 영역에 들어오는 것을 감지하고나, 2). 사람과 이격 거리 유지에 실패하거나, 3). 동력이 특정 변수를 초과할 경우 정지하는 기능 중 1개만 만족을 하면 “협동 운전”에 사용할 수 있다고 볼 수 있습니다. 그리고 “협동 운전”에 사용할 수 있는 산업용 로봇을 “협동 로봇” 이라고 부를 수 있겠죠. 우리가 아는 대부분의 협동 로봇은 보통 위 규정 중 “5.10.5 설계 또는 제어에 의한 파워 및 힘 제한” 기능에 의하여 협동 운전을 위한 기능을 구현합니다. 대표적인 예로 세계적인 협동 로봇 제조 회사인 덴마크 Universal Robot 사의 제품이 이렇게 작동합니다. 이는 앞선 포스팅에서 설명한 것처럼 제어기가 서보모터에 “힘” 명령을 보내며, 로봇이 사람과 충돌할 경우 충돌을 감지하고 힘(혹은 동력)을 제한하도록 명령을 보낼 수 있기 때문에 가능한 것입니다. 그럼 여기서 “로봇이 사람과 충돌할 경우 충돌을 감지” 이 부분을 조금 더 자세히 살펴보겠습니다. 현존하는 대부분의 협동 로봇은 “충돌”이라는 이벤트를 감지하며 “충돌” 이벤트를 감지할 경우 “멈춤” 등의 행위를 해서 사용자를 보호합니다. 즉, “충돌” 하지 않으면 멈추지 않습니다. 어찌 보면 당연하다고 볼 수도 있지만, 충돌을 해야만 멈춘다는 것은 문제가 있습니다. 충돌한 시점에서는 이미 충돌에 의한 충격이 발생하기 때문입니다. 이것은 자동차가 빠르게 달리다 사람을 발견하고 브레이크를 밟기 시작한 시점에서 충돌하는 것과는 다릅니다. 현존하는 대부분의 협동 로봇은 카메라와 같은 추가적인 센서의 도움을 받지 않는 이상 자신이 이동중인 경로에서 자신이 특정 물체와 충돌할 것이라는 것을 예측할 수 없습니다. 즉, 물체를 충돌 이전에 인지하고 브레이크 등에 의한 감속을 하지 못하고 운동중인 속도 그대로 충돌을 할 수밖에 없는 것입니다. 기본적인 물리적 지식을 보았을 때 충격량(p) =질량(m) x 속도(v) 즉, 무거운 로봇이 빠르게 움직이고 있을수록 사람이 받는 충격은 클 수밖에 없습니다. 사람이 받는 충격은 얼마나 무거운 로봇이 얼마나 빠른 속도로 작동하고 있는가에 따라 달라지게 되겠죠. 즉, 아무리 “협동 운전”을 위한 기능을 갖춘 “협동 로봇” 이라 하더라도, 로봇의 무게와 로봇이 움직이는 속도에 따라서 사람에게 다른 충격을 전달할 수 있다는 말이 됩니다. 이러한 이유로 인하여 KS B ISO 10218-1의 협동 운전 요구사항에는 협동 운전을 위한 기능 외 “협동 운전 설계를 위해 KS B ISO 10218-2 가 사용되어야 한다” 라는 용어가 추가적으로 붙습니다. KS B ISO 10218-2는 산업용 로봇 시스템의 설치에 대한 안전 기준으로 로봇이 운전 중 사람에 충돌했을 경우 전달되는 충격이 사람에게 얼마만큼 위험한가를 규정하는 내용이 있습니다. 그리고 이는 곧 “협동 운전”시 안전을 위한 안전 펜스 등의 장치를 구비해야 하는가 하지 않아도 되는가에 대한 규정을 의미하기도 합니다. 즉, “협동 운전”을 위한 기능을 로봇이 가지고 있다 하더라도, 사람에게 전달되는 충격은 로봇의 무게와 로봇의 작동 속도에 따라 다르기 때문에, 로봇이 작동하는 동작을 포함한 전체적인 산업용 로봇 시스템의 관점에서 해당 시스템이 얼마나 안전한지를 규정하는 표준이라고 볼 수 있습니다. 협동로봇을 사용하는 가장 큰 이유 중 하나는 안전 펜스를 설치하지 않고 로봇을 사용한다는 것인데, 사실 “협동 운전”을 위한 기능을 확인하는 것이 아닌 “협동 운전 설계”에 대한 평가를 받아야 하는 것입니다. 저희가 전시회에 나갈 때 가장 많이 듣는 질문 중 하나가 “민트로봇의 로봇은 협동로봇인가요” 라는 질문입니다. KS B ISO 10218-1에 의거하여 민트로봇의 로봇은 “협동 운전”을 위한 충돌 감지 후 정지 등의 기능을 갖추고 있으므로 협동 로봇이라고 부를 수 있습니다. 하지만, 해당 질문은 사실 “우리는 펜스를 치지 않고 로봇을 사용하고 싶은데, 민트로봇의 로봇은 펜스를 치지 않고 사용이 가능한가요?” 를 의미하는 경우가 많습니다. 해당 질문에 대한 답은 로봇의 기능이 아닌 로봇이 움직이는 속도를 포함하는 시스템에 따라 달려있으므로 케이스 바이 케이스에 따라 다르다고 할 수 있습니다.
문제는 그 케이스 바이 케이스에 따라 펜스를 쳐야 하는지 안쳐야 하는지에 대한 심사가 아직 명확하게 정립이 되어있지 않다고 볼 수 있으며, 환경에 따라 매우 달라질 수 있다는 것입니다. 극단적인 예로 충돌 감지 후 정지 기능이 있는 협동 로봇을 매우 느린 속도로 작동하도록 시스템을 구축한 뒤 KS B ISO 10218-2에 의하여 협동 운전 설계에 의한 안전성 평가를 받으면 펜스를 치지 않아도 평가가 나올 수 있습니다. 하지만, 모종의 이유, 예를 들어 생산속도를 올리기 위하여 로봇의 속도를 증가시킬 경우 시스템이 변했다고 볼 수 있기 때문에 엄밀하게 말하면 안정성 평가를 다시 받아야 하며, 증가한 속도에 따라 펜스를 쳐야 하는 상황이 올 수도 있는 것입니다. 이러한 이유로 사실 대부분의 협동 로봇은 제조 라인과 같은 생산 라인에 적용되기가 쉽지 않습니다. 적용이 된다 하더라도 대부분 안전 펜스를 치고 사용이 됩니다. 하지만, 협동 로봇을 안전 펜스를 치고 사용할 경우 안전 펜스를 치지 않고도 사용이 가능하다는 이점이 매우 떨어지기 때문에 굳이 협동로봇을 사용해야 하는 이유가 없어지게 됩니다. 그리고 이러한 이유로 인하여 현재 많은 협동 로봇들은 생산라인 보다는 바리스타 로봇과 같이 굳이 빠르게 움직이지 않아도 되는 작업에 사용되고 있는 것이 현실입니다. 산업용 로봇 시장 통계를 볼 때 산업용 로봇의 대부분이 제조 자동화 생산을 위한 수요인점을 감안하면, 현재 이를 위한 협동로봇에 대한 수요는 매우 적다고 볼 수 있습니다. 지난 수년간 협동로봇의 시장이 폭발적으로 성장할 것이라며 선전을 하던 상황과는 사실 많이 다른 상황이 벌어지고 있는 것입니다. 물론 해당 예측이 협동 로봇이 제조를 위한 목적으로만 사용이 된다는 시나리오를 가정한 것은 아니지만, 어찌되었건 통계적으로 현재 산업용 로봇의 대부분의 수요는 제조용 로봇에서 나오고 있는 것이 사실이니까요. 다음 포스트에서는 그렇다면 협동 로봇이 왜 제조 라인과 같은 생산작업에 사용되기 어려운가에 대하여 보다 자세히 설명을 하도록 하겠습니다. - 간단요약 - 1. 충돌 감지 후 정지 방식의 협동 로봇은 안전하지 않다 2. 협동 로봇을 사용해도 안전 펜스를 설치해야 할 수 있다
2019.11.12