로봇과의 협업에서 가장 중요한 요소는 바로 사람의 안전이다. 로봇에 카메라나 촉각 센서와 같은 감지장치를 탑재해 사람이 움직이는 곳을 인지하고, 사람에게 너무 가깝게 접근하지 않아야 하는 것이 기본으로, 이를 통해 충돌 위험이 거의 없는 로봇과 함께 작업하는 지원하는 안전한 작업장을 만들 수 있다. 

협동 로봇의 확산에 발맞춰 IFA^{Institut fur Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung}에서는 협동 로봇 안전에 대한 다양한 신기술을 테스트하고 평가를 진행하고 있다. 

예를 들어 PMD^{Photonic Mixer Device} 3D 카메라에 기반한 로봇을 위한 동적 안전 지대 파일럿을 구현하여 여러 사람을 탐지하고 추적할 수 있는지를 살폈으며, 추가적으로 초음파 센서를 포함하는 솔루션에 대해서도 연구했다. 

또 바이에른리서치재단이 자금을 지원하는 EsIMiP 프로젝트를 통해 로봇에 초음파 센서를 부착해 안전을 강화할 수 있는 방안도 평가했다. 이 개념은 자동차 범퍼에 초음파 센서를 부착해 보다 안전하고, 편안한 주차를 지원하는 개념과 유사하게 다수의 초음파 센서를 로봇에 부착해 위험한 접근 움직임을 모니터링하여 안전을 보장하는 방법이다. 로봇 외부를 살피는 초음파 센서를 마치 갑옷처럼 로봇에 입혀 주변의 움직임을 감지하고, 위험한 움직임이 발견될 경우, 로봇의 속도를 감소시켜 작업자를 안전하게 보호하게 된다. 

의료 및 생체역학적 요구 반영
이 외에도 IFA는 카메라 시스템의 안전성을 연구·테스트하여 안전성을 인증하며, 진행중인 표준화 활동(IEC 61496-4)에도 참여하고 있다. 이러한 활동 중 하나가 협동로봇 작업장에서의 생체 역학 및 요구 사항을 개발한 프로젝트이다. 이 프로젝트를 통해 표준의 요구 사항을 보완하고, 안전 요구를 상세히 설명한 BG/BGIA 권장 사항(현재 Recommendations for Hazard Identification of the Accident Insurers, EGU)을 발표한 바 있으며, ISO 10218-2를 보완하는 기술 규격 TS 15066과 이 권장 사항을 기반으로 독일 국가 표준 DGUV 정보 출판물^{DGUV Information}의 초안을 마련하기도 했다. 

이 프로젝트는 로봇과 인간 사이의 충돌 위험은 인간-로봇 협업과 관련된 프로세스에서 배제 할 수 없다는 전제에서 출발하며, 충돌 시 사람이 생체 역학적인 변형이 발생할 정도의 영향을 제한하는 것에 목표를 뒀다. 

협동 로봇과 관련된 특정 작업의 위험 평가로 식별되는 충돌 위험에 따라, 통증 역치(통각감에서 통증으로 전환) 또는 부상 시작점(부종, 경미한 혈종)은 스트레인의 심각도를 정의하는 데 도움이 되는 수치로, 신체에 가해지는 변형의 허용 심각도는 관련 변형률 기준의 한계 값으로 나타낼 수 있다.

이를 기반으로 충격력, 클램프/핀치 힘, 압력/표면압력 등의 변형률 기준에 대한 예비 가이드 라인 제한 값이 정의됐으며, 이를 위해 IFA는 외적 기계적 스트레스에 의한 부상에 대한 데이터를 문헌 및 데이터베이스를 통해 조사했다. 이 결과물이 마인츠의 DGUV 프로젝트 FP 317의 인간 통증 역치 맵으로, 요하네스구텐베르크대학교^{Johannes Gutenberg University} 의과대학과 협력하여 힘과 압력 한계를 산출했다. 이 연구 결과는 협동 로봇 및 기술 규격 TS 15066의 초안과 DGUV 정보 간행물, 협동 로봇 작업장 설계를 위한 BG/BGIA 권장 사항에 수록되어 있으며, 기업에서 수행되는 위험 평가 중 안전 요구 사항의 적용에 대한 포괄적인 지원을 제공한다.

안전 요구 사항과 문서에 포함된 의료 및 생체 역학 요구 사항을 기반으로 협동 로봇과 관련된 작업장에서 충돌로 인한 사람에게 발생할 수 있는 기계적 스트레스가 허용 가능한 가능한 수준을 초과하지 않도록 설정 및 테스트할 수 있다. 이를 통해 작업자의 산업 안전을 보장할 수 있다.

인체 공학적 설계
산업용 협동 로봇에 대한 국제 표준과 DGUV 및 IFA 관련 권장 사항에서는 로봇 작업장에 대한 일반적인 인체 공학적 안전 목표를 제시하고 있다. 예를 들면, 작업자의 주의와 사고 과정이 협동 로봇에 의해 손상되거나 방해되어서는 안 된다.

그렇지만, 현재까지 이러한 목표와 유사한 목표를 달성 할 수 있는 방법에 대한 정확한 사항을 제공할 수는 없었다. 이에 바이에른리서치 재단의 후원으로 진행된 공동 프로젝트(ESiMiP)에서는 이러한 목표를 달성하는 데 있어 인간-로봇 협업의 설계가 어떤 도움을 줄 수 있는가를 검토했다. 

기존 문헌을 참조해 우선 로봇과 함께 작업하는 사람들의 수행과 복지에 영향을 줄 가능성이있는 인간-로봇 협업 설계의 기본 변형을 먼저 확인했다. 이러한 변형은 다음과 같다.

● 인간과 로봇 사이의 거리
● 로봇의 속도
● 로봇의 움직임 궤적
● 공구 중심점 접근각(로봇 공구 위치)
● 로봇의 가속
● 로봇의 크기
● 사람에 대한 로봇의 위치 지정
● 로봇의 매력
● 사람과 로봇 간의 정보 교환

이를 바탕으로, 가상 현실에서 실험자에 대한 실험적 시뮬레이션 연구를 수행하여 설계에서 선택된 변형이 어떻게 인간 정보 처리의 프로세스에 영향을 미치는지, 그리고 인간의 행동 및 성능에 어떻게 영향을 미치는지 조사했다.

IFA의 SUTAVE 실험실에서 진행된 시뮬레이션에서는 로봇과의 거리가 좁아지고, 로봇 속도가 빨라지며, 예측할 수 없는 궤적이 시험자의 스트레인, 성능 및 복지에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 협동 로봇이 활동하는 작업장의 안전과 밀접한 관련을 지닌다. 긴장이 증가하면 사람의 실수 가능성이 높아지며, 사고의 잠재적 원인이 증가하기 때문이다. 

특정한 조건에서, 인간과 로봇이 사용되는 작업장에서 협동 로봇 사이에 충돌이 일어날 수 있으며, 위험성 평가 과정에서 임계 충돌에서 발생하는 스트레스는 기계적 특성에서 인체를 닮은 도구를 사용하여 결정해야 한다. 기존 표준 문서에 대해 허용 변형률 수준을 시험하려면 최대 충돌력 및 충돌면에서 발생하는 국지 최대 압력의 측정, 분석 및 평가가 필요하다. 이 두 가지 변형 기준은 동적 충돌 효과와 유사 정적인 충돌 효과 모두에 대해 결정되고 검토되어야 한다.

협동 로봇 환경에서 위험 평가 및 측정을 위해 IFA는 인체의 기계적 특성에 충실한 힘/압력 측정 시스템인 KDMG-KOLROBOT을 개발했다. 이 시스템은 산업 위험 평가에 적합하도록 설계된 것이다. 

계측기는 영향을 받을 수 있는 신체 관련 부분의 변형성을 시뮬레이션하는 2단계 압축 방식을 사용한다. 신체의 변형성은 차체 모델의 모든 개별 영역에 대한 변형 가능한 플라스틱 판과 스프링에 의해 관련 표준 문서에 따라 고려됐으며, 충돌 사건의 경우 영향을 받는 신체 부위의 강성은 계측기에 의해 시뮬레이션되어 외부 총 힘과 충돌 평면의 압력 분포를 측정한다. 힘은 일체형 센서를 사용해 측정한다(그림 5 참조). 압력 분배 측정에 다양한 센서 시스템을 사용(그림 6 참조)할 수 있으며, 측정 및 분석 시스템은 특수 개발된 소프트웨어를 통해 PC에서 제어된다.

충돌 측정을 위해 계측기는 단단한 정지장치에 고정되어 있으며, 실제 충돌에서 인체의 관성 작용은 댐핑 효과를 가질 수 있으므로 측정 신호를 조정하여 스트레인 상태의 신체 지점과 신체 자세를 고려할 수 있다. 이 목적에 필요한 조정 기능은 시험 대상 그룹에 대해 수행된 연구에 의해 결정된다. 또한 측정 신호는 충돌 속도를 고려하여 조정된다.

KDMG-KOLROBOT 측정 및 분석 장비는 설계·측정·분석의 기본 원칙으로 인체의 여러 부위의 관련 기계적 특성을 고려하며, 이러한 생체 적합도와 측정 시스템 및 분석 방법의 사양 매개 변수를 통해 높은 정확성, 재현성 및 유용성을 갖춘 표준 측정 방법을 구성한다. 따라서 이 계측기는 적절한 시험 방법에 대한 표준 요구 사항을 충족하며, 생체역학적 요구 사항을 테스트하는 데 사용할 수 있다.

오현식 기자 다른기사 보기