협동로봇이 인간 작업자와 작업 공간을 공유할 때, 안전을 올바르게 설정하는 것보다 더 높은 위험이 따를 수 없습니다. 울타리 뒤에 갇힌 기존 산업용 로봇과 달리, 협동로봇(cobot)은 개방된 공간에서 작동하며 — 작업대를 넘어 손을 뻗고, 부품을 전달하며, 공유 복도를 이동합니다. 이 새로운 현실을 관리하는 표준은 ISO/TS 15066으로, 인간-로봇 협업을 위한 정확한 안전 요구사항을 정의하는 최초의 국제 기술 사양이며, 널리 채택된 힘 및 동력 제한(Power-and-Force-Limiting, PFL) 모드를 포함합니다.

산업 자동화에 투자하는 엔지니어, 안전 관리자, 운영 책임자에게 ISO/TS 15066은 단순한 규정 준수 체크리스트가 아닙니다. 이는 로봇이 얼마나 빠르게 움직일 수 있는지, 얼마나 많은 힘이 가해질 수 있는지, 그리고 사람이 경로에 들어선 순간 무슨 일이 일어나는지를 결정하는 실용적인 엔지니어링 프레임워크입니다. 이러한 매개변수를 올바르게 설정하는 것이 진정으로 안전한 협동 시스템과 서류상으로만 안전해 보이는 시스템을 구분합니다.

이 글은 ISO/TS 15066이 실제로 요구하는 것, 힘 및 동력 제한이 기술적이고 운영적 수준에서 어떻게 작동하는지, 생체역학적 임계값이 실제 공장 환경에서 무엇을 의미하는지, 그리고 이러한 원칙이 로봇 팔을 넘어 자율 이동 로봇(AMR)과 스마트 물류 자동화의 더 넓은 세계로 어떻게 확장되는지 설명합니다.

ISO/TS 15066이란 무엇이며 왜 중요한가?

국제표준화기구(ISO)에서 발행한 ISO/TS 15066은 기본 로봇 안전 표준 ISO 10218을 보완하는 기술 사양입니다. ISO 10218이 산업용 로봇의 일반적인 설계 및 안전 장치를 다루는 반면, ISO/TS 15066은 특히 인간과 로봇이 물리적 장벽 없이 동시에 동일한 작업 공간을 의도적으로 공유하는 협동로봇 시스템을 다룹니다.

이 사양이 중요한 근본적인 이유는 한 가지입니다: 기존 로봇 안전은 분리에 의존했습니다. 인간을 밖에 두면 로봇이 그들을 다치게 할 염려가 없습니다. 협동 로보틱스는 그 물리적 분리를 제거하므로, 안전은 로봇의 행동, 속도, 힘 출력, 상황 인식에 직접 엔지니어링되어야 합니다. ISO/TS 15066은 이 엔지니어링을 추측이 아닌 엄격한 것으로 만드는 기술적 언어와 측정 기준을 제공합니다.

ISO/TS 15066 준수는 또한 점점 상업적 요구사항이 되고 있습니다. 많은 대형 제조업체, 자동차 OEM, 물류 운영업체들이 이제 협동 자동화를 조달할 때 ISO/TS 15066 준수를 명시하고 있습니다. 따라서 이 표준을 이해하는 것은 단순한 안전 의무가 아닌 공유 작업 공간에 협동로봇을 배포하는 모든 조직의 비즈니스 전제조건입니다.

4가지 협동 작업 유형

ISO/TS 15066은 네 가지 명확한 협동 작업 모드를 정의하며, 대부분의 협동로봇 배포가 단일 접근 방식이 아닌 이러한 모드의 조합을 사용한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 각 모드는 작업 공간 설계와 위험 평가에 대해 다른 함의를 가집니다.

• 안전 등급 모니터링 정지(SRMS): 사람이 협동 작업 공간에 들어갈 때마다 로봇이 일시 정지하고 인간이 떠난 후에만 재개합니다. 이는 가장 제한적인 모드이며 대부분 자동화된 셀에 대한 간헐적인 인간 접근이 필요한 작업에 자주 사용됩니다.
• 핸드 가이딩: 인간 작업자가 작업을 통해 로봇의 엔드 이펙터를 직접 유도하며, 로봇은 힘 피드백을 제공하고 작업자의 인도를 따릅니다. 이 모드는 교육 또는 설정 시나리오에서 일반적입니다.
• 속도 및 거리 모니터링(SSM): 로봇은 실시간으로 자신과 감지된 인간 사이의 거리를 모니터링하며, 인간이 접근함에 따라 속도를 줄이고 최소 보호 거리가 위반되면 정지합니다. 이는 레이저 스캐너나 비전 시스템과 같은 신뢰할 수 있는 존재 감지 기술이 필요합니다.
• 힘 및 동력 제한(PFL): 로봇은 의도적이든 우발적이든 인간과의 모든 접촉이 부상을 일으키지 않도록 설계되고 구성됩니다. 이는 현재 가장 널리 구현된 협동 모드이며 ISO/TS 15066의 생체역학적 데이터의 주요 초점입니다.

많은 실제 배포에서 SSM과 PFL은 함께 사용됩니다: SSM 하에서 사람이 접근하면 로봇이 속도를 줄이고, 접촉이 실제로 발생하면 PFL은 힘이 안전 한계 내에 있도록 보장합니다. 어떤 모드가 작업의 어떤 단계에 적용되는지 이해하는 것이 위험 평가 프로세스의 핵심 부분입니다.

힘 및 동력 제한(Power-and-Force-Limiting) 설명

힘 및 동력 제한은 기술 사양만큼이나 설계 철학입니다. PFL의 핵심은 로봇의 기계적 설계, 제어 시스템, 운영 매개변수가 인간 몸과의 충돌 중에 생성되는 힘이 부상을 일으키는 수준 미만으로 유지되도록 구성된다는 것입니다. 이는 고유하게 유연한 기계적 설계, 각 관절의 토크 감지, 실시간 힘 모니터링, 또는 이 모든 것의 조합을 통해 달성할 수 있습니다.

현대의 PFL 협동로봇은 작동 중 모든 관절에서 힘과 토크를 지속적으로 측정합니다. 측정된 값이 사전 설정된 임계값에 도달하거나 초과하면 제어 시스템은 즉시 모터 토크를 줄이거나 로봇을 정지시킵니다. 응답 시간은 일반적으로 밀리초 범위이며, 이는 조직 손상이 발생하기 전에 일시적 접촉 사건에서 전달되는 에너지를 제한하기에 충분히 빠릅니다.

PFL이 다루는 것과 다루지 않는 것을 인식하는 것이 중요합니다. PFL은 일시적 접촉을 처리하도록 설계되었습니다 — 인간과 로봇이 잠시 접촉했다가 분리되는 짧고 우발적인 충돌. 인간이 로봇과 고정 표면 사이에 갇히는 시나리오, 즉 준정적 접촉으로 알려진 상황에서 로봇을 안전하게 만드는 것은 설계되지 않았습니다. 준정적 상황에서 로봇은 사지가 벗어날 경로가 없어 인간에게 계속 누르고, 낮은 힘 설정에서도 압력이 유해한 수준으로 축적될 수 있습니다. 준정적 접촉 위험을 식별하고 완화하는 것이 PFL 위험 평가의 가장 중요한 — 그리고 가장 자주 과소평가되는 — 부분 중 하나입니다.

생체역학적 임계값: 안전한 접촉 뒤에 있는 숫자들

ISO/TS 15066의 가장 기술적으로 상세한 기여는 다양한 신체 부위에 대한 생체역학적 한계 값을 제공하는 부록 A입니다. 이러한 값은 각 신체 부위가 일시적 및 준정적 접촉 중에 부상 없이 견딜 수 있는 최대 허용 힘과 압력을 정의합니다. 이 데이터는 다양한 신체 부위에 대한 통증 임계값, 조직 강성, 부상 발생에 대한 광범위한 생체역학적 연구에서 파생되었습니다.

이 사양은 29개 신체 부위를 식별하고 각각에 대해 힘(뉴턴)과 압력(N/cm²)에 대한 값을 제공합니다. 이러한 임계값의 범위를 설명하면:

• 두개골과 이마는 근육 아래 뼈가 상당한 보호를 제공하기 때문에 허용 힘 값이 가장 높은 내성 지역 중 하나입니다.
• 손과 손가락은 준정적 접촉에 대해 상대적으로 낮은 임계값을 가지며, 손의 미세 구조가 압축 부상에 취약하기 때문입니다.
• 가슴과 복부는 일시적 접촉에 대해 중간 정도의 임계값을 가지지만 내부 압축 위험으로 인해 준정적 시나리오에 대해서는 더 낮은 한계를 가집니다.

실제로 시스템 통합자는 이러한 값을 사용하여 각 로봇 관절의 힘 및 토크 한계를 설정하며, 엔드 이펙터의 형상, 운반 중인 페이로드, 로봇이 따르는 특정 동작 경로를 고려합니다. 날카롭거나 딱딱한 도구를 운반하는 로봇은 부드럽게 패딩된 그리퍼를 운반하는 로봇과 매우 다른 유효 접촉 압력을 가지며 — 위험 평가는 이를 고려해야 합니다. 따라서 적절한 엔드 이펙터와 도구를 선택하는 것은 단순한 성능 결정이 아닌 ISO/TS 15066 하에서 직접적인 안전 공학 결정입니다.

ISO/TS 15066 하의 위험 평가

ISO/TS 15066은 ISO 12100과 ISO 10218-2의 일반적인 위험 평가 요구사항을 대체하지 않습니다; 이는 그것들을 기반으로 합니다. 협동로봇 애플리케이션의 위험 평가 프로세스는 모든 그럴듯한 인간-로봇 접촉 시나리오를 식별하고, 각 접촉을 일시적 또는 준정적으로 분류하고, 위험에 처한 신체 부위를 식별하며, 로봇의 운영 매개변수가 해당 부위에 대한 부록 A 한계 내에서 힘과 압력을 유지하는지 검증해야 합니다.

PFL 배포를 위한 구조화된 위험 평가는 일반적으로 다음과 같은 핵심 단계를 따릅니다:

1. 협동 작업 공간 정의 – 모든 접근 경로와 작업 위치를 포함하여 로봇과 인간이 동시에 작동할 정확한 위치를 매핑합니다.
2. 접촉 시나리오 식별 – 의도적인 상호작용과 모든 방향에서의 우발적 충돌을 포함하여 움직이는 로봇과 인간이 접촉할 수 있는 모든 방법을 나열합니다.
3. 접촉 유형 분류 – 각 시나리오가 일시적 또는 준정적 접촉을 초래하는지 결정하며, 고정 표면, 고정물, 또는 기타 장비 근처의 끼임 지점에 특히 주의를 기울입니다.
4. 위험에 처한 신체 부위 매핑 – 각 접촉 시나리오에 대해 접촉 구역에 실제로 있는 신체 부위를 식별합니다.
5. 힘 및 압력 한계 검증 – 측정 도구(힘 측정판, 압력 감응 매트, 또는 검증된 시뮬레이션)를 사용하여 로봇의 실제 접촉 힘과 압력이 식별된 신체 부위에 대한 ISO/TS 15066 부록 A 값 내에 있는지 확인합니다.
6. 문서화 및 검증 – 모든 발견 사항, 매개변수 설정, 검증 측정을 애플리케이션이 변경될 때 감사 및 재평가를 지원하는 형식으로 기록합니다.

경험이 풍부한 안전 엔지니어들이 강조하는 한 가지 중요한 점: 위험 평가는 애플리케이션이 변경될 때마다 반복되어야 합니다. 특정 속도와 페이로드 구성에서 안전한 것으로 검증된 로봇은 도구가 교체되거나, 페이로드가 증가하거나, 작업 공간 레이아웃이 변경되면 자동으로 안전한 것은 아닙니다. ISO/TS 15066 준수는 일회성 인증이 아닌 지속적인 프로세스입니다.

실제 산업 환경에서의 힘 및 동력 제한

PFL의 이론을 이해하는 것은 한 가지이며; 바쁜 생산 환경에 효과적으로 배포하는 것은 또 다른 일입니다. 실제 시설에서 힘 및 동력 제한을 구현할 때 몇 가지 실제적인 과제가 지속적으로 발생합니다.

속도 대 안전의 상충이 가장 일반적인 운영적 마찰 지점입니다. PFL은 본질적으로 로봇이 비협동 시스템이 달성할 수 있는 것보다 낮은 속도와 힘 수준에서 작동하도록 요구합니다. 생산 엔지니어는 사이클 타임 목표를 충족하기 위해 로봇 속도를 높이려고 자주 밀어붙이지만, 더 높은 속도는 충돌 사건에서 더 높은 접촉 힘을 의미합니다. 모든 속도 증가는 생체역학적 한계에 대해 검증되어야 하며, 힘 감지가 아무리 좋더라도 로봇이 단순히 협동 작업을 할 수 없는 상한이 있습니다.

도구 및 엔드 이펙터 설계는 자주 과소평가됩니다. 유연한 그리퍼로 모든 힘 한계 테스트를 통과한 로봇 팔이 딱딱한 금속 고정물이나 뾰족한 구성요소가 장착되면 위험한 압력 집중을 생성할 수 있습니다. 통합자는 피크 힘뿐 아니라 실제 접촉 표면의 형상을 평가해야 합니다. 왜냐하면 압력(단위 면적당 힘)이 부상 위험을 결정하기 때문입니다. 둥근 모서리, 패딩된 표면, 큰 접촉 면적은 모두 유효 압력을 줄이고 안전 여유를 개선합니다.

작업자 수용과 행동 변화는 어떤 기술 표준도 완전히 다루지 않는 인간 공학적 과제입니다. 기존의 울타리 로봇에 익숙한 작업자들은 협동로봇 주변에서 지나치게 조심스러워(생산성 저하) 하거나, 반대로 지나치게 친숙해(안전 여유를 해치는 위험을 감수) 할 수 있습니다. 교육, 명확한 시각적 신호, 그리고 잘 설계된 협동 작업 공간 경계는 기술적 안전 장치와 함께 의도된 안전 문화를 유지하는 데 모두 기여합니다.

AMR 안전이 협동로봇 표준과 어떻게 연결되는가

ISO/TS 15066은 특히 고정 또는 준고정 협동 로봇 팔을 다루지만, 그것이 구현하는 안전 원칙 — 특히 접촉 힘 제한, 지속적인 환경 감지, 구조화된 위험 평가에 대한 강조 —은 공유 인간 공간에서 작동하는 자율 이동 로봇(AMR)에 직접적으로 관련됩니다. 공장 바닥과 물류 창고를 통해 작업자와 함께 이동하는 모바일 로봇은 고정 작업대에 있는 협동로봇만큼 기본적인 충돌 회피 및 힘 제한 과제에 직면해 있습니다.

리만의 자율 이동 로봇은 공유 인간 환경을 염두에 두고 설계되었습니다. 빅 독 배달 로봇 및 플라이 보트 배달 로봇 등의 플랫폼은 레이저 내비게이션과 SLAM 매핑을 사용하여 주변 환경에 대한 실시간 인식을 유지하며, ISO/TS 15066에 설명된 속도 및 거리 모니터링 원칙을 반영하는 자율 장애물 회피를 가능하게 합니다. 근본적인 목표는 동일합니다: 로봇이 구조화되지 않은 환경에서 인간과 공존할 수 있도록 하면서 부상 위험을 생성하지 않도록 보장하는 것입니다.

모바일 자율성에 보다 모듈식 접근 방식을 찾는 운영을 위해, 리만의 로봇 섀시 플랫폼 — 빅 독 로봇 섀시, 플라이 보트 로봇 섀시, 및 문 나이트 로봇 섀시를 포함하여 — 협동 및 안전 인식 자동화 애플리케이션을 구축할 수 있는 기초 이동성 레이어를 제공합니다. 전체 모바일 섀시 플랫폼 범위는 내장된 안전 지향 내비게이션으로 산업별 배포를 지원하도록 설계되었습니다.

보행자와 공통 통로를 공유하는 자율 지게차가 있는 물류 환경에서, 힘 제한 및 감지 원칙은 훨씬 더 큰 질량과 에너지를 고려할 때 더욱 중요해집니다. 리만의 자율 지게차 라인업 — 아이언하이드 자율 지게차, 스택맨 1200, 및 라이노세러스 자율 지게차를 포함하여 — 다층 안전 감지를 통합하여 차량 운영 구역 내 인간 존재를 감지하고 대응하며, 협동 로봇 팔에 대해 ISO/TS 15066이 설정한 것과 동일한 철학적 프레임워크를 적용합니다. 아이언보브 잠재형 운반 로봇은 이러한 원칙을 밀집된 물류 환경의 잠재형 AMR 운영으로 확장합니다.

협동로봇 안전에 대한 흔한 오해

몇 가지 지속적인 오해가 협동 로봇 배포의 안전을 저해할 수 있으므로, 이를 직접 다루는 것이 가치가 있습니다.

“협동로봇은 본질적으로 안전하므로 위험 평가가 필요 없다.” 이는 아마도 업계에서 가장 위험한 오해일 것입니다. ISO/TS 15066은 내장된 힘 제한 기능이 있는 로봇조차도 엄격한, 애플리케이션별 위험 평가를 요구한다는 점을 명확히 합니다. 협동로봇은 안전한 협동이 가능하도록 설계되었습니다 — 하지만 특정 설치에서 실제로 이를 달성하는지 여부는 전적으로 구성 방식, 운반하는 도구, 작업 공간 설계 방식에 달려 있습니다. 로봇 제조업체의 안전 인증은 로봇 자체를 다룹니다; 귀하의 특정 애플리케이션에서 완전한 통합 시스템을 다루지는 않습니다.

“로봇이 무언가에 닿으면 멈춘다면 안전하다.” 접촉 시 정지하는 로봇은 접촉 지속 시간을 줄였지만, 초기 접촉 힘이 영향을 받는 신체 부위의 생체역학적 한계를 초과하면 정지 전 짧은 순간에도 여전히 부상이 발생할 수 있습니다. 이것이 PFL 시스템이 접촉 자체의 힘을 제한하는 것을 목표로 하는 이유입니다. 정지 동작은 2차 안전 장치이며, 적절한 힘 제한을 대체할 수 없습니다.

“ISO/TS 15066 준수는 어디서나 같은 의미이다.” ISO/TS 15066은 인증 체계가 아닌 기술 사양입니다. 로봇이나 설치를 “ISO/TS 15066 준수”로 인증하는 단일 글로벌 기관은 없습니다. 준수는 위험 평가 프로세스와 측정을 통해 입증되며, 로봇 제조업체뿐 아니라 시스템 통합자와 최종 사용자의 책임입니다 — 완전한 설치가 사양의 요구사항을 충족하는지 입증하는 것은 그들의 책임입니다.

결론

ISO/TS 15066과 힘 및 동력 제한은 인간-로봇 협업을 생산적이고 안전하게 만드는 데 있어 진정한 진보를 대표합니다. 일반적인 엔지니어링 판단이 아닌 생체역학적 데이터에 안전 요구사항을 기반으로 함으로써, 이 사양은 시스템 통합자와 안전 관리자에게 협동 로봇 애플리케이션을 검증하기 위한 구체적이고 측정 가능한 프레임워크를 제공합니다. 핵심 요점은 간단합니다: PFL은 강력하지만 무제한은 아니며, 위험 평가는 필수적이고 무언가가 변경될 때마다 반복되어야 하며, 준정적 접촉 시나리오는 특별한 주의를 받을 필요가 있으며, 엔드 이펙터 설계는 실제 접촉 압력에 직접적이고 상당한 영향을 미칩니다.

산업 자동화가 고정 로봇 팔에서 완전히 모바일한 자율 시스템으로 계속 발전함에 따라, ISO/TS 15066에 내재된 원칙 — 감지 기반 인식, 힘 제한, 구조화된 위험 관리, 지속적인 검증 —은 작업대에 있는 협동 팔이든 바쁜 물류 창장 바닥을 탐색하는 자율 이동 로봇이든, 안전한 인간-로봇 공존의 기초로 남을 것입니다. 나중에 추가하는 것이 아닌 처음부터 안전을 내장하는 것이, 운영을 진정으로 변화시키는 자동화와 오래된 문제를 해결하는 과정에서 새로운 위험을 창출하는 자동화를 구분하는 것입니다.