산업용 로봇 안전관리 총정리 (feat. 종류, 방호장치 등)

로봇(Robot)은 1920년 체코슬로바키아의 극작가가 “로숨의 유니버설로봇”에서 유래한 단어로 알려져 있다. 1941년에는 아이작 아시모프가 로봇의 3원칙을 제시하며 로보틱스라는 학문의 시초가 되었고, 1961년에는 ‘유니메이트’이라는 회사가 GM 공장에 최초로 작업용 로봇을 가동하기도 하였다.
이처럼 로봇의 개념은 100년 전부터 탄생해서 지금까지 함께 하고 있다. 지난 100년 동안 로봇에는 많은 변화가 있었으며 지금도 빠른 속도로 새로운 로봇이 만들어지고 산업현장에 적용되고 있다.
따라서 우리는 로봇을 활용한 작업에 익숙해져야 하며 그와 동시에 안전하게 관리될 수 있는 안전지식을 쌓아야 한다. 필자는 로봇 작업장 경험은 없지만 관련 공부를 하며 정리한 것들을 나누고자 한다.
(혹시 잘못된 내용이 있다면 댓글 부탁해요)
 

1. 산업용 로봇

자율안전확인 고시에 따른 정의는 다음과 같다.
“ 3축 이상의 매니퓰레이터를 구비하고 프로그램 및 자동제어가 가능한 고정식 또는 이동식 장치를 말한다. (주요구조부 : 매니퓰레이터, 전기, 유압 및 공압 동력 공급설비, 본체 회전용 구동부)
* 매니퓰레이터(Manipulator)란 인간의 팔과 유사한 기능을 가진 것으로 파지, 용접, 도장을 수행할 수 있는 것

 

2. 산업용 로봇의 종류

종류	사진	설명
수직다관절로봇 (Articulated robot)		수직다관절은 모두 회전축으로만 구성되어 있고 통상 5, 6축 로봇이다.
수평다관절로봇 (SCARA robot)		관절에 의한 운동이 수평면(XY평면)을 만들기 때문에 수평다관절로봇이라 부른다.1979년 일본에서 개발되었으며 서보모터와 감속기를 구성하여 현재 널리 사용되는 산업용로봇의 기반이 되었다. 일반적으로 4축으로 구성되어 있다.
직각좌표 로봇 (Cartesian robot)		일반적으로 3축 제어로 구성되며 x,y,z축으로 움직일 수 있는 로봇
원통좌표 로봇		원통의 회전에 따라 동작영역이 만들어지는 형태로 직각좌표로봇보다 설치공간이 작다.
주행로봇 (AGV)		주행로봇은 이동식 로봇으로 한 자리에 고정되어 있지 않고 정해진 경로를 따라 움직인다.

 

산업용 로봇은 자율안전확인 대상이자 안전검사 대상이다. 3축(3개의 회전관절) 이상의 로봇이 대상이므로 위 기준에 따라 현재까지는 주행로봇은 검사대상이 아니다.
하지만, 앞으로 로봇산업이 많이 발전하게 되어 주행로봇과 같은 이동식 로봇이 보편화될 경우 안전검사 내용도 변경되어야 할 것이다.
 

3. 산업용 로봇의 구조

구분	내용	구성요소
본체	인간의 팔 역할을 하는 것이 대표적이고 매니퓰레이터를 포함한 구동부 전반이 여기에 해당한다.	매니퓰레이터, 말단장치(end effector 또는 tool), 구동기(서보모터, 감속기, 유공압장치), 센서 등
제어기	행동명령을 전달하고 전원을 공급하며 작업 내용을 저장하는 역할이다.	CPU, 전원모듈, 서보드라이버 모듈, 시퀀스모듈, 입출력모듈 등
제어기술	티칭 펜던트를 의미한다. 계산된 힘을 이용하여 로봇의 동작을 계획하고 따르도록 명령하는 역할이다.	티칭 펜던트 및 컨트롤러

 

로봇을 구조상 나누면 3가지로 분류할 수 있다. 우선 본체는 물리적 작업을 수행하는 부분이다. 매니퓰레이터를 포함한 구동을 가능케하는 보조기기들이 해당된다. 참고로 말단장치는 그리퍼, 용접건, 스프레이건 등의 장치로 말단에 부착된 tool을 의미한다.
제어기는 CPU, 전원모듈 등을 포함하여 작업내용을 저장하고 전달하는 모든 하드웨어와 소프트웨어를 총칭한다.
제어기술은 제어기에 명령을 전달하는 역할로 흔히 티칭 펜던트라고 하는 일종의 리모컨을 통해 수행된다.
산업용 로봇의 안전에 관련된 사항은 ISO10218-1과 ISO10218-2를 참고하면 된다.
최근에는 협동로봇으로 사람과 함께 작업할 수 있는 형태가 많이 사용되는데 이것은 ISO/TS15066 요구사항을 참고하자.
 

4. 산업용로봇의 특징

장점	단점
1) 위험한 작업에 투입 가능 2) 불량률 감소 3) 원가절감 4) 고정밀 작업 5) 품질 균일	1) 수리, 고장, 점검은 인력이 필요 2) 불량 발생 시 대응이 어려움 3) 초기투자비용 상승 4) 유연성, 임기응변이 약함 5) 고장, 이상 발생 시 공백

 

산업용 로봇에 대해 조금만 생각해 보면 위 특징에 대해 이해할 수 있다. AI와 로봇의 만남은 많은 단점을, 특히 유연성과 임기응변을 향상시켜주지 않을까 조심스레 예측해 본다.
 

5. 재해유형 및 발생원인

산업용 로봇을 활용한 작업을 수행할 때 발생할 수 있는 위험요인을 불안전한 행동과 불안전한 상태로 나누어 정리해 보자.

불안전한 행동	불안전한 상태
1) 전원을 차단하지 않고 로봇의 작업영역으로 접근 2) 방호장치를 임의해제 후 작업 3) 전원을 차단했으나 다른 작업자가 전원을 투입 4) 입출력 결선 오류로 불시 기동	1) 방호장치를 미설치, 성능불량제품 사용 2) 본질안전이 미적용된 공장설계 3) 로봇의 이상동작이나 이상소음 발생 4) 로봇의 유지보수, 점검 미실시 또는 불충분한 이행

 
 

6. 작업 전 점검사항 및 특별교육

 

1) 작업 전 점검사항

산업안전보건기준에 관한 규칙에 따라 관리감독자는 산업용 로봇을 활용한 작업 수행 전에 반드시 다음의 사항을 점검해야 한다.
 (1) 제동장치, 비상정지장치의 작동상태
 (2) 전선 피복, 외장상태의 이상유무
 (3) 매니퓰레이터 작동상태 확인
 

2) 특별교육

산업용 로봇을 취급하는 근로자는 작업 수행 전에 다음 사항을 포함한 16시간의 특별교육을 받아야 한다.
 (1) 산업용로봇의 구조, 원리
 (2) 안전시설 및 안전기준
 (3) 이상 발생 시 조치사항
 (4) 작업방법 및 순서
 
 

7. 산업용 로봇의 방호장치

 

1) 안전 울타리 (방책)

기본적으로 고정식 산업용 로봇에는 1.8m 이상 높이의 방책이 설치되어야 한다. 방책의 출입구에는 연동장치나 광전자식 방호장치가 함께 설치되어야 하며, 산업용로봇의 작업반경과 최소 50cm 이상 간격이 요구된다.

< 방책에 설치된 연동장치와 광전자식 방호장치 >

 
이것은 엄연히 로봇과 작업자를 물리적으로 분리시키기 위한 조치인데, 최근에 주목받고 있는 협동로봇의 경우 작업자와 로봇이 함께 작업을 수행하기에 방책은 필요치 않다.
그러므로 협동로봇의 경우 작업자와 함께 작업을 해야 하므로 한국산업표준에서 정하는 안전기준을 만족하거나 ISO/TS 15066을 만족하는 경우 방책을 설치하지 않아도 된다는 점을 알고 있어야겠다.
 

2) 안전매트 (방호장치 안전인증 대상)

안전매트는 작업자가 매트 위에 올라서면 그 체중을 감지하여 로봇의 작동을 정지시키는 방호장치이다. 로봇의 작업 구역내에 설치되어야 하며 설치범위 선정에 대한 신중한 검토가 필요하다.

<안전매트 작동 메커니즘 >

 
 (1) 작동원리
작동하중이 발생하면 안전매트의 감지기가 하중을 감지하게 되고 제어부의 출력신호 스위칭장치를 통해 로봇제어시스템으로 신호를 준다. 수많은 로봇제어시스템 중 안전매트 신호처리부에서 이 신호에 따라 로봇을 정지하게 된다. 상황 정리 후 수동으로 복귀신호를 주게 되면 로봇의 안전매트 신호처리부를 통해 안전매트 제어부에 전달된다.
(2) 감지기
감지기는 압력을 감지하는 부분이며 ‘유효감지영역’과 ‘사영역’으로 나뉜다. 유효감지영역은 압력을 감지하는 센서가 있는 부분이고 사영역은 센서가 없는 부분이므로 안전매트에서 사영역을 밟게 되면 작동하중을 감지할 수 없어 로봇이 멈추지 않으므로 참고하자.
감지기는 단독으로 사용할 수도 있고 여러 개를 연결해서 사용할 수도 있다.

종류	형태	용도
단일 감지기	A	감지기를 단독으로 사용
복합 감지기	B	여러 개의 감지기를 연결해서 사용

 
안전매트는 대인용 (체중 35kg 초과)과 대소인 공용(체중 20kg 초과)으로 구분할 수 있다.
(3) 제어부는 감지기의 신호에 따라 출력부의 상태를 제어하는 부분으로 안전기능의 이상 여부를 감시하는 장치를 포함할 수도 있다.
(4) 출력신호 스위칭장치란 제어부를 통해 들어온 신호를 받아서 로봇의 작동을 제어할 수 있는 신호를 출력하는 부분ㄴ이며 로봇제어시스템과 일체형으로 구성할 수 있다.
 

3) 광전자식 방호장치 (방호장치 안전인증 대상)

광전자식 방호장치는 프레스 등 다양한 장비에서 방호장치로 사용되는데 그것과 동일하다고 보면 된다.
위험구역에 신체가 접근하여 광선을 차단할 경우 로봇이 멈추도록 구성하면 된다.
방식에 따라 투광부와 수광부로 구성되는 대향투과식, 투수광부와 반사판으로 구성된 반사식이 있다.

< 광전자식 방호장치 >

 

8. 산업용 로봇 교시작업

산업용 로봇은 교시(teaching)가 매우 중요하다.
교시란 산업용 로봇에 작업내용, 속도, 순서 등을 입력하고 확인하는 것을 뜻한다. 즉, 로봇에 작업을 가르치고 확인하는 것이다. 로봇이 알아서 척척 작업을 하면 좋겠지만 아직까지는 인간이 지시한 대로만 움직일 수 밖에 없으니 교시작업은 산업용 로봇에서 필수적인 작업과정이다.
교시는 직접교시와 간접교시로 구분할 수 있다.

 1) 교시방법

구분	직접교시	간접교시
정의	로봇의 매니퓰레이터 선단을 잡고 작접을 입력하는 방법이며 hand guiding으로 볼 수 있다.	조작반의 조작버튼이나 티칭 펜던트를 활용하여 작업내용을 입력하는 것
장점	1) 전문지식없이도 교시 가능 2) 쉽고 간편 3) 즉각적인 피드백 가능	1) 정교한 프로그래밍 가능 2) 로봇과 거리를 두고 있어 안전 3) 복잡한 작업에 적합
단점	1) 반복작업일 경우 피로 발생 2) 오동작에 의한 사고 유발 가능 3) 복잡하고 정교한 작업에 부적합	1) 전문지식이 필요 2) 복잡하고 어려운 과정 3) 즉각적인 동작확인이 어려움

 
안전플러그를 활용할 경우 수동운전모드에서 플러그를 개방하여 교시를 할 수 있다. 단, 로봇의 속도는 250mm/s 이하여야 하고 자동운전이 되지 않아야 한다.
 

 2) 안전조치

교시작업은 산업용 로봇을 운용하는 사업장에서는 근로자가 필수적으로 수행해야 하는 작업이다. 따라서 교시작업의 위험성과 대책에 대해 확인할 필요가 있다.

작업 전	정상 작동 중	수리작업 중
1) 로봇의 작업순서, 방법, 속도 확인 2) 오작동, 오조작에 대한 조치 및 대응 3) 2인 이상 작업 시 신호방법 정하기 4) 이상 발생 시 조치사항 등을 매뉴얼로 마련하고 교육	1) 방호장치의 기능 확인 2) 이상 발생 시 로봇을 정지하고 접근	1) 로봇의 전원을 차단하고 작업이 끝날 때까지 전원을 인가할 수 없도록 LOTO 실시

 
 

8. 협동로봇

 

Collaborative Robot을 줄여 Cobot이라 하며 작업자와 한 공간에서 함께 작업하는 로봇이다. 전통적인 산업용 로봇의 경우 한 자리에 고정되어 동일한 작업을 반복수행하므로 방책이나 광전자식 방호장치, 안전매트를 사용하여 작업자를 보호해 왔으나 로봇기술의 발전으로 인간이 로봇의 작업공간에서 함께 일하는 협동로봇에는 이러한 안전조치의 적용이 어렵게 되었다.
따라서 다음의 4가지 중 한 가지 이상을 적용할 경우 협동로봇으로 인정받게 되고 방책을 설치하지 않아도 된다.

1) Safety monitored stop (거리감지 안전기능)

< 로봇의 작업영역 내에 진입 시 로봇 정지 >

작업자가 로봇의 작업영역으로 들어왔을 때 이를 감지하여 로봇이 정지해야 한다.
 

2) Hand Guiding (핸드 가이딩)

< 로봇을 손으로 조정할 수 있어야 한다. >

 
로봇을 직접 손으로 잡아 가이드를 하되 손을 놓을 경우 그 자리에서 정지한다. 즉, 작업자의 접촉을 통해 가해진 힘으로만 로봇의 움직임이 제어되어야 한다.
 

3) Speed and position monitoring (속도 및 위치 감시)

< 로봇과 사람 사이 거리가 안전거리 이상 >

로봇과 사람 사이 거리가 안전거리 이상일 경우에만 로봇이 움직여야 한다.
 

4) Power and force limit (동력 및 힘 제한)

< 제한된 크기의 힘만 전달 >

 
접촉 발생 시 제한된 크기의 힘만을 전달하도록 일정값 이상 힘 감지 시 정지한다.
 
협동로봇이 일반 산업용 로봇보다 우수한 점은 방책이 필요없다는 점, 직접교시가 가능하다는 점, 훨씬 안전한 시스템이 구축되어 사고가 예방된다는 점이다.
 
기타 다른 요구사항 중 주요 사항만 확인해 보자.

< 협동로봇 작업영역 표시 >

 
1) 로봇과 작업자가 직접 접촉할 수 있는 협동작업 영역을 바닥표시, 표지판 등으로 표시해야 한다.
2) 작업의 변경, 교시, 유지보수 등을 위한 시스템 설정 변경은 권한이 있는 사람만이 해야 하며, 잠금장치 또는 비밀번호 등을 사용하여 임의로 변경할 수 없도록 해야 한다.
3) 설치된 방호장치, 안전거리와 보완대책(지침, 보호구, 교육 등)을 확인해야 한다.
4) 이동식 로봇의 경우 이동경로, 도킹 위치를 바닥 등에 표시해야 한다.
5) 비상정지장치를 설치하고 예기치 못한 상황에 대비해야 한다.
 

산업용 로봇은 계속 발전하고 있고 아직 안전사항이 정립되지 않은 부분이 있어서 위 사항을 참고로 하여 업데이트하면서 공부해야 한다.
산업용 로봇이 한 곳에 고정되어 작업하던 방식에서 자유롭게 이동하는 방식으로 변하고 있어 방호장치와 안전관리의 원칙에도 많은 변화가 예상된다.