로봇의 안전 기술
그동안 산업용 로봇은 주로 전용공간에서 설치·운용됨으로써 인간-로봇간의 충돌 등 안전문제를 최소화시킬 수 있었다. 하지만 최근에는 로봇이 다양한 분야에서 활용되기 시작하면서 폐쇄된 공간에서 벗어나 인간과 로봇이 공동으로 작업을 수행하는 경우가 많아졌다. 이에 따라 인간과 로봇이 공존할 수 있는 필수요소인 충돌 안전 기술이 새롭게 주목받고 있다. 여기서는 로봇의 충돌 안전을 위한 3단계 통합 안전 전력인 `충돌을 예측하고 회피하는 기술`, `충돌을 감지하고 대응하는 기술`, `충돌을 흡수하는 기술`을 중심으로 최근의 연구개발 동향에 대해 설명한다.
자동화된 공장에서 로봇은 사람의 간섭이 최소화된 전용공간에서 운용되기 때문에 인간-로봇 간의 충돌로 인한 위험성은 큰 관심의 대상이 아니었다. 현재 산업용 로봇의 경우에는 로봇과 조작자의 작업공간이 명확히 구분되어 있고, 작업 환경이 공장처럼 정형화되어 있기 때문에, 안전 문제를 일으키는 변수들을 많이 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 산업용 로봇의 경우 로봇의 작업환경 내에 다중의 센서를 배치하여, 작업자의 조작 오류 및 돌발 행동에 대처할 수 있다. 또한, 충돌 안전 문제가 발생하더라도 로봇의 제조자에게는 아무런 책임이 없으므로, 산업용 로봇 제조자는 이러한 문제에 별로 민감하게 여기지 않았던 것도 사실이다. 그러나 근래에 들어 다양한 분야에서의 로봇에 대한 필요성이 증가하면서, 로봇은 폐쇄된 공간에서 벗어나 사람과 공존하는 공간으로 나오고 있으며, 이에 따라 로봇과 인간과의 공존을 위한 필수 요소인 `충돌 안전` 문제가 제기되기 시작했다. 이러한 종류의 로봇으로는, 중소기업용 현장에서 작업자와 공동으로 작업을 수행하는 협업 로봇과 인간 생활공간에서 인간에게 각종 서비스를 제공하여 주는 서비스 로봇을 들 수 있다.
인간과 로봇의 협업과 안전 기술의 필요성
산업용 로봇의 안전성 문제도 인간-로봇 간의 협업 작업의 필요성이 제기된 최근에 들어 이슈가 되고 있다.
현재 산업용 로봇의 90% 이상이 자동차, 전자제품의 조립 등 대기업에 집중되어 있지만, 미래에는 인력을 구하기 힘든 중소기업도 산업 현장에서 많은 로봇을 활용할 수밖에 없게 된다. 그러나 로봇의 전용공간을 갖추기 어려운 중소기업의 특성상, 좁은 작업장 내에서 작업자와 로봇은 공존하게 된다. 또한, 로봇의 지능에는 한계가 있으므로, 작업자의 지능과 로봇의 작업성이 공조하면서 작업을 수행하는 인간-로봇 간의 협업 작업이 보편화될 것이다. 이와 같이 로봇과 작업자 간의 거리가 가까워지면서 산업용 로봇에 대한 충돌 안전성이 중요한 문제로 거론되기 시작했다.
서비스 로봇의 경우는 예측하기 어려운 다양한 환경에서 작업을 수행하여, 환경에 대한 불확실성이 커지는 만큼, 센서나 제어기의 오작동의 위험도 또한 증가한다. 뿐만 아니라, 서비스 로봇의 경우에는 조작자가 대부분 로봇에 대해 문외한 사람들이므로 조작자의 실수에 의한 안전사고도 쉽게 발생할 수 있다. 그리고 아이나 노인들도 접촉이 많은 서비스용 로봇은 적용되는 충돌 안전 기준도 매우 엄격해야 한다. 산업용 로봇의 경우 생명에 지장이 없는 타박상 정도는 용인될 수 있을지 모르지만, 서비스 로봇의 사용자는 충돌로 인한 조그만 부상에도 소비자는 큰 반응을 보일 가능성이 크게 되며, 이러한 사고가 발생하게 되면 로봇 제조자는 치명적인 손해를 볼 가능성이 높다. 따라서 서비스 로봇의 개발자들은 이러한 안전 문제에 대하여 매우 민감할 수밖에 없다. 현재 여러 기관에서 충돌 안전 기준을 수립하고 안전 대책을 연구하는 등 산업용 로봇이나 서비스 로봇의 안전에 대해서 활발한 작업을 진행 중이지만, 아직 국제 표준 등이 마련되어 있지는 않다. 종래의 산업용 로봇에 적용하는 안전 대책과 같이 로봇의 작업 속도를 매우 낮추고, 로봇의 동력을 제한하는 대책으로는, 로봇의 효율성이 매우 저하하게 되어 로봇을 사용하는 의미가 없어지게 되는 문제점이 있다. 이러한 면에서 로봇의 충돌 안전성을 기술적인 면에서 심도 있게 연구하여, 필요한 하드웨어나 소프트웨어를 개발하려는 시도가 최근 몇 년 간 국내외에서 활발히 진행되고 있다.
로봇의 충돌 안전을 위한 3단계 통합 안전 전략
최근 로봇 안전에 대한 관심이 대두되면서 충돌에 대응할 수 있는 각종 방법들이 연구되고 있는데, 이 기술들은 크게 `충돌을 예측하고 회피하는 기술`, `충돌을 감지하고 대응하는 기술`, `충돌을 흡수하는 기술`의 세 가지로 분류할 수 있다. <그림 1> 참조.
<그림1> 3단계 통합 안전 전략
충돌을 예측하고 회피하기 위해서 로봇의 동작은 실시간으로 카메라, 적외선센서, 자기장센서 등 각종 비접촉식 센서로부터 감시된다. 만약, 로봇의 동작 중, 로봇의 예상 경로 안에 사람 또는 물체가 침입했을 경우에 로봇은 스스로 위험을 인식하고 새로운 이동 경로를 생성하고 움직이게 된다. 이를 통하여 로봇은 인간과의 충돌을 사전에 방지할 수 있고, 작업도 효율적으로 계속 진행할 수 있다. 그러나 반응 속도 등의 문제로 충돌 예측이 실패할 경우에는 불가피하게 로봇과 사람 사이에 충돌이 발생하게 되는데, 이때 발생하는 충격력을 힘/토크 센서로 감지하여 충돌에 빠르게 대응할 수 있는 기술 개발이 활발히 진행 중이다.
<그림 2> 충돌 감지
<그림 2>와 같이 로봇이 위치 제어를 수행하면서 목적지로 동작하고 있을 때 충돌이 발생한다면, 일반 동작 시에 필요한 토크보다 충돌이 발생하면 순간적으로 더 많은 토크가 필요하게 된다. 이러한 차이를 모터에 공급되는 전류의 양을 측정하거나, 더 정밀하게는 각 조인트에 장착된 축 토크 센서를 이용하여 감지함으로써, 충돌 여부를 판단하게 된다. 마지막으로, 충돌을 효과적으로 흡수하는 기술인데, 앞에서 소개한 모든 안전 전략들이 실패하였을 경우에 로봇과 사람 사이에 불가피하게 발생하는 충격력을 최소화하고, 상해로부터 작업자를 보호할 수 있도록 특수한 충격 흡수장치를 삽입하게 된다. 특히, 고려대학교의 지능로봇연구실에서 개발한 `안전 조인트 메커니즘`은 간단한 
4절 링크와 선형 스프링을 사용하여 비선형성 강성을 구현함으로써, 보통 작업 시에는 로봇 팔의 높은 강성을 유지하여 정밀한 작업이 가능하게 하지만, 충돌이 발생하여 사람에게 상해를 가할 수 있는 외력이 전달되면 급격히 강성이 낮아져 충돌을 흡수할 수 있는 기능을 가지고 있다. <그림 3> 참조. 이 안전 기구는 순수하게 기계적 요소만으로 이루어진 충격 흡수장치로서 외부 잡음, 제어 오류 등으로 오작동이 발생할 수 있는 제어 기반의 능동형 안전 시스템에 비하여 높은 신뢰성을 보장한다. 또한, 제어 기반의 능동형 안전 대책에 비해 충돌에 대한 반응 속도가 빨라서 보다 다양한 충돌에 대비할 수 있다. 자료 : 한국공작기계산업협회 www.komma.org / 글 : 송재복
<그림 3> 안전 조인트 메커니즘(고려대)
