공존을 위한 안전기술
인간과 공존하는 로봇 환경의 안전시스템
이미 많은 분야에 진출한 로봇들이 사람의 노동력을 대체하고 있고, 산업현장이 아닌 생활공간에서도 점점 로봇의 도움이 커지고 있다. 이렇듯 로봇은 이제 더 이상 로봇의 공간이 아닌 인간의 영역으로 진출하고 있으며 더 많은 시간과 공간을 공유하게 되었다. 그에 따라 로봇은 그 편리성 못지않게 인간과의 공존을 위한 안전성에 대한 기술도 중요한 평가기준이 되었다. 이 글에서는 인간과 공존하는 로봇 환경의 안전성에 관한 일본의 여러 기술과 시각을 소개함으로써 앞으로의 발전방향에 대해 알아보고자 한다.
1. 로봇의 장애물 검지기술과 안전 컴포넌트
로봇의 장애물 검지기술은 위치인식과 함께 가동/이동 환경이나 성능에도 영향을 주는 중요한 기술이다. 또한 임무수행이나 안전성의 측면에서 볼 때 검지 후의 대응도 중요하다. 장애물 검지 기술 중 ▲침입검지는 주로 산업용 로봇에 사용되는데 안전유지를 위해 장애물과 공간, 시간을 구분한다. ▲접촉센서는 존재검지를 하는 비접촉센서가 안전 확보를 하지 못할 경우 최종수단으로 사용된다. ▲존재검지는 비접촉센서를 이용한 기술로, 특히 사람과 공존하는 로봇에서 장애물이나 움직임을 감지하는데 매우 중요한 역할을 한다.
존재감지에 사용하는 비접촉 센서는 다시 능동형과 수동형으로 구분된다. 능동형은 소리나 빛을 대상물에 쏘아 반사되어 오는 빛으로 검지하는 방법이다. 대표적인 능동형 센서는 반사식 광선 센서로, 현재 레이저 스캐너에서 많이 사용되고 있다. 반면 수동형은 대상물이 방사하는 빛이나 열을 잡아 검지하는 방법인데, 이 경우는 환경변화에 따라 쉽게 영향을 받는 특성이 있다. 대표적인 수동형 센서는 비전시스템으로 가시광의 카메라로 장애물을 촬상해 배경과의 차이나 형상의 판단 등으로 물체를 인식, 장애물을 검지하게 된다.
한편, 능동형 센서는 위험을 판단하는 방식에 따라 위험검출형과 안전확인형으로 나누어 볼 수 있다. 레이저 스캐너의 경우는 레이저 빔을 쏴서 빛의 반사가 없는 상태는 안전상태로 간주하며, 그 빛이 설정 범위 내에 반사되어 오는 것은 위험으로 인지하는 위험검출형이다. 하지만 이러한 위험검출형은 기기의 고장으로 빛을 쏘지 않는 상태에서도 안전 상태로 판단할 가능성이 있어 안전보장이 어렵게 된다. 같은 능동형에 있어서도 라이트 커튼(Light Curtain)은 다른 형태의 감지방식을 보인다. 이 경우 센서는 수광부에 빛이 도달한 에너지가 높은 상태를 안전상태로 인식해 대응하게 되는데 이를 안전확인형이라고 한다. 하지만 이러한 방식은 빛이 차단된 상태를 위험이라고 판단하게 되는 특성상 고장으로 투광하지 못하는 경우에도 위험이라고 판단한다는 문제가 생기게 된다.
로봇에의 적용을 생각할 때 능동형의 두 가지 방식 중에서는 에너지가 낮은 상태를 위험상태로 대응하는 안전확인형의 경우가 보다 안전도가 높다는 평가를 받고 있다. 하지만 로봇에 장착하는 비접촉 센서 가운데 아직은 안전확인형이 적용되지 않아 높은 안전성을 유지하기 위해서는 접촉 센서를 장비할 수밖에 없다. 향후 인간과 공존하는 로봇은 보다 높은 안전성을 고려한 시스템의 구성이 필요하며, 장애물의 검지와 그 대응행동에 대해서도 안정성의 기준이나 검증이 있어야 한다. 현재 생활지원 로봇의 안정성 검증시험 방법이 개발되고 있고 기준 책정도 진행되고 있는 상황이다.
2. 청소용 로봇의 안전기술과 컴포넌트
공용부 청소 로봇은 고령화와 청소작업의 심야화 등으로 작업원이 부족한 문제를 해결하면서도 청소 품질 균일화와 저코스트화도 달성해야 한다. FUJI 중공업은 이러한 빌딩관리회사의 요구에 따라 빌딩의 공용부, 공항 등의 바닥 청소 로봇을 개발했다. 오피스 빌딩은 전용부가 공용부 면적의 2배에 달하기 때문에 특히 전용부 소형 청소 로봇이 더 높은 자동화 기술을 필요로 한다. 전용부는 책상, 의자, 사람 등을 피해 협소한 공간을 안전하게 청소해야하므로 그에 맞는 안전기술을 탑재하고 있다.
먼저 충돌방지를 위한 장애물 센서는 레이저식 측역 센서를 탑재해 전방 2000mm에서 위험물을 검지하여 감속하고, 300mm전방에서는 정지한다. 범퍼 센서를 이용하여 충격력도 경감하도록 했다. 사람과 접촉했을 때는 소프트 범퍼로 접촉을 검지하고 로봇이 정지하도록 설계되었다. 또한 로봇 범퍼 밑 좌우에는 털 모양의 촉각 센서가 있어 주행할 때 벽이나 장애물의 접촉을 감지해 감속하거나 회피한다. 감지하지 않는 시점에서는 차체의 각도를 인식하여 목표 각도로 보정하도록 구동제어를 하게 했다.
비상상황의 안전을 위한 장치인 비상 정지회로는 비상정지 스위치 작동을 통해 구동모터를 비롯한 메인 컨트롤러에 정지 제어신호를 보내는데, 이때 통신 착오를 고려해 속도 통신용과 별도의 정지 전용 신호 라인을 설치했다.
한편 저전압 검출회로는 메인 컨트롤러, 구동 모터 컨트롤러, 조작패널, 자이로에 각각 설치되어 있다. 배터리 정압이 19V 이하가 되면 오작동의 위험이 있기 때문에 저전압 검출 회로는 CPU에 리셋(Reset) 신호를 출력해 각 릴레이의 작동을 멈추게 한다. 안전 회로는 비상·이상 시에 구동 모터의 전류를 릴레이 및 개폐기로 차단해 바로 정지하는 제어시스템을 갖추고 있다. 이 제어시스템은 안전에 관한 국제규격을 기준으로 설계하고 안전규격을 획득한 비상정지 스위치, 안전 릴레이, 안전 컨덕터를 선정해 로봇에 적용하였다.
3. 유럽의 로봇용 센서와 안전에 대한 사고방식
일본 로봇은 국내외에서 놀랄 만큼의 발전을 이뤄내고 있으며 일본의 독특한 로봇은 세계에서도 인정받고 있다. 그만큼 일본에는 우수한 연구인과 기업이 많이 배출되었다. 그러나 일부 업계에서는 일본의 독주가 문제로 지적되는 경우가 있으며, 일본이 세계표준에서 뒤처지는 것에 대하여 불안하게 생각하는 것도 부정할 수 없다. 때문에 최근에는 일본의 여러 관계자들이 외국의 제품이나 규격을 연구해 좋은 것을 적극적으로 채용하려는 움직임이 활발해지고 있다.
일반적으로 인체의 보호나 안전에 대한 사고방식은 유럽이 앞서 있으며, 실제로 무인 운반차의 경우만 봐도 인체보호에 대한 것은 규격화 되어 있다. 반면, 일본의 경우는 안전 카테고리-3에 속하는 안전 스캐너도 아직 충분히 보급 되어있지 않는 것이 사실이다. 즉 많은 무인 운반차가 안전장치라고 할 수 없는 센서에 의해 위험한 안전대책이 이루어지고 있는 것이다. 자율항행 로봇의 충돌방지나 장애물 검출, 또는 내비게이션을 위해서는 광전 센서, 초음파 센서, 엔코더, 레이저를 사용한 LRF(레이저 레인저파인더)를 사용한다. LRF는 SLAM에 뒤지지 않는 중요한 기기이다.
한편 로봇의 경우는 완전히 고정된 커넥터를 사용도 필요하다. USB가 일시적으로 이용되기는 하지만 상시 사용을 위해서는 D-sub 슬리브 금구가 붙은 RJ-45 등 나사식으로 고정되는 커넥터를 사용한다. 현재 유럽은 M12 환형 커넥터를 사용하고 있다. 기기 시용 시 서로 맞지 않은 경우 한쪽이나 양쪽 모두 문제가 있을 수 있기 때문에 유럽에서는 이를 규격화하여 해결하고 있다. 대표적인 예로 CE 마킹이 있는데 이는 IEC의 EMC 지령에 적합한 제품에 표시를 하게 한 것으로 기준이상의 전자파를 내지 않고 또 일정 기준까지 전자파의 영향을 받지 않는다는 것을 증명하는 것이다. 이밖에도 로봇 사용 환경의 안전을 위해서는 기타 레이저 제품의 안전 기준이나 PL법의 관점에서 본 안전 등 고려해야 할 일이 많다. 유럽이나 일본이 사고방식이나 시스템의 차이를 열거하는 것은 어렵지만 글로벌한 관점이 안전 컴포넌트의 최적화에 도움이 된다는 것은 반드시 이해해야 한다.
