이 글의 목적은 산업용 로봇 티칭(teach) 작업 시 필수 보호수단인 3단 안전버튼(3-position enabling device, 일명 데드맨 스위치)의 작동원리, 관련 규격, 설계·점검·운영 절차를 현장에서 바로 적용할 수 있도록 체계적으로 정리하는 것이다.
1. 3단 안전버튼의 개념과 작동원리
3단 안전버튼은 티칭 펜던트 또는 별도 핸드헬드 디바이스에 탑재되며, 버튼 위치에 따라 로봇 구동 허용 여부가 즉시 결정되는 유지가동형(hold-to-run) 보호장치이다. 위치1(해제)=정지, 위치2(중간 디텐트)=허용, 위치3(과도누름)=정지로 정의되며, 위치1 또는 3이 감지되면 로봇 동작이 정지하여 인체 보호를 달성한다. 이러한 3단 구조는 ISO 10218 및 ANSI/RIA R15.06에서 티칭 장치에 요구되는 기본 원칙이다.
3단 안전버튼은 비상정지(E-stop)와 목적이 다르며, 티칭 모드에서 제한된 속도·토크 조건 하에 의도된 수동 이동만을 허용하는 선택적 보호수단이다. 버튼을 계속 위치2로 유지해야만 동작이 가능하고, 사용자의 놀람 반응으로 과도하게 움켜쥘 때(위치3) 즉시 정지하도록 설계되는 점이 핵심이다.
주의 : 3단 안전버튼은 “허용” 장치이며 “정지 후 리셋”을 포함한 전체 안전기능을 대체하지 않는다. 비상정지 및 보호정지(Safeguarded Stop) 기능과 함께 계층적으로 설계·운용해야 한다.
2. 적용 규격과 법적 요구사항 요약
2.1 국제·국가 표준
- ISO 10218-1/2: 산업용 로봇 및 로봇 시스템의 안전 요구사항으로, 티칭 장치의 3단 허용장치 채택을 포함한다. 한국에서는 KS B ISO 10218으로 채택되어 있다.
- ANSI/RIA R15.06: 티칭 장치에 3단 스위치 채택, 위치2에서만 허용, 위치1·3에서 정지 요구를 명시한다.
- ISO 13849-1: 안전관련 제어시스템의 성능수준(PL) 요구로, 티칭 허용 기능은 일반적으로 카테고리 3, PLd를 목표로 설계된다.
- ISO 12100: 위험성 평가 및 감소의 일반 원칙을 제시한다. 티칭 단계는 수명주기 단계로 포함되어 위험원과 보호수단을 식별해야 한다.
2.2 국내 검사·안전기준 참고
국내 산업용 로봇 검사기준에서는 보호정지의 범주(정지방식 0/1)와 수동 리셋, 예기치 않은 기동 방지를 위한 기동 연동 장치, 안전기능이 정상일 때만 재기동 허용 등 제어로직 요구를 명확히 제시한다. 티칭 모드에서도 이러한 재기동·리셋 원칙을 충족해야 하며, 허용장치 회로의 성능은 안전관련 제어시스템 성능요건(ISO 13849-1 등)을 만족해야 한다.
2.3 제품·구성요소 수준 참고
주요 제조사의 3단 허용스위치 및 3PE(Three-Position Enabling) 펜던트는 ISO 10218 및 ISO 13849-1 기반 평가를 통해 통상 PLd(Cat.3) 달성을 표준 적용사례로 제시한다. 또한 좌·우 양손 조작을 위한 이중 3PE 스위치 구성, IP 등급, 감시접점(모니터링)과 직접개폐구조를 통해 오동작을 감시한다.
3. 3단 안전버튼의 기능 분해와 회로 설계 포인트
3.1 입력·논리·출력 구조
- 입력: 3단 스위치 2채널(CH1, CH2), 각 채널은 위치1/2/3을 구분하는 전용 접점 구조를 갖는다. 감시접점(모니터)로 OFF 상태 복귀 여부를 진단한다.
- 논리: 상태머신 기반 허용 조건(Mode=Teach, Speed 제한 충족, Guard 상태, Reset 상태) AND 3단 위치2 유지 조건이 모두 참일 때만 허용 출력 활성화. 이중채널 미스매치, 과도누름, 해제, 단선·단락은 진단 후 안전정지 명령으로 이행한다.
- 출력: 안전릴레이 또는 안전PLC를 통해 STO(Servo Off)나 안전정지(Safe Stop 0/1)로 구동원 차단. 시스템 설계상 최소 PLr=PLd 달성이 일반적 목표이다.
3.2 정지 범주 적용
허용장치 이탈 시 적용할 정지 범주는 위험도와 로봇 컨트롤러 기능에 따라 선택한다. 즉시 전원차단의 정지범주 0 또는 제어정지 후 전원차단의 정지범주 1을 적용하며, 보호정지 기능은 최소 하나 이상이 0 또는 1 정지방식을 충족해야 한다.
3.3 이중 3PE 스위치와 상호배제
일부 펜던트는 좌·우측에 3단 스위치를 이중 배치한다. 한쪽이 위치3로 넘어가면 다른 한쪽을 위치2로 눌러도 동작을 허용하지 않도록 상호배제 로직을 구현해야 한다. 상호배제 해제는 양측 모두 위치1로 완전 복귀 후에만 가능하도록 설계한다.
4. 티칭 모드에서의 시스템 조건
- 모드 선택: 키 스위치로 자동/수동(티칭) 모드 전환, 수동 모드에서만 허용장치 유효화.
- 제한 속도: 티칭 속도 제한 및 토크·힘 제한을 적용하여 예기치 않은 충돌 위험을 낮춘다.
- 보호정지 연동: 울타리 인터록, 스캐너, 라이트커튼 등 보호장치가 개방·차단 시 보호정지로 이행하고, 리셋 로직은 수동이며 보호영역 외부에서만 허용한다.
- 허용장치 의존 이동: 조그 이동 등 모든 모션은 위치2 유지 동안에만 활성화한다. 위치1 또는 3이면 즉시 정지한다.
5. 현장 표준작업서(SOP) 예시
5.1 단계별 절차
- 작업허가 및 위험성평가 확인, 울타리·라이트커튼 기능 상태 점검을 완료한다.
- 모드 선택 키를 “티칭”으로 전환하고 제한 속도를 적용한다.
- 티칭 펜던트 케이블 손상·커넥터 체결 상태, 3단 버튼 복귀 상태(위치1)를 점검한다.
- 작업자가 안전한 자세를 확보한 후 3단 버튼을 위치2로 유지하고 조그 조작을 수행한다. 위치3 과도누름 발생 시 즉시 정지되는지 확인한다.
- 보호영역 내에서 조정·계측을 완료하면 펜던트를 안전 위치에 두고 영역 밖으로 이동한 뒤 수동 리셋 절차를 수행한다.
5.2 체크리스트
| 항목 | 체크방법 | 합격기준 | 빈도 |
|---|---|---|---|
| 모드 선택키 관리 | 열쇠 분리·반출 통제 | 권한자만 보관·사용 | 매일 |
| 3단 버튼 복귀 상태 | 무부하 조작 | 위치1 안정 복귀 | 매 작업전 |
| 위치3 과도누름 정지 | 기능시험 | 즉시 정지, 알람 표출 | 매 작업전 |
| 채널 불일치 감시 | 진단 로그 확인 | 에러 발생 시 재가동 금지 | 주간 |
| 보호정지·리셋 | 울타리 개방 시험 | 보호정지 동작, 수동 리셋만 허용 | 주간 |
| 티칭 속도 제한 | 컨트롤러 파라미터 확인 | 설정치 준수 | 매 작업전 |
이 체크리스트는 ISO 10218 기반 티칭 조건과 국내 검사기준의 수동 리셋·보호정지 요구를 반영한다.
6. 위험 시나리오와 오용 방지
- 놀람 반응으로 위치3 과도누름: 상호배제 로직과 즉시 정지 구현으로 대응한다. 재가동은 완전 복귀 후에만 허용한다.
- 채널 단선·단락: 카테고리3 구조, 주기진단 및 모니터링 접점으로 위험한 고장을 검출한다.
- 펜던트 케이블 손상: 정기 점검과 케이블 스트레인 릴리프 적용으로 예방한다. 제품 사양의 반복 굴곡 요구를 준수한다.
- 보호장치 우회: 검사기준상 보호정지는 제어로직으로 기동되며, 수동 리셋만 허용된다. 우회 시 즉시 작업 중지 및 원상복구가 필요하다.
7. 점검·시험·기록 양식 예시
7.1 일상 점검
일자: 작업명: 모드키: 보관자: [ ] 3단 스위치 위치1 복귀 양호 [ ] 위치2 유지 시 조그 허용 [ ] 위치3 과도누름 시 즉시 정지 [ ] 좌/우 스위치 상호배제 동작 [ ] 울타리 개방 시 보호정지 [ ] 수동 리셋 후만 재가동 특이사항: 조치결과: 일상 점검은 작업 시작 전 운영자 주도로 수행하고, 이상 시 안전담당자 승인 없이 재가동하지 않는다. 이는 예기치 않은 기동 방지 및 수동 리셋 원칙을 확보하기 위함이다.
7.2 정기 기능시험
- 좌·우 3단 스위치를 각각 위치2 유지 시 동작 허용 여부 시험한다.
- 각 스위치를 위치3로 넘길 때 즉시 정지되는지 확인한다.
- 한쪽이 위치3일 때 반대쪽 위치2로는 재가동이 불가능함을 확인한다.
- 보호정지, 수동 리셋, 재기동 논리를 시험한다.
- 컨트롤러 진단로그의 채널 불일치·배선 이상 알람을 점검한다.
8. 회로·로직 구성 예시
8.1 안전릴레이 기반 하드와이어 예시(개념)
// 입력: 3PE_CH1_NC, 3PE_CH2_NC, GUARD_OK, MODE_TEACH, RESET // 출력: SAFE_ENABLE, STO
IF MODE_TEACH = TRUE AND GUARD_OK = TRUE THEN
IF (3PE_CH1 = POS2) AND (3PE_CH2 = POS2) THEN
SAFE_ENABLE := TRUE; // 조그 허용
ELSE
SAFE_ENABLE := FALSE;
STO := TRUE; // 정지
END_IF
ELSE
SAFE_ENABLE := FALSE;
END_IF
// 상호배제: 어느 한 채널이 POS3 또는 POS1로 이탈되면,
// 두 채널 모두 POS1로 복귀 후 RESET 조건에서만 재허용
상기 로직은 카테고리3, PLd 달성에 필요한 진단·이중채널·강제유도접점 등의 하드웨어 특성을 포함하도록 안전릴레이 또는 안전PLC 매뉴얼을 따르며, 통상 STO 또는 SS1 경로로 정지 명령을 연동한다.
8.2 컨트롤러 파라미터 관리
- 티칭 속도 상한, 토크 제한, 감속·정지 램프, 재기동 조건을 파라미터화한다.
- 3PE 상태를 이벤트 로그로 기록하여 고장 추세와 오사용 패턴을 분석한다.
9. 교육·훈련 핵심 포인트
- 3단 버튼의 세 위치 의미를 정확히 이해하고, 의도적 위치2 유지 습관을 들인다.
- 놀람·미끄럼 시 과도누름이 정지로 이어짐을 체험 교육한다.
- 보호정지·수동 리셋·재기동 원칙과 울타리 인터록의 상관관계를 실습한다.
- 모드키 관리, 티칭 속도 제한, 펜던트 케이블 취급요령을 반복 숙지한다.
10. 빈번한 부적합 사례와 개선책
| 부적합 사례 | 위험 | 개선책 | 근거 |
|---|---|---|---|
| 3단 스위치 한쪽만 배선, 진단 미구현 | 단선·접점 용착 시 위험한 고장 미검출 | 카테고리3 이중채널, 주기진단, EDM 구현 | ISO 13849-1 PLd 목표 |
| 위치3에서 다른 스위치로 우회 재가동 | 오동작으로 인한 협착 위험 | 상호배제 논리와 완전복귀 후 재허용 | 티칭 펜던트 상호배제 사양 |
| 보호정지 해제 자동화 | 예기치 않은 기동 | 수동 리셋·외부에서만 재기동 허용 | 검사기준 제26조 관련 |
| 티칭 속도 제한 미설정 | 충돌 시 상해 확대 | 속도·토크 제한 파라미터 적용 | ISO 10218 티칭 조건 |
위 사례는 국제표준과 국내 검사기준에서 반복적으로 지적되는 항목이며, 구조적·절차적 통제를 병행할 때 재발을 줄일 수 있다.
11. 사례 리퍼런스(제품 동향 관찰용)
최근 3PE 통합 펜던트는 좌우 두 개의 3단 스위치를 제공하고, TUV 등 제3자 평가에서 ISO 10218-1 및 ISO 13849-1 준수 구성을 제시한다. 현장 도입 시 자사 위험성평가와 결합하여 PLr 적합 여부를 검증해야 한다.
12. 요약
- 3단 안전버튼은 위치2 유지 시에만 로봇 동작을 허용하고, 위치1·3에서는 즉시 정지한다. 티칭 단계에서 필수 보호수단이다.
- 설계 목표 PL은 통상 Cat.3, PLd이며, 이중채널·진단·상호배제가 핵심이다.
- 보호정지·수동 리셋·예기치 않은 기동 방지 규정을 제어로직으로 구현해야 한다.
- 모드 선택·속도 제한·현장 점검을 표준화하면 티칭 안전수준을 안정적으로 유지할 수 있다.
FAQ
Q1. 비상정지와 3단 안전버튼은 무엇이 다른가?
비상정지는 모든 모드에서 위험을 즉시 제거하기 위한 강제 정지 수단이고, 3단 안전버튼은 티칭 모드에서 제한된 동작을 조건부로 허용하는 유지가동형 허용장치이다. 위치1·3에서는 정지하지만 설계 목적과 적용 범위가 다르다.
Q2. 요구 성능수준(PLr)은 어느 정도로 잡아야 하나?
대부분의 티칭 허용 기능은 위험성평가 결과에 따라 PLr=PLd(Cat.3)를 목표로 한다. 이중채널과 진단을 통해 단일 고장 허용성과 진단 범위를 확보해야 한다.
Q3. 좌우 두 개의 3단 스위치가 있는 펜던트는 어떻게 검증하나?
한쪽을 위치3로 넘겼을 때 다른 쪽 위치2로는 허용되지 않아야 하며, 양쪽 모두 위치1로 복귀 후에만 재허용되어야 한다. 정기 기능시험 절차에 이 항목을 포함한다.
Q4. 보호정지와 수동 리셋의 핵심은 무엇인가?
보호정지는 울타리·스캐너 등 보호장치 상태에 연동되어 동작하며, 재가동은 반드시 수동 리셋을 거쳐 보호영역 외부에서만 실행되어야 한다. 자동 리셋·자동 재기동은 금지한다.
Q5. 어떤 속도 제한을 적용해야 하나?
제조사 가이드와 위험성평가 결과를 반영하여 티칭 속도 상한, 토크·힘 제한을 설정한다. 이는 ISO 10218에서 요구하는 티칭 조건의 필수 요소이다.