이 글의 목적은 산업로봇·협동로봇이 사람과 함께 작업하는 협동작업 구역에서 요구되는 표준거리 개념과 안전거리 계산 방법을 이해하기 쉽게 정리하여, 실제 공장·생산라인 설계 및 위험성 평가에 바로 활용할 수 있도록 하는 것이다.
1. 산업로봇 협동작업과 표준거리 개요
최근 제조업에서는 산업로봇과 작업자가 같은 구역을 공유하면서 함께 일하는 협동작업 방식이 빠르게 확산되고 있다.
과거의 전통적인 산업로봇 셀은 펜스, 안전문, 인터록을 이용해 사람과 로봇을 물리적으로 완전히 분리하는 구조가 일반적이었다.
반면 협동로봇 또는 협동작업 모드에서는 작업자가 로봇과 같은 공간을 공유하거나, 심지어 로봇과 접촉하는 작업까지 허용되기도 한다.
이때 가장 중요한 핵심 개념이 바로 사람과 로봇 사이의 안전거리와 협동작업 구역의 표준거리 설정이다.
국제적으로는 다음과 같은 표준에서 협동작업과 안전거리 개념을 다룬다.
- 산업로봇 안전: ISO 10218-1, ISO 10218-2
- 협동로봇 시스템 안전: ISO/TS 15066
- 보호장치 위치·안전거리 계산: ISO 13855
우리나라에서도 산업안전보건법, 산업안전보건기준에 관한 규칙, 한국산업안전보건공단(KOSHA) 기술지침 등에서 이러한 국제표준을 참고하여 산업로봇·협동로봇 설계 및 위험성 평가 기준을 제시하고 있다.
현장에서 자주 나오는 질문은 다음과 같다.
- “협동로봇은 사람 옆에 두면 되지 않나, 별도의 최소거리 기준이 있는가”
- “표준에서 몇 미터 이상 떨어뜨리라고 숫자를 정해 놓았는가”
- “광전자식 스캐너나 라이트커튼을 어디에 설치해야 안전거리가 맞는가”
실제 표준에서는 대부분의 경우 “고정된 하나의 거리값”을 주지 않고, 위험성 평가와 계산식에 따라 장소·속도·응답시간별로 최소 보호거리(Protective Separation Distance)를 산정하도록 요구한다.
따라서 협동작업 구역의 표준거리를 이해하기 위해서는 먼저 관련 용어와 계산식의 구조를 정확히 파악해야 한다.
주의 : 협동작업 구역 안전거리와 관련해 인터넷에서 떠도는 단일 숫자(예: “협동로봇은 500 mm면 안전하다” 등)를 그대로 현장에 적용하는 것은 매우 위험하다. 반드시 표준에 따른 계산식과 실제 로봇·센서 데이터, 작업조건을 이용해 개별 설계를 수행해야 한다.
2. 협동작업 구역 설계 시 알아둘 기본 개념
2.1 작업공간, 위험구역, 협동작업 구역 정의
산업로봇과 협동로봇에서 자주 사용하는 공간 관련 용어는 다음과 같다.
- 작업공간(Workspace) : 로봇이 도달할 수 있는 모든 공간이다.
- 위험구역(Hazardous Zone) : 로봇의 동작으로 인해 사람에게 상해를 줄 수 있는 공간이다.
- 협동작업 구역(Collaborative Workspace) : 사람과 로봇이 특정 작업을 위해 함께 사용하도록 정의한 영역이다.
- 접근구역(Approach Zone) : 작업자가 로봇 또는 보호장치에 접근하는 통로·공간이다.
협동작업 구역의 표준거리는 “사람이 접근했을 때 로봇이 충분한 시간 안에 감속 또는 정지하여 충돌 위험을 허용 가능한 수준으로 낮출 수 있도록 보장하는 거리”라고 이해하면 된다.
2.2 보호분리거리(Protective Separation Distance, S)
국제표준에서는 사람과 위험원(로봇, 기계, 공구 등) 사이에 요구되는 최소거리를 보호분리거리 S라고 정의한다.
이 거리는 사람의 접근속도, 로봇 또는 기계의 정지시간, 센서·제어시스템의 응답시간, 센서 설치 위치 등을 모두 고려하여 계산해야 한다.
협동로봇의 “속도·거리감시(SSM, Speed and Separation Monitoring)” 기능을 사용할 때는 사람이 로봇 방향으로 이동하고, 동시에 로봇도 사람 쪽으로 움직이고 있다는 가정하에 양측의 상대속도에 따라 실시간으로 보호분리거리를 관리해야 한다.
2.3 ‘표준거리’라는 용어의 해석
실무에서 “표준거리”라는 말을 사용할 때는 보통 다음 두 가지 의미를 혼용한다.
- 국제표준에서 제시하는 계산식 기반의 최소거리
- 표준 또는 가이드 문서에서 소개하는 예시 거리값
하지만 공장 설계·감독기관 심사·사고 조사에서는 거의 항상 첫 번째 의미가 기준이 된다.
즉, “표준에 따라 계산한 보호분리거리 S 이상을 확보했는지”가 핵심이며, 다른 예시값은 참고 수준으로만 봐야 한다.
3. 국제표준(ISO 13855)을 이용한 안전거리 계산 기본식
보호장치(광전자식 안전센서, 라이트커튼, 레이저스캐너 등)의 위치와 최소 안전거리를 정할 때 가장 널리 사용하는 기본식은 다음과 같다.
S = (K × T) + D_DS + Z 각 항목의 의미는 다음과 같다.
- S : 최소 분리거리, 즉 사람과 위험원 사이에 필요한 거리(mm)이다.
- K : 사람(또는 사람+로봇)의 접근속도(mm/s)이다.
- T : 시스템 전체 응답시간(s)으로, 센서 검출 시간 + 제어로직 처리 시간 + 로봇 정지(또는 감속) 시간의 합이다.
- D_DS : 센서 검출지점과 실제 위험지점 사이의 거리 보정값(mm)이다.
- Z : 설치 오차, 위치 오차, 센서 정밀도 등을 고려한 여유거리(mm)이다.
협동작업 구역에서 사람과 로봇이 동시에 움직이는 상황을 고려할 때는 “사람의 보행속도 + 로봇의 접근속도”를 합산하거나, 상황에 따라 더 보수적인 상대속도를 설정하여 K 값에 반영해야 한다.
또한 ISO/TS 15066 등에서는 로봇의 속도와 충돌 시 힘·압력 제한(파워·포스 리미팅) 요구사항을 통해 간접적으로 허용 가능한 접근거리와 작업조건을 규정하고 있다.
주의 : 위 공식 자체는 널리 알려져 있지만, K, T, D_DS, Z 값의 설정은 각 표준과 로봇 제조사의 데이터, 안전센서의 인증값에 따라 달라진다. 공정별·모델별로 값을 다시 산정하지 않으면 같은 공식이라도 결과가 크게 달라질 수 있다.
3.1 접근속도 K 설정
접근속도 K는 최소한 다음 요소를 반영해야 한다.
- 작업자가 걷거나 달려서 로봇 쪽으로 접근하는 속도
- 로봇이 작업자 방향으로 이동하는 속도
- 경사로, 미끄러운 바닥, 장애물 등으로 인해 작업자가 실제로 더 빨리·가깝게 접근할 수 있는 상황
사람의 보행속도는 일반적으로 1.6 m/s 정도를 보수값으로 사용하는 경우가 많다.
로봇의 최대속도는 로봇 매뉴얼 또는 안전설정에서 제공하는 값(축별 속도 제한, TCP 속도 제한)을 사용한다.
협동작업 모드에서는 설계상 최대속도보다 더 낮은 안전속도를 별도로 설정하는 경우가 일반적이다.
3.2 시스템 응답시간 T 구성
응답시간 T는 다음과 같은 요소를 모두 포함해야 한다.
- 센서의 검출 지연 시간
- 안전PLC 또는 안전릴레이의 처리 시간
- 로봇 컨트롤러의 안전입력 처리 시간
- 로봇의 감속·정지에 필요한 기계적 시간(관성, 하중 포함)
실무에서는 로봇 제조사에서 제공하는 “안전정지 시간 데이터”와 안전센서·안전제어기기의 카탈로그 데이터를 합산하여 T를 계산한다.
협동작업 구역에서 속도·거리감시(SSM)를 구현할 때는, 단순 정지뿐 아니라 “감속 후 정지” 프로파일에 따른 응답시간도 따로 평가한다.
3.3 D_DS와 Z의 의미
D_DS는 센서가 실제 위험지점보다 일정 거리 앞에 설치되는 경우에 필요한 보정값이다.
예를 들어 레이저스캐너가 로봇 셀 입구에 설치되어 있고, 그 뒤로 로봇이 위치해 있다면, 센서에서 로봇까지의 거리를 D_DS로 고려해야 한다.
Z는 설치 오차나 센서의 반복정밀도, 환경 변화 등을 흡수하기 위한 추가 여유값이다.
설치 공법, 바닥 상태, 유지관리 수준에 따라 보수적으로 설정하는 것이 일반적이다.
4. 협동작업 모드별 표준거리 개념
협동로봇 표준에서는 일반적으로 다음 네 가지 협동작업 모드를 정의한다.
- 안전감시정지(Safety-Rated Monitored Stop)
- 핸드가이딩(Hand Guiding)
- 속도·거리감시(Speed and Separation Monitoring, SSM)
- 힘·파워 제한(Power and Force Limiting, PFL)
각 모드마다 “표준거리”를 해석하는 방식이 다르므로, 개념을 명확히 구분해야 한다.
4.1 안전감시정지 모드에서의 거리
안전감시정지 모드는 작업자가 협동작업 구역에 들어오는 순간 로봇의 위험 움직임이 완전히 정지하는 방식이다.
이 경우에도 센서의 검출지점과 로봇 사이에는, 로봇이 완전히 멈추는 데 필요한 정지거리 이상을 확보해야 한다.
즉, 사람의 접근속도보다는 로봇의 잔류 관성에 의해 추가로 움직이는 거리가 핵심이 된다.
4.2 핸드가이딩 모드에서의 거리
핸드가이딩은 작업자가 티치펜던트 대신 로봇을 손으로 직접 잡고 움직이면서 작업을 가르치는 방식이다.
이때는 보통 작업자가 로봇을 계속 잡고 있는 동안만 로봇이 움직이며, 잡지 않는 경우 자동으로 정지하는 안전장치가 포함된다.
핸드가이딩 모드 자체는 작업자와 로봇 사이의 거리를 크게 요구하지는 않지만, 주변 장애물·설비와의 끼임·협착 위험을 고려하여 별도의 최소거리 확보가 필요하다.
4.3 속도·거리감시(SSM) 모드에서의 거리
SSM은 협동작업 구역의 표준거리가 가장 핵심이 되는 모드이다.
센서가 작업자의 위치를 계속 추적하고, 사람과 로봇 사이의 실제 이격거리와 양측 속도에 따라 다음과 같은 조건을 실시간으로 유지한다.
- 거리 여유가 충분할 때: 로봇은 정상 속도로 운전한다.
- 작업자가 가까이 접근할 때: 로봇은 감속 운전으로 전환한다.
- 최소 보호분리거리 S보다 가까워질 때: 로봇이 안전 정지한다.
따라서 SSM 모드에서 “표준거리”는 바로 앞에서 설명한 S = (K × T) + D_DS + Z 공식으로 관리하는 최소 보호분리거리 S를 의미한다고 볼 수 있다.
4.4 힘·파워 제한(PFL) 모드에서의 거리
PFL 모드는 로봇이 사람과 실제로 접촉하는 것을 전제로 하되, 충돌 시 힘·압력·에너지가 인체 허용한도 이하가 되도록 속도·토크·질량·충격시간 등을 제한하는 방식이다.
이 모드에서는 “거리”보다는 충돌 시 발생할 수 있는 힘과 압력이 기준이 된다.
표준에서는 신체 부위별 허용 힘·압력 값을 제시하고, 로봇의 속도와 기구학적 특성을 이용해 허용 가능한 TCP 속도, 공구 형상 등을 설계하도록 요구한다.
실무에서는 PFL 모드에서도 기본적으로 사람과 로봇 사이에 일정 이격거리를 유지하도록 레이아웃을 설계하고, 가까운 구간에서는 속도를 크게 낮추는 다단계 전략을 사용한다.
5. 협동작업 구역 설계 절차와 표준거리 도출 단계
5.1 설계·평가 흐름 개요
산업로봇 협동작업 구역의 안전거리를 설계하는 전형적인 절차는 다음과 같이 정리할 수 있다.
- 로봇 및 공정 데이터 수집
- 위험원 분석 및 협동작업 구역 설정
- 센서·보호장치 선정
- 응답시간 T 산정
- 접근속도 K 설정
- 안전거리 S 계산 및 구역 구분(정지·감속·주의구역)
- 바닥마킹·표지·교육 및 검증 측정
5.2 로봇 및 공정 데이터 수집
먼저 다음 항목을 정리한다.
- 로봇 모델, 최대 TCP 속도, 협동모드 사용 가능 여부
- 로봇 제어기 안전기능(안전정지, 안전속도, 안전구역 제한 등)
- 엔드이펙터(EOAT)의 형상, 질량, 날카로운 모서리 여부
- 반복 공정에서 로봇이 차지하는 궤적과 위험구역
- 작업자의 작업 위치, 이동 동선, 접근 방향
5.3 센서·보호장치 선정
협동작업 구역에서 사용할 수 있는 대표적인 안전센서는 다음과 같다.
- 2D/3D 레이저스캐너
- 광전자식 안전센서(라이트커튼)
- 안전매트·압력센서
- 비전 기반 안전시스템
센서 선택 시에는 검출 가능 영역, 응답시간, 안전 등급(Performance Level, SIL 등), 설치제약을 모두 고려해야 한다.
5.4 응답시간 T 산정
각 구성요소의 카탈로그 및 시험결과를 바탕으로 다음 시간을 더하여 T를 산정한다.
- 센서 응답시간(예: 60 ms)
- 안전PLC 또는 릴레이 처리시간(예: 20 ms)
- 로봇 컨트롤러의 안전입력 처리시간(예: 20 ms)
- 로봇 정지시간(예: 100 ms)
위 예시라면 T = 0.06 + 0.02 + 0.02 + 0.10 = 0.20 s가 된다.
5.5 접근속도 K 설정
사람의 보행속도(예: 1.6 m/s)와 로봇의 접근속도(예: 1.0 m/s)를 합산하여 K = 2.6 m/s로 설정하는 등의 보수적인 방법이 많이 사용된다.
직선 접근, 측면 접근, 뒤에서 접근하는 경우 등 여러 경로 중 가장 위험한 시나리오를 선택하여 K를 설정해야 한다.
5.6 안전거리 S 계산과 구역 구분
앞에서 설명한 공식에 K, T, D_DS, Z를 대입하여 S를 계산한 후, 다음과 같이 협동작업 구역을 단계별로 나누어 관리할 수 있다.
- 경고구역: 로봇은 감속이 필요 없지만, 작업자 접근을 알리는 표시·알람을 제공한다.
- 감속구역: 사람과의 거리가 줄어들면 로봇 속도를 일정 비율 이하로 자동 감속한다.
- 정지구역(보호분리거리 이내): S보다 가까워지면 로봇이 완전 정지한다.
| 구역 유형 | 사람-로봇 거리 개념 | 로봇 동작 상태(예시) |
|---|---|---|
| 경고구역 | S + 여유거리 이상 | 정상속도 운전, 경고등 또는 알람만 점등한다. |
| 감속구역 | S ~ S + 여유거리 사이 | 자동 감속 모드로 전환한다. |
| 정지구역 | S 이내 | 안전정지(Safe Stop) 상태로 진입한다. |
6. 예시: 협동작업 구역 표준거리 계산 시뮬레이션
아래 예시는 개념 설명을 위한 단순화된 시뮬레이션이며, 실제 설계에 그대로 사용해서는 안 된다.
6.1 가정 조건
- 사람 보행속도: 1.6 m/s
- 로봇 접근속도(협동모드 제한): 1.0 m/s
- 센서+제어+로봇 정지까지 전체 응답시간 T: 0.25 s
- 센서 설치위치와 로봇 사이 거리 보정 D_DS: 200 mm
- 여유거리 Z: 100 mm
6.2 계산 과정
1단계: 접근속도 K 계산이다.
사람과 로봇이 서로를 향해 접근한다고 가정하면 K = 1.6 + 1.0 = 2.6 m/s이다.
단위 통일을 위해 mm/s로 변환하면 K = 2600 mm/s이다.
2단계: (K × T) 계산이다.
(K × T) = 2600 mm/s × 0.25 s = 650 mm이다.
3단계: S 계산이다.
S = (K × T) + D_DS + Z = 650 mm + 200 mm + 100 mm = 950 mm 이 예시에서 최소 보호분리거리 S는 약 950 mm가 된다.
즉, 센서가 사람을 검출하는 경계선과 로봇의 위험구역 사이에 실제로 약 0.95 m 이상의 거리를 유지하도록 설계해야 한다는 의미이다.
추가로 환경오차나 유지관리 상태를 고려해 1.0 m 이상으로 반올림해 설계하는 것이 일반적이다.
주의 : 위 예시는 특정 표준에서 공식으로 제시한 값이 아니라, 공식을 이해하기 위한 가상의 수치이다. 실제 설계 시에는 각 로봇·센서·제어기의 공식 데이터와 표준에서 정한 최소 요구값을 사용해야 한다.
7. 협동작업 구역에서 자주 발생하는 오류와 개선 포인트
7.1 “협동로봇이니까 펜스가 필요 없다”는 오해
협동로봇이라는 이름 때문에 펜스 없이 설치하는 사례가 많지만, 이는 “협동작업 모드로 안전설계가 완료되었다”는 전제를 만족할 때만 허용된다.
로봇이 실제로는 전통적인 고속 모드로 운전되면서 펜스만 제거된 경우, 사고 발생 시 중대한 책임 문제가 발생할 수 있다.
7.2 고정 거리만 보고 설계하는 문제
일부에서는 인터넷이나 매뉴얼의 예시 그림에 나온 숫자만 보고 “이 로봇은 0.5 m만 확보하면 된다”라고 단순화하는데, 실제로는 작업자의 접근 방향, 로봇의 속도·하중, 센서 위치, 응답시간에 따라 요구되는 거리가 크게 변한다.
표준거리 개념은 항상 “공식과 데이터에 기반한 계산 결과”로 이해해야 한다.
7.3 안전속도 설정 누락
협동작업 구역에서 로봇 컨트롤러의 안전속도 제한 기능을 사용하지 않고, 일반 작업속도를 그대로 사용하는 경우가 있다.
이때는 SSM이나 PFL에 맞는 안전거리 계산이 사실상 무의미해진다.
반드시 안전속도 파라미터를 협동작업 조건에 맞게 설정하고, 변경이 어려운 권한 관리 체계를 구축해야 한다.
8. 협동작업 구역 안전점검 체크리스트
실무에서 바로 활용할 수 있도록, 협동작업 구역 표준거리와 관련된 점검 항목을 정리한다.
| 점검 항목 | 체크 내용 | 주기 |
|---|---|---|
| 협동작업 구역 정의 | 협동작업 구역 경계가 도면과 바닥마킹으로 명확히 표시되어 있는지 확인한다. | 설비 변경 시 |
| 위험성 평가 | 협동작업을 포함한 위험성 평가가 최신 상태이며, 안전거리 계산 근거가 문서화되어 있는지 점검한다. | 연 1회 이상 |
| 센서 및 보호장치 | 센서의 위치, 설치각도, 응답시간이 설계서와 일치하는지, 차폐·오염이 없는지 확인한다. | 월 1회 이상 |
| 안전정지 기능 | 보호분리거리 S 이내로 접근 시 로봇이 즉시 정지하는지 실제 시험한다. | 분기 1회 이상 |
| 속도·거리감시 기능 | 거리대별 감속·정지 동작이 설계된 단계와 동일하게 작동하는지 시험한다. | 분기 1회 이상 |
| 안전속도 설정 관리 | 협동작업용 안전속도 설정이 임의로 변경되지 않도록 비밀번호·권한 관리가 되어 있는지 확인한다. | 반기 1회 이상 |
| 작업자 교육 | 작업자가 협동작업 구역 출입조건, 안전거리 의미, 비상정지 사용법을 이해하고 있는지 교육 기록을 확인한다. | 연 1회 이상 |
FAQ
협동로봇이면 사람과 300 mm 정도만 띄워도 안전한가?
그렇지 않다. 협동로봇이라는 이름만으로 특정 고정거리(예: 300 mm)를 일괄적으로 안전하다고 볼 수 없다.
로봇 속도, 공구 형상, 하중, 사람의 접근방향과 속도, 센서 응답시간, 제어시스템 성능에 따라 요구되는 최소 보호분리거리 S가 달라진다.
따라서 반드시 표준에서 제시하는 계산식을 이용해 개별 설비·공정별로 안전거리를 계산하고, 그 결과 이상의 이격거리를 확보해야 한다.
표준 문서에 “몇 미터 이상”처럼 숫자가 직접 나와 있지 않으면 어떻게 해야 하나?
많은 국제표준은 고정된 숫자를 제시하기보다는, 계산식과 절차, 최소 요구사항을 제시하는 방식이다.
이는 공정·로봇·작업환경에 따라 필요한 안전거리가 크게 달라지기 때문이다.
따라서 “숫자가 안 나와 있으니 아무 거리나 괜찮다”가 아니라, “숫자를 산정하기 위한 공식과 절차를 제공하므로 이를 따라 계산해야 한다”라고 이해해야 한다.
기존 산업로봇 셀을 협동작업 구역으로 바꾸려면 무엇부터 해야 하나?
먼저 기존 셀의 로봇, 공구, 공정을 재검토하여 협동작업에 적합한지 평가해야 한다.
날카로운 공구, 고속 절단·프레스 등은 기본적으로 PFL 모드에도 적합하지 않을 수 있다.
다음으로 로봇 컨트롤러가 협동모드, 안전속도 제한, 안전구역 설정 등을 지원하는지 확인하고, 필요하다면 로봇 또는 제어기 업그레이드를 검토해야 한다.
그 후 센서·보호장치 재배치, 안전거리 재계산, 작업자 교육을 포함한 전면적인 위험성 평가를 수행한 뒤에야 협동작업 구역으로 변경할 수 있다.
안전센서가 고장 나면 협동작업 구역 안전거리는 어떻게 관리해야 하나?
협동작업 구역의 안전은 센서와 제어시스템이 정상적으로 작동한다는 전제를 기반으로 한다.
따라서 센서에 고장, 오염, 차폐가 발생하면 협동작업을 즉시 중지하고, 로봇을 전통적인 펜스·인터록 기반 운전 모드로 전환하거나, 설비를 완전히 정지해야 한다.
센서 진단 기능, 정기 점검, 오염 방지 구조를 설계 단계에서부터 반영하는 것이 중요하다.