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이 글의 목적은 협동로봇 협동모드에서 속도·분리감지(Speed and Separation Monitoring, SSM)를 안전기준에 맞게 설정하는 절차와 실무 팁을 정리하여, 로봇 셀 설계자와 안전담당자가 현장에서 바로 활용할 수 있도록 하는 것이다.
1. 협동모드와 속도·분리감지(SSM) 개요
협동로봇 협동모드는 사람과 로봇이 동일 작업공간을 공유하면서 동시에 움직일 수 있도록 허용하는 운전 모드이다. 이때 사람의 안전을 확보하기 위해 국제표준에서는 네 가지 협동운전 방식, 즉 안전정지 감시(Safety-rated Monitored Stop), 핸드가이딩(Hand Guiding), 속도·분리감지(Speed and Separation Monitoring, SSM), 힘·에너지 제한(Power and Force Limiting, PFL)을 정의하고 있다. 이 가운데 속도·분리감지는 사람과 로봇 사이의 거리와 상대속도를 연속적으로 감시하면서, 거리가 가까워질수록 로봇 속도를 줄이고 보호분리거리 이하가 되면 정지시키는 방식이다.
속도·분리감지는 물리적 울타리나 인터록 없이도 개방형 작업공간에서 높은 생산성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 대신 감지센서, 안전제어, 로봇 제어기의 기능이 모두 안전수준을 충족해야 하며, 보호분리거리 계산과 검증이 필수이다.
1.1 협동로봇 협동모드의 특징
협동로봇 협동모드는 다음과 같은 특징을 가진다.
- 사람과 로봇이 동일 작업영역을 시간적으로 중첩하여 사용하는 것을 허용한다.
- 안전기능(속도 제한, 공간 제한, 정지 감시 등)이 로봇 컨트롤러와 외부 안전장치에 내장되어 있다.
- 위험도에 따라 로봇 속도, 가속도, 경로, 작업공간을 동적으로 변경한다.
- 위험평가 결과에 따라 협동운전 방식 하나만 쓰기도 하고, 여러 방식을 조합하기도 한다.
속도·분리감지는 이 네 가지 방식 중에서도 “사람과 로봇이 동시에 움직이지만, 일정 거리 이상을 항상 확보하도록 만드는 기능”이라고 이해하는 것이 좋다.
1.2 네 가지 협동운전 방식과 SSM 위치
협동운전 방식의 전체 그림 속에서 속도·분리감지가 차지하는 위치를 이해하면 설계 방향이 명확해진다.
| 협동운전 방식 | 사람·로봇 동시 움직임 | 주요 목적 | 적용 예 |
|---|---|---|---|
| 안전정지 감시 | 동시 움직임 없음 | 사람이 들어오면 로봇을 안전정지 상태로 유지한다. | 티칭, 셋업 작업 시 |
| 핸드가이딩 | 동시 움직임 있음 | 작업자가 직접 로봇을 손으로 조작한다. | 티칭, 궤적 레코딩 |
| 속도·분리감지(SSM) | 동시 움직임 있음 | 거리·속도에 따라 로봇 속도를 조절하고 보호분리거리 이내에서는 정지한다. | 피킹·조립 협업 작업 |
| 힘·에너지 제한(PFL) | 동시 움직임 있음 | 충돌이 발생해도 인체 손상을 허용치 이내로 제한한다. | 사람 바로 옆 반복작업 |
실제 현장에서는 속도·분리감지를 기본으로 설계하되, 일부 작업구간에서 힘·에너지 제한을 함께 적용하여 생산성과 안전성을 동시에 확보하는 구조를 자주 사용한다.
2. 적용 표준과 안전 설계 프레임
협동모드 속도·분리감지를 설계할 때는 특정 제조회사의 매뉴얼뿐 아니라 국제표준에 기반한 프레임을 먼저 이해해야 한다. 일반적으로 다음 표준들의 요구사항을 조합하여 설계한다.
| 표준 | 역할 | 주요 내용 |
|---|---|---|
| ISO 12100 | 위험성 평가·저감 | 기계 전반의 위험식별, 위험추정, 위험저감 절차를 제공한다. |
| EN ISO 10218-1, 10218-2 | 산업로봇 및 시스템 안전 | 로봇 자체와 로봇 시스템 통합 시 요구되는 안전기능과 설계 요구사항을 규정한다. |
| ISO/TS 15066 | 협동로봇 응용 상세 가이드 | 협동운전 방식 정의, 속도·분리감지 및 힘·에너지 제한에 대한 설계 지침을 제공한다. |
| EN ISO 13855 | 안전거리 계산 | 인체 접근속도와 정지시간을 고려한 보호분리거리 계산식을 제공한다. |
| EN ISO 13849-1 / IEC 62061 | 안전제어 성능수준 | 안전관련 제어시스템의 PL(d), SIL2 등 성능수준 요구사항을 규정한다. |
협동모드 속도·분리감지를 적용하는 경우, 일반적으로 안전관련 제어기능(속도감시, 정지감시, 공간제한)은 최소 PL d, Category 3 또는 이에 상응하는 SIL 수준을 만족하도록 설계하는 것이 보편적이다. 최종적인 요구수준은 ISO 12100에 따른 위험성 평가 결과에 따라 결정한다.
3. 속도·분리감지(SSM) 기능 구조 이해
속도·분리감지는 단일 기능이 아니라 여러 구성요소가 결합된 시스템이다. 각 요소를 명확히 구분해 두어야 설계·검증 시 누락을 줄일 수 있다.
| 구성요소 | 설명 | 실무 포인트 |
|---|---|---|
| 존재·거리 감지센서 | 사람의 존재와 위치, 접근을 검출하는 센서이다. | 안전 라이트커튼, 안전 레이저 스캐너, 안전 카메라 등 안전인증 센서를 사용한다. |
| 안전제어 유닛 | 센서 신호를 기반으로 보호분리거리 위반 여부를 판단하고 로봇에 안전신호를 출력하는 장치이다. | PL/SIL 요구수준을 만족하는 안전 PLC 또는 안전 컨트롤러를 사용한다. |
| 로봇 컨트롤러 안전기능 | 안전신호에 따라 속도제한, 공간제한, 안전정지를 실행하는 로봇 컨트롤러의 기능이다. | 안전속도감시(SLS), 안전정지(SS1, SS2), 안전공간제한(SSA 등)을 활용한다. |
| 안전존·속도 설정 데이터 | 보호분리거리, 속도 프로파일, 존별 설정값이다. | 위험평가와 거리계산 결과를 근거로 수치화하여 문서로 관리한다. |
주의 : 사람 접근을 감지하는 센서는 반드시 안전인증이 된 제품을 사용해야 하며, 일반 카메라나 범용 센서를 보호장치로 사용하는 것은 허용되지 않는다.
4. 보호분리거리(Protective Separation Distance) 계산 절차
속도·분리감지 설계의 핵심은 보호분리거리 계산이다. 보호분리거리는 사람과 로봇 사이에 충돌 없이 안전을 유지하기 위해 필요한 최소 거리이다. 국제표준에서는 인체의 접근속도, 시스템의 전체 정지시간, 센서의 분해능·지연시간, 추가 여유거리 등을 반영하여 보호분리거리를 산정하도록 요구한다.
4.1 기본 개념과 대표 계산식
대표적으로 다음과 같은 형태의 계산식을 사용한다.
Sp = (K × T) + C + Zd- Sp : 보호분리거리(Protective Separation Distance)
- K : 사람의 접근속도(mm/s)
- T : 전체 정지시간(s) = 센서 검출지연 + 안전제어 처리시간 + 로봇 정지시간
- C : 센서의 감지특성에 따른 보정거리(예: 분해능, 설치위치에 따른 침입거리)
- Zd : 측정오차, 기계공차, 로봇 반복정확도 등을 고려한 추가 안전여유거리
인체 접근속도 K 값은 보수적으로 상체 기준 1600 mm/s, 전신 접근 2000 mm/s 정도를 사용하는 것이 일반적이다. 실제 적용 시에는 작업자 자세, 이동방향, 작업패턴을 검토하여 적절한 값을 선택해야 한다. 정지시간 T는 로봇 컨트롤러, 드라이브, 브레이크 특성에 따라 큰 차이가 나므로 반드시 측정값 또는 제조사 데이터에 근거하여 사용해야 한다.
4.2 예시 계산
아래는 개념을 설명하기 위한 예시이다. 실제 설계에서는 반드시 현장 설비의 실제 측정값을 사용해야 한다.
- 사람 접근속도 K = 1600 mm/s
- 전체 정지시간 T = 0.4 s (센서부터 로봇 완전정지까지)
- 센서 특성 보정거리 C = 120 mm
- 추가 여유거리 Zd = 100 mm
이 경우 보호분리거리 Sp는 다음과 같이 계산된다.
Sp = (1600 × 0.4) + 120 + 100 = 640 + 220 = 860 mm즉, 사람과 로봇 사이의 실제 최소거리가 860 mm 이상이 되도록 센서 감지영역, 로봇 속도프로파일, 안전존을 설정해야 한다.
주의 : 보호분리거리 계산은 단순 예시를 그대로 적용하는 것이 아니라, 각 설비별 정지시간 측정과 위험평가 결과를 기반으로 다시 산정해야 한다.
4.3 단계별 계산·검증 절차
실무에서 사용할 수 있는 보호분리거리 산정 절차는 다음과 같이 정리할 수 있다.
- 위험분석을 통해 충돌 시 상해가 예상되는 부위, 충돌방향, 작업자 동선을 파악한다.
- 로봇의 최대속도, 작업속도, 경로, 로봇툴 및 공정물의 형상·질량을 파악한다.
- 센서 종류를 선택하고, 설치위치·높이·각도를 개략 설계한다.
- 로봇 정지시간을 측정하거나 제조사 데이터에서 가져와, 센서 지연·안전제어 처리시간을 포함한 전체 정지시간 T를 산정한다.
- 표준에서 제시하는 접근속도 K 값을 선택하고, C, Zd 값을 검토하여 보호분리거리 Sp를 계산한다.
- 센서의 보호영역을 Sp 이상이 되도록 설정하고, 로봇의 안전속도·공간제한을 연동한다.
- 실제 작업조건(최대속도, 최악 위치)에서 시험을 수행하여, 사람이 접근했을 때 로봇이 보호분리거리 내에 도달하기 전에 정지하는지 검증한다.
5. 협동모드 속도 프로파일 및 존 설정
속도·분리감지를 제대로 활용하려면 “거리 변화에 따른 속도 프로파일”을 명확하게 정의해야 한다. 일반적인 구현 방식은 안전 레이저 스캐너 또는 안전카메라로 여러 개의 존(Zone)을 설정하고, 각 존에 대해 로봇 속도와 동작모드를 연동하는 것이다.
5.1 존 기반 속도·분리감지 예시
다음 표는 3존(원거리·중간거리·근접거리) 구조로 속도·분리감지를 구현하는 예시이다.
| 존 | 인체–로봇 최소거리 | 로봇 속도 상태 | 로봇 동작 |
|---|---|---|---|
| Zone 1 (원거리) | Sp + 여유거리 이상 | 생산속도(정격 속도) | 자동운전 허용, 협동모드 활성 |
| Zone 2 (중간거리) | Sp ~ Sp + 여유거리 | 감속운전 | 속도 제한, 가속도 제한, 일부 동작 제한 |
| Zone 3 (근접거리) | Sp 이하 | 속도 0 | 안전정지(SS1/SS2), 협동운전 일시 중지 |
존 설계 시에는 단순한 원형 또는 사각형 영역만 고려할 것이 아니라, 실제 작업자의 동선과 로봇 팔 궤적을 겹쳐 보아야 한다. 특히 로봇이 위에서 아래로 내려오거나, 작업자가 팔을 뻗을 수 있는 영역 등 3차원적인 접근 Possibility를 고려해야 한다.
5.2 로봇 컨트롤러 속도제한 설정 포인트
협동모드 속도제한을 설정할 때는 다음 사항을 점검해야 한다.
- 축별 속도제한뿐 아니라 TCP(Tool Center Point) 속도, 경로속도 제한을 동시에 검토한다.
- 감속구간 진입 시 급격한 속도변동이 발생하지 않도록 가속·감속 램프를 부드럽게 설정한다.
- 감속영역에서의 속도는 보호분리거리 계산 시 사용한 최대속도보다 크지 않도록 한다.
- 안전기능에 의해 제한되는 속도와, 일반 프로그래밍에서 설정하는 공정속도가 서로 상충하지 않도록 일관성 있게 관리한다.
주의 : 로봇 프로그램에서 속도를 낮게 설정했다고 하더라도, 안전기능 관점에서는 “최대 가능속도”를 기준으로 보호분리거리를 계산하는 것이 원칙이다. 프로그램 변경이나 튜닝으로 속도가 올라갈 가능성을 항상 고려해야 한다.
6. 분리감지 센서 배치와 설계 요령
속도·분리감지의 성공 여부는 센서 배치에 크게 좌우된다. 잘못 설계된 센서 배치는 사각지대를 만들거나, 불필요한 오정지를 유발하여 생산성을 떨어뜨린다.
6.1 안전 레이저 스캐너 적용 시 고려사항
- 스캐너 설치높이는 사람의 다리, 몸통, 팔이 모두 감지될 수 있도록 선정한다.
- 반사체, 바닥 경사, 주변 장비에 의한 차폐로 인해 보호영역이 왜곡되지 않도록 현장 시뮬레이션을 수행한다.
- 복수의 스캐너를 사용하는 경우, 존 정의와 로직을 명확히 하여 겹치는 영역에서도 일관된 동작을 보장한다.
- AGV, AMR 등 이동체와 협동로봇이 함께 사용하는 경우, 이동형 스캐너와 고정형 스캐너의 보호영역이 상호 보완되도록 설계한다.
6.2 안전 카메라·3D 센서 적용 시 고려사항
- 시야각(FOV)이 협동공간 전체를 충분히 커버하는지 확인한다.
- 빛 반사, 그림자, 환경조도 변화에 따른 오검출·미검출 가능성을 평가한다.
- 알고리즘 기반 객체인식의 경우, 안전인증 범위 내에서만 보호기능을 구현하고, 그 외 기능은 보조 감시용으로만 사용한다.
- 통신지연, 영상처리 지연을 포함하여 전체 정지시간 T를 재산정하고, 보호분리거리를 다시 검토한다.
주의 : 일반 머신비전 카메라는 품질검사에는 적합하지만, 보호장치로 사용하기 위한 안전인증과 구조를 갖추지 못한 경우가 대부분이다. 품질검사용 비전과 안전센서는 역할을 명확히 분리해야 한다.
7. 협동모드 SSM 설정 검증 및 문서화
속도·분리감지 기능을 설정한 후에는 반드시 검증과 문서화를 수행해야 한다. 검증 없이 단순히 설정값만 남기는 것은 규제기관 검사나 사고 발생 시 책임소재 측면에서 매우 취약하다.
- 기능시험 : 각 존별로 사람이 접근했을 때 로봇 속도가 의도한 대로 변화하는지, 보호분리거리 내에서 정지하는지 시험한다.
- 정지시간 측정 : 최대속도 조건에서 비상정지, 안전정지 시험을 수행하여 실제 정지시간 T를 측정하고, 계산에 사용한 값과 비교한다.
- 고장 모드 시험 : 대표적인 센서고장, 통신단선, 제어기 이상상태를 시뮬레이션하여, 실패 시 안전측으로 동작하는지 확인한다.
- 변경관리 : 로봇 속도, 공정조건, 설비 배치가 변경될 때마다 보호분리거리 계산과 SSM 설정을 재검토하고 기록한다.
검증 결과는 시험절차서, 시험성적서, 위험성 평가서, 로봇 프로그램 버전 정보와 함께 패키지로 보관하는 것이 좋다.
8. 현장 적용 체크리스트
마지막으로 협동로봇 협동모드 속도·분리감지 설정 시 사용할 수 있는 간단한 체크리스트를 제시한다. 실제 현장에 맞게 항목을 추가·수정하여 활용하면 된다.
| 항목 | 점검 내용 | 체크 방법 | 점검 주기 |
|---|---|---|---|
| 위험성 평가 | 협동모드 및 SSM을 포함한 위험성 평가가 최신 상태인지 확인한다. | 위험성 평가서 검토 | 신규 설치, 변경 시 |
| 정지시간 데이터 | 로봇 및 시스템 전체 정지시간 T가 측정값에 기반하여 관리되는지 확인한다. | 측정기록, 제조사 데이터 확인 | 연 1회 이상 또는 변경 시 |
| 보호분리거리 Sp | Sp 계산 근거와 산정값이 문서화되어 있는지 확인한다. | 계산서, 검토기록 확인 | 신규 설치, 변경 시 |
| 센서 설치·사각지대 | 센서 배치로 인해 사각지대가 발생하지 않는지, 실측으로 확인한다. | 현장 점검, 테스트 접근 | 정기점검 시 |
| 존·속도 설정 | 각 존별 로봇 속도설정이 설계값과 일치하는지 확인한다. | 로봇 컨트롤러 파라미터 점검 | 정기점검, 프로그램 변경 시 |
| SSM 기능시험 | 실제 작업자 접근으로 SSM 동작을 정기적으로 시험한다. | 시험절차에 따른 기능시험 | 반기 또는 연 1회 |
| 변경관리 기록 | 속도, 작업공정, 배치 변경 시 재검토 및 승인 기록이 존재하는지 확인한다. | 변경관리 로그 검토 | 변경 건 발생 시 |
주의 : 협동로봇이 “협동로봇”이라는 이유만으로 자동으로 안전해지는 것은 아니다. 협동모드와 속도·분리감지 기능을 표준에 맞게 설계하고, 실제 작업조건에서 검증하는 것이 안전과 생산성을 동시에 확보하는 유일한 방법이다.
FAQ
협동로봇에 힘·에너지 제한(PFL) 기능이 있으면 속도·분리감지를 생략해도 되는가?
힘·에너지 제한은 충돌을 허용하되 인체 손상 수준을 허용치 이내로 제한하는 개념이다. 반면 속도·분리감지는 애초에 충돌을 방지하는 것을 목표로 한다. 위험평가 결과에 따라 일부 응용에서는 PFL만으로 충분할 수 있지만, 공구가 날카롭거나 공정물이 무거운 경우, 고속 이송구간이 있는 경우에는 여전히 속도·분리감지 또는 다른 보호장치를 요구하는 경우가 많다.
보호분리거리를 계산할 때 로봇의 실제 운전속도를 기준으로 해도 되는가?
보호분리거리는 원칙적으로 해당 모드에서 가능한 최대속도, 최악조건을 기준으로 산정하는 것이 안전하다. 프로그램 상에서 현재는 낮은 속도로 운전하더라도, 향후 생산성 향상을 위해 속도를 높일 가능성을 고려해야 한다. 따라서 안전기능이 보장하는 상한속도 또는 설계상 최대속도를 기준으로 계산하고, 변경 시 재평가하는 것이 바람직하다.
센서 해상도가 낮으면 보호분리거리에 어떤 영향을 주는가?
센서 해상도가 낮거나 설치조건상 최소 감지거리가 길어지는 경우, 사람이 실제로 로봇 쪽으로 더 깊이 들어온 이후에야 감지가 이루어질 수 있다. 이 경우 C 값이 커지게 되고, 결과적으로 보호분리거리 Sp가 증가하여 설비 전체 차지공간이 커지거나 생산성에 영향을 줄 수 있다. 초기 설계 단계에서 센서 성능과 설치조건을 함께 최적화하는 것이 중요하다.
SSM 설정 후 어느 정도 주기로 재검증을 해야 하는가?
정확한 주기는 사업장 안전관리체계와 설비 중요도에 따라 다르지만, 일반적으로 연 1회 이상 정기점검 시 기능시험을 수행하는 것이 좋다. 또한 로봇 속도, 작업궤적, 공정, 센서 위치, 제어로직이 변경될 때마다 보호분리거리 재계산과 기능시험을 반드시 수행해야 한다.