협동 로봇(코봇)은 인간과 협력하고 Industry 4.0 공장에서 유연한 생산을 지원하도록 설계되었습니다. 기존 산업용 로봇에 비해 코봇은 더 간단하고 설정이 쉬우며 안전하게 격리된 작업 공간이 필요하지 않습니다. 코봇은 사람과 함께 작업하도록 설계되었기 때문에 충돌 감지 시스템, 힘 피드백, 탄성 액추에이터, 저관성 서보 모터와 같은 기능을 포함하여 다른 산업용 로봇과 다르게 제작되었습니다.
디자인이 다르기 때문에 코봇에 대한 특정 안전 표준이 개발되었습니다. 국제 표준화 기술 사양(ISO/TS) 15066은 산업용 코봇과 해당 작업 환경에 대한 안전 요구 사항을 지정합니다. 이는 ISO 10218-1 및 ISO 10218-2의 협동로봇 작동에 대한 요구 사항과 지침을 보완합니다.
이 기사에서는 ISO/TS 15066의 요구 사항과 이러한 요구 사항이 ISO 10218-1 및 10218-2에 어떻게 부합하는지 간략하게 검토합니다. 그런 다음 협업 작업 공간을 정의하는 방법을 포함하여 협업의 복잡성을 고려합니다. 근접 센서, 라이트 커튼, 안전 접촉 매트와 같은 예시적인 장치와 함께 협동로봇에 내장된 안전 기능, 필요한 외부 안전 기능 등 로봇 안전과 관련된 요소를 검토합니다. 협동로봇 안전 고려 사항과 관련된 몇 가지 응용 프로그램에 대한 간략한 검토로 마무리됩니다.
산업용 로봇과 코봇에는 몇 가지 주요 안전 표준이 있습니다. ISO/TS 15066은 산업용 코봇 시스템 및 작업 환경에 대한 안전 요구 사항을 자세히 설명하며 ISO 10218 시리즈와 같은 이전 표준의 제한된 요구 사항을 기반으로 작성되었습니다. ISO 10218-1은 일반 로봇과 로봇 장치에 중점을 두고 있으며, ISO 10218-2는 로봇 시스템과 통합에 중점을 두고 있습니다. 미국 국립 표준 협회/로봇 산업 협회(ANSI/RIA) R15.06은 ISO 10218-1 및 ISO 10218-2를 국가적으로 채택한 것입니다.
협업의 복잡성
협동로봇 안전에 대해 자세히 알아보기 전에 협업을 정의하는 것이 도움이 됩니다. 로봇 공학에서의 협업은 복잡하며 다음 세 가지 요소를 포함합니다.
- ANSI/RIA R15.06에 따르면 코봇은 "정의된 협업 작업 공간 내에서 인간과 직접적인 상호 작용을 위해 설계된 로봇"입니다.
- ISO/TS 15066에 따르면 협업 작업은 "의도적으로 설계된 로봇 시스템과 작업자가 협업 작업 공간 내에서 작업하는 상태"입니다.
- 마지막으로, 협업 작업 공간은 ANSI/RIA R15.06에 따르면 "로봇과 인간이 생산 작업 중에 동시에 작업을 수행할 수 있는 보호 공간 내의 작업 공간"입니다.
이는 "보호된 공간 내"의 협업 작업 공간에 대한 정의로 귀결됩니다. 보호 공간에는 코봇에 포함된 표준 안전 기능 외에도 안전 보호 계층이 포함되어 있습니다.
코봇에 통합된 일반적인 보호 기능에는 예상치 못한 충격, 장애물 또는 과도한 힘이나 토크를 모니터링하는 모든 관절의 토크 측정을 기반으로 하는 접촉 감지 시스템이 포함됩니다. 또한 자동 제동 시스템과 동력 없이 팔을 움직일 수 있는 수동 브레이크 해제 장치도 있어야 합니다.
협동로봇이 사람과 예상치 못한 접촉을 하는 것은 특히 우려되는 일입니다. 표준에 따르면 사람의 머리 어느 곳이든 접촉을 방지해야 합니다. 또한 이 표준은 신체를 29개의 특정 영역으로 나누고 두 가지 접촉 유형에 대한 제한 사항을 자세히 설명합니다.
- 과도 현상 접촉은 협동로봇이 사람을 때리는 감동적이고 역동적인 이벤트입니다. 제한은 위치, 관성 및 상대 속도에 따라 결정됩니다.
- 준정적 접촉은 코봇과 표면 사이에 신체 일부가 끼일 때 발생합니다. 제한은 파쇄 및 클램핑 효과와 관련된 압력 및 힘을 기반으로 합니다.
사양은 애플리케이션 고려 사항을 기반으로 절대 제한이 아닌 지침을 제공합니다. 또한 사람과 로봇 간의 협력은 새로운 분야이고 연구가 진행 중이기 때문에 지침은 유익하고 현재의 모범 사례를 반영한다고 명시되어 있습니다.
지속적인 협업
단일 협업 애플리케이션이 없습니다. 사람과 코봇은 연속적인 방식으로 상호 작용하고 협업할 수 있습니다. 협업 애플리케이션은 사람이 협업 작업 공간에 들어갈 때 로봇이 전원을 공급받지 않고 정지하는 공존부터 작동 중에 사람이 코봇을 만지는 대화형 활동까지 다양합니다(그림 1).
개별 협업 애플리케이션의 안전 요구 사항을 식별하려면 위험 평가가 필요합니다. 여기에는 애플리케이션과 관련된 위험 및 위험을 식별, 평가 및 감소시키는 것이 포함됩니다. ISO 10218에는 다양한 상황에 적합할 수 있는 안전 기능 목록이 포함되어 있지만 명확한 요구 사항은 없습니다. ISO/TS 15066은 협동로봇 위험 평가에 대한 추가 세부 정보를 제공합니다. 각각의 경우 위험 평가의 목표는 협업 애플리케이션의 안전한 구현을 보장하는 데 필요한 외부 안전 장치 및 시스템을 식별하는 것입니다.
위험 평가 및 로봇에 대해 더 자세히 알아보려면 "최대 이익을 위해 AMR을 Industry 4.0 운영에 안전하고 효율적으로 통합"이라는 기사를 참조하세요.
보호 및 효율성
코봇은 안전한 작동을 위해 설계되었지만 추가 보호 계층은 협업 애플리케이션의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 추가 안전 장치가 없으면 사람이 협업 작업 공간에 들어갈 때 ISO/TS 15066에서는 축당 최대 0.25m/s의 속도를 요구합니다. 대부분의 협동로봇의 경우 속도가 매우 느립니다.
예를 들어 슈나이더 일렉트릭의 LXMRL12S0000 Lexium 코봇은 최대 페이로드가 12킬로그램(kg), 작동 반경(작업 범위)이 1327밀리미터(mm), 위치 정확도 ±0.03mm, 최대 공구 끝 속도를 갖습니다. 초당 3미터(m/s)로, 사람이 공동 작업 공간에 있을 때 ISO/TS 12에서 허용하는 최대 속도보다 15066배 빠릅니다(그림 2).
많은 응용 분야에서 코봇은 장기간 혼자 작동할 수 있습니다. 따라서 협업 공간에 사람이 있는지 여부를 감지하면 사람이 없을 때 훨씬 더 빠른 작업과 더 높은 효율성을 얻을 수 있습니다. 사람의 존재를 감지하는 일반적인 장치로는 안전 스캐너, 라이트 커튼, 안전 접촉 바닥 매트 등이 있습니다. 각 technology 다양한 이점을 제공하며 종종 조합하여 사용됩니다.
안전 스캐너
안전 스캐너는 지정된 구역을 모니터링하여 사람의 존재를 감지합니다. 사람이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 판단하고 능동 안전 구역 외에도 다양한 경고 구역을 구현할 수 있습니다.
Omron의 모델 OS32C-SP1-4M은 코봇과 함께 사용하도록 설계된 안전 레이저 스캐너의 좋은 예입니다. 안전 반경은 최대 4미터(m)이며 최대 15m까지 여러 경고 구역을 지원할 수 있습니다. 여기에는 복잡한 협업 작업 공간을 지원하기 위한 안전 구역 및 경고 구역 조합의 70개 표준 세트가 포함되어 있습니다. 또한 최소 물체 해상도를 30, 40, 50 또는 70mm로 설정할 수 있으며 응답 시간 범위는 80ms에서 최대 680ms까지 가능하므로 애플리케이션 유연성이 더욱 향상됩니다(그림 3).
라이트 커튼
라이트 커튼은 사람의 존재를 측정할 수 있으며 손가락이나 손과 같은 다양한 크기의 물체를 감지하도록 설계될 수 있습니다. 안전 스캐너와 달리 라이트 커튼은 거리를 측정하지 않습니다. 선형 방출기와 수신기 배열 사이에 일련의 광선을 보내고 물체가 하나 이상의 광선을 끊을 때를 감지할 수 있습니다.
안전 등급 측면에서 라이트 커튼은 유형 2와 유형 4라는 두 가지 기본 분류로 분류됩니다. 두 유형은 외관이 유사하지만 서로 다른 수준의 안전을 제공하도록 설계되었습니다. 유형 4는 협업 작업 공간을 정의하는 보호 공간을 모니터링합니다. 타입 2 라이트 커튼은 위험도가 낮은 애플리케이션용으로 설계되었습니다.
라이트 커튼은 주변을 보호하며 손가락 감지용 14mm, 손 감지용 24mm와 같은 여러 수준의 분해능으로 제공됩니다. Banner Engineering의 SLC4P24-160P44 모델은 방출기 및 수신기 배열이 포함된 Type 4 라이트 커튼 키트이며 코봇과 같은 사람과 기계를 보호하기 위한 24mm의 해상도를 갖습니다(그림 4). 이미터에는 동기화된 변조 적외선 발광 다이오드 열이 있습니다. 수신기에는 동기화된 광검출기의 해당 행이 있습니다. 이미터의 범위는 2m이며, 이 라이트 커튼은 160mm에서 320mm까지 80mm 단위로 설치할 수 있습니다.
안전 레이저 스캐너와 라이트 커튼은 협업 작업 공간의 안전을 강화하기 위한 비접촉 수단을 제공합니다. 그러나 원치 않는 빛 간섭을 보낼 수 있는 반사율이 높은 표면이 있는 영역과 같이 광학적으로 까다로운 환경에서는 사용하기 어려울 수 있으며, 오일이나 그리스 누출 또는 과도한 먼지나 습기로 인해 작동이 중단될 수 있습니다.
이러한 광학 센서 중 일부에는 특정 유형의 간섭을 완화하는 데 도움이 되는 감도 조정이 포함되어 있습니다. 이러한 민감도 조정으로 인해 응답 시간이 늘어나고 기타 성능이 저하될 수도 있습니다. 또 다른 해결책은 광학 감지 장치와 함께 안전 접촉 매트를 사용하는 것입니다.
안전 접촉 매트
안전 접촉 매트에는 래스터화된 절연층으로 분리된 두 개의 전도성 플레이트가 있으며 단독으로 사용하거나 다른 유형의 센서와 함께 사용할 수 있습니다. 사람이 매트를 밟으면 상단 전도성 플레이트가 눌려 하단 플레이트에 닿아 경고 신호가 발생합니다(그림 5). 매트의 외부는 미끄럼 방지 기능이 있고 물, 먼지, 기름이 침투하지 않는 폴리우레탄 소재입니다. ASO Safety Solutions의 SENTIR 매트 모델 1602-5533은 최대 10m의 적용 범위를 위해 단일 모니터링 장치에 최대 10개의 매트를 직렬로 연결할 수 있습니다.2.
안전은 디테일에 있습니다
안전을 보장하는 단일 공식은 없습니다. 모든 협업 애플리케이션은 다르며 고유한 특성과 요구 사항에 따라 처리되어야 합니다. 핵심 요소는 협업의 연속체에서 애플리케이션이 어디에 있는가입니다(그림 1 참조). 코봇과 사람 사이의 상호 작용이 가까울수록 더 많은 보호 조치가 필요합니다.
고려해야 할 세부 사항이 더 있습니다. 그 중 일부는 다음과 같습니다:
- 각 위치에서는 코봇이 워크스테이션에서 워크스테이션으로 이동되었는지 확인하기 위해 상세한 위험 평가를 거쳐야 합니다. 동일해 보여도 작은 차이로 인해 안전성이 달라질 수 있습니다.
- 협업 작업 공간에 다른 기계가 있는 경우 종료 시스템이나 협동로봇의 안전 감속에 연결해야 합니까?
- 이 기사에서는 안전 관련 하드웨어에 중점을 두었지만 점점 일반화되는 네트워크 시스템의 경우 사이버 보안은 협동로봇 작동이나 안전 시스템에 대한 간섭을 방지하기 위한 중요한 고려 사항입니다.
결론
코봇의 안전은 복잡합니다. 이는 보호된 공간 내의 협업 작업 공간을 정의하는 것부터 시작되며 협업 작업에 대한 위험 평가가 필요합니다. ISO/TS 15066 및 ISO 10218 시리즈와 같은 표준은 중요하며 권장 사항과 지침을 제공합니다. 코봇에는 충돌 감지 시스템, 힘 피드백, 탄성 액추에이터 및 저관성 서보 모터와 같은 기본 안전 기능이 포함되어 있습니다. 협업 애플리케이션의 세부 사항에 따라 근접 센서, 라이트 커튼, 안전 접점 매트와 같은 추가 안전 장치가 필요할 수 있습니다.