4. 인간-로봇 협동 작업을 구현하는 핵심 안전 기능

최신 ISO 10218:2025 표준에서는 기존의 협동 모드를 다음과 같은 안전 기능을 기반으로 한 운용 방식으로 재정의하여 설명한다.

5. PFL 기능과 생체역학적 한계치
(Bio-mechanical Thresholds)

1) ISO/TS 15066 및 ISO 10218:2025의 기준
PFL 기능의 핵심은 충돌 시 상해를 입히지 않는 것이다. 표준에선 신체 부위별 통증 임계치(Pain Onset)를 기준으로 물리적 한계치를 제시한다. 2025년 개정판에서는 생체역학적 데이터가 정식 부속서로 포함되어 강제성이 강화되었다.

2) 국내 표준 KOROS 1162-1의 역할
국내에서는 경희대 연구팀을 중심으로 KOROS 1162-1 표준을 제정하였다. 이는 ISO의 기준보다 현실적인 통증 감내 수준(VAS 7)을 고려하여, 안전을 담보하면서도 로봇의 작업 속도를 최적화할 수 있는 기준을 제공한다.

6. 충돌 안전성 검증 및 측정 기술

1) 직접 측정 및 적합성 평가
로봇 시스템 설치 이후에는 위험성평가에서 도출된 최악의 충돌 시나리오(Worst-case Scenario)를 기준으로, 실제로 발생 가능한 힘과 압력이 관련 표준의 허용 기준을 충족하는지 물리적으로 검증해야 한다. 이 과정은 단순히 로봇의 사양을 확인하는 수준을 넘어, 말단장치(Gripper)와 작업물의 형상을 포함한 전체 시스템 차원의 안전성을 최종적으로 확인하는 단계이다. 검증 방법으로는 인체의 역학적 특성을 모사한 생체모사형 충돌 측정 장비(Bio-fidelic Measuring Device)를 활용하는 방식이 가장 널리 사용된다.
해당 장비는 다음과 같은 핵심 기술 요소로 구성된다.
① 바이오-강성 스프링(Bio-mechanical Springs) : 신체 부위별(머리, 손등, 가슴 등)로 서로 다른 골격과 조직의 강성을 모사하기 위해, 표준 규격(ISO/PAS 5672)에 정의된 특정 탄성 계수를 갖는 스프링을 교체·장착한다.
② 고정밀 로드셀(Force Sensors) : 로봇과 측정기 간 충돌 시 발생하는 순간적인 동적 충격력(Impact Force)과 지속적으로 작용하는 정적 압착력(Clamping Force)을 측정한다.
③ 택타일 압력 센서(Tactile Pressure Mapping) : 충돌 면적과 이에 따른 압력 분포를 실시간으로 측정한다. 특히 말단장치의 날카로운 모서리 등에서 발생하는 국부적 피크(Peak) 압력을 정밀하게 계측하는 것이 핵심이다.
측정 프로세스는 로봇의 작업 경로 중 작업자 신체와의 접촉 가능성이 가장 높은 지점을 선정하는 것에서 시작한다. 이후 로봇을 실제 운용 속도로 구동해 측정 장비와 의도적으로 충돌시키고, 그 과정에서 획득한 데이터를 ISO 10218-2 Annex에 규정된 허용 기준과 비교·평가한다.
직접 측정 방식의 장단점은 다음과 같다.
•장점 : 실제 물리적 환경에서 데이터를 직접 확보하므로 신뢰성이 매우 높다. 또한 로봇의 기계적 유격(Backlash), 센서 오차, 말단장치의 미세한 형상 등 시뮬레이션으로는 정밀하게 반영하기 어려운 다양한 변수를 포함할 수 있다. 따라서 본 방법은 국가 설치 인증을 위한 가장 신뢰도 높은 객관적 증빙 수단으로 활용된다.
•단점 : 측정 장비 자체가 고가이며, 신체 부위별 강성 조건에 맞추어 스프링을 교체해야 하는 등 절차가 매우 번거롭다. 특히 모든 작업 경로에 대해 전수 측정을 수행할 경우 상당한 시간이 소요된다. 또한 측정 과정에서의 조작 오류나 예기치 못한 상황으로 인해 로봇 또는 측정 장비가 손상될 위험이 존재한다는 한계가 있다.

2) 모델 기반 디지털 검증(Virtual Verification)
전수 측정의 물리적 한계를 극복하기 위해 개발된 모델 기반 디지털 검증은, 디지털 트윈(Digital Twin) 기술을 안전 공학에 적용한 방법론이다. 이 접근법은 단순히 로봇의 궤적을 재현하는 수준을 넘어, 충돌 시 발생하는 에너지 전달 과정과 생체역학적 상호작용을 수학적으로 모델링해 안전성을 검증하는 고도의 기술적 프로세스를 따른다.
① 고충실도 동역학 모델 구축 : 로봇 제어기 내의 동역학 파라미터(Link Mass, Inertia, Friction)와 시스템 통합(SI) 단계에서 장착된 말단장치(Tool) 및 파지한 작업물의 물리적 특성을 통합한다. 이를 통해 로봇 경로의 각 지점에서 로봇이 보유한 운동에너지를 실시간으로 계산할 수 있는 ‘디지털 트윈’ 환경을 구성할 수 있다.
② 생체역학적 충돌 물리 엔진 적용 : ISO/PAS 5672 기반의 가상 충돌 모델을 적용한다. 이 모델은 충돌 시 로봇의 운동에너지가 인체 연조직의 변형 에너지로 전환되는 물리적 과정을 시뮬레이션한다. 작업 경로상의 모든 잠재적 충돌점(Collision Points)에 대해, 인체 부위별 스프링-댐퍼 상수를 적용하여 최대 충돌력과 압력을 예측할 수 있다.
③ 전수 경로 스캔 및 위험 지수(CRI) 도출 : 수천 개의 샘플링 포인트를 대상으로 로봇의 전체 경로를 자동으로 스캔한다. 시뮬레이션은 각 지점에서 예상 충돌량을 표준 허용치와 비교하여 충돌 위험 지수(CRI, Collision Risk Index)를 산출한다. CRI가 1.0을 초과하는 구간은 즉시 설계 변경이나 속도 제어가 필요한 위험 구간으로 시각화된다.
④ 하이브리드 검증 전략(Virtual to Real) : 시뮬레이션을 통해 가장 위험한 지점(Worst-case)을 식별한 후, 해당 지점에 대해서만 선별적으로 직접 측정을 수행하여 시뮬레이션 결과의 정확도를 보정한다. 이러한 접근법은 ISO 10218:2025에서 권고하는 유효한 적합성 평가 절차로 인정된다.

7. 국제 표준의 조화와
디지털 기반 안전 생태계 구축

ISO 10218:2025로의 대대적인 개정은 협동로봇이 ‘특수한 실험적 도구’에서 ‘안전 지능을 갖춘 범용 산업용 로봇’으로 완전히 진화했음을 선언하는 역사적 전환점이다. 특히 정지 감시(Monitored Standstill)와 같은 정밀 제어 기능과 ‘동력 및 힘 제한(PFL)’의 엄격한 규격화는, 과거에는 양립하기 어려웠던 생산 효율성과 작업자 안전이라는 두 가치를 동시에 달성할 수 있는 기술적 지침을 제시한다.

본고에서 고찰한 바와 같이, 국내 제조 현장이 직면한 규제와 기술 간격을 극복하기 위해서는 다음 세 가지 차원의 전략적 대응이 요구된다.

첫째, 국제 표준과 국내 법규의 정합성 강화다. 국내 산업안전보건법 및 관련 규칙은 ISO 10218: 2025가 제공하는 혁신적 유연성을 수용할 수 있도록 신속히 개정되어야 한다. 물리적 펜스 중심의 규제에서 ‘검증된 지능적 안전’ 중심으로 패러다임을 전환함으로써, 우리 기업이 글로벌 시장에서 기술적 장벽에 직면하지 않도록 제도적 뒷받침을 강화해야 한다.

둘째, 디지털 트윈 기반의 하이브리드 검증 체계 도입이다. 전수 측정의 비효율성을 개선하기 위해 모델 기반 시뮬레이션 기술을 공식적인 안전 증빙 자료로 인정하고, 가장 위험한 지점만을 실제 측정으로 보완하는 고도화된 적합성 평가 방법론을 확산시켜야 한다. 이는 도입 비용을 절감하는 동시에 현장의 안전 신뢰성을 획기적으로 높이는 기술적 동력이 될 것이다.

셋째, 글로벌 주도권 확보를 위한 독자적 데이터 및 기술 축적이다. 국내에서 제정된 KOROS 표준과 같이, 우리 제조 현장에 최적화된 생체역학적 데이터와 해석 알고리즘을 고도화하여 국제 표준 논의를 주도해야 한다. 이는 단순한 규제 대응을 넘어, 한국형 스마트 제조 솔루션이 세계 시장에서 새로운 표준으로 자리 잡는 기회가 된다.

결론적으로, 로봇 안전은 더 이상 ‘속도의 제약’이 아니라 ‘미래 경쟁력의 원천’이다. 국내 제조 현장의 엔지니어와 경영진은 국제 표준의 변화를 능동적으로 수용하고, 고도화된 디지털 검증 기술을 도입함으로써 인간과 로봇이 지능적으로 공존하는 진정한 의미의 스마트 팩토리를 구현해 나가야 한다. 이러한 기술과 표준의 조화는 대한민국 로봇 산업이 글로벌 시장에서 선도적 위치를 확보하는 든든한 초석이 될 것이다.

<참고문헌>
(1) ISO 10218-1,2:2025 Robots and robotic devices - Safety requirements for industrial robots.
(2) ISO/TS 15066:2016 Robots and robotic devices - Collaborative robots.
(3) KOROS 1162-1:2020 협동로봇의 생체역학적 한계치 기반 충돌 안전성 평가

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