국가연구개발성과

연구보고서
위험성 평가 기반 협동로봇의 안전요구조건 연구 (Research of safety requirements for collaborative industrial robot according to the risk evaluation)

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등록번호 TRKO202400009427 발행년월 2024-03
발행기관명 경일대학교 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 협동로봇;안전요구조건;위험성 평가;인체모델;유한요소해석;
Collaborative robot;Safety requirements;Risk evaluation;Human model;Finite element analysis;
초록
□ 연구개요
로봇에 사용되는 핵심부품 기술의 발전으로 사용자와 같은 공간 안에서 작업을 수행하면서 사용자의 안전을 보장할 수 있는 협동로봇이 산업현장에 적용되고 있고 작업자가 안전하게 작업할 수 있는 작업환경이 규정되고 안전규격을 준수하는 노력이 요구되고 있으나 인체 상해를 정확하게 예측할 수 있는 생체역학을 고려한 안전요구사항의 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 협동로봇과 작업 시에 발생할 수 있는 인체 상해를 인체모델로 분석하고 실사고 기반으로 도출된 위험 시나리오에 인체모델을 적용하여 협동로봇의 안전요구조건 체계화 도출을 최종연구목표로 함. 협동로봇-인체모델을 적용하여 작업자와 협동로봇의 접촉상황을 유한요소해석으로 계산하여 협동로봇의 제한조건을 분석하고자 하였고, 검증된 인체모델을 실사고 기반 위험 시나리오 조건에 적용한 위험성 평가와 기준초과 협동로봇에 의한 작업자의 상해분석으로 광범위한 협동로봇의 활용도를 확보할 수 있도록 연구를 수행

□ 연구 목표대비 연구결과
본 과제에서는 협동로봇과 작업 시에 발생할 수 있는 인체 상해를 인체모델로 분석하고 실사고 기반으로 도출된 위험 시나리오에 인체모델을 적용하여 협동로봇의 안전요구조건 체계화 도출 연구를 수행하고 총 5가지의 연구결과를 도출하였다.
첫째로, 사업주가 국제기준에 부합하는 수준의 자기적합선언을 통해 협동로봇을 운용할 수 있도록 자율적 안전인증(DoC) 제도화, 협동로봇의 역할 및 수행 업무 난이도에 따른 단계별 규제 유형을 분석하여 산업현장의 위해요소 및 안전기준에 대한 새로운 기준 마련, 로봇작업에 대한 안전의식 제고, 로봇작업자에 대한 교육훈련 강화, 협동로봇 얼라이언스 구축으로 지속발전 협의체 구성 제시
둘째로, 협동로봇의 안전요구조건 분석을 위한 고려사항으로 작업 환경에 적합한 의복 조건의 고려, 시험 표면조건에 따른 생체 부위의 압력과 힘의 최대값의 변화 연구, 접촉표면과 가해지는 압력을 실사용 조건과 유사한 시험조건 반영 제시 셋째로, 협동로봇의 안전요구조건 분석을 위한 고려사항으로 시험 표면조건에 따른 생체 부위의 압력과 힘의 최대값의 변화 연구, 접촉표면과 가해지는 압력을 실사용 조건과 유사한 시험조건을 반영하여 협동로봇의 안전요구조건 분석을 수행. 충격에 의한 인체 부위별 임계 하중값을 하중-변위 선도로 분석하여 통증을 분석할 수 있는 물리적 경계를 파악
넷째로, 협동로봇의 활용 범위 및 사고사례 분석으로 실사고 기반 위험 시나리오의 기초 자료를 도출하고 협동로봇의 인적/물적 위험요인을 퍼지이론을 적용한 퍼지 FMEA를 사용하여 비교 분석하고 18개의 유해위험요소를 분석
다섯째로, 로봇의 10Kg 기준 질량에 대한 ISO TS 15066 표준의 통증 역치와 시뮬레이션 결과를 비교함. 인체부위에 따른 차이가 계산되었고, 기준초과 로봇(유효질량 50 kg)의 결과를 도출하여 기존 안전인증 기준과 비교함. 유효질량별 최대속도는 표준에 정의되어 있는 기준보다 차이가 있는 인체부위가 있음을 도출

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
협동로봇의 안전요구조건은 제한적인 단일 연구의 결과로 추가적인 연구가 필요한 실정으로 인체모델과 실사고 기반 위험 시나리오를 적용한 본 연구결과로 산업현장에서 다양하게 적용되고 있는 협동로봇을 운영하는 작업자의 안전도를 확보하고 산업현장의 작업능률 향상에 획기적인 기여가 예상됨
인체모델 적용기법을 인체 상해를 평가하고 안전도를 확보하는 생체역학 연구를 협동로봇을 운영하는 작업자의 안전도를 확보하기 위한 연구에 응용하고 인체모델 적용의 연구기법 정립으로 과학기술적 기대효과가 예상됨
산업용 로봇의 새로운 패러다임인 협동로봇이 산업 전반에 보급되고 있어 본 연구 결과를 바탕으로 협동로봇을 운영하는 작업자의 안전도를 확보하여 협동로봇의 보급 및 활용 확대가 예상되어 국가 경제발전과 협동로봇 적용 산업분야의 발전을 기대할 수 있음
생산성 향상을 위한 협동로봇의 다양한 적용이 예상되고 협동로봇을 운영하는 작업자의 안전과 협동로봇의 효율적 운용에 대한 연구결과 적용으로 다수의 작업자 안전도 확보로 사회 안전 보장의 사회적 기대효과를 예상할 수 있음

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

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