산업용 로봇의 작업 유형에 따른 미인지 위험성에 관한 연구

1. 2019. 11
산업용 로봇의 작업 유형에 따른
미인지 위험성에 관한 연구
서울과학기술대학교 일반대학원
안전공학과 박사과정
이강돈
Unconsidered & Unknown Risks

2. Dept. of Safety Eng.
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1. 로봇의 산업계 활용 동향
2. 산업용 로봇의 정의, 구성 및 위험요인
3. 산업현장에서의 로봇 위험성 평가 (이론 및 사례)
4. 산업현장 로봇에 대한 새로운 위험요인 검토

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☐ 활용 범위 확대
- 플랫폼 기반의 연결과 지능화를 통한 Mass Customization 구현
Physical System의 Digital화 정도가 핵심 경쟁력이며, 디지털화 수준은 인간, 로봇, IoT의 Connectivity가 결정

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☐ 적용 방향성 변화
- 제조업의 조립, 용접, 운반 등에서 건강, 음식 조리 및 서빙, 물류 포장 및 운반, 군사 등 다양한 산업
작업 방식도 기존의 로봇 단독 작업, 시간차 작업에서 같은 장소에서 동시에 협업하는 방향으로 전환

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☐ 로봇 작업의 변화에 대한 몇가지 안전 이슈 질문 (연구 필요성)
RQ1. 현재의 위험성 평가 기법은 협동로봇 작업시 사고 위험요인을 빠짐 없이 평가할 수 있는가?
RQ2. 협동로봇에 대한 현재의 4가지 안전조치가 작업자의 심리, 피로도, 조직, 커뮤니케이션,
소프트웨어 등의 안전성을 어떻게 보장할 수 있는가?
RQ3. 협동로봇의 작업 특성을 고려하여 추가로 평가해야 할 위험요인 항목 및
평가 기법에는 어떤 것들이 있는가?
* 현재의 ISO 12100 위험성 평가 10가지 항목에는 없음
→ 협동로봇에 대해 추가로 확인해야 할 위험요인 평가 항목 및 이러한 내용들을 반영하여
협동로봇 작업에 가장 적합한 위험성 평가 기법 고안 필요
* 보호정지, 속도 및 근접 모니터링, 충돌시 충격력 및 압축력 제한 등

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☐ 정의
- 매니퓰레이터와 기억장치를 가지고 저장된 정보에 의해 매니퓰레이터의 굴신, 신축, 상하,
좌우 이동, 선회 및 이러한 동작의 복합 작업을 자동적으로 행할 수 있는 기계 (KOSHA Guide)
∙ ISO 10218: 자동 제어, 3축 이상으로 재프로그램 가능한 다목적 매니퓰레이터, 고정형과 이동형 (산업 자동화)
・ 노동부 고시: 3축 이상의 매니퓰레이터를 구비하고 프로그램 및 자동제어 가능한 고정식 또는 이동식 장치

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☐ 구성
- 산업용 로봇의 기본 구성요소는 기계적 동작을 하는 매니퓰레이터(Manipulator),
제어장치(Controller), 전원 및 인터페이스(Power Supply & Interface) 3가지임
- 매니퓰레이터 구조
∙ 몸체 (Body): 로봇 팔 어깨를 포함하며, 매니퓰레이터를 지지
・ 팔 (Arm): Wrist와 Hand를 원하는 위치로 보내는 역할 (Arm, Elbow)
・ 손목 (Wrist): 손을 원하는 위치 또는 방향으로 이동시키는 역할
・ 손 (Hand): 작업 대상물을 잡거나 작업을 실제로 수행하는 역할
(그리퍼, 엔드이펙터)
- 산업용 로봇 분류
・ 직교좌표, 원통좌표, 극좌표, 수평다관절, 수직다관절 로봇 등

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☐ 운전 특성 및 위험 요인
- 운전 특성
・ 로봇은 넓은 운전 공간에서 높은 에너지를 발생하는 동작이 많음
・ 로봇의 동작과 경로는 예측이 어려우며, 운전 요구조건 등의 변화가 빈번함
・ 로봇의 운전 공간은 다른 로봇 또는 타 기계 및 관련 장비의 작업 공간의 일부와 겹침
・ 작업자는 기계 구동부에 전원이 들어가 있는 상태에서 로봇 시스템과 근접하여 작업하는 상황 발생
- 위험 요인
・ 외관: 외장은 주로 금속 재료로 로봇 작업 중 작업자 접촉시 끼임, 부딪힘 등 중대 위험
・ 구조: 전동, 유압, 공압 등이 동력원으로 동력 차단시에도 잔류 압렵에 의한 사고 위험
・ 제어: 고속으로 관성 모멘트가 커서 급정지가 불가하고, 접근을 인지해도 피하기 어려우며,
센서로 접촉을 검출하고 비상정지로 제어해도 실패 우려가 큼
・ 기타: 유지보수 등의 비정상작업시 정지 종류 착각, 로봇 교시 작업 실패 우려, 오작동 등

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☐ 법규 및 기준
- 국내
・ 산안법: 안전교육(31조),자율안전확인(35조),안전검사(36조),令별표2(위험방지필요작업)
※ 특별안전교육: 로봇의 기본원리·구조 및 작업방법, 이상시 응급조치, 안전시설 및 안전기준, 조작방법 등
・ 안전규칙: 교시 등 (222조), 운전 중 위험 방지 (223조), 수리 등 작업시 조치 (224조)
・ 표준: KS B ISO 10218-1 & 2 (제조자, 시스템 통합자)
- 국외
・ 국제 표준: ISO 10218-1 & 2, ISO TS 15066 (협동로봇)
・ 국가별: ANSI/RIA R15.06 (미국), EN ISO 10218 (유럽연합),
CAN/CSA-Z434-14 (캐나다) 등

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☐ 국제 표준 비교
구분 제작사 시스템 통합자 비고
국제기준 ISO 10218-1 ISO 10218-2 -
미국 ANSI/RIA R15.06 ANSI/RIA R15.06 ISO 기준에 부합
영국 BS EN ISO 10218-1 BS EN ISO 10218-2 ISO 기준에 부합
유럽연합 EN ISO 10218-1 EN ISO 10218-2 ISO 기준에 부합
독일 DIN EN ISO 10218-1 DIN EN ISO 10218-2 ISO 기준에 부합
캐나다 CAN/CSA-Z434-14 CAN/CSA-Z434-14 ISO 기준에 부합
중국 GB 11291.1-2011 GB 112891.2-2013 ISO 기준에 부합
일본 JIS 8433-1 JIS 8433-2 ISO 기준에 부합

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☐ 협동로봇
- 협동 운전의 의도를 가지고 사람과 같은 작업공간(협동 영역)을 공유하면서 작업하는 로봇
안전정격감시정지 (Safety-rated Monitored Stop, SMS) 핸드가이딩 (Hand Guinding, HG)
- 협동작업 공간에서 작업자가 위험에 접근하거나 노출되기 전에 정지
ex) 부품의 로딩 또는 언로딩 장비, 검사 장비
- 작업자가 도착하면 로봇이 정지. 작업자가 로봇을 직접 유도,,이동
ex) 로봇 리프트 어시스트, 제한된 또는 소량 생산
속도 및 분리 모니터링 (Speed & Separation Monitoring, SSM) 동력 및 힘 제한 (Power & Force Limiting, PFL)
- 장애물 감지시 로봇 속도가 감소, 거리별 분리 모니터링, 속도 제한 설정
ex) 간단한 작업, 직접 작업 인터페이스
- 로봇과의 접촉이 운전자에게 해가 되지 않도록 에너지를 제한
ex) 가변적인 어플리케이션, 작업 빈도가 매우 높은 조건

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☐ 로봇관련 재해 현황
- 산업용 로봇에 따른 국내 제조업에서의 최근 5년간(2011년 ∼2015년) 전체 재해자수는 207명으로
한해 평균 42명의 재해자가 발생하고 있음
- 재해자의 평균 근로손실일수는 707일로 최근 5년간 제조업 재해자의 평균 근로손실일수인
350일의 2배 이상의 손실이 발생
* 사망자 15명
* 사망자 3명
※산업용로봇에의한사고발생부위는손> 머리,얼굴>몸통>허리>팔순이며, 작업유형은수리,점검>준비,설치>로봇작동>기타순임
제조 업종명
최근 5년간 재해자 현황 (명) 합계
‘11 ‘12 '13 ‘14 ‘15 재해자 (명) 점유율 (%)
계 42 52 37 41 35 207 100.0
수송용기계기구 21 28 24 22 16 111 53.6
화학제품 8 5 2 3 5 23 11.1
기계기구 4 5 3 5 5 22 10.6
금속제품 1 3 2 4 2 12 5.8
그외 제조업 8 11 6 7 7 39 18.9

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☐ 로봇관련 방호조치
- 격리형: 높이 1.8m 이상의 방책, 인터록 장치, 안전 플러그, ‘점검 중’ 표지 등 LOTO 조치
- 접근반응형: 광전자식, 초음파 센서, 안전매트 등 위험 동작 감지 및 정지
- 비상정지형: 항상 사용 및 조작 가능, 다른 작동 신호보다 우선 작동, 수동 복귀 등

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☐ 로봇작업 위험 요인
- 10개의 위험요인 (Hazard): 기계, 전기, 열, 소음, 진동, 방사선, 재료/물질, 인간공학, 환경, 복합 요인
- 7개의 위험상황 (Hazardous Situations): 운송, 조립, 운전, 유지보수, 분해 등 7가지 상황
- 10개의 위험사건 (Hazardous Events): 기계 부품, 공압, 유압, 전기장치, 제어시스템 등 10가지 사건
☐ 위험성 추정: 위험성 = 상해의 심각성과 상해의 발생 가능성의 함수
- 심각성 (Severity): 부상 또는 건강 손상의 심각성 (사망, 중대함, 경미함), 상해의 범위
- 발생 가능성 (Probability)
・ 위험에 노출 (Frequency) 추정: 위험 영역 접근 필요성, 접근 성격, 위험 영역 잔류 시간, 접근 사람 수 및 빈도
・ 위험한 사상 발생 추정 (Occurrence): 신뢰성, 통계 데이터, 사고 이력, 건강 손상 이력, 위험성 비교
・ 상해 회피 또는 제한 가능성 추정 (Avoidance): 노출 대상, 위험인식 경로, 위험, 상해 시간, 경험과 지식
* 숙련자, 비숙련자 등 * 정보, 관찰, 표지 등 * 갑자기, 빠르게, 느리게
* 3주 이상 * 5일 ~ 3주 미만 * 개인 또는 여러 사람
* 정상작동, 오작동 교정, 정비 또는 수리 등

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☐ 위험성 결정 (Risk Graph법)
- 상해 심각도 (Severity): 회복 가능여부, 작업불능일수
- 위험원 노출 주기 (Frequency): 노출 시간, 노출 주기
- 위험 사고 발생 가능성 (Occurrence): 증명된 안전 기술 적용, 숙련도
- 상해 회피 및 감소 가능성 (Avoidance): 동작속도, 작업자의 위험 인지 및 대응 가능 여부

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☐ 위험성 결정 (Risk Graph법)
- 상해 심각도(S, Severity of Harm): S1 (경미), S2 (심각)
- 위험원 노출 주기 (F, Frequency of Exposure): F1 (드물게 / 단기간), F2 (지속적 / 장기간)
- 위험 사고 발생 가능성(O, Occurrence of a hazardous event)
・ O1: 낮음 (발생 않음; 충분한 기술, 증명되고 인정된 안전 어플리케이션, 견고함)
・ O2: 중간 (가끔 발생; 지난 2년간 기술적 고장 확인, 6개월 이상 경험 작업자의 불안전한 행동)
・ O3: 높음 (자주 발생; 매 6개월 미만 마다 기술적 고장 확인, 6개월 미만된 비숙련자 불안전한 행동)
- 상해 회피 및 감소 가능성(A, Possibility of avoiding harm)
・ A1: 특정조건하에서 회피 가능 (0.25m/s 미만의 구동부 노출, 위험 상황 지시 및 급박한 사건에 인지 대응 가능)
・ A2: 불가능함
* 회복 가능, 3일 미만 * 회복 불가능, 3일 이상
* 15분 미만 또는2회 미만의 노출 * 15분 이상 또는2회 이상의 노출
* 온도, 소음, 인체공학 등

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☐ 위험도 구분 및 관리 기준 (Risk Matrix)
구분 위험도 위험관리 기준 비고
1
저위험
해당 로봇 시스템에 대해 추가적인 위험감소 조치가 필요하지 않으나,
근로자에게 유해위험 정보를 정기적으로 제공 및 교육
2
해당 로봇시스템의 유해위험요인에 대비하여 작업자에게
개인보호구 등 지급 및 착용
3
중위험
해당 로봇시스템에 대하여 주의, 경고 표지 및 관리대책을 제정하여
잘 보이는 곳에 게시 및 관리
4
해당 로봇시스템에 대하여 추가적인 안전보건조치를 수립하여
개선이 필요한 상태
5
고위험
해당 로봇시스템에 대하여 접근 제한, 대체, 에너지 감소 및 개선이
필요한 상태
6
해당 로봇시스템을 즉시 정지 또는 위험원을 제거시키며,
작업을 지속하기 위해서는 설계 변경 등 즉각적인 개선이 필요

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☐ 로봇관련 위험성 평가 기법 비교표
- 타 분야의 국제표준 및 해외 전문기관들은 ISO 12100의 위험성 평가 기법을 기준으로
각 기준별 특성에 맞는 위험성 평가 기법을 운용 중에 있음
* ISO 13849, IEC 62061 등 * ANSI, RIA 등
구분 ISO 12100 ANSI B11 TR3 RIAR15.06 ISO13849 (PL) IEC 62061 (SIL)
적용 범위
기계의설계,사용시
위험성확인및감소
미국내제조,수입되는기계에
대한위험성평가
미국내산업용로봇설계,시스템
통합시위험성평가
감소대책중안전부품,
제어시스템(SRP/CS)
기계를구성하고있는
전기,전자시스템
평가 절차
유해위험요인파악(HI)→분석(Analysis)→추정(Estimation)→결정(Evaluation)→
감소대책(RiskReduction)시행반복
감소대책에서요구되는
성능레벨(PLr)이상으로
SRP/CS를구성(PLa~e)
설계에서요구하는
안전무결성등급이상으로
제어시스템을구성(SIL1~3)
중대성
(Severity)
-Serious(Death),Slight
*OneorSeveralPersons
-Minor,Moderate,Serious,
Catastrophic
-Serious,Moderate,Minor -Minor,Serious -1to4(Reversible,Irreversible)
가능성
(Probability)
-빈도(F),발생(O),회피(A)를
순차적으로조합
-Remote,,Unlikely,Likely,
Verylikely
-빈도(Prevented,Low,High)
-회피(Likely,Unlikely,Impossible)
-빈도(Seldom,Frequent)
-회피(Possible,Impossible)
-Class1to5
(빈도,발생,회피를합산)
비고 2x2x3x2 4x4 3x3x3
2x2x2
* 하드웨어 구조 (5),시스템신뢰성 (4),
부품 수명 (3),설계 확실성 (2)
4x5
* CommonCause Failure, (CCF)
Diagnostic Coverage (DC)등
- 기존 위험성 평가 기법들은 기계, 부품, 시스템의 고장, 오작동 등 외형적인 위험성 위주로 평가하여
특히, 협동로봇 작업 환경에서의 작업자의 심리, 소프트웨어, 보안 등은 고려하지 못함

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☐ 필기도구 내구성 검사 작업
- 작업형태: 수동/자동 고속운전
- 작업분류: 프로그램 검증 (10 kg 하중)
- 작업위치: 협동공간 (제품 적재)
- 작업자: 1명 (10개월 숙련공)
- 작업시간: 20분
- 안전제어시스템: 충돌감지정지(PLd)
- 로봇동작속도: 250mm/s 이상(운전시)
- 생체역학치: 신체접촉 한계 초과/현장확인 안됨

20. Dept. of Safety Eng.
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☐ 필기도구 내구성 검사 작업
Before
After
- 감소 대책: 보호정지센서 정지시간 재조정 및 비상정지장치 위치 재조정
- 위험 요인: 작업자가 펜 교체 작업 중 보호정지 오작동으로 로봇 그리퍼와 작업대 사이 끼임

21. Dept. of Safety Eng.
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☐ 커피 드립 및 제공 서비스
- 작업형태: 드립 커피 메이킹
- 작업분류: 분말 운반, 포트 운반, 붓기, 서빙
- 작업위치: 협동공간 (커피 메이킹 및 서빙)
- 작업자: 1명 (6개월 숙련공)
- 작업시간: 7분
- 안전제어시스템: 충돌감지정지(PLd)
- 로봇동작속도: 250mm/s 이상(운전시)
- 생체역학치: 신체접촉 한계 초과/현장확인 안됨

22. Dept. of Safety Eng.
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☐ 커피 드립 및 제공 서비스
Before
After
O3
A2
2
- 감소 대책: 기울임 각도 제한 및 작업자 손 보호 장갑 착용
- 위험 요인: 로봇이 컵에 커피를 채우던 중 기울임 각도를 초과하여 넘쳐 옆에 작업자 손 화상

23. Dept. of Safety Eng.
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☐ 옷걸이 중량물 이동, 신발 밑창 접착, 음식 조리, 의류 봉제 등 협동로봇 작업은
유형, 난이도, 적용 대상이 다양하게 증가하고 있으나 이러한 협동작업 특성을
반영한 위험성 평가 기법은 없는 실정임

24. Dept. of Safety Eng.
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☐ 로봇 등 기계류에 적용 가능한 위험성 이론
- Leading Risk Theory (선행 위험성 이론)
・ 위험성의 개념이 사람의 Minds와 Culture에 의해서 견고하게 형성이 됨
・ 윤리적, 사회적 배려, 위험성에 대해 충분한 예방 및 보호 조치가 선행된다는 믿음의 정도를 포함
・ 새로운 기계의 위험요인에 대한 높은 수준의 위험성 평가를 위해서는 영향력 있는 작업자 (Affected Workers)
가
신규 작업자에게 위험요인을 인지하고, 안전한 작업 절차를 생각하며, 직접 느껴 체득할 수 있도록 조언 필요
- Industrial Engineering Risk Theory (시스템 위험성 이론, Hawkins ’SHELL’ 모델)
・ 산업현장에서의 사고는 사람-시스템간 인터페이스에서 가장 많이 발생함 (휴먼 에러)
・ 휴먼 에러는 사람-시스템간 인터페이스에서의 사고와 관련하여 중요한 요소이며,
환경적 요소(Phenotypes, 실수 행동)와 유전적 요소(Genotypes, 심리적 요인)로 구분됨
・ 필요 행동으로부터의 일탈 행위는 기계의 위험성 평가에서 반드시 측정되어야 함
* Affected Worker의 리딩이 중요 (Colleague Factor)
* 시스템을 둘러싼 환경이 중요 (Environment Factor)

25. Dept. of Safety Eng.
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☐ 로봇 등 기계류에 적용 가능한 위험성 이론
- Mindful Response Theory (주의 반응 이론)
・ 위험성을 예측할 수 있는 문화는 고장에 대한 합리적인 선입관, 단순화 함을 싫어하는 것, 조작에 민감함을 포
함
・ 기계의 위험성 평가 측면에서 작업자가 실수를 하거나, 잘못된 가정을 하거나, 조작시 반복되는 불일치 발생
시
알리고 공유하는 것에 대해 격려와 독려를 받을 것이라는 기대감을 높여가는 것임
・ 그렇게 함으로써 도움 요청을 꺼려하거나, 실제 자신의 능력을 과대평가하거나, 낮은 직급의 숙련자들을
무시하는 것이 바람직하지 않은 것임을 받아들여야 함
→ 기계류 위험성 평가에서 기업 문화는 예측하지 못한 위험성을 발견하여 제거 및 저감시킬 수 있는 중요한 부분임
물리적인 위험성 뿐만 아니라 작업 분위기, 의사 소통, 휴먼 에러 등의 작업자 및 주변 환경 관점에서 고려 필요
이를 통해 기업의 긍정적인 문화는 상호 믿음에 기초한 의사 소통, 안전에 대한 공유된 인식,
* 알리고 공유하며 독려하는 문화가 중요 (Culture & Communication Factor)

26. Dept. of Safety Eng.
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☐ 로봇 등 기계류에 적용 가능한 위험성 이론
- Human-Robot Trust Theory (사람-로봇 신뢰성 이론)
・ 로봇작업 전에 사람과 로봇간 인터랙션의 신뢰성에 대한 조사, 검증이 분명히 필요함에도 불구하고,
현재까지도 로봇의 주 포커스는 디자인과 로봇 기술의 능력(Capability)에 맞춰져 있다 보니
작업자 관점에서의 Human Element는 이슈화 되지 않고, 간과되거나 잊혀졌던 것이 현실임
・ 작업자에게 지나친 의지는 로봇의 잘못 사용(Misuse) 또는
부적절한 사용(Inappropriate use)을 초래함
・ 사람과 로봇간 신뢰성 부족이 우수한 로봇 기술이
사용되지 않고 선반에서 먼지만 쌓이게 될 우려
* 사람-로봇 시스템과 신뢰성간 균형이 중요 (Human-Robot-Environment Factor)

27. Dept. of Safety Eng.
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☐ 로봇 등 기계류에 적용 가능한 위험성 이론
- Human-Robot Trust Theory (사람-로봇 신뢰성 이론)
➀ Human (사람)
- Trait (특색): 성별, 나이, 인종, 성격 등
- State (상태): 주의 집중, 피로, 스트레스, 업무량 등
➁ Robot (로봇)
- Feature (특징): 자동화 등급, 지능, 형태, 특징, 소통 등
- Capability (능력): 행동, 신뢰도, 정확도, 품질, 피드백 등
➂ Environment (환경)
- Team (부서): 역할 상호의존, 팀 구성, 문화, 공유 모델 등
- Task (작업): 위험성, 물리적 환경, 작업 유형, 멀티 태스킹 등

28. Dept. of Safety Eng.
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☐ 협동로봇에 대한 추가 위험요인 및 맞춤형 위험성 평가 기법
- 기존의 위험성 평가는 로봇의 외형적, 기능적 측면에서의 위험요인 위주로 분석 및 평가해 왔으나,
사람과 근접 또는 나란히 작업하는 협동 로봇의 경우에는 눈에 보이지 않거나 잘 몰라서 간과했던
위험요인도 고려되어야 함
- 이를 위해 작업자 심리, 업무 난이도(피로도), 조직 문화, 주변 환경, 시스템 연계, 해킹 등의
인적, 사회적, 환경적, 보안적 측면에서의 유해인자에 대한 추가 분석 및 평가가 필요함
- 이렇게 고안된 협동로봇에 대한 위험성 평가 기법은 협동로봇 작업의 4가지 유형 및 특성에 맞도록
모듈식으로 채택 또는 변형되어 적용이 가능할 것으로 판단함
* 안전정격감시(SMS), 핸드가이딩(HG), 스피드&분리 모니터링(SSM), 동력 및 힘 제한(PFL)

29. Dept. of Safety Eng.
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☐ A proposed occupational health and safety risk estimation tool for manufacturing systems (Kazerouni, 2015)
☐ Industrial Machine Systems Risk Assessment: A Critical Review of Concepts and Methods (Etherton, 2007)
☐ Managing the Unexpected (Weick et al, 2001)
☐ The Perception of Risk (Slovic, 2000)
☐ Managing the Risks of Organizational Accidents (Reason, 1997)
☐ Risk Communication, Risk Statistics, and Risk Comparisons: A Manual for Plant Managers (Covello et al, 1988)
☐ 로봇 시스템 안전 대응 교육자료 (한국로봇산업협회, 2019)
☐ 스마트 공장 안전보건 기준 연구 (안전보건공단, 2018)
☐ ISO 12100, ISO 10218-1 & 2, ISO TS 15066, ISO 13849, IEC 62061 등