협동로봇 충돌 감지 기능, 어떤 방식으로 작동하나요?— 토크 센서부터 AI 비전까지, 현장 담당자를 위한 핵심 기술 완전 해설
울타리 없는 로봇이 안전한 이유
기존 산업용 로봇은 "접근 자체를 차단"하는 방식으로 안전을 확보했습니다. 1.8m 높이의 안전펜스와 라이트커튼이 대표적입니다. 작업자가 특정 구역에 들어서면 로봇이 무조건 멈추는 구조입니다.
협동로봇은 이 전제를 바꿉니다. 작업자의 접근을 감지해 속도를 줄이거나, 실제 충돌이 발생하더라도 인체에 허용 수준 이상의 힘이 가해지지 않도록 제어하는 기능이 내장되어 있습니다. 충돌 위험을 원천 봉쇄하는 대신, 충돌 상황 자체를 안전하게 관리하는 방향으로 설계 철학이 달라진 것입니다.
이를 뒷받침하는 국제 안전 기준이 ISO/TS 15066입니다. 이 규격은 협동로봇 운용에 필요한 위험 평가 요건과 협동 작업 유형별 안전 조건을 규정하며, 인체 부위별 허용 충격 한계값까지 포함하고 있습니다. 국내에서는 대응 표준인 KOROS 1162-1도 함께 활용됩니다.
협동 운전의 4가지 모드
협동로봇이 충돌을 다루는 방식은 구동 모드에 따라 크게 네 가지로 나뉩니다.
- 안전 정격 감시 정지(SMS): 작업자가 협동 구역에 들어서면 로봇을 즉시 정지시킵니다. 구조가 가장 단순하지만 생산 연속성에 영향을 줍니다.
- 핸드 가이딩(HG): 작업자가 로봇 본체에 손을 얹어 이동 경로를 직접 안내하는 방식으로, 교시 작업이나 중량 보조에 활용됩니다.
- 속도·위치 감시(SSM): 작업자와의 거리를 실시간으로 측정해 접근할수록 로봇 속도를 단계적으로 줄입니다. 완전 정지 없이 협동 작업을 이어갈 수 있어 생산성 유지에 유리합니다.
- 동력·힘 제한(PFL): 로봇과 사람의 접촉 시 발생하는 힘과 압력을 실시간으로 제한합니다. 네 가지 모드 가운데 정지 없이 안전한 협동 작업을 가장 효과적으로 구현하는 방식으로 평가받습니다.
PFL 모드에서 충돌 감지는 "옵션"이 아니라 "필수 조건"입니다. 충돌을 감지하지 못하면 힘 제한 자체가 작동하지 않기 때문입니다. 충돌 감지 민감도 설정이 제대로 되어 있는지는 로봇 끝단 관절 부근에 손 접촉 테스트를 통해 현장에서 직접 검증하는 것이 기본입니다.
아래 인포그래픽은 4가지 운전 모드를 한눈에 정리한 것입니다.
충돌을 어떻게 감지하는가: 방식별 원리
충돌 감지의 핵심은 "언제, 어떤 신호로 이상을 포착하느냐"입니다. 현재 현장에서 쓰이는 방식은 크게 세 가지입니다.
전류제어 방식
모터에 흐르는 전류량 변화를 분석해 충돌 여부를 판단하는 방식입니다. 로봇이 외부 저항을 받으면 모터 전류가 급격히 오르는 물리적 원리를 활용합니다. 별도 센서 없이 모터 드라이버 데이터만으로 구현할 수 있어 구조가 단순하고 단가가 낮습니다.
- 추가 하드웨어 없이 소프트웨어 로직으로 구현 가능
- 보급형 협동로봇에 가장 널리 탑재된 방식
- 진동·마찰이 많은 환경에서는 노이즈로 인한 오감지 가능성이 있어 민감도 조정이 필요
처음 협동로봇을 도입하는 중소 제조기업의 시작점으로 현실적인 선택입니다.
토크센서 방식
각 관절에 탑재된 토크센서가 외부에서 가해지는 힘과 비틀림을 직접 측정합니다. 전류 변화라는 간접 신호를 거치지 않고 물리적 힘을 바로 포착하기 때문에 감지 정밀도와 반응 속도 모두 전류제어보다 우수합니다.
- 미세한 힘 변화까지 실시간으로 감지
- 의료·식품·정밀 조립처럼 섬세한 힘 제어가 중요한 공정에 적합
- 센서 추가 탑재로 인해 도입 비용이 전류제어 방식 대비 높음
감지 정확도와 반응 속도 면에서 현재 가장 신뢰도 높은 방식으로 평가받습니다.
AI 비전 융합 방식
카메라와 3D 라이다 센서, AI 인체 인식 알고리즘을 결합해 작업자의 위치와 동선을 공간 전체에서 실시간으로 파악합니다. 앞의 두 방식이 "접촉이 발생한 뒤" 반응한다면, AI 비전은 "접촉이 일어나기 전" 단계에서 위험을 예측해 선제적으로 속도를 줄이거나 경로를 변경합니다.
- 구역 전체를 정지시키지 않고 위험 상황에만 유연하게 반응
- 작업 패턴이 불규칙한 다품종 소량생산 라인에 효과적
- 카메라·라이다 하드웨어와 AI 소프트웨어 비용이 추가되지만 복합 안전 셀 구성에 유리
최근에는 기존 협동로봇의 전류제어나 토크센서 방식에 AI 비전을 추가로 결합하는 다층 안전 구조가 빠르게 확산되고 있습니다.
방식별 핵심 비교
세 가지 방식을 주요 기준으로 정리하면 다음과 같습니다.
| 비교 항목 | 전류제어 | 토크센서 | AI 비전 융합 |
|---|---|---|---|
| 감지 원리 | 모터 전류 변화량 분석 | 관절 토크 직접 측정 | 카메라+AI 위험 예측 |
| 감지 시점 | 접촉 발생 후 | 접촉 발생 후 | 접촉 발생 전 |
| 정밀도 | 중간 | 높음 | 공간 전체 인식 |
| 상대적 도입 비용 | 낮음 | 중~높음 | 중~높음 |
| 적합 환경 | 범용·보급형 | 정밀 조립, 의료 | 혼재 작업 구역 |
| 주요 한계 | 노이즈 영향 | 추가 센서 비용 | 비전 시스템 필요 |
중소 제조현장에서 방식을 고를 때 확인할 3가지
방식 선택은 사양보다 "현장 조건"이 우선입니다.
첫째, 작업 공정의 접촉 빈도입니다. 사람이 로봇 반경 안에 수시로 드나드는 공정이라면 AI 비전처럼 비접촉 예방 감지가 유리합니다. 반면 접촉 상황이 드물고 동선이 일정하다면 전류제어 방식으로도 충분합니다.
둘째, 다루는 제품의 섬세함입니다. 식품·전자부품처럼 힘 제어 정밀도가 중요한 공정에서는 토크센서 방식이 적합합니다. 로봇이 힘을 "느끼면서" 작업해야 하는 조립 공정에서 차이가 도드라집니다.
셋째, 안전 인증 여부입니다. 협동로봇은 특정 안전기준을 충족하지 않으면 일반 산업용 로봇과 동일한 위험성을 갖습니다. 울타리 없이 사람과 함께 운용하려면 한국산업표준 또는 국제기준에 부합하는 충돌방지조치를 갖추고 관련 인증을 받아야 합니다. 방식이 무엇이든, 충돌 감지 민감도 검증과 인증 절차는 반드시 거쳐야 합니다.
충돌 감지는 기술이 아니라 설계의 문제다
충돌 감지 방식을 선택하는 것은 단순히 "어느 센서를 쓸까"가 아닙니다. 공정 설계, 작업 동선, 안전 인증 요건, 유지보수 체계까지 함께 고려해야 하는 "안전 설계" 의사결정입니다.
전류제어로 시작해 현장 경험을 쌓은 뒤 토크센서나 AI 비전으로 고도화하는 단계적 접근도 현실적인 전략입니다. 처음부터 고사양 방식을 도입하더라도, 민감도 설정과 협동 모드 검증이 뒤따르지 않으면 충돌 감지는 "있으나 마나"가 될 수 있습니다.
협동로봇 도입을 검토 중이라면, 벤더 카탈로그보다 먼저 자사 공정에서 "사람이 로봇에 얼마나 자주, 어떻게 접근하는지"를 파악하는 것이 첫걸음입니다. 그 답이 나오면 적합한 충돌 감지 방식도 자연스럽게 결정됩니다.
참고문헌
- 고용노동부. "고정식·이동식 산업용 로봇의 협동작업 안전 가이드." 고용노동부. 2023. https://www.moel.go.kr/policy/policydata/view.do?bbs_seq=20230700065
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