[논문 리뷰] ISO/TS 15066: How Different Interpretations Affect Risk Assessment

Robin Jeanne Kirschner, Nico Mansfeld외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 05.

Human-Automation Interaction and Safety인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인간-로봇 접촉 시나리오에 대한 ISO/TS 15066의 정의에 심각한 모순이 있음을 밝히며, 다양한 해석이 서로 다른 위험 평가 결과와 안전하지 않은 힘 예측을 초래할 수 있음을 입증한다. 이를 바탕으로 위험 평가의 표준화와 가속화를 위해 결론 트리와 제약 조건이 있는 충격력 맵(CCFMs)을 제안하며, 실험적 노력의 감소와 공동 로봇 기술의 안전성 및 규정 준수 향상에 기여한다.

ABSTRACT

The current technical specification ISO/TS15066:2016(E) for safe human-robot interaction contains logically conflicting definitions for the contact between human and robot. This may result in different interpretations for the contact classification and thus no unique outcome can be expected, which may even cause a risk to the human. In previous work, we showed a first set of implications. This paper addresses the possible interpretations of a collision scenario as a result of the varying interpretations for a risk assessment. With an experiment including four commercially available robot systems we demonstrate the procedure of the risk assessment following the different interpretations of the TS. The results indicate possible incorrect use of the technical specification, which we believe needs to be resolved in future revisions. For this, we suggest tools in form of a decision tree and constrained collision force maps, which enable a simple, unambiguous risk assessment for HRI.

연구 동기 및 목표

• ISO/TS 15066:2016(E)에서의 인간-로봇 상호작용(HRI) 접촉 시나리오 정의에 대한 모순되는 해석을 특정하고 분석하는 것, 특히 일시적 및 준정적 접촉 단계에 관하여.
• 이러한 모순되는 정의가 실제 HRI 상황에서 위험 평가 결과의 이질성과 잠재적으로 안전하지 않은 힘 예측으로 이어지는 방식을 조사하는 것.
• 네 대의 상용 공동 로봇(KUKA LWR iiwa 14, TM5 700, UR10e, FE robot)을 대상으로 실험적 검증을 통해 이러한 모순의 실질적 영향을 평가하는 것.
• 명확하고 반복 가능하며 효율적인 HRI 위험 평가를 가능하게 하는 표준화된 도구—특히 결론 트리와 제약 조건이 있는 충격력 맵(CCFMs)—를 제안하는 것.
• 향후 버전의 ISO/TS 15066에서 용어의 모호성을 제거하고, 제안된 도구를 통합하여 안전성과 규정 준수를 향상시키기 위한 개선을 촉구하는 것.

제안 방법

• 표준화된 시험 절차를 사용하여 네 대의 상용 공동 로봇에서 동적이고 제약 조건이 있는 접촉 시나리오 하에서의 접촉력 측정을 위한 실험적 위험 평가를 수행하였다.
• ISO/TS 15066에서 규정한 힘 모델을 적용하여 이론적 접촉력을 예측하고, PRMS 장치를 사용하여 실측된 힘과 비교하였다.
• 실험 데이터를 바탕으로 제약 조건이 있는 충격력 맵(CCFMs)을 개발하였으며, 로봇 기준 큐브의 중심 위치와 외곽 위치에서의 접촉점과 로봇 속도에 따른 예상 접촉력을 맵핑하였다.
• 사용자들이 접촉 이벤트 유형과 힘 단계를 일관되게 분류할 수 있도록 도와주는 결론 트리를 제안하였다. 이는 위험 평가의 모호성을 줄이는 데 기여한다.
• 색상 코드가 적용된 CCFMs를 사용하여 ISO/TS 15066에서 규정한 280 N 이하의 임계값을 초과하지 않을 가능성이 높은 속도 범위를 식별함으로써 더 빠른 실험적 검증이 가능하도록 하였다.
• CCFMs의 사용이 안전한 작동 속도 범위를 찾기 위해 필요한 실험 반복 수를 크게 줄였음을 검증하였으며, 이는 효율성과 신뢰성 향상에 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISO/TS 15066에서 '일시적'과 '준정적' 접촉 단계의 정의에 대한 모순된 해석이 어떻게 서로 다른 위험 평가 결과를 초래하는가?
• RQ2 제약 조건이 있는지 여부에 따라 다른 해석이 적용되는 접촉 이벤트 유형이 예측된 접촉력과 그에 따른 안전 규정 준수에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 여러 로봇 플랫폼에서 실제 충격 상황에서의 측정된 힘과 ISO/TS 15066에서의 이론적 힘 예측 간의 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ4 제약 조건이 있는 충격력 맵(CCFMs)이 HRI에서의 실험적 위험 평가에 소요되는 시간과 노력을 실제로 줄일 수 있는가?
• RQ5 용어와 방법론에 어떤 개선이 가해져야 인간-로봇 상호작용의 위험 평가의 명확성, 일관성, 안전성이 향상될 수 있는가?

주요 결과

• ISO/TS 15066의 접촉 정의에 대한 다양한 해석이 실측값과 100 N 이상의 차이를 보이는 이론적 접촉력 예측을 초래하여, 규정 준수에 심각한 위험이 있음을 시사한다.
• 네 대의 상용 로봇(KUKA LWR iiwa 14, TM5 700, UR10e, FE robot)을 대상으로 한 실험적 검증 결과, 지침이 부족한 탓에 순수 실험적 위험 평가는 시간 소모가 크고 비효율적임을 확인하였다.
• 제약 조건이 있는 충격력 맵(CCFMs)은 다양한 로봇 속도와 접촉점에서의 접촉력을 성공적으로 예측하여 안전한 작동 범위를 신속하게 식별하는 데 기여하였다.
• CCFMs의 사용으로 인해 280 N 이하의 힘을 유지할 가능성이 높은 속도 범위를 목표로 삼을 수 있어 실험 반복 수가 크게 감소하였다.
• 결론 트리는 접촉 시나리오를 일관되게 분류할 수 있는 프레임워크를 제공하여 용어의 모호성을 줄이고 위험 평가의 재현 가능성을 향상시켰다.
• 본 연구는 현재의 ISO/TS 15066 용어 체계가 명확한 위험 평가를 위해 부족함을 드러내며, 향후 표준에서 CCFMs와 표준화된 정의를 통합하여 개선이 필요하다고 입증하였다.