휴머노이드 얼굴의 안전성 기준: 눈·코·입 접촉 압력 15N 이하를 목표로 설계합니다

휴머노이드 로봇이 사용자에게 제공하는 경험 중에서 얼굴은 가장 직접적이고 민감한 상호작용이 이루어지는 영역입니다. 저는 지난 수년간 휴머노이드 인터랙션 및 안전 설계를 담당하면서, 기술 개발에 앞서 안전 기준을 최우선으로 확립하는 것이 얼마나 중요한지 깨달았습니다. 특히 눈·코·입 주변은 피부가 얇고 민감하여 작은 힘이나 열도 통증이나 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 얼굴 설계는 화려한 표정의 다양성보다 힘(Force), 압력(Pressure), 온도, 그리고 구조적 위험을 선제적으로 관리하는 것이 로봇 서비스의 지속 가능성을 위한 핵심입니다.

 

본 글에서는 제가 직접 경험하고 적용했던 실무 기준으로, 휴머노이드 얼굴의 안전성을 접촉 압력 15N(뉴턴) 이하와 같은 구체적인 수치와 다층적인 설계 전략을 구조화하여 깊이 있게 정리합니다.

휴머노이드 얼굴의 안전성 기준: 눈·코·입 접촉 압력 15N 이하를 목표로 설계합니다

핵심 설계 원칙

• 얼굴 안전 관리의 핵심은 접촉 시의 힘 및 압력과 구동 메커니즘의 제한을 명확한 수치로 규정하고 관리하는 것입니다.
• 실무 환경에서 자주 적용되는 기준으로, 눈·코·입 주변 접촉 압력 15N 이하를 안전 작동의 상한선으로 목표합니다.
• 안전 설계는 물리, 제어, 운영의 3층 방어 구조를 통해 안정성을 확보하는 것이 중요합니다.
  • 1단계: 물리 설계 – 날카로운 모서리 제거, 탄성 완충 소재 적용, 기계적 스토퍼를 통한 구조적 안전 확보.
  • 2단계: 제어 설계 – 모터 토크/전류 제한, 소프트 리밋 설정, 가속도 및 속도 제어를 통한 동적 안전 확보.
  • 3단계: 운영 설계 – 아동/군중 환경 대응 정책, 일일/주간 점검 루틴, 오류 발생 시 안전 복구 전략 마련.

1) 위험 시나리오 5가지: 얼굴 안전 사고는 주로 이렇게 발생합니다

• 1) 사용자 손가락/얼굴의 근접 침입
  특히 호기심이 많은 아동이 눈을 만지거나 코 부위를 잡는 예측 불가능한 행동에 노출될 위험이 높습니다.
• 2) 표정 전환 중 발생한 접촉 사고
  움직이는 얼굴 부품(예: 입꼬리, 눈꺼풀)이 사용자의 신체와 접촉할 때, 부품 간의 틈새로 살이나 손가락이 끼이는 찝힘(Pinch Point) 위험이 발생합니다.
• 3) 예상치 못한 강력한 토크 발생
  내부 기구의 간섭, 구동 케이블의 마찰 증가, 센서 오류 등으로 인해 모터의 순간적인 힘(토크)이 설계값을 초과하여 튀어 오르는(스파이크) 상황이 생길 수 있습니다.
• 4) 내부 발열의 누적 및 전달
  모터 작동이나 제어 보드에서 발생하는 열이 얼굴 표면으로 전달되어 피부 온도가 올라가면 사용자에게 불쾌감을 주거나, 민감한 피부의 경우 저온 화상 리스크, 혹은 얼굴 소재의 변형 위험이 증가합니다.
• 5) 오류 상태에서의 동작 고정 위험
  시스템 오류로 인해 표정 동작이 멈췄을 때, 그 정지 자세가 사용자를 다치게 할 수 있는 '위험한 형상(예: 뾰족한 형태로 고정)'이라면 장시간의 고정 위험이 됩니다.

2) 힘/압력 기준: 접촉 안전 목표 15N 이하의 실질적 적용

• 1) 15N 기준의 적용 부위
  • 눈 주변 (눈꺼풀, 눈두덩, 눈가)
  • 코 주변 (콧대, 콧망울)
  • 입 주변 (입술, 입꼬리, 턱 관절 움직임 부위)
• 2) 실무에서의 적용 방식
  • 센서 구성: FSR(Force Sensing Resistor, 압력 감지 저항) 센서와 같은 압력 감지 장치를 얼굴 접촉 예상 부위에 내장하고, 0.2N에서 20N 범위의 미세한 힘을 감지하도록 시스템을 구성합니다.
  • 단계별 정책: 접촉 압력이 10N에 도달하면 표정 동작을 감속시키고, 15N을 넘기면 즉시 모터를 정지시키거나 안전 모드로 후퇴하는 다단계 안전 정책을 적용합니다.
  • 보수적 설정: 특히 눈 주변과 같이 매우 민감한 부위는 상한선을 10N 이하로 더 보수적으로 낮추어 설정하는 것이 안전 관리의 기본입니다.
• 3) 왜 정지 대신 “단계”를 활용하는가?
  접촉 감지 즉시 모터를 급정지 시키면, 사용자의 손이 로봇의 역반응으로 인해 튕겨 나가는 현상(반작용 충격)이 발생할 수 있습니다. 이는 오히려 사용자를 놀라게 하거나 이차적인 사고를 유발할 수 있습니다. 따라서 '감속 → 정지'와 같은 부드러운 단계적 대응이 안전성과 사용자 경험(UX) 측면에서 모두 합리적입니다.

3) 기구 안전: 구조적 설계로 찝힘과 모서리 위험을 제거

• 1) 찝힘(핀치) 구간의 근원적 제거
  • 눈꺼풀, 입꼬리 관절, 턱 관절 주변은 사용자가 호기심에 손가락을 넣기 쉬운 대표적인 구간입니다.
  • 이 구간에는 가이드 커버를 설치하고, 움직이는 부품 간의 간극을 최소화하며, 동작 범위를 제한하는 기계적 스토퍼를 배치하여 물리적으로 위험 구간을 원천 제거해야 합니다.
• 2) 모든 모서리의 라운딩(둥글게 처리)
  • 로봇 내부의 프레임이나 브래킷(지지대)이 어떤 상황에서도 외부로 노출되지 않도록 하며, 혹시라도 노출될 가능성이 있는 부분은 모두 R값(라운딩 반경)을 확보하여 둥글게 처리해야 합니다.
  • 로봇 피부 아래의 단단한 부품이 압력을 받았을 때 피부를 뚫고 돌출되지 않도록 깊이 설계에 주의합니다.
• 3) 탄성 소재를 통한 완충 설계
  • 실리콘, TPU(열가소성 폴리우레탄)와 같은 적절한 탄성층은 접촉 순간의 충격을 흡수하고 안전성을 크게 높이는 핵심 요소입니다.
  • 다만, 탄성층이 너무 두꺼워지면 모터의 섬세한 움직임이 외부 피부로 전달되는 표정 전달력이 저하될 수 있으므로, 안전과 표현력 사이의 적절한 균형을 찾는 설계가 필요합니다.

4) 제어 안전: 소프트웨어적 토크/전류 제한이 최종 방어선

• 1) 전류(토크) 상한 제한
  • 각 액추에이터(모터)별로 허용할 수 있는 최대 전류/토크 값을 설정합니다. 일반적으로 눈 주변은 매우 보수적으로, 입/턱 주변은 동작 부하에 따라 조금 더 유연하게 설정할 수 있습니다.
  • 순간적으로 과전류가 감지되면, 100~200ms(밀리초) 이내의 짧은 시간 안에 전류를 감쇠시키거나 모터를 정지시키는 하드웨어/소프트웨어적 대응 루틴을 반드시 확보해야 합니다.
• 2) 소프트 리밋(Soft Limit)
  • 액추에이터의 물리적인 동작 한계(기계적 리밋)에 도달하기 전에, 미리 설정된 위치에서 동작 속도를 감속시키고 부드럽게 멈추게 하는 기능입니다.
  • 입꼬리나 눈꺼풀처럼 반복적으로 최대 동작 범위 근처까지 움직이는 부위에서 '턱'하는 충격 소음과 부하를 줄이는 데 특히 효과적입니다.
• 3) 가속도 및 속도 제한
  • 표정 전환에 필요한 시간을 0.3초에서 0.8초 사이로 설정하고, 급격한 가속도(Acceleration) 변화를 제한하여 표정의 시작과 끝을 부드럽게 만듭니다.
  • 이는 찝힘 사고 위험을 줄일 뿐만 아니라, 사용자들에게 로봇의 표정이 더욱 부드럽고 안전하다는 인상을 줍니다.

5) 센서 기반 안전: 압력/터치 센서를 통한 안전 인터럽트

• 1) 압력 센서(FSR) 운용 정책 예시
  • 0N ˜ 10N: 정상 동작 및 표정 유지
  • 10N ˜ 15N: 경고 상태 진입, 동작 속도 감속 및 표정 강도 감쇠(예: 동작 출력 30% 감소)
  • 15N 이상: 비상 정지/후퇴 동작 후 경고 상태 유지
• 2) 터치 이벤트 대응 정책
  • 사용자의 터치 감지가 발생하면, 시스템은 표정 동작의 최대 강도(출력)를 0.2˜0.4 사이로 낮추는 편이 안전합니다.
  • 특히 아동이 많은 환경에서는 '터치 감지 중에는 표정 동작을 중립 상태로 고정'하는 접촉 중립 모드를 운영 정책으로 설정하면 사고 리스크를 크게 줄일 수 있습니다.

6) 운영 안전: 아동 및 군중 환경에서의 안전 정책 수립

• 1) 접근 거리 기반 동작 정책
  • 30cm 이내 근접 시: 비전 센서나 근접 센서로 얼굴과 사용자 거리가 30cm 이내로 가까워지면, 즉시 표정 강도를 제한하고 동작 속도를 감속하는 정책을 적용합니다.
  • 1m 이상 거리: 로봇의 정상적인 표정 운용이 가능하도록 설정합니다.
• 2) 사용자 안내 문구 및 시각적 신호
  • “로봇의 얼굴 부위를 만지지 말아 주세요”와 같은 명확하고 단순한 메시지를 사용자에게 전달하는 것만으로도 사고 확률을 현저히 낮춥니다.
  • 위험 감지나 안전 모드 진입 시에는 LED 조명이나 화면 UI를 통해 시각적인 경고 신호를 표시하여 운영자가 빠르게 상황을 인지하고 대응할 수 있도록 합니다.
• 3) 정기적인 점검 루틴
  • 일간 점검: 주요 표정 3˜5종을 10회 이상 반복하여 구동 시의 떨림, 소음, 동작 지연 등의 이상 유무를 확인합니다.
  • 주간 점검: 찝힘 구간의 커버 상태, 외부 노출 부품의 손상 여부, 피부 소재의 균열 또는 오염 상태를 육안으로 확인합니다.
  • 월간 점검: 모터의 전류 스파이크 로그 기록, 내부 발열 온도 로그, 안전 센서의 캘리브레이션(교정) 상태를 소프트웨어적으로 확인하여 잠재적 위험 요소를 제거합니다.

7) 실제 발생했던 얼굴 안전 실패 사례 5가지

• 사례 1 (소프트 리밋 부재): 액추에이터의 소프트 리밋을 설정하지 않아, 동작 한계에서 부품이 반복적으로 충돌하는 '턱' 소음과 충격이 발생했고, 결국 외부 피부 커버가 해당 부위에서 찢어지는 사고가 발생했습니다.
• 사례 2 (안전 인터럽트 미연결): 얼굴에 압력 센서를 부착했음에도 불구하고, 이 센서를 메인 모터 제어기의 '안전 인터럽트' 라인에 연결하지 않아, 사용자가 로봇을 만지는 순간에도 표정 동작이 멈추지 않고 계속 움직였습니다.
• 사례 3 (간극 관리 실패): 눈가 주변의 움직이는 부품과 고정 부품 사이의 커버 간극을 충분히 확보하지 못해, 아동의 작은 손가락이 해당 틈으로 들어가 찝힘 위험을 유발했습니다.
• 사례 4 (느린 과전류 대응): 모터에 과전류가 발생했을 때 이를 감지하고 대응하는 시간이 너무 느려서(500ms 이상), 사용자가 접촉하는 순간에 모터가 큰 힘으로 튀어 올라 충격이 가해졌습니다.
• 사례 5 (열관리 실패): 모터의 지속적인 운용으로 내부 열이 누적되었으나 적절한 열관리 시스템이 없어, 로봇 얼굴 피부 표면 온도가 상승하고 끈적해져 사용자에게 불쾌감을 주고 오염물이 쉽게 달라붙게 만들었습니다.

8) 안전 운영을 위한 최소 점검 체크리스트

• 힘/압력 테스트: 얼굴 주요 부위(눈·코·입)에 측정 장비를 사용하여, 최대 표정 출력 시에도 접촉 압력이 15N을 초과하는 상황이 발생하지 않는지 확인합니다.
• 과전류 테스트: 고의로 모터에 부하를 주거나 동작을 방해했을 때, 과전류 스파이크 발생 후 100˜200ms 내에 모터가 안전하게 감쇠/정지하는지 동작을 확인합니다.
• 찝힘 테스트: 표준화된 '손가락 모형(Probe)'을 사용하여 눈꺼풀, 입꼬리, 턱 주변 등 찝힘 예상 부위에 대한 물리적 간섭 테스트를 진행합니다.
• 온도 안전 테스트: 로봇을 장시간 운용한 후, 내부 온도 상승(예: 30˜35°C)에 따라 모터의 출력이나 동작 속도가 자동으로 감쇠되는 안전 정책이 작동하는지 확인합니다.
• 오류 복구 테스트: 센서 케이블 단선, 통신 끊김과 같은 주요 오류 상황을 시뮬레이션하고, 로봇이 즉시 위험을 최소화하는 '안전 모드(중립 표정 고정)'로 진입하는지 확인합니다.

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결론

• 휴머노이드 얼굴을 개발하는 데 있어 핵심 가치는 “얼굴이 얼마나 실제와 같은가”가 아니라, “얼굴이 사용자에게 얼마나 안전하게 반응하고 멈출 수 있는가”에 있습니다.
• 눈·코·입 주변의 접촉 압력을 15N 이하로 엄격하게 관리하고, 전류/토크 제한, 소프트 리밋과 같은 다층적인 제어 안전 장치를 적용하면 사용자에게 심각한 사고를 일으킬 확률을 근본적으로 줄일 수 있습니다.
• 나아가 아동 및 군중 환경과 같은 서비스 환경에 맞춘 접근 거리 정책과 철저한 일간 점검 루틴까지 운영 설계에 포함해야만, 안전 기준이 실제로 현장에서 안정적으로 작동하며 서비스의 장기적인 신뢰를 확보할 수 있습니다.

Q&A

Q1) 15N 기준은 왜 로봇 안전에서 자주 언급되는 실무 기준입니까?

• 접촉 안전을 정성적(Qualitative)이 아닌 정량적(Quantitative) 수치로 관리하여 팀 간의 명확한 운영 기준선을 설정하기에 용이하기 때문입니다.
• 물론, 접촉 부위의 민감도와 운영 환경(예: 의료, 아동)에 따라 이 기준을 5N˜10N 사이로 더 보수적으로 낮추는 것이 안전할 수 있습니다.

Q2) 압력 센서 없이도 안전한 얼굴 설계를 완성할 수 있습니까?

• 물리적 구조 설계로 찝힘 구간을 원천 제거하고, 모터의 전류/토크 제한을 매우 낮게 설정하면 위험을 상당 부분 줄일 수는 있습니다.
• 그러나 사용자 접촉 상황을 실시간으로 인지하고 빠르게 반응하려면, 압력이나 터치 센서를 '안전 인터럽트' 장치로 활용하는 것이 안전성과 빠른 대응 측면에서 가장 큰 도움이 됩니다.

Q3) 얼굴 표정 동작 속도를 느리게 설정하면 무조건 안전성이 높아집니까?

• 대체로 안전성이 올라갈 가능성이 큽니다.
• 표정 전환 시간을 0.3˜0.8초 범위로 설정하고 가속도 제한을 엄격하게 적용하면, 급격한 움직임으로 인한 찝힘 위험이나 사용자에게 가해지는 충격량을 현저히 줄일 수 있습니다. 안전하면서도 부드러운 표정 전환은 사용자에게도 심리적 안정감을 제공합니다.

Q4) 아동 환경에서 로봇 얼굴의 가장 위험한 설계 구간은 어디라고 보십니까?

• 아동의 손가락이 쉽게 들어갈 수 있는 ‘간극(Gap)’이 있는 구간, 특히 눈꺼풀과 입꼬리의 움직이는 틈새가 가장 위험합니다.
• 이러한 부위에는 물리적 커버/가드 설계를 보강하고, 접촉 감지 시 표정을 중립(Neutral) 상태로 고정하는 운영 정책이 사고를 방지하는 데 필수적입니다.

Q5) 수많은 안전 테스트 중 최소한 1가지만 한다면 무엇을 추천합니까?

• ‘얼굴 주요 부위(눈·코·입) 접촉 압력 15N 초과 방지 테스트’를 최우선으로 추천합니다.
• 이 테스트는 사용자 접촉이 가장 빈번한 서비스 환경에서 직접적인 사고 리스크를 줄이는 데 가장 효과적이며, 로봇의 핵심 안전 정책이 실제로 작동하는지를 검증하는 근본적인 테스트입니다.

안전 설계는 로봇의 기능성을 억제하는 것이 아니라, 로봇 서비스가 오랜 기간, 문제없이 운영되게 만드는 지속 가능성을 위한 장치입니다.
표정의 다양성보다 안전 정책의 확실성이 사용자 신뢰를 더 오래 유지시킵니다.