건설과 만난 로봇기술

건설과 만난 로봇기술

고려대 고층건물시공자동화연구단(단장 박귀태)이 지난해 11월 자연대 캠퍼스에서 7층 높이의 연구용 빌딩을 짓는 착공식을 가졌다. 이 빌딩은 건설용 로봇시스템이 건설현장에 적용되는 국내 최초의 사례로 고층빌딩 건설 공기를 30%나 줄이는 건설용 로봇시스템의 실용화 테스트라는 점에서 큰 의미를 지닌다. 

다음은 고려대 고층건물시공자동화연구단 측이 월간 로봇에 보내온 답변 내용이다.
■ 건물 시공에 이용되는 로봇시스템(철골조립로봇)이란?
-현대 건설 분야는 숙련공의 숫자가 점점 감소하고 작업자가 위험한 환경에 노출되는 등 여러 가지 문제에 직면한 상황.철골구조 조립 현장의 경우 작업자가 위험한 철골구조에 직접 올라가서 위태로운 조립작업을 수작업으로 진행.

-이러한 철골구조의 조립을 로봇으로 대체하여 안전성을 확보하고 작업의 정밀성을 높이며 더 나아가 전체적인 생산성을 향상시키고자 하는 것이 이 과제의 목표.

-이 과제에서 건물의 철골 구조물을 조립하는 철골조립 로봇이 개발되고 이 로봇이 건물 상에서 자유롭게 이동하기 위한 환경인 건설공장(Construction Factory, CF)이 설치되고 이 구조물이 한층씩 이동하면서 로봇이 건물을 한 층씩 조립해나가며 건물을 완성.
■ 로봇시스템의 개발 과정은?
-현재 로보틱 크레인 기반 고층건물 구조체 시공 자동화 연구단 구성 이후 4년차 개발에 접어들었음.

-전체 과제 중 로봇 파트에 투입된 기관이 총 7개이며 총 연구인원은 49명에 다다름.

-본 과제는 건축 시공 기술과 첨단 로봇 기술을 융합하여 건설공사의 생산성을 혁신적으로 향상시키고 고령화 시대 및 3D 기피 현상으로 인한 인력난을 해결하며 공사기간 단축을 통해 가격 경쟁력을 확보하기 위한 “초고층 건축물 구조체를 자동으로 시공하는 로봇 시스템”을 개발하는 것을 목표로 함.

-4차년도까지 개발에 총 투입될 자금은 약 45억원임.
■ '외국 건설현장에서  로봇시스템의 이용 정도와 현황은?
-일본의 대표적인 전자동 시공시스템인 시미즈건설의 스마트 시스템(SMART System)의 경우 현재 최초의 시스템(SMART)에 비해 점차 경량화, 단순화되고 있는 추세이나 여전히 다음과 같은 문제점을 안고 있음.

-100% 전자동 추구로 인한 비효율적인 시스템
○ 일본의 전자동 시공시스템은 인력난이 극심할 때 개발되어 전 자동으로 구현되는 25대(각각 13 톤의 중량)의 크레인을 설치하였는데 이로 인하여 시스템의 구축에 고비용이 소요될 뿐 아니라 크레인이 수시로 잔고장을 일으켜 유지보수 비용 및 인력이 추가로 소요됨.
○ 또한 완전 자동화를 위해 복잡한 알고리즘들을 개발, 적용하였기에 전체적으로 비효율적 시스템이 된 것으로 판단됨.

SMART 시스템의 자재양중 및 운송체계

-로봇-크레인 일체형으로 인한 비경제적인 시스템

○ 상기 시스템은 완전 자동화를 위해 로봇과 크레인을 일체형으로 제작하여 CF내부에 설치하였으며 이로 인해 총 1,200 톤의 육중한 CF를 필요로 하며

○ 상기 CF 제작을 위해서만 2달이 소요되어 전체 공기가 지연되고 시공후 해체가 어려울 뿐 아니라 CF 상승을 위한 부대장치 가격이 상승하는 등 전체적으로 비경제적 시스템으로 판단됨.


-일본 내진기준에 적합하게 과다 설계된 국지용 시스템
상기 시스템은 일본의 지리적 특성인 지진을 대비하여, CFT 각형강관 등 고강도 부재를 사용하였고 적층공법을 사용하고 있으므로 국내의 실정에는 맞지 않는 일본 내수용 국지형 시스템으로 판단됨.

-본 연구진에서는 로봇과 크레인을 분리하여, 자재의 무게는 기존의 타워크레인이 지탱하게 하며, 볼팅체결 수준의 힘을 보유한 가벼운 로봇을 CF 내에 설치함으로써 전체 CF 무게를 200톤 이하로 구현하여 기존 대비 17% 무게의 CF를 구성.
■ 현재 개발 중인 로봇시스템 기능은?
-철골조립로봇 시스템은 실제로 볼트를 체결하는 역할을 하는 ‘볼트체결로봇’, 볼트체결로봇을 조립위치까지 이송시키는 ‘로보틱 이송 메커니즘’, 그리고 볼트체결을 위한 알고리즘에 해당하는 ‘볼팅 컨트롤 시스템’으로 구성.

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-볼트체결로봇은 볼트를 빔의 볼트 구멍에 삽입하고 고정하는 ‘볼트공급 및 후퇴방지장치’, 너트와 와셔를 공급해주는 ‘너트/와셔 공급장치’ 그리고 실제로 볼트와 너트/와셔를 이용하여 체결작업을 하는 볼트체결기로 더욱 세분화하여 구성. 

-로보틱 이송 메커니즘은 컨스트럭션 팩토리(Construction Factory) 상에 설치된 레일을 따라 건물 주변을 이동하며 볼트체결로봇을 이송하는 ‘레일주행로봇’과 레일주행로봇 상에서 수직 이동 및 회전 동작을 통하여 최종 조립 위치까지 볼트체결로봇을 위치시키는 ‘모바일 매니퓰레이터’로 구성.


-볼팅 컨트롤 시스템은 CCD 카메라와 레이저 센서를 동시에 사용하는 센서 퓨전 기술을 이용하여 시각적 정보를 가지고 볼트구멍의 위치를 찾는 ‘비주얼 서보잉’ 기법이 내장. 철골조립 공정을 자동화하기 위해 로봇 운용자에게 로봇 공정 순서 및 각종 지시사항을 사전에 전달하여 효과적인 작업을 가능하게 하는 ‘인텔리전트 티칭 에이전트(Intelligent Teaching Agent)’ 기술이 적용.
 
그리고 작업자가 건물 전체의 위치정보와 현재 로봇의 위치 및 상태 그리고 다음 조립 목표 지점 등을 시각적으로 보여주는 ‘GUI(Graphic User Interface, 그래픽 유저 인터페이스)’ 기술이 탑재.
■ 대기업 주도 건축 분야의 로봇 개발이 더뎠던 이유는 ?
산업용 로봇에 비해 오랜 개발기간, 그리고 고비용의 개발자금, 그리고 상용화를 위한 테스트에 많은 시간과 자금이 소요되기 때문이라고 생각함.

월간로봇 | 2010-01-27

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