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최근 건축공사용 로봇 개발에 대해서

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[무료 웨비나] 차세대 비전 시스템에서 JAI Go-X 시리즈를 활용하는 방법 (3/2, 온라인)

건설업계에서는 미래의 취업자 부족 문제가 심각화되고 있으며, ‘신규 취업자 확보’와 ‘생산성 향상’이 시급한 과제로 대두되고 있다. 또한, 2024년 4월에는 건설업에서도 노동 시간 상한 규제가 시행되기도 하기 때문에 ‘근로 방식 개혁’을 더는 미룰 수 없는 상태이다.

 

이러한 과제의 해결책 중 하나로서 로봇에 의한 작업의 자동화나 서포트가 기대되고 있다. 다케나카코무덴 기술연구소에서는 과거 건설 로봇 개발의 사례와 현재의 건설 현장 과제를 분석해 현장에서 진정으로 요구되고 사용되는 로봇은 무엇인지를 고찰하고, 개발 방침을 책정한 후에 이 방침에 따른 로봇 개발을 추진하고 있다. 이 글에서는 최근의 로봇 개발 상황을 보고한다.

 

과거의 로봇 개발

 

필자 등은 과거에 개발된 건설 로봇을 조사해 보급에 이르지 못한 원인을 살펴봤다. 1980~2000년대까지 다케나카코무덴에서는 20종 이상, 건설업계에서는 160종 이상의 로봇이 개발됐는데, 이들 모두 건설 현장에서 시행하는 데에 그쳤으며 본격적으로 보급된 것은 거의 없었다. 필자 등은 이들 과거의 로봇이 보급되지 못한 주된 원인은 이하와 같다고 생각한다.

 

· 기술노동자를 대체하기 위해 일련의 시공 작업을 자동화하려고 했기 때문에 로봇이 크고 무거워져 운반 설치가 힘들었다.

 

· 배터리나 통신 기술이 미숙했기 때문에 로봇을 장시간 구동하기 위한 전원 공급이나 제어를 위한 케이블이 필요하고 건설 현장에 설치하기가 번거로웠다.

 

· 제어 기술이나 컴퓨터 기술이 미숙했기 때문에 조작이 복잡하고 전임 오퍼레이터가 필요했다.

 

· 복잡하고 다양한 기능을 탑재하고 있었으므로 로봇을 만들고 운용하는 데 비용이 많이 들었다.

 

이러한 점을 고려해 필자 등은 최신의 첨단 기술을 구사하면서 현장에서 실제로 사용할 수 있는 로봇의 연구·개발을 추진해야 한다고 생각했다.

 

미래의 건설 현장과 건설 로봇의 위상

 

과거의 로봇 개발 이후 20년 이상이 경과됐으며 그 사이에 로봇 기술은 현저하게 발전했지만, 건설 작업이나 공정의 로봇화·자동화의 난이도는 여전히 매우 높은 실정이다. 건설 공사에서는 제품마다 만드는 것이 다르고, 현지 생산이기 때문에 넓고 변화가 많은 작업 장소의 이동이나 작업할 때의 임기응변 판단 등은 진화된 로봇 기술로도 쉽지는 않다. 따라서 공장 생산과 같은 기계나 로봇이 주체가 되는 건설 현장의 미래를 예상하기는 어려우며, 앞으로도 틀림없이 ‘사람’의 능력에 크게 의존하게 될 것으로 생각된다.

 

‘사람’을 중심에 두었을 때에 건설 현장의 로봇화는 단순한 인력절감화에 그치지 않고, 더 많은 역할을 할 것으로 기대된다. 우선, 그 하나는 사람이 느끼는 ‘보람’을 높이는 것이다. 사람은 항상 보람을 느끼는 일을 원한다. ‘보람’으로 이어지는 것은 건설 작업을 통해 얻을 수 있는 기쁨이나 충실감이다. 예를 들어 몇 십 년 남을 멋진 건물의 건설에 관여해 사회에 공헌하는 것, 항상 좋은 일을 추구하며 나날이 성장하고 있음을 실감하는 것 등이다. 따라서 ‘보람’으로 이어지는 작업을 사람이 하고, 그렇지 않은 작업을 로봇이 지원하거나 대체하는 연계의 형태를 생각할 수 있다.

 

또 다른 하나는 ‘심신의 부담’을 줄이는 것이다. 건설업은 오랫동안 ‘힘들다, 더럽다, 위험하다’ 등의 3K 직장으로 여겨져 왔다. 건설 공사는 야외 작업이 많고 날씨에 따라 비바람을 맞거나 더위와 추위를 견디거나 하는 작업이다. 또한, 여전히 무리한 자세로 작업하거나 중량물을 사람이 다루는 작업이 많다. 작업으로 인한 피로가 쌓이면 신체적인 고장으로 이어지고 어쩔 수 없이 이직도 하게 된다. 이러한 심신의 부담을 사람과 로봇의 연계로 줄일 수 있다.

 

사람의 일하는 보람을 높이고 심신의 부담을 덜어주는 ‘사람’ 중심의 로봇화는 작업 현장의 매력을 높이는 효과도 기대되며, 또한 신규 취업자의 확보로 이어진다.

 

건설 로봇의 개발 방침

 

과거의 개발 사례 분석에서 얻은 교훈을 바탕으로 ‘사람’ 중심의 로봇화를 일시적 유행에 그치지 않고 실효성 있게 실현하기 위해 필자 등은 세 가지 로봇 개발 방침을 정했다. 이하에서는 이에 대해 설명한다.

 

1. 사용자와 진정한 요구의 특정

개발 방침의 첫 번째는 실제로 활용되고 보급되는 로봇을 개발하기 위해 어떤 사용자를 대상으로 어떤 이점을 제공하면 좋은지를 개발 착수 전에 철저하게 탐색하기로 했다.

 

건설 현장에 로봇을 도입하기 위해서는 가능한 한 많은 기술노동자가 사용자가 될 수 있는 개발 대상을 선정하는 것이 효과적이라고 생각된다. 건설 현장에서는 많은 직종의 기술노동자가 공정이 진척됨에 따라 매일 바뀌도록 작업을 하고 있다. 따라서 어느 한 직종에 특유의 작업에 로봇을 적용해도 공사 전체에 미치는 효과는 한정적이 되지만, 많은 직종에 공통된 작업에 로봇을 적용하면 파급 효과는 커질 것으로 생각된다.

 

많은 직종에서 공통적으로 실시되고 있는 작업으로는 자재 운반, 청소·정리, 먹매김 등의 부대적인 작업이 있다. 이 부대적인 작업을 로봇 등으로 대체·서포트시키는 것은 기술노동자의 전체 작업 시간 중 보다 부가가치가 높은 가공·조립·설치와 같은 주요 작업에 할당하는 시간을 증가시키게 되므로 노동생산성 향상 효과를 기대할 수 있다. 또한, 주요 작업이 높은 기능을 요구하는 작업이기도 하기 때문에 ‘보람’을 느끼는 효과가 증가할 것으로 기대된다. 이와 같이 부대적인 작업의 로봇화는 많은 직종에 대응하는 진정한 요구라고 판단할 수 있다.

 

2. 중요 부분에 초점을 맞추고 간단한 해결 방법 검토

개발 방침의 두 번째는 로봇의 기능이 지나치게 과대해지지 않도록 실제적인 요구를 바탕으로 과제의 본질을 깊이 파악해 중요한 부분에 초점을 맞추고 간단한 해결 방법을 탐색하는 것을 철저히 하기로 했다.

 

예를 들어, 청소라면 떨어져 있는 쓰레기와 먼지를 수집해 분리하고 쓰레기통에 넣는 일련의 흐름이 있다. 사람이라면 이 모든 것을 혼자서 할 수 있지만, 로봇에 맡기려고 하면 다양한 기능이 필요하고 난이도가 높아진다. 따라서 예를 들어 청소라면 ‘바닥을 쓸어 쓰레기를 모으는 작업만’ 하는 등 일련의 작업 중에서 가장 시간이 많이 걸리는 부분, 사용자가 가장 힘들어하는 부분 등에 초점을 맞춤으로써 로봇의 기능은 줄이고 간단한 기술로 해결할 수 있게 된다.

 

로봇에 탑재하는 기술을 최대한 단순화하면, 소형화와 경량화도 쉽고 보다 저렴하게 제조할 수 있게 된다. 또한, 조작도 간단해지기 때문에 널리 보급되기도 쉽다.

 

3. 서비스 제공자와의 협업

로봇을 시험적인 이용으로 끝내지 않고 널리 보급시켜 가기 위해서는 운용 단계까지 시야에 넣은 대응이 필요하다. 따라서 개발 방침의 세 번째는 개발 후의 생산·운용·서포트 체제를 개발 초기 단계에서부터 검토하고, 이를 담당하는 플레이어를 로봇 개발에 조기 참여하도록 추진하기로 했다.

 

운용 단계에서 필요한 플레이어는 로봇의 생산·판매, 보유·유지보수·대여, 현장의 이용 서포트 등을 생각할 수 있다. 또한, 기술의 진보나 사용자의 새로운 요구에 대응해 로봇의 하드웨어나 소프트웨어의 개량 개발도 계속할 필요가 있다. 이들을 담당할 가능성이 있는 제너럴 컨트랙터, 로봇 제조업체, 판매점, 렌탈 회사 등과 초기 단계에서부터 협업해 개발을 추진하는 것이 건설 로봇을 보급시키는 데 매우 중요하다고 생각한다.

 

최근의 건설 로봇 개발 사례

 

이상을 바탕으로 최근 필자 등이 개발한 ‘운반 로봇’, ‘청소 로봇’, ‘먹매김 로봇’을 소개한다.

 

1. 운반 로봇

건설 현장에서는 중량이 있는 건설 자재를 대차에 실어 사람이 밀어 나른다. 하루 운반량이 매우 많고, 한 현장에서 1,000대 이상의 대차를 도입하는 경우도 있다. 대차로 자재를 운반하는 작업은 시간이 걸리고 체력도 소모되는 중노동이기 때문에 자재를 자동으로 운반하거나 또는 사람이 운반하는 것을 서포트하는 로봇이 요구되고 있었다.

 

자재 운반 대차를 자동으로 주행시키기 위해서는 대차 측에 자동 주행의 고도 기능이 요구되는 데다, 주행 경로의 확보나 운전 지시 등의 수고가 들어 도입에 이르기까지 해결해야 할 과제가 많다. 그래서 필자 등은 자율 주행과 같은 고도의 기능은 추구하지 않고, ‘사람이나 물체를 추종’하는 보다 간단한 기능으로 운반의 효율화, 부담 경감을 실현하는 자동 추종 대차 ‘컴온’을 개발했다(그림 1).

 

 

‘컴온’은 차체 전방에 배치된 2차원 측역 레이저 센서(LiDAR)를 통해 처음으로 인식한 사람, 물체를 따라갈 수 있다. 기둥이나 다른 작업자와 같은 장애물을 자동으로 피할 수 있는 기능도 가지고 있어 충돌 없이 따라갈 수 있다. 또한, 사람뿐만 아니라 다른 대차도 따라가게 할 수 있으므로 혼자서 여러 대의 ‘컴온’을 데리고 주행시켜 유도하는 것도 가능하다. 한편, 엘리베이터에 싣거나 내릴 때와 같이 정확하고 섬세한 동작이 필요한 경우에 대응하기 위해 레버 조작에 의한 전동 어시스트 모드를 탑재하고 있다.

 

자동 추종 대차 ‘컴온’은 현장에서 평가도 좋고, 이미 여러 건설 공사에서 운용 실적을 올리고 있다. 렌탈 회사의 상품으로 보유하기도 해서 가동률도 높은 수준을 보이고 있다. 앞으로는 현장의 요구에 맞춰 소형화나 대형화 등 종류를 늘려 건축, 토목에 관계없이 다른 용도에도 순차적으로 적용해 갈 예정이다.

 

2. 청소 로봇

건설 현장에서 발생하는 티끌이나 먼지, 건축 자재 부스러기 등의 청소 작업은 하루 작업이 종료할 때 등에 기술노동자가 직접 하고 있다. 청소 작업에 걸리는 시간이 길면 생산성을 저해하는 요인이 되고 건강에 미치는 영향도 우려되기 때문에 청소 작업을 생력화·인력절감화하는 로봇이 요구되고 있었다.

 

특히 철골의 내화 피복 분사 공사와 같이 철골에 분사한 내화재가 부착되지 않고 바닥에 떨어진 솜 상태의 쓰레기 청소 작업에는 하루 작업 시간 중 5분의 1에서 4분의 1이 소요되고 있으며, 작업의 생산성 향상 그리고 노동 환경 개선이라는 두 가지 측면에서 해결책이 요구되고 있었다.

 

따라서 필자 등은 이와 같이 건설 현장 특유의 조금 큰 쓰레기에 대응하기 위해 쓰레기를 흡입하는 것이 아니라 긁어모으기만 하는 청소 로봇 ‘TO게더’를 개발했다(그림2).

 

 

‘TO게더’는 건설 현장에서 일반적으로 자주 사용되는 컬러콘을 청소하고자 하는 장소의 네 모서리에 설치하고 스타트 버튼을 누르면, 로봇의 2차원 측역 레이저 센서(LiDAR)가 컬러콘의 위치를 확인해 청소 구역을 자동으로 판단하는 동시에 청소 경로를 자동으로 생성해 청소를 시작한다. 로봇이 쓰레기를 한 방향으로 긁어모으기 때문에 나중에 사람이 처리하기 쉽다(그림 3).

 

 

종래의 흡인형 청소 로봇은 쓰레기 탱크 안의 쓰레기를 버려야 하는 번거로운 수고가 발생했지만, ‘TO게더’는 바닥에 떨어진 쓰레기를 청소 구역의 한 쪽으로 밀어 모으기만 하면 되므로 로봇 탱크 안의 쓰레기를 버리는 수고가 늘지 않는다. 또한, 기술노동자는 공사의 작업 시간 동안에 로봇을 작동시켜 놓고 작업 후에 한 쪽에 모아진 쓰레기를 회수하기만 하면 되므로 청소 시간을 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 종래의 작업 시간 전체 중 청소에 소요되고 있던 시간을 보다 생산성 높은 작업(주요 작업)에 충당할 수 있게 됐다. 또한, 쓰레기 탱크나 흡입용 모터 등이 필요 없어 로봇의 기체 중량을 30kg 이하로 경량화할 수 있다.

 

이와 같이 기술노동자가 직접 사용하는 것을 예상해 기능을 가급적 줄이고 조작을 간단하게 함으로써 비교적 저렴하게 제공할 수도 있게 된다.

 

이전의 운반 로봇과 마찬가지로 긁어모으기형 청소 로봇 ‘TO게더’도 현장에서 매우 높은 평가를 받고 있으며, 이미 여러 건축 공사에서 운용 실적을 올리고 있다. 렌탈 회사가 상품으로 보유하기도 해서 가동률도 높은 수준을 보이고 있다.

 

3. 먹매김 로봇

건설 공사에서 벽이나 설비기기 등의 설치 위치를 나타내기 위해 실시하는 먹매김 작업은 특정 직종에 한정된 작업이 아니라 많은 직종에 반드시 필요한 작업이다. 여러 직종에 공통되는 먹매김 작업을 자동화하는 저비용으로 사용하기 쉬운 로봇을 개발할 수 있다면, 로봇 도입으로 인한 파급 효과는 매우 클 것으로 생각해 먹매김 로봇(그림 4)을 개발했다.

 

 

먹매김 로봇은 주행 기능과 바닥면에 도형이나 문자를 그리는 기능을 가지고 있다. 먹매김 로봇이 정확한 위치에 이 문자나 도형을 그리기 위해 로봇과는 별도로 필드 상에 설치한 레이저 측량기에 의한 측정 데이터를 활용한다. 레이저 측량기는 먹매김 위치를 향해 측정용 레이저를 조사한다. 먹매김 로봇은 먹매김 위치로 이동, 도달 후에 정지한다. 이때 바닥면의 상태나 바퀴의 슬립 등의 영향에 의해 먹매김 위치와 정지 위치 사이에 차이가 생기므로 정지 위치에서 수광판에 투영된 레이저 스폿 위치를 카메라로 계측함으로써 이 어긋남을 정확하게 산출하고 이를 보정값으로 이용해 고정도의 먹매김을 실현한다(그림 5).

 

 

필자 등은 구조가 단순한 펜플로터 방식에 의한 그리기 기구를 채용하고, 적절한 부품을 선정해 외형 치수 (W)450mm×(D)730mm×(H)320mm, 중량 20kg으로 소형 경량의 로봇을 실현했다.

 

또한, 먹매김 로봇용 작업 데이터를 만들기 위해 건물 도면의 CAD 데이터를 활용해 단시간에 쉽게 데이터 변환하는 애플리케이션을 개발했다. 이를 통해 로봇을 실제로 현장에서 가동시키기 전의 현장 반입이나 사전 데이터 작성의 번거로움을 줄여 사용자가 로봇을 이용하기 쉽게 했다.

 

먹매김 로봇은 지금까지 17개 건설 현장에서 실증을 실시해 왔다(2022년 5월 말 시점). 먹매김 종류는 다양하며, 다양한 직종에 대응할 수 있는 로봇이라고 할 수 있다. 가장 중요한 성능인 먹매김 정도에 대해서는 평균 3mm 정도로 일반적인 시공에서도 이용 가능한 범위이다. 또한, 먹매김 종류에 따라 크게 다르지만, 자동 창고용 앵커 위치의 먹매김 등에서는 기술노동자 1명당 작업량과 비교해 300%로 매우 높은 작업 효율을 보였다.

 

앞으로는 렌탈 회사와 협력해 새로운 서비스를 시작하고, 또한 편리성 향상을 위한 개발을 실시할 계획이다.

 

맺음말

 

이 글에서는 건설 현장에서 진정으로 필요로 하고 도입 효과를 높일 수 있는 로봇이란 어떤 것인가, 과거 사례로부터 얻은 지식을 바탕으로 새로운 사고와 개발 방침에 대해 설명했다. 또한, 최근 새롭게 개발한 운반 로봇, 청소 로봇, 먹매김 로봇에 대해 개략적으로 소개했다.

 

앞으로는 건설 RX 컨소시엄 등 타사와 협업함으로써 이러한 로봇의 보급 전개를 추진하면서 개량에 의한 편리성 향상과 성능 향상을 도모해 갈 것이다. 또한, 이러한 기술을 더욱 발전시켜 로봇 도입 효과를 높게 전망할 수 있는 작업 내용에 적합시킨 새로운 로봇 개발과 도입을 추진해 갈 계획이다. 사람과 로봇이 위화감 없이 공존하는 새로운 시대의 건설 현장을 실현하고, 안전성·생산성을 보다 더 향상시킬 수 있는 매력 있는 건설업 창출을 목표로 건설업의 DX(디지털 변혁)를 추진해 갈 것이다.














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