건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2017.10.26. 특별리포트 (p67~77)

업무방식 개혁시리즈 (5)
로봇이 건설현장을 구한다
AI나 IoT와 연계하여 일손부족 보완

심각한 일손 부족을 보충하기 위해 각 건설회사는 현장에 로봇을 투입하는데 주력하고 있다. 1990년대까지의 로봇 개발에 대한 반성을 토대로, 현재 중시하는 것은 범용성과 사람과의 협조성이다. 계속 진화하는 AI나 IoT 등 첨단기술과 연계하여 기술자나 기능 노동자를 지원하는 확실한 생산성 향상을 목표한다.

Part 1. 시작된 ‘생산성 혁명’
현장으로 로봇이 찾아온다

시미즈건설은 2018년 봄에 간사이의 고층빌딩 건설 현장에 자율형 로봇을 본격적으로 투입한다. 운용하는 공정에서는 70% 이상의 성인화(省人化)를 목표한다. 미래의 노동인구 감소에 대비하여 현장의 로봇 혁명에 도전한다.

수평 방향으로 신축하는 붐(Boom) 때문에 작업 반경을 자유자재로 조정할 수 있다. 시미즈건설이 개발한 세계 첫 수평 슬라이드 크레인 ‘Exter’가 완성, 8월에 히로시마현 IHI운반기계의 야스우라공장에서 공개하였다. 로봇 시공을 추진하는 전천후형의 폐쇄공간을 구축하기 위한 코어기술이다. 크레인의 마스트(기둥) 위에 있는 붐은 전체 길이가 3등분 되어 있다. 뿌리 부분에 위치하는 붐은 고정식이며, 그 안쪽에 중간과 끝부분의 붐 2개를 넣는 구조다.

시미즈건설은 7월에 자율형 로봇을 도입하는 차세대형 생산시스템 ‘Shimz Smart Site’의 컨셉트를 발표. 그 요소 기술의 개발을 급속히 추진하고 있다. 이 시스템에서는 건물의 정상 부분에 지붕을 가설하고 커버로 덮는 전천후형 폐쇄 공간을 구축한다. Exter는 일반 크레인과 같은 붐의 기상(起伏) 동작이 없기 때문에 지붕 높이를 억제할 수 있다.

Exter는 최대 호이스팅 하중 12톤, 작업 반경 3~25m, 양중(揚重) 높이 200m까지 대응할 수 있다. 자재의 양중 작업 시에는 붐을 길게 하여 커버의 측면에 설치한 개구부를 통해 밖으로 뻗어 지상에서 자재를 양중한다. 붐을 짧게 하여 커버 안으로 자재를 넣는다. 커버 안에서는 붐을 신축, 수평 선회하면서 정해진 위치에 매달린 짐을 내려놓는다. 붐 끝과 커버와의 위치관계를 센싱하여 접촉 사고를 방지하는 기능을 갖게 한다.

시미즈건설 생산기술본부의 사카모토(坂本) 부본부장은 “이 크레인에는 가동 데이터를 수집하여 분석하는 기능도 부가하고 있다. 공정 상의 과제를 검증하여 대책을 검토, 실시할 수도 있다”라고 설명한다.

-- 다가오는 기술노동자의 대량 이직 --
시미즈건설이 자율형 로봇을 도입한 시스템 구축을 서두르는 이유는 현장을 지탱해 온 기능 노동자의 대량 이직이 배경에 있다. 일본건설업연합회가 2015년에 공표한 장기 비전에서는 25년도 기능 노동자 수를 216만 명으로 추계하고 있다. 14년도의 343만 명에서 127만 명 정도 감소한다고 예측하였다. 동(同) 연합회는 대책으로 34세 이하의 젊은 노동자 등 90만 명을 확보함과 동시에 생산성 향상을 통해 35만 명 분의 성인화를 추진한다고 밝혔다.

그럼 생산성 향상에 어떻게 접근할 것인가? 시미즈건설이 내놓은 대답은 시미즈 스마트 사이트였다. 반복 작업이나 힘든 작업의 경감, 조사∙관리 업무의 고효율화를 목표로 설정. BIM(Building Information Modeling)을 핵으로 AI와 IoT를 조합함으로써 자율적으로 로봇이 움직이는 청사진을 그렸다.

시미즈건설은 ‘로봇은 동료’라는 개발 이념을 제시한다. 예전의 기술 개발에 대한 반성을 반영한 것이다. 건설업계에서 로봇 개발이 추진된 1980년대부터 90년대에 걸쳐, 시미즈건설도 ‘현장을 공장처럼’이라는 목표를 세우고 전천후자동시공시스템 등의 개발을 추진하였다. 94년 준공한 주로쿠은행 나고야빌딩에 도입하였고 실현에 대한 기대가 높았다. 그러나 실용 단계에 AI가 없었고 로봇이 자율적으로 움직이는 구조를 도입하지 못했다.

시미즈건설 생산기술본부의 인도(印藤) 본부장은 “로봇을 사용하는 데 사람들이 많은 에너지를 쏟고 있었다. 유지나 보관도 어려웠고 적용 장소도 한정됐었다. 첫 현장 이후에 사용 현장이 감소하면서 결국은 사용하지 않게 되었다”라고 말한다.

-- 태블릿 조작이면 된다 --
시미즈 스마트 사이트에서는 복수의 자율형 로봇이 사람과 협력하면서 작업을 한다. 용접 토치를 다루는 기둥 용접 로봇 ‘Robo-Welder’, 천장이나 바닥재를 2개의 팔로 시공하는 다능공 로봇 ‘Robo-Buddy’, 수평∙수직 운반 로봇 ‘Robo-Carrier’등이다. 이들을 ‘로봇의 직장’이라고 할 수 있는 로봇통합관리시스템에서 제어한다. 전국 100곳의 현장, 8,000대의 로봇을 통괄할 수 있다.

현장의 담당자는 태블릿형 단말을 조작하기만 하면 된다. 통합관리시스템에서 송신되는 작업 지시를 바탕으로 로봇은 자신의 위치나 시공 대상물을 인식하면서 현장 안을 이동하며 자율적으로 가동한다. 가동 상황이나 작업 결과는 실시간으로 기록, 축적되어 태블릿 화면으로 언제라도 확인할 수 있다.

시미즈건설은 로봇을 도입하는 공정에서 70% 이상의 성인화를 목표로 한다. 시미즈 스마트 사이트를 30층, 기준층 면적 3,000㎡의 빌딩에 적용한 경우, 양중∙반송 작업에서 2,700명, 천장∙바닥 시공에서 2,100명, 기둥 용접 작업에서 1,150명으로 총 6,000명 가까운 성인화 효과가 있다는 계산이 나온다. 전공정에서 필요한 기능 노동자의 약 1.1%에 상당한다. 개개의 건설기계나 로봇은 2~3곳의 현장에서 사용하면 감가상각이 가능하다고 보고 있다.

Part 2. 다시 시작하는 로봇 개발
“쓸데없는 작업”을 대체, 기능 노동자는 본래 작업에 주력

버블경제 붕괴를 거쳐 시들해진 로봇 개발에 각 건설회사가 다시 주력하기 시작하였다. 일손 부족이 현저한 작업을 중심으로 중노동 작업이나 현장의 청소∙운반 등 고도의 기술이 필요하지 않은 작업에서의 활용이 두드러진다.

일찍이 적극적으로 추진되고 있었던 건설현장용 로봇 개발은 버블경제 붕괴를 거치면서 시들해졌다. 그러나 최근에 심각한 일손 부족을 겪고 있는 각 건설회사 등은 AI나 IoT와 같은 첨단기술의 발달로 다시 한번 힘을 쏟기 시작하였다.

다이세이건설이 로봇 개발에 다시 본격적으로 뛰어든 것도 기능 노동자의 부족이 가장 큰 이유다. 동사의 기술센터 선진기술개발부의 우에노(上野) 부장은 “특히 봉당(封堂)과 용접 부문의 노동자 감소가 심각하며 공사 진척에도 크게 영향을 미치고 있다”라고 말한다.

-- 도구의 감각으로 사용할 수 있다 --
봉당 기술자를 지원하기 위해 다이세이건설이 개발한 것이 콘크리트 바닥 공사 로봇 ‘T-iROBO Slab Finisher’다. 총 8개의 흙손이 달린 프로펠러 2개를 돌리면서 타설 후의 콘크리트 바닥을 평평하게 고른다. 그리고 이 작업은 봉당 기술자가 무선으로 조종한다.

콘크리트 바닥의 마무리는 허리를 굽힌 자세로 작업을 해야 했기 때문에 육체적인 부담이 컸다. 또한 동절기에는 콘크리트가 굳기까지 시간이 많이 걸려 바닥 마무리를 끝내는 데 이튿날 아침까지 걸리는 경우도 있었다.

로봇을 사용하면 그러한 노동 환경을 개선할 수 있다. 예를 들면, 면적 1,000~1,200㎡의 콘크리트 바닥 마무리는 지금까지 봉당 기술자 6명이 작업했었다. 로봇이라면 둘이서 가능하다. 타설 시에는 6명이 필요하지만 마무리 단계까지는 2명이면 된다.

현재 다이세이건설이 목표로 하는 로봇은 완전 자동화나 무인화는 아니다. 도구와 같은 감각으로 사용하면서 성력화∙성인화를 실현할 수 있는 것이다. “높은 수준을 목표로 해서 좌절한 버블경기 시절의 반성 때문이다. 기능 노동자의 작업을 지원하여 장인의 기술을 살린다”(우에노 부장).

비용 대 효과도 고려한다. 승용차 1대 분 정도의 초기 비용으로 도입할 수 있는 설계다. 많은 현장에서 사용할 수 있도록 가볍고 콤팩트한 크기로 하였다. 다다미 1장(91cm×182cm) 크기, 중량은 약 90kg이다. 배터리를 빼면 본체는 약 65kg이기 때문에 둘이서 운반할 수 있다.

-- 숙련 노동자가 아니라도 된다 --
로봇에 의한 기둥 철골의 용접 자동화 공법 ‘T-iROBO Welding’도 목적은 기능 노동자의 작업 지원이다. 로봇에 목을 전후∙좌우로 움직이는 기구를 설치함으로써 지금까지 용접공의 손이 필요했던 가고정(假固定) 지그의 뒤쪽 부분의 용접까지 담당할 수 있게 되었다.

용접은 품질확보를 위해 AW 검정이라는 고난도 기능자격을 요구하는 경우가 많다. 자격자는 전국에서도 수천 명밖에 되지 않고 고령화도 진행되고 있다. 불꽃이 튀는 작업이기 때문에 위험한 데다 여름에는 체력 소모도 많다. 장시간의 집중력 유지도 필요하다.

용접작업에 로봇을 도입하면 효율화뿐 아니라 품질도 확보할 수 있다. 어느 정도의 지식과 경험을 가진 기능공이라면 로봇의 작업을 확인할 수 있기 때문에 숙련 노동자가 아니더라도 대응이 가능하다.

기능 노동자를 살리기 위해서는 기능이 불필요한 ‘쓸데없는 작업’을 로봇에게 맡기는 것이 좋다. 그러한 관점에서 현장 내의 청소 작업에 주목하여 다이세이건설은 자율형 청소 로봇 ‘T-iROBO Cleaner’을 개발하였다.

4개의 색깔 꼬깔콘으로 에워싼 범위를 인식하고 자율적으로 움직인다. 대형 리튬 배터리가 9시간을 유지하기 때문에 야간 청소가 가능하다. “다른 로봇과 비교하여 임팩트가 없을지도 모르지만 작업자가 쉬는 시간에 작업할 수 있다는 점은 큰 장점이다”라고 기술센터의 이마이시(今石) 부장은 말한다.

-- 쓰레기를 빨아들이지 않고 한 곳에 모은다 --
다케나카공무점도 성력화를 위해 청소 작업에 주목하였다. 특히 내화피복 공사의 경우는 기능 노동자가 소비하는 작업 시간 중 약 20%가 바닥에 떨어진 재료를 청소하는 것이었다. 이를 해결하기 위해 다케나카공무점이 오카야강기(鋼機)와 공동 개발한 것이 자율 주행 청소 로봇 ‘TO gather’다.

T-iROBO Cleaner와 마찬가지로 4개의 색깔 꼬깔콘으로 에워싼 범위를 청소한다. 다른 점은 쓰레기를 빨아들이는 게 아니라 한 쪽으로 모은다는 점이다. 내화피복 공사의 경우는 쓰레기의 양이 많아서 흡인할 경우 탱크가 바로 가득 차서 사용하기 불편하기 때문이다.

“내화피복 작업은 중노동이며 전문 기술자가 좀처럼 들어오지 않는다”라고 동사의 서일본기재센터 기계화시공추진그룹의 사쿠라이(櫻井) 씨는 말한다. 그렇지 않아도 부족한 기능 노동자에게는 가능한 생산성이 높은 작업에 시간을 쓰도록 하고 싶다.

현장 내에서의 건설자재 운반 작업에서도 기능 노동자를 해방시켜주고 싶다. 동사는 렌탈업을 하는 닛켄과 공동으로 운반용 자동 추종 로봇 수레 ‘컴온’을 개발하였다. 여러 대를 연결한 수레가 처음에 인식한 사람을 자동으로 따라 간다. 

로봇에게 중노동 작업을 맡기고 기능 노동자는 기능이 필요한 본래의 작업에 주력한다. 적재적소에서의 로봇 활용은 생산성을 높일 뿐 아니라 노동환경 개선으로 이어진다.

Part 3. 발전하는 ICT기술
AI나 IoT가 로봇을 살린다, 문제가 발생해도 사람 손을 빌리지 않는다

일손 부족을 보완하는 것은 로봇에 한정되지 않는다. AI나 IoT, 센서와 같은 기술에도 기대하고 있다. 예전의 로봇 개발과 다른 점은 ICT(정보통신기술)의 진전이다.

앞에서 소개한 다케나카공무점의 2개의 로봇은 동사의 ‘로봇전략회의’에서 단기 목표로 내걸었던 것이다. 그 개발을 담당한 기계화시공추진그룹은 IoT기술을 활용한 공사용 기계의 클라우드형 원격감시 시스템 ‘℃’을 구축하여 7월에 운용을 시작하였다.

℃는 타워 크레인이나 공사용 엘리베이터 등 건설 현장의 기계를 클라우드 상에서 연결시키는 것이다. 대상은 다케나카공무점 서일본기재센터가 보유하는 공사용 기계로, 동(同) 센터 등으로부터 원격 감시를 할 뿐 아니라 그 가동 상황이나 상태를 데이터로 수집하여 클라우드 상에 축적한다.

-- 저가로 시스템 구축 --
보수∙운용하는 기술자는 클라우드에 올라간 공사용 기계 데이터를 컴퓨터나 태블릿형 단말로 감시한다. 문제가 발생해도 바로 파악할 수 있다. 데이터를 통해 문제의 원인을 판단, 현장 기술자에게 지시하여 해결할 수 있다면 현장으로 나갈 필요는 없다.

고장이나 문제를 해결하기까지의 시간은 ℃ 도입으로 인해 대폭 짧아진다. 9월에 고베 시내의 건설 현장에서 공사용 엘리베이터가 정지하는 문제가 발생했을 때 그것을 확인할 수 있었다. 정지 원인은 엘리베이터 지붕에 있는 충돌방지장치가 작동했기 때문이다. 운전 개시까지의 시간을 기존의 131분에서 26분으로 크게 단축할 수 있었다.

다케나카공무점의 아사다(朝田) 소장은 “예전에는 시스템 구축에 수천만 엔 단위의 비용이 들었지만, 클라우드 기술의 발달로 많이 저렴해졌다. 게이트웨이 등 IoT 관련 기기도 싸졌다”라고 말한다.

효과는 문제의 조기 발견∙해결만이 아니다. 모터의 전류∙진동치 등을 통해 문제 징후를 파악. 가동 상황을 통해 부하량을 추정하면 부품 교환 시기도 판단 가능하다. 기계가 언제, 얼마나 가동했는가를 분석하면 향후 기종 선정이나 인원 배치, 시공 계획에도 활용할 수 있다.

타워 크레인의 원격 조작도 가능하다. 2020년에 5G가 시작되면, 동영상 데이터의 지연이 거의 없어진다. 지금부터 이를 준비하고 있다고 한다. 로봇도 공사용 기계의 일종이다. 타워 크레인 등과 마찬가지로 일원 관리할 수 있다면 시공의 효율화는 진척될 것이다.

-- 공사의 진척을 AI가 추측 --

  -- 끝 --