Nikkei Architecture_2018.4.26 특집기사 요약 (p37~55)

Special Feature
건설현장 로봇 도감 : 진정한 생산성 혁명
과거의 반성을 되살려 ‘협조성+범용성’으로 전력 증강

건축의 시공현장에서 로봇의 도입이 본격화되기 시작했다. 전문 인력의 부족 및 고령화가 심각해지고 있는 가운데, 현장의 생산성을 단번에 높이는 최후의 카드로 로봇이 기대를 모으고 있다. 과거의 반성을 되살린 ‘진정한 생산성 혁명’의 실현을 위해 현장의 전력이 되는 것은 전문 인력과 함께 일하는 ‘협조성’ 및 다양한 상황에서 사용되는 ‘범용성’을 갖춘 로봇이다. 각 대기업 건설회사의 최신 로봇을 철저히 파헤쳐 보도록 하겠다.

■ 동향: 왜 지금 로봇인가?
협조성과 범용성으로 재도전

생산성을 높이기 위한 로봇의 현장 도입이 착실하게 진행되고 있다. 대기업 건설회사들은 과거의 로봇 개발의 실패의 기억을 되살려 ‘진정한 생산성 혁명’을 목표로 개발에 주력하는 가운데 그 열쇠가 되는 것은 사람과의 협동 및 편리함이다.

건설회사에서 로봇 개발을 하고 있는 기술자들의 관심을 모으고 있는 곳이 시미즈건설(漬水建設)이다. 로봇 개발에 약 20억엔을 투자해 2017년 7월에는 복수의 자립형 로봇을 도입한 차세대형 건축생산 시스템인 ‘Simiz Smart Site’의 콘셉트를 발표. 거의 같은 시기에 자사의 기술연구소 내에 ‘로봇 실험동’을 개설 준비에 주력했다.

3월하순에 방문한 로봇 실험동에서는 천정 재료 부착 등을 담당하는 작업로봇 및 완전 자동화를 목표로 하는 용접 로봇, 2대로 연계되는 운송 로봇이 현장을 방불케 하는 환경 속에서 콘셉트의 완성 이미지 그대로의 모습으로 훈련을 쌓고 있었다.

-- 로봇의 ‘직공장(職工長)’을 개발 --
특히 눈에 띄는 것은 로봇의 ‘직공장(주임)’이다. ‘직공장’이란 자립형 로봇의 업무를 클라우드 상에서 총괄하는 ‘종합관리시스템’을 말한다. 이 시스템을 활용한다면, 사람은 제일 먼저 태블릿형 단말기로 작업을 지시하기만 하면 충분하며, 로봇 옆에서 지켜볼 필요가 없어진다.

‘직공장’은 부하인 각 로봇이 불필요한 작업을 하지 않도록 BIM(Building Information Modeling)의 데이터를 기반으로 현장 내부를 지도화하고 자재의 위치 및 로봇이 주행하는 루트, 높낮이 차이에 이르기까지 모든 것을 관리한다. 로봇은 ‘직공장’에게 지시 받은 대로 연대하면서 움직인다.

시미즈건설이 자립형 로봇과 함께 ‘직공장’의 개발을 추진하는 것에는 이유가 있다. 1980년대부터 1990년대에 걸쳐 과열되었던 로봇의 개발 움직임의 트라우마에서 벗어나기 위해서이다. 당시에는 아직 AI(인공지능) 및 센서, 카메라 등 로봇이 인식∙판단하기 위한 기술이 충분하지 않았을 뿐만 아니라, 로봇 자체도 대형이었다. 로봇이 사람의 업무를 돕도록 해야 했지만, 반대로 로봇의 관리에 사람이 노력을 할애하고 있었다.

당사 상무집행위원으로 생산기술본부의 인도(印藤) 본부장은 다음과 같이 설명한다. “현장의 전문 인력에게 ‘로봇의 시중 노릇을 하는 것이 싫었다’라고. 로봇의 현장 도입을 추진해도 1대에 한 사람의 체제로 관리가 필요하게 된다면 의미가 없다. ‘직공장’은 이를 해결하기 위한 종합관리 시스템이다”.

그렇다고 해도, 관리시스템을 구축하는데 있어서 전제가 되는 것은 각 로봇의 ‘개별 능력’이다. 같은 트라우마를 안고 있는 대기업 건설회사들도 사람이 노동력이 필요 없는 로봇 개발을 서두르고 있다.

중요한 점은 ‘진정한 생산성의 혁명’을 위해 중요한 점은 로봇과 사람이 얼마나 협동할 수 있을까이다. 전문 인력을 필요로 하는 작업 중, 고충 작업 및 반복작업 등을 로봇에게 맡기기만 해도 생산성은 현격히 높아진다. 또한 로봇을 얼마나 편리하게 만들어 많은 현장에 도입할 수 있는지도 중요하다.

■ 시공

1. ROBO-BUDDY (시미즈건설)
자신의 눈으로 판단하는 ‘만능 로봇’

고정된 상태에서 운용했으나, 현장에서는 전용 수레에 2개의 로봇 암(ARM)을 장착하여 자율주행 하면서 시공하게 된다. 하루가 다르게 변화는 현장에서 자립적으로 작업하기 위해서는 로봇 자신이 현장의 조건을 ‘눈’으로 보고 판단하지 않으면 안 된다. 로봇의 ‘눈’이 되는 것은 로봇 암(ARM)에 설치되는 카메라나 레이저 센서이다.

시미즈건설의 인도 본부장은 ”만능 작업로봇은 특히 팀의 일원이 되어 전문 인력과 협동할 수 있는 것이 중요하다. 로봇에게 어떤 작업을 시킬 것 인지에 대해 현장의 의견을 수렴하면서 추진하고 있다”라고 말한다.  

2. ROBO-WELDER (시미즈건설)
사람의 보조 없이 연속으로 자동 용접

시미즈건설이 오사카대학원 공학연구과의 아사이(浅井) 교수와 공동개발을 추진하는 ‘로보 웰더(ROBO-WELDER)’는 산업용 로봇 암 1개를 전용의 손수레에 장착한 용접 로봇이다. 사람의 보조를 최소화하여 현장 용접의 완전 자동화를 목표로 한다. 사람은 용접하려는 철골 앞까지 로보 웰더를 데리고 가면 된다.

지금까지 당사는 용접작업의 자동화에 도전해 왔다. 로봇을 주행하게 하는 가이드용 레일을 철골에 설치하는 방법이다. 그러나 사람의 보조 없이 로봇만으로 연속작업이 안 되는 것이 과제였다. 레일 설치 및 암(ARM) 끝 용접 토치의 노즐 청소, 용접 중에 흩어져 날리는 자재 찌꺼기를 제거하는 작업은 사람이 맡아서 해야 할 필요가 있었기 때문이다. 그 밖에도 수 밀리 단위로 정확하게 레일을 장착해야 되는 등, 로봇에 용접시키기 위해 사람이 세심하게 신경을 써 작업환경을 갖추고 있는 실정이었다.

-- AI 및 센싱 기능을 활용 --
로봇만으로 자동 용접이 가능하도록 AI(인공지능) 및 센싱 기능 등의 기술을 활용했다. 철골을 끼워 넣을 수 있게 양측에 배치된 로보 웰더는 먼저 용접 토치에 설치한 레이저 센서로 용접 부위의 패인 형상 등을 확인. AI를 활용하여 용접의 층수 및 속도, 전류∙전압 등의 조건을 실시간으로 결정하여 2대 한 팀으로 대각선 위에서 용접한다.

사람의 보조를 줄이는 기술은 전용 수레에도 있다. 길이 약 1,700mm의 슬라이드 레일을 수레의 상부에 두고 로봇암이 레일 위를 움직이게 했다. 대형 기둥 축이라도 사람의 보조 없이 연속해서 자동 용접이 가능하다.

3. 현장 로봇의 용접 공법 (오바야시구미)
어떤 방향의 용접에도 대응 가능

4개 귀퉁이가 곡면인 각형강관 기둥(칼럼)의 이음새 부분을 레일에 장착된 2대의 로봇이 일정한 속도로 움직이면서 용접해 간다. 직선 부분에서 곡선 부분에 오면 속도를 바꾸며 직선 부분에서 다시 원래의 속도로 돌아간다. 그 때 선단 기구(토치)의 각도는 일정하다.

오바야시구미(大林組)가 개발한 ‘현장로봇 용접 공법’의 특징은 한 종류의 로봇으로 철골 기둥, 대들보의 현장 용접 작업을 모두 해 내는 것이다. 특히 지금까지 로봇으로는 하기 힘들었던 ‘대들보 플랜지’ ‘대들보 웨브’ ‘기둥’의 3종류에 대응할 수 있도록 한 것이 강점이다.

-- 사람의 1.5배의 작업 능률 --

4. T-iROBO Remote Viewer (다이세이 건설)
탑승하고 있는 감각으로 중장비를 조종

조종석과 같은 시야에서 중장비를 조작할 순 없을까? 이러한 원격조종 현장의 의견을 수렴해 다이세이(大成)건설이 실용화한 것이 현장형 원격 영상시스템 ‘T-iROBORemote Viewer’이다.

자연재해 발생 직후의 피해지 및 원자력 발전소 사고로 고(高)방사선 구역에 있는 복구현장 등은 사람이 쉽게 들어갈 수 없어 안전한 정소에서 중장비를 원격 조종할 필요가 있다. 그러나, 조감형 카메라에 따른 기존의 원격 시스템에는 많은 과제가 있었다. 먼저 사전에 중장비 주변에 복수의 조감형 카메라를 설치할 필요가 있으며 화재 현장의 안전이 확인될 때까지 착수할 수 없다. 또한 카메라로부터 영상을 멀티모니터로 확인하면서 조종하기 때문에 중장비 1대 당 카메라워크와 조종의 2명이 필요하다. 또한 전송되는 영상은 시야가 좁아 거리감을 파악하기 어려우므로 중장비를 원하는 대로 조종하기 어렵다.

당사의 기술센터 생산기술개발부 생산기술개발실 정보화 팀의 가토(加藤) 과장은 “실제 탑승하여 조종하는 것에 비해 인력과 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 작업효율도 현저히 떨어진다”라고 밝혔다.

-- 얼굴 방향에 영상이 연동 --
T-iROBO Remote Viewer에서는 HMD(헤드 마운트 디스플레이)을 장착한 조종자가 얼굴을 아래로 향하면 모니터에 중장비의 부속장치(애터치먼트)의 선단이 지면에 접하는 순간 정지했다. 영상과 중장비의 움직임이 연동되어 시야도 육안으로 보이는 것과 가깝기 때문에 이런 섬세한 움직임이 가능해진다.

메커니즘의 핵심은 중장비 자체에 2대의 어안렌즈 카메라가 나란히 탑재되어 그 영상을 오퍼레이터가 장착한 HMD에 송신하는 것이다. “조감 카메라를 현지에 설치할 필요가 없고 혼자서 작업을 할 수 있다”(가토 과장).

● 화제: 시공 현장 밖에서도 활약 중
공장 및 메인터넌스에서 ‘사람이 할 수 없는’ 임무 수행

-- 협소 공간을 돌아다닌다 --
-- ‘힘 조절’을 원격지로 전달한다 --

■ 반송

5. ROBO-CARRIER (시미즈건설)
‘3대 연대’로 사람의 움직임을 대체

작업자가 태블릿형 단말기로 작업 개시를 지시하면 로봇은 바로 발소리와 같은 효과음을 내면서 움직이기 시작했다. 팔레트에 적재된 석고보드의 바로 앞에 멈춰서면 본체 중앙에 달려있는 ‘시저스 포크’를 늘리거나 줄여 눈앞의 석고보드를 수레에 실었다. 그 다음 L자형의 몸체를 180도 회전시켜 공사용 엘리베이터로 향한다. 엘리베이터 앞의 돌출된 바닥도 거뜬히 올라갔다. 짐을 내려 놓은 후 1호의 업무는 완료되었다.

시미즈건설이 개발을 추진하는 수평 운송 수레인 ‘ROBO-CARRIER’에게 주어진 그 날의 업무는 1호와 2호의 2대로 1층에 있는 석고보드를 2층의 임시창고에 운반하는 것이다. 이 로봇 캐리어는 말하자면 수평이동에 특화된 ‘운반책’이다. 좁은 현장에서도 활동반경이 좁아 경쾌한 몸놀림이 요구된다. 따라서 차륜에는 그 장소에서 회전하거나 전후 방향으로 나가면서 바로 옆으로 이동하거나 할 수 있는 특수한 기구를 갖추었다.

주행 중에는 자기위치는 물론, 바닥이 올라온 부분이나 장애물을 검지하는 센서로 현장의 상황을 상시 파악한다. 진행 방향으로 사람이 뛰어 들어와도 스스로 감지하여 정지한다. “자재를 포함해 약 2톤’을 기준으로 차체 중앙에도 신경을 썼다. 바닥판의 손상 방지 및 고층 작업에 대응하기 위해서다.

-- 작업 전의 자재 운송을 지원 --

6. 히몬 (다케나카 고무텐)
7. 카몬 (다케나카 고무텐)
8. 클로러 TO (다케나카 고무텐)
평범한 외관으로 도입을 촉진

전문 인력의 고령화 및 여성 증가에 대응하기 위해 다케나카 고무텐(竹中工務店)이 렌탈의 닛켄과 공동개발한 로봇이다. 카몬은 2016년부터, 히몬은 2018년 4월부터 렌탈의 닛켄이 랜탈을 시작했다.

2대 모두 수레를 움직이게 하여 처음 감지한 사람 및 물건을 ‘주인’으로 인식, 그 움직임에 충실히 쫓아 간다. ‘주인’이 아닌 사람이나 물건이 튀어나올 경우에도 정지하지 않고 회피하여 주행을 계속한다.

겉모습이나 측정법은 일부러 ‘보통의 수레’를 노렸다. 도입에 대한 기술자의 심리적인 부담을 덜어, 채용 현장을 늘리는 것이 목적이다. 높낮이가 있는 바닥의 장소에서는 기존 수레의 경우, 2명이 달라붙어 손으로 밀어야 한다. 최대 600kg 적재할 수 있는 수레가 자율주행 해준다면 전문 인력의 육체적인 부담은 대폭 경감될 수 있다. 특히 물류 창고 및 전시장 등 넓은 건축 현장에서 호평을 받고 있다.

히몬과 카몬의 차이는 레이저 센서의 개수이다. 시리즈의 제2탄에 해당하는 히몬에는 ‘주인’을 인식하는 센서와 함께 표식 로프로 주행 루트를 정해 놓으면 유도조차 필요 없다.

-- 기존의 수레를 로봇화 --

■ 청소

9. T-iROBO Cleaner (다이세이 건설)
밤에 현장을 무인으로 청소

성인 허리 정도의 높이인 로봇이 콘크리트 바닥을 쓸면서 직진해 온다. 아무도 곁에 있거나 리모컨을 조작하지 않는다. 움직이는 방법은 가정용 로봇 청소기인 ‘룸바’와도 닮아있다. 장애물의 20cm 정도 앞에 도달하면 한 바퀴 뱅그르르 돌아 방향을 바꿔 다시 똑바로 직진한다. 사람의 존재도 감지하여 사전에 피한다.   

‘T-iROBO Cleaner’는 다이세이 건설이 실용화한 자립형 청소 로봇이다. 당사 기술센터 생산기술개발부의 가토(加藤) 과장은 “2차적 작업인 청소를 무인화 함으로써 본유의 작업에 노동력을 집중시켜 생산성 향상으로 이어지도록 했다”라고 개발의 목적을 말한다.

-- 현장용 청소차를 자동화 --

10. TO게더 (다케나카 고무텐)
쓰레기의 수집에 압축 경량화

거대한 건설 기자재가 나열되어 있는 다케나카 고무텐(竹中工務店)의 서일본 기자재센터에 덩그러니 작은 로봇 한 대가 자리잡고 있었다. 내화 피복공사로 바다에 떨어진 재료를 한데 모으는 자립주행형 청소로봇인 ‘TO게더’ 이다. 2017년에 실용화한 기종을 개량하여 2018년 4월부터 ‘렌탈의 닛켄’이 취급하기 시작했다.

내화 피복공사를 담당하는 기능사는 분사 작업 등을 마친 후, 날이 저물 때쯤부터 청소를 한다. TO게더를 도입하면 사람이 분사작업을 하고 있는 옆에서 로봇이 쓰레기를 쓸어 모아준다. 사람은 모아진 쓰레기를 회수하기만 하면 되므로 청소시간은 약 절반으로 줄어든다. 최대 청소 영역은 일반적인 사무실 대응할 수 있는 사방 약 40m이다.

-- 설정 및 교육 없이 즉시 투입 --

● 전문지 편집장의 시선
‘이동 암(ARM)의 보급이 열쇠

암(ARM)형은 복수의 관절로 이루어진 팔과 같은 형태로 끝에 달려 있는 핸드로 자재를 쥐거나 용접 및 공구를 나사로 조이거나 한다. 제조업의 공장에서는 바닥에 고정시켜 사용하지만, 건설 현장에서는 그래서는 의미가 없기 때문에 이동형 로봇 위에 얹어서 ‘하이브리드 타입’으로서 운용하는 것이 될 것이다.

-- 복잡한 움직임에 잠재력과 어려움 --

 -- 끝 --