건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2020.2.27 특집 요약 (p30-47)

로봇이 건설 현장으로 온다
격화되는 개발 경쟁, 2025년의 승자는 누구일까?

건설 담당자 부족 해소나 생산성 향상의 실현을 위해 건설 로봇의 개발 경쟁이 격화되고 있다. 대형 건설회사를 선두로 로봇 활용 실증실험이 진행되면서 드디어 본격적인 현장 실장 국면으로 들어서고 있다. 현장에서 ‘로봇 활용 주체’가 되는 전문 공사업체가 스스로 로봇을 개발∙활용하는 사례도 나오기 시작했다. 2020년, 건설 현장에 로봇이 찾아온다.

Part 1. 동향
‘승부의 해’, 업계 격변의 몸부림

국토교통성은 ‘2025년까지 건설 현장의 생산성을 20% 향상시킨다’는 목표를 내걸었다. 기술자, 기능자가 대량으로 이직하는 상황에서 건설 로봇의 보급을 위해 건설업계가 드디어 움직이기 시작했다.

라이벌 관계에 있는 대형 건설회사가 협력한다. 1월 30일, 가시마와 다케나카공무점은 건설 로봇 등의 기술 개발에서 협력한다고 발표했다. 양사가 개발이 끝난 로봇을 상호 이용하면서 개량을 추진, 자재 운반 자동화나 건설기계 원격 조작 등에 공동으로 착수한다.

협업을 제시한 다케나카공무점의 무라카미(村上) 기술본부장은 “급속한 디지털 개발이 진행되는 가운데 건설업은 타 업계에 뒤처지고 있다. 업계 전체의 업무개혁으로 이어지는 계기가 됐으면 좋겠다”라고 말했다.

양사의 협업의 목적은 지금까지 개별적으로 추진해 온 유사 연구 개발을 공동으로 실시해 낭비를 줄이고 로봇의 보급을 가속시키는 것이다.

실제로 최근 1년동안에 건설회사 등이 개발한 로봇 관련 개발이나 적용 사례를 보면 ‘용접’ ‘반송’ ‘점검’ 등 중복되는 것이 많다. 기능은 비슷한데 조작 방법 등이 다른 로봇이 난립하면 협력회사의 생산성이 저하될 수 있다. 그러한 이유에서 가시마와 다케나카공무점이 나선 것이다.

로봇화의 진전으로 시공 관리 방식이나 공법, 설계 표준화∙공통화가 진행될 가능성도 있다. 가시마 건축관리본부의 이토(伊藤) 부본부장은 “로봇에게 적합한 시공 방법이나 시공 유닛 등 표준화가 추진될 것으로 기대하고 있다”라고 말했다.

-- 양산이 불가능해 본체 가격이 고액 --
로봇의 보급을 저해하는 요인은 연구 개발의 중복으로 인한 손실만이 아니다. 본체 가격이 비싼 것도 과제 중 하나다. 시미즈건설의 반송 로봇은 외부판매가 가능한 기술 수준이다. 그러나 본체 가격이 슈퍼카 정도라고 한다.

시미즈건설 생산기술본부의 인도(印藤) 부장은 “양산이 가능해지면 가격 교섭력도 강화된다. 관련 산업계 전체가 대응해야 한다. 경쟁을 한다면 상대는 세계다”라며 오픈이노베이션의 자세를 강조한다.

과제는 그 외에도 있다. 타 산업에서의 활용을 전제로 한 안전 대책이 건설업의 실태에는 맞지 않는다.

경제산업성은 19년 10월, 사람과 로봇의 쌍방이 위험을 예지∙회피해 안전을 확보하는 ‘협조안전’의 국제규격화를 목표한다고 발표했다. 공장 내에서처럼 로봇을 격리하는 대책으로는 건설업의 사람과 로봇의 협동 작업이 성립되지 않기 때문이다.

AI나 드론 등 신기술의 진전에 법정비가 따라가지 못한다. 19년 12월에 정부가 제시한 성장전략 중간보고에서는, 건축기준법에 근거한 건축업의 외벽 조사에 적외선 장치를 탑재한 로봇을 이용하는 조사를 검토한다고 명기했다.

노동력 부족에 고민하는 건설업계 입장에서는 업무방식 개혁에 대한 대응은 긴급한 과제다. 일본건설업연합회는 21년 말까지 주휴 2일의 실현을 제시하고 있고, 24년 4월 이후에는 건설업에서도 시간외 노동의 상한 규제가 적용된다. 로봇 보급에 대한 업계 전체의 ‘진정성’이 시험을 받고 있다.

Part 2. 선행 사례 검증
실증실험에서 실제 실장으로

건축생산프로세스 그 자체의 개혁을 제시한 가시마와 시미즈건설. 공사를 마친 양사의 파일럿 현장의 효과를 검증함과 동시에 신형 로봇의 개발 등 최신 대책에 대해 살펴봤다.

● 가시마: 나고야후시미 K스퀘어
진화하는 원격 관리, 뛰어난 능력의 로봇도 활약

‘가시마 스마트 생산 비전’의 파일럿 현장인 ‘나고야후시미 K스퀘어’가 19년 9월에 준공했다. 18개의 신기술과 시스템을 집중 투입한 ‘실험장’에서의 실증을 발판으로 가시마는 로봇 개발에 박차를 가한다.

현장 내에서의 사물과 사람의 움직임을 BIM(Building Information Modeling) 모델 상에서 실시간으로 파악한다.

가시마가 현장에 적용하는 것은, IoT(사물인터넷) 기술을 활용한 설비 위치∙가동 모니터링 시스템 ‘K-Field’다. 연면적 8만㎡ 이상의 가나가와현 내의 복합빌딩 건설 현장에 도입한다. 건축생산프로세스를 변혁해 생산성 향상을 목표하는 ‘가시마 스마트 생산 비전’의 모델 현장이다.

가시마 건축관리본부 기술기획그룹의 다케이(武井) 차장은 K-Field의 도입 목적에 대해 “가상과 현실을 융합한 ‘현장의 디지털 트윈’을 통해 블랙박스였던 현장의 관습과 사람의 경험 등도 데이터로서 생성한다”라고 말한다.

K-Field의 구조는 이렇다. 건설 현장의 ‘동산’인 가설 설비, 기능자나 기술자에게 소형 발신기를, 현장 내의 각 층에 수신기를 장착해 Wi-Fi를 통해 취득한 데이터를 클라우드 서버에 전송한다. 공사사무소는 마치 현장에 있는 것처럼 원격으로 공사 현장 내의 사물이나 사람의 상황을 관리할 수 있다. 현장 내에서 작업하는 로봇의 가동 상황 등도 모니터링할 수 있다.

-- 파일럿 현장에서의 실증 활용 --
가시마가 스마트 생산 비전을 공표한 것은 18년 11월이다. ‘모든 프로세스를 디지털로’, ‘관리의 절반은 원격으로’, ‘작업의 절반은 로봇과’라는 3개의 컨셉트를 밝혔다. BIM을 기축으로 한 첨단 ICT나 각종 로봇의 활용과 현장 관리 방법의 혁신을 통해 생산성 향상을 목표하고 있다.

그 파일럿 현장은 19년 9월에 준공한 ‘나고야후시미K 스퀘어’(나고야시)였다. 자사 개발 빌딩이라는 점을 활용해 로봇이나 현장 관리 툴 등 총 18개의 기술과 시스템을 집중 도입해 검증했다.

K-Field는 그 기술의 하나다. K스퀘어에서의 실증을 거쳐, 가나가와현 현장에서는 2차원에서 3차원으로, 또한 설비뿐 아니라 사람의 움직임을 대상으로 하는 시스템으로 진화시켰다. 아울러 현장에 설치한 카메라 영상 등을 이용해 원격 관리하기 위한 ‘현장 내 모니터링 시스템’도, 화면의 전환 기능을 충실화 하는 등 브러시업했다.

K스퀘어의 건설 현장에서 소장을 맞았던 가시마의 기무라(木村) 씨는 “설비가 어디에 있는지, 누가 사용하고 있는지 몰라서 찾아 다니는 시간이나 사용할 수 있는 설비를 활용하지 못하고 놀리는 등의 비용 낭비를 줄일 수 있다. 리스 제품의 훼손, 분실 등의 관리에도 유효하다”라고 도입 장점에 대해 말한다.

-- 상향 용접을 자동화 --
-- 비전 실현을 1년 앞당김 --

● 시미즈건설: 카라쿠사호텔 그란데 신 오사카타워 등
성장하는 반송 로봇, ‘24시간 근무’도 계획

‘시미즈 스마트 사이트’의 첫 적용 현장이 19년 8월에 공사를 마쳤다. 본격 도입한 반송 로봇은, 즐비한 대규모 오피스 빌딩에서도 반송 작업을 완수. 다능공 로봇이나 용접 로봇도 본 시공에서의 현장 적용을 앞두고 있다.

공사용 엘리베이터 문이 닫히지 않는다, 마커를 읽지 않는다, 고층 작업 계단에 전파가 닿지 않는다. 시미즈건설의 이토 본부장은 반송 로봇의 ‘실패 리스트’를 보여주면서 “이러한 검증을 현장에서 해보고 싶었다”라고 말한다.

시미즈건설이 대형 건설회사 중에서 가장 먼저 차세대건축생산시스템 ‘시미즈 스마트 사이트’를 추진한다고 선언한 것은 17년 7월. 실패리스트는 이 생산시스템의 첫 적용 현장인 ‘카라쿠사호텔 그란데 신오사카 타워’에서 기록한 것이다.

19년 8월에 준공한 신 오사카타워에서는 2대의 반송 로봇을 본격 적용. 석고보드 총 574펠렛의 반송을 맡겼다. 처음에는 71%였던 성공률을 최종적으로 92%까지 끌어올려 계획대로 작업을 마쳤다.

“연구실에서 완벽하게 움직이는 로봇을 완성해도 현장 투입하면 예상 외의 일이 반드시 발생한다. 때문에 실패를 자세하게 기록하고, 하나씩 해결해 나가면서 성공률을 높이는 것이 중요했다”(이토 본부장). 실제로 실패리스트의 각 행에는 원인과 대책과 함께 해결 ‘완료’라는 글자가 적혀 있었다.

반송 로봇에 의한 노동력 절약 효과는 하루 가동으로 약 5명. 신 오사카타워 전체에서 양중(揚重·자재를 올리는 일) 인원을 절반 이하로 줄였다.

-- 수평 반송에서 수직 반송으로 --
-- 바닥 시공을 담당하는 신형 다능공 로봇 --

Part 3. 활용 사례에서 배우다
단순 작업은 로봇에게 맡겨라

절실한 노동력 부족 문제를 보완하기 위해서는 우선 로봇과의 협동을 어디에서 추진할 것인가가 중요하다. 그 추진력과 기발한 아이디어가 있는 현장의 대응에서 배워보자.

가지런하게 놓여 있는 철근 위를 2대의 로봇이 교차부를 결속하면서 움직이고 있다. 가가와현 쇼도지마(小豆島)에서 진행되고 있는 ‘가스가도 신 제2공장’의 공사 현장이다. 다이와하우스공업이 설계∙시공을 담당하며 철근 결속 로봇 ‘토모로보’를 투입했다.

토모로보는 철근공사 업체인인 미야코지마흥업(가가와현)의 관련 회사인 Ken Robotech(가가와현)가 설비기기 제조업체 SUN-S(히로시마현)와 공동 개발했다. 시판 철근 결속기를 장착해 전원을 넣으면, 철근 위를 자동주행하며 결속 작업을 한다. Ken Robotech는 사람이 했던 기존의 결속 작업의 80% 이상을 삭감할 수 있다고 한다.

쇼도지마 공사 현장에서는 오퍼레이터 한 사람과 기능자 한 사람이 2대의 로봇과 협동해 바닥 철근의 결속 작업을 담당. 1층의 바닥 일부, 약 800㎡를 2시간 정도에 완성했다. “로봇 2대와 오퍼레이터 한 사람이 3명의 일을 할 수 있다”(Ken Robotech의 마나베(真部) 사장).

로봇이 작업할 수 없는 기둥 주변의 결속 작업은 기능자가 한다. 센서가 철근의 끝을 감지하면 자동으로 정지하기 때문에 옆 철근으로 이동하는 것은 사람이 지원한다. 오퍼레이터를 맡은 미야코지마흥업의 구니카타(国方) 주임은 “조작 방법은 심플하다. 익숙해지면 한 사람이 4대 정도를 관리할 수 있다”라고 말한다. Ken Robotech에서는 현재, 옆으로 이동하는 작업을 지원하는 로봇이나 철근의 반송을 반자동화하는 로봇도 개발하고 있다.

-- 신규 입장자에게 로봇 ‘Pepper’가 설명 --
신규 입장자 교육이 ‘단순 작업의 반복’이라는 사실에 주목해 로봇을 활용하고 있는 현장도 있다. 오바야시구미가 도쿄 아키루노시(市)에서 추진하고 있는 ‘미라카HD 아키루노 프로젝트’다. 대규모 연구소이기 때문에 현장에는 매일 20명 정도의 신규 입장자가 있다. 그러나 설명 사항은 매일 같다. 그래서 도입한 것이 소프트뱅크 로보틱스의 휴머노이드 로봇 ‘Pepper’다.

컴퓨터로 작성한 자료를 사전에 Pepper에 입력해 두면, 지금까지 기술자가 매일 15분 이상의 시간을 들여 설명했던 공사개요나 현장의 안전 규칙 등을 Pepper가 대행한다. 그 사이에 기술자는 기능자로부터 제출 받은 서류를 체크할 수 있다.

이 현장에서 신규 입장자 교육을 담당하는 오바야시구미의 야마구치(山口) 씨는 “개요 설명과 서류 체크를 병행할 수 있기 때문에 시간을 절반 정도로 단축하고 있다”라고 말한다.

그 외에 발주자의 견학이나 안전교육과 같은 현장 이벤트에서의 개요 설명 등 활용 장면을 늘려 왔다. 오바야시구미의 니시즈카(西塚) 소장은 “기능자들의 반응도 좋다. 새로운 것을 추진하는 곳은 현장이라는 이미지를 주는 것 같다”라고 말한다.

이 현장에서는 니시즈카 소장의 ‘신기술을 적극적으로 채용한다’는 방침에 따라 복수의 첨단기술을 시행하고 있다. 예를 들면 드론이다. 항공 사진으로 공사의 진척 상황을 확인하고 넓은 부지 내의 안전 점검에도 활용하고 있다. 내화피복 작업용 분무 로봇이나 ICT(정보통신기술) 중장비 등도 가동시켰다.

-- 보급형 200만엔대의 먹매김 로봇 --

Part 4. 세계의 건설 로봇 최전선
스타트업 속속 등장, 개 모형의 로봇도 등장

미국에서는 건설 로봇의 개발이 활발하다. 로봇 스타트업 기업은, 이미 확립된 자율주행 기술을 적용할 수 있는 시장을 요구해 왔다. 창고나 병원 등의 옥내 반송에 이어, 지금은 건설업계가 유망한 시장으로 떠오르기 시작했다.

스타트업 기업을 많이 볼 수 있는 곳은 현장의 작업 진척을 모니터링하는 분야다. 보스턴 다이내믹스의 4족 주행하는 개 모형의 로봇 '스팟'의 목표도 모니터링 분야다. 미국에서 시용 단계에 있다. 샌프란시스코 국제공항에서 건설 중인 신터미널1에서는 19년에 여러 차례에 걸쳐 스팟 미니가 현장을 활보했다. 독일에 본거지를 두고 있는 360도 이미지캡처 기술회사 HoloBuilder의 기술을 통합한다.

신터미널의 건설을 담당하는 Hensel Phelps의 프로젝트 매니저인 앤드류 카메론 씨는 시용에 이른 경위에 대해 이렇게 말한다. “HoloBuilder의 기술은 수년 전부터 사용해 왔다. 그러나 현장의 엔지니어가 촬영에 할애하는 시간은 한정적이다. 이 작업을 자동화했으면 좋겠다고 말한 것이 18년. 19년 중반에는 보스턴 다이내믹스를 포함한 3사에서 스팟 미니의 테스트를 실시했었다".

HoloBuilder는 고객회사로부터 보스턴 다이내믹스를 소개 받아, 기술통합이 실현됐다고 말한다. 이용하기 위해서는 우선 앱 ‘SpotWalk’에 건물 지도를 넣고 스팟과 함께 현장을 걸으며 촬영할 곳을 지정한다. 두 번째 이후에는 스팟이 이 작업을 자동화한다. 카메론 씨는 건설 작업이 끝난 저녁 이후에 촬영할 수 있고, 지금까지와 같은 인터페이스를 사용할 수 있는 것이 큰 매력이라고 말한다. 테스트에서는 2개 플로어에 걸친 100곳의 캡처 작업을 다양한 기간에 시험했다. 20년 내에 본격적으로 도입하고 싶지만 보스턴 다이내믹스의 과금 모델이나 상세 요금은 미정이라고 한다.

다리로 보행하는 로봇은 건설 현장처럼 지면이 평평하지 않고 장애물도 많은 환경에 적합하다고 한다. 개 모형의 로봇을 개발하는 회사에는 스위스의 ANY botics도 있다. 미국의 Agility Robotics는 2족 보행 로봇 ‘Digit’을 시장에 투입할 예정이며, 안정적인 보행 기술이 장점이다.

-- 먹매김이나 블록 쌓기도 --
먹매김이라는 유니크한 분야에 진출한 것이 실리콘밸리의 Dusty Robotics다. 공동창업자인 테사 라우 씨는 6개월 동안 건설 현장을 다니면서 수요를 확인했다. CAD도면을 내장한 시스템과 측량기기의 토털스테이션을 병용해 모바일 로봇(자주식 대차)이 밀리미터 단위의 정밀도로 지면에 먹매김 작업을 한다.

콘크리트 브릭을 쌓는 로봇도 등장했다. 숙련된 작업자의 감소에 대응하는 기술이다. 호주의 Fastbrick Robotics의 ‘HadrianX’는 수송 트럭과 로봇 팔을 조합해 현장에서 직접 브릭을 쌓는다. 바람이나 흔들림 등에 실시간으로 대처하는 안정화 기술이 장점이다.

콘크리트용 철근 결속에서는 노르웨이의 Rebartek가 로봇 팔을 이용해 공장에서 케이지를 제작하는 기술을 개발. 미국의 Toggle은 같은 기술을 뉴욕 공장부터 제공할 계획이다.

주거를 3D 프린팅하는 기술에서는 많은 스타트업 기업이 경쟁을 벌이고 있다. 18년에 미국에서 첫 건설 허가를 얻은 것은 ICON이다. 시멘트 베이스의 소재를 적층하는 로봇 프레임을 독자 개발했다. 셸터나 개발도상국용으로 저가의 소규모 주거 제공을 목표한다. 이 외에도 정지(整地) 트럭의 자동화, 극소 주거 내의 가구를 버튼 하나로 이동시키며 공간을 바꾸는 로봇 주거 등이 화제가 되었다.

-- 급확대되는 건설로봇 시장 --
시장조사 회사들은 건설 로봇 시장이 확대될 것으로 예측한다. 미국 시장분석 기관 트랙티카는 세계의 건설 로봇 시장 규모는 18년의 2,270만달러에서 25년에 2억 2,600만 달러로 확대한다고 예측. 건축과 토목에서 로봇에 의한 자동화는 크게 전개될 것으로 보인다.

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