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Nikkei X-TECH_2021.9.24

뉴스 i-Construction
터널 현장에서 유압 굴착기의 자율주행
거의 100% 정밀도로 적재

오바야시구미(大林組)와 NEC, 다이유(大裕, 오사카)는 공동으로 개발한 유압 굴착기의 자율주행 시스템을 터널 공사의 토사 적재에 적용하는 실증 실험을 실시했다. 간토(關東)지방의 현장에서 제조사가 다른 2대의 유압 굴착기를 사용해, 토사 작업장으로부터 토사를 굴착하거나 덤프 트럭에 적재하는 것을 자동화했다.

유압 굴착기의 자율주행은 덤프 트럭 옆에 배치한 흙막이 철골 기둥에 부착한 버튼을 누르면 시작된다. 덤프 트럭의 적재함에 일정량의 토사를 실으면 자동으로 멈추는 구조다. 유압 굴착기 운영자는 그동안 원격지의 모니터로 두 대의 움직임을 동시에 모니터링 한다. 인력에 의한 작업은 발생되지 않았다.

이번 실증 실험에서 도입한 것은 3사가 2019년에 개발한 시스템이다. 유압 굴착기의 위치나 자세를 인식하는 센서를 차체 및 작업 장소에 다수 배치. 각 센서가 수집하는 데이터를 바탕으로 운전석의 조작 레버에 장착하는 원격 조종 장치를 통신 네트워크를 통해 제어한다.

오바야시구미의 노하우를 바탕으로 작성한 유압 굴착기의 작동 계획 외에, 레버 조작과 암(Arm)의 움직임이 작업 내용에서 서로 다른 동특성(動特性) 등에 대응하기 위해 NEC가 개발한 적응예측 제어기술을 사용하여 작업을 고정밀도로 실시할 수 있도록 제어한다. 뿐만 아니라, 숙련된 오퍼레이터의 조종 정보를 수집해, AI(인공지능)를 이용해 그 동작을 재현한다.

원격 조종 장치는 오바야시구미와 다이유가 2016년에 공동 개발한 ‘써로게이트(Surrogate)’를 채택. 운전석 조작 레버 장착에 필요한 작업은 볼트 체결과 배선 케이블의 접속뿐이며, 설치 금구를 바꾸면 다양한 제조사 및 기종에 대응할 수 있다.

-- 작업을 효율화하는 신기능 추가 --
이번 실증 실험에서는 이 써로게이트의 특징을 활용해, 타 제조사의 유압 굴착기를 2대 사용. 서로의 충돌을 피하기 위해 한쪽이 접근할 때 다른 한쪽을 일시 정지시키는 인터락(Interlock, 동시 작업 방지) 기능을 도입했다. 또한 굴착과 적재 효율화를 도모하는 새로운 기능도 추가했다.

예를 들면, 굴착하기 쉬운 위치에 토사를 긁어 모으는 기능. 천장면과 트리퍼 벨트 컨베이어 상부에 설치된 3D 레이저 스캐너(3D LiDAR)가 토사의 높이와 경사를 인식해, 굴착기의 버킷을 집어넣는 각도나 깊이를 조정. 1회의 적재로 토사량이 최대가 되도록 토사를 굴착하기 쉬운 위치에 긁어 모은다.

암(Arm)에 장착된 ToF 카메라를 이용해 버킷으로 퍼낸 토사의 부피를 추정하는 기능도 개발했다. 덤프 트럭에 실은 후에는 차량과 토사를 합한 중량을 트럭 크기로 계측. 그 계측치로부터 트럭의 중량을 공제하고, 토사 부피의 중량을 산출한다.

이것을 반복함으로써, AI가 토사의 부피와 중량의 관계를 기계학습 하여, 1회마다 굴착량을 안정화할 수 있다. 또한 적재 최종 단계에서의 토사 중량의 미세한 조정도 가능해진다. 실증 실험에서는 반출 시의 총 중량이 목표치의 98~100%였다.

토사의 적재 정밀도를 향상시키는 구조도 도입했다. 시스템은 유압 굴착기와 덤프 트럭의 위치를 인식한다. 다만, 여러 센서의 오차가 겹치면 굴착기의 선회 각도와 트럭의 적재함 위치가 어긋날 수 있다. 이에, 뎁스(심도) 카메라로 적재함의 프레임을 인식해, 그 중심에 버킷이 오도록 화상 처리로 선회 각도를 보정했다.

뎁스 카메라로 덤프 트럭의 적재함 형상을 인식하면, 싣는 토사의 성형 범위나 성토 높이를 조정할 수 있다. 어떠한 형태의 적재함에서도 토사를 적절히 정리할 수 있어 다양한 종류의 트럭에 적용할 수 있다.

오바야시구미 등 3사는 향후 시공 현장에 투입할 자율주행 유압 굴착기의 대수를 늘릴 예정이며, 시스템의 외부 판매도 목표로 한다.

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