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Nikkei Robotics_2023.12 Cool Topic (p14-23)

시미즈건설, 천장 시공 로봇을 실용화
30여년 만에 개발 성공, 양팔형 이동 매니퓰레이터

시미즈건설은 빌딩 등 건축물의 천장 보드를 자동으로 시공하는 로봇 ‘Robo-Buddy Ceiling’을 자체 개발해 실제 건축 현장에 적용했다. 2023년 3월에 일본 국내 현장에서 이용했다. 100장 정도의 보드 시공에서 성공률은 100%로, 모든 보드를 오류 없이 붙일 수 있었다. 현재, 기계는 도쿄 시내의 연구 거점에 두고 있으며 이미 개발은 완료했다. 언제든지 다른 건축 현장에 적용할 수 있는 상태이다.

천장 보드 시공은 내장 공사의 일종으로 부담이 큰 작업이다. 사람이 시공할 경우, 무거운 공구를 들고 장시간 팔을 들어올린 채로 작업해야 하기 때문에 부담이 컸다. 보드를 고정할 때 보드가 중력으로 인해 떨어지지 않도록 머리로 받치며 고정하는 경우도 있었다. 또한 사람이 선 상태에서는 천장까지 손이 닿지 않기 때문에 시공할 때는 사전에 시공 범위에 발판을 설치해야 하는데, 그 수고도 만만치 않다.

접이 사다리를 이용한다고 해도 1장의 보드를 붙일 때마다 사다리를 옮겨야 하므로 효율성이 떨어져 2차원적으로 자유롭게 이동이 가능한 발판을 사용하고 있었다. 이번에 개발한 로봇을 사용하면 작업자의 부담을 줄일 수 있는 것은 물론, 사전에 발판을 설치할 필요도 없다.

개발한 로봇은 2대의 자율이동형 로봇으로 구성되었다. 1대는 천장 보드를 들어올려 시공하는 역할을 담당하고, 다른 1대(어시스트 로봇)는 천장 보드를 최대 60장 적재/운반하면서 시공 로봇에게 공급하는 역할을 담당한다.

특징적인 것은, 시공 로봇에는 2개의 산업용 로봇 팔이 대차 위에 올려져 있어 양팔형 이동 매니퓰레이터로 되어 있다. 자율 이동 매니퓰레이터는 고정형 팔과는 달리 1대의 팔을 다양한 장소에서 사용하거나 사람의 도움 없이 스스로 물건을 파지해 다른 장소로 옮기는 일이 가능하므로 기대가 크다.

그러나 연구 용도에서 개발된 사례는 많지만 기업 현장에서 본격 가동하며 실용화된 사례는 아직 적다. 특히 공장 이외의 환경에서 실용화된 경우는 드물다. 이번 시미즈건설의 성과는 선진적이라고 할 수 있다.

-- 1980년대부터 개발 --
시미즈건설은 건축 현장의 각종 작업을 자동화/효율화하기 위해 오래전부터 로봇의 자체 개발에 착수해 왔다. 천장 시공 로봇도 실은 1989년에 프로토타입을 개발했다. 그러나 당시에는 센서나 컴퓨터, 2차 배터리 등의 성능이 낮았기 때문에 완전 자율로 시공 작업을 할 수 있는 타입의 로봇이 아니었다.

대차부에 SLAM 기능도 없었기에 시공 품질도 높지 않았다. 그래서 로봇을 사용할 때는 작업자가 세팅이나 보조, 재작업 등을 해야 했기 때문에 노동력 절감이나 효율화 효과는 크지 않았다.

“현장 작업자들도 사람이 로봇을 보살피는 게 아니라 로봇이 스스로 움직였으면 좋겠다는 목소리를 많이 냈었다”(로봇개발 담당자). 결과적으로 당시의 로봇은 보급되지 못했다.

시미즈건설은 이러한 과거의 반성을 발판삼아 2010년대 후반에 들어서면서 ‘시미즈 스마트 사이트’라는 이름으로, 보다 자율적인 로봇을 개발하기 시작했다. 철골 용접 로봇이나 자재 운반 로봇 등을 개발했고, 천장 시공 로봇도 18년에 한번 개발해 대외적으로 발표했었다.

건축 로봇 벤처기업인 aT ROBOTICS와 공동개발한 것이다. 1989년의 로봇을 1세대라고 한다면 18년에 개발한 로봇은 2세대형이라고 할 수 있다. 그러나 이 2세대형도 실용화에는 이르지 못했다. 카메라나 레이저 스캐너를 이용하는 등 고성능 센서를 이용하고 있었지만 보드 시공 성공률을 실용화 가능한 수준까지는 높이지 못했다.

그런 상황에서 2020년에 제어계 소양을 지닌 인재 하치죠(八條) 씨(시미즈건설 기술연구소 로보틱스연구센터 연구원)가 입사했고, 3세대형 개발이 시작되었다. 센서 구성을 심플한 구성으로 변경하고, 견고성을 높였다. 자율이동 대차의 경우도 2세대를 개량하는 등의 방법으로 3세대 원형이 완성되었다.

팔의 경우도 2세대에서는 독일 KUKA의 것을 이용하고 있었는데 3세대에서는 가와사키중공업의 것으로 변경했다. KUKA의 팔은 로봇 컨트롤러가 커서 대차부에 수납하기 어려웠기 때문에 로봇 컨트롤러가 비교적 콤팩트한 품종을 채택했다. 또한 3세대 개발에는 앞에서 소개한 벤처기업 aT ROBOTICS는 관여하지 않는다고 한다.

이 3세대형은 2022년 6월에 한번 실제 건축현장에 적용했는데 이 때는 불과 몇 장 밖에 성공하지 못했다. 그 후에 핸드 등을 개량해서 이번 기체가 드디어 완성된 것이다. 시미즈건설은 1989년에 최초의 프로토타입을 개발한 이래 30년 이상이 걸려 실용화에 이르렀다.

-- 양팔이 협조하면서 시공 --
천정 보드란 어떤 것인가? 이번에 개발한 로봇이 대상으로 하고 있는 것은 석고 보드이며, 크기는 1820mmⅹ910mm다. 천장 위의 공조기기나 배선, 배관 등을 가려서 실내의 디자인성을 높이기 위해 부착한다. 소재에 따라서는 단열이나 차음, 방습 등의 기능을 갖는 보드도 있다.

천장 위에는 주로 금속제 레일과 같은 ‘시타지(下地)’가 수십 cm 간격의 격자모양으로 설치돼 있다. 이 시타지에 보드를 올려서 붙이고, 보드 둘레와 중앙 부근에 나사를 박는데, 이때 시타지 부분까지 나사가 도달하도록 하여 고정한다. 보드를 붙이면 시타지가 가려져서 보이지 않기 때문에 시타지가 있는 위치를 정확하게 추정하면서 나사를 박아야 한다.

시타지가 없는 위치에 나사를 박으면, 나사가 보드만 뚫게 되면서 전혀 고정이 되지 않는다. 작업자가 시공할 경우는 아직 보드를 붙이지 않은 노출된 부분의 시타지를 보면서 그 연장선상을 상상하며 나사를 박았다. 또한 보드는 길이가 182cm나 되기 때문에 쉽게 휘어진다. 따라서 지탱할 때는 1곳뿐만 아니라 여러 곳에서 지탱할 필요가 있다.

이번 천장 시공 로봇에는 이 보드를 제대로 다룰 수 있도록 2개의 로봇 팔을 설치했다. 폭 2.6m, 길이 0.8m 정도로 가늘고 긴 모양의 대차 좌우에 2개의 팔이 설치돼 있다. 정면에서 봤을 때 왼쪽 팔A는 나사를 박거나 센서를 이용한 계측을 담당한다. 건설공구 제조업체 MAX의 공기압 구동형 나사 박는 기계를 핸드부에 설치했다.

나사 박는 기계는 안전 상 나사가 나오는 노즐부를 대상 물체에 대고 누르지 않으면 나사는 나오지 않도록 돼 있다. 그래서 나사 박는 기계를 천장에 대고 수직으로 눌러주는 직동 액추에이터도 설치했다. 나사는 수지로 된 시트에 들어 있는데, 400개를 담을 수 있다. 나사를 다 사용한 후에 빈 시트도 핸드부가 회수한다.

오른쪽의 팔B는 어시스트 로봇 위에 있는 보드를 6개의 흡인 노즐을 이용해 파지해서, 천장까지 들어올려 시타지에 붙이는 작업을 한다. 붙이려고 하는 보드가 이미 설치된 보드 등과 접촉했을 때 지나치게 힘이 가해져 팔이 과부하로 정지하는 일이 있었다. 그래서 노즐 자체는 부시(bush)를 통해 마운트하고 있어, 수평 방향의 힘을 부시의 탄성 변형으로 줄일 수 있도록 했다.

시공의 흐름은 다음과 같다. 우선 붙여야 할 보드의 아래까지 어시스트 로봇과 공동으로 이동하고, 자세를 안정시키기 위해 4개의 아우트리거로 지탱한다. 그 후에 승강 기구를 작동시켜 팔이 천장에 닿는 높이까지 상승. 팔A가 각종 계측을 한 후에 팔B가 어시스트 로봇 측에 있는 보드를 파지해서 천장 부근까지 들어올린다.

팔B가 보드를 받치고 있는 동안에 팔A가 보드 둘레를 나사를 박아 반 고정한다. 팔B가 보드를 파지한 채로 있으면 팔A를 방해하게 되므로 보드 전체에 나사를 박을 수 없다. 그래서 일부 나사를 박아 보드가 떨어지지 않도록 한 후에 팔B는 파지를 끝내고 방해하지 않는 위치까지 물러난다. 그리고 팔A가 나머지 나사를 박는다.

-- 정밀도가 요구되는 천장 시공 --
천장 보드 시공에서 특히 중요한 것은 보드의 위치를 결정하는 정확도다. 보드는 기본적으로 빈틈없이 빽빽하게 붙여야 한다. 어딘가 한 장이라도 비뚤어지면 천장에 빈틈이 생기게 되고, 나아가 그 빈틈이 그 후에 붙이는 다른 보드에도 영향을 미친다. 1mm의 정확도가 필요하다고 한다.

그러한 정확도는 바닥에 고정된 통상의 로봇 팔이라면 어려움 없이 완수할 수 있는 수준이다. 그러나 천장 시공 로봇은 천장의 넓은 범위를 시공해야 하기 때문에 로봇을 바닥에 고정할 수가 없다. 로봇을 자율 이동하는 대차에 실은 상태에서 1mm의 정확도를 실현해야 한다.

이번 로봇의 자율 이동 대차에는 SLAM 기능이 있지만 그 위치 정확도는 ±50mm로, 천장 시공에 필요한 정확도에는 미치지 못한다. 그래서 이번 로봇에서는 보드 1장을 시공할 때마다 시타지 등의 위치를 정확하게 계측해야 한다.

2세대에서는 계측 수단으로 레이저 스캐너를 이용했고, 3세대에서는 보다 간편한 스팟형 거리 계측 센서(키엔스(Keyence)의 삼각 측량 방식의 ‘IL-300’)를 채택. 이 센서를 손 끝에 장착하고, 팔을 움직이면서 시타지나 보드 등을 스캔함으로써 이들 위치를 계측하도록 했다.

계측하는 것은 3종류이다. 어시스트 로봇 위에 적재돼 있는 천장 보드의 위치, 이제부터 보드를 붙이려고 하는 부분 주변에 있는 보드의 위치, 붙이려는 부분에 있는 시타지의 위치다. 센서는 스팟형이기 때문에 보드는 그 외주(外周)의 엣지부를 수직으로 횡단하듯이 스캔하며 보드 위치를 파악한다. 보드의 면도 파악하기 위해 보드 중앙 부분에서도 2곳을 스캔한다. 시타지도 스캔한다.

적재된 보드의 위치를 파악하면 보드 위의 정확한 위치에 흡인 노즐을 맞출 수 있고, 천장 측의 보드 위치도 파악할 수 있기 때문에 어긋나지 않게 맞출 수 있게 된다. 시타지의 위치도 파악할 수 있기 때문에 보드에 가려 시타지가 보이지 않아도 적절한 위치에 나사를 박을 수 있다.

또한 천장 보드 시공에서는 방 중앙에 첫 번째 보드를 붙인다. 그리고 그 엣지에 빈틈없이 맞추면서 주위의 보드를 붙여 나간다. 첫 번째 보드는 모든 보드의 기점이 되므로 매우 정확하게 위치를 맞춰야 하기 때문에 사람이 시공할 때도 레이저 계측기 등을 사용하면서 신중하게 붙인다. 이번 로봇에서도 첫 번째 보드는 사람이 계측하면서 붙인다.

이렇게 신중하게 계측해도 보드 제조 시의 치수 오차, 로봇의 미묘한 위치 미스로 약간의 빈틈이 발생하는 일이 있었기 때문에 시미즈건설은 또 다른 아이디어를 강구했다. 팔B가 보드를 시공된 보드에 맞출 때, 갑자기 갖다 대는 것이 아니라 조금 떨어진 위치에서 멈춘다. 그리고 팔A 측의 레이저 센서 빔을 시공된 보드의 엣지로부터 거리d만큼 떨어진 위치에 조사(照射)해 대기시켜 둔다.

이 상태에서 보드를 시공된 보드 측에 접근시켜가면 정확히 거리d 위치에 도착했을 때 레이저 센서로 검출할 수 있다. 그런 다음 보드를 거리d만큼 움직여 주면 빈틈의 발생을 방지하는 것이다. 보드의 긴 쪽 변과 짧은 쪽 변 각각에 이 동작을 실시한다. 이 동작을 채택함으로써 성공률이 비약적으로 높아졌다.

-- 마커로 위치 맞추기도 채택 --
천장 보드 시공에 필요한 정확도는 기본적으로 팔 측의 계측을 통해 보장하고 있지만, 대차 측의 자기 위치 추정이나 위치 결정에서도 아이디어를 궁리했다. 건축 현장은 바닥에 자재 등이 놓여 있거나 작업자가 빈번하게 왕래하는 등 장해물이 많은 환경이다.

2차원 LIDAR로 자기 위치를 추정할 때 이러한 장해물에 영향을 받지 않도록 LIDAR는 사람의 키보다 높은 위치에서 수평 스캔 할 수 있도록 했다. 다만, 그 높이에서는 시공할 때 팔의 동작과 부딪히게 되므로 시공할 때는 대차에 수납한다. 보드 1장의 시공이 끝나면 다음 보드 시공을 위해 자율 이동할 때만 LIDAR를 사용하도록 했다.

지도의 경우, 대형 건설사가 사용하는 건설용 로봇은 통상의 실내 이동 로봇과는 사정이 달라 BIM(Building Information Modeling)의 정확한 디지털 지도(건축도면)를 입수할 수 있다. 빌딩의 건설 주체가 사용하는 로봇이므로 당연하다.

이 때문에 LIDAR로 스캔해서 작성한 지도가 아니라 BIM 지도와 계측 점군을 매칭해 자기 위치를 추정한다. 천장 보드를 시공할 때 벽이 아직 시공되지 않은 경우도 있는데, 그럴 때는 골조 기둥에 의지해 자기 위치를 추정한다. 기둥 정보도 BIM 지도에 들어 있기 때문에 매칭 대상을 바꾸기만 하면 된다.

천장 시공 로봇은 어시스트 로봇 위에 있는 보드는 파지하기 때문에, 어시스트 로봇과의 상대적인 위치 결정에서도 정확도를 높였다. 산업기술종합연구소가 개발한 특수 마커 ‘LentiMark’를 시공 로봇의 배면에 설치하고, 이를 어시스트 로봇의 카메라로 판독함으로써 2대의 로봇 사이의 거리와 각도(자세)를 추정한다.

ArUco 마커 등으로도 이것은 가능하지만 통상의 마커는 카메라가 정면에 왔을 때 어피어런스의 변화가 적어져 오차가 증대한다. LentiMark는 렌티큘러(Lenticular) 렌즈를 채택해서 정면 부근이라도 외형의 변화가 커지도록 했다.

이번 로봇이 한 장의 보드를 붙이는데 필요한 시간은 약 8분으로, 사람이 작업할 때보다 길다. 그러나 천장 보드 작업은 작업자에게 부담이 큰 일이며, 하루에 할 수 있는 작업 시간에도 한계가 있다. 한편 로봇은 지치지 않고 장시간 가동할 수 있기 때문에 하루 시공 매수(생산성)를 보면 사람에 필적하는 약 60장을 실현할 수 있다.

시미즈건설은 천장 시공 로봇 이외에도 많은 로봇을 실용화하고 있다. 앞에서 말한 시미즈 스마트 사이트의 일환으로, 이미 운반 로봇은 많은 현장에서 도입/이용하고 있다. 또한 천장이 아니라 바닥 패널을 시공하는 로봇도 이미 실용화했다. 2대의 팔이 자율 이동 대차에 실려 있어, 기본적인 구성은 이번 천장 시공 로봇과 닮았다.

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