건축/환경에너지

Nikkei Architecture_24.4.25 (p22-49)

특집
건설로봇의 고비
개발은 진척됐는데 보급은 언제?

건설업의 인력난이 심화되면서 장인을 대신해 시공을 맡거나 자재를 운반하는 건설로봇에 대한 기대는 커지고 있다. 최근 몇 년 사이에 기술 개발이 단번에 진행되면서 다양한 로봇이 현장 실증에 투입되었다. 그러나 좀처럼 보급은 되지 않고 있는 실정이다. 건설업의 변혁은 환상에 그칠 것인가? 건설로봇 개발은 고비를 맞고 있다.

Part 1. 개발 최전선 (1)
엑스포 공사에서 시대를 앞서다, 드론과 4족 보행 로봇 투입

2025년에 개최되는 오사카/간사이 세계박람회(엑스포)는 ‘미래 사회의 실험장’을 콘셉트로 하고 있다. 개막을 준비하며 건설회사는 시설 공사 등에 로봇을 투입. 현장의 미래상을 구현하려 한다. 그 최전선을 살펴보자.

전장 약 3.7m, 높이 약 1.2m의 헬리콥터형 드론이 약 20kg의 기자재를 싣고 오사카 사키시마에서 이륙. 엑스포 회장인 유메시마를 향해서 4.5km정도의 거리를 약 10분에 비행했다.

다케나카공무점과 액티오(Aktio, 도쿄)는 건설 공사의 기자재 운반에서 드론을 활용하기 위해, 오사카 베이 에어리어에서 검증을 계속하고 있다. 2023년 11월에 진행한 실험에서는 ‘레벨2 비행’으로 안전하게 운행할 수 있는 것을 확인했다. 레벨 2에서는 보조자가 육안으로 볼 수 있는 범위 내에서 자동 비행이 가능하다. 비행 루트의 대략 중간 지점인 유메시마 남동부에 보조자를 배치했다.

운반한 것은 인버터나 콘크리트의 다짐(Compaction)을 위해서 이용하는 바이브레이터, 배수 작업 등에서 사용하는 호스 등이다.

“바이브레이터가 고장 났기 때문에 대체품을 원한다, 게릴라 호우가 예상되니 배수 작업에 대비하고 싶다 등, 사소한 사태를 긴급하게 전해줬으면 좋겠다는 현장의 요구는 매우 많다. 그런 요구들에 대응하고 싶다”. 다케나카공무점 서일본 기재 센터개발그룹의 나가타(永田) 씨는 이렇게 말한다. 특히 주위가 바다로 둘러싸인 유메시마에 대한 접근은 한정적이기 때문에 긴급하게 기자재를 운반하는 수단을 구축하는 것은 의미가 크다.

-- 레벨3 비행도 검증 --
게다가 2024년 4월에는 ‘레벨3 비행’을 검증했다. 레벨3에서는 사람이 없는 하천이나 바다, 삼림의 상공이라면 육안 범위 외 자동비행이 가능하고, 보조자 배치도 불필요하다.

엑스포 공사에서는 2024년 7월부터 운용을 시작할 예정이다. 그 때는 사키시마에 있는 액티오의 물류거점 ‘오사카 DL센터’에서 이륙해, 유메시마로 향하는 새 루트로 비행할 계획이다. 운용 개시까지 새 루트의 신청이나 검증 등을 진행한다. 또한 로터를 3개 이상 탑재한 멀티콥터형 드론을 이용한 실험도 실시한다.

다케나카공무점은 엑스포를 염두에 두고 ‘건설 MaaS(Mobility as a Service) 구상’을 만들어, 사외에 발신하고 있다. 드론 외에 회의나 휴식 등에서 사용하는 다용도 모빌리티나 자재를 자동으로 운반하는 자율주행 대차가 현장을 돌아다니는 이미지. 미래 현장의 모습을 나타낸 것이다.

“구상을 비주얼로 나타냄으로써 많은 사람과 미래의 이미지를 공유할 수 있다”(나가타 씨). 단기 과제 해결과 장기 비전 공유에 모두 주력해, 로봇이 현장에서 활약하는 미래 실현을 목표로 한다.

-- 4족 보행 로봇으로 현장 순찰 --
엑스포 공사에 로봇을 투입하고 있는 것은 다케나카공무점만이 아니다. 고노이케구미는 4족 보행 로봇을 사용한 현장 순찰 실증을 진행하고 있다. 적용한 곳은 엑스포의 주요 시설 중 하나인 ‘EXPO National Day Hall’ 건설현장이다.

고노이케구미가 4족 보행 로봇의 현장 실증을 개시한 것은 2024년 1월이다. 로봇은 중국의 스타트업 기업인 Unitree Robotics의 4족 보행 로봇을 현장 순찰용으로 커스터마이즈한 것이다.

현장 전체를 보기 위한 360도 카메라와 자율주행 기능 등을 부여하기 위한 태블릿 단말기를 탑재했다. 실험에서는 실제로 로봇을 현장에서 걷게 해, 원격 조작과 그것에 필요한 통신 환경 등을 확인했다.

이 건설현장의 소장을 맡고 있는 고노이케구미의 시기하라(鴫原) 씨는 “360도 카메라로 현장을 구석에서 구석까지 촬영해 아카이브화 할 수 있으므로, 육안에 비해 시공 진척 정도를 쉽게 확인할 수 있다. 기술자가 현장에 계속 나와 있어야 하는 상황을 개선할 수 있을 것이다”라고 기대한다. 그 밖에도 철골을 세우는 방법을 안쪽에서 촬영하는 등, 사람이 출입할 수 없는 부분을 확인할 때 활용할 수 있을 것 같다.

로봇은 Wi-Fi 환경에서 조작한다. 현장사무소의 Wi-Fi로는 불충분했기 때문에 새롭게 액세스 포인트를 설치해 그물처럼 무선망을 까는 ‘메쉬 Wi-Fi’를 도입. 현장 전역에 강력한 네트워크 환경을 구축했다. 공사가 진행돼 건물이 세워져도 액세스 포인트를 다시 설치할 필요는 없을 것이다.

고노이케구미 기술본부 ICT추진과의 하타노(波多野) 과장은 “우리 같은 준대형/중견 건설사에서는 대기업이 추진하는 것과 같은 대규모 로봇 개발이 어렵다. 하지만 앞으로 현장에서 로봇을 활용하는 분위기는 더욱 높아질 것 같다. 아무것도 하지 않고 있을 수는 없다”라고 말한다. 기존 제품을 철저히 연구해 건설용으로 변형하겠다는 발상은 이런 배경에서 나왔다.

건설회사 기술자들이 건설로봇에 기대하는 마음은 크다. ‘미래 사회의 실험장’을 콘셉트로 제시하는 엑스포를 선점하기 위해, 건설로봇의 개발 및 실증을 가속하고 있다.

Part 1. 개발 최전선 (2)
오바야시구미의 내화 피복 분사 로봇, 정확도 향상의 비밀은 '후방교회법'

개발한 건설로봇의 성능 등을 현장에서 실증하고 개량하는 움직임이 활발하다. 오바야시구미의 내화 피복 분사 로봇은 그 한 예다. 측량에서 사용되는 '후방교회법(後方交会法)'을 도입해 자율주행의 정확도를 크게 향상시켰다.

철골조의 들보나 기둥에 암면(Rock Wool)을 자동으로 시공하는 ‘내화 피복 분사 로봇’. 오바야시구미는 그 신형기를 개발해, 자사에서 시공하고 있는 도쿄 도내의 건설 현장에 적용하고 있다. 2024년 1월 29일에 발표했다.

오바야시구미는 2019년에 초호기를 개발했으며 30층짜리 빌딩 등 4건의 건축공사 현장에서 실적을 쌓아 왔다. 현장에서 얻은 지식을 기본으로 초호기를 개량한 것이 이번 신형기다.

이 로봇은 주행장치와 승강장치, 제어축 수가 6축인 로봇팔 등으로 구성되며, 사전에 작업 데이터를 등록하면 데이터를 바탕으로 현장 내부를 자율주행하면서 스스로 작업을 한다. 초호기도 콘셉트는 같지만, 신형기에서는 로봇에게 스스로의 위치를 추정시키는 방법을 대폭 변경했다. 자율주행 기능의 근간이라 할 수 있는 부분이다.

채택한 방법은 이미 알려진 좌표를 바탕으로 위치를 알아내는 ‘후방교회법’이라는 측량 방법이다. 기준이 되는 타깃을 현장에 2개소 설치하고, 로봇의 전방에 탑재한 계측 유닛으로 타깃을 계측해 로봇의 정지(停止) 위치를 산출한다. 계측 유닛은 레이저 거리계와 카메라, 회전대로 구성된다.

-- 오차를 수 밀리미터로 억제하다 --
초호기에서는 정지 위치를 결정하는 데 ‘LiDAR SLAM’을 이용하고 있었다. 고성능 센서인 LiDAR로 획득한 로봇 주변의 점군 데이터와, 사전에 작성한 2차원 맵을 비교해 로봇의 정지 위치를 추정한다. 자율주행운반로봇(AMR)이나 무인운반차(AGV)에서 널리 사용되는 방법이다.

그런데 “2차원 맵을 작성한 후에 자재를 두는 장소가 바뀌거나 라이더가 분진을 센싱하거나 하여 측위 정밀도가 안정적이지 않았다”. 오바야시구미 기술연구소 생산기술연구부의 이케다(池田) 기사는 이렇게 말한다.

예를 들면, 정지 위치의 오차가 수 센티미터 정도 되는 경우가 있었다. 오차가 크면 분사 품질이 떨어진다고 한다. 이 때문에 점차 자율주행 사용을 기피하게 되면서 리모콘에 의한 메뉴얼 조작으로 움직이고 있었다.

그러나 후방교회법을 채택한 신형기에서는 정지 위치의 오차 평균값과 표준 편차를 5mm 이내로 억제할 수 있었다. 이 정도면 분사 품질에 영향이 없다고 한다.

2024년 7월 이후에는 새로 ‘상대 오차 파악 기능’을 탑재한 로봇을 현장에서 운용할 예정이다. 로봇이 스스로 분사 대상인 들보를 센싱해, 정지 위치의 오차나 철골 삽입 정확도 등을 고려해 암의 움직임을 미세 조정함으로써 수 밀리미터 단위의 오차도 수정. 시공 품질의 가일층의 향상을 노린다.

내화 피복 분사 로봇은 오바야시구미 외에 가시마와 시미즈건설, 다이와하우스공업 등이 이미 개발을 완료했다. 이케다 기사는 “로봇의 크기와 장치 구성에 따라 고층 빌딩용, 저층 집합주택용 등으로 구분이 진행되는 것 같다”라고 분석한다.

오바야시구미의 신형기는 단면 크기가 크고 스팬이 긴 고층 건물의 들보 시공에 적합하다. “장기적으로는 당사 이외에도 신형기를 보급시켜, 건설업의 일손 부족 문제를 해결하는 데 공헌하고 싶다”(오바야시구미).

Part 2. 보급을 위한 과제 (1)
'현장 실증 멈춤' 이후, 건설 RX 컨소시엄은 도약할 수 있을까?

건설 로봇의 개발/보급을 추진하는 건설 RX 컨소시엄(도쿄). 건설회사 16곳에서 시동을 걸었고, 지금은 회원 기업만 250사인 큰 집단이 되었다. 풍량 측정 로봇의 개발 등에서 성과는 볼 수 있지만 보급의 장벽이 가로막고 있다.

Part 2. 보급을 위한 과제 (2)
건설 RX 컨소시엄을 설립한지 2년반, 지금이 ‘친목 집단’을 탈피할 때

새로운 건설로봇이 속속 탄생하고 있지만 보급의 길은 여전히 험난하다. 건설 RX컨소시엄(도쿄)에서는 과제를 어떻게 파악하고, 해결을 위한 청사진을 어떻게 그리고 있을까? 무라카미(村上) 회장에게 직접 물었다.

Part 2. 보급을 위한 과제 (3)
건설 로봇인가 도면투영형인가, '먹매김 2.0'의 핵심은 어떤 것인가

기둥과 마감, 설비의 위치와 치수 등 시공에 필요한 정보를 건설현장에 실물 크기로 그려내는 ‘먹매김’을 효율화하고자 기술 개발이 한창이다. ‘먹매김 2.0’의 패권을 쥘 기술은 로봇인가, 아니면 도면투영형인가.

Part 2. 보급을 위한 과제 (4)
시미즈 스마트 사이트의 새로운 전략, 초대형 공사에 조준

차세대형 생산 시스템 ‘시미즈 스마트 사이트’를 주장하던 시미즈건설. 정부가 제시하는 ‘2025년까지 생산성 20% 향상’을 목표로 해 왔지만, 몇 년 후에 진행 예정인 초대형 공사를 조준해, 2022년 여름에 방침을 전환했다.

Part 2. 보급을 위한 과제 (5)
가시마도 현장 적용에 고전, 건설로봇의 조종자 육성중

‘작업의 반은 로봇과’ ‘관리의 반은 원격으로’ ‘모든 프로세스를 디지털로’. 가시마가 3개의 콘셉트로 이루어진 ‘가시마 스마트 생산비전’을 발표한 것은 2018년 11월이다. 비전에 근거해, 건축 생산의 DX(디지털 트랜스포메이션)를 추진해 왔다.

Part 2. 보급을 위한 과제 (6)
건설로봇은 고가라도 보급? 버블기와는 다른 사정

건축 생산이 전문인 곤도 토모유키 도쿄대학 대학원 교수는 “좀처럼 보급이 진척되지 않는 건설로봇이지만 일손 부족을 배경으로 싫든 좋든 사용되게 될 것이다”라고 전망한다. 로봇 활용을 전제로 과잉 품질이 재검토될 가능성도 있다.

Part 3. 로봇 활용의 돌파구 (1)
초고층 빌딩 해체에서 실력 발휘, 시미즈건설의 플라즈마 절단 로봇

시미즈건설이 새로운 공법 ‘Green Cycle Demolition’을 초고층 빌딩 해체 공사에 최초 적용했다. 새로 개발한 플라즈마 절단 로봇이나 자체의 AR(증강현실) 시스템 등을 사용. 노동력 절감과 공기 단축의 효과를 확인했다.

Part 3. 로봇 활용의 돌파구 (2)
기능은 일본의 장인 수준, 건설로봇의 해외 인기가 상승 중

국내에서는 건설로봇 개발이 활발하게 이어지는 한편, 현장 적용이나 보급에서는 정체되어 있다. 그 와중에 활약의 장을 해외로 넓힌 로봇도 있다. 일본 장인과의 협동을 목적으로 개발한 국산 건설로봇의 해외 평가는 어떨까?

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