‘사람’ 대신 ‘로봇’이 건물을 짓는다
-고려대 공대 ‘로봇융합관’ 건물 완성
"한국형 고층건물 시공 자동화 시스템은 건설 분야에서 글로벌 스탠더드를 선도할 우수 기술이다"
두 발로 걷는 로봇이 직접 벽돌을 나르고, 철근을 세워 집을 짓는 시대가 도래할까? 아직 이런 시대는 오지 않았으나, 우리나라 연구진이 이에 대한 가능성을 제시했다. 이는 바로 2011년 10월 9일, 준공식과 함께 문을 연 서울 안암동의 고려대학교 공대 로봇융합관이다.
지하 1층, 지상 7층, 총면적 1,530평, 일반 연구실과 첨단연구실, 연구과정실, 강의실 등으로 구성된 ‘로봇융합관’은 겉으로는 평범한 보통 건물처럼 보이지만 우리나라 최초라는 수식어가 붙어 있다.
로봇융합관은 우리나라 연구진이 개발한 건축용 로봇이 공사 초기부터 철골공사 등을 직접 담당하여 완공된 국내 첫 건물이다.
이처럼 로봇이 건설에 등장하게 된 배경은 건설 분야에 대한 소위 3D(불결하고, 힘들고, 위험한) 기피 현상때문으로 그중 건설 숙련공의 감소, 고층건물의 증가로 인한 위험한 환경 노출의 증가, 기상 악화나 천재지변에 따른 작업 지연 등이 문제였다.
특히 철골구조 조립 현장의 경우 작업자가 고공의 철골구조에 직접 올라가서 조립작업을 해야 한다. 따라서 이런 고위험 작업을 로봇으로 대체하려는 시도가 국내외에서 활발하게 이뤄지고 있다.
로보틱크레인 기반 고층건물 구조체 시공자동화 시스템
로봇을 활용한 건설 시대 열리다
우리나라의 경우 국내 산학연 관계기관으로 구성된 고층건물시공자동화연구단이 2006년부터 ‘로보틱 크레인 기반 고층건물 구조체 시공자동화 시스템 개발’ 사업을 수행하여 5년만에 시범사업인 로봇융합관을 완공함으로써 소위 로봇을 활용한 건설 시대를 열었다.
연구단이 로봇융합관 건설에 적용한 기술들은 ‘볼트 체결 로봇시스템’, 그리고 볼트 체결 로봇이 이동하는 길이 되는 외부 구조물인 ‘건설 공장(CF:Construction Factory)’, ‘지능형 타워 크레인’, ‘통합 통제 및 실시간 공정관리 시스템’ 등 네 가지가 핵심이다.
연구 개발된 볼트체결 로봇 시스템의 모습과 시연장면
첫째, 볼트 체결 로봇 시스템은 건설 공장에 설치된 레일을 따라 철골 구조물 외곽부를 이동하며 볼트를 체결하는 로봇(볼트 체결 로봇)을 이동시켜주는 ‘레일주행로봇(이송 로봇)’, 레일주행로봇 상에서 수직 이동이나 회전 동작을 통해 최종 볼트조립 위치까지 볼트 연결로봇의 위치를 잡아주는 ‘모바일 매니퓰레이터(Mobile Manipulrator)’ 그리고 레일 주행로봇과 모바일 매니퓰레이터의 도움으로 정확한 작업위치를 잡아 볼트를 건물 골조의 볼트 구멍에 끼워넣어 체결하는 ‘볼트 체결 로봇’ 등이 서로 맞물려 작업을 한다.
이렇게 작업을 하면 숙련된 작업자는 평균 285초에 철골 자재 1개를 연결하는 데 비해, 로봇은 240초가 걸려 작업시간을 15% 정도 단축하는 것으로 나타났다.
두 번째 핵심 기술은 건설 공장(CF)이다. 건설 공장은 철골로 만들어진 건물 뼈대의 바깥쪽에 접촉하여 상하로 이동하면서 볼트작업을 하는 로봇이 이동할 수 있는 레일이 설치된 첨단 작업공간이라 할 수 있다.
기존의 시공 현장은 고도가 높고 철골로만 작업환경이 구성되어 있어 바람의 영향을 많이 받는다. 따라서 건설 공장을 설치하여 외부 바람을 차단함으로써 보의 회전과 기둥의 흔들림을 제어하고, 로봇의 자세를 안정화 시킬 수 있도록 했다.
또한 데크 플레이트로 바닥을 시공하여 자재 및 작업자의 낙하 사고를 방지할 수 있으며, 이를 통해 무리한 자재 제어에 의한 로봇의 포손을 방지하고 작업자 및 공사 현장의 안정성과 정확도를 높일 수 있다. 특히 연구진은 실제 건물 내 설치될 엘리베이터를 떠받치는 부분(코어)과 건설 공장을 연결시켜 건설 공장의 상하 이동이 용이하도록 하였고, 건설 공장을 한층한층 들어 올릴 때의 하중도 경감시켰다.
셋째, 지능형 타워크레인은 건설 현장에서 360도 회전하면서 철골을 이동시키는 타워크레인에 IT기술을 접목시켜 만들었다. 즉, 위성활용 위치탐지 시스템(GPS)과 정보통신 기술을 결합시켜 건설 자재를 다른 물체와 충돌하지 않고 가장 빠르게 이동할 수 있는 경로를 스스로 찾아 운반하는 역할을 한다.
지능형 타워크레인은 건설 자재에 붙어있는 전자태그(RFID)를 실시간 인식하면서 자신이 이동시키고 있는 자재와 연결될 다른 자재들을 찾은 다음, 레이저 기술을 이용해 밀리미터(㎜) 단위의 정확도로 거리를 측정한 후 맞춰 끼우게 된다. 또한 지능형 타워크레인 작업자는 자재 양중 상황이나 자재 이동 등의 경로 등의 정보를 지능형 타워크레인 안의 내비게이션 시스템에 의하여 실시간으로 제공받는다.
넷째, 통합 통제 및 실시간 공정관리 시스템은 전 공정을 통제실에서 점검함과 동시에 각 과제 간에 필요한 표준화된 프로토콜을 사용하여 전체 시공 자동화 시스템을 모니터링하고 제어하는 역할을 한다.
특히 실시간 공정 관리 시스템은 진도관리, 자재관리, 양중관리에서 제공되는 정보를 통합하여 건설 현장의 작업 진행 상황을 다차원 영상을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하여 현장 진도관리의 경쟁력 제고와 효율성을 극대화했다.
더욱이 ‘로봇 자동화를 통한 건설 공사로 노무량 26% 감소’, ‘로봇이라는 특성상 기후영향을 받지 않고 공사 추진을 하여 9.1% 공사기간 단축’, ‘지능형 타워크레인을 통한 28%의 생산성 향상’ 등의 성과를 도출했다. 앞으로 연구단의 기술 개발이 가속화된다면 생산성, 공사기간 단축, 노무량 감소 등 관련 성과들은 훨씬 향상될 것으로 예상된다.
건설공장(CF: Construction Factory) 시스템
건설시장의 블루오션, 로봇자동화기술
외국의 경우 일본은 1990년대 초부터 건설기술에 로봇을 적용하려는 시도를 하여 일부 기술을 보유하고 있으며 독일의 Thomson(톰슨) 사, 영국의 브리스톨(Bristol) 공과대 및 노팅햄(Nottingham) 대학, 랭커스터(Lancaster) 대학, 웨일즈(Wales) 대학 등에서도 로봇 건설 관련 연구를 하고 있다.
그러나 우리나라 연구단이 개발한 방식과 방향이 다르고 아직 실용화 단계에 이르지는 못해 우리 연구진들이 빠르게 외국 기술의 벤치마킹 및 분석을 통해 기술 개발을 극대화한다면, 로봇을 활용한 건설 분야에서 글로벌 스탠더드를 선도할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 건설에서 로봇 자동화 기술이 더욱 활성화되면 건설 자동화를 위한 관련 부품 및 건축자재 표준화 등 건축물 설계 표준 제정에도 기여할 것으로 보인다.
나아가 건설 분야 이외에 자동차, 조선, 항공 등의 제조업 부품 조립 작업에도 건설용 자동화 로봇 시스템이 활용될 수 있고, 건설 로봇 조종용 사용자 운영체제는 △원자력 발전소 △해저, 극지, 사막, 우주와 같은 극한지 환경 로봇 △의료용 로봇 등의 제어기술에도 응용할 수 있어 유관 분야의 기술파급효과가 클 것으로 기대된다. 이처럼 건설분야 자체 파급은 물론 전방위 효과가 큰 로봇 자동화 건축 기술의 미래 발전상을 기대해보자.
한국형 고층건물 시공 자동화의 시스템이 적용된 고려대학교 공대 로봇 융합관의 조감도
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