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과제기본정보

인공지능 기반의 자율 구동 관절(Extra-Limb)을 갖는 건설 근로자 협업 로봇2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C158002-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 기초
과제명 인공지능 기반의 자율 구동 관절(Extra-Limb)을 갖는 건설 근로자 협업 로봇
주관연구기관 금오공과대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 주백석
소속 금오공과대학교 직위 교수
기관 대표번호 054-478-7617 FAX 054-478-7629
총 연구기간 2020-04-13 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2021-01-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 190,000,000 6,350,000 57,150,000 63,500,000 253,500,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 [연구 배경]

1. 건설 현장에 산재한 근골격계 부하 요소
- 대표적인 노동 집약적 산업인 건설 현장은 근로자의 노동력에 의존하고있음
- 건축 자재 및 공구 등 중량물 취급이 많이 발생
-> 중량물을 다루는 작업 수행 시, 낙하물로 인한 부상 또는 근골격계 부상이 발생

2. 건설 현장의 고령화와 건설 산업 근로 환경의 한계
- 건설 근로 현장에 서 발생한 근골격계 부담 작업 등 다양한 요소로 인한 신규 건설 근로자 유입 감소
- 사회의 고령화 현상이 건설 산업 현장으로 연결되어 건설 근로자의 고령화 현상이 뚜렷
-> 근로 환경 및 난이도를 개선하여 신규 근로자의 진입 장벽을 낮출 필요가 있음

3. 건설 근로자 대산 자동화 시스템 개발의 부재
- 스마트 건설 등 중장비의 건설 자동화 기술을 개발되고 있음
- 건설 근로자의 협업/자동화 기술의 개발이 부재
-> 건설 산업의 경우 근로자가 없이는 불가하므로 건설 근로자를 보호/협업할 수 있는 기술 개발이 필요


[연구의 필요성]

1. 건설 현장에 산재한 근골격계 부하 요소 해소의 필요
- 중량물 조작 필요성으로 인한 근골격계 부잠 작업이 존재
- 현재 사전운동, 안전장비 착용으로 예방하고 있음
- 지능형 시스템을 통한 자세/근력 보조가 필요함
-> 중량물 조작 보조 등의 적극적 건설 근로자 부하 요소 해소 방법의 개발이 필요

2. 건설 근로자를 위한 자동화/협동 기술 개발의 부재
- 생산 및 물류 공장 근로자를 위한 근력 증강 및 자세 보조기구는 개발이 되고 있음
- 건설 근로 환경의 건설 근로자를 위한 장비의 개발은 기능 부족 및 동작 편의성이 떨어지는 등 기술이 고도화 되지 못함
-> 건설 근로자의 환경에 친화적이고 다양한 환경에 대응할 수 있는 시스템의 개발이 필요

3. 선행 연구 및 개발된 착용형 보조 장비의 한계건설
-조립 공정 근로자를 위한 착용형 보조/지지 장비를 개발하고 있음
-다양한 환경에 대응되지 못한 연구가 진행되고 있음
-위의 기술들은 작업 편의성이 떨어지는 한계점이 있음
-> 건설 근로자의 작업 의도파악, 협업 수행이 가능한 착용형 복합 로봇 시스템 개발이 필요

4. 근로자를 위한 복합 구조의 착용형 협업 로봇 개발의 필요성
- 스마트 건설 기술 개발 등 다양한 중장비의 건설 자동화 기술이 개발되고 있음
- 건설근로자를 위한 자동화/보조 기술에 대한 연구가 미흡
-> 건설 근로자를 위한 능/수동 관절을 갖는 근로자 협업 장비의 개발이 필요
최종목표 [연구 개발의 최종 목표] : 인공지능 기반의 자율 구동 관절(Extra-Limb)을 갖는 건설 근로자 협업 로봇

- 스마트 건설과 같은 중장비에 대한 자동화 기술이 개발됨에 따라 건설근로자의 작업을 보조해주고 협업을 도와주는 착용형 협업 로봇 기술 개발이 필요
- 건설 근로자의 하지 작업 자세를 보조하기 위한 수동형 착용 보조 로봇 시스템 개발을 목표로 함
- 건설 근로자의 작업 자세 외의 작업(공구 작업, 중량물 운반 등)에 대한 자율 구동 관절 로봇 시스템 개발을 목표로 함
- 작업자의 의도를 파악할 수 있는 인공지능 기술을 적용하여 다양한 작업 환경에 대응할 수 있는 기술 개발을 목표로 함
- 자율 구동 관절 로봇 시스템이 필요한 건설 공정을 도출하고 로봇이 사용될 수 있도록 공정 프로세스를 재정립을 목표로 함
연구내용 및 범위 ■ 금오공과대학교

1. 건설 근로자 하지 자세 보조를 위한 수동형 보조 장비
- 하지 자세 보조가 필요한 작업 환경 분석
- 건설 근로자에게 보조가 필요한 관절 조사
- 인체공학 설계를 통해 착용성을 고려한 수동형 하지 보조 장비 개발
- 건설근로자의 하지 자세 보조를 위한 구동형 보조 장비 개발

2. 건설현장 적용을 위한 협동형 자율 구동 관절 로봇
- 작업 정밀도 향상을 위한 지능형 자율 구동 관절 개발
- 컨셉 설계를 통하여 작업자 보조 가능성 판단
- 필요 센서 및 구동부 구축
-건설 현장 유사 환경 시스템에서 실험을 위한 시제품 제작

3. 인체공학 기법을 통한 착용형 협동 로봇 시스템
- 착용성을 고려한 상？하지 복합 협동 로봇 시스템 개발
- 상？하지 복합 협동 로봇 착용 실험
- 상지 보조 추가 구동 관절 로봇의 협업 실험
- 실험실 내 실험을 통하여 개선점 도출 및 보완
- 하지 자세 보조 시스템의 개선 및 보완품 제작


■ 뉴콘텍이앤씨

1. 협동형 자율 구동 관절 로봇의 협업 작업 도출
- 협동형 자율 구동 관절 로봇을 통해 효과적으로 보조가 가능한 작업 확인
- 작업 환경에서 필요한 시험 평가 구축 장비 도출

2. 협동형 자율 구동 관절 로봇 시스템 적용이 가능한 건설 시공 기법 수립
- 협동형 자율 구동 관절 로봇 적용을 통해 경제성, 효율성, 안전성 확보 가능한 기법 연구
- 중량물 이송에서 상지 보조 추가 자율 구동 관절 로봇의 운용성 확보에 대한 연구
- 협소 공간에서의 건설 근로자 자세 보조를 위한 하지 보조 시스템의 운용성 확보 연구

3.기존 건설 근로 환경을 모사한 실험환경 구축
- 협동형 자율 구동 관절 로봇이 적용될 근로 환경을 모사한 실험환경 구축
- 하지 자세 보조 시스템의 시험을 위한 환경 구축
- 상지 보조를 위한 추가 구동 관절의 작업 보조 용이성 시험을 위한 환경 구축
- 상？하지 복합 협동 로봇 착용 실험을 위한 환경 구축

4. 협동형 자율 구동 관절 로봇의 시험환경 내 사용성 검증 평가 수행
- 근로 환경과 유사한 시험환경 내에서의 Robot 시스템 사용성 평가/분석
- 실제 사용자의 Metabolic cost 측정
- 각 보조 시스템의 운용 편의성 도출


■ 고려대학교

1. 인공지능을 활용한 지능형 건설 작업 의도파악 알고리즘
- 의도판단 알고리즘을 위한 센서부 구축
- 최적의 의도판단을 위한 정보 수립 방법 구축
- 센서 정보를 이용한 건설 근로자 작업 의도파악 인공지능 알고리즘 개발
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 2차년도 개발 목표

인공지능 기반의 자율 구동 관절 (Extra-limb)을 갖는 건설 근로자 협업 및 보조 로봇의 2차년도 연구 수행 목표로는 크게 3가지로 나누어 나타낼 수 있다.
1) 건설 근로자 보조가 가능한 로봇 시스템
2) 작업자 의도파악이 가능한 인공지능 기반의 의도예측 알고리즘
3) 유사 시험환경에서 사용성 평가
위의 3가지에 대한 각 참여 기관의 역할을 아래에 나타냄

- 금오공과대학교 : 상지 보조/협업 자율 구동 관절 로봇 프로토타입 설계
- 뉴콘텍이앤씨 : 인공지능 기반 자율 구동 관절 로봇 시스템 최적화 및 시험 평가
- 고려대학교 : 인공지능을 활용한 지능형 건설 작업 의도파악 및 능동 협업 기술 		연구 개발 내용 및 범위

1. 금오공과대학교 : 건설 근로자를 위한 자율 구동 관절 로봇 개발 및 적용
- 하지 자세 보조 시스템 개선안 도출
- 상지 보조 및 협동 로봇 시스템 개발
- 제어 알고리즘의 최적화를 통한 사용성 극대화 구현
- 정량적 지표 기반의 사용성 평가
- 착용자 편의성을 위한 인체역학적 설계

2. 뉴콘텍 이앤씨 :도출 목표 작업 공정 유사환경 모사 및 사용성 평가를 위한 test bed 구축
- 목표 작업의 환경 분석을 활용한 유사환경 test bed 상세설계
- 유사 환경 내에서의 사용성 평가를 위한 test bed 구축
- 상지 및 하지 보조가 가능한 협동 시스템의 검증

3. 고려대학교 : 인공지능 기반의 건설 근로자 의도파악 기술 최적화 및 개선
- 인공지능 의도파악 알고리즘 구조 최적화
- 인공지능을 활용한 건설 근로자 보조 로봇 시스템의 제어 알고리즘 개발
- 신발 족저압 센서를 활용한 작업자 안전 확보에 대한 알고리즘 연구
연구성과 기술적 기대성과 1. 건설 공정에서 인간-로봇 협동형 시스템의 개발을 통해 자동화 및 로보틱스 기술 적용에 대한 비중이
상대적으로 낮은 건설 시공 분야에서 기존의 기술적 한계를 극복하고 실적용 가능성을 높임
2. 지능형 의도 판단 기술과 산업 재해 예방을 위한 협동형 자율 구동 관절 로봇 시스템의 개발을 통해
건설 시공 작업의 효율성 및 안전성을 확보함
3. 모드 별 차별화된 제어 운용이 가능한 플랫폼의 구축을 통해
추가적인 공정 대응 및 높은 환경 적응성을 확보함
4. 유사환경 내의 검증 및 사용성 평가를 통해 시스템 제어의 최적화 및 사용자 중심의 기술 개발을 통해
실 현장 내의 활용성이 높은 협동형 자율 구동 관절 로봇 시스템 시스템의 구현이 가능함
5. 건설현장에서 협동형 로봇 플랫폼 적용 경험의 축적을 통해 다양한 건설 환경에 대한 이해 및 대응 가능한 플랫폼의 구현이 가능함
사회 경제적 파급효과 1. 협동형 자율 구동 관절 로봇 시스템의 개발을 통해 4차 산업혁명의 한 축으로 스마트 건설의 기술의 첨단화 및 상용화 가능성을 높일 수 있음
2. 새로운 플랫폼의 개발을 통해 센서, 구동계, 조립으로 이어지는
전방 산업과 실 공정 적용, 유지관리 측면의 후방산업 등 제조 및 건설 신시장 형성에 전반적 기여를 기대함
3. 건설 자동화 기술과 관련하여 산업체와의 공동 연구 및 상품화를 통한 스마튼 건설 산업 발전에 기여함
4. 자율 구동 관절 로봇 시스템 로봇 플랫폼을 활용하여 향후, 군수 장비, 산업 장비 등과 같이
다양한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상됨
활용방안 ■ 활용 계획
- 사용자 의도판단 기술을 통한 건설 시공작업 협업에 활용
- 협업 기술을 통한 작업자의 근골격계질환 예방 및 중량물 취급에 활용
- 건설 근로자 보조를 활용한 근로자 근로 환경 개선에 이용
- 원천기술 개발을 통해 건설 근로 보조 기술 전문가 양성
- 근로자 의도파악 인공지능 알고리즘의 타 산업 분야 확대 적용

■ 기대 효과
- 건설 공정에 인간-로봇 협동형 시스템 적용을 통한 기존의 근로 환경 개선
- 현 건설 산업에서 보조 역할 이외의 안전 장비로 사용 가능
- 협동형 자율 구동 관절 로봇 기반의 다양한 건설 공정 재정립
- 기존 4차 산업혁명에서 누락 된 건설 근로자 자동화 기술의 필요성 재조명
- 추후 건설기술 외의 군수 장비 및 다양한 산업 분야에 적용 가능
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 건설 근로자를 위한 착용형 협동 로봇 수동형 하지 자세 보조 장비 능동형 관절 로봇 인공지능 의도파악 기술 협업 로봇 활용 건설 공정 재정립
영문 Wearable type cooperative robot Passive type lower limb support device Active cooperative robot for construction site Human intention detecting Deep Learning Algorithm Rebuilding construction process with cooperative robot
최종보고서
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