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과제기본정보

건축물 골조공사 먹매김 시공 자동화 로봇 및 관리플랫폼 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163790-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 건축물 골조공사 먹매김 시공 자동화 로봇 및 관리플랫폼 개발
주관연구기관 조선대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 김태훈
소속 (학교)조선대학교 직위 부교수
전화번호 062-952-7833 FAX 062-952-7835
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 5,400,000 48,600,000 54,000,000 214,000,000
과제기본정보
연구개발개요 ○ 포스트코로나 시대 대응을 위한, 디지털 혁신을 통한 건설산업 패러다임 전환
- 4차 산업혁명 및 포스트코로나 시대에 대응하기 위하여, 세계 주요국들은 경제구조 혁신, 일자리 창출, 산업경쟁력 제고를 목적으로 건설산업을 포함한 디지털 산업혁신 정책을 수립하여 추진 중에 있음.
- OECD, McKinsey, BCG(Boston Consulting Group) 등은 디지털화와 생산성의 높은 상관관계에 주목하며, 디지털 혁신을 강조하고 있음.
- 국내 또한 포스트코로나 시대 경제 도약을 위한 한국판 뉴딜 정책을 통해 디지털 기반 경제구조의 혁신 가속화와 지속가능한 일자리 창출을 추진하고 있으며, 노동집약적인 건설산업은 코로나 시대에 타 산업 대비 영향을 더욱 크게 받게 됨에 따라 포스트코로나 시대 생존과 번창을 위한 디지털 기반 사업전략과 모델로의 전환이 크게 요구되는 시점임.
- 따라서, 디지털 혁신을 통한 생산성 중심의 산업 체질 개선과 신성장동력 확보를 바탕으로 ‘기술혁신→산업 부가가치 제고→일자리 창출’의 선순환 구조 조성이 요구됨.

○ 먹매김 공사 자동화 필요성
- 먹매김은 골조공사의 시작으로 골조의 형상 및 치수를 정확하게 만들기 위한 기준이 되는 공사임. 이에 무엇보다 측량 정확도가 요구되며 바닥에 먹을 매기는 작업 또한 정밀성이 요구되는 중요한 공정임.
- 기존 먹매김 작업은 인력에 의한 재래식 방식으로 먹매김 프로세스의 정보들이 디지털화되지 못하고 도면작성과 검측보고서 작성과 같이 변환과정이 필요함. 이러한 과정을 거침에 따라 생산성이 낮아지며 정보변환과정의 손실과 이후 공정으로 연계되지 못하는 한계를 가지고 있음.
- 먹매김 과정은 디지털 도면정보를 다시 줄자를 통해 수작업으로 변환하여 먹의 정확도가 크게 낮아지는 단점이 있으며, 작업자의 숙련도나 먹줄을 튀기는 과정에 의해 먹의 정확도가 일정하지 않은 문제점이 있음.
- 이에 먹매김 작업의 정밀도와 생산성 향상을 위해서 해당 프로세스의 디지털화와 자동화가 필요한 시점임. 특히 골조공사 장비의 자동화나 OSC(Off-site construction)공법이 도입되고 적용이 늘어나는 시점에서 먹의 정확도 향상과 연계를 위한 정보의 디지털화는 필수적이라 판단됨.
- 이에 도면화와 검측단계 정보의 디지털화와 먹매김 작업의 자동화 기술이 요구되며, 해당 기술은 먹작업의 생산성과 정확도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.

○ 먹매김 자동화 기술 개발 현황
- 건설 현장에서의 먹매김(layout) 자동화 기술 개발이 기존의 대형 건설회사 및 건설자동화 시스템 개발을 목적으로 설립된 스타트업(startup) 회사들을 중심으로 추진되고 있음.
- 본격적인 기술 개발은 2013년 이후에 추진되었으며, 2020년 이후 시제품의 현장 테스트가 일부 해외 기업에서만 이루어지고 있는 상황임. 따라서, 현재 먹매김 자동화 기술은 시장 도입기로서 현장의 니즈를 반영한 적정 기술개발 전략의 수립을 바탕으로 적기 시장진입을 통한 경쟁력 확보가 요구됨.
- 본 과제에서는 스스로 위치를 인식하여 이동하며 먹매김을 수행하는 robotic layout system 방식을 토대로 기술 개발을 추진하고자 함.
: 현장 레이아웃 로봇회사인 더스티 로보틱스(Dusty Robotics)는 스타트업 기업으로 2018년 설립하여 현재까지 720만 달러의 투자자금을 단기간에 유치할 정도로 시장성이 큰 분야임.
: 특히, 아직 초창기 분야로 경쟁업체가 적고 대표기입인 더스티 로보틱스 또한 아직 현장테스트 중인 단계에 있으므로 향후 유망한 시장을 선점하기 위한 연구개발이 필요한 시점이라 판단됨.
최종목표 ○ 본 과제의 목표는 건설로봇 및 디지털화 기술을 기반으로 한 “건축물 골조공사 먹매김 시공 자동화 로봇 및 관리플랫폼 개발”로써, 이를 통해 건물의 대형화, 고층화, 비정형화에 따라 비례적으로 증가하는 측량 및 먹매김, 시공관리 업무의 생산성 및 품질을 혁신적으로 향상시키고, 건설산업의 새로운 성장동력을 확보하고자 함.

○ 본 과제의 목표 달성을 위하여 다음과 같은 3가지 핵심 요소기술을 도출하였음.
- 먹매김 자동화 로봇 기술 (Robotic layout system)
- 통합 제어 플랫폼 기술 (Integrated control platform)
- 검측관리 최적화 시스템 (Optimized management system)

○ 이러한 핵심 기술의 개발을 통하여, 다음과 같은 세부 목표를 달성하고자 함.
- 먹매김 공사 기존방식 대비 공법 생산성 30% 향상
- 먹매김 도면 대비 마킹오차 3mm 이내 품질 달성
- 기존 검측 프로세스 대비 관리효율성 30% 향상
연구내용 및 범위 ○ 연구개발의 개념
- 기존의 먹매김 공사의 문제점인 인력기반 재래식 시공공법과 검측방법으로 인한 생산성 및 품질저하의 문제점을 근본적으로 해결하기 위해서는 4차 산업혁명의 진보된 기술을 활용한 공법체계로의 전환이 필요함.
- 본 연구는 4차산업혁명의 핵심기술인 로보틱스 기술(Robotics)과 디지털전환 기술(Digital transformation)을 활용하여 기존의 먹매김 공사의 문제점을 해결하려 함.
- 해당 기술을 적용하여 먹매김 공사를 진행하기 위해서는 먹매김을 수행하는 로봇, 로봇을 제어하는 플랫폼, 검측정보를 관리할 수 있는 디지털 검측관리 시스템에 대한 연구개발이 요구됨.
- 이에 본 연구는 로봇, 제어, 관리의 세분야로 나누어 각 분야의 핵심기술 연구를 수행하며, 각 수행연구는 공법 생산성, 먹매김 품질, 관리 효율성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있음.

○ 연구개발 프로세스
- 연구개발은 로봇 하드웨어, 제어 소프트웨어, 검측관리 방법의 세 분야로 나눠 진행하며 먹매김 공법의 프로세스를 따라 해당연구를 순차적으로 연구개발함.
① 먹매김 사전 준비단계
: 먹매김 자동화 로봇이 시공할 수 있는 좌표 및 골조오차를 보정하는 단계로 BIM 먹매김 도면화 기술, 도면-현장 mapping 기술, 골조오차 분석기술, 최적이동경로 생성기술의 연구를 수행함.
② 먹매김 시공 단계
: 먹매김 로봇이 자동으로 먹선을 시공하는 단계로 로봇의 구동(주행)플랫폼, 로봇 Manipulator, 먹매김 End-effector를 개발하고 장애물 인식, 회피가 포함된 구동플랫폼의 주행과 End-effector를 고려한 Manipulator의 동작을 제어하는 알고리즘을 개발하는 연구를 수행함.
③ 먹매김 검측 단계
: 먹매김 후 마킹된 먹선을 검측하는 단계로 마킹오차를 자동으로 측정하는 기술과 오차분석을 통해 검측보고 프로세스를 원격으로 진행할 수 있는 관리 플랫폼을 개발하는 연구를 수행함.
④ Pilot Test 단계
: 연구개발의 최종단계로 각 요소기술들의 Pilot Test를 진행하여 성능을 종합적으로 평가하고, 성능분석을 통해 실용화단계를 위한 시스템 개선방향을 수립함.

○ 연구내용 및 범위
① 먹매김 자동화 로봇 기술 개발
- 먹매김 자동화 공정 설계 및 로봇 시스템 요구성능 도출
- 먹매김 로봇 마킹 End-effector 및 구동 플랫폼 설계
- 먹매김 로봇 통합 인터페이스 개발 및 시제품 제작
- 통합 Pilot test 및 성능 검증

② 먹매김 작업 통합제어 플랫폼 기술 개발
- 도면-현장 맵핑기술 및 로봇 Manipulator 제어기술 개발
- 먹매김 동작제어 알고리즘 개발
- 로봇 이동체 제어기술 및 장애물 인식/회피 알고리즘 개발

③ 먹매김 검측관리 최적화 시스템 개발
- 현장측정정보 기반 오차분석 및 도면보정 기술 개발
- 먹매김 로봇 최적 이동경로 생성기술 개발
- 마킹오차 측정 및 먹매김 검측관리 소프트웨어 개발
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 1차년도 연구개발목표
- 먹매김 로봇 설계 및 제어기술 개발

○ 세부별 연구개발목표
- 조선대학교 산학협력단 : 먹매김 로봇 마킹 end-effector 및 구동 플랫폼 설계
- (주)빌딩포인트코리아 : 도면-현장 맵핑기술 및 로봇 관절 무빙 제어기술 개발
- 순천향대학교 산학협력단 : 현장측정 정보 기반 도면보정 및 이동경로 생성기술 개발
○ 주관연구개발기관(조선대학교 산학협력단)
① 먹매김 자동화 공정 설계 및 로봇 시스템 요구성능 도출
- 먹매김 세부 공정 분석을 통한 자동화 프로세스 설계
- 작업환경 분석을 통한 로봇 요구성능 도출
② 먹매김 로봇 주요 모듈 설계 및 end-effector 시제품 제작
- 먹매김 로봇 주요 모듈별 대안 분석 및 설계
- 마킹 end-effector 1차 시제품 제작

○ 공동연구개발기관((주)빌딩포인트코리아)
① 도면-현장 맵핑기술
- BIM 도면 display / edit 기술 개발
- 도면-현장 캘리브레이션(Calibration) 기술 개발
② 로봇 관절 제어기술
- 로봇 관절 제어를 위한 프로토콜 분석 및 제어기술 개발

○ 공동연구개발기관(순천향대학교 산학협력단)
① 골조정보 기반 먹도면 보정기술
- 건물형상 정보 도면화 기술
- BIM 도면-골조 오차분석 및 보정 기술
② 먹매김로봇 최적 이동경로 생성기술
- 먹매김로봇 동작 기반 이동 좌표변환 기술
- path planning algorithm을 통한 최적 이동경로 생성기술
연구성과 기술적 기대성과 ○ 국내 건설로봇 및 시공 자동화 기술 도약에 기여
- 이동형 로봇의 정밀제어 기술 및 복잡한 다중작업이 요구되는 타 공정을 대상으로 한 다양한 건설 기능특화 로봇 구현을 위한 기반 기술 확보 가능
- 메카트로닉스 및 AI, ICT 기술 결합을 통한 첨단융합기술력 확보
- BIM과 건설로봇 및 관리플랫폼 연계를 통한 BIM-to-Field 및 Field-to-BIM 솔루션 확보

○ 선진 연구분야 및 관련 학문발전 기여
- 건설환경에 적합한 센싱, 객체인식 및 최적화 연구 분야 발전 기여
- Field-to-BIM 솔루션을 활용한 건설 데이터 측정/관리체계 구축을 통해 건설 빅데이터 연구 및 산업 활성화 기여
- 로봇의 지능화를 위한 첨단센서 및 해석기술 연구 확장 기여
사회 경제적 파급효과 ○ 건설 생산성 및 품질 향상, 양질 고용 기여
- 전문기술인력 부족 및 고령화, 비효율적 공정운영 등에 따른 건설 생산성 저하 문제 해결
- 자동화 대응 설계 및 건축 생산기술 가이드 제공을 통한 건축공사 시공 생산성 제고
- 인력의 경험, 기술 편차 등에 의한 빈번한 시공오류 발생에 따른 공사 품질저하 해소
- 첨단로봇 운영기사 및 현장관리 전문인력 등 고용의 질적 측면 개선 및 신규 일자리 창출 기여

○ 첨단기술을 활용한 신산업분야 확대를 통한 역량 강화 및 기업 육성 기여
- 건설 로봇 시장 개척과 신건설 상품의 선제적 개발을 통한 국내 건설기업 역량 강화 및 차세대 고부가가치 산업 전환 기여
- 건설자동화 기술 기반의 벤처기업 및 중소기업 육성, 활성화 기여

○ 건축분야 이미지 제고 기여
- 기존 인력기반의 재래식 산업 이미지를 로봇 기술기반의 첨단 산업 이미지로 제고
- 공사품질 향상 및 정보화에 따른 건설수요자 니즈 충족 및 건설산업의 음영효과 제거

○ 건설/기계/IT분야 등의 다학제 융합형 연구인력 및 기술인력 육성 기여
활용방안 ○ 시험시공 계획
- 본 연구는 기초원천 연구과제이나, 각 기술의 실험실 성능평가 후 유사환경에서 시제품의 기본적인 성능을 시험(TRL5)하고, 더 나아가 실제 현장에서의 시험시공(TRL7) 적용까지 추진하려는 계획을 논의중에 있음.
- 본 과제 추진을 위한 사전 조사 단계에서 원청업체 및 전문 골조공사업체의 관리자를 통해 해당 기술의 개발 시 현장 내 적극적 도입 의지를 확인하였으며, 시범 적용에 대한 긍정적 답변을 획득하였음.
: 현대엔지니어링, 현대산업개발, 포스코건설에서 진행 중인 공동주택 현장의 시범적용 논의 진행
- 또한, 본 과제의 공동연구개발기관인 ㈜빌딩포인트코리아는 기 개발한 스마트 드릴링로봇의 현장 시험시공 경험을 갖추고 있으며, 현재 실제 현장 적용을 통한 사업화를 추진 중에 있음.
- 이에 본 과제를 통한 개발 시스템의 현장 섭외 및 시험시공이 원활히 추진될 수 있을 것으로 판단되며, 기존 테스트 결과와의 비교분석 및 현장 적용성 검증을 수행하려 함.

○ 제품화 방안
- 먹매김 로봇 기술은 아직 초기적용 단계로 현재 프로토타입 개발 및 실험실 수준 실험, 현장 테스트 수행을 통한 성능 검증 등을 수행하고 있음.
- 기존 기술의 경우 하드웨어적인 로봇 기술의 제품화에 치중되어 있으며, 작업 정보를 활용한 검측관리 자동화 및 플랫폼 기술 연계는 이루어지지 못하고 있는 실정임.
- 이에 본 과제에서는 먹매김 시공 자동화 로봇 및 관리 플랫폼 기술을 함께 개발하여 패키지 제품화하고, 기 개발된 하드웨어(로보틱 토탈 스테이션, 3D 스캐너, 드릴링로봇 등) 및 플랫폼과의 연계를 통한 상용화를 추진하고자 함.

○ 사업화 방안
- 먹매김 자동화 기술은 시장 도입기로서 현장의 니즈를 반영한 적정 기술개발 전략의 수립을 바탕으로 적기 시장진입을 통한 경쟁력 확보가 요구됨.
- 국내는 아직 해당 분야의 제품화된 기술을 확보하지 못한 상태이므로, 현장 적용성을 갖춘 먹매김 자동화 기술의 개발시 일반 건축공사뿐 아니라 PC, 모듈러와 같은 OSC(Off-site construction) 공사, 토목공사 등 폭넓은 시장 확보가 가능할 것으로 판단됨.
- 해외 시장 역시 현재 먹매김 로봇 하드웨어 기술의 시장진입 단계이므로, 측위 및 검측 자동화 솔루션과 결합한 패키지 제품화를 통한 시장 진출 및 확대가 가능할 것으로 판단됨.
- 본 과제의 공동연구개발기관인 ㈜빌딩포인트코리아는 세계 최고 수준의 측위 솔루션 기업인 미국 트림블사의 빌딩 포트폴리오 제품 사업을 전문으로 진행하는 글로벌 프랜차이즈인 ‘빌딩포인트’ 네트워크의 일원으로, 이러한 글로벌 네트워크를 활용한 세계 시장으로의 개발 제품 공급 및 사업화를 추진함.
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국문 먹매김 자동화 로봇 통합제어 플랫폼 검측관리 최적화 시공자동화 디지털전환
영문 Robotic layout system Integrated control platform Optimized inspection management Construction automation Digital transformation
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