고층 건물 시공 자동화 위한 ‘볼트 체결 자동화 로봇’
로봇기술로 건설 작업의 새로운
패러다임 연다!
앞으로 사람이 아닌 로봇으로 고층 건물을 시공하는 시대가 열릴 것 같다. 고려대학교는 ‘로보틱 크레인 기반의 고층 건물 구조체 시공 자동화 시스템 개발’이라는 국책과제를 수행, 지난 10월 7일(금)에 ‘로봇융합관 준공식’을 개최했다. 고려대학교는 이 로봇융합관을 통해 세계 최초로 고층 건물 건설에 로봇을 활용하는 기술을 선보였다. 본문은 건설 산업의 기술 패러다임을 바꾼 이 로봇시스템의 기술적인 부분을 소개하고자 한다.
고려대 로봇융합관, 세계 최초로 건설 시공에 로봇기술 도입
고려대학교에 지어진 로봇융합관은 지하 1층, 지상 7층에 총 면적이 약 1,530평으로, 일반 연구실, 첨단연구실, 연구과정실, 강의실 등이 복합적으로 구축되어 있다. 이 건물은 국토해양부 소관의 한국건설교통기술평가원 건설기술혁신사업의 일환으로 고려대에서 수주한 대규모 프로젝트인 ‘로보틱 크레인 기반 고층건물 구조체 시공자동화 시스템 개발’이라는 국책과제를 통해 세워졌다.
고려대 고층건물시공자동화 연구단(단장 박귀태)은 고려대를 총괄기관으로 연세대, 건국대 등 5개 대학과 두산건설 등 15개 건설업체, 원자력 연구원, 일본의 국책연구기관인 AIST 등으로 구성되어 있으며, 세계최고 수준의 상용화된 건축시공 자동화 시스템 개발 달성을 목표로 하고 있다.
연구단은 이번 연구를 통해 세계 최초의 건설용 볼트 체결 로봇, 지능형 타워크레인, 자동화 건설공장 등에 대한 핵심기술 개발을 완료하면서 지금까지 38건의 특허를 출원했다. 고려대 관계자는 “로봇을 적용한 자동 시공화 기술로 인건비 30% 감소, 공사기간 15% 단축 및 타워 크레인 생산성 25% 향상, 안전사고 감소, 해외 초고층 건설공사의 시공경쟁력 향상 등의 효과가 나타났다”고 전했다.
건설 자동화란?
건설 자동화는 일반적으로 노동자의 노동력을 반자동화 혹은 완전 자동화 시스템으로 대체하는 것을 의미한다. 건설 자동화는 다양한 건설 작업들(용접, 미장, 건설자재 이송 등)에 대해 인간을 대신하거나 작업을 도와주는 역할을 한다. 또한 단순한 작업 노동력을 대체할 뿐 아니라 작업 공정 관리, 자재 관리, 안전 관리 등의 공정 자동화를 통해 작업 능률을 높이는 일련의 자동화 시스템을 포함한다.
나아가 현재 반자동화나 완전 자동화 수준에 머물러 있는 건설 자동화 연구에 인공지능의 적용으로 인간이 투입되지 않아도 되는 건설 현장을 만드는 것을 목적으로 한다.
건설공장(CF) 적용한 고층건물 시공 자동화 연구
이미 일본, 미국, 독일 등 선진국에서는 자동화된 로봇 시스템을 건설현장에 적용하려는 여러 연구 사례들이 존재한다. 그 중 일본에서 빌딩 건설을 자동화하려는 연구가 진행됐다. 이는 SMART 시스템과 BIG CANOPY라 불리는 시스템인데, 이 연구들은 건설공장(CF : Construction Factory) 개념을 적용해 건물의 외부를 공장으로 둘러쌓아 그 공장 안에서 자재를 이송하고 건설 작업을 수행하는 것이다.
고층건물 시공 자동화 연구 역시 위의 시스템과 유사한 건설공장의 개념을 적용했다. 대개의 국내 고층 건물들이 코어(엘리베이터가 들어가는 공간) 선행 공법을 사용하는 점을 착안, 수백톤의 건설공장이 코어에 연결되어 지지되도록 설계됐다.
고층건물 시공 자동화 연구의 특징은 △지능형 타워크래인을 이용한 자재 양중 △건설공장을 상승/하강할 수 있도록 개발된 유압 클라이밍 로봇 시스템 △철골 구조물의 볼팅 작업 자동화를 위한 볼트 체결 자동화 로봇 시스템 △실시간으로 전 공정을 관리할 수 있는 공정 관리 자동화 시스템으로 나눌 수 있다.
총 연구기간은 4년 10개월, 총 연구비는 정부출연금 약 157억, 기업부담금 63억이 투입됐다.
볼트 체결 자동화 로봇엔 어떤 기술들이 숨어있을까?
볼트 체결 자동화 로봇은 철골 구조물(H-beam)간의 볼트 체결을 목적으로 개발됐다. 볼트 체결 자동화 로봇은 크게 ‘로보틱 볼트 체결 기술’과 ‘로보틱 이송 메커니즘’의 2개 파트로 구성되어 있다. 로보틱 볼트 체결 기술은 실제적인 볼트 체결을 수행하며, 로보틱 이송 메커니즘은 건물 한 층에 대해 로보틱 볼트 체결 기술 시스템을 이송하는 것을 목적으로 한다.
로보틱 볼트 체결 기술
앞서 언급한 바와 같이 볼트 체결 기술은 실제적인 볼트 체결을 위해 개발된 자동화 시스템이다.
로보틱 볼트 체결 기술은 ▲볼트를 삽입하고 삽입된 볼트가 빠지지 않도록 지지해주는 볼트 피더와 ▲가조립과 본조립을 위한 볼트 체결기 ▲볼팅 엔드 이펙터를 작업 위치까지 이송해 주기위한 로보틱 매니퓰레이터 ▲작업자가 볼트 체결 자동화 로봇 시스템을 구동하기 위한 컨트롤 스테이션으로 구성되어 있다.
*TS Type 볼트
본 시스템에서는 일반적인 볼트와는 다른 TS(torque shear) 볼트를 사용한다. 일반적인 볼트의 경우 볼트 머리와 너트를 서로 반대방향으로 돌려 체결을 수행하게 된다. 이같은 일반 볼트를 사용하게 될 경우 로봇에게 요구하는 작업영역이 매우 커지며, 시스템의 무게를 증가시키고 볼트 체결이 완료됐는지 판단하기 어렵다는 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기위해 TS 볼트를 사용했다.
TS 볼트는 볼트의 끝단에 핀테일(Pintail)과 브레이크 넥(Break Neck)을 갖고 있어서 볼트 체결시 너트와 핀테일을 잡고 각각 반대 방향으로 돌려주어 체결할 수 있는 구조로 되어있다. 따라서 로봇이 볼트의 끝단에만 접근하면 되고 상대적으로 작은 작업영역으로도 작업할 수 있도록 해준다. 또한 특별한 계측 장비 없이 볼트의 완료 여부를 브레이크 넥의 파단여부를 통해 판단할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
*볼트 피더
볼트 체결 시 볼트의 끝단 영역에서만 로봇이 작업하기 때문에 볼트가 밀려서 떨어지는 것을 방지하는 역할을 하는 장치와 개개의 볼트 구멍에 볼트를 삽입하는 것은 비효율적이고 삽입 과정 자체가 로봇에게는 고난이도의 작업이기 때문에 좀 더 효율적이고 쉽게 볼트를 삽입하기 위한 장치가 필요하다.
이런 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 볼트 피더이다. 볼트 피더의 역할은 H-beam의 볼트 구멍에 볼트를 삽입하는 역할을 한다. 볼트 피더는 볼트 삽입 모듈과 볼트 후퇴 방지 장치로 구성되어있다. 이는 철골의 볼트 구멍의 개수와 간격에 따라 모듈의 개수를 늘려서 만들 수 있도록 고안됐다.
볼트 삽입 모듈은 압축된 스프링이 볼트 머리를 잡고 있다가 트리거 장치가 풀리면 압축된 스프링에 의해 볼트가 발사되도록 개발됐다. 후퇴방지 장치는 공압 실린더를 이용하여 마그네틱 베이스를 작동시킨다. 자력을 이용하여 볼트가 뒤로 밀리지 않도록 해준다. 본 시스템에서는 철골빔의 볼트 구멍이 4개인 자재를 사용했기 때문에 사용된 볼트 피더는 4개의 볼트를 동시에 공급할 수 있도록 설계됐다.
*로보틱 매니퓰레이터
로보틱 매니퓰레이터는 캐빈 앞쪽에 붙어있는 갠트리 타입의 로봇이다. 로보틱 매니퓰레이터는 그 끝단에 체결기와 볼트 피더를 위한 그리퍼를 갖고 있다. 로보틱 매니퓰레이터의 목적은 볼팅 작업 위치까지 볼트 피더와 볼트 체결기를 정밀 이송해 주는 것이다. 로보틱 매니퓰레이터의 작업 영역은 770×500×300(㎥)이다. 10㎛의 정밀성을 가지며, 최고 구동 속도는 축당 25m/s이다.
*캐빈
캐빈은 작업자가 탑승하여 볼팅 작업 전반에 대한 작업을 관리하고 실제 볼팅 로봇 시스템을 작동하는 역할을 한다. 캐빈의 전면부에는 로보틱 매니퓰레이터가 붙어 있으며, 양쪽 옆에는 볼트 체결 자동화 로봇과 작업 대상 철골을 상대적으로 고정시킬 수 있는 앵커링 장치가 있다.
앵커링 장치는 전자석을 이용하여 구동되며, 작업 영역은 350㎜이다. 앵커링 장치는 작업 중간에 바람이나 외적 충격 등으로 볼팅 로봇 시스템이 흔들리거나 움직이는 것을 막아주기 위해 개발됐다.
*볼트 체결기
볼트 체결기는 1차(가조립용)체결기와 2차(본조립용)체결기로 되어있다. 1차 체결기의 경우 고속의 저토크로 구동된다. 따라서 볼트 체결의 생산성을 높여준다. 또한 1차 체결기의 헤드 부분에는 3개의 층과 2개의 리니어 가이드로 구성된 컴플라이언스 구조를 갖고 있어, 볼트와 체결기 사이의 정렬이 정확히 이루어지지 않아도 ±10㎜ 범위에서 수용할 수 있도록 되어있다. 그리고 공급장치를 통해 너트와 와셔를 공급 받을 수 있도록 영구자석과 볼플렌지를 이용한 홀딩 메커니즘을 포함하고 있다.
2차 체결기의 경우 저속 고토크로 구동되며 핀테일과 너트를 각각 잡아서 반대방향으로 돌릴 수 있는 2중 구조로 되어있다. 또한 체결기 하단에 고무 패드를 이용한 컴플라이언스 메커니즘을 포함하고 있기 때문에 정렬이 정확히 이뤄지지 않아도 수용할 수 있도록 개발됐다.
*제어 시스템
본 시스템에서는 비전 정보를 이용해 볼트 구멍/볼트 끝단을 찾아서 각 위치에 엔드 이펙터를 정밀하게 이송할 수 있게 해주는 비주얼 서보잉 기법을 사용했다. 비주얼 서보잉 기법을 통해 작업자가 모니터 상의 작업 목표 볼트 구멍이나 볼트의 끝단을 정해주면 그 위치를 찾아 로보틱 매니퓰레이터가 엔드 이펙터를 이송하게 된다.
또한 ITA 시스템을 통해 작업자가 현재의 작업 정보와 전체적인 작업 공정에 대한 정보를 제공 받고 캐빈 주변 환경을 모니터링 하여 안전하고 효율적으로 작업을 수행할 수 있도록 도와준다.
로보틱 이송 메커니즘
로보틱 이송 메커니즘은 로보틱 볼트 체결 기술 시스템을 대상 철골빔으로 이송해주는 역할을 수행한다. 로보틱 이송 메커니즘은 교차식 와이어 메커니즘과 레일 슬라이딩 메커니즘으로 구성된다.
*교차식 와이어 메커니즘
교차식 와이어 메커니즘은 와이어를 감거나 풀러서 수직방향으로 상·하강 할 수 있으며 캐빈을 회전시킬 수 있는 회전 관절을 갖고 있고, 레일 슬라이딩 메커니즘 아래의 리니어 가이드를 따라서 좌우 방향으로 움직일 수 있도록 개발됐다. 따라서 철골을 넘어 가거나 반대편 철골에 대한 작업을 수행할 경우 효율적으로 구동할 수 있다.
*레일 슬라이딩 메커니즘
레일 슬라이딩 메커니즘은 건설공장에 설치된 레일을 따라 한 층의 평면의 어느 위치라도 이동할 수 있도록 개발됐다. 레일 슬라이딩 메커니즘은 가변 길이 구조를 갖는 붐파트와 붐파트 양 끝단에 달려 실질적인 구동을 하는 드라이빙 모듈 2개로 구성되어 있다.
붐파트가 가변길이 구조를 갖는 이유는 코너 부붐 주행시 직선 주행에 비해 레일사이의 간격이 더 넓기 때문에 곡선 주행을 가능하게 하기 위한 메커니즘이며 각각의 드라이빙 모듈 역시 독립적으로 구동되기 때문에 곡선 주행이 가능하다.
고려대학교 건축건물시공자동화연구단 www.robotcrane.re.kr
