대형 건설자재 설치를 위한 인간-로봇 협업에 관한 연구

Abstract

최근 토목, 건축 구조물의 경향을 살펴보면 과거에 비해 대형화 및 고층화 추세로 점점 변하고 있다. 따라서 건설 현장에서는 신공법의 도입 및 기계화, 자동화 시공이 요구되며 이를 효과적으로 수행하기 위한 건설 기계 및 장비 개발이 필요하다. 뿐만 아니라 현재 건설 현장에서 기능 인력의 수급 불균형 문제가 심각하게 제기되고 있다. 국내 건설 현장의 경우, 기능 직종에 대한 기피 현상에 의해 2010년에는 42만 3천 명의 기능 인력이 부족할 것으로 예상된다. 특히 건설 현장에서의 숙련공에 대한 구인난과 고령화 문제는 지속적인 임금 상승을 초래한다. 이러한 기능 인력에 대한 문제점들은 기능력 저하 현상으로 나타나고 있으며, 결과적으로 인건비 상승, 시공 품질 저하, 공사 기간 지연, 공사비용 증가, 그리고 건설 현장에서 안전사고 발생 위험 증가 등으로 이어진다. 이에 대응하여 해결 방안으로 제시된 것들 중의 하나가 바로 기계화, 자동화 시공이다. 기계화, 자동화는 기능 인력을 대체하는 것이 가능하며, 동시에 작업 속도, 시공 품질, 안전성 향상 및 시공 원가 를 절감시킬 수 있다. 최초의 건설 로봇은 1983년 일본 시미쯔 건설에서 개발된 철골에 방화재를 살포하는 로봇이다. 그 후 일본에서 백여 대 이상의 건설 로봇이 개발되었으나, 우리 나라는 건설산업이 가지고 있는 특수성(수주생산 방식, 옥외 및 분산적 생산 행태로서의 노동집약적 산업, 업계의 보수성) 으로 인해 건설 산업에 있어 자동화 기술의 활용은 타 산업에 비해 상대적으로 낙후되었다. 일반적으로 건설 작업의 절반 이상이 중량물 취급에 해당되고, 건설 자재 및 장비는 사람이 다루기에 무겁고 부피가 크다. 지금까지 대부분의 중량 자재는 크레인을 포함한 옥외 건설 장비를 통해 취급되었다. 하지만 이런 건설 장비는 옥내에서 설치해야 할 현장에서는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 2005년도에 “커튼월 설치 로봇”이 개발되었다. 이 로봇은 실험실을 벗어나 실제 현장에 적용함에 그 의의가 있다. 실제 현장에 커튼월 설치 로봇이 적용되었지만, 몇가지 개선해야 할 사항이 도출되었다. 일반 제조 산업의 자동화 생산 라인과 달리 건설 현장은 현장에 따라 그 작어패턴이 다르고 작업 환경 역시 비정형적이다. 즉, 건설 로봇은 구조물, 작업자 및 장비가 연속적으로 변하는, 동적인 환경에서 작업이 수행되는 필드 로봇에 속한다. 따라서 가이드나 원격제어 방법이 건설 로봇을 제어하는 가장 일반적인 방법이나 원격제어 방법은 몇 가지 해결해야할 문제점을 안고 있다. 첫 번째로, 건설 작업 중 예측하지 못한 상황이 발생되었을 시 즉각적으로 대처할 수 없다는 문제점이 있다. 두 번째로, 작업자가 적절한 작업 명령을 생성하기 위한 작업 정보 수집에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 인간-로봇 협업 조작법이 제안된다. 특히 작업자와 로봇 간의 협업을 통하여 중량의 건설 자재를 설치하기 위한 제어 알고리즘을 개발하였다. 특히, 작업자와 로봇 및 주변 환경 간의 상호작용이 로봇 제어기 설계 시 고려되었다. 그리고, 실제 2자유도 실험 시스템을 통하여 협업 시스템의 성능을 좌우하는 임피던스 파라미터의 영향을 살펴보았다. 새로운 제어 알고리즘 개발과 함께 인간-로봇 협업 기반으로 중량의 건설 자재 설치 로봇의 설계를 위한 다목적 필드 로봇의 설계 방안을 제시하였다. 다목적 필드 로봇은 두 부분으로 구성된다. 우선 작업자를 대신하여 작업을 수행하는 다자유도 매니퓰레이터와 작업 공간 상의 이동을 위한 모바일 플랫폼으로 이루어진 ‘기본 시스템’과 특정 작업을 수행하기 위해 센서 및 지능화 기술(인간-로봇 인터페이스 포함)이 포함된 ‘추가 모듈’로 구성된다. 다목적 필드 로봇은 하나의 기본 시스템에 다수의 추가 모듈을 교체함으로써 다양한 작업에 적용될 수 있다. 뿐만 아니라, 모듈화 기술을 통해 시스템의 유지/관리 및 개선에 효과적이다. 인간-로봇 협업 매니퓰레이션을 위한 프로토타입 개발은 인간-로봇 협업 제어와 다목적 필드 로봇을 위한 시스템 구성 기술의 통합과 결부된다. 개발된 시스템에 적합한 건설 자재 시공법이 제안되고, 모형을 통한 설치 테스트가 수행된다. 지금까지 인간-로봇 협업을 위한 요소 기술이 설명되었다. 실제 건설 현장에 인간-로봇 협업 기술을 적용하기 위해서는 실제 적용을 위한 추가 작업이 필요하다. 우선 적용 현장의 작업 내용과 작업 조건을 분석하여 대형 건설 자재를 설치하기 위한 로봇의 개념 설계가 이루어져야 한다. 그리고, 자동화 설치 공정을 포함하여 실제 현장에 적합한 실용화 기술이 제안되어야 한다. 끝으로 필드 테스트를 통해 로봇의 생산성과 안전성이 기존 설치 장비와 비교?분석된다. 이 논문에서는 실례로 지상 15m 위에서 대형 유리 패널을 설치하는 건설 현장에 대해 설명된다. 본 연구의 목적은 건설 현장에서 대형 건설 자재를 인력이나 낙후된 건설 장비를 통해 설치 시 발생되는 문제점을 해결하기 위한 인간-로봇 협업 기술 개발에 있다. 우선 기존 시공법 분석을 통해 인간-로봇 협업 조작의 요소 기술이 고려되었다. 또한 이 분석은 프로토타입의 하드웨어 디자인 및 제어 알고리즘 개발에 중요한 자료가 된다. 그리고 성능 평가를 통해 개발된 프로토타입은 수정 및 보완 작업이 수행되었다. 실제 현장에 적용된 후에는 기존 시공법과의 생산성 및 안전성 비교?분석이 이루어진다. 추가로 커튼월 설치 로봇, 작업자와 로봇간의 효과적인 상호작용을 통해 조작의 편의성을 향상시키기 위한 디자인 기준, 그리고 커튼월 설치 로봇의 정량적 안전성 평가를 위한 방법론이 부록에 수록되었다.; Recently, the tendency for buildings and structures is to be ever larger and taller. A new method of construction is, therefore, required to follow the current trend, and construction machinery and equipment are being developed to help in the process at various construction sites. An imbalance in technical manpower supply and demand is a serious problem on construction sites. (e.g., The Korean construction industry is expected to lack 423,000 people in manpower in 2010 as a result of a general avoidance of technical services.) This labor shortage and the aging of the skilled worker on the construction site cause a lasting increase in wages. These technical service problems have appeared to lower functionality in construction situations. Consequently, the rising labor costs, poorer execution quality, delayed construction period, and increased construction expenses have led to reduced safety and more accidents in construction areas. This problem corresponds to the potential for “automation system and robotics in construction” as one of the solutions. It is possible to substitute an automatic system and robot for technical manpower, which simultaneously increases the working speed and construction quality, improves safety and reduces the cost of construction. In 1983, Shimizu developed the world’s first construction robot, “SSR-1” to spray fireproofing material on steel. single-task robots behind in construction due to certain characteristics (These in While Japan has produced over on hundred single-task robots, Korea has not produced many clude the receiving of production method orders, intensive outdoor labor, variable productivity and the conservativeness of business circles as compared with other industries.) of the construction industry. Generally, almost half of construction work is said to be material handling. Materials and equipment used for construction are heavy and bulky for humans. Handling heavy materials has been, for the most part, eliminated for outside work by cranes and other various lifting equipment. Such equipment, however, is not available for inside work. To address curtain walls handling needs for inside work, especially, “CRCWI (Construction Robot for Curtain Walls Installation)” has been successfully developed three years ago. This robot has gone beyond the laboratory and is being applied to actual construction. Through the case studies on constructions, to which CRCWI was applied, however, we could find some factors to be improved. Unlike the automation lines of the general manufacturing industry, construction sites rarely shows repeated operational patterns use to its unstructured processes. That is, construction robots are defined as field robots that execute orders while operating in a dynamic environment where structures, operators, and equipment are constantly changing. Therefore, a guidance or remote-controlled system is the natural way to implement construction robot manipulators. However, a remote-controlled system has to solve some problems. Firstly, it is difficult to cope with malfunctions immediately when unexpected situation is occurred during construction works. Lastly, there is difficult to gain environmental information for operator’s suitable commands. One of the solutions to address these problems is the technology of human-robot cooperative manipulation. We develop a robot control algorithm, for installation of heavy construction materials in cooperation between an operator and a robot. Especially, considerations on interactions among operator, robot and environment are applied to design of the robot controller. We examined the influences, which the parameters of the impedance model gave to performance of the cooperation system, through a 2DOF experimental system. With developing a novel control algorithm, we suggest a new design method of a multipurpose field robot (MFR) that is helped to design heavy and bulk building materials installation robots based on cooperation between an operator and a robot. A MFR can best be conceived in two parts: a ‘basic system’ consisting of a manipulator and a mobile platform, and an ‘additional module’ which includes sensor and intelligence technology (including human-robot interface) to execute a particular operation. A MFR have the advantage of executing multiple operations through the use of multiple additional modules in one basic system. Also, continuous system maintenance and improvement is simplified due to the modularization. The development of prototype system of human-robot cooperative manipulation is connected to integrate constituent technology for MFR into human-robot cooperative control algorithm. An installation method for building materials appropriate to the developed system is suggested and a mock installation is carried out. Until now, we discuss essential technologies of human-robot cooperative manipulation. To apply human-robot cooperative manipulation at real construction sites, we must execute additional work required for application. Firstly, according to analysis of job definition and working condition, it is deduced that the conceptual design of a construction robot for installing bulk building materials. Lastly, practical arts (including robotized construction process) for applying to real construction sites should be proposed. Finally, after field test at a real construction site, productivity and safety of the developed system are compared with the existing construction equipment. In this dissertation, we discuss a real construction site to install bulk glass ceiling that is installed 15m above the ground. The purpose of this study is to develop human-robot cooperative manipulation technology to solve all kinds of problems generated by the current installation method, which depends on manpower or a low-quality construction robot for the installation of heavy and bulk building materials at construction sites. The essential technologies of human-robot cooperative manipulation are considered through the analysis of an existing installation method. The prototype’s hardware design and control algorithm development are achieved using the results of this analysis. The developed prototype system is corrected and complemented based on the results of a performance test. To apply human-robot cooperative manipulation at real construction sites, we executed additional work required for application. After application to real construction sites, evaluation on the productivity and safety of the developed system was done by comparing and analyzing with the existing installation methods. In addition, “construction robot for curtain walls installing”, “the design criterion which can improve convenience of handling through the efficient interaction between an operator and a robot” and “methodology to quantitatively evaluate the safety for curtain wall installation robot” are discussed in appendix.