초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 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

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 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)

◼ 전체 내용
○ 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.

○ 세부 기술내용 및 목표
< 먹매김 자동화 로봇 기술 >
• 먹매김 공사 기존방식 대비 공법 생산성 30% 향상
• 세부목표 설정근거
- 기존의 공법은 작업자 1명이 토탈스테이션을 통해 기준을 잡고 작업자 2명이 먹을 매기는 방식으로, 먹매김 로봇은 먹줄 작업자 2명을 대체하며, 기준먹을 중심으로 거리를 측정하여 먹을 매기는 방식도 먹매김 로봇이 최단거리를 주행하는 방식으로 효율적으로 변환됨
- 이에 2명의 작업자 대체, 기준먹의 생략, 먹길이의 단축을 통해 공법의 생산성을 30% 이상 향상시키는 것을 목표로 함
< 먹매김 로봇 통합제어 플랫폼 기술 >
• 먹매김 도면 대비 마킹오차 3mm 이내 품질 달성
• 세부목표 설정근거
- 모든 로봇은 오차범위가 존재하기 때문에 오차범위를 허용시공 오차 범위 내로 줄이는 것이 품질에 있어 매우 중요한 목표임. 오차는 토탈스테이션, 로봇주행, 로봇관절, 마킹 end-effector 에서 발생하며 모든 오차를 합쳐 허용오차범위 내로 줄일 수 있도록 목표를 설정함
- 기존에 개발되고 있는 먹매김 자동화 시스템의 목표가 3mm 이내를 하고 있고 시공의 허용범위 또한 3mm 이내를 권장하기 때문에 본 연구 또한 실용성 확보를 위해 수행된 마킹오차를 3mm 이내로 달성하는 것을 목표로 함
< 먹매김 검측관리 최적화 시스템 기술 >
• 기존 검측 프로세스 대비 관리효율성 30% 향상
• 세부목표 설정근거
- 기존의 먹매김 검측은 관리자가 직접 방문하여 측정하는 방식으로, 검측관리 최적화 시스템은 검측 프로세스의 정보(진행상황, 사진, 먹선 오차범위)를 자동으로 인식하여 전송하는 시스템으로 대체하여 관리자가 이동이나 보고서 작성에 낭비하는 시간을 줄일 수 있음
- 이에 모든 먹매김 정보의 디지털화, 관리자의 비작업시간 절감, 검측프로세스 자동화를 통해 관리효율성을 30% 이상 향상시키는 것을 목표로 함

○ 연구개발 프로세스
- 연구개발은 로봇 하드웨어, 제어 소프트웨어, 검측관리 방법의 세분야로 나눠 진행하며 먹매김 공법의 프로세스를 따라 해당연구를 순차적으로 연구개발 함
< 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
< 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
< 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
< Pilot Test 단계 >
- 연구개발의 최종단계로 각 요소기술들의 Pilot Test를 진행하여 성능을 종합적으로 평가하고, 성능분석을 통해 실용화단계를 위한 시스템 개선방향을 수립함

□ 연구개발성과
○ 정성적 성과
- 먹매김 자동화 로봇 기술
‧ 골조공사 먹매김 시공 단계별 자동화 업무 및 프로세스 도출
‧ 골조공사 환경에 적합한 먹매김 시공 자동화 로봇 시제품 제작 및 성능 평가
‧ 디지털 트윈 모델 개발을 위한 로봇 객체 가상화 모형 및 로봇운영체제 구축
- 먹매김 로봇 통합제어 플랫폼 기술
‧ 도면-현장 캘리브레이션 기술 및 5mm 이내 정밀 로봇 위치파악 알고리즘 개발
‧ 먹매김 동작을 위한 좌표변환 및 마킹부 2축 제어 알고리즘 개발
‧ 장애물 인식/회피를 위한 도면 재가공 프로세스 및 경로탐색 알고리즘 개발
- 먹매김 검측관리 최적화 기술
‧ LiDAR활용 철근 피복두께 측정 및 먹수행 판단 알고리즘 개발
‧ A*알고리즘 활용 로봇 최적 이동경로 생성기술 개발
‧ RTS활용 먹검측 프로세스 및 검측프로그램 개발

○ 정량적 성과
- 국내외 학술지 논문 3편 및 학술발표논문 8편 게재
- 국내 특허출원 3건 및 PCT국제출원 1건
- 시제품 제작 4건
- 기타
: 신진연구자 채용 1건, 홍보 1건, 수상 6건, 전문 연구인력 양성 3건

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
< 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 드릴링 로봇의 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・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 로봇의 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

< 기대효과 >
○ 기술적 측면
▪ 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 기반기술 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
○ 경제적ㆍ산업적 측면
▪ 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
○ 사회적 측면
▪ 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

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1) 연구개발의 개요 ... 9
• 2) 연구개발 추진 필요성 ... 10
• 3) 연구개발과제의 최종 목표 ... 14
• 4) 연구개발과제의 연차별 목표 ... 16
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 17
• ○ 먹매김 자동화 공정 설계 및 로봇 시스템 요구성능 도출 ... 17
• ○ 먹매김 로봇 주요 모듈 설계 및 end-effector 시제품 제작 ... 22
• ○ 먹매김 로봇 시제품 제작 ... 27
• ○ Pilot test 및 성능 검증 ... 33
• ○ 도면-현장 맵핑기술 개발 ... 39
• ○ 로봇 정밀 위치 파악 기술 개발 ... 42
• ○ 먹매김 동작 알고리즘 개발 ... 43
• ○ 장애물 인식/회피 알고리즘 ... 45
• ○ 골조정보 기반 먹도면 보정기술 ... 48
• ○ 먹매김로봇 최적 이동경로 생성기술 ... 55
• ○ 마킹오차측정 알고리즘 ... 60
• ○ 먹매김 검측보고서 S/W ... 64
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 69
• 1) 연구수행 결과 ... 69
• 2) 목표 달성 수준 ... 77
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 78
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 78
• 2) 자체 보완활동 ... 78
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 78
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 79
• 6. 연구개발성과 관리 및 활용 계획 ... 80
• 1) 연구성과 총괄 ... 81
• 2) 연구개발성과의 향후 5년간(활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 83
• 별첨 참고문헌 ... 86
• 끝페이지 ... 88