2차 세계대전에서 미국 해군 공병단(See Bees)이 간이 활주로 공사에 활용하기 위해 처음 불도저를 개발한 이래 건설현장의 토공작업을 위한 장비들은 전 세계적으로 지속적인 발전을 거듭해 왔다. 그러나 이러한 토공장비들의 기술적 향상에도 불구하고 숙련 조종사 양성 및 조종사 개인능력에 따른 작업품질 균일성 확보, 건설현장에서 발생하는 안전사고 및 숙련 조종사의 임금 향상에서 기인하는 채산성 악화 등 여러 가지 문제가 지속적으로 제기되고 있는 실정이다. 이를 개선하기 위해 세계적인 건설기계 제조업체들이 다양한 IT 기술과 융합되는 토공기계들을 개발하고 있으나 기존 장비의 성능 개선에만 초점이 맞춰져 있으며, 이러한 성능 개선 역시 조종사의 개인능력에 따라 좌우되는 상황을 개선하거나 혹은 험한 지형에 대한 작업 시 안전관리 차원에서 능동적으로 대처할 수 있는 방안 등에 대한 기술개발은 아직까지 이루어지지 못한 실정이다..
다행히도 국내의 경우 IT기술의 비약적인 발전으로 인해 다른 선진국과 대비되는 국내 건설기계 제조업체의 기술경쟁력 확보가 가능해질 수 있는 토대가 마련돼 있다. 이러한 현실을 감안해 본 연구단에서는 국토부의 주도 아래 시공계획에 대한 작업정보를 굴삭장비와 실시간으로 연동시켜 품질 및 생산성을 높이고 작업 안전성을 증진할 수 있는 종합적인 굴삭시스템에 대한 연구를 최근 수년간 꾸준히 수행해 왔으며, 마침내 세계 최초로 자율작업이 가능한 지능형 굴삭시스템의 완성을 눈앞에 두고 있다.
자율작업이 가능한 지능형 굴삭시스템은 건설현장의 지능형 로봇이라 말할 수 있다. 기존 굴삭기는 전문적이고 숙련된 조종자가 필요했지만, 이제는 무선 원격 컨트롤 스테이션에서 원격 조종이 가능할 뿐만 아니라 개발이 완료되는 2011년에는 사람의 도움 없이 굴삭기 단독으로 자율작업이 가능한 지능형 굴삭시스템을 운영하는 시대가 국내 기술진에 의해 개발돼 실용화되는 시대가 도래할 것이다. 이러한 지능형 굴삭시스템의 개발은 뜨거운 열사의 나라 사막에서도, 혹한과 싸우는 극지의 동토에서도, 사람의 손이 미치지 않는 작업환경에서도 굴삭작업을 가능하게 해 건설산업의 생산성 증대는 물론 안전성을 크게 높여줄 것으로 기대된다.
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현장 시공 계획 시 굴삭기의 작업량을 실시간으로 파악해 진도관리를 실시함으로써, 굴삭기 투입에 따른 시공계획을 최적화할 수 있고 무인 굴삭기를 활용해 최소 투입 인력으로 24시간 365일 작업이 가능하기 때문에 공사현장의 투입 인력 및 장비를 능동적으로 조정, 공사계획을 효율적으로 운영할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 숙련된 조종자의 경험을 지능화해 이를 바탕으로 하는 자율 작업이 가능한 굴삭시스템을 개발함으로써 공사현장의 작업품질을 균일하게 유지시켜 결과적으로는 공사의 원가 절감 및 공사기간 단축에도 획기적으로 기여할 수 있는 연구결과 도출에 노력 중이다.
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①지능형 TPS(Task Planning System) 개발 및 응용(1세부 과제.
레이저스캐너를 활용한 3D 작업환경 모델링 시스템, 토공작업 프로세스 모델링, 스테레오 비전을 활용해 굴삭기의 작업량을 실시간으로 파악할 수 있는 로컬영역 3D 모델링을 통한 공간정보 인식기술을 포함해 지능형 굴삭시스템의 성능평가 모델 및 PMIS와 연계되는 시공관리 모듈을 개발하는 것이 1세부 과제의 연구목표다.
②작업환경인식 기반의 지능형 제어기술 개발(2세부 과제).
굴삭 최적 경로 생성과 지반특성 모델링 기술, 힘반향 기술을 활용해 자율작업용 통합 제어시스템을 개발하는 것이 2세부 과제의 목표로, 이를 통해 굴삭기가 지능형 로봇화돼 자율제어가 가능해질 수 있는 실용화 시스템 개발과 관련된 연구를 수행 중이다.
③작업특성을 고려한 지능형 굴삭시스템 개발 및 시스템 통합(3세부 과제.
전자비례 유압시스템 개발과 굴삭로봇 모델링 및 시뮬레이션을 실시해 개발기간 및 비용을 단축하고, 굴삭로봇 H/W와 S/W가 통합된 기술을 개발하는 것이 3세부 과제의 목표로 현재의 아날로그 기반의 굴삭기를 디지털화해 개발 완료 시 상용화가 가능한 굴삭시스템 개발을 목표로 하고 있다.
이러한 각 세부 과제들의 연구성과물이 결합돼 다음과 같은 두 가지 관점으로 구성돼 작업할 수 있는 지능형 굴삭시스템 완성이 가능하게 된다..
첫째, 작업자의 두뇌에 해당하는 TPS, 즉 지능형 작업계획 시스템이라는 프로그램으로 이것은 이미 개발된 원격 컨트롤스테이션에 부착돼 있다..
지능형 작업계획 시스템은 작업현장 전체의 디지털 지형정보를 우선적으로 필요로 한다. 3D 지형정보의 획득은 우선 3D 레이저스캐너가 장착된 이동식 3D 이미징시스템을 이용해 작업현장 주위를 여러 방향에서 스캔하고, 현장에 배치된 구형 타깃을 기준으로 다수의 지형정보를 하나의 파일로 자동 조합하는 글로벌 모델링 과정을 거치게 된다.
이러한 과정을 통해 생성된 지형정보에 대해, 토공 숙련자의 수많은 경험적 지식과 논리적・기하학적 알고리즘이 융합돼 지능형 작업계획 시스템에 의한 굴삭작업 계획이 생성된다. 작업용 굴삭기의 제원에 최적으로 부합되도록 전체 지형을 일정한 규격의 높이로 나누고, 각각의 층에 순서를 부여한다. 층마다 지형의 형상 및 모양, 주변상황 등을 고려해 가장 효율적인 루트를 생성하고, 순서를 부여하게 되면 굴삭 시 버킷이 들어갈 영역의 크기와 순서가 자동으로 산출된다. 이렇게 작업계획이 생성된 지형정보는 굴삭기 앞 지형정보를 촬영하는 로컬 모델링 과정을 통해 취득한 지형정보와 DGPS의 절대 좌표점을 기준으로 병합돼 월드모델, 즉 전체 지형정보로 계속 업데이트된다..
또한 작업이 이루어짐에 따라 절토되는 토사의 양이 PMIS로 전송돼 계획된 작업의 양과 현재 작업량을 비교함으로써 계획한 공정 및 작업량을 알맞게 조정해 지능적 굴삭작업을 가능하게 한다. 그리고 원격 컨트롤 스테이션에 장착된 직감형 조이스틱 장치는 TPS와 공조하여 작업자가 현장에서 작업하는 듯한 느낌을 줘 원하는 작업을 수행하는 데 많은 도움을 줄 수 있게 된다.
두번째, 지능형 굴삭시스템의 인공지능로봇에 해당하는 8개의 첨단장비를 장착한 지능형 굴삭기가 있다. 이 지능형 굴삭기에는 지능형 굴삭기의 뇌에 해당하는 장치로 굴삭기의 3차원 자세 인식 등 굴삭기의 모든 상태를 실시간 파악해 전달해주는 통합센서 모듈, 굴삭기 앞의 지형변화를 감지하기 위한 스테레오 카메라, 굴삭기의 현재위치를 알게 해주는 DGPS 수신장치, 굴삭기의 붐, 암, 버킷의 미세한 동작도 측정 가능하게 하는 변위측정 센서가 내장되어 있는 유압 실린더, 굴삭기 상부 탑의 회전을 감시하고 제어하게 해주는 선회각도 측정센서, 굴삭기의 심장역할을 하는 전자펌프 및 밸브, 굴삭기 주변 360도의 장애물 탐지와 상차트럭의 인식을 위한 회전형 레이저센서, 마지막으로 작업장 내 충돌 방지를 위한 안전감지 센서를 포함한다.
TPS를 기반으로 하는 지능형 굴삭시스템 개발은 본 과제의 최종 목표인 무인 자동화 굴삭기의 개발 이외에도 TPS 상에서 제어할 수 있는 모든 건설기계들로 하여금 그 기술개발 및 실용화가 이루어질 수 있는, 건설산업의 첨단화를 추구하는 매우 중요한 연구다.
본 연구를 통해 건설현장의 작업환경과 경제적 가치를 획기적으로 변화할 수 있다. 먼저 첨단 건설기술 개발을 통한 능동적 시장 개척이 가능해질 수 있다. 즉 작업환경에 있어 센싱 및 모델링 시스템, 굴삭시공 데이터 관리시스템, 가상현실 기반 작업계획 시스템이 통합된 지능형 TPS의 해외시장 진출을 발판으로, 무인 자율작업 시스템을 활용한 극한지・극서지 건설사업 등 미개척 시장을 개척해 국가경쟁력을 강화할 수 있을 것이다. 국내 건설, IT 관련 전문가 및 기계분야 전문가 등 다른 학문 간의 합동연구를 수행함으로써 건설산업을 시장으로 하는 IT산업 및 첨단융합 로봇산업의 활성화를 통해 고부가가치를 창출할 수 있다. 또한 첨단 지능형 굴삭시스템의 개발은 대형 국책사업에서 관련 부분에 대한 사업비 절감 및 안전사고의 근원적 위험요소들을 제거하고 작업품질의 향상으로 나타나 건설 자동화 장비의 개발 및 투자가 미흡한 국내 건설산업에 기술개발 의욕을 고취시킴은 물론 급변하는 해외 건설시장에 능동적으로 대처할 수 있는 동기를 부여함으로써 해외 건설사업에 대한 새로운 시장을 개척하여 궁극적으로는 국가발전의 일익을 담당하게 될 것이다. 이러한 대형 국가 R&D 사업을 주도하는 국토부 역시 노동집약적 산업이라는 인식이 강했던 건설산업을 첨단화하기 위한 노력을 경주하고 있으며, 이러한 노력이 결실을 맺는 2012년, 자율작업이 가능한 지능형 굴삭시스템이 세계 최초로 국내 기술진의 힘으로 개발돼 세계 곳곳의 건설작업현장을 누비게 될 것이다.
장준현 연구단.
공동기획:한국건설교통기술평가원, 건설경.
