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건설 관련 자동화 시스템은 시공 안정성과 생산성, 효율성 향상을 위해 세계적으로 개발되고 있다. 예를 들어 건축물 검사로봇, 배관 건설 로봇, 건설 3D프린팅, 수중건설 로봇에 이르기까지 다양한 건설 분야에서 개발되고 있다.^1-4)

특히 교량 건설은 많은 고소 작업으로 인해 작업의 안정성과 효율성 개선이 요구되나 자동화가 쉽지 않은 건설 분야이다. 일반적으로 교량은 거더와 교각으로 이루어진다. 거더는 교량의 상부 구조물을 뜻하며 교각은 교량의 하부 구조로 거더를 지지하고 교량의 하중을 하방으로 전달하는 구조물이다. 콘크리트 교각은 일반적으로 철근을 연결하고 거푸집을 설치한 후 콘크리트를 타설하여 시공한다. 한 번에 타설할 수 있는 높이는 제한적이므로 교각의 하단부터 상단까지 철근 연결, 거푸집 설치, 콘크리트 타설, 거푸집 해체, 거푸집 설치 작업을 반복하며 교각을 시공한다. 이러한 교각 시공은 고소 작업이 요구되며 작업 중 추락사고가 빈번하게 발생하고 있다.

교각 시공 작업 역시 위험성을 줄이고 공기단축 및 품질향상을 위한 자동화 시스템이 개발되고 있으며 교각 시공의 일부 작업에서 자동화가 적용되고 있다. 예를 들어 거푸집을 자동으로 해체하고 상승시키는 자동 상승 거푸집 시스템이 개발 되었으며 이 시스템은 작업자가 높은 위치에서 거푸집을 해체하고 다시 설치하는 위험한 작업을 대신한다.^5,6) 그러나 철근 구조물 연결 작업, 콘크리트 타설, 콘크리트 바이브레이팅과 같은 대부분의 교각 시공 공정을 여전히 작업자가 수행하고 있으며 이 공정들은 자동화가 쉽지 않은 작업들이다.

본 연구에서는 자동 상승 거푸집 시스템에 설치하여 철근 구조물 연결 작업, 콘크리트 타설, 콘크리트 바이브레이팅 작업을 지원할 수 있는 모바일 매니퓰레이션 시스템을 제안한다. 먼저, 교각 시공에 매니퓰레이션 시스템의 적용을 위한 시나리오를 정의한다. 그리고 시나리오를 만족하기 위한 모바일 매니퓰레이션 시스템의 설계에 대하여 기술한다. 다음으로 시스템의 제어 방법에 대해 기술하고 제안하는 시스템의 프로토타입에 대한 실험으로 가능성을 검증한다.

모바일 플랫폼은 매니퓰레이터를 고려하여 부하 중량 1톤을 극복하며 구동되어야 한다. 본 연구에서는 고하중의 모바일 매니퓰레이션 시스템을 위치 제어하기 위해 모바일 플랫폼에 적용된 모터의 최고 속도 및 가속도 사양을 고려한 위치 프로파일을 생성하였다. 식 (2)는 목표위치와 현재위치가 고려된 사다리꼴 속도 프로파일을 생성한다.

여기서 P_target은 최종 목표 위치, P_ref는 기준 위치, v_ref는 기준 속도, v_max는 최고 속도, a는 최고 가속도, Δt는 샘플링 시간, 아래첨자 (i)는 현재값, (i-1)은 이전값을 나타낸다.

위치 프로파일은 식 (3)으로 생성할 수 있다.

생성한 위치 프로파일 및 속도 프로파일을 적용한 모바일 플랫폼의 위치 제어 알고리즘은 Fig. 6과 같다. 기본적으로 속도 프로파일이 로봇의 속도 제어 입력으로 들어가고 Anti-windup이 적용된 PID 컨트롤러를 통해 위치 오차를 보상하는 구조로 제어기를 구성하였다.

Fig. 6 
Block diagram of the position control for the mobile manipulation system

교각 시공을 위한 모바일 매니퓰레이션 시스템의 프로토타입을 Fig. 7과 같이 제작하였다. 모바일 플랫폼의 제어 알고리즘 및 매니퓰레이터의 구동 소프트웨어를 PC에 탑재하여 모바일 매니퓰레이션 시스템의 제어 기능을 구현하였다. 모바일 플랫폼의 성능을 확인하기 위해 매니퓰레이터를 분리 후 1톤 부하를 결합하여 구동 실험을 수행하였다.

Fig. 7 
Prototype of the mobile manipulation system for pier construction

모바일 플랫폼 모터의 최고 속도를 3,000 RPM으로 설정하고 Fig. 8과 같이 레일 위의 두 지점에서 왕복 구동을 4회 실시하는 테스트를 수행하였다. 레일 위의 두 위치는 휠의 회전 위치로 변환되고 프로파일 생성기를 통해 부드러운 위치 궤적이 실시간으로 생성된다. Fig. 9는 실험 결과에 대한 그래프이다. 파란색 실선이 생성된 위치 궤적이고 빨간색 실선이 위치 추종 제어기에 의해 구동된 모바일 플랫폼의 실제 위치에 해당한다. 레일 위의 -25° 지점에서 25° 지점 간에 부드러운 위치 프로파일이 생성된 것을 확인할 수 있고 1톤의 중량물을 탑재했음에도 위치를 잘 추종함을 확인할 수 있다. 그리고 구동 중에 레일을 이탈하지 않고 정지 및 구동 시작 시점에도 플랫폼이 기울어지지 않는 안정성을 확인하였다.

Fig. 8 
Experiment with mobile platform control algorithm application

Fig. 9 
Experiment result (blue solid line: Desired Position, red solid line: Actual Position)

본 연구에서는 자동 상승 거푸집 시스템에 설치하여 철근 구조물 연결 작업, 콘크리트 타설, 콘크리트 바이브레이팅 작업을 지원할 수 있는 모바일 매니퓰레이션 시스템을 제안하였다. 먼저 교각 시공에 매니퓰레이션 시스템의 적용을 위한 시나리오를 정의하고 시나리오를 만족하기 위한 모바일 매니퓰레이션 시스템의 설계에 대해 기술하였다. 그리고 교각 시공 시 수반되는 고중량물에 대한 부하를 극복할 수 있는 제어 방법을 제안하였고 프로토타입을 제작하여 제어 알고리즘을 적용하였다. 1톤의 부하를 부가하여 프로토타입의 구동 테스트를 수행한 결과, 우수한 위치 추종성과 구동 안정성을 확인하였다.

향후 다중 모바일 매니퓰레이션의 협업 제어에 대해 실험할 예정이다.