교각 시공을 위한 모바일 매니퓰레이션 시스템 개발

1. 서 론

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.

2. 교각 시공용 모바일 시스템 설계

2.1 교각 시공 지원 시스템 시나리오 정의

본 연구에서 제안하는 교각 시공을 위한 모바일 매니퓰레이션 시스템의 개념도는 Fig. 1과 같다. 자동 상승 거푸집 시스템의 상단에 레일을 설치하고 그 레일을 따라 이동할 수 있는 모바일 플랫폼과 매니퓰레이터로 구성되어 있다.

Fig. 1

Concept design of robot system for pier construction

모바일 매니퓰레이션 시스템은 3세트로 구성되어 협업을 통해 교각 시공 작업을 한다. 목표로 하는 교각 시공 작업은 철근망 잡기 및 연결 작업, 커플러 압착작업, 콘크리트 바이브레이팅 작업이다.⁶⁾ Fig. 2는 제안하는 모바일 매니퓰레이션 시스템의 교각 시공을 위한 작업 절차를 보여준다. Fig. 2(a)는 철근망 잡기 및 연결 작업을 보여준다. 크레인이 철근망을 기존 설치된 철근망에 대략적으로 이동시키면 3대의 모바일 매니퓰레이션 시스템으로 철근망의 위치를 정밀하게 이동시키고 크레인이 철근망을 내려 각각의 철근들이 기존 철근망에 장착되어있는 커플러들에 안착시키는 절차로 진행된다. 다음으로 모바일 매니퓰레이션 시스템은 철근 커플러 압착기툴을 이용하여 커플러들을 압착시켜 철근망 연결을 마무리한다 (Fig. 2(b)). 그리고 설치된 철근망의 높이까지 자동 상승 거푸집 시스템을 상승시키고 상승된 거푸집에 콘크리트를 타설한다(Fig. 2(c)). 다음으로 모바일 매니퓰레이션 시스템은 콘크리트 바이브레이터 툴을 이용하여 타설된 콘크리트 내에 발생된 기포들을 제거한다(Fig. 2(d)). 콘크리트 양생 후 작업 절차를 반복하며 교각 건설을 진행한다.⁶⁾

Fig. 2

Working procedure of mobile manipulation system for pier construction

2.2 매니퓰레이터 선정

목표로 하는 교각 기둥의 지름은 2m이고 모바일 매니퓰레이션 시스템에 장착되는 툴은 최대 40 kg이다. 이러한 작업영역 및 허용하중을 만족하는 매니퓰레이터를 선정하였다. 선정된 매니퓰레이터는 Table 1과 같다. 선정된 매니퓰레이터의 워크스페이스가 교각 시공 작업 시나리오의 작업영역을 만족하는 것을 확인하고 레일의 직경과 레일이 부착되는 작업대의 크기를 결정하기 위해 Fig. 3과 같이 동작 시뮬레이션을 수행하였다. 지름 2 m의 기둥 바깥으로 두 세트의 레일을 설치하고 이동플랫폼에 해당하는 블럭 위에 매니퓰레이터를 결합하였다. 시뮬레이션을 통해 교각 시공 작업 시나리오의 철근망 잡고 연결하기, 커플러 압착, 콘크리트 바이브레이팅 작업에 대한 매니퓰레이터의 작업 영역을 확인하였다.

Table 1

Manipulators selected for pier construction

Fig. 3

Pier construction work simulation of mobile manipulation system

2.3 모바일 플랫폼 설계

모바일 매니퓰레이션 시스템은 레일에 떨어진 콘크리트나 작업 잔재물을 극복하며 이동이 가능해야하고 작업 중에 전복을 방지할 수 있는 구조로 설계되어야 한다. Fig. 4는 본 연구에서 제안하는 교각 시공을 위한 모바일 매니퓰레이션 시스템의 3D 모델이다. 모바일 플랫폼과 매니퓰레이터가 결합된 형태로 구성된다. 모바일 플랫폼은 레일에 떨어진 건축 작업 잔재물을 넘어갈 시 구동 휠이 항상 레일에 밀착될 수 있고 매니퓰레이션 작업중 무게 중심 이동에 따른 전복을 방지하는 구조로 설계하였다. Fig. 4(b)와 같이 2개의 구동 휠이 플랫폼의 가운데 위치하고 시스템이 측면 방향으로 넘어가지 않게 4개의 스프링 댐퍼가 결합된 메커니즘으로 구현하였다. Fig. 4(c)에서 모바일 매니퓰레이션의 전복 및 이탈을 방지하기 위해 레일 하단 및 측면에 설치된 보조 휠을 확인할 수 있다.

Fig. 4

3D model for the mobile manipulation system for pier construction

Fig. 5는 스프링 댐퍼 메커니즘의 개념도이다. 스프링에 의한 토크(T_spring) 및 댐퍼에 의한 토크(T_damper)는 식 (1)에 의해 구할 수 있다. 여기서 K는 스프링 계수, Δh는 스프링의 압축 변위, F_spring은 스프링력, B는 댐핑 계수이다.

$\[ \begin{array}{c}a=\sqrt{l_1^2+l_2^2}\hfill \\ b=\sqrt{l_3^2+l_4^2}\hfill \\ {\alpha }_1={\text{tan}}^{-1}\left(\frac{l_4}{l_3}\right)\hfill \\ {\alpha }_2={\text{tan}}^{-1}\left(\frac{l_2}{l_1}\right)\hfill \\ d=\sqrt{a^2+b^2-2ab\text{cos}\left(\pi -{\alpha }_1-{\alpha }_2-\theta \right)}\hfill \\ r=b\text{sin }{\text{cos}}^{-1}\left(\frac{b^2+d^2-a^2}{2bd}\right)+\left({\text{cos}}^{-1}\frac{\sqrt{d^2-f^2}}{d}\right)\hfill \\ F_{spring}=K∆h\hfill \\ T_{spring}=r•F_{spring}\hfill \\ T_{damper}=r•B\dot{d}\hfill \end{array} \]$

(1)

Fig. 5

Simple model and geometric parameters for the spring-damper mechanism

매니퓰레이션의 운동으로 관절 J₁에서 생성되는 토크에 대응하는 T_spring 및 T_damper를 발생시키기 위해, 스프링 계수 및 댐핑 계수를 식 (1)에서 도출하여 스프링 및 댐퍼를 선정하였다.

3. 교각 시공용 모바일 시스템 제어

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

4. 실 험

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)

5. 결 론

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.

Acknowledgments

이 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원이 시행하고 한국도로공사가 총괄하는 “스마트건설 기술개발 국가R&D사업(과제번호 21SMIP-A158708-02)”의 지원으로 수행하였습니다.

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