포스코그룹은 안전과 공정혁신을 위한 다양한 기술을 개발하고자 최선을 다하고 있습니다. 더 나은 사회를 만들어가는 포스코그룹의 우수한 신기술을 소개합니다. 이번 편에서는 굳지 않은 콘크리트 표면에 요철을 만들어주는 요철생성 로봇을 개발해 생산성을 향상하고 작업시간을 단축한 포스코이앤씨의 기술을 소개합니다.
댐, 교량, 초고층건축물 기초 등 두꺼운 콘크리트 공사는 여러 층으로 나눠서 타설합니다. 이때 콘크리트 층 사이의 결합력을 높이기 위해 덜 굳은 콘크리트 표면에 요철을 생성해야 하는데요. 사람 대신 이 작업을 하도록 개발된 로봇이 요철생성 로봇입니다.
콘크리트 요철생성 로봇은 스마트 건설 기술이 집약된 기기인데요. LiDAR 센서로 철근 배치와 구조물을 감지, 최적의 주행 경로를 설정하고 장애물을 피하는 반자율 주행 기능이 탑재돼 있으며, 초음파 센서도 함께 활용해 더욱 안정적인 주행을 할 수 있습니다. 또 요철 생성을 위한 특수 바퀴를 장착해 주행하면서 균일한 요철을 만듭니다. 사람이 작업하는 것보다 최대 85% 작업 시간을 단축할 수 있고, 균일한 요철을 만들 수 있습니다. 또 작업자가 노출된 철근에 부상을 당하는 위험 없이 안전하게 작업할 수 있죠. 이처럼 요철생성 로봇은 인력을 대체해 현장 안전을 구현하고 빠른 작업속도와 균일한 요철 생성으로 효율성과 품질을 높였습니다.
콘크리트 시공이음부에서 요철을 생성하는 이유는 전단 마찰력을 늘려서 구조적 안정성을 확보하기 위해서입니다. 전이플레이트(Transfer Plate)*처럼 수평분리타설**이 필요한 구조에서는 시공이음부가 필연적으로 생기는데요. 이때 요철이 없는 평탄한 표면보다 요철이 있는 표면이 전단강도***가 더 높아 안정적으로 결합할 수 있습니다.
*전이플레이트(Transfer Plate) : 상부 벽식 구조물에서 힘을 전이하는 판
**수평분리타설 : 두께가 두꺼운 콘크리트를 여러 제약사항으로 인해 일체로 타설하지 못하고 분리하여 타설하는 방법
***전단강도 : 구조 부재가 전단(Shear) 하중을 받을 때 견딜 수 있는 최대 응력으로써, 전단에 대한 저항력을 의미
▲고양 풍동2지구 공동주택 현장 전이슬래브 1차 타설 후 요철을 만드는 모습
기존에는 콘크리트를 타설후 일정 시간내 신속하게 작업자가 쇠스랑이나 갈퀴로 요철작업을 마쳐야 하는데, 작업속도가 느리고 균일한 품질 확보가 어려웠습니다. 무엇보다 작업자가 굳지 않은 콘크리트 위를 이동해야 하고, 특히 야간작업시 시야 확보가 어려워 안전사고 위험에 노출되어 있었습니다.
요청생성 로봇 개발의 출발점은 이런 어려움을 토로하는 현장의 목소리였습니다. 포스코이앤씨는 요철을 만들 때 철근 간격이 좁고 작업 공간이 협소해 작업이 어렵다는 점, 야간에 소수 인력이 요철을 생성해야 하는 경우가 많아 작업자들의 피로와 안전사고 위험이 높다는 점 등 다양한 현장 의견을 접수하고 요철생성 로봇 개발을 결정했습니다.
로봇 개발 방향┃실용성과 현장 적용 가능성을 최우선으로!
로봇 설계시 우선순위는 기존의 인력 수작업 방식을 대체할 수 있는 실용성과 현장 적용 가능성이었습니다. 이를 위해 로봇은 소형 로봇청소기와 유사한 형태로 제작했으며, 좁은 공간에서도 원활하게 작업할 수 있도록 크기를 최소화했습니다. 무게 역시 약 10㎏ 정도로 경량화했고, 현장에서 이동과 운반이 용이하도록 설계했습니다.
요철 생성은 기계 하중과 동력을 이용한 스탬핑(Stamping) 방식*으로 균일한 형상의 요철을 신속하게 만들 수 있도록 했습니다. 로봇은 조향 기능을 포함해 직진 외에도 자유롭게 주행할 수 있게 하고, LiDAR와 초음파 센서를 활용해 반자율 주행 기능을 탑재했습니다. 내구성 측면에서도 콘크리트 현장의 혹독한 환경을 견딜 수 있도록 설계를 보강했습니다. 특히, 로봇의 바퀴를 탈착식으로 설계해 콘크리트 오염물 제거와 유지ㆍ보수가 용이하도록 만들었습니다. 구동 모터와 조향 장치는 높은 부하 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 고사양 제품을 사용했으며, 요철 형상을 국내 건설 기준뿐만 아니라 북미, 유럽 등의 글로벌 설계 기준을 충족하도록 설계해 해외 건설 시장에서도 활용할 수 있도록 했습니다.
*스탬핑(Stamping) 방식 : 인력이 작업 시 긁는 방식(스크래칭, Scratching)을 사용하지만, 요철생성 로봇은 찍는 방식(스탬핑, Stamping)으로 요철을 생성
로봇 설계┃유지보수 쉽고 거친 환경도 견디는 고강도 구조
시공이음부 요철생성 로봇은 유지보수가 쉽고 건설 현장의 거친 환경을 견딜 수 있도록 설계했습니다. 로봇의 본체는 강철과 경량 알루미늄 합금을 주요 소재로 사용해 내구성을 확보하면서도 가볍게 제작하여 작업자는 로봇을 쉽게 운반할 수 있습니다. 특히, 콘크리트 오염물이나 부착물이 바퀴에 달라붙을 경우 쉽게 청소할 수 있도록 로봇의 바퀴를 탈착이 가능하고 쉽게 성형이 가능한 3D 프린팅으로 만들었습니다. 바퀴는 요철 형상을 생성하는 핵심 부품이므로, 마모나 오염이 발생했을 때 빠르게 교체할 수 있도록 탈착형 구조로 설계한 것입니다.
구동부는 고출력 모터와 감속기, 체인 구동 방식으로 동작합니다. 초기 설계에서는 벨트-풀리 방식*을 고려했으나, 콘크리트 작업 환경에서 벨트의 내구성이 낮아 쉽게 끊어지는 문제가 발생해, 더 강한 체인 방식으로 변경했습니다. 또 서보모터와 조향모터도 초기보다 더 높은 출력을 갖는 사양으로 업그레이드해 보다 정밀한 조향과 주행이 가능하도록 설계했습니다.
*벨트-풀리 방식 : 두 개의 구동 및 구동 부품을 벨트로 연결해 움직임과 전력을 전송하는 동력 전달 장치. 농업, 토목 기계, 스쿠터 무단 변속기 등에 사용
자체 성능 시험장 구축으로 데이터 확보, 기술적 문제 대폭 개선
로봇 개발 과정에서 가장 큰 어려움은 테스트를 통해 충분한 실험 데이터를 확보하는 일이었습니다. 요철생성 로봇의 성능을 검증하려면 실제 콘크리트 타설 후 일정 시간 내에 테스트를 진행해야 하는데, 현장 여건상 일정을 맞추기가 매우 어려웠습니다. 콘크리트는 점차 굳어가므로, 로봇을 투입하는 시점에 따라 요철 생성의 품질이 크게 달라질 수 있기 때문입니다. 포스코이앤씨는 이를 해결하고자 회사 기술연구소 부지에 자체 성능시험장을 구축했습니다. 성능시험장에 직접 콘크리트를 타설하고, 다양한 시간대에 로봇을 투입해 경화 상태에 따른 최적의 작업 시점을 분석하자 실제 현장에서 겪었던 시간적 제약을 극복하고 충분한 실험 데이터를 확보할 수 있었습니다.
초기 테스트에서는 로봇의 바퀴가 경화되지 않은 콘크리트에 너무 깊이 박히거나, 반대로 너무 얕게 찍혀 요철 생성이 제대로 되지 않는 문제가 있었는데요. 이를 해결하기 위해 바퀴의 형상을 변경하고, 로봇의 하중을 조절하는 실험을 반복해 요철 깊이를 설계 기준에 맞게 조정했습니다. 여러 기술적 문제들도 개선이 필요했습니다. 예를 들어, 초기 제품에서는 구동 모터가 하중을 견디지 못해 조향이 제대로 되지 않거나, 동력 전달 장치가 끊어지는 문제가 발생했는데요. 이 문제를 해결하고자 체인 방식으로 변경하고, 서보모터와 감속기 사양을 상향 조정하는 등 반복적인 실험과 피드백을 통해 문제를 개선해 나갔습니다. 또한, 테스트 과정에서 배터리 지속 시간, 원격 조종 범위, 장애물 회피 기능 등 다양한 요소를 검토했으며, 이를 바탕으로 로봇의 주행 안정성을 개선할 수 있었습니다.
스마트 건설 전문기업과의 협업으로 시너지 극대화
요철생성 로봇 개발은 포스코이앤씨와 ㈜아이티원의 협업이 이뤄낸 성과였습니다. 이 협업은 건설 기술과 로봇 기술의 시너지를 극대화하기 위한 방법이었는데요. 양사는 긴밀한 협업을 통해 건설 현장에서 실제로 적용 가능한 로봇을 개발하는 데 집중했습니다. 포스코이앤씨는 건설 현장의 문제점을 분석하고 로봇의 요구 성능을 정의하는 역할을 맡았으며, 아이티원은 이를 기반으로 하드웨어 및 소프트웨어 설계를 진행했습니다. 로봇 개발 과정에서 아이티원의 기술력을 바탕으로 자율 주행 기능을 강화할 수 있었고, 포스코이앤씨는 건설업계의 네트워크를 활용해 로봇의 실증 테스트와 현장 적용을 주도했습니다. 결과적으로, 두 회사 모두 로봇을 통한 스마트 건설 기술 선도라는 목표를 달성할 수 있었는데요. 양사는 추후 지속적인 기술 개발 협력도 논의 중입니다.
작업 효율성 향상ㆍ품질 개선ㆍ원가 절감 효과
시공이음부 요철생성 로봇 개발의 대표적인 성과로 작업 효율성과 품질 개선, 원가 절감을 들 수 있습니다. 기존 수작업 방식과 비교했을 때, 로봇 방식은 약 70% 이상 작업 시간을 단축할 수 있으며 보다 균일한 요철 형상을 만들어 전단 성능을 향상시켰습니다. 현장 테스트 결과, 2m×8m 영역의 요철 생성 작업은 사람이 작업할 경우 약 4분 30초가 소요되지만, 로봇은 단 1분 만에 마쳤습니다. 작업 속도가 4배 이상 향상됐고, 원가 절감 효과도 기대할 수 있습니다. 또 작업자의 직접적인 작업이 줄어들어 안전사고 발생 가능성도 낮출 수 있습니다. 기존 방식에서는 철근 간격이 좁은 구역에서 작업자의 이동이 어렵고, 경화되지 않은 콘크리트 면에서 균형을 유지하며 작업해야 하는 어려움이 있었는데요. 로봇을 활용하면 원격 조작으로 작업자가 위험한 환경에 노출되지 않고도 안정적으로 요철을 만들 수 있습니다.
긍정적인 반응 끌어낸 첫 현장 시범 적용
첫 적용은 여수 화태-백야 도로건설공사 현장이었습니다. 반복 테스트와 개선으로 완성한 요철생성 로봇의 수행 결과물을 본 현장 관계자들은 빠른 작업 속도와 균일한 요철 품질에 매우 긍정적인 반응을 보였는데요. 특히 작업자들의 피로도가 대폭 감소했다고 입을 모았습니다. 현장 관계자들은 로봇을 활용하면, 작업자의 숙련도에 따라 요철 품질이 달라지던 예전과 달리 균일한 품질이 보장된다는 점을 긍정적으로 평가하고 있으며, 대형 프로젝트나 반복 작업이 많은 현장에서는 로봇 도입이 필수적이라는 의견도 나오고 있습니다. 요철생성 로봇은 시공 품질 향상과 함께 건설 생산성 증대, 안전성 강화, 원가 절감이라는 세 가지 주요 성과를 달성했으며, 스마트 건설 기술이 실제 현장에서 어떻게 효과적으로 활용될 수 있는지를 잘 보여주는 사례입니다.
2024 스마트건설 챌린지 혁신상 수상 ㆍ CES 2025 Robotics 분야 혁신상 수상
시공이음부 요철생성 로봇은 국토교통부에서 주관하는 ‘2024 스마트건설 챌린지 혁신상’과 ‘CES 2025 Robotics 분야 혁신상(Innovation Awards)’과 같은 유수한 국내외 기술대회에서 수상하는 성과를 거두었습니다. 이러한 수상은 건설업계에서 스마트 기술이 실제로 현장 문제를 해결하는 사례로 인정받았다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 앞으로도 포스코이앤씨는 지속적인 기술 개발로 스마트 건설 분야에서 선도적인 역할을 해나갈 계획입니다.
현재 시공이음부 요철생성 로봇은 전이플레이트가 존재하는 포스코이앤씨 주상복합 현장과 인프라 공사 현장에 시범 적용 중입니다. 여수 화태-백야 도로건설공사 현장에서는 로봇을 실증 테스트한 결과, 작업 시간 단축과 품질 향상 효과가 좋을 것으로 보여 현재 로봇 1기를 상주 운영하고 있습니다. 앞으로는 공동주택 필로티(Pilotis)* 구조나 기초 구조물 시공 현장 등 다양한 건설 프로젝트에서 로봇을 활용할 계획인데요. 그중 특히 수직분리타설을 주로 적용했지만 상황에 따라 수평분리타설이 필요해진 일부 구조물에 요철생성로봇이 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대됩니다. 그뿐 아니라 포스코이앤씨의 해외 프로젝트에도 로봇 적용을 검토하고 있으며 글로벌 건설 시장에서도 활용할 수 있는 방안을 모색하고 있습니다.
*필로티(Pilotis) : 2층 이상의 건물 전체 또는 일부를 지면에 닿는 접지층에서 기둥, 내력벽 등 하중을 지지하는 구조체 이외의 외벽, 설비 등을 설치하지 않고 개방시킨 구조
포스코이앤씨는 지속적인 연구개발로 관련 기술을 더욱 발전시키고, 다양한 분야에 적용할 수 있는 방법을 검토하고 있습니다. 건설 산업에서 로봇 개발은 복잡한 현장 환경과 다양한 작업 조건, 고도의 정밀성이 필요해 기술적으로 매우 어려운 과제입니다. 기술적 혁신과 시장의 요구를 반영해 새로운 응용 분야를 모색하고, 보다 효율적이고 안전한 솔루션을 만들어갈 포스코이앤씨에 많은 관심과 응원부탁드립니다!