기술동향 분석

가. 국내기술동향

□ 수중로봇산업관련 기반기술

ㅇ 현대 측량장비는 첨단광학, 전파공학, 전자공학, 통신공학 등 IT 기술의 총 집 결체이며, 측정 정밀도를 향상시키고 측량비용 절감 및 생산성을 증가시킬 수 있는 형태로 발전하고 있다. 국내 해상공사에서 탁도는 작업효율을 저하시키 는 주요 원인이 되며, 특히, 국내 서해안은 1m 앞의 물체도 인식하기 어려울 만큼 작업시야가 확보되지 않는 경우가 종종 발생한다. 탁도 문제를 해결하기 위해 초음파 센서를 사용하고 있으나, 조립작업과 같이 실시간으로 물체를 인 식해야 하는 작업에는 적합하지 않은 상황이다. 이러한 문제점을 해결하기 위 해 창원대학교 메카트로닉스 연구실에서는 2001년부터 국토해양부의 지원으 로 탁도가 높은 수중에서 투명박스를 통해 물체를 촬영하고 이를 유, 무선으 로 전송해 작업자가 운전실에서 영상을 볼 수 있는 수중 촬영장치를 개발하 였다. 수중에서 물체를 수색하거나 수중물체의 영상신호를 얻는데 있어서 작 업의 효율성과 수신감도를 확보하기 위해서 카메라에서 수면으로의 상방향을 제외한 전 방향에 대해 비디오 영상을 실시간으로 취득하고 기록하기 위한 다방향 수중 영상 취득 시스템이 개발된 바 있다.

[창원대학교에서 개발한 수중촬영장치]

[수중촬영장치로 취득한 영상자료]

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[유압자주식 굴착기]

ㅇ 현대건설에서는 실시간으로 자동화된 측위장비를 이용하여 수중에서 구조물 의 단순한 위치뿐만 아니라 배열을 현장에서 즉시 시공할 수 있도록 한 GPS 측위 시스템을 이용한 수중구조물 실시간 자동설치 시스템을 개발하였으며, 한국해양연구원에서는 침몰선박 잔존유 회수장비 개발에 수중 유압시스템을 활용한 사례가 있다(그림 15).

[침몰선박 잔존유 회수용 유압시스템]

지반 굴착기 개발 사업을 통해 육상 말뚝시공방법의 하나인 해머그랩 작업 및 굴착대상 토질변화에 따른 굴착기의 Attachment 교환과정 없이 연속으로 굴착 이 가능한 천공장치를 개발한 바 있다. 또한 친

환경적인 목적으로 유압 대신 수압을 활용하는 연구가 진행 중이며, 이는 압력이 가해진 물을 방출함으로써 동력이 전달되도록 하는 것으로 향후 수중장비에서는 수압구동시스템의 활용이 증대될 것으로 예상된다. 수압시스템의 활용범위 는 식품, 음료, 소방기기를 비롯하여 수처리 장 치나 수중기계, 로봇 등 그 적용분야와 응용성이 다양하다.

□ 구조물 자동화 시공장비(로봇)기술

ㅇ 방파제나 호안에서의 작업은 깊은 수심과 높은 파도와 같이 자연적인 제약조 건으로 인해 작업자의 안전에 많은 문제를 발생시킬 가능성이 항상 존재한다.

특히, 수중작업은 작업 중 발생하는 부유물 등에 의해서 시야확보가 어려워 잠수부의 판단에만 전적으로 의존하고 있기 때문에 정밀한 시공작업이나 전 체적인 공사의 품질 관리 및 감독이 쉽지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위 해서 창원대학교에서는 수중항만공사 기계화 시공장비에 관한 연구를 수행하 여 그 결과물로 수중 방파제 피복작업을 할 수 있는 ‘Stone Diver' 라는 장비 를 개발한 바 있다. 이 장비는 피복석의 면을 정밀하게 맞출 수 있도록 자유 자재로 운동하는 병렬기구형 유압로봇과 탁도가 높은 수중에서도 물체를 촬 영할 수 있는 수중촬영장치를 접목하여 작업자가 운전실에서 실시간으로 영 상을 보면서 로봇을 조종하여 작업을 수행할 수 있다. Stone Diver는 수중공 사 작업 중 방파제 피복작업에 국한 된 것으로, 수중정밀시공과 같은 다양한 용도에 적용하기 위해서는 정밀측정기술, 영상취득기술, 지반조사기술, 보행기 술 등에 관한 연구 및 추가 작업툴에 대한 기술적 접근이 요구된다. 해저케이 블 공사는 케이블 자체의 포설도 중요하지만 선박이나 기타 장애물로 인한 케이블 손상을 막기 위한 보호공 설치에도 많은 수중작업공정이 필요하다. 특 히, 대수심 구간에서는 잠수부에 의한 수작업보다는 무인 기계화 장비를 사용 하는 것이 요구되고 있다. 현재까지 개발된 무인장비 중에서 현장에서 실제 활용된 사례로 한국해양개발공사에서 개발한 수중굴삭기를 제외하고는 거의 없는 상황이다.

[Stone Diver]

[수중작업용 유인굴삭기]

28 ㅇ 육상 시공로봇 개발은 현재 국토해양부 R&D 과제로서 ‘지능형 굴삭시스템 개 발’ 과 ‘첨단 융합 건설사업’ 이라는 프로젝트가 진행 중이며, 여기에는 무인굴 삭기개발, 지능형 타워크레인, 교량유지관리로봇 등의 과제가 포함되어 있다.

지능형 굴삭 시스템 개발 과제의 핵심은 주변지형의 3차원 변화를 실시간으로 인식, 디지털 유압제어장치를 이용한 실시간 제어이며, 두산 인프라 코어와 함 께 15 Ton 규모의 중형 무인 굴삭기를 2011년까지 개발 할 예정이다. 또한 삼 성건설에서는 로봇과 인간의 협업 기술을 적용한 내외장재 시공로봇을 개발하 여 실제 공사현장에 적용함으로써, 인력절감 및 작업 안전성 확보 측면에서 좋 은 성과를 얻었다.

[KIST가 개발한 Bolting 로봇]

[지능형 굴삭시스템 개념도]

□ 해양조사 및 유지관리 응용로봇 기술

ㅇ 한국해양연구원에서는 2002년부터 2007년까지 해양연약지반의 물성자료를 용 이하게 파악하고 신뢰성있는 자료 취득을 목적으로 착저식 해양 콘관입 시험 기를 독자적으로 개발한 바 있다(그림 21). 이 시험기는 자료의 신뢰성과 시험 방법의 경제성을 확보하여 국내 해양지반 여건 및 항만 구조물 시공 현장 등 을 고려하여 수심 60m 이내, 연약지반 심도 50m 까지 시험을 수행할 수 있으 며, 조류나 파랑 등의 영향을 받지 않는 시험법도 도입하여 적용하였다.

ㅇ 이 시험기의 특징은 콘의 관입에 의한 반력을 자중으로 활용하였으며, 총중량 은 11 Ton 정도로 부가되어 있는 앵커식 기초(석션파일)의 용량까지 고려하면, 약 20 Ton의 반력을 확보할 수 있다. 0.1m 길이의 관절형 강성로드들을 자동 적으로 연결 및 분리하는 장치를 활용하여 관입로드를 자동적으로 관입시키고 인발함으로써 신속한 자료의 취득이 가능하다. 이 시험기의 핵심기술로는 신축 이 자유로우면서 강성을 확보하는 관입로드시스템, 휠드라이브 시스템, 콘의 연속관입을 위한 관절형 로드 연결 및 제거기술, 무인작업을 위한 자동센서기 술, 수밀 기술 등이 있다.

[해양 콘관입시험기]

[콘관입시험기 내부장치]

30 ㅇ 심해에서 사용되는 정밀한 로봇 기술은 장비제작에 많은 노하우가 필요하며, 전기, 전자 제어 등 고급기술이 복합적으로 적용된다. 한국해양연구원에서는 2000년도부터 심해 무인 잠수정을 개발하기 위한 많은 연구와 노력을 해왔으 며, 그 결과로 6,000m 급 무인 잠수정인 ‘해미래’와 해미래 도킹장치인 ‘해누 비’를 개발하여 해저 2,000m에서 6,000m 까지 시험운항을 성공적으로 수행하 였다. 뿐만 아니라, 1994년부터 태평양 클라리온-클리퍼톤 해역(CCFZ)의 우리 나라 심해저 광구에 분포하는 망간단괴를 포함한 해저광물자원을 취득하기 위 한 기술 개발의 일환으로 심해저 집광시스템 및 통합 채광운용기술 개발에 대 한 연구가 진행 중이다. 이 연구의 결과로 연안 해역에서 채광장비의 성능 실 증 시험이 이루어지고 있으며, 이 시험집광기와 관련기술을 적용하여 친환경 갯벌 차량 개발도 성공적으로 수행한 바 있다.

[심해용 ROV 해미래]

[ROV Launcher 해누비]

[프로토 타입의 시험집광기]

[상용화 추진 중인 시험집광기]

[수중무인굴삭기 구성도]

나. 국외기술동향

□ 수중로봇산업 관련 기반기술

ㅇ 최근 선진국을 중심으로 육상과 수중을 하나의 통신체계로 구축하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 일본에서는 RTK - GPS 를 머리 부 분에 설치한 수륙양용형 측량로봇이 개발되어 해안의 간척지에서 수중부까지를 연속적으로 이동, 측량할 수 있는 방법을 적용하여 효과 적인 측량이 이루어진 바 있다.

□ 구조물 자동화 시공장비 기술

ㅇ 일본에서 적용되고 있는 수중공사 장비의 대표적인 사례가 육상에서 널리 사 용되는 굴삭기로 현재 조종석에 잠수부가 탑승하여 조종하게 되며, 장비의 기 동은 상부에 연겱된 케이블과 무한궤도에 의해 이동한다. 이 장비는 일본 Hirabayashi 사와 Yamamoto 사에서 개발 중인 수중 무인 굴삭기로 엔진룸 대 신에 방수 센서 룸이 설치되고 그 내부에 각종 센서와 밸브 등을 갗추고 수중 의 3D 지형화면을 제공함으로써 육상에서도 원격 조종이 가능하도록 설계된 시스템이다.

[센서룸 내부의 각종 센서]

[실시간 굴삭 모니터링 시스템]

32 ㅇ 프랑스에서도 해저용 원격조정 굴삭기를 개발하여 실제 작업 현장에 투입하여 활용하고 있다. Nexans 사에서 개발한 원격조정 굴삭기인 Spider는 6개의 수 중카메라와 음파센서, 압력센서, 기압센서, 경사센서 등을 장착하고 연결 케이 블을 통해 해상과 통신하면서 원격으로 작업을 수행할 수 있다. 육상의 조종사 는 수중영상화면을 통해 100~200mm 정밀도로 굴삭기를 운전할 수 있다.

[Nexans Spider ROV]

[실시간 굴삭상황 모니터링 화면]

ㅇ 일본의 경우, 1994년에 KOMATSU 사에서 수심 30m에서 작업이 가능한 해저 보행식 수중 사석고르기 장비를 개발하여 실용화하는데 성공했으며, 이 장비는 77Ton으로 육상에서 공급되는 유압동력으로 구동된다. 4개의 수직다리를 가지 는 2쌍의 보행시스템으로 25 m/hr의 속도로 이동하면서 사석고르기 작업을 수 행하게 된다.

[해저 보행식 수중 사석 고르기 장비]