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[월간로봇]수중건설로봇의 세계이계홍(공학박사, 한국로봇융합연구원 수중로봇연구센터장)
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승인 2014.08.12  00:10:33
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1. 수중건설로봇이란

수중건설로봇이란 이름 그대로 깊은 수심의 위험한 작업환경에서 인간을 대신하여 다양한 건설작업 임무를 수행하는 로봇을 뜻한다.
일찍 6,70년대부터 지구표면의 70%를 차지하는 바다의 지층에 매장된 풍부한 석유 및 가스 자원 개발을 위하여 해양 시추장비 및 이에 필요한 다양한 해상 및 해저 지원시스템 건설작업이 시작되었다. 또한 이때 첫 상용화 수중로봇(ROV: Remotely Operated Vehicle, 원격무인잠수정)이 등장하여 시추현장에서 유지보수를 비롯한 다양한 수중 작업에 투입되기 시작하였다.

▲ 해저 원유 및 가스 시추장비 유지보수 현장에 투입된 원격무인잠수정.

최근 들어, 지구 온난화의 주범으로 이산화탄소가 지목되면서 이산화탄소의 배출을 줄이기 위하여 국제에너지기구는 다음과 같은 네 가지를 제안한 바 있다. 그 첫 번째로 신재생에너지를 개발하는 것이고, 두 번째로는 원자력 에너지를 이용하는 것이고, 세 번째 방법으로는 에너지 절약 및 효율을 향상하기 위한 기술 개발이며, 그리고 마지막 네 번째는 최근 주목받고 있는 CCS(CO2 Capture and Storage, 이산화탄소 포집 및 저장)기술 개발이다. 신재생에너지 개발의 일환으로 최근 들어 해상풍력, 조력, 파력, 온도차, 해류, 염분차 등을 활용한 해양에너지에 대한 수요가 급증하고 있으며 이는 CCS, 그리고 기존에 해저 원유 및 가스 개발과 함께 본격적인 해양플랜트 산업의 붐을 일으키고 있다. 또한 이러한 해양플랜트는 기존에 천해역에서 점차 대수심 지역으로 이동하고 있는 추세를 보이고 있으며 따라서 이러한 극한환경에서 다양한 해상 및 해저 구조물 건설현장에 투입될 수중로봇에 대한 수요도 증가하고 있다. 이러한 해양플랜트 건설현장에서 수중로봇은 수중 구조물의 설치, 조립에서부터 유지보수에 이르기까지 다양한 작업이 가능할 뿐만 아니라 플랜트와 육지를 연계하는 계통연계(전력 및 통신 케이블, 파이프라인 등) 작업에도 투입되어 다양한 케이블 및 파이프라인 매설작업을 수행할 수 있다.

▲ 다양한 해양플랜트 사례.

상기 해양플랜트 건설작업 외에도 가장 많이 활용되고 있는 작업현장은 육지와 육지(섬 포함), 그리고 대륙과 대륙을 잇는 해저 광통신 케이블, 전력 케이블, 그리고 다양한 파이프라인 매설 및 유지보수 현장이 되겠다. 초기에 이러한 케이블 및 파이프라인은 해저면에 포설하는 방식이 위주를 이뤘으나, 지난 2,30년간 급속하게 늘어난 어업활동으로부터 포설물을 보호하기 위하여 해저에 매설하도록 요구되고 있다. 이러한 해저 케이블 및 파이프라인 매설작업은 주로 쟁기(plough)와 같은 매설장비를 이용한 동시 포설 및 매설(simultaneous lay and burial) 방식을 사용하며, 최근 들어 다양한 간편하고 저렴한 포설방법이 가능해짐에 따라 포설 후 추가 매설(post lay burial) 기법을 많이 활용하고 있다. 이와 같은 추가 매설작업에 케이블 및 파이프라인 전문 매설 및 유지보수를 담당하는 수중건설로봇이 투입되며, 위에서 언급한 해양플랜트 계통연계 작업에도 활용되고 있다.

▲ 쟁기(plough)방식의 케이블 동시 포설 및 매설 작업.

그 외에도 다양한 특수 목적의 로봇들이 있다. 해저 원유 및 가스 시추를 위한 해저면 시추로봇(ROV drill), 그리고 최근 들어 다양한 항만 수중공사현장에서 인명피해를 최소화하고 또한 작업효율을 높이기 위하여 잠수부 대신에 작업현장에 투입할 건설로봇에 대한 수요가 높아지고 있다.

2. 수중건설로봇의 종류

수중건설로봇의 종류를 알아보기 전에 먼저 수중로봇의 “족보”를 잠시 살펴보도록 하자. 수중로봇은 일명 잠수정(underwater vehicle)이라고도 불리며 크게 유인잠수정과 무인잠수정 두 가지로 나뉜다. 미해군에서 보유하고 있는 Alvin 유인잠수정은 일찍 1986년에 타이타닉 잔해를 탐험한 것으로 유명하다. 자율무인잠수정과 원격무인잠수정의 가장 큰 차이점은 엄빌리칼(umbilical) 케이블이 있나 없느냐에 있다. 자율무인잠수정의 경우 이러한 케이블이 없이 수중에서 자율적으로 활동하는 반면에 원격무인잠수정은 엄빌리칼 케이블을 통하여 지원 선박에서 로봇에 전원을 직접 공급하고 또한 광통신 채널을 이용하여 사용자가 선상에서 로봇의 모든 행위를 원격조종한다. 최근 들어 많은 각광을 받고 있는 수중 글라이더는 자율무인잠수정으로 분류가 가능하며 견인식 잠수정(towed underwater vehicle)은 원격무인잠수정의 일종으로 분류할 수 있다.

▲ 수중로봇의 분류.

기존에 수중건설로봇은 원격무인잠수정에서 작업로봇으로 분류할 수 있으며 더 나아가서 로봇의 구동방식 및 작업특성에 따라 크게 유영식 작업로봇(free- swimming work-class ROV), 매설로봇(ROV trencher), 및 기타 특수목적의 작업로봇 세 가지로 나뉠 수 있다.

가) 유영식 작업로봇
이 경우 로봇이 수중에서 자유롭게 유영하기 위하여 플랫폼 자체가 중성부력을 갖도록 설계되며 엄빌리컬도 동시에 중성부력을 갖는다. 작업수심이 깊을 경우 로봇은 음성부력을 갖는 TMS(tether management system)와 함께 역시 음성부력의 테더케이블을 통하여 선상에서 작업지점 근처까지 내려오고, 이후 TMS에서 분리되어 중성부력 상태에서 주어진 작업임무를 수행한다. 작업은 주로 전방에 부착된 한 쌍의 로봇팔(manipulator)을 이용하여 수행한다.

▲ 원격무인잠수정의 운용개념.

그림 6은 미국의 FORUM Energy Technologies 그룹의 Perry Slingsby Systems사에서 제작한 XLX 작업로봇과 상응한 TMS를 보여준다. 로봇은 전방에 장착된 두 로봇팔을 이용하여 작업현장에서 필요에 따라 다양한 작업이 가능하다. 이때 사용되는 작업공구의 일부를 그림 7에서 보여준다. 여기서 극소수 작업공구들은 로봇팔 끝단에 고정되는 방식을 사용하고 나머지 대다수는 평소에 로봇 전방에 있는 거치대에 걸려 있다가 필요시 선상에 있는 사용자가 로봇팔을 이용하여 원격제어 방식으로 공구를 필요한 위치에 옮겨서 상응한 작업을 수행한다.

▲ [그림6]Perry Slingsby Systems사의 150마력 작업로봇 XLX 및 상응한 TMS.
▲ 다양한 수중 작업공구 사례.

나) 매설로봇
앞에서 언급했듯이 지난 2~30년간 작업로봇이 가장 많이 투입된 작업현장은 해저 케이블 및 파이프라인 매설현장이다. 기존에 쟁기를 이용한 동시 포설 및 매설 기법이 주를 이루는 가운데 쟁기방식으로 매설이 안 되는 해저층 구간, 그리고 쟁기방식으로 작업을 수행했지만 요구사양을 만족하지 못하는 매설구간에 대하여 추가로 매설로봇을 투입하여 매설작업을 마무리하게 된다. 매설로봇은 그 구동방식에 따라 크게 스키드방식과 트랙방식 두 가지로 구분할 수 있다. 일반적으로 30kPa이하의 연약한 해저지반에서는 스키드방식을, 그 보다 점착성이 높거나 또는 단단한 해저지형에서는 트랙기반의 구동방식을 활용한다.
매설작업은 주로 로봇 하단에 부착된 워터젯 시스템을 활용한다. 기존에 상용화된 워터젯 노즐의 구성은 크게 세 가지로 나뉠 수 있다. 다운방향의 고압력 노즐(그림 8(a)), 전진방향의 노즐(그림 8(b)), 그리고 백파이프(bagpipe) 타입(그림 8(c), 현재 그림에서는 젯팅 다리가 굽혀져 있는 모습으로 작업 시에는 유압실린더에 의하여 하단으로 뻗쳐져 수평면과 약 7~80도의 각을 이룬다)이다. 다운방향의 노즐 구성이 일반화 되어있는 가운데, 전진방향 노즐의 경우 점착성이 비교적 높은 해저면에서 효율적인 반면에 백파이프 타입은 점착성이 낮거나 모래와 같은 점성이 없는 해저층에서의 매설작업에 최적화 되어있다. 이러한 워터젯 노즐에서 분사되는 고수압 출력을 이용하여 매설로봇은 해저층을 파고 나아가서 케이블 및 파이프라인을 매설한다. 워터젯 노즐에서 분사되는 이러한 고수압 출력은 역으로 로봇 플랫폼에 위로 향하는 반동력을 가한다. 이러한 반동력을 효과적으로 억제하기 위하여 매설로봇은 일반적으로 음성부력(중력이 부력보다 큼)으로 설계된다.

▲ 기존에 워터젯 노즐의 일반적인 구성

매설로봇은 그 구동방식에 따라 스키드방식과 트랙방식 두 가지로 나뉜다. 스키드방식은 일반적으로 30kPa이하의 해저 연약지반에서 활용이 가능하며 또한 이를 위해서 상대적으로 작은 음성부력을 갖는다. 이에 비해 트랙기반의 매설로봇의 경우엔 점착성이 강하거나 단단한 해저지반에서 트랙을 이용하여 이동하며 따라서 스키드방식보다 큰 음성부력을 가지며, 해조류의 영향을 거의 받지 않는 반면에 전진속도가 느린 단점이 있다.
▲ ㈜케이티서브마린에서 보유하고 있는 T800 매설로봇(스키드방식).(사진 좌측), 미국의 Forum사에서 제작한 T1200 매설로봇(트랙방식)(사진 우측)

다) 기타 특수목적의 작업로봇
일반적으로 해저 원유 및 가스 시추를 위해서는 고가의 수상 시추선 또는 선박이 필요하며 이러한 시설장비는 또한 해상 기후조건의 영향을 크게 받는다. 이러한 문제점들을 극복하고자 미국의 FORUM Energy Technologies사에서는 해저면에 설치할 수 있는 시추로봇 Rovdrill을 개발하였다. 해저층에 대한 코어링 및 샘플링 기능을 갖고 있는 이 로봇은 특수한 고가의 수상 선박 또는 플랫폼의 도움이 없이 설치 및 회수가 쉽고, 또한 해저면에 위치하기에 변화무쌍한 해상 기후조건의 영향을 전혀 받지 않는다. 이 시추로봇의 또 하나의 장점은 수상선박과 관련된 일련의 작업을 최소화할 수 있으며 나아가서 이와 관련된 다양한 위험요소를 최소화할 수 있다.
▲ 미국 FORUM사의 Rovdrill(오른쪽, 왼쪽은 유영식 작업로봇임).

3. 해외 기술 현황

미국, 유렵을 선두주자로 하는 해양선진국에서는 일찍 70년대부터 수중로봇, 특히 유영식 작업로봇의 상용화에 주력해왔다. 그 이후 급속도로 늘어나는 어업활동으로부터 해저면에 포설된 케이블 및 파이프라인을 보호하기 위하여 매설로봇 상용화에, 그리고 최근 들어 시추로봇 등 특수 목적의 작업로봇 개발도 필요에 따라 수행되고 있다.

가) 미국
일찍 5~60년대에 미해군의 수요로 수중로봇 개발이 처음으로 시작되었다. 그 이후 6~70년대에 해저 원유 및 가스에 대한 수요 급증으로 유영식 작업로봇 개발이 주를 이뤘고, 또 그 이후에는 해저 케이블 및 파이프라인 매설수요 급증에 따라 매설로봇을 비롯한 다양한 작업로봇 개발이 이뤄졌다. 유영식 작업로봇의 대표적인 제작사로 FORUM Energy Technologies 그룹의 Perry Slingsby Systems사, Oceaneering사, FMC Technologies 그룹의 Schilling Robotics사 등이 있다. 매설로봇의 경우엔, 상기 Perry Slingsby Systems사가 영국의 SMD(Soil Machine Dynamics)사와 함께 세계적으로 가장 대표적인 두 제작업체이다. 이 업체는 또한 해저면에 설체 가능한 시추로봇 Rovdrill을 개발한 경험도 갖고 있다.

▲ 표 1] 유영식 작업로봇의 미국 제작사의 대표적인 제품 사례.
▲ 표2] FORUM Energy Technologies사의 매설로봇 제품 사례

나) 영국
영국(스코틀랜드 포함)의 경우 해양개발 관련 풍부한 인적 및 사회적 인프라로 유명하다. 특히 해저 케이블 및 파이프라인 매설장비(쟁기식 매설기 및 매설로봇)분야에서 영국의 SMD사는 미국의 FORUM 그룹의 Perry Slingsby Systems사와 함께 독보적인 위치에 있다. 매설로봇 외에도 SMD사는 다양한 중작업용 유영식 로봇을 주문 제작하고 있다.
▲ 표3] SMD사의 유영식 작업로봇 제품 사례
▲ 표4] SMD사의 매설로봇 제품 사례

다) 기타
캐나다의 ISE(International Submarine Engineering)사는 자율무인잠수정(AUV), 원격무인잠수정(ROV) 뿐만아니라 무인선박(USV, Unmanned Surface Vehicle) 및 유인잠수정을 설계/제작하며, 또한 다양한 매니퓰레이터를 포함한 작업공구 설계/제작을 수행하는 수중로봇 관련 전문업체이다. ISE사의 ROV는 크게 두 가지 제작라인을 따른다. 하나는 HYSUB 계열의 6~250마력의 작업로봇계열과, 10, 25, 및 30마력의 경작업용 Trailblazer계열의 로봇 두 가지가 있다. 프랑스의 ECA는 주로 민군관련 수중로봇을 설계/제작하며, ISE와 유사하게 AUV, ROV, USV, 그리고 다양한 보조장비를 설계/제작한다. ECA사의 작업로봇의 경우 모두 경작업용으로 유영식과 해저면에서 주행하는 궤도식 두 가지로 나뉠 수 있다.
▲ 표5] 캐나다 ISE사의 유영식 작업로봇 제품 사례
▲ 표6] 프랑스 ECA사의 유영식 작업로봇 제품 사례

4. 국내 기술개발 현황

수중 작업로봇의 경우, 국내에서 아직 체계적으로 개발된 사례가 없다. 일찍 2001년에 현재 한국해양과학기술원의 전신인 한국해양연구원 대전분원에서 6,000m급 심해용 원격무인잠수정 해미래 개발을 시작하여 2006년에 필리핀해역의 태평양에서 수심 5,775m 다이빙에 성공하였다. 또한 해조류 극복을 위한 수중 운동 메커니즘을 포함한 다양한 수중로봇 기반기술 확보를 위하여 게로봇 CR200 개발이 동 연구원에서 2010년에 시작되어 현재 본격적인 연구개발이 진행되고 있으며, 또한 심해 자원채취를 목적으로 하는 미내로가 2015년에 상용화를 목표로 현재 연구개발에 박차를 가하고 있다. 이 로봇들 중에서 미내로가 구조적 특징 면에서 트랙기반 작업로봇과 유사하지만 궁극적으로는 모두 과학탐사를 목적으로 하는 탐사로봇으로 분류가 가능하다. 그 외에 2009년에 시작되어 올해 마무리 되는 한국해양과학기술원에서 주관하는 항만 수중공사용 무인 다목적 기계화 시공장비 개발 과제의 결과물로 수중 사석고르기 장비가 개발되었다. 이 장비는 트랙기반의 중작업용 로봇으로 작업수심이 20m이고 굴삭 및 사석고르기 등 다양한 작업이 가능하다.

해미래, CR200, 미내로, 사석고르기 (사진 좌측부터)

현재 국내 수중 작업현황을 잠깐 살펴보면, 300m 이내 수심에는 대부분 잠수부가 직접 투입되고 그 이상의 대수심 현장에 투입되는 모든 장비들은 100% 해외임대 또는 임차로 볼 수 있다. 국내에서 유일하게 해저 케이블 및 파이프라인 매설장비를 다수 보유하고 있는 ㈜케이티서브마린의 경우에도 장비들은 모두 해외에서(미국의 Perry Slingsby Systems사 제품) 직접 구매한 것들이다. 이와 같이 열악한 국내 수중 건설로봇 분야의 사회적 및 산업적 인프라를 개선하고 수중시공능력 향상으로 국토해양 경쟁력을 확보하므로 해양선진국들과의 기술격차를 줄이고 나아가서 국가적 차원에서 해양자원 확보를 위하여, 2013년 9월에 해양수산부와 한국해양과학기술진흥원, 그리고 경상북도의 지원으로 수중건설로봇사업단이 발족되었다.

▲ 수중건설로봇사업단 구성도

본 미래 해양개발을 위한 수중건설로봇 개발 사업은 2013년 9월에 시작하여 2019년 8월까지 총 6년의 연구기간이 걸리며 총 사업비는 850억원으로 이 중에서 국비가 513억, 지방비가 179.7억원, 그리고 민간기업 부담금이 157.3억원이 된다. 한국해양과학기술원이 총괄기관인 사업단은 총 3개의 연구개발 핵심과제와 1개의 인프라구축 사업으로 구성된다. 세 개의 핵심과제는 각각 수중건설로봇의 공통기술을 개발하고 또한 경작업용 유영식 작업로봇을 개발하는 1핵심과제(총괄기관 선박해양플랜트연구소), 해저 케이블 및 소구경 파이프라인 매설 및 유지보수를 포함한 다양한 중작업용 ROV를 개발하는 2핵심과제(총괄기관 한국로봇융합연구원), 그리고 트랙기반으로 해저에서 암반 파쇄, 굴삭을 포함한 다양한 중작업이 가능한 건설로봇을 개발하는 3핵심과제(총괄기관 한국해양과학기술원) 이렇게 구성된다. 이 중에서 1핵심과 2핵심과제는 2014년 1월에 시작되었고, 3핵심과제는 2014년 8월에 시작될 예정이다.
세 핵심과제에 대하여 좀 더 구체적으로 언급하자면, 1핵심의 경우 연구개발의 효율을 높이기 위하여 2핵심과 3핵심에서 개발하는 중작업용 수중 건설로봇의 공통으로 되는 핵심기술들을 개발하며 이러한 기술의 성능검증 목적으로 경작업용 유영식 ROV 플랫폼을 동시에 개발한다. 2핵심의 경우에는 유영식 ROV 기반의 다양한 중작업이 가능한 건설로봇을 개발하며, 이 다양한 작업 중에서 해저 케이블 및 소구경 파이프라인 매설 및 유지보수가 가장 중요한 목표사양이 되겠다. 위에서 언급한 수중 작업로봇의 분류에서 스키드방식의 매설로봇과 유사하다고 볼 수 있다. 3핵심의 경우, 트랙기반의 중작업용 건설로봇으로 해저면에서 지층 고르기, 암반 파쇄, 굴삭 등 다양한 시공 작업이 가능한 플랫폼으로 이러한 중작업이 가능한 플랫폼 설계 및 필요한 작업툴 기술 개발이 요소기술이 되겠다.

5. 맺음말

수중건설로봇은 해양자원개발을 위한 필수적이고 또한 유일한 방법으로 관련 핵심 및 부품요소 기술 확보는 국가적 차원에서 앞으로 나날이 치열해질 국가지간의 자원 확보경쟁에서 유리한 고지를 선점하기 위한 필수적인 전략이다.
현시점에서 국내의 수중건설로봇 연구개발은 아직 개념정립 및 설계단계에 있다. 그러나 이제 2차년도의 최종적인 설계단계를 거쳐 3차년도와 4차년도에 본격적인 연구개발이 진행되면 어느 정도 가시적인 결과가 나올 것으로 예상되며, 5차년도와 6차년도에 수조 및 실해역 성능검증을 거쳐 본 사업이 종료되는 시점에는 다양한 수중건설로봇 플랫폼의 상용화 기반 기술 확보를 통하여 세계 해양개발 장비 시장에서 한국의 위상을 한 단계 격상시킬 것으로 충분히 예상된다. 또한 경작업용 작업로봇에서 중작업용 유영식 및 트랙기반의 건설로봇에 이르기까지 다양한 핵심 및 부품 요소 기술 개발을 통하여 해양개발 관련 국내의 인적 및 산업적 인프라 확장, 나아가서 새로운 일자리 창출이 기대된다.이계홍ㆍ한국로봇융합연구원 수중로봇연구센터장. 공학박사

* 본 기사는 '월간로봇' 8월호에서도 볼 수 있습니다. 모든 표기는 '월간로봇'의 규정에 따랐습니다.

조규남  ceo@irobotnews.com
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