재난상황 생존자 탐색 로봇 개발

이 로봇은 붕괴 재난 현장에서 사람이 직접 진입하기 어려운 좁고 불규칙한 공간을 탐색하기 위한 재난 정찰 로봇입니다. 붕괴 현장에는 잔해와 장애물이 존재하고 바닥의 높이가 일정하지 않아 일반적인 바퀴형 로봇만으로는 안정적인 주행이 어려울 수 있습니다.

이를 위해 세 개의 바퀴형 모듈 사이에 관절부를 결합한 구조를 적용했습니다. 평탄한 구간에서는 바퀴를 이용해 주행하며, LiDAR를 통해 전방 장애물을 감지하고 좌우 공간을 비교하여 자동으로 회피합니다. 또한 ToF 센서를 이용해 전방 장애물의 높이 특성을 확인하고, 낮은 장애물의 경우 관절을 구동해 차체 자세를 변화시켜 장애물 등판을 시도하도록 개발하고 있습니다.

향후에는 탐사 중 수집한 장애물 정보를 기록·시각화하고, 음향 센서를 추가하여 사람의 목소리나 두드림과 같은 생존자 신호를 외부로 전달하는 기능까지 확장하는 것을 목표로 합니다.

이 로봇은 장애물의 형태에 따라 회피 주행과 관절을 이용한 장애물 등판을 선택적으로 수행하여 불규칙한 재난 환경에서의 이동성을 높일 수 있습니다. 특히 LiDAR와 ToF 센서를 활용함으로써 단순히 장애물을 감지하는 데 그치지 않고, 주변 공간과 장애물 특성에 따라 적절한 주행 행동을 선택할 수 있습니다.

또한 탐사 과정에서 획득한 장애물 정보를 기록하고 시각화하면 구조대가 내부 환경을 파악하는 데 활용할 수 있으며, 향후 음향 기반 생존자 신호 탐지 기능을 추가함으로써 위험 공간에 대한 사전 정찰을 지원하는 로봇으로 발전시킬 수 있습니다.

4m × 3m 이내의 공간에 붕괴 재난 현장의 좁은 통로와 잔해 장애물을 모사한 환경을 구성합니다. 로봇은 세 개의 바퀴형 모듈과 모듈 사이의 관절부로 구성되며, 평탄한 구간에서는 바퀴를 이용해 주행하고 불규칙한 환경에서는 관절을 활용해 주행 자세를 변화시키도록 설계했습니다.

전방의 2D LiDAR를 이용해 장애물의 거리와 좌·우 공간을 확인하고, 진행 경로가 막힌 경우 상대적으로 여유가 있는 방향으로 조향하여 자동 회피주행을 수행합니다. 또한 전방 ToF 센서를 통해 장애물의 높이 특성을 확인하고, 센서 시야 전체가 막히는 높은 장애물은 회피하는 반면 위쪽 공간이 열려 있는 낮은 장애물은 관절을 구동하여 차체를 들어 올리고 등판하는 방식으로 대응하고자 합니다.

관절부에는 조향을 위한 서보모터와 차체의 상하 자세를 변경하기 위한 서보모터를 적용합니다. 이를 통해 평상시에는 관절을 좌우로 움직여 진행 방향을 조절하고, 낮은 장애물을 만났을 때에는 상하 관절을 이용해 앞쪽 모듈을 들어 올린 상태에서 저속으로 전진하여 장애물 위로 올라갈 수 있도록 개발합니다.

향후에는 탐사 중 LiDAR로 획득한 장애물 정보를 저장하고 시각화하여 로봇이 주행한 환경을 확인할 수 있도록 할 계획입니다. 또한 음향 센서를 추가해 재난 공간 내부의 사람 목소리나 두드림과 같은 신호를 수집하고 외부로 전달하는 기능까지 확장하고자 합니다.

이 로봇을 개발하기 위해서는 기구 설계, 하드웨어 통합, 센서 데이터 처리, 모터·관절 제어, 자율주행 로직 구현 역량이 필요합니다.

먼저 세 개의 주행 모듈과 관절부를 제작하기 위해 3D 모델링과 3D 프린팅을 기반으로 차체와 동력전달 구조를 설계해야 합니다. 실제 제작 과정에서는 부품 간 공차, 기어 맞물림, 관절 가동범위와 같은 기구적 요소를 반복적으로 확인하고 수정하는 과정이 필요합니다.

하드웨어 측면에서는 Raspberry Pi를 중심으로 DC 모터와 모터드라이버, PCA9685 기반 서보모터, LiDAR, ToF 센서 및 전원부를 통합해야 합니다. 각 구동부의 전압과 전류 조건을 고려하고, 센서와 제어보드 간 통신이 안정적으로 유지되도록 배선과 전원 구조를 구성하는 역량이 요구됩니다.

소프트웨어 측면에서는 LiDAR 데이터를 기반으로 전방 장애물과 좌·우 여유 공간을 판단하고, 이에 따라 회피 방향을 결정하는 주행 로직을 구현합니다. 이후 ToF 센서의 거리 분포를 활용해 낮은 장애물과 높은 장애물을 구분하고, 높은 장애물은 회피하고 낮은 장애물은 관절을 이용해 등판하도록 행동을 선택하는 제어 로직으로 확장할 계획입니다.

따라서 이 프로젝트는 단순한 원격 주행 로봇 제작이 아니라, 실제 센서 정보를 기반으로 환경을 판단하고 상황에 따라 주행 행동을 변경하는 로봇 시스템을 구현하는 과정이라고 볼 수 있습니다.

이번 프로젝트는 정해진 형태의 로봇을 제작하는 것이 아니라, 팀이 직접 문제 환경을 정의하고 이를 해결할 수 있는 구조와 기능을 반복적으로 설계한다는 점에서 의미가 크다고 생각합니다. 저희 팀은 붕괴 재난 현장의 좁고 불규칙한 공간을 문제 상황으로 설정하고, 일반적인 바퀴형 로봇보다 다양한 지형에 대응할 수 있는 탐사 로봇을 개발하고자 했습니다.

초기에는 험지 주행에 적합한 SAW 형태와 무한궤도 구조를 검토했지만, 실제 제작 과정에서 조립성과 기어 맞물림, 동력전달 구조의 한계를 확인했습니다. 이에 기존 설계를 그대로 유지하기보다 구현 가능성과 주행 안정성을 고려하여 바퀴형 모듈과 관절부를 결합한 구조로 설계를 변경했습니다. 이를 통해 바퀴형 구조의 단순한 구동 방식은 유지하면서도 관절을 이용해 불규칙한 환경에 대응할 수 있도록 했습니다.

또한 단순히 장애물을 감지하는 것에 그치지 않고, LiDAR와 ToF 센서를 활용해 장애물의 형태와 주변 공간을 판단하고 회피할지, 관절을 이용해 올라갈지를 로봇이 선택하도록 하는 것을 목표로 하고 있습니다.

제작 과정에서는 기구 설계 변경, 모터 및 서보 제어, 센서 통신 문제 등 여러 시행착오가 발생했지만, 이러한 문제를 하나씩 확인하고 수정하면서 실제 로봇의 완성도를 높여가고 있습니다. 본선까지 반복적인 주행 실험과 기능 개선을 통해 좁고 불규칙한 재난 환경에서 안정적으로 탐사할 수 있는 로봇을 구현하고자 합니다.