1. 수행배경

1. 한 해 평균 228건의 붕괴 사고와 수십 명의 사상자. 이 참혹한 숫자는 매년 반복되고 있지만, 재난 구조 현장은 여전히 좁은 틈으로 탐침 카메라를 밀어 넣거나 중장비로 잔해를 걷어내는 전통적인 방식에 머물러 있습니다. 탐침 카메라는 진입 경로가 직선으로 제한되어 시야 확보에 한계가 뚜렷하며, 중장비를 동원한 탐색은 구조 시간이 지연될 뿐만 아니라 작업 과정 자체가 매몰자의 생명을 위협할 수 있습니다.

2. 거의 모든 붕괴 현장은 가스 배관 파손과 침수 위험을 동반합니다. 기존의 전기 모터 기반 로봇은 구동 과정에서 스파크(아크)와 열이 발생하여 폭발 및 화재의 원인이 되기도 합니다. 이를 방지하기 위해 방폭 및 방수 설계를 추가하면 로봇의 무게와 비용이 기하급수적으로 증가하게 됩니다. 우리는 이러한 치명적인 단점을 극복하기 위해 로봇의 작동 동력원으로 공압(Pneumatics)을 채택하였습니다.

3. 공압 시스템 특유의 가벼움은 사람의 접근이 어려운 원거리 재난 현장 투입 시 강력한 이점을 제공합니다. 구조대원이 직접 위험 구역에 진입할 필요 없이, 드론에 로봇을 탑재하여 신속하고 안전하게 현장에 투입할 수 있기 때문입니다. 이를 구현하기 위해 전체 시스템을 공압 제어 베이스캠프, 탐색용 뱀 로봇, 전력 및 공기를 공급하는 유선 테더와 릴 케이블로 모듈화했습니다. 아울러 이 모든 파트가 베이스캠프 내부에 콤팩트하게 수납되도록 설계하여 드론 운송의 효율성을 극대화했습니다.

2. 수행기간

3. 개발작품 설명

본 작품은 재난 현장의 극단적인 환경을 극복하기 위해 하드웨어 효율성, 제어 신뢰성, 그리고 조작자의 인지 편의성을 극대화한 ‘드론 투입형 모듈러 공압 뱀 로봇 시스템’입니다. 단순한 기능 구현을 넘어, 실제 현장 투입을 가정하여 시스템의 견고함과 실 사용 시 필요 사항들을 고려한 고도화된 엔지니어링의 결과물로, 주요 특장점은 다음과 같습니다.

1. 부품 제약을 극복한 고효율·다자유도 공압 제어

단일 에어펌프와 3방향 솔레노이드 밸브를 직렬로 묶어, 펌프 1대만으로 특정 챔버의 수축(음압)과 팽창(양압)을 모두 제어하는 독창적인 회로를 설계했습니다. 이를 통해 무거운 펌프의 수를 절반으로 줄이면서도 구동 자유도는 2배로 늘렸습니다. 또한, 정변위 펌프의 압력 갇힘 문제를 해결하기 위해 '4장면 루프'와 '외기 유입 벤트' 제어를 도입하여 시스템 과부하를 원천 차단했습니다. 더불어 조종 신호가 3초 이상 끊기면 즉시 구동을 멈추는 하트비트 페일세이프, 양/음압 동시 개방을 막는 소프트웨어 인터록 등 다중 안전장치를 겹겹이 적용했습니다. 

2. 인지 부하를 없앤 직관적인 3D 다중 센서 융합

잔해 속 매몰자 탐색의 효율을 높이기 위해 ToF 라이다, 열화상을 하나의 화면으로 융합했습니다. 라이다가 8x8 데이터로 입체 형상(거리)을 세우고, 열화상이 그 위에 32x24 해상도로 온도(색)를 덧입힙니다. 화면 내 가장 뜨거운 객체에 "38.2℃ · 0.85m"와 같은 자동 라벨링을 제공하여 직관적인 인명 탐색이 가능합니다. 뱀의 움직임은 진행파 수식을 제어 엔진에 탑재하여 모스펫 작동 매커니즘으로 완성하였습니다.

3. 결합도를 낮춘 통합 대시보드와 자동 검증 체계지상국

 대시보드는 PySide6의 DataBus 패턴을 적용하여 하드웨어 종속성 없이 독립적으로 작동하며, 스마트폰 브라우저로도 접속 가능한 웹 조종기를 내장해 편의성을 높였습니다. 이 시스템은 정교하게 계산된 구동 알고리즘과 철저히 격리된 통신/전원 계통을 바탕으로, 어떠한 악조건 속에서도 탐색이라는 본연의 임무를 끝까지 완수할 수 있도록 설계된 신뢰도 높은 재난 구조 솔루션입니다.

4. 활용방안

1. 재난 현장 1차 탐색 (초기 골든타임 확보)

 구조대원이 위험 구역에 진입하기 전, 잔해 내부를 먼저 파악하는 핵심 정찰 역할을 수행합니다. 열화상과 라이다 융합 화면을 통해 매몰자의 위치(거리)와 상태(체온)를 한눈에 파악하고, 내부 공간의 진입 가능 여부를 구조대 투입 전에 검증합니다. 릴에서 풀린 테더 길이를 측정하여 매몰자의 정확한 '침투 깊이'를 특정해 후속 굴착 지점을 안내합니다. 또한, 전력 소모 부담 없이 튜브나 마이크를 추가해 식수·산소 공급 및 양방향 교신 채널로 쉽게 확장할 수 있습니다.

2. 전기 구동 금지 구역 투입

전기 모터가 유발하는 아크나 발열이 치명적인 사고로 이어질 수 있는 특수 환경에서 타 제품과의 차별성을 보여 줍니다. 가스 누출 현장, 화학 플랜트, 탄광 등 방폭 설계가 필수적인 곳의 경우 전기 계통(베이스캠프)은 안전 구역에 두고, 순수 공압으로만 움직이는 로봇 말단부만 투입합니다. 침수 및 오염 구역의 경우 로봇 말단에 전기 접점이 없어 수몰 구역(지하 주차장, 선박 격실 등) 탐색에 유리하며, 고방사선 구역 오염 시 값비싼 로봇 전체가 아닌 말단(실리콘 챔버)만 소모품처럼 저렴하게 폐기 및 교체할 수 있습니다.

3. 산업 설비 비파괴 검사

재난 전용 장비가 가지는 낮은 가동률의 한계를 극복하고, 평상시에는 산업 현장의 점검 솔루션으로 전용 가능합니다. 직선 형태의 탐침 카메라가 들어갈 수 없는 곡관이나 노후 상하수도관, 공조 덕트에 투입되어 부식, 변형, 누수 지점을 진단할 수 있습니다.

또한 접근이 어려운 고소 배관이나 굴뚝 등에서도 드론으로 베이스캠프를 안착시킨 뒤, 뱀 로봇만 아래로 하강시켜 안전하게 내부를 점검 가능합니다.

4. 교육 및 연구용 소프트 로보틱스 플랫폼

약 100만 원 내외의 합리적인 예산으로 구축 가능하며, 대학 및 연구 기관의 교보재로 활용될 수 있습니다. 실리콘 성형부터 공압 회로 구성, 알고리즘 제어까지 한 장비에서 실습 가능하며, 하드웨어 종속성이 없는 DataBus UI와 시뮬레이션 환경을 통해 다양한 제어 알고리즘 검증 베드로 기능합니다.