1. 서 론
전 세계적으로 사회 환경의 변화, 기술의 고도화, 기후 변화 등에 따라 대형 및 복합 재난 사고의 발생 빈도가 지속적으로 증가하고 있다(1,2). 특히 초기 대응에 실패한 재난은 다양한 요인이 상호작용하여 대규모 피해로 이어질 가능성이 높아, 이에 대응하기 위한 신속하고 효율적인 재난 대응 기술의 필요성이 확대되고 있다(3,4).
국내외 연구진들은 복합 재난 대응을 목표로 다양한 로봇 기술을 개발하였다. 국내에서는 KAIST와 동일파텍의 Archibot, 국방과학연구소(ADD)의 허큘레스가 대표적이며, 국외에서는 미국 Vecna Robotics의 Bear, 독일 Cosem, 일본 동경소방서의 재난 대응 로봇 등이 보고되고 있다(5,6). 그러나 기존 로봇들은 정찰, 화재 진압, 인명 후송 등 단일 목적 임무 수행에 한정되어 있으며, 고온⋅유해가스⋅낙하물 등 복합 재난 환경에서의 안정적 운용에는 한계가 존재한다(7,8).
위와 같은 한계를 극복하기 위해 최근 진행되고 있는 복합 재난 대응 로봇 연구는 단일 임무 중심에서 주행⋅조작⋅인지 기능을 통합한 복합 임무 수행형 플랫폼으로 확장되고 있다. 그럼에도 불구하고 현장 운용의 핵심인 다중 제어자 간 제어권 관리와 운용 안정성을 통합적으로 다룬 사례는 제한적이며, 이는 현장에서 제어 충돌⋅응답 지연⋅운용 비연속성 등으로 인한 위험요소로 이어질 수 있다. 따라서, 이러한 한계를 극복하기 위해서는 복합 재난 환경에서도 제어 전환의 안정성과 운용 신뢰성을 보장할 수 있는 통합 운용 체계가 요구된다.
본 연구는 선행 단계에서 개발된 장갑형 재난 안전 로봇 플랫폼을 기반으로, 복합 재난 환경에서의 운용 효율성과 안전성을 향상시키기 위한 응급상황 교차 제어 기법 및 통합 운용 시스템(IOS)을 개발하는 것을 목표로 한다.
교차 제어 기법은 로봇의 제어권을 탑승자와 원격 조작자 간에 안전하게 전환⋅복귀시키는 제어 논리로, 긴급 상황에서도 충돌이나 지연 없이 제어 주체를 자동 전환할 수 있도록 설계된 시스템이다.
재난 대응용 장갑형 로봇은 크롤러 기반 구동부, 유압 매니퓰레이터, 방수포 전개 시스템 등 다기능 모듈을 결합하여 다양한 작업을 수행할 수 있도록 설계되었다. 선행 연구에서는 유압 매니퓰레이터의 원격⋅탑승 제어 개념이 제시되어, 모듈 단위의 운용 가능성이 검증된 바 있다(9,10).
본 연구에서는, 기존 사용자 중심의 수동 원격⋅탑승 제어의 한계를 극복하기 위해 통합 제어⋅모니터링 컴퓨터(ICMC)를 중심으로 차량 제어 모듈과 유압 팔 제어 모듈 등 내부 서브 시스템을 통합 제어하는 IOS를 구성하였다. 특히 교차 제어 기법은 총 여섯 가지 제어 모드로 구성되어, 재난 현장에서의 운용 유연성과 안전성을 동시에 확보하도록 구현하였다. 제안된 시스템과 교차 제어 기법의 성능은 시나리오 기반 실험을 통해 검증하였다. 장갑형 재난 대응 로봇 플랫폼에 IOS를 적용한 결과, 복합 작업 환경에서 안정적인 동작을 유지하였으며, 긴급 전환 및 복귀 과정에서도 제어 충돌 없이 정상 운용이 가능함을 확인하였다. 또한, 기존의 수동 제어권 전환 방식과 비교하여 제안된 자동 교차 제어 기법은 모드 전환 시간을 획기적으로 단축하여 현장 적용 가능성을 높였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 장갑형 재난 대응 로봇의 구조와 주요 모듈을 설명하고, 3장에서는 응급상황 교차 제어 기법의 설계와 로직을 기술한다. 4장에서는 IOS의 설계와 구현을 다루고, 5장에서는 시나리오 기반 실험 결과를 논한다. 마지막으로 6장에서 결론을 제시한다.
2. 장갑형 로봇의 구조
앞서 서론에서 언급한 복합 재난 대응 로봇의 연구 흐름과 한계를 바탕으로, 본 장에서는 본 연구에 적용된 장갑형 재난 대응 로봇의 구조와 구성 모듈을 기술한다. 복합 재난 상황에서는 붕괴, 고온, 화재, 유독가스 유출 등이 동시에 발생할 수 있다. 이러한 환경에서는 인간의 직접 접근이 어렵기 때문에, 고열⋅충격⋅유독가스를 모두 견딜 수 있는 고내구성 플랫폼이 요구된다. 장갑형 로봇은 이러한 극한 환경에서 탑승자를 외부 위험으로부터 보호하고, 화재 진압 및 장애물 제거 등 고하중 임무를 수행하기 위한 구조적 안정성과 보호 성능을 갖춘 형태를 갖추고 있다.
본 연구에서 사용한 장갑형 로봇의 외형 구조는 Figure 1과 같다. 재난 현장의 비정형 지형을 안정적으로 주행하기 위해 크롤러(crawler) 구동 방식을 적용하였다. 크롤러 구동 방식은 궤도를 통해 구동하기 때문에 바퀴형 대비 지면 접지력이 높고, 장애물 통과 및 진입 안정성이 우수하다는 장점이 있다. 차량 본체는 내열, 방수, 내충격 기능을 갖춘 장갑형 차체(armored type vehicle body)로 구성하였다. 또한, 화재 진압을 위한 방수포(water cannon)와 장애물 절단 및 제거를 위한 유압 매니퓰레이터(hydraulic arm)를 탑재하였다. 유압 방식의 매니퓰레이터는 전기 모터 기반의 매니퓰레이터에 비해 무거운 물체를 다룰 수 있고, 충격이거나 파쇄 작업에 유리하다.
Figure 2는 장갑형 로봇 내부에 탑재된 주요 모듈의 구성을 나타내었다. 로봇은 탑승자를 위한 자동 개폐 장치(automatic door opener)와 실외 유해 환경으로부터 내부를 보호하는 실내 양압 장치(positive pressure device), 조작자가 로봇의 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 모니터링 디스플레이(monitoring monitor) 등 다수의 모듈로 구성되어 있다. 이러한 구성은 장갑형 로봇이 단순 원격 조종형 플랫폼이 아니라, 실제 인력이 탑승하여 재난 현장에 직접 대응할 수 있는 구조를 가짐을 보여준다.
본 연구에서는 이러한 다중 모듈을 통합 운용 시스템(IOS)을 기반으로 통합하였으며, 중앙 제어기인 통합 제어⋅모니터링 컴퓨터(ICMC)를 통해 각 모듈의 상태를 관리하고 제어한다. 또한, IOS 내에 구현된 응급상황 교차 제어 기능을 통해, 응급상황 시 제어권을 안전하게 전환하고 복귀할 수 있도록 하였다.
위와 같은 시스템 구성은 단순히 재난 대응을 위한 제어 통합에 그치지 않고, 향후 자율형 복합 임무 수행을 위한 기술적 확장성을 고려하여 설계되었다. 즉, 재난 대응 효율성과 안전성 확보를 기본으로 하면서도, 장기적으로 자율주행⋅협조 제어⋅다목적 임무 수행으로의 확장을 염두에 둔 것이다. 이러한 설계 방향은 다음 세 가지 핵심 구조로 구체화 된다.
첫째, 내열⋅방수형 차체와 크롤러 구동부는 고온⋅낙하⋅유해가스 등 복합 환경에서도 장시간 안정 운용이 가능하도록 설계되었다.
둘째, 유압 매니퓰레이터와 방수포 시스템은 인터페이스 표준화를 통해 향후 탐사⋅구조⋅운반 등 다양한 모듈로 교체⋅확장 가능한 공통 플랫폼 구조로 설계되었다.
셋째, IOS 기반의 계층형 통신망은 향후 자율주행⋅다중 로봇 협조 제어 및 원격 통합 관제 시스템으로의 발전을 고려하여 구성되었다.
결과적으로, 본 장에서 제시한 장갑형 로봇의 구조는 재난 대응 현장에서의 즉각적 실용성은 물론, 다중 임무 수행을 위한 장기적 기술 진화 가능성까지 고려한 구조적 안정성과 운용 완성도를 갖추었다.
3. 응급상황 교차 제어 기법
복합 재난 대응 현장에서는 탑승자(현장 인원)와 원격 조작자(통제실) 간의 제어권이 수시로 교차되며, 상황에 따라 제어 주체의 즉각적인 전환이 요구된다. 그러나 기존 장갑형 로봇의 제어 시스템은 응급상황에서의 우선 제어권 이양 및 복귀 절차가 명확히 정의되어 있지 않아, 운용 중 충돌이나 응답 지연이 발생할 가능성이 있었다. 이러한 한계를 해결하기 위하여, 이 논문에서는 응급상황에서도 안정적인 제어 전환이 가능한 응급상황 교차 제어 기법을 제시한다. 제안된 기법은 선행 연구에서 구축된 ROS 기반 교차 제어 프레임워크를 기반으로 확장하여 구현하였다. 선행 연구에서는 publish-subscribe 구조의 ROS 환경을 이용하여, 외부 통합 관제 시스템과 내부 탑승 제어 시스템 간의 통신 구조를 확립하였으며(11), 수신된 신호 조합에 따라 local, forced local, remote, forced remote의 4가지 기본 제어 모드를 정의하였다.
본 연구에서는 응급상황에서의 제어권 자동 전환 및 복귀 절차를 지원하는 두 개의 신규 모드인 긴급 원격 모드(emergency remote mode) 및 복귀 모드(return mode, to pre-emergency remote)를 추가함으로써 기존 제어 체계를 확장하였다. 긴급 원격 모드는 원격 조작자가 연속 신호를 전송하는 동안 탑승 운전자가 일정 시간 내에 응답하지 않을 경우 자동으로 활성화되며, 이때 제어권은 원격 조작자에게 이양된다. 이후 탑승 운전자가 신호를 재전송하면, 시스템은 복귀 절차를 거쳐 이전 운용 상태로 자동 복원된다. 또한 제어권 교차는 로봇이 정지된 상태에서만 수행되도록 설계하여, 전환 과정에서 발생할 수 있는 예기치 못한 기계적 충돌이나 안전사고를 근본적으로 차단하였다. 결과적으로 제안된 제어 체계는 총 6개 모드(local, forced local, remote, forced remote, emergency remote, return mode)로 구성되며, 다양한 재난 환경에서 운용 유연성과 제어 안정성을 동시에 확보할 수 있다.
Figure 3은 제안된 교차 제어 기법이 적용된 통합 운용 시스템(IOS)의 통신 구조를, Figure 4는 원격 및 탑승 제어 상황에서 발생할 수 있는 신호 충돌 처리 과정을 도식화하였다. 또한 Table 1은 각 시스템 간 신호 조합에 따른 제어 모드 및 조종권자 관계를 정리한 것이다.
Table 1
Method for Cross-Driving Between Remote and Onboard Modes
제안된 응급상황 교차 제어 기법은 4장에서 제시하는 IOS에 적용되어, 시나리오 기반 실험을 통해 기능적 안정성과 운용 효율성을 검증하였다.
4. 통합 운용 시스템 설계 및 구현
이 장에서는 장갑형 로봇의 통합 운용 시스템(integrated operation system, IOS)에 3장에서 제안한 교차 제어 기법의 적용 방법을 제안한다. 제안된 시스템은 다중 모듈의 제어를 통합하고, 응급상황 교차 제어 로직이 실제 환경에서 안정적으로 작동하도록 설계하였다.
4.1 시스템 개요
통합 운용 시스템은 중앙 제어기인 통합 제어⋅모니터링 컴퓨터(integrated control monitoring computer, ICMC)를 중심으로, 차량 제어 모듈(vehicle control module), 유압 팔 제어 모듈(hydraulic arm control module), 그리고 원격 운용 컴퓨터(remote operation computer)가 계층적으로 연결되는 구조를 가진다.
ICMC는 모든 모듈과의 데이터 송⋅수신을 관리하며, ROS 기반의 publish-subscribe 구조를 통해 실시간 제어 명령과 피드백 신호를 교환한다. 이러한 통합 구조를 통해 각 모듈 간 동작이 동기화되며, 제어권 교차 시에도 명령 충돌이 발생하지 않도록 설계되었다. Figure 5는 장갑형 로봇의 IOS의 전체 구성을 도식화하였다.
4.2 교차 제어 기법의 적용
제안된 응급상황 교차 제어 기법은 통합 운용 소프트웨어 내 core control & monitoring service (CCMS)에서 구현되었다. CCMS는 ICMC 내부의 핵심 제어 서비스로서, 각 제어 입력(local, remote, emergency 등)을 통합 분석하여 활성 모드를 결정하고, 모든 모듈의 상태를 실시간으로 감시하며 제어 명령의 우선순위를 관리한다. CCMS를 통해 모듈 간 명령 간섭을 방지하고, 교차 제어 로직의 안정적 판별과 전환을 할 수 있다. 제어 전환 과정에서는 안전 인터록(safety interlock)을 적용하여 모듈 간 충돌을 방지하였다. 각 모듈은 CCMS로부터 동기화 신호를 수신하며, 제어권 전환이 완료될 때까지 일시 정지 상태로 유지된다. 이를 통해 운용 중에도 비상 전환이 지연 없이 수행될 수 있다. Figure 6은 교차 제어 로직이 IOS 내에 적용된 전체 소프트웨어 아키텍처를 보여준다.
4.3 데이터 흐릅 및 통신 구조
통합 운용 시스템 내 모든 데이터는 command-feedback 구조로 표준화되어 있으며, 탑승자⋅원격 조작자⋅ICMC 간 제어 신호는 ROS 메시지 기반의 topic 통신 구조를 통해 전달된다. ICMC는 각 노드 간 메시지 트래픽을 실시간으로 모니터링하며, 제어 명령과 피드백 신호가 상호 간섭되지 않도록 topic을 계층적으로 분리하였다. Figure 7은 통합 운용 시스템 내 주요 노드 간의 데이터 흐름을 도식화한 것이다. 각 노드는 주기적으로 상태 정보를 발행(publish)하며, 구독(subscribe) 노드가 해당 데이터를 수신하여 동작을 동기화한다. 특히 원격 제어 노드(remote control node)와 CCMS 간의 통신은 이중 버퍼(dual-buffer) 구조로 설계되어, 패킷 손실이 발생하더라도 즉시 복원될 수 있다.
또한, 원격 운용 컴퓨터와 ICMC 간의 상위 통신 구조는 Figure 8과 같이 설계되었다. 각 조작 인터페이스(조이스틱, 매크로 패널 등)의 입력은 ROS 프로토콜을 통해 CCMS에 전달되며, CCMS는 제어권 상태에 따라 입력 신호의 우선순위를 동적으로 재할당한다. 이를 통해 복수 입력이 동시에 발생하더라도 제어 충돌이 제거되고, 운용 중 발생 가능한 통신 지연이나 데이터 손실이 최소화된다. Table 2는 IOS의 주요 데이터 흐름과 각 노드의 역할, 그리고 처리 우선순위를 요약한 것이다.
Table 2
Role of Each Remote System SW Node
5. 통합 운용 시스템의 검증
본 연구에서 개발한 통합 운용 시스템(IOS)의 성능을 검증하기 위하여, IOS 내에 포함된 응급 상황 대응 교차 제어 기법의 성능 및 임무 시나리오 수행 및 성공 여부를 평가하였다.
5.1 응급 상황 대응 교차 제어
응급 상황 대응 교차 제어 기법의 성능을 검증하기 위해 ROS 기반 통합 제어 상태 모니터링 시스템과 장갑형 로봇을 활용하여 실험을 수행하였다. 본 실험을 통해 원격 통신이 정상적으로 작동하는지 확인하고, 입력된 데이터가 정확하게 처리되는지를 평가하였다. Figure 9는 통합 제어 상태 모니터링 시스템의 구조와 기능을 나타내었다. Figure 9(a)는 로봇의 조종 및 현재 상태를 확인할 수 있는 통합 GUI이다. 이를 통해 사용자는 실시간으로 로봇의 동작 상태를 모니터링할 수 있다. Figures 9(b)는 9(a)에서 표시된 빨간색 상자를 확대한 화면으로, 로봇의 로봇팔 및 구동부의 움직임 여부, 제어 모드를 확인할 수 있다. 이를 통해 현재 로봇의 각 모듈들이 정상적으로 작동하고 있는지를 확인할 수 있다. Figure 9(c)는 로봇 내부 시스템과의 통신 구조를 구현한 것으로, 로봇과의 실시간 데이터 송수신이 가능하며, 원격으로 로봇의 상태를 모니터링할 수 있다. 특히, Figure 9(b)에서 확인할 수 있는 system (sys)를 활용하여 로봇 시스템의 이상 여부를 감지할 수 있으며, network (net)을 통해 현재 제어권자가 누구인지 알 수 있다. Net이 빨간색인 경우, 탑승자의 제어 신호를 기반으로 로봇이 작동하는 상태이며, 초록색인 경우에는 원격 신호를 통해 장갑형 로봇이 작동하는 상태이다.
위와 같은 과정을 통해 개발된 모니터링 시스템을 기반으로 응급 상황 대응 교차 제어 기법이 정상적으로 작동되는지 검증을 수행하기 위해 장갑형 로봇을 활용한 실험을 수행하였다.
Figure 10은 긴급 원격 및 복귀 절차가 실제 로봇에서 어떻게 수행되는지를 보여준다. 실험은 탑승 모드에서 시작하여, 긴급 원격 모드로 변경하여, 차량의 도어를 닫은 후, 긴급 원격 복귀 모드로 전환하여, 전진 후 탑승 모드로 전환 되는 상황을 가정하였다. 하단의 GUI는 통합 운용 시스템의 제어 화면으로, ‘Net’ 표시(적색 = local, 청록색 = remote)가 활성 제어 모드에 따라 실시간으로 변경되었다.
Figure 10
Emergency remote mode and return to pre-emergency remote operation experiment using an armored robot.
이를 통해 제어권 이양 및 복귀 절차가 정상적으로 수행되었으며, 실험 중 모드 전환 간 충돌이나 지연이 발생하지 않고 로봇이 안정적으로 작동함을 확인하였다.
5.2 시나리오 기반 검증
장갑형 로봇의 운용 성능을 검증하기 위하여 복합 재난 상황을 가정한 시나리오 기반 평가를 수행하였다. 시나리오는 로봇의 주요 기능, 제어 모드, 통합 운용 시스템의 안정성을 동시에 점검하도록 설계하였으며, 탑승, 원격, 긴급 원격, 긴급 원격 복귀 등 네 가지 제어 모드가 단계별로 최소 1회 이상 적용되도록 구성하였다. 이를 통해 모드 전환 중 발생할 수 있는 신호 충돌 발생 여부를 직접 검증하고자 하였다. 시나리오의 절차는 다음과 같다.
Figure 11은 상기 시나리오의 수행 장면을 나타낸 것이다. 전 과정에서 탑승/원격/긴급 원격/긴급 원격 복귀의 4개 모드를 상황에 따라 전환하였으며, 방수포 분사, 유압 팔을 이용한 장애물 제거, 주행 등 모든 작업을 정상 수행하였다. 각 장면은 로봇의 주행⋅진입⋅방수⋅복귀 등 일련의 절차를 시각적으로 나타내며, 하단의 GUI는 통합 운용 시스템의 모니터링 화면으로, 모드 전환에 따라 ‘Net’ 표시와 상태 지표가 실시간으로 변경됨을 확인할 수 있다.
Figure 11
Scenario-based verification of the integrated operation system and cross-control method using the armored robot.
이와 함께, 제안된 교차 제어 기법이 실제 운용 환경에서 응답 지연과 조작 효율에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험을 추가로 수행하였다. 복수의 조작자가 수동 제어 기법과 제안된 자동 교차 제어 기법을 각각 5회씩 반복하여 소요된 시간의 평균값을 산출하였다. 각 실험은 동일한 시나리오 절차를 따랐으며, 임무 완료 시간은 로봇이 정지 후 다음 제어 모드로 전환 완료될 때까지의 총 소요시간을 기준으로 산정하였다. 기존의 수동 제어 방식에서는 제어권 이양 시 로봇 정지, 승인 요청, 제어 입력의 3단계 절차가 필요했다. 이로 인해 승인 신호 대기 및 통신 동기화 과정에서 평균 약 40 s의 지연이 발생하였으며, 긴급 원격 복귀 시에도 동일한 승인 절차로 약 40 s의 추가 지연이 발생하였다. 반면, 제안된 자동 교차 제어 기법은 CCMS 내부에서 제어 신호의 우선순위 판별, 안전 인터록 해제, 통신 동기화를 자동 수행하도록 설계되어있다. 로봇이 정지 상태에 도달하면 CCMS가 제어 주체를 자동 판별하여 즉시 제어권을 전환하고, 비상 상황에서는 신호 손실 감지 후 자동 재동기화 절차를 통해 복귀 과정을 수행하게된다. 그 결과, 수동 승인 및 동기화 과정이 제거되어 각 전환 구간에서 약 40 s의 지연이 해소되었으며, 누적 효과로 전체 임무 수행 시간이 평균 약 7 min 24 s로 단축되었다. 수동 전환 시 평균 약 10 min이 소요된 것과 비교할 때, 약 25%의 운용 시간 단축 효과가 확인되었다. 또한, 모드 전환 중 신호 충돌이나 통신 지연은 관찰되지 않았으며, 제안된 통합 운용 시스템과 응급 상황 대응 교차 제어 기법이 복합 재난 상황에서의 안정성과 효율성을 동시에 확보한다는 것을 검증하였다.
6. 결 론
본 연구에서는 복합 재난 환경에서의 효율적 운용을 위해 개발된 재난 안전 로봇을 대상으로, 여섯 가지 교차 제어 모드를 포함하는 통합 운용 시스템을 설계⋅구현하고, 시나리오 기반 평가를 통해 그 성능을 검증하였다. 본 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 제안된 시스템은 통합 제어⋅모니터링 컴퓨터를 중심으로 차량 제어 모듈과 유압 팔 제어 모듈 등 내부 서브시스템을 통합하였으며, 외부 원격 운용 컴퓨터와의 통신을 통해 원격 제어 기능을 구현하였다.
둘째, 기존의 탑승/원격 교차 제어 개념을 확장하여, 긴급 상황에서 원격 조작자가 제어권을 안전하게 이양받고, 상황 해제 시 자동 복귀가 이루어지는 긴급 원격 및 복귀 모드를 설계하였다. 이 과정에서 상호배제 논리를 적용하여 활성 제어 경로를 단일화함으로써, 조작 유연성과 운용 안전성을 동시에 확보하였다.
셋째, 개발된 통합 운용 시스템은 소방 인력 탑승-출동-화재 진압-장애물 제거-실내 진입-복귀로 구성된 시나리오 기반 실험을 통해 검증되었다. 실험 결과, 각 제어 모드 간 전환이 상황에 따라 안정적으로 수행되었으며, 방수포 분사, 유압 팔을 이용한 장애물 제거, 주행 등 모든 작업이 충돌 없이 정상 동작하였다. 특히, 제안된 교차 제어 기법은 수동 전환 방식 대비 전환 및 복귀 과정의 응답 지연을 감소시켜 전체 운용 시간을 약 25% 단축시킴을 확인하였다. 또한 모드 전환 중 제어 신호 충돌이 발생하지 않았으며, 비상 전환 및 복귀 절차에서도 시스템 연속성이 유지됨을 확인하였다.
본 연구에서 제안하는 응급 상황 교차 제어 기법은 복합 재난 환경에서 제어권 충돌과 다양한 모듈 간 간섭을 최소화하여, 재난 현장에서의 작업 효율과 대응 안전성을 실질적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
