https://www.youtube.com/watch?v=eV5A1HEQjms
<aside> 💡
Control of a Cart-Based Variable-Length Inverted Pendulum Security Robot Using LQR
가변길이 도립진자 카트 기반 LQR을 통한 아파트 경비로봇 제어
</aside>
최근 치안의 개념이 단순한 법집행을 넘어 범죄 예방과 안전 확보를 통한 삶의 질 향상으로 확장되고 있다. 이에 따라 지역사회가 자율적으로 치안 활동에 참여하고 협력하는 필요성이 강조되고 있으며, 치안 활동의 자동화에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 하지만 여전히 경비원들은 높은 위험과 과로에 노출되어 있으며, 이는 중요한 인권 문제로도 대두되고 있다. 특히 강도나 침입자 등 범죄자로부터 시설물을 보호하는 과정에서 경비원들이 신체적 위험에 직면할 가능성이 매우 높아, 이를 대신할 안전하고 효율적인 경비 시스템이 요구된다.
현재 상용화된 경비 로봇들은 실내형과 실외형으로 구분되어 있어, 각각의 환경에서만 사용이 가능한 한계가 있다. 그러나 우리나라 주거 환경인 아파트는 실내와 실외가 모두 존재하므로, 이를 모두 원활하게 이동하며 경비할 수 있는 형태의 로봇이 필요하다. 이러한 필요성에 따라 본 연구에서는 차륜구동과 보행로봇이 결합된 형태인 휠레그형 경비 로봇을 제어하는 방법에 대해 제안한다. 이 로봇은 차륜구동을 통해 실내에서 빠르게 움직일 수 있으며, 실외의 험지에서도 다리 구조를 활용해 안정적으로 이동할 수 있다는 장점을 가진다. 최종적으로, 경비를 진행하는 과정에서 장기간 작동하며, 다리 길이가 변화하더라도 로봇이 균형을 잃지 않고 안정적으로 움직일 수 있는 최적제어 기법인 LQR을 적용하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서 개발한 로봇은 "실내외 아파트 경비로봇"으로, 기존의 실내형 및 실외형으로 구분된 경비 로봇의 한계를 극복하고, 아파트와 같은 복합 주거 공간에서 실내외를 자유롭게 이동하며 경비 기능을 수행할 수 있도록 설계되었다. 본 로봇은 휠과 다리를 결합한 휠레그형 구조를 채택하여, 실내에서는 차륜 구동을 통해 신속한 이동이 가능하며, 실외에서는 다리 구조를 활용하여 험지를 안정적으로 주행할 수 있다. 이러한 다목적 이동 방식은 국내 주거 환경 내 다양한 지형과 상황에 대응하여 효과적인 경비 작업 수행을 가능하게 한다.
본 로봇의 안정적인 움직임을 보장하기 위해 최적제어 기법인 LQR을 적용하여 제어 시스템을 설계하였다. LQR 제어는 에너지 효율성을 최적화함으로써 로봇의 장시간 작동을 지원하며, 이를 통해 경비 로봇의 운영 시간을 연장하는 데 기여한다. 다만, 다리를 접거나 펴는 궤적 변화로 인해 무게중심이 횡방향으로 변하는 경우 모델과 실제 간의 불일치가 발생하여 제어 성능 저하의 원인이 될 수 있다. 이를 보완하기 위해 전역탐색방법을 통해 다리의 궤적을 일자로 유지하는 최적의 링크 길이를 계산하여, 제어의 안정성을 확보하였다. 이러한 설계는 다리 길이 변화에도 불구하고 제어가 안정적으로 수행될 수 있도록 하여, 실내외 다양한 환경에서 안전하고 효율적인 경비 활동을 가능하게 한다.
더 나아가, 실용화를 위해 영상 처리 및 객체 인식을 강화하는 YOLO, OpenCV, Mediapipe 등의 기술을 적용하여 로봇이 실시간으로 사람을 인식하고 장애물을 회피할 수 있도록 하였다. 이를 통해 아파트 내외부의 다양한 상황에서 즉각적인 대응과 안전한 경비 활동이 가능해졌으며, 기존의 인력 중심 경비 시스템을 보완하여 효율적이고 안전한 치안 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.