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로봇 기술의 발달로 인간과 로봇이 공존하는 시대가 열리고 있다. 인간이 착용할 수 있는 웨어러블 로봇 기기가 개발되어 신체기능을 향상시키거나 신체적 한계를 뒷받침해 주기도 한다.
웨어러블 로봇?
영화 '아이언맨' 속 아이언맨이 착용한 슈트는 로봇으로 이루어져 있다. 이 아이언맨 슈트와 같이 옷처럼 착용 가능한 로봇 기술을 ‘웨어러블 로봇(wearable robot)’이라 한다.
로봇이라고 하면 흔히 인간과 분리된 대상 개체로 생각하기 쉽다. 하지만 웨어러블 로봇은 그 가능성이 무궁무진하여 개인용뿐만 아니라 산업, 의료, 소방 등 모든 분야에서 활용되고 있다. 그리고 신체장애를 가지고 있는 사람들이 신체적 한계를 뛰어넘을 수 있도록 도와주는 웨어러블 로봇들이 발명·발전되고 있다.
웨어러블 로봇의 시초
웨어러블 로봇 개발의 처음 목적은 군사적 용도였다. 1960년대 미국 해군이 무거운 포탄이나 무기 옮기기, 장거리 행군 등 상황에 활용하기 위해 외골격 로봇을 처음 개발했다. 그 이후, 2004년 버클리대가 미국 국방부 지원으로 다리 외골격 로봇 ‘BLEEX’를 만들기도 했다. 이 시기를 웨어러블 로봇의 본격적인 개화기로 보고 있다.
웨어러블 로봇의 예시
국내 로봇 기술은 다양한 가능성을 실현하기 위해 활발하게 개발되고 있다.
많은 웨어러블 로봇 중 첫 번째는 예시로는 유압 구동식 로봇 ‘하이퍼(HYPER)’가 있다. 하이퍼는 크게 인식 부분과 파워 부분으로 나눌 수 있다. 사람이 움직이려고 하는 의도 인식 후, 인식 정보 기반으로 사람 대신 힘을 내는 과정을 거치며 작동한다. 무게를 덜어주는 근력 보강 로봇 하이퍼 착용 시 달에 있는 것처럼 무게를 3분의 1만 느끼게 되며, 시간당 6km 속도로 이동할 수 있다.
최근 하이퍼는 소형화 및 실용화로 진화하면서 국방, 레저 등 다양한 분야에서 활용 범위를 넓혀가고 있다. 더 이상 연구용이 아닌 실용적인 로봇으로 변모한 것이다. 하이퍼 기술 기본 요소로는 다자유도 외골격, 이동형 유압 구동기, 센서 시스템과 인식알고리즘 기술 등이 있다.
두 번째 예시로, ‘스텝 업(Step-Up)’이 있다. 이는 근로자의 근골격계 질환을 예방하기 위해 작업에 필요한 근력을 현장 작업 맞춤형으로 지원해주는 웨어러블 로봇이다. 이 로봇은 외골격 구조로 되어 있고 탑재된 고출력 구동기가 허리, 다리 등 특정 신체 부위에 힘이 가해질 때마다 신체가 받는 하중을 분산시킴으로써 근력을 보조한다. 의도 인식 센서 기술로 착용자 보행 의도를 정확하게 판단하고, 버추얼 토크 제어방식이 적용돼 있어 사람과 기계 간 움직임 차이를 최소화했다. 이 웨어러블 로봇 활용으로 중량물을 다룰 때 무리하게 힘쓰지 않게 되며 육체적 피로감도 덜 수 있다.
장애인을 위한 웨어러블 로봇
근로 환경에서도 유용하고 안전하게 쓰일 수 있는 웨어러블 로봇. 장애가 있는 사람들이 신체적 한계를 뛰어넘도록 도울 수 있을까?
2020년 6월 한국과학기술원(KAIST)은 하반신 마비 장애인의 보행을 도울 수 있는 웨어러블 로봇 ‘워크온슈트4’를 개발했다. 하반신 마비 장애인을 위한 웨어러블 로봇은 기존에도 있었지만, 무게가 수십 kg에 달해 사용자가 금방 피로감을 느끼고 보행 속도가 느리다는 한계가 있었다. 하지만, 이번 개발 로봇은 두 다리를 로봇이 감싸는 외골 형태로, 걷기와 계단 및 경사로 오르기 등이 가능해졌다. 보행 속도는 1분당 40m 이상으로, 이는 비장애인의 보행 속도와 맞먹는 수준이며 현재까지 개발된 보행 보조 로봇 중 가장 빠르다고 한다.
중국의 한 테크 기업은 농인의 의사소통 능력 향상에 도움을 줄 스마트 장비로 ‘수화 통역 장갑(Sign Language Translation Glove)’을 개발했다. 이는 스마트폰 앱을 실행하고 블루투스로 페어링하여 사용한다. 장갑은 제품 내부에 적용된 센서 인식으로 착용자의 수화를 인식한다. 장갑의 다섯 손가락에는 각각 양방향으로 접을 수 있는 센서가 부착되어있다. 손바닥 부분에는 관성 측정 장치(IMU)를 탑재해, 손가락 센서 움직임을 추적한다. 또, 3차원 공간에서의 움직임 및 위치도 함께 감지할 수 있다. 이 웨어러블 로봇은 착용자의 수화를 해석하여 메시지로 전환한다.
장애 웨어러블 로봇의 미래
해당 분야 특허 동향을 살펴보면, 2001년 기준으로 웨어러블 로봇 관련 특허 출원 개수가 증가하였으며, 2010년대부터는 급속도로 증가해 연도마다 40개 이상의 특허 건수를 기록하고 있다. 국가별 출원된 특허 건수 추이를 살펴볼 때, 2000년대 초반은 미국에 의해 웨어러블 로봇이 개발되었지만 근래에는 한국과 일본에서 많은 개발이 이루어지고 있다.
활발한 개발 상황 속 어느 기술이나 해결해야 할 과제는 존재한다. FGI의 결과, 개발 사례들에 대해 전문가들이 제기한 웨어러블 로봇 착용성에는 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫 번째, 소재 선택의 폭이 좁다. 강도가 높은 소재를 사용하게 되는 경우 대부분 중량 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 중량은 자연스러운 운동성이 부여되기 어렵다.
두 번째, 형태 및 치수 적합성을 확보하기에 한계가 있다. 사람마다 가지고 있는 신체 특징이 다르기에 몸에 알맞게 착용해 사용하려면 개개인 신체에 맞춘 구조를 가져야한다.
이 밖에도 아직 인간이 뛰어넘어야 할 한계점들이 존재하며 우리는 이를 해결해야 한다. 특히 가장 중요한 착용 측면에서 개개인에게 어떻게 맞춤형 웨어러블 로봇을 제공할 것인지에 관한 꾸준한 연구와 다양한 아이디어가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 로봇 기술 한계점을 넘을 수 있다면 장애가 있는 사람들이 웨어러블 로봇 활용으로 원하는 신체적 움직임을 자유롭게 할 수 있는 날이 올 것이다.
[출처]
- 김혜숙 외 4명(서울대학교 의류학과/생활과학연구소, 서울대학교 기계항공공학부/인간중심소프트로봇기술연구센터/정밀기계설계공동연구소), 「웨어러블 로봇의 기술 현황 조사 및 개발 방향 제안 연구」, 『Fashion & textile research journal = 한국의류산업학회지 v.21 no.5』, 2019.
- 최정수 외 4명, 「WalkON Suit: 하지 완전마비 장애인을 위한 웨어러블 로봇」, 『로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society v.12 no.2』, 2017.
- 서형규 외 3명(서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과), 「시선위치 추적기법 및 3차원 위치정보 획득이 가능한 사지장애인 보조용 웨어러블 로봇 시스템」, 『대한기계학회논문집A Volume 37 Issue 10』, 2013.
- 박상희 외 3명, 「초소형 웨어러블 유압시스템 개발」, 『한국기계가공학회』, 2015.04.
- "웨어러블 로봇의 활용은 어디까지?", <공학저널>, 2020.04.03.
- "한국에서도 웨어러블 로봇 상용화 시작됐다", <The Science Times>, 2021.08.17.
- "KAIST, 하반신 마비 장애인 위한 웨어러블 로봇 개발, 비장애인 속도로 걷는다", <ChosunBiz>, 2020.06.15.
- 한국로봇산업진흥원, https://www.kiria.org/portal/bizsupt/portalBsuptRoCreIntro.do
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