착용형 로봇의 개발현황 및 미래(上)

착용형 로봇의 개발현황 및 미래(上)
국방·의료·재활보조… 세계의 웨어러블 로봇, 다방면에서 활약!

 웨어러블 로봇은 인간과 상호작용하는 유연한 로봇으로의 패러다임 전환이 반영된 분야라 할 수 있다. 인간과 로봇의 직접적 상호작용을 통해 다양한 어플리케이션으로의 활용이 가능한 웨어러블 로봇은 실제로 재활 분야에서 산업 현장에 이르기까지 다방면으로 연구되고 있으며, 국내에서도 웨어러블을 전문으로 연구하는 기관 및 기업들이 가시적인 성과를 내고 있다. 이에 본지에서는 세계 웨어러블 로봇의 기술 동향을 살펴봤다.

 

Ⅰ. 해외기술 개발현황 - 일본
1. HAL(Hybrid Assistive Limb)
-Care Assistance

노약자 및 환자의 목욕을 돕는 가운데 허리에 무리가 가는 경우가 많아 HAL로 그 동작을 보조하고, 척추 및 허리의 하중을 줄여주고자 하는 연구가 진행됐다. 간호시설의 Caregiver 중 70~80%가 하부 요통을 겪는 것으로 알려졌는데, 목욕을 돕는 중 노약자나 환자를 욕조에 들이고 내는 일이 Caregiver의 허리에 가장 큰 무리를 준다고 한다.

HAR은 이러한 작업에 그 힘을 보조 받을 수 있는 방법을 제안했다. 평소 활동에는 이상적인 토크제어와 효율적인 동작보조를 위해 구동기의 역 구동성이 매우 중요하지만, 환자와 노약자를 두 팔로 드는 일은 그 자세를 유지하기 위해 상지 관절에 큰 힘이 필요하다.
따라서 안전하게 그 힘을 구현하기 위해 일정한 관절 각도에서 관절의 움직임을 고정해주는 메커니즘을 개발했다.
어깨의 수직방향 회전 자유도와 팔꿈치 관절 자유도는 무게를 드는데 큰 역할을 한다. 이 두 자유도가 구동기에 의해 보조되는데 보통의 상태에서 구동기의 역 구동성이 가능하도록 해 동작을 효율적으로 돕다가, 큰 무게를 들고 버텨야 하는 상황에서는 일정한 각도에서 각 관절이 고정되도록 제작했다. 관절 고정장치는 사용자의 근전도 신호가 미리 정해둔 일정 값 이상이고, 관절의 각속도가 기준 값보다 작을 때 작동해 안정적으로 큰 무게를 들 수 있도록 해준다.
이처럼 HAL의 용도가 큰 하중을 견뎌야 하는 일들로 확장되면서 구조적인 스트레스를 줄이고자 하는 자세 제어 알고리즘도 연구되었다.

HAL의 3차원 CAD모델에 유한요소해석(FEM) 시뮬레이션을 수행한 결과, 양손으로 어떤 무게를 들고 똑바로 서있는 자세를 취했을 때에 HAL의 허리 부분에 가장 큰 굽힘 스트레스가 작용함을 알아냈다. 조금씩 자세를 달리해 유한요소해석을 수행한 결과, 몸통을 뒤로 눕히면 모멘트 암이 줄어들어 허리부분에 가해지는 구조적 스트레스가 효과적으로 줄어듦을 확인했다. 이 결과를 바탕으로 가장 효과적인 자세의 관절각 값들을 기준 값으로 기억하게 된다.
HAL의 제어방식은 크게 두 가지로 나뉜다. CVC(Cybernics Voluntary Control)은 토크제어 방법으로, 사용자의 근육 활동량으로부터 관절 토크를 예측해 정해진 비율만큼 보조하거나 증폭하게 된다.

반면 CAC(Cybernics Autonomous Control)은 위치제어 방법으로 실제 관절각이 정해진 관절각에 이르도록 PD(Proportional Derivative) 되먹임 제어기로 HAL의 구동기를 움직이게 된다. 앞서 언급한 작업에는 바로 이 두 가지 제어 방식이 함께 사용된다. 평소 동작은 CVC로, 무게를 버티는 특정 자세에서 각 관절의 각속도 값이 미리 정해진 기준 값보다 떨어지면 CAC로 전환되어 구조적 스트레스를 줄인다.

 

-Exo-spine

HAL-5은 무거운 물건을 들거나 상체에 힘이 실릴 때, 그 하중을 하체에 전달하기 위해 상체와 하체는 자유도 없는 단단한 구조물로 서로 연결되어 있다.

이로 인해 몸통의 자유도가 제한되어 불편한 점이 있다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 인체 척추의 자연스러운 자유도를 구현할 수 있는 외골격형 척추 Exo-spine을 개발했다.

인간의 척추를 하나의 구조물로 봤을 때, Flexion/Extension, Lateral Flexion/Extension, Axial Rotation 등의 3자유도를 지니고 있다.

또한 척추의 끝에는 Shoulder Girdle 메커니즘에 의해 Abduction/Adduction과 Elevation의 자유도를 가지게 된다. 이 모든 자유도마다 구동기를 부착해 독립적으로 제어하는 것은 비효율적인 방법이다. 따라서 체인형 링크구조와 케이블로 구성된 Exo-spine은 구동기 한 개로 동작을 제어할 수 있도록 고안됐다.
링크 단위를 잇는 용수철이 수동형 구동기로 작동하며 모든 링크구조를 잇는 케이블의 장력을 조절해 Exo-spine이 항상 중립 자세로 돌아오도록 제어한다.

현재까지는 HAL에 적용되지 않았지만 개발이 완료되면 적용될 것으로 보이며, 구조물의 마찰이 커 개선이 필요한 것으로 보인다.

KISTI ‘착용형 로봇의 개발현황 및 미래’ 中 발췌
한국과학기술정보연구원 www.kisti.re.kr