착용형 로봇의 개발현황 및 미래(下)

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

 

Ⅱ. 해외기술 개발현황 - 미국
1. 개요
미국 캘리포니아 주립대 기계공학과 Homayoon Kazweooni 교수팀의 BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)는 하지 보조형 외골격 로봇으로서 군인 및 재해 현장의 작업자들이 등짐을 최소한의 힘으로 오래 지닐 수 있도록 하는 것이 그 목적이다. BLEEX 프로젝트는 2000년 DARPA의 지원으로 시작됐으며 2004년 11월 처음 시제품 테스트가 이뤄진 것으로 보인다.
BLEEX는 내연기관을 동력원으로 하며 각 관절의 구동을 위해 소형 유압 실린더를 이용한다.
이후 많은 설계 보완 및 개량으로 2세대인 ExoHiker, ExoClimber가 선보여졌으며, 3세대 외골격 로봇인 HULC(Human Universal Load Carrier)는 미국 Lokheed Martin과 Berkeley Bionics(현재 Ekso Bionics)사의 참여로 상용화를 준비하고 있으며, 이 밖에도 Berkelet Bionics사의 eLEGS나 Austin 프로젝트와 같이 하지 마비 환자를 위한 의료용 외골격 로봇 개발도 이뤄지고 있다.

 

2. BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)
-Pseudo-anthropomorphic

외골격 로봇의 설계양식은 크게 인체의 Kinematics를 정확히 따르는 Anthropomorphic Architecture와 그렇지 않은 Non-Anthropomorphic Architecture로 나뉜다. 전자의 경우 인체의 Kinematics를 그대로 맞추고자 하므로 로봇과 인체의 충돌 등의 문제를 단순화할 수 있지만 인체 관절이 복합적이고 복잡한 동작을 지니므로 단순한 기계 관절 메커니즘으로 대체하기 어렵다.

반면 후자는 직접적으로 인체를 구속하지 않아 이러한 문제는 덜하지만 인체와 로봇의 Kinematics가 달라 로봇이 인체에 상응하는 Kinematics를 지닐 수 있도록 복잡한 설계가 필요하며, 충돌의 가능성도 있다.

BLEEX는 이 두 가지 양식의 장점을 모아 Pseudo-anthropomorphic 양식을 구현했다. 사용자 안전을 보장하며 충돌을 최소화하기 위해 인체의 Kinematics를 대부분 따르고 있지만 인체의 중요 관절 자유도를 순수 회전 관절로 모사할 뿐 복잡한 관절 설계를 피했다. 그리고 BLEEX의 Kinematics의 차이에서 비롯되는 불편함을 최소화하기 위해 둘 사이의 Rigid Connection은 몸통과 발에만 있도록 설계했다. 나머지 부분은 어느 정도 상대적인 움직임을 허용하는 Compliant Connection으로 대신했다.

BLEEX는 각 다리당 고관절 3개, 슬관절 1개, 발목관절 3개의 총 7자유도를 지닌다. 연구팀은 다수의 모형 작업을 통해 볼-소켓 관절을 이용할 경우 관절의 운동범위가 줄어들고, 몇몇 고관절의 자세에서 Singularity 현상이 있음을 발견, 이를 대신해 각 자유도를 인체의 바깥쪽에서 개별적인 회전형 관절로 구현했다. 또한 슬관절은 단순 회전형 관절로 시상면에서의 회전을 모사했고, 발목관절은 3자유도로 설계됐으며, 발바닥의 굽어짐을 위해 앞쪽 발가락 부분에 하나의 회전 자유도가 구현됐다.

각 관절의 움직임 모니터링을 위해 회전형 엔코더가 설치됐고, 족저면에는 유압 튜브와 압력센서로 이뤄진 반발력 센서를 설계해 압력중심과 양 다리에 분산되는 체중을 알 수 있도록 했다. 또한 허벅지와 정강이 링크는 길이 조절이 가능하고, 각 구동 관절을 위한 유압실린더가 설치되어 있다. 이때 구동기 내의 유체 이동경로 최소화를 통한 고효율 구현을 위해 각 실린더에 매니폴드가 바로 붙어 설치되어 있다. 또한 몸통은 고관절을 통해 다리에 연결되며 동력원인 내연기관, 제어기 컴퓨터 및 고관절의 Abduction/Adduction 자유도 구동기가 설치되어 있다.

 

-Sensitivity Amplification

BLEEX의 제어방법은 기존의 강인 서보제어기에 반하는 개념인 Sensitivity Amplification 방법을 사용한다. 이는 기본적으로 신체 건장한 정상인을 대상으로 설계되었기 때문에 제어를 위한 기본 개념을 타 외골격 로봇처럼 인체의 관절토크를 증폭해주는 개념이 아니라 등짐과 BLEEX의 자체 무게를 지고 사용자의 동작을 Shadowing하는 것으로 삼고 있다. BLEEX 설계를 보면 사용자와의 단단한 연결이 없다. 따라서 BLEEX가 모든 무게를 지지하면서 사용자에게 불편을 끼치지 않는 한 사용자와 정확히 일치하는 Kinematics로 움직일 필요가 없는 것이다. 이를 위해 연구팀은 전체 제어 시스템의 Sensitivity Function을 크게 유지하는 방법을 사용, BLEEX 자체의 센서 값으로부터 제어기가 상호작용력을 예측해 이를 최소화하는 제어기를 개발했다.

Ⅲ. 해외기술 개발현황 - 스위스
1. 개요
Lokomat은 스위스 Hokoma사에서 개발한 보행재활 시스템으로서 하지 외골격 로봇, 트레드밀, 체중 지지 장치인 Lokolift, 그리고 Visual Biofeelback을 위한 모니터 시스템으로 이뤄져 있다. 한편 Hokoma사는 상지 재활을 위한 외골격 시스템으로 Armeo Power를 개발했다.
재활과 치료가 주목적이기 때문에 이동형이 아닌 고정형으로 설계됐으며 최대한 인간의 동작을 자연스럽게 구현할 수 있도록 하는데 힘썼다.

 

2. Lokomat
 PBWS(Partial Body Weight Support) 로봇기술을 적용해 반복적인 보행 훈련을 오랜 시간 할 수 있도록 하고, 환자의 관절각, 관절토크 등의 상태를 정밀하게 모니터링할 수 있게 개발된 Lokomat이 기반하고 있는 보행재활 방법은 PBWS(Partial Body Weight Support)방법으로, 환자가 트레드밀에서 보행할 때 환자의 노력을 최대한 이끌어내고 안전하게 훈련을 진행하기 위해 체중 일부를 Body Weight Support System이 대신 들어주도록 하는 방법이다. 이때 착용한 하지 외골격 시스템이 트레드밀, 체중 지지 시스템과 함께 연동해 보행에 알맞은 관절 패턴을 생성한다. Lokomat은 각 고관절, 슬관절이 전기모터와 볼 스크루로 작동되며 각 관절에는 관절각을 측정할 수 있는 센서 및 볼 스크루 끝단에 힘 센서가 장치되어 있어 사용자 관절에 미치는 구동기의 토크를 계산할 수 있다.

 

-Impedance Control, Adaptive Control, Visual Biofeedback
Lokomat 제어의 핵심은 환자의 참여를 유도하는 데 있다. 추종제어기를 통한 보행재활을 넘어서 환자의 동작 의지를 감지하고 이를 제어기에 반영해 구동기의 보조토크를 결정하는 환자 중심의 보행재활 알고리즘을 구현하기 위해 Impedance Control, Adaptive Control, Visual Biofeedback 세 가지 메커니즘이 사용됐다. Impedance Control을 통해 외골격 로봇의 각 관절에 부여되는 기계적 저항을 조절할 수 있도록 했고, 사용자와 외골격 간의 상호작용력 측정치에 따라 Adaptive Control을 통해 기준 보행 패턴의 보폭, 주기 등을 조절할 수 있게 했다. 마지막으로 환자가 보행훈련을 하는 동안 컴퓨터 모니터를 통해 지금의 보행상태에 대한 피드백을 제공함으로써 환자의 동작학습 능력을 활성화하고자 했다.

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