웨어러블 로봇은 사용자 의도 기반 제어기술, 고출력 액추에이터, 외골격 메커니즘, 고효율 고출력 독립 구동원, 동기 신호 취득용 센서 시스템, 인간-로봇 인터페이스 총 6가지 정도의 기술로 압축된다. 웨어러블 로봇의 활용 방안으로는 인간의 의도를 취득할 수 있는 센서 기술과 통합 기술이 갖춰져야 한다. 그 외에도 활용 분야에 따라 군사용 웨어러블 로봇은 저소음 기동과 고용량 배터리 기술이 접목되어야 하며, 산업용의 경우 작업용 전용 도구 결착, 메커니즘 경량화 기술이 더 필요할 것이다.

웨어러블 로봇 정의와 개요

일반적으로 ‘웨어러블 로봇(Weara-ble robot)’이라 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 영화 ‘아이언맨’일 것이다. 영화에서 보면 주인공이 웨어러블 로봇을 입고 사람이 할 수 없는 괴력을 발휘하거나 하늘을 날고, 뛰어다니며 전투하는 장면들이 연출된다.

그렇다면 영화가 아닌 현실에서 실제 웨어러블 로봇은 어느 단계까지 연구가 진행되며 얼마나 발전해왔을지 알아본다.

웨어러블 로봇이란 외골격 로봇 시스템(Exoskeleton robot)을 통해 인간의 운동을 보조해 주는 로봇을 말하며 로봇에 탑승하는 개념이 아닌 사용자가 직접 ‘착용’하는 방식이다. 웨어러블 로봇은 착용자의 운동 의도를 파악하는 착용자 의도파악 기술을 기반으로 액추에이터를 구동시켜 고하중/고기동성 및 운동 지속성을 지원해 주는 로봇을 의미한다.

외국뿐만 아니라 우리나라에서도 연구개발이 활성화되고 있으며, 활용 분야로는 국방용, 재난방재, 재활, 민수 분야, 산악이나 사막 같은 험지적응형 등의 다양한 분야에도 연구 및 활용되고 있다. 

최근에는 레저용 웨어러블 외골격으로 수동형 공압펌프식의 라트비아, AGAINER사의 SKI Exoskeleton을 선보이기도 했다.

이를 포함한 웨어러블 로봇 해외 저널인 EXOSKELETON REPORT는 2015년 상용화에 성공한 세계의 웨어러블 로봇 12대를 보도하기도 하였으며 현재 웨어러블 로봇이 얼마만큼 발전했는지 보여주는 좋은 예이다.

▲ 그림 1. 12 Commercial Exoskeletons In 2015

웨어러블 로봇 활용 분야 

웨어러블 로봇은 다양한 분야에 활용될 수 있다. 현재 국내외로 개발되고 있는 영역은 노약자 혹은 하지 마비 및 척추 손상 환자, 재활 치료자를 위한 재활/의료용, 군사장비 및 무기를 휴대하고 기동력을 높여 장시간 이동으로 험지를 극복하는 병력을 위한 군사용, 고중량 장비의 운반 및 취급하는 산업용, 화재 및 재난 현장에서 구조 임무를 수행하는 소방관들을 위한 재난/소방용으로 크게 4가지로 구분될 수 있다.

▲ 그림 2. 활용 분야에 따른 웨어러블 로봇

첫째, 재활/의료용 웨어러블 로봇을 살펴보면 미국, 유럽 등에서는 활발하게 홍보가 되고 있으며 미국 내에선 일부 양산단계에 도달했다. 신제품 개발에서는 용도의 다양화와 보행지원 하지외골격의 제품화를 하였고 각 부속에 대한 모듈화 개발 또한 진행 중이다. 국내의 경우 노약자/장애인을 위한 재활용/보행 보조용 로봇에 대한 기술연구가 진행 중이다.

대표적인 재활/의료용 웨어러블 로봇은 이스라엘 Argo Medical의 Re- Walk, 미국 Ekso Bionics의 EKSO, 일본 CYBERDYNE의 HAL-5 등이 있다.

▲ 그림 3. 재활/의료용 웨어러블 로봇

둘째, 군사용 및 산업용 웨어러블 로봇은 미국의 경우 10년 전부터 DARPA 펀드를 통해 BLEEX, HULC 및 XOS2와 같은 군사용 외골격 로봇을 개발해오고 있으며 군사기밀 명목 하에 최신 버전 등은 공개되지 않고 있지만, 단연 전 세계 1위의 기술을 보유하고 있다. 현재는 시험평가 또는 사업화 초기단계를 진행하고 있는 것으로 알려져있다.

HULC는 현존하는 외골격 로봇 중 최고의 기동 속도를 가지고 있으며, 개량 모델에 대한 야전운용시험 후 아프가니스탄에 배치될 계획이다. 

국내의 국방과학연구소(ADD)에서는 군장이나 개인화기 및 군 장비를 짊어지는 병사들의 안전과 효율적인 임무수행을 위해 고중량물을 지지하면서 일정한 보행속도 구현하는 웨어러블 로봇 연구를 진행하고 있다. 

▲ 그림 4. 군사/산업용 웨어러블 로봇

셋째, 산업용 웨어러블 로봇의 경우 국내에는 고중량물 운송작업에 대한 근력지원 웨어러블 로봇을 개발하였는데 현대로템의 근력증강 로봇과 한국생산기술연구원에서 기술이전 하여 개발한 대우조선해양의 강화외골격 등이 있으며 둘 다 강한 출력을 낼 수 있는 유압 구동방식을 채택하였다. 

일본의 경우에는 주로 민수용 외골격 로봇이 개발되고 있는데 CYBE-RDYNE의 HAL 시리즈이다. 2003년에 하지 외골격 로봇 HAL-3, 2006년에 전신 외골격 로봇 HAL-5를 개발하였으며, 착용자의 근전도 신호(EMG)를 이용하여 착용자의 동작 의도를 파악하는 것이 특징이다.

넷째, 재난/소방용 웨어러블 로봇은 차량이나 장비의 진입이 불가능한 재난 현장이나 화재 현장에서 고하중의 부하나 환자를 운반해야 하는 상황이 발생한다. 

한국생산기술연구원은 소방관용 웨어러블 로봇인 HyPER-R1의 개발과 상용화를 위해 박차를 가하고 있다. 

고층 건물 화재 상황 발생 시 소방관들은 구조 활동을 위해 약 20kg의 공기호흡기와 장비들을 착용하고 계단을 오른다. 공기호흡기의 사용 가능 시간은 45분. 20~30층 되는 건물을 걸어 올라가는 소방관들에겐 체력과 인명구조를 위한 골든타임이 절실하다.

이를 소방관용 웨어러블 로봇이 보조해줌으로써 공기호흡기 2~3개를 짊어지고 계단을 올라갈 때의 근력지원을 해준다. 공기호흡기의 수가 늘어난 만큼 자연히 소방관들의 골든타임 또한 배가 된다. 유압구동방식으로 강한 출력을 내주며 30Kg 이상의 가반하중을 견딜 수 있도록 설계되었다. 계단, 경사, 험지 등을 보행속도는 6Km/h이고 2시간 30분 이상 구동이 가능하다.

▲ 그림 5. 소방관용 웨어러블 로봇 HyPER-R1

지난 4월 안동 소재의 경북소방학교에서 소방관들을 대상으로 모의 테스트를 마쳤으며 소방관들의 의견을 물어보니 무게는 책가방 하나를 맨 정도의 무게만 느껴지고 계단을 올라가는 데 도움이 된다는 의견이 있었다. 그 외 다른 여러 의견도 피드백 받아 현재는 개선 및 보완, 상용화를 위한 준비가 한창이다.  

차세대 웨어러블 로봇 세부기술  

웨어러블 로봇의 세부 기술은 사용자 의도기반 제어기술, 고출력 액추에이터, 외골격 메커니즘, 고효율 고출력 독립 구동원, 동기 신호 취득용 센서 시스템, 인간-로봇 인터페이스 총 6가지 정도로 압축된다.

인간(착용자)의 의도 판단 및 추종할 수 있는 지능형 제어 시스템과 인간의 동작을 지원할 수 있는 고출력 액추에이터 통해 인간의 근력을 증강하고 파워 어시스트를 할 수 있는 능동적 메커니즘 뼈대가 되며 장시간 사용이 가능한 고출력/고효율의 독립구동원도 필요하다.

웨어러블 로봇의 활용방안에 따라 인간의 의도를 취득할 수 있는 센서 기술 및 통합 기술이 갖춰져야 하며 로봇과 인간의 자연스러운 결합을 위한 인터페이스는 착용감으로 이어진다. 그 외에도 활용 분야에 따라 군사용 웨어러블 로봇은 저소음 기동과 고용량 배터리 기술이 접목되어야 하며 산업용의 경우 적업용 전용 도구 결착, 메커니즘 경량화 기술이 더 필요할 것이다.

재활/의료, 보행보조용의 경우는 로봇 보행제어 기술과 전신의 균형을 알맞게 제어하는 기술이 필요하고 소방관용의 경우 극한 환경을 극복하기 위한 방안들과 기타 소방장비들의 탑재가 되어야 할 것이다. 

맺음말

아직 웨어러블 로봇은 우리가 영화에서만 보던 아이언맨에 미치는 수준은 아니다. 일반 사용자들의 각기 다른 신체조건을 맞추는 것부터 각 활용 분야에 따른 환경적 요소에 대응하는 것까지 아직 풀어가야 할 숙제들은 많이 남아있다. 

하지만 해외뿐만 아니라 국내에서 지금 이 시간에도 활발하게 연구·개발이 진행되고 있으며 제품의 개발부터 웨어러블 로봇에 대한 표준과 인증을 만드는 것까지 상용화를 위한 노력들이 끊임없이 진행되고 있다.

부족한 부분은 분명 있겠지만 웨어러블 로봇의 현재의 모습에 비교하고 실망하기보다는 앞으로의 가능성을 믿고 꾸준한 연구와 연구지원의 노력이 쌓이면 머지않은 미래의 일상생활에서도 웨어러블 로봇을 사용하는 모습이 실현되어 있지 않을까 생각한다.  

홍영환·장재호 _ 한국생산기술연구원