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[표지로 읽는 과학] 로봇 바지 입고 힘 덜 들이고 달린다

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[표지로 읽는 과학] 로봇 바지 입고 힘 덜 들이고 달린다

2019.08.18 06:00
사이언스 제공
사이언스 제공

국제학술지 ‘사이언스’는 바지 모습의 로봇 슈트를 입고 달리는 사람의 모습을 16일 표지로 실었다. 힘든 일을 하는 일반인의 걷는 동작을 보조하거나 장애인 재활용 '웨어러블 로봇' 연구가 속속 나오고 있다. 지난 2016년 처음 열린 의료 재활 분야 사이보그 올림픽인 '사이배슬론' 대회에서 3위에 오른 공경철 KAIST 교수는 내년 5월 예정인 2차 대회 출전을 발표했다. 


장애인이 착용했을 때 앉고 일어서거나 걷는 동작을 보조하는 웨어러블 로봇이다. 한국기계연구원 연구진은 무거운 물건을 드는 데 도움을 주는 의복형 웨어러블 로봇을 개발해 화제를 모으기도 했다. 이들은 특정 목적에 적합한 웨어러블 로봇으로 걷기와 달리기를 동시에 보조할 수 있는 웨어러블 로봇은 아직 없다. 


코너 월시 미국 하버드대 기계공학과 교수와 이기욱 중앙대 기계공학과 교수, 김진수 미국 하버드대 전기공학과 박사과정생 등 연구팀은 세계 최초로 걷기와 달리기를 동시에 보조할 수 있는 웨어러블 로봇 ‘엑소슈트’를 개발하고 연구결과를 이번주 사이언스에 발표했다.


제1저자로 이번 연구에 참여한 김 박사과정생은 지난 2017년 이기욱 교수(당시 미국 하버드대 박사후연구원)와 함께 바지처럼 입고 달리는 로봇을 개발했다. 연구를 진척시킨 연구팀은 이번에 걷기와 달리기를 동시에 보조할 수 있는 웨어러블 로봇을 개발해 다시 주목받고 있다.


다리에 착용하는 웨어러블 로봇 연구는 의료용과 일반인용으로 나뉜다. 일반인용 웨어러블 로봇 연구는 뛰거나 걸을 때 소모하는 신진대사 에너지를 줄이는 게 목표다. 좀 더 힘을 들이지 않고 걷거나 달리도록 한다는 의미다. 걷는 것과 뛰는 것은 서로 다른 근육을 사용하고 주로 사용되는 관절이 다르기 때문에 동시에 구현하는 게 쉽지 않다. 걷기와 달리기 동작을 모두 한번에 보조하는 웨어러블 로봇 개발 시도가 여러 차례 있었지만 이렇다할 성공을 거두지 못했다. 


김진수 박사과정 연구원과 연구팀이 이번에 개발한 엑소슈트는 관성측정장비(IMU)라는 센서 기술이 핵심이다. IMU는 엑소슈트에서 양 허벅지 양쪽 위치와 배 앞쪽에 설치된 앞쪽과 배에 부착된 센서로 각 관절의 각도나 가속도를 측정한다. 이를 통해 착용자가 걷고 있는지 뛰고 있는지를 파악해 상황에 맞춰 보조한다. 


김진수 연구원은 “착용자의 의도와는 무관한 외부 자극이 있어도 IMU는 99.98%의 이번에 개발한 알고리즘은 99.99%의 정확도로 착용자의 상태를 보행 동작을 파악해 걷기와 달리기를 보조한다”고 말했다. 


연구팀이 개발한 엑소슈트의 전체 무게는 약 5kg에 불과하다. 착용하고 걸을 때는 약60~70W(와트), 뛸 때는 90~100W가 전기에너지가 소모된다. 전기에너지는 엑소슈트에 부착된 배터리를 통해 공급받는다. 용량이 48V, 3.7Ah인 배터리를 완충할 경우 약 8~10km의 거리를 힘을 덜 들이고 걷거나 뛸 수 있다. 엑소슈트를 입는 데는 2~3분 가량이 필요하다. 


김 연구원은 “엑소슈트는 군장을 메고 산악길을 행군하는 군인들이나 부상자를 구출하는 소방관 및 응급차 구급대원들에 유용할 것”이라며 “걷는 것과 뛰는 것을 동시에 보조하는 웨어러블 로봇을 개발한 것은 향후 웨어러블 로봇 개발에 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다.

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