가장 가벼운 무릎 웨어러블 로봇 개발

작성일 09-09

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국생산기술연구원 
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 AirKNEE를 착용한 모습. 생기원 제공
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 국내 연구진이 사용자의 착용 부담을 줄일 수 있는 세계 최경량 무릎 웨어러블 로봇을 개발했다. 
 한국생산기술연구원(생기원)은 안범모 인간중심로봇연구부문 수석연구원 연구팀이 부품 수를 줄이고 고성능 소형 모터를 적용한 무게 1.1㎏ 무릎 보조로봇 ‘에어니(AirKNEE)’를 개발했다고 9일 밝혔다.
 무릎·고관절 보조 로봇을 착용하면 보행 시 에너지 소모와 근육 부담을 줄일 수 있다. 일부 지자체가 장시간 이동과 작업이 필요한 환경공무관에 웨어러블 로봇을 보급하는 이유다. 
 생기원 연구팀은 AirKNEE를 개발하고 착용 편의성을 높이는 동시에 장시간 사용에도 피로와 압박을 줄일 수 있도록 경량화에 집중했다. 가볍고 강도 높은 폴리아미드12(PA12) 소재로 프레임을 제작했다. 
 전장부에는 최적화 설계로 리튬 배터리 3개를 직렬로 연결한 '3셀 배터리'를 탑재했다. 구동부에는 토크 밀도가 높은 소형 서보모터를 적용해 줄어든 크기에도 충분한 힘을 낼 수 있도록 했다. 기존 2.1㎏ 수준이던 무릎 보조로봇 무게를 절반 가까운 1.1㎏까지 줄이는 데 성공했다.
 무게를 줄였음에도 센서를 활용한 정밀 제어기술로 보행 지원 성능은 보다 향상됐다. 보행 신호를 실시간으로 인식하는 6축 'IMU센서(관성 측정 장치·Inertial Measurement Unit)'는 발뒤꿈치가 땅에 닿는 순간과 다리를 앞으로 뻗는 순간을 감지한다. IMU센서는 기기의 자세, 속도, 가속도 등을 측정한다.
 덕분에 정확한 시점에 무릎 펴는 동작을 지원해 무릎에서 발생하는 최대 토크(31.4Nm)의 40% 이상을 보조(70㎏ 성인 기준) 할 수 있다. 'Nm'는 뉴턴미터(Newton meter)로 토크(회전력)의 크기를 나타내는 단위다. 
 실제 20㎏ 중량 조끼를 착용한 보행 실험에서 AirKNEE 로봇 착용 시 종아리 근육 활동은 약 21%, 허벅지 근육 활동은 약 17% 감소해 근육에 가해지는 부담이 줄어드는 것으로 확인됐다.
 연구팀은 사용 편의성을 높이는 데도 주목했다. 내부 저항을 0.2Nm 수준으로 낮춰 전원이 꺼져 있어도 로봇을 착용하지 않은 것처럼 무릎을 편하게 굽히고 펼 수 있다. 스포츠 무릎 보호대 구조의 프레임을 적용해 안정성을 높이고 제어기·센서·배터리를 일체형으로 통합해 탈부착이 용이하게 만들었다. 
 AirKNEE는 지난 7월 미국에서 개최된 국제로봇학회 ‘유비쿼터스 로봇 2025(Ubiquitous Robots 2025)’에서 최우수 어플리케이션상을 수상하고 기술적 우수성과 실용성을 인정받았다.
 안 수석연구원은 “AirKNEE는 근육 활동을 줄여 보행을 비롯해 착석, 기립, 계단 및 경사로 이동 등 다양한 상황에서 효과를 발휘한다”며 “산업현장 근로자는 물론 일반 성인까지 다양한 사용자가 활용할 수 있도록 연구를 지속할 계획이다”고 밝혔다.
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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