[4차산업 로봇㉑] “웨어러블 로봇”… 기술 배경과 개발 방향

[디지털비즈온 김맹근 기자] 웨어러블 로봇은 인간의 운동을 보조해주는 입는 형태의 로봇 시스템으로, 인간이 착용하여 성능을 발휘하므로 착용성이 고려되어야 하는 새로운 개념의 기능성 의류로 볼 수 있다. 착용성은 주요 성능을 지원하는 중요한 조 건임에도 불구하고 현재의 웨어러블 로봇 연구는 사용자 관점 의 착용성이 고려되지 못한 채로 개발이 진행되고 있는 것이 현실이다.

웨어러블 로봇(Wearable robot)은 몸에 착용하는 형태의 로봇 시스템으로서 로봇의 인공지능 부분의 자세제어, 상황인식, 동작신호 생성을 인간이 담당하면서 다양한 환경에 대응하여 착용자의 움직임에 고하중, 고기동성, 운동지속성을 지원해주는 로봇을 말한다.

동일한 의미로 착용형 로봇, 외골격 로봇(Exoskeleton robot), 슈트 로봇(Suit robot) 등의 용어가 혼용되고 있다. 재료에 따라 강체 소재 로봇과 유연 소재 로봇으로 나눌 수 있다. 강체 소재 로봇은 강철, 티타늄, 스테인리스 등 단단한 소재를 사용한 기계구조를 가지는 로봇을 말하며, 유연 소재 로봇은 엘라스토머, 직물, 겔과 같은 유연한 소재로 이루어진 로봇으로 강체 소재에 유연 소재를 결합한 경우까지 포함한다.

최초의 웨어러블 로봇은 1960년대 개발된 미국 GE사의 하디맨(Hardimen)으로 알려져 있다. 2000년대 후반 미국 국방성 산하 방위고등연구계획국(DARPA)의 군용 웨어러블 로봇 개발 프로젝트(Chembot)가 시발점으로 작용하여 각국의 웨어러블 로봇 개발이 본격화되었다. 웨어러블 로봇은 센서, 제어, 소프트웨어 기술 등이 발전하면서 군용, 재난 구조용, 산업 작업용, 재활 치료용, 일상생활 보조용 등의 분야에 활용되고 있다.

웨어러블 로봇은 재난 현장, 산악지형이나 험지 등 비정형적인 환경에 맞게 착용자로 하여금 인간의 육체적인 한계를 극복할 수 있게 하여 수행시간 및 수행가능 범위를 증대시킨다. 또한 일상생활에서 착용자의 신체 결함을 보조하거나 재활치료를 위한 유용한 도구로 활용되고 있다.

웨어러블 로봇의 착용성은 물리적으로 구현되는 로봇의 착용형태와 인간 신체의 관계로서 신체에 장착된 로봇 장치에 의해 제공되는 신체적, 정신적, 사회적 측면의 편안함의 정도라고 정의할 수 있다.

최근 웨어러블 로봇이나 스마트 의류와 같은 새로운 형태의 의류제품의 등장으로 인해 기능을 고려한 착용성 평가척도의 설정이 요구되고 있다. 웨어러블 로봇의 개발은 기계공학 분야에 특화되어 진행된 경우가 많아 개발단계에서 착용자의 관점을 거의 고려하지 못하고 있는 실정이며 웨어러블 로봇의 착용성을 다룬 연구는 거의 전무하다.

스마트 의류나 웨어러블 디바이스의 착용성 또는 착용성을 포함한 사용성을 다룬 연구들이 다소 존재하므로 웨어러블 로봇의 착용성 조건을 설정하기 위해 이들 연구들을 참고할 필요가 있다.

웨어러블 로봇의 개발 방향

웨어러블 로봇의 착용성 조건은 크게 3개 범주 즉, ‘인체 적합성’, ‘사용 편의성’, ‘심미성’으로 분류되었다. 도출된 착용성의 세부조건은 개발 목적에 따라 각 항목에 대한 중요성의 비중은 다르게 적용될 수 있을 것이라 사료된다.

첫째, 인체 적합성 범주는 ‘인체 적합성’ 범주에 해당하는 조건은 ‘형태 및 치수 적합성’, ‘동작 적합성’, ‘구성 적합성’, ‘생리 적합성’ 4개로 나타났다.

둘째, 사용 편의성 범주는 ‘사용 편의성’ 범주에는 ‘성능 만족’, ‘조작 용이성’, ‘안전성’, ‘내구성’, ‘착탈의 용이성’, ‘세척 용이성’, ‘휴대 및 보관 용이성’ 7개 조건이 포함되었다.

셋째, 심미성 범주는 ‘심미성’ 범주에는 ‘외관 만족’ 1개 조건이 포함되었다.

결론적으로 국내외 개발 사례를 통한 개발 동향 분석 결과, 사용 용도별로 재활 치료용에 치중되어 있으며 작업용과 일상생활 보조용, 재난구조용이 저조한 것으로 나타나 웨어러블 로봇 기술이 최근에 각광을 받은 분야이므로 분야별로 균등한 발전이 이루어 지지 못하고 있는 것으로 사료된다.

개발 사례는 전신용 로봇을 제외하고 착용부위별로 전반적으로 고른 분포를 보였으나 단일 기능형으로 주로 개발되고 있는 점이 한계점으로 지적되었다. 소재별로는 강체 소재 로봇의 개발 사례가 다수를 차지 하였다. 강체 소재와 유연 소재가 갖는 각각의 장점인 지지력 및 내구성과 적응력을 동시에 만족시키는 웨어러블 로봇의 개발이 필요한 것으로 본다.

현재 웨어러블 로봇기술은 활용분야가 고르게 발전되지 못하고 주요 성능 향상에 중심을 둔 기술 제안 초기 단계에 머물러 있는 것으로 확인되고 있다. 웨어러블 로봇 기술은 기술 발전이 이루어진다면 무한한 적용 가능성을 가지고 있는 기술이므로, 주요 성능을 지원하기 위하여 요구되는 타 분야와의 융합적 연구가 요구되는 시점이다.