소방관들은 위험한 화재 현장에서 무거운 산소통을 메고 뜨거운 불길과 유독가스 속으로 뛰어든다. 하지만 20kg이 넘는 산소통 무게 때문에 체력이 빠른 속도로 고갈되면서 구조 활동에 큰 어려움을 겪는다. 이 같은 소방관들의 어려움을 일거에 해소 해줄 로봇 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국생산기술연구원 로봇그룹 장재호 박사팀은 최근 사람의 하체에 착용, 가볍고 유연한 외골격(外骨格) 소방관용 근력지원 로봇 ‘하이퍼 R1’을 개발, 상용화를 위한 성능 고도화에 한창이다.
장 박사는 “하이퍼 R1은 사람의 근력을 지원해 무거운 물건을 들거나 높은 곳을 올라갈 때 도와주는 웨어러블 로봇”이라며 “소방관들은 보통 화재 현장에서 11㎏짜리 산소통 2개를 메고 인명 구조 활동을 하는데 이 과정을 보다 수월하게 만들 수 없을까 고민하다 개발한 기술”이라고 말했다.
소방관들이 이 로봇을 착용하면 산소통 2개를 메고도 가뿐하게 계단을 오를 수 있게 된다. 생체 신호를 기반으로 안전성이 높은 고출력 엑추에이터를 구동함으로써, 다리의 근력을 증강시켜 물리적 작업 능력을 증대시키는 것. 엑추에이터는 기계장치를 움직이게 하는 구동장치로 사람의 근육과 같은 역할을 한다. 파워를 높이기 위해 전기모터 대신 기름의 압력을 이용해 실린더를 움직이는 유압식 액추에이터를 채용했다.
하이퍼 R1은 경량 탄소섬유 소재를 채용해 중량 25kg, 2시간 구동이 가능한 고출력 리튬이온배터리 등을 탑재하고 있다.
연구팀에 따르면 ‘하이퍼 R1’의 핵심 기술은 크게 세 가지로 요약된다.
첫 번째는 ‘의도인식 시스템’, 두 번째는 ‘외골격 시스템’, 마지막으로 ‘소형 동력원 기술’이다.
의도인식 시스템은 사람이 어느 방향으로 움직일 것인지 사람의 의도를 미리 파악하는 기술이다. 이 시스템을 통해 사람의 이동 방향을 근육의 움직임으로 미리 예측할 수 있다.
하이퍼는 사람이 로봇을 입고 동작 버튼을 누르면 그제야 움직이는 구조를 갖는다. 때문에 마치 옷처럼, 작동자의 인체 및 움직임 패턴에 맞추는 게 중요하다. 사람의 관절과 함께 움직여야 한다는 의미다. 이 과정이 효율적으로 이뤄지게 돕는 외골격 설계 기술은 사람의 관절 중심축을 파악해 인체와 딱 맞게 움직일 수 있도록 해준다. 소형 동력원 기술은 이미 정해진 배터리 용량 내에서 보다 적은 에너지를 사용해 큰 힘을 만들어 내게 하는 기술이다. 연구팀은 배터리 절약 방식을 개발해 기존 모델보다 에너지 소모를 50% 이상 절감시켰다.
장 박사에 따르면 인체 관절의 회전축은 몸 안에 있다. 예를 들어 무릎의 회전축은 무릎 안쪽에 자리 잡고 있으므로 하이퍼의 외골격 역시 여기에 맞춰 설계돼야 한다. 헌데 이 과정이 결코 만만치 않다. 무릎의 경우 굽히고 펴는 것 외에 다른 움직임은 없으므로 회전축을 계산하는 것이 그나마 쉽지만 엉덩이의 경우 이야기가 다르다. 중심축이 골반 안쪽에 자리 잡고 있을 뿐 아니라 자유도가 많아 이를 계산하는 게 보통 일이 아니다.
힘의 중심축에 따른 자유도를 연구에 잘 활용하기 위해서는 데이터를 가능한 많이 보유하고 있어야 한다. 축적된 데이터양이 기술의 결과를 좌우하기 때문이다. 연구팀이 더 큰 경쟁력을 갖고 있는 이유 역시 상당한 양의 데이터를 보유하고 있기 때문이라고 할 수 있다.
웨어러블 로봇이 상용화 수준에 이른 나라는 미국과 일본, 유럽에 이어 우리나라가 세번째이며, 무거운 물건을 옮기는 산업용 웨어러블 로봇 개발은 일본에 이어 세계 두 번째다.
하이퍼 R1은 국제소방안전박람회에서 첫 선을 보였으며, 빠르면 1~2년 내에 현장에 투입될 전망이다.
연구팀은 동력원의 소형화에 초점을 맞추고, 소프트 로보틱스를 적용한 외골격 설계를 만드는 데 주력할 계획이다. 소프트 로보틱스가 적용된 로봇은 외골격이 부드럽기 때문에 혹 작동자가 로봇을 입은 채로 넘어진다 해도 다칠 위험이 크게 줄어든다.
장 박사는 “초기 모델은 무게가 110kg에 달했지만 하이퍼 R1은 무게를 25kg까지 줄였다”면서 “향후 추가 연구를 통해 15kg까지 감량되면 더욱 간편하고 손쉽게 응용이 가능해 질 것”이라고 말했다.
그는 또 “향후 로봇 보급 가격이 낮춰진다면 산업 현장에 적용이 가능하고 노인과 노약자를 위한 보조 기술로도 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
서울경제 파퓰러사이언스 편집부/구본혁 기자
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