'로보캅처럼' 반신마비 환자가 입고 걸었다

워크온슈트4를 착용한 모습/사진=KAIST

카이스트(KAIST) 기계공학과 공경철 교수가 연세대학교 의과대학 세브란스병원 나동욱 교수와 공동 개발한 웨어러블(착용형) 로봇 ‘워크온슈트4’를 15일 공개했다. 또 워크온슈트4를 착용하고 웨어러블 로봇 기술력을 겨루는 ‘사이배슬론 2020’ 국제대회에 출전할 최종 선수도 함께 소개했다.
무게 중심 고려한 설계 '워크온슈트4' 장시간 착용해도 무리 없어 워크온슈트4는 두 다리를 감싸는 외골격형 로봇이다. 모터의 힘을 활용해 하반신을 전혀 사용하지 못하는 장애우들의 움직임을 보조할 수 있다.

일어나 걷는 등의 기본적 동작은 물론 계단·오르막·내리막·옆경사·문 열기·험지 등 일상생활에서 자주 접할 수 있는 장애물을 극복할 수 있도록 제작됐다.


이전까지 개발된 하반신 마비 장애인을 위한 웨어러블 로봇은 장시간 사용하기 어렵다는 한계가 있었다. 하반신 기능을 소실해 근육 등 신체 기능이 퇴화한 장애인들이 로봇을 착용하고 움직이려면 수십 kg에 이르는 무게를 감당해야 했기 때문이다.

워크온슈트4/사진=KAIST

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 인체가 이루는 자연스러운 균형을 모사해 로봇의 무게중심을 설계하는 기술을 고안했다. 연구팀은 “사용자 신체 각 부위에 정밀하게 밀착되는 착용부를 만든 뒤, 로봇 관절의 기준 위치를 조절해 무게중심을 정밀하게 맞췄다”고 설명했다.

또 착용자의 긴장 정도나 지면 상태와 같은 외부 요인을 지능적으로 관측·제어하는 기술도 더했다. 로봇이 제공해야 하는 보조력은 사용하는 환경에 따라 크게 달라진다. 워크온슈트4는 로봇이 착용자의 걸음을 30보 이내로 분석, 가장 적합한 보행패턴을 찾아 맞춤형으로 제공한다.

이를 통해 하반신 마비 장애인들이 웨어러블 로봇을 착용하고 장시간 걷거나 설 수 있도록 월등하게 기능을 끌어올렸고 연속보행 시 1분당 40m 이상을 걸을 수 있게 된 성과도 거뒀다.


이는 시간당 2~4km가량을 걷는 비장애인의 정상 보행 속도와 견줄만한 수준으로 그동안 전 세계적으로 보고된 하반신 완전 마비 장애인의 보행 기록 중 가장 빠른 속도다.

연구팀은 활발한 기술협력을 통해 일부 부품을 제외한 대부분의 구성 요소를 국산 기술로 완성했다. 로봇의 구조설계와 시스템 소프트웨어는 공경철·나동욱 교수가 공동 창업한 ㈜엔젤로보틱스에서 주도했다. 공학적 설계와 제어는 공경철 교수가, 보행 보조기로서의 구조와 대상자를 위한 필수 기능 등을 점검하는 생체역학 분야는 나동욱 교수가 분담해 맡았다.

개인맞춤형 탄소섬유 착용부는 재활공학연구소에서 연구를 진행했으며 로봇의 동작 생성과 디자인은 영남대학교 로봇기계공학과와 ㈜에스톡스가 각각 담당했다.
출전선수 2명, 6개 미션 5분대로 美·스위스팀보다 약 1분 앞서…금메달 유력 우리나라를 대표해 올해 개최예정인 ‘사이배슬론 2020’에 출전할 선수들은 지난 2월 KAIST에서 열린 선발전을 통해 결정됐다. 앉고 서서 물컵 정리하기·지그재그 장애물 통과·험지 보행·옆경사 보행 등 실제 대회에서 수행하게 될 미션이 선발전 평가항목으로 채택됐는데 작년 9월부터 출전을 준비해온 7명의 후보 선수 중 4명이 참가해 경기를 치렀다. 그 결과, 각각 2분 24초와 3분 35초의 기록으로 4개의 미션을 완수한 김병욱 씨(남, 46세)와 이주현 씨(여, 19세)가 국제대회에 출전할 최종 선수로 선발됐다.

현재 워크온슈트 4의 로봇기술은 선발된 두 선수의 개별적 특성에 맞게 최적화됐으며, 두 선수 모두 6개의 모든 미션을 5분대에 통과할 정도로 기록이 향상됐다. 지금까지는 미국팀과 스위스팀이 4개의 미션을 6분대에 수행하는 기록을 공개했으며, 그 외 사이배슬론 참가팀은 모든 미션을 완벽하게 수행하지 못하는 단계에 머물러 있다.

공경철(좌) 나동욱(우) 교수/사진=KAIST

선발전 1위에 오른 김병욱 씨는 1998년 뺑소니 사고로 장애를 얻은 뒤 2015년 공 교수 연구팀에 합류했다. 2016년 스위스에서 열린 제1회 사이배슬론 대회에서 워크온슈트의 초기모델을 착용하고 동메달을 딴 주인공으로 “우리나라의 웨어러블 로봇기술이 세계 최고 수준임을 직접 보여줄 것”이라는 포부를 밝혔다.

2위에 오른 이주현 씨는 고등학교 3학년에 재학 중이던 작년 불의의 교통사고로 하반신이 마비됐다. 같은 해 6월 연구팀에 합류해 사이배슬론 2020 출전을 위한 훈련과 수능 시험을 준비를 병행했으며, 올해 초 최종 선수 선발 및 이화여대 정치외교학과 합격의 영광을 동시에 안았다.

공 교수는 “다가올 국제대회는 워크온슈트 4의 기술적 우월성을 전 세계에 증명하는 중요한 무대가 될 것”이라고 말했다.

한편, KAIST에 따르면 대회 주최 측에선 코로나19로 인한 전염병 감염을 우려, 당초 스위스에서 개최하고자 한 국제대회를 참가국 5~6개국씩 묶어 진행하는 전 세계 ‘분산 개최’를 계획 중인 것으로 알려졌다. 최종 결정은 이달 말 내려질 예정이다.