로봇공학자들은 최근 몇 년 사이에 수술, 재활, 의료 지원 분야에 적용할 수 있는 진보된 로봇 시스템을 개발해왔다. 이들 로봇 시스템은 이미 많은 장애인과 신체적 외상을 입은 환자, 그리고 의료 시술을 받은 사람들의 삶의 질을 향상시키는 데 큰 도움을 주고 있다. 특히 산업 현장에서는 근로자의 건강과 안전, 편의를 위해 중요한 역할을 하고 있다. 

전자기술 매체 테크익스플로어(techxplore)는 최근 한국 중앙대학교 연구원들이 노화, 근육 약화, 수술 또는 특정 질병으로 인해 걷는데 어려움을 겪는 사람을 돕기 위해 특별히 설계된 새로운 보행 보조용 웨어러블 로봇을 출시했다고 보도했다.

'사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 게재된 논문 내용을 살펴보면, 이 로봇은 걷는 동안의 균형을 개선하는 동시에 대사 비용(에너지 소비)을 줄이는 데 효과적인 것으로 밝혀졌다.

연구를 주도한 이기욱 교수는 "우리의 최근 논문은 주로 보행 보조를 위한 대부분의 웨어러블 로봇이 시상면(상하 방향)의 움직임에만 초점을 맞추고 있다는 인식에서 영감을 받았다"며 "그러나 걷기는 본질적으로 3차원 활동이며 다른 차원의 움직임도 마찬가지로 중요하다"고 말했다.

이기욱 교수와 그의 동료들이 개발한 이 로봇은 과거에 제안된 고관절 외전(다리를 옆으로 벌리는 동작) 지원 로봇들과 달리, 전두엽(인체의 정면 부분)에 초점을 맞추고 있으며, 이는 걷는 동안의 움직임과 측면 안정성을 지원하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

논문의 공동저자 김명희 교수는 걷기 연구에서 전방 움직임과 측면 균형이 전통적으로 별개의 기능으로 여겨져 왔다고 설명했다. 그는 "최근에야 전후방 방향의 보조가 측면 안정성에 기여한다는 사실이 인정되었으나, 전후방 보행 효율성에 대한 측면 보조의 영향에 대한 연구는 아직 부족하다"고 지적했다.

연구팀의 핵심 가정은 자연스러운 엉덩이 외전(다리를 옆으로 움직이는 동작) 순간을 모방하는 웨어러블 로봇의 사용이 걸을 때 대사 비용을 줄일 수 있다는 것이다. 이는 신체 중심선에서 멀어지는 다리의 움직임을 포함하며, 걷기뿐만 아니라 인간이 매일 수행하는 다양한 활동을 지원하는 데 중요하다.

이 교수는 "우리가 개발한 고관절 외전 보조 웨어러블 로봇이 측면 신체 움직임을 지원해 보행 효율을 증가시키는 원리로 작동한다"고 말했다.

그는 "우리가 앞으로 걸을 때 균형을 유지하기 위해 몸의 질량 중심이 자연스럽게 좌우로 이동하는데 이 과정을 회복이라고 한다"며 "이 회복 단계에서는 고관절 외전 근육이 작동하고, 우리 장치는 이러한 근육을 보조하여 착용자가 더 쉽게 움직일 수 있도록 해주며, 더 적은 노력으로 질량 중심을 회복할 수 있도록 돕는다"고 말했다.

연구팀은 시뮬레이션과 실제 실험 모두에서 로봇의 성능을 평가했다. 이러한 테스트 결과는 로봇이 일반 보행에 비해 보행 시 대사 비용을 11.6% 감소시키는 동시에 균형과 안정성을 향상시킨다는 매우 긍정적인 결과를 보여주었다.

이 교수는 "우리의 연구는 보행 효율성 향상을 위해 웨어러블 로봇이 단지 시상면(상하 방향)에만 집중할 필요가 없다는 것을 입증한다"라며 "걷기는 3차원적인 움직임이기 때문에 다양한 평면에서의 움직임을 고려하는 것이 필수"라고 강조했다.

연구팀이 개발한 엉덩이 외전 보조 로봇은 걷기를 지원하는 엉덩이와 다리의 움직임에 직접적인 영향을 미친다. 이 독특한 디자인 덕분에, 로봇은 인간이 보통 걸을 때 들이는 노력의 일부를 효과적으로 '대체'할 수 있게 해주며, 이는 보행 과정을 더욱 용이하게 만든다.

김 교수는 "우리의 연구는 몸의 무게 중심을 한 발에서 다른 발로 더 효과적으로 전달함으로써 걷기 효율성을 높이는 측면 지원의 중요한 역할을 입증한다"고 설명했다. 그는 이러한 통찰이 근력이 감소한 개인에게 특히 유익하며, 지원 메커니즘에 대한 새로운 방향을 제시한다고 말했다.

또한, 김 교수는 앞으로 측면 지원이 이동성에 제한이 있는 사람들에게 어떻게 도움이 될 수 있는지 탐색하고, 잠재적으로 재활 및 지원 전략을 변화시키는 것이 중요하다고 강조했다.

이기욱 교수팀이 개발한 로봇 시스템은 앞으로 더 개선되어 상용화될 것으로 예상된다. 이 로봇은 노인, 다리나 엉덩이 수술을 받은 환자, 그리고 걷기에 어려움을 겪는 사람들에게 매우 유용할 것으로 보인다. 

이 교수는 "향후 연구를 위해 고관절 외전이 보행 균형에 어떤 영향을 미치는지 더 깊이 파악할 계획"이라며 "우리는 고관절 외전이 보행 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 균형에도 영향을 미칠 수 있다는 것을 관찰했으며, 보행 균형 개선에 있어 웨어러블 로봇의 잠재력을 탐구하는 것을 목표로 한다"고 말했다.

한편, 한국의 현대로템은 지난 2021년 현대자동차와 공동 개발한 웨어러블 로봇을 기반으로, 기존 제조산업군에서 사업 영역을 확장했다.

이 로봇은 VEX(조끼형 웨어러블 로봇)와 H-Frame(지게형), CEX(의자형) 등 3종이다. VEX는 장시간 팔을 들어올리는 작업에서 팔과 어깨의 피로감을 덜어주는 장비로 별도의 전원 공급 없이도 사용이 가능하며 무게도 2.5kg으로 가볍다.

H-Frame은 바닥에서 허리 높이까지 물체를 들어올리는 데 효과적이며, CEX는 앉은 자세에서 착용자의 자세를 지지해주는 데 도움을 준다.

현대로템의 웨어러블 로봇은 이미 현대자동차, 기아, 현대제철을 포함한 자동차, 중공업, 조선, 물류, 유통 분야에서 상용화되어 사용되고 있다. 이 로봇들은 산업 현장에서 근로자의 건강과 안전, 편의를 증진시키는 데 크게 기여하고 있으며, 그 효과성이 입증되고 있다.