공상과학 영화에나 나오던 로봇은 이미 우리들의 일상 곳곳에서 다양한 형태로 활용되고 있다. 산업 현장, 의학 현장, 군사용 무기, 항공 우주, 가정은 물론이거니와 그야말로 많은 분야에서 섬세한 연구, 개발, 적용되고 있다. 

여러 분야에서 로봇이 어떻게 연구 개발 적용되는가에 대한 설명은 앞으로 이어질 칼럼에서 다루기로 하고 오늘은 개인 서비스용 로봇 '근력 감소자를 위한 보행·보조 로봇'을 소개하려 한다. 

나이가 들면 나타난다는 '근 손실과 골밀도 감소'를 예방하기 위해 근육과 뼈에 좋은 음식이나 영양제 그리고 운동 등을 하게 된다. 그러나 '근 손실'은 세월의 흐름 말고도 장시간 병상에 누워있는 사람들에게도 나타나고 우주정거장에 장기 체류하는 우주인들에게도 나타난다.

흔히 근력 감소가 심해지면 일반적인 활동이 어렵게 되어 앉거나 누워서 보내게 된다. 이러한 현상은 근력의 감소가 증가하는 악순환이 되며 그에 따라 보행 자체가 어려움을 겪게 되어 삶의 질이 낮아지게 된다. 

보행을 보조하는 웨어러블 로봇에는 모터와 모터 구동을 위한 동력을 사용하는 동력형 웨어러블 로봇과 동력을 제외한 탄성체를 활용한 무동력 웨어러블 로봇으로 연구 개발되었고 그러한 연구 개발은 근력 감소자들의 삶의 질을 향상하는 데 큰 영향을 미쳐왔다.

근력 감소자용 보행·보조· 로봇의 핵심은 개인별 맞춤형이어야 한다. 이유는 근력 감소자의 근력 감소 정도가 다르기 때문이다. 당연히 '근력 감소자용 보행·보조 로봇'은 일반화할 수 없고 보행을 보조하는 맞춤형이 되어야 한다. 

특히, 힘 차이를 면밀히 살펴야 한다. 이를테면 오른손잡이와 왼손잡이가 있듯 오른발잡이와 왼발잡이를 고려해야 하며 불편함이 없이 보행하던 시절에 사용하는 근육과 불편한 상태에서 보행하는 근육량 차이를 개인별로 살펴야 한다. 

또한, 근감소 정도에 따라 맞춤을 보정하고 보행하기 위해 골반이 좌우로 움직이는 것도 보정을 해야 한다. 이를 무시한 보행·보조 로봇의 착용은 불편함을 느끼게 되고 그 불편함이 커지면 사용하지 않으려는 심리가 발생한다.

같은 맥락에서 소프트웨어적 맞춤을 설명하면 얼굴의 좌측이나 우측의 한쪽 절반을 반전시켜 만들어진 얼굴이 원래 얼굴과는 다른 얼굴이 되는 것은 평소 사용하는 근육이 다르게 되어 비대칭 얼굴이 만들어지는 것이다.

사람에 따라 오른발잡이나 왼발잡이의 평소 보행에 사용하는 근육에 따라 좌우의 근전도가 다르게 된다. 그리고 사람들의 좌우 다리 길이도 다르다. 그 차이가 작은 사람들은 적응이 되어서 보행을 하지만, 적지 않은 사람들은 그 차이로 보행에 어려움을 겪게 되어 신발 굽의 높이를 다르게 적용하거나 심한 경우는 교정 치료를 받게 된다.

보행시 사용하는 근육량의 차이가 큰 사람들은 물론이거니와 차이가 작은 사람들도 보행 과정에서 양발의 근전도는 다르다.

위와 같은 내용을 종합적으로 적용하기 위해서는 근전도 센서를 부착하고 다양한 속도와 평지, 경사로 등의 보행 조건을 고려하여 제작해야 한다. 

더불어 평지와 전혀 다른 계단을 오르거나 오른손이나 왼손에 가방 등의 하중을 주고 테스트했을 때 나타나는 신호를 분석한 뒤 보행·보조 웨어러블에 변수를 적용하여 불편함을 감소해야 한다. 특히 부드러운 보행을 위해 제어프로그램의 개인별 맞춤형이 필요하다. 

소프트웨어에 이어 하드웨어적 맞춤을 자세히 살펴보면 현재 대부분 기구 부를 조절하는 일반적 방식은 높낮이 조절이 있다. 예를 들어 등산 스틱, 탁자나 선반의 높이 조절 방식 같은 것들이다. 문제는 팔뚝이나 손목 등의 굵기가 다른 점을 간과하고 있다. 

단순히 팔꿈치나 손목을 감싸고 보호하기 위해 탄성이 있는 밴드로 제작하여 엘보를 감싸서 고정하거나 밸크로(Velcro, 찍찍이)로 마무리하는 스트랩(strap) 방식을 적용하고 있다. 또한 개인별 차이를 크게 대·중·소로 구별한 불안한 형태이다.

반면 웨어러블 로봇은 하드웨어적으로 부품 간의 간격을 기구적으로 길이 조절(Length adjustment)하는 방식을 적용하고 있고 3D 프린팅 기술도 적용하여 개인별 신체의 차이를 정확하게 인지하는 맞춤형 보행·보조 웨어러블을 제작하고 있다.

보행·보조 로봇은 사람이 직접 신체에 착용하고 움직임을 보조받으므로 안전성 인증이 필요하다. 

그리하여 국내에서는 한국 로봇산업 진흥원이 인증을 하고 있으며 국제 표준인증은 기술위원회 TC299(로보틱스)가 관리하고 있다. 

ISO 13482는 이동형 도우미 로봇(mobile servant robot), 신체 보조 로봇(physical assistant robot), 탑승용 로봇(person carrier robot) 위 세 가지 개인용 서비스 로봇으로 분류하고 안전성 확보를 위해 국제표준화기구(ISO, International Organization for Standardization)를 2014년에 제정했다.

※ 기술위원회 TC299(로보틱스) 사무국은 스웨덴이다. 장난감과 군용 애플리케이션을 제외한 로봇 공학 분야의 표준화를 담당해 26개를 제정, 12개를 개발하고 있다. 우리나라 포함 28개국, 옵서버 회원(Observing members) 13개국이 참여하고 있다.

[걸음걸이에 따른 발바닥의 압력 맵핑] (출처: Tao et al. Microsystems & Nanoengineering (2020) 6:62)
	a. 실험자가 똑바로 걷고 돌아서는 조건에서 24채널 센서의 정전용량 응답 곡선. b. 뒤꿈치에 S1, 가운데에 S17의 정전용량 반응 곡선과 S23과 S8은 앞발에서 똑바로 걷고 돌아서는 경우. c, d, e 직진과 회전, 미끄러짐, 위층으로 올라가는 동적 압력 매핑.