한국생산기술연구원

생기원, 세계 최경량 무릎 보조로봇 개발

- 1.1㎏ 초경량 설계에도 무릎 토크 40% 이상 보조

- 근육 부담은 줄이면서 작업 효율, 보행 안정성 높여

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 사용자의 착용 부담을 줄일 수 있는 세계 최경량 무릎 웨어러블 로봇을 개발했다. 

ㅇ 생기원 인간중심로봇연구부문 안범모 수석연구원 연구팀은 부품 수를 줄이고, 고성능 소형 모터를 적용한 무게 1.1㎏ 무릎 보조로봇 ‘AirKNEE’를 개발했다고 밝혔다.

ㅇ 무릎‧고관절 보조 로봇을 착용하면 보행 시 에너지 소모와 근육 부담을 줄일 수 있어 일부 지자체의 경우 장시간 이동과 작업이 필요한 환경공무관에 웨어러블 로봇을 보급 중이다.

□ 연구팀은 착용 편의성을 높이고, 장시간 사용에도 피로와 압박을 줄일 수 있도록 경량화에 집중했다.

ㅇ 이를 위해 가볍고 강도 높은 폴리아미드12(PA12) 소재로 프레임을 제작하고, 전장부는 최적화 설계로 3셀 배터리를 탑재했다.

ㅇ 구동부에는 토크 밀도가 높은 소형 서보모터를 적용해 줄어든 크기에도 충분한 힘을 낼 수 있도록 했다.

ㅇ 이를 통해 기존 2.1㎏ 수준*이던 무릎 보조로봇 무게를 절반 가까운 1.1㎏까지 줄이는 데 성공했다.

 * Huang 외, 「Modelingand Stiffness-Based Continuous Torque Control of Lightweight Quasi-Direct-Drive Knee Exoskeletons for Versatile Walking Assistance」, IEEE Transactions on Robotics, 제38권, 제3호, pp.1442-1459, 2022년 6월, doi:10.1109/TRO.2022.3170287

□ 무게를 줄였음에도 센서를 활용한 정밀 제어기술로 보행 지원 성능은 보다 향상됐다.

ㅇ 보행 신호를 실시간으로 인식하는 6축 IMU센서는 발뒤꿈치가 땅에 닿는 순간과 다리를 앞으로 뻗는 순간을 감지, 정확한 시점에 무릎 펴는 동작을 지원해 무릎에서 발생하는 최대 토크(31.4Nm*)의 40% 이상을 보조(70㎏ 성인 기준) 할 수 있다. 

 * 뉴턴미터(Newton meter) : 토크(회전력)의 크기를 나타내는 단위

ㅇ 실제 20㎏ 중량 조끼를 착용한 보행 실험에서 로봇 착용 시 종아리 근육 활동은 약 21%, 허벅지 근육 활동은 약 17% 감소해 근육에 가해지는 부담이 줄어드는 것으로 확인됐다.

□ 연구팀은 사용 편의성을 높이는 데도 주목했다.

ㅇ 내부 저항을 0.2Nm 수준으로 낮춰, 전원이 꺼져 있어도 로봇을 착용하지 않은 것처럼 무릎을 편하게 굽히고 펼 수 있다.

ㅇ 또한 스포츠 무릎 보호대 구조의 프레임을 적용해 안정성을 높이고, 제어기·센서·배터리를 일체형으로 통합해 탈부착이 용이하다.

□ AirKNEE는 지난 7월 미국에서 개최된 국제로봇학회 ‘Ubiquitous Robots 2025’에서 최우수 어플리케이션상을 수상, 기술적 우수성과 실용성을 인정받았다.

□ 안범모 수석연구원은 “AirKNEE는 근육 활동을 줄여 보행을 비롯해 착석, 기립, 계단 및 경사로 이동 등 다양한 상황에서 효과를 발휘한다”고 설명하며 “산업현장 근로자는 물론 일반 성인까지 다양한 사용자가 활용할 수 있도록 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.