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세계 최초! 맞춤형 근력지원 통해 작업자 부상 방지하는 웨어러블 로봇기술 개발
2021.06.28

세계 최초! 맞춤형 근력지원 통해 작업자 부상 방지하는 웨어러블 로봇기술 개발

(주)에프알티 장재호 대표이사




산업용 웨어러블 로봇 근력지원 서비스를 제공하는 (주)에프알티 장재호 대표이사. ⓒ한국생산기술연구원


웨어러블 로봇은 몸에 착용해 착용자의 신체능력을 향상시켜준다. 무거운 물건을 들거나 반복적인 작업을 할 때 근력을 지원해 작업자의 육체적 피로감을 눈에 띄게 줄여 준다. 산업 현장에서 근골격계 산재 신청에 따른 근로 손실일은 연 3,985만 일에 달하는데, 이에 따른 경제적 손실만 연 5조원으로 추산된다. 인구고령화까지 진행되고 있는 점을 감안하면 작업장에서 웨어러블 도입의 로봇은 선택이 아닌 필수가 될 것이다.


국내에서 유일하게 웨어러블 로봇 설계·제작 및 양산기술을 보유한 기업, ㈜FRT


최근 웨어러블 로봇에 대한 각종 아이디어와 특허 기술들이 나오고 있는 가운데, 이를 산업에 적용하는 선도기업이 있다. 지난 2015년 3월 생기원에 재직 중이던 연구자의 창업으로 설립된 ㈜FRT(대표이사 장재호, 전 생기원 로봇응용연구부문 박사)는 세계 최초로 작업 맞춤형 모듈화 웨어러블 로봇을 만들어 한국타이어, KT 등 다양한 작업현장에 보급하고 있다. 


㈜FRT는 웨어러블 로봇 설계·제작 기술, 상용화 양산 기술을 모두 보유한 국내 유일의 기술 중심 스타트업이다. 대표 제품은 ‘스텝업(Step-Up)’으로 웨어러블 로봇 도입을 원하는 기업이 필요로 하는 기능만 담아 제작할 수 있다. 현장을 분석한 뒤 작업의 종류나 작업자의 수요에 따라 웨어러블 로봇 외골격에 필요한 부품이나 구동방식을 적용한다. 복합소재 및 형상 최적화 설계기법을 적용하기 때문에 상대적으로 가격은 저렴하면서도 무게는 30% 정도 가벼운 로봇을 만들 수 있다.


생기원 출신인 장재호 대표이사는 근로자의 산업재해 가운데서도 근골격계 질환에 주목하고 있다. 육체 노동자들의 근골격 질환은 진행 경과를 체감하기 어렵고, 대부분 심각하게 진행된 다음에야 질병으로 판정된다. 이를 효과적으로 보조할 수 있는 웨어러블 로봇을 만든다면 산업재해도 그만큼 줄어들 것이라는 데에 착안해 ‘스텝업(StepUp)’을 만들었다. 건설 작업장과 산불진화 현장, 중공업 공장이나 요양원 등 다양한 환경에서 적용할 수 있다.


근력지원 웨어러블 로봇은 수요가 다양한 데다, 현장별 수요도 아직 그렇게 크지 않은 다품종 소량생산 아이템의 대표라고 할 수 있다. 최첨단 기술인만큼 최고급 엔지니어에 의해 개별 제작될 수 밖에 없고, 사용자마다 평가나 반응이 달라서 검증에도 오랜 시간이 필요하기 때문에 국내에서 웨어러블 로봇을 보급하는 업체는 ㈜FRT가 유일하다.


장 대표는 “맞춤형 웨어러블 로봇은 설계에 비용과 시간이 엄청나게 소요됐던 일”이라며 “설계 전 과정은 1년에서 3개월로, 비용은 3억 원에서 2천만 원 가량으로 줄여 경쟁력을 확보했다”고 설명했다.


㈜FRT는 기업에 로봇 관리 서비스를 제공하고, 사용자에게는 유지·보수 서비스를 지원하면서 기업으로부터 이용료를 받고, 근로자에게는 사용자 피드백 자료를 제공받는 비즈니스 모델을 구축했다. 기업의 의뢰가 들어왔을 때, 작업현장 분석부터 시제품 설계 제작, 현장 시범 테스트, 데이터 수집 분석, 제품 제작 및 교육 훈련을 통해 현장에 적용하기까지 3개월이면 개발이 끝난다.


부상 방지 위해 작업자 근력지원에 로봇 기술 적용…“제품 가치는 현장에서 나와”


장 대표는 생기원에서 2014년에 국방이나 소방처럼 특수 분야에 근력을 지원하는 유압식 웨어러블 로봇 ‘하이퍼’를 국내 최초로 개발했다. 하지만 ㈜FRT의 제품은 유압식에만 한정돼 있는 것은 아니다. 다양한 정부R&D 과제 수행 경험을 바탕으로 공통적인 요소 기술을 ‘모듈화’하는 방식을 독자적으로 구축했으며, 한 단계 나아가 산업현장의 수요에 따라 맞춤형으로 지원할 수 있도록 유압식, 모터식, 스프링식 등 다양한 구동방식 기술을 개발해 지금의 ‘스텝업’을 만들었다.


“생산기술연구원 출신이니 로봇 기술에 대해서는 최고라고 자부할 수 있습니다. 하지만 제품의 가치는 최고의 기술이 아닌 현장에서 나오는 것입니다.”


그가 창업을 결심하게 된 계기도 정부기관에서 연구개발 사업을 통해 기술이 개발돼도, 산업화와 제품 출시가 더딘 점을 안타까워했기 때문이다. 막상 창업을 하고 나서는 ‘시장 창출’이 개념으로는 쉬워도 현실에서는 어렵다는 점을 뼈저리게 경험했다.


“생기원에서는 원천 기술을 개발하는 일에 매진했다면, 회사를 창업하고 나서는 요소기술을 최적화해 경제성 있는 기술로 바꿔 내는 일을 하고 있습니다. 경제성 있는 게 뭘까 항상 살피고 몇 번의 시행착오 끝에 바로 육체노동자들의 근력 지원에서 답을 찾았습니다.”



장재호 대표이사가 생기원 재직 시절 연구했던 주제와 현재 연구 주제의 변화에 대해 설명하고 있다. ⓒ한국생산기술연구원



미국 시장조사업체 BIS에 따르면 글로벌 웨어러블 로봇 시장은 2026년 약 5조 2천억 원 대의 시장이 형성될 것으로 예측된다. 하지만 세계적으로도 웨어러블 로봇을 산업 현장에 본격적으로 보급한 사례는 전무하다. 현장에 들어가 있는 경우는 시험평가와 피드백을 위한 용도이고, 산업이 초창기라서 투자금이 유치되어도 대부분은 시험용 작업장에서 사용자가 체험해 보는 데에 들어갈 정도다.


한편 국내에서는 최근 산업재해 관련 규제가 많아지면서 웨어러블 로봇에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 근력지원 로봇은 구동관절장치 및 제어, 착용자의 의도 감지, 착용의 편리함, 안전과 관련된 기술, 경량화된 소재 등 주요 기술의 균형 있는작동이 매우 중요하다.


㈜FRT가 보급하고 있는 근력지원 로봇은 외골격 설계 기술과 사용자 운동 의도 인식 기술, 이 2가지 기술이 특화돼 있다. 외골격 설계는 사람이 착용했을 때 최적화를 통해 불편감이 없는 작업 환경을 조성해 주기 위한 것이다. 관절 구조가 너무 경직돼 있으면 한 쪽의 근력을 지원받으면서도 다른 쪽에서는 근력을 오히려 더 쓰게 만드는 결과를 낳게 된다. 장 대표는 기계나 기구로 구현하기에 복잡한 관절 구조를 최적으로 구현해 자유도를 최상으로 높일 수 있도록 설계했다.


사용자 운동의도 인식기술은 센서를 이용해 착용자의 의도를 인식하기 위한 것이다. 발 부재(副材) 위쪽 3개의 영역에 센서를 각각 설치해 뒤꿈치가 닿거나, 서 있거나, 발바닥을 굽히고, 허공에 위치하는 등의 다양한 상태를 감지하고 보행 의도를 정확하게 판단하는 기술을 적용했다. 종전에는 부착식 센서를 적용해 왔으나, 연구자가 아닌 일반인이 쓰기에는 불편하다는 평가에 따라 힘 센서와 관성 센서 등을 적용해 사람의 운동의도를 더욱 정확하고 편리하게 인식할 수 있도록 했다.


또한 로봇이 사람의 움직임을 잘 따라오도록 제어하는 데에 버추얼 토크 제어방식을 적용해 인체와 기계간의 운동 불일치 발생을 최소화했다. 사용자와 로봇간의 토크(물체에 작용해 물체를 회전시키는 물리량)를 0이 되게 해주는 기술이다. 토크가 0이 되면 사용자가 힘을 주는 방향을 유지할 때, 로봇이 근력을 보조하는 힘이 더욱 증가한다.


세상에 없었지만 꼭 필요한 제품 만드는 자부심 커…사용자와 함께 개발 


“㈜FRT의 연구 방향은 현장에서 저희 제품을 쓰는 작업자가 결정한다고 볼 수 있습니다. 이분들이 호소하는 작업상의 어려움을 충실하게 들어야 그들이 필요한 기술이 무엇인지, 그 기술로 어떤 제품을 만들 수 있을지 결정할 수 있기 때문이죠. 저희가 만드는 제품은 작은 것이라고 해도 세상에 없던 품목입니다.”


근력지원 로봇이라는 콘셉트는 장 대표가 학부와 생기원 시절 연구해 온 주제와도 맥이 닿는다. 그는 인간서비스 로봇, 재활치료용 로봇 등의 분야를 공부해 왔고, 생기원에서도 정부 과제나 기획을 수행하면서 이 분야를 계속해서 연구해 왔다. 특히 비장애인을 대상으로 한 근력지원 로봇은 어느 분야에 필요할지를 타진하던 중, 소방관이나 군인 등의 작업에 대한 근력지원 로봇을 개발하고, 중공업 등의 산업 노동자에 대한 적용 가능성을 본격적으로 타진하게 되면서 회사의 방향을 더욱 분명하게 잡을 수 있었다.






“현대자동차와 공동으로 기술을 개발하면서 산업근로자에 대한 적용이 본격적으로 이뤄질 수 있다는 희망을 보게 됐어요. 대우조선해양에 저희들이 보유한 원천 기술을 이전시켜 주면서 조금 더 적극적으로 근력지원 로봇의 용도를 파악하는 계기가 됐습니다.” 


장 대표는 “㈜FRT가 연구 중심 기업인 만큼 생산효율, 제조단가, 고객만족, 가격 경쟁력 등을 반영해 개발을 진행하고 있다”며 “세부 제원은 다소 낮추더라도 성능을 조합해 저렴한 기술을 더욱 널리 보급하는 것이 저희가 해야 할 일”이라고 말한다. 


“저희들의 사업은 여전히 시작단계라고 볼 수 있습니다. 하지만 생기원에서 생산과 제조에 관련된 기술을 연구해 온 경력을 바탕으로 기업 및 실제 사용자의 목소리를 듣고, 그 분들께서 응답해 준다면 관련 글로벌 기업과 함께 웨어러블 로봇 시장을 계속해서 확장하는 데 큰 역할을 할 수 있을 것입니다.”