로봇 휠체어로 계단 오르내리고, 혼자 서서 이동한다

- 기계연, 계단 오르내리고 일어서서 생활하게 돕는 로봇 휠체어 기술 세계 최초 개발 -

- 하지 장애인 삶의 질 개선 기대 -

□ 하지 장애인이 계단을 오르내리고, 일어서서 이동하며 생활할 수 있도록 돕는 로봇 휠체어 기술이 세계 최초로 개발됐다. 

□ 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 하지 장애인의 일상생활을 도울 수 있도록 계단을 오르내리는 “계단 등반 모듈”, 일어서서 이동하고 탑승한 상태에서는 눕고 기울이는 등 다양한 자세를 취할 수 있는 “스탠딩 모듈”을 구현하고, 두 모듈을 통합한 로봇 휠체어 개발에 성공했다. 

□ 기존에도 계단을 오르는 휠체어와 일어서서 이동할 수 있는 휠체어가 각각 있었으나 두 모듈을 통합해 한 대의 휠체어로 개발한 것은 이번이 세계 최초다. 계단을 오르고, 서서 이동하고, 다양한 자세로 변환하는 기능을 한 대의 로봇 휠체어로 모두 구현할 수 있어 하지 장애인이 공간적 제약 없이 일상생활을 자유롭게 누리는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

□ 기계연 AI로봇연구본부 박찬훈 본부장 연구팀은 ‘ㄹ’자 형상 크롤러*를 특수 설계하고 휠체어 하부에 장착해 계단을 오르내리는 장치인 “계단 등반 모듈”을 개발했다. 이 크롤러는 평상시에는 휠체어 내부에 감춰져 있다가 필요할 때 하강한다.

    * 크롤러: 전차, 트랙터, 휠체어 등에 사용되는 무한궤도를 의미하며, 휠체어의 바퀴에 해당한다.

□ 또한, 연구팀은 평행 사변형 구조의 독특한 기구구조와 자중보상기술*을 적용해 휠체어에 탑승한 상태에서 일어서고, 눕고, 앉은 채로 앞뒤로 기울이고, 좌석 높이 조절까지 5가지 자세 변환이 가능한 장치인 “스탠딩 모듈”을 개발했다. 자중보상기술을 통해 필요 토크를 최대 80%까지 저감해 작고 가벼운 스탠딩 모듈을 구현할 수 있었다.

    * 자중보상기술: 로봇 자체 무게(자중)에 의해 발생할 필요 토크를 최소화하는 기술

□ 이번에 개발한 로봇 휠체어는 계단 오르기와 일어서서 이동하기의 두 가지 기능이 하나의 휠체어에 통합됐을 뿐 아니라 계단 등반 안전성이 크게 향상됐다. 이는 계단을 오르내리는 동안 ‘ㄹ’자 형상 크롤러가 계단 모서리와 디딤판을 동시에 지지하기 때문이다. 

□ 또한, 특수한 형상 덕분에 계단을 처음 오르는 시점과 마지막 계단을 통과하는 시점을 센싱해 계단을 오르기 위한 초기자세를 구현하는 등의 복잡한 메커니즘 없이 크롤러의 하강과 상승 구동만으로 계단을 오를 수 있어 통합된 휠체어의 설계구조가 매우 단순하다.

□ 또, 로봇 휠체어에 탑승한 상태에서 다양한 자세로 변환할 수 있어 압력 집중을 해소하고 욕창 방지와 혈액순환 등에 도움을 받을 수 있다. 자세를 변환하는 스탠딩 모듈이 휠체어와 일체형이 아닌, 독립 모듈 구조로 되어 있어 다양한 휠체어에 큰 설계변경 없이 쉽게 결합이 가능하다는 것 또한 큰 장점이다.

□ 연구진은 크롤러를 이용한 계단 등반 기술을 넘어, 원형의 휠만으로 계단을 오를 수 있는 특수 설계 “변형 휠”의 원천기술도 개발했다. 변형 방향에 따라 블록의 거리가 달라지는 특수한 체인 블록이 휠 표면에 구성되는데, 이는 연구진이 물방울의 표면장력을 모사한 새로운 강성 조절 메커니즘을 세계 최초로 개발적용한 결과이다.

□ 개발된 변형 휠은 평지에서는 일반 휠처럼 원형을 유지하며 이동하지만 장애물을 만나면 휠의 강성이 낮아지면서 장애물의 형상과 일치하도록 형상이 변형되어 장애물을 밟으면서 지나갈 수 있다. 이 기술은 추후 진보된 로봇 휠체어 개발을 위해 적용될 예정으로, 휠만으로 평지의 고속 이동과 장애물 극복이 모두 가능하므로 로봇 휠체어뿐 아니라 다양한 이동로봇에 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 기계연 박찬훈 본부장은 “기존의 휠체어 기술은 단순한 이동 수단 제공에만 목적이 있었다면, 이번 로봇 휠체어 기술은 하지 장애인이 기존 장애인을 고려하지 않고 설치된 시설 및 인프라까지 모두 활용할 수 있도록 도와드리는 목적으로 개발된 기술”이라며 “향후 개발된 기술을 신속히 확산해 장애인 삶의 질 향상에 기여할 뿐만 아니라 인류를 위한 따뜻한 로봇 기술 개발에 더욱 정진하겠다”고 말했다.

□ 한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 “하지 장애인의 독립생활 지원 로봇” 과제의 지원을 받아 수행됐다.