병사를 위한 허리 보조 외골격 로봇: 군 적용 가능성 분석

1. 서론

최근 인체 능력을 증강시켜주거나 활동을 보조하는 외골격 로봇 연구가 활발히 진행되고 있다. 외골격 로봇은 주로 인체 움직임을 유도하거나 근력을 지원하는 형태로 개발되어 재활 분야^1,2에서 활용되어 왔다. 최근에는 산업현장에서 외골격 로봇을 적용하려는 시도가 있었다. 산업 현장에서 외골격 로봇은 인체 유연성과 로봇 힘 증폭 장점을 결합하여 생산성 향상에 도움을 줄 수 있다. 산업현장에서 외골격 로봇은 주로 무거운 물체를 옮기기 위하여 근력을 지원해주거나 불편한 자세로 작업을 하는 노동자의 근골격계 부담을 덜어주는 형태로 개발되었다.³

이러한 외골격 로봇은 능동형과 수동형으로 분류할 수 있다. 능동형은 하나 이상의 구동기를 통하여 힘을 증강시켜주거나 인체 관절부의 움직임을 돕는다. 이러한 구동기들은 전기 모터, 유압 실린더, 공압 실린더, 인공 근육 등과 같은 형태로 구성될 수 있다. 수동형은 능동 구동기 사용 없이 재료 성질을 사용하거나 스프링 또는 댐퍼 등과 같은 수동 요소로 인체 움직임에 따라 에너지를 저장한 후 필요로 하는 자세에서 도움을 줄 수 있다. 예를 들어 수동형 허리 보조 외골격 같은 경우 사람이 물건을 들어올리기 위하여 상체를 구부리는 에너지를 수동 요소에 저장하여 상체를 들어올리는 자세에서 도움을 줄 수 있다. 또한 외골격 로봇은 보조하는 인체 부위에 따라 분류할 수 있다. 다리를 보조해주는 하지형 외골격 로봇, 팔을 보조해주는 상지형 외골격 로봇, 팔과 다리를 모두 보조해주는 전신형 외골격 로봇 등으로 분류한다.⁴

이러한 외골격 로봇 중 군사 분야에서 연구되고 있는 형태는 주로 다리를 보조해주는 하지형 외골격 로봇이다. 병사 기동성과 근지구력을 보조하여 전투력을 향상시키는 목적으로 개발되고 있다.⁵ 하지만 군 운용을 위해 효과적인 외골격 형태 로봇/장치에 대한 체계적인 조사 및 연구가 제시된 바 없어 현존하는 외골격 로봇/장치에 대한 기술을 실제 군사용으로 적용하기에는 아직 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 실제 병사들이 필요로 하는 외골격 로봇을 알아보고자 설문조사를 실시하였다. 이러한 설문조사 결과를 바탕으로 허리 보조 외골격 로봇이 실제 병사에게 적용 가능한지를 알아보고 기존 연구를 분석하여 군대에 적합한 구조를 알아보고자 한다.

2. 근력증강로봇 군 운용을 위한 설문조사

2.3 설문 조사 결과 분석

Fig. 1 보병부대 공용화기 도수운반/화력지원 임무 설문 결과에서는 최대 20 - 30 kg 부하를 운용하는 인원이 19명 중 10명으로 가장 많으며 최대 부하 물품은 탄약이 가장 많음을 알 수 있었다. 이와 같은 부하를 운용하는 임무 지속시간은 4 - 16시간 사이가 가장 많았다. 또한 가장 힘들었던 동작 유형은 고 중량물 운반/적재이며 큰 부하를 받는 신체 부위는 손목이 12명으로 가장 많았고, 허리는 9명으로 그 다음으로 많았다. 이때 피로를 가장 많이 느낀다고 생각하는 신체 부위는 허리가 10명으로 가장 많았고, 허벅지와 무릎 관절이 8명으로 그 다음으로 많음을 알 수 있었다.

Fig. 1

Survey results of the operation of the infantry units (a crew-served weapon manual handling and fire support) (a) maximum operating load (19 people) (b) maximum operating loading item (19 people) (c) mission duration for maximum load operation (19 people) (d) the most difficult type of motion (19 people) (e) the body parts under load (17 people) (f) the body parts that feel the most fatigue (17 people)

Fig. 2 탄약 상하차, 장애물 운반/설치, 교량가설 임무 설문 결과에서는 최대 50 kg 부하를 운용하는 인원이 37명중 16명으로 가장 많으며 최대 부하 물품은 탄약이 가장 많았다. 이러한 임무 지속시간은 4 - 12시간 사이가 가장 많았다. 또한 가장 힘들었던 동작 유형은 고 중량물 운반/적재이며 큰 부하를 받는 신체 부위는 허리가 25명으로 가장 많았으며 무릎 관절을 대답한 인원은 20명으로 그 다음으로 많았다. 이때 피로를 가장 많이 느끼는 부위는 허리가 27명으로 가장 많으며 무릎관절을 대답한 인원은 19명으로 그 다음으로 많았다.

Fig. 2

Survey results of ammo loading/unloading, obstacle transport/installation, bridge construction mission (a crew-served weapon manual handling and fire support) (a) maximum operating load (37 people) (b) maximum operating loading item (37 people) (c) mission duration for maximum load operation (37 people) (d) the most difficult type of motion (37 people) (e) the body parts under load (35 people) (f) the body parts that feel the most fatigue (34 people)

위 임무 수행 설문 결과를 통하여 군에서는 보병 임무 및 운반 설치 임무 중에 공용화기 탄약이나 전차, 자주포 탄약 등 20 kg이상 고 중량물을 긴 시간(4시간 이상)동안 운용하는 병사가 많음을 알 수 있다. 또한 이러한 고 중량물을 운반/적재하는 동작이 병사들은 가장 힘들다고 느끼며 그 때 손목과 허리가 부하를 많이 받으며 피로를 많이 느낀다는 것을 알 수 있었다.

설문 조사 결과를 통하여 병사들은 임무 중에 허리를 보조해줄 수 있는 외골격 로봇을 필요로 함을 알 수 있었다. 현재까지 개발된 허리 보조 외골격 로봇을 살펴보고 병사들이 사용할 수 있는 허리 보조 외골격 로봇 구조와 타 분야 허리 보조 외골격 로봇과 차별점은 무엇인지 알아보려 한다.

3. 기존의 허리 보조 외골격 로봇

3.2 분석 결과

Table 1은 위 분석을 통하여 얻어진 결과이다. 1번부터 9번까지는 수동형 허리 보조 외골격 로봇이고, 10번부터 25번까지는 능동형 허리 보조 외골격 로봇이다. 수동형은 주로 스프링이나 탄성 스트랩을 이용하여 에너지를 저장했다 보조를 해주는 형태가 많았다. 능동형은 주로 전기모터를 많이 사용하고 일본의 논문에서는 인공 근육을 많이 사용하는 경향을 보였다. 그리고 허리를 보조해주는 형태는 10종, 전신을 보조해주는 형태는 8종, 엉덩관절을 보조해주는 형태는 8종으로 분류할 수 있었다. 방수 등급은 대부분이 표기가 안 되었거나 언급이 없었지만 이 중 ATOUN사 MODEL Y³⁴는 높은 방수 능력(IP55등급)을 가지고 있었다. 무게에서는 대부분 논문에선 표기가 안되어 있지만 수동형은 대체로 가벼운 경향을 보였다. 능동형은 구동기가 가지는 무게에 구동기를 제어하기 위한 부가적인 요소가 많이 필요 하기 때문에 무게가 무거운 경향을 보였다. 구동시간에서는 수동형은 배터리와 같은 에너지를 공급해줄 요소가 필요 없으므로 무한대 작동 시간으로 판단하였다. 능동형에서 구동 시간은 판매하고 있는 제품을 제외하고는 대부분 언급되지 않았다. 더불어 BNDR¹⁵은 장시간 사용시 가슴 통증이 느껴진다는 단점을 표기하였고 PLAD^6-12실험에서 일부 참여자가 어깨와 무릎의 불편함을 표기하였다.

Table 1

List of retrieved back support exoskeleton robots

더불어 대부분 연구 결과 분석은 피실험자 척추 기립근에 근전도(EMG, Electromyography) 센서를 부착하여, EMG 신호 크기 변화를 가지고 비교하였다. 대부분 논문에서 피실험자 EMG 신호는 감소하였고, 그 중 일부는 EMG 신호 감소를 척추 4번과 5번(L4/L5)에 걸리는 압축력 감소로 표현하였다. 대부분 전면 부하를 취급하는 노동자 근골격계 질환이 척추 4번과 5번(L4/L5)에 걸리는 압축력에 기인한다는 연구 결과를 공통적으로 인용하였다.³⁷

추가적으로 몇몇 연구에서는 수동형 외골격 로봇이 인체공학적으로 장점이 있지만, 착용자와 인터페이스에서 불편함을 제거하는 것이 해결해야할 문제점이라고 언급하였다. 수동형 외골격 로봇에서 다른 문제점으로는 잠재적으로 착용자 다리 근육 활성도가 증가되는 점을 서술하였다.¹⁷

능동형 외골격 로봇에서는 더 많은 부하를 감소시킬 수 있는 잠재력이 있지만, 크고 무거운 구동기가 존재하기 때문에 전체 시스템 무게가 무거울 수밖에 없다는 단점이 있다. 시스템 무게가 무거울수록 구동기가 작동하지 않는 상황에서는 오히려 인체에 부하를 증가시키는 역할을 한다고 언급하였다.²⁴ 또한 능동형 외골격 로봇은 인체 의도를 인식하여 구동기를 인체 의도에 맞게 동작 시켜야 한다는 단점이 있다. 이러한 의도 인식 기술은 매우 어려운 기술이며 구동기를 제어하는 기술과 함께 해결해야 하는 문제점이다.

허리 보조 외골격 로봇에서 능동형과 수동형이 공통적으로 가지는 문제점으로는 엉덩 관절이나 어깨 관절과 같은 복잡하고 다양한 관절에서 움직임을 자연스럽게 따라가며 보조해줄 수 있는 인체 공학적 설계가 필요하다는 점이다.³

위와 같이 기존 허리 보조 외골격 로봇 문헌들을 분석하여 각 특징 별로 분류하고, 각각 분류에 따른 장/단점을 분석해 보았다. 이러한 조사 내용을 바탕으로 병사에게 허리 보조 외골격 로봇을 적용하기 위하여 어떠한 형태가 적합한지, 군 환경에서 필요로 하는 특징은 무엇인지를 분석해보려 한다.

4. 허리 보조 외골격 로봇의 군 적용 가능성

산업 현장과 군사 분야의 외골격 로봇에서 가장 큰 차이점은 로봇이 작동되는 환경이다. 대부분 산업용 외골격 로봇은 전원을 공급받기 쉬운 공장 내부에서 운용되고, 군사용 외골격 로봇은 외부 전원을 공급받기 어려운 외부 환경에서 작동된다. 또한 외부 환경에서 작동되기 때문에 혹독한 환경(우천, 눈보라, 먼지 등)에서도 정상적으로 작동해야 될 필요성이 있다. 그래서 군 환경에서 허리 보조 외골격 로봇이 적용되려면 내 환경성을 필요로 한다. 더불어 외부에서 작동되기 때문에 장비에 문제가 생겼을 때 쉽게 대처할 수 있도록 간단한 구조나 모듈 형태로 제작되어 파손된 부품을 쉽게 교체 가능하도록 해야 한다. 그리고 신속하고 은밀하게 작전을 수행해야하는 병사에게 모터의 소음이나 착용하는데 많은 시간을 필요로 하는 장비는 치명적이라고 할 수 있다.

이러한 군사 분야 특수성을 고려하면 추가적인 에너지원을 필요로 하고, 방수/방진 구조에 불리하며, 소음을 유발할 수도 있는 능동형의 허리 보조 외골격 로봇은 군 환경에 불리하다. 군 환경에서 수동형 허리 보조 외골격 로봇을 적용하는 게 유리하지만 수동형 경우 특정 부하에 맞춰 설계되기 때문에 전면 부하 무게가 특정 범위에 들어오지 않는다면 사용자에게 적합한 지원을 해주지 못 할 수도 있다. 하지만 이러한 장단점들을 고려했을 때 병사용 허리 보조 외골격 로봇은 특정 임무에 맞는 수동형으로 개발되는게 적합하다고 할 수 있다.

5. 결론

본 논문에서는 병사를 위한 허리 보조 외골격 로봇의 군 적용 가능성에 대하여 검토하였다. 외골격 로봇은 주로 재활 분야에서 시작하여 산업 분야로 그 영역을 넓혀 왔다. 군사용 외골격 로봇은 주로 병사 기동력을 향상시켜주는데 집중되었다. 우리는 근력증강로봇 운용에 관한 설문조사에서 병사들은 무거운 부하를 오랜 시간 운용해야 하며, 이러한 임무에서 허리는 가장 큰 부하를 받고, 또한 가장 큰 피로감을 느낀다는 것을 알 수 있었다. 군사용 허리 보조 외골격 로봇의 적합한 형태를 알아보기 위하여 기존 허리 보조 외골격 로봇을 분석하였다. 총 25종 허리 보조 외골격을 분석하였고, 이를 구동 형태, 보조해주는 신체 부위, 방수등급(IP Code), 기타(무게, 용도, 작동시간 등)로 분류하여 정리하였다. 각각 분류를 통하여 능동형은 많은 힘을 보조해줄 수 있지만 방수/방진 등 환경적인 측면에서 불리하고 무게가 무거운 단점이 있었고 수동형은 가볍고 간단한 구조를 가지기 때문에 환경적인 측면에서 유리하지만 수동 소자를 이용하기 때문에 특정 범위 하중에서만 도움을 줄 수 있다는 단점이 있었다. 또한 기존 연구에서 착용자에 적합한 인체공학적인 설계가 공통적으로 부족하다는 점을 알 수 있었다. 기존 연구 분석을 통하여 군에서 필요로 하는 모든 조건을 만족시키는 허리 보조 외골격 로봇을 찾을 순 없었다. 하지만 허리 보조 외골격 로봇이 인체의 부담을 줄여 근 골격계 부상 위험을 낮출 수 있는 가능성을 확인하였다.

허리 보조 외골격 로봇의 군 적용 가능성을 검토하고자 군사 분야 특수성을 검토하였고, 산업 현장과 달리 외부에서 주로 작동되는 군사용 외골격 로봇은 추가적인 에너지원이 필요한 능동형 보다 수동형이 유리하다는 점을 알 수 있었다.

Acknowledgments

본 논문에서 인용한 설문조사는 2018년도 1월 8일부터 12일까지 “근력증강로봇 군 운용개념”이라는 제목으로 아주대 권용진 교수 연구팀과 공동으로 진행하였음.

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