산업 노동자의 들기 작업 시 허리 통증을 예방하기 위한 수동 모듈형 외골격 시스템 개발

1. 서론

산업 노동자들은 근골격계 요통 질환의 위험에 상시 노출되어 있다. 한국산업안전보건공단(KOSHA)의 2014년 산업재해원인조사 통계보고서 중 업무상 질병 종류별 조사 현황에 따르면 업무상 질병을 판정 받은 산업재해 환자 3,712명 중 근골격계 요부질환 피해자는 869명으로 23.41%를 차지했다.¹ 고용노동부의 2008-2017 산업재해 분석자료의 업무상 질병 조사자료에 따르면 산업 노동자의 요통환자 비율은 2008년 5,232명(53.75%)에서 2017년 2,638명(28.73%)으로 발병 횟수와 비율이 낮아졌다. 이는 노동 직종의 다양화, 한국산업안전보건공단의 중량물 취급 관리지침 교육 등의 영향으로 개선된 것으로 분석된다. 하지만 여전히 높은 비율의 산업 노동자가 근골격계 요부질환에 노출되어 있다.

산업재해 중 근골격계 요통 질환의 비율이 높은 원인은 무거운 작업물의 취급을 필요로 하는 경우가 많기 때문이다. 특히 작업물을 들어 올리는 들기 동작에서 유발된 근골격계 요통 질환 비율이 51.9%를 차지한다.¹ 근골격계 요통 질환을 예방하기 위해서는 작업자가 무거운 작업물을 들어 올릴 때 작업자의 고관절에 걸리는 부담을 줄이기 위한 해결책이 필요하다. 외골격 근력지원 시스템은 작업자의 고관절에 걸리는 부담을 줄이는 효과적인 해결책이 될 수 있다. 또한 외골격 시스템은 공장 자동화처럼 산업 노동자를 대체하는 것이 아닌 보조하는 개념이기 때문에 노동자에게 경제적 위협을 주지 않는다. 이러한 이점으로 작업자를 보조하기 위한 외골격 시스템이 최근 많이 연구되고 있는 추세이다.

외골격 시스템은 초기 전신형(Full Body Type)으로 연구가 시작되었다. 상하지 통합 전신형은 Raytheon의 XOS²가 대표적이며, 하지 전신형은 UC Berkeley에서 개발된 BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)³와 Lockheed Martin에서 개발한 HULC (Human Universal Load Carrier)⁴가 대표적이다. 그러나, 전신형 외골격의 경우 소재, 동력원 등의 기술적 한계, 인체 착용성 문제와 경제적 효율성 등에서 한계점이 존재하여 최근에는 선택적으로 관절의 근력을 지원할 수 있는 모듈형 외골격 시스템이 활발히 연구되고 있다.

모듈형 근력지원 외골격 시스템은 크게 두 가지 유형으로 개발된다. 능동형 구동기(모터, 공압, 유압 등)를 사용한 외골격 로봇은 현장 작업자가 고중량의 작업물을 쉽게 취급할 수 있도록 도와주며 제어를 통해 정교한 움직임을 보조할 수 있다. Cyberdyne의 HAL-LB03,⁵ ATOUN의 Model Y,⁶ German Bionics의 CRAY-X⁷는 모터를 구동기로 이용하였으며 INNOPPHYS에서 개발된 Mu scle S u it⁸는 압축 공기를 이용한 구동기로 시스템을 구현하였다. 반면, 수동형 외골격 시스템은 제어장치, 배터리 등이 필요 없는 수동형 구동기(스프링, 탄성밴드 등)를 사용한다. Suit-X에서 개발한 Back-X⁹는 측면에 위치한 에너지 저장장치 메커니즘을 통해 상체 작업 하중을 지지해주며, Laevo의 Laevo V2.5¹⁰는 가스 스프링을 이용한 경량형 근력지원 장치이다. UPR에서 개발한 Support Jacket¹¹은 탄성밴드를 이용하여 에너지를 저장, 방출하는 구조이다. 수동형 외골격 시스템은 운용 시간에 제한을 받지 않으며 경량 설계가 가능하여 착용 편의성이 우수다. 유지보수성 또한 우수하여 단기간에 산업 현장에 적용 될 수 있을 것으로 평가된다.

본 연구는 산업 노동자의 골반 및 요추 근력지원을 위한 수동 모듈형 외골격 시스템의 개발을 목적으로 한다. 이를 해결하기 위해 작업 자세 선정, 수학적 모델 해석을 기반으로 한 메커니즘 설계/제작을 수행하였으며, 비교 실험을 통해 시스템의 유효성을 검증했다.

2. 인체 동작 분석

2.2 스투프 들기 작업간 인체 동작 분석

스투프 자세에서 중량물 들기 작업의 동작 분석을 위해 인체치수¹⁴ 및 신체 분절 질량, 질량비 정보¹⁵를 분석, 정리하였다(Table 1).

Table 1

Human upper body mass & COM (Center of Mass)

생산 가능 성인 남성 중 주요 구성원인 10-30대의 인체 특성 정보를 세 부류로 나눠 인체 주요 치수를 정리하였으며, 분절질량 및 질량비 데이터를 적용하여 목표 동작 분석을 위한 기본 설계인자를 선정하였다. 본 연구에서는 주요 생산인구에 해당하는 30-39세 성인 남성을 대상으로 하였으며, 해당 대상군의 상체 질량은 체중의 71%인 53.74 kg이고, 상체 무게중심의 위치는 고관절을 기준으로 0.378 m 떨어져 있다.

스투프 자세에서 중량물 들기 작업에 필요한 고관절 토크를 분석하기 위해 단순 모델을 정의하였다. 모델을 단순화시키기 위해 상체 무게중심의 회전은 고관절을 기준으로 회전한다고 가정하여 들기 동작간 필요한 고관절 모멘트에 해당하는 간략화 모델을 다음 Fig. 1과 같이 정의하였다. 스투프 자세에서 들기 동작간 고관절의 가동 범위는 0-90°로 설정하여 해당 자세에서 필요한 고관절 토크의 일정 비율을 지원하고자 한다. 또한 작업자의 고관절 가동범위를 고려하여 추가적으로 90-115° 범위에서도 최대 지원 토크(τ_req (θ = 90°))를 최소 변화량으로 유지할 수 있도록 설계하고자 한다. 2링크 1관절로 구성된 모델에서 요추 모멘트 곡선을 단순화시켜 식(1)의 비선형 모멘트 곡선을 구할 수 있다.

$\[ {\tau }_{req}=m_{upper}{d}_{upper}{a}_{gravity}\mathit{sin}\theta \left[Nmm\right] \]$

(1)

Fig. 1

Supporting model of human body at body angle 90 degree (Left) and human body extension (Right) in stoop lifting work

3. 들기 작업 보조를 위한 수동 모듈형 외골격 시스템 개념

본 연구에서는 요추 근력을 보조하기 위해 수동형 메커니즘을 채택했다. 수동형 메커니즘은 전원이 필요하지 않으며, 제어기 또한 필요가 없어 구성이 간편하고 경량 설계가 가능한 이점이 있다.

외골격 시스템을 인체에 적용하여 효과적으로 노동자의 요추 근력을 보조하기 위하여 시스템은 2.2절의 인체 간략화 모델과 같이 고관절을 지원하게 되며, 인체와의 체결 조건은 허벅지, 엉덩이, 상체 앞가슴부(상체 무게중심)에 체결요소를 두어 3점 지지 구조로 구성하였다. 이를 통하여 허벅지는 스투프 자세의 들기 작업간 안정적으로 기저부 각도를 유지하게 된다. 외골격 회전축은 체결부를 통하여 들기 작업간 골반 회전축과 일치하게 유지되며, 외골격 회전축에서 제공되는 상체 보상 토크는 가슴체결부를 통하여 상체를 들어 올리는 방향으로 보조 힘을 전달한다. 외골격 시스템의 고관절 토크 곡선 지원 방법은 다음 두단계로 구성된다.

첫째, 수동형 고관절 외골격을 착용한 노동자가 바닥면의 작업 대상물을 들어 올리기 위해 허리를 굽힐 경우 외골격 시스템은 착용자의 상체를 지지하며 동시에 수동형 구동기에 에너지가 저장된다.

둘째, 외골격 시스템 착용자가 작업물을 들어 올릴 때 외골격은 착용자의 근력을 보조할 수 있어야 한다. 외골격 시스템은 착용자 상체 무게중심 부근의 가슴 체결부를 통해 저장된 에너지를 보조 토크로 방출하게 된다.

평지 환경에서 일반 보행 중 유각기의 굴곡 동작에서 근력보조 모듈형 외골격 시스템이 역부하로 작용할 수 있다. 이에 따라 사전 실험을 통해 보조 수준을 선정하였다. 사전 실험은 본 기관에서 보유한 CR-60¹⁶ 능동형 하지 외골격 시스템을 이용하여 상체 중력 보상률 10, 20, 30, 40, 50%에서의 들기 동작 및 보행간 선호도 조사를 수행하였다(Table 2). 중량물은 무부하(0 kg), 부하(15 kg, 들기 작업 안전 한계하중¹⁷)로 선정하였으며, 중량물을 들어서 평지 20m 보행(5 km/h) 후 내려놓는 작업을 수행하였다.

Table 2

Preference of gravity compensate rate

무부하 실험에서 일반 보행 동작간 역부하가 발생함에도 불구하고 스투프 동작간 착용자의 상체 중량의 영향으로 중력 보상률 선호도는 평균 12%로 조사되었으며, 중량물 15 kg 실험의 경우 중력 보상률 선호도는 평균 28%로 조사되었다. 본 실험을 통해 들기 작업에 대한 하중 부담 정도와 보행 동작간 역부하 영향이 착용자의 중력 보상률 선호도에 유의미한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 본 연구는 중량물을 취급하는 산업 노동자를 대상으로 하므로 15 kg 중량물 실험에서 선호도가 높은 30%의 중력 보상률을 선정하였다. 수동형 구동기는 양측에 부하가 분산 배치되므로 목표 토크 선도는 식(2)와 같이 정리할 수 있다.

외골격 메커니즘의 고관절 토크 지원을 위해 다음의 두 가지 사항을 고려하여 설계하였다.

첫째, 착용자의 골반 조인트부터 상체 무게중심점(가슴 지지점)까지 안정적으로 근력 보조를 할 수 있도록 고안된 가슴 지지 링크 구조는 상체 및 고중량 작업물에 의한 하중 토크와 근력 보조 토크가 외골격의 엉덩이 관절 위치에서 저장 및 방출될 수 있어야 한다.

둘째, 수동형 구동기의 메커니즘은 하중 토크를 저장/방출하는 요소가 필요하다. 본 연구에서는 이에 대한 해법으로 코일스프링을 선택했다. 코일 스프링만으로는 식(2)의 목표 토크 선도를 따르는 토크를 생성할 수 없으므로 상체 굽힘 동작에 의한 회전 변위를 위치 변위로 바꿔줄 수 있도록 캠 메커니즘을 고안했다.

4. 수동 모듈형 외골격 설계

외골격 시스템의 목표 토크 식(2)를 만족하는 캠 & 스프링 메커니즘 수동형 구동기를 설계하기 위해서는 캠 반경 함수가 필요하다. 캠 반경 함수를 유도하기 전에 식(2)와 동일한 수동형 구동기의 시스템 토크 방정식을 유도해야 한다. 이를 위해 캠 및 스프링 메커니즘의 모델링이 필요하다. 또한 시스템 토크 방정식으로부터 캠 변위를 유도하기 위한 스프링 변위 함수가 필요하므로 캠 및 스프링 메커니즘을 수학적으로 모델링을 수행했다. Fig. 2는 구동기 설계를 위한 주요인자 관계를 보여준다.

Fig. 2

Relation of radius in cam mechanism

구동기 토크 τ_actuator는 캠 중심과 캠 팔로워 중심 사이의 거리 r, 캠 접촉 각 α_p, 스프링력 F_s의 관계로 나타낼 수 있다(식(3)).¹⁸

식(3)에서의 캠 접촉 각의 탄젠트 값은 스프링 변위함수 f(θ)와 거리 캠 중심과 캠 팔로워 중심 사이 거리로 식(4)와 같이 정리되며, 스프링 압축력에 의한 토크 변환은 식(5)와 같이 정리된다.¹⁸ 이를 식(2)의 τ_obj와 유사하게 설계하고자 한다(식(8)).

변위함수의 형태를 단순화하기 위해 k값을 30,000으로 임의 설정하여 테일러 급수 형태(입력 각도: 0-90°, 에러범위: ±0.001)로 근사화한 수식을 유도하였다.

단순화 수식을 그대로 설계에 반영할 경우 과도한 스프링 상수와 가공 오차 미만의 미세 스프링 변위가 요구되어 구현이 불가능한 결과물을 얻게 된다. 따라서 상용 스프링을 선정하여 구현 가능하도록 스케일링 상수 a를 사용하여 스프링 변위 함수 f(θ)를 비율변환 스프링 변위함수 g(θ)로 변환하였다(식(15)). 비율변환 스프링 변위함수는 스프링 변위와 스프링 상수의 비율을 조정할 수 있게 도와주는 역할을 한다.

스프링의 설계 여유 공간을 직경 30 mm 이하, 자유길이 150 mm 이하로 설정하여 상용 스프링을 선정하였다(Table 3).¹⁹ 식(13)과 식(15)를 이용하여 비율변환 스프링 변위함수 g(θ)의 전체 변위를 유도하였으며, 각 스프링의 최대변위 조건을 고려하여 선정하였다. 치수 및 요구 변위 조건을 만족하며 추가 각도(90-115°)에서도 캠에 작용하는 스프링 힘이 손실되지 않도록 추가 변위를 만족하는 TB30X125 스프링을 선정하였다.

Table 3

Comparison between springs for passive actuator19 (Adapted from Ref. 19 on the basis of OA)

캠-캠 팔로워 중심거리는 식(18)과 같이 표현할 수 있으며, 식(4)와 같은 논리로 식(19)를 정리할 수 있다. 캠-캠 팔로워 접촉 각도는 최초 접촉 시 가장 크게 나타난다. 최대 접촉 각도는 30°로 권장¹⁸됨을 고려하여 캠 초기 반경을 설계하였다(식(20)). 캠 팔로워 반경은 사용하는 베어링의 규격을 고려하여 8mm로 사전 선정 후 진행하였으며, 가공 치수를 고려하여 최대 접촉 각도를 미세 조정하였다(Table 4). Fig. 3의 좌측 영역은 이를 통해 얻은 캠 반경, 변위, 변화율 선도이다.

Table 4

Design parameters data

Fig. 3

Profile of cam radius, displacement, derivative about angle of cam rotation

식(21)과 식(22)와 같이 관절 각도 추가 변위 구간(90-115°)에서 일정한 수준의 변동량을 보장하는 토크 출력을 설계하기 위해 본 연구에서는 해당 구간에 대한 토크 곡선을 고차함수로 정의하였다(식(23)). 식(16)에서 볼 수 있는 특성으로 인해 토크 함수는 최고 차수가 홀수인 함수 형태가 되며, 이는 식(24)와 식(25)로 분리할 수 있다. θ₀를 90° 에서 증가시키면서 두 조건(h(90°) = g(90°), h'(90°) = g'(90°))을 만족하는 b를 유도하였고, 토크 변동량이 3% 이내에 만족하는 최소 차수 n을 선정하였다.

추가 구간에서의 τ는 h(θ)가 고차함수가 될수록 토크 증가량이 작아지는 경향을 보였다(Fig. 4). 시뮬레이션 결과 관절 토크는 최초 30.1357 Nm (90°)에서 시작하여, n = 1일 때 최대 관절 토크는 36.7342 Nm (21.8959%)으로 증가하였으며, n = 17일 때 31.0378 Nm (2.9934%)으로 증가하였다. 본 연구에서는 3% 이내에 들어오는 증가량을 유효하다고 판단하여 해당 조건을 최초로 만족하는 17차 함수를 선정했다. 최대 변위 조건 또한 24.7948 mm로 선정된 스프링의 조건을 충족하였다. Solid Works로 설계한 캠 설계데이터를 기반으로 ADAMS를 이용하여 관절 토크를 분석한 결과 고관절 각도 90° 기준 목표 토크는 30.459 Nm로 설계된 토크 함수 선도와 비교하여 1.07% 수준의 오차를 보였으며, 추가 구간에서 3.01% 증가했다.

Fig. 4

Profile of cam torque about angle of cam rotation

캠 반경 곡선을 바탕으로 설계된 수동 모듈형 외골격의 구조는 Fig. 5의 좌측과 같다. 외골격에 사용된 체결부는 가슴, 아래허리, 대퇴부 3부위에서 인체와 체결되어 3점 지지를 함으로써 근력을 지원하게 된다. Fig. 5의 우측은 수동 모듈형 외골격을 착용하여 작업 자세를 취한 모습이다.

Fig. 5

Entire model of passive hip-exoskeleton. (Red-point means supporting direction of fixation) (Left), Wearing exoskeleton system (Right)

5. 실험 및 결과

5.1 수동형 구동기 모듈 실험

제작된 수동 모듈형 외골격 시스템의 구동기에 대한 검증을 위해 Fig. 6의 왼쪽과 같이 간이 실험 장치를 구성하였다. 본 실험은 고관절을 0-90° 회전시켰을 때 구동기에서 지원하는 토크가 식(2)를 잘 따라가는지 확인하기 위한 실험으로 관절 축으로부터 특정 거리 L_test (식(28))에 실험중량(20 kg)을 인가하여 중력 보상 여부를 확인하여 검증하는 간이 실험이다. 실험 결과 Fig. 6의 오른쪽과 같이 임의 각도에서 중력 보상이 제대로 이뤄짐을 확인할 수 있었다.

$\[ 30\mathit{sin}\theta \left[Nm\right]=L_{test}\times 20\left[kg\right]\times g_{gravity}\times \mathit{sin}\theta \]$

(28)

Fig. 6

Passive actuator module test, Test environment setting (Left), Actuator module test (Right)

5.2 수동 모듈형 근력지원 시스템 실험

스투프 자세에서의 들기 작업에 대한 수동 모듈형 외골격 시스템의 효과를 비교 검증하기 위한 방법에는 EMG (ElectroMyo-Graphy), 심박수 측정 등의 방법이 있다. 가장 많이 사용되는 검증 기법인 EMG 측정 방법은 특정 자세, 임무간 가장 활성도가 높은 근육 그룹을 측정하여 비교 분석하여 검증하는 기법이다. 스투프 자세로 들기 동작을 수행하는 중에 EMG 신호를 연구한 사례²⁰에서 확인할 수 있듯이 척추의 Flexion 동작간 가장 활성도가 높은 근육은 척추기립근이다. 척추기립근은 표면 부착 EMG로 측정이 가능하나, 본 시스템의 허리 체결 조건으로 인하여 측정부의 눌림, 쓸림 현상이 발생하여 정상적인 측정이 불가능했다. 이에 본 논문에서는 심박수 측정과 Modified Borg Scale²¹ 기록 분석을 수행하였다.

심박수는 Polar H10 기기를 이용하여 측정하였으며, 실험 수행간 최대 심박수와 평균 심박수를 기록하여 비교하였다.

Modified Borg Scale은 운동 시 개별적으로 느끼는 운동 강도를 정량적으로 표시하는 기법으로 운동간 발생하는 통증을 1에서 10까지 레벨로 수치화시켜 기록하는 기법이다. 통상적인 Borg Scale Level은 Table 5를 따른다. 본 논문에서는 이를 외골격의 시스템의 효용성 및 성능 평가를 위한 지표로 이용하고자 한다.

Table 5

Modified borg scale

실험 환경은 2개의 작업 선반과 1개의 낮은 작업대로 구성된다. 2개의 선반은 동일한 높이(700 mm)를 가지며 2 m 거리를 두고 배치했다. 낮은 작업대(높이: 250 mm)는 두 선반 중간 위치에 배치했다(Fig. 7).

Fig. 7

Picture of environment for experiment

실험 시나리오는 산업 노동자의 중량물 이송 작업(들기, 이동시키기, 내려놓기)을 재현하기 위해 15 kg의 중량물을 이송하는 작업을 다음 순서대로 진행했다. 1) 선반에 있는 중량물을 1m 높이로 들어 올린 후 낮은 작업대로 이동시켜 내려놓는다. 2) 낮은 작업대의 중량물을 들어 맞은편 선반에 이동시켜 내려놓는다. 3) 다시 중량물을 들어 처음 중량물이 위치했던 선반으로 이동시켜 내려놓는다. 실험은 세 루틴을 하나의 세트로 설정하였으며, 한 세트를 20초마다 수행하여 총 10분간 실험하였다. 실험 중 Borg Scale 레벨이 9에 도달할 경우 실험자의 안전을 위해 중단하였다. 수동 모듈형 외골격의 유효성을 판단하기 위해 착용, 미착용 상태로 나눠서 실험을 수행하였으며, 각 실험은 상호 영향을 줄 수 없도록 1시간 이상의 간격을 가졌으며, 임의의 건장한 성인 남성 5명을 대상으로 수행하였다.

외골격 착용/미착용 상태의 심박수 측정 결과는 Table 6과 같다. 각 피험자별 초기 심박수가 다르기 때문에 비교를 위해 최대 심박수 변화량과 평균 심박수 변화량을 Fig. 8에 정리하였다. 실험 결과 최대 심박수 변화량의 평균은 외골격 착용 전 65.6 bpm (75%)에서 외골격 착용 후 48 bpm (57%)으로 감소하였으며, 평균 심박수 변화량은 47.8 bpm (55%)에서 31.2 bpm (37%)으로 감소하였다.

Table 6

Increases of each parameter from starting heart rate of subjects

Fig. 8

Heart rate change before and after using exoskeleton (Maximum heart rate increase (Top), Average heart rate increase (Bottom))

Borg Scale 측정 결과는 Table 7과 같다. 모든 피실험자의 Borg Scale Level은 외골격 착용 시 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 외골격이 골반 및 허리의 근력을 충분히 보조하고 있음을 나타내는 지표로 볼 수 있다. 외골격을 착용함에도 불구하고 무릎, 팔에서 통증이 느껴진 것은 해당 시스템이 목표로 하는 지원 부위가 허리로 제한되어 나타난 현상이다.

Table 7

Result of borg scale

6. 결론

본 논문에서는 산업 노동자에게서 흔히 발생하는 근골격계질환 중 높은 비율을 차지하는 요추 질환을 예방하기 위해 고관절 및 허리의 근력을 지원해주는 수동 모듈형 외골격 시스템을 연구했다.

캠-스프링 메커니즘을 이용한 수동형 구동기를 설계, 제작하여 모듈형 외골격을 제작하였으며, 심박수 측정, Borg Scale Test를 통해 외골격 착용자에 미치는 영향을 측정하였다.

실험 결과 수동 모듈형 고관절 외골격을 착용한 모든 피실험자는 착용하지 않았을 때와 비교하여 낮은 심박수 증가량, 낮은 수준의 Borg Scale Level을 나타냈다. 이를 통해 수동 모듈형 외골격의 유효성을 검증하였다.

본 시스템은 허리 모듈형 외골격 특성상 타 부위에 대한 근력 지원이 고려되어 있지 않다. 이에 따라 산업 노동자의 개별작업 특성을 고려하여 추가적인 모듈형 외골격을 연구하여 조합하는 연구가 필요할 것으로 보인다.

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