본 연구에는 건강한 성인 남성 5명이 참여하였다. 연구대상자의 평균 연령은 41.8±8.9세, 신장은 176.3±6.9 cm, 체중은 78.0±8.0 kg이며, 체질량지수는 25.2±3.7 kg/m²이다. 대상자 선정 기준은 건설업 작업이 가능한 만 20-55세 사이의 건강한 남성을 대상으로 최근 6개월 이내에 근골격계 질환으로 치료받은 사실이 없고 본 실험 내용을 이해하는데 문제가 없는 자로 선정하였다. 모든 참여자들에게 실험의 목적과 과정을 설명하고 자발적인 서면 동의를 받아 진행하였다.

본 연구에 사용된 보행보조로봇은 무게 1.4 kg의 초경량 고관절 외골격(WIM, Wirobotics Inc., Yongin, Korea)으로 사용자의 보행이동을 지원하기 위해 개발되었다.

WIM의 크기 치수와 하드웨어 사양은 Table 1과 같다.

허벅지 프레임을 접었을 때 본체 부피 크기는 23.8 × 10.0 × 5 cm이다. 본체에는 단일 전기 모터, 배터리, 컨트롤러가 위치하며, 배터리 용량은 3.35 Ah, 피크 어시스트 토크는 4 Nm로 약 2시간 연속 사용이 가능하다. 본체는 프리 사이즈이며, 허리벨트 부착부와 허벅지 부착부는 소/중 사이즈 선택이 가능하다. 적응형 프레임의 스트로크 길이는 최소 길이 160 mm부터 최대 길이 350 mm까지 확장이 가능하며, 이를 통해 다양한 키와 다리 길이에 대응할 수 있다. 고관절 외골격 WIM은 기계적으로 총 11도의 자유도를 가지고 있으며, 고관절 3자유도, 적응형 프레임 2자유도, 허벅지 커넥터 6자유도로 구성된다. 이 중 1개의 자유도만이 고관절의 활성 관절이다. 시상면의 허벅지 프레임은 넓어지는 방향과 좁아지는 방향으로 구동되며, 보조 토크 제어는 토크 센서 없이 전류 감지를 사용하여 수행되며 역구동 가능한 액츄에이터를 기반으로 한다[19]. 백드라이브가 가능한 액추에이터는 드라이브 마찰과 저항이 최소화된 유연한 드라이브로, 장치의 토크가 꺼져 있는 경우에도 원활하게 움직일 수 있다. 보조 토크의 생성은 보행 시 정현파로 감지되는 엉덩이 각도의 차이를 기반으로 하며, 이 정보를 사용하여 양쪽 엉덩이에 보행보조 형태의 대칭 토크가 생성된다.

Fig. 1과 같이 단일모터가 장착된 메인 바디를 전면부에 위치시킨 폼팩터(Form Factor) 디자인은 기존의 듀얼 액츄에이터를 고관절 측면에 배치한 착용형 로봇의 단점을 보완하여 사용자가 좁은 공간에서도 이동이 불편하지 않도록 편의성을 개선시켰다. 또한 컴팩트한 사이즈의 WIM은 소프트한 허리벨트를 사용함으로써 착용성을 강화하였으며, 접이식 보관형태로 장치 볼륨이 기존 Rigid 타입의 외골격 프레임 로봇보다 최소 5배 이상 감소하는 것을 특징으로 한다[8].

Fig. 1 
Hip-assisted wearable robot used in the study

본 연구에서 트레드밀 보행 결과, 로봇 착용 유무에 따른 근활성도와 피로도는 통계적으로 유의한 차이가 없었지만, 산소 섭취량, 분당 에너지 소비 및 총 에너지 소비량은 WIM 착용 시 noWIM보다 통계적으로 유의하게 감소하는 것으로 나타났다.

선행연구에서 Lee 등(2017)은 고관절 보조로봇(GEMS) 착용 시 노인의 산소소모량이 7% 감소하고, 총 에너지 소비는 6.6% 감소했다고 보고하였다[6]. 또한 Mooney 등(2014)은 고관절 보행보조로봇 착용 시 심폐 대사비용이 약 7% 감소한다고 하였으며[26], 고관절 어시스트 소프트 외골격의 효과성을 분석한 최근 연구에서도 젊은 성인의 트레드밀 보행 시 순 대사 에너지 소비가 17.4%나 감소했다고 보고하였다[27].

또 다른 연구에서 Ding 등 (2016)은 소프트형 고관절 엑소슈트가 보행 중 신진 대사력을 4.6% 감소 시켰다고 보고하였으며[28], Young 등(2017)은 공압식 고관절 외골격 장치를 이용하여 실험한 결과 순대사력의 9.7% 감소를 보고하였다[29].

위에서 언급한 많은 선행연구들에서, 저자들은 공통적으로 고관절 보행보조로봇이 심폐대사 비용을 감소시켜 효과적인 보행을 유도할 수 있다고 주장하였다. 이들 연구에서 제시한 에너지대사 감소율 범위는 최소 6.6%에서 최대 17.4% 범위로 나타났다.

본 연구에서 사용한 외골격 WIM은 산업현장 또는 보행 보조가 필요한 사람들이 장시간 로봇을 착용해도 신체에 부담이 되지 않도록 초경량(1.4 kg)으로 개발되었다. Lee 등(2017)의 연구에서 사용된 GEMS는 2.8 kg이며[6], Kim 등(2022)의 연구에서 사용된 엑소슈트는 2.31 kg으로[17] 우리 제품과는 약 1 kg 내외의 차이를 보인다. 착용형 로봇의 무게를 줄이는 것은 실제 현장업무에 활용하는데 매우 핵심적이고 주요한 요소인데 장치의 보조 성능이 아무리 우수하더라도 무게가 너무 무겁다면 현장에 적용하는데 한계가 있기 때문이다. 이러한 측면에서 초경향 고관절 보조장치 WIM의 실효성 있는 활용이 기대된다. 한편 WIM의 무게 대비 에너지 대사 효율은 Kim 등(2022)의 연구에서 사용한 소프트 엑소슈트 (2.31 kg)보다 낮은 것으로 나타났다[17]. 장치의 무게가 낮을수록 에너지 효율이 더 높아질 것이라고 예상하였지만, 에너지 대사에 영향을 미치는 요인이 장치의 무게뿐만 아니라 보조력, 제어 타이밍 등 다양한 요소가 포함되기 때문에 향후 보조력이나 제어 알고리즘에 대한 추가검토가 요구된다. WIM은 단일모터를 이용하여 고관절을 제어하므로, 듀얼 액츄에이터 방식의 기존 제품들보다 보조력이 저하될 수 있다. 단일모터를 이용하여 제품을 경량화한 만큼 보조력이 저하되지 않도록 제어 알고리즘을 보완하여 최적화된 보조력을 제공할 필요가 있을 것이다.

다음으로 로봇 착용유무에 따른 근활성도와 근피로도에 대해 논의하고자 한다. 트레드밀 보행 시 근활성도와 근피로는 통계적으로 유의한 차이가 없었지만, 로봇 착용유무에 따른 근전도변화 양상에 대해 논의하고자 한다.

본 연구 결과, WIM 착용 시 noWIM보다 RF의 평균 근활성도가 19.9% 증가한 것으로 나타났다. Lee 등 (2017)의 연구에서는 고관절 보조로봇 GEMS 착용 시 RF 근활성도가 유의하게 감소하였다고 보고되었다[6]. 이 연구에서 저자들은 고관절 보조장치가 고관절을 포함한 무릎과 발목의 보행책략(Strategy)을 감소시켜 전반적인 하지 근육의 사용이 줄었다고 주장하였다. 이러한 결과는 우리 연구결과와 상반된 결과이다.

이와 같은 원인은 외골격의 구조적 형태의 차이에서 비롯된 것으로 사료된다. Lee 등 (2017)의 연구에서 사용된 보조장치는 듀얼 액츄에이터 방식으로 고관절의 측면에서 다리 거동을 보조하지만, WIM은 메인 바디가 골반의 전방에 위치하여 앞쪽에서 고관절의 전방 거동을 보조하게 된다. 이러한 WIM의 구조적 특성은 하지 관절 중 특히 고관절의 굴곡 가동범위를 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여, 벨트를 감아 전방에서 고관절 굴곡 보조력을 제공하는 소프트 로봇 슈트 실험에서 최대 고관절 굴곡각도가 평균 5.4% 증가하고, 무릎과 발목 관절의 최대 수직위치가 높아졌음이 보고된 바 있다[30]. 본 연구에서 하지 관절 각도를 직접적으로 측정하지는 않았지만 선행연구에 비추어 볼 때 유사한 구조의 WIM을 착용했을 때에도 고관절을 포함한 하지관절 각도가 전반적으로 증가했을 것으로 예상된다. 이 부분에 대한 정확한 검증은 향후 추가실험을 통해 이루어져야 할 것이다.

한편 WIM 착용 시 RF의 근활성도가 증가하였음에도 불구하고 근피로도는 발생하지 않은 것으로 나타났다.

근활성도는 근 수축이 많아질수록 증가하는 경향을 보이지만, 근활성도가 증가한다고 해서 근피로도도 동반 증가하는 것은 아니다. 근활성도와 근피로도의 양상은 근육의 작용과 종류에 따라 상이하게 나타날 수 있으며[31], 근 피로는 근육이 최대 힘을 발생할 수 있는 능력이 감소하는 것으로 근전도의 주파수 범위의 변화를 통해 근피로도를 추정할 수 있다[32]. 따라서 근활성도의 증가가 근력의 증가를 의미할 수는 있지만, 반드시 근피로를 유발한다고 단정할 수는 없다[33]. 본 연구에서 보여준 RF의 근활성도와 근피로도 분석 결과는 근활성도와 근피로도의 경향이 일치하지 않음을 보여주는 단적인 예이다. 대부분의 선행연구들은 근활성도가 감소하면 에너지 효율성이 좋다고 보고하였지만[6], 근활성도가 감소하여도 근피로도가 증가할 수 있다는 것을 본 연구결과를 통해 확인하였다. 산업현장에서 외골격 장치의 장시간 사용으로 인한 근피로 문제는 주요한 이슈이므로 외골격 보조장치를 검증할 때 반드시 근피로도에 대한 분석이 추가적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.

또 한가지 주목할 점은 WIM 착용 시 RF, ST 및 GCM의 근피로도는 감소하였지만, TA의 피로도는 증가하는 것으로 나타났다. 로봇의 도움으로 하지의 근피로도가 감소할 것으로 예측하였지만, 발목 배굴에 관여하는 전경골근의 피로도가 101%나 상승하였다.

발목관절은 보행 중 유각기 동안 발목이 지면에 닿지 않도록 중립 위치를 유지하는데[34], 부적절한 자세나 과도한 발목 배굴은 TA의 피로도를 높일 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 Jin 등(2016)의 연구 결과에서 보여준 무릎과 발목의 수직 위치의 증가는 결과적으로 발목 배굴을 유지하는 TA의 긴장도를 높일 수 있고 나아가 근피로를 유발할 수 있을 것으로 생각된다[30]. WIM착용 시 TA의 피로도 증가는 작업현장에서 장시간 착용 시 문제점을 유발할 수 있으므로 적절한 구동부 토크 조절을 통해 다리를 보조하면서도 한편으로는 다리의 위치를 과도하게 상승시키지 않도록 제어 메커니즘의 설계 보완이 필요할 것으로 사료된다.

계단 오르기 실험에서 WIM착용 시 ST의 평균 근활성도가 27.5% 유의하게 감소하는 것으로 나타났다.

Lee 등(2020)의 연구에서는 소프트 엑소 슈트 착용 시 계단보행에서 RF의 근활성도가 최대 47% 감소했다고 보고하였지만[35], WIM의 RF 근활성도는 5.4% 감소 하는데 그쳤으며, 오히려 근피로도가 12.4% 증가하는 것으로 나타났다.

본 연구에서 평지 트레드밀 보행 시 근피로도는 RF, GCM, ST 순으로 감소율이 높았는데, 상행계단 보행에서는 오히려 RF의 근피로도가 증가하고, GCM, ST, TA 순으로 감소율이 큰 것으로 나타나 평지와 계단보행의 근피로도 양상이 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 상행계단 보행에 사용되는 하지의 주동근이 평지보행과 다르기 때문인 것으로 추정되는데, 상행계단 보행에서는 입각기 중 수직 추진을 위해 주로 GCM이 작용하며, 전방 추진을 위해서는 대둔근과 슬괵근이 주동근으로 사용된다. 또한 유각기에서는 엉덩이, 무릎, 발목관절에 걸쳐있는 길항근이 다리에서 신체의 나머지 부분으로 힘을 분산시키면서 다리를 조절하는 역할을 하게 된다[36].

본 연구에서 계단보행에 사용되는 주동근의 근활성도를 모두 측정하지는 않았지만, 상행계단보행 시 수직 추진의 주동근인 족저굴근(GCM)의 피로도가 65.9% 감소하고, 전방추진에 관여하는 슬괵근(ST)의 근피로도가 37.6% 감소한 결과는 WIM의 보조력이 상행계단 보행에서 효과적으로 작용한 것으로 해석된다.

한편 계단보행 시 RF의 근활성도가 감소했음에도 불구하고 근피로도가 증가한 것은 WIM의 보조력이 작용하기는 하였지만 근피로를 유발할 만한 어떤 요인이 근육에 작용했음을 추측할 수 있다. 실제적으로 실험 당시 연구 참여자들은 WIM이 계단보행을 도와주기는 하지만 계단을 상승할 때 다리의 움직임과 대퇴부 지지대의 부조화로 인한 불편감을 호소하였으며, 이는 평지보행과 달리 계단을 상승할 때 고관절 굴곡 각도 범위가 커지면서 최적화된 제어를 제공하지 못한 것으로 판단된다. 이러한 요인이 고관절 거동에 관여하는 RF의 정상적인 활동을 방해하면서 결과적으로 RF의 근피로를 유발했을 것으로 추측되며, 이러한 특성을 고려하여 향후 계단보행과 관련된 제어 알고리즘에 대한 개선이 필요할 것으로 생각된다.

마지막으로 계단보행 시 에너지대사는 WIM 착용 유무에 따라 유의한 차이가 없음을 확인하였다.

선행연구에서 Kim 등(2018)은 노인을 대상으로 한 계단을 오르기 실험에서 로봇 착용 후 순 산소소모량 및 순대사력이 각각 8.6% 와 10.2% 유의하게 감소했다고 보고하였지만[7], 본 연구에서는 에너지 대사의 유의한 감소를 확인하지는 못했다.

WIM을 착용하고 평지 트레드밀을 보행한 경우에는 총 에너지 소비량이 13.1% 감소하였지만, 계단 보행에서는 약 3% 수준의 감소율을 보였다. 이러한 이유는 앞서 언급한 바와 같이 계단 보행을 위한 최적화된 제어 알고리즘을 제공하지 못했고, WIM의 구동 파워가 낮아 계단보행 시 충분한 보조력을 제공하지 못했던 것으로 생각된다. 계단보행은 평지보행에 비해 약 30-40%의 심폐대사 에너지가 더 필요한 힘든 활동이다[37,38]. 계단 보행을 위해서는 평지보행보다 더 큰 보조력이 필요하지만 우리 연구에서 사용된 WIM의 구동력이 상행계단보행을 효율적으로 수행하기에는 충분하지 못했던 것으로 파악되며, 향후 이러한 점에 대한 구동부 설계 보완이 진행되어야 할 것이다.