1. 머리말
고령자 및 운동기능 장애자의 간호문제는 현재는 물론 미래의 크나큰 사회적 문제로 예상되고 있다.
근력이 저하된 노인이나 운동기능 장애자를 위해 일본 NEDO가 주관이 되어 인간의 신체 기능을 보조·확장·증폭하는 ‘로봇 슈트(Robot Suit)’를 개발하였다.
이와 같은 인간 지원 기술의 연구개발은 저출산 고령화 시대를 맞이하여 중요한 사회적 의의를 갖는다.
인간의 의사대로 신체 운동기능을 보조·확장·증폭하는 ‘로봇 슈트HAL(Hybrid Assistive Limb)’의 개발에 성공하였다.
로봇 슈트HAL은 단순하게 힘을 보조해주는 파워 보조의 개념이 아니라 생체전위신호를 활용해서 장착자가 생각한대로 조작할 수 있는 임의제어와 인간의 운동특성을 반영해서 운동 패턴을 자율적으로 생성하는 로봇식의 자율제어를 합성한 하이브리드 시스템이 있다.
이 연구개발 프로젝트는 간호를 필요로 하는 사람의 자립의사를 존중하고 일상생활의 자립 동작지원을 실현하기 위해서 인간 지원형 로봇 실용화 기반기술개발 사업의 일환으로서 ‘자립 동작 지원 로봇 및 실용화 기술의 개발(로봇 슈트 HAL의 실용화 기반기술의 연구개발)’에 관한 연구개발을 하는 데 목적이 있다.
차세대 로봇의 활용분야로서 의료복지 분야는 사회적 공헌이 크고 현장에서 유용하게 사용되고 있다.
의료 전문가에게 많이 의존하고 있는 고령자 및 장애가 있는 사람의 신체기능 동작범위를 확대하는 자립 동작보조, 간호자가 하는 중노동에 가까운 힘든 일의 보조를 인간에게 직접 물리적 보조를 해주는 로봇 기술을 활용하여 해결할 수 있다.
인간 지원형 로봇은 현 단계에서 기업이 단독으로 수행하기에는 위험부담이 많기 때문에 국가 프로젝트로 전략적인 연구개발을 수행하는 것이 중요하다.
초기 단계부터 의료 전문가가 참여하는 연구체제를 갖추고 원활한 추진을 하기위해서는 안전, 윤리, 보험수속 등 제도기반의 정리, 구축, 수정을 할 필요가 있다.
ROBOT SUIT HAL의 구조와 기본동작
2. 로봇의 개발 내용
로봇 슈트 HAL은 하지(下肢) 운동기능에 장애가 있는 사람이 장착하여 하지의 운동기능을 지원하는 장착형 로봇이다.
의료복지 현장이나 일반가정에서 사용하기 위해서 필요한 개발요구 사항은 아래와 같다.
- 장착하는 것이기 때문에 가볍고 소형이라야 운용성이 좋다.
- 기능 장애가 있는 사람의 체형, 증상 및 부위에 알맞아야 한다.
- HAL과 장착자가 접촉해서 동작하는 것이므로 설계단계부터 안전성에 대한 고려를 해야 한다.
- HAL의 조작을 손쉽게 할 수 있어야 한다.
소형 경량화를 위해서 액추에이터와 프레임 부재는 강도계산을 기준으로 한 설계에 의해 가능한 한 경량화를 기했다.
각종 전장계통 및 배터리 시스템은 일상적인 소형화를 해왔을 뿐만 아니라 조립할 때에도 공간 배치를 잘하여 부피를 작게 하였다.
범용성의 향상을 위하여 기능 장애자의 체형, 증상 및 부위에 적합하도록 개발목표를 수립하였다. 피팅 파트(fitting parts)를 별도로 설치하여 장착자의 배 둘레 형상에 맞추었다.
증상이나 부위에 따른 구성은 1관절씩 동작지원이 가능한 유닛 구조이며, 구동 모듈, 제어 모듈, 센서 모듈로 구성되어 있다. 유닛을 조합하는데 따라서 양 다리형, 한쪽 다리형, 무릎관절형 등 장착자의 장애부위에 맞추는 구성이 가능하다.
조작성은 HAL의 기동·정지 조작, 보조율의 조정은 장착자 및 조작자가 하도록 되어 있다.
HAL 본체에는 기동, 정지를 하는 버튼, 보조율을 조정하는 튜너가 있고 조작자가 조작기능을 할 수 있도록 원격 PC로부터 GUI를 베이스로 하는 HAL의 기동·정지 조작, 보조율의 조정을 해서 제어 변수를 조정할 수 있도록 개발하였다.
가. 로봇 슈트 본체의 구성
1) 허리부 모듈
장착자의 허리에 고정하고 각종 스위치 등 유저 인터페이스를 제공하며 HAL의 움직임을 장착자에게 전달하여 준다.
골조역할을 하는 허리 프레임과 HAL을 장착자의 골반을 중심으로 허리둘레에 고정하는 배면 퍼트, 측면 퍼트로 구성되어 있다.
허리 프레임은 전장 시스템을 통합 제어하는 컨트롤 유닛, HAL의 조작이나 설정 파라미터의 조정을 하는 스위치와 배터리를 적재할 수 있는 사이드 유닛으로 구성되어 있으며, 장착자의 허리둘레에 맞춰 조절할 수가 있다.
2) 다리부 모듈
다리부 모듈은 장착자의 다리부의 바깥쪽에 고정하고 제어지령에 따른 파워 유닛의 동작에 의해 다리부의 동력을 보조하여 준다.
다리부 프레임은 넓적다리 유닛, 종아리 유닛, 발목 유닛으로 구성되어 있고 장착자의 다리 길이, X다리/O다리 등의 특성에 맞춰서 길이, 고관절(股關節)/무릎관절의 열림 각도를 조정할 수가 있다.
각 유닛은 관절기구로서 액추에이터 탑재 타입(actuator joint), 스프링 복귀 탑재 타입(passive joint), 액추에이터 비 탑재 타입(free joint)의 3종류의 기구를 선택하여 탑재할 수 있다.
각 관절기구에는 가변 스톱퍼를 설치해서 장착자의 증상에 맞춰 가동범위를 조정할 수가 있다.
3) 컨트롤 유닛
각 유닛의 전장 시스템으로부터 각종 데이터(생체전위 신호 및 관절각도 등)를 전송받고 이를 제어한다.
조작용 인터페이스로서 주 전원 스위치, 제어전원 스위치, 상태표 시용 디스플레이를 배치하고 있다.
4) 사이드 유닛
상부에는 배터리 수납 장소가 있다.
하부에는 HAL 조작용의 각종 사용자 인터페이스(동력전원 스위치, 위상 ON/OFF 스위치, 관절각도 고정 스위치, 토크 조정 노브, 밸런스 조정 노브 등)를 설치하였다.
일본 사이버다인사의 로봇슈트 `HAL`을 모델이 착용한 채 시연하는 모습
Robot Suit HAL
일본의 츠쿠사대학이 개발한 손발의 힘을 증강시키는 로봇슈트 `HAL`
나. 탑재 센서
1) 정보 취득용 센서 : 각종 정보를 계측하여 컨트롤 유닛으로 보낸다.
- 각도정보 센서(potentiometer)
- 생체신호 센서
- 전류 센서(모터 전류치)
- 상 반력 센서
2) 안전 검지용 센서 : 시스템의 안전이나 이상 유무 상태관리용이다.
- 전압 감시 센서(배터리 전압)
- 모터 운전상태 감시 센서
다. 탑재 기능
1) 제어 기능
㉠ 점성보상 기능 : HAL 본체의 회전축 회전속도(각속도)에 대한 기계적인 저항을 경감하는 제어를 한다.
㉡ 가동범위계측 설정 기능 : 동작하는 각도를 계측해서 가동범위를 자동적으로 설정하여 준다.
㉢ 교정 기능 : 생체신호를 계측해서 토크를 산출하여 임의제어 시 파라미터를 자동적으로 설정하여 준다.
㉣ 점성제어 기능 : 회전축의 속도(각속도) 저항을 증감하는 제어를 한다. HAL의 점성저항을 가상적으로 증가 또는 감소시키는 것이 가능하다. 점성저항의 증가는 동작에 대한 부하가 되고, 점성저항의 경감(가속방향으로 증가)은 동작의 반응을 올려주는 것이 된다.
㉤ 임의제어 기능 : 생체신호를 기본으로 액추에이터의 토크를 컨트롤하는 제어이다.
늘어나는 생체신호와 굴곡의 생체신호로부터 액추에이터 토크의 목표치를 생성해서 출력을 제어한다.
사이드 유닛에 탑재된 사용자 인터페이스에 의해 장착자 또는 조작자가 최종 출력값을 조정할 수가 있다.
㉥ 위상제어 기능 : 동작마다 위상을 설정해놓고 설정조건에 따라서 임의제어시의 늘어나는 쪽과 굴곡 쪽의 출력 균형을 회전축의 회전 점성저항을 변경해서 제어한다.
㉦ 자율제어 기능 : 각 동작의 위상마다 기본 패턴을 마련해서 이를 기본으로 한 토크를 제어하여 준다. 각 위상의 변환조건은 각 유닛에 탑재된 센서의 정보를 이용한다.
2) 실시간 모니터링 기능
원격 PC에 의해서 장착자의 동작 상태를 조작자가 실시간으로 관측하는 것을 목적으로 HAL의 센서 정보, 위상 등의 내부정보를 PC에 송신하여 주는 기능이다.
수신된 정보는 GUI를 이용한 사용자 인터페이스에 의해 각종 센서 정보, HAL의 내부정보, 이상발생 정보 등을 표시하여준다.
라. 안전 기능
1) 각도 한계설정 기능 : 하드웨어와 소프트웨어적으로 2중 한계설정 기능을 할 수 있다.
가변 스토퍼에 의해서 관절의 굽힘이 설정범위를 벗어나지 않도록 기계적으로 설정할 수도 있고, PC에 의해서 가동범위를 소프트웨어적으로 설정할 수가 있다.
2) 제어한계 설정 기능 : 최대 각속도, 최대 토크, 토탈 전류의 한계 제어를 소프트웨어적으로 할 수 있다.
계측치가 설정치를 초과할 경우에는 초과분을 상쇄하는 방향의 토크를 발생하여 해결한다.
3) 과전류방지 기능 : 전류계에 의한 소프트적인 휴즈와 기계적인 하드 휴즈의 2중적인 안전을 확보하고 있다.
과전류 상태가 일정시간 계속될 경우에는 휴즈에 의해 전원 공급을 차단시켜 소손(燒損)을 방지한다.
4) 출력억제 기능 : 제어를 시작할 때에 사이드 유닛에 설치되어 있는 토크 조정 노브의 값이 0이 되도록 제어하여 노이즈 등에 의해 돌발적으로 동작되는 일이 없도록 하여준다.
5) 고장검지 기능 : 각종 센서의 값이나 모터 운전 상태를 감시해서 이상이 검지되면 즉시 정지토록 하는 기능이 있다. 이에 의해 센서 이상으로 인한 오동작이나 HAL의 폭주를 방지할 수 있다.
6) 유닛 확인 기능 : HAL의 유닛이 정상적으로 인식되고 있는지의 여부를 점검하는 기능으로 유닛이 정상으로 동작하지 않을 경우에는 제어를 시작하지 않는다.
7) 이상검지 기능 : HAL에 이상이 발생하였을 경우에 조작자에게 알려주는 기능으로 제어를 정지함과 동시에 원격 PC 화면상에 이상 발생을 나타내줌으로써 장착자 이외의 사람에게도 알려준다.
