뇌졸중 환자를 위한 재활치료 로봇이 국내 국내기술로 탄생했다. 한국기계연구원은 기존 재활로봇보다 안정성과 가격 경쟁력 면에서 우위를 갖는 로봇기술을 발표하면서 국내를 넘어 해외시장까지 넘본다는 각오다. 뇌졸중 환자의 부담을 줄이면서 높은 효과가 기대되는 로봇기술을 본지가 살펴봤다.
미래창조과학부 산하 한국기계연구원(이하 기계연) 의료지원로봇연구실의 우현수 박사팀이 휴머노이드 로봇이나 최첨단 산업용 로봇에만 사용하던 경량 고출력 통합구동모듈 기술을 적용해 뇌졸중으로 마비된 손, 팔, 어깨 등 상지관절의 재활치료에 효과적인 로봇을 개발했다고 밝혔다.
통합구동모듈 장치는 여러 가지 센서 및 부품들을 통합한 집합체로, 로봇의 관절마다 위치해 관절을 움직이게 하는 장치를 의미한다.
이번에 기계연이 개발한 로봇은 기존(7개 수준)보다 많은 11개의 로봇 관절을 사용해 상지관절별 최적화된 치료가 가능하면서도, 로봇의 무게는 약 20% 줄여 환자 어깨의 염증 유발 가능성 등을 최소화한 것이 특징이다. 연구팀은 “로봇 관절은 회전축의 역할을 하며, 로봇 관절이 많아질수록 여러 방향으로 움직일 수 있어 다양한 재활 치료가 가능하다”며 우수성을 설명했다. 한쪽 방향으로만 움직일 수 있었던 기존 재활로봇의 어깨움직임을 상하좌우전후 모든 방향으로 움직일 수 있도록 개선함으로써 자연스러운 재활운동이 가능하도록 한 것이다.
또한 정해진 경로를 따라 환자의 몸을 움직이는 것에만 주력하던 기존 로봇과 달리, 각 관절마다 힘 센서를 설치하여 환자의 장애 정도에 맞춰 세밀하게 움직임을 도와주고 방해하는 힘을 조절할 수도 있어 재활치료의 효과도 높은 것으로 나타났다.
재활로봇 필요성 증가
전 세계적으로 고령화 사회의 급속한 전개 및 장애 인구증가로 인해 고령자와 장애인의 재활 치료 및 활동 보조를 위한 재활로봇의 필요성이 대두되고 있다. 재활치료로봇은 정량화된 입출력 측정을 바탕으로 현재의 임상척도(Clinical Scale)로는 측정할 수 없는 부분을 측정하고 정밀한 치료수행을 통해 재활치료의 효과를 극대화시키는 로봇을 말한다.
재활로봇 연구는 1990년대 초반 미국을 중심으로 크게 재활보조와 재활치료를 위한 로봇으로 나뉘어 활발히 진행되어 왔다. 재활보조로봇은 환자의 이동성, 물체 조작성, 인지능력 등을 도와 일상생활이 가능하도록 하는 로봇시스템을 통칭하며 무장애(Barrier-free) 휠체어, 로봇 팔을 장착한 휠체어 등이 있다.
최근에는 단순히 로봇에 의한 수동적인 동작 치료 수준을 넘어서 사용자의 의지에 따라 능동적으로 재활로봇을 제어할 수 있는 인터페이스와 사용자의 상태를 고려한 맞춤형 재활치료를 제공할 수 있는 재활치료로봇 및 치료 프로토콜의 개발도 요구되고 있는 추세다.
기존의 외골격형 상지재활치료로봇은 어깨를 움직일 때 발생하는 상완골두(Humerus Head)의 움직임을 고려하지 않거나 단순한 형태로 간략화하여 구현하는 것에 그쳤으며, 재활치료 환자에게 전달하고자하는 임피던스의 정확한 전달에도 한계가 있었다.
이를 해결하고자 본 기술은 로봇의 각 관절 회전축마다 힘 센서를 장착해 사용자에게 전달되는 임피던스를 정교하게 제어할 수 있게 설계했으며, 기존에는 3자유도 회전운동 구현에 그쳤던 어깨 관절 자유도를 6자유도로 확장하여 어깨 관절의 6자유도 비선형 움직임을 자연스럽게 구현할 수 있도록 했다.
60%의 무게 감소로 경량화 달성
산업용 로봇과 달리, 의료용 로봇의 경우에는 사용자의 안전성이 최우선시 되어야 하기 때문에 고성능이면서도 소형 경량의 조건을 만족시켜야 한다.
따라서 재활치료로봇은 환자와 로봇이 직접적으로 연결되어 물리적인 에너지를 주고받는 시스템이기 때문에 환자에게 치료를 위한 충분한 힘을 전달함과 동시에 안전을 보장하는 것이 가장 중요하며, 이를 위해 경량 고출력의 메커니즘 설계기술과 고도의 컴플라이언스 제어기술이 요구된다. 컴플라이언스 제어기술은 사용자가 로봇에게 힘을 가해 로봇의 위치를 조정할 수 있게 하며, 로봇이 사용자와 접촉할 때 혹은 접촉한 상황에서 과도한 힘이나 충격이 가해지지 않도록 하는 기술을 의미한다.
이로 인해 최근에는 DLR의 LWR(Light Weight Robot)과 같이 자체 개발된 통합구동모듈에 기반한 경량의 고성능 로봇이 의료용으로 각광받고 있다. 경량 고출력의 메커니즘을 설계하기 위해서는 각각의 구동모듈, 센서모듈, 제어모듈 등을 요구 성능과 제한조건에 맞게 최적화할 수 있는 기술이 필요하기 때문이다.
이를 위해 연구팀은 자체적으로 재활로봇에 특화된 고성능의 통합구동모듈 개발을 목표로 연구를 진행했으며, 그 결과 기존 단순 조립형 통합구동모듈과 출력은 동일하면서 무게는 60%가량 감소시킨 5세대 통합구동모듈 시작품을 개발했다.
3년 내 상용화 목표
연구에서는 최종적으로 5세대 통합구동모듈에 기반한 어깨 6자유도, 팔꿈치 1자유도, 손목 3자유도, 손 1자유도의 능동형 재활운동이 가능한 총 11자유도의 상지재활치료로봇을 개발했다. 또한 상지재활로봇과 연동하여 환자 상태 측정, 재활치료 프로토콜 입력, 게임을 통한 치료, 정량적 데이터 저장 및 분석이 가능한 GUI(Graphic User Interface) 플랫폼도 함께 개발됐다.
기계연구원 우현수 박사팀은 “본 연구를 통해 개발한 기술을 활용해 중소기업과 협력하여 상용화를 위한 연구를 진행 중이다”며 “사용자의 편의와 안전을 고려한 로봇 외관 설계 및 다양한 재활로봇 치료 프로토콜 구현을 위한 인터페이스를 보완하는 연구를 진행 중이며, 향후 신뢰성 확보를 위한 의료기기인증 및 임상시험 등을 거쳐 3년 내에 상용화하는 것을 목표로 하고 있다”고 계획을 전했다.
재활 의료기기 발전에 힘쓸 것
현재 기계연구원은 본 기술의 상용화를 위해 올해 6월부터 로봇 제조 전문 중소기업 (주)사이보그-랩과 협력연구를 진행 중이다.
이 협력 연구의 목표는 3년 내 현재 1.5~3.5억 원 수준인 외국산 어깨·팔꿈치 관절 재활 로봇을 대체할 수 있는 3천만 원대의 국산 로봇을 개발하는 것이다. 협력 연구를 통해 상용화에 성공할 경우 외산로봇 대체 및 재활로봇 보급이 가능할 것으로 보이며, 가격 경쟁력을 무기로 해외 수출도 기대되는 상황이다.
연구책임자인 우현수 박사는 “이번 재활로봇 개발은 기계연이 보유하고 있는 산업용 로봇 설계 및 제어 원천기술이 있어 가능했다”며 “중소기업과의 협력을 통해 가격 경쟁력과 치료효과가 모두 뛰어난 상용제품을 개발하여 재활 의료기기 발전에 힘쓰고 싶다”라고 밝혔다.
미래창조과학부 www.msip.go.kr
