과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원이 세계 최초로 '계단을 오르내리고 서서 생활할 수 있도록 돕는 로봇 휠체어 기술'을 개발했다고 27일 밝혔다.
이번에 개발된 로봇휠체어는 하지 장애인 일상생활을 도울 수 있도록 ▲계단을 오르내리기 위한 '계단 등반 모듈' ▲일어서서 이동하고 탑승한 상태에서는 눕고 기울이는 등 다양한 자세를 취할 수 있는 '스탠딩 모듈' 등 두 모듈을 통합했다.
기계연 AI로봇연구본부 박찬훈 본부장 연구팀은 계단을 오르내르는 장치인 '계단 등반 모듈' 개발을 위해 ‘ㄹ’자 형상 크롤러를 특수 설계해 휠체어 하부에 장착했다. 이 크롤러는 평상시에는 휠체어 내부에 감춰져 있다가 필요할 때 하강한다.
또한, 연구팀은 휠체어를 탑승한 상태에서 ▲일어서고 ▲눕고 ▲앉은 채로 앞뒤로 기울이고 ▲좌석 높이 조절까지 5가지 자세 변환이 가능한 장치인 '스탠딩 모듈' 개발을 위해 평행 사변형 구조의 독특한 기구구조와 자중보상기술을 적용했다.
이를 통해 작고 가벼운 모듈을 구현했으며, 최대 80% 낮은 모터 힘으로도 구동할 수 있다.
기존 크롤러 기반 휠체어는 계단에서 미끄러지는 문제를 극복하기 어려웠다. 탑승한 상태에서 자세 변환 또한 제한적이라 체중 압력이 집중되고 욕창 등의 질환 유발 위험도 있었다.
이번에 개발한 로봇 휠체어는 계단을 오르내리는 동안 크롤러가 계단 모서리와 디딤판을 동시에 지지해 미끄러짐 문제를 해결할 수 있고, 계단 등반 안전성이 크게 향상됐다. 또한, 특수한 형상 덕분에 계단을 처음 오르는 시점과 마지막 계단을 통과하는 시점을 계산해 휠체어를 제어하는 등 복잡한 작업 없이 크롤러의 단순 구동만으로 계단을 오를 수 있도록 설계가 단순하다.
또, 로봇 휠체어에 탑승한 상태에서 다양한 자세로 변환할 수 있어 압력집중을 해소하고 욕창 방지와 혈액순환 등에 도움을 받을 수 있다. 자세를 변환하는 스탠딩 모듈이 휠체어와 일체형이 아닌, 독립 모듈 구조로 되어 있어 다양한 휠체어에 큰 설계변경 없이 쉽게 결합이 가능하다는 장점도 있다.
연구진은 크롤러를 이용한 계단 등반 기술을 넘어, 원형의 휠만으로 계단을 오를 수 있는 특수 설계 “변형 휠”의 원천기술도 개발했다. 변형 방향에 따라 블록의 거리가 달라지는 특수한 체인 블록이 휠 표면에 구성되는데, 이는 연구진이 물방울의 표면장력을 모사한 새로운 강성 조절 메커니즘을 세계 최초로 개발적용한 결과이다.
개발된 변형 휠은 평지에서는 일반 휠처럼 원형을 유지하며 이동하지만 장애물을 만나면 휠의 강성이 낮아지면서 장애물의 형상과 일치하도록 형상이 변형되어 장애물을 밟으면서 지나갈 수 있다. 이 기술은 추후 진보된 로봇 휠체어 개발을 위해 적용될 예정으로, 휠만으로 평지의 고속 이동과 장애물 극복이 모두 가능하므로 로봇 휠체어뿐 아니라 다양한 이동로봇에 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
기계연 박찬훈 본부장은 “기존의 휠체어 기술은 단순한 이동 수단 제공에만 목적이 있었다면, 이번 로봇 휠체어 기술은 하지 장애인 분들이 장애를 고려하지 않고 설치된 시설 및 인프라까지 모두 활용하실 수 있도록 도와드리는 목적으로 개발된 기술”이라며 “향후 개발된 기술을 신속히 확산하고 장애인 삶의 질 향상에 기여할 뿐만 아니라 인류를 위한 따뜻한 로봇 기술개발에 더욱 정진하겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 “하지 장애인의 독립생활 지원 로봇”과제의 지원을 받아 수행됐다.
1. 크롤러: 전차, 트랙터, 휠체어 등에 사용되는 무한궤도를 의미하며, 휠체어의 바퀴에 해당한다
2. 자중보상기술: 로봇 자체 무게(자중)에 의해 발생할 필요 토크를 최소화하는 기술계단 등반 모듈과 스탠딩 모듈은 독립적으로도 사용할 수 있지만 각각 휠체어의 상부와 하부에 결합, 하나의 로봇 휠체어로 통합된다. 계단을 오르고, 서서 이동하고, 다양한 자세로 변환하는 기능을 모두 한 대의 로봇 휠체어로 구현할 수 있어, 하지 장애인이 공간적 제약 없이 일상생활을 자유롭게 누리는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.