4차산업혁명, 무거운 무기와 군장도 거뜬하게, 국방부터 산업, 의료, 복지 분야에서 활약하는 웨어러블 로봇<펌>

 

무거운 무기와 군장도 거뜬하게, 국방부터 산업, 의료, 복지 분야에서 활약하는 웨어러블 로봇

 

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

​

​

​

ㅣ군대의 중량과의 싸움을 도울 해결사

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

행군을 하는 병사들에게 군장은 큰 부담입니다.

ⓒ 미 해병대 / photo by Lance Cpl. Matthew Myers

박격포, 무전기, 기관총....이런 것들은 군대를 상징하지만, 군대를 다녀오신 분들에게는 무게가 먼저 떠오를 겁니다. 행군 때 메야 하는 군장도 무게와의 싸움에 큰 역할을 하고 있습니다. 2020년 기준으로 우리 육군의 완전군장 무게는 약 48.7kg이라고 합니다. 앞으로 38.6kg까지 줄일 계획이지만, 이것도 가벼운 것은 아닙니다. 그만큼 군대는 무게와의 싸움을 벌이고 있습니다.

​

기술의 발달로 각종 군장과 장비의 무게가 크게 줄어들어도, 방탄장구가 추가되고, 군대가 디지털화, 네트워크화되면서 개인용 통신장비나 전장 단말기가 추가되면 중량 부담은 더 늘어나게 됩니다. 장갑차 등의 도움을 받으면 다행이지만, 그런 장비들의 지원을 받지 못하는 상황도 많습니다.

장구류 말고도, 기갑은 무한궤도 교체, 탄약 보급, 수리 등에서, 포병은 포 방열, 포탄 장전 등에서, 그리고 공병은 교량 및 장애물 부설 등에서 무게와 싸워야 하는 등 군 전체적으로 중요한 문제입니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

포탄같이 무거운 물건도 웨어러블 로봇을 착용하면 쉽게 들 수 있습니다.

ⓒ 미 육군

이런 문제를 해결하려면 담당하는 병력의 숫자를 늘리거나, 병사 개개인의 근력을 늘리는 것도 방법이지만 병력을 쉽게 늘릴 수 없고, 개인의 경우 부상의 위험성이 따라다닙니다. 그래서, 기술의 힘을 빌릴 수밖에 없습니다. 여러 수단 가운데 개인에게 적용 가능한 것으로 ‘웨어러블 로봇(Wearable robot)’이 있습니다. 웨어러블 로봇은 착용형 근력 로봇, 강화 외골격, 엑소스켈레톤, 엑소슈트 등 다양하게 불리고 있습니다.

​

웨어러블 로봇은 이미 영화나 게임 등을 통해 대중에게 많이 소개되었습니다. 엣지 오브 투모로우와 엘리시움에 등장하는 부착되는 형식의 것도 있고, 아이언맨이나 헤일로처럼 사람이 안에 들어가는 형식도 있습니다. 하지만, 현재의 기술 수준으로는 아이언맨의 개발은 더 많은 시간이 필요합니다.

​

​

​

ㅣ환자 재활 보조 등 민간 용도로 먼저 개발

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

웨어러블 로봇을 착용하고 재활 치료 중인 미국 퇴역 군인

ⓒ 미 공군

웨어러블 로봇은 처음부터 군사용으로 개발된 것은 아니고, 주로 환자의 재활을 돕거나, 요양원 등 실버산업 보조, 그리고 산업 현장에서 무거운 것을 다루기 위한 목적이 컸습니다. 군사용 웨어러블 로봇 기술은 민간 기술이 군사 기술에 사용되는 스핀 온(spin-on)에 해당합니다.

​

웨어러블 로봇은 첨단 기술이지만, 개발 시도는 오래전부터 있었습니다. 100년도 전인 1890년에 러시아의 니콜라스 야긴(Nicholas Yagin)이라는 과학자가 사람이 이동하는 데 사용할 수 있도록 압축가스로 움직이는 장비를 개발하려 했지만, 당시 기술이 이를 따라가지 못했습니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

제너럴 일렉트릭사가 1965년 세계 최초로 개발한 웨어러블 로봇 하디맨

ⓒ ge.com

실제로 작동하는 최초의 웨어러블 로봇은 1965년 제너럴 일렉트릭사가 개발한 하디맨(Hardiman)입니다. 하디맨은 680kg까지 들 수 있었지만, 자체 중량이 750kg이나 나갔고, 제어 기술의 부족으로 실제로 사용되기엔 어려웠습니다.

​

최초의 실용적인 웨어러블 로봇은 1998년 발표된 일본 츠쿠바 대학이 개발한 할(HAL)이 있습니다. 할은 로봇 벤처기업인 사이버다인이 생산하고 있는데, 하반신이나 상반신 장애가 있는 사람의 재활 치료를 위해 일본의 많은 병원이 도입했습니다.

​

하지만, 할은 중량이나 시스템 체적 등의 제한이 덜한 민간용입니다. 요구조건이 까다로운 군사용 웨어러블 로봇이 개발되기 시작한 것은 2000년대 들어서입니다. 2004년 미국의 버클리대학교는 미 국방부의 지원을 받아 하반신에 착용하는 의족 형태의 웨어러블 로봇을 만들었습니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

무거운 물건이 많은 산업 현장에서 웨어러블 로봇은 매우 유용합니다.

ⓒ ieee.org

2010년에는 미국 방산업체 레이티언은 무거운 짐을 나를 수 있도록 설계된 엑소스(XOS) 2를 선보였고, 록히드마틴은 2011년에 90kg이 넘는 짐을 들고 시속 16km로 이동할 수 있는 헐크(HULC)를 선보였습니다. 최근에는 시스템의 크기가 줄어들었지만, 성능은 향상된 오닉스(ONYX)를 개발하는 등 기술은 빠르게 발전하고 있습니다.

​

미국 외에도, 러시아가 차기 보병 시스템인 라트니크(Ratnik)에 웨어러블 로봇을 적용한다는 계획을 발표했습니다. 중국도 전차 등을 생산하는 북방공업주식회사(NORINCO)와 중국조선산업공사(CSIC)가 웨어러블 로봇 개발 계획을 공개했습니다.

​

우리나라도 연구소와 기업을 중심으로 웨어러블 로봇 개발에 나서고 있고, 여러 전시회에 그 성과가 발표되었습니다. 우리 국방부도 2020년대 후반까지 군사용 웨어러블 로봇을 도입하기 위해 노력하고 있습니다. 첫 단계로 장병들의 장거리 고속기동을 도울 웨어러블 로봇을 개발할 예정입니다.

​

​

​

ㅣ전술적 용도보다는 군수 지원이나 정비용이 우선

웨어러블 로봇이 발전하면 군사적으로 활용될 여지가 많습니다. 앞으로 통신장비, 네트워크 장비, 디스플레이와 함께 나노기술을 응용한 전신보호용 방탄 및 방호복이 합쳐지는 방향으로 발전할 것으로 예상됩니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

2017년 미 육군 특수전 전시회에서 전시된 TALOS

ⓒ 미 육군

미 육군 특수전 사령부는 2013년부터 탈로스(TALOS)라는 통신, 네트워크, 그리고 방탄복이 웨어러블 로봇에 결합된 장비를 개발하기 시작했습니다. 하지만, 세계 최고의 기술력을 지닌 미국도 개발에 어려움을 겪고 있습니다. 그만큼 전술적 용도를 위한 웨어러블 로봇 개발은 기술 난이도가 높습니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

상체 보조용 웨어러블 로봇을 입고 항공기를 정비하고 있는 미 주방위 공군

ⓒ 미주방위공군 / photo by Tech. Sgt. Nancy Goldberger

군대라고 해서 싸우기 위한 것만 개발되는 것은 아닙니다. 군대가 잘 싸우려면 무기와 탄약 등이 잘 지원되어야 하고, 고장난 것을 빨리 수리해야 합니다. 부상당한 병사들의 재활도 빨리 이루어져야 합니다. 이런 이유로 미군의 웨어러블 로봇 도입도 군수 지원 수리 작업, 재활 지원에서 우선적으로 이루어지고 있습니다.

​

​

​

ㅣ웨어러블 로봇의 핵심 기술 HRI

웨어러블 로봇은 기계적, 전기적 장치를 이용하여 이용자의 이동성을 향상시키고, 하중에 의한 부상 위험성을 줄이는 것이 목적입니다. 하지만, 기본적으로 걷거나 뛰는 것을 보조하기 위한 것과 장시간에 걸쳐 무거운 것을 반복적으로 드는 것을 보조하는 것으로 나뉩니다. 걷거나 뛰는 것을 보조하는 것은 주로 하체를 위한 것이며, 무거운 것을 반복적으로 드는 것을 보조하는 것은 상체를 위한 것입니다. 이 두 가지는 별개로 사용할 수도, 합칠 수도 있습니다. 즉, 무엇에 집중할 것이냐에 따라 달라질 뿐입니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

웨어러블 로봇 핵심 기술 방위사업청

ⓒ 방위사업청

웨어러블 로봇은 착용자의 몸에 붙어서 한 몸처럼 움직입니다. 자연스럽게 움직이기 위해서는 인간의 판단과 의지를 로봇이 센서를 통해 실시간으로 측정하고 필요한 움직임을 제어해야 합니다. 이런 기술을 인체-로봇 상호작용 제어기술 HRI(Human-Robot Interaction)라고 합니다.

​

HRI를 위해서는 센서, 컴퓨터, 그리고 구동부가 필요합니다. 센서가 착용자의 움직이려는 의도를 인식하고, 이를 인식한 컴퓨터가 구동부에 움직임을 전달하며, 구동부는 컴퓨터가 내린 명령에 따라 움직이는 속도를 조절하게 됩니다. 이런 과정은 아주 빠르게 이루어져야 합니다.

​

예를 들어, 일본 츠쿠바 대학의 할은 피부에 붙인 센서로 생체 전위 신호를 읽어 근육 움직임을 예측하고, 모터를 이용해 사람이 생각한 대로 몸을 움직일 수 있도록 합니다. 여기에 더해 착용자의 신체 중심이동 등을 감지하여 자연스러운 사람의 움직임을 재현하는 기술도 적용되었습니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

하버드대학교가 개발중인 소프트 웨어러블 로봇은 금속재질 로봇보다 훨씬 가볍습니다.

ⓒ harvard.edu

웨어러블 로봇은 소재와 전원 기술도 중요합니다. 소재는 금속 또는 복합재를 사용하고 있지만, 부드럽고 가벼운 인공 근육을 사용하는 제품도 나오고 있습니다. 소재 경량화는 전원, 특히 배터리를 사용할 때 매우 중요합니다.

​

체계 무게가 가벼울수록 필요한 전력이 적어지므로, 필요한 배터리의 양을 줄이거나, 동일한 배터리로 더 오래 작동이 가능해집니다. 이 밖에도 걷거나 뛰는 동작에서 전력을 얻는 등 웨어러블 로봇 자체적으로 전력을 생산하고 저장하는 방법도 연구되고 있습니다.

​

사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

록히드마틴이 개발한 군사용 웨어러블 로봇 오닉스

ⓒ 록히드마틴

이상으로 입는 로봇, 웨어러블 로봇에 대해서 알아보았습니다. 웨어러블 로봇은 국방을 위해서도 필요하지만, 산업, 의료, 복지 분야에서 더 많은 쓰임새를 가지고 있습니다. 우리나라의 웨어러블 로봇 관련 기술은 선진국과 격차가 있지만, 국방부의 도입 노력을 통해 격차를 빠르게 따라잡고 선진국과 어깨를 나란히 할 날을 기대해봅니다.

​