계단 오르내리고, 사람 일으켜 세우는 로봇 휠체어

기계연, "하지 장애인 삶의 질 개선 기대"

휠체어를 탄 하지 장애인은 계단을 오르내릴 수 없다. 일어설 수 없어 창문을 여닫거나 책장에 책을 꽂는 등의 일상적 일도 어렵다. 

한국기계연구원(원장 박상진)이 이같은 문제를 해결할 수 있는 로봇 휠체어 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

기계연은 계단을 오르내리는 '계단 등반 모듈'과 환자를 일으키거나 눕고 기울이는 등 다양한 자세를 취할 수 있게 하는 '스탠딩 모듈'을 개발했다. 또 이 두 모듈을 합쳐 로봇 휠체어를 만들었다.

가계연이 개발한 로봇 휠체어의 구성 (자료=기계연)

계단을 오르는 휠체어와 일어서 이동할 수 있는 휠체어는 기존에도 있었으나 두 모듈을 통합해 한대의 휠체어로 개발한 것은 세계 최초다. 계단을 오르고, 서서 이동하고, 다양한 자세로 변환하는 기능을 한 대의 로봇 휠체어로 구현할 수 있어 하지 장애인이 공간적 제약 없이 일상 생활을 누리는 데 큰 도움이 되리란 기대다.

기계연 AI로봇연구본부 박찬훈 본부장 연구팀은 'ㄹ'자 모양의 무한궤도 크롤러를 설계하고 휠체어 하부에 장착해 계단 등반 모듈을 개발했다. 이 크롤러는 평소엔 휠체어 내부에 감춰져 있다가 필요할 때 하강한다. 계단을 오르내리는 동안 'ㄹ'자 모양 크롤러가 계단 모서리와 디딤판을 동시에 지지해 등반 안정성을 높였다.

계단을 처음 오르는 시점과 마지막 계단을 통과하는 시점을 센서로 감지해 계단을 오르기 위한 초기 자세를 구현하는 등의 복잡한 메커니즘 없이 크롤러의 하강과 상승 구동만으로 계단을 오를 수 있어 구조도 단순하다.

또 연구팀은 평행 사변형 구조의 독특한 기구 구조와 자중보상기술을 적용해 휠체어에 앉은 상태에서 일어서고, 눕고, 앉은 채로 앞뒤로 기울이고, 좌석 높이를 조절하는 등 5가지 자세 변환이 가능한 스탠딩 모듈을 개발했다. 로봇 자체 무게에 의해 발생할 필요 토크를 최소화하는 자중보상 기술로 필요 토크를 최대 80%까지 저감, 작고 가벼운 스탠딩 모듈을 구현했다.

휠체어에 탄 상태에서 다양한 자세로 변환할 수 있어 특정 신체 부위에 압력이 모이는 것을 막고 욕창 방지와 혈액 순환에 도움을 받을 수 있다.

연구진은 크롤러를 이용한 계단 등반 기술을 넘어, 원형 휠만으로 계단을 오를 수 있는 '변형 휠' 원천 기술도 개발했다. 이 변형 휠은 평지에선 일반 휠처럼 원형을 유지하며 이동하지만 장애물을 만나면 휠의 강성이 낮아지면서 장애물의 형상과 일치하도록 형상이 변형돼 장애물을 밟으면서 지나갈 수 있다.

변형 휠이 계단을 오르며 변형한 모습 (사진=기계연)

변형 방향에 따라 블록의 거리가 달라지는 특수한 체인 블록이 휠 표면에 구성되는 원리다. 이는 물방울의 표면장력을 모사한 새로운 강성 조절 메커니즘을 세계 최초로 개발적용한 결과이다.

휠만으로 평지 고속 이동과 장애물 극복이 모두 가능해 로봇 휠체어뿐 아니라 다양한 이동 로봇에 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

박찬훈 본부장은 "이번 로봇 휠체어 기술은 하지 장애인이 기존 장애인을 고려하지 않고 설치된 시설 및 인프라까지 모두 활용할 수 있도록 도와드리는 목적으로 개발된 기술"이라며 "개발된 기술을 신속히 확산해 장애인 삶의 질 향상에 기여할 뿐만 아니라 인류를 위한 따뜻한 로봇 기술 개발에 더욱 정진하겠다"라고 말했다.

이 연구는 기계연 기본사업 '하지 장애인의 독립생활 지원 로봇' 과제의 지원을 받아 수행됐다.