물건 들고 운반 도와주는 적응형 무릎 외골격(knee exoskeletons) 컨트롤러 개발: 미시간대 A versatile knee exoskeleton mitigates quadriceps fatigue in lifting, lowering, and carrying tasks'

미 미시건대 연구팀이 안정적으로 물건을 들어올리고, 운반할 수 있도록 도와주는 '적응형 무릎 외골격(knee exoskeletons) 컨트롤러'를 개발했다고 18일 밝혔다.

연구팀에 따르면, 반복적으로 물건을 들어올리고, 운반하는 작업은 작업자의 피로도를 높여 부상 위험을 높인다.

연구팀은 학술 전문지 ‘사이언스 로보틱스’에 발표한 논문(제목:A versatile knee exoskeleton mitigates quadriceps fatigue in lifting, lowering, and carrying tasks)에서 외골격 로봇 착용자가 피곤한 상황에서도 '물건 들어올리기-내려놓기-운반하기(LLC, lifting, lowering, and carrying)' 동작을 안정적으로 수행할 수 있는 적응형 무릎 외골격 컨트롤러 기술을 개발했다.

특히 들어올리기 동작과 운반 동작을 부드럽게 전환할 수 있는 알고리즘을 개발했다. 이 알고리즘은 사용자 보정 과정 없이도 애플리케이션별 튜닝이 가능하다. 실험 결과 물건 들어올리기, 내려놓기, 운반하기 동작을 수행하는 과정에서 참가자들은 사두근 근육(quadriceps) 피로 현상을 최소화할 수 있는 것으로 나타났다.

로버트 그레그(Robert Gregg) 미시건대 교수는 “등에 외골격 로봇을 착용하는 기존의 형태 대신 무릎 외골격 기술은 다리 부분의 힘을 강화할 수 있다”며 “일반적으로 업계에서 채택하고 있는 방식과는 다르다“고 말했다.

연구팀에 따르면 스프링이나 모터를 사용해 리프팅 동작을 돕는 ‘등 외골격(Back exoskeletons)’ 기술은 새로운 방법으로 주목받고 있지만, 리프팅이 아닌 동작을 허용하기 위해 일부 기능을 비활성화해야 하는 번거로움이 있다”고 말했다.

연구팀은 “무릎 외골격 기술은 허리 부상으로부터 작업자를 보호하기위해 사두근 근육을 지지하는 최초의 제품으로 안전한 스쿼트 리프팅 동작을 지원한다“고 설명했다. 연구팀에 따르면 반복적인 들어올리기, 내려놓기 및 운반하기(LLC, lifting, lowering, and carrying) 동작은 사두근의 피로도를 높여 작업자의 효율, 자세, 허리 부상 위험에 영향을 미친다.

연구팀은 다리 근육 운동 도구인 20파운드 케틀벨을 사용해 무릎 외골격 로봇을 착용하고 LLC 동작을 테스트했다. 테스트 동작에는 케틀벨을 지면에서 들어 올렸다가 내려놓기, 평평한 지면에서 케틀벨을 들어올리고 운반하기, 경사면 오르내리기, 계단 오르내리기 등이 포함됐다.

실험 결과 참가자들은 피곤한 상태에서도 외골격 로봇의 도움을 받아 안정적인 자세를 유지했으며, 피로에 지치기 이전에 비해 1% 정도 느린 속도로 케틀벨을 들어올렸다. 외골격 로봇의 도움 없이는 44% 느린 속도로 케틀벨을 들어올렸다.