웨어러블 로봇(외골격)

한 줄로 말하면

웨어러블 로봇(외골격, exoskeleton)은 사람의 팔다리나 몸통 바깥에 착용해서 몸의 뼈대 구조를 기계로 본떠 함께 움직이는 장치야.¹ 몸 자체의 골격을 흉내 낸 구조라는 성질 때문에, 걷지 못하던 사람을 다시 걷게 하는 재활 치료부터 무거운 짐을 들어야 하는 산업·군사 현장까지 서로 다른 목적으로 퍼져 있어.¹

무엇을 위해 입는가 — 목적별 네 갈래

로봇공학에서는 외골격을 사람과 로봇이 상호작용하는 목적에 따라 재활(rehabilitation)·보조(assistance)·능력 증강(performance augmentation)·햅틱 상호작용(haptic interaction) 네 갈래로 나눠.¹

재활용 외골격은 뇌졸중·뇌손상·척수손상·근위축성측삭경화증·정형외과 수술·뇌성마비 등으로 기능이 떨어진 환자가 반복적이고 맞춤화된 운동을 하며 기능을 회복하도록 돕는다.¹ 보조용 외골격은 고령자나 영구 손상을 입은 사람이 걷기·물건 잡기·식사 같은 일상생활 활동을 더 독립적으로 해내도록 돕고,¹ 능력 증강용은 업무나 군사 임무처럼 몸에 강한 부담이 실리는 상황에서 로봇의 힘과 사람의 판단력을 결합해 부상 위험을 줄이면서 사람 혼자나 로봇 혼자로는 하기 어려운 작업을 해낸다.¹ 햅틱용은 움직임을 만들거나 막는 대신 촉각을 사용자에게 전달하는 게 주된 기능이라, 가상현실 같은 상호작용의 입력 장치로도 쓰인다.¹

어디에 걸치고 무엇으로 움직이나 — 부위·구동 분류

몸의 어느 부위를 감싸는지에 따라 팔용(상지, upper limb exoskeleton)·다리용(하지, lower limb exoskeleton)·손용·몸통용·전신용으로 나뉜다.¹ 로봇형 외골격 한 대는 기계 구조·구동기(actuator)·에너지원·센서·제어 유닛·사람과 기계를 잇는 인터페이스가 서로 맞물린 복합 시스템이고,¹ 관절이 움직이는 자유도(degrees of freedom, DoF)를 전부 또는 일부 모터로 구동하면 능동형(active), 하나도 구동하지 않으면 수동형(passive)으로 구분한다.¹ 동력을 만드는 방식으로는 유압·공압·전기 구동이 가장 흔하게 쓰인다.¹

왜 중요한가

외골격은 재활의학·고령자 돌봄·산업안전이라는 서로 다른 산업이 같은 하드웨어를 두고 만나는 지점이라 중요하다. 실제로 재활용으로 설계된 외골격이 뇌졸중·척수손상뿐 아니라 다발성경화증 치료까지 용도를 넓히고, 의료기기로 규제기관의 승인을 받는 과정을 거친다 — 아래 실제 예시가 그 경로를 보여준다.

실제 예시

미국 Ekso Bionics의 EksoNR은 원래 척수손상(SCI) 환자를 위해 설계됐지만,² 지금은 뇌졸중·후천성 뇌손상·다발성경화증 환자 치료에도 쓰인다.² 이 장치는 재활 중 환자의 몸통과 다리를 지지해 올바른 보행 패턴을 훈련시키도록 만들어졌고,² 뇌졸중·뇌손상·척수손상·다발성경화증 치료 용도로 미국 식품의약국(FDA) 승인을 받은 첫 외골격이 됐다.² 2023년 말에는 걸음걸이를 분석해 치료사에게 피드백을 주는 GaitCoach 소프트웨어가 함께 나왔다.² Ekso Bionics는 이런 장치들로 환자들이 누적 수억 걸음을 걷게 도왔다고 밝힌다.² 같은 회사의 Ekso Indego Personal은 다섯 개 부품을 조립하는 모듈 구조에 무게 31파운드(약 14kg)로 만들어, 척수손상 환자가 집과 지역사회에서 더 독립적으로 움직이도록 돕는 개인용 제품이다.²

헷갈리지 말아야 할 점

“외골격은 다 로봇처럼 스스로 힘을 만들어 준다”는 생각은 틀렸다. 관절의 자유도가 전부 또는 일부 모터로 구동되는 능동형만 힘을 스스로 만들고, 어느 관절도 구동되지 않는 수동형은 힘을 만들지 않는다.¹ 심지어 힘을 전혀 만들지 않으면서 촉각이나 동작 인식 같은 피드백만 주는 코칭형 장치도 따로 있다 — 비디오 기반 동작 인식으로 가상현실 게임과 상호작용하는 장치가 이 부류에 든다.¹ 맞는 그림은 “외골격 = 힘을 보태는 로봇”이 아니라, 구동 여부와 목적에 따라 힘을 만드는 것부터 피드백만 주는 것까지 스펙트럼이 있다는 것이다.

이어서 읽기

몸에 걸치지 않고도 사람과 같은 공간에서 힘을 낮춰 협업하는 로봇은 협동로봇(cobot)에서 다룬다. 로봇이 물체를 직접 쥐고 조작하는 손끝의 설계 문제는 손재주로봇손(dexterous hand)에서 볼 수 있다.

남은 질문들

• 웨어러블 로봇이 렌털·구독형 상품으로 얼마나 확산되고 있는지, 가격 구조는 어떤지는 아직 확인되지 않았다.
• 시니어 케어 시장에서 보조용 외골격이 실제로 얼마나 채택되고 있는지 구체 수치가 필요하다.
• 능동형과 수동형 외골격의 비용·유지보수 차이가 얼마나 되는지도 지켜볼 지점이다.

각주

1. Tiboni, Borboni 외, 「Sensors and Actuation Technologies in Exoskeletons: A Review」, Sensors 22(3):884(2022-01-24) 원문 ↩︎ ↩︎² ↩︎³ ↩︎⁴ ↩︎⁵ ↩︎⁶ ↩︎⁷ ↩︎⁸ ↩︎⁹ ↩︎¹⁰ ↩︎¹¹ ↩︎¹² ↩︎¹³

2. Ekso Bionics, 「EksoHealth」(회사 제품 소개 페이지) 원문 ↩︎ ↩︎² ↩︎³ ↩︎⁴ ↩︎⁵ ↩︎⁶ ↩︎⁷