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외골격(Exoskeleton)

기초연구본부 선정 R&D 이슈 연구동향(38)

1. 외골격(Exoskeleton)이란?

ㅇ 주로 산업 현장에서 작업자의 힘과 지구력을 보조하거나 지지하는 용도로 만들어진 입을 수 있는(wearable) 형태의 외골격 시스템을 뜻하며, 외골격 로봇(Exoskeleton Robot) 또는 착용형 로봇(Wearable Robot) 등으로 불림

☞ 외골격 사용의 목적: 사용자 본인의 신체 무게에 의한 부하와 외부의 부하(예, 작업물의 중량 및 힘)에 의한 생체역학적 부담을 줄여, 보다 적은 힘으로 작업을 원활하게 수행하도록 하여 생산성 향상과 작업자 상해를 최소화함

☞ 외골격의 종류

- 수동 외골격: 엑츄에이터(Actuator) 없이 외골격의 탄성 구조를 사용하여 인체가 움직일 때 수집한 에너지를 저장하고 사용자가 필요로 하는 특정 동작을 완성할 때 도움이 필요한 에너지를 방출하여 작업을 보조함(Looze et al., 2016)

- 능동 외골격: 하나 이상의 모터 유닛(Motor Units)에 의해 구동되며, 원활한 작동을 위해 힘 신호(Force Signal), 뇌파 신호(Electroencephalogram), 근전도 신호(Electromyogram)와 같은 신호 수신기를 활용하여 모터를 작동시킴

☞ 외골격 사용의 효과

- 외골격 사용은 척추기립근의 사용을 10~57% 감소시켜 요추부 부하를 줄이며, 상체굽힘각도를 감소시켜 효과적이고 안전한 동작으로 작업을 수행할 수 있도록 함 (Koopman and Kingma, 2019; Alemi et al., 2019; Abdoli et al., 2006; Abdoli and Stevenson, 2008)

- 요추부 굽힘을 요구하는 대칭 작업과 비대칭 작업의 경우 대칭 작업에서 외골격 착용의 효과가 더 높음(Alemi et al., 2020)

- 상체의 각도, 신체와 작업물 사이의 거리, 신체부위와 작업물의 높이 등을 조합한 26가지의 동작을 대상으로 평가한 결과 시상면 중간(mid-sagittal plane)에 가까운 동작을 요구하는 작업일수록 외골격 사용의 효과가 뛰어남(Madinei etal., 2020)

- 외골격 사용은 신체적 부하를 줄이는데 효과적이지만 착용 및 탈착의 불편함과 시간의 낭비 등의 사용성 문제가 지적되고 있음. 특히 착용 후 수작업 이외의 기타작업요소(예, 장치의 조종, 운전, 이동 등)를 실행하는데 불편함이 있음

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