새로운 다기능 허리 동작 보조 웨어러블 로봇 개발

- 국제적 학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 게재

- 척추 동작 보조와 부상 예방을 위한 혁신적 로봇 슈트 선보여

▲ (좌측부터) 서울대학교 기계공학부 박용래 교수, 김재인 박사, 최재윤 연구원, 김준형 연구원

기계공학부 박용래 교수팀이 척추 부상 예방과 무거운 물건을 들어올리는 작업에 도움을 주는 허리 동작 보조 웨어러블 슈트(Bilateral Back Extensor Exosuit, 이하 BBEX)를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 지난 7월 24일 세계적 학술지인 사이언스 로보틱스(Science Robotics)에 게재됐다.

효과적 작업 보조와 안전성 모두 잡은 BBEX

기존의 척추 보조 장치들은 단일 방향에서 가해지는 힘만을 보조했기 때문에 비대칭적 작업에서 효율성이 떨어지는 한계가 뚜렷했다. 반면 인간의 척추와 등-허리 근육의 생체 역학을 모방한 BBEX는 다자유도 구조와 직렬로 연결된 선형 구동기를 사용하여 다양한 방향에서 가해지는 힘을 보조할 수 있다. 따라서 BBEX를 착용하면 중량물 운반 작업 중 발생하는 근육 피로와 척추 관절에 가해지는 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한 착용자의 자연스러운 척추 움직임을 가능케 하여 사용 편의성을 극대화한 점도 BBEX의 특징이다.

혁신적 설계와 실험 통한 안전성 검증

연구팀은 BBEX의 효능과 안전성을 검증하기 위해 20대 남성 11명을 대상으로 실험을 진행했다. 참여자들이 BBEX를 착용한 상태에서 대칭적 및 비대칭적 물건 들어올리기 작업을 수행했으며, 그 결과 BBEX가 여러 방향에서 효과적으로 힘을 보조하는 것을 확인했다. 또한 상부 및 하부 척추 기립근의 근육 피로도와 척추 관절에 가해지는 물리적 부하의 분석을 통해 BBEX의 종합적인 안전성도 입증했다. 이러한 성과는 BBEX가 중량물 운반 작업 환경에서의 허리 부상 등 산업재해 예방과 효율적인 작업 지원에 큰 기여를 할 수 있음을 시사한다.

향후 연구 방향

박용래 교수는 "BBEX는 인간의 척추와 척추 기립근의 기능적 특성을 모방하여 설계된 다기능 지원 메커니즘을 갖추고 있으며, 이 연구는 작업 현장에서 발생할 수 있는 허리 부상의 예방과 효율적인 작업 지원을 위한 새로운 해결책을 제시한다"고 밝혔다. 연구팀은 앞으로도 BBEX의 경량화 및 소형화 뿐만 아니라, 성능을 더욱 향상시키기 위한 추가 연구를 계획하고 있다.

이번 연구는 서울대학교 체육교육과 박재범 교수팀과의 협력을 통해 이뤄졌으며, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다. 해당 논문의 주 저자인 김재인 박사는 서울대학교 기계공학부에서 박사학위를 받았으며, 현재 삼성전자에서 근무 중이다. 최재윤 연구원은 서울대학교 기계공학부에서 석사학위를 받았으며, 오는 9월 미국 MIT 기계공학과 박사과정에 진학 예정이다. 김준형 연구원은 내년 2월에 서울대학교 기계공학부에서 박사학위를 받을 예정이며, 이후에는 미국 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)에서 박사 후 연구를 이어갈 계획이다.

▲ 개발된 BBEX를 착용 후 물건을 들어올리는 작업을 시연하는 장면

▲ BBEX가 여러 방향에서 등-허리 근육을 보조하는 메커니즘

[연구결과]

Bilateral Back Extensor Exosuit for multidimensional assistance and prevention of spinal injuries


J. I. Kim, J. Choi, J. Kim, J. Song, J. Park, and Y.-L. Park

(Science Robotics, vol. 9, no. 92, aedk6717, 2024., https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk6717)

[BBEX 소개 유튜브 영상]

URL : https://youtu.be/o9FIxe8q-Ts

제공 : 서울대 공대 기계공학부 소프트로봇 및 바이오닉스 연구실

[문의사항]

서울대학교 공과대학 기계공학부 박용래 교수 / 02-880-1668 / ylpark@snu.ac.kr