현대자동차가 로보틱스 기술을 활용해 자유로운 이동의 확장에 기여한다. 현대차 로보틱스랩이 자체 개발한 의료용 착용 로봇 ‘엑스블 멕스(X-ble MEX)’를 활용해 서울아산병원, 국립재활원과 보행장애 환자 대상 보행 재활 지원 프로그램을 운영하는 것이다.
X-ble MEX는 보행이 어려운 이동 약자의 하지 근육 재건 및 관절 운동을 돕는 의료용 착용 로봇이다. ‘엑스블(X-ble)’은 로보틱스랩의 착용 로봇 브랜드로, 로보틱스 기술의 무한한 잠재력을 뜻하는 ‘X’와 무엇이든 구현할 수 있다는 의미의 접미사 ‘able’을 결합한 것이다. MEX는 ‘의료용 외골격(Medical Exoskeleton)’의 약자다.
X-ble MEX는 앞으로 서울아산병원과 국립재활원에서 하반신 마비 환자의 재활 치료 및 관련 연구에 투입된다. X-ble MEX는 환자들이 이동의 한계를 극복하는 데 앞으로 어떤 도움을 줄 수 있을까? X-ble MEX를 개발한 현대차 로보틱스랩을 찾아가 X-ble MEX의 성능과 특장점 등에 대해 물었다.
Q. X-ble MEX의 개발 동기는 무엇인가?
임현섭 파트장(설계)┃X-ble MEX는 현대차의 브랜드 철학인 ‘인류를 위한 진보(Progress for Humanity)’에서 시작되었다고 말할 수 있다. 자동차로 대중의 이동성(모빌리티)에 공헌하는 것과 마찬가지로, 하반신 마비 환자와 같은 교통약자들의 이동성 향상을 위해 개발한 것이다. 로보틱스랩의 전신인 인간편의연구팀에서 2015년부터 개발하기 시작해 지금의 완성된 모습을 갖추게 됐다.
Q. X-ble MEX에 활용된 기술은 무엇인가?
김규정 책임연구원┃X-ble MEX는 로보틱스랩의 고유 기술로 제작한 것이다. X-ble MEX에 적용된 기술을 예로 들면 모듈형 구동기 설계, 기구 최적화, 인체 해석 및 시뮬레이션, 생체모방 보행 제어 등 상당히 다양하다.
임현섭 파트장(설계)┃X-ble MEX는 로보틱스랩의 끊임없는 연구의 결과다. 시제품까지 포함하면 X-ble MEX는 3세대에 걸쳐 완성된 로봇이다. 첫 시제품은 성능에 초점을 뒀다. 8개의 모터로 인체의 관절 움직임을 최대한 모사하는 데 주력했다. 다음 시제품은 경량화에 초점을 두고 모터를 6개로 줄이면서 전반적인 무게도 줄였다. 지금의 X-ble MEX는 3세대에 걸친 기술이 집약돼 있으며, 모터를 4개로 줄이고 양산을 위한 여러 기술을 직접 개발해 국산화를 달성했다는 데 의미가 있다.
Q. X-ble MEX는 타사의 로봇 대비 가볍고 얇은 크기를 자랑한다. 가볍고 얇은 로봇의 장점은 무엇인가?
임현섭 파트장(설계)┃X-ble MEX는 휠체어 탑승까지 고려했기 때문에 다른 의료용 착용 로봇과 비교해도 상당히 얇다. X-ble MEX는 하지마비 환자의 재활을 위한 것이기에 로봇을 착용하고 벗는 상황에서 안전하고, 원활하게 쓸 수 있도록 설계에 상당한 노력을 기울였다. 가령 하지마비 환자가 X-ble MEX를 착용한 상태에서 휠체어에 앉는 것도 충분히 가능하다. 특별히 경량 소재를 사용한 것은 아니다. 무게를 줄이기 위해서는 최소한의 부품으로 효율적인 설계를 하는 것이 중요하다. 대표적인 것이 모듈이다.
Q. X-ble MEX의 무게는 18kg으로 타사의 로봇 대비 상당히 가볍다. 환자가 착용했을 때의 무게감은 어느 정도인가?
김규정 책임연구원┃X-ble MEX는 환자가 짊어지는 것이 아닌 환자가 로봇에 올라타는 방식으로, 로봇의 무게 중심이 사람의 무게 중심점과 가까워 착용자가 느끼는 무게감은 매우 작다고 볼 수 있다. 경량화의 이점은 다른 데에 있다. 로봇이 가벼운 만큼 구동계의 부하가 적어서 같은 배터리를 사용해도 실사용 시간이 늘어나는 효과를 볼 수 있다는 점이다. 치료사가 환자의 로봇 착용을 도울 때 힘이 많이 들지 않는 장점도 있다.
Q. X-ble MEX에 사용된 소형 모듈의 특징과 장점은 무엇인가?
임현섭 파트장(설계)┃우선 모듈 기술의 핵심을 간단하게 설명하자면, 각 모듈이 독자적으로 구동할 수 있도록 모듈 내부에 모든 부품을 넣는 것이다. 이를 위해서는 구성 요소의 최적 배치, 소형화 등의 기술이 필요하다. 자체 개발 능력이 중요한 이유다. 모듈화의 장점은 다양하다. 모듈 하나를 여러 부위에 사용할 경우 규모의 경제로 가격을 낮출 수 있으며, 수리도 쉬워진다. 로봇에 문제가 발생했을 때 해당 부위의 모듈만 새 제품으로 바꾸면 쉽고 편하게 해결할 수 있다.
Q. X-ble MEX의 디자인에서 인체공학을 중시한 부분은 무엇인가?
김규정 책임연구원┃척수 손상이 있는 사용자가 로봇을 착용할 때 넘어지지 않도록 로봇을 앞으로 착용하도록 했다. 이는 타사의 로봇과 반대되는 부분이다. 덕분에 휠체어에 앉은 상태에서도 쉽게 착용할 수 있다. 아울러 사용자가 안정적이고 완전한 기립 상태가 될 수 있도록 무릎 관절부터 고관절까지의 하네스를 안정적으로 구성했다. 이러한 구조는 사용자의 신체와 로봇 관절이 정렬될 수 있도록 도와주고, 구부정한 자세로 잘못 착용하는 실수를 방지하는 효과가 있다.
척수 손상 환자의 경우 하지의 감각이 없어서 피부가 쓸려도 바로 알아챌 수 없다. 따라서 피부가 쓸리지 않도록 부드러운 소재로 하네스를 제작했으며, 살갗이 긁히는 부분이 없도록 모든 부분을 매끈하게 다듬었다. 그리고 허리와 관절부의 조절 범위도 세분화해서 각기 다른 환자의 몸에 잘 맞춰 착용할 수 있도록 했다.
Q. X-ble MEX는 앞으로 입는 데다 주요 부품도 앞에 있다. 이런 설계의 장점은 무엇인가?
임현섭 파트장(설계)┃X-ble MEX의 장점 중 하나는 무게 중심이 사람의 무게 중심과 거의 일치하는 것이다. X-ble MEX 이전에 개발했던 시제품들은 무거운 배터리나 제어부가 전부 뒤에 있었다. X-ble MEX를 제외하고 시판 중인 대부분의 치료용 로봇도 마찬가지다. 하지만 임상시험을 하면서 무게 중심이 뒤에 있는 모델보다 앞에 있는 것이 환자에게도 편안하고, 보행에도 더 유용하다는 것을 확인했다. 무게 중심을 앞으로 옮기기 위해 필수적인 소형화 기술을 꾸준히 개선해 X-ble MEX에 적용했다. 실제로 X-ble MEX와 타사 로봇들의 외형을 비교하면 X-ble MEX의 무게 중심이 앞에 있다는 점이 가장 큰 차이로 보일 것이다.
Q. X-ble MEX의 작동 원리는 무엇인가?
이동현 파트장(제어)┃X-ble MEX는 하지 마비 환자를 위해 만든 의료기기로 환자의 허벅지와 종아리 길이 등에 따라 보행 궤적을 자동 생성해 환자가 자연스럽게 걸을 수 있도록 해준다. 보행 명령은 목발에 장착된 스마트 컨트롤러의 버튼으로 제어한다. 버튼을 한 번 누를 때마다 한 걸음씩 나아간다. 걷기만 도와주는 게 아니라 의자에 앉고 계단을 오르는 등 총 7가지 작동 모드를 통해 다양한 움직임을 지원한다.
Q. X-ble MEX가 자연스럽게 걸을 수 있는 비결은 무엇인가?
안국현 책임연구원┃사람과 같은 보행을 구현하기 위해 사람이 걷는 동작을 세밀하게 분석하고 따라 했다. 가령 사람이 걸을 때 한쪽 발을 앞으로 뻗으면 발목을 특정 각도로 움직이지 않는 이상 발꿈치가 먼저 땅에 닿는다. 이후 무게 중심을 앞발로 옮기면서 발바닥 전체가 땅에 닿는 과정이 이어진다. 특히 연속 보행은 전체 동작이 자연스레 다음 걸음을 위한 동작으로 연결된다. 이런 보행 방식을 X-ble MEX에 구현하기 위해 두 발의 상대적인 움직임을 기구학적으로 분석했다.
이동현 파트장(제어)┃조금 더 쉽게 설명하자면 움직임을 최적화하는 계산을 하는 것이다. 기구 해석을 하면 원하는 보행 궤적을 위해 각 관절이 어떻게 움직여야 할지 계산할 수 있다. 가령 환자의 종아리나 허벅지 길이를 입력하면 최적화된 궤적을 그릴 수 있다. 자연스럽게 걸을 수 있으려면 여러 동작이 연결돼야 하는데 로봇이 움직이면서 각 관절의 위치가 계속 바뀌기 때문에 위치뿐만 아니라 속도와 가속도에 따라 보행 궤적이 달라질 수 있도록 해야 한다. X-ble MEX의 자연스러운 발걸음은 이런 정밀한 계산을 반영한 결과다.
Q. 환자마다 치료 과정이 다를 것이다. X-ble MEX는 이에 어떻게 대응하는가?
이동현 파트장(제어)┃X-ble MEX는 보폭, 보행 시간 등의 설정을 세밀하게 바꿀 수 있다. 이는 X-ble MEX만의 장점이다. 치료사들을 위한 애플리케이션을 만들어 세부적인 보행 궤적도 수정할 수 있도록 했다. 처음 X-ble MEX를 접하는 환자의 경우 보폭이나 보행 속도를 느리게 설정할 수 있고, 재활 치료에 익숙해진 뒤에는 치료사의 판단에 따라 속도나 보폭을 조정할 수 있다. 타사의 로봇과 달리 왼쪽 돌기, 오른쪽 돌기도 가능하다.
안국현 책임연구원┃X-ble MEX의 최고속도는 하지 마비 환자의 안정적인 걸음을 위해 1.2km/h로 제한했다. X-ble MEX의 보폭은 15~36cm 사이에서 3cm 단위로 설정할 수 있고, 한 걸음을 내딛는 데 걸리는 시간은 1.0~2.5초 사이에서 0.1초 단위로 설정할 수 있다.
Q. 환자가 넘어지는 사고를 예방하는 방법은 무엇인가?
이동현 파트장(제어)┃X-ble MEX에는 IMU(Inertial Measurement Unit, 관성 측정 장치) 센서가 있다. 간단하게 설명하면 어떤 각도로 움직이는지 측정하는 센서다. 이를 통해 보행 자세와 무게 중심의 위치를 파악할 수 있다. 환자가 넘어졌다는 것은 보행 중 무게 중심의 이동이 비정상적으로 이뤄졌음을 뜻한다. 가령 보행 중에 뒷발을 들어 앞으로 옮기는 과정에서 무게 중심이 앞발 위에 올라가 있지 않으면 착용자는 뒷발을 드는 순간 뒤쪽으로 기울어질 수밖에 없다.
X-ble MEX는 IMU 센서를 통해 보행 자세와 무게 중심을 계산하고, 불안정한 자세일 경우 보행 명령을 수행하지 않는다. 특수 상황의 경우 치료사가 비상 정지 버튼을 눌러 멈춰 세울 수도 있다. 타사 로봇과 X-ble MEX의 차이점 중 하나는 전자식 브레이크의 장착 여부다. 자석과 비슷한 원리의 전자식 브레이크는 전원이 꺼져도 작동하는 까닭에 전원이 꺼져도 X-ble MEX의 관절은 구부러지지 않는다. 그만큼 더 안전하다고 할 수 있다.
Q. 임상시험을 통해 X-ble MEX의 제어 기술을 개선한 부분이 있는가?
안국현 책임연구원┃제어보다는 무선 통신 방법의 변경이 있었다. 같은 공간에서 여러 로봇이 동시에 작동할 때 혼선으로 인해 오작동하는 현상이 발생하지 않도록 통신 방법을 변경했다. 제어 자체는 시험 때 큰 호평을 받았다. 미국에서 X-ble MEX의 사용자 편의성 시험을 진행할 때 물리 치료사들이 직접 착용 후 평가를 진행했는데, 보행 관련 만족도가 상당히 높았다.
Q. X-ble MEX는 현대차가 처음으로 선보인 의료기기다. 어떤 난관이 있었는가?
김종우 책임연구원┃자동차와 마찬가지로 의료기기도 인증이 필요하다. 그런데 현대차에서 의료기기 인증을 받는 것은 이번이 처음이었다. 판매 및 허가 관련 절차를 하나씩 진행할 때마다 회사 내에서 아무도 가지 않은 길을 개척하는 기분이 들었을 정도로 어렵게 느껴졌다. 의료기기는 사용 목적이나 인체에 미치는 영향에 따라 4개 등급으로 구분된다. X-ble MEX는 환자의 입력에 따라 작동하는 의료용 착용 로봇이기 때문에 국내에서는 2등급 의료기기로 인증을 받았다. 더 넓은 세상에 X-ble MEX를 선보이고 싶어서 미국 식품의약국(FDA) 인증 또한 추진 중이다.
Q. X-ble MEX를 통한 재활 치료 관련 연구는 어떻게 이뤄질 예정인가?
김종우 책임연구원┃각기 다른 환자의 상태만큼 필요한 치료 방법도 다른 까닭에 착용 로봇의 활용 방법에 대한 다양한 고민이 필요하다. 아울러 X-ble MEX를 실제로 활용하는 의료진과 환자의 의견도 중요하다. 이에 따라 서울아산병원, 국립재활원과 보행장애 환자 대상 보행 재활 지원 프로그램 업무협약을 맺고 X-ble MEX를 기증했다. 서울아산병원, 국립재활원의 치료실무자, 의사, 환자와 함께 더욱 유용하고 효과적인 치료 방법을 만들 수 있기를 기대한다.
Q. X-ble MEX의 기술을 이용하면 관절이 많이 손상된 고연령대의 보조용 로봇도 만들 수 있을 것 같은데 계획이 있는가?
김종우 책임연구원┃X-ble MEX는 좌우 균형을 잡기 어렵거나, 어느 정도의 전후방 균형감각을 가진 척수손상 환자의 안정적인 이용을 위해 사용 범위를 제한했다. 하지만 서울아산병원, 국립재활원의 임상시험을 통해 여러 가능성을 검토하고자 한다. 가령 뇌졸중 환자, 노약자 등 사용자의 확대, 만성환자의 재활 목적뿐만 아니라 치료 목적으로도 쓸 수 있는지 검토하고 임상시험에 나설 예정이다. 무엇보다 의료기기는 안전성과 효과성을 입증해야만 한다. 상용화 등의 문제는 장기적인 관점에서 고려해야 한다.
Q. 로보틱스랩의 장기적인 계획이 궁금하다.
김종우 책임연구원┃로보틱스랩에서 개발 중인 착용 로봇은 크게 의료용과 산업용으로 나눌 수 있다. 의료용은 현대차그룹의 사회공헌 관점에서 그동안 불편함을 겪었던 이들을 위해 다방면으로 지원할 계획이다. 산업용 착용 로봇은 현대차그룹 내의 다양한 업무 환경에서 작업자의 근골격계 질환을 예방하고, 산재나 질병 후 직무 복귀 지원을 위해 개발과 평가를 진행 중이다. 우선 그룹 내부적으로 적용한 뒤 제품이 더 고도화되면 외부에 공개할 예정이다.
현대차의 철학인 ‘인류를 위한 진보’는 자동차를 넘어 전방위적인 방향으로 진행되고 있다. 현대차는 앞으로 다양한 미래 기술을 적극적으로 도입해 이동 약자들의 이동성 개선을 위한 활동을 지속적으로 추진할 예정이다. 로봇을 통한 이동성의 확대는 인류에게 새로운 기대를 선사한다. 시간이 지나면 더욱 다양한 이동성 보조 로봇이 등장할 것이다. 실제로 현대차는 착용 로봇 통합 브랜드 ‘엑스블(X-ble)’의 상표를 등록하고 다양한 라인업을 갖춰 의료 및 산업 등 여러 분야에 활용하는 방안을 추진하고 있다. 우리가 로보틱스랩의 활약에 주목해야 할 이유다.
사진. 조혁수
HMG 저널 운영팀
group@hyundai.comHMG 저널에서 제공되는 정보는 크리에이티브 커먼즈(CCL) 2.0 정책에 따라 콘텐츠의 복제와 배포, 전송, 전시 및 공연 등에 활용할 수 있으며, 저작권에 의해 보호됩니다. 단, 정보 사용자는 HMG 저널에서 제공하는 정보를 개인 목적으로만 사용할 수 있습니다.
HMG 운영정책 알아보기