이웃집과학자

물건을 단단히 쥐고자 하는 의도를 단 하나의 센서만으로 파악하여 효과적으로 도와주는 장갑이 개발됐습니다. 서울대학교 체육교육과(안주은 교수), 서울대학교 기계공학부(조규진 교수), 카이스트 전산학부(조성호 교수), 분당서울대학교병원(공현식 교수)의 융합 연구를 통한 결과입니다.  

무거운 물건을 들거나 망치나 드릴, 톱 같은 공구를 다뤄야 할 때, 악력이 강한 사람은 안정적으로 작업할 수 있습니다. 특히 화재 등 재난 현장이나 여러 가지 전동 공구를 사용하는 작업 현장에서 도구나 물건을 단단히 쥐는 동작이 빈번히 요구되지만, 이러한 동작을 오래 지속할 경우 팔 근육에 피로가 쌓이며 이로 인해 안정적인 작업 수행이 어려워집니다. 실제로 National Fire Protection Association에서는 안전한 화재 진압 및 생명구조를 위해 소방관들의 악력을 측정하고 이를 일정 수준 이상으로 유지할 것을 제시하고 있습니다.

개발된 장갑의 기본적 원리는 힘을 주고자 할 때 근육을 중심으로 발생하는 전기적인 신호인 근전도를 감지해 동작의 의도를 파악하는 겁니다. 이러한 근전도를 이용한 의도 파악은 의족이나 의수를 제어하는데 주로 사용되어 왔으나 장갑과 같은 착용형 로봇에 적용하는 데에는 많은 어려움이 있었습니다. 우선 정확한 의도 파악을 위해 여러 개의 근전도 센서를 여러 근육에 부착시켜 사용해야 하는데요. 근육의 위치는 사람마다 다르고 동작을 수행하는 과정에서 센서가 조금이라도 원래의 위치에서 벗어나면 의도 파악이 부정확해집니다. 또한 팔을 펴거나 굽히는 자세의 변화에 의해 의도 파악 성능이 저하되는 문제도 있습니다. 융합 연구팀은 큰 악력을 내고자 할 때만 손목 부근에서 큰 근전도 신호가 감지되는 현상을 발견하고 이를 이용하여 장갑형 로봇을 직관적으로 제어하는 방법을 개발했습니다.

그 결과 여러 개의 센서에 의존하는 기존의 방식과는 전혀 달리 단 하나의 센서를 손목 부분에 밀착시키는 것만으로 큰 악력을 내고자 하는 의도를 정확히 파악할 수 있었으며 그 성능은 팔의 각도 등 자세 변화에 무관하게 높게 유지됐습니다. 심지어 새로 개발된 로봇 장갑의 의도 파악 성능은 5개의 센서를 팔뚝 주위의 여러 근육에 부착시켜 의도를 파악하는 기존의 방법보다도 우수하게 나타났습니다.

본 연구의 성과는 인체와 관련된 새로운 발견과 운동학적 실험, 기계학습, 소프트 로봇제작 등 여러 분야에 걸친 전문성의 융합을 통한 미래 기술 개발의 사례입니다. 특히, 단일 센서만으로 정확한 의도 파악 및 악력 증강이 가능함을 보여준 연구 결과는 앞으로 신체 능력 증강을 위한 실용적인 착용형 로봇의 개발에 중요한 기여를 할 것으로 예상됩니다. 해당 연구는 'IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics' 2월호에 게재될 예정입니다.

##참고자료##

• Cheon, Sangheui, et al. "Single EMG Sensor-Driven Robotic Glove Control for Reliable Augmentation of Power Grasping." IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics (2020).