사이배슬론(Cybathlon)은 인조인간을 뜻하는 ‘사이보그(cyborg)’ 와 경기를 의미하는 라틴어 ‘애슬론(athlon)’의 합성어로서, 로봇-장애인 융합 국제 올림픽을 말한다. 사이배슬론은 웨어러블 로봇, 의수 등 다양한 생체 공학 보조장치를 착용하고 장애인들이 일상생활에서 흔히 겪을 수 있는 장애물을 극복하는 방식으로 진행된다[Fig 1]. 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)는 장애인을 위한 공학기술개발 촉진을 목표로 2016년 본국에서 첫 대회를 개최하였다. 당시에만 25개국의 56개 팀이 참가하여 500여개 이상의 기사와 상당 수의 과학 저널이 발행되었으며, 결과적으로 대중의 관심과 기술 발전에 대한 사회적 수요를 성공적으로 이끌어냈다는 평가를 받고 있다.

사이배슬론 2020은 5월 스위스 취리히에서 개최될 예정이었으나 COVID-19의 여파로 한 차례 연기되었고, 세계적으로 바이러스 전파 상황이 악화되어 결국 스위스에서의 대회 개최는 취소되었다. 그러나 주최측과 참가팀들의 강한 의지로 사이배슬론 2020은 코로나 시대에 걸맞은 온라인 대회 방식을 채택하였다. 이를 위해 각 팀들은 각국에 경기장을 마련하였고, 주최측은 공정한 경기가 진행될 수 있도록 경기장 검사, 심판 및 의료진 모집, 온라인 중계시스템 준비 등에 만전을 기하여 사이배슬론 2020 대회는 성공적으로 개최될 수 있었다.







2019년 6월 카이스트 기계공학동에서 팀 엔젤로보틱스의 사이배슬론 2020 웨어러블 로봇 경주 부문 참가를 알리는 출정식이 개최되었다 [Fig 2]. 이번 대회 준비는 산업기술평가관리원과 중소기업기술정보진흥원의 지원을 받아 로봇 개발 등 대회 준비와 더불어 로봇의 성능평가, 보조효과의 임상평가 등 추후 로봇의 상용화 및 보급을 위한 업무를 동시에 수행해왔다. 이를 위해 로봇 하드웨어 및 제어 알고리즘 개발 담당의 ㈜엔젤로보틱스, 한국과학기술원, 영남대학교, 선수후보 모집 및 임상평가 담당의 세브란스 재활병원, 재활공학연구소, 국립교통재활병원, 로봇 사용자 인터페이스, 외관 디자인 및 인증준비 담당의 선문대학교, ㈜에스톡스, 한국산업기술시험원으로 이뤄진 컨소시엄이 구성되었다. 출정식에는 컨소시엄 총괄책임자 공경철 교수, 각 기관 대표, 일곱 명의 선수후보자, 정양호 한국산업기술평가관리원장, 신성철 한국과학기술원 총장 등이 참가하여 대회 우승의 의지를 다졌다.






 

웨어러블 로봇 종목의 경기는 위의 Fig 3과 같이 총 6개의 미션으로 이루어져 있다. 주최 측에 의해 공지된 각 미션의 내용과 이에 요구되는 기술적 요소는 다음과 같다.





미션 별로 난이도에 따라 다른 점수가 배정되어 있고 경기 중에는 총 세 번의 기회가 주어진다. 미션 성공 시 부여된 점수를 모두 획득하며 실패 시에는 점수를 얻을 수 없다. 세 번의 시도 중 가장 높은 점수로 순위를 결정하며, 동점인 경우 미션 수행 속도를 기준으로 순위를 나눈다. 이러한 규칙은 일상생활의 다양한 환경에서 하지완전마비 장애인의 독립적인 로봇 사용과 이동능력 개선을 간접적으로 평가할 수 있도록 선정되었다.
 

사이배슬론 2020 웨어러블 로봇 경주에 참가할 선수를 선발하기 위해 세브란스재활병원, 재활공학연구소, 국립교통재활병원은 각각 두 명의 후보자를 추천하였다. 2016년 동종목 3위 입상 경력의 김병욱 선수까지 총 일곱 명의 후보자들은 출정식 이후로 로봇 개발과정에 맞춰 기초체력훈련 및 재활훈련을 진행해왔고, 2019년 12월경부터 워크온슈트 4.0의 착용테스트와 로봇 보행훈련을 시작했다. 사이배슬론 2020에 출전할 최고의 선수 선발과 선발 과정의 투명성 확보를 위해 2020년 2월 카이스트 기계공학동에서 선수 발전이 개최되었다. 선수 선발전은 앉기/서기 및 컵정리, 지그재그, 험지, 옆경사 네가지 미션에 대해 대회 규칙을 적용하여 진행하였으며, 최종적으로 네 개의 미션을 각각 2분 24초와 3분 25초에 수행한 김병욱 선수(엔젤로보틱스)와 이주현 선수(이화여자대학교)가 선발되었다.
 

2016년 대회 이후로 워크온슈트에는 디자인 개선, 고글 형태의 사용자 인터페이스 적용 등의 크고 작은 변화가 있었다. 2018년 30년 만에 다시 한국 평창에서 개최된 패럴림픽 착화식에서 하반신 완전마비 장애인이 워크온슈트 2.0을 착용하고 성화 봉송 첫 주자로 걸어 나오면서 워크온슈트는 다시 한번 전세계에 공개되었다 [Fig 5]. 그러나 워크온슈트 2.0은 성능적인 측면에서의 유의미한 개선은 없었고, 여전히 실제 생활에서 사용하기에는 극복해야할 문제점들이 남아있었다.






워크온슈트 4.0은 사이배슬론 2020에서 우수한 성적을 거두는 것뿐만 아니라 실제 사용성을 극대화하는 방향으로 개발되었다. Fig 6에 나타나 있듯 워크온슈트 4.0은 하드웨어, 전자장비, 제어 알고리즘 등 로봇의 모든 구성 요소에서 많은 개선이 이뤄졌으며, 워크온슈트 4.0은 대회에서 요구하는 방향전환 능력, 계단과 경사로, 울퉁불퉁한 지형 등 다양한 환경에서의 이동 능력, 전기 및 기계적 안전성 등을 갖추는 것을 넘어 세계 최고 수준의 로봇 보행 속도 확보, 기립 시 균형 유지 기능, 장시간 착용 가능, 직관적인 사용자 인터페이스, 사용자 최적화 동작 생성 등 우수한 성능을 보여준다. 워크온슈트 4.0이 나타내는 우수성의 기초가 되는 기술적 요소들을 이어서 소개하고자 한다.





워크온슈트 4.0의 뛰어난 성능은 구동부, 착용부 등 하드웨어적 개선으로부터 시작되었다. 계단과 경사로 이동 등 동작을 수행하고 빠른 보행 속도 확보를 위해서 로봇 구동부에 높은 파워가 필요했다. 워크온슈트 4.0 이전 버전에서는 이러한 구동 파워를 확보하기 위해서 여러 대의 모터를 하나의 감속 시스템에 연결하는 방법을 사용했다 [Fig 7].





이러한 방식은 하나의 모터가 고장 나더라도 구동에는 문제가 없기 때문에 로봇의 안전성 측면에서의 장점이 있었으나, 구동부의 부피대비 파워가 낮은 문제가 있었다. 워크온슈트 4.0에는 하나의 대용량 모터와 사이클로이드 감속기를 적용하였다 [Fig 8]. 이로써 구동부는 이전과 동급의 파워출력 내지만 구동부의 중량과 부피가 크게 감소하였고 외부 충격에도 견딜 수 있는 감속기 치면 강도를 확보하여 오랜 시간 사용이 가능했다.다. 31:1의 감속비를 갖는 구동부는 로봇의 고관절과 슬관절에 적용되어 약 120Nm의 최대 모멘트와 90RPM의 최대 회전속도를 가지며, 이는 이전 버전에 비해 약 절반의 최대 모멘트와 두 배의 최대 회전속도에 해당한다. 빨라진 로봇관절 회전속도는 착용자-로봇 시스템의 동적인 움직임을 가능하도록 하였으며, 정적인 움직임에 비해 작은 관절 모멘트만으로도 빠르고 효율적인 동작이 가능했다.





또한 워크온슈트 4.0에는 Fig 9와 같이 이전에는 없던 발목관절 구동기가 새롭게 적용되었다. 발목관절 구동기에는 리드스크류를 사용하여 모터의 회전을 선형 운동으로 변화시켰으며, 리드스크류 사용으로 증가된 기계적인 임피던스는 보행 등의 동작에서 로봇 발목관절에 가해지는 매우 큰 모멘트를 견디는 역할을 수행한다. 로봇 발목 관절의 능동 구동으로 보행 시 발을 이용한 추진, 발목각도 조절을 통한 사용자 몸체 각도 제어, 다양한 지면환경에 대한 발목각도 변경 등이 가능해졌으며 이로 인해 보행 안정성과 다양한 환경에서의 이동 능력이 크게 향상될 수 있었다. 뿐만 아니라 발목관절의 능동 구동으로 착용자는 크러치와 같은 보조장치 없이 서 있는 동작이 가능해졌으며, 기립 시 로봇 착용자의 자유로운 손 움직임을 가능하게 한다는 측면에서 사용성을 크게 증가시켰다.





이 외에도 로봇의 장시간 착용 및 사용이 가능하도록 로봇의 착용부 제작에도 공을 들였다. 컨소시엄에 참여중인 재활공학연구소에서는 의지, 보조기 등에 사용되는 착용부 제작 노하우를 활용하여 Fig 10과 같이 워크온슈트에 적용 가능한 형태로 착용자 맞춤형 착용부를 제작하였다. 이러한 노력으로 착용부 아래 피부에 욕창, 물집 등의 문제없이 로봇의 장시간 사용이 가능했으며, 착용자와 로봇 간 일체감을 극대화고 로봇의 성능을 최대한 이끌어낼 수 있었다.








워크온슈트에 적용된 사용자 인터페이스는 착용자가 로봇을 조작하기 위한 조작부와 로봇의 상태를 확인하기 위한 디스플레이부로 나뉜다. 착용자의 로봇 조작은 모든 버전의 워크온슈트에 동일하게 크러치 손잡이에 설치된 버튼을 이용하여 이뤄진다. 사용자는 본인이 수행할 미션과 동작을 크러치 버튼을 통해 지정하고 수행할 수 있다. 반면 디스플레이는 버전에 따라 가슴, 웨어러블 글래스 등으로 위치가 변경되었으나 워크온슈트 4.0에는 크러치에 설치되어 버튼 조작과 함께 로봇 상태를 확인하기 쉽도록 적용되었다 [Fig 11].





워크온슈트 4.0에 적용된 사용자 인터페이스 중 가장 큰 특징은 착용자 외 조작 및 확인이 가능한 백팩부 터치 디스플레이를 지원한다는 점이다. 의사, 치료사, 보호자 등은 터치 디스플레이를 이용하여 워크온슈트가 지원하는 동작별로 관련 파라미터를 직관적으로 변경할 수 있다. 예를 들어 치료사는 Fig 12와 같이 보행 시 보폭, 발 높이, 스윙 시간을 손쉽게 변경하여 착용자의 상태 또는 로봇 훈련 단계에 따라 파라미터 변경이 가능하다.





또한 워크온슈트 4.0은 착용자의 안전을 보장하기 위한 강력한 오류 모니터링 시스템을 갖추고 있다. 로봇 구동과 연관이 큰 구동부와 센서의 오류를 상시 감시하며, 오작동이 예측될 시 즉시 로봇의 구동을 멈추고 경고음과 백팩부 디스플레이를 통해 착용자와 치료사 등에게 오류 상황을 알리고 조치할 수 있도록 했다. 추가적으로 로봇 착용자의 동작 정보, 로봇의 오류, 사용 시간, 걸음수 등을 저장하고 분석하는 프로그램을 개발했다. 이는 착용자의 담당 의사나 치료사가 환자의 훈련 정도를 파악하고 훈련 계획을 수립하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 엔지니어가 로봇의 동작을 업데이트하거나 로봇의 이상 유무를 예측하고 판단하는데 활용할 수 있도록 했다 [Fig 13]. 위와 같은 워크온슈트 4.0의 사용자 인터페이스는 세브란스 재활병원, 재활공학연구소, 국립교통재활병원의 많은 물리치료사들과 선수 후보자들로부터 직관성을 인정받았으며, 상용화 관점에서 로봇 사용성을 높게 평가받는데 기여했다.





워크온슈트의 하드웨어가 개선된 만큼, 소프트웨어 알고리즘 상에서도 상당한 발전이 있었다. 워크온슈트는 착용자가 지정한 미션과 동작에 따라 로봇 관절이 미리 정해진 관절 궤적을 잘 추종하도록 하는 되먹임 제어(feedback control) 방식을 사용한다. 이를 위해서는 1) 하반신 완전마비 장애인의 신체적 특성을 고려하여 각 수행 동작에 해당하는 관절 궤적을 정의하고, 다음으로는 2) 이러한 관절궤적을 정밀하게 추종하게 하는 제어기를 설립해야 한다.





Fig 14는 하반신 완전마비 장애인이 사이배슬론 2020의 미션을 수행할 수 있도록 생성된 각 동작들의 모습을 나타낸다. 발목 관절의 적극적인 활용으로 로봇 시스템의 무게 중심 경로를 원하는 대로 설계 수 있었고, 그 결과 사용자의 평균 에너지 소모량이 감소하면서 2016년도에 비해 수행 속도가 현저히 증가하였다.





이중에서도 특히 일상 생활의 측면에서 볼 때 가장 중요도가 높은 동작은 바로 평지보행이라고 할 수 있다. 필연적으로 웨어러블 로봇은 비장애인의 다리에 비해 관절 자유도나 무게에서 제한이 있고, 사용자 또한 크러치를 이용하는 특수한 보행을 구사하기 때문에 워크온슈트만의 특별한 동작 생성 알고리즘이 필요했다. 이에 따라 사용자의 동적 무게 중심이 항상 전방으로 향할 수 있도록 상체 기울임을 매개 변수로 삼아 보행 안정성과 사용자 편의성을 증진시켰다[Fig 15-a]. 동시에, 무릎 굴곡으로 인한 지면 충격 완화, 고관절을 이용한 속도 감속, 발목을 이용한 무게 중심 이동 등 비장애인이 무의식적으로 나타내는 동작의 효율적 특징을 로봇의 관절 궤적에 적절히 녹여냈다[Fig 15-b].





Fig 16은 워크온슈트의 제어 알고리즘을 나타낸다. Gait pattern generation 부분에서 동작 별 관절 궤적이 계산되고, 이어지는 회색 영역에서는 이러한 궤적을 정밀하게 추종하기 위한 외란관측자(disturbance observer)와 앞먹임 필터/되먹임 제어(Feedforward filter/Feedback Control)가 융합된 제어기가 활용된다. 이러한 알고리즘은 로봇에 가해지는 외력을 관측하고 이를 되먹임하여 지면 충격, 착용자의 흔들림 등의 요소가 존재하는 상황에서도 수행 동작을 강인하고 정확하게 추종해낸다.





이렇게 작성된 소프트웨어 알고리즘을 다수의 사용자에게 제공하였더니 새로운 사실을 깨닫게 되었다. 관절 궤적을 동일하게 사용하는 경우에도 착용자별로 동작 수행 능력에 차이가 발생하는 것이었다. 이는 착용자의 척수 손상 위치, 상지 근력, 신장, 체중 등 신체 상태와 착용자 별 로봇에 대한 적응도가 다르기 때문인 것으로 파악되었다.

따라서 착용자 별로 최적의 관절궤적을 제공하기 위해 Fig 17와 같은 인간행동 반복 학습 알고리즘(Iterative learning of human behavior, ILHB)을 개발하였다. 인간행동 반복 학습 알고리즘은 사용자에게 제공되고 있는 관절궤적의 ‘적절성’을 판단하기 위한 지표로서 지면 접촉 순간을 선택했다. 매 걸음마다 정확한 순간에 로봇의 발이 지면과 접촉한다면 착용자에 가해지는 지면 충격력이 감소하여 보행 편의성과 안전성을 보장할 수 있기 때문이다.






따라서, 지면 접촉 시간의 오차로부터 상체 기울임 각도를 역으로 연산하는 모델을 규명하고, 이를 활용해 사용자의 보행 주기가 로봇이 의도한 보행 주기와 점차 수렴할 수 있도록 보행 매개변수를 자동적으로 갱신했다[Fig 18]. 이러한 일련의 연구 과정을 거친 끝에, 워크온슈트는 세계 최고 수준의 보행 속도(0.843m/s)를 확보할 수 있게 되었다.





팀 엔젤로보틱스의 경기는 한국시간으로 2020년 11월 13일 오후 세시에 한국과학기술원 스포츠 콤플렉스 1층에 마련된 경기장에서 시작되었다 [Fig 19]. 김병욱 선수와 이주현 선수는 엔젤로보틱스1과 2팀으로 출전하여 각각 세 번씩 경기를 진행하였고 경기 장면은 전문 장비를 통해 실시간으로 주최측으로 송출되어 기록되었다. 두 선수 모두 세 번의 시도에서 만점을 기록하며 경기를 무사히 마쳤고, 김병욱 선수는 세 번째 시도에서 3분 47초에 여섯 개의 장애물을 통과하는 경이적인 기록을 수립하며 금메달을 목에 걸었다. 이주현 선수는 경기 중 로봇이 장애물에 끼이는 등 어려움이 있었음에도 스스로 극복하고 5분 51초에 모든 장애물을 통과하며 동메달을 획득했다.





이로써 팀 엔젤로보틱스는 미국, 스위스를 포함한 8개국의 12명의 선수 중에서 1위와 3위를 석권하며 대한민국 로봇 기술의 우수성을 입증했다 [Fig 20].













사이배슬론 2020은 COVID-19로 인한 난항에도 불구하고, 주최 측과 참가팀의 강력한 의지와 열정으로 무사히 마무리될 수 있었다. 신체가 불편한 사람들이 펼치는 선의의 경쟁을 통해 공학 기술의 진보적 발전을 이끌어내고, 그 수준을 전세계적으로 알려낸 이번 대회는 매우 성공적이었다고 할 수 있다. 2016년에 개최되었던 첫 대회와 비교했을 때 각 종목의 성적에서 탁월한 발전이 있었고, 특히 웨어러블 로봇 경주 부문에서 그 어느 팀보다 높은 기술의 발전을 이룩해낸 팀 엔젤로보틱스의 기여는 상당하다.

팀 엔젤로보틱스는 출전 선수 단 한 명에 대해서만 최적화된 웨어러블 로봇 기술을 개발한 것이 아니라, 대회 준비 과정에서 총 6인의 장애인을 대상으로 연구 내용을 접목시키는 등 웨어러블 로봇 기술이 일상생활에 녹아 들어 대중적으로 사용될 수 있도록 방향을 잡아왔다. 실제로 로봇을 처음 사용하는 선수가 세계대회에서 수상을 해낸 것은 본 연구팀이 개발한 기술의 범용성과 우수성을 증명하는 유의미한 결과이다. 또한, 본 글에서 소개된 하드웨어, 소프트웨어, 사용자 인터페이스 등 다방면의 분야에서 획기적인 기술 발전을 이룩함으로써, 세계 1위의 장애인 보행 및 동작 수행 능력을 취득할 수도 있었다. 이러한 소식은 상당 수의 기사와 뉴스, 유튜브 영상으로 알려져 대한민국 로봇의 우수성을 세계에 각인시킨 좋은 기회로 남았다.

이러한 순항에도 웨어러블 로봇의 상용화 및 일상생활 접목의 측면에서 해결해야할 과제가 여전히 남아있다. 본 연구팀은 대한민국의 로봇 기술이 더욱 더 많은 사람의 삶에 도움을 주고, 훗날 전 세계를 대표하는 분야로 자리매김할 수 있도록 끊임없이 정진할 것을 다시 한번 다짐한다.