무릎 관절 순응성, 하체 외골격 충돌 힘 감소

본 연구는 전동 하체 외골격의 충돌 안전성을 향상시키기 위해 무릎 관절에 가변 강성 액추에이터(VSA)를 적용한 경우, 충돌 시 발생하는 피크 토크와 충격량이 어떻게 변하는지를 실험적으로 규명한다. 기존 외골격은 고강성 전동기와 고감속 기어박스를 사용해 강직한 구동을 제공하고, 사전 정의된 위치·속도 궤적을 따라 움직인다. 이러한 설계는 평탄한 지면에서는 효과적이지만, 일상 생활에서 발생할 수 있는 장애물 충돌이나 불규칙한 지면에 대응하기엔 부적절할 수 있다. 특히, 스윙 단계에서 외골격이 장애물에 부딪히면 급격한 힘이 사용자에게 전달되어 균형을 잃거나 낙상의 위험이 커진다. 이에 저자들은 무릎 관절에 VSA를 탑재해 관절 강성을 실시간으로 조절할 수 있는 메커니즘을 도입하였다. VSA는 스프링과 프리텐션 모터(M_pretension)로 구성되며, 프리텐션을 변화시켜 스프링의 초기 장력을 조절함으로써 관절 강성을 65 Nm/rad(컴플라이언트)부터 218 Nm/rad(스티프)까지 연속적으로 변화시킨다. VSA를 볼트로 고정하면 강성이 400 Nm/rad 이상인 전통적인 리짓 관절이 된다. 실험은 ETH 취리히의 실험실에서 테스트벤치를 이용해 수행되었다. 외골격 다리를 골반 고정점에 연결하고, 6축 F/T 센서를 통해 골반 평면(전후)에서 발생하는 힘(F_S)과 피치 토크(M_Z)를 측정하였다. 충돌 대상인 장애물에는 단일축 20 kN 힘센서를 부착해 충돌 순간의 접촉력을(F_O) 기록하였다. 스윙 궤적은 Lagrangian 기반 모델링과 최적화를 통해 사전 정의된 웨이포인트를 통과하도록 설계했으며, 모든 강성 조건에서 동일한 궤적을 사용했다. 각 강성 조건에서 15회씩 충돌을 수행했으며, 데이터는 10–19 kHz로 고속 샘플링 후 250 Hz 저역통과 필터링하였다. 충돌 시작점은 F_O가 18 N을 초과한 순간으로 정의하고, 충돌 후 150 ms 구간 내에서 피크 힘·토크와 기계적 임펄스(힘·시간 적분)를 추출하였다. 통계 분석은 비모수 Kruskal‑Wallis 검정과 사후 다중 비교를 사용했으며, 유의수준은 0.05로 설정하였다. 결과는 다음과 같다. 첫째, 세 조건 모두 충돌 직전의 총 속도는 0.44–0.52 m/s로 거의 동일했으며, 이는 실험 조건이 속도 차이에 의해 편향되지 않았음을 의미한다. 둘째, 피크 장애물 힘은 컴플라이언트 200 N, 스티프 260 N, 리짓 280 N로 순차적으로 증가하였다. 셋째, 골반 평면에서 측정된 피크 토크는 리짓 260 Nm, 스티프 180 Nm, 컴플라이언트 116 Nm로, 컴플라이언트 설정이 토크를 55 % 이상 감소시켰다. 넷째, 충돌 후 150 ms 구간의 기계적 임펄스는 리짓 대비 컴플라이언트에서 약 3배 감소하였다. 동적 관점에서 보면, 리짓 관절은 충돌 순간에 다리 끝이 급격히 뒤로 튀어오르는 반면, 컴플라이언트·스티프 관절은 무릎이 변형되면서 발이 장애물 위를 미끄러지는 형태로 에너지를 흡수한다. 이는 관절 순응성이 충돌 에너지를 분산시켜 사용자에게 전달되는 급격한 힘을 완화한다는 물리적 메커니즘을 뒷받침한다. 연구의 의의는 두드러진다. 첫째, 실제 인간-로봇 충돌 실험 데이터가 부족한 상황에서 외골격 전용 충돌 데이터를 제공한다. 둘째, 기계적 순응성을 적용한 설계가 충돌 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 실험적으로 입증한다. 셋째, 충돌 후 토크와 임펄스 감소는 사용자가 보조기(크러치 등)를 이용해 균형을 회복하는 데 필요한 노력과 시간을 감소시킬 가능성을 제시한다. 한계점으로는 실험이 고정된 골반 프레임과 단일 장애물 충돌에 국한되었으며, 실제 보행 중 다중 관절·다중 장애물 상황, 사용자 피드백(근전도·감각) 등을 포함한 전신 제어 검증이 필요하다. 또한, VSA의 전자기적 특성(토크 의존 강성)과 장시간 사용 시 내구성에 대한 추가 연구가 요구된다. 결론적으로, 무릎 관절에 가변 강성 메커니즘을 도입하면 외골격의 충돌 대응 능력이 크게 향상되며, 이는 향후 일상 생활에서의 안전한 보행 지원과 외골격 보급 확대에 중요한 설계 지침이 될 것이다.