웨어러블 로봇은 신체에 착용하여 움직임을 돕는 전동 장치로, 센서, 액추에이터, 구조 부품, 전원 공급 장치, 제어 시스템 등 다섯 가지 주요 구성 요소가 필요합니다. 각 웨어러블 로봇 구성 요소는 고유한 방식으로 제작됩니다. 센서는 포토리소그래피로, 구조 부품은 CNC 가공으로, 하우징은 사출 성형으로, 제어 시스템은 PCB 조립으로, 전원 공급 장치는 배터리 셀 생산으로 만들어집니다. 이러한 웨어러블 기술 시장은 2030년까지 연평균 43.45% 성장하여 118억 8,936만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 산업용 외골격이나 스마트 의수를 떠올려 보세요. 이러한 웨어러블 로봇 구성 요소들은 함께 작동하여 신체 부담을 줄이고 기능을 회복하도록 돕습니다. 재료와 제조 공정을 통해 이러한 웨어러블 로봇이 어떻게 현실로 구현되는지 살펴보겠습니다.
웨어러블 로봇 부품의 센서
센서의 역할은 무엇일까요?
센서는 웨어러블 로봇의 신경계와 같은 역할을 합니다. 센서는 사용자의 움직임, 힘, 위치, 신체 신호 및 주변 환경의 신호를 감지합니다. 센서가 없으면 기기는 사용자가 걷고 있는지, 물건을 들고 있는지, 가만히 서 있는지 알 수 없습니다.
산업용 외골격 로봇을 생각해 보세요. 이 로봇은 사용자의 고관절 각도, 하중을 가하는 힘, 근육의 전기적 활동 등을 파악해야 합니다. 이러한 정보는 제어 장치로 전달되고, 제어 장치는 얼마나 많은 보조 토크를 제공할지 결정합니다. 감지 정보가 잘못되면 로봇은 사용자를 돕는 대신 오히려 방해가 됩니다.
관성 측정 장치(IMU)가 좋은 예입니다. IMU는 가속도계, MEMS 자이로스코프, 그리고 융합 알고리즘을 결합하여 정확한 움직임 데이터를 제공하고 스마트 제어를 지원합니다. 이를 통해 외골격은 사용자의 요구에 맞춰 자연스럽게 움직일 수 있습니다. 소프트 외골격에서 IMU는 각도, 각가속도, 각속도와 같은 실시간 움직임 데이터를 수집합니다. 이를 통해 제어 시스템은 지형을 인식하고 움직임 모드를 정확하게 조정할 수 있습니다.
IMU는 실내외 공간에서의 보행 분석을 가능하게 하여 기존 모션 캡처 시스템의 한계를 극복합니다. 또한, 인체 동작 의도를 추정할 수 있게 해 주는데, 이는 외골격 로봇 제어에 매우 중요합니다. 웨어러블 IMU 시스템은 목표 궤적에 도달하기 위한 보조 전략에 필요한 기준 데이터를 제공합니다. 신체 여러 부위에 부착된 다수의 IMU는 복합적인 데이터를 수집하고, 센서 융합을 통해 운동학적 특성과 관절 각도를 추정합니다.
센서는 어떻게 제조되는가?
이러한 장치의 제조 방식은 센서 유형에 따라 다릅니다. IMU 내부에 있는 MEMS 자이로스코프와 같은 마이크로 센서는 포토리소그래피와 MEMS 제조 공정을 사용합니다. 이러한 공정을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 미세한 기계 구조를 층층이 쌓아 올려 놀라운 정밀도를 구현합니다.
유연하고 신축성 있는 센서는 다른 방식을 따릅니다. 스크린 인쇄는 고분자 기판에 전도성 잉크를 도포하여 얇고 구부릴 수 있는 감지 소자를 만듭니다. 이 방법은 센서가 곡면 형태의 신체 표면에 밀착되어야 하는 웨어러블 기기에 적합합니다.
센서 모듈은 픽앤플레이스 조립 공정을 거칩니다. 기계가 미세한 부품들을 고속으로 회로 기판에 배치하고, 리플로우 솔더링으로 고정합니다. 실제로 이 단계는 다른 어떤 단계보다도 신뢰성을 결정짓는 중요한 요소입니다.
중국의 선도적인 제조 기업인 NOBLE과 같은 회사들은 뛰어난 서비스 역량과 전문적인 가공 기술을 바탕으로 이 단계에 기여합니다. 이들은 고객이 웨어러블 로봇 부품의 시제품 제작에서 대량 생산으로 효율적으로 전환할 수 있도록 지원하여 개발 주기를 크게 단축시켜 줍니다.
일반적인 센서 유형
웨어러블 로봇 공학에서는 여러 종류의 센서가 반복적으로 사용됩니다. 관성 측정 장치(IMU)는 동작 추적을 담당하고, 힘 감지 저항기(FSR)는 압력과 파지력을 측정합니다. 근전도(EMG) 센서는 의수 제어를 위해 근육의 전기적 활동을 읽어냅니다. 엔코더는 산업용 로봇 팔의 관절 회전을 추적합니다.
근전도 센서의 성능은 근전도 의수에 매우 중요합니다. 다음 사양을 고려하십시오.
| 스펙 | 마이오웨어 근육 센서 | EMG 센서 개발 |
| SNR | 23.39 dB | 32.95 dB |
| 감도 | 0.159 V/N | 0.2943 V/N |
| 상승 시간 | 323 MS | 136 MS |
| 가을 시간 | 261 MS | 408 MS |
본 연구에서 개발한 EMG 센서는 기존 상용 EMG 센서에 비해 신호 대 잡음비(SNR)가 1.4배 높고 감도는 45% 향상되었습니다. 또한, 출력 응답 속도는 상용 센서보다 57% 더 빨랐습니다.
의수 제어를 위해서는 응답 시간이 짧고(300ms 미만) 직관성이 높은 중간 품질의 근전도(EMG) 장치가 필요합니다.
응답 시간 임계값 때문에 센서 선택이 단순히 정확도만으로 결정되는 것이 아니라는 점이 설명됩니다. 속도와 직관성은 사용자가 기기를 신뢰하는지 여부를 결정합니다. 측정값이 완벽하더라도 반응이 느린 웨어러블 기기는 제대로 작동하지 않는 것처럼 느껴집니다.
웨어러블 로봇 부품용 액추에이터
액추에이터의 역할
액추에이터는 에너지를 운동 에너지로 변환합니다. 이것이 액추에이터를 가장 쉽게 설명하는 방법입니다. 웨어러블 로봇에서 액추에이터는 근육처럼 작동합니다. 전기 에너지를 사용하여 물건을 들거나, 걷거나, 물건을 잡는 등의 움직임을 만들어냅니다.
대부분의 액추에이터는 모터로 시작합니다. 모터는 빠르게 회전하지만 토크는 크지 않습니다. 구동 시스템과 감속 기어가 이 문제를 해결합니다. 회전 속도를 늦추고 힘을 증가시키는 역할을 합니다. 그런 다음 변속기가 그 힘을 조인트 또는 엔드 이펙터로 전달합니다. 전체 구성 요소가 중요합니다. 약한 기어박스는 강력한 모터의 성능을 낭비하게 만듭니다.
직렬 탄성 액추에이터는 모터와 부하 사이에 스프링을 추가합니다. 이러한 설계는 자연스러운 충격 흡수력과 안전한 유연성을 제공합니다. 이는 재활 외골격 로봇에서 인간과 로봇의 물리적 상호작용에 중요한 요소입니다. 스프링은 갑작스러운 힘을 흡수하여 사용자의 신체로 전달되지 않도록 합니다.
실질적인 사용에서 이점이 나타납니다.
- 투명한 인간-로봇 상호작용은 하중을 싣고 걷는 동안의 대사 비용을 10~15% 절감합니다.
- H2 외골격에서 볼 수 있듯이, 역구동식 힘 제어는 뇌졸중 회복에 도움이 됩니다.
- 가변 임피던스 설계는 근력이 약해진 노인 사용자의 적응성을 향상시킵니다.
이 수치들은 재활 연구에서 나온 것입니다. 이는 규정 준수가 단순한 부가적인 요소가 아니라 안전 장치임을 보여줍니다.
액추에이터는 어떻게 제조되는가?
액추에이터 생산은 여러 단계를 거치는 공정입니다. 각 단계마다 엄격한 공차가 요구됩니다. 한 단계에서 작은 오류가 발생하면 전체 장치가 망가질 수 있습니다.
CNC 가공으로 모터 하우징을 먼저 제작합니다. 하우징은 고정자와 회전자를 완벽하게 정렬된 상태로 유지해야 합니다. 조금이라도 흔들림이 있으면 진동과 소음이 발생합니다. 다음으로 코일 감기 작업이 진행됩니다. 기계는 정확한 장력으로 구리선을 고정자 코어에 감습니다. 코일이 느슨하면 열로 에너지가 낭비되고, 너무 팽팽하면 전선이 끊어질 위험이 있습니다.
이어서 자석 조립이 진행됩니다. 영구 자석은 정확한 위치에 회전자에 장착됩니다. 자석의 방향이 모터의 토크 상수를 결정합니다. 그다음 기어 절삭을 통해 감속 기어를 제작합니다. 호빙 및 셰이핑 기계는 기어의 톱니를 매끄럽게 맞물리도록 가공합니다. 절삭 상태가 좋지 않은 기어는 마모가 빨리 진행되고 효율이 떨어집니다.
엔코더 통합으로 제작이 완료됩니다. 엔코더는 모터의 위치와 속도를 추적하여 해당 데이터를 컨트롤러로 전송합니다. 엔코더가 없으면 액추에이터는 명령된 위치로 이동할 수 없습니다. 제어 루프는 이 피드백에 의존합니다.
실질적인 관점에서 볼 때, 이 과정의 모든 단계는 최종 성능에 영향을 미칩니다. 아무리 훌륭한 모터라도 변속기가 불량하면 제대로 작동하지 않습니다. 따라서 제조업체는 각 단계에서 품질 관리를 철저히 해야 합니다.
소프트 및 공압 액추에이터
모든 웨어러블 로봇이 딱딱한 모터와 기어를 사용하는 것은 아닙니다. 소프트 로봇은 다른 방식을 취합니다. 이러한 시스템은 부드러운 액추에이터, 직물 및 유연한 소재를 사용합니다. 로봇은 신체의 움직임에 저항하는 대신 신체의 움직임에 따라 구부러지고 늘어납니다.
소프트 로봇 공학은 엔지니어들이 구동 방식에 대해 생각하는 방식을 바꿉니다. 각 관절에 모터를 사용하는 대신, 소프트 로봇 공학은 공기압이나 유체압을 이용합니다. 공압식 인공 근육이 대표적인 예입니다. 이 근육은 꼬인 슬리브 내부의 공기 주머니에 공기가 채워지면 수축합니다. 꼬임 구조가 공기 주머니를 수축시키고 이완시키는 힘을 발생시켜 실제 근육의 움직임을 모방합니다.
이러한 액추에이터를 제작하는 데에는 성형 및 가공 과정이 포함됩니다. 실리콘이나 고무를 금형에 넣어 블래더(공기 주머니)를 만듭니다. 편조 슬리브가 블래더를 감싸고, 접착제나 열을 이용하여 각 층을 접합합니다. 완성된 액추에이터는 가볍고 유연합니다.
소프트 로봇 기술은 웨어러블 기기에 여러 가지 장점을 제공합니다. 소재가 신체에 밀착되어 압박점을 줄여주고, 딱딱한 부품보다 충격을 더 잘 흡수합니다. 뇌졸중 환자나 공장 근로자를 돕는 웨어러블 로봇의 경우, 착용감은 사용자의 실제 사용 여부를 결정짓는 중요한 요소입니다.
소프트 로봇 공학에는 몇 가지 장단점이 있습니다. 이러한 액추에이터는 모터보다 힘이 약하고, 공압 라인이나 펌프가 필요하기 때문에 부피가 커집니다. 그럼에도 불구하고 소프트 로봇 공학은 재활 및 보조 기기 분야에서 꾸준히 성장하고 있으며, 연구 자금 유치에도 지속적으로 투자되고 있습니다. 소프트 로봇 공학은 궁극적으로 많은 웨어러블 기기에서 기존의 강성 액추에이터를 대체할 가능성이 있습니다. 소프트 로봇 공학은 엔지니어들이 인간 친화적인 기계를 개발하는 방식에 있어 중대한 변화를 의미합니다. 웨어러블 기술의 미래는 밝아 보입니다.
웨어러블 로봇 부품의 구조적 구성 요소
구조 요소의 기능
구조 부품은 웨어러블 로봇의 형태와 강도를 결정합니다. 하중을 지탱하고, 다른 모든 구성 요소를 제자리에 고정하며, 몸체의 적절한 위치로 힘을 전달합니다. 마치 뼈대와 같다고 생각하면 됩니다. 튼튼한 프레임이 없으면 센서와 액추에이터가 부착될 곳이 없게 됩니다.
구조 부품 목록은 대부분의 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 깁니다. 여기에는 베이스, 본체, 프레임, 섀시, 엔드 이펙터 및 입력 장치가 포함됩니다. 베이스와 섀시는 주요 플랫폼을 구성합니다. 프레임은 관절과 연결부를 연결합니다. 엔드 이펙터는 그립이나 발판처럼 사용자가 직접 접촉하거나 주변 환경과 연결되는 부분입니다. 버튼이나 조이스틱과 같은 입력 장치 또한 구조적으로 고정되어야 합니다.
구조 부품 제조
판금 가공은 대부분의 프레임과 섀시를 제작하는 데 사용됩니다. 레이저 절단기는 평판 금속을 높은 정밀도로 성형합니다. 그런 다음 벤딩 기계를 사용하여 금속을 접어 3차원 형태로 만듭니다. 용접으로 여러 조각을 접합하여 견고한 일체형 부품을 만듭니다. 이러한 공정은 중대형 부품 제작에 적합합니다.
CNC 가공은 정밀 부품 생산에 적합합니다. 조인트 브래킷, 베어링 시트, 마운팅 플레이트 등은 엄격한 공차를 요구합니다. CNC 밀링 머신이나 선반은 금속을 정확한 치수로 절삭합니다. 사출 성형은 폴리머 하우징 생산에 사용됩니다. 용융된 플라스틱이 강철 금형에 채워져 식은 후 완성된 외피 형태로 성형됩니다. 이 방법은 커버 및 케이스의 대량 생산에 적합합니다.
구조물용 재료
소재 선택은 무게, 강도 및 비용에 영향을 미칩니다. 일반적인 소재 옵션의 비교는 다음과 같습니다.
| 자재 | 키 속성 | 전형적인 사용 |
| 알루미늄 합금 | 가볍고 강하며 가공하기 쉽습니다. | 프레임, 브라켓 |
| 티타늄 | 높은 강도 대 중량 비율 | 하중 지지 조인트 |
| 탄소 섬유 복합재 | 매우 뻣뻣하고, 매우 가볍습니다. | 무기, 링크 |
| 엔지니어링 플라스틱 | 저렴하고, 유연하며, 절연성이 뛰어납니다. | 하우징, 커버 |
알루미늄 합금은 웨어러블 로봇 부품에 매우 적합한 소재입니다. 가공 속도가 빠르고 부식에 강합니다. 티타늄은 가격이 더 비싸지만, 강도 대비 무게 비율이 뛰어나 고하중 관절에 적합합니다. 탄소 섬유 복합재는 가벼운 무게에도 탁월한 강성을 제공하는데, 이는 하루 종일 움직이는 로봇 팔 연결부에 중요한 요소입니다. 엔지니어링 플라스틱은 하우징 및 비하중 부품에 사용됩니다.
적절한 소재를 선택하는 것은 균형을 맞추는 작업입니다. 무거운 프레임은 견고한 느낌을 주지만 사용자를 피로하게 만들고, 가벼운 프레임은 하중을 받으면 휘어질 수 있습니다. 이 단계에서의 제조 결정은 최종 웨어러블 기기가 도구처럼 느껴질지 아니면 짐처럼 느껴질지를 결정합니다.
웨어러블 로봇 부품의 제어 시스템
로봇의 두뇌
제어 시스템은 웨어러블 로봇의 두뇌처럼 작동합니다. 모든 센서에서 데이터를 받아 다음에 해야 할 일을 파악하고 액추에이터에 명령을 내립니다. 이 과정은 매초 여러 번 반복됩니다. 만약 이 과정이 너무 느리면 로봇이 사용자에게 jerky(불규칙하고 jerky)한 느낌을 줍니다.
이 시스템은 크게 네 부분으로 구성됩니다. 컨트롤러는 논리 연산을 수행하는 프로세서입니다. 제어 장치는 전력 전자 장치와 신호 조정 장치를 포함합니다. 소프트웨어는 하드웨어에 따라야 할 규칙을 알려줍니다. 입력 장치 인터페이스는 버튼, 조이스틱 또는 스마트폰 앱을 메인보드에 연결합니다. 이 네 부분이 함께 작동하여 원시 신호를 부드럽고 안전한 움직임으로 변환합니다.
제조 제어 하드웨어
제어 보드 제작은 PCB 제작부터 시작됩니다. 유리 섬유 기판 위에 구리 배선을 새겨 넣습니다. 그런 다음 기판은 표면 실장 기술(SMT) 조립 공정으로 넘어갑니다. 기계가 기판 위에 미세한 칩들을 올려놓고, 리플로우 솔더링으로 칩들을 제자리에 고정합니다.
SMT(표면 실장 가공)는 소프트 로봇의 유연 회로에 매우 중요합니다. 관통 구멍과 납땜 접합부가 적을수록 고장 발생 가능성이 있는 지점이 줄어듭니다.
또한, 관통 구멍과 납땜 접합부가 적을수록 로봇의 신뢰성이 높아집니다. 연결 지점이 적을수록 고장 발생 가능성이 줄어들기 때문입니다. 이는 로봇 시스템이 수리 없이 더 오랫동안 작동할 수 있음을 의미합니다.
조립 후 마이크로컨트롤러와 칩이 추가됩니다. 그런 다음 먼지, 땀, 충격으로부터 보호하기 위해 기판을 케이스에 밀봉합니다. 이 단계를 통해 전자 장치가 일상적인 사용 환경을 견딜 수 있는지 여부가 결정됩니다.
소프트웨어 및 펌웨어
펌웨어는 마이크로컨트롤러에 저장된 코드입니다. IMU, 힘 센서, 엔코더 등의 센서에서 데이터를 수집하여 하나의 스트림으로 통합하는 기능을 담당합니다. 센서 융합은 이러한 측정값들을 결합하여 사용자의 움직임을 명확하게 보여주는 하나의 그림을 만들어냅니다.
실시간 제어 알고리즘은 해당 이미지를 활용하여 각 액추에이터가 얼마나 큰 토크를 가해야 하는지 계산합니다. 제어 루프는 빠르게 완료되어야 하며, 그렇지 않으면 로봇이 사용자를 따라가지 못하게 됩니다. 우수한 펌웨어는 문제가 발생했을 때 전원을 차단하는 등의 안전 점검 기능도 제공합니다.
실용적인 관점에서 소프트웨어와 하드웨어는 서로 협력해야 합니다. 아무리 훌륭한 보드라도 펌웨어가 부실하면 제대로 작동하지 않는 것처럼 느껴집니다. 엔지니어들은 웨어러블 로봇을 출시하기 전에 소프트웨어와 하드웨어를 하나의 시스템으로 테스트합니다.
웨어러블 로봇 부품 가공 공정
절삭 가공
절삭 가공 방식은 최종 형상이 남을 때까지 단단한 금속 덩어리에서 재료를 제거하는 방식입니다. 이 방식 중 CNC 가공이 가장 선호됩니다. 회전하는 공구가 금속을 매우 정밀하게 절삭하며, 5축 CNC 가공기는 3축 가공기로는 불가능한 각도까지 가공할 수 있습니다. 알루미늄 외골격 관절의 경우, 5축 CNC 가공을 통해 Ra 0.2µm의 표면 조도를 얻을 수 있습니다. 일반적인 알루미늄 합금 가공으로는 보통 Ra 0.8µm 정도를 얻을 수 있습니다. 이러한 조도 차이는 부품들이 서로 미끄러지거나 무거운 하중을 견뎌야 할 때 중요한 요소가 됩니다.
레이저 절단과 워터젯 절단은 평판 재료 및 판재 부품 가공에 적합합니다. 웨어러블 로봇 부품 제작에 있어 각 방식에는 장단점이 있습니다. 탄소 섬유 복합재 가공 시 두 방식의 차이점을 살펴보세요.
| 속성 | 레이저 절단 | 워터젯 커팅 |
| 커프 너비 | 좁은 톱니 | 레이저보다 더 넓은 절단 폭 |
| 가장자리 품질 | 깔끔하고 각진 모서리; 열영향부가 작음 | 매끄러운 새틴 마감; 열영향부 없음 |
| 탄소 섬유 적합성 | 권장하지 않음 - 유독 가스 발생 | 권장 사항 - 저온 침식으로 인해 구조물이 손상되지 않고 보존됩니다. |
레이저 절단은 5mm 미만의 얇은 탄소 섬유 시트를 절단하는 데 있어 타의 추종을 불허하는 정밀도를 제공합니다. 비접촉 방식이므로 공구 마모가 없습니다. 하지만 열 손상의 위험이 있으며, 설정이 잘못되면 수지 접착력이 약해질 수 있습니다. 워터젯 절단은 10mm 이상의 두꺼운 탄소 섬유를 열 변형 없이 절단하는 데 탁월합니다. 연마재 분사 방식은 적층 복합재를 완벽하게 처리합니다. 단점으로는 속도가 느리고 노즐 마모로 인한 유지 보수 비용이 높다는 점입니다. 얇은 시트는 레이저 절단이, 두꺼운 판재는 워터젯 절단이 적합합니다. 단순한 형태는 두 방식 모두 가능하지만, 3차원 곡선은 CNC 가공이 필요합니다.
첨가제 제조
3D 프린팅은 디지털 파일을 기반으로 부품을 층층이 쌓아 올리는 방식입니다. 이 방식은 시제품 제작이나 맞춤형 부품 생산에 매우 적합합니다. FDM 방식은 녹인 플라스틱을 노즐을 통해 분사하는 방식으로, 저렴하고 빠르기 때문에 초기 설계 검토에 적합합니다. SLA 방식은 레이저를 사용하여 액체 레진을 경화시켜 더욱 매끄러운 표면과 세밀한 디테일을 구현할 수 있습니다. SLS 방식은 레이저로 분말을 융합하여 지지 구조물 없이도 견고한 부품을 제작할 수 있습니다.
웨어러블 로봇 부품의 경우, 적층 제조 기술은 제작 기간을 크게 단축시켜 줍니다. 예전에는 제작에 몇 주가 걸리던 맞춤형 의족 소켓을 이제는 며칠 만에 출력할 수 있습니다. 엔지니어들은 실제 부품을 더 빨리 확인할 수 있기 때문에 개발 속도를 높일 수 있습니다. 사용 가능한 재료는 기본적인 PLA부터 엔지니어링 등급 나일론, 탄소 섬유 강화 필라멘트까지 다양합니다. 각 재료는 강도, 무게, 비용 측면에서 서로 다른 균형을 제공합니다.
형성 및 결합 과정
성형 방법은 재료를 깎아내지 않고 모양을 만드는 방식입니다. 사출 성형은 녹인 플라스틱을 강철 금형에 주입하는 방식입니다. 플라스틱이 식으면 금형에서 빠져나와 완성된 외피가 됩니다. 이 공정은 하우징이나 커버와 같은 제품의 대량 생산에 적합합니다. 열성형은 플라스틱 시트를 가열하여 부드럽게 만든 후 금형 위로 당겨 성형하는 방식입니다. 헬멧 외피나 차체 패널과 같이 크고 얇은 부품에 효과적입니다.
접합 공정은 서로 다른 부품들을 결합시키는 역할을 합니다. 용접은 열이나 압력을 이용하여 금속 부품을 접합하는 방식이고, 접착 접합은 화학적 결합을 통해 표면을 연결하는 방식입니다. 접착제는 응력을 고르게 분산시키고 서로 다른 재질에도 접착이 가능합니다. 탄소 섬유로 만든 로봇 팔을 알루미늄 브래킷에 접착하는 것이 이러한 접합 방식의 장점입니다. 적절한 접합 방법은 하중 유형, 재질 조합, 그리고 환경 노출 정도에 따라 달라집니다. 실용적인 관점에서 볼 때, 웨어러블 로봇 부품 제조에 가장 적합한 공정은 여러 접합 방법을 하나의 조립 공정에 결합하는 경우가 많습니다.
웨어러블 로봇 부품 설계 시 고려 사항
무게, 편안함 및 인체공학
무게가 너무 나가는 착용형 로봇은 아무에게도 도움이 되지 않습니다. 사람들은 그냥 착용을 포기할 테니까요. 8시간 근무 동안 무게는 단 1g이라도 중요합니다. 엔지니어들은 알루미늄이나 탄소 섬유 같은 가벼운 소재를 선택하고, 불필요한 부분은 제거합니다. 착용감은 기기가 몸에 얼마나 잘 맞는지에 달려 있습니다. 어깨끈에는 쿠션이 필요하고, 관절은 사용자의 자연스러운 움직임에 맞춰야 합니다. 잘 맞지 않으면 마찰과 통증을 유발합니다.
인체공학적 기준은 적절한 착용감을 얻는 데 도움이 됩니다. ISO 11228은 들어 올리고 운반하는 것에 대한 규칙을 정하고 있습니다. 이 기준은 설계자에게 안전한 무게와 최적의 손 자세를 알려줍니다. 예를 들어, 손목을 중립 자세로 유지하고 단단히 잡는 것을 권장하며, 극단적인 각도는 피하도록 경고합니다. 이러한 기준은 외골격 팔 지지대의 설계 방식에 직접적인 영향을 미칩니다. 또 다른 기준인 ISO 11226은 정적인 작업 자세를 다룹니다. 이 기준은 작업자가 장시간 움직이지 않고 작업해야 하는 경우에 대한 설계 규칙을 제시합니다. 공장에서 사용되는 손목 외골격의 경우, 이러한 수동 취급 및 정적 자세에 대한 규칙이 가장 유용한 지침이 됩니다.
이러한 규칙은 엔지니어가 어디에 지지대를 추가하고 어디에서는 자유로운 움직임을 허용할지 결정하는 데 도움이 됩니다. 좋은 디자인은 로봇이 하중을 지탱하는 동안 사용자가 자연스럽게 몸을 구부릴 수 있도록 해줍니다.
내구성과 안전성
로봇 부품은 땀, 먼지, 그리고 반복적인 스트레스에 노출됩니다. 일주일 만에 금이 가는 브래킷은 쓸모가 없습니다. 내구성은 올바른 재료를 선택하는 것에서 시작됩니다. 금속은 녹에 강해야 하고, 플라스틱은 충격에 견뎌야 합니다. 열 관리 또한 중요합니다. 모터는 작동 중에 뜨거워지는데, 열이 축적되면 부품이 고장 나거나 사용자가 화상을 입을 수 있습니다. 따라서 설계자들은 온도를 낮추기 위해 통풍구나 방열판을 추가합니다.
안전 기준은 허용 가능한 수준을 정합니다. ISO 13482는 개인 관리 로봇을 다룹니다. 여기에는 이동형 보조 로봇, 신체 보조 로봇(외골격 로봇 포함), 그리고 사람 운반 로봇이 포함됩니다. 외골격 로봇의 경우, 이 표준은 다음 세 가지 범주에 속하는 특정 기능을 요구합니다.
- 본질적으로 안전한 기계적 설계 - 끼임 방지, 표면 유연성 및 안정성.
- 기능 안전 및 제어 - 비상 정지, 속도 제어, 힘/토크 제한 및 환경 감지.
- 예측 가능하고 제어 가능한 동작 — 명확한 의도 신호, 접근 가능한 비상 정지 장치, 그리고 점진적인 성능 저하.
이러한 요구사항은 설계자들이 발생할 수 있는 문제점을 고려하도록 만듭니다. 센서가 고장 나거나, 리프팅 도중 배터리가 방전될 수도 있습니다. 로봇은 안전하게 고장 나야 합니다. 이러한 기준을 충족하는 것은 시장을 개척하고 신뢰를 구축하는 데 도움이 됩니다.
부상 감소를 위한 설계
외골격의 궁극적인 목표는 부상을 줄이는 것입니다. 공장에서는 작업자들이 무거운 물건을 들어 올리다가 허리를 다치는 경우가 많습니다. 외골격은 척추를 지지하고 하중의 일부를 분산시켜 줍니다. 건설 현장에서는 머리 위로 물건을 들어 올리는 작업으로 어깨에 무리가 갑니다. 팔 지지대는 무게를 지탱해 줍니다. 이러한 장치들은 사용자의 몸에서 힘을 분산시켜 근육과 뼈 손상을 사전에 예방합니다.
의료 기기도 같은 원리를 따릅니다. 재활 외골격은 뇌졸중 환자가 다시 걸을 수 있도록 도와주지만, 낙상으로부터 환자를 보호하는 역할도 해야 합니다. 센서가 환자의 불안정한 움직임을 감지하면 제어 시스템이 전원을 차단하거나 지지력을 조절합니다. 설계자들은 접촉 부위에 쿠션을 추가하고, 뼈에 가해지는 스트레스를 최소화하도록 프레임을 설계합니다. 모든 세부 사항은 해를 끼치는 것이 아니라 치유하는 데 초점을 맞춥니다.
훌륭한 디자인은 단순히 사용자를 지원하는 것을 넘어 사용자를 적극적으로 보호합니다. 잘 맞는 장치는 자연스러운 느낌을 줍니다. 사용자는 자유롭게 움직일 수 있고, 로봇은 방해받지 않고 작업을 도와줍니다. 반면, 잘못된 디자인은 끼임이나 과열과 같은 새로운 위험을 초래합니다. 이것이 바로 표준이 중요하고 테스트가 필수적인 이유입니다. 엔지니어들이 제대로 설계했을 때, 이러한 기계들은 위험한 작업을 더 안전하게 만들고 사람들이 부상에서 더 빨리 회복하도록 도와줍니다.
웨어러블 로봇 부품용 소재
금속 및 합금
금속은 대부분의 웨어러블 로봇 부품에서 핵심적인 역할을 합니다. 알루미늄 합금은 프레임과 브래킷에 가장 많이 사용되는 소재입니다. 가볍고 강하며 가공이 용이하기 때문입니다. 티타늄은 가격이 더 높지만, 강도 대비 무게 비율이 뛰어나 하중을 지탱하는 관절 부위에 적합합니다. 스테인리스강은 녹에 강하고 높은 응력을 견딜 수 있어 구조용 핀과 패스너에 적합합니다.
적합한 금속을 선택하는 것은 용도에 따라 달라집니다. 고관절 외골격 프레임은 무게를 늘리지 않으면서 강성을 확보해야 하는데, 알루미늄이 이에 적합합니다. 반복적인 충격을 받는 무릎 관절에는 티타늄이 필요할 수 있습니다. 스테인리스강은 땀과 날씨에 노출되는 부품에 적합합니다. 각 금속은 무게, 강도, 비용 측면에서 고유한 균형을 가지고 있습니다.
폴리머 및 복합재
플라스틱과 복합재료는 하우징부터 암 링크까지 모든 것을 아우릅니다. ABS는 범용 엔지니어링 플라스틱으로, 충격 강도가 우수하고 성형이 용이하며 도료 및 마감 처리가 잘 됩니다. 이러한 특성 덕분에 소비자 가전 제품 하우징 및 장비 케이스에 표준적으로 사용됩니다. 폴리카보네이트(PC)는 ABS보다 훨씬 높은 충격 저항성을 제공합니다. 또한, 천연 등급의 경우 치수 안정성과 투명도가 뛰어납니다. 실외 사용을 위한 자외선 차단 등급도 있습니다.
| 플라스틱 | 내 충격성 |
| ABS | 높음 |
| 폴리 카보네이트 (PC) | 매우 높음 |
PC/ABS 혼합 소재는 순수 PC보다 충격 흡수력이 뛰어나고 가공이 용이합니다. 웨어러블 로봇 부품의 경우, 커버가 낙하 및 일상적인 마모를 견뎌야 하므로 이러한 특성이 중요합니다. 탄소 섬유 복합 소재는 가벼운 무게에도 불구하고 뛰어난 강성을 제공합니다. 유리 섬유는 가격이 저렴하면서도 강도를 높여줍니다. 나일론은 기어 및 마모 부품에 적합합니다. 이러한 소재들을 통해 엔지니어들은 내구성을 희생하지 않고 무게를 줄일 수 있습니다.
스마트하고 기능적인 소재
스마트 소재는 자극을 받으면 모양이나 특성이 변합니다. 형상 기억 합금은 가열되면 원래 형태로 되돌아가는 성질이 있어 소형 액추에이터에 유용합니다. 압전 소재는 압축될 때 전하를 발생시키고, 전압이 가해지면 모양이 변하기도 합니다. 이러한 소재들은 좁은 공간에서의 감지 및 이동을 지원합니다.
전도성 섬유는 소프트 로봇 공학에 생명을 불어넣습니다. 이 섬유는 직물을 통해 신호와 전력을 전달합니다. 덕분에 소프트 로봇은 인체의 움직임에 따라 구부러지고 늘어날 수 있습니다. 편안한 착용감을 위해 이러한 유연한 소재가 필수적이며, 압력 감지에도 활용됩니다. 뻣뻣한 느낌 없이 전도성을 띠는 직물은 소프트 로봇 공학에 큰 이점을 제공합니다. 소프트 로봇 공학 분야는 매년 새로운 스마트 소재를 도입하고 있으며, 연구원들은 근육과 유사한 움직임을 구현하기 위해 전도성 섬유를 연구하고 있습니다. 소프트 로봇 공학은 언젠가 많은 웨어러블 기기에서 딱딱한 부품을 대체할 수 있을 것입니다. 이미 재활 장갑과 보조복에 소프트 로봇 공학 기술이 적용되고 있습니다. 소프트 로봇 공학은 인간 친화적인 기계를 만드는 방식에 있어 중요한 변화를 의미합니다.
웨어러블 로봇 부품의 응용 분야
산업 및 제조 애플리케이션
공장에서는 이제 매일 웨어러블 로봇 부품을 사용합니다. 작업자들은 조립 라인에서 장시간 근무하기 전에 외골격 로봇을 착용합니다. 이 장치는 반복적인 작업을 하는 동안 허리, 어깨, 다리를 지지해 줍니다. 산업용 웨어러블 로봇은 작업자를 대체하는 것이 아니라, 육체적인 부담을 덜어주는 역할을 합니다.
자동차 회사들은 일찍부터 이러한 기술을 사용해 왔습니다. 팔을 머리 위로 몇 시간씩 들어 올리는 조립 작업자는 팔 지지 외골격 장치를 착용합니다. 이 장치가 공구의 무게를 지탱해 주어 어깨 근육이 쉴 수 있도록 해줍니다. 하루 종일 상자를 들어 올리는 물류 작업자는 허리 지지복을 착용합니다. 이러한 용도는 피로를 줄이고 작업 효율을 높여줍니다. 동일한 부품들이 건설, 농업, 창고 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 각 산업 분야마다 필요한 센서, 액추에이터, 프레임의 조합은 다릅니다.
의료 및 재활 응용 프로그램
의사와 치료사들은 착용형 로봇 부품을 매우 효과적으로 활용합니다. 의료용 착용형 로봇은 뇌졸중이나 척수 손상 후 환자들이 다시 걸을 수 있도록 도와줍니다. 동력 외골격은 자연스러운 보행 패턴을 따라 다리를 움직이도록 안내합니다. 이러한 재활 장치 덕분에 치료사들은 환자를 부축하는 대신 환자의 진행 상황에 집중할 수 있습니다. 동력 관절이 장착된 의수는 절단 환자에게 악력과 균형 감각을 되찾아 줍니다. 수술 보조 로봇 또한 동일한 센서 및 액추에이터 기술을 사용합니다.
임상 결과도 이를 뒷받침합니다. 한 연구에서 뇌졸중 환자 9명 중 7명이 외골격을 사용했을 때 보행 능력이 향상되었습니다. 이들은 보행 검사에서 2~4단계에 도달했습니다. 반면 외골격을 사용하지 않은 환자 8명 중 6명은 최저 단계(0~1단계)에 머물렀습니다. 삶의 질 점수 또한 외골격 사용 그룹에서 훨씬 높았으며, 중간 점수는 0.767점인 반면 다른 그룹은 0.434점이었습니다. 심각한 부작용은 발생하지 않았습니다.
사용자들은 안전성과 편안함에 대해 5점 만점에 4.5점이라는 중간 점수를 주었습니다. 하지만 일부 사용자들은 무게와 내구성에 대해 여전히 불만을 제기했습니다. 이러한 피드백은 엔지니어들이 모든 부분을 더욱 개선하도록 하는 원동력이 됩니다.
작업자 안전을 강화하는 애플리케이션
이러한 기계의 가장 큰 장점은 작업자의 안전을 향상시킨다는 것입니다. 허리 부상, 어깨 염좌, 관절 마모는 육체적으로 힘든 직업에서 흔히 발생하는 문제입니다. 근육 및 골절 부상으로 인한 근로 손실은 매년 기업에 수십억 달러의 비용을 초래합니다. 착용형 로봇 부품은 신체에 가해지는 힘을 로봇 프레임으로 분산시켜 줍니다. 이러한 간단한 변화만으로도 부상 발생을 사전에 방지할 수 있습니다.
반복적인 들어올리기 작업 시 올바른 자세 유지는 매우 중요합니다. 외골격은 척추를 안전한 곡선으로 유지하고 하중을 분산시켜 작업자의 생산성을 높이고 통증 없이 퇴근할 수 있도록 도와줍니다. 실질적인 관점에서 안전과 생산성은 상반되는 개념이 아니라 함께 발전하는 관계입니다. 소프트 로봇 기술은 이러한 작업복을 더욱 가볍고 편안하게 만들어 줍니다. 소프트 로봇 기술은 장치가 신체의 움직임에 맞춰 구부러지도록 설계하여 작업 효율을 한층 높여줍니다. 기술이 발전함에 따라 의료, 창고, 제조 등 다양한 분야에서 활용 범위가 확대될 전망입니다.
NOBLE: 웨어러블 로봇 부품 제작
금속 및 플라스틱 가공 기술
NOBLE은 금속과 플라스틱 가공 분야에서 명성이 높으며, 이러한 전문성은 웨어러블 로봇 부품 제작에 매우 적합합니다. 프레임, 브래킷, 관절 하우징은 매번 정확한 크기와 매끄러운 마감이 요구됩니다. NOBLE은 CNC 가공, 판금 작업, 사출 성형을 모두 한 곳에서 수행합니다. 이러한 통합 공정을 통해 알루미늄 프레임, 티타늄 관절, 플라스틱 커버 등을 외부 업체에 외주하지 않고 자체적으로 제작할 수 있습니다.
금속과 플라스틱 소재 모두 한 업체에서 공급받으면 시간을 절약할 수 있습니다. 브래킷 디자인이 변경되더라도 새로운 공급업체를 찾을 필요가 없습니다. 엔지니어가 CAD 파일을 수정하면 업체에서 새 버전을 제작하면 됩니다. 여러 테스트 모델을 거치는 웨어러블 기기의 경우 이러한 속도가 매우 중요합니다.
인증 및 품질
품질 시스템은 어떤 제조업체가 진정성을 갖고 있는지, 어떤 제조업체가 그렇지 않은지를 보여줍니다. NOBLE은 ISO 9001:2015 및 ISO 13485:2016 인증을 보유하고 있습니다. 특히 ISO 13485 인증은 의료 또는 헬스케어 제품을 생산하는 모든 기업에게 매우 중요합니다.
ISO 13485 인증은 의료기기 제조 분야에서 최고 수준의 품질, 안전 및 법적 기준을 준수하겠다는 의지를 보여줍니다.
그러한 노력은 실질적인 성과로 이어집니다. 인증된 공급업체는 다음과 같은 혜택을 받는 경우가 많습니다.
- 주요 의료기기 회사들로부터 신뢰할 수 있는 공급업체로 승인받았습니다.
- 고객이 직접 확인하는 수고가 덜 들기 때문에 가격이 더 높아집니다.
- ISO 인증이 많은 검토 요건을 충족하므로 고객 감사 횟수가 줄었습니다.
- 신규 의료기기 고객 등록 속도 향상.
한 무균 의료기기 위탁 제조업체는 ISO 13485 인증을 획득하고 고객 승인 기간을 12개월에서 4개월로 단축했습니다. 감사 방문 횟수도 연 4회에서 연 1회로 줄었습니다. 더 나은 시장 포지셔닝을 통해 계약 금액이 25% 증가했으며, 한때 진출하기 어려웠던 유럽 시장에도 진출했습니다. 이러한 결과는 강력한 품질 시스템이 웨어러블 로봇 프로그램에 얼마나 큰 영향을 미칠 수 있는지 보여줍니다.
설계부터 조립까지 모든 서비스 제공
NOBLE은 단순히 기계를 작동시키는 것 이상의 일을 합니다. 설계부터 조립까지 전 과정에 걸쳐 팀을 지원합니다. 제조를 고려한 설계에 대한 피드백으로 시작하여, 엔지니어들은 금형 제작 전에 가공이나 성형이 어려울 수 있는 부분을 지적합니다. 그 다음에는 테스트 모델 제작, 생산용 금형 제작, 그리고 최종 조립 및 테스트가 이어집니다.
이러한 포괄적인 접근 방식은 웨어러블 로봇 부품에 적합합니다. 부품들이 서로 긴밀하게 연동되어야 하기 때문입니다. 센서 마운트는 프레임과 정확히 일치해야 하고, 하우징은 액추에이터를 위한 공간을 확보해야 합니다. 한 팀이 모든 단계를 담당하면 이러한 연결 부분을 초기에 점검할 수 있습니다. 프로젝트를 구상 중인 분들은 NOBLE에 연락하여 상담을 시작해 보세요.
웨어러블 로봇은 센서, 액추에이터, 구조 부품, 전원 공급 장치 및 제어 시스템의 다섯 가지 핵심 부품으로 구성됩니다. 포토리소그래피 기술로 초소형 MEMS 센서를 제작하고, 코일 권선 및 CNC 가공으로 액추에이터를 만듭니다. CNC 가공은 프레임 형상 제작에도 사용됩니다. 사출 성형으로 플라스틱 하우징을 만들고, PCB 조립으로 제어 보드를 제작합니다. 배터리는 로봇 전체에 전력을 공급합니다. 탄소 섬유와 같은 소재는 강도를 유지하면서 무게를 줄여줍니다. 뛰어난 설계는 부상 위험을 줄이고 장시간 작업하는 작업자의 안전을 보장합니다. 첨단 제조 기술은 매년 더 나은 소재와 방법을 통해 웨어러블 로봇 기술을 발전시키고 있습니다. 웨어러블 로봇 프로젝트를 진행 중이시라면, NOBLE은 설계부터 조립까지 전 과정에 걸쳐 지원을 제공합니다.
웨어러블 로봇 부품 관련 FAQ
웨어러블 로봇의 주요 구성 요소는 무엇입니까?
거의 모든 장치는 크게 센서, 액추에이터, 구조 부품, 전원 공급 장치 및 제어 시스템의 다섯 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 센서는 움직임과 힘을 감지하고, 액추에이터는 움직임을 발생시키며, 구조 부품은 모든 구성 요소를 하나로 묶어줍니다. 전원 공급 장치는 전자 장치에 전력을 공급하고, 제어 시스템은 이 모든 것을 통합하여 다음에 발생할 동작을 결정합니다.
각 부품은 어떤 제조 공정을 거쳐 만들어지나요?
웨어러블 로봇의 각 구성 요소는 고유한 공정을 거칩니다. 포토리소그래피와 MEMS 제조 공정을 통해 마이크로 센서를 제작하고, CNC 가공과 코일 권선으로 액추에이터를 성형합니다. 판금 가공과 사출 성형을 통해 프레임과 하우징을 만들고, PCB 조립을 통해 제어 보드를 제작합니다. 마지막으로 배터리 셀 생산을 통해 전원 공급 장치를 만듭니다.
웨어러블 로봇에서 센서가 왜 그렇게 중요한가요?
센서는 로봇에게 사용자의 신체 움직임을 알려줍니다. IMU는 관절 각도를 추적하고, 힘 감지 저항기는 악력을 측정하며, EMG 센서는 근육 신호를 읽습니다. 감지가 잘못되면 로봇은 사용자를 돕는 대신 저항합니다. 반응 속도 또한 중요합니다. 의수 제어가 자연스럽게 느껴지려면 300ms 이내의 반응 속도가 필요합니다.
강성 액추에이터와 연성 액추에이터의 차이점은 무엇인가요?
강성 액추에이터는 모터, 기어 및 변속기를 사용합니다. 높은 힘과 정밀한 제어를 제공합니다. 연성 액추에이터는 공기압, 직물 및 유연한 소재를 사용합니다. 신체 움직임에 따라 구부러지고 충격을 더 잘 흡수합니다. 단점은 힘 출력이 낮고 펌프나 공기 라인이 필요한 경우가 많다는 것입니다.
구조 부품에 가장 적합한 재료는 무엇입니까?
용도에 따라 다릅니다. 알루미늄 합금은 가볍고 가공이 용이하여 프레임과 브래킷에 적합합니다. 티타늄은 강도 대비 무게가 높아 하중을 지탱하는 연결부에 사용됩니다. 탄소 섬유 복합재는 가벼우면서도 강성이 뛰어납니다. 엔지니어링 플라스틱은 저렴한 비용으로 하우징과 커버에 사용할 수 있습니다.
착용형 로봇은 안전 기준을 충족해야 할까요?
네, 그리고 규정은 사용 목적에 따라 다릅니다. ISO 13482는 외골격 로봇을 포함한 개인 관리 로봇에 적용되며, 끼임 방지, 비상 정지 및 힘 제한을 요구합니다. ISO 11228 및 ISO 11226은 들어올리기 및 고정 자세에 대한 인체공학적 설계 지침을 제공합니다. 이러한 표준을 준수하면 신뢰를 구축하고 시장을 확대할 수 있습니다.
3D 프린팅이 이러한 부품의 CNC 가공을 대체할 수 있을까요?
완전히 그렇지는 않습니다. 적층 제조는 시제품 제작이나 맞춤 제작에 매우 유용합니다. 예전에는 몇 주씩 걸리던 맞춤형 의족 소켓을 이제 며칠 만에 출력할 수 있습니다. 하지만 대량 생산용 프레임이나 관절은 여전히 정밀한 공차와 매끄러운 표면을 위해 CNC 가공이 필요합니다. 대부분의 경우 두 가지 방식을 모두 사용하며, 대량 생산용 하우징에는 사출 성형도 추가됩니다.
제조 파트너를 어떻게 선택해야 할까요?
프레임, 연결 부위, 하우징 등이 모두 조립되므로 금속 및 플라스틱 가공을 한 곳에서 처리하는 업체를 찾으십시오. 품질 인증도 확인해야 합니다. ISO 9001:2015는 일반적인 품질 관리를, ISO 13485:2016은 의료기기에 중요한 인증입니다. 설계 피드백, 시제품 제작, 최종 조립까지 모두 담당하는 파트너를 선택하면 시간을 절약하고 조립상의 문제를 조기에 발견할 수 있습니다.
