목차
- BONSYSTEMS · CYCLOIDAL TECHNOLOGY
- NO 92. 재활·외골격 로봇과 액추에이터 기술
- 재활·외골격 로봇의 사용 환경
- 액추에이터가 수행하는 역할
- 외골격 로봇에서 박형 액추에이터가 필요한 이유
- 본시스템즈 사이클로이드 기술을 적용한 박형·고토크 액추에이터
- 자주 묻는 질문 (FAQ)
재활 목적으로 활용되는 외골격 로봇과 같이 사람이 착용하는 형태의 웨어러블 로봇은 사용자의 팔이나 다리에 필요한 힘을 더해 움직임을 보조하는 장비입니다. 사용자의 동작에 맞춰 관절을 움직이거나 보행에 필요한 힘을 전달해야 하므로, 로봇의 움직임을 실제로 만들어 내는 액추에이터가 중요한 역할을 합니다.
이러한 로봇은 사람의 신체와 연결된 상태로 작동하기 때문에 사용자의 체형과 움직임, 보행 속도, 힘의 변화를 고려해야 하며, 신체 가까이에 배치되는 구동부의 크기와 무게도 함께 살펴봐야 합니다.
이번 글에서는 사람이 착용하는 웨어러블 로봇의 사용 환경과 액추에이터의 역할, 박형 액추에이터가 필요한 이유, 그리고 본시스템즈의 사이클로이드 구동 솔루션을 살펴보겠습니다.
재활·외골격 로봇의 사용 환경
핵심 요약 — 사람이 착용하는 재활 로봇은 사용자의 움직임을 직접 보조하기 때문에 구동 성능뿐 아니라 착용감, 크기, 무게, 외부 힘에 대한 대응을 함께 고려해야 합니다.
재활·외골격 로봇은 사용자의 신체 바깥쪽에 장착되어 팔과 다리의 움직임을 보조합니다. 재활 과정에서는 사용자가 정해진 움직임을 반복할 수 있도록 돕거나, 스스로 움직일 때 부족한 힘을 보완하는 용도로 활용될 수 있습니다.
보행 보조용 웨어러블 로봇은 고관절과 무릎, 발목 등의 움직임을 지원합니다. 사용자가 다리를 들어 올리고 발을 내딛는 과정에 맞춰 관절을 움직여야 하므로, 로봇이 정해진 동작을 일방적으로 반복하기보다 사용자의 움직임과 힘의 변화를 고려할 수 있어야 합니다.
각 관절에 필요한 구동 조건도 다릅니다. 고관절이나 무릎처럼 신체 하중을 받는 부위에는 움직임을 지지할 수 있는 충분한 힘이 필요합니다. 발목처럼 지면과 가까운 관절은 보행 과정에서 발생하는 자세 변화와 충격도 고려해야 합니다.
상체를 보조하는 외골격 로봇에서는 어깨나 팔꿈치 주변에 구동부가 배치될 수 있습니다. 이때 액추에이터의 크기와 무게가 커지면 팔의 움직임이나 착용감에 영향을 줄 수 있으므로, 필요한 힘과 구동부의 외형을 함께 고려해야 합니다.
액추에이터가 수행하는 역할
핵심 요약 — 액추에이터는 제어 신호를 실제 관절 움직임으로 바꾸어 사용자의 동작을 보조하는 힘을 전달합니다.
재활·외골격 로봇의 관절을 실제로 움직이는 역할은 액추에이터가 담당합니다. 액추에이터는 모터의 회전을 필요한 속도와 힘으로 변환해 고관절과 무릎, 발목, 어깨, 팔꿈치 등의 관절에 전달합니다.
사용자가 다리를 들어 올리거나 무릎을 굽힐 때는 해당 동작을 보조할 수 있는 토크가 필요합니다. 걷는 과정에서는 발이 지면에 닿을 때 충격이 발생하고, 체중이 이동하면서 각 관절에 가해지는 하중도 계속 달라집니다.
따라서 액추에이터는 필요한 힘을 전달하는 것과 함께 반복되는 동작에서도 안정적으로 작동할 수 있어야 합니다. 사용자가 움직임을 멈추거나 갑자기 자세를 바꾸는 상황에서도 로봇이 일방적으로 움직이지 않도록 외부 힘의 변화를 확인하고 대응하는 구조가 필요합니다.
이러한 반응은 감속기나 모터 하나만으로 구현되지 않습니다. 센서가 사용자의 움직임과 관절 상태를 확인하고, 제어기가 필요한 동작을 판단하면 액추에이터가 이를 실제 움직임으로 바꿉니다. 따라서 재활·외골격 로봇의 구동 성능은 기구 구조와 센서, 제어 시스템, 액추에이터가 함께 작동할 때 구현됩니다.
외골격 로봇에서 박형 액추에이터가 필요한 이유
핵심 요약 — 사람이 착용하는 로봇은 충분한 힘을 확보하면서도 구동부가 지나치게 두껍거나 무거워지지 않도록 설계해야 합니다.
웨어러블 로봇의 액추에이터는 사용자의 신체와 가까운 곳에 배치됩니다. 구동부가 신체 가까이에 위치하기 때문에 액추에이터의 두께와 외형 크기는 장비 전체의 착용 구조에 영향을 줍니다.
구동부가 지나치게 돌출되면 걷거나 방향을 바꿀 때 주변 구조물과 부딪힐 수 있으며, 사용자의 자연스러운 움직임을 방해할 수도 있습니다. 여러 관절에 액추에이터가 적용될수록 각 구동부의 무게가 누적되어 장비 전체가 무거워질 수 있습니다.
반대로 크기와 무게를 줄이는 데만 집중하면 사용자의 신체를 지지하거나 움직임을 보조하는 데 필요한 토크가 부족해질 수 있습니다. 따라서 외골격 로봇의 구동부는 얇고 컴팩트한 외형과 필요한 출력 성능을 함께 고려해야 합니다.
모터와 감속기 외에도 센서와 배선, 제어 장치가 들어갈 공간이 필요하므로 관절 전체의 구조를 기준으로 액추에이터를 선정해야 합니다. 액추에이터 중앙에 중공 구조가 적용된 경우에는 케이블과 배선을 내부로 통과시켜 관절 주변을 보다 간결하게 구성하는 방법도 고려할 수 있습니다.
본시스템즈 사이클로이드 기술을 적용한 박형·고토크 액추에이터
핵심 요약 — 본시스템즈의 BCSA는 프레임리스 모터와 사이클로이드 감속기를 얇고 컴팩트한 구조로 결합한 액추에이터로, 제한된 공간에 구동부를 배치해야 하는 웨어러블 로봇의 관절 설계에 활용할 수 있습니다.
BCSA는 프레임리스 모터와 사이클로이드 감속기를 얇고 컴팩트한 구조로 결합한 액추에이터입니다. 제한된 관절 공간 안에 모터와 감속기, 센서, 배선 등의 요소를 함께 배치해야 하는 로봇 설계를 고려해 개발된 구동 솔루션입니다.
BCSA에 적용된 사이클로이드 감속 구조는 면접촉을 바탕으로 하중을 여러 접촉 부위에 나누어 전달합니다. 보행 과정에서 반복적으로 하중을 받거나 외부 충격이 전달되는 외골격 로봇의 관절에서 안정적으로 힘을 전달하고 내구성을 확보하는 데 유리한 구조입니다.
사람이 착용하는 외골격 로봇은 여러 관절에 액추에이터를 배치해야 하므로 각 구동부의 두께와 크기가 장비 전체의 외형에 영향을 줄 수 있습니다. BCSA의 박형 구조는 관절 주변의 돌출을 줄이고, 신체 가까이에 구동부를 배치해야 하는 설계에서 활용을 검토할 수 있습니다.
본시스템즈의 Pinless 사이클로이드 기술은 기존 핀 구성에서 필요했던 일부 결합 요소를 줄여 감속기 내부 구조를 단순하게 구성합니다. 이러한 설계는 부품 구성에 필요한 공간을 줄여 신체 가까이에 배치할 수 있는 얇고 컴팩트한 액추에이터를 구현하는 데 유리합니다. 생산 과정에서 발생하는 구조적 부담을 줄이는 데도 활용될 수 있습니다.
웨어러블 로봇의 구동부를 선정할 때는 필요한 토크와 속도뿐 아니라 액추에이터의 크기와 무게, 배선 구조, 센서 구성, 제어 방식 등을 함께 살펴봐야 합니다. 의료기기로 개발되는 제품은 안전성과 인증 기준도 별도로 검토해야 하므로, 실제 사용 목적과 개발 단계에 맞춰 구동부를 구성하는 과정이 필요합니다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q1. 재활·외골격 로봇은 어떤 장비인가요?
A. 사용자의 신체에 착용해 팔이나 다리의 움직임을 보조하는 로봇입니다. 재활 운동을 지원하거나 보행과 작업 과정에서 사용자가 필요한 힘을 보완하는 용도로 활용될 수 있습니다.
Q2. 웨어러블 로봇에서 액추에이터는 어떤 역할을 하나요?
A. 액추에이터는 모터의 회전을 관절에 필요한 움직임과 힘으로 바꾸는 역할을 합니다. 제어 시스템의 명령을 받아 고관절과 무릎, 발목 등의 관절을 움직이며 사용자의 동작을 보조합니다.
Q3. 웨어러블 로봇의 액추에이터는 왜 작고 얇아야 하나요?
A. 구동부가 사용자의 신체 가까이에 배치되기 때문에 두께와 크기가 착용감과 움직임에 영향을 줄 수 있습니다. 여러 관절에 액추에이터가 들어가면 각 구동부의 크기와 무게가 장비 전체의 외형과 무게에도 영향을 줍니다.
Q4. 사이클로이드 감속기는 외골격 로봇에서 어떤 역할을 하나요?
A. 다중 접촉을 바탕으로 보행 중 반복되는 하중과 외부 충격을 여러 접촉 부위에 분산해 전달하므로, 안정적인 힘 전달과 내구성 확보에 유리합니다. 또한 본시스템즈의 Pinless 사이클로이드 기술은 내부 부품 구성을 단순화해 신체 가까이에 배치할 수 있는 얇고 컴팩트한 액추에이터를 설계하는 데 유리합니다.
Q5. 웨어러블 로봇용 액추에이터를 선정할 때 무엇을 확인해야 하나요?
A. 적용할 관절에 필요한 힘과 운동 범위, 구동 속도, 액추에이터의 크기와 무게를 함께 확인해야 합니다. 배선과 센서 구성, 제어 방식뿐 아니라 안전 설계와 관련 인증 기준도 실제 제품 개발 과정에서 함께 검토해야 합니다.
참고 출처
[1] 본시스템즈 공식 홈페이지 — https://www.bonsystems.com
[2] 한국로봇산업진흥원(KIRIA) — https://www.kiria.org
[3] 한국로봇융합연구원(KIRO) — https://www.kiro.re.kr
[4] International Federation of Robotics(IFR) — https://ifr.org
본시스템즈 (Bonsystems)
Pinless 사이클로이드 감속기 · 액추에이터 전문 기업
🔗 본시스템즈 솔루션 → www.bonsystems.com