한국형 아이언맨에 숨은 특허기술

[아시아경제 양낙규 군사전문기자]1970년에 창설된 이후, 51년 간 무기체계 및 핵심기술 개발에 주력 해온 국방과학연구소(이하 국과연)는 최근 정부의 민·군 기술의 상호활용 증대 요구에 호응해 국방 분야의 특허, 기술 등 연구개발과정에서 획득한 과학기술적 성과를 사회·경제적 성과로 확산해 가치를 극대화할 수 있도록 민간으로의 기술이전과 민수사업화를 적극 추진하고 있다. 특히, 민수화 유망 국방기술의 발굴부터 기술이전을 통한 사업화 지원에 이르기까지 전(全)주기를 지원하기 위해 국방기술이전 및 민수사업화 전(全)주기 지원체계를 구축 중이며, 2020년부터 관련 예산을 확보해 시범과제를 통한 「국방기술이전상용화지원사업(가칭)」을 본격적으로 추진하고 있다. 이러한 흐름에 맞춰, 국과연은 군사전문가 칼럼을 통해 민수이전이 가능한 국방특허기술을 소개한다.

▲ 군사용 착용로봇의 연구개발 동향= 착용로봇은 착용자의 생체신호를 토대로 착용자의 운동의도를 파악하고, 모터를 제어해 착용자에게 추가적인 보조력을 제공하는 로봇시스템이다. 이 로봇은 인간의 운동능력 향상을 비롯해 개인병사의 전투력 극대화를 목적으로 연구개발 되고 있다. 1965년 미국 제너럴 일렉트릭(GE)에서 최초 개발된 착용로봇 하디맨(Hardiman)을 시작으로, 2000년대 초반 일본, 미국 등의 대학을 중심으로 하지착용로봇 연구가 본격적으로 시작됐다.

연구 초기의 착용로봇은 외골격이 착용자의 하지 전체를 보조하며 무거운 하중물을 운반할 수 있는 형태로 개발됐다. 2000년 초반 캘리포니아 대학(U.C Berkeley)는 미국 국방부 산하 연구기관인 고등연구계획국(DARPA)의 연구비를 지원받아 하지전신형 착용로봇 블릭스(BLEEX)를 개발했고, 록히드마틴사가 해당기술을 이전받아 하지전신형 착용로봇 헐크(HULC)를 선보였다. 헐크(HULC)는 수직방향 하중지지력이 뛰어나다는 평가를 받았지만, 동작의 민첩성이 떨어져 전력화에 실패했다.

이후, 록히드마틴사는 민첩성을 개선하기 위해 하지전신이 아닌 일부관절(무릎관절)에 장착되는 모듈형 착용로봇 오닉스(ONYX)를 선보였고, 현재 전력화를 위한 전투실험 중에 있다. 최근에는 외골격을 제거하고 유연한 소재를 활용한 착용로봇 개발을 통해 착용감을 높이는 연구가 주를 이루고 있다.

▲ 하지 착용로봇을 위한 인체공학적 무릎관절 설계 기술= 착용로봇의 생명은 착용감이다. 사람의 신체구조는 아주 정교하고 복잡하게 구성돼 있기 때문에 조그마한 동작의 제한도 착용자에게 큰 불편함을 초래한다. 특히, 하지전신형 착용로봇의 경우, 딱딱한 외골격이 하지 전신을 둘러싸는 형태로 설계되므로 착용자와 착용로봇의 일체감이 상당히 중요하다.

인체공학적 무릎관절 설계 기술은 아래 그림과 같이 무릎각도에 따라 회전중심이 변화하는 인체의 특성을 반영하여 착용자와 착용로봇의 무릎관절 회전축 불일치를 최소화함으로써 자연스러운 착용감을 제공할 수 있게 한다. 이를 통해 외골격이 착용자에게 가하는 간섭을 최소화하고 구동기로부터 발생되는 보조력이 온전히 착용자에게 전달 가능하다. 또한, 무릎관절의 움직임에 관계없이 일정한 기어비의 동력을 제공할 수 있으며, 착용로봇의 무게를 줄이는 경량화 및 하지외골격 관성을 줄이는 저(低)관성 효과가 있다. 이 기술은 군사용 착용형 외골격 로봇 설계에 활용 가능하며, 민수 분야에서 산업근로자 및 재활환자 등을 위한 하지 외골격형 착용로봇에 적용이 가능하다.

▲ 우리나라 군사용 착용로봇의 현주소= 국방과학연구소(이하 국과연)는 2011년부터 군사용 착용로봇 연구개발을 시작해, 험지적응형 하지근력증강로봇, 복합임무용 착용형 근력증강로봇 기술, 상호연동 모듈형 근력보조 엑소수트 기술, 복합신호기반 인체 기계 고속동기화 제어기술 등의 핵심기술 연구개발 과제 및 민군기술협력사업을 산학연과의 활발한 교류를 통해 진행해 오고 있다.

국과연은 현재 고중량물 운반?적재용 상하지 전신형, 고속기동용 무릎관절 모듈형, 지뢰탐지기 상지보조장치 등을 개발하고 있다. 착용감 향상을 위한 인체공학적 무릎관절 설계 기술, 인체-로봇 연동제어 기술 등 국과연이 보유한 착용로봇기술은 국방 분야 외에도 의료, 산업 등 다양한 민수 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 착용로봇 기술의 미래는= 휴대하중 및 작전거리 증대에 따라 착용로봇은 미래 전장환경에서 개인병사의 전투력 극대화를 위한 필수적인 플랫폼이 될 것으로 예상되며, 착용로봇 핵심기술의 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 보인다. 국과연은 기수행과제를 통해 획득한 착용로봇 기술을 기반으로 전투원의 임무특성을 고려한 임무유형별 착용로봇 특화 방안을 추진하고 있다. 또한, 실내, 평지 등 정형화된 환경에서 운용되는 민수분야 착용로봇과는 다르게 산악 지형 및 전장 환경을 고려한 군사용 착용로봇을 특화해 연구개발을 추진하고자 한다.

양낙규 군사전문기자 if@asiae.co.kr