'젊은 로봇공학자(Young Robot Engineer)' 코너는 한국로봇학회와 로봇신문이 공동으로 기획한 시리즈물로 미래 한국 로봇산업을 이끌어 갈 젊은 로봇 공학자를 발굴해 소개하는데 있다.

25번째 인터뷰는 중앙대 이기욱 교수다. 이 교수는 서울대 기계항공공학부에 입학해 학사, 석사를 거쳐 2014년 2월 박사 학위를 받았다. 졸업 후 서울대 정밀기계설계공동연구소 선임연구원, 2014년부터 2016년까지 KIST 로봇연구단 박사후연구원 및 파견연구원, 2016년 ~2017년 하버드대 비스연구소 바이오디자인랩 박사후 연구원을 거쳐, 2018년 부터 현재까지 중앙대 기계공학과 조교수로 근무하고 있다.

2018년 11월 중앙대에서 Distinguished Lecturer Award를 수상했다. 주요 연구 및 관심분야는 보조 로봇 및 재활 로봇이다.

▲중앙대 이기욱 교수

Q. 중앙대 기계공학과에 대한 간략한 소개 부탁 드립니다.

중앙대학교 기계공학부는 730여명의 학부생, 100여명의 대학원생, 30명의 전임교수로 구성되어 있습니다. 교수진은 산학연 분야에서 경험이 풍부하고 연구능력이 우수한 전문가들로 구성되어 있습니다. 교육 및 연구와 산학협력 등으로 평가하여 전국 10위권 수준의 우수한 역량을 지니고 있습니다.

Q. 최근 하고 계신 연구가 있으시다면 무엇인지 소개 부탁드립니다.

저는 새로운 기계 메커니즘 개발에 관심이 많으며, 이를 적용한 새로운 로봇 개발을 주된 연구로 하고 있습니다. 특히 최근에는 웨어러블 로봇 분야에 집중하고 있습니다.

현재 다양한 연구를 수행 중에 있으나, 가장 중점적으로 수행 중인 연구는 3가지로 추려볼 수 있습니다.

첫 번째로 하버드대학교 박사후연구원 시절에 연구했던 의복형 웨어러블 로봇인 소프트 엑소수트(Soft Exosuit)를 중앙대학교에서 한층 더 개선된 구조로 개발 연구 중에 있습니다. 하버드대 연구 시절, Soft Exosuit의 액츄에이터, 컨트롤러 및 전체적인 로봇 구조 측면에서 개선되어야 할 부분이 있다는 생각이 들어 이 부분이 보완된 새로운 버전의 의복형 웨어러블 로봇 개발을 중앙대학교에서 활발히 진행 중입니다. 현재 많은 부분이 진행 중이라 자세히 말씀드리기 어려우나, 추후 저희의 업그레이드 된 결과물이 완성되면 다시 소개할 수 있는 기회가 있으면 좋겠습니다.

▲가변 압박 의복형 웨어러블 로봇

두 번째는 가변 압박 의복형 웨어러블 로봇입니다. 웨어러블 로봇은 주로 착용자에게 보조력을 인가해주는 방식으로 작동되는데 이는 충분한 힘을 내기위한 큰 모터 및 에너지원을 필요로 하기에, 모바일 환경에서 착용자에게 추가적인 무게를 부담시킨다는 문제점이 있습니다. 이를 극복하고자 저희는 보조력이 아닌 압박력을 활용하여 착용자 능력을 증강시키는 원리를 웨어러블 로봇에 적용시키고자 합니다. 근육 및 관절 압박이 신체능력을 증강시키고 근피로도 감소 및 부상방지에 도움이 되는 현상은 이미 다양한 사전 연구를 통해 확인 된 바가 있습니다. 이러한 기술들은 스포츠 선수들이 착용하는 압박의복 형태나 허리 및 발목 보호대와 같은 재활의료기기 형태로 많이 사용되고 있습니다.

그러나 기존의 압박의복은 압박력이 필요 없는 상황에서도 계속 신체를 압박하게 되는데, 이는 착용자의 불편함과 혈액순환 방해와 같은 신체 부작용을 야기한다는 단점이 있습니다. 그리고 개인 간의 신체치수 차이에 따른 다양성을 반영하지 못해 각자 필요한 압박력을 제공하지 못하는 경우가 많습니다. 이를 극복하고자 저희는 실시간 가변 압박이 가능하도록 와이어-패브릭 메커니즘을 활용한 새로운 의복형 구조를 개발하고 있습니다. 이는 장착된 소프트 압력 센서를 활용한 피드백 제어를 통해 원하는 압박 정도를 실시간으로 제어 가능한 특징을 지닙니다. 이 연구는 서울대 박용래 교수님, 건국대 구수민 교수님을 비롯한 다른 연구진 분들과 함께 진행하고 있습니다.

▲가변 중력보상이 가능한 패시브 웨어러블 로봇

세 번째 연구 주제는 가변 중력보상이 가능한 패시브 웨어러블 로봇 개발입니다. 패시브 웨어러블 로봇이란 스프링과 같은 탄성요소를 활용하여 보조력을 생성하는 원리이며, 이는 모터 및 배터리 같은 요소 없이 보조력을 생성할 수 있기 때문에 굉장히 가볍고 작동시간이 길며 유지보수가 편리하다는 장점이 있습니다. 엑소베스트(Exovest), 레비테잇(Levitate) 등과 같은 해외 산업용 웨어러블 로봇의 경우 이 원리가 적용되어 있습니다. 하지만 고정된 탄성요소를 활용하기 때문에 보조력의 크기를 변화시킬 수 없는데, 이로 인해 작업자에게 부가되는 작업물의 무게가 변하였을 때 이에 대응하여 보조력을 변화시킬 수 없다는 한계점이 존재합니다. 저희는 패시브 웨어러블 로봇의 장점을 그대로 지니면서 보조력 가변 기능까지 부여된 로봇을 개발하고자 합니다. 이러한 원리를 활용하여 저희는 어깨 보조형 혹은 허리 보조형 형태로 현재 개발 진행 중에 있으며, 내년 초 정도에는 실제 시제품을 보여드릴 수 있을 것 같습니다.

Q. 서울대 기계항공공학과에서 학사, 석사, 박사학위를 받으셨는데 박사 학위 논문이 “Energy-efficient industrial robot design by redundant actuation”입니다. 어떤 내용인지 간단한 소개 부탁 드립니다.

▲Energy-efficient industrial robot design by redundant actuation

이 연구는 로봇 매니퓰레이터가 작업 시 사용하는 전기 에너지를 줄여주는 기술입니다. 원리는 매우 흥미롭습니다. 매니퓰레이터에 오히려 모터를 더 추가하여 동시에 사용하게 되면 전체 사용 전기 에너지가 줄어든다는 것입니다. 조금 더 자세히 설명 드리자면, 모터를 추가함으로써 생성되는 영공간(null-space)의 최적 활용을 통해서 매니퓰레이터를 구동하기 위한 토크 출력의 벡터 스페이스에서의 충돌을 해결한다는 것입니다. 결과적으로 힘을 더 많은 모터에 최적 분산하여 전체 사용되는 전기 에너지를 줄여주게 됩니다. 실험을 통해 검증해 본 결과 로봇 매니퓰레이터 작업 경로에서 45%의 에너지 절감이 가능함을 확인할 수 있었습니다. 이 연구를 수행하면서 획득한 근본 기술들은 제가 현재 수행하고 있는 로봇 개발에서 에너지 효율을 최적화 할 때에 많이 활용되고 있습니다.

Q. 주요 관심분야 분야가 보조 및 재활로봇으로 알고 있습니다. 보조 및 재활로봇 관련하여 최신 기술적인 동향이나 세계적인 흐름이 있다면 어떤 것이 있을까요?

보조 및 재활을 목적으로 한 웨어러블 로봇은 초창기에는 하나의 기계장치로 인식되어 착용자가 거대한 로봇에 탑승하는 형태로 개발되었습니다. 하지만 이러한 형태는 일상생활에서 사용하기에 무겁고 착용감이 떨어지며, 단단한 재질로 구성되어 착용자의 자연스러운 움직임을 방해하게 됩니다. 특히 재활을 목적으로 활용되는 경우, 외부로 크게 노출된다는 점이 착용자의 선호도를 떨어뜨립니다. 최근 이러한 점들을 개선하고자 웨어러블 로봇을 하나의 기계장치라는 인식이 아니라, 일상생활에서 언제나 쉽고 간편하게 입을 수 있는 의복처럼 되어야 한다는 인식이 점점 강해지고 있습니다. 미국에서도 사이즈믹(Seismic)사 및 제가 있었던 하버드대 바이오디자인 연구소 팀이 이러한 트렌드를 제일 잘 설명할 수 있는 결과물을 보여주고 있는 것 같습니다.

Q. 2014년부터 2016년까지 KIST 로봇연구소에서 포닥 및 파견연구원으로 계셨는데 주로 무슨 연구를 하셨나요?

▲새로운 햅틱장치 구조를 개발하는 연구를 했다.

KIST 로봇연구단에 오용환 책임연구원님 팀에서 연구를 하였으며, 주로 로봇 기구 메커니즘 설계 및 해석을 맡았습니다. 특히 저는 사용자에게 역감을 전해줄 수 있는 새로운 햅틱 장치 구조를 개발하는 연구를 하였습니다. 제가 개발한 구조는 이중 병렬 링크를 활용하는 것이었는데, 이는 넓은 작동범위를 지니면서도 높은 역감 구현이 가능하였습니다. 햅틱 장치 또한 넓게 보면 사람이 착용하는 웨어러블 로봇 중 한 분야라고 할 수 있는데, KIST에서의 이러한 연구경험은 제가 현재 진행 중인 웨어러블 로봇 연구에 많은 도움을 주었습니다.

Q. 2016년부터 2017년까지 하버드대 바이오디자인 연구소에서 박사후 연구원으로 계셨는데 여기에서는 주로 무슨 연구를 하셨는지요?

하버드대 바이오디자인 연구소는 코너 월시(Conor Walsh) 교수님이 지도교수님으로 계시며, 주로 사람의 움직임을 도와줄 수 있는 웨어러블 로봇을 연구합니다. 특히 기존 로봇들처럼 단단한 재료가 아닌 소프트한 재료를 이용하여 유연하고 안전한 방식으로 사람의 움직임을 보조할 수 있는 로봇을 주로 연구하고 있습니다. 다리가 불편한 사람뿐만 아니라 일반 사람들의 보행 시 하체의 움직임을 보조해 줄 수 있는 의복형 웨어러블 로봇인 소프트 엑소수트(Soft Exosuit)부터, 손이 불편한 사람들이 손을 쉽게 사용할 수 있도록 보조해주는 소프트 글러브(Soft glove)까지 다양한 분야에 걸쳐 사람들의 움직임을 보조할 수 있는 로봇을 연구합니다.

▲걷고 달릴 때를 모두 보조해줄 수 있는 최초의 웨어러블 로봇을 개발하였다.

이 중에서도 저는 Soft Exosuit 개발을 주로 맡아서 연구했습니다. 특히 저는 사람의 두 가지 보행 패턴인 걷고 달릴 때를 모두 보조해줄 수 있는 최초의 웨어러블 로봇을 개발하였습니다. 특히 착용자의 몸에 추가되는 로봇 무게에 따라 움직일 때 사용되는 신진대사에너지가 증가하는 패널티가 발생하는데, 이를 최소할 수 있도록 무게의 최적배치 및 전체 디자인을 고려하여 개발한 것이 특징입니다. 또한 착용자가 걷고 달리는 것을 분간할 수 있는 실시간 클래시파이어(classifier) 알고리즘을 구성하여, 상황에 따라 다른 방법론을 통해 착용자를 보조하는 방식을 취했습니다. 최종적으로 개발된 Soft Exosuit는 모션캡쳐시스템, 근전도 측정, 호흡 가스 분석기, 지면반력 측정 등을 통해 보조를 통해 착용자의 몸의 변화를 분석하여 보조 효과를 규명했습니다.

Q. 로봇연구를 하시게 된 동기가 있다면?

어릴 때부터 뭔가를 만드는 것을 좋아해서 자연스럽게 서울대 기계공학부에 진학하게 된 것 같습니다. 사실 진학 당시까지만 해도 로봇을 하겠다는 뚜렷한 목표는 없었습니다. 제가 로봇을 하겠다고 결심한 것은 학부 3학년 수업 중 제 지도교수님이신 김종원 교수님께서 담당하신 ‘설계 생산 및 제조’ 라는 수업을 듣고 나서였습니다. 이 수업에서는 특정 태스크(task)를 수행하기 위해 새로운 구조의 로봇을 만든 후, 이를 컨테스트를 통해 평가하는 프로젝트 수업이었습니다. 이 과정에서 저는 직접 로봇을 만들어보면서 로봇연구에 대해 굉장히 큰 흥미를 느끼게 되었으며, 자연스럽게 로봇을 연구하는 김종원 교수님 연구실에 진학하게 되었습니다.

Q. 연구 범위가 로봇의 새로운 컨셉 도출, 로봇 플랫폼의 기계 설계 및 제어 개발, 생체 역학 및 생리적 측면에서 최종 로봇 평가 등 전체 프로세스를 다루고 있습니다. 이 중에서도 어떤 연구가 가장 어려운 부분인지요? 그 이유는?

서로 다른 식의 어려운 점이 존재하여 하나를 말씀드리는 것이 곤란하지만, 제일 중요하다고 생각되는 부분은 새로운 컨셉 도출입니다. 첫 단추가 잘못되면 나머지 단추들도 잘못되듯이, 이는 연구의 첫 단계이기 때문에 가장 많은 시간과 노력을 쏟아야 합니다. 실제도 제가 하는 연구의 총 시간 중 절반 가량은 새로운 컨셉 도출에 투자하는 것 같습니다.

반면 제일 힘든 단계는 마지막 단계인 생체역학 및 생리학 평가입니다. 이는 피실험자를 대상으로 웨어러블 로봇의 효용성을 테스트 하는 과정을 의미합니다. 실제로 직접 개발한 로봇을 누군가에게 입혀 본다는 것이 의미있는 경험이긴 하지만, 혹시 모를 사고에 대해 항상 불안한 것이 사실입니다. 따라서 이를 극복하기 위해서 정말 많은 준비와 검증이 필요합니다. 만약 실험 도중 로봇의 문제로 인해 실험 진행이 지연되거나 피실험자가 작게나마 부상을 입었을 경우, 그 미안한 마음은 말로 다 할 수가 없습니다.

Q. 연구자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

저는 로봇이 실생활에 널리 보급되는 것을 목표로 하고 있습니다. 최근 로봇 분야는 많은 주목을 받고 있으며, 자동화 공장과 같은 정형화된 라인에는 많이 보급되고 있습니다. 하지만 아쉽게도 지금까지는 실생활에는 널리 사용되고 있지는 않습니다. 제가 하는 연구들이 로봇이 실생활에 보급되며 인간의 삶의 질을 높일 수 있는 꿈에 조금이나마 도움이 될 수 있으면 좋겠습니다.

Q. 로봇공학을 연구하려는 학생들이 늘어나고 있습니다. 그러기 위해서는 어떤 준비와 노력이 필요한지 후배들에게 조언을 해주신다면?

저는 로봇은 융합적 학문이라 생각합니다. 그렇기 때문에 자기가 모든 것을 다 할 수 있다고 생각하지 말고, 타 분야 사람들과 항상 협력을 해야 한다는 열린 마음으로 접근하였으면 좋겠습니다.

또한 한 번에 모든 것을 해내려 하지 말고 단계적으로 성공해나가는 습관을 지녔으면 합니다. 로봇이라는 것이 워낙 방대한 학문이여서, 한 번에 원하는 목표 수준에 도달하는 것이 참 어려운 것 같습니다. 그러다보면 지쳐 포기하게 되는 경우가 많은 것 같은데, 이를 방지하기 위해서라도 도달 가능한 수준의 여러 중간 목표를 설정하여, 성공하는 습관을 기르면 도움이 될 것 같습니다.

Q. 국내 로봇산업이 한 단계 더 발전하기 위해 조언을 해 주신다면...

제가 감히 조언을 드릴 정도 경험이 많지 않지만, 지금까지 느낀 바를 바탕으로 말씀드리겠습니다. 이는 전반적인 로봇 분야에도 해당되며, 특히 제가 수행한 경험이 있는 모바일 로봇과 더 밀접한 관련이 있을 것이라 생각되는데, 저는 로봇산업의 발전을 위해서는 액츄에이터와 배터리 기술에서의 혁신이 필요하다 생각합니다. 제가 경험을 해본 결과 로봇을 만들 때 전체 무게의 1/3가량이 액츄에이터 무게였고, 또한 1/3가량이 배터리 무게였습니다. 즉, 이 두 가지 기술 수준에서라도 혁신이 일어나 로봇 자체의 무게가 크게 줄어들면 로봇산업에서 큰 발전이 생겨날 것입니다.

또한 교육 구조에서도 개선이 이루어져야 할 것으로 생각됩니다. 로봇은 앞서 말씀드렸듯이 융합적인 학문입니다. 즉, 하나의 전공으로는 해낼 수 없는 학문입니다. 저는 타 분야의 전공은 어쩔 수 없이 직접 부딪히면서 배워나갔으며, 이 과정에서 어려움이 많이 발생하였고 또한 많이 시간이 소모 되었습니다. 만약 이를 잘 교육할 수 있는 융합적인 교육 체계가 잘 갖춰진다면 우수한 로봇 인재를 더 효율적으로 육성할 수 있어 로봇산업 발전에 크게 기여할 수 있지 않을까 싶습니다.

Q. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계시다면...

지도교수님이셨던 김종원 교수님께 연구하는 자세에 대해 많이 배웠습니다. 교수님께서는 스스로의 한계를 정하지 말고 끝까지 최선을 다하는 마음가짐을 항상 강조하셨습니다. 요즘에도 연구하다가 한계에 부딪히게 되면 가끔 한번씩 ‘이정도면 되겠지’ 라는 생각이 들 때도 있는데, 김종원 교수님의 가르침을 다시 떠올리면서 마음을 다잡고는 합니다.

또한 하버드대 코너 J. 월시(Conor J. Walsh) 지도교수님께도 연구지도 방식에 대해 많이 배웠습니다. 이 분은 50여명의 큰 인원의 연구실을 체계적으로 운영하시는데, 특히 연구 추진 계획표를 주기적으로 작성하는 것을 중요시 여겼습니다. 이러한 지도방식의 경험을 통해 저는 어떻게 연구실을 운영해야 하는지, 또한 학생들을 어떻게 효율적으로 지도할 수 있는지에 대해 많이 배웠습니다.