일본의 TOKAI 고무공업(주)이 이화학연구소와 공동으로 개발한 이승 보조용 로봇은 세계 최초로 양팔을 이용해 병상과 휠체어 사이에 환자를 이승하는 로봇이다. 이 로봇을 통해 연구진은 사람과의 인터페이스나 피드백 제어를 위해 내구성이 높고 넓은 면적을 처리할 수 있는 유연한 촉각센서의 필요성을 깨달았다. 이와 관련해 연구자들은 가격, 내구성 및 유연하면서도 신축성 있는 센서의 개발을 추진했다.

일본에서는 고령화 사회의 진전과 함께 간병 대상자수가 급격히 증가되어 2005년 392만 명에서 무려 569만 명으로 증가되고, 이 수치는 더욱 증가해 2020년에는 644만 명으로 추정되고 있다. 이로 인해 고기능 복지간병기기에 대한 수요가 높아지고 있다. 이에 대한 연구와 상품개발이 성행하고 있는 가운데 TOKAI 고무공업(주)에서는 2007년부터 독립법인 이화학연구소와 공동으로 이승 보조용 로봇을 개발하기 시작해 지난 2009년에는 RIBA를 발표했으며, 양팔형으로는 세계 최초로 병상과 휠체어 사이에 환자를 이승하게 되었다.

로봇이나 간병기기에서는 사람과의 인터페이스나 피드백 제어용으로써 내구성이 높고 넓은 면적을 처리할 수 있는 유연 촉각센서가 필요하게 되었다.

그러나 ▲가격 ▲내구성 ▲유연·신축성의 3요소를 만족시킬 센서는 존재하지 않아 개발에 착수하게 되었다.

TOKAI, 정전용량형 고무 센서 개발

TOKAI 고무공업에서 개발한 면상촉각센서 ‘스마트 라버ⓡ센서’는 정전용량형으로 센서본체에 금속을 사용하지 않고 전체가 고무계 재료로 구성되었으며, 기본적 구조는 인쇄전극(m, n본)인 복수의 평행전극을 갖는 전극시트로 엷은 유전층(誘電層)을 끼워서 만들었다.

양측의 전극이 직각으로 교차하도록 배치하고 양측의 전극 본수를 각각 m본과 n본으로 하면 1매의 센서시트에 m×n개의 정전용량형 센서가 형성된다.

금속전극의 센서시트가 시판되고 있으나 간병지원 로봇 등 복지기기에 응용할 때 유연 신축성, 고가격 등에 문제가 있다. 그래서 신축성이 있는 고무시트에 도전성 고무를 인쇄해 전극층을 형성하는 제조법을 고안·개발했다. 이 제조법은 복잡한 형상에도 적용이 가능하고 가격도 저렴해 큰 면적의 센서 제작이 가능하다.

스크린 인쇄에 적용한 유연 전도성고무는 약 50%의 신장변형에도 체적 저항률이 증가하지 않는 특성이 있다.

RIBA Ⅱ에 적용된 스마트 라버ⓡ

간병자에 가장 부담이 큰 작업은 자력으로 이동할 수 없는 환자를 침상에서 휠체어로 또는 그 반대로 이송 보조하는 작업이다. 이로 인해 특별양호 노인의 자택에서 일하는 분의 절반 이상이 요통을 호소하고 있는 실정이다. 사용하기 쉽고 준비 작업에 시간이 걸리지 않는 안전한 이승보조 간병지원 로봇의 연구 개발을 이화학연구소와 함께 착수했다.

간병지원 로봇은 직접 사람에게 접하기 때문에 안전 확보는 매우 중요하다. 따라서 RIBA Ⅱ의 안전과 기능의 실현에는 센서가 담당해야 할 일이 대단히 많다.

로봇의 가슴에 부착한 스마트 라버ⓡ 센서로 실시간으로 압력을 검출하고 일정 수준 이상이 되면 자동으로 작업이 중단되도록 설정되었다. 또한 로봇의 조작은 리모컨이나 조이스틱이 생각되지만 촉각에 의한 조작은 간병자가 안전을 확인하면서 섬세한 동작을 유도할 수 있다.

다양한 분야로의 확장 기대

누어있는 환자가 장시간 같은 자세로 있게 되면 욕창이 발생하기 쉽다. 또한 치료하기 어려운 관계로 간병자는 욕창이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 해결하는 수단으로 체위의 변환이 필요하다. 병원이나 재택간병에서도 2∼3시간 마다 체위 변환 간병은 육체적, 정신적으로 힘든 일이다. TOKAI 고무공업은 KYUSHU대학과 공동으로 스마트 라버ⓡ센서를 도입한 복수의 공기 셀을 독립 제어시켜 새로운 기능을 갖춘 매트리스를 개발했다.

간병이나 재활 현장에서는 환자의 욕창 방지나 앉을 때 자세 유지를 쿠션을 사용해서 적정한 상태로 유지시킬 필요가 있다. 이의 학인을 정확히 하기 위해 침상 표면이나 의자의 좌면에 체압 변화를 파악할 필요가 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로 간병 현장을 PC와 접속해 체위변화를 시각화할 수 있는 도구로서 ‘SR 소프트 비전ⓡ’을 상품화했다.

SR 소프트 비전ⓡ은 신체에 위화감을 주지 않고 침상 표면이나 휠체어 좌면에 부착할 수 있으며 환자의 중심이나 뼈의 돌출부위를 색상으로 압력분포를 표시하기 때문에 적절한 위치를 확인할 수 있다. 이러한 기능성 고무를 이용한 유연면상 센서는 간병뿐만 아니라 폭넓게 응용될 것으로 생각된다.

*본 원고는 지면상의 이유로 재편집되었으며, 원문 열람 희망 시 이메일(makyuha@chol.com)로 문의주시기 바랍니다.

*필자 마규하 한국과학기술정보연구원 전문연구위원