웨어러블 로봇, 과학 넘어 일상으로…재활의 미래를 열다

by김범준 기자
2025.01.02 05:45:34

[이데일리 김범준 기자] 헐리우드 영화 어벤져스 시리즈 주인공 ‘아이언맨’은 ‘로봇 슈트’를 입고 자동차보다 빨리 달리거나 하늘을 비행하며 영웅적 활동을 한다. 마법과 같은 ‘아이언맨 슈트’가 더이상 공상과학(SF) 영화 속 이야기만은 아니다. 고령자나 환자 또는 하반신마비 장애인이 입기만 해도 벌떡 일어나 힘차게 걸을 수 있도록 신체 기능을 강화 또는 보조하는 ‘웨어러블(Wearable) 로봇’ 일상화 시대가 다가왔다. 웨어러블 로봇 기술은 어디까지 왔을까.

한국과학기술원(KAIST) 하반신 완전마비 장애인용 웨어러블 로봇 ‘워크온슈트 F1’이 하반신 마비 장애인 김승환 카이스트 기계공학과 연구원에게 다가가 착용(도킹)되는 모습.(사진=카이스트)

1일 로봇 전문가들에 따르면 최초의 웨어러블 로봇은 1960년대 중반 미국 제조사 제너럴일렉트릭(GE)이 근로자의 근력을 증강하기 위해 개발한 ‘하디맨(Hardi-man)’이다. 웨어러블 로봇은 휴머노이드(Humanoid) 로봇보다 20여년 먼저 서비스를 목적으로 연구·개발돼 왔다. 2010년대 들면서 웨어러블 로봇에 적합한 고출력 전기모터들이 개발되고, 실시간 제어가 가능한 프로세서가 급속도로 발전하면서 기술 연구와 상용화가 본격화됐다.

웨어러블 로봇에는 외골격 본체 외에도 인체의 심장에 해당하는 ‘전기모터’, 감각 신경에 해당하는 ‘센서’, 에너지에 해당하는 ‘배터리’, 근육과 관절에 해당하는 ‘액추에이터’ 등 구동 장치가 핵심이다. 이를 위해 △적합한 구동력을 제공하는 ‘고토크·고출력 전기모터’ △사용자에게 저항력을 가하지 않고 정밀한 토크 제어가 가능한 기술인 ‘무저항 정밀구동장치’ △사용자의 관절과 전기모터 사이에 선형성이 높은 탄성체를 설치해 정밀한 보조력을 생성하는 ‘직렬 탄성 메커니즘’ 등이 필수적이다.

하드웨어적 요소뿐만 아니라 머신러닝 기반으로 사용자의 움직임을 학습하고 최적화해 적응 시간을 단축시키는 ‘인공지능(AI) 기술’, 비전 카메라를 통한 ‘영상정보 분석’, 빠른 반응과 정확한 제어를 위한 ‘실시간 제어 프로세서’, 개인별 신체 특성에 맞는 보행 패턴을 생성하는 ‘궤적 생성’ 기능 등 소프트웨어 기술도 융·복합적으로 구현해야 한다. 이 밖에 로봇의 무게를 줄이는 ‘경량화’ 기술과, 유연한 재료로 자연스러운 움직임을 제공하는 ‘소프트 로봇’ 기술도 주요 요소다.

이러한 여러 첨단 기술의 조합으로 웨어러블 로봇은 사용자의 움직임을 효과적으로 보조하고, 편의성과 성능을 극대화시킬 수 있다. 나아가 AI 에이전트 기술 발달과 함께 거대 언어 모델(LLM)과 멀티모달 모델(Multimodal Model)을 기반으로 음성·영상·이미지·텍스트 등 다양한 정보와 관계성을 학습하거나, 뇌과학과 연계해 말하거나 움직이지 않아도 사람의 생각을 읽거나 대화하듯 상호작용이 이뤄지는 웨어러블 로봇의 탄생도 머지않은 이야기다.

시장조사업체 스트래티스틱스 마켓리서치 컨설팅(Stratistics Market Research Consulting)이 2024년 6월 발행한 보고서를 보면, 글로벌 웨어러블 로봇 시장 규모는 2024년 연간 약 17억9000만달러(약 2조6345억원)으로 추정된다. 오는 2030년까지 6년간 연평균 성장률(CAGR) 44.4%를 기록하면서 약 162억3000만달러(약 23조8873억원)로 커질 전망이다.

해외에서는 2010년대부터 미국 ‘엑소바이오닉스’(옛 버클리바이오닉스), 일본 ‘사이버다인’, 프랑스 ‘원더크래프트’, 스위스 ‘호코마’, 이스라엘 ‘리워크로보틱스’ 등 주요 기업들이 웨어러블 로봇 시장을 선점하며 본격 제품 출시 경쟁을 벌이고 있다.

국내에서는 최근 △의료 및 재활 △산업 현장 △근골격계 보호 및 근력 증강 △일상생활 및 헬스케어 △국방 △엔터테인먼트 등 다양한 분야에서 웨어러블 로봇의 활용 가능성이 커지고 있다. 가상현실(VR)과 결합한 메타버스 및 게임 분야로도 적용이 확대될 전망이다. 이렇듯 관련 수요가 늘고 빠른 시장 성장이 예상되면서, 여러 기업과 연구기관에서 다양한 목적으로 특화한 웨어러블 로봇 연구·개발 경쟁에 뛰어들고 있다.

(그래픽=이데일리 이미나 기자)

2024년 3월 코스닥에 상장한 엔젤로보틱스(455900)의 주력 제품은 2022년 의료기기 3등급 품목허가를 획득하고 의료보험 수가 적용을 받는 의료용 웨어러블 로봇 ‘엔젤렉스(ANGEL LEGS) M20’이다. AI를 통한 ‘보행의도 인식’ 기술을 통해 보행 의지와 습관을 읽어내 하반신 불완전마비 환자의 최적화된 재활을 돕는다. 2020년 출시 이후 120여 대 판매했다. 지난해 11월에는 경증 보행장애 환자를 위한 병원 및 가정 재활치료용 웨어러블 로봇 ‘엔젤슈트(ANGEL SUIT) H10’ 제품도 선보였다.

엔젤로보틱스는 공경철 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수가 2017년 창업해 현재 이사회 의장을 맡고 있다. 카이스트 공 교수 연구팀은 2015년부터 하반신 마비 ASIA-A(완전마비)레벨을 대상으로 한 웨어러블 로봇 ‘워크온슈트(WalkON Suit)’ 시리즈를 지속 연구·개발 중이다. 지난해 10월 국제대회 ‘사이배슬론’에서 선보인 ‘워크온슈트 F1’는 스마트폰 등 원격으로 호출하면 마치 휴머노이드처럼 스스로 걸어와 휠체어 등 앉은 자리에서 착용까지 이뤄진다. 하반신 마비 환자가 스스로 로봇을 입고 일어나 양손 스틱 등 보조도구 없이 실시간으로 균형을 맞추며 정상 보행속도(시속 3.2㎞)로 걸을 수 있다.

이를 위해 모터가 장착된 관절이 12개로 늘었고, 모터 출력도 2배 이상 강화됐다. 양발에 있는 6채널 지면반력 센서는 로봇의 균형을 1초에 1000번 측정해 균형을 유지한다. 약 50㎏ 무게 로봇이 이용자의 체중 약 100㎏까지 견디며 스스로 균형을 잡는다. 지형과 장애물 감지하기 위해 카메라를 내장했고, 인공신경망 구현을 위한 AI 보드도 탑재했다. 공 교수는 “워크온슈트에서 파생된 수많은 부품·제어·모듈 기술이 웨어러블 로봇 산업의 표준을 제시하고 있다”고 강조했다.

한 65세 고령자가 한국과학기술연구원(KIST) 보행보조 웨어러블 로봇 ‘문워크-옴니(MOONWALK-Omni)’를 착용하고 북한산을 오르는 모습.(사진=KIST)

한국과학기술연구원(KIST)은 부설 AI·로봇연구소 휴머노이드연구단을 중심으로 고령자의 홈 재활 및 일상 보조를 위한 웨어러블 로봇 ‘문워크-옴니(MOONWALK-Omni)’를 개발했다. 2.9㎏(배터리 포함) 중량 및 4 능동 자유도를 통해 휴대 및 착용 시 부담 없는 무게감과 부드러운 움직임을 자랑한다. 1회 완충으로 연속 보행 시 약 3시간, 일상생활의 경우 반나절까지 사용 가능하다. 장치가 복잡하지 않아 혼자서도 10초 안에 손쉽게 착용할 수 있다.



문워크-옴니는 초소형 모터와 액추에이터로 구동기 부피와 무게는 줄이면서, 고출력 등 기능은 강화한 게 핵심 기술이다. 고관절 근력을 평균 20~30% 보조함으로써 보행 대사 에너지를 평균 16~20% 감소시키는 효과가 있는 것으로 나타났다. 관절 각도와 자세, 족좌 등 다양한 복합 센서 이용해 사용자 일상 보행 데이터를 수집하고 AI 기반으로 보행기능을 평가해 개인별 맞춤으로 보행 근력 및 밸런스와 운동을 보조하고 근골격 건강 상태를 진단한다.

KIST는 2024년 2월 로봇 중견기업 삼익THK(004380)에 AI 기반 웨어러블 고관절 복합체 근력 보조 로봇 기술을 이전했다. 양측은 향후 2년간 공동으로 고령자의 재활과 일상 활동 지원을 위한 웨어러블 기술 상용화 연구에 나서기로 했다. 삼익THK는 2026년부터 본격적인 제품 양산화를 추진할 계획이다.

현대차·기아 로보틱스랩이 개발한 산업용 웨어러블 로봇 ‘엑스블 숄더’를 착용하고 작업을 하는 모습.(사진=현대자동차그룹)

현대자동차 그룹은 지난해 11월 산업용 웨어러블 로봇 ‘엑스블 숄더(X-ble Shoulder)’를 처음 공개하고 국내 판매 시작과 함께 관련 사업을 본격화하고 나섰다. 현대차(005380)·기아(000270) 로보틱스랩이 2018년부터 연구에 착수하면서 현장 작업자들의 다양한 요구사항을 적극 반영했다.

엑스블 숄더는 무동력 토크(회전력) 생성 구조로, 전동 시스템을 대신해 ‘근력 보상 모듈’을 적용하고 보조력을 구현한다. 때문에 별도의 전력선 연결이나 충전이 필요 없고 가벼운 점이 특징이다. 사용자는 어깨 관절 부하와 전·측방 삼각근 활성도를 각각 최대 60%와 30% 경감해 노동 부담을 덜 수 있다. 차량에 쓰이는 탄소 복합 소재와 내마모성 소재를 적용해, 알루미늄 소재 대비 약 3.3배 내구성을 확보하면서도 중량은 40% 경감했다. 멀티링크 구조로 길이와 결합 위치도 조정할 수 있다.

엑스블 숄더 대당 가격은 수백만원대로 검토 중이다. 현대차·기아 생산 부문을 중심으로 엑스블 숄더를 우선 공급하고, 올해부터 27개 계열사로 공급 범위를 확장할 계획이다. 국내 판매 경험을 바탕으로 2026년부터 유럽과 북미 등 19조원 이상 규모로 성장할 해외 시장 진출을 목표로 하고 있다.

지리산 등반객이 위로보틱스 보행보조 웨어러블 로봇 ‘윔’을 착용한 모습.(사진=위로보틱스)

한국기술교육대 창업벤처기업 위로보틱스(WIRobotics)는 미국 라스베이거스에서 열리는 세계 최대 가전·정보기술(IT) 전시회 ‘CES 2023’에 참가해 작업자용 무동력 허리보조 웨어러블 로봇 ‘윕스(WIBS)’를 선보였다. 이어 지난해 ‘CES 2024’에선 개인용 보행보조 웨어러블 로봇 ‘윔(WIM)’을 공개하고 2년 연속 로보틱스 분야 혁신상을 수상했다.

특히 윔은 1.6㎏ 초경량으로, 구동기 혁신을 통해 단일 모터만으로 대칭 보조 프레임 구조를 최적화해 안정적인 보행 지원을 돕는다. △보행보조 △운동 △등산(오르막·내리막) △저속보행 4가지 모드를 각각 1~3단계 강도로 제공한다. 평지 이용 시 대사 에너지가 평균 약 20% 절감되며, 20㎏ 배낭을 맨 상태로 평지를 걸을 때 12㎏의 체감 무게 감소 효과를 경험할 수 있다. 전용 앱을 연동하면 AI와 빅데이터 기반으로 사용자의 보행데이터를 분석해 보완점을 제시한다. 가격은 319만원으로 현재까지 약 500대가 판매됐다.

김용재 위로보틱스 공동대표(한국기술교육대 전기·전자·통신공학부 교수)는 “노인 인구의 증가로 보행 보조와 근력 강화 등을 지원하는 웨어러블 로봇에 대한 수요가 급증하고 있다”며 “누구나 헬스케어 및 모빌리티로써 웨어러블 로봇을 입고 사용할 수 있는 ‘1인1로봇’ 시대가 먼 미래의 이야기는 아니다”고 전망했다.

하반신 마비 장애인 홍보대사 클로이 앵거스가 휴먼인모션로보틱스 재활치료 웨어러블 로봇 ‘엑소모션’을 착용하고 일어나는 모습.(사진=베노티앤알)

코스닥 상장사 베노티앤알(206400)은 2016년 캐나다 사이먼프레이저 대학에서 창업한 로봇기업 휴먼인모션로보틱스(Human in Motion Robotics Inc.)의 최대 지분을 2023년에 인수하면서 글로벌 로봇사업에 진출했다. 휴먼인모션로보틱스는 캐나다 보건부로부터 최신형 재활치료용 웨어러블 로봇 ‘엑소모션-R(XoMotion-R)’ 판매 승인을 획득하고 제품 공급을 준비 중이다. 미국 식품의약국(FDA)과 한국 식품의약품안전처에서도 승인 절차를 진행하고 있다.

하반신 마비 장애인의 재활치료를 돕기 위해 개발된 엑소모션은 지능형 소프트웨어와 알고리즘을 통합한 ‘셀프밸런싱(자체 균형)’ 기술이 특징이다. 스틱 등 양팔에 보조기구 없이 휴대용 조이스틱을 통해 로봇 컨트롤이 가능하다. 다리당 6개씩 총 12개 전동 관절로 자연스러운 걸음걸이가 가능하도록 했다. 아울러 고도화된 소프트웨어를 탑재한 자율형 기기로 고안해, 착용자 스스로 전후좌우 자유자재로 하체를 움직일 수 있도록 보조한다.

베노티앤알은 엑소모션-R을 글로벌 재활병원 및 재활센터에 공급한 이후, 개인용 웨어러블 로봇 ‘엑소모션-P’를 출시해 시장을 확대한다는 전략이다. 정집훈 베노티앤알 대표는 “웨어러블 로봇은 인체의 복잡한 하반신 움직임을 최대한 자연스럽게 구현해 사용자가 독립적으로 걸을 수 있도록 만드는 것이 중요하다”고 말했다.