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기술 지원 시스템: 하이테크와 스포츠의 결합

TU Berlin RISE Exoskelett Copyright Christian Kielmann 20240229-5436TU Berlin RISE Exoskelett Copyright Christian Kielmann 20240229-5430

2024 사이배슬론 대회가 코앞으로 다가온 가운데, 베를린 공과대학교의 신생팀 RISE가 하반신 마비 선수를 위한 외골격을 완성하기 위해 구슬땀을 흘리고 있습니다: 진행 상황, 도전 과제, 파트너와의 협업에 대한 최신 소식입니다.

일반적으로 하키 선수들은 스위스 취리히 주 클로텐에 있는 스위스 아레나에서 빙판을 가로질러 퍽을 쫓아갑니다. 하지만 10월 25일부터 27일까지 이곳은 다시 한 번 기술 혁신의 중심지로 탈바꿈할 예정인데요, 바로 사이배슬론 2024입니다.

취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)가 주최하는 이 국제 대회에서 신체 장애를 가진 사람들은 첨단 보조 시스템의 지원을 받아 일상생활과 관련된 종목에서 경쟁을 펼치게 됩니다. 올해에는 전 세계에서 77개 팀이 등록했습니다. 베를린 공과대학교(TU)의 RISE(학생 외골격 개발 연구 및 혁신) 팀은 외골격으로 처음 출전합니다.

140명의 학생이 엑소스켈레톤에 참여합니다

"사이배슬론은 항상 꿈이었습니다! 2022년 10월, 학생 이니셔티브인 '사회 참여 엔지니어'와 함께 척수 손상을 입은 사람들이 일어서고 걸을 수 있도록 하기 위한 실용적인 모듈로 RISE를 베를린공대에서 시작했습니다."라고 루카스 슈나이더빈트(Lukas Schneidewind)는 말합니다. 그는 베를린공대 기계 설계 및 시스템 공학 연구소의 의료 기술학과에서 팀 리더이자 연구 조교로 일하고 있습니다.

총 140명의 학생들이 4학기 동안 로봇 외골격의 개발과 제작에 열정적으로 참여했습니다. 팀원 대부분은 기계공학, 전기공학, 전자공학, 제어공학 및 시뮬레이션과 같은 공학 분야 출신입니다. 하지만 생체 역학부터 사용자 인터페이스 및 사용자 경험, 디자인, 심리학적 측면, 스폰서십 확보 및 홍보에 이르기까지 비기술적인 지식도 요구되고 있습니다.

"여러 분야를 넘나드는 작업은 풍요롭습니다"

"프로젝트 워크숍을 통해 대학에서 고도로 집중된 교육 환경에서 벗어나 나중에 커리어를 쌓을 때와 마찬가지로 학제적 방식으로 일할 수 있었습니다."라고 RISE 팀의 공동 리더이자 베를린공대 인간 요인 석사 과정 학생인 마그누스 마이어(Magnus Meyer)는 말합니다.

외골격의 경우 학제 간 사고가 중요한 또 다른 이유는 결국 인간이 기계와 직접 연결되어 있기 때문입니다. 마이어는 하반신 마비 조종사와의 상호작용을 하이라이트라고 설명하며, 개발팀이 사용자 친화성과 실용성에 대한 직접적인 피드백을 받을 수 있기 때문이라고 말합니다.

인간과 기계의 직접적인 상호작용

학생들은 기업 및 업계의 잠재적 파트너들과 논의하면서 외골격 응용 분야가 얼마나 다양한지 금세 깨달았습니다. "많은 사람들이 엑소스켈레톤을 사용자의 움직임을 따라 움직이는 생산 라인에서 직원의 허리를 덜어주는 등 작업을 더 쉽게 만드는 것과 연관시키는 경우가 많습니다."라고 매그너스 마이어는 말합니다.

마이어는 "하지만 저희의 경우에는 완화뿐만 아니라 전동 보조기로서 다리(엉덩이, 무릎, 발목 근육)의 근력을 완전히 대체하고 팔다리를 인체공학적으로 움직일 수 있도록 안내합니다."라고 설명합니다 루카스 슈나이더윈드는 "하반신 마비 환자를 움직이게 하는 데 사용되는 이러한 시스템의 기술적 요구사항이 다른 시스템과 매우 다르다는 사실은 커뮤니케이션의 주요 과제였으며 지금도 마찬가지입니다."라고 덧붙입니다.

RISE 팀의 또 다른 과제는 교육 세션에서 얻은 결과를 바탕으로 시스템에 적합한 기술 요구 사항을 지속적으로 업데이트하는 것입니다. 외골격으로 자연스러운 보행 동작을 최적으로 재현하고 보행 시 무게 중심을 제어하기 위해서는 신체에 가깝게 위치한 적절하게 평평한 기어와 모터가 필요합니다.

기술에 대한 특별한 요구 사항

따라서 학생들은 고관절과 무릎 관절에 맥슨의 65mm 및 85mm 사이즈의 브러시리스 EC 프레임리스 Dynamique 토크 드라이브를 설치했습니다. 내부 로터 기술이 적용된 BLDC 모터 키트는 소위 로봇 관절, 즉 로봇 환경의 관절을 위해 특별히 개발되었습니다.

특히 강력하고 견고하며 컴팩트합니다. "볼 베어링이 없는 이 새로운 드라이브는 사용자가 로터와 스테이터 유닛을 직접 보관할 수 있습니다."라고 맥슨의 지역 영업 매니저인 팔코 사이먼(Falko Simon)은 말합니다. "또한 이 드라이브는 무릎을 꿇거나 높은 계단을 오를 때 짧은 시간 동안 필요한 최대 300Nm의 높은 토크를 달성합니다. 따라서 사이배슬론에서 사용하기에 완벽합니다."

또 다른 특징은 맥슨 모터와 나브테스코 유럽의 자회사인 오발로 제조업체의 기어박스가 하나의 유닛을 구성한다는 점입니다. 팔코 사이먼: "기어박스는 팬케이크 모양을 하고 있으며, DT 드라이브를 기어박스에 통합했습니다. 모든 것이 사실상 하나의 제품이기 때문에 매우 평평한 유닛을 만들었습니다." 개방적이고 협력적인 분위기 덕분에 단 몇 주 만에 실용적인 솔루션을 찾을 수 있었다고 루카스 슈나이더윈드는 말합니다. "학생들도 산업 파트너로서 우리의 전문성을 배우고자 하는 열의가 대단했고, 이는 매우 즐거운 경험이었습니다."라고 Falko Simon은 덧붙입니다

향후 전망: 목발 없는 외골격

학생들은 현재 사이배슬론을 위한 두 명의 파일럿과의 최종 훈련 세션이 시작되기 전에 소프트웨어를 구현하고 개인의 움직임 패턴을 조정하는 마지막 단계에 있습니다. 슈나이더윈드 팀장은 미래를 내다보며 이미 구체적인 목표를 세웠습니다: "지금은 초기 단계이지만 장기적으로는 확실히 몸무게를 줄일 수 있습니다. 약 80kg의 외골격은 현재 매우 무거운 시스템이지만, 예를 들어 높은 계단을 쉽게 오를 수 있습니다. 기존 시스템은 꽉 붙잡지 않고는 이 작업을 수행할 수 없습니다. 목발 없이 작업하는 것이 큰 목표입니다."

하지만 현재로서는 팀은 사이배슬론을 기대하고 있습니다. "만약 우리가 몇 가지 과제를 완수할 수 있다면, 다른 팀들이 10년 넘게 해온 것과 달리 우리는 이미 2년 안에 큰 성공을 거둔 셈이 됩니다."

이미지 저작권: Christian Kielmann

에디터: Nora Nuissl

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