작업 관련 근골격계 질환은 (Work-related musculoskeletal disorders)은 현 대 사회 산업 근로자의 삶의 질을 저하시키는 주요한 요인이다. 작업 관련 근골격계 질환 중 38%는 어깨 질환으로 자동차, 토목, 항공, 조선과 같은 생 산 제조 공정에 종사하는 산업 근로자의 머리 위 높이에서 반복적인 작업이 주요한 원인으로 확인되었다. 외골격 기술은 산업 근로자의 어깨 부상을 예방하기 위한 잠재적인 해결 방안으로 많은 관심을 받고 있으며, 기계스프링의 탄성에너지를 사용한 수 동형 외골격과 구동기를 사용한 능동형 외골격의 형태로 연구, 개발되고 있 다. 수동형 어깨 외골격은 기계스프링을 사용하여 능동형 외골격 대비 가벼 운 무게, 높은 에너지 효율을 갖기 때문에 기동성이 요구되는 산업 근로자에 게 적합한 장점을 갖는다. 그러나 기계스프링과 장치 관절 사이에 동력 전달 을 위한 기계 요소와 스프링을 사용하기 위한 공간이 필요하다. 또한 설계 단 계에서 보조 토크가 정해지기 다양한 작업 동작, 부하에 대한 보조 효율이 감 소한다. 반면 능동형 어깨 외골격은 모터, 제어기를 사용하여 정확하고 빠른 응답, 작업 동작 및 부하 인식과 같이 높은 잠재력을 가짐에도 불구하고 장치 의 무게, 부피, 배터리 수명, 낮은 에너지 효율로 산업 현장에 적용하기 위한 해결 방안이 요구된다. 수동형 외골격의 작업 보조 효율을 향상시키고 능동형 외골격의 낮은 에 너지 효율, 무게, 부피를 줄이기 위하여 수동형 외골격의 기계스프링과 구동 기를 결합한 하이브리드 형태의 어깨 외골격이 일부 연구, 개발되어 에너지 효율을 증가시킨 결과를 보여주었다. 그러나 기계스프링 사용에 요구되는 기 계 구성 요소와 결합된 구동기는 외골격의 무게, 부피를 증가시키기 때문에 에너지 효율을 높이면서도 외골격의 부피, 무게를 줄일 수 있는 자중 보상 메 커니즘을 사용한 하이브리드형 어깨 외골격에 대한 해결 방안이 필요하다. 본 연구에서는 베어링과 유사한 구조를 갖는 내부와, 외부의자석 세그먼 트로 구성된 원통형 자기스프링 조인트를 자중 보상 메커니즘으로 설계, 제 작하였다. 자기스프링 조인트는 어깨 측면에 위치하여 회전 관절로 구동됨 과 동시에 자기장에 의한 회전 토크를 제공하기 때문에 외골격의 부피를 작 게 제작할 수 있다. 설계된 자기 스프링 조인트는 자기 스프링 조인트만을 사 용한 수동형 외골격과 구동기를 결합한 하이브리드형 외골격을 구현함으로 써 그 성능을 검증하고자 하였다. 또한 어깨 관절과 장치 관절 사이의 정렬 오차로 발생하는 전달 토크를 수 치적으로 분석하여 외골격 착용 시 전달 토크의 손실을 최소화하는 파라미 터를 제시하였다. 수동형 외골격은 근전도 센서를 사용하여 머리 위 높이에서 작업 시 낮은 수준의 보조 토크에서도 어깨 관절 운동에 주요한 삼각근에 있어 효과적인 근활성도 감소를 확인하였다. 하이브리드형 외골격은 자기스프링 조인트의 토크에 구동기의 토크를 더 하여 작업 동작에 따라서 필요 시 어깨 회전 각도에 따`라 증가 혹은 감소시 킬 수 있도록 설계하였다. 하이브리드 구동기는 자기스프링의 회전 축과 구 동기의 로터를 결하여 콤팩한 구조를 가진다. 또한 상완 자중에 해당하는 부 하 성능 평가를 통하여 자석을 제거한 구동기만 사용한 능동형 조건과 비교 하여 하이브리드 모듈 사용 시 88.3% 전력을 절감하였다. 제안한 외골격은 3.7 kg으로 산업용 능동형 외골격의 평균 무게 대비 43% 가볍게 제작하였으 며, 장치 미착용 시와 비교하여 작업 요구 어깨 가동 범위에 대하여 98.6% 어 깨 움직임이 가능하다. 또한 머리 위 높이, 허리 높이에서의 인체 성능 평가 를 수행하여 자기스프링 조인트만 사용한 자중 보상 수동형 조건과 비교 시 하이브리드 모듈 사용조건에서 최소 20%, 최대 50% 삼각근에 더 큰 근활성 도 감소 효과를 확인하였다.
