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“사람의 근기능을 측정해 과학적으로 운동하도록 돕는 로봇을 개발할 겁니다. 이를 활용해 우리가 아직 모르는 인체의 신비를 밝히는 게 목표입니다.”

오세훈 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학전공 교수는 자신의 첫 박사과정 제자인 이찬 연구원과 함께 ‘운동 도우미’ 로봇을 개발하고 있다. 사람의 근기능을 측정한 뒤 개인별 맞춤 운동을 하도록 돕는 로봇이다. 이를 위해 외부 힘을 측정한 뒤, 그에 맞춰 모터에 명령을 내리는 모터 시스템을 개발했다. 현재 팔 하나로 이뤄진 운동 로봇 ‘다이나믹 덤벨’을 개발한 상태다.

직렬 스프링 붙인 모터 제작

모터 시스템의 핵심은 스프링이다. 연구팀은 일반 모터 뒤에 스프링을 직렬로 덧붙인 뒤 이를 로봇 팔에 접목했다. 사람이 로봇 팔을 붙잡고 밀거나 당기면, 이 힘의 크기에 비례해 스프링의 길이가 변한다. 로봇에 연결된 컴퓨터가 이 값을 측정하면 사람이 낸 힘의 크기를 역으로 알아낼 수 있다.

로봇 팔에는 각도기도 달려 있다. 같은 힘을 내더라도 팔을 얼마나 빠르게 움직이는지에 따라 근육을 쓰는 정도(근육 활성도)가 다르다. 연구팀은 운동 형태와 근육의 활성도 사이의 관계를 풀어낸 수학 모델을 활용했다. 사람이 운동하는 동안 컴퓨터가 측정한 각도와 속도, 힘 값을 이 모델에 대입해 근육 활성도를 계산했다.

이렇게 얻은 근육 활성도를 프로 운동선수를 훈련시키는 트레이너에게 보여주면, 트레이너는 더욱 과학적으로 선수 맞춤형 훈련을 짤 수 있다. 오 교수는 “향후 개인별 맞춤형 운동을 자동으로 짜 주는 프로그램도 도입할 것”이라고 말했다.

훈련 계획이 정해지면, 이를 다시 로봇에 입력한다. 헬스클럽에서 운동 강도를 조절하려면 운동 기구의 무게 추를 바꿔 끼워야 하지만, 이 로봇은 모터의 힘만 조절하면 된다.

오 교수는 “팔씨름을 하듯 움직이는 ‘밀당 로봇’”이라며 “외부 힘에 반응하도록 설계된 만큼 산업현장에 도입하면 작업자의 안전을 보장할 수 있다”고 말했다.

더 자연스럽게 걷는 휴머노이드 개발

이 로봇을 활용하면 다양한 형태의 운동법을 쉽게 개발할 수 있다. 현재 헬스클럽에 설치된 운동 기구는 근육을 움직여 무게를 일정하게 유지하게 만드는 ‘등장성’ 운동에 초점을 맞춘 것들이 대부분이다.

그러나 ‘뱃심’을 기르거나 부상치료 뒤 재활을 할 때는 근육을 크게 움직이지 않고 힘만 주는 ‘등척성’ 운동이 효과적이다. 또, 근육을 골고루 균형 있게 발달시키려면 관절의 각도별로 같은 힘을 내도록 하는 ‘등속성’ 운동도 필요하다.

연구팀의 목표는 로봇 개발에서 끝나지 않는다. 이 로봇을 활용해 거꾸로 인체의 신비를 밝히겠다는 계획이다. 오 교수는 “‘밀당 로봇’을 활용해 사람의 운동 형태, 팔의 각도, 움직이는 속도, 그리고 근육의 활성도 데이터를 꾸준히 축적하면, 인체의 관절과 근육이 움직이는 메커니즘을 밝힐 수 있을 것”이라며 “훗날 이를 활용해 더 자연스럽게 걷는 휴머노이드를 개발하는 등 로봇공학에 응용할 수 있다”고 말했다.