RLS 마그네틱 엔코더, Marsi Bionics 외골격 제조 지원

[산업일보]
Marsi Bionics S.L.은 스페인 마드리드에 소재하고 있는 스타트업으로, 일부 환자들이 일상 생활에서 휠체어 대신 사용할 수 있는 의료용 맞춤 외골격을 설계, 제조하고 있다.

수백만 명의 사람들이 하지대마비, 뇌성마비, 척수성 근위축(SMA)과 같은 신경 조직 쇠약으로 고통받고 있다. 신경 조직 쇠약으로 인한 이동성 문제를 치료하는 데에는 지팡이, 목발 및 보조기와 같은 수동적인 도구를 사용한 신경계 재활이 필수적이다.

최근 로봇 기술의 발전으로 환자의 신체를 지지하고 결과를 크게 개선할 수 있는 전동식(능동) 로봇 외골격을 사용한 치료가 가능해졌다.

Marsi Bionics가 개발한 외골격은 신체 장애가 있는 사람들이 자유롭게 서고, 이동하고, 주변 환경과 상호 작용할 수 있도록 돕는다.

Marsi Bionics는 환자의 신경계 재활 결과를 개선할 수 있는 아동용 ATLAS 2030 외골격과 성인용 MAK(MB-Active Knee) 단일 관절 외골격을 제작하기 위해 Renishaw 관계사인 RLS를 최신 마그네틱 엔코더 기술 공급업체로 선택했다.

과제
ATLAS 2030 외골격은 다리 하나당 최대 6개의 자유도를 갖는다. 이 장치를 사용하면 도움을 받지 않고 스스로 걷기, 앉기 등이 가능하다. 전체 외골격은 전동식 관절, 다리, 전자 제어장치 및 동력 시스템으로 구성된다.

설계자들은 신체적으로 취약할 수 있는 사용자가 쉽게 취급할 수 있는 가벼운 소형 구조와 생리적으로 완벽한 생체역학 모델을 구현하는 로봇 시스템 간의 타협점을 찾아내야 한다.

안정적인 도보를 위해 원하는 NDSM(Normalized Dynamic Stability Margin)을 토대로 하는 ZMP(Zero Moment Point) 기준을 추적해 외골격-사용자 어셈블리의 균형을 제어한다. 또한 외골격의 제어기가 메모리에 저장된 기준 걷기 보조 패턴에 적응하여 안정성을 유지할 수 있다.

동적 보행에 성공하려면 로터리 엔코더 피드백을 통해 위치, 속도 및 가속도에 대한 다리 관절 각을 정밀하게 제어해야 한다. 각 기계 관절들이 굉장히 유연할 뿐만 아니라 사용자의 실제 관절과 근육을 모방하고 지지하는 것을 돕기 위한 탄력 있는 구성품을 포함하고 있기 때문에 이러한 정밀 제어는 어려운 과제다.

외골격 개발 시 가장 어려운 과제는 정확한 각 위치 기준이 구조별로 달라 장치의 표준화와 조립이 복잡해지는데, 중요한 것은 이러한 기준을 안정적으로 확보하는 것이다.

Marsi Bionics은 이전에는 MAK 및 ATLAS 외골격의 동역학 구조에 완전히 연결된 자체 맞춤형 PCB 엔코더를 사용했다. 그러나 관절 모터가 마그네틱 필드를 유발해 마그네틱 엔코더에 간섭을 일으켜 잘못된 판독으로 이어질 수 있는 문제가 자주 발생했다.

Marsi Bionics MAK 프로젝트 관리자이자 R&D 엔지니어인 Alberto Plaza는 ‘ATLAS 및 MAK 장치를 설계하면서, 엔코더와 같이 관절을 구성하는 구성품은 공간이 상당히 제한적이기 때문에 성능 저하 없이 최대한 작아야 한다는 결론을 내렸다’며 ‘고려해야 할 또 다른 측면은 기능성이다. 즉, 축의 각 위치를 항상, 정전 후에도 안정적으로 파악하려면 앱솔루트 로터리 엔코더가 필요하다’고 말했다.

솔루션
Marsi Bionics는 ATLAS 외골격용으로 RLS Orbis 엔코더를, MAK 무릎 관절 외골격용으로는 RLS RM08 엔코더를 선택했다. Orbis 엔코더는 공간이 협소한 분야를 위해 설계된 구성품 수준 앱솔루트 로터리 엔코더로, 관절 모터 샤프트에 직접 장착할 수 있는 관통된 홀의 설계가 특징이다.

RM08 엔코더는 초소형 고속 로터리 마그네틱 엔코더로, 직경이 8 mm고 IP68 등급이기 때문에 열악한 환경에서 사용이 가능하다.

두 엔코더 모두 관성을 최소화하기 위한 작은 무게와 부피, 기계적인 마모를 없애기 위한 비마찰, 비접촉 설계, 탁월한 서보 성능을 보장하기 위한 높은 각 분해능과 정확도가 강점이다.

Alberto Plaza는 큰 구조는 사용자의 이동성을 저하시킬 수 있으며 걷는 동작에 방해가 될 수 있기 때문에 과도한 무게와 부피를 더하지 않고 당사의 성능 기준을 충족하는 엔코더가 필요했다고 설명했다.

결과
Marsi Bionics는 RLS 마그네틱 엔코더를 사용해 SMA, 다발성 경화증, 뇌졸중에 의한 편측마비 등의 질환으로 인해 고통받고 있는 사람들의 삶의 질을 개선할 수 있는 외골격 정형의 장비를 설계 및 제조할 수 있었다. 특히 능동 외골격은 스스로 이동할 수 없는 6세 이상 어린이들의 삶에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

Plaza는 ‘안정적인 움직임과 각 장치 관절의 정확한 위치를 확보하는 것이 매우 중요하다’며 ‘따라서 위치 기준을 생성하기 위해서는 엔코더에서 수집된 데이터가 필수적이다. RLS와 Renishaw는 우리 회사에 맞는 최고의 엔코더 피드백 솔루션을 제공해 줬다’고 말했다.