NASA 'ARC 엔젤', 1G 미만 훈련 중 팔 피로 획기적 감소

존슨 우주센터(Johnson Space Center), 휴스턴, TX

ARC 엔젤(ARC ANGEL)의 능동 제어 시스템이 다양한 휴대용 공구의 무게를 자동으로 덜어주어, 1G 미만(sub-1G) 훈련 중 팔 피로를 방지합니다. (이미지: NASA)

ARGOS 시스템의 한계 극복

NASA 존슨 우주센터(JSC) 혁신가들이 'ARGOS'라는 지상 로봇 훈련 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 오버헤드 활주로와 브리지 드라이브 시스템을 사용하여 케이블로 우주비행사의 몸무게를 부분적 또는 완전히 덜어줌으로써, 우주에서의 무중력 상태를 능동적으로 시뮬레이션합니다. 이는 테스트 대상자를 지면에서 띄워 올리는 효과를 냅니다. 그러나 테스트 대상자의 몸통과 다리는 무게가 덜어지지만, 팔과 무거운 손 공구는 그렇지 않습니다.

ARC 엔젤: 팔과 손 공구 무게까지 덜어주는 혁신

ARC 엔젤(Actuated Realtime Control for ARGOS Negation of Gravitational Effects on the Limbs) 기술은 ARGOS를 사용하는 우주복 착용 테스트 대상자의 팔 무게를 덜어주고, 훈련 활동 중 발생하는 피로를 상쇄하기 위해 개발되었습니다. ARGOS와 마찬가지로 ARC 엔젤도 컴퓨터 제어 능동 케이블 장력을 통해 무게를 덜어줍니다. 케이블은 양쪽 팔꿈치 바로 위에 위치한 팔 커프와, 우주복의 배낭형 주생명유지장치(PLSS)에 장착된 모터 구동 릴(reel) 사이에 연결됩니다.

우주 훈련을 넘어선 다양한 지상 응용

이 능동 하중 경감 기술은 제로에서 1G 환경 시뮬레이션 외에도 여러 분야에 활용될 수 있습니다. 예를 들어:

• 어깨 재활 환자는 팔 무게나 쥐는 힘을 덜어주는 움직임 보조 혜택
• 무거운 공구를 운반하는 건설 작업자가 더 쉽게 공구 조작 가능
• 군인의 장비 무게를 상쇄하여 사지 피로 방지

ARGOS와의 차이점: 배낭 장착형 모터

ARC 엔젤은 ARGOS처럼 능동 로봇 시스템이지만, 전기 모터가 오버헤드 활주로와 브리지 시스템에 장착되는 대신 테스트 대상자의 배낭형 PLSS에 장착됩니다. 모터가 케이블을 통해 실시간 작동 토크를 위팔에 전달하여 하중을 덜어줍니다. 테스트 대상자가 망치를 집어 들면, 시스템은 프로그래밍된 환경에 맞춰 망치 무게에 즉각 반응하여 하중을 경감합니다.

시스템 구성 및 제어 기술

시스템은 전기 모터, 연성 자재, 전자 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어로 구성됩니다. JSC 엔지니어들은 운동학 알고리즘과 모터 제어를 위한 폐루프(closed-loop) 아키텍처, 센서 데이터를 수집하기 위한 맞춤형 컴퓨터 언어 스크립트를 활용한 소프트웨어를 개발하여, ARC 엔젤의 하위 시스템이 원활하게 통합되고 1G에서 0G 환경을 정확히 시뮬레이션하도록 했습니다.

작동 중에는 소형 장력 센서와 관성 측정 장치(IMU)가 팔 무게와 움직임을 감지하여 단일 보드 컴퓨터와 필수 펌웨어로 데이터를 공급하는 폐루프 제어 시스템을 구성합니다. 원하는 팔 하중 경감 값을 입력하기 위한 맞춤형 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)도 자체 개발되었습니다.

독립적 전원 공급으로 ARGOS와 분리 가능

또한 ARC 엔젤은 자체 전원 공급 장치를 갖추고 있어 하위 구성 요소에 전원을 공급하며 외부 케이블 없이 독립적으로 작동할 수 있습니다. 이는 ARGOS로부터 독립적으로 기능할 수 있게 할 뿐만 아니라, 잠재적인 지상 응용 분야에도 적합하게 만듭니다. 이 연구는 재활 및 보조 의료 기기에 구현되는 능동 외골격(active exosuit) 개발과 직접적으로 연관됩니다. ARC 엔젤은 대상자의 완전한 운동 범위를 유지하면서 원하는 보조(하중 경감)를 제공합니다. 시스템 하드웨어와 소프트웨어는 우주복 없이 개인에 맞게 수정하여 사지 보조 움직임에 적용할 수 있습니다. 단순히 팔 하중 경감뿐만 아니라 말이죠.

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