광 구동 센서로 이동성이 제한된 환자에게 고급 웨어러블 재활 지원

포항공과대학교, 포항, 한국

다축 스트레인 매핑을 통한 3축 어깨 회전 동작 감지. (이미지 :포스텍)

최근 국내 한 기업은 거동이 불편한 환자의 재활 과정을 돕기 위해 제작된 웨어러블 로봇을 병원에 기증했습니다. 환자는 이 로봇을 착용해 걷기, 앉기 등의 동작을 수행하면서 근육 및 관절 운동에 대한 보조를 받는다. 사람들이 착용하고 피부에 부착하는 스마트워치나 안경 등의 웨어러블 기기는 삶의 질을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있으며 이러한 로봇 혁신과 마찬가지로 일부 사람들에게 희미한 희망을 선사합니다.

이러한 재활 로봇에 사용되는 스트레인 센서는 특정 부위의 특정 물리적 변화를 전기 신호로 변환하여 데이터를 분석합니다. 눈에 띄게 유연한 이 센서는 피부에 쉽게 부착할 수 있도록 가벼운 소재로 제작되어 유연성이 뛰어나며 가장 미묘한 신체 변화도 측정하는 데 능숙합니다. 그러나 기존의 소프트 스트레인 센서는 온도, 습도 등 외부 요인에 취약하여 내구성이 부족한 경우가 많습니다. 게다가 복잡한 제조 공정으로 인해 광범위한 상용화에 어려움을 겪고 있습니다.

포항공대(POSTECH) 융합IT공학과 박성민 교수와 기계공학과 홍성국 박사 연구팀이 컴퓨터 비전 기술을 광센서에 접목해 이러한 소프트 스트레인 센서의 한계를 극복하는데 성공했다. 그들의 연구 결과는 Flexible Electronics에 게재되었습니다. .

연구팀은 연구 중에 컴퓨터 비전 기반 광학 변형(CVOS)으로 알려진 센서 기술을 개발했습니다. CVOS 센서는 전기 신호에 의존하는 기존 센서와 달리 컴퓨터 비전과 광학 센서를 사용하여 미세한 광학 패턴을 분석하고 변화에 관한 데이터를 추출합니다. 이러한 접근 방식은 센서 기능을 손상시키는 요소를 제거하고 제조 공정을 간소화함으로써 본질적으로 내구성을 향상시켜 센서 상용화를 촉진합니다.

이축 변형만을 감지하는 기존 센서와 달리 CVOS 센서는 실시간 다축 변형 매핑을 통해 3축 회전 운동을 감지하는 탁월한 기능을 나타냅니다. 본질적으로 이러한 센서는 단일 센서를 통해 복잡하고 다양한 신체 동작을 정밀하게 인식할 수 있습니다. 연구팀은 재활 치료용 보조 장치에 CVOS 센서를 적용한 실험을 통해 이러한 주장을 입증했습니다.

신호 감지 시 발생하는 다양한 오류 요인을 보정하는 AI 기반 응답 보정 알고리즘을 통합해 실험 결과 높은 신뢰도를 보였다. 10,000번 이상의 반복을 거친 후에도 이 센서는 일관되게 뛰어난 성능을 유지했습니다.

연구를 주도한 박 교수는 "CVOS 센서는 다양한 방향과 각도에서 신체 움직임을 구별하는 데 탁월하여 효과적인 재활 중재를 최적화합니다. 특정 목표에 맞게 설계 지표와 알고리즘을 맞춤화함으로써 CVOS 센서는 다양한 산업 분야에 걸쳐 응용할 수 있는 무한한 잠재력을 가지고 있습니다."라고 설명했습니다.

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