“침대에 누워 있는 환자도 다리 재활운동 가능해진다” GIST-㈜옵토닉스-화순전남대병원, 맞춤형 침상 재활로봇 개발 – GIST AI학과 강지연 교수팀, 환자가 침대에 누운 채 다리 운동을 할 수 있도록 돕는 재활로봇 개 발… 움직이기 어려울 땐 힘 보태고, 스스로 움직일 땐 저항을 가해 근육 사용 유도 – 맞춤형 제어 기술 적용 시 근육 활성 신호 73% 증가… 시제품 제작 완료, 의료기기 인허가 준비 중 ▲ (앞줄 왼쪽부터) GIST AI학과 강지연 교수, 정성훈 석사과정생, (뒷줄 왼쪽부터) 곽태환 석사과정생, 안인균 석박사통합과정생 광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철)은 AI학과 강지연 교수 연구팀이 ㈜옵토 닉스, 화순전남대학교병원과 공동으로 침대에서 일어나거나 이동하기 어려운 환자 가 누운 자세에서도 다리 운동을 할 수 있도록 돕는 맞춤형 침상 재활로봇 ‘필라테 스봇(Pilates-Bot)’을 개발했다고 밝혔다.
필라테스봇은 환자가 생활하는 침대 주변에 설치해 다리를 들어 올리거나 옆으로 벌리는 운동을 돕는 로봇이다. 사용자의 체형과 관절을 움직일 수 있는 범위에 맞 춰 운동 경로를 설정하고, 움직임에 필요한 힘을 조절하도록 설계됐다.
오랫동안 침대에 누워 지내는 환자는 근육이 약해지고 관절이 굳어 움직임이 더욱 어려워질 수 있어 꾸준한 운동이 중요하다. 그러나 침대에서 일어나기 어려운 환자 는 운동 장비가 있는 곳까지 이동하는 것부터 쉽지 않다.
▲ 침대에 설치한 필라테스봇 시제품. 침대 양쪽에 배치한 프레임에서 나온 케이블 이 다리 보조기에 연결돼 움직임을 돕는다. 누운 자세에서 운동하고, 태블릿으로 장 비를 조작하는 모습이다.
환자를 옮기거나 팔다리 운동을 반복해서 도와줄 인력도 필요하다. 특히 돌봄 인력 의 고령화로 환자를 이동시키거나 운동을 보조하는 신체적 부담도 커질 수 있다.
연구팀은 환자를 재활 장비로 옮기는 대신, 재활로봇을 환자가 머무는 침대 주변으 로 가져오는 방식에 착안했다. 공동연구팀은 환자의 다리에 연결되는 장치의 무게를 줄이기 위해 무거운 모터를 침대 주변의 프레임에 설치하고, 가벼운 케이블로 다리 보조기에 힘을 전달하는 ‘케 이블 구동 방식’을 적용했다.
▲ 필라테스봇을 이용한 두 가지 다리 운동. (왼쪽) 똑바로 누워 다리를 들어 올리 는 동작, (오른쪽) 옆으로 누워 다리를 벌리는 동작이다. 사용자의 움직임에 맞춰 케이블이 필요한 힘을 보탠다.
또한 바퀴가 달린 모듈형 프레임을 침대 주변으로 이동해 배치할 수 있고, 보조기 와 케이블을 탈부착할 수 있도록 설계했다. 환자의 이동 부담을 줄이면서 침대 주 변에서 운동을 준비하고 진행할 수 있도록 한 것이다.
필라테스봇의 핵심 기술 중 하나는 사용자의 움직임에 따라 로봇이 보태는 힘과 운동 저항을 조절하는 맞춤형 제어 기술이다. 기존 재활로봇의 보조 중심 제어 방식은 사용자가 목표 동작을 수행하도록 필요한 힘을 보태지만, 스스로 움직일 수 있는 구간에서도 계속 보조하면 사용자가 직접 근육을 사용할 기회가 줄어들 수 있다.
이에 연구진은 사용자가 목표한 운동 경로를 따라 움직이기 어려울 때는 필요한 만큼 보조하고, 스스로 움직일 수 있을 때는 반대 방향으로 적절한 힘을 가해 근육 사용을 유도하는 ‘필요에 따른 보조 및 저항(Assist–Resist-as-Needed, ARAN)’ 제어 기술을 개발했다. 보조와 저항의 정도는 사용자의 운동 수행 결과에 따라 조절된다.
연구팀은 제어 기술의 효과를 확인하기 위해 건강한 성인 8명을 대상으로 실험을 진행했다. ▲ 필라테스봇 사용성 평가 현장. 참가자가 침대에 누워 다리 운동을 하고, 연구진 이 운동 과정을 확인하고 있다.
참가자들이 팔을 들어 올리는 과정에서 움직임에 제약이 있는 상황을 재현하고, 새 로운 제어 기술과 기존의 보조 중심 제어 방식을 적용했을 때 목표 동작을 따라가 면서 근육을 얼마나 적극적으로 사용하는지 비교했다.
실험 결과, 새로운 제어 기술을 적용했을 때 근육의 전기적 활동을 나타내는 신호 가 기존 방식보다 73% 높게 나타났다. 로봇이 근육 사용을 유도하기 위해 사용자 의 움직임에 반대 방향으로 가하는 저항력도 기존보다 3.5배 높았다. 이때 목표한 관절 움직임 범위와 동작 정확도는 유지됐다.
필라테스봇에는 사용자가 자신의 움직임을 확인하며 운동할 수 있는 화면도 탑재 했다. 사용자는 누운 자세에서 화면에 표시된 목표 위치와 자신의 움직임을 비교하 며 운동할 수 있고, 운동 선택과 기기 점검, 운동 기록도 확인할 수 있다.
▲ 필라테스봇 조작 화면. 운동 선택과 기기 점검, 운동 기록 메뉴를 한 화면에 모 았다. 또한 로봇 상단에는 사용자의 운동 자세를 확인하는 카메라를 설치했다. 연구팀은 인공지능(AI)이 카메라로 확인한 자세를 분석해 사용자에게 교정 방법을 안내하는 기능도 개발하고 있다.
현재 필라테스봇 시제품 제작을 마쳤으며, 의료기기 인허가를 위한 성능·안전성 시 험과 기술문서를 준비하고 있다. 앞으로 맞춤형 보조·저항 제어 기술을 다리와 몸통 운동으로 확대 적용하고, 침대의 자세 변화와 로봇 움직임을 연동하는 등 실제 사 용 환경에 맞춰 기능을 개선할 계획이다.
강지연 교수는 “필라테스봇은 환자를 재활 장비로 옮기는 부담을 줄이고, 침대에서 도 개인의 운동 능력에 맞춰 재활운동을 할 수 있도록 개발한 로봇”이라며 “공동개 발 기관과 함께 실제 사용자의 요구를 반영하고, 필요한 보조와 적절한 운동 부하 를 제공하는 기술을 고도화해 병원과 지역사회 돌봄 현장에서 활용할 수 있도록 하겠다”고 말했다.
이번 연구는 ▴보건복지부·국립재활원 재활로봇중개연구사업 ▴과학기술정보통신부· 한국연구재단(NRF) 바이오·의료기술개발사업 ▴과학기술정보통신부 InnoCORE 사업 의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 2026년 9월 27일부터 10월 1일까지 미국 피츠버그에서 열린 국제학 술대회 ‘2026 IEEE/RSJ 지능형 로봇 및 시스템 국제학술대회(IROS 2026)’에서 발표 됐다.
한편 GIST는 이번 연구 성과의 기술사업화 및 산업적 활용에 관심 있는 기업·기관 의 문의를 창업혁신진흥원 기술사업화센터(hgmoon@gist.ac.kr)를 통해 받고 있다고 밝혔다.
논문 정보 ○ 논문명, 저자 정보 – 학회/저널명: 2026 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) – 논문명: Assist-Resist-as-Needed Robotic Control for Cable-Driven Bedside Training – 저자 정보: 이진우(제1저자, GIST AI학과 석사), 정성훈(공저자, GIST AI학과 석사과정생), 강지연(교신저자, GIST AI학과 교수)
