휠체어 승차감 혁신: 능동형 서스펜션 시스템이 여는 미래

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 doi:10.9718/JBER.2020.41.5.203

고령화 사회가 본격화되면서 전 세계적으로 휠체어 수요는 급격히 증가하고 있습니다. 

단순히 이동 수단을 넘어, 휠체어는 보행 장애인의 이동권 보장, 삶의 질 향상, 사회 참여 확대를 가능하게 하는 핵심 도구입니다. 

그러나 실제 사용자들이 가장 많이 호소하는 문제 중 하나는 바로 승차감입니다. 

요철이 많은 보도, 경사로, 자갈길 등을 주행할 때 발생하는 진동과 충격은 탑승자의 신체 피로를 가중시키고, 장기적으로는 건강 문제를 유발할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근 연구자들이 개발한 것이 바로 휠체어용 능동형 서스펜션 시스템입니다. 

본 칼럼에서는 첨부 논문을 기반으로 능동형 서스펜션 시스템의 원리, 개발 과정, 실험 결과, 그리고 향후 전망을 심도 있게 다뤄 보겠습니다.

1. 휠체어 승차감의 중요성과 사회적 의미

보행 장애인은 단순히 ‘이동의 어려움’을 넘어, 이동 과정에서 충격과 불편함까지 감수해야 합니다. 

이는 이동권을 보장한 「이동편의증진법」 제3조의 기본 정신과도 맞닿아 있습니다.

실제로 국내 보행 장애인의 수는 2001년 약 74만 명에서 2018년 150만 명으로 두 배 이상 증가했습니다. 

이에 따라 휠체어 보급률도 높아졌지만, 다양한 노면 환경에서 발생하는 불편을 해결하기 위한 기술적 진보는 여전히 부족했습니다. 

특히 고정형 서스펜션은 노면 상태에 관계없이 일정 강성을 유지하기 때문에 진동과 충격을 흡수하는 데 한계가 있었습니다.

2. 기존 휠체어 서스펜션의 한계

현재 시판 중인 휠체어 서스펜션은 크게 세 가지 방식으로 나눌 수 있습니다.

  • 아크로뱃 휠(Softwheel, Israel)

  • 루프휠(Loopwheel, UK)

  • 코일 스프링 기반 고정형 서스펜션

이들 방식은 일정 부분 충격을 흡수하지만, 노면 환경에 따라 능동적으로 반응하지 못한다는 한계가 있습니다. 

결과적으로 자갈길에서는 과도한 진동, 포장도로에서는 불필요한 강성이 발생해 오히려 승차감을 떨어뜨립니다.

이에 비해 자동차나 자전거에는 이미 능동형 서스펜션 기술이 적용되어 탑승자의 피로도를 줄이고 안정성을 높이고 있습니다. 

휠체어 역시 이러한 기술의 도입이 절실했습니다.

3. 능동형 서스펜션 시스템의 개념과 필요성

능동형 서스펜션 시스템은 노면 상태에 따라 서스펜션 강성을 조절할 수 있는 기술입니다. 

본 연구에서는 보급형 모델을 목표로, 기존 자동차용 기술을 단순화해 휠체어에 적용했습니다.

핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.

  • 코일 스프링: 기본적인 충격 흡수

  • 쇽업쇼버(Shock Absorber): 진동 감쇠

  • 컨트롤 모듈: 사용자가 버튼으로 강성 조절

  • 노면 모니터링 센서: 주행 환경 감지

이를 통해 휠체어 사용자는 최대 12단계로 강성을 조절하며, 상황에 맞는 승차감을 확보할 수 있습니다.

[그림 1] 능동형 서스펜션 시스템 모식도

4. 연구 개발 과정

4.1 기구부 설계

모터의 회전력을 타이밍 벨트를 통해 쇽업쇼버 다이얼에 전달하여 강성을 조절하는 방식이 적용되었습니다. 

하우징은 3D 프린터로 제작되었으며, 부품은 알루미늄 가공으로 경량화되었습니다.

[그림 2] 서스펜션 시스템 하우징 내부


[표 1] 제작된 스프링의 사양


[그림 3] 스프링 치수 정보 

4.2 제어 시스템

모터 제어기는 직접 설계한 PCB를 사용했습니다. 

마이크로프로세서(ATmega328P)와 모터 드라이버(L298N)를 적용해 소형화 및 저비용화를 동시에 달성했습니다. 

또한 CAN 통신을 이용해 각 바퀴의 서스펜션 모듈을 제어할 수 있도록 설계했습니다.

[그림 4] 모터 컨트롤러 회로 설계 및 PCB 제작

4.3 구조 해석

SolidWorks를 활용해 응력·변형률 해석을 수행했습니다. 

분석 결과, 모든 부품의 응력 값이 재료의 항복강도 이하로 나타나 안정성이 확보되었습니다.

[그림 5] 서스펜션 구조해석 경계조건 

[그림 6] 서스펜션 구조해석 결과


[표 2] 재료의 기계적 물성치

4.4 진동 시험

3축 가속도 센서를 부착한 휠체어를 자갈길, 보도블록, 포장도로에서 주행시켜 진동 감쇠 효과를 검증했습니다. 강성 다이얼을 1, 6, 12단계로 조절하며 시험을 진행한 결과, 다이얼 단계에 따라 진폭이 유의미하게 달라졌습니다.

[그림 6] 휠체어에 장착된 3축 가속도 센서

[그림 8] 제작된 서스펜션 시스템

[그림 9] 진동시험 결과 그래프

[표 3] Box plot 데이터 결과

5. 성능 분석 및 사용자 체감 효과

실험 결과, 서스펜션 강성 조절은 노면 상태에 따라 진동 감쇠력을 크게 달라지게 했습니다. 

특히 자갈길과 같은 험로에서 강성을 높이면 충격이 효과적으로 줄어들었고, 포장도로에서는 강성을 낮춰 불필요한 저항을 방지했습니다.

이는 곧 승차감 개선 → 피로도 감소 → 신체적 안전성 확보로 이어집니다. 

또한 충격으로 인한 2차 손상을 예방해 보행 장애인의 두려움을 줄이고, 보다 적극적인 사회 활동을 가능하게 합니다.

6. 의료·산업적 파급 효과

  • 의료기기 혁신: 휠체어의 승차감 향상은 단순 편의성을 넘어, 건강 관리 및 재활 효과에도 기여할 수 있습니다.

  • 스마트 헬스케어: IoT 센서와 연계하면, 실시간 데이터 기반 맞춤형 서스펜션 제어가 가능해질 것입니다.

  • 고령화 사회 대응: 고령 인구 증가로 인해 휠체어 시장은 지속 확대되고 있으며, 능동형 서스펜션은 차세대 핵심 기술로 자리매김할 것입니다.

  • 산업적 확장성: 자동차·자전거·로봇 이동 플랫폼에도 적용할 수 있어 시장 잠재력이 큽니다.

7. 결론 및 향후 전망

능동형 서스펜션 시스템은 휠체어의 승차감을 획기적으로 개선하여, 보행 장애인의 이동권 보장, 삶의 질 향상, 사회적 참여 확대에 크게 기여할 수 있습니다.

향후에는 AI 기반 자동 제어, 경량 고강도 소재 적용, 배터리 효율 최적화 등을 통해 더 나은 제품으로 발전할 수 있을 것입니다. 

궁극적으로는 스마트 헬스케어 융합 휠체어로 진화하여, 고령화 사회에서 필수적인 이동 보조기기로 자리 잡을 것입니다.

참고문헌

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