의수 개발을 위한 사람 손 근육 모사

1) 연구 개요

최근 산업 재해, 각종 사고 및 당뇨병과 같은 질병의 합병증으로 인하여 신체 일부를 절단해야 하는 환자가 크게 증가하고 있다. 이를 위해 의수에 대한 수요 또한 [그림 1]과 같이 매해 성장하고 있으나, 팔이나 손이 절단된 환자가 만족 할 수 있는 바이오닉 의수를 제공하기 위해서는 원래 환자가 가지고 있던 팔/손과 유사한 길이, 자유도, 운동영역, 속도, 무게, 외형뿐만 아니라 기능적 측면에서도 생체모사를 통한 의수 개발이 필요한 실정이다.

[그림 1] 신체 절단 장애인 실태 조사

  

따라서  이를 위해 미래창조과학부에서는 5년간 73억을 투자하여 '생체모사형 메카트로닉스 융합 연구사업'을 구성하였으며, 구체적인 연구단 구성은 [그림 2]와 같다.

[그림 2] 생체모사형 메카트로닉스 융합연구사업 구성도

[그림 2]에서 보듯이 크게 3가지의 연구단으로 나누어져 있으며, 구체적으로 1연구단에서는 생체 신호를 바탕으로 한 신경신호 제어를, 2연구단에서는 사람의 동작 매커니즘을 모사한 모터의 설계와 인공피부 개발, 마지막으로 3연구단에서는 1, 2연구단의 연구결과를 바탕으로 한 실제 의수 설계를 담당하고 있다.

차세대융합기술연구원(이하 융기원) 디지털휴먼연구센터장 박재흥 교수는 3연구단에 속해있으며, 융기원이 보유하고 있는 국내 최대 규모의 모션캡쳐시스템과 로봇 핸드 제어 등의 연구 경험을 바탕으로 하여 '인체 근골격 구조 시뮬레이션 기반의 의수 시뮬레이터'를  목표로 연구에 매진하고 있다.

본 기고에서는 융기원 박재흥 교수팀이 속해 있는 3연구단의 연구 목표와 내용에 대해 서술코자 한다.

2) 연구 내용

[그림 3]과 같이 3연구단은 국내에서 로봇 설계 및 로봇 제어를 연구하는 교수팀들로 이루어져 있으며, 각 분야별 최고 수준의 연구성과를 이룩한 전문가들로 구성되어 있다.

[그림 3] 3연구단의 연구 인력 구성도

구체적으로 3연구단에서 수행하는 연구는 다음과 같다. 생체모사를 통해 인체의 팔 혹은 손의 부위별 운동능력 및 힘을 모사하고, 기존 의수의 단점이었던 착용의 불편함을 해소하며 마지막으로 스스로 핸드폰 조작 등의 일상생활활동이 가능한 수준의 의수개발이 바로 그것이다.

인체와 유사한 매커니즘으로 의수를 설계하기 위하여 탠던 방식의 (줄의 장력을 이용하여 모터를 조작하는 기술, 쉽게 말해 도르래와 같은 구조) 의수 제작을 할 것이며, 복잡한 근육 구성을 최적화하기 위하여 사람의 근육을 모델링한다.

[그림 4] 3연구단의 정성적 목표

특히, 3연구단 내에서 융기원 디지털휴먼연구센터는 인간의 팔과 손 동작시 움직임에 관여하는 근육들에 대한 생체 모사를 실시한 뒤, 이를 주근육와 보조근육으로 나누어 움직임에 관여하는 주근육만을 이용한 시뮬레이션을 실시한다.

정량적인 연구 목표는 주근육만을 이용한 시뮬레이션을 하였을 때 실제 손과 모델링된 손의 각 관절 각도 오차를 평균 1도 이내로 구현하는 것을 목표로 한다.

[그림 5] 디지털휴먼센터의 연구 목표

이를 통하여 수입 시장에 의존하고 있는 의수 산업에서의 국내 기술을 확보하고, 절단 장애인들의 사회활동을 독려할 수 있다는 점에서 국가 경쟁력을 증진시킬 수 있으며, 다양한 로봇 전문가와 임상의학자들의 협동연구를 통한 융합적 자세를 견지할 수 있다는 점에서 본 연구 개발의 의의가 있다.

[그림 6] 연구 개발 의의

3) 글쓴이 소개

이름: 김승연 연구원 (융기원 디지털휴먼연구센터 / 서울대 융합과학기술대학원)

메일: ksy0711@snu.ac.kr

관심분야: 근육 모델링, 근육 타입 엑츄에이션