의족은 선천적 또는 후천적으로 하지의 일부를 상실한 사람의 신체를 대신하는 보조기구이며, 의족의 가장 이상적인 목표는 사람의 신체를 온전히 대체하는 것이다. 기존의 수동 의족은 신체의 구조적인 해석과 기계적인 에너지 보존을 통하여 절단 환자의 움직임을 보조하는 선에서 그쳤지만, 최근에는 로봇 공학과 반도체 공학 등 다양한 기술의 발전에 따라 의족에서도 동력을 사용하여 근육의 역할을 대신하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 본 기술 논문에서는 하지 절단 환자를 보조하기 위한 동력 의족을 사람의 신체와 비교하여 어떤 기구적인 제약조건을 가지고 있는지 설명하고, 정상인의 보행과 동력 의족의 구동 알고리즘을 비교함으로써 동력 의족에서 사용하고 있는 유한 상태 제어기의 한계점에 대해 언급한다. 마지막으로 근전도를 활용한 동력 의족을 통해 새로이 시도되고 있는 의지적 제어에 대해 소개하고, 동력 의족의 연구가 앞으로 나아갈 방향을 제시한다.
의족은 선천적 또는 후천적으로 하지의 일부를 상실한 사람의 신체를 대신하는 보조기구이며, 의족의 가장 이상적인 목표는 사람의 신체를 온전히 대체하는 것이다. 기존의 수동 의족은 신체의 구조적인 해석과 기계적인 에너지 보존을 통하여 절단 환자의 움직임을 보조하는 선에서 그쳤지만, 최근에는 로봇 공학과 반도체 공학 등 다양한 기술의 발전에 따라 의족에서도 동력을 사용하여 근육의 역할을 대신하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 본 기술 논문에서는 하지 절단 환자를 보조하기 위한 동력 의족을 사람의 신체와 비교하여 어떤 기구적인 제약조건을 가지고 있는지 설명하고, 정상인의 보행과 동력 의족의 구동 알고리즘을 비교함으로써 동력 의족에서 사용하고 있는 유한 상태 제어기의 한계점에 대해 언급한다. 마지막으로 근전도를 활용한 동력 의족을 통해 새로이 시도되고 있는 의지적 제어에 대해 소개하고, 동력 의족의 연구가 앞으로 나아갈 방향을 제시한다.
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문제 정의
많은 기능을 고려하여 설계된 의족일지라도 착용자의 의도대로 움직이지 않거나, 오동작을 할경우실족의 위험이 있다. 따라서 의족은사용자와 보조기구의 상호 보완적인 관계를 연구하는 인간 공학(Ergonomics)을 기 본으로 연구된다.
그렇기 때문에 동력 의족은 사용자의 조작을 통해 각 상황을 구분하고, 정상인의 움직 임을 세분화하여 대응하는 방법을 사용하고 있다[15, 16]. 또한, 동력의족의 구현 방법과 기구부에 적용된 센서 에 따라 세분화된 알고리즘도 달라지기 때문에 이 글에서는 동력 의족의 가장 기본이 되는평지 보행을세분화하는방법과대응전략에 대해서만 소개한다.
본 논문에서는 동력 의족의 목적과 동력 의족에서의 기구부적 제약, 보행 분석과대응방법, 의족의 연구가나아가는 방향에 대해 소개하였다. 아직 동력 의족은 제한된 동작을 상정하고, 사람과 기 계가 정 해진 알고리즘을 바탕으로 서로 맞추어 움직이는 수준에 그치며, 안전성과자유도를 높이기 위해선 착용자의 숙련도에 의존한다.
실제 운동은 매우 복합적으로 이루어지지만, 무릎관절을움직이기 위해선 대퇴에 위치한 근육, 발목 관절을 움직 이 기 위 해선 종아리 에 위치 한 근육을 주로 이 용한다[28, 29]. 이 점 에서 착안하여 절단 부위의 신경 의 말단 혹은 잔여 근육의 근전도 신호를 측정하고 착용자의 신호패턴을 세분화하여 사용자의 의도를 파악하고자 한 것이다. Goldfarb 교수는 2010년에 근전도 신호를 활용하여 동력 의족을 굽히고 피는실험을 하였고, 2013년에 시카고 재활 기관에서는 그림 4와 같이 대퇴부 절단환자가 근전도 신호를 활용한 동력의족을 통해 정상인이 임의로 취하는 동작을 따라하거나, 굴러오는 공을 차는데 성 공하였다[30, 31].
가설 설정
있다. 첫째로 사람의 신체와 유사한 형상을 유지해야 한다. 동력 의족은 관절 혹은 발목과 무릎 관절에서 구동기을 통해 정상인과 유사한 움직 임을 구현하는 것과 동시에 부피 와 형상이 제한된 범위 내에서 설계되어야 한다.
제안 방법
그림 4. 근전도 신호를 사용한 의지적 제어(Volitional Control)를 통해 좌측 정상인의 동작을 따라 움직이는 실험.
방법은 2가지로 분류된다. 첫 번째 방법은 동력 의족의 구동기를 활용하여 유각기 와 입각기의 임 피던스만 조절하는 것이다. 이 방법은 착용자의 숙련도에 의존하여 예외의 상황혹은 임의의 보행 환경에서 대응할 수 있다는장점이 있지만, 능동적인 움직임 이 없기 때문에 수동 의족과 마찬가지로 환측의 과장된 움직 임 요구한다.
성능/효과
동력 의족은 관절 혹은 발목과 무릎 관절에서 구동기을 통해 정상인과 유사한 움직 임을 구현하는 것과 동시에 부피 와 형상이 제한된 범위 내에서 설계되어야 한다. 둘째로 동력 의족은 용도와 별개로 범용성 이 있어야 한다. 절단 환자의 요구에 따라 의족이 특정한 기능에 특화될 수 있으나, 정상인의 신체를 대신하기 위해선 다양한 환경에서 큰 불편함 없이 대응할 수 있는 범용성이 우선시된다.
절단 환자의 요구에 따라 의족이 특정한 기능에 특화될 수 있으나, 정상인의 신체를 대신하기 위해선 다양한 환경에서 큰 불편함 없이 대응할 수 있는 범용성이 우선시된다. 셋째로 동력 의족은 착용자 중심의 보조기구이다. 많은 기능을 고려하여 설계된 의족일지라도 착용자의 의도대로 움직이지 않거나, 오동작을 할경우실족의 위험이 있다.
후속연구
2014년에 Hugh Hurr 교수는 하퇴 절단환자를 위한 발목 의 족에 근전도 신호를 활용하여 평지와 계단에서의 보행의 안정도와 향상시켰으며 , Goldfarb는 대퇴 절단환자를 대상으로 기존의 유한 상태 제어를 사용한 무릎 의 족과 근전도를 활용하여 관절 각을 제어하는 발목 의족을 통해 보행 실험을 수행하였다[33, 34]. 또한 지속적으로 유한상태 제어 기법과 근전도 신호를 활용한 의지적 제어을 비교하고 있으며, 의지적 제어의 신뢰성과 범용성이 확보된다면 사람의 다리가 할 수 있는 일의 대부분을 특별한 조작 없이 동력 의족을 통하여 할 수 있을 것으로 기 대된다.
대신하여 모터를 구동기로 사용한다. 제한된 부피에서 높은 토크를 요구하는 관절에 모터를 적용하기 위해선 토크 증폭을 위한 추가적인 기구부가 필요하다. 동력 의족에서 많이 사용되는 토크 증폭 구조는 슬라이드 크랭크, 기어와 타이밍풀리, 기 어박스 등이 있다[12, 13].
현재까지 동력 의족은 기계공학, 로봇 공학을 거쳐서 사람 중심적인 설계에 관한 인간 공학과 생체의 동작을모방하는 바이오닉스(Bioncs), 사람과 기 계 사이의 상호작용에 관한 HMI 등 많은 학문이 적용되어 왔고, 앞으로 의 수 혹은 군사용 혹은 마비 환자를 돕기 위한 엑소스켈레톤(Exoskeleton)과 같이 사람의 움직임을 돕는 분야의 연구와 상호작용을 함으로써 발전해 나아갈 것이다.
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