[논문]3D프린팅을 이용한 사용자 맞춤형 의수 개발

문미경

3D프린팅을 이용한 사용자 맞춤형 의수 개발
Development of Customized Prosthetic Hand Using 3D Printing 원문보기

한국융합신호처리학회논문지 = Journal of the Institute of Convergence Signal Processing, v.19 no.3, 2018년, pp.110 - 117

초록
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의수나 의족장치 개발은 전 세계적으로 꾸준히 이루어지고 있으며, 사람의 손과 똑같이 만들어 내거나 감각을 느끼게 하는 것은 힘들겠지만, 물건을 집거나 몇 가지 움직임을 마음먹은 대로 할 수 있다면 절단 장애인들에게는 큰 도움이 될 것이다. 3D프린팅 기술의 발달로 저렴한 의수개발이 가능해졌으며, 이러한 추세에 맞추어 개인맞춤형 의수를 비슷한 가격에 개발할 수 있다면 활용도 및 보급률이 훨씬 높아질 것이다. 본 논문에서는 3D프린팅을 이용하여 사용자 맞춤형 의수를 개발하는 방법에 대해 기술한다. 이를 위해 의수 외형 모델링의 변형수치를 가변값으로 추출하고, 의수 동작을 제어하는 기능을 소프트웨어 디자인 패턴을 이용하여 설계한다. 이를 통해 의수를 필요로 하는 사람들이 각자 원하는 자신만의 의수를 빠르고 저렴한 가격에 갖출 수 있도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of prosthetic hand or prosthetic leg equipment is steadily taking place globally. Though it would be difficult to create or feel the same way as a human hand, it would be a great for the amputated person if they can pick things up or do some movement as they want. It has become possible to develop low-cost prosthetic hand according to development of 3D printing technology. If people can develop personalized prosthetic equipment at similar prices to meet this trend, the utilization and penetration rate will be much higher. In this study, it describes how to develop a user-customizable prosthetic hand using 3D printing. To do this, the transformational parameters of prosthetic hand shape modeling are extracted as variability values, and the functions for controlling prosthetic hand motion are designed as software design patterns. This allows people who need a prosthetic hand to have their own prosthetic hand at a fast and affordable price.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 3D프린팅을 이용하여 사용자 맞춤형 의수를 개발하는 방법에 대해 기술하였다. 의수 외형 모델링은 코리아사이즈에서 제공하는 남녀노소, 연령별 표준 손사이즈를 기반으로 손길이, 손가락 길이, 손바닥 길이, 두께, 너비를 가변값으로 추출하여 모델을 변경시킬 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 그림 1의 그래프에서 가리키고 있는 수준의 의수를 개인 맞춤형으로 개발하는 방법에 초점을 둔다. 이를 위해 의수 외형을 변형시키기 위한 변형수치를 가변값으로 추출하고 소프트웨어 설계패턴을 이용하여 의수 손동작 제어 방법에 대하여 제안한다.
본 연구에서는 성인 남자용 의수 두개와 성인 여자용 의수 하나를 개발하였다. 각각 적용된 의수 외형 가변값은 다음 표 2와 같다.
연구 [4]에서는 손동작 식별을 위해 광섬유 힘 근운동 센서를 사용하는 연구도 하였다. 연구에서는 [5,6] 잡을 물체를 구분하기 위해 이미지 정보를 활용하는 방법을 제안하고 있다 .이는 수천 개의 이미지를 미리 카테고리화 시켜놓고, 잡으려는 물체를 카메라로 인식하여 이것이 어느 카테고리에 속하는지 판단한 후 의수를 제어시키는 방법인데, 이미지를 인식하여 판단하는데 시간이 지연되는 문제점을 가지고 있다.
의수의 연구방향 중 또 하나는 의수의 정확한 동작을 개발하는 것에 초점을 둔 것이다 [7,8]. 이 연구들은 대부분 기계공학과 관련된 연구들로, 로봇 부품 을 사용하고 있었으며, 잡고 쥐기 동작에 대해 세밀한 제어를 하고자 한다. 의수의 비용을 낮추기 위한 연구로서는 3D [9,10] 프린팅을 사용하는 연구들과 특정 부품이나 전자장치의 복잡성을 줄이기 위한 연구들 [11,12] 이 진행되고 있다.

제안 방법

④ 모터드라이버를 아두이노 메가보드에 연결하여 각각의 손가락 동작을 제어하는 전체적인 동력부를 제작한다. 일반 DC모터로 손가락을 제어하게 되면 ,손가락이 빨리 동작하지 않기 때문에 DC모터의 동작 속도를 최대로 하고 전원을 9V로 교체한다.
본 논문에서는 사용자의 매크로동작을 쉽게 개발할 수 있도록 디자인 설계패턴을 사용하도록 한다. 디자인패턴은 자주 사용하는 설계 형태를 정형화해서 이를 유형별로 설계 템플릿을 만들어둔 것을 말한다.
본 연구에 대한 평가를 하기 위해 손가락 펴기와 접기의 기본 두 동작을 가진 의수를 개발 3팀에게 나눠주고 두 가지 동작을 차례대로 추가하도록 하였다. 한 동작은 사진 포즈를 위해 V를 하는 기능을 추가하는 것이었고 그 다음 기능은 훨씬 복잡한 기능인 분무기를 다룰 수 있도록 검지손가락을 폈다 오므리는 동작을 구현하도록 하였다 .
이를 통해 성별과 나이를 지정하면 손의 길이, 너비 ,두께 ,둘레의 평균적이 사이즈 정보를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 이 정보를 토대로 외형모델링의 가변값을 손길이, 손가락의 길이, 손바닥의 길이, 너비, 두께로 정하였다. 오픈소스 모델링에 이 정보를 설정하면 비율 등을 고려해 rhino 프로그램을 이용해서 의수 조각의 길이와 크기를 조정한다.
의수 외형 모델링은 코리아사이즈에서 제공하는 남녀노소, 연령별 표준 손사이즈를 기반으로 손길이, 손가락 길이, 손바닥 길이, 두께, 너비를 가변값으로 추출하여 모델을 변경시킬 수 있도록 하였다. 의수 동작을 제어하는 기능의 다양성을 위해서는 복합 설계패턴을 제안하였다. 이 패턴을 이용하여 사용자 맞추형의 매크로동작을 마이크로동작들의 조합으로 만들 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 3D프린팅을 이용하여 사용자 맞춤형 의수를 개발하는 방법에 대해 기술하였다. 의수 외형 모델링은 코리아사이즈에서 제공하는 남녀노소, 연령별 표준 손사이즈를 기반으로 손길이, 손가락 길이, 손바닥 길이, 두께, 너비를 가변값으로 추출하여 모델을 변경시킬 수 있도록 하였다. 의수 동작을 제어하는 기능의 다양성을 위해서는 복합 설계패턴을 제안하였다.
의수 동작을 제어하는 기능의 다양성을 위해서는 복합 설계패턴을 제안하였다. 이 패턴을 이용하여 사용자 맞추형의 매크로동작을 마이크로동작들의 조합으로 만들 수 있도록 하였다. 이를 통해 의수를 필요로 하는 사람들이 각자 원하는 자신만의 의수를 빠르고 저렴한 가격에 갖출 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 그림 1의 그래프에서 가리키고 있는 수준의 의수를 개인 맞춤형으로 개발하는 방법에 초점을 둔다. 이를 위해 의수 외형을 변형시키기 위한 변형수치를 가변값으로 추출하고 소프트웨어 설계패턴을 이용하여 의수 손동작 제어 방법에 대하여 제안한다. 본 연구의 결과를 통해 사용자 맞춤형 의수를 가볍고 저렴한 비용으로 제작할 수 있게 됨으로써 의수를 필요로 하는 사람들이 좀 더 용이하게 의수를 가질 수 있게 될 것이다.
의수 외형은 본 연구에서 제안하는 방법에 따라 사용자마다 다르게 모델링 할 수 있도록 한다. 조각으로 출력된 의수 외형을 조립하고, 손가락을 움직일 수 있게 아두이노 보드와 DC모터를 사용하여 의수 동력부를 개발한다. 마지막으로 손가락의 움직임을 제어하는 소프트웨어를 개발하여 의수를 완성한다.
본 연구에 대한 평가를 하기 위해 손가락 펴기와 접기의 기본 두 동작을 가진 의수를 개발 3팀에게 나눠주고 두 가지 동작을 차례대로 추가하도록 하였다. 한 동작은 사진 포즈를 위해 V를 하는 기능을 추가하는 것이었고 그 다음 기능은 훨씬 복잡한 기능인 분무기를 다룰 수 있도록 검지손가락을 폈다 오므리는 동작을 구현하도록 하였다 . 한 팀은 직접 아두이노 코드를 작성하여 기능을 추가하였으며, 다른 두팀은 복합 설계패턴을 이용하여 기능을 추가 하도록 하였다.
한 동작은 사진 포즈를 위해 V를 하는 기능을 추가하는 것이었고 그 다음 기능은 훨씬 복잡한 기능인 분무기를 다룰 수 있도록 검지손가락을 폈다 오므리는 동작을 구현하도록 하였다 . 한 팀은 직접 아두이노 코드를 작성하여 기능을 추가하였으며, 다른 두팀은 복합 설계패턴을 이용하여 기능을 추가 하도록 하였다. 그 결과 직접 아두이노 코딩을 한 팀은 각각1일, 1.

이론/모형

디자인패턴은 알고리즘처럼 프로그램 코드로 변환하여 바로 사용할 수 있는 것은 아니지만 유사한 상황에서 구조적인 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시해준다. 본 논문에서는 매크로동작과 마이크로동작의 구조적 설계를 위해 복합 패턴을 (composite pattern) 활용한다 .복합 패턴은 사용자가 단일 객체와 복합 객체 모두 동 일하게 다루도록 한 것이다.

성능/효과

한 팀은 직접 아두이노 코드를 작성하여 기능을 추가하였으며, 다른 두팀은 복합 설계패턴을 이용하여 기능을 추가 하도록 하였다. 그 결과 직접 아두이노 코딩을 한 팀은 각각1일, 1.5일이 걸렸으며, 설계패턴을 이용한 팀은 모두 1일 이내에 구현하였다.
남성 성인 30대와 50대의 손 사이즈는 크게 차이가 없었으며, 오픈소스 모델의 수치와도 유사하였다. 그러나 여자 손 사이즈는 많이 차이가 나타났으며, 연령대가 높아질수록 손 너비와 두께가 좀 더 두꺼워지는 수치를 보였다.

후속연구

이를 위해 의수 외형을 변형시키기 위한 변형수치를 가변값으로 추출하고 소프트웨어 설계패턴을 이용하여 의수 손동작 제어 방법에 대하여 제안한다. 본 연구의 결과를 통해 사용자 맞춤형 의수를 가볍고 저렴한 비용으로 제작할 수 있게 됨으로써 의수를 필요로 하는 사람들이 좀 더 용이하게 의수를 가질 수 있게 될 것이다.
향후 연구에서는 의수 개발자가 용이하게 가변값을 설정하고 마우스의 드래그앤드롭(drag&drop)만으로 손동작 기능을 설계할 수 있도록 해주는 개발환경을 구축하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 우리나라에서 절단 장애용 의료 보장구를 필요로 하는 사람의 수는?	현재 우리나라에서 절단 장애용 의료 보장구를 필요로 하는 이들은 어림잡아 19 ~20 만 명 선이다. 이들 중 상당수가 근로 환경에서 사고로 절단 장애를 입고 있으며 상당수가 , 가구 소득이 낮아 의수 구매에 큰 부담을 느끼고 있다.
	우리나라에서 의족이나 의수, 전동휠체어 등에 대해 정부 지원금을 지원하지만, 고가의 의수를 사기 힘든 이유는?	이들 중 상당수가 근로 환경에서 사고로 절단 장애를 입고 있으며 상당수가 , 가구 소득이 낮아 의수 구매에 큰 부담을 느끼고 있다. 우리나라는의족이나 의수, 전동휠체어 등에 대해서 정부 지원금을 받을 수 있지만, 지원금의 규모가 턱없이 낮아 고가의 의수를 사기에는 어려움이 따른다. 첨단 ICT 기술과 정밀가공 기술을 더한 의수가 꾸준히 개발되고 있지만 정작 절단장애인들이 구매 할 수 있는 가격대를 넘어서서 기술과 현실간 틈은 갈수록 벌어지고 있다.
	우리나라에서 절단 장애용 의료 보장구를 필요로 하는 사람의 상당수는 왜 절단 장애를 입었는가?	현재 우리나라에서 절단 장애용 의료 보장구를 필요로 하는 이들은 어림잡아 19 ~20 만 명 선이다. 이들 중 상당수가 근로 환경에서 사고로 절단 장애를 입고 있으며 상당수가 , 가구 소득이 낮아 의수 구매에 큰 부담을 느끼고 있다. 우리나라는의족이나 의수, 전동휠체어 등에 대해서 정부 지원금을 받을 수 있지만, 지원금의 규모가 턱없이 낮아 고가의 의수를 사기에는 어려움이 따른다.

참고문헌 (12)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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