[2000신년]새로운 시대 의학/전자제어 장치 이용한 인공수족-염영일
[2000신년]새로운 시대 의학/전자제어 장치 이용한 인공수족-염영일
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  • 승인 2000.01.02 14:22
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염영일(포항공대교수·기계공학)

<의수족의 역사>

인공의수족등 보장기구를 인가에게 이용하려는 외과적 역사는 인간의 문명이 시작하고 의학적인 사고방식이 시작하면서 부터이다. 최초의 인류학적(anthropological) 증거는 45,000년 전으로 거슬러 올라가며 그 후 36,000년 전 스페인과 프랑스의 동굴 벽화에서 크게 손상된 손 그림을 볼 수 있다.

이집트에서 발굴된 미라(mummy)에서의수족이 발견됐고 그리스의 신화에도 보장기구에 대한 이야기가 나온다. 기원전 5세기경 Arisdophanes가 쓴 ‘새들’이란 희곡에서는 의족을 착용한 배우가 등장하나. 1858년 이태리의 Capau에서는 기원전 300년경 로마 시대에 Samite전쟁에서 사용했던 의족이 발굴됐다. 재료는 나무, 청동부품, 그리고 가죽끈으로 되어있었다.

그 후 르네상스시대에 독일의 직업적인 용병인 Gotz von Berlichingen(1480-1562)의 쇠로 만든 의수 및 팔은 그 당시 이 분야의 발전을 보여주고 있다.  

1885년 Heather Bigg은 절단수술과 의수족, 보장기구에 관한 최초의 책을 발간했다. 그러나 무엇보다 두 차례에 걸친 세계 대전으로 이 분야의 연구가 급진전되었고, 오늘날의 형태를 갖춘 의수족 기구를 발전시키는 계기가 되었다.

세계 1차 대전(1914-1918)이후 유럽과 영국의 142,000명의 수족 절단자와 4,400명의 미국 수족 절단가가 발생하였고, 이 당시에는 장애인이 많았던 유럽이 보장구에서 앞서가 있다. 이를 인식한 미국에서는 국가적 차원의 노력을 하려하였으나 때마침 불어 닥친 대공황으로 인해 부진하였다.  

그 후 세계 제 2차 대전으로 인해 수족 절단자는 그 수가 크게 증가했고 유럽에 비해 뒤늦은 것을 인식한 정부는 1947년 미국 캘리포니아에 버클리 캠퍼스에 처음으로 국가지원 연구소를 설피하고 학문적으로 접근을 시도하였으며 AOPA(the American Orthotics and Prosthetics Association)학회도 1950년에 시작했다. 1970년에는 국제기구인 ISPO(International Society for Prosthetics and Orthotics)가 창설됐다.

지난 30여년간 지속적으로 발전된 전자기술, 제어기술, 소형 모터기술 등의 기반기술과 로봇 공학, 의공학분야의 연구에 힘입어 이 분야는 지능화와 다양성을 갖춘 재활기기로서 발전하고 있다.

<지능형 의수>

지능형 의수란, 제어 기술을 이용하여 외부동력에 의해 작동되는 의수를 말한다. 처음 외부동력을 이용한 의수는 1949년 IBM에서 개발됐고, 1958년 러시아에서 굴근(Flexor)과 신근(Extensor)의 근육수축으로부터 제어되는 외부동력을 이용한 제품이 개발됐다.

그 후 독일의 오토복은 이 기술을 상업적으로 발전시켰다. 현재에도 이러한 의수를 실현시키기 위해 연구가 계속 진행되고 있으며, 근래 들어 미국의 유타암2 라든지, 독일의 오토복핸드 등, 몇몇 회사에서 상용화하여 시판될 정도로 기술의 진보가 이루어졌으나 아직 개선될 점은 많다.

이 제품들은 장애인의 어깨나 등에 부착된 여러 개의 전극(electrode)에서 측정된 근정도 신호에 따라 의수의 각 부관절이 움직임으로서 장애인이 스스로 간단한 동작을 할 수 있게 되어있다.

이런 근전도(myoeletric signal)를 이용한 지능형 의수(myodldtric hand & arm)는 소형전기모터, 전기 connections, 그리고 제어 회로판 및 기구학적 메카니즘으로 구성되는 팔 및 손과 이를 인간의 뜻대로 제어하기 위한 제어부 혹은 인터페이스로 나누어진다.

인간의 팔과 로봇형 의수를 제어하기 위한 제어신호로 보통 근육을 움직일 때 발생하는 전압신호인 EMC신호를 많이 사용한다.

◆EMC 신호를 이용한 지능형 의수의 제어

=제어입력으로 근전도 신호를 어떻게 사용하느냐는 지능형 의수의 신호입력수에 관계되는 자유도에 따라 달라진다. 자유도가 낮은 경우, 근전도 신호는 보통 한 개의 근육군이나 두 개의 근육군 이용하여 의수의 액츄에이터에 명령을 내리는 방법을 사용한다.

일단 작동 상태가 선택되면, 의수가 동작되는 속도를 일정하게 하거나 혹은 근육을 수축할 때 힘들 주는 정도와 비례적으로 증감하는 근전도 신호의 진폭 크기에 따라 속도를 제어할 수 있도록 하기도 한다.  

그러나 자유도와 기증의 수가 증가된 의수들의 경우, 가능한 동작 수만큼의 제어 신호가 필요하게 되는데, 근전도 신호원으로 사용할 근육군들의 선택에는 제한이 있어서 실제 사용가능한 근육군들의 수는 적을 뿐 아니라 의수를 제어하기 위해 많은 근육들을 사용하고 일일이 근육에 힘을 준다는 것은 그다지 바람직한 방법이 되지 못한다.

패턴을 분류해 내는 방법은 시계열 인식과정 방법(Graupe), 근정도 신호의 시적분값의 공간상의 분포를 나타내는 방법, 통계적 방법 등 여러 가지가 있으나, 최근에 대표적으로 쓰이는 방법에는 신경 회로만 방법과 혼돈 이론 등이 있다

 <지능형 의족의 제어>

의족의 제어는 최소한 허벅지 부분이 남아있는 Opening gait가 가능한 사람의 passive control(mechanical design)을 기본으로 하여 이루어지고, 정상인과 흡사한 보행 motion을 구현해내는 것과 넘어지지 않도록 안정성을 보장해 주는 것 등의 목적을 갖는다.

특히 무릎관절(Knee joint)과 충격 흡수장치(shoke absorber)그리고 발목/발(ankle/foot)의 설계는 의족설계에 있어서 중요한 요소가 된다. 이 중 충격흡수장치(shoke absorber)는 인체의 체중이나 dynamic motion에서 부가되는 하중에 의한 충격을 흡수해주는 역할을 하여야하며, 무릎관절(Knee joint)과 발목/발(ankle/foot)은 유연한 swing motion을 위해서 적절하게 설계되어야 한다.  

무릎관절(Knee joint)은 대퇴부와 다리를 연결해주는 요소로서, 발의 여러 지지형태에 대해 안전한 지지력을 가져야 하고, 부드럽고 잘 제어된 스윙(swing motion)을 잘 만들어 내야 한다. 또한, 앉거나 구부리는 등의 동작을 유연하게 할 수 있어야 한다.

무릎관절의 설계는 값싸고 구조가 단순한 하나의 축으로 된 것과 사관절기구(four bar linkage)를 이용해 회전중심을 바꾸어 보행주기 동안 안정성을 유지시키고 유연한 관절운동을 구현할 수 있도록 한 다축형(polycentric-axis)구조가 있다.

좀 더 진보된 스윙운동(swing motion)을 위해 공압(pneumatic) 또는 유압(hydaulic) 제어를 이용해 다리의 스윙 속도에 적절한 저항을 주어 제어를 하기도 한다. 유각기 제어는 유체를 이용하여 기존의 기계적 마찰에 의해 제어하는 것과는 달리, 근력과 비슷한 비선형적인 저항을 가할 수 있어 더 좋은 보행 제어를 할 수 있다.

그리고, 정상인의 무릎에서 발생하는 토크와 이동각과의 곡선 변이를 유사하게 따라가기 위해, 기존의 단축식 EH는 4절 링크 의족과는 달리 공압 실린더를 사용하여, 공기의 저항이 속도에 비선형적인 관계를 갖는 것을 이용하여 제어하기도 한다.

한국 재활 공학 연구센터에서 개발한 의족의 모습을 나타내고 있다. 이 의족의 제어장치를 살펴보면, 주 제어기와 디지털 작동(Digital Operator)의 두 부분으로 나뉘어진다. Digital Operator는 사용자의 Key를 입력받는 등 사용자 인터페이스(Interface)에 사용되고 주 제어기는 근접센서를 이용하여 보행 속도를 입력받고 밸브 조정용 스텝 모터를 구동하는 기능을 가지고 있다.

전체적인 메카니즘은 먼저, 사용자에 의해 Digital Operator를 통해 명령을 받고, 센서에서 입력받은 신호(속도)를 이와 비교하여, 자체의 마이크로 프로세서에서 작동하는 제어 알고리즘을 통해 스텝 모터에 적절한 전압(속도)을 인가하게 된다.

이와 같은 기계적인 제어를 이용해 걷는 것 뿐 아니라 뛰고 점프하는 동작도 원활히 할 수 있게 된다. 이렇게 설계된 의족은 각 환자의 보행(gait)특성에 맞도록 적절히 조절되고, 환자는 반복된 훈련을 통해 정상인과 유사한 보행패턴을 습득하게 된다.

<결론>

우리나라에서의 이 분야 개발은 외국에 비해 미약하다. 구미에서는 이미 많은 중소기업이 상품을 내놓고 있으며 이들은 고부가 제품으로 수입가격도 비싼 편이다. 회근 의수의 경우 포항공대와 산업과학연구원이 개발한 Biro I, II & III가 유일하며 아직도 연구단계이다.

의족연구는 1994년 노동부산하에 설립된 재활공학연구센터에서 인공지능 대퇴의지를 개발했으며 이는 외국제품과 비교해도 손색이 없다. 현재는 통합형 제어의지를 개발 중에 있다.

의수족 개발로 인한 경제적인 기대효과로는 장애인들의 취업활동과 사회활동을 가능하게 함으로서 복지사회 구현 및 인력확보로 인한 경제적인 능률을 높일 수 있다는 점이다.   

다만 국내외 현재까지의 연구 결과에서는 의수의 작동성이나 편의성, 실용적인 면에서 많은 문제점이 발견되었다.

다양한 작업을 위한 동작, 명령해석의 신뢰도, 힘 제어 기능들을 개선하기 위해 새로운 인간대 기계의 공유(man-machine interface)측면을 도입하고 의수설계에 인간공학적인 개념을 도입한다면 장애인들이 의수를 제어하는데 정상인들이 그들의 근육을 이완시켜 움직이는 것과 같이 자연스럽고 편리하게 사용할 수 있게 될 것이다. 돌아오는 2000년대에는 인간이 원하는 데로 큰 불편 없이 의수족을 착용하고 활동할 수 있으리라 본다.

 

                                                          


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