연구동향
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스포츠 활동을 가능하게 하는 생체 모사 의수: 골프 특화 의수
김동현(KAIST 기계기술연구소)

최근 골프의 대중화에 따라 국내 골프를 즐기는 인구수가 지속적으로 늘어나고 있으며 20-30대의 젊은 연령층의 인구의 비율이 증가하고 있다. 골프와 같은 스포츠는 다른 사람과의 사회적 활동을 위해 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 다양한 사고나 질환으로 인해 수부가 절단된 장애인의 경우 일상 생활과 더불어 기존의 스포츠 활동 또한 어려워지게 되고 이는 사회적인 단절로 이어지게 된다. 그렇기 때문에 절단 장애인이 스포츠 활동을 할 수 있도록 도와줄 수 있는 의수를 개발하는 것은 신체적인 건강뿐만 아니라 정신적인 건강을 유지하는데도 중요하다.

최근 일상생활을 돕기 위해서 손의 모양을 모사하는 다양한 의수들이 개발되었으나 [1, 2] (Fig. 1) 대부분 관절 움직임이 하나의 축에 대해 단방향성을 갖고 움직이기 때문에 사람이 골프채를 쥘 때와 같이 대각선으로 배치된 물체를 안정적으로 파지하기가 어렵다. 스포츠에 특화된 의수들도 다수 개발되었으나, 손의 모양을 갖고 있지 않고 골프채 손잡이를 끼울 수 있는 홀더가 있는 형태이고 손목의 움직임이 고정되었거나 자유롭게 움직일 수 있는 형태를 가지고 있어 (Fig. 1) 효과적인 스윙을 위한 손목의 움직임을 구현하기 어렵다.



본문에서는 이런 기존 의수의 단점을 극복하면서 스윙시 임팩트 순간에 골프채 머리의 스피드를 최대화할 수 있는 효과적인 스윙을 할 수 있으며 안정적으로 골프채를 쥘 수 있는 의수에 대한 연구를 소개하고자 한다.




임팩트 순간 골프채 머리의 속도를 최대화하기 위해 필요한 요구조건은 크게 두가지로 생각할 수 있다. 첫번째로는 가속이 일어나는 구간에서 최대한 전체 관성을 줄여야 주어진 토크에 대해 가속을 높일 수 있다. 그렇기 때문에 사람이 골프 스윙을 할 때 처음에는 손목을 코킹 (radial deviation) 하여 골프채를 몸과 가까이 붙였다가 임팩트가 일어나는 지점에 가까워졌을 때 손목을 릴리징 (ulnar deviation) 한다 (Fig. 2) [3].



두번째로는 임팩트하는 순간에 몸으로부터 골프채의 머리가 최대한 멀리 떨어지게 해야 같은 회전 속도에 대해 골프채 머리의 속도가 최대화될 수 있다. 사람은 골프채를 대각선으로 잡고 손목을 ulnar deviation 함으로써 팔과 골프채가 일직선이 되도록 하여 이를 이룬다 (Fig. 2) [3]. 이런 물리적인 요구조건을 만족하기 위해서 의수의 손목이 radio-ulnar deviation 방향을 움직일 수 있는 설계와 스윙 초반부에는 코킹 상태를 유지하다가 임팩트와 가까워졌을 때 풀어지도록 설계가 필요하다. 손의 경우 대각선으로 놓인 물체를 손가락으로 완전히 감쌀 수 있도록 하여 안정적으로 파지 할 수 있는 설계가 필요하다.



본 연구에서는 [4] 손목의 carpal bone의 구조적 특징을 모사하여 radio-ulnar deviation이 가능한 관절을 설계하였다. 손목의 carpal bone은 8개로 이루어져 있는데 이는 크게 distal row와 proximal row로 묶을 수 있고 이 row를 통해서 움직임을 설명할 수 있다. Distal row, proximal row, 그리고 radius와 ulnar 뼈는 2개의 arc를 형성하며 이 arc에서 구름(rolling)과 미끄러짐(gliding)이 일어나면서 radio-ulnar deviation이 만들어진다 (Fig. 3a). 이와 같은 구름과 미끄러짐이 가능한 관절 구조는 기존의 핀관절에 비해 작은 부피에서 큰 가동범위(ROM)을 가지며 외력에 더 강인하다 [4].

사람의 손목 구조는 특히 ulnar deviation의 가동범위를 더 늘리기 위해서 proximal arc의 ulnar 방향 부분의 반경이 상대적으로 작은 비대칭적 형태를 가진다. 이런 특징들을 모사하여 의수의 손목 구조는 two-rowed structure를 가지며 arc의 반경이 비대칭적 구조로 되어 radial deviation은 15도 ulnar deviation은 45도의 가동범위를 갖도록 설계되었다 (Fig. 3b).






스윙시 손목의 코킹과 릴리징을 모사하기 위해 본 연구에서는 클러치 메커니즘을 활용했다. 클러치는 스프링, 고정쇠, 질량추로 이루어져 있고 (Fig. 4), 고정쇠는 팔뚝에서 손까지 연결되는 케이블을 고정함으로써 손목의 움직임을 고정하는 역할을 한다. 백스윙시 손목은 radial deviation 된 상태로 고정되어 있다가 (Fig. 4a) 스윙을 할 때 고정쇠에 내장된 질량추가 구심력과 중력을 받게 되고 이 힘에 의해 스프링이 압축되면서 고정쇠가 움직여 특정 속도 이상이 되었을 때 케이블과의 고정이 풀려 손목이 자유롭게 움직일 수 있게 된다 (Fig. 4c).



본 메커니즘을 통해 스윙시 손목의 kinematics를 모사할 수 있으며 의수를 통한 스윙과 사람이 스윙을 했을 때의 손목 관절 움직임을 비교해보면 유사한 형태가 나타남을 확인할 수 있다 [5]. (Fig. 5)



손목이 풀리는 시점은 스프링의 압축량을 조절할 수 있는 단자를 통해 초기에 고정쇠를 눌러주는 힘을 바꿔 줌으로써 조절 가능하다. 보통 스윙을 할 때 비슷한 팔각도에서 손목이 풀어지게 되는데, 본 연구에서 제안한 의수 손목 메커니즘의 클러치 스프링 압축량 조절을 통해 다양한 팔 회전 속도에 대해 비슷한 팔 각도에서 손목의 코킹이 풀어질 수 있게 한다는 것을 스윙 머신을 통한 검증 실험을 결과를 통해 알 수 있다 (Fig. 6).






안정적으로 골프채를 잡기 위해서 손의 손목손허리 (carpometacarpal, CMC) 관절의 기능을 모사하여 관절을 설계했다. 사람의 손의 4번째와 5번째 손가락은 CMC 관절에 의해서 손 안쪽방향으로 손바닥뼈를 움직일 수 있으며 (Fig. 7a) 이는 손바닥뼈의 정렬을 곡선형태로 만들 수 있게 한다. 이렇게 손바닥뼈를 손 안쪽 방향으로 움직일 수 있기 때문에 대각선으로 놓인 물체를 손바닥면과 손가락으로 감싸 쥘 수 있게 하여 안정적이 파지가 가능하다. 본 연구에서는 이런 CMC 관절의 기능을 모사하기 위해 의수의 4번째 5번째 손가락의 가장 안쪽 관절을 2자유도의 관절로 설계하였다 (Fig. 7b).



안정적인 파지를 위해 손 힘줄의 해부학적 구조 또한 모사하였다. 손가락은 FDP와 FDS라는 힘줄을 통해 굽힘 동작을 수행하는데, 2가지의 서로 다르게 배치된 힘줄로 움직임을 구현함으로써 특정 손자세에 대한 구속력을 높일 수 있게 된다 (Fig. 8). 2개의 힘줄을 활용해 파지시 손자세를 변화시키기 어렵게 만듦으로써 외력에 강인한 안정적인 파지를 가능하게 한다. 본 연구에서 제안한 의수는 손끝에서 시작하여 모드 관절의 손바닥면을 지나가는 FDP와 중간마디뼈(Middle Phalanx)에서 시작하여 근위지간 (Proximal interphalangeal, PIP) 관절과 중수 수지 (Metacarpophalangeal, MCP) 관절의 손바닥면을 지나는 FDS의 경로를 모터로 구동되는 케이블을 통하여 각각 모사하였다.



의수의 손가락들을 움직이는 케이블들은 차동구동 메커니즘을 통해 under-actuation 할 수 있도록 설계하여 물체의 모양에 맞춰 손 파지 자세가 변하도록 하였으며 파지시 힘이 서로 다른 손가락에 고르게 분배되도록 하였다. Under-actuation을 통해 어느 하나의 손가락이 움직이다가 물체에 먼저 닿게 되면 해당 손가락의 움직임은 멈추고 다른 손가락이 움직여 전체적으로 물체의 모양에 맞춰 감싸 쥘 수 있게 된다. 엄지의 경우 따로 구동되었고 가장 안쪽의 CMC 관절은 골프채를 쥘 수 있는 각도로 고정된 형태를 갖도록 설계되었다.

본 메커니즘과 기존의 의수 메커니즘을 사용하여 대각선의 물체를 파지 할 때의 손바닥의 압력분포를 살펴보면 Fig. 9와 같다. 이를 통해 제안한 의수 메커니즘을 활용했을 때 더 넓은 영역으로 압력이 분산된다는 것을 확인할 수 있으며, 특히 4번째와 5번째 손가락의 손바닥부와의 접촉이 기존 메커니즘에 비해 증가한다는 것을 확인 할 수 있다. 이는 사람이 골프채를 쥐었을 때의 압력 분포와도 유사하다는 것을 확인 할 수 있다 (Fig. 9).






본 연구에서는 골프 스윙 머신을 통해 골프특화 의수를 활용하여 골프채를 휘두를 때 골프채 머리의 속도를 검증하였다. 그 결과 손목의 코킹과 릴리징을 구현한 골프 특화 의수의 골프체 머리의 속도가 손목이 계속 릴리징 되어있는 상태에 비해 19 %의 증가를 보였다. 본 연구에서 제안한 의수는 2명의 건강한 성인을 대상의 팔에 부착하여 사용성 평가를 하였으며, 안정적으로 골프채를 파지한 상태에서 골프 스윙을 구현할 수 있음을 확인하였다.



본문에서 소개한 연구의 의수는 기존의 의수와 같이 채를 팔에 고정하는 정도에 그치는 것이 아니라 골프 스윙시의 손목 움직임을 구현 가능하여 골프채 머리의 속도를 높이는 효과적인 스윙을 하는데 기여를 하며, 사람손과 같은 형태를 가지면서도 대각선으로 배치된 골프채를 안정적으로 파지 가능하게 한다. 이와 같이 절단 장애인에게 스포츠를 잘 할 수 있도록 도와주는 의수에 대한 연구는 신체 기능적인 향상에 기여할 뿐 아니라 사회적 활동을 활발하게 하도록 하여 정신적인 건강을 유지하는 데 기여할 것을 기대한다. 스포츠 특화의 사용성을 확대하기 위해서는 다양한 절단부위에 대해 개인맞춤 소켓 설계가 고려되어야 하며, 버튼을 활용하거나 수동적으로 조절되고 있는 손가락 구동 및 손목 풀림 시점 조절 등을 사용자가 직관적으로 빠르게 조절 할 수 있게 하기 위해서 생체신호 센서나 관성 센서 등 다양한 센서를 통해 사용자의 의도를 파악할 수 있는 시스템이 추가적으로 연구 되어야한다.








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