본 연구에서는 사람 손가락의 해부학적 구조와 동작 메커니즘을 모방하여 다자유도 근전전동의수용 손가락을 설계하였다. 설계된 손가락은 엄지와 나머지 손가락으로 나눌 수 있다. 엄지는 Fig. 1(a)와 같이 하나의 마디로 구성되어 있으며, 관절은 중수지절관절(MetaCarpoPhalangeal Joint, MCP Joint)과 대다각 중수관절(TrapezopMetacarpal Joint, TM Joint)로 구성되어있다. 나머지 손가락은 말절골(Distal Phalange, DP), 중절골(Middle Phalange, MP), 그리고 기절골(Proximal Phalange, PP)로 구성되어 있으며, 관절은 근위지절간관절(Proximal InterPhalangeal Joint, PIP Joint)와 MCP Joint로 구성되어 있다(Fig. 1(b) 참조). 설계된 손가락의 길이는 사람 손가락 길이를 고려하여 DP 마디 끝단에서 MCP Joint의 중심까지 총 83 mm로 설계하였다.

Fig. 1 
Design of multi-DOF myoelectric hand prosthesis

본 연구에서 설계된 손가락은 사람 손가락의 동작 메커니즘을 모방하였다. 사람 손가락의 굽힘과 폄 동작은 근육의 수축·이완 시 마디에 고정되어 있는 건의 당김에 의해 구현된다. 따라서 우리는 근육으로 모터를 사용하였으며, 건으로는 와이어를 사용하였다. 각 손가락이 독립적으로 굽힘 동작을 구현하기 위해 모터는 각 손가락 PP 내부에 장착하였다. 그리고 와이어는 윔휠기어와 MP에 고정하였다. 설계된 손가락의 굽힘 동작은 모터 구동 시 웜휠기어에 고정되어 있는 와이어를 당김으로써 구현된다. 손가락의 PP는 모터-베벨기어-웜기어에 의해 MCP Joint에서 105°까지 굽혀지며(Fig. 1(b) 참조), 이때 웜휠기어에 고정되어 있는 와이어가 당겨져 MP와 DP는 90°까지 PP와 동시에 굽혀진다. 그리고 손가락의 폄 동작은 PP와 MP사이에 장착되어있는 복원 스프링(Restoring Spring)에 의해 구현된다. 엄지는 굽힘과 폄 그리고 회전 동작을 구현할 수 있다. 엄지의 굽힘과 폄 동작은 모터-베벨기어-웜기어에 의해 MCP Joint에서 구현되며, 회전 동작은 손바닥에 장착되어 있는 TM Joint에 의해 수동(Manually)으로 구현된다.

사람 손은 22자유도를 가지고 있으며, 무게는 400 g 정도이다.¹⁷본 연구에서 설계된 손은 사람 손과 형상이 유사하며, 크기는 151 × 174 × 50 mm (W × L × T)이다(Fig. 1(c) 참조). Fig. 2는 본 연구에서 개발된 다자유도 근전전동의수를 보여준다. 개발된 손은 다양한 손동작과 파지 동작을 구현하기 위해 독립적으로 움직이는 다섯 손가락을 가지고 있다. 손의 전체 자유도는 엄지의 Active MCP Joint에 의한 1자유도, Passive TM Joint에 의한 1자유도, 그리고 나머지 손가락 각각 Active MCP Joint에 의한 1자유도로 총 6자유도를 가지고 있으며, 손의 전체 무게는 구동기를 포함하여 443 g이다.

Fig. 2 
Developed multi-DOF hand prosthesis

개발된 다자유도 근전전동의수는 엄지와 나머지 손가락의 마디 내부에 모터가 장착되어 있으며, 모터 구동 시 각 손가락은 굽힘 동작을 구현할 수 있다. 본 연구에서는 독립적으로 손가락 굽힘 동작을 구현하기 위해 5축 모터 드라이버를 가진 제어기를 설계하였다. 설계된 제어기는 근전도를 측정할 수 있는 근전도 센서 인터페이스, MCU, 모터 드라이버, 전류 피드백 센서, 배터리, 그리고 디버거를 위한 블루투스 통신으로 구성되어 있다(Fig. 3 참조). 근전도 센서 인터페이스는 상지 절단 장애인의 잔존 근육에서 발생하는 2개의 근전도 신호를 검출할 수 있도록 설계하였으며, MCU는 8bit CPU를 사용하여 설계하였다. 모터 드라이버는 손가락을 독립적으로 제어하기 위해 5축으로 설계하였고, 전류 피드백 센서는 손가락 굽힘 시 발생하는 모터의 부하를 측정할 수 있도록 설계하였다. 배터리 전원은 7.4V이며, 배터리로부터 MCU로 들어가는 전원은 5 V, 블루투스 통신 전원은 3.3 V로 설계하였다.

Fig. 3 
Controller block diagram

본 연구에서는 Fig. 3을 바탕으로 다자유도 근전전동의수용 제어기를 개발하였다(Fig. 4 참조). 개발된 제어기는 마이크로컨트롤러 Atmega32를 사용하였으며, 근전도 신호 크기에 따라 5개의 모터를 독립적으로 제어할 수 있다. 또한 손가락 굽힘 동작 시 발생하는 모터의 부하를 피드백하여 개발된 의수의 손동작과 파지 동작을 제어할 수 있다.

Fig. 4 
Developed controller

본 연구에서는 개발된 다자유도 근전전동의수와 제어기를 사용하여 손가락의 굽힘 속도, 그리고 파지력을 측정해 보았다. 근전전동의수 손가락의 굽힘 속도는 손동작 및 파지 동작을 구현하기 위한 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 손가락 마디 내부에 장착되어 있는 모터를 구동시켜 손가락의 굽힘 속도를 측정하였다. 손가락 굽힘 동작에 사용되는 모터는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방법에 의해 제어되며, 실험 결과 손가락의 굽힘 속도는 105°/920 msec인 것을 알 수 있었다(Fig. 5 참조).

Fig. 5 
Finger flexion angle ROM and speed

다자유도 근전전동의수는 파지력은 굽힘 속도와 같이 중요한 요소이다. 본 연구에서는 1250 mA 용량을 가지는 배터리를 사용하여 개발된 의수를 구동시키며, 의수 구동 시 배터리의 소모량을 줄이기 위해 파지 구간을 일반 파지 구간과 파워 파지 구간으로 나누었다. 일반 파지 구간에는 듀티비 0-90%까지 순차적으로 증가시키는 PWM 신호를 인가하였고, 파워 파지 구간에는 모터에 순간적으로 높은 전류 인가하기 위해 듀티비 90%를 가지는 PWM 신호를 인가하였다. 파워 파지 구간에서 순간적으로 높은 전류가 필요한 이유는 동력 전달용 웜기어의 역전 방지 특성을 이용하여 순간적으로 높은 전류를 인가할 때마다, 웜기어는 웜휠기어의 치면을 넘어가며, 이 때 역전 방지 특성에 의해 윔기어는 풀리지 않고, 의수의 파지력은 점차 증가한다. 파지력 측정 결과 일반 파지 구간에서는 30 N 이상의 파지력이 측정되었고, 파워 파지 구간에서 120 N 이상의 파지력이 측정되었다 (Fig. 6 참조).

Fig. 6 
Grip force of the developed myoelectric hand prosthesis

사람 손은 33개의 다양한 파지 동작을 구현할 수 있다.¹⁸ 본 연구에서 개발된 다자유도 근전전동의수는 6자유도를 이용하여일상생활에서 의사소통의 수단으로 사용할 수 있는 4개의 손동작 엄지 척(Thumb Up) 동작, OK 동작, 승리(Victory) 동작, 그리고 방향지시(Point) 동작을 구현해 보았으며, 대표 파지 동작¹중에서 파워 파지(Power Grip), 걸기(Hook Grip), 측면 파지(Lateral Grip), 손끝 파지(Tip Grip) 동작을 구현해보았다(Fig. 7 참조).

Fig. 7 
Performed hand gestures and grip motions

근전전동의수는 상지 절단 장애인들의 결손된 손의 잔존 근육에서 발생하는 근전도 신호에 의해 제어된다. 그러나 절단 후 남아 있는 잔존 근육에서 발생하는 근전도 신호의 수는 매우 적기 때문에 상지 절단 절단 장애인들은 의수를 이용하여 다양한 손동작 및 파지 동작을 구현할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 두 개의 근전도 신호만 사용하여 Fig. 7과 같이 8개의 손동작과 파지 동작을 구현하고자 한다. 8개의 손동작 및 파지 동작을 구현하기 위해 본 연구에서는 4개의 동작 상태를 만들었다. 4개의 동작 상태는 근전도 신호에 의해 분류되는 파지 동작 상태와 손동작 상태, 엄지의 내전과 외전 동작으로 분류되는 내전(Adduction) 동작 상태와 외전(Abduction) 동작 상태로 구성되어 있다. 4개의 동작 상태에서 8개의 손동작과 파지 동작을 구현하기 위해 우리는 두 개의 근전도 신호를 Table 1과 같이 3개의 제어 신호로 분류하였다. 근전도 동시신호제어(Co-Contraction, CC)는 의수의 파지 동작 상태와 손동작 상태를 구분하는 신호이며, Open 신호(Open Signal, OS)와 Close 신호(Close Signal, CS)는 8개의 손동작과 파지 동작을 구현할 수 있는 신호이다.¹⁹

상지 절단 장애인들에게 가장 필요한 기능은 물건을 파지하는 기능이다. 따라서 개발된 다자유도 근전전동의수의 기본 동작 상태는 파지 동작 상태로 설정하였다. 파지 동작 상태에서 손동작을 구현하고 싶으면 CC 제어 명령을 인가하면 손동작 상태로 변환된다. 그리고 기본 파지 동작 상태에서 4개의 파지 동작을 구현하기 위해서는 엄지의 내전 동작 상태와 외전 동작 상태로 나누어져야 한다. 내전과 외전 동작 상태는 개발된 다자유도 근전전동의수의 손바닥 내부에 장착되어 있는 홀센서(Hall Sensor, HS)의 값에 의해 상태가 구분된다. Fig. 8과 같이 엄지의 회전 각도가 0°면 외전 동작 상태, 90°면 내전 동작 상태로 구분할 수 있다.

Fig. 8 
Adduction and abduction motion state

본 연구에서는 상지 절단 장애인들이 쉽고 효율적으로 개발된 다자유도 근전전동의수를 사용할 수 있도록 도와주는 직관적 제어 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 의사소통 수단으로 사용되는 4개의 손동작과 4개의 파지 동작을 두 개의 근전도에서 출력되는 세 개의 신호 CC, OS, CS를 사용하여 구현할 수 있다. Fig. 9(a)는 제안한 알고리즘의 상태 천이도를 보여준다. 개발된 근전전동의수는 파지 동작 상태와 손동작 상태를 가지고 있으며, 기본 동작 상태는 파지 동작 상태이다. 파지 동작 상태에서 CC 신호를 입력하면 손동작 상태로 전환되며, 다시 CC 신호를 입력하면 파지 동작 상태로 전환된다. CC 신호에 의해 파지 동작 또는 손동작 상태가 결정되면 손바닥에 장착되어 있는 HS의 값에 따라 엄지의 내전 동작 상태 또는 외전 동작 상태가 결정된다. 만약에 파지 동작 상태에서 HS1가 High, HS2가 Low면 외전 동작 상태가 되며, 이때 OS신호를 인가하면 측면 파지 동작을 구현하며, CS 신호를 인가하면 걸기 동작을 구현할 수 있다. 그리고 파지 동작 상태에서 HS1 Low, HS2가 High면 내전 동작 상태가 되며, 이때 OS 신호를 인가하면 파워 파지 동작을 구현하며, CS 신호를 인가하면 손끝 파지 동작을 구현할 수 있다. 그리고 의수 기본모드 상태인 파지 동작 상태에서 CC 신호를 인가하면 상태에서 손동작 상태로 전환되고, HS1가 High, HS2가 Low면 외전 동작 상태가 되며, 이때 OS 신호를 인가하면 엄지 척 동작을 구현하며, CS 신호를 인가하면 방향 지시 동작을 구현할 수 있다. 그리고 손동작 상태에서 HS1가 Low, HS2가 High면 내전 동작 상태이며, 이때 OS 신호를 인가하면 OK 동작을 구현하며, CS 신호를 인가하면 승리 동작을 구현할 수 있다. 예를 들어 절단 장애인이 개발된 의수를 이용하여 손동작 중 승리 동작을 구현하고자하면, 기본 파지 동작 상태에서 CC 신호를 인가하여 손동작 상태로 전환 시킨 후 엄지를 내전 동작 상태로 만든 후 CS 신호를 인가하면 승리 동작을 구현할 수 있다(Fig. 9(b) 참조).

Fig. 9 
Developed control algorithm