신체 힘에 의해 동작되는 부분 의수를 위한 부족구동 손가락 메커니즘

1. 서 론

인간의 삶에 있어서, 손은 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 입 대신 손짓으로 의사를 전달하고, 다양한 물체를 능숙하게 조작하는 등, 주위의 환경과 물리적 상호작용이 가장 많이 이루어진다는 점에서 인간의 신체 중 손은 명백 하게 중요한 부위에 속한다.

산업 재해 및 각종 사고가 빈번해지고, 질병에 의한 합병 증으로 신체 일부를 절단해야 하는 장애인이 증가하고 있 다. 특히 접촉 혹은 비 접촉 상호작용에 대한 심각한 제한 을 받고 있는 손목 이하의 절단장애인이 크게 증가하고 있다. 2014년 보건복지부 장애인 실태조사 정책보고서에 따르면 절단장애인의 비율이 손목 미만 9.4%, 팔꿈치 미 만~손목 1.0%, 팔꿈치 이상 0.5%로 보고된 바와 같이 손목 이하의 절단장애인이 가장 많은 비율을 차지하고 있다^[1]. 더욱이 2011년과 2014년의 보고서를 참고로 손목 이하의 절단장애인 수를 비교해 보면 2011년 115,299명에서 2014 년 129,131명으로 그 수가 지속적으로 증가하고 있음을 나타내고 있다^[1,2]. 위에서 언급된 보고서를 토대로 절단 부위가 팔 아래로 갈 수록 장애인 수의 비율이 높아진다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 손목 아래의 절단장애인 중에 서도 손가락의 일부가 절단 장애인의 비율이 가장 많을 것임을 가늠해 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 절단 장 애인의 가장 기본이 되는 손가락을 대상으로 연구되었다.

손가락 절단의 경우, 많은 장애인들이 미용 의수(cosmetic prosthesis)를 선호한다. 이는 절단 부위에 직접 착용하는 방식으로, 실리콘 재질로 제작되어 인간의 손가락과 유사 한 외형을 가지고 있다^[3]. 의학 기술의 발달로, 절단 부위의 골격에 보철 혹은 고정자를 임플란트(implant) 하여 미용 의수를 탈 부착하는 방법이 보고된 바 있다^[4]. 그러나 손가 락 동작과 같은 기능적 측면이 아닌, 미용에 중점을 두고 제작된 의수이므로 굳어진 형상에 의해 정상 손가락과 같 이 굴절(flexion)이나 신전(extension)될 수 없으며, 이에 따 라 물체를 파지하는 것이 쉽지가 않다.

최근, 손가락 의수의 기능적 측면을 보안하기 위해 많은 연구자들은 로봇 기술을 접목하여 절단된 손가락을 대체 가능한 수동 및 전동 기능 의수를 개발하기 시작하였다. 한양대학교 연구팀은 적층형 4절 링크 메커니즘을 이용하 여 세 개의 마디를 갖는 검지 손가락 의수를 제안 하였으며, 이에 근전도 신호(electromyography)를 취득하여 새로운 제어 방법을 적용함으로써 단순 굴절 및 신전 동작이 아닌, 손가락의 정밀 위치 제어가 가능하도록 개발하였다^[5]. 그 러나 이를 사용하기 위해서 장애인의 절단 부위에 로봇 손가락을 삽입하는 임플란트 수술을 필요로 하므로, 쉽게 접근하기 어렵다. Touch Bionics, Inc.의 i-digits quantum 과 Vincesnt systems, Inc.의 VINCENTpartial은 유사한 방법으로 근전도 신호를 이용하여 손가락 내부 구조에 통 합된 구동기에 의해 손가락의 굴절 및 신전 동작이 가능하 도록 개발되었다^[6,7]. 그러나, 두 제품 모두 손가락의 구조 가 두 개의 마디로 구성되어 있어 세 개의 마디를 갖는 인간의 손가락과는 다른 모습을 갖는다. 또한 각각의 손가 락에 통합된 구동기와 다양한 센서에 의해 그 크기와 부피 가 커지게 되며, 장애인의 숙련도 향상을 위해서 일정한 학습기간을 필요로 한다. Liberating Technologies, Inc.에 서는 구동기와 다양한 센서 장치 없이 오로지 장애인의 손목에 의해 직관적으로 동작되는 의수 m-finger를 개발하 였다^[8]. 이는 전완(forearm)에 고정된 와이어를 손가락 말 단까지 연결함으로써 손목의 굴절 동작에 의해 와이어가 손목의 표면을 감싸면서 당겨짐에 따라 손가락의 굴절과 신전 동작을 구현하였다. 그러나 손가락을 동작시키기 위 하여 손가락 동작과는 관련이 없는 손목의 동작을 이용하 므로 물체를 파지하는 동안 부자연스러운 모습을 갖게 될 우려가 있다.

지금까지 언급된 손가락 수동 및 전동 의수들은 손의 일 부 또는 손가락 전체가 절단되어 기절골(proximal phalanx) 이 너무 짧거나, 소실되어 더 이상 움직일 수 없는 장애인을 대상으로 개발되었다. 손가락 전체가 아닌, 그의 일부가 소실된 경우 남아있는 손가락 마디에 의해 구동기를 구비 할만한 공간이 없을 뿐만 아니라 이를 동작시키기 위한 외부 장치들을 설치하는데 무리가 따른다. 이러한 경우, 손가락 관절을 이용하여 남아있는 기절골 마디의 동작이 가능한 장애인을 대상으로 이를 동력으로 사용하여 손가 락의 굴절과 신전을 구현하는 의수가 개발되었다. 대표적 으로 Didrick에 의해 개발된 X-finger는 견고한 4절 링크 메커니즘을 기반으로 인간과 동일한 세 개의 마디를 지니 고 있다. 기저 링크를 적절하게 설계하여 손에 의수를 고 정시키고 기절골에 해당하는 링크를 소켓(socket)으로 설 계함으로써 이에 절단된 손가락을 삽입하여 손가락 의수 를 동작시키는 방법을 고안하였다^[9]. Macduff에 의해 개 발된 손가락 의수 또한 이와 유사한 방법으로 개발되었으 며 장애인의 절단 부위에 따른 적절한 해결책을 제시하였 다^[10,11].

다시 말해서, 장애인이 남아있는 기절골을 움직일 때, 손가락 의수는 메커니즘의 동작 특성에 의해 중절골과 말 절골(distal phalanx)이 동시에 회전한다. 따라서 실제로 손 가락이 동작하기 위해 필요한 관절을 동력으로 이용함으로 써 인간의 손가락과 유사하고 자연스러운 동작을 구현하였 다. 이러한 손가락 메커니즘은 로봇 분야에서 널리 사용되 는 방법으로, 자유도(degrees of freedom)의 개수와 구동기 의 개수를 동시에 줄이는 방법이며, 주로 하나의 구동기에 의해 모든 관절이 동작하는 로봇의 말단장치(end-effector) 로 사용되었다^[12-13]. 그러나 이러한 방법은 제한된 자유도 에 의해 다양한 외형상을 가진 물체를 감싸 쥐는 동작이 거의 불가능하다. 이를 극복하기 위해 로봇 손을 개발하는 연구자들은 부족구동(underactuation) 메커니즘 방식을 도 입하였다. 부족구동 메커니즘은 자유도의 개수를 줄이지 않고 적은 수의 구동기와 스프링과 같은 수동 소자를 이용 하여 동작을 구현하는 방식이다. 이는 다양한 크기와 모양 의 물체를 파지하고자 할 때 선호되는 접근 방법이다. 많은 연구자들이 링크 기반의 부족구동 방식을 사용한 로봇 손 가락 메커니즘을 제안하였다. 대표적으로 Yao, Laliberté, Birglen, Khakpour에 의해 개발된 손가락 메커니즘은 하나 의 구동기와 스프링을 이용하여 물체의 외형상에 유연하게 적응함으로써 강력 파지가 가능하도록 개발되었다. 그러나 이러한 방식은 외력이 가해지지 않으면 굴절 및 신전되지 않으므로 인간의 손가락 동작과는 다른 모습을 가지게 된 다^[14-16]. 이와 유사한 메커니즘을 기반으로, Hirano는 굴절 과 동일한 동작을 의미하는 케이징 동작(caging motion) 과 강력 파지가 가능한 손가락 메커니즘을 제안하였다^[17]. 회전 관절에 여 스프링을 설치하고 이들의 상대적인 탄성 계수를 적절히 조절하여 케이징 동작을 구현하였으며, 물 체를 파지하는 동안 이와 같은 동작이 갖는 중요성을 비교 실험을 통하여 밝혔다. 그러나, 이 논문에서 제안된 손가락 메커니즘은 굴절이 발생할 때마다 스프링의 변형을 야기시 킨다. 이는 손가락의 굴절 각도에 적합한 탄성 한계를 주의 깊게 고려해야 할 뿐만 아니라, 스프링의 내부 토크를 견디 기 위한 더 큰 입력 토크를 필요로 한다.

본 연구는 Didrick에 의해 개발된 X-finger와 유사한 방 법을 채택하여, 오로지 남아있는 손가락 마디에 의해 손가 락 의수를 동작시킨다. 그러나 굴절 및 신전 동작뿐만 아니 라 다양한 물체의 외형상에 적응 동작이 가능한 손가락 의 수 개발을 목적으로 하며, 이를 위한 손가락 메커니즘을 제안한다. 제안된 메커니즘은 5절 링크를 기반으로 비틀림 스프링(torsional spring)과 스토퍼(mechanical stopper)와 같은 수동 소자가 구비된 3자유도 부족구동 시스템으로서 스프링의 변형 없이 굴절 동작이 가능하다.

본 논문의 2장에서는 본 연구에서 개발된 손가락 메커니 즘의 동작 원리를 설명한다. 3장에서는 기구학 및 링크 길 이의 선정 방법에 대해 기술한다. 4장에서는 선정된 링크 를 이용하여 시뮬레이션을 통해 손가락 메커니즘의 동작을 구현한다. 5장에서는 제안된 손가락 메커니즘을 기반으로 설계된 손가락 의수의 동작 상태를 실험한다. 마지막으로 6장에서는 본 연구에 대한 결론을 기술한다.

2. 손가락 메커니즘

제안된 손가락 메커니즘은 인간과 동일하게 세 개의 마 디로 구성된다. 따라서 손가락 메커니즘에 대한 이해를 돕 기 위해 인간의 손가락과 관련된 해부학적 명칭을 이용하 여 설명한다. 제안된 손가락 메커니즘의 전체적인 도식, 주요 명칭, 동작 원리를 Fig. 1에서 나타낸다.

Fig. 1

Schematic structure of the proposed finger and its motions; (a) initial configuration, (b) contact configuration between the proximal lower link and the object, (c) deformation of torsional spring and openning of mechanical stopper in joint B, (d) final configuration according to the contact with distal phalanx by deformation of torsional spring and openning of mechanical stopper in joint G

3. 손가락 메커니즘의 기구학

링키지 메커니즘이 지닌 링크의 위치 정보와 동작 특 성을 나타내기 위해서 기구학적 해석은 반드시 수행되어 야 한다. 뿐만 아니라, 링키지 메커니즘은 링크의 길이에 따라 다양한 동작으로 표현된다. 따라서 인간의 손가락 이 가진 동작을 의도적으로 구현하기 위해 링크의 길이 를 정의하는 것은 대단히 중요하다.

3.1 기구학 해석

제안된 손가락 메커니즘의 기구학적 특성을 쉽게 나타 내기 위해 Fig. 2와 같이 두 개의 5절 링크와 하나의 4절 링크로 나누어 표현하였으며, 이에 대한 기구학 정보를 표시하였다. δ로 표기된 각도는 세 변을 가진 링크의 내 각을 나타내며, θ는 메커니즘의 동작에 따른 링크의 각 도를 나타낸다. 모든 링크의 길이는 l 로 나타낸다. 원점 인 관절 O에 기준 좌표계가 나타나있으며, 모든 관절은 절대 좌표계 방식을 따른다. 링크 l_g는 평면상에 항상 고정되는 기저 링크를 나타낸다. 또한 관절 B와 G에 표 시된 θ_s1과 θ_s2는 비틀림 스프링이 가지고 있는 각도를 의미한다.

Fig. 2

The proposed finger mechanism divided into three parts with kinematic parameters

Fig. 2(a)는 기절골의 5절 링크를 나타낸다. 기준 좌표 계의 X 축으로부터 링크 l₃까지의 각도 θ₃는 다음과 같이 표현될 수 있다.

$\[ {\theta }_3={\theta }_2-{\theta }_{s1}-\pi \]$

(1)

또한 기절골의 5절 링크 OABCD는 폐루프 결합에 의 해 아래와 같은 방정식으로 표현될 수 있다.

$\[ l_g{e}^{j\delta g}+l_2{e}^{j{\theta }_2}+l_3{e}^{j{\theta }_3}=l_{11}{l}_2{e}^{j\left({\theta }_1-{\delta }_{11}\right)}+l_{41}{l}_2{e}^{j{\theta }_4} \]$

(2)

식 (1)를 참고하면서 입력 각도 θ₁과 비틀림 스프링의 각도 θ_s1가 주어질 때, 식 (2)에 의해 출력 각도 θ₂와 θ₄를 얻을 수 있다.

전 장에서 설명한 중절골의 4절 링크 EIFD는 기절골 의 5절 링크의 입력 구동기와 비틀림 스프링에 의해 발 생되는 출력을 중절골의 5절 링크에 전달하기 위함이다. Fig. 2(b)에서와 같이, 링크 l₄₂는 이전의 θ₁과 θ_s1의 입력 에 관절 D를 중심으로 각도 θ₄로 회전하게 되며, 링크 l₁₃을 기저로 하여 중절골의 4절 링크가 동작하게 된다. 중절골의 기저 링크 l₁₃은 세 변을 가진 기절골 링크의 한 변으로써 θ₁의 출력에 의해 O를 중심으로 회전한다. 이를 고려함으로써 기준 좌표계의 축으로부터 링크 l₁₃ 까지의 각도 θ₁₃가 아래와 같이 표현된다.

$\[ L_{13}{e}^{j\theta 13}=l_{12}{l}_2{e}^{j\left({\theta }_1-{\delta }_{11}\right)}-l_{11}{e}^{j{\theta }_1} \]$

(3)

식 (3)을 이용함으로써 중절골의 4절 링크에 대한 방정 식을 얻을 수 있다.

$\[ l_{13}{e}^{j{\theta }_{13}}+l_5{e}^{j{\theta }_5}=l_{42}{e}^{j\left({\theta }_4-{\delta }_{41}\right)}+l_6{e}^{j{\theta }_6} \]$

(4)

식 (2)로부터 θ₄가 결정되므로, 입력 각도 θ₁이 주어질 때, 두 개의 미지수 θ₅와 θ₆을 식 (4)로부터 얻을 수 있다. Fig. 2(c)의 5절 링크 _FDGHI는 기절골의 5절 링크 _OABCD와 유사하게 구성되어 있으므로, 식 (1), (2)와 동일한 방법으로 방정식을 얻을 수 있다.

$\[ {\theta }_8={\theta }_7-{\theta }_{s2}-\pi \]$

(5)

$\[ l_{13}{e}^{j{\theta }_{13}}+l_5{e}^{j{\theta }_5}+l_{91}{e}^{j{\theta }_9}=l_7{e}^{j{\theta }_7}+l_8{e}^{j{\theta }_8} \]$

(6)

식 (6)으로부터 θ₂, θ₅ , θ_s2가 주어질 때, 두 개의 미지수 θ₇과 θ₉를 얻을 수 있다.

식 (1)~(6)으로부터 입력 각도 θ₁, θ_s1 , θ_s2에 대한 출력 각도 θ₂, θ₃, θ₄, θ₅, θ₆, θ₇, θ₈, θ₉가 결정됨에 따라 모든 링크와 세 변을 가진 링크의 내각이 주어질 때, 손가락 메커니즘의 동작 상태를 시뮬레이션 할 수 있다. 비틀림 스프링의 각도 θ_s1과 θ_s2는 물체의 접촉 여부에 따라 입 력 변수로 작용한다. 이는 물체의 위치와 크기 정보가 주어질 때, 손가락 메커니즘의 동작 상태에 따라 얻어지 는 기구학적 정보를 통해 결정될 수 있다.

3.2 링크 디자인

Fig. 3은 임의의 링크가 갖는 초기 위치와 최종 위치를 나타낸다. 입력의 초기 각도^°θ₁과 최종 각도 ^eθ₁에 대하 여 출력 각도^°θ₂와 ^eθ₂를 정의함으로써 이에 적합한 초 기 위치의 관절 A_o, B_o, C_o와 최종 위치의 관절 A_e , B_e , C_e를 갖도록 하는 링크의 길이를 선정할 수 있다. 입력 °θ₁, ^eθ₁와 출력^°θ₂, ^eθ₂가 주어질 때, C_o, C_e의 위치를 다음과 같이 표현할 수 있다.

$\[ l_1{e}^{jm{\theta }_1}=\overrightarrow{w}+l_2{e}^{j^m{\theta }_2}\hspace{0.17em}\text{for}\hspace{0.17em}m=o,e \]$

(8)

Fig. 3

Example for link design

여기서 $$ \overrightarrow{w}$$ 는 A_m과 B_m사이의 변위벡터를 나타내며, 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.

$\[ \overrightarrow{w}{=}^m{\overrightarrow{P}}_B{-}^m{\overrightarrow{P}}_A=\left[\begin{array}{c}{}^m{x}_B{-}^m{x}_A\\ {}^m{y}_B{-}^m{y}_A\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_m\\ V_m\end{array}\right] \]$

(9)

식 (9)를 참고하면서 식 (8)의 벡터를 구성하는 x성분과 y성분을 각각 제곱하여 더하면 l₁에 대한 방정식을 얻을 수 있다.

$\[ l_1^2=R_m^2+2l_2\left(U_m{\text{cos}}^m{\theta }_2+V_m{\text{sin}}^m{\theta }_2\right)+l_2^2 \]$

(10)

식 (10)으로부터 초기 위치와 최종 위치에 대한 두 개의 방정식을 얻을 수 있으며, 이를 통해 초기 위치와 최종 위치 를 갖는 l₂의 길이를 얻을 수 있다.

$\[ l_2=\frac{R_0^2-R_e^2}{2\left(U_e{\text{cos}}^e{\theta }_2+V_2{\text{sin}}^e{\theta }_2-U_o{\text{cos}}^o{\theta }_2+V_o{\text{sin}}^o{\theta }_2\right)} \]$

(11)

이러한 방법을 이용하여, Table 1과 같이 제안된 손가 락 메커니즘의 링크의 길이를 선정하였으며, 인간의 손 가락과 유사한 동작이 가능하도록 구현하였다. Fig. 4는 다양한 손가락의 동작과 이를 모방하는 손가락 메커니즘 의 모습을 그림의 우측 하단에 나타내었다. Fig. 4(a)는 손가락을 곧게 뻗은 모습을 나타내며, 모든 손가락 동작 의 기준이 된다. 각각의 기절골, 중절골, 말절골을 의미 하는 l₁₂, l₅ , l₉₂의 길이는 임의의 성인 남자의 검지 손가 락 길이를 측정하여 정의하였다. 또한 손가락의 높이와 설계상의 링크 간섭 및 각 관절 사이의 거리를 고려함으로 써 l_g , δ_g, δ₁₁, δ₄₁, δ₉₁를 선정하였으며 초기 자세로부터 관절 A와 D가 X 축과 동일 선상에 위치하도록 설계함으로 인해 l₁₁, l₁₃이 정의되어 진다. 미리 선정된 링크 및 삼각 변의 내각과 이들의 동작 범위에 따라, 식 (10), (11)의 U_m, V_m, R_m, $$ {}^m{\theta }_2$$가 정의될 수 있다. Fig. 4(b)는 모든 손가락 마디가 굴절되어 주먹을 움켜 쥔 Full-fist 자세를 나타낸다. 손가락 메커니즘은 비틀림 스프링의 장력에 의 해 두 개의 자유도가 구속됨에 따라 오직 중수 수지 관절 에 의해 하나의 자유도를 가지고 굴절 동작을 모방하므로, 가상의 링크 l_υ1과 l_υ2의 길이가 설계 변수로 작용한다. 손가락 메커니즘의 기절골 l₁₂가 X 축으로부터 -80 [deg] 까지 회전될 때, 중절골 l₅ , 말절골 l₉₂가 각각, -180 [deg], -270[deg]의 최종 각도를 갖도록 l_υ1, l₄₁, l₄₂, l₄₂, l₆, l_υ2, l₉₁가 정의된다. Fig. 4(c)에서는 기절골의 동작 없이, 오로 지 중절골과 말절골이 굽어지는 Hook-fist 자세를 나타낸 다. 이를 위해, 중수 수지 관절의 자유도가 초기 자세로 구속된 상태에서 기절골 하단 링크 l₂가 X 축 방향과 평행 이 되었을 때, 비틀림 스프링이 변형됨으로써 중절골이 -80 [deg]를 갖도록 l₂과 l₃가 설계되었으며, 이전에 설계 된 링크의 체결에 의해 말절골은 X 축으로부터 -153.72 [deg]를 회전한다. 이때, 그들 사이의 각도 θ_s1 또한 114.20 [deg]로 정의된다. 이는 손가락 메커니즘이 Fig. 3(b)와 같 이 동작 할 때, 비틀림 스프링이 유지해야 할 초기 각도를 나타내며, 스토퍼가 설치될 각도를 의미한다. Fig. 4(d)에서 와 같이 인간의 손가락이 지닌 말절골의 해부학적 특성에 의해 독립적인 동작이 어려울지라도, 중절골이 외부의 접 촉 혹은 힘으로부터 구속됨에 따라 굴절이 이루어질 수 있 으며, 이를 DIP-blocking 자세라 한다. 그러므로 Fig. 4(c) 의 동작 방법과 유사하게, 링크 l₇이 X 축과 평행이 되었을 때, 말절골이 -35[deg]를 갖도록 l₇과 l₈이 설계되었으며, 비틀림 스프링 또는 스토퍼의 초기 각도 θ_s2는 115.27 [deg]를 갖는다.

Table 1

Kinematic parameters of finger mechanism

Fig. 4

Configurations of index finger and finger mechanism mimicking its postures; (a) extension, (b) full-fist, (c) hook-fist, (d) DIP-blocking postures

지금까지 언급된 스토퍼의 역할은 기절골에 전달되는 외력에 의해 손가락의 형태가 무너지는 것을 방지한다. 다시 말해서, 제안된 손가락 메커니즘을 구성하는 5절 링크는 기본적으로 2 자유도를 가지므로 Fig. 5와 같이 A관절로부터 손가락이 굴절하면서 기절골에 물체가 접 촉되고 외력이 작용함에 따라, 이를 보상하기 위해 B관 절을 포함하는 링크가 내부로 굽어지는 양상을 나타낸 다. 이로 인하여 A관절에서 기절골로 전달 되는 토크를 물체에 오롯이 전달할 수 없으며, 결국 물체로부터 말절 골이 벗어나게 된다. 이를 지탱하기 위해 스토퍼가 비틀 림 스프링과 함께 설치되며, 위에서 정의된 초기 각도를 유지함에 따라 물체에 의한 외력이 말절골에 작용할 지 라도 기절골의 동작이 유지되는 한, 손가락 메커니즘은 물체와 접촉 직전의 모습을 그대로 유지하게 된다.

Fig. 5

Role of the mechanical stopper; preventing from bending the fingertip back

4. 시뮬레이션

본 장에서는 Table 1에 정의된 링크 길이를 토대로 기 구학적 해석을 통해 앞서 언급된 손가락 메커니즘의 다양 한 동작을 구현하고 시뮬레이션을 통하여 동작 특성을 파악한다.

4.1 자유동작(natural motion)

손가락이 주먹을 쥐고 펴듯이 자연스럽게 굴절되고 신전 되는 동작은 손가락 의수 개발에 있어서 가장 중요한 동작 중 하나이다. Fig. 6은 제안된 손가락 메커니즘의 굴절 동작 을 나타낸다. 기절골 링크가 중수 수지 관절을 중심으로 회전함에 따라 중절골과 기절골이 구속된 링크들에 의해 동시에 회전함으로써 굴절 및 신전 동작을 수행한다. 이 때, 비틀림 스프링이 연결된 두 개의 링크 관절은 장력에 의해 스토퍼가 지닌 초기 각도를 유지한다고 가정하였다. 이를 수행하는 동안 손가락 마디의 회전 각도를 Fig. 7에 나타내었다. 기절골이 -80 [deg]를 회전함에 따라, 중절골과 말절골은 각각 -180 [deg], -270 [deg]에 도달한다. 따라서 손가락 메커니즘은 세 개의 자유도 중, 능동 관절에 의한 하나의 자유도를 사용함으로써 Fig. 4(b)의 인간의 손가락 과 유사한 동작을 수행함을 알 수 있다.

Fig. 6

Natural motion

Fig. 7

Joint angles of phalanges during natural motion

인간의 손가락은 Fig. 6에서 수행된 동작뿐만 아니라, 물체를 파지함에 따라 발생하는 구속이나 의도적인 행위 에 의해 각기 다른 동작을 수행할 수 있다. 이러한 동작은 주로 물체를 파지할 때 무의식적으로 사용되며 본 논문 에서는 Fig. 4(c)와 (d)에서 언급된 두 가지의 동작으로 나누어 구현하고자 한다. 이러한 동작을 제안된 손가락 메커니즘이 모방하기 위해서, 우리는 이미 기절골 하단 링크와 중절골 하단 링크의 설계 조건을 3.2절에서 다루 었다. Fig. 8과 9는 능동 관절에 의한 자유도가 배제된 상태에서 기절골 하단 링크 혹은 중절골 하단 링크에 외력이 전달되어 수동 소자가 연결된 관절이 활성화됨으 로써 각기 하나의 자유도를 가지고 이러한 두 가지의 동작을 수행하는 모습을 나타낸다. 이 동작은 자연스러 운 굴절 및 신전에는 기여하지 않으며, 이후 언급될 물체 파지 동작에서 중요하게 다루어진다.

Fig. 8

Flexion motion of middle and distal phalanges by proximal lower link

Fig. 9

Flexion motion of distal pahalanx by middle lower link

4.2 파지동작(self-adaptive grasping motion)

3 자유도 시스템에 의해 Fig. 6, 8, 9의 동작을 구성함 에 따라 유연성을 얻게 된 손가락 메커니즘은 이를 적절 하게 이용하여 다양한 형상을 가진 물체를 감싸 쥐는 것이 가능하게 된다. 즉, 능동 관절의 동력으로부터 비틀 림 스프링의 변형을 일으키며 말절골이 물체에 접촉하기 까지 물체의 외형에 손가락 메커니즘이 스스로 적응하며 접촉점을 증가시킨다. 손가락 메커니즘이 평면상의 물체 를 움켜쥐는 동작을 구현하기 위해서 대표적으로 원형의 물체를 이용한다. 이는 원과 직선 사이의 접선에 대하여 기하학적 표현이 수월하기 때문이다. 시뮬레이션의 편의 를 위하여 기절골 하단 링크, 중절골 하단 링크, 말절골 에 각각 하나의 접촉점이 발생하게 되며 순차적으로 발 생한다. 물체 파지 동작을 구현하는 동안 동력 전달에 의해 기절골은 중수 수지 관절을 중심으로 말절골과 물 체와의 접촉이 완료될 때까지 지속적으로 회전한다. 시 뮬레이션에 사용된 물체는 20 [mm]의 반지름을 가지고 있으며, 원점으로부터 x축으로 25 [mm], y축으로 -30 [mm]에 위치해 있다. Fig. 10은 원형 물체에 손가락이 움켜쥐는 과정을 도시하고 있으며, 이 과정에서 발생하 는 마디의 각도와 변형된 비틀림 스프링의 각도를 Fig. 11과 12에서 각각 나타내고 있다. 손가락 메커니즘은 초 기 위치로부터 기절골이 회전함에 따라 Fig. 6과 7에서와 같이 굴절 동작과 동일한 양상을 보인다. 기절골 하단 링크와 원형의 물체가 첫 번째 접촉이 발생할 때, Fig. 12에서와 같이 기절골 하단 링크에 연결된 비틀림 스프 링의 각도 θ_s1이 증가하기 시작한다. 이에 따라, Fig. 11 에서처럼 손가락 메커니즘은 기절골의 5절 링크에 동작 상태의 변화를 가져오게 되며 중절골과 말절골이 지속적 으로 회전한다. 지속적인 기절골의 회전으로 인하여 중 절골 하단 링크 또한 물체에 접촉하게 되고, 이에 연결된 비틀림 스프링의 각도 θ_s2가 증가하게 된다. 마지막으로 물체에 의한 두 개의 스프링의 변화와 하나의 동력 전달 로부터 3 자유도를 구현함으로써 말절골이 원형 물체와 접촉할 때까지 굴절한다. 손가락의 파지 동작이 완료될 때, 기절골은 -7.92 [deg]까지 회전하게 되며, θ_s1과 θ_s2는 각각 128.34 [deg]와 123.94 [deg]까지 증가한다. 이 밖에 도 원형 물체의 크기와 위치를 변화시켜 동일한 방법으 로 Fig. 13과 같이 구현하였다. 따라서 손가락 메커니즘 은 다양한 모습을 가지고 여러 환경에서 움켜쥐는 동작 이 가능함을 알 수 있다.

Fig. 10

Self-adaptive grasping motion

Fig. 11

Joint angles of phalanges during grasping motion

Fig. 12

Spring-loaded joint angles during grasping motion

Fig. 13

Self-adaptive grasping motion with a variety of cylindrical objects

5. 적용 실험

제안된 손가락 메커니즘을 기반으로 검지 손가락이 절단되었으나 기절골이 충분히 남아있어 중수 수지관절 을 이용하여 기절골의 굴절이 가능한 장애인을 대상으로 의수를 개발하였다. 그러나, 본 실험에서는 장애인의 절 단된 손이 아닌, 선형 구동기가 내부에 장치되어 절단된 기절골의 굴절 및 신전 동작을 모방하는 손 인형을 Fig. 14와 같이 제작하였다. 손가락 메커니즘의 동작에 있어서 물리적 간섭과 같은 현실적인 문제점을 고려하여 Fig. 15 와 같이 손가락 의수를 개발하였다. Fig. 2에서 기저역할 을 하는 링크 l_g를 연장하여 ‘anchor-base’를 설계하였다. 또한 l₁₂를 포함하는 기절골 링크를 이용하여 ‘proximal socket’을 설계하였다. anchor-base를 손등과 손바닥에 고정시키고 proximal socket에 장애인의 남아있는 기절 골을 삽입한다. Fig. 16(a)와 같이 남아있는 기절골을 굴 절 또는 신전함에 따라 손가락 의수에 동력이 전달되어 Fig. 6과 동일한 동작으로 손가락 의수의 전체 마디가 자연스러운 굴절 및 신전을 구현한다. Fig. 16(b)는 개발 된 의수의 굴절 및 신전 동작을 나타낸다. Fig. 17은 구동 기가 아닌, 외부에서 작용하는 힘에 의해 손가락 의수의 중절골 및 기절골이 굴절하는 모습을 나타낸다. Fig. 8과 동일한 동작으로 기절골 하단 링크에 힘이 작용할 때, 중절골과 말절골이 굴절하는 모습을 Fig. 17(a)에서 볼 수 있다. 이와 유사한 방법으로 Fig. 17(b)는 Fig. 9와 동일하게 동작함을 나타낸다. 이러한 동작을 이용함으로 써 Fig. 18과 같이 손가락 의수가 물체의 외형상에 적응 하는 동작을 가지게 된다.

Fig. 14

Dummy hand with actuation

Fig. 15

Prototype of partial prosthesis for index finger

Fig. 16

(a) dummy hand to mimic the finger amputation (b) index finger prosthesis equipped in the dummy hand

Fig. 17

Compliant motion by external forces without actuation

Fig. 18

Grasping motion

6. 결 론

본 논문은 하나의 능동 관절과 두 개의 수동 관절로 구성된 부족 구동 3 자유도 시스템의 손가락 메커니즘을 제안하였다. 우리의 목적은 기절골의 일부가 절단된 장 애인을 대상으로 동력에 의해 굴절 및 신전뿐만 아니라 외력에 의해 인간의 손가락이 표현 가능한 동작을 구현 함으로써 물체의 다양한 외형상에 적응이 가능한 손가락 의수를 개발하는 것이다. 이를 위하여 제안된 손가락 메 커니즘의 전체적인 동작 원리를 설명하고, 기구학적 해 석 및 링크 길이 선정 방법을 기술하였다. 또한 시뮬레이 션을 통하여 제안된 손가락 메커니즘의 동작 특성을 확 인하였다. 이를 기반으로 설계된 검지 손가락 의수가 3D 프린트를 이용하여 제작되었으며 실험을 통해 손가락 의수 동작의 효용성을 확인하였다.

그러나, 의수 개발에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나 는 어떻게 의수를 견고하고 안정적이며 생활의 불편함을 최소화 하면서 장애인의 환부에 장착하도록 만들 수 있 는지 이다. 본 논문에서는 오로지 손가락 메커니즘의 동 작에 대해서만 기술하고, Anchor-base라 하여 단순한 형 태의 임시 고정 장치로 제작하였으나, 이를 의수로 탈바 꿈하기 위해서 다양한 재질과 형상, 혹은 이를 위한 메커 니즘, 심지어 장착 위치의 변경 등을 다양하게 고려해야 한다. 또한 제안된 손가락 의수의 실용화 가능성을 검증 하기 위해서 본 논문에서 소개된 실험을 위해 제작된 손 인형이 아닌, 실제 절단 장애인에 의해 시연되어야 한다. 링크 길이 선정에서부터 의수 설계에 이르기까지 본 논문에서 기술한 내용을 토대로 절단 장애인의 환부 에 적합하도록 손가락 의수가 제작되어야 한다.

Acknowledgments

This work was supported in part by the Convergence Technology Development Program for Bionic Arm through the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Science, ICT & Future Planning (NRF2015M 3C1B2052811) and (NRF-2013R1A1A2010192) funded by National Research Foundation of Korea.

References

• S. Kim, Y. Lee, J. Whang, M. Oh, M. Lee, N. Lee, D. Kang, S. Kwon, O. Kyung, S. Yoon, and S. Lee, “the actual survey data on the disabled in Republic of Korea reported in 2014,” Ministry of Health and Welfare, Korea Institute for Health and Social Affairs, 2014. (in Korean)
• S. Kim, Y. Byeon, C. Son, Y. Lee, M. Lee, S. Lee, D. Kang, S. Gun, H. Oh, S. Yoon, and S. Lee, “The actual survey data on the disabled in Republic of Korea reported in 2014,” Ministry of Health and Welfare, Korea Institute for Health and Social Affairs, 2014. (in Korean)
• M.E. Leow, and R.W. Pho, “Optimal circumference reduction of finger models for good prosthetic fit of a thimble-type prosthesis for distal finger amputations,” J. rehabilitation research and development, vol.38, no.2, pp.273-279, 2001.
• P. Manurangsee, C. Isariyawut, V. Chatuthong, and S. Mekraksawanit, “Osseointegrated finger prosthesis: An alternative method for finger reconstruction,” The Journal of hand surgery, vol.25, no.1, pp.86-92, 2001. [https://doi.org/10.1053/jhsu.2000.jhsu025a0086]
• G. Jang, C. Lee, H. Lee, and Y. Choi, “Robotic index finger prosthesis using stackable double 4-BAR mechanisms,” Mechatronics, vol.23, no.3, pp.318-325, 2013. [https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2013.01.006]
• 2016. 7. 14. http://touchbionics.com
• 2016. 7. 14. http://vincentsystems.de
• 2016. 7. 14. http://liberatingtech.com
• Didrick, Daniel Dean, “Articulated artificial finger assembly,” US Patent No. 6908489, 21 June. 2005.
• Macduff, Charles Colin, “Mechanical prosthetic finger device,” US Patent No. 8337568, 25 December. 2012.
• Macduff, Charles Colin, “Bio-mechanical prosthetic full finger,” US Patent Application No. 14/230,095, 9 Oct. 2014.
• N. E. N. Rodriguez, G. Carbone, and M. Ceccarelli, “Optimal design of driving mechanism in a 1-DOF anthropomorphic finger,” Mechanism and Machine Theory, vol.41, no.8, pp.897-911, 2006. [https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2006.03.016]
• S. Yao, M. Ceccarelli, G. Carbone, and Z. Lu, “An Optimal Design for a New Underactuated Finger Mechanism,” IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, pp.2391-2396, 2009.
• T. Laliberté, and C.M. Gosselin, “Simulation and design of underactuated mechanical hands,” Mechanism and machine theory, vol.33, no.1, pp.39-57, 1998. [https://doi.org/10.1016/S0094-114X(97)00020-7]
• L. Birglen, and C. Gosselin “Geometric Design of Three- Phalanx Underactuated Fingers,” J. Mechanical Design, vol.128, no.2, pp.356-364, 2006. [https://doi.org/10.1115/1.2159029]
• H. Khakpour and L. Birglen, “Numerical Analysis of the Grasp Configuration of a Planar 3-DOF Linkage-Driven Underactuated Finger,” J. Computational and Nonlinear Dynamics, vol.8, no.2, pp.021010.1-8, 2012. [https://doi.org/10.1115/1.4007359]
• D. Hirano, K. Nagaoka, and K. Yoshida, “Design of Underactuated Hand for Caging-Based Grasping of Free-Flying Object,” Int. Symp. System Integration, pp. 436-442, 2013. [https://doi.org/10.1109/SII.2013.6776675]