연구성과

기계·융합 김기훈 교수팀, 손목 회전 가능한 로봇, 환자에게 새 삶을 주다

2024-01-11 96

[김기훈 교수팀, 손목 회전 모듈을 도입해 의수의 사용성과 효율성 향상]

최근 국내 한 기업이 국가유공자 50명에게 로봇 의수와 의족 등을 선물해 큰 주목을 받았다. 로봇 보조기구는 선천적으로 몸이 불편하거나 불의의 사고로 신체에 이상이 생긴 사람들의 일상 활동을 지원한다. 그러나 로봇 보조기구로 자연스러운 동작을 완벽하게 구현하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아있다.

기계공학과 · 융합대학원 김기훈 교수, 기계공학과 최서영 연구원 연구팀은 로봇 의수에 손목 회전 모듈을 도입해 신체에 무리를 주지 않고, 자연스러운 움직임을 구현하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘신경공학 및 재활 저널’(Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation)’에 게재됐다.

의수는 손 일부가 부분적으로 절단된 사람들의 ‘새로운 손’이다. 하지만 기존 의수의 경우 손상된 부위를 대체하는 목적으로 만들어져 의수와 이어지는 손목을 움직이는 데 제한이 있었다. 그로 인해 환자는 손목을 자유롭게 움직일 수 없고, 이에 대한 보상 행동 패턴을 반복하며 팔과 상반신을 과도하게 사용했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 교통사고로 엄지와 검지를 잃은 환자용 의수를 새로 개발했다. 이 의수는 뇌에서 근육으로 보내는 신호를 센서로 감지해 움직이는데, 기존과 달리 손목 회전 모듈을 도입해 환자가 손목을 자유롭게 움직일 수 있다.

이어 연구팀은 새로 개발한 의수와 기존 의수, 그리고 정상인의 팔과 상반신 근육 움직임을 비교 분석했다. 근전도 신호*1와 모션 캡처 시스템으로 팔과 상반신 근육 활동을 측정한 결과, 손을 뻗어 물건을 잡는 동작에서 정상인과 기존 의수의 경우 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 또, 기존 의수 사용 시 어깨와 상반신 움직임이 정상인 대비 약 260% 더 높게 나타났는데, 이는 의수를 사용할 때 손목 회전이 부자연스러워 팔과 상반신을 무리하게 사용하고 있음을 의미한다. 반면, 연구팀이 개발한 의수를 사용한 경우, 상반신 움직임이 정상 수준으로 돌아왔으며, 효율적이고 자연스러운 움직임이 가능했다. 근골격계에 2차 손상을 주지 않고, 자유로운 움직임이 가능해진 것이다. 연구팀의 의수는 손 기능 평가에서도 기존 의수 대비 기능이 30% 이상 향상됨을 보였다.


이번 연구를 이끈 김기훈 교수는 “로봇 보조기구를 만들 때 단순히 특정 신체 부위를 대체하는 것이 아니라, 이와 연결된 부위도 고려한 통합적인 접근이 필요하다”며, “로봇 의수를 안전하고 오래 사용하며 사용자가 잃어버렸던 삶을 되찾기를 기대한다”는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 STEAM 사업(미래유망융합기술파이오니어): 다수 사용자간 운동-감각 초연결 메타버스 구현을 위한 바이오닉 신경 인터페이스 기술 지원으로 진행됐다.


1. 근전도 신호
신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호로 팔과 상반신의 움직임을 측정하는 데 사용됐다.