▪ 3D 보조기기 정보

1. 기기 개발 이유 및 사용 목적을 자세히 적어주세요.

최근 과학기술의 발전으로 사회적 약자들을 배려하는 손길이 곳곳에 미치고 있다. 그중에서도 신체 결손, 특히나 하체 마비를 가진 장애인을 위한 특수 의족들이 많이 개발되고 있다. 이들은 신체적 결함을 극복해 걷고 뛰는 것을 넘어서 등산, 수영, 스키 등 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 편의성을 제공한다. 바깥으로 보이는 디자인 또한 장애를 가지고 있음을 알 수 없을 정도로 훌륭한 미관의 제품들이 출시되고 있다. 하지만 이러한 제품들의 대다수는 착용자의 꾸준한 노력이 필요하다. 우리는 걷는다는 감각에 매우 익숙하다. 하지만 인체의 다리는 정교하게 설계되어 있으며 의족은 이러한 인체의 다리에 비하면 완벽하게 대체될 수 없다. 그렇기 때문에 하체 결손 장애인의 걷는 감각은 비장애인과는 분명히 다를 것이다. 단순히 무의식적으로 행했던 행동들이 그들에겐 매우 낯설고 어려운 운동이 되는 것이다. 현재 상용화된 의족은 관절 구조가 기계적인 조인트 형으로 되어 있으며, 이는 사람의 관절 구조와는 미묘하게 다르고, 제어 방식도 다르기 때문에 적극적이고 유동적으로 움직이기 힘들다는 점이 있다. 걷는 형태가 불안정하여 외적으로 좋은 모습이 되지 못하고, 기능적으로도 걷다가 위험에 빠질 수 있는 등 여러 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하여 장애인들의 더욱더 수월한 의족 착용 생활에 도움을 주기 위해 다음과 같은 아이디어를 제시한다. ‘스마트 의족 보조 신발’, 이 장비는 의족에 장착하는 기기로, 하체 결손 장애인이 의족을 착용하고 걸을 때 느낄 수 없는 발의 감각을 구현하기 위해 개발되었다. 다수의 압력 센서로 지면에 닿는 곳의 압력을 인식하여 현재 어떻게 걷고 있는지, 신발 밑에 장애물이 존재하는지, 현재 지형 상태가 어떠한지를 분석할 수 있으며 그 정보를 착용자의 스마트폰으로 실시간으로 모니터링이 가능하게 해준다. 장치의 측면부에는 자율주행이 자동차에 많이 쓰이는 LiDAR 센서를 장착하여 근처에 장애물과 지형을 정확히 파악하게 해준다. 센서가 스캔한 정보를 토대로 주위 지형지물 분석 도를 착용자의 스마트폰에 전송한다.  이를 활용하여 착용자는 자신의 보행 형태, 자신이 걷고 있는 지형, 이후 보행 자세의 예측 등을 효과적으로 파악할 수 있으며 이는 의족을 착용하는 데 있어 효율적인 도움을 줄 수 있다. 현재는 단순히 주변 지형 파악 단계에 그쳤지만, 추후 전기적 자극을 구현하여 실제로 발의 감각을 가상적으로 느낄 수 있게 개발할 수 있다. 또한 LiDAR 센서를 기초단계밖에 활용을 못하였지만 이 또한 확장하여 자율주행이 자동차와 같이 자동보행 의족이나 로봇공학에 접목해 개발할 수 있을 것이다.  이와 같이 의족을 보조할 수 있는 스마트 신발을 개발할 수 있다면 수많은 하지 장애인들이 의족에 빨리 적응할 수 있을 것이며 나아가 하지 장애인뿐만 아니라 시각 장애인, 거동이 불편한 노인 분들 에게도 걷는 데 큰 도움이 될 수 있을 것이다.

2. 사용 방법을 자세히 적어주세요.

스마트 의족 보조 신발을 의족의 발에 해당하는 부분에 신발 신듯이 착용한다. 이후 스마트폰과의 페어링을 통해서 실시간으로 모니터링이 가능하다. 이 기기를 착용하고 걸으면, 신발이 지면과 닿으면서 신발이 받는 압력을 촘촘하게 배치된 압력 센서가 인식을 하게 된다. 이때 압력 센서마다 입력되는 값이 다르며, 입력되는 값의 행렬에 따라 현재 상황을 분석한다. 이을 위해 많은 정보를 학습시키는 방식으로 딥러닝이 가능하며 많은 데이터가 쌓일수록 더 정밀한 보행 분석이 가능하다. 밑창은 육각형 기둥 구조를 촘촘히 나열하여 시판 운동화와 같이 높은 접지력을 구현하여 더 안정적인 걸음이 가능하도록 하였다. 또한 보행자의 충격 완화를 위해 밑창과 신발 신는 사이의 공간에 쿠션 층을 구성하였다. 신체의 다리는 충격을 완충하는 부분이 다양하게 존재하지만, 의족의 경우 기계 부품이기 때문에 걸을 때 발생하는 충격을 전혀 흡수해주지 못하기 때문이다. 기존 의족을 착용할 때 푹신한 신발을 신고 있으며 이에 맞춰 충격을 완화해 줄 쿠션 층을 구성하였다. 측면에는 LiDAR 센서를 구성하여 걸을 때마다 신속하게 주위 지형지물을 스캔한다. LiDAR 센서는 광학을 이용한 일종의 레이더이며 높은 분해능과 원거리 측정, 높은 내구성의 장점이 있는 센서이다. 이를 다양한 각도에 배치하고 신발 구조 안에 매립하여 충격으로부터 센서를 보호하고 광학적 자극 출입 공간을 투명한 판에 위치해 센서가 정확히 작동하게 한다. 이렇게 LiDAR 센서가 스캔한 정보를 토대로 주위의 지형지물 지도를 제작하여 사용자의 스마트폰으로 실시간으로 모니터링이 가능하게 한다. 메인 처리 보드는 Wi-Fi, 블루투스를 접목한 ESP32 보드를 사용하여 기존 제어보드 보다 높은 성능을 가지게 하였으며, 이들은 안정적으로 정보를 처리하고 수월하게 모니터링이 가능하게 한다. 또한, 블루투스로 스마트폰으로 연결할 수 있으며 실시간으로 모니터링이 가능하며 이는 스마트폰에 필수가 된 현대에서 접근성을 높여주는 장점이 된다. 안에 1,000mAh 배터리를 내장하여 1회 충전으로 긴 시간 동안 사용할 수 있도록 했다.

3. 기타사항(사용 경험, 적용사례, 발전방안 등)

착용자에게 실제 걷는 듯한 느낌을 구현하기 위해 제시한 스마트 신발은 인공 발에 근접한 형태로 설계되었다. 하지만 이러한 설계는 아직 기초 단계이기 때문에 이를 더 발전 시켜 의족과 융합한다면 더 실제 같은 의족을 개발할 수 있을 것이다. 여기서 전기 자극 및 신경 감각을 구현한다면, 소재만 다르고 실제 다리처럼 작동하는 의족을 만들 수 있을 것이다. 이를 로봇 공학과 연관을 지어보자면 이족 보행 로봇의 개발에도 큰 도움이 될 수 있다. 우리가 설계한 의족이 만들어낸 데이터는 발에 가해지는 힘을 인식하여 어떻게 로봇의 하부 모터를 움직여야 하는지 판단하게 하고 로봇 발 주위의 지형지물을 인식해서 어떤 경로로 걸어야 할지 결정하는 알고리즘을 개발하는 데 도움을 줄 수 있다. 이로 인해 더욱 인간 같은 휴머노이드를 개발할 수 있을 것이다. 또한 이를 인간에게 적용한다면, 이 신발을 착용 시켜 사람들의 보행 정보를 수집할 수 있을 것이며, 이를 학습하여 어린이 및 걷는 자세 교정이 필요한 사람들에게 제대로 된 자세의 보행을 가르쳐 줄 수 있을 것이다. 또한 스포츠 분야에서는 각종 운동의 메커니즘에서 발에 어떤 식으로 힘이 가해지고 힘을 내는지 분석하여 이용해 체육학의 발전을 가져올 수 있을 것이다. 이처럼 이 기기의 발전 가능성은 무궁무진하며 이러한 과학기술의 발전은 장애인들의 불편함을 해소할 것이며, 비장애인과 장애인의 차이가 없이 모두가 불편함 없는 사회를 만들어나갈 수 있을 것이다.

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