[3D 프린터로 새 삶을 출력하다] 4화 - 전자의수, 스마트폰 가격을 목표로 하다

[만드로용]

원문 링크: http://m.newsfund.media.daum.net/episode/454

[지난 이야기 요약]

지난 2015년 1월 8일, 사고로 두 손을 잃었다는 동갑내기('정상에서' 님)의 사연을 읽게 된 이후 생애 처음으로 3D 프린팅 전자의수 제작을 시작하게 되었다.

단지 돕고 싶다는 마음 하나로 일을 시작했으나 두 분께 의수를 만들어 드리는 과정에서 많은 분들로부터 응원의 메시지를 받게 되었다.

그 결과, 현재는 더 나은 3D 프린팅 전자의수를 제작하는 과정에 있다. '정상에서' 님을 포함한 여러 절단장애인 분들의 더 나은 삶을 위해 3D 프린팅 기술과 함께 주변에서 쉽게 구할 수 있는 부품을 활용하여 전자의수를 제작하는 노하우를 공유하겠다는 목표를 향해 달려가는 중이다. 

- - - 지난 이야기 끝 - - - 

"충격적인 전자의수의 가격"

나는 지난 1개월 보름의 시간 동안 3D 프린터로 생애 처음 의수를 제작하며 많은 것들을 배웠다. 그 중에 가장 충격적이었던 것은 단연컨대 전자의수의 충격적인 가격이었다.

먼저 구글 검색을 통해서도 간단히 전자의수의 가격을 찾아볼 수 있는데, 이를 아래에 보이면 다음과 같다. 

[ 영국의 RSLSteeper 사에서 판매하는 BeBionic 의수의 가격 ]

좀 더 알아보니 위의 가격을 중심으로 저렴하게는 1천만 원, 최첨단의 것은 1억 원이 넘는 전자의수의 세계를 알 수 있었다. 

두 손이 정상인 일반인도 위와 같은 장비를 사려면 몇 년의 돈을 쓰지 않고 모아야 하는데 '손이나 팔이 절단된 장애인 분들께서 살 만한 가격인가?' 라는 생각이 들었다.

그렇다면 국내에서는 얼마나 많은 사람들이 이런 고가의 전자의수를 사용하고 있을지 궁금해졌다. 이 궁금증을 해결하기 위하여 국내의 재활의학과 의사 선생님, 의료보장구 학과 학생 및 졸업생, 그리고 절단장애인협회 들의 인터넷 게시판을 찾아보았다.

아래는 '사단법인한국절단장애인협회'의 자유게시판에 약 1년 전 쯤 올라온 전문가 분의 답변이다. (게시글 바로가기)

[ 한국절단장애인협회 게시판에서 확인한 국내 전자의수 착용자 수 : 4명 ]

"국내에 손 꼽는 전자의수 사용자 수"

위 게시판의 답변에서 확인할 수 있는 바와 같이 3,500만 원 정도의 가격으로 판매되는 고가의 전자의수는 한 손으로 그 수를 셀 수 있을 정도(두 눈을 의심할 정도로 적은 수)로 매우 적은 분들만이 사용 중인 것을 확인할 수 있었다.

'설마 정말 그렇겠어?' 라는 생각에 국내 대학병원 재활의학과에 계신 의사 선생님, 그리고 의료보장구 관련학과 재학생과 졸업생 분과 미팅해 보니, 똑같은 답변을 얻을 수 있었다.

나는 '미국이나 유럽에서도 비싸게 팔리지만 전자의수 사용자 숫자가 꽤 있는 것 같은데, 국내에는 왜 이리 적을까?' 라는 질문을 하게 되었고 이에 대한 몇 가지 답을 얻게 되었다.

1. 선진국 대비 부족한 국내 장애인복지예산 

2. 아직은 부족한 대체 전자의수의 기능 및 사용성

먼저, 2014년 보건복지부 소관 장애인 지출예산은 1조 2,436억 원이고, 국내 장애인의 수는 약 250만 명 정도이다. 

그 중 지체장애인은 130만 명 정도로, 2011년에 발표된 OECD 국가 장애인정책 비교연구 보고서("장애인 복지지표를 통해 살펴 본 OECD 국가의 장애인정책 비교 연구" - 김성희 외 5인, 한국보건사회연구원)에 따르면 우리나라는 대부분의 지표에서 OECD 국가 중 하위권에 머물고 있음을 알 수 있었다.

두 번째는 고가 전자의수를 대체할 전자의수의 부재 상황이다. 비록 국내에서도 10년 넘게 전자의수를 연구해 온 업체가 있으나 아직 기능 및 사용성 측면에서 보완되어야 할 많은 부분이 있다.

정해진 것 없이 '부르는 게 값' 이라는 장애인분들의 이야기를 여러 장애인협회 내 인터넷 게시판에서도 확인할 수 있었다.

"전자의수를 스마트폰 가격으로 살 수 있다면?"

나는 1년 전 이맘때만 하더라도 삼성전자 소프트웨어센터에 근무했었고, 내 본업은 3~5년 후에 필요할 만한 신기술을 고민하고 이를 미래의 스마트폰을 포함한 여러 기기들에서 활용할 수 있는 방안을 모색하는 일이었다. 

약 3년 넘게 스마트폰 R&D와 직접 연관된 과제에 참여했기에 내 상상은 당연하게도 기존에 했던 일들과 연결되어 흘러갔다. '현재는 자동차 한 대의 가격이지만, 만약 스마트폰 가격에 전자의수를 살 수 있다면 어떻게 될까?' 라는 이 즐거운 상상을 해 보면서 지금까지 경험했던 것을 요약해 보았다.

1. 지금까지 내가 만난 (비교적 젊은) 절단장애인 분은 스마트폰을 사용하고 있다.

2. 그분들에게 스마트폰과 같은 가격의 장비를 하나 더 사게 만드는 것은 여전히 큰 비용이다.

3. 하지만 장애인복지 예산을 활용할 수 있는 체계를 만들면 비용 부담을 현저히 줄일 수 있다.

4. 위처럼 '대중적인' 전자의수의 보급이 현실화 된다면, 손/팔 절단장애인 분들이 더 나은 삶을 살 수 있게 되고, 일반 대중의 시선 또한 스마트폰을 바라보듯 자연스러워 질 수 있을 것이다.

위와 같은 약간 비약적인(?) 상상의 끝을 그려 본 후, 이 상상을 빠른 시일 내에 현실화 하려면 어떠한 일들이 필요할 지 생각해 봤다.

참고로 이런 상상은 모두 '정확함 보다는 신속함'이 요구되는 현재의 작업 상 잘못된 부분과 오류가 많을 것이다. 

1. 스마트폰 가격의 전자의수를 만드려면, 기본 재료비는 스마트폰 가격의 1/3 또는 1/4 정도여야 한다. 이는 각 전자의수 부품 가격의 합이 최대 2~30만 원 정도여야 함을 의미한다.

2. 스마트폰 처럼 '편한' 전자의수를 만들어야 한다. 단, 선진사의 특허와 같은 진입장벽을 넘기는 어려울 수 있으니, 매우 기본적인 기능(엄지-검지 쥐기, 손 오므리고 펴기) 제공에 충실하여야 한다.

3. 전문가의 도움을 적절히 받아야 한다. 아직 산업계 지도를 정확히 그릴 수는 없지만 최소한 보건복지부, 병원 재활의학과, 의지보조기 제조사, 장애인협회 및 재단, 재활의학계 연구소 분들의 도움과 함께 시너지를 낼 수 있어야 한다.

4. 단시일 내에 가능한 것부터 단계적으로 진행해야 한다. 먼저 간단한 것부터 제작하여 가능성을 확인한 후, 노하우를 공유하여 많은 기관/업체 및 사람들의 참여를 촉진시켜야 한다.

"3D 프린팅 전자의수 제작 목표의 재 정립"

나는 위의 내용을 종합하여 목표를 다시 정리하게 되었다. 이전까지는 미국 WUSTL (세인트루이스 소재 워싱턴 대학교) 대학생들이 제작한 전자의수의 수준에서 소소한 개선 정도에 머물고 있었지만, 대대적으로 목표를 뜯어고치게 되었다. 

[ 다시 정리한 3D 프린팅 전자의수 제작 목표 ]

변경된 목표를 간단히 요약하면 다음과 같다. 원래는 단 한 사람을 위한 일회성 재능기부였지만, 이제는 누구나 전자의수를 제작할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.   

내 시간의 대부분을 이 프로젝트 진행에 쓰느라 다른 일들을 못하고 있지만, 다행히도 꾸준히 3D 프린팅 강의 등의 수입이 있어서 생활비의 일부를 충당할 수 있는 상황이다.

"전자의수 개선에 집중하기"

위의 목표 달성에 있어서 제일 먼저 할 일은 전자의수를 개선하는 작업이었다. 지난 1월말에 제작한 전자의수를 공학도로서 냉정하게 평가하면 '장난감' 수준이었고, 이것을 현실에서 쓰기는 매우 어려운 상황이었다.

아래와 같이 개선해야 할 항목이 10가지가 넘는데, 다행스럽게도 지난 위키데이 2/3기에 함께 참여하였던 '니오' 님의 본업 외 시간을 이 작업에 투자해 주셔서 함께 작업을 이어나갈 수 있었다. 아래는 당시 개선해야 할 항목들이었다. 

[ 개선해야 할 전자의수의 기능 및 성능 항목들 ]

1. 무게 경량화
- 1월 말 기준으로 한 팔에 장착되어야 할 부품의 무게가 약 1.5kg 이었고, 이를 가능한 한 0.5kg 이내로 줄이는 것을 목표를 정했다.

2. 부피 감소
- 당시 제작한 전자의수는 옷 위에 덧대어지는 방식이었다. 부피가 너무 컸기에 두꺼운 외투를 입고 이를 착용하기가 어려웠다. 따라서 좀 더 날렵한 형태로 양 팔에 거치할 수 있게 설계할 필요가 있었다.

3. 두 손의 외관 개선
- 로봇 손의 형태보다는 사람 손처럼 날렵하고 미려한 모습의 구현이 필요했다. 이를 위해서 언젠가는 미용의수로 불리는 실리콘 의수를 이 위에 끼우는 형식 등으로 개선해야 할 것이다.

4. 엄지-검지의 집게 동작 구현
- 당시에는 모든 손가락을 구부리고 펴는 행위만을 했는데 이를 최소 두 가지의 프로그램 모드로 구분하여 동작하도록 해야 했다. 엄지-검지의 집게형 잡기 동작과, 손가락 전체를 오므려서 가방 등을 잡기 위한 형태로 동작하게 하는 것을 목표로 했다.

5. 의수와 모터 부품의 일체화
- '정상에서' 님의 경우에는 손목부터 절단되었기에 일반적인 '로봇 손' 설계가 적절하지 않았다. 따라서 기존의 설계에서 문제가 되었던 팔 위의 전자회로 부품을 최소화하여 손 안에 넣는 작업을 해야 했다. 고가의 전자의수들도 손 안에 모든 전자 부품을 탑재하지는 않지만, 이 부분에 대해서는 쉬운 형태로의 타협 없이 개선의 목표를 높이 잡고 진행하기로 결정했다.

6. 손쉬운 전자의수 부품 조립
- 당시엔 내가 직접 만들어 드리는 것에 그쳤다. 하지만 변경된 목표에서는 노하우를 공유하여 누구나 만들 수 있게 할 것이기에 별다른 손재주 없이도 전자의수의 각 부품을 조립할 수 있어야 했다. 가장 시간을 많이 소요하는 부분이 손가락 양쪽에 있는 두 가닥의 와이어(고무줄과 낚시줄) 조립으로, 이 부분을 개선할 수 있도록 변경해야 했다.

7. 손가락에 물리적 텐션 주기
- 일반적인 모터로 저렴하게 전자의수의 움직임을 구현했을 때 한 가지 문제가 되는 부분이 있다. 그것은 모터가 움직이려는 각도만큼 손가락이 움직여야만 한다는 것인데, 이 부분에서 적당한 텐션을 주는 것이 필요했다. 서보모터나 DC모터를 사용하면, 특정 각도만큼 움직이지 못 할 경우 과다전류가 흐르거나 모터의 힘이 부족하여 오작동하는 문제가 발생했다. 이를 해결하기 위하여 인장 스프링 또는 쇽업소버 (Shock Absorber)를 사용하는 것을 검토하기로 결정했다.

8. 손쉬운 배터리 교체
- 비록 AA 배터리가 가장 저렴하지만 무게와 부피가 상당하다는 단점이 있었다. 장기적으로는 스마트폰 처럼 배터리 교체가 용이한 구조를 목표로 하며, 최소한 교체를 용이하게 해야 한다는 목표를 세웠다.

9. 무거운 물체 들기
- 일반적인 가방의 무게가 약 8kg 이내이므로, 네 개의 손가락으로 이 정도를 지탱하여 들 수 있는 것으로 목표를 정했다.

10. 근전도 센서 활용
- 당시에는 '정상에서' 님의 근육 상태를 몰랐고 근전도 센서를 구비하기 전 이었기에 가속도/자이로 센서 등을 사용할 수 밖에 없었다. 이제는 근전도 센서를 사용하여 좀 더 편리한 전자의수 작동을 구현하는 것으로 목표를 잡았다.

[ 2015년 1월 말 당시 제작했던 전자의수의 형태 ]

"시행착오를 즐겨보자"

훌륭한 엔지니어라면 시행착오를 줄여야 하겠지만, 아무것도 없는 상황에서 가장 손쉽게 배울 수 있는 것은 바로 시행착오이기에, 짧은 시간에 최대한 많은 시행착오를 거치는 것을 목표로 했다. 특히, 다양한 DIY세계를 섭렵하신 '니오' 님과 함께 작업하였기에, 기계적인 부품들은 손쉽게 구할 수 있었다. 

[ '터미네이터 2'의 주인공 형님께서 보여주시는 로봇 손 ]

시행착오의 과정에서, 특히 남자라면 누구나 보았을 '터미네이터 시리즈'는 로봇 손 제작에 있어서 무시할 수 없을 정도의 임팩트가 있었다. 

비록 '소형화'의 문제 때문에 전자의수 과정 중 시행착오로만 남아있지만, 위 터미네이터 2의 로봇 손처럼 유압식 설계를 시도하기도 했다.

[ 1/10크기의 미니 RC카 제작에 쓰이는 쇽업소버와 모터 구동 테스트 ]

위와 같이 유압식 쇽업소버를 사용하면, 손가락의 텐션을 안정적으로 줄 수 있었지만 크기 문제가 있었다. 게다가 소형화를 하려면 주문제작을 해야 했고 비용이 절대적으로 증가하는 문제가 있었다. 그리하여 이 설계는 잠시 보류하고 일반적인 인장 스프링을 사용하는 것으로 결정했다. 

[ 손가락 텐션을 위해 사용된 인장 스프링의 일부 

(간단해 보이지만 이를 위해 8가지의 서로 다른 스프링의 인장력을 시험했다.) ]

다음으로는 전자의수 구동의 핵심인 모터 부품에 대한 고민을 진행했다. 지난 제작 과정에서 사용한 서보(Servo) 모터는 최대 2kg 정도의 토크로 동작하고, 특정 힘을 넘긴 동작을 할 때에 모터가 비정상 동작하는 문제 또한 갖고 있었다.  

이러한 문제로 인해, 어떠한 모터를 사용할 것인지가 중요 사안 중 하나였다. 고출력 서보모터를 사용하면, 최대 13kg 까지 당길 수 있는 힘이 보장되지만, 크기가 너무 크다는 단점 또한 존재했다.  

[ 다양한 서보모터 간 크기 비교 - 당연히 큰 것이 힘 또한 좋다 ]

어쨌든 위와 같이 다양한 모터를 미리 사두었기에, 가장 큰 서보모터를 사용하면 제어는 상당히 쉽게 해결할 수 있었다. 

하지만 전체적인 부피가 증가하는 단점이 있었기에 더 나은 모터를 찾던 도중, 내가 우연히 사두었던 높은 기어 감속비를 갖는 DC 모터들이 눈에 들어왔고, 이를 사용하기에 이르렀다. 참고로, 기어가 기본 구성에 포함된 DC 모터는 기어드 모터(Geared Motor)로 검색하면 쉽게 찾을 수 있다. 

[ 초소형 기어드 DC 모터 (1:1000 및 1:210의 기어비) 및 일반적인 미니카용 DC모터 비교 ]

사실, 위의 특이한 형태의 기어드 DC 모터를 미리 산 계기는 전자의수가 아니라 '360도 회전 조명'을 만들기 위해서였다. 어쨌든 이 모터가 있었기에 지금의 전자의수 제작을 좀 더 수월하게 진행할 수 있었다. 

아래는 전자의수 제작 과정 중 위의 DC모터와 앞서 설명한 인장 스프링을 사용하여 테스트한 영상이다. 

[ DC 모터를 사용한 전자의수의 일부 구동 테스트 영상 ]

위의 동영상에 보인 것과 같이, 기어드 DC 모터를 사용하면 강한 힘(토크)에 기반하여 천천히 손가락을 움직일 수 있다.

하지만 한 가지 어려운 것이 있는데, DC 모터는 시작과 끝의 개념이 없다는 것이다. 마냥 DC모터를 구동시키면 손가락이 접힌 후에도 계속 움직이려 할 것이기 때문에 이에 대한 보완책이 필요했다.

이를 구현하기 위해서는 손가락이 다 접혔을 때 접혔다는 것을 인지하기 위한 '리미트 스위치' 가 필요했는데 다행히 '니오' 님께서 쓰다 남은 리미트 스위치 5개를 갖고 계셔서 이 문제를 쉽게 해결할 수 있었다. 

아래는 리미트 스위치를 손가락과 만나는 부분에 장착한 모습이다. 

[ 각 손가락 마디 끝 부분에 장착된 리미트 스위치(엔드 스탑)의 형태 ]

[ 각 손가락이 접히면 이런 식으로 스위치가 눌리게 된다. ]

마지막으로, 부피 감소 및 경량화를 위해 모터의 개수를 5개에서 4개 혹은 3개로 줄이는 과정을 진행했다.

또한 줄어든 크기 및 개수의 모터를 손안에 모두 넣기 위한 작업을 진행했고, 아래는 약간 복잡하지만 대부분의 부품이 한 손바닥 안에 장착된 모습을 보인다. 

[ 개선 중인 전자의수: 아직은 복잡하고 기계스러운 내부 구조와 외관 ]

[ 개선 중인 전자의수: 손바닥 부분은 그나마 좀 간단한 모습 ]

[ 개선 중인 전자의수: 2월 24일을 D-Day로 목표하고 달리던 전날 밤의 중간 결과 ]

참고로, 위의 마지막 사진에 있는 D-1의 의미는, 스스로에게 약속한 D-Day인 2월 24일을 기점으로 하루 전 이라는 의미였다. 2월 24일이 D-Day가 된 이유는, '정상에서' 님께 1월 24일에 첫 번째 전자의수를 전달해 드렸는데 1달 후가 이 날이었기 때문이다. 

아직은 많은 부분에서 미완성인 상태이지만 지난 3주 간의 작업을 통하여 꽤 많은 진전이 있었다. 모든 기계구동 장치를 손안에 넣었고, 약 5kg 정도를 무리 없이 들 수 있으며, 의수의 무게를 500g 미만으로 줄일 수 있었다. 

비록 의수의 외관에 신경 쓰진 못하였지만 기능상 해결해야 할 많은 부분에 진전이 있었다는 것에 안도하며 2월 24일의 아침을 맞았다. 2월 24일은 정상에서 님과 약속한 D-Day 이기도 했지만, 경기콘텐츠코리아랩에서 주최하는 '창작자의 날' 행사가 진행되는 날이기도 했다. 

이날 나는 '니오' 님과 함께 행사에 초청되어, 3D 프린팅 전자의수 제작 재능기부 프로젝트에 대해 소개하였고 현재까지 작업한 전자의수를 간단히 시연하였다. 

[ 아직은 미완성인 전자의수의 2차 제작 결과물 - 손등 부분 ]

[ 아직은 미완성인 전자의수의 2차 제작 결과물 - 손바닥 부분 ]

[ 아직은 미완성인 전자의수의 2차 제작 결과물 - 무게 측정 결과 ]

2월 24일의 '창작자의 날' 행사에서 3D 프린팅 전자의수 제작 프로젝트를 200여명의 관람객 분들께 소개하는 과정에서 몇 가지를 알 수 있었다. 

먼저 1) 몇몇 연구 및 지원기관에서 우리의 프로젝트에 관심을 갖고 참관하였고 2) 많은 메이커 분들이 전자의수의 제작에 관심을 보였으며 3) 전자의수의 상품화 시점 등을 문의하는 많은 분들이 있었다는 것이다. 

아직은 로봇 장난감처럼 보인 나머지, 가족 단위로 관람하는 분들의 자제분들이 이 전자의수에 꽤 큰 관심을 보였다는 사실이 약간 재미있는 부분이었다. 

이후의 이야기는 다음 화에서 다루도록 하겠다. 

[최장우]

과정을 보게되니 정말 많은 고민을 하시면서도 적절한 방식으로 문제를 해결해나가시는 모습이 보이네요.
정말이지 대단하고 멋지십니다. 이런 과정, 자료를 공유해주셔서 감사합니다.

[황금햇살]

역시 생생한 경험담 고맙습니다~