최근 노인인구의 증가로 인해 고령자를 위한 보행 보조기에 대한 관심이 증가되고 있다. 하지만 대부분의 경우 동력이 없는 시스템으로 경사 등의 공간에서 취약성을 가지며, 사용자가 다리에 힘이 없을 경우 편하게 이동할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 동력형 보행보조기에 대한 관심이 증가되고 있다. 대부분의 보행보조기의 사용자는 고령자 이며 사용이 간편하며 편리해야 한다. 따라서 본 논문에서는 사용자의 편리성 증진을 위해 다양한 센서 즉, 가변저항, 힘센서, 스트레치 센서 등을 사용하여 사용자의 보행의지를 파악하기 위한 장치를 개발하였다. 또한 개발된 장치에 대한 평가를 하기위해 센서의 응답성 및 복원성을 20ms단위로 측정하여 비교 평가하였다. 결과적으로 가변 저항형 핸들바의 응답성은 420ms 이며 복귀성은 380ms이고 힘센서를 이용한 핸들바 응답성은 320ms 이며 복귀성은 220ms이다. 스트레치 센서의 응답성은 160ms, 복귀성은 140ms으로 가장 뛰어난 것을 검증하였다.
최근 노인인구의 증가로 인해 고령자를 위한 보행 보조기에 대한 관심이 증가되고 있다. 하지만 대부분의 경우 동력이 없는 시스템으로 경사 등의 공간에서 취약성을 가지며, 사용자가 다리에 힘이 없을 경우 편하게 이동할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 동력형 보행보조기에 대한 관심이 증가되고 있다. 대부분의 보행보조기의 사용자는 고령자 이며 사용이 간편하며 편리해야 한다. 따라서 본 논문에서는 사용자의 편리성 증진을 위해 다양한 센서 즉, 가변저항, 힘센서, 스트레치 센서 등을 사용하여 사용자의 보행의지를 파악하기 위한 장치를 개발하였다. 또한 개발된 장치에 대한 평가를 하기위해 센서의 응답성 및 복원성을 20ms단위로 측정하여 비교 평가하였다. 결과적으로 가변 저항형 핸들바의 응답성은 420ms 이며 복귀성은 380ms이고 힘센서를 이용한 핸들바 응답성은 320ms 이며 복귀성은 220ms이다. 스트레치 센서의 응답성은 160ms, 복귀성은 140ms으로 가장 뛰어난 것을 검증하였다.
Recently, the interest on walking assistances in order to assist aged people has increased due to the increase of the aged. However, most walking aid systems have a weakness for a slope because they don't have power. So, they have a weak point which makes users difficult to move when they are weak i...
Recently, the interest on walking assistances in order to assist aged people has increased due to the increase of the aged. However, most walking aid systems have a weakness for a slope because they don't have power. So, they have a weak point which makes users difficult to move when they are weak in the legs. That is why the interest on walking assistances with power has increased. The use of the walking aid systems should be easy because most users are old people. Thus, we produce module to grasp walking intent of users by using various sensors such as potentiometer, FSR(Force Sensing Resistance) Sensor and Stretch Sensor and calculate the response time to the module. Firstly, the response time of handlebar which is a kind of potentiometer is 420ms and Resilience of it is 140ms. Secondly, the response time of handlebar which use FSR Sensor is 320ms and Resilience of it is 220ms. Finally, the response time of the Stretch Sensor is 160ms and Resilience of it is 140ms. The performance of Stretch Sensor is the best among the three kind of sensors.
Recently, the interest on walking assistances in order to assist aged people has increased due to the increase of the aged. However, most walking aid systems have a weakness for a slope because they don't have power. So, they have a weak point which makes users difficult to move when they are weak in the legs. That is why the interest on walking assistances with power has increased. The use of the walking aid systems should be easy because most users are old people. Thus, we produce module to grasp walking intent of users by using various sensors such as potentiometer, FSR(Force Sensing Resistance) Sensor and Stretch Sensor and calculate the response time to the module. Firstly, the response time of handlebar which is a kind of potentiometer is 420ms and Resilience of it is 140ms. Secondly, the response time of handlebar which use FSR Sensor is 320ms and Resilience of it is 220ms. Finally, the response time of the Stretch Sensor is 160ms and Resilience of it is 140ms. The performance of Stretch Sensor is the best among the three kind of sensors.
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문제 정의
본 논문에서는 노인 및 장애인의 활동을 보조하기 위한 보행보조기기의 중요 기술인 사용자의 진행하고자 하는 방향과 속도를 검출하는 세가지 형태의 보행보조기기의 보행의지 파악 장치를 구연하고자 한다. 첫 번째로 모터사이클의 손잡이 형태의 가변 저항형 보행의지 파악 장치를 구연 하였으며, 두 번째로 사용자의 힘이 보행보조기기에 전달 됨을 이동한 힘센서를 이용하여 보행 의지 파악 장치를 구연 하였다.
본 논문에서는 보행보조기기 사용자의 편리성 증진을 위해 시중에서 판매하고 시중에서 쉽게 구할 수 있는 센서를 이용하여 핸들바 시스템을 구현하고, 각 핸들바 시스템의 시스템 응답성을 고찰하였다. 본 논문에서 제작한 핸들바 시스템은 가변저항형 핸들바 및 힘센서를 이용한 핸들바와 스트레치 센서 모듈이며, 이의 시스템 성능 분석을 위해 실제 제작된 능동형의 보행보조기기를 구동하면서 시스템 응답 속도를 비교 분석하였다.
제안 방법
따라서 FSR센서를 사용하였다. FSR센서는 힘의 크기에 따라 저항값이 변화하는 센서로써 센서에서 들어오는 노이즈를 제거하고 센서 힘의 크기를 명확하게 하기 위해 Moving - Averager Filter를 이용하여 노이즈를 제거하였으며, 이렇게 해서 평활화된 센서 데이터에 대해 일반적인 힘의 크기와 비교하기 위해 데이터를 분석하여 식(3)과 같이 센서 데이터를 일반 힘의 물리량으로 선형화 하였다. 그림 4는 FSR 센서를 이용한 핸들바 특성 곡선을 나타낸다.
가변 저항형 센서는 사용자가 앞으로 전진 할 경우 손잡이가 돌아가는 현상을 측정하였으며, 힘센서는 사용자가 센서에 힘이 가해지는 크기의 정도를 파악 하였으며, 스트레치센서는 센서의 늘어난 힘을 측정하였다. 사용자의 보행 의지 파악을 비교분석하기 위해 각 센서를 10회 비교 분석하였다.
가변저항형태의 핸들바를 자체적으로 기구 설계하여 보행 의지를 파악할 수 있도록 하였다. 보행보조기의 핸들바는 크게 그림 1과 같이 3가지 부분으로 나누어져 있다.
가변저항 형태의 핸들바는 손잡이를 앞뒤로 돌림으로 해서 저항 값이 변화한다. 노이즈를 제거하고 센서 힘의 크기를 명확하게 하기 위해 Moving - Averager Filter를 이용하여 노이즈를 제거하였다. 이렇게 해서 평활화된 데이터에 대해 회전각도 데이터를 분석하여 식(1)과 같이 데이터를 일반 물리량으로 선형화 하였다.
본 논문에서는 보행보조기기 사용자의 편리성 증진을 위해 시중에서 판매하고 시중에서 쉽게 구할 수 있는 센서를 이용하여 핸들바 시스템을 구현하고, 각 핸들바 시스템의 시스템 응답성을 고찰하였다. 본 논문에서 제작한 핸들바 시스템은 가변저항형 핸들바 및 힘센서를 이용한 핸들바와 스트레치 센서 모듈이며, 이의 시스템 성능 분석을 위해 실제 제작된 능동형의 보행보조기기를 구동하면서 시스템 응답 속도를 비교 분석하였다. 시스템 응답 속도를 분석한 결과, 스트레치센서를 이용하여 보행보조기를 구동하였을 때 응답성이 가변저항형 핸들바를 사용한 것 보다 38.
사용자가 보행 보조로봇을 사용하는지에 대한 여부를 판단할 수 있도록 정전 용량 센서를 이용하여 사용자가 핸들바를 잡고 있는 지 여부를 판단할 수있도록 하였으며, 가변저항을 이용하여 사용자의 의지를 파악할 수 있도록 고안하였다. 가변저항은 원상태로 복원 할 수 있는 힘을 가지고 있지 않기 때문에 자동 복귀형 스프링장치를 이용하여 사용자가 힘을 가하고 있지 않을 경우 원상태로 복원되어 지도록 하였다.
가변 저항형 센서는 사용자가 앞으로 전진 할 경우 손잡이가 돌아가는 현상을 측정하였으며, 힘센서는 사용자가 센서에 힘이 가해지는 크기의 정도를 파악 하였으며, 스트레치센서는 센서의 늘어난 힘을 측정하였다. 사용자의 보행 의지 파악을 비교분석하기 위해 각 센서를 10회 비교 분석하였다.
첫 번째로 모터사이클의 손잡이 형태의 가변 저항형 보행의지 파악 장치를 구연 하였으며, 두 번째로 사용자의 힘이 보행보조기기에 전달 됨을 이동한 힘센서를 이용하여 보행 의지 파악 장치를 구연 하였다. 세 번째로 사용자가 이동함으로서 센서의 늘어남을 이용하여 스트레치 센서를 사용한 보행의지 파악장치를 구현 하였다. 위 세가지 센서를 기초로 사용자가 이동하고자 하는 이동 방향과 이동속도 데이터를 기초로 보행보조기기의 차량 속도와 방향에 대해 구동 바퀴의 차동 구동을 통해 사용자의 의지에 맞춰 구동할 수 있도록 하였다.
가변저항의 경우 앞으로 돌릴 경우 저항 값이 올라가며 뒤로 돌릴 경우 저항 값이 내려가도록 되어있다. 손목의 돌림 정도 데이터의 차이를 가지고 보행 의지를 파악할 수 있도록 하였다.
세 번째로 사용자가 이동함으로서 센서의 늘어남을 이용하여 스트레치 센서를 사용한 보행의지 파악장치를 구현 하였다. 위 세가지 센서를 기초로 사용자가 이동하고자 하는 이동 방향과 이동속도 데이터를 기초로 보행보조기기의 차량 속도와 방향에 대해 구동 바퀴의 차동 구동을 통해 사용자의 의지에 맞춰 구동할 수 있도록 하였다.
34% 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 위의 다양한 보행의지파악 기법을 통하여 조작을 하기 보다는 보행보조기가 사용자의 보행 의지를 반영하여 보행보조기를 구동할 수 있게 하였다. 따라서 노인이나 하지가 약한 장애인과 같은 거동이 불편한 사람들이 보행보조기를 활용함에 있어 보다 간편하고 편리하게 보행보조기를 이용할 수 있도록 하였다.
첫 번째는 사용자가 보행 보조기를 사용하는지에 대한 여부를 판단할 수 있도록 정전 용량 센서를 이용하여 사용자가 핸들바를 잡고 있는 지 여부를 판단할 수 있도록 하였으며, 두 번째는 사용자의 보행 의지에 대해 FSR 센서를 이용하여 사용자의 의지를 파악할 수 있도록 고안하였다. 정전용량 센서의 경우 손잡이 부분에 붙어 있어 사용자가 핸들바를 잡게 될 경우에만 보행보조기가 작동할 수 있도록 구성하였다.
본 논문에서는 노인 및 장애인의 활동을 보조하기 위한 보행보조기기의 중요 기술인 사용자의 진행하고자 하는 방향과 속도를 검출하는 세가지 형태의 보행보조기기의 보행의지 파악 장치를 구연하고자 한다. 첫 번째로 모터사이클의 손잡이 형태의 가변 저항형 보행의지 파악 장치를 구연 하였으며, 두 번째로 사용자의 힘이 보행보조기기에 전달 됨을 이동한 힘센서를 이용하여 보행 의지 파악 장치를 구연 하였다. 세 번째로 사용자가 이동함으로서 센서의 늘어남을 이용하여 스트레치 센서를 사용한 보행의지 파악장치를 구현 하였다.
힘 센서를 이용한 핸들바를 자체적으로 기구설계 하여 보행 의지를 파악할 수 있도록 하였다. 보행보조기의 핸들바는 그림 3과 같이 크게 두 가지 부분으로 나누어져 있다.
성능/효과
본 논문에서 제작한 핸들바 시스템은 가변저항형 핸들바 및 힘센서를 이용한 핸들바와 스트레치 센서 모듈이며, 이의 시스템 성능 분석을 위해 실제 제작된 능동형의 보행보조기기를 구동하면서 시스템 응답 속도를 비교 분석하였다. 시스템 응답 속도를 분석한 결과, 스트레치센서를 이용하여 보행보조기를 구동하였을 때 응답성이 가변저항형 핸들바를 사용한 것 보다 38.09% 뛰어나며, 복귀성은 36.34% 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 위의 다양한 보행의지파악 기법을 통하여 조작을 하기 보다는 보행보조기가 사용자의 보행 의지를 반영하여 보행보조기를 구동할 수 있게 하였다.
그림 8(a)-(c)에 힘 센서와 스트레치 센서의 응답성 및 복귀성 특성을 나타낸다. 실험결과 가변저항 형태의 센서의 응답성은 420ms 이며 복귀성은 380ms이다. 힘 센서의 응답성은 320ms 이며 복귀성은 220ms이다.
후속연구
향후 사용자별로 힘을 쓰는 정도가 다르며 이에 따라 보행 보조기의 반응 또한 사용자별로 구동 하도록 하여 다양한 주행 패턴을 가지는 구동 알고리즘의 구현이 필요 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가변저항 형태의 핸들바는 어떻게 함으로써 저항값이 변화하는가?
가변저항 형태의 핸들바는 손잡이를 앞뒤로 돌림으로 해서 저항 값이 변화한다. 노이즈를 제거하고 센서 힘의 크기를 명확하게 하기 위해 Moving - Averager Filter를 이용하여 노이즈를 제거하였다.
보행 보조기는 누구를 위해 가장 필요한 기구 중에 하나인가?
오늘날 의약의 발달과 삶의 질 향상으로 인해 노인 인구가 급격하게 증가하고 있고 이에 따른 실버 산업 및 노인들을 위한 갖가지 기구들이 개발되고 있다. 그중 보행 보조기는 하지 근력이 약한 노인들을 위해 가장 필요한 기구 중에 하나이다. 대표적인 사례로는 일본 히타치에서 개발된 Power Assisted Walking Support System[1], 아일랜드에서 개발된 PAM-AID[2], 미국 Camegie Mellon 대학에서 개발한 Robotic Walker[3]등이 있다.
동력형 보행보조기에 대한 관심이 증가된 배경은 무엇인가?
최근 노인인구의 증가로 인해 고령자를 위한 보행 보조기에 대한 관심이 증가되고 있다. 하지만 대부분의 경우 동력이 없는 시스템으로 경사 등의 공간에서 취약성을 가지며, 사용자가 다리에 힘이 없을 경우 편하게 이동할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 동력형 보행보조기에 대한 관심이 증가되고 있다.
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