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인휠형 스마트 휠체어를 위한 힘 보조 제어기 설계
Design of the Power Assist Controller for the In-Wheel Type Smart Wheelchair 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.21 no.1, 2011년, pp.80 - 85  

공정식 (인덕대학 기계설계과) ,  백승엽 (인덕대학 기계설계과)

초록
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본 논문은 인휠형 휠체어에 있어 휠 림에 걸리는 외력을 차량의 전압과 회전 속도를 통해 예측하고 이를 통해 각 바퀴에 사용자의 힘에 따라 차량의 방향 및 속도를 제어할 수 있도록 고안된 제어기 설계에 관한 논문이다. 최근 노인 인구의 증가로 인해 노인 및 장애인을 위한 이동기기에 대한 관심이 증가되고 있다. 특히 많은 수의 고령자들이 휠체어를 이용하고 있다. 하지만 고령자의 경우 수동 휠체어 사용 시 국내 지형상의 문제로 인해 구동에 어려움을 겪는다. 또한 전동 휠체어의 경우 조이스틱으로 구동하므로 하체 근력 약화로 인해 휠체어를 이용하는 고령자의 경우, 상체 근력 또한 약화될 수 있다. 이를 극복하기 위해 림(rim)에 힘이 가해지는 힘의 크기를 파악하여 이에 상응하는 모터를 구동시키는 힘 보조형 인휠 전동기에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 대부분의 힘 보조형 인휠 전동기의 경우 힘의 크기를 측정하기 위한 센서 모듈이 장착되어야 하며 이를 위해 힘의 크기를 측정하기 위한 별도의 림을 설계해야 하는 등 기구적 장치가 요구된다. 이에 본 논문에서는 이러한 힘의 크기를 측정하기 위한 림 설계 대신에 모터의 수학적 모델을 기초로 모터에 전달되는 전압과 바퀴의 현재 속도를 토대로 인휠형 모터에 걸리는 외력을 추정하고 이를 토대로 사용자의 이동 속도와 방향을 추정하여 모터를 이동시킬 수 있도록 하였다. 본 논문은 제안된 수학적 모델을 기초로 사용자의 구동 의지력을 정확하게 측정할 있었다. 또한 이를 기초로 한 제어기를 적용할 경우 인휠 휠체어를 사용자의 의지에 따라 이동할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the design of the power-assisted controller for the in-wheel type smart wheelchair by using torque estimation that is predicted by relationship between input voltage and output wheel angular velocity. Nowadays, interest of the moving assistant aids is increased according to the i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 힘 보조형 전동 휠체어에 힘을 측정하기위한 임의의 센서 없이 차량 제어를 위한 엔코더 등의 속도센서를 이용하여 모터에 걸리는 외력을 추정하고 이를 토대로 사용자의 구동 의지력을 추정할 수 있도록 하였다. 또한 이를 토대로 사용자의 구동 의지값을 힘 보조형 휠체어 제어기를 제안하고 이를 시뮬레이션을 통해 차량이 제안된 제어기를 통해 잘 이동되리라는 것을 시뮬레이션을 통해 증명하였다.
  • 이에 본 논문에서는 힘 보조형 전동 휠체어에 있어 사용자의 구동 의지력을 파악하기 위해 바퀴에 걸리는 외력을 추정하는 알고리즘을 통해 외력을 추정하고, 이 추정된 외력을 기반으로 차량을 제어할 수 있도록 하였다. 이를 위해 힘 측정을 위한 여하의 센서 없이 구동 모터에 현재 인가하는 전압과 현재 각 바퀴의 회전 속도를 통해 사용자가 림을 밀면서 발생하는 외력을 추정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
힘 보조형 전동 휠체어는 기존의 휠체어와는 달리 어떤 구성으로 제작되어야 하는가? 힘 보조형 전동 휠체어는 기존의 휠체어와는 달리 림에 힘을 가하면 가한 힘을 토대로 차량을 구동할 수 있도록 구성하여야 하므로 인휠 기반의 모터 및 림을 그림 1과 같이 설계하였다. 그림 1에서 바퀴는 모터, 드라이버 제어기 일체형인 인휠 모터로 구성하였으며 이외에는 일반 수동휠체어와 동일하게 구성하였다.
휠체어는 어떻게 나뉘는가? 하지만 아직까지는 고령자 및 장애인들을 위한 이동기기로 가장 많이 사용되는 이동기기는 휠체어이다. 휠체어는 크게 수동형 휠체어와 전동 휠체어로 나뉘며, 특히 조이스틱을 이용하여 전동 휠체어를 조작[4-5]하는 연구 및 이에 따른 다양한 제품이 개발되었다. 또한 전동 휠체어를 사용하는 사용자 특히 고령자의 경우 반사 신경 등이 일반인들에 비해 낮기 때문에 이를 극복할 수 있도록 센서를 이용하여 장애물 회피 및 내비게이션 기능을 구현[6]한다던지, 일상생활에서 고령자가 전동휠체어를 이용하여 앉은 자세에서 보다 쉽게 일어날 수 있도록 돕거나 하는 생활지원 기능[7]에 관한 연구들이 진행되고 있다.
고령자의 일상생활을 지원할 수 있는 다양한 이동기기 중 가장 많이 사용되는 이동기기는? 보행보조기의 경우는 최근 수동형 보행보조기 수요가 지속적으로 증가되고 있으며 사용자의 이동성 및 근력보조 향상을 고려한 전동 보행보조기[1-3]에 대한 연구가 진행 중에 있다. 하지만 아직까지는 고령자 및 장애인들을 위한 이동기기로 가장 많이 사용되는 이동기기는 휠체어이다. 휠체어는 크게 수동형 휠체어와 전동 휠체어로 나뉘며, 특히 조이스틱을 이용하여 전동 휠체어를 조작[4-5]하는 연구 및 이에 따른 다양한 제품이 개발되었다.
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참고문헌 (13)

  1. Yasuhiro Nemoto, Saku Egawa, Atshshi Koseki, Shizuko Hattori, Takeshi Ishii, and Masakatsu Fujie, "Power-Assisted Walking Support System for Elderly," Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 20, No. 5, pp. 2693-2695, 1998. 

  2. Aaron Morris, Raghavendra Donamukkala, anuj Kapuria, Aaron Steinfeld, Judith T, Matthews, Jacqueline Dunbar-Jacob, and Sebastian Thrun, "A Robotic Walkier That Provides Guidance," Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 25-30, 2003. 

  3. J.S. Kong, D.K, Lee, Y.S. Nam, B.H. Lee, and E.H. Lee, "Optimized Walking Will Recognizing System of the Walking Aid with the Fuzzy Algorithm," Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol. 18, No. 5, pp. 692-699 2008. 

  4. R.A. Cooper, L.M. Widman, D.K. Jones, R.N. Robertson, and J.F. Ster, "Force Sensing Control for electric powered wheelchairs," IEEE Trans. on Control Systems Technology, Vol. 8, no. 1, pp. 112-117, 2000. 

  5. S. Katsura and K. Ohnishi, " Semiautonomous wheelchair Based on quarry of environmental information," IEEE Trans. on Industrial Electronics Society, Vol. 53, No. 4, pp. 1373-1382, 2006. 

  6. Richard Simpson, Edmund LoPresti, Steve Hayashi, ,Illah Nourbakhsh and David Miller, "The Smart Wheelchair Component System," Journal of Rehabilitation Research and Development, Vol. 41, No. 3B, pp. 429-442, 2004. 

  7. Atsuhiro Nakamura, Gen Obayashi, Yasunari Fujimoto, Osamu Nitta, and Toru Yamaguchi, "Development of Intelligent Power Wheelchair Assisting for Frail Elderly People on Daily Life," Int. Joint. Conf. ICROS-SICE, pp. 2754-2757, 2009. 

  8. R. A. Cooper, T. A. Corfman, S. G. Fitzgerald, M. L. Boninger, D. M. Spaeth, W. Ammer, and J. Arva, "Performance Assessment of a Pushrim-activated Power-Assisted Wheelchair Control System," IEEE Trans. Control System Technology, Vol. 10, No. 1, pp. 121-126, 2002. 

  9. Y. Takahashi, S. Ogawa, and S. Machida, "Front Wheel Raising and Inverse Pendulum Control of Power Assist Wheelchair Robot," In Proc. IEEE IEOCN, pp. 668-673, 1999. 

  10. H. Seki and S. Tadakuma, "Straight and circular Road Driving Control for Power Assisted Wheelchair Based on Fuzzy Algorithm," IEEE IECON, pp. 3898-3903, 2006. 

  11. H. Seki, T. Sugimoto, and S. Tadakuma, "Driving Control of Power Assisted Wheelchair Based on Minimum Jerk Trajectory," Int. Conf. on Power Electronics, pp. 1682-1687, 2005. 

  12. Yuusuke Oonishi, Sehoon Oh, and Yoichi Hori, "A New Control Method for Power-Assisted Wheelchair Based on the Surface Myoeletric Signal," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 9, pp. 3191-3196, 2010. 

  13. G. Dudek and M. Jenkin,"Computational Principles of Mobile Robot," Cambridge university press, pp. 26-27, 2000. 

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