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.
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.
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...
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 increase in population of the elderly and the handicapped person. However some of the moving assistant aids have problems. For example, manual wheelchair has difficulty moving at the slope, because users lack the muscular strength of their arm. In electric wheelchair case, users should be weak by being decreased muscles of upper body. To overcome these problems, power-assisted electric wheelchair are proposed. Most of the power-assisted electric wheelchair have the special rims that can measure the user's power. In here, the rims have to be designed to install the sensors to measure user's power. In this paper, we don't design the rim to measure the man power. To predict the man power, we propose a control algorithm of the in-wheeled electric wheelchair by using torque estimation from the wheel. First, we measure the wheel velocity and voltage at the in-wheel electric wheelchair. And then we extract driving will forces by using proposed mathematical model. Also they are applied at the controller as the control input, we verify to be able to control in-wheel type smart wheelchair by using simulation.
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 increase in population of the elderly and the handicapped person. However some of the moving assistant aids have problems. For example, manual wheelchair has difficulty moving at the slope, because users lack the muscular strength of their arm. In electric wheelchair case, users should be weak by being decreased muscles of upper body. To overcome these problems, power-assisted electric wheelchair are proposed. Most of the power-assisted electric wheelchair have the special rims that can measure the user's power. In here, the rims have to be designed to install the sensors to measure user's power. In this paper, we don't design the rim to measure the man power. To predict the man power, we propose a control algorithm of the in-wheeled electric wheelchair by using torque estimation from the wheel. First, we measure the wheel velocity and voltage at the in-wheel electric wheelchair. And then we extract driving will forces by using proposed mathematical model. Also they are applied at the controller as the control input, we verify to be able to control in-wheel type smart wheelchair by using simulation.
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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.
제안 방법
그리고 이 추출된 구동 의지력을 토대로 사용자가 전진, 회전 및 임의의 동작을 수행하기 위해 휠체어 양단의 림에 힘을 가했을 경우 가한 힘의 크기에 따라 차량이 가한 힘에 따라 이동함을 알 수 있었다. 또한 시그모이드 함수를 적용하여 일반 수동형 휠체어와 같은 구동 특성을 보일 수 있도록 알고리즘을 제안하였고 실제 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다.
이 정보를 토대로 사용자가 휠체어를 구동함에 있어 전진 및 회전 의지력을 파악함으로써 바퀴 제어를 위해 구성된 엔코더 이외 임의의 다른 장치 없이 사용자의 이동 의지력에 따라 이동할 수 있도록 하였다. 또한 측정된 데이터를 기초로 차량 제어를 수행하여 구동 외력에 따른 차량 제어를 실시할 수 있도록 하였으며 시뮬레이션을 통해 이를 증명하였다.
본 논문에서는 MATLAB을 이용하여 제시된 보행보조기 및 구동기 사양에 맞춰 시뮬레이션을 수행하였다. 모터에 되먹임 제어를 수행할 경우 외력이 작용한 경우와 외력이 작용하지 않았을 때의 모터의 회전 속도는 그림 7과 같다.
이제 추정된 차량의 각 바퀴의 속도를 모터제어기에 적용하여 모터를 제어할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 모터 제어기로 PID제어기(Proportional Integral Derivative controller)를 적용하였다.
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. 이 정보를 토대로 사용자가 휠체어를 구동함에 있어 전진 및 회전 의지력을 파악함으로써 바퀴 제어를 위해 구성된 엔코더 이외 임의의 다른 장치 없이 사용자의 이동 의지력에 따라 이동할 수 있도록 하였다. 또한 측정된 데이터를 기초로 차량 제어를 수행하여 구동 외력에 따른 차량 제어를 실시할 수 있도록 하였으며 시뮬레이션을 통해 이를 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. 이 정보를 토대로 사용자가 휠체어를 구동함에 있어 전진 및 회전 의지력을 파악함으로써 바퀴 제어를 위해 구성된 엔코더 이외 임의의 다른 장치 없이 사용자의 이동 의지력에 따라 이동할 수 있도록 하였다.
이에 본 논문에서는 식(7)에서와 같이 차량의 속도에 시그모이드 함수 δ(t,T)를 적용함으로써, 림에 힘을 가한 시점 T시간부터 가속도에 의한 차량의 속도가 정확하게 반영되다가 사용자 설정시간 α 시간이 되면 차량의 속도가 0에 근접하게 함으로써 림에 사용자가 힘을 적용한 시간 동안의 힘에 의한 가속도 크기가 가장 큰 값에 비례하여 시간을 결정되며, 이에 따라 사용자가 힘을 크게 가하면 차량이 이동하는 시간을 늘려 차량이 보다 많이 이동할 수 있도록 하였다.
2Nm가 되며 저역통과필터를 통해 필터링된 비교적 정확한 데이터를 추출함을 알 수 있다. 이제 이 데이터를 토대로 직진 모션 및 회전 모션일 경우에 차량의 이동 상태를 평가하기로 한다. 그림 9는 동일한 힘으로 좌우 림을 밀었을 경우 차량의 모션 변화를 표시한 그래프이다.
이제 추정된 차량의 각 바퀴의 속도를 모터제어기에 적용하여 모터를 제어할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 모터 제어기로 PID제어기(Proportional Integral Derivative controller)를 적용하였다.
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.
대상 데이터
본 논문에 적용된 힘 보조형 전동 휠체어는 그림 6과 같다. 본 논문에서 시뮬레이션에 적용된 전동 휠체어는 시트 폭이 380mm 바퀴사이 폭이 500mm, 최대높이 750mm, 앞 뒤 폭 1100mm 질량이 14.5Kg의 대성 DS911A 시트분리형 휠체어에 개당 8Kg의 인휠 모터를 장착하였다. 이때 보행보조기에 적용된 모터 및 감속기 사양은 표 1과 같다.
이론/모형
이제 차량 중심의 선가속도와 각가속도를 토대로 차량 각 바퀴에 걸리는 휠의 속도를 Ackman 구동 방식으로 유도하였다.Ackman구동 방식은 순간 회전 중심(ICR: Instantaneous Center of Rotation)을 중심으로 하는 회전 운동으로 4개의 바퀴가 회전 중심을 기준으로 동심원에 접하고 동일한 각속도를 가지게 됨으로써 차량의 움직임이 미끄러짐 없이 이동 가능한 기법이다[13].
식(4)를 통해 사용자가 림에 외력을 가할 경우 실제 인가된 전압과 현재 휠에 걸리는 속도와의 차이에 의해 사용자가 휠 림에 작용한 힘의 크기를 추출할 수 있다. 이제 추출된 힘의 크기는 노이즈 정보가 첨가되어 있으므로 이를 제거하기 위해 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 적용하였다. 식 (5)는 본 논문에 적용된 저역통과필터이다.
성능/효과
본 시뮬레이션 결과로부터 모터의 되먹임 제어 중에 사용자의 구동 의지력이 들어온 경우 구동 의지력을 정확하게 추출할 수 있었다. 그리고 이 추출된 구동 의지력을 토대로 사용자가 전진, 회전 및 임의의 동작을 수행하기 위해 휠체어 양단의 림에 힘을 가했을 경우 가한 힘의 크기에 따라 차량이 가한 힘에 따라 이동함을 알 수 있었다. 또한 시그모이드 함수를 적용하여 일반 수동형 휠체어와 같은 구동 특성을 보일 수 있도록 알고리즘을 제안하였고 실제 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다.
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.
본 시뮬레이션 결과로부터 모터의 되먹임 제어 중에 사용자의 구동 의지력이 들어온 경우 구동 의지력을 정확하게 추출할 수 있었다. 그리고 이 추출된 구동 의지력을 토대로 사용자가 전진, 회전 및 임의의 동작을 수행하기 위해 휠체어 양단의 림에 힘을 가했을 경우 가한 힘의 크기에 따라 차량이 가한 힘에 따라 이동함을 알 수 있었다.
후속연구
향후 실제 힘 보조형 전동 휠체어에 본 알고리즘을 적용하여 시스템의 신뢰성 실험을 수행할 것이다. 또한 다양한 센서를 통한 힘 추종, 모션 제어 기술 개발 및 다양한 환경에서의 차량의 안정성 및 사용자의 구동의지를 정확하게 반영하기 위한 알고리즘을 개발하여 비평지에서도 안전하게 구동할 수 있는 힘 보조형 휠체어 연구가 진행될 것이다.
향후 실제 힘 보조형 전동 휠체어에 본 알고리즘을 적용하여 시스템의 신뢰성 실험을 수행할 것이다. 또한 다양한 센서를 통한 힘 추종, 모션 제어 기술 개발 및 다양한 환경에서의 차량의 안정성 및 사용자의 구동의지를 정확하게 반영하기 위한 알고리즘을 개발하여 비평지에서도 안전하게 구동할 수 있는 힘 보조형 휠체어 연구가 진행될 것이다.
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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